JP6708498B2 - 冷却器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子素子等の発熱性素子が搭載される搭載面を有する配線層を具備する冷却器及びその製造方法に関する。

なお、本明細書及び特許請求の範囲では、「板」の語は、特に明示する場合を除き「箔」も含む意味で用いられ、また「アルミニウム」の語は、特に明示する場合を除き純アルミニウムとアルミニウム合金との双方を含む意味で用いられる。

また、本発明に係る冷却器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、冷却器の構成を理解し易くするため、発熱性素子が搭載される冷却器の搭載面側を冷却器の上側、及び、その反対側を冷却器の下側とそれぞれ定義する。

電子素子等の発熱性素子が搭載される従来の絶縁基板の製造方法について、セラミック製の絶縁層上にろう材層を介して配線層（回路層とも呼ばれている）を積層し、絶縁層と配線層をろう付けにより接合することは公知である（例えば特許文献１、２）
絶縁基板では、発熱性素子は、配線層の上面からなる搭載面に例えばはんだ付けにより接合されて搭載される。そして、絶縁基板は、発熱性素子の動作に伴い発熱した発熱性素子を冷却するため、冷却部材（放熱部材を含む）上に配置されて接合されており、これにより冷却器が形成されている。

配線層は、冷熱サイクル負荷時の線膨張係数差に起因する応力を緩和するため、一般に高純度アルミニウム材により形成されていた。

実公平８−１０２０２号公報 特開２０１１−６６３８７号公報（段落［０００２］）

近年、発熱性素子の高性能化及び発熱量の増加に伴い、冷却器には益々高い冷却性能（放熱性能を含む）が要求されてきている。

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、高い冷却性能を有する冷却器及びその製造方法を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ 搭載面を有する配線層と、前記配線層の下側に配置される冷却部材とを具備し、
前記配線層はアルミニウムと炭素粒子との複合材により形成されており、
前記配線層における前記搭載面の発熱性素子搭載予定領域から下方向の部分を素子下部、及び前記配線層における前記素子下部以外の部分を配線層本体部とし、
前記素子下部における平面方向の熱伝導率をλ１、前記素子下部における下方向の熱伝導率をλ２、前記配線層本体部における平面方向の熱伝導率をλ３、及び前記配線層本体部における下方向の熱伝導率をλ４とするとき、
λ１、λ２、λ３及びλ４は、下記式１及び式２の関係を共に満足している冷却器。
λ１≦λ３ …（式１）
λ２＞λ４ …（式２）。

［２］ 前記配線層の前記素子下部中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量が、前記配線層の前記配線層本体部中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量よりも小さく設定されている前項１記載の冷却器。

［３］ 前項１又は２記載の冷却器の配線層を形成する配線層形成工程を含み、
前記配線層形成工程では、アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に炭素粒子層が塗工されてなる複数の塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との複合材により前記配線層を形成し、
前記塗工板は、前記アルミニウム板の前記少なくとも片面における素子下部の対応部分の炭素粒子塗工量が配線層本体部の対応部分の炭素粒子塗工量よりも少なく設定されている、冷却器の製造方法。

［４］ 前項１又は２記載の冷却器の配線層を形成する配線層形成工程を含み、
前記配線層形成工程は、前記配線層の素子下部を形成する第１工程と、前記配線層の配線層本体部を形成する第２工程と、前記配線層本体部に前記素子下部を組み付ける工程とを備えており、
前記第１工程では、第１アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に第１炭素粒子層が塗工されてなる複数の第１塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との第１複合材により前記素子下部を形成し、
前記第２工程では、第２アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に第２炭素粒子層が塗工されてなる複数の第２塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との第２複合材により前記配線層本体部を形成し、
前記組み付ける工程では、前記第２塗工板の積層方向が上下方向に向くように配置された前記配線層本体部に、前記第１塗工板の積層方向が平面方向に向くように配置された前記素子下部を組み付ける、冷却器の製造方法。

［５］ 前記第１工程では、前記第１複合材を前記第１塗工板の積層方向と略平行な切断面にて切断して得られた切断片により前記素子下部を形成する前項４記載の冷却器の製造方法。

［６］ 前記第２工程では、前記第２塗工板の積層方向に貫通した嵌合孔が設けられた前記第２複合材により前記配線層本体部を形成し、
前記組み付ける工程では、前記第２塗工板の積層方向が上下方向に向くように配置された前記配線層本体部の前記嵌合孔に、前記第１塗工板の積層方向が平面方向に向くように配置された前記素子下部を嵌合することにより、前記配線層本体部に前記素子下部を組み付ける前項４又は５記載の冷却器の製造方法。

本発明は以下の効果を奏する。

前項１では、配線層がアルミニウムと炭素粒子との複合材により形成されることにより、配線層の熱伝導率が向上する。さらに、配線層において、λ１、λ２、λ３及びλ４が上記式１及び式２の関係を共に満足することにより、発熱性素子の熱が配線層の内部において平面方向に広域に広がりながら下方向に伝導する。これにより、冷却器は高い冷却性能を有するものとなる。

前項２では、λ１、λ２、λ３及びλ４について上記式１及び式２の関係を共に確実に満足させることができる。これにより、冷却器の冷却性能を確実に高めることができる。

前項３〜６では、前項１又は２の冷却器の配線層を確実に製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る冷却器の概略正面図である。 図２は、同冷却器における配線層及び絶縁層の概略平面図である。 図３は、同冷却器の配線層の熱伝導率を説明するための配線層の概略断面図である。 図４は、同冷却器の製造工程図である。 図５は、同冷却器の製造工程における配線層形成工程の第１工程を説明する図である。 図６は、同配線層形成工程の第２工程を説明する図である。 図７は、同配線層形成工程の組付け工程を説明する図である。 図８は、同冷却器の製造工程における接合工程を説明する図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係る冷却器の概略正面図である。 図１０は、本発明の第３実施形態に係る冷却器の概略正面図である。

