JP6127456B2

JP6127456B2 - 多孔質熱伝導材の製造方法

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Publication number: JP6127456B2
Application number: JP2012246279A
Authority: JP
Inventors: 川口　康弘; 康弘川口
Original assignee: Kitagawa Industries Co Ltd
Current assignee: Kitagawa Industries Co Ltd
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: JP2014095114A

Description

本発明は、熱伝導性が高くて軽量な多孔質熱伝導材、及びその製造方法に関する。

従来、熱源となる箇所（例えば発熱性の高い素子）に付設されるヒートシンク（放熱体）としては、銅やアルミニウムといった熱伝導性の高い金属材料で形成されたものが利用されていた。

しかし、これらの材料は、線膨張係数が比較的大きいため、例えば熱源となる箇所に対して接着しても、その接合箇所よりも熱膨張しやすく、これが原因で接合面に空隙が生じてしまうと、放熱性能が低下してしまうなどの問題が生じることがあった。

こうした問題に対し、より線膨張係数が小さい素材としては、金属とセラミックスの複合材料が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。下記特許文献１に記載の金属−セラミックス複合材料は、多孔質セラミックス焼結体の気孔内に金属の溶湯を加圧含浸させることによって形成されたものである。同技術において、セラミックス焼結体の例としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナなどが挙げられ、金属の例としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられている。

また、下記特許文献２に記載の高熱伝導性材料は、銅粉末と炭化ケイ素粉末を混合して、その混合粉末を金型に充填してプレス成形し、その成形体を銅の溶融温度付近で焼結することによって形成されたものである。

特開２０００−３３６４３８号公報特開２００２−３５６７３５号公報

しかしながら、上記各文献に記載の材料は、いずれも相応に熱伝導性が高い上に、先に説明したような金属材料に比べれば線膨張係数が低いという特性は備えているものの、極めて重い（比重の大きい）材料となる。

そのため、上記各文献に記載された材料で、ヒートシンクのような放熱部品を製造することはできるものの、そのような放熱部品は極めて重いものとなるので、例えば、軽量化を図りたい機器等で採用することは困難な場合があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来品よりも軽量で熱伝導性にも優れた多孔質熱伝導材、及びその製造方法を提供することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。
本発明の多孔質熱伝導材は、多孔質化された金属からなる担体に、セラミックスからなる粒子を担持した構造を有するものである。

このように構成された多孔質熱伝導材によれば、金属材料とセラミックス材料との複合材料で構成されているので、比較的高い熱伝導性を容易に確保することができる。また、金属材料とセラミックス材料との複合材料で構成されているので、金属材料のみで構成される熱伝導材に比べ、線膨張係数を小さくすることができる。

そのため、例えば、本発明の多孔質熱伝導材を、発熱性の高い半導体素子などの表面に固着しても、金属材料のみで構成される熱伝導材に比べ、熱伝導材の熱膨張が抑制される。したがって、熱伝導材の熱膨張が抑制されれば、素子と熱伝導材との接合面に空隙が生じにくくなるので、そのような空隙が生じることに起因する放熱性能の低下を抑制することができる。

また、金属材料とセラミックス材料の配合比を調節することにより、線膨張係数の値をある程度の範囲内でコントロールすることもできる。したがって、熱伝導材の固着対象箇所の熱膨張率を考慮して線膨張係数の値を調節することで、固着対象箇所と熱伝導材との接合面に空隙が生じるのを抑制することができ、放熱性能の低下を抑制することができる。

さらに、本発明の多孔質熱伝導材は、先行技術として例示したもの（セラミックスの多孔質体に金属を含浸させたものや、セラミックス粉と金属粉を混合・焼結したもの）とは異なり、担体中には気孔部分が残されて多孔質化された構造とされている。そのため、気孔部分のない中実構造とされる先行技術に比べ、気孔部分が残されている分だけ見かけの比重が小さくなり、熱伝導材の軽量化を図ることができる。

また、本発明の多孔質熱伝導材の場合、金属材料とセラミックス材料の配合比を調節することにより、熱伝導材の局所において気孔部分が潰れる方向へ熱伝導材が変形可能な状態にすることもできる。したがって、気孔部分のない中実構造とされる先行技術に比べ、弾性変形若しくは塑性変形させやすい構造にすることもでき、例えば、固着対象箇所の凹凸や曲面に追従する形状に変形させることで、放熱性能を向上させることも可能となる。

