JP2013182984A - 発熱素子放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱素子の熱伝導性材料として樹脂を用いた場合、熱伝導率が小さいために、放熱効率が低く、また、カーボンナノチューブ構造体を用いた場合には、熱抵抗が大きいために、やはり、放熱効率が低かった。
【解決手段】 発熱素子１及び発熱素子１に対応する表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの突起部の幅、高さ及びピッチ（間隔）のナノ凹凸構造２aを有する炭素系基板２が設けられている。発熱素子１を炭素系基板２のナノ凹凸構造２aに接着させる。ナノ凹凸構造２aは大きい熱伝導率を有する。ナノ凹凸構造２aはナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチを有するので、被着体としての発熱素子１の凹凸構造面に追従し、ファンデルワールス力によって接着力を発揮する。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子を含む発熱素子放熱構造に関する。

近年、LED素子、LD素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子の高性能化に伴い、発熱素子の発熱量は増大してきている。一方、発熱素子の小型化、薄型化の要求が高まり、発熱素子の発熱密度は非常に高くなり熱的に厳しい状況を強いられている。

特に、LED素子、LD素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという性質がある。

図９は第１の従来の発熱素子放熱構造を示す断面図である。

図９においては、発熱素子（たとえば、LED素子）１０１を放熱性基板（たとえば、アルミニウム基板）１０２上に熱伝導性材料層１０３を挟んで実装する。熱伝導性材料層１０３はペースト状、シート状であって、ある程度接着能力を有し、発熱素子１０１と放熱性基板１０２との間の接着剤を兼ねている。熱伝導性材料層１０３は、たとえば、シリコーン樹脂等の樹脂よりなる。

第２の従来の発熱素子放熱構造においては、発熱素子と発熱基板との間に熱伝導率が大きいカーボンナノチューブ凹凸構造体を設ける（参照：特許文献１、２）。

特開２００６−１０８３７７号公報 特開２０１１−１３２０７４号公報 特開２０１１−４９２８１号公報

しかしながら、上述の第１の従来の発熱素子放熱構造においては、樹脂よりなる熱伝導性材料層１０３の熱伝導率は１〜４０K/mW程度と小さく、この結果、十分な熱伝導が行えず放熱効率が低いという課題がある。また、樹脂の耐熱温度が低いので、高温になると樹脂の劣化を招き、かつ熱伝導性の低下を招くという課題もある。たとえば、シリコーン樹脂の場合、温度サイクル、経過時間と共に、染み出すいわゆるオイルブリード現象を招き、熱伝導性の低下と共にオイルの汚染を招く。さらに、ペースト状、シート状の熱伝導性材料層を塗布する工程あるいは狭む工程を必要とするので、製造開始から製造終了までのリードタイムが長くなるという課題もある。

また、上述の第２の従来の発熱素子放熱構造においては、熱抵抗が大きく、放熱効率が低いという課題がある。すなわち、カーボンナノチューブ凹凸構造体は空気層が多いので、接触面の接触熱抵抗が大きくなると共に、カーボンナノチューブ凹凸構造体を成長させるために熱抵抗が大きい触媒を含む中間層を必要とするからである。また、カーボンナノチューブ凹凸構造体は接着剤としても作用するものの、放熱基板に用いることのできる材料に、カーボンナノチューブ構造体との接着に適切な材料がないという課題がある。すなわち、放熱基板上にカーボンナノチューブ構造体を垂直配向させる場合、放熱基板上に触媒を含む中間層をスパッタリング法で形成し、次いで、カーボンナノチューブ構造体を化学気相成長（CVD）法による400〜800℃程度の高温下で成長させる。従って、放熱基板は、耐熱性と共に、カーボンナノチューブ凹凸構造体との密着性を必要とするので、一般的には、放熱基板としてはシリコン基板を用いる。しかし、シリコン基板は熱伝導性が小さく、他方、シリコン基板以外の基板は密着性が劣る。つまり、放熱基板としての適切な材料がないという課題がある。

上述の課題を解決するために本発明に係る発熱素子放熱構造は、発熱素子と、表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチ（間隔）の第１の凹凸構造を有する炭素系基板とを具備し、炭素系基板の表面の第１の凹凸構造上に発熱素子を接着したものである。炭素系基板の第１の凹凸構造は耐熱性と共に接着性を有する。また、第１の凹凸構造は炭素系基板と一体であるので、熱抵抗が小さく、従って、放熱性もよい。

また、炭素系基板はその裏面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチの第２の凹凸構造を有する。

第２の凹凸構造の幅及びピッチは第１の凹凸構造の幅及びピッチより大きく、かつ第２の凹凸構造の高さは第１の凹凸構造の高さより小さくした。すなわち、第１の凹凸構造は密構造となり、放熱性と共に接着性を有し、他方、第２の凹凸構造は疎構造となり、接着性を有せず、放熱性のみを有する。

