JP7302446B2

JP7302446B2 - 放熱装置

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Publication number: JP7302446B2
Application number: JP2019207169A
Authority: JP
Inventors: 和彦南; 智哉平野
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: JP2021082659A

Description

本発明は、半導体チップ等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置に関する。

ここで、本発明に係る放熱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、放熱装置の構成を理解し易くするため、放熱装置における発熱性素子が搭載される側を放熱装置の上側、及び、その反対側を放熱装置の下側と定義する。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲では、放熱装置の各構成部材の厚さ方向に垂直な面を各構成部材の平面といい、各構成部材の平面に平行な方向を各構成部材の平面方向という。

さらに、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おり、その製造方法を開示した文献として例えば特許文献１（特許第５１５０９０５号公報）及び特許文献２（特許第４４４１７６８号公報）が知られている。

ところで、半導体チップ等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置は、上下方向に互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材として、セラミック製絶縁層と、絶縁層の上側に配置された上配線層と、絶縁層の下側に配置された放熱部材とを具備している。発熱性素子は一般に上配線層の上面にはんだ層を介して接合されることで放熱装置に搭載される。

このような放熱装置には、放熱装置が高い放熱性能を有するようにするため高い熱伝導性が要求される。そこで、放熱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ることが特許文献３～７などに提案されている。

特許第５１５０９０５号公報特許第４４４１７６８号公報特開２０１６－２０７７９９号公報特開２０１７－１１７８６８号公報特開２０１８－６６７３号公報特開２０１８－２２７３８号公報特開２０１９－９６８４１号公報

而して、一般的に放熱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、放熱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の間の接合界面（例：発熱性素子とはんだ層との間の接合界面、はんだ層と上配線層との間の接合界面）などに亀裂や剥離が生じる虞がある。特に、上配線層と発熱性素子との間の接合界面は、上配線層、発熱性素子及びはんだ層の材料の影響を大きく受け、そのため当該接合界面に剥離や亀裂が生じ易い。

したがって、上配線層と発熱性素子との間の接合界面での剥離や亀裂を抑制するため、冷却装置には高い放熱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、高い放熱性能と高い冷熱信頼性を有する放熱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）上面にはんだ接合される発熱性素子の熱を放散する放熱装置であって、
互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材として、セラミック製絶縁層と、前記絶縁層の上側に配置された上配線層と、前記絶縁層の下側に配置された放熱部材とを備え、
前記上配線層は、前記絶縁層側に位置する下部と、前記下部の上側に位置する上部とを含むととともに、前記下部と前記上部が接合されており、
前記下部は、第１アルミニウムマトリックスと前記第１アルミニウムマトリックス中に分散した黒鉛粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム－黒鉛粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム－黒鉛粒子複合材の高熱伝導方向が前記下部の厚さ方向に向いており、
前記上部は、第２アルミニウムマトリックスと前記第２アルミニウムマトリックス中に分散した繊維状炭素粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム－繊維状炭素粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム－繊維状炭素粒子複合材の高熱伝導方向が前記上部の平面方向に向いている、放熱装置。

２）前記上配線層の前記上部の厚さが０．０５ｍｍ～２ｍｍの範囲である前項１記載の放熱装置。

本発明は以下の効果を奏する。

前項１では、上配線層の下部がアルミニウム－黒鉛粒子複合材（これを「第１複合材」ともいう）で形成されるとともに第１複合材の高熱伝導方向が下部の厚さ方向に向いていることにより、上配線層の厚さ方向の熱伝導性が向上し、これにより放熱装置の放熱性能を高めることができる。

さらに、上配線層の上部がアルミニウム－繊維状炭素粒子複合材（これを「第２複合材」ともいう）で形成されるとともに第２複合材の高熱伝導方向が上部の平面方向に向いていることにより、上配線層の上面の平面方向の線膨張係数の異方性が緩和されるとともに、上配線層の上面部の強度がはんだ層の強度よりも低くなる。そのため、冷熱サイクル負荷によるはんだ層の熱応力が緩和され、これにより放熱装置の冷熱信頼性を高めることができる。