ところで、本発明の多孔質熱伝導材において、担体を構成する金属としては、目的とする熱伝導性が確保できれば、どのような金属を用いてもかまわない。ただし、比較的熱伝導性が高いことや、その他の条件（入手の容易さ、コスト面）などを考慮して、実用性が高いと考えられるものをいくつか例示するならば、担体を構成する金属は、銅、銅合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金の中から選ばれるいずれか一種又は二種以上であることが好ましい。

また、セラミックスの粒子についても、目的とする熱伝導性が確保できれば、どのようなセラミックスを用いてもかまわない。ただし、比較的熱伝導性が高いことや、その他の条件（入手の容易さ、コスト面）などを考慮して、実用性が高いと考えられるものをいくつか例示するならば、セラミックスは、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭｇＯ、及びＢＮの中から選ばれるいずれか一種又は二種以上であることが好ましい。

さらに、金属とセラミックスの配合比や、熱伝導材全体に占める気孔率なども、期待する線膨張係数や比重などを勘案して調節されていればよいが、一例を挙げるならば、前記担体を構成する金属部分が２０〜４０体積％、前記セラミックスからなる粒子が２０〜５０体積％、前記担体中に含まれる気孔部分が３０〜５０体積％とされていることが好ましい。

上記金属部分が２０体積％を下回ると多孔質体の骨格となる構造を維持することが難しくなり始め、例えば粒子の担持が困難になったり、熱伝導材全体の形状を維持することが困難になったりする傾向が現れやすくなる。一方、金属部分が４０体積％を上回ると、見かけの比重が大きくなる要因となり、また、線膨張係数が大きくなりやすく、例えば、固着対象箇所との間で膨張率のマッチングが悪くなるなどの問題を招くなどの傾向が現れやすくなる。

また、セラミックスからなる粒子が２０体積％を下回ると、金属部分が増えるため、見かけの比重が大きくなる要因となり、また、線膨張係数が大きくなりやすく、例えば、固着対象箇所との間で膨張率のマッチングが悪くなるなどの問題を招くなどの傾向が現れやすくなる。一方、粒子が５０体積％を上回ると、粒子の担持が困難になるなどの問題を招くなどの傾向が現れやすくなる。

また、担体中に含まれる気孔部分が３０体積％を下回ると、見かけの比重が大きくなる要因となる。一方、気孔部分が５０体積％を上回ると、高い熱伝導性を維持することが難しくなる傾向がある。

また、本発明の多孔質熱伝導材において、担体を多孔質化するための手法は、どのような手法であってもよいが、一例を挙げれば、前記担体は、金属粒子を分散媒に分散させてなるスラリーを発泡樹脂材料中に含浸させてから、前記金属粒子の少なくとも一部を溶融させることが可能な温度条件で加熱して、前記金属粒子間を接合するとともに、前記分散媒中に含まれる成分及び前記発泡樹脂材料を除去することによって形成されたものであると好ましい。このような担体であれば、本発明の多孔質熱伝導材を構成する上で十分に好適な程度まで多孔質化された金属担体となり、所期の熱伝導材を構成することができる。

また、上記のような担体にセラミックスからなる粒子を担持させる手法についても、どのような手法であってもよいが、これも一例を挙げれば、前記発泡樹脂材料は、前記セラミックスからなる粒子が含有された樹脂材料を発泡させたものであると好ましい。このような手法でセラミックスからなる粒子を担持させれば、粒子を多孔質担体中に均一に分散配置することができる。

ちなみに、上記以外の手法としては、金属粒子及びセラミックス粒子の双方をスラリー化して、スラリーを発泡樹脂材料中に含浸させる、という手法を採用することも考え得る。このような手法でも、金属粒子及びセラミックス粒子の双方をスラリー中で均一に分散させることができ、その分散状態のまま発泡樹脂材料中に含浸させることができればよい。

ただし、金属粒子及びセラミックス粒子の比重差や粒径差が原因で、両者を均一に分散させることが難しいこともあるので、そのような場合には、上述の通り、セラミックス粒子を発泡樹脂材料中に分散させておき、金属粒子だけをスラリー中に分散させると好ましい。あるいは、金属粒子を発泡樹脂材料中に分散させておき、セラミックス粒子だけをスラリー中に分散させてもよい。