次に、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。

図１〜８は、本発明の第１実施形態を説明するための図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る冷却器３０は、発熱性素子（二点鎖線で示す）４０が搭載される絶縁基板３３、略板状の冷却部材３４などを具備している。発熱性素子４０は例えば電子素子（半導体チップを含む）であり、発熱性素子４０の動作に伴い発熱するものである。

絶縁基板３３は、配線層１、絶縁層３１及び緩衝層３２を備えている。そして、下から上へ順に冷却部材３４、緩衝層３２、絶縁層３１及び配線層１が略水平状に積層されるとともに、この積層状態でこれらが所定の接合手段により接合一体化されており、これにより冷却器３０が形成されている。

配線層１は、回路層とも呼ばれているものであり、アルミニウムと炭素粒子との複合材により形成されている。配線層１の形状は図２に示すように例えば平面視で略方形状である。

配線層１は、配線層１の略平坦状の上面からなる搭載面を有している。搭載面２０は発熱性素子（二点鎖線で示す）４０が搭載される予定領域２１（図２中にドットハッチングで示す）を含んでいる。この領域２１を説明の便宜上「発熱性素子搭載予定領域２１」という。発熱性素子４０はこの領域２１にはんだ層（二点鎖線で示す）４１を介して接合されて搭載される。

搭載面２０に搭載される発熱性素子４０の個数は少なくとも一個であり、本第１実施形態では発熱性素子４０の個数は一個である。配線層１の厚さは配線層１の平面方向において略一定に設定されている。配線層１の詳細な構成については後述する。

なお図１及び８では、配線層１は、配線層１の構成を理解し易くするため、図２中のＨ−Ｈ線の断面で図示されるとともに、配線層１の断面に付されるハッチングが省略されている。

絶縁層３１は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ等のセラミック製であり、電気絶縁性を有している。絶縁層３１の形状は図２に示すように例えば平面視で略方形状である。さらに、絶縁層３１の一辺長さは配線層１の一辺長さよりも大きく設定されている。

緩衝層３２は、絶縁基板３３に発生する熱応力等の応力を緩和するための層であり、アルミニウム等の金属製である。緩衝層３２の形状は例えば平面視で略方形状である。

冷却部材３４は、発熱性素子４０を冷却するためのものであり、アルミニウム等の金属製である。本第１実施形態では冷却部材３４は例えば放熱部材（ヒートシンク等）である。冷却部材３４は配線層１の下側に配置されており、詳述すると緩衝層３２の下側に配置されている。

なお本発明では、冷却部材３４は放熱部材であることに限定されるものではなく、その他に例えば、冷却液（例：冷却水）が流通する流通路を有するものであっても良い。

冷却器３０では、配線層１の搭載面２０に搭載された発熱性素子４０の熱は、基本的には、発熱性素子４０から配線層１、絶縁層３１、緩衝層３２及び冷却部材３４に順次伝導する。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。

図１及び２に示すように、配線層１は、配線層１における搭載面２０の発熱性素子搭載予定領域２１から下方向の部分からなる素子下部２と、配線層１における素子下部２以外の部分からなる配線層本体部３とから構成されている。図２では、配線層１の搭載面２０における発熱性素子搭載予定領域２１以外の部分２２にはクロスハッチングが付されており、配線層１の配線層本体部３はこの部分２２から下方向の部分からなる。

配線層１の搭載面２０の発熱性素子搭載予定領域２１とは、基本的には、配線層１の搭載面２０の上側から見て発熱性素子４０を搭載面２０に投影した投影領域（即ち、搭載面２０への発熱性素子４０の投影領域）２１ａを意味する。さらに、図１及び２に示すように、発熱性素子４０を搭載面２０に接合するためのはんだ層（図１中に二点鎖線で示す）４１が投影領域２１ａから外側の外周領域２１ｂにはみ出た状態で発熱性素子４０が搭載面２０にはんだ層４１を介して接合される場合には、図２に示すように、配線層１の搭載面２０の発熱性素子搭載予定領域２１とは、投影領域２１ａと当該投影領域２１ａから１ｍｍ外側の外周領域２１ｂとを併せた領域と定義する。

ここで、図３に示すように、配線層１の素子下部２における平面方向（詳述すると水平面方向）Ｐの熱伝導率をλ１、素子下部２における下方向Ｑの熱伝導率をλ２、配線層１の配線層本体部３における平面方向（詳述すると水平面方向）Ｐの熱伝導率をλ３、配線層本体部３における下方向Ｑの熱伝導率をλ４とする。

本第１実施形態の冷却器３０では、配線層１において、λ１、λ２、λ３及びλ４は、下記式１の関係を満足し且つ下記式２の関係を満足している。

λ１≦λ３ …（式１）
λ２＞λ４ …（式２）。

λ１とλ３が上記式１の関係を満足することにより、配線層１の内部において発熱性素子４０の熱が平面方向Ｐに迅速に伝導する。さらに、λ２とλ４が上記式２の関係を満足することにより、配線層１の内部において発熱性素子４０の熱が下方向Ｑに迅速に伝導する。その結果、発熱性素子４０の熱は配線層１の内部において平面方向Ｐに広域に広がりながら下方向Ｑに伝導する。したがって、冷却器３０は高い冷却性能を有している。

