JP2012142547A

JP2012142547A - 熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法

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Publication number: JP2012142547A
Application number: JP2011153181A
Authority: JP
Inventors: Koji Noda; 耕嗣野田; Tooru Sakimichi; 哲崎道; Kimikazu Obara; 公和小原; Masahiro Sakamoto; 将紘坂本
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: US20120152510A1; US8772925B2; JP5316602B2

Abstract

【課題】炭素系材料からなる熱拡散部材を用いつつ、接合界面の熱応力を抑制することができる熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法を提供する。
【解決手段】炭素系材料を用いて板状に形成され、表面に金属薄膜を有し、板状の厚さ方向に熱を伝導させる熱拡散部材としての第１部材は、少なくとも第２部材との対向面に、金属薄膜を有する。そして、第１部材の金属薄膜形成面と第２部材における金属薄膜形成面の対向面との間に、接合部材として金属粒子の焼結体が介在されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子等の発熱体の熱を効果的に伝導させる熱拡散部材の接合構造、熱拡散部材の接合方法、及びそれを用いた発熱体の冷却構造に関するものである。

近年、発熱体を冷却するための熱拡散部材として、銅やアルミニウム等の金属材料に代えて、グラファイトや炭素繊維、炭素−金属複合材、ダイヤモンドなどの炭素系材料からなる熱拡散部材が検討されている。

例えば特許文献１では、半導体素子と放熱板の間に炭素繊維−金属複合材からなる熱拡散部材を設けている。この熱拡散部材は、炭素繊維の配向方向を部材の厚さ方向と一致させることで、半導体素子から放熱板へ熱を伝えやすくしている。なお、炭素繊維の配向方向の熱伝導率は１０００Ｗ／ｍＫ程度であり、これにより熱拡散部材は、その配向方向において銅（熱伝導率３５０〜４００Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱伝導率２００〜２４０Ｗ／ｍＫ）よりも高い熱伝導性を有している。

特開２００９−４６６６号公報

しかしながら、特許文献１では、熱拡散部材と該熱拡散部材の隣に位置する部材との接合にＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系、又は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材を用いている。このため、接合温度が５００〜８００℃と高く（特許文献１の表１参照）、熱拡散部材（炭素系材料）と熱拡散部材の隣に位置する部材との線膨張係数差に起因する熱応力が大きいという問題がある。このように接合界面の熱応力（残留応力）が大きいと、半導体素子などの発熱体の駆動中に接合界面の破壊が起こりやすく、発熱体の駆動に問題が生じたり、冷却性能が低下して発熱体の信頼性が低下するおそれがある。

本発明は上記問題点に鑑み、炭素系材料からなる熱拡散部材を用いつつ、接合界面の熱応力を抑制することができる熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、第１部材が、炭素系材料を用いて板状に形成され、板状の厚さ方向に熱を伝導させる熱拡散部材となっている。したがって、接合部材を介した２つの部材の並び方向において、第１部材と第２部材との間で効率よく熱を移動させることができる。

また、金属粒子の焼結体を接合部材とするため、従来のろう付けに較べて、接合温度を低くすることができる。これにより、熱拡散部材としての第１部材と第２部材との線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力を抑制することができる。

以上より、本発明によれば、炭素系材料からなる熱拡散部材を用いつつ、接合界面の熱応力を抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、第２部材との対向面に直交する方向の熱伝導率が、対向面に平行な方向のうちの少なくとも一方向における熱伝導率よりも高くなるように、第２部材に対して第１部材が配置されている。換言すれば、炭素系材料が熱伝導の異方性を有しており、炭素系材料の熱伝導性の良い方向が、対向面に直交する方向となるように、第２部材に対して第１部材が配置されている。したがって、炭素系材料の熱伝導性の良い部分を活かし、接合部材を介した２つの部材の並び方向において、第１部材と第２部材との間で効率よく熱を移動させることができる。

請求項３に記載のように、金属粒子の平均粒径をナノサイズとすると、平均粒径がミクロンサイズに較べて、接合温度（焼結のための温度）をより低くすることができる。これにより、熱拡散部材としての第１部材と第２部材との線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力を効果的に抑制することができる。

ところで、接合部材が金属薄膜よりも厚いと、第１部材と第２部材との間の熱伝達経路の熱抵抗に関し、金属薄膜よりも接合部材の影響が大きくなる。これに対し、請求項４に記載のように、金属粒子を単一金属とすると、従来のように多成分の合金を接合部材とする構成に較べて、接合部材の熱伝導率を高くし、ひいては上記熱伝達経路の熱抵抗を小さくすることができる。

請求項５に記載のように、接合部材がＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかからなることが好ましい。Ａｇの熱伝導率は４２７Ｗ／ｍＫ、Ａｕの熱伝導率は３１５Ｗ／ｍＫ、Ｃｕの熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫ、Ｎｉの熱伝導率は９０Ｗ／ｍＫである。このように、これら金属はいずれも熱伝導率が高いので、接合部材、ひいては第１部材及び第２部材間の熱伝達経路の熱抵抗を、より小さくすることができる。

なかでもＡｇの熱伝導性は特に優れているので、より好ましくは、請求項６に記載のように、接合部材がＡｇからなると良い。

また、請求項７に記載のように、金属薄膜は、第１部材との間に化学結合を形成する下地層と、下地層上に配置され、接合部材との間に金属結合を形成する表面層と、の少なくとも２層を有すると良い。下地層の金属は、第１部材を構成するＣ（炭素）と共有結合を形成、又は、Ｃ表面の官能基（ヒドロキシル基）とイオン結合を形成する。また、表面層を構成する金属は、接合部材を構成する金属と金属結合を形成する。したがって、熱拡散部材としての第１部材と接合部材との接合強度を確保することができる。

具体的には、請求項８に記載のように、下地層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを含む構成とすると良い。また、請求項９に記載のように、表面層が、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかからなる構成とすると良い。

請求項１０に記載のように、金属薄膜として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかであって表面層とは異なる金属からなり、下地層及び表面層の各界面で合金層を形成する中間層を、下地層と表面層の間に有しても良い。これによれば、中間層が下地層、表面層のいずれともその接触界面で合金化するので、金属薄膜の接合強度、ひいては第１部材と接合部材との接合強度を向上することができる。

次に、請求項１１に記載の発明は、発熱体で生じた熱が、第１部材を介して冷却器に移動され、発熱体が冷却される発熱体の冷却構造において、第１部材と接合部材を介して接合される部材を第２部材とし、該第２部材と第１部材との間に上記した熱拡散部材の接合構造を適用する点を特徴とする。

これによれば、上記した請求項の作用効果の通り、熱拡散部材としての第１部材と第２部材との線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力を抑制することができる。

請求項１２に記載のように、第２部材として、炭素系材料を用いて板状に形成され、表面に金属薄膜を有し、板状の厚さ方向に熱を伝導させる熱拡散部材を備え、第２部材としての熱拡散部材は、少なくとも第１部材との対向面に金属薄膜を有する構成としても良い。このように、第１部材と第２部材がともに熱拡散部材である構成、すなわち複数の熱拡散部材を備える構成を採用することもできる。また、第２部材の表面に金属薄膜が形成されているため、上記した第１部材の金属薄膜同様、熱拡散部材としての第２部材と接合部材との接合強度を確保することができる。

特に請求項１３に記載の発明では、第１部材及び第２部材がともに、板厚方向よりも該板厚方向に垂直な方向（板厚方向に垂直な面内の互いに直交する２方向）の熱伝導率が高い炭素系板材を、板厚方向に複数枚積層してなる。そして、第１部材及び第２部材は、お互いの対向面に直交する方向の熱伝導率が、対向面に平行な方向のうちの板厚方向における熱伝導率よりも高くなるように配置されている。したがって、接合部材を介した２つの部材の並び方向において、第１部材及び第２部材は、ともに高い熱伝導性を有する。

