(57)【要約】  炭素質複合材ヒート・スプレッダは、該ヒート・スプレッダの約５０体積％よりも多くの量で存在する複数のダイヤモンド・グリット（１４）と、ダイヤモンド・グリットを固結塊で保持する金属マトリックス（１６）とを含む。金属マトリックスは、少なくとも約５０体積％のアルミニウムを含有する。ヒート・スプレッダは、ある量のグラファイト（１２）を含むことができ、その際、複数のダイヤモンド・グリットがグラファイトと実質的に密接に接触し、また金属マトリックスがグラファイトおよびダイヤモンド・グリットを固結塊で保持する。ある量のグラファイトは、少なくとも２つの別個のグラファイト層（１２ａ、１２ｂ）を含むことができ、ダイヤモンド・グリットを、グラファイト層間に配置された層内に配列することができる。
2008532264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素質複合材ヒート・スプレッダであって、
前記ヒート・スプレッダの約５０体積％よりも多くの量で存在する複数のダイヤモンド・グリットと、
前記ダイヤモンド・グリットを固結塊で保持する、少なくとも約５０体積％のアルミニウムを含有する金属マトリックスとを含む前記炭素質複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項２】
ある量のグラファイトをさらに含んでおり、前記複数のダイヤモンド・グリットが前記グラファイトと実質的に密接に接触し、また前記金属マトリックスが前記グラファイトおよび前記ダイヤモンド・グリットを固結塊で保持する、請求項１に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項３】
前記ある量のグラファイトが、少なくとも２つの別個のグラファイト層を含んでおり、
前記ダイヤモンド・グリットが、前記グラファイト層間に配置された層内に配列される、請求項２に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項４】
前記ダイヤモンド・グリットの少なくとも一部が、前記グラファイト層のうちの少なくとも１つに部分的に埋め込まれる、請求項３に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項５】
少なくとも２つのダイヤモンド・グリット層をさらに含んでおり、前記ダイヤモンド・グリット層の一方が、前記ダイヤモンド・グリット層の他方よりも高濃度のダイヤモンド・グリットを有する、請求項３に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項６】
前記ある量のグラファイトが、粉砕されたグラファイト繊維、長グラファイト繊維、チョップド・グラファイト繊維、グラファイト箔、グラファイト・シート、グラファイト・マット、発泡グラファイト、およびそれらの混合物から成る群から選択される形態である、請求項２または３のいずれか一項に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項７】
前記複数のダイヤモンド・グリットの少なくとも一部が、第１のある量のグラファイトと、前記第１のある量のグラファイトとは異なる第２のある量のグラファイトとの間に熱経路を形成する、請求項２または３のいずれか一項に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項８】
前記アルミニウムが、前記グラファイトおよび前記ダイヤモンド・グリットを濡らす、請求項１、２、または３のいずれか一項に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項９】
前記複合材塊が空隙を実質的に含まない、請求項１、２、または３のいずれか一項に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１０】
前記アルミニウムに、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ、およびＡｌ−Ｂｅから成る群から選択される合金が含まれる、請求項１、２、または３のいずれか一項に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１１】
前記金属マトリックスが、前記金属マトリックスの融点を低下させるための元素を含んでおり、前記元素が、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、およびＺｎから成る群から選択される、請求項１、２、または３のいずれか一項に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１２】
炭素質複合材ヒート・スプレッダであって、
熱伝導等方性炭素質材料と混合された熱伝導異方性炭素質材料と、
前記異方性炭素質材料と前記等方性炭素質材料とを固結塊で実質的に保持する非炭素質等方性材料とを含む複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１３】
前記熱伝導異方性炭素質材料がグラファイトを含む、請求項１２に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１４】
前記グラファイトが、粉砕されたグラファイト繊維、長グラファイト繊維、チョップド・グラファイト繊維、グラファイト箔、グラファイト・シート、グラファイト・マット、発泡グラファイト、およびそれらの混合物から成る群から選択される形態である、請求項１３に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１５】
前記熱伝導等方性炭素質材料がダイヤモンドを含む、請求項１２に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１６】
前記非炭素質等方性材料がアルミニウムを含む、請求項１２に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１７】
前記熱伝導等方性炭素質材料が、少なくとも２つの別個の量の熱伝導異方性炭素質材料間に、少なくとも１つの熱経路を形成する、請求項１２に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１８】
