JP4611236B2 - 熱伝導材、放熱構造を備えた装置、及び、熱伝導材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は熱伝導材、放熱構造を備えた装置、及び、熱伝導材の製造方法に係り、特に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材を備えた熱伝導材の構造及び製法に関する。

一般に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材の表面に陽極酸化被膜を形成した熱伝導材が知られている。このような熱伝導材は、半導体集積回路のヒートシンクとして用いられたり、放熱構造を有する回路基板の基体として用いられたりしている。通常、上記の陽極酸化被膜は基材の絶縁性を確保するために形成されるものであり、また、ヒートシンクの熱放射率を向上させるために、陽極酸化被膜の微細孔に染料を含浸させて被膜を黒色に着色することも行われている。

従来のヒートシンク等の放熱体に関する技術としては、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材の表面に陽極酸化被膜を形成し、この陽極酸化被膜の封孔度を所定値以上とすることで、半導体装置の封止用に用いる合成樹脂との密着性を高める方法（例えば、以下の特許文献１参照）が知られている。また、アルミニウム基材に形成した陽極酸化被膜を多孔質層とバリア層の２層構造とする方法（例えば、以下の特許文献２参照）が知られている。
特開平１１−１２７９７号公報 特開平１０−４２６０号公報

しかしながら、近年の半導体集積回路の高性能化及び高集積化によって発熱量は年々増加している一方、携帯電話等の普及によって電子回路の小型化の要請も強くなっていることから、放熱体の大型化にも制約があるため、放熱体には放熱特性に関するさらなる高性能化が求められている。

また、特に半導体製品の高発熱量化や小型化によって、回路を構成する基板材料や半導体製品内に組み込まれてチップから出た熱を外部に伝導する材料についても、従来よりも高い熱伝導性が求められるようになってきている。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材に陽極酸化処理を施してなる熱伝導材の熱伝導特性を従来よりも高めることにより、放熱構造の大型化を回避しつつ放熱効果を高めることを可能にすることにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の熱伝導材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材と、該基材の表面に形成された、微細孔を備えた多孔質の陽極酸化被膜と、該陽極酸化被膜の前記微細孔の内部に配置されたｎ型半導体の微粒子と、を具備することを特徴とする。ここで、アルミニウム合金にはアルミニウムを主体とする各種合金が含まれるが、特に、アルミニウムを主体とし、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、リチウム（Ｌｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等の１種又は２種以上の金属を含む合金をいう。

本発明によれば、陽極酸化被膜の微細孔の内部にｎ型半導体を配置することにより、陽極酸化被膜の熱伝導率が大きくなり、熱放射率も向上することが認められた。その理由は必ずしも明らかではないが、陽極酸化被膜中にｎ型半導体が分散配置されることにより、温度が上昇するとｎ型半導体の電気抵抗値が低下することで陽極酸化膜のインピーダンスが低下するため、これに対応して被膜の熱伝導率が上昇するためと考えられる。

本発明において、前記ｎ型半導体の微粒子がｎ型半導体としてｎ型ドーパントを含有する酸化亜鉛を含むことが好ましい。これらの酸化物半導体はいずれも微粒子化が可能であり、１０〜５００ｎｍ程度の平均粒径を有する微粒子として入手できる。特に、アルミニウム（Ａｌ）をドープした酸化亜鉛、ガリウム（Ｇａ）をドープした酸化亜鉛、アンチモン（Ｓｂ）をドープした酸化亜鉛などが最も有効である。なお、酸化亜鉛以外の材料、例えば、アンチモン（Ｓｂ）をドープした酸化錫、アンチモンをドープした酸化錫と酸化チタンの合成物などもｎ型半導体となるものであれば用いることが可能である。さらに、酸化物半導体以外の他のｎ型半導体としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、化合物半導体（ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓなど）なども挙げられる。

