JP7700510B2 - 放熱板および半導体パッケージ - Google Patents

Description

本開示は、放熱板および半導体パッケージに関する。

半導体分野において、半導体素子から生じる熱を効率的に拡散させて半導体素子の過熱を防止するために放熱板が用いられている。放熱板としては、熱伝導率の高い銅などの金属が用いられてきた。放熱板である金属と半導体素子やセラミックスパッケージとの線膨張係数の差により、これらの界面に熱応力が発生し、半導体素子等の破損を生じることがある。このため、熱伝導率の高い金属と線膨張係数が小さい金属との複合材が放熱板として用いられる。例えば、特許文献１には、銅（Ｃｕ）層とモリブデン銅（Ｍｏ－Ｃｕ）複合体層が交互に積層され、最外層が銅層からなる放熱板が開示されている。積層された最外層の銅層を薄くすることで板厚方向の熱伝導率に優れ、かつ熱膨張率が小さい放熱板が得られるとされている。

特開２０１９－０９６６５４号公報

特許文献１に記載される構造によれば、表面中央部に接するように配置された半導体素子からの発熱が放熱板の板厚方向に伝わりやすく、かつ放熱板の平面方向の熱膨張を小さくできる。しかし、半導体技術の進展により半導体素子からの発熱が従来以上に大きくなる傾向にある。従来以上に放熱性能が高く、かつ熱応力による破損が生じ難い放熱板が求められている。本開示は、熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、従来よりもさらに放熱性能に優れた放熱板の提供を目的とする。

本開示の放熱板は、３層以上の層が積層された構造を有する放熱板であって、前記積層された構造における厚さ方向の両最外層の少なくとも一方の層である第１層を備え、前記第１層は第１材料で構成されており、前記第１材料は、銅を主成分とする金属相の中に分散された炭素繊維を含む材料であり、前記炭素繊維が前記第１材料全体に占める体積比率が５．０体積％以上であり、前記第１層の厚さが０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であり、前記第１層の前記厚さ方向と直交する面方向の熱伝導率から前記第１層の前記厚さ方向の熱伝導率を引いた値が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。

また、本開示の放熱板は、３層以上の層が積層された構造を有する放熱板であって、前記積層された構造における厚さ方向の両最外層の少なくとも一方の層である第１層を備え、前記第１層の厚さが０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であり、前記第１層は第１材料で構成されており、前記第１材料は、銅を主成分とする金属相の中に分散された複数の炭素繊維を含む材料であり、前記炭素繊維が前記第１材料全体に占める体積比率が５．０体積％以上であり、前記複数の炭素繊維はそれぞれが面方向に配向を有し、前記配向の配向率が７６％以上である。

また、本開示の半導体パッケージは、上述した放熱板と、前記第１層の表面上に配置されている半導体素子とを備える。

本開示の放熱板によれば、熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた
放熱板を得ることができる。

図１は、実施形態に係る放熱板の一例を示す斜視図である。 図２は、図１の放熱板のＡ－Ａ断面を説明する断面模式図である。 図３は、図２の領域Ｂを拡大した断面模式図である。 図４は、炭素繊維の配向率の計算方法に関する説明図である。 図５は、炭素繊維の配向率の計算方法に関する説明図である。 図６Ａは、実施形態に係る放熱板の３層の例を示す断面模式図である。 図６Ｂは、実施形態に係る放熱板の７層の例を示す断面模式図である。 図６Ｃは、実施形態に係る放熱板の４層の例を示す断面模式図である。 図６Ｄは、実施形態に係る放熱板の他の３層の例を示す断面模式図である。 図７は、半導体パッケージの構成例を示す図である。 図８は、面方向の熱伝導率の測定試料の作成手順を説明する図である。 図９は、厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順を説明する図である。 図１０は、積層体の放熱性能の測定方法を説明する図である。 図１１は、実施形態に係る放熱板の第１層の断面写真の例を示す図である。 図１２は、炭素繊維の長手方向の平均長さ及び平均直径の測定方法を説明する図である。

［本開示の実施形態の説明］
放熱板の厚さ方向の熱伝導を向上させる従来の技術においては、発熱体から放熱板に伝わった熱は放熱板の厚さ方向と平面方向に等方的に伝わる。このため、厚さの薄い表面層において表面の熱が平面方向に拡がる前に裏面まで伝わる。言い換えると、発熱源の直下において板厚方向に熱の流れが集中する。本願発明者は、このような熱の流れに着目し、発熱体が接していない放熱板の周辺部では板厚方向の熱伝導の効果が得られ難いという課題を見いだした。特に発熱体が放熱板に接している部分の面積よりも放熱板の表面全体の面積が大きい場合に、発熱体が接していない部分が放熱に寄与し難く、放熱板の性能を十分には発揮できない。

以下、本開示の実施態様を列記して説明する。
（１）本開示の一実施形態に係る放熱板は、３層以上の層が積層された構造を有する放熱板である。前記積層された構造における厚さ方向の両最外層の少なくとも一方の層である第１層を備え、前記第１層は第１材料で構成されている。前記第１材料は、銅を主成分とする金属相の中に分散された添加相として炭素繊維を含む材料である。前記添加相としての炭素繊維が前記第１材料全体に占める体積比率が５．０体積％以上である。前記第１層の厚さが０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下である。前記第１層の前記厚さ方向と直交する面方向の熱伝導率から前記第１層の前記厚さ方向の熱伝導率を引いた値が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。なお、前記積層された構造の厚さ方向は前記３層以上の層が積層された方向であり、面方向は前記厚さ方向に垂直な方向である。

発熱体と接する表層である最外層に炭素繊維を添加することで、銅のみを用いる場合に比べて熱伝導率を変化させることができる。ここで、第１層の厚さ方向の熱伝導率と面方向の熱伝導率に差を持たせ、厚さ方向よりも面方向に熱が伝わりやすくすることで、面全体での熱伝達が放熱に寄与しやすくなる。発熱体と接する表面を有する第１層において熱が面方向に拡がることにより、面全体で厚さ方向への熱が伝わりやすくなる。これにより、熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（２）本開示の他の実施形態に係る放熱板は、３層以上の層が積層された構造を有する放熱板であり、前記積層された構造における厚さ方向の両最外層の少なくとも一方の層である第１層を備える。前記第１層の厚さが０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下である。前記第１層は第１材料で構成されている。前記第１材料は、銅を主成分とする金属相の中に分散された複数の炭素繊維を含む材料である。前記炭素繊維が前記第１材料全体に占める体積比率が５．０体積％以上である。前記複数の炭素繊維はそれぞれが面方向に配向を有し、前記配向の配向率が７６％以上である。

発熱体と接する表層である最外層に炭素繊維を添加することで、銅のみを用いる場合に比べて熱伝導率を変化させることができる。ここで、複数の炭素繊維のそれぞれが面方向配向を有することで、厚さ方向の熱伝導率に比べて面方向の熱伝導率を高くすることができる。面方向に熱が伝わりやすくすることで、面全体での熱伝達が放熱に寄与しやすくなる。これにより、熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（３）前記第１層の前記厚さ方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の前記第１層の前記面方向の線膨張係数が１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下であってもよい。

