JP2009267305A - Heat-radiating structure, heat spreader, and method of manufacturing the heat-radiating structure - Google Patents
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Abstract
Description
相手材と接触させて使用する際、熱抵抗の小さい炭素系複合材料を基板とする放熱構造、及び放熱構造の製造方法に関する。 The present invention relates to a heat dissipation structure using a carbon-based composite material having a low thermal resistance as a substrate when used in contact with a mating material, and a method for manufacturing the heat dissipation structure.
パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化、高密度実装化に伴い、ＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット、メモリーチップ等の発熱源の単位面積あたりの発熱量が飛躍的に増大しており、放熱装置の高性能化が求められている。これは、半導体素子は構成する材料固有の作動上限温度が定まっており、その温度以上では素子が破壊してしまうため、放熱が不十分な状態では著しく寿命低下をきたすためである。通常自然対流や電動送風装置を用いた強制対流をもちいて放熱をはかるが、原理的に単位面積あたりの放熱量には冷却方式固有の上限があるため、大量の熱を放熱するためには、放熱する面積を拡大するヒートシンク、ヒートスプレッダと称する放熱装置が一般には用いられている。 As personal computers and mobile electronic devices become more sophisticated and densely mounted, the amount of heat generated per unit area of heat sources such as CPUs, GPUs, chipsets, and memory chips has increased dramatically. High performance is required. This is because the semiconductor element has an operating upper limit temperature specific to the material constituting the semiconductor element, and the element is destroyed at a temperature higher than that temperature, so that the life is significantly reduced in a state where heat radiation is insufficient. Usually, natural convection or forced convection using an electric blower is used to radiate heat, but in principle there is an upper limit specific to the cooling method for the amount of heat radiated per unit area, so to dissipate a large amount of heat, In general, a heat dissipating device called a heat sink or a heat spreader that expands a heat dissipating area is used.
具体的には半導体素子（以降ダイと称す）の放熱面（一般に半導体素子はＳi単結晶からなる基板の一面に薄膜からなる機能部分を作り込み、その反対面から放熱する）に比べ数〜数十倍の表面積を有し、熱伝導率の高い金属製（銅もしくはアルミニウムが一般的）のヒートシンク材に接触させ発熱した熱をダイからヒートシンクに移動させる。
この時、半導体素子と金属製ヒートシンクには熱膨張係数に大きな差があるため、そのまま積層すると、温度サイクル下で両者の界面に熱応力が発生し、半導体素子に歪みが発生してデバイスが安定動作しなかったり、又は、最悪の場合は、界面でのクラックの発生や剥離、半導体素子の破壊に至る場合もある。
Specifically, it is several to several heat dissipation surfaces of a semiconductor element (hereinafter referred to as a die) (generally, a semiconductor element forms a functional part made of a thin film on one surface of a Si single crystal substrate and dissipates heat from the opposite surface). Heat generated by contact with a heat sink material made of metal (copper or aluminum is generally used) having a surface area ten times higher and high thermal conductivity is transferred from the die to the heat sink.
At this time, there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor element and the metal heat sink, so if they are stacked as they are, thermal stress is generated at the interface between the two under a temperature cycle, and the semiconductor element is distorted to stabilize the device. It may not work, or in the worst case, it may lead to cracking or peeling at the interface or destruction of the semiconductor element.
このような問題に対し、半導体素子とヒートシンク間に、ヒートスプレッダと呼ばれる金属とセラミックスの中間的な熱膨張係数を持つ放熱材料を挿入して熱応力の緩和を図る手段がよく用いられる。ヒートスプレッダ材としては、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素等の複合材料が用いられる。 In order to solve such a problem, a means for reducing thermal stress is often used by inserting a heat dissipating material called a heat spreader having an intermediate thermal expansion coefficient between a semiconductor element and a heat sink. As the heat spreader material, a composite material such as Al-SiC or Al-carbon is used.
