(57)【要約】【課題】Ｃｕ等の放熱材料との密着性にすぐれ、かつ、放熱効果が高い放熱材料用複合基板、その製造方法及び放熱ユニットを提供する。【解決手段】炭素系基板を化学蒸着装置に装入する工程、前記化学蒸着装置内に反応ガスを導入する工程、前記炭素系基板の表面に金属成分を化学蒸着させて、前記炭素系基板の表面に接合層を形成する工程、を含む複合基板の製造方法において、前記反応ガスは、接合層を構成する金属成分の金属塩化物ガスを２〜１０容量％と残部は水素ガスからなり、前記接合層は、少なくとも前記炭素系基板との界面に金属炭化物が形成されており、前記炭素系材料は、シート状のグラフェンを積層した積層構造体からなることが好ましく、前記接合層を構成する金属成分はＴｉ、ＣｒまたはＺｒであることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系材料からなる基板を化学蒸着装置に装入する工程、
前記化学蒸着装置内に反応ガスを導入する工程、
前記炭素系材料からなる基板の表面に金属成分を化学蒸着させて、前記炭素系材料からなる基板の表面に接合層を形成する工程、を含む複合基板の製造方法において、
前記反応ガスは、接合層を構成する金属成分の金属塩化物ガスを２〜１０容量％と残部は水素ガスからなり、
前記接合層は、少なくとも前記炭素系材料からなる基板との界面に金属炭化物が形成されていることを特徴とする放熱材料用複合基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合層を構成する金属成分はＴｉであり、前記金属塩化物ガスはＴｉＣｌ４ガスであり、炭素系材料からなる基板と接合層との界面にＴｉの炭化物が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱材料用複合基板の製造方法。
【請求項３】
前記接合層を構成する金属成分はＣｒまたはＺｒであり、前記金属塩化物ガスはＣｒＣｌ３ガスまたはＺｒＣｌ４ガスであり、炭素系材料からなる基板と接合層との界面にＣｒの炭化物またはＺｒの炭化物が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱材料用複合基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の炭素系材料からなる基板において、前記炭素系材料が、シート状のグラフェンを積層した積層構造体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放熱材料用複合基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の放熱材料用複合基板において、炭素系材料からなる基板の表面の片面のみ、あるいは両面に、接合層が形成されていることを特徴とする放熱材料用複合基板。
【請求項６】
請求項５に記載の放熱材料用複合基板において、炭素系材料からなる基板の表面の側面の一部あるいは全面に、接合層がさらに形成されていることを特徴とする放熱材料用複合基板。
【請求項７】
請求項５または６に記載の放熱材料用複合基板において、前記炭素系材料からなる基板の熱伝導率が、基板の厚み方向に高熱伝導率を示し、基板の厚み方向と直交する基板面方向の少なくとも１方向に低熱伝導率を示す異方性を有することを特徴とする放熱材料用複合基板。
【請求項８】
請求項５乃至７の何れか一項に記載の放熱材料用複合基板と、放熱器または半導体素子とが前記接合層を介して接合されていることを特徴とする放熱ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素系材料基板の上に接合用材料（以下、接合層）を形成した放熱材料用複合基板および放熱材料用複合基板の製造方法と放熱ユニットに関する。
より詳しくは、グラフェンあるいはグラファイトを含む炭素系材料からなる高熱伝導性基板と他の放熱基板との接合を容易にするために、炭素系材料からなる基板(以下、「炭素系基板」という)に接合層を形成した放熱材料用複合基板及びその製造方法と、前記放熱材料用複合基板の接合層と他の放熱基板とを接合した放熱効果にすぐれた放熱ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンをはじめとした炭素系材料からなる基板は、高熱伝導性かつ軽量であることから、車載向けのパワー半導体素子やその回路周辺からの放熱基板としての応用が期待される。特に近年注目を集める電気自動車への応用を考えた場合、素子の大電流化に伴い放熱効率の向上、車体軽量化を目的とした軽量部材の使用が増加することが予想され、放熱基板としてグラフェンの応用が期待されている。