本発明において、前記ｎ型半導体の微粒子が封孔処理により閉鎖された前記微細孔の内部に配置されていることが好ましい。ｎ型半導体の微粒子が配置された微細孔を封孔処理によって閉鎖することにより、ｎ型半導体の微粒子が微細孔の内部に確実に保持され、しかも、脱落や磨耗等によってｎ型半導体が滅失することも防止されるため、経年劣化等を有効に抑制することができる。

本発明において、前記陽極酸化被膜は蓚酸アルマイトであることが好ましい。蓚酸アルマイト、すなわち、蓚酸水溶液の電解作用によって形成した陽極酸化被膜は構造が緻密で安定した特性を示すが、本発明において蓚酸アルマイトを陽極酸化被膜として用いることにより、通常の硫酸水溶液等を用いたものよりも高い熱伝導性及び放熱性を示すことが確認された。

本発明において、前記微細孔に黒色の着色材が含浸されていることが好ましい。熱伝導材を放熱体として用いる場合、黒色の着色材を微細孔に含浸させることにより、熱放射率をさらに高めることができるため、放熱特性をさらに向上させることができる。

次に、本発明の放熱構造を備えた装置は、上記のいずれかに記載の熱伝導材と、該熱伝導材に熱接触した発熱体とを具備することを特徴とする。この装置によれば、陽極酸化被膜の高い熱伝導性を利用して従来よりも高性能の放熱構造を形成することができる。ここで、発熱体は熱伝導材の前記陽極酸化被膜の形成された表面部位に熱接触していることが好ましく、さらに、熱伝導材の表面に密着剤を介して密着配置されることが好ましい。密着材としては、発熱体と熱伝導材の陽極酸化被膜との間の熱接触面積を増大させるものであれば如何なるものであってもよいが、例えば、合成樹脂、金属ペースト、放熱グリスなどが挙げられる。特に、熱伝導性に優れた金属ペースト、導電性塗料、放熱グリスなどが望ましい。

次に、本発明の熱伝導材の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材に陽極酸化処理を施して前記基材の表面に微細孔を備えた多孔質の陽極酸化被膜を形成する工程と、該陽極酸化被膜の前記微細孔の内部にｎ型半導体の微粒子を導入する工程と、を具備することを特徴とする。ここで、前記ｎ型半導体の微粒子がｎ型半導体としてｎ型ドーパントを含有する酸化亜鉛を含むことが好ましい。また、前記ｎ型半導体の微粒子を前記微細孔の内部に導入した後に、前記陽極酸化被膜に封孔処理を施す工程をさらに具備することが好ましい。

本発明において、前記微細孔の内部にｎ型半導体の微粒子を導入する工程では、前記微細孔の平均孔径よりも小さな平均粒径を有するｎ型半導体の微粒子を分散させた懸濁液中に前記熱伝導材が浸漬されることが好ましい。これによれば、陽極酸化被膜の微細孔の内面は高い活性を有することにより、懸濁液中に含まれるｎ型半導体の微粒子が微細孔の内部に導入されると、その内面に吸着され、安定的に微細孔の内部に配置される。この方法では、ｎ型半導体の微粒子が分散された懸濁液中に浸漬させるだけでよいため、きわめて簡単にｎ型半導体の微粒子を導入することができる。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１は本発明に係る熱伝導材の実施形態である放熱体（放熱板或いはヒートシンク）１１及び、この放熱体１１で構成される放熱構造を備えた装置（電子回路装置）１０の側面図、図２は放熱体１１の概略斜視図である。本実施形態の放熱体１１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、板状の基部１１Ａと、この基部の片面から突出した複数の放熱フィン１１Ｂとを一体に備えたものとなっている。この装置１０は、放熱体１１の基部１１Ａの放熱フィン１１Ｂが設けられた面とは反対側の面上に固定された発熱体１２を含む。この発熱体１２は、半導体集積回路等を構成するチップ１２Ａと、このチップ１２Ａを包摂するセラミックスや合成樹脂等からなるパッケージ１２Ｂと、チップ１２Ａと熱的に接触しているとともにパッケージ１２Ｂに被覆されない露出部分を備えたアルミニウム等といった熱伝導性の良好な基板（取付板）１２Ｃとを有している。発熱体１２は、基板１２Ｃが螺子止めなどの適宜の方法によって放熱体１１の基部１１Ａの表面上に固定されることにより、放熱体１１と一体的に構成される。基板１２Ｃと基部１１Ａとの間には図示しない密着剤、例えば、放熱グリス、各種ペースト、接着剤等が介在し、発熱体１２と放熱体１１との間の実質的な熱的接触面積を増大させている。この密着剤としては、熱伝導性の良好な放熱グリスや金属ペーストなどが好ましい。

