JP6854980B1 - 放熱部材およびヒートシンク - Google Patents

Abstract

従来に比して赤外線の領域における平均放射率を向上させることができる放熱部材（１３）を得ることを目的とする。放熱部材（１３）は、熱放射セラミック材料（２０）を備える放熱部材（１３）であって、熱放射セラミック材料（２０）は、窒化ケイ素および窒化ホウ素を主成分とする。窒化ケイ素および窒化ホウ素の質量に対する窒化ホウ素の質量の割合が、１０質量％以上４０質量％以下である。

Description

本開示は、電気機器および電子機器の放熱に用いる放熱部材およびヒートシンクに関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子またはＩＣ（Integrated Circuit）などの発熱部品を搭載した電気電子機器では、通常、アルミヒートシンクによる自然空冷または電動ファンによる強制空冷による放熱技術が用いられる。空気対流が必要なアルミヒートシンクまたは電動ファンを、防塵および防水のために密閉筐体で使用される車載電装品または真空中で使用される宇宙機器に適用することは困難である。また、ＣＰＵ（Central Processing Unit）の高性能化によって発熱量が増大傾向にあるノート型のパーソナルコンピュータを含む情報機器では、小型化および高密度実装化が進行しており、体積が大きいアルミヒートシンクを格納するためのスペースを確保することが困難である。さらに、アルミヒートシンクは金属製であるため、電磁ノイズを発生し、電気電子機器が誤動作する可能性がある。このように、アルミヒートシンクまたは電動ファンを用いた従来の放熱技術では、放熱対策が困難な電気電子機器を対象に、赤外線の熱放射を利用したセラミックヒートシンクが注目されている。

特許文献１には、磁気ランダムアクセスメモリを封止した封止剤の表面に接して放熱部材が設けられる磁気メモリ装置が開示されている。特許文献１では、放熱部材は、熱伝導性に優れた金属または高熱伝導性セラミックスによって構成されることが開示されている。高熱伝導性セラミックスとして、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素または炭化ケイ素が例示されている。

特開２００５−７８６９３号公報

ところで、セラミック材料の放射率は、各物質の結晶構造に固有の放射スペクトルによって決まっており、放射率が高い波長領域と低い波長領域とが存在する。そのため、一般的に、単一のセラミック材料において、赤外線の全ての波長領域での放射率を平均した平均放射率を高くすることが困難である。つまり、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素または炭化ケイ素が単体で高熱伝導性セラミックスとして使用される上記の特許文献１に記載の技術では、赤外線の領域における平均放射率をさらに向上させることは難しい。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、従来に比して赤外線の領域における平均放射率を向上させることができる放熱部材を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の放熱部材は、熱放射セラミック材料を備える放熱部材であって、熱放射セラミック材料は、窒化ケイ素および窒化ホウ素を主成分とする。窒化ケイ素および窒化ホウ素の質量に対する窒化ホウ素の質量の割合が、１０質量％以上４０質量％以下である。窒化ホウ素の平均粒径は、０．０５μｍ以上１μｍ以下である。２００℃以下の温度において、３μｍ以上２５μｍ以下の波長領域での熱放射セラミック材料の平均放射率が７０％以上である。

本開示によれば、従来に比して赤外線の領域における平均放射率を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態１による放熱部材を含む電気電子機器の構成の一例を模式的に示す断面図 実施の形態１による放熱部材の構成の一例を模式的に示す断面図 実施の形態１による放熱部材の構成の他の例を模式的に示す断面図 実施の形態２による放熱部材の構成の一例を模式的に示す断面図 実施例１から８および比較例１から３における放熱部材の原料、熱放射セラミック材料および特性の一例を示す図

以下に、本開示の実施の形態にかかる放熱部材およびヒートシンクを図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの開示が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による放熱部材を含む電気電子機器の構成の一例を模式的に示す断面図である。電気電子機器１は、ＬＥＤ素子またはＩＣなどの発熱部品を搭載した電気機器または電子機器である。電気電子機器１は、筐体１０内に、基板１１と、基板１１上に配置される部品と、を備える。筐体１０は、一例では、防塵および防水のために内部に配置される基板１１を密閉する。基板１１は、一例ではプリント配線基板である。部品は、基板１１上にはんだを介して接続される回路部品、半導体素子を含む半導体パッケージなどである。部品には、動作によって発熱するものが存在する。以下では、発熱する部品は、発熱部品１２と称される。

電気電子機器１は、筐体１０内で発熱部品１２上に接触して配置される放熱部材１３をさらに備える。放熱部材１３は、赤外線の熱放射を利用して、発熱部品１２からの熱を放射する部材である。放熱部材１３を用いた冷却装置の一例は、ヒートシンク、ヒートスプレッダ、放熱基板である。すなわち、ヒートシンク、ヒートスプレッダ、放熱基板は、放熱部材１３を備える。放熱部材１３の詳細については、後述する。

