JP2004023088A

JP2004023088A - 放熱材料

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Publication number: JP2004023088A
Application number: JP2002210238A
Authority: JP
Inventors: Toshiji Hiraoka; 平岡　利治; Tetsuro Tojo; 東城　哲朗; Teruhisa Kondo; 近藤　照久
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: JP4307798B2

Abstract

【課題】熱伝導性に優れ、ろう付け接着する絶縁物との剥離がなく、軽量で、加工性に優れた放熱材料を提供すること。
【解決手段】ろう材を介して絶縁物と接合する部分に用いられ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以上、絶縁物と対抗する面の少なくとも一方向の弾性係数が１５ＧＰａ以下の、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が浸透されてなる炭素繊維強化炭素複合材料を用いた放熱材料。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放熱材料に関し、さらに詳しくいえば、ハイブリッドカー、電気自動車（ＥＶ）のインバータ等自動車産業、並びにビデオ、パソコン等の電子機器、セラミックパッケージ、半導体レーザー、パワー半導体モジュール、高熱伝導性プリント基板等の半導体産業で使用される放熱材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオ、パソコン等の電化製品やＯＡ機器、通信機器の電子部品等の半導体産業では小型化と実装密度の高く、しかも高容量のものが要求されている。これらの放熱材料としては、アルミニウム、銅−タングステン、窒化アルミニウム等が使用されている。
【０００３】
また、自動車産業においても、ハイブリッド車の開発が盛んに行われている。通常、ハイブリッド車には、電池とモーターとの間にインバータが装着されている。このインバータに蓄積された熱を放熱するために、銅−モリブデン、アルミニウム−炭化ケイ素等からなる放熱材料が使用されている。
【０００４】
上述したいずれの産業においても容量アップの要求が著しく、高熱伝導率の放熱材料が要求されている。
【０００５】
しかし、銅−タングステン、銅−モリブデン等の放熱材料は、非常に密度が高いので軽量化に寄与できない。しかも非常に硬いので加工性も悪い。また、窒化アルミニウムやアルミニウム−炭化ケイ素は軽量であるが、やはり硬く加工性が悪い。それに加えて、ろう付け工程で接着する窒化アルミニウムやアルミナ等の絶縁性セラミックとの熱膨張係数の差が大きく、相手材との剥離の問題があった。
【０００６】
放熱材料として要求される特性は、（１）熱伝導性が良いこと、（２）ろう付け接着する絶縁物との剥離がないこと、（３）軽量であること、（４）加工性が良いことがあげられる。
【０００７】
最近では、軽量で加工性の良い黒鉛材料や炭素繊維強化炭素複合材料を放熱材料として使用することが、特開平８−１９１１２１、特開平１１−４９５７８、特開２００１−３９７７７等に開示されている。しかし、黒鉛材料や炭素繊維強化炭素複合材料は、熱膨張係数が小さくろう付けで接着する相手材との剥離の問題があり、上記（１）〜（４）すべてを満足できるような放熱材料はいまだに開発されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は熱伝導性に優れ、ろう付け接着する絶縁物との剥離がなく、軽量で、加工性に優れた放熱材料を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明者らは熱伝導性に優れ、軽量で加工性の良い炭素繊維強化炭素複合材料を用いた放熱材料についてさらに検討した結果、放熱材料と絶縁物間の熱膨張係数によって発生する熱応力を緩和する、すなわち弾性係数を制御した炭素繊維強化炭素複合材料とすることにより熱応力を緩和でき、放熱材料として使用できることを見い出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１０】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、ろう材を介して絶縁物と接合する部分に用いられ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以上、絶縁物と対抗する面の少なくとも一方向の弾性係数が１５ＧＰａ以下の、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が浸透されてなる炭素繊維強化炭素複合材料を用いた放熱材料を要旨とする。
【００１１】
本発明でいうところのろう材を介しての接合とは、例えば軟ろう、硬ろう等を用いて炭素繊維強化炭素複合材料と絶縁物であるアルミナ、窒化アルミニウム等を接着する場合が例示できる。
【００１２】
本発明でいうところの放熱材料とは、放熱板、ヒートシンク等として使用され、例えば、電子計算機の中央処理装置（ＣＰＵ）等の発熱部分からの熱を速やかに空気中等に放出できる材料をいうものとする。
【００１３】