本実施形態の放熱体１１の表面（好ましくは全面、或いは、少なくとも発熱体１２が接触している基部１１Ａの表面部位からフィン１１Ｂの表面部に至る範囲）には陽極酸化被膜が形成されている。この陽極酸化被膜は、電解液中で陽極酸化処理を行うことによってアルミニウム又はアルミニウム合金の基材の表面に形成される酸化膜（所謂、アルマイト）である。通常、陽極酸化被膜は微細孔を有する多孔質であり、本実施形態はこの多孔質の微細孔を利用して機能性付与を行った熱伝導材に関する。

図３は本実施形態の熱伝導材の製造方法の一例を示す概略工程図である。本実施形態の熱伝導材の製造方法では、まず、アルミニウム又はアルミニウム合金の基材を用意する。この基材は、熱伝導材の最終的な用途に応じた形状に成形しておくことが好ましい。例えば、熱伝導材として上記の放熱体１１を製造する場合には、図１及び図２に示す形状に加工された基材を用いる。

ここで、基材は、純アルミニウム（ＪＩＳ１０００系、概ね９９ｗｔ％以上のアルミニウムを含む。Ｆｅ、Ｓｉなどを微量添加する場合が多い。）に限らず、多孔質の陽極酸化膜を形成可能なものであれば各種のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ（ＪＩＳ２０００）系、Ａｌ−Ｍｎ（ＪＩＳ３０００）系、Ａｌ−Ｓｉ（ＪＩＳ４０００）系、Ａｌ−Ｍｇ（ＪＩＳ５０００）系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ（ＪＩＳ６０００）系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ（ＪＩＳ７０００）系などを用いることができる。もちろん、これらのＪＩＳで規格化された合金に限らず、種々の添加物を適宜の添加量で含む各種の合金を用いることができる。アルミニウム合金における主要な添加物の含有量は一般的に０．１〜５ｗｔ％程度である。なお、アルミニウム合金の種類によって陽極酸化被膜の色が変わることがある。例えば、銅を含むアルミニウム合金（固溶）の陽極酸化被膜は黄色〜緑色、シリコンを含むアルミニウム合金（析出）の陽極酸化被膜は灰色〜黒色、マンガンを含むアルミニウム合金（析出）の陽極酸化被膜は黒色、クロムを含むアルミニウム合金（析出）の陽極酸化被膜は黒色、鉄を含むアルミニウム合金（析出）の陽極酸化被膜は灰色〜黒色となる場合のあることが知られている。このような場合には、後述する着色処理を不要とすることができるといった利点が得られる。

［製造方法］本実施形態の熱伝導材の製造方法では、図３のステップＳ１に示すように、基材の前処理を行う。この前処理は必須の構成ではないが、通常、一般的に入手した工業用アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材に対しては、表面を清浄化して、後述する陽極酸化被膜を良好かつ均一に形成するために行われる。この前処理においては、通常、脱脂処理、アルカリ処理、中和処理を順次に行う。脱脂処理では例えば洗剤や溶剤で基材を洗浄して表面の油脂類を除去する。アルカリ処理では例えば５〜８ｗｔ％程度の苛性ソーダ水溶液を５０〜６０℃程度としたもので基材を洗浄する。中和処理ではアルカリ処理で付着したアルカリを中和するために例えば１０〜１５％程度の硝酸又は塩酸を適用する。最後に、基材を充分に水洗する。

