(57)【要約】【課題】本発明は、高い熱伝導率を有し、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく侵入するようにして接触することが可能な放熱材料及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る放熱構造の製造方法は、ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板に電流を流し、該電流を流したときに発生するジュール熱によってＳiＣを加熱し、基板のＳiＣ表面にＳiＣウィスカー層を形成することを特徴とする。また、前記基板の比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板に電流を流し、
該電流を流したときに発生するジュール熱によってＳiＣを加熱し、
基板のＳiＣ表面にＳiＣウィスカー層を形成することを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項２】
前記ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板の比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項３】
前記ＳiＣ基板、又はＳiＣ層が、０．１〜０．５ｗｔ％のホウ素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項４】
少なくとも、ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板と、該基板のＳiＣ表面に形成されたＳiＣウィスカー層とを有し、該ＳiＣ基板又はＳiＣ層がホウ素を０．１〜０．５ｗｔ％含有することを特徴とする放熱構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱性が高い放熱構造の製造方法に関する。より詳しくは、基板面にウィスカー層を有することにより、相手材との接触性に優れた放熱構造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。これは半導体素子は構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では素子が破壊してしまうため、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。
【０００３】
通常自然対流や電動送風装置を用いた強制対流をもちいて放熱をはかるが、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限があるため、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートシンク、ヒートスプレッダーと称する放熱装置が一般には用いられている。具体的には半導体素子（以降ダイと称す）の放熱面（一般に半導体素子はＳi単結晶からなる基板の一面に薄膜からなる機能部分を作り込み、その反対面から放熱する）に比べて数倍〜数十倍の表面積を有する金属製（銅もしくはアルミニウムが一般的）放熱フィンに接触させ発熱した熱をダイから放熱フィンへ移動させる。放熱フィンはダイに比べ充分大きな表面積を有するため、単位面積あたりの放熱量の上限以下でも半導体素子の発生する熱を空中へ放出することが可能となる。放熱フィンは通常熱伝導率の高いアルミや銅などの材料（場合によればダイヤモンドが採用されることもある）が使用されているが、ダイからこの放熱フィンへの熱の伝達が極めて重要である。
【０００４】
半導体素子の熱の放熱を理解するために、一般には熱の伝達を等価的に電気伝達と同じように考えると現象の理解が容易になることが知られている。熱の伝達を妨げる抵抗因子を電気伝導の場合の電気抵抗と同様熱抵抗という概念で説明が可能であり、放熱を評価するにはこの熱抵抗を評価すればよいことが知られている。
【０００５】
半導体素子を考えると、その素子の消費電力Ｑ（Ｗ）に対し、ΔＴ（℃）の温度差が発熱源に生じる場合の熱抵抗θはΔＴ／Ｑ（Ｋ／Ｗ）であらわされる。この数字が大きくなると所定の消費電力に対する温度差が大きくなるため好ましくない。半導体の放熱装置は熱抵抗を下げることが最大の狙いである。半導体放熱装置の場合の熱抵抗は半導体材料と放熱フィンとの熱伝導に対する抵抗成分とダイと放熱フィンとの間の熱移動に対する熱抵抗の和になる。半導体や放熱フィンはそれぞれ高い熱伝導率を有するため、その熱抵抗は小さな数字となることからダイと放熱フィンとの間の熱抵抗を如何に下げるかが設計の鍵である。
【０００６】
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や接着剤を貼り付けて熱抵抗を低下させる方法である。
このような放熱シートは、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することが必要とされる。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。
【０００７】