また、第１部材及び第２部材は、板厚方向が互いに異なるように配置されている。すなわち、お互いの対向面に沿う方向（平行な方向）において、第１部材における熱伝導性に優れる方向と、第２部材における熱伝導性に優れる方向とが異なっている。このため、接合部材を介して一体化された熱拡散部材は、対向面に直交する方向だけでなく、対向面に沿う方向であって互いに直交する２方向においても、良好な熱伝導性を有している。したがって、３軸方向において効率的に発熱体を冷却することができる。

請求項１４に記載のように、金属薄膜は、第２部材との間に化学結合を形成する下地層と、下地層上に配置され、接合部材との間に金属結合を形成する表面層と、の少なくとも２層を有すると良い。下地層の金属は、第２部材を構成するＣ（炭素）と共有結合を形成、又は、Ｃ表面の官能基（ヒドロキシル基）とイオン結合を形成する。また、表面層を構成する金属は、接合部材を構成する金属と金属結合を形成する。したがって、熱拡散部材としての第２部材と接合部材との接合強度を確保することができる。

具体的には、請求項１５に記載のように、下地層が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを含む構成とすると良い。また、請求項１６に記載のように、表面層が、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかからなる構成とすると良い。

請求項１７に記載のように、金属薄膜として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかであって表面層とは異なる金属からなり、下地層及び表面層の各界面で合金層を形成する中間層を、下地層と表面層の間に有しても良い。これによれば、中間層が下地層、表面層のいずれともその接触界面で合金化するので、金属薄膜の接合強度、ひいては第１部材と接合部材との接合強度を向上することができる。

なお、第２部材としては、請求項１８に記載の発熱体を含む構成、請求項１９に記載の、発熱体と第１部材の間、又は、第１部材と冷却器の間に配置され、発熱体の電極に電気的に接続された金属部材を含む構成を採用することができる。また、請求項２０に記載のように、第１部材が電気伝導性を有し、第１部材と冷却との間に電気絶縁層を備える場合、第２部材として電気絶縁層を含む構成を採用することもできる。この場合、電気絶縁層により、第１部材（炭素系材料からなる熱拡散部材）と冷却器が電気的に接続されるのを抑制することができる。

次に、請求項２１〜３０に記載の発明の作用効果は、請求項１〜１０に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。

第１実施形態に係る発熱体の冷却構造（発熱体モジュール）を示す断面図である。図１に示す冷却構造のうち、熱拡散部材の概略構成を示す斜視図である。図１に示す冷却構造のうち、熱拡散部材の接合構造部分を示す断面図である。接合部の熱コンダクタンスと、冷却構造の熱抵抗との関係を示す図である。膜厚と熱コンダクタンスとの関係を示す図である。変形例を示す断面図である。変形例を示す断面図である。第２実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。図８に示す冷却構造のうち、熱拡散部材の概略構成を示す斜視図である。第３実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。変形例を示す断面図である。変形例を示す断面図である。第４実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。変形例を示す断面図である。変形例を示す断面図である。第５実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。第６実施形態に係る発熱体モジュールを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る発熱体の冷却構造１０（以下、発熱体モジュール１０と示す）、発熱体モジュール１０に適用された熱拡散部材１１の接合構造及び接合方法について、図１〜図３を用いて説明する。

図１に示すように、発熱体モジュール１０は、表面に金属薄膜３１を有する熱拡散部材１１、発熱体１２、金属部材１３、電気絶縁層１４、及び冷却器１５を備えている。

熱拡散部材１１の一面上には、接合部材２０により発熱体１２が接合されている。一方、熱拡散部材１１の発熱体１２と反対の面には、接合部材２１により金属部材１３が接合されている。また、金属部材１３における熱拡散部材１１と反対の面には、接合部材２２により電気絶縁層１４が接合され、電気絶縁層１４における金属部材１３と反対の面には、接合部材２３により冷却器１５が接合されている。

なお、本実施形態では、熱拡散部材１１が特許請求の範囲に記載の第１部材、発熱体１２及び金属部材１３が特許請求の範囲に記載の第２部材に相当する。また、接合部材２０，２１が、特許請求の範囲に記載の、金属薄膜３１よりも厚い接合部材に相当する。

熱拡散部材１１は、少なくとも発熱体１２の熱を冷却器１５に効率よく伝導させるための機能を果たす板状の部材であり、その厚さ方向に熱を伝導できるようになっている。この熱拡散部材１１は、炭素系材料からなり、表面に金属薄膜３１を有している。本実施形態では、熱拡散部材１１が、発熱体１２の電極と金属部材１３とを電気的に接続する機能も果たす。このように、熱伝導性、導電性を有する熱拡散部材１１の炭素系材料としては、炭素単体、又は、炭素を主成分とし、ＣｕやＡｌなどの金属、樹脂、セラミックを副成分とする複合材料を採用することができる。また、炭素としては、グラファイト（黒鉛）や炭素繊維を採用することができる。

本実施形態では、一例として、グラファイトからなる炭素系板材３０を、図２に示すように、その板厚方向に複数枚積層し、一体化してなる熱拡散部材１１を採用している。グラファイトは、炭素原子が隣接の炭素原子と平面内で３方向に共有結合を形成し、縮合六員環を形成した構造（層状構造）を有しており、各層間をファンデルワールス力で結び付けた異方性を有している。この層状構造のため、層に対して平行方向と垂直方向で性質が異なっている。具体的には、互いに直交する関係にある３軸方向のうち、２軸方向、すなわち上記平行方向に高熱伝導性（１０００Ｗ／ｍＫ程度）を有し、残りの１軸方向、すなわち上記垂直方向に平行方向よりも低い熱伝導性（５〜２００Ｗ／ｍＫ程度）を有する。すなわち、熱伝導の異方性を有している。

炭素系板材３０は平面長方形をなしており、その板厚方向が、グラファイトの上記垂直方向と一致し、平面長方向の長手方向及び幅方向がグラファイトの上記平行方向と一致している。なお、図１においては、紙面上下方向及び紙面に垂直な方向が高熱伝導性の方向となっている。このように、第１部材としての熱拡散部材１１は、第２部材としての発熱体１２及び金属部材１３との対向面に直交する方向（図１の紙面上下方向）の熱伝導率が、対向面に平行な方向のうちの一方向（上記した炭素系板材３０の板厚方向）における熱伝導率よりも高くなっている。このように、２軸方向に高熱伝導性を有し、残りの１軸方向に低熱伝導性を有する炭素系板材３０を用いると、熱拡散部材１１の厚さ方向だけでなく、厚さ方向に垂直な面に沿う一方向にも熱を拡散させることができる。このため、放熱性を向上することができる。

また、熱拡散部材１１は、厚さ方向における寸法が炭素系板材３０の幅方向の寸法に等しく、積層方向における寸法が炭素系板材３０の幅方向寸法よりも大きくとられ、これにより板状となっている。この熱拡散部材１１は、複数の炭素系板材３０を積層した後に焼付けすることによって、或いは、ガス状とした材料（グラファイト材料）を平面の上に順次吹き付けていくことで、積層体（熱拡散部材１１）として形成される。このような熱拡散部材１１については、本出願人による先の出願（特願２０１０−１３２０７６号）に説明されており、詳細については参照されたい。

熱拡散部材１１は、その表面に、後述する接合部材２０，２１との接合性を向上させるための金属薄膜３１を有している。この金属薄膜３１は、スパッタや蒸着などの物理的堆積法やメッキ法により形成されるものであり、少なくとも第２部材としての発熱体１２との対向面１１ａ（以下、上面１１ａと示す）及び金属部材１３との対向面１１ｂ（以下、下面１１ｂと示す）に形成される。本実施形態では、金属薄膜３１が、熱拡散部材１１との間に化学結合を形成する下地層３２と、下地層３２上に配置され、接合部材２０，２１との間に金属結合を形成する表面層３３の２層を有している。

