(57)【要約】【課題】本発明は、高い熱伝導率を有し、発熱体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は、上記課題を解決すべく、基板と該基板の少なくとも一表面に形成されたＺnＯ層と該ＺnＯ層の表面に形成されたＺnＯウィスカー層を有することを特徴とする。また、前記ＺnＯウィスカーが前記基板面に対してほぼ垂直に成長していることが好ましく、前記ＺnＯウィスカーの直径が０．１μｍ以下であることが更に好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の少なくとも一表面に形成されたＺnＯ層と、該ＺnＯ層の表面に形成されたＺnＯウィスカー層を有することを特徴とする放熱構造。
【請求項２】
前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーが、前記基板面に対してほぼ垂直に成長してい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ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーの直径が、０．１μｍ以下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ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーの長さが、１μｍ以上であ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】
請求項１〜４のいずれか一に記載の放熱構造のＺnＯウィスカー層を発熱体及び／又は
冷却体表面に接触させる方式の放熱装置。
【請求項６】
ＺnＯ基板に電極を設け、該ＺnＯ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ＺnＯを加熱することにより、ＺnＯウィスカーを析出させる工程において、ＺnＯの比
抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であることを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項７】
少なくとも表面がＺnＯである基板に電極を設け、該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基板表面のＺnＯを加熱することにより、ＺnＯウィスカーを析出させることを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項８】
前記ＺnＯ表面の全面又は一部に高温難酸化性金属を被覆した後、該高温難酸化性金属
を大気中で加熱し、前記高温難酸化性金属の近傍でＺnまたはＺnＯの蒸気を発生させることにより、ＺnＯウィスカーを析出させることを特徴とする請求項６又は７に記載の放熱
構造の製造方法。
【請求項９】
前記高温難酸化性金属が、金（Ａu）、銀（Ａg）、白金（Ｐt）、ロジウム（Ｒh）のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１０】
前記電極が高温難酸化性金属であり、該電極間に電流を流して前記ＺnＯ基板又は基板
にジュール熱を発生させることにより、前記電極自体を加熱するとともに、前記ＺnＯか
ら金属亜鉛またはＺnＯの蒸気を発生させて、前記電極を含めたバルク体表面にＺnＯウィスカーを析出させることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１１】
前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーが、前記基板面に対してほぼ垂直に成長していることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１２】
前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーの直径が、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１３】
前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーの長さが、１μｍ以上であることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一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】
本発明は、極めて放熱性が高い放熱材料およびこれを用いた放熱装置に関する。
【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体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しられている。
【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（℃）の温度差が発熱体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、発熱体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、発熱体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、発熱体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。
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。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−００３８２９号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９２６７号公報
【特許文献３】特開２００１−２０６７９９号公報
【特許文献４】特開２００１−２０６８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記問題点を解決すべく、高い熱伝導率を有し、発熱体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】
【００１０】
本発明者は、少なくとも表面がＺnＯから構成されるバルク体の表面にＺnＯウィスカーを形成することにより、発熱体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。
【００１１】