ここで、上記式１において、配線層１の素子下部２における平面方向Ｐの熱伝導率λ１に異方性がある場合、λ１は、配線層１の素子下部２における平面方向Ｐの平均熱伝導率と定義する。したがって、例えば、配線層１の素子下部２における平面内の互いに直交するＸ方向及びＹ方向の熱伝導率λ１_Ｘ及びλ１_Ｙが相異している場合、λ１は、Ｘ方向の熱伝導率λ１_ＸとＹ方向の熱伝導率λ１_Ｙとの平均値（λ１_Ｘ＋λ１_Ｙ）／２を採用する。

これと同じく、上記式１において、配線層１の配線層本体部３における平面方向Ｐの熱伝導率λ３に異方性がある場合、λ３は、配線層１の配線層本体部３における平面方向Ｐの平均熱伝導率と定義する。したがって、例えば、配線層１の配線層本体部３における平面内の互いに直交するＸ方向及びＹ方向の熱伝導率λ３_Ｘ及びλ３_Ｙが相異している場合、λ３は、Ｘ方向の熱伝導率λ３_ＸとＹ方向の熱伝導率λ３_Ｙとの平均値（λ３_Ｘ＋λ３_Ｙ）／２を採用する。

次に、本第１実施形態の冷却器３０の製造方法について以下に説明する。

図４に示すように、冷却器３０の製造方法は、配線層１を形成する工程Ｓ１１（この工程を「配線層形成工程Ｓ１１」という）と、配線層１及び絶縁層３１を接合する工程Ｓ１５（この工程を「接合工程Ｓ１５」という）とを含む。

配線層形成工程Ｓ１１は、配線層１の素子下部２を形成する工程Ｓ１２（この工程を「第１工程Ｓ１２」という）と、配線層１の配線層本体部３を形成する工程Ｓ１３（この工程を「第２工程Ｓ１３」という）と、配線層本体部３に素子下部２を組み付ける工程Ｓ１４（この工程を「組付け工程Ｓ１４」という）とを備えている。第１工程Ｓ１２は、第２工程Ｓ１３の前に行われても良いし第２工程Ｓ１３の後で行われても良いし第２工程Ｓ１３と並行して行われても良い。

第１工程Ｓ１２について図５を参照して以下に説明する。なお、図５中のＪ１部分はＪ０部分の拡大図である。

図５に示すように、アルミニウム板１１（このアルミニウム板を「第１アルミニウム板１１」という）の両面のうち少なくとも片面に炭素粒子層１２（この炭素粒子層を「第１炭素粒子層１２」という）が塗工されてなる複数の塗工板１３（この塗工板を「第１塗工板１３」という）を準備する。そして、複数の第１塗工板１３を積層状に配置し、これにより焼結素材としての積層体４（この積層体を「第１積層体４」という）を形成する。なお、図５中のＪ１部分では、第１炭素粒子層１２にドットハッチングが付されている。

本第１実施形態では、各第１アルミニウム板１１の片面が塗工予定面１１ａとされている。そして、第１炭素粒子層１２は、各第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａにその全体に亘って炭素粒子塗工量が略均一になるように塗工されている。

第１炭素粒子層１２を第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａに塗工する場合、その塗工方法として公知の方法を用いることができ、例えば特開２０１５−２５１５８号公報に開示の方法が用いられる。その塗工方法を簡単に説明すると次のとおりである。

すなわち、その塗工方法とは、炭素粒子を含む塗工液を第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａに塗工装置により塗工し乾燥することにより、第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａに第１炭素粒子層１２を形成（塗工）する方法である。塗工液は、例えば、炭素粒子とバインダー樹脂とバインダー樹脂用溶剤とを混合して得られたものである。

塗工装置としては、ロールコーター（例：グラビアロールコーター）等が使用可能である。

第１アルミニウム板１１のアルミニウムの種類は限定されるものではないが、高純度アルミニウム等の高い熱伝導率を有するアルミニウムであることが特に望ましい。

炭素粒子の種類は限定されるものではないが、なるべく高い熱伝導率を有し且つアルミニウムとの複合化が容易であるものが望ましい。具体的には、炭素粒子は、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることが望ましく、更に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び天然黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることがより望ましい。

炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維などが好適に用いられる。

カーボンナノチューブとしては、単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（ＶＧＣＦ（登録商標）を含む）などが好適に用いられる。

グラフェンとしては、単層グラフェン、多層グラフェンなどが好適に用いられる。

天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子などが好適に用いられる。

人造黒鉛粒子としては、異方性黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子などが好適に用いられる。

炭素粒子の大きさは限定されるものではない。しかるに、炭素粒子が炭素繊維である場合、短炭素繊維が好適に用いられ、特に平均繊維長が１０μｍ以上２ｍｍ以下の短炭素繊維が好適に用いられる。炭素粒子がカーボンナノチューブである場合、平均長さが１μｍ以上１０μｍ以下のカーボンナノチューブが特に好適に用いられる。炭素粒子が天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子である場合、平均粒子径が１０μｍ以上３ｍｍ以下の天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子が特に好適に用いられる。

炭素粒子は一般に熱伝導率について異方性を有している。第１炭素粒子層１２が第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａに塗工される場合、第１炭素粒子層１５は、炭素粒子の高熱伝導方向が第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａと略平行になるように且つ炭素粒子の低熱伝導方向が第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａに対し略垂直になるように、第１アルミニウム板１１の塗工予定面１１ａに塗工されるのが通常である。

次いで、第１積層体４を所定の焼結方法によって焼結することにより、複数の第１塗工板１３を焼結一体化し、これによりアルミニウムと炭素粒子との複合材５（この複合材を「第１複合材５」という）を得る。第１複合材５は、アルミニウムがマトリックス金属であり炭素粒子がフィラーである複合材であり、即ちアルミニウム基炭素粒子複合材であり、その形状は板状である。具体的には、第１複合材５はアルミニウム層と第１炭素粒子層１２が交互に複数積層されているものである。なお、第１複合材５において、第１炭素粒子層１２は概略的に線で図示されている。

