JP2022117959A

JP2022117959A - Graphite structure, cooling device, method for manufacturing graphite structure

Info

Publication number: JP2022117959A
Application number: JP2022009935A
Authority: JP
Inventors: 修平俊成; Shuhei Toshinari; 克洋竹馬; Katsuhiro Takeuma
Original assignee: Thermo Graphitics Co Ltd
Current assignee: Thermo Graphitics Co Ltd
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-08-12

Abstract

To provide a graphite structure capable of preventing a metal film covering a graphite member from being deviated or cracked, and a cooling device including the graphite structure.SOLUTION: A heat conductive structure 10 includes a graphite member 11 formed in a rectangular plate shape and a metal film 20 provided so as to cover an entire peripheral surface of the graphite member 11. A coefficient of thermal expansion of the metal film 20 is smaller than that of the graphite member 11 in a first direction. Film stress of the metal film 20 in a lamination direction D11 is tensile stress relative to the graphite member 11.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、複数のグラフェンシートが積層されてなるグラファイト部材を備えるグラファイト構造体、及びグラファイト構造体を備える冷却装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a graphite structure provided with a graphite member formed by laminating a plurality of graphene sheets, and a cooling device provided with the graphite structure.

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、高熱伝導性材料であるグラファイト部材と、前記グラファイト部材の表面にスパッタ法や蒸着法、めっき法などの成膜方法によって形成された金属膜と、を有するグラファイト構造体が知られている（特許文献１参照）。この従来のグラファイト構造体は、グラフェンシートの積層方向に垂直な方向（ベーサル面に沿う方向）の厚みが薄い板状に形成されており、前記垂直な方向における表面に発熱体が設置される。このため、前記発熱体の熱を前記グラファイト構造体のベーサル面に沿う方向へ効率よく伝達し、放熱することができる。 A graphite member, which is a highly thermally conductive material, is formed as a heat conductor that transfers and dissipates heat from the heat generating object to be radiated, and a film formation method such as sputtering, vapor deposition, or plating is used on the surface of the graphite member. A graphite structure is known which has a metal film coated with a metal film (see Patent Document 1). This conventional graphite structure is formed in a plate shape having a thin thickness in the direction perpendicular to the lamination direction of the graphene sheets (the direction along the basal plane), and a heating element is installed on the surface in the perpendicular direction. Therefore, the heat of the heating element can be efficiently transmitted in the direction along the basal surface of the graphite structure, and the heat can be dissipated.

特開２０１１－２３６７０号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-23670

しかしながら、前掲した従来のグラファイト構造体におけるグラファイト部材は、表面に形成された金属膜に比べて、グラフェンシートの積層方向の熱膨張係数が大きい。そのため、冷却対象の発熱体の温度が高温になればなるほど、金属膜の膨張量とグラファイト部材の膨張量との差が大きくなり、金属膜がグラファイト部材との界面（接着面）から乖離して密着不良が生じたり、金属膜にクラックが生じるという問題がある。かかる問題は、グラファイト構造体に実装された発熱体が高温化した場合だけでなく、高温化されたはんだ等の接合材を用いてグラファイト構造体に半導体素子などを実装する場合にも生じ得る。 However, the graphite member in the conventional graphite structure described above has a larger coefficient of thermal expansion in the lamination direction of the graphene sheets than the metal film formed on the surface. Therefore, the higher the temperature of the heating element to be cooled, the greater the difference between the amount of expansion of the metal film and the amount of expansion of the graphite member. There are problems such as poor adhesion and cracks in the metal film. Such problems occur not only when the temperature of the heating element mounted on the graphite structure increases, but also when a semiconductor element or the like is mounted on the graphite structure using a bonding material such as solder heated to a high temperature.

本発明の目的は、グラファイト部材を被覆する金属膜が乖離したり金属膜にクラックが生じることを防止することが可能なグラファイト構造体、及びグラファイト構造体を備える冷却装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a graphite structure and a cooling device having the graphite structure, which can prevent separation of a metal film covering a graphite member and cracking of the metal film.

本発明のグラファイト構造体は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された板状のグラファイト部材と、前記グラファイト部材において前記第１方向に交差する第２方向側の表面に形成された金属膜と、を備える。前記グラファイト構造体は、前記金属膜の熱膨張係数は、前記グラファイト部材における前記第１方向の熱膨張係数よりも小さく、前記金属膜における前記第１方向の膜応力は、前記グラファイト部材に対して引張応力であることを特徴とする。 A graphite structure of the present invention comprises a plate-like graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction, and a metal film formed on the surface of the graphite member on the second direction side crossing the first direction. And prepare. In the graphite structure, the thermal expansion coefficient of the metal film is smaller than the thermal expansion coefficient of the graphite member in the first direction, and the film stress in the metal film in the first direction is applied to the graphite member. Characterized by tensile stress.

このように本発明が構成されているため、金属膜に生じる引張応力は、グラファイト部材に対して金属膜を収縮する方向に作用する。前記金属膜の熱膨張係数は、前記グラファイト部材における前記第１方向の熱膨張係数よりも小さいため、グラファイト構造体における前記第２方向の一方側の実装面に設けられた発熱体が高温になった場合、或いは、高温化された接合材が前記実装面に付着したことにより実装面が高温にされた場合、金属膜の膨張量に比べて、グラファイト部材の膨張量の方が大きい。しかし、本発明によると、グラファイト部材が前記第１方向（積層方向）に膨張したとしても、その膨張量に応じて金属膜における引張応力が徐々に緩和され、つまり、金属膜を圧縮させる作用が徐々に弱まる。また、更にグラファイト部材が前記第１方向に膨張した場合でも、前記金属膜が有する強度を超えるほどの引張方向の力が金属膜に作用することもない。これにより、グラファイト部材が前記第１方向に熱膨張したとしても、金属膜が有する前記第１方向の強度を超えた力が金属膜に作用しなくなり、グラファイト部材の熱膨張に起因する金属膜の剥離やクラックの発生を防止することができる。 Since the present invention is constructed in this way, the tensile stress generated in the metal film acts in the direction of contracting the metal film with respect to the graphite member. Since the coefficient of thermal expansion of the metal film is smaller than the coefficient of thermal expansion of the graphite member in the first direction, the heat generating element provided on the mounting surface of the graphite structure on one side in the second direction becomes hot. or when the mounting surface is heated to a high temperature due to adhesion of a heated bonding material to the mounting surface, the amount of expansion of the graphite member is greater than the amount of expansion of the metal film. However, according to the present invention, even if the graphite member expands in the first direction (laminating direction), the tensile stress in the metal film is gradually relaxed according to the amount of expansion. gradually weaken. Furthermore, even when the graphite member expands in the first direction, a tensile force exceeding the strength of the metal film does not act on the metal film. As a result, even if the graphite member thermally expands in the first direction, a force exceeding the strength of the metal film in the first direction does not act on the metal film, and the metal film is damaged due to the thermal expansion of the graphite member. Peeling and cracking can be prevented.

前記膜応力は、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下の範囲内の引張応力であることが好ましい。 The film stress is preferably a tensile stress within the range of 10 MPa or more and 80 MPa or less.

前記金属膜は、前記第２方向に延びるように配向した柱状結晶を有する結晶層を含むことが好ましい。 Preferably, the metal film includes a crystal layer having columnar crystals oriented so as to extend in the second direction.

前記金属膜が前記結晶層を有することにより、グラファイト部材の熱膨張に起因する金属膜の乖離やクラックの発生をより効果的に防止することができる。 By including the crystal layer in the metal film, it is possible to more effectively prevent separation and cracking of the metal film due to thermal expansion of the graphite member.

また、本発明のグラファイト構造体は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された板状のグラファイト部材と、前記グラファイト部材において前記第１方向に交差する第２方向側の表面に形成された金属膜と、を備え、前記金属膜は、前記第２方向に延びるように配向した柱状結晶を有する結晶層を含むことを特徴とするものであってもよい。 Further, the graphite structure of the present invention includes a plate-like graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction, and a surface of the graphite member on the second direction side that intersects with the first direction. and a metal film, wherein the metal film includes a crystal layer having columnar crystals oriented so as to extend in the second direction.

