JP2010103361A - 放熱材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高熱伝導基板の表面に絶縁層を形成することで導電性および放熱性に優れた放熱材料とその製造方法を提供する。
【解決手段】高熱伝導基板と、少なくともその一面の表面に形成された窒化硼素層から構成され、前記窒化硼素層は、それを構成する窒化硼素化合物の硼素と窒素の六員環結合面が前記高熱伝導基板面と平行である配向性窒化硼素膜を含むことを特徴とする放熱材料に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高熱伝導基板とその表面に形成した配向性窒化硼素膜から構成される絶縁性放熱材料とその製法、およびこれを用い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を発熱源に接触させることにより、発熱源の熱を面内にいち早く拡散させてスポット発熱を防止することができる。

グラファイトシートは、その面と垂直方向（ｃ軸方向）にグラファイトが積層されたシートで、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等に示すように、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。

熱処理の条件は、上記塗膜のマトリックスがグラファイトになる条件に適宜設定すれば良く、例えば、不活性ガス雰囲気中で１０００℃以上３０００℃以下の範囲で好ましく実施することができる。不活性ガスとしては、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素等の少なくとも１種の不活性ガスを用いることができる。熱処理時間は、熱処理温度等に応じて適宜決定すれば良い。

一般には、１０００℃以上１５００℃以下の温度範囲で焼成する予備焼成工程、及び２０００℃以上３０００℃以下の温度範囲で焼成する本焼成工程からなる熱処理を実施することが好ましい。

以上のような条件で予備焼成工程を実施することにより、後に続く本焼成処理後に得られるグラファイト構造体の面方向の熱伝導率と配向度を高めることができる。本焼成工程では、配向性のより高いグラファイトとするために、２０００〜３０００℃の温度範囲から選ばれる所定温度で実施される。

しかし、グラファイトシートは導電性材料であるために、発熱源の周囲に多くの回路配線が露出している場合、配線と接触することにより絶縁不良を起こして電子部品としての機能を失うことになる。

そのため、グラファイトシートの表面に樹脂層を形成して絶縁性を確保したりする方法がとられているが、樹脂は熱伝導率が小さいために発熱源からの熱が効率よく伝達しないという課題がある。
特開昭５８−１４７０８７号公報 特開昭６０−０１２７４７号公報 特開平０７−１０９１７１号公報

本発明は、高熱伝導基板の表面に絶縁層を形成することで導電性および放熱性に優れた放熱材料とその製造方法を提供する。

本発明は、高熱伝導基板と、少なくともその一面の表面に形成された窒化硼素層から構成され、前記窒化硼素層は、それを構成する窒化硼素化合物の硼素と窒素の六員環結合面が前記高熱伝導基板面と平行である配向性窒化硼素膜を含むことを特徴とする放熱材料である。

本発明に係る放熱材料は、前記高熱伝導基板が導電性基板であることを特徴とする。
本発明に係る放熱材料は、前記高熱伝導基板がＣｕ、Ａｌ、グラファイトシート、ＳｉＣからなる群から選択されたいずれか一種からなる高熱伝導基板であることを特徴とする。

本発明は、高熱伝導基板上の少なくとも一面に硼素と窒素を含む窒化硼素層を形成する第一の工程と、前記窒化硼素層の表面をＧａ蒸気に接触させる第二の工程からなる前記放熱材料の製造方法である。

本発明に係る放熱材料の製造方法は、前記第一の工程で形成される窒化硼素層が非晶質であることを特徴とする。

本発明に係る放熱材料の製造方法は、前記Ｇａ蒸気の温度が６００℃以上であることを特徴とする。

本発明に係る放熱材料の製造方法は、前記高熱伝導基板が導電性基板であることを特徴とする。

本発明に係る放熱材料の製造方法は、前記高熱伝導基板がＣｕ、Ａｌ、グラファイトシート、ＳｉＣからなる群から選択されたいずれか一種からなることを特徴とする。

本発明は、前記放熱材料を用いた放熱構造であって、窒化硼素層を発熱体と接触させることを特徴とする放熱構造である。

本発明に係る放熱材料は、熱伝導率の高い基板上に面内方向にａ軸とｂ軸が配向した窒化硼素層が形成されるため、絶縁性でかつ放熱性が高い。本発明に係る放熱材料は、半導体部品等種々の電子部品の放熱に有望である。

＜放熱材料＞
本発明に係る放熱材料を図１を用いて説明する。図１（ａ）は未処理状態の放熱材料の模式的斜視断面図であり、高熱伝導基板３と、前記高熱伝導基板３上に形成された窒化硼素層２ａからなる。図１（ｂ）は本発明に係る放熱材料の模式的斜視断面図であり、高熱伝導基板３と、少なくともその一面の表面に形成された窒化硼素層２ｂからなり（図１（ｂ）では、高熱伝導基板３の両面に窒化硼素層が形成されている）、前記窒化硼素層２ｂは、配向性窒化硼素膜を含むことを特徴とする。

