JP2010236016A - 高熱伝導性複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム粉末焼結板と繊維状炭素材料とを組み合わせた高熱伝導性複合材料において、素子搭載部を兼ねる素子冷却用熱拡散板として使用可能な機械的強度を確保する。優れた熱伝導性を維持しつつ、繊維状炭素材料の使用量を減らし、製造コストを下げる。
【解決手段】 純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状母材２２の板厚方向中間部で、且つ板厚方向に直角な平面領域の一部分に、板状高熱伝導部２３を埋設する。板状高熱伝導部２３は、アルミニウム粉末の焼結体層と、繊維状炭素材料がシート表面に平行な特定の一方向に配向した繊維配向シートとの積層体である。板状高熱伝導部２３となる焼結前の積層体のアルミニウム粉末層部分にバインダーを使用した粉末シートを用い、板状母材２２となる焼結前のアルミニウム粉末層の最上層にアルミニウムの板状バルク体を使用して焼結を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるＡｌ系素材中に、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの繊維状炭素材料を混合した高熱伝導性複合材料に関し、より詳しくは、半導体素子などの冷却用熱拡散板として特に適した板状の高熱伝導性複合材料に関する。

繊維状炭素材料としては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）がよく知られている。カーボンナノチューブも気相成長炭素繊維も共にグラフェンにより構成された極細のチューブ状構成物であり、以下に説明するごとく、積層構造及びこれに伴う繊維径の違いによって区別されている。

グラフェンとは、６個の炭素原子が二次元的に規則的に配列して構成されたハニカム構造のネットであって、炭素六角網面とも呼ばれ、このグラフェンが規則性をもって積層したものはグラファイトと呼ばれる。このグラフェンにより構成された単層又は多層で且つ極細のチューブ状構成物が繊維状炭素材料であり、カーボンナノチューブも気相成長炭素繊維も含んでいる。

すなわち、カーボンナノチューブは、グラフェンが円筒形状に丸まったシームレスのチューブであり、単層のものと同心円状に積層した複数層のものがある。単層のものは単層ナノチューブと呼ばれ、複数層のものは多層ナノチューブと呼ばれている。

また、気相成長炭素繊維は、グラフェンが円筒形状に丸まった単層又は複数層のグラフェンチューブ、すなわちカーボンナノチューブを芯部に有しており、その芯部を多重に且つ多角形状に取り囲むようにグラファイトがグラフェンチューブの径方向に積層されたものであり、その構造から超多層カーボンナノチューブとも呼ばれる。

換言すれば、気相成長炭素繊維の中心部に存在する単層又は多層のカーボンチューブがカーボンナノチューブである。

このような繊維状炭素材料を金属やセラミックス、更にはこれらの混合物に含有させて金属やセラミックスの特徴を生かしつつ、繊維状炭素材料により熱伝導性の向上を図った複合材料は多々提案されており、その一つが特許文献１に記載された高熱伝導性複合材料である。

特許文献１に記載された高熱伝導性複合材料のうち、アルミニウム粉末層と繊維状炭素材料からなるシートで繊維の方向がシート表面に平行な特定の方向に配向した繊維配向シートとを交互に積層し、その積層体を積層方向に加圧して積層体中のアルミニウム粉末を放電プラズマ焼結した複合材料は、繊維配向方向の熱伝導性に優れ、なかでも繊維状炭素材料が気相成長炭素繊維の場合に特に優れた熱伝導性を示す。

ところで、高熱伝導性複合材料の用途の一つとして、半導体素子の冷却に使用される熱拡散板がある。より具体的には、フィン部と接続される素子搭載部兼用の熱拡散板である。しかしながら、特許文献１に記載された前記複合材料は、アルミニウム粉末焼結体と繊維状炭素材料からなるシートが交互に積層した積層体であるために、アルミニウム粉末焼結体単体と比べると機械的強度が低い。このため、この複合材料は、素子搭載部を兼ねる素子冷却用熱拡散板として直接使用することができない制約がある。

国際公開ＷＯ２００６／１２０８０３パンフレット

本発明の目的は、素子搭載部を兼ねる素子冷却用熱拡散板等として使用可能な機械的強度を有すると共に、繊維状炭素材料を用いた積層構造の複合材料と同等の優れた熱伝導性を有し、しかも、その複合材料より繊維状炭素材料の使用量を抑制することにより製造コストの低減を可能とする高熱伝導性複合材料及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは、図５に示すように、アルミニウム粉末焼結体からなる１対の板状母材１，１間に前記した積層構造の複合材料２を挟んだサンドイッチ構造の複合焼結板３を前記熱拡散板として考えた。製造方法は次のとおりである。なお、本明細書において、アルミニウムとは、純アルミニウム又はアルミニウム合金の両方を意味し、Ａｌ系金属と同じ意味である。

