JP2021082659A - Heat dissipation device - Google Patents

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Abstract

To provide a heat dissipation device which dissipates heat of a pyrogenic element, and has high heat dissipation performance and high reliability with respect to cold load.SOLUTION: A heat dissipation device 1 comprises a ceramic insulating layer 5 and an upper wiring layer 2 which is disposed above the insulating layer 5, as a plurality of heat dissipation device constituent members which are bonded and integrated with each other in a multilayered condition. The upper wiring layer 2 includes a lower portion 3 which is positioned at the side of the insulating layer 5, and an upper portion 4 which is positioned above the lower portion 3, and the lower portion 3 and the upper portion 4 are bonded together. The lower portion 3 is formed of an aluminum-graphite particle composite material 10 having anisotropy in heat conductivity. A high heat conduction direction a1 of the composite material 10 directs toward a thickness direction T of the lower portion 3. The upper portion 4 is formed of an aluminum-fibrous carbon particle composite material 20. High heat conduction directions b2 and c2 of the composite material 20 direct toward a plane direction of the upper portion 4.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体チップ等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置に関する。 The present invention relates to a heat radiating device that dissipates heat from a heat generating element such as a semiconductor chip.

ここで、本発明に係る放熱装置の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、放熱装置の構成を理解し易くするため、放熱装置における発熱性素子が搭載される側を放熱装置の上側、及び、その反対側を放熱装置の下側と定義する。 Here, the vertical direction of the heat radiating device according to the present invention is not limited, but within the scope of the present specification and claims, a heat generating element in the heat radiating device is mounted in order to make the configuration of the heat radiating device easier to understand. The side to be used is defined as the upper side of the heat radiating device, and the opposite side is defined as the lower side of the heat radiating device.

さらに、本明細書及び特許請求の範囲では、放熱装置の各構成部材の厚さ方向に垂直な面を各構成部材の平面といい、各構成部材の平面に平行な方向を各構成部材の平面方向という。 Further, in the present specification and claims, the plane perpendicular to the thickness direction of each component of the heat dissipation device is referred to as the plane of each component, and the direction parallel to the plane of each component is the plane of each component. It's called direction.

さらに、本明細書及び特許請求の範囲では、文中に特に明示した場合を除き、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられる。 Further, in the present specification and claims, the term "aluminum" is used to mean both pure aluminum and aluminum alloys, unless otherwise specified in the text.

金属−炭素粒子複合材は一般に高い熱伝導性と低い線膨張性を有しており、その製造方法を開示した文献として例えば特許文献１（特許第５１５０９０５号公報）及び特許文献２（特許第４４４１７６８号公報）が知られている。 The metal-carbon particle composite material generally has high thermal conductivity and low linear expansion property, and as documents disclosing the manufacturing method thereof, for example, Patent Document 1 (Patent No. 5150905) and Patent Document 2 (Patent No. 44417768). No.) is known.

ところで、半導体チップ等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置は、上下方向に互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材として、セラミック製絶縁層と、絶縁層の上側に配置された上配線層と、絶縁層の下側に配置された放熱部材とを具備している。発熱性素子は一般に上配線層の上面にはんだ層を介して接合されることで放熱装置に搭載される。 By the way, the heat radiating device that dissipates the heat of the heat generating element such as a semiconductor chip is arranged on the ceramic insulating layer and the upper side of the insulating layer as a plurality of heat radiating device constituent members that are joined and integrated in a stacked shape in the vertical direction. It is provided with an upper wiring layer provided and a heat radiating member arranged below the insulating layer. The heat-generating element is generally mounted on a heat radiating device by being bonded to the upper surface of the upper wiring layer via a solder layer.

このような放熱装置には、放熱装置が高い放熱性能を有するようにするため高い熱伝導性が要求される。そこで、放熱装置の構成部材の材料として金属−炭素粒子複合材を用いることが特許文献３〜７などに提案されている。 Such a heat radiating device is required to have high thermal conductivity so that the heat radiating device has high heat radiating performance. Therefore, it has been proposed in Patent Documents 3 to 7 and the like to use a metal-carbon particle composite material as a material for a constituent member of a heat radiating device.

特許第５１５０９０５号公報Japanese Patent No. 5150905 特許第４４４１７６８号公報Japanese Patent No. 4441768 特開２０１６−２０７７９９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-207799 特開２０１７−１１７８６８号公報JP-A-2017-117868 特開２０１８−６６７３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-6673 特開２０１８−２２７３８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-22738 特開２０１９−９６８４１号公報JP-A-2019-96841

而して、一般的に放熱装置は発熱性素子の動作の開始及び停止が繰り返し行われることにより冷熱サイクル負荷を受ける。発熱性素子の発熱量が増加すると、この冷熱サイクル負荷が大きくなり、その結果、放熱装置の構成部材同士を接合した接合界面（例：上配線層と絶縁層との間の接合界面）、上配線層と発熱性素子との間の接合界面（例：発熱性素子とはんだ層との間の接合界面、はんだ層と上配線層との間の接合界面）などに亀裂や剥離が生じる虞がある。特に、上配線層と発熱性素子との間の接合界面は、上配線層、発熱性素子及びはんだ層の材料の影響を大きく受け、そのため当該接合界面に剥離や亀裂が生じ易い。 Thus, in general, the heat radiating device receives a cold cycle load by repeatedly starting and stopping the operation of the heat generating element. As the amount of heat generated by the heat-generating element increases, this cold-heat cycle load increases, and as a result, the bonding interface (eg, the bonding interface between the upper wiring layer and the insulating layer) where the constituent members of the heat dissipation device are bonded to each other, the upper surface. There is a risk of cracks or peeling at the bonding interface between the wiring layer and the heat-generating element (eg, the bonding interface between the heat-generating element and the solder layer, or the bonding interface between the solder layer and the upper wiring layer). is there. In particular, the bonding interface between the upper wiring layer and the heat-generating element is greatly affected by the materials of the upper wiring layer, the heat-generating element, and the solder layer, and therefore peeling or cracking is likely to occur at the bonding interface.

したがって、上配線層と発熱性素子との間の接合界面での剥離や亀裂を抑制するため、冷却装置には高い放熱性能はもとより更に冷熱サイクル負荷に対して高い信頼性、即ち高い冷熱信頼性も要求される。 Therefore, in order to suppress peeling and cracking at the junction interface between the upper wiring layer and the heat generating element, the cooling device has not only high heat dissipation performance but also high reliability with respect to the thermal cycle load, that is, high thermal reliability. Is also required.

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高い放熱性能と高い冷熱信頼性を有する放熱装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned technical background, and an object of the present invention is to provide a heat radiating device having high heat radiating performance and high thermal reliability.

本発明は以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means.

１） 上面にはんだ接合される発熱性素子の熱を放散する放熱装置であって、
互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材として、セラミック製絶縁層と、前記絶縁層の上側に配置された上配線層と、前記絶縁層の下側に配置された放熱部材とを備え、
前記上配線層は、前記絶縁層側に位置する下部と、前記下部の上側に位置する上部とを含むととともに、前記下部と前記上部が接合されており、
前記下部は、第１アルミニウムマトリックスと前記第１アルミニウムマトリックス中に分散した黒鉛粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム−黒鉛粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム−黒鉛粒子複合材の高熱伝導方向が前記下部の厚さ方向に向いており、
前記上部は、第２アルミニウムマトリックスと前記第２アルミニウムマトリックス中に分散した繊維状炭素粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム−繊維状炭素粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム−繊維状炭素粒子複合材の高熱伝導方向が前記上部の平面方向に向いている、放熱装置。 1) A heat radiating device that dissipates heat from heat-generating elements that are solder-bonded to the top surface.
As a plurality of heat radiating device constituent members joined and integrated in a laminated manner with each other, a ceramic insulating layer, an upper wiring layer arranged above the insulating layer, and a heat radiating member arranged below the insulating layer. With
The upper wiring layer includes a lower portion located on the insulating layer side and an upper portion located on the upper side of the lower portion, and the lower portion and the upper portion are joined to each other.
The lower portion is formed of an aluminum-graphite particle composite material containing a first aluminum matrix and graphite particles dispersed in the first aluminum matrix and having anisotropy in thermal conductivity, and the aluminum-graphite particles. The high thermal conductivity direction of the composite material is directed to the thickness direction of the lower part.
The upper portion is formed of an aluminum-fibrous carbon particle composite material containing a second aluminum matrix and fibrous carbon particles dispersed in the second aluminum matrix and having anisotropy in thermal conductivity, and the above. A heat radiating device in which the high thermal conductivity direction of the aluminum-fibrous carbon particle composite material is oriented in the plane direction of the upper part.