このように本発明が構成されている場合でも、グラファイト部材が前記第１方向に熱膨張しても、グラファイト部材の熱膨張に起因する金属膜の乖離やクラックの発生を防止することができる。 Even when the present invention is configured in this way, even if the graphite member thermally expands in the first direction, it is possible to prevent separation and cracking of the metal film due to the thermal expansion of the graphite member.

また、上述した構成の前記グラファイト構造体に対して、所定の加熱条件に従って熱処理が施されてなるものであることが好ましい。
前記加熱条件は、例えば、１００℃～３５０℃の範囲内で定められた設定温度で、３０分～５時間の範囲内で定められた設定時間加熱することである。
また、前記加熱条件は、例えば、３５０℃で３０分加熱することであってもよい。 Further, it is preferable that the graphite structure configured as described above is subjected to a heat treatment according to predetermined heating conditions.
The heating conditions are, for example, heating at a set temperature in the range of 100° C. to 350° C. for a set time in the range of 30 minutes to 5 hours.
Further, the heating condition may be, for example, heating at 350° C. for 30 minutes.

このような熱処理が施されたグラファイト構造体であれば、熱処理が施されていないグラファイト構造体に比べて、前記グラファイト構造体における熱伝導率を向上させることができる。 A graphite structure that has been subjected to such a heat treatment can improve the thermal conductivity of the graphite structure as compared with a graphite structure that has not been subjected to a heat treatment.

また、本発明は、上述のグラファイト構造体と、前記グラファイト構造体における前記第２方向の一方側の放熱面に取り付けられた放熱体と、を備え、前記グラファイト構造体における前記第２方向の他方側の取付面に取り付けられる発熱体から前記グラファイト構造体を通って前記放熱面に伝達された熱を前記放熱体で放熱する冷却装置として捉えることができる。 Further, the present invention includes the above-described graphite structure and a radiator attached to the heat dissipation surface of the graphite structure on one side in the second direction, and the graphite structure on the other side in the second direction. It can be regarded as a cooling device in which the heat transferred from the heat generating body attached to the mounting surface on the side through the graphite structure to the heat radiation surface is radiated by the heat radiation body.

また、本発明は、第１方向に沿ってグラフェンシートが積層された板状のグラファイト部材と、前記グラファイト部材において前記第１方向に交差する第２方向側の表面に形成された金属膜と、を備えるグラファイト構造体の製造方法として捉えることができる。
本発明のグラファイト構造体の製造方法は、前記グラファイト部材における前記表面に、前記第１方向の膜応力が前記グラファイト部材に対して引張応力となるような前記金属膜を形成することを特徴とする。
また、本発明のグラファイト構造体の製造方法は、前記グラファイト部材における前記表面に、前記第２方向に延びるように配向した柱状結晶を有する結晶層を含む前記金属膜を形成することを特徴とするものであってもよい。 Further, the present invention provides a plate-shaped graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction, a metal film formed on a surface of the graphite member on a second direction side that intersects with the first direction, can be regarded as a method for manufacturing a graphite structure comprising
The method for manufacturing a graphite structure according to the present invention is characterized in that the metal film is formed on the surface of the graphite member so that the film stress in the first direction becomes a tensile stress on the graphite member. .
In the method for manufacturing a graphite structure according to the present invention, the metal film including a crystal layer having columnar crystals oriented so as to extend in the second direction is formed on the surface of the graphite member. can be anything.

更にまた、前記グラファイト構造体における熱伝導率を向上させるために、上述の製造方法において、所定の加熱条件に従った熱処理を前記グラファイト構造体に施す工程を含むことが好ましい。 Furthermore, in order to improve the thermal conductivity of the graphite structure, the above-described manufacturing method preferably includes a step of subjecting the graphite structure to heat treatment according to predetermined heating conditions.

本発明によれば、グラファイト構造体において、グラファイト部材を被覆する金属膜の乖離やクラックの発生を防止することが可能である。 According to the present invention, it is possible to prevent separation and cracking of the metal film covering the graphite member in the graphite structure.

図１は、本発明の実施形態に係る熱伝導構造体が適用された冷却装置を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a cooling device to which a heat conducting structure according to an embodiment of the invention is applied. 図２は、本発明の実施形態に係る熱伝導構造体を模式的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a heat conducting structure according to an embodiment of the invention. 図３は、本発明の各実施例及び各比較例における金属膜の膜応力の数値をプロットしたグラフ図である。FIG. 3 is a graph plotting numerical values of the film stress of the metal films in each example of the present invention and each comparative example. 図４は、本発明の熱伝導構造体の実施例１のテストピースにおける金属膜の断面を示す顕微鏡写真である。FIG. 4 is a micrograph showing a cross section of the metal film in the test piece of Example 1 of the heat conducting structure of the present invention. 図５は、図４の顕微鏡写真を更に拡大したものである。FIG. 5 is a further enlargement of the micrograph of FIG. 図６は、本発明の熱伝導構造体の実施例２のテストピースにおける金属膜の断面を示す顕微鏡写真である。FIG. 6 is a micrograph showing the cross section of the metal film in the test piece of Example 2 of the heat conducting structure of the present invention. 図７は、本発明の熱伝導構造体の実施例３のテストピースにおける金属膜の断面を示す顕微鏡写真である。FIG. 7 is a micrograph showing the cross section of the metal film in the test piece of Example 3 of the heat conducting structure of the present invention. 図８は、本発明の熱伝導構造体の実施例４のテストピースにおける金属膜の断面を示す顕微鏡写真である。FIG. 8 is a micrograph showing the cross section of the metal film in the test piece of Example 4 of the heat conducting structure of the present invention. 図９は、比較例１のテストピースにおける金属膜の断面を示す顕微鏡写真である。9 is a micrograph showing a cross section of the metal film in the test piece of Comparative Example 1. FIG. 図１０は、比較例５のテストピースにおける金属膜の断面を示す顕微鏡写真である。10 is a micrograph showing a cross section of the metal film in the test piece of Comparative Example 5. FIG.

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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the following embodiment is an example that embodies the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.

図１は、本発明のグラファイト構造体の一実施形態に係る熱伝導構造体１０が適用された冷却装置５０を示す斜視図である。図１に示すように、冷却装置５０は、熱伝導部材として用いられる熱伝導構造体１０と、ヒートシンクなどの放熱体５７と、を備える。 FIG. 1 is a perspective view showing a cooling device 50 to which a heat conducting structure 10 according to one embodiment of the graphite structure of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the cooling device 50 includes a thermally conductive structure 10 used as a thermally conductive member and a radiator 57 such as a heat sink.

熱伝導構造体１０の上面１０Ａ（取付面）には、その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１０Ａ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。なお、半導体素子５６は、例えば、パワー半導体やパワーモジュールなどのように、駆動することにより熱を発する発熱体である。なお、半導体素子５６は、熱伝導構造体１０の上面１０Ａに実装される素子の単なる一例であり、半導体素子５６は、ＬＥＤやレーザーなどの光デバイス用半導体、携帯電話基地局向けのパワーアンプ等の高周波デバイス用半導体、民生・産業用インバーターや電気自動車向けパワーデバイス等の高出力デバイス用パワー半導体などであってもよい。 A semiconductor element 56 as a heating element such as a power semiconductor or a power module is attached to the center of the upper surface 10A (attachment surface) of the heat conducting structure 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 upper surface 10A. The semiconductor element 56 is a heating element that generates heat when driven, such as a power semiconductor or power module. The semiconductor element 56 is merely an example of an element mounted on the upper surface 10A of the heat conductive structure 10, and the semiconductor element 56 includes semiconductors for optical devices such as LEDs and lasers, power amplifiers for mobile phone base stations, and the like. and power semiconductors for high-output devices such as consumer/industrial inverters and power devices for electric vehicles.

また、以下の実施形態では、発熱体である半導体素子５６から熱を吸熱して冷却する用途として熱伝導構造体１０を用いる例を説明するが、熱伝導構造体１０から熱伝達対象物に熱を伝達して当該熱伝達対象物を加熱する用途に熱伝導構造体１０が用いられてもよい。 Further, in the following embodiments, an example in which the heat conducting structure 10 is used for cooling by absorbing heat from the semiconductor element 56, which is a heat generating body, will be described. The heat-conducting structure 10 may be used for transferring heat to heat the object to be heat-transferred.

