JPH07503813A

JPH07503813A - 熱統御のための高伝導性ハイブリッド材料

Info

Publication number: JPH07503813A
Application number: JP5514040A
Authority: JP
Inventors: キブラー、ジョン・ジェイ; カッシン、トーマス・ジー
Original assignee: マテリアルズ・サイエンシズ・コーポレイション
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1995-04-20
Also published as: KR950700677A; EP0786196A4; CA2128872C; EP0786196A1; ATE190460T1; DE69230771T2; CA2128872A1; DE69230771D1; US5296310A; EP0786196B1; WO1993016579A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

熱統御のための高伝導性ハイブリッド材料発明の分野本発明は、一般に高伝導性構造材料に関し、そして特に、高い伝導性を提供するための非構造材料と、熱膨張や剛性等のその他の機械的特性を制御するための別の材料とを組み込んだ、サンドウィッチ構造のハイブリッドに関する。発明の背景熱伝導性、熱膨張、および剛性の所望の組み合わせを有する熱放散性プレートおよびシェル構造物は、臨界電子部品の用途に多くの需要がある。ダイオード類やトランジスター類等の電子部品および装置から熱を逃すために、良好な熱伝導性が必要とされる。ダイオードにおいて優勢な高電流およびその他の電子部品で発生する熱は、高い温度の原因となり、多くの場合、電子素子または部品から熱を取り除くために冷却用放熱子を用いることが必要である。冷却用放熱子を用いない場合は、種々のその他の装置を、熱放散性プレートへ直接取り付けるように設計し、熱放散性プレートが転じて熱伝達素子として働くようにする。更に、集積回路、大規模集積回路、電子ダイオード等の集積化の密度の急速な増加は、ますます厳しい温度条件に応じる必要を増長させてきた。従って、熱放散性構造物は、電子産業の発展に伴い、常に改善されてきた。ダイオードおよびその他の電子素子や部品を熱放散性構造物に取り付ける場合、熱放散性構造物が良好な熱伝導性を提供する、今日利用できるより進んだ構造物である場合でさえも、種々の素子の異なる熱膨張率がしばしば問題を叶き起こす。例えば、ダイオードまたはトランジスターを取り付ける冷却用放熱子と電気絶縁支持体が、異なる熱膨張率を有するかもしれない。同様に、ダイオードと冷却用放熱子との間に異なる熱膨張率が存在するかもしれない。部品間の熱膨張率に重大な差がある場合は、はんだ付けにより起こる温度変化、および系の中や周囲の状態により発生ずる熱が、大きな熱応力を生み出す。このような応力は、転じて部品をだめにするかもしれない。アルミニウムおよび銅等の金属または金属アロイは、熱放散性構造物として最もよく用いられる。これは、それらが良好な熱伝導性を有するからである。しかしながら、このような材料の熱膨張率はかなり高（、そのために加熱および冷却が、熱伝達性構造物を、通常低い熱膨張率の材料からできている隣接した素子から分離させる原因となる。ノリコンやガリウムひ素等の、電子部品、回路または系に用いる半導体およびその他の臨界素子は、脆く、低い熱膨張率を有し、操作中にかなりの浪費熱を発生する。従って、電子系統中におけるこれらの部品のための熱伝達装置の最低必要条件は、低い熱膨張率と高い熱伝導性である。