JP2014181372A - 高熱伝導板材 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子冷却用熱拡散板を兼ねる素子搭載板等として使用可能な機械的強度を有すると共に、湿式処理に伴う液体含浸による諸問題の発生がなく、しかも熱伝導性の悪化を伴うことがない高熱伝導板を提供する。
【解決手段】 アルミニウム粉末焼結体中に炭素系材料が含有された板状の高熱伝導性母材１０を薄皮状のシェル２０でくるむ。シェル２０は、高熱伝導性母材１０の両表面に接合された第１スキン層２１と、高熱伝導性母材１０の側面全体に接合された第２スキン層２２とからなり、材質上はアルミニウム粉末焼結体、又はアルミニウムのバルク体、若しくはこれらの組合せ体からなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体素子の冷却用熱拡散板として適した高熱伝導板に関し、より詳しくは、アルミニウムと炭素系材料からなる高熱伝導性複合材料を母材とし、これをアルミニウムを主体とする薄皮状のシェルで覆った２重構造の高熱伝導板に関する。なお、本明細書においてアルミニウムとは、純アルミニウムとアルミニウム合金を総称したものであり、アルミニウム系金属と同義である。

半導体素子などの冷却用熱拡散板に用いられる材料としては、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系金属素材中に炭素系材料を混合した高熱伝導性複合材料が知られている。熱伝導性の改善に使用される炭素系材料としては、炭素繊維やカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）といった繊維系のものと、グラファイト（黒鉛）やダイヤモンドなどの粉末系のものとが一般的である。カーボンナノチューブも気相成長炭素繊維も共にグラフェンにより構成された極細のチューブ状構成物であり、以下に説明するごとく、積層構造及びこれに伴う繊維径の違いによって区別されている。

グラフェンとは、６個の炭素原子が二次元的に規則的に配列して構成されたハニカム構造のネットであって、炭素六角網面とも呼ばれ、このグラフェンが規則性をもって積層したものはグラファイトと呼ばれる。このグラフェンにより構成された単層又は多層で且つ極細のチューブ状構成物が繊維状の炭素系材料であり、カーボンナノチューブも気相成長炭素繊維も含んでいる。すなわち、カーボンナノチューブは、グラフェンが円筒形状に丸まったシームレスのチューブであり、単層のものと同心円状に積層した複数層のものがある。単層のものは単層ナノチューブと呼ばれ、複数層のものは多層ナノチューブと呼ばれている。

また、気相成長炭素繊維は、グラフェンが円筒形状に丸まった単層又は複数層のグラフェンチューブ、すなわちカーボンナノチューブを芯部に有しており、その芯部を多重に且つ多角形状に取り囲むようにグラファイトがグラフェンチューブの径方向に積層されたものであり、その構造から超多層カーボンナノチューブとも呼ばれる。換言すれば、気相成長炭素繊維の中心部に存在する単層又は多層のカーボンチューブがカーボンナノチューブである。

このような繊維状の炭素系材料や前述した粉末状の炭素系材料を金属やセラミックス、更にはこれらの混合物に含有させて金属やセラミックスの特徴を生かしつつ炭素系材料により熱伝導性の向上を図った複合材料は多々提案されており、その一つが特許文献１に記載された高熱伝導性複合材料である。

特許文献１に記載された高熱伝導性複合材料の一つは、アルミニウム粉末と細かく切り刻んだ繊維状の炭素系材料とを攪拌して得た混合物を板状にプリフォームし、しかるのちに、その板材を板厚方向に加圧しながら板材中のアルミニウム粉末を放電プラズマ焼結した混合型複合材料であり、今一つは、アルミニウム粉末層と、繊維状の炭素系材料からなるシートで繊維の方向がシート表面に平行な特定の方向に配向した繊維配向シートとを交互に積層し、その積層体を積層方向に加圧しながら積層体中のアルミニウム粉末を放電プラズマ焼結した積層型複合材料である。後者の積層型複合材料は、繊維配向方向の熱伝導性に優れ、なかでも繊維状の炭素系材料が気相成長炭素繊維の場合に特に優れた熱伝導性を示す。

ここに使用するアルミニウム粉末については、純アルミニウム粉末又は３００３などのアルミニウム合金粉末を母粉末として、これに母粉末より融点が低いＡｌ−１２Ｓｉ合金粉末を重量比で１０〜２０％混合した混合粉末が好ましいことは、特許文献２に記載されている。

このような高熱伝導性複合材料の用途の一つとして、半導体素子の冷却に使用される熱拡散板があるのは、冒頭に述べたとおりである。その使用方法としては、熱拡散板の一方の表面に半導体素子を搭載し、他方の表面に空冷フィンや水冷ジャケットを接合することにより、半導体素子から発せられる熱を熱拡散板の両表面に平行な方向に拡散させながら裏面側の空冷フィンや水冷ジャケットに効率よく伝える。

