JP2020191347A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い冷熱信頼性を有する、発熱性素子用冷却装置を提供すること。【解決手段】冷却装置２０Ａは、絶縁層２２と、絶縁層２２の上側に配置される熱伝導部材２１とを備える。熱伝導部材２１において、その平面方向における熱伝導率が最低の方向をａ方向、その平面方向におけるａ方向に直交する方向をｂ方向、及び、その厚さ方向をｃ方向とする。熱伝導部材２１のａ方向、ｂ方向及びｃ方向の熱伝導率をそれぞれｋａ、ｋｂ及びｋｃとする。熱伝導部材２１のａ方向、ｂ方向及びｃ方向の線膨張率をそれぞれαａ、αｂ及びαｃとする。ｋａ、ｋｂ及びｋｃは下記式１及び２を満足している。αａ、αｂ及びαｃは下記式３〜５を満足している。 ｋｂ＞ｋａ …式１、 ｋｃ＞ｋａ …式２、 ｜αａ−αｂ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式３、 ｜αｂ−αｃ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式４、 ｜αｃ−αａ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式５。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子（例：半導体チップ）等の発熱性素子を冷却する冷却装置に関する。

ここで、本発明に係る冷却装置の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、冷却装置の構成を理解し易くするため、冷却装置における発熱性素子が搭載される側を冷却装置の上側、及び、その反対側を冷却装置の下側と定義する。

さらに、本発明に係る冷却装置では、冷却装置の各構成部材の厚さ方向に垂直な面方向を各構成部材の平面方向という。

また、本明細書及び特許請求の範囲では、文中に特に明示した場合を除き、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられる。

金属−炭素粒子複合材は一般に高い熱伝導性と低い線膨張性を有している。この複合材の製造方法を開示した文献として、特許第５１５０９０５号公報（特許文献１）、特許第４４４１７６８号公報（特許文献２）及び特開２００６−１２３２号公報（特許文献３）がある。

特許文献１は、シート状又はフォイル状の金属支持体上に炭素粒子としての炭素繊維を含有する被膜が形成されたプリフォームを形成し、これを複数積み重ねて積層体を形成し、積層体を加熱圧接することでプリフォーム同士を一体化させることにより、金属−炭素粒子複合体としての金属基炭素繊維複合材を製造する方法を開示している。この方法では、得られる複合材において熱伝導率は炭素繊維が配向した一方向が高くなる傾向となる。

特許文献２は、鱗状黒鉛粉末と所定の鱗状金属粉末との混合体を用いて焼結前駆体を形成し、焼結前駆体を加圧しながら焼結することにより、金属−炭素粒子複合体としての金属−黒鉛複合材を製造する方法を開示している。この方法では、複合材の製造時において金属粉末の取り扱いが難しいし、製造コストが高いという問題がある。

特許文献３は、結晶系カーボン材層と金属層とが複合化された複合体をホットプレス焼結することにより、金属−炭素粒子複合材としての高熱伝導・低熱膨張複合材を製造する方法を開示している。この方法では、複合体の焼結条件の設定が難しいことが課題として考えられる。

金属−炭素粒子複合材について開示したその他の特許文献として、特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献４）、特開２０１５−２１７６５５号公報（特許文献５）、特開２０１８−７５６１７号公報（特許文献６）、特開２０１８−７５８０２号公報（特許文献７）及び特開２０１８−１８８７１１号公報（特許文献８）がある。

金属−炭素粒子複合材は、上述したように高い熱伝導性を有していることから、発熱性素子を冷却する冷却装置の構成部材の材料としての利用が期待されている。

特開２０１１−２５８７５５号公報（特許文献９）は、冷却装置の一構成部材である熱熱拡散体の材料として、グラファイト材料と金属との複合材を用いた冷却装置を開示している。この冷却装置では、発熱体（発熱性素子）は熱拡散体の上側に搭載される。熱拡散体の幅方向の熱伝導率と熱拡散体の厚さ方向の熱伝導率は、熱拡散体の長さ方向の熱伝導率よりも高くなっており、これにより冷却装置の冷却性能の向上が図られている。

冷却装置の構成部材の材料として金属−炭素粒子複合材を用いた冷却装置を開示したその他の特許文献として、特開２０１８−６６７３号公報（特許文献１０）がある。

特許第５１５０９０５号公報 特許第４４４１７６８号公報 特開２００６−１２３２号公報 特開２０１５−２５１５８号公報 特開２０１５−２１７６５５号公報 特開２０１８−７５６１７号公報 特開２０１８−７５８０２号公報 特開２０１８−１８８７１１号公報 特開２０１１−２５８７５５号公報 特開２０１８−６６７３号公報

而して、一般に冷却装置は、発熱性素子の動作の開始及び停止が繰り返し行われることにより冷熱サイクル負荷を受ける。発熱性素子の発熱量が増加すると、この冷熱サイクル負荷が大きくなり、その結果、冷却装置の構成部材同士を接合した接合界面（例：上配線層と絶縁層との間の接合界面）、上配線層と発熱性素子とを接合した接合界面（例：上配線層とはんだ層との間の接合界面）などに亀裂や剥離が生じ易くなる。したがって、冷却装置には、高い冷却性能はもとより更に冷熱サイクル負荷に対して高い信頼性、即ち高い冷熱信頼性も要求される。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高い冷却性能と高い冷熱信頼性を有する、発熱性素子を冷却する冷却装置を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

１） 発熱性素子を冷却する冷却装置であって、
互いに積層状に接合一体化される複数の冷却装置構成部材として、絶縁層と、前記絶縁層の上側に配置される熱伝導部材と、前記絶縁層の下側の配置される冷却部材とを備え、
前記熱伝導部材はその上側に発熱性素子が搭載されるものであり、且つ、前記熱伝導部材の平面方向の熱伝導率に異方性を有しており、
前記熱伝導部材において、前記熱伝導部材の前記平面方向における熱伝導率が最低の方向をａ方向、前記熱伝導部材の前記平面方向における前記ａ方向に直交する方向をｂ方向、及び、前記熱伝導部材の厚さ方向をｃ方向とし、
前記熱伝導部材の前記ａ方向、ｂ方向及びｃ方向の熱伝導率をそれぞれｋａ、ｋｂ及びｋｃとし、
前記熱伝導部材の前記ａ方向、ｂ方向及びｃ方向の線膨張率をそれぞれαａ、αｂ及びαｃとするとき、
ｋａ、ｋｂ及びｋｃが下記式１及び２を満足するとともに、αａ、αｂ及びαｃが下記式３〜５を満足している冷却装置。

ｋｂ＞ｋａ …式１
ｋｃ＞ｋａ …式２
｜αａ−αｂ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式３
｜αｂ−αｃ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式４
｜αｃ−αａ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式５。