ヒートスプレッダを相手材に接触させて使用する場合、表面をできるだけ平滑にしておかねばならない。なぜなら、表面に凹凸が存在すると界面に空気が残存して熱抵抗が大きくなってしまうからである。熱抵抗を低減させるために熱伝導性グリースを介在させると、接触熱抵抗は低減するが、グリースの低熱伝導率が小さいためにグリース自体が大きな熱抵抗を発生してしまい、全体として熱抵抗が小さくならないという課題がある。 When using the heat spreader in contact with the mating material, the surface must be as smooth as possible. This is because if there are irregularities on the surface, air remains at the interface and the thermal resistance increases. If a thermal conductive grease is interposed to reduce the thermal resistance, the contact thermal resistance is reduced, but the grease itself generates a large thermal resistance due to the low thermal conductivity of the grease. There is a problem of not getting smaller.
これらの複合材料は、異種成分から構成されるため、高い平坦度を確保するのは極めて困難であり、接触熱抵抗が大きいという課題があった。 Since these composite materials are composed of different components, it is extremely difficult to ensure high flatness and there is a problem that the contact thermal resistance is large.
本発明では、表面粗度が低い上記複合材料を基板として用いた場合にも、熱抵抗が小さい放熱構造を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a heat dissipation structure having a low thermal resistance even when the composite material having a low surface roughness is used as a substrate.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、基板表面に炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを主成分とする層を形成することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明は、以下の特徴を有する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that it is effective to form a layer mainly composed of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers on the substrate surface, and completed the present invention. It was.
That is, the present invention has the following features.
（１）本発明に係る放熱構造は、少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板と、該基板表面にウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーが炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーであることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造であって、前記基板がＡl-ＳiＣ、Ａl-炭素、又はＡl-ダイヤモンド系複合材料であることを特徴とする。
(1) The heat dissipation structure according to the present invention is characterized in that a substrate made of a composite material containing at least carbon and aluminum, and a layer mainly composed of whiskers are formed on the surface of the substrate.
(2) The heat dissipation structure according to (1), wherein the whisker is an aluminum carbide whisker or an alumina whisker.
(3) The heat dissipation structure according to the above (1) or (2), wherein the substrate is an Al—SiC, Al—carbon, or Al—diamond composite material.
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーが、前記基板表面から直接、外側に伸びるように成長していることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーを主成分とする層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする。
（６）上記（５）に記載の放熱構造であって、前記ウィスカーを主成分とする層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。
（７）本発明に係るヒートスプレッダは、上記(１)〜（６）のいずれか一に記載の放熱構造からなることを特徴とする。
(4) The heat dissipation structure according to any one of (1) to (3) above, wherein the whiskers are grown so as to extend directly from the substrate surface to the outside.
(5) The heat dissipation structure according to any one of (1) to (4) above, wherein the thickness of the layer mainly composed of the whiskers is 1 μm or more.
(6) The heat dissipation structure according to (5), wherein the thickness of the layer mainly composed of the whiskers is 10 μm or more.
(7) A heat spreader according to the present invention includes the heat dissipation structure described in any one of (1) to (6) above.
（８）本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも炭素を含む複合材料からなる基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、又は少なくともアルミニウムを含む複合材料からなる基板を、炭化水素を含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、を有することを特徴とする。
（９）本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料からなる基板を、アルミニウムを含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、及び、該基板を、炭化水素を含むガス中で加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを主成分とする層を形成する工程、を有することを特徴とする。
（１０）上記（８）又は（９）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記炭化アルミニウムウィスカーを主成分とする層を形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミウィスカーをアルミナウィスカーに転化する工程を有することを特徴とする。
(8) The method for manufacturing a heat dissipation structure according to the present invention includes a step of heating a substrate made of a composite material containing at least carbon in a gas containing aluminum to form a layer mainly composed of aluminum carbide whiskers on the substrate surface. Or a step of heating a substrate made of a composite material containing at least aluminum in a gas containing hydrocarbon to form a layer containing aluminum carbide whiskers as a main component on the substrate surface.
(9) In the method for manufacturing a heat dissipation structure according to the present invention, a substrate made of a composite material containing at least carbon and aluminum is heated in a gas containing aluminum to form a layer mainly composed of aluminum carbide whiskers on the substrate surface. And a step of heating the substrate in a gas containing hydrocarbon to form a layer mainly composed of aluminum carbide whiskers on the substrate surface.
