JP2007123516A - ヒートスプレッダ、その製造方法及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体チップやセラミック基板などとの熱膨張差を低減でき、優れた熱膨張特性と放熱性（熱伝導性）を有し、軽量性に優れ、さらに、熱発生のない導電性に優れた、すなわち、実際の電子部品（半導体装置を含む）等で求められる熱膨張率と熱伝導率と導電性とのバランス性に適合したヒートスプレッダを提供する。
【解決手段】厚み方向に少なくとも１個の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ａ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダ、そのヒートスプレッダの製造方法、及びそれを用いた半導体装置などを提供した。
【選択図】図１
【解決手段】厚み方向に少なくとも１個の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ａ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダ、そのヒートスプレッダの製造方法、及びそれを用いた半導体装置などを提供した。
【選択図】図１
Description
本発明は、ヒートスプレッダ、その製造方法及びそれを用いた半導体装置に関し、さらに詳しくは、例えば半導体装置を高集積化して発熱量が増大した場合にも対応できる、金属含浸グラファイトからなるヒートスプレッダ、その製造方法及びそれを用いた半導体装置に関する。
一般に装置、例えばＬＳＩ等の半導体素子を実装した半導体装置、に取り付け、発生した熱を外部に逃がす放熱部材は、ヒートスプレッダ（同義語として、熱拡散板、熱伝導板又は放熱板）と呼ばれ、また、放熱体としてヒートシンクと呼ばれることもある。
ヒートスプレッダ（又はヒートシンク）としては、アルミニウム材が一般的に使用されており、アルミニウム材を板状のまま単独で使用したり、板状のアルミニウム材の上に更に熱放散能力を向上させるため、フィン状に加工したアルミニウム材を熱伝導の良好なロウ材などにより接合して使用されている。
半導体装置のさらなる高速化、高出力化に伴い、アルミニウム材からなるヒートスプレッダの熱放散能力では、十分ではなくなってきたため、さらに放熱性を重視する場合には、純銅が用いられ、また、半導体チップやパッケージとの熱膨張差を低減することを重視するためには、適当な熱膨張率を具備するＣｕ−Ｗやモリブデン板等が用いられていた。
ヒートスプレッダ（又はヒートシンク）としては、アルミニウム材が一般的に使用されており、アルミニウム材を板状のまま単独で使用したり、板状のアルミニウム材の上に更に熱放散能力を向上させるため、フィン状に加工したアルミニウム材を熱伝導の良好なロウ材などにより接合して使用されている。
半導体装置のさらなる高速化、高出力化に伴い、アルミニウム材からなるヒートスプレッダの熱放散能力では、十分ではなくなってきたため、さらに放熱性を重視する場合には、純銅が用いられ、また、半導体チップやパッケージとの熱膨張差を低減することを重視するためには、適当な熱膨張率を具備するＣｕ−Ｗやモリブデン板等が用いられていた。
ヒートスプレッダとして、軽量で、高熱伝導性のあるグラファイトへの金属含浸品（例えば、特許文献１〜３参照。）を用いることも検討され、これにより、熱伝導性に優れ、セラミックやＳｉ半導体の線膨張係数に極めて近いものになった。
しかし、依然として、グラファイトへの金属含浸品は、その固有抵抗値（２００〜３００μΩｃｍ）が銅（２μΩｃｍ）やアルミニウム（３μΩｃｍ）に比べて高く、特に大電流を流すヒートスプレッダ用途、例えばパワーモジュールには、高い抵抗値から熱を発生させてしまう可能性が高く、放熱部材として問題もあり、さらに、導電性の改良が求められている。
しかし、依然として、グラファイトへの金属含浸品は、その固有抵抗値（２００〜３００μΩｃｍ）が銅（２μΩｃｍ）やアルミニウム（３μΩｃｍ）に比べて高く、特に大電流を流すヒートスプレッダ用途、例えばパワーモジュールには、高い抵抗値から熱を発生させてしまう可能性が高く、放熱部材として問題もあり、さらに、導電性の改良が求められている。
本発明の目的は、上記各種ヒートスプレッダがもつ問題点を解消し、半導体チップやセラミック基板などとの熱膨張差を低減でき、優れた熱膨張特性と放熱性（熱伝導性）を有し、軽量性に優れ、さらに、熱発生がなく導電性に優れた、すなわち、実際の電子部品（半導体装置を含む）等で求められる熱膨張率と熱伝導率と導電率（抵抗率）とのバランス性に適合したヒートスプレッダを提供することにある。
本発明者は、上記課題に対し鋭意研究を重ねた結果、ヒートスプレッダの素材として、セラミック基板や半導体（シリコン）等と熱膨張率がほぼ一致し、熱伝導性のよい、すなわち熱膨張特性と放熱性に優れた金属含浸黒鉛材に注目し、この金属含浸黒鉛材の厚み方向に複数の貫通孔を設け、その貫通孔に導電性の優れた金属を含浸させ、固化・同化させると、金属含浸黒鉛材に高導電経路が形成されて、その結果、半導体装置などで求められている熱膨張率と熱伝導率と導電率（抵抗率）との３者のバランスの取れた良好な金属含浸グラファイト構造体が得られ、本発明の目的を達成できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の第１の発明によれば、厚み方向に少なくとも１個の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ａ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、前記貫通孔（ａ）に加えて、さらに、側面方向に、少なくとも１個の貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
さらに、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明において、金属材料（Ｂ）は、アルミニウム、銅又はアルミニウム合金であることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、前記貫通孔（ａ）に加えて、さらに、側面方向に、少なくとも１個の貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
さらに、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明において、金属材料（Ｂ）は、アルミニウム、銅又はアルミニウム合金であることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
本発明の第４の発明によれば、第１又は２の発明において、厚み方向における貫通孔（ａ）の表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
また、本発明の第５の発明によれば、第２の発明において、側面方向における貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）の表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
