(57)【要約】【課題】本開示の目的は、熱伝導性に優れた熱伝導構造体を提供することである。【解決手段】本実施形態は、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、を含む、熱伝導構造体である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
を含む、熱伝導構造体。
【請求項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、請求項１に記載の熱伝導構造体。
【請求項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、請求項２に記載の熱伝導構造体。
【請求項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、請求項２又は３に記載の熱伝導構造体。
【請求項５】
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４に記載の熱伝導構造体。
【請求項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、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。
【請求項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、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。
【請求項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、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９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱伝導構造体又は半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や電気製品の電子機器において使用される部材の中には、インバータのような電源制御用パワーモジュール又はコンピュータのＣＰＵのように、その使用中に発熱を伴うものがある。熱による電子機器の機能障害を回避し、その性能を維持するためには、発生した熱を速やかに電子機器外に放出する必要がある。それゆえ、通常はヒートシンク等の放熱部材が電子機器内に設置されている。また、発熱部材と放熱部材との間には、通常、放熱グリスが配置され、発熱部材で発生した熱を放熱部材へ効率的に伝導し、放熱を促進している。
【０００３】
従来一般に使用されている放熱グリスは、例えば、シリコーン油又はポリオレフィン油のような合成炭化水素油等に、酸化亜鉛又は酸化アルミニウム等の金属酸化物や、窒化ホウ素、窒化珪素又は窒化アルミニウム等の無機窒化物から構成される熱伝導率の高い微粉末充填剤を分散させて半固体状にしたものである。しかし、電子機器の性能向上や、小型・高密度実装化が急速に進み、電子機器における発熱量もそれに伴い急速に増大している。それゆえ、電子機器における熱制御の観点から、種々の開発が行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、被着体間に介在させ、加圧下で使用される放熱グリスであって、シリコーン系オイルと、該シリコーン系オイル中に分散された熱伝導フィラーと、を含有し、該熱伝導フィラーは、モース硬度が４以下であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする放熱グリスが開示されている。
【０００５】
また、非特許文献１では、Ｑｚ基板及びＡｕ基板との間の熱伝導に関し、両基板に結合する二官能性ＳＡＭ（Self-Assembled monolayer）を用いて熱伝導を向上させる研究が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１６２９２９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Effects of chemical bonding on heat transport across interfaces, Mark D. Losego et al., NATURE MATERIALS, Vol 11, June 2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１等に開示されるように、熱伝導性が向上された放熱グリスが提案されているが、より高い熱伝導性を発揮できる技術が求められている。また、非特許文献１に開示されている研究では、理想界面（凹凸がない平らな面）をモデルとして研究が行われているが、現実的に用いられる部材には凹凸が存在するため、非特許文献１に開示される技術は実用的ではない。