図１（ａ）の２ａ、図１（ｂ）の２ｂはいずれも窒化硼素層を示すが、２ａはアモルファス構造の窒化硼素層であり、２ｂは少なくとも窒化硼素層を構成する窒化硼素化合物の硼素と窒素の六員環結合面が前記高熱伝導基板３の基板面と平行である配向性窒化硼素膜を含む窒化硼素層である。

前記配向性窒化硼素膜は被処理基板上に形成されたアモルファス構造の窒化硼素層をＧａ蒸気で処理することによって得られる。

＜高熱導電基板＞
高熱伝導基板３としては、熱伝導率の高い金属やセラミックスが好ましい。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、グラファイトシート、ＳｉＣ等である。特に、窒化硼素層が絶縁性であるため、基板が導電性である場合に効果が大きい。このうち、グラファイトシートは面内の熱輸送能力が最も高いので好ましい。

＜窒化硼素層＞
窒化硼素（以下「ＢＮ」ともいう）は絶縁性セラミックスとして知られている。中でも六方晶ＢＮ（以下「ｈ−ＢＮ」ともいう）はグラファイトと同じ結晶構造を持つ。すなわち、硼素原子と窒素原子の六員環が規則正しく配列した層状構造を持ち、各層はファンデルワールス力で結合しているため、層内方向（ａ軸、ｂ軸方向）に極めて高い熱伝導率を持つという特徴がある。すなわち基板面にｈ−ＢＮがｃ軸方向に積層され配向性窒化硼素膜を形成すると、層内の熱の拡散が極めて速くなるためにスポット発熱を防止することができる。

配向性窒化硼素膜の配向方向は、透過電子顕微鏡で格子像を撮影して確認する。本発明の放熱材料の配向性窒化硼素膜は、ｈ−ＢＮ結晶のｃ軸が高熱伝導基板３の基板面（ａ軸、ｂ軸）と垂直となっている。

＜放熱材料の製造方法＞
（放熱材料の製造工程）
本発明に係る放熱材料の製造工程は、（１）高熱伝導基板上の少なくとも一面に硼素と窒素を含む窒化硼素層を形成する第一の工程と、（２）前記窒化硼素層の表面をＧａ蒸気に接触させる第二の工程からなる。

前記第一の工程で、高熱伝導基板表面にａ軸、ｂ軸方向に配向したｈ−ＢＮを形成することは極めて難しい。気相法等でＢＮをコーティングすると、一般には非晶質であるアモルファス構造または、結晶面がランダムになった層がコーティングされる。この場合、発熱体からの熱は窒化硼素層内を素早く拡散することができないため、熱が籠もってしまう、いわゆるスポット発熱状態となる。

これに対して基板面にｈ−ＢＮがｃ軸方向に積層されると、層内の熱の拡散が極めて速くなるためにスポット発熱を防止することができる。

発明者らは、ｈ−ＢＮをａ軸、ｂ軸方向に配向させて基板表面に形成する手法を鋭意検討した結果、予め、アモルファス構造の窒化硼素層を形成した後、Ｇａ蒸気と反応させることで、前記アモルファス構造の窒化硼素層がグラファイトと同様の配向構造に転化することを見出した。

アモルファス構造の窒化硼素層を配向性窒化硼素膜に転化させるためのＧａ蒸気の温度は６００℃〜８００℃が好適である。さらに、プラズマを印加し、Ｇａ蒸気をプラズマ化することで高熱伝導基板３の温度が４００℃程度であってもアモルファス構造の窒化硼素層を配向性窒化硼素膜に転化させることができる。配向性窒化硼素膜をＧａ蒸気で処理する際の真空度は１０^-4Ｐａ程度である。

（配向性窒化硼素膜製造装置）
配向性窒化硼素膜は、例えば図２に示す配向性窒化硼素膜製造装置によって製造することができる。

本発明で使用する配向性窒化硼素膜生成装置は、石英反応管６の内部に液体Ｇａ９を充填したアルミナ容器４が配置されている。高熱伝導基板３上にアモルファス構造の窒化硼素層２ａが形成された被処理基板は、前記アルミナ容器４の近傍に設置されている。石英反応管６の外側には反応管用ヒータ７が設置され、石英反応管６内部の温度調整が可能となっている。

前記高熱伝導基板３としては、熱伝導率の高い金属やセラミックスが好ましい。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、グラファイトシート、ＳｉＣ等である。

