JP7231921B2 - 熱伝導構造体、熱拡散装置 - Google Patents

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構造体を備える熱伝導構造体、及び熱伝導構造体を備える熱拡散装置に関する。

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板の表面にチタン層を形成したグラファイト構造体が知られている（特許文献１参照）。前記グラファイト板は、複数のグラフェンシートが積層されたものであり、組成が脆く崩れ安い性質を有している。そのため、上述した従来のグラファイト構造体は、グラファイト板の表面をチタン層で被覆することにより、効率的な熱伝導を実現しつつ、強度を高めている。また、上述した従来のグラファイト構造体は、グラファイト板のベーサル面に垂直な方向に貫通する貫通孔を有し、この貫通孔の内面にもチタン層を形成することによって、グラファイト板の強度を更に補強している。

特開２０１３－１９１８３０号公報

前掲した従来のグラファイト構造体は、ベーサル面に垂直に貫通する複数の貫通孔を有するため、これらの複数の貫通孔によって、グラフェンシートの延在方向（ベーサル面に沿う方向）の熱伝導が阻害される。また、前記グラファイト板のエッジ面（ベーサル面に隣接する側面）には、炭素原子とチタンとが結合したチタン化合物が形成されるため、チタン層と前記エッジ面とが強固に接合されるが、同様の接合力をベーサル面とチタン層との間に生じさせるためには、前記貫通孔を無数に形成する必要があり、却って強度が低下し、また、グラフェンシートの延在方向の熱伝導率が著しく低下する。

本発明の目的は、強度を低下させることなく、且つ、グラフェンシートの延在方向における高い熱伝導率を維持することが可能な熱伝導構造体、及び熱伝導構造体を備える熱拡散装置を提供することにある。

(1) 本発明の熱伝導構造体は、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構造体と、前記グラファイト構造体の外周面のうちの少なくとも一つの表面であり熱伝達対象物が取り付けられる側の平坦な第１表面を覆う被覆部と、を備える。前記熱伝導構造体において、前記グラファイト構造体の前記第１表面は、前記第１表面に前記グラフェンシートのエッジ部が現れるように、前記グラフェンシートのベーサル面に対して所定の傾斜角度で交差していることを特徴とする。

このように本発明が構成されているため、前記グラファイト構造体の前記第１表面には、所定の傾斜角度に応じて複数のグラフェンシートのエッジ部（グラフェンシートのベーサル面に沿う方向の端部）が現れる。グラフェンシートのエッジ部には、不飽和な状態（未結合手を有する状態）の炭素原子が存在しているため、前記第１表面には、不飽和な状態の炭素原子が現れる。そのため、前記第１表面を覆うように被覆部が形成されることにより、被覆部に含まれる原子や分子等が上述した不飽和な状態の炭素原子と結合する。その結果、被覆部が、前記第１表面に密着した状態で強固に前記第１表面に形成される。また、前記第１表面には、複数のエッジ部が現れ、そのエッジ部間の隙間は、前記被覆部が前記第１表面に形成される際にアンカー効果をもたらす。そのため、前記第１表面を覆うように被覆部が形成されることにより、前記エッジ部間の隙間に被覆部の材料が入り込み、前記第１表面と前記被覆部との接合力及び密着性がアップする。その結果、前記被覆部が、前記第１表面に密着した状態で強固に前記第１表面に形成される。以上より、本発明の熱伝導構造体においては、前記第１表面に被覆部が強固に密着した状態で形成されるため、前記グラファイト構造体が熱膨張しても、前記被覆部の剥がれや割れが防止される。また、前記グラファイト構造体はベーサル面方向の熱伝導率が極めて高いことから、熱伝導構造体において前記第１表面側に発熱体などの熱伝達対象物が取り付けられた場合に、前記熱伝達対象物の熱が被覆部を伝って前記第１表面の前記エッジ部に伝達すると、そのエッジ部からベーサル面方向へ素早く伝達して拡散する。また、前記熱膨張による被覆部の剥がれや割れを防止ための多数の貫通孔を前記グラファイト構造体に形成する必要がないため、熱伝導構造体の強度を低下させることなく、且つ、グラフェンシートの延在方向における高い熱伝導率を維持することが可能となる。

