JP5621698B2 - 発熱体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等の発熱体の熱を効果的に放熱させる発熱体モジュール、該発熱体モジュールの製造方法に関するものである。

近年、発熱体を冷却するための熱拡散部材として、銅やアルミニウム等の金属材料に代えて、グラファイトや炭素繊維などの炭素系材料を用いて形成された熱拡散部材が検討されている。

例えば特許文献１では、発熱体としての半導体素子と放熱板との間に、熱拡散部材として、炭素繊維−金属複合材を用いて形成された熱拡散板が１層配置されている。そして、炭素繊維の配向方向を、熱拡散板の厚さ方向と一致させることで、半導体素子から放熱板へ熱を伝えやすくしている。なお、炭素繊維の配向方向の熱伝導率は１０００Ｗ／ｍＫ程度であり、これにより熱拡散部材は、銅（熱伝導率３５０〜４００Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱伝導率２００〜２４０Ｗ／ｍＫ）よりも高い熱伝導性を有している。

特開２００９−４６６６号公報

また、グラファイトなどの炭素系材料は、互いに直交する関係にある３軸方向のうち、２軸方向に高熱伝導性（１０００Ｗ／ｍＫ程度）を有し、残りの１軸方向に低熱伝導性（５〜２００Ｗ／ｍＫ程度）を有する。このように、２軸方向に高熱伝導性を有し、残りの１軸方向に低熱伝導性を有する配向性の炭素系材料を用いると、熱拡散板の厚さ方向だけでなく、厚さ方向に垂直な面に沿う一方向にも熱を拡散させることができ、放熱性を向上することができる。

しかしながら、熱拡散板（熱拡散部材）とその隣に位置する部材（例えば半導体素子）との界面には、線膨張係数差に起因する熱応力が生じる。上記した配向性の炭素系材料は、線膨張係数に大きな異方性を有しているため、線膨張係数が高い方向において隣に位置する部材との線膨張係数差、ひいては界面の熱応力が大きくなる。これにより、放熱性能が低下し、発熱体の信頼性が低下する虞がある。

本発明は上記問題点に鑑み、放熱性を向上しつつ熱応力を低減することのできる発熱体モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、冷却器と発熱体との間に介在される熱拡散部材として、２軸方向に高熱伝導性を有し、残りの１軸方向に低熱伝導性を有する配向性の炭素系材料を用いて形成された少なくとも１層の熱拡散板を採用する。また、熱拡散板は、発熱体の搭載面である一面に対して垂直な方向を板厚方向とし、板厚方向と一面に沿う第１方向との熱伝導率が、板厚方向及び第１方向に垂直な第２方向の熱伝導率よりも高くなるように配置される。この熱拡散板により、板厚方向と、板厚方向に垂直な一面に沿う一方向（第１方向）とに熱が拡散されるため、発熱体から冷却器に対して効率よく熱を移動させ、放熱性を向上することができる。

また、配向性の炭素系材料は、高熱伝導方向の線膨張係数に較べて、低熱伝導方向の線膨張係数が高いという、線膨張係数の異方性を有する。これに対し、本発明では、熱拡散板を、線膨張係数の高い第２方向において複数のブロックに分割している。したがって、熱拡散板と熱拡散板の隣に位置する部材との線膨張係数差に基づく熱応力を、熱拡散板（各ブロック）における第２方向の膨張・収縮により緩和（低減）することができる。

なお、高熱伝導方向である第１方向において熱拡散板を分割するのではなく、低熱伝導方向である第２方向において熱拡散板を分割するため、板厚方向に垂直な面に沿う方向への熱の拡散を妨げることは殆どない。

以上から、本発明によれば、放熱性を向上しつつ熱応力を低減することができる。

さらに本発明では、各ブロックが互いに分離独立された構成（一体化されていない構成）となっている。これにより、一体化された構成に較べて、ブロックが第２方向に膨張・収縮しやすく、熱応力を効果的に低減することができる。

請求項２に記載のように、複数層の熱拡散板により熱拡散部材が構成されるとともに、第２方向が互いに異なるように各熱拡散板が配置されることが好ましい。このように、熱拡散部材を構成する複数の熱拡散板の第２方向を異ならせると、互いに直交する位置関係の３軸方向に熱を拡散させることができる。すなわち、放熱性をより向上することができる。

なお、請求項３に記載のように、熱拡散部材が発熱体と電気的に接続される構成において、熱拡散部材が電気絶縁層を介して冷却器上に配置されると、電気絶縁層により、熱拡散部材と冷却器が電気的に接続されるのを抑制することができる。

次に、請求項４に記載の発明では、上記した発熱体モジュールを製造するにあたり、第１方向及び板厚方向の少なくとも一方に沿って延びる溝部を有する熱拡散板を準備する。この溝部は、熱拡散板を、板厚方向及び第１方向により規定される面で分割するために設けられる。このため、溝部を有する熱拡散板と、該熱拡散板の隣に位置する部材とを加熱しつつ接合する際に、接合界面に生じる熱応力により、溝部に沿って熱拡散板を分割し、熱拡散板を第２方向において複数のブロックとすることができる。これによれば、接合前に、熱拡散板を分割する方法に較べて、製造時間を短縮することができる。また、接合時に分割するため、分割した各ブロックを隣に位置する部材とそれぞれ接合する方法に較べて、位置決め等の手間を省き、製造工程を簡素化することもできる。

