(57)【要約】【課題】金属繊維を分散させた良熱伝導体の製造方法及び該方法で作製した良熱伝導体を提供する。【解決手段】熱流速を制御した良熱伝導体を製造する方法であって、金属繊維を１２０℃以下の低融点の金属あるいは合金のトリックスで複合化して金属繊維を配向して分散させた金属繊維−低融点金属あるいは合金複合体を作製し、任意に上記複合体を成形する、ことを特徴とする良熱伝導体の製造方法、及び該方法によって作製された金属繊維を１２０℃以下の低融点金属あるいは合金のマトリックスで複合化した金属繊維−低融点金属あるいは合金複合体からなることを特徴とする、熱流速を制御した良熱伝導体。【効果】熱流速を制御して良熱伝導体内での温度のばらつきを防止し、均質な液相を迅速に発生させることができる熱抵抗の少ない良熱伝導体が得られる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱流速を制御した良熱伝導体を製造する方法であって、金属繊維を１２０℃より低温域に融点を有する低融点の金属あるいは合金のマトリックスで複合化して金属繊維を配向して分散させた金属繊維−低融点金属あるいは合金複合体を作製し、任意に上記複合体を成形する、ことを特徴とする良熱伝導体の製造方法。
【請求項２】
２０〜８０体積％の気孔率を有する金属繊維の成形体に、溶融させた低融点金属あるいは合金を加圧含浸させて複合化することを特徴とする請求項１記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項３】
２０〜８０体積％の気孔率を有する金属繊維の成形体に、低融点金属あるいは合金の粉末を充填し、加熱して複合化することを特徴とする請求項１記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項４】
２０〜８０体積％の気孔率を有する金属繊維の成形体に、低融点金属あるいは合金の粉末を充填し、加圧して複合化することを特徴とする請求項１記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項５】
金属繊維の表面に、低融点金属あるいは合金を塗布し、その繊維を加圧で接合して複合化することを特徴とする請求項１記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項６】
金属繊維の表面に、低融点金属あるいは合金を塗布し、その繊維を加熱で接合して複合化することを特徴とする請求項１記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項７】
金属繊維が、銅繊維であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項８】
低融点金属あるいは合金の中にインジウムを含有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の良熱伝導体の製造方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の方法で作製された、金属繊維を１２０℃より低温域に融点を有する低融点の金属あるいは合金のマトリックスで複合化して金属繊維を配向させて分散させた金属繊維−低融点金属あるいは合金複合体からなることを特徴とする、熱流速を制御した良熱伝導体。
【請求項１０】
請求項９記載の良熱伝導体を構成要素として含むことを特徴とする高熱伝導性接合部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱流速を制御した良熱伝導体に関すものであり、更に詳しくは、金属繊維を融点が１２０℃以下の低融点の金属あるいは合金のマトリックスで複合化して金属繊維を配向して分散させた金属繊維−低融点金属あるい合金複合体であって、加熱によってその液相が分離して熱源と接触した時の熱抵抗を低減させることを可能とした新規良熱伝導体及びその製造方法に関するものである。本発明に係る良熱伝導材料は、金属繊維の存在により熱流速の方向が制御され、また、金属繊維の存在による強度の改善が顕著であり、そのために、応力がかかる状態での使用が可能であり、例えば、大型のヒートシンクとの接合部材などへの利用が可能であり、本発明は、そのような熱流速を制御した良熱伝導体とそれを効率良く製造する方法を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、１００℃以下の熱を発生する熱源からの熱を伝導して冷却する熱伝導材料として、例えば、熱伝達を容易にさせる熱伝界面体及びその使用方法（特許文献１参照）、熱可塑性樹脂と絶縁性を有する無機フィラーと補強材を混練した樹脂組成物からなる高熱伝導性樹脂組成物（特許文献２参照）、熱伝導性に優れるセラミックスや金属粒子を樹脂やゴムなどの高分子材料で固めた熱伝導シート（例えば、特許文献３〜４参照）などが利用されている。また、熱伝導性を改善するために、使用時に可塑化して接触する熱源との密着性を改善した熱伝導材が提供されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００３】
