JP5078703B2 - 熱的接合材の熱伝導率測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品やヒートシンクなどに使用される熱的接合材の熱伝導率測定装置および測定方法に関する。

電子機器、産業機器および自動車などには、半導体集積回路、ＬＥＤ素子、パワーデバイスなどの種々の発熱性の高い素子や電子部品が使用されている。

このような電子部品の発熱が大きくなりすぎると、電子部品および機器の性能劣化を引き起こす可能性もある。発熱する電子部品を冷却するために、ヒートシンクやヒートパイプなどの冷却装置が使用される。電子部品に冷却部材が設置されて、冷却装置が、電子部品の熱を冷却する。

ここで、冷却装置が電子部品に設置される際には、熱的接合材が使用される。電子部品の発熱面と冷却装置の受熱面とが、熱的接合材を介して接触される。

このとき、熱的接合材はその物質に応じた熱伝導率を有し、電子部品の熱は、この熱伝導率に従って冷却装置に伝導する。このため、熱的接合材の選択においては、熱伝導率が重要な要素になる。

このような状況において、熱的接合材の熱伝導率の測定が必要であり、種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。熱的接合材の熱伝導率は物質によって定まるが、実際に使用される熱的接合材は、完全な純物質でないことが多かったり、フィラーなどの混合が行われたりするので、使用する熱的接合材の熱伝導率を都度測定する必要があるからである。また熱的接合材を使用する冷却装置や電子部品の材質が、熱伝導率への影響を与えるので（熱的接合材と固体表面には界面抵抗があるので）、熱伝導率を実際に測定する必要がある。

特許文献１は、試料にヒータで熱を与え、ヒータから離れた位置にあるセンサで試料の温度応答を測定し、熱伝導率などを算出する技術を提案している。

特許文献２は、温度変化および接触面変化によって、被試験体への加熱を変動させる技術を提案している。
特開２００７−９３５０９号公報 特開２００６−３２２８６６号公報

しかしながら、従来技術では熱的接合材の熱伝導率の測定精度が低い問題があった。特に従来技術においては、所定の厚みδを有する熱的接合材に、任意の熱流束ｑを与えて、熱的接合材の厚み方向の温度差ΔＴを計測して、フーリエの法則である（数１）から熱伝導率ｋを算出することが一般的であった。

熱的接合材の厚みδが０．１ｍｍ、熱流束ｑが０．１ＭＷ／ｍ^２とし、熱伝導率ｋが低い熱的接合材であれば、厚み方向の温度差ΔＴは、５ｋ程度になり、高い精度での温度差測定が可能である（ということは、高い精度での熱伝導率の測定が可能である）。

しかし、熱伝導率ｋが１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の高性能な熱的接合材の熱伝導率を同じ方法で測定すると、熱的接合材の厚みδが０．１ｍｍ程度である場合には、温度差ΔＴは０．１ｋ程度になり、温度差の測定が困難になる（ということは、熱伝導率ｋの測定精度も悪くなる）。温度差が十分な大きさとなるようにするには、与える熱流束ｑを大きくする必要があるが、装置全体が大掛かりとなってしまう問題もある。例えば、熱流束ｑを１０ＭＷ／ｍ^２とすれば、温度差ΔＴが測定可能な大きさとなるが、熱流束ｑが１０ＭＷ／ｍ^２との値は、ロケットブースター出口と同程度となる。

このように、従来技術では熱伝導率の高い熱的接合材の熱伝導率を、高い精度で測定することが困難である問題があった。これは、特許文献１、２で提案されている技術を用いても同様の問題を含んでいる。

近年は、電子部品の発熱量が大きいこと、冷却装置の性能が向上していることから、熱伝導率の高い熱的接合材が必要になっている。このような背景からも、高い精度での熱伝導率の測定が求められている。特に、熱伝導率の高い熱的接合材の熱伝導率の測定が重要になっている。

そこで本発明は、小規模かつ低コストの装置によって、熱的接合材の熱伝導率を高い精度で測定できる測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

本発明の熱的接合材の熱伝導率測定装置は、塗布面に熱的接合材が塗布された第１プレートと、塗布面と対向して第１プレートと共に熱的接合材を挟む第２プレートと、第１プレートの所定部位に設置された加熱部と、第２プレートの所定部位であって、加熱部の対向部位と異なる所定部位に設置された冷却部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の表面における第１位置および第２位置の温度を測定する温度測定部を備え、温度測定部は、第１位置と第２位置の温度差を測定する。

第１位置と第２位置は、プレートの表面上の異なる位置に存在し、厚み方向で図る場合よりも大きな温度差が得られる。このため、熱伝導率が未知の熱的接合材であっても、高い精度で熱伝導率が測定できる。

本発明によれば、低コストの装置でありながら、幅広い値の熱伝導率を有する可能性のある熱的接合材の熱伝導率を、高い精度で測定できる。

特に、平面状に拡げられている熱的接合材の面方向の温度差を測定することで、熱伝導率が測定されるので、熱伝導率の測定精度が高い。

また、熱的接合材が実際に使用される発熱体や冷却装置の素材による影響も考慮して熱伝導率が測定される。

更に、フーリエの式を基礎とした簡単な算出式で熱伝導率が測定できるので、低コストで装置が実現できる。

本発明の第１の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置は、塗布面に熱的接合材が塗布された第１プレートと、塗布面と対向して第１プレートと共に熱的接合材を挟む第２プレートと、第１プレートの所定部位に設置された加熱部と、第２プレートの所定部位であって、加熱部の対向部位と異なる所定部位に設置された冷却部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の表面における第１位置および第２位置の温度を測定する温度測定部を備え、温度測定部は、第１位置と第２位置の温度差を測定する。

