JP2017112334A - Heat conduction structure, manufacturing method of the same, cooling device, and semiconductor module - Google Patents

Heat conduction structure, manufacturing method of the same, cooling device, and semiconductor module Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat conduction structure having flexibility capable of efficiently dissipating heat of a heat storage body which is a heat radiation object, and a manufacturing method of the same.SOLUTION: A graphite composite body 10 has plate-like graphite members 11, 12 formed by laminating graphene sheets 15. The graphite members 11, 12 have a structure in which bonding surfaces in a direction orthogonal to the lamination direction are bonded to each other by a predetermined bonding material 19 in a state in which the lamination direction of the graphene sheets 15 is aligned.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、グラフェンシートが積層されてなる熱伝導体を有する熱伝導構造体、熱伝導構造体の製造方法、冷却装置、及び半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a heat conduction structure having a heat conductor in which graphene sheets are laminated, a method for manufacturing the heat conduction structure, a cooling device, and a semiconductor module.

放熱対象である発熱体の熱を移動させて放熱する熱伝導体として、グラフェンシートが積層された構造を有するグラファイトを利用したものが知られている。例えば、特許文献1には、グラファイトの一部に金属が埋め込まれ、熱源から熱を受ける受熱部が上記金属に接触するように構成された熱伝導体が開示されている。   As a heat conductor that dissipates heat by moving the heat of a heating element that is a heat dissipation object, a heat conductor that uses graphite having a structure in which graphene sheets are stacked is known. For example, Patent Document 1 discloses a heat conductor configured such that a metal is embedded in a part of graphite and a heat receiving portion that receives heat from a heat source is in contact with the metal.

前記グラファイトは、一般に、組成が脆く崩れ安い性質を有している。そのため、従来、板状の熱伝導体の周部を被覆するように支持部材が設けられ、効率的な熱伝導を実現しつつ、強度を高めることが可能な熱伝導体(異方性熱伝導素子)が提案されている(特許文献2参照)。   In general, the graphite has a property that the composition is brittle and breaks down. Therefore, conventionally, a support member is provided so as to cover the periphery of the plate-like heat conductor, and a heat conductor (anisotropic heat conduction) capable of increasing the strength while realizing efficient heat conduction. Element) has been proposed (see Patent Document 2).

近年、電気自動車やハイブリッド自動車などの自動車産業においては、モーターの出力の増大にともない、耐電圧が高く、定格電流の大きいパワー半導体を含むパワーモジュール(電力用半導体素子)が用いられるようになってきた。このようなパワーモジュールで制御される電流路は、数百アンペアを超える大電流が流れるため、パワーモジュールにおいて数kWの熱が発生する場合があり、発生した熱を効率よく放熱する熱伝導部材が求められている。   In recent years, in the automotive industry such as electric vehicles and hybrid vehicles, power modules (power semiconductor elements) including power semiconductors with high withstand voltage and high rated current have come to be used as the output of motors increases. It was. Since a large current exceeding several hundred amperes flows in the current path controlled by such a power module, heat of several kW may be generated in the power module, and a heat conducting member that efficiently dissipates the generated heat is provided. It has been demanded.

特開2008−28283号公報JP 2008-28283 A 特開2011−23670号公報JP 2011-23670 A

ところで、パワーモジュールが用いられるデバイスの設置環境は様々であり、例えば、自動車に搭載するパワーモジュールにおいては、自動車の走行による衝撃や振動、エンジンの振動などの影響を受ける。また、パワーモジュール自体の発熱或いは外部熱の影響によって加熱されると、パワーモジュールに用いられる素材の膨張率に応じてパワーモジュール自体が変形する場合がある。   By the way, there are various installation environments of devices in which the power module is used. For example, in a power module mounted on an automobile, it is affected by impacts and vibrations caused by traveling of the automobile, vibrations of an engine, and the like. Further, when heated by the heat generated by the power module itself or the influence of external heat, the power module itself may be deformed depending on the expansion coefficient of the material used for the power module.

また、近年、可撓性を有する樹脂基板を用いた可撓性を有する液晶パネルなどが市場に流通するようになってきた。このような液晶パネルの大画面化が進むと、液晶パネルに用いられる半導体においても効率よく放熱する熱伝導部材が求められることになる。   In recent years, flexible liquid crystal panels using flexible resin substrates have been distributed in the market. As the screen of such a liquid crystal panel increases, a heat conductive member that efficiently dissipates heat is required even in semiconductors used in the liquid crystal panel.

しかしながら、振動を受けたり熱変形するパワーモジュールの放熱用として前記グラファイトを用いた熱伝導体が適用された場合、熱伝導体がパワーモジュールから外れたり、熱伝導体に亀裂が生じるという問題がある。また、撓まされることを前提する基板などに搭載された半導体の放熱用として前記グラファイトを用いた熱伝導体が適用された場合は、基板の撓みに対して熱伝導体が追従することができず、熱伝導体が破損するという問題がある。   However, when a heat conductor using graphite is applied for heat dissipation of a power module that receives vibration or undergoes thermal deformation, there is a problem that the heat conductor is detached from the power module or a crack occurs in the heat conductor. . In addition, when a heat conductor using graphite is applied for heat dissipation of a semiconductor mounted on a substrate that is assumed to be bent, the heat conductor can follow the bending of the substrate. However, there is a problem that the heat conductor is damaged.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱対象である発熱体の熱を効率よく放熱することができ、しかも、可撓性を有する熱伝導構造体、及びこの熱伝導構造体の製造方法を提供することにある。また、他の目的は、熱伝導構造体を利用した発熱体の冷却装置、及び半導体モジュールを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to efficiently dissipate the heat of a heat generating body that is a heat dissipating target, and to have a flexible heat conduction structure and this It is providing the manufacturing method of a heat conductive structure. Another object is to provide a cooling device for a heating element using a heat conducting structure and a semiconductor module.

本発明の熱伝導構造体は、グラフェンシートが積層されてなる板状の第1熱伝導体及び第2熱伝導体を有する。この熱伝導構造体は、前記グラフェンシートの積層方向を一致させた状態で前記積層方向に直交する方向の接合面が相互に所定の接合材によって接合された構造を有する。   The heat conduction structure of the present invention has a plate-like first heat conductor and a second heat conductor in which graphene sheets are laminated. This heat conducting structure has a structure in which bonding surfaces in a direction orthogonal to the stacking direction are bonded to each other by a predetermined bonding material in a state where the stacking directions of the graphene sheets are matched.

前記接合材は、前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体よりも融点の低い金属である。この場合、前記熱伝導構造体は、前記第1熱伝導体の前記接合面と前記第1熱伝導体の前記接合面との間に前記接合材が介在した状態で前記接合材が加熱溶融されることによって前記接合面が相互に接合された構造を有する。   The bonding material is a metal having a lower melting point than the first thermal conductor and the second thermal conductor. In this case, in the heat conduction structure, the bonding material is heated and melted in a state where the bonding material is interposed between the bonding surface of the first heat conductor and the bonding surface of the first heat conductor. Thus, the joining surfaces are joined to each other.

また、本発明は、グラフェンシートが積層されてなる板状の第1熱伝導体及び第2熱伝導体を有する熱伝導構造体を製造する製造方法である。本発明の熱伝導構造体の製造方法は、前記グラフェンシートの積層方向を一致させた状態で前記積層方向に直交する方向の接合面を相互に所定の接合材によって接合することを特徴とする。   Moreover, this invention is a manufacturing method which manufactures the heat conductive structure which has a plate-shaped 1st heat conductor with which a graphene sheet is laminated | stacked, and a 2nd heat conductor. The manufacturing method of the heat conductive structure of the present invention is characterized in that bonding surfaces in a direction orthogonal to the stacking direction are bonded to each other with a predetermined bonding material in a state where the stacking directions of the graphene sheets are matched.

