JP2012151392A - Heat radiation material and manufacturing method of the same - Google Patents

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Tomoaki Koizumi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat radiation material which overcomes disadvantages of inorganic based materials such as ceramic substrates and diamond substrates, which have high hardness and low processability, and a disadvantage of carbonaceous materials such as graphite films and carbon nano-tubes, which have low heat radiation.SOLUTION: Mask particles 201a are deposited on a surface of a graphite substrate. Further, alongside the deposition, the surface of the graphite substrate is processed to form a nano-meter order irregular structure (step 101).

Description

本発明は放熱材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a heat dissipation material and a method for manufacturing the same.

発熱部品、たとえばコンピュータ等の電子電気機器に搭載される半導体素子、太陽電池、電気自動車等に用いられるパワーコンバータ及びインバータの冷却の問題が注目を集めている。   The problem of cooling power converters and inverters used in semiconductor devices, solar cells, electric vehicles and the like mounted on electronic and electrical equipment such as computers, for example, has attracted attention.

上述の発熱部品の１つの冷却方法はその発熱部品が搭載された機器筐体にファンを取付け、機器筐体を冷却する。また、他の冷却方法はその発熱部品に熱伝導媒体たとえばヒートパイプ、ヒートシンク、フィン、ファン等を取付け、発熱部品からの熱を熱伝導媒体によって外部へ伝達する。このとき、発熱部品に銅、アルミニウム等の良熱伝導材料を接触させ、熱伝導材料を介して熱伝導媒体によって外部へ伝達する。   One method for cooling the heat generating component described above is to attach a fan to the device casing on which the heat generating component is mounted, thereby cooling the device casing. In another cooling method, a heat conducting medium such as a heat pipe, a heat sink, a fin, a fan, or the like is attached to the heat generating component, and heat from the heat generating component is transmitted to the outside by the heat conducting medium. At this time, a good heat conductive material such as copper or aluminum is brought into contact with the heat generating component, and is transmitted to the outside through the heat conductive material.

しかしながら、近年、半導体素子等のハイパワー化及びその搭載スペースの狭小化に伴って発熱部品の発熱量が大きくなる傾向がある。特に、機器筐体が小型化すると、上述の熱伝導媒体を取付けるスペースが小さくなり、この結果、十分な熱対流をとれず、発熱部品が高温となり、素子の性能を下げるものとなる。   However, in recent years, the amount of heat generated by the heat-generating component tends to increase as the power of semiconductor elements and the like is increased and the mounting space is reduced. In particular, when the device casing is downsized, the space for mounting the above-described heat conducting medium is reduced. As a result, sufficient heat convection cannot be obtained, the heat generating component becomes high temperature, and the performance of the element is lowered.

上述の発熱部品の冷却を効率的に行うために種々の放熱材料が提案されている。   Various heat dissipating materials have been proposed in order to efficiently cool the above-described heat generating components.

従来の放熱材料としてはSiC、AlN等よりなるセラミックス基板（参照：特許文献１）、1000-2000W/ｍ・Kの高熱伝導率のダイヤモンド基板（参照：特許文献２）、柔軟性を有するグラファイトフィルム（参照：特許文献３）、及び良放熱性、耐熱性、耐薬品性、低価格性等のカーボンナノチューブ（参照：特許文献４）がある。   Conventional heat dissipation materials include ceramic substrates made of SiC, AlN, etc. (Reference: Patent Document 1), diamond substrates with high thermal conductivity of 1000-2000 W / m · K (Reference: Patent Document 2), flexible graphite film (Reference: Patent Document 3) and carbon nanotubes (Reference: Patent Document 4) such as good heat dissipation, heat resistance, chemical resistance, and low cost.

特開平２−７４４５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-7445 特開２００８−２２２４６８号公報JP 2008-222468 A 特開２００９−１０７９０４号公報JP 2009-107904 A 特開２００４−１０９７８号公報JP 2004-10978 A 特願２００９−１９５３５４号Japanese Patent Application No. 2009-195354

しかしながら、第１の従来の放熱材料であるセラミックス基板は、基本的に、粒径が10-100μmのセラミックスパウダを適当なバインダを用いて焼結したものであるので、発熱部品とセラミックス基板との間に空隙が生じ、密着性が悪く、この結果、放熱性が悪いという課題がある。また、セラミックス基板の熱膨張係数が非常に小さく、従って、発熱部品とセラミックス基板との熱膨張係数の差から剥離が頻繁に生じるという課題もある。さらに、セラミックス基板のSiCあるいはAlNは硬度が高く、難加工材料であるので、切出し、研磨に時間を要し、この結果、製造コストが高いという課題もある。   However, the ceramic substrate, which is the first conventional heat dissipation material, is basically a ceramic powder having a particle size of 10-100 μm sintered using an appropriate binder. There is a problem that voids are generated between the layers, resulting in poor adhesion, resulting in poor heat dissipation. In addition, the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate is very small. Therefore, there is a problem that peeling frequently occurs due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat-generating component and the ceramic substrate. Furthermore, since SiC or AlN of the ceramic substrate has a high hardness and is a difficult-to-process material, it takes time for cutting and polishing, resulting in a high manufacturing cost.