下地層３２の構成材料としては、熱拡散部材１１を構成するＣ（炭素）と共有結合を形成、又は、Ｃ表面の官能基（ヒドロキシル基）とイオン結合を形成する金属材料、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを含む材料を採用することができる。すなわち、これら金属単体（例えばＴｉ）、又は、金属を含む合金（Ｔｉ合金）を採用することができる。本実施形態では、下地層３２の構成材料として、Ｔｉ単体を採用する。一方、表面層３３の構成材料としては、接合部材２０，２１を構成する金属と金属結合を形成する材料、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかを採用することができる。本実施形態では、表面層３３の構成材料として、Ａｕを採用する。なお、表面層３３を構成する金属としては、上記した金属以外の貴金属（例えばＲｈ）を採用することも可能である。

本実施形態では、熱拡散部材１１の上面１１ａ及び下面１１ｂだけでなく、側面１１ｃにも金属薄膜３１が形成されている。すなわち、熱拡散部材１１の表面全面に金属薄膜３１が形成されている。

ここで、図４に示す接合部の熱コンダクタンスと、冷却構造の熱抵抗の関係から、熱コンダクタンスが１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上で、熱抵抗が０．１０Ｋ／Ｗ程度のほぼ一定となる。一方、熱コンダクタンスが１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ未満では、僅かな熱コンダクタンスの変化で熱抵抗が大きく変化し、熱コンダクタンスが小さいほど熱抵抗が大きくなる。したがって、発熱体１２から冷却器１５に効率よく熱を伝達するには、金属薄膜３１の熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることが好ましい。なお、図４の縦軸に示す冷却構造の熱抵抗は、冷却構造の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）＝{（定常状態での発熱体１２の温度（Ｋ）−冷却水温（Ｋ））／発熱体１２の発熱量（Ｗ）}で定義される。

例えば、下地層３２としてＴｉ単体を用いた場合、図５から、その膜厚を２μｍ以下とすると、熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることができる。また、表面層３３としてＡｕを用いた場合、図５から、その膜厚を３０μｍ以下とすると、熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることができる。このように、Ｔｉからなる下地層３２を２μｍ以下、Ａｕからなる表面層３３を３０μｍ以下とすることで、金属薄膜３１の熱抵抗を小さくし、熱を伝達しやすくすることができる。本実施形態では、上記したように、スパッタや蒸着などの物理的堆積法やメッキ法により金属薄膜３１（下地層３２及び表面層３３）を形成するので、上記した数値を満足する薄膜を形成することができる。なお、膜厚を薄くしすぎると成膜時にピンホールが発生しやすくなる。このため、下地層３２及び表面層３３の各膜厚を、０．０５μｍ以上とすることが好ましい。本実施形態では、金属薄膜３１の総厚ｔ１が、０．２〜５μｍ程度となっている。

発熱体１２は、駆動時（動作時）に発熱するものである。例えばシリコンなどの半導体基板に素子が形成されてなる半導体素子を採用することができる。このような半導体素子としては、半導体基板の両面に電極を有し、半導体基板の厚さ方向に電流が流れるパワー系の縦型素子、具体的には、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ（転流ダイオード）などを採用することができる。本実施形態では、発熱体１２として、シリコンからなる半導体基板に構成されたＩＧＢＴを採用している。なお、図１及び図３では、発熱体１２（半導体素子）を１つのみ図示するが、その個数は特に限定されるものではない。

発熱体１２は、その表面に、接合部材２０との接合性を向上させるための金属薄膜を有している。この金属薄膜も、上記した熱拡散部材１１の金属薄膜３１同様、スパッタや蒸着などの物理的堆積法やメッキ法により形成されるものであり、少なくとも熱拡散部材１１との対向面１２ａ（以下、下面１２ａと示す）に形成される。また、金属薄膜として表面層３４を少なくとも有する。なお、該表面層３４と発熱体１２との間に、両者３４，１２と接合性が良い膜を、表面層３４とともに金属薄膜として備えても良い。表面層３４を構成する金属材料としては、接合部材２０を構成する金属と金属結合を形成するもの、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかを採用することができる。本実施形態では、発熱体１２における熱拡散部材１１との対向面１２ａ全面に、金属薄膜として表面層３４を有している。また、金属薄膜（表面層３４）の厚さは、その総厚が接合部材２０の厚さｔ２よりも薄くなっている。本実施形態では、金属薄膜としての表面層３４の厚さが、０．１〜１μｍ程度となっている。

接合部材２０は、金属粒子を焼結してなるものである。金属粒子は、その平均粒径が小さいほど焼結温度、すなわち接合温度を低くすることができる。例えば平均粒径を数μｍ程度とすると、焼結温度を３００℃以下とすることができ、平均粒径をナノサイズ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満）とすると、焼結温度をさらに低くすることができる。また、金属粒子としては、単一金属の粒子、複数の金属粒子、複合金属の粒子のいずれも採用することができる。なお、複数の金属粒子としては、例えばＡｇ粒子とＣｕ粒子、Ａｇ粒子とＳｎ粒子、Ｓｎ粒子とＮｉ粒子などの組み合わせがある。また、複合金属の粒子としては、ＡｇＳｎ粒子、ＰｂＳｎ粒子などがある。

本実施形態では、金属粒子として、単一金属のナノ粒子を採用する。単一金属としては、熱伝導性が高い、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかを採用することが好ましい。ちなみに、Ａｇの熱伝導率は４２７Ｗ／ｍＫ、Ａｕの熱伝導率は３１５Ｗ／ｍＫ、Ｃｕの熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫ、Ｎｉの熱伝導率は９０Ｗ／ｍＫである。本実施形態では、金属粒子として、特に熱伝導性に優れたＡｇのナノ粒子を採用する。なお、ナノ粒子とは、周囲を有機保護膜でコーティングされたナノサイズの金属粒子である。

また、接合部材２０の厚さｔ２は、図３に示すように、金属薄膜３１の厚さｔ１よりも十分に厚くなっている。ここで、上記した金属薄膜３１同様、発熱体１２から冷却器１５に効率よく熱を伝達するには、接合部材２０の熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることが好ましい。接合部材２０としてＡｇを用いた場合、図５から、その膜厚を４０μｍ以下とすると、熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることができる。このように、接合部材２０を４０μｍ以下とすることで、接合部材２０の熱抵抗を小さくし、熱を伝達しやすくすることができる。なお、接合部材２０は、金属粒子を溶媒中に分散してなる金属ペーストを、スクリーン印刷などによって塗布し、加熱により金属粒子を焼結することで形成される。したがって、金属薄膜３１のように薄く形成することができず、その厚さは１０μｍが限界である。したがって、接合部材２０の厚さを１０μｍ以上４０μｍ以下とすることが好ましい。本実施形態では、Ａｇからなる接合部材２０の厚さｔ２が、２０μ〜４０μｍの範囲内で設定されている。

金属部材１３は、ＣｕやＡｌなど導電性に優れる金属材料からなるものである。本実施形態では、熱拡散部材１１と電気絶縁層１４との間に介在され、発熱体１２としての半導体素子の一方の電極と、接合部材２０，２１及び熱拡散部材１１を介して電気的に接続されている。すなわち、外部接続用端子（所謂リード）としての機能を果たすようになっている。

