(57)【要約】【課題】ヒートシンク等の材料となる複合材料に、熱伝導と対流熱伝達と輻射熱伝達の各機能を高いレベルで併せ持たせ、電気絶縁性も担保する。【解決手段】複合材料を、樹脂と、樹脂中に分散された多数の中空発泡粒子３２とから構成し、樹脂は粒子３２間で連続相３１を形成し、粒子３２内には気体を封入した。この複合材料からヒートシンク等として用いる複合体３０を作製し、その放熱面を凹凸面３３とし、受熱面に金属またはセラミックスの単体層３４を積層した。受熱面の単体層３４は発熱体から受け取った熱をすばやく拡散し、粒子３２は、周りの連続相３１から送り込まれた熱を、封入気体の対流による熱移動、輻射による熱移動、および気体分子による熱伝導により、すばやく蓄熱して周りの連続相３１へ送り出し、凹凸面３３は表面積が大きいためすばやく放熱する。複合体３０は樹脂ベースであるため、電気絶縁性が良好であり、耐熱性、耐食性にも優れる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂と、樹脂中に分散された多数の中空発泡粒子とからなり、前記樹脂は前記中空発泡粒子間で連続相を形成し、前記中空発泡粒子内には気体が封入された複合材料。
【請求項２】
樹脂と、樹脂中に分散された多数の中空発泡粒子と、樹脂中に分散された多数のセラミックス粒子とからなり、前記樹脂は中空発泡粒子間およびセラミックス粒子間で連続相を形成し、前記中空発泡粒子内には気体が封入された複合材料。
【請求項３】
上記セラミックス粒子は、ＳｉＯ２、Ａｌ２０３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン、ダイヤモンドの粒子の少なくとも１種である請求項２に記載の複合材料。
【請求項４】
上記樹脂は、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ベークライト樹脂、シリコーンゴムの少なくとも１種である請求項１から３のいずれかに記載の複合材料。
【請求項５】
上記中空発泡粒子は、ガラスバルーン、シラスバルーン、アルミナバルーン、パーライトバルーン、黒曜石バルーン、カーボンバルーンの少なくとも１種である請求項１から４のいずれかに記載の複合材料。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の複合材料からなり、その少なくとも一面に凹凸が設けられた複合体。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載の複合材料からなり、その少なくとも一面に、金属単体層を積層した複合体。
【請求項８】
請求項１から５のいずれかに記載の複合材料からなり、その少なくとも一面に、セラミックス単体層を積層した複合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートスプレッダ(Heat spreader)、ヒートシンク(Heat sink)等の材料として好適な複合材料、およびこの複合材料からなり、ヒートスプレッダ、ヒートシンク等として用いるのに好適な複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年汎用されているパワー半導体素子は、大電流駆動されて発熱するので、素子特性を維持できるように、放熱性に優れた放熱機構が必要とされるが、高密度集積化や制御回路との混載による小型化、軽量化の進展に伴い、高密度熱流の放散の更なる高効率化の実現が重要な課題になっている。
このため、伝熱機能に優れたヒートスプレッダが求められている。
【０００３】
また、小型パーソナルコンピュータや測定機器等の分野では、半導体素子の高集積化が進むにしたがって、半導体素子の発熱量が増大する一方、機器の小型化によって、放熱に困難な構造となる傾向にある。
このように、ヒートシンクや各機器の筐体についても、優れた放熱機構が求められている。
【０００４】
以上のような要求に対し、従来は、ヒートスプレッダの材料として、種々の熱伝導性を高めた複合材料が提案されたり、ヒートシンクにおいては、空冷、水冷の接触表面積を増加させるために、種々の形状のフィンをつけたりしていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のヒートスプレッダについては、複合材料の熱伝導率を高くすることのみしか検討されておらず、伝熱機能の面で限界があった。
