JPH09162336A

JPH09162336A - 放熱シート

Info

Publication number: JPH09162336A
Application number: JP7321367A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Koji Hoshino; 孝二星野; Yoshio Kanda; 義雄神田; Akifumi Hatsuka; 昌文初鹿
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1995-12-11
Publication date: 1997-06-20
Anticipated expiration: 2015-12-11
Also published as: JP3166060B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的容易に製作でき、近接する部品を変形さ
せることなく、発熱体が発した熱をスムーズに放熱体に
導くことができる。【解決手段】発熱体１４と放熱体１６との間に放熱シー
ト１１が介装される。この放熱シート１１は多数の気孔
を有する可塑性多孔質金属層１２と、可塑性多孔質金属
層１２の多数の気孔に充填されゴム弾性と塑性とを有す
る充填材１３とを備える。可塑性多孔質金属層１２は気
孔率１０〜６０％のＣｕ，Ａｌ又はＡｇの多孔質焼結体
であることが好ましく、充填材１３はシリコーンゴム又
はポリオレフィン系エラストマであることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発熱体、例えば大量
の熱を発生する大電力半導体と、放熱体、例えば上記熱
を放散するフィンとの間に介装接着される放熱シートに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、放熱体である筐体の内部に発熱体
である電子部品が収容され、この電子部品が発した熱を
放熱部材が上記筐体に伝達するように構成され、この放
熱部材が形状変化が可能な非塊性の金属材と、この金属
材の間に充満される気体と、上記金属材及び気体を封入
する熱良導性で絶縁性の柔軟な外袋とを備えた電子機器
用の放熱部材が開示されている（特開平６−２６８１１
３）。上記放熱部材の金属材は繊維状に加工して絡めた
繊維状金属材であり、気体は不活性気体である。この放
熱部材では、基板の表面の半導体チップや抵抗等の発熱
性電子部品と筐体との間や、基板の裏面と筐体との間
に、放熱部材が配置される。電子部品が発した熱は、直
接又は基板を介して外袋に伝達され、更に繊維状金属材
及び外袋を介して筐体に伝達される。この結果、特別な
加工や積層等を行うことなく、電子部品や筐体等に対す
る高い密着性が得られ、効率的な熱伝導効果を得ること
ができるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の電
子機器用の放熱部材では、繊維状金属材や不活性気体が
漏れないように外袋を構成しなければならず、外袋の材
質等の選定が難しく、また繊維状金属材及び不活性気体
の外袋への封入作業が比較的煩わしい不具合があった。
また、上記従来の電子機器用の放熱部材では、半導体等
と基板とを電気的に接続するワイヤが放熱部材により押
されて変形する恐れがあった。本発明の目的は、比較的
容易に製作でき、近接する部品を変形させることなく、
発熱体が発した熱をスムーズに放熱体に導くことができ
る放熱シートを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように発熱体１４と放熱体１６との間に介装
された放熱シート１１の改良である。その特徴ある構成
は、多数の気孔を有する可塑性多孔質金属層１２と、可
塑性多孔質金属層１２の多数の気孔に充填されゴム弾性
と塑性とを有する充填材１３とを備えたところにある。
この放熱シート１１では、発熱体１４が発した熱の大部
分は可撓性多孔質金属層１２を介して放熱体１６に伝わ
り、残りの熱は発熱体１４及び放熱体１６に密着した充
填材１３を介して放熱体１６に伝わる。この結果、発熱
体１４が発した熱はスムーズに放熱体１６に導かれ、発
熱体１４の温度上昇を低く抑えることができる。

【０００５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、可塑性多孔質金属層が気孔率１０〜６０％
のＣｕ，Ａｌ又はＡｇの多孔質焼結体であることを特徴
とする。可塑性多孔質金属層の気孔率を１０〜６０％と
したのは、気孔率が６０％を越えると熱抵抗が増大する
不具合があり、気孔率が１０％未満では、気孔が極めて
小さいため充填材が気孔に十分に充填され難くなり、か
つ金属含有率の多い多孔質金属層の変形が容易でないた
め発熱体や放熱体との接触面積が小さくなって、発熱体
や放熱体との接触抵抗が増え、熱抵抗が大きくなる問題
点があるからである。

【０００６】

【発明の実施の形態】

(a)発熱体発熱体は基板に実装された半導体チップや抵抗体等であ
る。基板としては導体ペーストをスクリーン印刷したセ
ラミックグリーンシートを多数積層して８５０〜１６０
０℃前後の温度で焼成して作られるセラミック多層配線
基板や、セラミック基板の下面及び上面に金属薄板及び
回路基板がそれぞれ積層接着されたパワーモジュール用
基板等が挙げられる。

