JPH08191121A - 黒鉛の熱伝導体を有する製品 - Google Patents

黒鉛の熱伝導体を有する製品

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JPH08191121A
JPH08191121A JP14929695A JP14929695A JPH08191121A JP H08191121 A JPH08191121 A JP H08191121A JP 14929695 A JP14929695 A JP 14929695A JP 14929695 A JP14929695 A JP 14929695A JP H08191121 A JPH08191121 A JP H08191121A
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JP
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graphite
plane
heat
heat sink
diamond
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JP14929695A
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Thomas R Anthony
トーマス・リチャード・アンソニー
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 発熱性の物体から熱を放散させる極めて安価
な手段。 【構成】 ヒートシンク材料として黒鉛が使用される。
その場合、少なくとも発熱源に直接に接触する黒鉛部分
については、それのｃ面が発熱源を取付けた表面に対し
て垂直であることが好ましい。かかる黒鉛の熱伝導率を
増大させるためには、それに熱処理を施すか、あるいは
それの同位体純度を高めればよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、発熱性の物体から熱を放散さ
せる技術に関するものである。非常に高い熱伝導率を有
する熱伝導体（以後は「ヒートシンク」と呼ぶことがあ
る）は様々な分野において必要とされている。その一例
は、ある種の発熱性部品を含むような電子装置である。
別の実例は、光ファイバ回路網用の中継所において見出
される。かかる回路網の光ファイバを通して導かれるレ
ーザ光により、信号が非常に長い距離にわたって伝送さ
れる。これらの信号の強さは数キロメートルを越えると
実質的に減衰するから、回路網に沿って伝送される光信
号の強さを増大させるため、回路網に沿って一定間隔で
中継所を設置することが必要である。この種の典型的な
中継所においては、光ファイバによって伝送される減衰
した信号を電気信号に変換するために光検出器が使用さ
れる。かかる電気信号は増幅され、発光ダイオードによ
って再び光信号に変換され、そして回路網の次の区間に
沿って伝送される。
【０００２】必要な中継所の数をできるだけ少なくする
ためには、いずれの中継所においても信号の増幅度を最
適にすることが望ましい。とは言え、電気的に発生され
る任意の種類の放射エネルギーの量は使用する電流の４
乗に比例する。かかる放射エネルギーの一部は光の形態
を取るが、残りは熱として失われる。それ故、個々の中
継所のいずれにおいても非常に多量の熱が発生するか
ら、中継所の機能を維持するためには効率の良いヒート
シンクが必要とされるのである。
【０００３】非常に高い熱伝導率を有するダイヤモンド
は、ヒートシンクとして使用するために有望な材料であ
る。とりわけ、本発明の所有権者によって所有された米
国特許出願第０８／１６３６０８号明細書中に開示され
ているような純粋な同位体から成る単結晶ダイヤモンド
が望ましい。しかしながら、ダイヤモンド製ヒートシン
クの使用に関しては幾つかの問題が認められている。天
然ダイヤモンドはあまりに高価であって、このような目
的に使用するのは全く若しくはほとんど不可能である。
同じことは、一般に高温高圧条件下で製造される合成ダ
イヤモンドについても言える。