この構成により、厚み方向における温度差よりも大きな温度差が得られる。得られる温度差が大きいことで、熱的接合材の熱伝導率が高い精度で測定できる。

本発明の第２の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１の発明に加えて、第１位置および第２位置のそれぞれは、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の表面における面方向において異なる位置にあり、第１位置と第２位置の温度差は、熱的接合材の面方向の温度差を表す。

この構成により、測定される温度差は、熱的接合材の面方向の温度差となり、温度差の値も大きくなる。このため、温度差から算出される熱伝導率は、高い精度で測定できる。

本発明の第３の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１から第２のいずれかの発明に加えて、第１プレートおよび第２プレートのそれぞれは、長手方向と短手方向を有し、第１位置および第２位置のそれぞれは、第１プレートおよび第２プレートの中心線から、長手方向左右にそれぞれ１０ｍｍ幅の領域内に位置する。

この構成により、プレートと熱的接合材との温度対応関係における誤差を大きくすること無く、第１位置と第２位置との間の温度差を大きくすることができる。

本発明の第４の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１から第３のいずれかの発明に加えて、温度測定部は、複数の温度検出デバイスを有し、複数の温度検出デバイスの内、第１のプレートおよび第２のプレートの中心線の左右のそれぞれに少なくとも一つ以上の温度検出デバイスが接続されている。

この構成により、低コストおよび簡便な手段で、第１位置と第２位置の温度差を測定できる。

本発明の第５の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第４の発明に加えて、複数の温度検出デバイスは、第２プレートの表面に設置されている。

この構成により、加熱部からの熱が冷却部により冷却される状態がもっともはっきりと出る第２プレート上での温度差が測定できる。このため、高い精度で、温度差が測定される上、プレートと熱的接合剤との温度対応も非常に高い。

本発明の第６の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１から第５のいずれかの発明に加えて、第１プレートおよび第２プレートは、熱的接合材を挟む面に金属めっきが施され、金属めっきの金属素材は、熱的接合材が使用される冷却装置の金属素材と同じである。

この構成により、熱的接合材が使用される電子部品や冷却装置の素材による影響を加味した熱伝導率が測定できる。

本発明の第７の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１から第６のいずれかの発明に加えて、第１プレートおよび第２プレートに挟まれると共に熱的接合材の両端のそれぞれに、把持板を更に備える。

この構成により、第１プレートと第２プレートとに挟まれる熱的接合材の厚みを均一にできる。

本発明の第８の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１から第７のいずれかの発明に加えて、温度差の値を、所定の算出式に代入することで、熱的接合材の熱伝導率を算出する算出部を更に備える。

本発明の第９の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第８の発明に加えて、所定の算出式は、ｋ ＝ ｑｘ（δ／ΔＴ） （ｋ：熱伝導率、ｑ：熱流束、δ：熱的接合材の厚み、ΔＴ：温度差）である。

これらの構成により、熱的接合材の熱伝導率を高い精度で測定できる。

本発明の第１０の発明に係る熱的接合材の熱伝導率測定装置では、第１から第９のいずれかの発明に加えて、請求項１から９のいずれか記載の要素を格納する筐体を更に有し、筐体内部は、略真空状態にできる。

この構成により、プレート上での温度変化と熱的接合材での温度変化の対応性を良くすることができる。更に、加熱部からの熱流束を確実に第１プレートに与えることができ、熱伝導率算出における熱流束の値と実際の加熱される熱流束の値との乖離が微小となり、熱伝導率算出の精度が高まる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における熱伝導率測定装置の側面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）を上から見た上面図である。

まず、熱伝導率測定装置の全体概要について説明する。

（全体概要）
熱伝導率測定装置１は、塗布面に熱的接合材４が塗布された第１プレート２、第１プレート２に対向する第２プレート３、第１プレート２の端部に設置された加熱部１０、第２プレート３の端部に設置された冷却部１１、第２プレート３の温度を測定する温度測定部７を備える。

熱的接合材４は、第１プレート２と第２プレート３に挟まれており、所定の厚みを有している。また、熱的接合材４は、全体に渡ってほぼ均一の厚みを有している。

加熱部１０は、第１プレート２の一方の端部に設置されて、第１プレート２に対して熱を与える。加熱部１０により与えられた熱は、第１プレート２から熱的接合材４を介して第２プレート３に伝導する。このとき、熱的接合材４の熱伝導率に従って、熱が伝導する。

なお、加熱部１０は、所定の熱流束ｑを与える。

冷却部１１は、第２プレート３を冷却する。言い換えると、冷却部１１は、加熱部１０を基点として第２プレート３に伝導する熱を冷却する。このように、第１プレート２に加熱部１０が備えられ、対向する第２プレート３の、加熱部１０と反対側の端部に冷却部１１が備えられることで、第１プレート２、熱的接合材４、第２プレート３において、面方向に熱が伝導する。

第２プレート３の表面における第１位置に熱電対５が接続され、第２プレート３の表面における第２位置（第１位置とは異なる位置）に熱電対６が接続される。熱電対５，６は、温度測定部７に接続される。温度測定部７は、熱電対５、６からの測定値を基に、第１位置と第２位置のそれぞれの温度を測定する。更に、温度測定部７は、第１位置と第２位置の温度差を測定する。ここで、第１位置と第２位置は、第２プレート３表面の面方向における異なる位置である。このため、温度測定部７が測定する第１位置と第２位置の温度差は、第２プレート３表面の面方向の温度差を表している。更に、第２プレート３面方向の温度差は、熱的接合材４の面方向の温度差を表している。このため、温度測定部７が測定した温度差ΔＴ、加熱部１０が与えた熱流束ｑ、熱的接合材４の厚みδを（数１）に代入することにより、熱的接合材４の熱伝導率が算出される。

