JP7160579B2 - 熱伝導構造体又は半導体装置 - Google Patents
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Description
前記第一の部材及び前記第二の部材の少なくとも一方の表面上に形成された自己組織化単分子膜と、
前記第一の部材及び前記第二の部材の間に、前記自己組織化単分子膜と接して配置された放熱グリスと、
を含む、熱伝導構造体。
(2) 前記自己組織化単分子膜を形成するSAM形成材料がヘッド基を有し、該ヘッド基が、前記第一の部材又は第二の部材の表面と共有結合を形成している、(1)に記載の熱伝導構造体。
(3) 前記ヘッド基が、前記第一の部材又は第二の部材の表面に存在する官能基と共有結合を形成している、(2)に記載の熱伝導構造体。
(4) 前記SAM形成材料が、前記ヘッド基に加えてテール基を有し、該テール基が疎水性を有する、(2)又は(3)に記載の熱伝導構造体。
(5) 前記自己組織化単分子膜の水接触角が70°以上である、(4)に記載の熱伝導構造体。
(6) 前記自己組織化単分子膜を形成するSAM形成材料が、有機シラン化合物である、(1)~(5)のいずれか1つに記載の熱伝導構造体。
(7) 前記放熱グリスが、基油として、鉱油、エステル系合成油、合成炭化水素油、シリコーン油、又はフッ素化油を含む、(1)~(6)のいずれか1つに記載の熱伝導構造体。
(8) 前記第一の部材が発熱部材であり、前記第二の部材が放熱部材である、(1)~(7)のいずれか1つに記載の熱伝導構造体。
(9) (1)~(8)のいずれか1つに記載の熱伝導構造体を含む半導体装置であって、
前記第一の部材が半導体モジュールである、半導体装置。
(第一の部材及び第二の部材)
本実施形態に係る熱伝導構造体において、第一の部材から第二の部材へ熱が伝導する。第一の部材及び第二の部材は、特に制限されるものではなく、熱の伝導に関わるものであればよい。第一の部材は、熱の流れにおいて第二の部材に対して上流となる部材であり、第二の部材は下流となる部材である。第一の部材は、例えば、発熱部材であり、第二の部材は、例えば、該発熱部材から熱を受け取ることにより発熱部材から熱を放出するための部材である放出部材である。本明細書において、「発熱部材」とは、通電等によって発熱する部材をいう。本実施形態においては、特に、自然対流による放熱では十分に冷却できない程の多量の熱を発生する部材が発熱部材の対象となる。発熱部材としては、例えば、パワーカードやCPU等の半導体モジュールが挙げられる。本明細書において、「放熱部材」とは、半導体モジュール等の発熱部材で発生した熱を受け取る部材であり、発熱部材から熱を放熱するのに寄与する部材である。放熱部材は、熱の放熱に直接的に寄与する部材であってもよいし、間接的に寄与する部材であってもよい。例えば、放熱部材自身がヒートシング等の冷却部材であってもよいし、放熱部材が熱の流れにおいて下流に存在するヒートシンク等の冷却部材に熱を受け渡す部材であってもよい。放熱部材は、発熱部材から熱を受け取って外部にその熱を放熱するのに寄与するものであれば、放熱専用の部材である必要はなく、例えば、絶縁性材料や筐体を放熱部材として利用してもよい。
本明細書において、「自己組織化単分子膜(SAM)」とは、原料である自己組織化単分子膜形成材料(SAM形成材料)としての単分子が部材表面に集合して自律的に組みあがる単分子膜(分子一層による膜)をいう。ただし、結果的に得られた膜の一部が意に反して(非意図的に)単分子膜となっていない場合(例えば二分子層以上の複数層になっている場合)であっても、少なくとも主としてSAMを作製する意図をもって形成されたものであれば、本開示の技術的範囲に含まれる。
(I)CH3-(CH2)l-Si(OA)3
(II)[CH3-(CH2)l]2-Si(OA)2
(III)[CH3-(CH2)l]3-SiOA
(IV)CH3-(CH2)m-COO-(CH2)n-Si(OA)3
(V)CH3-(CH2)m-O-(CH2)n-Si(OA)3
放熱グリスは、第一の部材及び第二の部材の間に、自己組織化単分子膜と接して配置される。
本実施形態に係る熱伝導構造体において、自己組織化単分子膜は、第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方の表面上に形成されており、また、放熱グリスは、第一の部材及び第二の部材の間に自己組織化単分子膜と接して配置されている。本実施形態に係る熱伝導構造体の具体的な構成について、図1A~図1Cを参照して説明する。
以下、本実施形態に係る半導体装置の構成例について、図面を参照して説明する。図2は、半導体装置2の斜視図である。半導体装置2は、複数のパワーカード10と複数の冷却器3が積層されたユニットである。なお、図2では、一つのパワーカードだけに符号10を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に、図2では、一つの冷却器だけに符号3を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、半導体装置2の全体が見えるように、半導体装置2を収容するケース31は仮想線で描いてある。1個のパワーカード10は、2個の冷却器3に挟まれる。パワーカード10と一方の冷却器3との間には絶縁板6aが挟まれており、パワーカード10と他方の冷却器3との間には絶縁板6bが挟まれている。パワーカード10と絶縁板6a、6bの間には、グリス20a、20b(図3参照)が塗布される。絶縁板6a、6bと冷却器3の間にはグリス9a、9b(図3参照)が塗布される。図2ではグリスの図示は省略している。また、図2は、理解し易いように、1個のパワーカード10と絶縁板6a、6bを半導体装置2から抜き出して描いてある。
