JP6815914B2

JP6815914B2 - 金属積層構造体

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Publication number: JP6815914B2
Application number: JP2017059715A
Authority: JP
Inventors: 別所　毅; 毅別所; 森　邦夫; 邦夫森; 慎吾大村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018162367A

Description

本開示は、金属積層構造体に関する。本開示は、特に、熱伝導性に優れ、かつ、その熱伝導性の経時劣化が小さい金属積層構造体に関する。

ＬＥＤ、太陽電池、風車発電用素子、半導体素子、並びに、自動車用電動機及び内燃機関の電子制御素子等、多くの電子・電気機器は、使用中に発熱する。この発熱を制御することは、製品の性能等に影響を及ぼすだけでなく、エネルギー節減及び地球環境の維持にも影響を与えつつある。電子・電気機器の動作速度が高くなっていることから、この傾向は一層強まっている。そのため、電子・電気機器から発生する熱を効率よく放出することが望まれている。

しかし、電子・電気機器から発生する熱を、電子・電気機器から放出するには、どのような因子が重要であるかは、必ずしも明確にされていない。そのため、高熱伝導材料の開発に注力する傾向にある。しかし、熱制御技術の向上は、これだけでは不充分である。

そこで、熱伝導材料の使われ方にも着目して、熱制御を行うことが検討されている。熱伝導材料は、一般的に、熱発生源と熱冷却源の間に挟持されて使用されている。熱発生源と熱伝導材料との間、及び、熱伝導材料と熱冷却源との間には、接触界面が存在する。そして、その接触界面では、接触熱抵抗が生じる。

熱伝導材料自身も熱抵抗を有する。接触熱抵抗が、熱伝導材料自身の熱抵抗よりも著しく小さい場合には、接触熱抵抗は実質的に問題とならない。しかし、熱伝導材料が薄い場合には、熱伝導材料による熱抵抗が小さくなるため、熱発生源−熱伝導材料−熱冷却源の系全体で、接触熱抵抗の影響が相対的に大きくなる。このようなことから、接触熱抵抗について検討することは重要であり、接触熱抵抗を低減する試みが行われている。

例えば、特許文献１には、柔軟性を有するマトリックス樹脂中に、熱伝導性フィラーを含有させた放熱体が開示されている。

特開平６−２５２５７２号公報

特許文献１に開示された放熱体のマトリックス樹脂は、粘度が充分に低くないため、金属接触界面への濡れ性が低く、接触熱抵抗が高い。水と界面活性剤を併用して、マトリックス樹脂の金属接触界面への濡れ性を向上させることも考えられるが、水の蒸発によって、接触熱抵抗が経時劣化してしまう、という課題を本発明者らは見出した。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱伝導性に優れ、かつ、その熱伝導性の経時劣化が小さい金属積層構造体を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本開示の金属積層構造体を完成させた。その要旨は、次のとおりである。
〈１〉複数の金属層と、
前記金属層の間に挟まれている熱伝導層と、
を備え、
前記熱伝導層が、水、界面活性剤、及びナトリウム塩を含有する、
金属積層構造体。

本開示によれば、金属層の間に挟まれている熱伝導層が、水、界面活性剤、及びナトリウム塩を含有することによって、接触熱抵抗を低減し、かつ、その接触熱抵抗の経時劣化の小さい金属積層構造体を提供することができる。

図１は、アルミニウム板の積層体に関し、アルミニウム板の間の物質の種類が、接触熱抵抗に及ぼす影響を示すグラフである。図２は、アルミニウム板の積層体に関し、接触熱抵抗の経時変化を示すグラフである。図３は、２枚のアルミニウム板に挟まれた架橋シリコーンゴムを備える金属積層構造体の接触界面の形態を説明する断面図である。図４は、参考例４〜６について、接触圧力と熱抵抗の関係を示すグラフである。

以下、本開示に係る金属積層構造体の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本開示に係る金属積層構造体を限定するものではない。

例えば、熱伝導率が高いアルミニウム板（熱伝導率：２４０Ｗｍ^−１Ｋ^−１）を積層したとき、アルミニウム板間の熱伝達率は著しく低い。例えば、アルミニウム板間に０．０１〜１ＭＰａの圧力を加えた場合でも、アルミニウム板間の熱伝達率は０．５４〜０．８４Ｗｍ^−１Ｋ^−１である。銅版でも同様である。例えば、銅板（熱伝導率：４０３Ｗｍ^−１Ｋ^−１）に０．０１〜１ＭＰａの圧力を加えた場合でも、銅版間の熱伝達率は０．３８〜０．８０Ｗｍ^−１Ｋ^−１である。このように、金属板間に充分な圧力（０．３ＭＰａ）を加えても、良好な熱伝達率を得ることは容易ではない。また、金属板間に、０．３ＭＰａ以上の圧力を常時加えることは容易ではない。