請求項５に記載のように、溝部を、熱拡散板における接合部材との接触面に設けると、熱応力が生じる接合界面に溝部があるため、熱応力により、熱拡散板を分割しやすくなる。

なお、熱拡散板の隣に位置する部材とは、請求項６に記載の発熱体、請求項７に記載の冷却器、請求項８に記載の、熱拡散板と冷却器との間に設けられる電気絶縁層を採用することができる。また、請求項９に記載のように、熱拡散部材が熱拡散板を複数層有する場合には、熱拡散板同士を接合する際の熱応力により、各熱拡散板をそれぞれの第２方向において複数のブロックとすることもできる。

第１実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。 熱拡散部材の概略構成を示す斜視図であり、（ａ）はブロックを構成する炭素系板材を示す図、（ｂ）はブロックを示す図である。 発熱体モジュールの変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールの変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールの変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールの製造方法の変形例を示す図であり、（ａ）は熱拡散板の準備工程を示す平面図、（ｂ）は熱拡散板の接合工程を示す斜視図である。 第２実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。 熱拡散部材の概略構成を示す斜視図である。 発熱体モジュールのその他変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールのその他変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールのその他変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールのその他変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールのその他変形例を示す断面図である。 発熱体モジュールのその他変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る発熱体モジュール、発熱体モジュールに適用された熱拡散部材について、図１及び図２を用いて説明する。

図１に示す発熱体モジュール１０は、少なくとも、冷却器１１、冷却器１１上に配置された熱拡散部材１２、及び熱拡散部材１２の冷却器１１と反対の一面１２ａ上に配置された発熱体１３を備える。本実施形態では、さらに、熱拡散部材１２と冷却器１１とを電気的に分離する電気絶縁層１４、電気絶縁層１４と熱拡散部材１２の間に配置された外部接続端子としてのリード１５を備える。

そして、冷却器１１の一面には、接合部材２０により電気絶縁層１４が接合され、電気絶縁層１４の冷却器１１と反対の面には、接合部材２１によりリード１５が接合されている。また、リード１５の電気絶縁層１４と反対の面には、接合部材２２により熱拡散部材１２が接合され、熱拡散部材１２のリード１５と反対の面、すなわち一面１２ａには接合部材２３により発熱体１３が接合されている。

冷却器１１は、発熱体１３の熱を、図示しない内部通路を流通する冷却媒体に移動させて、発熱体１３を冷却する熱交換器である。この冷却器１１は、板状をなす本体部の内部に多数の通路が設けられて形成されており、各通路には冷却媒体（例えば冷却用空気や、冷却水等）が流通されるようになっている。

電気絶縁層１４は、発熱体１３から冷却器１１への漏電を防止するためのものである。電気絶縁層１４としては、セラミックからなる板材、セラミック材料と樹脂材料の混合体からなるフィルム状の材料、などを用いることができる。本実施形態では、電気絶縁層１４として、セラミックからなる板材を採用している。

接合部材２０，２１としては、熱伝導性が良好であり、接合部材２０は、電気絶縁層１４と冷却器１１を接合でき、接合部材２１は、リード１５と電気絶縁層１４を接合できるものを採用することができる。これら接合部材２０，２１としては、導電性は特に言及されない。また、リード１５と電気絶縁層１４との間、電気絶縁層１４と冷却器１１との間は接合されていなくても良い。例えば、接合部材２０，２１に代えて、リード１５と電気絶縁層１４との間、電気絶縁層１４と冷却器１１との間に薄く濡れ広がって界面熱抵抗を低下させる働きのあるグリス状の材料を用いることもできる。また、電気絶縁層１４それ自体に弾力性乃至接着性をもつ材料を使用することで、接合部材２０，２１を有さない構成とすることもできる。

リード１５は、ＣｕやＡｌなど導電性に優れる金属材料からなり、熱拡散部材１２と電気絶縁層１４との間に介在されている。そして、発熱体１３としての半導体素子の一方の電極と、接合部材２２，２３及び熱拡散部材１２を介して電気的に接続されている。

接合部材２２としては、熱伝導性が良好であり、熱拡散部材１２とリード１５とを接合できるものを採用することができる。例えば単一金属のナノ粒子を焼結してなるものを採用すると良い。単一金属としては、熱伝導性が高い、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕのいずれかを採用することが好ましい。ちなみに、Ａｇの熱伝導率は４２７Ｗ／ｍＫ、Ａｕの熱伝導率は３１５Ｗ／ｍＫ、Ｃｕの熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫである。本実施形態では、接合部材２２がＡｇのナノ粒子を焼結してなる。なお、金属ナノ粒子とは、周囲を有機保護膜でコーティングされたナノサイズ（例えば粒子径が１ｎｍ〜１００ｎｍ）の金属粒子である。

熱拡散部材１２は、発熱体１３の熱を冷却器１１に効率よく伝導させるための部材である。この熱拡散部材１２は、互いに直交する２方向に高熱伝導性を有し、残りの一方向に低熱伝導性を有する配向性の炭素系材料を用いて形成された熱拡散板３０を少なくとも１層有する。炭素系材料としては、炭素単体、又は、炭素を主成分とし、ＣｕやＡｌなどの金属、樹脂、セラミックを副成分とする複合材料を採用することができる。また、炭素としては、グラファイト（黒鉛）や炭素繊維を採用することができる。