【０００９】
そこで、本開示の目的は、熱伝導性に優れた熱伝導構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者らは、鋭意検討したところ、自己組織化単分子膜を部材表面に形成した上で、放熱グリスを配置することにより、熱伝導性をさらに向上できることを見出し、本実施形態に至った。
【００１１】
そこで、本実施形態の態様例は、以下の通りである。
【００１２】
（１）  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。
【発明の効果】
【００１３】
本開示により、熱伝導性に優れた熱伝導構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本実施形態に係る熱伝導構造体の構成例を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】本実施形態に係る熱伝導構造体の構成例を示す概略断面図である。
【図１Ｃ】本実施形態に係る熱伝導構造体の構成例を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態に係る半導体装置の構成例を説明するための概略斜視図である。
【図３】図３は、図２のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした概略断面図である。
【図４】実施例又は比較例において熱抵抗を測定した構成を示す概略断面図である。
【図５】実施例１〜２及び比較例１〜２における熱抵抗の測定結果を示すグラフである。
【図６】比較例３〜５における熱抵抗の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施形態の一態様は、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、を含む、熱伝導構造体である。本実施形態おいて、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、放熱グリスは、上記自己組織化単分子膜と接するように第一の部材及び第二の部材の間に配置される。本実施形態の構成とすることにより、第一の部材及び第二の部材との間の熱伝導を向上させることができる。
【００１６】
以下、本実施形態に係る熱伝導構造体の各構成要素について説明する。
【００１７】
１．熱伝導構造体
（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。
【００１８】
第一の部材又は第二の部材の表面を構成する材質は、特に制限されるものではない。例えば第一の部材のみに自己組織化単分子膜を形成する場合は、第一の部材の表面を構成する材質が自己組織化単分子膜を形成可能なものであればよく、第二の部材のみに自己組織化単分子膜を形成する場合は、第二の部材の表面を構成する材質が自己組織化単分子膜を形成可能なものであればよい。第一の部材又は第二の部材の表面を構成する材質としては、例えば、金属（銅、アルミニウム、ゲルマニウム等）、又はポリマー材料等が挙げられる。また、他にも、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、セラミック（アルミナ、シリカ、炭化ケイ素等）、又は炭素材料（グラファイト、ダイアモンド等）等が挙げられる。第一の部材又は第二の部材の表面は、単一の材質から構成されていてもよく、又は複数の材質から構成されていてもよい。ポリマー材料としては、例えば、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が挙げられ、具体的な例としては、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、アラミド樹脂（芳香族ポリアミド等）、ポリイミド樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、フェノール樹脂、ウレア樹脂、又はメラミン樹脂等が挙げられる。
【００１９】
第一の部材又は第二の部材の表面には、自己組織化単分子膜を形成するＳＡＭ形成材料が結合を形成可能な官能基が存在していることが好ましい。また、このような官能基は、紫外線処理等により、適宜形成することもできる。
【００２０】
（自己組織化単分子膜）