しかしながら、特許文献１に記載された複合材料は、混合型にしろ積層型にしろ、繊維状の炭素系材料が混入することにより、アルミニウム粉末焼結体単体と比べると機械的強度が低い。このため、この複合材料は、素子搭載部を兼ねる素子冷却用熱拡散板として直接使用することができない制約がある。

この制約を取り除くために、純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体からなる板状母材の板厚方向中間部で且つ板厚方向に直角な平面領域の一部分に、前記複合材料からなる板状の高熱伝導部を埋設配置した高熱伝導板は特許文献３により提示されており、前記板状母材の一部、具体的には前記複合材料からなる板状の高熱伝導部の片面側又は両面側を、純アルミニウム又はアルミニウム合金の板状バルク体により置換した高熱伝導板は特許文献４により提示されている。

半導体素子用熱拡散板の場合、半導体素子が搭載される表面を平滑にして半導体素子との密着性を高める必要があるため、切削液を使用した切削加工、更には湿式メッキ処理を受けるが、熱拡散板が繊維状の炭素系材料を含む複合材料だと、これらの加工で液体を吸収し、半導体素子を搭載する際のろう付けやハンダ付け工程で蒸気を発生し、接合不良を発生させるが、前述したアルミニウムの粉末焼結体からなる板状母材や粉末焼結体の一部をバルク体にて置換した板状母材を使用した場合は、内部の複合材料に液体が到達しないために、液体吸収による諸弊害は防止される。

しかしながら、いずれの高熱伝導板においても、主体となる板状母材が純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるために、繊維状の炭素系材料との複合材料と比べると熱伝導性の悪化を避け得ない。炭素系材料が粉末である場合も、程度の差はあれ同じ問題を生じる。

国際公開ＷＯ２００６／１２０８０３パンフレット 特開２００９−１３４７５号公報 特開２０１０−２３６１５号公報 特開２０１０−２３６１６号公報

本発明の目的は、素子冷却用熱拡散板を兼ねる素子搭載板等として使用可能な機械的強度を有すると共に、湿式処理に伴う液体含浸による諸問題の発生がなく、しかも熱伝導性の悪化を伴うことがない高熱伝導板を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは、特許文献３及び４により提示された高熱伝導板の問題について検証した結果、その高熱伝導板では、アルミニウム粉末焼結体からなる板状母材中にアルミニウムと炭素性材料との複合材料からなる高熱伝導部が部分的に使用されているために、高熱伝導性板におけるアルミニウム粉末焼結体の体積比率が大きくなり、高熱伝導部をくるむアルミニウム粉末焼結体の層厚増加が避けられなくなった結果、炭素系材料の効能を十分に享受できなくなったことが問題の主因であることを突き止め、この観点から高熱伝導板の板状母材としては、炭素系材料とアルミニウムとの複合材料からなる高熱伝導性複合材料が不可欠であるとの結論に到達した。そして、その高熱伝導性複合材料からなる板状母材の機械的強度を効果的に高め、同時に湿式処理に伴う液体含浸を回避できる方策について鋭意検討した。その結果、炭素系材料とアルミニウムとの複合材料からなる板状母材を、アルミニウムからなる薄い金属スキン層により完全にくるんでしまうのが有効であるとの結論に達した。

ここにおけるスキン層は基本的に金属単体であり、炭素系材料を含まないため湿式処理を受けても液体含浸の懸念がない。その結果、板状母材中の炭素系材料への液体含浸が回避される。また、板状母材をくるむスキン層は層厚が薄くても角箱形状のブロック構造となるため機械的強度に優れ、内部の板状母材の機械的強度を効果的に補強することができる。そして、スキン層自体は炭素系材料を含まないが、厚さが薄いために板状母材の優れた熱伝導性を阻害する程度を最小限に抑制することができる。すなわち、板状母材をくるむ金属スキン層は、液体含浸阻止及び機械的強度向上に有効なシェルとして機能するのである。

本発明はかかる知見を基礎として完成されたものであり、アルミニウム系金属と炭素系材料との複合材料からなる板状の高熱伝導性母材と、前記高熱伝導性母材の両表面及び側面全体を覆うことにより前記高熱伝導性母材を封入するアルミニウム系金属主体のスキン層とを具備している。

本発明の高熱伝導板においては、スキン層が高熱伝導性母材のシェルとなることにより液層処理を受けたときの高熱伝導性母材中の炭素系材料への液体含浸が阻止されると共に、高熱伝導性母材が機械的強度的に補強される。熱伝導性については、アルミニウム系金属と炭素系材料との複合材料が母材とされているために本質的に優れており、これを覆うスキン層もアルミニウム系金属を主体とし且つ厚さが薄いために、母材への悪影響が軽微であり、全体として熱伝導性に優れる。

