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(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】P2024065820
(43)【公開日】2024-05-15
(54)【発明の名称】接続構造、半導体装置および絶縁内蔵基板
(51)【国際特許分類】
H01L 23/373 20060101AFI20240508BHJP
H01L 23/36 20060101ALI20240508BHJP
H05K 3/38 20060101ALI20240508BHJP
H05K 1/02 20060101ALI20240508BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 M
H01L23/36 D
H05K3/38 E
H05K1/02 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022174870
(22)【出願日】2022-10-31
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岩重 朝仁
【テーマコード（参考）】
5E338
5E343
5F136
【Ｆターム（参考）】
5E338AA16
5E338AA18
5E338EE02
5E343AA02
5E343AA23
5E343BB21
5E343CC03
5E343CC07
5E343GG02
5F136BB18
5F136BC03
5F136BC05
5F136FA02
5F136FA23
5F136FA52
5F136FA53
5F136FA55
5F136FA63
5F136FA65
5F136FA82
(57)【要約】
【課題】線膨張係数等の物理特性が異なる部材同士を常温にて高熱伝導率で接続しつつ、発熱体の熱による変形や応力の緩和が可能な接続構造とする。
【解決手段】第１部材１０と、第１部材１０と対向配置され、第１部材１０とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材２０と、が接続部材３０により接続されている。接続部材３０は、高耐熱樹脂材料３１と、炭素原子により構成された炭素材料３２と、空隙層３３とを有してなる。第１部材１０および第２部材２０は、接続部材３０の炭素材料３２を介して熱的に接続される。
【選択図】図１
【解決手段】第１部材１０と、第１部材１０と対向配置され、第１部材１０とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材２０と、が接続部材３０により接続されている。接続部材３０は、高耐熱樹脂材料３１と、炭素原子により構成された炭素材料３２と、空隙層３３とを有してなる。第１部材１０および第２部材２０は、接続部材３０の炭素材料３２を介して熱的に接続される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１部材（１０）と、
前記第１部材と対向配置され、前記第１部材とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記第１部材と前記第２部材とを接続する接続部材（３０）と、を備える、接続構造。
前記第１部材と対向配置され、前記第１部材とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記第１部材と前記第２部材とを接続する接続部材（３０）と、を備える、接続構造。
【請求項2】
前記炭素材料は、一端が前記第１部材に接触し、前記一端とは反対側の他端が前記第２部材に接触している、請求項１に記載の接続構造。
【請求項3】
前記炭素材料が前記第１部材と前記第２部材とを結ぶ方向を熱伝導方向（Ｄ２）として、前記炭素材料は、前記接続部材の厚み方向（Ｄ１）と前記熱伝導方向とのなす角度が１４°以上７０°以下の範囲内である、請求項２に記載の接続構造。
【請求項4】
前記第１部材および前記第２部材のうち前記炭素材料に接触する接触面（１０ａ、２０ａ）は、前記炭素材料との摩擦力を上げる凹部（１１、２１）を有する、請求項２に記載の接続構造。
【請求項5】
前記第１部材および前記第２部材のうち前記炭素材料に接触する接触面（１０ａ、２０ａ）は、前記炭素材料と接合する有機膜（１２、２２）が形成されている、請求項２に記載の接続構造。
【請求項6】
前記有機膜は、トリアジン環を有する有機材料により構成されている、請求項５に記載の接続構造。
【請求項7】
前記第１部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と対向配置される第３部材（４０）と、
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ枠体状の封止材（５０）と、をさらに有する、請求項２に記載の接続構造。
