(57)【要約】【課題】発熱体と放熱体との間に介装され、発熱体が放出する熱を効率良く放熱体に伝達させ、発熱体の昇温を抑制する放熱シートに関し、その弾性特性の向上を目的とする。【解決手段】この発明に係る放熱シートは、柱状金属が網目状に広がった多孔性金属組織とその金属組織の空隙を充填する充填部材を備えてなり、多孔性金属組織の気孔率は８０％以上であり、かつ柱状金属が合体してなるヒンジの間隔と柱状金属の線径との比が２以上である。充填部材は、シリコンゴム、ウレタン系樹脂またはエポキシ系樹脂で構成されていることが望ましい。シートの少なくとも片面に、電気絶縁性フィルム層を形成してもよい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状金属が網目状に広がった多孔性金属組織とその金属組織の空隙を充填する充填部材を備えてなり、前記多孔性金属組織の気孔率は８０％以上であり、かつ前記柱状金属が合体してなるヒンジの間隔と前記柱状金属の線径との比が２以上であることを特徴とする放熱シート。
【請求項２】
充填部材は、シリコンゴム、ウレタン系樹脂またはエポキシ系樹脂で構成されてなる請求項１記載の放熱シート。
【請求項３】
シートの少なくとも片面に、電気絶縁性フィルム層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の放熱シート。
【請求項４】
シートの少なくとも片面に、充填部材と同じ組成を有する薄膜層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の放熱シート。
【請求項５】
シートの両面に、金属薄膜装が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の放熱シート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体の温度上昇を抑制する目的で、発熱体と放熱体の間に介装される放熱シートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パッケージなどの発熱体と、この発熱体が放出する熱を効率よく大気中に放散させる放熱体（ヒートシンク等）の間には、放熱シートが介装されていることが多い。特許文献１には、多孔質金属を樹脂等で充填した放熱シートが開示されている。
【０００３】
発熱体が発する熱の大部分は多孔質金属を介して放熱体に伝わり、残りの熱は発熱体および放熱体に密着した充填材を介して放熱体に伝わる。これにより、発熱体が発した熱は効率よく放熱シートを経由して放熱体に導かれ、発熱体の温度上昇が抑えられる。また放熱シートは発熱体と放熱体の間に介装されているだけなので、発熱体と放熱体を接着する場合に比べると熱処理が不要なため組み立てが簡単であり、かつ部材間の線膨張係数差から生じる熱応力による部品の変形を抑えられる。また、この放熱シートは骨格が金属で形成されているので、電気伝導性も良好である。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１６６０６０号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記多孔質金属は、ドクタブレード法で成形された金属粉含有スラリー（金属粉末を含有する水系スラリーに界面活性剤と疎水性の揮発性有機溶剤を混練したもの）に、スラリー発泡、乾燥、脱脂、焼結、圧延等の処理を施すことによって得られる。この多孔質金属の気孔率は圧延されているため１０〜６０％で、充填材には、ポリオレフィン系エラストマが用いられている。
【０００７】
ところが、上記従来の放熱シートは、多孔質金属の気孔率が１０〜６０％になるように圧延されているため、気孔がつぶれ、充填材を気孔に十分に含侵することができなかった。また多孔質金属は圧延時に塑性変形しているため、変形に対する弾性力を失っており、見かけのヤング率は数百ｋｇｆ／ｍｍ２以上にも達する。このため外力により変形させた場合に形状が元に戻らない、あるいは大荷重でないと変形できないという不具合があった。
【０００８】
従って、熱サイクルにより放熱体と発熱体の間の間隔が変動すると、放熱シートの厚みがこの変動に追従できず、発熱体と放熱体間の熱抵抗が大きくなってしまうといった問題が生じていた。また、発熱体と放熱体で構成される冷却システムをメンテナンスする時にも、この冷却システムを分解・再組み立てする際の組み立て誤差により発熱体と放熱体の間の隙間が変動し、同様の問題が生じていた。
【０００９】
