JP7497621B2 - 積層放熱体、電子機器、および積層放熱体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層放熱体、電子機器、および積層放熱体の製造方法に関する。

従来、電子部品などの熱を冷却器などに伝達する放熱体が知られていた。このような放熱体には熱伝導性に優れる炭素材料を用いたものがある。例えば、特許文献１には、電子部品搭載基板の放熱板に適用されるクラッド材が開示されている。上記クラッド材は、グラファイトを含む層と金属層とが重ね合わされて成る。

特開２０１９－１０４０２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のクラッド材では、グラファイトを含む層と金属層との間で剥離が発生し易いという課題があった。詳しくは、グラファイトなどの炭素材料と金属とでは密着性を確保することが難しい。そのため、単に一方向に積層された構造では、応力や熱などによって層間に剥離が生じる場合があった。すなわち、層間における剥離の発生を抑制する積層放熱体が求められていた。

積層放熱体は、第１の方向において、炭素材料を金属材料で挟む第１の層と、前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記第１の層を挟んで積層された第２の層および第３の層と、前記第１の方向において、前記炭素材料を前記金属材料で挟む第４の層と、前記第２の方向において、前記第４の層を介して前記第３の層と積層された、少なくとも前記金属材料を含む第５の層と、を有し、前記第２の層および前記第３の層は、少なくとも前記金属材料を含み、前記第１の方向および前記第２の方向と直交する第３の方向から見たとき、前記第１の層の前記炭素材料の領域は、前記第２の層の前記金属材料の領域と、前記第３の層の前記金属材料の領域と、に挟まれており、前記第１の層および前記第４の層では、前記第１の方向において、前記炭素材料と前記金属材料とが交互に配列され、前記第３の方向から見たとき、前記第４の層の前記炭素材料の領域は、前記第３の層の前記金属材料の領域と、前記第５の層の前記金属材料の領域と、に挟まれており、前記第２の層、前記第３の層および前記第５の層は、前記炭素材料を含み、前記第１の方向に、前記炭素材料と前記金属材料とが交互に配列されることを特徴とする。

電子機器は、上記の積層放熱体を含むことを特徴とする。

第１実施形態に係る積層放熱体の構成を示す斜視図。 第２実施形態に係る積層放熱体の構成を示す斜視図。 炭素材料の領域における炭素材料の配向状態を示す斜視図。 第３実施形態に係る積層放熱体の構成を示す斜視図。 第４実施形態に係る電子機器としてのプロジェクターの外観を示す斜視図。 プロジェクターの光源における積層放熱体の配置を示す模式図。 第５実施形態に係る積層放熱体の製造工程を示すフロー図。 積層放熱体の製造工程を示す模式図。 積層放熱体の製造工程を示す模式図。 積層放熱体の製造工程を示す模式図。 積層放熱体の製造工程を示す模式図。 積層放熱体の製造工程を示す模式図。 積層放熱体の製造工程を示す模式図。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の各図においては、必要に応じて、相互に直交する座標軸としてＸＹＺ軸を付し、各矢印が指す方向を＋方向とし、＋方向と反対の方向を－方向とする。また、＋方向および－方向を総称して、対応する軸に沿う方向ということもある。

１．第１実施形態
第１実施形態に係る積層放熱体の構成について、図１を参照して説明する。本実施形態の積層放熱体は、半導体集積回路やプロジェクターの光源などの放熱部材として適用可能である。

図１に示すように、本実施形態に係る積層放熱体１００は、略直方体であって、第１の層１０１、第２の層１０２、および第３の層１０３を有する。第１の層１０１は、第１の方向であるＸ軸に沿う方向（第１の層１０１が延在する方向の一方向）において、炭素材料を含む炭素材料の領域１０１ｃが、金属材料を含む金属材料の領域１０１ｍによって挟まれて成る。すなわち、炭素材料の領域１０１ｃの＋Ｘ方向および－Ｘ方向は、金属材料の領域１０１ｍで覆われる。つまり、第１の層１０１が延在する方向の一方向において、炭素材料の領域１０１ｃの両端部が夫々金属材料の領域１０１ｍで覆われている。これに対し、炭素材料の領域１０１ｃの＋Ｚ方向および－Ｚ方向（第１の層１０１が延在する方向であって、Ｘ軸と直交する方向）は、金属材料の領域１０１ｍで覆われずに側面に露出する。なお、積層放熱体１００の形状は略直方体に限定されない。