２） 前記上配線層の前記上部の厚さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である前項１記載の放熱装置。 2) The heat radiating device according to item 1 above, wherein the thickness of the upper portion of the upper wiring layer is in the range of 0.05 mm to 2 mm.

本発明は以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.

前項１では、上配線層の下部がアルミニウム−黒鉛粒子複合材（これを「第１複合材」ともいう）で形成されるとともに第１複合材の高熱伝導方向が下部の厚さ方向に向いていることにより、上配線層の厚さ方向の熱伝導性が向上し、これにより放熱装置の放熱性能を高めることができる。 In item 1 above, the lower part of the upper wiring layer is formed of an aluminum-graphite particle composite material (also referred to as "first composite material"), and the high thermal conduction direction of the first composite material is directed toward the thickness of the lower part. As a result, the thermal conductivity in the thickness direction of the upper wiring layer is improved, and thus the heat dissipation performance of the heat radiating device can be improved.

さらに、上配線層の上部がアルミニウム−繊維状炭素粒子複合材（これを「第２複合材」ともいう）で形成されるとともに第２複合材の高熱伝導方向が上部の平面方向に向いていることにより、上配線層の上面の平面方向の線膨張係数の異方性が緩和されるとともに、上配線層の上面部の強度がはんだ層の強度よりも低くなる。そのため、冷熱サイクル負荷によるはんだ層の熱応力が緩和され、これにより放熱装置の冷熱信頼性を高めることができる。 Further, the upper part of the upper wiring layer is formed of an aluminum-fibrous carbon particle composite material (also referred to as a "second composite material"), and the high thermal conduction direction of the second composite material is directed to the plane direction of the upper part. As a result, the anisotropy of the linear expansion coefficient in the plane direction of the upper surface of the upper wiring layer is alleviated, and the strength of the upper surface portion of the upper wiring layer becomes lower than the strength of the solder layer. Therefore, the thermal stress of the solder layer due to the thermal cycle load is relaxed, which makes it possible to improve the thermal reliability of the heat radiating device.

前項２では、上配線層の上部の厚さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることにより、上述した前項１の効果を確実に奏し得る。 In the preceding item 2, the thickness of the upper portion of the upper wiring layer is in the range of 0.05 mm to 2 mm, so that the effect of the above-mentioned item 1 can be surely achieved.

図１は本発明の一実施形態に係る放熱装置の概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a heat radiating device according to an embodiment of the present invention. 図２は同放熱装置の概略正面図である。FIG. 2 is a schematic front view of the heat radiating device. 図３は同放熱装置の上配線層の一部切欠き概略正面図である。FIG. 3 is a schematic front view of the upper wiring layer of the heat radiating device with a partial notch. 図４は第１アルミニウム−黒鉛粒子複合材の本体の概略斜視図である。FIG. 4 is a schematic perspective view of the main body of the first aluminum-graphite particle composite material. 図５は図４中のＥ部分の拡大断面斜視図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional perspective view of the E portion in FIG. 図６は同上配線層の一製造方法を説明する図であるFIG. 6 is a diagram illustrating one manufacturing method of the same wiring layer. 図７は同上配線層のもう一つの製造方法を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating another manufacturing method of the wiring layer of the same as above. 図８は実施例２の放熱装置を製造途中の状態で示す概略正面図である。FIG. 8 is a schematic front view showing the heat radiating device of the second embodiment in a state during manufacturing.

本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。 Some embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１及び２に示すように、本発明の一実施形態に係る放熱装置１は、発熱性素子４０の熱を放散するものである。発熱性素子４０としては、半導体チップ（例：パワー半導体チップ）等が挙げられる。 As shown in FIGS. 1 and 2, the heat radiating device 1 according to the embodiment of the present invention dissipates the heat of the heat generating element 40. Examples of the heat generating element 40 include a semiconductor chip (eg, a power semiconductor chip).

放熱装置１は、互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材を備える。具体的には、放熱装置１は、複数の構成部材として、上配線層２、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材７を備えるとともに、これらの部材２、５、６、７が上から下へこの記載の順に積層された状態で所定の接合手段により接合一体化されており、これにより放熱装置１が形成されている。 The heat radiating device 1 includes a plurality of heat radiating device constituent members that are joined and integrated in a laminated manner. Specifically, the heat radiating device 1 includes an upper wiring layer 2, an insulating layer 5, a lower wiring layer 6 and a heat radiating member 7 as a plurality of constituent members, and these members 2, 5, 6 and 7 are from above. The heat radiating device 1 is formed by joining and integrating by a predetermined joining means in a state of being laminated in the order described below.

接合手段は限定されるものではなく、接合手段として、ろう付け、圧延クラッド、焼結（例：放電プラズマ焼結）などが用いられる。 The joining means is not limited, and brazing, rolling clad, sintering (eg, discharge plasma sintering) and the like are used as the joining means.

放熱装置１において、上配線層２と絶縁層５と下配線層６とが接合一体化されたものは絶縁基板９とも呼ばれている。 In the heat radiating device 1, a device in which the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, and the lower wiring layer 6 are joined and integrated is also called an insulating substrate 9.

絶縁層５は電気絶縁性を有する平面視方形状のものであり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック製である。絶縁層５の一辺の長さは、上配線層２及び下配線層６の一辺の長さよりも長い。 Insulating layer 5 is of a plan view rectangular shape having an electrically insulating aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4), alumina (Al 2 O 3) is a ceramic such as. The length of one side of the insulating layer 5 is longer than the length of one side of the upper wiring layer 2 and the lower wiring layer 6.

上配線層２は、絶縁層５の上側に配置されており、具体的には絶縁層５の上面に接合されている。上配線層２の上側には発熱性素子４０がはんだ層４１を介して接合されて搭載される。本実施形態では、発熱性素子４０は上配線層２の上面２ａにはんだ接合されて搭載されており、具体的には発熱性素子４０は上配線層２の上面２ａにはんだ層４１を介して接合されて搭載されている。これにより、パワーモジュール等の半導体装置５０が得られる。 The upper wiring layer 2 is arranged above the insulating layer 5, and is specifically joined to the upper surface of the insulating layer 5. A heat generating element 40 is joined and mounted on the upper side of the upper wiring layer 2 via a solder layer 41. In the present embodiment, the heat-generating element 40 is solder-bonded and mounted on the upper surface 2a of the upper wiring layer 2. Specifically, the heat-generating element 40 is mounted on the upper surface 2a of the upper wiring layer 2 via the solder layer 41. It is joined and mounted. As a result, a semiconductor device 50 such as a power module can be obtained.

なお上配線層２の上面２ａには、当該上面２ａのはんだ接合性を高めるためにニッケルめっき膜等のニッケル膜（図示せず）が形成される場合がある。上配線層２の詳細な構成については後述する。 A nickel film (not shown) such as a nickel plating film may be formed on the upper surface 2a of the upper wiring layer 2 in order to improve the solder bondability of the upper surface 2a. The detailed configuration of the upper wiring layer 2 will be described later.

下配線層６は、放熱装置１に発生する熱応力を緩和することを主な役割とする層であり、絶縁層５の下側に配置されており、具体的には絶縁層５の下面に接合されている。 The lower wiring layer 6 is a layer whose main role is to relieve the thermal stress generated in the heat radiating device 1, and is arranged under the insulating layer 5, specifically, on the lower surface of the insulating layer 5. It is joined.

下配線層６の材料は限定されるものではなく、好ましくは、金属（例：アルミニウム、銅）、金属−炭素粒子複合材（例：アルミニウム−炭素粒子複合材）、グラファイトシートなどの高熱伝導材料が用いられる。 The material of the lower wiring layer 6 is not limited, and is preferably a high thermal conductive material such as a metal (eg, aluminum, copper), a metal-carbon particle composite (eg, aluminum-carbon particle composite), and a graphite sheet. Is used.