このように、金属板単独の熱伝導率は高いが、複数の金属板を積層したとき、金属板間の熱伝達率は著しく低い。これは、複数の金属板を積層したときは、それらの間の接触面積が小さいことに起因する。

電子・電気機器に放熱部品が取り付けられているとき、熱発生源側金属−熱伝導層−冷却源側金属の積層構造体となる。そのため、熱発生源側金属及び冷却源側金属の熱伝導率の改善だけでなく、熱発生源側金属と熱伝導層との間、及び、熱伝導層と冷却源側金属との間の接触面積が反映される接触熱抵抗の改善が必須となる。

本開示の金属積層構造体の接触熱抵抗は、実質的にゼロである。このような接触熱抵抗を得るための知見を、以下に説明する。

熱発生源側金属及び／又は冷却源側金属に熱伝導層を物理的に接触させる場合、それぞれの接触面を平坦化及び平滑化して、接触面積を向上させ、接触熱抵抗を低減することが重要である。しかし、表面粗さを、Ｒａで０．５μｍ以下にしても、接触界面で隙間が発生することは避けられない。

また、接触面の平坦化及び平滑化を行っても、接触の方法及び回数等により、熱発生源側金属、冷却源側金属、及び熱伝導層の表面には、必ず、損傷又は凹凸が残留する。その結果、熱発生源側金属と熱伝導層との間、及び、冷却源側金属と熱伝導層との間の接触界面における接触面積率を１％以上にすることは容易ではない。

上述した損傷又は凹凸は、低摩耗性材料を用いた場合であっても不可避である。本開示の金属積層構造体は、接触界面に損傷又は凹凸が存在していても、接触熱抵抗を低減できるように、熱伝導層を備える。この熱伝導層は、熱発生源側金属と熱伝導層との間、及び、冷却源側金属と熱伝導層との間の熱伝導を促進する。

図１は、アルミニウム板の積層体に関し、アルミニウム板の間の物質の種類が、接触熱抵抗値に及ぼす影響を示すグラフである。図１から分かるように、アルミニウム板の間に、水が存在している場合に、アルミニウム板の積層体の熱抵抗値を低減できている。

したがって、発生源側金属−熱伝導層−冷却源側金属の積層構造体の熱伝導層は、主成分として水を含有して、接触熱抵抗を低減する。水は分子量が小さく、比熱が大きい（４．２１７Ｊｇ^−１Ｋ^−１）。水が接触界面の隙間に侵入して熱伝導を良好にするため、接触界面の粗さ及び接触圧が接触熱抵抗に与える影響を著しく低減できる。

図２は、アルミニウム板の積層体に関し、接触熱抵抗の経時変化を示すグラフである。図２から分かるように、熱伝導層が水だけを含有している場合には、積層体の接触熱抵抗値が経時劣化（増加）する。これは、水が時間の経過により蒸発するためであると考えられる。

発生源側金属−熱伝導層−冷却源側金属の積層構造体の熱伝導層は、水の他に添加物を含有して、接触熱抵抗値の経時変化を抑制する。添加物は、界面活性剤及びビルダーである。界面活性剤及びビルダーによって、水の蒸発を抑制し、かつ、接触界面に気泡が残留することを抑制する。

このように、熱伝導層が、水、界面活性剤、及びビルダーを含有することによって、熱伝導性に優れ、その熱伝導性の経時劣化の小さい金属積層構造体を得られることを、本発明者らは知見した。

これらの知見に基づく、本開示の金属積層構造体の構成を、次に説明する。

（金属層）
本開示の金属積層構造体は、複数の金属層を備える。典型的には、２つの金属層を備えるが、これに限られない。各金属層の間に、後述する熱伝導層が挟まれていれば、３つ以上の金属層を備えていてもよい。

金属は、他の物質と比べて、一般的に熱伝導率が高いため、金属層の種類は限定されない。金属には合金も含まれる。アルミニウム及び銅は、金属の中でも、熱伝導率が特に高いため、金属層がアルミニウム又は銅でできていることが好ましい。金属層がアルミニウム合金又は銅合金でできていてもよい。

金属積層構造体は、複数の金属層を備えるが、個々の金属層が同一種類でなくてもよい。例えば、２つの金属層を備える場合、一方の金属層がアルミニウム合金でできており、他方の金属層が銅合金でできていてもよい。

（熱伝導層）
熱伝導層は、金属層の間に挟まれている。熱伝導層は、水、界面活性剤、及びビルダーを含有する。熱伝導層は、これらの含有物が共存する低粘度の溶液媒体である。以下、これらの含有物について説明する。

（水）
水は、熱伝導層の主成分である。水の含有量は、熱伝導層全体に対し、７０質量％以上が好ましい。水の含有量が７０質量％以上であれば、金属層間の接触熱抵抗を充分に低下させることができる。また、水により、金属層間に付加する圧力（接触圧力）によって、接触熱抵抗が変化し難くなる。さらに、水により、金属層間の距離によって、接触熱抵抗が変化し難くなる。

