(57)【要約】【課題】熱伝導率に優れ、放熱性能の高い放熱構造を安価に提供すること。【解決手段】基板と、該基板の両面又は片面に形成されたＡl又はＡl合金層からなる表面層と、及び該表面層から外側に向かって成長している炭化アルミニウムウィスカー層とを有し、表面層の融点が基板の融点よりも低いことを特徴とする放熱構造により、上記課題が解決される。また、前記融点の差は５０℃以上であることが好ましく、前記基板の２５℃における熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上であることることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の両面又は片面に形成されたＡl又はＡl合金層からなる表面層と、
及び、該表面層から外側に向かって成長している炭化アルミニウムウィスカー層を有し、
表面層の融点が基板の融点よりも低いことを特徴とする放熱構造。
【請求項２】
前記融点の差が５０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
【請求項３】
前記基板が、金属又は合金からなり、該基板の表面層側から反対側に向けて組成が変化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
【請求項４】
２５℃における前記基板の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項５】
前記基板が、ＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、ダイヤモンド、Ｃu、Ｃu合金、Ａl又はＡl合金のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項６】
前記炭化アルミニウムウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項７】
前記炭化アルミニウムウィスカー層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の放熱構造。
【請求項８】
前記基板が、ヒートシンク、ヒートパイプ、又はヒートスプレッダのいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項９】
前記基板が、半導体パッケージの一構成部品であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項１０】
前記炭化アルミニウムウィスカー層の内部に、樹脂成分を含浸させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、基板と、該基板の両面又は片面に形成されたＡl又はＡl合金層からなる表面層とを持つ放熱基板を、炭化水素を含むガス中で、表面層の融点（Ｔｓ）以上、かつ基板の融点（Ｔｂ）よりも低い温度（Ｔ）で加熱することを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項１２】
前記加熱温度（Ｔ）が、Ｔｂ−４０≧Ｔ≧Ｔｓ＋１０を満足することを特徴とする請求項１１に記載の放熱構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱抵抗の低い放熱構造及び該放熱構造の製製造法に関する。更に詳しくは、放熱基板表面に針状の結晶体からなるウィスカー層を有する放熱構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。放熱装置の一つとして簡易でかつ効果的な方法は、発熱源の表面に放熱シートを貼り付けたりグリースを介在させたりして熱抵抗を低下させる方法である。
【０００３】
このような放熱材料は、高い熱伝導率を持つことはもちろんであるが、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく入り込むことにより接触熱抵抗を低くしている。隙間が空いた場合は、そこに熱伝導率の極めて低い空気が介在するために、発熱源との間の接触熱抵抗が大きくなってしまう。
【０００４】
このような凹凸への追従性を持たせるために、一般的には放熱シートとして柔らかい樹脂が用いられる。また樹脂中に高熱伝導率の粒子を分散させたものも知られている。高熱伝導率粒子としては、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ程度あるＡgやＣuなどの金属粒子や、Ａl2Ｏ3、ＡlＮなどのセラミックス粒子が用いられることが多い（例えば特許文献１、２等）。熱伝導率の高いフィラーとしては、カーボンナノチューブもよく知られている。
しかし、従来の高熱伝導率粒子を利用した放熱シートには、樹脂中にこれらの粒子が分散して存在するために高い熱伝導率は得られないという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−００３８２９号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９２６７号公報