(10) The method for manufacturing a heat dissipation structure as described in (8) or (9) above, wherein the aluminum carbide whisker is heated by heating a substrate on which a layer mainly composed of the aluminum carbide whisker is formed in an oxidizing atmosphere. It has the process of converting this into an alumina whisker.
本発明に係る放熱構造は、熱伝導率の高い炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを主成分とする層が表面に形成されているため熱抵抗が低く、高い放熱性能を発揮する。また、基板表面に微細な凹凸を有していても、優れた放熱性能を発揮することができる。放熱材料として有望である。 The heat dissipation structure according to the present invention has a low thermal resistance and a high heat dissipation performance because a layer mainly composed of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers having high thermal conductivity is formed on the surface. Further, even if the substrate surface has fine irregularities, excellent heat dissipation performance can be exhibited. It is promising as a heat dissipation material.
以下、本発明に係る放熱構造及びその製造方法を、より詳細に説明する。なお、以下の説明において、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを両者の区別なく、単にウィスカーと記す場合もある。同様に、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーを主成分とする層も、両者を区別せずに、単に、ウィスカー層と記載する場合もある。 Hereinafter, the heat dissipation structure and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in more detail. In the following description, an aluminum carbide whisker or an alumina whisker may be simply referred to as a whisker without distinction between the two. Similarly, a layer mainly composed of aluminum carbide whiskers or alumina whiskers may be simply referred to as a whisker layer without distinguishing between the two.
本発明に係る放熱構造は、少なくとも複合材料基板の表面に、直接ウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする。該ウィスカー層により、本発明に係る放熱構造は、相手材との接触熱抵抗を小さくすることができる。すなわち、放熱構造の基板表面に微細な凹凸が存在していて該ウィスカー層にもその凹凸が反映されていたとしても、該ウィスカー層を構成する無数のウィスカーが、相手材表面に追従してしなり、効率的に相手材に接触することができる。また、同様に相手材表面に微細な凹凸が存在していても、ウィスカー層により相手材表面との隙間をなくすことができる。 The heat dissipation structure according to the present invention is characterized in that a layer mainly composed of whiskers is formed directly on the surface of at least the composite material substrate. With the whisker layer, the heat dissipation structure according to the present invention can reduce the contact thermal resistance with the counterpart material. That is, even if fine irregularities exist on the substrate surface of the heat dissipation structure and the irregularities are reflected in the whisker layer, the countless whiskers constituting the whisker layer follow the counterpart material surface. Thus, the mating material can be contacted efficiently. Similarly, even if fine irregularities exist on the surface of the counterpart material, the whisker layer can eliminate a gap with the surface of the counterpart material.
上記複合材料基板としては、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素、又はＡl-ダイヤモンド系複合材料であることが好ましい。後述するように、基板表面にＡl相又は炭素相が存在することにより、基板表面に容易に炭化アルミニウムウィスカーを形成することが可能となる。 The composite material substrate is preferably an Al-SiC, Al-carbon, or Al-diamond composite material. As will be described later, the presence of an Al phase or a carbon phase on the substrate surface makes it possible to easily form aluminum carbide whiskers on the substrate surface.
本発明に係る放熱構造は、基板の少なくとも一面の一部又は全面にウィスカー層が形成されていることが好ましい。発熱体からの熱を放熱体（冷却体）に逃がすためには、基板表面の両面にウィスカー層を形成して、発熱体と冷却体の間に挟むようにして用いることが好ましい。この場合、発熱体からの熱は、ウィスカー層中の各ウィスカーの長さ方向に伝わり、基板へと到達する。該基板では、熱は、面内方向及び垂直方向へと伝わり、対抗面のウィスカー層を介して、最終的に冷却体へと伝わる。したがって、ウィスカー層を構成するウィスカーの熱伝導率も大きなものであることが好ましい。このため、本発明に係る放熱構造では、上記ウィスカーは、炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーであることが好ましい。 In the heat dissipation structure according to the present invention, it is preferable that a whisker layer is formed on a part or the whole of at least one surface of the substrate. In order to release the heat from the heating element to the heat radiating body (cooling body), it is preferable to use whisker layers on both surfaces of the substrate surface so as to be sandwiched between the heating element and the cooling body. In this case, heat from the heating element is transmitted in the length direction of each whisker in the whisker layer and reaches the substrate. In the substrate, heat is transferred in the in-plane direction and the vertical direction, and finally is transferred to the cooling body through the whisker layer on the opposing surface. Therefore, it is preferable that the whisker constituting the whisker layer has a large thermal conductivity. For this reason, in the heat dissipation structure according to the present invention, the whisker is preferably an aluminum carbide whisker or an alumina whisker.