次に、ステップＳ２において陽極酸化処理を実施する。この陽極酸化処理では、基材を陽極とし、電解液中で基材を陰極と対向配置させ、電解作用によって基材の表面を酸化する。陰極には炭素（カーボン）、鉛、アルミニウム等を用いることができる。電極間には直流又は交流を印加する。電解液としては、硫酸水溶液が一般的であるが、硝酸、クロム酸等を含む電解液であってもよい。電流密度は、例えば０．５〜３．０Ａ／ｄｍ^２の範囲内で処理できる。陽極酸化被膜の膜厚は用途により異なるが、一般的には１〜３０μｍの範囲内の厚みとされる。ただし、最低限の耐久性を確保しつつ、容易に形成できるようにするためには、６〜２５μｍが好ましく、特に、７〜２０μｍの範囲内であることが望ましい。

図５は、陽極酸化被膜１１Ｐを形成したときの放熱体１１の表層部の断面構造を模式的に示す概略断面図である。基材１１Ｓ上に形成された陽極酸化被膜１１Ｐは、基材１１Ｓ側に形成されるバリア層１１Ｐａと、このバリア層１１ｐａ上に形成される微細孔１１ｈを備えたポーラス層１１ｐｂとの複合構造となっている。本実施形態の陽極酸化皮膜１１Ｐはこのような複合構造に限定されるものではないが、少なくとも微細孔１１ｈを備えた多孔質のポーラス層１１ｐｂを有することが必要である。微細孔１１ｈの孔径は通常１０〜３００ｎｍ程度、微細孔１１ｈ同士の間隔は３０〜５００ｎｍ程度となる。

次に、上記のように微細孔１１ｈを備えた多孔質の陽極酸化被膜１１Ｐを形成した後に、ステップＳ３において機能材導入処理を行う。この機能材導入処理では、ｎ型半導体の微粒子１１ｓｅを上記微細孔１１ｈの内部に導入する。この工程は、例えば、微細孔１１ｈの平均孔径よりも小さな平均粒径を有するｎ型半導体の微粒子１１ｓｅを分散させた懸濁液を調製し、この懸濁液中に陽極酸化被膜１１Ｐを浸漬することにより、簡単に行うことができる。例えば、上記懸濁液に陽極酸化被膜１１Ｐで被覆された基材１１Ｓを浸漬し、懸濁液を攪拌しながら１０〜３０分程度、好ましくは約２０分程度保持する。この場合、ｎ型半導体の微粒子１１ｓｅを水などに分散させて上記懸濁液を調製するが、微粒子の凝集を解くことができず分散しにくい場合には、例えば、蓚酸や燐酸などの弱酸水溶液などの酸性水溶液、或いは、界面活性剤などの分散剤を用いることによって凝集を解き、均一に分散させることができる。ただし、酸性水溶液を用いる場合には酸性度が強くなると陽極酸化被膜１１Ｐが溶解してしまうので、ｐＨを５〜７の範囲に調整することが好ましい。ｎ型半導体の微粒子１１ｓｅを微細孔１１ｈ内に効率的に導入するためには、懸濁液の攪拌を充分に行ったり、或いは、超音波振動を印加したりすることが好ましい。なお、陽極酸化処理の終了後、基材を浴から出し、水洗を充分に行う。

ｎ型半導体の微粒子１１ｓｅとしては、例えば、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）をドープした酸化亜鉛の粉黛（一般には「導電性酸化亜鉛」と呼ばれるもの）を用いる。このような酸化亜鉛としては１次粒径（凝集前の粒径）が１０〜５００ｎｍ程度のものが入手できる。ドーパントとしてはアンチモン（Ｓｂ）を用いることも可能である。また、アンチモン（Ｓｂ）をドープした酸化錫、酸化チタンと酸化錫の合成物などもｎ型半導体として用いることができる。ｎ型半導体は電子をキャリアとする半導体であり、バンドギャップ以上のエネルギーを吸収することによってキャリア電子が励起される。上記の酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタン（酸化物半導体）はいずれもバンドギャップが可視光のエネルギーよりも大きい（すなわち基本的に透光性を有する）ワイドギャップ半導体である。