放熱体５７は、熱伝導構造体１０の下面１０Ｂ（放熱面、図２参照）に取り付けられている。これにより、冷却装置５０は、熱伝導構造体１０の上面１０Ａに取り付けられた半導体素子５６から熱伝導構造体１０、及び放熱体５７を通じて熱を効率よく放出することが可能である。また、半導体素子５６における熱分布に偏りがある場合でも、熱伝導構造体１０が半導体素子５６の熱を上面１０Ａから吸熱し、熱伝導構造体１０の厚み方向へ伝達して、下面１０Ｂの放熱体５７に迅速に伝達するため、半導体素子５６を冷却するとともに、半導体素子５６における熱分布を均等にすることができる。 The radiator 57 is attached to the bottom surface 10B (heat radiation surface, see FIG. 2) of the heat conducting structure 10 . Thereby, the cooling device 50 can efficiently release heat from the semiconductor element 56 attached to the upper surface 10A of the heat conducting structure 10 through the heat conducting structure 10 and the radiator 57 . In addition, even if the heat distribution in the semiconductor element 56 is uneven, the heat conductive structure 10 absorbs the heat of the semiconductor element 56 from the upper surface 10A, transfers it in the thickness direction of the heat conductive structure 10, and dissipates the heat from the lower surface 10B. Due to the rapid transfer to the body 57, the semiconductor device 56 can be cooled and the heat distribution in the semiconductor device 56 can be uniform.

図２は、熱伝導構造体１０を示す斜視図である。熱伝導構造体１０は、本発明のグラファイト構造体の一例であって、内部において高温側から低温側へ熱を伝達する熱伝導部材である。熱伝導構造体１０は、所謂熱拡散板或いは放熱板と称される部材であり、その上面１０Ａの中央に位置する取付領域に前記発熱体としての半導体素子５６が取り付けられる。熱伝導構造体１０は、駆動して発熱した半導体素子５６から熱を吸熱し、主にその厚み方向に熱を伝達する用途として用いられる。半導体素子５６から熱が吸熱されることにより、半導体素子５６を放熱して冷却することができる。また、後述するように、上面１０Ａから下面１０Ｂへ向かう方向（厚み方向）に対して高い熱伝導率を有するため、半導体素子５６における熱を迅速に冷却することができる。 FIG. 2 is a perspective view showing the heat conducting structure 10. FIG. The heat-conducting structure 10 is an example of the graphite structure of the present invention, and is a heat-conducting member that internally transfers heat from the high temperature side to the low temperature side. The heat-conducting structure 10 is a member called a so-called heat diffusion plate or heat dissipation plate, and the semiconductor element 56 as the heating element is attached to an attachment region located in the center of the upper surface 10A. The heat-conducting structure 10 is used to absorb heat from the semiconductor element 56 that generates heat when driven, and to transfer heat mainly in the thickness direction. By absorbing heat from the semiconductor element 56, the semiconductor element 56 can be radiated and cooled. In addition, as will be described later, since it has high thermal conductivity in the direction (thickness direction) from the upper surface 10A to the lower surface 10B, the heat in the semiconductor element 56 can be rapidly cooled.

図２に示すように、熱伝導構造体１０は、矩形板状に形成されたグラファイト部材１１と、グラファイト部材１１の全周面を覆うように設けられた金属膜２０と、により構成されている。 As shown in FIG. 2, the heat conducting structure 10 is composed of a graphite member 11 formed in a rectangular plate shape and a metal film 20 provided so as to cover the entire peripheral surface of the graphite member 11. .

グラファイト部材１１は、平板状に形成されており、複数のグラフェンシート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。本実施形態では、各グラフェンシート１５のベーサル面が平行となるように、複数のグラフェンシート１５がベーサル面に垂直な方向（Ｘ軸方向）に積層されている。以下、グラフェンシート１５が積層される方向を積層方向Ｄ１１（本発明の第１方向の一例）と称する。 The graphite member 11 is formed in a flat plate shape and has a crystal structure in which a plurality of graphene sheets 15 are laminated along one direction. In this embodiment, a plurality of graphene sheets 15 are laminated in a direction (X-axis direction) perpendicular to the basal planes such that the basal planes of the graphene sheets 15 are parallel. Hereinafter, the direction in which the graphene sheets 15 are laminated is referred to as a lamination direction D11 (an example of the first direction of the present invention).

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（以下、ベーサル面方向と称する。）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（約０．３３５ｎｍ）である。グラファイト部材１１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。本実施形態では、前記ベーサル面方向は、Ｙ－Ｚ面に沿う方向と一致する。 The graphene sheet 15 is sheet-shaped graphene, and is formed by covalently bonding six-membered rings in a planar direction (hereinafter referred to as a basal plane direction), and its thickness is one carbon atom ( about 0.335 nm). Since the layers of the graphene sheets 15 of the graphite member 11 are bonded by van der Waals force, the graphene sheets 15 have the property of being easily peeled off in layers. In this embodiment, the basal plane direction coincides with the direction along the YZ plane.

図２に示すように、グラファイト部材１１は、グラフェンシート１５が積層された前記積層方向Ｄ１１（Ｘ軸方向）に交差する方向（Ｙ軸方向）を厚み方向Ｄ１２とするものであり、本実施形態では、その厚み（厚み方向Ｄ１２のサイズ）が前記ベーサル面方向（Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）のサイズに比べて薄い板状に形成されている。なお、前記厚み方向Ｄ１２は、本発明の第２方向の一例である。 As shown in FIG. 2, the graphite member 11 has a thickness direction D12 that intersects the lamination direction D11 (X-axis direction) in which the graphene sheets 15 are laminated. In this case, the thickness (the size in the thickness direction D12) is formed in a plate shape that is thinner than the size in the basal plane direction (the Y-axis direction and the Z-axis direction). The thickness direction D12 is an example of the second direction of the present invention.

具体的には、熱伝導構造体１０が、発熱体としての半導体素子５６から吸熱して放熱する用途に用いられる場合、グラファイト部材１１は、その厚みが０．２ｍｍから３００ｍｍに形成されたものであり、より好ましくは、その厚みが１．５ｍｍ～２．０ｍｍに形成されている。また、この場合、グラファイト部材１１は、平面視で矩形状又は円形状に形成されており、例えば、放熱対象の半導体素子５６のサイズに応じて、一辺が３０ｍｍ～３００ｍｍの正方形状に形成されたもの、或いは、直径が３０ｍｍ～３００ｍｍの円形状に形成されたものを用いることができる。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。 Specifically, when the heat conductive structure 10 is used for absorbing and releasing heat from the semiconductor element 56 as a heating element, the graphite member 11 is formed with a thickness of 0.2 mm to 300 mm. More preferably, the thickness is 1.5 mm to 2.0 mm. Further, in this case, the graphite member 11 is formed in a rectangular or circular shape in plan view, for example, in a square shape with a side of 30 mm to 300 mm depending on the size of the semiconductor element 56 to be radiated. Alternatively, a circular shape with a diameter of 30 mm to 300 mm can be used. Note that the actual thickness of the graphene sheet 15 is one carbon atom, but for the convenience of explanation, the graphene sheets 15 shown to have a greater thickness than the actual thickness are shown in each drawing.

グラファイト部材１１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。 As the graphite member 11, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) having higher thermal conductivity than general graphite is employed.