２） αａ、αｂ及びαｃがいずれも５〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲である前項１記載の冷却装置。

３） 前記熱伝導部材は、アルミニウムマトリックスと前記アルミニウムマトリックス中に分散した炭素粒子とを含むアルミニウム−炭素粒子複合材で形成されている前項１又は２記載の冷却装置。

４） 前記複合材は、炭素繊維及び鱗片状黒鉛粒子を前記炭素粒子として含む前項３記載の冷却装置。

５） 前記複合材に対する前記炭素繊維の体積含有率が５〜１５体積％の範囲であり、前記複合材に対する前記鱗片状黒鉛粒子の体積含有率が２０〜５０体積％の範囲である前項４記載の冷却装置。

６） 前記複合材は、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素繊維及び前記鱗片状黒鉛粒子のうち少なくとも一方が分散した複数の炭素粒子分散層と、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素粒子が実質的に存在していない複数のアルミニウム層とを含むとともに、前記炭素粒子分散層と前記アルミニウム層とが交互に複数積層された状態に配列しており、
前記熱伝導部材において、前記複合材における前記炭素粒子分散層と前記アルミニウム層との積層方向が前記熱伝導部材の前記ａ方向に向いている前項４又は５記載の冷却装置。

７） 前記複合材は、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素繊維が分散し且つ前記鱗片状黒鉛粒子が実質的に存在してない複数の炭素繊維分散層と、前記アルミニウムマトリックス中に前記鱗片状黒鉛粒子が分散し且つ前記炭素繊維が実質的に存在していない複数の鱗片状黒鉛粒子分散層とを、前記複数の炭素粒子分散層として含む前項６記載の冷却装置。

８） 前記複合材における前記炭素繊維分散層と前記鱗片状黒鉛粒子分散層と前記アルミニウム層とが、前記熱伝導部材の前記ａ方向に規則的な積層順序に配列している前項７記載の冷却装置。

９） 前記複合材は、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素繊維及び前記鱗片状黒鉛粒子が混合分散した複数の炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合分散層を前記複数の炭素粒子分散層として含む前項６又は７記載の冷却装置。

本発明は以下の効果を奏する。

前項１では、冷却装置の熱伝導部材のｋａ、ｋｂ及びｋｃが上記式１及び２を満足するとともに、αａ、αｂ及びαｃが上記式３〜５を満足することにより、発熱性素子から冷却部材への熱伝導性が向上するし、熱伝導部材の三方向（ａ方法、ｂ方向及びｃ方向）の線膨張率差に起因する熱応力を小さくすることができる。これにより、冷却装置の冷却性能を高めることができるし、冷却装置の冷熱信頼性を高めることができる。

前項２では、αａ、αｂ及びαｃがいずれも５〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲であることにより、熱伝導部材とはんだ層との間の線膨張率差、熱伝導部材と発熱性素子（具体的には半導体素子など）との間の線膨張率差、及び、熱伝導部材と絶縁層との間の線膨張率差に起因する熱応力をそれぞれ小さくすることができる。これにより、冷却装置の冷熱信頼性を更に高めることができる。

前項３〜８では、冷却装置の冷却性能及び冷熱信頼性を確実に高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置を、発熱性素子を搭載した状態で示す概略側面図である。 図２は、同冷却装置を発熱性素子と分離した状態で示す概略斜視図である。 図３は、図１中のＡ部分の拡大断面図である。 図４は、複数の黒鉛粒子塗工箔と複数の炭素繊維塗工箔とを積層する途中の状態の斜視図である。 図５は、アルミニウム−炭素粒子複合材の本体の斜視図である。 図６は、図５中のＢ部分の拡大断面斜視図である。 図７は、同本体を切断することで得られた、上配線層形成用複合材の斜視図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置における図３に対応する拡大断面図である。 図９は、本発明の第３実施形態に係る冷却装置における図３に対応する拡大断面図である。 図１０は、本発明の第４実施形態に係る冷却装置における図３に対応する拡大断面図である。

次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１〜８は、本発明の第１実施形態を説明する図である。

図１及び２に示すように、本第１実施形態に係る冷却装置２０Ａは、発熱性素子２７を冷却するものである。発熱性素子２７としては半導体素子（例：パワー半導体素子）などが挙げられる。

冷却装置２０Ａは、互いに積層状に接合一体化された複数の冷却装置構成部材２１〜２５を備える。具体的には、冷却装置２０Ａは、複数の構成部材として、上配線層２１、絶縁層２２、下配線層２３、緩衝層２４及び冷却部材２５を備えるとともに、これらの部材が上から下へこの記載の順に積層された状態で所定の接合手段により接合一体化されており、これにより冷却装置２０Ａが形成されている。

接合手段は限定されるものではなく、ろう付け、圧延クラッド、焼結（例：放電プラズマ焼結）などが用いられる。

絶縁層２２は電気絶縁性を有しており、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックからなる。

上配線層２１は、絶縁層２２の上側に配置される板状の熱伝導部材に相当するものであり、絶縁層２２の上面に接合されている。上配線層２１の上側には発熱性素子２７が搭載される。詳述すると、上配線層２１はその平坦状の上面からなる、発熱性素子２７用搭載面２１ａを有しており、発熱性素子２７はこの搭載面２１ａにはんだ層２６を介して接合されることで搭載面２１ａに搭載される。なお、上配線層２１は回路層とも呼ばれている。

下配線層２３は、絶縁層２２の下側に配置されており、具体的には絶縁層２２の下面に接合されている。

緩衝層２４は、冷却装置２０Ａに発生する熱応力を緩和するための層であり、絶縁層２２の下側に配置されており、具体的には下配線層２３の下面に接合されている。

冷却部材２５は、絶縁層２２の下側に配置されており、具体的には緩衝層２４の下面に接合されている。本第１実施形態では、冷却部材２５は液冷式のものであり、詳述すると冷却部材２５はその内部に冷却液（例：冷却水）が流通する通路（図示せず）が設けられたものである。

冷却装置２０Ａでは、発熱性素子２７の熱は発熱性素子２７からはんだ層２６、上配線層２１、絶縁層２２、下配線層２３、緩衝層２４及び冷却部材２５に順次伝導し、その結果、発熱性素子２７が冷却される。

ここで本発明では、冷却部材２５は液冷式のものであることに限定されるものではなく、その他に例えば空冷式のものであってもよい。冷却部材が空冷式のものである場合、冷却部材は一般に放熱部材（例：ヒートシンク、放熱板）などを備える。この場合、発熱性素子２７の熱が放熱部材から放散されることにより発熱性素子２７が冷却される。

冷却装置２０Ａにおいて、下配線層２３、緩衝層２４及び冷却部材２５の材料は限定されるものではなく、好ましくは、金属（例：アルミニウム、銅）、金属−炭素粒子複合材、金属−窒化ホウ素複合材、グラファイトシートなどの高熱伝導性材料であることがよい。

