(57)【要約】【課題】伝熱複合材を提供する。【解決手段】本伝熱複合材は、該伝熱複合材の約５０容積％よりも大きい量で存在する複数の熱分解グラファイト部片と、熱分解グラファイト部片を固化集合体の形態で保持する非炭素質マトリックスとを含む。１つの実施形態では、本伝熱複合材は、非炭素質マトリックス内にランダムに分布した多数の熱分解グラファイト部片を含む。別の実施形態では、本伝熱複合材は、非炭素質材料を含むシートの層間内に配置された熱分解グラファイト部片の個別の層を含む。【選択図】      図３
2008095171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱複合材であって、
非炭素質材料を含有するマトリックス内に固化集合体の形態で保持された複数の熱分解グラファイト部片を含み、
前記複数の熱分解グラファイト部片が各々、ａ−ｂ方向における３００Ｗ／ｍ−Ｋ及びｃ方向における３．５Ｗ／ｍ−Ｋの面内熱伝導率を有し、
前記複数の熱分解グラファイト部片のａ−ｂ方向が、該複合材内でランダムに分布している、
伝熱複合材。
【請求項２】
前記非炭素質材料を含有するマトリックスが、該伝熱複合材の全体容積を基準にして少なくとも５０容積％である、請求項１記載の伝熱複合材。
【請求項３】
前記非炭素質等方性材料が、前記複数の熱分解グラファイト部片と拡散結合することができる材料を含み、
前記熱分解グラファイト部片が、熱分解グラファイト、高配向性熱分解グラファイト、圧縮焼鈍熱分解グラファイト及びその混合物の少なくとも１つを含む、
請求項１及び請求項２のいずれか１項記載の伝熱複合材。
【請求項４】
前記非炭素質等方性材料が、金属マトリックスを含み、
前記金属マトリックスが、アルミニウム並びにＡｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ及びＡｌ−Ｂｅの群から選択されたアルミニウム合金の少なくとも１つを含む、
請求項１から請求項３のいずれか1項記載の伝熱複合材。
【請求項５】
前記金属マトリックスが、少なくともＭｎ、Ｎｉ、Ｓｎ及びＺｎからなる群から選択された該金属マトリックスの融点を低下させる元素を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項記載の伝熱複合材。
【請求項６】
前記複数の熱分解グラファイト部片が、回収熱分解グラファイト部片である、請求項１から請求項５のいずれか１項記載の伝熱複合材。
【請求項７】
前記熱分解グラファイト部片が、熱分解グラファイト部片、高配向性熱分解グラファイト部片、圧縮焼鈍熱分解グラファイト部片から選択されたグラファイト部片の混合物を含み、
前記熱分解グラファイト部片が、３００Ｗ／ｍ−Ｋ〜１８００Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の面内（ａ−ｂ方向）熱伝導率並びにランダムな寸法及び形状を有する、
請求項１から請求項６のいずれか1項記載の伝熱複合材。
【請求項８】
前記非炭素質マトリックスが、複数の非炭素質シート層を含み、
前記複数の熱分解グラファイト部片が、前記非炭素質シート層間内に配置される、
請求項１から請求項７のいずれか１項記載の伝熱複合材。
【請求項９】
前記非炭素質マトリックスが、複数のアルミニウムシート層を含み、
前記複数の熱分解グラファイト部片が、前記アルミニウムシート層間内に配置され、
前記アルミニウムシートの各層に対して少なくとも１つの熱分解グラファイト部片が存在し、
前記積層シートが、少なくとも４５０℃の温度及び少なくとも３００ｐｓｉでホットプレス成形される、
請求項１から請求項８のいずれか１項記載の伝熱複合材。
【請求項１０】
伝熱複合材を製作する方法であって、
その各々がａ−ｂ方向における３００Ｗ／ｍ−Ｋ及びｃ方向における３．５Ｗ／ｍ−Ｋの面内熱伝導率を有する複数の熱分解グラファイト部片を、非炭素質等方性材料のマトリックス内に配置して集合体を形成する段階と、
前記非炭素質等方性マトリックス内の熱分解グラファイト部片の集合体を、該複数の熱分解グラファイト部片のａ−ｂ方向が前記複合材内にランダムに分布するように該熱分解グラファイト部片を該非炭素質マトリックス内に埋込むのに十分な温度及び圧力に加熱する段階と、
を含む方法。
【請求項１１】