加えて、本発明の多孔質熱伝導材の製造方法は、金属粒子を分散媒に分散させてなるスラリーを作成する工程と、前記スラリーを発泡樹脂材料中に含浸させる工程と、前記スラリーを含浸させた前記発泡樹脂材料を、前記金属粒子の少なくとも一部を溶融させることが可能な温度条件で加熱することにより、前記金属粒子間を接合するとともに、前記分散媒中に含まれる成分及び前記発泡樹脂材料を除去する工程とを有する製法である。

このような多孔質熱伝導材の製造方法によれば、上述した通りの多孔質熱伝導材を製造することができる。

（ａ）は多孔質熱伝導材の構造を概念的に示す説明図、（ｂ）は多孔質熱伝導材の使用例を示す説明図。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
［多孔質熱伝導材の構造］
本発明の一実施形態として例示する多孔質熱伝導材１は、図１（ａ）に例示するように、多孔質化された金属からなる担体３に、セラミックスからなる粒子５を担持した構造を有する。本実施形態において、担体３を構成する金属としては銅（Ｃｕ）が利用され、粒子５を構成するセラミックスとしては炭化ケイ素（ＳｉＣ）が利用されている。

粒子５は、担体３を形成する金属部分の表面に粒子５の一部が露出する状態、又は、当該金属部分の内部に粒子５全体が包含される状態で、担体３に担持されている。また、多孔質体である担体３には、無数の気孔７が形成されている。本実施形態において、担体３を構成する金属部分は３０体積％、セラミックスからなる粒子５は３０体積％、担体３中に含まれる気孔７の部分は４０体積％とされている。

以上のような構造とされた多孔質熱伝導材１は、目的に応じた所定の形状に加工されて適用対象箇所に装着される。例えば、図１（ｂ）に示すように、発熱性の高い半導体素子１１からの放熱を促す場合には、半導体素子１１の上面形状に応じた形状及び寸法に加工されて、半導体素子１１の上面に固着される。これにより、半導体素子１１で発生する熱が多孔質熱伝導材１へと伝わって、半導体素子１１の温度が低下することになる。

［多孔質熱伝導材の製造方法］
次に、上記多孔質熱伝導材１の製造方法について説明する。
まず、上記粒子５となるＳｉＣ粒子が３０体積％入ったウレタンスポンジを作成した。具体的には、ポリウレタン用のポリオール５０ｇとポリイソシアネート５０ｇと触媒０．０５ｇ及びＳｉＣ粒子２００ｇとを含むウレタン樹脂原料と発泡剤１ｇからなる素材を、６０℃程度に加熱された型に注入して密閉した。その後、１０分間程度発泡成形し、ＳｉＣ粒子が入ったウレタンスポンジを作成した。

また、ポリビニルアルコール粒子２０ｇを水８０ｍｌに溶解してＰＶＡスラリーを作成し、このＰＶＡスラリー１００ｇとＣｕ粉末４００ｇを高速でかき混ぜ、高粘度化し、Ｃｕ粉末入りＰＶＡスラリーを作成した。そして、上記工程で作成したＳｉＣ粒子が入ったウレタンスポンジへ、Ｃｕ粉末入りＰＶＡスラリーを含浸させた。

次に、上記Ｃｕ粒子入りＰＶＡスラリーを含浸させたＳｉＣ粒子含有ウレタンスポンジを、窒素雰囲気とした加熱炉内に入れて、１０００℃にて１０分加熱して、所期の多孔質熱伝導材１を完成させた。

上記加熱工程において、上述のＰＶＡスラリー及びウレタンスポンジの部分は分解、気化される。また、Ｃｕ粒子は一部又は全部が熱で溶解することにより、Ｃｕ粒子間が接合されて、三次元的な網目状の骨格を有する担体３が形成されることになる。ＳｉＣ粒子は、Ｃｕ粒子に比べて融点が格段に高いため、上記加熱工程において粒子が熱で溶解することはなく、粒子状のまま保持されて担体３に担持された粒子５となる。

以上の工程で所期の多孔質熱伝導材１が完成することになるので、以下、必要に応じて所望の形状に加工した上で、適用対象箇所に多孔質熱伝導材１を固着するなど、任意の方法で多孔質熱伝導材１を使用することができる。

［効果］
以上説明した多孔質熱伝導材１によれば、金属材料（Ｃｕ）とセラミックス材料（ＳｉＣ）との複合材料で構成されているので、比較的高い熱伝導性を容易に確保することができるとともに、金属材料のみで構成される熱伝導材に比べ、線膨張係数を小さくすることができる。