次に、上配線層２１の構成について以下に説明する。

図１及び２中の矢印Ｗ、Ｌ及びＴは、それぞれ、冷却装置２０Ａの各構成部材（即ち、上配線層２１、絶縁層２２、下配線層２３、緩衝層２４及び冷却部材２５）の幅方向Ｗ、長さ方向Ｌ及び厚さ方向Ｔを示している。矢印Ｗ、Ｌ及びＴは互いに直交している。

図１及び２に示すように、上配線層２１は上述したように搭載面２１ａを有している。なお、図２中のクロスハッチング領域「２１ｂ」は、上配線層２１の搭載面２１ａにおける発熱性素子２７との接合領域を示している。

上配線層２１は平面視方形状であり、詳述すると平面視長方形状である。したがって、上配線層２１は幅方向Ｗ及び長さ方向Ｌを有している。上配線層２１の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．２〜２ｍｍである。

上配線層２１はその平面方向の熱伝導率に異方性を有するものである。

ここで、図１及び２に示すように、上配線層２１において、上配線層２１の平面方向における熱伝導率が最低の方向をａ方向、上配線層２１の平面方向におけるａ方向に直交する方向をｂ方向、及び、上配線層２１の厚さ方向をｃ方向と定義する。

さらに、上配線層２１のａ方向、ｂ方向及びｃ方向の熱伝導率をそれぞれｋａ、ｋｂ及びｋｃと定義する。

さらに、上配線層２１のａ方向、ｂ方向及びｃ方向の線膨張率をそれぞれαａ、αｂ及びαｃと定義する。

上配線層２１において、ｋａ、ｋｂ及びｋｃは下記式１及び２を満足しており、またαａ、αｂ及びαｃは下記式３〜５を満足している。

ｋｂ＞ｋａ …式１
ｋｃ＞ｋａ …式２
｜αａ−αｂ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式３
｜αｂ−αｃ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式４
｜αｃ−αａ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式５。

ｋａ、ｋｂ及びｋｃが式１及び２を満足することにより、発熱性素子２７から冷却部材２５への熱伝導性が向上する。これにより、冷却装置２０Ａの冷却性能を高めることができる。αａ、αｂ及びαｃが式３〜５を満足することにより、上配線層２１の三方向（即ちａ方向、ｂ方向及びｃ方向）の線膨張率差に起因する熱応力を小さくすることができる。これにより、冷却装置２０Ａの冷熱サイクル負荷に対する信頼性、即ち冷却装置２０Ａの冷熱信頼性を高めることができる。

さらに、αａ、αｂ及びαｃはいずれも５〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲であることが好ましい。この場合、上配線層２１とはんだ層２６との間の線膨張率差、上配線層２１と発熱性素子（具体的には半導体素子）２７との間の線膨張率差、及び、上配線層２１と絶縁層２２との間の線膨張率差に起因する熱応力をそれぞれ小さくすることができる。これにより、冷却装置２０Ａの冷熱信頼性を更に高めることができる。

本第１実施形態では、上配線層２１のａ方向、ｂ方向及びｃ方向は、それぞれ上配線層２１の幅方向Ｗ、長さ方向Ｌ及び厚さ方向Ｔに向いており、詳述するとそれぞれ上配線層２１の幅方向Ｗ、長さ方向Ｌ及び厚さ方向Ｔと一致している。

次に、上配線層２１についてその材料を中心に以下に説明する。

図３に示すように、上配線層２１は、アルミニウムマトリックス（ドットハッチングで示す）９とアルミニウムマトリックス９中に分散した多数の炭素粒子６とを含む板状のアルミニウム−炭素粒子複合材（詳述すると板状のアルミニウム−炭素粒子複合体）１８で形成されている。なお、この複合材１８はアルミニウム基炭素粒子複合材とも呼ばれている。

複合材１８のアルミニウムマトリックス９のアルミニウム材料の種類は限定されるものではなく、好ましくは純アルミニウム又は高純度アルミニウムであることがよい。その理由は、このようなアルミニウムは高い熱伝導率を有するからである。

炭素粒子６としては、炭素繊維（詳述すると短炭素繊維）３ａ、黒鉛粒子及びグラフェンからなる群より選択される少なくとも一種が用いられることが好ましい。

炭素繊維３ａとしては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ（登録商標）を含む）及びカーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも一種が用いられ、好ましくはピッチ系炭素繊維又はＰＡＮ系炭素繊維が用いられる。その理由は、このような炭素繊維は安価に入手可能であるからである。特にピッチ系炭素繊維が好適に用いられる。その理由は、ピッチ系炭素繊維は高い熱伝導率を有するからである。

黒鉛粒子としては、天然黒鉛粒子（例：鱗片状黒鉛粒子４ａ）、人造黒鉛粒子及び熱分解黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種が用いられることが好ましく、特に鱗片状黒鉛粒子４ａが好適に用いられる。その理由は、鱗片状黒鉛粒子４ａはその平面方向において高い熱伝導率を有するからである。なお、鱗片状黒鉛粒子４ａの平面方向とは、鱗片状黒鉛粒子４ａの厚さ方向に垂直な面方向を意味する。

炭素粒子６の大きさは限定されるものではないが、炭素粒子６が炭素繊維３ａである場合、炭素繊維３ａの平均繊維長さは１０μｍ〜２ｍｍの範囲であることが好ましく、また炭素粒子６が鱗片状黒鉛粒子４ａなどの黒鉛粒子である場合、黒鉛粒子における最も長い方向の長さは３０μｍ〜３ｍｍの範囲であることが好ましい。

炭素粒子６が鱗片状黒鉛粒子４ａなどの黒鉛粒子である場合、そのアスペクト比は限定されるものではなく、好ましくは３０以上であることがよい。その理由は、そのようなアスペクト比の黒鉛粒子は高い熱伝導率を有するからである。

さらに、炭素粒子６は非酸化性雰囲気（例：不活性ガス雰囲気、真空雰囲気）中にて２０００〜３０００℃の温度で熱処理されたという熱処理履歴を有するものであってもよい。この場合、炭素粒子６は高い熱伝導率を有する。

本第１実施形態では、複合材１８の炭素粒子６として、炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａの両方が用いられている。したがって、複合材１８は炭素繊維３ａと鱗片状黒鉛粒子４ａとの両方を炭素粒子６として含んでいる。

さらに、複合材１８は、アルミニウムマトリックス９中に炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａのうち少なくとも一方が分散した複数の炭素粒子分散層２と、アルミニウムマトリックス９中に炭素粒子６が存在していない複数のアルミニウム層１とを含んでいる。複合材１８において炭素粒子分散層２とアルミニウム層１とは交互に複数積層された状態に配列している。そして、複数の炭素粒子分散層２と複数のアルミニウム層１とがこの積層状態で接合一体化されている。

