異方性熱伝導素子及びその製造方法
【課題】熱源の熱を効率よく伝導し、且つ、グラフェンシートが積層された構造体と異種部材との接合部分の強度を高め、しかも、容易に製造することが可能な異方性熱伝導素子を提供する。
【解決手段】グラファイト複合体１１は、プレート状のグラファイト構造体２０と、構造体２０の両平面に接合された銅板２４，２５とにより構成されている。構造体２０は、積層方向と交差する方向の厚みが薄く形成されている。銅板２４，２５は、チタンを含むインサート材３５を構造体２０との間に介在させた状態で、銅板２４，２５の外側から加圧され、真空環境及び所定の温度環境のもとで加圧加熱接合される。
【解決手段】グラファイト複合体１１は、プレート状のグラファイト構造体２０と、構造体２０の両平面に接合された銅板２４，２５とにより構成されている。構造体２０は、積層方向と交差する方向の厚みが薄く形成されている。銅板２４，２５は、チタンを含むインサート材３５を構造体２０との間に介在させた状態で、銅板２４，２５の外側から加圧され、真空環境及び所定の温度環境のもとで加圧加熱接合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導率が方向によって異なる構造体を有する異方性熱伝導素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器や電子デバイスから発生する熱を効果的に移動させて放熱する素子として、グラフェンシートが積層された構造を有するグラファイトを利用したものが知られている。例えば、特許文献１には、グラファイトの一部に金属が埋め込まれ、熱源から熱を受ける受熱部が上記金属に接触するように構成された熱伝導体が開示されている。また、特許文献２には、熱源との接触面と交差する面に沿ってグラフェンシートが積層されたグラファイトの周部を被覆するように支持部材が設けられ、効率的な熱伝導を実現しつつ、素子の強度を高めることが可能な異方性熱伝導素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８２８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の従来の熱伝導体は、グラファイトに形成された孔にグラファイトよりも融点の低い溶融金属（例えばアルミニウム）が流し込まれて冷却されることにより、グラファイトの一部に金属が埋め込まれた構造を有する。しかしながら、グラファイトは、一般に組成が脆く崩れ安い性質を有しているため、特許文献１の熱伝導体では、金属との接触部分が崩れ易く、熱伝導体としての寿命が短いという問題がある。また、グラファイトと金属との接合面は、互いの元素が混ざり合い難い界面（以下「接合界面」という。）であるため、上記熱伝導体は、上記接合界面における熱抵抗が大きい。そのため、グラファイトから上記金属への熱伝導の効率が極めて悪い。
【０００５】
特許文献２に記載の従来の異方性熱伝導素子は、スパッタ法や蒸着法、メッキ法などの成膜法によってグラファイトの表面に形成された金属膜を有する。しかしながら、グラファイトの表面の元素と金属膜の元素との間には、化学的な結合が十分になされていないため、接合界面に接するグラファイト面が崩れ易い。また、金属膜を形成するために、メッキ法などの成膜法による成膜工程が必要なため、異方性熱伝導素子の製造が煩雑である。また、成膜工程において、グラファイトの表面に対してチタン層、ニッケル層（又は銅層）、金層を順次形成する必要があるため、金属膜を形成する成膜工程が極めて煩雑である。また、グラファイトと金属膜との接合界面における熱抵抗が大きいため、グラファイトから上記金属膜への熱伝導の効率が極めて悪い。また、上記異方性熱伝導素子は、グラファイトの表面にセラミックス層を形成する場合は、グラファイトの表面とセラミックス層との接着性を高めるために、プラズマ法やレーザー法によってグラファイトの表面を活性化処理した後に、セラミックスをグラファイトの表面に容射させている。しかしながら、プラズマ法及びレーザー法は、いずれも、プラズマ照射装置又はレーザー照射装置を必要とし、これらの照射工程の後に接合工程を行い、場合によっては加熱工程を伴う。そのため、接着性が高まるとはいえども、セラミックス層を形成する工程が極めて煩雑である。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱源の熱を効率よく伝導し、且つ、グラフェンシートが積層された構造体と異種部材との接合部分の強度を高めると共に当該接合部分の熱抵抗を低減させ、しかも、容易に製造することが可能な異方性熱伝導素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有する異方性熱伝導素子として構成されている。この異方性熱伝導素子は、上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材が少なくともチタンを含むインサート材を介して上記端面に加圧接合されてなるものである。
【０００８】
上記構造体の上記端面は、複数のグラフェンシートのエッジが第１方向に並ぶエッジ面であり、上記端面（エッジ面）に存在する原子は不飽和な状態であるため、他の物質と反応し易い活性状態にある。したがって、反応性の高い活性金属であるチタンを含むインサート材を上記端面に介在させることで、チタンと炭素とが積極的に反応し、チタンカーバイド（ＴｉＣ）などの金属化合物が形成される。また、中間部材が上記端面に加圧接合されるため、加圧によって構造体及び中間部材双方の原子のエネルギーが大きくなり、接合部分だけでなく、構造体及び中間部材の内部にまで原子拡散が誘発される。この原子拡散によって、接合部分における構造体及び中間部材それぞれとインサート材との反応が促進されて、インサート材を構成するチタンを含むチタンカーバイド（ＴｉＣ）などの金属化合物が構造体及び中間部材それぞれの内部にまで生成される。これにより、中間部材と構造体とがあたかも一体の物質の如く強固に接合される。また、インサート材には活性金属であるチタンが含まれているため、高温加圧下において溶融したインサート材が構造体に対して高い濡れ性を発揮する。これにより、上記端面からグラフェンシート間にチタンが浸透し、構造体側の原子拡散がより誘発され、中間部材と構造体との強固な接合が実現される。更にまた、構造体と中間部材との接合部分に上記金属化合物が中間層（合金層）として存在するため、構造体から中間部材への熱抵抗が小さくなり、効率のよく熱伝導が行われる。
【０００９】
なお、加圧接合の方法としては、例えば、インサート材を用いたろう接合（ろう付け）や、固相拡散接合、液相拡散接合を用いることができる。
【００１０】
(2) 上記インサート材の具体例として、銀、銅およびチタンから構成されており、銀の重量比率が銅及びチタンの重量比率よりも高いものが好ましい。
【００１１】
銀は、金属の中で最も熱伝導率が高い物質である。したがって、このようなインサート材を介在させて、銀よりも熱伝導率の大きい上記構造体と上記中間部材とを接合させることで、接合部分の中間層の広い範囲に銀化合物が生成される。これにより、構造体を伝わる熱が上記中間層においても効率良く伝達し、中間部材へ伝わる。
【００１２】
(3) 上記インサート材の別の具体例として、ニッケル、銅およびチタンから構成されており、チタンの重量比率がニッケル及び銅の重量比率よりも高いものが好ましい。
【００１３】
一般に、異種物質同士が接合された物体は、高温環境に置かれると、各物質の熱膨張率の差に起因して、接合部分にクラックが生じる。本発明の異方性熱伝導素子においても、構造体と中間部材との熱膨張率は異なるが、極めて濡れ性の高いチタンをより多く含むインサート材を用いることにより、構造体及び中間部材の内部にチタン化合物が広範囲に分布することになる。このチタン化合物は、構造体及び中間部材の内部側へ進むにつれて徐々に分布率が低下する。そのため、構造体から中間部材に至る部分の熱膨張率の変化が緩やかとなり、本発明の異方性熱伝導素子が高温環境に置かれたとしても、接合部分にクラックが生じることがない。
【００１４】
(4) 上記構造体の具体例として、上記第２方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、当該構造体の上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されたものが好ましい。