前記非炭素質等方性材料が、金属を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記金属が、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ及びＡｌ−Ｂｅからなる群から選択された合金を含み、
前記金属マトリックスが、該金属マトリックスの融点を低下させる元素を含み、
前記元素が、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ及びＺｎからなる群から選択される、
請求項１０及び請求項１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記熱分解グラファイト部片が、３００Ｗ／ｍ−Ｋ〜１８００Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の面内（ａ−ｂ方向）熱伝導率を有する、熱分解グラファイト部片、高配向性熱分解グラファイト部片、圧縮焼鈍熱分解グラファイト部片の混合物を含む、
請求項１０から請求項１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の熱分解グラファイト部片を前記非炭素質マトリックス内に配置する段階が、非炭素質材料を含む層間内に前記複数の熱分解グラファイト部片を分布させる段階を含む、請求項１０から請求項１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項９の何れか１項記載の伝熱複合材を含む、伝熱デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱複合材、伝熱デバイス、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロニクス技術の進歩により、かってない程の高速で信号及びデータを処理する電子デバイスがもたらされた。例えばマイクロプロセッサ、メモリデバイス等のような電子及び／又は集積回路（「ＩＣ」）デバイスがより小さくなり、その一方で熱放散の要求はますます大きくなってきている。システムが不安定となる或いは損傷するのを回避するためには、熱が半導体から効果的に除去されなければならない。多くの場合、電子部品の表面から通常は周囲空気であるより低温の環境に熱を放散させるために、ヒートスプレッダ及び／又はヒートシンクが使用される。
【０００３】
ヒートスプレッダ及び／又はヒートシンクのような伝熱デバイスを使用して伝導によって電子デバイスから熱を除去することは、当業界における研究の継続的領域である。特許文献１には、アルミニウムのマトリックス内に７０〜９０容積％のグラファイトを含有する、システムから熱を放散させるためのグラファイト−金属マトリックス複合材部材を含む電子部品ハウジングパッケージが開示されている。特許文献２には、グラファイト層間に埋込まれたダイアモンドグリットを含む複合材ヒートスプレッダが開示されており、ここでは、アルミニウムの金属マトリックスが固化集合体の形態でグラファイト及びダイアモンドグリットを保持している。この参考文献におけるダイアモンドグリットの使用は、「異方性材料であるグラファイトを、等方性熱伝導をもたらすように設計したヒートスプレッダに利用するのを可能にする」ためのものである。
【０００４】
ダイアモンドグリットは、多くの方向において１３００Ｗ／ｍ／Ｋを超える優れた熱伝導率特性を有する。しかしながら、ダイアモンドは、非常に高価でありまた粉末の形態として使用しなければならず、従って熱管理デバイスに使用する選択は現実的なものではない。ダイアモンドはまた、多くの小さい粒子又は粉末として複合材に組み込まなければならないので、大きい境界面積を有する。この莫大な数のダイアモンド粒子はまた、熱が通過するより多くの境界面を生じ、このことは、熱障壁を形成し、また最終バルク熱伝導率を低下させる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，９９８，７３３号