なお、熱電対は、第１プレート２や第２プレート３の表面の温度を検出する温度検出デバイスの一例である。熱電対以外にも、赤外線やレーザを用いた非接触型の表面温度計が用いられてもよい。

従来技術と異なり、温度差ΔＴは、第２プレート３の面方向において測定される。プレートの厚み方向に比較して、面方向である第１位置と第２位置との距離は非常に大きく、測定される温度差ΔＴも大きくなる。このため、熱的接合材４の熱伝導率は、（数１）を用いて、高い精度で測定される。これは、熱的接合材４の熱伝導率が高い場合でも同様である。加えて、従来技術と異なり、温度差ΔＴを得るために、加熱部１０が与える熱流束ｑを非常に大きくする必要もなくなる。

このように、図１に示される熱伝導率測定装置１は、様々な熱伝導率を有する熱的接合材４の熱伝導率を、高い精度で測定できる。

なお、図１では、熱電対５、６を第２プレート３表面に接続したが、第１プレート２表面に接続してもよい。但し、加熱と冷却の役割が、第１プレート２と第２プレート３で分かれていることから、冷却の役割を有する第２プレート３の表面に、熱電対５、６が接続されるのが温度差測定の容易性からも好適である。

次に各部の詳細について説明する。

（第１プレート、第２プレート）
第１プレート２および第２プレート３は、金属や樹脂で形成された、平面形状を有する板材である。加熱部１０からの熱を受けるので、第１プレート２および第２プレート３は、熱的な耐久性を有していることが好適である。

第１プレート２と第２プレート３は、対向した状態で、熱的接合材４を挟む。例えば、第１プレート２および第２プレート３のそれぞれは塗布面を有し、第１プレート２の塗布面に熱的接合材４が塗布され、塗布された熱的接合材４の上から第２プレート３が押し当てられることで、第１プレート２と第２プレート３がお互いに対向しつつ熱的接合材４を挟む（サンドイッチする）。

第１プレート２と第２プレート３のそれぞれは、長方形、正方形、円形、楕円形、多角形など種々の形状を有していてよいが、製造や測定の容易性から、長手方向と短手方向を有する形状（好適には長方形）を有していることが好ましい。第１プレート２と第２プレート３が長手方向と短手方向を有していることで、熱電対５、６を長手方向の異なる位置に設置して、面方向における温度差ΔＴを測定しやすくなるからである。

第１プレート２および第２プレート３は、異なる形状を有していても良いが、相互に対向して熱伝導率測定装置１の基本骨格を成すので、同一形状であることが適当である。

なお、第１プレート２、第２プレート３は、熱的接合材４を挟む２枚のプレートのそれぞれをそのように呼称しているだけで、構造や構成において特段の区別を有するものではない。

第１プレート２と第２プレート３は、測定の度に異なる熱的接合材４を挟む必要があるので、洗浄が容易である。

（熱的接合材）
第１プレート２と第２プレート３に挟まれる熱的接合材４は、熱伝導率の測定対象である熱的接合材である。

この熱的接合材は、電子部品やパワーデバイスなどの発熱体と冷却装置を接触させる際に用いられる。例えば、ＣＰＵ、メモリなどの発熱体のパッケージ表面に、ヒートシンクやヒートパイプなどの冷却装置を設置する際に用いられる。パッケージ表面に熱的接合材が塗布されて、熱的接合材の上に冷却装置の受熱面が設置される。すなわち、発熱体の発する熱は、熱的接合材を介して冷却装置に伝導する。

熱的接合材４は、素材、物性、混合物、製造工程などにより様々な熱伝導率を有している。熱伝導率が高ければ、発熱体の熱が冷却装置に伝わる際の熱抵抗は小さくなる。熱伝導率が小さければ、発熱体の熱が冷却装置に伝わる際の熱抵抗が大きくなる。発熱体や冷却装置の仕様に応じた熱伝導率を有する熱的接合材が用いられる。このため、冷却装置の冷却仕様を明確にするためには、熱的接合材の熱伝導率の正確な測定が必要である。

熱的接合材４は、第１プレート２と第２プレート３に挟まれており、所定の厚みδを有している。厚みδは、適宜定められれば良いが、面方向全体に渡って均一の厚みを有している。これは、実施の形態１における熱伝導率測定装置１が、面方向における温度差ΔＴを用いて熱伝導率を測定するからである。

また、熱的接合材４が、均一の厚みを有するように、第１プレート２および第２プレート３の端部であって熱的接合材４を両端から挟むように把持板８を設けてもよい。把持板８は、第１プレート２と第２プレート３の間であって、熱的接合材４が塗布されていない部分に設置される。把持板８は、第１プレート２と第２プレート３の間隔を決定することで、熱的接合材４の厚みを決定しつつ、第１プレート２および第２プレート３の両端に１枚ずつ設置されることで、熱的接合材４の厚みを均一にする。

なお、把持板は、いわゆるスペーサーが使用されれば良い。

熱的接合材４が第１プレート２と第２プレート３の面方向に渡って広く塗布されることで、熱的接合材４は、第１プレート２からの熱を第２プレート３に伝導する。

なお、熱的接合材４には、サーマルグリースやサーマルグリースにフィラーなどを添加した素材および銀ペーストなどの金属含有素材が用いられる。

（加熱部と冷却部）
加熱部１０は、第１プレート２の所定部位に設置され、所定の熱流束ｑに基づく熱を第１プレート２に与える。

図１においては、加熱部１０は、第１プレート２の一方の端部に設置されている。端部であることは必須条件ではなく、所定部位に設置されれば良い。但し、冷却部１１とセットになって、熱的接合材４の面方向に熱の伝導を行わせるために、第１プレート２の端部か端部に近い部位であることが好ましい。

