特開 2024-54510 熱伝導部材および熱伝導部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024054510

(43)【公開日】2024-04-17

(54)【発明の名称】熱伝導部材および熱伝導部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240410BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240410BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H05K7/20 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022160763

(22)【出願日】2022-10-05

(71)【出願人】

【識別番号】390022471

【氏名又は名称】アオイ電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145229

【弁理士】

【氏名又は名称】秋山 雅則

(74)【代理人】

【識別番号】100174573

【弁理士】

【氏名又は名称】大坂 知美

(74)【代理人】

【識別番号】100131152

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 耕司

(72)【発明者】

【氏名】大西 範明

(72)【発明者】

【氏名】山地 範男

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA11

5E322FA04

5F136BA03

5F136BC07

5F136DA33

5F136FA02

5F136FA03

5F136FA23

5F136FA82

5F136GA22

5F136GA23

5F136GA31

(57)【要約】

【課題】熱伝導性がより高められた熱伝導部材および熱伝導部材の製造方法を提供する。
【解決手段】熱伝導部材２Ａは、グラファイトシート２０と、金属層３０と、焼結層４０と、回路基板１０と、を備える。金属層３０は、グラファイトシート２０の少なくとも一方の面に設けられている。焼結層４０は、金属層３０と隣接し、複数の金属粒子を焼結させている。回路基板１０は、半導体素子３を実装するためのものである。そして、焼結層４０は、回路基板１０と金属層３０を接合する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

グラファイトシートと、
前記グラファイトシートの少なくとも一方の面に設けられた金属層と、
前記金属層と隣接し、複数の金属粒子を焼結させた焼結層と、
発熱体を実装するための基板と、
を備え、
前記焼結層は、前記基板と前記金属層を接合する熱伝導部材。

【請求項2】

前記焼結層は、前記グラファイトシートの一方の面に設けられた前記金属層と隣接し、前記基板と前記金属層を接合している、
請求項１に記載の熱伝導部材。

【請求項3】

前記グラファイトシートが複数枚、ベーサル面を同じ向きにした状態で積層された積層体を備え、
前記積層体は、前記グラファイトシートが積層された積層方向と垂直な方向に端面を有し、
前記焼結層は、前記金属層と隣接し、前記基板と前記積層体の前記端面とを接合する、
請求項１に記載の熱伝導部材。

【請求項4】

前記グラファイトシートは、複数のグラファイトがベーサル面を前記一方の面と平行に向けた状態に積層された層構造を有し、前記一方の面に前記複数のグラファイトのうちのいくつかを横断する凹凸部が形成されており、
前記金属層は、前記凹凸部と前記一方の面とを覆う、
請求項１に記載の熱伝導部材。

【請求項5】

前記金属粒子は、銅または銅合金により形成されている、
請求項１に記載の熱伝導部材。

【請求項6】

前記金属粒子と前記金属層は、同じ金属材料により形成されている、
請求項１に記載の熱伝導部材。

【請求項7】

グラファイトシートの少なくとも一方の面に金属層を形成する工程と、
前記金属層に発熱体を実装するための基板を重ね、前記金属層と前記基板の間に、複数の金属粒子の集合体を形成して粒体層を形成する工程と、
前記粒体層を加熱して前記複数の金属粒子に焼結体を形成させ、該焼結体によって前記金属層と前記基板とを接合する工程と、
を備える熱伝導部材の製造方法。

【請求項8】

前記粒体層を形成する工程では、前記金属層に前記基板を重ねる前に、前記金属層または、前記基板の前記金属層が重ねられる側に、前記金属粒子を含むペーストを塗布することにより、前記粒体層を形成する、
請求項７に記載の熱伝導部材の製造方法。

【請求項9】

前記金属層と前記基板とを接合する工程では、前記粒体層を１５０℃以上３００℃未満の温度で加熱して前記焼結体を形成する、
請求項７または８に記載の熱伝導部材の製造方法。

【請求項10】

前記金属層を形成する工程では、前記金属粒子と同種の金属材料により前記金属層を形成する、
請求項７または８に記載の熱伝導部材の製造方法。

【請求項11】

前記金属層を形成する工程の前に、前記グラファイトシートの前記少なくとも一方の面を粗面化する粗面化工程をさらに備え、
前記金属層を形成する工程では、前記グラファイトシートは、複数のグラファイトがベーサル面を前記一方の面と平行に向けた状態に積層された層構造を有し、
前記粗面化工程では、前記一方の面に前記複数のグラファイトのうちのいくつかを横断する凹凸部を形成し、
前記金属層を形成する工程では、前記金属層が前記グラファイトシートの前記少なくとも一方の面と前記凹凸部とを覆う、
請求項７または８に記載の熱伝導部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は熱伝導部材および熱伝導部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