グラファイト部材１１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においては、前記積層方向Ｄ１１に垂直な前記ベーサル面方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向）の熱伝導率が、前記積層方向Ｄ１１（Ｘ軸方向）の熱伝導率よりも極めて高い。言い換えると、グラファイト部材１１は、前記厚み方向Ｄ１２（Ｙ軸方向）の熱伝導率が、前記積層方向Ｄ１１（Ｘ軸方向）の熱伝導率よりも極めて高い。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。 Graphite member 11 has an anisotropic thermal conductivity. That is, in the graphite member 11, the thermal conductivity in the basal plane direction (Y-axis direction and Z-axis direction) perpendicular to the stacking direction D11 is much higher than the thermal conductivity in the stacking direction D11 (X-axis direction). high. In other words, the graphite member 11 has a much higher thermal conductivity in the thickness direction D12 (Y-axis direction) than in the stacking direction D11 (X-axis direction). In this way, the property that the thermal conductivity varies depending on the direction of the material is called anisotropy, and the graphite member 11 having this anisotropy is generally called an anisotropic thermal conductor or an anisotropic thermal conductive element. It is

グラファイト部材１１は、詳細には、前記積層方向Ｄ１１の熱伝導率は５［Ｗ／ｍＫ］～１０［Ｗ／ｍＫ］程度であり、前記積層方向Ｄ１１に垂直な前記厚み方向を含む前記ベーサル面方向（Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の熱伝導率は１５００［Ｗ／ｍＫ］～１７００［Ｗ／ｍＫ］程度である。 Specifically, the graphite member 11 has a thermal conductivity of about 5 [W/mK] to 10 [W/mK] in the lamination direction D11, and the basal plane including the thickness direction perpendicular to the lamination direction D11. The thermal conductivity in the direction (Y-axis direction, Z-axis direction) is about 1500 [W/mK] to 1700 [W/mK].

また、上述したように、グラファイト部材１１は高配向性熱分解グラファイトであるため、一般的なグラファイトの前記積層方向Ｄ１１（Ｘ軸方向）の線膨張率（線膨張係数、熱膨張係数）が４．５［ｐｐｍ／Ｋ］～５．５［ｐｐｍ／Ｋ］であるのに対して、グラファイト部材１１の前記積層方向Ｄ１１（Ｘ軸方向）の線膨張率は極めて高く、具体的には約２５［ｐｐｍ／Ｋ］である。なお、グラファイト部材１１において、前記ベーサル面方向（Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の線膨張率は極めて低く、実質的に０［ｐｐｍ／Ｋ］である。 Further, as described above, since the graphite member 11 is highly oriented pyrolytic graphite, the linear expansion coefficient (linear expansion coefficient, thermal expansion coefficient) of general graphite in the lamination direction D11 (X-axis direction) is 4. .5 [ppm/K] to 5.5 [ppm/K], the linear expansion coefficient of the graphite member 11 in the lamination direction D11 (X-axis direction) is extremely high, specifically about 25 [ppm/K]. In addition, in the graphite member 11, the coefficient of linear expansion in the basal plane direction (Y-axis direction, Z-axis direction) is extremely low and is substantially 0 [ppm/K].

グラファイト部材１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂは、複数のグラフェンシート１５の前記ベーサル面方向のエッジ部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における前記ベーサル面方向（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、グラファイト部材１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂ（エッジ面）においては、六員環による前記ベーサル面方向の共有結合が切断された状態となっているため、上面１１Ａ及び下面１１Ｂに現れる炭素原子の結合は不飽和な状態となっている。そのため、グラファイト部材１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂ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 upper surface 11A and the lower surface 11B of the graphite member 11 are in a state in which the edge portions of the plurality of graphene sheets 15 in the basal plane direction are superimposed in layers, and are generally called edge surfaces. As described above, since the graphene sheet 15 is formed by covalently bonding six-membered rings, the basal plane direction (direction along the YZ plane) of the graphene sheet 15 is a strong covalent bond of the six-membered rings. carbons are connected. However, on the upper surface 11A and the lower surface 11B (edge surfaces) of the graphite member 11, since the covalent bond in the basal plane direction by the six-membered ring is cut, the carbon atoms appearing on the upper surface 11A and the lower surface 11B The bond is in an unsaturated state. Therefore, on the upper surface 11A and the lower surface 11B of the graphite member 11, carbon atoms are in an active state in which they readily react with other substances.

上述したように、熱伝導構造体１０は、グラファイト部材１１の全周面（表面）を覆うように設けられた金属膜２０を有している。金属膜２０は、グラファイト部材１１の全周面に密着するように形成されている。 As described above, the heat conducting structure 10 has the metal film 20 provided so as to cover the entire peripheral surface (surface) of the graphite member 11 . Metal film 20 is formed so as to adhere to the entire peripheral surface of graphite member 11 .

金属膜２０は、所定の金属元素を含む被覆材を有し、前記被覆材によって少なくともグラファイト部材１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂに形成される皮膜である。前記金属元素としては、例えば、所謂活性金属であるニッケルやチタンを適用することができる。前記金属元素は、線膨張率がグラファイト部材１１の前記積層方向の線膨張率（約２５［ｐｐｍ／Ｋ］）よりも小さいものであり、前記ニッケルや前記チタンの他に、鉄、アルミニウム、金、銀、銅、亜鉛、クロム、錫、鉛、タングステン、タンタル、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、或いはこれらの金属を含む合金が好適である。 The metal film 20 has a coating material containing a predetermined metal element, and is a film formed on at least the upper surface 11A and the lower surface 11B of the graphite member 11 with the coating material. As the metal element, for example, nickel and titanium, which are so-called active metals, can be applied. The metal element has a linear expansion coefficient smaller than the linear expansion coefficient (about 25 [ppm/K]) in the lamination direction of the graphite member 11, and in addition to the nickel and titanium, iron, aluminum, and gold. , silver, copper, zinc, chromium, tin, lead, tungsten, tantalum, SUS304, SUS430, or alloys containing these metals are suitable.

ところで、前記積層方向Ｄ１１に直交する前記厚み方向Ｄ１２が薄い上述したグラファイト部材１１の表面に金属膜２０を形成した上述の熱伝導構造体１０においては、金属膜２０に比べて、グラフェンシート１５の前記積層方向Ｄ１１の熱膨張係数が大きい。そのため、冷却対象の発熱体としての半導体素子５６の温度が高温になればなるほど、金属膜２０の前記積層方向Ｄ１１における膨張量と、グラファイト部材１１の前記積層方向Ｄ１１における膨張量との差が大きくなり、金属膜２０がグラファイト部材１１との界面（接着面）から乖離して密着不良が生じたり、金属膜２０にクラックが生じるという問題がある。かかる問題は、熱伝導構造体１０（グラファイト構造体）に実装された発熱体が高温化した場合だけでなく、高温化されたはんだ等の接合材を用いて熱伝導構造体１０に半導体素子５６などを実装する場合にも生じ得る。このような問題を解消するため、本実施形態では、熱伝導構造体１０は、金属膜２０に乖離やクラックが生じることを防止可能なように構成されている。 By the way, in the above-described heat conducting structure 10 in which the metal film 20 is formed on the surface of the above-described graphite member 11 thin in the thickness direction D12 perpendicular to the stacking direction D11, the thickness of the graphene sheet 15 is higher than that of the metal film 20. The coefficient of thermal expansion in the stacking direction D11 is large. Therefore, the higher the temperature of the semiconductor element 56 as the heating element to be cooled, the greater the difference between the amount of expansion of the metal film 20 in the stacking direction D11 and the amount of expansion of the graphite member 11 in the stacking direction D11. As a result, the metal film 20 deviates from the interface (adhesive surface) with the graphite member 11 to cause poor adhesion or cracks in the metal film 20 . Such a problem occurs not only when the temperature of the heat generating element mounted on the heat conducting structure 10 (graphite structure) is increased, but also when the semiconductor element 56 is attached to the heat conducting structure 10 using a bonding material such as solder at a high temperature. It can also occur when implementing such as In order to solve such problems, in the present embodiment, the heat conducting structure 10 is configured so as to prevent the metal film 20 from being separated or cracked.

具体的には、金属膜２０は、前記積層方向Ｄ１１において、グラファイト部材１１に対して引張応力となる膜応力を有する。つまり、熱伝導構造体１０において、グラファイト部材１１の表面に、前記積層方向Ｄ１１の膜応力（内部応力）がグラファイト部材１１に対して引張応力となるように、金属膜２０が形成されている。 Specifically, the metal film 20 has a film stress that becomes a tensile stress with respect to the graphite member 11 in the stacking direction D11. That is, in the heat conducting structure 10 , the metal film 20 is formed on the surface of the graphite member 11 so that the film stress (internal stress) in the stacking direction D11 becomes a tensile stress on the graphite member 11 .