【特許文献２】米国特許公開第２００５０１８９６４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、等方性特性を有する熱管理材料に対する必要性が依然として存在している。本発明は、あらゆる方向に比較的均一な熱伝導率を有しかつダイアモンドの熱伝導率に近い熱伝導率（最大１０００Ｗ／ｍ／Ｋまでの）を有する低密度熱管理デバイスを得るように構成した、本質的に金属マトリックス内の超伝熱性媒体の熱分解グラファイトからなる伝熱複合材に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱除去を必要とする電子デバイス又は同様なシステムから熱エネルギーを放散させるための伝熱複合材を提供する。１つの実施形態では、本伝熱複合材は、非炭素質マトリックス内に固化集合体の形態で保持された複数の熱分解グラファイト部片を含む。１つの実施形態では、本伝熱複合材は、非炭素質マトリックス内にランダムに分布した多数の熱分解グラファイト部片を含む。別の実施形態では、本伝熱複合材は、非炭素質材料を含むシートの層間内に配置された熱分解グラファイト部片の個別の層を含む。
【０００８】
本発明はさらに、伝熱複合材を構成する方法に関し、本方法は、非炭素質等方性材料を含むマトリックス内に複数の熱分解グラファイト部片を配置して集合体又はバルク材料を形成する段階と、非炭素質等方性マトリックス内の熱分解グラファイトの集合体を、熱分解グラファイト部片を該非炭素質マトリックス内に埋込むのに十分な温度及び圧力に加熱する段階とを含む。１つの実施形態では、非炭素質材料マトリックスはアルミニウムシートの層の形態であり、また熱分解グラファイト部片は、アルミニウムシートの層間内に分布する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本明細書で用いる場合、関連する基本的な機能を変更せずに変化させることができるあらゆる定量的表現を修正するために近似言語を用いることができる。従って、「実質的に」のような１つ又は複数の用語によって修飾された値は、場合によっては、特定した正確な値に限定されないものとすることができる。本明細書及び特許請求の範囲における全ての範囲は、端点を含みかつ独立して組合せ可能である。本明細書及び特許請求の範囲における数値は、特定の値に限定されるものではなく、その特定の値と異なる値を含むことができる。数値は、その記述した値に近似する値を含むのに十分なほどに曖昧であり、当技術分野において公知の測定法及び／又はその値を測定するのに使用した機器の精度による実験誤差が許容されると理解されたい。
【００１０】
本明細書及び特許請求の範囲で用いる場合、数詞のない形式の指示表現は、文脈によりそうでないことを明記していない限り、複数の指示対象を含む。従って、例えば「熱分解グラファイト部片」又は「熱分解グラファイト粒子」という表現は、そのようなグラファイト部片又は粒子の１つ又はそれ以上を含む。
【００１１】
本明細書で用いる場合、「部片（ｐａｒｔ）」という用語は、伝熱複合材内の超伝熱性媒体として使用するＰＧ粒子に言及する際に「粒子」と互換的に用いる。本明細書で用いる場合、超伝熱性媒体という用語は、ａ−ｂ方向において３００〜１８５０Ｗ／ｍ−Ｋ（又は、理論熱伝導率）の範囲の熱伝導特性を有する熱分解グラファイト部片を意味する。
【００１２】
伝熱複合材
本明細書で用いる場合、「熱分解グラファイト」という用語は、「熱分解グラファイト」（「ＴＰＧ」）、「高配向性熱分解グラファイト」（「ＨＯＰＧ」）又は「圧縮焼鈍熱分解グラファイト」（「ＣＡＰＧ」）と互換的に用いることができ、熱分解グラファイトについての３００Ｗ／ｍ−ＫからＴＰＧ、ＨＯＰＧ又はＣＡＰＧについての１８００Ｗ／ｍ−Ｋまでの範囲にある面内（ａ−ｂ方向）熱伝導率を有するグラファイト材料を意味する。
【００１３】
熱分解グラファイト（ＰＧ）は、真空炉内で非常な高温で炭化水素を分解することによって製造された独特の形態のグラファイトである。得られたものは、ａ−ｂ方向における３００Ｗ／ｍ−Ｋ及びｃ方向における３．５Ｗ／ｍＫの面内熱伝導率を有し、理論値に近い密度であり、かつ極めて異方性である超高純度生成物である。ＴＰＧ、ＨＯＰＧ又はＣＡＰＧというのは、大きなサイズの結晶子からなり、結晶子が互いに高度に整列又は配向し、かつ良好に配列されたカーボン層又は高度の好ましい結晶配向を有する特殊な形態の熱分解グラファイトを意味する。１つの実施形態では、ＴＰＧは、ｃ方向において１，５００Ｗ／ｍ−Ｋよりも大きくかつ２０Ｗ／ｍ−Ｋよりも小さい（＜２０Ｗ／ｍ−Ｋ）面内熱伝導率を有する。別の実施形態では、ＴＰＧは、その（ａ−ｂ）平面において１，７００Ｗ／ｍ−Ｋよりも大きい熱伝導率を有する。
【００１４】