ここで、説明の便宜上、複合材１８において、炭素粒子分散層２とアルミニウム層１との積層方向を複合材１８のＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直な面方向における互いに直交する二方向のうちの一方を複合材のＸ方向及び他方を複合材のＹ方向とする。

複合材１８では、炭素粒子分散層２に平行な面が複合材１８の高熱伝導面ＸＹ（二点鎖線で示す）であり（図１及び２参照）、この高熱伝導面ＸＹに垂直な方向、即ち複合材１８のＺ方向が複合材１８の低熱伝導方向である。

図２に示すように、上配線層２１において、複合材１８のＺ方向は上配線層２１のａ方向（即ち上配線層２１の幅方向Ｗ）に向いており、具体的にはａ方向と一致している。複合材１８のＸ方向は上配線層２１のｂ方向（即ち上配線層２１の長さ方向Ｌ）に向いており、具体的にはｂ方向と一致している。複合材１８のＹ方向は上配線層２１のｃ方向（即ち上配線層２１の厚さ方向Ｔ）に向いており、具体的にはｃ方向と一致している。

さらに、複合材１８を詳細に説明すると次のとおりである。

本第１実施形態では、図３に示すように、複合材１８における複数の炭素粒子分散層２は、複数の炭素繊維分散層３と複数の鱗片状黒鉛粒子分散層４とからなる。

炭素繊維分散層３は、複合材１８のアルミニウムマトリックス９中に炭素繊維３ａが分散し且つ鱗片状黒鉛粒子４ａが存在してない層である。

鱗片状黒鉛粒子分散層４は、複合材１８のアルミニウムマトリックス９中に鱗片状黒鉛粒子４ａが分散し且つ炭素繊維３ａが存在していない層である。

さらに、上配線層２１において、複合材１８における炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とは、上配線層２１のａ方向にその略全体に亘って規則的な積層順序に配列している。

炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とについての積層順序の単位７は、「アルミニウム層１／炭素繊維分散層３／アルミニウム層１／鱗片状黒鉛粒子分散層４」という単位である。そして、複合材１８（上配線層２１）において、炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とは、この積層順序単位７が上配線層２１のａ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

積層順序単位７中に存在する炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４との層数比は１：１である。そして、炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とは、この層数比で上配線層２１のａ方向の略全体に亘って配列している。

次に、複合材１８の炭素粒子分散層２中の炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａが複合材１８（上配線層２１）に及ぼす作用について以下に説明する。

複合材１８が炭素粒子６として炭素繊維３ａを含むことにより、複合材１８のＸ方向及びＹ方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率よりも僅かに高くなるとともに、複合材１８のＺ方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率よりも低くなり、また、複合材１８のＸ方向及びＹ方向の線膨張率（具体例：２〜１５ｐｐｍ／Ｋ）がアルミニウムの線膨張率よりも低くなるとともに、複合材１８のＺ方向の線膨張率（具体例：３０〜４５ｐｐｍ／Ｋ）がアルミニウムの線膨張率よりも高くなる。

複合材１８が炭素粒子６として鱗片状黒鉛粒子４ａを含むことにより、複合材１８のＸ方向及びＹ方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率よりも高くなるとともに、複合材１８のＺ方向の熱伝導率がアルミニウムの熱伝導率よりも低くなり、また、複合材１８のＸ方向及びＹ方向の線膨張率（具体例：８〜２２ｐｐｍ／Ｋ）はアルミニウムの線膨張率よりも低くなるとともに、複合材１８のＺ方向の線膨張率（具体例：５〜２０ｐｐｍ／Ｋ）もアルミニウムの線膨張率よりも低くなるが、アルミニウムの線膨張率に対する複合材１８のＺ方向の線膨張率の低下割合の方が複合材１８のＸ方向及びＹ方向の線膨張率の低下割合よりも大きい。

複合材１８が上述した特性を有する炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａの両方を炭素粒子６として含むことにより、ｋａ、ｋｂ及びｋｃが上記式１及び２を確実に満足するようになるし、αａ、αｂ及びαｃが上記式３〜５を確実に満足するようになり、更に、αａ、αｂ及びαｃをそれぞれ５〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲に確実に設定することができる。そのため、冷却装置２０Ａの冷却性能及び冷熱信頼性を確実に高めることができる。

さらに、複合材１８において、複合材１８に対する炭素繊維３ａの体積含有率（この値を「Ｖｆｃ」とする）が５〜１５体積％の範囲であり、複合材１８に対する鱗片状黒鉛粒子４ａの体積含有率（この値を「Ｖｆｇ」とする）が２０〜５０体積％の範囲であることが好ましい。この場合、ｋａ、ｋｂ及びｋｃが上記式１及び２を確実に満足するようになるし、αａ、αｂ及びαｃが上記式３〜５を確実に満足するようになり、更に、αａ、αｂ及びαｃをそれぞれ５〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲に確実に設定することができる。そのため、冷却装置２０Ａの冷却性能及び冷熱信頼性を更に確実に高めることができる。

Ｖｆｃの更に好ましい下限は１０体積％である。Ｖｆｇの更に好ましい下限は２５体積％であり、Ｖｆｇの更に好ましい上限は４５体積％である。

次に、上配線層２１の好ましい製造方法について図４〜７を参照して以下に説明する。

図４に示すように、第１アルミニウム箔１１（詳述すると第１アルミニウム箔１１の片側の表面）上に炭素繊維３ａが塗工された複数の炭素繊維塗工箔１１Ａと、第２アルミニウム箔１２（詳述すると第２アルミニウム箔１２の片側の表面）上に鱗片状黒鉛粒子４ａが塗工された複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとをそれぞれ準備する。

第１及び第２アルミニウム箔１１、１２のアルミニウム材料が上述した複合材１８のアルミニウムマトリックス９の材料である。

炭素繊維塗工箔１１Ａでは、炭素繊維３ａは第１アルミニウム箔１１上にその略全体に亘って塗工されており、更に、第１バインダー（図示せず）によって第１アルミニウム箔１１に結着している。

また、炭素繊維３ａが第１アルミニウム箔１１上に塗工された状態において、炭素繊維３ａの長さ方向は第１アルミニウム箔１１の平面（即ち第１アルミニウム箔の表面と平行な面）内において略ランダムに向いており、したがって炭素繊維３ａは第１アルミニウム箔１１の平面内において殆ど配向していない。

炭素繊維塗工箔１１Ａは、第１バインダーが第１溶剤で溶解した第１バインダー液と炭素繊維３ａとを含む第１塗料（図示せず）を第１アルミニウム箔１１上に塗工し乾燥することにより、製作される。第１アルミニウム箔１１上に塗工された第１塗料を乾燥する目的は、当該第１塗料中の第１溶剤を第１塗料から蒸発除去するためである。