本発明の高熱伝導板においては、スキン層の層厚、特に高熱伝導性母材の両表面側における層厚Ｔが重要である。これが薄すぎると高熱伝導性母材に対するシェル機能が低下し、機械的強度の低下や液相処理での液体含浸の危険性を招来する。反対に厚すぎると、当該熱伝導板における熱伝導性の低下が問題になる。この観点から、高熱伝導性母材の両表面側におけるスキン層の層厚Ｔは、高熱伝導性母材の板厚ｔの０．０３〜０．３倍が望ましく、０．１〜０．２５倍がより望ましい（図２参照）。高熱伝導性母材の側面側におけるスキン層の層厚については、高熱伝導性母材に対するシェル機能の低下を阻止する観点から高熱伝導性母材の板厚ｔの０．０３以上が望ましく、０．１倍以上がより望ましいが、その上限については、側面側の層厚は当該熱伝導板の熱伝導性に与える影響が小さく、むしろ高熱伝導板の側縁部が取付け部を兼ね、その取付け形態により決定されることの方が多いため、特に規定しない。

高熱伝導性母材はアルミニウム系金属と炭素系材料との複合材料であり、より具体的にはアルミニウム系金属の粉末焼結体中に炭素系材料を含有させたものである。ここにおけるアルミニウム系金属は、純アルミニウム又はアルミニウム合金である。炭素系材料は、アルミニウム系金属の粉末焼結体に混合されてその熱伝導性を高める高熱伝導性材料であり、粉末焼結体への混合という観点から繊維状のものと粉末状のものが有利である。繊維状の炭素系材料としてはＶＧＣＦ（気相成長炭素繊維）、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、炭素繊維等を挙げることができ、炭素繊維については熱伝導性が高いものほどよく、具体的にはピッチ系炭素材料で黒鉛化処理を行ったものが好ましい。粉末状の炭素系材料としては、グラファイト（黒鉛）やダイヤモンドなどを挙げることができ、グラファイト（黒鉛）については黒鉛化処理を行い、結晶性を上げたものがコストも安く望ましい。

スキン層はアルミニウム系金属を主体としており、具体的にはアルミニウム系金属、すなわち純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体、アルミニウムのバルク体、アルミニウムとＡｌ−１２Ｓｉに代表されるＡｌ−Ｓｉ合金との混合粉末焼結体、アルミニウム若しくはアルミニウム及びＡｌ−Ｓｉにセラミックスの一種である炭化硅素（ＳｉＣ）を加えた複合粉末焼結体などからなり、更にはアルミニウム系金属の粉末焼結体とバルク体との組合せも可能である。炭化硅素の混合は、アルミニウム粉末焼結体の熱膨張率を高熱伝導母材の熱膨張率に近づけるのに有効である。ここにおけるアルミニウム系金属は、高熱伝導性母材中のアルミニウム系金属と同種であることが接合性などの点から望ましい。

スキン層に関しては又、高熱伝導性母材の両表面側に配置された２枚のスキン層を、両表面内の少なくとも１箇所で高熱伝導性母材を板厚方向に貫通し且つスキン層と同種の材料からなるアルミニウム系金属主体の柱状補強部により連結した構成が好ましい。この構成によると、柱状補強部は両表面側の２枚のスキン層と一体化し、スキン層により構成されるシェルの機械的強度を向上させることにより、高熱伝導板の強度向上に寄与する。また、高熱伝導性母材の側縁部を内側へ角形状、半円形状等に切り欠いてここに、周囲のスキン層と同種で且つ当該スキン層と一体化したアルミニウム系金属主体のブロック状補強部を設けるのも、前記シェルの機械的強度の向上、ひいては高熱伝導板の強度向上に有効である。このブロック状補強部は金属部であるので、ねじ孔を加工でき、高熱伝導板の取付け用ねじ加工部としての利用も可能となる。

本発明の高熱伝導板は、アルミニウム系金属と炭素系材料との複合材料からなる板状の高熱伝導性母材を、アルミニウム系金属を主体とするスキン層からなるシェル内に封入することにより、第１に、素子冷却用熱拡散板を兼ねる素子搭載板として使用可能な機械的強度を有する。第２に、湿式処理に伴う液体含浸による諸問題の発生がない。第３に、熱伝導性の悪化を実質的に伴わない。したがって、素子冷却用熱拡散板を兼ねる素子搭載板に好適である。

