JP5144635B2

JP5144635B2 - 電子装置の製造方法

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Publication number: JP5144635B2
Application number: JP2009293035A
Authority: JP
Inventors: 友森汪; 湲姚; 風偉戴; 継存王; 慧玲張
Original assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: US8081469B2; CN101906288A; CN101906288B; JP2010283327A; US20100302739A1

Description

本発明は、熱伝導部材、該熱伝導部材を含む電子装置及び該電子装置の製造方法に関するものである。

近年、半導体チップの高集積化に伴って、電気部品の小型化の研究が進んでおり、小型電気部品の放熱性をさらに高めることは益々注目されている。それに対応して、小型電気部品の表面に放熱装置を設置する手段は、この技術領域において広く利用されている。しかし、従来の放熱装置と電気部品との接触表面には凹凸があり、緊密に接触できないので、電気部品の放熱効率が低下する課題がある。従って、放熱装置と電気部品との接触表面の間に高熱伝導部材を設置することによって、この両方の接触面積を増加させる提案がある。

従来の熱伝導部材は、熱伝導率が大きいもの、例えば、カーボンナノチューブ、黒鉛、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、銀などの熱伝導粒子がシリカ・ゲルなどの柔軟性を有する基材に混入して形成される複合材料である。カーボンナノチューブは、その軸向に沿って、極めて高い熱伝導率を有するので、今、注目される熱伝導部材の一つである。特許文献１において、熱伝導材料として、複数のカーボンナノチューブが柔軟性を有する基材に均一的に分散される複合材料が開示されている。前記複数のカーボンナノチューブが互いに架橋して、複数の熱伝導パスが形成されている。

前記カーボンナノチューブは、その軸向に沿って、極めて高い熱伝導率を有するが、その径向に沿って、極めて低い熱伝導率を有する。従って、前記複数のカーボンナノチューブからなる複数の熱伝導パスにおいて、該熱伝導パスの長さは該熱伝導パスに形成されるカーボンナノチューブの軸向の長さの総計から決定される。

米国特許出願公開２００５／０１１６３３６明細書

しかし、前記複数のカーボンナノチューブが前記柔軟性を有する基材に分散される方向が、制御しにくいので、該カーボンナノチューブの軸向の方向と熱伝導の方向は、一致する可能性が小さい。従って、熱伝導パスが形成されるために、多くのカーボンナノチューブを提供する必要があり、該多くのカーボンナノチューブが互いに架橋し、複数の熱伝導パスが形成されるので、前記熱伝導部材の熱伝導パスが長い。そのうえ、前記カーボンナノチューブのサイズが小さいので、互いに架橋する二つのカーボンナノチューブの間の熱抵抗が大きく、該カーボンナノチューブの熱伝導性能をよく利用することができない。

従って、本発明は、熱伝導性能が優れた熱伝導部材、該熱伝導部材を含む電子装置及び、該電子装置の製造方法を提供することを課題とする。

熱伝導部材は、保護温度が設定される熱源と放熱装置との間に設置され、前記熱源からの熱を前記放熱装置に伝えることに用いられる。該熱伝導部材は、基材と、該基材の中に分散された複数の複合熱伝導粒子とを含む。各々の複合熱伝導粒子が第一熱伝導粒子及びカーボンナノチューブを含み、且つ該カーボンナノチューブがそれぞれ前記第一熱伝導粒子の中に包まれる。

各々の複合熱伝導粒子の粒径が１００ナノメートルより大きく、その融点が前記熱源の保護温度より高い。

前記熱伝導部材は、粒径が１００ナノメートルより大きい第一熱伝導粒子を含む。

前記熱伝導部材において、前記熱伝導部材に対する前記複合熱伝導粒子の質量比が１５質量％〜９５質量％である。

前記第一熱伝導粒子が金属粒子又は合金粒子である。

電子装置は、保護温度が設定される熱源と、放熱装置と、前記熱源及び放熱装置の間に設置される熱伝導部材と、を含む。前記熱伝導部材が基材と、該基材の中に分散された複数の複合熱伝導粒子とを含む。各々の複合熱伝導粒子が第一熱伝導粒子及びカーボンナノチューブを含み、且つ該カーボンナノチューブがそれぞれ前記第一熱伝導粒子の中に包まれる。