【００１５】
このように構造体が構成されていれば、例えば、第２方向の一方面に熱源が取り付けられ、他方面にヒートシンクなどの放熱体が取り付けられている場合に、熱源からの熱が構造体を通って反対側の放熱体へ素早く効率的に伝導させることができる。また、中間部材が熱源や放熱体の取付座の役割を担うため、熱源や放熱体を構造体に直に取り付ける場合に比べて構造体の損傷を防止することができる。
【００１６】
(5) 上記構造体の別の具体例として、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されたものが好ましい。
【００１７】
このように構造体が構成されていれば、例えば、第１方向の端面に熱源が取り付けられ、第２方向の端面にヒートシンクなどの放熱体が取り付けられている場合に、熱源からの熱が熱源の取り付け面において放射状に素早く効率的に伝導させることができる。また、中間部材が放熱体の取付座の役割を担うため、放熱体を構造体に直に取り付ける場合に比べて構造体の損傷を防止することができる。
【００１８】
(6) 上記構造体の更に別の具体例として、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第１方向の一方の端面から他方の端面へ向けて形成された孔を有しており、上記中間部材が上記インサート材を介して上記孔の内面に接合されたものが好ましい。
【００１９】
上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成された構造体では、熱伝導率の異方性に起因して、第２方向への熱伝導性は極めて良いが、第１方向（厚み方向）への熱伝導性は極めて悪い。しかしながら、このような中間部材が上記孔の内面に接合されているため、中間部材に伝導された熱が、上記孔に露出された各グラフェンシートのエッジから第１方向に並ぶ各グラフェンシート層に伝導されて、各グラフェンシート層を第２方向へ素早く効率的に伝導することになる。
【００２０】
(7) 上記中間部材は、金属またはセラミックスで構成されたものが好ましい。
【００２１】
上記中間部材が金属からなるものである場合は、中間部材に熱源や放熱体をはんだ付けし易くなる。また、中間部材がセラミックスからなるものである場合は、熱源や放熱体と構造体とを電気的に絶縁することができる。
【００２２】
(8) 上記構造体は、高配向性熱分解グラファイトであることが好ましい。
【００２３】
このような高配向性熱分解グラファイトとして、例えば、米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ ＨＴ」を用いることが可能である。同商品は、第１方向の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍｋ以上であるため、効率的な熱移動が可能である。
【００２４】
(9) 本発明は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有する異方性熱伝導素子の製造方法と捉えることができる。この製造方法は、上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材と上記端面との間に少なくともチタンを含むインサート材を介在させた状態で上記中間部材を上記端面に加圧接合する工程を含む。
【００２５】
これにより、少ない工程で上記構造体と異種部材とを接合することが可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の異方性熱伝導素子によれば、熱源の熱を効率よく伝導することが可能であり、しかも、グラフェンシートが積層された構造体と異種部材との接合部分の強度を高めることが可能である。また、上記接合部分の熱抵抗を低減することが可能である。また、本発明の異方性熱伝導素子の製造方法によれば、少ない工程で上記構造体と異種部材とを接合することが可能であり、異方性熱伝導素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るグラファイト複合体１１の構成及び使用例を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、グラファイト複合体１１の分解斜視図である。
【図３】図３は、グラファイト複合体１１の部分断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係るグラファイト複合体１２の構成を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）には外観斜視図が示されており、（Ｂ）には切断線IVB-IVBの断面図が示されており、（Ｃ）にはグラファイト複合体１２の変形例の断面図が示されている。
【図５】図５は、グラファイト複合体１２の側面図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係るグラファイト複合体１３の構成を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）には外観斜視図が示されており、（Ｂ）には切断線VIB-VIBの断面図が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、図１〜図３を参照して本発明の第１実施形態に係るグラファイト複合体１１（本発明の異方性熱伝導素子の一例）について説明する。
【００２９】
図１に示されるように、グラファイト複合体１１は、グラファイト構造体２０（本発明の構造体の一例、以下「構造体」と略称する）と、構造体２０を挟むように設けられた２枚の銅板２４，２５（本発明の中間部材の一例）とを備える。
【００３０】
構造体２０は、六員環が共有結合して形成されたグラフェンシート２１が一方向に沿って複数積層された結晶構造を有している。構造体２０の各グラフェンシート２１の層間は、ファンデルワールス力で結合されているため、グラフェンシート２１は、層状に剥がれ易い性質を有している。本実施形態の構造体２０は、グラフェンシート２１が積み重ねられた積層方向、つまりＸ方向（本発明の第１方向に相当）と交差するＹ方向（本発明の第２方向に相当）の厚みが薄いプレート状に形成されており、詳細には、厚みが３．５ｍｍ〜４．０ｍｍに形成されている。また、構造体２０は、平面視で矩形状に形成されており、例えば、一辺が３０ｍｍの正方形状に形成されている。なお、グラフェンシート２１の実際の厚みは炭素原子１個分であるが、説明の便宜上、各図は実際の厚み以上に表されたグラフェンシート２１が示されている。
【００３１】
構造体２０としては、一般的なグラファイトよりも高い熱伝導性を有する高配向性熱分解グラファイトが採用されている。具体的には、米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ ＨＴ」が用いられている。構造体２０は、Ｘ方向の熱伝導率よりもＹ−Ｚ平面に沿う方向の熱伝導率が極めて高く、詳細には、Ｙ−Ｚ平面に沿う方向の熱伝導率は１５００Ｗ／ｍｋ以上であり、Ｘ方向の熱伝導率は５〜１０Ｗ／ｍｋである。
【００３２】
銅板２４，２５は、箔状又はプレート状に形成されており、図２に示されるように、構造体２０におけるＹ方向の両方の端面３１，３２（本発明の端面に相当）に接合されている。構造体２０の端面３１，３２は、複数のグラフェンシート２１のエッジが幾層にも重ね合わされた状態となっており、一般にエッジ面と称されている。これらの端面３１，３２の原子結合は不飽和な状態となっているため、他の物質と反応し易い活性状態となっている。これらの端面３１，３２に、後述するインサート材３５を介して銅板２４，２５が接合される。なお、本実施形態では、銅板２４は０．３ｍｍの厚みを有しており、図２において上側の端面３１に接合されている。また、銅板２５は０．３ｍｍの厚みを有しており、図２において下側の端面３２に接合されている。
【００３３】
図１に示されるように、グラファイト複合体１１は、銅板２４の中央にＣＰＵなどの発熱体２８が取り付けられ、銅板２５にヒートシンクなどの放熱体２９が取り付けられることにより、熱伝導素子として使用される。銅板２４，２５が構造体２０に接合されているため、グラファイト複合体１１の強度が増すだけでなく、銅板２４，２５に発熱体２８や放熱体２９を半田付けによって容易に取り付けることができる。