（１）本発明に係る放熱構造は、基板と、該基板の少なくとも一表面に形成されたＺnＯ
層と、該ＺnＯ層の表面に形成されたＺnＯウィスカー層を有することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造において、前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーが、前記基板面に対してほぼ垂直に成長していることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造において、前記ＺnＯウィスカー層におけ
るＺnＯウィスカーの直径が、０．１μｍ以下であることを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱構造において、前記ＺnＯウィスカ
ー層におけるＺnＯウィスカーの長さが、１μｍ以上であることを特徴とする。
（５）本発明に係る放熱装置は、上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱構造のＺnＯウィスカー層を発熱体及び／又は冷却体表面に接触させる方式であることを特徴とす
る。
【００１２】
（６）本発明に係る放熱構造の製造方法は、ＺnＯ基板に電極を設け、該ＺnＯ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ＺnＯを加熱することにより、ＺnＯウィスカーを析出させる工程において、ＺnＯの比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であることを特徴
とする。
（７）更に、本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも表面がＺnＯである基板に
電極を設け、該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基板表面のＺnＯ
を加熱することにより、ＺnＯウィスカーを析出させることを特徴とする。
（８）上記（６）又は（７）に記載の放熱構造の製造方法において、前記ＺnＯ表面の全
面又は一部に高温難酸化性金属を被覆した後、該高温難酸化性金属を大気中で加熱し、前記高温難酸化性金属の近傍でＺnまたはＺnＯの蒸気を発生させることにより、ＺnＯウィ
スカーを析出させることを特徴とする。
（９）上記（８）に記載の放熱構造の製造方法において、前記高温難酸化性金属が、金（
Ａu）、銀（Ａg）、白金（Ｐt）、ロジウム（Ｒh）のいずれかであることを特徴とする。（１０）上記（６）〜（９）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法において、前記電極が高温難酸化性金属であり、該電極間に電流を流して前記ＺnＯ基板又は基板にジュー
ル熱を発生させることにより、前記電極自体を加熱するとともに、前記ＺnＯから金属亜
鉛またはＺnＯの蒸気を発生させて、前記電極を含めたバルク体表面にＺnＯウィスカーを析出させることを特徴とする。
（１１）上記（６）〜（１０）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法において、前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーが、前記基板面に対してほぼ垂直に成長していることを特徴とする。
（１２）上記（６）〜（１１）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法において、前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーの直径が、０．１μｍ以下であることを特徴とする。
（１３）上記（６）〜（１２）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法において、前記ＺnＯウィスカー層におけるＺnＯウィスカーの長さが、１μｍ以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る放熱構造は、基板表面に成長したＺnＯウィスカーが発熱体表面に存在す
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体との間の接触熱抵抗を著しく低減できる効果を持ち、冷却効率の高い放熱装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ＺnＯは熱伝導率の高い材料として知られている。ＺnＯセラミックスを通電加熱した場合に、その表面にＺnＯ結晶が成長する現象は、通電加熱法と命名されている（特許文献
３及び４参照）。
発明者らは、通電加熱法により基板上にＺnＯウィスカー層を形成し、該ＺnＯ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に優れた放熱装置となることを見出した。
【００１５】
本発明に係る放熱構造は、基板と、該基板の少なくとも一表面に形成されたＺnＯ層と
、該ＺnＯ層の表面に形成されたＺnＯウィスカー層を有することを特徴とする（図１参照）。ＺnＯウィスカー層を形成する面は、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。
ＺnＯウィスカー層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。ＺnＯウィスカーの先端は発熱体表面の微細な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ＺnＯ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ＺnＯウィスカーを伝わり、冷却体へと伝わるのである。このため
、本発明に係る放熱構造を発熱体及び／又は冷却体表面に接触させるようにした放熱装置は、極めて効率よく放熱することが可能である（図２参照）。
【００１６】
上記通電加熱によりＺnＯウィスカー層を形成した場合、ＺnＯウィスカーはランダム方向に成長するが、本発明に係る放熱構造と発熱体等の相手材との接触熱抵抗を低減する観点からは、十分に効果が発揮される。しかし、ＺnＯ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ＺnＯウィスカーの比率が高くなり熱抵抗は低下する。図１及び図２は、ＺnＯウィスカーが基板面に対して垂直に成長した例を表すものである。
【００１７】
ＺnＯ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、ＺnＯ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ため好ましくない。
