JP2009283764A

JP2009283764A - 高放熱炭素材料およびそれを用いた電子部品

Info

Publication number: JP2009283764A
Application number: JP2008135528A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Ishii; 守石井; Tomoyuki Hikita; 友幸引田
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-23
Also published as: JP5086174B2

Abstract

【課題】熱放射性および熱伝導性に優れ、基板上に形成するLED素子等の光源素子や半導体素子の温度上昇を抑制でき、熱に対する安定性を高めることが出来る高放熱炭素材料を提供する。
【解決手段】黒鉛結晶を含む炭素中に金属が分散された複合材料からなる高放熱炭素材料であって、炭素の含有率が７０〜９０体積％であり、熱放射率が０．５以上、熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とする特徴とする高放熱炭素材料。前記複合材料中の炭素に占める黒鉛結晶の割合が５０〜７０体積％であって、黒鉛結晶の平均面間隔ｄ００２が０．３３８ｎｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、LED素子や半導体レーザ等の光源素子や半導体素子等の素子が実装される基板に好適な高放熱材料およびそれを用いた電子部品に関する。

一般的に、放熱基板は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅などのメタル基材の表面に絶縁層を形成した上、プリント配線加工により導電性の回路パターンを設けて構成されるものであり、回路パターン部には主として放熱の必要な高出力のLED素子等の光源素子や半導体素子が面実装される。

このような放熱基板は、LED素子等の光源素子や半導体素子が面実装されていない面に、放熱フィン等のように表面積を拡げて冷却効率を高めた放熱部材を取り付けて冷却を行う場合もあるが、放熱部材を取り付けずに、放熱基板単独で冷却を行う場合もある。特に、小型化、薄型化が進む携帯通信端末やフラットパネルディスプレイ等では、放熱のためのスペースは採り難く、放熱基板の高性能化が求められている。

ところが、メタル基材の熱放射率は常温で0.04程度と低く、放射による冷却効果が殆ど期待出来ない。そこで、材料の放熱を高める技術として種々の検討がなされている。例えば特許文献１には、メタルコア基板において、金属製基材の放熱性を高めるため、実装面の裏側に熱放射率の高い黒色アルマイトを形成することが示されている。また、特許文献２には、熱伝導性の高いカーボングラファイトシートと熱放射性の高いセラミックスシートを２層構造化することが示されている。

さらに、特許文献３には、アルミニウム中にアルミナウイスカを分散させ、熱放射率0.62以上とした例が示されている。また、特許文献４には、熱放射率0.93〜0.98、アルミナが示されている。

特開平８−２５５９６０号公報特開２００７−１０８５４７号公報特開２０００−２４１０９５号公報特開２００６−２９８７０３号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されたように基板の表面を熱放射率の高い材料で被覆した場合には、被覆材料の熱伝導率が低いために、基材からの熱伝導が妨げられ、高放熱性が得られない問題があった。例えば、黒色アルマイトの熱放射率は0.8と高いが、熱伝導率は、３０Ｗ／（Ｋ・ｍ）程度であり、黒色アルマイト中の熱伝導が妨げられ、十分な放熱性が得られなかった。

また、特許文献３のようにアルミニウム中にアルミナウイスカを分散させて基板自体の熱放射率を高めても、アルミナウイスカの熱伝導率が低いため、放熱性が不十分であった。特許文献４のようにセラミックスを用いた場合も同様、熱伝導率が不十分であった。