また、放熱性能の観点から、該ウィスカーと基板との熱抵抗も小さい方が好ましい。この点においても、本発明に係る放熱構造は、基板表面からウィスカーが直接、外側に伸びるように成長しているため、基板とウィスカーとの熱抵抗は極めてゼロに近い。また、基板表面に形成されるウィスカーの数は多いほど好ましい。このため、本発明に係る放熱構造では、基板表面に無数のウィスカーが立設されていて、該ウィスカーを主成分とする層が形成されていることが好ましい。 Further, from the viewpoint of heat dissipation performance, it is preferable that the thermal resistance between the whisker and the substrate is small. Also in this respect, since the heat dissipation structure according to the present invention grows so that the whiskers extend directly from the substrate surface to the outside, the thermal resistance between the substrate and the whiskers is very close to zero. Further, the larger the number of whiskers formed on the substrate surface, the better. For this reason, in the heat dissipation structure according to the present invention, it is preferable that innumerable whiskers are erected on the substrate surface, and a layer mainly composed of the whiskers is formed.
ウィスカー層の厚さは、１μｍ以上であれば、相手材表面の凹凸に追従することができる。更に、１０μｍ以上であれば、どのような相手材にも対応できるようになる。また、該ウィスカー層に熱伝導性樹脂を含浸させることにより、更に相手材との接触効率を高めることができ、好ましい。熱伝導性樹脂は、例えば、熱伝導性グリース等が好ましい。 If the thickness of the whisker layer is 1 μm or more, it can follow the unevenness of the surface of the counterpart material. Furthermore, if it is 10 micrometers or more, it will become possible to respond to any mating material. Further, it is preferable that the whisker layer is impregnated with a heat conductive resin to further improve the contact efficiency with the counterpart material. The thermally conductive resin is preferably, for example, thermally conductive grease.
本発明に係る放熱構造を用いることにより、放熱性能に優れたヒートスプレッダを提供することが可能となる。すなわち、上記のように発熱体と冷却体の間に挟むように使用することにより、発熱体からの熱を効率よく冷却体に伝えることができる。更に、発熱体と冷却体の熱膨張率が異なる場合にも、ウィスカー層により熱伝導率の差を吸収することができる。 By using the heat dissipation structure according to the present invention, it is possible to provide a heat spreader with excellent heat dissipation performance. That is, by using it so that it may be pinched | interposed between a heat generating body and a cooling body as mentioned above, the heat from a heat generating body can be efficiently transmitted to a cooling body. Furthermore, even when the thermal expansion coefficients of the heating element and the cooling body are different, the difference in thermal conductivity can be absorbed by the whisker layer.
本発明に係る放熱構造は、以下の方法により製造することができる。すなわち、複合材料が炭素を含む場合は、該複合材料を、アルミニウムを含む空間に配置して加熱すると、炭素表面に炭化アルミニウムウィスカーが形成される。また、複合材料がアルミニウムを含む場合には、該複合材料を、炭化水素を含む空間に配置して加熱すると、アルミニウム表面に炭化アルミニウムウィスカーが形成される。アルミニウムと炭素の両方を含むＡl-炭素系複合材料の場合は、これらの工程を順次適用することで、Ａlと炭素相の全面（基板表面）に炭化アルミニウムウィスカーが形成されるのである。図１に、本発明に係る放熱構造の概略を示す。 The heat dissipation structure according to the present invention can be manufactured by the following method. That is, when the composite material contains carbon, when the composite material is placed in a space containing aluminum and heated, aluminum carbide whiskers are formed on the carbon surface. When the composite material contains aluminum, when the composite material is placed in a space containing hydrocarbons and heated, aluminum carbide whiskers are formed on the aluminum surface. In the case of an Al-carbon composite material containing both aluminum and carbon, aluminum carbide whiskers are formed on the entire surface of Al and the carbon phase (substrate surface) by sequentially applying these steps. FIG. 1 shows an outline of a heat dissipation structure according to the present invention.