複合材料２が焼結体であることから、図６（ａ）に示すように、ダイ６内の下パンチ７上に第１のアルミニウム粉末層１ａを形成し、その上に複合材料２を形成するための繊維配向シート２ａとアルミニウム粉末層２ｂとを交互に重ね合わせ、更にその積層体上に第２のアルミニウム粉末層１ｂを形成する。こうして得られた積層体を下パンチ７と上パンチ８の間で層厚方向に加圧した状態で、積層体中のアルミニウム粉末を放電プラズマ焼結する。繊維配向シート２ａは、例えば気相成長炭素繊維がシート表面に平行な特定方向Ｘに配向したものである。この方法により、図５に示すサンドイッチ構造の高強度で高熱伝導性の複合焼結板３が一度の焼結で製造される。

製造された複合焼結板３内の複合材料２における繊維配向方向Ｘの端部にフィン構造の熱拡散部４を接合すると共に、複合焼結板３の表面に半導体素子５を接触させる。半導体素子５で発生した熱が複合材料２中の特に繊維配向シート層を介して熱拡散部４に伝わり、半導体素子５が効率よく冷却される。

この複合焼結板３は、素子搭載部を兼ねる素子冷却用熱拡散板に使用して、機械的強度の面でも熱伝導性の面では問題がない。しかし、半導体素子５で発生した熱の拡散に特に寄与するのは、アルミニウム粉末焼結体からなる板状母材１，１間に挟まれた複合材料２のうち、半導体素子５の搭載箇所から熱拡散部４に至る図５中のハッチングで示された帯状領域の部分であり、他の部分は熱拡散には実質的に寄与しない。それならば、ハッチングで示された帯状領域以外の部分で複合材料２を排除するのが得策となるが、現状の製造方法では、それは困難である。

なぜなら、アルミニウム粉末焼結板中の一部分、すなわち、焼結板の板厚方向中間部で平面領域の一部分に複合材料２を部分配置することが、製法上困難であるからである。その理由を図６（ｂ）により説明する。アルミニウム粉末焼結板中の一部分に複合材料２が配置された複合焼結板を製造するためには、まずダイ６内の下パンチ７上に第１のアルミニウム粉末層１ｃを形成し、その中央部上に複合材料２の構成材として繊維配向シート２ａとアルミニウム粉末層２ｂとの積層体を形成する。その後、その積層体の周囲に第２のアルミニウム粉末層１ｄを形成する。最後に積層体及び周囲の第２のアルミニウム粉末層１ｄの上に第３のアルミニウム粉末層１ｅを形成する。こうして得られた積層体を下パンチ７と上パンチ８の間で層厚方向に加圧した状態で、積層体中のアルミニウム粉末を放電プラズマ焼結する。

下パンチ７と上パンチ８の間での加圧において、複合材料２の構成材である積層体の周囲ではアルミニウム粉末しか存在しないため、十分な加圧力が確保され、緻密度も確保される。また、この部分で下パンチ７と上パンチ８の最終間隔が規定される。しかし、複合材料２の構成材が存在する部分では、構成材である積層体の嵩密度が小さいため、アルミニウム粉末のみの部分よりも高い高さが必要となる。その結果、複合材料２の構成材の部分では、高さが不足し、所定の性能の複合材料２が形成されない。

もう少し詳しく説明するならば、複合材料２の構成材である繊維配向シート２ａとアルミニウム粉末層２ｂとを交互に重ね合わせた積層体は、通常、次のようにして製造される。熱伝導性に優れた気相成長炭素繊維は、触媒を用いて基板表面から多数本を同時に気相成長させることにより製造される。その結果、基板上に多数本の繊維が二次元的に密集した形態で、気相成長炭素繊維は製造される。二次元的に密集した多数本の繊維は、製造過程でのガス流れにより一方向に倒れている場合が多く、密集繊維を基板から分離するだけで、一方向に配向した繊維シートが得られる。これはそのまま繊維配向シートとして用いることができるし、これを軽く押圧して使用することもできる。倒れてなければ、一方向にローラ等で押し倒すことにより、一方向に一次元配向した繊維シートが得られる。

こうして製造された繊維配向シート２ａの両面にアルミニウム粉末を付着させる。両面にアルミニウム粉末が付着した繊維配向シートを重ね合わせることにより、繊維配向シート２ａとアルミニウム粉末層２ｂとの積層体が作製される。