さらに、本発明の第６の発明によれば、第１〜５のいずれかの発明において、その表面は、メッキ処理されていることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
また、本発明の第５の発明によれば、第２の発明において、側面方向における貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）の表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
さらに、本発明の第６の発明によれば、第１〜５のいずれかの発明において、その表面は、メッキ処理されていることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダが提供される。
一方、本発明の第７の発明によれば、（ｉ）黒鉛ブロック基材（Ａ）に切削加工を施すことにより、厚み方向に少なくとも１個の略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて側面方向に少なくとも１個の貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を形成させる貫通孔形成工程、
（ｉｉ）引き続いて、黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を溶融させながら含浸させる含浸工程、及び
（ｉｉｉ）その後、含浸した溶融金属を冷却し凝固させることにより、前記略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させる冷却工程を含むことを特徴とする第１〜５のいずれかの発明に係る高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
また、本発明の第８の発明によれば、第７の発明において、前記（ｉ）〜（ｉｉｉ）に加えて、さらに、
（ｉｖ）得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工する機械加工工程、及び
（ｖ）所望形状に機械加工された金属含浸グラファイト構造体にメッキ処理を施す表面処理工程、
を含むことを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
さらに、本発明の第９の発明によれば、第７又は８の発明において、前記（ｉｉ）の含浸工程は、オートクレーブ内にて、溶融金属を真空加圧含浸させて行われることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
またさらに、本発明の第１０の発明によれば、第７又は８の発明において、前記（ｉｉ）の含浸工程は、高圧プレス機又は熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）にて、溶融金属を高圧加圧含浸させて行われることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
（ｉｉ）引き続いて、黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を溶融させながら含浸させる含浸工程、及び
（ｉｉｉ）その後、含浸した溶融金属を冷却し凝固させることにより、前記略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させる冷却工程を含むことを特徴とする第１〜５のいずれかの発明に係る高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
また、本発明の第８の発明によれば、第７の発明において、前記（ｉ）〜（ｉｉｉ）に加えて、さらに、
（ｉｖ）得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工する機械加工工程、及び
（ｖ）所望形状に機械加工された金属含浸グラファイト構造体にメッキ処理を施す表面処理工程、
を含むことを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
さらに、本発明の第９の発明によれば、第７又は８の発明において、前記（ｉｉ）の含浸工程は、オートクレーブ内にて、溶融金属を真空加圧含浸させて行われることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
またさらに、本発明の第１０の発明によれば、第７又は８の発明において、前記（ｉｉ）の含浸工程は、高圧プレス機又は熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）にて、溶融金属を高圧加圧含浸させて行われることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法が提供される。
また、本発明の第１１の発明によれば、第１〜６のいずれかの発明に係る高導電経路が形成されたヒートスプレッダを用いてなる半導体装置が提供される。
さらに、本発明の第１２の発明によれば、第１１の発明において、前記半導体装置がパワーモジュールであることを特徴とする半導体装置が提供される。
さらに、本発明の第１２の発明によれば、第１１の発明において、前記半導体装置がパワーモジュールであることを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明によれば、熱膨張特性と放熱性に優れた金属含浸黒鉛材に、少なくとも１個の貫通孔を設け、その貫通孔に導電性の優れた金属材料を含浸させ、固化・同化させると、すなわち、貫通孔をその金属材料で充填させると、金属含浸黒鉛材に高導電経路が形成されているために、半導体装置などで求められている熱膨張率と熱伝導率と導電率（抵抗率）との３者のバランスの取れた良好な金属含浸グラファイト構造体からなるヒートスプレッダを得ることができる。
したがって、本発明のヒートスプレッダは、半導体チップやセラミック基板などとの熱膨張差を低減でき、優れた熱膨張特性と放熱性（熱伝導性）を有し、軽量性に優れ、さらに、熱発生が抑えられ導電性に優れるという顕著な効果を奏するので、産業用や車載用などのパワーモジュールパッケージのベース基板として、又は大型産業用や車載用などの大電流仕様のパワーモジュール応力緩和材として、用いることができる。
したがって、本発明のヒートスプレッダは、半導体チップやセラミック基板などとの熱膨張差を低減でき、優れた熱膨張特性と放熱性（熱伝導性）を有し、軽量性に優れ、さらに、熱発生が抑えられ導電性に優れるという顕著な効果を奏するので、産業用や車載用などのパワーモジュールパッケージのベース基板として、又は大型産業用や車載用などの大電流仕様のパワーモジュール応力緩和材として、用いることができる。
以下、本発明について、項目毎に詳細に説明する。