微粒子１１ｓｅの平均粒径は上記のように１０〜５００ｎｍの範囲のものを用いることができるが、本実施形態の場合、微細孔１１ｈの内部に配置されなければならないので、微細孔１１ｈの孔径よりも小さな粒径を有する微粒子１１ｓｅが充分に含まれている粒径分布（粒度）を備えていることが好ましい。一般的には、１０〜３００ｎｍ程度の平均粒径を有する微粒子であることが効率的に微細孔１１ｈ内に導入する上で望ましい。微細孔１１ｈの内面はきわめて活性が高いため、上記懸濁液中に含まれるｎ型半導体の微粒子１１ｓｅは上記内面に吸着された状態で保持されるものと考えられる。

また、比較的大きな粒径を有するｎ型半導体の微粒子を微細孔１１ｈの内部に導入しやすくするために、本工程前に公知のポアワイドニング処理を実施してもよい。例えば、硫酸浴や燐酸浴中に浸漬することにより陽極酸化被膜１１Ｐを硫酸や燐酸によって侵食溶出させることで、微細孔１１ｈの孔径を拡大させることができる。

次に、ステップＳ４において着色処理を実施する。なお、この処理は本実施形態において必須の工程ではない。ただし、この着色処理を行うことによって熱伝導材、特に放熱体１１の熱放射率を高めることができる。この工程では、黒色化処理が最も熱放射率を高める上で好ましいが、黒に近い濃色に着色しても構わない。この着色処理の方法としては、有機染料を上記微細孔１１ｈ内に導入する染色法や、金属などを析出させて着色する電解着色法などが知られている。後述する実施例では黒色染料１１ｂｍを微細孔１１ｈ内に導入している。

次に、ステップＳ５において封孔処理を実施する。この封孔処理は、表面に開口した上記微細孔１１ｈを閉鎖するための処理である。この封孔処理としては、例えば、高圧水蒸気（スチーム）を吹き付ける方法、沸騰水中に浸漬する方法、或いは、スチームと電解処理とを併用する方法などが知られているが、特に、金属塩やフッ素化合物系の封孔助剤を溶解した水溶液を沸騰させた浴を用いる方法が好ましい。例えば、弗化ニッケルや酢酸ニッケルの水溶液やホウ酸水溶液などを用いることができる。これらの方法によって水酸化アルミニウム等の金属水和物等からなる封孔材１１ｍが生成され、微細孔１１ｈが閉鎖される。

この封孔処理は、後述するように熱伝導性や放熱性を向上させる上では必ずしも実施する必要はないが、導入したｎ型半導体の微粒子１１ｓｅを微細孔１１ｈ内に確実に保持し、その後の脱落や磨耗等による機能性の滅失を防止する上できわめて有効である。このようにｎ型半導体を保護することは、陽極酸化被膜１１Ｐの電気伝導率、熱伝導率、熱放射率の経年劣化を抑制する上で大きな効果を奏する。なお、封孔処理の終了後、基材を浴から出し、充分に水洗を行う。