第１積層体４の焼結方法は限定されるものではなく、特に、真空焼結法又は放電プラズマ焼結法であることが複数の第１塗工板１３を良好に且つ確実に焼結一体化できる点などで望ましい。焼結方法が放電プラズマ焼結法である場合、その望ましい焼結条件は次のとおりである。

焼結温度は４５０〜６４０℃、焼結時間（即ち焼結温度の保持時間）は１０〜３００ｍｉｎ、第１積層体４への加圧力は１〜４０ＭＰａである。

次いで、第１複合材５を第１塗工板１３の積層方向Ｓ１と略平行な切断面Ｉ（二点鎖線で示す）にてスライス切断することにより切断片５ａを得る。そして、この切断片５ａにより配線層１の素子下部２を形成する。詳述すると、切断片５ａを所定の形状及び寸法に加工することにより素子下部２を製作する。

第２工程Ｓ１３について図６を参照して以下に説明する。なお、図６中のＫ１部分はＫ０部分の拡大図である。

図６に示すように、アルミニウム板１４（このアルミニウム板を「第２アルミニウム板１４」という）の両面のうち少なくとも片面に炭素粒子層１５（この炭素粒子層を「第２炭素粒子層１５」という）が塗工されてなる複数の塗工板１６（この塗工板を「第２塗工板１６」という）を準備する。そして、複数の第２塗工板１６を積層状に配置し、これにより焼結素材としての積層体６（この積層体を「第２積層体６」という）を形成する。なお、図６中のＫ１部分では、第２炭素粒子層１５にドットハッチングが付されている。

本第１実施形態では、各第２アルミニウム板１４の片面が塗工予定面１４ａとされている。そして、第２炭素粒子層１５は、各第２アルミニウム板１４の塗工予定面１４ａにその全体に亘って炭素粒子塗工量が略均一になるように塗工されている。

第２炭素粒子層１５の塗工方法及び塗工装置としては、例えば、上述した第１炭素粒子層１２の塗工方法及び塗工装置と同じ塗工方法及び塗工装置が用いられる。

第２アルミニウム板１４のアルミニウムの種類は限定されるものではないが、高純度アルミニウム等の高い熱伝導率を有するアルミニウムが特に望ましい。

炭素粒子の種類は限定されるものではないが、なるべく高い熱伝導率を有し且つアルミニウムとの複合化が容易であるものが望ましい。具体的には、炭素粒子は、上述した第１工程Ｓ１２で用いた炭素粒子と同じものが用いられる。

また、炭素粒子の大きさは限定されるものではない。具体的には、炭素粒子の望ましい大きさは、上述した第１工程Ｓ１２で用いた炭素粒子の望ましい大きさと同じである。

次いで、第２積層体６を所定の焼結方法によって焼結することにより、複数の第２塗工板１６を焼結一体化し、これによりアルミニウムと炭素粒子との複合材７（この複合材を「第２複合材７」という）を得る。第２複合材７は、アルミニウムがマトリックス金属であり炭素粒子がフィラーである複合材であり、即ちアルミニウム基炭素粒子複合材であり、その形状は板状である。具体的には、第２複合材７はアルミニウム層と第２炭素粒子層１５が交互に複数積層されているものである。なお、第２複合材７において、第２炭素粒子層１５は概略的に線で図示されている。

第２積層体６の焼結方法は限定されるものではないが、真空焼結法又は放電プラズマ焼結法であることが複数の第２塗工板１６を良好に且つ確実に焼結一体化できる点などで望ましい。焼結方法が例えば放電プラズマ焼結法である場合、その望ましい焼結条件は上述した第１工程Ｓ１２の望ましい焼結条件と同じである。

次いで、第２複合材７により配線層１の配線層本体部３を形成する。詳述すると、第２複合材７を所定の形状及び寸法に加工するとともに、第２複合材７の所定部分に素子下部２用嵌合孔３ａを第２塗工板１６の積層方向Ｓ２に貫通するように穿孔加工し、これにより配線層本体部３を製作する。

組付け工程Ｓ１４について図７を参照して以下に説明する。

図７に示すように、組付け工程Ｓ１４では、第２塗工板１６の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置された配線層本体部３の嵌合孔３ａに、第１塗工板１３の積層方向Ｓ１が平面方向に向くように配置された素子下部２を嵌合することにより、配線層本体部３に素子下部２を組み付け、これにより配線層１を形成する。

次に、接合工程Ｓ１５について図８を参照して以下に説明する。

図８に示すように、接合工程Ｓ１５では、上述したように配線層１及び絶縁層３１を所定の接合手段により接合する。本第１実施形態では、詳述すると、接合工程Ｓ１５は、配線層１と絶縁層３１と緩衝層３２と冷却部材３４とを積層するとともに、配線層１と絶縁層３１の間、絶縁層３１と緩衝層３２の間、緩衝層３２と冷却部材３４の間に、それぞれ、ろう材層（例：ろう材板）３５を配置する。そしてこの積層状態で、配線層１と絶縁層３１と緩衝層３２と冷却部材３４とをろう付けにより一括して接合一体化する。これにより、図１に示した本第１実施形態の冷却器３０が得られる。

冷却器３０の配線層１において、配線層本体部３と素子下部２は、配線層１と絶縁層３１の間に配置されたろう材層３５ａのろう材によって互いに接合されており更に当該ろう材層３５ａのろう材によって絶縁層３１上に接合されている。

冷却器３０では、発熱性素子４０は、配線層１の搭載面２０の発熱性素子搭載予定領域２１に常法に従ってはんだ付けによりはんだ層４１を介して接合されて搭載される（図１参照）。なお本第１実施形態では、配線層１の搭載面２０におけるはんだ付け性を良好にするため、搭載面２０に発熱性素子４０をはんだ付けにより接合する前に搭載面２０にニッケルめっき層等のニッケル層を形成しても良い。

