JP2009260169A - ヒートシンク及び放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、接触熱抵抗及び放射熱抵抗の両者を低減し、放熱性能に優れたヒートシンクを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係るヒートシンクは、ヒートシンクの受熱面及び放熱面の表面に複数の髭状物質を有する層が形成されていることを特徴とする。また、基体の少なくとも表面にアルミニウム及び酸化アルミニウム相を有するヒートシンクであって、該ヒートシンクの受熱面及び放熱面に複数のアルミナウィスカーを有し、該アルミナウィスカーが層を形成していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱性能の高いヒートシンクに関する。

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。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と称する、多くのフィンを有する放熱部材が一般には用いられている。

具体的には半導体素子の放熱面に、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）のヒートシンクを熱伝導性グリース等接着剤と介して接触させ発熱した熱を半導体素子からヒートシンクに移動させる。最終的にはヒートシンク表面に存在する多数のフィンを空冷することで熱が放出される。
フィンからの放熱効率を高めるために、フィンの表面部に微細なウィスカーを形成して表面積を増大させる手法が発明されている（特許文献１）。

この時、ヒートシンクと半導体素子の間には放熱グリースや放熱シートなどが介されて熱を伝えるが、これらのグリース等の熱伝導率が低いために、熱抵抗が高くなってしまうという問題がある。
特開２００７−１０９７００号公報

本発明は、上記問題点に鑑みて、接触熱抵抗及び放射熱抵抗の両者を低減し、放熱性能に優れたヒートシンクを提供することを課題とする。また、該ヒートシンクを発熱体に接触させて放熱することを特徴とする放熱装置を提供することを課題とする。

ヒートシンクにより半導体素子が発生する熱を放熱する場合の全体の熱抵抗は、半導体素子からヒートシンクへの熱の移動を妨げるグリースの熱抵抗（接触熱抵抗と呼称する）とフィンから大気へ熱放射される時の熱抵抗（放射熱抵抗と呼称する）の総和で決まる。前記特許文献１に記載の放熱体では前者の熱抵抗が大きく、全体の熱抵抗が大きくなってしまうという問題があった。そこで本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ヒートシンクの表面部に微細な髭状物質を層状に形成することが有効であることを見出した。すなわち、本発明は、ヒートシンクの表面部に微細な髭状物質を層状に形成し、前記接触熱抵抗と放射熱抵抗の両方を同時に低減させたヒートシンクに関する。より具体的には、本発明は下記の特徴を有する。

（１）本発明に係るヒートシンクは、受熱面及び放熱面の表面に複数の髭状物質を有する層が形成されていることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載のヒートシンクであって、前記髭状物質として、セラミックウィスカー、カーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバーのいずれか一種以上を有することを特徴とする。
（３）上記（１）に記載のヒートシンクであって、基体の少なくとも表面に酸化アルミニウム相を有し、該ヒートシンクの受熱面、および放熱面に複数のアルミナウィスカーを有し、該アルミナウィスカーが層を形成していることを特徴とする。

（４）上記（３）に記載のヒートシンクであって、前記基体の酸化アルミニウム相以外の部分が、アルミニウム系金属または銅系金属のいずれかであることを特徴とする。
（５）上記（３）又は（４）に記載のヒートシンクであって、前記アルミナウィスカーが、前記基体表面の酸化アルミニウム相から成長していることを特徴とする。
（６）上記（３）〜（５）のいずれか一に記載のヒートシンクであって、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いることを特徴とする。
（７）上記（３）〜（６）のいずれか一に記載のヒートシンクであって、前記酸化アルミニウム相は、前記基体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。

（８）上記（１）〜（７）のいずれか一に記載のヒートシンクであって、前記髭状物質を有する層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（９）上記（８）に記載のヒートシンクであって、前記髭状物質を有する層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
（１０）上記（１）〜（９）のいずれか一に記載のヒートシンクであって、前記髭状物質を有する層の放射率が０．５以上であることを特徴とする。
（１１）本発明に係る放熱装置は、上記（１）〜（１０）のいずれか一に記載のヒートシンクの受熱面を、グリースを介して発熱体に圧着させる方式を採用することを特徴とする。