前記接合材は、前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体よりも融点の低い金属である。この場合、本発明の熱伝導構造体の製造方法において、前記第1熱伝導体の前記接合面と前記第1熱伝導体の前記接合面との間に前記接合材を介在させた状態で前記接合材を加熱溶融させることによって、前記接合面を相互に接合する。   The bonding material is a metal having a lower melting point than the first thermal conductor and the second thermal conductor. In this case, in the manufacturing method of the heat conductive structure of the present invention, the bonding material is interposed between the bonding surface of the first heat conductor and the bonding surface of the first heat conductor. The joining surfaces are joined together by heating and melting the joining material.

本発明の熱伝導構造体の製造方法において、前記第1熱伝導体の前記接合面と前記第1熱伝導体の前記接合面との間に前記接合材を介在させ、加熱による前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体の前記積層方向の膨張量、つまり、膨張後の前記積層方向の長さを予め定められた許容範囲内となるように規制しつつ全体を加熱することにより前記接合材を溶融させることによって、前記接合面を相互に接合する。   In the method for manufacturing a heat conductive structure according to the present invention, the bonding material is interposed between the bonding surface of the first heat conductor and the bonding surface of the first heat conductor, and the first heat is generated by heating. By heating the whole while regulating the expansion amount of the conductor and the second heat conductor in the stacking direction, that is, the length in the stacking direction after expansion to be within a predetermined allowable range, The joining surfaces are joined together by melting the joining material.

前記許容範囲は、加熱前における前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体の前記積層方向の長さに対して105%〜125%である。   The allowable range is 105% to 125% with respect to the length in the stacking direction of the first thermal conductor and the second thermal conductor before heating.

本発明の冷却装置は、前記熱伝導構造体と、前記積層方向に直交する方向における前記熱伝導構造体の両端面それぞれに接合された金属またはセラミックスからなる薄肉の密着層と、前記熱伝導構造体の少なくとも一方の端面に接合された放熱体と、を備える。前記冷却装置は、前記熱伝導構造体の他方の端面に取り付けられた発熱体から前記熱伝導構造体及び前記放熱体を通じて放熱する。   The cooling device of the present invention includes the heat conduction structure, a thin adhesion layer made of metal or ceramics bonded to both end faces of the heat conduction structure in a direction orthogonal to the stacking direction, and the heat conduction structure. And a heat radiator joined to at least one end face of the body. The cooling device radiates heat from a heat generating body attached to the other end face of the heat conducting structure through the heat conducting structure and the heat radiating body.

本発明の半導体モジュールは、前記冷却装置と、前記冷却装置の前記熱伝導構造体の他方の端面に取り付けられた半導体素子と、を備える。   The semiconductor module of this invention is equipped with the said cooling device and the semiconductor element attached to the other end surface of the said heat conductive structure of the said cooling device.

本発明によれば、放熱対象である発熱体の熱を効率よく放熱することができ、しかも、振動や撓みなどの変形に影響して破損し難い熱伝導構造体を実現することができる。また、前記発熱体の熱を効率よく放熱することができ、且つ、可撓性を有する熱伝導構造体を製造することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to efficiently dissipate the heat of the heating element that is the object of heat dissipation, and it is possible to realize a heat conduction structure that is less likely to be damaged due to deformation such as vibration and bending. In addition, it is possible to efficiently dissipate the heat of the heating element and to manufacture a flexible heat conduction structure.

図1は、本発明の実施形態に係るグラファイト複合体を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a graphite complex according to an embodiment of the present invention. 図2は、グラファイト複合体において図1の切断線II−IIの断面構造を部分的に拡大した拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view in which the cross-sectional structure taken along the line II-II in FIG. 1 is partially enlarged in the graphite composite. 図3は、グラファイト複合体の製造に用いられる金型装置を説明するための分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining a mold apparatus used for manufacturing a graphite composite. 図4は、金型装置を説明するための図であり、図4(A)は金型装置の平面図、図4(B)は金型装置において図4(A)の切断線IVB−IVBの断面図である。4A and 4B are diagrams for explaining the mold apparatus. FIG. 4A is a plan view of the mold apparatus, and FIG. 4B is a cutting line IVB-IVB in FIG. 4A in the mold apparatus. FIG. 図5は、金型装置の断面図であり、図5(A)はグラファイト部材を金型に装着した状態を示し、図5(B)は金型装置内においてグラファイト部材が熱膨張している状態を示し、図5(C)は金型装置内においてグラファイト部材の膨張が規制部材によって規制されている状態を示す。FIG. 5 is a cross-sectional view of the mold apparatus, FIG. 5 (A) shows a state in which the graphite member is mounted on the mold, and FIG. 5 (B) shows that the graphite member is thermally expanded in the mold apparatus. FIG. 5C shows a state where the expansion of the graphite member is regulated by the regulating member in the mold apparatus. 図6(A)及び(B)は、グラファイト複合体が可撓性を有することを説明するための図である。6 (A) and 6 (B) are diagrams for explaining that the graphite complex has flexibility. 図7は、本発明の実施形態に係るグラファイト複合体が適用された冷却装置及び半導体モジュールを示す図である。FIG. 7 is a view showing a cooling device and a semiconductor module to which the graphite composite according to the embodiment of the present invention is applied.

以下、添付図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The following embodiment is an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.

以下、図1及び図2を参照して、本発明の熱伝導構造体の一例であるグラファイト複合体10について説明する。   Hereinafter, with reference to FIG.1 and FIG.2, the graphite complex 10 which is an example of the heat conductive structure of this invention is demonstrated.

図1に示されるように、グラファイト複合体10は、二層構造を有する矩形板状のものである。グラファイト複合体10は、上側に平板状に形成されたグラファイト部材11を有しており、下側に平板状に形成されたグラファイト部材12を有している。本実施形態では、グラファイト部材11,12が互いに後述の接合材19(図3参照)によって接合されている。なお、上側のグラファイト部材11は、本発明の第1熱伝導体の一例であり、下側のグラファイト部材12は、本発明の第2熱伝導体の一例である。   As shown in FIG. 1, the graphite complex 10 is a rectangular plate having a two-layer structure. The graphite complex 10 has a graphite member 11 formed in a flat plate shape on the upper side, and has a graphite member 12 formed in a flat plate shape on the lower side. In this embodiment, the graphite members 11 and 12 are joined to each other by a joining material 19 (see FIG. 3) described later. The upper graphite member 11 is an example of the first thermal conductor of the present invention, and the lower graphite member 12 is an example of the second thermal conductor of the present invention.

