JP2009260168A - 放熱構造、放熱装置及び放熱構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率に優れて放熱性能が高く、耐湿性に優れた放熱構造を安価に提供する。
【解決手段】放熱構造は、基板表面の少なくとも一部に酸化アルミニウム相を有し、該酸化アルミニウム相上にアルミナウィスカーが形成されたことを特徴とする。特に、前記基板は、アルミニウムであり、前記アルミナウィスカーが、表面から外側に延びるように形成されて層を形成し、前記基板表面にアルミナウィスカー層を有することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱抵抗の低い放熱構造、該放熱構造を用いた放熱装置及び放熱構造の製造方法に関する。

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。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を貼り付けたりグリースを介在させたりして熱抵抗を低下させる方法である。

このような放熱材料は、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している。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。

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）。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。
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。

特開２００２−００３８２９号公報 特開２００５−１３９２６７号公報 特許第３１８３８４５号

本発明は、上記問題点に鑑みて、熱伝導率に優れて放熱性能が高く、耐湿性に優れた放熱構造を安価に提供することを課題とする。更に、該放熱構造を発熱体及び／又は放熱体に接触させて用いる放熱装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、これまでに、上記放熱材料の代わりに金属等の基板表面にカーボンナノチューブが長さ方向に配向した層を形成し、カーボンナノチューブ、特にカーボンナノチューブの先端を発熱源等の相手材表面に接触させることにより効率よく熱を吸い上げることができる、すなわち、カーボンナノチューブと発熱源との接触熱抵抗を極めて低下させ得ることを見出した。また、発熱源の表面に対してカーボンナノチューブを垂直に接触させることで低い熱抵抗が実現できることも見出している。

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おり、例えば、カーボンナノチューブの先端を発熱体表面に接触させると、微細なカーボンナノチューブの先端が発熱体表面の凹凸部分に極めて良好に接触し、低い熱抵抗が得られる。このように、カーボンナノチューブが相手材（発熱体、放熱体等）に対して垂直に接触することが重要である。

基板面に対して垂直に成長したカーボンナノチューブは例えば昇華法と呼ばれる方法で合成できる（詳しくは特許文献３参照）。すなわち、真空下において、ＳiＣ基板が分解してケイ素原子が失われる温度に加熱すると、ＳiＣが分解して珪素原子が失われる。このとき、ケイ素原子はＳiＣ結晶の表面から順に失われるため、まずＳiＣ結晶の表面がケイ素原子の欠乏した層（炭素層）に変化し、このＳi除去層（炭素層）が次第に元のＳiＣ結晶の内部に浸透するように厚みを増す。この層を顕微鏡で観察すると、カーボンナノチューブがＳiＣ表面から垂直に生成している層であることが知られている。

しかし、昇華法でカーボンナノチューブを合成するためには高温が必要であり、耐熱性の低い金属等の表面に直接カーボンナノチューブを形成することができない。安価な金属材料にカーボンナノチューブのような髭状物質を安価なプロセスで形成することができると、ヒートシンクやヒートスプレッダとして極めて用途が広がり、電子デバイス全般の放熱材に極めて重要な技術となる。
本発明者は、上記課題及び知見に基づき鋭意研究を重ねた結果、安価なアルミニウム金属の表面に髭状のアルミナウィスカーを形成することで低熱抵抗が達成できることを見出した。すなわち、本発明は、以下の構成を採用する。

（１）本発明に係る放熱構造は、基板表面の少なくとも一部に酸化アルミニウム相を有し、該酸化アルミニウム相上にアルミナウィスカーが形成されたことを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造であって、前記基板の酸化アルミニウム相以外がアルミニウム、銅又はセラミックスのいずれかにより形成されていることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造であって、前記基板表面の酸化アルミニウム相から、複数の前記アルミナウィスカーが成長してい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であって、前記アルミナウィスカーが、表面から外側に延びるように形成されて層を形成し、前記基板表面にアルミナウィスカー層を有す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、前記酸化アルミニウム相は、前記基板表面の少なくとも一部の領域に形成されていることを特徴とする。

（６）上記（４）又は（５）に記載の放熱構造であって、前記アルミナウィスカー層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（７）上記（６）に記載の放熱構造であって、前記アルミナウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
（８）本発明に係る放熱装置は、上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の放熱構造を発熱体及び／又は放熱体に接触させて用い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、表面の少なくとも一部がアルミニウムである基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを形成する第一の工程と、該炭化アルミ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ウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含むことを特徴とする。
（１０）上記（９）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第一の工程を４５０℃以上でアルミニウムの融点よりも低い温度で行うことを特徴とする。
（１１）上記（９）又は（１０）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第二の工程を、３００℃以上で前記基板の融点よりも低い温度で行うことを特徴とする。
（１２）上記（９）〜（１１）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第二の工程で、加熱を一時間以上行うことを特徴とする。