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ枠体状の封止材（５０）と、をさらに有する、請求項２に記載の接続構造。
【請求項8】
前記第２部材、前記第３部材および前記封止材により囲まれた空間を内部空間（２００）として、前記第２部材および前記第３部材のうち少なくとも１つは、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（２４、４２）を有する、請求項７に記載の接続構造。
【請求項9】
前記第１部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と対向配置される第３部材（４０）と、
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ封止材（５０）と、をさらに有し、
前記第２部材と前記第３部材との隙間に位置する空間を内部空間（２００）として、前記封止材は、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（５１）となる隙間が生じるように配置されている、請求項２に記載の接続構造。
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ封止材（５０）と、をさらに有し、
前記第２部材と前記第３部材との隙間に位置する空間を内部空間（２００）として、前記封止材は、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（５１）となる隙間が生じるように配置されている、請求項２に記載の接続構造。
【請求項10】
前記第２部材および前記第３部材の少なくとも一方は、前記封止材の一部が入り込み、前記封止材との密着が前記第２部材および前記第３部材の他の部位よりも高い凹部を有する高密着部（２３、４１）を備える、請求項７に記載の接続構造。
【請求項11】
前記炭素材料は、前記第１部材と接触する部位、および前記第２部材と接触する部位が化学修飾されており、前記第１部材および前記第２部材と化学結合している、請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の接続構造。
【請求項12】
前記第１部材および前記第２部材の一方を介して、前記接続部材を前記第１部材および前記第２部材の他方に押圧する加圧部材（８０、９０）をさらに備える、請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の接続構造。
【請求項13】
半導体素子（１４０）と、前記半導体素子と熱的に接続される放熱板（１１０）と、を有する半導体モジュール（１０）と、
前記半導体モジュールのうち前記放熱板と対向配置される放熱体（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記半導体モジュールと前記放熱体とを接続する接続部材（３０）と、を備える、半導体装置。
前記半導体モジュールのうち前記放熱板と対向配置される放熱体（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記半導体モジュールと前記放熱体とを接続する接続部材（３０）と、を備える、半導体装置。
【請求項14】
導電性材料で構成された導電層（１０）と、
前記導電層と対向配置され、絶縁性材料で構成された絶縁基板（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記導電層と前記絶縁基板とを接続する接続部材（３０）と、を備える、絶縁内蔵基板。
前記導電層と対向配置され、絶縁性材料で構成された絶縁基板（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記導電層と前記絶縁基板とを接続する接続部材（３０）と、を備える、絶縁内蔵基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、線膨張係数が異なる複数の部材が、炭素原子によりなる炭素材料を有してなる接続部材により接続された接続構造、およびこれが適用された半導体装置並びに絶縁内蔵基板に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、金属部材と樹脂部材などのように線膨張係数や弾性率が異なる部材同士を接続すると共に、少なくとも一方の部材が他の発熱体に当接し、放熱を可能とする接続構造が知られている。この種の接続構造は、反りや段差の影響を低減するために低温あるいは常温で接続されること、線膨張係数等が異なる部材同士が高熱伝導率で接続されること、および熱による変形や応力の影響を低減できることが求められる。線膨張係数等が異なる部材同士を接続する接続部材としては、例えば、はんだなどの接合部材や放熱グリスなどが挙げられる。
