(57)【要約】      （修正有）【課題】強度を保ちながらも、熱源の熱を熱伝導素子の厚み方向に効率的に伝導させることができる異方性熱伝導素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】熱源Ｈから熱を移動させる異方性熱伝導素子１であって、熱源Ｈとの接触面と交差する面に沿ってグラフェンシート２が積層された構造体３と、前記構造体３の周部を被覆する支持部材４を備え、グラフェンシートが積層された構造体を支持部材で被覆する被覆工程と、被覆工程の後にグラフェンシートの積層方向と交差する面に沿って切断する切断工程と、切断工程の後に切断面に表面処理を行なう表面処理工程により製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から熱を移動させる異方性熱伝導素子であって、
熱源との接触面と交差する面に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、前記構造体の周部を被覆する支持部材を備えている異方性熱伝導素子。
【請求項２】
熱源との接触面に金属層が形成されている請求項１記載の異方性熱伝導素子。
【請求項３】
熱源との接触面にセラミック層が形成されている請求項１記載の異方性熱伝導素子。
【請求項４】
前記構造体に樹脂が含浸されている請求項１から３の何れかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項５】
前記構造体は、高配向性熱分解グラファイトである請求項１から４の何れかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項６】
前記構造体は、１５００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する高配向性熱分解グラファイトである請求項５記載の異方性熱伝導素子。
【請求項７】
熱源への取付部が前記支持部材に設けられている請求項１から６の何れかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載された異方性熱伝導素子が組み込まれた電子デバイス。
【請求項９】
グラフェンシートが積層された構造体を支持部材で被覆する被覆工程と、被覆工程の後にグラフェンシートの積層方向と交差する面に沿って切断する切断工程と、切断工程の後に切断面に表面処理を行なう表面処理工程とを含む異方性熱伝導素子の製造方法。
【請求項１０】
前記被覆工程の前に前記構造体に樹脂を含浸させる含浸工程をさらに含む請求項９記載の異方性熱伝導素子の製造方法。
【請求項１１】
前記被覆工程は、グラフェンシートの積層方向に沿って複数の構造体を重畳し、重畳した複数の構造体を一体として支持部材で被覆するように構成されている請求項９または１０記載の異方性熱伝導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異方性熱伝導素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器や電子デバイスから発生する熱を効果的に移動させて放熱する素子として、グラファイトシートやグラファイトフィルムが利用されている。
【０００３】
六員環が共有結合で繋がったグラフェンシートが積層された結晶構造を備え、各グラフェンシートがファンデルワールス力で結合されているグラファイトは、熱源である電子機器や電子デバイスで発生するホットスポットの軽減や、熱源から放熱器へ効率良く熱を伝える熱伝導素子として広く使用されている。
【０００４】
熱伝導素子を用いる場合には、熱源と密に接触させるように取り付ける必要があるが、グラファイトは一般に組成が脆く崩れ易い性質を備えているため、熱源との接触や取付部での締付力等に対する機械的ストレスで破損する虞があったため、通常、グラファイト表面をアルミニウムやＰＥＴ等の樹脂で被覆して使用されているが、被覆部材の厚みが大きいと十分な熱伝導効果が得られないという問題があった。
【０００５】
そこで、特許文献１には、グラファイトの一部に金属を埋め込み、熱源からの受熱部が金属と接触するように構成した熱伝導体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、グラファイトは、面内での熱伝達率が厚み方向の熱伝達率よりも大きい異方性熱伝導素子であり、熱源の熱を面方向に伝達する特性は優れているものの、厚み方向に効率的に熱を伝達することが困難であった。
【０００８】
