JP4116942B2

JP4116942B2 - ヒートシンク用部材およびこれを具備する機器モジュール

Info

Publication number: JP4116942B2
Application number: JP2003200195A
Authority: JP
Inventors: 謙二野田; 和弘岡本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005044841A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定方向へ高い熱伝導度を有するヒートシンク用部材、およびこれをヒートシンクとして使用した機器モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発熱部品の小型化、高容量化に伴い、素子の発熱が他の部品や電気特性に悪影響を及ぼす等の不具合を防止するために発熱部品にて発生した熱を速やかにモジュール外へ放熱するヒートシンクを装着した電子機器用電子基板モジュールが開発されている。
【０００３】
このようなヒートシンク用部材については、電子部品やセラミックス基板との熱膨張係数を近似させ、モジュールに付与されるヒートサイクルにおいて部材間に発生する熱応力を抑制してクラック等が発生することを防止する必要があり、例えば、特許文献１では、シリカアルミナ質繊維強化のアルミニウム又はアルミニウム合金をヒートシンク用部材として用いることにより、セラミックス基板とヒートシンク用部材間の熱膨張係数差を緩和することができると記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、炭素繊維を用いたＣ−Ｃコンポジット材料をヒートシンク用部材として用いることにより、軽量で安価なヒートシンク用部材となることが記載されている。
【０００５】
一方、電子機器用電子基板モジュールにおいては、モジュールの小型化、実装密度向上のために部品間の間隔が狭くなる傾向にあり、周囲の部品の発熱の影響を受けやすい環境になっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３５４６９８号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００１−１２２６７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１および２に記載されたシリカアルミナ質繊維体または炭素繊維を具備するヒートシンク用部材では、放熱性が不十分であるとともに、発熱部品との熱膨張係数差の制御が難しく、かつ発熱部品の周囲に実装された他の電子部品が発熱の影響を受けて特性劣化を引き起こす可能性があった。
【０００９】
本発明は、特定方向への熱伝導度が高く、かつ、熱膨張係数の調整が容易に行える発熱部品を具備するモジュール用として使用可能なヒートシンク用部材、およびこれを具備する機器モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対して検討した結果、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなる長尺状の芯材の外周をタングステンからなる表皮材にて被覆した複合繊維体を一方向に複数本集束させた状態で配列させた複合構造体にてヒートシンク用部材を作製するとともに、前記複合構造体の発熱部品実装面において、前記芯材の断面積Ｓｃの比率（Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｓ）：ただし、Ｓｓは前記表皮材の断面積Ｓｓ）が０．６〜０．９５であることにより、特定方向への熱伝導度が高く、かつ、熱膨張係数の調整が容易に行えることを知見し、本発明を完成させたものである。
【００１１】
すなわち、本発明のヒートシンク用部材は、発熱部品にて発生した熱を放熱するものであって、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなる長尺状の芯材の外周をタングステンからなる表皮材にて被覆した複合繊維体を一方向に複数本集束させた状態で配列させた複合構造体からなるとともに、該複合構造体の発熱部品実装面において、前記芯材の断面積Ｓｃの比率（Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｓ）：ただし、Ｓｓは前記表皮材の断面積Ｓｓ）が０．６〜０．９５であることを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、前記複合繊維体が、前記発熱部品を搭載する面に対して垂直に配列されることが、発熱部品搭載面に実装される他の電子部品への熱拡散を防止する上で望ましい。
