JP2019114755A - ヒートシンクおよびこれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱および冷却が繰り返されても、長期間に亘って優れた放熱特性を維持できるヒートシンクを提供する。【解決手段】 本開示のヒートシンクは、第１面を有する基板と、該第１面上に接して位置する樹脂層と、該樹脂層上に接して位置する熱拡散層と、を備える。そして、該熱拡散層の前記第１面に沿った第１方向の熱伝導率は、前記熱拡散層の前記第１面に直行する第２方向の熱伝導率の８倍以上であるとともに、前記基板の熱伝導率より大きい。さらに、前記樹脂層の平均厚みは、前記熱拡散層の平均厚み以上である。【選択図】 図１

Description

本開示は、ヒートシンクおよびこれを用いた電子装置に関する。

ヒートシンク上に、半導体素子、発熱素子、ペルチェ素子等の各種電子部品が搭載された電子装置が知られている。

近年では、電子部品の高出力化が進んできていることから、電子部品の出力時に生じる熱量が大きくなってきている。また、電子装置の小型化が進んできていることから、電子装置を構成するヒートシンクの小型化が求められている。そのため、小型であっても放熱特性に優れるように、基板に熱拡散層を直接載せたヒートシンクが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１０−５６１１４号公報

ここで、金属やセラミックス等からなる基板に熱拡散層を直接載せたヒートシンクの場合、電子部品の動作により、ヒートシンクの加熱および冷却が繰り返されたときに、熱拡散層が基板から剥がれるおそれがあった。そして、熱拡散層が基板から剥がれた場合、熱拡散層と基板との間に熱伝導を阻害する空隙が発生し、放熱特性が低下する。

本開示は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、加熱および冷却が繰り返されても、長期間に亘って優れた放熱特性を維持できるヒートシンクおよびこれを用いた電子装置を提供することを目的とする。

本開示のヒートシンクは、第１面を有する基板と、該第１面上に接して位置する樹脂層と、該樹脂層上に接して位置する熱拡散層と、を備える。そして、該熱拡散層の前記第１面に沿った第１方向の熱伝導率は、前記熱拡散層の前記第１面に直行する第２方向の熱伝導率の８倍以上であるとともに、前記基板の熱伝導率より大きい。さらに、前記樹脂層の平均厚みは、前記熱拡散層の平均厚み以上である。

本開示のヒートシンクは、加熱および冷却が繰り返されても、長期間に亘って優れた放熱特性を維持できる。

本開示のヒートシンクの一例を示す平面図である。 図１に示すヒートシンクの断面図である。

以下に本開示のヒートシンクおよびこれを用いた電子装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本開示のヒートシンク１０は、図１および図２に示すように、第１面１ａを有する基板１と、第１面１ａ上に接して位置する樹脂層２と、樹脂層２上に接して位置する熱拡散層３とを備える。ここで、熱拡散層３とは、第１面１ａに沿った第１方向の熱伝導率と、第１面１ａに直行する第２方向の熱伝導率とが異なる層のことである。このような層とは、例えば、グラフェン、グラファイトまたはカーボンナノチューブ等で構成される層である。なお、第１方向とは、図２における左右方向のことであり、第２方向とは、図２における上下方向のことであり、言い換えれば、熱拡散層３の厚み方向である。

また、本開示のヒートシンク１０において、熱拡散層３の第１方向の熱伝導率は、熱拡散層３の第２方向の熱伝導率の８倍以上であるとともに、基板１の熱伝導率より大きい。ここで、グラフェン、グラファイトまたはカーボンナノチューブで構成される層であっても、第１方向の熱伝導率が第２方向の熱伝導率の８倍以上に必ずなるわけではない。

そして、このような構成を満足していることで、電子部品の出力時に生じる熱が、熱拡散層３において第１方向に効率よく拡散され、熱拡散層３から樹脂層２を介して基板１全体に熱が行き渡りやすくなることから、基板１全体で放熱することができる。

