JPWO2016076264A1 - 接合体及びその製造方法、並びに冷却装置及び冷却装置を用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

本発明の接合体は、銅（１）と樹脂（２）との接合体であって、銅（１）は、樹脂（２）との接合面において、素地面（１ａ）にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、接合面の一部に形成された酸化膜（１Ａ）にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、銅（１）と樹脂（２）とが分子接合している。この構成により、銅（１）と樹脂（２）とを接合する際に、銅（１）の接合面の一部に酸化膜（１Ａ）が形成されても、銅（１）の素地面（１ａ）及び酸化膜（１Ａ）の双方と樹脂（２）とを確実に分子接合し、銅（１）と樹脂（２）との強固な接合を実現して、信頼性の高い接合体を得ることができる。

Description

本発明は、接合体及びその製造方法、並びに冷却装置及び冷却装置を用いた電子装置に関する。

電子装置の冷却装置では、システムボード上のＣＰＵ等の電子部品と熱的に接続されたクーリングプレートに冷媒を循環して、熱交換器まで輸送して放熱する。クーリングプレートのうち、ベースプレートや放熱用のフィンは、銅のような熱伝導率の高い金属で構成することが必要である。これに対して、ベースプレートやフィン以外のカバー、隣り合うクーリングプレート間を接続する配管は材料特性として熱伝導性が求められない。そのため、カバーや配管の材料を樹脂に置き換えることが検討されている。これが可能となれば、クーリングプレートに代表される接液部材の軽量化に大いに貢献できる可能性がある。

特開平９−２５２１８４号公報 特開２０１３−１３１５９５号公報 国際公開２０１０／０２９６３５号

クーリングプレートにおいて、金属製のベースプレートと樹脂製のカバーとを接合するには、両者間にＯリングを介して、接合部の外周部位をネジやボルトで機械的に締結する手法がある。しかしながらこの場合、締結のために複数のネジやボルトが必要となり、構造の煩雑化を招く。

そこで、ネジやボルトを用いることなく金属製のベースプレートと樹脂製のカバーとを接合する手法として、銅製のベースプレート（銅ベースプレート）を表面処理で粗化して凹凸を形成し、樹脂製のカバー（樹脂カバー）を熱圧着することが考えられる。

また、銅ベースプレートの表面、及び樹脂カバーの表面の双方に反応する化合物を付与し、熱圧着を行って化学結合により部品同士を密着させることが考えられる。この場合、銅表面に反応性を与えるため、洗浄した銅ベースプレートを反応性化合物溶液に浸漬処理して反応性皮膜を形成する。洗浄等した銅表面は空気に触れると容易に酸化膜が形成され、酸化膜の形成部分においては、反応性皮膜の形成が困難になるという課題がある。銅表面に酸化膜が形成された部分でも反応性皮膜を形成し、銅表面に均一な反応性皮膜を形成した後、樹脂と接合させる技術が待たれる現況にある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、銅と樹脂とを接合する際に、銅の接合面の一部に酸化膜が形成されても、銅の素地面及び酸化膜の双方と樹脂とを確実に分子接合し、銅と樹脂との強固な接合を実現して、信頼性の高い接合体を得ることを可能とする接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、銅ベースプレートと樹脂カバーとを接合する際に、銅ベースプレートの接合面の一部に酸化膜が形成されても、素地面及び酸化膜の双方と樹脂カバーとを確実に分子接合し、銅ベースプレートと樹脂カバーとの強固な接合を実現して、可及的に軽量で冷却液の漏洩を確実に防止することができるクーリングプレートを備えた信頼性の高い冷却装置を提供することを目的とする。

接合体の一態様は、銅と樹脂との接合体であって、前記銅は、前記樹脂との接合面において、素地面にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体上にシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、前記銅と前記樹脂とが分子接合している。

接合体の製造方法の一態様は、接合面における素地面にはトリアジンチオール誘導体或いはトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合した銅と、樹脂とを接触させて分子接合させる。

冷却装置の一態様は、電子部品が熱的に接続された銅ベースプレートと、前記銅ベースプレート上を覆い、内部空間に冷却液が供給される樹脂カバーとを備えたクーリングプレートを含み、前記冷却液を循環させて前記電子部品を冷却する冷却システムであって、前記銅ベースプレートは、前記樹脂カバーとの接合面において、素地面にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、前記銅ベースプレートと前記樹脂カバーとが分子接合している。

電子装置の一態様は、電子部品が熱的に接続された銅ベースプレートと、前記銅ベースプレート上を覆い、内部空間に冷却液が供給される樹脂カバーとを備えたクーリングプレートを含み、前記冷却液を循環させて前記電子部品を冷却する冷却装置と前記電子部品を含む電子機器とを有し、前記銅ベースプレートは、前記樹脂カバーとの接合面において、素地面にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、前記銅ベースプレートと前記樹脂カバーとが分子接合している。

上記の態様によれば、銅と樹脂とを接合する際に、銅の接合面の一部に酸化膜が形成されても、銅の素地面及び酸化膜の双方と樹脂とを確実に分子接合し、銅と樹脂との強固な接合を実現して、信頼性の高い接合体を得ることができる。

