JP4550613B2

JP4550613B2 - 異方熱伝導材料

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Publication number: JP4550613B2
Application number: JP2005044771A
Authority: JP
Inventors: 英道藤原
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: JP2006229174A

Description

電子機器、電子デバイスから発生する熱を有効に移動させることが必要とされるエレクトロニクス分野、自動車廃熱利用分野に用いられる異方熱伝導材料に関する。具体的な例として、半導体のトランジスタ配線層の下部層として本発明を適用し、層間をまたがるトランジスタ間の熱的な干渉を避け、トランジスタの熱的誤作動を防止したり、熱電素子の熱極に本発明を適用し、熱電素子の薄膜化による高効率化を計ったりすることができる。さらに、導体表面に本発明を適用し、導体から発する廃熱を直接外部に放出せず、目的の場所まで熱を移送し、目的の場所に熱を排出することが可能な、省スペースの熱移送や廃熱利用等が可能な面状異方熱伝導材料に関する。

放熱、熱の移送を行う場合に、液体と熱交換して流体による熱輸送を行ったり、熱伝導性の高い材料に伝熱させたり、ヒートパイプなどの蒸発、凝集型の電熱モジュールを用いていた。

流体と熱交換を行う場合、ヒートパイプなどの蒸発、凝集型の電熱モジュールは熱輸送路の向きや寸法、構成に制限があり、性能、用途が限定されているため、機器の小型化に限界があることから、省スペースが必要な携帯機器用のデバイス冷却に用いることができなかった。従来の熱伝導性の高い材料により伝熱させる方法では熱絶縁特性が低いために、伝熱過程で熱放出するという問題があり、十分な熱輸送量を得ることができず、さらに伝熱過程での熱の放出、拡散などによる機器への悪影響がある。

また、特許文献１のように、熱絶縁材料としては、α−Ｓｉ_３Ｎ_４リッチ相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４リッチ相を多層化して異相界面におけるフォノン散乱を利用して熱絶縁化をはかる方法なども検討されている。この熱絶縁材料は、積層厚が１００μｍ程度とフォノンの自由工程距離よりも大幅に大きい厚さであり、固溶体のある相と固溶体のない相を積層したものであり、本発明のような膜厚方向に熱絶縁化しているが、膜面内では高熱伝導性を有していない。
非特許文献１には、多層膜による膜厚方向の熱絶縁に関する理論的な考察が記載されているが、膜内方向への熱伝導性を高め、膜内にて熱飽和が起こることを抑制する手段については、まったく触れられていない。
非特許文献２には、Ｓｉチップ内での熱伝導性制御に薄膜形成を用いる方法などが述べられているが、膜厚方向と膜面方向への熱伝導率の差についての記述はなく、多層化の効果なども述べられていない。

特開平８−２７６５３７Ｓ．Ｔａｍｕｒａｅｔ．ａｌ：ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ，ｖｏｌ３８，１４２７．Ａ．Ａ．Ｂａｌａｎｄｉａｎ：ＮＡＳＡ−Ａｍｅｓ，ＦＥＢ２８，２００３

電子デバイス、電子機器モジュールから発生する熱を省スペースで、有効に取り出すことができる材料及び方法がないためにこれを解決することと、特に基板上に密に配置された素子相互間の熱影響を防止すること等が本発明の課題である。

本発明は、熱共振材料と膜内高熱伝導性材料を組み合わせることによって、膜厚方向には熱絶縁性、膜内方向には高熱伝導性を発現できる異方熱伝導材料が得られる。廃熱の移送や有効利用ができるようにしたものである。以下発明の詳細を示す。