単一モノリンツク金属で、低い熱膨張率と高い熱伝導性を有するものはない。紙支持体とフェノール樹脂、またはガラス支持体とエポキシ樹脂から作られた積層品等の種々の支持体と有機ポリマー材料から作られる複合材料が、アルミナプレート等のセラミック材料と同様に、印刷配線板および冷却用放熱子として用いられてきた。しかしながら、先行技術は、これらの支持体が低い熱伝導性を有するため、不完全であることを示唆している。その他の積層品は、アルミニウムプレート上に形成した電気絶縁アルミライトフィルム（ａｌｕｍｉｌｉｔｅ　ｆｉｌｍ）等、金属ベースと有機ポリマー材料または金属−セラミック複合プレートを含めて発展してきた。しかしながら、有機ポリマー材料が軌抵抗の原因となること、またアルミライトフィルムが割れ易いことから、これらの積層品は不適当である。更に、前記の材料は、プレートの膨張率とは相客れない熱膨張率を有する。高伝導性構造材料は、バインダーまたはマトリクス材料に高伝導性繊維（または素粒子）を含ませることにより造られてきた。高伝導性で、熱膨張を制御したプレートは、所望の方向に繊維を配置することにより得られる。しかしながら、配向繊維は、それらがいくつかの方向に配置されることのない限り、異方性を生ずる。更に簡便な場合には、良好な伝導性と制御された熱膨張を提供するために、異なる材料層の組み合わせが用いられる。しかしながら、多くの場合には、パネル熱伝導性を犠牲にして、所望の熱膨張性を生み出すものである。米国特許第４．８８８，２４７号（ズウエーベンら）は、特殊な積層した熱伝導性装置を開示している。金属（アルミニウム）の１以上の層がポリマーマトリクス複合材料（エポキシ樹脂）の１以上の層に結合する。低熱膨張補強材料（グラファイト繊維）が、至るところに配置され、ポリマーマトリクス複合材料中に埋め込まれている。１つの実施態様においては、多数の金属および補強したポリマーマトリクス複合材料の交互層が装置を形成する。装置の熱膨張および熱伝導性は、ポリマーマトリクス材料およびポリマーマトリクス材料中の補強材料と組み合わせた、積層品中の金属によって決まる。従って、ズウエーベンらは、金属層と共に繊維補強した樹脂マトリクス材料に焦点をおいている。組み合わせの目的は、その高い伝導性のために金属を用い、そして金属の熱膨張性を補強するために複合材料を用いることであり、それによって、複合物の膨張性は隣接材料と調和する。積層した層の複合物を形成することにより性質の組み合わせを得る試みで一般的であるように、平面の材料または層は、周囲の層と完全に相互作用する。ズウエーベンらは、特に金属層をポリマーマトリクス複合材料と結合させることを開示している。このような相互作用のために、所望の構造的性質を達成するには、伝導性の性質において妥協が必要となる。本発明では、低熱膨張性、高熱伝導性構造物に存在する欠点を克服するために、新規ハイブリッド構造物を提供する。本発明の目的のひとつは、電子部品および電子系統から発生する熱を伝達するための、高い熱伝導性を有する構造物を提供することである。電子装置における隣接部品の熱膨張率との調和は、重大である。なぜなら、部品が作動し熱循環している間の構造的および電気的破損を防ぐからである。従って、本発明のもう一つの目的は、隣接素子の熱膨張率と調和させることのできる、改善された構造物を提供することである。そして、高い伝導性と低い熱膨張率を併せ持つ構造物を作ることが更なる目的である。さらに本発明のその他の目的は、平面内等方性を有する構造物を提供することである。Ｋ肌９鼻！