［実施例１］上記の製造方法に従って実際に熱伝導材である放熱体１１を製造した。純アルミニウムからなる基材１１Ｓに上記と同じ前処理を施した後、１５ｗｔ％の硫酸水溶液を２０℃とした電解槽内で陽極酸化処理を施した。直流電圧を供給し、電流密度は１Ａ／ｄｍ^２に設定し、処理時間は３０ｍｉｎとした。陰極には鉛を採用した。このようにして形成した陽極酸化被膜の膜厚は１０〜１５μｍであった。その後、水洗を実施し、機能材導入処理として、導入処理槽内に貯留した懸濁液に浸漬させた。この懸濁液としては、ｎ型半導体としてガリウム（Ｇａ）をドープした酸化亜鉛（ＺｎＯ）の微粒子１１ｓｅを分散剤を用いて分散させてなるものを用いた。微粒子１１ｓｅの平均粒径は２５０ｎｍとした。懸濁液としては、２００〜３００ｃｃの純水に酸化亜鉛１０ｇを導入し、分散剤として１４ｗｔ％未満の燐酸を添加したものを調製した。そして、２５〜６０℃程度に加熱した当該懸濁液を気泡やスターラ等で攪拌し、ここに基材を浸漬させて２０ｍｉｍ程度保持した。その後、基材を引き上げて水洗した。次に、着色処理として、有機染料を含む水溶液中に基材を浸漬させ、水溶液を攪拌させながら２０ｍｉｎ保持し、その後、引き上げて水洗を行った。これによって放熱体の表面が黒色に着色された。最後に、封孔処理として５〜１０ｗｔ％の酢酸ニッケルを主成分とする封孔液を８０℃程度とし、この液中に基材を浸漬させて封孔処理を２０ｍｉｎ程度実施した。最後に水洗を行って乾燥させることにより、放熱体１１を完成させた。

［実施例２］上記の陽極酸化処理の代わりに、２〜３ｗｔ％の蓚酸水溶液を用い、陰極にカーボン電極を用いた処理槽で、基材表面に陽極酸化被膜として蓚酸アルマイトを生成させた。印加電力はバイポーラ電源を用い、直流と交流を併用して電解処理を施した。その後、上記実施例１と同様の機能材導入処理及び封孔処理を実施した。なお、この実施例２では着色処理を施していない。

［実施例３］実施例２と同様の陽極酸化処理及び機能材導入処理を実施した後、実施例１と同様の着色処理及び封孔処理を実施した。すなわち、この実施例３は黒色に着色された蓚酸アルマイトにｎ型半導体が導入されたものである。

［比較例］上記実施例１〜３と比較するために、純アルミニウムの基材（比較例１）、当該基材に実施例１と同様の陽極酸化処理、着色処理及び封孔処理を施したもの（比較例２）、上記基材に実施例２と同様の陽極酸化処理及び封孔処理を施したもの（比較例３：着色処理なし）、上記基材に実施例３と同様の陽極酸化処理、着色処理及び封孔処理を施したもの（比較例４）をそれぞれ製造した。

上記実施例１〜３では、対応する比較例２〜４に対して蛍光Ｘ線分析（蛍光Ｘ線分析装置ＪＳＸ−３２０２ＥＶ；日本電子社製）により機能性材料（酸化亜鉛）の定量分析を行った。実際には亜鉛の対応ピークの積分強度から機能性材料の存在を調べた。いずれの実施例でも、対応する比較例に比べて亜鉛ピークの積分強度が三倍から十数倍となっており、上記機能材導入工程においてｎ型半導体の微粒子が確実に導入されていることが確認された。特に、蓚酸アルマイトで構成される実施例２及び３では亜鉛ピークの積分強度の増加割合が大きくなっていた。

［インピーダンス測定］次に、上記実施例１〜３及び比較例２〜４について、それぞれ表面のインピーダンス測定を実施した。これは、Wiedeman-Franzの法則（κ／σ＝ＬＴ：κは熱伝導率、σは電気伝導率、Ｌはローレンツ数、Ｔは絶対温度）により、一般的に物質の電気伝導率が高くなるほど熱伝導率も高くなるという性質があるため、熱伝導率の変化の機構を電気特性により解明できないかと考えて行ったものである。このインピーダンス測定は４端子法で行い、測定周波数は２００Ｈｚ、４つの端子（Ｈcur、Ｈpot、Ｌpot、Ｌcur）は放熱体の一つのフィンに５ｍｍ間隔で接続した。測定装置は日置電機社製のＬＣＲハイテスタ３５３２−５０（インピーダンスアナライザ）を用いた。未加熱時のデータは室温２５℃中に長時間放置した後に測定し、加熱時のデータは加熱方法としてドライヤーによる熱風加熱を用いて加熱した後に測定した。加熱時のデータの測定時点の測定対象の温度は６０℃であった。その結果を以下の表１に示す。