このとき、基板表面からは、炭化アルミニウムを主成分とする相が、ウィスカー状の形態で、基板表面から外側に伸びるように成長する。すなわち、炭化アルミニウムウィスカーが基板表面から直接成長し、層を形成する。生成する炭化アルミニウムウィスカーは、Ａl4Ｃ3結晶を含むものであるが、非晶質を含む場合もある。また、基板に含まれる各種不純物を含む場合もある。
また、該炭化アルミニウムウィスカーを形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化させることもできる。
At this time, from the substrate surface, a phase mainly composed of aluminum carbide grows in a whisker-like form so as to extend outward from the substrate surface. That is, aluminum carbide whiskers grow directly from the substrate surface to form a layer. The produced aluminum carbide whisker contains Al 4 C 3 crystal, but may contain amorphous. Moreover, it may contain various impurities contained in the substrate.
The substrate on which the aluminum carbide whiskers are formed can be heated in an oxidizing atmosphere to convert the aluminum carbide whiskers into alumina whiskers.
生成する炭化アルミニウムウィスカーは、基板の表面から外側に伸びるように成長する。炭素が炭化アルミニウムに、又はアルミニウムが炭化アルミニウムに転化する反応は熱力学的には室温でも起こるが、反応速度を考えた場合、加熱温度は３００℃以上６００℃以下が好ましい。６００℃を越えると、炭素が炭化アルミニウムに転化する際の生成量が減少して炭素が残存する傾向がある。アルミニウムが炭化アルミニウムに転化する際の反応では、アルミニウムの融点以下であることが必要である。 The produced aluminum carbide whisker grows so as to extend outward from the surface of the substrate. The reaction in which carbon is converted to aluminum carbide or aluminum to aluminum carbide occurs thermodynamically even at room temperature, but considering the reaction rate, the heating temperature is preferably 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. When the temperature exceeds 600 ° C., the amount of carbon produced when it is converted into aluminum carbide tends to decrease, and carbon tends to remain. In the reaction when aluminum is converted to aluminum carbide, it is necessary to be not higher than the melting point of aluminum.
アルミニウムを炭化アルミニウムに転化する場合に用いる炭化水素としては特に限定されない。たとえば、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、又はこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素は、アルミニウム箔を加熱する工程においてガス状になるので好ましい。さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素である。最も好ましい炭化水素はメタンである。 It does not specifically limit as hydrocarbon used when converting aluminum into aluminum carbide. For example, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, n-butane, isobutane and pentane, olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butene and butadiene, acetylenic hydrocarbons such as acetylene, etc., or these hydrocarbons And derivatives thereof. Among these hydrocarbons, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, and propane are preferable because they become gaseous in the process of heating the aluminum foil. More preferred is any one of methane, ethane and propane. The most preferred hydrocarbon is methane.
炭素を炭化アルミニウムに転化させる場合に用いるガスもやはり限定されないが、Ａl（ＣＨ3）3等のアルキルアルミニウム等がある。また、金属アルミニウムに塩酸を加えて発生するＡlＣl3ガスを炉内に導入してもよい。 The gas used when converting carbon to aluminum carbide is not limited, but includes alkylaluminum such as Al (CH 3 ) 3 . Alternatively, AlCl 3 gas generated by adding hydrochloric acid to metal aluminum may be introduced into the furnace.