接触熱抵抗の低下、並びに、接触熱抵抗の接触圧非依存性及び金属間距離非依存性の観点から、水の含有量は、８５質量％以上がより好ましく、９０質量％以上がより一層好ましい。一方、水の含有量は、９９．８８質量％以下であることが好ましい。水の含有量が９９．８８質量％以下であれば、熱伝導層が、添加物、すなわち、界面活性剤及びビルダー等を必要量含有することができる。

また、水は、蒸留水又はイオン交換水であってよく、重水であってもよい。また、水は、蒸留水、イオン交換水、及び重水の組合せでもよい。

（界面活性剤）
界面活性剤は、水の粘度を低下させ、かつ、水の蒸発を抑制する。このような界面活性剤としては、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、及び両性界面活性剤等が挙げられる。

界面活性剤の含有量は、０．１質量％以上であることが好ましい。界面活性剤の含有量が０．１質量％以上であれば、水の粘度を低下させ、かつ水の蒸発を抑制し易くなる。水の粘度低下及び水の蒸発抑制の観点からは、界面活性剤の含有量は、１質量％以上がより好ましく、１０質量％以上がより一層好ましい。

一方、界面活性剤の含有量は３０質量％以下であることが好ましい。界面活性剤の含有量が３０質量％以下であれば、界面活性剤の量が過剰になることによって、水の含有量が過剰に減少することはない。その結果、水によって接触熱抵抗を充分に低下させることができる。水による接触熱抵抗の低下を確保する観点からは、界面活性剤の含有量は、２５質量％以下がより好ましく、２０質量％以下がより一層好ましい。

カチオン系界面活性剤としては、１本鎖トリメチル高級飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、１本鎖トリメチル高級不飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、２本鎖ジメチル高級飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、１本鎖トリメチル高級飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、１本鎖トリメチル高級不飽和アルキルアンモニウムヒドロキサイド、２本鎖ジメチル高級飽和アルキルアンモニウムヒドロキサイド、２本鎖ジメチル高級不飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、３本鎖メチル高級飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、３本鎖メチル高級不飽和アルキルアンモニウムハロゲナイド、１本鎖トリフェニル高級アルキルフォスホニウムハロゲナイド、１本鎖トリフェニル高級アルキルフォスホニウムヒドロキサイド、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩、ホスファチジルイノシトール（ＰＩ）、ホスファチジルセリン（ＰＳ）、ホスファチジルエタノールアミン、テトラブチルホスホニュウムブロミド、テトラオクチルホスホニウムブロミド、テトラブチルアンモニウムホブロミド、テトラオクチルアンモニウムブロミド、オレイル硫酸エステルトリエタノールアミン、ジフェニルジオクチル燐酸ブロミド、トリエタノールアミン等が挙げられる。

ノニオン系界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテルＲＯ（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_ｍＨ、脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミドＲＣＯＮ（ＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ）_２、アルキルモノグリセリルエーテルＲＯＣＨ_２ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_２ＯＨ等が挙げられる。

アニオン系界面活性剤としては、６−オクチルアミノ−１，３，５−トリアジン−４−チオール−２−チオナトリュウム塩、６−オクチルアミノ−１，３，５−トリアジン−４−チオール−２−チオカリュウム塩、６−トリエトキシシリルプロピルアミノ−１，３，５−トリアジン−２−チオール−２−チオカリュウム塩、６−トリエトキシシリルプロピルアミノ−１，３，５−トリアジン−２、４−ジアミノエチルアミン、６−トリエトキシシリルプロピルアミノ−１，３，５−トリアジン−２、４−ジヒドラジン、飽和アルキルベンゼンスルホン酸塩、飽和アルキル、モノアルキル酸塩、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、トリアジントリチオールモノナトリウム、イソステアリル硫酸エステルナトリウム等が挙げられる。

両性界面活性剤としては、アルキルジメチルアミンオキシドＲ（ＣＨ_３）_２ＮＯやアルキルカルボキシベタインＲ（ＣＨ_３）_２Ｎ^＋ＣＨ_２ＣＯＯ⁻等が挙げられる。

（ビルダー）
ビルダーは、界面活性剤と共存することにより、水の蒸発を抑制し、その結果、接触熱抵抗の経時劣化を抑制する。また、ビルダーによって、熱伝導層と金属層表面との接触を促進して、気泡が金属表面に残留することを抑制し、接触熱抵抗の低下に寄与する。

ビルダーの含有量は、０．１質量％以上であることが好ましい。ビルダーの含有量が０．１質量％以上であれば、水の蒸発を抑制し易くなり、金属表面に気泡が付着することを抑制し易くなる。水の蒸発抑制及び気泡付着抑制の観点からは、ビルダーの含有量は、１質量％以上がより好ましく、５質量％以上がより一層好ましい。

