JPWO2020158739A1 - 放熱部材およびこれを備える電子装置 - Google Patents

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Abstract

本開示の放熱部材は、絶縁性の第1壁部と、該第1壁部に対向して位置する第2壁部と、前記第1壁部と前記第2壁部との間に位置する第3壁部と、前記第1壁部と前記第2壁部と前記第3壁部とに囲まれた流路と、前記第1壁部の外表面に位置する導電層と、第1壁部の内表面に位置する、空隙を有する第1金属層と、を有する。また、本開示の電子装置は、上記構成の放熱部材と、該放熱部材の導電層に位置する電子部品とを有する。

Description

本開示は、放熱部材およびこれを備える電子装置に関する。
鉄道車両等には、大電力用の電子装置が用いられている。このような電子装置としては、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のような半導体素子等の電子部品を備えたインバータ等が知られている。
ここで、大電力用の電子装置では、スイッチング損失および導通損失等による電子部品の発熱量が膨大となることから、電子部品を冷却するための放熱部材を備えている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2002−93975号公報
本開示の放熱部材は、絶縁性の第1壁部と、該第1壁部に対向して位置する第2壁部と、前記第1壁部と前記第2壁部との間に位置する第3壁部と、前記第1壁部と前記第2壁部と前記第3壁部とに囲まれた流路と、前記第1壁部の外表面に位置する導電層と、第1壁部の内表面に位置する、空隙を有する第1金属層を有する。
また、本開示の電子装置は、上記構成の放熱部材と、該放熱部材の導電層に位置する電子部品とを有する。
本開示の電子装置の一例である。 図1に示すA−A’線の断面図の一例である。 図2に示すS部における拡大図の一例である。 図2に示すS部における拡大図の一例である。 図1に示すA−A’線の断面図の一例である。
本開示の放熱部材および電子装置について、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
まず、本開示の放熱部材10は、図1および図2に示すように、第1壁部1と、第1壁部1に対向して位置する第2壁部2と、第1壁部1と第2壁部2との間に位置する第3壁部3と、第1壁部1と第2壁部2と第3壁部3とに囲まれた流路4と、第1壁部1の外表面1aに位置する導電層5と、を備える。
ここで、第1壁部1は絶縁性であり、例えば、セラミックス、ガラス、樹脂等で構成されていてもよい。また、第2壁部2および第3壁部3は、絶縁性である必要はなく、どのような材質で構成されていても構わないが、第1壁部1の熱膨張係数に近似させる観点からは、第1壁部1と同じ材質で構成されていてもよい。
また、図1では、流路4の流入口8および流出口9が第1壁部1に開口している例を示しているが、これに限定されるものではなく、流入口8および流出口9は、第1壁部1ではなく、第2壁部2または第3壁部3に開口していてもよいことは言うまでもない。
また、流路4は、冷却媒体(以下、冷媒と記載する。)が流すものであり、冷媒は液体または気体であってもよい。ここで、液体の冷媒としては、純水またはフッ素系の液体等であってもよく、これらに防錆剤が添加されたものであってもよい。
また、導電層5は、電気を流すことにより、電極、配線または端子として機能するものであり、導電層5に電子部品7を載置することで、本開示の電子装置20となる。
ここで、導電層5を構成する材質は、導電性を有するならば、どのような材質であっても構わなく、例えば、銅またはアルミニウム等であってもよい。
また、電子部品7としては、半導体素子以外に、昇華型サーマルプリンタヘッドまたはサーマルインクジェットプリンタヘッド用の発熱素子、ペルチェ素子、コンデンサ等を用いることができる。
そして、本開示の放熱部材10は、第1壁部1の内表面1bに位置する第1金属層6を有する。これにより、電子部品7から生じた熱が、導電層5および第1壁部1を介して第1金属層6に伝達され、第1金属層6と流路4を流れる冷媒とで熱交換されることによって放熱される。
