JP2009266982A

JP2009266982A - 放熱構造及び該放熱構造の製造方法

Info

Publication number: JP2009266982A
Application number: JP2008113362A
Authority: JP
Inventors: Chihiro Kawai; 千尋河合
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】本発明は、高熱伝導率を有し、接触熱抵抗が低く、放熱性能に優れた放熱構造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、炭素を主成分とする基板と、該基板の少なくとも一面の一部又は全面に形成された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と、を有することを特徴とする。特に、前記基板がグラファイトシートであることが好ましい。また、前記炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、前記基板表面から直接成長していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、極めて放熱性が高い炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーを利用した放熱構造に関する。

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に伴い、ＣＰＵ等の発熱源の発熱量が飛躍的に増大しており、放熱デバイスの高性能化が求められている。代表的な放熱手法は、熱の輸送能力の高いＣu製のヒートパイプと発熱源の間に放熱シートや接着剤を介在させて放熱する方法である。近年、重いヒートパイプの代わりにグラファイトシートのような面内方向に極めて高い熱伝導率を持つ、薄型・軽量の熱輸送シートを用いることが多くなっている。グラファイトシートは、面と垂直方向にグラファイトのｃ軸が並んだシートで、面内方向の熱伝導率は１５００Ｗ／ｍＫ程度にも及ぶのでヒートパイプの代わりに使うことができる。

グラファイトシートは、（特許文献１〜３）等が示すように、ポリイミドなどからなる有機高分子シートを焼成処理する方法により、非常に面内配向性の高いグラファイト構造体からなる放熱材料が得られる。

特開昭５８−１４７０８７号公報特開昭６０−０１２７４７号公報特開平０７−１０９１７１号公報

しかし、グラファイトシートを発熱体に接触させるだけでは熱を吸い上げることはできない。これは発熱体の表面に存在する微細な凹凸部に存在する空気のために熱抵抗が高くなってしまうのである。そこで、グラファイトシートと発熱体の間に熱伝導性グリースを介在させたり、または、グラファイトシート表面に樹脂製の粘着層を直接形成して一体化するなどの手法がとられている。しかし、これらの樹脂の熱伝導率が小さいために熱抵抗が大きくなるという課題があった。

そこで本発明は、高熱伝導率を有し、接触熱抵抗が低く、放熱性能に優れた放熱構造を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、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、炭素を主成分とする基板の表面の少なくとも一部に、直接形成させることが有効であることを見出した。
本発明は下記の構成からなる。

（１）本発明に係る放熱構造は、炭素を主成分とする基板と、該基板の少なくとも一面の一部又は全面に形成された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と、を有す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、前記基板がグラファイトシートからな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、前記炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが前記基板表面から直接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、前記炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、前記基板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。

（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の厚さが、０．５μｍ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の厚さが、１０μｍ以上であることを特徴とする。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記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中に熱伝導性樹脂が含浸されていることを特徴とする。
（８）上記（７）に記載の放熱構造であって、前記熱伝導性樹脂がグリースであ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、炭素を主成分とする基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して該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第一の工程を有することを特徴とする。
（１０）上記（９）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第一の工程の後に、前記炭化アルミ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ニウム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有することを特徴とする。
（１１）上記（９）又は（１０）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記アルミニウムを含むガスが、アルキルアルミニウムガスであることを特徴とする。
（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、前記第一の工程又は前記第二の工程の後に、炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーを主成分とする層の気孔部に熱伝導性樹脂を含浸させることを特徴とする。
（１３）上記（９）〜（１２）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、前記基板としてグラファイトシートを用いることを特徴とする。

本発明により、低接触熱抵抗、高熱伝導率を有し、放熱性能に優れた放熱構造を提供することができる。

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。また、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、両者の区別なく、単にウィスカー層と記す場合もある。

本発明に係る放熱構造は、グラファイトシート又は多孔質炭素のような炭素を主成分とする基板の表面に直接、炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーを主成分とする層が形成されている。このため、該ウィスカー層中の各炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが発熱源（相手材）表面の微細な凹凸に隙間なく効率的に入り込むため、高い接触性が得られる。

また、実質的に炭素基板表面から直接ウィスカーが生成しているために、該炭素基板と、ウィスカー間の熱抵抗がほとんどゼロに近い。更に、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは高い熱伝導率を有するため、熱伝導率に優れた放熱構造となる。結果として、相手材（発熱体／冷却体）に接触させて使用した場合に、低い接触熱抵抗、高熱伝導率が発揮され、高い放熱性能が得られる。

ウィスカーは、相手材表面の微細な凹凸に隙間なく接触して、放熱構造と相手材との接触性を高める役割を果たすため、基板表面から外側に延びるように形成されていることが好ましい。特に、基板表面に略垂直に形成されていると、より高い接触性が発揮される。なお、ウィスカーは基板表面から完全に垂直に形成されている必要はなく、所々で斜方向を向いていても構わない。すなわち、相手材表面の微細な凹凸に効率よく入り込める程度に基板表面に立設されていればよい。

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、本発明に係る放熱構造のウィスカー層に、熱伝導性樹脂を含浸させて用いると、更に接触性が改善され、高放熱性能を発揮する。特に熱伝導性のグリースを用いることが好ましい。

本発明に係る放熱構造は以下の工程により製造される。すなわち、基板表面に炭化アルミニウムウィスカー層が形成された放熱構造は、主として炭素からなる基板を、アルミニウムを含む空間に配置して加熱し、該基板表面に炭化アルミニウムウィスカーを形成する第一の工程により製造される。更に、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経ることにより、基板表面にアルミナウィスカーを主成分とする層が直接形成された放熱構造を製造することができる。
本発明に係る放熱構造は、アルミニウムを含む空間に炭素基板を配置し、加熱するという簡単な工程で、製造することができる。図１に本発明に係る放熱構造の製造方法の概略を示す図を表す。