さらには、グラファイトが、熱源と放熱フィン等の放熱素子との間に配置される場合、それぞれの接合層にシリコーン系やエポキシ系の樹脂材料が接着剤として使用されるが、このような接着剤での熱抵抗による放熱損失も問題となっていた。
【０００９】
本発明の目的は、強度を保ちながらも、熱源の熱を熱伝導素子の厚み方向に効率的に伝導させることができる異方性熱伝導素子及びその製造方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明による異方性熱伝導素子の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、熱源から熱を移動させる異方性熱伝導素子であって、熱源との接触面と交差する面に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、前記構造体の周部を被覆する支持部材を備えている点にある。
【００１１】
上述の構成によれば、構造体が、熱源との接触面と交差する面に沿ってグラフェンシートが積層されるように構成されているため、グラフェンシートが積層された面内での高い熱伝導率を利用して、熱源の熱を熱伝導素子の厚み方向に効率的に伝導させることができるようになる。しかも、構造体の周部が支持部材で被覆されているので、熱源との接触や取付部での締付力等に対する機械的ストレスによる破損を回避することができる。
【００１２】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、第一の特徴構成に加えて、熱源との接触面に金属層が形成されている点にあり、金属層を介して熱源等とはんだ付けが容易に行なえるようになる。
【００１３】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、第一の特徴構成に加えて、熱源との接触面にセラミック層が形成されている点にあり、熱源等と電気的絶縁状態を確保しながら、効率的に熱伝導させることができるようになる。
【００１４】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記構造体に樹脂が含浸されている点にあり、構造体に樹脂を含浸させることにより、構造体の機械的強度をより強くすることができるようになる。
【００１５】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記構造体は、高配向性熱分解グラファイトである点にあり、通常のグラファイトより高い熱伝導性を備えた高配向性熱分解グラファイトを用いることにより、熱伝導効率を飛躍的に上昇させることができるようになる。
【００１６】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、第五の特徴構成に加えて、前記構造体は、１５００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する高配向性熱分解グラファイトである点にある。このような高配向性熱分解グラファイトとして、例えば、米国MINTEQ International Inc.製の商品名ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴを用いることができる。
【００１７】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、熱源への取付部が前記支持部材に設けられている点にあり、支持部材に取付部を設けることにより、構造体の破損を招くことなく熱源に取り付けることができるようになる。
【００１８】
本発明による電子デバイスの特徴構成は、同請求項８に記載した通り、第一から第七の何れかの特徴構成を備えた異方性熱伝導素子が組み込まれた点にある。
【００１９】
本発明による異方性熱伝導素子の製造方法の第一の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、グラフェンシートが積層された構造体を支持部材で被覆する被覆工程と、被覆工程の後にグラフェンシートの積層方向と交差する面に沿って切断する切断工程と、切断工程の後に切断面に表面処理を行なう表面処理工程とを含む点にある。
【００２０】
同第二の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、異方性熱伝導素子の製造方法の第一の特徴構成に加えて、前記被覆工程の前に前記構造体に樹脂を含浸させる含浸工程をさらに含む点にあり、含浸工程によって構造体に樹脂を含浸させることにより、構造体をより強化することができる。
【００２１】
