JP2010192662A - 放熱部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能に優れ、かつ繰り返し使用にも耐える信頼性の高い放熱部品の製造方法を提供する。
【解決手段】基板と、その両面または片面に形成された髭状体層とを有する放熱部品の製造方法であって、基板表面に基板よりも低融点の金属層を形成する第一の工程と、該金属層表面に髭状体からなる層を該金属層の融点以下の温度で形成する第二の工程と、その後、該金属層の融点以上、かつ基板の融点を超えない温度で、還元雰囲気下で加熱する第三の工程とを含む放熱部品の製造方法により上記課題が解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、高熱伝導性の基板表面に微細な髭状の高熱伝導材料を優れた密着力で形成した低熱抵抗の放熱部品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。

発明者らは、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からなる層を形成し、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の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（特許文献１）。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。

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されている（特許文献２）。
基板面に対して垂直に成長したカーボンナノチューブを比較的低温で形成する方法として汎用されているのはＣＶＤ法である。ＣＶＤ法は、基板表面にＦeやＣoなどの触媒を塗布した後、炭化水素ガスやアルコールガスを基板上に搬送させて５００〜８００℃程度の温度で反応させることで、触媒からカーボンナノチューブを成長させる技術であり、カーボンナノチューブは垂直配向した構造になりやすい。このＣＶＤ法を応用した例としては、特許文献３が挙げられる。

特願２００７−２７４６１０ 特願２００７−３０８２６３ 特開２００８−１６９２６７号公報

前記した従来のＣＶＤ法で形成したカーボンナノチューブは基板との密着力が低く、手で擦るだけで簡単に剥離してしまう場合さえあり、信頼性に欠ける欠点があった。そこで、本発明は、放熱性能に優れ、かつ髭状体と基板との密着力が高い放熱部品の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、カーボンナノチューブ等の高熱伝導率を持つ髭状材料（髭状体）を基板面に強固に形成させる方法を見出し、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、その両面または片面に形成された髭状体層とを有する放熱部品の製造方法であって、基板表面に基板よりも低融点の金属層を形成する第一の工程と、該金属層表面に髭状体からなる髭状体層を該金属層の融点以下の温度で形成する第二の工程と、その後、該金属層の融点以上、かつ基板の融点を超えない温度で、還元雰囲気下で加熱する第三の工程とを含むことを特徴とする放熱部品の製造方法。
（２）前記第二の工程において、髭状体が前記金属層から外側に向かうように形成することを特徴とする上記（１）に記載の放熱部品の製造方法。
（３）前記髭状体がカーボンナノチューブ、炭素繊維、ＺnＯ、またはＡl₄Ｃ₃のいずれかであることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の放熱部品の製造方法。

（４）２５℃における前記基板の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
（５）前記基板がＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、Ｃu、Ｃu合金、ＡlまたはＡl合金のいずれかであることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
（６）前記金属層の融点が６６０℃を超えないことを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
（７）前記基板の融点と前記金属層の融点の差が５０℃以上であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。

（８）前記基板としてヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダ、又は半導体パッケージのいずれかの一構成部品を用いることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
（９）前記第三の工程の熱処理を０．０５ＭＰa以下の減圧下で行うことを特徴とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。

本発明により、各種放熱板（基板）の接触熱抵抗を低下させる髭状体が放熱板と強固に密着しているために、髭状体の脱落が起こりにくく信頼性の高い放熱部品が得られる。本発明は、安価なＡlやＣu基板、その他高熱伝導放熱基板からなる放熱性能の高いヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダ等を基板として用いると効果が高い。

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。

本発明に係る放熱部品の製造方法により、基板の片面又は両面に髭状体層を有する放熱部品が得られる。かかる髭状体層を形成する個々の微小な髭状体は、基板に強固に密着しているため、繰り返し使用に耐える信頼性の高い放熱部品が提供される。