(2) 前記グラファイト構造体は、前記第１表面に平行な第２表面を含む形状に形成されている。この場合、前記被覆部は、前記第１表面及び前記第２表面を含む前記外周面に現れる前記グラフェンシートの前記エッジ部と密着した状態で前記外周面に形成されている。

この構成によれば、前記グラファイト構造体の第１表面及び第２表面の両面にグラフェンシートのエッジ部が現れる。そのため、前記被覆部が前記グラファイト構造体の外周面全域に形成されることにより、前記被覆部は、前記第１表面及び前記第２表面の両面に密着した状態で強固に各面に形成される。また、前記グラファイト構造体が前記第１表面及び前記第２表面それぞれに垂直な側面を有する直方体形状であってもよい。この場合、前記側面にもグラフェンシートのエッジ部が現れることになり、つまり、前記グラファイト構造体の外周面全域に前記エッジ部が現れることになる。これにより、前記被覆部は、前記第１表面及び前記第２表面の両面のみならず、前記側面にも密着した状態で強固に形成される。その結果、熱伝導構造体の強度を低下させることなく、且つ、グラフェンシートの延在方向における高い熱伝導率を維持することが可能となる。

(3) また、前記グラファイト構造体は、前記第１表面から前記グラファイト構造体の内部へ穿孔された孔部を有している。この場合、前記被覆部が前記第１表面から前記孔部の内面に至って形成されている。

(4) ここで、前記孔部は、前記グラファイト構造体を前記第１表面から前記第１表面の反対側の第２表面に貫通している。

(5) また、本発明は、上述の熱伝導構造体を備え、前記熱伝導構造体の前記被覆部に取り付けられる熱伝達対象物から伝達される熱を拡散する熱拡散装置として捉えることができる。

また、本発明は、熱伝達対象物が取り付けられる熱伝導構造体の製造方法として捉えることができる。本発明の熱伝導構造体の製造方法は、複数のグラフェンシートが積層されてなるブロック状のグラファイトブロックを、当該グラファイトブロックのベーサル面に対して所定の傾斜角度で切削することによりその切削面に上述の第１表面を形成するようにして前記グラファイト構造体を製作し、前記第１表面を覆うように前記第１表面に被覆部を形成することを特徴とする。

本発明によれば、強度を低下させることなく、且つ、グラフェンシートの延在方向における高い熱伝導率を維持することが可能である。

図１は、本発明の第１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。 図２は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導構造体が備えるグラファイト構造体を模式的に示す斜視図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導構造体が備えるグラファイト構造体の形成方法を説明するための模式図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導構造体の断面構造の一例を示す拡大断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導構造体が適用された熱拡散装置を模式的に示す斜視図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る熱伝導構造体が備えるグラファイト構造体を模式的に示す斜視図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る熱伝導構造体の熱伝達方向を示す平面図である。 図８は、本発明の第３実施形態に係る熱伝導構造体の熱伝達方向を示す平面図である。

以下、添付図を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態は、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。また、以下の各実施形態の全図においては、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導構造体１０及び熱伝導構造体１０に熱伝達対象物である半導体素子５６が取り付けられた構造を示す斜視図である。図１では、熱伝導構造体１０を半導体素子５６の中央で切断した断面図が示されている。また、図２は、熱伝導構造体１０が備えるグラファイト構造体１１を示す斜視図である。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。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。