【００１３】
また、前記芯材ダイヤモンド質焼結体中のダイヤモンド粒子の平均粒径が２０μｍ以下であることが、結合材の平均自由工程を小さくし、ダイヤモンドの直接結合による骨格構造を形成させることができるとともに、焼結性が向上し、高密度化できる結果、熱伝導率を向上できる点で望ましい。
【００１４】
さらに、前記表皮材が、タングステンからなることがヒートシンク用部材全体の熱伝導度向上および熱膨張係数が容易に調整できる点で重要である。
【００１５】
また、前記芯材の平均直径が２〜５００μｍであることが、熱伝導の異方性および熱膨張係数の制御の点で望ましい。
【００１６】
さらに、本発明によれば、前記複合構造体の前記複合繊維体の繊維方向への熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、繊維断面方向への熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることが、発熱する発熱部品の影響を他の電子部品が受けずに正常作動を保障できる点で望ましい。
【００１７】
また、上記ヒートシンク用部材を具備する電子機器用電子基板モジュールは高実装密度、高信頼性を実現することができるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明のヒートシンク用部材およびこれを具備する機器モジュールについて、その好適例である電子機器用プリント配線基板モジュールの一例についての概略断面図である図１を基に説明する。
【００１９】
図１によれば、電子機器用プリント配線基板モジュールＡは、枠体１と、ヒートシンク２と、蓋体３とによって囲まれたキャビティ４内にＩＣ素子５が収納されている。また、ＩＣ素子５は枠体１の表面および／または内部に設けられた配線（図示せず）とワイヤ６によって電気的に接続されている。
【００２０】
本発明によれば、ヒートシンク２をなすヒートシンク用部材が、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなる長尺状の芯材９の外周をタングステンからなる表皮材１０にて被覆した複合繊維体１１を一方向に複数本集束させた状態で配列させた複合構造体１３からなるとともに、複合構造体１３の発熱部品実装面において、芯材９の断面積Ｓｃの比率（Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｓ）：ただし、Ｓｓは表皮材１０の断面積Ｓｓ）が０．６〜０．９５であることが大きな特徴であり、これによって、ヒートシンク２は、放熱性が高く、かつＩＣ素子５との熱膨張係数差の制御が容易に行えるとともに、発熱したＩＣ素子５の周囲への熱拡散が抑制されて周囲に実装された他の電子部品７がＩＣ素子５の発熱の影響を受けることなく良好な動作を保障することができる。
【００２１】
すなわち、芯材９がダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなることにより、ヒートシンク２の特定方向への熱伝導度を飛躍的に高めてＩＣ素子５にて発生した熱を速やかにヒートシンク２の厚み方向２ｂへ伝播して系外へ逃がすことができるとともに、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなる芯材９の外周に、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体よりも熱伝導率が低いタングステンを配することによって、ヒートシンク３の熱伝導率の異方性を持たせて、例えば図１ではＩＣ素子５の実装面方向２ａへの熱伝導率をＩＣ素子５の実装面と直交する方向２ｂへの熱伝導率よりも低くして、他の電子部品７がＩＣ素子５の発熱の影響によって高熱となり、特性劣化や誤動作を引き起こすことを防止する。
【００２２】
また、ヒートシンク２にＩＣ素子５や他の電子部品７との間での熱膨張差が発生するような場合においても、ヒートシンク２が上記のような複合繊維体１１を一方向に複数本集束した複合構造体１３からなることから、芯材と表皮材との界面が多数存在する構造体自体で熱応力に起因する熱膨張差を分散せしめて構造体全体として熱応力を吸収してＩＣ素子５や他の電子部品７へのヒートサイクル特性を良好に保つことができる。
【００２３】
なお、本発明によれば、芯材９は、ダイヤモンド粒子間を、コバルトの結合相にて結合したものからなる。
【００２４】
さらに、芯材９のビッカース硬度Ｈｖは４５ＧＰａ以上であることが複合繊維体１１の硬度を著しく向上させ、ヒートシンク２の機械的摩耗に対する耐摩耗性を著しく向上させるという点で望ましい。