【００３４】
構造体２０に対する銅板２４，２５の接合は、構造体２０及び銅板２４，２５それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで行われる。具体的には、図３に示されるように、構造体２０の端面３１と銅板２４との間にインサート材３５が挿入され、構造体２０の端面３２と銅板２５との間にインサート材３５が挿入され、銅板２４及び銅板２５それぞれの外側からグラファイトで形成された保持部材３８でこれらを所定の圧力で挟み込むようにして保持する。そして、各部材が保持された状態でこれらが炉内で加熱されることにより、構造体２０の端面３１，３２に銅板２４，２５が接合される。
【００３５】
インサート材３５としては、銀、銅およびチタンから構成された板状のもの（以下「銀系インサート」と称する）や、ニッケル、銅およびチタンから構成された板状のもの（以下「チタン系インサート」と称する）などが用いられる。銀系インサートは、銀の重量比率が銅及びチタンの重量比率よりも高いものが好ましく、また、チタン系インサートは、チタンの重量比率がニッケル及び銅の重量比率よりも高いものが好ましい。いずれのインサート材３５であっても、活性金属であるチタンが含まれているため、接合面に対する濡れ性が極めて高い。なお、インサート材３５に代えて、スラリー状のインサート材を用いることも可能である。
【００３６】
本実施形態では、インサート材３５として厚みが０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍの銀系インサートを用いる場合は、保持部材３８によって上記各部材が１０００ｋｇ／ｍ２〜５０００ｋｇ／ｍ２の加重を加えられた状態で、１０−３Ｐａの真空環境、及び、摂氏８３５℃の温度環境のもとで、３０分から１時間加熱される。また、インサート材３５として厚みが０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍのチタン系インサートを用いる場合は、保持部材３８によって上記各部材が１０００ｋｇ／ｍ２〜５０００ｋｇ／ｍ２の加重を加えられた状態で、１０−３Ｐａの真空環境、及び、摂氏９８０℃の温度環境のもとで、１分から１５分加熱される。
【００３７】
上述したように、構造体２０の端面３１，３２は活性状態となっている。そのため、このような加圧加熱工程において、反応性の高い活性金属であるチタンを含むインサート材３５を介在させることで、構造体２０、インサート材３５、及び銅板２４，２５のそれぞれの接合部分の原子拡散が誘発される。これにより、チタンと炭素とが積極的に反応し、端面３１，３２と銅板２４，２５との接合部分にチタンカーバイド（ＴｉＣ）などのチタン化合物が生成される。もちろん、チタン化合物だけでなく、インサート材３５を構成する銅や銀を含む金属化合物も生成される。また、加圧加熱によって構造体２０及び銅板２４，２５双方の原子のエネルギーが大きくなり、接合部分だけでなく、構造体２０及び銅板２４，２５の内部にまで原子拡散が誘発される。この原子拡散によって、構造体２０及び銅板２４，２５の内部におけるインサート材３５との反応が促進されて、上記金属化合物、特に、高い濡れ性を有するチタンを含むチタンカーバイド（ＴｉＣ）が構造体２０及び銅板２４，２５それぞれの内部にまで生成される。これにより、構造体２０と銅板２４，２５とがあたかも一体の物質のような強い結合構造となる。その結果、銅板２４，２５と構造体２０との接合界面が存在しなくなり、銅板２４，２５と構造体２０とが強固に接合される。また、構造体２０と銅板２４，２５との接合部分にチタンカーバイドなどの金属化合物が中間層（合金層）として存在するため、構造体２０から銅板２４，２５への熱抵抗が小さくなり、効率のより熱伝導が実現する。
【００３８】
なお、銅板２４，２５に代えて、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミなどのセラミックスで構成された厚みが０．５ｍｍのセラミックス板を用いることもできる。また、銅板２４，２５に代えてステンレスで構成された厚み０．２ｍｍのＳＵＳ板を用いることもできる。いずれに場合も、インサート材３５を介在させた状態で上述の加圧加熱工程を経ることにより構造体２０に接合される。なお、このような接合方法は、一般に、ろう接合（ろう付け）、或いは、固相拡散接合、又は液相拡散接合と称されている。要するに、インサート材３５を用いて接合部分を原子拡散させることにより接合する方法であれば、如何なる接合方法であっても適用可能である。
【００３９】
銅板２４，２５が接合されたグラファイト複合体１１は、主として、パワーデバイス、レーザー発信器、通信モジュールなどの発熱素子を放熱する用途として利用される。一方、セラミックス板が接合されたグラファイト複合体１１は、発熱体２８と絶縁した状態で構造体２０に熱を伝導させる必要がある場合に利用されたり、パワーデバイスなどの絶縁化やペルチェなどの熱電変換モジュールなどに利用される。また、ＳＵＳ板が接合されたグラファイト複合体１１は、ＳＵＳの高い安定性を活かして、半導体製造装置用のヒーターや各種熱交換などに好ましく利用される。
【００４０】
このようにグラファイト複合体１１が構成されているため、グラファイト複合体１１のＹ−Ｚ方向において、概ね５００Ｗ／ｍｋ〜１０００Ｗ／ｍｋの熱伝導率、Ｙ−Ｚ方向の厚みによっては１０００Ｗ／ｍｋを越える熱伝導率を実現することが可能となる。これにより、図１に示されるように、発熱体２８の熱が構造体２０の内部を矢印２６の方向へ素早く移動して放熱体２９に効率的に伝導される。また、活性金属であるチタンを含むインサート材３５を用いて銅板２４，２５が構造体２０に加圧接合されることにより、接合部分の原子拡散が誘発されて、インサート材３５を構成する元素（チタン、銅、ニッケル、銀等）やこれらの元素を含む化合物が構造体２０および銅板２４，２５側に生成され、接合部分にチタンカーバイドなどの中間層（合金層）が形成される。これにより、銅板２４，２５と構造体２０とが強固に接合される。また、インサート材３５に含まれるチタンは活性金属であり、接合面に対する濡れ性が強いため、接合工程においてインサート材３５が接合面に均一に行きわたり、接合部分の原子拡散が均一に誘発され得る。また、少ない工程で構造体２０と銅板２４，２５とを接合することができるので、グラファイト複合体１１を容易に製造することができる。
【００４１】
なお、インサート材３５としての銀系インサート材とチタン系インサート材は、グラファイト複合体１１の用途に応じて使い分けることが好ましい。例えば、銀系インサート材は、フラファイト複合体１１の熱伝導率を重視する場合に用いられる。銀は、金属の中で最も熱伝導率が高い物質であるため、銀系インサート材を介在させて、銀よりも熱伝導率の大きい構造体２０と銅板２４，２５とを接合させることで、接合部分の中間層（合金層）の広い範囲にチタン化合物だけでなく銀化合物が生成される。これにより、構造体２０を伝わる熱が中間層においても効率良く伝達し、銅板２４，２５へ伝わる。なお、この用途に用いる銀系インサート材の一実施例として、少なくとも重量比率で１〜１０％のチタンを含むものが好適である。
【００４２】
一方、チタン系インサート材は、グラファイト複合体１１の耐熱製を重視する場合に用いられる。つまり、極めて濡れ性の高いチタンをより多く含むチタン系インサート材を用いることにより、構造体２０及び銅板２４，２５の内部にチタンカーバイドが広範囲に分布することになる。このチタンカーバイドは、構造体２０及び銅板２４，２５の内部側へ進むにつれて徐々に分布率が低下する。そのため、構造体２０から銅板２４，２５に至る部分の熱膨張率の変化が緩やかとなる。これにより、グラファイト複合体１１が高温環境に置かれたとしても、熱膨張率の差に起因するクラックが接合部分に生じなくなり、高い耐熱性を実現できる。なお、この用途に用いるチタン系インサート材の一実施例として、少なくとも重量比率で６０〜８０％のチタンを含むものが好適である。
【００４３】
（第２実施形態）
以下、図４及び図５を参照して本発明の第２実施形態に係るグラファイト複合体１２（本発明の異方性熱伝導素子の一例）について説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、第１実施形態で示した符号と同じ番号を付し示すことによりその説明を省略する。