樹脂などの高分子をマトリックスとした複合材料では、熱伝導率が悪いため、高分子の一部を可塑化して密着性を改善しても、熱伝導性の改善には限界がある。そこで、樹脂よりも熱伝導性が高く、１２０℃以下で液相を生成するような材料の開発が必要であった。このような要求を満たす材料として、例えば、ウッドメタルのような低融点金属や多元素合金の利用が検討されている。しかしながら、これらの材料だけでは熱流速の方向が制御できないため、例えば、応力が発生するような環境下で使用すると、液相が絞り出され、熱流速の制御が必要となる。このように、従来、熱源からの熱を伝導して冷却する熱伝導材料が種々開発されているが、金属繊維と低融点金属を複合化して、熱流速を制御した良熱伝導体については、これまでに開発された例はない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５７２９８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１３９９２８号公報
【特許文献３】
特開２００２−３２９９８９号公報
【特許文献４】
特開平６−１６４１７４号公報
【特許文献５】
特開２００２−１７６１２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決することが可能な新しい良熱伝導材料を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、熱の指向性を有効に利用するために、金属繊維を使用してその間隙を１２０℃以下の融点を有する低融点の金属あるいは合金で充填して、熱源からの熱で低融点の金属あるいは合金の部分を溶融状態にすることにより、良好な熱伝導が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、金属繊維の間隙を低融点の金属あるいは合金で充填した良熱伝導体であって、熱源からの熱で低融点の金属あるいは合金の部分を溶融状態として熱源との密着性を改善することで大きな熱伝導を得ることを可能とする新規良熱伝導体及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）熱流速を制御した良熱伝導体を製造する方法であって、金属繊維を１２０℃より低温域に融点を有する低融点の金属あるいは合金のマトリックスで複合化して金属繊維を配向して分散させた金属繊維−低融点金属あるいは合金複合体を作製し、任意に上記複合体を成形する、ことを特徴とする良熱伝導体の製造方法。
（２）２０〜８０体積％の気孔率を有する金属繊維の成形体に、溶融させた低融点金属あるいは合金を加圧含浸させて複合化することを特徴する前記（１）記載の良熱伝導体の製造方法。
（３）２０〜８０体積％の気孔率を有する金属繊維の成形体に、低融点金属あるいは合金の粉末を充填し、加熱して複合化することを特徴とる前記（１）記載の良熱伝導体の製造方法。
（４）２０〜８０体積％の気孔率を有する金属繊維の成形体に、低融点金属あるいは合金の粉末を充填し、加圧して複合化することを特徴とする前記（１）記載の良熱伝導体の製造方法。
（５）金属繊維の表面に、低融点金属あるいは合金を塗布し、その繊維を加圧で接合して複合化することを特徴とする前記（１）記載の良熱伝導体の製造方法。
（６）金属繊維の表面に、低融点金属あるいは合金を塗布し、その維を加熱で接合して複合化することを特徴とする前記（１）記載の良熱伝導体の製造方法。
（７）金属繊維が、銅繊維であることを特徴とする前記（１）から（６）のいずれかに記載の良熱伝導体の製造方法。
（８）低融点金属あるいは合金の中にインジウムを含有することを特徴とする前記（１）から（６）のいずれかに記載の良熱伝導体の製造方法。
（９）前記（１）から（８）のいずれかに記載の方法で作製された、金属繊維を１２０℃より低温域に融点を有する低融点の金属あるいは合金のマトリックスで複合化して金属繊維を配向させて分散させた金属繊維−低融点金属あるいは合金複合体からなることを特徴とする、熱流速を制御した良熱伝導体。
（１０）前記（９）記載の良熱伝導体を構成要素として含むことを特徴とする高熱伝導性接合部材。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、マトリックスに低融点の金属あるいは合金材料を用いて、これを金属繊維と複合化することによって熱流速を制御するとともに、マトリックスが溶解した際の熱源との密着性を向上させて良好な熱伝導を実現することを特徴とするものである。
本願発明に用いる低融点の金属あるいは合金としては、融点が１２０℃以下のもので熱伝導材の常時使用温度域で溶融しないものであれば適宜の材料を利用することができる。本発明が対象とする熱源は、１００℃程度のものが対象であり、融点が１２０℃を上回るものでは、熱源からの熱でマトリックスを溶解することができない。このような低融点の金属あるいは合金材料としては、例えば、ウッドメタル（５０重量％Ｂｉ−２５重量％Ｐｂ−１２．５重量％Ｓｎ−１２．５重量％Ｃｄ）やその他の市販合金を利用することができるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。