本発明の一実施形態を示す高熱伝導板の構造説明図で平面図である。 同高熱伝導板の縦断側面図で、図１中のＡ−Ａ線断面矢示図である。 同高熱伝導板の縦断側面図で、図１中のＢ−Ｂ線断面矢示図である。 同高熱伝導板の縦断側面図で、図１中のＣ−Ｃ線断面矢示図である。 本発明の別の実施形態を示す高熱伝導板の構造説明図で、図１中のＡ−Ａ線断面矢示図に相当する縦断側面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す高熱伝導板の構造説明図で、図１中のＡ−Ａ線断面矢示図に相当する縦断側面図である。 本発明の更に別の実施形態を示す高熱伝導板の構造説明図で平面図である。

以下に本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。

第１実施形態の高熱伝導板は、半導体素子冷却装置における熱拡散板を兼ねる素子搭載板である。この高熱伝導板は、図１〜図４に示すように、四角形（ここでは正方形）の板材であり、板状のアルミニウム粉末焼結体中に炭素系材料として短い繊維状炭素材料が所定比率で含有された混合物からなる高熱伝導性母材１０と、当該母材１０を被覆封入する角箱状で且つ金属からなる薄皮状のシェル２０とを具備している。

板状の高熱伝導性母材１０に含有された繊維状炭素材料は、アルミニウム粉末焼結体中に均一に分散しており、且つ板厚方向（Ｚ方向）に直角な平面（Ｘ−Ｙ平面）内、すなわち両表面に平行な平面内で配向している。これにより、高熱伝導性母材１０の板厚方向（Ｚ方向）に直角な平面内での熱伝導率は、アルミニウム粉末焼結体単体の熱伝導率より十分に高くなっており、逆に板厚方向の熱伝導率は、板厚方向（Ｚ方向）に直角な方向に配向した繊維状炭素材料の混入により、アルミニウム粉末焼結体単体の熱伝導率より若干低くなっている。

ここにおけるアルミニウム粉末は、純アルミニウム粉末とＡｌ−１２Ｓｉ合金粉末との混合粉末とした。繊維状炭素材料は気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）とし、アルミニウム粉末と配合比は、体積比でアルミニウム粉末が４０％、繊維状炭素材料が６０％とした。

薄皮状のシェル２０は、当該母材１０の板厚に比して十分に薄いアルミニウム粉末焼結板からなる金属薄板であり、具体的には、高熱伝導性母材１０の両表面１１，１１に被覆された薄板状の第１スキン層２１，２１と、高熱伝導性母材１０の４つの側面１２にそれぞれ被覆された４つの薄板状の第２スキン層２２とを一体化することにより構成されている。ここにおけるアルミニウム粉末は、高熱伝導性母材１０に使用されたアルミニウム粉末と同じく、純アルミニウム粉末とＡｌ−１２Ｓｉ合金粉末との混合粉末とした。

第１スキン層２１の層厚Ｔは、高熱伝導性母材１０の板厚をｔとして０．０３〜０．３ｔの範囲内の０．５ｍｍに設定されており、第２スキン層２２の層厚も第１スキン層２１の層厚Ｔと同じ０．５ｍｍに設定されている。

高熱伝導性母材１０の四隅部には、当該四隅部を切り欠いて４つの角柱状のブロック状補強部２３が形成されている。各ブロック状補強部２３は、シェル２０と同一組成のアルミニウム粉末焼結体からなり、シェル２０と一体化されている。４つのブロック状補強部２３は、当該高熱伝導板を固定するためのねじ孔加工部を兼ねており、上下の第１スキン層２１，２１の四隅部と共に板厚方向に貫通形成されたねじ孔２５を有している。

また、高熱伝導性母材１０の四隅に囲まれた中央部分には、当該母材１０を板厚方向に貫通して１つの円柱状の柱状補強部２４が設けられている。柱状補強部２４は、シェル２０と同一組成のアルミニウム粉末焼結体からなり、シェル２０の特に上下の第１スキン層２１，２１と一体化されることより、上下の第１スキン層２１，２１を連結している。これにより、シェル２０は、上下の第１スキン層２１，２１を中央部で連結する柱状補強部２４と、四隅部を第２スキン層２２と共に連結する４つのブロック状補強部２３とにより強化され、内部の高熱伝導性母材１０を補強することになる。

シェル２０を構成する第１スキン層２１及び第２スキン層２２、並びにシェル２０内のブロック状補強部２３及び柱状補強部２４は、高熱伝導性母材１０を構成する混合物から繊維状炭素材料を除いたアルミニウム焼結体単体からなる。このため、シェル２０及びシェル２０内のブロック状補強部２３及び柱状補強部２４と、シェル２０内に封入された高熱伝導性母材１０との接合性は良好である。

