JP2013243212A - 熱拡散装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱拡散方向に関して異方性を改善できる熱拡散装置を提供する。
【解決手段】熱拡散装置は、半導体装置の熱を受熱して外部へ熱移動する伝熱体を備える。伝熱体は、半導体装置に対して対向するように設けられる。伝熱体は、立方体状の黒鉛粉末１０と銅との混合物が加圧焼結された複合材料で構成される。金属との混合物とする黒鉛粉末を立方体状とすることにより、加圧される際の黒鉛粉末の並び方は、鱗片状の黒鉛粉末を用いる場合に比べて、一定の向きに偏ることなく、ランダムな状態になる。これにより、加圧焼結後の複合材料における立方体状の黒鉛粉末は、加圧方向によらず、不規則な並びになるため、黒鉛中の炭素原子の配列を表す六角形環面は不規則な方向を向く。したがって、複合材料中で偏る傾向にある熱伝導方向（例えば、重力方向に対して直交方向）を軽減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属及び黒鉛の複合材料を用いた熱拡散装置に関する。

特許文献１、非特許文献１には、比較的安価で、高い熱伝導率を有する素材として黒鉛及び金属を含む複合材料が知られている。特許文献１によると、鱗片状の黒鉛粉末及び金属（銅、アルミニウムまたはそれらの合金）を加圧焼結することによって、金属−黒鉛複合材料を作製する。その際に鱗片状黒鉛粉末の鱗片状面の法線ベクトルが加圧方向に整列し、鱗片状黒鉛粉末の鱗片状面は、加圧方向と直交するように整列し、熱伝導容易面を形成する。また、非特許文献１によると、鱗片状の黒鉛粉末をパルス通電焼結法によって金属と複合化させることで熱伝導率の向上を試みている。

また、特許文献２には、半導体素子の両側から挟み込むように配される２つの電極基板と、この電極基板を半導体素子に押し付けるモールド樹脂とを備える半導体モジュールが開示されている。

特許第４４４１７６８号公報 特開２００５−１７５１３０号公報

島根県産業技術センター研究報告、第４６号（２０１０）、ｐ３９

近年の半導体装置は、小型化、大電流化の要求に伴い、発熱量が大きくなるため、高い熱伝導率を有する伝熱部が必要になる。このため、特許文献２のような半導体素子等の発熱体を冷却する熱拡散装置を得るには、特許文献１等の黒鉛及び金属を含む複合材料を採用することが考えられる。しかしながら、鱗片状の黒鉛粉末及び金属を加圧焼結する技術では、鱗片状の黒鉛粉末が加圧方向に直交する方向に高配向となって並ぶため、熱伝導率に関して異方性を有する複合材料ができやすく、複合材料は、加圧方向とこれに直交する方向とで熱伝導率が大きく異なってしまうという問題がある。

また、焼結時に、等方的に加圧する静水圧加熱成形装置を用いたとしても、型に試料を入れる際に重力の影響で水平（重力方向に対して直交方向）に鱗片状の黒鉛粉末が並んでしまうため、成形後には異方性を有する複合材料が生じてしまうことになる。したがって、上記の問題点は解消されない。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱拡散方向に関して異方性を改善できる熱拡散装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用することができる。すなわち、熱拡散装置に係る第１の発明は、発熱体（２）の熱を受熱して外部へ熱移動する伝熱体（１）を備え、
当該伝熱体は、発熱体に対して対向するように設けられるとともに、立方体状の黒鉛粉末（１０）と金属粉末（１１）との混合物が加圧焼結された複合材料で構成されることを特徴とする。

この発明によれば、金属との混合物とする黒鉛粉末を立方体状とすることにより、加圧される際の黒鉛粉末の並び方は、鱗片状の黒鉛粉末を用いる場合に比べて、一定の向きに偏ることなく、ランダムな状態になる。これにより、加圧焼結後の複合材料における立方体状の黒鉛粉末は、加圧方向によらず、不規則な並びになるため、黒鉛中の炭素原子の配列を表す六角形環面は不規則な方向を向く。したがって、本発明によれば、従来のように、鱗片状の黒鉛粉末と金属との混合物を加圧焼結してなる複合材料と比較して、複合材料中で偏る傾向にある熱伝導方向（例えば、重力方向に対して直交方向）を軽減することができる。このため、熱拡散方向に関して異方性を改善できる熱拡散装置を提供できる。