【０００４】近年に見られるような化学蒸着法（以後は
「ＣＶＤ法」と呼ぶ）による多結晶質ダイヤモンドの製
造は、より安価でありながら有効なヒートシンク材料の
開発に望みを与えた。とは言え、まだかなり高価である
ことに加え、ＣＶＤダイヤモンドは応力割れやその他の
問題を生じ易い。そのため、ＣＶＤダイヤモンドが広く
使用されるには至っていない。
【０００５】
【発明の概要】本発明は、極めて安価な材料である黒鉛
から効率の良いヒートシンクを製造し得るという発見に
基づいている。少なくとも１つの方向に沿って配向させ
た場合に高い熱伝導率を有することに加え、黒鉛の比熱
（２．０５ｃａｌ／ｍｏｌ・°Ｋ）はダイヤモンドの比
熱（１．４８ｃａｌ／ｍｏｌ・°Ｋ）より遥かに大き
く、またその他の様々な利点も得られる。黒鉛はまた、
ダイヤモンドよりも遥かに少ない費用で迅速に成長させ
ることができる。
【０００６】すなわち、本発明に従って一般的に述べれ
ば、黒鉛から成る熱伝導体に接触した発熱源を含むこと
を特徴とする製品が提供される。
【０００７】
【好適な実施の態様の詳細な説明】本発明においては任
意の発熱源を使用することができる。とりわけ、本発明
はマルチチップモジュールや集積回路のごとき電子回路
部品及び光ファイバ回路網中の中継所に対して適用する
ことができる。後者の場合、本発明は特に中継所におい
て使用される発光ダイオード（たとえば、レーザダイオ
ード）に関連して使用される。
【０００８】本発明の製品においてヒートシンク材料と
して使用するのに適した黒鉛は、適当な基体（たとえ
ば、黒鉛又はタンタル）上への化学蒸着によって炭化水
素（たとえば、メタン）から製造するのが簡便である。
このような黒鉛は一般に「熱分解黒鉛」として知られて
いるが、それの製造方法は当業界において公知である。
一般的に述べれば、大気圧より低い圧力（たとえば、約
１０〜１００トルの範囲内の圧力）の下で約１９００〜
２１００℃の範囲内の温度に加熱された基体に接触する
ように炭化水素ガスが流される。蒸着された黒鉛を基体
から分離した後、常法に従って（たとえば、機械加工に
より）加工すれば、所望の寸法及び形状を有するヒート
シンクを得ることができる。
【０００９】熱分解黒鉛は、ＣＶＤダイヤモンドに比べ
て１０００倍程度の早い速度で成長する。たとえば、厚
さ１ｍｍのＣＶＤダイヤモンド板を成長させるためには
数日を要するのに対し、同じ厚さの黒鉛板は僅か１．５
時間で成長させることができる。その上、熱分解黒鉛を
蒸着させる場合には、高濃度の不安定な化学種（たとえ
ば、原子状水素）を基体表面に維持することも必要でな
い。必要とされるのは、供給された炭化水素ガスを分解
し得る一様に加熱された基体のみである。
【００１０】蒸着の実行可能性及び比熱に関する利点に
加え、黒鉛の密度はダイヤモンドの密度の僅か６４％で
ある。従って、一定重量の黒鉛製ヒートシンクは同じ重
量のダイヤモンド製ヒートシンクより大きい熱伝導性を
有することになる。かかる密度の差は、マルチチップモ
ジュールなどの作製に際して特に有用である。更に、黒
鉛のデバイ温度はダイヤモンドに比べて約１２０°Ｋだ
け高く、また黒鉛の強度は温度の上昇に伴って増大する
のに対してダイヤモンドの強度は低下する。従って、一
定重量の黒鉛製ヒートシンクは同じ重量のダイヤモンド
製ヒートシンクより大きい熱伝導性を有し、またかかる
熱伝導性は高温下又は遷移金属との接触条件下でもそれ
ほど低下しない。密度の差は、マルチチップモジュール
などの作製に際して特に有用である。脆性のより小さい
黒鉛はまた、大きくて取扱いの容易な平板として蒸着す
ることや、割れを生じることなしにヒートシンクとして
の使用に適した形状に機械加工することがダイヤモンド
よりも遥かに容易である。
【００１１】黒鉛結晶は、芳香族結合した炭素六員環が
多数の平面を成して堆積したものであることが良く知ら
れている。以後、かかる平面は常法に従ってしばしば
「ｃ面」と呼ばれる。ｃ面内における炭素−炭素結合は
極めて強いが、面間におけるそれは一般に遥かに弱い。
熱分解黒鉛はｃ面が基体の表面に対して平行となるよう
に成長する。
【００１２】ｃ面内における黒鉛の熱伝導率は２０〜３