次に、第１実施形態の高熱伝導板の製造方法を説明する。

まず、アルミニウム粉末と炭素系材料である短い繊維状炭素材料とを所定比率で混合する。次いで、その混合物により高熱伝導性母材１０と同じ平面形状で、厚みが大きい成形体（プリフォームブロック）をプリフォーム型により作製する。必要に応じてバインダーを使用する。バインダーを使用した場合は、焼結中又は焼結後に、そのバイダーを蒸発により除去する。

バインダーとしては、従来、ろう付け分野において刷毛塗り用又は塗布用のろう材の調製に使用されている各種の樹脂を使用することができる。具体的には、ポリビニルブチラール樹脂、酢酸ビニル樹脂などが適当であり、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエチレンオキサイド樹脂なども使用することができる。バインダー樹脂を軟化させるための溶媒としては、一般に使用されているものでよく、イソプレンアルコール（ＩＰＡ）が多くのバインダー樹脂と相性がよく作業性もよい。

作製された成形体（プリフォームブロック）は、前述したとおり、高熱伝導性母材１０と同じ平面形状を有し、厚みが大きい。成形体の四隅にはブロック状補強部２３を形成するための切欠き部が設けられており、四隅の切欠き部に囲まれた中央部分には柱状補強部２４を形成するための貫通孔が設けられている。

アルミニウム粉末と繊維状炭素材料との混合物からなる成形体（プリフォームブロック）の作製が完了すると、まず焼結用ダイ内の下パンチ上に、下側の第１スキン層２１を形成するためのアルミニウム粉末を層状に敷きつめる。次いで、焼結用ダイ内のアルミニウム粉末層上に前記成形体（プリフォームブロック）を載置する。焼結用ダイの内形（横断面形状）は、製造すべき高熱伝導板の平面形状と同一であるため、成形体（プリフォームブロック）の周囲には四隅の切欠き部による角柱状の空間が形成され、その更に周囲には第２スキン層２２に対応する角枠状の空間が形成される。そして、これらの空間にアルミニウム粉末を充填した後、これらの上に上側の第１スキン層２１を形成するためのアルミニウム粉末を層状に装填する。

こうして焼結用ダイ内の下パンチ上に装填された材料を、その下パンチと、焼結用ダイ内に上から挿入される上パンチとにより加圧しつつ、パルス電流を流すことにより、放電プラズマ焼結する。焼結用ダイ内の材料は、焼結の過程で厚みが約１／３となる。また、アルミニウム粉末と繊維状炭素材料との混合物からなる成形体（プリフォームブロック）内の繊維状炭素材料が板厚方向（加圧方向）に直角な方向に配向する。

かくして、図１〜図４に示された第１実施形態の高熱伝導板が製造される。具体的には、下ダイ上に敷きつめられたアルミニウム粉末層が下側の第１スキン層２１となり、アルミニウム粉末と繊維状炭素材料との混合物からなる成形体（プリフォームブロック）が高熱伝導性母材１０となる。成形体（プリフォームブロック）の四隅に形成された切欠き内のアルミニウム粉末が角柱状のブロック状補強部２３となり、成形体（プリフォームブロック）の中央部の貫通孔内に充填されたアルミニウム粉末が円柱状の柱状補強部２４となる。これらの周囲の角枠状の空間に充填されたアルミニウム粉末層が、高熱伝導性母材１０の側面全体を覆う第２スキン層２２となり、これらの上に敷きつめられたアルミニウム粉末層が上側の第１スキン層２１となる。

そして、第１スキン層２１及び第２スキン層２２が一体化してシェル２０が形成され、そのシェル２０に対してブロック状補強部２３及び柱状補強部２４が一体化される。

このようにして製造された第１実施形態の高熱伝導板に固有の構成、及びその構成による作用効果上の特徴は以下のとおりである。

高熱伝導板の主体は高熱伝導性母材１０である。高熱伝導性母材１０はアルミニウム粉末と繊維状炭素材料との混合物からなる厚板、より詳しくはアルミニウム粉末焼結体中に繊維状炭素材料が両平面に平行な面内で配向して均一分散した厚板である。このため、高熱伝導性母材２０の熱伝導性は、アルミニウム粉末単独の焼結体と比べて、両表面に平行な方向（Ｘ−Ｙ方向）では向上することにより、高熱伝導性母材１０は半導体素子冷却用熱拡散板として適する。

しかし、その機械的強度は、繊維状炭素材料が混合することにより、アルミニウム粉末単独の焼結体より脆弱である。また、表面に繊維状炭素材料が現われるために、半導体素子との密着性が悪い。更に、半導体素子冷却用熱拡散板として使用するためには、表面の湿式切削処理、湿式メッキ処理を受ける必要があるが、これらの湿式処理で高熱伝導性母材１０中の特に繊維状炭素材料が液体を含浸し、あとの半導体素子搭載工程でのろう付けやハンダ付けで含浸液体が蒸発し、接合不良が発生する。