これらおよびその他の目的を達成するために、そしてその目的のゆえに、本発明は、高い熱伝導性および隣接材料と調和するあらかじめ決めた機械的特性を併せもつハイブリッド構造材料を提供する。ハイブリッド構造材料は、次の３つの素子を有する。（１）ハイブリッド構造材料の熱伝導性を決める、非構造物の装軌伝導性コア材料、（２）ハイブリッド構造材料の相対する表面を形成し、ハイブリｙ　Ｆ構造材料の機械的特性を決める助けとなる一対の表面ソートで、第１の表面ノートはコア材料の片側に配置し、第２の表面シートはコア材料の反対側に配置して、表面／−ト／コア材料／表面シートのサンドウィッチ構造を造る表面／−ト、（３）実質的にコア材料を囲み、表面シートと結合して、（表面シートと共に）ハイブリッド材料の機械的特性を決める助けとなるフレーム。第１表面／−トとコア材料との間の第１界面は、第１表面ソートとコア材料との間に物理的な接触はさせるが、構造的な相互作用は防ぐ。同様に、第２表面ソートとコア材料との間の第２界面は、第２表面ソートとコア材料との間に物理的な接触はさせるが、構造的な相互作用は防ぐ。従って、ハイブリッド構造材料は、表面／−トとフレームの熱膨張性（およびその他の機械的特性）を維持しつつ、コア材料の熱伝導性の高さを獲得する。前述の一般的な記載および以下の詳細な記載は、具体例であり、本発明を制限するものではない。図面の簡単な説明本発明は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むと最も理解しやすい。図１は、本発明に従い、高い伝導性を有し、機械的特性を制御したハイブリッド構造物の透視図である。本発明の詳細な説明図面においては、図１は本発明のハイブリッド構造物１０を示す。ハイブリッド構造物１０は、サンドウィッチ構造である。コア材料２０は、２つの表面シート３０．４０の間に置かれている。フレーム５０は、実質的にコア材料２０を囲んでおり、表面シート３０．４０に結合している。コア材料２０は、非構造物であり、かなり高い伝導性を有する。その伝導性特性のためには、コア材料として、構造的な性質を考慮することなく、どんな高伝導性材料を用いてもよい。また、平面内において、１方向以上に高い伝導性を有する材料を用いてもよい。特に、高規則熱分解グラファイト、圧縮アニールした熱分解グラファイト（ＣＡＰＧ）　、合成ダイアモンド等の平面内等方性材料が適している。ＣＡＰＧは、製造および試験がなされているので、現時点では好ましいものである。ＣＡＰＧは、平面内両方向に等しい熱伝導性を有し、したがって、両方向に熱をよく伝導することからも望ましい。対照的に、繊維補強した材料では、平面内方向における性質のバランスを得るために、い（つかの方向に繊維を置（ことが必要である。ＣＡＰＧはまた、比較的費用が安い。第１表面ソート３０および第２表面シート４０は、ハイブリッド構造１０の表皮を形成する。表面シート３０．４０は、第１７−ト３０とコア材料２０との間の第１界面７０、および第２シート４０とコア材料２０との間の界面８００両方でコア材料２０に物理的に接触する。しかしながら、表面シート３０．４０は、コア材料２０とは構造的に相互作用をしない。表面シート３０．４０とコア材料２０との間の結合を防ぐことが重要であり；実際には、このような結合を防ぐために、組み立て段階で、グラファイト箔の薄層を用いてもよい。表面シート３０．４０は、ハイブリッド構造物１０の剛性および熱膨張性等の機械的特性を決めるのを助ける。表面シート３０．４０には、種々の材料を用いることができる。特殊な用途に対し、十分な温度範囲容量を有する、どんな材料を用いてもよい。表面シート３０．４０の熱膨張性が、ハイブリッド材料１０の平面熱眸、工性を決めろ１−（゛の主要な制御“ｌ因へので、表面シー・１・３０．