この発明は以上のような不具合を解決するためになされたもので、弾性特性の優れた放熱シートを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る放熱シートは、柱状金属が網目状に広がった多孔性金属組織とその金属組織の空隙を充填する充填部材を備えてなり、多孔性金属組織の気孔率は８０％以上であり、かつ柱状金属が合体してなるヒンジの間隔と柱状金属の線径との比が２以上である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を、図１に基づき説明する。放熱シート１０は、半導体パッケージ、半導体チップなどの発熱体４５と、ヒートシンクなどの放熱体４６との間に介装されている。放熱体４６は多数のフィンを有し、発熱体４５から放出された熱を効率よく大気中に放散させる。発熱体４５と放熱体４６はねじ４７によって固定されている。
【００１２】
図１に断面構造が拡大表示されているように、放熱シート１０は多孔質金属１１と充填部材１２から構成されている。多孔質金属１１はＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕのような熱伝導性の良好な金属粉末（直径：５〜１００μｍ程度）を含有する水系スラリーに、界面活性剤と疎水性の揮発性有機溶剤（発泡剤）を添加し、それらを混練して得られた金属粉含有スラリーをドクタブレード法により成形後、発泡剤を揮発させてその蒸気圧によって直接スラリーを発泡させ、さらに乾燥、脱脂、焼結工程を経て製造される。
【００１３】
こうして得られる多孔質金属１１は、柱状の金属組織が三次元に網の目状に広がった構造を有し、その気孔率は９０％にも達しうる。ここで、柱状組織が複数個合体している部分をヒンジと呼ぶことにする。ヒンジとヒンジは金属柱状組織で連絡されている。本発明では、金属柱状組織の線径Ｗと金属柱状組織の長さＬ（ヒンジの間隔）の比率Ｌ／Ｗが２以上であるという特徴を有している。なお、金属柱状組織の断面は必ずしも真円ではないが、断面を円形で近似した時に得られる代表的寸法を線径Ｗと定義する。
【００１４】
充填部材１２は多孔質金属１１に弾性樹脂を含浸させることにより形成される。弾性樹脂にはシリコンゴム、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂などが適用できる。ゴム弾性を有する充填部材１２に、比較的低温度で軟化するバインダを含有させておけば、真実接触面積（放熱シートの表面に金属が現れている部分の面積の和）が急激に拡大し、見かけ上の熱伝達率が向上する。
【００１５】
弾性樹脂を多孔質金属１１の気孔に充填させるのは放熱シートの弾性回復力を増す為と、高熱伝導率を有する金属骨格に効率的に発熱体４５からの熱流を伝える為である。金属骨格のみの状態でも相当の熱伝導が得られるが、シートの厚み方向に大きく変形させると、骨格材料が塑性変形してしまう。弾性樹脂を充填することで、仮に金属骨格部分が塑性変形しても充填部材１２の弾性回復力が金属骨格を塑性変形させるので、放熱シートは元の厚みに戻ることができる。形状が元に戻るため、伝熱面に空気層が生じることがなく、放熱シートとしての性能が保たれる。
【００１６】
図２は放熱シートの気孔率αと最大変形率εの関係を示したものである。最大変形率εは気孔率αが大きくなるにつれ、最初は緩やかに増加しているが、途中から急激に増加する。その変移点は気孔率が８０％の点にあった。
【００１７】
多孔質金属組織の気孔率が８０％以上になると、放熱シート１０の厚み方向における見かけ上のヤング率は数十ｋｇｆ／ｍｍ２以下の範囲に収まり、比較的小さな荷重で厚み方向に弾性変形させることができた。また弾性樹脂を含浸する前に厚みを強制する圧延加工を施すことで、所定の厚みを得ることが可能であった。これに対し特許文献１に記載されている従来の放熱シートでは、多孔質金属は気孔率が最大でも６０％程度であり、見かけ上のヤング率は数百ｋｇｆ／ｍｍ２以上にも達し、外力により変形させても形状は容易に元に戻らなかった。
【００１８】
図３は比率Ｌ／Ｗと最大変形率εの関係を示したものである。最大変形率εは比率Ｌ／Ｗが大きくなるにつれ急激に増加し、比率Ｌ／Ｗが２を境にしてその増加の仕方は緩やかになった。ただし、金属骨格の製造方法の限界から上記比率を２０以上にすることは困難であった。比率Ｌ／Ｗが２未満では、５％程度圧縮したときに、塑性変形してしまい、２以上になると５％以上の最大変形率を得られた。
【００１９】
放熱シートの厚さ方向の最大変形率が５％以上あるため、熱サイクルにより放熱体４５と発熱体４６の隙間が変動した場合や、メンテナンス時に冷却システムを分解・再組み立てする際の組み立て誤差により放熱シート部分の隙間が変動した場合でも、フレキシブルに放熱シートの厚みが追従する。比率Ｌ／Ｗは２．５以上であればさらに理想的な弾性回復能力を放熱シートに付与することが可能である。
【００２０】
また比率Ｌ／Ｗが増大すると、図４に示すように熱伝導率が低下した。これは、金属骨格の放熱シートの全体積に占める体積割合が低下するためで、熱伝導の観点からは、比率Ｌ／Ｗは１０以下がのぞましい。従来の放熱シートと比べると、放熱シート１０は金属の割合が小さいため、その熱伝導率は約半分である。ただし、充填する弾性樹脂に熱伝導率の高い粉末（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｗ等の金属粉末）あるいは繊維状フィラー（ＡｌＮなどセラミックス系粉末）を混ぜることで、金属骨格構造の体積比率低下による放熱シートの熱伝導率の低下はある程度抑制することが可能である。
