(57)【要約】【課題】本発明は、表面粗度が低い上記複合材料を基板として用いた場合にも、熱抵抗が小さい放熱構造を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る放熱構造は、少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板と、該基板表面にウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする。ウィスカーは炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーであり、基板表面から直接、外側に伸びるように成長していることが好ましい。基板は、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素、又はＡl-ダイヤモンド系複合材料であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板と、
該基板表面にウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする放熱構造。
【請求項２】
前記ウィスカーが炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーであることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
【請求項３】
前記基板がＡl-ＳiＣ、Ａl-炭素、又はＡl-ダイヤモンド系複合材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
【請求項４】
前記ウィスカーが、前記基板表面から直接、外側に伸びるように成長してい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構造。
【請求項５】
前記ウィスカーを主成分とする層の厚さが１μｍ以上であ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構造。
【請求項６】
前記ウィスカーを主成分とする層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の放熱構造。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一に記載の放熱構造からなることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項８】
少なくとも炭素を含む複合材料からなる基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、又は少なくともアルミニウムを含む複合材料からなる基板を、炭化水素を含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、を有することを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項９】
少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、及び、該基板を、炭化水素を含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、を有することを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項１０】
前記炭化アルミニウムウィスカーを主成分とする層を形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミウィスカーをアルミナウィスカーに転化する工程を有することを特徴とする請求項８または9に記載の放熱構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相手材と接触させて使用する際、熱抵抗の小さい炭素系複合材料を基板とする放熱構造、及び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。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、ヒートスプレッダと称する放熱装置が一般には用いられている。
【０００３】
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）に比べ数〜数十倍の表面積を有し、熱伝導率の高い金属製（銅もしくはアルミニウムが一般的）のヒートシンク材に接触させ発熱した熱をダイからヒートシンクに移動させる。
この時、半導体素子と金属製ヒートシンクには熱膨張係数に大きな差があるため、そのまま積層すると、温度サイクル下で両者の界面に熱応力が発生し、半導体素子に歪みが発生してデバイスが安定動作しなかったり、又は、最悪の場合は、界面でのクラックの発生や剥離、半導体素子の破壊に至る場合もある。
【０００４】
このような問題に対し、半導体素子とヒートシンク間に、ヒートスプレッダと呼ばれる金属とセラミックスの中間的な熱膨張係数を持つ放熱材料を挿入して熱応力の緩和を図る手段がよく用いられる。ヒートスプレッダ材としては、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素等の複合材料が用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒートスプレッダを相手材に接触させて使用する場合、表面をできるだけ平滑にしておかねばならない。なぜなら、表面に凹凸が存在すると界面に空気が残存して熱抵抗が大きくなってしまうからである。熱抵抗を低減させるために熱伝導性グリースを介在させると、接触熱抵抗は低減するが、グリースの低熱伝導率が小さいためにグリース自体が大きな熱抵抗を発生してしまい、全体として熱抵抗が小さくならないという課題がある。
【０００６】
これらの複合材料は、異種成分から構成されるため、高い平坦度を確保するのは極めて困難であり、接触熱抵抗が大きいという課題があった。
【０００７】
本発明では、表面粗度が低い上記複合材料を基板として用いた場合にも、熱抵抗が小さい放熱構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、基板表面に炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを主成分とする層を形成することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明は、以下の特徴を有する。
【０００９】
（１）本発明に係る放熱構造は、少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板と、該基板表面にウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーが炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーであることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造であって、前記基板がＡl-ＳiＣ、Ａl-炭素、又はＡl-ダイヤモンド系複合材料であることを特徴とする。