グラファイト部材11,12は、グラフェンシート15が一方向に沿って複数積層された結晶構造を有している。グラフェンシート15は、シート状のグラフェンであって、六員環が平面方向に共有結合して形成されたものであり、その厚みは炭素原子一つ分である。グラファイト部材11,12の各グラフェンシート15の層間は、ファンデルワールス力で結合されているため、グラフェンシート15は、層状に剥がれ易い性質を有している。本実施形態のグラファイト部材11,12は、グラフェンシート15が積み重ねられた積層方向(図1のX方向)に直交する厚み方向(図1のY方向)のサイズ(厚み)が薄いプレート状に形成されている。具体的には、グラファイト部材11,12それぞれは、その厚みが1.5[mm]〜2.0[mm]に形成されている。また、グラファイト部材11,12は、平面視で矩形状に形成されており、例えば、一辺が30[mm]の正方形状に形成されている。なお、グラフェンシート15の実際の厚みは炭素原子1個分であるが、説明の便宜上、各図では、実際の厚み以上に表されたグラフェンシート15が示されている。   The graphite members 11 and 12 have a crystal structure in which a plurality of graphene sheets 15 are stacked along one direction. The graphene sheet 15 is a sheet-like graphene, which is formed by covalently bonding six-membered rings in the plane direction, and has a thickness of one carbon atom. Since the layers of the graphene sheets 15 of the graphite members 11 and 12 are bonded by van der Waals force, the graphene sheet 15 has a property of being easily peeled off in layers. The graphite members 11 and 12 of the present embodiment are formed in a plate shape having a small size (thickness) in the thickness direction (Y direction in FIG. 1) perpendicular to the stacking direction (X direction in FIG. 1) in which the graphene sheets 15 are stacked. Has been. Specifically, each of the graphite members 11 and 12 has a thickness of 1.5 [mm] to 2.0 [mm]. Moreover, the graphite members 11 and 12 are formed in a rectangular shape in plan view, and are formed in a square shape with one side of 30 [mm], for example. In addition, although the actual thickness of the graphene sheet 15 is one carbon atom, the graphene sheet 15 represented more than actual thickness is shown in each figure for convenience of explanation.

グラファイト部材11,12としては、一般的なグラファイトよりも高い熱伝導性を有する高配向性熱分解グラファイト(HOPG:Highly Oriented Pyrolytic Graphite)が採用されている。具体的には、米国MINTEQ International Inc.製の商品名「PYROID HT」が用いられている。   As the graphite members 11 and 12, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) having higher thermal conductivity than general graphite is employed. Specifically, US MINTEQ International Inc. The product name “PYROID HT” is used.

グラファイト部材11,12は、熱伝導率に関して異方性を有している。つまり、グラファイト部材11,12は、X方向(Y−Z面に垂直な方向)の熱伝導率よりもY−Z面に沿う方向、つまり、図1においてグラファイト部材11,12の厚み方向の熱伝導率が極めて高い。このように、素材の方向によって熱伝導率が異なる性質を異方性といい、この異方性を有するグラファイト部材11,12は、一般に、異方性熱伝導体、或いは異方性熱伝導素子と称されている。グラファイト部材11,12は、詳細には、Y−Z平面に沿う方向の熱伝導率は1500[W/mK]〜1700[W/mK]程度であり、X方向の熱伝導率は5[W/mK]〜10[W/mK]程度である。   The graphite members 11 and 12 have anisotropy with respect to thermal conductivity. That is, the graphite members 11 and 12 have heat in the direction along the YZ plane rather than the thermal conductivity in the X direction (direction perpendicular to the YZ plane), that is, in the thickness direction of the graphite members 11 and 12 in FIG. Very high conductivity. Thus, the property that the thermal conductivity differs depending on the direction of the material is called anisotropy, and the graphite members 11 and 12 having this anisotropy are generally an anisotropic heat conductor or an anisotropic heat conduction element. It is called. Specifically, the graphite members 11 and 12 have a thermal conductivity in the direction along the YZ plane of about 1500 [W / mK] to 1700 [W / mK], and a thermal conductivity in the X direction of 5 [W / MK] to 10 [W / mK].

また、一般的なグラファイトの前記積層方向(X方向)の線膨張率が4.5[ppm/K]〜5.5[ppm/K]であるのに対して、高配向性熱分解グラファイトであるグラファイト部材11,12の前記積層方向(X方向)の線膨張率は極めて高く、具体には約25[ppm/K]である。   Further, while the linear expansion coefficient of the general graphite in the stacking direction (X direction) is 4.5 [ppm / K] to 5.5 [ppm / K], it is a highly oriented pyrolytic graphite. The linear expansion coefficient of the graphite member 11 or 12 in the stacking direction (X direction) is extremely high, specifically about 25 [ppm / K].

本実施形態に係るグラファイト複合体10は、グラファイト部材11及びグラファイト部材12それぞれにおけるグラフェンシート15の積層方向を一致させた状態で、グラファイト部材11の厚み方向下側の接合面とグラファイト部材11の厚み方向上側の接合面とを接合材19(図3参照)によって互いに接合した構造を有する。   In the graphite composite 10 according to the present embodiment, the thickness of the graphite member 11 and the joint surface on the lower side in the thickness direction of the graphite member 11 are set in a state where the stacking directions of the graphene sheets 15 in the graphite member 11 and the graphite member 12 are matched. It has a structure in which the bonding surface on the upper side in the direction is bonded to each other by a bonding material 19 (see FIG. 3).

接合材19は、インサート材とも称されており、グラファイト部材11,12よりも融点の低い金属又はその金属からなる合金、或いは、複数種の金属で構成されたものが用いられる。具体的には、接合材19は、銀、銅およびチタンから構成された薄板状(シート状)のものである。接合材19は、0.05[mm]の厚みのシート状に形成されている。なお、接合材19は、シート状のものに限られず、スラリー状のものを適用することも可能である。しかし、グラファイト複合体10におけるグラファイト部材11,12間の接合層の厚みを均一すること、及び接合層における気泡の発生を抑制することに鑑みると、接合材19は、均一厚さに形成されたシート状のものが好ましい。なお、接合材19として、銀、銅、チタン、及び錫を含むものが適用されてもよい。   The bonding material 19 is also referred to as an insert material, and a metal having a melting point lower than that of the graphite members 11 and 12, an alloy made of the metal, or a material composed of a plurality of types of metals is used. Specifically, the bonding material 19 has a thin plate shape (sheet shape) made of silver, copper, and titanium. The bonding material 19 is formed in a sheet shape having a thickness of 0.05 [mm]. The bonding material 19 is not limited to a sheet-like material, and a slurry-like material can also be applied. However, in view of uniforming the thickness of the bonding layer between the graphite members 11 and 12 in the graphite composite 10 and suppressing the generation of bubbles in the bonding layer, the bonding material 19 was formed to have a uniform thickness. A sheet is preferable. Note that a material containing silver, copper, titanium, and tin may be applied as the bonding material 19.

グラファイト複合体10は、グラファイト部材11の前記接合面と、グラファイト部材12の前記接合面とをシート状の接合材19を用いて互いに接合したものである。前記接合面間に接合材19が介在された状態で接合材19が加熱溶融されることによって、前記接合面同士が互いに接合される。前記接合面同士の接合方法としては、ろう接合(ろう付け)、固相拡散接合、或いは液相拡散接合などを適用することができるが、本実施形態では、後述するように、液相拡散接合によって前記接合面同士が接合されている。なお、具体的な接合工程については後述する。   The graphite complex 10 is obtained by joining the joining surface of the graphite member 11 and the joining surface of the graphite member 12 using a sheet-like joining material 19. When the bonding material 19 is heated and melted with the bonding material 19 interposed between the bonding surfaces, the bonding surfaces are bonded to each other. As a bonding method between the bonding surfaces, brazing (brazing), solid phase diffusion bonding, liquid phase diffusion bonding, or the like can be applied. In this embodiment, as will be described later, liquid phase diffusion bonding is used. The joint surfaces are joined to each other. A specific joining process will be described later.