放熱板全体の高い放熱性能を得るために、第１層の厚さ方向の熱伝導率は高い方が好ましい。また、高温での使用を考慮して面方向の線膨張係数は一定値以下であることが好ましい。上記形態（３）の構成によれば、厚さ方向の熱伝導率と面方向の線膨張係数のバランスが良く、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（４）前記第１層に接する第２層は、前記第２層の前記厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の前記第２層の前記面方向の線膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋ以下であってもよい。

第２層は、放熱板全体としての面方向の線膨張係数を低くする目的で設けられる。熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（５）前記第２層はモリブデンまたはタングステンを含む第２材料で構成されていてもよい。

モリブデンやタングステンは第２層の熱伝導率と線膨張係数を調整するために適した材料である。第２層にはモリブデンやタングステンを単体で用いてもよい。またモリブデンやタングステンと銅を複合させた材料により所望の性能を得ることもできる。これにより、厚さ方向の熱伝導率と面方向の線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（６）３つの層を積層した放熱板の場合、前記両最外層はいずれも前記第１層であり、前記両最外層の間の層は前記第２層であってもよい。

第１層、第２層、第１層をこの順で積層することは、積層数が３層の場合の好ましい組み合わせである。この３層構造により、厚さ方向の熱伝導率と面方向の線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。また、積層方向に対称な層構造にすることにより、放熱板自体の反りが生じ難い。

（７）５層以上の奇数の層を積層した放熱板の場合、前記両最外層はいずれも前記第１層であり、前記両最外層のそれぞれに接する一対の層はいずれも前記第２層であり、一対の前記第２層の前記第１層と接する面とは対向する面に接する第３層は銅または銅合金で構成されていてもよい。

５層の積層体を放熱板とする場合は、第１層、第２層、第３層、第２層、第１層という順で積層することが好ましい。ここで、第３層は主に熱伝導の性能を得るための層であって、銅を主成分とする材料で構成されることが好ましい。第３層は銅または銅合金であるとよい。第３層には第１層と同じ材料を用いてもよい。また、第３層には銅と不可避不純物からなる純銅も好ましく用いられる。この５層構造により、厚さ方向の熱伝導率と面方向の線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（８）また、本開示の一実施形態に係る半導体パッケージは、上記のいずれかの放熱板と、前記第１層の表面上に配置されている半導体素子とを備える。

上記の放熱性能に優れた放熱板を用いることによって、過熱による動作不良や破損の発生を抑止した半導体パッケージを得ることができる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態に係る放熱板の具体例を図面に基づいて説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にする目的で表現されており、必ずしも実際の寸法関係等を表すものではない。
１つの実施形態において説明する構成は、特段の断りがない限り、他の実施形態にも適用可能である。以下の説明で特定の方向や位置を示す用語を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。特定の方向や位置を示す用語としては、例えば、「上」「上面」「前」「表」などが挙げられる。

図１は、実施形態に係る放熱板の一例を示す斜視図である。図１の放熱板１は表面２と裏面３を有し、平面視で長方形をなす板状体である。以下の説明では放熱板１の表面２と裏面３を構成する面の方向をＸ－Ｙ平面とし、板の厚さ方向をＺ方向と定義する。表面２の一部または全部に放熱する対象である発熱体（図示しない）を配置する。発熱体から表面２に伝わった熱は、厚さ方向、即ちＺ方向に伝わり、裏面３から放熱される。裏面３には他の伝熱媒体としての金属や液体などが接していても良い。放熱板１はＺ方向に複数の層が積層された構造を有しており、最外層の一方の面が表面２、他の最外層の一方の面が裏面３として露出している。

図２は、図１の放熱板１をＡ－Ａ線にてＺ方向に切断した断面を説明する模式図である。放熱板１はＺ方向に複数の層を有している。この実施形態では５層の場合を示している。以下、説明の便宜上、図の上部に配置される表面２を有する層から順に第１層１０１、第２層１０２、第３層１０３、第４層１０４、第５層１０５と呼ぶ。第１層１０１は第１材料１０で構成されている。第１層１０１に接する第２層１０２は第２材料２０で構成されている。第３層１０３は第３材料３０で構成されている。第４層１０４は第２層１０２と同じ第２材料２０で構成されている。裏面３を有する第５層１０５は第１材料１０で構成されている。各層の厚さは任意に選択可能である。図２に示す実施形態では、第１層１０１と第５層１０５、第２層１０２と第４層１０４が同じ厚さである。結果としてこの実施形態の放熱板１は、厚さ方向の中央を挟んで上下に対称な積層構造となっている。

第１材料１０は、銅を主成分とする金属相１１の中に炭素繊維１３を主成分とする添加相を含む材料である。ここで、「銅を主成分とする金属相１１」とは、金属相に占める銅の含有量が５０質量パーセント以上の金属相である。銅を主成分とする金属相１１は、７０質量パーセント以上銅を含有していることが好ましく、最も好ましくは純銅である。
純銅とは、銅と不可避不純物とからなる金属材料である。炭素繊維とは、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られる、質量比で９０％以上が炭素で構成される繊維である。炭素繊維には炭素からなる繊維状の物質を含む。あるいは、炭素繊維とは、いわゆる市販の炭素繊維、すなわち、アクリル繊維またはピッチ（石油、石炭、コールタールなどの副生成物）を原料に高温で炭化して作った繊維を含む。繊維の長手方向に銅よりも高い熱伝導率を有することが好ましい。

このような材料を用いることで、第１層１０１の面方向の熱伝導率から厚さ方向の熱伝導率を引いた値が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが可能となる。面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高いことで、熱が面方向に伝わりやすい。例えば第１層１０１の表面２の一部に伝わった熱は、第１層１０１の中で面方向に伝わりつつ厚さ方向に伝わってゆく。このため第１層１０１全体が厚さ方向の熱伝導に寄与することができる。第１層１０１の表面２から第２層１０２に接する面に伝わった熱は、その後第２層１０２から順に厚さ方向に伝わってゆく。このため、放熱板１全体として効率よく厚さ方向に熱を伝えることが可能となる。

図３は、金属相１１中に炭素繊維１３が存在する様子を表している。図３は図２に破線で示される領域Ｂを拡大した断面を模式的に示した図である。複数の炭素繊維１３が金属相１１の中に分散している。炭素繊維１３の形状は一定ではない。個々の炭素繊維１３は互いに離間して存在していてもよいし、複数の炭素繊維１３が接するように存在していてもよい。

炭素繊維１３の形状は、細長い形状を有している。炭素繊維が延在する方向を長手方向と定義する。以下、炭素繊維１３の長手方向とその傾きおよび配向率について説明する。

図４は図３に示した第１層１０１の厚さ方向の断面における炭素繊維１３の一つを示している。図４で示すように、おのおのの炭素繊維１３を、長さＬ０で分割していく。Ｌ０の長さは２０μｍである。このＬ０の長さで分割された炭素繊維１３を、ここでは便宜上、炭素繊維小片１４と呼ぶことにする。図５で示すように、この炭素繊維小片１４に対し、炭素繊維小片１４の外周に接する線分を引き、直交する２方向での線分の幅Ｌ１とＬ２を求める。ここで、Ｌ２に対するＬ１の割合であるＬ１／Ｌ２の値が最大になるようにＬ１を定める。この場合のＬ１の方向を、その炭素繊維小片１４の長手方向とする。炭素繊維小片１４の長手方向と図４の横軸であるＸ－Ｙ平面とがなす角度θ、すなわちその炭素繊維小片１４が表面に平行な面に対してなす角度を求める。なお、角度は炭素繊維小片１４の長手方向をＺ方向からＸ―Ｙ平面上に投影した線分と、長手方向とがなす角度を鋭角側で測った角度と定義する。

