JP2017028207A - 熱拡散板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グラファイトシートと金属層との間の熱抵抗が低減された熱拡散板を提供する。
【解決手段】実施形態の熱拡散板は、グラファイトシートと、前記グラファイトシートの少なくとも一方の主面に設けられたＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層と、前記グラファイトシートと前記金属層との間に設けられたＡｌの炭化物を含む炭化物層と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、熱拡散板およびその製造方法に関する。

従来、電子機器における放熱のために熱拡散板が使用されている。熱拡散板として、熱伝導性に優れるアルミニウム板等が使用されている。また、アルミニウム板等よりも熱伝導性に優れるグラファイトシートを使用することも検討されている。

しかし、熱拡散板にグラファイトシートを使用した場合、可とう性が高いことから一定の形状に保持することが容易でない。このため、例えば、グラファイトシートの少なくとも一方の主面に金属層を設けて、一定の形状を保持できるようにしている。金属層として、金属板、金属箔等が使用されており、これらは接着剤によりグラファイトシートに固定されている。

特開２００６−１３０７５３号公報 特開２０１５− ４６５５７号公報

従来、熱拡散板としてグラファイトシートの少なくとも一方の主面に金属層を有するものが知られている。しかし、このような熱拡散板については、グラファイトシートと金属層とが接着剤により固定されていることから、この接着剤がグラファイトシートと金属層との間における熱抵抗となっている。

近年、電子機器の高性能化に伴って発熱量が増加しており、このような電子機器に発生した熱を速やかに拡散させて、電子機器の温度上昇を抑制することが求められている。このため熱拡散板には、これまで以上に熱伝導性の向上が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、グラファイトシートの少なくとも一方の表面に金属層を有するものであって、グラファイトシートと金属層との間の熱抵抗が低減された熱拡散板を提供することである。

実施形態の熱拡散板は、グラファイトシートと、前記グラファイトシートの少なくとも一方の主面に設けられたＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層と、前記グラファイトシートと前記金属層との間に設けられたＡｌの炭化物を含む炭化物層と、を有することを特徴とする。

実施形態によれば、グラファイトシートと金属層との間に炭化物層を設けることにより、グラファイトシートと金属層との間の熱抵抗が低減された熱拡散板を提供できる。

第１の実施形態の熱拡散板を示す断面図である。 第１の実施形態の熱拡散板の変形例を示す断面図である。 第２の実施形態の熱拡散板を示す断面図である。 第２の実施形態の熱拡散板の変形例を示す断面図である。 測定により得られた炭化物層の厚さと熱拡散率との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の熱拡散板を示す断面図である。
第１の実施形態の熱拡散板１０は、グラファイトシート１１、炭化物層１２、および金属層１３を有する。炭化物層１２は、グラファイトシート１１上に形成され、Ａｌの炭化物を含んでいる。金属層１３は、炭化物層１２を介してグラファイトシート１１上に形成され、ＡｌまたはＡｌ合金からなる。

グラファイトシート１１は、熱拡散板１０に優れた熱伝導性を付与するために設けられる。グラファイトシート１１としては、人工グラファイト、天然グラファイトのいずれも使用できるが、熱伝導性の観点からは天然グラファイトよりも人工グラファイトが好ましい。人工グラファイトは、通常、ポリイミド等の高分子フィルムを熱分解して得られる。グラファイトシート１１の厚さは、熱拡散板１０が使用される機器等に応じて適宜設定することができる。

金属層１３は、主として熱拡散板１０を一定の形状に保持するために設けられる。すなわち、グラファイトシート１１は可とう性が高いことから単独では一定の形状を保持することが容易でない。グラファイトシート１１の少なくとも一方の主面に金属層１３を設けることにより、熱拡散板１０を一定の形状に保持することができる。

金属層１３は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる。金属層１３がＡｌまたはＡｌ合金からなることにより、金属層１３を設けることによる熱伝導性の低下を抑制することができる。

Ａｌ合金としては、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、およびＳｎから選ばれる少なくとも１種の元素を含むものが挙げられる。これらの元素は、目的に応じて、１種のみを使用してもよいし、２種以上を使用してもよい。

例えば、Ａｌ合金の融点を低下させて、熱拡散板１０の製造するときの熱処理温度や熱処理圧力を低下させることができる共晶系の元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ｓｎ等が挙げられる。

また、例えば、固溶によりＡｌ合金の強度を高める元素として、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ等が挙げられる。

また、例えば、グラファイトシート１１との結合力を高める元素として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ等が挙げられる。