そのため、図１（ｂ）に例示したように、発熱性の高い半導体素子１１などの表面に固着した場合、金属材料のみで構成される熱伝導材（ヒートシンクなどの放熱体）に比べ、熱伝導材の熱膨張が抑制される。したがって、多孔質熱伝導材１と半導体素子１１との接合面に空隙が生じにくく、放熱性能の低下を抑制することができる。

また、上記多孔質熱伝導材１は、担体３が多孔質化されることにより、４０体積％もの気孔７を備えているので、セラミックスの多孔質体に金属を含浸させた構造の熱伝導材や、セラミックス粉と金属粉を混合・焼結した熱伝導材のような、中実構造（内部に気孔部分がない構造）の熱伝導材に比べ、単位体積当たりの見かけの質量が小さくなる。したがって、軽量化が要求される機器（例えば、モバイル機器）などにおいて採用する場合に好適であり、機器の総重量削減に寄与することができる。

さらに、上記多孔質熱伝導材１の場合、多孔質熱伝導材１の局所において気孔７が潰れる方向へ担体３が弾性変形ないし塑性変形可能となっている。そのため、例えば、固着対象箇所に凹凸があったり固着対象箇所が曲面になったりしている場合でも、そのような凹凸や曲面に追従する形状に多孔質熱伝導材１を変形させて、多孔質熱伝導材１を固着対象箇所に密接配置することができる。したがって、そのような形状変更が困難な剛性の高い熱伝導材に比べ、凹凸や曲面に適用した場合の放熱性能を向上させることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、担体３を構成する多孔質金属の例として、多孔質化された銅を例示したが、他の金属からなる多孔質体を担体として採用してもよい。他の金属の例としては、アルミニウムを挙げることができる。あるいは、これらの金属の合金を利用してもよく、例えば、銅合金、アルミニウム合金などからなる多孔質体を担体としてもよい。これらの金属については、いずれか一種を採用すればよいが、必要ならば二種以上を併用してもよい。

また、上記実施形態では、粒子５を構成するセラミックスの例として、ＳｉＣを例示したが、熱伝導性が高いセラミックスであれば、他のセラミックスからなる粒子を採用してもよい。熱伝導性が高いセラミックスの例としては、ＳｉＣの他に、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭｇＯ、及びＢＮなどを挙げることができる。これらのセラミックスについても、いずれか一種を採用すればよいが、必要ならば二種以上を併用してもよい。

また、上記実施形態では、担体３を構成する金属部分、セラミックスからなる粒子５、及び担体３中に含まれる気孔７について、これら体積比が特定の値となる事例について説明したが、この体積比も任意に変更可能である。ただし、多孔質熱伝導材１の熱伝導性能を考慮すると、担体３を構成する金属部分は２０〜４０体積％、セラミックスからなる粒子５は２０〜５０体積％、担体３中に含まれる気孔７の部分は３０〜５０体積％、以上の数値範囲内で調節されていると好ましい。

１…多孔質熱伝導材、３…担体、５…粒子、７…気孔、１１…半導体素子。

Claims

多孔質化された金属からなる担体に、セラミックスからなる粒子を担持した構造を有する多孔質熱伝導材の製造方法であって、
金属粒子を分散媒に分散させてなるスラリーを、前記セラミックスからなる粒子を分散させた発泡樹脂材料中に含浸させる工程と、
前記スラリーを含浸させた前記発泡樹脂材料を、前記金属粒子の少なくとも一部を溶融させることが可能な温度条件で加熱することにより、前記金属粒子間を接合するとともに、前記分散媒を構成する成分及び前記発泡樹脂材料を除去する工程と
を有する多孔質熱伝導材の製造方法。
前記多孔質熱伝導材は、前記担体を構成する金属部分が２０〜４０体積％、前記セラミックスからなる粒子が２０〜５０体積％、前記担体中に含まれる気孔部分が３０〜５０体積％とされている
請求項１に記載の多孔質熱伝導材の製造方法。
前記セラミックスは、ＳｉＣ、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 、Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 、ＭｇＯ、及びＢＮの中から選ばれるいずれか一種又は二種以上である
請求項１又は請求項２に記載の多孔質熱伝導材の製造方法。
前記金属は、銅、銅合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金の中から選ばれるいずれか一種又は二種以上である
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の多孔質熱伝導材の製造方法。