グラファイト部材11,12の前記接合面は、複数のグラフェンシート15のエッジが幾層にも重ね合わされた状態となっており、一般にエッジ面と称されている。上述したように、グラフェンシート15は、六員環が共有結合して形成されているため、グラフェンシート15における面方向(Y−Z面に沿う方向)は六員環による強い共有結合で炭素間が繋がっている。しかしながら、前記接合面においては、六員環による前記面方向の供給結合が切断された状態となっているため、前記接合面の炭素原子の結合は不飽和な状態となっている。そのため、前記接合面においては、炭素原子が他の物質と反応し易い活性状態となっている。   The joint surfaces of the graphite members 11 and 12 are in a state in which the edges of the plurality of graphene sheets 15 are overlapped, and are generally referred to as edge surfaces. As described above, since the graphene sheet 15 is formed by covalently bonding six-membered rings, the plane direction in the graphene sheet 15 (direction along the YZ plane) is a strong covalent bond due to the six-membered ring, Are connected. However, since the supply bond in the plane direction by the six-membered ring is cut at the bonding surface, the bonding of carbon atoms on the bonding surface is in an unsaturated state. Therefore, the bonded surface is in an active state in which carbon atoms easily react with other substances.

本実施形態では、活性状態の前記接合面同士を接合するための接合材19には、上述したように、チタンが含まれている。チタンは、所謂活性金属であり、接合面に対する濡れ性、つまり、不飽和状態の炭素原子との結合反応性が極めて高い。このため、接合材19が加熱溶融されることによって、前記接合面の原子拡散が誘発されて、チタンと炭素とが積極的に反応し、前記接合面間にチタン化合物であるチタンカーバイド(TiC)が生成される。もちろん、チタン化合物だけでなく、接合材19を構成する各金属(銅や銀等)と炭素との金属化合物も生成される。これにより、グラファイト部材11,12の前記接合面において接合界面が存在しなくなり、前記金属化合物によって、グラファイト部材11とグラファイト部材12とが強固に接合される。   In the present embodiment, as described above, the bonding material 19 for bonding the bonding surfaces in the active state contains titanium. Titanium is a so-called active metal, and has extremely high wettability with respect to the bonding surface, that is, bonding reactivity with unsaturated carbon atoms. For this reason, when the bonding material 19 is heated and melted, atomic diffusion of the bonding surface is induced, titanium and carbon react positively, and titanium carbide (TiC) which is a titanium compound between the bonding surfaces. Is generated. Of course, not only the titanium compound but also a metal compound of each metal (copper, silver, etc.) constituting the bonding material 19 and carbon is generated. Thereby, there is no joining interface on the joining surfaces of the graphite members 11 and 12, and the graphite member 11 and the graphite member 12 are firmly joined by the metal compound.

このように構成されたグラファイト複合体10は、グラファイト複合体10のY方向及びZ方向において、概ね1500[W/mK]〜1700[W/mK]の熱伝導率を実現することが可能となる。   The thus configured graphite composite 10 can achieve a thermal conductivity of approximately 1500 [W / mK] to 1700 [W / mK] in the Y direction and Z direction of the graphite composite 10. .

以下、グラファイト複合体10の製造方法について説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the graphite complex 10 is demonstrated.

グラファイト複合体10の製造には、図3に示される金型装置30が用いられる。金型装置30は、グラファイト複合体10の構成要素であるグラファイト部材11,12と、これらを接合するための接合材19とを収容するものである。図3に示されるように、金型装置30は、メス型31とオス型32とを有している。   For the manufacture of the graphite composite 10, a mold apparatus 30 shown in FIG. 3 is used. The mold apparatus 30 accommodates graphite members 11 and 12 that are components of the graphite complex 10 and a bonding material 19 for bonding them. As shown in FIG. 3, the mold apparatus 30 has a female mold 31 and a male mold 32.

メス型31及びオス型32は、一般的なグラファイト(非高配向性を有しないグラファイト)で構成されており、グラファイトブロック(黒煙ブロック)を切削加工することによって得られる。メス型31及びオス型32の線膨張率は、4.5[ppm/K]〜5.5[ppm/K]程度である。グラファイトは、アルミニウムの熱伝導率よりも劣るものの、その熱伝導率は116[W/mK]であり比較的大きく、真空中における熱伝達性が良好あり、また、耐熱性が高く、不純物も少ないため、グラファイト複合体10の製造用としての金型装置30に適している。また、後述するように接合材19が加熱溶融されてメス型31にはみ出してメス型31の内壁に固着した場合でも、メス型31の材質がグラファイトである場合は、その固着を容易に取り外すことができる。   The female mold 31 and the male mold 32 are made of general graphite (graphite that does not have non-high orientation), and are obtained by cutting a graphite block (black smoke block). The linear expansion coefficient of the female mold 31 and the male mold 32 is about 4.5 [ppm / K] to 5.5 [ppm / K]. Although graphite is inferior to aluminum in terms of thermal conductivity, its thermal conductivity is 116 [W / mK], which is relatively large, good heat transfer in vacuum, high heat resistance, and few impurities. Therefore, it is suitable for the mold apparatus 30 for manufacturing the graphite composite 10. In addition, even when the bonding material 19 is heated and melted and sticks to the inner wall of the female die 31 as will be described later, if the material of the female die 31 is graphite, the fixing can be easily removed. Can do.

メス型31は、水平方向の断面が正方形のブロック体である。メス型31には、上面31Aから下面に凹まされた断面正方形の収容部34が形成されている。収容部34は、グラファイト部材11,12が前後左右に隙間が生じる程度のサイズに形成されている。また、収容部34の深さは、グラファイト部材11,12や接合材19が収容された状態で、メス型31の上面31Aから突出しないサイズに形成されている。収容部34にグラファイト部材11,12が収容される。   The female die 31 is a block body having a square cross section in the horizontal direction. The female die 31 is formed with an accommodating portion 34 having a square cross section that is recessed from the upper surface 31A to the lower surface. The accommodating portion 34 is formed in a size that allows the graphite members 11 and 12 to have a gap in the front and rear and right and left. Moreover, the depth of the accommodating part 34 is formed in the size which does not protrude from the upper surface 31A of the female type | mold 31 in the state in which the graphite members 11 and 12 and the joining material 19 were accommodated. The graphite members 11 and 12 are accommodated in the accommodating portion 34.

メス型31の上面31Aには、オス型32を取り付けるための複数のネジ穴36が形成されている。8つのネジ穴36が、収容部34を囲むように形成されている。   A plurality of screw holes 36 for attaching the male die 32 are formed on the upper surface 31A of the female die 31. Eight screw holes 36 are formed so as to surround the accommodating portion 34.

オス型32は、メス型31と同じように、水平方向の断面が正方形のブロック体である。オス型32の下面32Aには、下面32Aから下方へ突出する凸状の嵌合部37が形成されている。嵌合部37Aが収容部34に挿入される部分であり、収容部34と同様に、断面正方形に形成されている。   As with the female die 31, the male die 32 is a block body having a square cross section in the horizontal direction. On the lower surface 32A of the male mold 32, a convex fitting portion 37 protruding downward from the lower surface 32A is formed. 37 A of fitting parts are the parts inserted in the accommodating part 34, and are formed in the cross-sectional square similarly to the accommodating part 34. FIG.

オス型32には、上面31Aから下面に貫通する8つの貫通穴38が形成されている。これらの貫通穴38は、ネジ穴36に対応する位置に形成されている。   The male mold 32 is formed with eight through holes 38 penetrating from the upper surface 31A to the lower surface. These through holes 38 are formed at positions corresponding to the screw holes 36.

メス型31の上面にオス型32が組み合わされて、嵌合部37が収容部34に嵌め入れられると、メス型31とオス型32とが上下に組み付けられる。   When the male die 32 is combined with the upper surface of the female die 31 and the fitting portion 37 is fitted into the accommodating portion 34, the female die 31 and the male die 32 are assembled vertically.