【００４４】
図４に示されるように、グラファイト複合体１２は、グラファイト構造体４０（本発明の構造体の一例、以下「構造体４０」と略称する）と、構造体４０を挟むように設けられた４つの銅板４６（本発明の中間部材の一例）とを備える。
【００４５】
構造体４０は、第１実施形態の構造体２０と同様に構成されているが、グラフェンシート２１が積み重ねられた積層方向、つまりＸ方向の厚みが薄いプレート状に形成されている点が異なる。つまり、構造体２０はＸ−Ｚ平面に沿って平坦に形成されていたが、構造体４０は、Ｙ−Ｚ平面に沿って平坦に形成されている。
【００４６】
銅板４６は、箔状又はプレート状に形成されており、図４に示されるように、構造体４０において、Ｘ方向と交差するＹ方向（本発明の第２方向に相当）の両方の端面、及びＸ方向と交差するＺ方向（本発明の第２方向の一例）の両方の端面に接合されている。つまり、４つの銅板４６が構造体４０のＹ−Ｚ平面の外周部に接合されている。銅板４６は０．３ｍｍの厚みを有しており、図４において構造体４０のＹ−Ｚ平面の外周部を被覆するように接合されている。銅板４６は、第１実施形態の接合方法と同様にして、インサート材３５を用いて接合されるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４７】
本実施形態では、図５に示されるように、構造体４０のＸ方向の一方面（図５において上側の面）に発熱体２８が取り付けられ、銅板４６に放熱体２９が取り付けられることにより、熱伝導素子として使用される。
【００４８】
このようにグラファイト複合体１２が構成されているため、グラファイト複合体１２のＹ−Ｚ平面に沿って放射方向へ概ね５００Ｗ／ｍｋ〜１０００Ｗ／ｍｋの熱伝導率、Ｙ−Ｚ方向の厚みによっては１０００Ｗ／ｍｋを越える熱伝導率を実現することが可能となる。これにより、図５に示されるように、発熱体２８の熱が構造体４０の内部を矢印４３の方向へ素早く移動して、銅板４６に取り付けられた放熱体２９に効率的に伝導される。
【００４９】
なお、図４（Ｃ）に示されるように、発熱体２８が取り付けられる構造体４０の取り付け面に銅板４７を接合する構成を採用してもよい。この場合、グラファイト複合体１２の強度が増すだけでなく、銅板４７に発熱体２８を半田付けによって容易に取り付けることができる。
【００５０】
（第３実施形態）
以下、図６を参照して本発明の第３実施形態に係るグラファイト複合体１３（本発明の異方性熱伝導素子の一例）について説明する。なお、第２実施形態と同じ構成については、第２実施形態で示した符号と同じ番号を付し示すことによりその説明を省略する。
【００５１】
図６に示されるように、本実施形態のグラファイト複合体１３は、構造体４０のＹ−Ｚ平面の中央付近に２つの銅柱４９（本発明の中間部材の一例）が設けられている。グラファイト複合体１３は、銅柱４９が設けられている点を除けば、上述の第２実施形態と同様に構成されている。
【００５２】
銅柱４９は、銅板４６と同じ材質、つまり銅で形成された柱状部材である。この銅柱４９は、構造体４０をＸ方向の一方側の端面（図６において上側の面）から他方側の端面（図６において下側の面）に貫くように設けられている。この銅柱４９は、以下のようにして設けられる。つまり、構造体４０にＸ方向の貫通孔４８（図６（Ｂ）参照）が形成され、その貫通孔４８の内周面に上述のインサート材３５を介在させたうえで、貫通孔４８に銅柱４９を挿入する。そして、銅柱４９と貫通孔４８の内周面との間にインサート材３５を介在させた状態で、上述の第１実施形態と同様にして加圧加熱工程により銅柱４９と構造体４０とを接合させる。銅柱４９は、発熱体２８の熱を構造体４０の内部に伝導可能なように、発熱体２８が取り付けられる取り付け部（図６（Ａ）において波線で囲まれた部分）に配置されている。なお、銅柱４９は２つに限られず、１つでも、３つ以上でもかまわない。
【００５３】
このような銅柱４９が設けられているため、グラファイト複合体１３では、発熱体２８から銅柱４９に伝導された熱がＸ方向に並ぶ複数のグラフェンシート２１それぞれに伝導される。このため、構造体４０の内部全域を効率良く熱が伝導してＹ−Ｚ平面に沿って放射方向へ効率的に伝導することになる。
【００５４】
なお、この第３実施形態では、銅板４６と銅柱４９が構造体４０に接合されたグラファイト複合体１３について例示したが、グラファイト複合体１３は、銅柱４９だけが構造体４０に接合されており銅板４６が接合されていない構成であってもよい。
【００５５】
上述した各実施形態は、本発明の異方性熱伝導素子が具体化された単なる一例である。したがって、本発明は、その要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上述の各実施形態では、銅で構成された銅板２４，２５，４６，４７を例示して説明したが、上記銅板に代えて、銀や金、チタン等の金属からなる板部材を利用することも可能である。
【００５６】
１１，１２，１３・・・グラファイト複合体
２０・・・グラファイト構造体
２１・・・グラフェンシート
２４，２５・・・銅板
２６・・・矢印
２８・・・発熱体
２９・・・放熱体
３１，３２・・・端面
３５・・・インサート材
３８・・・保持部材
４０・・・グラファイト構造体
４３・・・矢印
４６，４７・・・銅板
４９・・・銅柱
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導率が方向によって異なる構造体を有する異方性熱伝導素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器や電子デバイスから発生する熱を効果的に移動させて放熱する素子として、グラフェンシートが積層された構造を有するグラファイトを利用したものが知られている。例えば、特許文献１には、グラファイトの一部に金属が埋め込まれ、熱源から熱を受ける受熱部が上記金属に接触するように構成された熱伝導体が開示されている。また、特許文献２には、熱源との接触面と交差する面に沿ってグラフェンシートが積層されたグラファイトの周部を被覆するように支持部材が設けられ、効率的な熱伝導を実現しつつ、素子の強度を高めることが可能な異方性熱伝導素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８２８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の従来の熱伝導体は、グラファイトに形成された孔にグラファイトよりも融点の低い溶融金属（例えばアルミニウム）が流し込まれて冷却されることにより、グラファイトの一部に金属が埋め込まれた構造を有する。しかしながら、グラファイトは、一般に組成が脆く崩れ安い性質を有しているため、特許文献１の熱伝導体では、金属との接触部分が崩れ易く、熱伝導体としての寿命が短いという問題がある。また、グラファイトと金属との接合面は、互いの元素が混ざり合い難い界面（以下「接合界面」という。）であるため、上記熱伝導体は、上記接合界面における熱抵抗が大きい。そのため、グラファイトから上記金属への熱伝導の効率が極めて悪い。
【０００５】
特許文献２に記載の従来の異方性熱伝導素子は、スパッタ法や蒸着法、メッキ法などの成膜法によってグラファイトの表面に形成された金属膜を有する。しかしながら、グラファイトの表面の元素と金属膜の元素との間には、化学的な結合が十分になされていないため、接合界面に接するグラファイト面が崩れ易い。また、金属膜を形成するために、メッキ法などの成膜法による成膜工程が必要なため、異方性熱伝導素子の製造が煩雑である。また、成膜工程において、グラファイトの表面に対してチタン層、ニッケル層（又は銅層）、金層を順次形成する必要があるため、金属膜を形成する成膜工程が極めて煩雑である。また、グラファイトと金属膜との接合界面における熱抵抗が大きいため、グラファイトから上記金属膜への熱伝導の効率が極めて悪い。また、上記異方性熱伝導素子は、グラファイトの表面にセラミックス層を形成する場合は、グラファイトの表面とセラミックス層との接着性を高めるために、プラズマ法やレーザー法によってグラファイトの表面を活性化処理した後に、セラミックスをグラファイトの表面に容射させている。しかしながら、プラズマ法及びレーザー法は、いずれも、プラズマ照射装置又はレーザー照射装置を必要とし、これらの照射工程の後に接合工程を行い、場合によっては加熱工程を伴う。そのため、接着性が高まるとはいえども、セラミックス層を形成する工程が極めて煩雑である。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱源の熱を効率よく伝導し、且つ、グラフェンシートが積層された構造体と異種部材との接合部分の強度を高めると共に当該接合部分の熱抵抗を低減させ、しかも、容易に製造することが可能な異方性熱伝導素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有する異方性熱伝導素子として構成されている。この異方性熱伝導素子は、上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材が少なくともチタンを含むインサート材を介して上記端面に加圧接合されてなるものである。