熱分解グラファイト（「ＰＧ」）は、オハイオ州ストロングスビル所在のＧＥ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓから市販されている。熱分解グラファイト材料は、標準又はカスタム寸法で、及び／或いは断熱材、ロケットノズル、イオンビームグリッド等にわたる用途に合わせた形態で商品化されている。熱分解グラファイト部片の製造においては、加工処理における寸法誤差及び／又は損傷による不合格ＰＧ部片の小片及び断片が存在する。機械加工／穿孔加工による残物のＰＧ部片が存在する。また、層間剥離した或いは使用不能な寸法のＰＧ部片も存在する。それらの部片は通常、破棄され、またランダムな寸法及び形状のものである。本明細書で用いる場合、通常は破棄される部片は、総括的に「回収ＰＧ部片」と呼ぶことにする。回収ＰＧ部片は、ランダムな配向の数ミクロンから１０インチ（最大寸法での）までの範囲にある寸法を有する。回収部片は、ランダムな塊又は断片から立方体、円筒体、半円筒体、長方体、長円体、半長円体、楔状体等の特定の幾何学形状にわたる形状を有する。
【００１５】
１つの実施形態では、本発明の伝熱複合材は、超伝熱性媒体として回収ＰＧ部片を用いる。別の実施形態では、市販の又は「未使用の」ＰＧ材料が、超伝熱性媒体として使用することができる。第３の実施形態では、回収及び未使用ＰＧ材料の混合物が使用される。回収部片を使用する１つの実施形態では、部片は、断片に破壊し、例えば最大寸法において０．５ｃｍ未満のＰＧ部片、最小寸法において少なくとも１インチの全体的塊サイズのＰＧ部片、全体的に細長いサイズ（ストリップのような）のＰＧ部片等のような適切な寸法及び形状の範疇に選別することができる。この選別／サイジングは、手作業で行うことができ、或いは当技術分野で公知の分級機を用いて行うことができる。１つの実施形態では、異なる寸法及び形状の分布を有するＰＧ部片の混合物を使用して、伝熱複合材の等方性を最大にすることができる。
【００１６】
１つの実施形態では、熱分解グラファイト部片は、伝熱複合材の約５０容積％よりも大きい量で存在する。幾つかの実施形態では、熱分解グラファイトは、約３０容積％〜約９５容積％の量で存在することができる。さらに他の実施形態では、熱分解グラファイトは、約４０容積％〜約６０容積％の量で存在することができる。
【００１７】
熱分解グラファイト部片は、例えば様々な金属及び合金或いは拡散結合することができる他の材料を含む金属マトリックスのような非炭素性等方性材料を含む固化集合体内に組み込まれる。本明細書で用いる場合、拡散結合又は拡散接合というのは、それによって２つの境界面又は２つの材料、例えば熱分解グラファイト部片とマトリックス材料とが、数分〜数時間の範囲にわたる時間での加圧を用いて高温で結合し、従って複数の熱分解グラファイト部片を固化集合体内に保持することができる方法を意味する。１つの実施形態では、高温とは、マトリックス材料の絶対温度での融点の約５０％〜９０％の温度を意味する。
【００１８】
１つの実施形態では、非炭素質等方性材料は、少なくとも５０容積％のアルミニウムを含有する金属マトリックスを含む。別の実施形態では、金属マトリックスは、本質的にアルミニウムからなり、アルミニウムは、熱分解グラファイトを濡らすその優れた能力のため金属マトリックスとして用いるのに有効であると実証されている。溶融アルミニウムが熱分解グラファイト元素の周りに浸透すると、アルミニウムは、熱分解グラファイトを濡らし、熱分解グラファイトと化学的に結合しながら炭化アルミニウム形成する。その結果、伝熱複合材内のあらゆる空隙又はエアポケットは、完全には排除されないとしても著しく最小化されることになる。伝熱複合材内部のエアポケット又は空隙の最小化は、伝熱複合材内部の非常に小さい孔の存在でさえ該伝熱複合材の全体熱伝導率を著しく低下させる可能性があるという点で、重要な考慮事項である。従って、１つの実施形態では、本発明の伝熱複合材では、熱分解グラファイト粒子間に実質的に空隙又は未充填間質スペースがない。
【００１９】
アルミニウムは、一般的に本発明の伝熱複合材を作る工程で用いるのに十分低い約６６０℃の融点を有する。幾つかの実施形態では、その融点をさらに低下させるために、アルミニウム合金が、伝熱複合材のマトリックスとして使用される。１つの実施形態では、金属マトリックスは、約４５０℃の融点（約３６重量％のＭｇを有する共晶組成での）を有するＡｌ‐Ｍｇ合金のようなアルミニウム合金を含む。第２の実施形態では、金属マトリックスは、約５７７℃の融点（約１２．６重量％のＳｉを有する共晶組成での）を有するＡｌ‐Ｓｉ合金を含む。