図２は、実施の形態１による放熱部材の構成の一例を模式的に示す断面図である。放熱部材１３は、熱放射セラミック材料２０の焼結体によって構成される。熱放射セラミック材料２０からなる放熱部材１３は、発熱部品１２に含まれる半導体素子等の熱源から発生した熱を赤外線の放射によって外部に放出することで、冷却効果を発現する。そのため、熱放射セラミック材料２０は、できるだけ放射率が高い方が好ましい。しかしながら、セラミック材料の放射率は、各物質の結晶構造に固有の放射スペクトルによって決まっており、放射率が高い波長領域と低い波長領域が存在する。そのため、一般的に、単一のセラミック材料では、赤外線の全ての波長領域での放射率を平均した平均放射率を高くすることが困難である。そこで、実施の形態１では、放射スペクトルの異なる窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粒子２１と窒化ホウ素（ＢＮ）粒子２２とを複合化させた焼結体である熱放射セラミック材料（Ｓｉ₃Ｎ₄−ＢＮ）２０によって放熱部材１３を構成する。これによって、比較的高い熱放射率を得ることができ、波長が３μｍ以上２５μｍ以下の赤外線の領域において高い平均放射率を実現することができる。ここで、平均放射率とは、波長が３μｍ以上２５μｍ以下の赤外線の領域における各放射率の平均値をいう。

実施の形態１では、放熱部材１３を構成する熱放射セラミック材料２０の窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の質量に対する窒化ホウ素粒子２２の質量の割合、すなわち窒化ケイ素および窒化ホウ素の質量に対する窒化ホウ素の質量の割合が、１０質量％以上４０質量％以下である。以下では、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の質量に対する窒化ホウ素粒子２２の質量の割合は、単に、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合とも称される。また、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合は、好ましくは２０質量％以上３０質量％以下である。

窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が少なすぎる場合、すなわち窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が１０質量％未満の場合には、放射率の低い波長領域が存在し、結果として平均放射率が向上しない。つまり、このような窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の質量比を有する熱放射セラミック材料２０を放熱部材１３として使用した際には、十分な冷却性能が得られない。そのため、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が１０質量％以上であることが望ましい。

一方、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が多すぎる場合、すなわち窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が４０質量％よりも大きい場合には、熱放射セラミック材料２０の空隙率が大きくなり、熱伝導率が極端に低下してしまう。つまり、熱源である発熱部品１２から発生した熱が放熱部材１３に伝わりにくく、冷却性能の向上が阻害されてしまう。また、熱放射セラミック材料２０の機械強度が著しく低下してしまうため、このような窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の質量比を有する熱放射セラミック材料２０を放熱部材１３として使用した際には、割れまたはクラックが発生する可能性がある。そのため、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が４０質量％以下であることが望ましい。なお、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が２０質量％以上３０質量％以下である場合には、放熱部材１３の冷却性能に関わる放射率および熱伝導率の両方がより向上する。

熱放射セラミック材料２０に含まれる窒化ホウ素粒子２２は、六角形のＢＮ層が無秩序に積層した乱層構造窒化ホウ素（ｔ−ＢＮ）でもよいが、六角形のＢＮ層が秩序的に積層した六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）である方が好ましい。六方晶窒化ホウ素を含有することで、熱放射セラミック材料２０の熱伝導率が向上し易く、また平均熱放射率も向上し易い。

熱放射セラミック材料２０の空隙率は、放熱部材１３の熱伝導率および機械強度と関連している。すなわち、熱放射セラミック材料２０の空隙率が高過ぎると、熱放射セラミック材料２０の内部で空隙同士が繋がる結果、機械強度が低下する。また、空隙の空気層が断熱材の役割を果たすため、熱の伝達が阻害され、結果として熱伝導率が低下する。したがって、所望の熱伝導率および機械強度を得る観点から、熱放射セラミック材料２０の空隙率は、４０％以下であることが好ましい。また、熱放射セラミック材料２０の空隙率は、より好ましくは３５％以下であり、さらに好ましくは３０％以下である。

また、熱放射セラミック材料２０の空隙率は、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が小さくなると小さくなる傾向がある。しかし、上記したように、窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が１０質量％未満の場合には、熱放射セラミック材料２０の平均放射率が向上しない。窒化ホウ素粒子２２の質量の割合が１０質量％未満の場合には、空隙率も１０％未満となる。これらのことを考慮すると、熱放射セラミック材料２０の空隙率は、１０％以上４０％以下であることが望ましい。

ここで、本明細書において使用される熱放射セラミック材料２０の「空隙率」について説明する。「空隙率」は、アルキメデス法によって算出される。具体的には、「空隙率」は、直方体形状に切り出した熱放射セラミック材料２０の質量および寸法の測定値を用い、次式（１）から算出することができる。なお、直方体形状の熱放射セラミック材料２０の寸法は、縦、横および高さの長さとなる。
空隙率＝｛１−[Ｗ_dry／（Ｌ×Ｗ×Ｔ）／ρ_theory]｝×１００ ・・・（１）