一方、ビルダーの含有量は１０質量％以下であることが好ましい。ビルダーの含有量が１０質量％以下であれば、ビルダーの量が過剰になることによって、水の含有量が過剰に減少することはない。その結果、水によって接触熱抵抗を充分に低下させることができる。水による接触熱抵抗の低下を確保する観点からは、界面活性剤の含有量は、８質量％以下がより好ましい。

ビルダーとしては、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、芒硝、亜硫酸ソーダ―、次亜硫酸ソーダ、亜硫酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、リン酸ソーダ、リン酸アンモニウム、ケイ酸ソーダ、ケイ酸アンモニウム、乳酸ソーダ、亜リン酸ソーダ−、亜リン酸アンモニュム、硝酸ソーダ, 亜硝酸ソーダ、エチレンジアミンテトラ酢酸、エチレンジアミン、エチレンジアミンテトラ酢酸アンモニウム、デシルトリエチレングリコール等が挙げられる。

水の蒸発抑制の観点からは、ナトリウム塩が好ましく、その中でも、乳酸ソーダ及び亜リン酸ソーダが特に好ましい。

理論に拘束されないが、次に述べる理由により、接触熱抵抗の経時劣化が抑制されると考えられる。界面活性材とビルダー、特に、ナトリウム塩、その中でも、乳酸ソーダ及び亜リン酸ソーダによって、水素結合した水クラスターの単分子化とクラスター化が円滑に起こり、複数の金属層の間で、エネルギー移動が起こるためであると考えられる。

（表面安定化剤）
熱伝導層は、これまでに説明した、水、界面活性剤、及びビルダーを、必須で含有する。これらの他に、熱伝導層は、任意で、表面安定化剤を含有してもよい。表面安定化剤は、金属層の表面の腐食等を抑制して、金属層の表面が変質することを抑制する。

表面安定化剤の含有量は、０．１質量％以上であることが好ましい。表面安定化剤の含有量が０．１質量％以上であれば、金属層の表面の腐食を抑制し易くなる。金属層の表面の腐食抑制の観点からは、表面安定化剤の含有量は、１質量％以上がより好ましく、２質量％以上がより一層好ましい。

一方、表面安定化剤の含有量は５質量％以下であることが好ましい。表面安定化剤の含有量が５質量％以下であれば、本開示の金属積層構造体の効果を低下させることはない。本開示の金属積層構造体の効果を低下させない観点からは、表面安定化の含有量は、３質量％以下がより好ましい。

（変形）
本開示の金属積層構造体は、構成要件に次のような変形を加えてもよい。熱伝導層の内部には、熱伝導シートを含んでいてもよい。熱伝導層の内部とは、熱伝導シートの少なくとも一方の表面に、水、界面活性剤、及びビルダーを備えていることをいう。熱伝導性を確保する観点から、熱伝導シートの両面に、水、界面活性剤、及びビルダーを備えていることが好ましい。ビルダーはナトリウム塩であることが好ましい。

熱伝導シートとしては、熱伝導性複合体シリコーンゴムシート等が挙げられる。熱伝導性複合体シリコーンゴムシートの積層方向の少なくとも一面に、ポリイミドを分子接合して、ポリイミド貼合熱伝導性複合体シリコーンゴムシートとしてもよい。

熱伝導シートの少なくとも一方の表面に、水、界面活性剤、及びビルダーを備えていれば、熱伝導シートは複数枚備えていてもよい。

以下、本開示の金属積層構造体を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の金属積層構造体は、これらに限定されるものではない。

（実験Ａ）
実施例１〜２、比較例１〜３、及び参考例１の金属積層構造体の試料を作製し、熱伝導層の種類が、接触熱抵抗の経時劣化に与える影響を評価した。

（実施例１）
アルミニウム合金製の金属ブロックを２つ準備した。金属ブロックは、金属積層構造体の金属層である。これらの金属ブロックの熱伝導率は１３９Ｗｍ^−１Ｋ^−１であった。また、これらの金属ブロックの表面粗さは、Ｒａで０．０２５μｍであった。

一方の金属ブロックの表面上に、熱伝導層の原材料をスポイトで滴下した。原材料は、水を９６．６９ｇ、アニオン系界面活性剤として、トリアジントリチオールモノナトリウムを０．００１ｇ、及びイソステアリル硫酸エステルナトリウムを２．１ｇ、並びに、ビルダーとして、乳酸ソーダ（ナトリウム塩）を１．２ｇ配合して作製された。なお、この配合の原材料を、熱伝導層原材料１とした。

熱伝導層原材料１の滴下量は、２０ｍｇ／４．８４ｃｍ^２であった。このようにして、金属ブロックの表面に滴下した原材料をガラス棒でならして溢れた分を拭き取ると、８〜１２ｍｇ（狙い値：１０ｍｇ）の原材料を塗布することができた。次いで、原材料を滴下した一方の金属ブロックに、他方の金属ブロックを重ね合わせて、実施例１の金属積層構造体の試料を作製した。

