JP4260426B2 - ヒートシンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向の熱伝導率が高く、放熱性に優れたヒートシンクに関し、特に、半導体製造工程に用いられる半導体冷却基板として用いられるヒートシンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子のパワーレベルが向上し、部品密度が増加するにつれて、半導体素子から発生する熱も高熱化している。半導体素子は接合部温度が上昇すると、機能、性能及び信頼性が低下しついには破壊してしまうことがある。そのため、安全な動作温度範囲まで半導体の接合部温度を下げる必要があり、現在、その接合部温度を下げるヒートシンクが必要不可欠な部品となっている。
【０００３】
現在、ヒートシンクに使用されている材料としては、アルミニウムや銅等の金属が一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら従来のアルミニウムや銅等の金属製のヒートシンクは、熱膨張係数が２×１０^-5／℃程度であり、近年の半導体素子の発熱量の高熱化によって、半導体素子との熱膨張率との違いにより発生する接合部の剥離が新たな問題となりつつある。
【０００５】
そこで、本発明は、従来のアルミニウムや銅等の金属製のヒートシンクと同等以上の放熱性を有するとともに、半導体素子の発熱により半導体素子と熱膨張率の違いによる剥離の問題のないヒートシンクを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明者らは高い放熱性を有するとともに、半導体素子の発熱により半導体素子と熱膨張率の違いによる剥離の問題のないヒートシンクを得るべく、種々検討を行い、半導体素子と同等の熱膨張率を有するとともに、一方向の熱伝導率を大きくした炭素繊維強化炭素複合材料（以下、Ｃ／Ｃ複合材料という。）を得て、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明のヒートシンクは、高熱伝導性の炭素繊維材料が厚さ方向に配向されて成形されてなるＣ／Ｃ複合材料で形成されたヒートシンクであって、前記厚さ方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記厚さ方向の熱伝導率が平面方向の熱伝導率に対して１０以上の比率であることを特徴とする。また、前記Ｃ／Ｃ複合材料の熱膨張係数が８〜１２×１０^−６／℃であるものである。また、前記厚さ方向に配向される炭素繊維材料の繊維密度（Ｖ_ｆ）が４０以上であるものである。また、前記Ｃ／Ｃ複合材料にＣＶＩ処理によって、ラフコラムナー（Ｒｏｕｇｈ ｃｏｌｕｍｎａｒ）組織の熱分解炭素を含浸、被覆してなるものである。そして、前記ＣＶＩ処理後に、前記Ｃ／Ｃ複合材料に、ＨＩＰあるいは熔湯鍛造法で高熱伝導の金属材料が含浸されているものである。また、前記金属材料が、黒鉛及び銅との反応による標準生成エンタルピーがそれぞれ１モルあたり−５０ｋＪ以下である元素群から選ばれる少なくとも１種の金属材料であり、この元素群から選ばれる金属材料を１〜７質量％含有し、残部が実質的に銅からなる銅合金であるものである。さらに、前記金属材料が、シリコンを１０％以上含有したアルミニウム合金であるものである。
【０００８】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用する炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系炭素繊維あるいは気相成長法炭素繊維等、いずれの種類でもよいが、特に繊維軸方向の熱伝導率が高い高特性のピッチ系炭素繊維が好適である。
【０００９】
本発明に係るＣ／Ｃ複合材料はこのような炭素繊維を用いて得られ、炭素繊維が実質的に厚さ方向に配向しており、厚さ方向に直角の方向である平面方向の熱伝導率に対する厚さ方向の熱伝導率の比率が１０以上、好ましくは２０以上であり、かつ厚さ方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