前記熱伝導等方性炭素質材料の少なくとも一部が、別個の量の熱伝導異方性炭素質材料に埋め込まれる、請求項１７に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項１９】
前記熱伝導等方性炭素質材料が、前記熱伝導異方性炭素質材料の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する、請求項１２に記載の複合材ヒート・スプレッダ。
【請求項２０】
熱源から熱を取り除く方法であって、
請求項１または１２のいずれか一項に記載のヒート・スプレッダを得ることと、
前記ヒート・スプレッダを前記熱源と熱連通させて設置することを含む方法。
【請求項２１】
複合材グラファイト・ヒート・スプレッダ内の等方性の熱流れをシミュレートする方法であって、
グラファイトによって実質的に妨げられた方向の熱流れをダイヤモンド・グリットが促進するように、複数の前記ダイヤモンド・グリットを前記ヒート・スプレッダ内の前記グラファイトと熱連通させて配置することを含む方法。
【請求項２２】
前記複合材グラファイト・ヒート・スプレッダが、複数のグラファイト部および前記ダイヤモンド・グリットによって溶浸された金属マトリックスをさらに含んでおり、前記金属マトリックスが少なくとも約５０体積％のアルミニウムを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記アルミニウムに、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ、およびＡｌ−Ｂｅから成る群から選択される合金が含まれる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記金属マトリックスが、前記金属マトリックスの融点を低下させるための元素を含んでおり、前記元素が、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、およびＺｎから成る群から選択される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記グラファイトが、粉砕されたグラファイト繊維、長グラファイト繊維、チョップド・グラファイト繊維、グラファイト箔、グラファイト・シート、グラファイト・マット、発泡グラファイト、およびそれらの混合物から成る群から選択される形態である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数のダイヤモンド・グリットの少なくとも一部が、前記複数のグラファイト部のうちの１つに部分的に埋め込まれる、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源から熱を奪い去るまたは吸収するために使用できる、炭素質複合材デバイスおよびシステムに関する。したがって、本発明は、化学、物理学、半導体技術、および材料科学の分野に関わる。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業の進歩は、１９６５年に、当事インテル（Ｉｎｔｅｌ）の共同設立者であったゴードン・ムーア（Ｇｏｒｄｏｎ  Ｍｏｏｒｅ）によって提案された、ムーアの法則（Ｍｏｏｒｅ’ｓ  Ｌａｗ）の傾向に従ってきた。この傾向では、集積回路（ＩＣ）、一般に半導体チップの能力が、１８ヶ月ごとに２倍になる必要がある。ゆえに、従来の中央処理装置上のトランジスタの数は、１億に近づき、それを超えようとしている。
【０００３】
回路のこの高密度化が続くにつれて、様々な設計課題が生じる。見落とされることの多い課題の１つが、熱放散の課題である。ほとんどの場合、この設計段階は、放置され、または装置が生産される間際に考慮事項として追加される。熱力学の第二法則によれば、閉じた系で行われる仕事が多いほど、その系が得るエントロピーが大きくなる。ＣＰＵの電力が増大するにつれて、より多くの電子の流れが、より多量の熱を生み出す。したがって、回路が短絡するまたは焼け切れるのを防ぐために、エントロピー増大の結果生じる熱を取り除かなければならない。
【０００４】
典型的な半導体チップは、ぎっしり詰め込まれた金属導体（例えば、Ａｌ、Ｃｕ）と、セラミック絶縁体（例えば、酸化物、窒化物）とを含む。金属の熱膨張は、通常、セラミックスの５〜１０倍である。チップが６０℃よりも高い温度に加熱されるときには、金属とセラミックスとの間の熱膨張能の不一致が、マイクロクラックを生み出すおそれがある。反復される温度循環は、チップへの損傷を悪化させる傾向にある。その結果、半導体の性能が低下することになる。さらに、温度が９０℃よりも高い温度に達するときには、チップの半導体部分が導体になって、チップの機能が失われることがある。加えて、回路が破損して、半導体をもはや使用できなくすることもある（すなわち、「焼け切れる」）。ゆえに、半導体の性能を維持するには、その温度を約９０℃の閾値レベル未満に保たなければならない。
【０００５】
最新のＣＰＵの一部のものは、１２０ワット（Ｗ）を超える電力を有することがある。金属（例えば、ＡｌまたはＣｕ）フィン型放熱器や水蒸発ヒート・パイプを用いるような現在の熱放散方法は、最近の世代のＣＰＵを十分に冷却するには不十分であることがわかっている。
【０００６】
近年、増加していく熱発生量に対処するために、セラミック・ヒート・スプレッダ（例えば、ＡｌＮ）および金属マトリックス複合材ヒート・スプレッダ（例えば、ＳｉＣ／Ａｌ）が使用されている。しかし、そのような材料は、Ｃｕの熱伝導率を超える熱伝導率を有しておらず、したがって、それらが半導体チップから熱を放散させる能力は、限られている。
【０００７】
他の従来の熱放散方法は、半導体を金属ヒート・シンクと接触させることである。典型的なヒート・シンクは、放熱フィンを含むアルミニウム製である。これらのフィンは、ファンに取り付けられる。チップからの熱は、アルミニウム基部へと流れ、放熱フィンへと伝達され、循環空気によって対流を通じて運び去られる。したがって、ヒート・シンクは、しばしば、熱源から熱を取り除くためにリザーバの役割を果たすよう、高い熱容量をもつように設計される。
【０００８】