さらに、本開示のヒートシンク１０において、樹脂層２の平均厚みは、熱拡散層３の平均厚み以上である。ここで、樹脂層２と熱拡散層３とは化学的親和性が高い。そして、上記平均厚みの関係を満足していることで、樹脂層２を介して、熱拡散層３が基板１に強固に接合される。これにより、電子部品の動作により、ヒートシンク１０の加熱および冷却が繰り返されても、熱拡散層３が樹脂層２から剥がれにくく、熱拡散層３と樹脂層２との間に熱伝導を阻害する空隙が発生しにくい。よって、上述した構成を満足していることで、本開示のヒートシンク１０は、加熱および冷却が繰り返されても、長期間に亘って優れた放熱特性を維持できる。

また、本開示のヒートシンク１０において、樹脂層２の平均厚みは、熱拡散層３の平均厚みの２倍以上５倍以下であってもよい。このような構成を満足するならば、熱拡散層３から基板１への熱伝導が効果的に行なわれるとともに、樹脂層２を介して、熱拡散層３が基板１にさらに強固に接合される。

また、本開示のヒートシンク１０において、熱拡散層３の平均厚みは、１５μｍ以上４０μｍ以下であってもよい。このような構成を満足するならば、電子部品の出力時に生じる熱を、熱拡散層３において第１方向に効率よく拡散しつつ、樹脂層２への熱を効果的に伝えることができる。なお、樹脂層２の平均厚みは、例えば、１５μｍ以上２００μｍ以下である。

ここで、樹脂層２および熱拡散層３の平均厚みは、図２に示す断面となるようにヒートシンク１０を切断し、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）にて研磨した断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影し、撮影した写真において、樹脂層２および熱拡散層３のそれぞれ５箇所以上の厚みを測定して、平均値を算出することで求めればよい。

また、本開示のヒートシンク１０において、熱拡散層３の第１方向の熱伝導率は、熱拡散層３の第２方向の熱伝導率の４０倍以上であってもよい。このような構成を満足するならば、電子部品の出力時に生じる熱が、熱拡散層３において第１方向にさらに効率よく拡散されることで、基板１全体で効率良く放熱することができる。

また、本開示のヒートシンク１０は、平面透視において、熱拡散層３の面積をＡ、樹脂層２の面積をＢ、第１面１ａの面積をＣとしたとき、Ａ＜Ｂ＜Ｃであってもよい。このような構成を満足するならば、樹脂層２を介して、熱拡散層３が基板１にさらに強固に接合
されるとともに、熱拡散層３から樹脂層２、樹脂層２から基板１へと熱が円滑に伝わることで、放熱特性が向上する。なお、Ａ：Ｂ：Ｃは、１：１．０２：１．１〜１：１．２：１．５であってもよい。

また、本開示のヒートシンク１０における樹脂層２の主成分は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはシリコーン樹脂であってもよい。ここで、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはシリコーン樹脂を主成分とするとは、樹脂層２を構成する全成分１００質量％のうち、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはシリコーン樹脂が５０質量％以上占めることをいう。このような構成を満足するならば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂およびシリコーン樹脂は、他の樹脂に比べて耐熱性に優れることから、樹脂層２は、長期間に亘って、熱拡散層３や基板１との接合強度を維持することができる。

ここで、樹脂層２を構成する主成分の確認方法としては、以下の方法で測定すればよい。まず、樹脂層２を削り取り、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて、樹脂層２に含まれる樹脂を特定する。その後、図２に示す断面となるようにヒートシンク１０を切断し、ＣＰにて研磨した断面を観察面として、ＳＥＭ付設のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）により樹脂層２を測定する。この測定において、上記樹脂を構成する成分の合計量が他の成分の合計量よりも多ければ、上記樹脂が主成分であるとみなせばよい。