本第１実施形態の冷却器３０では、配線層１の素子下部２は、第１塗工板１３の積層方向Ｓ１が平面方向に向くように配置されており、すなわち第１炭素粒子層１２が上下方向に連続するように配置されているので、λ１は（配線層１を形成しているアルミニウムの熱伝導率λ０よりも）小さく、λ２は（λ０よりも）大きい。配線層１の配線層本体部３は、第２塗工板１６の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されており、すなわち第２炭素粒子層１５が平面方向に連続するように配置されているので、λ３は（λ０よりも）大きく、λ４は（λ０よりも）小さい。

したがって、本第１実施形態の冷却器３０によれば、配線層１において上記式１の関係と上記式２の関係を共に確実に満足させることができる。

図９は、本発明の第２実施形態に係る冷却器の概略正面図である。同図において、上記第１実施形態の冷却器３０の要素と同等の要素にはその符号に１００を加算した符号が付されている。以下では、本第２実施形態の冷却器１３０及びその製造方法を、上記第１実施形態の冷却器３０及びその製造方法と相異する点を中心に説明する。

なお図９では、配線層１０１は、配線層１０１の構成を理解し易くするため、図２中のＨ−Ｈ線に対応する断面で図示されるとともに、配線層１０１の断面に付されるハッチングが省略されている。また同図において、配線層１０１における素子下部１０２の位置を分かり易くするため、素子下部１０２を仮想線としての二点鎖線で方形状に囲んでおり、換言すると仮想線としての二点鎖線で方形状に囲まれた部分が素子下部１０２である。

本第２実施形態の冷却器１３０の配線層１０１では、λ１、λ２、λ３及びλ４は、第１実施形態の冷却器３０の配線層１と同じく、上記式１の関係を満足し且つ上記式２の関係を満足している。

さらに、配線層１０１において、炭素粒子は素子下部１０２中に存在しないで配線層本体部１０３中に存在している。これにより、素子下部１０２中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量は、配線層本体部１０３中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量よりも小さく設定されている。

同図において、符号「１１５」は配線層１０１の炭素粒子層である。なお炭素粒子層１１５は概略的に線で図示されている。

本第２実施形態の冷却器１３０の製造方法は、配線層１０１を形成する工程（この工程を「配線層形成工程」という）を含む。

配線層形成工程では、アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に炭素粒子層１１５が塗工されてなる複数の塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との複合材により配線層１０１を形成する。

本第２実施形態では、各アルミニウム板の片面が塗工予定面とされている。そして、炭素粒子層１１５は、各アルミニウム板の塗工予定面における素子下部１０２の対応部分の炭素粒子塗工量がアルミニウム板の塗工予定面における配線層本体部１０３の対応部分の炭素粒子塗工量よりも少なくなるように塗工されている。詳述すると、炭素粒子層１１５は、各アルミニウム板の塗工予定面における素子下部１０２の対応部分の炭素粒子塗工量が局部的にゼロになるように塗工されている。

このような塗工板を得る方法は限定されるものではなく、望ましい一つの方法は次のとおりである。

まず、炭素粒子層を各アルミニウム板の塗工予定面にその全体に亘って炭素粒子塗工量が均一になるように塗工装置により塗工する。塗工装置は、例えば、上記第１実施形態の第１工程Ｓ１２で用いた塗工装置と同じ構成のものが用いられる。次いで、各アルミニウム板の塗工予定面に塗工された炭素粒子層における素子下部１０２の対応部分を局部的に取り除く。このような方法を用いることが望ましい。

この方法で得られた複数の塗工板を積層状に配置し、これにより積層体を形成する。次いで、積層体を所定の焼結方法によって焼結することにより、複数の塗工板を焼結一体化し、これによりアルミニウムと炭素粒子との複合材を得る。複合材の形状は板状である。積層体の焼結方法は、例えば、上記第１実施形態の第１工程Ｓ１２で用いた焼結方法と同じ方法が用いられる。次いで、複合材により配線層１０１を形成する。詳述すると、複合材を所定の形状及び寸法に加工することにより配線層１０１を製作する。

そして、配線層１０１は、塗工板の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されるとともに、この状態で絶縁層１３１上にろう付けにより接合される。

本第２実施形態の冷却器１３０では、配線層１０１の素子下部１０２中に炭素粒子が存在していないので、λ１とλ２は（配線層１０１を形成しているアルミニウムの熱伝導率λ０と）等しい。配線層１０１の配線層本体部１０３は、塗工板の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されており、すなわち炭素粒子層１１５が平面方向に連続するように配置されているので、λ３は（λ０よりも）大きく、λ４は（λ０よりも）小さい。

したがって、本第２実施形態の冷却器１３０によれば、配線層１０１において上記式１の関係と上記式２の関係を共に確実に満足させることができる。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る冷却器の概略正面図である。同図において、上記第１実施形態の冷却器３０の要素と同等の要素にはその符号に２００を加算した符号が付されている。以下では、本第３実施形態の冷却器２３０及びその製造方法を、上記第１実施形態の冷却器３０及びその製造方法と相異する点を中心に説明する。

なお図１０では、配線層２０１は、配線層２０１の構成を理解し易くするため、図２中のＨ−Ｈ線に対応する断面で図示されるとともに、配線層２０１の断面に付されるハッチングが省略されている。また同図において、配線層２０１における素子下部２０２の位置を分かり易くするため、素子下部２０２を仮想線としての二点鎖線で方形状に囲んでおり、換言すると仮想線としての二点鎖線で方形状に囲まれた部分が素子下部２０２である。