【００１０】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーが、前記基板表面から直接、外側に伸びるように成長していることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーを主成分とする層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（６）上記（５）に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーを主成分とする層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
（７）本発明に係るヒートスプレッダは、上記(１)〜（６）のいずれか一に記載の放熱構造からなることを特徴とする。
【００１１】
（８）本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも炭素を含む複合材料からなる基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、又は少なくともアルミニウムを含む複合材料からなる基板を、炭化水素を含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、を有することを特徴とする。
（９）本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、及び、該基板を、炭化水素を含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、を有することを特徴とする。
（１０）上記（８）又は（９）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記炭化アルミニウムウィスカーを主成分とする層を形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミウィスカーをアルミナウィスカーに転化する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る放熱構造は、熱伝導率の高い炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを主成分とする層が表面に形成されているため熱抵抗が低く、高い放熱性能を発揮する。また、基板表面に微細な凹凸を有していても、優れた放熱性能を発揮することができる。放熱材料として有望である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る放熱構造及びその製造方法を、より詳細に説明する。なお、以下の説明において、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを両者の区別なく、単にウィスカーと記す場合もある。同様に、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを主成分とする層も、両者を区別せずに、単に、ウィスカー層と記載する場合もある。
【００１４】
本発明に係る放熱構造は、少なくとも複合材料基板の表面に、直接ウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする。該ウィスカー層により、本発明に係る放熱構造は、相手材との接触熱抵抗を小さくすることができる。すなわち、放熱構造の基板表面に微細な凹凸が存在していて該ウィスカー層にもその凹凸が反映されていたとしても、該ウィスカー層を構成する無数のウィスカーが、相手材表面に追従してしなり、効率的に相手材に接触することができる。また、同様に相手材表面に微細な凹凸が存在していても、ウィスカー層により相手材表面との隙間をなくすことができる。
【００１５】
上記複合材料基板としては、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素、又はＡl-ダイヤモンド系複合材料であることが好ましい。後述するように、基板表面にＡl相又は炭素相が存在することにより、基板表面に容易に炭化アルミニウムウィスカーを形成することが可能となる。
【００１６】
本発明に係る放熱構造は、基板の少なくとも一面の一部又は全面にウィスカー層が形成されていることが好ましい。発熱体からの熱を放熱体（冷却体）に逃がすためには、基板表面の両面にウィスカー層を形成して、発熱体と冷却体の間に挟むようにして用いることが好ましい。この場合、発熱体からの熱は、ウィスカー層中の各ウィスカーの長さ方向に伝わり、基板へと到達する。該基板では、熱は、面内方向及び垂直方向へと伝わり、対抗面のウィスカー層を介して、最終的に冷却体へと伝わる。したがって、ウィスカー層を構成するウィスカーの熱伝導率も大きなものであることが好ましい。このため、本発明に係る放熱構造では、上記ウィスカーは、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーであることが好ましい。
【００１７】
また、放熱性能の観点から、該ウィスカーと基板との熱抵抗も小さい方が好ましい。この点においても、本発明に係る放熱構造は、基板表面からウィスカーが直接、外側に伸びるように成長しているため、基板とウィスカーとの熱抵抗は極めてゼロに近い。また、基板表面に形成されるウィスカーの数は多いほど好ましい。このため、本発明に係る放熱構造では、基板表面に無数のウィスカーが立設されていて、該ウィスカーを主成分とする層が形成されていることが好ましい。
【００１８】
ウィスカー層の厚さは、１μｍ以上であれば、相手材表面の凹凸に追従することができる。更に、１０μｍ以上であれば、どのような相手材にも対応できるようになる。また、該ウィスカー層に熱伝導性樹脂を含浸させることにより、更に相手材との接触効率を高めることができ、好ましい。熱伝導性樹脂は、例えば、熱伝導性グリース等が好ましい。
【００１９】
本発明に係る放熱構造を用いることにより、放熱性能に優れたヒートスプレッダを提供することが可能となる。すなわち、上記のように発熱体と冷却体の間に挟むように使用することにより、発熱体からの熱を効率よく冷却体に伝えることができる。更に、発熱体と冷却体の熱膨張率が異なる場合にも、ウィスカー層により熱伝導率の差を吸収することができる。
【００２０】
本発明に係る放熱構造は、以下の方法により製造することができる。すなわち、複合材料が炭素を含む場合は、該複合材料を、アルミニウムを含む空間に配置して加熱すると、炭素表面に炭化アルミニウムウィスカーが形成される。また、複合材料がアルミニウムを含む場合には、該複合材料を、炭化水素を含む空間に配置して加熱すると、アルミニウム表面に炭化アルミニウムウィスカーが形成される。アルミニウムと炭素の両方を含むＡl-炭素系複合材料の場合は、これらの工程を順次適用することで、Ａlと炭素相の全面（基板表面）に炭化アルミニウムウィスカーが形成されるのである。図１に、本発明に係る放熱構造の概略を示す。