同第二の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、異方性熱伝導素子の製造方法の第一または第二の特徴構成に加えて、前記被覆工程は、グラフェンシートの積層方向に沿って複数の構造体を重畳し、重畳した複数の構造体を一体として支持部材で被覆するように構成されている点にあり、グラフェンシートの積層方向に沿って複数の構造体を重畳させることにより、発熱部との接触面積が大きな異方性熱伝導素子を製造することができるようになる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明した通り、本発明によれば、強度を保ちながらも、熱源の熱を熱伝導素子の厚み方向に効率的に伝導させることができる異方性熱伝導素子及びその製造方法を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による異方性熱伝導素子の説明図
【図２】グラファイトの構造の説明図
【図３】本発明による異方性熱伝導素子の熱伝導方向を示す説明図
【図４】本発明による異方性熱伝導素子の製造方法の説明図
【図５】本発明による異方性熱伝導素子の製造方法の説明図
【図６】本発明による異方性熱伝導素子の組付け方法の一例を示す分解斜視図
【図７】本発明による異方性熱伝導素子の組付け方法の一例を示す断面図
【図８】本発明による異方性熱伝導素子に用いられる高配向性熱分解グラファイトの製造方法の説明図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明による異方性熱伝導素子及びその製造方法を説明する。
【００２５】
図１に示すように、熱源Ｈから熱を移動させる異方性熱伝導素子１は、熱源Ｈとの接触面と交差する面に沿ってグラフェンシート２が積層された構造体３と、構造体３の周部を被覆する支持部材４を備えている。
【００２６】
図２に示すように、構造体３は、六員環が共有結合で繋がったグラフェンシート２が積層された結晶構造を備え、各グラフェンシート２がファンデルワールス力で結合され、０．２５ｍｍから２０ｍｍの厚さで、３００ｍｍ角程度の大きさに構成されている。
【００２７】
構造体３は、グラフェンシート２の面内つまりＸ−Ｙ平面での熱伝導率が、厚さ方向つまりＺ方向への熱伝導率よりも大きな値を示す特性を備えている。
【００２８】
従って、図３に示すように、構造体３を構成するグラフェンシート２のＸ−Ｙ平面が、熱源Ｈとの接触面Ｃと交差好ましくは直交するように配置することにより、Ｘ−Ｙ平面での高い熱伝導率を効率的に活用して熱を構造体３の厚み方向に効率よく伝達することができる異方性熱伝導素子１を構成することができる。
【００２９】
図４に示すように、このような異方性熱伝導素子１は、グラフェンシート２が積層された構造体３を支持部材４の一例である樹脂で被覆する被覆工程と、被覆工程の後にグラフェンシート２の積層方向と交差する面に沿って切断する切断工程と、切断工程の後に切断面に表面処理を行なう表面処理工程を実行することにより製造することができる。
【００３０】
被覆工程では、構造体３の表面が厚さ数ｍｍから数十ｍｍとなるように樹脂Ｒで被覆される。切断工程では、樹脂が固化した後に、ダイヤモンドカッター等を用いて、Ｘ−Ｙ平面に垂直な平面Ｐに沿って、数ｍｍから十数ｍｍに設定された所定ピッチで切断処理される。その結果、図１に示す異方性熱伝導素子１が得られる。
【００３１】
このとき使用される樹脂として、フェノール系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂等の熱硬化性樹脂が好適に選択でき、型枠内の所定位置に構造体３を固定し、熱硬化性樹脂に硬化剤を添加して加熱処理を行なうことにより、構造体３の表面を樹脂Ｒで被覆することができる。尚、これらは一例であり、耐熱温度等を勘案して適宜選択されるものである。
【００３２】
また、熱可塑性樹脂として、汎用エンジニアリングプラスチックであるポリカーボネイト、スーパーエンジニアリングプラスチックであるポリアミドイミド、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、テトラフルオロエチレン等を用いることもできる。
【００３３】
さらに、上述した熱硬化性や熱可塑性樹脂に、無機フィラーや有機修飾したフィラーを複合させ、高耐熱性と寸法安定性を向上させた樹脂を用いることもできる。更に、密着性向上のためアミン系、シリコーン系等を添加した樹脂等を用いることができる。
【００３４】