このような凹凸への追従性を持たせるために、一般には放熱シートの材質としては、柔らかい樹脂が用いられる。これらの材料は、一般的には樹脂中に高熱伝導率の粒子を分散した材料である。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（特許文献１）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（特許文献２）。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。
【０００８】
また、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がよく知られている。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いるが、カーボンナノチューブは極端に微細な材料であるため、樹脂中へ分散させた場合、樹脂との界面の面積が極めて大きくなり、この界面の熱抵抗が高いために、結果として複合材料の熱伝導率を高くすることができない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−００３８２９号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題点を解決すべく、高い熱伝導率を有し、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく侵入するようにして接触することが可能な放熱構造及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、少なくとも表面がＳiＣから構成されるバルク体の表面にＳiＣウィスカーを形成することにより、発熱源の凹凸に効率的に接触して低い接触抵抗が得られることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は下記の構成からなる。
【００１２】
（１）本発明に係る放熱構造の製造方法は、ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板に電流を流し、該電流を流したときに発生するジュール熱によってＳiＣを加熱し、基板のＳiＣ表面にＳiＣウィスカー層を形成することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板の比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記ＳiＣ基板、又はＳiＣ層が、０．１〜０．５ｗｔ％のホウ素を含有することを特徴とする。
【００１３】
（４）本発明に係る放熱構造は、少なくとも、ＳiＣ基板又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板と、該基板のＳiＣ表面に形成されたＳiＣウィスカー層とを有し、該ＳiＣ基板又はＳiＣ層がホウ素を０．１〜０．５ｗｔ％含有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により製造される放熱材料は、基板表面に成長したＳiＣウィスカーが発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく侵入するようにして接触することが可能なことから発熱源との間の接触熱抵抗を著しく低減できる効果を有する。更に、該放熱構造を発熱体及び冷却体の間に挿入して使用する放熱装置は、高い冷却効率を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ＳiＣは熱伝導率の高い材料として知られている。ＳiＣセラミックスを通電加熱した場合に、その表面にＳiＣウィスカー結晶が成長する現象は、通電加熱法と命名されている。
本発明者は、通電加熱法で作製したＳiＣウィスカーを発熱体表面に接触させることで、高い放熱性能を持つ材料になること、これを発熱体と冷却体の間に挿入して使用すると放熱性能に優れた放熱装置となることを見出した。すなわち、本発明に係る放熱構造の製造方法は、ＳiＣ基板に電流を流したときに発生するジュール熱によってＳiＣを加熱し、該基板のＳiＣ表面にＳiＣウィスカー層を形成することを特徴とする。このため、本発明に係る放熱構造は、少なくとも、ＳiＣ基板、又は少なくとも一の表面がＳiＣ層である基板と、該基板のＳiＣ表面に形成されたＳiＣウィスカー層とを有することを特徴とする。図１に、本発明により製造される放熱構造の一例を示す。
【００１６】
ＳiＣウィスカーを形成する面は、その用途によって基板の片面のみの場合と両面の場合があるが、両面に形成したものを、発熱体と冷却体の間に挟み込んで使用する場合が多い（図２参照）。
ＳiＣウィスカーは基板表面に成長しており、発熱体と接するように使用する。ＳiＣウィスカーの先端は発熱体表面の凹凸に侵入して良好な接触状態になることから、発熱体から発生する熱は効率的にＳiＣウィスカーに伝えられ基板へと伝わる。さらに基板の裏面に形成されたＳiＣウィスカーを伝わり、冷却体へと伝わるのである。
この時、ＳiＣウィスカーが基板面に対してほぼ垂直に成長していることが好ましい。ほぼ垂直に成長していると、発熱体の表面と接触するＳiＣウィスカーの比率が高くなり、熱抵抗は更に低下する。
【００１７】
ＳiＣウィスカーは、直径が０．１μｍ以下であることが好ましい。直径が０．１μｍを越える場合、ＳiＣウィスカーが凹凸部の隙間に侵入しにくくなりその分熱抵抗は増大する。長さが１μｍに満たない場合、発熱体の面が荒れている、すなわち表面の面粗度が低い場合、髭状物質が凹凸部の底部まで達しなくなる場合があり、その分熱抵抗は増大する。