Ａｌ合金に複数の効果を付与する場合には、各効果を有する元素を複数使用することができる。Ａｌ合金に含まれるＡｌ以外の元素の含有量は目的に応じて選択することができるが、これらの元素の含有量が多くなると脆性特性を有する金属化合物が生成しやすい。このため、Ａｌ合金に含まれるＡｌ以外の元素の含有量は、これらの元素の合計した割合で、１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましく、３質量％以下がさらに好ましい。金属層１３の厚さは、熱拡散板１０が使用される機器等に応じて適宜設定することができる。

炭化物層１２は、グラファイトシート１１と金属層１３との間に配置され、これらの結合力を高めて、これらの間の熱抵抗を低下させるために設けられる。本実施形態の炭化物層１２は、少なくともＡｌの炭化物を含んでいる。なお、金属層１３がＡｌ合金からなる場合、炭化物層１２は、このＡｌ合金に含まれるＡｌ以外の元素の炭化物を含むことができる。

炭化物層１２の厚さは、１ｎｍ以上が好ましい。炭化物層１２の厚さが１ｎｍ以上になると、グラファイトシート１１と金属層１３とが炭化物層１２により強固に結合されて、グラファイトシート１１と金属層１３との間の熱抵抗が低減する。

一方、炭化物層１２の厚さが過度に厚くなると、かえってグラファイトシート１１と金属層１３との間の熱抵抗が増加しやすい。このため、炭化物層１２の厚さは、１００ｎｍ以下が好ましく、７０ｎｍ以下がより好ましく、５０ｎｍ以下がさらに好ましい。

次に、熱拡散板１０の製造方法について説明する。
まず、グラファイトシート１１上に金属層１３を形成する。グラファイトシート１１上への金属層１３の形成は、公知の方法により行うことができ、蒸着、めっき、ろう付け、金属箔を貼り合わせる方法等により行うことができる。その後、金属層１３を有するグラファイトシート１１を熱処理する。これにより、グラファイトシート１１の構成成分と金属層１３の構成成分とが反応して、これらの間にＡｌの炭化物を含む炭化物層１２が生成する。

熱処理温度は、５００℃以上が好ましい。熱処理温度が５００℃以上になると、グラファイトシート１１の構成成分と金属層１３の構成成分とが反応しやすく、グラファイトシート１１と金属層１３との間にＡｌの炭化物を含む炭化物層１２が生成しやすい。なお、熱処理温度は、熱拡散板１０の変形等を抑制するために金属層１３の融点以下が好ましい。

熱処理時間は、１分以上が好ましい。熱処理時間が１分以上になると、炭化物層１２が厚くなりやすい。なお、熱処理時間が長くなると、炭化物層１２が過度に厚くなり、かえってグラファイトシート１１と金属層１３との間の熱抵抗が増加しやすい。このため、加熱時間は、５時間以下が好ましく、３時間以下がさらに好ましい。

以上、第１の実施形態の熱拡散板１０について説明したが、その積層構造は、図１に示されるようなグラファイトシート１１と金属層１３との間に炭化物層１２が配置された３層構造に限られない。

第１の実施形態の熱拡散板１０については、グラファイトシート１１と金属層１３との間に炭化物層１２が形成されていればよく、例えば、図２に示すように、グラファイトシート１１、金属層１３をそれぞれ２層以上有するものでもよい。

また、グラファイトシート１１の層数と金属層１３の層数とは同一でもよいし異なっていてもよい。また、熱拡散板１０の両主面にはいずれの層が配置されてもよい。例えば、熱拡散板１０の両主面にグラファイトシート１１が配置されてもよいし、金属層１３が配置されてもよいし、一方の主面にグラファイトシート１１が配置され、他方の主面に金属層１３が配置されてもよい。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の熱拡散板を示す断面図である。
第２の実施形態の熱拡散板２０は、グラファイトシート２１、炭化物層２２、中間層２３、および金属層２４を有する。炭化物層２２は、グラファイトシート２１上に形成され、ＳｉまたはＴｉの炭化物を含んでいる。中間層２３は、炭化物層２２を介してグラファイトシート２１上に形成され、ＳｉまたはＴｉを含んでいる。金属層２４は、炭化物層２２および中間層２３を介してグラファイトシート２１上に形成され、ＡｌまたはＡｌ合金からなる。

第２の実施形態の熱拡散板２０は、グラファイトシート２１と金属層２４との間にＳｉまたはＴｉの炭化物を含む炭化物層２２を有する点で、第１の実施形態の熱拡散板１０と異なる。グラファイトシート２１と金属層２４との間にＳｉまたはＴｉの炭化物を含む炭化物層２２を有することにより、グラファイトシート２１と金属層２４との間の熱抵抗がさらに低減する。