（１）式中、Ｗ_dryは、１５０℃で２時間乾燥させた熱放射セラミック材料２０の質量（ｇ）である。また、（１）式中、Ｌ、ＷおよびＴはそれぞれ、直方体形状の熱放射セラミック材料２０の縦、横および高さの長さ（ｃｍ）であり、ρ_theoryは、熱放射セラミック材料２０の理論密度（ｇ／ｃｍ³）である。

熱放射セラミック材料２０の平均放射率は、７０％以上である。一般に、熱放射セラミック材料２０の放射率は温度によって変化するが、電気電子機器１の放熱部材１３として通常使用される２００℃以下の温度領域、好ましくは１５０℃以下の温度領域において、７０％以上の平均放射率を有していると、放熱部材１３として十分な冷却性能が得られる。さらに、熱放射セラミック材料２０の熱伝導率は、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、熱源から発生した熱が放熱部材１３に効率的に伝達されるため、さらに高い冷却性能が期待できるからである。

熱放射セラミック材料２０に含まれる窒化ケイ素および窒化ホウ素は、粒子として存在する。熱放射セラミック材料２０の冷却性能を均一化させること、および機械強度を向上させる観点から、窒化ホウ素粒子２２は、窒化ケイ素粒子２１の間に均一に分散していることが好ましい。

窒化ホウ素粒子２２の均一な分散性を確保する観点から、窒化ホウ素粒子２２の平均粒径は、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが望ましい。

窒化ホウ素粒子２２の平均粒径が１μｍを超えると、窒化ケイ素粒子２１の間に窒化ホウ素粒子２２が均一に分散した状態が得られ難いことがある。一方、窒化ホウ素粒子２２の平均粒径が０．０５μｍ未満であると、窒化ホウ素粒子２２が強固に凝集し、窒化ケイ素粒子２１の間に窒化ホウ素粒子２２が均一に分散した状態が得られ難いことがある。その結果、熱放射セラミック材料２０の内部において、窒化ホウ素粒子２２が多い部分と窒化ケイ素粒子２１が多い部分とが不均一に生じる。以下では、窒化ホウ素粒子２２が多い部分は、窒化ホウ素リッチ部分と称され、窒化ケイ素粒子２１が多い部分は、窒化ケイ素リッチ部分と称される。このような不均一が生じることで、放熱部材１３の冷却性能に不均一が生じてしまう。また、窒化ホウ素リッチ部分は、空隙率が大きくなるため、機械強度が低下し、割れおよびクラックの発生原因となる。したがって、窒化ケイ素粒子２１の間に窒化ホウ素粒子２２が均一に分散していない場合、熱放射セラミック材料２０から構成される放熱部材１３の全体としての冷却性能および機械強度を十分に向上させることができない傾向にある。そのため、窒化ホウ素粒子２２の平均粒径は、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが望ましい。

窒化ケイ素粒子２１の平均粒径は、特に限定されないが、２μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。

ここで、熱放射セラミック材料２０における各粒子の平均粒径は、熱放射セラミック材料２０の断面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）で観察することによって得ることができる。具体的には、熱放射セラミック材料２０を切断し、その断面をＳＥＭで例えば１５０００倍に拡大した後、少なくとも２０個の粒子について長径を測定し、その測定値を平均化することによって、粒子の平均粒径を得ることができる。

熱放射セラミック材料２０は、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の他に、緻密化のために焼結助剤を含有することができる。焼結助剤は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。イットリウムなどの希土類元素、アルミニウム、チタン、マグネシウムまたはケイ素の酸化物、アルミニウムまたはチタンの窒化物は、焼結助剤の一例である。これらは、単独または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらの中でも、熱放射セラミック材料２０の平均放射率および機械強度の観点から希土類元素の酸化物を焼結助剤として用いることが好ましい。

熱放射セラミック材料２０における焼結助剤の含有量は、特に限定されないが、好ましくは２質量％以上２０質量％以下である。焼結助剤の含有量が２質量％未満であると、セラミック複合体を十分に緻密化させることができない場合がある。一方、焼結助剤の含有量が２０質量％より多いと、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の含有量が少なくなるため、熱放射セラミック材料２０の平均放射率が十分に向上しない場合がある。以上より、焼結助剤の含有量は、２質量％以上２０質量％以下であることが望ましい。

熱放射セラミック材料２０は、上記の成分の他、所望の効果を得るために、当該技術分野において公知の各種成分を含有することができる。熱放射セラミック材料２０における当該成分の含有量は、本開示の効果を阻害しない範囲であれば特に限定されない。