また、第２の従来の放熱材料であるダイヤモンド基板は、セラミックス基板と同様に、ダイヤモンド基板の熱膨張係数が非常に小さく、従って、発熱部品とダイヤモンド基板との熱膨張係数の差から剥離が頻繁に生じるという課題がある。また、ダイヤモンド基板は硬度が高く、難加工材料であるので、切出し、研磨に時間を要し、この結果、製造コストが高いという課題もある。さらに、ダイヤモンド基板は、セラミックス基板と異なり、非常に高価な材料なので、製造コストが著しく高くなる。   In addition, the diamond substrate, which is the second conventional heat dissipation material, has a very small thermal expansion coefficient of the diamond substrate, similar to the ceramic substrate. Therefore, peeling frequently occurs due to the difference in the thermal expansion coefficient between the heat generating component and the diamond substrate. There is a problem that occurs. Further, since the diamond substrate has a high hardness and is a difficult-to-process material, it takes time for cutting and polishing, and as a result, there is a problem that the manufacturing cost is high. Furthermore, since the diamond substrate is a very expensive material unlike the ceramic substrate, the manufacturing cost is remarkably increased.

さらに、第３の従来の放熱材料であるグラファイトフィルムは炭素系材料であるので、無機系材料であるセラミックス基板及びダイヤモンド基板に比較して放熱性が劣るという課題がある。   Furthermore, since the graphite film which is the third conventional heat dissipation material is a carbon-based material, there is a problem that heat dissipation is inferior compared to ceramic substrates and diamond substrates which are inorganic materials.

さらにまた、第４の従来の放熱材料であるCNTも炭素系材料であるので、無機系材料であるセラミックス基板及びダイヤモンド基板に比較して放熱性が劣るという課題がある。また、CNTの脆弱性及び疎水性から発熱部品とCNTとの間の密着性が低いという課題もある。この場合、銅等の金属基板上にCNTを分散液等に混ぜてコーティングするのが一般的であるが、金属基板とCNTとの密着性が悪く、CNTが直ぐに剥がれてしまい、あるいは、剥がれなくとも、金属基板とCNTとは原子レベルで結合しているのではないので、必然的に熱抵抗が生じ、熱伝導の損失が生じるという課題が生ずる。尚、金属基板とCNTとの間にペーストを挿入すればCNTの剥がれを防止できるが、ペースト自身が熱抵抗を生じ、熱伝導の損失を生じる。さらに、CNTが空気中において400℃以上に加熱されると、爆発的な燃焼が起こるという課題もある。   Furthermore, since CNT, which is the fourth conventional heat dissipation material, is also a carbon-based material, there is a problem that heat dissipation is inferior to ceramic substrates and diamond substrates, which are inorganic materials. Another problem is that the adhesion between the heat-generating component and the CNT is low due to the vulnerability and hydrophobicity of the CNT. In this case, it is common to coat CNTs on a metal substrate such as copper with a dispersion, etc., but the adhesion between the metal substrate and the CNTs is poor, and the CNTs peel off immediately or do not peel off. In both cases, since the metal substrate and the CNT are not bonded at the atomic level, there arises a problem that heat resistance inevitably occurs and heat conduction loss occurs. In addition, if the paste is inserted between the metal substrate and the CNT, the CNT can be prevented from peeling off, but the paste itself causes a thermal resistance, resulting in a loss of heat conduction. Furthermore, there is a problem that explosive combustion occurs when CNT is heated to 400 ° C. or higher in the air.

尚、本願出願人は、既に、プラズマエッチング法等によって表面にナノメートルオーダの微細凹凸構造を形成した炭素系基板よりなる放熱材料を提案している（参照：特許文献５）。しかしながら、プラズマエッチング法等のみでは高アスペクト比の微細凹凸構造を形成することができず、従って、可視領域及び遠赤外領域の反射率を十分に低減できず、この結果、放熱効率を高くできない。   The applicant of the present application has already proposed a heat dissipation material made of a carbon-based substrate having a nanometer-order fine concavo-convex structure formed on the surface by a plasma etching method or the like (see Patent Document 5). However, it is not possible to form a fine concavo-convex structure with a high aspect ratio only by a plasma etching method or the like. Therefore, the reflectance in the visible region and the far infrared region cannot be sufficiently reduced, and as a result, the heat dissipation efficiency cannot be increased. .

また、ナノメートルオーダの高アスペクト比の微細凹凸構造を炭素系基板の表面に形成する方法として、フォトリソグラフィ／エッチング法が考えられる。つまり、炭素系基板上へフォトレジスト層の塗布工程、光、電子ビーム等によるマスクを介したフォトレジスト層のパターン露光工程、洗浄によるフォトレジスト層の不要部分の除去工程、炭素系基板の表面にドライエッチングもしくはウェットエッチング法によって高アスペクト比の微細凹凸構造の形成工程、及び残存するフォトレジスト層の除去工程を行う。しかしながら、工程数が多く複雑であり、また、各工程において精密な制御を必要として製造コストが高く、さらに、パターン露光工程におけるマスクを必要として製造コストが高く、さらに、また、微細凹凸構造の表面積を十分に大きくできず、従って、可視領域及び遠赤外領域の反射率を十分に低減できず、この結果、放熱効率を高くできない。   Further, a photolithography / etching method is conceivable as a method for forming a fine concavo-convex structure with a high aspect ratio on the order of nanometers on the surface of a carbon-based substrate. That is, a photoresist layer coating process on a carbon substrate, a pattern exposure process of the photoresist layer through a mask using light, electron beam, etc., a removal process of unnecessary portions of the photoresist layer by washing, and a surface of the carbon substrate. A step of forming a fine concavo-convex structure with a high aspect ratio and a step of removing the remaining photoresist layer are performed by dry etching or wet etching. However, the number of processes is complicated and the manufacturing cost is high because precise control is required in each process. Further, the manufacturing cost is high because a mask is required in the pattern exposure process, and the surface area of the fine concavo-convex structure is high. Therefore, the reflectance in the visible region and the far infrared region cannot be sufficiently reduced, and as a result, the heat dissipation efficiency cannot be increased.

