WO2021015007A1 - 放熱板材および放熱板材の製造方法 - Google Patents

放熱板材および放熱板材の製造方法 Download PDF

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WO2021015007A1
WO2021015007A1 PCT/JP2020/027034 JP2020027034W WO2021015007A1 WO 2021015007 A1 WO2021015007 A1 WO 2021015007A1 JP 2020027034 W JP2020027034 W JP 2020027034W WO 2021015007 A1 WO2021015007 A1 WO 2021015007A1
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WO
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heat radiating
radiating plate
plate material
thermal expansion
wire rod
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PCT/JP2020/027034
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French (fr)
Inventor
宮下　克己
健二 児玉
外木　達也
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日立金属株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3733—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/38—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling sheets of limited length, e.g. folded sheets, superimposed sheets, pack rolling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • the present invention relates to a heat radiating plate material and a method for manufacturing a heat radiating plate material, and relates to, for example, a method for manufacturing a heat radiating plate material and a heat radiating plate material used when mounting a power semiconductor element for electric power, a high frequency device, a semiconductor element such as a CPU, or the like.
  • semiconductor elements such as power semiconductor elements for electric power, high-frequency devices, and CPUs (hereinafter referred to as "semiconductor elements") have been Si (silicon), SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), GaAs (gallium arsenic), and the like. It is composed of a ceramic material composed of. Since such a semiconductor element generates heat during operation, a heat radiating plate for releasing heat from the generated semiconductor element is arranged. The heat radiating plate is joined to the semiconductor element by, for example, soldering.
  • a Cu alloy plate material made of Mo or Cu—Cr) is known.
  • a composite plate material in which any of the above-mentioned Cu alloy plate materials and Cu (pure copper) as disclosed in JP2012-243925 and JP2019-79978 is used.
  • Fe-36 mass% Ni (alloy 36) having a sufficiently large thermal conductivity Cu (pure copper) or Al (pure aluminum) as a surface layer and a sufficiently small linear expansion rate as disclosed in Kai 2011-3800. ) Is used as an intermediate layer, and a clad-rolled plate material having a three-layer structure is known.
  • the heat radiating plate material for forming the heat radiating plate bonded to the semiconductor element preferably satisfies the following requirements, for example. (1) Has high thermal conductivity characteristics (large thermal conductivity) to efficiently dissipate heat from the semiconductor element (2) Low thermal expansion characteristics to prevent excessive thermal stress strain from being applied to the semiconductor element (linear expansion close to that of semiconductor materials) (Ratio) (3) Good compatibility with solder (especially wettability)
  • the heat-dissipating plate material made of a Cu alloy plate material such as Cu-W, Cu-Mo or Cu-Cr has the following dissatisfaction, for example. (1) Since the wettability of the solder is poor, surface treatment such as Ni plating coating treatment is required. (2) Since the extensibility is poor, rolling and pressing costs are high (particularly Cu-W and Cu). -Mo) (3) High cost due to the use of expensive raw materials (especially Cu-W and Cu-Mo)
  • the surface of the Cu alloy plate material is made of Cu, so that the wettability with solder is improved, but the problem of high cost is not solved.
  • the above-mentioned clad rolled plate material having a three-layer structure of Cu or Al and alloy 36 (hereinafter referred to as "CIC clad material") has good workability in rolling and press working, and constitutes a semiconductor element. Since it has a linear expansion rate close to that of a semiconductor material (for example, Si), it is a heat-dissipating plate material that can solve the above-mentioned problems with Cu alloy plate materials.
  • the CIC clad material is less likely to cause anisotropy in high thermal conductivity characteristics and low thermal expansion characteristics in the plane direction (rolling direction, rolling width direction).
  • the CIC clad material has a considerably small thermal conductivity in the thickness direction (lamination direction) due to the considerably small thermal conductivity of the alloy 36 constituting the intermediate layer (about 1/13 in comparison with Cu). It is considered to be.
  • the thermal conductivity in the thickness direction is 21 W / (m ⁇ K).
  • the coefficient of linear expansion in the plane direction is 8.4 ⁇ 10-6 (1 / K).
  • the thermal conductivity in the planar direction is considered to be about the same as the thermal conductivity of Cu (about 400 W / (m ⁇ K)), so that the thermal conductivity in the planar direction and the thickness direction is high. Large anisotropy occurs.
  • the linear expansion coefficient in the thickness direction of this CIC clad material is unknown, since the linear expansion coefficient of Cu is sufficiently larger than that of the alloy 36, there is a large anisotropy in the low thermal expansion characteristics in the planar direction and the thickness direction. There is a risk of sex.
  • the clad rolled plate material (a modified example of the CIC clad material) in which a plurality of slit holes (openings) are evenly distributed in an intermediate layer made of alloy 36, which is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-3800, is a flat surface. It is considered that anisotropy is unlikely to occur in the high thermal conductivity characteristics and low thermal expansion characteristics in the direction (rolling direction, rolling width direction), and the high thermal conductivity characteristics can be adjusted according to the opening area of the intermediate layer in the thickness direction. Be done. Specifically, from the disclosure of Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • the thermal conductivity in the thickness direction is 163 W / (m ⁇ K) and the CIC cladding is used. It has about eight times the thermal conductivity of the material and has a linear expansion coefficient of 8.9 ⁇ 10-6 (1 / K) in the plane direction. Further, in the case of a modified example of 68% by volume in which the volume ratio of the high thermal conductive material is increased, the thermal conductivity in the thickness direction is 221 W / (m ⁇ K), which is about 10 times that of the CIC clad material. , The coefficient of linear expansion in the plane direction is 11.9 ⁇ 10-6 (1 / K).
  • the thermal conductivity in the plane direction is about the same as that of Cu, so that the high thermal conductivity characteristics in the plane direction and the thickness direction are anisotropy. Occurs.
  • the linear expansion coefficient in the thickness direction is unknown in each of the modified examples, since the linear expansion coefficient of Cu is sufficiently larger than that of Alloy 36, there is a large anisotropy in the low thermal expansion characteristics in the planar direction and the thickness direction. There is a risk of sex.
  • One of the objects of the present invention is to provide a heat radiating plate material and a method for manufacturing the heat radiating plate material, which can alleviate the anisotropy of the high thermal conductivity characteristic or the low thermal expansion characteristic of the heat radiating plate material.
  • the heat radiating plate material according to the present invention is composed of a high thermal conductive portion made of a high thermal conductive material and a plurality of low thermal expansion portions made of a low thermal expansion material, and each of the plurality of low thermal expansion portions is a length of the high thermal conductive portion. It is arranged continuously in a straight line in the direction, and is arranged in non-contact with each other in the longitudinal direction, the width direction, and the thickness direction of the high heat conductive material portion.
  • the high thermal conductive portion is preferably made of Cu or a Cu alloy.
  • the plurality of low thermal expansion portions are preferably made of an Fe—Ni based alloy. Further, when the volume of the high thermal conductive portion is V1 and the volume of the plurality of low thermal expansion portions is V2, it is preferable that V1 / (V1 + V2) satisfies 35% by volume or more and 80% by volume or less.
  • the heat radiating plate material according to the present invention can be obtained by the following manufacturing method. That is, the method for manufacturing the heat radiating plate material according to the first aspect of the present invention includes a step of preparing a wire rod made of a high thermal conductive material and having a plurality of holes in the longitudinal direction and a plurality of core materials made of a low thermal expansion material. By inserting the plurality of core materials so as to fill each of the plurality of holes in the wire rod, the plurality of core materials are arranged continuously in a linear direction in the longitudinal direction of the wire rod, and the wire rod is arranged.
  • a composite wire rod is produced by arranging the composite wire rods so as not to contact each other in the longitudinal direction, the width direction, and the thickness direction, and the composite wire rod is obtained by rolling the composite wire rod. It has a rolling process of rolling a composite wire rod and forming it into a plate shape.
  • a plurality of core materials made of a low thermal expansion material are formed in each hollow portion of a pipe made of a high thermal conductive material and a plurality of hollow wire rods made of a high thermal conductive material.
  • the plurality of core materials are inserted into the length of the pipe.
  • a composite wire rod is produced by arranging the pipes in a straight line in a continuous direction and not in contact with each other in the longitudinal direction, the width direction, and the thickness direction of the pipe, and the composite wire rod is rolled. It has a compounding step of obtaining a composite wire rod by processing, and a rolling step of rolling the composite wire rod to form a plate shape.
  • cross section is intended to be a cross section of the object on a plane perpendicular to the length direction of the object.
  • extending process is a plastic process for forming various products such as plates, strips, pipes, rods, and wires, and is a hot process or a cold process such as rolling, extrusion, drawing, and forging. Intended.
  • a method for manufacturing a heat radiating plate material and a heat radiating plate material which can alleviate the anisotropy of the high thermal conductivity characteristic or the low thermal expansion characteristic of the heat radiating plate material.
  • a heat dissipation plate material suitable for a heat dissipation plate used when mounting a power semiconductor element for electric power, a high frequency device, a semiconductor element such as a CPU, and a method for manufacturing the heat dissipation plate material can be done.
  • the heat radiating plate material according to the present invention is composed of a high thermal conductive portion made of a high thermal conductive material and a plurality of low thermal expansion portions made of a low thermal expansion material, and the plurality of low thermal expansion portions are respectively in the longitudinal direction of the high thermal conductive portion. In addition to being arranged in a straight line, they are arranged in non-contact with each other in the longitudinal direction, the width direction, and the thickness direction of the high heat conductive portion. With this configuration, the plurality of low thermal expansion portions made of the low thermal expansion material have appropriate low thermal expansion characteristics, but the plurality of low thermal expansion portions made of the low thermal expansion material are arranged in non-contact with each other in the longitudinal direction and the width direction.
  • the heat-dissipating plate material has alleviated the anisotropy of the high heat conduction characteristics in the plane direction (length direction, width direction) and the thickness direction.
  • the heat radiating plate material according to the present invention is not limited to the heat radiating plate materials shown in FIGS. 1 to 3 described later.
  • the longitudinal direction is referred to as the X direction
  • the width direction is referred to as the Y direction
  • the thickness direction is referred to as the Z direction.
  • the heat radiating plate material according to the present invention can be produced by the method for manufacturing a heat radiating plate material described later.
  • the heat radiating plate material having a substantially equivalent cross-sectional shape at any position in the X direction. Become. The same applies to the heat radiating plate having a predetermined length obtained by cutting the heat radiating plate material at a predetermined position in the X direction.
  • the number of low thermal expansion portions is not particularly limited.
  • the number of low thermal expansion parts should be adjusted so that the linear expansion coefficient is close to the linear expansion coefficient of the semiconductor element, for example, in consideration of the volume of the high thermal conduction part and the size of the semiconductor element to be radiated.
  • the purpose can be appropriately selected.
  • the size of the heat radiating plate material according to the present invention is not particularly limited, and the size of the heat radiating plate obtained by using the heat radiating plate material is also not particularly limited.
  • the heat radiating plate material may be, for example, a strip-shaped material having a thickness of 0.3 mm or more and 4.0 mm or less and a width of 5 mm or more and 40 mm or less and a predetermined length.
  • the heat radiating plate obtained from the heat radiating plate material may have a thickness of, for example, 0.3 mm or more and 4.0 mm or less, a width of, for example, 5 mm or more and 40 mm or less, and may be appropriately selected according to the size of the semiconductor element to be radiated. it can.
  • FIGS. 1 and 2 show an example of an optical micrograph of a cross section of the heat radiating plate material, which is an embodiment of the heat radiating plate material according to the present invention.
  • FIG. 3 shows an example of a photograph showing an arrangement configuration of a core material (low thermal expansion material) of the heat radiating plate material, which is an embodiment of the heat radiating plate material according to the present invention.
  • the heat radiating plate material 10 shown in FIGS. 1 and 2 has 19 core materials 12 serving as low thermal expansion portions, a length of 8 mm in the Y direction, and a length of 3 mm in the Z direction.
  • the heat radiating plate material 30 shown in FIG. 3 has seven core materials 32 serving as low thermal expansion portions.
  • a part of the wire rod 31 which is a high thermal conductive portion was removed by etching, and the core material 32 which is a low thermal expansion portion arranged inside the wire rod 31 was partially exposed. It is a thing.