第１の層１０１は、Ｘ軸に沿う方向（第１の層１０１が延在する方向の一方向）と直交する第２の方向（第１の層１０１の厚さ方向）であるＹ軸に沿う方向において、第２の層１０２および第３の層１０３に挟まれる。すなわち、積層放熱体１００では、＋Ｙ方向に向かって、第２の層１０２、第１の層１０１、および第３の層１０３がこの順に積層される。

第２の層１０２および第３の層１０３は、少なくとも金属材料を含む。積層放熱体１００では、第２の層１０２は金属材料を含む金属材料の領域１０２ｍから成り、第３の層１０３は金属材料を含む金属材料の領域１０３ｍから成る。第１の層１０１の炭素材料の領域１０１ｃは、Ｘ軸に沿う方向およびＹ軸に沿う方向と直交する第３の方向であるＺ軸に沿う方向から見たとき、第１の層１０１の炭素材料の領域１０１ｃに対して－Ｙ方向に配置される金属材料の領域１０２ｍと、第１の層１０１の炭素材料の領域１０１ｃに対して＋Ｙ方向に配置される金属材料の領域１０３ｍと、に挟まれる。すなわち、炭素材料の領域１０１ｃは、Ｚ軸に沿う方向から見たとき、金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍに囲まれる。なお、炭素材料の領域１０１ｃと金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍとは、互いに密着していることが好ましい。

第２の層１０２は金属材料の領域１０２ｍのみから成ることに限定されず、第３の層１０３も金属材料の領域１０３ｍのみから成ることに限定されない。第１の層１０１の炭素材料の領域１０１ｃの＋Ｙ方向および－Ｙ方向が金属材料の領域１０２ｍ，１０３ｍで挟まれていれば、第２の層１０２および第３の層１０３は炭素材料を含む炭素材料の領域を有してもよい。

炭素材料の領域１０１ｃにおけるＹ軸に沿う方向の厚さ、すなわち第１の層１０１の厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、第２の層１０２および第３の層１０３の厚さも、同様に１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。これによれば、積層放熱体１００をスクリーン印刷法などによって容易に製造することができる。

炭素材料の領域１０１ｃが含む炭素材料としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、およびオイルファーネス系などのカーボンブラック、天然および人工の黒鉛（グラファイト）、ＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系およびピッチ系などのカーボンファイバー、単層および多層のカーボンナノチューブ、および気相成長炭素繊維などが挙げられる。

金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍが含む金属材料としては、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル、白金など、およびこれらの金属を含む合金などの比較的に熱伝導性が高い金属が挙げられる。

積層放熱体１００を冷却対象に実装する場合には、冷却対象に対して、金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍのいずれかを接触させるか、他の金属部材を介して配置する。なお、ここでいう接触とは、例えば面接触である。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

積層放熱体１００において、層間における剥離の発生を抑制することができる。詳しくは、第１の層１０１において、炭素材料の領域１０１ｃは金属材料の領域１０１ｍに挟まれている。また、炭素材料の領域１０１ｃは、積層方向であるＹ軸に沿う方向において、第２の層１０２および第３の層１０３の金属材料の領域１０２ｍ，１０３ｍに挟まれる。すなわち、炭素材料の領域１０１ｃは、Ｘ軸に沿う方向およびＹ軸に沿う方向において金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍによって囲まれる。そのため、炭素材料の領域１０１ｃと金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍとの接触面積が増大する。これにより、層間における剥離の発生を抑制する積層放熱体１００を提供することができる。

炭素材料と金属材料とが一体に複合化されるため、金属材料を単体で用いる場合に比べて、線膨張係数が低減されて熱に起因する応力を緩和することができる。また、金属材料の領域に炭素材料が含まれる構成と比べて、熱伝導性が向上する。詳しくは、炭素材料と金属材料との界面は熱伝導の抵抗となり易い。そのため、炭素材料の領域１０１ｃと金属材料の領域１０１ｍ，１０２ｍ，１０３ｍとを区分することにより、上記の抵抗を低減して熱伝導性を向上させることができる。

２．第２実施形態
第２実施形態に係る積層放熱体の構成について、図２を参照して説明する。本実施形態の積層放熱体は、第１実施形態の積層放熱体１００と同様に、半導体集積回路やプロジェクターの光源などの放熱部材として適用可能である。

図２に示すように、第２実施形態に係る積層放熱体２００は、略直方体であって、第１の層２０１、第２の層２０２、第３の層２０３、第４の層２０４、および第５の層２０５を含む複数の層を有する。積層放熱体２００は、第１実施形態の積層放熱体１００に対して、第１の層２０１、第２の層２０２、および第３の層２０３の３層に加えて、第４の層２０４および第５の層２０５などのその他の層を有する点、および各層が複数の炭素材料の領域を有する点が異なる。なお、積層放熱体２００の形状は略直方体に限定されない。