そして、その場合、熱伝導率の高い樹脂ベースの複合材料になり、電気絶縁性の面で限界があった。
また、従来のヒートシンクについては、種々の形状のフィンを放熱面に設けることによって放熱性を高めていたため、複合材料自体の伝熱機能を高める工夫はなされていなかった。
【０００６】
そこで、本発明の解決すべき課題は、複合材料自体に、熱伝導と対流熱伝達と輻射熱伝達の各機能を高いレベルで併せ持たせることによって、伝熱性能を大幅に向上させるとともに、良好な電気絶縁性をも担保することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の複合材料を、樹脂と、樹脂中に分散された多数の気密な中空発泡粒子とから構成し、樹脂は中空発泡粒子間で連続相を形成するものとし、中空発泡粒子内には気体が封入されるものとしたのである。
【０００８】
ここで複合材料中の中空発泡粒子とは、直径が数ｍｍ以下の殻構造を持つ球体をいい、球状で殻厚の均一な単一球体のもの、見かけは単一球体であるが、内部に隔壁を有するものや、球殻自身が多孔質のもののすべてを含むものとする。
【０００９】
複合材料を上記のように構成すると、熱伝導率の高い樹脂の中に、空気などの気体を含んだ中空発泡粒子が分散されているため、周りの樹脂連続相から送り込まれた熱を、封入された気体の対流による熱移動、輻射による熱移動、および気体分子による熱伝導などにより、発泡粒子の中にすばやく蓄熱し、すばやく周りの樹脂連続相へ熱伝達で送り出すことが可能となる。
そして、このような熱移動が、複合材料中に多数存在するすべての発泡粒子で起こるため、複合材料中の熱移動（熱流束）は非常に大きなものとなり、複合材料の伝熱機能が従来と比べて大幅に向上する。
ここで、複合材料中の多数の中空発泡粒子は、そのすべてが樹脂に全周を取り囲まれていることが好ましい。
【００１０】
また、以上のように、中空発泡粒子を複合材料の中に分散させることによって、複合材料の表面積が格段に大きくなる。
そして、熱伝達による熱の移動量は、表面積に比例して大きくなるので、このような表面積の拡大は、複合材料の伝熱機能向上に大きく寄与する。
またこのことは、ヒートシンクでよく行われる、放熱面にフィンをつけることによる放熱面積の拡大以上の効果を、この複合材料で得られることを意味し、伝熱機能を著しく向上させると同時に、放熱機構のコンパクト化も実現することができる。
【００１１】
さらに、樹脂連続相中に中空発泡粒子が分散されているため、複合材料は軽量であり、ヒートシンク、ヒートスプレッダ等の軽量化が図られる。
【００１２】
その上、この複合材料は樹脂ベースであるため、電気絶縁性、耐食性、耐熱性が優れている。
【００１３】
この複合材料中の樹脂は、耐熱性、耐食性、電気絶縁性に優れた、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ベークライト樹脂、シリコーンゴムなどが好適である。
【００１４】
また、この中空発泡粒子としては、ガラスバルーンをはじめシラスバルーン、アルミナバルーン、パーライトバルーン、黒曜石バルーン、カーボンバルーンが好ましい。
【００１５】
発泡粒子の大きさは、複合体の厚さにもよるが、１０μｍ〜３０００μｍが好適であり、さらには、１０μｍ〜８０μｍがより好ましい。
樹脂と発泡粒子の体積分率は、発泡粒子が４０〜８５容積％で、樹脂が１５〜６０容積％であるのが好ましい。
【００１６】
あるいはまた、樹脂の連続相の熱伝導率を向上させ、熱膨張を小さくするために、樹脂連続相中に、発泡粒子に加えて、熱伝導率が高く、熱膨張の小さいセラミックス粒子を分散させてもよい。
【００１７】
樹脂の連続相は熱伝導の経路を形成するものであり、発泡粒子の中に熱を送り込むのも、また、発泡粒子の中に蓄熱された熱を受け取るのもこの樹脂の連続相を通じてであるので、このように樹脂中にセラミックス粒子を分散させると、熱伝導率が向上することとなる。