炭素繊維塗工箔１１Ａにおいて、第１アルミニウム箔１１上における炭素繊維３ａの塗工量は、上配線層２１のｋａ、ｋｂ、ｋｃ、αａ、αｂ及びαｃが上述した所定の式を満足するように設定されることが好ましい。

鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａでは、鱗片状黒鉛粒子４ａは第２アルミニウム箔１２上にその略全体に亘って塗工されており、更に、第２バインダー（図示せず）によって第２アルミニウム箔１２に結着している。

また、鱗片状黒鉛粒子４ａが第２アルミニウム箔１２上に塗工された状態において、鱗片状黒鉛粒子４ａの平面方向が第２アルミニウム箔１２の表面と平行になるように鱗片状黒鉛粒子４ａが第２アルミニウム箔１２上に分散しており、したがって鱗片状黒鉛粒子４ａは第２アルミニウム箔１２の平面内において殆ど配向していない。

鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａは、第２バインダーが第２溶剤で溶解した第２バインダー液と鱗片状黒鉛粒子４ａとを含む第２塗料（図示せず）を第２アルミニウム箔１２上に塗工し乾燥することにより、製作される。第２アルミニウム箔１２上に塗工された第２塗料を乾燥する目的は、当該第２塗料中の第２溶剤を第２塗料から蒸発除去するためである。

鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａにおいて、第２アルミニウム箔１２上における鱗片状黒鉛粒子４ａの塗工量は、上配線層２１のｋａ、ｋｂ、ｋｃ、αａ、αｂ及びαｃが上述した所定の式を満足するように設定されることが好ましい。

第１及び第２バインダーは通常、樹脂からなり、その種類は限定されるものではない。具体的には、第１及び第２バインダーとして、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、アクリル系樹脂などが好適に用いられる。

第１及び第２溶剤の種類は限定されるものではなく、具体的には、溶剤として、親水性溶剤（例：イソプロピルアルコール、水）、有機溶剤などが用いられる。

第１塗料は、炭素繊維３ａと第１バインダー液とを混合状態に含むものであることが好ましく、この場合、炭素繊維３ａは第１バインダー液（第１塗料）中に略均一に分散している。第１塗料の調製は、炭素繊維３ａと第１バインダー液とを混合容器内で所定のミキサーにより混合撹拌することにより行われることが好ましい。

第２塗料は、鱗片状黒鉛粒子４ａと第２バインダー液とを混合状態に含むものであることが好ましく、この場合、鱗片状黒鉛粒子４ａは第２バインダー液（第２塗料）中に略均一に分散している。第２塗料の調製は、鱗片状黒鉛粒子４ａと第２バインダー液とを混用容器内で所定のミキサーにより混合撹拌することにより行われることが好ましい。

上述したミキサーとしては、ディスパー、プラネタリーミキサー、ビーズミルなどが用いられる。

第１塗料の第１アルミニウム箔１１上への塗工方法は限定さない。好ましくは、第１塗料の塗工は、特開２０１５−２５１５８号公報、特開２０１５−２７１６５５号公報などに開示されているようなロールｔｏロール方式により行われる。

第１塗料の塗工装置としては、グラビアコーター、３本ロールコーター（オフセットタイプ）、ナイフコーター、ダイコーター、ロールコーター（２本ロールコーター）、スプレーコーター、カーテンコーター、リバースロールコーター、バーコーターなどが用いられる。

第１アルミニウム箔１１上に塗工された第１塗料を乾燥する装置としては、乾燥炉などが用いられる。

第２塗料の第２アルミニウム箔１２上への塗工方法は限定さない。好ましくは、第２塗料の塗工は、第１塗料の塗工と同様にロールｔｏロール方式により行われる。

第２塗料の塗工装置としては、例えば上述した第１塗料の塗工装置と同じものが用いられる。

第２アルミニウム箔１２上に塗工された第２塗料を乾燥する装置としては、乾燥炉などが用いられる。

次いで、図４に示すように、複数の炭素繊維塗工箔１１Ａと複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとが積層された状態の積層体１５を形成する。

積層体１５は、複数の炭素繊維塗工箔１１Ａと複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとが積層体１５の厚さ方向（同図では上下方向）の略全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成されている。

ここで、積層体１５の厚さ方向とは、炭素繊維塗工箔１１Ａ及び鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａの積層方向であり、この方向は上述した複合材１８のＺ方向と一致する。

炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとについての積層順序の単位１６は、「炭素繊維塗工箔１１Ａ／鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａ」という単位である。そして、積層体１５において、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとは、この積層順序単位１６が積層体１５の厚さ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

積層順序単位１６中に存在する炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとの枚数比は１：１である。そして、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとは、この枚数比で積層体１５の厚さ方向の略全体に亘って配列している。さらに、同図に示すように、積層体１５の最上段の炭素粒子塗工箔（同図では炭素繊維塗工箔１１Ａ）の上側に、炭素粒子が塗工されていないアルミニウム箔１３を更に積層することが好ましい。

次いで、積層体１５を加熱焼結し、これにより、積層体１５全体に存在する複数の炭素繊維塗工箔１１Ａ及び複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａを一括して接合一体化（詳述すると焼結一体化）する。その結果、図５及び６に示した、アルミニウム−炭素粒子複合材の本体（素材）１７が得られる。本体１７は例えば概略直方体状乃至立方体状である。

積層体１５の焼結法は、真空ホットプレス法、パルス通電焼結法（ＳＰＳ法）、熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ法）、押出法、圧延法などから選択される。

積層体１５を加熱焼結する際には、積層体１５をその厚さ方向（即ち、炭素繊維塗工箔１１Ａ及び鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａの積層方向）に加圧しながら加熱することが好ましい。その理由は積層体１５を強固に焼結できるからである。

積層体１５を焼結するための積層体１５の加熱温度、即ち積層体１５の焼結温度は限定されるものではなく、好ましくは５５０〜６２０℃である。

積層体１５中に存在する第１及び第２バインダーは、積層体１５の温度が略室温から焼結温度まで上昇するように積層体１５を加熱する途中で昇華、分解などにより消失して積層体１５中から除去される。

積層体１５を加熱焼結する際において、積層体１５が加熱されことにより、第１及び第２アルミニウム箔１１、１２のアルミニウム材料の一部が各炭素繊維塗工箔１１Ａの炭素繊維３ａ間に浸入して炭素繊維３ａ間の隙間が略消滅する。これにより、各炭素繊維塗工箔１１Ａの炭素繊維３ａがアルミニウムマトリックス９中に層状に分散した状態になり、すなわち複合材の本体１７に炭素繊維分散層３が炭素粒子分散層２として形成される。