【0003】
しかしながら、はんだを用いた場合、異なる部材同士を高熱伝導率で接続できるものの、低温あるいは常温での接続ができず、接続された部材間での反りや応力の緩和が難しい。また、放熱グリスの場合、異なる部材同士を低温あるいは常温で接続できるものの、異なる部材同士が高熱伝導率で接続されず、接続された部材間での反りや応力の緩和が難しい。
【0004】
特許文献１に記載の接続構造は、熱可塑性樹脂材料と熱伝導率が高いグラファイトなどの炭素系材料とによりなる接続部材が用いられており、低温あるいは常温で異なる部材同士が高熱伝導率で接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１５－２６６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載の接続構造は、接続部材の一部が熱可塑性樹脂材料で構成されるため、発熱体の熱により軟化してしまい、接続された異なる部材間での反りなどの変形や応力の緩和が難しい。
【0007】
なお、この種の接続構造としては、例えば、半導体素子が樹脂封止されてなる半導体モジュールの外表面と冷却体とが接続部材により接続された半導体装置が挙げられる。他の例としては、例えば、金属材料などによる回路配線等を構成する導電層と、絶縁性材料によりなる絶縁基板とが接続部材により接続された絶縁内蔵基板などが挙げられる。ここでいう絶縁内蔵基板とは、絶縁基板の一面または両面に導電層が接続された構成の基板をいう。
【0008】
本発明は、上記の点に鑑み、線膨張係数等の物理特性が異なる部材同士を低温あるいは常温にて高熱伝導率で接続できると共に、発熱体の熱による変形や応力の緩和が可能な接続構造、半導体装置および絶縁内蔵基板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】
【0009】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の接続構造は、第１部材（１０）と、第１部材と対向配置され、第１部材とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材（２０）と、高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、第１部材と第２部材とを接続する接続部材（３０）と、を備える。
【0010】
これによれば、高耐熱樹脂材料、炭素材料および空隙層を有してなる接続部材により、第１部材と第２部材とが熱的に接続される接続構造となる。この接続構造は、第１部材および第２部材が熱伝導率の高い炭素材料により常温にて高熱伝導率で接続されると共に、接続材料のうち樹脂材料が高耐熱樹脂材料であることで熱により軟化しないため、発熱体の熱による変形や応力の緩和が可能である。
【0011】
請求項１３に記載の半導体装置は、半導体素子（１４０）と、半導体素子と熱的に接続される放熱板（１３０）と、を有する半導体モジュール（１０）と、半導体モジュールのうち放熱板と対向配置される放熱体（２０）と、高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、半導体素子と放熱体とを接続する接続部材（３０）と、を備える。
【0012】
これによれば、高耐熱樹脂材料、炭素材料および空隙層を有してなる接続部材により、半導体モジュールと放熱体とが熱的に接続された半導体装置である。接続材料のうち熱伝導率の高い炭素材料で半導体モジュールと放熱体とが熱的に接続され、樹脂材料が高耐熱樹脂材料であるため、接続部材は熱により軟化しない。このため、半導体モジュールと放熱体とが常温にて高熱伝導率で接続されると共に、発熱体である半導体素子の熱による変形や応力の緩和が可能な半導体装置となる。
【0013】
請求項１４に記載の絶縁内蔵基板は、導電性材料で構成された導電層（１０）と、導電層と対向配置され、絶縁性材料で構成された絶縁基板（２０）と、高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、導電層と絶縁基板とを接続する接続部材（３０）と、を備える。
【0014】
これによれば、高耐熱樹脂材料、炭素材料および空隙層を有してなる接続部材により、導電層と絶縁基板とが熱的に接続された絶縁内蔵基板である。接続材料のうち熱伝導率の高い炭素材料で導電層と絶縁基板とが熱的に接続され、樹脂材料が高耐熱樹脂材料であるため、接続部材は熱により軟化しない。このため、導電層と絶縁基板とが常温にて高熱伝導率で接続されると共に、他の発熱体の熱による変形や応力が緩和された絶縁内蔵基板となる。
【0015】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】第１実施形態の接続構造を示す断面図である。