また、熱拡散装置に係る第２の発明は、発熱体（２）の熱を受熱して外部へ熱移動する伝熱体（１）を備え、
当該伝熱体は、発熱体に対して対向するように設けられるとともに、黒鉛を主要成分とする立方体状構造物（２０）と金属粉末（１１）との混合物が加圧焼結された複合材料で構成され、
立方体状構造物は、炭素原子を環状に結合する六員環（２００）の形成する仮想面が立方体状の一面（２０ａ）に対して平行になるように配される黒鉛層（２０１）と、黒鉛と化合物を形成可能な金属からなる金属層（２０２）とが積層される積層体であることを特徴とする。

この発明によれば、前述の第１の発明と同様の作用効果を奏する。さらに、それぞれの立方体状構造物は、黒鉛と化合物を形成可能な金属からなる金属層が黒鉛層間に配される積層体である。この構成により、黒鉛層間の強度が強められ、加圧時の立方体状構造物の変形を抑制することに貢献できる。したがって、六員環の仮想面に沿う方向の熱伝導が損なわれることを抑制し、熱伝導性能に優れた伝熱体が得られ、熱拡散装置の熱拡散性を向上することができる。

上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明を適用する第１実施形態の熱拡散装置と半導体装置に関わる構成を説明するための概要図である。 図１の概要図の一部を拡大した図である。 第１実施形態の複合材料を構成する立方体状の黒鉛粉末と六員環の配設状態とを示す概要図である。 加熱焼結後の複合材料を加圧方向に対して直交する方向から撮影した写真である。 加熱焼結後の複合材料を加圧方向から撮影した写真である。 鱗片状黒鉛粉末及び立方体状黒鉛粉末に関して、粒径と、加圧方向Ｆ及びこれの直交方向Ｖのそれぞれについての熱伝導率との関係を示した実験結果である。 第２実施形態の複合材料を構成する立方体状の黒鉛粉末と六員環の配設状態とを示す概要図である。 本発明を適用する複合材料を加圧焼結するための静水圧加熱成形装置を示した概要図である。 本発明を適用する複合材料を加圧焼結するためのホットプレス装置を示した概要図である。 本発明を適用する複合材料を加圧焼結するためのスパークプラズマシンタリング装置を示した概要図である。 本発明を適用する複合材料を加圧成形するための静水圧成形装置を示した概要図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用する第１実施形態の熱拡散装置について図１〜図６を参照して説明する。図１及び図２に示すように、熱拡散装置は、発熱体の一例である半導体装置２の熱を受熱して外部へ伝熱可能に設けられる伝熱体１を備える。伝熱体１は、その熱伝導性能を発揮することにより、半導体装置２から放出された熱を、外部を流れる水等の冷却流体に移動させて熱を外部へ拡散し、半導体装置２を冷却することができる。この伝熱体１は、板状の黒鉛粉末１０と金属とを含んで構成される複合材料からなる。

半導体装置２は、動作状態に応じて発熱する発熱体であり、例えば、スイッチング素子等の半導体素子を有し、半導体素子が導電性基板や電源ラインと電気的に接続されている。半導体装置２は、はんだ等の導電性接合材６，６Ａによって両側のそれぞれを一方の伝熱体１（図２の下側に位置する伝熱体１）、スペーサ３に固定されている。スペーサ３は、はんだ等の導電性接合材６Ａ，６Ｂによって両側に配された２つの伝熱体１のそれぞれに固定されている。スペーサ３は、熱伝導性に優れた素材からなる。半導体装置２の熱は、一方側から導電性接合材６を通して一方の伝熱体１に伝達されるとともに、他方側から導電性接合材６Ａを経由してスペーサ３に移動し、さらに導電性接合材６Ｂを通して他方の伝熱体１（図２の上側に位置する伝熱体１）に伝達される。