金属部材１３は、その表面に、接合部材２１との接合性を向上させるための金属薄膜を有している。この金属薄膜も、上記した熱拡散部材１１の金属薄膜３１同様、スパッタや蒸着などの物理的堆積法やメッキ法により形成されるものであり、少なくとも熱拡散部材１１との対向面に形成される。また、金属薄膜として表面層３５を少なくとも有する。なお、該表面層３５と金属部材１３との間に、両者３５，１３と接合性が良い膜を、表面層３５とともに金属薄膜として備えても良い。表面層３５を構成する金属材料としては、接合部材２１を構成する金属と金属結合を形成するもの、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかを採用することができる。本実施形態では、金属部材１３の表面全面に、金属薄膜として表面層３５を有している。また、金属薄膜（表面層３５）の厚さは、その総厚が接合部材２１の厚さｔ３よりも薄くなっている。本実施形態では、金属薄膜としての表面層３５の厚さが、０．１〜１μｍ程度となっている。

接合部材２１も、接合部材２０同様、金属粒子を焼結してなるものである。本実施形態では、接合部材２１が接合部材２０と同じ構成となっている。すなわち、接合部材２１も、ナノサイズのＡｇ粒子を焼結してなる。また、接合部材２１の厚さｔ３も、接合部材２０の厚さｔ２同様、２０μ〜４０μｍの範囲内で設定されている。

電気絶縁層１４は、導電性を有する熱拡散部材１１と冷却器１５との間に設けられ、発熱体１２から冷却器１５への漏電を防止するためのものである。電気絶縁層１４としては、セラミックからなる板材、セラミック材料と樹脂材料の混合体からなるフィルム状の材料、などを用いることができる。本実施形態では、電気絶縁層１４がセラミック材料からなる。

冷却器１５は、発熱体１２の熱を、内部の通路（図示略）を流通する冷却媒体に移動させて、発熱体１２を冷却する熱交換器である。この冷却器１５は、板状をなす本体部の内部に多数の通路が設けられて形成されており、各通路には冷却媒体（例えば冷却用空気や、冷却水等）が流通されるようになっている。

接合部材２２，２３としては、熱伝導性が良好であり、さらに接合部材２２は、金属部材１３と電気絶縁層１４を接合でき、接合部材２３は、電気絶縁層１４と冷却器１５を接合できるものを採用することができる。これら接合部材２２，２３は、金属部材１３と冷却器１５との間に配置されるため、導電性は特に言及されない。なお、金属部材１３と電気絶縁層１４との間、電気絶縁層１４と冷却器１５との間は接合されていなくても良い。例えば、接合部材２２，２３に代えて、金属部材１３と電気絶縁層１４との間、及び気絶縁層１４と冷却器１５との間に薄く濡れ広がって界面熱抵抗を低下させる働きのあるグリス状の材料を用いることもできる。また、電気絶縁層１４それ自体に弾力性又は接着性をもつ材料を使用した場合、電気絶縁層１４を金属部材１３や冷却器１５に密着させることで、接合部材２２，２３を有さない構成とすることもできる。

このように構成される発熱体モジュール１０では、発熱体１２の熱が、接合部材２０を介して熱拡散部材１１に伝達されると、炭素系板材３０の長手方向に沿って外周側に拡がりつつ熱拡散部材１１の厚さ方向に伝導される。そして、この熱は、接合部材２１を介して金属部材１３に伝導され、さらに接合部材２２、電気絶縁層１４、及び接合部材２３を介して冷却器１５に至る。冷却器１５においては、上記のように伝導された発熱体１２の熱が、内部通路を流通する冷却媒体に移動され、これにより発熱体１２は冷却される。

次に、上記した発熱体モジュール１０の特徴部分の効果について説明する。

本実施形態では、第１部材としての熱拡散部材１１が炭素系材料からなる。また、炭素系板材３０の配向性から、熱拡散部材１１が、その厚さ方向において高い熱伝導性を有している。したがって、接合部材２０を介した発熱体１２と熱拡散部材１１の並び方向、換言すれば熱拡散部材１１の厚み方向において、発熱体１２の熱を、効率よく熱拡散部材１１へ伝導させることができる。また、接合部材２１を介した熱拡散部材１１と金属部材１３の並び方向、換言すれば熱拡散部材１１の厚み方向において、熱拡散部材１１から金属部材１３に効率よく熱を伝導させることができる。

また、熱拡散部材１１に接する接合部材２０，２１は、金属粒子の焼結体である。この焼結体は、以下に示す方法で形成することができる。先ず、金属ペーストを準備する。金属ペーストとは、周囲を有機保護膜でコーティングされた金属粒子を溶媒中に分散させたペースト状のものである。接合部材２０に隣接する発熱体１２及び熱拡散部材１１の少なくとも一方に金属ペーストを塗布（例えばスクリーン印刷）する。そして、加熱して有機保護膜や溶媒を熱分解して揮発させると、金属粒子の表面が露出され、金属粒子同士が互いに金属結合を形成する。このような金属粒子の焼結は、従来のろう付けに較べて低温（例えば３００℃以下）で実施することができる。したがって、接合温度を低くし、発熱体１２と熱拡散部材１１の線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力、を抑制することができる。また、熱拡散部材１１と金属部材１３の線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力、を抑制することができる。

なお、本実施形態では、熱拡散部材１１の上面１１ａにおける金属薄膜３１上にＡｇペーストを塗布し、塗布したＡｇペーストに下面１２ａ上の表面層３４が接するように発熱体１２を配置する。そしてこの配置状態で加熱し、Ａｇ粒子を焼結することで、接合部材２０を得ることができる。また、金属部材１３における熱拡散部材１１との対向面の表面層３５上にＡｇペーストを塗布し、塗布したＡｇペーストに下面１１ｂ上の金属薄膜３１が接するように熱拡散部材１１を配置する。そして、この配置状態で加熱し、Ａｇ粒子を焼結することで、接合部材２１を得ることができる。

以上より、本実施形態によれば、炭素系材料からなる熱拡散部材１１を用いた発熱体モジュール１０において、熱拡散部材１１と該部材１１の隣に位置する部材（発熱体１２、金属部材１３）との接合界面の熱応力を抑制することができる。

特に本実施形態では、接合部材２０，２１を構成する金属粒子として、平均粒径がナノサイズの金属粒子を用いる。金属粒子は、その平均粒径が小さいほうが表面の活性度が高くなり、焼結する際の温度（接合温度）をより低温（例えば最高温度１００℃以下）で実施することができる。したがって、本実施形態によれば熱応力を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、接合部材２０が金属薄膜３１よりも厚いため、発熱体１２と熱拡散部材１１との間の熱伝達経路の熱抵抗に関し、金属薄膜３１よりも接合部材２０の影響が大きくなっている。同じく、接合部材２１が金属薄膜３１よりも厚いため、熱拡散部材１１と金属部材１３との間の熱伝達経路の熱抵抗に関し、金属薄膜３１よりも接合部材２１の影響が大きくなっている。これに対し、本実施形態では、単一金属の焼結体を接合部材２０，２１に採用している。このように、単一金属を採用すると、多成分の合金を接合部材とする構成に較べて接合部材２０，２１の熱伝導率が高くなる。このため、上記熱伝達経路の熱抵抗を小さくし（熱拡散部材１１に隣接する接合部材２０，２１での熱伝達ロスを抑制し）、発熱体１２の熱を、接合部材２０，２１及び熱拡散部材１１を介して、冷却器１５側に伝導させることができる。特に本実施形態では、接合部材２０，２１がともにＡｇからなるため、上記熱伝達経路の熱抵抗をより小さくすることができる。

また、本実施形態では、金属薄膜３１の総厚ｔ１が、０．２〜５μｍ程度であり、接合部材２０，２１の厚さｔ２，ｔ３（２０〜４０μｍ程度）よりも十分に薄いため、熱拡散部材１１と発熱体１２の間の熱伝達経路、及び、熱拡散部材１１と金属部材１３の間の熱伝達経路において、金属薄膜３１の部分の熱抵抗をほぼ無視することができる。したがって、上記した接合部材２０，２１による熱伝達経路の熱抵抗低減の効果をより顕著とすることができる。