回路基板等の放熱を目的に使用される熱伝導部材には、グラファイトシートから構成されるものがある。

【0003】

例えば、特許文献１には、両面がメッキされると共に、銅板に挟み込まれたグラファイトシートから構成される熱伝導部材が開示されている。この熱伝導部材は、一面が、半導体素子が搭載された回路基板に接合され、他面がヒートシンクに接合され、半導体素子で発生した熱をヒートシンクに伝達する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０２０／０９１００８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の熱伝導部材では、グラファイトシートは、両面がメッキされると共に、銅板によって挟み込まれている。そして、そのグラファイトシートを挟み込む銅板を、基板に接合された銅板にはんだ付けしている。このため、はんだによる接合部分で熱伝導性が低下してしまい、その結果、基板からグラファイトシートへの熱伝導性が低下してしまう。

【0006】

また、特許文献１に記載の熱伝導部材では、グラファイトシートを挟み込む銅板と基板に接合された銅板とを介して、基板とグラファイトシートとを接合するため、基板からグラファイトシートへの熱伝導性が低下してしまう。

【0007】

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、熱伝導性がより高められた熱伝導部材および熱伝導部材の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る熱伝導部材は、
グラファイトシートと、
前記グラファイトシートの少なくとも一方の面に設けられた金属層と、
前記金属層と隣接し、複数の金属粒子を焼結させた焼結層と、
発熱体を実装するための基板と、
を備え、
前記焼結層は、前記基板と前記金属層を接合する。

【0009】

前記焼結層は、前記グラファイトシートの一方の面に設けられた前記金属層と隣接し、前記基板と前記金属層を接合していてもよい。

【0010】

前記グラファイトシートが複数枚、ベーサル面を同じ向きにした状態で積層された積層体を備え、
前記積層体は、前記グラファイトシートが積層された積層方向と垂直な方向に端面を有し、
前記焼結層は、前記金属層と隣接し、前記基板と前記積層体の前記端面とを接合していてもよい。

【0011】

前記グラファイトシートは、複数のグラファイトがベーサル面を前記一方の面と平行に向けた状態に積層された層構造を有し、前記一方の面に前記複数のグラファイトのうちのいくつかを横断する凹凸部が形成されており、
前記金属層は、前記凹凸部と前記一方の面とを覆っていてもよい。

【0012】

前記金属粒子は、銅または銅合金により形成されていてもよい。

【0013】

前記金属粒子と前記金属層は、同じ金属材料により形成されていてもよい。

【0014】

また、本発明の第二の観点に係る熱伝導部材の製造方法は、
グラファイトシートの少なくとも一方の面に金属層を形成する工程と、
前記金属層に発熱体を実装するための基板を重ね、前記金属層と前記基板の間に、複数の金属粒子の集合体を形成して粒体層を形成する工程と、
前記粒体層を加熱して前記複数の金属粒子に焼結体を形成させ、該焼結体によって前記金属層と前記基板とを接合する工程と、
を備える。

【0015】

前記粒体層を形成する工程では、前記金属層に前記基板を重ねる前に、前記金属層または、前記基板の前記金属層が重ねられる側に、前記金属粒子を含むペーストを塗布することにより、前記粒体層を形成してもよい。

【0016】

前記金属層と前記基板とを接合する工程では、前記粒体層を１５０℃以上３００℃未満の温度で加熱して前記焼結体を形成してもよい。

【0017】

前記金属層を形成する工程では、前記金属粒子と同種の金属材料により前記金属層を形成してもよい。

【0018】

前記金属層を形成する工程の前に、前記グラファイトシートの前記少なくとも一方の面を粗面化する粗面化工程をさらに備え、
前記金属層を形成する工程では、前記グラファイトシートは、複数のグラファイトがベーサル面を前記一方の面と平行に向けた状態に積層された層構造を有し、
前記粗面化工程では、前記一方の面に前記複数のグラファイトのうちのいくつかを横断する凹凸部を形成し、
前記金属層を形成する工程では、前記金属層が前記グラファイトシートの前記少なくとも一方の面と前記凹凸部とを覆ってもよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明の構成によれば、基板とグラファイトシートの間にある金属層と焼結層が金属で形成されているので、基板からグラファイトシートに効率よく熱を伝えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態１に係る熱伝導部材を備える電子部品の平面図である。

【図2】図１に示すＩＩ－ＩＩ切断線の断面図である。

【図3】図２に示すＩＩＩ領域の概念的拡大図である。

【図4】実施の形態１に係る熱伝導部材の製造方法のフローチャートである。

【図5】（Ａ）実施の形態１に係る粗面化される前のグラファイトシート材料の断面図である。（Ｂ）粗面化工程の粗面化の手法を説明する図である。（Ｃ）粗面化工程で粗面化されたグラファイトシートの断面図である。