観察する視野内で求めた複数の炭素繊維に対する、複数の炭素繊維小片１４の角度θについて、角度θが一定の範囲に入る炭素繊維小片１４の数の割合を百分率で表して、第１層１０１における炭素繊維１３全体の配向率と定義する。例えば角度θを２０度以下とすると、角度２０度以下の配向率が高い場合は、炭素繊維小片１４の多くがＸ－Ｙ平面に近い方向に傾いていることになる。

第２材料２０は、モリブデンまたはタングステンを含む材料である。第２層１０２には第１層１０１に比較して線膨張係数が小さい材料を用いることが好ましい。第２層１０２の線膨張係数を小さくすることで、放熱板１全体の面方向の線膨張係数を小さくすることができる。モリブデンまたはタングステンを含む材料としては、放熱板１に用いられる既知の材料を適用することができる。例えば、第２層１０２を構成する材料は、モリブデンまたはタングステンおよび不可避不純物からなる材料であっても良い。第２層１０２を構成する材料は、モリブデンまたはタングステンの粉体を焼結した多孔体中に銅を含浸させた複合材料であると良い。複合材料を用いることで、熱伝導率と線膨張係数を所望の範囲に調整することができる。なお、モリブデンまたはタングステンを含む材料は、モリブデンを含む材料、タングステンを含む材料、モリブデンとタングステンの両方を含む材料のいずれでもよい。

第３材料３０は、銅を主成分とする材料であると良いが、特に限定されない。第３材料３０として第１材料１０と同じ材料を用いることもできる。第３層１０３には熱伝導が良い材料を用いることで放熱板１全体の厚さ方向の熱伝導率を高める効果がある。第３材料３０には純銅が好ましく用いられる。

以上、放熱板１の積層数が５層の場合を例として説明したが、層の数は３層以上であれば良い。３層の場合の放熱板１の例を図６Ａに示す。３層の場合は図２で示した第３層１０３と第４層１０４が存在しない。図６Ａの放熱板１は表面２から裏面３に向けて順に第１材料１０、第２材料２０、第１材料１０の順で構成されている。７層以上の場合は、第３材料３０と第２材料２０の層の繰り返しを増やすことが好ましい。図６Ｂは７層の場合の代表的な構造を示す。図６Ｂの放熱板１は、表面２から裏面３に向けて順に第１材料１０、第２材料２０、第３材料３０、第２材料２０、第３材料３０、第２材料２０、第１材料１０の順で構成されている。

本開示の実施形態においては、層数にかかわらず、表面２を備える第１層は第１材料１０で構成される。表面２は放熱の対象となる発熱体が接する面であり、放熱板１は表面２から裏面３に向けて熱を伝える。層数が奇数の場合は表面２と裏面３が同じ第１材料１０で構成されると良い。層数は偶数とする事も可能である。この場合は表面２は第１材料１０で構成し、第２層は第２材料２０で構成する以外は特に限定されない。図６Ｃに層数が偶数の場合の一例として４層の構成例を示す。図６Ｃの放熱板１は、表面２から裏面３に向けて順に第１材料１０、第２材料２０、第３材料３０、第２材料２０の順で構成されている。

以上に説明した構造の変形例は種々考えられ、上記の構成には限定されない。例えば３層の場合の放熱板１の他の構成例を図６Ｄに示す。図６Ｄに示す放熱板１は、表面２を有する第１層を第１材料１０、第２層を第２材料２０で構成し、裏面３を有する材料を第３材料３０で構成している。

（半導体パッケージ）
図７は、本開示にかかる放熱板を備えた半導体パッケージ５０の一例を説明する図である。放熱板１の表面２に、半導体素子５３が配置される。半導体素子５３には端子５１を介して電流が供給される。また放熱板１の表面２には半導体素子５３を封止するためのケース部材５２が設けられている。半導体素子５３から生じた熱を素早く外部に伝えて半導体素子５３の温度を保つことが放熱板１の機能である。そのため、放熱板１の裏面は図示しない金属板や他の冷却媒体に接して用いられる。本開示にかかる放熱板１は半導体素子５３から生じた熱を、表面２を構成する第１層において面方向に伝えやすい。面方向に拡がった熱は放熱板１全体を通して厚さ方向に伝わる。さらに放熱板１の面方向の線膨張係数は、半導体素子５３やケース部材５２に用いられるセラミックス等の材料に近い値であるため、温度変化によって各材料や接合面での破損が生じ難い。従来の放熱板を用いた場合に比べて、半導体素子５３からの熱が裏面に伝わりやすく、高い冷却性能と耐久性を兼ね備えた半導体パッケージ５０とすることができる。なお、半導体パッケージ５０の構成は多くの種類があり、上記の例には限定されない。構成の違いにかかわらず、本開示の半導体パッケージ５０には、本開示の放熱板１の表面２に半導体素子５３からの熱が加わるように半導体素子５３が配置され、当該熱を放熱板１の裏面に伝えることで冷却効果を得る構造を含む。

＜実施例＞
（放熱板の製造）
図２に示す５層の放熱板を以下の説明のように製造した。

（第１材料の準備）
球状銅粉（福田金属箔粉工業株式会社製Ｃｕ－Ａｔ－１００）は、開き目４５μｍのふるいで粗大粉を除去することで、平均粒径３０μｍとした。更に、粉砕を開き目２５０μｍの篩を用いて篩分しながら採取した繊維状粉末形状（日本グラファイトファイバー株式会社製ミルドファイバーＺＹ－３００－２５M）を準備した。この球状銅粉と、繊維状粉末形状を体積比率で、１００：０から７９：２１となるように混合した。用いた炭素繊維の長手方向の平均長さは１２０μｍ、平均直径は８μｍであった。混合された粉を直径３０ｍｍのカーボン製の型に装填した後、通電プラズマ焼結装置にて３０ＭＰａの加圧をしながら温度９５０℃、時間１０分の加熱を行って、焼結体を得た。
なお、長手方向の平均長さおよび平均直径はカーボンテープ上に分散した状態で走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて２００倍で撮像し、１００個以上の繊維について長軸長さを測定し平均値とした。ここで長軸長さとは、２本の平行線で繊維の透過像を挟んだ時に最大となる長さとする。平均直径は、同様にＳＥＭを用いて５００倍で撮像し、長軸長さが５０μｍ以上の１００個以上の繊維について断面長さを測定し、その平均値とした。ここで、断面長さは、長軸長さの方向と直交する方向の幅を長軸長さの１／４、１／２、３／４の位置にて測定し平均して得られる値とした。図１２は、上述の長手方向の平均長さ及び平均直径の測定方法の説明である。長軸長さの求め方は図５の場合と同様であり、求めた長軸長さがＬＬ１、長さＬＬ２の位置が３／４の位置、長さＬＬ３の位置が１／２の位置、長さＬＬ４の位置が１／４の位置である。それぞれの位置での断面長さをＷ１、Ｗ２、Ｗ３と示している。

