JPWO2006088065A1 - 放熱部材及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維と銅との複合材料により構成される放熱部材であって、該放熱部材中の前記銅の金属組織が再結晶組織であることを特徴とする放熱部材である。本発明により、炭素繊維と金属材料の複合材料により構成される高熱伝導率の放熱部材を提供することが可能となる。

Description

本発明は、半導体装置や画像表示装置、光デバイス等の電子機器から発生する熱を周囲に拡散させる役割を担う放熱部材及びその製造方法に関する。
ノート型パソコンに代表される半導体装置の高速化・高集積化、液晶テレビやプラズマディスプレイに代表される画像表示装置の高輝度化、更には発光ダイオ−ド（ＬＥＤ）に代表される光デバイスの大出力化に伴い、これらの電子機器の構成部品から発生する熱量が増大している。電子機器内における部品の発熱は、装置の誤動作や故障の原因となるので、従来、熱対策が重要な技術となっている。
これらの分野においては、金属材料の中でも熱伝導率の高い銅やアルミニウムを筐体や放熱板として用いることで、発生した熱を周囲に拡散させている。しかし、金属材料の中では熱伝導性の良好な銅であっても、その熱伝導率は４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、しかも密度が８．９（Ｍｇ／ｍ３）と大きく重いという欠点がある。
そのため、近年このような金属材料に変えて、軽量で熱伝導率の高い炭素繊維を使用し、金属材料と複合化させた複合材料を放熱部材として用いる提案もある。
例えば、特開２００３−４６０３８号（特許文献１）では、炭素繊維と金属材料の複合材料を製造するために炭素繊維にニッケル，銅等の金属メッキを施し、ついで金属材料の溶湯を含浸して溶湯鍛造する方法、あるいは金属メッキ後の炭素繊維をホットプレスにより焼結して固化成形する方法が開示されている。このホットプレスによる方法では、炭素繊維の表面に施された金属メッキは、ホットプレス時の緩衝材となり、各炭素繊維間を埋める接合剤としての役割を果たす。
このように炭素繊維にメッキを施す方法は、炭素繊維と金属材料を複合化させる技術として有効な手段であると考えられる。
特開２００３−４６０３８号公報
上述した特許文献１に開示される方法は、炭素繊維と金属材料の複合材料により構成される放熱部材を製造する手法として有効である。
ところで、炭素繊維の熱伝導率は５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、典型的には８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるが、炭素繊維より熱伝導率の低い金属材料との複合材料になれば、熱伝導率は低下するので、複合材料とした場合でも熱伝導率の低下を抑制できる放熱部材が求められている。
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、炭素繊維と金属材料の複合材料により構成される高熱伝導率の放熱部材とその製造方法を提供することである。
本発明者は、炭素繊維と複合化させる金属材料として、金属の中では熱伝導率が高く、かつ安価な銅に着目し、この炭素繊維と銅の複合材料により構成される放熱部材における銅の部分の組織形態と放熱部材の熱伝導率の間に密接な関係があることを見出し、本発明に到達した。
すなわち本発明は、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維と銅との複合材料により構成される放熱部材であって、該放熱部材中の前記銅の金属組織が再結晶組織である放熱部材である。
本発明は、好ましくは、再結晶組織の平均結晶粒径を０．１μｍ〜２０μｍとした放熱部材である。
また、本発明は、放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率ＶＣＦが３０％〜９０％である上記の放熱部材であり、望ましくは、ＶＣＦが３０％〜６０％である放熱部材である。また、本発明は、炭素繊維方向と垂直な断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在する上記の放熱部材であり、更に望ましくは、炭素繊維方向と垂直な断面が１ｍｍ角以上の大きさである上記の放熱部材である。
本発明は、更には、放熱部材の密度ρ（Ｍｇ／ｍ３）、炭素繊維の密度ρＣＦ（Ｍｇ／ｍ３）、炭素繊維の体積率ＶＣＦ（％）、銅の密度ρＣＵ（Ｍｇ／ｍ３）、銅のみかけ体積率ＶＣＵ（％）＝（１００−ＶＣＦ）の間に、ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝≧０．９の関係が成り立つ放熱部材である。
