CN103579140A - 散热元件及其制造方法 - Google Patents

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中泽昌夫
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Abstract

本发明提供一种将碳纳米管等碳材料在垂直方向取向的散热元件及其制造方法。本散热元件包括：基体、在与所述基体的规定的面的垂直方向上取向的碳材料、以及填充在所述碳材料的间隙中的镀层，所述碳材料的一部分从所述镀层的表面向与所述基体相反一侧突出。

Description

散热元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及散热元件及其制造方法。 
背景技术
由于用于中央处理器（CPU：Central Processing Unit）等的半导体元件在工作时产生高温，因此，将其热量迅速释放到外部对于发挥半导体元件的性能来说非常重要。 
因此，在现有技术中，通常做法是，在半导体元件上设置散热片或散热管等散热元件，以确保将半导体元件散发的热量有效地释放到外部的途径。另外，人们也在研究如何提高散热片或散热管等散热元件的散热性能（热辐射性）。例如，在散热片或散热管等散热元件的表面上形成由碳纳米管等碳材料分散而成的金属层，以试图提高散热元件的散热性能（热辐射性）。 
作为将碳纳米管等碳材料分散在金属层中的技术，例如可以列举以下的技术。作为第1种技术，是在比碳纳米管的纤维长度更细的孔中注入包含碳纳米管的镀敷溶液，将碳纳米管在接近垂直的方向上取向的技术（例如、参照专利文献1）。作为第2种技术，是在通过镀敷形成金属镀层时，沿电力线将碳纳米管在垂直方向取向的技术（例如，参照专利文献2）。 
现有技术文献 
专利文献 
专利文献1：特开2006-152372号公报 
专利文献2：特开2001-283716号公报 
可是，在上述第1种技术中，也许碳纳米管中的一部分在垂直方向上取向，但大量碳纳米管相对于形成在基板的抗蚀膜上的孔倾斜的方向取向。另外，在上述第2种技术中，由于镀敷的电力线能量不充分，即使在一定程度上能够提高在垂直方向取向的碳纳米管的比例，也有许多的碳纳米管倾斜地取向。这样，在现有已知技术中，难以将碳纳米管等碳材料完全在垂直方向取向。 
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种将碳纳米管等碳材料沿垂直方向取向的散热元件及其制造方法。 
本散热元件包括：基体；在与所述基体的规定的面相垂直的方向上取向的碳材料；填充在所述碳材料的间隙中的镀层。所述碳材料的一部分从所述镀层的表面向与所述基体相反的一侧突出。 
本散热元件的制造方法的一种实施方式包括：在基体的规定的面上通过化学气相成长法形成在与所述规定的面相垂直的方向上取向的碳材料的工序、以及填充所述碳材料的间隙，且使所述碳材料的一部分向与所述基体相反一侧突出地形成镀层的工序。 
本散热元件的制造方法的其它实施方式包括：在与基体的规定的面相垂直的方向施加磁场的工序；以及使用在形成镀层的材料中分散有碳材料的镀敷溶液，在所述磁场中，对所述规定的面上进行镀敷的工序。在所述进行镀敷的工序中，使得所述碳材料沿与所述规定的面相垂直的方向取向，并填充所述碳材料的间隙，且使得所述碳材料的一部分向与所述基体相反一侧突出地形成所述镀层。 
本发明可以提供一种使碳纳米管等碳材料沿垂直方向取向的散热元件及其制造方法。 
附图说明
图1是示例说明第1实施方式的散热元件的示意性剖视图。 
图2A、图2B是示例说明第1实施方式的散热元件的制造工序的示意图。 
图3A、图3B是示例说明第2实施方式的散热元件的制造工序的示意图。 