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の取付領域１０Ｂに取り付けられた前記発熱体としての半導体素子５６から熱を吸熱し、上面１０Ａに沿う方向へ熱を伝達して拡散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。取付領域１０Ｂは、上面１０Ａにおいて一方側（図１の右側）の端部に定められている。熱伝導構造体１０は、この取付領域１０Ｂに取り付けられた半導体素子５６から熱を吸熱し、その熱を半導体素子５６の取り付け位置とは反対側（図１の左側）の方向Ｙ１、及びＺ軸方向（方向Ｚ１及び方向Ｚ２）へ伝達する。また、上述した各方向へ熱が伝達して拡散するため、半導体素子５６における熱分布を概ね均等にすることができる。なお、取付領域１０Ｂは、上面１０Ａにおいて図１に示す位置に限られず、上面１０Ａの中央に定められていてもよい。

図１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構造体１１と、グラファイト構造体１１の全周面を覆うように設けられた被覆層２０（本発明の被覆部の一例）と、により構成されている。

図２に示すように、グラファイト構造体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が積層されている。

グラフェンシート１５は、シート状のグラフェンであって、六員環が平面方向（ベーサル面方向）に共有結合して形成されたものであり、その厚みは炭素原子一つ分（約０．３３５ｎｍ）である。グラファイト構造体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。

グラファイト構造体１１は、図２において上下方向（Ｙ軸方向）を厚み方向とするものであり、本実施形態では、その厚みＤ１がベーサル面方向（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向）のサイズに比べて薄いプレート状に形成されている。

具体的には、熱伝導構造体１０が取付領域１０Ｂ（図１参照）に取り付けられた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、グラファイト構造体１１は、その厚みＤ１が１．５ｍｍ～２．０ｍｍに形成されている。また、この場合、グラファイト構造体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。

グラファイト構造体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。具体的には、米国ＭＩＮＴＥＱ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ」が用いられている。

グラファイト構造体１１は、熱伝導率に関して異方性を有している。つまり、グラファイト構造体１１は、グラフェンシート１５の積層方向Ｙａ（Ｙ軸に対して所定角度θ傾斜した方向、図２参照）の熱伝導率よりも、グラファイト構造体１１におけるグラフェンシート１５のベーサル面（Ｘ－Ｚ平面に対してＹ軸方向へ所定角度θ傾斜した面）に沿う方向（Ｘ軸方向に対して所定角度θ傾斜した傾斜方向Ｘａ、及びＺ軸方向）の熱伝導率が極めて高い。このように、素材の方向によって熱伝導率が異なる性質を異方性といい、この異方性を有するグラファイト構造体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。グラファイト構造体１１は、詳細には、前記ベーサル面方向の熱伝導率は１５００［Ｗ／ｍＫ］～１７００［Ｗ／ｍＫ］程度であり、前記積層方向の熱伝導率は５［Ｗ／ｍＫ］～１０［Ｗ／ｍＫ］程度である。

また、上述したように、グラファイト構造体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の線膨張率（線膨張係数）が４．５［ｐｐｍ／Ｋ］～５．５［ｐｐｍ／Ｋ］であるのに対して、グラファイト構造体１１の前記積層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、グラファイト構造体１１において、前記ベーサル面方向の線膨張率は極めて低く、実質的に０［ｐｐｍ／Ｋ］である。

図２に示すように、グラファイト構造体１１は、その上面１１Ａ及び上面１１Ａに平行な下面１１Ｂそれぞれにグラフェンシート１５のエッジ部が現れるように、グラフェンシート１５のベーサル面に対して所定角度θ（本発明の所定の傾斜角度の一例）で交差している。具体的には、グラファイト構造体１１は、Ｘ－Ｚ平面（水平面）に対してグラフェンシート１５のベーサル面が前記所定角度θで傾斜するように、複数のグラフェンシート１５が上下方向（Ｙ軸方向）に対して前記所定角度θ傾斜した前記積層方向Ｙａに積層された構造を有している。なお、グラファイト構造体１１の上面１１Ａは平坦面であり、本発明の第１表面に相当する。また、下面１１Ｂは平坦面であり、本発明の第２表面に相当する。