ここで、本開示の放熱部材10における第1金属層6は、図3および図4に示すように、第1金属層6は、第1金属粒子11aと、第2金属粒子11bと、を有していてもよい。空隙16は、第1金属粒子11aと第2金属粒子11bとの間に位置していてもよい。このような構成を満足していることから、第1金属層6が緻密である場合と比較して、第1金属層6が流路4を流れる冷媒と接触する表面積が増加し、放熱を効率よく行なうことができる。よって、本開示の放熱部材10は、電子部品7を効率よく冷却することができる。また、本開示の電子装置20は、本開示の放熱部材10を備えることから、信頼性に優れる。
また、図3および図4に示すように、第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bの形状は、例えば、球状、粒状、ウィスカ状または針状であってもよい。第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bがウィスカ状または針状である場合は、第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bは屈曲していてもよい。第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bは角部を有していてもよい。また、第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bが球状または粒状である場合、第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bの長手方向の長さは0.5μm以上200μm以下であってもよい。第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bがウィスカ状または針状である場合、繊維径は1μm以上100μm以下であってもよく、長さが100μm以上5mm以下であってもよい。
図3においては、第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bが粒状である。図4においては、第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bがウィスカ状である。
ここで、放熱層6の粗密性の指標としては気孔率を用いればよく、放熱層6の気孔率は、例えば、10%以上90%以下である。ここで、放熱層6の気孔率は、例えば、アルキメデス法を用いて測定することで算出すればよい。
また、図3および図4に示すように、第1金属層6は、第3金属粒子11cを有していてもよい。第1金属層6は、第1金属粒子11aと、第3金属粒子11cとの間に溶着部14を有していてもよい。第1金属粒子11aと第3金属粒子11cとが単に接するのではなく、溶着しているため、第1金属粒子11aと第3金属粒子11cとの間で熱が伝わりやすい。そのため、第1金属層6全体として高い熱伝導効率を有する。したがって放熱部材10は、高い信頼性を有する。
また、第1金属層6の材質は、金属であればよいが、例えば、ステンレス、アルミニウムまたは銅であってもよい。なお、これらの熱膨張係数は、一般的に、ステンレスが10〜18ppm程度、アルミニウムが23ppm程度、銅が16.7ppm程度である。
また、本開示の放熱部材10における第1壁部1は、セラミックスからなってもよい。このような構成を満足するならば、耐熱性および機械的強度に優れ、放熱部材10としての信頼性を向上させることができる。ここで、第1壁部1を構成するセラミックスとしては、アルミナ質セラミックス、アルミナ−ジルコニア複合セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックス等であればよい。
特に、セラミックスの中でも窒化珪素質セラミックスで第1壁部1を構成すれば、本開示の放熱部材10の放熱特性は向上する。
ここで、窒化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分100質量%のうち、窒化珪素を70質量%以上含有するものである。そして、第1壁部1を構成する材質は、以下の方法により確認することができる。まず、X線回折装置(XRD)を用いて測定し、得られた2θ(2θは、回折角度である。)の値をJCPDSカードで同定する。次に、ICP発光分光分析装置(ICP)または蛍光X線分析装置(XRF)を用いて、各成分の定量分析を行なう。ここで、XRDにおいて、窒化珪素の存在が確認され、ICPまたはXRFで測定した珪素(Si)の含有量から窒化珪素(Si34)に換算した含有量が70質量%以上であれば、窒化珪素質セラミックスである。なお、他のセラミックスについても同様である。