請求項１に記載の発明は、熱を膜面ならびに膜厚方向の両方に伝達する熱伝導体１（構成材料Ａ）と膜面に対して垂直成分からなる入熱の一部に対して回折現象を起こして、熱絶縁特性を示す熱共振体２（構成材料Ｂ）を積層してなる異方熱伝導材料であり、さらに熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚ｔと入熱を構成するフォノン中にて波長分布密度の大きいフォノン波長λが以下の関係を満たし、
ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８（ｍは整数）
構成材料Ａと構成材料Ｂの組み合わせとして、（Ａ，Ｂ）＝（Ａｇ，Ｓｉ），（Ｃ，Ｓｉ），（Ｃｕ，Ｃｒ），（Ｃ，Ｃｒ），（Ｃｕ，Ｒｕ），（Ｃ，Ｒｕ），（Ｐｔ，Ａｇ），（Ｃ，Ａｇ）からなる群より選ばれる一つの組を選定することを特徴とする異方熱伝導材料。
これにより異方熱伝導性を発現させることができるのは、熱伝導体１（構成材料Ａ）が膜内から膜の端部に熱を移動させる役割を果たし、端部からの熱の取り出しが容易になり、熱共振体２（構成材料Ｂ）はフォノン共振を起こす役割を果たし、膜厚方向への熱伝導性を著しく低下させ、熱絶縁性をもたせるからである。つまり、入熱より励起されるフォノン振動が構成材料Ｂを伝達して熱伝導体１（構成材料Ａ）との界面にて反射されることにより、構成材料Ｂ中でフォノン振動の共振が起こり、熱伝導体１（構成材料Ａ）中に移行する熱量が制限され、膜厚方向への熱の移動速度を低下させる役割を果たす。また、熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚ｔと入熱中における波長分布密度の大きいフォノン波長λの関係を規定したのは、フォノンの波長が上記の範囲からはずれると、熱共振体２（構成材料Ｂ）内でのフォノン共振効果が非常に弱くなり、膜厚方向での熱絶縁性が低下し、結果として異方熱伝導効果が得られないからである。

請求項２に記載の発明において、構成材料Ａと構成材料Ｂの組み合わせのうち少なくとも一つの組からなる構成を１回から複数回設け交互に繰り返した構造とすることを特徴とした請求項１に記載の異方熱伝導材料である。請求項１の構成を１回設けた場合でも、熱共振体２（構成材料Ｂ）による熱絶縁効果は認められるものの、熱共振体２（構成材料Ｂ）を同じ膜厚として繰り返し構造とし、複数回設けた場合さらに、熱絶縁効果が高まる。この理由は、共振する層を複数設けることにより、共振層が１層の場合より膜厚方向の絶縁性をより高めることができるからである。一方、入熱により励起されるフォノン振動周波数に幅がある場合、共振を起す熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚を変化させて繰り返し構造とすることにより、励起されたフォノン振動の膜厚方向への伝達性を低める、つまり絶縁性を高めることに効果があるため、入熱により励起されるフォノン振動周波数に幅がある場合は、熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚を変化させることが有効である。

請求項３に記載の発明において、請求項１または請求項２に記載の熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さが入熱より励起されるフォノン振動の内の少なくとも一部の周波数の音響フォノンの自由行程距離Ｌよりも小さいことを特徴としたのは、熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さが入熱により励起されるフォノン振動のすべての周波数の音響フォノンの自由行程距離よりも大きいと、フォノン振動が、熱共振体２（構成材料Ｂ）を伝わる際に散乱され、共振現象を示さなくなるためである。

請求項４の発明において、請求項１から請求項３のいずれかに記載の異方熱伝導材料の熱共振体２（構成材料Ｂ）の結晶が膜厚方向に連続し結晶粒界が存在しないことを特徴としたのは、熱共振体２（構成材料Ｂ）の結晶が膜厚方向に不連続で、膜厚方向に粒界等が存在すると、粒界による直接的なフォノン散乱や粒界で散乱されたフォノンとフォノンの相互作用による散乱などにより、熱励起されるフォノンの自由行程距離が非常に短くなるためである。