上記のように、炭素を主成分とする基板を、アルミニウムを含む雰囲気で加熱することにより、ウィスカー状の形態で、基板表面から延びるように炭化アルミニウムを主成分とする相が成長する。すなわち、炭化アルミニウムを主成分とする相が、基板表面からウィスカーとして直接成長して、ウィスカーを主成分とする層が形成される。なお、炭化アルミニウムを主成分とする相とは、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。また基板の炭素に含まれる各種不純物を含む場合がある。

上記のように、基板の主成分である炭素がアルミニウムと反応して炭化アルミニウムに転化する時、ウィスカーが形成される。この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。また、６００℃を越えると、熱力学的に炭化アルミニウムの生成量が減少して炭素が残存する傾向がある。しかし、基板の表面の一部を炭素として残存させたい場合にはこのほうが好ましい場合もある。

用いられるアルミニウム源としてはＡl（ＣＨ₃）₃等のアルキルアルミニウム等があるが、これに限定されるわけではない。例えば、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。

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ことができる。このように、本発明では、炭素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。５００℃以上では、基板の炭素が酸化されやすくなるため、５００℃より低温での処理が好ましい。

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以上であることが好ましい。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。

本発明では、基板には炭素を主成分とする材料を用いることができる。黒鉛（グラファイト）でも非晶質炭素でも、あるいは多孔質炭素でも構わない。放熱材料として特に好ましいのはグラファイトシートである。

また、ウィスカー層中に熱伝導性樹脂などの、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。特に、熱伝導性グリースのように、熱伝導性に優れるものが好ましい。また、相手材の表面にグリースを塗布した後に、本発明に係る放熱構造を押しつけるだけでも含浸するので、それでも構わない。熱伝導性樹脂は、炭化アルミニウムウィスカー層に含浸させて用いても、アルミナウィスカー層に含浸させて用いても、どちらでも構わない。すなわち、前記第一の工程又は第二の工程のいずれかの工程の後に、樹脂を含浸させればよい。

＜基板＞
（１）グラファイトシート
厚さ２５０μｍのポリイミドシートを電気炉に入れて焼成処理を行なった。
予備焼成として、Ａr雰囲気中で室温から１２００℃までを３℃／minの昇温速度で昇温し、予備焼成温度１２００℃で３時間保持した。この予備焼成工程で、有機高分子体が熱分解して窒素、酸素、水素が抜けることにより、重量比で出発原料の５０〜６０％となった中間シートに変化する。

さらに試料を超高温炉に移し替えて本焼成を行なった。１０００℃までは昇温速度１０℃／minで行ない、その後５℃／minとして中間処理温度である２２００℃で１時間の中間保持を設けた。さらに、本焼成温度２７００℃までは５℃／minの昇温速度とし、２７００℃での保持時間を３時間とした。
本焼成温度保持後の冷却は、２２００℃までは降温速度は５℃／minとし、その後１３００℃までは１０℃／min、室温までは２０℃／minとした。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で得られた構造体断面を観察すると、グラフェン層が積層されたグラファイト構造をもっていることが確認できた。Ｘ線回折分析により、形成されたグラファイト構造体の結晶構造を評価した結果、グラファイト（００２）及びその高次ピークからなっていた。

上記の工程で得られたグラファイトシートの熱伝導特性を評価した結果、面方向の熱伝導率κ１は、６００Ｗ／ｍＫであった。一方、層方向（厚さ方向）の熱伝導率κ２は、８Ｗ／ｍＫであった。

このグラファイトシートをそのまま使用するか、またはグラファイトシートの両面にアクリル系粘着層を３０μｍ厚さで形成して用いた。

（２）多孔質炭素
東海カーボン製の多孔質炭素（ＰＣ５０６０Ｇ（０．５ｍｍ厚））を用いた。

＜ウィスカー層の形成＞
上記グラファイトシート又は多孔質炭素を基板として使用した。該基板を１０％アルキルアルミニウム−アルゴンガス中で加熱して、基板表面に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。一部の試料は、更に大気中で加熱して、アルミナウィスカーを主成分とする層を形成した。
＜熱抵抗の測定＞
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。

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。
本発明に係る放熱構造の製造方法により、基板表面に直接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。
これは、本発明に係る放熱構造は、基板表面から直接炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーが成長しているため、基板と炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーの間の熱抵抗が極めて小さいことと、炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーがＣu板（ホルダ）とよく接触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表す図である。

Claims

炭素を主成分とする基板と、
該基板の少なくとも一面の一部又は全面に形成された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と、
を有することを特徴とする放熱構造。
前記基板がグラファイトシートからなることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
前記炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが前記基板表面から直接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。
前記炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、前記基板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１〜３のいずれか一に記載の放熱構造。
前記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。
前記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。
前記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中に熱伝導性樹脂が含浸されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載の放熱構造。
前記熱伝導性樹脂がグリースであることを特徴とする請求項７に記載の放熱構造。
炭素を主成分とする基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して該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第一の工程を有することを特徴とする放熱構造の製造方法。
前記第一の工程の後に、前記炭化アルミ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ニウム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有する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。
前記アルミニウムを含むガスが、アルキルアルミニウムガスである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。
前記第一の工程又は前記第二の工程の後に、炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーを主成分とする層の気孔部に熱伝導性樹脂を含浸させる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。
前記基板としてグラファイトシートを用いることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。