上記の態様によれば、銅ベースプレートと樹脂カバーとを接合する際に、銅ベースプレートの接合面の一部に酸化膜が形成されても、銅ベースプレートの素地面及び酸化膜の双方と樹脂カバーとが確実に分子接合される。これにより、銅ベースプレートと樹脂カバーとの強固な接合を実現して、可及的に軽量で冷却液水の漏洩を確実に防止することができるクーリングプレートを備えた信頼性の高い冷却装置を得ることができる。

図１Ａは、第１の実施形態による接合体の製造方法を示す概略断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに引き続き、第１の実施形態による接合体の製造方法を示す概略断面図である。 図１Ｃは、図１Ｂに引き続き、第１の実施形態による接合体の製造方法を示す概略断面図である。 図２Ａは、図１Ｃに引き続き、第１の実施形態による接合体の製造方法を示す概略断面図である。 図２Ｂは、図２Ａに引き続き、第１の実施形態による接合体の製造方法を示す概略断面図である。 図２Ｃは、図２Ｂに引き続き、第１の実施形態による接合体の製造方法を示す概略断面図である。 図３Ａは、第１の実施形態における化合物の構造式１を示す模式図である。 図３Ｂは、第１の実施形態における化合物の構造式２を示す模式図である。 図３Ｃは、第１の実施形態における化合物の構造式３を示す模式図である。 図４は、第１の実施形態による接合体のアンカー部を拡大して示す 図５Ａは、第１の実施形態の比較例１を示す模式図である。 図５Ｂは、第１の実施形態の比較例２を示す模式図である。 図５Ｃは、第１の実施形態の比較例３を示す模式図である。 図６Ａは、第１の実施形態の比較例４を示す模式図である。 図６Ｂは、第１の実施形態の比較例４を示す模式図である。 図７Ａは、第１の実施形態の比較例５を示す模式図である。 図７Ｂは、第１の実施形態の比較例５を示す模式図である。 図８Ａは、第１の実施形態の比較例６を示す模式図である。 図８Ｂは、第１の実施形態の比較例６を示す模式図である。 図９Ａは、第１の実施形態の比較例７を示す模式図である。 図９Ｂは、第１の実施形態の比較例７を示す模式図である。 図１０Ａは、第１の実施形態の比較例７を示す模式図である。 図１０Ｂは、第１の実施形態の比較例７を示す模式図である。 図１１は、第２の実施形態による冷却装置を用いた電子装置の概略構成を示す模式図である。 図１２は、第２の実施形態による冷却装置のクーリングプレートの概略構成を示す断面図である。 図１３は、図１１の電子装置の具体例を示す模式図である。 図１４は、図１１の電子装置の冷却装置の具体例を示す模式図である。 図１５は、接合強度を測定する測定装置の概略構成を示す模式図である。 図１６は、第２の実施例による接合強度試験及び耐水圧試験の結果の表を示す図である。

以下、具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、銅と樹脂との接合体及びその製造方法を開示する。説明の便宜上、接合体の構造について、その製造方法と共に述べる。

図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｃは、第１の実施形態による接合体の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
本実施形態では、銅板と樹脂層とを接合して接合体を形成する場合について例示する。

先ず、図１Ａに示すように、銅板１の素地面１ａに表面粗化処理を施す。
詳細には、銅板１の素地面１ａにおいて、樹脂層との接合部分のみを露出し、他の部分をエッチングマスクで覆う。この状態で、塩化第二銅液、塩化第二鉄液、又は硫酸過酸化水素水液等をエッチング液として用いて、素地面１ａの露出部分をウェットエッチングして粗化する。この表面粗化処理により、銅板１の素地面１ａの露出部分に例えば１０点平均表面粗さが２μｍ以上の凹凸を形成する。エッチングマスクは所定のウェット処理等により除去される。

銅板１の素地面１ａを表面粗化することにより、素地面１ａには微細な凹凸が形成され、後述する樹脂層と接触する面積が増大する。これにより、銅板１と樹脂層との間において、強固で確実な分子接合が得られることになる。

続いて、図１Ｂに示すように、表面粗化された銅板１の素地面１ａに反応性皮膜処理を施す。
詳細には、表面粗化された銅板１を表面洗浄した後、素地面１ａに対して、反応性皮膜形成用材料を含有する処理液を用いて反応性皮膜処理を施す。反応性皮膜形成用材料としては、図３Ａの構造式１で表されるトリアジン骨格を有するトリアジンチオール誘導体を用いる。構造式１において、ＸはＮＲ_２及びＳＡの少なくともいずれかを表す。Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、及びフェニル基の少なくともいずれか１種を表し、Ａは水素原子、Ｌｉ原子、Ｎａ原子、Ｋ原子、Ｒｂ原子、及びＣｓ原子の少なくともいずれか１種を表す。トリアジン骨格を有する化合物としては、構造式１で表されるトリアジンチオール誘導体であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。反応性に優れる点で図３Ｂの構造式２で表されるトリアジンチオール、具体的には、2,4,6-トリメルカプト-1,3,5-トリアジンモノナトリウム塩等が好適である。

銅板は、空気に触れると容易に表面酸化される。例えば表面洗浄等された銅板は、空気の接触によりその樹脂層との接合面の一部に銅酸化膜が形成される。本実施形態では、銅板１の素地面１ａの一部に銅酸化膜１Ａが形成される。銅板１の素地面１ａのうちで銅酸化膜１Ａの形成されていない部分（素地面１ａの露出部分）には、表面粗化処理によってトリアジンチオールが結合してトリアジンチオール皮膜が形成される。一方、銅板１の素地面１ａのうちで銅酸化膜１Ａの形成された部分には、表面粗化処理を施してもトリアジンチオール皮膜は形成されない。