なお、金属の熱膨張係数は、セラミックスの熱膨張係数に比べて大きいものの、空隙を有する第1金属層6で構成されていることから、緻密な第1金属層に比べて熱膨張が小さい。よって、セラミックスからなる第1壁部1と空隙を有する第1金属層6とは、熱膨張差が小さく、熱膨張差に起因して発生する応力が小さい。そのため、電子部品7の発熱に伴う加熱および冷却が繰り返されても、第1壁部1における第1金属層6に近い部分に掛かる応力は小さく、第1壁部1に亀裂が生じにくい。
なお、セラミックスの熱膨張係数は、一般的に、アルミナ質セラミックスが7.2ppm程度、窒化アルミニウム質セラミックスが4.6ppm程度、窒化珪素質セラミックスが2.8ppm程度、ジルコニア質セラミックスが10.0ppm程度であり、アルミナ−ジルコニア複合セラミックスの場合では、7〜10ppm程度である。
また、第2壁部2および第3壁部3は、第1壁部1とは異なるセラミックスで構成されていてもよい。例えば、第1壁部1を窒化珪素質セラミックスで構成し、第2壁部2および第3壁部3を炭化珪素質セラミックスで構成すれば、炭化珪素質セラミックスは窒化珪素質セラミックスよりも熱伝導率が高いことから、第1壁部1、第2壁部2および第3壁部3を全て窒化珪素質セラミックスで構成する場合に比べて、耐久性を維持しつつ、放熱性を向上させることができる。また、第1壁部1を窒化珪素質セラミックスで構成し、第2壁部2および第3壁部3をアルミナ質セラミックスで構成すれば、アルミナ質セラミックスは窒化珪素質セラミックスに比べて製造コストが安いことから、放熱部材10を安価に製造することができる。
また、第2壁部2および第3壁部3は、第1壁部1よりも密度が小さくてもよい。このような構成を満足するならば、耐久性を維持しつつ、放熱部材10を軽量化することができる。例えば、第1壁部1を窒化珪素質セラミックス(約3.3g/cm3)で構成するならば、金属であればアルミニウム(約2.7g/cm3)、樹脂であればポリイミド樹脂(約1.4g/cm3)、セラミックスであればコージライト質セラミックス(約2.5g/cm3)で第2壁部2および第3壁部3を構成することで、第2壁部2および第3壁部3の密度が第1壁部1よりも小さくなる。
また、本開示の放熱部材10は、図3および図4に示すように、第1金属層6および第1壁部1の内表面1bの間に位置する接合層12を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、第1金属層6が第1壁部1から剥がれにくくなるとともに、熱膨張差に起因して発生する応力を接合層12が緩和し、第1壁部1に亀裂が生じにくくなる。よって、本開示の放熱部材10は、長期間に亘って使用することが可能となる。なお、接合層12の平均厚みは、例えば、1μm以上0.5mm以下であってもよい。
また、本開示の放熱部材10における接合層12は、金属またはガラスからなってもよい。ここで、金属としては、例えば、ニッケル、白金、SUS、アルミニウムまたは銅等であり、ガラスとしては、例えば、ホウ硅酸系ガラスまたは珪酸系ガラス等であればよい。このような構成を満足するならば、接合層12により、第1金属層6と第1壁部1とが強固に接合され、第1金属層6が第1壁部1から剥がれにくくなる。
または、本開示の放熱部材10における接合層12は、多孔質セラミックスからなってもよい。ここで、多孔質セラミックスとしては、例えば、第1壁部1がセラミックスで構成されるならば、第1壁部1と同じ成分のものであればよい。このような構成を満足するならば、多孔質である接合層12の内部に第1金属層6を構成する第1金属粒子11a、第2金属粒子11bまたは第3金属粒子11cが入り込むことで、第1金属層6と接合層12とが強固に接合される。また、第1壁部1がセラミックスである場合には、第1壁部1と接合層12とはどちらもセラミックスであることから、第1壁部1と接合層12とが強固に接合される。よって、第1金属層6が第1壁部1から剥がれにくくなる。
