JP5292556B2 - 熱伝導複合材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等に搭載されるヒートスプレッダやヒートシンク等の放熱部材を構成する熱伝導複合材及びその製造方法に関するものである。

半導体パッケージの集積回路チップ（以下「チップ」という）、とりわけ、大型コンピューター用のＬＳｌやＵＬＳＩは、高集積度化、演算速度の高速化の方向に進んでおり、作動中における消費電力の増加に伴う発熱量が非常に大きくなっている。チップは、大容量化して、発熱量が大きくなっており、伝熱基板の熱膨張率がチップ材料であるケイ素（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の熱膨張率と大きな差があると、チップが剥離あるいは割れを生ずることになる。これに伴い、半導体パッケージの設計も熱放散性を考慮したものとなり、チップに搭載する伝熱基板にも放熱性が要求され、伝熱基板の熱伝導率を大きくすることが求められる。すなわち、伝熱基板には、チップと熱膨張率が近く、かつ、熱伝導率が大きいことが要求されている。

一方、パワーエレクトロニクスの分野においては、種々のｐｎ接合の組合せ構造により、サイリスタ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等が実用化されている。さらに、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やゲート信号によりターンオフ機能を併せ持つゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）が開発され、電力制御やモーター制御のインバーター機器として広範囲な普及が進んでいる。また、昨今の環境負荷への低減策として、自動車動力源のエンジンとモーターのハイブリッド化においても、これら電力用半導体素子は大きな役割を果している。

しかしながら、これら電力用半導体素子は、通電により発熱し、その高容量化、高速化に伴い、発熱量も増大する傾向にある。発熱に起因する半導体素子の特性劣化、短寿命化を防止するためには、放熱部材を設け、半導体素子及びその近傍での温度上昇を抑制する必要がある。銅は、熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫと大きく、かつ低価格であるため、放熱部材として一般に用いられている。しかし、電力用半導体素子を備えた半導体装置の放熱部材としては、熱膨張率が３．５〜４．２ｐｐｍ／Ｋのケイ素（Ｓｉ）や５．９ｐｐｍ／Ｋのガリウムヒ素（ＧａＡｓ）と接合されるため、熱膨張率がこれらに近い必要がある。銅は、熱膨張率が１７ｐｐｍ／Ｋと大きく、半導体素子との半田接合性は好ましくない。このため、従来では、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）といった熱膨張率がケイ素（Ｓｉ）に近い材料を、放熱部材として用いたり、半導体素子と放熱部材との間に設けたりしている。

図１４は、公知となっている熱伝導複合材を示す側面図である。この熱伝導複合材１００は、熱膨張率が半導体素子に近いモリブデン（Ｍｏ）材１０１と熱伝導率の大きな銅（Ｃｕ）材１０２とを積層した後、ホットプレス等の設備により相互に拡散接合することによって一体化し、これらの材料の中間的な性質を実現したものである（例えば、特許文献１参照）。尚、拡散接合に代えてロウづけにより一体化させた熱伝導複合材や、異なる素材を連続的に積層圧延処理することにより接合した熱伝導複合材（クラッド材）も基本的な技術思想は共通する。

図１５は、図１４に示した熱伝導複合材１００の材厚比と熱伝導率及び熱膨張率との関係を示したものである。図１５においては、横軸に熱伝導複合材１００に占めるモリブデン（Ｍｏ）材と銅（Ｃｕ）材の材厚比、左縦軸に見掛けの熱伝導率、右縦軸に見掛けの熱膨張率を示している。この熱伝導複合材１００においては、半導体素子と同等の熱膨張率（５〜６ｐｐｍ／Ｋ）を得ようとすると、モリブデン（Ｍｏ）材と銅（Ｃｕ）材の材厚比は一義的に決り、Ｍｏ：Ｃｕ＝９：１前後の範囲となる。尚、図１５によれば、この熱伝導複合材１００では、ケイ素（Ｓｉ）と同じ熱膨張率（４ｐｐｍ／Ｋ前後）を実現することはできない。モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）に替えてインバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）を用いた、銅（Ｃｕ）／インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）／銅（Ｃｕ）構成のクラッド材等も市販されているが、材厚構成により面方向の熱膨張率を５ｐｐｍ／Ｋに設定した場合、板厚方向の熱伝導率は１５Ｗ／ｍＫと非常に低い特性しか得ることができない。

図１６は、公知となっている熱伝導複合材を示す斜視図である。この熱伝導複合材１１０は、ケイ素（Ｓｉ）と同等の熱膨張率を有する鉄−ニッケル−コバルト合金（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、あるいは鉄−ニッケル合金（Ｆｅ−Ｎｉ）であって、複数の貫通孔１１１ａを設けた一対の板状体１１１の間に、銅（Ｃｕ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）の板状体１１２を挟み圧延することにより、貫通孔１１１ａに銅あるいはアルミニウムを充填したものである（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

この熱伝導複合材１１０は、熱伝導率の大きな板状体１１２の一部を熱の主要な伝達方向である板状体１１１の板厚方向に露出させることから、上述した熱伝導複合材１００の積層構造を熱抵抗の直列配置とすると、この熱伝導複合材１１０の積層構造を熱抵抗の並列配置とすることができる。

また、その伝熱特性は、上述した熱伝導複合材１００が図１５に示すような二次関数的な変化であるのに対して、板状体１１１の面積割合に応じて直線的な変化を示すものと予想される。このことから、板状体１１１に鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）系合金など低価格の材料を利用可能である。しかしながら、貫通孔１１１ａ内に銅あるいはアルミニウムを充填する手法は、圧延や熱間静水圧プレスなどの強加工による塑性流動を応用した方法であり、その流動範囲にはおのずから限界がある。また、圧延で充填させた場合、得られた成型品は素材の構成が圧延作用により引き延され、圧延前に円形であった板状体１１１の貫通孔１１１ａが圧延後には楕円形状に変形する。結果的に完成した材料の平面方向の熱膨張率、熱伝導率の特性は異方性をもつ結果となり、放熱部材として使用する場合には好ましいものでない。

一方、これらの熱伝導複合材と構造を異にする、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金、銅−タングステン（Ｃｕ−Ｗ）合金の熱伝導複合材は、半導体素子の熱膨張率とほぼ等しいモリブデン（Ｍｏ）の粉末、あるいはタングステン（Ｗ）の粉末を焼結することによって、気孔率の大きい焼結体を作製し、その後、溶融した銅を含浸させて製造するか（例えば、特許文献５参照）、あるいはモリブデン（Ｍｏ）の粉末、あるいはタングステン（Ｗ）の粉末と銅（Ｃｕ）の粉末を焼結することによって得られたモリブデン（Ｍｏ）あるいはタングステン（Ｗ）と銅（Ｃｕ）の複合体である（例えば、特許文献６参照）。これら熱伝導複合材は、骨格構造であるモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）と、熱伝導材である銅（Ｃｕ）との構成割合により、その特性は一義的に決まる。市販品の一例を上げれば、質量比８９％Ｗ−１１％Ｃｕの材料においては、熱膨張率が６．５ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率が１８０〜２１０Ｗ／ｍＫである。銅（Ｃｕ）の構成比率を上げれば熱伝導率も大きくなるが、同時に熱膨張率も上昇し、８０％Ｗ−２０％Ｃｕにおいては、熱膨張率が８．３ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率が２００〜２３０Ｗ／ｍＫと特に熱膨張率の上昇が著しく、半導体素子との熱膨張率の整合性を重視する場合、構成割合の選択範囲に自由度はない。また、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）は、高密度であるため重く、所定の寸法を得るには機械的成形加工が必要となり、加工コストを要する。さらに、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）は、レアメタルとして資源の枯渇が懸念され、結果的に材料価格も高価であることから昨今の電子機器の低コスト化要求に対応することは本質的に難しい。