【０００７】(b)放熱体放熱体はＣｕ若しくはＡｌの押出し成形や射出成形等に
より、又はＣｕ板若しくはＡｌ板のプレス成形により形
成される。放熱体はろう材を介して可塑性多孔質金属層
に接着される基部と、この基部に所定の間隔をあけて突
設された多数のフィン部とを有する。基部及びフィン部
はＣｕ又はＡｌにより一体的に成形される。また放熱体
として、フィン部のない基部のみにより形成されたプレ
ート状のものを用いることもできる。

【０００８】(c)可塑性多孔質金属層可塑性多孔質金属層を単体で製造するときには下記の
方法により行われる。先ず平均粒径５〜１００μｍのＣ
ｕ，Ａｌ又はＡｇの金属粉と、水溶性樹脂バインダと、
非水溶性炭化水素系有機溶剤と、界面活性剤と、水とを
混練した後、可塑剤を添加して更に混練して得られた金
属粉含有スラリーをドクタブレード法により成形体にす
る。次いでこの成形体を５〜１００℃で０．２５〜４時
間保持して上記成形体中の可塑剤を揮発させ発泡させた
後、５０〜２００℃で０．５〜１時間保持し乾燥して薄
板状多孔質成形体にする。次にこの多孔質成形体を所定
の雰囲気中で５００〜１０６０℃で０．５〜４時間加熱
して保持し、スケルトン構造を有する気孔率９０〜９３
％、厚さ０．５〜５ｍｍの薄板状多孔質焼結体にする。
更にこの多孔質焼結体を厚さ０．２〜３ｍｍに圧延する
ことにより、気孔率が１０〜６０％の可塑性多孔質金属
層が得られる。

【０００９】Ｃｕの可塑性多孔質金属層では金属粉とし
て平均粒径５〜１００μｍのＣｕ粉が用いられ、Ａｌの
可塑性多孔質金属層では金属粉として平均粒径５〜１０
０μｍのＡｌ粉と平均粒径５〜１００μｍのＣｕ粉の混
合物が用いられ、Ａｇの可塑性多孔質金属層では金属粉
として平均粒径５〜１００μｍのＡｇ粉が用いられる。
水溶性樹脂バインダとしてはメチルセルロース、ヒドロ
キシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチ
ルセルロース、カルボキシメチルセルロースアンモニウ
ム、エチルセルロース等が用いられ、非水溶性炭化水素
系有機溶剤としてはネオペンタン、ヘキサン、イソヘキ
サン、ヘプタン等が用いられる。また界面活性剤として
は市販の台所用中性合成洗剤（例えばアルキルグルコシ
ドとポリオキシエチレンアルキルエーテルの２８％混合
水溶液）が用いられ、可塑剤としてはエチレングリコー
ル、ポリエチレングリコール、グリセリン等の多価アル
コールや、イワシ油、菜種油、オリーブ油等の油脂や、
石油エーテル等のエーテルや、フタル酸ジエチル、フタ
ル酸ジＮブチル、フタル酸ジエチルヘキシル、フタル酸
ジＮオクチル等のエステルが用いられる。

【００１０】可塑性多孔質金属層を発熱体及び放熱体
と一体的に形成するときには下記の方法により行われ
る。基板の上面の導体又は金属薄膜の表面に上記多孔質
金属層となる金属粉含有スラリーを塗布し、この金属粉
含有スラリーの上面に放熱体を重ね、更にこの状態で金
属粉含有スラリーを発泡し焼成し圧延することにより、
多孔質金属層が形成される。上記金属粉含有スラリーは
平均粒径５〜１００μｍのＣｕ，Ａｌ又はＡｇの金属粉
と、水溶性樹脂バインダと、非水溶性炭化水素系有機溶
剤と、界面活性剤と、水とを混練した後、可塑剤を添加
して更に混練して得られる。Ｃｕの多孔質金属層では金
属粉として平均粒径５〜１００μｍのＣｕ粉が用いら
れ、Ａｌの多孔質金属層では金属粉として平均粒径５〜
１００μｍのＡｌ粉と平均粒径５〜１００μｍのＣｕ粉
の混合物が用いられ、Ａｇの多孔質金属層では金属粉と
して平均粒径５〜１００μｍのＡｇ粉が用いられる。水
溶性樹脂バインダ及び界面活性剤としては、上記に記
載したものと同様のものが用いられる。基板の上面に金
属粉末スラリーを介して放熱体を重ねた状態で、５〜１
００℃で０．２５〜４時間保持して上記スラリー中の可
塑剤を揮発させ発泡させた後、５０〜２００℃で３０〜
６０分間保持し乾燥して上記スラリーを薄板状多孔質成
形体にする。次にこの多孔質成形体をセラミック基板及
び放熱体とともに所定の雰囲気中で５００〜１０６０℃
で０．５〜４時間加熱して保持し、多孔質成形体をスケ
ルトン構造を有する気孔率９０〜９３％、厚さ０．５〜
５ｍｍの薄板状多孔質焼結体にする。更にこの多孔質焼
結体を基板及び放熱体とともに圧延して多孔質焼結体の
厚さを０．２〜３ｍｍにすることにより、金属粉含有ス
ラリーから気孔率１０〜６０％の多孔質金属層が成形さ
れる。