また、図3に示すように、本開示の放熱部材10における第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bは、酸化膜15で覆われていてもよい。このような構成を満足するならば、第1金属層6を構成する第1金属粒子11aおよび第2金属粒子11bと流路4を流れる冷媒とが化学反応することを抑制することができ、本開示の放熱部材10を、長期間に亘って、安定し使用することが可能となる。また、第3金属粒子11cは、酸化膜15で覆われていてもよい。第1金属粒子11a、第2金属粒子11bまたは第3金属粒子11cは、酸化膜15で覆われていてもよい。このような構成を満足するならば、第1金属層6を構成する第1金属粒子11a、第2金属粒子11bまたは第3金属粒子11cと流路4を流れる冷媒とが化学反応することを抑制することができ、本開示の放熱部材10を、長期間に亘って、安定し使用することが可能となる。なお、酸化膜15としては、第1金属粒子11a、第2金属粒子11bまたは第3金属粒子11cを構成する金属の酸化物であってもよい。
また、本開示の放熱部材10は、第1金属層6は、図2に示すように、導電層5の直下に位置してもよい。ここで、第1金属層6が導電層5の直下に位置するとは、図2に示すように、流路4の冷媒が流れる方向に対して直交する断面において、導電層5の直下にあたる領域B内に、少なくとも第1金属層6の一部が位置していることをいう。なお、第1金属層6が領域B内に完全に収まっていてもよいことは言うまでもない。このような構成を満足するならば、電子部品7から生じた熱が、導電層5および第1壁部1を介して第1金属層6に直ぐに伝達され、流路4を流れる冷媒に放熱されることから、本開示の放熱部材10の冷却効率が向上する。
また、本開示の放熱部材10における第1壁部1は、図5に示すように、流路4側に突出した突起部13を有し、第1金属層6は、突起部13の頂面に位置してもよい。ここで、突起部13とは、第1壁部1の内表面1bから突出した部分である。また、第1壁部1の内表面1bを基準面としたとき、突起部13の基準面からの高さは、例えば、0.2mm以上5mm以下であり、突起部13の幅は突起部13の高さよりも長くてもよい。そして、図5に示すように、突起部13の断面形状は矩形であってもよい。また、突起部13の頂面とは、突起部13の頂点を含む面であり、第1壁部1の外表面1aに平行な面のことである。
このような構成を満足するならば、突起部13が存在しない場合に比べ、突起部13分だけ表面積が増え、本開示の放熱部材10の冷却効率を向上させることができる。
ここで、突起部13は、第1壁部1と同じ材質で構成されていても構わないが、アルミニウムまたは銅で構成されるならば、突起部13自体の伝熱性が向上し、本開示の放熱部材10の冷却効率を向上させることができる。
また、本開示の放熱部材10における第1金属層6は、図5に示すように、突起部13を全て覆っていてもよい。ここで、突起部13を全て覆っているとは、突起部13が外部に露出しないように、突起部13の表面が全て第1金属層6に覆われていることをいう。
このような構成を満足するならば、導電層5および第1壁部1を介して、突起部13に伝達された熱を効率よく第1金属層6に伝えることができ、本開示の放熱部材10の冷却効率を向上させることができる。
次に、本開示の放熱部材およびこれを備える電子装置の製造方法の一例について説明する。ここでは、第1壁部の材質がセラミックスである場合を例に挙げて説明する。
まず、主成分となる原料(酸化アルミニウム、窒化珪素等)の粉末に、焼結助剤、バインダおよび溶媒等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法で形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施し、所望形状のグリーンシートとする。または、このスラリーを噴霧乾燥して、造粒された顆粒を得る。その後、この顆粒を圧延することで形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施し、所望形状のグリーンシートとする。そして、このグリーンシートを焼成することで、第1壁部を得ることができる。なお、第1壁部に同じ材質の突起部を形成するならば、突起部となる部分をグリーンシートの積層により形成した後、焼成すればよい。
次に、第1壁部の表面上に導電層を形成する。導電層を形成する方法としては、接合する材料同士を密着させ加圧・加熱することで原子の拡散を促し接合する拡散接合法、銅板またはアルミニウム板等の金属板を直接貼り付ける直接接合法、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ等の活性金属を添加した銀または銅のろう材を介して金属板を接合するAMB(Active Metal Bonding)法、金属成分を主成分としたペーストを用いて形成する印刷法、チタンまたはクロムを下地層としスパッタリングで導電層を形成するスパッタ法、チタンやクロムを下地層とするか、または、微細な凹凸を形成した後に、導電層を形成するめっき法等を用いればよい。なお、突起部を銅またはアルミニウムで構成するならば、上記導電層と同じ形成方法で形成すればよい。
