JP3812902B2

JP3812902B2 - 低融点金属シート及びその製造方法

Info

Publication number: JP3812902B2
Application number: JP2003031436A
Authority: JP
Inventors: 晃生山口; 康弘川口; 慶三小林; 敏幸西尾
Original assignee: Kitagawa Industries Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Kitagawa Industries Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP2004241721A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低融点金属からなる基材をシート状に成形した低融点金属シートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シリコーン等の基材に熱伝導フィラーを充填し、混練・成形してなる熱伝導シートが考えられている。この種の熱伝導シートは、電気・電子装置の内部において、例えば、発熱源となる電子部品と、放熱板や筐体パネル等といったヒートシンクとなる部品（以下、単にヒートシンクという）との間に介在させるように配置して使用される。このように熱伝導シートを配置した場合、電子部品等が発生する熱をヒートシンク側へ比較的良好に逃がすことができる。このため、この種の熱伝導シートは、例えばＣＰＵの高速化等のために不可欠な素材として注目を集めている。
【０００３】
しかしながら、上記のような熱伝導シートでは、熱伝導性を向上させるために基材に多量の熱伝導フィラーを充填する必要があり、シリコーン等の有機材料を基材とした熱伝導シートには熱伝導性向上に限界があった。そこで、ヒートシンクと電子部品との間に低融点合金を配設し、これによってヒートシンク−電子部品間の熱伝導性を向上させる試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５７２９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ヒートシンクと電子部品との間に低融点合金を挟んで使用する場合、低融点合金が融解して滴下するいわゆる液ダレが発生する可能性があった。特に、近年のパソコンでは、マザーボードを縦横どちらにでも配置できるような設計がなされており、基板が鉛直方向に配置される場合は液ダレを一層確実に防止する必要が生じる。そこで、本発明は、熱伝導材として使用可能な低融点金属シートにおいて、液ダレを良好に防止することを目的としてなされた。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の発明は、低融点金属をシート状に成形した基材中に、有機系ポリマーの粒子または繊維が１〜５０重量％分散したことを特徴とする低融点金属シートを要旨としている。
【０００７】
このように構成された本発明では、融解した低融点金属は有機系ポリマーの粒子または繊維に対して濡れ性を有するため、基材を構成する低融点金属が融解しても、基材中に分散した有機系ポリマーの粒子または繊維によって液ダレが防止される。従って、本発明の低融点金属シートは、熱伝導材として使用した場合にも、液ダレを良好に防止することができる。また、本発明では、副次的な効果として、有機系ポリマーを混入したことにより、低融点金属シートを低融点金属のみで構成した場合に比べてコストダウンを図ることができるといった効果が生じる。
【０００８】
しかも、本発明では、上記有機系ポリマーの粒子または繊維が、上記基材中に１〜５０重量％分散している。
有機系ポリマーの粒子または繊維が１重量％未満では液ダレ防止効果が充分に発揮されない可能性があり、５０重量％を超えると熱伝導性が低下してしまう可能性がある。本発明では１〜５０重量％の有機系ポリマーの粒子または繊維を分散させているので、上記効果に加えて、熱伝導性と液ダレ防止とを一層良好に両立することができるといった効果が生じる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、Ｓｎを５〜３０重量％含むＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金からなる低融点金属をシート状に成形した基材中に、有機系ポリマーの粒子または繊維が分散したことを特徴とする低融点金属シートを要旨としている。