  • the heat radiating plate material 10 shown in FIG. 1 is composed of a wire rod 11 (high thermal expansion portion) made of a high thermal expansion material and a plurality of core materials 12 (low thermal expansion portion) made of a low thermal expansion material.
  • the heat radiating plate material 10 is a heat radiating plate material having a 19-core structure in which 19 core materials 12 are arranged inside the wire rod 11.
  • the plurality of core materials 12 constituting the heat radiating plate material 10 are arranged continuously in a straight line in the X direction of the wire rod 11, and are arranged in non-contact with each other in the X direction, Y direction, and Z direction of the wire rod 11. Has been done.
  • the X direction of the heat radiating plate material 10 corresponds to the rolling direction
  • the Y direction corresponds to the width direction perpendicular to the rolling direction.
  • the heat radiating plate material 20 shown in FIG. 2 is composed of a wire rod 21 (high thermal expansion portion) made of a high thermal expansion material and a plurality of core materials 22 (low thermal expansion portion) made of a low thermal expansion material.
  • the heat radiating plate material 20 is a heat radiating plate material having a 19-core structure in which 19 core materials 22 are arranged inside the wire rod 21.
  • the plurality of core materials 22 constituting the heat radiating plate material 20 are arranged continuously in a straight line in the X direction of the wire rod 21, and are arranged in non-contact with each other in the X direction, Y direction, and Z direction of the wire rod 21. Has been done.
  • the X direction of the heat radiating plate 20 corresponds to the rolling direction
  • the Y direction corresponds to the width direction perpendicular to the rolling direction.
  • the heat radiating plate material 30 shown in FIG. 3 is composed of a wire rod 31 (high thermal expansion portion) made of a high thermal expansion material and a plurality of core materials 32 (low thermal expansion portion) made of a low thermal expansion material.
  • the heat radiating plate material 30 is a heat radiating plate material having a 7-core structure in which seven core materials 32 are arranged inside the wire rod 31.
  • the plurality of core materials 32 constituting the heat radiating plate material 30 are arranged continuously in a straight line in the X direction of the wire rod 31, and are arranged in non-contact with each other in the X direction, Y direction, and Z direction of the wire rod 31. Has been done.
  • the X direction of the heat radiating plate 30 corresponds to the rolling direction
  • the Y direction corresponds to the width direction perpendicular to the rolling direction.
  • the wires 11, 21 and 31 which are the high thermal conductive parts constituting the heat radiating plate materials 10, 20 and 30 are all made of a high thermal conductive material, and examples of the high thermal conductive material include Cu (pure copper), Cu alloy and Al. (Pure aluminum) or Al alloy can be used. Further, for example, Zr (zirconium) containing 0.01% by mass or more and 3.0% by mass or less of Ag (silver) or 0.01% by mass or more and 0.50% by mass or less of Zr (zirconium) with respect to Cu or Al Including Cu alloys or Al alloys can also be used.
  • the thermal conductivity exhibiting the high thermal conductivity characteristics is, for example, about 400 W / (m ⁇ K) for Cu and about 240 W / (m ⁇ K) for Al.
  • the thermal conductivity of stainless steel ranges from about 85 W / (m ⁇ K) to about 90 W / (m ⁇ K). Therefore, the wires 11, 21 and 31 which are the high thermal conductive portions constituting the heat radiating plate materials 10, 20 and 30 are preferably made of Cu or a Cu alloy, and have excellent high thermal conductivity characteristics capable of efficiently radiating heat from the semiconductor element. That is, a heat radiating plate having a large thermal conductivity can be obtained. Further, the wire rods 11, 21 and 31 made of Cu or a Cu alloy are preferable because they have good wettability with solder.
  • the plurality of core materials 12, 22 and 32 that serve as the low thermal expansion parts constituting the heat radiating plate materials 10, 20 and 30 are made of the low thermal expansion material.
  • a low thermal expansion material such as Fe-36% Ni (alloy 36), Fe-42% Ni (alloy 42) or Fe-29% Ni-17% Co in mass% is used. Can be done.
  • Linear expansion coefficient representing the low thermal expansion characteristics semiconductor materials described above constitutes a semiconductor element (Si, SiC, GaN, GaAs, etc.) 2 ⁇ 10 -6 (1 / K) to 6 ⁇ 10 -6 (1 / K of ),
  • a semiconductor element Si, SiC, GaN, GaAs, etc.
  • Fe-36% Ni is 2 ⁇ 10-6 (1 / K) or less
  • Fe-42% Ni is about 6 ⁇ 10-6 (1 / K)
  • % Co is about 5 ⁇ 10-6 (1 / K).
  • the coefficient of linear expansion of Cu is about 17 ⁇ 10-6 (1 / K).
  • the plurality of core materials 12 serving as the low thermal expansion portions constituting the heat radiating plate material 10 are preferably made of an Fe—Ni based alloy, and have excellent low thermal expansion characteristics that do not easily give excessive thermal stress strain to the semiconductor element, that is, A heat radiating plate having a linear expansion coefficient closer to that of a semiconductor material can be obtained.
  • a plurality of cores of a single metal material having a linear expansion coefficient of 7 ⁇ 10 -6 (1 / K) or less, such as Cr, Mo, and W, are formed. It can be used as the materials 12, 22 and 32, or can be used as a plurality of core materials 12, 22 and 32 by appropriately combining the above-mentioned Fe—Ni based alloy and a single metal.
  • the heat radiating plate material having a predetermined length and the heat radiating plate using the heat radiating plate have V1 / (V1 + V2) when the volume of the high thermal conductive portion constituting the heat radiating plate is V1 and the volume of the plurality of low thermal expansion portions is V2. ) Satisfies 25% by volume or more and 80% by volume or less.
  • V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material 10 shown in FIG. 1 is about 67% by volume
  • V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material 20 shown in FIG. 2 is about 51% by volume. It is possible to alleviate the anisotropy of the high thermal conductivity characteristics in the plane direction (X direction and / or Y direction) and the thickness direction (Z direction) while having the low thermal expansion characteristics of.
  • a high thermal conductive material suitable for forming a high thermal conductive portion has a large thermal conductivity but a large linear expansion coefficient, and also for forming a plurality of low thermal expansion portions.
  • Suitable low thermal expansion materials have a small coefficient of linear expansion but a low thermal conductivity. Therefore, if the volume ratio of the high thermal conductive portion made of the high thermal conductive material is too small, the thermal conduction characteristics of the heat radiating plate deteriorate, and the possibility that the heat radiating function for releasing heat from the semiconductor element becomes insufficient increases.
  • V1 + V2) is preferably 35% by volume or more.
  • V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate exceeds 80% by volume, the volume ratio of the plurality of low thermal expansion portions made of the low thermal expansion material becomes excessively small, and the thermal expansion characteristics of the heat radiating plate deteriorate. There is an increased possibility that the joint between the semiconductor element and the heat radiating plate, for example, made of solder, will be damaged.
  • V1 / (V1 + V2) is preferably 80% by volume or less.
  • the V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material and the heat radiating plate using the heat radiating plate material is preferably 35% by volume or more and 80% by volume or less.
  • the heat radiating plate material As described above, in the heat radiating plate material, a plurality of core materials serving as low thermal expansion portions are continuously arranged linearly in the X direction inside the wire rod serving as the high thermal conductive portion, and also in the X direction, the Y direction and They are arranged in non-contact with each other in the Z direction.
  • the heat radiating plate material has a structure in which a plurality of core materials (low thermal expansion portions) are linearly continuous in the X direction in the total length in the X direction, and a plurality of core materials (low heat) in the Y direction and the Z direction.
  • the expansion part) has a discontinuous structure.
  • the heat radiating plate material having this configuration can secure sufficient high thermal conductivity characteristics in the X direction by the wire rod (high thermal conductive portion) made of the high thermal conductive material, and has corresponding high thermal conductivity characteristics in the Y direction and the Z direction. Can be secured.
  • the heat radiating plate material having this configuration can secure sufficient low thermal expansion characteristics in the X direction by a plurality of core materials (low thermal expansion portions) made of the low thermal expansion material, and can secure sufficient low thermal expansion characteristics in the Y direction and the Z direction. It is possible to secure a corresponding low thermal expansion characteristic.
  • the heat radiating plate material and the heat radiating plate using the heat radiating plate material can be used for mounting, for example, a power semiconductor element for electric power, a high frequency device, a semiconductor element such as a CPU, and have other high thermal conductivity characteristics and low thermal expansion characteristics. It will also be useful for the required applications.
  • the heat radiating plate material according to the present invention is not limited to the heat radiating plate material to which the method for manufacturing the heat radiating plate material described below is applied.
  • the method for manufacturing a heat radiating plate material in the first aspect according to the present invention is as follows. (1) A step of preparing a wire rod made of a high thermal conductive material and having a plurality of holes in the longitudinal direction and a plurality of core materials made of a low thermal expansion material.
  • the step (1) above that is, a plurality of core materials made of a wire rod made of a high thermal conductive material and having a plurality of holes in the longitudinal direction and a low thermal expansion material. And, perform the process of preparing.
  • the wire rod and the plurality of core materials may be subjected to heat treatment such as softening and annealing.
  • the wire rod made of the high thermal conductive material is a main material constituting the high thermal conductive portion of the heat radiating plate material, and may have a circular shape, an elliptical shape, or a polygonal cross section.
  • the wire rod 2 shown in FIG. 4 has a circular cross section.
  • the plurality of core materials made of the low thermal expansion material are the main materials constituting the low thermal expansion portion of the heat radiating plate material, and may have a circular, elliptical, or polygonal cross section.
  • the plurality of core materials 3 shown in FIG. 4 have a circular cross section.
  • the presence or absence of the core material 3a located at the central portion of the wire rod 2 is not particularly limited.
  • the wire rod 2 prepared in this step is provided with a plurality of holes 2a for inserting the plurality of core members 3.
  • the arrangement configuration of the plurality of holes 2a is linearly continuous in the X direction of the wire rod 2, and is not in contact with each other in the X direction, Y direction, and Z direction of the wire rod 2.
  • the shape of the cross section of the hole 2a may be any shape as long as the core material 3 can be inserted, and corresponds to the shape of the cross section of the core material 3 in order to insert the core material 3 more smoothly. It is preferable to leave it.
  • the plurality of core materials are continuously linearly formed in the longitudinal direction of the wire rod.
  • a composite wire rod is produced by arranging the wire rods so as not to contact each other in the longitudinal direction, the width direction, and the thickness direction of the wire rods, and the composite wire rod is stretched to obtain a composite wire rod. Perform the process. Specifically, for example, the plurality of core materials 3 shown in FIG. 4 are inserted into the plurality of holes 2a so as to fill the plurality of holes 2a of the wire rod 2 shown in FIG.
  • the plurality of core members 3 are continuously arranged linearly in the X direction of the wire rod 2, and are arranged in the X direction, the Y direction, and the Z direction of the wire rod 2 with each other. Arranged so that they are non-contact. As a result, the composite wire rod 5 as shown in FIG. 4 is obtained. Further, by stretching the composite wire rod 5, for example, a composite wire rod having a predetermined size before being molded, such as the heat radiating plate material 30 shown in FIG. 3, is produced.
  • the step (2) above in order to obtain a composite wire rod by stretching the composite wire rod 5, for example, cold extrusion processing, hot hydrostatic pressure extrusion processing, cold drawing processing, hot drawing processing, etc. It is possible to apply the stretching process. Further, it is also possible to obtain a composite wire rod having a smaller diameter by further performing the same type or a different type of stretching process after the above-mentioned stretching process. Further, a heat treatment step such as softening and annealing may be added as appropriate between the stretching processes.
  • the heat radiating plate material 30 shown in FIG. 3 has a 7-core structure having seven core materials 32, but the number of core materials constituting the heat radiating plate material according to the present invention is not particularly limited. The number of core materials can be appropriately selected for the purpose of matching the size of the semiconductor element to be radiated and adjusting the linear expansion coefficient to be close to the linear expansion coefficient of the semiconductor element.
  • the step (3) above that is, the rolling step of rolling the composite wire rod to form a plate shape is performed.