電子装置の製造方法は、熱伝導部材の予備成形体及び保護温度を有する熱源を提供して、前記熱伝導部材の予備成形体が、基材と、該基材の中に分散された複数の第二熱伝導粒子及びカーボンナノチューブとを含み、前記複数の第二熱伝導粒子の粒径が１ナノメートル〜１００ナノメートルであり、その融点が前記熱源の保護温度より低いステップと、前記熱伝導部材の予備成形体を前記熱源の一つ表面に設置するステップと、前記熱源により、前記熱伝導部材の予備成形体を加熱し、該加熱温度が、前記第二熱伝導粒子の融点より高く、且つ前記熱源の保護温度以下であり、前記複数の第二熱伝導粒子を溶融させた後、少なくとも部分の前記第二熱伝導粒子と少なくとも一つのカーボンナノチューブとが複合し、複合熱伝導粒子に形成され、該複合熱伝導粒子の粒径が１００ナノメートルより大きく、その融点が前記保護温度より高いステップと、前記熱伝導部材の予備成形体を冷却するステップと、を含む。

従来の熱伝導部材と比べると、本発明の熱伝導部材は、複数の複合熱伝導粒子を含む。前記複数の複合熱伝導粒子は、第一熱伝導粒子及びカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが前記第一熱伝導粒子の中に包まれるので、同一の複合熱伝導粒子における複数のカーボンナノチューブの間の界面熱抵抗が小さくなる。前記複合熱伝導粒子の熱伝導の方向が制限されないので、前記複数の複合熱伝導粒子が互いに架橋し、形成される熱伝導パスが短い。そのうえ、前記複合熱伝導粒子の粒径が大きく、それ自体の比表面積が小さくなるので、該複合熱伝導粒子と前記柔軟性を有する基材との間の界面抵抗が小さくなり、互いに架橋される前記複合熱伝導粒子の間の熱抵抗が小さくなる。従って、前記熱伝導部材は、前記カーボンナノチューブの優れた熱伝導性能を利用し、優れた熱伝導性能を有する。

前記複合熱伝導粒子の融点が、前記熱源の保護温度より高いので、前記熱源が正常に作動する場合、該複合熱伝導粒子は固体状態を保持するので、前記熱伝導部材は優れた熱伝導性能を有する。

前記電子装置の製造過程において、溶融された前記柔軟性を有する基材及び前記第二熱伝導粒子が、前記熱源及び前記放熱装置と前記熱伝導部材と接触する表面に形成された凹部を、十分に充填させることができる。従って、前記熱伝導部材と前記熱源及び前記放熱装置との間の接触熱抵抗を減少することができる。また、形成された前記複合熱伝導粒子は、粒径が大きく、その比表面積が小さいので、該複合熱伝導粒子と前記柔軟性を有する基材との界面熱抵抗を減少することができる。前記複合熱伝導粒子の融点が、前記熱源の保護温度より高いので、前記熱源が正常に作動する場合、該複合熱伝導粒子は固体状態を保持するので、前記熱伝導部材は優れた熱伝導性能を有する。

本発明の実施例に係る電子装置の構造を示す図である。本発明の実施例１に係る電子装置における熱伝導部材の構造を示す図である。本発明の実施例１に係る電子装置における熱伝導部材を製造する予備成形体の構造を示す図である。本発明の実施例１に係る電子装置の製造方法のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本発明の実施例は、電子装置１００を提供する。該電子装置１００は、熱源１０、放熱装置２０、及び前記熱源１０と放熱装置２０との間に設置され、前記熱源１０からの熱を前記放熱装置２０に伝える熱伝導部材３０を含む。