本第３実施形態の冷却器２３０の配線層２０１では、λ１、λ２、λ３及びλ４は、第１実施形態の冷却器３０の配線層１と同じく、上記式１の関係を満足し且つ上記式２の関係を満足している。

さらに、配線層２０１において、炭素粒子は素子下部２０２及び配線層本体部２０３中にそれぞれ存在しているが、素子下部２０２中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量は、配線層本体部２０３中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量よりも小さく設定されている。

同図において、符号「２１５」は配線層２０１（即ち素子下部２０２及び配線層本体部２０３）の炭素粒子層である。なお炭素粒子層２１５は概略的に線で図示されている。

本第３実施形態の冷却器２３０の製造方法は、配線層２０１を形成する工程（この工程を「配線層形成工程」という）を含む。

配線層形成工程では、アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に炭素粒子層が塗工されてなる複数の塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との複合材により配線層２０１を形成する。なお、図１０に示した複合材（配線層２０１）において、炭素粒子層２１５は概略的に線で図示されている。

本第３実施形態では、各アルミニウム板の片面が塗工予定面とされている。そして、炭素粒子層２１５は、各アルミニウム板の塗工予定面における素子下部２０２の対応部分の炭素粒子塗工量がアルミニウム板の塗工予定面における配線層本体部２０３の対応部分の炭素粒子塗工量よりも少なくなるように塗工されている。

詳述すると、複数のアルミニウム板は、複数の第３アルミニウム板と複数の第４アルミニウム板とから構成されている。

炭素粒子層２１５は、第３アルミニウム板の塗工予定面にその全体に亘って炭素粒子塗工量が均一になるように塗工されている。このように炭素粒子層２１５が塗工された第３アルミニウム板を第３塗工板という。

また、炭素粒子層２１５は、第４アルミニウム板の塗工予定面における配線層本体部２０３の対応部分に塗工されるとともに第４アルミニウム板の塗工予定面における素子下部２０２の対応部分に塗工されていない。このように炭素粒子層２１５が塗工された第４アルミニウム板を第４塗工板という。

そして、複数の第３塗工板と複数の第４塗工板とを積層状に配置し、これにより積層体を形成する。積層体において、第４塗工板は第３塗工板に対し例えば一段飛ばし又は複数段飛ばしに積層される。

次いで、積層体を所定の焼結方法によって焼結することにより、複数の第３及び第４塗工板を焼結一体化し、これによりアルミニウムと炭素粒子との複合材を得る。複合材の形状は板状である。積層体の焼結方法は、例えば、上記第１実施形態の第１工程Ｓ１２で用いた焼結方法と同じ方法が用いられる。次いで、複合材により配線層２０１を形成する。詳述すると、複合材を所定の形状及び寸法に加工することにより配線層２０１を製作する。

そして、配線層２０１は、第３塗工板（第４塗工板）の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されるとともに、この状態で絶縁層２３１上にろう付けにより接合される。

本第３実施形態の冷却器では、配線層２０１の素子下部２０２は、第３塗工板（第４塗工板）の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されており、すなわち炭素粒子層２１５が平面方向に連続するように配置されているので、λ１は（配線層２０１を形成しているアルミニウムの熱伝導率λ０よりも）大きく、λ２は（λ０よりも）小さい。配線層２０１の配線層本体部２０３は、第３塗工板（第４塗工板）の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されており、すなわち炭素粒子層２１５が平面方向に連続するように配置されているので、λ３は（λ０よりも）大きく、λ４は（λ０よりも）小さい。さらに、素子下部２０２中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量は、配線層本体部２０３中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量よりも小さく設定されているので、λ１はλ３よりも小さく、λ２はλ４よりも大きい。

したがって、本第３実施形態の冷却器２３０によれば、配線層２０１において上記式１の関係と上記式２の関係を共に確実に満足させることができる。

以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上述した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。

本発明に係る冷却器の配線層の素材であるアルミニウムと炭素粒子との複合材は、上記実施形態で示したように、アルミニウム板の塗工予定面に炭素粒子層が塗工されてなる複数の塗工板が積層状に焼結一体化されたものであることが特に望ましいが、その他に例えば、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と炭素粒子（例：炭素粉末）との混合物が焼結されたものであっても良いし、これら以外の製造方法により得られたものであっても良い。

上記実施形態では、配線層１の搭載面２０に搭載される発熱性素子４０の個数が一個の場合を示したが、本発明では、発熱性素子４０の個数は一個であることに限定されるものではなく、その他に複数個であっても良い。

次に、本発明の具体的な実施例を以下に説明する。ただし本発明は下記実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
実施例１では、図１に示した上記第１実施形態の冷却器３０を次の手順で製造した。

配線層１の素子下部２を形成する第１工程Ｓ１２を次のように行った。

長尺な帯状の第１アルミニウム板（厚さ：５０μｍ）の片面（塗工予定面）にその全体に亘って炭素粒子塗工量が均一になるように第１炭素粒子層１２を塗工し、これを正方形状に複数切断することで複数の第１塗工板１３を得た。

第１炭素粒子層１２の炭素粒子としては、ピッチ系炭素繊維（詳述するとピッチ系短炭素繊維）を使用した。第１アルミニウム板の片面への炭素粒子塗工量は１５ｇ／ｍ^２であった。第１塗工板１３の寸法は縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍであった。

次いで、図５に示すように、第１塗工板１３を２００枚積層して第１積層体４（厚さＤ：約１０ｍｍ）を形成した。そして、第１積層体４を放電プラズマ焼結法により焼結し、これによりアルミニウムと炭素粒子との板状の第１複合材５を得た。この放電プラズマ焼結法に適用した焼結条件は、焼結温度６２０℃、焼結時間３ｈ、第１積層体４への加圧力１５ＭＰａ、真空度１０Ｐａであった。