【００２１】
このとき、基板表面からは、炭化アルミニウムを主成分とする相が、ウィスカー状の形態で、基板表面から外側に伸びるように成長する。すなわち、炭化アルミニウムウィスカーが基板表面から直接成長し、層を形成する。生成する炭化アルミニウムウィスカーは、Ａl4Ｃ3結晶を含むものであるが、非晶質を含む場合もある。また、基板に含まれる各種不純物を含む場合もある。
また、該炭化アルミニウムウィスカーを形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化させることもできる。
【００２２】
生成する炭化アルミニウムウィスカーは、基板の表面から外側に伸びるように成長する。炭素が炭化アルミニウムに、又はアルミニウムが炭化アルミニウムに転化する反応は熱力学的には室温でも起こるが、反応速度を考えた場合、加熱温度は３００℃以上６００℃以下が好ましい。６００℃を越えると、炭素が炭化アルミニウムに転化する際の生成量が減少して炭素が残存する傾向がある。アルミニウムが炭化アルミニウムに転化する際の反応では、アルミニウムの融点以下であることが必要である。
【００２３】
アルミニウムを炭化アルミニウムに転化する場合に用いる炭化水素としては特に限定されない。たとえば、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、又はこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素は、アルミニウム箔を加熱する工程においてガス状になるので好ましい。さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素である。最も好ましい炭化水素はメタンである。
【００２４】
炭素を炭化アルミニウムに転化させる場合に用いるガスもやはり限定されないが、Ａl（ＣＨ3）3等のアルキルアルミニウム等がある。また、金属アルミニウムに塩酸を加えて発生するＡlＣl3ガスを炉内に導入してもよい。
【００２５】
炭化アルミニウムは水分と反応しやすく、耐湿性に課題がある場合もある。この場合には、アルミナに転化させて使用することが好ましい。炭化アルミニウムは極めて酸化しやすい材料であるため、酸化雰囲気中で加熱することにより容易にアルミナウィスカーに転化する。熱力学的には炭化アルミは室温でもアルミナに転化するが、プロセスの効率を考えるとアルミナに転化させるための温度は３００℃以上が好ましい。１０００℃以下の加熱ではアルミナは非晶質であるが、１５００℃以上に加熱すると結晶質に転化する。結晶質アルミナは熱伝導率が高いので、相手材と接触させた場合の熱抵抗は非晶質よりも低下するので好ましい。これらの上限温度は、複合材料に含まれる成分の融点以下にする必要があることは言うまでもない。
【００２６】
相手材の表面に存在する微細な凹凸に侵入させるためにはウィスカー層の厚さは１μｍ以上が好ましい。しかし、相手材の表面粗度が高い場合はこの限りではない。
また、相手材の平坦度が低い、すなわち、相手材表面にうねりがある場合は、ウィスカー層の厚さは１０μｍ以上が好ましい。この場合、ウィスカーを主成分とする層が相手材の形状に応じて変形し、相手材の表面形状への追従性が高まり、熱抵抗が低下する。しかし、相手材の平坦度が高い場合はこの限りではない。
【００２７】
基板としては、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素、Ａl-ダイヤモンドなどが適用できる。ここで言うＡlとはＡl系合金全体をいう。すなわち、複合材料基板として、少なくともＡl及び炭素を含有していればよい。
【００２８】
また、ウィスカーからなる層中に熱伝導性グリースなどの、相手材との接触性を補完する成分を含浸させるとより小さな熱抵抗が得られるので好ましい。また、相手材の表面にグリースを塗布した後に、本試料を押しつけるだけでも含浸するので、それでも構わない。
【００２９】
以上、本発明によれば、基板が少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料であれば、炭素又はアルミニウム相のすくなくともどちらかの表面にウィスカーからなる層が形成されているために、ウィスカーが相手材（発熱源）の凹凸に効率的に接触して熱抵抗を低減させることができる。また、複合材料基板の表面に微細な凹凸が存在していても、該基板表面に形成されているウィスカーが相手材表面に追従するようにしなるため、本発明に係る放熱構造と相手材との接触熱抵抗は小さなものとなる。
【実施例】
【００３０】
＜基板＞
１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種複合材料を基板として用いた。複合材料は粒子分散型組織を持ち、平均粒径５０μｍのＳiＣ、黒鉛又はダイヤモンド粒子が金属マトリックス中に分散した組織を持つ。これらの材料の厚み方向の熱伝導率と厚み方向と垂直方向の熱膨張係数を測定した（表１）。
【００３１】
＜ウィスカー層の形成＞
[１]炭素を含む複合材料基板：
基板を０．１ＭＰaの１０％アルキルアルミニウム−アルゴンガス中で加熱した。
[２]アルミニウムを含む複合材料基板：
基板を０．１ＭＰaのメタンガス中で加熱した。
[３]Ａl-炭素系複合材料基板：
基板を０．１ＭＰaの１０％アルキルアルミニウム−アルゴンガス中で加熱した。その後、該基板を０．１ＭＰaのメタンガス中で加熱した。
【００３２】
＜熱抵抗の測定＞
各試料を、図２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、１２．７Ｖ、２５０ｍＡ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０．３７５ＭＰa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。
【００３３】
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ
【００３４】
結果を表１に示す。
【表１】
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【００３５】
本発明に係る放熱構造の製造方法で炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーを形成することにより低熱抵抗が得られた。分散相とマトリックス金属の両方にウィスカーを形成した場合、最も小さい熱抵抗が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る放熱構造の製造方法の概略を示す図である。
【図２】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示す図である。
【図１】
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【図２】
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