また、本発明は、上記の放熱部材の製造方法であって、直径ｄＣＦの炭素繊維の表面に（０．０５〜０．６０）×ｄＣＦの厚さの銅メッキを施した後、該銅メッキ後の炭素繊維を実質的に一方向に揃えた状態で、最高到達温度６００℃〜１０５０℃、最高圧力５Ｍｐａ〜１００ＭＰａ、最高到達温度±５℃における温度保持時間０．１ｋｓ〜１．８ｋｓの条件で放電プラズマ焼結するとともに銅の金属組織を再結晶化させる放熱部材の製造方法である。
本発明によれば、放熱部材の熱伝導率を著しく高めることができるので、各種半導体装置や画像表示装置、光デバイス等、熱対策の必要な装置にとって欠くことのできない技術を提供できる。
上述したように、本発明の重要な特徴は、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維と銅との複合材料により構成される放熱部材において、高い熱伝導率を得るために、放熱部材中における銅の部分の金属組織を再結晶組織としたことにある。これは、銅の再結晶組織が放熱部材における銅の部分の熱伝導率、ひいては放熱部材の熱伝導率を高めるために必要な組織であるからである。
上述したように、銅の熱伝導率は約４００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と言われているが、銅の結晶中に塑性加工によって生じる転位や空孔等の格子欠陥が存在する場合には、これらの格子欠陥が熱の伝導を妨げるため、熱伝導率は４００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））より低下する。それ故、銅が本来有する約４００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））の熱伝導率を発現させ、ひいては放熱部材の熱伝導率を高めるために、放熱部材における銅の部分は、格子欠陥の無い再結晶組織とする必要がある。
これにより、複合材料の母材（基地）となる銅の熱伝導率が大きく改善され、高い熱伝導率を有する放熱部材とすることができる。
なお、本発明の再結晶組織とは、再結晶が完全に終了した組織に観察される金属組織を指し、再結晶が完全に終了せず、未再結晶部が残存する組織に観察される金属組織を含まない。その理由は、未再結晶部には上述した格子欠陥が残存し、熱伝導率を低下させるからである。
また、本発明では、放熱部材を構成する銅の種類を特に規定しないが、高熱伝導率の放熱部材を得るためには、純度９９質量％以上の純銅であることが望ましい。その理由は、銅に１質量％を超える合金元素が含まれると、熱伝導率が顕著に低下するからである。より望ましくは、銅の純度は３Ｎ（９９．９質量％）以上であると良い。なお、ここに述べる銅の純度とは、放熱部材の断面を鏡面研磨した後、銅の部分を走査型電子顕微鏡に付設されたエネルギ−分散型Ｘ線分析装置、またはエレクトロンプロ−ブマイクロアナライザ−に付設された波長分散型Ｘ線分析装置により分析した際の銅の濃度（質量％）を指す。
望ましい範囲として、銅の部分の平均結晶粒径を規定した理由を述べる。
平均結晶粒径の下限を０．１μｍとしたのは、再結晶組織とした母材（銅の部分）に存在する結晶粒界の量を減らして熱を伝え易くするためである。結晶粒界は熱伝導の妨げとなるので、再結晶組織内に多量の結晶粒界が存在する場合には放熱部材の熱伝導率は低下する場合がある。再結晶組織の平均結晶粒径を０．１μｍ以上とすることにより、放熱部材における母材（銅の部分）を銅本来の約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率とすることがより確実にできるので、望ましい下限として規定した。
一方、放熱部材における炭素繊維の体積率を高めていくと、母材（銅の部分）の体積率は減少し、再結晶組織とした母材の結晶粒の成長は炭素繊維によって妨げられることになる。よって、再結晶組織の平均結晶粒径の上限は炭素繊維の体積率に大きく影響され、後述する炭素繊維の好ましい体積率を考慮すれば、再結晶粒径の好ましい上限は２０μｍとすれば良い。より望ましい範囲は、０．５μｍ〜１０μｍである。
次に本発明において放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率ＶＣＦを３０％〜９０％としたのは、３０％未満では熱伝導率を高める効果が小さく、逆に９０％を超える範囲では、炭素繊維間を埋める接合剤としての銅の量が、炭素繊維と比較して顕著に少ないために、炭素繊維と銅を均質に複合化した放熱部材を得ることが難しくなるからである。