一方の伝熱体１は、半導体装置２が位置する側とは反対の側で、窒化珪素層４及びアルミニウム層５に熱的に接続され、伝熱体１と窒化珪素層４との間には放熱グリスが塗布されたグリス層７が設けられ、窒化珪素層４とアルミニウム層５の間には放熱グリスが塗布されたグリス層７Ａが設けられている。グリス層７及びグリス層７Ａは、熱的に接合する部材同士の接合部の隙間を埋めて、空気の介在を排除して熱抵抗を下げる機能を有する。アルミニウム層５の外側には、水、エチレングリコール等の冷却用流体が流通している。一方の伝熱体１に伝達された半導体装置２の熱は、グリス層７、窒化珪素層４、グリス層７Ａを介して、アルミニウム層５に移動し、外部を流通する冷却用流体によって吸熱されて外部に排出される。この熱移動により、半導体装置２は、一方側から、他方の伝熱体１の熱伝導性能に応じて冷却されることになる。

また、他方の伝熱体１は、他方に位置する窒化珪素層４及びアルミニウム層５に熱的に接続され、伝熱体１と窒化珪素層４との間には放熱グリスが塗布されたグリス層７が設けられ、窒化珪素層４とアルミニウム層５の間には放熱グリスが塗布されたグリス層７Ａが設けられている。アルミニウム層５の外側には、水、エチレングリコール等の冷却用流体が流通している。他方の伝熱体１に伝達された半導体装置２の熱は、グリス層７、窒化珪素層４、グリス層７Ａを介して、アルミニウム層５に移動し、外部を流通する冷却用流体によって吸熱されて外部に排出される。この熱移動により、半導体装置２は、他方側から、他方の伝熱体１の熱伝導性能に応じて冷却されることになる。

以上より、半導体装置２を冷却する能力を高めるためには、半導体装置２と対向する伝熱体１の面に対して垂直な方向へ伝熱体１中を移動する熱伝導性能を向上することが重要である。すなわち、図１及び図２の上方向及び下方向への熱伝導率を改善した伝熱体１が求められる。本発明に係る熱拡散装置は、熱伝導方向の異方性を改善し、この方向の熱伝導率に優れた伝熱体１を備えるものである。

伝熱体１は、立方体状の黒鉛粉末１０と金属粉末１１との混合物が加圧焼結された複合材料で構成される。当該複合材料は、多数の黒鉛粉末１０と多数の金属粉末１１との混合物を所定の型に充填して成形、加熱することにより、作製される。図３に示すように、個々の黒鉛粉末１０は、立方体状である。ここでの立方体状とは、正六面体である立方体と、完全な立方体ではないがほぼ立方体に近い形状の六面体とを含む形状であることを意図している。また、金属粉末１１は、例えば、銅、アルミニウム等の粉末である。

図３に示すように、立方体状をなす黒鉛粉末１０は、構成要素として、六員環１００を形成するように環状に結合される炭素原子を含む。すなわち、黒鉛粉末１０中には、炭素原子を連結してなる多数の六員環１００が含有されている。黒鉛粉末１０は、六員環１００が積層された複数の層からなる。例えば、六員環１００は、当該六員環１００の形成する仮想面が立方体状の黒鉛粉末の一面１０ａに平行となるように黒鉛粉末１０中に配される。六員環１００の形成する仮想面とは、六員環１００が形成する六角形がなす六角形環面であり、または、六員環１００が形成する六角形に平行な面である。

この黒鉛粉末１０は、黒鉛の塊を所定範囲の大きさの立方体状に切り出すことによって得ることができる。立方体状の黒鉛粉末１０は、以下のような熱伝導特性を有することがわかっている。発明者らの研究によれば、１辺０．５ｍｍの大きさの黒鉛粉末１０について、複数の層が並ぶ積層方向に熱が伝導する性能を表す積層方向の熱伝導率は、４３８［Ｗ／ｍｋ］であり、積層方向に対して直交する方向に熱が伝導する性能を表す直交方向の熱伝導率は、５５５［Ｗ／ｍｋ］である。そして、直交方向の熱伝導率と積層方向の熱伝導率の比の値は、約１．３となり、互いに直交す方向の熱伝導率の比の値を２以下にすることができる。

一方、従来の鱗片状の黒鉛粉末について、その最も表面積が大きい主面に平行な方向に熱が伝導する性能を表す主面方向の熱伝導率は、６３６［Ｗ／ｍｋ］と大きく、主面方向に対して直交する方向（厚み方向）に熱が伝導する性能を表す直交方向の熱伝導率は、４２［Ｗ／ｍｋ］と小さい。そして、主面方向の熱伝導率と積層方向の熱伝導率の比の値は、約１５となり、これらの方向の熱伝導率の違いが非常に大きいことがわかる。