続いて、図１Ｃに示すように、反応性皮膜処理された銅板１にシランカップリング剤処理を施す。
詳細には、図３Ｃの構造式３で表されるシランカップリング剤の水溶液に銅板１を浸漬してシランカップリング剤処理し、シランカップリング剤の皮膜を形成する。シランカップリング剤は有機物とケイ素からなる化合物で、分子中に無機材料と化学結合する反応基と、有機材料と化学結合する反応基との２種類以上の異なった反応基を有するため、通常は結びつかない有機材料と無機材料を結びつける仲介役を担う。銅板１の表面のうちで銅酸化膜１Ａの形成された部分のみにシランカップリング剤を結合させるようにしても良いが、本実施形態では、銅酸化膜１Ａの表面１Ａａと、銅酸化膜１Ａの形成されていない素地面１ａに結合したトリアジンチオールとの双方にシランカップリング剤を結合させる。

シランカップリング剤としては、分子中にアミノ基、メルカプト基、エポキシ基、イミダゾール基、及びジアルキルアミノ基からなる群から選択された少なくとも１種を含むものが望ましい。シランカップリング剤の水溶液に浸漬させた後の銅板１を乾燥処理することが好ましい。乾燥温度は７０℃〜１５０℃程度が好ましく、９０℃〜１３０℃程度がより好ましい。乾燥時間は５分間〜１２０分間程度が好ましく、１０分間〜６０分間程度がより好ましい。

図２Ａに示すように、樹脂層２の表面２ａに表面処理を施す。
樹脂層２の材料としては例えば、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリフェニレンスルフィド等から選ばれた一種が用いられる。樹脂層２の材料は、銅板１との接合において熱圧着を行うので、樹脂の融点近傍で軟化する熱可塑性樹脂であることが望ましい。

樹脂層２の表面２ａに表面処理し、表面２ａに水酸基又はカルボキシル基、或いは双方を形成する。樹脂層２の表面２ａに水酸基やカルボキシル基が存在すると、シランカップリング剤のアミノ基やトリアジンチオールのメルカプト基との反応が促進され、樹脂と銅をアンカー部の中で確実な分子接合が行われる。表面２ａに水酸基を形成するための表面処理としては、紫外線（ＵＶ）オゾン処理、酸素プラズマ処理、アルカリ洗浄、煮沸処理等がある。表面２ａにカルボキシル基を形成するための表面処理としては、ＵＶオゾン処理、酸素プラズマ処理、コロナ放電処理等がある。
上記の表面処理を行う代わりに、表面に水酸基又はカルボキシル基、或いは双方を有する樹脂層を用いるようにしても良い。

続いて、図２Ｂに示すように、銅板１の接合面（素地面１ａ及び銅酸化膜１Ａの表面１Ａａ）と、樹脂層２の表面２ａとを対向させる。

続いて、図２Ｃに示すように、銅板１と樹脂層２とを熱圧着して接合する。
詳細には、銅板１の接合面（素地面１ａ及び銅酸化膜１Ａの表面１Ａａ）と、樹脂層２の表面２ａとを熱圧着する。熱圧着温度は１００℃〜３００℃程度とし、接合圧力は０．１ＭＰａ〜３ＭＰａ程度とし、熱圧着時間は３０秒間〜１２０秒間程度とすることが、接合性の観点から好ましい。

上記の熱圧着により、銅板１の接合面（素地面１ａ及び銅酸化膜１Ａの表面１Ａａ）の末端に位置するアミノ基（−ＮＨ_２）と、樹脂層２の表面２ａの末端に位置する水酸基（−ＯＨ）とが脱水反応により結合する。このとき、図４に示すように、銅板１の素地面１ａの凹凸に樹脂層２の表面２ａの樹脂が入り込んでアンカー部３が形成される。アンカー部３では、素地面１ａの凹凸のアンカー効果により、銅と樹脂との間で強固で確実な分子接合が得られる。
このように、銅板１と樹脂層２との間では、接合面の全面、即ち銅板１の素地面１ａと樹脂層２の表面２ａ及び銅板１の銅酸化膜１Ａの表面１Ａａと樹脂層２の表面２ａとの双方における完全な分子接合が得られ、極めて高い接合強度が実現する。

−比較例−
ここで、本実施形態の諸比較例について説明する。

（比較例１）
比較例１では、特許文献１に基づいて作製した接合体Ｃ１を例示する。本例では、図５Ａに示すように、銅板１０１及び樹脂層１０２をトリアジンチオール水溶液に浸漬させ、素地面１０１ａ及び表面１０２ａにトリアジンチオール皮膜を形成する。この場合、本実施形態と同様に、銅板１０１の素地面１０１ａが空気に触れることによりその一部に銅酸化膜１０１Ａが形成されており、銅酸化膜１０１Ａの表面１０１Ａａにはトリアジンチオール皮膜は形成されない。そのため、銅板１０１と樹脂の密着性は弱く不十分なものとなる。