（実施例２）
熱伝導層の原材料を、次のような配合で作製したこと以外、実施例１と同様にして、実施例２の金属積層構造体の試料を作成した。原材料は、純水を９９．０ｇ、カチオン系界面活性剤として、オレイル硫酸エステルトリエタノールアミンを０．８ｇ、ビルダーとして、亜リン酸ソーダ（ナトリウム塩）を０．１ｇ、及び、表面安定剤として、レゾルシンを０．１ｇ配合して作製された。なお、この配合の原材料を、熱伝導層原材料２とした。

（比較例１）
熱伝導層の原材料が、純水を９５ｇ、及び台所用液体洗剤を５ｇ配合して作製されたこと以外、実施例１と同様にして、比較例１の金属積層構造体の試料を作製した。なお、比較例１の試料を作製する際に用いた熱伝導層の原材料は、熱伝導層原材料３とした。

（比較例２）
熱伝導層として、信越化学（株）製の放熱用コンパウンド（品番：Ｇ７４６）を用いたこと以外、実施例１と同様にして、比較例２の金属積層構造体を作製した。この放熱用コンパウンドは、シリコーンオイルと無機放熱材（粒径１μｍ以下のアルミナ微粒子）を含有する。また、この放熱用コンパウンドの熱伝導率は１．９Ｗｍ^−１Ｋ^−１である。なお、この放熱用コンパウンドを、熱伝導層原材料４とした。

（比較例３）
熱伝導層の原材料を純水のみとしたこと以外、実施例１と同様にして、比較例３の金属積層構造体を作製した。なお、純水のみの原材料を熱伝導層原材料５とした。

（参考例１）
参考例１として、熱伝導層を有しない金属積層構造体を準備した。２つの金属ブロックは実施例１で用いた金属ブロックと同一である。２つの金属ブロックの間隔は０．５ｎｍ以内とした。

なお、これまでに説明した熱伝導層の原材料１〜５の配合について、表１に示す。表１には、これから説明する原材料６〜７の配合についても併記してある。

（評価）

このようにして作製した試料の熱特性（接触熱抵抗、熱抵抗及び熱伝導率）を評価した。試料の積層方向に一定圧力を付加し、一方の金属ブロックを加熱し、他方の金属ブロックを冷却する。

金属ブロック（金属層）と厚さＬ_ｘ（１０^−３ｍ）の熱伝導層と間の接触熱抵抗Ｒ_ｃ（ｍＫＷ^−１）と、熱伝導層の熱抵抗Ｒ_ｓ（ｍＫＷ^−１）との和からなる全熱抵抗Ｒ_ｔ（ｍＫＷ^−１）を、次の式１によって求める。ただし、Ａは熱伝導層の断面積である。ΔＴは、一方の金属ブロックの表面温度Ｔ_１と他方の金属ブロックの表面温度Ｔ_７との差である。Φ（Ｗ）は、一方の金属ブロックに接続した加熱ヒータの電圧Ｅ_１及び電流ｉ（分留器の電圧Ｅ_２／分流器の抵抗値Ｒ_ｏ）から算出する。なお、金属ブロックの表面温度とは、金属ブロック（金属層）の熱伝導層側の表面の温度をいう。
Ｒ_ｔ＝Ａ_ｘ△Ｔ／Φ ・・・式１

熱伝導層の厚さＬ_ｘを変化（１．０、２．０、及び３．０ｍｍ）させて、横軸に厚さＬ_ｘ、縦軸に全熱抵抗Ｒ_ｔをプロットすると、両者の間に、次の式２で表される関係が成立する。
Ｒ_ｔ＝ａＬ_ｘ＋ｂ・・・・式２

式２において、切片ｂから接触熱抵抗Ｒ_ｃが、全熱抵抗Ｒ_ｔから接触熱抵抗Ｒ_ｃを差引くと熱伝導層の熱抵抗Ｒ_ｓが求められる。また、熱伝導層の熱伝導率λ（Ｗｍ^−１Ｋ^−１）は、熱伝導層の厚さＬ_ｘを、熱抵抗Ｒ_ｓで割ると得られる。

このようにして求めた結果を、表２に示す。

表１及び表２から分かるように、熱伝導層が、ナトリウム塩、すなわち、乳酸ソーダ又は亜リン酸ソーダを含有するとき、接触熱抵抗は、低い値で安定している。これは、乳酸ソーダ又は亜リン酸ソーダによって、水素結合した水クラスターの単分子化とクラスター化が円滑に起こり、２つの金属ブロックの間で、エネルギー移動が起こるためであると考えられる。

この他に、表１及び表２から次のことが分かる。参考例１の試料においては、金属ブロック間には、接触圧力によって得られた物理接触がある。物理接触している近傍において、金属ブロック間の距離は０．５ｎｍ以内であり、熱はフォノン振動により伝達する。参考例１の試料において、金属ブロック間では、物理振動に加えて、酸素及び窒素分子が金属ブロック表面に衝突してエネルギー交換を行う。