また、炭素繊維を横切る方向（以下、垂直方向と記す。）にも高い熱伝導率が要求される場合や、高温環境や温度サイクルに対する放熱部材の信頼性が要求される場合、更には放熱部材の機械的強度が要求される場合には、ＶＣＦの範囲は３０％〜６０％であることが、より望ましい。
炭素繊維の比率が大きくなると、炭素繊維方向の熱伝導率を高くすることができる一方で、垂直方向の熱伝導率は低下する。更に、銅と炭素繊維の濡れ性は悪いので、隣り合う炭素繊維間に存在する銅の量が少ないと、放熱部材を使用中に高温環境で放置された際に、銅が塑性流動して炭素繊維の周囲に空隙が発生する場合があり、放熱特性を劣化することがある。また、隣り合う炭素繊維間に存在する銅の量が少ないことは、強度の弱い炭素繊維と銅の界面を多数存在させることになり、放熱部材としての強度を低下させることになる。それ故、放熱部材に温度サイクルがかかった場合の熱応力が大きいとクラック発生の可能性が生じてしまう。以上の理由から、炭素繊維のより望ましい範囲は３０％〜６０％とした。
なお、本発明で言う炭素繊維の体積率とは、放熱部材の炭素繊維方向に垂直な断面を鏡面研磨後に光学顕微鏡で観察した際、視野中に占める炭素繊維の面積率に実質的に等しいので、断面から評価することができる。
より具体的には、放熱部材の断面を光学顕微鏡で観察すると、銅の部分は白く見える一方で、炭素繊維の部分は黒く見える。この光学顕微鏡の観察画像を白黒に２値化し、画像中に占める黒い部分の面積比率を求めることにより、視野中に占める炭素繊維の面積率を測定することができる。但し、炭素繊維と銅の界面に僅かに存在する空隙も、光学顕微鏡画像では黒く見えるので、この測定方法で得られる炭素繊維の面積率の値は、真の面積率より大きい。しかしながら、本発明の放熱部材においては、空隙部分の面積は、炭素繊維や銅の部分の面積と比較してごく僅かであるので、空隙部分を無視して炭素繊維の面積率を測定しても差し支えない。
また、本発明では放熱部材を構成する炭素繊維の種類（ＰＡＮ系、ピッチ系）や形状、大きさ（直径、長さ）を特に規定しないが、高熱伝導率の放熱部材を得るためにはグラファイト構造を有した直径５μｍ〜２０μｍの範囲の炭素繊維が望ましい。更に、炭素繊維方向と垂直な断面において、均一な構造の断面を得る観点からは１種類の直径の炭素繊維を用いることが望ましいが、炭素繊維を密に充填して放熱部材中における炭素繊維の体積率を更に高めたい場合には、５μｍ〜２０μｍの範囲で２種類以上の直径の炭素繊維を併用しても良い。また、後述する放熱部材の製造方法において、炭素繊維に銅メッキを施した後、実質的に一方向に揃えるためには、炭素繊維は、少なくとも１００ｍｍ以上の長さを有した長繊維であることが望ましい。
次に、望ましい範囲として、放熱部材中の炭素繊維方向と垂直な断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在することとした理由は、放熱部材中の炭素繊維は、できるだけ均一に分布していることが望ましいからである。炭素繊維の分布に偏りがあると、炭素繊維が密な部分の放熱は迅速に進む一方で、炭素繊維が疎な部分の放熱は遅く、結果として熱伝導率を低下させる懸念があるからである。任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在していれば、炭素繊維の分布は、ほぼ均一と考えて良い。より望ましくは、任意の５０μｍ角の視野中に５本以上の炭素繊維が存在していると良い。
更に、望ましい範囲として、放熱部材中の炭素繊維方向と垂直な断面が１ｍｍ角以上の大きさであることと規定した理由は、この大きさが、電子機器内に用いられる放熱部材として望ましい大きさであるからである。例えば、大出力の発光ダイオ−ド（ＬＥＤ）のチップ（以下、ＬＥＤチップ）を樹脂で封止した発光パッケ−ジの中に本発明の放熱部材を用いる場合、放熱部材における炭素繊維方向と垂直な断面をＬＥＤチップの底面と接触させることによって、ＬＥＤチップで発生した熱を発光パッケ−ジの内部から外部に向けて輸送することになる。効率的な熱の輸送を行うためには、放熱部材の接触面の面積は、ＬＥＤチップの底面より大きいことが望ましい。大出力のＬＥＤチップにおける底面の大きさは１ｍｍ角程度であるので、望ましい範囲として、放熱部材中の炭素繊維方向と垂直な断面が１ｍｍ角以上であることとした。より望ましくは、１．５ｍｍ角以上であると良い。