（比較例２）
比較例２では、特許文献２に基づいて作製した銅板Ｃ２を例示する。本例では、銅板１０３の表面に酸化処理を施し、続いてシランカップリング剤処理を施す。この場合、酸化処理が十分ではない素地面１０３ａにはシランカップリング剤が結合されない。本例では、このような場合を考慮して、図５Ｂに示すように、素地面１０３ａの一部に形成された銅酸化膜１０３Ａの表面１０３Ａａのみにシランカップリング剤が結合した銅板１０３を提示する。

（比較例３）
比較例３では、特許文献３に基づいて作製した樹脂層Ｃ３を例示する。本例では、アルコキシシリル基とチオール基を有するトリアジンチオール誘導体において、チオール基部分でトリアジンチオール誘導体が被覆された金属微粒子のアルコキシシリル基を加水分解することによりシラノール基を生成する。図５Ｃに示すように、このシラノール基を、金属配線を形成しようとする下地の樹脂層１０４の表面１０４ａに化学的に結合させる。

（比較例４）
比較例４では、比較例１の接合体Ｃ１の一部と比較例２の銅板Ｃ２に対応する銅板１０３とを組み合わせて作製した接合体を例示する。本例では、図６Ａに示すように、接合体Ｃ１のうちの樹脂層１０２と銅板１０３とを接合する。この場合、図６Ｂに示すように、樹脂層１０２のチオール基（−ＳＨ）は銅板１０３の素地面１０３ａと結合するが、樹脂層１０２のチオール基（−ＳＨ）は銅板１０３のアミノ基（−ＮＨ_２）とは結合しない。このように、銅板１０３と樹脂層１０２とは部分的にのみ接合され、その密着性は弱く不十分なものとなる。

（比較例５）
比較例５では、比較例１の接合体Ｃ１の一部と、比較例３の樹脂層Ｃ３に対応する樹脂層１０４とを組み合わせて作製した接合体を例示する。本例では、図７Ａに示すように、接合体Ｃ１のうちの銅板１０１と樹脂層１０４とを接合する。樹脂層１０４としては、樹脂層Ｃ３と、樹脂層Ｃ３から類推される構造である樹脂層Ｃ３ａ、樹脂層Ｃ３ｂを用意する。

図７Ｂに接合結果を示す。
銅板１０１と樹脂層Ｃ３とを接合する場合では、銅板１０１のチオール基（−ＳＨ）は樹脂層Ｃ３の末端とは結合せず、銅板１０１の銅酸化膜１０１Ａには樹脂層Ｃ３の末端は結合しない。このように、銅板１０１と樹脂層Ｃ３とでは全く接合が得られない。
銅板１０１と樹脂層Ｃ３ａとを接合する場合では、銅板１０１のチオール基（−ＳＨ）は樹脂層Ｃ３ａのチオール基（−ＳＨ）と結合するが、銅板１０１の銅酸化膜１０１Ａには樹脂層Ｃ３ａの末端は結合しない。このように、銅板１０１と樹脂層Ｃ３ａとは部分的にのみ接合され、その密着性は弱く不十分なものとなる。
銅板１０１と樹脂層Ｃ３ｂとを接合する場合では、銅板１０１のチオール基（−ＳＨ）は樹脂層Ｃ３ｂの末端とは結合せず、銅板１０１の銅酸化膜１０１Ａには樹脂層Ｃ３ｂの末端は結合しない。このように、銅板１０１と樹脂層Ｃ３ｂとでは全く接合が得られない。

（比較例６）
比較例６では、比較例２の銅板Ｃ２に対応する銅板１０３と、比較例３の樹脂層Ｃ３に対応する樹脂層１０４とを組み合わせて作製した接合体を例示する。本例では、図８Ａに示すように、銅板１０３と樹脂層１０４とを接合する。樹脂層１０４としては、樹脂層Ｃ３と、樹脂層Ｃ３から類推される構造である樹脂層Ｃ３ａ、樹脂層Ｃ３ｂを用意する。

図８Ｂに接合結果を示す。
銅板１０３と樹脂層Ｃ３とを接合する場合では、銅板１０３の銅酸化膜１０３Ａのアミノ基（−ＮＨ_２）は樹脂層Ｃ３の末端とは結合せず、銅板１０１の素地面１０１ａには樹脂層Ｃ３の末端は結合しない。このように、銅板１０３と樹脂層Ｃ３とでは全く接合が得られない。
銅板１０３と樹脂層Ｃ３ａとを接合する場合では、銅板１０１の素地面１０１ａには樹脂層Ｃ３ａのチオール基（−ＳＨ）は結合するが、銅板１０３の銅酸化膜１０３Ａのアミノ基（−ＮＨ_２）は樹脂層Ｃ３ａの末端とは結合しない。このように、銅板１０３と樹脂層Ｃ３ａとは部分的にのみ接合され、その密着性は弱く不十分なものとなる。
銅板１０３と樹脂層Ｃ３ｂとを接合する場合では、銅板１０３の銅酸化膜１０３Ａのアミノ基（−ＮＨ_２）は樹脂層Ｃ３ｂのアミノ基（−ＮＨ_２）とは結合しない。同様に、銅板１０１の素地面１０１ａには樹脂層Ｃ３ｂのアミノ基（−ＮＨ_２）は結合しない。このように、銅板１０３と樹脂層Ｃ３ｂとでは全く接合が得られない。