（変形例）
本実施形態では、熱拡散部材１１が、下地層３２及び表面層３３の２層構造の金属薄膜３１を有する例を示した。しかしながら、金属薄膜３１としては、２層構造に限定されるものではない。例えば図６に示すように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかであって表面層３３とは異なる金属からなり、下地層３２及び表面層３３の各界面で合金層を形成する中間層３６を、下地層３２と表面層３３の間に有する３層構造の金属薄膜３１を採用することもできる。これによれば、中間層３６を構成する単一金属膜（例えばＮｉ）が、下地層３２（例えばＴｉ）との界面で合金化するとともに、表面層３３の金属（例えばＡｕ）との界面で合金化する。したがって、金属薄膜３１の接合強度、ひいては熱拡散部材１１と接合部材２０，２１との接合強度を向上することができる。

なお、中間層３６についても、上記した下地層３２、表面層３３同様、熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることが好ましい。例えば、中間層３６としてとしてＮｉ単体を用いた場合、図５から、その膜厚を１０μｍ以下とすると、熱コンダクタンスを１×１０^７Ｗ／ｍ^２Ｋ以上とすることができる。このように、中間層３６を１０μｍ以下とすることで、金属薄膜３１の熱抵抗を小さくし、熱を伝達しやすくすることができる。本実施形態では、上記したように、スパッタや蒸着などの物理的堆積法やメッキ法により中間層３６も形成するので、上記した数値を満足する薄膜を形成することができる。なお、膜厚を薄くしすぎると成膜時にピンホールが発生しやすくなる。このため、中間層３６についてもその膜厚を０．０５μｍ以上とすることが好ましい。

さらには、熱拡散部材１１の表面に形成される金属薄膜３１として、図７に示すように単層構造の金属薄膜３１を採用することもできる。この場合、金属薄膜３１の材料としては、熱拡散部材１１の構成材料と化学結合を形成する材料や、接合部材２０，２１と金属結合を形成する材料を採用することができる。例えば下地層３２や表面層３３に用いられる金属、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかを採用することができる。

本実施形態では、２軸方向に高熱伝導性を有し、残りの１軸方向に低熱伝導性を有する炭素系板材３０を用いて熱拡散部材１１が構成される例を示した。すなわち、熱伝導に異方性を有する熱拡散部材１１を用いる例を示した。しかしながら、熱伝導が等方性を示す熱拡散部材１１を採用することもできる。このように熱伝導が等方性を示し、且つ、導電性を示す熱拡散部材１１は、グラファイトや炭素繊維を無配向性を示すように加工してなる炭素系材料や、電気絶縁性を示すダイヤモンドに金属粒子を混合することで導電性を付与してなるコンポジット材料を用いて形成される。このような熱拡散部材１１を採用すると、互いに直交する３軸方向において熱伝導性に優れるため、１つの熱拡散部材１１のみで、効率よく発熱体１２を冷却することができる。

（第２実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した発熱体モジュール１０と共通する部分についての説明は割愛する。第１実施形態では、熱拡散部材１１が、発熱体１２と金属部材１３との間に１つのみ配置される例を示した。これに対し、本実施形態では、図８，図９に示すように、発熱体モジュール１０が、発熱体１２と金属部材１３との間に配置される熱拡散部材１１として、その厚み方向において積層配置された２つの熱拡散部材１６，１７を有している。第１熱拡散部材１６及び第２熱拡散部材１７は、いずれも第１実施形態で説明した熱拡散部材１１とほぼ同じ構成を有しつつ、使用形態において、炭素系板材３０の板厚方向（積層方向）が互いに異なっている。

なお、第１熱拡散部材１６が発熱体１２側、第２熱拡散部材１７が金属部材１３側となっている。また、発熱体１２と第１熱拡散部材１６の間に介在された接合部材２０、第２熱拡散部材１７と金属部材１３の間に介在された接合部材２１は、第１実施形態に示した接合部材２０，２１と同じ構成となっている。

これら２つの熱拡散部材１６，１７は、任意の一方が特許請求の範囲に記載の第１部材、他方が特許請求の範囲に記載の第２部材に相当する。例えば第１熱拡散部材１６を第１部材とすると、発熱体１２及び第２熱拡散部材１７が第２部材に相当する。一方、第２熱拡散部材１７を第１部材とすると、第１熱拡散部材１６及び金属部材１３が第２部材に相当する。

第１熱拡散部材１６は、炭素系板材３０の板厚方向（積層方向）が、図９の紙面奥行き方向となるように配置される。これにより、第１熱拡散部材１６においては、図８の紙面上下方向（第１熱拡散部材１６の厚み方向）と、紙面左右方向に熱伝導性が優れるものとなっている。

一方、第２熱拡散部材１７は、炭素系板材３０の板厚方向（積層方向）が、図９の紙面左右方向となるように配置される。これにより、第２熱拡散部材１１においては、図８の紙面上下方向（第１熱拡散部材１６の厚み方向）と、紙面に垂直な方向に熱伝導性が優れるものとなっている。このように、２つの熱拡散部材１６，１７において、炭素系板材３０の板厚方向（積層方向）がなす角度がほぼ９０度となっている。

そして、第１熱拡散部材１６と第２熱拡散部材１７は、厚さ方向に積層されるとともに、各熱拡散部材１６，１７の間に介在される接合部材２４によって接合されている。接合部材２４は、接合部材２０，２１同様、金属粒子の焼結体であり、その厚さが、各熱拡散部材１６，１７の金属薄膜３１よりも厚くなっている。具体的には、接合部材２４の厚さも、接合部材２０，２１の厚さｔ２，ｔ３同様、２０μ〜４０μｍの範囲内に設定されている。このような接合部材２４は、第１実施形態に示した接合部材２０，２１同様、金属粒子を分散してなる金属ペーストを、２つの熱拡散部材１６，１７の互いに対向する面の少なくとも一方に塗布し、加熱することで得ることができる。

このように本実施形態では、２つの熱拡散部材１６，１７の厚み方向に垂直な方向において、第１熱拡散部材１６における熱伝導性に優れる方向と、第２熱拡散部材１７における熱伝導性に優れる方向とが、ほぼ直交する位置関係となっている。したがって、２つの熱拡散部材１６，１７を、互いに積層されてなる１つの熱拡散部材１１としてみたときに、厚さ方向に加えて、該厚さ方向に直交する２方向に良好な熱伝導性を有している。すなわち、３軸方向において熱伝導性に優れた熱拡散部材１１となっており、このため効率よく発熱体１２を冷却することができる。例えば、図８に示す構成では、厚さ方向において、発熱体１２から熱拡散部材１６，１７を通じて冷却器１５側に熱を伝導させるとともに、厚さ方向に垂直な方向において熱拡散部材１１（２つの熱拡散部材１６，１７）の側面から外部雰囲気に熱を逃がすことができる。

また、接合部材２４も、接合部材２０，２１同様、金属粒子の焼結体である。このため、金属粒子の焼結（接合）を、従来のろう付けよりも低温（例えば最高温度３００℃以下）で実施することができる。したがって、線膨張係数の異方性による２つの熱拡散部材１６，１７の線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力、を抑制することができる。

なお、本実施形態では、２つの熱拡散部材１６，１７のうち、互いの対向面の金属薄膜３１上の少なくとも一方にＡｇペーストを塗布し、２つの熱拡散部材１６，１７をＡｇペーストを介して積層する。そしてこの積層状態で加熱し、Ａｇ粒子を焼結することで、接合部材２４を得ることができる。

