[发明专利]碳纤维碳复合成型体、碳纤维强化碳复合体材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维碳复合成型体、碳纤维强化碳复合体材料及其制造方法。

背景技术

在使用硅或化合物半导体的电子设备领域，现在的技术进步飞快，推测所使用的频率或电力变换容量将进一步提高。随之，由电子设备产生的热量也不断增加，因此能够将更多的热量更迅速地按照设计散热的所谓的散热材料必不可少。

目前，作为散热材料使用的材料为铜钼、铜钨、氮化铝等。这些散热材料的热传导率低于250W/mK，随着上述的半导体技术的技术进步，希望得到具有比铜或银等400W/mK更高的热传导率的材料。

上述的半导体装置通过焊料或银焊等与散热材料接合。焊料或银焊的热传导率低至数+W/mK，另外，还产生界面连接的热电阻，因此接合引起实际的热传导率比初始值减少数成。因此，考虑界面的热传导率损失，散热材料所要求的热传导率期望为450W/mK以上，优选500W/mK以上。

作为热传导率高的材料，已知有由金刚石成分构成的材料或石墨片材等。但是，这些材料所能够制造的厚度为数mm左右，在散热设计的阶段产生限制。另外，存在金刚石成分高价的问题。

作为热传导率高的其它的材料，已知有碳纤维强化碳复合材料。作为碳纤维强化碳复合材料，已知有使用由碳纤维和树脂等基材前体制成的预浸渍材料，将预浸渍材料热压成型后进行石墨化处理的材料，或将预浸渍材料的基材前体碳化后，使预浸渍材料内部含有热分解碳，之后进行石墨化处理形成的材料(专利文献1和2等)。

通过上述的方法形成的碳纤维强化碳复合材料的热传导率，根据并线碳纤维的方式、所谓的碳纤维成型体的结构不同而有较大差异。其原因在于，根据碳纤维的并线方向、密度、有无波纹，极大地左右热分解碳含有的成分。例如，是由于应用热分解碳通过甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等有机气体的热分解从而它们的碳成分和一部分氢等附着于碳纤维表面的碳纤维强化碳复合材料。气体的碰撞次数受成型体的结构和密度的影响大，气体分解的大部分在成型体表面附近完成，因此有时气体达不到成型体内部。另外，即使在到达的情况下，根据碳纤维的种类形成的热分解碳的晶体形态不同，有时也达不到充分高的热传导率。

作为并线碳纤维的具体的方式，可以列举(1)向一个方向并线的方式；(2)向两个方向并线的方式(包括编织的平纹编织方式或缎纹编织的方式等)；(3)将碳纤维分别向X轴、Y轴、及Z轴的方向分开编织的毛毡的方式等。

在上述(1)的情况下，在并线碳纤维的方向上得到700W/mK以上的热传导率。另外，在(3)的方式中，在X轴、Y轴、及Z轴的三个方向上得到300～400W/mK的热传导率。

如上所述，碳纤维强化碳复合材料作为散热材料使用。对由半导体产生的热量进行散热的散热材料通常设于基座上，并在其上配置有半导体。由半导体产生的热量经由散热材料传递到基座。为了将半导体的发热而产生的热量有效地向基座进行热传递，重要的是使热量一边在散热材料中放射状进行扩散，一边进行传递。

如上述(1)所示的向一个方向并线碳纤维的方式中，以碳纤维垂直半导体的方式设置散热材料时，其方向为具有700W/mK以上的热传导率的方向，因此向下方的热传递迅速。但是，不能期望向基座扩散，半导体产生的热量难以迅速传递到基座。

另外，以碳纤维的方向相对于半导体平行的方式设置时，由于与碳纤维的轴方向垂直的方向的热传导率为100W/mK以下，因此难以传递来自半导体的热量。

另外，在上述(3)的方式中，没有报道X轴和Y轴的各自方向的热传导率的平均值超过400W/mK的情况，绝对的热传导率不足。

在上述(2)的向二各方向并线碳纤维的方式及编织的平纹编织或缎纹编织的方式中，如果以在两个方向上得到高的热传导率为前提考虑，则能够使来自半导体的热量优先在垂直方向和横向传递，能够一边放射状进行扩散一边进行传递。另外，三个方向内剩余的一个方向难以传递热量，由于在半导体的周边也存在对热敏感的设备，因此通过有意识地将难以传递散热材料的热量的方向朝向该设备的方向，也能够保护设备。

但是，将碳纤维沿上述(2)的两个方向并线的方式的碳纤维强化碳复合材料中，不能够得到充分高的热传导率，另外，存在在X轴及Y轴的面方向上热传导率具有各向异性的问题。例如，存在热传导率在X轴和Y轴之间的中间方向低于X轴方向和Y轴方向的问题。

专利文献1：日本特开2004-23088号公报

专利文献2：日本特开2004-91256号公报

发明内容