本発明のヒートスプレッダは、厚み方向に少なくとも１個の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ａ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる、すなわち、前記貫通孔（ａ）内に含浸金属材料（Ｂ）を固化・同化させた、金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とするものであって、特に、金属含浸グラファイト構造体内に、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されて、導電性に優れたものである。
本発明のヒートスプレッダは、厚み方向に少なくとも１個の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ａ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる、すなわち、前記貫通孔（ａ）内に含浸金属材料（Ｂ）を固化・同化させた、金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とするものであって、特に、金属含浸グラファイト構造体内に、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されて、導電性に優れたものである。
１．黒鉛ブロック基材（Ａ）
本発明のヒートスプレッダに用いる黒鉛ブロック基材（Ａ）としては、特に限定されないが、炭素粉、人造黒鉛粉および炭素繊維の少なくとも一種の炭素材料を含む加圧成形体等を挙げることができる。
具体的には、非晶質炭素、黒鉛系結晶炭素またはこれらの混合物を有するものが用いられるが、特に、黒鉛系結晶を含有するものが、その気孔特性の均一性、金属成分との反応抑制の観点から好ましい。黒鉛系結晶としては、Ｘ線回折により測定される平均面間隔ｄが０．３４０ｎｍ以下であるものを選択することが肝要である。また、炭素材料組織として微細な気孔が均一に存在したものが好ましいが、気孔径がサブミクロンから数百ミクロンに広範囲に分布したものでもよい。平均気孔径は、直径として０．１μｍ〜１０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜３μｍである。気孔径がこのように特定の範囲である場合、製造条件の特定により、金属材料成分の含浸が容易となり、真空加圧含浸法では金属充填率が６５体積％以上、さらに高圧加圧含浸法では９５体積％に向上し実質的に充填率１００％を達成することができる。ここで充填率とは、気孔内に含浸された金属の気孔全体積に対し占める体積割合である。
本発明のヒートスプレッダに用いる黒鉛ブロック基材（Ａ）としては、特に限定されないが、炭素粉、人造黒鉛粉および炭素繊維の少なくとも一種の炭素材料を含む加圧成形体等を挙げることができる。
具体的には、非晶質炭素、黒鉛系結晶炭素またはこれらの混合物を有するものが用いられるが、特に、黒鉛系結晶を含有するものが、その気孔特性の均一性、金属成分との反応抑制の観点から好ましい。黒鉛系結晶としては、Ｘ線回折により測定される平均面間隔ｄが０．３４０ｎｍ以下であるものを選択することが肝要である。また、炭素材料組織として微細な気孔が均一に存在したものが好ましいが、気孔径がサブミクロンから数百ミクロンに広範囲に分布したものでもよい。平均気孔径は、直径として０．１μｍ〜１０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜３μｍである。気孔径がこのように特定の範囲である場合、製造条件の特定により、金属材料成分の含浸が容易となり、真空加圧含浸法では金属充填率が６５体積％以上、さらに高圧加圧含浸法では９５体積％に向上し実質的に充填率１００％を達成することができる。ここで充填率とは、気孔内に含浸された金属の気孔全体積に対し占める体積割合である。
また、黒鉛ブロック基材の気孔率は４０体積％未満、好ましくは５体積％〜３５体積％、さらに好ましくは５体積％〜２５体積％である。すなわち、炭素質部分の体積比率を６０体積％以上、特に７５体積％を超えるものである。これにより、従来困難であった炭素材料本来の特性を生かすことができ、特にヒートスプレッダに要求される熱伝導度および熱膨張率を十分具有することが可能となる。
また、黒鉛ブロック基材の密度は、１．４ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３、好ましくは１．６ｇ／ｃｍ３〜２ｇ／ｃｍ３であり、特に１．７ｇ／ｃｍ３〜１．９ｇ／ｃｍ３が好ましい。密度が１．４ｇ／ｃｍ３に満たないと、黒鉛ブロック基材内の含浸金属の比率が高くなり、熱膨張率が過大になるという弊害が生じ、一方、２ｇ／ｃｍ３を超えると、金属含浸率が低下するという問題がある。また、ほぼ完全に充填できたとしても金属比率が小さくなるため、ヒートスプレッダとして有用な熱膨張率４×１０−６／℃以上が得られないという問題がある。
黒鉛ブロック基材としては、電気製鋼用、アルミ精練用、その他電解炉用電極、耐熱構造材用のグラファイト等を用いることができる。
このようなグラファイトは、原料としてフィラーとバインダーを用い、主として混合、成形、焼成および黒鉛化等の工程を経て製造することができる。フィラーとしてはか焼石油コークス、か焼ピッチコークス、天然黒鉛、か焼無鉛炭、カーボンブラック等を、また、バインダーとしてはコールタールピッチ、コールタール、合成樹脂等を任意に使用することができる。混合、成形、焼成および黒鉛化の各工程の操作および条件は従来採用されているとおりのものでよく、前記の所望性状が得られるように適宜決定することができるが、前記黒鉛系結晶は、２５００℃以上、特に、２８００℃以上の温度での焼成処理により得ることができる。
黒鉛ブロック基材の成形法として、押出法、型込法およびＣＩＰ法等が挙げられるが押出法および型込法が好ましい。
このようなグラファイトは、原料としてフィラーとバインダーを用い、主として混合、成形、焼成および黒鉛化等の工程を経て製造することができる。フィラーとしてはか焼石油コークス、か焼ピッチコークス、天然黒鉛、か焼無鉛炭、カーボンブラック等を、また、バインダーとしてはコールタールピッチ、コールタール、合成樹脂等を任意に使用することができる。混合、成形、焼成および黒鉛化の各工程の操作および条件は従来採用されているとおりのものでよく、前記の所望性状が得られるように適宜決定することができるが、前記黒鉛系結晶は、２５００℃以上、特に、２８００℃以上の温度での焼成処理により得ることができる。
黒鉛ブロック基材の成形法として、押出法、型込法およびＣＩＰ法等が挙げられるが押出法および型込法が好ましい。
２．含浸金属材料（Ｂ）
本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体の含浸金属材料（Ｂ）としては、その用途に応じて任意に選択することができるが、本発明の目的から、熱伝導率が高く、導電性の良好なアルミニウム、ニッケル、銅、亜鉛、金、銀、スズ、白金および各金属の合金等を挙げることができる。