本発明に係る放熱構造は、安価なアルミニウムやＣu基板からなり、放熱性能が高く耐湿性にも優れた放熱構造である。特に、ヒートスプレッダやヒートシンクとして有望である。
セラミックスを基板とした場合にはさらに高い放熱性能が得られる。

本発明者は、背景技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定条件でアルミニウムを加熱してアルミナウィスカーを形成することにより作製されるアルミナウィスカー層が上記課題を解決することを見出した。このような発明者の知見に基づいて本発明はなされたものである。すなわち、本発明に係る放熱構造は、基板表面の少なくとも一部に酸化アルミニウム相を有し、該酸化アルミニウム相上にアルミナウィスカーが形成されたことを特徴とする。特に、基板表面の１箇所の酸化アルミニウム相に、複数本のアルミナウィスカーが形成されていることを特徴とする。酸化アルミニウム（アルミナ）は熱伝導率に優れた材料である。このため、酸化アルミニウムがウィスカー状に基板表面に形成された本発明に係る放熱構造は、発熱体・放熱体のような相手材に接触させて用いる際に、該アルミナウィスカーが相手材表面の微細な凹凸に隙間なく接触することが可能であるため、接触熱抵抗を低くすることができる。

本発明に従った放熱構造は、アルミニウム及び銅をはじめとする熱伝導率に優れかつ安価な金属基板と、該基板の表面上に形成されたアルミナウィスカーとを備え、以下の手法により合成される。
すなわち、本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも表面の一部又は全部がアルミニウムである基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを形成する第一の工程と、該炭化アルミ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ウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含むことを特徴とする。

本発明は、炭化水素含有物質を含む空間に少なくとも表面の一部がアルミニウムである基板を配置し、加熱するという簡単な工程で、アルミニウムの表面にアルミナウィスカーからなる層を形成することができる。基板としては、熱伝導率に優れるアルミニウム、銅又はセラミックス等であることが好ましい。このとき、後述するように、基板表面に形成されていたアルミニウムすべてを酸化アルミニウム及び／又はアルミナウィスカーに転化してもよいし、その一部がアルミニウムのまま残存するように作製しても構わない。図１及び図２は本発明の一つの実施の形態としてアルミナウィスカー層を有する放熱構造の断面構造を模式的に示す図である。

アルミニウム基板を、炭化水素を含む雰囲気で加熱することにより、基板表面の少なくとも一部には、炭化アルミニウムを主成分とする相が形成される。このとき、該炭化アルミニウム相の表面からは、ウィスカー状の形態で基板表面から外側に延びるように形成された炭化アルミニウムを主成分とする炭化アルミウィスカー相が成長する。例えば、Ａl₄Ｃ₃結晶を含むものであるが、非晶質を含む場合がある。また基板のアルミニウムに含まれる各種不純物を含む場合がある。

基板表面のアルミニウムが炭化されて炭化アルミニウムに転化する時、図１（ｂ）のように炭化アルミウィスカー相を有する組織となる。更に、このとき、アルミニウムが基板表面の一部又は全面に均一に形成されていると、該炭化アルミウィスカーが基板表面に層状に形成される。図１（ｂ）の組織は、加熱温度が３００℃以上で得られる。反応効率を考えると４５０℃以上が好ましく、上限はアルミニウムの融点以下である。アルミニウムには種々の合金があり、それぞれの融点よりも低温にすればよい。

用いられる炭化水素含有物質の種類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、また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。

また、アルミニウムを配置する空間に導入される炭化水素含有物質の質量比率は、特に限定されないが、通常はアルミニウム１００質量部に対して炭素換算値で０．１質量部以上５０質量部以下の範囲内にするのが好ましく、特に０．５質量部以上３０質量部以下の範囲内にするのが好ましい。加熱時間は、加熱温度等にもよるが、一般的には１時間以上１００時間以下の範囲内である。
また、基板表面部を完全に炭化アルミニウムに転化させても構わない。この場合、アルミナウィスカーの生成密度が増大するので熱抵抗は更に低下する（図２）。

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（上記第二の工程：図１（ｃ））。このように、本発明では、アルミニウム基板から極めて簡易な手法でアルミナウィスカーが得られる。熱力学的には炭化アルミニウムは室温でも酸化アルミニウムに転化するが、プロセスの効率を考えると酸化アルミニウムに転化させるための温度は３００℃以上が好ましい。好ましくは４５０℃以上で、上限はアルミニウムをはじめとする前記基板の融点以下である。加熱時間は、加熱温度等にもよるが、一般的には１時間以上である。