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。
【００２１】
また、本明細書において、「自己組織化単分子膜形成材料（ＳＡＭ形成材料）」とは、部材表面に自己組織化単分子膜を形成し得る材料をいう。ＳＡＭ形成材料は、部材表面と共有結合を形成可能な少なくとも１つの反応性基（ヘッド基）を有することが好ましい。「部材表面と共有結合を形成可能」とは、ヘッド基が部材を構成する元素と共有結合を形成する場合のみならず、ヘッド基が部材の表面に存在する官能基と共有結合を形成する場合も含む。自己組織化単分子膜が部材表面と共有結合を形成していることにより、自己組織化単分子膜と部材との間のフォノンを介した熱伝導を向上することができる。
【００２２】
ヘッド基としては、部材表面と共有結合を形成可能な官能基であれば特に制限されるものではなく、例えば、アルコキシシリル基、ハロゲン化シリル基、シアノ基、チオール基、カルボキシル基、臭素又はホスホン酸基等が挙げられる。アルコキシシリル基におけるアルコキシ基の炭素数は、例えば１〜４であり、好ましくは１〜３である。アルコキシ基としての具体例としては、メトキシ基（メトキシシリル基）又はエトキシ基（エトキシシリル基）が挙げられる。ハロゲン化シリル基におけるハロゲン原子としては、例えば、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）等が挙げられる。これらのうちＣｌ及びＢｒが好ましい。ＳＡＭ形成材料は、１つのヘッド基を有してもよく、又は複数（例えば２〜３個）のヘッド基を有してもよい。複数のヘッド基を有するＳＡＭ形成材料において、複数のヘッド基は同じであってもよく、それぞれ異なっていてもよい。通常は、複数の同じヘッド基を有する化合物が好ましい。
【００２３】
また、ＳＡＭ形成材料は、ヘッド基に加え、ヘッド基とは逆方向（部材側とは反対方向）に向かって延びる少なくとも１つのテール基を有することが好ましい。テール基は、特に制限されるものではないが、放熱グリスとの適合性の観点から、疎水性（親油性）を有することが好ましい。テール基が疎水性を有する場合、自己組織化単分子膜と放熱グリスとの間の熱伝導抵抗がさらに低下する。これは、テール基が放熱グリス中に入り込み、フォノンによる熱伝導が効率的に生じるためと考えられる。また、テール基の疎水性により、放熱グリスを自己組織化単分子膜に効果的に引き付けることができ、水分等を含む気泡が放熱グリスの配置時に自己組織化単分子膜上に巻き込まれることを抑制できるためとも考えられる。なお、これらの推測により本実施形態が制限されることはない。また、テール基の疎水性により、放熱グリスを部材表面に保持する効果も向上し、放熱グリスの抜け（脱離）が生じ難くなる。疎水性を有するテール基を有するＳＡＭ形成材料により形成された自己組織化単分子膜の水接触角は、７０°以上であることが好ましく、７５°以上であることがより好ましく、８０°以上であることがさらに好ましい。疎水性を有するテール基としては、例えば、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が挙げられる。脂肪族基の炭素数は、例えば１〜３０であり、好ましくは３〜２８であり、より好ましくは炭素数５〜２６である。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い。また、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い。また、脂肪族基は、少なくとも一部が非芳香族性の環（例えばシクロ環（シクロヘキシル環等））を形成していてもよい。芳香族基の炭素数は、例えば５〜３０であり、好ましくは６〜２８である。また、脂肪族基を構成する炭素原子（例えば、脂肪族基の主鎖を構成する炭素原子）の一部がヘテロ原子（窒素原子、酸素原子又はイオウ原子等）で置き換えられていてもよい。また、芳香族基を構成する炭素原子（例えば、芳香環を構成する炭素原子）の一部がヘテロ原子（窒素原子、酸素原子又はイオウ原子等）で置き換えられていてもよい。置換基としては、例えば、炭素数１〜１２の飽和又は不飽和の炭化水素基（メチル基、エチル基等）、アミノ基（例えばジメチルアミノ基等のようなモノ又はジアルキルアミノ基）、ハロゲン原子（例えばフッ素原子等）、エポキシ基等が挙げられる。置換基としては、アルキル基（例えば炭素数１〜４）が好ましい。
【００２４】
好ましいテール基の一例として、炭素数１０以上（典型的には１０〜３０）の脂肪族基が挙げられる。脂肪族基としては、炭素数１０〜３０の直鎖状の脂肪族基（典型的には、アルキル基、アルケニル基又はアルキニル基等の炭化水素基）が好ましい。脂肪族基としては、炭素数１０〜３０の直鎖状のアルキル基がより好ましい。そのようなテール基を有するＳＡＭ形成材料の具体例として、ｎ−オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＤＳ）、又はｎ−オクタデシルトリクロロシラン等が挙げられる。