本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体の含浸金属材料（Ｂ）としては、その用途に応じて任意に選択することができるが、本発明の目的から、熱伝導率が高く、導電性の良好なアルミニウム、ニッケル、銅、亜鉛、金、銀、スズ、白金および各金属の合金等を挙げることができる。
好ましい金属成分は、アルミニウム（体積固有抵抗：２．９×１０−６Ω／ｃｍ）、銅（体積固有抵抗：１．６×１０−６Ω／ｃｍ）、金（体積固有抵抗：２．３×１０−６Ω／ｃｍ）、銀（体積固有抵抗：１．６×１０−６Ω／ｃｍ）および該金属の合金等であり、特に、アルミニウムまたは銅の純金属成分、或いはアルミニウムと銅の合金などのアルミニウム合金が溶融合金温度の関係からも好ましい。これらの金属成分は、本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体の特異性の一つとされる特定の熱伝導率、熱膨張率および導電率の３特性を充足する上で好適である。尚、グラファイトの体積固有抵抗は１．３×１０−３Ω／ｃｍである。
３．金属含浸グラファイト構造体
本発明に係る金属含浸グラファイト構造体は、前記したように、厚み方向に少なくとも１個、通常複数の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の前記貫通孔（ａ）内に含浸金属材料（Ｂ）を固化・同化させたものであって、黒鉛ブロック基材内に金属が含浸され、かつ、貫通孔内に含浸金属材料（Ｂ）を固化・同化させたものであり、特に、金属含浸グラファイト構造体内の貫通孔に、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されて、導電性に優れたものである。
これを図で説明すると、本発明のヒートスプレッダ材は、上記の金属含浸グラファイト構造体（１）からなり、図１（ａ）に示すように、黒鉛ブロック基材（２）に金属（３）が含浸されて、かつ、貫通孔（４）内に含浸金属（３）を固化・同化させて、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成された構成となっている。尚、図１（ｂ）、（ｃ）は、別の態様例を示す図である。
これに対比して、従来の金属含浸黒鉛材は、図２に示され、黒鉛ブロック基材（２）の開気孔部に銅やアルミニウム合金などの金属（３）が含浸した構成となっている。
本発明に係る金属含浸グラファイト構造体は、前記したように、厚み方向に少なくとも１個、通常複数の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の前記貫通孔（ａ）内に含浸金属材料（Ｂ）を固化・同化させたものであって、黒鉛ブロック基材内に金属が含浸され、かつ、貫通孔内に含浸金属材料（Ｂ）を固化・同化させたものであり、特に、金属含浸グラファイト構造体内の貫通孔に、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されて、導電性に優れたものである。
これを図で説明すると、本発明のヒートスプレッダ材は、上記の金属含浸グラファイト構造体（１）からなり、図１（ａ）に示すように、黒鉛ブロック基材（２）に金属（３）が含浸されて、かつ、貫通孔（４）内に含浸金属（３）を固化・同化させて、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成された構成となっている。尚、図１（ｂ）、（ｃ）は、別の態様例を示す図である。
これに対比して、従来の金属含浸黒鉛材は、図２に示され、黒鉛ブロック基材（２）の開気孔部に銅やアルミニウム合金などの金属（３）が含浸した構成となっている。
さらに、本発明に係る金属含浸グラファイト構造体は、厚み方向に加えて、所望に応じて、側面方向に少なくとも１個の貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を有することもでき、側面方向にも、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されて、導電性に優れたものとなる。
前記の如く金属成分は、黒鉛ブロック基材の気孔内に充填され、全開気孔の少なくとも６５体積％以上、特に９０体積％以上を占めるものが好ましい。さらに好ましくは実質的には１００体積％充填されたものである。充填率が９０体積％に達することにより熱伝導性等の要求性能を容易に満足させることができる。
本発明に係る金属含浸グラファイト構造体において、厚み方向における貫通孔（ａ）の表面積割合は、すなわち、厚み方向のメタルポストの表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることが望ましい。１％未満であると、金属含浸グラファイト構造体の導電率が改善されなく、一方、３０％を超えると、導電率の改善が飽和し、所望の熱膨張率を得ることが困難になる。
また、本発明に係る金属含浸グラファイト構造体において、貫通孔内の含浸金属材料（Ｂ）を除外して、金属含有黒鉛ブロック基材（Ａ）の金属成分の含有量は、３５体積％以下、好ましくは３０体積％以下、さらに好ましくは５体積％〜２５体積％である。含有量が３５体積％を超えると、高熱伝導率で低熱膨張率の性能を充足することが困難となる。
また、本発明に係る金属含浸グラファイト構造体において、貫通孔内の含浸金属材料（Ｂ）を除外して、金属含有黒鉛ブロック基材（Ａ）の金属成分の含有量は、３５体積％以下、好ましくは３０体積％以下、さらに好ましくは５体積％〜２５体積％である。含有量が３５体積％を超えると、高熱伝導率で低熱膨張率の性能を充足することが困難となる。
次に、本発明に係る金属含浸グラファイト構造体において、側面方向における貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）の表面積割合は、すなわち、側面方向のメタルポストの表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることが望ましい。１％未満であると、金属含浸グラファイト構造体の導電率が改善されなく、一方、３０％を超えると、導電率の改善が飽和し、所望の熱膨張率を得ることが困難になる。
前記の如く、本発明に係る金属含浸グラファイト構造体としては、金属成分の種類により異なるが、例えば、アルミニウムを含浸した場合、密度：２ｇ／ｃｍ３〜２．４ｇ／ｃｍ３、好ましくは、２．１ｇ／ｃｍ３〜２．２ｇ／ｃｍ３の範囲であり、熱伝導率２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、熱膨張係数１２×１０−６／℃以下、特に、４×１０−６／℃〜１２×１０−６／℃のものである。
４．金属含浸グラファイト構造体の製造方法
本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体の製造方法について説明する。
本発明のヒートスプレッダは、少なくとも次の工程（ｉ）、（ｉｉ）および（ｉｉｉ）、さらに、必要に応じ、工程（ｉｖ）および（ｖ）を含む金属含浸グラファイト構造体の製造工程（図３参照）により、得ることができる。