（第２材料の準備）
第２層および第４層として用いるため、所定の厚さのモリブデン（Ｍｏ）板を準備した。

（第３材料の準備）
第３層として用いるため、所定の厚さの純銅板を準備した。

（積層体の製造）
上記のように準備した第１材料、第２材料、第３材料を、それぞれ直径３０ｍｍの円盤状に加工した。円盤状の各材料を、第１材料、第２材料、第３材料、第２材料、第１材料の順に積層して、内直径３２ｍｍのグラファイト製の型に装填した。充填された積層試料を、温度１０００℃、時間６０分、圧力５０ＭＰａの条件でホットプレスによって接合した。ホットプレス後の全体の厚さが１ｍｍになるようにした。ホットプレスにおいて第１材料に含まれる銅粉はプレスの方向に従った扁平形状に変形する。繊維状の形状である炭素繊維が銅粉の扁平形状に沿うように配置されることにより、第１材料中において炭素繊維が配向性を有する。なお、第１材料は銅粉の充填率に応じてホットプレスにより厚さが小さくなるため、ホットプレス後に所望の厚さになるように予め厚さを調整しておく。本実験例ではホットプレスのみによる製造としたが、圧延による製造とすることもできる。

（評価）
積層前の各層の材料および接合された積層体について、面方向および厚さ方向の熱伝導率、面方向の線膨張係数を測定した。

（面方向の熱伝導率を測定するための測定試料）
第１材料の面方向の熱伝導率を測定するための試料は次のように作製した。図８は、面方向の熱伝導率の測定試料の作成手順を説明する図である。図８は放熱板１から第１材料１０を切り出して試料を作成する手順を示している。図８の（ａ）は評価の対象とする放熱板１である。放熱板１は積層体である。積層体の第１層を構成する第１材料１０を積層体から切り出す。切り出された第１材料の厚さをｔｍｍとする。当該材料を図８（ｂ）のような長さＡｍｍ、幅２ｍｍの大きさの薄片に切断する。長さＡは１ｍｍから１０ｍｍであり、好ましくは１０ｍｍである。今回の測定では長さＡを１０ｍｍとした。

以降の手順を図８の（ｃ）（ｄ）を参照して説明する。１０をｔで除した値の小数点以下を切上げた数をＸとし、１０をＡで除した数の小数点以下を切上げた数をＹとする。準備する薄片の数は、ＸとＹの積の数とする。次に、Ｘ枚の薄片を積層して、高さ約１０ｍｍ、長さＡｍｍ、幅２ｍｍのブロックをＹ個作製する。ここで、積層する薄片の各片の間に平均粒径約４μｍの純銀不定形粉末（福田金属箔粉工業株式会社製ＡｇＣ－７４ＳＥ）を配置する。用いる純銀不定形粉末の量は各層間に１００ｍｍ^２あたり０．２ｇ±３０％の範囲とした。次にこのブロックを開口の内寸がＡ（ｍｍ）×２（ｍｍ）の矩形状の黒鉛製の型にいれる。上部から４．９Ｎから９．８Ｎの荷重をかけながら、不活性ガス中で温度９００℃、時間１０分の熱処理によって銀粉末を軟化変形させて接着する。得られたブロックをＹ個並べることで、高さ約１０ｍｍ、長さ約１０ｍｍ、幅２ｍｍの測定試料が完成する（図８（ｄ））。ここで、Ｙ個並べる際には、ブロックの間を銀ロウ箔やセラミックス接着剤などの８００℃程度まで耐熱が得られる接着部材で接着しても良い。またブロックの外周をステンレスワイヤなどで巻くことで固定しても良い。

（厚さ方向の熱伝導率を測定するための測定試料）
第１材料、第２材料、第３材料または積層体の厚さ方向の熱伝導率の測定試料は次のように作成した。図９は、厚さ方向の熱伝導率の測定試料の作成手順を説明する図である。図９は放熱板１から第１材料を切り出して試料を作成する手順を示している。図９の（ａ）は評価の対象とする放熱板１である。放熱板１は積層体である。積層体の第１層を構成する第１材料１０を積層体から切り出す。第２材料または第３材料を測定対象とする場合は切り出す対象が異なるだけで手順は同じである。測定対象とする切り出された材料の厚さをｔｍｍとする。当該材料を図９（ｂ）のような長さＢｍｍ、幅Ｃｍｍの大きさの薄片に切断する。長さＢおよび長さＣはそれぞれ１ｍｍから１０ｍｍであり、好ましくは１０ｍｍである。今回の測定では長さＢ、幅Ｃをいずれも１０ｍｍとした。

以降の手順を図９の（ｃ）（ｄ）を参照して説明する。２をｔで除した値の小数点以下を切上げた数をＸ１、１０をＢで除した数の小数点以下を切上げた数をＹ１、１０をＣで除した数の小数点以下を切上げた数をＹ２とする。当該材料について準備する薄片の数は、Ｘ１とＹ１とＹ２との積とする。まず、Ｘ１枚の薄片を積層して、高さ約２ｍｍ、長さＢｍ、幅ＣｍｍのブロックをＹ１とＹ２の積の数だけ作製する。ここで、積層する薄片の各片の間に平均粒径４μｍの純銀不定形粉末を配置する。用いる純銀不定形粉末の量は、各層間に１００ｍｍ^２あたり０．２ｇ±３０％の範囲とした。次にこのブロックを開口の内寸がＢ（ｍｍ）×Ｃ（ｍｍ）の矩形状の黒鉛製の型にいれる。上部から４．９Ｎから９．８Ｎの荷重をかけながら、不活性ガス中で温度９００℃、時間１０分の熱処理によって銀粉末を軟化変形させて接着する。得られたブロックを縦Ｙ１個、横Ｙ２個並べることで、高さ約１０ｍｍ、長さ約１０ｍｍ、幅２ｍｍの測定試料が完成する（図９（ｄ））。ここで、縦Ｙ１個、横Ｙ２個並べる際には、ブロックの間を銀ロウ箔やセラミックス接着剤などの８００℃程度まで耐熱が得られる接着部材で接着しても良い。またブロックの外周をステンレスワイヤなどで巻くことで固定しても良い。

（熱伝導率の測定）
熱伝導率の評価はレーザフラッシュ法によって測定される。熱伝導率の測定装置（ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＬＦＡ４５７ＭｉｃｒｏＦｌａｓｈ）を用いて熱拡散係数が測定される。構成材料の体積比率から求めた測定試料の比熱を用いて、室温における熱伝導率を算出した。用いた比熱値は次の通りである。
Ｃｕ：３８６Ｊ／ｋｇ／Ｋ
Ｍｏ：２５１Ｊ／ｋｇ／Ｋ
Ａｇ：２３４Ｊ／ｋｇ／Ｋ
（以上、金属データブック第４版、日本金属学会（２００４）より）
炭素繊維：７１０Ｊ／ｋｇ／Ｋ
（Ｃｈｅｍ．Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２，８４７（１９７０）より）
なお、評価においては同形状の純銅試料をリファレンスとして同条件下で測定し、数値補正を行った。