前記所定角度θは、取付領域１０Ｂに取り付けられる熱伝達対象物の種類やサイズや、グラファイト構造体１１のサイズや厚みな、後述する被覆層２０の被覆材の種類などに応じて定めることができる。また、前記所定角度θは、熱伝導構造体１０の用途や、吸熱した熱を拡散させたい方向に応じた適切な角度に定めることができる。

これにより、グラファイト構造体１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂには、Ｚ軸方向に筋状に延びる複数条のエッジ部が現れる。このように、グラフェンシート１５のベーサル面方向のエッジ部が現れる面は、一般にエッジ面と称されている。

また、グラファイト構造体１１のＸ軸方向の両方の側端面１６には、複数のグラフェンシート１５のベーサル面方向（傾斜方向Ｘａ）のエッジ部が上下方向（Ｙ軸方向）に幾層にも重ね合わされた状態となる。つまり、側端面１６は、グラフェンシート１５のベーサル面方向のエッジ部が現れるエッジ面である。

また、グラファイト構造体１１のＺ軸方向の両方の側端面１７には、複数のグラフェンシート１５のベーサル面方向（Ｚ軸方向）のエッジ部が前記積層方向Ｙａに幾層にも重ね合わされた状態となる。換言すると、側端面１７には、傾斜方向Ｘａに筋状に延びる複数条のエッジ部が現れる。つまり、側端面１７にもグラフェンシート１５のベーサル面方向のエッジが現れる。

すなわち、本実施形態のグラファイト構造体１１は、全ての外周面、つまり、上面１１Ａ、下面１１Ｂ、側端面１６、側端面１７にグラフェンシート１５のエッジ部が現れる。

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、グラファイト構造体１１の全ての外周面が上述したエッジ面であるため、前記外周面においては、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。そのため、グラファイト構造体１１の全ての外周面に露出されるエッジ部の炭素原子の結合は不飽和な状態となっている。そのため、グラファイト構造体１１の外周面は、前記エッジ部の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。

このようなグラファイト構造体１１は、以下のように製作することができる。具体的には、図３に示すように、複数のグラフェンシート１５が上下方向（Ｙ軸方向）に積層されてなるブロック状のグラファイトブロック１８を用意し、このグラファイトブロック１８を切削加工或いはレーザー加工することにより、グラファイト構造体１１を得ることができる。詳細には、グラファイトブロック１８が、グラファイトブロック１８のベーサル面に対して前記所定角度θ（図２参照）で切削されることにより、その切削面に上述の上面１１Ａ、下面１１Ｂ、側端面１６、側端面１７を形成する。これにより、板状のグラファイト構造体１１を製作することができる。なお、グラファイトブロック１８に対してブラスト処理、ウェットエッチング、或いはドライエッチングすることにより、グラファイト構造体１１を製作することも可能である。

図２に示すように、グラファイト構造体１１の上面１１Ａには、複数の孔部３０が形成されている。上面１１Ａは、グラファイト構造体１１において発熱体としての半導体素子５６（熱伝達対象物）が取り付けられる側の面である。孔部３０は、上面１１Ａからグラファイト構造体１１の内部へ穿孔されており、上面１１Ａから鉛直下方へ延びている。孔部３０は、上面１１Ａからグラファイト構造体１１の内部側へ切削加工或いはレーザー加工することにより形成される。上面１１Ａには、複数の孔部３０がＸ軸方向及びＺ軸方向へ等間隔で並ぶように配置されている。

孔部３０は、平面視で円形状に形成されており、上面１１Ａから下面１１Ｂに貫通する円筒形状に形成されている。

各孔部３０のＸ軸方向及びＺ軸方向の間隔は、取付領域１０Ｂに取り付けられる熱伝達対象物の種類やサイズや、グラファイト構造体１１のサイズや厚みなどに対応して定めることができ、例えば、０．５ｍｍ～５０ｍｍの範囲内で定めることができる。孔部３０の単位面積あたりの数も、取付領域１０Ｂに取り付けられる熱伝達対象物の種類やサイズや、グラファイト構造体１１のサイズや厚みなどに対応して定めることができる。なお、複数の孔部３０の配列方向は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に限られない。上面１１Ａにおいて、複数の孔部３０は、全ての方向に等間隔となるように正三角形状に配置（トライアングル配置）されていてもよい。