作製された積層体では、両面にアルミニウム粉末が付着した繊維配向シートが平坦でなく、相当に凹凸変形している。このため、両面にアルミニウム粉末が付着した繊維配向シートを重ねた積層体の高さは、焼結後の複合材料２の高さより格段に大きくなる。焼結後の複合材料２の高さが１ｍｍの場合、前記積層体の高さは１０ｍｍに達する。すなわち、複合材料２の構成材である繊維配向シート２ａとアルミニウム粉末層２ｂとの積層体を、製品である複合材料２とするためには、高さを１／１０にも減少させる必要があるのである。一方、アルミニウム粉末の焼結に伴う高さの減少率は１／２〜１／３程度である。この減少率の差が、アルミニウム粉末焼結板中の所定箇所に複合材料２を部分配置した複合焼結板３の製造を困難にするのである。

この問題を解決するために、図６（ｃ）に示すように、複合材料２を埋設する部分でアルミニウム粉末層１ｅを厚くすることが考えられるが、複合材料２の構成材とアルミニウム粉末との圧縮率の差が余りに大きく、不確定要素が多いために、所定の性能の複合材料２をアルミニウム粉末焼結板中の所定箇所に部分的に形成することは困難である。このため、アルミニウム粉末焼結体からなる１対の板状母材１，１の間の全域に前記複合材料２を均等に挟んだサンドイッチ構造の複合焼結板３が前記熱拡散板として使用されているわけである。このため、必要以上の領域に複合材料２、特に繊維状炭素材料が使用されることになり、製造コストが非常に高いものとなる。

このような状況下で、本発明者らはアルミニウム粉末焼結板中に部分的に複合材料２を埋設配置する方法について鋭意、検討した。その結果、複合材料２の構成材、特にアルミニウム粉末層２ｂとして、アルミニウム粉末をバインダーと混合して形成した粉末シートを用いること、複合材料２をアルミニウム粉末焼結板中に封入する際の圧縮過程でアルミニウム粉末の一部に代えてアルミニウムの板状バルク体を使用することの併用が有効なことが判明した。

詳しく説明すると、アルミニウム粉末焼結板中の一部分に複合材料２が配置された複合焼結板を製造するためには、まずダイ６内の下パンチ７上に第１のアルミニウム粉末層１ｃを形成し、その中央部上に複合材料２の構成材として繊維配向シート２ａとアルミニウム粉末層２ｂとの積層体を形成するが、このときアルミニウム粉末層２ｂに代えて、アルミニウム粉末をバインダーと混合して形成した粉末シートを用いるのである。この粉末シートは変形が自在であるので、繊維配向シート２ａと粉末シートとを重ねて積層方向に加圧した積層体では、繊維配向シート２ａにアルミニウム粉末を付着させる必要がないので、元々平坦性に優れる上に、繊維配向シート２ａが粉末シートの変形によって吸収されるために、積層体の焼結前の高さを低くできる。

そして、この積層体の周囲に第２のアルミニウム粉末層１ｄを形成した後、積層体及び第２のアルミニウム粉末層１ｄの上に第３のアルミニウム粉末層１ｅを形成して積層方向に加圧するが、このとき第３のアルミニウム粉末層１ｅをアルミニウムからなる板状バルク体に代えておけば、焼結工程での板状バルク体の収縮が粉末層に比べて格段に小さいため、この板状バルク体が前記積層体に対する効果的な押し板となり、前記積層体の当初の圧縮度が高いこととあいまって、焼結工程で前記積層体を所定密度まで圧縮することができる。

前記積層体の敷き板となる第１のアルミニウム粉末層１ｃについては、アルミニウム粉末層のままでもよいし、アルミニウムの板状バルク体に変更してもよい。いずれの場合も、焼結過程でアルミニウムの板状バルク体は前記積層体及びアルミニウム粉末層と一体化される。

本発明の高熱伝導性複合材料は、かかる知見を基礎として完成されたものであり、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状母材と、純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体中に繊維状炭素材料が含まれた板状複合材からなり、前記板状母材の板厚方向中間部で且つ板厚方向に直角な平面領域の一部分に埋設された板状熱伝導促進部とを具備し、前記板状母材は、板状熱伝導促進部の片面側又は両面側が純アルミニウム又はアルミニウム合金の板状バルク体からなり、他の部分が純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体からなる。