炭化アルミニウムは水分と反応しやすく、耐湿性に課題がある場合もある。この場合には、アルミナに転化させて使用することが好ましい。炭化アルミニウムは極めて酸化しやすい材料であるため、酸化雰囲気中で加熱することにより容易にアルミナウィスカーに転化する。熱力学的には炭化アルミは室温でもアルミナに転化するが、プロセスの効率を考えるとアルミナに転化させるための温度は３００℃以上が好ましい。１０００℃以下の加熱ではアルミナは非晶質であるが、１５００℃以上に加熱すると結晶質に転化する。結晶質アルミナは熱伝導率が高いので、相手材と接触させた場合の熱抵抗は非晶質よりも低下するので好ましい。これらの上限温度は、複合材料に含まれる成分の融点以下にする必要があることは言うまでもない。 Aluminum carbide easily reacts with moisture and may have a problem with moisture resistance. In this case, it is preferable to convert it to alumina. Since aluminum carbide is a material that is very easily oxidized, it is easily converted into alumina whiskers by heating in an oxidizing atmosphere. Thermodynamically, aluminum carbide is converted to alumina even at room temperature, but considering the process efficiency, the temperature for conversion to alumina is preferably 300 ° C. or higher. Alumina is amorphous when heated to 1000 ° C. or lower, but is converted to crystalline when heated to 1500 ° C. or higher. Since crystalline alumina has a high thermal conductivity, the thermal resistance when brought into contact with a counterpart is lower than that of amorphous material, which is preferable. Needless to say, these upper limit temperatures need to be lower than the melting points of the components contained in the composite material.
相手材の表面に存在する微細な凹凸に侵入させるためにはウィスカー層の厚さは１μｍ以上が好ましい。しかし、相手材の表面粗度が高い場合はこの限りではない。
また、相手材の平坦度が低い、すなわち、相手材表面にうねりがある場合は、ウィスカー層の厚さは１０μｍ以上が好ましい。この場合、ウィスカーを主成分とする層が相手材の形状に応じて変形し、相手材の表面形状への追従性が高まり、熱抵抗が低下する。しかし、相手材の平坦度が高い場合はこの限りではない。
The thickness of the whisker layer is preferably 1 μm or more in order to penetrate into fine irregularities present on the surface of the counterpart material. However, this is not the case when the surface roughness of the counterpart material is high.
Further, when the flatness of the counterpart material is low, that is, when the surface of the counterpart material has waviness, the thickness of the whisker layer is preferably 10 μm or more. In this case, the layer mainly composed of whiskers is deformed according to the shape of the counterpart material, the followability to the surface shape of the counterpart material is increased, and the thermal resistance is reduced. However, this is not the case when the flatness of the counterpart material is high.
基板としては、Ａl-ＳiＣ、Ａl-炭素、Ａl-ダイヤモンドなどが適用できる。ここで言うＡlとはＡl系合金全体をいう。すなわち、複合材料基板として、少なくともＡl及び炭素を含有していればよい。 As the substrate, Al-SiC, Al-carbon, Al-diamond or the like can be applied. Here, Al refers to the entire Al alloy. That is, the composite material substrate only needs to contain at least Al and carbon.
また、ウィスカーからなる層中に熱伝導性グリースなどの、相手材との接触性を補完する成分を含浸させるとより小さな熱抵抗が得られるので好ましい。また、相手材の表面にグリースを塗布した後に、本試料を押しつけるだけでも含浸するので、それでも構わない。 In addition, it is preferable to impregnate a layer made of whiskers with a component that complements the contact property with the counterpart material, such as thermally conductive grease, because a smaller thermal resistance can be obtained. In addition, after applying grease to the surface of the counterpart material, the sample is impregnated even if it is pressed.
以上、本発明によれば、基板が少なくとも炭素及びアルミニウムを含む複合材料であれば、炭素又はアルミニウム相のすくなくともどちらかの表面にウィスカーからなる層が形成されているために、ウィスカーが相手材（発熱源）の凹凸に効率的に接触して熱抵抗を低減させることができる。また、複合材料基板の表面に微細な凹凸が存在していても、該基板表面に形成されているウィスカーが相手材表面に追従するようにしなるため、本発明に係る放熱構造と相手材との接触熱抵抗は小さなものとなる。 As described above, according to the present invention, if the substrate is a composite material containing at least carbon and aluminum, a whisker layer is formed on at least one surface of the carbon or aluminum phase. The thermal resistance can be reduced by efficiently contacting the unevenness of the heat source. In addition, even if there are fine irregularities on the surface of the composite material substrate, whiskers formed on the surface of the substrate will follow the surface of the counterpart material, so the heat dissipation structure according to the present invention and the counterpart material The contact thermal resistance is small.