比較例３の試料では、熱伝導層は水であり、水は水素結合分子であるため、金属ブロック間で、水分子は、温度の高い金属ブロックからエネルギーを得て、温度の低い金属ブロックにエネルギーを放出（放熱）する。しかし、時間の経過とともに、水は蒸発するため、それに伴って、接触熱抵抗は増加する。

比較例２の試料において、市販の放熱用コンパウンドは、シリコーンオイルと無機放熱材（粒径が１μｍ以下のアルミナ粒子）を含有しているため、熱伝導性は加熱初期では水より良好であり、経時劣化も小さい。しかし、放熱用コンパウンドは、金属ブロックとの濡れ性が低く、接触熱抵抗は高い。

（実験Ｂ）
実施例３〜４、比較例４〜５、及び参考例２の金属積層構造体の試料を作製し、接触圧力（金属層の積層方向に付加した圧力）が、接触熱抵抗に与える影響を評価した。

（実施例３）
接触圧力を０．０１〜０．３０ＭＰａにしたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例４の金属積層構造体の試料を作製した。

（実施例４）
接触圧力を０．０１〜０．３０ＭＰａにしたこと以外は、実施例２と同様にして、実施例４の金属積層構造体の試料を作製した。

（比較例４）
接触圧力を０．０１〜０．３０ＭＰａにしたこと以外は、比較例１と同様にして、比較例４の金属積層構造体の試料を作製した。

（比較例５）
接触圧力を０．０１〜０．３０ＭＰａにしたこと以外は、比較例２と同様にして、比較例５の金属積層構造体の試料を作製した。

（参考例２）
接触圧力を０．０１〜０．３０ＭＰａにしたこと以外は、参考例１と同様にして、参考例２の金属積層構造体の試料を作製した。
（評価）

このようにして作製した試料の熱特性を、実験Ａの試料と同様に評価した。結果を表３に示す。

表３から分かるように、市販の放熱用コンパウンドを用いた比較例５の試料と、熱伝導層のない参考例２の試料においては、接触熱抵抗は、接触圧力の影響を大きく受けている。これに対して、熱伝導層が界面活性剤を含有している、実施例３及び４並びに比較例４の試料においては、接触熱抵抗は、接触圧力の影響をほとんど受けていないことを確認できた。

（実験Ｃ）
実施例５、比較例６〜７、及び参考例３の金属積層構造体の試料を作製し、接触界面の表面粗さ（金属ブロックの表面粗さ）が、接触熱抵抗に与える影響を評価した。

（実施例５）
一方の金属ブロックの表面粗さＲａと熱伝導層の原材料を次のようにしたこと以外、実施例１と同様にして、実施例５の金属積層構造体の試料を作製した。

一方の金属ブロックの表面粗さＲａを、０．０１０±０．０１μｍ、０．０２０±０．０μｍ、０．０５±０．０１μｍ、０．１０±０．０１μｍ、及び０．３０±０．０１μｍにした。

原材料は、純水を９８．２ｇ、カチオン系界面活性剤として、ジフェニルジオクチル燐酸ブロミドを１．５ｇ、及びトリエタノールアミンを０．３ｇ、並びに、ビルダーとして、次亜硫酸ソーダを０．２ｇ配合して作製された。なお、この配合の原材料を、熱伝導層原材料６とした。

（比較例６）
一方の金属ブロックの表面粗さＲａと熱伝導層の原材料を次のようにしたこと以外、比較例１と同様にして、比較例６の金属積層構造体の試料を作製した。

原材料は、イオン交換水を９７．５ｇ、カチオン系界面活性剤として、トリアジントリチオールモノナトリウムを０．３ｇ、並びに、ビルダーとして、デシルトリエチレングリコールを２．０ｇ及びエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を２．０ｇ配合して作製された。なお、この配合で作製された原材料を、熱伝導層原材料７とした。

（比較例７）
一方の金属ブロックの表面粗さＲａを、０．０１０±０．０１μｍ、０．０２０±０．０μｍ、０．０５±０．０１μｍ、０．１０±０．０１μｍ、及び０．３０±０．０１μｍにしたこと以外は、比較例１と同様にして、比較例７の金属積層構造体の試料を作製した。

（比較例８）
一方の金属ブロックの表面粗さＲａを、０．０１０±０．０１μｍ、０．０２５±０．０μｍ、０．０５±０．０１μｍ、０．１０±０．０１μｍ、及び０．３０±０．０１μｍにしたこと以外は、比較例２と同様にして、比較例８の金属積層構造体の試料を作製した。

（参考例３）
一方の金属ブロックの表面粗さＲａを０．０１０±０．０１μｍ、０．０２０±０．０μｍ、０．０５±０．０１μｍ、０．１０±０．０１μｍ、及び０．３０±０．０１μｍにしたこと以外は、参考例１と同様にして、参考例３の金属積層構造体を作製した。
（評価）