【特許文献３】特許第３１８３８４５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みて、熱伝導率に優れ、放熱性能の高い放熱構造を安価に提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者は、上記放熱材料の代わりに金属等の基板表面にカーボンナノチューブからなる層を形成し、カーボンナノチューブ、特にカーボンナノチューブの先端を発熱源の表面に接触させることにより効率よく熱を吸い上げることができる、すなわち、カーボンナノチューブと発熱源との接触熱抵抗を極めて低下させ得ることを見出した。（例えば特願２００７−２７４６１０）。また、発熱源の表面に対してカーボンナノチューブを垂直に接触させることで低い熱抵抗が実現できることも見出されている（特願２００７−３０８２６３）。
【０００８】
カーボンナノチューブの長さ方向の熱伝導率はダイヤモンドに匹敵するとも言わおり、例えば、カーボンナノチューブの先端を発熱体表面に接触させると、微細なカーボンナノチューブの先端が発熱体表面の凹凸部分に極めて良好に接触し、低い熱抵抗が得られる。
【０００９】
基板面に対して垂直に成長したカーボンナノチューブは例えば昇華法と呼ばれる方法で合成できる（詳しくは特許文献３を参照）。すなわち、真空下において、ＳiＣ基板が分解してケイ素原子が失われる温度に加熱すると、ＳiＣが分解して珪素原子が失われる。このとき、ケイ素原子はＳiＣ結晶の表面から順に失われるため、まずＳiＣ結晶の表面がケイ素原子の欠乏した層（炭素層）に変化し、このＳi除去層（炭素層）が次第に元のＳiＣ結晶の内部に浸透するように厚みを増す。この層を顕微鏡で観察すると、カーボンナノチューブがＳiＣ表面から垂直に生成している層であることが知られている。
【００１０】
しかし、昇華法でカーボンナノチューブを合成するためには高温が必要であり、耐熱性の低い金属等の表面に直接カーボンナノチューブを形成することができないし、また、高温用の高価設備も必要とするためコストがかかる。
このような課題を解決し、低コストでカーボンナノチューブのような髭状物質を形成することができると、ヒートシンクやヒートスプレッダ等の冷却デバイス用放熱材料として極めて用途が広がり、電子デバイス全般の放熱材に極めて重要な技術となる。
【００１１】
本発明者は、背景技術及びこれまでの研究により得られた結果の問題点を解決するために更なる鋭意研究を重ねた結果、特定条件でアルミニウムを加熱することによって上記の目的を達成できる炭化アルミニウムウィスカー層を得ることができることを見出した。すなわち、安価な金属基板の表面に、髭状材料を効率よく形成し、低熱抵抗が達成できる方法を見出した。このような発明者の知見に基づいて本発明はなされたものである。
【００１２】
本発明は以下の構成を有することを特徴とする。
（１）本発明に係る放熱構造は、基板と、該基板の両面又は片面に形成されたＡl又はＡl合金層からなる表面層と、及び該表面層から外側に向かって成長している炭化アルミニウムウィスカー層とを有し、表面層の融点が基板の融点よりも低いことを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造であって、前記融点の差が５０℃以上であることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造であって、前記基板が、金属又は合金からなり、該基板の表面層側から反対側に向けて組成が変化していることを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱構造であって、２５℃における前記基板の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記基板が、ＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、ダイヤモンド、Ｃu、Ｃu合金、Ａl又はＡl合金のいずれかであることを特徴とする。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記基板が、ヒートシンク、ヒートパイプ、又はヒートスプレッダのいずれかであることを特徴とする。
（９）上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記基板が、半導体パッケージの一構成部品であることを特徴とする。
（１０）上記（１）〜（９）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層の内部に、樹脂成分を含浸させることを特徴とする。
（１１）本発明に係る放熱構造の製造方法は、上記（１）〜（９）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、基板と、該基板の両面又は片面に形成されたＡl又はＡl合金層からなる表面層とを持つ放熱基板を、炭化水素を含むガス中で、表面層の融点（Ｔｓ）以上、かつ基板の融点（Ｔｂ）よりも低い温度（Ｔ）で加熱することを特徴とする。