本実施形態では、金属膜２０における前記積層方向Ｄ１１の膜応力は、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下の範囲内の引張応力であることが好ましい。熱伝導構造体１０が、この範囲内の引張応力を有する金属膜２０を備える場合、後述の熱衝撃試験が実施されても、金属膜２０に乖離及びクラックが生じないことが確認されている。 In the present embodiment, the film stress in the stacking direction D11 of the metal film 20 is preferably tensile stress within the range of 10 MPa or more and 80 MPa or less. It has been confirmed that when the thermally conductive structure 10 includes the metal film 20 having a tensile stress within this range, the metal film 20 does not separate or crack even when a thermal shock test, which will be described later, is performed.

金属膜２０の形成方法（成膜方法）としては、例えば、スパッタや溶射、蒸着などのようなドライコーティング法、液コーティング法（例えばディッピング）、めっき法などのウェットコーティング法などによってグラファイト部材１１の全周面に金属からなる被膜を形成する方法を用いることができる。 As a method of forming the metal film 20 (film formation method), for example, the graphite member 11 is formed by a dry coating method such as sputtering, thermal spraying, or vapor deposition, a liquid coating method (eg, dipping), a wet coating method such as a plating method, or the like. A method of forming a coating made of metal on the entire peripheral surface can be used.

とりわけ、金属膜２０の形成方法は、めっきしたい金属を含む水溶液（めっき液）にグラファイト部材１１を浸漬させて、表面で還元反応を生じさせて金属皮膜を成長させる無電解めっき法、或いは、めっきしたい金属を含む電解液（めっき液）にグラファイト部材１１を浸漬させた状態で外部電源からグラファイト部材１１と析出金属の供給源である金属アノードに直流電圧を印加することによりグラファイト部材１１の表面に金属を析出させる電解めっき法が好ましい。 Above all, the method of forming the metal film 20 is an electroless plating method in which the graphite member 11 is immersed in an aqueous solution (plating solution) containing a metal to be plated to cause a reduction reaction on the surface to grow a metal film, or a plating method. In a state in which the graphite member 11 is immersed in an electrolytic solution (plating solution) containing the metal to be deposited, a DC voltage is applied from an external power supply to the graphite member 11 and the metal anode, which is the supply source of the metal to be deposited. An electroplating method for depositing metal is preferred.

無電解めっき法による場合は、グラファイト部材１１に成膜される金属膜２０がグラファイト部材１１に対して引張応力となるような水溶液を用いる。また、電解めっき法による場合は、グラファイト部材１１に成膜される金属膜２０がグラファイト部材１１に対して引張応力となるような電解液を用いる。 When the electroless plating method is used, an aqueous solution is used such that the metal film 20 formed on the graphite member 11 has a tensile stress on the graphite member 11 . Further, in the case of electroplating, an electrolytic solution is used that causes the metal film 20 formed on the graphite member 11 to have a tensile stress on the graphite member 11 .

本実施形態に係る熱伝導構造体１０においては、金属膜２０に生じる引張応力は、グラファイト部材１１に対して金属膜２０を収縮する方向に作用する。このため、熱伝導構造体１０における前記厚み方向Ｄ１２の一方側の上面１０Ａ（実装面）に発熱体としての半導体素子５６が設けられた場合に、半導体素子５６が高温になったことにより、グラファイト部材１１が前記積層方向Ｄ１１に膨張したとしても、その膨張量に応じて金属膜２０における引張応力が徐々に緩和され、つまり、金属膜２０を圧縮させる作用が徐々に弱まる。また、グラファイト部材１１が前記積層方向Ｄ１１に更に膨張した場合でも、金属膜２０が有する強度（前記積層方向Ｄ１１における材料強度）を超えるほどの引張方向の力が金属膜２０に作用することもない。これにより、グラファイト部材１１が前記積層方向Ｄ１１へ熱膨張したとしても、金属膜２０が有する前記積層方向Ｄ１１の強度を超えた力が金属膜２０に作用し難くなり、グラファイト部材１１の熱膨張に起因する金属膜２０の乖離やクラックの発生を防止することができる。 In the heat conducting structure 10 according to this embodiment, the tensile stress generated in the metal film 20 acts on the graphite member 11 in the direction of contracting the metal film 20 . Therefore, when the semiconductor element 56 as a heating element is provided on the upper surface 10A (mounting surface) on one side in the thickness direction D12 of the heat conducting structure 10, the temperature of the semiconductor element 56 becomes high, and graphite Even if the member 11 expands in the stacking direction D11, the tensile stress in the metal film 20 is gradually relieved according to the amount of expansion, that is, the effect of compressing the metal film 20 is gradually weakened. Further, even when the graphite member 11 expands further in the stacking direction D11, a tensile force exceeding the strength of the metal film 20 (material strength in the stacking direction D11) does not act on the metal film 20. . As a result, even if the graphite member 11 thermally expands in the stacking direction D11, a force exceeding the strength of the metal film 20 in the stacking direction D11 is less likely to act on the metal film 20. It is possible to prevent the separation and cracking of the metal film 20 caused by this.

以上、本発明の実施形態に係る熱伝導構造体１０について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。以下、表１を参照して、本実施形態の熱伝導構造体１０の各実施例について、比較例を示しつつ説明する。 Although the heat conducting structure 10 according to the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment. Hereinafter, with reference to Table 1, each example of the thermally conductive structure 10 of the present embodiment will be described while showing comparative examples.

〈実施例〉
以下、表１を参照して、上述の実施形態に係る熱伝導構造体１０の実施例１乃至１２、及び比較例１乃至８について説明するとともに、各実施例１乃至１２の効果について説明する。ここで、表１は、熱伝導構造体１０の実施例１乃至１２、及び各実施例の効果を比較するための比較例１乃至８における金属膜２０の種類（めっき膜種）、厚み、結晶構造、積層方向Ｄ１１の膜応力、熱処理の有無、熱伝導率、熱衝撃試験の評価を示す。また、表２は、各実施例１乃至１２及び各比較例１乃至８における金属膜２０の膜形成処理に用いるめっき液の主成分、膜形成処理（めっき処理）の方法や処理時間、温度などを含む条件を示す。 <Example>
Hereinafter, Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8 of the heat conducting structure 10 according to the above embodiment will be described with reference to Table 1, and the effects of Examples 1 to 12 will be described. Here, Table 1 lists the types (types of plating films), thicknesses, and crystals of the metal films 20 in Examples 1 to 12 of the heat conducting structure 10 and Comparative Examples 1 to 8 for comparing the effects of each example. The structure, the film stress in the lamination direction D11, the presence or absence of heat treatment, the thermal conductivity, and the thermal shock test evaluation are shown. Table 2 shows the main component of the plating solution used for the film forming process of the metal film 20 in each of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8, the method of film forming process (plating process), processing time, temperature, and the like. Indicates a condition that contains .

ここで、実施例１乃至１２の熱伝導構造体１０は、表１に記載の各膜形成処理方法（めっき処理方法）によってグラファイト部材１１の上面１１Ａに金属膜２０を形成することにより製造可能である。これにより、積層方向Ｄ１１の膜応力がグラファイト部材１１に対して引張応力となるような金属膜２０をグラファイト部材１１の上面１１Ａに形成することができる。 Here, the heat conductive structure 10 of Examples 1 to 12 can be manufactured by forming the metal film 20 on the upper surface 11A of the graphite member 11 by each film formation treatment method (plating treatment method) listed in Table 1. be. As a result, the metal film 20 can be formed on the upper surface 11A of the graphite member 11 so that the film stress in the lamination direction D11 becomes a tensile stress on the graphite member 11 .