  • a heat-dissipating plate material of a predetermined size is finally produced by rolling a composite wire rod of a predetermined size produced in the step (2) above and forming it into a plate shape.
  • the heat radiating plate material 30 shown in FIG. 3 is produced.
  • the plurality of cores (core 3) are linearly continuous in the X direction of the wire (wire 2) in the cross section of the finally produced heat radiation plate.
  • the wire rod (wire rod 2) is not particularly limited as long as it is arranged so as not to contact each other in the X direction, the Y direction, and the Z direction.
  • the rolling conditions (warm, cold, rolling rate, rolling speed, rolling load, number of passes, etc.) can be adjusted according to the tempered state of the composite wire, and the rolling is divided into a plurality of parts. It can be repeated, or heat treatment such as softening and annealing can be performed in a timely manner.
  • the method for manufacturing the heat radiating plate material in the second aspect according to the present invention is as follows.
  • (1A) Prepare a pipe made of a high thermal conductive material and a plurality of composite core materials in which a plurality of core materials made of a low thermal expansion material are inserted into each hollow portion of a plurality of hollow wires made of a high thermal conductive material.
  • (2A) By inserting a plurality of composite core materials so as to fill the hollow portion of the pipe, the plurality of core materials are continuously arranged linearly in the longitudinal direction of the pipe, and in the longitudinal direction and the width direction of the pipe.
  • the step (1A) described above that is, low thermal expansion in each of the hollow portions of the pipe made of the high thermal conductive material and the plurality of hollow wire rods made of the high thermal conductive material.
  • a step of preparing a plurality of composite core materials in which a plurality of core materials made of materials are inserted is performed.
  • the pipe, the hollow wire, and the plurality of cores may be heat-treated such as softening and annealing.
  • the pipe made of the high thermal conductive material is the main material constituting the high thermal conductive portion of the heat radiating plate material, and may have a circular, elliptical, or polygonal cross section.
  • the pipe 2p shown in FIG. 5 is a round pipe having a circular cross section.
  • the plurality of hollow wires made of the high thermal conductive material are the main materials forming the high thermal conductive portion of the heat radiating plate material together with the pipe, and may have a circular, elliptical or polygonal cross section.
  • the plurality of hollow wire rods 2s shown in FIG. 5 are hexagonal pipes having an annular hexagonal cross section.
  • the plurality of core materials made of the low thermal expansion material are the main materials constituting the low thermal expansion portion of the heat radiating plate material, and may have a circular, elliptical, or polygonal cross section.
  • the shape of the cross section of the pipe 2p shown in FIG. 5 is a cylindrical shape, and the shape of the cross section of the plurality of hollow wire rods 2s and the plurality of core materials 3s is a hexagonal shape.
  • the configuration is not particularly limited.
  • a composite core material 4s (cross section) in which a core material 3s made of a low thermal expansion material is inserted into a hollow portion of a hollow wire material 2s made of a high thermal conductive material. (See enlarged view of). Specifically, for example, as shown in FIG. 5, a core material having one core material inserted into a hollow portion of one hollow wire rod is stretched for a long time by stretching and then cut to a predetermined length. A plurality of composite core materials 4s formed by inserting the core material 3s into the hollow portions of the plurality of hollow wire rods 2s.
  • the step (2A) above that is, by inserting the plurality of composite core members so as to fill the hollow portion of the pipe, the plurality of core members are continuously arranged linearly in the longitudinal direction of the pipe.
  • a composite wire rod is produced by arranging the pipes so as not to contact each other in the X, Y, and Z directions, and a composite wire rod is obtained by stretching the composite wire rod. ..
  • a plurality of composite core materials 4s are combined and inserted into the hollow portion of the pipe 2p, and the hollow portion of the pipe 2p is filled with the plurality of composite core materials 4s.
  • the cross-sectional shape of the composite core material 4s is a polygonal shape (hexagonal shape in the case of FIG. 5) because the plurality of composite core materials 4s can be adjacent to each other without any gap.
  • a dummy material made of the same material as the pipe 2p or a dummy material made of the same material as the hollow wire 2s A dummy material can be inserted, or the inner peripheral shape of the pipe 2p can be made into a shape corresponding to the outer shape when a plurality of composite core materials 4s are combined.
  • the plurality of composite core materials 4s are continuously arranged linearly in the X direction of the pipe 2p, and the plurality of hollow wire rods 2s constituting the plurality of composite core materials 4s and The plurality of core members 3s are also continuously arranged linearly in the X direction of the pipe 2p.
  • the plurality of core members 3s are arranged so as to be linearly and continuously arranged in the X direction of the pipe 2p and not in contact with each other in the X direction, the Y direction, and the Z direction of the pipe 2p.
  • the composite wire rod 5s as shown in FIG. 5 can be obtained.
  • the step (2A) in order to obtain a composite wire rod by stretching the composite wire rod 5s, for example, cold extrusion processing, hot hydrostatic pressure extrusion processing, cold drawing processing, hot drawing processing, etc. It is possible to apply the stretching process. Further, it is also possible to obtain a composite wire rod having a smaller diameter by further performing the same type or a different type of stretching process after the above-mentioned stretching process. Further, a heat treatment step such as softening and annealing may be added as appropriate between the stretching processes.
  • the heat radiating plate materials 10 and 20 shown in FIGS. 1 and 2 have a 19-core structure having 19 core materials 12 and 22, but the number of core materials constituting the heat radiating plate material according to the present invention is particularly limited. It's not something. The number of core materials can be appropriately selected for the purpose of matching the size of the semiconductor element to be radiated and adjusting the linear expansion coefficient to be close to the linear expansion coefficient of the semiconductor element.
  • the step (3A) above that is, the rolling step of rolling the composite wire rod to form a plate shape is performed.
  • the composite wire rod of a predetermined size produced in the step (2A) is rolled and formed into a plate shape to finally produce a heat radiating plate material of a predetermined size.
  • the heat radiating plate materials 10 and 20 shown in FIGS. 1 and 2 are produced.
  • a plurality of core materials (core materials 3s) are linearly continuous in the X direction of the pipe (pipe 2p) in the cross section of the finally produced heat radiation plate material.
  • the pipe (pipe 2p) is not particularly limited as long as it is arranged so as not to contact each other in the X direction, the Y direction, and the Z direction.
  • the rolling conditions warm, cold, rolling rate, rolling speed, rolling load, number of passes, etc.
  • the rolling is divided into a plurality of parts. It can be repeated, or heat treatment such as softening and annealing can be performed in a timely manner.
  • FIG. 6 shows an example of the cross section of the composite wire rod obtained in the step (2A) above.
  • the composite wire 6s shown in FIG. 6 is a composite wire having a 19-core structure having a predetermined size before being molded into the heat radiating plate material 10 shown in FIG.
  • the cross section of the composite wire rod 6s is obtained by cutting the composite wire rod 6s at an arbitrary position in the X direction.
  • the high thermal conductive portion 2c of the composite wire rod 6s is composed of a pipe 2p and a plurality of hollow wire rods 2s, and V1 / (V1 + V2) of the high thermal conductive portion 2c is 67% by volume.
  • the low thermal expansion portions 3c composed of the plurality of core members 3s are not in contact with each other in the cross section (Y direction and Z direction), and the low thermal expansion portions 3c are linearly continuous in the X direction. It is arranged to do. Note that V1 / (V1 + V2) does not change even after the step (3A) above. Therefore, V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material of a predetermined size obtained by rolling the composite wire rod 6s having V1 / (V1 + V2) of 67% by volume in the step (3A) is also 67% by volume.
  • the heat radiating plate materials 10 and 20 shown in FIGS. 1 and 2 were produced by the above-mentioned manufacturing method of the heat radiating plate material in the second aspect of the present invention. Then, the linear expansion coefficient and the thermal conductivity were determined using the individual pieces (heat radiating plates) cut out from the heat radiating plate materials 10 and 20.
  • the heat radiating plate material 10 was produced. Specifically, as shown in FIG. 5, an oxygen-free copper pipe 2p (outer diameter 28 mm, inner diameter 25 mm, length 180 mm) and a hollow wire rod 2s made of oxygen-free copper (outer diameter 14 mm, inner diameter 10.3 mm, length). A core material 3s (outer diameter 10 mm, length 500 mm) made of alloy 36 was prepared. Then, the core material 3s is inserted into the hollow portion of the hollow wire rod 2s, and the core material 3s is stretched to reduce the diameter while being stretched in the X direction, and further formed into a hexagonal cross section using a hexagonal die having an opposite side distance of 4.75 mm. Then, a long composite core material 4s was produced. Subsequently, the long composite core material 4s was cut in the X direction to prepare 19 composite core materials 4s (length 150 mm).
  • 19 composite core materials 4s were bundled and inserted into the pipe 2p.
  • a wire rod (dummy material) made of the same material as the hollow wire rod 2s was inserted into the gap between the inner peripheral surface of the pipe 2p and the 19 composite core materials 4s so as to fill the gap.
  • the gap inside the pipe 2p was filled and the filling rate was set to 90% or more.
  • a copper plug is fitted into one end of the pipe 2p in the X direction and crimped, and an iron plug is fitted into the other end and crimped to seal 19 composite core materials 4s inside the pipe 2p and spread. It was used as a billet for stretching.
  • a plurality of core members 3s are continuously arranged linearly in the X direction of the pipe, and the pipe 2p is in non-contact with each other in the X direction, the Y direction, and the Z direction. It will be arranged so as to be.
  • this billet was stretched in the X direction while being heated to 400 ° C. to reduce the diameter (diameter 12 mm), and a composite wire rod 5s was produced.
  • the composite wire rod 5s was further stretched to reduce the diameter (diameter 6 mm) to prepare the composite wire rod 6s.
  • the composite wire rod 6s having a diameter of 6 mm was softened by heat treatment held at 600 ° C. for 1 hour, and then rolled to form a plate shape.
  • the heat radiating plate material 10 shown in FIG. 1 having a thickness of about 3 mm and a width of about 8 mm was obtained.
  • the V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material 10 was 67% by volume.
  • individual pieces (test piece: thickness 3 mm, width 8 mm, length 8 mm) cut out from the heat radiating plate material 10 are referred to as sample A.
  • the heat radiating plate material 20 shown in FIG. 2 having a thickness of about 3 mm and a width of about 8 mm was produced.
  • the V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material 20 was 51% by volume.
  • the method for manufacturing the heat radiating plate material 20 is the same as the method for manufacturing the heat radiating member 10 described above, except that the outer diameter of the hollow wire rod 2s made of oxygen-free copper is changed to 12 mm as shown in FIG. Since the same process is performed, the above-mentioned method for manufacturing the heat radiating plate material 10 is referred to, and the description thereof is omitted here.
  • individual pieces (test piece: thickness 3 mm, width 8 mm, length 8 mm) cut out from the heat radiating plate material 20 are referred to as sample B.
  • the heat radiating plate material 40C (wire material 41, core material 42) shown in FIG. 7 having a thickness of about 1.5 mm and a width of about 10 mm was produced.
  • the heat radiating plate material 40C has 31 composite core materials 4s constituting the composite wire rod 5s, and the dimensions of each member are adjusted so that V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material is about 65% by volume. Since the same process as the above-mentioned manufacturing method of the heat-dissipating member 10 is performed except that the composite wire rod 6s having a diameter of 6 mm is adjusted and stretched, the above-mentioned manufacturing method of the heat-dissipating plate 10 is referred to here. The explanation of is omitted.
  • individual pieces (test piece: thickness 1.5 mm, width 10 mm, length 10 mm) cut out from the heat radiating plate material 40C are referred to as sample C.
  • the heat radiating plate material 50F (wire material 51, core material 52) shown in FIG. 8 having a thickness of about 1.5 mm and a width of about 10 mm was produced.
  • the heat radiating plate material 50F has 55 composite core materials 4s constituting the composite wire rod 5s, and the dimensions of each member are adjusted so that V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material is about 60% by volume. Since the same process as the above-mentioned manufacturing method of the heat-dissipating member 10 is performed except that the composite wire rod 6s having a diameter of 6 mm is adjusted and stretched, the above-mentioned manufacturing method of the heat-dissipating plate 10 is referred to here. The explanation of is omitted.
