JP2010118502A - 放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性で接触熱抵抗を低減でき、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく侵入するようにして接触することが可能な放熱構造を提供する。
【解決手段】基板と、該基板の少なくとも一面の最表面に形成されたＢＮナノチューブ層を有することを特徴とする放熱構造。前記ＢＮナノチューブ層は、ＢＮナノチューブが基板面に対して垂直配向している層であることが好ましい。また、前記ＢＮナノチューブ層と基板面の間に、ＢＮ多孔質層が形成されていても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、極めて放熱性が高い放熱構造に関する。

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、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用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、ヒートスプレッダーと称する放熱装置が一般には用いられている。

具体的には半導体素子（以降ダイと称す）の放熱面（一般に半導体素子はＳｉ単結晶からなる基板の一面に薄膜からなる機能部分を作り込み、その反対面から放熱する）に比べ数〜数十倍の表面積を有する金属製（銅もしくはアルミニウムが一般的）放熱フィンにダイを接触させ発熱した熱をダイから放熱フィンへ移動させる。放熱フィンはダイに比べ充分大きな表面積を有するため、単位面積あたりの放熱量の上限以下でも半導体素子の発生する熱を空中へ放出することが可能となる。放熱フィンは通常熱伝導率の高いアルミや銅などの材料（場合によればダイヤモンドが採用されることもある）が使用されているが、ダイからこの放熱フィンへの熱の伝達が極めて重要である。

半導体素子の熱の放熱を理解するために、一般には熱の伝達を等価的に電気伝達と同じように考えると現象の理解が容易になることが知られている。熱の伝達を妨げる抵抗因子を電気伝導の場合の電気抵抗と同様熱抵抗という概念で説明が可能であり、放熱を評価するにはこの熱抵抗を評価すればよいことが知られている。

半導体素子を考えると、その素子の消費電力Ｑ（Ｗ）に対し、ΔＴ（℃）の温度差が発熱源に生じる場合の熱抵抗θはΔＴ／Ｑ（Ｋ／Ｗ）であらわされる。この数字が大きくなると所定の消費電力に対する温度差が大きくなるため好ましくない。半導体の放熱装置は熱抵抗を下げることが最大の狙いである。半導体放熱装置の場合の熱抵抗は半導体材料と放熱フィンとの熱伝導に対する抵抗成分とダイと放熱フィンとの間の熱移動に対する熱抵抗の和になる。半導体や放熱フィンはそれぞれ高い熱伝導率を有するため、その熱抵抗は小さいな数字となることからダイと放熱フィンとの間の熱抵抗を如何に下げるかが設計の鍵である。

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や接着剤を貼り付けて熱抵抗を低下させる方法である。
このような放熱シートは、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することが必要とされる。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などの金属粒子が用いられる（特許文献１）。しかし、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。また、これらの粒子は導電性であるため、絶縁性が必至な用途、または電子部品の回路を保護するために絶縁性が必須である場合などには使用できない。
Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮなどのセラミックス粒子を用いると、絶縁性が付与できるが、（特許文献２）、同様に熱伝導率が低いという課題がある。
特開２００２−００３８２９号公報 特開２００５−１３９２６７号公報

本発明は上記問題点を解決すべく、絶縁性で接触熱抵抗を低減でき、発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく侵入するようにして接触することが可能な放熱構造を提供することを課題とする。

本発明者は、基板表面にＢＮナノチューブ層を形成した放熱構造を用いることにより、樹脂を用いなくても発熱源の凹凸に効率的に接触して低い接触熱抵抗が得られることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は下記の構成からなる。

（１）基板と、該基板の少なくとも一面の最表面に形成されたＢＮナノチューブ層とを有することを特徴とする放熱構造。
（２）前記ＢＮナノチューブ層は、ＢＮナノチューブが基板面に対して垂直配向している層であることを特徴とする前記（１）に記載の放熱構造。
（３）前記ＢＮナノチューブ層と基板面の間に、ＢＮ多孔質層が形成されていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の放熱構造。
（４）前記ＢＮナノチューブ層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の放熱構造。
（５）基板表面上に形成された、前記ＢＮナノチューブ層を含む層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の放熱構造。
（６）基板表面上に形成された、前記ＢＮナノチューブ層を含む層が絶縁性であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の放熱構造。
（７）基板表面上に形成された、前記ＢＮナノチューブを含む層中の気孔部に、接触性補完成分が含浸されていることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の放熱構造。
（８）前記接触性補完成分が熱伝導性グリースであることを特徴とする前記（７）記載の放熱構造。
（９）前記基板が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮの少なくとも一種であることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の放熱構造。
（１０）前記放熱構造を発熱源と冷却部材の間に挿入して、少なくともＢＮナノチューブ層と発熱源とを接触させて用いることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の放熱構造。