さらに、第１及び第２アルミニウム箔１１、１２のアルミニウム材料の一部が各鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａの鱗片状黒鉛粒子４ａ間に浸入して鱗片状黒鉛粒子４ａ間の隙間が略消滅する。これにより、各鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａの鱗片状黒鉛粒子４ａがアルミニウムマトリックス９中に層状に分散した状態になり、すなわち複合材の本体１７に鱗片状黒鉛粒子分散層４が炭素粒子分散層２として形成される。

また、各炭素繊維塗工箔１１Ａの第１アルミニウム箔１１と各鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａの第２アルミニウム箔１２とが複合材の本体１７のアルミニウム層１になる。

次いで、図５に示すように、複合材の本体１７を複合材１８のＺ方向（即ち、複合材１８における炭素粒子分散層２とアルミニウム層１との積層方向）と略平行な切断面１９（一点鎖線で示す）にてスライス状に切断し、これにより、図７に示すように上配線層形成用の板状のアルミニウム−炭素粒子複合材１８を得る。そして、この複合材１８のＺ方向が上配線層２１のａ方向に向くように上配線層２１を複合材１８で形成する。

詳述すると、上配線層２１が複合材１８で形成された状態では、複合材１８のＺ方向は上述したように上配線層２１のａ方向（即ち上配線層２１の幅方向Ｗ）に向いており、複合材１８のＸ方向は上配線層２１のｂ方向（即ち上配線層２１の長さ方向Ｌ）に向いており、複合材１８のＹ方向は上配線層のｃ方向（即ち上配線層２１の厚さ方向Ｔ）に向いている。

本第１実施形態の冷却装置２０Ａでは、上述したように、上配線層２１を形成する複合材１８における炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とが上配線層２１のａ方向に規則的な積層順序に配列している。これにより、冷却装置２０Ａの冷却性能及び冷熱信頼性を確実に高めることができる。

図８は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置２０Ｂにおける図３に対応する拡大断面図である。この図において、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素と同じ作用を奏する要素には、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素に付された符号と同じ符号が付されている。以下、本第２実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。

同図に示すように、本第２実施形態の冷却装置２０Ｂでは、上配線層２１を形成するアルミニウム−炭素粒子複合材１８における炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とについての積層順序の単位７は、「アルミニウム層１／炭素繊維分散層３／アルミニウム層１／鱗片状黒鉛粒子分散層４／アルミニウム層１／鱗片状黒鉛粒子分散層４」という単位である。そして、複合材１８（上配線層２１）において、炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とは、この積層順序単位７が上配線層２１のａ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

積層順序単位７中に存在する炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４との層数比は１：２である。そして、炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とは、この層数比で上配線層２１のａ方向の略全体に亘って配列している。

複合材１８の本体１７は、次のような構成の積層体１５を加熱焼結することにより得られる。

積層体１５は、複数の炭素繊維塗工箔１１Ａと複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとが積層体１５の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成されている。

炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとについての積層順序の単位１６は、「炭素繊維塗工箔１１Ａ／鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａ／鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａ」という単位である。そして、積層体１５において、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとは、この積層順序単位１６が積層体１５の厚さ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

積層順序単位１６中に存在する炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとの枚数比は１：２である。そして、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとは、この枚数比で積層体１５の厚さ方向の略全体に亘って配列している。

図９は、本発明の第３実施形態に係る冷却装置２０Ｃにおける図３に対応する拡大断面図である。この図において、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素と同じ作用を奏する要素には、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素に付された符号と同じ符号が付されている。以下、本第３実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。

同図に示すように、本第３実施形態の冷却装置２０Ｃでは、上配線層２１を形成するアルミニウム−炭素粒子複合材１８における炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とについての積層順序の単位７は、「アルミニウム層１／炭素繊維分散層３／アルミニウム層１／炭素繊維分散層３／アルミニウム層１／鱗片状黒鉛粒子分散層４」という単位である。そして、複合材１８（上配線層２１）において、炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とアルミニウム層１とは、この積層順序単位７が上配線層２１のａ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

積層順序単位７中に存在する炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４との層数比は２：１である。そして、炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４とは、この層数比で上配線層２１のａ方向の略全体に亘って配列している。

複合材１８の本体１７は、次のような構成の積層体１５を加熱焼結することにより得られる。

積層体１５は、複数の炭素繊維塗工箔１１Ａと複数の鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとが積層体１５の厚さ方向の略全体に亘って規則的な積層順序で積層されるように形成されている。

炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとについての積層順序の単位１６は、「炭素繊維塗工箔１１Ａ／炭素繊維塗工箔１１Ａ／鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａ」という単位である。そして、積層体１５において、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとは、この積層順序単位１６が積層体１５の厚さ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

積層順序単位１６中に存在する炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとの枚数比は２：１である。そして、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとは、この枚数比で積層体１５の厚さ方向の略全体に亘って配列している。

図１０は、本発明の第４実施形態に係る冷却装置２０Ｄにおける図３に対応する拡大断面図である。この図において、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素と同じ作用を奏する要素には、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素に付された符号と同じ符号が付されている。以下、本第４実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。

同図に示すように、本第４実施形態の冷却装置２０Ｄでは、上配線層２１を形成するアルミニウム−炭素粒子複合材１８は、アルミニウムマトリックス９中に炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａが混合分散した複数の炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合分散層５（これを「混合分散層５」ともいう）を複数の炭素粒子分散層２として含んでいる。複合材１８において混合分散層５とアルミニウム層１とは、上配線層２１のａ方向に交互に複数積層された状態に配列している。そして、複数の混合分散層５と複数のアルミニウム層１とがこの積層状態で接合一体化（詳述すると焼結一体化）されている。

上配線層２１を形成する複合材１８における混合分散層５とアルミニウム層１とについての積層順序の単位７は、「アルミニウム層１／混合分散層５」という単位である。そして、複合材１８（上配線層２１）において、混合分散層５とアルミニウム層１とは、この積層順序単位７が上配線層２１のａ方向にその略全体に亘って繰り返されるという積層規則に従って積層された状態に配列している。

上記上配線層２１を形成するアルミニウム−炭素粒子複合材１８の本体１７は、次のような構成の積層体１５を加熱焼結することにより得られる。

積層体１５は、複数の炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合塗工箔（これを「混合塗工箔」ともいう）を積層することにより形成される。

混合塗工箔は、炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａが混合状態でアルミニウム箔上にその略全体に亘って塗工されたものである。アルミニウム箔上の炭素繊維３ａ及び鱗片状黒鉛粒子４ａはバインダーによってアルミニウム箔に結着している。

