JP2011119600A - 放熱板の製造方法及び放熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】厚さ方向の熱伝導性が高く、熱膨張係数が低く、なおかつ、厚手な放熱板を製造することが可能な放熱板の製造方法及び放熱板を提供する。
【解決手段】表面にディンプル２を有するディンプル板１と伝熱板１４とを積層して積層体１２を形成する工程と、積層体１２をロール巻き状に成形して成形体１３を形成する工程と、成形体１３を管１５内に挿入してビレット１６を形成すると共に、該ビレット１６を押出成型することにより、ディンプル２の中に伝熱板１４の一部を充填する工程とを備えた。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体素子を実装する半導体回路部材、特に、大電流を印加し高温になる半導体素子を実装する際の熱放散を目的とした基板、ヒートスプレッダ、ヒートシンク部材などの半導体回路部材として好適な放熱板の製造方法及び放熱板に関するものである。

半導体素子は、ＳｉやＳｉＣなどの低熱膨張材であり、例えば、Ｓｉの熱膨張係数（線膨張係数）は約４×１０^-6（１／Ｋ）である。一方、ヒートシンクやヒートスプレッダなどの半導体回路部材の材料として一般に用いられる純Ｃｕや純Ａｌの熱膨張係数（線膨張係数）は、約２０×１０^-6（１／Ｋ）である。よって、ヒートシンクやヒートスプレッダなどの半導体回路部材に純Ｃｕや純Ａｌを使用した場合、当該半導体回路部材に半導体素子（チップ材）を搭載すると、半導体素子と半導体回路部材間の線膨張差に基づく熱応力の発生により、半導体素子と半導体回路部材間のハンダやろう材による接合部分で剥離が発生することがある。

そこで、従来、これらの半導体回路部材に用いる放熱板には、熱膨張係数（線膨張係数）を整合させる目的で、焼結金属（Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗなど）、非特許文献１にて開示されるようなクラッド材（Ｃｕ−Ｉｎｖａｒ合金−Ｃｕ（以下、ＣＩＣ材という）など）、セラミックス（ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄など）が用いられてきた。ここに、Ｉｎｖａｒ合金とはＦｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金である。

最近では、半導体回路部材に用いる放熱板には、熱膨張係数（線膨張係数）の整合だけでなく、熱放散性を高める目的で優れた熱伝導性、そして軽量かつ低価格であることが求められている。

しかしながら、上述の低膨張の焼結金属では、熱伝導性、重量及び価格の問題があり、ＣＩＣ材などのクラッド材では、Ｉｎｖａｒ合金部分の断熱作用及び重量の問題、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄などのセラミックスでは、機械的靭性、熱伝導性及び価格の問題がそれぞれある。

このような問題点を改善したものとして、含浸材（Ａｌ−ＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ）や、焼結材（Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ（特許文献１）、Ａｌ−Ｉｎｖａｒ合金（特許文献２）、Ａｌ−Ａｌ₂Ｏ₃（特許文献３））などの金属基複合材料を用いた放熱板が提案されている。しかしながら、これら金属基複合材料は、一般に高価で加工性が悪いため、低コストで加工性のよい放熱板用材料が望まれる。

特許文献４には、銅、銅−タングステン又は銅−モリブデンで作られた金属板と、モリブデン又はタングステンの金属細線を編んだ金属網とを重ね合わせて一体化してなる放熱板が提案されている。しかし、この放熱板では、編んだ金属細線への銅の回り込みが悪く、良好な伝熱特性（熱伝導率）は得られないし、価格的にも高価な材料を使っているためコスト面でも問題がある。

他方、低コストなＣＩＣ材などのクラッド材を活用するため、その欠点である、厚さ方向の熱伝導性を改善した放熱板の提案が数多くなされている。

その一つとして、特許文献５では、穿孔したＩｎｖａｒ合金などの低熱膨張材を使用し、その上下を高熱伝導材などでＨＯＴプレス接合することが提案されている。しかし、特許文献５では低熱膨張材を穿孔することから、材料歩留面で十分とは言えないし、また、ＨＯＴプレスでは作業能率が悪く、高価なものとなってしまう問題がある。

また、特許文献６では、ＣＩＣ材をクラッド圧延する際の加工条件を調整することでＩｎｖａｒ合金の層を破り、断続的に上下のＣｕを接合することが提案されている。しかし、特許文献６では、Ｃｕ／Ｃｕ貫通率を上げ、厚さ方向の一定仕様の伝導率を改善確保することは難しい。

特許文献７では、Ｉｎｖａｒ合金からなるエキスパンドメタルを使用し、エキスパンドメタルを圧延で平滑に形成しておき、その上下に、Ｃｕ（あるいはＡｌ）を張り合わせ、エキスパンドメタルの孔部で、Ｃｕ（あるいはＡｌ）同士を接合し、厚さ方向の熱伝導性を改善した放熱板が提案されている。

しかし、エキスパンドメタル（ＪＩＳ−Ｇ３３５１ 「エキスパンドメタル Expanded Metals」参照）は、一般には、板厚に対し、孔サイズが１０〜１００倍と大きい網状の多孔板であり、エキスパンドメタルを放熱板に用いる場合、その開口率が問題となる。つまり、一般的なエキスパンドメタルの製造方法では、孔サイズが板厚の１０〜１００倍と大きい網状の多孔板であれば製造は可能であるが、板厚に対して孔サイズが小さい多孔板は製造するのが難しい。さらに、エキスパンドメタルの上下にＣｕ（あるいはＡｌ）を張り合わせてクラッド圧延する際に、エキスパンドメタルの孔サイズは２倍以上に大きくなることから、放熱板の特性上のばらつきが生じ問題が残る。

特開２００３−１７９１９１号公報 特開２０００−１８３２３４号公報 特開２００２−２０８６６０号公報 特開平６−７７３６５号公報 特開２００４−１５２９７０号公報 特開平５−３８６号公報 特許第４０６２９９４号公報 特公平７−０２６１７４号公報