【００２０】
１つの実施形態では、さらにアルミニウムバインダにおける銅の使用により、伝熱複合材の全体熱伝導率を増大させることができ、言うまでもなく、そのことにより、熱源から熱を除去する際に伝熱複合材の効率を高めることができる。別の実施形態では、マトリックスは、約５４８℃の融点の場合には、３２重量％のＣｕを有するＡｌ−Ｃｕ合金を含む。他の金属もまた、伝熱複合材の全体熱伝導率を高めるために使用することができる。例えば、約２６重量％のＡｇを有するＡｌ−Ａｇの金属マトリックスは、約５６７℃で溶融し、熱伝導率を増大させる。他の実例は、約７重量％のＬｉを有するＡｌ−Ｌｉであり、５９８℃で溶融する。
【００２１】
比較的低い融点を有するアルミニウム合金を使用することに加えて、１つの実施形態では、金属マトリックスはまた、そのマトリックスの全体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ための好適な元素としては、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ及びＺｎが挙げられる。別の実施形態では、本発明の複合材に使用することができる関心のある他の材料としては、それに限定されないが、Ｆｅ、Ｃｕ、その合金等が挙げられる。
【００２２】
伝熱複合材を作る工程
図１Ａ〜図１Ｃに示すような１つの実施形態では、複合材の非炭素質等方性材料、例えば金属マトリックス内に、ランダムな寸法及び／又はランダムな形状の熱分解グラファイト粒子をランダムに分布させる。公知のように、熱分解グラファイトは、その熱分解グラファイト平面の長さに沿った方向すなわちヒートスプレッダのグラファイト層又は繊維に平行な方向に、特別に高い、すなわち３００Ｗ／ｍ−Ｋから１７００Ｗ／ｍ−Ｋを越えるまでの（約１８００Ｗ／ｍ−Ｋまでの）熱伝導率を有する。図１Ａ〜図１Ｃに示すように、熱分解グラファイト粒子は、伝熱複合材内部でランダムな配向を有するものとして示しており、個々の熱分解グラファイト断片のａ−ｂ方向は、ｘｙ軸に対してランダムな方向になっている。
【００２３】
１つの工程の実施形態では、所望の量の熱分解グラファイト部片を、加熱した鋳型内に配置する。次のステップにおいて、溶融金属（アルミニウムのような）／合金（又は、他の好適な非炭素質等方性材料）を熱分解グラファイト部片に加えて、部片間の空隙を実質的に充填し、固化集合体を形成する。さらに別の実施形態では、マトリックス内の熱伝導率勾配を可変にするために、熱分解グラファイト部片及び溶融アルミニウムの付加を段階的に行って、各段階で付加する熱分解グラファイト部片の寸法、形状及び／又は量（濃度）を、伝熱マトリックスの種々のセクションで熱伝導率を変化させるように制御することができる。
【００２４】
１つの実施形態では、固化集合体又はマトリックスを形成した後に、次に、出発固化集合体の最終用途及び所望の熱伝導率勾配に応じて、集合体を機械加工し、切断し又は薄く切って所望の厚さ又は形状にする。１つの実施形態では、伝熱マトリックスは、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲の厚さを有するストリップ又はシートに切断される。第２の実施形態では、シートは、１ｍｍ〜０．５ｃｍの最終厚さを有する固化伝熱マトリックスから形成される。
【００２５】
別の工程の実施形態では、図２に示すような伝熱複合材を形成する。この実施形態では、熱分解グラファイト断片又は部片を非炭素質シートの層間内に配置し、その積層シートをホットプレス内に配置して固化マトリックスを形成する。１つの実施形態では、積層シート（アルミニウムシート間内に熱分解グラファイト部片を配置した）は、ホットプレス内に配置し、少なくとも４００℃、例えば４５０〜５００℃の温度に加熱する。次に、少なくとも３００ｐｓｉかつ４５０〜５００℃で静水圧力を加えて、固化集合体又はマトリックスを形成する。１つの実施形態では、静水圧プレス成形は、少なくとも５００ｐｓｉで行われる。
【００２６】