【０００８】
本発明では、金属繊維は、２０〜８０体積％の気孔率を有する多孔質体に成形して使用することが好ましい。金属繊維の多孔質体を作製する方法としては、好適には、例えば、金属繊維をのりで接合した後、加熱することによってのりを除去しながら金属繊維の焼結を行う方法や、低加圧のパルス通電焼結によって金属繊維を溶接・接合する方法などを利用することができるがこれらに制限されない。金属繊維は、熱の流れを制御可能にするために、２次元的な配向を行うことが好ましく、そのために、例えば、プレスなどを利用して多孔質体を作製することが好ましい。金属繊維の多孔質成形体の気孔率が２０体積％未満では金属繊維の間に低融点の金属を充填することが難しく、また、８０体積％を越える気孔率では金属繊維の配向を制御することが難しく、従って、金属繊維を利用して熱流速の制御を行うことが実現できない。
【０００９】
金属繊維から作製した多孔質体に、低融点の金属あるいは合金を充填する方法としては、好適には、例えば、低融点金属を粉末化して繊維の間隙に充填する方法や、低融点金属を溶解して金属繊維の間隙に加圧注入する方法を利用することができる。これらを粉末化して多孔質成形体の間隙を充填した場合には、金属繊維との密着性が悪いため、加熱あるいは加圧によって金属繊維と低融点金属との密着性を改善することが好ましい。
【００１０】
金属繊維の多孔質体を作製できない場合には、金属繊維の表面に低融点の金属あるいは合金を塗布して、加圧あるいは加熱によって成形する方法が利用される。金属繊維の表面への低融点の金属あるいは合金を塗布する方法としては、好適には、例えば、金属繊維をたばねて毛細管現象を利用して塗布する方法や、金属繊維の表面に溶解した低融点の金属あるいは合金をスプレーする方法などを利用することができる。金属繊維に低融点金属を塗布した複合繊維は、加圧あるいは加熱によって成形することができる。加圧の手段としては、例えば、一軸加圧や圧延などの方法を利用することができる。
【００１１】
金属繊維には、熱源からの熱を成形体全体に均一に広げる機能があり、該金属繊維としては、熱伝導率の高い材料を使用することが好ましい。そのために、金属繊維として銅繊維を使用することが最も好ましい。金属繊維の太さは特に指定されないが、好適には、１００μｍ以下の金属繊維が利用できる。その形状は断面が円形のものが好ましく、矩形断面の繊維も利用できるが、これらに制限されない。繊維は連続的な繊維でも切断した繊維でも良い。しかし、熱流を制御するには、アスペクト比が１以上の繊維を利用することが好ましい。また、低融点の金属あるいは合金材料としては、例えば、ウッドメタルなどの材料が利用できるが、環境への負荷が高いカドミウムや鉛が使用されているものが多く、好適には、インジウムを主成分とした低融点の金属あるいは合金材料を使用することが望ましい。この場合は、インジウムの量によって融点を容易に変化させることができ、また、カドミウムや鉛を使用せずに１２０℃以下の融点を実現することができる。これらの具体例としては、例えば、Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｎ合金においてインジウムが６０重量％で７３℃、５０重量％で８３℃、４０重量％で８８℃の融点を持つ合金を作製できることが例示される。
【００１２】
加熱によって低融点の金属あるいは合金を溶解する場合の雰囲気は、特に制限されないが、金属繊維の酸化あるいは低融点の金属あるいは合金の酸化を防止するために、不活性ガス雰囲気が好ましい。真空雰囲気も利用できるが、この場合、低融点の金属あるいは合金に含まれる成分が変化する可能性があるので、真空度を高くしないなどの注意が必要である。
【００１３】
加圧によって低融点の金属あるいは合金と金属繊維の密着性を改善する場合の処理雰囲気は、特に制限されないが、低融点の金属あるいは合金の酸化あるいは金属繊維の酸化を防止するために、不活性ガスなどの雰囲気が好ましい。本発明の対象とする熱源としては、例えば、半導体素子、コンピューター用のＣＰＵや画像処理用のチップなどが例示されるが、これらに制限されない。
【００１４】
本発明の方法により、熱伝導性の高い金属繊維を配向させてマトリックス中に充填することで、金属繊維の長手方向に熱が拡散する構造の良熱伝導体が得られる。それにより、熱源に接触させた場合には、金属繊維の間に存在する低融点の金属あるいは合金が、急速、かつ均一に溶解し、それにより、熱源との密着性を改善することができる。また、金属繊維の長さによって成形体の機械的強度を改善することが可能であり、長い繊維を用いるほど成形体の強度を高くすることができる。
【００１５】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