本発明の製造方法は以下に記載する三つの工程を含む。
（第一の工程）
基板の表面に基板の融点よりも低い融点を有する金属からなる金属層を形成する工程
（第二の工程）
前記金属層表面に髭状体からなる髭状体層を該金属層の融点以下の温度で形成する工程
（第三の工程）
前記金属層の融点以上で、かつ基板の融点を超えない温度で、還元雰囲気下で加熱する工程

第三の工程において、基板表面の金属層のみが溶融して髭状体の根元部分が金属により覆われて、基板と強固に密着した髭状体層を有する放熱部品を得ることができる。また、この加熱処理を還元雰囲気下で行うことにより、金属表面に存在する酸化膜が還元除去される。これにより、酸化膜が除去された部分から溶融された金属が効率よく浸み出して、髭状体と接触する金属量が多くなり、髭状体の根元部分が効率よく金属で覆われるようになる。
還元雰囲気にするために導入するガスは特に限定されず、使用された金属表面に形成される酸化膜を還元除去可能なガスであればよい。特に、還元性に優れたＨ₂ガスが好ましい。Ｈ₂-ＮＨ₃混合ガス等でもよい。また、Ｈ₂ガスと共にＣＨ₄などの炭化水素系ガスを導入してもよい。

前記髭状体は、金属層表面から外側に向かって形成されていることが好ましい。これにより、髭状体の微小な先端部分が、相手材表面の微小な凹凸に入り込んで隙間なく接触し、本放熱部品と相手材との接触熱抵抗を低くすることができる。このため髭状体は金属層の面方向に対して垂直方向に配向して形成されていることが好ましい。ただし、厳密に垂直方向を向いて形成されていなくとも、接触熱抵抗の低下の効果が大きく損なわれることはない。

髭状体としては熱伝導率が高く、微小な材料であることが好ましい。カーボンナノチューブ、炭素繊維、ＺnＯ、Ａl₄Ｃ₃等が考えられるが、最も熱伝導率が高く柔軟でしなり性の高いカーボンナノチューブや炭素繊維が好ましい。
ＣＶＤ法で形成したカーボンナノチューブは基板面に対して垂直に成長しているのでとりわけ好ましいが、特に垂直成長していない場合でも放熱性能が大きく損なわれることはない。

放熱部品としては高熱伝導率であることが要求されるため、前記基板の熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。このため、前記基板は、ＣuまたはＣu合金、ＡlまたはＡl合金、ＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素などがよく、特に安価な金属材料がよい。また、炭素としてはグラファイト、ダイヤモンドなどの熱伝導率の高い材料が好ましい。基板としてとりわけ好ましいのはＡlである。この場合は、金属層の融点は、Ａlの融点である６６０℃を超えないことが重要であるので、同時にカーボンナノチューブの形成温度は、金属層の融点よりもさらに低いことが必要である。
基板表面に形成される金属層の材料としては、基板の材質、髭状体の材質に応じて適宜選択することができ、例えば、Ａl−Ｓi合金、Ｃu−Ｓn合金等を用いることができる。

基板と金属層の融点の差は５０℃以上であることが好ましい。これを下回ると、第三の工程において金属層が溶融した際に基板と反応して基板が変形する場合もある。
また、第三の工程における熱処理は減圧下で行うことが好ましい。これにより金属層が溶融する際に突沸することが防止され、冷却した際に金属層中に気泡が残ることにより熱伝導率が低下するという問題が改善される。このため、熱処理時の圧力は０．０５ＭＰa以下であることが好ましい。

基板としては、ヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダなどが考えられ、これらを用いると用途が広がる。これらの冷却用部材の表面部分を基板として用いることにより、発熱体等の相手材との接触性が改善され、効率よく放熱（冷却）することが可能となる。また、これらの冷却デバイスに限らず、発熱体表面を基板とすることも可能である。例えば、ＣＰＵの筐体のような半導体パッケージの一構成部品を用いてもよい。

以下に、本発明の放熱部品の製造方法として、カーボンナノチューブ層を形成する場合の一例を説明する。尚、上述の通り髭状体層としてはカーボンナノチューブでなくても構わないのはもちろんである。

