(57)【要約】【課題】高熱伝導率を有し、放熱性能に優れた放熱部品を安価に提供すること。【解決手段】基板と、該基板の両面または片面に形成されたＺnまたはＺn合金を主成分とする表面層と、該表面層から外側に向かって成長しているＺnＯ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部品により、上記課題が解決される。Ｚn合金は、Ｃu、Ｂi、Ｓn、Ｃd、Ｎiの少なくとも一種を含むものであることが好ましい。また、基板は、金属または合金からなり、２５℃における熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の両面または片面に形成されたＺnまたはＺn合金を主成分とする表面層と、
該表面層から外側に向かって成長しているＺnＯ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部品。
【請求項２】
前記Ｚn合金が、Ｃu、Ｂi、Ｓn、Ｃd、Ｎiの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１の放熱部品。
【請求項３】
前記基板が、金属または合金からなり、該基板の表面層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に記載の放熱部品。
【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部品。
【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またはＡl合金からな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部品。
【請求項６】
前記ＺnＯ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部品。
【請求項７】
前記ＺnＯ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に記載の放熱部品。
【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部品。
【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部品。
【請求項１０】
前記ＺnＯウィスカー層の内部に樹脂成分を含浸させた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部品。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一に記載の放熱部品の製造方法であって、
基板と、該基板の両面または片面に形成されたＺnまたはＺn合金層からなる表面層を持つ基板を、
酸素原子を含むガス中で、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部品の製造方法。
【請求項１２】
前記Ｚn合金が、Ｃu、Ｂi、Ｓn、Ｃd、Ｎiの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１１に記載の放熱部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱抵抗の低い放熱部品および、放熱部品の製造方法に関する。更に詳しくは、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部品と、その製造方法に関する。
【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号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決すべく、熱伝導率が高く、放熱性能に優れた放熱部品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】
本発明者らは、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れており、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、金属Ｚnを加熱、溶融させてＺn蒸気を発生させ、これを酸素原子を含むガスと反応させることで上記の目的を達成できるＺnＯ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】
すなわち、本発明は以下の構成を有する。
（１）基板と、該基板の両面または片面に形成されたＺnまたはＺn合金を主成分とする表面層と、該表面層から外側に向かって成長しているＺnＯ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部品。
（２）前記Ｚn合金が、Ｃu、Ｂi、Ｓn、Ｃd、Ｎiの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１の放熱部品。
（３）前記基板が、金属または合金からなり、該基板の表面層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上記（１）又は（２）に記載の放熱部品。
（４）２５℃における前記基板の伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱部品。
（５）前記基板がＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、ダイヤモンド、Ｃu、Ｃu合金、ＡlまたはＡl合金からなることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱部品。
【００１３】
（６）前記ＺnＯウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の放熱部品。
（７）前記ＺnＯウィスカー層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする上記（６）に記載の放熱部品。
（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であることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の放熱部品。
（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上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の放熱部品。
（１０）前記ＺnＯウィスカー層の内部に樹脂成分を含浸させたことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれか一に記載の放熱部品。
【００１４】
（１１）上記（１）〜（９）のいずれか一に記載の放熱部品の製造方法であって、基板と、該基板の両面または片面に形成されたＺnまたはＺn合金層からなる表面層を持つ基板を、酸素原子を含むガス中で、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部品の製造方法。
（１２）前記Ｚn合金が、Ｃu、Ｂi、Ｓn、Ｃd、Ｎiの少なくとも一種を含むことを特徴とする上記（１１）に記載の放熱部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、高熱伝導率で放熱性能に優れた放熱部品を安価に提供することが可能となる。また、本発明品は、安価なアルミニウムや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、ヒートパイプとして有望である。グリースを併用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】
【００１６】
【図１】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】
【００１７】
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Ｚn又はＺn合金からなる表面層と、微細なＺnＯウィスカーからなる層とを有し、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部品である。
