JP5385054B2

JP5385054B2 - 放熱材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP5385054B2
Application number: JP2009195354A
Authority: JP
Inventors: 貴裕松本
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: JP2011049281A; US20110052871A1

Description

本発明は放熱材料及びその製造方法に関する。

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、熱対流を不要とし、また、真空中でも効率的に行うために種々の放熱材料が提案されている。

従来の放熱材料としてはSiC、AlN等よりなるセラミックス基板（参照：特許文献１）、1000-2000W/ｍ・Kの高熱伝導率のダイヤモンド基板（参照：特許文献２）、柔軟性を有するグラファイトフィルム（参照：特許文献３）、及び良放熱性、耐熱性、耐薬品性、低価格性等のカーボンナノチューブ（CNT）（参照：特許文献４）がある。

特開平２−７４４５号公報特開２００８−２２２４６８号公報特開２００９−１０７９０４号公報特開２００４−１０９７８号公報

しかしながら、第１の従来の放熱材料であるセラミックス基板は、基本的に、粒径が10-100μmのセラミックスパウダを適当なバインダを用いて焼結したものであるので、発熱部品とセラミックス基板との間に空隙が生じ、密着性が悪く、この結果、放熱性が悪いという課題がある。また、セラミックス基板の熱膨張係数が非常に小さく、従って、発熱部品とセラミックス基板との熱膨張係数の差から剥離が頻繁に生じるという課題もある。さらに、セラミックス基板のSiCあるいはAlNは硬度が高く、難加工材料であるので、切出し、研磨に時間を要し、この結果、製造コストが高いという課題もある。

また、第２の従来の放熱材料であるダイヤモンド基板は、セラミックス基板と同様に、ダイヤモンド基板の熱膨張係数が非常に小さく、従って、発熱部品とダイヤモンド基板との熱膨張係数の差から剥離が頻繁に生じるという課題がある。また、ダイヤモンド基板は硬度が高く、難加工材料であるので、切出し、研磨に時間を要し、この結果、製造コストが高いという課題もある。さらに、ダイヤモンド基板は、セラミックス基板と異なり、非常に高価な材料なので、製造コストが著しく高くなる。

さらに、第３の従来の放熱材料であるグラファイトフィルムは炭素系材料であるので、無機系材料であるセラミックス基板及びダイヤモンド基板に比較して放熱性が劣るという課題がある。

さらにまた、第４の従来の放熱材料であるCNTも炭素系材料であるので、無機系材料であるセラミックス基板及びダイヤモンド基板に比較して放熱性が劣るという課題がある。また、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もある。この場合、銅等の金属基板上にCNTを分散液等に混ぜてコーティングするのが一般的であるが、金属基板とCNTとの密着性が悪く、CNTが直ぐに剥がれてしまい、あるいは、剥がれなくとも、金属基板とCNTとは原子レベルで結合しているのではないので、必然的に熱抵抗が生じ、熱伝導の損失が生じるという課題が生ずる。尚、金属基板とCNTとの間にペーストを挿入してCNTの剥がれを防止できるが、ペースト自身が熱抵抗を生じ、熱伝導の損失を生じる。さらに、CNTが空気中において400℃以上に加熱されると、爆発的な燃焼が起こるという課題もある。

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凹凸構造を形成した炭素系基板を具備し、第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を炭素系基板に形成したものである。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、本発明に係る放熱材料の製造方法は、炭素系基板の表面をナノメートルのオーダの凹凸構造を加工する第１の凹凸構造加工工程と、第１の凹凸構造加工工程の前に、第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を炭素系基板の表面に加工する第２の凹凸構造加工工程とを具備するものである。

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、CNTを用いた場合のような爆発的な燃焼もない。

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。

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。

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のオーダ、サブミクロン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のオーダもしくはサブミクロン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H₂ガス及びO₂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のオーダあるいはサブミクロン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のオーダあるいはサブミクロン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BaSO₄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0.2m²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（m²）、
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/(m²・K⁴)
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。

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。

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：ナノ凹凸構造加工ステップ

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を具備し、
前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板に形成した放熱材料。
前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロンのオーダ以上である請求項１に記載の放熱材料。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた複数の凹みである請求項１に記載の放熱材料。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた剣山構造である請求項１に記載の放熱材料。
炭素系基板の表面をナノメートルのオーダの第１の凹凸構造に加工する第１の凹凸構造加工工程と、
該第１の凹凸構造加工工程の前に、前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板の表面に加工する第２の凹凸構造加工工程と
を具備する放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロンのオーダ以上である請求項５に記載の放熱材料の製造方法。
前記第１の凹凸構造加工工程がプラズマエッチング工程である請求項５に記載の放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた複数の凹みである請求項５に記載の放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造加工工程が、
前記不規則的周期のパターンを有するフォトレジスト層を形成するフォトリソグラフィ工程と、
該フォトレジスト層を用いて前記炭素系基板の表面に前記凹みを形成するエッチング工程と、
該凹みの形成後に前記フォトレジスト層を除去する工程と
を具備する請求項８に記載の放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造が前記炭素系基板の表面に設けられた剣山構造である請求項５に記載の放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造加工工程が、機械的ルーリングエンジン切削工程を具備する請求項１０に記載の放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造加工工程が機械的表面研磨工程を具備する請求項５に記載の放熱材料の製造方法。
前記第２の凹凸構造加工工程がレーザ照射工程を具備する請求項５に記載の放熱材料の製造方法。