まず、予め純アルミニウム基板表面に、融点が５９０℃程度のＡl−１２Ｓi層を３μｍ程度の厚さで形成しておく（第一の工程）。
この表面に触媒としてのＦe粒子からなる薄膜をスパッタリング法で０．１μｍ程度の厚さで形成する。これをＣＶＤ炉内に設置し、炉内を０．０５ＭＰaに保持しながら、原料であるエタノールガスを基板表面まで搬送し、５５０℃で３０分反応させてカーボンナノチューブによる髭状体層を形成する（第二の工程）。
エタノールガスの供給を停止した後、炉内を６１０℃まで昇温し、Ｈ₂ガスを導入し、圧力を０．０１ＭＰaまで低下させ、３０分保持する（第三の工程）。その後、室温まで自然冷却させる。

第三の工程において、Ａl−１２Ｓi層（前記金属層）の表面に形成されたカーボンナノチューブ層（髭状体層）を有する基板を６１０℃で熱処理することにより、Ａl−１２Ｓi層が溶融し、毛細管力によってカーボンナノチューブの根元部分がＡl−１２Ｓiにより覆われる。このように金属層が髭状体層を構成する個々の髭状体の根元の部分を覆って密着していくことで、髭状体と基板との高い密着力が得られるのである。

Ｈ₂ガスは溶融したＡl合金層の表面に存在する酸化アルミニウム膜を還元除去するという効果がある。Ａl合金の溶融時に減圧にすることで、溶融したＡl合金が突沸することなくカーボンナノチューブの根元部分を覆いやすくなるので、Ａl合金部に気孔が残存しにくくなり、結果として熱抵抗も低くなる。

髭状体としてはカーボンナノチューブ以外にも炭素繊維や、ＺnＯウィスカーのような酸化物、Ａl₄Ｃ₃ウィスカーのような炭化物でも構わない。以下に、髭状体として炭素繊維、ＺnＯウィスカー、Ａl₄Ｃ₃ウィスカーを使用した放熱部品の作製例を示す。
（炭素繊維）
例えば、Ａl基板表面にＣu−７０ｗｔ％Ｓn合金（融点は約５３０℃）層をめっき法で形成しておく（第一の工程）。続いて、電気泳動法によりチップドファイバーと呼ばれる長さ数十μｍの炭素繊維を当該基板上に堆積させる（第二の工程）。その後、６００℃程度の温度で熱処理する（第三の工程）により、炭素繊維が基板に強固に密着した放熱部品を得る。

（ＺnＯウィスカー）
例えば、Ａl基板表面にＣu−７０ｗｔ％Ｓn合金（融点は約５３０℃）層をめっき法で形成しておき（第一の工程）、これと対向するようにＺn塊を用意する。そして、この金属Ｚnを４５０℃程度の温度で加熱、溶融させてＺn蒸気を発生させ、これを、酸素を含むガスと反応させて、対向する基板表面にＺnＯウィスカー層を形成し（第二の工程）、その後、６００℃程度の温度で熱処理（第三の工程）してもよい。
（Ａl₄Ｃ₃ウィスカー）
例えば、Ａl基板表面にＡl−１２Ｓi合金（融点は約５９０℃）層をめっき法で形成しておき（第一の工程）、これをＣＨ₄ガス中、５８０℃程度の温度でＣＯガスと反応させて対向する基板表面にＡl₄Ｃ₃ウィスカー層を形成し（第二の工程）、その後、６００℃程度の温度で熱処理（第三の工程）してもよい。

（１）材料
＜基板＞
１０×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの各種基板を用いた。
＜金属層の形成＞
基板の両面に下記金属層を形成した。
[１]Ａl−１２Ｓiの形成
Ａl−１２Ｓi粉末のろう付け用ペーストを厚さ５μｍ塗布した後、真空中、５９０℃で熱処理してＡl−１２Ｓi層を厚さ３μｍ形成した。
[２]Ｃu合金の形成
めっき法によりＣu−７０ｗｔ％Ｓn合金を厚さ３μｍ形成した。