本発明に係るヒートシンクは、安価なアルミニウムやＣu基板の受熱面と放射面に髭状物質が形成されている。受熱面の髭状物質は発熱体からの熱の吸い上げ効果を増大させ、放射面の髭状物質は放射部の表面積を増大させると同時に放射率自体も高くなり、これらの効果の合算により、低い熱抵抗を持つヒートシンクとなる。

図１に本発明に係るヒートシンクの概念構造を記す。ヒートシンクの受熱面と放熱面の両方に微細な髭状物質を複数有する層が形成されている。図１の使用例に示すようにヒートシンクの受熱面に形成された髭状物質は発熱体（半導体素子）に接触して熱を吸い上げる。髭状物質を主成分とする層は緻密な層ではなく、気孔を含む多孔質層である。微細な髭状物質が発熱体の表面の微細な凹凸にも隙間なく、効率的に接触するので、熱抵抗は小さくなる。

尚、通常は受熱面にはグリースが用いられるが、グリースは熱伝導率が小さいためにグリースの厚さが増大するほど熱抵抗が増大する。本発明に係るヒートシンクは、グリースを用いなくても十分に小さい熱抵抗を得られるが、グリースを併用すると熱抵抗はさらに小さくなる。すなわち、ヒートシンクと発熱体の間にグリースを介在させた後にヒートシンクを発熱体に圧着させると、髭状物質からなる層の気孔部にグリースが侵入することで、発熱体との接触性をさらに向上させることができるからである。このため、本発明に係るヒートシンクの受熱面を、グリースを介して発熱体に圧着させる方式を採用する放熱装置は、放熱性能に優れたものとなる。

上記ようにしてヒートシンクに伝わった熱は、ヒートシンクの多数のフィン（放熱面）から外気へ向けて放熱されるが、フィン表面に形成された微細な髭状物質の大きな表面積のために熱放射効率が高くなる。

本発明に係るヒートシンクの材料としてはアルミニウム系合金を用いるのが最も好ましい。これは、髭状物質を最も安価なプロセスで形成する技術に関連している。
髭状物質を安価な方法で形成するには、例えば以下の方法がある。すなわち、少なくとも表面の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ニウムウィスカーを形成する。その後、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することにより、容易にアルミニウムの表面に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できる（図２）。

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２（ｂ）のように、炭化アルミニウム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前面に均等に存在すると、該炭化アルミニウムウィスカーが基板表面に均等に成長し、炭化アルミニウムウィスカー層が形成される。図２（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、基体の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３）。

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（図２（ｃ））。このように、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。アルミナウィスカーからなる層は多孔質である。熱力学的には炭化アルミニウムは室温でもアルミナ（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アルミナ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。アルミニウム以外にも、銅系合金やセラミック基板をもちいることができる。この場合は、表面部にアルミニウムをコーティングしておけばよい。

以上のような手法を、ヒートシンク形状をした基体について行えば、容易に本発明に係るヒートシンクを製造することができる。すなわち、受熱面及び放熱面の表面に髭状物質を主成分とする層として、アルミナウィスカー層を形成することができる。このため本発明に係るヒートシンクは、アルミナウィスカーが基体表面の酸化アルミニウム相から成長していることを特徴とする。特に、基板表面の１箇所の酸化アルミニウム相には、複数本のアルミナウィスカーが形成されている。
この他の髭状物質としては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー等、直径が小さくアスペクト比が大きい材料が候補となる。例えばカーボンナノチューブからなる層を形成するには、ＣＶＤ法で直接基板にコーティングする、または粉末状のカーボンナノチューブを液体中に分散させて、電気泳動等の現象を利用して基板に体積させる等の手法が考えられる。

髭状物質の先端は微少であるため、相手材表面の微細な凹凸に隙間なく侵入して接触することが可能であり、これにより接触熱抵抗を低減することができる。このため、相手材である発熱体表面に存在する微細な凹凸に髭状物質を侵入させるためには、髭状物質からなる層の厚さは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、相手材表面にマクロなうねりがある場合は、厚さは１０μｍ以上が好ましい。この場合、髭状物質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。

本発明に係るヒートシンクでは、上記処理をしたアルミナウィスカーをはじめ、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーを主成分とする髭状物質の層の放射率は０．５以上になり、放射効率が増大している。