（ｉ）黒鉛ブロック基材（Ａ）にドリル穴加工を施すことにより、厚み方向に少なくとも１個の略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて側面方向に少なくとも１個の貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を形成させる貫通孔形成工程。
（ｉｉ）引き続いて、黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を溶融させながら含浸させる含浸工程、すなわち、溶融金属を、前記黒鉛ブロック基材（Ａ）中と前記略貫通孔（ａ）、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）内に含浸させる含浸工程。
（ｉｉｉ）その後、含浸した溶融金属を冷却し凝固させることにより、前記略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させる冷却工程。
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）で得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工、例えばヒートスプレッダ形状に切断加工、する機械加工工程。
（ｖ）工程（ｉｖ）の所望形状に機械加工された金属含浸グラファイト構造体に、各種表面処理、例えばメッキ処理、を施す表面処理工程。
本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体の製造方法について説明する。
本発明のヒートスプレッダは、少なくとも次の工程（ｉ）、（ｉｉ）および（ｉｉｉ）、さらに、必要に応じ、工程（ｉｖ）および（ｖ）を含む金属含浸グラファイト構造体の製造工程（図３参照）により、得ることができる。
（ｉ）黒鉛ブロック基材（Ａ）にドリル穴加工を施すことにより、厚み方向に少なくとも１個の略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて側面方向に少なくとも１個の貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を形成させる貫通孔形成工程。
（ｉｉ）引き続いて、黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を溶融させながら含浸させる含浸工程、すなわち、溶融金属を、前記黒鉛ブロック基材（Ａ）中と前記略貫通孔（ａ）、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）内に含浸させる含浸工程。
（ｉｉｉ）その後、含浸した溶融金属を冷却し凝固させることにより、前記略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させる冷却工程。
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）で得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工、例えばヒートスプレッダ形状に切断加工、する機械加工工程。
（ｖ）工程（ｉｖ）の所望形状に機械加工された金属含浸グラファイト構造体に、各種表面処理、例えばメッキ処理、を施す表面処理工程。
次に、各製造工程について、図３に基き、説明する。
（ｉ）貫通孔形成工程
本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体は、前記したように、従来の金属含浸黒鉛材と対比すると、少なくとも１個の、通常複数の貫通孔を有し、この複数の貫通孔に含浸金属を固化・同化させて、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されていることに、最大の特徴がある。複数の貫通孔は、厚み方法のみならず、側面方向にも、貫通孔（ｂ）を形成することができ、側面方向には溝部（ｃ）でもよい（図１（ｂ）、（ｃ）参照。）。
この貫通孔は、厚み方向に対しては、黒鉛ブロック基材（Ａ）に、切削加工、例えばドリル穴加工を施すことにより、簡単に得ることができる。また、側面方向に対しては、ドリル加工またはフライス加工により、孔や溝を、簡単に得ることができる。
（ｉ）貫通孔形成工程
本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体は、前記したように、従来の金属含浸黒鉛材と対比すると、少なくとも１個の、通常複数の貫通孔を有し、この複数の貫通孔に含浸金属を固化・同化させて、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されていることに、最大の特徴がある。複数の貫通孔は、厚み方法のみならず、側面方向にも、貫通孔（ｂ）を形成することができ、側面方向には溝部（ｃ）でもよい（図１（ｂ）、（ｃ）参照。）。
この貫通孔は、厚み方向に対しては、黒鉛ブロック基材（Ａ）に、切削加工、例えばドリル穴加工を施すことにより、簡単に得ることができる。また、側面方向に対しては、ドリル加工またはフライス加工により、孔や溝を、簡単に得ることができる。
（ｉｉ）含浸工程
本発明において、黒鉛ブロック基材（Ａ）への金属材料（Ｂ）の含浸方法としては、主に２つの方法があるが、同様の含浸が得られる方法のものを用いてもよい。
（イ）オートクレーブ内にて、黒鉛ブロック基材へ溶融金属を真空加圧含浸する方法（真空加圧含浸方法）。
（ロ）黒鉛ブロック基材を溶融金属と加圧下において接触させることにより、高圧プレス機を用いる熔湯鍛造又は熱間等方圧加圧法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＨＩＰ法）により溶融金属を高圧加圧含浸する方法（高圧加圧含浸方法）。
本発明において、黒鉛ブロック基材（Ａ）への金属材料（Ｂ）の含浸方法としては、主に２つの方法があるが、同様の含浸が得られる方法のものを用いてもよい。
（イ）オートクレーブ内にて、黒鉛ブロック基材へ溶融金属を真空加圧含浸する方法（真空加圧含浸方法）。
（ロ）黒鉛ブロック基材を溶融金属と加圧下において接触させることにより、高圧プレス機を用いる熔湯鍛造又は熱間等方圧加圧法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＨＩＰ法）により溶融金属を高圧加圧含浸する方法（高圧加圧含浸方法）。
（イ）真空加圧含浸方法
この真空加圧含浸方法は、前工程の少なくとも１個の略貫通孔を有する黒鉛ブロック基材を、オートクレーブ内にて、真空下で、溶融金属を、黒鉛ブロック基材内と貫通孔内に加圧含浸させる工程により、溶融金属を、前記黒鉛ブロック基材（Ａ）中と前記貫通孔内に含浸させる方法である。
この真空加圧含浸方法は、前工程の少なくとも１個の略貫通孔を有する黒鉛ブロック基材を、オートクレーブ内にて、真空下で、溶融金属を、黒鉛ブロック基材内と貫通孔内に加圧含浸させる工程により、溶融金属を、前記黒鉛ブロック基材（Ａ）中と前記貫通孔内に含浸させる方法である。
（ロ）高圧加圧含浸方法