本発明の高熱伝導性複合材料においては、板状母材中の必要な箇所にのみ、必要な広さ及び形状の板状高熱伝導部が埋設配置される。

板状高熱伝導部は、アルミニウム粉末焼結体中に繊維状炭素材料を均一に分散させたものでもよいが、アルミニウム粉末の焼結体層と、繊維状炭素材料からなるシートで繊維の方向がシート表面に平行な方向に配向した繊維配向シートとの積層体が、熱伝導性の点から好ましく、繊維配向シートにおける繊維の方向がシート表面に平行な特定の一方向に配向した一次元配向シートが特に好ましい。

繊維状炭素材料は気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブの両方を含み、熱伝導性の点からは太くて長く、しかも真直な気相成長炭素繊維、若しくはこれに微量のカーボンナノチューブを混合したものが好ましい。カーボンナノチューブの混合量としては、その比重を１．４としたときの体積比で表して０．０１〜５％が好ましく、０．２〜２％が特に好ましい。カーボンナノチューブは細く基本的に無配向である。配向した大径の気相成長炭素繊維に微量のカーボンナノチューブを混合することにより、気相成長炭素繊維に細く無配向のカーボンナノチューブが絡まりあって熱伝導的な架橋材として機能し、２次元的、３次元的に展開する高性能な熱的ネットワークが構築される。

板状高熱伝導部は又、少なくとも一つの端部表面が板状母材の端部表面に露出した構成が、前述した素子搭載部を兼ねる素子冷却用熱拡散板として好ましい。板状高熱伝導部の少なくとも一つの端部表面が板状母材の端部表面に露出することにより、その板状母材の端部に機械的に接続されるフィン部などに効率的に熱を伝えることができる。

本発明の高熱伝導性複合材料の製造方法は次の二つであり、第１は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１のアルミニウム粉末層の一部表面上に、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる粉末をバインダーと混合して形成した粉末シートと繊維状炭素材料からなるシートとの第１積層体を形成する工程と、第１のアルミニウム粉末層上の第１積層体周囲に、第１積層体と同等厚さで純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２のアルミニウム粉末層を形成する工程と、第１積層体及び第２のアルミニウム粉末層の上に純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状バルク体を載せて第２積層体を形成する工程と、第２積層体を積層方向に加圧して第１積層体中及び第２積層体中のアルミニウム粉末を同時焼結する工程とを包含する。

第２の高熱伝導性複合材料の製造方法は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１の板状バルク体の一部表面上に、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる粉末をバインダーと混合して形成した粉末シートと繊維状炭素材料からなるシートとの第１積層体を形成する工程と、第１の板状バルク体上の第１積層体周囲に、第１積層体と同等厚さで純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム粉末層を形成する工程と、第１積層体及びアルミニウム粉末層の上に純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２の板状バルク体を載せて第２積層体を形成する工程と、第２積層体を積層方向に加圧して第１積層体中及び第２積層体中のアルミニウム粉末を同時焼結する工程とを包含する。

第１の製造方法によれば、板状高熱伝導部の片面側がアルミニウムの板状バルク体からなり、他の部分がアルミニウムの粉末焼結体からなる板状母材が構成される。第２の製造方法によれば、板状高熱伝導部の両面側がアルミニウムの板状バルク体からなり、他の部分がアルミニウムの粉末焼結体からなる板状母材が構成される。また、いずれの方法においても、その板状母材中に、アルミニウム粉末焼結体中に繊維状炭素材料が含まれた板状複合材からなる板状高熱伝導部が、板状母材の板厚方向中間部で且つ板厚方向に直角な平面領域の一部分に埋設された高熱伝導性複合材料が製造される。

製造された高熱伝導性複合材料中の板状高熱伝導部は、その構成材である第１積層体のアルミニウム粉末層の部分に、バインダーを使用した粉末シートを用い、第２積層体の最上のアルミニウム層となる部分にアルミニウムの板状バルク体を使用しているので、板状母材の部分と同時に焼結されるにもかかわらず、積層方向に強く加圧され、硬く焼き締まった積層焼結体となる。なお、粉末シート中のバインダーは焼結過程で消失する。

粉末シートと積層される繊維状炭素材料からなるシートは、繊維の方向がシート表面に平行な方向に配向した繊維配向シートが好ましく、シート表面に平行な特定の一方向に配向した繊維配向シートが特に好ましい。

焼結法としては、放電プラズマ焼結法が好ましい。放電プラズマ焼結法は、パルス通電法あるいはパルス通電加圧焼結法とも呼ばれ、粉末粒子間に発生する高温プラズマを利用することにより、隣接する粉末粒子間の密着性を高め、焼結体中の気孔率を限りなく０に近づけると共に、粒子表面の酸化物を消失させ、マトリックスであるアルミニウム粉末自体の熱伝導性の向上及びマトリックスと繊維状炭素材料との間の熱伝導性の向上に寄与する。