【図2】第１実施形態の接続構造の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した結果を示す図である。
【図3】部材の接続に用いられる前の接続部材の断面をＳＥＭにより観察した結果を示す図である。
【図4】接続部材を加圧するときの圧力、接続構造の熱抵抗、および炭素材料の傾き角度の関係を示す図である。
【図5】１ＭＰａの圧力による接続構造の断面をＳＥＭにより観察した結果を示す図である。
【図6】２ＭＰａの圧力による接続構造の断面をＳＥＭにより観察した結果を示す図である。
【図7】１２．５ＭＰａの圧力による接続構造の断面をＳＥＭにより観察した結果を示す図である。
【図11】第２実施形態の接続構造を示す断面図である。
【図14】第３実施形態の接続構造を示す断面図である。
【図15】有機膜を用いた第１部材、接続部材の炭素材料、および第２部材の結合を説明するための説明図である。
【図16】第４実施形態の接続構造を示す断面図である。
【図17】封止材の別の配置例を示す断面図である。
【図18】第４実施形態の接続構造の第１変形例を示す断面図である。
【図19】第４実施形態の接続構造の第２変形例を示す断面図である。
【図20】第４実施形態の接続構造の第３変形例を示す断面図である。
【図21】第４実施形態の接続構造の第４変形例を示す断面図である。
【図22】第５実施形態の接続構造を示す断面図である。
【図23】第５実施形態の接続構造の第１変形例を示す断面図である。
【図24】第５実施形態の接続構造の第２変形例における封止材の配置例を示す上面レイアウト図である。
【図25】第５実施形態の第２変形例における封止材の他の配置例を示す上面レイアウト図である。
【図26】第５実施形態の第２変形例における封止材の他の配置例を示す上面レイアウト図である。
【図27】第６実施形態の接続構造を示す断面図である。
【図28】第６実施形態の接続構造の第１変形例を示す断面図である。
【図29】第６実施形態の接続構造の第２変形例を示す断面図である。
【図30】実施形態に係る接続構造を用いた半導体装置の一例を示す断面図である。
【図31】実施形態に係る接続構造を用いた絶縁内蔵基板の一例を示す断面図である。
【図32】第１部材がグラファイト放熱板である場合における第１部材と接続部材との配置関係の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0018】
（第１実施形態）
第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１では、後述する接続部材３０を分かり易くするため、デフォルメしたものを示している。
第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１では、後述する接続部材３０を分かり易くするため、デフォルメしたものを示している。
【0019】
〔接続構造〕
本実施形態に係る接続構造は、例えば図１に示すように、第１部材１０と、第２部材２０と、第１部材１０と第２部材２０との間に配置され、これらを熱的に接続する接続部材３０とを有してなる。この接続構造は、例えば、第１部材１０が電子部品などの他の発熱体に接続され、当該発熱体の熱を第１部材１０から接続部材３０を経由して第２部材２０側に拡散させるのに適した構成となっている。この接続構造は、例えば図２に示すように、接続部材３０を構成する後述の炭素材料３２が厚み方向に対して傾いた状態となっており、炭素材料３２を介して第１部材１０と第２部材２０とが高熱伝導率で接続されている。
本実施形態に係る接続構造は、例えば図１に示すように、第１部材１０と、第２部材２０と、第１部材１０と第２部材２０との間に配置され、これらを熱的に接続する接続部材３０とを有してなる。この接続構造は、例えば、第１部材１０が電子部品などの他の発熱体に接続され、当該発熱体の熱を第１部材１０から接続部材３０を経由して第２部材２０側に拡散させるのに適した構成となっている。この接続構造は、例えば図２に示すように、接続部材３０を構成する後述の炭素材料３２が厚み方向に対して傾いた状態となっており、炭素材料３２を介して第１部材１０と第２部材２０とが高熱伝導率で接続されている。
【0020】
第１部材１０は、例えば、少なくとも接続部材３０に接触する部分が金属材料などの熱伝導率が高い高熱伝導材料で構成される。第１部材１０は、例えば、金属板、絶縁基板の両面に金属層が接合された絶縁内蔵基板、半導体素子がヒートシンクに接続され、樹脂封止された半導体モジュールなどとされるが、これらに限定されない。
【0021】