また、複合材料の熱膨張を支配するのは、樹脂連続相の熱膨張率であるため、このように樹脂より熱膨張率の小さいセラミック粒子を分散させると、複合材料の熱膨張を抑えることができる。
【００１８】
このセラミック粒子としては、熱伝導率が高く熱膨張の小さい、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、カーボン、ダイヤモンドの粒子が好適である。
セラミックス粒子の大きさは、３０μｍ〜２０００μｍが好適である。
【００１９】
樹脂とセラミックス粒子と発泡粒子の体積分率は、発泡粒子が３０〜７５容積％、セラミックス粒子が１０〜５５容積％、樹脂が１５〜６０容積％であるのが好ましい。
【００２０】
固体の発熱体から熱伝導で熱を受け取るときには、複合材料からなる複合体の熱を受け取る面においては、熱を面方向にできるだけ拡散させることで、伝熱放熱をスムーズにするのが好ましい。
このために、複合体の一面に熱伝導率の高い、アルミニウム、銅などの金属単体層または、ＡｌＮなどのセラミックス単体層を積層して拡散率を向上させるとよい。
なお、この積層の際には、半田、ロウなどの接合剤を用いることもできる。
【００２１】
ヒートスプレッダとして、この複合材料からなる複合体を使用するときには、半田付けが必要になるが、そのために、複合体にメッキ処理などの表面処理を行うこどもできる。
また、ヒートシンクとして、この複合材料からなる複合体を使用するときには、水中などの腐食性雰囲気で使用されることがあるので、防食処理として、メッキなどの表面処理を行うことができる。
この複合材料からなる複合体を、フィンとして用い、ヒートシンク本体にロウ付けすることもできる。
【００２２】
この複合材料からなる複合体の少なくとも一面に種々の形状からなる凹凸を設けると、放熱面積の拡大を図ることができる。
このときは、内蔵の中空発泡粒子の放熱面積拡大効果とあいまって、非常に大きな放熱効果が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
気体を封入した中空発泡粒子を、樹脂連続相の中に分散させ複合材料を形成させることにより、上記したような優れた伝熱性能および電気絶縁性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第１の実施形態の複合体１０は、図１に示すように、樹脂と中空発泡粒子１２の複合材料からなり、ポリイミドなどの樹脂が連続相１１を形成しており、その連続相１１の中に多数のガラスバルーンなどの中空発泡粒子１２が分散した構造になっている。
この、中空発泡粒子１２は気密な殻構造を持つ球体であって、内部には空気が封入されており、中空発泡粒子１２の周りは完全に樹脂の連続相１１で包み込まれた状態になっている。
【００２５】
ここで、樹脂は連続相１１となっているため、複合体１０内を途切れることなく、熱伝導で熱を伝える。
一方、樹脂の連続相１１で周りを包み込まれた中空発泡粒子１２においては、周りの樹脂連続相１１から送り込まれた熱を、発泡粒子１２の内部に封入された空気の対流による熱移動、輻射による熱移動、および封入された気体分子による熱伝導などにより、粒子の中にすばやく蓄熱し、すばやく周りの樹脂連続相１１へ熱伝達で送り出す。
この樹脂と発泡粒子１２の連携により、複合体１０の伝熱の量が非常に大きなものとなる。
また、複合体１０は、樹脂ベースであるため、電気絶縁性、耐食性、耐熱性が非常に優れている。
【００２６】
ここで、各成分の体積分率は、発泡粒子１２が４０〜８５容積％、樹脂が１５〜６０容積％であるのが好ましい。
また、発泡粒子１２の大きさは、複合体１０の厚さにもよるが、１０〜３０００μｍが好適であり、１０〜８０μｍであるのがより好ましい。
【００２７】
この複合体１０は、所定厚さのキャビティを有する金型に、発泡粒子１２を投入し、その後金型を真空に引きながら樹脂の溶融液を注入し、発泡粒子１２間の間隙に樹脂の溶融液を含浸させることで製造することができる。
以下の第２、第３の実施形態についても、同様にして製造する。
【００２８】
ここで複合体１０の寸法を、厚さ３ｍｍで、縦横１８０ｍｍ×１４０ｍｍとし、中空発泡粒子１２の平均粒径を０．６ｍｍφとして、その表面積に関する概略の計算を行う。