（比較例７）
比較例７では、比較例１の接合体Ｃ１の一部と、比較例２のシランカップリング剤処理と、比較例３の樹脂層Ｃ３に対応する樹脂層１０４とを組み合わせて作製した接合体を例示する。本例では、先ず、図９Ａに示すように、接合体Ｃ１のうちの銅板１０１に比較例２のシランカップリング剤処理を施す。このとき、図９Ｂに示すように、銅板１０１の素地面１０１ａのトリアジンチオールにはシランカップリング剤が結合し、銅板１０１の銅酸化膜１０１Ａにはシランカップリング剤が結合する。このときの銅板１０１を銅板Ｃ１＋Ｃ２と言う。

続いて、図１０Ａに示すように、銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層１０４とを接合する。樹脂層１０４としては、樹脂層Ｃ３と、樹脂層Ｃ３から類推される構造である樹脂層Ｃ３ａ、樹脂層Ｃ３ｂを用意する。

図１０Ｂに接合結果を示す。
銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層Ｃ３とを接合する場合では、銅板Ｃ１＋Ｃ２の素地面１０１ａのアミノ基（−ＮＨ_２）及び銅酸化膜１０３Ａのアミノ基（−ＮＨ_２）は共に、樹脂層Ｃ３の末端とは結合しない。このように、銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層Ｃ３とでは全く接合が得られない。
銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層Ｃ３ａとを接合する場合では、銅板Ｃ１＋Ｃ２の素地面１０１ａのアミノ基（−ＮＨ_２）及び銅酸化膜１０３Ａのアミノ基（−ＮＨ_２）は共に、樹脂層Ｃ３ａの末端とは結合しない。このように、銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層Ｃ３ａとでは全く接合が得られない。
銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層Ｃ３ａとを接合する場合では、銅板Ｃ１＋Ｃ２の素地面１０１ａのアミノ基（−ＮＨ_２）及び銅酸化膜１０３Ａのアミノ基（−ＮＨ_２）は共に、樹脂層Ｃ３ａのアミノ基（−ＮＨ_２）とは結合しない。このように、銅板Ｃ１＋Ｃ２と樹脂層Ｃ３ｂとでは全く接合が得られない。

以上説明したように、本実施形態によれば、銅板１と樹脂層２とを接合する際に、銅板１の接合面の一部に銅酸化膜１Ａが形成されても、銅板１の素地面１ａ及び銅酸化膜１Ａの双方と樹脂層２とが確実に分子接合される。これにより、銅板１と樹脂層２との強固な接合を実現して、信頼性の高い接合体を得ることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態による接合体をクーリングプレートに適用した、電子装置の冷却システムを開示する。

図１１は、第２の実施形態による電子装置の冷却装置の概略構成を示す模式図である。
この冷却装置は、サーバー等の電子機器２０を冷却するためのものであり、冷却部１０、熱交換器１１、冷却液のタンク１２、及び駆動ポンプ１３が循環ライン１４に接続されて構成される。駆動ポンプ１３の駆動力によってタンク１２内の冷却液Ｃ_０が循環ライン１４を循環しており、冷却部１０によって電子機器２０が冷却される。

電子機器２０には、電子部品、例えばＣＰＵを含むＬＳＩ等の半導体装置が搭載されている。
冷却部１０は、冷却液Ｃ_０を分流するための銅マニフォールド１５と、銅マニフォールド１５から出た冷却液Ｃ_０が通る樹脂チューブ１６と、樹脂チューブ１６が接続されたクーリングプレート１７とを備える。

クーリングプレート１７は、電子機器２０に搭載されたＬＳＩ等の半導体装置ごとに設けられている。各半導体装置は、クーリングプレート１７により個別に冷却される。
クーリングプレート１７の概略構成を図１２に示す。クーリングプレート１７は、半導体装置と熱的に接続された銅ベースプレート２１と、銅ベースプレート２１の表面に形成された銅フィン２２と、銅ベースプレート２１上で銅フィン２２を覆い、内部空間に冷却液が供給される樹脂カバー２３とを備えて構成される。

クーリングプレート１７においては、銅ベースプレート２１と樹脂カバー２３との接合に第１の実施形態が適用される。銅ベースプレート２１の樹脂カバー２３との接合面は、表面粗化処理により微細な凹凸が形成されてアンカー部２４とされている。アンカー部２４において、当該凹凸に樹脂カバー２３の樹脂の一部が入り込んで銅ベースプレート２１と樹脂カバー２３とが分子接合している。第１の実施形態の図２Ｃと同様に、接合面において、銅ベースプレート２１の一部に銅酸化膜が形成されていても、接合面の全面、即ち素地面と樹脂カバー２３及び銅酸化膜と樹脂カバー２３の双方における完全な分子接合が得られる。これにより、銅ベースプレート２１と樹脂カバー２３との極めて高い接合強度が実現する。

冷却液Ｃ_０は特に限定されないが、本実施形態ではインヒビター（腐食防止剤）を純水に溶解してなるものを使用する。インヒビターとしては、銅材料の腐食防止に有効なベンゾトリアゾールを使用するのが好適である。この場合、インヒビター濃度は、例えば１００ｐｐｍ程度とすれば良い。銅用のインヒビターを使用することで、Ｃｕマニフォールド１５及びクーリングプレート１７の銅ベースプレート２１において冷却液Ｃ_０と接する部分が冷却液Ｃ_０によって溶出することが防止される。