また、望ましい範囲として放熱部材の密度ρ（Ｍｇ／ｍ３）、炭素繊維の密度ρＣＦ（Ｍｇ／ｍ３）、炭素繊維の体積率ＶＣＦ（％）、銅の密度ρＣＵ（Ｍｇ／ｍ３）、銅のみかけの体積率ＶＣＵ（％）＝（１００−ＶＣＦ）の間に、ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝≧０．９の関係が成り立つこととした理由も、高い熱伝導率の放熱部材を得るためである。
ここに示す｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝の値は、放熱部材の理論密度、すなわち理想的な密度に相当するので、ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝の値は相対密度に相当し、この値が１に近いほど、空隙の少ない複合材料となる。放熱部材中に空隙が存在すると、その空隙が熱の伝導を妨げるので、放熱部材の熱伝導率が低下する。その弊害は、ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝の値が０．９より小さい時に特に顕著であるので、ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝≧０．９に規定した。より望ましくはρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝≧０．９３であると良い。
本発明の製造方法では、炭素繊維と銅を複合化させる前処理手法として、炭素繊維に銅メッキを施す方法を適用する。そのもっとも重要な特徴は、炭素繊維と銅を均質に複合化することによって、即ちメッキ厚を調整することによって、接合される炭素繊維同士の間隔を均等に近いものとすることができるということにある。これにより、放熱部材の品質として重要な面内の放熱特性のばらつきを低減できる。また、この手法は、経済性、再現性の点からも工業的な大量生産に適している。
また、本発明では、先に述べた放熱部材を得るための望ましい製造方法として、銅メッキの厚さを規定し、また、銅メッキ後の炭素繊維を固化成形する条件を規定する。以下、本発明における製造方法の規定理由を述べる。
炭素繊維の直径ｄＣＦに対し、炭素繊維の表面に施す銅メッキの厚さを（０．０５〜０．６０）×ｄＣＦと規定したのは、高い熱伝導率と、緩衝材としての役割を両立させるのに必要であるためである。そして、この範囲内であれば、銅メッキ後の炭素繊維を固化成形して炭素繊維と銅の複合材料により構成される放熱部材を製造した際、該部材中に占める炭素繊維の部分の体積率を３０％〜９０％の範囲に調整することもできるためである。
銅メッキの厚さが０．０５×ｄＣＦより薄いと、緩衝材としての効果が不十分であり、逆に０．６０×ｄＣＦより厚い場合には、放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率が３０％未満となり、所望の高い熱伝導率が得難くなるのでこの範囲に規定した。より望ましくは、（０．１５〜０．６０）×ｄＣＦであると良く、この範囲にしておけば、放熱部材中のＶＣＦを、より望ましい範囲である３０％〜６０％の範囲に調整することができる。
次に、上記の銅メッキ後の炭素繊維を実質的に一方向に揃える。これは、放熱部材における炭素繊維方向の熱伝導率を高めるためである。
一方向への揃え方としては、例えば一定の長さに切り揃えて同じ方向に並べる方法を挙げることができ、この他、メッキ後の炭素繊維を折り曲げて一定の長さに揃える方法等により行うことにより、実質的に一方向に揃えることができる。
そして、実質的に一方向に揃えた状態で放電プラズマ焼結を適用し、銅メッキ後の炭素繊維を固化成形する。
この放電プラズマ焼結法はホットプレスとよく似ているが、焼結の初期段階に発生する放電プラズマと放電衝撃圧力によって拡散が促進されるので、ホットプレスと比較して短時間で焼結を完了させることができる。ここで重要なのは、放熱部材において高い熱伝導率を得るためには、高密度を得るだけでは十分でなく、銅の部分が再結晶組織となるように放電プラズマ焼結の条件を調整することである。
本発明において放電プラズマ焼結時の最高到達温度を規定したのは、放熱部材中の銅の部分を再結晶組織にするとともに、ρ／（ρＣＦ×ＶＣＦ＋ρＣＵ×ＶＣＵ）の値を高めるためである。最高到達温度が６００℃未満では銅の部分の再結晶と焼結が進まず、本発明で規定する組織や密度を有した放熱部材を得難い。逆に、最高到達温度が１０５０℃を超える範囲では、銅の融点（１０８０℃）直下であるため、僅かな温度変動によっても銅が溶融する懸念がある。以上より、最高到達温度を６００℃〜１０５０℃の範囲に規定した。放電プラズマ焼結時のより望ましい最高到達温度は７００℃〜１０００℃である。