「半導体基板用クラッド材（熱対策用途）：Hitachi Cable 日立電線」、［ｏｎｌｉｎｅ］、日立電線株式会社、［平成２１年１１月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.hitachi-cable.co.jp/products/copper/clad/semi/index.html＞

以上に記した通り、熱放散を目的とした半導体回路部材としての放熱板については、非常に多くの提案がなされているが、これら従来の放熱板は、結果的に高価なものであり、また、安価にしたＣＩＣ材などについては熱伝導率に異方性があり、さらに改善が要求され、工業的に使うには、もう一工夫必要である。

また、エキスパンドメタルを用い、クラッド圧延法によりＣＩＣ材の特性を改善する特許文献７においては、熱伝導率の異方性を改善すべく微細な孔サイズのＩｎｖａｒ合金からなるエキスパンドメタル（微細多孔板）を製造しようとすると、エキスパンドメタルの板厚を薄くせざるを得ず、結果的に、薄い放熱板（０．２〜０．５ｍｍ厚）しか製造できない。なお、放熱板をヒートシンク材として用いる場合、実用的には、２〜４ｍｍ程度の厚さが望まれる。

また、製造方法の側面においては、エキスパンドメタルを使用した多層クラッド材を製造するとしても、個々のロールから板材を送り出し、これらを積層して冷間圧延により連続的に製造する装置を使用することになるものと想定されるが、この場合にも製造できる板材の積層数には限界があった。

よって、熱放散を目的とした半導体回路部材としての放熱板においては、熱膨張率が低いことはもちろん、熱伝導性に異方性がなく（すなわち厚さ方向の熱伝導率が高く）、かつ、ヒートシンク材などとして十分使用可能な厚さを有し、さらには安価な放熱板が望まれている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、厚さ方向の熱伝導性が高く、熱膨張係数が低く、なおかつ、厚手な放熱板を製造することが可能な放熱板の製造方法及び放熱板を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、表面にディンプルを有するディンプル板と伝熱板とを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体をロール巻き状に成形して成形体を形成する工程と、前記成形体を管内に挿入してビレットを形成すると共に、該ビレットを押出成型することにより、前記ディンプルの中に伝熱板の一部を充填する工程と、を備えた放熱板の製造方法である。

前記ビレットは、前記成形体を前記管内に挿入した後、該管の前後端を閉じて形成されてもよい。

また、本発明は、表面にディンプルを有するディンプル板と伝熱板とを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を筐体内に収容してインゴットを形成し、該インゴットを圧延加工することにより、前記ディンプルの中に伝熱板の一部を充填する工程と、を備えた放熱板の製造方法である。

前記ディンプル板は、裏面にディンプルをさらに有するとよい。

前記積層体は、複数の前記ディンプル板と複数の前記伝熱板とを交互に積層して形成されるとよい。

前記ディンプルの少なくとも一部に、前記ディンプル板を貫通する空孔を形成し、該空孔を挟む上下の前記伝熱板を前記空孔を介して接合するようにしてもよい。

前記ディンプル板は、前記伝熱板より小さい熱膨張係数を有する材料からなり、前記伝熱板は、前記ディンプル板より高い熱伝導率を有する材料からなるとよい。

前記管は、前記ディンプル板より高い熱伝導率を有する材料からなるとよい。

前記筐体は、前記ディンプル板より高い熱伝導率を有する材料からなるとよい。

さらに、本発明は、表面にディンプルを有するディンプル板と、前記表面に接合し、前記ディンプル内を充填する伝熱板とを備えた放熱板であって、厚さが１ｍｍ以上、厚さ方向の熱伝導率が１５０（Ｗ／℃・ｍ）以上であり、かつ、板面方向の熱膨張係数が１２×１０^-6（１／Ｋ）以下である放熱板である。

本発明の放熱板の製造方法によれば、冷間による多層クラッド材の圧延方法に比べて、製造できる板材の積層数を多くすることができるため、結果として比較的肉厚であり、厚さ方向の熱伝導性が高く、板面方向の熱膨張係数が低い放熱板を製造することができる。

本発明の放熱板によれば、所望の板面方向の熱膨張特性及び厚さ方向の熱伝導性を両立することができることから、大電流を印加する用途に使用される半導体素子を実装したとしても、良好な放熱特性および熱膨張特性を発揮することができる。

本発明の一実施の形態に係る放熱板に用いるディンプル板の斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る放熱板に用いるディンプル板の断面図であり、（ａ）は片面ディンプル板、（ｂ）は両面ディンプル板、（ｃ）は片面ディンプル孔付ディンプル板、（ｄ）は両面ディンプル孔付ディンプル板の断面図である。 図２（ｄ）のディンプル板の外観を示す写真である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明において、ディンプル板１の製造方法を説明する図である。 本発明において、ビレットを製造する際の斜視図である。 本発明において、ビレットを押出し加工する際の断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明において、放熱板の押出し後の断面形状を示す図である。 本発明において、熱伝導率λと熱膨張係数ρの関係を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る放熱板に用いるインゴットを示す斜視図である。 図９のインゴットを圧延加工する際の断面図である。 図９のインゴットの圧延加工後の断面図である。 本発明の実施例、比較例における熱膨張係数と熱伝導率を比較したグラフ図である。 図８の熱伝導率λと熱膨張係数ρの関係図内における実施例と比較例の位置を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、本実施の形態に係る放熱板に用いるディンプル板について図１〜３を用いて説明する。