【００２５】
一方、芯材４をなす焼結体のダイヤモンド粒子２の平均粒径ｄ_１は、高密度化、熱伝導率向上、硬度および強度向上、ダイヤモンド粒子の凝集を防止するとともに保持力を高めてダイヤモンド粒子の脱落を防止するという点で２０μｍ以下、特に０．０１〜５μｍが好ましく、さらには０．１〜２μｍであることが望ましい。
【００２６】
また、ダイヤモンド質焼結体におけるダイヤモンド粒子の含有比率が７０体積％以上、特に９０体積％以上であることが芯材を高熱伝導率化できるとともに、高硬度化する点で望ましい。
【００２７】
さらに、前記ダイヤモンド質焼結体中の残留炭素の含有量が５体積％以下であること、前記ダイヤモンド質焼結体中の気孔率が０．５体積％以下であることが、芯材９の熱伝導率および強度を向上させる点で望ましい。
【００２８】
一方、芯材９の周囲を取り巻く表皮材１０としては、タングステンからなることがヒートシンク用部材全体の熱伝導度向上および熱膨張係数が容易に調整できる点で重要である。
【００２９】
ここで、図２（ａ）、（ｂ）は本発明において用いられる複合繊維体１１の概略斜視図である。図２（ａ）の複合繊維体１１ｓは、芯材９とこの芯材９の外周を被覆し芯材９とは異なる組成の材料からなる表皮材１０とからなるシングルタイプの繊維体である。また、図２（ｂ）の複合繊維体１１ｍは、図２（ａ）のシングルタイプの繊維体１１ｓを複数束ねた集合体を伸延したものでマルチタイプの繊維体である。本発明によれば、ヒートシンク用部材２を形成する複合構造体１３は、ここで示したような複合繊維体１１を集束した構造体によって形成される。
【００３０】
また、複合繊維体１１のサイズは、繊維の軸方向と径方向との熱伝播の異方性を持たせるために、芯材９の直径が２〜５００μｍ、特に５〜３００μｍ、表皮材１０を含めた複合繊維体１１の１本の直径が３〜８００μｍ、特に６〜５００μｍであることが望ましい。
【００３１】
さらに、本発明によれば、前記複合構造体の前記複合繊維体の繊維方向への熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、繊維断面方向への熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることが、他の電子部品が発熱部品の影響を受けずに正常作動を保障できる点で望ましい。
【００３２】
さらにまた、本発明のヒートシンク用部材の厚みは、強度、靭性、耐衝撃性等の機械的的特性に優れたものであり、かつ放熱性の点で、０.５〜５ｍｍ、特に０．５〜２ｍｍであることが望ましい。
【００３３】
また、本発明によれば、シートシンク２をなす複合構造体１３の複合繊維体１１の配置は、図１以外にも図３（ｂ）に示すような、芯材９が繊維方向に向かって次第に径が変化する構成であってもいいし、さらには、図３（ｃ）に示すような、基板を兼ねたヒートシンクの内部に大容量のパワー電流を伝送するような伝送線路１６が形成されているような構成であってもいい。後者の構成によれば、ヒートシンクの表面に他の電子部品７を実装した場合でも、複合繊維体の方向を発熱部品であるパワー伝送線路１６の実装方向と垂直にすることによって、他の電子部品７がパワー伝送線路１６の発熱の影響を受けずにすむ。
【００３４】
なお、複合構造体１３のＩＣ素子５実装面において、芯材９の断面積Ｓｃの比率（Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｓ）：ただし、Ｓｓは表皮材１０の断面積Ｓｓ）が０．６〜０．９５であることが、熱伝導率、強度および熱膨張係数の制御の点で望ましい。
【００３５】
また、図１では、ＩＣ素子を収納したＩＣ素子収納用パッケージモジュールにおいて、本発明のヒートシンク用部材を基板として用いた一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発熱部品としてはマイクロ波・ミリ波等の高周波部品、高容量の電流を伝送するパワートランジスタ・サイリスタ部品、光部品等に適応可能であり、ヒートシンクの形態としても、基板以外に、ステム、サブマウント、キャリア、ハウジングケース、インパットダイオード等として使用することができる。
【００３６】
製造方法
次に、本発明のヒートシンク用部材を製造する方法について図４〜７の模式図をもとに説明する。
【００３７】
複合繊維体１１ｓを作製するにあたり、まず、芯材用成形体９ａを作製する。具体的な方法として、初めに、平均粒径０．０１〜１０μｍ、特に０．１〜３．５μｍのダイヤモンド粉末を５０質量％以上、特に８０質量％以上と、平均粒径０．０１〜１０μｍの結合相を形成するコバルト粉末を５０質量％以下と、の割合で混合し、さらに有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体９ａを作製する（図４（ａ）参照）。
