放熱材としてのダイヤモンド

熱伝導率とは物質中をどれだけ熱が伝わりやすいかを表すもので、ダイヤモンドはアルミニウムや銅などの一般的に放熱部品として採用される金属に比べ5～10倍にあたる、約1,000～2,000 W/m・Kもの熱伝導率をもつ材料で、自然界において”最も熱を伝える物質”として有名です。ダイヤモンドは、炭素原子が4つある価電子の共有結合で強固に結びついており、熱が格子の振動で伝わるため、その”強固な結合の格子”が熱を伝えやすくしているためです。

次世代半導体、パワーデバイスにおいて、熱の管理や制御「ヒートマネジメント」は非常に重要であり、優れた熱伝導率をもつダイヤモンドを利用し、最大の効果が得られるよう日々開発が進んでいます。

電子基板や半導体は作動や高い電圧を受けることで自身が発熱するため効率的に冷却する部品が必要で、中でも放熱・排熱を目的として機器に取り付けられる部品はヒートシンクやHeat Spreaderと呼ばれています。

ヒートシンクには優れた熱伝導率だけでなく、目的によっては効率的に放熱するために羽根型などの独自形状が求められることもあり、現在では主に銅やアルミニウムといった材料が多く採用されています。

しかしながら、より高効率・高速度化を目指す次世代電子部品においては、もっと優れた熱伝導率を有するダイヤモンド製のヒートシンクの採用が検討されつつあります。

効率よく熱を伝え、排熱する設計はヒートマネジメントと呼ばれますが、発熱した半導体等電子部品にヒートシンクを置き、単に冷却風をあてても効率よいマネジメントは適わず、部品同士を密着・一体化することが大切です。放熱グリース、サーマルペーストは、そのために充填されるペースト状の材料で、現在ではシリコーンを主原料として様々な添加剤を配合して熱伝導を高めた製品が販売されていますが、以下のような要求を満たす必要があります。

• 凹凸に追随できる流動性と保持に必要な適度な粘度
• 薄膜形成が可能
• 絶縁性能を有する
• 長期にわたっても変性や劣化しない

ダイヤモンドの熱伝導率に着目し、ダイヤ粉末を配合した製品の開発も進むと見込まれており、ダイヤ粒子の粒径、形状の管理したうえで配合することが品質安定の上でも、重要な課題となることでしょう。

半導体は導体と絶縁体の中間的な性質を持ち、条件によって電気を通すことができます。

導体となるため電子やホールが価電子帯から伝導帯に遷移するために必要なエネルギーのことをバンドギャップと呼びますが、このエネルギーが高い。つまりギャップが大きいものは、大きな電力や高温・高周波といった過酷な環境下に適していると言えます。

＜半導体として利用されている素材とバンドギャップ＞
Si：1.2eV、SiC：3.2eV、GaN：3.3eV、ダイヤモンド：5.5eV
（eV＝エレクトロンボルト）

従来のシリコンなどの半導体と比較して、バンドギャップがおおむね3eV以上のものをワイドバンドギャップ半導体と呼ばれています。

地球温暖化を緩和するためのクリーンな大量輸送手段（鉄道、航空機、船舶）開発において、軽量で大出力といったより高効率なソリューションのため、このような材料を基板として利用する研究開発が進められておりますが、ダイヤモンドはまさに次世代、次々世代のパワーデバイスとして期待されています。