図１に示すように、ディンプル板１は、凹状の複数のディンプル（凹み）２を有して形成される。

ディンプル板１は、後述する伝熱板を構成する材料の熱膨張係数より小さい熱膨張係数（線膨張係数）を有する材料、すなわち低熱膨張材から形成される。具体的には、ディンプル板１は、Ｉｎｖａｒ合金（インバー合金）から形成され、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ、Ｆｅ−３６．５ｍａｓｓ％Ｎｉ、Ｆｅ−３２ｍａｓｓ％Ｎｉ−５ｍａｓｓ％Ｃｏからなるスーパーインバー（Ｓｕｐｅｒ Ｉｎｖａｒ）材、Ｆｅ−５４ｍａｓｓ％Ｃｏ−９．５ｍａｓｓ％Ｃｒ等を用いることができる。

ディンプル２は当該ディンプル２が形成されているディンプル板１の板厚よりも、薄い肉厚を有して形成される。ディンプル板１では、ディンプル２が形成されている部分が薄肉な薄肉部となっている。なお、ディンプル板１としては、ディンプル板１の板厚よりも薄い厚さの複数の薄肉部を有すると共に、薄肉部のピッチが所定のピッチ以下であればよく、ディンプル２の形状は、凹状（すなわち、ディンプル板１を貫通する孔を有さない状態）、孔状（すなわち、ディンプル板１を貫通する孔を有する形態）等に限られない。

ディンプル板１の形態には、以下のような形態を挙げることができる。

図２（ａ）に示すディンプル板１ａは、表面Ｓに複数のディンプル２を有しており、裏面Ｒは略平面である。すなわち、ディンプル板１ａは、一方の面にのみ凹状の複数のディンプル２を有する（以下、図２（ａ）のようなディンプル板１ａを「片面ディンプル板１ａ」ということがある）。

図２（ｂ）に示すディンプル板１ｂは、表面Ｓに複数のディンプル２を有すると共に、裏面Ｒにも複数のディンプル２を有する。ただし、表面Ｓに形成されるディンプル２ａと裏面Ｒに形成されるディンプル２ｂとはディンプル板１ｂを構成する材料により隔離されている。すなわち、ディンプル板１ｂにおいてディンプル２ａとディンプル２ｂとは、各々隔たれた状態に保たれる（以下、図２（ｂ）のようなディンプル板１ｂを「両面ディンプル板１ｂ」ということがある）。なお、図１では、この両面ディンプル板１ｂを示している。

また、図２（ｃ）に示すディンプル板１ｃは、表面Ｓに複数のディンプル２を有すると共に、各ディンプル２の底部に空孔３を有する。すなわち、ディンプル板１ｃにおいて各ディンプル２は、ディンプル板１ｃの断面を観察した場合に、表面Ｓから裏面Ｒに向けて徐々に開口の幅が狭まるように形成され、表面Ｓにおける開口幅より狭い幅の開口が裏面Ｒに形成される（以下、図２（ｃ）のようなディンプル板１ｃを「片面ディンプル孔付ディンプル板１ｃ」ということがある）。

さらに、図２（ｄ）に示すディンプル板１ｄは、表面Ｓに複数のディンプル２を有すると共に、裏面Ｒにも複数のディンプル２を有する。さらに、ディンプル板１ｄにおいては、表面Ｓに設けられるディンプル２ａと裏面Ｒに設けられるディンプル２ｂとが、それぞれの底部近傍において空孔３を介して接続されている。すなわち、ディンプル２ａとディンプル２ｂとは、ディンプル板１ｄを貫通する空孔３を介して接続されている（以下、図２（ｄ）のようなディンプル板１ｄを「両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄ」ということがある）。なお、ディンプル板１のディンプル２に空孔３を設ける場合、当該空孔３は、平面視にて、ディンプル２がディンプル板１の表面に占める面積の半分以下の面積を占めることが好ましい。

図３は、ディンプル板１（両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄ）の外観を示す写真である。図３に示すように、ディンプル板１のディンプル２の平面視における形状（以下、単に「ディンプル板面形状」という）は、略三角形状である。ディンプル板面形状としては、三角形状に限られず、円形、楕円形等の円弧を有する形状、四角形、六角形、八角形などの多角形状等の形状にすることもできる。なお、ディンプル板面形状は、製造の容易さの観点からは三角形状にすることが好ましい。

また、例えば、上述した片面ディンプル板１ａにおいては、複数のディンプル２の全てが、ディンプル板１ａの表面から所定の深さを有する凹状に形成されるが、複数のディンプル２のうち一部のディンプル２に片面ディンプル板１ａを貫通する開口（空孔３）を形成することもできる。両面ディンプル板１ｂにおいても同様である。

また、ディンプル板１では、放熱板の放熱特性を確保することを目的として、ディンプル板１の表面におけるディンプル２の占める割合、すなわちディンプル板１の表面積に対してディンプル２が形成されている領域の面積の割合（以下、「ディンプル占有率」ということがある）は、例えば、２０％以上８０％以下の範囲内、もしくは３０％以下にすることが好ましい。

ところで、例えば、放熱板に大きさが数ｍｍ程度の半導体素子を搭載する場合に、ディンプル２（あるいは空孔３）のピッチが所定値以上の場合を想定すると、半導体素子の放熱板への搭載場所によっては、半導体素子で発生した熱を適切に放熱することができない場合がある。つまり、ディンプル２（あるいは空孔３）のピッチはある程度微細でないと、放熱板の厚さ方向の熱伝導率が悪化してしまう。したがって、本実施の形態においては、放熱板の厚さ方向における伝熱特性を放熱板の部分によらず略同一に維持することを目的として、複数のディンプル２（あるいは空孔３）はそれぞれ、長手方向及び幅方向において、例えば、１ｍｍ以下のピッチ、好ましくは０．７ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下のピッチであって、ピッチが略均一となるように形成される。特に、放熱板におけるＩｎｖａｒ合金の比率を高めるためにも、ディンプル２（あるいは空孔３）の幅方向のピッチは０．５ｍｍ以下に形成されることが望ましい。

ここで、ディンプル板１の製造方法について図４を用いて説明する。ここでは、一例として、両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄ（図２（ｄ）参照）を製造する場合を説明する。