第２部材２０は、少なくとも第１部材１０とは線膨張係数や弾性率が異なる材料で構成される任意の部材である。ここでいう「第１部材１０とは線膨張係数や弾性率が異なる」とは、第１部材１０が複数の構成材料を有してなる複合部材である場合には、第１部材１０全体としての線膨張係数や弾性率が異なることを意味する。このような場合としては、例えば、第１部材１０が複合部材であって、第２部材２０と向き合う部分が第２部材２０の構成材料と同一であっても、第１部材１０の他の部分に第２部材２０とは線膨張係数や弾性率が異なる材料を有する場合などが挙げられる。第２部材２０は、第１部材１０と対向配置され、接続部材３０を介して第１部材１０と熱的に接続される。第２部材２０は、例えば、セラミックなどで構成された絶縁基板、Ａｌ（アルミニウム）などの熱伝導率が高い金属材料やその合金材料などで構成された放熱板あるいは冷却器などとされるが、これらに限定されない。第２部材２０は、例えば、第１部材１０よりも平面サイズが大きく、第１部材１０の全域を外郭内側に納めるように配置される。
【0022】
接続部材３０は、例えば図１に示すように、高耐熱樹脂材料３１と、炭素材料３２と、空隙層３３とを有してなり、炭素材料３２により異なる部材１０、２０を熱的に接続する部材である。接続部材３０は、例えば、複数の炭素材料３２が互いに隙間を隔てて規則的に配置され、これらの隙間に高耐熱樹脂材料３１が部分的に配置され、当該隙間の残部が空隙層３３となっている。接続部材３０は、例えば、第１部材１０と第２部材２０との間に配置され、部材１０、２０により常温あるいは１５０℃以下の低温で加圧されることで、熱伝導率が高い炭素材料３２が部材１０、２０のそれぞれに当接し、部材１０、２０間の熱伝導を担う。接続部材３０は、例えば図３に示すように、異なる２つの部材を熱的に接続する前の状態では、炭素材料３２が接続部材３０の厚み方向Ｄ１に沿って配置され、空隙層３３が接続時よりもその幅が広い構成となっている。接続部材３０は、柔軟性を有しており、第１部材１０と第２部材２０とを熱的に接続しているとき、複数の炭素材料３２が厚み方向Ｄ１に対して略一様に傾いた状態となっている。この炭素材料３２の傾き角度については後述する。
【0023】
なお、接続部材３０は、例えば、鱗片状の黒鉛が規則的に配列されてなる黒鉛シートを用意し、黒鉛シートに高耐熱樹脂材料３１を構成する材料自体または当該材料を含んだ溶液を塗布した後、溶液を塗布した面を加圧した状態で加熱することで得られる。黒鉛シートは、例えば、粉末状あるいは鱗片状の黒鉛を１ＭＰａ以上で加圧してシート状にし、得られたシート状の黒鉛を減圧や自然乾燥等の任意の方法で乾燥させた後、１００℃～４００℃、１０ＭＰａ～４０ＭＰａで加圧加熱することで得られる。また、接続部材３０は、高耐熱樹脂材料３１および炭素材料３２のほか、必要に応じて、柔軟性を損なわない程度に金属粒子やスペーサーなどの他の材料を含んでいてもよい。接続部材３０は、例えば、第１部材１０と第２部材２０とを熱的に接続した状態において、厚みが１００μｍ～１ｍｍ程度とされるが、この範囲に限定されない。また、接続部材３０は、複数の炭素材料３２が例えば千鳥状などの所定のパターンで規則的に配列されたものに限定されるものではなく、複数の炭素材料３２の一部または全部が不規則に配置された構成であってもよい。
【0024】
高耐熱樹脂材料３１は、距離を隔てて規則的に配列された複数の炭素材料３２のバインダーとして機能する。高耐熱樹脂材料３１は、熱硬化性樹脂材料、もしくは融点が２００℃以上の熱可塑性樹脂材料、あるいはこれらを併用したものである。高耐熱樹脂材料３１は、例えば、熱硬化性樹脂の場合、柔軟性エポキシ樹脂、ゴム系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、アクリル系樹脂等の硬化した状態で柔軟性を有する任意の熱硬化性の材料が用いられるが、これらに限定されない。高耐熱樹脂材料３１は、例えば、熱可塑性樹脂の場合、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルなどの任意の熱可塑性の材料であって、融点が２００℃以上のものが用いられるが、これらに限定されない。接続部材３０は、高耐熱樹脂材料３１がバインダーとなることで、柔軟性を確保しつつ、加熱した状態で過度に軟化することが抑制される。
【0025】
炭素材料３２は、第１部材１０および第２部材２０のそれぞれと接触し、これらを所定以上の高熱伝導率で熱的に接続する。炭素材料３２は、例えば、人造黒鉛（熱伝導率：約１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ））、天然黒鉛（熱伝導率：約４００～５００Ｗ／（ｍ・Ｋ））やカーボンナノチューブ（熱伝導率の理論値：約６０００Ｗ／（ｍ・Ｋ））などの炭素原子によりなる材料で構成される。炭素材料３２は、接続部材３０のうち第１部材１０との接触面、および第２部材２０との接触面において、外部に露出している。炭素材料３２は、例えば、接続部材３０の接触面に対する法線方向から見て、当該接触面における一方向に沿って並べられると共に、当該一方向に対して直交する方向に沿って隙間を隔てて配置される。以下、説明の便宜上、上記した接続部材３０の接触面における一方向を「整列方向」、整列方向に対して直交する方向を「配列方向」と称することがある。炭素材料３２は、異なる２つの部材間で接続部材３０が加圧されることで、配列方向に沿って略一様に傾きつつ、一端が第１部材１０と、当該一端とは反対側の他端が第２部材２０と、それぞれ当接する。なお、接続部材３０全体としての熱伝導率は、例えば、炭素材料３２が人造黒鉛の場合には約８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、炭素材料３２が天然黒鉛の場合には約２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）となるが、これらに限定されない。