また、孔部３０の内径や孔部３０の内部形状は、被覆層２０の厚み、後述する被覆層２０の被覆材の種類、グラファイト構造体１１の厚みＤ１などに基づいて、熱伝導構造体１０の用途の応じた適切な値に定められる。

上述したように、熱伝導構造体１０は、グラファイト構造体１１の全周面を覆うように設けられた被覆層２０を有している。被覆層２０は、グラファイト構造体１１の全周面に密着するように形成されている。

具体的には、被覆層２０は、例えば、グラファイト構造体１１の各外周面に現れる不飽和な状態（未結合手を有する状態）の炭素原子と結合して化合物を生成することが可能な金属元素を含む被覆材を有し、前記被覆材によって各外周面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。ニッケル及びチタンは、グラファイト構造体１１の各外周面（エッジ面）に対する濡れ性、つまり、不飽和状態の炭素原子との結合反応性が極めて高い。なお、前記金属元素は、線膨張率がグラファイト構造体１１の前記積層方向の線膨張率（約２５［ｐｐｍ／Ｋ］）よりも小さいものが好ましく、上述したニッケル及びチタン以外に、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。

また、被覆層２０は、グラファイト構造体１１の各外周面に現れるグラフェンシート１５のエッジ部と密着する合成樹脂を含む被覆材を有し、前記被覆材によって全ての外周面に密着して形成される皮膜であってもよい。前記合成樹脂としては、耐熱性が１５０℃以上のエンジニアリングプラスチックが好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）などのフッ素系樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾイミダゾール、パリレン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂などを適用することができる。

また、被覆層２０は、グラファイト構造体１１の各外周面に現れるグラフェンシート１５のエッジ部と密着する無機系化合物を含む被覆材を有し、前記被覆材によってグラファイト構造体１１の各外周面に密着して形成される皮膜であってもよい。前記無機系化合物としては、高分子や低分子シランを原料としたガラス、窒化ケイ素などの窒化物やアルミナなどの酸化物といったセラミック、炭素系のダイヤモンドライクカーボンなどを適用可能である。

また、被覆層２０は、例えば、シランカップリング剤やメタル系カップリング剤などのコーティング剤によってグラファイト構造体１１の各外周面に密着して形成されるものであってもよい。

被覆層２０の形成方法としては、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、メッキや液コーティング法（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、グラファイト構造体１１の各外周面に皮膜を形成する方法を用いることができる。

なお、本実施形態では、被覆部２０の一例として、グラファイト構造体１１の表面に形成されたコーティング層を例示するが、被覆部２０はコーティング層に限られない。例えば、被覆部２０は、グラファイト構造体１１の上面１１Ａ又は全周面に接合された上述の金属元素を含む板部材（例えば、銅板、アルミ板）、上述の合成樹脂を含む板部材、上述の無機系化合物を含む板部材（例えば、セラミック板）などであってもよい。また、被覆部２０は、グラファイト構造体１１の表面に、放熱グリスや熱伝導シート、ギャップフィラーなどのサーマル・インターフェース・マテリアル（ＴＩＭ材）を形成したものであってもよい。また、被覆部２０は、例えば、上述の金属元素を含む金属ブロックの中央にグラファイト構造体１１が配置されるように、鋳造によって形成することも可能である。

以上のことから、熱伝導構造体１０は、まず、グラファイトブロック１８（図３参照）からグラファイト構造体１１を製作し、グラファイト構造体１１に孔部３０を形成した後に、上述した形成方法によってグラファイト構造体１１の全周面に被覆層２０を形成することにより、製造することができる。