本発明に係る放熱構造は、基板表面から成長したＢＮナノチューブ髭状物質が発熱源表面に存在する微小な凹凸の隙間に、隙間なく侵入するようにして接触することが可能なことから発熱源との間の接触熱抵抗を著しく低減できる効果を持ち、絶縁性を維持しながら冷却効率の高い放熱構造が実現できる。

本発明にかかる放熱構造は、基板と、基板の少なくとも一面の最表面に形成されたＢＮナノチューブ層とを有する。
本発明の放熱構造において、ＢＮナノチューブ層を形成する面は、その用途によって基板の発熱源に接する面のみの場合と発熱源に接する面と冷却部材に接する面の両面の場合があるが、両面に形成したものを、発熱源と冷却部材の間に挟み込んで使用することが好ましい。
ＢＮナノチューブ層は、ＢＮナノチューブが基板から成長しており、発熱源と接するように使用する。ＢＮナノチューブの先端は発熱源表面の凹凸に侵入して良好な接触状態になることから、発熱源から発生する熱は効率的に髭状物質のＢＮナノチューブに伝えられ基板へと伝わる。さらに基板の裏面に形成されたＢＮナノチューブを伝わり、冷却部材へと伝わるのである。

この時、ＢＮナノチューブが基板面に対して垂直配向していることが好ましい。垂直配向していると、発熱体の表面と接触する髭状物質の比率が高くなり熱抵抗は低下する。尚、ＢＮナノチューブが基板面に対して垂直配向しているとは、ＢＮナノチューブが基板面に対してほぼ垂直に成長していることをいう。
ＢＮナノチューブは、直径が０．１μｍ以下、長さ１μｍ以上、かつアスペクト比が１０以上であることが好ましい。直径が０．１μｍを越える場合、髭状物質が凹凸部の隙間に侵入しにくくなりその分熱抵抗は増大する。長さが１μｍに満たない場合、発熱体の面が荒れている、すなわち表面の面粗度が低い場合、髭状物質が凹凸部の底部まで達しなくなる場合があり、その分熱抵抗は増大する。

上記のようなＢＮナノチューブは、例えば以下の方法（昇華法）により作製できる。
まず、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してカーボンナノチューブを得る。ＳｉＣを真空下で加熱すると、例えば、真空度が１０^-7ｔｏｒｒでは１４００℃になるとＳｉＣが分解してケイ素原子が失われる。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。

次に、上記カーボンナノチューブをホウ素と窒素を含む雰囲気と反応させることでＢＮナノチューブが得られる。
例えば、カーボンナノチューブと、Ｂ₂Ｏ₃などのホウ素酸化物および窒素を高温下で化学反応させることにより、カーボンナノチューブを元の形態を残したまま窒化ホウ素に変換することができる。Ｂ₂Ｏ₃は高温で分解してＢ₂Ｏ₃ガス、Ｂ₂Ｏ₂ガス、ＢＯ₂ガスなどのガスを発生してカーボンナノチューブに到達し、ナノチューブの炭素により還元を受けると同時に窒素と反応してＢＮを生成する。この反応により、原料のカーボンナノチューブの形態を残したまま、ＢＮナノチューブが得られる。

上記のホウ素源としては、加熱によりホウ素酸化物を生成する物質であれば他の物質でもよい。例えば、ホウ酸、メラミンボレート等の有機ホウ酸化合物、ホウ酸と有機物の混合物等の物質の固体、液体、さらにはホウ素、酸素を含む気体でもよい。
窒素源は、窒素を含む中性または還元性のガスであればよく、窒素、アンモニア等が手軽で、そのまま、または混合、希釈して用いられる。安価で安全であることから窒素ガスが最も好ましい。

ＢＮの生成は熱力学的に１２００℃以上で生じる。反応温度は、１２００℃から２１００℃が好適であり、特に１３００℃から１８００℃が好ましい。温度が高すぎるとＢＮの結晶化が進んで板状晶を生成するためナノチューブの形態が維持できないので、上限は２１００℃以下、好ましくは１８００℃以下である。また雰囲気に酸素が多いほどＢＮの結晶化が進んで板状晶を生成する傾向が大きいので、酸素の多い環境では１８００℃以下、好ましくは１６００℃以下がよい。
上記のようにして、垂直配向したカーボンナノチューブを垂直配向したＢＮナノチューブに転化させることができる。