従って、本発明の目的は、フォトリソグラフィ／エッチング法を用いることなく、表面に高アスペクト比のナノメートルオーダの微細凹凸構造をランダムかつ広範囲に形成した炭素系基板よりなる放熱材料及びその製造方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat dissipating material comprising a carbon-based substrate in which a fine concavo-convex structure with a high aspect ratio of nanometer order is randomly and widely formed on a surface without using a photolithography / etching method and a method for manufacturing the same. Is to provide.

上述の課題を解決するために、本発明に係る放熱材料は、マスク粒子が堆積した表面にナノメートルオーダの凹凸構造を形成した炭素系基板を具備する。これにより、凹凸構造が高アスペクト比となり、表面積が増加する。この結果、可視光を含む領域の波長の光線の反射率が低くなると共に、遠赤外領域の波長の光線の反射率も低くなる。   In order to solve the above-described problems, a heat dissipation material according to the present invention includes a carbon-based substrate in which a concavo-convex structure having a nanometer order is formed on a surface on which mask particles are deposited. Thereby, the concavo-convex structure has a high aspect ratio, and the surface area is increased. As a result, the reflectance of light having a wavelength in the region including visible light is lowered, and the reflectance of light having a wavelength in the far infrared region is also lowered.

また、本発明に係る放熱材料の製造方法は、炭素系基板の表面にマスク粒子を堆積させるマスク粒子堆積工程と、マスク粒子が堆積した炭素系基板の表面をナノメートルオーダの凹凸構造に加工する凹凸構造加工工程を具備する。凹凸構造加工工程はマスク粒子堆積工程と並行もしくは後に行われる。   The method for manufacturing a heat dissipation material according to the present invention includes a mask particle deposition step of depositing mask particles on the surface of the carbon-based substrate, and processes the surface of the carbon-based substrate on which the mask particles are deposited into an uneven structure on the order of nanometers. It has a concavo-convex structure processing step. The concavo-convex structure processing step is performed in parallel with or after the mask particle deposition step.

本発明によれば、高アスペクト比の凹凸構造により表面積が大きくなるので、可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率が低くなり、輻射による放熱性を高くできる。   According to the present invention, the surface area is increased by the concavo-convex structure having a high aspect ratio. Therefore, the reflectivity in the region including the visible light and the far infrared region is decreased, and the heat dissipation by radiation can be increased.

本発明に係る放熱材料のグラファイト基板のナノメートルオーダの凹凸構造の製造方法の第１の実施の形態を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating 1st Embodiment of the manufacturing method of the uneven structure of the nanometer order of the graphite board | substrate of the heat dissipation material which concerns on this invention. 図１のフローチャートに用いられるスパッタリング／プラズマエッチング装置を示す図である。It is a figure which shows the sputtering / plasma etching apparatus used for the flowchart of FIG. 図１のフローチャートを補足説明する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view for supplementarily explaining the flowchart of FIG. 1. 図１のスパッタリング／プラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the graphite substrate after the sputtering / plasma etching of FIG. 図１のスパッタリング／プラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の反射率を示すグラフである。It is a graph which shows the reflectance of the surface of the graphite substrate after the sputtering / plasma etching of FIG. 比較例として図１のスパッタリングを行わない場合（マスク粒子なし）のプラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the graphite substrate after the plasma etching when not performing the sputtering of FIG. 1 as a comparative example (without mask particles). 図１のフローチャートの変更例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of a change of the flowchart of FIG. 本発明に係る放熱材料のグラファイト基板のナノメートルオーダの凹凸構造の製造方法の第２の実施の形態を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating 2nd Embodiment of the manufacturing method of the uneven structure of the nanometer order of the graphite board | substrate of the heat dissipation material which concerns on this invention. 図８のフローチャートに用いられるスパッタリング装置を示す図である。It is a figure which shows the sputtering device used for the flowchart of FIG. 図８のフローチャートに用いられるプラズマエッチング装置を示す図である。It is a figure which shows the plasma etching apparatus used for the flowchart of FIG. 図８のフローチャートを補足説明する断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view for supplementarily explaining the flowchart of FIG. 8. 図８のフローチャートの変更例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of a change of the flowchart of FIG.