図４は、熱伝導構造体１０の断面構造の一例を示す拡大断面図である。図４には、孔部３０の中心で切断された断面図が示されている。被覆層２０がグラファイト構造体１１の全周面に形成されることにより、当該被覆層２０は、各外周面のみならず、孔部３０の内周面にも密着した状態で形成される。本実施形態では、被覆層２０によって孔部３０が埋められている。

このように熱伝導構造体１０が構成されているため、グラフェンシート１５のエッジ部が現れた各外周面（上面１１Ａ、下面１１Ｂ、側端面１６、側端面１７）に対して、被覆層２０が密着した状態で強固に各外周面に形成される。また、各該周面には、複数のエッジ部が現れるため、各該周面において所謂アンカー効果を得ることができる。このため、被覆層２０の形成時にエッジ部間の隙間に被覆材が入り込むことによる前記アンカー効果によって、各外周面と被覆層２０との密着性がアップする。これにより、グラファイト構造体１１が熱膨張しても、被覆層２０が剥がれることや割れることが防止される。また、上面１０Ａに発熱体などの熱伝達対象物が取り付けられた場合に、前記熱伝達対象物の熱が被覆層２０を伝って上面１１Ａに現れた前記エッジ部に伝達すると、そのエッジ部からベーサル面方向へ素早く伝達して拡散する。また、前記熱膨張による被覆層２０の剥がれや割れを防止ための多数の貫通孔をグラファイト構造体１１に形成する必要がないため、複数の貫通孔を形成することによってグラファイト構造体１１が脆くなることを防止できる。つまり、熱伝導構造体１０の強度を低下させることなく、且つ、グラフェンシート１５のベーサル面方向における高い熱伝導率を維持することが可能である。

また、本実施形態の熱伝導構造体１０は、グラファイト構造体１１の全体においてグラフェンシート１５が上面１１Ａ及び下面１１Ｂに対して傾斜方向Ｘａ（図２参照）へ傾斜している。そのため、熱伝導構造体１０の上面１０Ａに定められた取付領域１０Ｂに前記発熱体としての半導体素子５６が取り付けられた場合、熱伝導構造体１０は、半導体素子５６から熱を吸熱し、図４に示すように、その熱をベーサル面方向、つまり、傾斜方向Ｘａへ伝達し拡散する。更に、熱伝導構造体１０は、図１に示すように、吸熱した熱をＺ軸方向（方向Ｚ１及び方向Ｚ２）にも伝達し拡散する。

また、ベーサル面間の熱伝達効率は悪いため、上面１０Ａから吸熱された熱は、傾斜方向Ｘａとは逆の方向、つまり、グラファイト構造体１１の内部をベーサル面に沿って上面１１Ａへ向かう方向Ｘｂ（図４参照）へは伝達され難い。孔部３０が形成されている場合は、孔部３０内の被覆層２０を伝って方向Ｘｂへも多少は熱が伝達されるが、傾斜方向Ｘａに比べると熱は方向Ｘｂへは伝達し難い。したがって、熱伝導構造体１０は、取付領域１０Ｂに取り付けられた前記発熱体を主として傾斜方向Ｘａへ伝達して拡散する用途として好ましく用いられる。

また、熱伝導構造体１０は、孔部３０の内周面にも被覆層２０が形成されている。そのため、図４に示すように、ベーサル面方向に伝達した熱は、孔部３０内の被覆層２０を伝って隣接する他のグラフェンシート１５に伝達し易くなる。つまり、熱伝導構造体１０は、上面１０Ａから吸熱した熱を傾斜方向Ｘａへ迅速に伝達することができ、また、孔部３０内の被覆層２０を介してグラファイト構造体１１の積層方向Ｙａへ熱を迅速に伝達することができる。

なお、本実施形態では、孔部３０が設けられた熱伝導構造体１０を例示するが、孔部３０は任意の要素であり、本発明に必須の要素ではない。

上述したように、熱伝導構造体１０は、主として、パワー半導体やパワーモジュールなどのように、熱を発生する発熱体としての半導体素子５６を放熱或いは均熱化する用途として用いられる。以下、図５を参照して、上述した熱伝導構造体１０を有する冷却拡散装置５０（本発明の熱拡散装置の一例）、及び冷却拡散装置５０と半導体素子５６とからなる半導体モジュール６０（本発明の熱拡散装置の一例）について説明する。