基板としては、熱伝導率に優れるものであれば特に限定されないが、上述した方法によりカーボンナノチューブ層を形成する場合には、少なくとも表面がＳｉＣである基板を用いることが好ましい。ＳｉＣは熱伝導率が高いため放熱構造の基板としては優れている。このため、表面のみならず全体がＳｉＣであるＳｉＣ基板を用いることができる。ＳｉＣ基板は、単結晶でも多結晶焼結体でも構わない。ＢＮナノチューブ自体は絶縁体であるので、ＳｉＣ基板の両面にＢＮナノチューブ層を設けることにより絶縁性とすることができる。放熱構造として絶縁性が必要な場合は、ＳｉＣ自体を絶縁性にしておくか、または基板として、ＡｌＮやＳｉ₃Ｎ₄等の絶縁性基材を用いてもよい。
一般的なＳｉＣは絶縁性が低いために、基板も含めて絶縁性を確保したい場合は、Ｓｉ₃Ｎ₄やＡｌＮ基板を用いることが好ましい。これらの基板を用いる場合は、例えば、予め基板上にＳｉＣ層をコーティングしておき、前記したＳｉＣの熱分解法により、ＳｉＣ層をカーボンナノチューブ層に転化させたものをさらにＢＮナノチューブ層に転化させればよい。
カーボンナノチューブの形成法としてはこの限りでなく、ＣＶＤ法でカーボンナノチューブを形成してもよい。

また、前述の昇華法でカーボンナノチューブを作製する場合、カーボンナノチューブの内層として多孔質のグラファイト層が形成される場合がある。この場合、グラファイト層は、カーボンナノチューブをＢＮナノチューブに転化する際に、同様に転化されＢＮ多孔質層として、基板とＢＮナノチューブ層の間に形成される。ＢＮ多孔質層は非常に変形しやすいので、例えば、発熱源の表面の平坦度が悪くてうねりがある場合には、ＢＮ多孔質層が変形して発熱源のうねりに追従して、発熱源とＢＮナノチューブの良好な接触を保持する効果がある。

発熱源等の相手材の表面に存在する微細な凹凸に侵入させて接触熱抵抗を低下させるためには、転化処理前の組織が、少なくとも最表面の１μｍ程度が垂直配向したカーボンナノチューブであれば効果がある。
相手材の表面粗度が低く、また平坦度が低い場合はカーボンナノチューブを含む層の厚さが１０μｍ以上が好ましい。カーボンナノチューブを含む層の厚さというのは、最表面に形成された垂直配向したカーボンナノチューブ層と基板との間に多孔質炭素からなる層が形成されている場合、この多孔質炭素からなる層を含む厚さをいう。接触時には多孔質層が変形して相手材の表面形状に合わせて変形して接触性が高くなる。従って、カーボンナノチューブ層と基板との間に多孔質炭素からなる層が形成されている場合は、カーボンナノチューブ層と前記多孔質層を含む厚さが１０μｍ以上であることが好ましく、多孔質層が形成されない場合はカーボンナノチューブ層の厚さを１０μｍ以上とすることがより好ましい。
上記したカーボンナノチューブ、多孔質炭素はそれぞれＢＮナノチューブ、多孔質ＢＮに転化する。この転化の際、形状やサイズはほとんど変化しない。また、絶縁性となる。

また、ＢＮナノチューブ層は、ＢＮナノチューブと気孔部を有するが、ＢＮナノチューブが全体の２０％程度以上あれば接触熱抵抗を低下させる大きな効果がある。昇華法で形成したカーボンナノチューブをＢＮナノチューブに転化させた場合のＢＮナノチューブ層の気孔率は、５０％程度となる。ここで言う気孔率とは、中空状ＢＮナノチューブの内部の空間を含まない。すなわち、ＢＮナノチューブの外径と長さを持つ柱状体の総体積の全空間体積に占める割合をＢＮナノチューブの相対密度（％）とし、気孔率（％）＝１００−相対密度（％）を意味する。

ＢＮナノチューブ層または、およびＢＮ多孔質層の気孔部に、熱伝導性グリースなどの接触性補完成分を含浸させると接触熱抵抗がさらに低下する。その他の接触性補完成分としては、粘着性の高い樹脂ならなんでもよい。また、エポキシ樹脂などでもよい。熱伝導性グリースとしては、通常のシリコーングリース等が挙げられる。
接触性補完成分を含浸させる方法としては、熱伝導性グリースの場合、ＢＮナノチューブ表面またはＢＮナノチューブ層と接触させる相手材表面に対して、グリースを塗布しておいた後に、圧力をかけてＢＮナノチューブ層を相手材を押しつことによりＢＮナノチューブ層または、およびＢＮ多孔質層の気孔部にグリースを含浸させる方法が挙げられる。
接触性補完成分は、ＢＮナノチューブ層、ＢＮ多孔質層の気孔部の一部分のみが含浸されていても良いが、本発明の放熱構造を発熱体と放熱部材の間に挿入した際に、気孔部が隙間なく含浸されていることが、接触熱抵抗の低下において好ましい。