【０００８】
上記構造体の上記端面は、複数のグラフェンシートのエッジが第１方向に並ぶエッジ面であり、上記端面（エッジ面）に存在する原子は不飽和な状態であるため、他の物質と反応し易い活性状態にある。したがって、反応性の高い活性金属であるチタンを含むインサート材を上記端面に介在させることで、チタンと炭素とが積極的に反応し、チタンカーバイド（ＴｉＣ）などの金属化合物が形成される。また、中間部材が上記端面に加圧接合されるため、加圧によって構造体及び中間部材双方の原子のエネルギーが大きくなり、接合部分だけでなく、構造体及び中間部材の内部にまで原子拡散が誘発される。この原子拡散によって、接合部分における構造体及び中間部材それぞれとインサート材との反応が促進されて、インサート材を構成するチタンを含むチタンカーバイド（ＴｉＣ）などの金属化合物が構造体及び中間部材それぞれの内部にまで生成される。これにより、中間部材と構造体とがあたかも一体の物質の如く強固に接合される。また、インサート材には活性金属であるチタンが含まれているため、高温加圧下において溶融したインサート材が構造体に対して高い濡れ性を発揮する。これにより、上記端面からグラフェンシート間にチタンが浸透し、構造体側の原子拡散がより誘発され、中間部材と構造体との強固な接合が実現される。更にまた、構造体と中間部材との接合部分に上記金属化合物が中間層（合金層）として存在するため、構造体から中間部材への熱抵抗が小さくなり、効率のよく熱伝導が行われる。
【０００９】
なお、加圧接合の方法としては、例えば、インサート材を用いたろう接合（ろう付け）や、固相拡散接合、液相拡散接合を用いることができる。
【００１０】
(2) 上記インサート材の具体例として、銀、銅およびチタンから構成されており、銀の重量比率が銅及びチタンの重量比率よりも高いものが好ましい。
【００１１】
銀は、金属の中で最も熱伝導率が高い物質である。したがって、このようなインサート材を介在させて、銀よりも熱伝導率の大きい上記構造体と上記中間部材とを接合させることで、接合部分の中間層の広い範囲に銀化合物が生成される。これにより、構造体を伝わる熱が上記中間層においても効率良く伝達し、中間部材へ伝わる。
【００１２】
(3) 上記インサート材の別の具体例として、ニッケル、銅およびチタンから構成されており、チタンの重量比率がニッケル及び銅の重量比率よりも高いものが好ましい。
【００１３】
一般に、異種物質同士が接合された物体は、高温環境に置かれると、各物質の熱膨張率の差に起因して、接合部分にクラックが生じる。本発明の異方性熱伝導素子においても、構造体と中間部材との熱膨張率は異なるが、極めて濡れ性の高いチタンをより多く含むインサート材を用いることにより、構造体及び中間部材の内部にチタン化合物が広範囲に分布することになる。このチタン化合物は、構造体及び中間部材の内部側へ進むにつれて徐々に分布率が低下する。そのため、構造体から中間部材に至る部分の熱膨張率の変化が緩やかとなり、本発明の異方性熱伝導素子が高温環境に置かれたとしても、接合部分にクラックが生じることがない。
【００１４】
(4) 上記構造体の具体例として、上記第２方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、当該構造体の上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されたものが好ましい。
【００１５】
このように構造体が構成されていれば、例えば、第２方向の一方面に熱源が取り付けられ、他方面にヒートシンクなどの放熱体が取り付けられている場合に、熱源からの熱が構造体を通って反対側の放熱体へ素早く効率的に伝導させることができる。また、中間部材が熱源や放熱体の取付座の役割を担うため、熱源や放熱体を構造体に直に取り付ける場合に比べて構造体の損傷を防止することができる。
【００１６】
(5) 上記構造体の別の具体例として、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されたものが好ましい。
【００１７】
このように構造体が構成されていれば、例えば、第１方向の端面に熱源が取り付けられ、第２方向の端面にヒートシンクなどの放熱体が取り付けられている場合に、熱源からの熱が熱源の取り付け面において放射状に素早く効率的に伝導させることができる。また、中間部材が放熱体の取付座の役割を担うため、放熱体を構造体に直に取り付ける場合に比べて構造体の損傷を防止することができる。
【００１８】
(6) 上記構造体の更に別の具体例として、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第１方向の一方の端面から他方の端面へ向けて形成された孔を有しており、上記中間部材が上記インサート材を介して上記孔の内面に接合されたものが好ましい。
【００１９】
上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成された構造体では、熱伝導率の異方性に起因して、第２方向への熱伝導性は極めて良いが、第１方向（厚み方向）への熱伝導性は極めて悪い。しかしながら、このような中間部材が上記孔の内面に接合されているため、中間部材に伝導された熱が、上記孔に露出された各グラフェンシートのエッジから第１方向に並ぶ各グラフェンシート層に伝導されて、各グラフェンシート層を第２方向へ素早く効率的に伝導することになる。
【００２０】
(7) 上記中間部材は、金属またはセラミックスで構成されたものが好ましい。
【００２１】
上記中間部材が金属からなるものである場合は、中間部材に熱源や放熱体をはんだ付けし易くなる。また、中間部材がセラミックスからなるものである場合は、熱源や放熱体と構造体とを電気的に絶縁することができる。
【００２２】
(8) 上記構造体は、高配向性熱分解グラファイトであることが好ましい。
【００２３】
このような高配向性熱分解グラファイトとして、例えば、米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ ＨＴ」を用いることが可能である。同商品は、第１方向の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍｋ以上であるため、効率的な熱移動が可能である。
【００２４】
(9) 本発明は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有する異方性熱伝導素子の製造方法と捉えることができる。この製造方法は、上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材と上記端面との間に少なくともチタンを含むインサート材を介在させた状態で上記中間部材を上記端面に加圧接合する工程を含む。
【００２５】
これにより、少ない工程で上記構造体と異種部材とを接合することが可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の異方性熱伝導素子によれば、熱源の熱を効率よく伝導することが可能であり、しかも、グラフェンシートが積層された構造体と異種部材との接合部分の強度を高めることが可能である。また、上記接合部分の熱抵抗を低減することが可能である。また、本発明の異方性熱伝導素子の製造方法によれば、少ない工程で上記構造体と異種部材とを接合することが可能であり、異方性熱伝導素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るグラファイト複合体１１の構成及び使用例を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、グラファイト複合体１１の分解斜視図である。