【００２５】
好ましいテール基の他の例として、置換又は無置換の芳香族基（例えばベンゼン環）が挙げられる。芳香族基の炭素数は、５〜３０であることが好ましく、６〜２０であることがより好ましい。テール基は、例えば、置換又は無置換のアリール基である。置換基としては、炭素数１〜１２の飽和又は不飽和の炭化水素基（メチル基、エチル基等）、アミノ基（例えばジメチルアミノ基等のようなモノ又はジアルキルアミノ基）、ハロゲン原子（例えばフッ素原子、塩素原子等）を例示することができる。そのようなテール基を有するＳＡＭ形成材料の具体例として、ｐ−アミノフェニルトリクロロシラン、ｐ−クロロメチルフェニルトリクロロシラン等が挙げられる。
【００２６】
好ましいテール基の他の例として、エポキシ基を置換基として有する脂肪族基が挙げられる。該脂肪族基の炭素原子の一部は酸素原子で置き換えられていてもよい。好ましくは、エポキシ基を置換基として有するアルキル基（例えば、炭素数５〜３０）であり、該アルキル基の炭素原子の一部は酸素原子で置き換えられていてもよい。そのようなテール基を有するＳＡＭ形成材料の具体例として、３−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。
【００２７】
ＳＡＭ形成材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）又はチタン（Ｔｉ）等のコア原子に上記ヘッド基及びテール基が結合した構造の化合物を挙げることができる。ＳＡＭ形成材料は、コア原子がシリコンである化合物（有機ケイ素化合物）が好ましい。ＳＡＭ形成材料の具体例として、コア原子としてのシリコン原子に少なくとも１つのアルコキシ基（例えばメトキシ基又はエトキシ基）と少なくとも１つのテール基とが結合した構造の有機シラン化合物が挙げられる。より具体的には、ＳＡＭ形成材料として、コア原子としてのシリコン原子に三つのアルコキシ基（例えばメトキシ基又はエトキシ基）と一つのテール基とが結合した構造の化合物（トリメトキシシラン、トリエトキシシラン等）が挙げられる。アルコキシシリル基は、例えば、加水分解によってシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）となり、部材表面に存在する官能基（例えばＯＨ基）と共有結合を形成することができる。
【００２８】
本実施形態において、ＳＡＭ形成材料の具体例として、下記の式（Ｉ）〜（Ｖ）で表される化合物が挙げられる。これらにより形成されるＳＡＭは高い疎水性（親油性）を有する。
（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
【００２９】
式（Ｉ）〜（Ｖ）において、ｌは、０〜２３の整数であり、好ましくは１〜２１の整数であり、好ましくは２〜１９の整数である。ｍは、０〜１７の整数であり、好ましくは１〜１５の整数である。ｎは、０〜１６の整数であり、好ましくは１〜１４の整数である。Ａは、炭素数１〜４のアルキル基を表し、好ましくは、メチル基（メトキシ基）又はエチル基（エトキシ基）である。
【００３０】
疎水性基を有する有機シラン化合物としては、例えば、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、７−オクテニルトリクロロシラン等を挙げることができる。これらの化合物の中でも、取り扱い易さ及び安全性の点から、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、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が好ましい。
【００３１】
ＳＡＭ形成材料を部材表面に形成する方法は、特に制限されるものではなく、例えば、気相法又は液相法を用いることができる。気相法では、例えば、ＳＡＭ形成材料（例えば有機シラン化合物）を含む蒸気に部材表面を一定時間曝すことにより、ＳＡＭを形成することができる。また、液相法では、例えば、ＳＡＭ形成材料（例えば有機シラン化合物）を含む溶液に部材表面を一定時間浸漬することにより、ＳＡＭを形成することができる。
【００３２】