【００２１】
すなわち、従来の放熱シートは弾性回復能力が不足しており、熱サイクルや、再組み立ての際に放熱シートを取り替える必要があったが、本発明による放熱シートはこれらの問題点を解決できる。従来の放熱シートは金属骨格の歪みが概ね１％を超えると元に戻らなくなっていたが、本発明にかかわる放熱シートは最大１０％程度の変形を与えても１％程度の永久変形が残るだけで、ほぼ元の厚さに戻った。
【００２２】
なお、弾性樹脂を含浸した後に両面をブレードで馴らしても樹脂と金属の濡れ性が悪いため、放熱シート１０の表面層では、金属部分と樹脂部分が明瞭に分離している。このとき、樹脂が硬化する際の収縮やドクターブレードによる樹脂のかきとり効果により、樹脂部分が金属部分に対して凹になって現れる。このため放熱シート１０を発熱体と放熱体の間に介装させると、熱伝導率の悪い樹脂部ではなく、熱伝導率の良好な金属部が放熱体または発熱体と接触することになり、放熱シート１０の接触熱抵抗が良好となる。上記凹部分に熱伝導率の良いグリース材料あるいは熱伝導率の高い金属あるいはセラミックス微粉末を含んだグリース材料を少量埋めることでさらに熱伝導がよくなる。
【００２３】
多孔質金属１１は焼き入れなどの熱処理を施すことにより、弾性変形範囲を拡大できる。熱処理された多孔質金属１１は外力により厚み方向に放熱シートが変形しても弾性回復し、放熱シート１０と発熱体４５または放熱体４６との熱伝達面における密着性を外力が変動する場合でも確保できる。
【００２４】
このように、上記実施の形態１によれば、多孔質金属１１が、バネ弾性を有し、変形に対する復元力も備えているので、放熱シート１０は弾性特性に優れている。これにより、発熱体４５、放熱体４６との密着性は良好で、かつ熱サイクルや再組み立ての誤差により隙間が変動しても、放熱シート１０は発熱体４５、放熱体４６に追従する。
【００２５】
また、放熱シート１０はその骨格となる多孔質金属１１が熱伝導と同時に電気伝導も行う為、例えば図５に示すように車両用交流電流機の整流装置に用いられるダイオードの放熱シートとしても適用できる。同図において、ダイオード１１０は交流発電機（図示せず）によって生じた交流電流を整流する。リード１１１は交流発電機によって生じた交流電流をダイオード１１０に供給する。ベース１１２は複数個のダイオード１１０によって整流された電流を集電し、更にダイオード１１０の発熱を外気に放出する。端子１１３は整流電流をバッテリ（図示せず）に供給する。
【００２６】
ダイオードとベースを圧入で接合する従来の方法では、ダイオードとベースは側面のみでしか接触していないため、ダイオードから発生する熱とダイオードによって整流された電流はダイオード側面からしかベースに伝導することができなかった。ダイオード底面とベース間に放熱シート１０を介装させることで、ダイオードとベースの接触面積を底面にまで広げることができるので、ダイオードの熱は効率よくベースに伝導され、しかもダイオード側面部でのジュール発熱による温度上昇を心配する必要がなくなる。
【００２７】
例えば、ダイオードの発熱量を２０Ｗ、ダイオードの直径を１０ｍｍ、ダイオードの側面とベースとの接触長さを３ｍｍ、ダイオード−ベース間の接触熱抵抗値を５０００Ｗ／ｍ２・Ｋとすると、ダイオード底面とベース間の温度上昇値は２３度となる。一方、ダイオード底面とベース間に本発明による放熱シートを介装させた場合には、放熱シートの厚みを０．５ｍｍ、放熱シートの熱伝導率を２０Ｗ／ｍ・Ｋとすると、ダイオード底面とベース間の温度上昇値は６度となり、放熱シートを介装させることで、１８度の温度上昇の抑制が見込める。
【００２８】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係わる放熱シート１０Ａの断面構造を表している。同図において、実施の形態１と同じ方法で製造された放熱シート１０は、発熱体４５、放熱体４６との接触面の少なくともどちらか片面に、電気絶縁性を有するフィルム層１３が接着あるいは塗装されている。
【００２９】
薄くても絶縁状態を維持できるフィルム層１３の材料としては、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂、テフロン系樹脂（デュポン社の登録商標）、塩化ビニルが適しており、その膜厚が１０ミクロン程度以下のとき、放熱シート１０Ａの伝熱性能はほぼ阻害されないことが実験で確認できた。例えば、放熱シート１０Ａを前述したダイオードとベース間に介装させた場合、絶縁フィルムの熱伝導率を１Ｗ／ｍ・Ｋとすると、絶縁フィルムを接着したことによる温度上昇値は２．５度であった。