また、さらに、紫外線硬化型のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂等を用いることも可能であり、特に高温環境下で高い密着性を有するエポキシ樹脂と相性がよい。
【００３５】
指示部材として樹脂以外に金属やセラミック等を用いることもできる。
Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ等の金属により構造体の周部を被覆することも可能である。めっきなどの湿式法、スパッタ等の乾式法の何れかを用いることができる。また、Ｔｉ，Ｃｏ等の、一般的に炭素と馴染み易い金属、または、その成分が含まれている合金等を下地として用いると、密着性を向上させることができるようになる。
【００３６】
アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミ等のセラミックにより、構造体の周部を被覆することも可能である。セラミックをスラリー状にし、構造体の周部を被覆した後、ホットプレス等を行う方法や、スパッタなどの乾式法用いることができる。また、前述したようにグラファイト表面をメタライズ化することで、傾斜機能性を付与し、熱応力の緩和と密着性の向上をさせることもできる。
【００３７】
被覆工程の前に、真空含浸法等を用いて、構造体３に樹脂を含浸させる含浸工程をさらに実行すれば、構造体の機械的強度をより強くすることができる。このとき使用される樹脂は、上述と同様であるが、特にエポキシ樹脂またはフェノール樹脂を用いることが好ましい。
【００３８】
また、図２に示した構造体３の膜厚が薄い場合には、グラフェンシートの積層方向に沿って複数の構造体３を予め重畳し、重畳した複数の構造体３を一体として支持部材４で被覆することにより、発熱部Ｈとの接触面積が大きな異方性熱伝導素子１を製造することができる。
【００３９】
続いて、図５（ａ）に示すように、切断工程後の構造体３の表面を研磨装置３０で研磨する研磨工程を実行して、表面が滑らかになると、図５（ｂ）に示すように、表面に金属層Ｍを形成する成膜工程を実行する。
【００４０】
成膜工程では、構造体３及び支持部材４の表面に活性種となるチタン（Ｔｉ）層５が形成され、その上にニッケル（Ｎｉ）層または銅（Ｃｕ）層６が形成され、さらに金（Ａｕ）層７が形成される。各金属層の膜厚は０．３μｍ前後であることが好ましい。
【００４１】
尚、成膜法として、スパッタ法や蒸着法等の乾式法や、メッキ法等の湿式法の何れかを用いることができる。
【００４２】
構造体３を構成するグラファイトと熱源Ｈを直接ハンダ付けすることができないため、成膜工程で金属層Ｍを形成し、当該金属層Ｍを介して熱源Ｈとハンダ付けするのであるが、このような金属層Ｍを介してハンダ付けすることにより、熱源Ｈと強固に結合させることができる。この場合、金属層Ｍの膜厚は１μｍ前後であるため、熱伝導性を然程損なうことが無い。
【００４３】
また、熱源Ｈと電気的に絶縁した状態で、熱伝導させる必要がある場合には、研磨工程を経た後に、構造体３の表面にアルミナ、炭化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミ等のセラミックを溶射する溶射工程を実行することにより、セラミック層からなる絶縁膜を容易に形成することができる。
【００４４】
溶射工程の前に、プラズマ法やレーザ法等を用いた表面処理を実行し、構造体３の表面を活性化することにより、溶射工程でのセラミックの接着性能を向上させることができる。
【００４５】
用途に応じて、構造体３及び支持部材４の表裏両面に、金属層Ｍやセラミック層を形成することも可能である。支持部材４の耐熱性の観点から構造体３の表面のみのセラミック層を形成してもよい。
【００４６】
つまり、研磨工程、成膜工程、溶射工程の何れかまたは組み合わせた工程によって本発明による表面処理工程が実行される。
【００４７】
さらに、図５（ｃ）に示すように、構造体３の周部を被覆する支持部材４に、熱源Ｈやヒートシンク等への取付部としてのビスまたはボルト孔４ａ等を形成することにより、構造体３の破損を招くことなく熱源Ｈ等に容易に、且つ、強固に取り付けることができるようになる。
【００４８】
尚、構造体３と熱源Ｈとの接触面に接着剤を塗布して接着することも可能である。
【００４９】
図６及び図７には、このようにして製造された異方性熱伝導素子１を用いて熱源Ｈで発生した熱を放熱させる場合の構成の一例が示されている。
【００５０】