次いで、第１複合材５を第１塗工板１３の積層方向Ｓ１と平行な切断面Ｉにてスライス切断することにより第１複合材５の切断片５ａ（厚さＣ：０．６ｍｍ）を得た。そして、切断片５ａを縦Ａ：１０ｍｍ、横Ｂ：１０ｍｍ及び厚さＣ：０．６ｍｍの寸法に加工することにより、素子下部２を製作した。

配線層１の配線層本体部３を形成する第２工程Ｓ１３を次のように行った。

長尺な帯状の第２アルミニウム板（厚さ：５０μｍ）の片面（塗工予定面）にその全体に亘って炭素粒子塗工量が均一になるように第２炭素粒子層１５を塗工し、これを正方形状に複数切断することで複数の第２塗工板１６を得た。

第２炭素粒子層１５の炭素粒子としては、上述した第１炭素粒子層１２の炭素粒子と同じピッチ系炭素繊維（詳述するとピッチ系短炭素繊維）を使用した。第２アルミニウム板の片面への炭素粒子塗工量は１５ｇ／ｍ^２であった。第２塗工板１６の寸法は縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍであった。

次いで、図６に示すように、第２塗工板１６を１１枚積層して第２積層体６（厚さＧ：約０．６ｍｍを形成した。そして、第２積層体６を放電プラズマ焼結法により焼結し、これによりアルミニウムと炭素粒子との板状の第２複合材７を得た。この放電プラズマ焼結法に適用した焼結条件は、上述した第１工程Ｓ１２の放電プラズマ焼結法に適用した焼結条件と同じである。

次いで、第２複合材７を縦Ｅ：２５ｍｍ、横Ｆ：２５ｍｍ及び厚さＣ：０．６ｍｍの寸法に加工するとともに、第２複合材７の所定部分に素子下部２用嵌合孔３ａを第２塗工板１６の積層方向Ｓ２に貫通するように穿孔加工し、これにより配線層本体部３を製作した。

配線層本体部３への嵌合孔３ａの穿孔部分は、所望する配線層１における搭載面２０の発熱性素子搭載予定領域２１から下方向の部分であった。搭載面２０における発熱性素子搭載予定領域２１の位置は、搭載面２０の中心に対し一角部側へ若干ずれた位置であった。また、搭載面２０の発熱性素子搭載予定領域２１は、搭載面２０への発熱性素子４０の投影領域（縦８ｍｍ及び横８ｍｍ）２１ａと当該投影領域２１ａから１ｍｍ外側の外周領域２１ｂとを併せた領域であり、すなわち縦Ａ：１０ｍｍ及び横Ｂ：１０ｍｍの正方形領域であり、この領域２１から下方向に嵌合孔３ａが穿孔加工された。したがって、嵌合孔３ａの寸法は、素子下部２がぴったりと嵌合し得る寸法に設定されている。

配線層本体部３に素子下部２を組み付ける工程（組付け工程Ｓ１４）を次のように行った。

図７に示すように、第２塗工板１６の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置された配線層本体部３の嵌合孔３ａに第１塗工板１３の積層方向Ｓ１が平面方向に向くように配置された素子下部２を嵌合することにより、配線層本体部３に素子下部２を組み付け、これにより所望する配線層１を形成した。

ここで、素子下部２を配線層本体部３に組み付ける前に、素子下部２における平面方向Ｐの熱伝導率λ１と、素子下部２における下方向Ｑの熱伝導率λ２と、配線層本体部３における平面方向Ｐの熱伝導率λ３と、配線層本体部３における下方向Ｑの熱伝導率λ４とをそれぞれ測定した。その結果、λ１は１９５Ｗ／（Ｋ・ｍ）、λ２は２５０Ｗ／（Ｋ・ｍ）、λ３は２５０Ｗ／（Ｋ・ｍ）、及びλ４は１５０Ｗ／（Ｋ・ｍ）であった。したがって、上記式１の関係を満足し且つ上記式２の関係を満足していた。

配線層１と絶縁層３１と緩衝層３２と冷却部材としてのアルミニウム製ヒートシンク３４とを接合する工程（接合工程Ｓ１５）を次のように行った。

図８に示すように、配線層１と絶縁層３１と緩衝層３２とヒートシンク３４とを積層するとともに、配線層１と絶縁層３１の間、絶縁層３１と緩衝層３２の間、緩衝層３２とヒートシンク３４の間に、それぞれ、ろう材層としてのろう材板３５を配置した。そして、配線層１と絶縁層３１と緩衝層３２とヒートシンク３４とをろう付けにより一括して接合一体化し、これにより冷却器３０を得た。

得られた冷却器３０の冷却性能は、純アルミニウム材により形成された配線層を備えた冷却器のそれよりも優れた。

＜実施例２＞
実施例２では、図９に示した上記第２実施形態の冷却器１３０を次の手順で製造した。

長尺な帯状のアルミニウム板（厚さ：５０μｍ）の片面（塗工予定面）にその全体に亘って炭素粒子塗工量が均一になるように炭素粒子層１１５を塗工し、これを正方形状に複数切断することで複数の塗工板を得た。

炭素粒子層１１５の炭素粒子としては、ピッチ系炭素繊維（詳述するとピッチ系短炭素繊維）を使用した。アルミニウム板の片面への炭素粒子塗工量は１５ｇ／ｍ^２であった。塗工板の寸法は縦２５ｍｍ及び横２５ｍｍであった。

次いで、各塗工板の炭素粒子層１１５における素子下部１０２の対応部分だけを局部的に取り除いた。炭素粒子層１１５を取り除いた領域は縦１０ｍｍ及び横１０ｍｍの正方形領域であった。

