JP2012174743A

JP2012174743A - 放熱材料及び半導体ユニット

Info

Publication number: JP2012174743A
Application number: JP2011032700A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Koizumi; 朋朗小泉
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】セラミックス基板、ダイヤモンド基板等の無機系材料の放熱材料は硬度が高く難加工性であり、グラファイトフィルム、カーボンナノチューブ等の炭素系材料は放熱性が低かった。
【解決手段】グラファイト基板の表面にナノメートルのオーダの凹凸構造を加工する（ステップ３０１）。さらに、その表面に表面保護層を形成する（ステップ３０２）
【選択図】図７

Description

本発明は放熱材料およびその放熱材料を用いた半導体ユニットに関する。

発熱部品、たとえばコンピュータ等の電子電気機器に搭載される半導体素子、太陽電池、電気自動車等に用いられるパワーコンバータ及びインバータの冷却の問題が注目を集めている。

上述の発熱部品の１つの冷却方法はその発熱部品が搭載された機器筐体にファンを取付け、機器筐体を冷却する。また、他の冷却方法はその発熱部品に熱伝導媒体たとえばヒートパイプ、ヒートシンク、フィン、ファン等を取付け、発熱部品からの熱を熱伝導媒体によって外部へ伝達する。このとき、発熱部品に銅、アルミニウム等の良熱伝導材料を接触させ、熱伝導材料を介して熱伝導媒体によって外部へ伝達する。

しかしながら、近年、半導体素子等のハイパワー化及びその搭載スペースの狭小化に伴って発熱部品の発熱量が大きくなる傾向がある。特に、機器筐体が小型化すると、上述の熱伝導媒体を取付けるスペースが小さくなり、この結果、十分な熱対流をとれず、発熱部品が高温となり、素子の性能を下げるものとなる。

上述の発熱部品の冷却を効率的に行うために種々の放熱材料が提案されている。放熱材料として、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることも検討されている（参照：特許文献１）。

特開２００４−１０９７８号公報

ＣＮＴはＣＮＴの脆弱性及び疎水性から発熱部品とＣＮＴとの間の密着性が低いという課題がある。また、特許文献１では、加工性を向上させるためにＣＮＴ粉末と金属とを一軸プレス成形を行なっているため、金属基板とＣＮＴとの間に熱伝導の損失を生じる。

一方、本出願人は、炭素系材料を用いた放熱材料として、表面にナノメートルオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を用いることを提案した（参照：特願２００９−１９５３５４号）。この先願によれば、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなるので、輻射による放熱性を高くすることができる。

しかしながら、炭素系基板の表面に形成したナノメートルのオーダの凹凸構造は、その表面に大きな物体が接触した場合に、微細な凹凸構造が破壊されやすくハンドリングが容易ではないという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ハンドリング性を向上させた輻射による放熱性を高くした炭素系基板を用いた放熱材料およびその放熱材料を用いた半導体ユニットを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る放熱材料は、表面にナノメートルのオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板と、前記凹凸構造を覆い可視光及び遠赤外領域の光を透過する表面保護膜と、を具備することを特徴とする。

これにより、可視光を含む領域の波長０．３−２μｍの反射率を低くすると共に、遠赤外領域の例えば波長２−５０μｍの反射率も低くする。また、前記凹凸構造に触れた場合における微細な凹凸構造の破壊を抑制する。

また、本発明に係る放熱材料を備えた半導体ユニットは、半導体チップと、前記半導体チップと熱的に接続されたヒートシンクとを有し、前記ヒートシンクは、グラファイト基板の表面にナノメートルのオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板と、前記凹凸構造を覆い可視光及び遠赤外領域の光を透過する表面保護膜と、を具備し、前記凹凸構造が、グラファイト基板の前記半導体チップから遠い側の表面に設置されている、ことを特徴とする。
これにより、半導体チップから放射される電磁波を、ヒートシンクの放熱材料における可視光を含む領域の波長０．３−２μｍの反射率を低くすると共に、遠赤外領域の例えば波長２−５０μｍの光反射率も低くしているので、高い放熱効率の半導体ユニットを提供することができる。