図３は、実施の形態１による放熱部材の構成の他の例を模式的に示す断面図である。一例では、放熱部材１３は、平板状である。図３に示されるように、放熱部材１３は、熱放射セラミック材料２０の少なくとも一部の表面に金属酸化物層２３を有していてもよい。図３の例では、平板状の熱放射セラミック材料２０の一方の面上に金属酸化物層２３が設けられる場合が示されている。金属酸化物層２３は、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の放射スペクトルと異なる放射スペクトルを有する。このような金属酸化物層２３を有することによって、放熱部材１３の平均放射率をさらに向上させることができる。特に、金属酸化物層２３が、Ｒを希土類元素としたときに、希土類シリケートの一種であるＲ₂Ｓｉ₂Ｏ₇を含有する酸化物層であることが好ましい。Ｒ₂Ｓｉ₂Ｏ₇は、窒化ケイ素粒子２１と同程度の熱膨張率を有することから、熱放射セラミック材料２０と金属酸化物層２３との界面での熱応力の発生が抑制され、高温に加熱された際の剥がれおよびクラックの発生を抑制することができる。ここで、Ｒ₂Ｓｉ₂Ｏ₇は、特に限定されることはないが、Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₇、Ｌｕ₂Ｓｉ₂Ｏ₇またはＹｂ₂Ｓｉ₂Ｏ₇を用いることができる。

金属酸化物層２３は、熱放射セラミック材料２０を空気中で高温酸化させることで、熱放射セラミック材料２０の表面に形成することができる。この場合には、熱放射セラミック材料２０における希土類酸化物の含有量が、３質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。希土類酸化物の含有量が３質量％未満であると、金属酸化物層２３における希土類シリケートの含有量が極端に少なくなり、高温に加熱された際に金属酸化物層２３が剥がれる場合がある。一方、希土類酸化物の含有量が２０質量％よりも多い場合には、上記した焼結助剤の場合と同様に、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の含有量が少なくなるため、熱放射セラミック材料２０の平均放射率が十分に向上しない場合がある。以上より、熱放射セラミック材料２０における希土類酸化物の含有量は、３質量％以上２０質量％以下であることが望ましい。

実施の形態１による熱放射セラミック材料２０から構成される放熱部材１３は、電気電子機器１の放熱対策に用いることができ、具体的にはヒートシンク、ヒートスプレッダ、放熱基板などの用途が想定される。特に、放熱部材１３をヒートシンクとして使用する場合には、平板状の放熱部材１３を備えるヒートシンクは、少なくとも片側の表面に、高低差が放射する赤外線の波長以上である凹凸を有することが望ましい。具体的には、３μｍ以上３０μｍ以下の範囲の波長領域で熱放射を行う熱放射セラミック材料２０を利用するので、ヒートシンクは、２５μｍ以上の凹凸、さらに好ましくは３０μｍ以上の凹凸を有することが望ましい。表面に赤外線の波長以上の凹凸が設けられることで、赤外線の放射に有効な表面積が増加する。これによって、見かけの平均放射率が向上し、ヒートシンクの冷却性能が向上する。

次に、放熱部材１３の製造方法について説明する。実施の形態１による放熱部材１３は、当該技術分野において公知の方法を用いて製造することができる。例えば、実施の形態１による放熱部材１３は、以下のようにして製造することができる。

まず、窒化ケイ素粉末、窒化ホウ素粉末、焼結助剤、分散剤、結合剤および水を混合してスラリーを調製する。窒化ケイ素粉末、窒化ホウ素粉末および焼結助剤の平均粒径としては、特に限定されないが、好ましくは１μｍ以下であり、より好ましくは０．８μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ以下である。特に、窒化ホウ素粉末の平均粒径が１μｍを超えると、窒化ケイ素粒子２１の間に窒化ホウ素粒子２２が均一に分散した状態が得られ難いことがあるため、放熱部材１３の冷却性能に不均一が生じ易い。また、窒化ホウ素粉末の平均粒径が０．０５μｍ未満であると、窒化ホウ素粉末が強固に凝集し、窒化ケイ素粉末の間に窒化ホウ素粉末が均一に分散した状態が得られ難いことがある。そのため、窒化ホウ素粉末の平均粒径は０．０５μｍ以上１μｍ以下である。

分散剤は、水系スラリーに使用可能なものであれば特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。分散剤の一例は、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、反応性界面活性剤、脂肪酸塩、ナフタレンスルフォン酸ホルマリン縮合物などの陰イオン性界面活性剤；アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩、両性界面活性剤であるアルキルベタイン、アルキルアミンオキサイドなどの陽イオン性界面活性剤；ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン誘導体、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸ヒマシ油、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルカノールアミドなどの非イオン性界面活性剤である。これらは、単独または２種以上を組み合わせて用いることができる。

結合剤は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。結合剤の一例は、アクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系、ポリビニルアセタール系、ウレタン系または酢酸ビニル系の樹脂である。これらは、単独または２種以上を組み合わせて用いることができる。

水は、特に限定されず、純水、ＲＯ（Reverse Osmosis）水、脱イオン水などを用いることができる。

スラリーを調製する際の混合は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いて行うことができる。混合方法の一例は、ニーダ、ボールミル、遊星ボールミル、混練ミキサ、ビーズミルである。