高圧加圧含浸方法は、黒鉛ブロック基材を溶融金属と加圧下において接触させることにより、高圧プレス機を用いる熔湯鍛造法又は熱間等方圧加圧法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＨＩＰ法）にて、溶融金属を高圧加圧含浸する方法である。
すなわち、熔湯鍛造法では、
（ａ）前工程の少なくとも１個の貫通孔を有する黒鉛ブロック基材を、不活性雰囲気下において溶融金属の融点以上の温度に加熱する工程、
（ｂ）溶融金属を供給し、前工程の加熱された黒鉛ブロック基材に、熔湯鍛造により、プレス装置を用いて、溶融金属を押し子単位面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ２以上の圧力で、黒鉛ブロック基材内と貫通孔内に加圧含浸させる工程、
を少なくとも含む。
高圧加圧含浸方法は、黒鉛ブロック基材を溶融金属と加圧下において接触させることにより、高圧プレス機を用いる熔湯鍛造法又は熱間等方圧加圧法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＨＩＰ法）にて、溶融金属を高圧加圧含浸する方法である。
すなわち、熔湯鍛造法では、
（ａ）前工程の少なくとも１個の貫通孔を有する黒鉛ブロック基材を、不活性雰囲気下において溶融金属の融点以上の温度に加熱する工程、
（ｂ）溶融金属を供給し、前工程の加熱された黒鉛ブロック基材に、熔湯鍛造により、プレス装置を用いて、溶融金属を押し子単位面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ２以上の圧力で、黒鉛ブロック基材内と貫通孔内に加圧含浸させる工程、
を少なくとも含む。
前記工程（ａ）において、貫通孔を有する黒鉛ブロック基材は、金型内に設置され、不活性雰囲気下において予備加熱される。不活性雰囲気としてはアルゴンガス、窒素ガス等、好ましくはアルゴンガスを用いることができる。また、予備加熱は、金属成分の融点または融点以上、特に１００℃以上、好ましくは１００℃〜２５０℃に保持することにより行なわれる。この工程（ａ）を経ることで炭素と金属との界面での反応を抑制しながら黒鉛ブロック基材の気孔及び貫通孔に金属を充分含浸することができる。
次に、前記工程（ｂ）において、金属成分の融点より５０℃〜２５０℃高い温度で金属成分を溶融し、溶融金属を金型に供給し、前記の予備加熱した貫通孔を有する黒鉛ブロック基材と接触させ、溶融金属に高圧プレス装置を用いて押し子により該押し子面積当たり２００ｋｇ／ｃｍ２以上の圧力をかけ熔湯鍛造により、溶融金属を、前記貫通孔を有する黒鉛ブロック基材に加圧含浸させる。工程（ｂ）においてアルミニウムの場合には、溶融金属の温度が融点より１５０℃を超えると、潮解性のある炭化アルミニウムを生成しやすくなり、実用的な金属含浸グラファイト構造体が得られない。また、圧力２００ｋｇ／ｃｍ２に達しないと、効率よく金属成分の含浸が行なわれず、金属充填率が低下するおそれがある。
上記の熔湯鍛造による製造方法によれば、溶融金属を金型に入れ、金型内に置かれた黒鉛ブロック基材と接触させ高い圧力を加えて凝固させる際に、貫通孔を有する黒鉛ブロック基材に熔融金属を含浸させる。熔湯鍛造に用いられる装置は、内部に空間を有する主型と押し子（パンチ）とからなり、該主型の開口部内壁面に該押し子が密接し、内外部方向へ移動自由とし、加圧により内部方向へ移動可能としたものである。
また、熱間等方圧加圧法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＨＩＰ法）は、アルゴンなどの不活性ガスを圧力媒体とし、通常１００ＭＰａ以上の圧力と１０００℃以上の温度との相乗効果を利用して、加圧処理する技術であり、高い等方圧力（あらゆる方向から均等に加わる圧力）と高温の相乗効果を利用した方法であって、溶融金属を黒鉛ブロック基材へ高圧加圧含浸することができ、本発明に係る（ｉｉ）含浸工程に、利用できる。
尚、高圧プレス機を用いる熔湯鍛造法とＨＩＰ法は、前者は、プレス機を用いてのプレス加圧となり、後者は、真空脱気後、ガス圧を利用して等方圧を加える点のみで相違し、高温と高圧を作用させつつ溶融金属を被処理体に含浸させる点では、基本的に同一であり、本発明に係る（ｉｉ）含浸工程に、同様に利用できる。
尚、高圧プレス機を用いる熔湯鍛造法とＨＩＰ法は、前者は、プレス機を用いてのプレス加圧となり、後者は、真空脱気後、ガス圧を利用して等方圧を加える点のみで相違し、高温と高圧を作用させつつ溶融金属を被処理体に含浸させる点では、基本的に同一であり、本発明に係る（ｉｉ）含浸工程に、同様に利用できる。
（ｉｉｉ）冷却工程
前記工程（ｉｉ）の終了後、（ｉｉｉ）冷却工程において、溶融金属を冷却し凝固させ凝固体を得る。次に、得られた凝固体を金型、或いはオートクレーブから取り出し、金属部分を切削、溶解その他の方法で除き、金属含浸グラファイト構造体を取り出し、金属含浸グラファイト構造体を得ることができる。
前記工程（ｉｉ）の終了後、（ｉｉｉ）冷却工程において、溶融金属を冷却し凝固させ凝固体を得る。次に、得られた凝固体を金型、或いはオートクレーブから取り出し、金属部分を切削、溶解その他の方法で除き、金属含浸グラファイト構造体を取り出し、金属含浸グラファイト構造体を得ることができる。
冷却工程の具体的な態様としては、溶融金属が含浸された金属含浸グラファイト構造体を冷却ゾーンに搬送し、冷却ゾーンに設置されている冷やし金に接触させる方法などがある。
このように、（ｉ）（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）の各工程を踏むことにより、貫通孔を有する黒鉛ブロック基材への金属の含浸処理を容易に行うことができる。
（ｉｖ）機械加工工程
この工程は、工程（ｉｉｉ）で得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工、例えば、ヒートスプレッダ形状に切断、切削、研磨、面取り加工などの機械加工する工程である。
切断加工では、ワイヤーソー、回転ダイヤモンドソー等の公知の切断手段により、切削加工等では、ＮＣ加工機等の公知の切削手段により、面取り加工、研磨加工では、研磨機などの手段により、所望の厚さ、形状に加工することができる。
機械加工の際には、所望の用途に適合するようにヒートスプレッダの厚さを任意に決定すればよいが、電子機器用ヒートスプレッダ用途としては、０．３ｍｍ〜５ｍｍ、特に、０．５ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。
この工程は、工程（ｉｉｉ）で得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工、例えば、ヒートスプレッダ形状に切断、切削、研磨、面取り加工などの機械加工する工程である。
切断加工では、ワイヤーソー、回転ダイヤモンドソー等の公知の切断手段により、切削加工等では、ＮＣ加工機等の公知の切削手段により、面取り加工、研磨加工では、研磨機などの手段により、所望の厚さ、形状に加工することができる。
機械加工の際には、所望の用途に適合するようにヒートスプレッダの厚さを任意に決定すればよいが、電子機器用ヒートスプレッダ用途としては、０．３ｍｍ〜５ｍｍ、特に、０．５ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。