【００１０】
また、室温〜１０００℃までの平均熱膨張係数が８×１０^-6／℃〜１２×１０^-6／℃であるものである。これによって、半導体素子との熱膨張係数を略同等とすることが可能となり、半導体素子の発熱によって、その接合部において剥離することを防止できる。
【００１１】
また、厚さ方向に配向される炭素繊維の繊維密度（Ｖ_f）が４０以上、好ましくは４５以上とすることが好ましい。これによって、厚さ方向に直角の方向である平面方向の熱伝導率に対する厚さ方向の熱伝導率の比率が１０以上、好ましくは２０以上であり、かつ厚さ方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上に確実に形成できる。
【００１３】
また、Ｃ／Ｃ複合材料に、ＣＶＩ処理によって、ラフコラムナー（Ｒｏｕｇｈｃｏｌｕｍｎａｒ）組織の熱分解炭素を含浸、被覆してなるものであるものが好ましい。これによって、厚さ方向の熱伝導率をより高めることができる。また、平面方向の各炭素繊維間の接合強度を高めることができ、ヒートシンクとして十分な強度を得ることが可能となる。
【００１４】
さらに、前述のように、熱分解炭素を含浸し、黒鉛化処理を行った後に、高熱伝導の金属材料をＨＩＰあるいは熔湯鍛造法で含浸することで、熱伝導率をさらに向上させることが可能である。
【００１５】
含浸させる高熱伝導の金属材料としては、黒鉛及び銅との反応による標準生成エンタルピーがそれぞれ１モルあたり−５０ｋＪ以下である元素群から選ばれる少なくとも１種の金属材料であり、この元素群から選ばれる金属材料を１〜７質量％含有し、残部が実質的に銅からなる銅合金であることが好ましい。一般に、銅は黒鉛に対して濡れ性が悪く、銅を含浸した場合は、気孔壁に十分に密着せずに微視的に含浸むらを生じるため、熱伝導率の向上が得られない。ところが、黒鉛及び銅との反応による標準生成エンタルピーがそれぞれ１モルあたり−５０ｋＪ以下である元素群から選ばれる金属材料を銅に１〜７質量％含有させることで、銅と黒鉛との濡れ性が改善され、銅がＣ／Ｃ複合材料中に均等に含浸されて、熱伝導率が向上する。
【００１６】
ここで、黒鉛及び銅との反応による標準生成エンタルピーがそれぞれ１モルあたり−５０ｋＪ以下である元素群から選ばれる金属材としては、例えば、スカンジウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ハフニウム等が例示できる。
【００１７】
また、含浸させる高熱伝導の金属材料としては、シリコンを１０％以上含有したアルミニウム合金を使用することもできる。シリコンを１０％以上含浸させることで、アルミニウム合金の融点が低下し、アルミニウム合金を含浸する際に炭化アルミニウムを形成することがなく、アルミニウム合金を含浸した後であっても、空気中で保管することが可能となる。
【００１８】
そして、このようなＣ／Ｃ複合材料は、次のような方法によって得られる。
【００１９】
まず、炭素繊維の長繊維を熱硬化性樹脂に含浸し、これを加熱して半硬化させる。
【００２０】
熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられるが、フェノール樹脂、特にレゾール型のフェノール樹脂が好適に使用できる。これらの熱硬化性樹脂は通常、エタノールのようなアルコール類、ヘキサンのような炭化水素あるいはアセトンといった溶剤で溶解希釈して用いる。
【００２１】
熱硬化性樹脂溶液の濃度としては通常１０〜７０ｗｔ％、好ましくは２０〜６０ｗｔ％の範囲のものを使用する。
【００２２】
また、フラン樹脂、エポキシ樹脂等硬化剤を要するものは硬化剤も溶液中に添加されるがその量はそれぞれの樹脂に適した量が添加される。
【００２３】
かかる熱硬化性樹脂溶液に炭素繊維の長繊維を含浸する方法としては、溶液中に炭素繊維を浸漬するといった簡単な方法で良いが、長繊維ロービングであれば溶液の満たされた槽内を連続的に走行させる方法が処理の効率の点から好ましい。また、この際に溶液の満された槽に超音波を作用させておくと各単繊維間、織目間の気泡等による処理むらの影響を防ぐことができるので好ましい。