＜基板＞
１０×１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの各種複合材料を基板として用いた。複合材料は粒子分散型組織を持ち、平均粒径５０μｍのＳiＣ、黒鉛又はダイヤモンド粒子が金属マトリックス中に分散した組織を持つ。これらの材料の厚み方向の熱伝導率と厚み方向と垂直方向の熱膨張係数を測定した（表１）。
<Board>
Various composite materials having a size of 10 × 10 mm and a thickness of 0.5 mm were used as a substrate. The composite material has a particle-dispersed structure, and has a structure in which SiC, graphite, or diamond particles having an average particle diameter of 50 μm are dispersed in a metal matrix. The thermal conductivity in the thickness direction of these materials and the thermal expansion coefficient in the direction perpendicular to the thickness direction were measured (Table 1).
＜ウィスカー層の形成＞
[１]炭素を含む複合材料基板：
基板を０．１ＭＰaの１０％アルキルアルミニウム−アルゴンガス中で加熱した。
[２]アルミニウムを含む複合材料基板：
基板を０．１ＭＰaのメタンガス中で加熱した。
[３]Ａl-炭素系複合材料基板：
基板を０．１ＭＰaの１０％アルキルアルミニウム−アルゴンガス中で加熱した。その後、該基板を０．１ＭＰaのメタンガス中で加熱した。
<Formation of whisker layer>
[1] Composite material substrate containing carbon:
The substrate was heated in 0.1 MPa 10% alkylaluminum-argon gas.
[2] Composite material substrate containing aluminum:
The substrate was heated in 0.1 MPa methane gas.
[3] Al-carbon composite material substrate:
The substrate was heated in 0.1 MPa 10% alkylaluminum-argon gas. Thereafter, the substrate was heated in 0.1 MPa of methane gas.
＜熱抵抗の測定＞
各試料を、図２に示す熱抵抗測定装置にセットした。
上部からＡlＮヒータで、１２．７Ｖ、２５０ｍＡで加熱して熱量Ｑを付加した。上下のＣuホルダの各位置の温度を測定し、定常状態になるまで保持した。Ｃuホルダの周囲は断熱材で囲った。サンプルを挟む上下の銅ホルダには熱電対挿入穴が各５点設置されており、これらの位置での温度分布の勾配から、発熱体表面とヒートシンクのフィン先端部の温度を外挿して算出した。面圧は０．３７５ＭＰaとした。
定常状態に達した時の、各Ｃuホルダ内の温度勾配から、試料の表面温度（Ｔ１）と裏面温度（Ｔ２）を外挿して算出した。
<Measurement of thermal resistance>
Each sample was set in the thermal resistance measuring apparatus shown in FIG.
The amount of heat Q was added by heating at 12.7 V and 250 mA with an AlN heater from the top. The temperature at each position of the upper and lower Cu holders was measured and held until it reached a steady state. The circumference of the Cu holder was surrounded by a heat insulating material. The upper and lower copper holders sandwiching the sample are provided with five thermocouple insertion holes each, and the temperature of the heating element surface and the fin tip of the heat sink was extrapolated from the gradient of the temperature distribution at these positions. . The surface pressure was 0.375 MPa.
The surface temperature (T1) and back surface temperature (T2) of the sample were extrapolated from the temperature gradient in each Cu holder when the steady state was reached.
熱抵抗は下記の式で算出した。
熱抵抗の測定（Ｋ／Ｗ）＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑ
The thermal resistance was calculated by the following formula.
Measurement of thermal resistance (K / W) = (T1-T2) / Q
結果を表１に示す。
本発明に係る放熱構造の製造方法で炭化アルミニウム又はアルミナウィスカーを形成することにより低熱抵抗が得られた。分散相とマトリックス金属の両方にウィスカーを形成した場合、最も小さい熱抵抗が得られた。 Low thermal resistance was obtained by forming aluminum carbide or alumina whiskers by the method for manufacturing a heat dissipation structure according to the present invention. The lowest thermal resistance was obtained when whiskers were formed in both the dispersed phase and the matrix metal.
Claims (10)
該基板表面にウィスカーを主成分とする層が形成されていることを特徴とする放熱構造。 A substrate made of a composite material containing at least carbon and aluminum;
A heat dissipation structure, wherein a layer mainly composed of whiskers is formed on the surface of the substrate.
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