また、部材表面上にＳＡＭを形成する前に、部材を前処理してもよい。前処理は、例えば、部材表面に水酸基を導入する処理を含む。かかる前処理が施された部材を用いることにより、部材表面上に高品質の（例えば高配向の）ＳＡＭをより効率的に形成することができる。水酸基を導入する方法としては、例えば、酸素（典型的には酸素分子（Ｏ２））を含む雰囲気下で部材表面に真空紫外光（Ｖａｃｕｕｍ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ；以下、「ＶＵＶ」ともいう。）を照射する方法が挙げられる。例えば、減圧した大気中（例えば約１Ｐａ〜１５００Ｐａ、好ましくは約１０Ｐａ〜１０００Ｐａ）で部材表面にＶＵＶを照射することによって、部材表面に水酸基を導入することができる。このことによって、ＳＡＭ形成材料を形成するのに適した表面を有する部材を用意してもよい。
【００３３】
（放熱グリス）
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。
【００３４】
放熱グリスは、特に制限されるものではない。放熱グリスは、熱伝導性を有するグリスを意味し、放熱性や粘性を考慮して適宜選択することができる。放熱グリスは、例えば、基油に、増稠剤と熱伝導性フィラーとの組み合わせ、或いは、増稠作用を有する熱伝導性フィラーを配合して得られたグリース状又はコンパウンド状のペーストである。基油は、特に制限されるものではないが、例えば、鉱油、エステル系合成油、合成炭化水素油、シリコーン油、又はフッ素化油等の各種合成油を使用できる。これらの中でも、鉱油、合成炭化水素油又はシリコーン油が好ましい。鉱油や合成炭化水素油、シリコーン油は、グリスの潤滑長寿命性の側面から、基油の耐熱性が優れている。
【００３５】
放熱グリスの充填量は、特に制限されるものではなく、第一の部材（例えば発熱部材）及び第二の部材（例えば放熱部材）の間の間隙の大きさ及び面積に応じて適宜定めることができる。
【００３６】
（構造）
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。
【００３７】
図１Ａは、本実施形態に係る熱伝導構造体の構成の一例を示す概略断面図である。図１Ａに示す実施形態の熱伝導構造体において、第一の部材１０１の表面上に第一の自己組織化単分子膜１０３ａが配置され、該第一の自己組織化単分子膜１０３ａ上に放熱グリス１０４が配置され、該放熱グリス１０４上に第二の部材１０２が配置されている。すなわち、一実施形態において、第一の部材１０１上に第一の自己組織化単分子膜１０３ａが配置され、該第一の自己組織化単分子膜１０３ａと第二の部材１０２の間に放熱グリス１０４が配置されている。本実施形態では、自己組織化単分子膜が第一の部材の表面上にのみ設けられており、第二の部材の表面上には設けられていない。
【００３８】
図１Ｂは、本実施形態に係る熱伝導構造体の構成の一例を示す概略断面図である。図１Ｂに示す実施形態の熱伝導構造体において、第一の部材１０１の表面上に放熱グリス１０４が配置され、該放熱グリス１０４の上に第二の自己組織化単分子膜１０３ｂが配置され、該第二の自己組織化単分子膜１０３ｂ上に第二の部材１０２が配置されている。すなわち、一実施形態において、第二の部材１０２上に第二の自己組織化単分子膜１０３ｂが配置され、該第二の自己組織化単分子膜１０３ｂと第一の部材１０１の間に放熱グリス１０４が配置されている。本実施形態では、自己組織化単分子膜が第二の部材の表面上にのみ設けられており、第一の部材の表面上には設けられていない。
【００３９】
図１Ｃは、本実施形態に係る熱伝導構造体の構成の一例を示す概略断面図である。図１Ｃに示す実施形態の熱伝導構造体において、第一の部材１０１の表面上に第一の自己組織化単分子膜１０３ａが配置され、該第一の自己組織化単分子膜１０３ａ上に放熱グリス１０４が配置され、該放熱グリス１０４上に第二の自己組織化単分子膜１０３ｂが配置され、該第二の自己組織化単分子膜１０３ｂ上に第二の部材１０２が配置されている。すなわち、一実施形態において、第一の部材１０１及び第二の部材１０２上にそれぞれ第一の自己組織化単分子膜１０３ａ及び第二の自己組織化単分子膜１０３ｂが配置され、該第一の自己組織化単分子膜１０３ａと第二の自己組織化単分子膜１０３ｂの間に放熱グリス１０４が配置されている。本実施形態では、自己組織化単分子膜が第一の部材の表面及び第二の部材の表面上にそれぞれ設けられている。なお、第一の自己組織化単分子膜及び第二の自己組織化単分子膜はそれぞれ独立しており、同じ材質から構成されていてもよく、異なる材質から構成されていてもよい。なお、図１Ａから図１Ｃの構成において放熱グリスを配置しない場合であっても、熱伝導性が向上すると考えられる。
【００４０】