【図6】実施の形態１に係る熱伝導部材の製造方法が備える金属層形成工程において金属層が形成されたグラファイトシートの断面図である。

【図7】実施の形態１に係る熱伝導部材の製造方法が備える接合工程で接合された回路基板とグラファイトシートの断面図である。

【図8】本発明の実施の形態２に係る熱伝導部材を備える電子部品の断面図である。

【図9】実施の形態２に係る熱伝導部材の製造方法のフローチャートである。

【図10】実施の形態２に係る熱伝導部材の製造方法が備える積層工程で積層されたグラファイトシートの断面図である。

【図11】実施の形態２に係る熱伝導部材の製造方法が備える切断工程におけるグラファイトシートの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の実施の形態に係る熱伝導部材および熱伝導部材の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一又は同等の部分には同一の符号を付す。また、図に示す直交座標系ＸＹＺにおいて、熱伝導部材が備えるグラファイトシートのシート面を水平にしたときの、水平方向がＸＹ方向、鉛直方向がＺ方向である。以下、適宜、この座標系を引用して説明する。

【0022】

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る熱伝導部材は、回路基板上に設けられた発熱体で発生した熱をヒートシンクに伝達する部材である。以下、発熱体が半導体素子であり、熱伝導部材が半導体素子で発生した熱をヒートシンクに伝達する形態を例に、図１～図３を参照して、熱伝導部材及びそれを用いた電子部品について詳細に説明する。

【0023】

図１は、実施の形態１に係る熱伝導部材２Ａを備える電子部品１Ａの平面図である。図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ切断線の断面図である。図３は、図２に示すＩＩＩ領域の概念的拡大図である。なお、理解を容易にするため、図１では、電子部品１Ａの半導体素子３が搭載された領域周辺のみを示している。また、図１と図２に示す配線１１、１２の形状は、より複雑な形状であってもよいが、理解を容易にするため、配線１１、１２の形状を単純化している。

【0024】

図１および図２に示すように、電子部品１Ａは、半導体素子３と、回路基板１０と、熱伝導部材２Ａと、ヒートシンク５０とにより構成されている。また、熱伝導部材２Ａは、グラファイトシート２０と、グラファイトシート２０を覆う金属層３０と、金属層３０の一面に形成された焼結層４０とにより構成されている。

【0025】

回路基板１０は、半導体素子３（例えば発光ダイオード）を支持するため、平板状に形成されている。回路基板１０の上面には、配線１１、１２が形成されている。また、半導体素子３が実装されている。さらに、配線１１、１２と半導体素子３の端子４、５がそれぞれワイヤ６、７により接続されている。半導体素子３は、配線１１、１２に駆動電流が流されると、動作して発熱する。その結果、回路基板１０に半導体素子３の熱が伝わる。

【0026】

回路基板１０は、半導体素子３の熱を高い効率で伝えるため、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の熱伝導性が高いセラミックによって形成されている。これにより、半導体素子３の熱が、回路基板１０の延在方向、すなわち、Ｘ方向とＹ方向、及び、回路基板１０の厚み方向、すなわち、Ｚ方向へ高効率で伝わる。

【0027】

回路基板１０の下面には、下面まで伝わった半導体素子３の熱を放つため、熱伝導部材２Ａが配置されている。

【0028】

グラファイトシート２０は、図３に示すように、複数のグラファイトが積層する層構造によって形成されている。そして、グラファイトシート２０では、グラファイトのベーサル面Ｂがシート面Ｓと平行に向けられている。また、図示しないエッジ面がシート面Ｓに垂直である。また、グラファイトシート２０は、ベーサル面Ｂ方向に１５００Ｗ／ｍｋの高い熱伝導性がある。このため、グラファイトシート２０は、図１に示す回路基板１０上に半導体素子３が密集して配置された結果、回路基板１０が局所的に高温になった場合でも、その回路基板１０の熱を、図３に示すベーサル面Ｂ方向、すなわち、シート面Ｓ方向にすばやく拡散して放熱する。後述するように、グラファイトシート２０には、金属層３０を介してヒートシンク５０が接続され、そのヒートシンク５０がシート面Ｓに沿っている。その結果、グラファイトシート２０は、ヒートシンク５０から効率的に熱を逃がすことができる。

【0029】

グラファイトシート２０は、半導体素子３で生じた熱をＸＹ方向に拡散するため、回路基板１０とほぼ同じ形状と大きさを有する。そして、その厚みは、伝熱が目的であることから薄くてもよく、例えば、１０～１００μｍである。これにより、グラファイトシート２０は、厚み方向の熱抵抗を小さくできる。

【0030】

グラファイトシート２０が有するグラファイトのベーサル面Ｂは、疎水性が高い。このため、例えば、グラファイトシート２０に対し金属層３０を湿式メッキにより形成しても、形成された金属層３０はグラファイトシート２０から容易に剥離する。そこで、グラファイトシート２０の表面には、金属層３０の剥離を防ぐため、図２および図３に示すように、微細な凹凸部（以下、単に凹凸部という）２１が形成されている。