このようにして作製した試料の熱特性を、実験Ａの試料と同様に評価した。結果を表４に示す。

表４から分かるように、市販の放熱用コンパウンドを用いた比較例８の試料と、熱伝導層のない参考例３の試料においては、接触熱抵抗は、表面粗さの影響を大きく受けている。これに対して、熱伝導層が界面活性剤を含有している、実施例５並びに比較例６及び７の試料においては、接触熱抵抗は、表面粗さの影響をほとんど受けていないことを確認できた。

（実験Ｄ）
参考例４〜６の金属積層構造体の試料を作製し、架橋シリコーンゴムシートの金属ブロックとの接触形態が、架橋シリコーンゴムの熱抵抗に与える影響を評価した。

図３は、２枚のアルミニウム板に挟まれた架橋シリコーンゴムを備える金属積層構造体の接触界面の形態を説明する断面図である。図３の（ａ）は、参考例４として作製した金属積層構造体の断面構造を示す説明図である。図３の（ｂ）は、参考例５として作製した金属積層構造体の断面構造を示す説明図である。図３の（ｃ）は、参考例６として作製した金属積層構造体の断面構造を示す説明図である。

参考例４〜６の架橋シリコーンゴムの熱抵抗を測定した。測定の要領は、実施例１の試料の評価について説明したとおりである。測定結果を図４に示す。図４は、参考例４〜６について、接触圧力と熱抵抗の関係を示すグラフである。図４において、（ａ）は参考例４（図３の（ａ））、（ｂ）は参考例５（図３の（ｂ））、そして、（ｃ）は参考例６（図３の（ｃ））の熱抵抗を示す。

参考例４の金属積層構造体においては、図３の（ａ）に示したように、一方の金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０との境界１２ａ、及び、他方の金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０との境界１４ａを有する。

そして、参考例４の金属積層構造体においては、いずれの境界においても、金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０とが、物理接触している。そのため、図４の（ａ）に示したように、参考例４の架橋シリコーンゴム２０の熱抵抗は、波状に変化する。理論に拘束されないが、接触圧力の変化によって、境界１２ａ、１４ａの近傍で、膨張・収縮が発生しているためであると考えられる。なお、物理接触は、分子間力による接触である。

参考例５の金属積層構造体においては、図３の（ｂ）に示したように、一方の金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０とは、境界１２ｂで、物理接触している。また、他方の金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０とは、境界１４ｂで、化学接触（化学結合）している。

このように、境界１２ｂと境界１４ｂのうち、一方が化学接触になると、図４の（ｂ）に示したように、架橋シリコーンゴム２０の熱抵抗値は、接触圧力の影響を受けず、一定となる。

参考例６の金属積層構造体においては、図３の（ｃ）に示したように、一方の金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０とは、境界１２ｃで、化学接触している。また、他方の金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０とは、境界１４ｃで、化学接触している。

このように、境界１２ｃと境界１４ｃのいずれにおいても、金属ブロック１０と架橋シリコーンゴム２０が化学接触していると、図４の（ｃ）に示したように、接触圧力に影響されず、非常に安定して、熱抵抗が低くなる。

これらのことから、使用環境に影響されず、低い熱抵抗で安定した熱伝導を実現するためには、界面で、化学接触していることが重要であることが確認できた。

（実験Ｅ）
比較例９〜１１の金属積層構造体の試料を作製し、熱伝導層の内部に、熱伝導シートを含むとき、接触熱抵抗値に与える影響を評価した。すなわち、熱伝導シートの表面に、水、界面活性剤、及びビルダーを備えている熱伝導層を形成したとき、その全熱抵抗に与える影響を評価した。

（比較例９）
アルミニウム合金製の金属ブロックを２つ準備した。金属ブロックは、金属積層構造体の金属層である。これらの金属ブロックの熱伝導率は１３９Ｗｍ^−１Ｋ^−１であった。また、これらの金属ブロックの表面粗さは、Ｒａで０．０２５μｍであった。

また、熱伝導シートとして、熱伝導性複合体シリコーンゴムシートを準備した。熱伝導性複合体シリコンゴムシートは、東レ（株）製シリコーンゴム（品番：ＳＨ８５１）を１００ｐｈｒ、東レ（株）製シリコーンゴム（品番：ＲＣ−４）を０．６ｐｈｒ、及び昭和電工（株）製アルミナ（品番：ＡＳ−３０、粒径：３０μｍ）を２００ｐｈｒ配合して作製した。架橋条件は、１６０℃、３ＭＰａ、３０分であった。熱伝導性複合体シリコーンゴムシートの厚さは０．１７５ｍｍであった。

熱伝導性複合体シリコンゴムシートの一方の表面に、実施例１の場合と同様の要領で、熱伝導層原材料７を塗布した。そして、一方の金属ブロックを重ね合わせた。また、熱伝導性複合体シリコンゴムシートの他方の表面に、一方の表面の場合と同様の要領で、熱伝導層原材料７を塗布した。そして、他方の金属ブロックを重ね合わて、比較例９の金属積層構造体の試料を作製した。熱伝導層原材料７の塗布量は、一方の表面及び他方の表面それぞれで、１０ｍｇ／４．８４ｃｍ^２であった。