次いで、スラリーを造粒して造粒粉を調製する。造粒方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。例えば、スプレドライヤなどを用いた噴霧乾燥によって造粒粉を得ることができる。噴霧乾燥の条件は、使用する機器に応じて適宜調整すればよく、特に限定されない。

次いで、所望の形状を有する金型に造粒粉を充填し、加圧成形して成形体を作製する。放熱部材１３をヒートシンクに適用する場合には、所望の形状は、一例では平板状である。加圧成形方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。加圧成形方法の一例は、冷間等方圧プレス（Cold Isostatic Pressing：ＣＩＰ）成形法、温間等方圧プレス（Warm Isostatic Pressing：ＷＩＰ）成形法、一軸加圧成形法である。

加圧成形時の加圧力は、造粒粉の種類、使用する装置などに応じて適宜調整すればよく、特に限定されないが、一般に、３０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である。

その後、成形体を脱脂処理する。脱脂処理の方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。例えば、成形体を空気雰囲気中で加熱処理することによって、脱脂処理を行うことができる。加熱温度は、結合剤が熱分解し得る温度であれば特に限定されず、一般に３００℃以上８００℃以下である。

次いで、脱脂処理後の成形体を焼成する。焼成方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。例えば、脱脂処理後の成形体が、窒素雰囲気中で焼成される。焼成時の窒素ガスの圧力は、常圧であってもよいが、Ｓｉ₃Ｎ₄の熱分解を抑制する観点から、０．２ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下とすることが好ましい。また、焼成温度は、特に限定されないが、一般に１７００℃以上２１００℃以下であり、好ましくは１７５０℃以上２０５０℃以下であり、より好ましくは１８００℃以上２０００℃以下である。

その後、形状を整えるために、焼成後の成形体の表面が研削加工されてもよい。研削加工方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法に準じて行うことができる。研削加工方法の一例は、ダイヤモンドバイトを用いた研削加工である。また、焼成後の成形体が酸素雰囲気中で熱処理されてもよい。これによって、表面に金属酸化物層２３が形成される。以上のようにして、実施の形態１による放熱部材１３が形成される。

実施の形態１では、赤外線の領域における熱放射スペクトルが異なる窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２を複合化させた熱放射セラミック材料２０によって放熱部材１３を構成した。これによって、放熱部材１３は、赤外線の領域において従来に比して高い平均放射率を有する。その結果、放熱部材１３は、従来に比して優れた冷却性能を有する。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２による放熱部材の構成の一例を模式的に示す断面図である。以下では、実施の形態１と異なる部分を説明する。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

実施の形態２による放熱部材１３は、基材３０と、熱放射セラミック材料２０を含有するコーティング層２５と、を備える。コーティング層２５は、フィラーと、バインダ２６と、を含む。フィラーは、熱放射セラミック材料２０であり、窒化ケイ素粒子２１と、窒化ホウ素粒子２２と、を含む。実施の形態２によるコーティング層２５における、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の質量に対する窒化ホウ素粒子２２の質量の割合は、実施の形態１の熱放射セラミック材料２０と同様であり、１０質量％以上４０質量％以下である。

放熱部材１３は、予め定められた質量比の窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２を含有するコーティング層２５を備えていることから、従来に比して高い平均放射率を有し、冷却性能に優れたものとなる。

コーティング層２５に含有されるバインダ２６は、特に限定されることはなく、窒化ケイ素粒子２１と窒化ホウ素粒子２２とを均一に分散させ、コーティング層２５として固定化する機能を有していればよい。コートティング層に含有されるバインダ２６は、一例では、有機系バインダおよび無機系バインダを適宜選定して用いることができる。バインダ２６を選定する際の一つの指標は、耐熱性が挙げられる。すなわち、放熱部材１３を使用する温度によって、所望の耐熱性を有するバインダ２６が適宜選定される。

有機系バインダは、特に限定されないが、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、およびポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂は、接着性に優れているので好ましい。エポキシ樹脂の例としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、脂環脂肪族エポキシ樹脂、またはグリシジル−アミノフェノール系エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は、単独または２種以上を組み合わせて用いることができる。

熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合には、硬化剤の一例は、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸及び無水ハイミック酸等の脂環式酸無水物；ドデセニル無水コハク酸等の脂肪族酸無水物；無水フタル酸及び無水トリメリット酸等の芳香族酸無水物；ジシアンジアミド及びアジピン酸ジヒドラジド等の有機ジヒドラジド；トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール；ジメチルベンジルアミン；１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン及びその誘導体；２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾールまたは２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類である。これらの硬化剤は、単独または２種以上を組み合わせて用いることができる。

硬化剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂および硬化剤の種類等に応じて適宜設定されるが、一般的に、硬化剤の配合量は、１００質量部の熱硬化性樹脂に対して０．１質量部以上２００質量部以下である。