本発明の放熱構造は、発熱源と冷却部材の間に挿入して、少なくともＢＮナノチューブ層と発熱源とを接触させて用いる。本発明の放熱構造は、発熱源が表面に微小な凹凸を有するものに用いた場合、効率的に接触して低い接触抵抗が得られる。従って、発熱源としてはパーソナルコンピュータやモバイル電子機器のＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の半導体素子が挙げられる。また、冷却部材としては、放熱フィン等が挙げられる。

実施例１
Ｉ．カーボンナノチューブの合成
（１）ＳｉＣ熱分解法（昇華法）によるカーボンナノチューブの合成
１０ｍｍ×１０ｍｍサイズの、厚さが０．２５ｍｍの以下の［１］、［２］の基板を用意した。
[１]ＣＶＤ・ＳｉＣ基板：平均粒径３μｍ。１０％フッ酸（ＨＦ）中で室温で１０分超音波洗浄し表面を清純化した。
[２]多結晶ＳｉＣ基板：平均粒径３μｍのＳｉＣ焼結体を用いた。
各ＳｉＣ基板を真空炉に設置し、温度１４００〜２０００℃、真空度１０^-5〜１０^-9ｔｏｒｒで、時間を変えて加熱し、ＳｉＣ基板の両面の表面に基板面に垂直配向したカーボンナノチューブを生成させた。

（２）ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブの合成
ＣＶＤ・ＳｉＣ基板上に、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付着させた。次に、基板を炉内に設置し、アルゴンガスをキャリアガスとしてエタノールガスを導入し、温度８００℃、炉内圧力３００ｔｏｒｒで１１分反応させた。これにより、基板の両面の表面に基板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。

ＩＩ．ＢＮナノチューブへの転化
図１に示すように、内径２００ｍｍの炭素炉芯管を持つ外熱式熱ＣＶＤ炉内に、内径２ｃｍ、深さ２ｃｍの黒鉛るつぼを設置し、Ｂ₂Ｏ₃粉末を３ｇを装填した。その上にカーボンナノチューブ試料を設置した。Ｎ₂ガスを、２．０リットル／ｍｉｎで導入し、温度１５３０℃、で３０分間加熱した後、自然冷却した。
試料のＳＥＭ観察から、処理前と同様の基板面に垂直配向したナノチューブが確認できた。粉末法Ｘ線回折から、回収した試料はＢＮであった。

III．評価
＜熱抵抗の測定＞
図２に示すように、幅１０×１０ｍｍ、厚さが２０ｍｍのＣｕ製ホルダの各位置に熱電対を埋め込んだＣｕホルダの間に試料を設置し、３．７５ｋｇ／ｃｍ²で押さえつけた。上部からＡｌＮヒータで、１３Ｖ、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。
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・・・（式）

Ｎｏ．１１〜１８については、ＢＮナノチューブ層上に接触性補完成分として下記の市販のグリースを５０μｍの厚さで塗布した後、Ｃｕホルダ間に設置し、加重を加え、ＢＮナノチューブ層の気孔部に接触性補完成分を含浸させ、熱抵抗を測定した。
グリース：シリコーングリース（熱伝導率：１．１Ｗ／ｍＫ）

＜耐電圧の測定＞
ＡＳＴＭ−Ｄ−１４９により測定した。
結果を表１に示す。

本発明品は熱抵抗が小さく、かつ絶縁性を持っていた。

実施例においてＢＮナノチューブへの転化に用いた装置の概略図である。 実施例において使用した熱抵抗を測定する装置の概略図である。

Claims (10)

1. 基板と、該基板の少なくとも一面の最表面に形成されたＢＮナノチューブ層とを有することを特徴とする放熱構造。
2. 前記ＢＮナノチューブ層は、ＢＮナノチューブが基板面に対して垂直配向している層であることを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
3. 前記ＢＮナノチューブ層と基板面の間に、ＢＮ多孔質層が形成され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ＢＮナノチューブ層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱構造。
5. 基板表面上に形成された、前記ＢＮナノチューブ層を含む層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放熱構造。
6. 基板表面上に形成された、前記ＢＮナノチューブ層を含む層が絶縁性であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱構造。
7. 基板表面上に形成された、前記ＢＮナノチューブを含む層中の気孔部に、接触性補完成分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１項に記載の放熱構造。
8. 前記接触性補完成分が熱伝導性グリースであることを特徴とする請求項７記載の放熱構造。
9. 前記基板が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の放熱構造。
10. 前記放熱構造を発熱源と冷却部材の間に挿入して、少なくともＢＮナノチューブ層と発熱源とを接触させて用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の放熱構造。

Images