加熱部１０は、与える熱流束ｑの値を適宜変更可能である。

第１プレート２は、加熱部１０により与えられた熱を、熱的接合材４を介して第２プレート３に面方向および厚み方向に伝導する。

冷却部１１は、第２プレート３の所定部位に設置される。図１においては、第２プレート３の端部に冷却部１１が設置されているが、端部であることは必須条件ではなく、所定部位に設置されれば良い。但し、加熱部１０とセットになって熱的接合材４の面方向に熱の伝導を行わせるために、第２プレートの端部か端部に近い部位であって、加熱部１０と反対側（加熱部１０の対向位置と離れた部位）の部位に設置されることが好ましい。

簡単には、加熱部１０は、第１プレート２の一方の端部か端部付近に設置され、冷却部１１は、第２プレート３であって、加熱部１０と逆側の端部か端部付近に設置されればよい。

冷却部１１は、加熱部１０が与える熱よりも低い温度を与えることで、第２プレート３を冷却する。冷却部１１による冷却により、加熱部１０からの熱は、冷却部１１に向かって面方向に伝導しやすくなる。熱は温度の高いところから低いところに移動するからである。結果として、加熱部１０からの熱は、第１プレート２、熱的接合材４および第２プレート３のそれぞれを、加熱部１０側から冷却部１１側に面方向に伝導する。

このように、加熱部１０と冷却部１１のそれぞれは、第１プレート２と第２プレート３に互い違いの位置に設置されることで、面方向の熱伝導を実現させる。この結果、従来技術のような厚み方向における温度差ΔＴではなく、面方向における温度差ΔＴを測定できるようになる。

なお、加熱部１０は、第１プレート２の端部でなくとも、端部付近の所定部位に備えられればよく、物理的な端面に設置される必要はない。同様に、冷却部１１は、第２プレート３の端部でなくとも、端部付近の所定部位に備えられればよい。但し、冷却部１１は、加熱部１０と対向する部位と異なる部位に備えられることが好適である。熱が熱的接合材４の面方向に伝導しやすくなるからである。

また、加熱部１０および冷却部１１のそれぞれは、第１プレート２および第２プレート３に直接的に接触してもよく、伝導部材を介して加熱、冷却してもよい。

（熱電対と温度測定部）
次に、熱電対５、６および温度測定部７について説明する。

温度測定部７は、第１プレート２および第２プレート３の面方向の温度差を測定する。言い換えると、第１プレート２と第２プレート３に挟まれた熱的接合材４の面方向の温度差を測定する。このように面方向の温度差を測定するために、温度測定部７は、複数の熱電対５、６を用いる。

熱電対５、６のそれぞれは、第２プレート３の表面において異なる位置である第１位置と第２位置に接続される。第１位置と第２位置は、第２プレート３の面方向において異なる位置であり、第２プレート３が長手方向と短手方向を有している場合には長手方向に沿って異なる位置である。あるいは、加熱部１０と冷却部１１に挟まれる方向において、異なる位置に第１位置と第２位置が設定される。

熱電対５は、第１位置の温度を測定し、熱電対６は、第２位置の温度を測定する。測定においては、熱電対５、６からの結果を基に、温度測定部７が温度を測定する。

温度測定部７は、更に第１位置と第２位置の温度差を測定する。第１位置と第２位置は、第２プレート３の面方向における異なる位置を示すので、温度測定部７が測定する温度差ΔＴは、第２プレート３の面方向の温度差を示す。

ここで、第１位置と第２位置の温度差は、第２プレート３の面方向における温度差を示すが、熱的接合材４と第２プレート３の面方向の温度変化は同様の傾向を示すので、第１位置と第２位置の温度差は、熱的接合材４の面方向の温度差を表していると考えられる。

なお、図１では、第２プレート３の第１位置と第２位置の温度差を測定しているが、第１プレート２での第１位置と第２位置の温度差を測定しても良い。但し、第１プレート２に加熱部１０が設置され、第２プレート３に冷却部１１が設置されているので、熱の伝道は第２プレート３においてよりよく現れると考えられるので、第２プレート３における第１位置と第２位置の温度差が測定されることが好適である。

また、図２に示されるように熱電対が３つ以上接続されてもよい。

図２は、本発明の実施の形態１における熱伝導率測定装置の側面図である。

第２プレート３には、３つの熱電対５、６、２０が接続されている。熱電対が３つ以上接続されることで、温度差の測定精度が向上する。

例えば熱電対５と熱電対２０との温度差と、熱電対２０と熱電対６との温度差の２つの内、経験的に精度の高いほうを選択した上で、熱伝導率を測定するなどができる。

また、第２プレート３が長手方向と短手方向を有する形状を持つ場合には、図２にしめされるように、第２プレート３（すなわち対向する第１プレート２）の中心から長手方向左右にそれぞれ１０ｍｍ幅の領域内に、熱電対５と６のそれぞれが接続される。第２プレート３における面方向の熱の伝導状態は、中心付近がもっともはっきりしており、図２に示される領域に、熱電対５、６が接続される（すなわち、第１位置と第２位置がこの領域に存在する）ことが、温度差ΔＴの測定に適しているからである。

なお、１０ｍｍ幅は、厳密に定義されるものではなく、一定の目安である。

なお、１０ｍｍ幅の範囲に第１位置と第２位置が設定されることで、十分な温度差を得ることができる。逆に１０ｍｍ幅の領域を大きく越えてしまうと、温度差そのものは大きくなりうるが、加熱部１０や冷却部１１の影響を直接的に受けてしまって、温度測定の精度が下がったり、プレートとプレートに挟まれる熱的接合材４との温度対応関係の誤差の影響も大きくなったりしうるので、１０ｍｍ幅程度が好ましい。