熱拡散板３０は、発熱体１３の搭載面である一面１２ａに垂直な板厚方向１ａと、一面１２ａに沿う方向のうちの第１方向１ｂに高熱伝導性を有し、板厚方向１ａ及び第１方向１ｂに垂直な第２方向１ｃに低熱伝導性を有する。また、低熱伝導性を有する第２方向１ｃにおいて、複数のブロック３１に分割されている。熱拡散板３０の分割数は特に限定されるものではない。熱拡散板３０の分割数、すなわちブロック３１の数が増えるほど、第２方向１ｃにおける接合部材２２（又は接合部材２３）との接触長さが短くなり、これにより歪量、ひいては熱応力を小さくすることができる。すなわち、熱応力の低減に有利である。

本実施形態では、熱拡散部材１２が１層の熱拡散板３０からなる。そして、熱拡散板３０は、図１に示すように第２方向１ｃにおいて４つのブロック３１に分割されている。また、第２方向１ｃにおいて隣り合うブロック３１は接続部材３２により接続され、各ブロック３１は熱拡散板３０として一体化されている。なお、接続部材３２としては、ブロック３１を構成する炭素系材料よりもヤング率の低い材料（はんだ、Ａｇペースト、樹脂接着剤など）を採用することができる。

各ブロック３１は、図２（ａ）に示す薄板３３を積層・一体化してなる。具体的には、複数の薄板３３を積層し、この積層体を焼付けすることで形成される。薄板３３を構成するグラファイトは、炭素原子が隣接の炭素原子と平面内で３方向に共有結合を形成し、縮合六員環を形成した構造（層状構造）を有しており、各層間をファンデルワールス力で結び付けた異方性を有している。この層状構造のため、層（グラファイトのａｂ面）に対して平行方向と垂直方向では性質が異なっている。具体的には、平行方向に高い熱伝導性（１０００Ｗ／ｍＫ程度）を有し、垂直方向に低い熱伝導性（５〜２００Ｗ／ｍＫ程度）を有している。一方、平行方向の線膨張係数よりも垂直方向の線膨張係数のほうが高くなっている。

薄板３３は、図２（ａ）に示すように平面長方形をなしており、その厚さ方向が、グラファイトの上記垂直方向と一致し、平面長方形の長手方向及び幅方向（短手方向）がグラファイトの上記平行方向と一致している。そして、図２（ｂ）に示すように薄板３３がその厚さ方向に複数枚積層され、例えば焼付けにより一体化されてブロック３１が構成されている。このため、ブロック３１は、板厚方向における寸法が、薄板３３の幅方向の寸法に等しくなっている。

このブロック３１では、薄板３３の積層方向が低熱伝導性の第２方向１ｃと一致し、板厚方向が、高熱伝導性の板厚方向１ａと一致し、長手方向が、高熱伝導性の第１方向１ｂと一致している。すなわち、薄板３３の厚さ方向が低熱伝導性の第２方向１ｃと一致し、幅方向が、高熱伝導性の板厚方向１ａと一致し、長手方向が、高熱伝導性の第１方向１ｂと一致するように、薄板３３を用いてブロック３１（熱拡散板３０）が構成されている。

なお、熱拡散板３０は、その表面に接合部材２２，２３との接合性を向上させるための図示しない金属薄膜を有しても良い。この金属薄膜は、スパッタや蒸着などの物理的堆積方法やメッキ法により形成されるものであり、少なくとも発熱体１３との対向面及びリード１５との対向面に形成される。金属薄膜を構成する材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄのうちの少なくとも１つを採用することができる。

接合部材２３としては、熱伝導性が良好であり、発熱体１３と熱拡散部材１２とを接合できるものであれば良い。例えば接合部材２２同様、単一金属(例えばＡｇ)のナノ粒子を焼結してなるものを採用することができる。

発熱体１３は、駆動時（動作時）に発熱するものである。例えばシリコンなどの半導体基板に素子が形成されてなる半導体素子を採用することができる。本実施形態では、発熱体１３として、半導体基板の両面に電極を有し、半導体基板の厚さ方向に電流が流れる縦型のＩＧＢＴを採用している。なお、両面に電極を有する縦型の半導体素子としては、ＩＧＢＴ以外にも、ＭＯＳＦＥＴやＦＷＤ（転流ダイオード）などを採用することができる。

熱拡散部材１２の一面１２ａに搭載される発熱体１３の個数は特に限定されるものではない。本実施形態では、図１に示すように発熱体１３を１つのみ示すが、複数の発熱体１３を備える構成としても良い。

この発熱体１３も、熱拡散板３０同様、その表面に接合部材２３との接合性を向上させるための図示しない金属薄膜を有しても良い。金属薄膜は、スパッタや蒸着などの物理的堆積方法やメッキ法により形成されるものであり、少なくとも熱拡散部材１２との対向面に形成される。

このような発熱体モジュール１０は、例えば以下に示す製造方法により形成することができる。先ず、発熱体モジュール１０を構成する各部材（冷却器１１、熱拡散部材１２、発熱体１３、電気絶縁層１４、リード１５）を準備する。ここで、熱拡散部材１２としては、第２方向１ｃにおいて複数のブロック３１に分割されるとともに、各ブロック３１が接続部材３２により一体化された熱拡散板３０を準備する。そして、図１に示すように、隣り合う部材を接合部材２０，２１，２２，２３により接合することで、発熱体モジュール１０を得ることができる。