熱伝導率を測定するための器具として、第一の測定治具51及び第二の測定治具52を用意した。第一の測定治具51は、熱伝導率を測定する際に冷却される部分である冷却部51aと、第一の柱状部51bとを有し、アルミ製である。また、第二の測定治具52は、熱伝導率を測定する際に加熱される部分である加熱部52aと、第二の柱状部52bとを有し、アルミ製である。また、第一の柱状部51b及び第二の柱状部52bには、厚さ方向に沿って、熱電対を配置するための測定孔(不図示)が複数設けられている。
真空紫外線光(VUV)の照射時間を20分間の代わりに180分間としたこと以外は、実施例1と同様の方法により熱抵抗[℃/W]を測定した。結果を図5に示す。
SAMを形成しなかった第一の測定治具51を用いたこと以外は、実施例1と同様にして熱抵抗[℃/W]を測定した。すなわち、比較例1では、両測定治具の頂面の間に放熱グリスが配置されており、SAMは形成されていない。結果を図5に示す。
SAMを形成しなかった第一の測定治具51を用い、かつ放熱グリスを塗布しなかったこと以外は、実施例1と同様にして熱抵抗[℃/W]を測定した。すなわち、比較例2では、両測定治具の頂面の間に何も配置されず、それらの頂面が直接接している。結果を図5に示す。
実施例1と同様の方法により、第一の測定治具の頂面にオクタデシルトリメトキシシラン(ODS)に由来するSAMを形成した。該ODSに由来するSAMが形成された第一の測定治具51を用い、かつ放熱グリスを塗布しなかったこと以外は、実施例1と同様にして熱抵抗[℃/W]を測定した。すなわち、比較例3では、第一の測定治具の頂面にODSに由来するSAMが形成されており、該SAMが第二の測定治具の頂面に接している。結果を図6に示す。
実施例1と同様の方法により、第一の測定治具の頂面及び第二の測定治具の頂面にオクタデシルトリメトキシシラン(ODS)に由来するSAMを形成した。該ODSに由来するSAMが形成された第一の測定治具51及び第二の測定治具52を用い、かつ放熱グリスを塗布しなかったこと以外は、実施例1と同様にして熱抵抗[℃/W]を測定した。すなわち、比較例4では、両測定治具の頂面にSAMが形成されており、両SAMが直接接している。結果を図6に示す。
SAMを形成しなかった第一の測定治具51を用い、かつ放熱グリスを塗布しなかったこと以外は、実施例1と同様にして熱抵抗[℃/W]を測定した。すなわち、比較例5では、両測定治具の頂面の間に何も配置されず、それらの表面が直接接している。なお、比較例5は比較例2に相当する。結果を図6に示す。
3:冷却器
4a:冷媒供給管
4b:冷媒排出管
5a、5b:連結パイプ
6a、6b:絶縁板
7a、7b、7c:電極端子
9a、9b:グリス
10:パワーカード
10a、10b:平坦面
13:パッケージ
14:スペーサ
15:ハンダ
16a、16b、17:放熱板
20a、20b:グリス
29:制御端子
31:ケース
32:板バネ
Da、Db:ダイオード
Ta、Tb:トランジスタ
51:第一の測定治具
51a:冷却部
51b:第一の柱状部
52:第二の測定治具
52a:加熱部
52b:第二の柱状部
53:放熱グリス
101:第一の部材
102:第二の部材
103a:第一の自己組織化単分子膜
103b:第二の自己組織化単分子膜
104:放熱グリス
Claims (9)
- 第一の部材から第二の部材へ熱が伝導する熱伝導構造体であって、
前記第一の部材及び前記第二の部材の少なくとも一方の表面上に形成された自己組織化単分子膜と、
前記第一の部材及び前記第二の部材の間に、前記自己組織化単分子膜と接して配置された放熱グリスと、
を含み、
前記自己組織化単分子膜を形成するSAM形成材料が、ヘッド基及び疎水性を有するテール基を有し、
前記ヘッド基が、前記第一の部材又は第二の部材の表面と共有結合を形成しており、
前記疎水性を有するテール基は、置換若しくは無置換の脂肪族基、又は置換若しくは無置換の芳香族基であり、ここで、脂肪族基は、飽和脂肪族基であってよく、又は不飽和脂肪族基であってもよく、脂肪族基は、直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよく、又は環状であってもよく、脂肪族基は、少なくとも一部が非芳香族性の環を形成していてもよく、脂肪族基を構成する炭素原子の一部が窒素原子、酸素原子又はイオウ原子で置き換えられていてもよく、芳香族基を構成する炭素原子の一部が窒素原子、酸素原子又はイオウ原子で置き換えられていてもよく、置換基としては、飽和若しくは不飽和の炭化水素基、アミノ基、ハロゲン原子、又はエポキシ基である、熱伝導構造体。 - 前記ヘッド基が、前記第一の部材又は第二の部材の表面に存在する官能基と共有結合を形成している、請求項1に記載の熱伝導構造体。