別法として、ヒート・シンクと、別個の場所に位置する放熱器との間に、ヒート・パイプを連結することもできる。ヒート・パイプは、真空管内に封じ込められた水蒸気を含む。水分は、ヒート・シンクのところで蒸発され、放熱器のところで凝縮される。凝縮された水は、多孔質媒体（例えば、銅粉）の灯心作用（ｗｉｃｋ  ａｃｔｉｏｎ）によってヒート・シンクへと流れ戻る。したがって、半導体チップの熱は、水を蒸発させることによって運び去られ、放熱器のところで水を凝縮させることによって取り除かれる。
【０００９】
ヒート・パイプおよびヒート・プレートは、非常に効率的に熱を取り除くことができるが、複雑な真空槽とそれらに関係した高度な毛管系が、半導体コンポーネントから直接的に熱を放散させるほど十分に小さい設計を妨げる。その結果、これらの方法は、一般に、より大きな熱源、例えばヒート・シンクからの熱の移動だけに限られている。ゆえに、電子コンポーネントから伝導によって熱を取り除くことは、引き続き存在する当業界の研究領域である。
【００１０】
ヒート・スプレッダでの使用について調査された有望な一代替手段は、ダイヤモンド含有材料である。ダイヤモンドは、他のいかなる材料よりもはるかに速く熱を伝導することができる。ダイヤモンドが熱を蓄えることなく熱源から熱を移動できることは、ダイヤモンドを理想的なヒート・スプレッダにしている。ヒート・シンクとは対照的に、ヒート・スプレッダは、熱を蓄えることなく熱源から熱を急速に奪い去る働きをする。
【００１１】
ダイヤモンドは、ヒート・スプレッダでの使用に魅力的な特性を示すが、特定の領域では問題があることがわかる。例えば、主にダイヤモンドから構成されるヒート・スプレッダは、非常に高価であり、このことは、ＣＰＵの定格電力がますます大きくなるにつれてより関係のあるものとなる考慮事項である。また、ダイヤモンドが非常に低い熱膨張係数を示すので、ダイヤモンド・ヒート・スプレッダを熱源の有効係数と「一致」させることは、しばしば困難である。ヒート・スプレッダおよび熱源の熱膨張係数値の間に大きな相違が存在する場合、ヒート・スプレッダを熱源に確実に結合または連結させることが非常に困難であり、熱源の熱膨張および熱収縮が２者間の結合を弱めるおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、熱源から熱を効果的に奪い去ることのできる費用効果の高いシステムおよびデバイスが、現在行われている研究開発努力を通じて引き続き求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明は、熱源から熱を引き出すまたは奪い去るために使用できる複合材ヒート・スプレッダ（複合材熱拡散機）を提供する。一態様では、炭素質複合材ヒート・スプレッダは、該ヒート・スプレッダの約５０体積％よりも多くの量で存在する複数のダイヤモンド・グリットと、ダイヤモンド・グリットを固結塊（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ  ｍａｓｓ）で保持する、少なくとも５０体積％のアルミニウムを含有する金属マトリックス（金属母体）とを含む。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、複合材ヒート・スプレッダは、ある量のグラファイトを含んでおり、その際、複数のダイヤモンド・グリットがグラファイトと実質的に密接に接触し、また金属マトリックスがグラファイトおよびダイヤモンド・グリットを固結塊で保持する。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、ある量のグラファイトは、少なくとも２つの別個のグラファイト層を含んでおり、ダイヤモンド・グリットは、グラファイト層間に配置された層内に配列される。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、ある量のグラファイトは、粉砕されたグラファイト繊維、長グラファイト繊維、チョップド・グラファイト繊維、グラファイト箔、グラファイト・シート、グラファイト・マット、および発泡グラファイトから成る群から選択される形態である。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、アルミニウムには、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ、およびＡｌ−Ｂｅ、ならびにこれらの混合物から成る群から選択される合金が含まれる。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、金属マトリックスは、該金属マトリックスの融点を低下させるための元素を含んでおり、該元素は、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、およびＺｎから成る群から選択される。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、炭素質複合材ヒート・スプレッダであって、熱伝導等方性炭素質材料と混合された熱伝導異方性炭素質材料と、該異方性炭素質材料と該等方性炭素質材料とを固結塊で実質的に保持する非炭素質等方性材料とを含む、炭素質複合材ヒート・スプレッダが提供される。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、熱源から熱を取り除く方法であって、本明細書で列挙されるヒート・スプレッダを得るまたは提供するステップと、ヒート・スプレッダを熱源と熱連通させて設置するステップとを含む方法が提供される。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、グラファイト・ヒート・スプレッダ内の等方性の熱流れをシミュレートする方法であって、少なくとも２つのある量のグラファイトを金属マトリックス内に配置するステップを含んでおり、それらある量のグラファイトが、金属マトリックスの一部分によって少なくとも部分的に隔てられており；前記方法がさらに、ダイヤモンド・グリットが別個のある量のグラファイト間に金属マトリックスを通り抜ける等方性の熱経路を形成するように、少なくとも１つのダイヤモンド・グリットを別個のある量のグラファイト間に配置するステップとを含む方法が提供される。
【００２２】
このように、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解できるように、また当該技術分野への本発明の貢献をより正当に評価できるように、本発明の様々な特徴をかなり大まかに概説した。本発明の他の特徴は、以下の本発明の詳細な説明を添付の特許請求の範囲と併せて読めばより明らかになり、または本発明の実施によって知ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