これらの問題のため、高熱伝導性母材１０は、単体では総合的性能の観点から半導体素子冷却用熱拡散板としては不適である。

しかるに、第１実施形態の高熱伝導板では、高熱伝導性母材１０が薄い第１スキン層２１及び第２スキン層２２からなるシェル２０中に封入され、全表面が第１スキン層２１及び第２スキン層２２により包囲されている。第１スキン層２１及び第２スキン層２２は、炭素性材料である繊維状炭素材料を含まない純粋なアルミニウム粉末焼結体からなるため、切削液を使用する湿式切削により表面を平滑に仕上げることができ、そのあとの湿式メッキ工程を実施しても、液体を高熱伝導板内へ含浸させる危険性がない。加えて、高熱伝導性母材１０及びシェル２０が含む原料由来の液体成分は、焼結の過程で除去されている。また、第１スキン層２１及び第２スキン層２２は、内側の高熱伝導性母材１０中のアルミニウム粉末焼結体と成分的に同一であるため、高熱伝導性母材１０中のアルミニウム粉末焼結体と一体化し、高熱伝導性母材１０と強固に密着接合している。

これらのため、半導体素子３０を実装するときのろう付けやハンダ付けにおいて、高熱伝導板中の含有液体のガス化による上側の第１スキン層２１の膨れや剥がれを生じる危険性がなく、他のスキン層についてもそれらの危険性がない。

シェル２０は、薄い第１スキン層２１及び第２スキン層２２からなるとはいえ、箱体構造をしているので、機械的強度に優れ、高熱伝導性母材１０の機械的強度を高め、その加熱時などにおける変形を効果的に抑制する。

熱拡散性、放熱性については、シェル２０は高熱伝導性母材１０中のアルミニウム粉末焼結体と同じアルミニウム粉末焼結体からなり、炭素系材料である繊維状炭素材料を含まない。このため、高熱伝導性母材１０と比べると、両表面に平行な方向の熱伝導性は劣る。しかし、高熱伝導性母材１０の両表面を覆う上下の第１スキン層２１，２１は厚みが薄く、両表面に直角なＺ方向（板厚方向）の熱伝導性は、高熱伝導性母材１０より良好である。このため、シェル２０は高熱伝導性母材１０の熱拡散特性、放熱特性を低下させる要因にならない。

したがって、第１実施形態の高熱伝導板は、その主体である高熱伝導性母材１０と実質同等の熱拡散特性、放熱特性を有する。

加えて、第１実施形態の高熱伝導板においては、シェル２０内の高熱伝導性母材１０を貫通する１本の柱状補強部２４により、上下の第１スキン層２１，２１が連結支持されているので、スキン層２１，２１の剥離強度が向上すると共に、四隅のブロック状補強部２３によりシェル２０のコーナー部が補強されているので、シェル２０全体の機械的強度、ひいては高熱伝導板全体の機械的強度が更に向上する。

第２実施形態の高熱伝導板は図５に示されている。本実施形態の高熱伝導性は、図１〜図４に示された第１実施形態の高熱伝導板と比べて、シェル２０の材質上の構成が相違している。

具体的には、第２実施形態の高熱伝導板では、シェル２０を構成する第１スキン層２１，２１及び第２スキン層２２のうち、高熱伝導性母材１０の側面全体を覆う第２スキン層２２は、第１実施形態の高熱伝導板における第２スキン層２２と同様にアルミニウム粉末焼結体からなるが、高熱伝導性母材１０の両表面を覆う上下の第１スキン層２１，２１はアルミニウムのバルク体、すなわち予め鋳造及びその後の成形加工により製造されたアルミニウム板からなる。

その製法は次のとおりである。アルミニウム粉末と炭素系材料との混合物からなる厚板状の成形体（プリフォームブロック）を作製することは、第１実施形態の高熱伝導板のときと同じである。相違するのは、焼結用ダイ内の下パンチ上に、下側の第１スキン層２１と実質同一厚のアルミニウム板を置くこと、及びその上に成形体（プリフォームブロック）を載せ、成形体（プリフォームブロック）の四隅の切欠きを含めた周囲及び貫通孔にアルミニウム粉末を充填した後、それらの上に上側の第１スキン層２１と実質同一厚のアルミニウム板を置くことの２点である。