前記アモルファス構造の窒化硼素層２ａの形成方法としては、従来周知の任意の方法を用いることができる。例えば、蒸着やスパッタ法、ＣＶＤ法などがある。該アモルファス構造の窒化硼素層２ａの厚みは、目的とする配向性窒化硼素膜の厚みにあわせるように設定することが好ましい。

（配向性窒化硼素膜製造方法）
図２に示す配向性窒化硼素膜製造装置を使用して、配向性窒化硼素膜を製造する方法について説明する。

はじめに、石英反応管６の内部に前記被処理基板を水平に固定し、ターボポンプによる真空排気を行い、バックグラウンドを１０^-4Ｐａ以下に排気する。真空に保持するのは、液体Ｇａ９からのＧａ蒸気５の発生を活発にするためである。しかし、本合成法はあくまで一例であり、Ｇａ蒸気を別途導入する場合は、炉内を真空に保持することは特に必要ないと言える。

次に反応管用ヒータ７で加熱することで石英反応管６内部の液体Ｇａ９を気化し、Ｇａ蒸気５の温度を６００℃以上に上昇させ、アモルファス構造の窒化硼素層２ａの表面に接触させる。

前記熱処理を１０分〜１時間行ない、その後再び室温に徐冷する。
前記のＧａ蒸気５中の熱処理で、前記アモルファス構造の窒化硼素層２ａの表面に、配向性窒化硼素膜が形成される。

なお、特に大面積コーティングをする場合は、Ｇａ蒸気と硼素と窒素を含む原料ガスを混合して供給し、基板上に比較的厚い配向性窒化硼素膜を形成する事もできる。

＜放熱構造＞
本発明に係る放熱構造は、図１（ｂ）の通り、前記放熱材料を用いた放熱構造であって、配向性窒化硼素膜を有する窒化硼素層２ｂを発熱体１と接触させることを特徴とする。

＜高熱伝導基板＞
実施例１〜５および比較例１〜３は、表１に示す材質および厚さの高熱伝導基板を用いる。各高熱伝導基板の熱伝導率は周期加熱法を用いて測定した。グラファイトシートの熱伝導率はシート面内方向の値である。

＜配向性窒化硼素膜の形成＞
実施例１〜５については、図２に示す配向性窒化硼素膜生成装置を使用して配向性窒化硼素膜を形成した。

長さ１ｍ、直径２５ｍｍの石英管を用意し、石英反応管６とする。この石英反応管６内に、液体Ｇａ９を充填した直径約１ｃｍのアルミナ容器４を置き、近傍に高熱伝導基板３上にアモルファス構造の窒化硼素層２ａがコーティングされた被処理基板を設置する。膜はレーザーアブレーションで製膜し、コーティングの厚さは表１の通りである。

はじめに、石英反応管６の内部に前記被処理基板を水平に固定し、ターボポンプによる真空排気を行い、バックグラウンドを１０^-4Ｐａ以下に排気する。

反応管用ヒータ７により、Ｇａ蒸気５の温度を表１に記載する処理温度に上昇させ、４５時間の処理を行い再び室温に徐冷する。

電子顕微鏡で観察したところ、前記Ｇａ蒸気中の熱処理で、配向性窒化硼素膜がアモルファス構造の窒化硼素層の表面に形成されていた。得られた試料基板の表面に特に色むら、表面荒れ等はなく、極めて滑らかな鏡面状態であった。

比較例１はＧａ蒸気による処理を行わなかった。
比較例２および３は、高熱導電性基板３上にアモルファスカーボン層を形成した被処理基板を、前記配向性窒化硼素膜生成装置と同一の装置を使用してＧａ蒸気で処理したものである。Ｇａ蒸気での熱処理は表１に記載の処理温度で１時間行った。

電子顕微鏡で観察したところ、前記Ｇａ蒸気中の熱処理で、グラファイト膜がアモルファスカーボン層の表面に形成されていた。得られた試料基板の表面に特に色むら、表面荒れ等はなく、極めて滑らかな鏡面状態であった。

＜絶縁性測定＞
得られた試料基板のシート抵抗値から絶縁性と導電性を判断した。

＜熱抵抗の測定＞
図３示す装置を使用して熱抵抗を測定した。

はじめにＣｕホルダで試料基板１５を挟み、圧力３ｋｇ／ｃｍ²の圧力で押さえつける。上部Ｃｕホルダ１０ａは長さ２０ｍｍ（Ｌ３）、３ｍｍφ（Ｌ２）のＣｕ円柱形状で、１０ｍｍ□（Ｌ１）のテフロン（登録商標）製角柱１１の中に埋め込んだ構造となっている。