板状高熱伝導部における繊維状炭素材料は、熱伝導性を確保するために相応の含有量を確保する必要がある。ただし、含有量が多すぎると、マトリックスであるアルミニウム粉末焼結体が本来保有する優れた加工性、延性等の特徴が十分に得られなくなる。いずれの場合も複合材料としてのメリットが十分に得られなくなる。この観点から、繊維状炭素材料の含有比は、体積比で１〜６５％が好ましく、５〜６０％が特に好ましい。

繊維状炭素材料の製造方法は特に問わない。アーク放電法、レーザー蒸発法、熱分解法、化学気相成長法等のいずれでもよいが、気相成長炭素繊維は化学気相成長法により製造される。気相成長炭素繊維を表すＶＧＣＦはVapor Grown Carbon Fiberの略である。

本発明の高熱伝導性複合材料は、アルミニウムの粉末焼結体とバルク体の複合体からなる板状母材の板厚方向中間部で且つ板厚方向に直角な平面領域の一部分に、アルミニウム粉末焼結体中に繊維状炭素材料が含まれた板状複合材からなる板状高熱伝導部が埋設される構成を採用するので、半導体素子の搭載にも耐えられる機械強度を有する。また、板状母材中の必要な箇所にのみ、高性能な板状高熱伝導部を配置することができる。したがって、サンドイッチ構造の高熱伝導性複合材料が有する機械的強度および優れた熱伝導性を維持しつつ、繊維状炭素材料の使用量を減らすことができ、経済性に優れる。

また、本発明の高熱伝導性複合材料の製造方法は、板状高熱伝導部となる第１積層体のアルミニウム粉末層部分にバインダーを使用した粉末シートを用い、第１積層体を内包する第２積層体の最上アルミニウム層にアルミニウムの板状バルク体を使用しているので、１回の焼結により、第１積層体と共に、第１積層体中の第２積層体を積層方向に強く加圧することができる。このため、アルミニウムの粉末焼結体とバルク体の複合体からなる板状母材中に、硬く焼き締まった高熱伝導性の板状高熱伝導部が部分的に埋設された高熱伝導性複合材料を製造することができる。したがって、サンドイッチ構造の高熱伝導性複合材料が有する機械的強度および優れた熱伝導性を維持しつつ、繊維状炭素材料の使用量を減らすことができ、製造コストの大幅低減を図ることができる。

本発明の高熱伝導性複合材料を使用した半導体素子冷却装置の一例を示す斜視図である。 同半導体素子冷却装置に使用されている高熱伝導性複合材料の斜視図である。 （ａ）（ｂ）は同高熱伝導性複合材料の断面図で、図２中のＡ−Ａ線矢示図である。 （ａ）は同高熱伝導性複合材料の第１の製造方法を段階的に示す模式断面図、（ｂ）は同高熱伝導性複合材料の第２の製造方法を段階的に示す模式断面図である。 本発明の高熱伝導性複合材料の前提となる高熱伝導性複合材料の概略構成を示す斜視図である。 （ａ）は同高熱伝導性複合材料の製造方法を示す模式断面図、（ｂ）は別の高熱伝導性複合材料の製造方法を示す模式断面図、（ｃ）は更に別の高熱伝導性複合材料の製造方法を示す模式断面図である。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の高熱伝導性複合材料は、半導体素子冷却装置における素子搭載部を兼ねる熱拡散板である。半導体素子冷却装置は、図１に示すように、角枠状の筐体１０と、筐体１０内に所定の間隔で整列配置される複数枚の素子搭載部を兼ねる熱拡散板２０とを備えている。複数枚の熱拡散板２０は、筐体１０の両側の側板１３間に所定間隔で平行に保持されている。以下の説明では、筐体１０における熱拡散板２０の配列方向を奥行き方向、熱拡散板２０の挿入方向を深さ方向という。

筐体１０は、両端部にフィン部１１を有している。フィン部１１は、筐体１０の奥行き方向に所定間隔で配列され、それぞれが深さ方向に延びる複数のリブ状突起からなる。フィン部１１の内側の内面には、熱拡散板２０の端部が嵌合するように、筐体１０の深さ方向に延びる角溝１２が、筐体１０の奥行き方向に所定の間隔で形成されている。筐体１０の材質はアルミニウムである。