次に、上記した熱拡散部材１２及び発熱体モジュール１０の特徴部分の効果について説明する。

本実施形態の発熱体モジュール１０においては、発熱体１３の熱が、接合部材２３を介して熱拡散部材１２の熱拡散板３０に伝達され、第１方向１ｂ（長手方向）に沿って外周側に拡がりつつ板厚方向１ａにおいて冷却器１１側に拡がる。そして、この熱は、接合部材２２を介してリード１５に伝導され、さらに接合部材２１、電気絶縁層１４、及び接合部材２０を介して冷却器１１に至る。冷却器１１においては、上記のように伝導された発熱体１３の熱が、内部通路を流通する冷却媒体に移動され、これにより発熱体１３は冷却される。

本実施形態では、熱拡散部材１２として、互いに直交する３軸方向のうち、２軸方向において高熱伝導性を有し、残りの１軸方向において低熱伝導性を有する配向性の炭素系材料を用いて形成された熱拡散板３０を採用する。また、熱拡散板３０は、発熱体１３の搭載面である一面１２ａに対して垂直な方向を板厚方向１ａとし、板厚方向１ａと一面１２ａに沿う第１方向１ｂとの熱伝導率が、板厚方向１ａ及び第１方向１ｂに垂直な第２方向１ｃの熱伝導率よりも高くなるように配置される。この熱拡散板３０により、板厚方向１ａと、板厚方向１ａに垂直な一面１２ａに沿う一方向（第１方向１ｂ）とに熱が拡散されるため、発熱体１３から冷却器１１に対して効率よく熱を移動させ、放熱性を向上することができる。

また、上記した配向性の炭素系材料は、高熱伝導方向の線膨張係数に較べて、低熱伝導方向の線膨張係数が高いという、線膨張係数の異方性を有する。そこで、本実施形態では、熱伝導率の異方性と線膨張係数の異方性との関係に着目し、熱拡散板３０を、線膨張係数の高い第２方向１ｃにおいて複数のブロック３１に分割している。このため、熱拡散板３０と板厚方向１ａにおいて熱拡散板３０の隣に位置する部材（本実施形態では、発熱体１３、リード１５）との線膨張係数差に基づき生じる熱応力を、熱拡散板３０の各ブロック３１における第２方向の膨張・収縮により、緩和（低減）することができる。なお、このような熱応力は、例えば接合部材２２により、加熱しつつ熱拡散部材１２とリード１５とを接合する際、接合部材２３により、加熱しつつ熱拡散部材１２と発熱体１３とを接合する際に生じる。

また、熱応力は歪量に比例し、歪量は、線膨張係数差に比例するとともに２つの部材の接合界面の長さにも比例する。このため分割すると、熱拡散板３０を分割しない構成に較べて接合界面の長さが短くなり、さらに線膨張係数の高い第２方向１ｃにおいて分割する効果と相俟って、歪量、ひいては熱応力を効果的に低減することができるとも言える。

また、高熱伝導方向である第１方向１ｂにおいて熱拡散板３０を分割するのではなく、低熱伝導方向である第２方向１ｃにおいて熱拡散板３０を分割する。このため、分割構造により、板厚方向１ａに対して垂直な方向への熱の拡がりが制限されるのを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、放熱性を向上しつつ熱応力を低減することができる。

また、本実施形態では、複数のブロック３１が、該ブロック３１を構成する炭素系材料よりもヤング率の低い接続部材３２により接続され、一体化されている。このため、ブロック３１が膨張・収縮し、熱応力を低減することができる。また、各ブロック３１が一体化されて１層の熱拡散板３０をなすため、熱拡散板３０の取り扱い、例えば発熱体モジュール１０の製造において、熱拡散板３０（熱拡散部材１２）の位置決めや接合が容易となる。

なお、本実施形態では、熱拡散部材１２を、発熱体１３で生じた熱が冷却器１１に移動され、発熱体１３が冷却される発熱体モジュール１０に適用する例を示した。しかしながら、その適用範囲は上記例に限定されるものではない。

また、歪量（ひいては熱応力）は、温度にも比例する。このため、熱拡散部材１２に接する接合部材２２，２３として、低温での接合が可能なナノ粒子の焼結体を採用することが好ましい。この焼結体は、以下に示す方法（接合部材２３で例示）で形成することができる。先ず、金属ペーストを準備する。金属ペーストとは、周囲を有機保護膜でコーティングされたナノサイズ（例えば粒子径が１ｎｍ〜１００ｎｍ）の金属粒子を溶媒中に分散させたペースト状のものである。接合部材２３に隣接する発熱体１３及び熱拡散部材１２の少なくとも一方に金属ペーストを塗布（例えばスクリーン印刷）する。そして、加熱して有機保護膜や溶媒を熱分解して揮発させると、金属ナノ粒子の表面が露出され、金属ナノ粒子同士が互いに金属結合を形成する。金属ナノ粒子の場合、表面の活性度が高いため、この加熱を低温（例えば最高温度３００度以下）で実施することができる。したがって、発熱体１３と熱拡散部材１２の線膨張係数差に基づいて生じる熱応力を低減することができる。同様に、熱拡散部材１２とリード１５の線膨張係数差に基づいて生じる熱応力を低減することもできる。

また、接合部材２２，２３を単一金属とすると、合金系である一般的なはんだ材料に較べて熱伝導率が高いため、放熱性を向上することができる。

（変形例）
本実施形態では、接続部材３２によりブロック３１が一体化されてなる熱拡散板３０の例を示した。すなわち、第２方向１ｃにおいて、隣り合うブロック３１間に、接続部材３２が介在される例を示した。しかしながら、図３に示すように、各ブロック３１が分離独立した構成、すなわち接続部材３２により一体化されていない構成を採用することができる。これによれば、一体化された構成に較べて、ブロック３１が第２方向１ｃに膨張・収縮しやすいため、熱応力を効果的に低減することができる。なお、図３では、分離独立状態を明確にするために、隣り合うブロック３１間に空隙を示しているが、隣り合うブロック３１が接触していても良い。