第１の層２０１は、第１の方向であるＸ軸に沿う方向において、炭素材料を含む炭素材料の領域２０１ｃが、金属材料を含む金属材料の領域２０１ｍによって挟まれて成る。すなわち、炭素材料の領域２０１ｃの＋Ｘ方向および－Ｘ方向は、金属材料の領域２０１ｍで覆われる。また、Ｘ軸に沿う方向において、炭素材料の領域２０１ｃと金属材料の領域２０１ｍとが交互に配列される。炭素材料の領域２０１ｃの＋Ｚ方向および－Ｚ方向は、金属材料の領域２０１ｍで覆われずに露出する。

第４の層２０４は、第１の層２０１と同様にして、Ｘ軸に沿う方向において、炭素材料を含む炭素材料の領域２０４ｃが、金属材料を含む金属材料の領域２０４ｍによって挟まれて成る。すなわち、炭素材料の領域２０４ｃの＋Ｘ方向および－Ｘ方向は、金属材料の領域２０４ｍで覆われる。また、Ｘ軸に沿う方向において、炭素材料の領域２０４ｃと金属材料の領域２０４ｍとが交互に配列される。炭素材料の領域２０４ｃの＋Ｚ方向および－Ｚ方向は、金属材料の領域２０４ｍで覆われずに露出する。

第１の層２０１は、Ｘ軸に沿う方向と直交する第２の方向であるＹ軸に沿う方向において、第２の層２０２および第３の層２０３に挟まれる。第４の層２０４は、Ｙ軸に沿う方向において、第３の層２０３および第５の層２０５に挟まれる。つまり、第５の層２０５は、Ｙ軸に沿う方向において、第４の層２０４を介して第３の層２０３に積層される。つまり、積層放熱体２００では、＋Ｙ方向に向かって、第２の層２０２、第１の層２０１、第３の層２０３、第４の層２０４、第５の層２０５、およびその他の層がこの順に積層される。

第２の層２０２、第３の層２０３、および第５の層２０５は、少なくとも金属材料を含む。第２の層２０２は、金属材料を含む複数の金属材料の領域２０２ｍと、炭素材料を含む複数の炭素材料の領域２０２ｃとから成り、炭素材料の領域２０２ｃと金属材料の領域２０２ｍとが交互に配列される。第３の層２０３は、金属材料を含む複数の金属材料の領域２０３ｍと、炭素材料を含む複数の炭素材料の領域２０３ｃとから成り、炭素材料の領域２０３ｃと金属材料の領域２０３ｍとが交互に配列される。第５の層２０５は、金属材料を含む複数の金属材料の領域２０５ｍと、炭素材料を含む複数の炭素材料の領域２０５ｃとから成り、炭素材料の領域２０５ｃと金属材料の領域２０５ｍとが交互に配列される。

ここで、第２の層２０２、第３の層２０３、および第５の層２０５などは、炭素材料の領域２０２ｃ，２０３ｃ，２０５ｃを含まなくてもよい。なお、炭素材料の領域２０１ｃ，２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃ，２０５ｃなどを総称して、単に炭素材料の領域２００ｃともいう。金属材料の領域２０１ｍ，２０２ｍ，２０３ｍ，２０４ｍ，２０５ｍなどを総称して、単に金属材料の領域２００ｍともいう。

第１の層２０１の炭素材料の領域２０１ｃの各々は、Ｘ軸に沿う方向およびＹ軸に沿う方向と直交する第３の方向であるＺ軸に沿う方向から見たとき、－Ｙ方向の金属材料の領域２０２ｍと＋Ｙ方向の金属材料の領域２０３ｍとに挟まれる。したがって、複数の炭素材料の領域２０１ｃの各々は、Ｚ軸に沿う方向から見たとき、金属材料の領域２０１ｍ，２０２ｍ，２０３ｍに囲まれる。なお、炭素材料の領域２０１ｃと金属材料の領域２０１ｍ，２０２ｍ，２０３ｍとは、互いに密着していることが好ましい。

第４の層２０４の炭素材料の領域２０４ｃの各々は、Ｚ軸に沿う方向から見たとき、－Ｙ方向の金属材料の領域２０３ｍと＋Ｙ方向の金属材料の領域２０５ｍとに挟まれる。したがって、複数の炭素材料の領域２０４ｃの各々は、Ｚ軸に沿う方向から見たとき、金属材料の領域２０４ｍ，２０３ｍ，２０５ｍに囲まれる。なお、炭素材料の領域２０４ｃと金属材料の領域２０４ｍ，２０３ｍ，２０５ｍとは、互いに密着していることが好ましい。