上記のように、比較例２〜４においては温度が上昇してもインピーダンス自体はほとんど変化しないのに対して、実施例１〜３においては温度が上昇するとインピーダンスが大きく低下している。これは、基本的に温度上昇によるｎ型半導体のキャリア励起により被膜の電気伝導率が上昇しているためと思われる。本実施形態では、絶縁体である陽極酸化被膜１１Ｐに設けられた複数の微細孔１１ｈの内部にｎ型半導体の微粒子１１ｓｅが配置されているだけであるから、陽極酸化被膜１１Ｐの等価回路は図５に示すように等価コンデンサＣと等価抵抗Ｒの直列回路となる。この場合、半導体は温度上昇により電気抵抗が低下することから、温度上昇により等価抵抗Ｒの抵抗値が低下することで上記結果が得られたものと考えられる。この電気抵抗の低下は、一般的には後述する熱伝導率の向上と整合する現象であるものと思われる。

［熱伝導特性及び放熱特性の測定］次に、図１に示す発熱体１２を発熱させた状態で発熱体１２の温度及び放熱体１１の温度を測定した。この測定は、図６に示すように、発熱体１２を電子制御回路（半導体集積回路）とし、この発熱体１２にＤＣ電源から電力を供給しつつ、発熱体１２の出力を電子負荷装置にて設定された一定の電気負荷に接続して行った。発熱体１２の消費電力は６Ｗ程度とした。また、熱電対によって発熱体１２のパッケージ１２Ｂの外面上及び放熱体１１の基部１１Ａの側部表面上の温度を測定した。発熱体１２の動作開始時より３０分経過時点の各部の温度を以下の表２に示す。

上記の表２に示すように、比較例１に比べて比較例２乃至４ではそれぞれ発熱体１２の温度及び放熱体１１の温度が１０℃以上低下している。これは、陽極酸化被膜を形成することにより、基材の元の表面に比べて表面積が大幅に増大し、さらに陽極酸化被膜を構成するγ−アルミナが高い放射率を持つことから、基材に比べて陽極酸化処理後の熱伝導材の熱放射量が大幅に増大するためと思われる。特に、黒色に着色した陽極酸化被膜を有する比較例４では熱放射率の向上により最も温度が低下している。

しかしながら、実施例１〜３では上記比較例４よりもさらに発熱体１２の温度が低下し、比較例１に比べると２０℃以上の温度低下が見られた。一方、放熱体１１の温度は比較例３及び４とほぼ同様であった。これは、陽極酸化被膜の熱伝導性が向上し、発熱体１２（実際には内部のチップ１２Ａ）で生じた熱が比較例の場合よりも放熱体１１へ効率的に伝達されるようになったために放熱効率が高まり、その結果、発熱体１２（実際にはパッケージ１２Ｂ）の温度が低下したことによるものと考えられる。特に、上記のインピーダンス測定の結果と合わせ考慮すると、温度上昇により陽極酸化被膜１１Ｐの電気伝導度が上昇するとともに熱伝導性が向上し、その結果、発熱体１２から放熱体１１の表面全体への熱の移動が容易になることで、放熱体１１全体の実質的な熱放射効率が向上しているものと思われる。

なお、実施例１〜３の中では、硫酸アルマイトからなる陽極酸化被膜を有する実施例１よりも蓚酸アルマイトからなる陽極酸化被膜を有する実施例２の方が熱伝導率や熱放射率が高くなっている。特に、実施例２では着色処理を施していないもので実施例１より高い性能が得られていることから、本発明において蓚酸アルマイトを用いることがきわめて有効であることがわかる。そして、この蓚酸アルマイトをさらに黒色に着色した実施例３では最も高い放熱状態が得られている。

