[發明專利]碳纖維碳復合成型體、碳纖維強化碳復合體材料及其制造方法

無效

• 申請號: 200980113117.8
• 申請日: 2009-04-06
• 公開（公告）號: CN102007090A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 武田章義
• 申請（專利權）人: 東洋炭素株式會社
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B41/88;C30B15/10;H01L23/36;H01L23/373
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術領域

本發明涉及碳纖維碳復合成型體、碳纖維強化碳復合體材料及其制造方法。

背景技術

在使用硅或化合物半導體的電子設備領域，現在的技術進步飛快，推測所使用的頻率或電力變換容量將進一步提高。隨之，由電子設備產生的熱量也不斷增加，因此能夠將更多的熱量更迅速地按照設計散熱的所謂的散熱材料必不可少。

目前，作為散熱材料使用的材料為銅鉬、銅鎢、氮化鋁等。這些散熱材料的熱傳導率低于250W/mK，隨著上述的半導體技術的技術進步，希望得到具有比銅或銀等400W/mK更高的熱傳導率的材料。

上述的半導體裝置通過焊料或銀焊等與散熱材料接合。焊料或銀焊的熱傳導率低至數+W/mK，另外，還產生界面連接的熱電阻，因此接合引起實際的熱傳導率比初始值減少數成。因此，考慮界面的熱傳導率損失，散熱材料所要求的熱傳導率期望為450W/mK以上，優選500W/mK以上。

作為熱傳導率高的材料，已知有由金剛石成分構成的材料或石墨片材等。但是，這些材料所能夠制造的厚度為數mm左右，在散熱設計的階段產生限制。另外，存在金剛石成分高價的問題。

作為熱傳導率高的其它的材料，已知有碳纖維強化碳復合材料。作為碳纖維強化碳復合材料，已知有使用由碳纖維和樹脂等基材前體制成的預浸漬材料，將預浸漬材料熱壓成型后進行石墨化處理的材料，或將預浸漬材料的基材前體碳化后，使預浸漬材料內部含有熱分解碳，之后進行石墨化處理形成的材料(專利文獻1和2等)。

通過上述的方法形成的碳纖維強化碳復合材料的熱傳導率，根據并線碳纖維的方式、所謂的碳纖維成型體的結構不同而有較大差異。其原因在于，根據碳纖維的并線方向、密度、有無波紋，極大地左右熱分解碳含有的成分。例如，是由于應用熱分解碳通過甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等有機氣體的熱分解從而它們的碳成分和一部分氫等附著于碳纖維表面的碳纖維強化碳復合材料。氣體的碰撞次數受成型體的結構和密度的影響大，氣體分解的大部分在成型體表面附近完成，因此有時氣體達不到成型體內部。另外，即使在到達的情況下，根據碳纖維的種類形成的熱分解碳的晶體形態不同，有時也達不到充分高的熱傳導率。

作為并線碳纖維的具體的方式，可以列舉(1)向一個方向并線的方式；(2)向兩個方向并線的方式(包括編織的平紋編織方式或緞紋編織的方式等)；(3)將碳纖維分別向X軸、Y軸、及Z軸的方向分開編織的毛氈的方式等。

在上述(1)的情況下，在并線碳纖維的方向上得到700W/mK以上的熱傳導率。另外，在(3)的方式中，在X軸、Y軸、及Z軸的三個方向上得到300～400W/mK的熱傳導率。

如上所述，碳纖維強化碳復合材料作為散熱材料使用。對由半導體產生的熱量進行散熱的散熱材料通常設于基座上，并在其上配置有半導體。由半導體產生的熱量經由散熱材料傳遞到基座。為了將半導體的發熱而產生的熱量有效地向基座進行熱傳遞，重要的是使熱量一邊在散熱材料中放射狀進行擴散，一邊進行傳遞。

如上述(1)所示的向一個方向并線碳纖維的方式中，以碳纖維垂直半導體的方式設置散熱材料時，其方向為具有700W/mK以上的熱傳導率的方向，因此向下方的熱傳遞迅速。但是，不能期望向基座擴散，半導體產生的熱量難以迅速傳遞到基座。

另外，以碳纖維的方向相對于半導體平行的方式設置時，由于與碳纖維的軸方向垂直的方向的熱傳導率為100W/mK以下，因此難以傳遞來自半導體的熱量。

另外，在上述(3)的方式中，沒有報道X軸和Y軸的各自方向的熱傳導率的平均值超過400W/mK的情況，絕對的熱傳導率不足。

在上述(2)的向二各方向并線碳纖維的方式及編織的平紋編織或緞紋編織的方式中，如果以在兩個方向上得到高的熱傳導率為前提考慮，則能夠使來自半導體的熱量優先在垂直方向和橫向傳遞，能夠一邊放射狀進行擴散一邊進行傳遞。另外，三個方向內剩余的一個方向難以傳遞熱量，由于在半導體的周邊也存在對熱敏感的設備，因此通過有意識地將難以傳遞散熱材料的熱量的方向朝向該設備的方向，也能夠保護設備。

但是，將碳纖維沿上述(2)的兩個方向并線的方式的碳纖維強化碳復合材料中，不能夠得到充分高的熱傳導率，另外，存在在X軸及Y軸的面方向上熱傳導率具有各向異性的問題。例如，存在熱傳導率在X軸和Y軸之間的中間方向低于X軸方向和Y軸方向的問題。

專利文獻1：日本特開2004-23088號公報

專利文獻2：日本特開2004-91256號公報

發明內容