本発明によれば、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなるので、輻射による放熱性を高くでき、また、炭素系基板を用いているので、放熱材料の融解及び熱伝導の悪化はほとんどなく、さらに、表面保護層にて覆っているのでハンドリング性に優れる。

放熱材料に要求される理想的な反射特性を示すグラフである。本発明に係る放熱材料のグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長０．３−２μｍの反射率を示すグラフである。図２のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長２−１５μｍの反射率を示すグラフである。図２のフローの変更例を示すフローチャートである。本発明に係る放熱材料のグラファイト基板の加工フローを示すフローチャートである。図７のプラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図７のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長０．２−２．４μｍの反射率を示すグラフである。図１０は表面保護膜を形成した後の状態を示す概略断面図である。図１１は他の実施の形態の放熱材料を備えた半導体ユニットを示す概略断面図である。図１２はさらに別の実施の形態の放熱材料を備えた半導体ユニットを示す概略断面図である。

最初に表面保護層を形成する前の放熱材料について説明する。図１は放熱材料に要求される理想的な反射特性を示すグラフである。

本発明に係る放熱材料の動作原理は完全黒体効果を利用した吸収エネルギーの遠赤外放射による放射冷却作用を利用する。すなわち、図１に示すように、光の平均反射率ＲがＲ＝Ｒ０（８０％）と高い時には、放熱材料が吸収したエネルギーは放熱材料が有する温度たとえば室温３００Ｋで図１のＩ０に示す遠赤外領域の黒体放射スペクトルの放射率Ｉ０で外部に放射散逸を起こすが、反射率が高いため放熱効率が低い。他方、光の平均反射率ＲがＲ＝Ｒ１（１％）と低い時には、放熱材料が吸収したエネルギーは室温３００Ｋで図１のＩ１に示す遠赤外領域の黒体放射スペクトルの放射率Ｉ１で外部に放射散逸を起こすことができるので、放熱効率が高い。つまり、反射率Ｒが低下すると、放射率Ｉが上昇し、逆に、反射率Ｒが上昇すると、放射率Ｉが低下するという関係が成立する。この場合、光放熱つまり光放射能力を示す指数として放射率を用いるが、光の透過率がほぼ０の場合放射率Ｉ≒１−Ｒ（反射率）で表わされる。

従って、理想的には、放熱材料としてたとえば波長０．３−５０μｍの反射率Ｒができるだけ０に近いものを用いると、放熱効率が大きくなることが分かる。

次に実施の形態について説明する。
図２は本発明に係る放熱材料のグラファイト基板のナノ凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。

図２のステップ２０１において、図３の（Ａ）に示す鏡面状表面を有するグラファイト基板を水素ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングして図３の（Ｂ）に示すナノメートルのオーダの凹凸構造のグラファイト基板を得る。このプラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
ＲＦパワー：１００−１０００Ｗ
圧力：１３３−１３３００Ｐａ（１−１００Ｔｏｒｒ）
水素流量：５−５００ｓｃｃｍ
エッチング時間：１−１００分

尚、図２のステップ２０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチング法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、Ｈ２ガス以外のＡｒガス、Ｎ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＦ４ガス等のいずれでもよい。

従って、図４に示すように、可視光を含む領域の波長０．３−２μｍの平均反射率はプラズマエッチング前の２０−３０％からプラズマエッチング後の１．５％以下と低くなる。従って、可視光を含む領域の吸収は最高となる。しかも、図５に示すように、遠赤外領域のたとえば波長２−１５μｍの平均反射率もプラズマエッチング前の６０％からプラズマエッチング後の２％以下と低くなる。この結果、図１の理想的な反射特性Ｒ１に近づく。この結果、このプラズマエッチングされたグラファイト基板をそのまま放熱材料として用いることができる。

図６は図２のフローの変更例を示し、図２のプラズマエッチングステップ２０１の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による前処理を行う。これにより、不規則的周期のたとえばミクロンメートルのオーダ、サブミクロンメートルのオーダの凹凸構造を形成する。従って、グラファイト基板の表面積が増大して放熱効率が高くなる。