また本発明は、放熱材料と絶縁物間の熱膨張係数によって発生する熱応力を緩和する、すなわち弾性係数だけでなく、基板との熱膨張係数を制御した炭素繊維強化炭素複合材料を使用することにより熱応力を緩和でき、放熱材料として使用できることも併せて見い出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１４】
すなわち、本発明の請求項２に係る発明は、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以上、絶縁物と対抗する面の少なくとも一方向の弾性係数が１５ＧＰａ以下であってなお且つ少なくとも一方向の熱膨張係数が、２×１０^−６／℃〜６×１０^−６／℃であって、さらに、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が浸透されてなる炭素繊維強化炭素複合材料を用いた放熱材料を要旨とするものである。すなわち、放熱材料の相手材（例えば、図１に示すように基板がシリコンであれば熱膨張係数は４．０×１０^−６／℃である。）との熱膨張係数差はできるだけ少なくすることが好ましく、２×１０^−６／℃以下であることがさらに好ましい。
【００１５】
放熱材料として用いられる炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が浸透されてなる炭素繊維強化炭素複合材料であり、具体的にいえば、ＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系のフェルト繊維を炭化し、これを所定の形状に積層、成形、炭化した炭素質フェルト成形体に熱分解炭素を浸透させたもの（以下、フェルトＣ／Ｃという。）である。なお、熱分解炭素を浸透させるとは、炭素質フェルト成形体の気孔内部に熱分解炭素を充填する場合や、熱分解炭素で気孔壁を被覆する場合、それらを併用した場合を包含する。
【００１６】
本発明に係る放熱材料として用いられるフェルトＣ／Ｃの具体的な製造方法の一例を示すと下記のようになる。
【００１７】
まず、本発明で使用する炭素質フェルトは、炭素単繊維が絡み合って構成される不織物状物体であり、繊維を織って形成される織物とは明確に区別される。この炭素質フェルトを構成する炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系炭素繊維があり、その中でも特にピッチ系炭素繊維若しくはレーヨン系炭素繊維を用いることが好ましい。本発明で使用する炭素質フェルトのかさ密度は０．０３〜０．３ｇ／ｃｍ^３とすることが好ましい。炭素質フェルトのかさ密度が０．０３ｇ／ｃｍ^３に達しないと熱分解炭素浸透に要する時間が長くなり、また、炭素繊維の含有率が少なすぎると強化複合材料として強度が確保できない。
【００１８】
その後、炭素質フェルトの炭素繊維の配向調整を行う。これによって弾性係数の小さい炭素繊維強化炭素複合材料を得ることができる。炭素繊維の配向方向を調整する方法としては、ニードルパンチ法が工業的に生産性が高く、配向調整を行いやすいので好ましい。このとき、炭素繊維の繊維配向比Ｘ：Ｙ：Ｚは、（３５〜４５）：（３０〜４０）：（１５〜３５）となるように調整することが好ましい。なお、ニードルパンチ処理を行う時期は、前述したように、炭素質フェルトを形成する炭素繊維の種類によって適宜選択するようにする。好ましくは、図１に示すようにＸ軸方向が厚み方向になるようにすることにより弾性係数だけでなく熱伝導率も向上させることができる。また、炭素繊維が、ＰＡＮ系である場合は、空気中２００〜３００℃で耐炎化処理し安定化した耐炎繊維の状態で行われることが好ましい。また、炭素繊維がレーヨン系である場合は、焼成前の合成繊維の状態で行われることが好ましい。
【００１９】
続いて炭素質フェルト内部に緻密でしかも高純度の熱分解炭素をかさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．６ｇ／ｃｍ^３以上、特に好ましくは１．７ｇ／ｃｍ^３以上になる様に浸透してフェルトＣ／Ｃを作製する。フェルトＣ／Ｃのかさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３に達しない場合は、熱伝導率を向上させることも十分な強度も得ることができない。また、かさ密度が低いと開気孔も多く、ろう付け等の加熱によって開気孔中のガスが放出されるので好ましくない。熱分解炭素を浸透させて開気孔を少なくすることによりそのような不具合を防止することができる。フェルトＣ／Ｃのかさ密度は１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３とすることが好ましい。
【００２０】
本発明において熱分解炭素を浸透せしめる方法自体は、例えば「炭素材料入門」（炭素材料学会、昭和４７年１１月発行）等の文献に記されている通り、従来公知の方法で良い。その一般的実施態様を記すと、炭素発生材料、例えば、炭素数１〜８、特に炭素数３である炭化水素ガスもしくは炭化水素化合物を熱分解させ、炭素質フェルト基材上に熱分解炭素を浸透・析出させたものである。これに対して濃度調節用として炭化水素濃度（通常希釈ガスとしてＨ_２ガスを用いる）は３〜３０％好ましくは５〜１５％とし、全圧を１００Ｔｏｒｒ（１３．３ｋＰａ）、好ましくは５０Ｔｏｒｒ（６．６ｋＰａ）以下の条件で操作することが好ましい。
【００２１】
熱分解炭素の浸透方法としては、従来の等温法、温度勾配法、圧力勾配法等があり、更に最近の方法としては時間の短縮化及び緻密化を目的としたパルス法が使用できる。