（１２）上記（１１）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記加熱温度（Ｔ）が、Ｔｂ−４０≧Ｔ≧Ｔｓ＋１０を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、放熱性にすぐれた放熱構造体を安価に提供することが可能となる。また、本発明品は、安価なアルミやＣu基板からなる放熱性能の高いヒートスプレッダやヒートシンク等に応用する構造として有望である。セラミックスを基板とした場合にはさらに高い放熱性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る放熱構造の製造方法の概略を表す図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）本発明に係る放熱構造の一例の概略を表す図である。
【図３】実施例において使用した熱抵抗を測定する装置の概略を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明品は、セラミックスや金属等の種々の基板、とりわけアルミニウム基板と、その表面に形成された微細な炭化アルミニウムウィスカーからなる層から構成される放熱材料である。
【００１６】
本発明に係る放熱構造は、基板表面に形成されたＡl（Ａl合金）層からなる表面層と、該表面層から外側に向かって成長している炭化アルミニウムウィスカー層とを有し、表面層の融点が基板の融点よりも低いことを特徴とする。
表面層及び炭化アルミニウムウィスカー層は、基板の片面のみに形成されていても良いし、両面に形成されていても良い。本発明に係る放熱構造を、発熱体と冷却体の間に挟んで使用する場合には両面に形成されていることが好ましい。
【００１７】
炭化アルミニウムウィスカーは、周知のごとく微細な髭状構造体である。このため、該炭化アルミニウムウィスカーが無数に集合している炭化アルミニウムウィスカー層を基板表面に有する本発明の放熱構造は、相手材への放熱性能に非常に優れたものとなる。
すなわち、微細な炭化アルミニウムウィスカーの先端が相手材表面の微細な凹凸に入り込んで隙間なく接触するため、接触熱抵抗を低下させることができる。かかる機能を発揮するためには、炭化アルミニウムウィスカーは真っ直ぐな針状で基板表面に対して垂直に形成されていることが好ましいが、必ずしも厳密に垂直である必要はない。所々で折れ曲がっていたり、垂直方向から数度傾いて形成されたりしているものが混ざっていても、炭化アルミニウムウィスカーが集合していることにより、上記機能を発揮することが可能である。
【００１８】
この発明に従った放熱構造体は、基板表面にＡl（Ａl合金）と、該Ａl（Ａl合金）の表面上に形成された炭化アルミニウムウィスカーとを備え、以下の手法により合成される。
すなわち、少なくとも表面がアルミニウムである基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱して基板表面に炭化アルミニウムウィスカーを形成するプロセスにおいて、表面のＡl層を溶融させることにより炭化アルミニウムウィスカーの生成密度が増大し、より熱抵抗を低減させることができることを見出した（図１参照）。
【００１９】
本プロセスにおいて炭化アルミニウムウィスカーが生成する際、Ａlが溶融することで高いＡl蒸気圧が得られ、発生したＡl蒸気と炭化水素ガスが反応して、効率よく炭化アルミニウムウィスカーが生成する。ウィスカーは表面から外側にむかって延びるように成長する。ウィスカーは炭化アルミニウム結晶を主成分とするが非晶質を含む場合がある。
【００２０】
本発明に係る放熱構造体は、表面層の融点（Ｔｓ）が基板の融点（Ｔｂ）よりも低いために、表面層が溶融した状態でも基板は固体のままで形状を維持することができるので、製品形状を損なうことなく炭化アルミニウムウィスカー層を形成できるのである。
融点の差は５０℃以上であることが好ましい。これよりも小さいと、加熱時の温度制御が難しくなる場合もある。また、基板が金属材料の場合は、基板が軟化して変形し、製品形状を損なってしまう場合がある。
加熱温度Ｔが、Ｔｂ−４０≧Ｔ≧Ｔｓ＋１０を満足するとさらに好ましい。加熱温度が高いほどＡlの蒸気圧が高いので炭化アルミニウムウィスカーはより生じやすい。
【００２１】
基板として金属（合金）を採用した場合、加熱温度又は加熱時間にもよるが、表面層のＡl（Ａl合金）が基板を構成する金属（合金）中に拡散する可能性がある。すなわち、基板表面にＣＶＤ法によりＡl（Ａl合金）をコーティングした時点のように、基板と表面層との境界が明確にならない場合がある。この場合には、基板の表面層側から、その反対側に向けて金属の組成が変化していることが特徴となる（図２（ａ））。
また、製造条件（温度・時間等）や選択される基板・表面層の材質によっては、基板表面の表面層の最表層部分が炭化アルミニウムに転化する場合もある（図２（ｂ））。この場合にも、基板に金属を使用していた場合には、表面層の金属が基板に拡散して組成が変化することにより、基板と表面層との境界面がはっきりしない構造となる場合がある（図２（ｃ））。更に、基板に高融点のセラミックス等を基板に使用した場合、表面層全体の炭化アルミニウム化が進んで、表面層として設けた金属の全てが炭化アルミニウムに転化されることもある（図２（ｄ））。