放熱部材１３におけるコーティング層２５は、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２と熱硬化性樹脂の硬化物との界面の接着力を向上させる観点から、カップリング剤を含んでもよい。カップリング剤の一例は、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランまたはγ−メルカプトプロピルトリメトキシシランである。これらのカップリング剤は、単独または組み合わせて用いることができる。

カップリング剤の配合量は、使用する熱硬化性樹脂およびカップリング剤の種類等に応じて適宜設定される。一般的に、カップリング剤の配合量は、１００質量部の熱硬化性樹脂に対して０．０１質量部以上１質量部以下である。

無機系バインダは、窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２との馴染みがよく、均一分散が可能な液状のバインダ２６であることが好ましい。また、無機系バインダは、硬化温度が有機系バインダと比較して高温のものが多いが、作業性および基材３０の熱処理による変質防止の観点から、無機系バインダの硬化温度は、２５０℃以下、好ましくは２００℃以下、さらに好ましくは１８０℃以下である。このような無機系バインダを用いることで、基材３０の熱劣化を発生させずに効率的にコーティング層２５を形成することが可能となる。無機系バインダの一例は、特に限定されないが、ゾルゲルガラス、有機無機ハイブリッドガラス、水ガラス、一液性の無機接着剤または二液性の無機接着剤である。これらは、単独または組み合わせて用いることができる。

放熱部材１３における基材３０は、特に限定されることはないが、発熱部品１２の熱を効率的に伝達する観点から、熱伝導率の高い金属またはセラミックであることが好ましい。金属の一例は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄またはその他合金である。また、セラミックの一例は、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、窒化アルミまたは炭化ケイ素である。これらは、単独または組み合わせて用いることができる。

実施の形態２では、放熱部材１３は、基材３０と、熱放射スペクトルの異なる窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２とバインダ２６とを含有するコーティング層２５と、を備える。このような構成によっても、実施の形態１の場合と同様に、従来に比して平均熱放射率が高く、冷却性能に優れるという効果を有する。

以下、実施例および比較例により本開示の詳細を説明するが、これらによって本開示が限定されるものではない。

[実施例１]
混合粉末の原料は、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末、窒化ホウ素（ＢＮ）粉末および焼結助剤である。窒化ケイ素粉末の平均粒径は、０．１μｍであり、窒化ホウ素粉末の平均粒径は、０．１μｍである。焼結助剤には、平均粒径が１μｍのイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）粉末と、平均粒径が１μｍのアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末と、が用いられる。各粉末の配合比は、窒化ケイ素粉末を７７質量部とし、窒化ホウ素粉末を１９質量部とし、イットリア粉末を３質量部とし、アルミナ粉末を１質量部とする。また、１００質量部の混合粉末に対して、１質量部の分散剤であるポリオキシエチレンラウリルエーテルと、１質量部の結合剤であるポリビニルアルコールと、５０質量部の水と、を加えてボールミルで約５時間混合し、スラリーを調製する。

次いで、得られたスラリーをスプレドライヤで噴霧乾燥させて造粒粉を得る。その後、得られた造粒粉をレドームの形状を有する型に充填し、冷間等方圧プレス機を用いてＣＩＰ成形を行うことによって成形体を得る。加圧力は、９８ＭＰａとする。

次いで、得られた成形体を空気雰囲気中、６００℃で２時間加熱処理することによって脱脂処理を行う。その後、脱脂処理した成形体を窒素雰囲気中、１９００℃で２時間焼成する。焼成時の窒素ガスの圧力は、０．９ＭＰａとする。以上によって、熱放射セラミック材料２０からなる放熱部材１３が形成される。

[実施例２]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が８６質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が１０質量部とされること以外は実施例１と同様である。

[実施例３]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が６７質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が２９質量部とされること以外は実施例１と同様である。

[実施例４]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が５８質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が３８質量部とされること以外は実施例１と同様である。

[実施例５]
窒素雰囲気中での焼成後に、大気中、１３００℃で１時間の熱処理、すなわち酸化処理を行い、焼結体の表面に金属酸化物層２３を形成する。その他の処理は実施例１と同様である。

[実施例６]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が７１質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が１８質量部とされ、イットリア粉末の配合量が１０質量部とされる。また、窒素雰囲気中での焼成後に、大気中、１３００℃で１時間の熱処理、すなわち酸化処理を行い、焼結体の表面に金属酸化物層２３を形成する。その他の処理は実施例１と同様である。

[実施例７]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が６７質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が１７質量部とされ、イットリア粉末の配合量が１５質量部とされる。また、窒素雰囲気中での焼成後に、大気中、１３００℃で１時間の熱処理、すなわち酸化処理を行い、焼結体の表面に金属酸化物層２３を形成する。その他の処理は実施例１と同様である。

[実施例８]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が６３質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が１６質量部とされ、イットリア粉末の配合量が２０質量部とされる。また、窒素雰囲気中での焼成後に、大気中、１３００℃で１時間の熱処理、すなわち酸化処理を行い、焼結体の表面に金属酸化物層２３を形成する。その他の処理は実施例１と同様である。