以上のように、立方体状の黒鉛粉末１０によれば、これらの互いに直交する関係にある二つの方向の熱伝導性能が、従来の鱗片状の黒鉛粉末の場合に比べて、大きな差がなく、熱伝導方向の偏りを少ない黒鉛粉末を提供できる。さらに、黒鉛粉末１０と金属粉末１１との混合物を型に充填して加圧焼結した場合に、立方体状の黒鉛粉末１０は、その形状的特性のため、板状の黒鉛粉末の場合と異なってそれぞれ様々な方向を向いた姿勢で加圧等される。これらを総合すると、出来上がった伝熱体１は、どの方向にも熱伝導率に優劣がなく、その異方性が大きく改善されて等方的な熱伝導性を有するものとなる。

なお、六員環１００を有する複数の層は、立方体状の一面１０ａに対して平行に積層されることに限定されない。つまり、当該複数の層は、立方体状の一面１０ａに対して交差するように立方体状の黒鉛粉末を形成するものであってもよい。

次に、熱拡散装置を構成する伝熱体１の作製方法の例を説明する。本実施形態では、伝熱体１は、以下の第１工程及び第２工程からなる方法によって作製する。

（第１工程）
第１工程は、複合材料を構成する所定の黒鉛粉末を形成する工程である。この工程では、黒鉛の塊から、１辺が０．５ｍｍ程度の立方体状の黒鉛粉末をカットして、多数のサイコロ状の粉末を作製する。

（第２工程）
第２工程は、第１工程で切り出した多数の立方体状の黒鉛粉末と平均粒径３０μｍの多数の銅粉末とを加圧焼結する工程である。まず、第１工程で形成した立方体状の黒鉛粉末と銅粉末とを所定の比率で混合した試料を作製する。例えば、立方体状の黒鉛粉末に対して直径３０μｍの銅粉末を、黒鉛７０ｖｏｌ％、銅３０ｖｏｌ％の比率でエタノール等の揮発性バインダーとともに均一に混合した試料を作製する。そして、この試料を所定の型に投入し、例えばスパークプラズマシンタリング装置を用いて焼結する。このときの焼結条件は、一軸方向の加圧力４０ＭＰａ、環境温度１０５４℃、焼結時間３０分である。

なお、伝熱体１の作製に用いる黒鉛粉末には、チタン、クロム、ニッケル、鉄、モリブデン、タングステン、ケイ素、ホウ素等の炭化物を作る金属を被覆するようにしてもよい。これによれば、黒鉛粉末と銅粉末の密着性を向上させることができる。また、当該金属は、立方体状の黒鉛粉末において、六角形環面に対して垂直な面にのみ被覆するようにしてもよい。

このように加圧焼結された伝熱体１は、図４及び図５の写真によると、黒鉛粉末１０が様々な方向を向いた姿勢で並んでいることがわかる。図４は、加熱焼結後の伝熱体１を加圧方向に対して直交する方向から撮影した写真であり、図５は、加圧方向から撮影した写真である。これらの写真のとおり、複合材料中の黒鉛粉末１０の形状は、立方体状または、立方体から変形した形状となっているが、その並び方に規則性はみられず、ランダムに存在しており、黒鉛粉末１０それぞれの周囲には、金属粉末１１（写真は銅粉末である）が充填されている。したがって、この黒鉛粉末１０のランダムな配置状態によれば、伝熱体１の熱伝導性は、一方向のみに優れたものではなく、より平均化されて、あらゆる方向に有効で等方的なものになる。

次に、発明者らが、従来の鱗片状の黒鉛粉末と立方体状の黒鉛粉末のそれぞれについて、加圧方向Ｆ、これに直交する方向Ｖに関する熱伝導率と、その粒径（立方体状の平均粒径、鱗片状の平均長さ）との関係を調べた実験結果を説明する。図６に示すように、各条件について、粒径が大きくなるにつれて、熱伝導率が上昇することがわかる。