特許第２８６００３７号公報 特公昭６３−３７４１号公報 特公平７−８０２７２号公報 特開平９−３１２３６４号公報 特開昭５９−１４１２４７号公報 特開昭６２−２９４１４７号公報

以上のように半導体素子を搭載した半導体装置は、いずれもその動作において熱を発生し、蓄熱されると半導体素子の機能を損ねる虞れがある。このため、発生する熱を外部に放散するための熱伝導性に優れた放熱部材が必要となる。放熱部材は、直接あるいは絶縁層を介して半導体素子と接合されるため、熱伝導性だけでなく、熱膨張率の点でも半導体素子との整合性が要求される。そして、上述した熱伝導複合材は、物性の異なる２つの金属材料を複合化させることにより、半導体素子に近い熱膨張率と２００Ｗ／ｍＫ前後の熱伝導率を達成している。

しかしながら、より高い熱伝導率を得ようとすれば、構成材料中の銅（Ｃｕ）の構成比率を増やさざるを得ないが、これが放熱部材全体の熱膨張率を上昇させる要因となり、低熱膨張で高熱伝導の放熱基板を実現することができなかった。

この問題の本質的原因を考えれば、上述した熱伝導複合材は、熱伝導を主体とする材料と、熱膨張率を抑えることを主体とした材料とが相互に結合した構造であることにある。ここで、半導体素子の放熱部材に要求される特性を整理すれば、まず放熱部材に必要とされる熱膨張率の整合性は、半導体素子が放熱部材と接する面方向に必要であり、放熱部材の板厚方向には必要ない。熱伝導率は、その主たる熱伝達方向は放熱部材の板厚方向に要求される。従って、高い熱伝導率の要求される板厚方向に高熱伝導材を配置し、同時にその高熱伝導材の熱膨張の影響を面方向に伝達しない分離構造であり、かつ、放熱部材としては一体の構造であることが要求される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、搭載する半導体素子と整合するように、面方向には熱膨張を小さく抑え、しかも板厚方向には高い熱伝導性を確保することのできる熱伝導複合材及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱伝導複合材は、互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより構成し、半導体素子の放熱部材として用いられる熱伝導複合材であって、前記第１板状体は、前記第２板状体に比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設したことを特徴とする。

また、本発明に係る熱伝導複合材は、互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより構成し、半導体素子の放熱部材として用いられる熱伝導複合材であって、前記第１板状体は、前記第２板状体に比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ積層させたものであり、前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接触する態様で伝熱体を配設し、かつこれら第１板状体と一対の第２板状体との間及び伝熱体と一対の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合により一体化したことを特徴とする。

また、本発明は、上述した熱伝導複合材において、前記伝熱体は、前記第１板状体に形成した貫通孔の内部横断面形状に対して相似形となる横断面形状を有した柱状部材であることを特徴とする。

また、本発明は、上述した熱伝導複合材において、前記第１板状体は、横断面が円形の貫通孔を有したものであり、前記伝熱体は、横断面が円形の柱状部材であることを特徴とする。

また、本発明に係る熱伝導複合材の製造方法は、互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより半導体素子の放熱部材として構成され、前記第１板状体は、前記第２板状体に比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設して成る熱伝導複合材を製造する方法であって、前記第１板状体の下方に位置する表面に前記第２板状体を積層する工程と、前記第１板状体の貫通孔にそれぞれ前記伝熱体を配置する工程と、前記第１板状体の上方に位置する表面に前記第２板状体を積層する工程と、これら積層した第１板状体及び一対の第２板状体の板厚方向に沿って圧力を加えることにより、前記第１板状体と前記一対の第２板状体との間及び前記伝熱体と前記一対の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合させる工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る熱伝導複合材の製造方法は、互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより半導体素子の放熱部材として構成され、前記第１板状体は、前記第２板状体と比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設して成る熱伝導複合材を製造する方法であって、一方の第２板状体において前記第１板状体の貫通孔に対応する部位にそれぞれ前記伝熱体を予め拡散接合させる工程と、貫通孔のそれぞれに伝熱体を配置する態様で前記一方の第２板状体に前記第１板状体を積層する工程と、伝熱体が拡散接合された一方の第２板状体との間に前記第１板状体を挟む態様で第１板状体に他方の第２板状体を積層する工程と、これら積層した第１板状体及び一対の第２板状体の板厚方向に沿って圧力を加えることにより、前記第１板状体と前記一対の第２板状体との間及び前記伝熱体と前記他方の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合させる工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る熱伝導複合材の製造方法は、互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより半導体素子の放熱部材として構成され、前記第１板状体は、前記第２板状体と比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設して成る熱伝導複合材を製造する方法であって、一方の第２板状体において前記第１板状体の貫通孔に対応する部位に予め前記伝熱体を一体に成形する工程と、貫通孔のそれぞれに伝熱体を配置する態様で前記一方の第２板状体に前記第１板状体を積層する工程と、予め伝熱体が一体に成形された前記一方の第２板状体との間に前記第１板状体を挟む態様で第１板状体に他方の第２板状体を積層する工程と、これら積層した第１板状体及び一対の第２板状体の板厚方向に沿って圧力を加えることにより、前記第１板状体と前記一対の第２板状体との間及び前記伝熱体と前記他方の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合させる工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明は、上述した熱伝導複合材の製造方法において、前記伝熱体として、前記第１板状体の板厚よりも大きな外径を有した球状に成形したものを適用することを特徴とする。

また、本発明は、上述した熱伝導複合材の製造方法において、前記第２板状体において前記第１板状体の貫通孔に対応する部位のそれぞれに予め球面状の凹部を形成したことを特徴とする。

また、本発明は、上述した熱伝導複合材の製造方法において、前記第１板状体として、横断面が円形の貫通孔を有したものを適用し、前記伝熱体として、横断面が円形の柱状を成すものを適用したことを特徴とする。

本発明に係る熱伝導複合材によれば、第１板状体の２つの表面にそれぞれ第２板状体を接合し、かつ第１板状体の貫通孔に配設した伝熱体によって一対の第２板状体の間が連結されるため、熱伝導複合材の板厚方向に高い熱伝導性を確保することができる。しかも、第１板状体の貫通孔と伝熱体との間には少なくとも一部に間隙が確保されているため、伝熱体の熱膨張が第１板状体に与える影響を可及的に小さくし、熱伝導複合材の面方向に沿った熱膨張率を小さく抑えることが可能となる。

