JP5618659B2 - 異方性伝熱体およびその製造法 - Google Patents
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Description
0.4≦TCu/(TCu+TFe)≦0.7 …(1)
TCu+TFe≧1.0 …(2)
0.4≦TCu/(TCu+TFe)≦0.7 …(1)
(i)平行方向3における熱膨張率(例えば20〜100℃あるいは20〜300℃)が垂直方向4と比べ小さくなり、その平行方向3の熱膨張率はアルミニウム系材料や銅系材料よりも大幅に小さく維持できる。
(ii)平行方向3における熱伝導性が垂直方向4よりも良好であり、その平行方向3の熱伝導性は鋼材よりも大幅に優れ、むしろアルミニウム系材料に近いものとなる。
0.4≦TCu/(TCu+TFe)≦0.65 …(1)’
0.4≦TCu/(TCu+TFe)≦0.5 …(1)’’
TCu+TFe≧1.0 …(2)
これより垂直方向厚さが小さいと、平行方向3における熱流量を十分に確保することが難しくなりやすく、その場合には放熱性が不足する。異方性伝熱体の垂直方向厚さは2.0mm以上、あるいは5.0mm以上に管理してもよい。垂直方向厚さの上限については特に制限はないが、例えば50mm以下の範囲において多くの用途で十分な平行方向の熱伝導が実現できる。
銅系層1を構成する金属は、できるだけ熱伝導率の高い銅または銅合金で構成することが望まれる。熱伝導率の大きさは導電率によって評価することができる。種々検討の結果、本発明では、焼鈍状態で85%IACS以上、好ましくは90%IACS以上の導電率を呈する化学組成の銅または銅合金を銅系層に適用する。銅系層が複数種類の銅系素材を面接合した構造を有する場合は、それぞれの素材が焼鈍状態で85%IACS以上、好ましくは90%IACS以上の導電率を呈する化学組成であればよい。例えば、一般的な電気銅めっき鋼板の銅めっき層や、市販の純銅板は、90%IACS以上の導電率を満たす化学組成を有している。
鋼層2を構成する金属は、できるだけ熱膨張率の低い鋼で構成することが望まれる。具体的には20〜100℃の熱膨張率が13×10-6/℃以下である組織状態の鋼で構成されていることが望ましい。既存の多くの普通鋼やフェライト系ステンレス鋼がこれに該当する。したがって、耐食性や強度などの特性が使用用途に合致する鋼種の中から、適切なものを広く選択することができる。
本発明の異方性伝熱体においては、銅系層1と鋼層2からなる各層が面接合により一体化されていることが必要である。接合が面接合であることによって、熱伝導性(特に垂直方向4における熱伝導性)が確保されるとともに、銅系層1の平行方向3への熱膨張が鋼層2からの強固な拘束力で顕著に抑制される。そのような面接合を実現する手法としては、銅系素材自体をろう材とするろう付けや、拡散接合が考えられる。しかし、ろう付けの場合は銅系層が溶融凝固するため、寸法精度の高い異方性伝熱体を工業的に得ることは必ずしも容易ではない。一方、銅系材料と鋼材を直接拡散接合するには、高面圧、高温で保持する必要があり、この場合も寸法精度の高い異方性伝熱体を工業的に低コストで得ることは難しい。
銅めっき鋼板は、鋼板の両面に銅めっきを施したものであっても、片面に銅めっきを施したものであってもよい。両面に銅めっきを施したものである場合、両面の銅めっき厚さがほぼ同一でもあってもよいし、異なる厚さであってもよい。
図4に、本発明の異方性伝熱体の垂直方向端部に電装発熱部品が接続され、平行方向端部に放熱体が接続されて使用される場合における各部材の断面構造を模式的に例示する。銅系層1と鋼層2からなる異方性伝熱体10の垂直方向端部40に、電装発熱部品21と、それを保持する台座22で構成される発熱体が対をなして搭載されている。また、異方性伝熱体10の平行方向端部30には、放熱体23が取り付けられている。放熱体23は例えばアルミニウム製のヒートシンクであり、平行方向端部30の一部領域または全部領域(周囲全体)に設けられる。電装発熱部品21からの熱が異方性伝熱体10に伝わると、異方性伝熱体10の温度が上昇する。その際、異方性伝熱体10は平行方向3における熱膨張率が小さいために、2つの電装発熱部品21は、間隔や、伝熱体の反りによる角度差が小さく抑えられ、所定の性能が精度良く維持される。また、異方性伝熱体10に導入された熱は平行方向3に良好に伝導し、放熱体23から外部へ効率的に放出される。
・板厚4.0mmのS55C(JIS規格相当品)プレート