特に、立方体状の黒鉛粉末の場合は、方向Ｆに関するデータ（四角ドットで示すデータ）と方向Ｖに関するデータ（三角ドットで示すデータ）の両方とも、平均粒径５００μｍ以上では飽和することがわかる（図６の縦に延びる破線から右側）。また、図６の横に延びる破線は、銅の熱伝導率４００［Ｗ／ｍｋ］のラインであり、このラインよりも上の熱伝導率であれば、銅単体よりも高い熱伝導性を有する黒鉛粉末であることがわかる。以上より、立方体状の黒鉛粉末１０は、その平均粒径が５００μｍ以上であることが望ましい。この大きさの黒鉛粉末１０によれば、全方位において、熱伝導率４００［Ｗ／ｍｋ］以上が得られ、高い熱伝導性能を備える伝熱体１を提供することができる。

ここで、平均粒径は、例えば、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。レーザー回折・散乱法とは、管内に通過させた粒子に対してレーザー光を当てたときに粒子サイズによって回折散乱光の光強度分布が異なることを利用して粒子サイズを測定する方法である。これにより、各粒子のサイズがわかり、多数の黒鉛粉末の粒度分布が得られる。積算値５０％の粒径とは、粒子サイズが小さいものから粒子数をカウントしていき、全粒子数の５０％になったところでの粒径である。

以下に、第１実施形態の熱拡散装置がもたらす作用効果について説明する。熱拡散装置が備える伝熱体１は、半導体装置２に対して対向するように設けられるとともに、立方体状の黒鉛粉末１０と金属粉末１１との混合物が加圧焼結された複合材料で構成される。

この構成によれば、複合材料に含まれる黒鉛粉末１０を立方体状とすることにより、加圧される際の黒鉛粉末１０の並び方は、従来の鱗片状の黒鉛粉末を用いる場合に比べて、一定の向きに偏ることなく、ランダムな状態になる。これにより、加圧焼結後の複合材料における黒鉛粉末１０は、その中心軸に対して対称な形状を有することから、加圧方向に関係なく、複合材料中で不規則な並びになるため、黒鉛中の炭素原子の配列を表す六角形環面は不規則な方向を向くようになる。このようにどの方向についても、熱伝導性能を大きく差のない伝熱体１が得られるようになる。

したがって、第１実施形態の熱拡散装置によれば、従来のように、鱗片状の黒鉛粉末と金属との混合物を加圧焼結してなる複合材料と比較して、複合材料中で偏る傾向にある熱伝導方向（例えば、重力方向に対して直交方向）を軽減することができる。このため、伝熱体１の熱伝導率に関して異方性を改善でき、バランスのとれた熱伝導方向性を有する熱拡散装置を提供できる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態の黒鉛粉末１０に対して他の形態である立方体状構造物２０を有する伝熱体１について図７を参照して説明する。図７において第１実施形態で参照した図面と同一の符号を付した構成要素は、同一の要素であり、その作用効果も同様である。第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成、作用等について説明し、第２実施形態は、説明しない構成、作用等については、第１実施形態と同様である。

図７に示すように、立方体状構造物２０は、黒鉛層２０１と金属層２０２とが交互に積層された積層体から構成され、第１実施形態の黒鉛粉末１０と同様に立方体状をなしている。黒鉛層２０１は、炭素原子を環状に結合する六員環２００の形成する仮想面が立方体状の一面２０ａに対して平行になるように、換言すれば、積層体の積層方向Ｌに対して直交方向Ｖに沿うように配されている。金属層２０２は、黒鉛と化合物を形成可能な金属、換言すれば、黒鉛との濡れ性に優れる材料、例えばチタンからなる。この材料は、隣接する黒鉛層２０１同士の結合力を強めるため、立方体状構造物２０の強度を高め、加圧時の立方体状構造物２０の変形、破壊を抑制できる。

次に、第２実施形態の伝熱体１の作製方法の例を説明する。第２実施形態の伝熱体１は、以下の第１工程及び第２工程からなる方法によって作製する。

（第１工程）
第１工程は、複合材料を構成する所定の黒鉛粉末を形成する工程である。この工程では、黒鉛の塊から、１辺が０．５ｍｍ程度の正方形状の黒鉛層２０１を切り出して、複数の板状の黒鉛粉末を作製する。さらに、この黒鉛層２０１と、チタン等からなる金属層２０２とを積層して結合させ、全体の積層高さが０．５ｍｍ程度の立方体状構造物２０を作製する。