添付の諸図が、単に本発明の理解を深める際の例示を目的としたものにすぎないことが理解されよう。さらに、諸図は、一定縮尺では描かれておらず、図示される諸コンポーネントは、他のコンポーネントに対して正確なサイズではないことがある。したがって、寸法、粒子サイズ、および他の態様は、それらの説明をより明確にするために誇張されていることがあり、また、概ね誇張されている。したがって、本発明のヒート・スプレッダを作り出すために、図示した特定の寸法および態様から発展させることができる。
【００２４】
本発明を開示し、記載する前に、本発明が、本明細書に開示の特定の構造、プロセス・ステップ、または材料だけに制限されず、関連分野の技術者に認識されるようなそれらの同等物にまで拡張されることを理解すべきである。また、本明細書で使用される用語が、単に特定の実施形態を説明する目的で使用されるにすぎず、制限を意図したものではないことも理解すべきである。
【００２５】
文脈で明確に指示されない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲の原文で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、ならびに「ｔｈｅ」が、複数の指示対象を包含することに留意しなければならない。ゆえに、例えば、「ダイヤモンド粒子」への言及は、そのような粒子の１つもしくは複数を包含し、「間隙材料」への言及は、そのような材料の１つもしくは複数への言及を包含し、「粒子」への言及は、そのような粒子の１つもしくは複数への言及を包含する。
【００２６】
（定義）
本発明を説明し請求する際、以下の用語は、以下に記載する定義に従って使用される。
【００２７】
本明細書で使用する「粒子」および「グリット」は、同義的に使用されることがあり、炭素質材料に関して使用されるときには、そのような材料の粒子状形態を指す。そのような粒子またはグリットは、円形、長円形、方形、自形（ｅｕｈｅｄｒａｌ）などを含めた様々な形状、ならびにいくつかの特定のメッシュ・サイズを呈することがある。当該技術分野で公知のように、「メッシュ」は、Ｕ．Ｓ．メッシュの場合のように、単位面積当たりの穴の数を指す。特に指示しない限り、本明細書で言及するメッシュ・サイズは、すべてＵ．Ｓ．メッシュである。さらに、特定の「メッシュ・サイズ」内の各粒子が実際には小さなサイズ分布にわたってばらつきをもつことがあるので、メッシュ・サイズは、一般に、所与の粒子群の平均メッシュ・サイズを示すものと理解される。現在わかっている限り、本発明のヒート・スプレッダで使用される粒子またはグリットのメッシュ・サイズに関する唯一の制限は、その機能的な制限である。
【００２８】
本明細書で使用する「実質的な」もしくは「実質的に」は、そのような目的、操作、または構成があたかも実際に達成されたかのように、所望の目的、操作、または構成が機能的に達成されることを指す。したがって、互いに実質的に接触している炭素質粒子は、それらがあたかも実際に互いに接触しているかのように、またはあたかもほとんど実際に互いに接触しているかのように機能する。同じ点で、実質的に同一のサイズの炭素質粒子は、それらの粒子のサイズにいくらかばらつきがあるとしても、あたかも各粒子が正確に同一のサイズであるかのように作用し、またはその構成を得ることができる。
【００２９】
本明細書で使用する「ヒート・スプレッダ」は、熱を分配または伝導し、熱源から熱を移動させる材料を指す。ヒート・スプレッダは、ヒート・シンクとは異なっており、ヒート・シンクが、別の機構によって該ヒート・シンクから熱を移動できるようになるまで熱をその中で保持することになるリザーバとして使用されるのに対し、ヒート・スプレッダは、多量の熱を保持することはできず、単に熱源から熱を奪い去る。
【００３０】
本明細書で使用する「熱源」は、望まれるよりも多くの量の熱エネルギーもしくは熱を有するデバイスまたは物体を指す。熱源には、それらの動作の副産物として熱を生み出すデバイス、ならびに、別の熱源からそれらへの熱の移動によって、望まれるよりも高い温度まで加熱される物体を含めることができる。本発明をそれとともに利用できる熱源の非限定的な一例は、様々なコンピュータで一般的に見られる中央処理装置（「ＣＰＵ」）である。
【００３１】
本明細書で使用する「炭素質」は、主に炭素原子から作られる任意の材料を指す。炭素原子には、平面、歪み四面体、および四面体結合配置を含めた様々な結合配置、すなわち「同素体」が知られている。当業者には公知のように、そのような結合配置は、グラファイト、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）または非晶質ダイヤモンド、および純粋なダイヤモンドなど、得られる具体的な材料を決定する。一態様では、炭素質材料をダイヤモンドとすることができる。
【００３２】
本明細書で使用する「濡れ」は、炭素質粒子の表面の少なくとも一部分にわたって溶融金属を流すプロセスを指す。濡れは、しばしば、少なくとも１つには溶融金属の表面張力に起因し、溶融金属に対する特定の金属の使用または添加によって促進することができる。一部の態様では、濡れは、炭化物形成金属が用いられるときには、炭素質粒子と溶融金属との界面における、それら炭素質粒子と溶融金属との間の化学結合の形成を助けることができる。
【００３３】
本明細書で使用する用語「化学結合（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｂｏｎｄ）」および「化学結合形成（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｂｏｎｄｉｎｇ）」は、同義的に使用されることがあり、原子間の界面で二元固体化合物を作り出すのに十分に強い引力を原子間に及ぼす分子結合を指す。本発明に関与する化学結合は、通常、ダイヤモンド超砥粒粒子の場合、炭化物であり、または立方晶窒化ホウ素の場合、窒化物もしくはホウ化物である。
【００３４】