次に、導電層を形成した反対の第1壁部の表面に第1金属層を形成する。まず、第1壁部の表面に樹脂からなる所望形状のマスクを形成する。次に、例えば、ステンレス、アルミニウムまたは銅からなる複数の金属粒子を水等の液体に混合した混合液を用意し、このマスクによって形成された空間に流し込む。次に、これを乾燥させることで液体を蒸発させる。その後、焼失させるか溶剤を使用してマスクを除去し、所定の圧力で加圧した後、基体を加熱するか、超音波振動を与える。これにより、金属粒子同士を接合させることができ、第1金属粒子および第2金属粒子を溶着させることができる。これにより、空隙を有する第1金属層を得ることができる。また、第1金属粒子および第3金属粒子との間に溶着部を形成することができる。
なお、第1部材の表面に第1金属層を直接形成するのではなく、まず、第1部材の表面に接合層を形成した後、この接合層に第1金属層を形成してもよい。ここで、接合層は、金属、ガラスまたは多孔質セラミックスである。接合層が金属である場合、上記マスク形成後にスパッタ法を用いて形成するか、無電解めっき法やメタライズ法で形成すればよい。一方、接合層が、ガラスまたは多孔質セラミックスである場合、上記マスク形成前に接合層を形成すればよい。この場合、ガラス、多孔質セラミックスは、それぞれを主成分としたペーストを第1壁部の内表面に塗布し、熱処理することで形成すればよい。また、ガラス、多孔質セラミックスは絶縁性であるため、第1壁部の表面全てを覆うように形成しても構わない。なお、多孔質セラミックスは、第1壁部を構成するセラミックスと同じ成分のものであれば、容易に基体と接合される。
そして、接合層上に第1金属層を形成した後、基体を加熱することによって、接合層が、金属またはガラスならば、第1金属層に対して接合層が濡れることで接合される。また、接合層が多孔質セラミックスならば、第1金属層を構成する第1金属粒子、第2金属粒子または第3金属粒子が多孔質セラミックス内に入り込むことで接合される。なお、接合層が金属ならば、接合層および第1金属層に電気を流すことで、接合層の金属と第1金属層を構成する第1金属粒子、第2金属粒子または第3金属粒子とを接合し、接合層と第1金属層とを接合させることもできる。
なお、第1金属層を別途準備し、表面上に予め形成しておいた接合層上に第1金属層を載置するか、第1金属層に接合層となるペーストを塗布した後に表面に載置し、基体を加熱することで第1金属層を有する基体を得てもよい。この場合、第1金属層は、以下の方法で予め作製しておく。まず、例えば、ステンレス、アルミニウムまたは銅からなる複数の金属粒子を水等の液体に混合した混合液を用意し、第1金属層の形状をした型に流し込む。次に、これを乾燥ささることで、液体を蒸発させる。次に、所定の圧力で加圧し、加熱するか、超音波振動を与えることにより、第1金属粒子および第2金属粒子を溶着させることができる。また、第1金属粒子および第3金属粒子との間に溶着部を形成することができる。そして、型から取り出せば、空隙を有する第1金属層を得る。
なお、第1金属層は、以下の方法で作製してもよい。まず、第1金属粒子、第2金属粒子または第3金属粒子とバインダとを混ぜ合わせた後に、メカプレス法により成型体を作製する。次に、この成形体を乾燥させることでバインダを蒸発させる。その後、加熱するか、超音波振動を与える。これにより、第1金属粒子および第2金属粒子を溶着させることができる。また、第1金属粒子および第3金属粒子との間に溶着部を形成することができる。これにより、空隙を有する第1金属層を得る。
なお、金属粒子を酸化膜で覆うためには、第1金属粒子、第2金属粒子または第3金属粒子に対して、強酸化剤による酸化処理、酸素雰囲気下での加熱処理、陽極酸化処理等を行なうことで、金属粒子の表面に不動態膜等の酸化膜を形成すればよい。
なお、第1壁部が突起部を有する場合、上述した方法で突起部に第1金属層を形成してもよい。
そして、導電層および第1金属層が形成された第1壁部と、第2壁部および第3壁部との間に接着剤を配し、熱処理を行なうことによって、本開示の放熱部材を得る。ここで、接着剤としては、例えば、シリコン系のろう材またはポリイミド系の接着剤を使用すればよい。