图4是示例说明热辐射性的确认结果的图。 
具体实施方式
下面，参照附图对实施本发明的实施方式进行说明。另外，在各图 中，对同一构成部分赋予相同符号，有时省略重复的说明。 
〈第1实施方式〉 
［第1实施方式的散热元件的构成］ 
首先，对第1实施方式的散热元件的构成进行说明。图1是示例说明第1实施方式的散热元件的示意性剖视图。参照图1，散热元件1具有基体10和含碳材料层20。 
基体10最好由热传导率良好的金属构成，具体地例如可以使用銅（Cu）、铝（Al）、铁（Fe）、或这些金属的合金等。但是，只要是热传导率良好的材料，基体10也可以由金属以外的材料形成。 
含碳材料层20是在基体10的面10a上形成的镀层22中含有碳纳米管21的层。镀层22填充在碳纳米管21的间隙中。镀层22的厚度T例如可以是50μm左右。碳纳米管21在与基体10的面10a相垂直的方向取向，碳纳米管21的一部分从镀层22的表面向与基体10相反一侧突出。 
另外，在本申请中，所谓垂直不仅包含碳纳米管21相对于基体10的面10a完全垂直的情况，在不影响本申请的效果的范围内，也包含相对于基体10的面10a大约垂直的情况。 
下面，有时将从碳纳米管21的镀层22的表面突出的部分称为碳纳米管21的突出部。碳纳米管21的突出部从镀层22的表面突出的突出量L例如可以是5～10μm左右。另外，突出量L可以因碳纳米管21不同而不同。碳纳米管21的突出部的平面观察时的投影面积可以是镀层22的表面的3%以上。 
另外，如突出量L小于5μm，则散热性能会下降，所以不是优选的。另外，如突出量L大于10μm大，则碳纳米管21容易被折弯或从镀层22中突出来，所以也不是优选的。 
碳纳米管21的直径例如可以是100～300nm左右。碳纳米管21的长度例如可以是55～60μm左右。例如，数万根左右的碳纳米管21林立在基体10的面10a上。另外，碳纳米管21只是本发明的线状材料的代表例之一。 
镀层22最好由热传导率良好且不易生锈的金属构成，具体地例如可以使用镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、金（Au）、银（Ag）、钯（Pd） 等。 
另外，作为碳纳米管21的代替物，也可以使用碳纳米纤维、石墨、炭黑等碳材料。另外、也可以使用由这些碳材料混合而成的材料。 
散热元件1例如可以适用于蒸气室、散热管、散热片、发光二极管（LED）的筺体等。也即，散热元件1的基体10设置在半导体元件等发热体上，通过基体10，将半导体元件等散发的热量迅速传递到含碳材料层20的表面上。 
［第1实施方式的散热元件的制造方法］ 
下面，对第1实施方式的散热元件的制造方法进行说明。图2A、图2B是示例说明第1实施方式的散热元件的制造工序的示意图。首先，在图2A中所示的工序中，准备基体10，在与基体10的面10a相垂直的方向林立碳纳米管21。 
基体10最好由热传导率良好的金属构成，具体地例如可以使用铜（Cu）、铝（Al）、铁（Fe）、或它们的合金等。但只要是热传导率良好的材料，基体10也可以由金属以外的材料形成。 
碳纳米管21可根据CVD法（化学气相成长法）在与基体10的面10a相垂直的方向林立那样地直接形成在基体10的面10a上。更具体地说，将基体10放入调整为预定的压力及温度的加热炉中，根据CVD法（化学气相成长法），在基体10的面10a上形成碳纳米管21。加热炉的压力及温度例如可以是100pa及600℃左右。另外，作为工艺用气体，例如可以使用乙炔气体等，作为载流气体例如可以使用氩气或氢气等。 
由此，许多碳纳米管21沿与基体10的面10a相垂直的方向形成在基体10的面10a上。另外，各碳纳米管21的一端与基体10的面10a接触。 