【００２２】
基板の種類は特に問わない。セラミックスでも金属でもよい。放熱構造体としての放熱性能の観点から、基板自体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。なお、熱伝導率は高温状態では温度依存性の定数であるが、室温付近の２５℃において１５０Ｗ／ｍＫの材料を基板として用いることが好ましい。この観点から、ＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、ダイヤモンド、Ｃu、Ｃu合金、Ａl又はＡl合金などの高熱伝導材料を用いることが好ましい。
また、基板がヒートシンク、ヒートスプレッダ、又はヒートパイプなどの冷却用材料であっても好ましく用いることができる。すなわち、該冷却用材料の表面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成した放熱構造体とすることにより、発熱体等の相手材との接触性が改善され、効率よく放熱（冷却）することが可能となる。
また、上記の冷却用材料やデバイスへの応用のみならず、ＣＰＵなどの半導体デバイスのパッケージ材として用いても良いし、その構成物品の一つとしても良い。
【００２３】
本発明に係る放熱構造において、最表面の炭化アルミニウムウィスカーは、相手材表面の微細な凹凸に隙間なく入り込んで接触することにより熱を効率よく伝達する機能を担っている。このため、炭化アルミニウムウィスカー層を形成している炭化アルミニウムウィスカーの長さは重要であり、相手材との良好な接触性を発揮させるためには、相手材の最大表面粗さと同等、又はそれ以上の長さであることが要求される。
また、一般に、ヒートパイプやヒートパイプ、ヒートスプレッダなどの冷却用材料にはその表面にうねりがあり、すなわち平坦度が低い場合がある。このようなうねりに追従して、炭化アルミニウムウィスカー層が均一に相手材に接触するためには、炭化アルミニウムウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることが好ましい。特に、５０μｍを超えると接触性はさらによくなる。
【００２４】
本発明に係る放熱構造は、炭化アルミニウム層が多孔質であるため、層内にグリースなどの熱伝導性樹脂材料を含浸させることができる。グリースの含浸は、相手材との接触性がさらに改善されることにより、熱抵抗がさらに低下するので好ましい。また相手材との接着性を持たせることも可能となる。
【００２５】
本製法に用いる炭化水素含有物質の種類は特に限定されない。たとえば、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、またはこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素は、アルミニウム箔を加熱する工程においてガス状になるので好ましい。さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素である。最も好ましい炭化水素はメタンである。
加熱時間は、加熱温度等にもよるが、一般的には１時間以上１００時間以下の範囲内である。
【実施例】
【００２６】
（１）材料
＜基板＞
１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種基板を用いた。
＜表面層の形成＞
基板の両表面にイオンプレーティング法でアルミニウム膜をコーティングした。
＜炭化アルミニウムウィスカー層の形成＞
上記基板を、各種炭化水素ガスを含む雰囲気で加熱した。加熱後の基板表面にはウィスカーが生成していた。
【００２７】
（２）測定
＜熱抵抗の測定＞
試料を、図３に示す熱抵抗測定装置にセットした。
上部からＡlＮヒータで、１２．９Ｖ、２４０ｍＡで加熱して熱量Ｑを付加した。上下のＣuホルダの各位置の温度を測定し、定常状態になるまで保持した。Ｃuホルダの周囲は断熱材で囲った。サンプルを挟む上下の銅ホルダには熱電対挿入穴が各５点設置されており、これらの位置での温度分布の勾配から、発熱体表面とヒートシンクのフィン先端部の温度を外挿して算出した。面圧は０．２８５ＭＰaとした。
定常状態に達した時の、各Ｃuホルダ内の温度勾配から、試料の表面温度（Ｔ１）と裏面温度（Ｔ２）を外挿して算出した。
【００２８】
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ
【００２９】
一部の試料については、ふたつのＣuホルダの試料との接触側に予め、熱伝導率０．８Ｗ／ｍＫのシリコングリースを１００μｍ塗布しておいた。
【００３０】
＜結果＞
結果を表１に示す。本発明に係る放熱構造体は熱抵抗が小さかった。
【００３１】
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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