前項２では、上配線層の上部の厚さが０．０５ｍｍ～２ｍｍの範囲であることにより、上述した前項１の効果を確実に奏し得る。

図１は本発明の一実施形態に係る放熱装置の概略斜視図である。図２は同放熱装置の概略正面図である。図３は同放熱装置の上配線層の一部切欠き概略正面図である。図４は第１アルミニウム－黒鉛粒子複合材の本体の概略斜視図である。図５は図４中のＥ部分の拡大断面斜視図である。図６は同上配線層の一製造方法を説明する図である図７は同上配線層のもう一つの製造方法を説明する図である。図８は実施例２の放熱装置を製造途中の状態で示す概略正面図である。

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及び２に示すように、本発明の一実施形態に係る放熱装置１は、発熱性素子４０の熱を放散するものである。発熱性素子４０としては、半導体チップ（例：パワー半導体チップ）等が挙げられる。

放熱装置１は、互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材を備える。具体的には、放熱装置１は、複数の構成部材として、上配線層２、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材７を備えるとともに、これらの部材２、５、６、７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、これにより放熱装置１が形成されている。

接合手段は限定されるものではなく、接合手段として、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。

放熱装置１において、上配線層２と絶縁層５と下配線層６とが接合一体化されたものは絶縁基板９とも呼ばれている。

絶縁層５は電気絶縁性を有する平面視方形状のものであり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミック製である。絶縁層５の一辺の長さは、上配線層２及び下配線層６の一辺の長さよりも長い。

上配線層２は、絶縁層５の上側に配置されており、具体的には絶縁層５の上面に接合されている。上配線層２の上側には発熱性素子４０がはんだ層４１を介して接合されて搭載される。本実施形態では、発熱性素子４０は上配線層２の上面２ａにはんだ接合されて搭載されており、具体的には発熱性素子４０は上配線層２の上面２ａにはんだ層４１を介して接合されて搭載されている。これにより、パワーモジュール等の半導体装置５０が得られる。

なお上配線層２の上面２ａには、当該上面２ａのはんだ接合性を高めるためにニッケルめっき膜等のニッケル膜（図示せず）が形成される場合がある。上配線層２の詳細な構成については後述する。

下配線層６は、放熱装置１に発生する熱応力を緩和することを主な役割とする層であり、絶縁層５の下側に配置されており、具体的には絶縁層５の下面に接合されている。

下配線層６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（例：アルミニウム－炭素粒子複合材）、グラファイトシートなどの高熱伝導材料が用いられる。

放熱部材７は、空冷式のものであり、例えばヒートシンク（放熱板を含む）からなる板状のものであり、複数の放熱フィン７ａを有している。さらに、放熱部材７は絶縁層５の下側に配置されており、具体的には下配線層６の下面にブレージングシート８を介してろう付けにより接合されている。

放熱部材７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（例：アルミニウム－炭素粒子複合材）などの高熱伝導材料が用いられる。

ブレージングシート８としては、両面アルミニウムブレージングシートなどが用いられる。ブレージングシート８の厚さは限定されるものではないが、ブレージングシート８は一般に薄い方が熱伝導率が高いため、ブレージングシート８の厚さは１ｍｍ以下であることが好ましく、特に０．５ｍｍ以下であることがよい。ブレージングシート８の厚さの下限は限定されるものではなく、通常０．１ｍｍである。

ブレージングシート８のろう材はアルミニウム系のものであり、特にＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材であることが好ましい。さらに、ろう材の流動性を向上させる元素成分（例：Ｂｉ、Ｓｒ）がろう材に添加されていてもよい。

なお本発明では、下配線層６と放熱部材７とを接合する方法はブレージングシート８を用いたろう付けであることに限定されるものではなく、その他に例えばろう材箔（図示せず）を用いたろう付けであってもよい。また本発明では、ブレージングシート８には熱応力緩和のための厚さ方向に貫通した孔が設けられていてもよい。

さらに本発明では、放熱部材７は空冷式のものであることに限定されるものではなく、その他に例えば液冷式のものであってもよい。この場合、放熱部材は例えば冷却液（例：冷却水）が流れる通路を有するものが用いられる。

放熱装置１では、発熱性素子４０に発生した熱は、発熱性素子４０からはんだ層４１、上配線層２、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材７に順次伝導して放熱部材７から放散される。その結果、発熱性素子４０が冷却されてその温度が低下する。

次に、上配線層２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、放熱装置１の各構成部材（即ち、上配線層２、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材７）の幅方向、長さ方向及び厚さ方向を示しており、これらは互いに直交している。その他の図中の矢印Ｗ、Ｌ及びＴも同様である。