[比較例１]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が９６質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が０質量部とされること以外は実施例１と同様である。

[比較例２]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が９１質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が５質量部とされること以外は実施例１と同様である。

[比較例３]
混合粉末において、窒化ケイ素粉末の配合量が４８質量部とされ、窒化ホウ素粉末の配合量が４８質量部とされること以外は実施例１と同様である。

上記の実施例１から８および比較例１から３で得られた熱放射セラミック材料２０からなる放熱部材１３について空隙率を測定する。空隙率は、上記で説明したアルキメデス法を用いて算出される。

また、上記の実施例１から８および比較例１から３で得られた熱放射セラミック材料２０からなる放熱部材１３について、（１）放熱部材１３としての冷却性能、（２）機械強度、（３）熱伝導率および（４）平均放射率が評価される。

（１）放熱部材１３としての冷却性能
縦１００ｍｍ、横１００ｍｍおよび厚み７ｍｍの熱放射セラミック材料２０の片側表面に、セラミックヒータを取り付ける。取り付けたセラミックヒータに２０Ｗの電力を印加し、熱放射セラミック材料２０およびセラミックヒータの温度が飽和温度に達するまで、数時間放置する。その後、熱電対を用いて、セラミックヒータの表面温度を計測する。２０Ｗの電力を投入したときのセラミックヒータの飽和温度が放熱部材１３としての冷却性能となる。飽和温度が低い方が、放熱部材１３としての冷却性能が高いことを示す。

（２）機械強度
放熱部材１３の機械強度として３点曲げ強度を測定する。この３点曲げ強度は、万能試験機を用いて測定される。このとき、試験片は、熱放射セラミック材料２０から、縦４ｍｍ、横３ｍｍおよび長さ４０ｍｍに切り出されるものが使用される。

（３）熱伝導率
熱伝導率は、レーザフラッシュ法を用いて測定される。このとき、試験片は、熱放射セラミック材料２０から、直径１０ｍｍおよび厚み１ｍｍに切り出されるものが使用される。

（４）平均放射率
平均放射率は、放射率測定装置を用いて、３μｍ以上２５μｍ以下の波長領域における各放射率を測定し、全波長領域での放射率の平均値を算出することによって求められる。このとき、試験片は、熱放射セラミック材料２０から、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍおよび厚み２ｍｍに切り出されるものが使用される。

図５は、実施例１から８および比較例１から３における放熱部材の原料、熱放射セラミック材料および特性の一例を示す図である。原料の項目では、粉末原料を構成する窒化ケイ素粉末、窒化ホウ素粉末および焼結助剤の質量％と、粉末原料１００質量部に対する分散剤、結合剤および水の質量部が示される。熱放射セラミック材料２０の項目には、窒化ケイ素および窒化ホウ素の合計含有量と、窒化ケイ素および窒化ホウ素の質量比と、熱放射セラミック材料２０の空隙率と、金属酸化物層２３の有無と、が示される。特性の項目には、上記の４つの評価項目の結果が示される。４つの評価項目は、機械強度［ＭＰａ］、熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、３μｍ以上２５μｍ以下の波長領域における熱放射セラミック材料２０の平均放射率［％］および放熱部材１３としての冷却性能、すなわち２０Ｗの電力を投入時の飽和温度［℃］である。

図５に示されるように、実施例１から８の放熱部材１３は、平均放射率が７５％以上の高さを有する。また、２０Ｗの電力を投入時の飽和温度は、１２０℃から１３３℃までの範囲に収まっている。実施例１から８の空隙率は１２％から３９％の範囲にある。機械強度は１５２ＭＰａから３０９ＭＰａまでの範囲にある。熱伝導率は、２９Ｗ／（ｍ・Ｋ）から５１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲に収まっている。また、放熱部材１３が金属酸化物層２３を有する場合には、金属酸化物層２３を有さない場合に比して、平均放射率が高くなる傾向があり、その結果、金属酸化物層２３を有さない場合に比して、２０Ｗの電力を投入時の飽和温度が低くなる傾向がある。さらに、窒化ケイ素粉末および窒化ホウ素粉末の合計含有量に対する窒化ホウ素粉末の質量の割合が２０質量％以上３０質量％以下である実施例１，３，５，６，７，８は、窒化ケイ素粉末および窒化ホウ素粉末の合計含有量に対する窒化ホウ素粉末の質量の割合が１０質量％である実施例２と比較しても、４０質量％である実施例４と比較しても、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有し、かつ８０％以上の平均放射率を有しており、熱伝導率および平均放射率の両方で高い値を有している。そのため、放熱部材１３の冷却性能に関わる放射率および熱伝導率の両方を向上させる場合には、窒化ケイ素粉末および窒化ホウ素粉末の合計含有量に対する窒化ホウ素粉末の質量の割合が２０質量％以上３０質量％以下であることが望ましい。