一般に、放熱材料においては、反射率Rが低下すると、放射率Iが上昇し、逆に、反射率Rが上昇すると、放射率Iが低下するという関係が成立する。この場合、光放熱つまり光放射能力を示す指数として放射率を用いるが、光の透過率がほぼ0の場合放射率I≒1-R（反射率）で表わされる。従って、理想的には、放熱材料としてたとえば可視光を含む領域及び遠赤外領域の反射率Rができるだけ0に近いものを用いると、放熱効率が大きくなることが分かる。   In general, in a heat dissipation material, when the reflectance R decreases, the emissivity I increases, and conversely, when the reflectance R increases, the emissivity I decreases. In this case, the emissivity is used as an index indicating the light radiation, that is, the light emission capability. When the light transmittance is almost zero, the emissivity is expressed by emissivity I≈1-R (reflectance). Therefore, ideally, it is understood that the heat dissipation efficiency is increased when the heat dissipation material has a reflectance R as close to 0 as possible in the region including visible light and the far-infrared region, for example.

図１は本発明に係る放熱材料のグラファイト基板の凹凸構造の製造方法の第１の実施の形態を説明するためのフローチャートである。ステップ１０１において、グラファイト基板を図２のスパッタリング／プラズマエッチング装置に投入し、グラファイト基板をAr/O2ガスを用いたスパッタリング／プラズマエッチング法によってスパッタリング／プラズマエッチングを行う。 FIG. 1 is a flowchart for explaining a first embodiment of a method for producing a concavo-convex structure of a graphite substrate as a heat dissipation material according to the present invention. In step 101, the graphite substrate is put into the sputtering / plasma etching apparatus shown in FIG. 2, and the graphite substrate is subjected to sputtering / plasma etching by a sputtering / plasma etching method using Ar / O 2 gas.

図２のスパッタリング／プラズマエッチング装置を説明すると、真空チャンバ２００内において、グラファイト基板２０１はグラファイト基板２０１より大きいマスク材料のターゲットとしてのシリコン基板２０２に密着され、シリコン基板２０２は基板ホールダ２０３に密着されている。基板ホールダ２０３は高周波電源２０４に接続され、カソード電極として作用する。また、真空チャンバ２００にはAr/O2ガスを導入するガス導入口２０５が設けられ、必要な流量の反応ガスを真空チャンバ２００に導入することで反応ガス密度を適当な値に設定することができる。さらに、真空チャンバ２００には真空ポンプ（図示せず）に接続されたガス排出口２０６が設けられており、真空チャンバ２００内を適当な真空度に維持することができる。真空チャンバ２００の壁及びガス導入口２０５は接地され、アノード電極として作用する。 Referring to the sputtering / plasma etching apparatus of FIG. 2, in the vacuum chamber 200, the graphite substrate 201 is in close contact with a silicon substrate 202 as a mask material target larger than the graphite substrate 201, and the silicon substrate 202 is in close contact with the substrate holder 203. ing. The substrate holder 203 is connected to the high frequency power source 204 and functions as a cathode electrode. Further, the vacuum chamber 200 is provided with a gas inlet 205 for introducing Ar / O 2 gas, and the reaction gas density can be set to an appropriate value by introducing a necessary flow rate of the reaction gas into the vacuum chamber 200. it can. Further, the vacuum chamber 200 is provided with a gas exhaust port 206 connected to a vacuum pump (not shown), so that the inside of the vacuum chamber 200 can be maintained at an appropriate degree of vacuum. The wall of the vacuum chamber 200 and the gas inlet 205 are grounded and function as an anode electrode.

図２においては、ガス導入口２０５からのAr/O2ガスは矢印で示すごとくグラファイト基板２０１を含めたシリコン基板２０２全体に流れるようにされている。 In FIG. 2, Ar / O 2 gas from the gas inlet 205 flows through the entire silicon substrate 202 including the graphite substrate 201 as indicated by arrows.

図２のスパッタリング／プラズマエッチング装置の条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
Ar流量：50sccm
O2流量：100sccm
エッチング時間：30分
である。 The conditions of the sputtering / plasma etching apparatus of FIG. 2 are as follows, for example.
RF power: 500W
Pressure: 6.65Pa (50mTorr)
Ar flow rate: 50sccm
O 2 flow rate: 100sccm
Etching time: 30 minutes.

図２のスパッタリング／プラズマエッチング装置では、Ar/O2ガスのArイオンによってシリコン基板２０２がスパッタリングされてシリコンのマスク粒子が矢印のごとくグラファイト基板２０１上に堆積する。これと並行して、グラファイト基板２０１はAr/O2ガスによってプラズマエッチングされる。詳細には、図３の（Ａ）に示すごとく、このマスク粒子２０２ａはグラファイト基板２０１上にランダムにかつ広範囲に堆積する。これと並行して、グラファイト基板２０１はAr/O2ガスによってプラズマエッチングされる。最終的には、図３の（Ｂ）に示すごとく、グラファイト基板２０１の表面はマスク粒子２０２ａのエッチングストッパとしての作用により高アスペクト比のナノメートルオーダの凹凸構造２０１ａとなる。図３の（Ｂ）の高アスペクト比の微細凹凸構造のＳＥＭ写真を図４に示す。図４においては、たとえば、アスペクト比は約5μm/0.25μm=20と大きいことが認められる。 In the sputtering / plasma etching apparatus of FIG. 2, the silicon substrate 202 is sputtered by Ar ions of Ar / O 2 gas, and silicon mask particles are deposited on the graphite substrate 201 as indicated by arrows. In parallel with this, the graphite substrate 201 is plasma-etched by Ar / O 2 gas. Specifically, as shown in FIG. 3A, the mask particles 202a are randomly and widely deposited on the graphite substrate 201. In parallel with this, the graphite substrate 201 is plasma-etched by Ar / O 2 gas. Finally, as shown in FIG. 3B, the surface of the graphite substrate 201 becomes a high-aspect-ratio nanometer-order uneven structure 201a by the action of the mask particles 202a as an etching stopper. FIG. 4 shows an SEM photograph of the fine concavo-convex structure having a high aspect ratio shown in FIG. In FIG. 4, for example, it is recognized that the aspect ratio is as large as about 5 μm / 0.25 μm = 20.