  • individual pieces (test piece: thickness 1.5 mm, width 10 mm, length 10 mm) cut out from the heat radiating plate material 50F are referred to as sample F.
  • the number of composite core materials 4s is 55, the dimensions of each member are adjusted so that V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material is about 60% by volume, and the composite wire rod 6s having a diameter of 5 mm is stretched.
  • a heat radiating plate material 50G having a thickness of about 1.3 mm and a width of about 9 mm was produced.
  • individual pieces (test piece: thickness 1.3 mm, width 9 mm, length 9 mm) cut out from the heat radiating plate material 50 G are referred to as sample G.
  • the number of composite core materials 4s is 55, the dimensions of each member are adjusted so that V1 / (V1 + V2) of the heat radiating plate material is about 60% by volume, and the composite wire rod 6s having a diameter of 4 mm is stretched.
  • a heat radiating plate material 50H having a thickness of about 1.1 mm and a width of about 8 mm was produced.
  • individual pieces (test piece: thickness 1.1 mm, width 8 mm, length 8 mm) cut out from the heat radiating plate material 50H are referred to as sample H.
  • the coefficient of linear expansion of the heat radiating plate materials 10 and 20 produced by the above-mentioned manufacturing method was determined. Specifically, using a thermal expansion measuring device (manufactured by Rigaku, model TG8120), using test specimens (samples A and B) cut out from the heat radiating plate materials 10 and 20, the temperature range of 25 ° C. to 250 ° C., respectively. The coefficient of linear expansion in the X and Y directions was determined. In the linear expansion measurement in the X direction of the test piece, the temperature is raised from 25 ° C. to 250 ° C. with the displacement measuring element (quartz rod) pressed against the X direction of the test piece with a force of 100 N, and the temperature is raised in the X direction of the test piece.
  • the displacement measuring element quartz rod
  • the amount of displacement was measured.
  • the temperature is raised from 25 ° C. to 250 ° C. with the displacement measuring element (quartz rod) pressed against the Y direction of the test piece with a force of 100 N, and the temperature is raised in the Y direction of the test piece.
  • the amount of displacement was measured.
  • the displacement amount (thermal expansion amount) of the test piece with respect to the temperature change was divided by the length of the test piece, and further divided by the temperature change amount to obtain the linear expansion coefficient.
  • the coefficient of linear expansion of sample A is about 6.3 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 11.4 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction. became.
  • the coefficient of linear expansion of sample B was about 5.4 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 9.1 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion of sample C was about 10.2 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 12.3 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion of sample D was about 9.7 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 11.5 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion of sample E was about 9.5 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 11.1 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion of sample F was about 7.5 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 11.6 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion of sample G was about 7.8 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 11.5 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion of sample H was about 7.1 ⁇ 10-6 (1 / K) in the X direction and about 11.2 ⁇ 10-6 (1 / K) in the Y direction.
  • FIG. 9 is a graph showing the thermal expansion measurement results of the sample A in the X and Y directions and the thermal expansion measurement results of the sample B in the X and Y directions.
  • the X direction is the direction in which the core material 3s made of the alloy 36 which is the low thermal expansion portion is continuously arranged in a straight line
  • the Y direction is the direction which is made of the alloy 36 which is the low thermal expansion portion. This is the direction in which the core materials 3s are arranged in non-contact with each other.
  • the amount of thermal expansion in the X direction can be reduced due to the configuration in which a plurality of core materials 3s made of alloy 36, which is a low thermal expansion portion, are continuously arranged in a straight line. confirmed.
  • sample B has 51% by volume of V1 / (V1 + V2) representing the volume ratio of the high thermal conductive portion, which is smaller than that of Sample A of 67% by volume.
  • sample B has a larger volume ratio of the low thermal expansion portion than sample A.
  • AIS a value obtained by dividing the coefficient of linear expansion in the X direction by the coefficient of linear expansion in the Y direction (hereinafter, this).
  • the value is referred to as "AIS").
  • Table 1 for example, the AIS of sample A is about 0.55, and the AIS of sample B is about 0.59.
  • the anisotropy of the linear expansion coefficient in the plane direction (X direction and Y direction) is substantially the same in sample A and sample B.
  • the AIS of samples C, D, E, F, G and H was determined, as shown in Table 1, the AIS of samples C to E was 0.83 to 0.86, and samples F to G were obtained.
  • the AIS of was 0.63 to 0.68. From this result, the anisotropy of the linear expansion coefficient of sample C, sample D, and sample E in the plane direction (X direction, Y direction) is substantially the same, and the plane of the linear expansion coefficient of sample F, sample G, and sample H. It was found that the anisotropy in the directions (X direction, Y direction) was substantially the same.
  • the samples C to E having 31 core materials had an AIS closer to 1 than the samples A and B having 10 core materials and the samples F to H having 55 core materials.
  • the introduction of AIS has made it possible to evaluate the anisotropy of the heat radiating plate material.
  • the anisotropy (AIS) of the thermal expansion characteristics of the heat radiating plate material is determined by the number of core materials constituting the low thermal expansion portion, the diameter of the composite wire containing the core material, and V1 / (V1 + V2) of the high thermal expansion portion. It was confirmed that it can be relaxed by adjusting the volume ratio. In particular, it has been found that it is preferable to appropriately adjust the diameter of the composite wire material including the core material constituting the low thermal expansion portion of the heat radiating plate material at the manufacturing stage of the heat radiating plate material.
  • the thermal conductivity of the heat radiating plate materials 10 and 20 produced by the above-mentioned manufacturing method was determined.
  • the electric resistances of the test specimens (samples A and B) having a thickness of 3 mm, a width of 8 mm, and a length of 8 mm cut out from the heat radiating plate materials 10 and 20 were measured.
  • sample A the measurement of electrical resistance was performed by constructing a measured portion having a seven-layer structure with sample A as the central layer. Specifically, copper foils (thickness 0.02 mm) for voltage terminals are contact-arranged on both sides of sample A in the Z direction, and contact resistance is reduced on the surface of each copper foil opposite to sample A.
  • a tin foil (thickness 0.1 mm) was contact-arranged, and a copper plate (thickness 0.2 mm) for a current terminal was contact-arranged on the surface of each tin foil opposite to the sample A. Then, the part to be measured was appropriately pressed from the stacking direction so that the sample A, the copper foil, the tin foil and the copper plate were in a state of being sufficiently adhered to each other. In this state, a current of 5 A was applied between the copper plates of the part to be measured, and the voltage between the copper foils at 25 ° C. was measured. The same applies to sample B. As a result, the electric resistance R was about 1.16 ⁇ 10 -6 ⁇ in the Z direction of the sample A and about 1.56 ⁇ 10 -6 ⁇ in the Z direction of the sample B.
  • R is the electrical resistance ( ⁇ )
  • l is the sample thickness (3 mm)
  • S is the sample area (8 mm ⁇ 8 mm).
  • ⁇ k LT
  • ⁇ electrical resistivity ( ⁇ ⁇ m)
  • L is Boltzmann constant
  • T absolute temperature (K).
  • the thermal conductivity k was about 270 W / (m ⁇ K). .. Further, in the sample B, the electrical resistivity ⁇ at 25 ° C. was about 3.33 ⁇ 10-8 ⁇ ⁇ m in the Z direction, and thus the thermal conductivity k was about 200 W / (m ⁇ K).
  • the thermal conductivity in the Z direction was about 200 W / (m ⁇ K) to about 270 W / (m ⁇ K).
  • the thermal conductivity in the Z direction is 221 W / (m ⁇ K) as described above. Met. Therefore, it was confirmed that the high thermal conductivity characteristics of Sample A and Sample B in the Z direction are equal to or better than those of the conventional heat radiating plate material.
  • the coefficient of linear expansion in the X direction is about 5.4 ⁇ 10-6 (1 / K) to about 6.3 ⁇ 10-6 (1 / K), and is in the Y direction.
  • the coefficient of linear expansion ranged from about 9.1 ⁇ 10-6 (1 / K) to about 11.4 ⁇ 10-6 (1 / K).
  • linear expansion in the plane direction (X direction and / or Y direction) The rate was 11.9 ⁇ 10-6 (1 / K).
  • the low thermal expansion characteristics in the X direction are improved to about 1.9 to about 2.2 times that of the conventional heat radiating plate material, and the low thermal expansion characteristics in the Y direction are about 1 times that of the conventional heat radiating plate material. It was confirmed that the improvement was 0.0 (approximately equivalent) to about 1.3 times. Therefore, the heat radiating plate material according to the present invention has the corresponding low thermal expansion characteristics, but the anisotropy of the high thermal conduction characteristics in the plane direction (X direction, Y direction) and the thickness direction (Z direction) is alleviated. It turned out that.
  • the above-mentioned sample A and sample B have a difference in linear expansion coefficient between the X direction and the Y direction, they are anisotropic to the low thermal expansion characteristic in the plane direction (about 0.55 to about 0.59 in AIS). ) Occurs.
  • the above-mentioned Sample A and Sample B have sufficiently improved low thermal expansion characteristics in the X direction in comparison with the conventional heat radiating plate material. From this point of view, even if the low thermal expansion characteristics in the plane direction have the above-mentioned anisotropy, the plane direction (X direction, Y direction) and the thickness direction (Z direction) while having the corresponding low thermal expansion characteristics. Since the anisotropy of the high thermal conductivity characteristic of the above is relaxed, it is a level that can be sufficiently applied as a heat radiating plate of the above-mentioned semiconductor element in practical use.