アルミニウムのような非炭素質シートの数、シートの厚さ、或いはシート間内の熱分解グラファイト部片のパレット、量、寸法、形状及び分布は、最終用途並びに利用可能な熱分解グラファイト部片の種類に応じて変化させることができる。１つの実施形態では、熱分解グラファイト部片は、アルミニウムシートの各層に対して少なくとも１つの熱分解グラファイト部片が存在するように、シート間で層状化させる。
【００２７】
１つの実施形態では、１０ミクロン〜２ｍｍの厚さを有するアルミニウム箔のシートを使用する。第２の実施形態では、１０〜２５ミルの厚さを有するアルミニウムシートを使用する。第３の実施形態では、１ｍｍ〜０．５ｃｍの最終厚さを有する最終複合材マトリックスに対して適切な量のアルミニウムシートを使用する。１つの実施形態では、アルミニウムシートは、１／３２インチ〜５／１８インチの範囲の公称厚さを有する。第２の実施形態では、アルミニウムシートは、０．０２５インチの厚さである
【００２８】
図２に示すように、熱分解グラファイト部片は、熱分解グラファイトの断片がその高伝導率平面がアルミニウム合金シートの平面に平行に位置するように配置された層状化配向で、伝熱複合材内部に分布する。図３Ａに示すような１つの実施形態では、ＰＧ断片は、その熱伝導率が伝熱複合材の断面にわたって（シートの平面に対して垂直な方向に）比較的均一になるような千鳥状配置の方式で金属のシート間に配置される。図３Ｂに示すような別の実施形態では、ＰＧ断片は、材料の利用可能性に応じて、例えば小さい正方形、断片、大きい塊等のような様々な形状及び幾何学形態のものとする。１つの実施形態（図示せず）では、比較的均一な寸法及び形状の複数の熱分解グラファイトの断片をアルミニウム（又は、アルミニウム合金）のシート間に配置する。
【００２９】
図２の積層マトリックスのさらに別の実施形態では、熱源により近接することになると予測される領域にその後使用されるようなアルミニウムシート間内にはより多くの及び／又はより厚いＰＧ断片を配置しまた熱源からより遠い領域にその後使用されるようなアルミニウムシート間内にはより少ない断片又はより薄い／より小さいＰＧ断片を配置することによって、伝熱複合材内に可変熱伝導率勾配を選択的に形成することができる。本発明のこの態様は、非常に局所的な区域（例えば「ホットスポット」）から比較的大きな表面積を有するヒートスプレッダに熱を拡散させることが望ましい場合に、有利なものとすることができる。
【００３０】
非炭素質等方性材料マトリックス内に熱分解グラファイト部片がランダムに分布した１つの実施形態では、複合材内の熱分解グラファイト部片の（ａ−ｂ）平面はランダムである、すなわち熱分解グラファイトを用いる従来技術の熱管理解決法と同様にａ−ｂ方向はランダムに分布し、均一に／平行に分布しない。
【００３１】
非炭素質等方性材料マトリックス内に熱分解グラファイト部片がランダムに分布した１つの実施形態では、本発明の伝熱複合材は、複合材のあらゆる方向において１００〜１０００Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の比較的均一な熱伝導率を有する。本明細書で用いる場合、「比較的均一」というのは、マトリックス内部のあらゆる２点間での熱伝導率の変動が２５％未満であることを意味する。１つの実施形態では、伝熱複合材は、マトリックス内部のあらゆる２点間での熱伝導率変動が１０％未満である。
【００３２】
熱分解グラファイトの構成（濃度、寸法、形状、分布等）を注意深く制御した１つの実施形態では、複合材内の熱伝導率は、特定の熱源の熱膨張係数に整合させるのに役立つように調整することができる。このことは、ヒートスプレッダと熱源とが同じ比率で膨張及び収縮して、熱源とヒートスプレッダとの間の結合が損なわれるのを回避することができるという利点をもたらすことができる。
【００３３】
伝熱マトリックスの用途
本発明の伝熱マトリックスは、様々な熱源（その何れも図に示していないが、そのような熱源の実例としては、ＣＰＵに代表されるものが当業者にはよく知られている）に関連して使用することができる。それに限定するのではないが、本発明のヒートスプレッダは、容易に大型の形状に形成できる比較的低コストのヒートスプレッダが望ましいような様々な電気製品からの熱を伝達又は伝導させるのに使用することができる。
【００３４】
本明細書に開示した用途に加えて、本発明は、熱源から熱を伝達除去するための冷却システムに関連して使用することができる。
【００３５】
伝熱複合材の用途