電子機器２０によって温められた冷却液Ｃ_０は、電子機器２０の下流の循環ライン１４に設けられた熱交換器１１に入る。熱交換器１１では、ファンにより冷却液Ｃ_０が空冷され、冷却液Ｃ_０の熱が外部に放熱される。冷却液Ｃ_０と接する部分の熱交換器１１には銅材料が使用されるが、上記のように冷却液Ｃ_０に銅用のインヒビターを添加することにより、熱交換器１１の腐食を抑制し、熱交換器１１における漏水を防止することができる。

図１１の冷却装置の具体例を図１３及び図１４に示す。図１１と同様の構成部材については同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

サーバーでは、ラック３１内に複数、例えば数十枚のシャーシ３２が積層されている。各シャーシ３２内には、配線基板３３上に多数の中央演算処理装置（ＣＰＵ）３４が設けられており、ＣＰＵ３４ごとにクーリングプレート１７が設置されている。

循環ライン１４は、各一端がそれぞれ金属カプラ３０によりラック３１に接続された第１のラックホース１４ａ及び第２のラックホース１４ｂを有しており、第１のラックホース１４ａがラック３１に冷却液を供給し、第２のラックホース１４ｂがラック３１から使用済みの冷却液を排出する。

図１３では不図示であるが、図１４に示すように、ラック３１内には第１の主配管３５及び第２の主配管３６が設けられている。第１のラックホース１４ａの一端が第１の主配管３５に、第２のラックホース１４ｂの一端が第２の主配管３６に金属カプラ３０によりそれぞれ接続されている。

シャーシ３２内の各クーリングプレート１７には、１本の樹脂チューブ１６が接続されており、樹脂チューブ１６の一端から冷却液が供給され、樹脂チューブ１６の他端から使用済みの冷却液が排出される。この冷却液の循環により、各クーリングプレート１７が配された各ＣＰＵ３３が適宜冷却される。

第１の主配管３５は、各シャーシ３２に対応した複数（図示の例では２つのみ示す。）の端子３５ａを有している。各端子３５ａには、第１のフレキシブルホース３７の一端が金属カプラ３０により接続されており、第１のフレキシブルホース３７の他端が金属カプラ３０により樹脂チューブ１６の一端に接続されている。

第２の主配管３６は、各シャーシ３２に対応した複数（図示の例では２つのみ示す。）の端子３６ａを有している。各端子３６ａには、第２のフレキシブルホース３８の一端が金属カプラ３０により接続されており、第１のフレキシブルホース３８の他端が金属カプラ３０により樹脂チューブ１６の一端に接続されている。

第１のラックホース１４ａ及び第２のラックホース１４ｂの各他端は、冷却水循環装置（ＣＤＵ）３９に金属カプラ３０により接続されている。ＣＤＵ３９は、タンク１２を兼ねており、熱交換器１１及び駆動ポンプ１３をその内部に有している。

以上説明したように、本実施形態によれば、銅ベースプレート２１と樹脂カバー２３とを接合する際に、銅ベースプレート２１の接合面の一部に銅酸化膜が形成されても、当該接合面の全面で分子接合される。即ち、銅ベースプレート２１の素地面及び銅酸化膜の双方と樹脂カバーとの間で確実な分子接合が得られる。これにより、銅ベースプレート２１と樹脂カバー２３との強固な接合を実現して、可及的に軽量で冷却水の漏洩を確実に防止することができるクーリングプレート１７を備えた信頼性の高い冷却装置が実現する。

（第１の実施例）
第１の実施例では、第２の実施形態による冷却装置の構成要素であるクーリングプレートについて、その製造方法に関する具体例について説明する。

先ず、銅フィンを備えた銅ベースプレートを用意し、銅ベースプレートにおける樹脂カバーとの接合面以外の部分をマスキングテープによって保護した。銅ベースプレートの接合面の表面粗化処理は、薬液（メック株式会社の商品名アマルファA-10201）の中にベースプレートを５分間浸漬させて行った。

続いて、銅ベースプレートについて、水洗、アルカリ洗浄（５％のＮａＯＨ水溶液、２０秒間の浸漬処理）、水洗、中和処理（５％のＨ_２ＳＯ_４水溶液に２０秒間の浸漬処理）、水洗を行った。
続いて、銅ベースプレートを、2,4,6-トリメルカプト-1,3,5-トリアジンモノナトリウム塩（三協化成株式会社製の商品名サンチオールN-1）の０．１ｍｏｌ／Ｌの水溶液に５分間浸漬させた。
続いて、銅ベースプレートを、シランカップリング剤として０．０５ｍｏｌ／Ｌの3-アミノプロピルトリエトキシシラン（信越化学工業株式会社製の商品名KBE903）水溶液に浸漬させた。その後、銅ベースプレートを１００℃で３０分間乾燥させた。

ポリプロピレン樹脂（ダイセルポリマー株式会社製の商品名FP994）を用いてカバー形状に成形し、樹脂カバーを形成した。
続いて、樹脂カバーの銅ベースプレートとの接合面に、ＵＶオゾン照射を１０分間行った。

樹脂カバーと銅ベースプレートとを、圧着温度１７０℃、圧力０．５ＭＰａ、圧着時間６０秒間の条件で熱圧着（ホットプレス）をして一体化し、クーリングプレートを形成した。
（第２の実施例）
第２の実施例では、接合強度試験及び耐水圧試験を行った。接合強度試験では、第２の実施形態による冷却装置の構成要素であるクーリングプレートについて、銅ベースプレートと樹脂カバーとの接合強度について、測定用サンプルを用いて調べた。耐水圧試験では、作製されたクーリングプレートの内部に水を充填し、水圧ポンプを用いて耐水圧を調べた。