【0031】

凹凸部２１は、後述する粗面化処理により、グラファイトシート２０の外周面全体にわたって形成されている。凹凸部２１は、グラファイトシート２０の厚み方向、すなわちＺ方向へ微小な距離だけ凹凸する。これにより、凹凸部２１は、凹凸部２１が形成されていない場合と比較して、グラファイトシート２０の表面積を拡大させる。また、凹凸部２１は、グラファイトシート２０を形成するグラファイトの層のうちのいくつかの層、換言すると、グラファイトの複数の層を横断する。これにより、凹凸部２１は、グラファイトの層構造の層端面を露出させる。凹凸部２１は、金属層３０が凹凸部２１の上に形成された場合に、後述する電解メッキの電解液に対して濡れ性があるグラファイト層の官能基を露出させる効果とグラファイトの層端面へのアンカー効果により、金属層３０の密着性を高め、金属層３０の剥離を抑制する。

【0032】

なお、図２および図３では理解を容易にするため、凹凸部２１の形状が規則的であるが、凹凸部２１の実際の形状、すなわち、凹凸部２１の山部分の高さ、谷部分の深さ及び、それらの幅は、不規則である。

【0033】

金属層３０の厚みは、数μｍから数十μｍ、例えば、５～１０μｍである。そして、金属層３０は、グラファイトシート２０の全体の強度を高めるため、グラファイトシート２０の外周面全体にわたって形成されている。その結果、上述した凹凸部２１を含むグラファイトシート２０全体を覆っている。

【0034】

金属層３０は、熱伝導性が高い金属である銅（本明細書では電気銅、無酸素銅、脱酸銅等の純銅を含む）または銅合金によって形成されている。さらに、金属層３０は、後述する電解メッキにより形成されることで、金属層３０の凹凸部２１への密着性が高められている。これらにより、金属層３０からグラファイトシート２０への伝熱性が高められている。また、グラファイトシート２０のベーサル面Ｂに垂直な方向への熱伝導率は５Ｗ／ｍｋ程度とベーサル面Ｂ方向に比べ著しく低いが、これに対して、金属層３０の材料である銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍｋ程度である。金属層３０がグラファイトシート２０の側面に形成されることにより、グラファイトシート２０のベーサル面Ｂに垂直な方向への低い熱伝導率を補う。

【0035】

焼結層４０は、金属層３０を回路基板１０に接合するために、金属層３０の上面に形成されている。焼結層４０は、図３に示すように、多数の金属粒子４１が焼結した焼結体により形成されている。それら多数の金属粒子４１は、焼結体の形成時に互いに焼結するだけでなく、金属層３０と回路基板１０に結合し、金属層３０と回路基板１０を接合している。なお、回路基板１０の接合面にメッキ（例えば、銅または銅合金のメッキ）を施しておくことで、回路基板１０と焼結層４０との接合力をより高めることができる。

【0036】

金属粒子４１を形成する銅または銅合金は、はんだよりも高い熱伝導率を有する。その結果、金属層３０と回路基板１０をはんだにより接合する場合に比べ、焼結層４０による接合は熱伝導率が高い。また、金属粒子４１を形成する銅または銅合金は、金属層３０を形成する金属と同種の金属である。ここで、同種の金属とは、主成分が同じ金属元素である金属材料のことをいう。焼結層４０は、金属粒子４１が金属層３０と同種の金属であることにより、金属層３０と回路基板１０の間の熱伝導率を高めるだけでなく、線膨張係数の差が生じないことにより剥離やクラック等を抑制する。その結果、金属層３０と焼結層４０との間の接合強度が高い。

【0037】

また、金属粒子４１は、加熱された結果として焼結体を形成するが、金属粒子４１を加熱する際には、熱伝導部材２Ａを構成するグラファイトシート２０も加熱される。しかしながら、グラファイトシート２０は耐熱性が低く、４００℃以上の温度で加熱すると劣化する。そこで、金属粒子４１には、４００℃未満の温度で焼結可能な粒径を有した金属粒子が用いられている。

【0038】

詳細には、金属粒子４１が銅または銅合金で形成されている場合、４００℃未満の温度で焼結が可能な粒径は数十μｍ～ナノサイズであり、３００℃未満の温度で焼結を可能にするには、１０μｍ未満の粒径とすることが望ましい。或いは、金属粒子４１は、１μｍ未満のいわゆるナノサイズの粒径であることがさらに望ましい。例えば、金属粒子４１は、ナノサイズの粒径の場合、数百～数十ｎｍの粒径である。このような粒径であれば、通常であれば金属固有の融点の約１／２の温度で金属粒子の結合が始まるところを、金属間結合を誘発することで、更に低い温度である１５０～３００℃の温度で金属粒子４１を焼結できるからである。