４（］用に異ばＡビ）材皐）は、゛・ステムの熱膨張ノミ条件（・般（、Ｔは、低い熱膨張性）に県合）ものであったほうがよい、、良好な６、導性１料も、表面シー　１−３０．４０の有力候補であ、乞１ｍＭ補強樹脂および粒子またはホイス７３−補強マトリクス材料は、表面ソ　１・３０．４０に遡（７ている７、まｔ、−ゲラクア・イト繊維補強了ルミーウｌ、材料も適Ｉ、ている３、特に、アルミ、−ラムマトリクス中のビ・・＋４（１ ’１ｔｃｈ）　１２０４Ｍ維は、ツ１造おＪ−び試験がなさｔ＋でおり、＋３．たがっＨ１時点では好まし、いものである。月ノーム５０は、コア材料２０を実質的Ｕ取り巻き、囲い込み、そし“Ｃ包み込ン’Ｔ”Ｊｊｌｌ、１面、’　−ｈ：３０．４　Ｏｒ＝１７．Ａ　＋、　フイる。７ア材料２０と表面ン−）３０．４０との間に起−るかも］、れない腐蝕問題を、−７１〆−ム５０の回りに１コ好な７／−ルを提供ｔ？）５−とに誹り減少させることができる。表面ソーｌ−３０，４０とフ１、・−ム５０の適当な拡散結合（例えばボッドブｌ／Ｘ）が、このようなシールを１ｈり出Ｃ６表面：／＝−＋・３０．４０と同様１７、−月ノーム５０も、ハイブリッド構造物１０の剛性１、；よび熱膨張性′ξの機械的特性を決める助けとなる４、７！・−ム５０には、種々の材料を用いろ−とができる１、製造お、１び試験がなされているので、現時

【爪で１ま純粋なアルミ゛、ラムが最も好ましい５、−２ア材料２０は、表面、・−ｌ−３０，４０１１１：とって、構造的１．′絶対に必要なものではないの゛ｒ１ハイブリッド構造物１０の熱膨張性および剛性は、表向ン−１−３０，５１０およびフ；／−ム５０のみに誹り決定さ第１る。表面シート３０．４０および１１゜・−ム５０を形成するために用いる材料は、上記の決定においで重要な要因である１、そオ＋”ｔ＋の表面・ノー雪・３０，４０およびフレー１．５０の厚みも重要である。 −７１２−ノ、５０の一一一“−）の実施態様を図１に示１１、−７１．−ム５０は、熱流、ｊテ向に延びでいる複数のリブ６０を角する。リブ６０は、表面シート３０．４０がリブ６０を通１．．．　”ｉ：つなが第１るよ゛うにすることにより、ハイブリッド構必物１０の構造的性質を助長１丁いる１３丁曲面沿−ｄ ’：全体のイ鷺（図、ｊミレしいない）が、均等に加熱夕る必要性を排除する。 −コア材料２０は、熱流路中Ｔ″連続的”Ｐあ、たほうが、Ｊく、成って、コア材料２０は、小さな区画内でも破損し「いてはならない、、破損しｔ二区画は、コア材料２０の中や外に熱炙流（必要が生じるので、それによって、熱汎抗か増加１１６、熱伝導性が低下するからである。コア材料２（）は、表面シー　ト３０１．４０に構造的に絶対に必Ｔなもの一＋ −ゝはないが、コア材料２０と表面シート３０．．４０との間の物理的接触を、！ｌ”Ｒ１１ｒｉ７０．８０で維持することが重要である。界面７０．８０を横切って、良好に熱が移動づ“ピ）ことが必要である。更に、界面７０．８０は、かなり低い剪断応力だＩＪでなく、高い通常の高圧縮応力を移動できたほうがよい。、普通は、高上ン、ブスのコア材料；２０が、表面シート３０．４０の熱膨張を制限し、ハイブリッド構造物１０の複合熱膨張を太き（変える。Ｌかしながら、コア材料２０は、表面シート３（）、４０と構造的に相互作用しないために、コア材料２０の乏しい剪断力は、（加熱時の）膨張または（冷却時の）収縮の間に、表面ソート３０．４０をコア材＄１２０のヒでスライドさゼる。このスライドは、コア材料２０の外側の層で起−る１、従って、ハイブリッド構造物１０の平面構造の挙動は、コア材料２０とは４・分１：′ 、独立している。