（１）実施例１
＜基体＞
図４に示すように、３０×３０ｍｍの純アルミニウム製ヒートシンク、または純銅製ヒートシンクを用いた。純銅製ヒートシンクを用いる時は、基体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＞
上記基体を、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。加熱後の基体（ヒートシンク）表面にはウィスカーが生成していた。Ｘ線回折によりウィスカー相を同定した。

＜熱抵抗の測定＞
試料を、図５に示す熱抵抗測定装置にセットした。
幅３０×３０ｍｍ、厚さが１０ｍｍの最上部に熱電対を埋め込んだ（温度：Ｔ１）Ｃu板の上に各試料（ヒートシンク）を設置した。ヒートシンクとＣu板は圧力０．３７５ＭＰaで締めつけた。一部の試料は、Ｃuの表面にグリースを５０μｍ厚さで塗布した。
ＡlＮヒータで加熱しながらヒートシンクのフィン部を冷却ファンで空冷した時の、ヒートシンクの先端に埋め込んだ熱電対（温度：Ｔ２）との間の温度差から熱抵抗を算出した。

試験条件は、測定時間１０分間、１２Ｗの発熱量（Ｑ）にて行った。
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ

＜放射率の測定＞
放射温度計（日本電子社製、フーリエ赤外分光光度計（赤外放射測定ユニット付）を
用いた。ヒートシンクの受熱面の表面の放射率を測定した。
＜結果＞
結果を表１に示す。

本発明に係るヒートシンクは熱抵抗が小さかった。
比較例によるヒートシンクは放射率が小さかった。アルミナウィスカーを形成することで熱抵抗は低下した。アルミナウィスカーを主成分とする層の厚さが増大するほど熱抵抗は低下した。銅製ヒートシンクを用いるとさらに熱抵抗が低下したのは、銅の高い熱伝導率のためと考えられる。
グリースを５０μｍ塗布した後、本発明に係るヒートシンクを接着させた場合に熱抵抗が最も小さかったのは、アルミナウィスカーからなる多孔質層の気孔部にグリースが含浸され、発熱体であるＣuとの接触性がさらに改善されたためと考えられる。

（２）実施例２
＜基体＞
実施例１と同じ銅製ヒートシンクを用いた。
＜カーボンナノチューブ層の形成＞
スパッタリング法で触媒となるコバルトをコーティングしてコバルトの微粒子を基体表面に付着させた。次に、基体を炉内に設置し、エタノールガスを、アルゴンガスをキャリアガスとして、温度８００℃、炉内圧力３００torr、各種時間で反応させた。これにより、基体表面にほぼ垂直に成長したカーボンナノチューブ層が形成した。

＜熱抵抗の測定＞
実施例１と同様に行った。
＜放射率の測定＞
実施例１と同様に行った。
＜結果＞
結果を表２に示す。
本発明に係るヒートシンクは熱抵抗が小さかった。

本発明に係るヒートシンク及びその使用例の一例を示す図である。 本発明に係るヒートシンクの製造方法の一例を説明する図である。 本発明に係るヒートシンクの製造方法の別の例を説明する図である。 実施例に用いたヒートシンクの基体の形状を示す図である。 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示す図である。

Claims (11)

1. ヒートシンクの受熱面及び放熱面の表面に複数の髭状物質を有する層が形成されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記髭状物質として、セラミックウィスカー、カーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバーのいずれか一種以上を有することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 基体の少なくとも表面に酸化アルミニウム相を有するヒートシンクであって、該ヒートシンクの受熱面、および放熱面に複数のアルミナウィスカーを有し、該アルミナウィスカーが層を形成していることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
4. 前記基体の酸化アルミニウム相以外の部分が、アルミニウム系金属または銅系金属のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク。
5. 前記アルミナウィスカーが、前記基体表面の酸化アルミニウム相から成長していることを特徴とする請求項３又は４に記載のヒートシンク。
6. 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いることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一に記載のヒートシンク。
7. 前記酸化アルミニウム相は、前記基体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３〜６のいずれか一に記載のヒートシンク。
8. 前記髭状物質を有する層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載のヒートシンク。
9. 前記髭状物質を有する層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク。
10. 前記髭状物質を有する層の放射率が０．５以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一に記載のヒートシンク。
11. 請求項１〜１０のいずれか一に記載のヒートシンクの受熱面を、グリースを介して発熱体に圧着させる方式を採用することを特徴とする放熱装置。

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