（ｖ）表面処理工程
この工程は、工程（ｉｖ）で得られた所望形状の金属含浸グラファイト構造体に、各種表面処理、例えばメッキ処理、を施す表面処理工程である。
メッキ処理方法としては、無電解めっき等の湿式法、真空蒸着、イオンプレーティング等の乾式法を適宜採用することができる。その中でも、無電解めっき、又は無電解めっきにより形成した層の上に電解めっきを施す方法は、金属層などの表面処理層を、均一かつ効率的に形成できるため好ましい。
この工程は、工程（ｉｖ）で得られた所望形状の金属含浸グラファイト構造体に、各種表面処理、例えばメッキ処理、を施す表面処理工程である。
メッキ処理方法としては、無電解めっき等の湿式法、真空蒸着、イオンプレーティング等の乾式法を適宜採用することができる。その中でも、無電解めっき、又は無電解めっきにより形成した層の上に電解めっきを施す方法は、金属層などの表面処理層を、均一かつ効率的に形成できるため好ましい。
無電解めっきにより、金属層などの表面処理層を形成する場合には、金属イオン、還元剤等を含むめっき液に対して、所望形状の金属含浸グラファイト構造体を浸漬することにより行われる。
また、金属層などの表面処理層を均一かつ効率良く安価に形成するために、無電解めっきにより形成した層の上にさらに電解めっきを施しても良い。
さらに、金属層などの表面処理層を、真空蒸着により形成する場合には、所望形状の金属含浸グラファイト構造体に対し、従来知られた真空蒸着の手法により、銅、ニッケル等の金属を均一に蒸着して行う。
また、金属層などの表面処理層を均一かつ効率良く安価に形成するために、無電解めっきにより形成した層の上にさらに電解めっきを施しても良い。
さらに、金属層などの表面処理層を、真空蒸着により形成する場合には、所望形状の金属含浸グラファイト構造体に対し、従来知られた真空蒸着の手法により、銅、ニッケル等の金属を均一に蒸着して行う。
５．用途・使用方法
本発明のヒートスプレッダは、産業用や車載用などのパワーモジュールパッケージのベース基板として、用いることができ、また、別の使用態様としては、大型産業用や車載用などの大電流仕様のパワーモジュール応力緩和材として、用いることができる。
本発明のヒートスプレッダは、産業用や車載用などのパワーモジュールパッケージのベース基板として、用いることができ、また、別の使用態様としては、大型産業用や車載用などの大電流仕様のパワーモジュール応力緩和材として、用いることができる。
本発明のヒートスプレッダの用途として、パワーモジュールパッケージのベース基板について説明する。半導体素子、抵抗体、トランス、コンデンサーまたは配線から構成される電子回路の回路支持基板および回路支持基板の支持体であるベース基板を包む電子機器においては、電子回路から発生する熱の大部分は回路支持基板およびベース基板から冷却装置に伝熱され最終的に大気または冷却液体に放熱される。
従来、ベース基板材料としてアルミニウム、銅またはそれらの合金からなる金属が使用されているが、ＤＢＣ基板（セラミック基板上に銅回路板をＤｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ；銅直接接合法により直接接合した基板）などのセラミック基板との間に熱膨張差があり、繰返しの応力反りなどにより、はんだのクラックまたは剥がれの問題がある。本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体は、熱伝導率２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、熱膨張率４×１０−６／℃〜１２×１０−６／℃を有するため、前記問題点は解消され、さらに、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されているため、ベース基板を通じアースを取る用途にも使用できる。
従来、ベース基板材料としてアルミニウム、銅またはそれらの合金からなる金属が使用されているが、ＤＢＣ基板（セラミック基板上に銅回路板をＤｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ；銅直接接合法により直接接合した基板）などのセラミック基板との間に熱膨張差があり、繰返しの応力反りなどにより、はんだのクラックまたは剥がれの問題がある。本発明のヒートスプレッダに係る金属含浸グラファイト構造体は、熱伝導率２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、熱膨張率４×１０−６／℃〜１２×１０−６／℃を有するため、前記問題点は解消され、さらに、含浸金属の高導電経路、すなわちメタルポストが形成されているため、ベース基板を通じアースを取る用途にも使用できる。
以下、本発明について、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に特に限定されるものではない。
［実施例１］
黒鉛ブロック基材として、縦横１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの押出成形炭素材料であるＧＦ１３１（商品名：新日本テクノカーボン社製）を用いた。この黒鉛ブロック基材は、天然黒鉛とバインダーを用い、主として混合、成形、焼成および黒鉛化等の工程を経て製造されたもので、所定の大きさに切出したものを用いた。
先ず、上記黒鉛ブロック基材に、縦横ピッチ３ｍｍ、基底部から２ｍｍまでのφ１ｍｍのドリル穴加工を施し、無数の略貫通孔を形成した。
次に、オートクレープ中で溶融したアルミニウム合金を、真空加圧含浸方法により、含浸させ、冷却後、開孔していない底部を切削し厚さ２５ｍｍとした後、９個のメタルポストを有するように縦横１０ｍｍのブロックを作製した。そして、さらに、表面処理を実施した。
黒鉛ブロック基材として、縦横１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの押出成形炭素材料であるＧＦ１３１（商品名：新日本テクノカーボン社製）を用いた。この黒鉛ブロック基材は、天然黒鉛とバインダーを用い、主として混合、成形、焼成および黒鉛化等の工程を経て製造されたもので、所定の大きさに切出したものを用いた。
先ず、上記黒鉛ブロック基材に、縦横ピッチ３ｍｍ、基底部から２ｍｍまでのφ１ｍｍのドリル穴加工を施し、無数の略貫通孔を形成した。
次に、オートクレープ中で溶融したアルミニウム合金を、真空加圧含浸方法により、含浸させ、冷却後、開孔していない底部を切削し厚さ２５ｍｍとした後、９個のメタルポストを有するように縦横１０ｍｍのブロックを作製した。そして、さらに、表面処理を実施した。
［実施例２］
黒鉛ブロック基材として、縦横１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの押出成形炭素材料であるＧＥ１３４（商品名；新日本テクノカーボン社製）を用いた。この黒鉛ブロック基材は、天然黒鉛とバインダーを用い、主として混合、成形、焼成および黒鉛化等の工程を経て製造されたもので、所定の大きさに切出したものを用いた。