測定用サンプルは、第１の実施例と同様の条件で作製した。ここでは、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理（トリアジンチオール処理）を行った測定用サンプルを「実施例」（実施例１〜８）、トリアジンチオール処理を行わない測定用サンプルを「比較例」（比較例８〜１５）とする。

接合強度の測定は、具体的には以下の方法で行った。
銅部材として、５０ｍｍ×２５ｍｍ×１．５ｍｍ厚みの板材（無酸素銅：Ｃ１０２０）を用いた。
樹脂部材として、２５ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍ厚みに成形した板材（ダイセルポリマー社製の商品名ＦＰ９９４）を用いた。

銅部材及び樹脂部材を上記の銅部材、及び樹脂部材にそれぞれ代えた以外は、第１の実施形態及び第１の実施例と同様にして、表面粗化処理、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理、シランカップリング剤処理、樹脂表面処理（ここではＵＶオゾン処理）、及び熱圧着を適宜行い、各測定用サンプルを作製した。
銅部材と樹脂部材との接合面の面積は、３１２．５ｍｍ^２（＝２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）である。

図１５に示す測定装置を用いて、接合強度を測定した。測定装置としては、Instron社製の商品名5878 Micro Testerを用いた。具体的には、接合面において銅部材４１が上側、樹脂部材４２が下側となるように、固定具４３に銅部材４１を固定した。接合面の端部から５ｍｍの位置で、樹脂部材４２の上面に圧子４４を押し当て、押し下げ速度１ｍｍ／ｓｅｃで圧子４４を押し下げた。その際の押し当て力を、接合強度（ＭＰａ）として評価した。接合強度（ＭＰａ）は、押し当て時の負荷曲線から求めた押込み剥がし荷重（最大負荷）（Ｎ）を接合面積で除した値として評価した。
評価結果を図１６の表に示す。

実施例１〜４の測定用サンプルについて、表面粗化処理、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理、及びシランカップリング剤処理を行い、接合圧力を０．２ＭＰａ〜１ＭＰａとした。
実施例１〜４の測定用サンプルでは、最大荷重が８１Ｎ〜１２０Ｎであり、接合強度は０．２６〜０．３８ＭＰａであった。これらの測定用サンプルでは、樹脂部材は銅部材から剥離せず、最大荷重後のモードとしては、樹脂部材に変形が見られた。

実施例１〜４の測定用サンプルに対応して作製されたクーリングプレートでは、水圧０．５ＭＰａ、５分間の試験でも水漏れ等の変化は生じなかった。

実施例５〜８の測定用サンプルについて、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理及びシランカップリング剤処理を行い、表面粗化処理は行わず、接合圧力を０．２ＭＰａ〜１ＭＰａとした。
実施例５〜８の測定用サンプルでは、最大荷重が８４Ｎ〜１１２Ｎであり、接合強度は０．２７ＭＰａ〜０．３６ＭＰａであった。これらの測定用サンプルでは、樹脂部材は銅部材から剥離せず、最大荷重後のモードとしては、樹脂部材に変形が見られた。

実施例５〜８の測定用サンプルに対応して作製されたクーリングプレートでは、水圧０．５ＭＰａ、５分間の試験でも水漏れ等の変化は生じなかった。

比較例８〜１１の測定用サンプルについて、表面粗化処理及びシランカップリング剤処理を行い、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理は行わず、接合圧力を０．２ＭＰａ〜１ＭＰａとした。
比較例８〜１１の測定用サンプルでは、樹脂部材と銅部材との接合面の一部で界面剥離が生じた。その際の最大荷重は５７Ｎ〜６５Ｎであり、接合強度は０．１８〜０．２１ＭＰａであった。

比較例８〜１１の測定用サンプルに対応して作製されたクーリングプレートでは、水圧０．４ＭＰａの印可で、樹脂部材と、銅部材との接合面から水漏れが生じた。

比較例１２〜１５の測定用サンプルについて、表面粗化処理を行い、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理及びシランカップリング剤処理は行わなかった。比較例１２〜１３では接合圧力を大きく（０．７５ＭＰａ〜１ＭＰａ）し、比較例１４〜１５では接合圧力を小さく（０．２ＭＰａ〜０．５ＭＰａ）した。
比較例１２〜１３の測定用サンプルでは、樹脂部材と銅部材との接合面の一部で界面剥離が生じた。その際の最大荷重は５７Ｎであり、接合強度は０．１８ＭＰａであった。
比較例１４〜１５の測定用サンプルでは、樹脂部材と銅部材との接合面で界面剥離が生じた。その際の最大荷重は４７Ｎ〜４８Ｎであり、接合強度は０．１５ＭＰａであった。

比較例１２〜１３の測定用サンプルに対応して作製されたクーリングプレートでは、水圧０．４ＭＰａの印可で、樹脂部材と、銅部材との接合面から水漏れが生じた。
比較例１４〜１５の測定用サンプルに対応して作製されたクーリングプレートでは、水圧０．３ＭＰａの印可で、樹脂部材と、銅部材との接合面から水漏れが生じた。