後は第１実施形態の高熱伝導板のときと同様に、焼結用ダイ内の下パンチ上に装填された材料を、その下パンチと、焼結用ダイ内に上から挿入される上パンチとにより高熱伝導性母材１０の板厚方向に加圧しつつ、パルス電流を流すことにより、放電プラズマ焼結する。焼結用ダイ内の材料は、焼結の過程で厚みが約１／３となる。また、アルミニウム粉末と繊維状炭素材料との混合物からなる成形体（プリフォームブロック）内の繊維状炭素材料が板厚方向（加圧方向）に直角な方向に配向する。

下ダイ上に載置されたアルミニウム板はそのまま下側の第１スキン層２１となり、その上のアルミニウム粉末と繊維状炭素材料との混合物からなる成形体（プリフォームブロック）は高熱伝導性母材１０となる。成形体（プリフォームブロック）の四隅に形成された切欠き内のアルミニウム粉末が角柱状のブロック状補強部２３となり、成形体（プリフォームブロック）の中央部の貫通孔内に充填されたアルミニウム粉末が円柱状の柱状補強部２４となる。これらの周囲の角枠状の空間に充填されたアルミニウム粉末層は、高熱伝導性母材１０の側面全体を覆う第２スキン層２２となり、これらの上に載置されたアルミニウム板はそのまま上側の第１スキン層２１となる。

上下の第１スキン層２１，２１はアルミニウム板からなり、第２スキン層２２はアルミニウム粉末焼結体からなるが、同一材質のために両者は一体化してシェル２０となり、同じアルミニウム粉末焼結体からなるブロック状補強部２３及び柱状補強部２４とも一体化する。その結果、第１実施形態と実質同一の高熱伝導板が作製される。

第３実施形態の高熱伝導板は図６に示されている。本実施形態の高熱伝導性は、図１〜図４に示された第１実施形態の高熱伝導板及び図５に示された第２実施形態の高熱伝導板と比べて、シェル２０の材質上の構成が相違している。

具体的には、第３実施形態の高熱伝導板では、シェル２０を構成する第１スキン層２１，２１及び第２スキン層２２、並びに高熱伝導性母材１０の四隅及び中央部内に配置されるブロック状補強部２３及び柱状補強部２４の全てがアルミニウムのバルク体である。すなわち、第１スキン層２１，２１及び第２スキン層２２は鋳造、成形加工を終えたアルミニウム板、ブロック状補強部２３は鋳造、成形加工を終えたアルミニウムの角ブロック、柱状補強部２４は鋳造、成形加工を終えたアルミニウムの柱体である。

その製法は次のとおりである。まず、アルミニウム粉末と炭素系材料との混合物からなる厚板状の成形体（プリフォームブロック）を焼結して高熱伝導性母材１０を作製する。これと平行して、第１スキン層２１，２１及び第２スキン層２２となるアルミニウム板、ブロック状補強部２３となるアルミニウムの角ブロック、及び柱状補強部２４となるアルミニウムの柱体を準備する。そして、これらを高熱伝導性母材１０の周囲及び内部の所定位置にセットし、その組合せ体を軟鋼などからなるカプセル内にて封入する。

カプセル内への組合せ体の封入が終わると、４５０℃程度に加熱した状態でカプセル内を真空排気し、排気口を封止する。こうして内部の脱ガス処理を終えたカプセルを例えば６００℃×１００ＭＰａの条件でＨＩＰ処理し、カプセル内の高熱伝導性母材１０と各種のアルミニウムからなるバルク体とを拡散接合する。その後、切削によりカプセルを除去する。これにより、図６に示した第３実施形態の高熱伝導板が完成する。

完成した高熱伝導板は、図１〜図４に示された第１実施形態の高熱伝導板と比較して、シェル２０の材質、ブロック状補強部２３の材質、及び柱状補強部２４の材質がアルミニウム粉末焼結体からアルミニウムのバルク体に変更されているだけであり、これらのバルク体はアルミニウム粉末焼結体と同様に高熱伝導性母材１０と一体化しており、機械的強度や内部の高熱伝導性母材１０に対する密封性はアルミニウム粉末焼結体と同等かそれ以上である。したがって、図１〜図４に示された第１実施形態の高熱伝導板や図５に示された第２実施形態の高熱伝導板と同様の効果を示す。

第４実施形態の高熱伝導板は図７に示されている。本実施形態の高熱伝導性は、図１〜図４に示された第１実施形態の高熱伝導板、図５に示された第２実施形態の高熱伝導板、及び図６に示された第３実施形態の高熱伝導板と比べて、柱状補強部２４の本数が相違している。

すなわち、図７に示された第４実施形態以外の高熱伝導板では、シェル２０における上下のスキン層２１，２１を連結する柱状補強部２４が１本で、高熱伝導性母材１０の四隅に囲まれたＸ−Ｙ方向の中央部に位置しているのに対し、第４実施形態の高熱伝導板では、その柱状補強部２４が４本で、十字状の各頂点部、すなわちＸ方向に２個、Ｙ方向に２個配置されている。