尚、図６の不規則的周期のミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ２００において、グラファイト基板の表面に不規則的周期のミクロンメートルのオーダもしくはサブミクロンメートルのオーダの凹みを多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基板をＨ_２ガス及びＯ_２ガスを用いたプラズマエッチングたとえばＲＩＥを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロンメートルのオーダあるいはサブミクロンメートルのオーダの剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。

ここで、規則的周期のミクロンメートルのオーダあるいはサブミクロンメートルのオーダの凹凸構造は２次元フォトニック結晶的効果を起こし、遠赤外領域の反射率を高めるので、放熱効率が低くなる逆効果となり、好ましくない。

また、図４における波長０．３−２μｍの反射率の測定はＢａＳＯ_４粒子等を内面にコートした積分球を有する分光光度計によって行われ、他方、図５におけるたとえば波長２−１５μｍの反射率の測定は遠赤外反射光をすべて集光するために金を内面にコートした積分球を有するフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光器によって行われる。

本発明者は実際に上述のナノ凹凸構造をグラファイト基板の表面に加工した放熱材料について評価した。たとえば、
１）放熱材料は１０ｃｍ×１０ｃｍであるが、図３（Ｂ）に示すように多孔質構造なため大きな比表面積を有し、ここでは表面積が０．２ｍ_２とする。この場合、表面温度３００℃において、放射率Ｉは９８％（つまり、反射率Ｒは２％）とする。
２）発熱部品としてパワーコンバータの雰囲気温度を１００℃、熱対流はほとんどないものとする。
３）発熱部品としてのパワーコンバータのパワーを５ｋＷとしてエネルギー変換効率を９８％とすると、パワーコンバータは１００Ｗの熱を発生する。この場合、放熱材料による熱放射量はシュテファン・ボルツマンの放射則に従う。つまり、放熱材料の総熱放射量Ｓは、
Ｓ＝（Ｔｓ４ − Ｔａ４）・Ａ・Ｉ・σ
但し、Ｔｓは放熱材料の表面の絶対温度（Ｋ）、
Ｔａは雰囲気の絶対温度（Ｋ）、
Ａは放熱材料の表面積（ｍ_２）、
Ｉは放熱材料の放射率、
σはシュテファン・ボルツマン定数で５．６７×１０^−８Ｗ／（ｍ_２・Ｋ^４）
で表わせる。従って、
Ｓ＝（（３００＋２７３．１５）^４ − （１００＋２７３．１５）^４）×０．２×０．９８×５．６７×１０^−８
＝９８．３８８Ｗ
このように、発熱部材としての５ｋＷのパワーコンバータから発生した１００Ｗの熱の９８％を本発明に係る放熱材料を用いて散逸させることができる。

次に表面保護層について説明する。図７は、本発明に係る放熱材料のグラファイト基板の加工フローを示すフローチャートである。なお、上述したまたは以下に述べる実施形態においてサブマイクロメートルオーダとは０．５〜１０μｍの範囲を示し、ナノメートルオーダとは１０〜５００ｎｍの範囲を示す。

最初にグラファイト基板を用意し、ナノ凹凸構造加工工程３０１を行なう。図７のステップ３０１においてプラズマエッチングを行なう。前述したプラズマエッチングにてナノメートルオーダの凹凸構造のグラファイト基板を得る。このプラズマエッチングとしては、例えば次の条件とする。なお、基板は黒鉛結晶構造を持つ炭素粒子を焼結させたグラファイト基板を使用し、プラズマエッチング前は鏡面状表面であった。
使用プラズマガス：酸素
ＲＦパワー：５００Ｗ
圧力：６６５０Ｐａ（５０ｍTorr）
酸素流量：２００ｓｃｃｍ
エッチング時間：５０分

図８は、図７のプラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。グラファイト基板をプラズマエッチンングすることにより、平滑な表面（図３（Ａ）参照）から柱状のグラファイトが密集して起立した微細な凹凸構造の表面状態となる。この微細な凹凸構造は剣山型凹凸構造であり、表面積が増大している。微細な凹凸構造を構成する各々の柱状のグラファイトはナノメートルオーダとなっている。エッチング条件を選定することでナノメートルオーダの範囲で柱状のグラファイトの大きさ及び密度を変えた微細な凹凸構造を得ることができる。