【図３】図３は、グラファイト複合体１１の部分断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係るグラファイト複合体１２の構成を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）には外観斜視図が示されており、（Ｂ）には切断線IVB-IVBの断面図が示されており、（Ｃ）にはグラファイト複合体１２の変形例の断面図が示されている。
【図５】図５は、グラファイト複合体１２の側面図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係るグラファイト複合体１３の構成を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）には外観斜視図が示されており、（Ｂ）には切断線VIB-VIBの断面図が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１実施形態）
以下、図１〜図３を参照して本発明の第１実施形態に係るグラファイト複合体１１（本発明の異方性熱伝導素子の一例）について説明する。
【００２９】
図１に示されるように、グラファイト複合体１１は、グラファイト構造体２０（本発明の構造体の一例、以下「構造体」と略称する）と、構造体２０を挟むように設けられた２枚の銅板２４，２５（本発明の中間部材の一例）とを備える。
【００３０】
構造体２０は、六員環が共有結合して形成されたグラフェンシート２１が一方向に沿って複数積層された結晶構造を有している。構造体２０の各グラフェンシート２１の層間は、ファンデルワールス力で結合されているため、グラフェンシート２１は、層状に剥がれ易い性質を有している。本実施形態の構造体２０は、グラフェンシート２１が積み重ねられた積層方向、つまりＸ方向（本発明の第１方向に相当）と交差するＹ方向（本発明の第２方向に相当）の厚みが薄いプレート状に形成されており、詳細には、厚みが３．５ｍｍ〜４．０ｍｍに形成されている。また、構造体２０は、平面視で矩形状に形成されており、例えば、一辺が３０ｍｍの正方形状に形成されている。なお、グラフェンシート２１の実際の厚みは炭素原子１個分であるが、説明の便宜上、各図は実際の厚み以上に表されたグラフェンシート２１が示されている。
【００３１】
構造体２０としては、一般的なグラファイトよりも高い熱伝導性を有する高配向性熱分解グラファイトが採用されている。具体的には、米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ ＨＴ」が用いられている。構造体２０は、Ｘ方向の熱伝導率よりもＹ−Ｚ平面に沿う方向の熱伝導率が極めて高く、詳細には、Ｙ−Ｚ平面に沿う方向の熱伝導率は１５００Ｗ／ｍｋ以上であり、Ｘ方向の熱伝導率は５〜１０Ｗ／ｍｋである。
【００３２】
銅板２４，２５は、箔状又はプレート状に形成されており、図２に示されるように、構造体２０におけるＹ方向の両方の端面３１，３２（本発明の端面に相当）に接合されている。構造体２０の端面３１，３２は、複数のグラフェンシート２１のエッジが幾層にも重ね合わされた状態となっており、一般にエッジ面と称されている。これらの端面３１，３２の原子結合は不飽和な状態となっているため、他の物質と反応し易い活性状態となっている。これらの端面３１，３２に、後述するインサート材３５を介して銅板２４，２５が接合される。なお、本実施形態では、銅板２４は０．３ｍｍの厚みを有しており、図２において上側の端面３１に接合されている。また、銅板２５は０．３ｍｍの厚みを有しており、図２において下側の端面３２に接合されている。
【００３３】
図１に示されるように、グラファイト複合体１１は、銅板２４の中央にＣＰＵなどの発熱体２８が取り付けられ、銅板２５にヒートシンクなどの放熱体２９が取り付けられることにより、熱伝導素子として使用される。銅板２４，２５が構造体２０に接合されているため、グラファイト複合体１１の強度が増すだけでなく、銅板２４，２５に発熱体２８や放熱体２９を半田付けによって容易に取り付けることができる。
【００３４】
構造体２０に対する銅板２４，２５の接合は、構造体２０及び銅板２４，２５それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで行われる。具体的には、図３に示されるように、構造体２０の端面３１と銅板２４との間にインサート材３５が挿入され、構造体２０の端面３２と銅板２５との間にインサート材３５が挿入され、銅板２４及び銅板２５それぞれの外側からグラファイトで形成された保持部材３８でこれらを所定の圧力で挟み込むようにして保持する。そして、各部材が保持された状態でこれらが炉内で加熱されることにより、構造体２０の端面３１，３２に銅板２４，２５が接合される。
【００３５】
インサート材３５としては、銀、銅およびチタンから構成された板状のもの（以下「銀系インサート」と称する）や、ニッケル、銅およびチタンから構成された板状のもの（以下「チタン系インサート」と称する）などが用いられる。銀系インサートは、銀の重量比率が銅及びチタンの重量比率よりも高いものが好ましく、また、チタン系インサートは、チタンの重量比率がニッケル及び銅の重量比率よりも高いものが好ましい。いずれのインサート材３５であっても、活性金属であるチタンが含まれているため、接合面に対する濡れ性が極めて高い。なお、インサート材３５に代えて、スラリー状のインサート材を用いることも可能である。
【００３６】
本実施形態では、インサート材３５として厚みが０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍの銀系インサートを用いる場合は、保持部材３８によって上記各部材が１０００ｋｇ／ｍ２〜５０００ｋｇ／ｍ２の加重を加えられた状態で、１０−３Ｐａの真空環境、及び、摂氏８３５℃の温度環境のもとで、３０分から１時間加熱される。また、インサート材３５として厚みが０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍのチタン系インサートを用いる場合は、保持部材３８によって上記各部材が１０００ｋｇ／ｍ２〜５０００ｋｇ／ｍ２の加重を加えられた状態で、１０−３Ｐａの真空環境、及び、摂氏９８０℃の温度環境のもとで、１分から１５分加熱される。
【００３７】
上述したように、構造体２０の端面３１，３２は活性状態となっている。そのため、このような加圧加熱工程において、反応性の高い活性金属であるチタンを含むインサート材３５を介在させることで、構造体２０、インサート材３５、及び銅板２４，２５のそれぞれの接合部分の原子拡散が誘発される。これにより、チタンと炭素とが積極的に反応し、端面３１，３２と銅板２４，２５との接合部分にチタンカーバイド（ＴｉＣ）などのチタン化合物が生成される。もちろん、チタン化合物だけでなく、インサート材３５を構成する銅や銀を含む金属化合物も生成される。また、加圧加熱によって構造体２０及び銅板２４，２５双方の原子のエネルギーが大きくなり、接合部分だけでなく、構造体２０及び銅板２４，２５の内部にまで原子拡散が誘発される。この原子拡散によって、構造体２０及び銅板２４，２５の内部におけるインサート材３５との反応が促進されて、上記金属化合物、特に、高い濡れ性を有するチタンを含むチタンカーバイド（ＴｉＣ）が構造体２０及び銅板２４，２５それぞれの内部にまで生成される。これにより、構造体２０と銅板２４，２５とがあたかも一体の物質のような強い結合構造となる。その結果、銅板２４，２５と構造体２０との接合界面が存在しなくなり、銅板２４，２５と構造体２０とが強固に接合される。また、構造体２０と銅板２４，２５との接合部分にチタンカーバイドなどの金属化合物が中間層（合金層）として存在するため、構造体２０から銅板２４，２５への熱抵抗が小さくなり、効率のより熱伝導が実現する。
【００３８】