柱状補強部２４の本数は高熱伝導板の機械的強度向上の観点からは多い方がよいが、柱状補強部２４はシェル２０と同種の材料からなり、高熱伝導性本体２０と違って炭素系材料を含まないので、高熱伝導性本体２０より熱伝導性が劣り、高熱伝導板の熱伝導性を低下させる懸念がある。したがって、高熱伝導板の熱伝導性と機械的強度の両面から、柱状補強部２４の本数は適宜選択され、柱状補強部２４自体を省略することも可能である。同様の理由から、ブロック状補強部２３についても適宜大きさが選択され、省略も可能である。

第１実施形態の高熱伝導板、第２実施形態の高熱伝導板、及び第３実施形態の高熱伝導板を実際に作製した。いずれの高熱伝導板においても、高熱伝導性母材１０は６５ｍｍ×６５ｍｍ×２ｍｍの板材であり、シェル２０を構成する第１スキン層２１の層厚Ｔ１及び第２スキン層２２の層厚Ｔ２は、高熱伝導性母材１０の板厚ｔの１／４に相当する０．５ｍｍである。ブロック状補強部２３及び柱状補強部２４は省略した。

作製された高熱伝導板は６６ｍｍ×６６ｍｍ×３ｍｍの板材であり、その機械的強度はデジタル万能試験機（５ｋＮ）により測定した面内方向の引張強度で評価して高熱伝導性母材１０の２倍に向上した。また、第１スキン層２１の層厚Ｔ１（０．５ｍｍ）は切削加工後の寸法であり、切削加工前はこれより大きく、切削液を使用した切削加工により前記の０．５ｍｍに仕上げたが、切削加工で切削液を使用したことによるハンダ付け時の変形といった弊害が高熱伝導板に生じることはなかった。その後に湿式メッキ処理を行ったが、これによる弊害が高熱伝導板に生じることもなかった。

第１実施形態の高熱伝導板、第２実施形態の高熱伝導板、及び第３実施形態の高熱伝導板において、高熱伝導性母材１０中の炭素系材料を粉末状炭素材料に変更した。粉末状炭素材料はグラファイト（黒鉛）であり、その含有比は体積比でアルミニウム４０％、グラファイト６０％である。これ以外は前述した各実施形態の高熱伝導板と同じである。機械的強度はデジタル万能試験機（５ｋＮ）により測定した面内方向の引張強度で評価して高熱伝導性母材１０の２倍に向上した。切削加工で切削液を使用したことによる弊害も湿式メッキ処理での弊害も生じなかった。

１０ 高熱伝導性母材
２０ シェル
２１ 第１スキン層
２２ 第２スキン層
２３ ブロック状補強部
２４ 柱状補強部
２５ ねじ孔

Claims (8)

1. アルミニウム系金属と炭素系材料との複合材料からなる板状の高熱伝導性母材と、前記高熱伝導性母材の両表面及び側面全体を覆うことにより前記高熱伝導性母材を封入するアルミニウム系金属主体のスキン層とを具備する高熱伝導板。
2. 請求項１に記載の高熱伝導板において、前記高熱伝導性母材の両表面側におけるスキン層の層厚Ｔが高熱伝導性母材の板厚ｔの０．０３〜０．３倍である高熱伝導板。
3. 請求項１又は２に記載の高熱伝導板において、前記高熱伝導性母材の両表面側に配置された２枚のスキン層が、両表面内の少なくとも１箇所で前記高熱伝導性母材を板厚方向に貫通し且つ前記スキン層と同種のアルミニウム系金属からなる柱状補強部により連結されている高熱伝導板。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の高熱伝導板において、前記高熱伝導性母材の側縁部が内側へ切り欠かれており、ここに、周囲のスキン層と同種で且つ当該スキン層と一体化したアルミニウム系金属主体のブロック状補強部が設けられている高熱伝導板。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の高熱伝導板において、高熱伝導性母材におけるアルミニウム系金属とスキン層におけるアルミニウム系金属が同材質である高熱伝導板。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の高熱伝導板において、高熱伝導性母材の両表面を覆うスキン層又は両表面及び側面全体を覆うスキン層は、アルミニウム系金属のバルク体である高熱伝導板。
7. 請求項１〜５の何れかに記載の高熱伝導板において、前記スキン層は純アルミニウム又はアルミニウム合金とＡｌ−Ｓｉ合金との混合粉末焼結体である高熱伝導板。
8. 請求項１〜５の何れかに記載の高熱伝導板において、前記スキン層は純アルミニウム又はアルミニウム合金とＡｌ−Ｓｉ合金と炭化硅素との混合粉末焼結体である高熱伝導板。

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