本実施形態の構成とすることにより、第一の部材及び第二の部材の間の熱伝導性を向上することができる。熱伝導性を向上する理由としては、以下の理由が推測される。自己組織化単分子膜は、部材表面上に規則正しく配向しており、また、部材表面と化学結合しているため、部材からの熱をフォノンの移動を介して効率的に受け取ることができる。そして、部材表面上に規則正しく配向した自己組織化単分子膜は放熱グリスに対して熱を効率的に受け渡すことができる。特に、上述した通り、自己組織化単分子膜が疎水性基を有する場合、疎水性基が放熱グリス中に入り込み、熱伝導が効率的に生じると考えられる。また、部材表面上に放熱グリスを配置するだけの従来の方法では、部材上に存在する凹凸に気泡が残る場合がある。凹凸に気泡が残ると、放熱グリスはその部分で部材表面と接することができず、熱伝導が低下する。一方、本実施形態のように、部材表面上に自己組織化単分子膜を形成することにより、部材表面に存在する凹凸に空気等の気泡が巻き込まれることを抑制することができる。以上の理由により、第一の部材及び第二の部材の間の熱伝導性を向上できるものと推測される。なお、当該推測により、本実施形態が制限されることはない。
【００４１】
２．半導体装置
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。
【００４２】
一つのパワーカード１０には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタＴａ、Ｔｂと、２個のダイオードＤａ、Ｄｂである。冷却器３を通る冷媒により、半導体素子が冷却される。冷媒は液体であり、典型的には水である。
【００４３】
パワーカード１０と冷却器３は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード１０と冷却器３は交互に積層されており、ユニットの積層方向の両端には冷却器３が位置している。複数の冷却器３は、連結パイプ５ａ、５ｂで連結されている。ユニットの積層方向の一端に位置する冷却器３には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが連結されている。冷媒供給管４ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３を通る間に隣接するパワーカード１０から熱を吸収する。各冷却器３を通った冷媒は連結パイプ５ｂを通り、冷媒排出管４ｂから排出される。
【００４４】
半導体装置２はケース３１に収容される際、ユニットの積層方向の他端側に板バネ３２が挿入される。その板バネ３２により、パワーカード１０と絶縁板６ａ、６ｂと冷却器３の積層されたユニットには、積層方向の両側から荷重が加えられる。その荷重は、例えば１〜１０［ｋＮ］である。絶縁板６ａ、６ｂとパワーカード１０の間にはグリス２０ａ、２０ｂが塗布されている。荷重を掛けることにより、グリスの層を薄く引き延ばし、パワーカード１０から冷却器３への伝熱効率を高める。また、パワーカードの平坦面１０ａ、１０ｂには自己組織化単分子膜（不図示）がそれぞれ形成されている。自己組織化単分子膜の存在により、パワーカート１０で発生した熱のグリス２０ａ、２０ｂへの伝導を向上することができる。パワーカード１０は、直接的には絶縁板６ａ、６ｂに熱を奪われる。そのため、絶縁板６ａ、６ｂは、本実施形態における放熱部材として機能している。
【００４５】
半導体装置２は、半導体素子（各素子Ｔａ、Ｔｂ、Ｄａ、Ｄｂ）を収容したパワーカード１０の表面に自己組織化単分子膜が形成されており、グリス２０ａ、２０ｂは、該自己組織化単分子膜と絶縁板６ａ、６ｂとの間に配置されている。また、他の実施形態では、パワーカート１０の平坦面１０ａ、１０ｂではなく、絶縁板６ａ、６ｂの表面に自己組織化単分子膜が形成されていてもよい。また、他の実施形態では、パワーカート１０の平坦面１０ａ、１０ｂに加え、絶縁板６ａ、６ｂの表面にも自己組織化単分子膜が形成されていてもよい。また、他の実施形態では、絶縁板６ａ、６ｂの表面及び／又は冷却器３の表面に自己組織化単分子膜が形成されていてもよい。
【００４６】
パワーカード１０を説明する。パワーカード１０において、絶縁板６ａと対向する一方の平坦面１０ａには、放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。上述の通り、平坦面１０ａには自己組織化単分子膜が形成されており、自己組織化単分子膜と絶縁板６ａの間にはグリス２０ａが配置されている。平坦面１０ａとは反対側の平坦面１０ｂには、別の放熱板１７（図２では不図示）が露出している。平坦面１０ｂには自己組織化単分子膜が形成されており、自己組織化単分子膜と絶縁板６ｂの間にはグリス２０ｂが配置されている。パワーカード１０の上面（図中Ｚ軸の正方向を向く面）からは３本の電極端子７ａ、７ｂ、７ｃが伸びており、下面（図中Ｚ軸方向の負方向を向く面）からは制御端子２９が伸びている。