【０００３】
従来は、放熱基板と半導体素子は半田で接合し、冷却器側には、Ｃｕの放熱基板を利用する場合が一般的であったが、非特許文献１のように放熱基板の一部を高熱伝導性のグラファイトにすることにより、全体の放熱特性の改善を期待できる例が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】大同大学  紀要  ５０巻（２０１４）ｐｐ１３３−１３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
グラフェンをはじめとした炭素系材料を放熱材料として使用するにあたり、他の金属製の放熱部材や半導体素子とを半田などを用いて接合することが必須となるが、炭素系材料と金属材料との化学的親和性が著しく小さいため、直接接合することが困難であった。
【０００６】
本発明の目的の一つは、グラフェンをはじめとした高熱伝導性の炭素系材料と金属材料との接合性を改善するために、炭素系基板に接合層を形成した複合基板の新たな製造方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、前記複合基板の放熱効果及び強度を向上させることであり、炭素系材料がグラフェン又はグラファイトの積層構造体から構成されている場合の、強度の向上及び層間剥離強度を向上させることである。
さらに、本発明の他の目的は、すぐれた放熱効果を発揮する複合基板、放熱ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の特徴は、
炭素系基板を化学蒸着装置に装入する工程、
前記化学蒸着装置内に反応ガスを導入する工程、
前記炭素系基板表面に金属成分を化学蒸着させて前記炭素系基板表面に接合層を形成する工程、
を含む複合基板の製造方法において、
前記反応ガスは、接合層を構成する金属成分の金属塩化物ガスを２〜１０容量％と残部は水素ガスからなり、
前記接合層は、少なくとも前記炭素系基板との界面で金属炭化物を形成している放熱材料用複合基板の製造方法にある。
【０００８】
また、本発明の第２の特徴は、前記複合基板の炭素系基板が、シート状のグラフェンを積層したグラフェン積層構造体で構成されている点にある。
【０００９】
さらに、本発明の第３の特徴は、前記複合基板と、放熱器または半導体素子とが前記接合層を介して接合されている放熱ユニットにある。
【発明の効果】
【００１０】
炭素系材料と金属材料は、一般的に化学親和性が乏しいため、接合が困難であるとされてきたが、本発明によれば、グラフェン、グラファイト等の炭素系材料からなる炭素系基板の表面に、化学蒸着法により接合層を容易に形成することができ、そして、形成された接合層と炭素系基板との少なくとも界面には金属炭化物が生成するため、炭素系基板と接合層との密着性にすぐれた複合基板を得ることができる。
そして、前記複合基板の接合層と、例えばＣｕからなる放熱器または半導体素子を接合した放熱ユニットは、接合強度が高く、かつ、極めて高い放熱効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の複合基板の断面概略模式図の一例を示し、（ａ）は炭素系基板１の表面の両面(上面及び下面)に接合層２を形成したものであり、（ｂ）は炭素系基板１の表面の片面（上面）のみに接合層２を形成したものである。
【図２】本発明の複合基板の断面概略模式図の他の例を示し、（ａ）は炭素系材料からなる基板１の表面の両面(上面及び下面)と側面に接合層２を形成したものであり、（ｂ）は基板１の表面の上面に下部接合層（例えば、基板との界面にＴｉ炭化物が形成されている層）と上部接合層（例えば、Ｔｉ窒化物からなる層）の積層構造からなる接合層２を形成したものである。