混合塗工箔は、バインダーが溶剤で溶解したバインダー液と炭素繊維３ａと鱗片状黒鉛粒子４ａとを含む塗料をアルミニウム箔上に塗工し乾燥することにより、製作される。塗料は、炭素繊維３ａと鱗片状黒鉛粒子４ａとを混合状態に含むものである。この場合、炭素繊維３ａと鱗片状黒鉛粒子４ａとはバインダー液（塗料）中に略均一に分散し且つ略均一に混合されている。

次いで、積層体１５を加熱焼結し、これにより、積層体１５全体に存在する複数の混合塗工箔を一括して接合一体化（詳述すると焼結一体化）する。その結果、アルミニウム−炭素粒子複合材１８の本体１７が得られる。その後は上記第１実施形態と同じ方法で上配線層２１を複合材１８で形成する。

以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。

本発明では、アルミニウム−炭素粒子複合材１８における積層順序単位７中に存在する炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４との層数比は１：１（第１実施形態）、１：２（第２実施形態）、２：１（第３実施形態）に限定されるものではなく、上配線層２１（熱伝導部材）のｋａ、ｋｂ、ｋｃ、αａ、αｂ及びαｃが上述した所定の式を満足するように設定されることが好ましい。したがって、この層数比は、１：１、１：２及び２：１の他に例えば１：３〜１０であってもよいし３〜１０：１であってもよい。

また本発明では、上配線層２１（熱伝導部材）を形成するアルミニウム−炭素粒子複合材１８は、複数の炭素繊維分散層３と複数の鱗片状黒鉛粒子分散層４と複数の炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合分散層５とを複数の炭素粒子分散層２として含んでいてもよい。この場合、複合材１８における炭素繊維分散層３と鱗片状黒鉛粒子分散層４と炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合分散層５とアルミニウム層１とは、上配線層２１（熱伝導部材）のａ方向に規則的な積層順序に配列することが好ましい。

本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
実施例１では、図１〜７に示した上記第１実施形態の冷却装置２０Ａを以下の方法で製造した。なお、実施例１を理解し易くするため、上記第１実施形態の冷却装置２０Ａの要素に付された符号を用いて実施例１を説明する。

炭素繊維３ａと第１バインダー液とを混合状態に含む第１塗料を調製した。

炭素繊維３ａは、平均繊維長さ１５０μｍ及び平均繊維直径１０μｍのピッチ系炭素繊維であった。第１バインダー液は、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）とポリビニルアルコール（ＰＶＡ）との混合物の水溶液であった。第１塗料において、炭素繊維３ａは第１バインダー液（第１塗料）中に略均一に分散していた。

そして、第１塗料を第１アルミニウム箔１１上に塗工し乾燥することにより、第１アルミニウム箔１１上に炭素繊維３ａが所定の塗工量で塗工された炭素繊維塗工箔１１Ａを製作した。この塗工箔１１Ａでは、炭素繊維３ａの長さ方向は第１アルミニウム箔１１の平面（即ち第１アルミニウム箔１１の表面と平行な面）内において略ランダムに向いており、したがって炭素繊維３ａは第１アルミニウム箔１１の平面内において殆ど配向していなかった。

また、鱗片状黒鉛粒子４ａと第２マインダー液とを混合状態に含む第２塗料を調製した。

鱗片状黒鉛粒子４ａは、その最長軸方向の平均長さが３００μｍであり、そのアスペクト比が３０であった。第２バインダー液はＰＥＯとＰＶＡとの混合物の水溶液であった。第２塗料において、鱗片状黒鉛粒子４ａは第２バインダー液（第２塗料）中に略均一に分散していた。

そして、第２塗料を第２アルミニウム箔１２上に塗工し乾燥することにより、第２アルミニウム箔１２上に鱗片状黒鉛粒子４ａが所定の塗工量で塗工された鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａを製作した。この塗工箔１２Ａでは、鱗片状黒鉛粒子４ａの平面方向が第２アルミニウム箔１２の表面と平行になるように鱗片状黒鉛粒子４ａが第２アルミニウム箔１２上に分散されており、したがって鱗片状黒鉛粒子４ａは第２アルミニウム箔１２の平面内において殆ど配向していなかった。

次いで、図４に示すように、炭素繊維塗工箔１１Ａと鱗片状黒鉛粒子塗工箔１２Ａとを交互に複数積層することにより積層体１５を形成した。この積層体１５を真空中にて６００℃で加熱焼結することにより、図５に示すようにアルミニウム−炭素粒子複合材の本体１７を製造した。この本体１７において、複合材に対する炭素繊維３ａの体積含有率Ｖｆｃと複合材に対する鱗片状黒鉛粒子４ａの体積含有率Ｖｆｇとを、それぞれ図１中の「Ｖｆｃ」欄及び「Ｖｆｇ」欄に記載した。

その後、複合材の本体１７を複合材のＺ方向と平行な切断面１９にてスライス状に所定の厚さで切断し、これにより、図７に示すように上配線層形成用の平面視略長方形の板状のアルミニウム−炭素粒子複合材（詳述すると板状のアルミニウム−炭素粒子複合体）１８を得た。

そして、複合材１８のＺ方向が上配線層２１のａ方向（即ち上配線層２１の幅方向Ｗ）に向き且つ複合材１８のＸ方向が上配線層２１のｂ方向（即ち上配線層２１の長さ方向Ｌ）に向き且つ複合材１８のＹ方向が上配線層２１のｃ方向（即ち上配線層２１の厚さ方向Ｔ）に向くように上配線層２１を複合材１８で形成（製作）した。上配線層２１の厚さは０．６ｍｍであった。

また、上述した複合材１８の本体１７から、上配線層２１のａ方向（複合材１８のＺ方向）の熱伝導率ｋａと上配線層２１のｂ方向（複合材１８のＸ方向）の熱伝導率ｋｂと上配線層２１のｃ方向（複合材１８のＹ方向）の熱伝導率ｋｃとを測定するための試料をそれぞれ採取した。そして、各試料についてレーザーフラッシュ法により熱拡散率を測定し、これに試料の密度と試料の比熱を乗じることにより各熱伝導率ｋａ、ｋｂ及びｋｃを算出した。なお、ｋａ、ｋｂ及びｋｃはいずれも２５℃での値である。この測定結果を表１中の「ｋａ」欄及び「ｋｂ、ｋｃ」欄に記載した。ここで、ｋｂとｋｃは同じ値であったため、両者をまとめて「ｋｂ、ｋｃ」欄に記載している。