グラファイトシート２１、金属層２４については、それぞれ、第１の実施形態におけるグラファイトシート１１、金属層１３と同様である。

炭化物層２２は、グラファイトシート２１と金属層２４とを強固に結合して、グラファイトシート２１と金属層２４との間の熱抵抗を低減させる。炭化物層２２は、ＳｉまたはＴｉの炭化物を含んでいる。

炭化物層２２の厚さは、１ｎｍ以上が好ましい。炭化物層２２の厚さが１ｎｍ以上になると、グラファイトシート２１と金属層２４とが炭化物層２２により強固に結合されて、グラファイトシート２１と金属層２４との間の熱抵抗が低減する。

一方、炭化物層２２の厚さが過度に厚くなると、グラファイトシート２１と金属層２４との間の熱抵抗が増加しやすい。このため、炭化物層２２の厚さは、１００ｎｍ以下が好ましく、７０ｎｍ以下がより好ましく、５０ｎｍ以下がさらに好ましい。

中間層２３は、炭化物層２２を形成するために設けられる。中間層２３は、ＳｉまたはＴｉを含むものであり、特に、ＳｉもしくはＳｉ合金、またはＴｉもしくはＴｉ合金からなることが好ましい。中間層２３の厚さは、１００ｎｍ以下が好ましい。

なお、中間層２３は、炭化物層２２を形成するために設けられるものである。具体的には、その炭化により炭化物層２２を生成するものである。このため、中間層２３は、炭化物層２２を形成するときに存在していればよく、その後については必ずしも存在していなくてもよい。

例えば、炭化物層２２の形成時、中間層２３の全てが炭化されて炭化物層２２となってもよい。このような場合には、熱拡散板２０には中間層２３が存在していなくてもよい。中間層２３が存在していない場合でも、グラファイトシート２１と金属層２４との間の熱抵抗は十分に低減する。

次に、第２の実施形態の熱拡散板２０の製造方法について説明する。
第２の実施形態の熱拡散板２０は、グラファイトシート２１上に金属層２４を形成する前にＳｉまたはＴｉを含む中間層２３を形成する工程が追加されることを除いて、第１の実施形態の熱拡散板１０と同様にして製造することができる。

中間層２３の形成は、公知の方法により行うことができ、蒸着、めっき、金属箔を貼り合わせる方法等により行うことができる。このときの中間層２３の厚さは、十分な厚さの炭化物層２２を形成するために、１ｎｍ以上が好ましい。また、グラファイトシート２１と金属層２４との間の熱抵抗の増加を抑制するために、１００ｎｍ以下が好ましい。

なお、第２の実施形態の熱拡散板２０については、グラファイトシート２１上に中間層２３および金属層２４がこの順に積層された状態で熱処理が行われる。このため、グラファイトシート２１の構成成分と中間層２３の構成成分とが反応して、これらの間にはＳｉまたはＴｉの炭化物を含む炭化物層２２が形成される。

また、このような熱処理においては、中間層２３の全てが炭化されて炭化物層２２となってもよい。すなわち、第２の実施形態の熱拡散板２０においては、グラファイトシート２１と金属層２４との間に炭化物層２２のみが存在し、中間層２３が存在していなくてもよい。

以上、第２の実施形態の熱拡散板２０について説明したが、その積層構造は図３に示されるようなグラファイトシート２１と金属層２４との間に炭化物層２２が配置された３層構造に限られない。

第２の実施形態の熱拡散板２０については、グラファイトシート２１と金属層２４との間に炭化物層２２が形成されていればよく、例えば、図４に示すように、グラファイトシート２１、金属層２４をそれぞれ２層以上有するものでもよい。

また、グラファイトシート２１の層数と金属層２４の層数とは同一でもよいし異なっていてもよい。また、熱拡散板２０の両主面にはいずれの層が配置されてもよい。例えば、熱拡散板２０の両主面にグラファイトシート２１が配置されてもよいし、金属層２４が配置されてもよいし、一方の主面にグラファイトシート２１が配置され、他方の主面に金属層２４が配置されてもよい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

まず、実施例および比較例の評価試料の作製に使用する被処理体の作製について説明する。

（被処理体１）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、蒸着によりＡｌからなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（被処理体２）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、それぞれ蒸着により２質量％のＳｉを含むＡｌ合金からなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（被処理体３）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、それぞれ蒸着により５質量％のＳｉを含むＡｌ合金からなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（被処理体４）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、それぞれ蒸着によりＳｉからなる厚さ２０ｎｍの中間層を形成した。その後、それぞれの中間層の表面に、蒸着によりＡｌからなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（被処理体５）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、それぞれ蒸着により２質量％のＴｉを含むＡｌ合金からなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（被処理体６）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、それぞれ蒸着により５質量％のＴｉを含むＡｌ合金からなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（被処理体７）
厚さが４０μｍのグラファイトシートの両面に、それぞれ蒸着によりＴｉからなる厚さ２０ｎｍの中間層を形成した。その後、それぞれの中間層の表面に、蒸着によりＡｌからなる厚さが１μｍの金属層を形成した。