・板厚0.25mmのS55C(JIS規格相当品)シートの両面に片面当たり10μmの電気銅めっきを施した銅めっき鋼板
・厚さ0.08mm、0.25mmの各純銅シート
・板厚4.0mmの純銅プレート
これらの試料について以下のように熱膨張率と導電率を測定した。
縦型熱膨張計(真空理工社製DL−7000)を用いて、昇温速度10℃/minにて20〜100℃間の熱膨張率、および20〜300℃の熱膨張率を求めた。その結果を図6、図7に示す。積層体においては、水平方向と垂直方向で熱膨張率は異方性を呈することがわかる。銅系層の合計厚さをTCu(mm)、鋼層の合計厚さをTFe(mm)とするとき、TCu/(TCu+TFe)の値(すなわち垂直方向厚さに占める銅層の割合)が0から増大すると熱膨張率は上昇していくが、水平方向における熱膨張率はTCu/(TCu+TFe)が0.7となっても、依然として銅系材料より鋼材に近い低熱膨張性が維持される。
熱伝導性の評価に代えて、ここでは容易に測定できる導電率を評価した。これは、金属材料の電気伝導率と熱伝導率の間には、次の関係が成り立つためである。
K/σ=LT
ここで、
K :熱伝導率
σ :電気伝導率
L :ローレンツ定数 2.44×10-8 WΩK-2
T :絶対温度
この式は、金属の種類を問わず温度が同じであれば、K/σの値はほぼ同じであることを示しており、ヴィーデマン・フランツ則として知られている。すなわち、導電率(電気伝導率)が高い材料は、熱伝導率も高いことになる。これは、金属の場合、熱伝導と電気伝導の両方の大部分を自由電子が担うためである。これを利用して、導電率を評価することにより、熱伝導率の傾向を把握することが可能である。
2 鋼層
3 平行方向
4 垂直方向
5 積層部分
6 冷却フィン
7 銅めっき鋼板
8 銅めっき層
9 銅系板状体
10 異方性伝熱体
21 電装発熱部品
22 台座
23 放熱体
24 半導体発熱部品
25 半導体搭載基板
26 緩衝材
30 平行方向端部
40 垂直方向端部
Claims (6)
- 複数枚の電気銅めっき鋼板を互いの表面同士が密着するように重ね合わせるか、または電気銅めっき鋼板と銅系板状体を互いの表面同士が密着するように交互に重ね合わせて、銅系材料同士の拡散接合により一体化した積層体であって、厚さ0.05〜5.0mmの銅系層と厚さ0.05〜5.0mmの鋼層が交互に合計5層以上積層しており、銅系層を構成する金属が焼鈍状態で85%IACS以上の導電率を呈する化学組成の銅または銅合金であり、銅系層の合計厚さTCu(mm)と鋼層の合計厚さTFe(mm)が下記(1)式および(2)式の関係を満たす積層体からなる、各層に平行な方向の熱伝導性および低熱膨張特性に優れた異方性伝熱体。
0.4≦TCu/(TCu+TFe)≦0.7 …(1)
TCu+TFe≧1.0 …(2) - 鋼層の厚さが0.2mmを超え5.0mm以下である請求項1に記載の異方性伝熱体。
- 積層体に導入された熱を各層に平行な方向の端部(平行方向端部)へ逃がすように、平行方向端部に放熱体が接続されて使用される請求項1または2に記載の異方性伝熱体。
- 各層に垂直な方向の端部(垂直方向端部)に発熱体が接続されて使用される請求項1〜3のいずれか1項に記載の異方性伝熱体。
- 複数枚の電気銅めっき鋼板と銅系板状体を互いの表面同士が密着するように交互に重ね合わせて、銅系材料同士の拡散接合により一体化した積層体であって、厚さ0.05〜5.0mmの銅系層と厚さ0.05〜5.0mmの鋼層が交互に合計5層以上積層しており、銅系層を構成する金属が焼鈍状態で85%IACS以上の導電率を呈する化学組成の銅または銅合金であり、銅系層の合計厚さTCu(mm)と鋼層の合計厚さTFe(mm)が下記(1)式および(2)式の関係を満たし、銅系板状体は拡散接合された積層部分よりも大面積であり、拡散接合された積層部分から各層に平行な方向にはみ出した銅系板状体の部分を利用して冷却フィンを形成した異方性伝熱体。
0.4≦TCu/(TCu+TFe)≦0.7 …(1)
TCu+TFe≧1.0 …(2) - 複数枚の電気銅めっき鋼板を互いの表面同士が密着するように重ね合わせるか、または電気銅めっき鋼板と銅系板状体を互いの表面同士が密着するように交互に重ね合わせて、0.2〜6.0MPaの積層方向圧力が付与された状態として800〜950℃で拡散接合する請求項1〜3のいずれか1項に記載の異方性伝熱体の製造法。
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