上部Ｃｕホルダ１０ａをセラミックヒータで加熱する。上部Ｃｕホルダ１０ａには熱電対穴１３が５点開いており、中心部の温度を測定しその温度勾配から試料基板１５上面の温度を外挿して決定する。

一方、試料基板１５下面は下部Ｃｕホルダ１０ｂの上面と接している。試料基板下面には、試料の中心部Ｔ１（図４）と、Ｔ１から対角線方向に向かって６．３ｍｍの位置Ｔ２（図４）に熱電対を貼り付けて、試料基板下面の温度を直接測定する。

このようにヒーターの熱は試料基板上面の中心近傍のみに伝達されることになる。
試験条件は、測定時間１０分間、１２Ｗの発熱量である。

熱抵抗は下記の式で算出する（図４参照）。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（試料上面温度Ｔ０−試料下面の中心部の温度Ｔ１)／印加電力
なお、試料基板裏面の面内方向の放熱性の指標として、Ｔ１とＴ２の温度差（ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２）を算出した。

結果を表１に示す。

＜評価結果＞
アモルファス構造の窒化硼素層をＧａ蒸気と接触させた実施例１〜５の試料基板は、ΔＴが小さいので、試料裏面の面内方向の放熱性に優れる。

アモルファス構造の窒化硼素層のままの比較例１の試料試料基板は絶縁性であるが、ΔＴが大きいので試料裏面の面内方向の放熱性に劣る。

アモルファスカーボン層をＧａ蒸気と接触させた比較例２および３の試料は導電性である。

Ｇａ蒸気で処理した試料基板の熱抵抗は、実施例１〜５のアモルファス構造の窒化硼素層および比較例２〜３のアモルファスカーボン層でも大きな相違はなかった。

上記の通り、本発明に係る放熱材料は絶縁性を有し、かつ熱抵抗も低かった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（ａ）は本発明に係る放熱材料を得るための被処理基板、（ｂ）は本発明に係る放熱構造を説明する模式的斜視断面図である。 本発明に係る放熱材料を製造するために使用する配向性窒化硼素膜製造装置を示す模式的断面図である。 実施例で使用した熱抵抗測定装置の模式的断面図である。 実施例で使用した熱抵抗測定装置の上部Ｃｕホルダと試料基板の模式的断面図（ａ）と、試料基板下面の平面図である。

符号の説明

１ 発熱体、２ａ，２ｂ 窒化硼素膜、３ 高熱伝導基板、４ アルミナ容器、５ Ｇａ蒸気、６ 石英反応管、７ 反応管用ヒータ、８ 真空排気系、９ 液体Ｇａ、１０ａ 上部Ｃｕホルダ、１０ｂ 下部Ｃｕホルダ、１１ テフロン（登録商標）製角柱、１２ セラミックヒータ、１３ 熱電対穴、１４ 荷重、１５ 試料基板、１６ 熱電対、１７ 断熱材。

Claims (9)

1. 高熱伝導基板と、少なくともその一面の表面に形成された窒化硼素層から構成され、前記窒化硼素層は、それを構成する窒化硼素化合物の硼素と窒素の六員環結合面が前記高熱伝導基板面と平行である配向性窒化硼素膜を含むことを特徴とする放熱材料。
2. 前記高熱伝導基板が導電性基板であることを特徴とする請求項１記載の放熱材料。
3. 前記高熱伝導基板がＣｕ、Ａｌ、グラファイトシート、ＳｉＣからなる群から選択されたいずれか一種からなる高熱伝導基板であることを特徴とする請求項１または２記載の放熱材料。
4. 高熱伝導基板上の少なくとも一面に硼素と窒素を含む窒化硼素層を形成する第一の工程と、
   前記窒化硼素層の表面をＧａ蒸気に接触させる第二の工程からなる請求項１〜３いずれか１つに記載の放熱材料の製造方法。
5. 前記第一の工程で形成される窒化硼素層が非晶質であることを特徴とする請求項４記載の放熱材料の製造方法。
6. 前記Ｇａ蒸気の温度が６００℃以上であることを特徴とする請求項４または５記載の放熱材料の製造方法。
7. 前記高熱伝導基板が導電性基板であることを特徴とする請求項４〜６いずれか１つに記載の放熱材料の製造方法。
8. 前記高熱伝導基板がＣｕ、Ａｌ、グラファイトシート、ＳｉＣからなる群から選択されたいずれか一種からなることを特徴とする請求項４〜７いずれか１つに記載の放熱材料の製造方法。
9. 請求項１〜３いずれか１つに記載の放熱材料を用いた放熱構造であって、窒化硼素層を発熱体と接触させることを特徴とする放熱構造。

Images