【図３】本発明の炭素系材料からなる基板１として、グラフェン積層体を用いた場合の、シート状のグラフェンの積層形態の一例を示すが、図３に図示するように、シート状のグラフェンの積層方向(図中、矢印で示す)が、複合基板の伝熱方向(図中、矢印で示す)に対して直交する方向とほぼ一致していることが好ましい積層形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１の特徴である複合基板の製造方法によれば、化学蒸着法で接合層を形成するに際し、反応ガスとして、接合層を構成する金属成分(例えば、Ｔｉ)の金属塩化物ガス(例えば、ＴｉＣｌ４ガス)と水素ガスのみを使用することによって、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示す金属成分主体の接合層２を形成することができるとともに、炭素系基板１と接合層２の界面に金属炭化物(例えば、ＴｉＣ。図示せず)を形成することができる。
従来、炭素系材料と金属材料の密着性の高い接合は困難であったが、本発明においては、炭素系基板と接合層の界面に金属炭化物を形成することにより、炭素系材料と金属材料の密着性にすぐれた複合基板を得ることができる。
【００１３】
前記接合層を構成する金属成分は、Ｔｉ、Ｃｒ及びＺｒから選ばれる何れか一種の金属成分であることが好ましく、接合層を構成する金属成分がＴｉの場合には、金属塩化物ガスはＴｉＣｌ４ガスであり、接合層を構成する金属成分がＣｒの場合、金属塩化物ガスはＣｒＣｌ３ガスであり、接合層を構成する金属成分がＺｒの場合、金属塩化物ガスはＺｒＣｌ４ガスである。
また、化学蒸着の好ましい蒸着条件は、次のとおりである。
反応ガス組成（容量％）：金属塩化物ガス  ２〜１０％，残部は水素ガス、
反応雰囲気温度：９５０〜１０５０℃、
反応雰囲気圧力：６〜２０ｋＰａ、
反応時間：３０〜２４０分(ただし、形成する接合層の所望厚さによる)
【００１４】
炭素系基板表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等の金属成分を化学蒸着させて接合層を形成すると、炭素系基板表面と接合層間での界面反応により、Ｔｉ炭化物、Ｃｒ炭化物あるいはＺｒ炭化物等の金属炭化物が、前記炭素系基板表面と接合層との界面に生成することにより、炭素系基板と接合層との密着性が向上した複合基板を得ることができる。
特に、前記炭素系基板表面と接合層との界面に形成される金属炭化物が、Ｔｉの炭化物である場合には、基板を構成する炭素系材料であるグラフェンあるいはグラファイトとの親和性が高いことに加え、放熱材料として広く用いられるＣｕとの合金を形成しやすいことから、密着性、密着強度にすぐれた接合層を構成する金属成分としてはＴｉが好ましい。
【００１５】
本発明の前記複合基板において、接合層を形成する基板表面は、炭素系基板の表面の片面のみ、あるいは両面とすることができる(図１（ａ）、（ｂ）参照)。
また、炭素系基板の表面の片面のみ、あるいは両面に接合層を形成するとともに、炭素系基板の表面の側面の一部あるいは全面に、接合層を形成することができる(図２（ａ）参照)。
【００１６】
図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）においては、単層からなる接合層を示しているが、接合層は必ずしも単層である必要はなく、例えば、図２（ｂ）に示されるように複数層の積層構造（例えば、図２（ｂ）では、下部接合層と上部接合層の二層構造）として形成されていても良い。
例えば、炭素系基板に接する接合層(例えば、図２（ｂ）の「下部接合層」)の表面に、窒化物からなる接合層（上部接合層）を形成する場合は、金属塩化物ガスに加えＮ２ガスを含有する反応ガスを用いて蒸着すればよく、また、炭化物からなる接合層（上部接合層）を形成する場合は、例えば、金属塩化物ガスに加えＣＨ４ガスを含有する反応ガスを用いて成膜すればよい。
なお、図２（ｂ）の前記下部接合層は炭素系基板の表面直上に形成されていることから、炭素系基板との界面に金属炭化物が当然に形成されている。
接合層を複数層の積層構造として構成する場合には、炭素系基板に接していない接合層(図２（ｂ）の「上部接合層」参照)は、従来から知られている通常の化学蒸着法により任意の接合層を成膜することができる。
さらに、上部接合層も単層である必要はなく、複数層の積層構造として構成されていてもよい。
ただし、本発明の複合基板を放熱材料として適用する場合には、接合層は、単層構造であるか積層構造であるかにかかわらず、熱伝導性を低下させる接合層の形成を避けなければならないことは当然である。