また、放熱部材の導電層上に、銀系のろう材、錫系の半田、金、銀、銅またはニッケル系のナノペースト等を配し、この上に電子部品を載置した後、熱処理を行なうことによって、本開示の電子装置を得ることができる。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
1:第1壁部
2:第2壁部
3:第3壁部
4:流路
5:導電層
6:第1金属層
7:電子部品
8:流入口
9:流出口
10a、10b、10:放熱部材
11a:第1金属粒子
11b:第2金属粒子
11c;第3金属粒子
12:接合層
13:突起部
14:溶着部
15:酸化膜
16:空隙
20a、20b、20:電子装置
ここで、第1金属層6の粗密性の指標としては気孔率を用いればよく、第1金属層6の気孔率は、例えば、10%以上90%以下である。ここで、第1金属層6の気孔率は、例えば、アルキメデス法を用いて測定することで算出すればよい。
なお、第1壁部の表面に第1金属層を直接形成するのではなく、まず、第1壁部の表面に接合層を形成した後、この接合層に第1金属層を形成してもよい。ここで、接合層は、金属、ガラスまたは多孔質セラミックスである。接合層が金属である場合、上記マスク形成後にスパッタ法を用いて形成するか、無電解めっき法やメタライズ法で形成すればよい。一方、接合層が、ガラスまたは多孔質セラミックスである場合、上記マスク形成前に接合層を形成すればよい。この場合、ガラス、多孔質セラミックスは、それぞれを主成分としたペーストを第1壁部の内表面に塗布し、熱処理することで形成すればよい。また、ガラス、多孔質セラミックスは絶縁性であるため、第1壁部の表面全てを覆うように形成しても構わない。なお、多孔質セラミックスは、第1壁部を構成するセラミックスと同じ成分のものであれば、容易に基体と接合される。

Claims (12)

  1. 絶縁性の第1壁部と、
    該第1壁部に対向して位置する第2壁部と、
    前記第1壁部と前記第2壁部との間に位置する第3壁部と、
    前記第1壁部と前記第2壁部と前記第3壁部とに囲まれた流路と、
    前記第1壁部の外表面に位置する導電層と、
    前記第1壁部の内表面に位置する、空隙を有する第1金属層と、を有している、放熱部材。
  2. 前記第1金属層は、第1金属粒子と、第2金属粒子と、を有しており、
    前記空隙は、前記第1金属粒子と前記第2金属粒子との間に位置する、請求項1に記載の放熱部材。
  3. 前記第1金属層は、さらに第3金属粒子を有しており、
    前記第1金属層は、前記第1金属粒子と、前記第3金属粒子との間に溶着部を有している、請求項2に記載の放熱部材。
  4. 前記第1壁部は、セラミックスからなる、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の放熱部材。
  5. 前記第1金属層および前記第1壁部の前記内表面の間に位置する接合層を備える、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の放熱部材。
  6. 前記接合層は、金属またはガラスからなる、請求項5に記載の放熱部材。
  7. 前記接合層は、多孔質セラミックスからなる、請求項5に記載の放熱部材。
  8. 前記第1金属粒子および前記第2金属粒子が、酸化膜で覆われている、請求項2乃至請求項7のいずれかに記載の放熱部材。
  9. 前記第1金属層は、前記導電層の直下に位置する、請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の放熱部材。
  10. 前記第1壁部は、前記流路側に突出した突起部を有し、
    前記第1金属層は、前記突起部の頂面に位置する、請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の放熱部材。
  11. 前記第1金属層は、前記突起部を全て覆っている、請求項10に記載の放熱部材。
  12. 請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の放熱部材と、該放熱部材の前記導電層に位置する電子部品とを有する電子装置。
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