本発明は上記問題に鑑み、基板に好適な材料であって、熱放射性および熱伝導性に優れ、基板上に形成するLED素子等の光源素子や半導体素子の温度上昇を抑制でき、熱に対する安定性を高めることが出来る高放熱炭素材料とこの高放熱炭素材料を使用した電子部品、電子機器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果本発明を完成した。即ち、本発明は、以下に示す（１）〜（１３）を提供するものである。
（１）黒鉛結晶を含む炭素中に金属が分散された複合材料からなる高放熱炭素材料であって、炭素の含有率が７０〜９０体積％であり、熱放射率が０．５以上、熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とする高放熱炭素材料。
（２）前記複合材料中の炭素に占める黒鉛結晶の割合が５０〜７０体積％であって、黒鉛結晶の平均面間隔ｄ００２が０．３３８ｎｍ以下である上記（１）に記載の高放熱炭素材料。
（３）前記金属が、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、または、これらを一種以上含む合金であることを特徴とする上記（１）〜（２）に記載の高放熱炭素材料。
（４）溶融した前記金属が、前記黒鉛結晶を含む炭素の開気孔の８０%以上に加圧浸透されていることを特徴とする上記（１）〜（３）記載の高放熱炭素材料。
（５）前記高放熱炭素材料が光源素子または半導体素子を実装する基板材料であることを特徴とする上記（１）〜（４）の高放熱炭素材料。
（６）所定の絶縁材料により被覆された上記（１）〜（５）に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料がポリイミド樹脂、ポリアミノビスマレイミド、ビスマレイミド、ポリエーテルアミド、ポリアミドイミド、エポキシ、ポリウレタン、ポリエステルから選択される有機材料であることを特徴とする電子部品。
（７）所定の絶縁材料により被覆された上記（１）〜（５）に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料が、アルミナ、シリカ、ジルコニア、酸化チタン、ガラス質から選択される酸化物であることを特徴とする電子部品。
（８）所定の絶縁材料により被覆された上記（１）〜（５）に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料が、窒化アルミニウムまたは窒化珪素であることを特徴とする電子部品。
（９）所定の絶縁材料により被覆された上記（１）〜（５）に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料が、アルティック(Al₂O₃-TiC)、または炭化珪素であることを特徴とする電子部品。
（１０）前記絶縁材料が電気泳動法、溶射法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法または蒸着法を用いて形成されている上記（７）〜（９）に記載の電子部品。
（１１）実装する光源素子または半導体素子と高放熱炭素材料との接合性を高めるために、Au、Ag、Pt、Cu、Sn、Pb、Zn、TiまたはCrの接点材料を高放熱炭素材料に形成してなる上記（６）〜（１０）に記載の電子部品。
（１２）前記接点材料をメッキ、スパッタリング、蒸着法、またはこれらを組み合わせた方法によって形成してなることを特徴とする上記（１１）に記載の電子部品。
（１３）上記（６）〜（１２）に記載の電子部品により構成される携帯通信端末、電気機器および照明機器。

本発明は、基板に好適な材料であって、熱放射性および熱伝導性に優れ、基板上に形成するLED素子等の光源素子や半導体素子の温度上昇を抑制でき、熱に対する安定性を高めることが出来る高放熱炭素材料とこの高放熱炭素材料を使用した電子部品、電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の高放熱炭素材料は、黒鉛結晶を含む炭素中に金属が分散された複合材料からなる。黒鉛結晶を含む炭素は緻密化し難く、脆いため、炭素の開気孔部分に金属を浸透させ、緻密化を行った。

複合材料中の黒鉛結晶を含む炭素の含有率は７０〜９０体積％である。炭素を７０体積％以上含むことにより熱放射率および熱伝導率を高めることができ、９０体積％以下に制御することで、炭素の開気孔部分に金属が十分に浸透し緻密化することができる。

熱放射率を０．５以上、熱伝導率を２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上としたのは、熱伝導率を高めるだけでなく、熱放射率を高めることにより放熱性を飛躍的に向上させることができるためである。従来、熱放射率０．５以上の高熱放射性と熱伝導率２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上の高熱伝導性を両立させたものは無く、本発明の高放熱炭素材料を放熱基板に用いることにより基板上に実装される素子の温度上昇を著しく低減することができる。

また、複合材料中の炭素に占める黒鉛結晶の割合は５０〜７０体積％であることが望ましい。黒鉛結晶の割合が増えると熱伝導率は高まり、また、黒鉛結晶の増加と伴に熱放射率は減少する傾向があることが分かっており、上記範囲に制御することにより、高熱伝導率と高熱放射率を両立することが可能となる。

黒鉛結晶の平均面間隔ｄ００２は０．３３８ｎｍ以下が好ましい。これよりも大きいと十分に黒鉛化されておらず高熱伝導率が得られない。

炭素の開気孔部分に浸透させる金属としては、熱伝導率が１００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上のものが好ましく、２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上のものがより好ましい。例えば、１００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上の金属としては、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、または、これらを一種以上含む合金を採用することができる。２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上の金属としてはアルミニウム、銅、銀、またはこれらを一種以上含む合金を用いることができる。

金属は、黒鉛結晶を含む炭素の開気孔の８０％以上に浸透していることが望ましい。開気孔の８０％以上に浸透させることで、脆い組織が改善され、高熱伝導率が得られる。

本発明の高放熱炭素材料の製造方法としては、例えば押出し法により成形された押出材、または加圧成形法により成形されたプレス材等の黒鉛結晶を含む炭素成形体に、溶融した金属を加圧浸透法により浸透させることにより得られる。加圧浸透の圧力は開気孔分布によるが、１μｍ以上の開気孔径が90%以上を占める炭素成形体であれば、８０ＭＰａ以上必要である。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。もっとも本発明は実施例により限定されるものではない。