積層放熱体２００は、上述した構成の複数の層が規則的に＋Ｙ方向に積層されて成る。積層される層の総数は、例えば、１００層以上であってもよく、第１の層２０１から第３の層２０３までの３層であってもよい。

金属材料の領域２００ｍが含む金属材料には、第１実施形態と同様な金属材料が採用可能である。炭素材料の領域２００ｃが含む炭素材料には、第１実施形態と同様な炭素材料が採用可能である。本実施形態では、炭素材料としてカーボンナノチューブを採用する。

積層放熱体２００が有する炭素材料の領域２００ｃにおける炭素材料の配向状態について、図３を参照して説明する。以下の説明では、炭素材料の領域２０１ｃを代表例とするが、その他の炭素材料の領域２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃ，２０５ｃなども同様な構成である。図３では、積層放熱体２００における炭素材料の領域２０１ｃのみを抜き出して図示している。また、図示の便宜上、炭素材料であるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）２２０について、形状を模式的に表示すると共に数を実際よりも少なくしている。

図３に示すように、炭素材料の領域２０１ｃに含まれるＣＮＴ２２０は繊維状である。複数のＣＮＴ２２０は、炭素材料の領域２０１ｃの長さ方向に沿って配向する。換言すれば、繊維状のＣＮＴ２２０の長さ方向が炭素材料の領域２０１ｃの長さ方向に沿っている。炭素材料の領域２０１ｃの長さ方向はＺ軸に沿う方向である。

ＣＮＴ２２０のような繊維状の炭素材料は、中央が空洞である点、および分子構造中の炭素－炭素結合に沿って熱が伝達される点から、長さ方向への熱伝導性に優れる。そのため、複数のＣＮＴ２２０が配向する方向を揃えることによって熱伝導性がさらに向上する。積層放熱体２００では、Ｚ軸に沿う方向に冷却対象の熱を伝達させることを前提とし、ＣＮＴ２２０をＺ軸に沿う方向に配向させる。これによって、炭素材料の領域２０１ｃにおけるＺ軸に沿う方向の熱伝導性を向上させることができる。カーボンファイバーや気相成長炭素繊維を炭素材料として用いる場合も同様とすることが好ましい。なお、積層放熱体２００における熱の伝達方向は、Ｚ軸に沿う方向に限定されず、熱の伝達方向に応じてＣＮＴ２２０が配向する方向を選択すればよい。

また、ＣＮＴ２２０に代えて鱗片状の黒鉛を炭素材料として用いる場合にも、複数の黒鉛を炭素材料の領域２０１ｃの長さ方向に沿って配向させる。詳しくは、黒鉛のへき開面をＸＺ平面またはＹＺ平面に沿わせる。特に、積層放熱体２００では各層がＹ軸に沿う方向に積層されるため、製造工程における配向の容易さから、ＸＺ平面に沿って配向させることが好ましい。これによれば、熱の伝達方向とへき開面とが交差するように配置されないため、熱が伝達され易くなりＺ軸に沿う方向の熱伝導性を向上させることができる。積層放熱体の製造方法については後述する。

炭素材料の領域２０１ｃにおける密度は、５０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％以下であることが好ましい。これによれば、積層放熱体２００の製造工程における炭素材料の領域２０１ｃの形成を容易にすると共に、炭素材料の領域２０１ｃの熱伝導性を向上させることができる。なお、上述した通り、炭素材料の領域２０２ｃ，２０３ｃ，２０４ｃ，２０５ｃなども、各構成は炭素材料の領域２０１ｃと同様であるため説明を省略する。

本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて以下の効果を得ることができる。

Ｚ軸に沿う方向から見た場合に、第１の層２０１の炭素材料の領域２０１ｃは、金属材料の領域２０１ｍ，２０２ｍ，２０３ｍに入り組んで配置される。第４の層２０４の炭素材料の領域２０４ｃは、金属材料の領域２０４ｍ，２０３ｍ，２０５ｍに入り組んで配置される。また、第３の層２０３の炭素材料の領域２０３ｃの一部も、金属材料の領域２０３ｍ，２０１ｍ，２０４ｍに入り組んで配置される。第５の層２０５の炭素材料の領域２０５ｃの一部も、金属材料の領域２０５ｍ，２０４ｍ、および第５の層２０５の＋Ｙ方向の、図示しない層の金属材料の領域に入り組んで配置される。そのため、炭素材料の領域２００ｃと金属材料の領域２００ｍとの接触面積が増大して、層間における剥離の発生をさらに抑制することができる。