表面ノート３０．４０をフレー１．ｙ　５０に加熱ブ【・・ス１１、：：＋７材料２０、表面シート３０．４０および、クレーム５０の厚みを慎重に調節ケる５ −とにより、７７ｉ′材料２０とフ！ノーム５０との間に異なる熱膨張が維持される９、結果として、ハイブリッド構造物１０の製造後に、コア材料２０が、わずかに圧縮された状態ｌｌｌ：なる。。 −のような圧縮は、コア材料２０と表面シー　ト３０．４０との間の物理的接触の維持４助け、その結果、コア材料２０と表面シー・ト３０．４０との間を確実に熱接触させる。代わって、熱接触により、熱はコア材料２０中に流ｉｔ、、　ノ＼イブリーノド構造物１０の平面の末端に向かって：】ア祠料２０中を導かオ ′）、熱はその末端で、表面シート３０．４０を通り、冷却用放熱子（図示［、 τ゛いない）中へ除去される。コア材料２０は、Ｊ）イブリッド構造物１０の熱膨張やその他の機械的特性には影響Ｉムい３、−７ア材料二）０はＳ表面−・−１・：３（］、＋４の熱とは相力２作用せｖ１熱が冷却用放熱子へ逃げるよう１：導く。ハイブリッド構造物１０の平面内の性質は、コア材料２０および表面シー　１・３０．４０とフレーム５０にの組み合オつ七によって、独立して決められる６、ハイブリット構造物１０は、コア材料２０の熱伝導性の高さを獲得する一方で、表面ン−）　３０．４０およびフレーム５０の熱膨張性（およびその他の機械的特性）を維持季る。、ハイブリッド構造物の望まし、い機械的特性は、熱伝導性への関わりは最小で、適切な表面ソーｈ　：ｑ　ｏ、４０および７１ノーム５０を選択オることにより、制御できる。、要するに、ハイブリッド構造物１０には、熱伝導性を制御するための１種の材料（二７ア材料２０）および、機械的特骨を制御するためのその他の材料（お、↓、びそオＩＩ゛）の配置）（表１Ｉｌｉｉｉ・−１・３０．４０および）＋５・−ム５０）を用いる１、＼１゛フリ、ソド構造物１０の種々の性質の起源が独立１．ているため、それらの性質につい−ｒｌ′７′１妥協が避けｊ′−）れ、刊用司１１Ｌな材料の転回が広がる。（、”、、　ＡＰＧは、優れた熱的性質Ｆ（ｊｌ−１比較的費用がかからない３、；−２かしながら、Ｃ、Ａ　Ｐ　Ｇは、負の軌膿、工率をで１め、乏し、い構造的性質を有４−るため、それだけでは熱平面材料と１−ζ用いる、 −、ｌ、かびきない。、ｆルミニウｌＮ層と埃に常法により積層構造物にｆｌｌ１層・夕ると、（“ＡＰｔ−、、、；は、簡単１′：剥離する。、］−かし＋２ＣＡＰＧは、ハイブリッド構造Ｖη」（）のコア材料としては、優ｔ１九材料である３、児用の高伝導性′、パ−ラ−７、−、，１’）補強複合物は、３００Ｗ −ｒｎ、・・′に程度の平面内熱伝導率１ｆ−Ｉ−６、、（コ１〜ＰＧは、１９００Ｗ−ｍ／ｌ＜に近い伝導率を有するようにＩｌｉ造ｔろ、二、！−ができる。、従）で、・−イブリッド構造物１０の平面内伝導率は、約１５　（）ＱＷ− ｒｎＫｌニー、ｉｆｆ付＜。”　イブ”　−Ｆ槽Ｒ物１０　ハ、臨界型、ｆの用途に必汁な軌膝張特性、およびｉｌＩ造的＆゛持を提供するｊ、−めに必要な構造的特性を維持し。 ″）“）、そのような高い伝導性が得られる。ここでは、ある特定の′（施糖様に二）いで図示および記載１．たが、本発明は、：、−に詳細にスバしｆ′：事柄に制叩されるものではない。、む１、ろ、墳求項に相当する範囲内および本発明の意図から外ｉ１ない程度に、詳細な事柄（：おいては種々の変更を行ってもよい。例えば、コア材料２０の選択とは独立して制御される機械的特性と１２で、熱膨張性を強調してきたが、剛性または表面条件等のその他の性質も制御することができる。本発明の概念を用いて、＝ｊ〜法安定化Ｖ求を有する構造物中の高い電気伝導性等のその他の目的を達成させてもよい。