上配線層２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。さらに、上配線層２は、絶縁層５側に位置する下部３と、下部３の上側に位置する上部４とを含むとともに、下部３と上部４が積層状に接合一体化されて上配線層２が形成されている。

図３に示すように、上配線層２の下部３は、第１アルミニウムマトリックス（ドットハッチングで示す）１１と第１アルミニウムマトリックス１１中に分散した黒鉛粒子１２とを含む板状のアルミニウム－黒鉛粒子複合材１０（これを以下では「第１複合材１０」ともいう）で形成されたものである。

第１複合材１０において、黒鉛粒子１２の種類は限定されるものではなく、黒鉛粒子１２として、好ましくは、天然黒鉛粒子（例：鱗片状黒鉛粒子）、人造黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子及びグラフェン（例：単層グラフェン、二層グラフェン、多層グラフェン）からなる群より選択される少なくとも一種が用いられ、より好ましくは高い熱伝導率を有するものが用いられ、具体的には鱗片状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好適に用いられる。

黒鉛粒子１２のアスペクト比は限定されるものではなく、好ましくは５以上であることがよい。その理由は、アスペクト比が高い黒鉛粒子は高い熱伝導率を有するからである。このアスペクト比の上限は限定されるものではなく、例えば１００である。

ここで以下では、黒鉛粒子１２の厚さ方向に垂直な面方向を黒鉛粒子１２の平面方向という。

黒鉛粒子１２は熱伝導率に異方性を有している。一般に、黒鉛粒子１２の厚さ方向の熱伝導率は低く、黒鉛粒子１２の平面方向（即ち黒鉛粒子１２の長さ方向及び幅方向）の熱伝導率は高い。

黒鉛粒子１２の大きさは限定されるものではなく、好ましくは黒鉛粒子１２の長軸方向の平均長さが５０μｍ～１８００μｍの範囲であることがよい。なお、黒鉛粒子１２の長軸方向の長さとは、黒鉛粒子１２の最も長い方向の長さを意味する。

第１複合材１０は、第１アルミニウムマトリックス１１中に黒鉛粒子１２が分散した複数の黒鉛粒子分散層１４と、第１アルミニウムマトリックス１１中に黒鉛粒子１２等の炭素粒子が実質的に存在していない複数の第１アルミニウム層１３とを含むとともに、黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３とが交互に複数積層した状態に配列している。

さらに、第１複合材１０は熱伝導率に異方性を有するものである。具体的には、黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３との積層方向が第１複合材１０の最も低い熱伝導率の方向ｃ１（この方向ｃ１を「低熱伝導方向ｃ１」という）であり、この低熱伝導方向ｃ１に直交し且つ互いに直交する二つの方向ａ１、ｂ１が第１複合材１０の高熱伝導率の方向ａ１、ｂ１（これらの方向ａ１、ｂ１を「高熱伝導方向ａ１、ｂ１」という）であり、両方の高熱伝導方向ａ１、ｂ１に平行な面が第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢである。

図面では、第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢは、理解し易くするため上配線層２の下部３に仮想線としての二点鎖線で描かれている。第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１はこの高熱伝導面ＡＢに直交している。

第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢは第１複合材１０の黒鉛粒子分散層１４に平行であり、第１複合材１０中の黒鉛粒子１２は高熱伝導面ＡＢに平行な方向に配向している。

上配線層２の下部３では、第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１は下部３の平面方向の一方向に向いており、具体的には下部３の幅方向Ｗに向いている。第１複合材１０の高熱伝導方向ａ１は下部３の厚さ方向Ｔに向いており、第１複合材１０の高熱伝導方向ｂ１は下部３の平面方向における低熱伝導方向ｃ１に直交する方向に向いており、具体的には下部３の長さ方向Ｌに向いている。

したがって、上配線層２の下部３（即ち第１複合材１０）はその平面方向の熱伝導率に異方性を有している。上配線層２の下部３では、第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢは下部３の平面方向に略垂直であり、上配線層２の下部３の平面方向の熱伝導率は異方的である。