本発明でも、融解した低融点金属は有機系ポリマーの粒子または繊維に対して濡れ性を有するため、基材を構成する低融点金属が融解しても、基材中に分散した有機系ポリマーの粒子または繊維によって液ダレが防止される。従って、本発明の低融点金属シートは、熱伝導材として使用した場合にも、液ダレを良好に防止することができる。また、本発明でも、副次的な効果として、有機系ポリマーを混入したことにより、低融点金属シートを低融点金属のみで構成した場合に比べてコストダウンを図ることができるといった効果が生じる。
また、低融点金属を上記組成で構成した場合、融点を６０℃〜１００℃に調整することが容易にでき、次のような効果が生じる。すなわち、融点が１００℃を超える場合は、ソルトバス等を使用する必要が生じるが、融点が１００℃以下であると、湯煎等によって容易に低融点金属を融解させることができ、有機系ポリマーの粒子または繊維を分散させたりシート状に成形したりする作業が極めて容易になる。一方、融点が６０℃未満であると、夏場の輸送時等に融解し、シート形状が変形する可能性がある。本発明では、低融点金属を上記組成で構成することによって融点を６０℃〜１００℃に容易に調整することができるので、上記効果に加えて、熱伝導材として良好な機能を発揮すると共に、製造が容易であるといった効果が生じる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、融点が６０℃〜１００℃の低融点金属をシート状に成形した基材中に、有機系ポリマーの粒子または繊維が分散したことを特徴とする低融点金属シートを要旨としている。
本発明でも、融解した低融点金属は有機系ポリマーの粒子または繊維に対して濡れ性を有するため、基材を構成する低融点金属が融解しても、基材中に分散した有機系ポリマーの粒子または繊維によって液ダレが防止される。従って、本発明の低融点金属シートは、熱伝導材として使用した場合にも、液ダレを良好に防止することができる。また、本発明でも、副次的な効果として、有機系ポリマーを混入したことにより、低融点金属シートを低融点金属のみで構成した場合に比べてコストダウンを図ることができるといった効果が生じる。
また、低融点金属の融点を６０℃〜１００℃に調整する方法としては、上記組成以外にも種々の組成が考えられ、また、何らかの添加物を添加することによって上記融点に調整することも考えられる。本発明では、低融点金属の融点を６０℃〜１００℃としているので、請求項２に関連して説明したのと同様の理由により、上記効果に加えて、熱伝導材として良好な機能を発揮すると共に、製造が容易であるといった効果が生じる。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、上記有機系ポリマーがナイロン系の樹脂であることを特徴とする。
ナイロン系の樹脂は低融点金属に対する濡れ性が良好である。本発明では、有機系ポリマーをナイロン系の樹脂としているので、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、上記粒子または繊維に対する低融点金属の濡れ性を向上させて、一層良好に液ダレを防止することができるといった効果が生じる。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の構成に加え、上記有機系ポリマーの粒子内に、熱伝導フィラーが充填されたことを特徴としている。
本発明では、有機系ポリマーが粒子である場合において、その内部に熱伝導フィラーが充填されているので、低融点金属シート全体としての熱伝導性を一層良好に向上させることができる。従って、本発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、低融点金属シート全体としての熱伝導性を一層向上させることにより、熱伝導材として一層良好な機能を発揮することができるといった効果が生じる。
【００１３】
請求項６記載の発明は、Ｓｎを５〜３０重量％含むＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金を、６０℃〜１００℃に加熱して融解させ、該融解した合金中に有機系ポリマーの粒子または繊維を分散させた後、シート状に成形することを特徴とする低融点金属シートの製造方法を要旨としている。
【００１４】