また、本開示のヒートシンク１０における樹脂層２は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化硼素またはダイヤモンドからなるフィラー（以下、単にフィラーとも記載する）を含有していてもよい。このような構成を満足するならば、フィラーは樹脂に比べて熱伝導率が高いことから、フィラーを含有していることで樹脂層２の熱伝導率が高くなり、放熱特性が向上する。なお、樹脂層２は、樹脂層２を構成する全成分１００質量％のうち、フィラーを１０質量％以上４５質量％以下含有していてもよい。

また、樹脂層２が含有するフィラーの材質が、基板１の材質と同じであるならば、樹脂層２の熱膨張係数が基板１の熱膨張係数に近くなり、加熱および冷却が繰り返されても、樹脂層２が基板１からさらに剥がれにくくなる。

ここで、樹脂層２におけるフィラーの含有量は、以下の方法で算出すればよい。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、樹脂層２を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて、樹脂層２に含まれるフィラーの同定を行なう。次に、樹脂層２を削り取り、削り取った樹脂層２の重量を測定した後、樹脂層２の樹脂を薬液で溶かし、残ったフィラーの重量を測定する。そして、フィラーの重量を、削り取った樹脂層２の重量で除算することで、フィラーの含有量を算出することができる。

また、本開示のヒートシンク１０における基板１の第１面１ａのうち樹脂層２に接する接触部（以下、単に接触部とも記載する）は、粗さ曲線から求められる算術平均粗さＲａが０．３μｍ未満であるとともに、粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが−０．５未満であってもよい。

ここで、算術平均粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）に規定された値のことを言う。また、スキューネスＲｓｋとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）に規定されており、粗さの平均高さを中心線とした際に、これに対する山部と谷部との比率を示す指標である。スキューネスＲｓｋが負ならば、谷部よりも山部となる領域の方が大きいことを示している。

このような構成を満足するならば、接触部が凹凸の少なく、特に山部の少ない表面性状
となることから、接触部の熱抵抗が少なくなり、樹脂層２から基板２へと熱が円滑に伝わることで、放熱特性が向上する。

さらに、本開示のヒートシンク１０における接触部は、上述した算術平均粗さＲａおよびスキューネスＲｓｋであるとともに、粗さ曲線から求められる最大断面高さＲｔが０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。ここで、最大断面高さＲｔとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）に規定されており、評価長さにおいて、最大山部の高さと最大谷部の深さとの和を示す指標である。

このような構成を満足するならば、接触部は、樹脂層２との接触面積を大きく維持しつつも、突出した山部や谷部が少ない表面性状となることから、接触部の熱抵抗がさらに少なくなり、樹脂層２から基板１へと熱がさらに円滑に伝わることで、放熱特性が一層向上する。

ここで、第１面１ａの接触部における、算術平均粗さＲａ、スキューネスＲｓｋおよび最大断面高さＲｔは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）に準拠して、以下の方法で測定すればよい。まず、樹脂を溶かす薬液を用いて、樹脂層２を溶かし、第１面１ａの接触部を露出させる。その後、測定条件を、例えば、測定長さを２．０ｍｍ、カットオフ値を０．１ｍｍとし、触針半径が２μｍの触針の走査速度を０．１ｍｍ／秒に設定し、第１面１ａの接触部において、少なくとも３ヵ所測定し、その平均値を求めればよい。

なお、図２に示す断面となるようにヒートシンク１０を切断し、ＣＰにて研磨した断面を、ＳＥＭを用いて観察した際に、第１面１ａの接触部と、第１面１ａのうち樹脂に接していない露出部分との表面性状が同じであると判断できる場合は、第１面１ａの露出部分を測定し、その測定結果を第１面１ａの接触部の測定結果であると見なしてもよい。

また、本開示のヒートシンク１０における熱拡散層３の第１方向の熱伝導率は、基板１の熱伝導率の７倍以上であってもよい。このような構成を満足するならば、本開示のヒートシンク１０の放熱特性が向上する。