本発明の伝熱マトリックスは、熱源から熱を伝達除去するためのあらゆるデバイス、システム及び方法に使用することができる。１つの実施形態では、伝熱マトリックスは、マイクロプロセッサ、メモリデバイス等のような電子及び／又は集積回路（「ＩＣ」）デバイスに用いるヒートスプレッダを形成するために使用される。
【００３６】
実施例
本明細書では、本発明を説明するために実施例を示すが、これら実施例は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。
【００３７】
実施例１
オハイオ州ストロングスビル所在のＧＥ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓから入手した熱分解グラファイト（ＴＰＧ）部片を、窒化ホウ素離型剤を噴霧した鋼製金型内に注入する。約５７７℃の融点を有する溶融Ａｌ−Ｓｉをその金型内に注入し、同時に加圧しかつ鋼製ミキサによって混合する。溶融合金は、熱分解グラファイト部片と部片間の全ての空隙との両方を濡らしかつ全ての空隙を実質的に充填して、固化集合体ヒートスプレッダを形成した。得られたヒートスプレッダの測定熱伝導率は、約６００Ｗ／ｍ−Ｋである。ボードの性能は、超伝熱性媒体の比率を変化させることによって最終バルク又は局所の熱的性能を調整することができるような方法で設計することができることに留意されたい。
【００３８】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に様々な変更を加えることができ、またその要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の伝熱デバイスを作製するのに使用する複合材ブロックの異なる実施形態の透視図である。
【図２】熱分解グラファイト部片が非炭素質材料の層間内に分布した状態の本発明の伝熱複合材の別の実施形態の断面図である。
【図３】Ａは、図２に示した伝熱複合材の別の実施形態の断面図であり、Ｂは、非炭素質材料の層内に埋込まれた場合の熱分解グラファイト部片の上面図を示す、図２に示した伝熱複合材の実施形態の上面図である。
【図１】
2008095171.tif 000003
【図２】
2008095171.tif 000004
【図３】
2008095171.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱複合材であって、
非炭素質材料を含有するマトリックス内に固化集合体の形態で保持された複数の熱分解グラファイト部片を含む、伝熱複合材。
【請求項２】
前記熱分解グラファイト部片が、該伝熱複合材の容積の３０容積％から９５容積％存在する、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項３】
前記熱分解グラファイト部片が、該伝熱複合材の容積の５０容積％以上存在する、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項４】
前記熱分解グラファイト部片が、該伝熱複合材の容積の４０容積％から６０容積％存在する、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項５】
前記非炭素質材料が、前記複数の熱分解グラファイト部片と拡散結合することができる材料を含む、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項６】
前記非炭素質材料が、等方性金属マトリックスを含む、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項７】
金属マトリックスが、アルミニウム並びにＡｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ及びＡｌ−Ｂｅの群から選択されたアルミニウム合金の少なくとも１つを含む、請求項６に記載の伝熱複合材。
【請求項８】
前記金属マトリックスが、少なくともＭｎ、Ｎｉ、Ｓｎ及びＺｎからなる群から選択された該金属マトリックスの融点を低下させる元素を含む、請求項７に記載の伝熱複合材。
【請求項９】
前記複数の熱分解グラファイト部片が、回収熱分解グラファイト部片である、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項１０】