炭素材料の領域２００ｃと金属材料の領域２００ｍとが、Ｘ軸に沿う方向において交互に配列される。炭素材料の領域２００ｃは金属材料の領域２００ｍと比べて熱伝導性に優れるため、積層放熱体２００における炭素材料の領域２００ｃが増大して、熱伝導性をさらに向上させることができる。

３．第３実施形態
第３実施形態に係る積層放熱体の構成について、図４を参照して説明する。図４では、積層放熱体が有する複数の層のうちの、第１の層、第２の層、および第３の層のみを図示し、その他の層の図示を省略している。本実施形態の積層放熱体は、第１実施形態の積層放熱体１００と同様に、半導体集積回路やプロジェクターの光源などの放熱部材として適用可能である。

図４に示すように、第３実施形態に係る積層放熱体３００は、略直方体であって、第１の層３０１、第２の層３０２、第３の層３０３、および図示しないその他の層がＹ軸に沿う方向に積層されて成る。積層放熱体３００は、第２実施形態の積層放熱体２００に対して、炭素材料の領域３０２ｃ、３０３ｃのＸ軸に沿う長さ、および＋Ｘ方向と－Ｘ方向の一対の外壁面３００ｓの構成を変更したものである。そのため、積層放熱体２００と同様な構成については説明を省略する。

積層放熱体３００では、第２の層３０２、第１の層３０１、第３の層３０３、および図示しないその他の層が、この順で＋Ｙ方向に積層される。第１の層３０１では、Ｘ軸に沿う方向において、金属材料の領域３０１ｍと炭素材料の領域３０１ｃとが交互に配列される。第２の層３０２では、Ｘ軸に沿う方向において、金属材料の領域３０２ｍと炭素材料の領域３０２ｃとが交互に配列される。第３の層３０３では、Ｘ軸に沿う方向において、金属材料の領域３０３ｍと炭素材料の領域３０３ｃとが交互に配列される。図示しないその他の層も同様な構成である。

第２の層３０２に含まれる複数の炭素材料の領域３０２ｃのＸ軸に沿う長さはｂに等しい。また、第３の層３０３に含まれる複数の炭素材料の領域３０３ｃのＸ軸に沿う長さもｂに等しい。これによれば、積層放熱体３００をスクリーン印刷法にて製造する場合に、スクリーン版である印刷用マスクを共通化することができる。

同様にして、第１の層３０１に含まれる複数の炭素材料の領域３０１ｃのＸ軸に沿う長さをａに揃え、第３の層３０３を介して第１の層３０１に積層される、図示しない層の複数の炭素材料の領域のＸ軸に沿う長さもａに揃えてもよい。これによれば、積層放熱体３００をスクリーン印刷法にて製造する場合に、印刷用マスクを共通化することができる。また上記のａと上記のｂとを等しくしてもよい。

積層放熱体３００において、Ｘ軸に沿う方向と直交する一対の外壁面３００ｓは、金属材料の領域３０１ｍ，３０２ｍ，３０３ｍから成る。つまり、一対の外壁面３００ｓには、炭素材料の領域３０１ｃ，３０２ｃ，３０３ｃが露出しない。図示しないその他の層においても同様である。これによれば、一対の外壁面３００ｓにおいて、炭素材料の領域３０１ｃ，３０２ｃ，３０３ｃなどと、金属材料の領域３０１ｍ，３０２ｍ，３０３ｍなどとの界面が露出しないため、該界面を起点とする剥離の発生を抑制することができる。

また、図示を省略するが、第２の層３０２の－Ｙ方向に金属材料の領域のみから成る層を設けると共に、積層放熱体３００の最も＋Ｙ方向寄りの層を金属材料の領域のみから成る層としてもよい。すなわち、Ｙ軸に沿う方向と直交する一対の外壁面を、金属材料の領域のみから成るものとしてもよい。これによれば、上記外壁面に炭素材料の領域３０２ｃと金属材料の領域３０２ｍとの界面などが露出しないため、該界面を起点とする剥離の発生を抑制することができる。

さらに、図示を省略するが、積層放熱体３００の＋Ｚ方向および－Ｚ方向の外壁面を、金属材料の領域で覆ってもよい。すなわち、Ｚ軸に沿う方向と直交する一対の外壁面を、金属材料の領域のみから成るものとしてもよい。これによれば、上述した界面が露出しないため、該界面を起点とする剥離の発生を抑制することができる。