請求項５に記載の発明は、構成材料Ａと熱共振体２（構成材料Ｂ）の組み合わせのうち少なくとも一つの組からなる構成を１回から複数回交互に繰り返した構造とする構成の異方熱伝導材料の最表面の熱共振体２（構成材料Ｂ）の構成として、熱共振体２（構成材料Ｂ）を膜面に部分的に構成するか、熱共振体２（構成材料Ｂ）を膜面の一部に構成した残りの部分に熱伝導体１（構成材料Ａ）を構成した構造とすることを特徴とした請求項１に記載の異方熱伝導材料である。
このような構成にすることで、異方熱伝導材料の表面に熱絶縁特性を有する熱共振体２（構成材料Ｂ）と熱を膜面ならびに膜厚方向の両方向に伝達する構成材料Ａの両者を存在させることができる。上記構成の材料を利用し、発熱部品を熱伝導体１（構成材料Ａ）上に実装し、発熱部品の近傍の電子部品を熱共振体２（構成材料Ｂ）に実装することで、発熱部品の近傍の熱部品への熱影響を避けて、部品実装を行うことができる。この時最表面の熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）の表面の高さは、熱共振体２（構成材料Ｂ）のみ熱伝導体１（構成材料Ａ）の表面に成膜して構成しているため異なるが、その高さの差は、膜厚が数百ｎｍオーダである場合には、部品実装上特に問題とならないし、さらに厚く問題となる場合は、最表面の構成材料Ｂにマスクを行い、構成材料Ａのみ成膜を行って、熱共振体２（構成材料Ｂ）と熱伝導体１（構成材料Ａ）とが同一平面を構成するようにできる。

請求項６に記載の発明は、熱共振体２（構成材料Ｂ）上に、熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）の組み合わせのうち少なくとも一つの組からなる構成を、１回から複数回交互に繰り返し最上層はともに構成材料Ｂである構造とすることを特徴とした請求項１に記載の異方熱伝導材料である。このような構成の構造とすることにより、膜厚方向には熱絶縁特性に優れる異方熱伝導性に優れる材料が得られる。異方熱絶縁材料を使用して熱移送する場合には、異方熱絶縁材料で、発熱体から放熱部までの必要距離を熱移送することになるが、発熱部品や放熱部との接続部の最表層は、熱移送部の構成材料の構成から熱共振体２（構成材料Ｂ）を除いた熱伝導体１（構成材料Ａ）が最表層となる構成とした。

請求項７に記載の発明は、発熱体と、放熱部材又は回路基板、電子部品基板とを、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料とを介して接触させることを特徴とする異方熱伝導材料を用いた放熱構造である。このような構成とするためには、放熱部材又は回路基板、電子部品基板上に請求項１乃至６記載の積層構造を成膜により構成するか、あるいは後述のテープ形状あるいはチューブ状からなる膜をはんだ付けすることにより発熱部品からの放熱が可能となる。Ｃのようなはんだ付けができないものは高熱伝導性材料等を含む接着材で接合することもできる。

請求項８に記載の発明は、前記発熱体が半導体素子又は半導体パッケージであることを特徴とする請求項７に記載の異方熱伝導材料を用いた放熱構造である。発熱体は樹脂やセラミックスで封止したパッケージである場合は、これらの半導体素子や半導体パッケージとの熱的な接続は、熱伝導体１（構成材料Ａ）がＡｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の金属である場合には、はんだ付けで行うことが可能であり、Ｃのように非金属の場合には、導電性接着剤等で接合を行うことができる。

請求項９に記載の発明は、基板に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を一体に組み込んだ半導体部品である。上記のような構成にすることにより、異方熱伝導材料を一体に組み込んだ半導体部品に組み込むことが可能となる。

請求項１０に記載の発明は、基板に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を一体に組み込んだ電子機器部品である。上記のような構成にすることにより、異方熱伝導材料を一体に組み込んだ電子機器部品に組み込むことが可能となる。

請求項１１に記載の発明は、基板に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を組み込んだ自動車用制御機器である。本発明の異方熱伝導材料は発熱部位が多い自動車用制御機器にも応用可能である。

請求項１２に記載の発明は、導電材料の外周部に請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を組み込んだ電気と熱の両者を伝達する電気・熱移送材料である。具体的には、導電材料自体で電気を移送し、その外周部の異方熱伝導材料で熱を移送することで、熱と電気を移送する材料が得られる。

請求項１３に記載の発明は、テープ状又はチューブ状からなる膜からなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料である。

本発明によれば、非常に薄い材料で、膜厚方向に非常に高い熱絶縁性を有し、しかも膜端部から熱の取り出しができるため、熱遮断性が重要なデバイスなどに応用できるとともに、端部から抽出された廃熱を有効に利用することができる。従って、この異方熱伝導材料は、電子機器、電子デバイスから発生する熱を有効に移動させることができる。そして、エレクトロニクス分野、自動車廃熱利用分野に用いることができる。具体例として、半導体のトランジスタ下部配線層としてトランジスタ間の熱的な干渉を避け、トランジスタの熱的誤作動を防止する効果を有する。熱電素子の熱極に本発明を適用し、熱電素子の薄膜化による高効率化を計ったりできる。さらに、本発明を適用し、導体の発熱を直接外部に放出せず、目的の場所まで熱を移送して排出することができるために、省スペースで熱移送や廃熱利用等が可能な面状異方熱伝導材料が得られる。