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Abstract

相応の低熱膨張特性を有しながらも、平面方向（長さ方向、幅方向）と厚さ方向との熱伝導率の異方性を緩和することが可能な放熱板材およびその製造方法を提供する。　この放熱板材は、高熱伝導材からなる高熱伝導部と、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部と、により構成され、複数の低熱膨張部は、それぞれ、高熱伝導部の長手方向に直線状に連続して配置されているとともに、高熱伝導部の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触に配置されている。この放熱板材は、低熱膨張部（複数の芯材）を、高熱伝導部の長手方向に直線状に連続して配置するとともに、高熱伝導部の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、この複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得て、さらに、この複合線材を圧延して板状に成形する製造方法により作製することができる。

Description

放熱板材および放熱板材の製造方法
　この発明は、放熱板材および放熱板材の製造方法に関し、例えば、電力用パワー半導体素子、高周波デバイス、ＣＰＵなどの半導体素子などを実装する場合に使用される、放熱板材および放熱板材の製造方法に関する。
　従来、電力用パワー半導体素子、高周波デバイスおよびＣＰＵなどの半導体素子（以下「半導体素子」という。）は、Ｓｉ（ケイ素）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）などからなるセラミック系材料により構成される。こうした半導体素子は作動中に発熱するため、発熱した半導体素子から熱を逃がすための放熱板が配置される。放熱板は、例えば半田により、半導体素子と接合される。放熱板材の一例として、熱伝導率が十分に大きいＣｕ（銅）と、線膨張率が比較的小さいＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）またはＣｒ（クロム）との合金（Ｃｕ－Ｗ、Ｃｕ－ＭｏまたはＣｕ－Ｃｒ）からなる、Ｃｕ合金板材が知られている。また、放熱板材の別例として、特開２０１２－２４３９２５号公報、特開２０１９－７９９７８号公報に開示されるような、上記したＣｕ合金板材のいずれかとＣｕ（純銅）との複合板材や、特開２０１１－３８００号公報に開示されるような、熱伝導率が十分に大きいＣｕ（純銅）またはＡｌ（純アルミニウム）を表層とし、線膨張率が十分に小さいＦｅ－３６質量％Ｎｉ（アロイ３６）を中間層とした、３層構造のクラッド圧延板材が知られている。
特開２０１２－２４３９２５号公報 特開２０１９－７９９７８号公報 特開２０１１－３８００号公報
　半導体素子に接合される放熱板を構成するための放熱板材は、例えば、以下の要求事項を満たすことが好ましいとされている。
（１）半導体素子から効率よく放熱するための高熱伝導特性（大きな熱伝導率）を有すること
（２）半導体素子に過剰な熱応力歪を与えないための低熱膨張特性（半導体材料に近い線膨張率）を有すること
（３）半田との相性（特に濡れ性）が良いこと
　しかし、上記したＣｕ－Ｗ、Ｃｕ－ＭｏまたはＣｕ－ＣｒなどのＣｕ合金板材からなる放熱板材には、例えば、以下のような不満がある。
（１）半田の濡れ性が悪いため例えばＮｉめっき被覆処理などの表面処理が必要になること
（２）伸延性が乏しいため圧延およびプレス加工などが高コストになる（特に、Ｃｕ－Ｗ、Ｃｕ－Ｍｏ）
（３）高価な原料を用いるため高コストになる（特に、Ｃｕ－Ｗ、Ｃｕ－Ｍｏ）
　上記したＣｕ合金板材のいずれかとＣｕとの複合板材は、Ｃｕ合金板材の表面がＣｕからなるため半田との濡れ性は改善されるものの、高コストの問題は解決されない。これに対して、上記したＣｕまたはＡｌとアロイ３６との３層構造のクラッド圧延板材（以下、「ＣＩＣクラッド材」という。）は、圧延およびプレス加工における加工性が良く、半導体素子を構成する半導体材料（例えばＳｉ）に近い線膨張率を有するため、上記したＣｕ合金板材に対する問題が解決できる放熱板材である。ＣＩＣクラッド材は、平面方向（圧延方向、圧延幅方向）においては高熱伝導特性や低熱膨張特性に異方性を生じにくい。しかし、ＣＩＣクラッド材は、中間層を構成するアロイ３６の熱伝導率がかなり小さい（Ｃｕ対比で約１／１３）ことに起因して、厚さ方向（積層方向）の熱伝導率がかなり小さくなると考えられる。具体的には、特開２０１１－３８００号公報の開示から、高熱伝導材（Ｃｕ）の体積比が５０体積％のＣＩＣクラッド材の場合、厚さ方向の熱伝導率が２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、平面方向の線膨張率が８．４×１０－６（１／Ｋ）である。このＣＩＣクラッド材の場合、平面方向の熱伝導率はＣｕの熱伝導率（約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ））と同程度になると考えられるため、平面方向と厚さ方向との高熱伝導特性に大きな異方性が生じる。また、このＣＩＣクラッド材の厚さ方向の線膨張率は不明であるが、Ｃｕの線膨張率がアロイ３６よりも十分に大きいため、平面方向と厚さ方向との低熱膨張特性に大きな異方性が生じるおそれがある。
　また、特開２０１１－３８００号公報に開示される、アロイ３６からなる中間層に複数のスリット孔（開口部）を均等的に分散配置したクラッド圧延板材（ＣＩＣクラッド材の変形例）は、平面方向（圧延方向、圧延幅方向）においては高熱伝導特性や低熱膨張特性に異方性を生じにくく、厚さ方向においては中間層の開口面積に応じて高熱伝導特性を調整することができると考えられる。具体的には、特開２０１１－３８００号公報の開示から、高熱伝導材の体積比が５０体積％の変形例の場合、厚さ方向の熱伝導率が１６３Ｗ／（ｍ・Ｋ）でＣＩＣクラッド材の約８倍の熱伝導特性を有し、平面方向の線膨張率は８．９×１０－６（１／Ｋ）である。また、高熱伝導材の体積比を増した６８体積％の変形例の場合、厚さ方向の熱伝導率は２２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）でＣＩＣクラッド材の約１０倍の熱伝導特性を有し、平面方向の線膨張率が１１．９×１０－６（１／Ｋ）である。いずれの変形例の場合も、ＣＩＣクラッド材の場合と同様に、平面方向の熱伝導率がＣｕと同程度になると考えられるため、平面方向と厚さ方向との高熱伝導特性に異方性を生じる。また、いずれの変形例も厚さ方向の線膨張率は不明であるが、Ｃｕの線膨張率がアロイ３６よりも十分に大きいため、平面方向と厚さ方向との低熱膨張特性に大きな異方性が生じるおそれがある。
　この発明の目的の１つは、放熱板材の高熱伝導特性または低熱膨張特性の異方性を緩和することが可能な、放熱板材および放熱板材の製造方法を提供することである。
　この発明に係る放熱板材は、高熱伝導材からなる高熱伝導部と、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部と、により構成され、前記複数の低熱膨張部は、それぞれ、前記高熱伝導部の長手方向に直線状に連続して配置されているとともに、前記高熱伝導材部の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触に配置されている。
　この発明に係る放熱板材において、前記高熱伝導部は、ＣｕまたはＣｕ合金からなることが好ましい。また、前記複数の低熱膨張部は、Ｆｅ－Ｎｉ系合金からなることが好ましい。また、前記高熱伝導部の体積をＶ１とし、前記複数の低熱膨張部の体積をＶ２とするとき、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が３５体積％以上８０体積％以下を満たすことが好ましい。
　この発明に係る放熱板材は、以下の製造方法により得ることができる。
　すなわち、この発明に係る第１局面における放熱板材の製造方法は、高熱伝導材からなり、長手方向に複数の孔を有する線材と、低熱膨張材からなる複数の芯材と、を準備する工程と、前記複数の芯材を前記線材の前記複数の孔のそれぞれを埋めるように挿入することにより、前記複数の芯材を、前記線材の長手方向に直線状に連続して配置するとともに、前記線材の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、前記複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程と、前記複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程と、を有する。
　また、この発明に係る第２局面における放熱板材の製造方法は、高熱伝導材からなるパイプと、高熱伝導材からなる複数の中空線材のそれぞれの中空部に、低熱膨張材からなる複数の芯材が挿入されてなる複数の複合芯材と、を準備する工程と、前記複数の複合芯材を前記パイプの中空部を埋めるように挿入することにより、前記複数の芯材を、前記パイプの長手方向に直線状に連続して配置するとともに、前記パイプの長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、前記複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程と、前記複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程と、を有する。
　なお、上記「横断面」は、物体の長さ方向に対して垂直な平面上にある当該物体の断面を意図する。また、上記「展伸加工」は、板、条、管、棒、線などの各種製品を形成するための塑性加工であり、圧延、押出し、引抜き、鍛造などの熱間加工または冷間加工を意図する。
　この発明によれば、放熱板材の高熱伝導特性または低熱膨張特性の異方性を緩和することが可能な、放熱板材および放熱板材の製造方法を提供することができる。具体的には、例えば、電力用パワー半導体素子、高周波デバイス、ＣＰＵなどの半導体素子などを実装する場合に使用される放熱板に好適な放熱板材、および、その放熱板材の製造方法を提供することができる。
この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材の横断面の一例を示す図（光学顕微鏡写真）である。 この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材の横断面の一例を示す図（光学顕微鏡写真）である。 この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材を構成する芯材（低熱膨張材）の配置構成について説明するための図（写真）である。 この発明に係る第１局面における放熱板材の製造方法について説明するための図である。 この発明に係る第２局面における放熱板材の製造方法について説明するための図である。 この発明の放熱板材を構成するための複合線材の横断面の一例を示す図（光学顕微鏡写真）である。 この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材の横断面の一例を示す図（光学顕微鏡写真）である。 この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材の横断面の一例を示す図（光学顕微鏡写真）である。 この発明に係る放熱板材から切り出したサンプルを用いて行った熱膨張測定の結果を示す図（グラフ）である。
　以下、この発明に係る放熱板材の実施形態について、適宜図面を参照して説明する。
　この発明に係る放熱板材は、高熱伝導材からなる高熱伝導部と、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部と、により構成され、複数の低熱膨張部は、それぞれ、高熱伝導部の長手方向に直線状に連続して配置されているとともに、高熱伝導部の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触に配置されている。この構成により、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部によって相応の低熱膨張特性を有しながらも、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部が長手方向および幅方向において互いに非接触に配置されていることにより、平面方向（長さ方向、幅方向）と厚さ方向との高熱伝導特性の異方性が緩和された、放熱板材となる。なお、この発明に係る放熱板材は、後述する図１乃至図３に示す放熱板材に限定されない。また、以下、長手方向をＸ方向、幅方向をＹ方向、厚さ方向をＺ方向という。
　この発明に係る放熱板材は、後述する放熱板材の製造方法により作製することができる。この場合、放熱板材を構成する高熱伝導部および複数の低熱膨張部の配置構成がＸ方向で略均等になるため、Ｘ方向のいずれの位置においても横断面が略同等の形態を有する放熱板材になる。この構成については、この放熱板材をＸ方向の所定の位置で切断して得られる、所定の長さの放熱板も同様である。
　この発明に係る放熱板材において、低熱膨張部の本数は、特に制限されない。低熱膨張部の本数は、例えば、高熱伝導部の体積を考慮するとともに放熱対象となる半導体素子のサイズを考慮し、半導体素子の線膨張率に近似した線膨張率となるように調整することを目的として、適宜選択することができる。また、この発明に係る放熱板材は、その大きさが特に制限されないし、それを用いて得られる放熱板の大きさもまた特に制限されない。放熱板材は、例えば、厚さが０．３ｍｍ以上４．０ｍｍ以下で幅が５ｍｍ以上４０ｍｍ以下の所定の長さの帯状のものであってよい。また、放熱板材から得られる放熱板は、厚さを例えば０．３ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とし、幅を例えば５ｍｍ以上４０ｍｍ以下とし、放熱対象となる半導体素子のサイズに合わせて適宜選択することができる。
　ここで、この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材の横断面の光学顕微鏡写真の一例を、図１および図２に示す。また、この発明に係る放熱板材の一実施形態となる、放熱板材の芯材（低熱膨張材）の配置構成を表す写真の一例を、図３に示す。図１および図２に示す放熱板材１０は、低熱膨張部となる芯材１２が１９本、Ｙ方向の長さが８ｍｍ、Ｚ方向の長さが３ｍｍである。図２に示す放熱板材２０は、低熱膨張部となる芯材２２が１９本、Ｙ方向の長さが８ｍｍ、Ｚ方向の長さが３ｍｍである。図３に示す放熱板材３０は、低熱膨張部となる芯材３２が７本である。なお、図３に示す放熱板材３０は、高熱伝導部となる線材３１の一部をエッチングにより除去し、線材３１の内部に配置された低熱膨張部となる芯材３２を部分的に露出させたものである。