前述のように、Ｓｎを５〜３０重量％含むＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金は、６０℃〜１００℃に加熱することによって容易に融解させることができる。こうして融解された上記合金中に有機系ポリマーの粒子または繊維を分散させた後、シート状に成形すれば、請求項２記載の低融点金属シートが得られる。従って、本発明では、請求項２記載の低融点金属シートを容易に製造することができるといった効果が生じる。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の構成に加え、上記加熱を湯煎によって行うことを特徴としている。
本発明では、請求項６における加熱（６０℃〜１００℃）を、湯煎によって行っている。湯煎による加熱は極めて容易である。従って、本発明では、請求項６記載の発明の効果に加えて、請求項２記載の低融点金属シートを一層容易に製造することができるといった効果が生じる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。図１は、本発明が適用された低融点金属シート１の構成を模式的に表す説明図である。図１に示すように、本実施の形態の低融点金属シート１は、Ｓｎを５〜３０重量％含むＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金（融点＝６０℃〜１００℃）をシート状に成形した基材３中に、有機系ポリマー（１２ナイロン，６６ナイロン，６ナイロン，ＰＥＳ等：融点＝２００℃以上）の粒子５が分散した構成を有している。
【００１７】
上記合金のような低融点金属は、融解した場合に有機系ポリマーの粒子５に対してある程度の濡れ性を有している。このため、上記合金で構成される基材３が融解しても、基材３中に分散した粒子５によって液ダレが防止される。従って、低融点金属シート１は、熱伝導材として使用した場合にも、液ダレを良好に防止することができる。また、低融点金属シート１では、副次的な効果として、粒子５を混入したことにより、低融点金属シート１を低融点金属のみで構成した場合に比べて材料費のコストダウンを図ることができる。
【００１８】
【実施例】
次に、低融点金属シート１を実際に製造し、異なる条件で製造された低融点金属シート（比較例）とその物性を比較した。
（実施例１）
Ｂｉ３０ｇ、Ｉｎ５０ｇ、Ｓｎ２０ｇをそれぞれ秤量し、５００℃の電気炉内で混練することにより合金化を行った。続いて、合金化によって得られたインゴットを坩堝に入れて１００℃の湯煎に挿入し、有機系ポリマーの粒子５と混練した。なお、本実施例では、有機系ポリマーとして球状の１２ナイロン製粒子（アトフィナ製、商品名「オルガソール」）を用いた。更に、合金に対する粒子５の割合は、重量比で９５：５（９９：１〜５０：５０の範囲で変更可能）、体積比で８０：２０（９０：１０〜２０：８０の範囲で変更可能）とした。
【００１９】
上記のようにして得られた混練物をカレンダロールによりシート化し、１００mm×１００mm×０．２mmの低融点金属シート１を得た。なお、カレンダロールによるシート化は、ロール温度を常温に保ったままで行った。
（実施例２）
実施例１と同様にして得られた混練物を、１００℃×２〜３分のプレス成形にかけることにより、シート化して１００mm×１００mm×０．２mmの低融点金属シート１を得た。
（実施例３）
実施例１における有機系ポリマーの粒子５の代わりに、熱伝導フィラーとしての窒化硼素が充填された有機系ポリマーの粒子を使用し、他は実施例１と同様の製造方法で低融点金属シートを得た。なお、上記粒子は、次のようにして構成した。
【００２０】
先ず、２軸押出混練機にて１２ナイロンの樹脂と窒化硼素粒子とを混練し、φ３〜５mmに押し出してペレタイザにより数ミリにカットした。それを冷凍粉砕機にて数十μｍに粉砕し、メッシュにて粒径調整して、上記熱伝導フィラー入りの有機系ポリマー粒子を得た。
（比較例１）
実施例１と同様にして得られた合金のインゴットを、粒子５を混練することなくそのままカレンダロールによりシート化し、１００mm×１００mm×０．２mmの低融点金属シートを得た。
（比較例２）
実施例１と同様にして得られた合金のインゴットを、粒子５を混練することなくそのまま１００℃×２〜３分のプレス成形にかけることにより、シート化して１００mm×１００mm×０．２mmの低融点金属シートを得た。
【００２１】