グラファイト複合体10を製造するにあたり、まず、図3に示されるように、収容部34にグラファイト部材11,12及び接合材19を収容する。具体的には、収容部34の底部にグラファイト部材12を配置し、その上に接合材19を乗せ、そして、接合材19を上下方向に挟むようにして接合材19の上にグラファイト部材11を乗せる。このとき、グラファイト部材11の積層方向とグラファイト部材12の積層方向とが一致するように、グラファイト部材11,12が収容部34に収容される。その後、収容部34に後述の規制プレート35が挿入される。   In manufacturing the graphite composite 10, first, as shown in FIG. 3, the graphite members 11 and 12 and the bonding material 19 are accommodated in the accommodating portion 34. Specifically, the graphite member 12 is disposed on the bottom of the housing portion 34, the joining material 19 is placed thereon, and the graphite member 11 is placed on the joining material 19 so as to sandwich the joining material 19 in the vertical direction. At this time, the graphite members 11 and 12 are accommodated in the accommodating portion 34 so that the lamination direction of the graphite member 11 and the lamination direction of the graphite member 12 coincide. Thereafter, a later-described regulating plate 35 is inserted into the accommodating portion 34.

図4に示されるように、規制プレート35は、グラファイト部材11,12と収容部34の内壁34A,34Bとの間の隙間ΔT1に挿入される。規制プレート35は、加熱によってグラファイト部材11,12が前記積層方向に膨張する膨張量を予め定められた許容範囲内となるように規制するためのものである。規制プレート35は、グラファイト部材11,12と同じ材質で形成された所定厚みのプレート状の部材である。   As shown in FIG. 4, the restriction plate 35 is inserted into the gap ΔT <b> 1 between the graphite members 11, 12 and the inner walls 34 </ b> A, 34 </ b> B of the housing portion 34. The restriction plate 35 is for restricting the amount of expansion of the graphite members 11 and 12 in the stacking direction by heating to be within a predetermined allowable range. The restriction plate 35 is a plate-like member having a predetermined thickness and made of the same material as the graphite members 11 and 12.

上述したように、グラファイト部材11,12は、一方向にグラフェンシート15が積層された構造を有している。グラファイト部材11,12が加熱されると、グラフェンシート15それぞれがその線膨張率に応じてシートの厚み方向(積層方向と同じ方向)に膨張する。グラフェンシート15それぞれが厚み方向に膨張し、その膨張量が積み重ねられると、グラファイト部材11,12が積層方向に膨張する。グラファイト部材11,12として高配向性熱分解グラファイトが用いられているため、積層方向の膨張を規制せずにグラファイト部材11,12を加熱すると、一般的なグラファイト部材と比べて大きく膨張する。したがって、本実施形態では、規制プレート35を前記隙間ΔT1に挿入して、グラファイト部材11,12の積層方向の膨張量、つまり、膨張後の長さを、加熱前の前記積層方向の長さL1(図5(A)参照)に対して105%〜125%(本発明の許容範囲に相当)となるように、つまり、長さL1の1.05倍〜1.25倍となるように調整している。   As described above, the graphite members 11 and 12 have a structure in which the graphene sheets 15 are laminated in one direction. When the graphite members 11 and 12 are heated, each of the graphene sheets 15 expands in the sheet thickness direction (the same direction as the stacking direction) according to the linear expansion coefficient. When each of the graphene sheets 15 expands in the thickness direction and the expansion amount is stacked, the graphite members 11 and 12 expand in the stacking direction. Since highly oriented pyrolytic graphite is used as the graphite members 11 and 12, when the graphite members 11 and 12 are heated without restricting the expansion in the stacking direction, the graphite members 11 and 12 expand greatly compared to a general graphite member. Therefore, in this embodiment, the regulating plate 35 is inserted into the gap ΔT1, and the expansion amount of the graphite members 11 and 12 in the stacking direction, that is, the length after expansion is set to the length L1 in the stacking direction before heating. (Refer to FIG. 5 (A)) is adjusted to be 105% to 125% (corresponding to the allowable range of the present invention), that is, to be 1.05 to 1.25 times the length L1. doing.

なお、収容部34においてグラファイト部材11,12を安定させるために、グラファイト部材11,12と収容部34の内壁34C,34Dとの間の隙間ΔT2に、グラファイト部材11,12を支えるためのサポートプレート(不図示)が挿入されてもよい。   In order to stabilize the graphite members 11 and 12 in the accommodating portion 34, a support plate for supporting the graphite members 11 and 12 in the gap ΔT2 between the graphite members 11 and 12 and the inner walls 34C and 34D of the accommodating portion 34. (Not shown) may be inserted.

収容部34にグラファイト部材11,12、接合材19、規制プレート35が収容されると、メス型31の上面にオス型32が組み合わされて、メス型31とオス型32とが上下に組み付けられる。このとき、オス型32の嵌合部37の下面がグラファイト部材11の上面に当接する。この状態で、ネジ39が貫通穴38に挿通されて、ネジ穴36に取り付けられて、メス型31とオス型32とが固定される(図4(B)参照)。   When the graphite members 11 and 12, the bonding material 19, and the regulation plate 35 are accommodated in the accommodation portion 34, the male die 32 is combined with the upper surface of the female die 31, and the female die 31 and the male die 32 are assembled vertically. . At this time, the lower surface of the fitting portion 37 of the male mold 32 comes into contact with the upper surface of the graphite member 11. In this state, the screw 39 is inserted into the through hole 38 and attached to the screw hole 36, and the female die 31 and the male die 32 are fixed (see FIG. 4B).

金型装置30において、ネジ39の締め付け深さは任意に調整することができる。ネジ39の締め付け深さを調整することにより、グラファイト部材11,12に対して上下方向に所定の加重を加えることができる。本実施形態では、グラファイト部材11,12に対して上下方向に5.0〜25[MPa]の加重を加えることができる。   In the mold apparatus 30, the tightening depth of the screw 39 can be arbitrarily adjusted. By adjusting the tightening depth of the screw 39, a predetermined load can be applied to the graphite members 11 and 12 in the vertical direction. In this embodiment, a weight of 5.0 to 25 [MPa] can be applied to the graphite members 11 and 12 in the vertical direction.

グラファイト部材11,12などの各部材が収容部34に収容された状態で、金型装置30は、真空炉で加熱される。これにより、グラファイト部材11,12の接合面間に接合材19が介在した状態で接合材19が加熱溶融される。具体的には、金型装置30においてグラファイト部材11,12が上下方向に約15[MPa]の加重が加えられた状態で、10−3Paの真空環境、及び、摂氏805℃の温度環境のもとで、30分から1時間加熱される。 The mold apparatus 30 is heated in a vacuum furnace in a state where the members such as the graphite members 11 and 12 are accommodated in the accommodating portion 34. Thereby, the joining material 19 is heated and melted in a state where the joining material 19 is interposed between the joining surfaces of the graphite members 11 and 12. Specifically, in the mold apparatus 30, the graphite members 11 and 12 are applied with a load of about 15 [MPa] in the vertical direction, and the vacuum environment is 10 −3 Pa and the temperature environment is 805 degrees Celsius. It is heated for 30 minutes to 1 hour.