　図１に示す放熱板材１０は、高熱膨張材からなる線材１１（高熱伝導部）と、低熱膨張材からなる複数の芯材１２（低熱膨張部）と、により構成されている。放熱板材１０は、１９本の芯材１２が線材１１の内部に配置された、１９芯構成の放熱板材である。放熱板材１０を構成する複数の芯材１２は、それぞれ、線材１１のＸ方向に直線状に連続して配置されているとともに、線材１１のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触に配置されている。なお、放熱板材１０のＸ方向は圧延方向に対応し、Ｙ方向は圧延方向に垂直な幅方向に対応する。
　図２に示す放熱板材２０は、高熱膨張材からなる線材２１（高熱伝導部）と、低熱膨張材からなる複数の芯材２２（低熱膨張部）と、により構成されている。放熱板材２０は、１９本の芯材２２が線材２１の内部に配置された、１９芯構成の放熱板材である。放熱板材２０を構成する複数の芯材２２は、それぞれ、線材２１のＸ方向に直線状に連続して配置されているとともに、線材２１のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触に配置されている。なお、放熱板材２０のＸ方向は圧延方向に対応し、Ｙ方向は圧延方向に垂直な幅方向に対応する。
　図３に示す放熱板材３０は、高熱膨張材からなる線材３１（高熱伝導部）と、低熱膨張材からなる複数の芯材３２（低熱膨張部）と、により構成されている。放熱板材３０は、７本の芯材３２が線材３１の内部に配置された、７芯構成の放熱板材である。放熱板材３０を構成する複数の芯材３２は、それぞれ、線材３１のＸ方向に直線状に連続して配置されているとともに、線材３１のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触に配置されている。なお、放熱板材３０のＸ方向は圧延方向に対応し、Ｙ方向は圧延方向に垂直な幅方向に対応する。
　上記した放熱板材１０、２０および３０を構成する高熱伝導部となる線材１１、２１および３１は、いずれも高熱伝導材からなる、高熱伝導材としては、例えば、Ｃｕ（純銅）、Ｃｕ合金、Ａｌ（純アルミニウム）またはＡｌ合金などを使用することができる。また、ＣｕまたはＡｌに対して、例えば、０．０１質量％以上３．０質量％以下のＡｇ（銀）を含むか、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のＺｒ（ジルコニウム）を含む、Ｃｕ合金またはＡｌ合金なども使用することができる。高熱伝導特性を表す熱伝導率は、例えば、Ｃｕが約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ａｌが約２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。参考までに、ステンレス鋼の熱伝導率は約８５Ｗ／（ｍ・Ｋ）から約９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。したがって、放熱板材１０、２０および３０を構成する高熱伝導部となる線材１１、２１および３１は、ＣｕまたはＣｕ合金からなることが好ましく、半導体素子からの放熱が効率よく行える優れた高熱伝導特性、すなわち、大きな熱伝導率を有する放熱板を得ることができる。また、ＣｕまたはＣｕ合金からなる線材１１、２１および３１は、半田との濡れ性が良いので好ましい。
　放熱板材１０、２０および３０を構成する低熱膨張部となる複数の芯材１２、２２および３２は、低熱膨張材からなる。低熱膨張材としては、例えば、質量％で、Ｆｅ－３６％Ｎｉ（アロイ３６）、Ｆｅ－４２％Ｎｉ（アロイ４２）またはＦｅ－２９％Ｎｉ－１７％Ｃｏなどの低熱膨張材を使用することができる。低熱膨張特性を表す線膨張率は、半導体素子を構成する上記した半導体材料（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓなど）の２×１０－６（１／Ｋ）乃至６×１０－６（１／Ｋ）に対して、例えば、Ｆｅ－３６％Ｎｉが２×１０－６（１／Ｋ）以下、Ｆｅ－４２％Ｎｉが約６×１０－６（１／Ｋ）、Ｆｅ－２９％Ｎｉ－１７％Ｃｏが約５×１０－６（１／Ｋ）である。参考までに、Ｃｕの線膨張率は約１７×１０－６（１／Ｋ）である。したがって、放熱板材１０を構成する低熱膨張部となる複数の芯材１２は、Ｆｅ－Ｎｉ系合金からなることが好ましく、半導体素子に過剰な熱応力歪を与え難い優れた低熱膨張特性、すなわち、半導体材料により近い線膨張率を有する放熱板を得ることができる。なお、半導体素子を構成する半導体材料の線膨張率により近づける観点から、線膨張率が７×１０－６（１／Ｋ）以下のＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどからなる単一金属材を複数の芯材１２、２２および３２として使用することもできるし、上記したＦｅ－Ｎｉ系合金と単一金属とを適宜組み合せて、複数の芯材１２、２２および３２として使用することもできる。
　上記した放熱板において、相応の低熱膨張特性を有しながらも、平面方向（Ｘ方向および／またはＹ方向）と厚さ方向（Ｚ方向）との高熱伝導特性の異方性を緩和させるためには、高熱伝導材からなる高熱伝導部（例えば図１に示す線材２）と、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部（例えば図１に示す複数の芯材３）との、配置構成が適切に設定された放熱板材を用いることが好ましい。この観点から、所定の長さの放熱板材およびそれを用いた放熱板は、これを構成する高熱伝導部の体積をＶ１とし、複数の低熱膨張部の体積をＶ２とするとき、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が２５体積％以上８０体積％以下を満たすことが好ましい。この点、図１に示す放熱板材１０のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は約６７体積％であり、図２に示す放熱板材２０のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は約５１体積％であるため、いずれも、相応の低熱膨張特性を有しながらも、平面方向（Ｘ方向および／またはＹ方向）と厚さ方向（Ｚ方向）との高熱伝導特性の異方性を緩和させることができる。
　放熱板材およびそれを用いた放熱板において、一般に、高熱伝導部を構成するのに適する高熱伝導材は熱伝導率が大きいものの線膨張率が大きく、また、複数の低熱膨張部を構成するのに適する低熱膨張材は線膨張率が小さいものの熱伝導率が小さい。そのため、高熱伝導材からなる高熱伝導部の体積比が小さ過ぎると、放熱板の熱伝導特性が低下し、半導体素子から熱を逃がす放熱機能が不十分になる可能性が高まるので、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は３５体積％以上であるのが好ましい。なお、放熱板のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が８０体積％を超えるようになると、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部の体積比が過度に小さくなり、放熱板の熱膨張特性が低下するので、半導体素子と放熱板との例えば半田からなる接合部が損壊する可能性が高まる。また、半導体素子を構成する半導体材料の線膨張率に対して放熱板の線膨張率をより近づける観点から、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は８０体積％以下であるのが好ましい。こうした理由により、放熱板材およびそれを用いた放熱板のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は、３５体積％以上８０体積％以下であるのが好ましい。
　上記したように、放熱板材は、高熱伝導部となる線材の内部において、低熱膨張部となる複数の芯材が、Ｘ方向に直線状に連続して配置されるとともに、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触に配置されている。これにより、放熱板材は、Ｘ方向の全長において、Ｘ方向においては複数の芯材（低熱膨張部）が直線状に連続な構成になるとともに、Ｙ方向およびＺ方向においては複数の芯材（低熱膨張部）が不連続な構成になる。この構成を有する放熱板材は、高熱伝導材からなる線材（高熱伝導部）により、Ｘ方向においては十分な高熱伝導特性を確保することができるし、Ｙ方向およびＺ方向においては相応の高熱伝導特性を確保することができる。同時に、この構成を有する放熱板材は、低熱膨張材からなる複数の芯材（低熱膨張部）により、Ｘ方向においては十分な低熱膨張特性を確保することができるし、Ｙ方向およびＺ方向においては相応の低熱膨張特性を確保することができる。こうした放熱板材を用いることにより、加えて、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が３５体積％以上８０体積％以下であることにより、上記した放熱板のＺ方向の高熱伝導特性の異方性を十分に緩和することが可能になる。このため、放熱板材およびそれを用いた放熱板は、例えば、電力用パワー半導体素子、高周波デバイス、ＣＰＵなどの半導体素子などを実装に用いることができるし、その他の高熱伝導特性および低熱膨張特性が要求される用途に対しても有用なものとなる。
　次に、この発明に係る放熱板材の製造方法について、適宜図面を参照して説明する。なお、この発明に係る放熱板材は、以下に述べる放熱板材の製造方法が適用された放熱板材に限定されない。
　まず、この発明に係る第１局面における放熱板材の製造方法について説明する。
　この発明に係る第１局面における放熱板材の製造方法は、
（１）高熱伝導材からなり、長手方向に複数の孔を有する線材と、低熱膨張材からなる複数の芯材と、を準備する工程と、
（２）複数の芯材を線材の複数の孔のそれぞれを埋めるように挿入することにより、複数の芯材を、線材の長手方向に直線状に連続して配置するとともに、線材の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程と、
（３）複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程と、
を有する。
　この発明に係る第１局面における放熱板材の製造方法では、上記（１）の工程、すなわち、高熱伝導材からなり、長手方向に複数の孔を有する線材と、低熱膨張材からなる複数の芯材と、を準備する工程を行う。なお、線材および複数の芯材は、軟化焼鈍などの熱処理が行われていてもよい。高熱伝導材からなる線材は、放熱板材の高熱伝導部を構成する主材であり、円形状、楕円形状または多角形状の横断面を有するものであってよい。例えば、図４に示す線材２は、円形状の横断面を有する。低熱膨張材からなる複数の芯材は、放熱板材の低熱膨張部を構成する主材であり、円形状、楕円形状または多角形状の横断面を有するものであってよい。例えば、図４に示す複数の芯材３は、円形状の横断面を有する。なお、線材２の中心部分に位置する芯材３ａの有無は、特に制限されない。この工程で準備する線材２には、複数の芯材３を挿入するための複数の孔２ａが、設けられている。複数の孔２ａの配置構成は、線材２のＸ方向に直線状に連続しているとともに、線材２のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触である。また、孔２ａの横断面の形状は、それぞれ、芯材３を挿入することができる形状であればよく、芯材３の挿入をより円滑に行うために芯材３の横断面の形状に対応させておくことが好ましい。
　次に、上記（２）の工程、すなわち、複数の芯材を線材の複数の孔のそれぞれを埋めるように挿入することにより、複数の芯材を、線材の長手方向に直線状に連続して配置するとともに、線材の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程を行う。具体的には、例えば、図４に示す複数の芯材３を、図４に示す線材２の複数の孔２ａのそれぞれを埋めるように、複数の孔２ａに挿入する。この際に、複数の孔２ａの上記した配置構成により、複数の芯材３は、線材２のＸ方向に直線状に連続して配置され、線材２のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触になるように配置される。これにより、図４に示すような複合素線材５を得る。さらに、その複合素線材５を展伸加工することにより、例えば、図３に示す放熱板材３０のように成形する前の所定のサイズの複合線材を作製する。
　上記（２）の工程では、複合素線材５を展伸加工することにより複合線材を得るために、例えば、冷間押出し加工、熱間静水圧押出し加工、冷間引抜き加工および熱間引抜き加工などの展伸加工の適用が可能である。また、上記した展伸加工後に、同種または異種の展伸加工をさらに行うことにより、より小径化された複合線材を得ることも可能である。また、展伸加工の間で、適宜、軟化焼鈍などの熱処理工程を追加してもよい。なお、図３に示す放熱板材３０は７本の芯材３２を有する７芯構造であるが、この発明に係る放熱板材を構成する芯材の本数は、特に制限されるものではない。芯材の本数は、放熱対象となる半導体素子のサイズに合せること、半導体素子の線膨張率に近似した線膨張率となるように調整することを目的に、適宜選択することができる。
　次に、上記（３）の工程、すなわち、複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程を行う。具体的には、上記（２）の工程で作製した所定のサイズの複合線材を圧延して板状に成形することにより、最終的に所定のサイズの放熱板材を作製する。例えば、図３に示す放熱板材３０などを作製する。この工程において、複合線材に対する圧延は、最終的に作製された放熱板材の横断面において、複数の芯材（芯材３）が、それぞれ、線材（線材２）のＸ方向に直線状に連続して配置されるとともに、線材（線材２）のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触になるように配置される限り、特に制限されない。複合線材に対する圧延は、例えば、複合線材の調質状態に応じて圧延条件（温間、冷間、圧下率、圧延速度、圧延荷重、パス数など）を調整することができるし、複数に分けて繰り返し行うこともできるし、軟化焼鈍などの熱処理を適時行うこともできる。
　次に、この発明に係る第２局面における放熱板材の製造方法について説明する。
　この発明に係る第２局面における放熱板材の製造方法は、
（１Ａ）高熱伝導材からなるパイプと、高熱伝導材からなる複数の中空線材のそれぞれの中空部に、低熱膨張材からなる複数の芯材が挿入されてねる複数の複合芯材と、を準備する工程と、