前記熱源１０は、半導体集積素子、半導体集積回路、抵抗器、コンデンサのような放熱素子のいずれか一種である。該熱源１０には、保護温度Ｔ１が設定されている。前記保護温度Ｔ１は、前記熱源１０が作動できる最大温度である。即ち、前記熱源１０は、前記保護温度Ｔ１又は該保護温度Ｔ１より低い温度まで加熱される場合、作動できる。該熱源１０は、前記保護温度Ｔ１より高い温度まで加熱されると、損傷する。一般的に、前記熱源１０の保護温度Ｔ１は３５０℃以下である。本実施例において、前記熱源１０は中央処理装置（ＣＰＵ）であり、その保護温度Ｔ１は１２０℃であり、正常に作動する温度は４０℃〜６０℃である。

前記放熱装置２０は、前記熱源１０からの熱を速く導き出すことに用いられ、該熱源１０に熱が蓄積されない。

前記熱伝導部材３０は、前記熱源１０と前記放熱装置２０との間に設置されている。図２を参照すると、前記熱伝導部材３０は、柔軟性を有する基材３１及び該基材３１の中に分散された複数の複合熱伝導粒子３２を含む。

前記柔軟性を有する基材３１は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性ポリマーからなる混合体である。前記熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂のいずれか一種である。前記熱硬化性ポリマーは、スチレン−ブタジエンゴム、ゾル−ゲル、シリカゲルのいずれか一種である。本実施例において、前記柔軟性を有する基材３１は、ポリアミド樹脂及びゾル−ゲルからなる混合物である。

前記複合熱伝導粒子３２は、前記柔軟性を有する基材３１に均一に分散されている。前記複合熱伝導粒子３２の融点は、前記保護温度Ｔ１より高い。さらに、前記複合熱伝導粒子３２の粒径が１００ナノメートルより大きいことがこのましい。前記複合熱伝導粒子３２は、第一熱伝導粒子３２１及び該第一熱伝導粒子３２１に包まれたカーボンナノチューブ３２２を含む。各々の第一熱伝導粒子３２１に、少なくとも一本の前記カーボンナノチューブ３２２が包まれている。前記第一熱伝導粒子３２１は、金属、合金、又は金属及び合金の混合物のいずれか一種であり、銀、金、銅又は錫―鉛合金のような熱伝導率が大きいものであることが好ましい。本実施例において、前記第一熱伝導粒子３２１は、粒径が２０ナノメートルである銀粒子である。前記カーボンナノチューブ３２２は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブのいずれか一種又は複数種である。好ましくは、前記カーボンナノチューブ３２２の前記第一熱伝導粒子３２１に対する浸潤性を増加するために、該カーボンナノチューブ３２２の表面を加工処理し、例えば、化学めっき法で該カーボンナノチューブ３２２の表面に金属又は合金をめっきする。

前記カーボンナノチューブ３２２が前記第一熱伝導粒子３２１に包まれるので、同一の複合熱伝導粒子３２において、熱がカーボンナノチューブ３２２から第一熱伝導粒子３２１に伝わり、その後に、該第一熱伝導粒子３２１から次のカーボンナノチューブ３２２に伝わる。従来の技術において、熱はカーボンナノチューブから該カーボンナノチューブと架橋するカーボンナノチューブ又は前記基材に伝わる。前記第一熱伝導粒子３２１の熱抵抗が架橋される部分のカーボンナノチューブ及び前記基材の熱抵抗より大きいので、本実施例の同一の複合熱伝導粒子３２における複数のカーボンナノチューブ３２２の間の界面熱抵抗が小さくなる。