発泡粒子１２の数は、３×１８０×１４０÷(０．６)３＝３５００００個、発泡粒子１２の１個あたりの表面積は、４×π×０．３×０．３＝１．１３ｍｍ2であるから発泡粒子１２の総表面積は、１．１３×３５００００＝３９５５００ｍｍ2となる。
そして発泡粒子１２を除いた複合体１０の表面積は５２３２０ｍｍ２であるから、発泡粒子１２の分散による表面積増加の割合は、(５２３２０＋３９５５００)／５２３２０＝８．５６倍となり、格段に表面積が増加していることがわかる。
ここで、熱伝達による熱の移動量は、表面積に比例して大きくなるので、発泡粒子１２の分散により、複合体１０の伝熱機能が大きく向上していることがわかる。
【００２９】
第２の実施形態の複合体２０は、図２に示すように、樹脂と中空発泡粒子２２とセラミックス粒子２３の複合材料からなり、ポリイミドなどの樹脂は連続相２１を形成しており、その連続相２１の中に多数のガラスバルーンなどの中空発泡粒子２２と、多数のアルミナ(Ａｌ2Ｏ３)粒子などのセラミックス粒子２３が分散された構造になっている。
そして、第１の実施形態と同様の空気が封入された中空発泡粒子２２と、セラミックス粒子２３との周りは完全に連続相の樹脂で包み込まれた状態になっている。
【００３０】
このため、第１の実施形態と同様の機能に加えて、樹脂の連続相２１に分散されたセラミックス粒子２３が、その熱伝導率の高さによって、樹脂連続相２１の熱伝導率をさらに大きなものとしている。
よって、このセラミックス粒子２３の働きにより、複合体２０を流れる伝熱量が第１の実施形態よりさらに大きなものとなる。
また、セラミックス粒子２３は熱膨張率が小さい為に、複合体２０の熱膨張を小さくする効果もある。
各成分の体積分率は、発泡粒子２２が３０〜７５容積％、セラミックス粒子２３が１０〜５５容積％、樹脂が１５〜６０容積％が好ましい。
セラミックス粒子の大きさは、３０μｍ〜２０００μｍが好適である。
【００３１】
第３の実施形態は、図３に示すように、第１の実施形態と同様の複合材料からなる複合体３０であって、その一面は凹凸面３３に形成され、その他面には金属またはセラミックスの単体層３４が積層されている。
【００３２】
この複合体を凹凸面３３を放熱面として、ヒートスプレッダやヒートシンクとして用いる場合、凹凸により空気や水との接触面積が増加する為に、放熱伝熱性能が優れている。
この凹凸面は、複合体３０に溝を穿ったり、ピンを植設したり、フィンを取り付けたりするなど種々の方法により形成することができる。
また、この複合体３０の複合材料は、第１の実施形態と同様に伝熱性能に優れるため、放熱面をフィンを外付けすることで凹凸面とする場合にも、フィンを従来に比べて小型化することができる。
【００３３】
一方、他面には、熱伝導率の高い、アルミニウム、銅などの金属単体またはＡｌＮなどのセラミックス単体からなる単体層３４が積層されているため、固体の発熱体から熱伝導で熱を受け取り、面方向に拡散させる性能にも優れている。
【００３４】
このように、放熱面を凹凸面３３とすることによる放熱面積拡大と、受熱側面に金属またはセラミックスの単体層３４を積層することによる熱拡散とが相俟って、この複合体３０の伝熱機能は第１の実施形態よりもさらに良好なものとなっている。
なお、これと同様に、第２の実施形態の複合体２０の一面を凹凸面に形成したり、他面に金属等の単体層を積層したりしてもよいことは無論である。
【実施例】
【００３５】
以下に、さらに詳細な実施例および比較例を挙げて、この発明の特徴を一層明瞭なものとする。
まず、実施例１および２、比較例１の試料を作製する。
【００３６】
〔実施例１〕
粒径０．３５〜０．８５ｍｍφのガラスバルーンを所定寸法の金型の中に投入し、その後、真空に引きながら、ポリプロピレン樹脂の溶融液を注入し、ガラスバルーンを包み込むように、ガラスバルーン同士の間隙に、含浸を行った。
これを、寸法が３ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ、表面の面積が０．０１ｍ2となるように仕上げ切断を行って実施例１の試料を作製した。
ここで、ポリプロピレン樹脂の熱伝導率は０．２２Ｗ／ｍ・Ｋであり、ガラスバルーンの体積分率は５２容積％であり、ポリプロピレン樹脂の体積分率は４８容積％であった。