（２Ａ）複数の複合芯材をパイプの中空部を埋めるように挿入することにより、複数の芯材を、パイプの長手方向に直線状に連続して配置するとともに、パイプの長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程と、
（３Ａ）複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程と、
を有する。
　この発明に係る第２局面における放熱板材の製造方法では、上記（１Ａ）の工程、すなわち、高熱伝導材からなるパイプと、高熱伝導材からなる複数の中空線材のそれぞれの中空部に、低熱膨張材からなる複数の芯材が挿入されてなる複数の複合芯材と、を準備する工程を行う。なお、パイプ、中空線材および複数の芯材は、軟化焼鈍などの熱処理が行われていてもよい。ここで、高熱伝導材からなるパイプは、放熱板材の高熱伝導部を構成する主材であり、円形状、楕円形状または多角形状の横断面を有するものであってよい。例えば、図５に示すパイプ２ｐは、円形状の横断面を有する丸形パイプである。高熱伝導材からなる複数の中空線材は、パイプとともに放熱板材の高熱伝導部を構成する主材であり、円形状、楕円形状または多角形状の横断面を有するものであってよい。例えば、図５に示す複数の中空線材２ｓは、環状六角形状の横断面を有する六角形パイプである。低熱膨張材からなる複数の芯材は、放熱板材の低熱膨張部を構成する主材であり、円形状、楕円形状または多角形状の横断面を有するものであってよい。例えば、図５に示す複数の芯材３ｓは、中空線材２ｓの中空部の横断面の形状に対応する、六角形状の横断面（横断面の拡大図を参照）を有するものである。なお、図５に示す、パイプ２ｐの横断面の形状は円筒形状であり、複数の中空線材２ｓおよび複数の芯材３ｓの横断面の形状は六角形状であるが、この発明に係る放熱板材を構成するに際して、特に制限されるものではない。
　また、上記（１Ａ）の工程では、図５に示すように、高熱伝導材からなる中空線材２ｓの中空部に、低熱膨張材からなる芯材３ｓが挿入されてなる複合芯材４ｓ（横断面の拡大図を参照）を準備する。具体的には、例えば、１本の中空線材の中空部に１本の芯材を挿入したものを展伸加工により長く伸ばした後に所定の長さに切断することにより、図５に示すような複数の中空線材２ｓの中空部に、芯材３ｓが挿入されてなる複数の複合芯材４ｓとする。
　次に、上記（２Ａ）の工程、すなわち、複数の複合芯材をパイプの中空部を埋めるように挿入することにより、複数の芯材を、パイプの長手方向に直線状に連続して配置するとともに、パイプのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程を行う。具体的には、例えば、図５に示すように、複数の複合芯材４ｓを組み合せてパイプ２ｐの中空部に挿入し、複数の複合芯材４ｓでパイプ２ｐの中空部を埋めるような配置構成にする。この際に、複合芯材４ｓの横断面の形状が多角形状（図５の場合は六角形状）であると、複数の複合芯材４ｓを互いに隙間なく隣接させることができるので好ましい。なお、複数の複合芯材４ｓを組み合せたときの外形状とパイプ２ｐの内周形状との間の隙間をより小さくする目的で、パイプ２ｐと同材質のダミー材または中空線材２ｓと同材質のダミー材を挿入することもできるし、パイプ２ｐの内周形状を複数の複合芯材４ｓを組み合せたときの外形状に対応する形状にしておくこともできる。
　複数の複合芯材４ｓの上記した配置構成により、複数の複合芯材４ｓがパイプ２ｐのＸ方向に直線状に連続して配置され、複数の複合芯材４ｓを構成する複数の中空線材２ｓおよび複数の芯材３ｓもまたパイプ２ｐのＸ方向に直線状に連続して配置される。これにより、複数の芯材３ｓが、パイプ２ｐのＸ方向に直線状に連続して配置され、パイプ２ｐのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触になるように配置される。これにより、図５に示すような複合素線材５ｓを得ることができる。さらに、その複合素線材５ｓを展伸加工することにより、例えば、図１および図２に示す放熱板材１０および２０のように成形する前の所定のサイズの複合線材を作製することができる。
　上記（２Ａ）の工程では、複合素線材５ｓを展伸加工することにより複合線材を得るために、例えば、冷間押出し加工、熱間静水圧押出し加工、冷間引抜き加工および熱間引抜き加工などの展伸加工の適用が可能である。また、上記した展伸加工後に、同種または異種の展伸加工をさらに行うことにより、より小径化された複合線材を得ることも可能である。また、展伸加工の間で、適宜、軟化焼鈍などの熱処理工程を追加してもよい。なお、図１および図２に示す放熱板材１０および２０は１９本の芯材１２および２２を有する１９芯構造であるが、この発明に係る放熱板材を構成する芯材の本数は、特に制限されるものではない。芯材の本数は、放熱対象となる半導体素子のサイズに合せること、半導体素子の線膨張率に近似した線膨張率となるように調整することを目的に、適宜選択することができる。
　次に、上記（３Ａ）の工程、すなわち、複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程を行う。具体的には、上記（２Ａ）の工程で作製した所定のサイズの複合線材を圧延して板状に成形することにより、最終的に所定のサイズの放熱板材を作製する。例えば、図１および図２に示す放熱板材１０および２０などを作製する。この工程において、複合線材に対する圧延は、最終的に作製された放熱板材の横断面において、複数の芯材（芯材３ｓ）が、それぞれ、パイプ（パイプ２ｐ）のＸ方向に直線状に連続して配置されるとともに、パイプ（パイプ２ｐ）のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触になるように配置される限り、特に制限されない。複合線材に対する圧延は、例えば、複合線材の調質状態に応じて圧延条件（温間、冷間、圧下率、圧延速度、圧延荷重、パス数など）を調整することができるし、複数に分けて繰り返し行うこともできるし、軟化焼鈍などの熱処理を適時行うこともできる。
　図６に、上記（２Ａ）の工程で得られる、複合線材の横断面の一例を示す。図６に示す複合線材６ｓは、図１に示す放熱板材１０に成形する前の所定のサイズの１９芯構造の複合線材である。この複合線材６ｓの横断面は、複合線材６ｓをＸ方向の任意の位置で切断したものである。この複合線材６ｓの高熱伝導部２ｃはパイプ２ｐおよび複数の中空線材２ｓにより構成されており、高熱伝導部２ｃのＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は６７体積％である。この複合線材６ｓは、複数の芯材３ｓにより構成された低熱膨張部３ｃが横断面（Ｙ方向およびＺ方向）において互いに非接触であり、かつ、低熱膨張部３ｃがＸ方向において直線状に連続するように配置されている。なお、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は、上記（３Ａ）の工程を経た後も変化することがない。したがって、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が６７体積％の複合線材６ｓを上記（３Ａ）の工程で圧延して得られる、所定のサイズの放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）もまた６７体積％である。
　以下、実施例（本発明例）について、適宜図面を参照して説明する。具体的には、図１および図２に示す放熱板材１０および２０を、この発明に係る第２局面における上記した放熱板材の製造方法により作製した。そして、放熱板材１０および２０から切り出した個片（放熱板）を用いて、線膨張率および熱伝導率を求めた。
　まず、放熱板材１０を作製した。具体的には、図５に示すような、無酸素銅製のパイプ２ｐ（外径２８ｍｍ、内径２５ｍｍ、長さ１８０ｍｍ）と、無酸素銅製の中空線材２ｓ（外径１４ｍｍ、内径１０．３ｍｍ、長さ５００ｍｍ）と、アロイ３６製の芯材３ｓ（外径１０ｍｍ、長さ５００ｍｍ）とを、準備した。そして、中空線材２ｓの中空部に芯材３ｓを挿入し、展伸加工により、Ｘ方向に伸ばしながら小経化し、さらに対辺距離が４．７５ｍｍの六角ダイスを用いて六角形状の横断面に形成し、長尺の複合芯材４ｓを作製した。続いて、長尺の複合芯材４ｓをＸ方向において切り分けて、１９本の複合芯材４ｓ（長さ１５０ｍｍ）を準備した。
　次に、１９本の複合芯材４ｓを束ねるようにしてパイプ２ｐに挿入した。パイプ２ｐの内周面と１９本の複合芯材４ｓとの隙間には、その隙間を埋めるように、中空線材２ｓと同材質の線材（ダミー材）を挿入した。これにより、パイプ２ｐの内部の隙間を埋めて、充填率を９０％以上とした。続いて、パイプ２ｐのＸ方向の一端に銅プラグを嵌め込んでかしめ、他端に鉄プラグを嵌め込んでかしめることにより、パイプ２ｐ内部に１９本の複合芯材４ｓを封止し、展伸加工用ビレットとした。これにより、このビレットは、その内部で、複数の芯材３ｓが、パイプのＸ方向に直線状に連続して配置され、かつ、パイプ２ｐのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向において互いに非接触になるように配置されたものになる。
　次に、このビレットを、４００℃に加熱しながら展伸加工によりＸ方向に伸ばして小径化（直径１２ｍｍ）し、複合素線材５ｓを作製した。この複合素線材５ｓをさらに展伸加工を行って小径化（直径６ｍｍ）し、複合線材６ｓを作製した。次に、直径６ｍｍの複合線材６ｓを、６００℃で１時間保持する熱処理を行って軟化させた後に圧延し、板状に成形した。これにより、厚さが約３ｍｍ、幅が約８ｍｍとなる、図１に示す放熱板材１０を得た。なお、この放熱板材１０のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は、６７体積％となった。以下、放熱板材１０から切り出した個片（試験体：厚さ３ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ８ｍｍ）をサンプルＡと呼ぶ。
　同様にして、厚さが約３ｍｍ、幅が約８ｍｍとなる、図２に示す放熱板材２０を作製した。この放熱板材２０のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は、５１体積％となった。なお、放熱板材２０の製造方法は、図５に示すような、無酸素銅製の中空線材２ｓを準備する際に、その外径を１２ｍｍに変更する以外は、上記した放熱部材１０の製造方法と同様な工程を経るため、上記した放熱板材１０の製造方法を参照し、ここでの説明は略す。以下、放熱板材２０から切り出した個片（試験体：厚さ３ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ８ｍｍ）をサンプルＢと呼ぶ。
　同様にして、厚さが約１．５ｍｍ、幅が約１０ｍｍとなる、図７に示す放熱板材４０Ｃ（線材４１、芯材４２）を作製した。放熱板材４０Ｃは、図５に示すような、複合素線材５ｓを構成する複合芯材４ｓを３１本とし、放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が約６５体積％になるように各部材の寸法を調整し、直径６ｍｍの複合線材６ｓになるように展伸加工する以外は、上記した放熱部材１０の製造方法と同様な工程を経るため、上記した放熱板材１０の製造方法を参照し、ここでの説明は略す。以下、放熱板材４０Ｃから切り出した個片（試験体：厚さ１．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）をサンプルＣと呼ぶ。
　同様にして、複合芯材４ｓを３１本とし、放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が約６５体積％になるように各部材の寸法を調整し、直径５ｍｍの複合線材６ｓになるように展伸加工し、厚さが約１．３ｍｍ、幅が約９ｍｍとなる、放熱板材４０Ｄを作製した。以下、放熱板材４０Ｄから切り出した個片（試験体：厚さ１．３ｍｍ、幅９ｍｍ、長さ９ｍｍ）をサンプルＤと呼ぶ。
　同様にして、複合芯材４ｓを３１本とし、放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が約６５体積％になるように各部材の寸法を調整し、直径４ｍｍの複合線材６ｓになるように展伸加工し、厚さが約１．１ｍｍ、幅が約８ｍｍとなる、放熱板材４０Ｅを作製した。以下、放熱板材４０Ｅから切り出した個片（試験体：厚さ１．１ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ８ｍｍ）をサンプルＥと呼ぶ。
　同様にして、厚さが約１．５ｍｍ、幅が約１０ｍｍとなる、図８に示す放熱板材５０Ｆ（線材５１、芯材５２）を作製した。放熱板材５０Ｆは、図５に示すような、複合素線材５ｓを構成する複合芯材４ｓを５５本とし、放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が約６０体積％になるように各部材の寸法を調整し、直径６ｍｍの複合線材６ｓになるように展伸加工する以外は、上記した放熱部材１０の製造方法と同様な工程を経るため、上記した放熱板材１０の製造方法を参照し、ここでの説明は略す。以下、放熱板材５０Ｆから切り出した個片（試験体：厚さ１．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）をサンプルＦと呼ぶ。
　同様にして、複合芯材４ｓを５５本とし、放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が約６０体積％になるように各部材の寸法を調整し、直径５ｍｍの複合線材６ｓになるように展伸加工し、厚さが約１．３ｍｍ、幅が約９ｍｍとなる、放熱板材５０Ｇを作製した。以下、放熱板材５０Ｇから切り出した個片（試験体：厚さ１．３ｍｍ、幅９ｍｍ、長さ９ｍｍ）をサンプルＧと呼ぶ。
　同様にして、複合芯材４ｓを５５本とし、放熱板材のＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が約６０体積％になるように各部材の寸法を調整し、直径４ｍｍの複合線材６ｓになるように展伸加工し、厚さが約１．１ｍｍ、幅が約８ｍｍとなる、放熱板材５０Ｈを作製した。以下、放熱板材５０Ｈから切り出した個片（試験体：厚さ１．１ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ８ｍｍ）をサンプルＨと呼ぶ。