熱拡散板２０は、図２に示すように、筐体１０の角溝１２に挿入されるように両端部に一体的に形成された凸部２１を有している。熱拡散板２０は又、図３に示すように、アルミニウム粉末焼結体からなる板状母材２２中に、一端から他端に達する板状高熱伝導部２３が２段に埋設された複合材料である。

板状母材２２は、図３（ａ）に示す第１の積層構造、又は図３（ｂ）に示す第２の積層構造の何れかを採用する。図３（ａ）に示す第１の積層構造では、板状高熱伝導部２３の一方の表面側がアルミニウムの板状バルク体２２ａからなり、他の部分、すなわち板状高熱伝導部２３の他方の表面側、及び板状高熱伝導部２３と同レベルの層がアルミニウムの粉末焼結体２２ｂからなる。また、図３（ｂ）に示す第２の積層構造では、板状高熱伝導部２３の両方の表面側がアルミニウムの板状バルク体２２ａ，２２ａからなり、他の部分、すなわち板状高熱伝導部２３と同レベルの層がアルミニウムの粉末焼結体２２ｂからなる。いずれの積層構造においても、板状バルク体２２ａ、粉末焼結体２２ｂ及び板状高熱伝導部２３は一体化されている。

個々の板状高熱伝導部２３は、熱拡散板２０の板厚方向の中央部に配置された薄い平板であり、より詳しくは、繊維配向シートとアルミニウム粉末焼結体層とが板厚方向に交互に重ね合わされた積層構造の板状複合材である。繊維配向シートは、気相成長炭素繊維の薄いシートで、繊維の方向が長手方向に配向したものである。

板状高熱伝導部２３の両端部は熱拡散板２０の両端部に露出している。具体的には、熱拡散板２０の凸部２１の頂面及び両側面に、前記板状高熱伝導部２３の端部は露出している。そして、板状高熱伝導部２３が配置された領域においては、熱拡散板２０の表面に半導体素子４０が接触している。熱拡散板２０の表面における板状高熱伝導部２３の配置領域を図２中にハッチングで示す。

半導体素子４０から発した熱は、主に裏側に配置された熱拡散板２０中の板状高熱伝導部２３に伝わる。板状高熱伝導部２３における繊維配向シートは、繊維の方向が長手方向に配向しているので、その熱は板状高熱伝導部２３を経由して熱拡散板２０の端部へ伝わり、筐体１０のフィン部１１から放出される。熱拡散板２０の両端部では、熱拡散板２０の凸部２１の頂面及び両側面に、前記板状高熱伝導部２３の端部が露出し、その凸部２１が角溝１２に嵌合するので、フィン部１１に対する板状高熱伝導部２３の接触面積が大きく、接触部での熱伝導性も良好である。

本実施形態の高熱伝導性複合材料である熱拡散板２０は、アルミニウムの粉末焼結体とバルク体の複合体を板状母材２２とするので、高強度であり、半導体素子４０を搭載しても何ら問題を生じない。半導体素子４０の裏側に、両端に向けて配向した板状高熱伝導部２３が部分的に配置されているので、フィン部１１までの熱抵抗が小さい。板状高熱伝導部２３が全面的に配置されていても、配向方向に直角な方向の熱抵抗は大きいので、半導体素子４０の裏側に位置する帯状部分しか熱伝導に寄与しない。したがって、板状高熱伝導部２３が帯状に部分配置されているにもかかわらず、全面的に配置されている場合とほぼ同等の冷却能が確保される。

一方、板状高熱伝導部２３が配置されている部分は半導体素子４０の裏側の帯状領域に限定されているので、全面配置の場合に比べて配置面積が小さくなり、それに伴って高価な繊維状炭素材料の使用量が減少する。

次に、本実施形態の高熱伝導性複合材料である熱拡散板２０の製造方法について図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）は、本発明の第１の製造方法についての一例を段階的かつ模式的に示し、図４（ｂ）は、本発明の第２の製造方法についての一例を段階的かつ模式的に示している。

第１の製造方法では、まず繊維配向シートを作製する。具体的には、気相成長炭素繊維がシート表面に平行な一方向（シート長手方向）に一次元配向した繊維配向シートを作製する。この繊維配向シートは、気相成長過程で自然に製造されたものを使用することができる。そのシート製造法の詳細は前述したとおりである。

また、粉末シートを作製する。これは、アルミニウム粉末をバインダーと混合しシート化した、いわゆるグリーンシートである。バインダーとしては、従来、ろう付け分野において刷毛塗り用又は塗布用のろう材の調製に使用されている各種の樹脂を使用することができる。具体的には、ポリビニルブチラール樹脂、酢酸ビニル樹脂などが適当であり、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエチレンオキサイド樹脂なども使用することができる。バインダー樹脂を軟化させるための溶媒としては、一般に使用されているものでよく、イソプレンアルコール（ＩＰＡ）が多くのバインダー樹脂と相性がよく作業性もよい。