濃度、量、粒子サイズ、体積、および他の数値データは、本明細書では範囲形式で表現または提示することがある。そのような範囲形式は、単に便宜および簡潔のために使用されるにすぎず、したがって、範囲の限界として明確に列挙される数値を包含するだけでなく、その範囲内に含まれるすべての個々の数値または部分範囲も、それらの各数値および部分範囲が明確に列挙されるかのように包含するものと、柔軟に解釈すべきであることを理解すべきである。
【００３５】
一例として、「約１マイクロメートル〜約５マイクロメートル」の数値範囲は、明確に列挙された約１マイクロメートル〜約５マイクロメートルの値を包含するだけでなく、示された範囲内の個々の値および部分範囲も包含するものと解釈すべきである。ゆえに、この数値範囲には、２、３、４などの個々の値、および１〜３、２〜４、３〜５などの部分範囲が包含される。これと同じ原理は、１つの数値だけを列挙する範囲にも当てはまる。さらに、このような解釈は、記載されている範囲の幅または特徴にかかわらず当てはまるはずである。
【００３６】
（発明）
本発明は、熱源から熱を移動させるデバイス、システム、および方法を包含する。本発明によって作製されるヒート・スプレッダは、一般に、該ヒート・スプレッダの約５０体積％よりも多くの量で存在する複数のダイヤモンド・グリットを含む。少なくとも５０体積％のアルミニウムを含有する金属マトリックスは、ダイヤモンド・グリットを固結塊で保持することができる。
【００３７】
本発明によって形成される例示的なヒート・スプレッダの１つが、図１に全体的に１０ａで示されている。本発明のこの態様では、複合材ヒート・スプレッダは、熱伝導等方性炭素質材料１４を含むことができ、それには、例えば、複数のダイヤモンド・グリットを含めることがきる。ダイヤモンド・グリットは、ヒート・スプレッダの約５０体積％よりも多くの量で存在することができる。一部の態様では、ダイヤモンド・グリットは、約３０体積％〜約９５体積％の量で存在することができる。他の態様では、ダイヤモンド・グリットは、約４０体積％〜約６０体積％の量で存在することができる。非炭素質等方性材料１６は、ダイヤモンド・グリットを固結塊で保持することができる。非炭素質等方性材料には、例えば、少なくとも５０体積％のアルミニウムを含有する金属マトリックスを含めることができる。
【００３８】
一実施形態では金属マトリックス１６はアルミニウムを含むが、金属マトリックスが、様々な金属および合金を含めた様々な材料を含むことができることを理解すべきである。マトリックスが主にアルミニウムまたはそれらの合金を含む実施形態では、金属マトリックスは、一般に、ダイヤモンド・グリット１４よりもはるかに費用のかからない材料となる。ただし、アルミニウムは、ヒート・スプレッダで使用するには十分であるものの、また一般に、ダイヤモンド・グリットよりもはるかに低い熱伝導率を含むことになる。ゆえに、アルミニウムは、一般に、ダイヤモンド・グリットよりもはるかにゆっくりと熱を伝導する傾向にあるかもしれないが、アルミニウムは、ダイヤモンド・グリットを固結塊で保持するための費用効果の高い結合剤であり、またさらに許容可能な熱移動性能を提供することがわかっている。この方法では、ヒート・スプレッダ全体をダイヤモンド粒子から形成する必要がないので、多くのダイヤモンド複合材ヒート・スプレッダよりもはるかに大きなサイズで形成できる、はるかに安価なヒート・スプレッダの生産が可能になる。
【００３９】
アルミニウムが比較的低コストであることに加えて、アルミニウムは、また、アルミニウム溶浸（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）プロセスの間にダイヤモンド（および、より詳細に後述するように、グラファイト）を濡らすことができるので、金属マトリックス１６で使用するのに効果的であることも判明している。溶融アルミニウムが本明細書に開示のヒート・スプレッダのダイヤモンドおよびグラファイト元素の周りに溶浸するとき、アルミニウムは、ダイヤモンドまたはグラファイトを濡らし、ダイヤモンドまたはグラファイトと化学結合を形成しながら炭化アルミニウムを形成する。その結果、ヒート・スプレッダ内の空隙または空洞が、完全になくなるわけではないとしても、かなり最小限に抑えられる。ヒート・スプレッダ内の空洞または空隙を最小限に抑えることは、ヒート・スプレッダ内に非常に小さくても孔隙が存在すると該ヒート・スプレッダの全体的な熱伝導率が大幅に低下するおそれがあるという点で、重要な考慮事項である。したがって、一態様では、本発明のヒート・スプレッダ・デバイスは、炭素質粒子間に空隙または満たされていない間隙空間を実質的に含まないものとすることができる。
【００４０】
炭化物の形成は、また、それが複合材の機械的強度を高めることができるという点で有利である。ヒート・スプレッダの機械的特性を高めることによって、ヒート・スプレッダは、よりうまく不慮の衝撃および起振力に耐えることができる。また、ヒート・スプレッダを熱源に取り付けるステップがしばしば力によって行われるので、より強度の高いヒート・スプレッダを、熱源により容易にかつ効果的にプレス嵌めする、または取り付けることができる。
【００４１】
アルミニウムを非炭素質等方性材料１６として使用するもう１つの利点は、アルミニウムの比較的低い融点である。例えば、アルミニウムは、約６６０℃の融点を有しており、その融点が一般に十分に低いので、比較的低コストのプロセスを使用して本発明のヒート・スプレッダを作り出すことができる。アルミニウムの合金が非炭素質等方性材料に使用される場合、金属マトリックスの融点をさらに低下させることができる。例えば、Ａｌ−Ｍｇは、約４５０℃で溶融する（Ｍｇ約３６重量％の共融組成物の場合）。本発明により適した合金の１つであるＡｌ−Ｓｉは、約５７７℃で溶融する（Ｓｉ約１２．６重量％の共融組成物の場合）。
【００４２】
同様に、Ｃｕ約３２重量％のＡｌ−Ｃｕ合金を用いると、融点を約５４８℃まで低下させることができる。また、アルミニウム結合剤で銅を使用すると、ヒート・スプレッダの全体的な熱伝導率の増大をもたらすことができ、このことは、言うまでもなく、熱源から熱を取り除く際のヒート・スプレッダの効率を高めることができる。Ａｇ約２６重量％のＡｌ−Ａｇは、約５６７℃で溶融し、ヒート・スプレッダの熱伝導率が同様に増大する。Ｌｉ約７重量％のＡｌ−Ｌｉは、約５９８℃で溶融する。
【００４３】