ディンプル板１を製造する際には、複数層の網目を一度に成形可能な多段打ちによる成形法を用いることが望ましい。

この成形法では、まず、図４（ａ）に示すように、図示しない素材送りローラーにより素材となる平板５を切断装置４の上下の積層刃６，７間に送り込む。積層刃６，７は、波目形状（凹凸波形状）の刃を有する複数（図４では５枚）の薄肉波刃６ａ〜６ｅ，７ａ〜７ｅを、その波目形状が所定ピッチ（１／５〜１／２ピッチ）ずつずれるように平板５の送込み方向に積層したものである。各薄肉波刃６ａ〜６ｅ，７ａ〜７ｅは、それぞれ個別に上下動できるようにされている。

その後、図４（ｂ）に示すように、切断装置４を動作させ、テーパパンチ８を傾斜面方向（平板５が多段ガイドパンチ９に押し付けられる方向）に移動する。すると、テーパパンチ８に押されて、積層刃６全体及び平板５が下方に移動する。対向する下方の積層刃７も下方に移動するが、第１段目の薄肉波刃７ａのみが、下方の多段ガイドパンチ９で支持されているために、移動できず、薄肉波刃７ａの波目形状の凸部が平板５に押込まれ、ディンプル２と空孔３とが形成される。

より具体的には、第１段目の薄肉波刃７ａを押込むと、第１段目の薄肉波刃７ａと対向する上方の第１段目の薄肉波刃６ａ間で平板５は曲げ変形を受け、波目状に成形されてディンプル２が形成される。また、第１段目の薄肉波刃７ａと第２段目の薄肉波刃６ｂとは刃幅方向（紙面方向）に所定ピッチずれて配置されているため、第１段目の薄肉波刃７ａと第２段目の薄肉波刃６ｂ間では、刃幅方向１ピッチ毎の突起エッジ部（波目形状の凸部）にてせん断切込みがなされて空孔３が形成される。

さらに、テーパパンチ８が傾斜面を移動し、第２段目負荷になると、図４（ｃ）に示すように、上方の第１段目の薄肉波刃６ａのみは、テーパパンチ８の水平部から外れ、その他の薄肉波刃６ｂ〜６ｅは、テーパパンチ８の水平部に接触して、下方に移動し、平板５も下方に移動する。一方、下方の第１段目の薄肉波刃７ａ及び第２段目の薄肉波刃７ｂは、多段ガイドパンチ９に支持され、平板５に押込まれる。このとき、平板５は、テーパパンチ８と多段ガイドパンチ９間の加圧で、第２段目の薄肉波刃６ｂ、７ｂ間で、曲げ変形を受け波目状に成形されてディンプル２が形成され、第２段目の薄肉波刃７ｂと第３段目の薄肉波刃６ｃ間で、刃幅方向１ピッチ毎の突起エッジ部（波目形状の凸部）にてせん断切込みがなされて空孔３が形成される。

さらに、テーパパンチ８が傾斜面を移動すると、図４（ｄ）に示すように、上述の第２段目と同様に第３〜５段目の成形がなされ、１ストローク分の成形加工が終了する。図４（ｄ）の状態では、テーパパンチ８の傾斜部の傾きに合わせて薄肉波刃６ａ〜６ｅの段差が生じており、また、下方の薄肉波刃７ａ〜７ｅの段差は多段ガイドパンチ９の形状により、テーパパンチ８と同じ傾きに決められる。なお、下方に配置された薄肉波刃７ａ〜７ｅは、側面にスプリング支持がなされており、一定負荷で、積層刃７の各薄肉波刃７ａ〜７ｅで平板５を押さえつつ、平板５の成形が行われる。これにより、上下の薄肉波刃６ａ〜６ｅ，７ａ〜７ｅに合わせた複数層（ここでは５層）のディンプル２と空孔３が形成されたディンプル板１が得られる。

第１ストロークの成形が終了した後、除荷・開放を行い、平板５を１ストローク分送込んだ後、同様にして第２ストロークの成形を行う。これを繰返すことで、無限長さのディンプル板１が得られる。

なお、空孔３を形成しない両面ディンプル板１ｂ（図２（ｂ）参照）を成形する際には、平板５がせん断されてしまわない程度に、積層刃６，７の薄肉波刃６ａ〜６ｅ，７ａ〜７ｅにギャップ（間隔）を設けるようにすればよい。また、片面ディンプル板１ａ（図２（ａ）参照）、片面ディンプル孔付ディンプル板１ｃ（図２（ｃ）参照）のような一方の面のみにディンプル２を形成する場合は、積層刃６、７のうち一方を波刃でなく平刃で形成するとよい。

次に、本実施の形態に係る放熱板の製造方法について図５，６を用いて説明する。

本実施の形態に係る放熱板の製造方法は、ディンプル板１と伝熱板とを積層して積層体を形成する工程と、積層体をロール巻き状に成形して成形体を形成する工程と、成形体を管内に挿入してビレット（複合ビレット）を形成すると共に、該ビレットを押出成型することにより、ディンプル２の中に伝熱板の一部を充填する工程とを備えている。

以下、各工程について詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、ディンプル板１として両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄ（図２（ｄ）参照）を用いる場合を説明する。

本実施の形態に係る放熱板の製造方法では、まず、複数のディンプル板１（両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄ）と、ディンプル板１の表面Ｓ及び裏面Ｒに接合させる伝熱板とを準備する。具体的には、ディンプル２が形成された長尺状のディンプル板１を巻いたディンプル板コイルを複数用意し、長尺状の伝熱板を巻いた伝熱板コイルを複数用意する。

伝熱板は、ディンプル板１を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料からなる。伝熱板としては、例えば、銅もしくは銅合金、または、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるものを用いることができる。また、後述する高熱伝導コアおよび管についても伝熱板と同様の材料を使用することができる。本実施の形態では、伝熱板、高熱伝導コア、および管を、銅で形成する場合を説明する。