なお、図２（Ｂ）にて説明したプラズマエッチング法によってエッチングしてナノメートルオーダの凹凸構造のグラファイト基板のＳＥＭ写真と、図８のＳＥＭ写真とでは撮影条件が異なる。図２（Ｂ）のＳＥＭ写真では真上方向から俯瞰した状態を示しており、図８のＳＥＭ写真は斜め方向、具体的には１５度傾斜方向から俯瞰した撮影像を示している。

図９は、図７のプラズマエッチング前後のグラファイト基板の表面の波長０．２−２．４μｍの反射率を示すグラフである。グラフにおいて実線がプラズマエッチング前、点線がプラズマエッチング後のグラファイト基板の反射率である。グラファイト基板をプラズマエッチンングすることで、波長０．２〜２．４μｍの範囲における反射率を、エッチング前における反射率が１５−２５％程度であったものが、プラズママエッチング後は１．５％以下と低くなる。したがって、可視光を含む領域の吸収は最高となる。また、同じ基板について、プラズマエッチング後の基板について、基板表面温度が１５０℃のときの放射率は０．９９であった。なお、放射率は放射温度計（ＫＥＹＥＮＣＥ社ＦＴ−Ｈ２０）により測定した。

次に、図７のステップ３０２においてコーティング工程を行なう。プラズマエッチング後のグラファイト基板の微細な凹凸構造表面に表面保護膜を形成する。図１０は表面保護膜を形成した後の状態を示す概略断面図である。表面にステップ３０１により微細な凹凸構造１１が形成されたグラファイト基板１０の上に、表面保護膜１２を形成している。表面保護膜１２は微細な凹凸構造１１の最表面を覆うようにする。

表面保護膜１２は、赤外領域および遠赤外領域（２５μｍ以上）の光を透過する材料を用いる。このような材料として、例えば珪素、ゲルマニウム、弗化カルシウム、弗化バリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛などがある。表面保護膜材料は発熱部品の使用温度領域における黒体輻射の波長に対して透過であればよく、３μｍから１４μｍまでの赤外線を透過する材料が好適である。また、表面保護膜１２は真空蒸着法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。

物質中での光の吸収はランベルト・ベールの法則に従う。つまり、表面保護膜１２を透過する放射の割合Ｔは
Ｔ＝ｅ^−αｘ
ただし、αは保護膜材料の吸収係数（ｃｍ^−１）、
ｘは保護膜材料の膜厚（ｃｍ）
で表わせる。例えば硫化亜鉛をＣＶＤ法により１００μｍ形成した場合、１２μｍ以下の赤外領域の波長に対して、吸収係数は０．２４ｃｍ^−１以下である。したがって９９．７６％以上の赤外領域の光を透過する。すなわち、微細な凹凸構造表面１１から放射される電磁波の９９．７６％以上は透過する。したがって、硫化亜鉛からなる保護膜１２を設けた場合には、ステップ３０２後のグラファイト基板の表面温度が１５０℃のときの放射率０．９８８となり高い放射率を維持することができる。

この結果、グラファイト基板の高い放射率を損なうことなく、表面の微細凹凸構造に接触することなくハンドリングすることが可能で、搬送、組付などの後工程における取扱い性が向上する。また、ハンドリングにおいて微細凹凸構造は容易に破損し難くなり粉塵の発生が抑止される。

次に、他の実施の形態について説明する。

他の実施の形態として、先の実施の形態で説明した放熱材料を備えた半導体ユニットについて図１１を用いて説明する。図１１は、半導体ユニットの断面模式図である。
半導体ユニット２０は、給電用の配線パターン２３を備えた配線基板２２上に、半導体チップ２１がフリップチップ接続構造にて配置している。そして、配線基板２２の他方の表面に前記したグラファイト基板１０が設けられている。符号２４は電源である。