４．第４実施形態
第４実施形態に係る電子機器としてプロジェクターを例示し、図５および図６を参照して説明する。

図５に示すように、本実施形態に係るプロジェクター１０００は、外装を構成する外装筐体１００２を備える。外装筐体１００２の正面部１００３には、投射レンズである投射光学装置１０３０の一部を露出させる開口部１０１０が備わる。

プロジェクター１０００は、後述する光源を外装筐体１００２の内部に備える。該光源から出射された光は光変調手段によって変調されて、画像情報に応じた画像光が形成される。画像光は、投射光学装置１０３０を介して、図示しないスクリーンなどの被投射面上に拡大投射される。

プロジェクター１０００の光源には、投射される画像光を高輝度とする目的で発光素子が採用される。発光素子は発光に伴って発熱する。発光素子から熱を伝達して放熱させるために、プロジェクター１０００は上記実施形態の積層放熱体を含む。

図６に示すように、プロジェクター１０００に備わる光源装置１０５０は、光源である発光素子１１１０、積層放熱体１２００、およびヒートシンク１１４０を含む。発光素子１１１０の発光によって生じた熱は、接合部１１２０を介して積層放熱体１２００に伝達さる。そして、積層放熱体１２００から接合部１１３０を介して、冷却器であるヒートシンク１１４０に伝達されることにより、発光素子１１１０の熱が空気中に放出される。これにより、プロジェクター１０００における冷却対象である発光素子１１１０が冷却される。

発光素子１１１０は、例えば、半導体レーザーであり、＋Ｚ方向へ光を出射する。発光素子１１１０は、接合部１１２０を介して積層放熱体１２００と接する。

接合部１１２０は、発光素子１１１０の熱を積層放熱体１２００に伝達する。接合部１１２０は、＋Ｚ方向からの平面視にて、発光素子１１１０よりやや大きい略矩形の平板である。接合部１１２０では、図示を省略するが、発光素子１１１０と接する接合膜と、積層放熱体１２００と接する接合膜とが接合材を介して配置される。接合膜の形成材料としては、例えば、銅、アルミニウム、金などが挙げられる。接合材としては、例えば、銀ペーストが挙げられる。

積層放熱体１２００では、図示しない炭素材料の領域の炭素材料がＺ軸に沿って配向する。そのため、発光素子１１１０からの熱が－Ｚ方向により伝達され易くなっている。

接合部１１３０は、積層放熱体１２００から伝達された熱をヒートシンク１１４０に伝達する。接合部１１３０は、＋Ｚ方向からの平面視にて、積層放熱体１２００よりやや大きい略矩形の平板である。接合部１１３０では、図示を省略するが、積層放熱体１２００と接する接合膜と、ヒートシンク１１４０と接する接合膜とが接合材を介して配置される。接合膜の形成材料としては、例えば、銅、アルミニウム、金などが挙げられる。接合材としては、例えば、銀ペーストが挙げられる。

ヒートシンク１１４０は、伝達された熱を空気中に効率よく放出するために複数のフィンを有する。ヒートシンク１１４０には、アルミニウムや銅などの熱伝導性に優れる金属を用いる。

なお、本発明の積層放熱体を含む電子機器はプロジェクターに限定されない。また、本発明の積層放熱体は、発光素子１１１０の他に半導体集積回路などを冷却対象としてもよい。

本実施形態によれば、発光素子１１１０の冷却性能が向上して、発光素子１１１０の発光効率および信頼性が向上するプロジェクター１０００を提供することができる。また、積層放熱体１２００の線膨張係数が小さくなるため、発光素子１１１０と積層放熱体１２００との間の応力を低減することができる。

５．第５実施形態
第５実施形態に係る積層放熱体の製造方法について、図７から図１３を参照して説明する。図７に示すように、本実施形態の積層放熱体の製造方法は、工程Ｓ１から工程Ｓ５を含む。なお、以下に述べる工程のフローは一例であって、本発明の積層放熱体の製造方法はこれに限定されない。

工程Ｓ１では、金属材料と結着剤とを含む第１混合物、および炭素材料と結着剤とを含む第２混合物を調製する。具体的には、第１混合物の金属材料として高純度化学研究所社の平均粒子径５μｍの銅粉末を用い、結着剤としてＰＮＶＡ（Poly-N-Vinyl Acetamide）を用いる。第２混合物の炭素材料として伊藤黒鉛社の鱗片状黒鉛Ｚ－５Ｆを用い、結着剤としてＰＮＶＡを用いる。結着剤は４００℃程度の加熱にて揮散可能なものが好ましい。