放熱部材７は、空冷式のものであり、例えばヒートシンク（放熱板を含む）からなる板状のものであり、複数の放熱フィン７ａを有している。さらに、放熱部材７は絶縁層５の下側に配置されており、具体的には下配線層６の下面にブレージングシート８を介してろう付けにより接合されている。 The heat radiating member 7 is an air-cooled type, for example, a plate-shaped one made of a heat sink (including a heat radiating plate), and has a plurality of heat radiating fins 7a. Further, the heat radiating member 7 is arranged on the lower side of the insulating layer 5, and specifically, is joined to the lower surface of the lower wiring layer 6 by brazing via a brazing sheet 8.

放熱部材７の材料は限定されるものではなく、好ましくは、金属（例：アルミニウム、銅）、金属−炭素粒子複合材（例：アルミニウム−炭素粒子複合材）などの高熱伝導材料が用いられる。 The material of the heat radiating member 7 is not limited, and a high thermal conductive material such as a metal (eg, aluminum, copper) or a metal-carbon particle composite material (eg, aluminum-carbon particle composite material) is preferably used.

ブレージングシート８としては、両面アルミニウムブレージングシートなどが用いられる。ブレージングシート８の厚さは限定されるものではないが、ブレージングシート８は一般に薄い方が熱伝導率が高いため、ブレージングシート８の厚さは１ｍｍ以下であることが好ましく、特に０．５ｍｍ以下であることがよい。ブレージングシート８の厚さの下限は限定されるものではなく、通常０．１ｍｍである。 As the brazing sheet 8, a double-sided aluminum brazing sheet or the like is used. The thickness of the brazing sheet 8 is not limited, but the thinner the brazing sheet 8 is, the higher the thermal conductivity is. Therefore, the thickness of the brazing sheet 8 is preferably 1 mm or less, particularly 0.5 mm or less. It should be. The lower limit of the thickness of the brazing sheet 8 is not limited, and is usually 0.1 mm.

ブレージングシート８のろう材はアルミニウム系のものであり、特にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材であることが好ましい。さらに、ろう材の流動性を向上させる元素成分（例：Ｂｉ、Ｓｒ）がろう材に添加されていてもよい。 The brazing material of the brazing sheet 8 is of an aluminum type, and is particularly preferably an Al—Si—Mg type brazing material. Further, elemental components (eg, Bi, Sr) that improve the fluidity of the brazing material may be added to the brazing material.

なお本発明では、下配線層６と放熱部材７とを接合する方法はブレージングシート８を用いたろう付けであることに限定されるものではなく、その他に例えばろう材箔（図示せず）を用いたろう付けであってもよい。また本発明では、ブレージングシート８には熱応力緩和のための厚さ方向に貫通した孔が設けられていてもよい。 In the present invention, the method of joining the lower wiring layer 6 and the heat radiating member 7 is not limited to brazing using the brazing sheet 8, and for example, a brazing material foil (not shown) is used. It may be brazed. Further, in the present invention, the brazing sheet 8 may be provided with a hole penetrating in the thickness direction for thermal stress relaxation.

さらに本発明では、放熱部材７は空冷式のものであることに限定されるものではなく、その他に例えば液冷式のものであってもよい。この場合、放熱部材は例えば冷却液（例：冷却水）が流れる通路を有するものが用いられる。 Further, in the present invention, the heat radiating member 7 is not limited to the air-cooled type, and may be, for example, a liquid-cooled type. In this case, as the heat radiating member, for example, a member having a passage through which a coolant (eg, cooling water) flows is used.

放熱装置１では、発熱性素子４０に発生した熱は、発熱性素子４０からはんだ層４１、上配線層２、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材７に順次伝導して放熱部材７から放散される。その結果、発熱性素子４０が冷却されてその温度が低下する。 In the heat radiating device 1, the heat generated in the heat generating element 40 is sequentially transmitted from the heat generating element 40 to the solder layer 41, the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, the lower wiring layer 6 and the heat radiating member 7 from the heat radiating member 7. Be dissipated. As a result, the heat generating element 40 is cooled and its temperature is lowered.

次に、上配線層２の構成について以下に説明する。 Next, the configuration of the upper wiring layer 2 will be described below.

図１及び２中の矢印Ｗ、Ｌ及びＴは、それぞれ、放熱装置１の各構成部材（即ち、上配線層２、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材７）の幅方向、長さ方向及び厚さ方向を示しており、これらは互いに直交している。その他の図中の矢印Ｗ、Ｌ及びＴも同様である。 Arrows W, L, and T in FIGS. 1 and 2 indicate the width direction and length of each component of the heat radiating device 1 (that is, the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, the lower wiring layer 6 and the heat radiating member 7, respectively). It shows the direction and the thickness direction, which are orthogonal to each other. The same applies to the arrows W, L, and T in the other figures.

上配線層２は平面視方形状であり、詳述すると平面視長方形状である。さらに、上配線層２は、絶縁層５側に位置する下部３と、下部３の上側に位置する上部４とを含むとともに、下部３と上部４が積層状に接合一体化されて上配線層２が形成されている。 The upper wiring layer 2 has a rectangular shape in a plan view, and more specifically, has a rectangular shape in a plan view. Further, the upper wiring layer 2 includes a lower portion 3 located on the insulating layer 5 side and an upper portion 4 located on the upper side of the lower portion 3, and the lower portion 3 and the upper portion 4 are joined and integrated in a laminated manner to form an upper wiring layer. 2 is formed.

図３に示すように、上配線層２の下部３は、第１アルミニウムマトリックス（ドットハッチングで示す）１１と第１アルミニウムマトリックス１１中に分散した黒鉛粒子１２とを含む板状のアルミニウム−黒鉛粒子複合材１０（これを以下では「第１複合材１０」ともいう）で形成されたものである。 As shown in FIG. 3, the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 is a plate-shaped aluminum-graphite particle containing a first aluminum matrix (indicated by dot hatching) 11 and graphite particles 12 dispersed in the first aluminum matrix 11. It is formed of a composite material 10 (hereinafter, also referred to as "first composite material 10").

第１複合材１０において、黒鉛粒子１２の種類は限定されるものではなく、黒鉛粒子１２として、好ましくは、天然黒鉛粒子（例：鱗片状黒鉛粒子）、人造黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子及びグラフェン（例：単層グラフェン、二層グラフェン、多層グラフェン）からなる群より選択される少なくとも一種が用いられ、より好ましくは高い熱伝導率を有するものが用いられ、具体的には鱗片状黒鉛粒子及びグラフェンからなる群より選択される少なくとも一種が好適に用いられる。 In the first composite material 10, the type of graphite particles 12 is not limited, and the graphite particles 12 are preferably natural graphite particles (eg, scaly graphite particles), artificial graphite particles, thermally decomposed graphite particles, and graphene. At least one selected from the group consisting of (eg, single-layer graphene, double-layer graphene, multi-layer graphene) is used, more preferably one having high thermal conductivity is used, specifically scaly graphite particles and At least one selected from the group consisting of graphene is preferably used.

黒鉛粒子１２のアスペクト比は限定されるものではなく、好ましくは５以上であることがよい。その理由は、アスペクト比が高い黒鉛粒子は高い熱伝導率を有するからである。このアスペクト比の上限は限定されるものではなく、例えば１００である。 The aspect ratio of the graphite particles 12 is not limited, and is preferably 5 or more. The reason is that graphite particles having a high aspect ratio have high thermal conductivity. The upper limit of this aspect ratio is not limited, and is, for example, 100.

ここで以下では、黒鉛粒子１２の厚さ方向に垂直な面方向を黒鉛粒子１２の平面方向という。 Here, in the following, the plane direction perpendicular to the thickness direction of the graphite particles 12 is referred to as the plane direction of the graphite particles 12.

黒鉛粒子１２は熱伝導率に異方性を有している。一般に、黒鉛粒子１２の厚さ方向の熱伝導率は低く、黒鉛粒子１２の平面方向（即ち黒鉛粒子１２の長さ方向及び幅方向）の熱伝導率は高い。 The graphite particles 12 have anisotropy in thermal conductivity. Generally, the thermal conductivity of the graphite particles 12 in the thickness direction is low, and the thermal conductivity of the graphite particles 12 in the plane direction (that is, the length direction and the width direction of the graphite particles 12) is high.

黒鉛粒子１２の大きさは限定されるものではなく、好ましくは黒鉛粒子１２の長軸方向の平均長さが５０μｍ〜１８００μｍの範囲であることがよい。なお、黒鉛粒子１２の長軸方向の長さとは、黒鉛粒子１２の最も長い方向の長さを意味する。 The size of the graphite particles 12 is not limited, and the average length of the graphite particles 12 in the major axis direction is preferably in the range of 50 μm to 1800 μm. The length of the graphite particles 12 in the major axis direction means the length of the graphite particles 12 in the longest direction.