図５に示すように、冷却拡散装置５０は、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。

熱伝導構造体１０の上面１０Ａには、一方側（図５の右側）の端部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、冷却拡散装置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。

また、熱伝導構造体１０の下面１０Ｃには、ヒートシンクなどの放熱体５７が取り付けられている。これにより、冷却拡散装置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熱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から吸熱して、その後に傾斜方向Ｘａ、Ｚ軸方向（方向Ｚ１、方向Ｚ２）、更には上面１０Ａに沿う方向Ｙ１へも迅速に伝達するため、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。

なお、上述した第１実施形態では、グラファイト構造体１１の全周面に被覆層２０が形成された例について説明したが、本発明はこの構成に限られない。例えば、被覆層２０がグラファイト構造体１１の上面１１Ａのみに形成された構成、或いは、上面１１Ａ及び下面１１Ｂのみに形成された構成にも、本発明は適用可能である。

［第２実施形態］
以下、図６及び図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る熱伝導構造体１０１について説明する。ここで、図６は、熱伝導構造体１０１が備えるグラファイト構造体１１１を模式的に示す斜視図である。図７は、熱伝導構造体１０１の平面図である。本実施形態では、図６に示すように、熱伝導構造体１０１（図７参照）は、２つのグラファイト構造体１１の各側端面１６が接合されたグラファイト構造体１１１を有する。具体的には、グラファイト構造体１１１は、２つのグラファイト構造体１１における方向Ｘｂ側の側端面１６Ａ同士が互いに接合されている。熱伝導構造体１０１は、このグラファイト構造体１１１の全周面に被覆層２０が形成されることにより構成される。その他の構成については、第１実施形態の構成と同様である。

このように熱伝導構造体１０１が構成されているため、図７に示すように、熱伝導構造体１０１の上面１０Ａの中央の取付領域１０Ｂに前記発熱体としての半導体素子５６が取り付けられた場合、熱伝導構造体１０１は、半導体素子５６から吸熱した熱を平面視で四方へ伝達することができ、更に詳細には、傾斜方向Ｘａ、方向Ｚ１、方向Ｚ２へ伝達することができる。これにより、半導体素子５６の熱を効率良く伝達し、拡散することができる。

［第３実施形態］
以下、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る熱伝導構造体１０２について説明する。ここで、図８は、熱伝導構造体１０２を示す平面図である。本実施形態では、図８に示すように、熱伝導構造体１０２は、４つのグラファイト構造体１１の各側端面が接合された平面視で正方形状のグラファイト構造体１１２を有する。グラファイト構造体１１２における各グラファイト構造体１１それぞれは、傾斜方向Ｘａが正方形の角部へ向かうように、グラフェンシート１５が積層されたものである。その他の構成については、第１実施形態及び第２実施形態の構成と同様である。

このように熱伝導構造体１０１が構成されているため、熱伝導構造体１０２の上面１０Ａの中央に前記発熱体としての半導体素子５６が取り付けられた場合、熱伝導構造体１０２は、半導体素子５６から吸熱した熱を平面視で四方へ伝達することができ、更に詳細には、各グラファイト構造体１１それぞれの傾斜方向Ｘａへ伝達することができる。これにより、半導体素子５６の熱を効率良く伝達し、拡散することができる。

１０ ：熱伝導構造体
１０Ａ ：上面
１０Ｂ ：取付領域
１０Ｃ ：下面
１１ ：グラファイト構造体
１１Ａ ：上面
１１Ｂ ：下面
１５ ：グラフェンシート
１６ ：側端面
１６Ａ ：側端面
１７ ：側端面
１８ ：グラファイトブロック
２０ ：被覆層
３０ ：孔部
５０ ：冷却拡散装置
５６ ：半導体素子
５７ ：放熱体
６０ ：半導体モジュール
１０１ ：熱伝導構造体
１０２ ：熱伝導構造体
１１１ ：グラファイト構造体
１１２ ：グラファイト構造体