（面方向の線膨張係数の測定）
室温から３００℃まで温度が変化した際の第１材料１０の層内方向での線膨張係数は、ＴＤ５０００ＳＡ（ブルカーＡＸＳ社製）を用いて室温から３００℃まで温度が変化した際の第１材料１０の層内方向での膨張変位を測定することにより算出される。室温から３００℃まで温度が変化した際の第１材料１０の層内方向での線膨張係数を算出する際、第１材料１０の平面形状は、ｔｍｍ×３ｍｍ×（１０から１５）ｍｍの矩形形状が好ましい。ここでｔは試料厚さである。測定値は、３つの試料についての平均値とする。評価対象が上記寸法よりも小さい場合には、Ｘ線回折法を用いて線膨張係数を算出しても良い。第１材料１０の放熱面が総面積１００ｍｍ^２となるように１辺１０ｍｍ以上の矩形を同一平面に集積する。室温および３００℃において集積された試料の表面にＸ線を照射し、Ｃｕ（３３１）に対応する回折ピークから回折角（２θ）を導出する。回折角から下記の式を用いることで、格子面間隔の変化率を線膨張係数として利用することができる。材料の面内に異方性が存在する場合は、試料の線膨張係数の測定目的の方向がＸ線の入射面に平行になるように試料を整列させる。室温を２５℃とした場合の線膨張係数の算出式を示す。 （線膨張係数）＝（１／ｓｉｎ（θａｔ３００℃）－１／ｓｉｎ（θａｔ２５℃））×ｓｉｎ（θａｔ２５℃）／（３００－２５）
ここで、θａｔ２５℃は２５℃測定時の回折角２θの１／２倍
θａｔ３００℃は３００℃測定時の回折角２θの１／２倍

（積層体の放熱性能の評価）
上記で作製した積層体について面方向の放熱性能の評価を行った。放熱性能は表面での中央部分の温度と、その面の端部の温度との差を端部温度差として次のように評価した。

図１０は、積層体の放熱性能を評価するときの測定方法を説明した図である。図１０は次に説明する配置を、放熱板１の一方の側面から見た状態を模式的に示している。放熱板１を表面に垂直な方向からみて縦横１０ｍｍの大きさの矩形状に切断する。この放熱板１をアルミニウムフィン７０の上面にシリコーンオイル（信越化学社製Ｇ－７５１）を界面に塗布し、９．８Ｎの荷重をかけて接着する。この放熱板１の表面の中央に縦横１ｍｍの発熱体６０を接触させる。発熱体６０の出力は５０Ｗとする。また、放熱板１とアルミニウムフィン７０との接着部の温度が２５℃±３℃になるようにアルミニウムフィン７０の空冷を制御する。測定環境としての周囲温度は２５℃±５℃である。発熱体６０と放熱板１の表面との界面の温度Ｔ１と、放熱板１の表面の角部である端部の温度Ｔ２を熱電対により測温する。発熱体６０を接触した後３０秒以上経過して、温度が定常状態になった状態での温度差Ｔ１－Ｔ２（℃）を端部温度差とする。測定は１０回行い、その平均値を端部温度差として採用する。温度差が小さいほど面内での熱伝導が良好であることを示している。今回は実用性を考慮して、端部温度差が５０℃以下を放熱性能が良好と判断した。

（炭素繊維の配向性評価）
第１材料の炭素繊維の配向性評価を行うための試料は次のように作製した。評価試料として、面方向の熱伝導率の測定試料の作成手順における図８（ｂ）の状態の平板を用いる。平板の面に直交する断面の組織観察を倍率２００倍の光学顕微鏡または走査電子顕微鏡によって実施した。観察された断面の一例を図１１に示す。図１１の上下方向が層の厚さであるＺ方向、左右方向がＸＹ平面の面内の方向である。図１１に示される濃い灰色の部分が炭素繊維１３であり、薄い灰色の領域が金属相１１である。図１１では、金属相１１の中に炭素繊維１３の群が分散している様子が確認された。各炭素繊維群の断面の形は同じでは無く、大きさも様々である。視野全体の各炭素繊維について、次の手順により角度θを決定した。

再び図４を参照して、各炭素繊維の断面形状において、Ｌ０＝２０μｍの長さで分割した炭素繊維小片を求める。更に、再び図５を参照して、各炭素繊維小片において、直交する２方向での炭素繊維小片の外周に接する線分の幅Ｌ１とＬ２を求める。ここで、Ｌ１／Ｌ２の値が最大になるようにＬ１を求めた場合のＬ１の方向を、その炭素繊維小片の長手方向とする。ここで、Ｌ１／Ｌ２が最大になるときのＬ１が５μｍ以下の小さい炭素繊維小片は配向性への寄与が小さいことから評価対象としては採用しない。観察した断面内での炭素繊維小片の長手方向と表面との方向とがなす角度θを求める。評価対象とする視野全体のおのおのの炭素繊維の炭素繊維小片について角度θを求め、θが２０度以内の炭素繊維小片の数の、評価対象とした炭素繊維小片の数に対する比率を炭素繊維の配向率として計算する。この計算を視野１０か所以上に対し行い、配向率の平均値を求めた。なお、視野の大きさは、５００μｍ×５００μｍであり、３０本以上の炭素繊維を使い、その炭素繊維の中に含まれる多数の炭素繊維小片から各炭素繊維小片の角度θから計算した。

（積層体の銅と炭素繊維の体積比率）
積層体全体の銅（Ｃｕ）と添加粒子との体積比率は、以下の手順で求める。まず、添加粒子が炭素であることをＸ線回折（ＸＲＤ）にて確認する。次に、０．５ｇ以上の複合材を試料として、Ｃｕおよび炭素繊維の炭素の重量比率を、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ－ＯＥＳ）により求める。得られた重量比率から、各物質の密度を用いて体積比率に換算する。用いる各物質の密度は次の通りである。
Ｃｕ：８．９６ｇ／ｃｍ^３
炭素繊維：２．２４ｇ／ｃｍ^３

（評価結果Ａ）
第１層を構成する第１材料として、炭素繊維の体積比率、炭素繊維の配向率、第１層の厚さが異なる試料を準備して測定した。第２層を構成する第２材料として、所定の厚さのモリブデン（Ｍｏ）板を準備して測定した。完成後の放熱板、すなわち積層体の厚さが１ｍｍとなるように統一した。なお、積層体の層構成は、第１層／第２層／第１層という３層構造とした。
各試料の構成と測定結果を表１に示す。第１層については、第１層中の炭素繊維の体積比率、炭素繊維の配向率、第１層の面方向の熱伝導率（Ａ）、第１層の厚さ方向の熱伝導率（Ｂ）、第１層の面方向の熱伝導率から第１層の厚さ方向の熱伝導率を引いた値（Ａ－Ｂ）及び第１層の面方向の線膨張係数を表１で示す。第２層については、第２層の厚さ、第２層の厚さ方向の熱伝導率及び第２層の面方向の線膨張係数を示す。積層体については、積層体の層構成、積層体の層の数、積層体の厚さ、積層体のＣｕ割合、積層体の厚さ方向の熱伝導率、積層体の面方向の線膨張係数及び端部温度差を示す。

放熱板となる積層体に求められる性能として端部温度差が５０℃以下、積層体の面方向の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下を基準にして良好と判断した。表１に示されるように、試料３から試料５、試料７、試料８が良好と判断される。