尚、上述のグラファイト基板２０１は金属含浸稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性がさらに大きくなるので、放熱材料としての加工性、発熱部品との密着性が向上し、発熱部品と放熱材料との間の空隙がなくなる。   The graphite substrate 201 described above can be a metal-impregnated dense graphite substrate. Thereby, since the toughness of the dense graphite substrate is further increased, the workability as a heat dissipation material and the adhesion with the heat-generating component are improved, and the gap between the heat-generating component and the heat-dissipating material is eliminated.

また、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板、たとえばダイヤモンド基板あるいはガラス状炭素基板を用いてもよい。   Although the graphite substrate is used, a carbon-based substrate other than the graphite substrate, for example, a diamond substrate or a glassy carbon substrate may be used.

さらに、マスク材料のターゲットとしてのシリコン基板２０２は、SiO2、Al、Al2O3、CrあるいはNiよりなる基板でもよい。さらにまた、マスク材料のターゲットは基板ホールダ（カソード電極）２０３の腐食防止のためのカバー材料としても作用しており、マスク材料としての基板が基板ホールダ２０３を兼用してもよい。 Further, the silicon substrate 202 as a mask material target may be a substrate made of SiO 2 , Al, Al 2 O 3 , Cr or Ni. Furthermore, the mask material target also acts as a cover material for preventing corrosion of the substrate holder (cathode electrode) 203, and the substrate as the mask material may also serve as the substrate holder 203.

尚、図１のステップ１０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、Ar/O2ガス以外のCO2ガス、CF4ガス、SF4ガス等のいずれでもよい。 The plasma etching method in step 101 of FIG. 1 may be any of electron cyclotron resonance (ECR) etching method, reactive ion etching (RIE) method, atmospheric pressure plasma etching method, etc. The processing gas is Ar / O 2 CO 2 gas other than the gas, CF 4 gas, may be any of such SF 4 gas.

図５の実線に示すように、可視光を含む領域の波長0.4-2.4μmの全域に亘る平均反射率は0.5％以下と低くなる。従って、可視光を含む領域の吸収は最高となる。しかも、遠赤外領域の平均反射率も同程度と低くなる。この場合、放射温度計（KEYENCE FT-H20、商標名）を用いて測量した。表面温度が150℃のときに、グラファイト基板の放射率は0.99と高かった。この結果、プラズマエッチングされたグラファイト基板をそのまま放熱材料として用いることができる。   As shown by the solid line in FIG. 5, the average reflectance over the entire wavelength range of 0.4 to 2.4 μm in the region including visible light is as low as 0.5% or less. Therefore, the absorption of the region including visible light is the highest. In addition, the average reflectance in the far-infrared region is as low as about the same. In this case, the measurement was performed using a radiation thermometer (KEYENCE FT-H20, trade name). When the surface temperature was 150 ° C, the emissivity of the graphite substrate was as high as 0.99. As a result, the plasma-etched graphite substrate can be used as a heat dissipation material as it is.

尚、図１のステップ１０１において、マスク粒子なしでプラズマエッチングを行うと（比較例）、図６に示すように、グラファイト基板表面の凹凸構造のアスペクト比は小さくなって表面積は小さくなり、反射率が高い部分として残存する。この結果、図５の点線に示すように、反射率は1.0〜2.0％と高くなる。図６においては、たとえば、アスペクト比は約1μm/0.25μm=4と小さいことが認められる。   When plasma etching is performed without mask particles in step 101 of FIG. 1 (comparative example), as shown in FIG. 6, the aspect ratio of the concavo-convex structure on the surface of the graphite substrate is reduced, the surface area is reduced, and the reflectance is increased. Remains as a high part. As a result, as shown by the dotted line in FIG. 5, the reflectance is as high as 1.0 to 2.0%. In FIG. 6, for example, it is recognized that the aspect ratio is as small as about 1 μm / 0.25 μm = 4.

図７は図１のフローの変更例を示し、図１のスパッタリング／プラズマエッチングステップ１０１の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による前処理を行う。これにより、不規則的周期のたとえばミクロメートルオーダ、サブミクロメートルオーダの凹凸構造を形成する。従って、グラファイト基板の表面積が増大して放熱効率が高くなる。 FIG. 7 shows a modification of the flow of FIG. 1, and prior to the sputtering / plasma etching step 101 of FIG. 1, mechanical surface polishing such as sandblasting and / or a high power laser such as a CO 2 laser, YAG laser, excimer laser, etc. Pretreatment by surface polishing by irradiation is performed. As a result, a concavo-convex structure having an irregular period such as a micrometer order or a submicrometer order is formed. Accordingly, the surface area of the graphite substrate is increased and the heat dissipation efficiency is increased.