その後、複数のディンプル板コイルから引き出される複数のディンプル板１が、複数の伝熱板コイルから引き出される複数の伝熱板の間に位置するように、すなわち、複数のディンプル板１と複数の伝熱板とが交互に積層するようにディンプル板コイルと伝熱板コイルとを配置し、各コイルからディンプル板１と伝熱板とを引き出す。これにより、ディンプル板１と伝熱板とを積層した積層体が形成される。

積層体を形成した後、図５に示すように、高熱伝導コア１１を中心として積層体１２を巻回してロール巻き状の成形体１３を形成する。なお、図５において、１４は伝熱板である。

その後、ロール巻き状の成形体１３を円筒状の管（円管）１５に挿入充填し、管１５の開口部である前後端を図示しない封止材（銅プラグなど）により封止する。なお、ディンプル板１と伝熱板１４の接合界面は、十分に清浄化しておくことが好ましい。これにより、押出し用のビレット（複合ビレット）１６が形成される。

ビレット１６を形成した後、図６に示すように、ビレット１６を静水圧押出しによりダイス２１から押出すと、放熱板１００が得られる。放熱板１００では、押出し加工により、ディンプル板１の表裏面に伝熱板１４が接合され、さらに、伝熱板１４を構成する材料がディンプル２内に流入してディンプル２内の表面に接合されている。また、放熱板１００では、表面Ｓ側のディンプル２ａに流入した伝熱板１４を構成する材料と、裏面Ｒ側のディンプル２ｂに流入した伝熱板１４を構成する材料とが空孔３を介して互いに接合され、伝熱板１４同士が、空孔３を介して互いに接合されている。このように、ディンプル板１として両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄ（図２（ｄ）参照）を用いることで、表面Ｓ側のディンプル２ａ、裏面Ｒ側のディンプル２ｂいずれにも、伝熱板１４を構成する材料が充填されることになるため、ディンプル２と伝熱板１４との接合面積を増加させ接合強度を強くすることができる。なお、ディンプル板１として両面ディンプル板１ｂ（図２（ｂ）参照）を用いても同様の効果が得られる。

静水圧押出しによる押出成型は、５００〜７００℃の温間あるいは熱間状態で行うとよく、これにより、複合界面（ディンプル板１と伝熱板１４の接合界面）の接合状態は最適となり、良好な熱伝導、熱膨張特性を示すこととなる。なお、押出し方法は、静水圧押出しに限らず、潤滑押出しとしてもよい。

以上により放熱板１００が得られる。放熱板１００の押出し後の断面形状は特に限定されないが、例えば、図７（ａ）に示すような平板状（断面矩形状）、あるいは、図７（ｂ）に示すように、平板１０１からフィン１０２が突出したフィン付形状とすることができる。押出成形された放熱板１００は、厚さ１ｍｍ以上の肉厚を有しており、例えば、放冷特性の良好な低熱膨張高熱伝導のヒートシンク材として用いることができる。なお、図７（ａ），（ｂ）では、図の簡略化のため、ディンプル板１、高熱伝導コア１１、伝熱板１４、管１５を省略し断面形状のみを示している。

以上説明したように、本実施の形態に係る放熱板の製造方法では、表面にディンプル２を有するディンプル板１と伝熱板１４とを積層して積層体１２を形成する工程と、積層体１２をロール巻き状に成形して成形体１３を形成する工程と、成形体１３を管１５内に挿入してビレット１６を形成すると共に、該ビレット１６を押出成型することにより、ディンプル２の中に伝熱板１４の一部を充填する工程とを備えている。

つまり、本実施の形態に係る放熱板の製造方法では、低熱膨張のディンプル板１と高熱伝導の伝熱板１４とを多積層状に配置し、強加工（ここでは押出し加工）を施し接合して多複合構造の放熱板１００を形成している。

従来のＣＩＣ材といったＩｎｖａｒ複合材構成の放熱板を製造する際に問題となるのは、半導体素子が数ｍｍ程度の小さなものであるため、放熱板としても微小な均一性が要求され、Ｉｎｖａｒ複合材構成も、サブミリオーダーの微細化（微細多孔化または微細凹凸化）が要求され、それを安価に製造する必要があるという点である。

しかしながら、従来のエキスパンドメタルを使用したＣＩＣ材からなる放熱板では、上述のように、サブミリオーダーの微細化を図ると、エキスパンドメタルの板厚を薄くしなければならず、例えば、大電流を印加し使用時に高温になる半導体素子を実装する際の熱放散性を目的とした放熱板として好適な１ｍｍ以上の厚さの放熱板を製造する事ができない。

本発明では、ディンプル板１と伝熱板１４とを多層化して多複合構造の放熱板１００を形成しているため、放熱板１００におけるディンプル板１（Ｉｎｖａｒ合金）の比率を維持して、放熱板１００全体での熱膨張係数を低く保つことが可能になる。また、本発明では、ディンプル板１と伝熱板１４とを多層化するため、ヒートシンク材などとして十分使用可能な１ｍｍ以上の厚さを有する放熱板１００を容易に実現できる。

さらには、本発明では、図４で説明した多段打ちによる成形法によりディンプル板１を成形しているため、ディンプル板１の板厚を薄くすることなく微細多孔化または微細凹凸化が可能となり、このディンプル板１を用いて放熱板１００を製造することで、熱伝導性に異方性がない（厚さ方向の熱伝導率が高い）放熱板１００を低コストに実現できる。

つまり、本発明によれば、ヒートシンク材などとして十分使用可能な程度に厚肉で、かつ、熱膨張、熱伝導、機械的特性の点で均質な放熱板１００が製造可能となり、その結果、１ｍｍ以上の板厚において、厚さ方向の熱伝導率が１５０（Ｗ／℃・ｍ）以上であり、かつ、熱膨張係数が１２×１０^-6（１／Ｋ）以下である、これまでにない放熱板１００を実現することが可能となる。