また、図４に示すように、接合部材２２が、隣り合うブロック３１間に介在され、接続部材３２の機能を果たす構成を採用することもできる。これによれば部品点数を削減するとともに、製造工程を簡素化することもできる。なお、接合部材２２は、熱拡散部材１２とリード１５とを接合する際に、毛細管現象によって隣り合うブロック３１を発熱体１３側に濡れ広がることで、ブロック３１間に介在される。なお、図４では、接合部材２２の例を示したが、接合部材２３についても同様である。

本実施形態では、発熱体１３として縦型の半導体素子を有し、発熱体モジュール１０が、熱拡散部材１２と冷却器１１との電気的な接続を防止する電気絶縁層１４と外部接続端子としてのリード１５を備える例を示した。しかしながら、発熱体１３として、ＬＤＭＯＳなどの横型の半導体素子を採用する場合には、図５に示すように、電気絶縁層１４とリード１５を有さない構成を採用することができる。図５では、接合部材２４を介して冷却器１１と熱拡散部材１２が接合されている。接合部材２４としては、特に限定されるものではないが、接合部材２２，２３同様、ナノ粒子の焼結体を採用することが好ましい。

本実施形態では、予め複数のブロック３１に分割された熱拡散板３０を用いて、該熱拡散板３０（熱拡散部材１２）とリード１５、発熱体１３をそれぞれ接合する例を示した。しかしながら、熱拡散板３０を該熱拡散板３０の隣に位置する部材と加熱しつつ接合する際に接合界面に生じる熱応力を利用し、熱拡散板３０を第２方向１ｃにおいて複数のブロック３１に分割しても良い。一例を図６（ａ），（ｂ）に示す。

先ず、板厚方向１ａ及び第１方向１ｂに高熱伝導性を有し、第２方向１ｃに低熱伝導性を有する配向性の熱拡散板３０であって、その表面に板厚方向１ａ及び第１方向１ｂの少なくとも一方に沿って延びる溝部３０ａを有するものを準備する。換言すれば、板厚方向１ａ及び第１方向１ｂにて規定されるグラファイトのａｂ面に沿って溝部３０ａが形成された熱拡散板３０を準備する。なお、ここでの熱拡散板３０は、薄板３３を積層・一体化してなるものではなく、例えばガス状とした材料（グラファイト材料）を平面の上に吹き付けていくことで形成されたものである。すなわち積層板でなく、単板である。

図６（ａ）に示す例では、平面矩形状の熱拡散板３０の表面のうち、リード１５との接合面３０ｂに第１方向１ｂに沿って延びる溝部３０ａが形成されている。また、第２方向１ｃにおいて熱拡散板３０を等距離で分けるように、３つの溝部３０ａが第２方向１ｃに等間隔で形成されている。

次に、溝部３０ａを有する熱拡散板３０を接合する。図６（ｂ）には、熱拡散板３０をリード１５に加熱しつつ接合する例を示す。接合部材２２を介してリード１５と熱拡散板３０を接合する際、熱拡散板３０とリード１５の接合界面に熱応力が生じる。ここで、上記したように、熱拡散板３０には、グラファイトのａｂ面に沿って溝部３０ａが形成されている。また、第２方向１ｃは、ファンデルワールス力で結び付けられている。このため、熱応力により溝部３０ａに沿ってクラックが進展し、熱拡散板３０は、第２方向１ｃにおいて複数のブロック３１（図６では４つ）となる。

このように、溝部３０ａを設けておき、接合時の熱応力を利用すると、接合前に、熱拡散板３０を分割する方法に較べて、製造時間を短縮することができる。また、接合時に分割するため、分割した各ブロック３１を板厚方向１ａにおいて隣に位置する部材とそれぞれ接合する方法に較べて、位置決め等の手間を省き、製造工程を簡素化することもできる。

また、図６に示す例のように、溝部３０ａを、熱拡散板３０における接合部材２２との接触面（接合面３０ｂ）に設けると、熱応力が生じる接合界面に溝部３０ａがあるため、熱応力により、熱拡散板３０を容易に分割することができる。

なお、溝部３０ａの形成位置としては、上記接合面３０ｂに限定されず、板厚方向１ａ及び第２方向１ｃに直交する面を除く面に、第１方向１ｂに沿う溝部３０ａを設けても良い。また、図６（ｂ）では、分割された状態を明確にするために、隣り合うブロック３１間に空隙を示しているが、隣り合うブロック３１が接触していても良い。また、図６では、熱拡散板３０とリード１５との接合を例に示したが、熱拡散板３０の接合対象としては特に限定されるものではない。発熱体１３、電気絶縁層１４、冷却器１１、該熱拡散板３０とともに熱拡散部材１２を構成する他の熱拡散板（第２実施形態参照）との接合の熱応力により、熱拡散板３０を分割しても良い。

（第２実施形態）
第１実施形態では、熱拡散部材１２が熱拡散板３０のみを有する例を示した。これに対し、本実施形態では、熱拡散部材１２が複数の熱拡散板を有する。そして、第２方向が互いに異なるように各熱拡散板が配置されることを特徴とする。

図７及び図８では、一例として、熱拡散板３０と熱拡散板３４の２層により熱拡散部材１２が構成されている。なお、図８では、便宜上、２つの熱拡散板３０，３４を接合する接合部材２５を省略している。