Claims

【特許請求の範囲】

１．高い熱伝導性および隣接材料と調和するあらかじめ決めた機械的特性を併せもち、ハイブリッド構造材料の熱伝導性を決める、非構造物の高熱伝導性コア材料；ハイブリッド構造材料の相対する表面を形威し、ハイブリッド構造材料の機械的特性を決める助けとなる一対の表面シートで、第１の表面シートはコア材料の片側に配置し、第２の表面シートはコア材料の反対側に配置して、表面シート／コア材料／表面シートのサンドウィッチ構造を造る表面シート；および実質的にコア材料を囲み、表面シートと結合して、ハイブリッド材料の機械的特性を決める助けとなるフレームからなるハイブリッド構造材料。
２．コア材料が、高規則熱分解グラファイト、圧縮アニールした熱分解グラファイト、および合成ダイアモンドからなる群より選ばれる、請求項１記載のハイブリッド構造材料。
３．コア材料が、圧縮アニールした熱分解グラファイトである、請求項２記載のハイブリッド構造材料。
４．表面シートがグラファイト補強アルミニウムである、請求項１記載のハイブリッド構造材料。
５．表面シートがアルミニウムマトリクス中のピッチ１２０繊維である、請求項４記載のハイブリッド構造材料。
６．フレームがアルミニウムである、請求項１記載のハイブリッド構造材料。
７．フレームが表面シートに拡散して結合している、請求項１記載のハイブリッド構造材料。
８．フレームが、ハイブリッド構造材料の熱流方向に延びる複数のリブを有する請求項１記載のハイブリッド構造材料。
９．コア材料が、表面シートとコア材料との間の物理的接触を確実にするために、わずかに圧縮されている、請求項１記載のハイブリッド構造材料。
１０．高い熱伝導性および隣接材料と調和するあらかじめ決めた機械的特性を併せもち、ハイブリッド構造材料の熱伝導性を決める、非構造物の高熱伝導性コア材料；ハイブリッド構造材料の相対する表面を形成し、ハイブリッド構造材料の機械的特性を決める助けとなる一対の表面シートで、第１の表面シートはコア材料の片側に配置し、第２の表面シートはコア材料の反対側に配置して、表面シート／コア材料／表面シートのサンドウィッチ構造を造る表面シート；第１表面シートとコア材料との間に物理的な接触をさせ、構造的な相互作用は防ぐ、第１表面シートとコア材料との間の第１界面；第２表面シートとコア材料との間に物理的な接触をさせ、構造的な相互作用は防ぐ、第２表面シートとコア材料との間の第２界面；および実質的にコア材料を囲み、表面シートと結合して、ハイブリッド材料の機械的特性を決める助けとなるフレームからなるハイブリッド構造材料。
１１．コア材料が、高規則熱分解グラファイト、および合成ダイアモンドからなる群より選ばれる、請求項１０記載のハイブリッド構造材料。
１２．コア材料が、圧縮アニールした熱分解グラファイトである、請求項１１記載のハイブリッド構造材料。
１３．表面シートがグラファイト補強アルミニウムである、請求項１０記載のハイブリッド構造材料。
１４．表面シートがアルミニウムマトリクス中のピッチ１２０繊維である、請求項１３記載のハイブリッド構造材料。
１５．フレームがアルミニウムである、請求項１０記載のハイブリッド構造材料。
１６．フレームが表面シートに拡散して結合している、請求項１０記載のハイブリッド構造材料。
１７．フレームが、ハイブリッド構造材料の熱流方向に延びる複数のリブを有する請求項１０記載のハイブリッド構造材料。
１８．コア材料が、第１および第２界面での表面シートとコア材料との間の物理的接触を確実にするために、わずかに圧縮されている、請求項１０記載のハイブリッド構造材料。