配線基板２２は、セラミック、金属ベース基板などの熱伝導性に優れた基板からなる。半導体チップ２１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、電源２４から供給した電力により発光する。グラファイト基板１０は、表面に微細な凹凸構造１１が形成され、さらにその表面を覆うように表面保護膜１２が形成した放熱材料１とされている。配線基板２２とグラファイト基板１０は、図示しない高熱伝導性ゲル接着剤などを介して接着する。なお、放熱材料１については、先の実施の形態の説明と同一の構成であるので、ここでの説明は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

このような半導体ユニット２０では、半導体チップ２１が発熱すると配線基板２２を介して放熱材料１に熱伝導する。放熱材料１に伝わった熱は微細凹凸構造１１から表面保護膜１２を介して赤外線を輻射して放熱する。

表面保護層１２を形成しているので、放熱材料１を取り付ける際のハンドリング性が向上し、微細凹凸構造１１を破壊することなく配線基板２２に固定できる。また、微細凹凸構造１１を形成していない鏡面表面のグラファイト基板を放熱材料１の代わりに取り付けたときに比べて半導体チップ２１の表面温度が低下していた。

さらに他の実施の形態として、図１２を用いて半導体ユニット３０について説明する。図１２は、別の実施の形態の半導体ユニットの断面模式図である。なお、前述した実施の形態の説明と同一の構成のものについては同一の符号を付してここでの詳細な説明を省略する。

半導体ユニット３０は、給電用の配線パターン２３を備えた配線基板３２上に、半導体チップ２１がフリップチップ接続構造にて配置している。そして、半導体チップ２１の上面のほぼ全面を覆うように前記したグラファイト基板１０が設けられている。符号２４は電源である。

半導体チップ２１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、電源２４から供給した電力により発光する。配線基板３２は、光透過性のガラス基板、蛍光体結晶からなる蛍光体プレート基板やプリント基板からなる。光透過性基板の上に発光ダイオードを搭載したときには光透過性の基板３２を通して発光可能なものとする。このとき、配線パターン２３も透明なＩＴＯ電極などを用いることが好ましい。

グラファイト基板１０は、表面に微細な凹凸構造１１が形成され、さらにその表面を覆うように表面保護膜１２が形成した放熱材料１とされている。半導体チップ２１とグラファイト基板１０は、図示しない高熱伝導性ゲル接着剤などを介して接着する。

このような半導体ユニット３０では、半導体チップ２１が発熱すると放熱材料１に熱伝導する。放熱材料１に伝わった熱はグラファイト基板１０を通って微細凹凸構造１１から表面保護膜１２を介して赤外線を輻射して放熱する。

尚、上述のグラファイト基板に金属を混ぜて稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性は大きいので、放熱材料としての加工性、発熱部品との密着性が向上し、発熱部品と放熱材料との間の空隙がなくなる。また、発熱部品と放熱材料との間で絶縁性が要求される場合には、放熱材料として絶縁性グラファイトを用いる。

また、上述の実施の形態では、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板たとえば、ダイヤモンド基板表面をプラズマエッチングして反射率を低減させた基板を用いてもよい。

１放熱材料
１０グラファイト基板
１１微細凹凸構造
１２表面保護膜
２０半導体ユニット
２１半導体チップ
２２配線基板
２３配線電極
２４電源
２００不規則的周期のミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ
２０１，３０１ナノ凹凸構造加工工程
３０２コーティング工程

Claims

表面にナノメートルのオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板と、
前記凹凸構造を覆い、可視光及び遠赤外領域の光を透過する表面保護膜と、を具備する放熱材料。
前記凹凸構造が多数の柱状形状のグラファイトの密集構造である請求項１に記載の放熱材料。
半導体チップと、
前記半導体チップと熱的に接続されたヒートシンクとを有し、
前記ヒートシンクは、グラファイト基板の表面にナノメートルのオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板と、前記凹凸構造を覆い可視光及び遠赤外領域の光を透過する表面保護膜と、を具備し、
前記凹凸構造が、グラファイト基板の前記半導体チップから遠い側の表面に設置されている、ことを特徴とする半導体ユニット。