上記各実施例１〜３においては、放熱体１１の陽極酸化被膜はいずれも発熱体１２が熱接触している表面部位を含めて全面的に形成されているが、それぞれの実施例において発熱体１２の熱接触している面、すなわち基部１１Ａにおけるフィン１１Ｂが形成されていない面全体の陽極酸化被膜を除去したものについても測定を行った。その結果、いずれも比較例よりも良好な放熱特性を有するものの、上記実施例１〜３よりはそれぞれ放熱特性が低下した。このことは、本実施形態においては発熱体１２の放熱過程における熱伝導が陽極酸化被膜を介して有効に行われていることを示している。

（まとめ）以上説明したように、本実施形態の熱伝導材では、陽極酸化被膜１１Ｐの微細孔１１ｈの内部にｎ型半導体の微粒子１１ｓｅを配置することにより、ｎ型半導体のキャリア電子の励起に起因して熱伝導性が向上したものと考えられる。このような結果は、従来の技術水準では想到しえなかったことである。本発明では、微量のｎ型半導体を用いているにも拘わらず、上記のようにきわめて顕著な熱的効果が得られる。

尚、本発明の熱伝導材、放熱構造を備えた装置、及び、熱伝導材の製造方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では熱伝導材として放熱体（放熱板、或いは、ヒートシンク）を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、回路基板、電子素子の放熱基板、ヒートパイプの構成材、温度センサのケース材料などといった各種の熱伝導材に広く適用することができるものである。

熱伝導材の実施形態である放熱体及び放熱構造を備えた装置の概略側面図。 実施形態の放熱体の概略斜視図。 熱伝導材の製造方法の実施形態を示す概略工程図。 実施形態の放熱体の表層構造を示す拡大断面図。 実施形態の放熱体の陽極酸化被膜の等価回路図。 実施形態の放熱体の放熱効果を測定する測定系の説明図。

符号の説明

１０…放熱構造を備えた装置（電子回路装置）、１１…放熱体、１１Ａ…基部、１１Ｂ…フィン、１１Ｓ…基材、１１Ｐ…陽極酸化被膜、１１ｐａ…バリア層、１１ｐｂ…ポーラス層、１１ｈ…微細孔、１１ｍ…封孔物、１１ｓｅ…ｎ型半導体の微粒子、１１ｂｍ…有機染料、１２…発熱体（電子回路素子）、１２Ａ…チップ、１２Ｂ…パッケージ、１２Ｃ…基板

Claims (10)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材と、該基材の表面に形成された、微細孔を備えた多孔質の陽極酸化被膜と、該陽極酸化被膜の前記微細孔の内部に配置されたｎ型半導体の微粒子と、を具備することを特徴とする熱伝導材。
2. 前記ｎ型半導体の微粒子がｎ型半導体としてｎ型ドーパントを含有する酸化亜鉛を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導材。
3. 前記ｎ型半導体の微粒子が封孔処理により閉鎖された前記微細孔の内部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導材。
4. 前記陽極酸化被膜は蓚酸アルマイトであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱伝導材。
5. 前記微細孔に黒色の着色材が含浸されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱伝導材。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱伝導材と、該熱伝導材に熱接触した発熱体とを具備することを特徴とする放熱構造を備えた装置。
7. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材に陽極酸化処理を施して前記基材の表面に微細孔を備えた多孔質の陽極酸化被膜を形成する工程と、該陽極酸化被膜の前記微細孔の内部にｎ型半導体の微粒子を導入する工程と、を具備することを特徴とする熱伝導材の製造方法。
8. 前記ｎ型半導体の微粒子がｎ型半導体としてｎ型ドーパントを含有する酸化亜鉛を含むことを特徴とする請求項７に記載の熱伝導材の製造方法。
9. 前記ｎ型半導体の微粒子を前記微細孔の内部に導入した後に、前記陽極酸化被膜に封孔処理を施す工程をさらに具備することを特徴とする請求項７又は８に記載の熱伝導材の製造方法。
10. 前記微細孔の内部にｎ型半導体の微粒子を導入する工程では、前記微細孔の平均孔径よりも小さな平均粒径を有するｎ型半導体の微粒子を分散させた懸濁液中に前記熱伝導材が浸漬されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の熱伝導材の製造方法。
    

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