碳纳米管21的直径例如可以是100～300nm左右。碳纳米管21的长度例如可以是55～60μm左右。碳纳米管21的根数例如可以是数万根左右。另外，碳纳米管21的长度（从基体10的面10a到碳纳米管21的前端部的长度）可由碳纳米管21的成长时间来控制。 
另外，作为基体10，在使用金属以外的材料的情况下，可以通过溅射法等，在基体10的面10a上形成金属催化剂层，在金属催化剂层上通 过CVD法（化学气相成长法）形成碳纳米管21。作为金属催化剂层，例如可以使用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等。金属催化剂层的厚度例如可以是数nm左右。 
下面，在图2B中所示的工序中，在基体10的面10a上形成镀层22，制作在镀层22中含有碳纳米管21的含碳材料层20。也即，充填在碳纳米管21的间隙中，且使碳纳米管21的一部分从与基体10相反一侧突出地形成镀层22。通过该工序，制成散热元件1。 
在本实施方式中，根据将基体10作为馈电层使用的电解镀敷法，在基体10的面10a上形成镀层22。以各碳纳米管21的一部分从镀层22的表面向与基体10相反一侧突出的方式形成镀层22。镀层22的厚度例如可以是50μm左右。 
碳纳米管21的突出部从镀层22的表面突出的突出量例如可以是5～10μm左右。另外，碳纳米管21的突出部从镀层22的表面突出的突出量可依碳纳米管21不同而不同。碳纳米管21的突出部的投影面积可以是镀层22的表面的3%以上。 
如上所述，在第1实施方式的散热元件1中，碳纳米管21的一部分从镀层22的表面向与基体10相反一侧突出。因此，从基体10传来的热量通过碳纳米管21的突出部被及时散热，可以提高含碳材料层20的热辐射性。 
另外，由于各碳纳米管21在与基体10的面10a相垂直的方向上取向，因此，可以充分发挥各碳纳米管21具有的纤维长度方向（长轴方向）的特性，提高含碳材料层20的热辐射性。 
〈第1实施方式的变形例〉 
在第1实施方式中，介绍了通过电解镀敷法形成镀层22例子，但镀层22也可以通过无电解镀敷法来形成。 
在根据无电解镀敷法形成镀层22时，在执行与图2A相同的工序后，在图2B所示的工序中，可以执行无电解镀敷来代替电解镀敷。作为通过无电解镀敷法形成的镀层22的材料，例如可以使用Ni-P、Ni-B、Cu等。这样，即使通过无电解镀敷法形成镀层22，也可以得到与第1实施方式相同的效果。 
〈第2实施方式〉 
在第2实施方式中，示出了通过与第1实施方式不同的方法制作散热元件1的例子。另外，在第2实施方式中，省略了对与第1实施方式相同的部分的说明。 
图3A、图3B是示例说明第2实施方式的散热元件的制造工序的概略图。首先，在图3A中所示的工序中，准备基体10，将准备的基体10放入磁场发生装置（图中未示出）内，启动磁场发生装置，使得在与10a相垂直的方向产生磁场。作为磁场发生装置，例如可以使用具有超导磁体的装置。产生的磁场M例如可以是5～10特斯拉左右。另外，基体10的材料等可以与第1实施方式相同。 
下面，在图3B中所示的工序中，形成在镀层22中含有碳纳米管21的含碳材料层20。也即，碳纳米管21在与面10a相垂直的方向上取向，以充填碳纳米管21的间隙并使碳纳米管21的一部分向与基体10相反一侧突出的方式形成镀层22。 
具体地，使用在形成镀层22的材料中分散有碳纳米管21的电解镀敷溶液，在磁场M中，对基体10的面10a进行电解镀敷，形成在镀层22中含有碳纳米管21含碳材料层20。 
作为形成镀层22的材料，例如可以使用镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、金（Au）、银（Ag）、钯（Pd）等，但最好选择不易受磁场影响的材料。另外，以各碳纳米管21的一部分从镀层22的表面向与基体10相反一侧突出的方式形成镀层22。 