【0026】
空隙層３３は、配列方向に沿って隣接する炭素材料３２同士の隙間である。空隙層３３は、接続部材３０が異なる２つの部材により加圧されたときのクッション性を担保する役割を果たす。
【0027】
以上が、本実施形態に係る接続構造の基本的な構成である。この接続構造は、例えば、半導体モジュールと冷却器とを接続部材３０で接続した半導体装置、導電層あるいはグラファイト放熱板とセラミック基板とを接続部材３０で接続した絶縁内蔵基板などに適用されると好適であるが、勿論、他の用途にも適用されうる。
【0028】
〔炭素材料の傾き角度と熱抵抗〕
次に、第１部材１０および第２部材２０による接続部材３０の加圧時の圧力と、これにより得られる接続構造の熱抵抗、および炭素材料３２の傾き角度との関係について説明する。
次に、第１部材１０および第２部材２０による接続部材３０の加圧時の圧力と、これにより得られる接続構造の熱抵抗、および炭素材料３２の傾き角度との関係について説明する。
【0029】
以下、説明の便宜上、例えば図５ないし図７に示すように、炭素材料３２のうち第１部材１０と接触する一端と、第２部材２０と接触する他端とを繋ぐ直線に沿った方向を「熱伝導方向Ｄ２」と称する。また、炭素材料３２の「傾き角度」とは、接続部材３０の厚み方向Ｄ１と熱伝導方向Ｄ２とのなす角度を意味する。なお、厚み方向Ｄ１は、第１部材１０のうち接続部材３０との接触面１０ａ、または第２部材２０のうち接続部材３０との接触面２０ａに対する法線方向に沿った方向ともいえる。
【0030】
本発明者らの鋭意検討によれば、例えば図４に示すように、接続部材３０を常温あるいは１５０℃以下の低温で加圧する時の圧力に応じて炭素材料３２の傾き角度が変化すると共に、得られる接続構造の熱抵抗がこの傾き角度に応じて変化することが判明した。具体的には、炭素材料３２は、圧力が１ＭＰａの場合、例えば図５に示すように、傾き角度が４５°であった。また、炭素材料３２は、圧力が２ＭＰａの場合、例えば図６に示すように、傾き角度が４７°であった。また、炭素材料３２は、圧力が１２．５ＭＰａの場合、例えば図７に示すように、傾き角度が６９°であった。そして、更なる検討の結果、接続構造は、炭素材料３２の傾き角度が１４°以上７０°以下の範囲Ｒ１内にあるとき、熱抵抗が１．６℃／Ｗ以下と小さくなる一方、範囲Ｒ１外にあるときには熱抵抗が２．２℃／Ｗを超えた。つまり、接続部材３０は、炭素材料３２の傾き角度が１４°以上７０°以下の範囲においては、炭素材料３２の一端と第１部材１０、および他端と第２部材２０のそれぞれが良好な接触状態となり、部材１０、２０を高熱伝導率で熱的に接続できる。
【0031】
なお、炭素材料３２の傾き角度が１４°未満の場合、圧力不足により、接続部材３０の炭素材料３２と、第１部材１０および第２部材２０との接触が不十分となったことで、熱抵抗が下がらなかったと考えられる。また、炭素材料３２の傾き角度が７０°を超える場合、圧力過剰により、接続部材３０の炭素材料３２が部材１０、２０を繋ぐ方向に対して傾き過ぎることや炭素材料３２自体の破損に起因して熱抵抗が下がらなかったと考えられる。また、炭素材料３２の傾き角度が７０°を超える場合、両端が第１部材１０および第２部材２０に接触しない状態となった炭素材料３２の割合、すなわち、炭素材料３２と部材１０、２０との非接触の領域が増えることで熱抵抗が下がらなかったとも考えられる。
【0032】
また、炭素材料３２の傾き角度については、接続部材３０の加圧前の厚みと加圧後の厚みとの差により算出することができる。例えば、接続部材３０の加圧前の厚みが３００μｍであるとき、炭素材料３２が傾斜する前の厚みが３００μｍとみなすことができる。そして、接続部材３０の加圧後の厚みが２００μｍであるとき、厚み３００μｍの炭素材料３２が変形せずに倒れ込み、炭素材料３２の一端から他端までの高さが２００μｍになる傾き角度をθとして、当該θを三角関数により算出することができる。なお、図５ないし図７に示した圧力１ＭＰａ、２ＭＰａ、１２．５ＭＰａにおける傾き角度は、上記した算出方法により得られた数値と一致した。
【0033】