（比較例１０）
熱伝導シートを、ポリイミド貼合熱伝導性複合体シリコーンゴムシートとしたこと以外は、比較例９と同様にして、比較例１０の金属積層構造体の試料を作製した。

ポリイミドとしては、厚さが２５μｍのカプトン（登録商標）（品番：２５０ＥＮ）を用いた。

ポリイミド貼合熱伝導性複合体シリコーンゴムシートは、比較例９で用いた熱伝導性複合体シリコーンゴムシートと同一種類のシートの一方の面に、ポリイミドを分子接合して作製した。ポリイミド貼合熱伝導性複合体シリコーンゴムシートの厚さは、０．２ｍｍであった。

（比較例１１）
熱伝導層原材料７を塗布しなかったこと以外、比較例１０と同様にして、比較例１１の金属積層構造体の試料を作製した。
（評価）

このようにして作製した試料の熱特性を、実験Ａの試料と同様に評価した。結果を表５に示す。

表５から分かるように、熱伝導層のない比較例１１の試料においては、全熱抵抗は、０．４２１×１０^３ｍ^２ＫＷ^−１から０．３６０×１０^３ｍ^２ＫＷ^−１に低下しており、接触圧力の影響を大きく受けている。これに対して、熱伝導層が界面活性剤を含有している、比較例９の試料においては、全熱抵抗は、０．２１５〜０．２１６×１０^３ｍ^２ＫＷ^−１でほぼ一定であり、全熱抵抗は接触圧力の影響をほとんど受けていない。また、熱伝導層が界面活性剤を含有している、比較例１０の試料においては、全熱抵抗は、０．３４１×１０^３ｍ^２ＫＷ^−１から０．３３３×１０^３ｍ^２ＫＷ^−１に、やや低下しているものの、その低下率は２．４％であり、実用上、問題ない範囲である。

（実験Ｆ）
実施例６〜８及び比較例１２〜１４の金属積層構造体を作製し、熱伝導層の内部に、１〜３枚の熱伝導シートを備えるとき、全熱抵抗に与える影響を評価した。すなわち、熱伝導シートの表面に、水、界面活性剤、及びビルダーを備えている熱伝導層を形成したとき、全熱抵抗に与える影響を評価した。

（実施例６）
熱伝導層の原材料を、熱伝導層原材料６にしたこと、及び、熱伝導シートの原材料である、昭和電工（株）製アルミナ（品番：ＡＳ−３０、粒径：３０μｍ）を６００ｐｈｒ配合したこと以外、比較例９と同様にして、実施例６の金属積層構造体の試料を作製した。

（比較例１２）
熱伝導層がないこと以外、実施例６と同様にして、比較例１２の金属積層構造体の試料を作製した。

（実施例７）
熱伝導シートを２枚としたこと、熱伝導シートの原材料である、昭和電工（株）製アルミナ（品番：ＡＳ−３０、粒径：３０μｍ）を６００ｐｈｒ配合したこと以外、比較例１０と同様にして、実施例７の金属積層構造体を作製した。ポリイミド貼合シリコーンゴムシートの間も熱伝導層を形成した。

（比較例１３）
熱伝導層がないこと以外、実施例７と同様にして、比較例１３の金属積層構造体の試料を作製した。

（実施例８）
熱伝導シートを３枚としたこと以外、実施例７と同様にして、実施例８の金属積層構造体の試料を作製した。

（比較例１４）
熱伝導層がないこと以外、実施例８と同様にして、比較例１４の金属積層構造体の試料を作製した。
（評価）

このようにして作製した試料の熱特性を、実験Ａの試料と同様に評価した。結果を表６に示す。

表６から分かるように、熱伝導層によって、接触圧力が概ね０．０５ＭＰａ以上のときに、全熱抵抗が接触圧力に依存しなくなることが確認できた。熱伝導層がない場合、接触圧力の増加とともに全熱抵抗が低下している。このように全熱抵抗を低下させたときの接触圧力は、積層金属構造体の使用環境下で許容される接触圧力よりもかなり大きいことが確認できた。接触圧力を大きくすると、部品が大きくなるため、インバータやＬＥＤなどの小さい部品で、熱伝導シートのない金属積層構造体を採用することは困難であることが確認できた。

これらの結果、特に表２から、本開示の金属積層構造体の効果を確認できた。

１０金属ブロック
２０架橋シリコーンゴム
１２ａ、１４ａ、１２ｂ、１４ｂ、１２ｃ、１４ｃ境界

Claims

複数の金属層と、
前記金属層の間に挟まれている熱伝導層と、
を備え、
前記熱伝導層が、水、界面活性剤、及びナトリウム塩を含有し、
前記ナトリウム塩が、乳酸ソーダ及び亜リン酸ソーダの少なくともいずれかを含む、
金属積層構造体。