【００１１】(d)可塑性多孔質金属層への充填材の充填
方法充填材はシリコーンゴム又はポリオレフィン系エラスト
マが用いられる。充填材としてシリコーンゴムを用いる
場合には、溶媒である1.1.1.トリクロロエタンに溶かし
たシリコーンゴムを多孔質金属層に含浸し、上記1.1.1.
トリクロロエタンを蒸発させることにより行われる。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく
説明する。＜実施例１＞図１に示すように、放熱シート１１は可塑
性多孔質金属層１２と充填材１３とを備え、可塑性多孔
質金属層１２をＣｕにより形成し、充填材１３をシリコ
ーンゴムにより形成した。可塑性多孔質金属層１２を以
下の方法によって製造した。先ず平均粒径４０μｍのＣ
ｕ粉８０ｇと、水溶性メチルセルロース樹脂バインダ
２．５ｇと、グリセリン５ｇと、界面活性剤０．５ｇ
と、水２０ｇとを３０分間混練した後、ヘキサンを０．
１ｇ添加して更に３分間混練して得られた金属粉含有ス
ラリーをドクタブレード法により成形体にした。次いで
この成形体を４０℃に３０分間保持して上記成形体中の
ヘキサンを揮発させ発泡させた後、９０℃に４０分間保
持し乾燥して薄板状多孔質成形体にした。

【００１３】次にこの多孔質成形体を空気中で５００℃
に０．５時間加熱して保持した後、水素中で１０００℃
に１時間加熱して保持し、スケルトン構造を有する気孔
率９２〜９５％、厚さ３ｍｍの薄板状多孔質焼結体にし
た。更にこの多孔質焼結体を縦及び横がそれぞれ２０ｍ
ｍ及び１５ｍｍの長方形に切断したものを４枚作製して
それぞれ圧延し、厚さ及び気孔率が０．５ｍｍ及び１０
〜１２％、０．５ｍｍ及び１８〜２０％、０．５ｍｍ及
び３０〜３２％、０．５ｍｍ及び５０〜６０％の可塑性
多孔質金属層１２を４枚得た。これらの多孔質金属層１
２に、1.1.1.トリクロロエタンに溶かしたシリコーンゴ
ム１３を含浸させた後、1.1.1.トリクロロエタンを乾燥
させて、金属含有率がそれぞれ９０、８０、７０及び４
５体積％の４種類の放熱シート１１を得た。

【００１４】発熱体１４は発熱部１４ａと基部１４ｂと
を有し、基部の縦及び横は５０ｍｍ及び５０ｍｍであ
り、発熱部の縦及び横は２０ｍｍ及び１５ｍｍであっ
た。また放熱体１６はＣｕにより形成されかつ基部１６
ａとフィン部１６ｂを有するヒートシンクであり、その
縦、横及び高さはそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び３０
ｍｍであった。発熱体１４の基部１４ｂ上に、放熱シー
ト１１及び放熱体１６を重ね、ビス１７を発熱体１４の
基部１４ｂ及び放熱シート１１に挿通して放熱体１６の
基部１６ａに螺合することにより、放熱シート１６を発
熱体１４及び放熱体１６に介装された状態で固定した。

【００１５】＜比較例１及び２＞実施例１の薄板状多孔
質焼結体を厚さ及び気孔率が０．５ｍｍ及び５〜７％と
なるように圧延したものを比較例１とし、上記焼結体を
厚さ及び気孔率が０．５ｍｍ及び８０〜９０％となるよ
うに圧延したものを比較例２とした。上記以外は実施例
１と同様に構成した。比較例１及び２の放熱シートの金
属含有率はそれぞれ９５及び１５体積％であった。

【００１６】＜実施例２＞実施例１の平均粒径４０μｍ
のＣｕ粉８０ｇに代えて、平均粒径４０μｍのＡｇ粉１
００ｇを用いたことを除いて上記実施例１と同様に構成
し、厚さ及び気孔率が０．５ｍｍ及び１０〜１２％、
０．５ｍｍ及び１８〜２０％、０．５ｍｍ及び３０〜３
２％、０．５ｍｍ及び５０〜６０％の４種類の可塑性多
孔質金属層にそれぞれシリコーンゴムを充填して、４種
類の放熱シートを得た。これら４種類の放熱シートの金
属含有率はそれぞれ９０、８０、７０及び４５体積％で
あった。＜比較例３＞実施例２の薄板状多孔質焼結体を厚さ及び
気孔率が０．５ｍｍ及び８０〜９０％のもを比較例３と
した。上記以外は実施例２と同様に構成した。この放熱
シートの金属含有率は１５体積％であった。