【００２２】
本発明において、熱分解炭素を浸透させる条件等は何等重要ではなく、上記所定の要件を有する熱分解炭素が炭素質フェルト内深層部に浸透析出される限り、各種の方法がいずれも使用できるが、その一つの態様として、ＣＶＩ処理を例示すると下記の通りである。
【００２３】
熱分解炭素のＣＶＩ処理において、処理温度は１３００℃以下、圧力は１００Ｔｏｒｒ（１３．３ｋＰａ）以下、好ましくは５０Ｔｏｒｒ（６．６ｋＰａ）以下とすることが好ましい。熱処理温度が１３００℃より高くなると熱分解炭素が基材表面にのみ析出して基材フェルトの表面近傍の開気孔を熱分解炭素膜で閉塞してしまうので、もはや浸透できなくなる傾向がある。また１００Ｔｏｒｒ（１３．３ｋＰａ）より大きい場合、ガス拡散が悪くなり、十分に基材フェルトの内部にまで原料ガスが到達しにくくなり、やはり表面に閉気孔を形成してしまう傾向がある。
【００２４】
この際、熱分解炭素の含浸量を６０〜８５体積％とし、２５００℃以上で熱処理することにより少なくとも一方向の熱伝導率が著しく向上し、３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらに好ましくは３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることができ、しかも弾性係数が１５ＧＰａ以下のフェルトＣ／Ｃとすることができる。さらに、２８００℃以上で熱処理することにより、少なくとも一方向の弾性係数の最大値を１３ＧＰａ以下にすることができ、絶縁物との間で生じる熱応力を緩和できるので好ましい。
【００２５】
その後の、高純度化処理は必要に応じて適宜行うことができる。高純度化処理の方法としては、上記方法で製造されたフェルトＣ／Ｃを減圧、高温下にてハロゲン含有ガスに接触せしめ、不純物として含まれる金属類をより蒸気圧の高いハロゲン化物に変えて除去する手段を例示できる。この際に使用されるハロゲン含有ガスとしては、塩素又はフッ素並びにそれ等の化合物のガスであるハロゲン含有ガスを例示でき、具体的には、ジクロロジフルオロメタン、モノクロロフルオロエタン等のガス等が挙げられる。
【００２６】
また、放熱材料となるフェルトＣ／Ｃの少なくとも受熱面（ろう付け面）を平滑にして表面積を大きくすることによって放熱性能を向上させるができる。前述したように炭素繊維強化炭素複合材料は機械的な加工が非常に容易であるので、表面を平滑にすることも容易である。表面粗さは、フライス加工、グラインダー等による加工後、ラッピング、ホーニング、ポリシング等の条件を変えることによって任意の表面粗さに調節できる。表面粗さは、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１による表面粗さ（Ｒｍａｘ）を２５Ｓ以下にすることが好ましく、１２．５Ｓ以下とすることがさらに好ましい。
【００２７】
また、本発明は、上記発熱材料にさらに金属を被覆することを要旨とするものである。上記放熱材料を金属で被覆することによってフェルトＣ／Ｃの開気孔に含まれるガスが外部に放出されるのを防止できるだけでなく、ろう材（例えば銀ろう）と強固に接合できるというメリットもある。フェルトＣ／Ｃに金属を被覆する方法としては、化学的気相蒸着法、物理的気相蒸着法、アークイオンレーティング法、無電解メッキ等が例示でき、その中でも金属とフェルトＣ／Ｃの密着性を向上することができる無電解メッキが好ましい。被覆する金属としては、金、銀、銅、クロム、ニッケル、鉄、コバルトが例示でき、その中でもニッケルが好ましい。被覆する膜厚としては、１μｍ〜５ｍｍとすることが好ましい。被覆する金属の膜厚が１μｍよりも薄いとフェルトＣ／Ｃからのガスの放出を防止できない。また、被覆する金属の膜厚が５ｍｍよりも厚くなると放熱性能が低下するので好ましくない。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をより具体的に説明するが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
（実施例）
マット状の炭素質フェルト内部の炭素繊維をＸ、Ｙ、Ｚ方向の繊維配向比を表１に示すように配向調整した、かさ密度が０．１５ｇ／ｃｍ^３のＰＡＮ系フェルト、レーヨン系フェルト、ピッチ系フェルトの３種類の炭素質フェルトを準備した。これら各炭素質フェルトを、かさ密度が１．６０ｇ／ｃｍ^３以上となるようにＣＶＩ処理によって熱伝導性の良いラフ・カラムナー型の熱分解炭素を浸透せしめた。ＣＶＩ処理条件は、温度１１００℃、全圧２０Ｔｏｒｒ（２．７ｋＰａ）、Ｃ_３Ｈ_８ガス６（ｌ／ｍｉｎ）、Ｈ_２ガス７０（ｌ／ｍｉｎ）で浸透処理後、２８００℃で黒鉛化処理を行った。各炭素質フェルトから形成されたフェルトＣ／Ｃの特性を表１に示す。なお、熱伝導率は、直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板形状のサンプルを用い、レーザーフラッシュ法（真空理工（株）製の熱拡散率測定装置）で熱拡散率を求め、これから算出した。また、弾性係数は、φ１０×３５（ｍｍ）の試験片をインストロン試験機を用いて測定した。（ロードセル：２５０（Ｎ）、クロスヘッドスピード：０．５ｍｍ／ｍｉｎ、縦弾性係数は縦歪みの０．１％の時の値）これを弾性係数とした。また、熱膨張係数は、熱機械分析（ＴＭＡ）装置で標準試料に石英を用い、φ５×１５（ｍｍ）の試験片との相対熱膨張を測定し室温から１０００℃迄の平均熱膨張係数を求めた。
【００３０】
【表１】