一方、比較例１，２の放熱部材１３は、平均放射率が６５％程度であり、２０Ｗの電力を投入時の飽和温度は、１５６℃から１６８℃までの範囲となっている。これは、比較例１のように、窒化ホウ素を含有していない、あるいは比較例２のように窒化ホウ素を含有してはいるが、窒化ホウ素の含有量が少ないためであると考えられる。すなわち、Ｓｉ₃Ｎ₄：ＢＮが９０：１０から１００：０までの範囲にある場合には、平均放射率が、実施例１から８の場合に比して低下してしまい、その結果、放熱部材１３としての冷却性能が低下しているものと考えられる。

また、比較例３の放熱部材１３は、平均放射率が８０％程度であるが、２０Ｗの電力を投入時の飽和温度は、１４８℃と、実施例１から８の場合に比して高くなってしまっている。これは、実施例１から８の場合に比して、ＢＮの含有量が多くなっており、それに伴い、空隙率が５３％と高くなっていることによるものと考えられる。つまり、発熱体の熱が放熱部材１３に効率的に伝達されず、熱伝導率が実施例１から８の場合に比して極端に低下してしまう。その結果、比較例３では、放熱部材１３としての冷却性能が低下するものと考えられる。また、空隙率が大きくなっているため、機械強度も極端に低下しているので、放熱部材１３として使用した際に、割れまたはクラックが発生する可能性が高くなる。

以上のように、比較例１から３に比して放熱部材１３としての冷却性能を高めるためには、放熱部材１３を構成する熱放射セラミック材料２０の窒化ケイ素粒子２１および窒化ホウ素粒子２２の質量に対する窒化ホウ素粒子２２の質量の割合は、１０質量％以上４０質量％以下となる。また、実施例１から８および比較例１から３の結果を参照すると、２００℃以下の温度において、３μｍ以上２５μｍ以下の波長領域での平均放射率は、７０％以上であると、放熱部材１３としての冷却性能を高めることが可能となる。また、このときの空隙率は１０％以上４０％以下であることが望ましい。さらに、イットリア粉末などの希土類酸化物を焼結助剤として使用する場合には、希土類酸化物は３質量％以上２０質量％以下であればよい。このような条件によって、平均放射率が高く、冷却性能に優れた放熱部材１３を提供することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 電気電子機器、１０ 筐体、１１ 基板、１２ 発熱部品、１３ 放熱部材、２０ 熱放射セラミック材料、２１ 窒化ケイ素粒子、２２ 窒化ホウ素粒子、２３ 金属酸化物層、２５ コーティング層、２６ バインダ、３０ 基材。

Claims (14)

1. 熱放射セラミック材料を備える放熱部材であって、
   前記熱放射セラミック材料は、窒化ケイ素および窒化ホウ素を主成分とし、
   前記窒化ケイ素および前記窒化ホウ素の質量に対する前記窒化ホウ素の質量の割合が、１０質量％以上４０質量％以下であり、
   前記窒化ホウ素の平均粒径は、０．０５μｍ以上１μｍ以下であり、
   ２００℃以下の温度において、３μｍ以上２５μｍ以下の波長領域での前記熱放射セラミック材料の平均放射率が７０％以上であることを特徴とする放熱部材。
2. 前記熱放射セラミック材料は、窒化ケイ素および窒化ホウ素が均一に分散していることを特徴とする請求項１に記載の放熱部材。
3. 前記放熱部材は、樹脂を含まないことを特徴とする請求項１または２に記載の放熱部材。
4. 前記窒化ホウ素は、六方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の放熱部材。
5. 前記熱放射セラミック材料は、窒化ケイ素粒子および窒化ホウ素粒子を含む焼結体であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の放熱部材。
6. 基材をさらに備え、
   前記熱放射セラミック材料は、前記基材の表面にコーティングされるコーティング層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の放熱部材。
7. 前記コーティング層は、前記熱放射セラミック材料からなるフィラーと、バインダと、を有することを特徴とする請求項６に記載の放熱部材。
8. 前記熱放射セラミック材料の熱伝導率は、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の放熱部材。
9. 前記熱放射セラミック材料は、３質量％以上２０質量％以下の希土類酸化物を含有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の放熱部材。
10. 前記熱放射セラミック材料の表面の一部に金属酸化物層をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の放熱部材。
11. 前記金属酸化物層は、Ｒを希土類元素としたときにＲ ₂ Ｓｉ ₂ Ｏ ₇ で示される希土類シリケートであることを特徴とする請求項１０に記載の放熱部材。
12. 前記金属酸化物層は、前記熱放射セラミック材料を空気中で高温酸化させることで、前記熱放射セラミック材料の表面に形成される層であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の放熱部材。
13. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の放熱部材を備えることを特徴とするヒートシンク。
14. 前記放熱部材の表面の一部に高低差が２５μｍ以上である凹凸を有することを特徴とする請求項１３に記載のヒートシンク。

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