実施例１～４の金属膜２０は、還元剤として次亜リン酸ナトリウムを用いた無電解Ｎｉ－Ｐめっきであり、実施例１，２，４は、リン含有率が７％、実施例３はリン含有率が１１％のものである。実施例５，６の金属膜２０は銅めっき、実施例７，８の金属膜２０はニッケルめっき、実施例９の金属膜２０は、実施例１の無電解Ｎｉ－Ｐめっきを施した後に、更に金めっきを施したもの、実施例１０の金属膜２０は、実施例１の無電解Ｎｉ－Ｐめっきを施した後に、更に実施例５の銅めっきを施したものである。また、実施例１１の金属膜２０は、実施例１の無電解Ｎｉ－Ｐめっきを施した後に、更に実施例６の銅めっきを施したものである。また、実施例１２の金属膜２０は、実施例５の銅めっきを施した後に、更に実施例９の金めっきを施したものである。 The metal films 20 of Examples 1 to 4 are electroless Ni—P plating using sodium hypophosphite as a reducing agent. has a phosphorus content of 11%. After the metal films 20 of Examples 5 and 6 were plated with copper, the metal films 20 of Examples 7 and 8 were plated with nickel, and the metal films 20 of Example 9 were plated with the electroless Ni—P of Example 1, Further gold plating, the metal film 20 of Example 10 is obtained by applying electroless Ni--P plating of Example 1 and then copper plating of Example 5. As shown in FIG. Further, the metal film 20 of Example 11 is obtained by subjecting the metal film 20 of Example 1 to electroless Ni—P plating and further to Example 6 of copper plating. Moreover, the metal film 20 of Example 12 is obtained by applying the gold plating of Example 9 after the copper plating of Example 5 is applied.

また、表１において、各実施例１乃至１２及び各比較例１乃至８の各金属膜２０の結晶構造については、グラファイト部材１１の上面１１Ａに対して垂直な方向に延びる柱状の結晶構造（結晶組織）を有するものについては「柱状」と示し、微小な結晶体が集合した結晶構造（結晶組織）を有するものについては「微結晶」と示し、上面１１Ａに沿って層状に形成された結晶構造（結晶組織）を有するものについては「層状」と示している。 Further, in Table 1, the crystal structure of each metal film 20 in each of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8 is a columnar crystal structure (crystal Those having a crystal structure (structure) are indicated as "columnar", and those having a crystal structure (crystal structure) in which minute crystal bodies are aggregated are indicated as "microcrystal", and the crystal structure formed in layers along the upper surface 11A. (Crystal structure) is indicated as "layered".

前記熱衝撃試験の評価は、表１に示す各実施例及び各比較例それぞれについて、以下に説明するテストピースを用意し、これらのテストピースそれぞれに対して熱衝撃試験を実施して得られたものである。前記テストピースは、縦横サイズが２０ｍｍ、厚さ（厚み方向Ｄ１２のサイズ）が２ｍｍのグラファイト部材１１に各実施例及び各比較例の膜形成処理を施したものを用意した。 The evaluation of the thermal shock test was obtained by preparing test pieces described below for each of the examples and comparative examples shown in Table 1, and performing the thermal shock test on each of these test pieces. It is. The test piece was prepared by subjecting a graphite member 11 having a size of 20 mm in length and width and a thickness (size in the thickness direction D12) of 2 mm to the film forming process of each example and each comparative example.

また、各実施例及び各比較例における金属膜２０の前記膜応力の種類（引張応力又は圧縮応力）については、Specialty Testing and Development Company（米国）製のストリップ電着応力測定器（製品名：６８３ＥＣアナライザー）を用い、同社の測定基準に従って測定した。また、金属膜２０の厚みは、テストピースにおける金属膜２０の断面を撮像した顕微鏡写真により測定した。 Further, the type of film stress (tensile stress or compressive stress) of the metal film 20 in each example and each comparative example was measured by a strip electrodeposition stress measuring instrument (product name: 683EC) manufactured by Specialty Testing and Development Company (USA). Analyzer) was used and measured according to the company's measurement standards. Also, the thickness of the metal film 20 was measured using a microscope photograph of the cross section of the metal film 20 in the test piece.

前記熱衝撃試験は、各実施例、及び各比較例の各テストピースをホットプレートスターラー（ドイツのＩＫＡ社製のＣ－ＭＡＧＨＳ７）で２０℃から３５０℃まで加熱し、その後、テストピースをアルミトレイに載置して室温（約２０℃）になるまで冷却することにより行った。そして、冷却後のテストピースを目視確認及び触手確認することにより、テストピースの金属膜２０の乖離の有無の判定を行い、熱衝撃試験について評価を行った。その評価結果が表１に示されている。ここで、目視又は触手によって乖離が確認できた場合に「乖離有り」と判定し、この判定結果に基づいて、実施例１乃至１２及び比較例１乃至８に対する評価を行った。なお、乖離が確認できた場合を「×（Ｐｏｏｒ：悪い）」と評価し、乖離が確認できなかった場合を「○（Ｇｏｏｄ：良好）」と評価した。 In the thermal shock test, each test piece of each example and each comparative example was heated with a hot plate stirrer (C-MAG HS7 manufactured by IKA in Germany) from 20 ° C. to 350 ° C., and then the test piece was heated with aluminum. It was carried out by placing on a tray and cooling to room temperature (about 20° C.). Then, the presence or absence of separation of the metal film 20 of the test piece was determined by visually confirming and touching the test piece after cooling, and the thermal shock test was evaluated. The evaluation results are shown in Table 1. Here, when the deviation could be confirmed visually or by touch, it was judged as "existence of deviation", and the evaluations of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8 were performed based on the judgment result. A case where deviation could be confirmed was evaluated as "X (poor: bad)", and a case where deviation could not be confirmed was evaluated as "◯ (good: good)".

前記熱処理としては、加熱試験用のオーブンを用いて、各実施例及び各比較例の各テストピースを３５０℃の温度環境下に３０分保持し、その後、オーブンから取り出して自然冷却させる方法を採用した。また、熱伝導率については、レーザーフラッシュ法に基づく測定装置（アルバック理工株式会社製のＴＣ－７０００）を用いて、前記熱処理後のテストピースの熱伝導率を測定した。 As the heat treatment, a heating test oven is used, and each test piece of each example and each comparative example is held in a temperature environment of 350 ° C. for 30 minutes, and then taken out from the oven and naturally cooled. did. As for the thermal conductivity, the thermal conductivity of the test piece after the heat treatment was measured using a measuring device (TC-7000 manufactured by ULVAC-RIKO, Inc.) based on the laser flash method.

表１に示すように、比較例１乃至８は、熱衝撃試験により金属膜２０に乖離が生じたため、「×（Ｐｏｏｒ：悪い）」と評価した。 As shown in Table 1, Comparative Examples 1 to 8 were evaluated as "x (poor: bad)" because the metal film 20 was separated by the thermal shock test.

実施例１乃至１２は、いずれも、熱衝撃試験により金属膜２０に乖離が生じなかったため、「○（Ｇｏｏｄ：良好）」と評価した。 In any of Examples 1 to 12, the metal film 20 did not deviate in the thermal shock test, so it was evaluated as "good".

図３は、各実施例１乃至１２及び各比較例１乃至８における前記膜応力の数値をプロットしたグラフ図（プロット図）である。表１に示す熱衝撃試験の評価によると、熱伝導構造体１０に形成された金属膜２０の前記膜応力（引張応力）は、１２ＭＰａ以上６１ＭＰａ以下の範囲内であれば、熱衝撃試験の評価が良好であることが分かる。また、各比較例を参照すると、金属膜２０の前記膜応力（引張応力）が６ＭＰａ以下、８４Ｍｐａ以上で熱衝撃試験の評価が悪いことが分かる。したがって、熱衝撃試験の評価が良好となるためには、図３に示すように、金属膜２０の前記膜応力（引張応力）が、破線で示す範囲内、すなわち、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましいことが理解できる。つまり、熱伝導構造体１０が標準温度（２０℃）から３５０℃の高温に加熱されたとしても、金属膜２０がこの範囲内の引張応力を有する場合は、金属膜２０に乖離が生じないと考えられる。 FIG. 3 is a graphical diagram (plot diagram) in which numerical values of the film stress in each of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8 are plotted. According to the evaluation of the thermal shock test shown in Table 1, if the film stress (tensile stress) of the metal film 20 formed on the heat conducting structure 10 is within the range of 12 MPa or more and 61 MPa or less, the evaluation of the thermal shock test is good. Further, referring to each comparative example, it can be seen that the film stress (tensile stress) of the metal film 20 is 6 MPa or less and 84 MPa or more, and the evaluation in the thermal shock test is poor. Therefore, in order for the evaluation of the thermal shock test to be good, as shown in FIG. It can be understood that it is preferable to be That is, even if the heat conducting structure 10 is heated from the standard temperature (20° C.) to a high temperature of 350° C., if the metal film 20 has a tensile stress within this range, the metal film 20 must not deviate. Conceivable.