【0039】

ここで、粒径とは、金属粒子４１全体の平均径（例えば、幾何平均径、平均体積径）のことをいう。

【0040】

図２に示すように、ヒートシンク５０は、グラファイトシート２０に伝わった熱をより高い効率で放熱するために設けられている。ヒートシンク５０は、熱伝導率が高い金属、例えば、純アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。そして、ヒートシンク５０は、表面積を大きくするため、平面視でグラファイトシート２０よりもやや大きい平板の形状の支持部５１と、支持部５１の一面の側に設けられ、互いに平行かつ一定間隔で配置された板状の複数のフィン５２とを有する。

【0041】

ヒートシンク５０は、支持部５１の、フィン５２が設けられた一面とは反対側の他面をグラファイトシート２０に向け、さらに、その他面が、図示せぬ金属ペースト、はんだ等の接合手段によって、グラファイトシート２０を覆う金属層３０に接合されている。これにより、ヒートシンク５０には、グラファイトシート２０の下面にある金属層３０を介して、グラファイトシート２０の熱が伝わる。ヒートシンク５０は、その熱をフィン５２から周辺の空気へ放つ。その結果、回路基板１０が蓄熱することなく、温度上昇に伴う熱ストレスの影響を抑制できる。
上記構成では、半導体素子３が実装された回路基板１０とグラファイトシート２０を覆う金属層３０との接合部分で熱が伝わりやすく、さらに、グラファイトシート２０と金属層３０の熱伝導率が高いため、熱伝導部材２Ａの放熱効率が高い。

【0042】

次に、図４～図７を参照して、熱伝導部材２Ａの製造方法について説明する。

【0043】

図４は、熱伝導部材２Ａの製造方法のフローチャートである。図５（Ａ）は、同製造方法が備える粗面化工程で粗面化される前のグラファイトシート材料２２の断面図であり、図５（Ｂ）は、粗面化工程の粗面化の手法を説明する図であり、図５（Ｃ）は、粗面化工程で粗面化されたグラファイトシート２０の断面図である。図６は、同製造方法が備える金属層形成工程で金属層３０が形成されたグラファイトシート２０の断面図である。図７は、同製造方法が備える接合工程で接合された回路基板１０とグラファイトシート２０の断面図である。

【0044】

熱伝導部材２Ａを形成する際には、図４に示すように、まず、グラファイトシート材料２２を粗面化する粗面化工程を行う（ステップＳ１）。

【0045】

詳細には、回路基板１０とほぼ同じ平面形状を有し、かつ、複数のグラファイトが上述したベーサル面Ｂをシート面Ｓと平行に向けた状態に積層された図５（Ａ）に示すグラファイトシート材料２２を用意する。そして、グラファイトシート材料２２のシート面Ｓをブラスト法により粗面化する。例えば、図５（Ｂ）に示すように、ノズル６１、６２からスラリーＳＬをシート面Ｓに噴射する、いわゆるウエットブラスト法を用いることができる。粗面化により実現されるシート面Ｓの面粗さ（算術平均高さＳａ）は、例えば、１．０～３．０μｍである。これにより、図５（Ｃ）に示すように、シート面Ｓ全体にわたって微細な凹凸部２１を形成することができる。

【0046】

なお、グラファイトシート材料２２の粗面化は、グラファイトシート材料２２を粗面化できる方法であれば、ウエットブラスト法に限定されない。サンドブラスト、ブロワブラスト、ドライアイスブラスト、ショットブラスト等の方法であってもよい。

【0047】

次に、図４に示すように、グラファイトシート２０に金属層３０を形成する金属層形成工程を行う（ステップＳ２）。

【0048】

例えば、電解メッキ法により、図６に示すように、グラファイトシート２０全体を覆う銅の金属層３０を形成する。電解メッキ法のほか、スパッタリング、厚膜印刷（スクリーン印刷）、無電解メッキ等の成膜方法で金属層３０を形成してもよい。但し、高い密着性を実現するには、電解メッキ法が望ましい。なお、金属層３０は、銅合金であってもよい。

【0049】

金属層形成工程では、例えば、上述した５～１０μｍの厚みの金属層３０を形成する。ステップＳ１でグラファイトシート２０の表面全体にわたって微細な凹凸部２１が形成されているため、形成される金属層３０は、グラファイトシート２０から剥がれにくい。

【0050】

次に、図４に示すように、接合材料であるペーストを塗布するペースト塗布工程を行う（ステップＳ３）。

【0051】

このペースト塗布工程では、接合材料のペーストとして、上述した粒径であり、上述した金属層３０の金属材料と同種の金属（例えば、銅）で形成された金属粒子４１を含むペーストを用意する。なお、金属層３０と金属粒子４１は、線膨張係数差の観点から同種の金属によって形成されていることが好ましいが、接合が可能であれば、異種金属の組み合わせであってもよい。例えば、金属層３０が銅により形成され、金属粒子４１が銀により形成されてもよい。