０Ｗ／ｃｍ・°Ｋ程度であると予想されるが、これはダ
イヤモンドの熱伝導率に匹敵するものである。垂直方向
においては、それは約１Ｗ／ｃｍ・°Ｋに過ぎない。そ
れ故、黒鉛製ヒートシンクの結晶方位は発熱源から最大
量の熱を運び去るようなものであることが一般に好まし
い。これを達成するための様々な手段を以下に記載す
る。
【００１３】蒸着したままの熱分解黒鉛は、不規則に堆
積したｃ面を有する多結晶質のものである場合が多い。
熱伝導率は規則的に堆積した大きいｃ面を形成すること
によって増大させることができる。それが所望される場
合には、通例約１．５〜３時間の範囲内の時間にわた
り、約２０００〜３８００℃好ましくは約２５００〜３
８００℃の範囲内の温度下で熱処理を施せばよい。他
方、熱伝導率の多少の低下を許容し得るならば、より不
完全な結晶形態の黒鉛は硬さが大きく、従って一層容易
に取扱うことができる。
【００１４】更にまた、ダイヤモンドの場合と同じく、
純粋な同位体から成る黒鉛の熱伝導率は正常な同位体存
在比の黒鉛の熱伝導率よりも実質的に高いことが予想さ
れる。従って、本発明の別の実施の態様においては、少
なくとも約９９．２重量％好ましくは少なくとも約９
９．９重量％の同位体純度を有する黒鉛が使用される。
すなわち、他の同位体は０．８重量％以下好ましくは
０．１重量％以下の量で存在する必要がある。比較的安
価に入手可能でありかつ相対的に高い理論熱伝導率を有
する点から見て、純粋な12Ｃ同位体から成る黒鉛が13Ｃ
同位体から成る黒鉛よりも一般に好適である。
【００１５】以下、添付の図面を参照しながら本発明に
係わるヒートシンクの構造例を説明しよう。図１には、
レーザダイオードから成る個体の発熱源を使用した単純
な構造例が示されている。このような場合には、ｃ面が
表面に対して垂直でありかつその上に取付けられたレー
ザダイオード２に対しても垂直であるような単一構造の
黒鉛製ヒートシンク１を使用することができる。
【００１６】図２及び３には、唯一のヒートシンク材料
として黒鉛を使用しかつマルチチップモジュール用とし
て特に適した２種の構造例が示されている。いずれの場
合にも、ヒートシンクの本体４のｃ面は上面に対して平
行であり、また（本体４に設けられたくさび形の溝とし
て図示された）発熱源に直接に接触する部分は黒鉛挿入
体３を含んでいる。かかる挿入体３のｃ面は発熱源を取
付ける表面に対して垂直である。かかる挿入体３は適当
な接着剤又はにかわの薄層によって本体４に固定され
る。図２では挿入体３のｃ面が溝の長さ方向に対して平
行になっているのに対し、図３では挿入体３のｃ面が溝
の長さ方向に対して垂直になっている。
【００１７】図４においては、表面に対して垂直なｃ面
を有する黒鉛プラグ５が本体４の穴の中に挿入されてい
る。かかるプラグは円柱状のものとして示されている
が、その他の形状のものを使用することもできる。プラ
グ５を設置するためには、本体４を熱膨張させて挿入し
てもよいし、あるいは接着剤を使用してもよい。図２〜
４の実施例においては、発熱源の取付面からｃ面に沿っ
て本体４中に熱が導かれる。次いで、かかる熱は本体４
のｃ面に沿ってそれの上面に平行な方向に伝達されるこ
とによって放散される。
【００１８】図５には、本発明の別の実施例が示されて
いる。この場合には、発熱源に直接に接触するダイヤモ
ンド挿入体７が黒鉛製ヒートシンクの本体４中に嵌め込
まれている。かかるダイヤモンド挿入体を設置するため
には、天然又は合成ダイヤモンドから成る独立の部材を
本体４の溝の中に圧入してもよいし、あるいはＣＶＤダ
イヤモンドを溝の中に蒸着してもよい。発熱源によって
発生された熱はダイヤモンド挿入体７を通して下方に伝
達され、次いで本体４を通してそれの上面に平行な方向
に放散される。
【００１９】黒鉛は導電性を有するから、図１〜５に示
された単純な構造例を使用し得るのは発熱源からの電流
の伝導が問題にならない場合に限られる。しかるに、多
くの場合、ヒートシンク（又は少なくとも発熱源に接触
するヒートシンク部分）は電気絶縁性を有することが要
求される。そのような場合には、化学蒸着法、物理蒸着