以上より、本実施形態によれば、炭素系材料からなる熱拡散部材１１を用いた発熱体モジュール１０において、第１熱拡散部材１６と第２熱拡散部材１７との接合界面の熱応力を抑制することができる。また、第１実施形態同様、熱拡散部材１１と該部材１１の隣に位置する部材（発熱体１２、金属部材１３）との接合部分についても、接合界面の熱応力を抑制することができる。

なお、本実施形態においても、接合部材２４を構成する金属粒子として、平均粒径がナノサイズの金属粒子を用いる。したがって、２つの熱拡散部材１６，１７間に作用する熱応力を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、２つの熱拡散部材１６，１７に介在される接合部材２４が、金属薄膜３１よりも厚いため、第１熱拡散部材１６と第２熱拡散部材１７との間の熱伝達経路の熱抵抗に関し、金属薄膜３１よりも接合部材２４の影響が大きくなっている。これに対し、本実施形態では、接合部材２０，２１同様、単一金属の焼結体を接合部材２４に採用している。このように、単一金属を採用すると、多成分の合金を接合部材とする構成に較べて接合部材２４の熱伝導率が高くなる。このため、上記熱伝達経路の熱抵抗を小さくし（熱拡散部材１６，１７に隣接する接合部材２４での熱伝達ロスを抑制し）、発熱体１２の熱を、効率よく冷却器１５側に伝導させることができる。特に本実施形態では、接合部材２４がＡｇからなるため、上記熱伝達経路の熱抵抗をより小さくすることができる。

また、本実施形態では、金属薄膜３１の総厚ｔ１が、０．２〜５μｍ程度であり、接合部材２０，２１，２４の厚さ（２０〜４０μｍ程度）よりも十分に薄いため、第１熱拡散部材１６と発熱体１２の間の熱伝達経路、２つの熱拡散部材１６，１７の間の熱伝達経路、及び第２熱拡散部材１７と金属部材１３の間の熱伝達経路において、金属薄膜３１の部分の熱抵抗をほぼ無視することができる。したがって、上記した接合部材２０，２１，２４による熱伝達経路の熱抵抗低減の効果をより顕著とすることができる。

なお、本実施形態では、熱拡散部材１１として２つの熱拡散部材１６，１７の例を示したが、３つ以上の熱拡散部材を積層・一体化して熱拡散部材１１としても良い。この場合、厚さ方向で隣り合う熱拡散部材において、炭素系板材３０の板厚方向（積層方向）が互いに異なる配置とすれば良い。

（第３実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した発熱体モジュール１０と共通する部分についての説明は割愛する。上記実施形態では、熱拡散部材１１が、発熱体１２と金属部材１３との間に配置される例を示した。これに対し、本実施形態では、図１０に示すように、金属部材１３と電気絶縁層１４の間に熱拡散部材１１が配置される点を特徴とする。

図１０に示すように、発熱体モジュール１０を構成する要素は、第１実施形態と同じであり、金属部材１３と電気絶縁層１４が、特許請求の範囲に記載の第２部材に相当する。金属部材１３と熱拡散部材１１との間に介在された接合部材２１は、第１実施形態に示した接合部材２１と同じである。発熱体１２と金属部材１３の間に介在された接合部材２５としては、熱伝導性及び導電性が良好であり、発熱体１２と金属部材１３を接合できるもの（半田など）を採用することができる。もちろん、金属粒子の焼結体でも良い。この場合には、接合界面の熱応力低減と、より高い熱伝導性能が期待できる。

また、熱拡散部材１１と電気絶縁層１４の間に介在された接合部材２６は、第１実施形態に示した接合部材２０，２１同様、金属粒子の焼結体である。このため、金属粒子の焼結（接合）を低温（例えば最高温度３００度以下）で実施することができる。したがって、熱拡散部材１１と電気絶縁層１４の線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力を抑制することができる。

なお、接合部材２６は、例えば電気絶縁層１４の熱拡散部材１１との対向面上に例えばＡｇ粒子を含むペーストを塗布し、Ａｇペースト上に熱拡散部材１１を配置する。そしてこの配置状態で加熱し、Ａｇ粒子を焼結することで得ることができる。

以上より、本実施形態によれば、炭素系材料からなる熱拡散部材１１を用いた発熱体モジュール１０において、熱拡散部材１１と、該熱拡散部材１１の隣に位置する部材（金属部材１３及び電気絶縁層１４）との接合界面の熱応力を抑制することができる。

なお、本実施形態においても、接合部材２１，２６を構成する金属粒子として、平均粒径がナノサイズの金属粒子を用いる。したがって、熱応力を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、接合部材２０，２１同様、単一金属の焼結体を接合部材２６に採用する。このように、単一金属を採用すると、多成分の合金を接合部材とする構成に較べて接合部材２６の熱伝導率が高くなる。このため、接合部材２６を介した熱拡散部材１６と電気絶縁層１４との間の熱伝達経路において、熱抵抗を小さくし、発熱体１２の熱を、効率よく冷却器１５側に伝導させることができる。特に本実施形態では、接合部材２６がＡｇからなるため、上記熱伝達経路の熱抵抗をより小さくすることができる。

また、本実施形態では、発熱体（半導体素子）１２と金属部材１３とを接合する。したがって、発熱体１２と金属部材１３の間に、熱拡散部材１１が存在しない分、熱拡散部材１１による電気抵抗分を減らして、金属部材１３を発熱体１２の電力取出し部として活用することもできる。

なお、本実施形態では、電気絶縁層１４の表面については特に言及しなかった。しかしながら、接合部材２６との接合強度を向上させるために、電気絶縁層１４の表面に、第１実施形態に示した熱拡散部材１１の表面層３３同様の金属薄膜を形成しても良い。また、表面層の下層として、表面層と電気絶縁層１４の両方と接合性が良い膜を、表面層とともに金属薄膜として備えても良い。

（変形例）
図１１に例示する発熱体モジュール１０は、本実施形態に係る構成と、第２実施形態に示した構成とを組み合わせた構成となっている。このように、複数（２つ）の熱拡散部材１１を備える発熱体モジュール１０において、金属部材１３と電気絶縁層１４との間に、複数の熱拡散部材１１（図１１では、第１熱拡散部材１６及び第２熱拡散部材１７）を配置しても良い。

上記例では、外部出力端子としての金属部材１３と電気絶縁層１４の間、換言すれば金属部材１３と冷却器１５との間に、導電性を有し、熱伝導に異方性を有する熱拡散部材１１が配置される例を示した。しかしながら、第１実施形態の変形例で示したように、熱伝導が等方性を示し、且つ、導電性を示す熱拡散部材１１を採用することもできる。このように熱伝導が等方性の熱拡散部材１１を採用すると、互いに直交する３軸方向において熱伝導性に優れるため、１つの熱拡散部材１１のみで、効率よく発熱体１２を冷却することができる。

さらには、図１２に示すように、電気絶縁性を有する熱拡散部材１８を配置することもできる。この場合、熱拡散部材１８が電気絶縁性を有するため、電気絶縁層１４を不要とすることができる。この熱拡散部材１８の構成材料としては、熱伝導が等方性を示すダイヤモンドを採用することができる。なお、ダイヤモンドからなる熱拡散部材１８は、例えば周知の気相合成法にて形成することができる。また、熱拡散部材１８のうち、金属部材１３及び冷却器１５との対向面には、接合部材２１，２７との接続信頼性を向上するための金属薄膜３１が形成されている。一方、熱拡散部材１８の金属部材１３及び冷却器１５との対向面を除く面（側面）には、金属部材１３と冷却器１５との間で電気絶縁性を確保すべく、金属薄膜が形成されていない。なお、接合部材２７は、上記した接合部材２０，２１，２６などと同様に、金属粒子、好ましくは単一金属のナノ粒子を焼結してなる。