また、本発明に係る熱伝導複合材の製造方法によれば、拡散接合によって第１板状体と一対の第２板状体との間及び伝熱体と一対の第２板状体との間をそれぞれ一体化しているため、ロウ付けや溶接等、その他の接合方法に比べて貫通孔の内壁面と伝熱体との間の間隙を正確に管理することができる。すなわち、ロウ付けの際に流出したロウや溶接の際の高熱が上述の間隙に影響を与える虞れがないため、伝熱体の熱膨張よる第１板状体への影響をより小さく抑え、きわめて性能の高い熱伝導複合材を具現化することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１である熱伝導複合材の断面側面図である。 図２は、図１に示した熱伝導複合材の平面図である。 図３−１は、図１に示した熱伝導複合材を製造する過程において第２板状体に治具を搭載した状態を示す断面図である。 図３−２は、図１に示した熱伝導複合材を製造する過程において治具の収容孔に伝熱体を配設した状態を示す断面図である。 図３−３は、図１に示した熱伝導複合材を製造する過程において第２板状体に伝熱体を仮接合させる状態を示す断面図である。 図３−４は、図１に示した熱伝導複合材を製造する過程において第２板状体に第１板状体を積層した状態を示す断面図である。 図３−５は、図１に示した熱伝導複合材を製造する過程において第１板状体に第２板状体を積層して接合する状態を示す断面図である。 図４は、図１に示した熱伝導複合材において第２板状体の板厚と面方向に沿った熱膨張率との関係を示すグラフである。 図５は、図４で用いた熱伝導複合材の詳細形状を示す分解斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態２である熱伝導複合材の断面側面図である。 図７は、図６に示した熱伝導複合材の平面図である。 図８−１は、図６に示した熱伝導複合材を製造する過程において伝熱体に治具を搭載した状態を示す断面図である。 図８−２は、図６に示した熱伝導複合材を製造する過程において第２板状体に伝熱体を仮接合させる状態を示す断面図である。 図８−３は、図６に示した熱伝導複合材を製造する過程において第２板状体に第１板状体を積層した状態を示す断面図である。 図８−４は、図６に示した熱伝導複合材を製造する過程において第１板状体に第２板状体を積層して接合する状態を示す断面図である。 図９は、図７に示した熱伝導複合材の拡大断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態３である熱伝導複合材の断面側面図である。 図１１は、図１０に示した第２板状体の形状を示す断面側面図である。 図１２は、本発明の実施の形態４である熱伝導複合材の分解斜視図である。 図１３は、図１２に示した熱伝導複合材において第２板状体の断面形状を示す断面側面図である。 図１４は、公知となっている熱伝導複合材を示す側面図である。 図１５は、図１４に示した熱伝導複合材の材厚比と熱伝導率及び熱膨張率の関係を示すグラフである。 図１６は、公知となっている熱伝導複合材を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る熱伝導複合材及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１及び図２は、本発明の実施の形態１である熱伝導複合材を示したものである。熱伝導複合材１０は、多数の貫通孔１１ａが設けられた芯材（第１板状体）１１と、貫通孔１１ａに収容された伝熱材（伝熱体）１２と、芯材１１の一方の表面において伝熱材１２に接合された表層材（第２板状体）１３と、芯材１１の他方の表面において伝熱材１２に接合された表層材（第２板状体）１４とを備えて構成されている。

芯材１１は、伝熱材１２及び表層材１３，１４に比較して熱膨張率が小さな材料、例えばインバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）によって成形した平板状体である。この芯材１１には、板厚方向に沿って多数の貫通孔１１ａが設けられている。貫通孔１１ａは、それぞれ横断面が視正方形で正方格子の格子点に位置するように、芯材１１の一方の表面から他方の表面に貫通しており、例えば、エッチング法によって設けられている。ここで、エッチング法で形成される貫通孔１１ａの開口寸法は、一般に、板厚と同等が限界である。従って、例えば、板厚が１ｍｍ、貫通孔１１ａの寸法が０．４５ｍｍ×０．４５ｍｍの芯材１１が必要となる場合には、少なくとも複数の板状体を重ね合わせて芯材１１を構成しなければならないことになる。そこで、本実施の形態１においては、エッチング法により０．４５×０．４５ｍｍの貫通孔１１ａを設けた板厚０．４ｍｍの薄板を二枚積層し、板厚が０．８（０．４×２）ｍｍ、貫通孔１１ａが０．４５ｍｍ×０．４５ｍｍの寸法を有した芯材１１を構成した。

尚、上述した芯材１１は、横断面が正方形の貫通孔１１ａを設けることとしたが、貫通孔１１ａは、横断面が正方形に限られるものではなく、横断面が円形のほか、矩形、多角形のいずれであっても良い。また、複数の貫通孔１１ａは、互いに同一の形状である必要はなく、複数の形状のものを組み合わせても良い。

伝熱材１２は、芯材１１に比較して熱伝導率が大きな材料、例えば無酸素銅（純銅）によって成形したブロック状部材である。本実施の形態１では、横断面が貫通孔１１ａの横断面と相似となる正方形の直方体であり、少なくとも二つの外側面が貫通孔１１ａの内壁面との間に間隙を確保した状態で貫通孔１１ａの内部に収容されるように、貫通孔１１ａの寸法よりも小さな寸法を有するように構成されている。一方、伝熱材１２の高さ寸法は、芯材１１の板厚以上であることが要求される。従って、上述したように、芯材１１に形成する貫通孔１１ａの寸法を０．４５ｍｍ×０．４５ｍｍとした場合には、伝熱材１２の平面寸法を例えば０．４２ｍｍ×０．４２ｍｍとし、芯材１１の板厚を０．８ｍｍとした場合には、伝熱材１２の高さ寸法を例えば０．８５ｍｍとする。このような寸法を有する伝熱材１２は、例えば、エッチング法によって製造することができる。

尚、上述した伝熱材１２は、エッチング法により製造するものとしたが、エッチング法による製造に限られるものではなく、横断面が正方形（上述した例では、０．４２ｍｍ×０．４２ｍｍ）の線材を所定の長さ（上述した例では、０．８５ｍｍ）で切断することにより製造しても良いし、所定の板厚（上述した例では、０．８５ｍｍあるいは０．４２ｍｍ）の板材をプレス機械等により打ち抜くことにより製造しても良い。

また、横断面が正方形の柱状を成す伝熱材１２を適用しているが、伝熱材１２は、芯材１１の貫通孔１１ａと同様、横断面が円形、矩形、多角形のいずれであっても柱状を成すものを適用することができる。但し、伝熱材１２の横断面形状は、芯材１１の貫通孔１１ａと相似形であることが好ましい。

表層材１３，１４は、伝熱材１２と同様、芯材１１に比較して熱伝導率が大きな材料によって成形した平板状体である。本実施の形態１では、伝熱材１２と同じ無酸素銅を材料とした板厚０．０３ｍｍの平坦な板状体を用いることにする。また、表層材１３，１４は、芯材１１の二つの表面全域を覆うことができるように、縦横の寸法が芯材１１と同じに形成されている。このような寸法を有する表層材１３，１４は、例えば、エッチング法によって製造することができる。

図３は、上述した芯材１１、伝熱材１２及び一対の表層材１３，１４を用いて熱伝導複合材１０を製造する方法を示したものである。以下、この図を参照しながら、熱伝導複合材１０の製造方法について説明を行う。

まず、この製造方法においては、一方の表層材１３において芯材１１の貫通孔１１ａに対応する部位にそれぞれ伝熱材１２を接合させる。伝熱材１２と表層材１３との接合に際しては、図３−１に示すように、専用の治具Ｊ１を適用し、表層材１３に予め治具Ｊ１を搭載するようにしている。

治具Ｊ１は、上述した芯材１１と同一形状の板状を成すもので、芯材１１の貫通孔１１ａに対応する部位にそれぞれ収容孔ＪＨ１を有したものである。収容孔ＪＨ１は、横断面形状が貫通孔１１ａの相似形状となる正方形で、寸法が僅かに小さなものとなっている。例えば、芯材１１の貫通孔１１ａが上述した０．４５ｍｍ×０．４５ｍｍである場合には、治具Ｊ１に０．４３ｍｍ×０．４３ｍｍの収容孔ＪＨ１を設けるようにしている。より具体的には、０．４３ｍｍ×０．４３ｍｍの収容孔ＪＨ１を有した板厚０．４ｍｍの薄板を２枚貼り合わせることにより、板厚０．８ｍｍの治具Ｊ１を構成するようにしている。適用する治具Ｊ１の材料としては、芯材１１と同等以下の熱膨張率を有したものであることが好ましい。

また、上述した芯材１１、表層材１３，１４及び治具Ｊ１のそれぞれには、互いに対応する部位にガイドホールＧＨを設けておくことが好ましい。ガイドホールＧＨにアライメントピンＡＰを挿通させれば、容易に、かつ正確に相互の位置を規定することが可能となる。すなわち、上述した表層材１３に治具Ｊ１を搭載する工程においては、それぞれのガイドホールＧＨを介してアライメントピンＡＰに表層材１３及び治具Ｊ１を順次挿通させれば、相互の位置を容易に、かつ正確に規定することができる。尚、治具Ｊ１と表層材１３との間には、拡散接合を阻害する材料を介在させることが好ましい。