尚、図７の不規則的周期のミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ７０１において、グラファイト基板の表面に不規則的周期のミクロメートルオーダもしくはサブミクロメートルオーダの凹みを多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基板をH2ガス及びO2ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロメートルのオーダあるいはサブミクロメートルのオーダの剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。 In addition, in the irregular period micron (submicron) unevenness processing step 701 in FIG. 7, a large number of irregular micrometer order or submicrometer order dents are formed on the surface of the graphite substrate to increase the surface area. May be. For example, a resist layer is applied, and then a pattern of the resist layer is formed by photolithography using a photomask having an irregular periodic pattern, and the graphite substrate is formed with H 2 gas and O 2 using the resist layer pattern. Plasma etching using gas, for example, RIE is performed, and then the resist layer pattern is removed. Further, the surface area can be increased by forming an irregular periodic micrometer order or submicrometer order sword mountain type concavo-convex structure by a cutting method using a mechanical ruling engine or the like. This sword mountain-type uneven structure can also be formed by forming a reverse sword mountain mold by etching and pouring a liquid graphite material, such as carbon black, into it.

ここで、規則的周期のミクロメートルオーダあるいはサブミクロメートルオーダの凹凸構造は２次元フォトニック結晶的効果を起こし、遠赤外領域の反射率を高めるので、放熱効率が低くなる逆効果となり、好ましくない。   Here, the irregular structure of micrometer order or submicrometer order with a regular period causes a two-dimensional photonic crystal effect and increases the reflectivity in the far infrared region. Absent.

図８は本発明に係る放熱材料のグラファイト基板の凹凸構造の製造方法の第２の実施の形態を説明するためのフローチャートである。   FIG. 8 is a flowchart for explaining a second embodiment of the method for manufacturing the concavo-convex structure of the graphite substrate of the heat dissipation material according to the present invention.

始めに、ステップ８０１において、グラファイト基板を図９のスパッタリング装置に投入し、グラファイト基板に対してArガスを用いたスパッタリングを行う。   First, in step 801, the graphite substrate is put into the sputtering apparatus of FIG. 9, and sputtering using Ar gas is performed on the graphite substrate.

図９のスパッタリング装置を説明すると、真空チャンバ９００内において、グラファイト基板９０１は基板回転ホールダ９０２に密着されている。また、基板回転ホールダ９０２に対向してシリコンのターゲット９０３が設けられ、このターゲット９０３は高周波電源９０４に接続され、アノード電極として作用する。また、真空チャンバ９００の上方側にはArガスを導入するガス導入口９０５が設けられ、真空チャンバ９００の下方側には真空ポンプ（図示せず）に接続されたガス排出口９０６が設けられている。真空チャンバ９００の壁及びガス導入口９０５は接地され、カソード電極として作用する。   Referring to the sputtering apparatus of FIG. 9, the graphite substrate 901 is in close contact with the substrate rotation holder 902 in the vacuum chamber 900. A silicon target 903 is provided opposite to the substrate rotation holder 902, and this target 903 is connected to a high-frequency power source 904 and functions as an anode electrode. A gas inlet 905 for introducing Ar gas is provided above the vacuum chamber 900, and a gas outlet 906 connected to a vacuum pump (not shown) is provided below the vacuum chamber 900. Yes. The wall of the vacuum chamber 900 and the gas inlet 905 are grounded and function as a cathode electrode.

図９のスパッタリング装置では、Arガスによってシリコンのターゲット９０３がスパッタリングされてシリコンのマスク粒子９０２ａが矢印のごとくグラファイト基板９０１上に堆積する。詳細には、図１１の（Ａ）に示すごとく、このマスク粒子９０２ａはグラファイト基板９０１上にランダムにかつ広範囲に堆積する。   In the sputtering apparatus of FIG. 9, a silicon target 903 is sputtered by Ar gas, and silicon mask particles 902a are deposited on the graphite substrate 901 as indicated by arrows. Specifically, as shown in FIG. 11A, the mask particles 902a are randomly and extensively deposited on the graphite substrate 901.

次に、ステップ８０２において、マスク粒子９０２ａが堆積したグラファイト基板９０１を図１０のプラズマエッチング装置に投入し、グラファイト基板９０１をAr/O2ガスを用いたプラズマエッチングを行う。 Next, in step 802, the graphite substrate 901 on which the mask particles 902a are deposited is put into the plasma etching apparatus of FIG. 10, and the graphite substrate 901 is subjected to plasma etching using Ar / O 2 gas.

図１０のプラズマエッチング装置を説明すると、真空チャンバ１０００内において、マスク粒子９０２ａが堆積したグラファイト基板９０１は基板ホールダ１００３に密着されている。基板ホールダ１００３は高周波電源１００４に接続され、カソード電極として作用する。また、真空チャンバ１０００の上方側にはAr/O2ガスを導入するガス導入口１００５が設けられ、真空チャンバ１０００の下方側には真空ポンプ（図示せず）に接続されたガス排出口１００６が設けられている。真空チャンバ１０００の壁及びガス導入口１００５は接地され、アノード電極として作用する。 The plasma etching apparatus of FIG. 10 will be described. In the vacuum chamber 1000, the graphite substrate 901 on which the mask particles 902 a are deposited is in close contact with the substrate holder 1003. The substrate holder 1003 is connected to the high frequency power supply 1004 and functions as a cathode electrode. A gas inlet 1005 for introducing Ar / O 2 gas is provided on the upper side of the vacuum chamber 1000, and a gas outlet 1006 connected to a vacuum pump (not shown) is provided on the lower side of the vacuum chamber 1000. Is provided. The wall of the vacuum chamber 1000 and the gas inlet 1005 are grounded and function as an anode electrode.