（第４実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した発熱体モジュール１０と共通する部分についての説明は割愛する。図１３に示す発熱体モジュール１０は、第３実施形態に示した発熱体モジュール１０とほぼ同じである。異なる点は、外部接続端子としての金属部材１３が、熱拡散部材１１のみと接合されており、発熱体１２、金属部材１３、及び電気絶縁層１４が、特許請求の範囲に記載の第２部材に相当する点である。

これによれば、発熱体１２で生じた熱が、金属部材１３を介さずに冷却器１５まで伝導されるため、金属部材１３による熱抵抗分、冷却効率を向上することができる。

なお、発熱体１２と熱拡散部材１１との間に介在された接合部材２０と、金属部材１３と熱拡散部材１１との間に介在された接合部材２１は、第１実施形態に示した接合部材２０，２１と同じである。また、熱拡散部材１１と電気絶縁層１４との間に介在された接合部材２６は、第４実施形態に示した接合部材２６と同じである。

（変形例）
図１４に例示する発熱体モジュール１０は、本実施形態に係る構成と、第２実施形態に示した構成とを組み合わせた構成となっている。このように、複数（２つ）の熱拡散部材１１を備える発熱体モジュール１０において、発熱体１２、金属部材１３、及び電気絶縁層１４が、特許請求の範囲に記載の第２部材に相当するようにしても良い。

また、上記例では、導電性を有し、熱伝導に異方性を有する熱拡散部材１１を用いる例を示した。しかしながら、第３実施形態の変形例で示したように、熱伝導が等方性を示し、且つ、導電性を示す熱拡散部材１１を採用することもできる。このように熱伝導が等方性の熱拡散部材１１を採用すると、互いに直交する３軸方向において熱伝導性に優れるため、１つの熱拡散部材１１のみで、効率よく発熱体１２を冷却することができる。

さらには、第３実施形態の変形例（図１２参照）で示したように、電気絶縁性を有する熱拡散部材１８を配置することもできる。この場合、図１５に示すように、熱拡散部材１８が電気絶縁性を有するため、図１５に示すように、電気絶縁層１４を不要とすることができる。この熱拡散部材１８の構成材料としては、熱伝導が等方性を示すダイヤモンドを採用することができる。なお、ダイヤモンドからなる熱拡散部材１８は、例えば周知の気相合成法にて形成することができる。また、熱拡散部材１８のうち、発熱体１２及び金属部材１３との対向面、冷却器１５との対向面に、接合部材２１，２７との接続信頼性を向上するための金属薄膜３１がそれぞれ形成されている。一方、熱拡散部材１８の、発熱体１２及び金属部材１３との対向面及び冷却器１５との対向面を除く面（側面）には、発熱体１２及び金属部材１３と冷却器１５との間で電気絶縁性を確保すべく、金属薄膜が形成されていない。なお、接合部材２７は、上記した接合部材２０，２１，２６などと同様に、金属粒子、好ましくは単一金属のナノ粒子を焼結してなる。

（第５実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した発熱体モジュール１０と共通する部分についての説明は割愛する。図１６に示す発熱体モジュール１０は、第２実施形態に示した発熱体モジュール１０とほぼ同じである。異なる点は、外部接続端子としての金属部材１３が、第１熱拡散部材１６と第２熱拡散部材１７の間に介在されて両部材１６，１７と接合されており、発熱体１２、金属部材１３、及び電気絶縁層１４が、特許請求の範囲に記載の第２部材に相当する点である。換言すれば、発熱体１２と金属部材１３の間に第１熱拡散部材１６が配置され、金属部材１３と電気絶縁層１４の間に第２熱拡散部材１７が配置されている。

これによれば、発熱体１２と金属部材１３の間に、第２熱拡散部材１７が存在しない分、熱拡散部材１７による電気抵抗分を減らして、金属部材１３を発熱体１２の電力取出し部として活用することができる。

なお、発熱体１２と第１熱拡散部材１６との間に介在された接合部材２０と、金属部材１３と各熱拡散部材１６，１７との間にそれぞれ介在された接合部材２１は、第１実施形態に示した接合部材２０，２１と同じである。また、第２熱拡散部材１７と電気絶縁層１４との間に介在された接合部材２６は、第４実施形態に示した接合部材２６と同じである。

（第６実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した発熱体モジュール１０と共通する部分についての説明は割愛する。図１７に示す発熱体モジュール１０は、第１実施形態に示した発熱体モジュール１０を、発熱体１２を共通として、厚さ方向に２つ重ねた構造を有している。すなわち、半導体基板の両面に電極を有する縦型素子を、半導体基板の両面側で冷却するようになっている。

図１７において、発熱体１２よりも紙面下方に位置する部分は、第１実施形態に示す発熱体モジュール１０と同じ構成となっている。発熱体１２の下面１２ａと反対の面（以下、上面１２ｂと示す）には、接合部材２８により金属部材１９が接合されている。この金属部材１９は、発熱体１２（半導体素子）の上面１２ｂ側の電極と、上面１２ｂ上に位置する金属部材１３（リード）とを電気的に接続するとともに、発熱体１２と上面１２ｂ上に位置する冷却器１５とを熱的に接続するターミナル（中継部材）としての機能を果たすものである。本実施形態では、金属部材１９としてＣｕからなる金属ブロックを採用している。

そして、金属部材１９における発熱体１２と反対側の面には、接合部材２９により、金属薄膜３１を有する熱拡散部材１１が接合されている。熱拡散部材１１よりも紙面上方に位置する部分は、第１実施形態（図１参照）に示す発熱体モジュール１０の、熱拡散部材１１よりも紙面下方の部分と同じ構成となっている。

接合部材２８としては、熱伝導性及び導電性が良好であり、発熱体１２と金属部材１９を接合できるもの（半田など）を採用することができる。もちろん、金属粒子の焼結体でも良い。この場合には、接合界面の熱応力低減と、より高い熱伝導性能が期待できる。

一方、熱拡散部材１１に接する接合部材２９は、接合部材２０，２１同様、金属粒子の焼結体である。このため、金属粒子を焼結させて、熱拡散部材１１と金属部材１９とを接合する温度を、低温（例えば最高温度３００℃以下）とすることができる。したがって、金属部材１９と熱拡散部材１１の線膨張係数差に起因する熱応力、すなわち接合界面の熱応力、を抑制することができる。

なお、本実施形態では、熱拡散部材１１及び金属部材１９のうち、互いの対向面の少なくとも一方に例えばＡｇ粒子を含むペーストを塗布し、２つの部材１１，１９をＡｇペーストを介して積層する。そしてこの積層状態で加熱し、Ａｇ粒子を焼結することで、接合部材２９を得ることができる。

以上より、本実施形態によれば、接合部材２８を介した熱拡散部材１１と発熱体１２との接合部分において、接合界面の熱応力を抑制することができる。また、接合部材２９を介した熱拡散部材１１と金属部材１９との接合部分において、接合界面の熱応力を抑制することができる。

なお、本実施形態においても、接合部材２０，２１，２９を構成する金属粒子として、平均粒径がナノサイズの金属粒子を用いる。したがって、熱応力を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、接合部材２０，２１同様、単一金属の焼結体を接合部材２９に採用する。このように、単一金属を採用すると、多成分の合金を接合部材とする構成に較べて接合部材２９の熱伝導率が高くなる。このため、接合部材２９及び熱拡散部材１１を介した、発熱体１２から紙面上方の冷却器１５までの熱伝達経路において、熱抵抗を小さくすることができる。すなわち、発熱体１２の熱を、効率よく冷却器１５側に伝導させることができる。特に本実施形態では、接合部材２９がＡｇからなるため、上記熱伝達経路の熱抵抗をより小さくすることができる。