上配線層２の下部３は上述したようにその平面方向の熱伝導率に異方性を有しているので、下部３はその平面方向の線膨張係数についても異方性を有している。

次に、上配線層２の下部３の好ましい製造方法について以下に説明する。

下部３を形成する第１複合材１０は、図４に示すように第１複合材１０の本体１５を所定の切断面（一点鎖線で示す）Ｆにてスライス状に切断した切断片からなるものである。図４及び５中の矢印Ｘ、Ｙ及びＺは、それぞれ、第１複合材１０の本体１５の幅方向、長さ方向及び厚さ方向を示している。

第１複合材１０の本体１５は、図５に示すように、複数の黒鉛粒子分散層１４と複数の第１アルミニウム層１３とを含むとともに、黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３とが交互に複数積層した状態に配列している。

黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３との積層方向は第１複合材１０の本体１５の厚さ方向Ｚである。したがって、本体１５の低熱伝導方向ｃ１は本体１５の厚さ方向Ｚに向いている。また、本体１５の高熱伝導方向ａ１は本体１５の幅方向Ｘに向いており、本体１５の高熱伝導方向ｂ１は本体１５の長さ方向Ｙに向いている。両方の高熱伝導方向ａ１、ｂ１に平行な面が本体１５の高熱伝導面ＡＢである。本体１５中の黒鉛粒子１２は高熱伝導面ＡＢに平行な方向に配向している。

この本体１５は、第１アルミニウム箔（図示せず）上に黒鉛粒子１２が塗工された塗工箔（図示せず）が複数積層された塗工箔積層体（図示せず）を焼結することにより得られたものである。本体１５の第１アルミニウムマトリックス１１は第１アルミニウム箔のアルミニウム材料からなる。

この本体１５をその厚さ方向Ｚと略平行な切断面Ｆにてスライス状に切断し、これにより板状の第１複合材１０を得る。そして、第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１が上配線層２の下部３の平面方向と略平行になるように（具体的には低熱伝導方向ｃ１が下部３の幅方向Ｗに向くように）下部３を第１複合材１０で形成する。

図３に示すように、上配線層２の上部４は、第２アルミニウムマトリックス（ドットハッチングで示す）２１と第２アルミニウムマトリックス２１中に分散した繊維状炭素粒子２２とを含む板状のアルミニウム－繊維状炭素粒子複合材２０（これを以下では「第２複合材２０」ともいう）で形成されたものである。

第２複合材２０において、繊維状炭素粒子２２の種類は限定されるものではなく、繊維状炭素粒子２２として、炭素繊維（例：ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維）及びカーボンナノチューブ（例：単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維）からなる群より選択される少なくとも一種が好適に用いられる。

繊維状炭素粒子２２の長さは限定されるものではなく、好ましくは繊維状炭素粒子２２の平均長さが５０μｍ～１５００μｍの範囲であることがよい。

第２複合材２０は、第２アルミニウムマトリックス２１中に繊維状炭素粒子２２が分散した複数の繊維状炭素粒子分散層２４と、第２アルミニウムマトリックス２１中に繊維状炭素粒子２２等の炭素粒子が実質的に存在していない複数の第２アルミニウム層２３とを含むとともに、繊維状炭素粒子分散層２４と第２アルミニウム層２３とが交互に複数積層した状態に配列している。

さらに、第２複合材２０は熱伝導率に異方性を有するものである。具体的には、繊維状炭素粒子分散層２４と第２アルミニウム層２３との積層方向が第２複合材２０の最も低い熱伝導率の方向ａ２（この方向ａ２を「低熱伝導方向ａ２」という）であり、この低熱伝導方向ａ２に直交し且つ互いに直交する二つの方向ｂ２、ｃ２が第２複合材２０の高熱伝導率の方向ｂ２、ｃ２（これらの方向ｂ２、ｃ２を「高熱伝導方向ｂ２、ｃ２」という）であり、両方の高熱伝導方向ｂ２、ｃ２に平行な面が第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣである。

図面では、第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣは、理解し易くするため上配線層２の上部４に仮想線としての二点鎖線で描かれている。第２複合材２０の低熱伝導方向ａ２はこの高熱伝導面ＢＣに直交している。

第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣは第２複合材２０の繊維状炭素粒子分散層２４に平行であり、第２複合材２０中の繊維状炭素粒子２２は高熱伝導面ＢＣに平行な方向に配向している。