異方熱伝導性の膜を形成するためには、構成材料Ｂ中で熱共振現象をおこして、熱絶縁性を示すことと、熱伝導体１（構成材料Ａ）において、膜面方向への熱の伝導性が非常に高いことが重要である。構成材料中で、熱共振現象が起こるためには、熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さが入熱により励起されるフォノンの自由行程距離よりも長いことが重要である。フォノンの自由行程距離Ｌは、熱伝導率ω、比熱容量Ｃ、フォノン速度Ｖによって、近似的に以下の式で表される。
Ｌ＝３ω／（Ｃ・Ｖ）
フォノン速度Ｖは弾性率Ｍ、比重ρによってＶ＝（Ｍ／ρ）^1/2の関係で表されるため、フォノンの自由行程距離Ｌは、Ｌ＝３ωρ^1/2／（Ｃ・Ｍ^1/2)で見積もることができる。熱移動のほとんどの部分に音響フォノンモードが関与している。

また、熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さは、自由行程距離Ｌよりも長いと同時に共振条件を満たさなくてはならない。フォノン振動が共振をおこす条件は、熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚をｔとした場合、フォノンの波長をλとした場合、ｔ＝ｍλ／２（ｍは自然数）で表される。ｍはｔ<Ｌが満たされる範囲で有効である。入熱によって励起されるフォノン波長は分布を持っているため、波長を厳密には規定できないが、波長の主成分が上記の関係から大きくずれるとフォノン共振現象が見られなくなるため、できるだけ、主成分波長λと熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さが上記関係に近いほど好ましい。
熱伝導体１（構成材料Ａ）は、高熱伝導率である必要があり、特に膜厚方向よりも膜面方向の熱伝導性に優れていることが望まれる。このような条件を満たす物質としては、層状物質が代表的であり、グラファイト系の材料が挙げられる。膜厚方向に対しては、低い弾性率をもち、膜面方向に高い弾性率をもつ材料であるのは、熱伝導体１（構成材料Ａ）としての要件を満たしている。

熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）の界面でのフォノン共振を引き起こす弾性的散乱効率は、熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）中の音速Ｖ、比重ρから決定される透過係数Ｐによって決定される。
Ｐ＝４（Ｍ_A・ρ_A）^1/2・（Ｍ_B・ρ_B）^1/2／（（Ｍ_A・ρ_A) ^1/2＋(Ｍ_B・ρ_B)^1/2）²
この式で求められるＰの値ができるだけ小さい熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）の組み合わせが好ましく、膜厚方向の熱絶縁性を決定していることがわかる。散乱係数は、膜厚方向への熱絶縁性を期待するには、できるだけ小さい値であることが好ましい。

熱伝導体１（構成材料Ａ）および熱共振体２（構成材料Ｂ）の成膜技術について、特に規定されるものではないが、熱共振体２（構成材料Ｂ）の特性を左右するフォノン自由行程距離は、熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚方向への結晶の完全性に依存しているため、膜厚方向に連続した結晶が生成できる方法であることが望ましい。また、熱伝導体１（構成材料Ａ）は、膜厚方向よりも膜面内方向の熱伝導率が高いことが好ましいため、膜面内方向で構造が安定する製造方法が好ましい。

熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚方向に連続した結晶が安定して生成する結晶生成方法としては、イオンクラスタビーム法やＭＢＥ法などがあり、構成材料Ａの膜面内方向の構造安定のためには、ＭＢＥ法が望ましい。

熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さは、使用する温度により熱励起されるフォノンのデバイ周波数が異なることから、これに合わせて、熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さを変えることができる。熱共振体２（構成材料Ｂ）の厚さは、構成材料Bのフォノン自由工程距離内において、厚くすればするほど熱絶縁性は上がるものの、膜厚を厚くするとコスト上昇を招くことから、これらのバランスを考慮して決定することが重要である。また、熱伝導体１（構成材料Ａ）の厚さは、膜面内方向の熱伝導率を高くする面から考えると厚い方が好ましいが、膜厚が厚すぎて、その厚さがフォノン自由工程距離を越えてしまうと、熱伝導体１（構成材料Ａ）を通過したフォノン振動の周波数分布が広がったり、フォノン伝達方向のばらつきが大きくなることから、好ましくない。

熱共振体２（構成材料Ｂ）における熱絶縁特性を評価するのを膜面に垂直な方向で説明したが、実際には入熱によって励起されるフォノンは、全てが膜面に垂直な方向成分をもつ訳ではなく、熱伝導体１（構成材料Ａ）内には、膜面に対して任意の角度を持つフォノンも存在するため、例えば膜面に対して、θの角度を持つものが多数存在するがその垂直成分を取り出してこれらの総和を取った場合と考えられる。

一方、熱伝導体１（構成材料Ａ）においては、熱共振体２（構成材料Ｂ）との界面においてフォノン反射が起こる際に、ロス分として熱伝導体１（構成材料Ａ）に伝達してくるフォノンを考える必要があり、熱伝導体１（構成材料Ａ）から伝達してきたフォノン振動と同じ方向成分を持つフォノンは、熱伝導体１（構成材料Ａ）の膜厚方向に伝達して、内部を通過した後、一部は隣接する熱共振体２（構成材料Ｂ）に伝達し、一部は熱共振体２（構成材料Ｂ）界面で再度散乱を受ける。熱伝導体１（構成材料Ａ）中で散乱を受けたフォノンは、膜内方向への伝達成分を持っているため、熱伝導膜により膜外部に抽出される。

熱共振体２（構成材料Ｂ）に再度伝達したフォノンは、材料Ｂ中を伝わり、熱伝導体１（構成材料Ａ）界面で散乱を受け、一部のフォノンは熱伝導体１（構成材料Ａ）の膜厚にて決定される反射条件を満たすものにおいて、再度共振現象を起こす。この繰り返しによって、膜厚方向に伝達するフォノンは膜内方向に伝達するフォノンへと変換され、膜端部より熱抽出ができ、膜厚方向には熱絶縁性が得られる。

熱移動の一部に光学フォノンも関与するが、音響的フォノンのみを取り上げたのは、光学フォノンは、エネルギー密度や周波数の関係で、影響が小さく、音響フォノンの影響が非常に大きいためである。

本発明における熱伝導体１（構成材料Ａ）、熱共振体２（構成材料Ｂ）の組み合わせは、幾つか材料の組み合わせについて、熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）とに関して予測計算を行なった結果、実施例に示す材料の組み合わせを選んだ。

（実施例１）
熱共振体２（構成材料Ｂ）としてＳｉを選定し、熱伝導体１（構成材料Ａ）としてＡｇ、グラファイトＣを選択して、単結晶Ｓｉ（１００）を基板として１０ｍｍ×１０ｍｍの多層膜を構成し、熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚の影響を評価した。熱共振体２（構成材料Ｂ）は分子線エピタキシ法で形成し、熱伝導体１（構成材料Ａ）はＣＶＤ法もしくは、スパッタリング法によって形成した。いずれの場合も単結晶Ｓｉ上にまず、熱伝導体１（構成材料Ａ）を形成し、続いてその上に熱共振体２（構成材料Ｂ）を形成し、５０周期作成した。シリコン基板多層膜の構成を表１に示す。また、膜端面には、微細熱電対を接続し、５℃温度が上昇する際の時間と温度変化を測定した。なお、膜厚方向の熱伝導率はサーモリフレクタンス法によって測定した。入熱はパルスレーザを用いて膜中央部に１ｍｍφの領域にあて、コヒーレントフォノンを励起し、加熱を行った。条件２、３、６、７では膜厚方向の熱伝導率が非常に低くなっており、入熱により励起されたフォノン振動が共振現象を起こしたと考えられる。また共振現象を起こしたと考えられる条件では、膜内方向での熱の伝わりが早くなり、膜面方向での熱伝導率は向上していると考えられる。