【００３０】
ただし、上記した絶縁樹脂は一般に熱伝導率が悪い為、樹脂に予め金属、酸化金属（Ｃｕ２Ｏ等）あるいはセラミックスフィラーを充填しておくことで、熱伝導率の低下を抑制できる。また、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）およびそれらの複合プロセスでセラミックス皮膜を直接放熱シート１０の表面に形成してもよい。
【００３１】
なお、熱可塑性樹脂を放熱体と放熱シート１０Ａの間に介装させることにより、放熱シートと放熱体との間の熱抵抗を下げることが可能である。介装された熱可塑性樹脂は、軟化点以上に昇温されると軟化し、放熱体の面粗さを吸収する。また熱可塑性樹脂に高熱伝導性のフィラー材料をいれることで、熱伝導・熱伝達の効率アップが図れる。
【００３２】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係わる放熱シート１０Ｂの断面構造を表している。同図において、実施の形態１と同じ方法で製造された放熱シート１０には、発熱体４５または放熱体４６との接触面の少なくともどちらかの面に充填部材層２３が形成されている。充填部材層２３は充填部材１２が多孔質金属１１から外表面にはみ出したもので、金属骨格組織が存在しない。放熱シートの表面の薄い樹脂層が発熱体と放熱体それぞれの面粗さに沿うことで、接触熱抵抗を低減する。
【００３３】
放熱シート１０Ｂは充填部材層２３の膜厚が約１０ミクロン以下のときに絶縁性と伝熱性をともに維持できた。例えば、放熱シート１０Ｂを前述したダイオードとベース間に介装させた場合、充填部材層２３の熱伝導率を１Ｗ／ｍ・Ｋとすると、充填部材層２３を設けたことによる温度上昇値は２．５度であった。
【００３４】
実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果の他に、金属部分を樹脂が覆っているため、金属部分の腐食を防ぐことができる。充填部材層２３に熱伝導率の高い銅などの金属酸化物あるいはＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックスフィラー（微粉末あるいは繊維状のもの）を含有させることで、熱伝導率が向上する。
【００３５】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４に係わる放熱シート１０Ｃの断面構造を表している。同図において、実施の形態１と同じ方法で製造された放熱シート１０には、発熱体４５または放熱体４６との接触面の少なくともどちらかの面にメッキあるいは蒸着などにより金属薄膜層３３が形成されている。電気伝導性を向上させるには、金属薄膜層３３は両方の接触面に形成しておくことが望ましい。
【００３６】
実施の形態４によれば、放熱シート１０の少なくとも片面にメッキあるいは蒸着等の金属薄膜層３３を形成しているので、電気伝導性をさらに向上させることが可能である。特に金属薄膜としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の軟質金属を用いることで、電気抵抗の減少と同時に熱抵抗の改善も可能となり、放熱とともに電気伝導が必要な場所に使用する放熱シートとしては最適のものが得られる．
【００３７】
【発明の効果】
この発明に係る放熱シートは、柱状金属が網目状に広がった多孔性金属組織とその金属組織の空隙を充填する充填部材を備えてなり、多孔性金属組織の気孔率は８０％以上であり、かつ柱状金属が合体してなるヒンジの間隔と柱状金属の線径との比が２以上であることにより、弾性特性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係わる放熱シートの構成を説明するための図である。
【図２】気孔率と放熱シートの最大変形率との関係を説明するための図である。
【図３】比率Ｌ／Ｗと放熱シートの最大変形率との関係を説明するための図である。
【図４】比率Ｌ／Ｗと放熱シートの熱伝導率の関係を説明するための図である。
【図５】交流発電機の主要部分を説明するための構造図で、ダイオードがベースに埋め込まれていることを表している。
【図６】実施の形態２に係わる放熱シートの構成を説明するための図である。
【図７】実施の形態３に係わる放熱シートの構成を説明するための図である。
【図８】実施の形態４に係わる放熱シートの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ〜１０Ｃ  放熱シート、  １１  多孔質金属、  １２  充填部材、  １３  フィルム層、  ２３  充填部材層、  ３３  金属薄膜層、  ４５  発熱体、  ４６  放熱体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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