この状態から、図３−２に示すように、治具Ｊ１の収容孔ＪＨ１に伝熱材１２を挿入すれば、表層材１３に対して複数の伝熱材１２を正確な位置に配置することができる。

次いで、図３−３に示すように、挿入した伝熱材１２の端面を石英等、拡散接合を阻害する板材Ｂで押さえた後、適当な圧力を加え、表層材１３と伝熱材１２との間を拡散接合により仮接合させる。尚、表層材１３と伝熱材１２との間は、拡散接合以外の方法で仮接合しても良い。

その後、伝熱材１２が冷却した状態で治具Ｊ１を取り外し、ガイドホールＧＨを介してアライメントピンＡＰに芯材１１を挿通させることにより、表層材１３に芯材１１を積層させれば、図３−４に示すように、芯材１１の各貫通孔１１ａにそれぞれ伝熱材１２が配置されることになる。

この状態からさらに、図３−５に示すように、ガイドホールＧＨを介してアライメントピンＡＰにもう一方の表層材１４を挿通させた後、不活性ガス雰囲気中もしくは真空中に配置し、所望の温度及び加圧力で加熱・加圧することにより、一対の表層材１３，１４と伝熱材１２との間、並びに一対の表層材１３，１４と芯材１１との間を拡散接合させれば、芯材１１と、複数の伝熱材１２と、一対の表層材１３，１４とが一体化された熱伝導複合材１０が構成される。但し、上述したように、芯材１１の貫通孔１１ａに対して伝熱材１２の寸法を小さく形成しているため、さらには芯材１１と、複数の伝熱材１２と、一対の表層材１３，１４との間を拡散接合により一体化させているため、図１に示すように、伝熱材１２の外側面と貫通孔１１ａの内壁面との間には間隙ｘ，ｙが確保されることになる。尚、芯材１１と、複数の伝熱材１２と、一対の表層材１３，１４との間を拡散接合により一体化した後においては、位置決めに使用したガイドホールＧＨを塞いでおくことが好ましい。

上記のように構成した熱伝導複合材１０を放熱部材として用いる場合には、いずれか一方の表層材、例えば表層材１３をチップ等の発熱源に接合させれば良い。表層材１３に伝達された熱は、表層材１３から伝熱材１２及び伝熱材１２から表層材１４に熱伝導されることになる。これら表層材１３、伝熱材１２及び表層材１４は、いずれも熱伝導率の高い材料によって構成されたものであり、しかも互いに拡散接合によって一体化された状態にある。従って、チップ等の発熱源から効率良く放熱することが可能となる。

この間、伝熱材１２及び一対の表層材１３，１４は伝熱方向に熱膨張するほか、伝熱方向と直交する方向、つまり熱伝導複合材１０の面方向に沿っても熱膨張することになる。しかしながら、上述したように、芯材１１に形成した貫通孔１１ａの内壁面と伝熱材１２の外側面との間には、少なくとも一部に間隙ｘ，ｙが確保されている。従って、熱伝導複合材１０の面方向に沿って伝熱材１２が熱膨張した場合にも、芯材１１に与える影響を可及的に抑えることができる。また、一対の表層材１３，１４は、いずれも芯材１１に大きな面積をもって接合された状態にある。これらの結果、熱伝導複合材１０によれば、一対の表層材１３，１４及び伝熱材１２に比較して熱膨張率の小さい芯材１１が面方向に沿った熱膨張率を決定する要因となり、板厚方向に大きな熱伝導率を設定した場合にも面方向に沿った熱膨張率を小さく抑えることができ、接合させたチップに剥離や割れを生ずることなく、チップから効率良く放熱することができる。

具体的には、上述した実施の形態１である熱伝導複合材１０においては、芯材１１に対する伝熱材１２の面積占有比率を７０％とすると、板厚方向の熱伝導率が２５０〜２８０Ｗ／ｍＫ、面方向に沿った熱膨張率が５．５〜６．５ｐｐｍ／Ｋの結果を得ることができた。

完成した熱伝導複合材１０を切断し、その平断面を確認したところ、すべての伝熱材１２が芯材１１の貫通孔１１ａの中心に位置するわけではなく、貫通孔１１ａの内壁面と伝熱材１２の外側面とが一部接触しているものも確認された。これは、拡散接合時における熱膨張や、組み立て精度の影響を受けたものであると考えられる。しかしながら、伝熱材１２の外側面が芯材１１の貫通孔１１ａの内壁面に接触しても、伝熱材１２の熱膨張が芯材１１に作用することによる熱応力の影響は軽微であることが確認された。これは、芯材１１に形成した貫通孔１１ａの寸法と伝熱材１２の外形寸法とからすれば、伝熱材１２の外側面全周が貫通孔１１ａの内壁面に接触することがないためであると考えられる。また、伝熱材１２が多数設けられているため、熱膨張による個々の変形量が小さくなる（上述の例では熱膨張による伝熱材１２の変形量は約２μｍ程度）ばかりでなく、芯材１１との接触ポイントがランダムとなることも上述の要因と考えられる。従って、貫通孔１１ａの内壁面と伝熱材１２の外側面とが全周に亘って離隔されている必要はなく、貫通孔１１ａの内壁面と伝熱材１２の外側面との間に一部でも間隙が確保されていれば、伝熱材１２の熱膨張が芯材１１に作用することによる熱応力の影響を小さく抑えることができる。

上述した実施の形態１において伝熱材１２として適用した無酸素銅は、コスト及び加工性の面から適当である。しかしながら、芯材１１に対する伝熱材１２の面積占有比率が熱伝導複合材１０全体の板厚方向の熱伝導率の支配要因であり、伝熱材１２にさらに高い熱伝導率を有する材料を用いることが考えられる。例えば、銅（Ｃｕ）にダイヤモンドや立方晶窒化ほう素（ＣＢＮ）の粉末を高い体積比率で分散させた複合材を伝熱材１２として用いることで、板厚方向の熱伝導率を大きく改善することも可能である。従って、伝熱材１２の素材は、銅（Ｃｕ）などの純金属に限られるものではなく、表層材１３，１４と接合できるものであれば、上述した複合材や非金属を用いることもできる。

図４は、実施の形態１と同様の構成を有した熱伝導複合材１０において表層材１３，１４の板厚と熱伝導複合材１０の面方向に沿った熱膨張率との関係を示したものである。芯材１１としては、熱膨張率が１．２ｐｐｍ／Ｋのインバーによって板厚２．０ｍｍに成形したものを適用している。この芯材１１には、図５に示すように、横断面がφ＝２．１ｍｍの円形状を成す貫通孔１１ａが形成されている。伝熱材１２としては、熱膨張率が１７ｐｐｍ／Ｋの無酸素銅により、横断面がφ＝２．０ｍｍの円柱状に成形された円柱状のものを適用している。芯材１１に対する伝熱材１２の面積占有比率は７０％である。表層材１３，１４としては、伝熱材１２と同様、熱膨張率が１７ｐｐｍ／Ｋの無酸素銅を適用した。表層材１３，１４の板厚を０．０２５〜０．３ｍｍの範囲で変化させ、熱伝導複合材１０の面方向に沿った熱膨張率の変化を測定した。

図４から明らかなように、表層材１３，１４の板厚を増加させた場合、熱伝導複合材１０の面方向に沿った熱膨張率も増加する傾向となる。この間、板厚方向の熱伝導率は、芯材１１に対する伝熱材１２の面積占有比率に変更がないため、２８４Ｗ／ｍｋで変化なく一定の値を示した。つまり、実施の形態１の熱伝導複合材１０によれば、表層材１３，１４の板厚を適宜変更することにより、面方向に沿った熱膨張率を所望の値に調整することができ、また芯材１１に対する伝熱材１２の面積占有比率を適宜変更することにより、板厚方向の熱伝導率を所望の値に調整することができ、様々な要求に応じた性能を呈することが可能となる。