これらのような合金を使用すると、本発明のヒート・スプレッダを、比較的単純で費用のかからない技術を使用して作り出せるようになる。例えば、ＢＮスプレーなどの離型剤で処理された一般的なスチール金型を比較的低い温度で使用して、本発明によるヒート・スプレッダを形成することができる。加えて、融点が比較的低い合金を使用すると、ダイヤモンドの劣化が主要な関心事になるほど高い温度を必要とする従来の方法に比べて、ヒート・スプレッダを形成する際に使用されるダイヤモンド・グリットの劣化がはるかに少なくなる。したがって、より多くのダイヤモンド材料が保存され、より高い容量で熱を伝導することができる。
【００４４】
融点が比較的低いアルミニウム合金を用いることに加えて、金属マトリックスは、また、マトリックスの全体的な融点を低下させる様々な元素を含むことができる。マトリックスの融点を低下させるのに適した元素には、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、およびＺｎが含まれる。
【００４５】
ここで図２を見ると、本発明の一態様では、ヒート・スプレッダ１０ｂが、ある量の異方性炭素質材料を含むことができ、その材料には、これだけに限るものではないが、ある量のグラファイト１２を含めることができる。この実施形態では、等方性炭素質材料（例えば、複数のダイヤモンド・グリット１４）は、グラファイトと実質的に密接に接触することができる。非炭素質等方性材料（例えば、金属マトリックス１６）は、グラファイトとダイヤモンド・グリットとを固結塊で保持することができる。本発明のこの実施形態では、ある量のグラファイトは、ヒート・スプレッダ内でランダムな分布および配向で示されている。ただし、図３〜６から理解されるように、ある量のグラファイトは、また、パターン化された層状配向でヒート・スプレッダ内に分布することもできる。
【００４６】
ヒート・スプレッダ内のグラファイト１２の配向にかかわらず、ダイヤモンド・グリット１４によって、異方性材料であるグラファイトを、各図に示された熱源１１などの熱源からの等方性熱伝導をもたらすように設計されたヒート・スプレッダで利用することができる。周知のように、グラファイトは、グラファイト平面の長さに沿った方向、すなわち、図３のヒート・スプレッダ１０ｃのグラファイト層もしくは繊維に平行な方向１５（また、図４のヒート・スプレッダ１０ｄのグラファイト層もしくは繊維に平行な方向１７）では、ダイヤモンドの熱伝導率に近い熱伝導率を示す。ただし、グラファイト平面に直交する方向（例えば、図３の方向１５もしくは図４の方向１７に直交する方向）でのグラファイトの熱伝導率が非常に低いので、この方向では、グラファイトは、熱移動の断熱材になる。
【００４７】
この理由から、一般に、熱伝達の目的では、グラファイト繊維の長さに沿って熱源から熱を奪い去ることができるように、グラファイト・フレークもしくは繊維を熱源からの熱流れの方向に平行に配向させることが望ましいと考えられている。例えば、図３を参照すると、グラファイト層もしくは繊維１２は、全体的に熱源１１から上方に熱を伝導するように配向している。しかしながら、このような配置によってグラファイトがグラファイト平面に沿って熱を伝導できるようになるけれども、熱は、一般にヒート・スプレッダを横切って横方向または水平に（例えば、図３の方向１５に直交して）流れることができない。これは、言うまでもなく、グラファイトがグラファイト平面を横切るまたは通り抜ける方向１５に直交する方向では断熱材になるという事実に起因する。
【００４８】
ゆえに、熱源から熱が取り除かれることになる方向に平行に位置合わせされたグラファイトを含む比較的幅の広いヒート・スプレッダが使用される場合でも、熱源内の局所的な「ホット・スポット」は、ヒート・スプレッダ全体の幅を横切って広がることができない。この問題が原因で、１つまたはほんの少しのグラファイト繊維もしくは層によって熱源から熱が奪い去られるので、グラファイト平面に沿った熱の伝導に「ボトルネック（bottlenecks）」が生じることがある。熱を伝導する少数のグラファイト繊維もしくは層が最大熱伝導容量に達したとき、ヒート・スプレッダは、該ヒート・スプレッダの全幅によって制限されるのではなく、熱を伝導する少数の繊維もしくは層によって制限される。ゆえに、グラファイト繊維が熱を伝導するように適正に位置合わせされる場合でも、ヒート・スプレッダでの異方性グラファイトの使用は、熱伝導問題の望ましい解決策とは言えない。
【００４９】
本発明は、ヒート・スプレッダ全体に所望の等方性の性質を追加するために、等方性の高い材料、例えばダイヤモンド・グリットを、グラファイト内またはグラファイトに隣接して添加することによって、この欠点に対処する。例えば、図４に示したグラファイト・フレークもしくは繊維１２は、ページを横切って概ね平行に延び、したがって方向１７では優れたヒート・スプレッダの働きをすることになる。しかし、ヒート・スプレッダが方向１７以外の方向で熱を伝導することが望まれる場合、グラファイトは、熱流れに対して断熱材の働きをすることになる。本発明は、グラファイトのマトリックスおよび金属マトリックス１６内にダイヤモンド・グリット１４を導入することによってこの問題に対処する。ダイヤモンド・グリットは、ヒート・スプレッダ内のグラファイト繊維の配向にかかわらず、熱がその中を流れて、全体としてスプレッダを通り抜ける等方性熱流れを提供できる、熱経路または熱橋の働きをする。この方法では、熱は、やがてダイヤモンド粒子に到達するまで、グラファイト材料の平面に沿って自由に流れることができる。次いで、熱は、ダイヤモンド粒子を通り抜け、さらなるグラファイト材料へと流れることができ、該グラファイト材料の平面に沿って再び流れることができる。
【００５０】
ダイヤモンド・グリット１４は、図２に示したようなグラファイト１２のランダム分布とともに使用することもでき、または図３〜６に示したようなグラファイトのより規則的な分布とともに使用することもできる。例えば、図３に示したように、本発明の一態様では、ある量のグラファイトは、少なくとも２つの別個のグラファイト層、すなわち、層１２ａおよび層１２ｂを含むことができる。ダイヤモンド・グリット１４ａは、グラファイト層１２ａと１２ｂとの間に熱経路を形成することができる。この方法では、熱が層１２ａまたは１２ｂ内を流れるときに、ダイヤモンド・グリット１４ａは、一方の層から他方の層へと熱を自由に流れさせる。一般にダイヤモンド・グリット１４ａが各グラファイト層よりも大きい熱伝導率を含むので、ダイヤモンド・グリットは、グラファイト層での熱流れの「ボトルネック」の形成を低減する。この方法では、熱は、グラファイト繊維もしくは層に沿って比較的高い速度で伝導され、また、ダイヤモンド・グリットを通ってグラファイト繊維もしくは層の間をも比較的高い速度で伝導される。ゆえに、ヒート・スプレッダは、異方性材料で形成されるヒート・スプレッダよりも、むしろ等方性材料で形成されるヒート・スプレッダのように機能する。