（第２工程）
第２工程は、第１工程で切り出した多数の立方体状構造物２０と平均粒径３０μｍの多数の銅粉末とを加圧焼結する工程である。まず、第１工程で形成した立方体状構造物２０と銅粉末とを所定の比率で混合した試料を作製する。例えば、立方体状構造物２０に対して直径３０μｍの銅粉末を、黒鉛７０ｖｏｌ％、銅３０ｖｏｌ％の比率でエタノール等の揮発性バインダーとともに均一に混合した試料を作製する。そして、この試料を所定の型に投入し、例えばスパークプラズマシンタリング装置を用いて焼結する。このときの焼結条件は、一軸方向の加圧力４０ＭＰａ、環境温度１０５４℃、焼結時間３０分である。

なお、伝熱体１の作製に用いる立方体状構造物２０には、チタン、クロム、ニッケル、鉄、モリブデン、タングステン、ケイ素、ホウ素等の炭化物を作る金属を被覆するようにしてもよい。これによれば、立方体状構造物２０と銅粉末の密着性を向上させることができる。

以下に、第２実施形態の熱拡散装置がもたらす作用効果について説明する。第２実施形態の熱拡散装置が備える伝熱体１は、半導体装置２に対して対向するように設けられるとともに、黒鉛を主要成分とする立方体状構造物２０と金属粉末１１との混合物が加圧焼結された複合材料で構成される。この立方体状構造物２０は、炭素原子を環状に結合する六員環２００の形成する仮想面が立方体状の一面２０ａに対して平行になるように配される黒鉛層２０１と、黒鉛と化合物を形成可能な金属からなる金属層２０２とが積層される積層体である。

この構成によれば、複合材料に黒鉛粉末を主成分とする立方体状構造物２０が含まれることにより、加圧される際の立方体状構造物２０の並び方は、従来の鱗片状の黒鉛粉末を用いる場合に比べて、一定の向きに偏ることなく、ランダムな状態になる。これにより、加圧焼結後の複合材料における立方体状構造物２０は、その中心軸に対して対称な形状を有することから、加圧方向に関係なく、複合材料中で不規則な並びになるため、立方体状構造物２０中の炭素原子の配列を表す六角形環面は不規則な方向を向くようになる。このようにどの方向についても、熱伝導性能を大きく差のない伝熱体が得られるようになる。

さらに第２実施形態の熱拡散装置によれば、それぞれの立方体状構造物２０は、黒鉛と化合物を形成可能な金属からなる金属層２０２が黒鉛層２０１間に配される積層体である。この構成により、黒鉛層２０１間の強度が強められ、加圧時の立方体状構造物２０の変形を抑制することに貢献できる。したがって、六員環２００の仮想面に沿う方向の熱伝導が損なわれることを抑制し、熱伝導性能に優れた伝熱体が得られるため、熱拡散装置の熱拡散性を向上することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

上記の各実施形態に係る伝熱体を構成する複合材料は、以下に示すように、図８〜図１１に示す装置を用いて加圧焼結することができる。

（第１の作製例）
第１の作製例は、図８に示すようなスパークプラズマシンタリング装置３０を用いて加圧焼結を行うものである。当該装置は、プラズマ放電シンタリング装置ともいい、粉末冶金の手法の一つである放電プラズマ焼結法を実施することができる。スパークプラズマシンタリング装置３０は、型３３の内部に充填された試料（上記各実施形態における所定の混合物）をパンチ３２によって一軸方向に加圧して伝熱体を成形し、さらに電極３１を通じて大電流オンオフの直流パルス通電をかける。この装置によれば、試料内部からの自己発熱や急速昇温による迅速焼結を促進し、熱拡散装置の主要部である伝熱体を作製できる。

上記各実施形態における所定の混合物の加圧焼結は、加圧方向を一軸方向とするスパークプラズマシンタリンク装置３０によって行われることにより、一軸加圧による成形を行なった場合でも、複合材料中で加圧方向の直交方向に偏りやすい熱伝導方向を改善することができる。このため、熱拡散方向に関して異方性を改善した熱拡散装置が得られる。

（第２の作製例）
第２の作製例は、図９に示すようなホットプレス装置４０を用いて加圧焼結を行うものである。ホットプレス装置４０は、型４３の内部に充填された試料（上記各実施形態における所定の混合物）をパンチ４２によって一軸方向に加圧しながら、さらに電極４１を通じての通電によりヒータ４４の発熱によって加熱し、成形、加熱を実施する。