なお、接合層の厚さ(積層構造からなる接合層の場合には、合計厚さ)は、好ましくは０．１〜１０μｍである。その理由は、厚さが０．１μｍ未満であると十分な密着性が得られず、一方、厚さが１０μｍを超えると、接合層を設けることによる熱伝導の低下が無視できなくなり、放熱特性が低下するためである。
【００１７】
本発明の複合基板は、半導体素子や他の放熱材料と、金属成分主体の接合層を介して密着性にすぐれた状態で容易に接合することが可能となる。
【００１８】
本発明の炭素系基板における炭素系材料は、高熱伝導性を有するシート状のグラフェン又はグラファイトを積層した積層構造体で構成されることが好ましい。
ただ、シート状のグラフェン又はグラファイトを積層した積層構造体は、熱伝導率に異方性があるため、これを放熱材料用基板として用いる場合、所望の放熱(伝熱)方向に応じて、高放熱効果を得るために積層構造体におけるシート状のグラフェン又はグラファイトの積層方向を定める必要がある。
具体的には、炭素系基板の熱伝導率が、基板の厚み方向に高熱伝導率を示し、基板の厚み方向と直交する基板面方向の少なくとも１方向に低熱伝導率を示す異方性を有するように積層構造体の積層方向を定める必要がある。
より具体的には、図３に示す複合基板において、シート状のグラフェン又はグラファイトを積層した積層構造体からなる炭素系基板１は、基板の厚み方向(図３中、「伝熱方向」で示す)に高熱伝導率を示し、基板の厚み方向と直交する基板面方向(図３中、「積層方向」で示す)の少なくとも１方向に低熱伝導率を示す異方性を有することから、図３に示すように積層構造体の積層方向を定める必要がある。
また、図３に示す方向に、シート状のグラフェン又はグラファイトを積層した積層構造体の積層方向を定め、図２（ａ）に示すように炭素系基板の側面にも接合層を形成した場合には、本発明の複合基板は、半導体素子や他の放熱材料との接合の容易性に加え、複合基板としての強度の向上(積層方向に力が作用した場合の剥離強度の向上)を図ることができる。
なお、炭素系基板の厚さは、好ましくは１〜３０ｍｍである。その理由は、１ｍｍ未満であると、薄すぎて十分な放熱能力を有することができず、一方、３０ｍｍを超えると、基板が大型化し過ぎてしまうためである。
【００１９】
本発明の複合基板の接合層を介して放熱器や半導体素子を接合した、放熱ユニットを得ることができるが、放熱器の形状は板状に限定されるものではない。また、放熱器の材質は、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３を例示することができる。
【実施例】
【００２０】
本発明の実施例について説明する。
【００２１】
接合層の形成：
図３に示すような積層方向を有する、シート状のグラフェンを積層した積層構造体からなる厚さ４ｍｍで縦と横が共に１００ｍｍの大きさの炭素系基板１を用意した。
次いで、図１（ｂ）に示されるように炭素系基板１の片面(上面)に、接合層２を形成した。
接合層２としては、ＴｉＣｌ４ガスを反応ガスとして用いた化学蒸着法によって膜厚３．５μｍになるように形成した。
化学蒸着の条件は、次のとおりである。
反応ガス組成(容量％)  ：  ＴｉＣｌ４  ４％、残部Ｈ２、
反応雰囲気温度：１０２０℃、
反応雰囲気圧力：８ｋＰａ、
反応時間      ：１２０分
上記の条件でＴｉを蒸着形成したところ、炭素系基板１の表面に接合層２として層厚３．５μｍのＴｉの炭化物を含む層が生成していることが観察された。
このようにして、炭素系基板１の表面に、Ｔｉの炭化物が含まれる接合層を形成した本発明の複合基板を作製した。
【００２２】
次に、複合基板に形成された接合層（Ｔｉ炭化物を含有）に、厚さ３０ｍｍ、縦と横が共に１００ｍｍの大きさの純銅板を放熱板として接触させ、真空中で３００℃、１０ＭＰａの加圧下で接合することにより、放熱ユニットを作製した。
この放熱ユニットにおいては、複合基板と純銅板からなる放熱板の密着性はすぐれ、かつ、放熱効果も高いものであった。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の複合基板は、他の放熱材料と組み合わせることにより、放熱材料とのすぐれた密着性を有するとともに、すぐれた放熱効果を発揮する放熱ユニットとしての利用が期待される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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