放電プラズマ焼結時の最高圧力を５ＭＰａ〜１００ＭＰａとしたのは、最高圧力が５ＭＰａ未満では銅の部分の再結晶を起こさせるのに十分な塑性変形を施すことができず、また、ρ／（ρＣＦ×ＶＣＦ＋ρＣＵ×ＶＣＵ）の値を高めるにも不十分なためである。逆に１００ＭＰａを超える範囲では、特に大型の部材を作製する場合に大きな圧縮荷重が必要となり工業的でないため、上述の範囲に規定した。より望ましい圧力の範囲は、１０ＭＰａ〜８０ＭＰａである。
また、本発明の製造方法では特に規定しないが、焼結の初期過程で放電プラズマを発生し易くするためには、加熱前に予め初期圧力をかけておくことが望ましい。この初期圧力の大きさは、２ＭＰａ〜１５ＭＰａの範囲であることが望ましい。そして、初期圧力から最高圧力まで圧力を高める時の温度は、５００℃〜８００℃の範囲であることが望ましい。
放電プラズマ焼結時の最高到達温度±５℃における温度保持時間を０．１ｋｓ〜１．８ｋｓとしたのは、放熱部材における銅の部分の再結晶と結晶粒成長を促進させるのに必要な時間であるからである。例えば、０．１ｋｓより短い０．０６ｋｓ程度の保持時間であっても、高密度を得ることはできる。しかしながら、このような短時間の保持では、銅の部分の再結晶と結晶粒成長が不十分であるので、結果として高い熱伝導率を得られ難い。それ故、保持時間の下限を０．１ｋｓに規定した。逆に、１．８ｋｓを超える範囲では時間がかかり過ぎて工業的でないので、保持時間の上限を１．８ｋｓに規定した。より望ましい保持時間の範囲は、０．２ｋｓ〜１．２ｋｓである。
なお、本発明の製造方法では特に規定しないが、放電プラズマ焼結過程において焼結の妨げとなる銅の酸化を防ぐため、放電プラズマ焼結の真空度は、１００Ｐａより高真空であることが望ましい。より望ましくは、５０Ｐａより高真空であると良い。
以下の実施例で、本発明を更に詳しく説明する。
本実施例では、高熱伝導性の炭素繊維として、ピッチ系の炭素繊維を用いた。なお、本実施例では1種類の直径の炭素繊維を用いた。炭素繊維の直径ｄＣＦは、図１の走査型電子顕微鏡写真から分かるように１０μｍである。この炭素繊維は、長さが約２７０ｍの長繊維が約２０００本束ねられ、かつボビン状に巻かれた状態で市販されている。
この炭素繊維の熱伝導率は公称８００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、密度ρＣＦは２．２（Mｇ／ｍ３）である。また、炭素繊維の構造をＸ線回折により確認したところグラファイト構造となっていた。
この炭素繊維を５００ｍｍずつに切断した後、０．８μｍ（＝０．０８×ｄＣＦ）〜５．０μｍ（＝０．５０×ｄＣＦ）の範囲で、狙い厚さを変動させた６種類の厚さの無電解銅メッキを施した。これらのメッキ厚は、いずれも本発明の製造方法の規定範囲内である。
一例として、５μｍ厚の銅メッキを施した後の表面の走査電子顕微鏡写真を図２に示す。メッキ後の表面形態は、メッキ前（図１）と明らかに異なっており、銅の微粒子が炭素繊維の表面に堆積した形態となっている。また、銅メッキ後の炭素繊維を樹脂に埋め込み、光学顕微鏡を用いて観察した断面の写真を図３に示す。炭素繊維(1)の表面に、ほぼ均質な厚さの銅メッキ(2)が施されていることが分かる。
狙い厚さを変動させた６種類の厚さの銅メッキ後の炭素繊維を２０ｍｍ、または４０ｍｍずつに切断した後、実質的に一方向に揃えた状態で黒鉛型に詰め込み、放電プラズマ焼結機のチャンバー内で約１０Ｐａまで真空引きを行った。
そして、初期圧力として１２．５ＭＰａの圧縮方向の圧力をかけた後、昇温と昇圧を行い、表１に示す７種類の方法により、５ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ、または５ｍｍ×４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさの放熱部材Ａ〜Ｇを製造した。この内、Ａ〜Ｆは、本発明の製造方法により作製した放熱部材である。ここで、保持時間とは最高到達温度±５℃の範囲の保持時間である。
放熱部材Ａは、銅メッキの狙い厚さを０．８μｍとし、放電プラズマ焼結時の最高到達温度９００℃、最高圧力５０ＭＰａ、保持０．９０ｋｓの条件により製造したものである。また、放熱部材Ｂ〜Ｆは、それぞれ銅メッキの狙い厚さを１．０μｍ（Ｂ）、２．５μｍ（Ｃ）、３．０μｍ（Ｄ）、４．０μｍ（Ｅ）、５．０μｍ（Ｆ）とし、Ａと同じ条件で放電プラズマ焼結を行ったものである。