Claims (7)

1. 複数のグラフェンシートが積層されてなる二つのグラファイト構造体を備え、
   前記二つのグラファイト構造体それぞれにおいて、前記グラファイト構造体の外周面のうちの少なくとも一つの表面であり熱伝達対象物が取り付けられる側の平坦な第１表面は、前記第１表面に前記グラフェンシートのエッジ部が現れるように、前記グラフェンシートのベーサル面に対して所定の傾斜角度で交差しており、
   前記二つのグラファイト構造体それぞれは、前記グラファイト構造体の内部を前記ベーサル面に沿って前記第１表面へ向かう方向側の側端面が互いに接合されており、
   接合された前記二つのグラファイト構造体それぞれの前記第１表面を覆う被覆部を備えることを特徴とする熱伝導構造体。
2. 複数のグラフェンシートが積層されてなる四つのグラファイト構造体を備える熱伝導構造体であって、
   前記四つのグラファイト構造体それぞれは、平面視で正方形状に形成されており、
   前記熱伝導構造体は、前記四つのグラファイト構造体それぞれの側端面が互いに接合されることによって全体として平面視で正方形状に形成されており、
   接合された前記四つのグラファイト構造体それぞれの外周面のうちの少なくとも一つの表面であり熱伝達対象物が取り付けられる側の平坦な第１表面を覆う被覆部を備え、
   接合された前記四つのグラファイト構造体それぞれにおいて、前記第１表面は、前記第１表面に前記グラフェンシートのエッジ部が現れるように、前記グラフェンシートのベーサル面に対して所定の傾斜角度で交差しており、
   接合された前記四つのグラファイト構造体それぞれの前記グラフェンシートは、前記熱伝導構造体の前記被覆部の表面の中央に位置する角部から前記熱伝導構造体の各角部へ向けて前記グラファイト構造体の内部を斜め下方に延在していることを特徴とする熱伝導構造体。
3. 前記グラファイト構造体は、前記第１表面に平行な第２表面を含む形状に形成されており、
   前記被覆部は、前記第１表面及び前記第２表面を含む前記外周面に現れる前記グラフェンシートの前記エッジ部と密着した状態で前記外周面に形成されている、請求項１又は２に記載の熱伝導構造体。
4. 前記グラファイト構造体は、
   前記第１表面から前記グラファイト構造体の内部へ穿孔された孔部を有し、
   前記被覆部が前記第１表面から前記孔部の内面に至って形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の熱伝導構造体。
5. 前記孔部は、前記グラファイト構造体を前記第１表面から前記第１表面の反対側の第２表面に貫通している、請求項４に記載の熱伝導構造体。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の熱伝導構造体を備え、
   前記熱伝導構造体の前記被覆部の表面の中央に定められた取付領域に取り付けられる熱伝達対象物から伝達される熱を拡散する熱拡散装置。
7. 熱伝導構造体と、前記熱伝導構造体に取り付けられた発熱体としての半導体素子と、を備える半導体モジュールであって、
   前記熱伝導構造体は、
   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構造体と、
   前記グラファイト構造体の外周面のうちの少なくとも一つの平坦な第１表面を覆う被覆部と、を備え、
   前記被覆部の表面における一方側の端部に定められた取付領域に前記半導体素子が取り付けられており、
   前記グラファイト構造体の前記第１表面は、前記第１表面に前記グラフェンシートのエッジ部が現れるように、前記グラフェンシートのベーサル面に対して所定の傾斜角度で交差しており、
   前記グラフェンシートは、前記エッジ部から前記被覆部の表面における他方側へ向けて前記グラファイト構造体の内部を斜め下方に延在していることを特徴とする半導体モジュール。

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