図４ないし図７では、炭素材料３２が人造黒鉛である接続部材３０を用いた接続構造（以下「第１接続構造」という）場合について示したが、炭素材料３２が天然黒鉛である場合にも同様の傾向が見られた。以下、説明の簡略化のため、炭素材料３２が天然黒鉛である接続部材３０を用いた接続構造を「第２接続構造」と称する。
【0034】
接続部材３０は、炭素材料３２が天然黒鉛であって、部材１０、２０の接続前においては、例えば図８に示すように、１つの炭素材料３２内に空隙層３３とは異なる空隙が生じた状態となっている。しかしながら、第２接続構造は、例えば図９に示すように、第１接続構造と同様に、炭素材料３２が略一様に傾斜し、１つの炭素材料３２内の空隙がほとんど塞がった状態となっていた。また、第２接続構造は、接続部材３０の加圧時の圧力と、熱抵抗および炭素材料３２の傾き角度との関係が、第１接続構造と同様の傾向を示した。第２接続構造は、例えば図１０に示すように、炭素材料３２の傾き角度が１４°以上７０°以下の範囲Ｒ２内にあるとき、熱抵抗が１．６℃／Ｗ以下と小さくなる一方、範囲Ｒ２外にあるときには熱抵抗が２．２℃／Ｗを超えた。この結果は、炭素材料３２の使用材料を変えた場合でも、炭素材料３２の傾き角度が所定の範囲内となるように接続部材３０を加圧することで、線膨張係数等の物理特性が異なる２つの部材を高熱伝導率で接続できることを示唆している。
【0035】
本実施形態によれば、線膨張係数等の物理特性が異なる２つの部材１０、２０が、高耐熱樹脂材料３１、炭素材料３２および空隙層３３を有してなる接続部材３０のうち炭素材料３２を介して熱的に接続された接続構造となる。この接続構造は、２つの部材１０、２０により接続部材３０が常温あるいは１５０℃以下の低温で加圧され、部材１０、２０が炭素材料３２にそれぞれ当接して高伝導率で接続されるため、１５０℃を超える高温で接続する工程が不要である。また、この接続構造は、２つの部材１０、２０が炭素材料３２により熱的に接続される一方で、はんだ等の接合材料のように部材１０、２０が接合されないため、外部の発熱体に起因する熱による変形や応力が緩和される。さらに、接続部材３０は、炭素材料３２同士のバインダーが高耐熱樹脂材料３１であるため、熱によって過度に軟化することがない。よって、この接続構造は、第１部材１０および第２部材２０が熱伝導率の高い炭素材料３２により常温あるいは低温にて高熱伝導率で接続されつつ、接続部材３０が熱により軟化せず、外部の発熱体の熱による変形や応力の緩和が可能となっている。
【0036】
（１）炭素材料３２の一端が第１部材１０に、当該一端とは反対側の他端が第２部材２０に、それぞれ当接することで、高熱伝導率の炭素材料３２により第１部材１０と第２部材２０とが熱的に接続されるため、接続構造の熱抵抗を下げることができる。
【0037】
（２）接続部材３０は、炭素材料３２の傾き角度が１４°以上７０°以下の範囲内とされることで、炭素材料３２と第１部材１０および第２部材２０との接触を確保でき、高熱伝導率で異なる部材同士を接続することができる。
【0038】
【0039】
本実施形態の接続構造は、例えば図１１に示すように、第１部材１０の接触面１０ａには凹部１１が形成され、第２部材２０の接触面２０ａには凹部２１が形成されている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0040】
第１部材１０は、本実施形態では、例えば図１２に示すように、接触面１０ａに複数の凹部１１が形成されている。凹部１１は、接続部材３０の炭素材料３２との摩擦力を増大させ、炭素材料３２とより接触しやすくするために形成される。凹部１１は、例えば、レーザ光の照射や研削、切削などの機械加工といった任意の手法により、１つの炭素材料３２の幅よりも小さい幅とされると共に、マイクロメートルオーダー以下の深さとされる。つまり、接触面１０ａは、複数の凹部１１および凹部１１に挟まれた凸部を有する微細な凹凸構造が形成された粗化面となっている。
【0041】
第２部材２０は、本実施形態では、接触面２０ａに複数の凹部２１が形成されている。凹部２１は、凹部１１と同様に、炭素材料３２との摩擦力を増大させるために形成されるものであり、例えば、上記した任意の手法により凹部１１と同等の幅や深さとされる。つまり、接触面２０ａは、例えば、接触面１０ａと同様に、マイクロメートルオーダーの微細凹凸が形成された粗化面とされる。
【0042】
凹部１１、２１は、それぞれ、例えば図１３に示すように、炭素材料３２の幅よりも大きくされ、炭素材料３２の端部が入り込む溝状であってもよい。この場合であっても、接触面１０ａ、２０ａが平滑面である場合に比べて、炭素材料３２と第１部材１０および第２部材２０とが加圧によって接触しやすい構成となる。なお、凹部１１、２１を溝状とする場合における幅、深さ、配置のパターンやその配置間隔などについては、炭素材料３２の幅や配置パターン等に応じて適宜変更されうる。つまり、接触面１０ａ、２０ａは、微細凹凸を有する粗化面のほか、炭素材料３２の配列に応じた所定パターンの凹部を複数有する構成といったように、炭素材料３２が滑りにくい構成であればよい。