以上のようにして製造された実施例及び比較例に対し、ＡＳＴＭＤ５４７０の規格に沿った周知の方法で熱抵抗を測定した。また、各実施例及び比較例に対して、次のように液ダレの防止効果を評価した。すなわち、試料を８０℃に加熱した上で１００g/cm²の圧力を３０分間印加した後の液ダレの有無を、目視にて観察し、液ダレ有りを「×」、液ダレなしを「○」とした。結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１に示すように、各実施例の低融点金属シート１では、極めて低い熱抵抗を確保すると共に、液ダレを良好に防止することができた。また、粒子５の中に熱伝導フィラーを充填した実施例３では、熱抵抗を一層低下させることができた。なお、熱伝導フィラーとしては、実施例３のものの他、アルミナ，炭化珪素，グラファイト等を使用することができる。このため、各実施例の低融点金属シート１は、電子部品等とヒートシンクとの間に挟んで熱伝導材として使用する場合、極めて顕著な効果を発揮する。また、上記各実施例では、基材３を構成する低融点金属の融点を６０℃〜１００℃に調整したので、熱伝導材として使用する際にも融点が低過ぎることはなく、しかも、湯煎等を利用した製造が可能となって製造が極めて容易になる。
【００２４】
なお、本発明は上記実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、シート状に成形する際の成形方法としては、上記の他にもコータ等の各種方法が適用でき、低融点金属としては、上記の他、Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｚｎ合金等を使用することができる。
【００２５】
また、有機系ポリマーとしても、融解した低融点金属に対する濡れ性が良好なものであれば種々のものを使用することができる。また、粒子５の表面にプラズマ等による処理を施して濡れ性を向上させてもよい。更に、粒子状ではなく、同様の有機系ポリマーで繊維状に形成したものを使用してもよい。なお、粒子５として、金属製の球等を有機系ポリマーで被覆したものを使用しても同様の効果が得られる。すなわち、本発明における「有機系ポリマーの粒子」とは、少なくとも表面が有機系ポリマーで構成されていればよい。
【００２６】
更に、製造方法としても、上記各実施例で挙げたもの以外に種々の方法を利用することができる。例えば、低融点金属と粒子５とを混練する場合、低融点金属も粒子状に形成しておき、両粒子を撹拌しながら加熱してもよい。この場合、粒子５を構成する有機系ポリマーと低融点金属との間に比重差がある場合でも、基材３中に均一に粒子５を分散させることができる。また、撹拌時の温度を、低融点金属が完全に融解しない程度の温度とすれば、基材３中に一層均一に粒子５を分散させることができ、脱気しながら撹拌を行えば気泡が混入して熱抵抗が下がるのを防止することができる。
【００２７】
更に、図２に示すように、低融点金属を多数の箔３３としておき、その箔３３の間に粒子５を挟んだ上で圧延することによっても、図１に示したような低融点金属シート１を製造することができる。この場合も、上記各実施例の製造方法によって製造した場合と同様に、粒子５の周りで低融点金属がくっつき合い、得られた低融点金属シート１は上記各実施例と同様の特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された低融点金属シートの構成を模式的に表す説明図である。
【図２】その低融点金属シートの製造方法の変形例を表す説明図である。
【符号の説明】
１…低融点金属シート３…基材５…粒子３３…箔

Claims

低融点金属をシート状に成形した基材中に、有機系ポリマーの粒子または繊維が１〜５０重量％分散したことを特徴とする低融点金属シート。
Ｓｎを５〜３０重量％含むＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金からなる低融点金属をシート状に成形した基材中に、有機系ポリマーの粒子または繊維が分散したことを特徴とする低融点金属シート。
融点が６０℃〜１００℃の低融点金属をシート状に成形した基材中に、有機系ポリマーの粒子または繊維が分散したことを特徴とする低融点金属シート。
上記有機系ポリマーがナイロン系の樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の低融点金属シート。
上記有機系ポリマーの粒子内に、熱伝導フィラーが充填されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の低融点金属シート。
Ｓｎを５〜３０重量％含むＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金を、６０℃〜１００℃に加熱して融解させ、
該融解した合金中に有機系ポリマーの粒子または繊維を分散させた後、シート状に成形することを特徴とする低融点金属シートの製造方法。
上記加熱を湯煎によって行うことを特徴とする請求項６記載の低融点金属シートの製造方法。