本発明の放熱板１００によれば、所望の熱膨張特性および厚さ方向の熱伝導性を両立できることから、大電流を印加し使用時に高温になる小型な半導体素子を実装したとしても、熱放散性に優れると同時に、半導体素子との間の線膨張差に基づく熱応力を緩和することができるという効果を発揮することができる。

なお、本実施の形態では、図４で説明した多段打ちによる成形法により、板厚を薄くすることなく微細多孔化または微細凹凸化したディンプル板１を用いているが、ディンプル板１の成形法はこれに限らず、微細多孔化または微細凹凸化が可能であり、かつ、ある程度の板厚が確保できる成形法であればどのような成型法を用いてもよい。当該成型法において、もし、ディンプル板１の板厚が小さく薄肉になってしまう場合であっても、その薄肉なディンプル板１と、薄肉に形成した伝熱板とを交互に、例えば、数十層と多数積層することによって、放熱板１００におけるディンプル板１（Ｉｎｖａｒ合金）の比率を維持し熱膨張係数を低く保ちつつ、厚肉な放熱板１００を得ることが可能である。ただし、ディンプル板１として市販のエキスパンドメタルを用いることはできない。これは、エキスパンドメタルは、本質的に、板厚に対し孔ピッチが大きく、開孔率の大きいものであるため、多層化しても結果的にＩｎｖａｒ比率が小さくなってしまい、放熱板全体での熱膨張係数も大きくなってしまうためである。

ここで、本発明の放熱板１００における熱伝導率と熱膨張係数について検討する。

一般に、ＣＩＣ材などのＩｎｖａｒ複合材の熱伝導率と熱膨張係数は、構成材の特性値から計算することが可能である。

まず、コア（Ｉｎｖａｒ合金の層）が多孔質でない単層のＣＩＣ材の場合、板面方向の熱伝導率λは下式（１）、板厚方向の熱伝導率λ_mは下式（２）で表される。
λ＝λ₁・ｆ₁＋λ₂・ｆ₂ ・・・（１）
λ_m＝（λ₁・λ₂・（Л₁＋Л₂））／（λ₁・Л₂＋λ₂・Л₁） ・・・（２）
但し、λ₁：Ｉｎｖａｒ合金の熱伝導率
λ₂：Ｃｕの熱伝導率
ｆ₁：Ｉｎｖａｒ合金の断面比率
ｆ₂：Ｃｕの断面比率
Л₁：Ｉｎｖａｒ多孔板部の厚さ
Л₂／２：表面Ｃｕ層厚さ

本発明の放熱板１００では、ディンプル板１として両面ディンプル孔付ディンプル板１ｄを用いており、Ｉｎｖａｒ合金からなるディンプル板１が層状に配置されると共に、Ｃｕからなる伝熱板１４がディンプル板１の空孔３を介して接合されていることから、Ｉｎｖａｒ合金とＣｕとが均質に分散された構造となっている。そのため、放熱板１００の熱伝導率は、板面方向および板厚方向ともに、（１）式で表されることになる。

熱膨張係数（熱膨張率）については、板面方向が問題となるが、ヤング率はＩｎｖａｒ合金が１４２ＧＰａ、Ｃｕが１３６ＧＰａと近いことから加重平均値に近付き、ＣＩＣ材（単層クラッド）、ディンプル板１と伝熱板１４を多層に配置した放熱板１００ともに、下式（３）で表される。
ρ＝ρ₁・ｆ₁＋ρ₂・ｆ₂ ・・・（３）
但し、ρ₁：Ｉｎｖａｒ合金の熱膨張係数
ρ₂：Ｃｕの熱膨張係数

以上の関係式（１）〜（３）に基づき、放熱板１００およびＣＩＣ材の熱伝導率λと、熱膨張係数ρとの関係式を計算した結果を、図８に示す。

図８に示すように、横軸の熱膨張係数ρは、ほぼ、Ｉｎｖａｒ合金の断面構成比率と対応しており、縦軸の熱伝導率λが、Ｉｎｖａｒ合金の断面構成比率により、大きく変化していることがわかる。ＣＩＣ材の場合、板面方向の熱伝導率λは、（１）式で表され、図８に実線で示すようにＩｎｖａｒ合金の断面構成比率に対応した直線変化であるが、板厚方向の熱伝導率λ_mは、図８に破線で示すように、Ｉｎｖａｒ合金の断面構成比率によらず、Ｉｎｖａｒ合金の熱伝導率λ₁に近い低い値になってしまう。これが、ＣＩＣ材の問題点である。

本発明の放熱板１００の場合、板面方向の熱伝導率および板厚方向の熱伝導率とも（１）式が成り立ち、図８に実線で示すようにＩｎｖａｒ合金の断面構成比率に対応した直線変化となるため、ＣＩＣ材と比較して、板厚方向の熱伝導率が大幅に改善することが分かる。具体的には、放熱板１００によれば、板厚方向の熱伝導率は、ＣＩＣ材と比較して１桁程度改善される。ＣＩＣ材の欠点はこの点に集中していることから、ＣＩＣ材の欠点を改善した放熱板１００が応用できる範囲は、格段と増加するものと考えられる。

また、本発明の放熱板１００は、Ｉｎｖａｒ合金と銅（あるいはアルミニウム）から形成されているため、従来用いられているＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ等と比較すると安価であり、経済性のメリットが大きい。

放熱板１００の用途については、従来のパワーモジュール等の応用に使えると共に、さらに、低膨張、放熱性を要求する安価な用途への提供が期待できる。また、サイズ的に大きな放熱板１００を製造可能であることから、特に、ハイパワーな用途に適用することができる。

本発明の他の実施の形態を説明する。

上記実施の形態では、放熱板１００の多積層化の際の強加工を施す方法として、押出し加工を用いる場合を説明したが、これに限らず、強加工を施す方法として、圧延加工を用いるようにしてもよい。