上配線層２の上部４では、第２複合材２０の低熱伝導方向ａ２は上部４の厚さ方向Ｔに向いている。第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２は上部４の平面方向の一方向に向いており、具体的には上部４の長さ方向Ｌに向いている。第２複合材２０の高熱伝導方向ｃ２は上部４の平面方向における高熱伝導方向ｂ２に直交する方向に向いており、具体的には上部４の幅方向Ｗに向いている。

したがって、上配線層２の上部４では、第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣ（即ち第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２、ｃ２）は上部４の平面方向と略平行であり、上配線層２の上部４の平面方向の熱伝導率は等方的である。

上配線層２の上部４は上述したようにその平面方向の熱伝導率が等方的なので、上部４はその平面方向の線膨張係数についても等方的である。

上配線層２の好ましい幾つかの製造方法について以下に説明する。図６は上配線層２の一つの製造方法を説明する図であり、図７は上配線層２のもう一つの製造方法を説明する図である。

まず、図６に示した上配線層２の製造方法について説明する。

同図に示すように、板状の第１複合材１０で形成された上配線層２の下部３と、板状の第２複合材２０で形成された上配線層２の上部４とを準備する。

そして、下部３と上部４との間にろう材箔１７を挟み、下部３と上部４をろう材箔１７を介してろう付けにより積層状に接合一体化する。これにより上配線層２が得られる。

次に、図７に示した上配線層２の製造方法について説明する。

同図に示すように、板状の第１複合材１０で形成された上配線層２の下部３を準備するとともに、第２アルミニウム箔２６上に繊維状炭素粒子２２が塗工された複数の塗工箔２７を準備する。

そして、加熱加圧焼結装置３０として例えば真空ホットプレス装置３１に備えられた焼結室３２に、下部３と複数の塗工箔２７とを積層することにより焼結素材２９を形成し、この焼結素材２９を真空ホットプレス装置３１に備えられた図示しない加熱手段（例：ヒーター）により加熱しながら真空ホットプレス装置３１に備えられた一軸加圧手段（例：押圧パンチ３４、３４）により焼結素材２９の厚さ方向（即ち塗工箔２７の積層方向）に加圧することにより、複数の塗工箔２７を焼結一体化して上部４（第２複合材２０）を形成すると同時に上部４と下部３とを焼結接合する。これにより上配線層２が得られる。

焼結素材２９の焼結条件は限定されるものではなく、好ましくは、焼結温度は４５０℃～６４０℃の範囲、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０ｍｉｎ～３００ｍｉｎの範囲、及び、焼結素材２９への加圧力は１ＭＰａ～４０ＭＰａの範囲であることがよい。

図７中の符号「３３」は、真空ホットプレス装置３１に備えられた筒状のダイスである。焼結室３２はこのダイス３３の内側に位置しており、焼結室３２を挟んだ対向位置（本実施形態では焼結室３２の上下両側位置）に押圧パンチ３４、３４が配置されている。

なお本発明では、加熱加圧焼結装置３０は真空ホットプレス装置３１であることに限定されるものではなく、その他に例えば放電プラズマ焼結装置であってもよい。

本実施形態の放熱装置１によれば、上配線層２の下部３が第１複合材１０で形成されるとともに第１複合材１０の高熱伝導方向ａ１が下部３の厚さ方向Ｔに向いているので、上配線層２の厚さ方向Ｔの熱伝導性が向上し、これにより放熱装置１の放熱性能を高めることができる。

さらに、上配線層２の上部４が第２複合材２０で形成されるとともに第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２、ｃ２が上部４の平面方向に向いているので、上配線層２の上面２ａの平面方向の線膨張係数の異方性が緩和されるとともに、上配線層２の上面部の強度がはんだ層４１の強度よりも低くなる。そのため、冷熱サイクル負荷によるはんだ層４１の熱応力が緩和され、これにより放熱装置１の冷熱信頼性を高めることができる。

上配線層２の上部４の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．０５ｍｍ～２ｍｍの範囲であることがよい。この場合、はんだ層４１の熱応力を確実に緩和することができる。上部４の厚さのより好ましい下限は０．１ｍｍであり、より好ましい上限は１．５ｍｍである。

上部４（第２複合材２０）の機械的強度は限定されるものではなく、好ましくは上部４の平面方向の室温での引張強度は３０ＭＰａ～１２０ＭＰａの範囲であることがよい。この場合、はんだ層４１の熱応力を確実に緩和することができる。