勿論、プレートそのものを大きくして、加熱部１０や冷却部１１の影響を少なくすれば、この１０ｍｍ幅に限定されずともよい。装置の形状やコストとの兼ね合いで決定されれば良い。

また、熱電対を用いた温度測定は一例であり、温度差が測定できる手段であれば何でも良い。

このように、第２プレート３の面方向の温度差を測定することで、第１プレート２と第２プレート３に挟まれた熱的接合材４の面方向の温度差を測定できる。

（算出部）
熱的接合材４の熱伝導率は、（数１）を用いて算出される。

（数１）によれば、熱的接合材４の厚みδ、加熱部１０が与えた熱流束ｑ、測定された温度差ΔＴにより、熱的接合材４の実際の熱伝導率ｋが算出される。

熱伝導率は、得られたこれららのパラメータに基づいて人為的に算出されても良く、図２に示される算出部２１により自動で算出されても良い。

算出部２１は、数１を実行するプログラムや専用の電子回路を含んでおり、予め入力された熱的接合材４の厚みδ、加熱部１０が与えた熱流束ｑに加えて、温度測定部７から得られる温度差ΔＴを用いて、熱伝導率ｋを算出する。

このとき、温度差ΔＴは十分に大きく、その測定結果の信頼性が高いので、算出される熱伝導率ｋの値も高い精度を有している。

また、図示はしていないが、算出部２１は、算出した熱伝導率ｋを液晶画面などに表示する機能を有していても好適である。

（熱伝導率測定装置による測定方法）
次に、熱伝導率測定装置による測定方法について説明する。

図３は、本発明の実施の形態１における測定ユニットの構成を示す説明図である。

測定ユニットは、塗布面に熱的接合材４が塗布された第１プレート２と、第１プレート２の塗布面と対向して第１プレート２と共に熱的接合材４を挟む第２プレート３を有する。更に、必要に応じて把持板８を備える。

図３では、測定ユニットが構成される状態を順々に表している。

まず、図３（ａ）に示されるように、第１プレート２が用意される。次に図３（ｂ）に示されるように、第１プレート２の塗布面に熱的接合材４が塗布される。次に、図３（ｃ）に示されるように、熱的接合材４の両端に把持板８が設置される。最後に図３（ｄ）に示されるように、第２プレート３が第１プレート２に対向するように設置されて圧力をかけて熱的接合材４が挟まれる。

このような手順で、測定ユニットが構成される。測定ユニットには、図１、２に示されるように加熱部１０、冷却部１１、熱電対５、６、温度測定部７、算出部２１が接続されて、熱的接合材４の熱伝導率ｋが測定される。

熱伝導率ｋの測定方法について図４を用いて説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における熱伝導率測定方法を説明するフローチャートである。

まずステップＳＴ１にて、測定ユニットを設置する。測定ユニットは図３で説明されたものである。ついで、ステップＳＴ２にて、第１プレート２の所定部位を加熱する。加熱においては、加熱部１０が用いられればよい。加熱によって、第１プレート２には熱が与えられる。

次に、ステップＳＴ３にて、第２プレートの所定部位が冷却される。冷却にかかわる所定部位は、加熱にかかわる所定部位と異なる位置にあり、好適には逆側の位置にある。次に、ステップＳＴ４にて、第１位置と第２位置の温度差ΔＴを測定する。ここで、第１位置および第２位置は、第２プレート３表面の面方向おける異なる位置に存在する。更に、第２プレート３が長手方向と短手方向を有する場合には、第１位置は第２プレートの中心から長手方向左側の１０ｍｍ幅の領域に存在し、第２位置は第２プレートの中心から長手方向右側の１０ｍｍ幅の領域に存在する。

ステップＳＴ４では、第１位置の第１温度と第２位置の第２温度が測定されて、第１温度と第２温度の差分が、温度差ΔＴとして測定される。

ついで、ステップＳＴ５にて、温度差ΔＴを、所定の算出式に代入する。ここで算出式は（数１）である。例えば、算出部２１に含まれるプログラムが、（数１）の計算を実行する。

最後にステップＳＴ６にて、熱伝導率ｋが算出される。

このような一連の流れにより、熱的接合材４の熱伝導率ｋが測定される。

これらは、装置に組みこかれたプログラムにより自動で実施されても良く、ステップの一部が手作業で行われても良い。

また、温度差ΔＴは、第２プレート３の面方向（すなわち熱的接合材４の面方向）の温度差であるので、測定が容易となる大きな値となりやすい。このため、測定される温度差ΔＴは、精度が高く、温度差ΔＴに基づいて算出される熱伝導率ｋの精度も高い。

また、温度差ΔＴの値が大きいことで、熱電対などの安価な部材で温度差を測定できるので、熱伝導率測定装置が低コストで実現できる。

以上のように、実施の形態１における熱伝導率測定装置および熱伝導率測定方法によれば、低コストでありながら高い精度で熱的接合材の熱伝導率ｋを測定できる。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。

図１に示されるように、第１プレート２および第１プレート３のそれぞれは、熱的接合材４が塗布される面に金属めっき９が施されている。

この金属めっき９の金属素材は、熱的接合材が使用される発熱体や冷却装置の金属素材と同じであることが好適である。

熱的接合材が実際に発熱体や冷却装置などに使用される場合には、発熱体や冷却装置の表面の金属素材の影響を受ける。このため、熱的接合材が発熱体から冷却装置への熱伝導における影響がある。例えば界面抵抗による影響である。