圧延加工を用いる場合、押出し加工におけるビレット１６の代わりに、図９に示すように、まず、ディンプル板１と伝熱板１４とを積層して積層体１２を形成し、形成した積層体１２を筐体（ケース）２２内に収容してインゴット（複合インゴット）２３を形成する。

筐体２２としては、伝熱板１４と同様に、銅もしくは銅合金、または、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる高熱伝導材を用いるとよい。筐体２２の形状については特に限定されないが、インゴット２３を圧延加工しやすいように、矩形管状のものを用い、その前後端を図示しない封止材（Ｃｕキャップなど）で封止するようにすればよい。

その後、図１０に示すように、所定間隔で配置された２つの圧延ロール２４間にインゴット２３を送り込み、両圧延ロール２４でインゴット２３を温熱間圧延加工することにより、ディンプル２の中に伝熱板１４の一部を充填する。圧延加工を行う際は、４００〜７００℃の温熱間の温度領域とすればよい。以上により、図１１に示すように、断面矩形状に成形された多複合構造の放熱板１００が得られる。

なお、押出し加工及び圧延加工ともに、材料の均質性を上げるためには、ディンプル板１のディンプル２（あるいは空孔３）を微細に形成する必要があるが、厚さ方向の熱伝導特性を向上させる目的では、幅方向の微細化のみを達成すればよく、ディンプル２（あるいは空孔３）の幅方向ピッチを０．５ｍｍ以下とすればよい。本発明の押出し法および圧延法では、ＣＩＣ材（単層クラッド）と比較すると、製品である放熱板１００が完成するまでのトータル加工度は大きくなる可能性が大きく、長手方向のディンプル２（あるいは空孔３）のピッチは大きくなる傾向にあるが、上述のように、この点は問題となることではなく、変わりない厚さ方向の熱伝導特性が約束される。

上記実施の形態では、伝熱板１４、高熱伝導コア１１、管１５を同じ材料（銅）で構成したが、互いに異なるようにしてもよい。例えば、上記実施の形態では、管１５を銅で形成したが、管１５をアルミニウムで形成することで、ハイフィン付の矩形断面の放熱板１００を製造することができ、この放熱板１００は、空冷向けの高熱伝導放冷材として好適に用いることができる。また、管１５を銅で形成すると共に、伝熱板１４と高熱伝導コア１１とをアルミニウムで形成することで、安価で、特に、高Ｉｎｖａｒ比の低熱膨張な放熱板１００を製造可能となる。これは、押出し法、圧延法の両者に適用可能である。

（実施例１）
本発明の実施にあたっては、Ｉｎｖａｒ合金としてＦｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉを用い、図１のディンプル板１（両面ディンプル板１ｂ）とした。

具体的には、ディンプル板１としては、板厚０．２２ｍｍ、幅５０ｍｍのものを用い、４５度方向のディンプル２のピッチを０．５ｍｍとし、幅方向のピッチを０．３５ｍｍとした。ディンプル板１は、上下面からくぼみ（ディンプル２）を入れた凹凸板で、底肉厚が薄いことを特徴としており、そこに１０％程度の貫通孔を有するものもある。

ディンプル板１と０．２ｍｍあるいは０．１５ｍｍ厚のＣｕ板からなる伝熱板１４とを重ね、巻き込み、図５に示すように、外径φ６０．５ｍｍのロール巻き状の成形体１３を形成し、それをφ６５ｍｍ／φ６１ｍｍの銅からなる管１５に挿入し、前後端を封止材（銅プラグ）でシールして押出し用のビレット１６を製作した。

素材に用いたＩｎｖａｒ合金からなるディンプル板１およびＣｕ板からなる伝熱板１４は、洗浄及び光輝焼鈍し、清浄な表面状態とした。

かかるビレット１６を、図６に示すように、静水圧押出装置により、６００℃の温度で押出し成形した。静水圧押出しにより、長手方向に変化のない均一な放熱板１００が得られる。押出し形状としては、図７（ａ）に示す矩形断面材（５０ｍｍ×３ｍｍ）として、所要寸法の多層積層の放熱板１００とした。この押出しでの高温、高リダクションの加工により、Ｉｎｖａｒ合金（ディンプル板１）／Ｃｕ（伝熱板１４）の界面は良好に接合すると共に、空孔３を通しあるいはディンプル２の薄肉部を介して、上下の伝熱板１４は接合され、放熱板１００の板厚方向の熱伝導性も良好となる。また、幅方向には、若干縮小（６５ｍｍから５０ｍｍ）することから、幅方向の凹凸孔ピッチも、初期の０．３５ｍｍよりさらに減少し、熱伝導及び熱膨張係数特性の均一性は改善する。

（実施例２）
放熱板１００の製造方法としては、押出し法に限らず、圧延による製造法もある。

図９に、圧延用の多孔ディンプルＩｎｖａｒ／Ｃｕの多層複合のインゴット２３を示す。０．４ｍｍ厚の高熱伝導Ｃｕケースからなる筐体２２を準備し、幅５０ｍｍ長さ１００ｍｍ厚さ０．２２ｍｍのディンプル板１（両面ディンプル板１ｂ）、及び同サイズのＣｕ板からなる伝熱板１４を交互に１０層重ね、Ｃｕキャップを重ねて周囲をシールし、圧延用のインゴット２３を形成した。

素材に用いたディンプル板１および伝熱板１４の凹凸孔形状、前処理は、実施例１と同様にした。

その後、図１０に示すように、インゴット２３の圧延加工を行った。温度は４００℃で、４０％のリダクションで接合圧延を行い、その後冷間圧延により、３ｍｍ厚の断面矩形状の放熱板１００を形成した。