図１０のプラズマエッチング装置の条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
Ar流量：50sccm
O2流量：100sccm
エッチング時間：30分
である。 The conditions of the plasma etching apparatus in FIG. 10 are, for example, as follows.
RF power: 500W
Pressure: 6.65Pa (50mTorr)
Ar flow rate: 50sccm
O 2 flow rate: 100sccm
Etching time: 30 minutes.

図１０のプラズマエッチング装置では、Ar/O2エッチングガスによってシリコン基板９０２がプラズマエッチングされる。詳細には、図１１の（Ｂ）に示すごとく、グラファイト基板９０１の表面はマスク粒子９０２ａのエッチングストッパとしての作用により高アスペクト比のナノメートルオーダの凹凸構造９０１ａとなる。 In the plasma etching apparatus of FIG. 10, the silicon substrate 902 is plasma-etched by Ar / O 2 etching gas. Specifically, as shown in FIG. 11B, the surface of the graphite substrate 901 becomes a high-aspect-ratio nanometer-order concavo-convex structure 901a by the action of the mask particles 902a as an etching stopper.

尚、第１の実施の形態と同様に、上述のグラファイト基板９０１は金属含浸稠密グラファイト基板とすることができる。これにより、稠密グラファイト基板の靭性がさらに大きくなるので、放熱材料としての加工性、発熱部品との密着性が向上し、発熱部品と放熱材料との間の空隙がなくなる。また、グラファイト基板を用いたが、グラファイト基板以外の炭素系基板、たとえばダイヤモンド基板あるいはガラス状炭素基板を用いてもよい。さらに、マスク材料としてのシリコンのターゲット９０３は、SiO2、Al、Al2O3、CrあるいはNiよりなる基板でもよい。 Note that, as in the first embodiment, the above-described graphite substrate 901 can be a metal-impregnated dense graphite substrate. Thereby, since the toughness of the dense graphite substrate is further increased, the workability as a heat dissipation material and the adhesion with the heat-generating component are improved, and the gap between the heat-generating component and the heat-dissipating material is eliminated. Although the graphite substrate is used, a carbon-based substrate other than the graphite substrate, for example, a diamond substrate or a glassy carbon substrate may be used. Further, the silicon target 903 as the mask material may be a substrate made of SiO 2 , Al, Al 2 O 3 , Cr or Ni.

尚、図８のステップ８０２でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、Ar/O2ガス以外のCO2ガス、CF4ガス、SF4ガス等のいずれでもよい。 Note that the plasma etching method in step 802 of FIG. 8 may be any of an electron cyclotron resonance (ECR) etching method, a reactive ion etching (RIE) method, an atmospheric pressure plasma etching method, or the like, and the processing gas is Ar. / O 2 CO 2 gas other than the gas, CF 4 gas, may be any of such SF 4 gas.

図１２は図８のフローの変更例を示し、第１の実施の形態と同様に、図８のスパッタリングステップ８０１の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による前処理を行う。これにより、不規則的周期のたとえばミクロメートルオーダ、サブミクロメートルオーダの凹凸構造を形成する。従って、グラファイト基板の表面積が増大して放熱効率が高くなる。 FIG. 12 shows a modified example of the flow of FIG. 8, and similarly to the first embodiment, before the sputtering step 801 of FIG. 8, mechanical surface polishing such as sandblasting and / or CO 2 laser, YAG laser, Pretreatment is performed by surface polishing by irradiation with high power laser such as excimer laser. As a result, a concavo-convex structure having an irregular period such as a micrometer order or a submicrometer order is formed. Accordingly, the surface area of the graphite substrate is increased and the heat dissipation efficiency is increased.

尚、上述の実施の形態におけるナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.2〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。   The nanometer order in the above-described embodiment indicates a range of about 10 to 500 nm, the submicrometer order indicates a range of about 0.2 to 10 μm, and the micrometer order indicates a range of about 10 to 500 μm. .

１０１：スパッタリング／プラズマエッチングステップ
２００、９００：真空チャンバ
２０１、９０１：グラファイト基板
２０２：シリコン基板
２０２ａ、９０２ａ：マスク粒子
２０３：基板ホールダ
２０４、９０４：高周波電源
２０５、９０５：ガス導入口
２０６、９０６：ガス排出口
７０１：不規則的周期のミクロン（サブミクロン）凹凸加工ステップ
８０１：スパッタリングステップ
８０２：プラズマエッチングステップ
９０３：シリコンターゲット
１０００：真空チャンバ
１００３：基板ホールダ
１００４：高周波電源
１００５：ガス導入口
１００６：ガス排出口

101: Sputtering / plasma etching step 200, 900: Vacuum chamber 201, 901: Graphite substrate 202: Silicon substrate 202a, 902a: Mask particle 203: Substrate holder 204, 904: High frequency power source 205, 905: Gas inlet 206, 906: Gas outlet 701: Irregular periodic micron (submicron) unevenness processing step 801: Sputtering step 802: Plasma etching step 903: Silicon target 1000: Vacuum chamber 1003: Substrate holder 1004: High frequency power supply 1005: Gas inlet 1006: Gas outlet