【００３７】
〔実施例２〕
粒径０．３５〜０・８５ｍｍφのガラスバルーンと、平均粒径０．３５ｍｍのアルミナ粒子とを容積比で半々に混合したものを、所定寸法の金型の中に投入し、その後、真空に引きながら、ポリプロピレン樹脂の溶融液を注入し、ガラスバルーンとアルミナ粒子を包み込むように、含浸を行った。
これを、寸法が３ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ、表面の面積が０．０１ｍ2となるように仕上げ切断を行って実施例２の試料を作製した。
ここで、ポリプロピレン樹脂の熱伝導率は０．２２Ｗ／ｍ・Ｋであり、アルミナの分散された連続相としては、２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、ガラスバルーンの体積分率は３０容積％であり、アルミナ粒子の体積分率は３０容積％であり、ポリプロピレン樹脂の体積分率は４０容積％であった。
【００３８】
〔比較例１〕
ポリプロピレン樹脂シートを、寸法が３ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ、表面の面積が０．０１ｍ2となるように仕上げ切断を行って比較例１の試料を作製した。
ここでポリプロピレン樹脂の熱伝導率は０．２２Ｗ／ｍ・Ｋであった。
【００３９】
これら実施例１および２、比較例１の試料について、以下の評価方法により、その伝熱機能を評価する。
図４に示すように、一定雰囲気温度下で、各試料Ｓの四隅に３ｃｍ高さの脚Ｌをかませて試料Ｓを床面から３ｃｍ浮かせる。
試料Ｓ上面には、一定量の氷の立方体状ブロックＢを配列し、試料Ｓ下面との間に温度差を形成させ、図中矢印で示すように、雰囲気から試料Ｓ下面側に熱流が流れ込み、試料Ｓを通して熱が氷Ｂに伝わり、氷Ｂが融けるようにする。
このようにして氷のブロックＢが融けるのを観察し、融け終わるまでの時間を測定し、その値から、その時間内の平均熱流量を計算し、試料Ｓの熱通過率と熱抵抗を求め、伝熱機能の評価を行う。
ここで、実施例１および２、比較例１では、１８ｇの氷のブロックを６個、計１０８ｇ用いる。
結果を下記の表１および表２に示すが、表２中、熱通過率ｋ＝(氷の融解熱×融けた氷の量)／((氷融解に要した時間×試料の表面の面積×試料表面の雰囲気温度との温度差Δ）とし、熱抵抗Ｒ＝１／ｋとする。
【００４０】
【表１】
2008283125.tif 000003
【００４１】
【表２】
2008283125.tif 000004
【００４２】
実施例１の場合、表２に示すように、熱通過率ｋ＝２７．６２(熱抵抗Ｒ＝０．０３６)であり、比較例１と比較すると、大幅に伝熱機能が優れていることがわかる。
また、実施例２の場合、表２に示すように、熱通過率ｋ＝２７．６８(熱抵抗Ｒ＝０．０３６)であり、比較例１と比較すると、大幅に伝熱機能が優れていることがわかる。
これに対し、比較例１の場合、表２に示すように、熱通過率ｋ＝１６．５７(熱抵抗Ｒ＝０．０６０)であり、上記実施例に比較すると、大幅に伝熱機能が劣っていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１の実施形態の複合体を示す図
【図２】第２の実施形態の複合体を示す図
【図３】第３の実施形態の複合体を示す図
【図４】実施例および比較例の伝熱機能の評価方法を示す図
【符号の説明】
【００４４】
１０  第１の実施形態の複合体
１１  樹脂連続相
１２  中空発泡粒子
２０  第２の実施形態の複合体
２１  樹脂連続相
２２  中空発泡粒子
２３  セラミックス粒子
３０  第３の実施形態の複合体
３１  樹脂連続相
３２  中空発泡粒子
３３  凹凸面
３４  金属またはセラミックスの単体層
Ｂ  氷のブロック
Ｓ  試料
Ｌ  脚
【図１】
2008283125.tif 000005
【図２】
2008283125.tif 000006
【図３】
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【図４】
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