【００４７】
図３を参照してパワーカード１０と冷却器３との間の構造について説明する。図３は、図２のパワーカード１０を図中の座標系のＸＹ面に平行な平面であってトランジスタＴａとＴｂを横切る平面でカットした断面図である。
【００４８】
先に、パワーカード１０の内部構造を説明する。４個の半導体素子（トランジスタＴａ、Ｔｂ、ダイオードＤａ、Ｄｂ）は、樹脂製のパッケージ１３に収容されている。パッケージ１３は、射出成形により形成され、半導体素子を封止する。なお、以下では、パワーカード１０の平坦面１０ａ、１０ｂをパッケージ１３の平坦面１０ａ、１０ｂと称する場合がある。図に示す実施形態では、平坦面１０ａ、１０ｂには、金属製の放熱板からなる部分と、樹脂製のパッケージ部分が存在するが、これらを含む平坦面１０ａ、１０ｂの全領域に自己組織化単分子膜が形成されている。
【００４９】
いずれの半導体素子も平坦なチップである。トランジスタＴａ（Ｔｂ）のチップの一方の平坦面にはコレクタ電極が露出しており、他方の平坦面にはエミッタ電極が露出している。トランジスタＴａの一方の平坦面の電極はハンダ１５により放熱板１６ａの裏面に接合している。放熱板１６ａの表面は、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している。トランジスタＴａの他方の平坦面の電極は、導電性のスペーサ１４を介してハンダ１５により放熱板１７の裏面に接合している。放熱板１７の表面は、パッケージ１３の平坦面１０ｂに露出している。なお、トランジスタＴａ（Ｔｂ）のゲート電極は、チップの一方の平坦面の端に設けられている。また、トランジスタＴｂの各電極もトランジスタＴａと同様に、ハンダ１５とスペーサ１４を利用して放熱板１６ｂと放熱板１７に接合している。
【００５０】
放熱板１６ａは、電極端子７ａの一部である。トランジスタＴａの電極を外部の他のデバイスと接続するための電極端子７ａにおいて、パッケージ１３の平坦面１０ａに露出している部位が放熱板１６ａに相当する。電極端子７ａはトランジスタＴａの電極と接しているので、トランジスタＴａの内部の熱を伝えやすい。一方、冷却器３はアルミニウム（導電性の金属）で作られているので、放熱板１６ａと絶縁する必要がある。それゆえ、半導体装置２は、冷却器３と放熱板１６ａ（パワーカード１０）との間に絶縁板６ａを挟んでいる。絶縁板６ａ、６ｂは、薄くて絶縁性が高く、伝熱性も良いセラミックスで作られている。放熱板１６ａ（電極端子７ａ）及びスペーサ１４は、導電性と伝熱性に優れた銅で作られている。放熱板１６ｂ、放熱板１７も同様である。
【００５１】
放熱板１６ｂ、１７も夫々、放熱板１６ａと同様に、電極端子７ｂ、７ｃの一部である。また、ダイオードＤａ、Ｄｂも、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、平坦なチップである。ダイオードＤａ、Ｄｂの平坦面に露出している電極は、トランジスタＴａ、Ｔｂと同様に、放熱板１６ａ、１６ｂ、１７に接続している。
【００５２】
図３に示すように、パワーカード１０の平坦面１０ａには自己組織化単分子膜が形成（不図示）されており、その上にグリス２０ａが塗布されている。グリス２０ａは、放熱板１６ａ，放熱板１６ｂの表面の全面及びパッケージ１３の平坦面１０ａと絶縁板６ａとの間に塗布されている。同様に、パワーカード１０の平坦面１０ｂには自己組織化単分子膜が形成されており、その上にグリス２０ｂが塗布されている。すなわち、放熱板１７と絶縁板６ｂとの間にも、グリス２０ａと同様のグリス２０ｂが塗布されている。
【００５３】
絶縁板６ａと冷却器３の間には、グリス９ａが塗布されている。同様に、絶縁板６ｂと冷却器３の間にも、グリス９ｂが塗布されている。絶縁板６ａ，６ｂは、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で作製されている。
【００５４】
半導体装置２は、電気自動車（例えばハイブリッド自動車）の駆動系のインバータに用いることができる。
【実施例】
【００５５】
以下、本実施形態に関するいくつかの実施例を説明するが、本実施形態は、実施例によって制限されることはない。
【００５６】
（実施例１）
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。
【００５７】
ＳＡＭ形成材料として、３−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（ＧＯＰＴＳ）を使用して、以下の手順により、図４に示す第一の測定治具５１（アルミ製）の第一の柱状部５１ｂの頂面にＳＡＭを形成した。なお、ＧＯＰＴＳの構造式を以下に示す。