尚、上述した熱伝導複合材１０では、表層材１３と伝熱材１２との間、並びに伝熱材１２と表層材１４との間を拡散接合するものとしたが、拡散接合に限られるものではなく、ハンダを含むロウづけ、レーザ溶接、電子ビーム溶接など、その他の金属冶金的接合法を適用することが可能である。

また、芯材１１をモリブデン（Ｍｏ）等の熱伝導率の高い材料に置き換えると、熱伝導複合材１０の熱伝導率を３２０Ｗ／ｍＫとすることもできる。これより目標とされる全体の熱膨張率及び熱伝導率に応じて芯材１１も種々の材料を選択することが可能であり、その材質が実施の形態１に制限されるものではない。

（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、その製造工程において治具の収容孔に伝熱材１２を挿入する場合、伝熱材１２の向きを整える必要があり、またその数量も多いため、その作業を容易化するには伝熱材１２を配置するための特別な装置が必要となる。そこで、実施の形態２では、特別な装置を別途用意せずとも、製造作業を容易化することのできる熱伝導複合材及びその製造方法について説明する。

図６及び図７は、本発明の実施の形態２である熱伝導複合材を示したものであり、図８−１〜図８−４は、実施の形態２である熱伝導複合材の製造方法を示したものである。図８−１に示すように、熱伝導複合材２０では、伝熱材（伝熱体）２２として芯材（第１板状体）２１に比較して熱伝導率の大きい材料、例えば銅（Ｃｕ）によって球状に成形したものを適用している。具体的には、伝熱材２２として、外径が０．５ｍｍの銅製球状体を用いる。この銅の球状体は、半導体実装手段であるＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージで使用されるハンダ球体のコア材として広く流通しており、簡単に入手できる。また、このようにＢＧＡパッケージで用いられる銅の球状体は、真球度等の精度が保証されているため、本実施の形態２の伝熱材２２として好適である。

芯材２１は、伝熱材２２及び表層材（第２板状体）２３，２４に比較して熱膨張率が小さな材料、例えばインバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）によって成形した平板状体である。この芯材２１には、板厚方向に沿って多数の貫通孔２１ａが設けられている。貫通孔２１ａは、それぞれ平面視が伝熱材２２の投影形状に対して相似形の円形で、三角格子の格子点に位置するように、芯材２１の一方の表面から他方の表面に貫通しており、例えば、エッチング法によって設けられている。本実施の形態２では、０．５ｍｍの伝熱材２２を用いる場合、板厚が０．４５ｍｍで、貫通孔２１ａの内径が０．６ｍｍの芯材２１を適用している。つまり、芯材２１としては、伝熱材２２として用いる球状体に対して、板厚が外径よりも小さく、かつ貫通孔２１ａの内径が外径よりも僅かに大きい寸法に設定したものを適用している。

尚、実施の形態２である熱伝導複合材２０に用いる表層材２３，２４は、上述した実施の形態１の熱伝導複合材１０で適用した表層材１３，１４と同様、芯材２１に対して熱伝導率の大きな材料によって成形したものであるため、詳細説明は省略する。

上述した芯材２１、伝熱材２２及び一対の表層材２３，２４を用いて熱伝導複合材２０を製造する場合には、まず、一方の表層材２３において芯材２１の貫通孔２１ａに対応する部位にそれぞれ伝熱材２２を接合させる。伝熱材２２と表層材２３との接合に際しては、図８−１に示すように、専用の治具Ｊ２を適用し、表層材２３に予め治具Ｊ２を搭載することにより伝熱材２２と表層材２３との位置を規定するようにしている。

治具Ｊ２は、上述した芯材２１と同一形状の板状を成すもので、芯材２１の貫通孔２１ａに対応する部位にそれぞれ収容孔ＪＨ２を有したものである。収容孔ＪＨ２は、横断面形状が貫通孔２１ａの相似形である円形で、寸法が貫通孔２１ａより僅かに小さなものとなっている。例えば、芯材２１の貫通孔２１ａが内径０．６ｍｍである場合には、治具Ｊ２に０．５１ｍｍの収容孔ＪＨ２を設けるようにしている。より具体的には、０．５１ｍｍの収容孔ＪＨ２を有した板厚０．４５ｍｍの薄板によって治具Ｊ２を構成するようにしている。適用する治具Ｊ２の材料としては、芯材２１と同等以下の熱膨張率を有したものであることが好ましい。

また、図には明示していないが、実施の形態１と同様、芯材２１、表層材２３，２４及び治具Ｊ２のそれぞれには、互いに対応する部位にガイドホールを設けておき、積層する順でガイドホールにアライメントピンを順次挿通させることが好ましい。この状態から、図８−１に示すように、治具Ｊ２の収容孔ＪＨ２に伝熱材２２を挿入すれば、表層材２３に対して複数の伝熱材２２を正確な位置に配置することができる。

ここで、伝熱材２２として球状に成形したものを適用した実施の形態２では、これを治具Ｊ２の上面で転動させて移動させることが可能となる。しかも、球状体である伝熱材２２は、治具Ｊ２の収容孔ＪＨ２に配置する場合にその向きや方向を規定する必要がない。従って、治具Ｊ２の収容孔ＪＨ２に伝熱材２２を配置させる場合には、複数の伝熱材２２を治具Ｊ２の上面に流し込めば良い。治具Ｊ２の上面に流し込まれた伝熱材２２は、収容孔ＪＨ２が空いている場合（伝熱材２２が収容されていない場合）、その内部に収容され、一方、既に収容孔ＪＨ２が埋まっている場合（伝熱材２２が収容されている場合）、次の収容孔ＪＨ２に向かって流れることにより、収容孔ＪＨ２に順次収容される。収容孔ＪＨ２の内径と伝熱材２２の外径との関係から、一つの収容孔ＪＨ２に二つの伝熱材２２が重複して収容されることはない。従って、この工程を繰り返すことより、特別な装置を要せずとも、すべての収容孔ＪＨ２に伝熱材２２を個別に収容することができる。

次いで、図８−２に示すように、挿入した伝熱材２２を石英等、拡散接合を阻害する板材Ｂで押さえた後、適当な圧力を加え、表層材２３と伝熱材２２との間を拡散接合により仮接合させる。その後、伝熱材２２が冷却した状態で治具Ｊ２を取り外し、ガイドホール（図示せず）を介してアライメントピン（図示せず）に芯材２１を挿通させることにより、表層材２３に芯材２１を積層させれば、図８−３に示すように、芯材２１の各貫通孔２１ａにそれぞれ伝熱材２２が配置されることになる。

この状態からさらに、ガイドホール（図示せず）を介してアライメントピン（図示せず）にもう一方の表層材２４を挿通させた後、不活性ガス雰囲気中もしくは真空中に配置し、図８−４に示すように、所望の温度及び加圧力で加熱・加圧することにより、一対の表層材２３，２４と伝熱材２２との間、並びに一対の表層材２３，２４と芯材２１との間を拡散接合させれば、芯材２１と、複数の伝熱材２２と、一対の表層材２３，２４とが一体化された熱伝導複合材２０が構成される。このとき、伝熱材２２は、荷重方向の力を受けるため、芯材２１の板厚方向に沿って潰されるとともに、拡散接合によって表層材２３，２４に食い込む一方、芯材２１の面方向に沿って径方向へ膨張する。但し、上述したように、芯材２１の貫通孔２１ａに対して伝熱材２２の外径を小さく形成しているため、さらには芯材２１と、複数の伝熱材２２と、一対の表層材２３，２４との間を拡散接合により一体化させているため、図９に示すように、伝熱材２２の外表面と貫通孔２１ａの内壁面との間にはほぼ全周に亘って間隙ｄが確保されることになる。