繊維配向シート及び粉末シートが用意されると、これらを交互に積層し積層方向に加圧して第１積層体とする。

以上の準備が終わると、図４（ａ）に示すように、熱拡散板２０に対応する内形のダイ５０内の下パンチ５１上にアルミニウム粉末を投入し、第１アルミニウム粉末層５２を形成する。第１アルミニウム粉末層５２上の所定位置に、予め製造しておいた第１積層体５３をおく。第１積層体５３は気相成長炭素繊維の配向シート５３ａとアルミニウムの粉末シート５３ｂとを交互に積層して加圧したものである。第１積層体５３の周囲にアルミニウム粉末を投入し、第２アルミニウム粉末層５４を形成する。第１積層体５３及び第２アルミニウム粉末層５４の上にアルミニウムの板状バルク体５５をおく。

こうして形成されたダイ５０内の第２積層体５６を下パンチ５１と上パンチ５７との間で層厚方向に加圧し、パルス電流を流すことにより、放電プラズマ焼結する。これにより、アルミニウム粉末層５２，５４及び板状バルク体５５が一体となってアルミニウムの板状母材２２が形成される。また、形成された板状母材２２の幅方向中間部で且つ板厚方向中間部に、第１積層体５３が焼結されて板状母材２２と一体化した板状高熱伝導部２３が形成される。

かくして、本実施形態の高熱伝導性複合材料、特に図３（ａ）に示す熱拡散板２０が製造される。

焼結の過程で、第１のアルミニウム粉末層５２は層厚が約１／３となる。第２のアルミニウム粉末層５４及び第１積層体５３も共に約１／３となる。第１積層体５３は気相成長炭素繊維の配向シート５３ａとアルミニウムの粉末シート５３ｂとを交互に積層し積層方向に３０〜５０ＭＰａの圧力で予め加圧したものであるので、嵩が相当に抑制されており、焼結の過程では上からアルミニウムの板状バルク体５５により加圧されるので、１／３の層厚減少でも十分な密度が確保される。

第２の製造方法では、図４（ｂ）に示すように、第１アルミニウム粉末層５２の代わりにアルミニウムの板状バルク体５８を配置することが相違する。他は第１の方法と同じである。この方法でも、第１積層体５３は気相成長炭素繊維の配向シート５３ａとアルミニウムの粉末シート５３ｂとを交互に積層し積層方向に予め加圧したものであるので、嵩が相当に抑制されており、焼結の過程では上からアルミニウムの板状バルク体５５により加圧されるので、第２のアルミニウム粉末層５４と同じ１／３の層厚減少でも十分な密度が確保される。かくして、図３（ｂ）に示す熱拡散板２０が製造される。

いずれの方法でも、第１積層体５３内の粉末シート５３ｂ中のバインダーは、焼結の過程で消失する。

図３（ａ）に示す熱拡散板用の高熱伝導性複合材料を実際に作製した。作製した高熱伝導性複合材料は、長方形の板状母材と、板状母材の板幅方向の２箇所に埋設された２枚の板状高熱伝導部とからなる。板状母材は、板状高熱伝導部の一方の側が純アルミニウムの板状バルク体からなり、他の部分が平均粒子径が３５μｍの純アルミニウム粉末と、平均粒径が４０μｍのＡｌ−１２Ｓｉ粉末の混合粉末を焼結したものである。混合粉末におけるＡｌ−１２Ｓｉ粉末の含有率は１０重量％である。板状母材の長さは４５０ｍｍ、幅（図２及び図３では高さ）は２９０ｍｍ、厚さは６ｍｍである。

板状母材中の板状高熱伝導部は厚みが２ｍｍ、幅が８０ｍｍ、長さが板状母材の長さと同じ４５０ｍｍの帯状部材であり、板状母材の両表面から２ｍｍ、両側面から１２ｍｍの位置に２０ｍｍの隙間をあけて埋設されている。

この板状高熱伝導部は、繊維配向シートとアルミニウム粉末焼結体層とを厚み方向に積層した積層体であり、より詳しくは、繊維配向シートとアルミニウムの可塑性粉末シートを積層して焼結したものである。繊維配向シートは、太さが１〜５０μｍ（平均１０μｍ）で長さが約２〜３ｍｍの気相成長炭素繊維の密集体であり、その繊維の方向を表面に平行で且つ同一の方向に配向させた厚みが１００μｍオーダーの気相成長炭素繊維配向シートである。板状高熱伝導部における気相成長炭素繊維の配合率は体積比で６０％である。粉末シートにおけるアルミニウム粉末は前記混合粉末である。