このような影響のため、熱的接合材４の熱伝導率ｋが正確に測定されたとしても、金属素材の影響が考慮されていないままでは、実際の使用において不十分である。

第１プレート２および第２プレート３の塗布面の金属めっき９は、このような実際上の使用時における影響を加味できる。

この理由からも、金属めっき９は、実際に使用される発熱体や冷却装置の金属素材と同一であることが好ましい。例えば、使用される冷却装置が銅であれば、金属めっき９も銅であることが好ましく、使用される冷却装置がアルミニウムであれば、金属めっき９もアルミニウムであることが好ましい。なお、アルミニウムのめっきが困難であれば、アルミニウムに近い特性を有する金属素材でのめっきが施されてもよい。

本発明の実施の形態２における熱伝導率測定装置によれば、熱的接合材が実際に使用される状況を考慮した、最適な熱伝導率の測定ができる。

（実施の形態３）
次に実施の形態３について説明する。

図１に示される熱伝導率測定装置１の要素は、筐体に格納される。

特に、図１で示される要素の内、温度測定部７以外の要素が筐体に格納される。

筐体は、略真空状態にすることが可能である。筐体内部には、第１プレート２、第２プレート３、第１プレート２と第２プレート３に挟まれた熱的接合材４、加熱部１０、冷却部１１、熱電対５，６が格納され、測定時には筐体内部が略真空状態にされる。

真空状態にされることで、第１プレート２および第２プレート３の表面温度と熱的接合材４の温度が略同一となる。このため、実際に測定しているのが第２プレート３の表面温度であっても、熱的接合材４の温度を測定していることと同義となる。

真空状態は、筐体に接続された真空ポンプで実現される。

このような熱伝導率測定装置により、熱伝導率が測定される。また、筐体内部は略真空状態にされ、精度の高い熱伝導率の測定が実現できる。

第１プレート２、第２プレート３、熱的接合材４、熱電対５、６、加熱部１０、冷却部１１が真空状態にされることで、加熱部１０から第１プレート２に与えられる熱流束にロスがなくなる。加熱部１０から第１プレート２に与えられる熱流束にロスが生じると、熱伝導率の算出誤差の原因となりうる。真空状態であれば、加熱部１０が直接接している第１プレート２に熱流束が伝導するので、与える予定である熱流束の値（これが熱伝導率を算出する数１に代入される）と、実際に第１プレート２に与えられた熱流束の値との乖離が微小となり、数１により算出される熱伝導率の精度は高い。

加えて、実施の形態１〜３では、第１プレート２もしくは第２プレート３での温度差を、第１プレート２と第２プレート３で挟まれた熱的接合材４の温度差とみなしている。真空状態であれば、第１プレート２、熱的接合材４、第２プレート３の順序で伝導する熱において、空気中へ放熱される（ロスされる）熱が微小となるので、プレートと熱的接合材４との温度変化の乖離は非常に小さい。言い換えると、プレートでの温度変化と熱的接合材４での温度変化は、非常に高い相関性を有している。

このため、第１プレート２および第２プレート３の少なくとも一方の表面における第１位置と第２位置の温度差を測定することが、熱的接合材４の面方向の温度差を測定することに置き換えられる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。

実施の形態４では、実際に発明者が行った実験について説明する。

（実験１）
実験１は、加熱部１０から所定ワット数の熱量を与えることで、所定の熱流束を与えたものとみなした実験である。図５は、実験１のシステムを示す模式図である。

第１プレート２と第２プレート３の間に測定対象の熱的接合材４をはさみ、加熱部１０から１．０Ｗ（熱流束ｑに換算すると９．０９ｘ１０^−５Ｗ／ｍ^２）の熱量を、第１プレート２に加熱する。第２プレート３には冷却部１１が備えられており、冷却部１１の冷却効果により、挟まれている熱的接合材４の平面方向に熱が伝導する。なお、実験１では、第１プレート２と第２プレート３の熱的接合材４に対向する面に、銅めっきが施されている。このような熱伝導率測定装置を用いて、第２プレート３の表面の異なる２箇所に熱電対を設置して、その温度差を測定した。

なお、ここでは熱的接合材の熱伝導率が既知のものを用いて測定し、本発明の熱伝導率測定装置により、熱伝導率が測定可能（あるいは測定容易）であるかを照明するための実験が行われている。

図６は、図５の実験条件に基づく実験結果である。図５に示される実験条件において、熱的接合材４の熱伝導率が「１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）」の場合と、「２Ｗ／（ｍ・Ｋ）」の場合とが測定された。図６に示されるとおり、第２プレート３表面における異なる２箇所において、熱伝導率が「２Ｗ／（ｍ・Ｋ）」程度の熱的接合材であっても、熱伝導率が「１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）」という非常に高性能な熱的接合材であっても、十分な大きさの温度差が測定されている。すなわち、従来技術と異なり、熱伝導率の高い熱的接合材であっても、温度差ΔＴを大きく測定することができる。

このため（数１）に示される式に代入するΔＴの値は、計算精度を確保するに十分な大きさであるので、熱的接合材の熱伝導率を高い精度で測定できることが証明された。

図７に、熱伝導率の異なる複数種類の熱的接合材４について温度差ΔＴを測定した結果をフィッティングしたグラフを示す。図７は、本発明の実験１における実験結果を示すグラフである。図７のグラフに示されるとおり、熱伝導率の違いに係らずほぼ比例直線状になる。図７では、熱伝導率が既知の熱的接合材４に対して温度差ΔＴを計測した結果をフィッティングしているが、このような比例直線状となることから、温度差ΔＴが測定されれば、（数１）や図７のグラフへの代入が行われれば、熱伝導率が算出できることになる。