尚、必ずしも上述した治具Ｊ２を用いて予め表層材２３と伝熱材２２とを仮接合する必要はない。例えば、表層材２３に芯材２１を積層させた状態で貫通孔２１ａの中に伝熱材２２を流し込み、表層材２４を積層させた後にこれらを拡散接合により一時に一体化させても熱伝導複合材２０を得ることができる。但し、この製造方法では、芯材２１に形成した貫通孔２１ａの内壁面と伝熱材２２の外表面との間の全周に亘っては間隙ｄを確保できない場合があり得る。

しかしながら、貫通孔２１ａの寸法と伝熱材２２の外径寸法とからすれば、伝熱材２２の外表面全周が貫通孔２１ａの内壁面に接触することがないため、伝熱材２２の熱膨張が芯材２１に作用することによる熱応力の影響は軽微となる。また、伝熱材２２が多数設けられているため、熱膨張による個々の変形量が小さくなるばかりでなく、芯材２１との接触ポイントがランダムとなることも上述の要因と考えられる。つまり、貫通孔２１ａの内壁面と伝熱材２２の外表面とが全周に亘って離隔されている必要はなく、貫通孔２１ａの内壁面と伝熱材２２の外表面との間に一部でも間隙ｄが確保されていれば、伝熱材２２の熱膨張が芯材２１に作用することによる熱応力の影響を小さく抑えることができる。

上記のように構成した熱伝導複合材２０を放熱部材として用いる場合には、いずれか一方の表層材、例えば表層材２３をチップ等の発熱源に接合させれば良い。表層材２３に伝達された熱は、表層材２３から伝熱材２２及び伝熱材２２から表層材２４に熱伝導されることになる。これら表層材２３、伝熱材２２及び表層材２４は、いずれも熱伝導率の高い材料によって構成されたものであり、しかも互いに拡散接合によって一体化された状態にある。従って、チップ等の発熱源から効率良く放熱することが可能となる。

この間、伝熱材２２及び一対の表層材２３，２４は伝熱方向に熱膨張するほか、伝熱方向と直交する方向、つまり熱伝導複合材２０の面方向に沿っても熱膨張することになる。しかしながら、上述したように、芯材２１に形成した貫通孔２１ａの内壁面と伝熱材２２の外表面との間には、少なくとも一部に間隙ｄが確保されている。従って、熱伝導複合材２０の面方向に沿って伝熱材２２が熱膨張した場合にも、芯材２１に与える影響を可及的に抑えることができる。また、一対の表層材２３，２４は、いずれも芯材２１に大きな面積をもって接合された状態にある。これらの結果、熱伝導複合材２０によれば、一対の表層材２３，２４及び伝熱材２２に比較して熱膨張率の小さい芯材２１が面方向に沿った熱膨張率を決定する要因となるため、板厚方向に大きな熱伝導率を設定した場合にも面方向に沿った熱膨張率を小さく抑えることができ、接合させたチップに剥離や割れを生ずることなく、チップから効率良く放熱することができるようになる。

尚、上述した実施の形態２では、伝熱材２２に銅の球状体を用いているため、製造する際に治具Ｊ２の収容孔ＪＨ２に簡単に流し込むことができる。このため、治具Ｊ２の収容孔ＪＨ２に伝熱材２２を挿入する作業は簡単なものとなり、治具Ｊ２の収容孔ＪＨ２に伝熱材２２を挿入するための特別な装置は不要となる。

また、銅の球状体としては、ＢＧＡパッケージに使用されるハンダ球体のコア材として広く流通しており、廉価に入手できるため、熱伝導複合材２０の材料コストを低減することもできる。

尚、伝熱材２２は、銅（Ｃｕ）に限られるものではなく、銀（Ａｇ）等の金属材料、あるいは銅（Ｃｕ）にダイヤモンドやＣＢＮの粉末を高い体積比率で分散させた材料を用いることで、板厚方向の熱伝導率を大きく改善することも可能である。

また、上述した表層材２３と伝熱材２２との間、伝熱材２２と表層材２４との間を拡散接合するものとしたが、拡散接合に限られるものではなく、ハンダを含むロウづけ、レーザ溶接、電子ビーム溶接など、金属冶金的接合を適用できる。

（実施の形態３）
上述した実施の形態２では、平坦な表層材２３，２４を用いることとしたが、球体状の伝熱材２２と表層材２３，２４との接合面積が熱伝導率に及ぼす影響が大きいことから、実施の形態３では、これらの間の接合面積を増大させるようにしている。

図１０は、本発明の実施の形態３である熱伝導複合材を示したものである。ここで例示する熱伝導複合材３０は、実施の形態２と同様、伝熱材（伝熱体）３２として球体状に形成したものを用いるものであり、適用する表層材（第２板状体）３３，３４の構成のみが異なっている。すなわち、実施の形態３で適用する一対の表層材３３，３４は、芯材（第１板状体）３１に比較して熱伝導率の大きい材料、例えば、無酸素銅によって板厚０．１５ｍｍの板状体に成形したものである。図１１に示すように、それぞれの表層材３３，３４には、芯材３１の貫通孔３１ａと対応する位置に予め凹部３３ａ，３４ａが設けてある。凹部３３ａ，３４ａは、伝熱材３２の外径と同等の曲率を有するように形成した球面状を成すものである。これらの凹部３３ａ，３４ａは、例えばハーフエッチングによって形成することができる。

尚、実施の形態３で適用する伝熱材３２が、表層材３３，３４と同様に、芯材３１に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形したものであり、芯材３１が、これら表層材３３，３４及び伝熱材３２と比較して熱膨張率が小さい材料によって成形したものである点は、実施の形態２と同様である。また、芯材３１に形成する貫通孔３１ａが伝熱材３２の外径よりも僅かに大きな内径を有するものである点も実施の形態２と同様である。

上述した芯材３１、伝熱材３２及び一対の表層材３３，３４を用いて熱伝導複合材３０を製造する方法についても、実施の形態２で示したものと同様である。但し、表層材３３，３４に伝熱材３２を配置する場合に予め形成した凹部３３ａ，３４ａが伝熱材３２の位置決めとして機能するため、実施の形態２で用いた治具Ｊ２を用いる必要がない。すなわち、ガイドホールを介してアライメントピンに表層材３３及び芯材３１を順次挿通させて積層し、直接芯材３１の貫通孔３１ａに伝熱材３２を流し込めば良い。すべての貫通孔３１ａに伝熱材３２が収容された状態で、アライメントピンに表層材３４を挿通させて芯材３１の上に表層材３４を積層した後、不活性ガス雰囲気中もしくは真空中に配置し、所望の温度及び加圧力で加熱・加圧することにより、一対の表層材３３，３４と伝熱材３２との間、並びに一対の表層材３３，３４と芯材３１との間を拡散接合させれば、芯材３１と、複数の伝熱材３２と、一対の表層材３３，３４とが一体化された熱伝導複合材３０が構成される。

このとき、実施の形態３においては、予め表層材３３，３４に凹部３３ａ，３４ａが形成されているため、実施の形態２のものに比べて、大きな加圧力を付与せずとも伝熱材３２との間に大きな接合面積を確保することができ、板厚方向に沿った熱伝導率をより大きくすることが可能となる。但し、上述したように、芯材３１の貫通孔３１ａに対して伝熱材３２の外径を小さく形成しているため、さらには芯材３１と、複数の伝熱材３２と、一対の表層材３３，３４との間を拡散接合により一体化させているため、伝熱材３２の外表面と貫通孔３１ａの内壁面との間にはほぼ全周に亘って間隙が確保されることになる。