【００５１】
前述のように、本発明で使用されるグラファイトは、粉砕されたグラファイト繊維、長グラファイト繊維、チョップド・グラファイト繊維、グラファイト箔、グラファイト・シート、グラファイト・マット、発泡グラファイト、およびそれらの混合物を含めた様々な形態のものとすることができる。また、商標名「Ｇｒａｐｈｏｉｌ」として生産されるシートなど、一般的に入手可能なグラファイト材料も使用することができる。
【００５２】
ゆえに、本発明は、異方性材料と等方性材料との組合せを使用して、全体で等方性の特性を示すヒート・スプレッダを提供する。この方法では、従来のダイヤモンド・ヒート・スプレッダの場合よりもはるかに少ないダイヤモンド含有量を添加して、比較的低コストのグラファイトをヒート・スプレッダ本体の大部分で使用することができる。ダイヤモンド・グリットが等方性であり、一般にグラファイトよりも高い熱伝導率を有するので、グラファイト繊維間にダイヤモンド・グリットを位置決めするステップは、繊維内の熱の流れを妨げず、繊維間および繊維に隣接したところに熱を分配する。
【００５３】
さほど必要なわけではないが、ダイヤモンド・グリットの少なくとも一部を、別個のある量の熱伝導異方性炭素質材料（例えば、グラファイト）に埋め込むことができる。ダイヤモンド・グリットを別個のある量のグラファイトに埋め込むことによって、ダイヤモンド・グリットとグラファイトとの間の界面の面積を最大にしてダイヤモンド・グリットとグラファイトとの間の熱流れの阻害を低減することができる。
【００５４】
グラファイト層をまたぐダイヤモンド・グリットによる、ヒート・スプレッダを通り抜ける熱経路の形成は、ダイヤモンド・グリットがグラファイト層内にランダムに分布している場合と同様にランダムな形で果たすことができる。加えて、ダイヤモンド・グリットを、特定の熱拡散用途に合致するように、ヒート・スプレッダ全体にわたって所望のパターンで意図的に分布させることができることも企図される。
【００５５】
例えば、図５は、ダイヤモンド粒子もしくはグリット１４の層とグラファイト１２の層との両方が、ダイヤモンドとグラファイト繊維との一様なパターンを作り出すように積み重ねられた、本発明の一実施形態を示す。この例示的な実施形態では、初めに適切な金型（図示せず）の底にグラファイトの層を入れることによって、ヒート・スプレッダ１０ｅを形成することができる。グラファイトの層には、適切な結合剤によって合わせて保持された複数のグラファイト繊維を含む「プリフォーム」シートを含めることができる。次いで、グラファイトの層の上にダイヤモンド・グリットの層を積み重ねることができる。一貫したダイヤモンド・グリット層の適用を可能にするために、ダイヤモンド・グリットを、同様に、適切な結合剤によって保持されたプリフォーム・シートに形成することができる。連続するグラファイトおよびダイヤモンドの層を追加して、所望の厚さまたは高さを有するヒート・スプレッダを作り出すことができる。
【００５６】
所望の量のグラファイトおよびダイヤモンド・グリットが置かれたら、溶融アルミニウムもしくはアルミニウム合金（または他の適切な非炭素質等方性材料）がダイヤモンド・グリットおよびグラファイトに適用されるときに、金型を加熱することができる。アルミニウムがダイヤモンド・グリットおよびグラファイトに溶浸するにつれて、材料は、固結して、ダイヤモンドとグラファイトとの間の実質的にすべての空隙がアルミニウムで満たされた塊になる。前述のように、アルミニウムは、また、溶浸プロセスの間に炭化物を形成することができる。
【００５７】
本発明のヒート・スプレッダは、様々な熱源（ＣＰＵに代表されるそのような熱源の例は、当業者には周知であるので、いずれも図示していない）と併せて使用することができる。これだけに限るものではないが、本発明のヒート・スプレッダは、大きな形状へと容易に成形できる比較的低コストのヒート・スプレッダが望まれる様々な器具から、熱を移動または伝導するために使用することができる。
【００５８】
本発明のヒート・スプレッダの１つの利点は、特定の熱源の熱膨張係数と一致させるのに役立つように、ヒート・スプレッダの構成要素の構造を変化させることができることである。このことは、熱源とヒート・スプレッダとの間の結合を弱めるのを避けるためにヒート・スプレッダと熱源とが同様の速度で膨張／収縮できるという点で、有益である可能性がある。本発明のヒート・スプレッダは３つの主材料、すなわち、ダイヤモンド、グラファイト、およびアルミニウムを伴うので、本発明のヒート・スプレッダの全体的な熱膨張係数を３の自由度で調整することができる。ゆえに、３つの材料のいずれかの濃度を調整することによって、全体的な熱膨張係数を調整することができる。
【００５９】
図６は、他方のダイヤモンド・グリット層３０よりも高濃度のダイヤモンド・グリットを有する１つのダイヤモンド・グリット層３２を形成することによって、ヒート・スプレッダ１０ｆ内に熱伝導率勾配が形成された、本発明の他の実施形態を示す。ヒート・スプレッダ１０ｆ内に可変の熱伝導率勾配を与えることによって、熱源により近い領域（例えば、熱源１１により近い層３２）ではより多くのダイヤモンド材料を選択的に使用しながら、熱源からより遠い領域（例えば、層３０）ではより少ないダイヤモンド材料を使用できるようにすることができる。この方法では、ヒート・スプレッダの全体的な性能を犠牲にすることなく、利用可能な体積をより大きくできる（したがって、高い熱伝導度を必要としない）領域が含む高コスト材料を、より少量にすることができる。同様の効果は、より大きなまたはより小さなメッシュ・サイズのダイヤモンド・グリットを用いることによって特定の層内のダイヤモンド・グリットの濃度を変化させることにより、達成することができる。
【００６０】
本発明のこの態様は、非常に局所的な領域（例えば、「ホット・スポット」）から比較的面積の大きいヒート・スプレッダへと熱を拡散させることが望ましいときに有利な可能性がある。本発明のこの実施形態は、２００４年２月９日に出願された本出願人の同時係属米国特許出願第１０／７７５５４３号に開示されているヒート・スプレッダとともに用いることができ、その特許出願の全体を参照により本願に援用する。