試料１から試料５は、第１層の厚さがすべて０．２５ｍｍで、炭素繊維の比率と炭素繊維の配向率が異なる試料の測定結果である。試料１は、第１層に炭素繊維を含まない試料での測定結果である。第１層に炭素繊維を含んでいないため、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。試料２は、第１層に炭素繊維を２．６Ｖｏｌ％含む試料であり、端部温度差が５２℃であり、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。試料３から試料５は、炭素繊維を６．０Ｖｏｌ％以上含む試料であり、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。６．０Ｖｏｌ％では、端部温度差が４９℃であるから、端部温度差が５０℃を下回るためには、これらの試料の炭素繊維の体積比率及び端部温度差から考えて、第１層の炭素繊維の体積比率を５Ｖｏｌ％以下とすればよい、と考えられる。
なお、本開示の試料の作成方法を用いた場合、炭素繊維の配向率はいずれの試料も７７．９％以上である。また、後述の表２や表３の結果から、各試料の炭素繊維の配向率は７６％以上と良好で、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であった。

試料４、試料６から試料８は、第１層に炭素繊維を１１．３Ｖｏｌ％含んでいる。試料６から試料８の間で第１層の厚さが異なっている。試料６の第１層の厚さは０．１０ｍｍであるが、端部温度差が５４℃であり、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。一方、試料７、試料４、試料８のおのおのの第１層の厚さは０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３５ｍｍであるが、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。この結果から、第１層の厚さは、０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下は適していると考えられる。

試料１から試料５は、第１層の厚さが０．２５ｍｍと等しい厚さである。試料１は、第１層に炭素繊維を含まない試料での測定結果である。炭素繊維を含んでいないため、上記の基準を満たしていない。試料２は、第１層の面方向の熱伝導率から第１層の厚さ方向の熱伝導率を引いた値、すなわちＡ－Ｂが２０Ｗ／ｍ・Ｋであったため、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。試料３から試料５は、Ａ－Ｂがいずれも４４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるため、端部温度差が上記の基準を満たしている。
４４Ｗ／ｍ・Ｋでは、端部温度差が４９℃であり、端部温度差が５０℃を下回るためには、これらの試料のＡ－Ｂ及び端部温度差から考えて、少なくとも４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が適している、と考えられる。

表１で良好と判断された試料３から試料５、試料７、試料８について、第１層の厚さ方向の熱伝導率は、すべて２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第１層の面方向の線膨張係数がすべて１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。放熱板全体の高い放熱性能を得るために、第１層の厚さ方向の熱伝導率は高い方が好ましい。また、高温での使用を考慮して面方向の線膨張係数は一定値以下であることが好ましい。

表１のすべての試料では、第２層の厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第２層の面方向の線膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。第２層は、放熱板全体としての面方向の線膨張係数を低くする目的で設けられる。熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

なお、放熱板全体に占める銅の割合が多いほど、厚さ方向の熱伝導率が大きくなり、放熱板としては好ましい。

（評価結果Ｂ）
評価結果Ａで用いた第１層を構成する第１材料、第２層を構成する第２材料に加えて、第３層を構成する第３材料として所定の厚さの純銅板を準備して測定した。完成後の放熱板、すなわち積層体の厚さが１ｍｍとなるように統一した。なお、積層体の層構成は、第１層／第２層／第３層／第２層／第１層という５層構造とした。各試料の構成と測定結果を表２に示す。第１層、第２層、積層体の項目については、表１と同様である。第３層の項目については、第３層の厚さ、第３層の厚さ方向の熱伝導率及び第３層の面方向の線膨張係数も併せて示す。

放熱板となる積層体に求められる性能として端部温度差が５０℃以下、積層体の面方向の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを基準として良好と判断した。表２に示されるように、試料１３から試料１６、試料１８、試料１９が良好と判断される。

試料１１から試料１５は、第１層の厚さがすべて０．２５ｍｍで、炭素繊維の比率と炭素繊維の配向率が異なる試料の測定結果である。試料１１は第１層に炭素繊維を含まない試料での測定結果である。炭素繊維を含んでいないため、端部温度差の上記の規格を満たさなかった。試料１２は炭素繊維の体積比率が３．１Ｖｏｌ％であり、端部温度差の上記の基準を満たさなかった。試料１３から試料１５は炭素繊維の体積比率が１１．３Ｖｏｌ％以上であり、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。先の議論と同様に、端部温度差が５０℃を下回るためには、第１層の炭素繊維の体積比率を５Ｖｏｌ％以下とすればよい、と考えられる。

なお、本開示の試料の作成方法を用いた場合、炭素繊維の配向率はいずれの試料も７６％以上で、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であった。すなわち、少なくとも、炭素繊維の配向率が７６％以上の試料は、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好のため、炭素繊維の配向率が７６％以上であることが好ましいと考えられる。

試料１３、試料１６から試料１９は、第１層の炭素繊維の体積比率が１１．３Ｖｏｌ％である。試料１３、試料１６から試料１９の間で第１層の厚さが異なっている。試料１７の第１層の厚さは０．１０ｍｍであるが、端部温度差が５４℃であり、端部温度差が上記の基準を満たしていなかった。一方、試料１６、試料１３、試料１８、試料１９のおのおのの第１層の厚さは０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３５ｍｍであるが、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。この結果から、第１層の厚さは、０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下が適していると考えられる。

試料１１から試料１５は、第１層の厚さが０．２５ｍｍと等しい厚さである。試料１１は、第１層に炭素繊維を含まない試料での測定結果である。炭素繊維を含んでいないため、上記の基準を満たしていなかった。試料１２は、第１層の面方向の熱伝導率から第１層の厚さ方向の熱伝導率を引いた値、すなわちＡ－Ｂが２３Ｗ／ｍ・Ｋであったため、端部温度差が上記の基準を満たしていなかった。試料１３から試料１５は、Ａ－Ｂがいずれも８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のため、端部温度差が上記の基準を満たした。
これらの試料の結果から、端部温度差が５０℃を下回るためには、これらの試料のＡ－Ｂ及び端部温度差から考えて、少なくとも４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が適している、と考えられる。

表２で良好と判断された試料１３から試料１６、試料１８、試料１９について、第１層の厚さ方向の熱伝導率は、すべて２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第１層の面方向の線膨張係数がすべて１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。放熱板全体の高い放熱性能を得るために、第１層の厚さ方向の熱伝導率は高い方が好ましい。また、高温での使用を考慮して面方向の線膨張係数は一定値以下であることが好ましい。

表２のすべての試料では、第２層の厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第２層の面方向の線膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。第２層は、放熱板全体としての面方向の線膨張係数を低くする目的で設けられる。熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

なお、放熱板全体に占める銅の割合が多いほど、厚さ方向の熱伝導率が大きくなり、放熱板としては好ましい。その点では、上記の好ましいと判断されたいずれの試料においても厚さ方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と良好である。積層体の銅の割合が７１ＶＯｌ％以上であれば、厚さ方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、更に良好である。
また、評価結果Ａの表１の結果に比べ、評価結果Ｂの表２の結果の方が、積層体のＣｕ濃度が高く、積層体の厚さ方向の熱伝導率が高くなっており、放熱に有利である。すなわち、第１層／第２層／第１層という３層構造に比べて、第１層／第２層／第３層／第２層／第１層という５層構造の方が好ましい。