先ず、上記黒鉛ブロック基材に縦横ピッチ３ｍｍ、φ１ｍｍのドリル穴加工を施し、無数の貫通孔を形成した。
次に、溶融したアルミニウム合金を加圧下において接触させ、熔湯鍛造法により溶融金属を高圧加圧含浸する方法により、含浸させ、冷却後、実施例１と同様の加工によりブロックを作製した。そして、さらに、表面処理を実施した。
黒鉛ブロック基材として、縦横１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの押出成形炭素材料であるＧＥ１３４（商品名；新日本テクノカーボン社製）を用いた。この黒鉛ブロック基材は、天然黒鉛とバインダーを用い、主として混合、成形、焼成および黒鉛化等の工程を経て製造されたもので、所定の大きさに切出したものを用いた。
先ず、上記黒鉛ブロック基材に縦横ピッチ３ｍｍ、φ１ｍｍのドリル穴加工を施し、無数の貫通孔を形成した。
次に、溶融したアルミニウム合金を加圧下において接触させ、熔湯鍛造法により溶融金属を高圧加圧含浸する方法により、含浸させ、冷却後、実施例１と同様の加工によりブロックを作製した。そして、さらに、表面処理を実施した。
［比較例１］
黒鉛ブロック基材として、実施例１と同様のものを用い、金属を含浸させずに、実施例１と同様に、切削加工と表面処理を実施した。
黒鉛ブロック基材として、実施例１と同様のものを用い、金属を含浸させずに、実施例１と同様に、切削加工と表面処理を実施した。
実施例１、２、及び比較例１のヒートスプレッダ用途のブロックにつき、熱伝導率、熱膨張率、及び厚み方向の抵抗値（二端子法）を測定した。その結果、実施例１では熱伝導率３２０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率７×１０−６／℃、及び抵抗値０．０３９Ω、実施例２では熱伝導率３４０Ｗ／ｍＫ、熱膨張率７×１０−６／℃、及び抵抗値０．０３７Ωであったのに対し、比較例１においては、熱伝導率１６３Ｗ／ｍＫ、熱膨張率６×１０−６／℃、及び０．１６Ωであった。これらの結果から、実施例１、２では比較例１の場合と比較して、ともに優れた熱膨張特性と熱伝導性に加え、メタルポストによる優れた導電性の付与が可能であることを確認した。
本発明のヒートスプレッダは、半導体チップやセラミック基板などとの熱膨張差を低減でき、優れた熱膨張特性と放熱性（熱伝導性）を有し、軽量性に優れ、さらに、メタルポストによる導電性に優れたものであるので、半導体装置用ヒートスプレッダ、パワーモジュールの放熱基板、パワーモジュールの応力緩和材等として種々の分野に好適に用いることができる。
１ 金属含浸グラファイト構造体
２ 黒鉛ブロック基材
３ 金属
４ 貫通孔（ａ）
５ 高導電経路（すなわちメタルポスト）
６ 貫通孔（ｂ）
７ 溝部（ｃ）
２ 黒鉛ブロック基材
３ 金属
４ 貫通孔（ａ）
５ 高導電経路（すなわちメタルポスト）
６ 貫通孔（ｂ）
７ 溝部（ｃ）
Claims (12)
- 厚み方向に少なくとも１個の貫通孔（ａ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ａ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする高導電経路が形成されたヒートスプレッダ。
- 前記貫通孔（ａ）に加えて、さらに、側面方向に、少なくとも１個の貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を有する黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を含浸させることにより、前記貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させてなる金属含浸グラファイト構造体を用いることを特徴とする請求項１に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダ。
- 金属材料（Ｂ）は、アルミニウム、銅又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダ。
- 厚み方向における貫通孔（ａ）の表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダ。
- 側面方向における貫通孔（ｂ）又は溝部（ｃ）の表面積割合は、金属含浸グラファイト構造体に対して、１〜３０％であることを特徴とする請求項２に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダ。
- その表面は、メッキ処理されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダ。
- （ｉ）黒鉛ブロック基材（Ａ）に切削加工を施すことにより、厚み方向に少なくとも１個の略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて側面方向に少なくとも１個の貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を形成させる貫通孔形成工程、
（ｉｉ）引き続いて、黒鉛ブロック基材（Ａ）の内部に、黒鉛よりも導電性に優れた金属材料（Ｂ）を溶融させながら含浸させる含浸工程、及び
（ｉｉｉ）その後、含浸した溶融金属を冷却し凝固させることにより、前記略貫通孔（ａ）と、又は所望に応じて貫通孔（ｂ）若しくは溝部（ｃ）を金属材料（Ｂ）で充填させる冷却工程を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法。 - 前記（ｉ）〜（ｉｉｉ）に加えて、さらに、
（ｉｖ）得られた金属含浸グラファイト構造体を、所望の形状に機械加工する機械加工工程、及び
（ｖ）所望形状に機械加工された金属含浸グラファイト構造体にメッキ処理を施す表面処理工程、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法。 - 前記（ｉｉ）の含浸工程は、オートクレーブ内にて、溶融金属を真空加圧含浸させて行われることを特徴とする請求項７又は８に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法。
- 前記（ｉｉ）の含浸工程は、高圧プレス機又は熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）にて、溶融金属を高圧加圧含浸させて行われることを特徴とする請求項７又は８に記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダの製造方法。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の高導電経路が形成されたヒートスプレッダを用いてなる半導体装置。
- 前記半導体装置がパワーモジュールであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
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