以上のように、第２の実施例により、第２の実施形態による冷却システムの構成要素であるクーリングプレートについて、銅ベースプレートと樹脂カバーとの接合について、以下のことが確認された。

銅ベースプレートと樹脂カバーとの接合に際して、トリアジンチオール誘導体を用いた反応性皮膜処理及びシランカップリング剤処理を行うことにより、接合部で剥離が生じることなく十分に高い接合強度が得られる。

本発明によれば、銅と樹脂とを接合する際に、銅の接合面の一部に酸化膜が形成されても、銅の素地面及び酸化膜の双方と樹脂とを確実に分子接合し、銅と樹脂との強固な接合を実現して、信頼性の高い接合体を得ることができる。

本発明によれば、銅ベースプレートと樹脂カバーとを接合する際に、銅ベースプレートの接合面の一部に酸化膜が形成されても、銅ベースプレートの素地面及び酸化膜の双方と樹脂カバーとが確実に分子接合される。これにより、銅ベースプレートと樹脂カバーとの強固な接合を実現して、可及的に軽量で冷却水の漏洩を確実に防止することができるクーリングプレートを備えた信頼性の高い冷却装置を得ることができる。

Claims (18)

1. 銅と樹脂との接合体であって、
   前記銅は、前記樹脂との接合面において、素地面にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、
   前記銅と前記樹脂とが分子接合していることを特徴とする接合体。
2. 前記銅の前記接合面には凹凸が形成されており、
   前記銅と前記樹脂とが、前記凹凸に前記樹脂の一部が入り込んで分子接合していることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
3. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合体。
4. 前記シランカップリング剤は、分子中にアミノ基、メルカプト基、エポキシ基、イミダゾール基、及びジアルキルアミノ基からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合体。
5. 接合面における素地面にはトリアジンチオール誘導体或いはトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合した銅と、
   樹脂と
   を接触させて分子接合させることを特徴とする接合体の製造方法。
6. 前記銅の前記接合面を粗化処理して凹凸を形成し、
   前記銅と前記樹脂とが、前記凹凸に前記樹脂の一部が入り込んで分子接合することを特徴とする請求項５に記載の接合体の製造方法。
7. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂であって、表面に水酸基又はカルボキシル基が結合されており、
   前記銅と前記樹脂とを熱圧着することで前記分子接合させることを特徴とする請求項５又は６に記載の接合体の製造方法。
8. 前記樹脂に表面処理を施すことにより、前記樹脂の表面に水酸基又はカルボキシル基が結合することを特徴とする請求項７に記載の接合体の製造方法。
9. 前記表面処理は、前記樹脂の表面に水酸基を結合させる場合には、ＵＶオゾン処理、酸素プラズマ処理、アルカリ洗浄、及び煮沸処理から選ばれた１つの処理であり、前記樹脂の表面にカルボキシル基を結合させる場合には、ＵＶオゾン処理、酸素プラズマ処理、及びコロナ放電処理から選択された１種の処理であることを特徴とする請求項８に記載の接合体の製造方法。
10. 前記シランカップリング剤は、その分子中にアミノ基、メルカプト基、エポキシ基、イミダゾール基、及びジアルキルアミノ基からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
11. 電子部品が熱的に接続された銅ベースプレートと、
    前記銅ベースプレート上を覆い、内部空間に冷却液が供給される樹脂カバーと
    を備えたクーリングプレートを含み、前記冷却液を循環させて前記電子部品を冷却する冷却装置であって、
    前記銅ベースプレートは、前記樹脂カバーとの接合面において、素地面にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、
    前記銅ベースプレートと前記樹脂カバーとが分子接合していることを特徴とする冷却装置。
12. 前記銅ベースプレートの前記接合面には凹凸が形成されており、
    前記銅ベースプレートと前記樹脂カバーとが、前記凹凸に前記樹脂カバーの一部が入り込んで分子接合していることを特徴とする請求項１１に記載の冷却装置。
13. 前記樹脂カバーは、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷却装置。
14. 前記シランカップリング剤は、分子中にアミノ基、メルカプト基、エポキシ基、イミダゾール基、及びジアルキルアミノ基からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の冷却装置。
15. 電子部品が熱的に接続された銅ベースプレートと、前記銅ベースプレート上を覆い、内部空間に冷却液が供給される樹脂カバーとを備えたクーリングプレートを含み、前記冷却液を循環させて前記電子部品を冷却する冷却装置と、
    前記電子部品を含む電子機器と
    を有し、
    前記銅ベースプレートは、前記樹脂カバーとの接合面において、素地面にはトリアジンチオール誘導体又はトリアジンチオール誘導体及びシランカップリング剤が、前記接合面の一部に形成された酸化膜にはシランカップリング剤がそれぞれ結合しており、
    前記銅ベースプレートと前記樹脂カバーとが分子接合していることを特徴とする電子装置。
16. 前記銅ベースプレートの前記接合面には凹凸が形成されており、
    前記銅ベースプレートと前記樹脂カバーとが、前記凹凸に前記樹脂カバーの一部が入り込んで分子接合していることを特徴とする請求項１５に記載の電子装置。
17. 前記樹脂カバーは、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１６に記載の電子装置。
18. 前記シランカップリング剤は、分子中にアミノ基、メルカプト基、エポキシ基、イミダゾール基、及びジアルキルアミノ基からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の電子装置。

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