【００３８】
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を５０〜２００体積部、特に７０〜１５０体積部とすることが望ましい。
【００３９】
有機バインダとしては、パラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン‐エチルアクリレート、エチレン‐ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等を使用することができる。
【００４０】
一方、芯材用成形体９ａとは異なる組成の表皮材１０をなす材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮材用成形体１０ａを作製する。この表皮材用成形体１０ａを芯材用成形体９ａの外周を覆うように配置した成形体１１ａを作製する（図４（ｂ）および（ｃ）参照）。
【００４１】
そして、押出機２１を用いて芯材用成形体９ａと表皮材用成形体１０ａとからなる上記成形体１１ａを共押出成形することにより、芯材用成形体９ａの周囲に表皮材用成形体１０ａが被覆され、図２（ａ）に示したような細い径に伸延されたシングルタイプの複合繊維体１１ｓを作製することができる（図４（ｄ）参照）。
【００４２】
なお、図３（ｂ）に示したような芯材９の直径が次第に変化する構成とするためには、プレス成形や鋳込み法等により成形体１１ａを芯材用成形体９ａの直径が次第に変化する構成（円錐台等）とするか、または、成形体１１ａを作製せず、図５に示すような複数の押出口２０を有する押出機２２を使用すれば作製可能である。
【００４３】
また、複合繊維体１１の形成にあたり、図６に示すように、上記共押出した長尺状の複合繊維体１１ｓを複数本集束した集束体２３を再度共押出成形することによって、図２（ｂ）に示したような繊維密度の高いマルチタイプの複合繊維体１１ｍを作製することができる。なお、複合繊維体１１ｓ、１１ｍの断面は、円形のみならず、四角形、三角形でもよい。
【００４４】
そして、図１および図３の１３に示したように、この長尺状の複合繊維体１１を複数列整列させて型内で加熱加圧して複合シートを得る。また、この複合構造体１３を、必要に応じ、図７に示すように、一対のローラ２４間に通して圧延処理し、さらに高密度の複合積層体１５を作製することもできる。
【００４５】
さらに、複合構造体１３または複合積層体１５を所望により超硬合金製等の裏打板上に載置して、３００〜７００℃、１０〜２００時間で昇温または保持させて脱バインダ処理し、ついで、超高圧装置内にセットして加圧圧力４〜６ＧＰａ、温度１３５０〜１６００℃、時間１〜６０分、特に１〜１０分で焼成して複合構造体からなるヒートシンク用部材を作製することができる。
【００４６】
そして、上記ヒートシンク用部材をモジュールの所定位置にろう付け等によって固定し、電子部品等を実装することによって、本発明の機器モジュールを作製することができる。
【００４７】
【実施例】
平均粒径２μｍのダイヤモンド粉末９５質量％とコバルト粉末５質量％との混合粉末に、有機バインダとしてセルロース、ポリエチレングリコールを、溶剤としてポリビニルアルコールを総量で１００体積部加えて混錬して、直径が２０ｍｍの円柱形状にプレス成形して芯材用成形体を作製した。
【００４８】
一方、平均粒径３μｍのタングステン粉末に上記と同様の有機バインダと溶剤を加えて混錬して半割円筒形状の厚さが１ｍｍの表皮材用成形体をプレス成形にて２つ作製し、これらを前記芯材用成形体の外周を覆うように配置して複合繊維体を作製した。
【００４９】
そして、上記複合繊維体を共押出して直径が１ｍｍの伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体１００本を集束して再度共押出成形し、直径が１ｍｍのマルチフィラメント構造の複合繊維体を作製した。
【００５０】
次に、上記マルチフィラメント構造の複合繊維体を並列に整列させて多層構造の複合構造体を作製し、焼結後の厚みが２ｍｍとなるようにカットして図１に示す構造の複合構造体を作製した。
【００５１】
その後、この積層体を３００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、超高圧装置に配置し、１４００℃で５分焼成してヒートシンク用部材を作製した。
【００５２】