【００１８】
次に、上述した種々の形態を有するＳiＣウィスカーを製造する方法について説明する。
上記のように、本発明に係る放熱構造の製造方法では、少なくとも一の表面がＳiＣである基板を通電加熱することにより、基板表面にＳiＣウィスカー層を形成することを特徴とする。これにより、基板と、該基板の少なくとも一表面に形成されたＳiＣ層と、該ＳiＣ層の表面に形成されたＳiＣウィスカーとを有する放熱構造を作製することができる。
【００１９】
上記通電加熱法により、原料としてＳiＣ粉末を成形、焼成して得たＳiＣ焼結体又は成形体を線状に加工したものを使用する手法が知られている。試料形状を線材とする理由は、その長さ方向に所定の電流を流す場合に、断面積が大きい棒状や板状であると、より大きな電流を流す必要が生じるからである。しかし、放熱材料として用いる場合、少なくとも１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の面積が必要であることから、ＳiＣバルク体の比抵抗を低下させ、より電流が流れやすいようにせねばならない。
【００２０】
本発明者は、ＳiＣの比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であると、１０ｍｍ×１０ｍｍの平板状でもＳiＣウィスカーを生成させることができることを見出した。比抵抗を低下させるためには、ＳiＣ焼結体の作製時にホウ素等を微量添加することで達成できる。
すなわち、前記ＳiＣ基板又はＳiＣ層は、比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であることが好ましい。また、該ＳiＣ基板又はＳiＣ層が、０．１〜０．５ｗｔ％のホウ素を含有することが好ましい。ホウ素の含有量が０．１ｗｔ％未満であると、基板の比抵抗を１×１０-1Ωｃｍ以下にすることができないため好ましくない。
【００２１】
尚、原料をバルク体とせず、例えば、特定の基板表面にＳiＣをコーティングしたものを用いる場合はこの限りではない。この場合、基板に金属などの導電体を用いると、電流の大部分は金属中を流れてしまい、ＳiＣ部にジュール熱が発生しなくなるので、絶縁体が必要である。また、ＳiＣウィスカー層を片面のみに形成する場合には、基板の片面のみにＳiＣをコーティングして通電加熱をすればよい。同様に、両面に形成する場合には、基板の両面にＳiＣをコーティングしておけばよい。
【００２２】
発熱体表面との接触性を向上させるためにはＳiＣウィスカーが基板面に対してほぼ垂直に成長していることが好ましい。
【実施例１】
【００２３】
＜試料の作製＞
純度９９．９９９％のＳiＣ粉末に各種添加剤を加え、２０ＭＰaの圧力で一軸プレス成形し、大気中、７５０℃で１時間焼成し、得られた焼結体からダイヤモンドカッターを用いて、１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ１ｍｍに切り出した。
１０ｍｍ×１０ｍｍの面の対角線上の対向角に銀ペーストと銀線を用いて電極端子を形成して通電試料とし、水平に設置した。電極端子に直流電源を接続し、室温で、電流密度を変化させて、直流電流を流すことによりジュール熱を発生させ、通電試料を自己発熱させた（図３参照）。通電試料の表面温度は、非接触式赤外放射温度計により測定し、通電終了後の通電試料の表面に析出、成長したウィスカーをＳＥＭにより観察した。なお、試料の表面温度については、成長したウィスカー部の温度を測定した。
【００２４】
＜熱抵抗の測定＞
図４に示すように、幅１０×１０ｍｍ、厚さが２０ｍｍのＣu製ホルダの各位置に熱電対を埋め込んだＣuホルダの間に試料を設置し、各加重値で押さえつけた。上部からＡlＮヒータで、１４Ｖ、２２０ｍＡ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。
【００２５】
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。Ｃu板の表面粗度は、Ｒaが０．０９μｍ、Ｒmaxが１．１μｍであった。
【００２６】
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ
【００２７】
結果を表１に示す。
【表１】
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【００２８】
ＳｉＣウィスカーの生成により熱抵抗は大きく低下した。ウィスカー直径が小さいほど熱抵抗は低下した。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明により製造される放熱構造の一例を表す図である。
【図２】本発明により製造される放熱構造の別の一例を表す図である。
【図３】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４】実施例において用いた熱抵抗測定装置の概略を表す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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