図5は、真空炉で金型装置30を加熱したときのグラファイト部材11,12の状態変化を示す図である。図5(A)は加熱前の状態を示し、図5(B)は加熱中の状態を示し、図5(C)は加熱完了後の状態を示している。なお、図5中の矢印P1,P2はグラファイト部材11,12に掛けられる圧力の方向を示し、矢印P3,P4はグラファイト部材11,12の膨張方向を示し、矢印P5,P6は規制プレート35から受ける反力の方向を示している。   FIG. 5 is a diagram showing a change in the state of the graphite members 11 and 12 when the mold apparatus 30 is heated in the vacuum furnace. FIG. 5A shows a state before heating, FIG. 5B shows a state during heating, and FIG. 5C shows a state after completion of heating. Note that arrows P1 and P2 in FIG. 5 indicate the direction of pressure applied to the graphite members 11 and 12, arrows P3 and P4 indicate the expansion direction of the graphite members 11 and 12, and arrows P5 and P6 indicate the direction from the restriction plate 35. It shows the direction of the reaction force.

真空炉において金型装置30の加熱が開始されると、グラファイト部材11,12が積層方向へ徐々に膨張しはじめる(図5(B)参照)。そして、更に膨張が進むと、グラファイト部材11,12の前記積層方向の両端が規制プレート35に当接し、規制プレート35から受ける反力によってそれ以上の膨張が規制される(図5(C)参照)。   When heating of the mold apparatus 30 is started in the vacuum furnace, the graphite members 11 and 12 begin to gradually expand in the stacking direction (see FIG. 5B). When the expansion further proceeds, both ends of the graphite members 11 and 12 in the stacking direction come into contact with the restriction plate 35, and further expansion is restricted by the reaction force received from the restriction plate 35 (see FIG. 5C). ).

真空炉の炉内温度が760℃を超えると、接合材19が溶融し始めて、グラファイト部材11,12の各接合面からグラファイト部材11,12の内部に拡散する。そして、接合材19がグラファイト部材11,12の内部に拡散するにしたがって、接合面の組成に変化が生じ始める。具体的には、グラファイト部材11,12の各接合面においてチタンと炭素とが積極的に反応し、接合面にチタンカーバイド(TiC)からなる接合層17が生成される。この接合層17の平均厚みは、約0.02[mm]である。チタンカーバイドの融点は3170℃であり、接合材19の各要素よりも融点が高い。したがって、接合面の組成変化に伴って接合面付近の融点が上昇して凝固して、グラファイト部材11,12の接合面同士が相互に接合する。このとき、元の長さL1に対して1.05〜1.25倍の長さを維持した状態で、接合層17が凝固する。これにより、グラフェンシート15間に積層方向の膨張量に対応する微小な隙間ΔD(図2参照)が形成されたグラファイト複合体10が製造される。なお、上述の接合方法は、液相拡散接合と称されている。   When the in-furnace temperature of the vacuum furnace exceeds 760 ° C., the bonding material 19 starts to melt and diffuses from the bonding surfaces of the graphite members 11 and 12 into the graphite members 11 and 12. As the bonding material 19 diffuses into the graphite members 11 and 12, the composition of the bonding surface starts to change. Specifically, titanium and carbon react positively on the joint surfaces of the graphite members 11 and 12, and the joint layer 17 made of titanium carbide (TiC) is generated on the joint surfaces. The average thickness of the bonding layer 17 is about 0.02 [mm]. The melting point of titanium carbide is 3170 ° C., which is higher than each element of the bonding material 19. Therefore, the melting point near the joint surface rises and solidifies with the composition change of the joint surface, and the joint surfaces of the graphite members 11 and 12 are joined to each other. At this time, the bonding layer 17 is solidified while maintaining a length of 1.05 to 1.25 times the original length L1. Thereby, the graphite complex 10 in which the minute gap ΔD (see FIG. 2) corresponding to the expansion amount in the stacking direction is formed between the graphene sheets 15 is manufactured. In addition, the above-mentioned joining method is called liquid phase diffusion joining.

その後、金型装置30は、炉内で緩やかに冷却される。ここで、接合層17はチタンカーバイドで構成されており、その線膨張率は8.0[ppm/K]であり、グラファイト部材11,12の線膨張率に比べて小さい。そのため、金型装置30の冷却にともない接合層17が積層方向にほとんど収縮せず、元の長さL1に対して1.05〜1.25倍の長さを維持する。つまり、元の長さL1に対して積載方向において1.05〜1.25倍の長さのグラファイト複合体10が得られる。   Thereafter, the mold apparatus 30 is slowly cooled in the furnace. Here, the bonding layer 17 is made of titanium carbide, and its linear expansion coefficient is 8.0 [ppm / K], which is smaller than the linear expansion coefficient of the graphite members 11 and 12. Therefore, the bonding layer 17 hardly shrinks in the stacking direction as the mold apparatus 30 is cooled, and maintains a length of 1.05 to 1.25 times the original length L1. That is, the graphite composite 10 having a length 1.05 to 1.25 times as long as the original length L1 in the stacking direction is obtained.

このように製造されたグラファイト複合体10は、積層方向に直交する厚み方向に撓むことができる可撓性を有する。すなわち、図2に示されるように、グラファイト部材11,12の各接合面が接合層17によって堅牢に固定されており、グラファイト部材11,12の他方側の面においては、各グラフェンシート15の端部が固定されていない状態となっている。また、グラファイト部材11,12は、元の長さL1(図5(A)参照)に対して積載方向へ1.05〜1.25倍の長さに伸張した状態で接合層17によって保持されている。そのため、図6(A)に示されるように、グラファイト複合体10の上面に下向きの力(矢印に示す方向の力)が加えられた場合に、接合層17があたかも板バネのようにすり鉢状に撓まされる。このとき、グラファイト部材11において隣接するグラフェンシート15間の隙間ΔD(図2参照)が狭められ、グラファイト部材12において隣接するグラフェンシート15間の隙間ΔD(図2参照)が広げられる。これにより、グラファイト複合体10は厚み方向に撓む。また、同様にして、図6(B)に示されるように、グラファイト複合体10の下面に上向きの力(矢印に示す方向の力)が加えられた場合に、接合層17があたかも板バネのようにアーチ状に撓まされる。このとき、グラファイト部材11において隣接するグラフェンシート15間の隙間ΔD(図2参照)が広げられ、グラファイト部材12において隣接するグラフェンシート15間の隙間ΔD(図2参照)が狭められる。これにより、グラファイト複合体10は厚み方向に撓む。   The graphite composite 10 manufactured in this way has flexibility that can be bent in the thickness direction perpendicular to the stacking direction. That is, as shown in FIG. 2, the joining surfaces of the graphite members 11 and 12 are firmly fixed by the joining layer 17, and the other surface of the graphite members 11 and 12 is the end of each graphene sheet 15. The part is not fixed. Further, the graphite members 11 and 12 are held by the bonding layer 17 in a state where the graphite members 11 and 12 extend 1.05 to 1.25 times in the stacking direction with respect to the original length L1 (see FIG. 5A). ing. Therefore, as shown in FIG. 6A, when a downward force (force in the direction indicated by the arrow) is applied to the upper surface of the graphite composite 10, the bonding layer 17 is shaped like a mortar like a leaf spring. Is bent. At this time, the gap ΔD (see FIG. 2) between the adjacent graphene sheets 15 in the graphite member 11 is narrowed, and the gap ΔD (see FIG. 2) between the adjacent graphene sheets 15 in the graphite member 12 is widened. Thereby, the graphite complex 10 bends in the thickness direction. Similarly, as shown in FIG. 6B, when an upward force (force in the direction indicated by the arrow) is applied to the lower surface of the graphite composite 10, the bonding layer 17 is as if it is a leaf spring. It is bent like an arch. At this time, the gap ΔD (see FIG. 2) between the adjacent graphene sheets 15 in the graphite member 11 is widened, and the gap ΔD (see FIG. 2) between the adjacent graphene sheets 15 in the graphite member 12 is narrowed. Thereby, the graphite complex 10 bends in the thickness direction.