なお、銅板２４，２５に代えて、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミなどのセラミックスで構成された厚みが０．５ｍｍのセラミックス板を用いることもできる。また、銅板２４，２５に代えてステンレスで構成された厚み０．２ｍｍのＳＵＳ板を用いることもできる。いずれに場合も、インサート材３５を介在させた状態で上述の加圧加熱工程を経ることにより構造体２０に接合される。なお、このような接合方法は、一般に、ろう接合（ろう付け）、或いは、固相拡散接合、又は液相拡散接合と称されている。要するに、インサート材３５を用いて接合部分を原子拡散させることにより接合する方法であれば、如何なる接合方法であっても適用可能である。
【００３９】
銅板２４，２５が接合されたグラファイト複合体１１は、主として、パワーデバイス、レーザー発信器、通信モジュールなどの発熱素子を放熱する用途として利用される。一方、セラミックス板が接合されたグラファイト複合体１１は、発熱体２８と絶縁した状態で構造体２０に熱を伝導させる必要がある場合に利用されたり、パワーデバイスなどの絶縁化やペルチェなどの熱電変換モジュールなどに利用される。また、ＳＵＳ板が接合されたグラファイト複合体１１は、ＳＵＳの高い安定性を活かして、半導体製造装置用のヒーターや各種熱交換などに好ましく利用される。
【００４０】
このようにグラファイト複合体１１が構成されているため、グラファイト複合体１１のＹ−Ｚ方向において、概ね５００Ｗ／ｍｋ〜１０００Ｗ／ｍｋの熱伝導率、Ｙ−Ｚ方向の厚みによっては１０００Ｗ／ｍｋを越える熱伝導率を実現することが可能となる。これにより、図１に示されるように、発熱体２８の熱が構造体２０の内部を矢印２６の方向へ素早く移動して放熱体２９に効率的に伝導される。また、活性金属であるチタンを含むインサート材３５を用いて銅板２４，２５が構造体２０に加圧接合されることにより、接合部分の原子拡散が誘発されて、インサート材３５を構成する元素（チタン、銅、ニッケル、銀等）やこれらの元素を含む化合物が構造体２０および銅板２４，２５側に生成され、接合部分にチタンカーバイドなどの中間層（合金層）が形成される。これにより、銅板２４，２５と構造体２０とが強固に接合される。また、インサート材３５に含まれるチタンは活性金属であり、接合面に対する濡れ性が強いため、接合工程においてインサート材３５が接合面に均一に行きわたり、接合部分の原子拡散が均一に誘発され得る。また、少ない工程で構造体２０と銅板２４，２５とを接合することができるので、グラファイト複合体１１を容易に製造することができる。
【００４１】
なお、インサート材３５としての銀系インサート材とチタン系インサート材は、グラファイト複合体１１の用途に応じて使い分けることが好ましい。例えば、銀系インサート材は、フラファイト複合体１１の熱伝導率を重視する場合に用いられる。銀は、金属の中で最も熱伝導率が高い物質であるため、銀系インサート材を介在させて、銀よりも熱伝導率の大きい構造体２０と銅板２４，２５とを接合させることで、接合部分の中間層（合金層）の広い範囲にチタン化合物だけでなく銀化合物が生成される。これにより、構造体２０を伝わる熱が中間層においても効率良く伝達し、銅板２４，２５へ伝わる。なお、この用途に用いる銀系インサート材の一実施例として、少なくとも重量比率で１〜１０％のチタンを含むものが好適である。
【００４２】
一方、チタン系インサート材は、グラファイト複合体１１の耐熱製を重視する場合に用いられる。つまり、極めて濡れ性の高いチタンをより多く含むチタン系インサート材を用いることにより、構造体２０及び銅板２４，２５の内部にチタンカーバイドが広範囲に分布することになる。このチタンカーバイドは、構造体２０及び銅板２４，２５の内部側へ進むにつれて徐々に分布率が低下する。そのため、構造体２０から銅板２４，２５に至る部分の熱膨張率の変化が緩やかとなる。これにより、グラファイト複合体１１が高温環境に置かれたとしても、熱膨張率の差に起因するクラックが接合部分に生じなくなり、高い耐熱性を実現できる。なお、この用途に用いるチタン系インサート材の一実施例として、少なくとも重量比率で６０〜８０％のチタンを含むものが好適である。
【００４３】
（第２実施形態）
以下、図４及び図５を参照して本発明の第２実施形態に係るグラファイト複合体１２（本発明の異方性熱伝導素子の一例）について説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、第１実施形態で示した符号と同じ番号を付し示すことによりその説明を省略する。
【００４４】
図４に示されるように、グラファイト複合体１２は、グラファイト構造体４０（本発明の構造体の一例、以下「構造体４０」と略称する）と、構造体４０を挟むように設けられた４つの銅板４６（本発明の中間部材の一例）とを備える。
【００４５】
構造体４０は、第１実施形態の構造体２０と同様に構成されているが、グラフェンシート２１が積み重ねられた積層方向、つまりＸ方向の厚みが薄いプレート状に形成されている点が異なる。つまり、構造体２０はＸ−Ｚ平面に沿って平坦に形成されていたが、構造体４０は、Ｙ−Ｚ平面に沿って平坦に形成されている。
【００４６】
銅板４６は、箔状又はプレート状に形成されており、図４に示されるように、構造体４０において、Ｘ方向と交差するＹ方向（本発明の第２方向に相当）の両方の端面、及びＸ方向と交差するＺ方向（本発明の第２方向の一例）の両方の端面に接合されている。つまり、４つの銅板４６が構造体４０のＹ−Ｚ平面の外周部に接合されている。銅板４６は０．３ｍｍの厚みを有しており、図４において構造体４０のＹ−Ｚ平面の外周部を被覆するように接合されている。銅板４６は、第１実施形態の接合方法と同様にして、インサート材３５を用いて接合されるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００４７】
本実施形態では、図５に示されるように、構造体４０のＸ方向の一方面（図５において上側の面）に発熱体２８が取り付けられ、銅板４６に放熱体２９が取り付けられることにより、熱伝導素子として使用される。
【００４８】
このようにグラファイト複合体１２が構成されているため、グラファイト複合体１２のＹ−Ｚ平面に沿って放射方向へ概ね５００Ｗ／ｍｋ〜１０００Ｗ／ｍｋの熱伝導率、Ｙ−Ｚ方向の厚みによっては１０００Ｗ／ｍｋを越える熱伝導率を実現することが可能となる。これにより、図５に示されるように、発熱体２８の熱が構造体４０の内部を矢印４３の方向へ素早く移動して、銅板４６に取り付けられた放熱体２９に効率的に伝導される。
【００４９】
なお、図４（Ｃ）に示されるように、発熱体２８が取り付けられる構造体４０の取り付け面に銅板４７を接合する構成を採用してもよい。この場合、グラファイト複合体１２の強度が増すだけでなく、銅板４７に発熱体２８を半田付けによって容易に取り付けることができる。
【００５０】
（第３実施形態）
以下、図６を参照して本発明の第３実施形態に係るグラファイト複合体１３（本発明の異方性熱伝導素子の一例）について説明する。なお、第２実施形態と同じ構成については、第２実施形態で示した符号と同じ番号を付し示すことによりその説明を省略する。
【００５１】
図６に示されるように、本実施形態のグラファイト複合体１３は、構造体４０のＹ−Ｚ平面の中央付近に２つの銅柱４９（本発明の中間部材の一例）が設けられている。グラファイト複合体１３は、銅柱４９が設けられている点を除けば、上述の第２実施形態と同様に構成されている。
【００５２】
銅柱４９は、銅板４６と同じ材質、つまり銅で形成された柱状部材である。この銅柱４９は、構造体４０をＸ方向の一方側の端面（図６において上側の面）から他方側の端面（図６において下側の面）に貫くように設けられている。この銅柱４９は、以下のようにして設けられる。つまり、構造体４０にＸ方向の貫通孔４８（図６（Ｂ）参照）が形成され、その貫通孔４８の内周面に上述のインサート材３５を介在させたうえで、貫通孔４８に銅柱４９を挿入する。そして、銅柱４９と貫通孔４８の内周面との間にインサート材３５を介在させた状態で、上述の第１実施形態と同様にして加圧加熱工程により銅柱４９と構造体４０とを接合させる。銅柱４９は、発熱体２８の熱を構造体４０の内部に伝導可能なように、発熱体２８が取り付けられる取り付け部（図６（Ａ）において波線で囲まれた部分）に配置されている。なお、銅柱４９は２つに限られず、１つでも、３つ以上でもかまわない。
【００５３】