製造方法は図４（ａ）に示した第１の製造方法であり、焼結は放電プラズマ焼結とした。焼結温度は純アルミニウムの融点より低く、Ａｌ−１２Ｓｉの融点より高い５６０℃とした。加熱保持時間は６０分間、昇温速度は２０℃／ｍｉｎとし、加圧力は３０ＭＰａとした。

板状高熱伝導部の焼結前の厚み、すなわち第１積層体の厚みは約６ｍｍ、第１アルミニウム粉末層の層厚は約５．４ｍｍ、第２アルミニウム粉末層の層厚は第１積層体の厚みと同じ約６ｍｍ、板状バルク体の板厚は約３．６ｍｍとした。焼結後に各厚さが２ｍｍとなることは前述したとおりである。

比較のために、高熱伝導性複合材料の全面に板状高熱伝導部を配置した従来のサンドイッチ構造の熱拡散板を作製した。板状複合材料の全面に板状高熱伝導部を配置した以外は上記実施例と同じである。半導体冷却性能は上記実施例１と同じであった。一方、気相成長炭素繊維の使用量は、上記実施例１に比べ、この比較例の方は約２倍に増加した。上記実施例１の経済性の高さは明らかである。

図３（ｂ）に示す熱拡散板用の高熱伝導性複合材料を実際に作製した。第１アルミニウム粉末層（約５．４ｍｍ厚）を板状バルク体（約３．６ｍｍ厚）に変更した以外は、実施例１と同じである。半導体冷却性能は上記実施例１と同じであった。気相成長炭素繊維の使用量も上記実施例１とほぼ同じであった。

１０ 筐体
２０ 熱拡散板（高熱伝導性複合材料）
２２ 板状母材
２３ 板状高熱伝導部
４０ 半導体素子
５０ ダイ
５１ 下パンチ
５２，５４ アルミニウム粉末層
５３ 第１積層体
５５，５８ 板状バルク体
５６ 第２積層体
５７ 上パンチ

Claims (5)

1. 純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状母材と、
   純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体中に繊維状炭素材料が含まれた板状複合材からなり、前記板状母材の板厚方向中間部で且つ板厚方向に直角な平面領域の一部分に埋設された板状熱伝導促進部とを具備し、
   前記板状母材は、板状熱伝導促進部の片面側又は両面側が純アルミニウム又はアルミニウム合金の板状バルク体からなり、他の部分が純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体からなる高熱伝導性複合材料。
2. 請求項１に記載の高熱伝導性複合材料において、前記板状熱伝導促進部は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の粉末焼結体層と、繊維状炭素材料からなるシートで繊維の方向がシート表面に平行な方向に配向した繊維配向シートとの積層体である高熱伝導性複合材料。
3. 純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１のアルミニウム粉末層の一部表面上に、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる粉末をバインダーと混合して形成した粉末シートと繊維状炭素材料からなるシートとの第１積層体を形成する工程と、
   第１のアルミニウム粉末層上の第１積層体周囲に、第１積層体と同等厚さで純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２のアルミニウム粉末層を形成する工程と、
   第１積層体及び第２のアルミニウム粉末層の上に純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板状バルク体を載せて第２積層体を形成する工程と、
   第２積層体を積層方向に加圧して第１積層体中及び第２積層体中のアルミニウム粉末を同時焼結する工程と、
   を含む高熱伝導性複合材料の製造方法。
4. 純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１の板状バルク体の一部表面上に、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる粉末をバインダーと混合して形成した粉末シートと繊維状炭素材料からなるシートとの第１積層体を形成する工程と、
   第１の板状バルク体上の第１積層体周囲に、第１積層体と同等厚さで純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム粉末層を形成する工程と、
   第１積層体及びアルミニウム粉末層の上に純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２の板状バルク体を載せて第２積層体を形成する工程と、
   第２積層体を積層方向に加圧して第１積層体中及び第２積層体中のアルミニウム粉末を同時焼結する工程と、
   を含む高熱伝導性複合材料の製造方法。
5. 請求項３又は４に記載の高熱伝導性複合材料の製造方法において、第１積層体中に配置される繊維状炭素材料からなるシートは、繊維の方向がシート表面に平行な方向に配向した繊維配向シートである高熱伝導性複合材料の製造方法。

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