（実施例２）
実施例１に示した厚さ５００ミクロンの単結晶Ｓｉ上にＡｇ／Ｓｉ形成を行った材料ならびに厚さ５００ミクロンの単結晶ＳｉをＢｉＴｅ半導体からなる熱電素子の熱極として用いて、熱電効率の測定を行った。熱極間の間隔を１．２ｍｍとした。Ｓｉ上にＡｇ／Ｓｉ膜を形成したものを熱極として用いた場合の熱電素子の熱電変換効率が３５％であったのに対して、Ｓｉ単結晶膜を用いた場合には、熱電変換効率は１５％にとどまった。以上のことから、本発明は、熱電素子の高効率化に大きな効果をもたらすと考えられる。

（実施例３）
熱共振体２（構成材料Ｂ）としてＳｉを選定し、熱伝導体１（構成材料Ａ）としてＡｇ、グラファイトＣを選択して、単結晶Ｓｉ（１００）を基板として１０ｍｍ×１０ｍｍの多層膜を実施例１と同様の方法で構成した。実施例１と異なるのは、Ｓｉ基板上に、熱共振体２（構成材料Ｂ）と熱伝導体１（構成材料Ａ）の積層回数の影響をみたところにある。また、膜端面には、微細熱電対を接続し、５℃温度が上昇する際の時間と温度変化を測定した。なお、膜厚方向の熱伝導率はサーモリフレクタンス法によって測定した。入熱はパルスレーザを用いて膜中央部に１ｍｍφの領域にあて、コヒーレントフォノンを励起し、加熱を行った。熱伝導体１（構成材料Ａ）と熱共振体２（構成材料Ｂ）を複数回積層した材料（条件３２、３３、３５、３６）では膜厚方向の熱伝導率が、１周期層繰り返した条件３１、３４と比べて、非常に低くなっている。この理由は、複数回積層した効果により、膜厚方向の熱伝達率が著しく低下したものと考えられる。なお、３１および３４では、共振現象が認められるにもかかわらず、端部の温度変化に時間がかかっているが、入熱総量に対して、熱電対の熱容量が大きく温度上昇に時間を要したものと思われる。

（実施例４）
熱共振体２（構成材料Ｂ）としてＣｒを選定し、熱伝導体１（構成材料Ａ）としてＣｕ、グラファイトＣを選択して、（１１１）配向Ｃｕ板を基板として１０ｍｍ×１０ｍｍの多層膜を構成した。熱共振体２（構成材料Ｂ）は分子線エピタキシ法で形成し、熱伝導体１（構成材料Ａ）はＣＶＤ法もしくは、スパッタリング法によって形成した。いずれの場合も配向性Ｃｕ基板上にまず、構成材料Ａを形成し、続いてその上に熱共振体２（構成材料Ｂ）を形成し、５０周期作成した。Ｃｕ基板多層膜の構成を表３に示す。また、膜端面には、微細熱電対を接続し、５℃温度が上昇する際の時間と温度変化を測定した。なお、膜厚方向の熱伝導率はサーモリフレクタンス法によって測定した。入熱はパルスレーザを用いて膜中央部に１ｍｍφの領域にあて、コヒーレントフォノンを励起し、加熱を行った。条件に３８、３９、４２、４３では膜厚方向の熱伝導率が非常に低くなっており、入熱により励起されたフォノン振動が共振現象を起こしたと考えられる。また共振現象を起こしたと考えられる条件では、膜内方向での熱の伝わりが早くなり、膜面方向での熱伝導率は向上していると考えられる。

（実施例５）
熱共振体２（構成材料Ｂ）としてＲｕを選定し、熱伝導体１（構成材料Ａ）としてＣｕ、グラファイトＣを選択して、（１００）配向Ｃｕ板を基板として１０ｍｍ×１０ｍｍの多層膜を構成した。熱共振体２（構成材料Ｂ）は分子線エピタキシ法で形成し、熱伝導体１（構成材料Ａ）はＣＶＤ法もしくは、スパッタリング法によって形成した。いずれの場合も配向性Ｃｕ基板上にまず、熱伝導体１（構成材料Ａ）を形成し、続いてその上に熱共振体２（構成材料Ｂ）を形成し、５０周期作成した。Ｃｕ基板多層膜の構成を表４に示す。また、膜端面には、微細熱電対を接続し、５℃温度が上昇する際の時間と温度変化を測定した。なお、膜厚方向の熱伝導率はサーモリフレクタンス法によって測定した。入熱はパルスレーザを用いて膜中央部に１ｍｍφの領域にあて、コヒーレントフォノンを励起し、加熱を行った。条件４６、４７、５０、５１では膜厚方向の熱伝導率が非常に低くなっており、入熱により励起されたフォノン振動が共振現象を起こしたと考えられる。また共振現象を起こしたと考えられる条件では、膜内方向での熱の伝わりが早くなり、膜面方向での熱伝導率は向上していると考えられる。