上配線層２の下部３の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．２ｍｍ～１．６ｍｍの範囲であることがよい。この場合、上配線層２の厚さ方向Ｚの熱伝導率が確実に高くなり放熱装置１の放熱性能を確実に向上させることができる。

以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、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。

例えば、アルミニウム－黒鉛粒子複合材１０は上記実施形態に示したように第１アルミニウム箔上に黒鉛粒子１２が塗工された塗工箔が複数積層された塗工箔積層体を焼結することにより得られたものに限定されるものではなく、本発明ではその他に例えば、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と黒鉛粒子（例：黒鉛粉末）とが混合された混合体を焼結することにより得られたものであってもよい。

また同じく、アルミニウム－繊維状炭素粒子複合材２０は上記実施形態に示した方法で得られたものに限定されるものではなく、本発明ではその他に例えば、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と繊維状炭素粒子とが混合された混合体を焼結することにより得られたものであってもよい。

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に示した上記実施形態の放熱装置１を次の方法で製造した。なお、実施例１を理解し易くするため、上記実施形態の放熱装置１の要素に付された符号を用いて実施例１を説明する。

上配線層２を図７に示した上配線層２の製造方法により製造した。

すなわち、上配線層２の下部３を、第１アルミニウムマトリックス１１と第１アルミニウムマトリックス１１中に分散した黒鉛粒子１２とを含む板状のアルミニウム－黒鉛粒子複合材１０（これを「第１複合材１０」ともいう）で形成した。下部３の幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴはそれぞれ２８．５ｍｍ、２８．５ｍｍ及び０．８ｍｍであった。黒鉛粒子１２としては鱗片状黒鉛粒子（その長軸方向の平均長さ５００μｍ）を用いた。

第１複合材１０はその平面方向の熱伝導率に異方性を有するものであり、第１複合材１０の高熱伝導方向ａ１及びｂ１がそれぞれ下部３の厚さ方向Ｔ及び長さ方向Ｌに向いており、第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１が下部３の幅方向Ｗに向いていた。なお、上述の熱伝導率は室温での熱伝導率（以下同じ）である。

上配線層２の上部４を、第２アルミニウムマトリックス２１と第２アルミニウムマトリックス２１中に分散した繊維状炭素粒子２２とを含む板状のアルミニウム－繊維状炭素粒子複合材２０（これを「第２複合材２０」ともいう）で形成した。上部４の幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴはそれぞれ２８．５ｍｍ、２８．５ｍｍ及び０．４ｍｍであった。繊維状炭素粒子２２としてはピッチ系炭素繊維（その平均長さ１５０μｍ）を用いた。

第２複合材２０の平面方向の熱伝導率は等方的であり、第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２及びｃ２が上部４の平面方向（即ち上部４の長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗ）に向いており、第２複合材２０の低熱伝導方向ａ２が上部４の厚さ方向Ｔに向いていた。

上配線層２の下部３と上部４は、真空ホットプレス装置３１を用いた第１複合材１０と第２複合材２０との焼結接合により積層状に一体化した。

また、窒化アルミニウム製の絶縁層５とアルミニウム製の下配線層６とをそれぞれ準備した。絶縁層５の幅、長さ及び厚さはそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．６４ｍｍであった。下配線層６の幅、長さ及び厚さはそれぞれ２８．５ｍｍ、２８．５ｍｍ及び０．６ｍｍであった。

次いで、絶縁層５の上面に上配線層２をろう付けにより接合した。また絶縁層５の下面に下配線層６をろう付けにより接合した。これにより、上配線層２と絶縁層５と下配線層６とが接合一体化された絶縁基板９を製作した。

次いで、下配線層６と放熱部材７としてのアルミニウム製ヒートシンクとの間に両面アルミニウムブレージングシート８（その厚さ０．５ｍｍ）を挟み、そして、下配線層６と放熱部材（ヒートシンク）７とをブレージングシート８を介して真空ろう付けにより接合した。ヒートシンクの幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴはそれぞれ４０ｍｍ、４０ｍｍ及び１５ｍｍ）あった。

以上の方法により第１実施例の放熱装置１を製造した。

＜実施例２＞
実施例２では、図１に示した上記実施形態の放熱装置１を次の方法で製造した。なお、実施例２を理解し易くするため、上記実施形態の放熱装置１の要素に付された符号を用いて実施例２を説明する。