第１複合材１０は、第１アルミニウムマトリックス１１中に黒鉛粒子１２が分散した複数の黒鉛粒子分散層１４と、第１アルミニウムマトリックス１１中に黒鉛粒子１２等の炭素粒子が実質的に存在していない複数の第１アルミニウム層１３とを含むとともに、黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３とが交互に複数積層した状態に配列している。 In the first composite material 10, a plurality of graphite particle dispersion layers 14 in which graphite particles 12 are dispersed in the first aluminum matrix 11 and carbon particles such as graphite particles 12 are substantially present in the first aluminum matrix 11. A plurality of first aluminum layers 13 are included, and a plurality of graphite particle dispersion layers 14 and first aluminum layers 13 are alternately laminated.

さらに、第１複合材１０は熱伝導率に異方性を有するものである。具体的には、黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３との積層方向が第１複合材１０の最も低い熱伝導率の方向ｃ１（この方向ｃ１を「低熱伝導方向ｃ１」という）であり、この低熱伝導方向ｃ１に直交し且つ互いに直交する二つの方向ａ１、ｂ１が第１複合材１０の高熱伝導率の方向ａ１、ｂ１（これらの方向ａ１、ｂ１を「高熱伝導方向ａ１、ｂ１」という）であり、両方の高熱伝導方向ａ１、ｂ１に平行な面が第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢである。 Further, the first composite material 10 has anisotropy in thermal conductivity. Specifically, the lamination direction of the graphite particle dispersion layer 14 and the first aluminum layer 13 is the direction c1 of the lowest thermal conductivity of the first composite material 10 (this direction c1 is referred to as "low thermal conductivity direction c1"). , The two directions a1 and b1 orthogonal to the low thermal conductivity direction c1 and orthogonal to each other are the directions a1 and b1 of the high thermal conductivity of the first composite material 10 (these directions a1 and b1 are referred to as "high thermal conductivity directions a1 and b1". The plane parallel to both the high thermal conductivity directions a1 and b1 is the high thermal conductivity surface AB of the first composite material 10.

図面では、第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢは、理解し易くするため上配線層２の下部３に仮想線としての二点鎖線で描かれている。第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１はこの高熱伝導面ＡＢに直交している。 In the drawing, the high thermal conductive surface AB of the first composite material 10 is drawn as a two-dot chain line as a virtual line in the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 for easy understanding. The low heat conduction direction c1 of the first composite material 10 is orthogonal to the high heat conduction surface AB.

第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢは第１複合材１０の黒鉛粒子分散層１４に平行であり、第１複合材１０中の黒鉛粒子１２は高熱伝導面ＡＢに平行な方向に配向している。 The high thermal conductive surface AB of the first composite material 10 is parallel to the graphite particle dispersion layer 14 of the first composite material 10, and the graphite particles 12 in the first composite material 10 are oriented in a direction parallel to the high thermal conductive surface AB. There is.

上配線層２の下部３では、第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１は下部３の平面方向の一方向に向いており、具体的には下部３の幅方向Ｗに向いている。第１複合材１０の高熱伝導方向ａ１は下部３の厚さ方向Ｔに向いており、第１複合材１０の高熱伝導方向ｂ１は下部３の平面方向における低熱伝導方向ｃ１に直交する方向に向いており、具体的には下部３の長さ方向Ｌに向いている。 In the lower portion 3 of the upper wiring layer 2, the low heat conduction direction c1 of the first composite material 10 is oriented in one direction in the plane direction of the lower portion 3, and specifically, is oriented in the width direction W of the lower portion 3. The high heat conduction direction a1 of the first composite material 10 is oriented in the thickness direction T of the lower portion 3, and the high heat conduction direction b1 of the first composite material 10 is oriented in the direction orthogonal to the low heat conduction direction c1 in the plane direction of the lower portion 3. Specifically, it faces the lower portion 3 in the length direction L.

したがって、上配線層２の下部３（即ち第１複合材１０）はその平面方向の熱伝導率に異方性を有している。上配線層２の下部３では、第１複合材１０の高熱伝導面ＡＢは下部３の平面方向に略垂直であり、上配線層２の下部３の平面方向の熱伝導率は異方的である。 Therefore, the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 (that is, the first composite material 10) has anisotropy in its thermal conductivity in the plane direction. In the lower portion 3 of the upper wiring layer 2, the high thermal conductive surface AB of the first composite material 10 is substantially perpendicular to the plane direction of the lower portion 3, and the thermal conductivity of the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 in the planar direction is anisotropic. is there.

上配線層２の下部３は上述したようにその平面方向の熱伝導率に異方性を有しているので、下部３はその平面方向の線膨張係数についても異方性を有している。 Since the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 has anisotropy in its thermal conductivity in the plane direction as described above, the lower portion 3 also has anisotropy in its linear expansion coefficient in the plane direction. ..

次に、上配線層２の下部３の好ましい製造方法について以下に説明する。 Next, a preferable manufacturing method of the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 will be described below.

下部３を形成する第１複合材１０は、図４に示すように第１複合材１０の本体１５を所定の切断面（一点鎖線で示す）Ｆにてスライス状に切断した切断片からなるものである。図４及び５中の矢印Ｘ、Ｙ及びＺは、それぞれ、第１複合材１０の本体１５の幅方向、長さ方向及び厚さ方向を示している。 As shown in FIG. 4, the first composite material 10 forming the lower portion 3 is composed of cut pieces obtained by cutting the main body 15 of the first composite material 10 into slices on a predetermined cut surface (indicated by a alternate long and short dash line) F. Is. Arrows X, Y, and Z in FIGS. 4 and 5 indicate the width direction, the length direction, and the thickness direction of the main body 15 of the first composite material 10, respectively.

第１複合材１０の本体１５は、図５に示すように、複数の黒鉛粒子分散層１４と複数の第１アルミニウム層１３とを含むとともに、黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３とが交互に複数積層した状態に配列している。 As shown in FIG. 5, the main body 15 of the first composite material 10 includes a plurality of graphite particle dispersion layers 14 and a plurality of first aluminum layers 13, and the graphite particle dispersion layer 14 and the first aluminum layer 13 are formed. It is arranged in a state where multiple layers are alternately stacked.

黒鉛粒子分散層１４と第１アルミニウム層１３との積層方向は第１複合材１０の本体１５の厚さ方向Ｚである。したがって、本体１５の低熱伝導方向ｃ１は本体１５の厚さ方向Ｚに向いている。また、本体１５の高熱伝導方向ａ１は本体１５の幅方向Ｘに向いており、本体１５の高熱伝導方向ｂ１は本体１５の長さ方向Ｙに向いている。両方の高熱伝導方向ａ１、ｂ１に平行な面が本体１５の高熱伝導面ＡＢである。本体１５中の黒鉛粒子１２は高熱伝導面ＡＢに平行な方向に配向している。 The lamination direction of the graphite particle dispersion layer 14 and the first aluminum layer 13 is the thickness direction Z of the main body 15 of the first composite material 10. Therefore, the low heat conduction direction c1 of the main body 15 is oriented in the thickness direction Z of the main body 15. Further, the high heat conduction direction a1 of the main body 15 is oriented in the width direction X of the main body 15, and the high heat conduction direction b1 of the main body 15 is oriented in the length direction Y of the main body 15. The surface parallel to both the high heat conduction directions a1 and b1 is the high heat conduction surface AB of the main body 15. The graphite particles 12 in the main body 15 are oriented in a direction parallel to the high thermal conductive surface AB.

この本体１５は、第１アルミニウム箔（図示せず）上に黒鉛粒子１２が塗工された塗工箔（図示せず）が複数積層された塗工箔積層体（図示せず）を焼結することにより得られたものである。本体１５の第１アルミニウムマトリックス１１は第１アルミニウム箔のアルミニウム材料からなる。 The main body 15 sintered a coated foil laminate (not shown) in which a plurality of coated foils (not shown) coated with graphite particles 12 are laminated on a first aluminum foil (not shown). It was obtained by doing. The first aluminum matrix 11 of the main body 15 is made of the aluminum material of the first aluminum foil.