（実施例６）
熱共振体２（構成材料Ｂ）としてＡｇを選定し、熱伝導体１（構成材料Ａ）としてＰｔ、グラファイトＣを選択して、（１００）配向Ｆｅ板を基板として１０ｍｍ×１０ｍｍの多層膜を構成した。熱共振体２（構成材料Ｂ）は分子線エピタキシ法で形成し、熱伝導体１（構成材料Ａ）はＣＶＤ法もしくは、スパッタリング法によって形成した。いずれの場合も単結晶Ｆｅ上にまず、熱伝導体１（構成材料Ａ）を形成し、続いてその上に熱共振体２（構成材料Ｂ）を形成し、５０周期作成した。Ｆｅ基板多層膜の構成を表３に示す。また、膜端面には、微細熱電対を接続し、５℃温度が上昇する際の時間と温度変化を測定した。なお、膜厚方向の熱伝導率はサーモリフレクタンス法によって測定した。入熱はパルスレーザを用いて膜中央部に１ｍｍφの領域にあて、コヒーレントフォノンを励起し、加熱を行った。
いずれのサンプルにおいても共振現象は見られず、膜厚方向において熱伝導性が高い傾向にあった。また、熱が膜厚方向で貫通してしまうため、膜内方向に対する熱伝導性は積層状態としても大きな変化は認められなかった。

図１は、異方熱伝導材料の効果を示す模式図である。図１は、熱を膜面ならびに膜厚両方向に伝達する熱伝導体１（構成材料Ａ）と膜面に対して垂直成分からなる入熱３に対して回折現象を起して熱絶縁特性を示す熱共振体２（構成材料Ｂ）を複数回交互に繰り返した構造となっている。ここで、共振現象を生じさせることを目的とした熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚は各層毎に少し変化させた構造となっている。ここで、熱共振体２（構成材料Ｂ）の膜厚は、回折を起させる入熱３の温度領域により、共振周波数（振動数）が異なる。入熱３が高温になるほど、共振振動数は高く、波長は短くなる傾向を示し、入熱３が低温になるほど、共振振動数は低く、波長が長くなる傾向を示す。

図２は、図１の構成の表層の異方熱伝導材料の熱共振体２（構成材料Ｂ）の一部を熱伝導体１（構成材料Ａ）で置き換え、その上部に発熱体５を積層又は接着した構成及び図１の構成の表層の熱共振体２（構成材料Ｂ）の一部を、発熱体５で置換した構成を示す。このような構成とすることで、両者はともに発熱体の熱を効果的に熱伝導体１（構成材料Ａ）を通じて、効率的に他に逃がすことができる。図３は、異方熱伝導膜６を、発熱体５と放熱体７で繋いで、熱を逃がす場合の構成を示す。図３のような構成とすることにより、効率的に熱を発熱体５から放熱体７に効率的に逃がすことができる。

図４には、半導体チップ内への熱注出への応用例を３ゲートトランジスタの場合で示す。Ｓｉ基板上に異方熱伝導膜を形成し、さらにその上層にバックゲートＳｉ膜とシリコン酸化物基板１３を形成し、３ゲートトランジスタ８を形成した例である。トランジスタにおいて発生した熱は、異方熱伝導膜６を通して、チップ外部に抽出される。また、トランジスタ上部に逃げた熱は、上部配線層に形成する異方熱伝導膜６によって、チップ外への熱抽出が可能であり、配線層間の熱的な干渉を避けることができ、より高密度の配線に対応できるものである。