　次に、上記した製造方法により作製した放熱板材１０および２０の線膨張率を求めた。具体的には、熱膨張測定装置（リガク製、モデルＴＧ８１２０）を用いて、放熱板材１０および２０から切り出した試験体（サンプルＡ、Ｂ）を用いて、それぞれ、２５℃から２５０℃の温度範囲におけるＸ方向およびＹ方向の線膨張率を求めた。試験体のＸ方向の線膨張測定では、試験体のＸ方向から１００Ｎの力で変位測定用素子（石英棒）を押し付けた状態で２５℃から２５０℃まで昇温し、試験体のＸ方向の変位量（熱膨張量）を測定した。試験体のＹ方向の線膨張測定では、試験体のＹ方向から１００Ｎの力で変位測定用素子（石英棒）を押し付けた状態で２５℃から２５０℃まで昇温し、試験体のＹ方向の変位量（熱膨張量）を測定した。そして、温度変化に対する試験体の変位量（熱膨張量）を試験体の長さで除し、さらに温度変化量で除して、線膨張率を求めた。また、同様にして、放熱板材４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ、５０Ｆ、５０Ｇおよび５０Ｈから切り出した試験体（サンプルＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、ＧおよびＨ）の２８℃から２００℃の温度変化に対する変位量（熱膨張量）から、それぞれの線膨張率を求めた。その結果を、表１および図９に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、サンプルＡの線膨張率は、Ｘ方向が約６．３×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１１．４×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＢの線膨張率は、Ｘ方向が約５．４×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約９．１×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＣの線膨張率は、Ｘ方向が約１０．２×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１２．３×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＤの線膨張率は、Ｘ方向が約９．７×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１１．５×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＥの線膨張率は、Ｘ方向が約９．５×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１１．１×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＦの線膨張率は、Ｘ方向が約７．５×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１１．６×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＧの線膨張率は、Ｘ方向が約７．８×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１１．５×１０－６（１／Ｋ）となった。また、サンプルＨの線膨張率は、Ｘ方向が約７．１×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向が約１１．２×１０－６（１／Ｋ）となった。
　また、図９は、サンプルＡのＸ方向およびＹ方向の熱膨張測定結果と、サンプルＢのＸ方向およびＹ方向の熱膨張測定結果とを、併記して示すグラフである。このグラフに示すＸ方向とＹ方向との比較により、Ｘ方向の熱膨張量（変位量）がＹ方向の熱膨張量（変位量）よりも小さいことが分かる。Ｘ方向とは、すなわち、低熱膨張部となるアロイ３６製の芯材３ｓが直線状に連続して配置されている方向であり、Ｙ方向とは、すなわち、低熱膨張部となるアロイ３６製の芯材３ｓが互いに非接触に配置されている方向である。したがって、サンプルＡおよびサンプルＢのいずれも、低熱膨張部となるアロイ３６からなる複数の芯材３ｓが直線状に連続して配置されている構成により、Ｘ方向の熱膨張量が小さくなることが確認された。
　このグラフに示すサンプルＡとサンプルＢとの比較により、熱膨張量は、サンプルＢがサンプルＡよりも小さいことが分かる。サンプルＢは、表１に示すように、高熱伝導部の体積比を表すＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が５１体積％であり、６７体積％のサンプルＡよりも小さい。言い換えれば、サンプルＢは、低熱膨張部の体積比がサンプルＡよりも大きい。これにより、放熱板材を構成する高熱伝導部と低熱膨張部との体積比を適切に設定することにより、低熱膨張部が奏する低熱膨張特性によって高熱伝導部が奏する高熱膨張特性が緩和されることが確認された。
　この発明では、放熱板材の平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の熱膨張特性の異方性を表す指標として、Ｘ方向の線膨張率をＹ方向の線膨張率で除した値（以下、この値を「ＡＩＳ」という。）を導入する。ＡＩＳが１に近いほど、線膨張率の平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の異方性が小さいことを意味する。表１に示すように、たとえば、サンプルＡのＡＩＳは約０．５５となり、サンプルＢのＡＩＳは約０．５９となる。この結果から、サンプルＡとサンプルＢとは、線膨張率の平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の異方性が略同等であることが分かる。同様にして、サンプルＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、ＧおよびＨのＡＩＳを求めたところ、表１に示すように、サンプルＣ～ＥのＡＩＳが０．８３～０．８６となり、サンプルＦ～ＧのＡＩＳが０．６３～０．６８となった。この結果から、サンプルＣとサンプルＤとサンプルＥの線膨張率の平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の異方性は略同等であり、サンプルＦとサンプルＧとサンプルＨの線膨張率の平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の異方性は略同等であることが分かった。また、芯材が３１本のサンプルＣ～Ｅは、芯材が１０本のサンプルＡ、Ｂおよび芯材が５５本のサンプルＦ～Ｈと比べて、ＡＩＳが１に近づくことが分かった。このように、ＡＩＳの導入により、放熱板材における異方性の評価が可能となった。
　上記より、放熱板材の熱膨張特性の異方性（ＡＩＳ）は、低熱膨張部を構成する芯材の本数、芯材を内包する複合線材の直径、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）で求まる高熱膨張部の体積割合の調整により緩和することができることが確認された。そして、特に、放熱板材の製造段階で、放熱板材の低熱膨張部を構成する芯材を内包する複合線材の直径を適切に調整することが好ましいことが判明した。
　次に、上記した製造方法により作製した放熱板材１０および２０の熱伝導率を求めた。熱伝導率を求めるために、まず、放熱板材１０および２０から切り出した、厚さ３ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ８ｍｍの試験体（サンプルＡ、Ｂ）を用いて、それぞれ、電気抵抗を測定した。サンプルＡの場合、電気抵抗の測定は、サンプルＡを中心層とする７層構造の被測定部を構成して行った。具体的には、サンプルＡのＺ方向の両面に電圧端子用の銅箔（厚さ０．０２ｍｍ）を接触配置し、それぞれの銅箔のサンプルＡとは反対側の表面に接触抵抗低減用の錫箔（厚さ０．１ｍｍ）を接触配置し、さらに、それぞれの錫箔のサンプルＡとは反対側の表面に電流端子用の銅板（厚さ０．２ｍｍ）を接触配置した。そして、この被測定部を積層方向から適切に加圧してサンプルＡ、銅箔、錫箔および銅板が相互に十分に密着する状態とした。この状態で、被測定部の銅板の間に５Ａの電流を印加し、２５℃における銅箔の間の電圧を測定した。なお、サンプルＢの場合も同様である。その結果、電気抵抗Ｒは、サンプルＡのＺ方向で約１．１６×１０－６Ω、サンプルＢのＺ方向で約１．５６×１０－６Ωとなった。
　続いて、電気抵抗率ρ（Ω・ｍ）を、Ｒ＝ρ・ｌ／Ｓにより求めた。なお、Ｒは電気抵抗（Ω）、ｌはサンプル厚さ（３ｍｍ）、Ｓはサンプル面積（８ｍｍ×８ｍｍ）である。そして、Ｗｉｅｄｅｍａｎｎ－Ｆｒａｎｔｚの法則（ρｋ＝ＬＴ）により、サンプルＡおよびサンプルＢのＸ方向の熱伝導率ｋ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を求めた。なお、ρは電気抵抗率（Ω・ｍ）、Ｌはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。その結果、サンプルＡは、Ｚ方向について、２５℃における電気抵抗率ρが約２．４７×１０－８Ω・ｍとなり、これにより熱伝導率ｋが約２７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）となった。また、サンプルＢは、Ｚ方向について、２５℃における電気抵抗率ρが約３．３３×１０－８Ω・ｍとなり、これにより熱伝導率ｋが約２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）となった。
　上記したサンプルＡおよびサンプルＢでは、Ｚ方向の熱伝導率が約２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）乃至約２７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）となった。これに対して、従来の放熱板材（高熱膨張材の体積比を６８体積％としたＣＩＣクラッド材の変形例）では、上記したように、Ｚ方向の熱伝導率が２２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。したがって、サンプルＡおよびサンプルＢのＺ方向の高熱伝導特性は、従来の放熱板材と同等またはそれ以上であることが確認された。また、上記したサンプルＡおよびサンプルＢでは、Ｘ方向の線膨張率が約５．４×１０－６（１／Ｋ）乃至約６．３×１０－６（１／Ｋ）となり、Ｙ方向の線膨張率が約９．１×１０－６（１／Ｋ）乃至約１１．４×１０－６（１／Ｋ）となった。これに対して、従来の放熱板材（高熱膨張材の体積比を６８体積％としたＣＩＣクラッド材の変形例）では、上記したように、平面方向（Ｘ方向および／またはＹ方向）の線膨張率が１１．９×１０－６（１／Ｋ）であった。したがって、サンプルＡおよびサンプルＢは、Ｘ方向の低熱膨張特性が従来の放熱板材の約１．９倍乃至約２．２倍に向上され、Ｙ方向の低熱膨張特性が従来の放熱板材の約１．０（略同等）乃至約１．３倍に向上されることが確認された。したがって、この発明に係る放熱板材は、相応の低熱膨張特性を有しながらも、平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と厚さ方向（Ｚ方向）との高熱伝導特性の異方性が緩和されることが判明した。
　なお、上記したサンプルＡおよびサンプルＢは、Ｘ方向とＹ方向との線膨張率に差があることから、平面方向の低熱膨張特性に異方性（ＡＩＳで約０．５５乃至約０．５９）が生じる。この点、上記したサンプルＡおよびサンプルＢは、従来の放熱板材との対比で、Ｘ方向の低熱膨張特性が十分に向上されている点が至極有意である。この観点から、平面方向の低熱膨張特性に上記した異方性があるとしても、相応の低熱膨張特性を有しながらも、平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と厚さ方向（Ｚ方向）との高熱伝導特性の異方性が緩和されているので、実用上、上記した半導体素子の放熱板として十分に適用可能な水準である。
＜図１～図３＞
　１０．放熱部材、１１．線材、１２．芯材
　２０．放熱板材、２１．線材、２２．芯材
　３０．放熱板材、３１．線材、３２．芯材
＜図４＞
　２．線材、２ａ．孔、３．芯材、３ａ．芯材、５．複合素線材
＜図５＞
　２ｐ．パイプ、２ｓ．中空線材、３ｓ．芯材、４ｓ．複合芯材、５ｓ．複合素線材
＜図６＞
　２ｃ．高熱伝導材部、３ｃ．低熱膨張材部、６ｓ．複合芯材
＜図７、図８＞
　４０Ｃ．放熱板材、４１．線材、４２．芯材
　５０Ｆ．放熱板材、５１．線材、５２．芯材

 

Claims (6)

  1. 　高熱伝導材からなる高熱伝導部と、低熱膨張材からなる複数の低熱膨張部と、により構成され、
    　前記複数の低熱膨張部は、それぞれ、前記高熱伝導部の長手方向に直線状に連続して配置されているとともに、前記高熱伝導部の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触に配置されている、放熱板材。
  2. 　前記高熱伝導部は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる、請求項１に記載の放熱板材。
  3. 　前記複数の低熱膨張部は、Ｆｅ－Ｎｉ系合金からなる、請求項１または２に記載の放熱板材。
  4. 　前記高熱伝導部の体積をＶ１とし、前記複数の低熱膨張部の体積をＶ２とするとき、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が３５体積％以上８０体積％以下を満たす、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放熱板材。
  5. 　高熱伝導材からなり、長手方向に複数の孔を有する線材と、低熱膨張材からなる複数の芯材と、を準備する工程と、
    　前記複数の芯材を前記線材の前記複数の孔のそれぞれを埋めるように挿入することにより、前記複数の芯材を、前記線材の長手方向に直線状に連続して配置するとともに、前記線材の長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、前記複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程と、
    　前記複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程と、を有する、放熱板材の製造方法。
  6. 　高熱伝導材からなるパイプと、高熱伝導材からなる複数の中空線材のそれぞれの中空部に、低熱膨張材からなる複数の芯材が挿入されてなる複数の複合芯材と、を準備する工程と、
    　前記複数の複合芯材を前記パイプの中空部を埋めるように挿入することにより、前記複数の芯材を、前記パイプの長手方向に直線状に連続して配置するとともに、前記パイプの長手方向、幅方向および厚さ方向において互いに非接触になるように配置することにより複合素線材を作製し、前記複合素線材を展伸加工することにより複合線材を得る複合化工程と、
    　前記複合線材を圧延して板状に成形する圧延工程と、を有する、放熱板材の製造方法。

     
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