炭素系基板の裏面の第２の凹凸構造上に放熱部材を接着した。これにより、さらに放熱性が向上する。

本発明によれば、炭素系基板の凹凸構造の熱伝導率が大きく、かつ熱抵抗が小さいので、放熱効率を向上せしめることができる。

本発明に係る発熱素子放熱構造の第１の実施の形態を示す断面図である。 図１の発熱素子放熱構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２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。 本発明に係る発熱素子放熱構造の第２の実施の形態を示す断面図である。 図４の発熱素子放熱構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明に係る発熱素子放熱構造の第３の実施の形態を示す断面図である。 図６の発熱素子用装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１の発熱素子放熱構造と図９の発熱素子放熱構造とを比較した結果を示す表である。 第１の従来の発熱素子放熱構造を示す断面図である。

図１は本発明に係る発熱素子放熱構造の第１の実施の形態を示す断面図である。図１においては、発熱素子1及び発熱素子１に対応する表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの突起部の幅、高さ及びピッチ(間隔)のナノ凹凸構造２aを有する炭素系基板２が設けられている。発熱素子１を炭素系基板２のナノ凹凸構造２aに接着させる。尚、ナノ凹凸構造２aの高さはサブミクロメートルオーダ以上である。

ナノ凹凸構造２aは大きい熱伝導率を有する。ナノ凹凸構造２aの熱伝導率は平面方向で７０W/mK程度、厚さ方向で１０W/mK程度である。また、ナノ凹凸構造２aはナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチを有するので、被着体としての発熱素子１の凹凸構造面に追従し、ファンデルワールス力によって接着力を発揮する。さらに、ナノ凹凸構造２aが炭素材料であるので、ナノ凹凸構造２aは耐熱性及び耐薬品性をも有する。

図２は図１の発熱素子放熱構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。

始めに、レジストパターン形成工程２０１を参照すると、炭素系基板２たとえばグラファイト基板の表面の発熱素子１の接着箇所を除く部分にフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターンを形成する。

次に、プラズマエッチング工程２０２を参照すると、プラズマエッチング法により炭素系基板２たとえばグラファイト基板にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチのナノ凹凸構造２ａを形成する。ナノ凹凸構造２ａの例を、図３に示すように、ピッチは幅の数倍程度であり、オーダとしては同程度である。尚、ナノ凹凸構造２ａの高さはサブミクロメートルオーダ以上である。すなわち、グラファイト基板をプラズマエッチング装置に投入し、グラファイト基板を酸素（O2）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を行う（参照：特許文献３）。

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：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：150sccm
エッチング時間：60分
である。

尚、プラズマエッチング工程２０２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、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。

また、図２のプラズマエッチング工程２０２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さらなる前処理、つまり、ミクロメートルオーダからサブミクロメートルオーダの不規則周期凹凸構造を予め形成しておくこともできる。尚、この不規則周期凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、ナノ凹凸構造２ａだけの場合よりも、不規則周期凹凸構造により炭素系基板の表面積が一層増大して放熱効率が高くなる。尚、プラズマエッチング工程２０２でのプラズマエッチングの前に、不規則周期凹凸構造が形成される場合、この不規則周期凹凸構造の幅、高さ及びピッチはプラズマエッチング工程２０２でのプラズマエッチングで形成されるナノ凹凸構造２ａの幅、高さ及びピッチよりも必ず大きいものである。

次に、レジストパターン除去工程２０３を参照すると、炭素系基板２に形成されたレジストパターンを除去する。

最後に、発熱素子接着工程２０４を参照すると、炭素系基板２のナノ凹凸構造２ａ上に発熱素子１を接着する。この場合、上述したように、ナノ凹凸構造２ａは炭素系基板２に対する接着剤としても作用する。

図４は本発明に係る発熱素子放熱構造の第２の実施の形態を示す断面図である。図４においては、図１の発熱素子放熱構造に対して、炭素系基板２の裏面にもナノ凹凸構造２ｂを設けたものである。

図４のナノ凹凸構造２ｂは空気中もしくは真空中に露出しており、従って、ナノ凹凸構造２ａと異なり、接着剤としての作用は不要であり、伝熱導性材料としてつまり放熱作用のみを果たせばよい。従って、ナノ凹凸構造２ｂはナノ凹凸構造２ａより疎構造である。つまり、ナノ凹凸構造２ｂの幅及びピッチはナノ凹凸構造２ａの幅及びピッチより大きく、かつナノ凹凸構造２ｂの高さはナノ凹凸構造２ａの高さより小さくする。

図５は図４の発熱素子放熱構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図５においては、図２の発熱素子接着工程２０４の後にさらなるプラズマエッチング工程５０１を付加して炭素系基板２の裏面に疎構造のナノ凹凸構造２ｂを形成する。プラズマエッチング工程５０１における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：500W
圧力：13.3Pa（100mTorr）
O2流量：150sccm
エッチング時間：20分
である。

尚、プラズマエッチング工程５０１でのプラズマエッチング法も、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、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。