【００２４】
熱硬化性樹脂溶液に含浸した炭素繊維は例えばローラーを通すなどして余分な溶液を除去し、次いで加熱処理を施される。
【００２５】
この加熱処理により、熱硬化性樹脂は熱硬化される。加熱処理の条件は使用する熱硬化性樹脂の種類によってそれぞれ適正条件は異なるが通常５０〜３００℃、好ましくは８０〜２００℃の温度で０．２〜５時間、好ましくは０．２〜２時間加熱処理される。この際、炭素繊維に塗布された熱硬化性樹脂溶液からの急激な溶剤の脱離をさけるため所定の温度への昇温を徐々に行なわれることが望ましい。また、加熱処理は炭素繊維を連続的に加熱炉内を走行させる方法で行なうことが処理の効率の点から好ましい。
【００２６】
ついで、得られた炭素繊維／樹脂の複合体を目的とするＣ／Ｃ複合材料の厚み方向より長く切断する。この長さは通常は所望する目的物の厚さより少し長い範囲から選定され、たとえば１５〜１００ｍｍから選ばれる。切断された複合体は、互いに実質的に平行となるように一方向に揃えられ、その繊維の長さ方向に直角の方向に圧力を加え、加熱、成型する。
【００２７】
例えば、金型にロート状の道具を使用して複合体を供給することにより金型内に実質的に平行になるように揃え、樹脂の硬化のために必要な温度の加熱下に、繊維の長さ方向に直角の方向に圧力を加えて樹脂を硬化させることにより成型体を得る。
【００２８】
その後、成型体を容器に入れ、成型体をコークスブリーズで取囲むような形とした後、容器を電気炉に入れ、必要に応じて窒素ガス流通下で１０００℃程度まで昇温して炭化する。必要に応じては、さらに黒鉛化炉に入れ、不活性雰囲気下で２０００℃以上の温度まで熱処理する。
【００２９】
次いで、得られた炭化物もしくは黒鉛化物を石油系、石炭系ピッチあるいはフェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂に含浸した後、また、熱硬化性樹脂を用いた場合には樹脂を硬化後、炭化させる。その際、熱硬化性樹脂は、アルコール、アセトン、アントラセン油等の溶媒に溶解して適当な粘度に調整したものを使用するのが一般的である。また、この場合、加圧下で含浸する方法が好適に採用される。例えば、成型体の炭化物もしくは黒鉛化物を加圧含浸釜に収納し、ピッチ含浸を行い、更に、電気炉にて必要に応じて窒素ガス流通下で１０００℃程度まで昇温し炭化する。また、必要に応じて黒鉛化することが好ましく、３０００℃以上で黒鉛化することが更に好ましい。このピッチ含浸と炭化の工程を数回繰り返して行なうことにより比重１．６以上の緻密なＣ／Ｃを得ることができる。
【００３０】
この際、炭素繊維／樹脂複合体の樹脂含有量や緻密化が不十分であったり、炭化、黒鉛化の際の昇温速度が速すぎると繊維の長さ方向に直角の方向の強度が小さくなり、場合によっては破壊に至るので適切な条件を選ぶ必要がある。
【００３１】
得られたＣ／Ｃ複合材料は厚み方向に高い熱伝導率、電気伝導率を有する異方性の大きい材料となる。得られたＣ／Ｃ複合材料は、目的に応じ、厚み方向と直角方向の強度を向上させるために、炭素繊維を材料とした長繊維等を用いて周囲を巻くことができ、あるいはＣ／Ｃ複合材料等の炭素材料を適当な形にして結束することができる。また、複数の複合材の面間を、フェノール樹脂を主体とする樹脂などを用いて接着し、これを再びＣ／Ｃ複合材料が最終的に処理された温度程度にまで昇温させてＣ／Ｃ複合材料の小片を複数枚互いに接着させて目的とする大きさの複合材とすることもできる。
【００３２】
さらに、ＣＶＩ処理法によってＣ／Ｃ複合材料に光学組織がラフコラムナー組織の熱分解炭素を含浸、被覆することもできる。その後、２８００℃以上、好ましくは３０００℃以上で黒鉛化処理を行うこともできる。これによって、厚さ方向の熱伝導率を確実に高めることができるとともに、各炭素繊維間の接合強度を高くすることができる。なお、ここでいうＣＶＩ処理法とは、化学気相含浸法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）のことであり、表面から内部に至る開気孔に熱分解炭素を含浸被覆し、緻密化させ、ガス不浸透化させるとともに、表面の面粗さを滑らかにすることを目的に行う。通常８００〜１３００℃、１．３〜１３．３ｋＰａの範囲下で、炭素数１〜８の炭化水素ガスを流量１０〜１００ｌ／ｍｉｎで供給し、所望のかさ密度になるよう保持時間を調節する。