前記熱分解グラファイト部片が、熱分解グラファイト部片、高配向性熱分解グラファイト部片、圧縮焼鈍熱分解グラファイト部片の少なくとも１つからなるグラファイト部片の混合物を含む、請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項１１】
前記熱分解グラファイト部片が、３００Ｗ／ｍ−Ｋ〜１８００Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の面内（ａ−ｂ方向）熱伝導率並びにランダムな寸法及び形状を有する、請求項１０に記載の伝熱複合材。
【請求項１２】
前記非炭素質マトリックスが、複数の非炭素質シート層を含み、
前記複数の熱分解グラファイト部片が、前記非炭素質シート層間内に配置される、
請求項１に記載の伝熱複合材。
【請求項１３】
前記非炭素質マトリックスが、複数のアルミニウムシート層を含み、
前記複数の熱分解グラファイト部片が、前記アルミニウムシート層間内に配置され、
前記アルミニウムシートの各層に対して少なくとも１つの熱分解グラファイト部片が存在する、請求項１２に記載の伝熱複合材。
【請求項１４】
前記積層シートが、少なくとも４００℃の温度及び少なくとも３００ｐｓｉでホットプレス成形される、請求項１２に記載の伝熱複合材。
【請求項１５】
前記積層シートの厚さが、少なくとも５ｍｉｌｓある、請求項１２に記載の伝熱複合材。
【請求項１６】
前記積層シートの呼び厚さが、少なくとも１／３２″から５／１８″ある、請求項１２に記載の伝熱複合材。
【請求項１７】
複合材の厚さが、少なくとも１０ｍｉｌｓある、請求項１２に記載の伝熱複合材。
【請求項１８】
伝熱複合材を製作する方法であって、
非炭素質材料のマトリックス内に配置して集合体を形成する段階と、
前記非炭素質マトリックス内の熱分解グラファイト部片の集合体を、該熱分解グラファイト部片を該非炭素質マトリックス内に埋込むのに十分な温度及び圧力に加熱する段階と、を含む方法。
【請求項１９】
前記非炭素質材料が、等方性金属マトリックスを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱分解グラファイト部片が、該伝熱複合材の容積の３０容積％から９５容積％存在する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱分解グラファイト部片が、該伝熱複合材の容積の５０容積％以上存在する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱分解グラファイト部片が、該伝熱複合材の容積の４０容積％から６０容積%存在する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記金属が、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ａｇ、Ａｌ−Ｌｉ及びＡｌ−Ｂｅからなる群から選択された合金を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記金属マトリックスが、該金属マトリックスの融点を低下させる元素を含み、
前記元素が、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ及びＺｎからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記熱分解グラファイト部片が、３００Ｗ／ｍ−Ｋ〜１８００Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の面内（ａ−ｂ方向）熱伝導率を有する、熱分解グラファイト部片、高配向性熱分解グラファイト部片、圧縮焼鈍熱分解グラファイト部片の混合物を含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記複数の熱分解グラファイト部片を前記非炭素質マトリックス内に配置する段階が、非炭素質材料を含む層間内に前記複数の熱分解グラファイト部片を分布させる段階を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１に記載の伝熱複合材を含む、伝熱デバイス。
【外国語明細書】
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