【００１８】
次に、上述した種々の形態を有する放熱構造を製造する方法について説明する。
本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも一表面がＺｎＯであるバルク体（基板）に電極を形成し、該ＺnＯバルク体に電流を流したときに発生するジュール熱によって
基板表面のＺnＯを加熱することにより、該バルク体からＺnＯウィスカーを析出させることを特徴とする。上記特許文献４、５では、原料としてはＺnＯ粉末を成形、焼成して得
たＺnＯ焼結体または成形体を線状に加工したものを使用している。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、ＺnＯバルク体（基板
）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。また、電極としては、一般的なものを用いることができ、Ｃu、Ｆe、Ｎi、Ａu、Ａg、Ｐt、Ｒh等を用いる
ことができる。
【００１９】
本発明では、ＺnＯの比抵抗が１×１０-1Ωｃｍ以下であると、１０ｍｍ×１０ｍｍの
平板状でもＺnＯ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、ＺnＯ焼結体の作製時にＡlやＧaを微量添加することで達成できる。
尚、原料をバルク体とせず、例えば、特定の基板表面にＺnＯをコーティングしたもの
を用いて、該基板をジュール熱で加熱することによりＺnＯを直接又は間接的に熱する場
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、ＺnＯ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。
【００２０】
発熱体表面との接触性を向上させるためにはＺnＯ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。通常の通電加熱ではＺnＯウィスカーは任意の方向に
成長しやすい。垂直方向に成長させるためには、原料の表面にＡu、Ａg、Ｐt、Ｒh等の高温難酸化性金属を島状にコーティングしておき（図３参照）、該高温難酸化性金属を大気中で加熱し、高温難酸化性金属の近傍でＺnまたはＺnＯの蒸気を発生させることにより、ＺnＯウィスカーは垂直に成長しやすくなる。なお、高温難酸化性金属とは、高温状態で
酸化されにくい金属をいい、好ましくは室温でも酸化されにくいものがよい。
【００２１】
ウィスカー成長の原理は、溶融した金属中に亜鉛や酸素が一旦溶解し、その溶融体からウィスカーが析出するいわゆるＶＬＳ（Vapor-Liquid-Solid）機構と言われている。このような成長をさせると、ウィスカーの直径も低下し、発熱体との接触性に優れた直径が０．１μｍ以下で長さが１μｍ以上になる場合が多いのでより好ましい。尚、該金属を島状にコーティングするためには、例えば、スパッタリング法でＡu薄膜をコーティングした
後、大気中で加熱すると、Ａuの島状物が基板表面に形成される。
【００２２】
また、上記電極自体を高温難酸化性金属により形成してもよい。すなわち、本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも一表面が酸化亜鉛であるＺnＯバルク体に、前記高
温難酸化性金属からなる電極を形成し、該電極間に電流を流して該バルク体にジュール熱を発生させることにより、該電極自体を加熱するとともに、該バルク体から金属亜鉛又は酸化亜鉛の蒸気を発生させて、該電極を含めたバルク体表面にＺnＯウィスカーを析出さ
せることを特徴とする。尚、通電加熱時の雰囲気は大気中で構わない。加熱温度は、Ｚn
Ｏからの亜鉛の蒸発が活性化される１０００℃以上が好ましい。
また、ＶＬＳ機構を使ってＺnＯウィスカーを析出させる場合は、金属の融点以上の加
熱が必要である。例えば、Ａuなら１０８０℃以上、Ａgなら９８０℃以上である。
【実施例１】
【００２３】
＜試料の作製＞
純度９９．９９９％の酸化亜鉛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。
試料の両面にスパッタリング法によりＡgまたはＡu薄膜を厚さ０．０５μｍコーティングした後、大気中、１１００℃で加熱した。金属薄膜をコーティングしないものも同時に作った。
１０ｍｍ×１０ｍｍの面の対角線上の対抗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。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。金属薄膜をコーティングしない場合、ＺnＯウィスカーは任意の方向に成長していたが、金属薄膜をコーティン
グした場合、基板面に対し垂直に成長しているウィスカーが多くなった。
【００２４】
＜熱抵抗の測定＞
図１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、加重して固定した。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。
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。
【００２５】
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ
結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
2009141291.tif 000003
【００２７】
ＺnＯウィスカー層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。更に、ＺｎＯウィスカーが基板に対して略垂直に成長した試料Ｎo
．６及び７は、より熱抵抗が低下した。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る放熱構造の一例の概略を示す図である。
【図２】本発明に係る放熱装置の一例の概略を示す図である。
【図３】本発明に係る放熱構造の製造方法の一例の概略を示す図である。
【図４】実施例において使用した熱抵抗測定装置の概略を示す図である。
【図１】
2009141291.tif 000004
【図２】
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【図３】
2009141291.tif 000006
【図４】
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