さらに、複合材１８の本体１７から線膨張率測定用試料を採取し、この試料について、上配線層２１のａ方向（複合材１８のＺ方向）の線膨張率αａと上配線層２１のｂ方向（複合材１８のＸ方向）の線膨張率αｂと上配線層２１のｃ方向（複合材１８のＹ方向）の線膨張率αｃとをそれぞれ熱機械分析装置により測定した。なお、αａ、αｂ及びαｃはいずれも５０℃から２５０℃の範囲における平均線膨張率の値である。この測定結果を表１中の「αａ」欄及び「αｂ、αｃ」欄に記載した。ここで、αｂとαｃは同じ値であったため、両者をまとめて「αｂ、αｃ」欄に記載している。

次いで、上配線層２１を用いて図１に示した冷却装置２０Ａを製造するとともに、上配線層２１の搭載面２１ａにはんだ層２６を介して発熱性素子としての半導体チップ２７を接合することで半導体チップ２７を搭載面２１ａに搭載した。

この冷却装置２０Ａに対して−４０℃〜１２５℃の温度範囲及び１０００サイクルの試験条件で冷熱サイクル試験を行った。そして、上配線層２１とはんだ層２６との間の接合界面、はんだ層２６と半導体チップ２７との間の接合界面、及び、上配線層２１と絶縁層２２との間の接合界面をそれぞれ超音波探傷器により評価した。その結果を表１中の評価欄に示した。

なお、評価欄において、符号「○」は接合界面に亀裂及び剥離が発生しておらずよって接合界面が良好であったこと、並びに、符号「×」は接合界面に剥離及び亀裂の少なくとも一方が発生しておりよって接合界面が不良であったことを意味している。

＜実施例２、３、比較例１〜３＞
実施例２、３、及び比較例１〜３では、Ｖｆｃ及びＶｆｇの値をそれぞれ表１中の「Ｖｆｃ」欄及び「Ｖｆｇ」欄に記載の値に変更したこと以外は上記実施例１と同じ方法によって上配線層を製作するとともに、上配線層を用いて製造された冷却装置に対して上記実施例１と同様に冷熱サイクル試験を行った。そして、上配線層２１とはんだ層２６との間の接合界面、はんだ層２６と半導体チップ２７との間の接合界面、及び、上配線層２１と絶縁層２２との間の接合界面をそれぞれ上記第１実施例と同じ方法で評価した。その結果を表１中の評価欄に示した。

表１から分かるように、上配線層２１におけるｋａ、ｋｂ及びｋｃが上記式１及び２を満足するとともに、上配線層２１におけるαａ、αｂ及びαｃが上記式３〜５を満足している場合、すなわち実施例１〜３の場合は、冷却装置２０Ａの上述した接合界面が良好であり、したがって冷却装置２０Ａの冷熱信頼性が高いことを確認し得た。

本発明は、半導体素子等の発熱性素子を冷却する冷却装置に利用可能である。

１：アルミニウム層
２：炭素粒子分散層
３：炭素繊維分散層
３ａ：炭素繊維
４：鱗片状黒鉛粒子分散層
４ａ：鱗片状黒鉛粒子
５：炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合分散層
６：炭素粒子
９：マトリックス
２０Ａ〜２０Ｄ：冷却装置
２１：上配線層（熱伝導部材）
２２：絶縁層
２５：冷却部材
２６：はんだ層
２７：発熱性素子

Claims (9)

1. 発熱性素子を冷却する冷却装置であって、
   互いに積層状に接合一体化される複数の冷却装置構成部材として、絶縁層と、前記絶縁層の上側に配置される熱伝導部材と、前記絶縁層の下側の配置される冷却部材とを備え、
   前記熱伝導部材はその上側に発熱性素子が搭載されるものであり、且つ、前記熱伝導部材の平面方向の熱伝導率に異方性を有しており、
   前記熱伝導部材において、前記熱伝導部材の前記平面方向における熱伝導率が最低の方向をａ方向、前記熱伝導部材の前記平面方向における前記ａ方向に直交する方向をｂ方向、及び、前記熱伝導部材の厚さ方向をｃ方向とし、
   前記熱伝導部材の前記ａ方向、ｂ方向及びｃ方向の熱伝導率をそれぞれｋａ、ｋｂ及びｋｃとし、
   前記熱伝導部材の前記ａ方向、ｂ方向及びｃ方向の線膨張率をそれぞれαａ、αｂ及びαｃとするとき、
   ｋａ、ｋｂ及びｋｃが下記式１及び２を満足するとともに、αａ、αｂ及びαｃが下記式３〜５を満足している冷却装置。
   ｋｂ＞ｋａ …式１
   ｋｃ＞ｋａ …式２
   ｜αａ−αｂ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式３
   ｜αｂ−αｃ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式４
   ｜αｃ−αａ｜≦５ｐｐｍ／Ｋ …式５
2. αａ、αｂ及びαｃがいずれも５〜１５ｐｐｍ／Ｋの範囲である請求項１記載の冷却装置。
3. 前記熱伝導部材は、アルミニウムマトリックスと前記アルミニウムマトリックス中に分散した炭素粒子とを含むアルミニウム−炭素粒子複合材で形成されている請求項１又は２記載の冷却装置。
4. 前記複合材は、炭素繊維及び鱗片状黒鉛粒子を前記炭素粒子として含む請求項３記載の冷却装置。
5. 前記複合材に対する前記炭素繊維の体積含有率が５〜１５体積％の範囲であり、前記複合材に対する前記鱗片状黒鉛粒子の体積含有率が２０〜５０体積％の範囲である請求項４記載の冷却装置。
6. 前記複合材は、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素繊維及び前記鱗片状黒鉛粒子のうち少なくとも一方が分散した複数の炭素粒子分散層と、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素粒子が実質的に存在していない複数のアルミニウム層とを含むとともに、前記炭素粒子分散層と前記アルミニウム層とが交互に複数積層された状態に配列しており、
   前記熱伝導部材において、前記複合材における前記炭素粒子分散層と前記アルミニウム層との積層方向が前記熱伝導部材の前記ａ方向に向いている請求項４又は５記載の冷却装置。
7. 前記複合材は、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素繊維が分散し且つ前記鱗片状黒鉛粒子が実質的に存在してない複数の炭素繊維分散層と、前記アルミニウムマトリックス中に前記鱗片状黒鉛粒子が分散し且つ前記炭素繊維が実質的に存在していない複数の鱗片状黒鉛粒子分散層とを、前記複数の炭素粒子分散層として含む請求項６記載の冷却装置。
8. 前記複合材における前記炭素繊維分散層と前記鱗片状黒鉛粒子分散層と前記アルミニウム層とが、前記熱伝導部材の前記ａ方向に規則的な積層順序に配列している請求項７記載の冷却装置。
9. 前記複合材は、前記アルミニウムマトリックス中に前記炭素繊維及び前記鱗片状黒鉛粒子が混合分散した複数の炭素繊維−鱗片状黒鉛粒子混合分散層を前記複数の炭素粒子分散層として含む請求項６又は７記載の冷却装置。

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