黒鉛結晶の平均面間隔ｄ００２が０．３３８ｎｍであり、黒鉛結晶の割合が60%である、押出成形法により作製された黒鉛結晶を含む炭素押出材から、長さ30mm、幅30mm、厚さ10mmのブロックを切り出した。この炭素ブロックの密度は1.85g/cm³であり、開気孔率は12%であった。この炭素ブロックを窒素雰囲気中、８００℃で予熱した後、加圧浸透用金型内に配置した。次いで、８００℃で溶融させたアルミニウム合金（ＪＩＳ規格ＡＣ３Ａ）を金型内に加え、８０ＭＰaで加圧し、その状態で60分維持することで黒鉛結晶を含む炭素ブロックの気孔内にアルミニウム合金を浸透させ複合化した。冷却後、アルミニウム合金の塊ごと取り出し切削加工し、炭素含有量88%の炭素材料を得た。

この炭素材料中のアルミニウム合金の含浸性を、光学顕微鏡により観察した。開気孔はアルミニウム合金により１００%置換され、アルミニウム合金が炭素材料に均一に分散していた。また、炭素材料の熱放射率は、フーリエ変換赤外分光光度計を用いて全放射率を測定し、熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定したところ、熱放射率が0.5、熱伝導率が３００Ｗ／（Ｋ・ｍ）であった。

成形方法、炭素含有率、黒鉛結晶の平均面間隔、炭素に占める黒鉛結晶の割合、金属、溶融温度、浸透圧力、または金属浸透率を変えて作製した実施例１〜７、比較例１〜６についてまとめたものを表１に示す。表中、浸透金属は、例えばアルミニウム合金をＡｌと表記した。

本発明の範囲内である実施例１〜７では、熱放射率が０．５以上、熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上の高放熱炭素材料が得られた。一方、比較例１〜６では、熱放射率または熱伝導率が不十分であった。

図1は、本発明に係る高放熱炭素材料を用いた電子部品１１を説明するための概略断面図である。高放熱炭素材料からなる基板１２の上に、LEDや半導体レーザ等の光源素子または半導体素子等の素子１３が実装されている。素子１３と基板１２とは、高熱伝導性のAgペースト等によりボンドされる。高熱伝導性のAgペーストとしては、DM4030、DM5030、DM6030(Diemat,Inc製)を上げることができる。

このような、構成であれば、素子１３の熱が基板の高熱伝導性により迅速に基板全体に伝わるとともに、高熱放射性により基板の表面から熱放射され、素子を冷却できる。本発明では、基板の高熱伝導性により対流による放熱が効率良くなされるだけでなく、閉空間や減圧下のような対流による放熱が難しい環境であっても放射により放熱されるため、種々の環境において、従来の基板材料よりも高放熱性を発揮することができる。

図２は、本発明の他の電子部品２１の例を示した概略断面図である。高放熱炭素材料からなる基板２２の上に、素子との接合性を向上させるため金属接点２４が形成され、この金属接点２４上にハンダ等よりLEDや半導体レーザ等の光源素子または半導体素子等の素子２３が実装されている。尚、この金属接点２４を構成する接点材料としては、Au、Ag、Pt、Cu、Sn、Pb、Zn、TiまたはCrを用いることができる。また、高放熱炭素材料からなる基板上への接点材料の形成方法としては、メッキ、スパッタリング、蒸着法、またはこれらを組み合わせた方法を採用することができる。

図３は、絶縁材料被覆が形成された本発明の高放熱炭素材料を示す概略断面図である。高放熱炭素材料からなる基板３２の上に、絶縁材料被覆３５が形成されている。

絶縁材料被覆としては、有機材料、酸化物、窒化物、炭化物、またはこれらを組み合わせたものを採用することができる。

絶縁材料に用いる有機材料としては、10¹⁵Ωcm以上の体積抵抗率を有するポリイミド樹脂、ポリアミノビスマレイミド、ビスマレイミド、ポリエーテルアミド、エポキシ、ポリウレタン、ポリエステル等を採用することができる。さらに、半導体素子等からの熱を効率的に高放熱炭素材料からなる基板に伝えるため、マイカ等の絶縁性の熱伝導材料がこれらの有機材料にフィラーとして添加され、熱伝導率を増加させたものが特に好ましい。具体的には、NRA-E(日本理化工業所社製)を挙げることができる。NRA-Eは、体積抵抗率10¹⁵Ωcm、絶縁耐圧5kV/120μm厚さ、熱伝導率6.5Ｗ／（Ｋ・ｍ）であり望ましい。

絶縁材料に用いる酸化物としては、10¹²Ωcm以上の体積抵抗率を有するアルミナ、シリカ、ジルコニア、酸化チタン、ガラス質等を採用することができる。なかでもアルミナは、熱伝導率が20Ｗ／（Ｋ・ｍ）と高いことから特に好ましい。酸化物からなる絶縁材料の形成方法としては、被覆厚さが1μm以上の場合は電気泳動法または溶射法、1μm以下の場合は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法または蒸着法を用いることができる。