上記銅粉末３．０ｇと、ＰＮＶＡの１．０質量％のターピネオール溶液１．５ｇとをガラス製ビーカーに計り入れる。次いで、メカニカルスターラーを用いて混錬し、ペースト状の第１混合物を調製する。

上記鱗片状黒鉛５．０ｇと、ＰＮＶＡの１．０質量％のターピネオール溶液２．３ｇとをガラス製ビーカーに計り入れる。次いで、メカニカルスターラーを用いて混錬し、ペースト状の第２混合物を調製する。なお、第１混合物および第２混合物の粘度やチクソ性を調節するために、微量のターピネオールやブチルジグリコールアセテートなどを追加して混錬してもよい。そして工程Ｓ２へ進む。

工程Ｓ２では、第１混合物を、シートなどの上に、Ｘ軸に沿う方向において離間させて塗布し、乾燥させて金属材料の領域を設ける。詳しくは、図８に示すように、スクリーン印刷法などを用いて、Ｘ軸沿う方向に離間させて第１混合物を塗布する。塗布した第１混合物を約２０℃にて自然乾燥させて金属材料の領域５０１ｍとする。これにより、長さ方向がＺ軸に沿うと共に、Ｘ軸に沿う方向に互いに離間する複数の金属材料の領域５０１ｍを得る。そして工程Ｓ３へ進む。

工程Ｓ３では、第２混合物を、Ｙ軸に沿う方向と直交する面であるＸＺ平面に沿ってせん断力を印加しながら、Ｘ軸に沿う方向において離間する金属材料の領域５０１ｍの間へ塗布し、乾燥させて炭素材料の領域を設ける。詳しくは、図９に示すように、スクリーン印刷法などを用いて、金属材料の領域５０１ｍの間に第２混合物を塗布する。塗布した第２混合物を約２０℃にて自然乾燥させて炭素材料の領域５０１ｃとする。

ここで、図１０に示すように、塗布前の第２混合物５１０では、含まれる複数の鱗片状黒鉛５２０は不規則な位置関係にある。これに対して、第２混合物５１０の塗布にスクリーン印刷法を用いて、スキージ５９０をＸＺ平面に沿って＋Ｚ方向へ移動させると、第２混合物５１０にＸＺ平面に沿うせん断力が印加される。そのため、炭素材料の領域５０１ｃでは、複数の鱗片状黒鉛５２０はへき開面がＸＺ平面に沿って配向する。炭素材料としてカーボンナノチューブを採用する場合も、上記と同様にしてカーボンナノチューブの繊維の長さ方向をＺ軸に沿って配向させることが可能となる。なお、図１０では、スクリーン版の図示を省略している。

これにより、Ｘ軸に沿う方向において、金属材料の領域５０１ｍと炭素材料の領域５０１ｃとが交互に配列された層５０１が設けられる。その後、水素ガスなどの還元ガス雰囲気下にて、層５０１に対して４００℃で１時間の加熱を施す。該加熱によって、結着剤のＰＮＶＡを揮散させると共に、金属材料の銅粉末に還元処理を施す。この後、層５０１に対してＹ軸に沿う方向に圧縮するプレス処理を行ってもよい。これによって層５０１が形成される。

次に、工程Ｓ２と同様にして層５０１の＋Ｙ方向に層５０２を設ける。詳しくは、図１１に示すように、層５０１の＋Ｙ方向へ、Ｘ軸に沿う方向において離間させると共に、各炭素材料の領域５０１ｃの＋Ｙ方向を覆って複数の金属材料の領域５０２ｍを設ける。

その後、図１２に示すように、工程Ｓ３と同様にして、Ｘ軸に沿う方向において離間する金属材料の領域５０２ｍの間へ炭素材料の領域５０２ｃを設ける。このように、工程Ｓ２および工程Ｓ３を反復して実施することにより、Ｙ軸に沿う方向に複数の層を積層させる。そして工程Ｓ４へ進む。

工程Ｓ４では、金属材料の領域５０１ｍ，５０２ｍおよび炭素材料の領域５０１ｃ，５０２ｃなどを含む複数の層に対して、Ｙ軸に沿う方向へ圧縮する。圧縮時のプレス圧は、例えば、５０ＭＰａから１００ＭＰａの範囲とする。これにより、互いに隣接する層同士において、隙間が低減されて密着される。なお、層５０１および層５０２などの複数の層を個別に形成した後、それらを工程Ｓ４で重ね合わせて圧縮して一体に成形してもよい。そして工程Ｓ５へ進む。