従来の技術において、カーボンナノチューブがその軸向に沿って、極めて高い熱伝導率を有するが、前記複数のカーボンナノチューブが前記基材に分散される方向が制御しにくいので、従来の熱伝導部材の熱伝導パスが長い。本実施例において、前記複合熱伝導粒子３２の熱伝導の方向が制限されないので、前記複数の複合熱伝導粒子３２が互いに架橋し、形成される熱伝導パスが短い。そのうえ、前記複合熱伝導粒子３２の粒径が大きく、それ自体の比表面積が小さくなるので、該複合熱伝導粒子３２と前記柔軟性を有する基材３１との間の界面抵抗が小さくなり、互いに架橋される前記複合熱伝導粒子３２の間の熱抵抗が小さくなる。従って、前記熱伝導部材３０は、前記カーボンナノチューブ３２２の優れた熱伝導性能を利用し、優れた熱伝導性能を有する。

さらに、前記熱伝導部材３０は、前記カーボンナノチューブ３２２が複合されない第一熱伝導粒子３２１を含むことができる。該第一熱伝導粒子３２１の粒径が１００ナノメートルより大きいことが好ましい。この場合、前記熱伝導部材３０は、前記柔軟性を有する基材３１と、前記カーボンナノチューブ３２２を含む複合熱伝導粒子３２と、前記カーボンナノチューブ３２２が複合されない第一熱伝導粒子３２１と、を含む。これにより、前記複数の複合熱伝導粒子３２及び複数の前記第一熱伝導粒子３２１は、互いに架橋し、熱伝導パスが形成される。

図３と図４を参照すると、前記電子装置１００の製造方法は、下記のステップを含む。

第一ステップでは、柔軟性を有する基材３１及び該柔軟性を有する基材３１の中に分散された、複数の第二熱伝導粒子３２１１と複数のカーボンナノチューブ３２２を含む熱伝導部材の予備成形体及び保護温度Ｔ１が設定される熱源１０を提供する。前記保護温度Ｔ１は、前記熱源１０が作動できる最大温度である。即ち、前記熱源１０は、前記保護温度Ｔ１又は該保護温度Ｔ１より低い温度まで加熱される場合、作動できる。該熱源１０は、前記保護温度Ｔ１より高い温度まで加熱されると、損傷する。一般的に、前記熱源１０の保護温度Ｔ１は、３５０℃以下である。前記熱伝導部材の予備成形体は、柔軟性を有する基材３１及び該柔軟性を有する基材３１の中に分散された、複数の第二熱伝導粒子３２１１と複数のカーボンナノチューブ３２２を含む。前記柔軟性を有する基材３１は、ポリアミド樹脂及びゾル−ゲルからなる混合物である。前記第二熱伝導粒子３２１１の粒径が１００ナノメートル以下であり、１ナノメートル〜５０ナノメートルであることが好ましい。該第二熱伝導粒子３２１１の融点Ｔ２は前記熱源１０の保護温度Ｔ１より低い。本実施例において、前記熱源１０は、保護温度Ｔ１が１２０℃であり、正常に作動する温度が４０℃〜６０℃である。前記第二熱伝導粒子３２１１は、その粒径が２０ナノメートルの銀粒子であり、その融点Ｔ２が１００℃である。

第二ステップでは、前記熱伝導部材の予備成形体を前記熱源１０の一つ表面に設置する。前記熱伝導部材の予備成形体を直接前記熱源１０の一つ表面に設置し、又は、前記熱伝導部材の予備成形体を溶剤の中で溶解し、溶液に形成された後、該溶液を前記熱源１０の表面に塗布し、該溶液の中の溶剤を揮発させ、前記熱伝導部材の予備成形体が前記熱源１０の表面に設置される。