Claims (12)

マスク粒子が堆積した表面にナノメートルオーダの第１の凹凸構造を形成した炭素系基板を具備する放熱材料。   A heat dissipating material comprising a carbon-based substrate having a nanometer-order first concavo-convex structure formed on a surface on which mask particles are deposited. さらに、前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板に形成した請求項１に記載の放熱材料。   The heat dissipation material according to claim 1, wherein a second uneven structure having an irregular period larger than the size of the first uneven structure is formed on the carbon-based substrate. 前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロメートルオーダ以上である請求項２に記載の放熱材料。   The heat dissipating material according to claim 2, wherein the size of the second concavo-convex structure is not less than a submicrometer order. 前記炭素系基板が金属含浸グラファイト基板である請求項１に記載の放熱材料。   The heat dissipation material according to claim 1, wherein the carbon-based substrate is a metal-impregnated graphite substrate. 炭素系基板の表面にマスク粒子を堆積させるマスク粒子堆積工程と、
前記マスク粒子が堆積した炭素系基板の表面をナノメートルオーダの第１の凹凸構造に加工する第１の凹凸構造加工工程と
を具備する放熱材料の製造方法。 A mask particle deposition step of depositing mask particles on the surface of the carbon-based substrate;
And a first concavo-convex structure processing step of processing the surface of the carbon-based substrate on which the mask particles are deposited into a first concavo-convex structure having a nanometer order. 前記マスク粒子堆積工程と前記第１の凹凸構造加工工程とが並行して行われる請求項５に記載の放熱材料の製造方法。   The method for manufacturing a heat dissipation material according to claim 5, wherein the mask particle deposition step and the first concavo-convex structure processing step are performed in parallel. 前記マスク粒子堆積工程の後に前記第１の凹凸構造加工工程が行われる請求項５に記載の放熱材料の製造方法。   The method for manufacturing a heat dissipation material according to claim 5, wherein the first uneven structure processing step is performed after the mask particle deposition step. 前記マスク粒子堆積工程がスパッタリング工程である請求項５に記載の放熱材料の製造方法。   The method for manufacturing a heat dissipation material according to claim 5, wherein the mask particle deposition step is a sputtering step. 前記第１の凹凸構造加工工程がプラズマエッチング工程である請求項５に記載の放熱材料の製造方法。   The method for manufacturing a heat dissipation material according to claim 5, wherein the first uneven structure processing step is a plasma etching step. さらに、前記マスク粒子堆積工程及び前記第１の凹凸構造加工工程の前に、前記第１の凹凸構造のサイズより大きい不規則的周期の第２の凹凸構造を前記炭素系基板の表面に加工する工程を具備する請求項６に記載の放熱材料の製造方法。   Furthermore, before the mask particle deposition step and the first uneven structure processing step, a second uneven structure having an irregular period larger than the size of the first uneven structure is processed on the surface of the carbon-based substrate. The manufacturing method of the thermal radiation material of Claim 6 which comprises a process. 前記第２の凹凸構造のサイズがサブミクロメートルオーダ以上である請求項１０に記載の放熱材料の製造方法。   The method for manufacturing a heat dissipation material according to claim 10, wherein the size of the second concavo-convex structure is not less than a submicrometer order. 前記炭素系基板が金属含浸グラファイト基板である請求項５に記載の放熱材料の製造方法。


The method for manufacturing a heat dissipation material according to claim 5, wherein the carbon-based substrate is a metal-impregnated graphite substrate.


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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014036187A (en) * 2012-08-10 2014-02-24 Stanley Electric Co Ltd Heat dissipation structure and heating element device provided with the same
KR101568292B1 (en) * 2014-05-07 2015-11-12 주식회사 티앤머티리얼스 Cabon based metal matrix composite substrate and method of the same
WO2020066634A1 (en) * 2018-09-27 2020-04-02 株式会社カネカ Anisotropic graphite and anisotropic graphite composite
KR20200129057A (en) * 2019-05-07 2020-11-17 주식회사 제이브이코리아 Method producing film for heat dissipation and noise shielding of electronic device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014036187A (en) * 2012-08-10 2014-02-24 Stanley Electric Co Ltd Heat dissipation structure and heating element device provided with the same
KR101568292B1 (en) * 2014-05-07 2015-11-12 주식회사 티앤머티리얼스 Cabon based metal matrix composite substrate and method of the same
WO2020066634A1 (en) * 2018-09-27 2020-04-02 株式会社カネカ Anisotropic graphite and anisotropic graphite composite
JPWO2020066634A1 (en) * 2018-09-27 2021-09-09 株式会社カネカ Anisotropic graphite and anisotropic graphite composite
JP7232257B2 (en) 2018-09-27 2023-03-02 株式会社カネカ Anisotropic graphite and anisotropic graphite composites
KR20200129057A (en) * 2019-05-07 2020-11-17 주식회사 제이브이코리아 Method producing film for heat dissipation and noise shielding of electronic device
KR102191662B1 (en) * 2019-05-07 2020-12-16 주식회사 제이브이코리아 Method producing film for heat dissipation and noise shielding of electronic device

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