次いで、塗工板を１２枚積層して積層体（厚さ約０．６ｍｍ）を形成した。そして、積層体を放電プラズマ焼結法により焼結し、これによりアルミニウムと炭素粒子との板状の複合材を得た。そして、この複合材により配線層１０１を形成した。配線層１０１は塗工板の積層方向Ｓ２が上下方向に向くように配置されるものである。配線層１０１の寸法は縦２５ｍｍ、横２５ｍｍ及び厚さ０．６ｍｍであった。なお、放電プラズマ焼結法に適用した焼結条件は、焼結温度６２０℃、焼結時間３ｈ、積層体への加圧力１５ＭＰａ、真空度１０Ｐａであった。

配線層１０１の素子下部１０２における平面方向の熱伝導率λ１と、素子下部１０２における下方向の熱伝導率λ２と、配線層本体部１０３における平面方向の熱伝導率λ３と、配線層本体部１０３における下方向の熱伝導率λ４とをそれぞれ測定した。その結果、λ１は２２０Ｗ／（Ｋ・ｍ）、λ２は２２０Ｗ／（Ｋ・ｍ）、λ３は２５０Ｗ／（Ｋ・ｍ）、λ４は１５０Ｗ／（Ｋ・ｍ）であった。したがって、上記式１の関係を満足し且つ上記式２の関係を満足していた。

次いで、配線層１０１と絶縁層１３１と緩衝層１３２と冷却部材としてのアルミニウム製ヒートシンク１３４とを積層するとともに、配線層１０１と絶縁層１３１の間、絶縁層１３１と緩衝層１３２の間、緩衝層１３２とヒートシンク１３４の間に、それぞれ、ろう材層としてのろう材板を配置した。そして、配線層１０１と絶縁層１３１と緩衝層１３２とヒートシンク１３４とをろう付けにより一括して接合一体化し、これにより冷却器１３０を得た。

得られた冷却器１３０の冷却性能は、純アルミニウム材により形成された配線層を備えた冷却器のそれよりも優れた。

本発明は、電子素子等の発熱性素子が搭載される搭載面を有する配線層を具備する冷却器及びその製造方法に利用可能である。

１：配線層 ２：素子下部
３：配線層本体部 ３ａ：素子下部用嵌合孔
２０：搭載面 ２１：発熱性素子搭載予定領域
３０：冷却器 ３４：冷却部材
１１：第１アルミニウム板 １２：第１炭素粒子層
１３：第１塗工板 １４：第２アルミニウム板
１５：第２炭素粒子層 １６：第２塗工板
Ｓ１：第１塗工板の積層方向 Ｓ２：第２塗工板の積層方向

Claims (6)

1. 搭載面を有する配線層と、前記配線層の下側に配置される冷却部材とを具備し、
   前記配線層はアルミニウムと炭素粒子との複合材により形成されており、
   前記配線層における前記搭載面の発熱性素子搭載予定領域から下方向の部分を素子下部、及び前記配線層における前記素子下部以外の部分を配線層本体部とし、
   前記素子下部における平面方向の熱伝導率をλ１、前記素子下部における下方向の熱伝導率をλ２、前記配線層本体部における平面方向の熱伝導率をλ３、及び前記配線層本体部における下方向の熱伝導率をλ４とするとき、
   λ１、λ２、λ３及びλ４は、下記式１及び式２の関係を共に満足している冷却器。
   λ１≦λ３ …（式１）
   λ２＞λ４ …（式２）
2. 前記配線層の前記素子下部中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量が、前記配線層の前記配線層本体部中に存在する単位体積当たりの炭素粒子の質量よりも小さく設定されている請求項１記載の冷却器。
3. 請求項１又は２記載の冷却器の配線層を形成する配線層形成工程を含み、
   前記配線層形成工程では、アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に炭素粒子層が塗工されてなる複数の塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との複合材により前記配線層を形成し、
   前記塗工板は、前記アルミニウム板の前記少なくとも片面における素子下部の対応部分の炭素粒子塗工量が配線層本体部の対応部分の炭素粒子塗工量よりも少なく設定されている、冷却器の製造方法。
4. 請求項１又は２記載の冷却器の配線層を形成する配線層形成工程を含み、
   前記配線層形成工程は、前記配線層の素子下部を形成する第１工程と、前記配線層の配線層本体部を形成する第２工程と、前記配線層本体部に前記素子下部を組み付ける工程とを備えており、
   前記第１工程では、第１アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に第１炭素粒子層が塗工されてなる複数の第１塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との第１複合材により前記素子下部を形成し、
   前記第２工程では、第２アルミニウム板の両面のうち少なくとも片面に第２炭素粒子層が塗工されてなる複数の第２塗工板を積層状に焼結一体化することにより得られたアルミニウムと炭素粒子との第２複合材により前記配線層本体部を形成し、
   前記組み付ける工程では、前記第２塗工板の積層方向が上下方向に向くように配置された前記配線層本体部に、前記第１塗工板の積層方向が平面方向に向くように配置された前記素子下部を組み付ける、冷却器の製造方法。
5. 前記第１工程では、前記第１複合材を前記第１塗工板の積層方向と略平行な切断面にて切断して得られた切断片により前記素子下部を形成する請求項４記載の冷却器の製造方法。
6. 前記第２工程では、前記第２塗工板の積層方向に貫通した嵌合孔が設けられた前記第２複合材により前記配線層本体部を形成し、
   前記組み付ける工程では、前記第２塗工板の積層方向が上下方向に向くように配置された前記配線層本体部の前記嵌合孔に、前記第１塗工板の積層方向が平面方向に向くように配置された前記素子下部を嵌合することにより、前記配線層本体部に前記素子下部を組み付ける請求項４又は５記載の冷却器の製造方法。
   

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