この本体１５をその厚さ方向Ｚと略平行な切断面Ｆにてスライス状に切断し、これにより板状の第１複合材１０を得る。そして、第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１が上配線層２の下部３の平面方向と略平行になるように（具体的には低熱伝導方向ｃ１が下部３の幅方向Ｗに向くように）下部３を第１複合材１０で形成する。 The main body 15 is cut into slices on a cutting surface F substantially parallel to the thickness direction Z, whereby a plate-shaped first composite material 10 is obtained. Then, the low heat conduction direction c1 of the first composite material 10 is substantially parallel to the plane direction of the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 (specifically, the low heat conduction direction c1 faces the width direction W of the lower portion 3). ) The lower part 3 is formed of the first composite material 10.

図３に示すように、上配線層２の上部４は、第２アルミニウムマトリックス（ドットハッチングで示す）２１と第２アルミニウムマトリックス２１中に分散した繊維状炭素粒子２２とを含む板状のアルミニウム−繊維状炭素粒子複合材２０（これを以下では「第２複合材２０」ともいう）で形成されたものである。 As shown in FIG. 3, the upper portion 4 of the upper wiring layer 2 is a plate-shaped aluminum containing a second aluminum matrix (indicated by dot hatching) 21 and fibrous carbon particles 22 dispersed in the second aluminum matrix 21. It is formed of a fibrous carbon particle composite material 20 (hereinafter, also referred to as “second composite material 20”).

第２複合材２０において、繊維状炭素粒子２２の種類は限定されるものではなく、繊維状炭素粒子２２として、炭素繊維（例：ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維）及びカーボンナノチューブ（例：単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維）からなる群より選択される少なくとも一種が好適に用いられる。 In the second composite material 20, the type of the fibrous carbon particles 22 is not limited, and the fibrous carbon particles 22 include carbon fibers (eg, pitch-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers) and carbon nanotubes (eg, examples). At least one selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and vapor-grown carbon fibers) is preferably used.

繊維状炭素粒子２２の長さは限定されるものではなく、好ましくは繊維状炭素粒子２２の平均長さが５０μｍ〜１５００μｍの範囲であることがよい。 The length of the fibrous carbon particles 22 is not limited, and the average length of the fibrous carbon particles 22 is preferably in the range of 50 μm to 1500 μm.

第２複合材２０は、第２アルミニウムマトリックス２１中に繊維状炭素粒子２２が分散した複数の繊維状炭素粒子分散層２４と、第２アルミニウムマトリックス２１中に繊維状炭素粒子２２等の炭素粒子が実質的に存在していない複数の第２アルミニウム層２３とを含むとともに、繊維状炭素粒子分散層２４と第２アルミニウム層２３とが交互に複数積層した状態に配列している。 The second composite material 20 has a plurality of fibrous carbon particle dispersion layers 24 in which fibrous carbon particles 22 are dispersed in the second aluminum matrix 21, and carbon particles such as fibrous carbon particles 22 in the second aluminum matrix 21. A plurality of second aluminum layers 23 that do not substantially exist are included, and a plurality of fibrous carbon particle dispersion layers 24 and second aluminum layers 23 are arranged in a state of being alternately laminated.

さらに、第２複合材２０は熱伝導率に異方性を有するものである。具体的には、繊維状炭素粒子分散層２４と第２アルミニウム層２３との積層方向が第２複合材２０の最も低い熱伝導率の方向ａ２（この方向ａ２を「低熱伝導方向ａ２」という）であり、この低熱伝導方向ａ２に直交し且つ互いに直交する二つの方向ｂ２、ｃ２が第２複合材２０の高熱伝導率の方向ｂ２、ｃ２（これらの方向ｂ２、ｃ２を「高熱伝導方向ｂ２、ｃ２」という）であり、両方の高熱伝導方向ｂ２、ｃ２に平行な面が第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣである。 Further, the second composite material 20 has anisotropy in thermal conductivity. Specifically, the direction a2 in which the fibrous carbon particle dispersion layer 24 and the second aluminum layer 23 are laminated is the lowest thermal conductivity direction a2 of the second composite material 20 (this direction a2 is referred to as "low thermal conductivity direction a2"). The two directions b2 and c2 orthogonal to the low thermal conductivity direction a2 and orthogonal to each other are the directions b2 and c2 of the high thermal conductivity of the second composite material 20 (these directions b2 and c2 are referred to as "high thermal conductivity directions b2," c2 ”), and the plane parallel to both the high heat conduction directions b2 and c2 is the high heat conduction surface BC of the second composite material 20.

図面では、第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣは、理解し易くするため上配線層２の上部４に仮想線としての二点鎖線で描かれている。第２複合材２０の低熱伝導方向ａ２はこの高熱伝導面ＢＣに直交している。 In the drawing, the high thermal conductive surface BC of the second composite material 20 is drawn as a two-dot chain line as a virtual line on the upper portion 4 of the upper wiring layer 2 for easy understanding. The low thermal conduction direction a2 of the second composite material 20 is orthogonal to the high thermal conduction surface BC.

第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣは第２複合材２０の繊維状炭素粒子分散層２４に平行であり、第２複合材２０中の繊維状炭素粒子２２は高熱伝導面ＢＣに平行な方向に配向している。 The high thermal conductive surface BC of the second composite material 20 is parallel to the fibrous carbon particle dispersion layer 24 of the second composite material 20, and the fibrous carbon particles 22 in the second composite material 20 are in the direction parallel to the high thermal conductive surface BC. Oriented to.

上配線層２の上部４では、第２複合材２０の低熱伝導方向ａ２は上部４の厚さ方向Ｔに向いている。第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２は上部４の平面方向の一方向に向いており、具体的には上部４の長さ方向Ｌに向いている。第２複合材２０の高熱伝導方向ｃ２は上部４の平面方向における高熱伝導方向ｂ２に直交する方向に向いており、具体的には上部４の幅方向Ｗに向いている。 In the upper portion 4 of the upper wiring layer 2, the low heat conduction direction a2 of the second composite material 20 faces the thickness direction T of the upper portion 4. The high thermal conduction direction b2 of the second composite material 20 is oriented in one direction in the plane direction of the upper portion 4, and specifically, is oriented in the length direction L of the upper portion 4. The high heat conduction direction c2 of the second composite material 20 is oriented in a direction orthogonal to the high heat conduction direction b2 in the plane direction of the upper portion 4, and specifically, is oriented in the width direction W of the upper portion 4.

したがって、上配線層２の上部４では、第２複合材２０の高熱伝導面ＢＣ（即ち第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２、ｃ２）は上部４の平面方向と略平行であり、上配線層２の上部４の平面方向の熱伝導率は等方的である。 Therefore, in the upper portion 4 of the upper wiring layer 2, the high thermal conductive surface BC of the second composite material 20 (that is, the high thermal conductive directions b2 and c2 of the second composite material 20) is substantially parallel to the plane direction of the upper wiring 4, and the upper wiring The thermal conductivity of the upper part 4 of the layer 2 in the plane direction is isotropic.

上配線層２の上部４は上述したようにその平面方向の熱伝導率が等方的なので、上部４はその平面方向の線膨張係数についても等方的である。 Since the upper portion 4 of the upper wiring layer 2 has an isotropic thermal conductivity in the plane direction as described above, the upper portion 4 is also isotropic in terms of the linear expansion coefficient in the plane direction.

上配線層２の好ましい幾つかの製造方法について以下に説明する。図６は上配線層２の一つの製造方法を説明する図であり、図７は上配線層２のもう一つの製造方法を説明する図である。 Some preferable manufacturing methods of the upper wiring layer 2 will be described below. FIG. 6 is a diagram for explaining one manufacturing method of the upper wiring layer 2, and FIG. 7 is a diagram for explaining another manufacturing method of the upper wiring layer 2.

まず、図６に示した上配線層２の製造方法について説明する。 First, a method of manufacturing the upper wiring layer 2 shown in FIG. 6 will be described.

同図に示すように、板状の第１複合材１０で形成された上配線層２の下部３と、板状の第２複合材２０で形成された上配線層２の上部４とを準備する。 As shown in the figure, a lower portion 3 of the upper wiring layer 2 formed of the plate-shaped first composite material 10 and an upper portion 4 of the upper wiring layer 2 formed of the plate-shaped second composite material 20 are prepared. To do.