このような銅柱４９が設けられているため、グラファイト複合体１３では、発熱体２８から銅柱４９に伝導された熱がＸ方向に並ぶ複数のグラフェンシート２１それぞれに伝導される。このため、構造体４０の内部全域を効率良く熱が伝導してＹ−Ｚ平面に沿って放射方向へ効率的に伝導することになる。
【００５４】
なお、この第３実施形態では、銅板４６と銅柱４９が構造体４０に接合されたグラファイト複合体１３について例示したが、グラファイト複合体１３は、銅柱４９だけが構造体４０に接合されており銅板４６が接合されていない構成であってもよい。
【００５５】
上述した各実施形態は、本発明の異方性熱伝導素子が具体化された単なる一例である。したがって、本発明は、その要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上述の各実施形態では、銅で構成された銅板２４，２５，４６，４７を例示して説明したが、上記銅板に代えて、銀や金、チタン等の金属からなる板部材を利用することも可能である。
【００５６】
１１，１２，１３・・・グラファイト複合体
２０・・・グラファイト構造体
２１・・・グラフェンシート
２４，２５・・・銅板
２６・・・矢印
２８・・・発熱体
２９・・・放熱体
３１，３２・・・端面
３５・・・インサート材
３８・・・保持部材
４０・・・グラファイト構造体
４３・・・矢印
４６，４７・・・銅板
４９・・・銅柱
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有し、
上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材が少なくともチタンを含むインサート材を介して上記端面に加圧接合されてなる異方性熱伝導素子。
【請求項２】
上記インサート材は、銀、銅およびチタンから構成されており、銀の重量比率が銅及びチタンの重量比率よりも高い請求項１に記載の異方性熱伝導素子。
【請求項３】
上記インサート材は、ニッケル、銅およびチタンから構成されており、チタンの重量比率がニッケル及び銅の重量比率よりも高い請求項１に記載の異方性熱伝導素子。
【請求項４】
上記構造体は、上記第２方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、当該構造体の上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されている請求項１から３のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項５】
上記構造体は、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されている請求項１から３のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項６】
上記構造体は、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第１方向の一方の端面から他方の端面へ向けて形成された孔を有し、
上記中間部材は、上記インサート材を介して上記孔の内面に接合されている請求項１から３のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項７】
上記中間部材は、金属またはセラミックスで構成されている請求項１から６のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項８】
上記構造体は、高配向性熱分解グラファイトである請求項１から７のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項９】
第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有する異方性熱伝導素子の製造方法であって、
上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材と上記端面との間に少なくともチタンを含むインサート材を介在させた状態で上記中間部材を上記端面に加圧接合する工程を含む異方性熱伝導素子の製造方法。
【請求項１】
第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有し、
上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材が少なくともチタンを含むインサート材を介して上記端面に加圧接合されてなる異方性熱伝導素子。
【請求項２】
上記インサート材は、銀、銅およびチタンから構成されており、銀の重量比率が銅及びチタンの重量比率よりも高い請求項１に記載の異方性熱伝導素子。
【請求項３】
上記インサート材は、ニッケル、銅およびチタンから構成されており、チタンの重量比率がニッケル及び銅の重量比率よりも高い請求項１に記載の異方性熱伝導素子。
【請求項４】
上記構造体は、上記第２方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、当該構造体の上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されている請求項１から３のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項５】
上記構造体は、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第２方向の端面に箔状又はプレート状に形成された上記中間部材が接合されている請求項１から３のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項６】
上記構造体は、上記第１方向の厚みが薄いプレート状に形成されており、上記第１方向の一方の端面から他方の端面へ向けて形成された孔を有し、
上記中間部材は、上記インサート材を介して上記孔の内面に接合されている請求項１から３のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項７】
上記中間部材は、金属またはセラミックスで構成されている請求項１から６のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項８】
上記構造体は、高配向性熱分解グラファイトである請求項１から７のいずれかに記載の異方性熱伝導素子。
【請求項９】
第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された構造体と、上記第１方向と交差する第２方向における上記構造体の端面に接合される中間部材とを有する異方性熱伝導素子の製造方法であって、
上記構造体及び上記中間部材それぞれの融点よりも低い温度環境のもとで、上記中間部材と上記端面との間に少なくともチタンを含むインサート材を介在させた状態で上記中間部材を上記端面に加圧接合する工程を含む異方性熱伝導素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３８７３３（Ｐ２０１２−２３８７３３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７０１７（Ｐ２０１１−１０７０１７）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 日刊工業新聞，第２１０２０号、平成２２年１２月１日発行，発行者 株式会社日刊工業新聞社 日刊工業新聞，第２１１１５号、平成２３年４月１５日発行，発行者 株式会社日刊工業新聞社 日刊工業新聞，第２１１１９号、平成２３年４月２１日発行，発行者 株式会社日刊工業新聞社
【出願人】（５０９２０４２８６）株式会社サーモグラフィティクス (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 日刊工業新聞，第２１０２０号、平成２２年１２月１日発行，発行者 株式会社日刊工業新聞社 日刊工業新聞，第２１１１５号、平成２３年４月１５日発行，発行者 株式会社日刊工業新聞社 日刊工業新聞，第２１１１９号、平成２３年４月２１日発行，発行者 株式会社日刊工業新聞社
【出願人】（５０９２０４２８６）株式会社サーモグラフィティクス (2)
【Ｆターム（参考）】
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