【００６１】
本明細書に開示の用途に加えて、本発明は、熱源から熱を移動させる冷却系と併せて使用することもできる。本発明をそれに組み込むことのできる冷却系の例が、２００３年６月２日出願の本出願人の同時係属米国特許出願第１０／４５３４６９号に開示されており、その特許出願の全体を参照により本願に援用する。
【００６２】
以上に開示した構造に加えて、本発明は、また、熱源から熱を取り除く方法であって、以上の議論で列挙したヒート・スプレッダを得るステップと、ヒート・スプレッダを熱源と熱連通させて設置するステップとを含む方法を提供する。
【００６３】
本発明の一実施形態では、例えば図５および６に示したように、グラファイトがヒート・スプレッダに組み込まれ、その際、熱源に取り付けられるべき、または熱源にすぐ隣接して配置されるべきヒート・スプレッダの表面を、グラファイトの層が構成する。本発明のこの態様では、グラファイトが比較的軟質の材料であるので、ヒート・スプレッダを熱源の上または熱源に被せて押し付けることができ、ヒート・スプレッダを熱源の幾何学的特徴の周りで少なくとも部分的に変形させることができる（図示せず）。この方法では、ヒート・スプレッダを熱源に取り付けるためにしばしば使用される取付け媒体の必要をなくすまたは低減するために、ヒート・スプレッダを熱源に「摩擦嵌め（friction fitted）」することができる。ゆえに、熱グリースなど、一般的に使用される材料を有利には避けることができ、そのような材料によって一般にもたらされる熱インピーダンスの増加をなくすことができる。
【００６４】
本発明の他の態様によれば、グラファイト・ヒート・スプレッダ内の等方性の熱流れをシミュレートする方法であって、グラファイトによって実質的に妨げられた方向の熱流れをダイヤモンド・グリットが促進するように、複数のダイヤモンド・グリットをヒート・スプレッダ内のグラファイトと熱連通させて配置するステップを含む方法が提供される。
［実施例］
【００６５】
以下の諸実施例は、本発明のヒート・スプレッダを作製する様々な方法を提示する。このような諸実施例は、例示的なものにすぎず、それらによって本発明を制限しようとするものではない。
【実施例１】
【００６６】
ダイヤモンドおよび炭素繊維をシート形態で保持する適切な有機結合剤を有する、ダイヤモンドおよび炭素繊維の予備成形シートを得た。予備成形シート（または「プリフォーム」）を、窒化ホウ素離型剤でスプレー（溶射）されたスチール金型内に積み重ねた。融点約５７７℃の溶融Ａｌ−Ｓｉを、合金が金型内に溶浸するまでスチール・プランジャによってプレスした。ダイヤモンドおよび炭素繊維の両方を濡らした溶融合金は、ダイヤモンドと炭素繊維との間の空隙を実質的にすべて満たして、固結塊ヒート・スプレッダを作り出した。
【００６７】
ダイヤモンドおよび炭素繊維とともに使用された有機結合剤は、アルミニウム溶浸段階の間に、蒸発もしくは酸化され、または分解された。有機結合剤は、最終生成物に対する悪影響のない残留炭素分へと還元された。
【００６８】
得られたヒート・スプレッダの測定された熱伝導率は、約６００Ｗ／ｍＫで、測定された熱膨張係数は、約７．５ＰＰＭ／Ｃであった。
【実施例２】
【００６９】
ダイヤモンドおよび炭素繊維をシート形態で保持するために使用される適切な結合剤を有する、ダイヤモンドと炭素繊維との混合物の予備成形シートを得た。プリフォームを適切な金型内に積み重ね、その後、溶融Ａｌ−Ｓｉを金型内に溶浸させた。ダイヤモンドおよび炭素繊維の両方を濡らした溶融合金は、ダイヤモンドと炭素繊維との間の空隙を実質的にすべて満たして、固結塊ヒート・スプレッダを作り出した。使用された結合剤は、アルミニウム溶浸段階の間に、蒸発もしくは酸化され、または分解された。
【００７０】
得られたヒート・スプレッダの測定された熱伝導率は、約６００Ｗ／ｍＫで、測定された熱膨張係数は、約７．５ＰＰＭ／Ｃであった。
【００７１】
言うまでもなく、前述の配置が本発明の原理の応用を例示するにすぎないことを理解すべきである。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者には多数の修正および代替配置を考案することができ、添付の特許請求の範囲は、そのような修正および配置に及ぶことが意図されている。ゆえに、以上で、本発明について、現時点で本発明の最も実用的かつ好ましい実施形態と見なされるものに関して独自性および詳細を記載したが、本明細書に記載の原理および概念から逸脱することなく、これだけに限るものではないが、サイズ、材料、形状、形態、機能および操作方法、組立て、ならびに使用の変形形態を含めた多数の修正を加えることができることが、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態によるヒート・スプレッダおよび熱源の概略側断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるヒート・スプレッダおよび熱源の概略側断面図であり、ヒート・スプレッダが、その中でランダムな分布に配向した異方性炭素質材料を有する図である。
【図３】本発明の一実施形態によるヒート・スプレッダおよび熱源の概略側断面図であり、ヒート・スプレッダが、その中で一様な方向に配向した異方性炭素質材料を有する図である。
【図４】本発明の一実施形態によるヒート・スプレッダおよび熱源の概略側断面図であり、ヒート・スプレッダが、その中で図３の異方性材料に直交する方向に配向した異方性炭素質材料を有する図である。
【図５】本発明の一実施形態によるヒート・スプレッダおよび熱源の概略側断面図であり、ヒート・スプレッダが、その中に配置された異方性炭素質材料の層と等方性炭素質粒子の層とを有する図である。
【図６】本発明の一実施形態によるヒート・スプレッダおよび熱源の概略側断面図であり、ヒート・スプレッダが、その中に配置された様々な濃度の等方性炭素質粒子の層を有する図である。
【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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【国際調査報告】
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