そして、下部３と上部４との間にろう材箔１７を挟み、下部３と上部４をろう材箔１７を介してろう付けにより積層状に接合一体化する。これにより上配線層２が得られる。 Then, a brazing material foil 17 is sandwiched between the lower portion 3 and the upper portion 4, and the lower portion 3 and the upper portion 4 are joined and integrated in a laminated manner by brazing via the brazing material foil 17. As a result, the upper wiring layer 2 is obtained.

次に、図７に示した上配線層２の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the upper wiring layer 2 shown in FIG. 7 will be described.

同図に示すように、板状の第１複合材１０で形成された上配線層２の下部３を準備するとともに、第２アルミニウム箔２６上に繊維状炭素粒子２２が塗工された複数の塗工箔２７を準備する。 As shown in the figure, a plurality of lower parts 3 of the upper wiring layer 2 formed of the plate-shaped first composite material 10 and fibrous carbon particles 22 coated on the second aluminum foil 26 are prepared. The coating foil 27 is prepared.

そして、加熱加圧焼結装置３０として例えば真空ホットプレス装置３１に備えられた焼結室３２に、下部３と複数の塗工箔２７とを積層することにより焼結素材２９を形成し、この焼結素材２９を真空ホットプレス装置３１に備えられた図示しない加熱手段（例：ヒーター）により加熱しながら真空ホットプレス装置３１に備えられた一軸加圧手段（例：押圧パンチ３４、３４）により焼結素材２９の厚さ方向（即ち塗工箔２７の積層方向）に加圧することにより、複数の塗工箔２７を焼結一体化して上部４（第２複合材２０）を形成すると同時に上部４と下部３とを焼結接合する。これにより上配線層２が得られる。 Then, the sintering material 29 is formed by laminating the lower portion 3 and the plurality of coating foils 27 in the sintering chamber 32 provided in, for example, the vacuum hot press device 31 as the heating and pressurizing sintering device 30. While heating the sintered material 29 by a heating means (eg, heater) (not shown) provided in the vacuum hot press device 31, a uniaxial pressurizing means (eg, pressing punches 34, 34) provided in the vacuum hot press device 31 is used. By pressurizing in the thickness direction of the sintered material 29 (that is, the laminating direction of the coating foil 27), the plurality of coating foils 27 are sintered and integrated to form the upper portion 4 (second composite material 20), and at the same time, the upper portion is formed. 4 and the lower part 3 are sintered and joined. As a result, the upper wiring layer 2 is obtained.

焼結素材２９の焼結条件は限定されるものではなく、好ましくは、焼結温度は４５０℃〜６４０℃の範囲、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０ｍｉｎ〜３００ｍｉｎの範囲、及び、焼結素材２９への加圧力は１ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲であることがよい。 The sintering conditions of the sintering material 29 are not limited, and preferably, the sintering temperature is in the range of 450 ° C. to 640 ° C., and the sintering time (that is, the holding time of the sintering temperature) is in the range of 10 min to 300 min. The pressing force on the sintered material 29 is preferably in the range of 1 MPa to 40 MPa.

図７中の符号「３３」は、真空ホットプレス装置３１に備えられた筒状のダイスである。焼結室３２はこのダイス３３の内側に位置しており、焼結室３２を挟んだ対向位置（本実施形態では焼結室３２の上下両側位置）に押圧パンチ３４、３４が配置されている。 Reference numeral "33" in FIG. 7 is a tubular die provided in the vacuum hot press device 31. The sintering chamber 32 is located inside the die 33, and the pressing punches 34 and 34 are arranged at opposite positions (positions on both the upper and lower sides of the sintering chamber 32 in the present embodiment) across the sintering chamber 32. ..

なお本発明では、加熱加圧焼結装置３０は真空ホットプレス装置３１であることに限定されるものではなく、その他に例えば放電プラズマ焼結装置であってもよい。 In the present invention, the heat / pressure sintering apparatus 30 is not limited to the vacuum hot press apparatus 31, and may be, for example, a discharge plasma sintering apparatus.

本実施形態の放熱装置１によれば、上配線層２の下部３が第１複合材１０で形成されるとともに第１複合材１０の高熱伝導方向ａ１が下部３の厚さ方向Ｔに向いているので、上配線層２の厚さ方向Ｔの熱伝導性が向上し、これにより放熱装置１の放熱性能を高めることができる。 According to the heat radiating device 1 of the present embodiment, the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 is formed of the first composite material 10, and the high thermal conduction direction a1 of the first composite material 10 faces the thickness direction T of the lower portion 3. Therefore, the thermal conductivity of the upper wiring layer 2 in the thickness direction T is improved, and thus the heat dissipation performance of the heat radiating device 1 can be improved.

さらに、上配線層２の上部４が第２複合材２０で形成されるとともに第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２、ｃ２が上部４の平面方向に向いているので、上配線層２の上面２ａの平面方向の線膨張係数の異方性が緩和されるとともに、上配線層２の上面部の強度がはんだ層４１の強度よりも低くなる。そのため、冷熱サイクル負荷によるはんだ層４１の熱応力が緩和され、これにより放熱装置１の冷熱信頼性を高めることができる。 Further, since the upper portion 4 of the upper wiring layer 2 is formed of the second composite material 20 and the high thermal conduction directions b2 and c2 of the second composite material 20 are oriented in the plane direction of the upper wiring layer 2, the upper surface of the upper wiring layer 2 is formed. The anisotropy of the linear expansion coefficient in the plane direction of 2a is alleviated, and the strength of the upper surface portion of the upper wiring layer 2 becomes lower than the strength of the solder layer 41. Therefore, the thermal stress of the solder layer 41 due to the thermal cycle load is relaxed, which makes it possible to improve the thermal reliability of the heat radiating device 1.

上配線層２の上部４の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることがよい。この場合、はんだ層４１の熱応力を確実に緩和することができる。上部４の厚さのより好ましい下限は０．１ｍｍであり、より好ましい上限は１．５ｍｍである。 The thickness of the upper portion 4 of the upper wiring layer 2 is not limited, and is preferably in the range of 0.05 mm to 2 mm. In this case, the thermal stress of the solder layer 41 can be reliably relaxed. The more preferable lower limit of the thickness of the upper portion 4 is 0.1 mm, and the more preferable upper limit is 1.5 mm.

上部４（第２複合材２０）の機械的強度は限定されるものではなく、好ましくは上部４の平面方向の室温での引張強度は３０ＭＰａ〜１２０ＭＰａの範囲であることがよい。この場合、はんだ層４１の熱応力を確実に緩和することができる。 The mechanical strength of the upper portion 4 (second composite material 20) is not limited, and the tensile strength of the upper portion 4 in the plane direction at room temperature is preferably in the range of 30 MPa to 120 MPa. In this case, the thermal stress of the solder layer 41 can be reliably relaxed.

上配線層２の下部３の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．２ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲であることがよい。この場合、上配線層２の厚さ方向Ｚの熱伝導率が確実に高くなり放熱装置１の放熱性能を確実に向上させることができる。 The thickness of the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 is not limited, and is preferably in the range of 0.2 mm to 1.6 mm. In this case, the thermal conductivity of the upper wiring layer 2 in the thickness direction Z is surely increased, and the heat dissipation performance of the heat dissipation device 1 can be surely improved.

以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。 Although some embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

例えば、アルミニウム−黒鉛粒子複合材１０は上記実施形態に示したように第１アルミニウム箔上に黒鉛粒子１２が塗工された塗工箔が複数積層された塗工箔積層体を焼結することにより得られたものに限定されるものではなく、本発明ではその他に例えば、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と黒鉛粒子（例：黒鉛粉末）とが混合された混合体を焼結することにより得られたものであってもよい。 For example, the aluminum-graphite particle composite material 10 is a coating foil laminate in which a plurality of coating foils coated with graphite particles 12 are laminated on a first aluminum foil as shown in the above embodiment. In the present invention, for example, by sintering a mixture of aluminum particles (eg, aluminum powder) and graphite particles (eg, graphite powder). It may be obtained.

また同じく、アルミニウム−繊維状炭素粒子複合材２０は上記実施形態に示した方法で得られたものに限定されるものではなく、本発明ではその他に例えば、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と繊維状炭素粒子とが混合された混合体を焼結することにより得られたものであってもよい。 Similarly, the aluminum-fibrous carbon particle composite material 20 is not limited to that obtained by the method shown in the above embodiment, and in the present invention, for example, aluminum particles (eg, aluminum powder) and fibers are also used. It may be obtained by sintering a mixture in which the state carbon particles are mixed.