以上のように実験１から明らかな通り、本発明の熱伝導率測定装置（熱伝導率測定方法）によって、十分な値を有する温度差ΔＴを基に、熱的接合材の熱伝導率が測定できることが分かる。

（実験２）
次に、実験２について説明する。

実験１は、加熱部１０より与えた熱流束ｑが既知の場合であるが、熱流束ｑが算出できない場合もある。このような場合には、（１）既知の熱伝導率を有する熱的接合材について温度差ΔＴと熱的接合材の体積平均化した熱伝導率との関係から校正式を算出する、（２）熱伝導率が未知の熱的接合材について温度差を測定し、（１）で算出された校正式に代入して熱伝導率を算出する、との測定が考えられる。実験２は、このような校正式を用いて熱伝導率の正確な算出が可能であるかを示す。

（手順１）
まず、熱伝導率が、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、９Ｗ／（ｍ・Ｋ）の３種類の熱的接合材のそれぞれについて、実施の形態１で説明された熱伝導率測定装置１を用いて第２プレート３における温度差ΔＴを測定した。

この測定より、熱的接合材の熱伝導率が大きくなるにつれて、温度差が小さくなる傾向が確認された。図８は、熱伝導率と温度差との関係を示す表す説明図であり、この傾向が示されている。

（手順２）
このような傾向を用いて、（数２）に示される校正式が導出された。

数２は、縦軸に体積平均化した熱伝導率を、横軸に温度差をとったグラフに基づいて算出された。縦軸に体積平均化した熱伝導率を、横軸に温度差をとったグラフでは、ほぼ比例直線状となり、相関係数が値「０．９９２」というほぼ値「１」に近い値を示した。この結果、数２は、温度差のみから（すなわち、熱流束ｑが分からない場合であっても）熱伝導率ｋを算出できる。

（手順３）
次に熱伝導率が既知である熱的接合材を用いて温度差を測定する。このとき、加熱された熱流速ｑは不明である。温度差を数２に代入することで、熱伝導率が測定できる。

このように、熱流束ｑが不明な場合には、校正式である数２を用いることで、正確な熱伝導率が測定できることがわかる。この場合であっても、温度差が大きな値として測定できるので、熱伝導率の測定結果の精度が高くなる。

（実施の形態５）
次に実施の形態５について説明する。

実施の形態５では、熱伝導率が測定された熱的接合材の用途について説明する。

図９は、本発明の実施の形態５における電子部品に実装された冷却装置の側面図である。

図９では、電気的発熱を有する電子部品５０（発熱体である）に、熱的接合材５２（実施の形態１〜４のいずれかの手段で熱伝導率が測定されている）を介してヒートシンク５１が設置されている。ヒートシンク５１の受熱面５５は、熱的接合材５２を介して電子部品５０の表面と接している。

ここで、図９に示されるとおり、発熱体である電子部品５０の表面は、ヒートシンク５１の受熱面５５に直接的には接していない。金属表面同士では、熱伝導（電子部品５０からヒートシンク５１への熱伝導）の効率が悪い。金属表面の凸凹や、金属から金属への熱伝導の困難性などによる。このため、熱的接合材５２を介して電子部品５０の表面とヒートシンク５１の受熱面が接する。熱的接合材５２は、金属表面同士の凸凹の間にも入り込む上、金属とは異種物質であるので、電子部品５０からの熱を効率よく、ヒートシンク５１に伝導する。

電子部品５０の熱は、まず熱的接合材５２に伝導する。熱的接合材５２は、電子部品５０からの熱を厚み方向および面方向に伝導させてヒートシンク５１に伝導する。ヒートシンク５１は、受熱面５５から受けた熱を、基体５３からフィン５４に伝導させて、大気中に放熱する。

発熱体である電子部品５０の発する熱は、このように熱的接合材５２を介して、ヒートシンク５１から放熱される。

以上のように、熱的接合材５２が使用されることで、電子部品５０からの熱が効率よくヒートシンク５１に伝導される。このとき、熱的接合材５２の熱伝導率に従って、電子部品５０からの熱がヒートシンク５１に伝わる。熱伝導率が高ければ、電子部品５０の熱は高速にヒートシンク５１に伝わる。このため、電子部品５０の発熱量や最大温度に対して、ヒートシンク５１の形状、大きさ、性能を選択する際には、熱的接合材５２の熱伝導率が重要なパラメータとなる。例えば、熱的接合材５２の熱伝導率が高い場合と低い場合とでは、ヒートシンク５１に要求される面積や大きさが変わりうるからである。

この点からも、実施の形態１〜４で説明したように、熱的接合材５２の熱伝導率が高い精度で測定されることが重要である。

なお、図９では、電子部品５０にヒートシンク５１が設置された場合を示しているが、電子部品５０とヒートシンク５１の間に、封入冷媒で冷却するヒートパイプが介在していても良い。この場合には、電子部品５０とヒートパイプとの間に熱的接合材が塗布されると共に、ヒートパイプとヒートシンク５１との間に熱的接合材が塗布される。

このように、熱的接合材は、熱を効率よく伝導させたい境界において、様々に使用される。

勿論、熱的接合材は、ヒートシンク、ヒートパイプ、電子部品などの様々な組み合わせにおける接合部分に幅広く使用される。このとき、使用される熱的接合材の正確な熱伝導率が、熱伝導率測定装置１で測定されていることで、ユーザにとって簡便である。