（２）試料の作製
＜髭状体層の形成＞
下記のようにして形成した。
[１]カーボンナノチューブの作製
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Ｆe微粒子を厚さ０．１μｍコーティングした。次に、基板をＣＶＤ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５５０℃、炉内圧力０．０５ＭＰaで、各種時間で反応させた。これにより、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。
その後、同じ炉内で各種温度まで昇温し、Ｈ₂ガスまたはＨ₂-ＮＨ₃混合ガスを導入し、各種圧力で３０分熱処理した後室温まで自然冷却させた。熱処理をしない場合やＨ₂を導入しない場合、あるいはＮ₂（非還元性ガス）を導入する実験も行った。

[２]ＺnＯウィスカーの作製
Ｚn塊をアルミナルツボ内に装填し、このルツボに対向するように基板を設置した。これらを熱処理炉内で、４５０℃で加熱、溶融させてＺn蒸気を発生させ、別途炉内に導入したＣＯガスと反応させて、対向する基板表面にＺnＯウィスカー層を形成した。
その後、[１]と同様にして熱処理した。

（３）評価
＜熱抵抗の測定＞
試料を、図１に示す熱抵抗測定装置にセットした。
予め下部Ｃuホルダの表面には熱伝導率０．８Ｗ／ｍＫのシリコングリースを厚さ１５０μｍ塗布しておき、その後、上下Ｃuホルダで試料を挟み込んだ。
上部からＡlＮヒータで、１３．３Ｖ、２２０ｍＡ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。面圧を調整しながら、Ｃuホルダ間距離が４５０μｍ（基板面とＣuホルダ表面の距離が１００μｍ）になるように加圧し、３０秒保持した後、圧力を開放した。これを１０回繰り返した後、Ｃuホルダ間距離が４５０μｍの状態で熱抵抗を測定した。
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（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ

＜結果＞
結果を表１に示す。髭状体形成後に、基板の融点以下であって、かつ金属層の融点以上の温度で熱処理することにより、非熱処理に比べて低い熱抵抗となることが分かる。熱処理を還元性雰囲気で行うとより熱抵抗は低下する。これは、Ｈ₂ガスが熱処理時に溶融した金属層を覆っている酸化膜を還元除去するため、髭状体と接触する金属量が多くなって髭状体の根元部分が効率よく金属で覆われるようになり、髭状体との密着力がさらに高くなったため、繰り返し応力付加と開放を行っても、髭状体が基板から脱落しにくくなるためと考えられる。

Claims (9)

1. 基板と、その両面または片面に形成された髭状体層とを有する放熱部品の製造方法であって、
   基板表面に基板よりも低融点の金属層を形成する第一の工程と、
   該金属層表面に髭状体からなる髭状体層を該金属層の融点以下の温度で形成する第二の工程と、
   その後、該金属層の融点以上、かつ基板の融点を超えない温度で、還元雰囲気下で加熱する第三の工程と、
   を含むことを特徴とする放熱部品の製造方法。
2. 前記第二の工程において、髭状体が前記金属層から外側に向かうように形成することを特徴とする請求項１に記載の放熱部品の製造方法。
3. 前記髭状体がカーボンナノチューブ、炭素繊維、ＺnＯ、またはＡl₄Ｃ₃のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱部品の製造方法。
4. ２５℃における前記基板の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
5. 前記基板がＣuＷ、ＣuＭo、ＡlＳiＣ、ＳiＣ、ＡlＮ、炭素、Ｃu、Ｃu合金、ＡlまたはＡl合金のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
6. 前記金属層の融点が６６０℃を超えないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
7. 前記基板の融点と前記金属層の融点の差が５０℃以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
8. 前記基板としてヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダ、又は半導体パッケージのいずれかの一構成部品を用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。
9. 前記第三の工程の熱処理を０．０５ＭＰa以下の減圧下で行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の放熱部品の製造方法。

Images