【００３３】
本発明におけるＣ／Ｃ複合材料は、厚さ方向に熱伝導、電気伝導が一方向に高いものであり、優れた放熱性を有する。また、熱膨張係数も８×１０^-6〜１２×１０^-6／℃であり、半導体素子とほぼ同じであり、半導体素子の接合部の剥離という問題も防止できる。なお、本発明において、繊維軸方向の熱伝導率が大きいピッチ系、特に石炭ピッチ系の高特性の炭素繊維を用いると、その効果がより大きくなるので好適である。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び参考例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３５】
（参考例１）
ピッチ系炭素繊維（三菱化学株式会社製”ダイアリード ”、４０００フィラメント、繊維径１０μｍ）の長繊維を、フェノール樹脂のエタノール溶液に浸漬し、ついでこれを乾燥器に入れ７０℃でエタノールを除去した後、１００℃以上に昇温してフェノール樹脂を半硬化させた。得られた繊維／樹脂の複合体（トウプリプレグ）（炭素繊維：樹脂＝５６：４４重量比）を長さ４０ｍｍに切断した。このものは繊維が樹脂で固められ、棒状で剛直であった。この切断した複合体を互いに平行になるように金型内に一方向に揃えて並べ、目的とするＣ／Ｃ複合材料の寸法より大きくなるような形状に充填した。ついで、１５０℃で低圧を付加し、１時間で２５０℃まで昇温し、２５０℃で１時間保持し、成型、硬化した。成型後の寸法は、１００×１２０×４０ｍｍであった。ついで、この成型品をコークスブリーズを詰めた容器の中に入れコークスブリーズで覆った状態で、約５０時間かけて１０００℃まで昇温し、樹脂の炭化を行なった。ついで、この炭化した複合材を加圧含浸釜を用いて、ピッチ含浸を行い、更に電気炉にて窒素ガスを流しながら１０００℃で焼成した。その後、ピッチ含浸と焼成の工程を６回繰り返し、かさ密度１．８０ｇ／ｃｍ^３ のＣ／Ｃ複合材料を得た。これを黒鉛化炉に入れアルゴン雰囲気中、２８００℃まで昇温した後、冷却し、Ｃ／Ｃ複合材料を得た。得られたＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料のかさ密度は１．８５ｇ／ｃｍ^３で、厚み方向（繊維軸と同一方向）とそれに直角の方向の熱拡散率をレーザーフラッシュ法熱定数測定装置（真空理工製）で測定し、室温における比熱０．６９５Ｊ／ｇ・Ｋとから熱伝導率を算出した。厚み方向の熱伝導率は６７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、厚み方向に直角の方向の熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、その比率は２２．３であった。なお、このものは２５００℃の加熱された黒鉛化炉内に急速に入れても破壊せず、耐熱衝撃性にも優れていた。また、室温〜１０００℃における平均熱膨張係数も９．７×１０^−６／℃であり、半導体素子の熱膨張係数と略同等であった。
【００３６】
（実施例１）
参考例１で製作したＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料（かさ密度：１．８５ｇ／ｃｍ^３）をＣＶＩ処理によって熱分解炭素を含浸する方法で、更に緻密化を行った。ＣＶＩ処理の条件としては、温度１１００℃、全圧２０Ｔｏｒｒ（２．７ｋＰａ）、プロパンガスを６リットル／ｍｉｎ、キャリアガスとして水素ガス７０リットル／ｍｉｎで含浸処理後、２８００℃で黒鉛化処理を行い、かさ密度１．９２ｇ／ｃｍ^３のＣ／Ｃを得た。
【００３７】
（実施例２）