本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。ただし本発明は下記実施例に限定されるものではない。 Specific examples and comparative examples of the present invention are shown below. However, the present invention is not limited to the following examples.

＜実施例１＞
実施例１では、図１に示した上記実施形態の放熱装置１を次の方法で製造した。なお、実施例１を理解し易くするため、上記実施形態の放熱装置１の要素に付された符号を用いて実施例１を説明する。 <Example 1>
In the first embodiment, the heat radiating device 1 of the above-described embodiment shown in FIG. 1 was manufactured by the following method. In order to make it easier to understand the first embodiment, the first embodiment will be described with reference to the reference numerals attached to the elements of the heat radiating device 1 of the above embodiment.

上配線層２を図７に示した上配線層２の製造方法により製造した。 The upper wiring layer 2 was manufactured by the manufacturing method of the upper wiring layer 2 shown in FIG.

すなわち、上配線層２の下部３を、第１アルミニウムマトリックス１１と第１アルミニウムマトリックス１１中に分散した黒鉛粒子１２とを含む板状のアルミニウム−黒鉛粒子複合材１０（これを「第１複合材１０」ともいう）で形成した。下部３の幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴはそれぞれ２８．５ｍｍ、２８．５ｍｍ及び０．８ｍｍであった。黒鉛粒子１２としては鱗片状黒鉛粒子（その長軸方向の平均長さ５００μｍ）を用いた。 That is, the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 is a plate-shaped aluminum-graphite particle composite material 10 containing the first aluminum matrix 11 and the graphite particles 12 dispersed in the first aluminum matrix 11 (this is referred to as “the first composite material”. 10 ”). The width W, length L, and thickness T of the lower portion 3 were 28.5 mm, 28.5 mm, and 0.8 mm, respectively. As the graphite particles 12, scaly graphite particles (the average length in the major axis direction thereof was 500 μm) were used.

第１複合材１０はその平面方向の熱伝導率に異方性を有するものであり、第１複合材１０の高熱伝導方向ａ１及びｂ１がそれぞれ下部３の厚さ方向Ｔ及び長さ方向Ｌに向いており、第１複合材１０の低熱伝導方向ｃ１が下部３の幅方向Ｗに向いていた。なお、上述の熱伝導率は室温での熱伝導率（以下同じ）である。 The first composite material 10 has anisotropy in its thermal conductivity in the plane direction, and the high thermal conductivity directions a1 and b1 of the first composite material 10 are in the thickness direction T and the length direction L of the lower portion 3, respectively. The low thermal conduction direction c1 of the first composite material 10 was oriented in the width direction W of the lower portion 3. The above-mentioned thermal conductivity is the thermal conductivity at room temperature (the same applies hereinafter).

上配線層２の上部４を、第２アルミニウムマトリックス２１と第２アルミニウムマトリックス２１中に分散した繊維状炭素粒子２２とを含む板状のアルミニウム−繊維状炭素粒子複合材２０（これを「第２複合材２０」ともいう）で形成した。上部４の幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴはそれぞれ２８．５ｍｍ、２８．５ｍｍ及び０．４ｍｍであった。繊維状炭素粒子２２としてはピッチ系炭素繊維（その平均長さ１５０μｍ）を用いた。 The upper portion 4 of the upper wiring layer 2 is a plate-shaped aluminum-fibrous carbon particle composite material 20 containing the second aluminum matrix 21 and the fibrous carbon particles 22 dispersed in the second aluminum matrix 21 (this is referred to as “second”. It was formed of (also referred to as composite material 20). The width W, length L, and thickness T of the upper portion 4 were 28.5 mm, 28.5 mm, and 0.4 mm, respectively. As the fibrous carbon particles 22, pitch-based carbon fibers (its average length of 150 μm) were used.

第２複合材２０の平面方向の熱伝導率は等方的であり、第２複合材２０の高熱伝導方向ｂ２及びｃ２が上部４の平面方向（即ち上部４の長さ方向Ｌ及び幅方向Ｗ）に向いており、第２複合材２０の低熱伝導方向ａ２が上部４の厚さ方向Ｔに向いていた。 The thermal conductivity in the plane direction of the second composite material 20 is isotropic, and the high heat conduction directions b2 and c2 of the second composite material 20 are in the plane direction of the upper portion 4 (that is, the length direction L and the width direction W of the upper portion 4). ), And the low thermal conduction direction a2 of the second composite material 20 was oriented in the thickness direction T of the upper portion 4.

上配線層２の下部３と上部４は、真空ホットプレス装置３１を用いた第１複合材１０と第２複合材２０との焼結接合により積層状に一体化した。 The lower part 3 and the upper part 4 of the upper wiring layer 2 are integrated in a laminated manner by sintering and joining the first composite material 10 and the second composite material 20 using a vacuum hot press device 31.

また、窒化アルミニウム製の絶縁層５とアルミニウム製の下配線層６とをそれぞれ準備した。絶縁層５の幅、長さ及び厚さはそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．６４ｍｍであった。下配線層６の幅、長さ及び厚さはそれぞれ２８．５ｍｍ、２８．５ｍｍ及び０．６ｍｍであった。 Further, an insulating layer 5 made of aluminum nitride and an underwiring layer 6 made of aluminum were prepared respectively. The width, length and thickness of the insulating layer 5 were 30 mm, 30 mm and 0.64 mm, respectively. The width, length and thickness of the lower wiring layer 6 were 28.5 mm, 28.5 mm and 0.6 mm, respectively.

次いで、絶縁層５の上面に上配線層２をろう付けにより接合した。また絶縁層５の下面に下配線層６をろう付けにより接合した。これにより、上配線層２と絶縁層５と下配線層６とが接合一体化された絶縁基板９を製作した。 Next, the upper wiring layer 2 was joined to the upper surface of the insulating layer 5 by brazing. Further, the lower wiring layer 6 was joined to the lower surface of the insulating layer 5 by brazing. As a result, an insulating substrate 9 in which the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, and the lower wiring layer 6 are joined and integrated is manufactured.

次いで、下配線層６と放熱部材７としてのアルミニウム製ヒートシンクとの間に両面アルミニウムブレージングシート８（その厚さ０．５ｍｍ）を挟み、そして、下配線層６と放熱部材（ヒートシンク）７とをブレージングシート８を介して真空ろう付けにより接合した。ヒートシンクの幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴはそれぞれ４０ｍｍ、４０ｍｍ及び１５ｍｍ）あった。 Next, a double-sided aluminum brazing sheet 8 (thickness 0.5 mm thereof) is sandwiched between the lower wiring layer 6 and the aluminum heat sink as the heat radiating member 7, and the lower wiring layer 6 and the heat radiating member (heat sink) 7 are sandwiched. It was joined by vacuum brazing via a brazing sheet 8. The width W, length L and thickness T of the heat sink were 40 mm, 40 mm and 15 mm, respectively).

以上の方法により第１実施例の放熱装置１を製造した。 The heat radiating device 1 of the first embodiment was manufactured by the above method.

＜実施例２＞
実施例２では、図１に示した上記実施形態の放熱装置１を次の方法で製造した。なお、実施例２を理解し易くするため、上記実施形態の放熱装置１の要素に付された符号を用いて実施例２を説明する。 <Example 2>
In the second embodiment, the heat radiating device 1 of the above-described embodiment shown in FIG. 1 was manufactured by the following method. In order to make it easier to understand the second embodiment, the second embodiment will be described with reference to the reference numerals attached to the elements of the heat radiating device 1 of the above embodiment.

図８に示すように、上配線層２の下部３、上部４、絶縁層５、下配線層６及び放熱部材（ヒートシンク）７として、それぞれ実施例１と同じものを準備した。ここで、上配線層２の下部３と上部４は一体化されておらず即ちそれぞれ別体に形成されていた。 As shown in FIG. 8, as the lower portion 3, the upper portion 4, the insulating layer 5, the lower wiring layer 6, and the heat radiating member (heat sink) 7 of the upper wiring layer 2, the same ones as those in the first embodiment were prepared. Here, the lower portion 3 and the upper portion 4 of the upper wiring layer 2 are not integrated, that is, they are formed separately.

次いで、絶縁層５の上面に上配線層２の下部３をろう付けにより接合した。また、絶縁層５の下面に下配線層６をろう付けにより接合した。 Next, the lower portion 3 of the upper wiring layer 2 was joined to the upper surface of the insulating layer 5 by brazing. Further, the lower wiring layer 6 was joined to the lower surface of the insulating layer 5 by brazing.