工程Ｓ５では、金属材料の領域５０１ｍ，５０２ｍおよび炭素材料の領域５０１ｃ，５０２ｃを含む複数の層に対して、焼成を施す。焼成の条件は、１０Ｐａ以下の真空にて、７５０℃から１１００℃の高温にて加熱する。具体的には、例えば、毎分４０℃の昇温速度にて約２０℃から７５０℃まで昇温し、７５０℃を１０分間保持してから、毎分１６℃の降温速度にて約２０℃まで冷却する。

ここで、工程Ｓ４の圧縮および工程Ｓ５の焼成を、放電プラズマ焼結法などを用いて同時に行ってもよい。放電プラズマ焼結法においても、上記の圧縮条件および焼成条件を採用する。放電プラズマ焼結法にて、上述したように個別に形成した層を重ね合わせる場合には、重ね合わせた後に、再度、上述した還元ガス雰囲気下の加熱を施してもよい。以上により、図１３に示すような、層５０１から層５０４を含む複数の層が積層された積層放熱体５００が製造される。

本実施形態によれば、層間における剥離の発生を抑制する積層放熱体５００の製造方法を提供することができる。また、Ｚ軸に沿う方向に熱伝導性が向上した積層放熱体５００を製造することができる。詳しくは、ＸＺ平面に沿うせん断力を印加しながら塗布することにより、炭素材料である鱗片状黒鉛５２０のへき開面をＸＺ平面に沿って配向させることができる。また、繊維状の炭素材料を用いると、同様にして、炭素材料をＺ軸に沿って配向させることができる。

なお、以上に述べた実施の形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も本発明に含まれる。

１００，２００，３００，５００，１２００…積層放熱体、１０１，２０１，３０１…第１の層、１０１ｃ，２０１ｃ，３０１ｃ…第１の層の炭素材料の領域、１０２，２０２，３０２…第２の層、１０２ｍ，２０２ｍ，３０２ｍ…第２の層の金属材料の領域、１０３，２０３，３０３…第３の層、１０３ｍ，２０３ｍ，３０３ｍ…第３の層の金属材料の領域、２０４…第４の層、２０４ｃ…第４の層の炭素材料の領域、２０５…第５の層、２０５ｍ…第５の層の金属材料の領域、３００ｓ…一対の外壁面、５０１ｃ…炭素材料の領域、５０１ｍ…金属材料の領域、５１０…第２混合物、５２０…炭素材料としての鱗片状黒鉛、１０００…電子機器としてのプロジェクター。

Claims (9)

1. 第１の方向において、炭素材料を金属材料で挟む第１の層と、
   前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記第１の層を挟んで積層された第２の層および第３の層と、
   前記第１の方向において、前記炭素材料を前記金属材料で挟む第４の層と、
   前記第２の方向において、前記第４の層を介して前記第３の層と積層された、少なくとも前記金属材料を含む第５の層と、
   を有し、
   前記第２の層および前記第３の層は、少なくとも前記金属材料を含み、
   前記第１の方向および前記第２の方向と直交する第３の方向から見たとき、前記第１の層の前記炭素材料の領域は、前記第２の層の前記金属材料の領域と、前記第３の層の前記金属材料の領域と、に挟まれており、
   前記第１の層および前記第４の層では、前記第１の方向において、前記炭素材料と前記金属材料とが交互に配列され、前記第３の方向から見たとき、前記第４の層の前記炭素材料の領域は、前記第３の層の前記金属材料の領域と、前記第５の層の前記金属材料の領域と、に挟まれており、
   前記第２の層、前記第３の層および前記第５の層は、前記炭素材料を含み、前記第１の方向に、前記炭素材料と前記金属材料とが交互に配列される
   ことを特徴とする積層放熱体。
2. 前記炭素材料の領域における密度は、５０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の積層放熱体。
3. 前記炭素材料は、前記炭素材料の領域における長さ方向に沿って配向することを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の積層放熱体。
4. 前記第１の方向に沿う前記炭素材料の領域の長さは等しいことを特徴とする、請求項２から請求項３のいずれか１項に記載の積層放熱体。
5. 前記第１の方向と直交する一対の外壁面は、前記金属材料の領域から成ることを特徴とする、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の積層放熱体。
6. 前記第２の方向と直交する一対の外壁面は、前記金属材料の領域から成ることを特徴とする、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の積層放熱体。
7. 前記第３の方向と直交する一対の外壁面は、前記金属材料の領域から成ることを特徴とする、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の積層放熱体。
8. 前記炭素材料の領域における前記第２の方向に沿う厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の積層放熱体。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の積層放熱体を含むことを特徴とする電子機器。

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