また、本開示のヒートシンク１０における基板１は、第１面１ａに対向する第２面１ｂを有し、この第２面１ｂは、複数の突起を有していてもよい。ここで、突起とは、第２面１ｂにおいて、突起を有していない部分を結ぶ線よりも突出している部分のことを指す。また、第２面１ｂに関し、第１面１ａに対向するとは、言い換えれば、第１面１ａの反対に位置するということである。このような構成を満足するならば、本開示のヒートシンク１０は、基板１の第２面１ｂに有する複数の突起により、放熱特性が向上する。

なお、突起は、どのような材質で構成されていてもよいが、基板１と同じ材質で構成されているならば、基板１と突起との熱膨張の差により突起が脱落するおそれが低く、優れた放熱特性が持続する。

また、本開示のヒートシンク１０における突起は、第２面１ｂの正面視における平均径が１０μｍ以上４０μｍ以下であってもよい。なお、ここでの正面視とは、言い換えるならば、第２面１ｂの平面視のことである。このような構成を満足するならば、突起が基板１から取れるおそれが低いとともに、突起の表面積を大きくすることができることから、本開示のヒートシンク１０の放熱特性が向上する。

ここで、第２面１ｂの正面視における突起の平均径については、以下の方法により算出することができる。まず、第２面１ｂを正面視した写真を、ＳＥＭを用いて撮影する。次に、この写真において、突起の輪郭を黒く縁取る。その後、縁取りを行なった写真を用い
て、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）の粒子解析という手法を適用して画像解析を行なう。そして、この画像解析により算出された各突起の円相当径の平均値を、第２面１ｂの正面視における突起の平均径とすればよい。なお、「Ａ像くん」の解析条件としては、例えば結晶粒子の明度を「明」、２値化の方法を「自動」、シェーディングを「有」とすればよい。

また、本開示のヒートシンク１０における基板１の材質としては、金属やセラミックス等である。金属としては、例えば、アルミニウム、銅、銀およびそれらの合金等が挙げられる。一方、セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等が挙げられる。なお、基板１が酸化アルミニウム質セラミックスからなるならば、加工が容易でありながら、機械的強度に優れる。また、基板１が窒化アルミニウム質セラミックスからなるならば、特に放熱特性に優れる。なお、例えば、酸化アルミニウム質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、酸化アルミニウムを７０質量％以上含有するものである。

ここで、本開示の回路基板１０における基板１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、ＸＲＤを用いて、基板１を測定し、得られた２θの値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により酸化アルミニウムの存在が確認され、ＸＲＦで測定したＡｌの含有量から酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、酸化アルミニウム質セラミックスである。

また、本開示の電子装置は、上述した構成のヒートシンク１０と、ヒートシンク１０の熱拡散層３上に位置する電子部品とを備えるものである。

ここで、電子部品とは、半導体素子、ペルチェ素子、発光素子、抵抗、コンデンサ、インダクタンスおよびスイッチング電源を含み、さらに、トランス、リレー、電動機等も含むものであってもよい。

次に、本開示のヒートシンクおよびこれを用いた電子装置の製造方法の一例について説明する。なお、以下の説明では、基板をセラミックスで構成した場合を例に挙げ、説明する。

以下の方法で、第１面と、第１面に対向する第２面とを有する基板を作製する。まず、主成分となる原料（炭化珪素、酸化アルミニウム等）の粉末に、焼結助剤、バインダ、溶媒および分散剤等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法により成形体を得る。

また、成形体を得る他の方法としては、スラリーを噴霧造粒法（スプレードライ法）により噴霧乾燥して顆粒を造粒し、この顆粒を用いて、金型プレス法、ロールコンパクション法、または射出成形法を用いてもよい。

なお、マシニングによる切削、金型による打ち抜き、レーザ加工等を行なうことにより、任意形状の成形体とすることができる。

そして、基板の第２面となる成形体の表面に、突起となる部分を予め形成してもよい。例えば、凹部を有する型を表面に押し当てたり、レーザ加工やブラスト処理により表面を削ったりすることで、突起となる部分を形成してもよい。または、篩い等を用いて、突起となる粉末を、表面に振り掛けてもよい。

