焼鈍熱分解グラファイト

焼鈍熱分解グラファイト（APG）は、熱焼鈍熱分解グラファイト（TPG）とも呼ばれ、^{[ 1 ]}優れた面内熱伝導率を有する合成グラファイトの一種です。熱分解炭素や熱分解グラファイト（PG）と同様に、APGは質量が小さく、導電性があり、反磁性を有するため磁場中で浮遊することができます。

物理的特性

APG は、面内熱伝導率が極めて高く (室温で 1,700 W/mK ^{[ 2 ]} )、厚さ方向の熱伝導率が低い異方性材料です。積層構造は広い温度範囲で安定しているため、さまざまな熱伝達アプリケーションに使用できます。APG の伝導率は一般に温度が低下するにつれて増加し、約 150 K で 2,800 W/mK でピークになります。熱分解グラファイトとは異なり、xy 平面伝導率は各基底面で一定であるため、中心面の伝導率は外面と一致します。^{[ 3 ]}六角形の形状で面内共有結合した炭素原子により、APG の面内熱伝導率が高く、面内剛性も高くなります。厚さ全体で、これらの六角面は弱く結合 (ファンデルワールス結合) しているため、厚さ方向の熱伝導率、剛性、強度が低い材料となります。

合成

APGは、高配向性熱分解黒鉛（HOPG）と同様のプロセスで製造されます。このプロセスでは、炭化水素ガスを加熱して炭素に分解します。その後、熱分解黒鉛（PG）は化学気相成長（CVD）プロセスを用いてプレート上に成長します。その後、PGは高温で焼鈍処理され、前述のAPGのより平面的で均一な炭素構造を形成します。HOPGとAPGの合成方法の主な違いは、APGの焼鈍処理では誘起応力を必要としないため、より手頃な価格で実用的なバルク材料を生産に利用できることです。

アプリケーション

APGは主にハイエンド電子機器の熱管理のためのヒートスプレッダとして使用されます。APGは機械的特性が低いため、通常は構造用金属材料で封止されます。アルミニウムは、その強度、低質量、コスト、製造性、熱伝導性から、最も一般的に選択される封止材です。APGの熱伝導率は厚さ方向で大幅に低いため、図1に示すように、熱をグラファイトに伝達するためにアセンブリにサーマルビアが挿入されることがあります。これらのビアは通常、アルミニウムまたは銅でできています。APGの薄くて柔軟なシートは、ポリマー、アルミ箔、銅箔などの薄い柔軟な材料で封止され、サーマルストラップと呼ばれるものを作ることができます。^{[ 4 ]}

航空宇宙：アルミニウムAPGプレートは、航空機や宇宙船の高電力密度電子機器から熱を逃がすためのヒートスプレッダープレートとして最も一般的に使用されています。^{[ 5 ] [ 6 ]}

科学カメラ: Cu-APG プレートは、CCD 検出器を極低温で冷却および等温化するために使用されます。

図1この図は、銅板に封入されたAPGとアルミニウムおよび銅のサーマルビアで構成されたヒートスプレッダの例です。

参考文献

1. 「ATLAS実験用SCT検出器用AlN/TPGスパインの開発と製造」マックス・プランク協会
2. 「アルミニウムカプセル型APG高伝導性熱ダブラー」スコット・L・クグラー、ノースロップ・グラマン・スペーステクノロジー
3. 「新しい電子機器冷却ソリューションが小型パッケージの電力処理を向上」カリフォルニア州立工科大学、パワーエレクトロニクスマガジン
4. 「材料の物理学と化学入門」ロバート・J・ナウマン
5. 「ALS のビームライン 5.0 用焼きなまし熱分解グラファイトフィルター」Advanced Light Source、ローレンス・バークレー国立研究所、Xradia。
6. 「月面地図作成ミッションに先進的な熱技術を採用」ECNマガジン