【００５８】
【化１】
2020004836.tif 000002
【００５９】
まず、第一の柱状部５１ｂの頂面に対し、アセトンで１０分間の超音波洗浄を行い、次いでエタノールで１０分間の超音波洗浄、さらに超純水で１０分間の超音波洗浄を行った。
【００６０】
次いで、第一の柱状部５１ｂの頂面に、大気圧の室温下において、エキシマランプから生じる真空紫外線光（ＶＵＶ）を２０分間照射した。かかるＶＵＶ照射により、頂面を洗浄するとともに、頂面にＯＨ基を導入した。
【００６１】
ＶＵＶ照射で処理した第一の測定治具５１を、テフロン（登録商標）製反応容器に収容して電気炉に導入し、１５０℃で１０分間加熱した。これにより反応容器及び第一の測定治具５１の吸着水を除去した。
【００６２】
かかる加熱処理を経た第一の測定治具５１及び反応容器を、湿度７〜１２％（２５℃における相対湿度）に維持されたグローブボックスに移した。そのグローブボックス内で、上記反応容器の底部に設けられた基材ホルダ上に第一の測定治具５１を頂面が上になるように配置して固定した。第一の測定治具５１とともに、ガラス容器に入れたＳＡＭ形成材料（ＧＯＰＴＳ）を反応容器内に配置した。すなわち、第一の測定治具５１とＳＡＭ形成材料とを反応容器に収容して該反応容器を密閉した。
【００６３】
密閉した反応容器を１５０℃の電気炉内に３時間保持し、第一の柱状部５１ｂの頂面にＧＯＰＴＳを化学蒸着させ、頂面にＳＡＭを形成した。その後、反応容器を電気炉から取り出して冷却した。以上の方法により、ＧＯＰＴＳに由来するＳＡＭが表面に形成された第一の測定治具５１を得た。なお、ＳＡＭ表面の接触角を測定したところ、約８０°であった。
【００６４】
次いで、第二の測定治具５２の第二の柱状部５２ｂの頂面に放熱グリス（信越化学工業社製、品名：X-23-7865-150）を塗布した。次いで、ＳＡＭが形成された第一の柱状部５１ｂの頂面と放熱グリスが塗布された第二の柱状部５２ｂの頂面とを図４に示すように合わせ、第一の測定治具及び第二の測定治具の間に所定の圧力をかけた。図４において、符号５３は放熱グリスを示す。なお、図４において、ＳＡＭは示されていない。
【００６５】
次いで、冷却部５１ａを一定温度に保ち、加熱部５２ａに加熱することにより、測定治具の厚さ方向に一定の温度差を設けた。そして、伝播する熱流量を温度勾配から求め、この熱流量から熱抵抗［℃／Ｗ］を算出した。結果を図５に示す。図５のグラフにおいて、横軸は圧力［ＭＰａ］であり、縦軸は熱抵抗［℃／Ｗ］である。
【００６６】
（実施例２）
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。
【００６７】
（比較例１）
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。
【００６８】
（比較例２）
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。
【００６９】
（比較例３）
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。
【００７０】
（比較例４）
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。
【００７１】
（比較例５）
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。
【００７２】
図５及び６に示される結果により、本実施形態に係る熱伝導構造体の構成を有する場合、熱抵抗が低下することがわかる。すなわち、本実施形態に係る熱伝導構造体は、優れた熱伝導性を有することが理解される。
【００７３】
以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこ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ける設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７４】
２：半導体装置
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
【図１Ａ】
2020004836.tif 000003
【図１Ｂ】
2020004836.tif 000004
【図１Ｃ】
2020004836.tif 000005
【図２】
2020004836.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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