由于在与基体10的面10a相垂直的方向施加磁场M，因此，分散在形成镀层22的材料中的大量的碳纳米管21在与基体10的面10a相垂直的方向上取向。镀层22的厚度和碳纳米管21的突出部从镀层22的表面突出的突出量等可与第1实施方式相同。另外，在本实施方式中，也有碳纳米管21的一端与基体10的面10a不接触的情况。 
在图3B中所示的工序中使用的电解镀敷溶液中，最好加入有作为分散碳纳米管21的分散剂的聚丙烯酸。另外，作为光泽剂，最好加入有链烷二醇化合物、烯烃二醇化合物、或炔二醇化合物。 
特别是在炔二醇分子中具有氧乙烯侧链的炔二醇，最好使用氧乙烯 侧链占该炔二醇化合物的分子量的至少20%重量比的光泽剂。该氧乙烯侧链占的重量比最好在85%以下。 
进而，在电解镀敷溶液中可以加入有作为界面活性剂的酮基、具有醛基或羧酸基的有机化合物、一氧化碳化合物、香豆素衍生物、烯丙基醛的磺化物、具有烯丙基的砜化合物、亚烷基羧基酯、亚烷基醛、乙炔衍生物、吡啶鎓化合物、烷烃磺酸化合物或偶氮化合物。为了在电解镀敷溶液中分散碳纳米管21，最好是预先浸泡在分散剂溶液中，提高了分散性的碳纳米管21混合到电解镀敷溶液中。 
混合在电解镀敷溶液中的碳纳米管21的混合量在100ppm以上较好，在500ppm以上更好，最好在1000ppm以上。碳纳米管21的混合量的上限为1%重量比左右。如碳纳米管21的混合量超过1%重量比，即有碳纳米管21的分散变得困难的趋势。 
这样，在使用分散有碳纳米管21的电解镀敷溶液进行电解镀敷时，为了维持碳纳米管21的分散状态，最好一边搅拌电解镀敷溶液，一边使电流密度在5A/dm2以下的状态下进行。如在电流密度超过5A/dm2的条件下进行电解镀敷，存在形成后的镀层22的表面容易变成凹凸面的趋势。 
进而，将基体10与直流电源（图中未示出）的阴极连接，相对于电解镀敷溶液的液面垂直地放置，在基体10的面10a（进行电解镀敷的面）的侧面上放置与直流电源（图中未示出）的阳极连接的阳极板（图中未示出）。使基体10和阳极板（图中未示出）在左右方向一边摇动，一边进行电解镀敷，由此，使碳纳米管21在基体10的面10a上均匀地配置，并且使碳纳米管21的一部分从镀层22的表面突出。 
如上所述，可以在形成镀层22的材料中使用分散有碳纳米管21的电解镀敷溶液，在磁场M中进行电解镀敷，形成在镀层22中含有碳纳米管21的含碳材料层20。根据该方法形成的散热元件1具有与第1实施方式相同的效果。 
另外，在第2实施方式的图3B中所示的工序中，也可以用无电解镀敷法代替电解镀敷法。在这种情况下，作为形成镀层22的材料，例如可以使用Ni-P、Ni-B、Cu等，并且，可以在形成镀层22的材料中使用分散有碳纳米管21的无电解镀敷溶液，在磁场M中基体10的面10a进行 无电解镀敷，形成在镀层22中含有碳纳米管21的含碳材料层20。 
［实施例］ 
在本实施例中，作为用于确认散热性的样本，采用第1实施方式的制造方法制作散热元件1。在散热元件1中，作为基体10的材料使用铜（Cu），作为镀层22的材料使用镍（Ni）。镀层22的厚度T（参照图1）约为50μm，碳纳米管21的突出部从镀层22的表面突出的突出量L（参照图1）为5～10μm左右。 
下面，作为比较散热元件1和散热性的样本（比较例），采用第2实施方式的制造方法制作散热元件（作为散热元件X）。但是，不使用磁场发生装置，在形成镀层22的材料中使用分散有碳纳米管21的电解镀敷溶液，在不施加磁场的状态下，进行电解镀敷，形成在镀层22中含有碳纳米管21的含碳材料层20。 