２つの熱拡散板３０，３４は、接合部材２５を介して積層方向１ａに積層されている。熱拡散板３０は、その構成及び配置が、第１実施形態に示した熱拡散板３０と同じである。一方、熱拡散板３４は、その構成が第１実施形態に示した熱拡散板３０とほぼ同じである。すなわち、熱拡散板３０，３４は、いずれもグラファイトからなる薄板３３を積層・一体化してなる。異なる点は、熱拡散板３４の第１方向２ｂ及び第２方向２ｃが、熱拡散板３０の第１方向１ｂ及び第２方向１ｃと異なる点である。

なお、熱拡散板３０がリード１５側、熱拡散板３４が発熱体１３側となっている。また、リード１５と熱拡散板３０の間に介在された接合部材２２、発熱体１３と熱拡散板３４の間に介在された接合部材２３は、第１実施形態に示した接合部材２２，２３と同じ構成となっている。

熱拡散板３０は、発熱体１３の搭載面である一面１２ａに垂直な板厚方向１ａと、一面１２ａに沿う方向のうちの第１方向１ｂとに高熱伝導性を有し、板厚方向１ａ及び第１方向１ｂに垂直な第２方向１ｃに低熱伝導性を有する。

熱拡散板３０は、第１実施形態同様、その板厚方向１ａに直交する第２方向１ｃにおいて４つのブロック３１に分割されている。また、第２方向１ｃにおいて隣り合うブロック３１は接続部材３２により接続され、各ブロック３１は熱拡散板３０として一体化されている。

そして、各ブロック３１において、薄板３３の幅方向が板厚方向１ａと一致し、薄板３３の長手方向が、高熱伝導性の第１方向１ｂと一致し、薄板３３の厚さ方向（積層方向）が第２方向１ｃと一致している。このため、熱拡散板３０の板厚方向１ａ及び第１方向１ｂは、高熱伝導性を有し、熱拡散板３０の第２方向１ｃは、低熱伝導性を有している。図７では、紙面上下方向が板厚方向１ａ、紙面と直交する方向が第１方向１ｂ、紙面左右方向が第２方向１ｃとなっている。

一方、熱拡散板３４は、発熱体１３の搭載面である一面１２ａに垂直な板厚方向２ａと、一面１２ａに沿う方向のうちの第１方向２ｂとに高熱伝導性を有し、板厚方向２ａ及び第１方向２ｂに垂直な第２方向２ｃに低熱伝導性を有する。

熱拡散板３４も、その板厚方向２ａに直交する第２方向２ｃにおいて４つのブロック３５に分割されている。また、第２方向２ｃにおいて隣り合うブロック３５は接続部材３６により接続され、各ブロック３５は熱拡散板３４として一体化されている。

そして、各ブロック３５において、薄板３３の幅方向が板厚方向２ａと一致し、薄板３３の長手方向が、高熱伝導性の第１方向２ｂと一致し、薄板３３の厚さ方向（積層方向）が第２方向２ｃと一致している。このため、熱拡散板３４の板厚方向２ａ及び第１方向２ｂは、高熱伝導性を有し、熱拡散板３４の第２方向２ｃは、低熱伝導性を有している。図７では、紙面上下方向が板厚方向２ａ、紙面左右方向が第１方向２ｂ、紙面と直交する方向が第２方向２ｃとなっている。すなわち、熱拡散板３０，３４において、板厚方向１ａ，２ａが一致し、第１方向１ｂ，２ｂ同士が直交し、第２方向１ｃ，２ｃ同士が直交する位置関係となっている。換言すれば、２つの熱拡散板３０，３４において、薄板３３の厚さ方向（積層方向）のなす角度がほぼ９０度となっている。

なお、接続部材３６としては、接続部材３２同様、ブロック３５を構成する炭素系材料よりもヤング率の低い材料（はんだ、Ａｇペースト、樹脂接着剤など）を採用することができる。

そして、２つの熱拡散板３０，３４は、板厚方向１ａ，２ａに積層されるとともに、接合部材２５によって接合されている。接合部材２５としては、特に限定されるものではないが、接合部材２２，２３同様、ナノ粒子の焼結体を採用することが好ましい。このような接合部材２５は、金属ナノ粒子を分散してなる金属ペーストを、２つの熱拡散板３０，３４の互いに対向する面の少なくとも一方に塗布し、加熱することで得ることができる。

このように本実施形態では、２つの熱拡散板３０，３４の板厚方向１ａ，２ａに垂直な方向において、熱拡散板３０における熱伝導性に優れる第１方向１ｂと、熱拡散板３４における熱伝導性に優れる第１方向２ｂとがほぼ直交する位置関係となっている。このため、２つの熱拡散板３０，３４を、互いに積層されてなる１つの熱拡散部材１２としてみたときに、板厚方向１ａ，２ａに加えて、該板厚方向１ａ，２ａに直交する２方向に良好な熱伝導性を有するものとすることができる。すなわち、３軸方向において熱伝導性に優れた熱拡散部材１２とすることができ、熱拡散部材１２が熱拡散板３０のみを有する構成に較べて、より効率よく発熱体１３を冷却することができる。

なお、本実施形態では、板厚方向１ａ，２ａにおいて、発熱体１３から熱拡散板３４，３０を通じて冷却器１１側に熱を伝導させるとともに、板厚方向１ａ，２ａに垂直な方向において熱拡散部材１２（２つの熱拡散板３０，３４）の側面から外部雰囲気に熱を逃がすこともできる。