【0052】

塗布性を高めるため、ペーストにバインダー、溶剤等を含めてもよい。例えば、金属粒子４１の材料が銅または銅合金である場合、上述したように、３００℃未満の温度で焼結させるためには粒径は１０μｍ未満であることが望ましい。粒径が１０μｍ～１μｍ程度の場合、バインダーに樹脂成分が多く含まれるので、形成される焼結層４０の熱伝導率は数十Ｗ/ｍｋ程度である。

【0053】

金属粒子４１の材料が銅または銅合金である場合、１５０～３００℃の温度で焼結させるためには、１μｍ未満のナノサイズであることがさらに望ましい。この場合、形成される焼結層４０の熱伝導率を１３０～２４０Ｗ/ｍｋに高めることができる。

【0054】

準備したペーストを、グラファイトシート２０の一面の側にある金属層３０の上、又は、グラファイトシート２０の一面が重ね合わされる回路基板１０の他面に塗布する。例えば、回路基板１０の他面に、銅ペーストを印刷する。ペーストを塗布した後、グラファイトシート２０の一面に、回路基板１０の他面を重ね合わせることで、グラファイトシート２０と回路基板１０の間にペーストを浸透させて、グラファイトシート２０と回路基板１０の間に金属粒子４１の集合体の層である粒体層を形成する。

【0055】

粒体層を形成した後、グラファイトシート２０と回路基板１０とを接合する接合工程を行う（ステップＳ４）。

【0056】

詳細には、粒体層が形成され、グラファイトシート２０が重ね合わされた回路基板１０を加熱炉に入れて、金属粒子４１を焼結させ、焼結層４０を形成させることで、グラファイトシート２０を覆う金属層３０と回路基板１０とを結合させる。このときの加熱温度は、グラファイトシート２０の劣化を防ぐため、４００℃以下であり、上述した金属粒子４１の粒径に応じた温度で加熱することが望ましい。この加熱処理により、図７に示すグラファイトシート２０が接合された回路基板１０が作製される。

【0057】

なお、グラファイトシート２０と回路基板１０の接合強度を高めるため、回路基板１０は、接合面側に金属層を備えていてもよい。その場合、金属層は、接合強度を高めるため、金属粒子４１と同種の金属材料であることが望ましい。
以上により、熱伝導部材２Ａが完成する。

【0058】

熱伝導部材２Ａが完成した後、必要に応じて、図４に示すように、ヒートシンク５０をグラファイトシート２０に取り付ける組み立て工程を行う（ステップＳ５）。例えば、金属ペースト、はんだ等の接合手段によって、回路基板１０に接合されたグラファイトシート２０にヒートシンク５０を取り付ける。金属ペーストを用いる場合、ステップＳ３で用いたペーストと同じ金属粒子４１を含む金属ペーストを用いるとよい。

【0059】

なお、図１および図２を参照して説明した電子部品１Ａを製造するには、ステップＳ４でグラファイトシート２０が接合された回路基板１０に半導体素子３を実装すればよい。

【0060】

以上のように、実施の形態１に係る熱伝導部材２Ａでは、回路基板１０とグラファイトシート２０の金属層３０が焼結層４０により強固に結合している。そして、金属層３０と焼結層４０が熱伝導率の高い金属で形成されている。このため、回路基板１０からグラファイトシート２０へ高い効率で熱を伝えることができる。

【0061】

また、熱伝導部材２Ａでは、グラファイトシート２０のベーサル面Ｂがシート面Ｓに対向する向きで接合しているため、回路基板１０からグラファイトシート２０に伝わった熱をシート面Ｓの延在方向へ素早く拡散させることできる。例えば、回路基板１０上に発熱体となる複数の半導体素子３を集中して配置し、回路基板１０に局所的に熱が生じた場合でも、速やかに拡散させることができる。回路基板１０上には、発熱体となる半導体素子３とは別に、半導体素子３を駆動するための駆動用素子が実装されることがあり、回路基板１０が高温となると駆動用素子が熱破壊に繋がるが、熱伝導部材２Ａでは、シート面Ｓの延在方向へ速やかに排熱することで駆動用素子の熱破壊を防ぐことができる。

【0062】

また、金属層３０が焼結層４０を形成する金属粒子４１と同種の金属材料であるため、金属層３０と焼結層４０の間での熱伝導性が高く、また、接合強度も高い。熱伝導部材２Ａは、高温の環境でも、部材間の線膨張係数の差による剥離やクラックの発生のおそれが無く、高い接合強度を維持することができる。

【0063】

グラファイトシート２０には、厚み方向に複数のグラファイトの層を横断する凹凸部２１が形成されている。そして、金属層３０がその凹凸部２１を覆っている。このため、金属層３０のグラファイトシート２０への密着性が高いことで熱伝導性が高く、また、金属層３０がグラファイトシート２０から剥がれにくい。これらの結果、半導体素子３で発生した熱をヒートシンク５０に高い熱伝導率で伝達し、放熱させることができる。