第三ステップでは、前記熱伝導部材の予備成形体を加熱させると、前記複数の第二熱伝導粒子３２１１が溶融し、相互に結び付いて、複数の第一熱伝導粒子３２１に形成された後、少なくとも、一部の前記第一熱伝導粒子３２１と少なくとも一本の前記カーボンナノチューブ３２２とが複合する。前記加熱温度は、前記第二熱伝導粒子３２１１の融点Ｔ２より高く、且つ前記熱源１０の保護温度Ｔ１より低く設定されている。前記第二熱伝導粒子３２１１が溶融された後、隣接する少なくとも二つの第二熱伝導粒子３２１１が結び付き、第一熱伝導粒子３２１に形成される。少なくとも、一部の前記第一熱伝導粒子３２１と前記少なくとも一本のカーボンナノチューブ３２２とが複合し、複合熱伝導粒子３２に形成される。勿論、前記複合熱伝導粒子３２の粒径が１００ナノメートルより大きいことが好ましい。本実施例において、前記第一熱伝導粒子３２１が、粒径が１００ナノメートル以上である銀粒子であるので、前記加熱温度は、１００℃〜１２０℃である。

前記第一熱伝導粒子３２１及び第二熱伝導粒子３２１１は、金属又は合金からなる。金属又は合金の一つの特徴として、金属又は合金粒子の直径が１００ナノメートル以下、特に５０ナノメートル以下である場合、その直径が小さくなれば、その融点が低くなる。金属又は合金粒子の直径が１００ナノメートルより大きい場合、その融点は粒径が１００ナノメートル以下である該金属材料又は合金材料の融点より高い。従って、前記第一熱伝導粒子３２１と前記第二熱伝導粒子３２１１とは、同じ材料からなり、直径が同じではないので、それぞれ異なる物理性質を有する。前記第一熱伝導粒子３２１の粒径が１００ナノメートルより大きく、前記第二熱伝導粒子３２１１の粒径が１００ナノメートル以下であることが好ましい。

第四ステップでは、放熱装置２０を、前記熱伝導部材の予備成形体の前記熱源１０に隣接する表面と反対の側に固定する。即ち、該熱伝導部材の予備成形体を、前記熱源１０と前記放熱装置２０との間に位置させる。前記熱伝導部材の予備成形体が溶融状態である時、前記放熱装置２０を前記熱伝導部材の予備成形体に固定するので、前記放熱装置２０と前記熱源１０との距離を調節することができる。前記熱伝導部材の予備成形体は、溶融状態である時、圧縮されやすいので、前記放熱装置２０と前記熱源１０との距離を減少することができ、熱伝導部材の熱伝導パスの長さを減少することができる。

第五ステップでは、前記熱伝導部材の予備成形体を冷却し、前記熱源１０の表面に熱伝導部材３０を形成する。該熱伝導部材の予備成形体を冷却し、熱伝導部材３０が形成された後、該熱伝導部材３０は、粒径が１００ナノメートルより大きい第一熱伝導粒子と複合熱伝導粒子３２を含むかもしれなく、粒径が１００ナノメートルより大きい複合熱伝導粒子３２だけを含むかもしれない。前記第一熱伝導粒子３２１と前記複合熱伝導粒子３２の粒径が１００ナノメートルより大きいので、それらの融点が前記熱源１０の保護温度Ｔ１より高い。本実施例において、前記第一熱伝導粒子３２１が、粒径が１００ナノメートル以上である銀粒子であるので、その融点が９６２℃である。勿論、前記熱伝導部材の予備成形体を冷却し、前記熱伝導部材３０を形成させた後、再び前記熱伝導部材３０を、前記第二熱伝導粒子３２１１が溶融できる温度までに加熱させることができる。この場合、前記熱伝導部材３０における前記第一熱伝導粒子３２１と前記複合熱伝導粒子３２とを溶融させることができなく、固体状態に保持できる。勿論、前記熱源１０は、正常に作動する場合、前記第一熱伝導粒子３２１と前記複合熱伝導粒子３２とが固体状態に保持できる。

前記第一ステップでは、前記熱伝導部材の予備成形体における第二熱伝導粒子３２１１は、粒径が１０ナノメートル〜２０ナノメートルの錫―鉛合金粒子である場合、その融点Ｔ２が９１℃である。