また、本実施形態においても、熱拡散板３０を、線膨張係数の高い第２方向１ｃにおいて複数のブロック３１に分割している。このため、熱拡散板３０と板厚方向１ａにおいて熱拡散板３０の隣に位置する部材（本実施形態では、リード１５、熱拡散板３４）との線膨張係数差に基づき生じる熱応力を、熱拡散板３０の各ブロック３１における第２方向１ｃの膨張・収縮により、緩和（低減）することができる。また、熱拡散板３４を、線膨張係数の高い第２方向２ｃにおいて複数のブロック３５に分割している。このため、熱拡散板３４と板厚方向２ａにおいて熱拡散板３４の隣に位置する部材（本実施形態では、熱拡散板３０、発熱体１３）との線膨張係数差に基づき生じる熱応力を、熱拡散板３４の各ブロック３５における第２方向２ｃの膨張・収縮により、緩和（低減）することができる。

また、高熱伝導方向である第１方向１ｂ，２ｂにおいて熱拡散板３０，３４を分割するのではなく、低熱伝導方向である第２方向１ｃ，２ｃにおいて熱拡散板３０，３４を分割する。このため、分割構造により、板厚方向１ａ，２ａに対して垂直な方向への熱の拡がりが制限されるのを抑制することができる。以上により、本実施形態によれば、放熱性をより向上しつつ熱応力を低減することができる。

なお、本実施形態では、熱拡散板３０，３４において、第２方向１ｃ，２ｃ同士のなす角度がほぼ９０度である例を示した。しかしながら、角度は９０度に限定されるものではない。第２方向１ｃ，２ｃが互いに異なっていれば、第２方向１ｃ，２ｃが一致する（すなわち第１方向１ｂ，２ｂも一致する）構成に較べて、熱拡散部材１２の放熱性（熱伝導性）を向上することができる。

また、本実施形態では、熱拡散部材１２として２つの熱拡散板３０，３４を有する例を示したが、３つ以上の熱拡散板を有する構成としても良い。この場合、各熱拡散板で板厚方向を一致させ、低熱伝導方向である第２方向が互いに異なるように配置すれば良い。

また、本実施形態に示す、複数の熱拡散板を備える構成に、第１実施形態の変形例に示す構成を組み合わせることもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、熱拡散部材１２と電気絶縁層１４の間に、外部接続端子としてのリード１５が介在され、このリード１５と熱拡散部材１２が接合される例を示した。しかしながら、リード１５の配置は上記例に限定されるものではない。

例えば図９及び図１０に示すように、熱拡散部材１２と発熱体１３の間にリード１５が配置された構成とすることもできる。図９は、第１実施形態に示した構成において、リード１５の配置を、熱拡散部材１２と発熱体１３の間としたもの、図１０は、第２実施形態に示した構成において、リード１５の配置を、熱拡散部材１２と発熱体１３の間としたものを示している。なお、図９及び図１０に示す符号２６は、熱拡散部材１２と電気絶縁層１４とを接合する接合部材である。また、符号２７は、発熱体１３とリード１５とを接合する接合部材である。

このような構成とすると、発熱体１３をリード１５との間に熱拡散部材１２が存在しないため、熱拡散部材１２による電気抵抗分を減らして、リード１５を発熱体１３の電力取出し部として活用することができる。

また、図１１及び図１２に示すように、熱拡散部材１２の一面１２ａにリード１５と発熱体１３が接合され、リード１５が発熱体１３と接合されずに熱拡散部材１２のみと接合された構成としても良い。このような構成とすると、発熱体１３で生じた熱が、リード１５を介さずに冷却器１１まで伝導されるため、リード１５による熱抵抗分、冷却効率を向上することができる。

また、熱拡散部材１２が、複数の熱拡散板を積層・一体化してなる構成においては、熱拡散板の間にリード１５を配置しても良い。一例として示す図１３では、熱拡散板３０，３４の間にリード１５が配置され、熱拡散板３０とリード１５が接合部材２１により接合され、リード１５と熱拡散板３４が接合部材２１により接合されている。

このような構成とすると、発熱体１３とリード１５の間に熱拡散板３０が存在しないため、熱拡散板３０による電気抵抗分を減らして、リード１５を発熱体１３の電力取出し部として活用することができる。

本実施形態では、発熱体１３として、半導体基板の両面に電極を有する縦型の半導体素子を、発熱体１３の片面側のみで冷却する例を示した。しかしながら、発熱体１３の両面で冷却する構成とすることもできる。一例として図１４に示す発熱体モジュール１０は、第１実施形態に示した発熱体モジュール１０を、発熱体１３を共通として、板厚方向１ａに２つ重ねた構造を有している。

図１４において、発熱体１３から紙面下方に位置する部分は、第１実施形態に示す発熱体モジュール１０と同じ構成となっている。発熱体１３の下面１３ａと反対の面（以下、上面１３ｂと示す）には、接合部材２８により金属ブロック１６が接合されている。この金属ブロック１６は、発熱体１３の上面１３ｂ側の電極と、上面１３ｂ上に位置するリード１５とを電気的に接続するとともに、発熱体１３と上面１３ｂ上に位置する冷却器１１とを熱的に接続するターミナル（中継部材）としての機能を果たすものである。

そして、金属ブロック１６における発熱体１３と反対側の面には、接合部材２９により、熱拡散部材１２が接合されている。熱拡散部材１２よりも紙面上方に位置する部分は、第１実施形態（図１参照）に示す発熱体モジュール１０の、熱拡散部材１２よりも紙面下方の部分と同じ構成となっている。