一方、放熱部材Ｇは比較例の方法により製造したものである。５．０μｍ厚の銅メッキを施した後の放電プラズマ焼結時において、最高到達温度９００℃と最高圧力５０ＭＰａはＡ〜Ｆと同様であるが、放熱部材Ｇは、９００℃での保持時間が０．０６ｋｓと短く、本発明の製造方法の規定範囲外である。
各放熱部材から５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの試料を切り出し、炭素繊維に垂直な方向の断面を観察できるように樹脂に埋め込んだ後、鏡面研磨し、無腐食のままで光学顕微鏡により観察した。本発明の放熱部材の一例として、放熱部材Ｆの断面の光学顕微鏡写真を図４に示す。この図４の画像を白黒に２値化し、画像中に占める黒い部分の面積率を測定することにより、視野中に占める炭素繊維(1)の部分の面積率を測定した。面積率は、３４．０％であった。この面積率は、放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率ＶＣＦに等しく、他の放熱部材Ａ〜ＥおよびＧも同じ方法によりＶＣＦを測定した。また、各放熱部材における銅の部分を、エレクトロンプロ−ブマイクロアナライザ−に付設された波長分散型分析装置により分析したところ、銅以外の不純物は全く検出されず、いずれも銅の純度が１００％であることを確認した。
図４の写真を撮影した放熱部材Ｆの銅（３）の部分を、硝酸１：硫酸１：水１８４の比率で混合した溶液で腐食して組織を確認したところ、図５に示したように銅（３）部分は、再結晶組織で構成されており、本発明で規定する放熱部材となっていることが確認された。この図５を画像解析することにより、銅の部分の平均結晶粒径を測定したところ、９．１μｍであった。
なお、放熱部材Ａ〜Ｅにおいても同様に、銅の部分は再結晶組織で構成されおり、本発明の放熱部材となっていた。一方、比較例の放熱部材Ｇにおける銅の部分の組織は、図６に示したように、再結晶が未完了であるため、再結晶組織が明瞭に観察されない。
本発明の放熱部材Ａ〜Ｆと比較例の放熱部材Ｆにおける再結晶組織の有無、再結晶組織の平均結晶粒径（μｍ）、炭素繊維の体積率ＶＣＦ（％）、任意の５０μｍ角の視野中に存在する炭素繊維の本数を表２に示す。再結晶組織の平均結晶粒径は、１．１μｍ〜９．１μｍ、ＶＣＦは７７．０％〜３４．０％といずれも本発明の望ましい範囲内である。また、ＶＣＦ値が高くなるのに伴って、再結晶組織の平均結晶粒径は小さくなることが分かる。
また、炭素繊維方向と垂直な断面を５ｍｍ角の大きさとした放熱部材において、任意の５０μｍ角の視野中に存在する炭素繊維の本数は、ＶＣＦ値とともに増加し、ＶＣＦ値が３４．０%の放熱部材Fでは６本、ＶＣＦ値が７７．０%の放熱部材Ａでは１３本存在していた。このように、本発明の放熱部材では、望ましい範囲とした１ｍｍ角以上の大きさの断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上、かつ望ましい範囲である５本以上の炭素繊維が存在していることから、放熱部材中の炭素繊維の分布は、ほぼ均一と考えて良い。
また、各放熱部材の残部の重量と寸法測定から、密度ρ（Ｍｇ／ｍ３）を決定した。各放熱部材の密度ρ（Ｍｇ／ｍ３）と相対密度ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝の値を表２に併せて示した。なお、ρＣＦ＝２．２、ρＣＵ＝８．９として計算した。各放熱部材の密度は、ＶＣＦ値の増加に伴って小さくなり、ＶＣＦ値が３４．０％の放熱部材Ｆでは６．６３（Ｍｇ／ｍ３）、ＶＣＦ値が７７．０％の放熱部材Ａでは３．５０（Ｍｇ／ｍ３）であった。また、各放熱部材の相対密度は、いずれも望ましい範囲とした０．９０以上の値であった。
更に、各放熱部材より５ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ程度の試料を各２個ずつ切り出し、その２個を接着剤で貼り合わせて１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍとした。ここで、炭素繊維方向の長さが５ｍｍとなるようにした。レーザーフラッシュ法により、各放熱部材の炭素繊維方向の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を測定した結果を表２に併せて示した。
表２より、銅の部分を再結晶組織とし、更に再結晶組織の平均結晶粒径、ＶＣＦ値、任意の５０μm角の視野中に存在する炭素繊維の本数、相対密度ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝の値を本発明の望ましい範囲に調整した放熱部材Ａ〜Ｆの炭素繊維方向の熱伝導率は、５７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜７２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高い値を示している。