転化したアルミナウィスカーの主成分は非晶質である。非晶質アルミナウィスカーは結晶質アルミナウィスカーに比べて熱伝導率が低いため、熱抵抗を小さくするためには結晶質にすることが好ましい。結晶質に転化させるためには大凡、１５００℃以上での熱処理が必要であるが、基板がアルミニウム等の金属では適さないので、この場合は、例えば、セラミックスまたは耐熱性金属を基板とし、該基板表面にアルミニウムをコーティングした後、該アルミニウム全体を、炭化アルミニウムを主成分とする相に転化させてアルミニウムを残存させないようにすればよい。

最表面のアルミナウィスカーは、相手材表面の微細な凹凸に張り込んで接触することにより熱を伝達する機能を担うため、長さは重要である。相手材の最大表面粗さと同等又はそれ以上の長さであれば良好な接触が得られる。このため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アルミナ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、アルミナウィスカー層の厚さは１０μｍ以上が好ましい。この場合、アルミナウィスカーからな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。

（１）材料
＜基板＞
１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種基板を用いた。アルミニウム基板以外を用いる時は、基板表面の両面にイオンプレーティング法でアルミニウム膜をコーティングした。
＜アルミナウィスカー層の形成＞
各種基板を、各種炭化水素ガスを含む雰囲気で加熱した。その後、大気中で加熱した。一部の試料は、大気中での加熱をしなかった。加熱後の基板表面にはアルミナウィスカーが生成していた。Ｘ線回折によりアルミナウィスカー相を同定した。

＜暴露処理＞
試料を、湿度９０％、温度１２０℃の雰囲気で１０００時間暴露させた。
＜熱抵抗の測定＞
試料を、図３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、１２．８Ｖ、２４５ｍＡ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。

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＞
結果を表１に示す。

本発明に係る放熱構造は熱抵抗が小さかった。
融点が低い純アルミニウム基板を用いた試料では、酸化処理温度を低温にせざるをえないため、生成相（アルミナウィスカー）は非晶質であった。これらの試料の熱抵抗は相対的に大きい値であった。これは生成したアルミナウィスカーが非晶質で熱伝導率が低いためと考えられる。
セラミックス基板を用い、酸化処理温度を高く設定した場合にはウィスカーはα型アルミナであった。これらの試料の熱抵抗は相対的に低い値であった。α型アルミナウィスカーの熱伝導率が高いためと考えられる。
また、酸化処理しない場合は、ウィスカーはＡl₄Ｃ₃であったが、この試料の熱抵抗は酸化処理した場合よりも大きかった。これは、Ａl₄Ｃ₃の耐湿性が低いために暴露時に一部潮解現象が起こりウィスカーの一部が崩壊して接触性が低下したためと考えられる。

本発明に係る放熱構造の製造方法の一例の概略を表す図である。 本発明に係る放熱構造の製造方法の別の一例の概略を表す図である。 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表す図である。

Claims (12)

1. 基板表面の少なくとも一部に酸化アルミニウム相を有し、該酸化アルミニウム相上にアルミナウィスカーが形成されたことを特徴とする放熱構造。
2. 前記基板の酸化アルミニウム相以外がアルミニウム、銅又はセラミックスのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
3. 前記基板表面の酸化アルミニウム相から、複数の前記アルミナウィスカーが成長していることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
4. 前記アルミナウィスカーが、表面から外側に延びるように形成されて層を形成し、前記基板表面にアルミナウィスカー層を有す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。
5. 前記酸化アルミニウム相は、前記基板表面の少なくとも一部の領域に形成されてい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。
6. 前記アルミナウィスカー層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載の放熱構造。
7. 前記アルミナウィスカー層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の放熱構造。
8. 請求項１〜７のいずれか一に記載の放熱構造を発熱体及び／又は放熱体に接触させて用いることを特徴とする放熱装置。
9. 表面の少なくとも一部がアルミニウムである基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを形成する第一の工程と、該炭化アルミ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ウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含むことを特徴とする放熱構造の製造方法。
10. 前記第一の工程を３００℃以上でアルミニウムの融点よりも低い温度で行うことを特徴とする請求項９に記載の放熱構造の製造方法。
11. 前記第二の工程を、３００℃以上で前記基板の融点よりも低い温度で行うことを特徴とする請求項９又は１０に記載の放熱構造の製造方法。
12. 前記第二の工程で、加熱を一時間以上行うことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。

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