また、本実施形態においても、各熱拡散部材１１において、金属薄膜３１の総厚ｔ１が、０．２〜５μｍ程度であり、接合部材２０，２１，２９の厚さ（２０〜４０μｍ程度）よりも十分に薄くなっている。このため、紙面下方の熱拡散部材１１と発熱体１２の間の熱伝達経路、各熱拡散部材１１と金属部材１３との間の熱伝達経路、及び金属部材１９と熱拡散部材１１の間の熱伝達経路において、金属薄膜３１の部分の熱抵抗をほぼ無視することができる。したがって、上記した接合部材２０，２１，２９による熱伝達経路の熱抵抗低減の効果をより顕著とすることができる。

また、本実施形態によれば、発熱体１２の下面１２ａ及び上面１２ｂの両側に金属部材１３としてのリードがそれぞれ存在するため、各金属部材１３を発熱体１２の電力取出し部としてそれぞれ活用することができる。

また、発熱体１２の下面１２ａ及び上面１２ｂの両側に熱拡散部材１１及び冷却器１５が存在するので、発熱体１２の上下両方向において、発熱体１２を効率よく冷却することができる。

なお、本実施形態では、第１実施形態に示す発熱体モジュール１０を基礎とする両面放熱構造の例を示した。しかしながら、その他の実施形態及び変形例に示した構成において、本実施形態に示す両面放熱構造を採用することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

１０・・・発熱体モジュール（発熱体の冷却構造）
１１・・・熱拡散部材
１２・・・発熱体
１３・・・金属部材
１４・・・電気絶縁層
１５・・・冷却器
１６・・・第１熱拡散部材
１７・・・第２熱拡散部材
２０，２１，２４，２６・・・接合部材
３０・・・炭素系板材
３１・・・金属薄膜
３２・・・下地層
３３・・・表面層

Claims

炭素系材料を用いて板状に形成され、表面に金属薄膜を有し、板状の厚さ方向に熱を伝導させる熱拡散部材としての第１部材と、第２部材とを、接合部材を介して接合してなる熱拡散部材の接合構造であって、
前記第１部材は、少なくとも前記第２部材との対向面に、前記金属薄膜を有し、
前記第１部材の金属薄膜形成面と前記第２部材における前記金属薄膜形成面の対向面との間に、前記接合部材として金属粒子の焼結体が介在されていることを特徴とする熱拡散部材の接合構造。
前記第１部材は、前記第２部材との対向面に直交する方向の熱伝導率が、前記対向面に平行な方向のうちの少なくとも一方向における熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記金属粒子の平均粒径はナノサイズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記接合部材は、前記金属薄膜よりも厚く、
前記金属粒子は、単一金属からなることを特徴とする請求項３に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記金属粒子は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかからなることを特徴とする請求項４に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記金属粒子は、Ａｇからなることを特徴とする請求項５に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記金属薄膜は、前記第１部材との間に化学結合を形成する下地層と、前記下地層上に配置され、前記接合部材との間に金属結合を形成する表面層と、の少なくとも２層を有することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記下地層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを含むことを特徴とする請求項７に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記表面層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかからなることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の熱拡散部材の接合構造。
前記金属薄膜として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかであって前記表面層とは異なる金属からなり、前記下地層及び前記表面層の各界面で合金層を形成する中間層を、前記下地層と前記表面層の間に有することを特徴とする請求項７〜９いずれか１項に記載の熱拡散部材の接合構造。
熱拡散部材としての前記第１部材と、
前記第１部材の一面上に配置された発熱体と、
前記第１部材における一面と反対の面上に配置された冷却器と、を一体的に備え、
前記発熱体で生じた熱が、前記第１部材を介して前記冷却器に移動され、前記発熱体が冷却される発熱体の冷却構造であって、
前記第１部材と接合部材を介して接合される部材を前記第２部材として、該第２部材と前記第１部材との間に請求項１〜１０いずれか１項に記載の熱拡散部材の接合構造が適用されていることを特徴とする発熱体の冷却構造。
前記第２部材として、炭素系材料を用いて板状に形成され、表面に金属薄膜を有し、板状の厚さ方向に熱を伝導させる熱拡散部材を備え、
前記第２部材としての熱拡散部材は、少なくとも前記第１部材との対向面に、金属薄膜を有することを特徴とする請求項１１に記載の発熱体の冷却構造。
前記第１部材及び前記第２部材は、板厚方向よりも該板厚方向に垂直な方向の熱伝導率が高い炭素系板材を、前記板厚方向に複数枚積層してなり、
前記第１部材及び前記第２部材を、お互いの対向面に直交する方向の熱伝導率が、前記対向面に平行な方向のうちの前記板厚方向における熱伝導率よりも高くなり、且つ、前記板厚方向が互いに異なるように配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の発熱体の冷却構造。
前記金属薄膜は、前記第２部材との間に化学結合を形成する下地層と、前記下地層上に配置され、前記接合部材との間に金属結合を形成する表面層と、の少なくとも２層を有することを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の発熱体の冷却構造。
前記下地層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを含むことを特徴とする請求項１４に記載の発熱体の冷却構造。
前記表面層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかからなることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の発熱体の冷却構造。
前記金属薄膜として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかであって前記表面層とは異なる金属からなり、前記下地層及び前記表面層の各界面で合金層を形成する中間層を、前記下地層と前記表面層の間に有することを特徴とする請求項１４〜１６いずれか１項に記載の発熱体の冷却構造。
前記第２部材として、前記発熱体を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発熱体の冷却構造。
前記第２部材として、前記発熱体と前記第１部材の間、又は、前記第１部材と前記冷却器の間に配置され、前記発熱体の電極に電気的に接続された金属部材を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発熱体の冷却構造。
前記第１部材は、電気伝導性を有し、
前記第１部材と前記冷却器との間に、電気絶縁層を備え、
前記第２部材として、前記電気絶縁層を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発熱体の冷却構造。
炭素系材料を用いて板状に形成され、板状の厚さ方向に熱を伝導させる熱拡散部材としての第１部材の表面に金属薄膜を形成し、接合部材を介して、前記第１部材を第２部材と接合する熱拡散部材の接合方法であって、
前記第１部材の表面における少なくとも前記第２部材との対向面に、前記金属薄膜を形成し、
前記第１部材の金属薄膜形成面と前記第２部材における前記金属薄膜形成面の対向面との間に、金属粒子を溶媒中に分散してなるペーストを介在させ、加熱により前記金属粒子を焼結して、前記第１部材と前記第２部材とを接合する前記接合部材を形成することを特徴とする熱拡散部材の接合方法。
前記第１部材を、前記第２部材との対向面に直交する方向の熱伝導率が、前記対向面に平行な方向のうちの少なくとも一方向における熱伝導率よりも高くなるように、前記第２部材に対して配置し、
前記金属粒子の平均粒径はナノサイズであることを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記接合部材は、前記金属薄膜よりも厚く、
前記金属粒子は、単一金属からなることを特徴とする請求項２３に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記金属粒子は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかであることを特徴とする請求項２４に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記金属粒子は、Ａｇであることを特徴とする請求項２５に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記金属薄膜として、前記第１部材との間に化学結合を形成する下地層と、前記下地層上に配置され、前記接合部材との間に金属結合を形成する表面層と、の少なくとも２層を形成することを特徴とする請求項２１〜２６いずれか１項に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記下地層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを含むことを特徴とする請求項２７に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記表面層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかからなることを特徴とする請求項２７又は請求項２８に記載の熱拡散部材の接合方法。
前記金属薄膜として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂのいずれかであって前記表面層とは異なる金属からなり、前記下地層及び前記表面層の各界面で合金層を形成する中間層を、前記下地層と前記表面層の間に形成することを特徴とする請求項２７〜２９いずれか１項に記載の熱拡散部材の接合方法。