一方、比較例の放熱部材Ｇでは、ＶＣＦ値、任意の５０μm角の視野中に存在する炭素繊維の本数、相対密度の値は、いずれも本発明の放熱部材Ｆとほぼ同じであるが、銅の部分の再結晶が完了していないので、熱伝導率は５０８Ｗ／（ｍ・Ｋ）と放熱部材Ｆより低い。
以上の実施例１から、炭素繊維と銅の複合材料により構成される放熱部材において、高熱伝導率を得るためには、炭素繊維の体積率や放熱部材の密度を調整するだけでは不十分であり、銅の部分を本発明で規定する再結晶組織とすることにより、更に高い熱伝導率を有する放熱部材が得られることが分かる。
このような放熱部材を得るためには、本発明で規定する方法により放熱部材を製造することが有効である。本発明の放熱部材は、銅の４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える高い熱伝導率を有するので、半導体装置や画像表示装置、光デバイス等の電子機器の熱対策に用いられる放熱部材として好適である。
実施例１で得た本発明の放熱部材について、レーザーフラッシュ法により、各放熱部材の垂直方向の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を測定した。実施例１で得られた炭素繊維方向の熱伝導率を含め、熱伝導率と炭素繊維の体積率ＶＣＦの関係を、図７に示す。図７には、比較のために純銅の熱伝導率をＶＣＦ＝０として記載している。図７に示す通り、ＶＣＦの増加に伴い炭素繊維方向の熱伝導率は増加するが、炭素繊維を横切る垂直方向の熱伝導率の低下が著しい。ＶＣＦの範囲を、本発明でより望ましいとした３０％〜６０％の範囲に調整しておけば、垂直方向においても８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率が得られることが分かる。
また、放熱部材Ａ，Ｃ，Ｄの信頼性評価として、真空中で高温放置後の炭素繊維方向の熱伝導率を測定した結果を図８に示す。図８に示したように、放置温度が高くなると、いずれの放熱部材においても熱伝導率が低下しているが、ＶＣＦが７７．０％と炭素繊維の体積率が大きい放熱部材Ａでは、８００℃で２４ｈ放置すると、熱伝導率の低下が特に大きいことが確認された。この高温放置後の放熱部材Ａについて、組織観察を行った結果を図１０に示す。試験前には観察されなかった空隙が組織中に確認され、高温での銅の塑性流動が起こったことが推測される。これは、炭素繊維と銅の濡れ性が悪いためであり、炭素繊維間に存在する銅の量が少ないために起きた現象と考えられる。一方、ＶＣＦが４６．１%の放熱部材Ｄを８００℃で２４ｈ放置後の組織を同様に観察すると、図9に示したように顕著な組織変化は確認されなかった。このように、高温放置に対する信頼性の点からも、ＶＣＦの範囲は、３０％〜６０％の範囲に調整しておくことが、より望ましい。
また、放熱部材ＡとＤから、５ｍｍ×５ｍｍ×４０ｍｍの試験片を切り出し、スパン３０ｍｍ、変位速度０．５ｍｍ／分の条件で３点曲げ試験を行って荷重−変位曲線を測定した結果を図１１に示す。図中に繊維方向と記してあるのは、試験片の４０ｍｍの方向が炭素繊維方向となるように切り出した試験片であり、一方、垂直方向と記してあるのは、４０ｍｍの方向が炭素繊維に対して垂直方向となるように切り出した試験片である。いずれの放熱部材においても、垂直方向の強度は、繊維方向と比較して低いが、ＶＣＦが７７．０％と炭素繊維の体積率が大きい放熱部材Ａでは、抗折荷重の低下が特に大きいことが分かる。これは、放熱部材Ａにおいては、強度の弱い炭素繊維と銅の界面が多数存在するためと思われる。図１１に示す各荷重−変位曲線の最大荷重の値と試験片の寸法から、次式（１）を用いて各放熱部材の抗折力σ（ＭＰａ）を決定した結果を表３に示す。
σ＝（３×Ｗ×Ｌ）／（２×ｂ×ｔ２） ・・・（１）
（１）式において、Ｗは最大荷重（Ｎ）、Ｌはスパン（＝３０ｍｍ）、ｂは試験片の幅（＝５ｍｍ）、ｔは試験片の厚さ（＝５ｍｍ）である。
これらの放熱部材ＡとＤに対して、（室温×１０分）→（−４０℃×１０分）→（室温×１０分）→（１２５℃×１０分）を１サイクルとして２００サイクルまで温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験後の放熱部材ＡとＤの組織を、それぞれ図１２と図１３に示す。ＶＣＦが７７．０％と大きい放熱部材Ａでは、試験後にクラックが発生しているのに対し（図１２）、ＶＣＦが４６．１%の放熱部材Ｄには、クラックは観察されない（図１３）。このように、機械的強度や温度サイクル試験に対する信頼性の点からも、ＶＣＦの範囲は、３０％〜６０％の範囲に調整しておくことが、より望ましい。