- 前記自己組織化単分子膜の水接触角が70°以上である、請求項1又は2に記載の熱伝導構造体。
- 前記自己組織化単分子膜を形成するSAM形成材料が、有機シラン化合物である、請求項1~3のいずれか1項に記載の熱伝導構造体。
- 前記有機シラン化合物が、下記式(I)~(V)
(I)CH 3 -(CH 2 ) l -Si(OA) 3
(II)[CH 3 -(CH 2 ) l ] 2 -Si(OA) 2
(III)[CH 3 -(CH 2 ) l ] 3 -SiOA
(IV)CH 3 -(CH 2 ) m -COO-(CH 2 ) n -Si(OA) 3
(V)CH 3 -(CH 2 ) m -O-(CH 2 ) n -Si(OA) 3
[式(I)~(V)において、lは、0~23の整数であり、mは、0~17の整数であり、nは、0~16の整数であり、Aは、炭素数1~4のアルキル基である。]
で表される化合物から選択される少なくとも1種である、請求項4に記載の熱伝導構造体。 - 前記有機シラン化合物が、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリクロロシラン、オクタデシルメトキシジクロロシラン、3-ブテニルトリエトキシシラン、3-ブテニルトリメトキシシラン、3-ブテニルトリクロロシラン、n-ブチルトリエトキシシラン、n-ブチルトリメトキシシラン、n-ブチルトリクロロシラン、n-デシルトリエトキシシラン、n-デシルトリメトキシシラン、n-デシルトリクロロシラン、n-デシルメチルジエトキシシラン、n-デシルメチルジメトキシシラン、n-デシルメチルジクロロシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジクロロシラン、イソオクタデシルトリエトキシシラン、イソオクタデシルトリメトキシシラン、イソオクタデシルトリクロロシラン、ジヘキシルジエトキシシラン、ジヘキシルジメトキシシラン、ジヘキシルジクロロシラン、ジオクチルジエトキシシラン、ジオクチルジメトキシシラン、ジオクチルジクロロシラン、ドコセニルトリエトキシシラン、ドコセニルトリメトキシシラン、ドコセニルトリクロロシラン、ドコシルメチルジエトキシシラン、ドコシルメチルジメトキシシラン、ドコシルメチルジクロロシラン、ドデシルメチルジエトキシシラン、ドデシルメチルジメトキシシラン、ドデシルメチルジクロロシラン、ドデシルトリエトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、ドデシルトリクロロシラン、エイコシルトリエトキシシラン、エイコシルトリメトキシシラン、エイコシルトリクロロシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリクロロシラン、ヘプチルトリエトキシシラン、ヘプチルトリメトキシシラン、ヘプチルトリクロロシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリクロロシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリクロロシラン、イソブチルトリエトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリクロロシラン、3-メトキシプロピルトリエトキシシラン、3-メトキシプロピルトリメトキシシラン、3-メトキシプロピルトリクロロシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリクロロシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリス(メトキシエトキシ)シラン、ノニルトリエトキシシラン、ノニルトリメトキシシラン、ノニルトリクロロシラン、オクチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、ペンチルトリエトキシシラン、ペンチルトリメトキシシラン、ペンチルトリクロロシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリクロロシラン、テトラデシルトリエトキシシラン、テトラデシルトリメトキシシラン、テトラデシルトリクロロシラン、ウンデシルトリエトキシシラン、ウンデシルトリメトキシシラン、ウンデシルトリクロロシラン、7-オクテニルトリエトキシシラン、7-オクテニルトリメトキシシラン、及び7-オクテニルトリクロロシランから選択される少なくとも1種である、請求項4に記載の熱伝導構造体。
- 前記放熱グリスが、基油として、鉱油、エステル系合成油、合成炭化水素油、シリコーン油、又はフッ素化油を含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の熱伝導構造体。
- 前記第一の部材が発熱部材であり、前記第二の部材が放熱部材である、請求項1~7のいずれか1項に記載の熱伝導構造体。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の熱伝導構造体を含む半導体装置であって、
前記第一の部材が半導体モジュールである、半導体装置。
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