上記のように構成した熱伝導複合材３０を放熱部材として用いる場合には、いずれか一方の表層材、例えば表層材３３をチップ等の発熱源に接合させれば良い。表層材３３に伝達された熱は、表層材３３から伝熱材３２及び伝熱材３２から表層材３４に熱伝導されることになる。これら表層材３３、伝熱材３２及び表層材３４は、いずれも熱伝導率の高い材料によって構成されたものであり、しかも互いに拡散接合によって一体化された状態にある。従って、チップ等の発熱源から効率良く放熱することが可能となる。

この間、伝熱材３２及び一対の表層材３３，３４は伝熱方向に熱膨張するほか、伝熱方向と直交する方向、つまり熱伝導複合材３０の面方向に沿っても熱膨張することになる。しかしながら、芯材３１に形成した貫通孔３１ａの内壁面と伝熱材３２の外表面との間には、少なくとも一部に間隙が確保されている。従って、熱伝導複合材３０の面方向に沿って伝熱材３２が熱膨張した場合にも、芯材３１に与える影響を可及的に抑えることができる。また、一対の表層材３３，３４は、いずれも芯材３１に大きな面積をもって接合された状態にある。これらの結果、熱伝導複合材３０によれば、一対の表層材３３，３４及び伝熱材３２に比較して熱膨張率の小さい芯材３１が面方向に沿った熱膨張率を決定する要因となるため、板厚方向に大きな熱伝導率を設定した場合にも面方向に沿った熱膨張率を小さく抑えることができ、接合させたチップに剥離や割れを生ずることなく、チップから効率良く放熱することができるようになる。

上述したように、実施の形態３の熱伝導複合材３０によれば、表層材３３の凹部３３ａ及び表層材３４の凹部３４ａの間に球状体である伝熱材３２が収容されることになるため、製造段階において実施の形態１及び実施の形態２で示した治具Ｊ１，Ｊ２を適用したり、仮接合することなく、表層材３３，３４と伝熱材３２との間に位置決めして直接本接合である拡散接合を行うことができる。このため、熱伝導複合材３０を製造する場合の作業が効率化され、製造コストを低減することが可能となる。

尚、上述した実施の形態３である熱伝導複合材３０において、芯材３１と表層材３３，３４の接触面高さにおける伝熱材３２の伝熱面積の割合は、芯材３１の総面積に対し６０％の割合である。

また、表層材３３と伝熱材３２との間、伝熱材３２と表層材３４との間を拡散接合した後、表層材３３，３４を除去加工することにより、熱伝導複合材３０全体の熱膨張率を調整することができる。具体的には、表層材３３，３４の板厚が０．０３ｍｍとなるまでラップ研磨を行った。このようにラップ研磨した熱伝導複合材３０の熱伝導率は、２００〜２４０Ｗ／ｍＫ、平面方向の熱膨張率は５〜６．６ｐｐｍ／Ｋの結果を得ることができた。従って、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの高価な材料を用いることなく、同等の特性を実現することができる。

（実施の形態４）
上述した実施の形態１〜３では、表層材１３，２３，３３と伝熱材１２，２２，３２とが独立した部材であったが、実施の形態４では、図１２に示すように、一方の表層材（第２板状体）４３と伝熱材（伝熱体）４２とが予め一体に構成された熱伝導複合材４０であって、多数の貫通孔４１ａが設けられた芯材（第１板状体）４１と、貫通孔４１ａに収容される伝熱材４２が一体に形成され、芯材４１の一方の表面に配設された表層体４５と、芯材４１の他方の表面において伝熱材に接合された表層材（第２板状体）４４とにより構成されている。

芯材４１は、表層材４４及び表層体４５に比較して熱膨張率が小さなインバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）によって成形した平板状体である。芯材４１には、平面視円形の貫通孔４１ａが正方格子の格子点に位置するように、多数設けられている。貫通孔４１ａは、芯材４１の一方の表面から他方の表面に貫通しており、例えば、エッチング法によって設けられる。例えば、実施の形態４で用いる芯材４１は、板厚が０．３ｍｍ、貫通孔４１ａの内径が０．３２ｍｍとする。

図１３に示すように、表層体４５は、板厚０．０２ｍｍの表層材４３と、表層材４３の一方の表面において芯材４１の貫通孔４１ａと対応する位置に設けた直径が０．３ｍｍ、高さが０．３ｍｍの横断面形状が平面視円形の円柱状を成す伝熱材４２とを一体に成形したものである。伝熱材４２は、横断面が貫通孔４１ａと相似形である。

このように、表層材４３に複数の伝熱材４２が一体に形成された表層体４５は、例えば電鋳法により製造される。具体的には、まず、ステンレスなどの金属板に表層材４３の外形を露出させたパターンをレジスト工程と、半導体素子の製造におけるフォトリソグラフィーと同様の工程により形成する。次に、ステンレス板を銅（Ｃｕ）の電界析出浴に浸漬し、板厚が０．０２ｍｍとなるまで銅（Ｃｕ）を析出させる。そして、ステンレス板を取り出し、表面を洗浄乾燥後、析出した銅（Ｃｕ）の上に伝熱材４２を構成する直径が０．３ｍｍの円筒状のパターンをレジストで形成し、同じく銅（Ｃｕ）の電解析出浴に浸漬し、板厚が０．３ｍｍとなるまで銅（Ｃｕ）を析出させる。析出が完了すると、不要なレジストを除去し、ステンレス板から成型品を剥離することにより、伝熱材４２が一体に形成された表層体４５を得ることができる。

表層材４４は、芯材４１に比較して熱伝導率が大きな材料が好ましく、ここでは、無酸素銅の板厚０．０２ｍｍの平坦な板状体を用いることにする。また、表層材４４は、芯材４１の他方の表面を覆うことができるように、芯材４１と同一の面積を有している。このような寸法を有する表層材４４は、例えば、エッチング法によって製造される。

上述した熱伝導複合材４０を製造する場合には、まず、伝熱材４２が上になるように配置した表層体４５に対して芯材４１及び表層材４４を順次積層させる。図には明示していないが、実施の形態１と同様、芯材４１、表層材４４及び表層体４５のそれぞれには、互いに対応する部位にガイドホールを設けておき、積層する順でガイドホールにアライメントピンを順次挿通させることが好ましい。

この状態から、不活性ガス雰囲気中もしくは真空中に配置し、所望の温度及び加圧力で加熱・加圧することにより、表層材４４と表層体４５の伝熱材４２との間、並びに表層材４４及び表層体４５と芯材４１との間を拡散接合させれば、芯材４１と、表層材４４と、表層体４５とが一体化された熱伝導複合材４０が構成される。但し、上述したように、芯材４１の貫通孔４１ａに対して伝熱材４２の寸法を小さく形成しているため、さらには芯材４１と表層材４４と表層体４５との間を拡散接合により一体化させているため、伝熱材４２の外周面と貫通孔４１ａの内壁面との間には間隙が確保されることになる。

上記のように構成した熱伝導複合材４０を放熱部材として用いる場合には、いずれか一方の表層材、例えば表層材４３をチップ等の発熱源に接合させれば良い。表層材４３に伝達された熱は、表層材４３から伝熱材４２及び伝熱材４２から表層材４４に熱伝導されることになる。これら表層材４３、伝熱材４２及び表層材４４は、いずれも熱伝導率の高い材料によって構成されたものであり、しかも互いに拡散接合によって一体化された状態にある。従って、チップ等の発熱源から効率良く放熱することが可能となる。

この間、伝熱材４２及び一対の表層材４３，４４は伝熱方向に熱膨張するほか、伝熱方向と直交する方向、つまり熱伝導複合材４０の面方向に沿っても熱膨張することになる。しかしながら、芯材４１に形成した貫通孔４１ａの内壁面と伝熱材４２の外表面との間には、少なくとも一部に間隙が確保されている。従って、熱伝導複合材４０の面方向に沿って伝熱材４２が熱膨張した場合にも、芯材４１に与える影響を可及的に抑えることができる。また、一対の表層材４３，４４は、いずれも芯材４１に大きな面積をもって接合された状態にある。これらの結果、熱伝導複合材４０によれば、一対の表層材４３，４４及び伝熱材４２に比較して熱膨張率の小さい芯材４１が面方向に沿った熱膨張率を決定する要因となるため、板厚方向に大きな熱伝導率を設定した場合にも面方向に沿った熱膨張率を小さく抑えることができ、接合させたチップに剥離や割れを生ずることなく、チップから効率良く放熱することができるようになる。