【0064】

また、熱伝導部材２Ａの製造方法では、金属粒子４１の粒径を小さくすることにより、例えば、粒径がナノサイズの金属粒子４１を用いることで、焼結に必要な温度を下げ、グラファイトシート２０を劣化させることなく熱伝導部材２Ａを製造できる。

【0065】

（実施の形態２）
実施の形態１に係る熱伝導部材２Ａでは、グラファイトシート２０のベーサル面Ｂが回路基板１０の延在方向に対して平行になるように、回路基板１０とグラファイトシート２０が接合されている。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明では、グラファイトシート２０のベーサル面Ｂが回路基板１０の延在方向に対して垂直となるように接合されていてもよい。

【0066】

実施の形態２に係る熱伝導部材２Ｂでは、グラファイトシート２０のベーサル面Ｂが回路基板１０の延在方向に対して垂直である。以下、図８～図１１を参照して、実施の形態２に係る熱伝導部材２Ｂとそれを用いた電子部品１Ｂの構成を説明する。

【0067】

図８は、実施の形態２に係る熱伝導部材２Ｂを備える電子部品１Ｂの断面図である。なお、図１と同じ箇所で電子部品１Ｂを切断したときの断面を示している。また、一つのグラファイトシート２０にのみシート面Ｓを図示しているが、同様に、全てのグラファイトシート２０がシート面Ｓを有している。

【0068】

図８に示すように、熱伝導部材２Ｂは、複数枚のグラファイトシート２０が積層された積層体７０を備える。

【0069】

積層体７０は複数のグラファイトシート２０で構成されている。各グラファイトシート２０は、実施の形態１と同様に、グラファイトのベーサル面Ｂがシート面Ｓに対して平行となるように積層されており、シート面Ｓには、凹凸部２１が形成され金属層３０で覆われている。各グラファイトシート２０は、シート面Ｓを同方向に向けた状態で積層されている。これにより、隣り合うグラファイトシート２０間に金属層３０を有する積層体７０を形成している。

【0070】

積層体７０は、各グラファイトシート２０のシート面Ｓを回路基板１０に対して鉛直方向に向けて、焼結層４０により接合されている。接合面となる積層体７０の上面では、各グラファイトシート２０を覆う金属層３０が露出している。その金属層３０の上端面が、焼結層４０によって回路基板１０の下面に接合されている。これにより、積層体７０は、回路基板１０と強固に結合されている。

【0071】

積層体７０では、回路基板１０から伝わった熱を鉛直方向へ逃がすことで回路基板１０を冷却する。換言すると、積層体７０は、回路基板１０から伝わった熱を放熱する放熱体として機能する。

【0072】

グラファイトシート２０単体では、厚みが最大１００μｍ程度であるため、熱を伝える部材として使用することができるが、放熱体としての利用は難しい。これに対して、熱伝導部材２Ｂでは、グラファイトシート２０が積層体７０を形成しているので、熱容量が大きくなり、上記のように、放熱体として利用できる。更に、グラファイトシートの密度は２ｇ／ｃｍ^３であり、例えばアルミニウムの場合の２．７ｇ／ｃｍ^３と比べ小さくなっており軽量化が可能となる。

【0073】

なお、熱伝導部材２Ｂでは、各グラファイトシート２０のベーサル面Ｂが鉛直方向に向けられているが、鉛直方向に限らず、ベーサル面Ｂは熱を逃がしたい方向へ向ければよい。

【0074】

上述の積層体７０では上面から各グラファイトシート２０が露出しているが、焼結層４０との接合力をより高めるために、積層体７０の上面にも金属層３０を形成していてもよい。また、放熱性をより高めるために、積層体７０の上面とは反対側となる積層体７０の下面に、実施の形態１と同様のヒートシンクを接合してもよい。

【0075】

続いて、図９～図１１を参照して、熱伝導部材２Ｂの製造方法を説明する。

【0076】

図９は、熱伝導部材２Ｂの製造方法のフローチャートである。図１０は、同製造方法が備える積層工程で積層されたグラファイトシート２０の断面図である。図１１は、同製造方法が備える切断工程で切断されるグラファイトシート２０の断面図である。

【0077】

熱伝導部材２Ｂの製造方法では、積層体７０を構成する、金属層３０に覆われた複数のグラファイトシート２０を用意する。グラファイトシート２０のグラファイトの積層構造、また、金属層３０の形成方法は、実施の形態１と同様であるため、ステップＳ２１，ステップＳ２２の説明は省略する。

【0078】

次に、金属層３０に覆われたグラファイトシート２０を積層する積層工程を行う（ステップＳ２３）。詳細には、シート面Ｓを同じ向きにグラファイトシート２０を積層し、例えば、実施の形態１で説明した金属粒子４１を含むペーストを用いてグラファイトシート２０同士を接合する。或いは、ホットプレスや超音波接合により、グラファイトシート２０同士を接合する。これにより、図１０に示す積層体８０を作製する。