【００１７】＜実施例３＞実施例１の平均粒径４０μｍ
のＣｕ粉８０ｇに代えて、平均粒径２５μｍのＡｌ粉５
０ｇと、平均粒径９μｍのＣｕ分１．２ｇとを用いたこ
とを除いて上記実施例１と略同様に構成し、厚さ及び気
孔率が０．５ｍｍ及び１０〜１２％、０．５ｍｍ及び１
８〜２０％、０．５ｍｍ及び３０〜３２％、０．５ｍｍ
及び５０〜６０％の４種類の可塑性多孔質金属層にそれ
ぞれシリコーンゴムを充填して、４種類の放熱シートを
得た。これら４種類の放熱シートの金属含有率はそれぞ
れ９０、８０、７０及び４５体積％であった。＜比較例４＞実施例３の薄板状多孔質焼結体を厚さ及び
気孔率が０．５ｍｍ及び８０〜９０％となるように圧延
したものを比較例４とした。上記以外は実施例３と同様
に構成した。この放熱シートの金属含有率は１５体積％
であった。

【００１８】＜比較例５＞図示しないがフィラーとして
粒径５〜１００μｍのＣｕ粉を母材のシリコーンゴム中
に分散させて上記Ｃｕ粉の含有率が９５、８０、６０及
び４０体積％で厚さが０．５ｍｍの４種類の放熱シート
を比較例５とした。上記以外は実施例１と同様に構成し
た。

【００１９】＜比較試験及び評価＞実施例１〜３及び比
較例１〜５の発熱体を発熱させて放熱シートの熱抵抗を
それぞれ求めた。発熱体を１０Ｗ発熱させたときの発熱
体の温度Ｔｊ（℃）と放熱体の温度Ｔｆ（℃）とを測定
することにより、上記放熱シートの熱抵抗Ｒ_th（℃／
Ｗ）を式により求めた。Ｒ_th＝（Ｔ_j−Ｔ_f）／１０ …… これらの結果を表１、表２及び図１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】表１及び図２から明らかなように、実施例
１〜３は比較例１〜５より熱抵抗が減少した。これは発
熱体が発した熱の大部分は可撓性多孔質金属層を介して
フィンに伝わるが、更に発熱体及び放熱体に密着した充
填材を介して放熱体に伝わったためであると考えられ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、可
塑性多孔質金属層の多数の気孔にゴム弾性と塑性とを有
する充填材を充填したので、発熱体が発した熱の大部分
は可撓性多孔質金属層を介して放熱体に伝わり、残りの
熱は発熱体及び放熱体に密着した充填材を介して放熱体
に伝わる。この結果、発熱体が発した熱はスムーズに放
熱体に導かれ、発熱体の温度上昇は低く抑えることがで
きる。また、外袋の材質等の選定が難しく、繊維状金属
材及び不活性気体の外袋への封入作業が煩わしい従来の
電子機器用の放熱部材と比較して、本発明では放熱シー
トが可塑性多孔質金属層の多数の気孔に充填材を充填す
るという比較的簡単な作業で済むので、製造コストの押
上げは僅かで済む。更に、半導体等と基板とを電気的に
接続するワイヤが放熱部材により押されて変形する恐れ
があった従来電子機器用の放熱部材と比較して、本発明
では近接する部品を変形させることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施形態の放熱シートを含む発熱体及
び放熱体の断面図。

【図２】実施例及び比較例の放熱シートの金属含有率を
変化させたときの放熱シートの熱抵抗の変化を示す図。

【符号の説明】

１１放熱シート１２可塑性多孔質金属層１３シリコーンゴム（充填材）１４発熱体１６放熱体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者初鹿昌文埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱体(14)と放熱体(16)との間に介装さ
れた放熱シート(11)において、多数の気孔を有する可塑性多孔質金属層(12)と、前記可塑性多孔質金属層(12)の多数の気孔に充填されゴ
ム弾性と塑性とを有する充填材(13)とを備えたことを特
徴とする放熱シート。
【請求項２】可塑性多孔質金属層(12)が気孔率１０〜
６０％のＣｕ，Ａｌ又はＡｇの多孔質焼結体である請求
項１記載の放熱シート。
【請求項３】充填材(13)がシリコーンゴム又はポリオ
レフィン系エラストマである請求項１又は２記載の放熱
シート。