参考例１で製作したＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料（かさ密度：１．８５ｇ／ｃｍ^３）の緻密化前のＣ／Ｃ（１０００℃焼成品、かさ密度１．４６ｇ／ｃｍ^３）をＣＶＩ処理によって熱分解炭素を含浸する方法で緻密化を行った。ＣＶＩ処理の条件としては、温度１１００℃、全圧２０Ｔｏｒｒ（２．７ｋＰａ）、プロパンガスを６リットル／ｍｉｎ、キャリアガスとして水素ガス７０リットル／ｍｉｎで含浸処理後、２８００℃で黒鉛化処理を行い、かさ密度１．８３ｇ／ｃｍ^３のＣ／Ｃ複合材料を得た。
【００３８】
（参考例２）
参考例１に示すＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料（かさ密度：１．８５ｇ／ｃｍ^３）を耐圧容器に収納し、１１５０℃で溶融した７重量％のジルコニウムを添加した銅を窒素ガスにて１２ＭＰａの圧力で１時間加圧含浸して銅含浸Ｃ／Ｃ複合材料を得た。
【００３９】
（参考例３）
参考例１に示すＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料（かさ密度：１．８５ｇ／ｃｍ^３）を耐圧容器に収納し、６５０℃で溶融した１２％シリコン含有アルミニウム合金を窒素ガスにて１２ＭＰａの圧力で１時間加圧含浸してアルミニウム合金含浸Ｃ／Ｃ複合材料を得た。
【００４０】
参考例１〜３及び実施例１、２のＣ／Ｃ複合材料の各特性を表１にまとめて示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
本発明の参考例１に係るＣ／Ｃ複合材料を図１に示す半導体用ヒートシンクとして使用した。その結果、参考例１に係るＣ／Ｃは銅よりも熱の放散性に優れていることが確認できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係るＵＤ Ｃ／Ｃ複合材料は、その厚み方向に大きい熱伝導率を有し、優れた放熱性を発揮するとともに、熱膨張係数が半導体素子と略同等であることから、半導体冷却用のヒートシンクとして好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体用ヒートシンクの模式図である。
【符号の説明】
１ 金ワイヤー
２ シリコンチップ
３ ヒートシンク
４ 半田パンプ

Claims (4)

1. 高熱伝導性の炭素繊維材料が厚さ方向に配向されて成形されてなる炭素繊維強化炭素複合材料で形成されたヒートシンクであって、
   前記厚さ方向に配向される炭素繊維材料の繊維密度（Ｖ _ｆ ）が４０％以上であり、
   前記炭素繊維強化炭素複合材料の平面方向の熱膨張係数が８〜１２×１０ ^−６ ／℃で、厚さ方向（繊維方向）の熱膨張係数が１×１０ ^−６ ／℃以下であり、
   前記炭素繊維強化炭素複合材料にＣＶＩ処理によって、ラフコラムナー（Ｒｏｕｇｈ ｃｏｌｕｍｎａｒ）組織の熱分解炭素が含浸、被覆されており、前記厚さ方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、前記厚さ方向の熱伝導率が平面方向の熱伝導率に対して１０以上の比率であるヒートシンク。
2. 前記ＣＶＩ処理後に、前記炭素繊維強化炭素複合材料に、ＨＩＰあるいは熔湯鍛造法で高熱伝導の金属材料が含浸されている請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記金属材料が、黒鉛及び銅との反応による標準生成エンタルピーがそれぞれ１モルあたり−５０ｋＪ以下である元素群から選ばれる少なくとも１種の金属材料であり、この元素群から選ばれる金属材料を１〜７質量％含有し、残部が実質的に銅からなる銅合金である請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記金属材料が、シリコンを１０％以上含有したアルミニウム合金である請求項２に記載のヒートシンク。

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