（実施例１〜１４）
表１に示すように、被処理体１〜７に対して、５５０℃または６００℃の熱処理温度および０．５時間または２時間の熱処理時間により熱処理を行って、実施例１〜１４の評価試料を作製した。

ここで、実施例１〜６、９〜１２の評価試料は、グラファイトシートとＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層との反応により、これらの間にＡｌの炭化物を含む炭化物層が形成されたものである。また、実施例７〜８、１３〜１４の評価試料は、グラファイトシートとＳｉまたはＴｉを含む中間層との反応により、これらの間にＳｉまたはＴｉの炭化物を含む炭化物層が形成されたものである。

なお、表１に、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により得られた各試料における炭化物層の組成を合わせて示す。表１からも明らかなように、実施例１〜１４の評価試料については、熱処理により金属層または中間層の構成元素の炭化物を有する炭化物層が形成されることがわかる。

（比較例１〜７）
表１に示すように、被処理体１〜７に対して熱処理を行わずに評価試料とした。

次に、各評価試料について、フラッシュ法により熱拡散率を測定するとともに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により炭化物層の厚さを測定した。図５に、測定により得られた炭化物層の厚さと熱拡散率との関係を示す。

ここで、図５中、炭化物層の厚さが１０〜４０ｎｍであるものが実施例１、３、５、７、９、１１、１３の評価試料であり、炭化物層の厚さが４０ｎｍを超えるものが実施例２、４、６、８、１０、１２、１４の評価試料であり、それ以外が比較例１〜７の評価試料である。

図５からも明らかなように、実施例１〜１４の評価試料については、１０ｎｍを超える厚さの炭化物層が形成されており、炭化物層が形成されていない比較例１〜７の評価試料に比べて熱拡散率が高くなる。また、炭化物層の厚さが５０ｎｍ以下のとき、特に４０ｎｍ以下のときに高い熱拡散率が得られる。

また、Ｓｉからなる中間層を有する被処理体４を０．５時間熱処理して得られるＳｉの炭化物からなる炭化物層を有する実施例７の評価試料、およびＴｉからなる中間層を有する被処理体７を０．５時間熱処理して得られるＴｉの炭化物からなる炭化物層を有する実施例１３の評価試料については、特に高い熱拡散率が得られる。

以上、発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…熱拡散板、１１…グラファイトシート、１２…炭化物層、１３…金属層、２０…熱拡散板、２１…グラファイトシート、２２…炭化物層、２３…中間層、２４…金属層。

Claims (9)

1. グラファイトシートと、
   前記グラファイトシートの少なくとも一方の主面に設けられたＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層と、
   前記グラファイトシートと前記金属層との間に設けられたＡｌの炭化物を含む炭化物層と、
   を有することを特徴とする熱拡散板。
2. グラファイトシートと、
   前記グラファイトシートの少なくとも一方の主面に設けられたＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層と、
   前記グラファイトシートと前記金属層との間に設けられたＳｉまたはＴｉの炭化物を含む炭化物層と、
   を有することを特徴とする熱拡散板。
3. 前記Ａｌ合金は、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、およびＳｎから選ばれる少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする請求項１または２記載の熱拡散板。
4. 前記炭化物層の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱拡散板。
5. グラファイトシートの少なくとも一方の主面にＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層を設ける工程と、
   前記金属層が設けられた前記グラファイトシートを熱処理して、前記グラファイトシートと前記金属層との間にＡｌの炭化物を含む炭化物層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする熱拡散板の製造方法。
6. グラファイトシートの少なくとも一方の主面にＳｉまたはＴｉを含む中間層を設ける工程と、
   前記中間層上にＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層を設ける工程と、
   前記中間層および前記金属層を有する前記グラファイトシートを熱処理して、前記グラファイトシートと前記金属層との間にＳｉまたはＴｉの炭化物を含む炭化物層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする熱拡散板の製造方法。
7. 前記Ａｌ合金は、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、およびＳｎから選ばれる少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする請求項５または６記載の熱拡散板の製造方法。
8. 前記熱処理を前記金属層の融点以下の温度で行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の熱拡散板の製造方法。
9. 前記炭化物層の厚さが１００ｎｍ以下となるように前記熱処理を行うことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項記載の熱拡散板の製造方法。

Images