上述した実施の形態４である熱伝導複合材４０は、伝熱材４２と一方の表層材４３とが予め一体に構成されているので、組立精度が上がり、結果的に、板厚方向の伝熱面積を大きく取ることができた。また、組立工数も減り、組立コストを低減することもできた。

尚、伝熱材４２は、平面視円形の円柱状に限られるものではなく、平面視正方形を含む矩形、多角形の柱体とすることができる。

また、一方の表層材４３と伝熱材４２とを一体に構成するのみならず、他方の表層材４４と伝熱材４２とも一体に構成し、伝熱材４２を互いに対向させて拡散接合させても良い。このように構成すると、完成した熱伝導複合材４０の板厚を２倍にすることができ、熱伝導複合材４０における芯材４１の板厚方向の割合を増やすことができる。そして、芯材４１の板厚方向の割合を増やすと、熱伝導複合材４０の面方向の熱伝導率をさらに低下させることができる。例えば、上述した例では、芯材４１の板厚を０．６ｍｍとすることができる。

また、電鋳法において、共析メッキの技術を応用し、銅（Ｃｕ）にダイヤモンドまたはＣＢＮ等の高熱伝導材を微粒子として分散することも可能であり、この様な構成にした場合、完成した熱伝導複合材４０の熱伝導率をさらに引上げることが可能である。

また、本実施の形態においては電鋳法による製造法を示したが、精密鋳造法や、金属粉体を樹脂バインダーに混練し、インジェクション成型を行い、その後、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法を用いて、成型品を焼結させて表層材としても良い。

尚、上述した実施の形態１〜４では、いずれも伝熱体が第１板状体に形成した貫通孔の内部横断面形状に対して相似形となる横断面形状を有したものを例示しているが、必ずしも相似形である必要はなく、例えば貫通孔の内部横断面形状が六角形で、伝熱体の横断面が四角形や円形でもあっても構わない。

また、上述した実施の形態１〜４では、互いに積層する板状体や治具にガイドホールを形成し、これらのガイドホールにアライメントピンを挿通させることによって位置決めを行う製造方法を例示しているが、必ずしもガイドホール及びアライメントピンを適用して製造する必要はない。

１０ 熱伝導複合材
１１ 芯材
１１ａ 貫通孔
１２ 伝熱材
１３，１４ 表層材
２０ 熱伝導複合材
２１ 芯材
２１ａ 貫通孔
２２ 伝熱材
２３，２４ 表層材
３０ 熱伝導複合材
３１ 芯材
３１ａ 貫通孔
３２ 伝熱材
３３，３４ 表層材
３３ａ，３４ａ 凹部
４０ 熱伝導複合材
４１ 芯材
４１ａ 貫通孔
４２ 伝熱材
４３，４４ 表層材

Claims (10)

1. 互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより構成し、半導体素子の放熱部材として用いられる熱伝導複合材であって、
   前記第１板状体は、前記第２板状体に比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、
   前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、
   前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設したことを特徴とする熱伝導複合材。
2. 互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより構成し、半導体素子の放熱部材として用いられる熱伝導複合材であって、
   前記第１板状体は、前記第２板状体に比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、
   前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ積層させたものであり、
   前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接触する態様で伝熱体を配設し、かつこれら第１板状体と一対の第２板状体との間及び伝熱体と一対の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合により一体化したことを特徴とする熱伝導複合材。
3. 前記伝熱体は、前記第１板状体に形成した貫通孔の内部横断面形状に対して相似形となる横断面形状を有した柱状部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱伝導複合材。
4. 前記第１板状体は、横断面が円形の貫通孔を有したものであり、
   前記伝熱体は、横断面が円形の柱状部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱伝導複合材。
5. 互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより半導体素子の放熱部材として構成され、
   前記第１板状体は、前記第２板状体に比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、
   前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、
   前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設して成る熱伝導複合材を製造する方法であって、
   前記第１板状体の下方に位置する表面に前記第２板状体を積層する工程と、
   前記第１板状体の貫通孔にそれぞれ前記伝熱体を配置する工程と、
   前記第１板状体の上方に位置する表面に前記第２板状体を積層する工程と、
   これら積層した第１板状体及び一対の第２板状体の板厚方向に沿って圧力を加えることにより、前記第１板状体と前記一対の第２板状体との間及び前記伝熱体と前記一対の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合させる工程と
   を含むことを特徴とする熱伝導複合材の製造方法。
6. 互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより半導体素子の放熱部材として構成され、
   前記第１板状体は、前記第２板状体と比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、
   前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、
   前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設して成る熱伝導複合材を製造する方法であって、
   一方の第２板状体において前記第１板状体の貫通孔に対応する部位にそれぞれ前記伝熱体を予め拡散接合させる工程と、
   貫通孔のそれぞれに伝熱体を配置する態様で前記一方の第２板状体に前記第１板状体を積層する工程と、
   伝熱体が拡散接合された一方の第２板状体との間に前記第１板状体を挟む態様で第１板状体に他方の第２板状体を積層する工程と、
   これら積層した第１板状体及び一対の第２板状体の板厚方向に沿って圧力を加えることにより、前記第１板状体と前記一対の第２板状体との間及び前記伝熱体と前記他方の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合させる工程と
   を含むことを特徴とする熱伝導複合材の製造方法。
7. 互いに熱膨張率及び熱伝導率が異なる第１板状体及び第２板状体を積層することにより半導体素子の放熱部材として構成され、
   前記第１板状体は、前記第２板状体と比較して熱膨張率の小さい材料によって成形し、かつ板厚方向に沿って貫通した複数の貫通孔を有するものであり、
   前記第２板状体は、前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記第１板状体の２つの表面にそれぞれ接合させたものであり、
   前記第１板状体の貫通孔に、それぞれ前記第１板状体に比較して大きな熱伝導率を有した材料によって成形し、前記貫通孔の内壁面との間の少なくとも一部に間隙を確保する一方、前記一対の第２板状体に対してそれぞれ接合する態様で伝熱体を配設して成る熱伝導複合材を製造する方法であって、
   一方の第２板状体において前記第１板状体の貫通孔に対応する部位に予め前記伝熱体を一体に成形する工程と、
   貫通孔のそれぞれに伝熱体を配置する態様で前記一方の第２板状体に前記第１板状体を積層する工程と、
   予め伝熱体が一体に成形された前記一方の第２板状体との間に前記第１板状体を挟む態様で第１板状体に他方の第２板状体を積層する工程と、
   これら積層した第１板状体及び一対の第２板状体の板厚方向に沿って圧力を加えることにより、前記第１板状体と前記一対の第２板状体との間及び前記伝熱体と前記他方の第２板状体との間をそれぞれ拡散接合させる工程と
   を含むことを特徴とする熱伝導複合材の製造方法。
8. 前記伝熱体として、前記第１板状体の板厚よりも大きな外径を有した球状に成形したものを適用することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱伝導複合材の製造方法。
9. 前記第２板状体において前記第１板状体の貫通孔に対応する部位のそれぞれに予め球面状の凹部を形成したことを特徴とする請求項８に記載の熱伝導複合材の製造方法。
10. 前記第１板状体として、横断面が円形の貫通孔を有したものを適用し、
    前記伝熱体として、横断面が円形の柱状を成すものを適用したことを特徴とする請求項５または請求項６または請求項７に記載の熱伝導複合材の製造方法。

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