このようにグラファイト複合体10が可撓性を有するため、放熱対象であるパワー半導体やパワーモジュールなどの発熱体が振動したり変形した場合でも、その振動や変形に追従してグラファイト複合体10が変形することができる。これにより、グラファイト複合体10の厚み方向に熱を効率よく放熱することができ、また、蓄熱体の振動や変形に影響した破損を防止することができる。   Since the graphite composite 10 has flexibility as described above, even when a heat generating element such as a power semiconductor or power module that is a heat dissipation object vibrates or deforms, the graphite composite 10 follows the vibration or deformation. It can be deformed. Thereby, heat can be efficiently dissipated in the thickness direction of the graphite composite 10, and damage that affects the vibration and deformation of the heat storage body can be prevented.

上述のグラファイト複合体10は、主として、パワー半導体やパワーモジュール(半導体素子の一例)などのように、熱を発生する発熱体としての半導体素子56を放熱する用途として用いられる。以下、図7を参照して、グラファイト複合体10を有する冷却装置50、及び冷却装置50と半導体素子56とからなる半導体モジュール60について説明する。   The graphite composite 10 described above is mainly used for radiating a semiconductor element 56 as a heat generating element that generates heat, such as a power semiconductor or a power module (an example of a semiconductor element). Hereinafter, the cooling device 50 having the graphite complex 10 and the semiconductor module 60 including the cooling device 50 and the semiconductor element 56 will be described with reference to FIG. 7.

図7に示されるように、冷却装置50は、グラファイト複合体10と、グラファイト複合体10を挟むように設けられた2枚の銅板51,52(本発明の密着層の一例)と、ヒートシンクなどの放熱体55と、を備える。   As shown in FIG. 7, the cooling device 50 includes a graphite complex 10, two copper plates 51 and 52 (an example of an adhesion layer of the present invention) provided so as to sandwich the graphite complex 10, a heat sink, and the like. The heat radiator 55 is provided.

銅板51,52は、薄肉の箔状又はプレート状に形成されており、図7に示されるように、グラファイト複合体10におけるY方向の両方の端面(上面及び下面)に接合されている。銅板51,52の厚みは、0.3[mm]である。グラファイト複合体10の上面及び下面に、接合材19と同じ接合材を用いて銅板51,52が接合される。グラファイト複合体10と銅板51,52との接合方法は、ろう接合(ろう付け)、固相拡散接合、或いは液相拡散接合などを適用することができる。なお、本発明の密着層として銅板51,52を例示するが、例えば、銅板51,52に代えてセラミックスで形成されたセラミックス板であってもよい。また、本発明の密着層は、グラファイト複合体10の上面及び下面にスパッタリングによって形成された金属膜であってもよい。   The copper plates 51 and 52 are formed in a thin foil shape or plate shape, and are joined to both end surfaces (upper surface and lower surface) in the Y direction of the graphite composite 10 as shown in FIG. The thickness of the copper plates 51 and 52 is 0.3 [mm]. Copper plates 51 and 52 are bonded to the upper and lower surfaces of the graphite composite 10 using the same bonding material as the bonding material 19. As a method of joining the graphite composite 10 and the copper plates 51 and 52, brazing (brazing), solid phase diffusion bonding, liquid phase diffusion bonding, or the like can be applied. In addition, although the copper plates 51 and 52 are illustrated as an adhesion layer of this invention, it may replace with the copper plates 51 and 52 and the ceramic plate formed with ceramics, for example. The adhesion layer of the present invention may be a metal film formed by sputtering on the upper and lower surfaces of the graphite composite 10.

グラファイト複合体10の上面側の銅板51には、中央にパワー半導体やパワーモジュールなどの発熱体としての半導体素子56が取り付けられている。上面側の銅板51に半導体素子56が取り付けられることにより、冷却装置50と半導体素子56とからなる半導体モジュール60が構成されている。   A semiconductor element 56 as a heating element such as a power semiconductor or a power module is attached to the center of the copper plate 51 on the upper surface side of the graphite composite 10. A semiconductor module 60 including the cooling device 50 and the semiconductor element 56 is configured by attaching the semiconductor element 56 to the copper plate 51 on the upper surface side.

また、下面側の銅板52には、ヒートシンクなどの放熱体57が取り付けられている。これにより、冷却装置50は、グラファイト複合体10の上側に取り付けられた半導体素子56からグラファイト複合体10及び放熱体57を通じて熱を効率よく放熱することが可能である。   Further, a heat radiator 57 such as a heat sink is attached to the copper plate 52 on the lower surface side. Thereby, the cooling device 50 can efficiently dissipate heat from the semiconductor element 56 attached to the upper side of the graphite complex 10 through the graphite complex 10 and the heat radiator 57.

なお、上述の実施形態では、元の長さL1に対して前記積層方向に1.05〜1.25倍(105%〜125%)の長さに伸張したグラファイト複合体10について例示したが、この範囲内においてグラファイト複合体10のサイズは適宜変更することができる。なお、グラファイト複合体10の前記積層方向の長さが105%未満である場合は、グラフェンシート15間の微小な隙間ΔD(図2参照)が密になりすぎて十分な撓みが得られず、また、125%を超える場合は、隙間ΔDが大きくなりすぎてグラフェンシート15それぞれが安定して支持されなくなる。   In the above-described embodiment, the graphite composite 10 that has been extended to a length of 1.05 to 1.25 times (105% to 125%) in the stacking direction with respect to the original length L1 is illustrated. Within this range, the size of the graphite complex 10 can be changed as appropriate. When the length of the graphite composite 10 in the stacking direction is less than 105%, the minute gap ΔD (see FIG. 2) between the graphene sheets 15 becomes too dense and sufficient bending cannot be obtained. Further, when it exceeds 125%, the gap ΔD becomes too large and the graphene sheets 15 are not supported stably.

10:グラファイト複合体
11:グラファイト部材
12:グラファイト部材
15:グラフェンシート
17:接合層
19:接合材
30:金型装置
31:メス型
32:オス型
35:規制プレート
50:冷却装置
51,52:銅板
56:半導体素子
57:放熱体
10: Graphite composite 11: Graphite member 12: Graphite member 15: Graphene sheet 17: Joining layer 19: Joining material 30: Mold device 31: Female die 32: Male die 35: Restriction plate 50: Cooling devices 51, 52: Copper plate 56: Semiconductor element 57: Heat radiator

Claims (8)