セラミック基板１０上に接着固定された熱源Ｈから異方性熱伝導素子１を介して厚み方向に熱伝導させ、異方性熱伝導素子１の背面に配置されたヒートシンク１１で放熱する例である。セラミック基板１０とヒートシンク１１（放熱フィン）の間に異方性熱伝導素子１を挟み、それぞれに形成されたビス孔１０ａ，４ａ，１１ａを介してビス１２とナット１３で固定することにより、セラミック基板１０と異方性熱伝導素子１、異方性熱伝導素子１とヒートシンク１１が密接した状態で強固に固定されている。
【００５１】
尚、図７中、符号８はハンダ層、符号９はセラミック基板１０に形成された金属層である。
【００５２】
このような異方性熱伝導素子１に用いられる構造体３として、高配向性熱分解グラファイトが好適に選択される。通常のグラファイトより高い熱伝導性を備えた高配向性熱分解グラファイトを用いることにより、熱伝導効率を飛躍的に上昇させることができるようになる。特に、１５００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する高配向性熱分解グラファイトを用いることが好ましく、例えば、米国MINTEQ International Inc.製の商品名ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴを用いることができる。
【００５３】
一般に、熱伝導率には、自由電子によるものと格子振動によるものとがあり、ダイヤモンドの高い熱伝導率（１０００〜２０００Ｗ／ｍＫ）は格子振動を介したものであり、グラファイトの熱伝導率は極めて異方的で自由電子と格子振動の双方により、一般にはダイヤモンドの半分以下の値である。
【００５４】
しかし、ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴは、密度２．２２ｇ／ｃｃ、引張強度２８９００ｋＰａ（ａ方向）、弾性率５０ＧＰａ（ａ方向）、曲げ弾性率３３２００ＭＰａ（ａ方向）、熱膨張整数０．６×１０−６／℃（ａ方向），２５×１０−６／℃（ｃ方向）、熱伝導率１７００Ｗ／ｍＫ（ａ方向），７Ｗ／ｍＫ（ｃ方向）、電気抵抗率５．０×１０−４Ωｃｍ（ａ方向），０．６Ωｃｍ（ｃ方向）、酸化開始温度６５０℃（ａ方向）、透過性１０−６ｍｍＨｇの諸特性を備え、特にａ方向の熱伝導率は、一般的な熱拡散材として用いられる銅（Ｃｕ）の約４倍、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化ベリリウム（ＢｅＯ）の約６倍の値を示す極めて熱伝導率の高い材料である。尚、ａ方向とはグラフェンシートの面方向、ｃ方向とは積層方向を示すものである。
【００５５】
密度がグラファイトの理論密度２．３ｇ／ｃｃに近く、弾性率５０ＧＰａ（ａ方向）と大きな値であるため、機械的振動等のストレスがかかると破断し易く、加工が容易ではないのであるが、上述したように、構造体３の周部を被覆する支持部材４により支持されているため、加工時の破断、熱源への取付時の機械的ストレス、取付後の機械的振動に対しても、破断することなく、所期の熱伝導性能を維持することができるようになる。
【００５６】
図８に示すように、ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴは、ＣＶＤ法により製造される。ポンプ２１により真空に引かれたチャンバー２０内に、原料ガスとしてボンベ２２から供給される炭化水素ガスが、ヒータ２３により２０００℃以上に加熱されることにより熱分解され、析出した微細な炭素核Ｃが基盤２４上で結晶化しながら層状に堆積、積層して製造されるのである。
【００５７】
堆積、積層時間を管理することにより、０．２５ｍｍから２０ｍｍの厚さで、３００ｍｍ角程度の大きさの板状の構造体を得ることができる。
【００５８】
上述した異方性熱伝導素子１は、半導体集積回路、パワー半導体、半導体レーザ等の電子デバイス等の熱源Ｈで発生した熱を放熱するために好適に用いることができ、このような熱源Ｈに異方性熱伝導素子１を組み込んだ電子デバイスは、多方面で活用することができる。
【００５９】
特に、近年電子化が著しく進んだ自動車等に用いる場合に、耐振動性が要求される用途にも十分に適用できるものである。
【００６０】
以上説明した異方性熱伝導素子１の構成例、具体的な大きさ、材料、加工方法は例示に過ぎず、本発明の作用効果を奏する範囲で適宜変更設計することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１：異方性熱伝導素子
２：グラフェンシート
３：構造体
４：支持部材
４ａ：取付部
Ｈ：熱源
【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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