（評価結果Ｃ）
評価結果Ｃでは、評価結果Ｂで用いた試料の構造を、完成後の放熱板、すなわち積層体の厚さが２ｍｍとなるように変更した。なお、積層体の層構成は、評価結果Ｂと同じく、第１層／第２層／第３層／第２層／第１層という５層構造とした。
各試料の構成と測定結果を表３に示す。第１層、第２層、第３層、積層体の項目は、表２と同じである。

放熱板となる積層体に求められる性能として端部温度差が５０℃以下、積層体の面方向の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを基準として良好と判断した。表３に示されるように、試料２３から試料２６、試料２８から試料３０が良好と判断される。

試料２１から試料２６は、第１層の厚さがすべて０．２５ｍｍで、炭素繊維の比率と炭素繊維の配向率が異なる試料の測定結果である。試料２１は第１層に炭素繊維を含まない試料での測定結果である。炭素繊維を含んでいないため、端部温度差の上記の規格を満たしていなかった。試料２２は炭素繊維の体積比率が３．１Ｖｏｌ％であり、端部温度差の上記の基準を満たさなかった。試料２３から試料２６は炭素繊維の体積比率が６．０％以上であり、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。先の議論と同様に、端部温度差が５０℃を下回るためには、第１層の炭素繊維の体積比率を５Ｖｏｌ％以下とすればよい、と考えられる。
なお、本開示の試料の作成方法を用いた場合、炭素繊維の配向率はいずれの試料も７６％以上で、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であった。すなわち、少なくとも、炭素繊維の配向率が７６％以上の試料は、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であったから、炭素繊維の配向率が７６％以上であることが好ましいと考えられる。

試料２４、試料２７から試料３０は、第１層の炭素繊維の体積比率が１１．３Ｖｏｌ％である。試料２４、試料２７から試料３０の間で第１層の厚さが異なっている。試料２７の第１層の厚さは０．１０ｍｍであるが、端部温度差が５４℃であり、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。一方、試料２８、試料２４、試料２９、試料３０のおのおのの第１層の厚さは０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．３５ｍｍであるが、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。この結果から、第１層の厚さは、０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下が適していると考えられる。

試料２１から試料２６は、第１層の厚さが０．２５ｍｍと等しい厚さである。試料２１は、第１層に炭素繊維を含まない試料での測定結果である。炭素繊維を含んでいないため、上記の基準を満たさなかった。試料２２は、第１層の面方向の熱伝導率から第１層の厚さ方向の熱伝導率を引いた値、すなわちＡ－Ｂが２３Ｗ／ｍ・Ｋであったため、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。試料２３から試料２６は、Ａ－Ｂがいずれも４４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるため、端部温度差が上記の基準を満たしている。
これらの試料の結果から、端部温度差が５０℃を下回るためには、これらの試料のＡ－Ｂ及び端部温度差から考えて、少なくとも４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が適している、と考えられる。

表３で良好と判断された試料２３から試料２６、試料２８から試料３０について、第１層の厚さ方向の熱伝導率は、すべて２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第１層の面方向の線膨張係数がすべて１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。放熱板全体の高い放熱性能を得るために、第１層の厚さ方向の熱伝導率は高い方が好ましい。また、高温での使用を考慮して面方向の線膨張係数は一定値以下であることが好ましい。

表３のすべての試料では、第２層の厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第２層の面方向の線膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。第２層は、放熱板全体としての面方向の線膨張係数を低くする目的で設けられる。熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

なお、放熱板全体に占める銅の割合が多いほど、厚さ方向の熱伝導率が大きくなり、放熱板としては好ましい。その点では、上記の好ましいと判断されたいずれの試料においても厚さ方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と良好であった。今回作成した試料ではすべて積層体の銅の割合が７５Ｖｏｌ％以上と高く、厚さ方向の熱伝導率が３１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高く、更に良好であった。

（評価結果Ｄ）
評価結果Ｃで用いた試料とは積層体の層構成及び積層体の厚さを変更した試料を準備した。積層体の厚さは１ｍｍとした。積層体の層構成は、第１層／第２層／第３層／第２層／第３層／第２層／第１層という７層構造とした。
各試料の構成と測定結果を表４に示す。第１層、第２層、第３層、積層体の各項目は、表３と同じである。

放熱板となる積層体に求められる性能として端部温度差が５０℃以下、積層体の面方向の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを基準として良好と判断した。表４に示されるように、試料３３から試料３６、試料３８、試料３９が良好と判断される。

試料３２から試料３６は、第１層の厚さがすべて０．２５ｍｍで、炭素繊維の比率と炭素繊維の配向率が異なる試料の測定結果である。試料３２は炭素繊維の体積比率が３．１Ｖｏｌ％であり、端部温度差の上記の基準を満たさなかった。試料３３から試料３６は炭素繊維の体積比率が６．０％以上であり、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。先の議論と同様に、端部温度差が５０℃を下回るためには、第１層の炭素繊維の体積比率を５Ｖｏｌ％以下とすればよい、と考えられる。
なお、本開示の試料の作成方法を用いた場合、炭素繊維の配向率はいずれの試料も７６％以上で、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であった。すなわち、少なくとも、炭素繊維の配向率が７６％以上の試料は、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であったから、炭素繊維の配向率が７６％以上であることが好ましいと考えられる。

試料３４、試料３７から試料３９は、第１層の炭素繊維の体積比率が１１．３Ｖｏｌ％である。試料３４、試料３７から試料３９の間で第１層の厚さが異なっている。試料３７の第１層の厚さは０．１０ｍｍであるが、端部温度差が５４℃であり、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。一方、試料３８、試料３４、試料３９のおのおのの第１層の厚さは０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３０ｍｍであるが、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。この結果から、第１層の厚さは、少なくとも０．１５ｍｍ以上が適していると考えられる。

試料３２から試料３６は、第１層の厚さが０．２５ｍｍと等しい厚さである。試料３２は、第１層の面方向の熱伝導率から第１層の厚さ方向の熱伝導率を引いた値、すなわちＡ－Ｂが２３Ｗ／ｍ・Ｋであったため、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。試料３３から試料３６は、Ａ－Ｂがいずれも４４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるため、端部温度差が上記の基準を満たしている。
これらの試料の結果から、端部温度差が５０℃を下回るためには、これらの試料のＡ－Ｂ及び端部温度差から考えて、少なくとも４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が適している、と考えられる。

表４で良好と判断された試料３３から試料３６、試料３８、試料３９について、第１層の厚さ方向の熱伝導率は、すべて２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第１層の面方向の線膨張係数がすべて１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。放熱板全体の高い放熱性能を得るために、第１層の厚さ方向の熱伝導率は高い方が好ましい。また、高温での使用を考慮して面方向の線膨張係数は一定値以下であることが好ましい。

表４のすべての試料では、第２層の厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第２層の面方向の線膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。第２層は、放熱板全体としての面方向の線膨張係数を低くする目的で設けられる。熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

（評価結果E）
評価結果Ｃで用いた試料とは積層体の層構成及び積層体の厚さを変更した試料を準備した。積層体の厚さは１ｍｍとした。積層体の層構成は、第１層／第２層／第３層／第２層／第３層／第２層／第３層／第２層／第１層という９層構造とした。
各試料の構成と測定結果を表５に示す。第１層、第２層、第３層、積層体の各項目は、表３と同じである。