絶縁材料に用いる窒化物としては、10¹⁴Ωcm以上の体積抵抗率を有する窒化アルミニウムまたは窒化珪素を用いることができる。なかでも窒化アルミニウムは、熱伝導率が160Ｗ／（Ｋ・ｍ）と高いことから特に好ましい。窒化物からなる絶縁材料の形成方法としては、被覆厚さが1μm以上の場合は電気泳動法または溶射法、1μm以下の場合は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法または蒸着法を用いることができる。

絶縁材料に用いる炭化物、または炭化物を組み合わせた材料としては、10¹⁰Ωcm以上の体積抵抗率を有する炭化珪素、アルティック(Al₂O₃-TiC)を用いることができる。なかでも炭化珪素は、熱伝導率が150Ｗ／（Ｋ・ｍ）と高いことから特に好ましい。

図４は、本発明の例として絶縁材料被覆４５が形成され、素子４３が実装された電子部品４１を示す図である。

図５は、本発明の例として絶縁材料被覆５５が形成され、素子との接合性を向上させるため金属接点５４が形成され、この金属接点５４上にハンダ等により素子５３が実装された電子部品５１を示す図である。

以上説明したように、本発明の高放熱炭素材料は、熱放射性および熱伝導性に優れ、LED素子等の光源素子や半導体素子が実装される基板材料として用いると、素子の温度上昇を抑制でき、熱に対する安定性の高い電子部品を提供することができる。さらに、本発明の電子部品は、光源素子や半導体素子の発熱を嫌う装置、すなわち携帯通信端末、電気機器および照明機器の構成部品に好適に用いることができる。

本発明の高放熱炭素材料を用いた電子部品の概略断面図本発明の他の電子部品の例を示す概略断面図絶縁材料被覆が形成された高放熱炭素材料を示す概略断面図本発明の他の電子部品の例を示す概略断面図本発明の他の電子部品の例を示す概略断面図

符号の説明

１１、２１、４１、５１：電子部品
１２、２２、３２、４２、５２：高放熱炭素材料からなる基板
１３、２３、４３、５３、：素子
２４、５４：金属接点
３５、４５、５５：絶縁材料被覆

Claims

黒鉛結晶を含む炭素中に金属が分散された複合材料からなる高放熱炭素材料であって、
炭素の含有率が７０〜９０体積％であり、
熱放射率が０．５以上、熱伝導率が２００Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上であることを特徴とする特徴とする高放熱炭素材料。
前記複合材料中の炭素に占める黒鉛結晶の割合が５０〜７０体積％であって、黒鉛結晶の平均面間隔ｄ００２が０．３３８ｎｍ以下である請求項1記載の高放熱炭素材料。
前記金属が、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、またはこれらを一種以上含む合金であることを特徴とする請求項１〜２記載の高放熱炭素材料。
溶融した前記金属が、前記黒鉛結晶を含む炭素の開気孔の８０%以上に加圧浸透されていることを特徴とする請求項１〜３記載の高放熱炭素材料。
前記高放熱炭素材料が光源素子または半導体素子を実装する基板材料であることを特徴とする請求項１〜４に記載の高放熱炭素材料。
所定の絶縁材料により被覆された請求項１〜５に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料がポリイミド樹脂、ポリアミノビスマレイミド、ビスマレイミド、ポリエーテルアミド、ポリアミドイミド、エポキシ、ポリウレタン、ポリエステルから選択される有機材料であることを特徴とする電子部品。
所定の絶縁材料により被覆された請求項１〜５に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料が、アルミナ、シリカ、ジルコニア、酸化チタン、ガラス質から選択される酸化物であることを特徴とする電子部品。
所定の絶縁材料により被覆された請求項１〜５に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料が、窒化アルミニウムまたは窒化珪素であることを特徴とする電子部品。
所定の絶縁材料により被覆された請求項１〜５に記載の高放熱炭素材料を基板材料として用いた電子部品であって、前記絶縁材料が、アルティック(Al₂O₃-TiC)、または炭化珪素であることを特徴とする電子部品。
前記絶縁材料が電気泳動法、溶射法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法または蒸着法を用いて形成されている請求項７〜９に記載の電子部品。
実装する光源素子または半導体素子と、高放熱炭素材料との接合性を高めるために、Au、Ag、Pt、Cu、Sn、Pb、Zn、TiまたはCrの接点材料を高放熱炭素材料に形成してなる請求項６〜１０に記載の電子部品。
前記接点材料をメッキ、スパッタリング、蒸着法、またはこれらを組み合わせた方法によって形成してなる請求項１１に記載の電子部品。
請求項６〜１２に記載の電子部品により構成される携帯通信端末、電気機器および照明機器。