【００３１】
（比較例）
マット状の炭素質フェルト内部の炭素繊維をＸ、Ｙ、Ｚ方向の繊維配向比がそれぞれ表２に示されるように配向調整された、かさ密度が０．１５ｇ／ｃｍ^３のＰＡＮ系フェルト、レーヨン系フェルト、ピッチ系フェルトの３種類の炭素質フェルトを準備した。これ以外は、実施例と同様な方法でフェルトＣ／Ｃを作製し、各特性を調べた。各特性を表２にまとめて示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
表１よりわかるように、炭素繊維を配向調整した炭素質フェルトを使用することで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも一方向の弾性係数が１５ＧＰａ以下であって且つ熱膨張係数が２×１０^−６／℃〜６×１０^−６／℃それに加えてさらに少なくとも１つの方向の熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のフェルトＣ／Ｃを製造することができる。
【００３４】
（評価試験）
上記実施例で得られた３種類のフェルトＣ／Ｃと、表２中の比較例のピッチ系炭素繊維フェルトを用いて製作したフェルトＣ／Ｃを３９．２×２２×３（ｍｍ）に機械加工して図２に示すような放熱部材に組込み、放熱材料とセラミック絶縁物間の剥離の有無を調査した。その結果を表３に示す。表３からも明らかなように、実施例で作製した放熱材料を用いた放熱部材は絶縁材との剥離もなく良好なものであった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の放熱材料は以上のように構成されており、炭素繊維フェルトの配向方向を制御することによってかさ密度を１．５ｇ／ｃｍ^３以上、弾性係数を１５ＧＰａ以下、且つ熱膨張係数が２×１０^−６／℃〜６×１０^−６／℃にしたフェルトＣ／Ｃを放熱材料として使用するので、熱伝導性に優れ、軽量で、加工も容易でしかも、ろう付け工程で絶縁材等との間で生じる熱膨張差による熱応力を緩和できる。また、表面粗さを小さく、すなわち平滑にしたので放熱性を向上でき、半導体産業及び自動車産業向けの放熱材料として好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フェルトＣ／Ｃの方向性を示す模式図である。
【図２】本発明に係るフェルトＣ／Ｃを放熱部材に組み込んだ模式図である。
【符号の説明】
１　シリコン基板
２　電極
３　絶縁物
４　放熱材料（フェルトＣ／Ｃ）
Ｘ　Ｘ軸方向
Ｙ　Ｙ軸方向
Ｚ　Ｚ軸方向

Claims

ろう材を介して絶縁物と接合する相手材として用いられ、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以上、絶縁物と対抗する面の少なくとも一方向の弾性係数が１５ＧＰａ以下の、炭素質フェルト内部に熱分解炭素が浸透されてなる炭素繊維強化炭素複合材料を用いた放熱材料。
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも一方向の熱膨張係数が、２×１０^−６／℃〜６×１０^−６／℃である請求項１に記載の放熱材料。
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも一方向の熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１または請求項２に記載の放熱材料。
絶縁物と対抗する面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が、２５Ｓ以下である請求項１乃至請求項３に記載の放熱材料。
少なくともろう材を介して絶縁物と接合する表面が金属で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の放熱材料。