グラフェンシートが積層されてなる板状の第1熱伝導体及び第2熱伝導体を有し、
前記グラフェンシートの積層方向を一致させた状態で前記積層方向に直交する方向の接合面が相互に所定の接合材によって接合された熱伝導構造体。
It has a plate-like first heat conductor and a second heat conductor formed by laminating graphene sheets,
A heat conduction structure in which bonding surfaces in a direction orthogonal to the stacking direction are bonded to each other with a predetermined bonding material in a state where the stacking directions of the graphene sheets are matched.
前記接合材は、前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体よりも融点の低い金属であり、
前記第1熱伝導体の前記接合面と前記第1熱伝導体の前記接合面との間に前記接合材が介在した状態で前記接合材が加熱溶融されることによって前記接合面が相互に接合された請求項1に記載の熱伝導構造体。
The bonding material is a metal having a lower melting point than the first thermal conductor and the second thermal conductor,
The bonding surfaces are bonded to each other by heating and melting the bonding material with the bonding material interposed between the bonding surface of the first heat conductor and the bonding surface of the first heat conductor. The heat conducting structure according to claim 1.
グラフェンシートが積層されてなる板状の第1熱伝導体及び第2熱伝導体を有する熱伝導構造体を製造する製造方法であって、
前記グラフェンシートの積層方向を一致させた状態で前記積層方向に直交する方向の接合面を相互に所定の接合材によって接合することを特徴とする熱伝導構造体の製造方法。
A manufacturing method for manufacturing a heat conductive structure having a plate-like first heat conductor and a second heat conductor formed by stacking graphene sheets,
A method of manufacturing a heat conducting structure, characterized in that bonding surfaces in a direction orthogonal to the stacking direction are bonded to each other with a predetermined bonding material in a state where the stacking directions of the graphene sheets are matched.
前記接合材は、前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体よりも融点の低い金属であり、
前記第1熱伝導体の前記接合面と前記第1熱伝導体の前記接合面との間に前記接合材を介在させた状態で前記接合材を加熱溶融させることによって、前記接合面を相互に接合する請求項3に記載の熱伝導構造体の製造方法。
The bonding material is a metal having a lower melting point than the first thermal conductor and the second thermal conductor,
By heating and melting the bonding material in a state where the bonding material is interposed between the bonding surface of the first heat conductor and the bonding surface of the first heat conductor, the bonding surfaces are mutually bonded. The manufacturing method of the heat conductive structure of Claim 3 joined.
前記第1熱伝導体の前記接合面と前記第1熱伝導体の前記接合面との間に前記接合材を介在させ、加熱による前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体の前記積層方向の膨張量を予め定められた許容範囲内となるように規制しつつ全体を加熱することにより前記接合材を溶融させることによって、前記接合面を相互に接合する請求項4に記載の熱伝導構造体の製造方法。   The lamination of the first thermal conductor and the second thermal conductor by heating with the bonding material interposed between the joint surface of the first thermal conductor and the joint surface of the first thermal conductor. The heat conduction according to claim 4, wherein the joining surfaces are joined to each other by melting the joining material by heating the whole while restricting the expansion amount in a direction to be within a predetermined allowable range. Manufacturing method of structure. 前記許容範囲は、加熱前における前記第1熱伝導体及び前記第2熱伝導体の前記積層方向の長さに対して105%〜125%である請求項5に記載の熱伝導構造体の製造方法。   The said tolerance | permissible_range is 105%-125% with respect to the length of the said lamination direction of the said 1st heat conductor and the said 2nd heat conductor before a heating, The manufacture of the heat conductive structure of Claim 5 Method. 請求項1又は2に記載の熱伝導構造体と、
前記積層方向に直交する方向における前記熱伝導構造体の両端面それぞれに接合された金属またはセラミックスからなる薄肉の密着層と、
前記熱伝導構造体の少なくとも一方の端面に接合された放熱体と、を備え、
前記熱伝導構造体の他方の端面に取り付けられた発熱体から前記熱伝導構造体及び前記放熱体を通じて放熱する発熱体の冷却装置。
The heat conducting structure according to claim 1 or 2,
A thin adhesion layer made of metal or ceramics bonded to both end faces of the heat conducting structure in a direction orthogonal to the laminating direction;
A heat radiator joined to at least one end face of the heat conducting structure,
A cooling device for a heating element that radiates heat from the heating element attached to the other end face of the thermal conduction structure through the thermal conduction structure and the radiator.
請求項7に記載の冷却装置と、
前記冷却装置の前記熱伝導構造体の他方の端面に取り付けられた半導体素子と、を備える半導体モジュール。
A cooling device according to claim 7;
And a semiconductor element attached to the other end face of the heat conducting structure of the cooling device.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109755198A (en) * 2017-11-08 2019-05-14 丰田自动车株式会社 Semiconductor device
WO2019188614A1 (en) * 2018-03-28 2019-10-03 株式会社カネカ Semiconductor package
US10622280B2 (en) 2018-02-14 2020-04-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Semiconductor device
JP2020181926A (en) * 2019-04-26 2020-11-05 島根県 Joining structure of high crystalline graphite, and joining method
US11725796B2 (en) 2021-06-30 2023-08-15 Nichia Corporation Light-emitting module, vehicle lamp, and heat dissipation member
JP7399742B2 (en) 2020-02-27 2023-12-18 三菱重工業株式会社 Cooling system

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002160970A (en) * 2000-11-24 2002-06-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method for laminating graphite sheet
JP2006095935A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Kaneka Corp High thermal conductive frame and graphite prepreg
JP2007059875A (en) * 2005-07-26 2007-03-08 Kyocera Corp Heat dissipation member, and package for electronic part housing using this and electronic apparatus
US20090095461A1 (en) * 2007-09-07 2009-04-16 Specialty Minerals (Michigan) Inc. Layered Heat Spreader and Method of Making the Same
US20110303399A1 (en) * 2010-06-09 2011-12-15 Nippon Soken, Inc. Thermal diffuser and cooling apparatus for cooling heat source using the same
JP2012238733A (en) * 2011-05-12 2012-12-06 Thermo Graphitics Co Ltd Anisotropic thermally-conductive element and manufacturing method thereof
JP2013222918A (en) * 2012-04-19 2013-10-28 Panasonic Corp Thermoconductive sheet and method for manufacturing the same
JP2016100401A (en) * 2014-11-19 2016-05-30 株式会社デンソー Semiconductor device and electronic component using the same
JP2016149431A (en) * 2015-02-12 2016-08-18 株式会社豊田中央研究所 Semiconductor module

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002160970A (en) * 2000-11-24 2002-06-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method for laminating graphite sheet
JP2006095935A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Kaneka Corp High thermal conductive frame and graphite prepreg
JP2007059875A (en) * 2005-07-26 2007-03-08 Kyocera Corp Heat dissipation member, and package for electronic part housing using this and electronic apparatus
US20090095461A1 (en) * 2007-09-07 2009-04-16 Specialty Minerals (Michigan) Inc. Layered Heat Spreader and Method of Making the Same
JP2010538493A (en) * 2007-09-07 2010-12-09 スペシャルティ ミネラルズ (ミシガン) インコーポレーテツド Layered heat spreader and manufacturing method thereof
US20110303399A1 (en) * 2010-06-09 2011-12-15 Nippon Soken, Inc. Thermal diffuser and cooling apparatus for cooling heat source using the same
JP2012238733A (en) * 2011-05-12 2012-12-06 Thermo Graphitics Co Ltd Anisotropic thermally-conductive element and manufacturing method thereof
JP2013222918A (en) * 2012-04-19 2013-10-28 Panasonic Corp Thermoconductive sheet and method for manufacturing the same
JP2016100401A (en) * 2014-11-19 2016-05-30 株式会社デンソー Semiconductor device and electronic component using the same
JP2016149431A (en) * 2015-02-12 2016-08-18 株式会社豊田中央研究所 Semiconductor module

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109755198A (en) * 2017-11-08 2019-05-14 丰田自动车株式会社 Semiconductor device
US10483186B2 (en) 2017-11-08 2019-11-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Semiconductor device with heat radiator
US10622280B2 (en) 2018-02-14 2020-04-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Semiconductor device
WO2019188614A1 (en) * 2018-03-28 2019-10-03 株式会社カネカ Semiconductor package
JP2020181926A (en) * 2019-04-26 2020-11-05 島根県 Joining structure of high crystalline graphite, and joining method
JP7399742B2 (en) 2020-02-27 2023-12-18 三菱重工業株式会社 Cooling system
US11725796B2 (en) 2021-06-30 2023-08-15 Nichia Corporation Light-emitting module, vehicle lamp, and heat dissipation member

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