また、図５のプラズマエッチング工程５０１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さらなる前処理、つまり、ミクロメートルオーダからサブミクロメートルオーダの不規則周期凹凸構造を予め形成しておく。尚、この不規則周期凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、ナノ凹凸構造２ｂだけの場合よりも、不規則周期凹凸構造により炭素系基板の表面積が一層増大して放熱効率が高くなる。尚、プラズマエッチング工程５０１でのプラズマエッチングの前に、不規則周期凹凸構造が形成される場合、この不規則周期凹凸構造の幅、高さ及びピッチはプラズマエッチング工程５０１でのプラズマエッチング法で形成されるナノ凹凸構造２ｂの幅、高さ及びピッチよりも必ず大きいものである。

図６は本発明に係る発熱素子放熱構造の第３の実施の形態を示す断面図である。図６においては、図１の発熱素子放熱構造に対して、炭素系基板２の裏面にもナノ凹凸構造２ｂ’を設けると共に、放熱部材３たとえばヒートシンクを炭素系基板２の裏面のナノ凹凸構造２ｂ’に接着し、これにより、放熱効率を一層高めたものである。

図６のナノ凹凸構造２ｂ’も接着剤としての作用をすると共に、伝熱導性材料としてつまり放熱作用をも果たす。従って、ナノ凹凸構造２ｂ’はナノ凹凸構造２ａと同程度の密構造である。つまり、ナノ凹凸構造２ｂ’の幅、高さ及びピッチはナノ凹凸構造２ａの幅、高さ及びピッチと同程度、かつナノ凹凸構造２ｂ’の高さもナノ凹凸構造２ａの高さと同程度である。

図７は図６の発熱素子放熱構造の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図７においては、図２の発熱素子接着工程２０４の後にさらなるプラズマエッチング工程７０１を付加して炭素系基板２の裏面に密構造のナノ凹凸構造２ｂ’を形成する。プラズマエッチング工程７０１におけるプラズマエッチング条件は、プラズマエッチング工程２０２におけるプラズマエッチング条件と同一である。

尚、プラズマエッチング工程７０１でのプラズマエッチング法も、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、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。

また、図７のプラズマエッチング工程７０１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さらなる前処理、つまり、ミクロメートルオーダからサブミクロメートルオーダの不規則周期凹凸構造を予め形成しておく。尚、この不規則周期凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、ナノ凹凸構造２ｂだけの場合よりも、不規則周期凹凸構造により炭素系基板の表面積が一層増大して放熱効率が高くなる。尚、プラズマエッチング工程７０１でのプラズマエッチングの前に、不規則周期凹凸構造が形成される場合、この不規則周期凹凸構造のサイズ及びピッチはプラズマエッチング工程７０１でのプラズマエッチングで形成されるナノ凹凸構造２ｂ’のサイズ及びピッチよりも必ず大きいものである。

図８は図１の発熱素子放熱構造と図９の発熱素子放熱構造とを比較した表である。すなわち、図１、図９の発熱素子としてサイズ5 mm×5 mm×1 mmの熱抵抗20K/WのLED素子を用い、図１の放熱基板としてサイズ30 mm×30 mm×1 mmのグラファイト基板、図９の放熱基板としてサイズ30 mm×30 mm×1 mmのアルミニウム基板を用い、図１の熱伝導材料としてサイズ5 mm×5 mm×0.5 mm、熱伝導率104W/mKのナノ凹凸構造、図９の熱伝導材料としてサイズ30 mm×30 mm×0.5 mm、熱伝導率3W/mKのシリコーン樹脂を用いた場合、装置底面の温度を25℃とし、LED素子に1Wの電力を投入したときのLED素子の接合温度のシミュレーション結果は、図１の場合、45.5℃、図９の場合、46.7℃であった。従って、接合温度を1.2℃低下させることができた。

尚、上述の炭素系基板は、グラファイト基板の外に、金属を混ぜた稠密グラファイト基板、その他ダイヤモンド基板、ガラス状炭素系基板であってもよい。

また、上述の第１、第２、第３の実施の形態では、炭素系基板２の表面においては発熱素子１の接着箇所の部分のみナノ凹凸構造２ａを形成したが、炭素系基板２の表面全体にナノ凹凸構造２ａを形成してもよい。その場合には、前述したレジストパターン形成工程２０１およびレジストパターン除去工程２０３を省略すればよい。

さらに、上述のナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。

１：発熱素子
２：炭素系基板
２ａ、２ｂ、２ｂ’：ナノ凹凸構造
３：放熱部材
１０１：発熱素子
１０２：放熱性基板
１０３：熱伝導性材料層

Claims (4)

1. 発熱素子と、
   表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチの第１の凹凸構造を有する炭素系基板と
   を具備し、
   前記炭素系基板の表面の前記第１の凹凸構造上に前記発熱素子を接着した発熱素子放熱構造。
2. 前記炭素系基板はその裏面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダの幅、高さ及びピッチの第２の凹凸構造を有する請求項１に記載の発熱素子放熱構造。
3. 前記第２の凹凸構造の幅及びピッチは前記第１の凹凸構造の幅及びピッチより大きく、かつ前記第２の凹凸構造の高さは前記第１の凹凸構造の高さより小さくした請求項２に記載の発熱素子放熱構造。
4. 前記炭素系基板の裏面に前記第１の凹凸構造を有しており、該第１の凹凸構造上に放熱部材を接着した請求項１に記載の発熱素子放熱構造。