実施例２の圧延法の場合も、高温・高圧化で、Ｉｎｖａｒ合金（ディンプル板１）／Ｃｕ（伝熱板１４）の界面は、良好に接合すると共に、空孔３を通しあるいはディンプル２の薄肉部を介して、上下の伝熱板１４は接合され、放熱板１００の板厚方向の熱伝導性も良好となる。また、圧延法では、幅方向には寸法は変化せず、幅方向のディンプル２（空孔３）のピッチも、初期の０．３５ｍｍのままであった。ディンプル２（空孔３）のピッチは、長手方向には大きく伸びることになるが、多層化していることで、熱伝導及び熱膨張係数特性の均一性は、良好となる。

厚めの３ｍｍ板材を作ることを目的に、上述のようにして製作した本発明の押出し法（実施例１−１、１−２）および圧延法（実施例２）による放熱板１００の構成寸法および性能の測定結果を他製造例（比較例１〜３）と比較し、表１に示す。なお、図１２には、表１の伝熱特性（熱伝導率）、熱膨張係数を比較して示す。さらに、図１３には、図８の熱伝導率λと熱膨張係数ρの関係図内における実施例と比較例の位置を示す。

実施例１−１、１−２は、Ｃｕ層厚（伝熱板１４の厚さ）を変えた押出し法による微細多孔ディンプルＩｎｖａｒ／Ｃｕの多層複合材からなる放熱板１００のデータであり、熱膨張係数ρもＣｕ材の１．７×１０^-5（１／Ｋ）より大きく下がり、厚さ方向の熱伝導率λもＩｎｖａｒ材の９．４（Ｗ／℃・ｍ）より大幅に高い特性が得られている。実施例２は、圧延法による放熱板１００の例であるが、ディンプル２形状が同じ押出法の実施例１−２とほぼ同じ特性となっている。

また、比較例２，３の従来のＣＩＣ材（Ｃｕ／Ｉｎｖａｒ合金／Ｃｕ）は、直に３ｍｍ厚材を作ることが可能であるが、それでは、板面方向の熱膨張係数は、０．９１×１０^-5（１／Ｋ）、１．２×１０^-5（１／Ｋ）と十分小さく低熱膨張を示すが、厚さ方向の熱伝導率が、２４（Ｗ／℃・ｍ）、３１（Ｗ／℃・ｍ）と、板面方向の熱伝導率２００（Ｗ／℃・ｍ）、２６０（Ｗ／℃・ｍ）と比較し、１桁小さい。これが、ＣＩＣ材の問題点である。

また、比較例１には、市販のＩｎｖａｒ合金からなる微細エキスパンドメタルを用い、押出法により多層複合材からなる放熱板を作った事例を示すが、エキスパンドメタルは、本質的に、板厚に対し孔ピッチが大きく、開孔率の大きいものしかできず、多層化しても結果的にＩｎｖａｒ比率が小さくなっており、厚さ方向の熱伝導率が大きいことはよいが、熱膨張係数も大きくなってしまい、低熱膨張材を作るには適していないことがわかる。

このように、本発明によれば、厚さが１ｍｍ以上という比較的肉厚の用途であっても、厚さ方向の熱伝導率が１５０（Ｗ／℃・ｍ）以上であり、かつ、板面方向の熱膨張係数が１．２×１０^-5（１／Ｋ）以下である放熱板１００を実現でき、この放熱板１００を、使用時に高温になる半導体素子を実装する半導体回路部材として用いることにより、良好な放熱特性および熱膨張特性を有するヒートシンク材を実現することができるという効果が得られる。

１ ディンプル板
２ ディンプル
３ 空孔
１２ 積層体
１３ 成形体
１４ 伝熱板
１５ 管
１６ ビレット

Claims (10)

1. 表面にディンプルを有するディンプル板と伝熱板とを積層して積層体を形成する工程と、
   前記積層体をロール巻き状に成形して成形体を形成する工程と、
   前記成形体を管内に挿入してビレットを形成すると共に、該ビレットを押出成型することにより、前記ディンプルの中に伝熱板の一部を充填する工程と、
   を備えたことを特徴とする放熱板の製造方法。
2. 前記ビレットは、前記成形体を前記管内に挿入した後、該管の前後端を閉じて形成される請求項１記載の放熱板の製造方法。
3. 表面にディンプルを有するディンプル板と伝熱板とを積層して積層体を形成する工程と、
   前記積層体を筐体内に収容してインゴットを形成し、該インゴットを圧延加工することにより、前記ディンプルの中に伝熱板の一部を充填する工程と、
   を備えたことを特徴とする放熱板の製造方法。
4. 前記ディンプル板は、裏面にディンプルをさらに有する請求項１〜３いずれかに記載の放熱板の製造方法。
5. 前記積層体は、複数の前記ディンプル板と複数の前記伝熱板とを交互に積層して形成される請求項１〜４いずれかに記載の放熱板の製造方法。
6. 前記ディンプルの少なくとも一部に、前記ディンプル板を貫通する空孔を形成し、該空孔を挟む上下の前記伝熱板を前記空孔を介して接合するようにした請求項１〜５いずれかに記載の放熱板の製造方法。
7. 前記ディンプル板は、前記伝熱板より小さい熱膨張係数を有する材料からなり、
   前記伝熱板は、前記ディンプル板より高い熱伝導率を有する材料からなる請求項１〜６いずれかに記載の放熱板の製造方法。
8. 前記管は、前記ディンプル板より高い熱伝導率を有する材料からなる請求項１記載の放熱板の製造方法。
9. 前記筐体は、前記ディンプル板より高い熱伝導率を有する材料からなる請求項３記載の放熱板の製造方法。
10. 表面にディンプルを有するディンプル板と、
    前記表面に接合し、前記ディンプル内を充填する伝熱板とを備えた放熱板であって、
    厚さが１ｍｍ以上、厚さ方向の熱伝導率が１５０（Ｗ／℃・ｍ）以上であり、かつ、板面方向の熱膨張係数が１２×１０^-6（１／Ｋ）以下であることを特徴とする放熱板。

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