なお、金属膜２０の前記膜応力をグラファイト部材１１に対して引張応力にする手法は、表１に示す膜形成処理方法（めっき処理方法）に限られない。例えば、上述したスパッタや溶射、蒸着などのようなドライコーティング法、液コーティング法（例えばディッピング）などのウェットコーティング法などによって金属膜２０が形成された後に、熱伝導構造体１０に対して所定の熱処理を施すことにより、当初圧縮応力であった前記膜応力を引張応力に変化させてもよい。 The method of making the film stress of the metal film 20 into a tensile stress with respect to the graphite member 11 is not limited to the film forming method (plating method) shown in Table 1. For example, after the metal film 20 is formed by a dry coating method such as sputtering, thermal spraying, or vapor deposition, or a wet coating method such as a liquid coating method (for example, dipping), the thermal conductive structure 10 is subjected to a predetermined The film stress, which was initially compressive stress, may be changed to tensile stress by applying a heat treatment.

図４は、実施例１のテストピースにおける上面１１Ａに形成された金属膜２０の断面を示す顕微鏡写真であり、図５は、図４の顕微鏡写真の一部を更に拡大したものである。図６は、実施例２のテストピースにおける上面１１Ａに形成された金属膜２０の断面を示す顕微鏡写真、図７は、実施例３のテストピースにおける上面１１Ａに形成された金属膜２０の断面を示す顕微鏡写真、図８は、実施例４のテストピースにおける上面１１Ａに形成された金属膜２０の断面を示す顕微鏡写真である。図中の破線は、グラファイト部材１１と金属膜２０との概ねの境界面を示す。 FIG. 4 is a micrograph showing a cross section of the metal film 20 formed on the upper surface 11A of the test piece of Example 1, and FIG. 5 is a further enlarged part of the micrograph of FIG. 6 is a micrograph showing a cross section of the metal film 20 formed on the upper surface 11A of the test piece of Example 2, and FIG. 7 is a cross section of the metal film 20 formed on the upper surface 11A of the test piece of Example 3. FIG. 8 is a micrograph showing a cross section of the metal film 20 formed on the upper surface 11A of the test piece of Example 4. As shown in FIG. A dashed line in the drawing indicates a rough interface between the graphite member 11 and the metal film 20 .

図４及び図５に示すように、熱衝撃試験の評価が良好と判断された実施例１のテストピースにおいて、金属膜２０は、グラファイト部材１１の上面１１Ａに垂直な方向に配向した柱状結晶を有する。言い換えると、金属膜２０は、上面１１Ａに垂直な方向に延びる柱状の結晶構造を有する。また、図６乃至図８に示すように、実施例２乃至４においても、金属膜２０が柱状結晶を有することが確認された。また、図示していないが、他の実施例５乃至１２においても、金属膜２０の全部または一部に、上面１１Ａに垂直な方向に配向した柱状結晶を有する結晶層が確認された。 As shown in FIGS. 4 and 5, in the test piece of Example 1 which was judged to have a good evaluation in the thermal shock test, the metal film 20 had columnar crystals oriented in a direction perpendicular to the upper surface 11A of the graphite member 11. have. In other words, metal film 20 has a columnar crystal structure extending in a direction perpendicular to upper surface 11A. Moreover, as shown in FIGS. 6 to 8, it was confirmed that the metal film 20 had columnar crystals in Examples 2 to 4 as well. In addition, although not shown, a crystal layer having columnar crystals oriented in a direction perpendicular to the upper surface 11A was confirmed in all or part of the metal film 20 in other Examples 5 to 12 as well.

なお、金属膜２０に柱状結晶を有する実施例１乃至５、９乃至１２の熱伝導構造体１０は、表１に記載の各膜形成処理方法（めっき処理方法）によってグラファイト部材１１の上面１１Ａに金属膜２０を形成することにより製造可能である。これにより、金属膜２０において、前記厚み方向Ｄ１２に延びるように配向した柱状結晶を形成することができる。 The heat conductive structures 10 of Examples 1 to 5 and 9 to 12 having columnar crystals in the metal film 20 were formed on the upper surface 11A of the graphite member 11 by each film formation treatment method (plating treatment method) listed in Table 1. It can be manufactured by forming the metal film 20 . Thereby, in the metal film 20, columnar crystals oriented so as to extend in the thickness direction D12 can be formed.

一方、比較例１乃至８の金属膜２０Ａの結晶構造は、微結晶構造或いは層状構造である。例えば、図９に示すように、比較例１の金属膜２０Ａの結晶構造は微結晶構造であり、図１０に示すように、比較例５の金属膜２０Ａの結晶構造は層状構造である。表１から理解できるように、いずれの比較例であっても、金属膜が柱状の結晶構造でない場合は、熱衝撃試験の評価が悪いことが分かる。 On the other hand, the crystal structure of the metal film 20A of Comparative Examples 1 to 8 is a microcrystalline structure or a layered structure. For example, as shown in FIG. 9, the crystal structure of the metal film 20A of Comparative Example 1 is a microcrystalline structure, and as shown in FIG. 10, the crystal structure of the metal film 20A of Comparative Example 5 is a layered structure. As can be understood from Table 1, in any of the comparative examples, when the metal film does not have a columnar crystal structure, the evaluation in the thermal shock test is poor.

したがって、金属膜２０全体が柱状結晶で構成されている場合、又はその一部に前記結晶層を含むよう構成されている場合も、熱伝導構造体１０において、グラファイト部材１１が前記積層方向Ｄ１１に膨張したことに起因する金属膜２０の乖離を抑制できると考えられる。 Therefore, even when the entire metal film 20 is composed of columnar crystals, or when a portion of the metal film 20 is configured to include the crystal layer, in the heat conducting structure 10, the graphite member 11 is arranged in the stacking direction D11. It is considered that the separation of the metal film 20 caused by the expansion can be suppressed.

以下、表３を参照して、上述の実施形態に係る熱伝導構造体１０の実施例１３乃至２４について説明するとともに、各実施例１３乃至２４の効果について説明する。ここで、表３は、熱伝導構造体１０の実施例１３乃至２４における金属膜２０の種類（めっき膜種）、厚み、上述した熱処理前の結晶構造、積層方向Ｄ１１の膜応力、熱処理の有無、熱伝導率、熱衝撃試験の評価を示す。なお、実施例１３乃至２４は、それぞれ、実施例１乃至１２に対して、膜形成処理（めっき処理）が施された熱伝導構造体１０に対して、上述した熱処理が施されたものであり、膜形成処理後に前記熱処理が施された点において実施例１乃至１２と相違し、その他の点については同じ構成である。 Hereinafter, Examples 13 to 24 of the heat conducting structure 10 according to the above embodiment will be described with reference to Table 3, and the effects of Examples 13 to 24 will be described. Here, Table 3 shows the type (plating film type) and thickness of the metal film 20 in Examples 13 to 24 of the heat conducting structure 10, the crystal structure before the heat treatment described above, the film stress in the stacking direction D11, and the presence or absence of heat treatment. , thermal conductivity, thermal shock test evaluation. In Examples 13 to 24, the above-described heat treatment was performed on the thermally conductive structure 10 that had been subjected to the film forming treatment (plating treatment) in Examples 1 to 12, respectively. , the heat treatment is performed after the film forming treatment, and the other points are the same.