なお、接合部材２８としては、熱伝導性及び導電性が良好であり、発熱体１３と金属ブロック１６を接合できるもの（半田など）を採用することができる。もちろん、金属ナノ粒子の焼結体でも良い。この場合には、接合界面の熱応力低減と、より高い熱伝導性能が期待できる。同様に、接合部材２９としては、熱伝導性及び導電性が良好であり、金属ブロック１６と熱拡散部材１２を接合できるもの（半田など）を採用することができる。もちろん、金属ナノ粒子の焼結体でも良い。この場合には、接合界面の熱応力低減と、より高い熱伝導性能が期待できる。

このような構成とすると、発熱体１３の下面１３ａ及び上面１３ｂの両側に熱拡散部材１２及び冷却器１１が存在するので、発熱体１３を効率よく冷却することができる。また、発熱体１３の両面側それぞれにおいて、熱拡散板３０が第２方向１ｃにおいて分割されているため、熱応力を低減することができる。

また、発熱体１３の両面１３ａ，１３ｂ側にリード１５がそれぞれ存在するため、各リード１５を発熱体１３の電力取出し部としてそれぞれ活用することができる。

なお、図１４では、発熱体１３の上面１３ｂ側に位置する熱拡散部材１２の熱拡散板３０と、発熱体１３の下面１３ａ側に位置する熱拡散部材１２の熱拡散板３０とで、板厚方向１ａだけでなく、第１方向１ｂ同士、第２方向１ｃ同士がそれぞれ一致する例を示した。しかしながら、第２方向１ｃが互いに異なる（この場合、第１方向１ｂも互いに異なる）構成としても良い。

また、図１４では、第１実施形態に示す発熱体モジュール１０を基礎とする両面放熱構造の例を示した。しかしながら、その他の実施形態及び変形例に示した構成において、両面放熱構造を採用することもできる。

１ａ，２ａ・・・板厚方向
１ｂ，２ｂ・・・第１方向
１ｃ，２ｃ・・・第２方向
１０・・・発熱体モジュール
１１・・・冷却器
１２・・・熱拡散部材
１３・・・発熱体
１４・・・電気絶縁層
１５・・・リード
３０，３４・・・熱拡散板
３１，３５・・・ブロック
３２，３６・・・接続部材
３３・・・薄板

Claims (9)

1. 冷却器と、
   炭素系材料を用いて形成された熱拡散板を少なくとも１層有し、前記冷却器上に配置された熱拡散部材と、
   前記熱拡散部材の前記冷却器と反対の一面上に配置された発熱体と、を一体的に備え、
   前記発熱体で生じた熱が、前記熱拡散部材を介して前記冷却器に移動され、前記発熱体が冷却される発熱体モジュールであって、
   前記熱拡散板は、前記一面に垂直な板厚方向と前記一面に沿う第１方向の熱伝導率が、前記板厚方向及び前記第１方向に垂直な第２方向の熱伝導率よりも高く、且つ、前記第２方向において複数のブロックに分割されており、
   前記複数のブロックは、互いに分離独立していることを特徴とする発熱体モジュール。
2. 前記熱拡散部材は、前記熱拡散板を複数層有し、
   前記複数の熱拡散板は、前記板厚方向に積層されるとともに隣り合う前記熱拡散板が接合部材により接合され、且つ、前記第２方向が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の発熱体モジュール。
3. 前記熱拡散部材は、前記発熱体と電気的に接続されており、電気絶縁層を介して前記冷却器上に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱体モジュール。
4. 冷却器と、
   炭素系材料を用いて形成された熱拡散板を少なくとも１層有し、前記冷却器上に配置された熱拡散部材と、
   前記熱拡散部材の前記冷却器と反対の一面上に配置された発熱体と、を一体的に備え、
   前記発熱体で生じた熱が、前記熱拡散部材を介して前記冷却器に移動され、前記発熱体が冷却される発熱体モジュールの製造方法であって、
   前記熱拡散板として、前記一面に垂直な板厚方向と前記一面に沿う第１方向の熱伝導率が、前記板厚方向及び前記第１方向に垂直な第２方向の熱伝導率よりも高く、且つ、その表面に前記第１方向及び前記板厚方向の少なくとも一方に沿って延びる溝部を有するものを準備し、
   前記溝部を有する熱拡散板と、前記板厚方向において前記熱拡散板の隣に位置する部材とを、接合部材を介して加熱しつつ接合するとともに、熱応力により前記溝部に沿って前記熱拡散板を分割し、前記熱拡散板を前記第２方向において複数のブロックとすることを特徴とする発熱体モジュールの製造方法。
5. 前記溝部を、前記熱拡散板における接合部材との接触面に設けることを特徴とする請求項４に記載の発熱体モジュールの製造方法。
6. 前記熱拡散板の隣に位置する部材とは、前記発熱体であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発熱体モジュールの製造方法。
7. 前記熱拡散板の隣に位置する部材とは、前記冷却器であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発熱体モジュールの製造方法。
8. 前記熱拡散板は、前記発熱体と電気的に接続され、
   前記熱拡散板の隣に位置する部材とは、前記熱拡散板と前記冷却器との間に設けられる電気絶縁層であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発熱体モジュールの製造方法。
9. 前記熱拡散部材は、前記熱拡散板を複数層有し、
   前記溝部を有する熱拡散板同士を接合する際の熱応力により、各熱拡散板をそれぞれの第２方向において複数のブロックとすることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発熱体モジュールの製造方法。

Images