其结果，制作成了碳纳米管21在相对于基体10的面10a的随机的方向上取向、碳纳米管21的一部分从镀层22的表面向与基体10相反一侧突出的散热元件X。也即，散热元件1和散热元件X的主要区别在于，碳纳米管21在与基体10的面10a相垂直的方向上取向，还是随机的方向上取向。 
制作上述样本后，在预定的块体上设置加热器、温度计和样本（顺序放置散热元件1、及散热元件X），测定对加热器施加30分钟的一定电压时的温度计的温度。将其结果表示在图4中。图4显示，经过30分钟后温度上升小的样本热辐射性好。 
如图4中所示，在散热元件X（比较例）中，经过30分钟后的温度略为68.3℃。相对于此，在采用第1实施方式的制造方法制造的散热元件1（实施例）中，经过30分钟后的温度略为66.9℃。也即，散热元件1（实施例）相对于散热元件X（比较例）提高了1.4℃的热辐射性。 
在散热元件X（比较例）中，碳纳米管21在相对于基体10的面10a的随机的方向上取向。因此，其前端被折弯、或与镀层22的表面相接，存在对散热不太起作用的碳纳米管21。其结果，被认为不能从碳纳米管21将热量充分释放到外部。 
另一方面，在散热元件1（实施例）中，碳纳米管21在与基体10的 面10a相垂直的方向上取向。因此，碳纳米管21的前端几乎没有折弯或与镀层22相接。其结果被认为是，包含在镀层22中的几乎全部的碳纳米管21发挥散热作用，可以从碳纳米管21充分将热量散发到外部。 
这样，通过本实施例可以确认，碳纳米管21在与基体10的面10a相垂直的方向上取向的散热元件1（实施例），相对于碳纳米管21在相对基体10的面10a的随机的方向上取向的散热元件X（比较例）而言，热辐射性得到提高。 
以上，详细说明了较佳的实施方式、变形例及实施例。但是，本发明不受上述实施方式、变形例及实施例的制限，在不超出权利要求记载的范围的情况下，可对上述实施方式、变形例、及实施例进行各种变形及替换。 
附图标记说明 
1   散热元件 
10  基体 
10a 面 
20  含碳材料层 
21  碳纳米管 
22  镀层 
L   突出量 
M   磁场 
T   厚度。 

Claims (8)

1.一种散热元件，包括：基体、在与所述基体的规定的面相垂直的方向上取向的碳材料、以及填充在所述碳材料的间隙中的镀层；所述碳材料的一部分从所述镀层的表面向与所述基体相反的一侧突出。
2.根据权利要求1所述的散热元件，其特征在于，所有所述碳材料沿与所述规定的面相垂直的方向取向。
3.根据权利要求1或2所述的散热元件，其特征在于，所述碳材料是在所述规定的面林立的线状材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热元件，其特征在于，所述碳材料的一端与所述规定的面相接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的散热元件，其特征在于，所述碳材料是碳纳米管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的散热元件，其特征在于，所述镀层由镍组成。
7.一种散热元件的制造方法，包括：
通过化学气相成长法，在基体的规定的面上形成在与所述规定的面相垂直的方向上取向的碳材料的工序；以及
填充所述碳材料的间隙，且使所述碳材料的一部分向与所述基体相反一侧突出地形成镀层的工序。
8.一种散热元件的制造方法，包括：
在与基体的规定的面相垂直的方向施加磁场的工序；以及
使用在形成镀层的材料中分散有碳材料的镀敷溶液，在所述磁场中，对所述规定的面进行镀敷的工序；
在所述进行镀敷的工序中，使得所述碳材料沿与所述规定的面相垂直的方向取向，并填充所述碳材料的间隙，且使得所述碳材料的一部分向与所述基体相反一侧突出地形成所述镀层。
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