また、実施例１３乃至２４においては、前記熱処理後の前記膜応力はいずれも引張応力を維持しているが、その膜応力の数値は、前記熱処理前に比べて、５％～１５％程度低下すると考えられる。これは、前記熱処理が施されることのより金属膜２０における柱状結晶が肥大化し、結晶サイズが大きくなることによって隣接する柱状間の結晶が繋がり、結晶粒界に存在していたひずみが解消されることにより応力が若干低下するためである。 In Examples 13 to 24, the film stress after the heat treatment maintained tensile stress, but the numerical value of the film stress decreased by about 5% to 15% compared to before the heat treatment. It is thought that This is because the heat treatment causes the columnar crystals in the metal film 20 to enlarge and the crystal size to increase, so that the adjacent columnar crystals are connected, and the strain existing at the crystal grain boundary is eliminated. This is because the stress is slightly reduced by

表３に示すように、実施例１３の熱伝導率は、対応する実施例１の熱伝導率の約１．２３倍であり、実施例１の熱伝導率を基準とした増加率は約２２．８％である。また、実施例１４の熱伝導率は、対応する実施例２の熱伝導率の約１．２１倍であり、実施例２の熱伝導率を基準とした増加率は約２０．７％である。同様に、金属膜２０が柱状の結晶構造を有する実施例１５乃至１７及び２２においても、熱伝導率の増加率は、対応する他の実施例３乃至５及び１０と比べて１３％以上となっている。また、金属膜２０の一部に柱状結晶を有する実施例２１，２３，２４においても、熱伝導率の増加率は、対応する他の実施例９，１１，１２と比べて１６％以上となっている。 As shown in Table 3, the thermal conductivity of Example 13 is about 1.23 times the thermal conductivity of the corresponding Example 1, an increase of about 22 times the thermal conductivity of Example 1. .8%. In addition, the thermal conductivity of Example 14 is about 1.21 times the thermal conductivity of the corresponding Example 2, and the increase rate based on the thermal conductivity of Example 2 is about 20.7%. . Similarly, in Examples 15 to 17 and 22 in which the metal film 20 has a columnar crystal structure, the rate of increase in thermal conductivity is 13% or more compared to the other corresponding Examples 3 to 5 and 10. ing. Also, in Examples 21, 23, and 24 having columnar crystals in a portion of the metal film 20, the rate of increase in thermal conductivity was 16% or more compared to the other corresponding Examples 9, 11, and 12. ing.

なお、実施例１３乃至１７、実施例２１乃至２４の熱伝導構造体１０は、表１に記載の各膜形成処理方法（めっき処理方法）によってグラファイト部材１１の上面１１Ａに金属膜２０を形成した後に、上述した熱処理を熱伝導構造体１０に施すことにより製造可能である。 In the thermally conductive structures 10 of Examples 13 to 17 and Examples 21 to 24, the metal film 20 was formed on the upper surface 11A of the graphite member 11 by each film forming treatment method (plating treatment method) listed in Table 1. It can be manufactured by subjecting the heat-conducting structure 10 to the heat treatment described above later.

一方、柱状の結晶構造を有しない実施例１８乃至２０のいずれにおいても、熱伝導率は増加しておらず略同じが僅かに減少している。 On the other hand, in any of Examples 18 to 20, which do not have a columnar crystal structure, the thermal conductivity is almost the same, but slightly decreased.

したがって、金属膜２０全体が柱状結晶で構成されている熱伝導構造体１０、又はその一部に前記結晶層を含むよう構成されている熱伝導構造体１０において、上述した熱処理が施された場合は、前記熱処理が施されていない場合に比べて、熱伝導構造体１０における熱伝導率を大幅に向上させることができる。 Therefore, when the above-described heat treatment is performed on the thermally conductive structure 10 in which the entire metal film 20 is composed of columnar crystals, or in the thermally conductive structure 10 in which the crystal layer is partially included, can significantly improve the thermal conductivity of the thermally conductive structure 10 as compared to the case where the heat treatment is not performed.

なお、上述の熱処理は、単なる一例であり、例えば、１００℃～３５０℃の範囲内で定められた設定温度で、３０分～５時間の範囲内で定められた設定時間、熱伝導構造体１０を加熱してもよい。このような加熱条件の下で熱処理が行われた場合でも、前記熱処理が施されない場合に比べて、熱伝導構造体１０における熱伝導率を向上させることができる。 Note that the heat treatment described above is merely an example, and for example, at a set temperature set within the range of 100° C. to 350° C., for a set time set within the range of 30 minutes to 5 hours, the heat conducting structure 10 may be heated. Even when the heat treatment is performed under such heating conditions, the thermal conductivity of the heat conducting structure 10 can be improved as compared with the case where the heat treatment is not performed.

なお、本実施形態において、熱伝導構造体１０における金属膜２０の形成方法は、表１又は表３の各実施例の膜形成処理方法（めっき処理方法）に限定されず、めっき法以外のウェットコーティング法などを適用してもよい。また、スパッタや溶射、蒸着などのようなドライコーティング法、液コーティング法（例えばディッピング）などによってグラファイト部材１１の全周面又は一部に金属膜２０を形成する方法を採用することも可能である。 In the present embodiment, the method of forming the metal film 20 in the thermally conductive structure 10 is not limited to the film formation treatment method (plating treatment method) of each example in Table 1 or Table 3. A coating method or the like may be applied. It is also possible to adopt a method of forming the metal film 20 on the entire peripheral surface or a part of the graphite member 11 by a dry coating method such as sputtering, thermal spraying, vapor deposition, or a liquid coating method (for example, dipping). .

１０：熱伝導構造体
１０Ａ：上面
１０Ｂ：下面
１１：グラファイト部材
１１Ａ：上面
１１Ｂ：下面
１５：グラフェンシート
２０：金属膜
５０：冷却装置
５６：半導体素子
５７：放熱体
６０：半導体モジュール
Ｄ１１：積層方向
Ｄ１２：厚み方向 REFERENCE SIGNS LIST 10: Thermal conductive structure 10A: Upper surface 10B: Lower surface 11: Graphite member 11A: Upper surface 11B: Lower surface 15: Graphene sheet 20: Metal film 50: Cooling device 56: Semiconductor element 57: Radiator 60: Semiconductor module D11: Stacking direction D12: thickness direction

Claims

a plate-like graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction;
a metal film formed on a surface of the graphite member on a second direction side that intersects with the first direction;
the coefficient of thermal expansion of the metal film is smaller than the coefficient of thermal expansion of the graphite member in the first direction;
A graphite structure, wherein the film stress in the first direction in the metal film is a tensile stress with respect to the graphite member.

2. The graphite structure according to claim 1, wherein said film stress is tensile stress within the range of 10 MPa or more and 80 MPa or less.

3. The graphite structure according to claim 1, wherein said metal film includes a crystal layer having columnar crystals oriented so as to extend in said second direction.

a plate-like graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction;
a metal film formed on a surface of the graphite member on a second direction side that intersects with the first direction;
A graphite structure, wherein the metal film includes a crystal layer having columnar crystals oriented so as to extend in the second direction.

5. The graphite structure according to any one of claims 1 to 4, wherein said graphite structure is subjected to heat treatment according to predetermined heating conditions.

6. The graphite structure according to claim 5, wherein the heating condition is heating at a set temperature set within the range of 100° C. to 350° C. for a set time set within the range of 30 minutes to 5 hours. .

6. The graphite structure according to claim 5, wherein said heating condition is heating at 350[deg.] C. for 30 minutes.

a graphite structure according to any one of claims 1 to 7;
a radiator attached to a heat dissipation surface on one side of the graphite structure in the second direction,
A cooling device for dissipating heat transmitted from a heat generator attached to the mounting surface of the graphite structure on the other side in the second direction through the graphite structure to the heat dissipation surface by the radiator.

A graphite structure comprising: a plate-like graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction; and a metal film formed on a surface of the graphite member on a second direction side that intersects with the first direction. A manufacturing method comprising:
A method of manufacturing a graphite structure, wherein the metal film is formed on the surface of the graphite member so that the film stress in the first direction becomes a tensile stress on the graphite member.

A graphite structure comprising: a plate-like graphite member in which graphene sheets are laminated along a first direction; and a metal film formed on a surface of the graphite member on a second direction side that intersects with the first direction. A manufacturing method comprising:
A method of manufacturing a graphite structure, wherein the metal film including a crystal layer having columnar crystals oriented so as to extend in the second direction is formed on the surface of the graphite member.

11. The method for producing a graphite structure according to claim 9, wherein the graphite structure is subjected to heat treatment according to predetermined heating conditions in order to improve the thermal conductivity of the graphite structure.