【００１８】
前記ＺnＯウィスカー層は、基板の片面のみに形成されていてもよいし、両面に形成されていても良い。本発明に係る放熱部品を発熱体と冷却体の間に挟んで使用する場合には、前記基板の両面にウィスカー層が形成されていることが好ましい。
また、前記基板として、ヒートパイプ、ヒートシンク等の冷却体の表面を使用する場合や、ＣＰＵパッケージの筐体表面等の発熱体の表面を使用する場合には、片面側のみに形成することとなる。この場合にはウィスカー層を形成する面の全面にウィスカー層を形成してもよいし、相手材と接触する部分等、一部分のみに形成しても構わない。
【００１９】
ＺnＯウィスカーは、周知のごとく微細な髭状構造をした結晶である。このため、該ＺnＯウィスカーが無数に集合しているＺnＯウィスカー層を基板表面に有する本発明の放熱部品は、相手材への放熱性能に優れたものとなる。これは、微細なＺnＯ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接触するためである。このような接触熱抵抗を低下させる機能を発揮させるためには、ＺnＯ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。しかし、厳密に針状で垂直に形成されている必要はなく、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ているものが混ざっていても、ＺnＯウィスカーが集合していることにより、当該機能を発揮することが可能である。
【００２０】
この発明に従った放熱部品は、基板と、該基板表面上に形成されたＺn層と、該Ｚn層から成長しているＺnＯウィスカーからなる層とを備え、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Ｚnからなる表面層である基板を、酸素原子を含むガス中に配置して、表面層の融点（Ｔｓ）以上であって基板の融点（Ｔｂ）よりも低い温度で加熱することにより基板表面にＺnＯウィスカーを形成することができる。表面層のＺnは純Ｚnでなくても構わず、Ｚn合金でもよい。
【００２１】
本プロセスにおいてＺnＯウィスカーが生成する際、Ｚnが溶融することで高いＺn蒸気圧が得られ、発生したＺn蒸気と酸素成分が反応して、効率よくＺnＯウィスカーが生成する。ウィスカーは基板表面から外側にむかって延びるように成長する。ＺnＯは低温で成長した場合でも結晶性が高く熱伝導率の高いウィスカーが得られるやすいことが知られている。
基板表面にＺnまたはＺn合金を主成分とする表面層の形成方法は問わない。例えば、溶融亜鉛めっきで形成してもいいし、めっきなどで形成してもいい。
【００２２】
本発明に係る放熱部品の製造方法は、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ＺnＯウィスカー層を形成できるのである。
加熱温度が高いほどＺnの蒸気圧が高くなりＺnＯウィスカーが生じやすくなる。一方で、加熱温度を上げすぎて基板の融点（Ｔｂ）に近くなると、基板が変形を起こす可能性がある。このため、加熱温度Ｔは、Ｔｂ−４０≧Ｔ≧Ｔｓ＋１０を満足することが好ましい。
【００２３】
前記表面層としては、Ｚn合金として、Ｃu、Ｂi、Ｓn、Ｃd、Ｎiの少なくとも一種を含むと好ましい。溶融したＺn系合金の表面には、酸化膜であるＺnＯが薄く形成されている。ＺnＯウィスカーが成長するためには、Ｚn蒸気は酸化膜を打ち破って外部に放出される必要がある。これらの元素を添加すると酸化膜を打ち破る効果が高くなり、ＺnＯウィスカーが成長しやすくなる。添加量はＺnに対して０．５〜２wt％程度入っていると効果が出る。上限を超えても構わないが効果が飽和する。特にＳnの添加が好ましい。
また、これらの元素の添加量を調整すると合金の融点や相手材との濡れ性を制御することもできる。例えば、Ｓnを添加すると融点が低下するので、ウィスカー形成温度を低下させることができるし、Ｃuを添加するとＣu基板との濡れ性が増大する。
【００２４】
本製造方法に用いる酸素原子含有ガスの種類は特に限定されない。たとえば、大気でもよく、ＣＯ、ＣＯ2でも構わない。これらのガスを単独で用いてもいいし、窒素やアルゴンなどの不活性ガスをキャリアガスとしてもよい。圧力は大気圧でもいいし、減圧雰囲気でもいい。基板表面に、適度な生成密度で均一にウィスカーを形成するためには、減圧雰囲気であることが好ましい。圧力は酸素濃度によっても変化するので一概に言えないが、０．００１〜０．０１ＭＰaが好ましい。
【００２５】
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。放熱部品としての放熱性能の観点から、２５℃における基板自体の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。この観点から、ＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、ダイヤモンド、Ｃu、Ｃu合金、ＡlまたはＡl合金などの高熱伝導材料を用いることが好ましい。
【００２６】
また、基板として、ヒートシンク、ヒートスプレッダ、ヒートパイプなどの冷却用材料の表面も好ましく用いることができる。冷却用材料の表面にＺnＯウィスカー層を形成した放熱部品とすることにより、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外套材（パッケージ筐体）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。
【００２７】
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Ｚn（Ｚn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、基板表面にめっき法によりＺn（Ｚn合金）をコーティングした時に比べると、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。
【００２８】
本発明に係る放熱部品において、最表面のＺnＯ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、ＺnＯウィスカー層を形成しているＺnＯ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、ＺnＯウィスカー層が均一に相手材に接触するためには、ＺnＯ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。
【００２９】
本発明品は、ＺnＯウィスカー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。グリースの含浸により、相手材との接触性がさらに改善され、熱抵抗も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。
【実施例】
【００３０】
（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＞
基板の両表面に溶融亜鉛めっきでＺn系膜をコーティングした。
＜ＺnＯウィスカー層の形成＞
上記各種基板を、各種酸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。
【００３１】
（２）測定
＜熱抵抗の測定＞
試料を、図１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。
【００３２】
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ
【００３３】
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。
【００３４】
＜結果＞
基板表面にはウィスカーが形成されていた。Ｘ線回折で解析した結果、ＺnＯであることが分かった。各試料の熱抵抗を測定した結果を表１に示す。本発明に係る放熱部品は熱抵抗が小さかった。
【００３５】
【表１】
2010186771.tif 000002
【図１】
2010186771.tif 000003