次いで、同図に示すように、上配線層２の下部３と上部４との間にアルミニウム系ろう材箔１７（その厚さ３２μｍ）を挟むとともに、下配線層６と放熱部材７との間に両面アルミニウムブレージングシート８（その厚さ０．５ｍｍ）を挟み、そして、上配線層２の下部３と上部４とをろう材箔１７を介して真空ろう付けにより積層状に接合すると同時に下配線層６と放熱部材７とをブレージングシート８を介して真空ろう付けにより接合した。 Next, as shown in the figure, an aluminum brazing material foil 17 (thickness 32 μm thereof) is sandwiched between the lower portion 3 and the upper portion 4 of the upper wiring layer 2, and between the lower wiring layer 6 and the heat radiating member 7. A double-sided aluminum brazing sheet 8 (thickness 0.5 mm) is sandwiched between the two, and the lower part 3 and the upper part 4 of the upper wiring layer 2 are joined in a laminated manner by vacuum brazing via a brazing material foil 17 and at the same time the lower wiring. The layer 6 and the heat radiating member 7 were joined by vacuum brazing via the brazing sheet 8.

以上の方法により実施例２の放熱装置１を製造した。 The heat radiating device 1 of Example 2 was manufactured by the above method.

＜比較例＞
上配線層全体を実施例１の第１複合材１０（その厚さ０．８ｍｍ）だけで形成した。また、絶縁層、下配線層及び放熱部材（ヒートシンク）として、それぞれ実施例１と同じものを準備した。 <Comparison example>
The entire upper wiring layer was formed only of the first composite material 10 (thickness 0.8 mm thereof) of Example 1. Further, as the insulating layer, the lower wiring layer, and the heat radiating member (heat sink), the same ones as in Example 1 were prepared.

次いで、絶縁層の上面に上配線層をろう付けにより接合した。また、絶縁層の下面に下配線層をろう付けにより接合した。 Next, the upper wiring layer was joined to the upper surface of the insulating layer by brazing. Further, the lower wiring layer was joined to the lower surface of the insulating layer by brazing.

次いで、下配線層と放熱部材との間に両面アルミニウムブレージングシート（その厚さ０．５ｍｍ）を挟み、そして、下配線層と放熱部材とをブレージングシートを介して真空ろう付けにより接合した。 Next, a double-sided aluminum brazing sheet (thickness 0.5 mm thereof) was sandwiched between the lower wiring layer and the heat radiating member, and the lower wiring layer and the heat radiating member were joined by vacuum brazing via the brazing sheet.

以上の方法により比較例の放熱装置を製造した。 A heat radiating device of a comparative example was manufactured by the above method.

＜＜冷熱サイクル試験＞＞
実施例１、２及び比較例のそれぞれの放熱装置の上配線層の上面にニッケルめっき膜を形成し、次いで、リフローによる半導体チップのはんだ付けを行った。その後、各放熱装置について冷熱サイクル試験を−４０℃〜２００℃の試験温度範囲で１０００回行った。 << Cold cycle test >>
A nickel-plated film was formed on the upper surface of the upper wiring layer of each of the heat radiating devices of Examples 1 and 2 and Comparative Example, and then the semiconductor chip was soldered by reflow. Then, each heat radiating device was subjected to a thermal cycle test 1000 times in a test temperature range of −40 ° C. to 200 ° C.

そして、冷熱サイクル試験前後の各放熱装置における半導体チップのはんだ接合部を超音波探傷法により評価し、半導体チップのはんだ接合部の接合率を調べた。その結果、実施例１及び２の放熱装置では接合率がそれぞれ９４％及び９５％であり、比較例の放熱装置では接合率が８７％であった。したがって、実施例１及び２の放熱装置は比較例の放熱装置よりも高い冷熱信頼性を有していることを確認し得た。 Then, the solder joints of the semiconductor chips in each heat dissipation device before and after the cold cycle test were evaluated by an ultrasonic flaw detection method, and the joint ratio of the solder joints of the semiconductor chips was investigated. As a result, the heat radiating devices of Examples 1 and 2 had a bonding rate of 94% and 95%, respectively, and the heat radiating devices of Comparative Examples had a bonding rate of 87%. Therefore, it was confirmed that the heat radiating devices of Examples 1 and 2 have higher thermal reliability than the heat radiating devices of Comparative Examples.

なお、半導体チップのはんだ付接合部の接合率は次の方法で算出した。 The joining ratio of the soldered joint of the semiconductor chip was calculated by the following method.

接合率＝「冷熱サイクル試験後の半導体チップのはんだ接合部の接合面積」／「冷熱サイクル試験前の半導体チップのはんだ接合部の接合面積」×１００％。 Joining ratio = "joint area of the solder joint of the semiconductor chip after the cold cycle test" / "joint area of the solder joint of the semiconductor chip before the cold cycle test" x 100%.

本発明は、半導体チップ等の発熱性素子の熱を放散する放熱装置に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a heat radiating device that dissipates heat from a heat-generating element such as a semiconductor chip.

１：放熱装置
２：上配線層
３：上配線層の上部
４：上配線層の下部
５：絶縁層
７：放熱部材
１０：アルミニウム−黒鉛粒子複合材
１１：第１アルミニウムマトリックス
１２：黒鉛粒子
２０：アルミニウム−繊維状炭素粒子複合材
２１：第２アルミニウムマトリックス
２２：繊維状炭素粒子
４０：発熱性素子
４１：はんだ層 1: Heat dissipation device 2: Upper wiring layer 3: Upper part of upper wiring layer 4: Lower part of upper wiring layer 5: Insulation layer 7: Heat dissipation member 10: Aluminum-graphite particle composite material 11: First aluminum matrix 12: Graphite particles 20 : Aluminum-fibrous carbon particle composite 21: second aluminum matrix 22: fibrous carbon particles 40: heat generating element 41: solder layer

Claims (2)

上面にはんだ接合される発熱性素子の熱を放散する放熱装置であって、
互いに積層状に接合一体化された複数の放熱装置構成部材として、セラミック製絶縁層と、前記絶縁層の上側に配置された上配線層と、前記絶縁層の下側に配置された放熱部材とを備え、
前記上配線層は、前記絶縁層側に位置する下部と、前記下部の上側に位置する上部とを含むととともに、前記下部と前記上部が接合されており、
前記下部は、第１アルミニウムマトリックスと前記第１アルミニウムマトリックス中に分散した黒鉛粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム−黒鉛粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム−黒鉛粒子複合材の高熱伝導方向が前記下部の厚さ方向に向いており、
前記上部は、第２アルミニウムマトリックスと前記第２アルミニウムマトリックス中に分散した繊維状炭素粒子とを含み且つ熱伝導率に異方性を有するアルミニウム−繊維状炭素粒子複合材で形成されるとともに、前記アルミニウム−繊維状炭素粒子複合材の高熱伝導方向が前記上部の平面方向に向いている、放熱装置。 A heat radiating device that dissipates heat from a heat-generating element that is solder-bonded to the upper surface.
As a plurality of heat-dissipating device constituent members that are joined and integrated in a laminated manner with each other, a ceramic insulating layer, an upper wiring layer arranged above the insulating layer, and a heat-dissipating member arranged below the insulating layer. With
The upper wiring layer includes a lower portion located on the insulating layer side and an upper portion located on the upper side of the lower portion, and the lower portion and the upper portion are joined to each other.
The lower portion is formed of an aluminum-graphite particle composite material containing a first aluminum matrix and graphite particles dispersed in the first aluminum matrix and having anisotropy in thermal conductivity, and the aluminum-graphite particles. The high thermal conductivity direction of the composite material is directed to the thickness direction of the lower part.
The upper portion is formed of an aluminum-fibrous carbon particle composite material containing a second aluminum matrix and fibrous carbon particles dispersed in the second aluminum matrix and having anisotropy in thermal conductivity, and the above. A heat radiating device in which the high thermal conductivity direction of the aluminum-fibrous carbon particle composite material is oriented in the plane direction of the upper part. 前記上配線層の前記上部の厚さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である請求項１記載の放熱装置。 The heat radiating device according to claim 1, wherein the thickness of the upper portion of the upper wiring layer is in the range of 0.05 mm to 2 mm.
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