図５、図６には、高効率熱電素子の模式図を２つ示す。熱の受け渡しを行う熱極部分に異方熱伝導膜１４、異方熱伝導膜６を用いることで、電極１７（熱極）間のＮ型半導体１５とＰ型半導体１６を交互に電極を挟んで連接した場合に、電極１７（熱極）間の距離を非常に小さくしても、電極１７（熱極）間の熱的な干渉が少なく、非常に薄くできるため、高効率の熱電素子を得ることができる。

異方熱伝導材料の効果を示す模式図半導体チップ内の熱抽出への応用例高効率熱伝導素子構造３ゲートトランジスタに異方熱伝導膜を応用した例高効率熱伝導素子構造Ａ高効率熱伝導素子構造Ｂ

符号の説明

１．熱伝導体（構成材料Ａ）
２．熱共振体（構成材料Ｂ）
３．入熱
４．透過熱
５．発熱体
６、１４．異方熱伝導膜
７．放熱体
８．３ゲートトランジスタ
９．ソース
１０．ドレン
１１．シリコンボディ
１２．多結晶シリコン電極
１３．バックゲートＳｉ膜と酸化物基板、またはバックゲートＳｉ膜と絶縁基板
１５．Ｎ型半導体
１６．Ｐ型半導体
１７．電極
１８．絶縁基板
２０．熱導体膜面内の熱移送方向

Claims

熱を膜面ならびに膜厚方向の両方に伝達する構成材料Ａと膜面に対して垂直成分からなる入熱の一部に対して回折現象を起こして、熱絶縁特性を示す構成材料Ｂを積層してなる異方熱伝導材料であり、さらに構成材料Ｂの膜厚ｔと入熱を構成するフォノン中の分布密度の大きいフォノンの波長λが以下の関係を満たし、
ｍλ／２．２＜ｔ＜ｍλ／１．８（ｍは整数）
構成材料Ａと構成材料Ｂの組み合わせとして、（Ａ，Ｂ）＝（Ａｇ，Ｓｉ），（Ｃ，Ｓｉ），（Ｃｕ，Ｃｒ），（Ｃ，Ｃｒ），（Ｃｕ，Ｒｕ），（Ｃ，Ｒｕ），（Ｐｔ，Ａｇ），（Ｃ，Ａｇ）からなる群より選ばれる一つの組を選定することを特徴とする異方熱伝導材料。
構成材料Ａと構成材料Ｂの組み合わせのうち少なくとも一つの組からなる構成を、１回から複数回交互に繰り返した構造とすることを特徴とした請求項１に記載の異方熱伝導材料。
請求項１または請求項２に記載の異方熱伝導材料において、構成材料Ｂの厚さが入熱より励起されるフォノン振動において、少なくとも一部の周波数の音響フォノンの自由行程距離Ｌよりも小さいことを特徴とする異方熱伝導材料。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の異方熱伝導材料において、構成材料Ｂの結晶が膜厚方向に連続し結晶粒界が存在しないことを特徴とする異方熱伝導材料。
構成材料Ａと構成材料Ｂの組み合わせのうち少なくとも一つの組からなる構成を１回から複数回交互に繰り返した構造とする構成の異方熱伝導材料の最表面の構成材料Ｂの構成として、構成材料Ｂを膜面に部分的に構成するか、構成材料Ｂを膜面の一部に構成した残りの部分に構成材料Ａを構成した構造とすることを特徴とした請求項１に記載の異方熱伝導材料。
構成材料Ｂ上に、構成材料Ａと構成材料Ｂの組み合わせのうち少なくとも一つの組からなる構成を、１回から複数回交互に繰り返し最上層はともに構成材料Ｂである構造とすることを特徴とした請求項１に記載の異方熱伝導材料。
発熱体と、放熱部材又は回路基板、電子部品基板とを、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料とを介して接触させることを特徴とする異方熱伝導材料を用いた放熱構造。
前記発熱体が半導体素子又は半導体パッケージであることを特徴とする請求項７に記載の異方熱伝導材料を用いた放熱構造。
基板に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を一体に組み込んだ半導体部品。
基板に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を一体に組み込んだ電子機器部品。
基板に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を組み込んだ自動車用制御機器。
導電材料の外周部に請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料を組み込んだ電気と熱の両者を伝達する電気・熱移送材料。
テープ形状あるいはチューブ状からなる膜からなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の異方熱伝導材料。