上記各実施形態における所定の混合物の加圧焼結は、加圧方向を一軸方向とするホットプレス装置４０によって行われることにより、一軸加圧による成形を行なった場合でも、複合材料中で加圧方向の直交方向に偏りやすい熱伝導方向を改善することができる。このため、熱拡散方向に関して異方性を改善した熱拡散装置が得られる。

（第３の作製例）
第３の作製例は、図１０に示すような静水圧加熱成形装置５０を用いて加圧焼結を行うものである。静水圧加熱成形装置５０は、試料（上記各実施形態における所定の混合物）を充填した薄肉の型５１を圧力容器内部に高圧アルゴンガスと一緒に入れて、型５１に対して全方向から加圧しながら、さらに通電によりヒータ５２の発熱によって加熱し、成形、加熱を実施する。

上記各実施形態における所定の混合物の加圧焼結は、全方位からの加圧を行いながら加熱する静水圧加熱成形装置５０によって行われることにより、加圧焼結後の複合材料において、前述の黒鉛粉末１０や立方体状構造物２０の形状変形、破壊を抑制することができる。

（第４の作製例）
第４の作製例は、図１１に示すような静水圧加熱成形装置６０を用いて加圧成形し、スパークプラズマシンタリンク装置３０やホットプレス装置４０によって加熱焼結を行うものである。静水圧加熱成形装置６０は、試料（上記各実施形態における所定の混合物）を充填したゴム製の型６１を圧力容器内部に水と一緒に入れて、型６１に対して全方向から水圧によって加圧して成形する。次に、成形された試料を、スパークプラズマシンタリンク装置３０またはホットプレス装置４０によって前述のように加熱する。

上記各実施形態における所定の混合物の加圧焼結は、水圧による全方位の加圧を行いながら加熱する静水圧加熱成形装置５０によって行われることにより、加圧焼結後の複合材料において、前述の黒鉛粉末１０や立方体状構造物２０の形状変形、破壊を抑制することができる。

また、上記の実施形態における立方体状の黒鉛粉末１０、立方体状構造物２０は、球体状、正四面体やサッカーボールを含む正多面体状の形状に置き換えられたとしても、前述の熱拡散方向に関して異方性を改善できるという効果を奏する熱拡散装置を提供できるものである。

１…伝熱体
２…半導体装置（発熱体）
１０…黒鉛粉末
１１…銅粉（金属）
２０…立方体状構造物
２０ａ…立方体状の一面
２００…六員環
２０１…黒鉛層
２０２…金属層

Claims (8)

1. 発熱体（２）の熱を受熱して外部へ熱移動する伝熱体（１）を備える熱拡散装置であって、
   前記伝熱体は、前記発熱体に対して対向するように設けられるとともに、立方体状の黒鉛粉末（１０）と金属粉末（１１）との混合物が加圧焼結された複合材料で構成されることを特徴とする熱拡散装置。
2. 前記立方体状の黒鉛粉末は、平均粒径が５００μｍ以上の粉末であることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散装置。
3. 発熱体（２）の熱を受熱して外部へ熱移動する伝熱体（１）を備える熱拡散装置であって、
   前記伝熱体は、前記発熱体に対して対向するように設けられるとともに、黒鉛を主要成分とする立方体状構造物（２０）と金属粉末（１１）との混合物が加圧焼結された複合材料で構成され、
   前記立方体状構造物は、炭素原子を環状に結合する六員環（２００）の形成する仮想面が立方体状の一面（２０ａ）に対して平行になるように配される黒鉛層（２０１）と、黒鉛と化合物を形成可能な金属からなる金属層（２０２）とが、積層される積層体であることを特徴とする熱拡散装置。
4. 前記混合物の加圧焼結は、加圧方向を一軸方向とするスパークプラズマシンタリンク装置によって行われることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱拡散装置。
5. 前記混合物の加圧焼結は、加圧方向を一軸方向とするホットプレス装置によって行われることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱拡散装置。
6. 前記混合物の加圧焼結は、水圧による加圧しながら加熱する静水圧加熱成形装置によって行われることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱拡散装置。
7. 前記混合物の加圧焼結は、静水圧成形装置によって加圧成形された後、スパークプラズマシンタリンク装置によって焼結されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱拡散装置。
8. 前記混合物の加圧焼結は、静水圧成形装置によって加圧成形された後、ホットプレス装置によって焼結されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱拡散装置。