そして、この成形体を焼成することで、基板を作製する。なお、基板の第１面を任意の表面性状とするために、研磨加工してもよい。

次に、第１面に沿った第１方向の熱伝導率が、第１面に直行する第２方向の熱伝導率の８倍以上であるとともに、基板の熱伝導率より大きい、例えば、グラフェン、グラファイトまたはカーボンナノチューブで構成される熱拡散層を準備する。

次に、熱拡散層に両面接着テープである樹脂層を貼る。または、樹脂層となるペーストを熱拡散層に塗布した後、熱処理を行なうことで、熱拡散層上に樹脂層を形成する。ここで、樹脂層の平均厚みは、熱拡散層の平均厚み以上となるようにする。

なお、樹脂層は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはシリコーン樹脂を主成分としてもよい。また、樹脂層に、放熱性を向上させるため、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化硼素またはダイヤモンドからなるフィラーを含有させてもよい。

次に、樹脂層を形成した熱拡散層を、カッター、裁断機、プレスによる打ち抜き、レーザーカット等といった方法で所定のサイズに切断する。その後、プレス機、圧延ロール、貼り合わせ用のローラー等を用いて、基板と樹脂層との間に大きな気泡が残らないように、樹脂層を有する熱拡散層を基板の第１面に貼り合せることで、本開示のヒートシンクを得る。

また、本開示のヒートシンクの熱拡散層上に電子部品を搭載することによって、本開示の電子装置を得ることができる。なお、必要に応じて、金属ろう材、はんだ、熱硬化性樹脂接着材、グリースおよび両面接着テープ等からなる接合材を用いて、熱拡散層と電子部品とを接合してもよい。

１：基板
２：樹脂層
３：熱拡散層
１０：ヒートシンク

Claims (13)

1. 第１面を有する基板と、
   該第１面上に接して位置する樹脂層と、
   該樹脂層上に接して位置する熱拡散層と、を備え、
   該熱拡散層の前記第１面に沿った第１方向の熱伝導率は、前記熱拡散層の前記第１面に直行する第２方向の熱伝導率の８倍以上であるとともに、前記基板の熱伝導率より大きく、
   前記樹脂層の平均厚みは、前記熱拡散層の平均厚み以上であるヒートシンク。
2. 前記樹脂層の平均厚みは、前記熱拡散層の平均厚みの２倍以上５倍以下である請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記熱拡散層の平均厚みは、１５μｍ以上４０μｍ以下である請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記熱拡散層の前記第１方向の熱伝導率は、前記熱拡散層の前記第２方向の熱伝導率の４０倍以上である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒートシンク。
5. 平面透視において、前記熱拡散層の面積をＡ、前記樹脂層の面積をＢ、前記第１面の面積をＣとしたとき、Ａ＜Ｂ＜Ｃである請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒートシンク。
6. 前記樹脂層の主成分は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはシリコーン樹脂である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒートシンク。
7. 前記樹脂層は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化硼素またはダイヤモンドからなるフィラーを含有している請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒートシンク。
8. 前記第１面のうち前記樹脂層に接する接触部は、粗さ曲線から求められる算術平均粗さＲａが０．３μｍ未満であるとともに、粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが−０．５未満である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒートシンク。
9. 前記接触部は、粗さ曲線から求められる最大断面高さＲｔが０．５μｍ以上５μｍ以下である請求項８に記載のヒートシンク。
10. 前記熱拡散層の前記第１方向の熱伝導率は、前記基板の熱伝導率の７倍以上である請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のヒートシンク。
11. 前記基板は、前記第１面に対向する第２面を有し、該第２面は、複数の突起を有する請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のヒートシンク。
12. 前記突起は、前記第２面の正面視における平均径が１０μｍ以上４０μｍ以下である請求項１１に記載のヒートシンク。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載のヒートシンクと、前記熱拡散層上に位置する電子部品とを備える電子装置。
    

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