以上説明した熱的接合材は、電子部品、半導体集積回路、パワーデバイスなどを冷却するヒートシンクやヒートパイプの設置時に好適に使用できる。

なお、本発明の熱伝導率測定装置は、少なくとも５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好適には１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する熱的接合材を測定対象とする場合に、他の測定装置に比較した高い効果を発揮しやすい。これは従来の技術における測定装置が、垂直方向の温度差に基づくので高い熱伝導率を有する熱的接合材の測定に不向きであった。これに対して、本発明の熱伝導率測定装置は、面方向の温度差に基づいて熱伝導率を測定するので、高い熱伝導率を有する熱的接合材の測定に好適に適応する（熱伝導率が高い場合には、垂直方向の温度差が小さくなるので）。このため、本発明の熱伝導率測定装置は、熱伝導率の小さな熱的接合材から熱伝導率の大きな熱的接合材までの広い範囲での、熱伝導率の測定が可能であるが、熱伝導率の高い熱的接合材の測定で、従来技術に比べて高い優位性を発揮できる。

勿論、測定できる熱伝導率の範囲を限定するものではない。

（ａ） 本発明の実施の形態１における熱伝導率測定装置の側面図 （ｂ） 図１（ａ）を上から見た上面図 本発明の実施の形態１における熱伝導率測定装置の側面図 本発明の実施の形態１における測定ユニットの構成を示す説明図 本発明の実施の形態１における熱伝導率測定方法を説明するフローチャート 実験１のシステムを示す模式図 図５の実験条件に基づく実験結果 本発明の実験１における実験結果を示すグラフ 熱伝導率と温度差との関係を示す表す説明図 本発明の実施の形態５における電子部品に実装された冷却装置の側面図

符号の説明

１ 熱伝導率測定装置
２ 第１プレート
３ 第２プレート
４ 熱的接合材
５、６ 熱電対
７ 温度測定部
８ 把持板
９ 金属めっき
１０ 加熱部
１１ 冷却部

Claims (14)

1. 塗布面に熱的接合材が塗布された第１プレートと、
   前記塗布面と対向して前記第１プレートと共に前記熱的接合材を挟む第２プレートと、
   前記第１プレートの所定部位に設置された加熱部と、
   前記第２プレートの所定部位であって、前記加熱部の対向部位と異なる所定部位に設置された冷却部と、
   前記第１プレートおよび前記第２プレートの少なくとも一方の表面における第１位置および第２位置の温度を測定する温度測定部を備え、
   前記温度測定部は、前記第１位置と前記第２位置の温度差を測定する熱的接合材の熱伝導率測定装置。
2. 前記第１位置および前記第２位置のそれぞれは、前記第１プレートおよび前記第２プレートの少なくとも一方の表面における面方向において異なる位置にあり、
   前記第１位置と前記第２位置の温度差は、前記熱的接合材の面方向の温度差を表す請求項１記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
3. 前記第１プレートおよび前記第２プレートのそれぞれは、長手方向と短手方向を有し、
   前記第１位置および前記第２位置のそれぞれは、前記第１プレートおよび前記第２プレートの中心線から、長手方向左右にそれぞれ１０ｍｍ幅の領域内に位置する請求項１から２のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
4. 前記温度測定部は、複数の温度検出デバイスを有し、
   前記複数の温度検出デバイスの内、前記第１のプレートおよび前記第２のプレートの中心線の左右のそれぞれに少なくとも一つ以上の前記温度検出デバイスが接続されている請求項１から３のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
5. 前記複数の温度検出デバイスは、前記第２プレートの表面に設置されている請求項４記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
6. 前記第１プレートおよび前記第２プレートは、前記熱的接合材を挟む面に金属めっきが施され、
   前記金属めっきの金属素材は、前記熱的接合材が使用される冷却装置の金属素材と同じである請求項１から５のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
7. 前記第１プレートおよび前記第２プレートに挟まれると共に前記熱的接合材の両端のそれぞれに、把持板を更に備える請求項１から６のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
8. 前記温度差の値を、所定の算出式に代入することで、熱的接合材の熱伝導率を算出する算出部を更に備える、請求項１から８のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
9. 前記所定の算出式は、
   ｋ ＝ ｑｘ（δ／ΔＴ） （ｋ：熱伝導率、ｑ：熱流束、δ：熱的接合材の厚み、ΔＴ：温度差）
   である請求項８記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
10. 請求項１から９のいずれか記載の要素を格納する筐体を更に有し、前記筐体内部は、略真空状態にできる請求項１から９のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定装置。
11. 塗布面に熱的接合材が塗布された第１プレートと、
    前記塗布面と対向して前記第１プレートと共に前記熱的接合材を挟む第２プレートを有する測定ユニットを設置し、
    前記第１プレートの所定部位を加熱し、
    前記第２プレートの所定部位であって、加熱される所定部位の対向位置と異なる所定部位を冷却し、
    前記第１プレートおよび前記第２プレートの少なくとも一方における面方向の温度差を測定する熱的接合材の熱伝導率測定方法。
12. 前記第１プレートおよび前記第２プレートの少なくとも一方における第１位置での第１温度と前記第１位置と異なる第２位置での第２温度を測定し、
    前記第１温度と前記第２温度の差分を前記温度差として測定し、
    前記第１位置および前記第２位置は、前記第１プレートおよび前記第２プレートの面方向において異なる位置に存在する請求項１１記載の熱的接合材の熱伝導率測定方法。
13. 前記第１プレートおよび前記第２プレートのそれぞれは、短手方向と長手方向を有し、
    前記第１位置は、前記第１プレートもしくは前記第２プレートの中心線から長手方向右側の１０ｍｍ幅の領域内に存在し、
    前記第２位置は、前記第１プレートもしくは前記第２プレートの中心線から長手方向左側の１０ｍｍ幅の領域内に存在する請求項１２記載の熱的接合材の熱伝導率測定方法。
14. 前記温度差を、所定の算出式に代入することで、熱的接合材の熱伝導率を算出する、請求項１１から１３のいずれか記載の熱的接合材の熱伝導率測定方法。