これに対して、前記第三ステップでは、前記第二熱伝導粒子３２１１が、粒径が１０ナノメートル〜２０ナノメートルである錫―鉛合金粒子であるので、前記加熱温度は、９１℃〜１２０℃である。前記第二熱伝導粒子３２１１及び前記ポリアミド樹脂が溶融された後、隣接する少なくとも二つの第二熱伝導粒子３２１１が結び付き、粒径が１００ナノメートルより大きい第一熱伝導粒子３２１に形成される。少なくとも、部分の前記第一熱伝導粒子３２１と前記少なくとも一つのカーボンナノチューブ３２２とが複合し、複合熱伝導粒子３２に形成される。勿論、前記複合熱伝導粒子３２の粒径は１００ナノメートルより大きい。

前記第五ステップでは、前記熱伝導部材の予備成形体を冷却し、前記熱源１０の表面に熱伝導部材３０を形成する。該熱伝導部材３０は、粒径が１００ナノメートルより大きい錫―鉛合金粒子だけを含むかもしれなく、粒径が１００ナノメートルより大きい、錫―鉛合金粒子及び該錫―鉛合金粒子と前記カーボンナノチューブとが複合される複合熱伝導粒子３２を含むかもしれなく、それらの融点が１８３℃である。

前記製造方法において、金属材料の粒径が１００ナノメートル以下である場合、その融点が該金属材料の粒径が１００ナノメートルより大きい場合の融点より低い性質を利用し、熱伝導率が高い金属とカーボンナノチューブとを低い温度で複合し、優れた熱伝導性能を有する熱伝導部材を形成することができる。前記熱伝導部材の製造過程において、溶融された前記柔軟性を有する基材３１及び前記金属材料が、前記熱源及び前記放熱装置と前記熱伝導部材と接触する表面に形成された凹部を、十分に充填させることができる。従って、前記熱伝導部材と前記熱源及び前記放熱装置との間の接触熱抵抗を減少することができ、前記加熱温度が前記熱源を損傷することができない。また、前記第一熱伝導粒子３２１及び前記複合熱伝導粒子３２は、粒径が大きく、その比表面積が小さいので、該第一熱伝導粒子３２１及び該複合熱伝導粒子３２と前記柔軟性を有する基材３１との界面熱抵抗を減少することができる。そのうえ、前記第一熱伝導粒子３２１及び前記複合熱伝導粒子３２の融点が、前記熱源の保護温度より高いので、前記熱源が正常に作動する場合、該第一熱伝導粒子３２１及び該複合熱伝導粒子３２は固体状態を保持するので、前記熱伝導部材は優れた熱伝導性能を有する。

１０熱源
２０放熱装置
３０熱伝導部材
３１基材
３２複合熱伝導粒子
３２１第一熱伝導粒子
３２２カーボンナノチューブ
３２１１第二熱伝導粒子
１００電子装置

Claims

熱伝導部材の予備成形体及び保護温度を有する熱源を提供して、前記熱伝導部材の予備成形体が、基材と、該基材の中に分散された複数の第二熱伝導粒子及びカーボンナノチューブとを含み、前記複数の第二熱伝導粒子の粒径が１ナノメートル〜１００ナノメートルであり、その融点が前記熱源の保護温度より低いステップと、
前記熱伝導部材の予備成形体を前記熱源の一つ表面に設置するステップと、
前記熱源により、前記熱伝導部材の予備成形体を加熱させると、該加熱温度が、前記第二熱伝導粒子の融点より高く、且つ前記熱源の保護温度以下であり、前記複数の第二熱伝導粒子が溶融し、相互に結びついて、複数の第一熱伝導粒子に形成された後、少なくとも一部の前記第一熱伝導粒子と少なくとも一つのカーボンナノチューブとが複合し、複合熱伝導粒子に形成され、該複合熱伝導粒子の粒径が１００ナノメートルより大きく、その融点が前記保護温度より高いステップと、
前記熱伝導部材の予備成形体を冷却するステップと、
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。