法又はスパッタリングのごとき方法により、電気絶縁材
又は電気絶縁材に転化し得る材料の層を黒鉛表面の少な
くとも一部分上に設置すればよい。後者の場合には、か
かる層の表面部分を（たとえば、約１５００〜２０００
℃の範囲内の温度下で酸化することによって）転化させ
れば、電気絶縁材が得られることになる。
【００２０】このような実施例が図６及び７に示されて
いる。図６の場合には、たとえばシラン含有雰囲気への
暴露により、黒鉛製ヒートシンク１０上に炭化ケイ素の
層が設置される。次いで、かかる層を酸化して二酸化ケ
イ素を生成させれば、中間の炭化ケイ素層９上に二酸化
ケイ素層１１が形成されることになる。図７の場合に
は、黒鉛製ヒートシンク１０の表面上にＣＶＤダイヤモ
ンド層１３が成長させられる。
【００２１】図６の実施例はまた、ヒートシンクの使用
温度が約６００℃を越える場合にも採用することができ
る。なぜなら、二酸化ケイ素の表面被膜が黒鉛を不動態
化してそれの酸化を防止するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【図２】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【図３】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【図４】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【図５】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【図６】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【図７】本発明の製品中に存在し得る黒鉛製ヒートシン
クの構造例を示す略図である。
【符号の説明】
１ 黒鉛製ヒートシンク ２ レーザダイオード ３ 黒鉛挿入体 ４ ヒートシンク本体 ５ 黒鉛プラグ ７ ダイヤモンド挿入体 ９ 炭化ケイ素層 １０ 黒鉛製ヒートシンク １１ 二酸化ケイ素層 １３ ＣＶＤダイヤモンド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/52 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ａ Ｈ０１Ｓ 3/18

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 黒鉛を含む熱伝導体に接触した発熱源を
    含むことを特徴とする製品。
  2. 【請求項２】 前記黒鉛が約２０００〜３８００℃の範
    囲内の温度下で熱処理を受けたものである請求項１記載
    の製品。
  3. 【請求項３】 前記黒鉛が少なくとも約９９．２％の同
    位体純度を有する請求項１記載の製品。
  4. 【請求項４】 前記黒鉛が少なくとも約９９．９％の同
    位体純度を有する請求項３記載の製品。
  5. 【請求項５】 前記黒鉛が少なくとも約９９．９％の純
    度を有する炭素１２から成る請求項４記載の製品。
  6. 【請求項６】 前記発熱源に直接に接触する黒鉛部分の
    ｃ面が前記発熱源を取付けた表面に対して垂直である請
    求項１記載の製品。
  7. 【請求項７】 前記発熱源に直接に接触するダイヤモン
    ド挿入体が追加包含される請求項１記載の製品。
  8. 【請求項８】 前記黒鉛の表面の少なくとも一部分上に
    配置された電気絶縁材又はそれに転化し得る材料の層が
    追加包含される請求項１記載の製品。
  9. 【請求項９】 前記電気絶縁材がダイヤモンドである請
    求項８記載の製品。
  10. 【請求項１０】 前記電気絶縁材が部分的に二酸化ケイ
    素に転化した炭化ケイ素である請求項８記載の製品。
JP14929695A 1994-06-20 1995-06-16 黒鉛の熱伝導体を有する製品 Withdrawn JPH08191121A (ja)

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