繊維径５０μｍの銅繊維（（株）ベキニット製）を、低圧のパルス通電焼結により気孔率が５０体積％の多孔質体に加工した。得られた成形体の大きさは、４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍであり、これに、低融点合金であるＩｎ−４２質量％Ｂｉ―５質量％Ｓｎを１００℃に加熱溶解したものを含浸させて、加圧鋳造した。なお、上記合金の融点は８５℃であった。
【００１６】
得られた複合体を、ロール圧延機によって室温で０．０５ｍｍの厚さに成形した。圧延で得られたシートには、銅繊維が平面的に配向されていた。このシートを熱源の上に置いたところ、８５℃を越えると均一に液相の生成が認められた。また、本シートの液相生成時の熱抵抗は０．０８℃／Ｗであり、良熱伝導体であることが分かった。
【００１７】
得られた成形体のＸ線回折による構成相を図１に示す。銅は、低融点金属と反応せず、銅の状態で分散していることが確認された。また、図２に、低融点金属のみからなる約０．０５ｍｍ厚みのシート（左）と銅繊維を含む低融点金属のシート（右）の上に８５℃に加熱したステンレスボールを置き、約５秒後の温度を赤外線温度計により測定した結果を示す。銅繊維を分散させたシートの方が熱の拡散が速く、繊維が並んでいる方向（手前〜奥）へ熱が良く伝導していることが確認された。なお、シートの大きさは、１０ｍｍ×２０ｍｍであった。
【００１８】
実施例２
繊維径１００μｍの銅繊維（（株）ベキニット製）を、低圧のパルス通電焼結により気孔率が５０体積％の多孔質体に加工した。得られた成形体の大きさは、５０ｍｍΦ×２ｍｍであり、これに、Ｉｎ−４２質量％Ｂｉ―５質量％Ｓｎからなる１００ミクロン以下の合金粉末を界面活性剤とともにエチルアルコールに分散して注入した。これを乾燥後、銅繊維の間隙に合金粉末が分散した成形体を、真空中で３０ＭＰａの加圧下で、８７℃まで加熱して、１ｍｍ厚みの成形体を作製した。
【００１９】
得られた成形体は、銅繊維が平面的に配向した複合材料であり、８５℃で液相が生成した。この成形体を、更に、ロール圧延機により０．２ｍｍの厚さに成形したところ、割れなどは生成せず、シート状の成形体を得ることができた。このシートを１００℃の熱源に接触させたところ、均一に液相が生成して熱源との密着性が改善され、良熱伝導体として作用した。液相生成時の熱抵抗は０．０８℃／Ｗであった。
【００２０】
実施例３
繊維径１００μｍの銅繊維（（株）ベキニット製）を、４０ｍｍの長さに切断し、これを２００本を束ねて、Ｉｎ−４２質量％Ｂｉ−５質量％Ｓｎを溶解したルツボ中に浸した。繊維に１００Ｈｚ程度の振動を付与することによって、低融点金属の液体が繊維の表面を覆い、銀色を呈する繊維の束が得られた。なお、Ｉｎ−４２質量％Ｂｉ−５質量％Ｓｎの溶解は、大気中で１００℃まで加熱することにより行い、上記ルツボとしては、酸化アルミニウムを用いた。
【００２１】
得られた低融点金属の付着した銅繊維の束を、そのままロール圧延機で圧延することにより、０．２ｍｍ厚みの成形体を作製した。圧延時に低融点金属が変形するため、端部以外は割れのない成形体を作製することができた。このシート状の成形体は、銅繊維が一方向に配向しており、８５℃で液相が均一に生成した。液相生成時の熱抵抗は０．０８℃／Ｗを示した。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、熱流速を制御可能にした良熱伝導体及びその製造方法に係るものであり、本発明により、以下のような効果が奏される。
（１）熱流速を制御して良熱伝導体内での温度のばらつきを防止し、均質な液相を迅速に発生させることができる熱抵抗の少ない良熱伝導体が得られる。
（２）本発明の良熱伝導体を用いて、微小部分から発生する熱を大きな冷却モジュールに伝えることで効率的に放熱させることが可能となる。
（３）合金組成により液相を生成させる従来のものに比べ、熱伝導性の高い金属繊維を配向させることによって熱伝導体内に発生する温度のむらを防止し、均質に液相を生成させることができる。
（４）本発明の良熱伝導体を構成する低融点金属と金属繊維は、お互いに反応することがないため、本発明の良熱伝導体を使用後に回収する際には、繊維と金属を容易に分解・分離することができる。
（５）金属繊維に長い繊維を用いることで、シート状に成形した良熱伝導体の強度と耐久性を飛躍的に向上させることができる。
（６）本発明の良熱伝導体は、熱源から発生する熱を指向的に伝達するため、限られたスペースでの冷却が可能となり、冷却機構の設計に対する自由度が増加する。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅繊維を混合した低融点金属シートのＸ線回折を示す。
【図２】８０℃のステンレス球を低融点金属シート（左）と銅繊維を含む低融点金属シート（右）の上に設置したときの温度分布を示す。
【図１】
2004238646.tif 000002
【図２】
2004238646.tif 000003