放熱板となる積層体に求められる性能として端部温度差が５０℃以下、積層体の面方向の線膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下であることを基準として良好と判断した。表５に示されるように、試料４３から試料４６、試料４８が良好と判断される。

試料４２から試料４６は、第１層の厚さがすべて０．２５ｍｍで、炭素繊維の比率と炭素繊維の配向率が異なる試料の測定結果である。試料４２は炭素繊維の体積比率が３．１Ｖｏｌ％であり、端部温度差の上記の基準を満たさなかった。試料４３から試料４６は炭素繊維の体積比率が６．０％以上であり、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。先の議論と同様に、端部温度差が５０℃を下回るためには、第１層の炭素繊維の体積比率を５Ｖｏｌ％以下とすればよい、と考えられる。
なお、本開示の試料の作成方法を用いた場合、炭素繊維の配向率はいずれの試料も７６％以上で、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であった。すなわち、少なくとも、炭素繊維の配向率が７６％以上の試料は、端部温度差及び積層体の面方向の線膨張係数が良好であったから、炭素繊維の配向率が７６％以上であることが好ましいと考えられる。

試料４４、試料４７、試料４８は、第１層の炭素繊維の体積比率が１１．３Ｖｏｌ％である。試料４４、試料４７、試料４８の間で第１層の厚さが異なっている。試料４７の第１層の厚さは０．１０ｍｍであるが、端部温度差が５４℃であり、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。一方、試料４８、試料４４のおのおのの第１層の厚さは０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍであり、端部温度差も積層体の面方向の線膨張係数も上記の基準を満たした。この結果から、第１層の厚さは、少なくとも０．１５ｍｍ以上が適していると考えられる。

試料４２から試料４６は、第１層の厚さが０．２５ｍｍと等しい厚さである。試料４２は、第１層の面方向の熱伝導率から第１層の厚さ方向の熱伝導率を引いた値、すなわちＡ－Ｂが２３Ｗ／ｍ・Ｋであったため、端部温度差が上記の基準を満たさなかった。試料４３から試料４６は、Ａ－Ｂがいずれも４４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるため、端部温度差が上記の基準を満たしている。
これらの試料の結果から、端部温度差が５０℃を下回るためには、これらの試料のＡ－Ｂ及び端部温度差から考えて、少なくとも４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が適している、と考えられる。

表５で良好と判断された試料４３から試料４６、試料４８について、第１層の厚さ方向の熱伝導率は、すべて２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第１層の面方向の線膨張係数がすべて１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。放熱板全体の高い放熱性能を得るために、第１層の厚さ方向の熱伝導率は高い方が好ましい。また、高温での使用を考慮して面方向の線膨張係数は一定値以下であることが好ましい。

表５のすべての試料では、第２層の厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、室温から３００℃まで温度が変化した際の第２層の面方向の線膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、良好であった。第２層は、放熱板全体としての面方向の線膨張係数を低くする目的で設けられる。熱伝導率と線膨張係数のバランスがよく、放熱性能に優れた放熱板を得ることができる。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 放熱板
２ 表面
３ 裏面
１０ 第１材料
２０ 第２材料
３０ 第３材料
６０ 発熱体
７０ アルミニウムフィン
１０１ 第１層
１０２ 第２層
１０３ 第３層
１０４ 第４層
１０５ 第５層
１１ 金属相
１２ 添加相
１３ 炭素繊維
１４ 炭素繊維小片
５０ 半導体パッケージ
５１ 端子
５２ ケース部材
５３ 半導体素子
６１ 試料
Ｌ０ 長さ
Ｌ１ 長さ
Ｌ２ 長さ
ＬＬ１ 長軸長さ
ＬＬ２ ３／４位置
ＬＬ３ １／２位置
ＬＬ４ １／４位置
Ｗ１ 断面長さ１
Ｗ２ 断面長さ２
Ｗ３ 断面長さ３
θ 角度

Claims (8)

1. ３層以上の層が積層された構造を有する放熱板であって、
   前記積層された構造における厚さ方向の両最外層である第１層を備え、
   前記第１層は第１材料で構成されており、
   前記第１材料は、銅を主成分とする金属相の中に分散された複数の炭素繊維を含む材料であり、
   前記炭素繊維が前記第１材料全体に占める体積比率が５．０体積％以上２０．９体積％以下であり、
   前記第１層の厚さが０．１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であり、
   前記第１層の前記厚さ方向と直交する面方向の熱伝導率から前記第１層の前記厚さ方向の熱伝導率を引いた値が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
   前記複数の炭素繊維はそれぞれが前記厚さ方向と直交する面方向に配向を有し、
   前記配向について以下に規定する配向率が７６％以上であり、
   前記第１層に接する第２層はモリブデンまたはタングステンを含む第２材料で構成されている、
   放熱板。
   ここで、前記配向率とは、前記第１層の前記厚さ方向の断面観察において複数の前記炭素繊維それぞれを所定の長さで分割した炭素繊維小片それぞれが、前記第１層の表面となす角度をθとしたときに、前記θが２０度以下である前記炭素繊維小片の数の割合とする。
2. 前記積層された層が３層であり、
   前記第２層は前記第１層のそれぞれに接する層である、
   請求項１に記載の放熱板。
3. 前記積層された層が５層以上の奇数の層であり、
   前記第２層は前記第１層に接する一対の層であり、
   一対の前記第２層の前記第１層と接する面と対向する面に接する第３層は銅または銅合
   金で構成されている、
   請求項１に記載の放熱板。
4. 前記第１層の前記表面において以下の方法により測定された端部温度差が５０℃以下である、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の放熱板。
   （方法）前記放熱板を前記表面に垂直な方向から見て縦横１０ｍｍの大きさの矩形状に切断した放熱板片を、シリコーンオイルを界面に塗布したアルミニウムフィンに９．８Ｎの荷重をかけて接着した試料を準備する。前記試料の前記放熱板片の前記表面の中央に縦横１ｍｍでかつ出力５０Ｗの発熱体を接触させ、２５℃±５℃の環境において、前記放熱板片と前記アルミニウムフィンとの接着部の温度が２５℃±３℃になるように前記アルミニウムフィンの空冷を制御する。前記発熱体を接触した後３０秒以上経過して定常状態になった状態で、前記発熱体と前記放熱板片の前記表面との界面の温度Ｔ１と、前記放熱板片の前記表面の角部である端部の温度Ｔ２とを、熱電対により１０回測温し、温度差Ｔ１－Ｔ２の平均値を端部温度差とする。
5. 前記第１層の前記面方向の熱伝導率から前記第１層の前記厚さ方向の熱伝導率を引いた値が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の放熱板。
6. 前記第１層の前記厚さ方向の熱伝導率が２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
   室温から３００℃まで温度が変化した際の前記第１層の前記面方向の線膨張係数が１８．１ｐｐｍ／Ｋ以下である、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の放熱板。
7. 前記第２層の前記厚さ方向の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
   室温から３００℃まで温度が変化した際の前記第２層の前記面方向の線膨張係数が８．
   ０ｐｐｍ／Ｋ以下である、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の放熱板。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の前記放熱板と、
   前記第１層の表面上に配置されている半導体素子と、
   を備える半導体パッケージ。

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