【0079】

次に、図９に示すように、作製された積層体８０を切断する截断工程を行う（ステップＳ２４）。詳細には、図１１に示すように、積層体８０を所望の長さで積層方向Ｄと同じ方向に切断する。これにより、上述した積層体７０を作製する。

【0080】

積層体７０を作製した後、図９に示すように、ペースト塗布工程を行う（ステップＳ２５）。この工程では、実施の形態１で説明した金属粒子４１を含むペーストを、実施の形態１の場合と異なり、積層体７０の切断面または、回路基板１０の、積層体７０の切断面が接合される接合面に塗布する。そして、回路基板１０の接合面に積層体７０の切断面を重ね合わせる。

【0081】

続いて、重ね合わされた回路基板１０と積層体７０を加熱して、金属粒子４１を焼結させる接合工程を行う（ステップＳ２６）。このときの加熱温度は、実施の形態１と同様の理由から４００℃以下が望ましい。これにより、回路基板１０と積層体７０が接合される。以上の工程により、熱伝導部材２Ｂが完成する。

【0082】

以上のように、実施の形態２に係る熱伝導部材２Ｂは、各グラファイトシート２０のべーサル面Ｂが回路基板１０の接合面に対して垂直な積層体７０を備える。このため、熱伝導部材２Ｂは、回路基板１０に伝わった熱を接合面に対して垂直な方向へ逃がすことができる。その結果、回路基板１０に伝わった熱を高い効率で放熱することができる。

【0083】

以上、本発明の実施の形態１、２に係る熱伝導部材２Ａ、２Ｂおよび熱伝導部材２Ａ、２Ｂの製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。

【0084】

例えば、実施の形態１では、熱伝導部材２Ａにヒートシンク５０が取り付けられている。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明では、ヒートシンク５０は任意の構成である。熱伝導部材２Ａは、ヒートシンク５０が取り付けられていなくても、回路基板１０に伝わった電子部品１Ａの熱を拡散できるからである。

【0085】

実施の形態１、２では、半導体素子３の例として、発光ダイオードを例示したが、半導体素子３はこれに限定されず、情報処理を行うプロセッサ、記憶素子、電力の供給制御を行うパワー半導体、抵抗素子等、発熱する任意の半導体素子であってもよい。
また、実施の形態１、２では、発熱体は半導体素子であるが、本発明はこれに限定されず、発熱体は、抵抗、コイル等の回路素子、部品、機械等でもよい。

【0086】

実施の形態１、２では、金属層３０は、銅または銅合金によって形成されているが、本発明はこれに限定されない。金属層３０は、金属で形成されていればよい。このため、銅または銅合金よりも加工性は劣るものの、純アルミニウムまたは、アルミニウム合金であってもよい。

【0087】

実施の形態１、２では、金属層３０は、グラファイトシート２０の全体を覆っているが、これに限定されず、グラファイトシート２０の一部、例えば、回路基板１０との接合部分にのみ設けられていてもよい。

【0088】

実施の形態１、２では、焼結層４０の金属粒子が銅または銅合金によって形成されているが、本発明はこれに限定されない。本発明では、焼結層４０の金属粒子は、銀で形成されていてもよい。この場合、上述したペースト塗布工程では、接合材料のペーストとして、銀ペーストを用いるとよい。

【0089】

実施の形態１、２では、回路基板１０の一面に発熱体を搭載し、他面に熱伝導部材２Ａ、２Ｂを配置し、熱伝導部材２Ａ、２Ｂにヒートシンク５０を配置したが、熱伝導部材２Ａ、２Ｂを発熱体に直接固定する構成も可能である。この場合、例えば、焼結層４０を発熱体の接合部に結合させるとよい。例えば、金属層３０を発熱体の接合部に重ねて、その間に金属粒子４１の粒体層を形成し、その粒体層を加熱することにより、焼結層４０を形成するとよい。

【0090】

また、放熱用の部材として、ヒートシンク５０を例示したが、ヒートシンクに限定されず、水冷式の冷却部材等任意の冷却部材を使用できる。また、放熱部材を設けず、熱伝導部材２Ａ自体を放熱部材として利用してもよい。

【符号の説明】

【0091】

１Ａ，１Ｂ 電子部品
２Ａ，２Ｂ 熱伝導部材
３ 半導体素子
４，５ 端子
６，７ ワイヤ
１０ 回路基板
１１，１２ 配線
２０ グラファイトシート
２１ 凹凸部
２２ グラファイトシート材料
３０ 金属層
４０ 焼結層
４１ 金属粒子
５０ ヒートシンク
５１ 支持部
５２ フィン
６１，６２ ノズル
７０，８０ 積層体
Ｂ ベーサル面
Ｄ 積層方向
Ｓ シート面
ＳＬ スラリー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】