図８に示すように、上配線層２の下部３、上部４、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材（ヒートシンク）７として、それぞれ実施例１と同じものを準備した。ここで、上配線層２の下部３と上部４は一体化されておらず即ちそれぞれ別体に形成されていた。

次いで、絶縁層５の上面に上配線層２の下部３をろう付けにより接合した。また、絶縁層５の下面に下配線層６をろう付けにより接合した。

次いで、同図に示すように、上配線層２の下部３と上部４との間にアルミニウム系ろう材箔１７（その厚さ３２μｍ）を挟むとともに、下配線層６と放熱部材７との間に両面アルミニウムブレージングシート８（その厚さ０．５ｍｍ）を挟み、そして、上配線層２の下部３と上部４とをろう材箔１７を介して真空ろう付けにより積層状に接合すると同時に下配線層６と放熱部材７とをブレージングシート８を介して真空ろう付けにより接合した。

以上の方法により実施例２の放熱装置１を製造した。

＜比較例＞
上配線層全体を実施例１の第１複合材１０（その厚さ０．８ｍｍ）だけで形成した。また、絶縁層、下配線層及び放熱部材（ヒートシンク）として、それぞれ実施例１と同じものを準備した。

次いで、絶縁層の上面に上配線層をろう付けにより接合した。また、絶縁層の下面に下配線層をろう付けにより接合した。

次いで、下配線層と放熱部材との間に両面アルミニウムブレージングシート（その厚さ０．５ｍｍ）を挟み、そして、下配線層と放熱部材とをブレージングシートを介して真空ろう付けにより接合した。

以上の方法により比較例の放熱装置を製造した。

＜＜冷熱サイクル試験＞＞
実施例１、２及び比較例のそれぞれの放熱装置の上配線層の上面にニッケルめっき膜を形成し、次いで、リフローによる半導体チップのはんだ付けを行った。その後、各放熱装置について冷熱サイクル試験を－４０℃～２００℃の試験温度範囲で１０００回行った。

そして、冷熱サイクル試験前後の各放熱装置における半導体チップのはんだ接合部を超音波探傷法により評価し、半導体チップのはんだ接合部の接合率を調べた。その結果、実施例１及び２の放熱装置では接合率がそれぞれ９４％及び９５％であり、比較例の放熱装置では接合率が８７％であった。したがって、実施例１及び２の放熱装置は比較例の放熱装置よりも高い冷熱信頼性を有していることを確認し得た。

なお、半導体チップのはんだ付接合部の接合率は次の方法で算出した。

接合率＝「冷熱サイクル試験後の半導体チップのはんだ接合部の接合面積」／「冷熱サイクル試験前の半導体チップのはんだ接合部の接合面積」×１００％。

本発明は、半導体チップ等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置に利用可能である。

１：放熱装置
２：上配線層
３：上配線層の上部
４：上配線層の下部
５：絶縁層
７：放熱部材
１０：アルミニウム－黒鉛粒子複合材
１１：第１アルミニウムマトリックス
１２：黒鉛粒子
２０：アルミニウム－繊維状炭素粒子複合材
２１：第２アルミニウムマトリックス
２２：繊維状炭素粒子
４０：発熱性素子
４１：はんだ層

Claims

上面にはんだ接合される発熱性素子の熱を放散する放熱装置であって、
互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材として、セラミック製絶縁層と、前記絶縁層の上側に配置された上配線層と、前記絶縁層の下側に配置された放熱部材とを備え、
前記上配線層は、前記絶縁層側に位置する下部と、前記下部の上側に位置する上部とを含むととともに、前記下部と前記上部が接合されており、
前記下部は、第１アルミニウムマトリックスと前記第１アルミニウムマトリックス中に分散した黒鉛粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム－黒鉛粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム－黒鉛粒子複合材の高熱伝導方向が前記下部の厚さ方向に向いており、
前記上部は、第２アルミニウムマトリックスと前記第２アルミニウムマトリックス中に分散した繊維状炭素粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム－繊維状炭素粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム－繊維状炭素粒子複合材の高熱伝導方向が前記上部の平面方向に向いている、放熱装置。
前記上配線層の前記上部の厚さが０．０５ｍｍ～２ｍｍの範囲である請求項１記載の放熱装置。