以上の実施例２から、炭素繊維を横切る垂直方向にも高い熱伝導率が要求される場合や、高温環境や温度サイクルに対する放熱部材の信頼性が要求される場合、更に放熱部材の機械的強度が要求される場合には、ＶＣＦの範囲は３０％〜６０％としておくことが、より望ましいことが分かる。
本発明で用いた炭素繊維の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の製造方法における銅メッキ後の炭素繊維の表面を示す走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の製造方法における銅メッキ後の炭素繊維の断面を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の放熱部材における炭素繊維に垂直な方向の断面を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の放熱部材における銅の部分の組織を示す光学顕微鏡写真である。 比較例の放熱部材における銅の部分の組織を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の放熱部材の熱伝導率に及ぼす炭素繊維の体積率の影響を示す図である。 本発明の放熱部材の熱伝導率に及ぼす放置温度の影響を示す図である。 本発明の放熱部材における高温放置試験後の組織を示す走査型電子顕微鏡写真の例である。 本発明の放熱部材における高温放置試験後の組織を示す走査型電子顕微鏡写真の別の例である。 本発明の放熱部材における抗折試験時の荷重−変位曲線である。 本発明の放熱部材における温度サイクル試験後の組織を示す光学顕微鏡写真の例である。 本発明の放熱部材における温度サイクル試験後の組織を示す走査型電子顕微鏡写真の例である。
符号の説明
１．炭素繊維 ２．銅メッキ ３．銅

Claims (8)

  1. 実質的に一方向に揃えられた炭素繊維と銅との複合材料により構成される放熱部材であって、該放熱部材中の前記銅の金属組織が再結晶組織であることを特徴とする放熱部材。
  2. 再結晶組織の平均結晶粒径が０．１μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の放熱部材。
  3. 放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率ＶＣＦが３０％〜９０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱部材。
  4. 放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率ＶＣＦが３０％〜６０％であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の放熱部材。
  5. 炭素繊維方向と垂直な断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の放熱部材。
  6. 炭素繊維方向と垂直な断面が１ｍｍ角以上の大きさであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の放熱部材。
  7. 放熱部材の密度ρ（Ｍｇ／ｍ３）、炭素繊維の密度ρＣＦ（Ｍｇ／ｍ３）、炭素繊維の体積率ＶＣＦ（％）、銅の密度ρＣＵ（Ｍｇ／ｍ３）、銅のみかけ体積率ＶＣＵ（％）＝（１００−ＶＣＦ）の間に、ρ／｛ρＣＦ×（ＶＣＦ／１００）＋ρＣＵ×（ＶＣＵ／１００）｝≧０．９の関係が成り立つことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の放熱部材。
  8. 請求項１乃至７の何れかに記載の放熱部材の製造方法であって、直径ｄＣＦの炭素繊維の表面に（０．０５〜０．６０）×ｄＣＦの厚さの銅メッキを施した後、該銅メッキ後の炭素繊維を実質的に一方向に揃えた状態で、最高到達温度６００℃〜１０５０℃、最高圧力５Ｍｐａ〜１００ＭＰａ、最高到達温度±５℃における温度保持時間０．１ｋｓ〜１．８ｋｓの条件で放電プラズマ焼結するとともに銅の金属組織を再結晶化させることを特徴とする放熱部材の製造方法。
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