得られたヒートシンク用部材について、試料を厚み２．０００ｍｍとなるように切り出してＪＩＳＲ１６１１に準じたレーザフラッシュ法により熱伝導率を測定したところ、長さ方向（２ａ）で３５０Ｗ／ｍ・Ｋ、厚み方向（２ｂ）で１００Ｗ／ｍ・Ｋであった。また、ヒートシンク用部材にＳｉからなる擬似ＩＣチップをロウ付け実装して擬似モジュールを作製し、これにたいして室温から４００℃のヒートサイクルを２０００回施した後に実装状態を確認したが良好であり、クラックや剥離は見られなかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のヒートシンク用部材は、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなる長尺状の芯材の外周をタングステンからなる表皮材にて被覆した複合繊維体を一方向に複数本集束させた状態で配列させた複合構造体からなるとともに、該複合構造体の発熱部品実装面において、前記芯材の断面積Ｓｃの比率（Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｓ）：ただし、Ｓｓは前記表皮材の断面積Ｓｓ）が０．６〜０．９５である構成にてヒートシンク用部材を作製することにより、放熱性が高く、かつ発熱部品との熱膨張係数差の制御が容易に行えるとともに、発熱した発熱部品の周囲への熱拡散が抑制されて周囲に実装された他の電子部品が発熱部品の発熱の影響を受けることなく良好な動作を保障することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒートシンク用部材を具備する電子機器用プリント配線基板モジュールの一例についての概略断面図である。
【図２】本発明のヒートシンク用部材をなす複合繊維体の構造を示す、（ａ）シングルタイプ、（ｂ）マルチタイプの斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のヒートシンク用部材について、複合構造体の配置例を示す概略断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のヒートシンク用部材の製造方法について、シングルタイプの複合繊維体の製造工程を説明するための図である。
【図５】本発明のヒートシンク用部材の製造方法について、シングルタイプの複合繊維体の製造工程の変形例を説明するための図である。
【図６】本発明のヒートシンク用部材の製造方法について、マルチタイプの複合繊維体の製造工程を説明するための図である。
【図７】本発明のヒートシンク用部材の製造方法について、複合構造体の製造工程の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
１枠体
２ヒートシンク
３蓋体
４キャビティ
５ＩＣ素子
６ワイヤ
７他の電子部品
９芯材
９ａ芯材用成形体
１０表皮材
１０ａ表皮材用成形体
１１複合繊維体
１１ｓシングルタイプの複合繊維体
１１ｍマルチタイプの複合繊維体
１３複合構造体
１５複合積層体
１６伝送線路
２０押出口
２１、２２押出機
２３集束体
２４ローラ

Claims

発熱部品にて発生した熱を放熱するヒートシンク用部材であって、該ヒートシンク用部材が、ダイヤモンドとコバルトとからなる超高圧焼結体からなる長尺状の芯材の外周をタングステンからなる表皮材にて被覆した複合繊維体を一方向に複数本集束させた状態で配列させた複合構造体からなるとともに、該複合構造体の発熱部品実装面において、前記芯材の断面積Ｓｃの比率（Ｓｃ／（Ｓｃ＋Ｓｓ）：ただし、Ｓｓは前記表皮材の断面積Ｓｓ）が０．６〜０．９５であることを特徴とするヒートシンク用部材。
前記複合繊維体が、前記発熱部品実装面に対して垂直に配列されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク用部材。
芯材をなす前記ダイヤモンドとコバルトからなる超高圧焼結体中のダイヤモンド粒子の平均粒径が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のヒートシンク用部材。
前記芯材の平均直径が２〜５００μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のヒートシンク用部材。
前記複合構造体の前記複合繊維体の繊維方向への熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、繊維断面方向への熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のヒートシンク用部材。
請求項１乃至５のいずれか記載のヒートシンク用部材を具備する機器モジュール。