【0043】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる接続構造となる。また、本実施形態の接続構造は、以下の効果も得られる。
【0044】
（１）この接続構造は、第１部材１０の接触面１０ａに凹部１１、第２部材２０の接触面２０ａに凹部２１、がそれぞれ設けられることで、第１部材１０および第２部材２０と炭素材料３２とが上記第１実施形態よりも低い圧力でより接触する構成となっている。このため、この接続構造は、第１部材１０および第２部材２０と炭素材料３２との接触状態がより安定する効果が得られる。
【0045】
（第３実施形態）
第３実施形態について、図面を参照して説明する。図１４では、構成を分かり易くするため、後述する有機膜１２、２２の厚みを誇張したものを示している。
第３実施形態について、図面を参照して説明する。図１４では、構成を分かり易くするため、後述する有機膜１２、２２の厚みを誇張したものを示している。
【0046】
本実施形態の接続構造は、接続部材３０と第１部材１０との間に有機膜１２が、接続部材３０と第２部材２０との間に有機膜２２が、それぞれ介在している点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0047】
第１部材１０は、本実施形態では、接触面１０ａに有機膜１２が形成されている。有機膜１２は、第１部材１０の構成材料および接続部材３０の炭素材料３２のそれぞれと結合する任意の有機材料により構成されている。例えば、有機膜１２は、図１５に示すように、シランカップリング剤などに用いられるトリアジン環を有するトリアジン系化合物で構成される。図１５に示す有機膜１２の構成材料は、例えば、Ｘ基が末端にアミノ基を有する官能基、あるいはアジ基であり、Ｙ基が末端にシラノール基を有する官能基とされる。これは、有機膜２２についても同様である。有機膜１２、２２の構成材料としては、例えば、特開２０２０－１４３００７号公報に記載の反応性付与化合物や特開２０２１－１３０８３９号公報に記載のトリアジン系化合物などが用いられうるが、他の公知のトリアジン系化合物が用いられてもよい。有機膜１２は、例えば、第１部材１０がＣｕ（銅）等の金属材料で構成される場合には、接触面１０ａに塗布されることでアミノ基が第１部材１０と相互作用して化学結合する。なお、図１４では、便宜上、有機膜１２が所定の厚みを有する一様な膜のように図示しているが、実際には、有機膜１２は、例えば、１分子層とされ、第１部材１０と炭素材料３２との接触による熱抵抗の低減を阻害しない構成となっている。これは、後述する有機膜２２についても同様である。
【0048】
接続部材３０は、例えば、本実施形態では、部材１０、２０と向き合う両面に表面処理がなされ、有機膜１２、２２と化学結合している。例えば、接続部材３０は、炭素材料３２のうち第１部材１０と向き合う一端３２１が露出する面を上面とし、第２部材２０と向き合う他端３２２が露出する面を下面として、上面および下面の両面に任意の表面処理が施される。任意の表面処理としては、例えば、コロナ放電、大気圧プラズマ、オゾン酸化、過熱水蒸気などが挙げられるが、これらに限定されない。これにより、炭素材料３２の一端３２１および他端３２２は、それぞれ、有機膜１２、２２と化学結合する図示しないカルボキシル基や酸素原子が表面に導入された状態となっている。そして、炭素材料３２は、一端３２１および他端３２２の図示しないカルボキシル基や酸素原子と有機膜１２のアミノ基とが化学結合した状態となる。
【0049】
第２部材２０は、本実施形態では、接触面２０ａに有機膜２２が形成されている。有機膜２２は、第２部材２０の構成材料および接続部材３０の炭素材料３２のそれぞれと結合する任意の有機材料により構成されている。有機膜２２は、例えば、有機膜１２と同様に、第２部材２０の接触面２０ａに塗布されて形成される。第２部材２０は、例えば、接触面２０ａがＡｌで構成される場合、接続部材３０と同様に任意の表面処理が施され、接触面２０ａに図示しないヒドロキシル基が導入された状態とされる。そして、第２部材２０は、例えば、接触面２０ａの図示しないヒドロキシル基と有機膜２２のシラノール基とが脱水縮合することで、有機膜２２と化学結合した状態となる。なお、有機膜１２、２２と、第１部材１０、第２部材２０、炭素材料３２との結合は、分子接合とも称されうる。
【0050】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる接続構造となる。また、本実施形態の接続構造は、以下の効果も得られる。
【0051】
（１）第１部材１０の接触面１０ａに有機膜１２が、第２部材２０の接触面２０ａに有機膜２２が、それぞれ設けられ、有機膜１２、２２が部材１０または２０と炭素材料３２とを接合することで、これらの界面が化学的に結合された状態となる。このため、第１部材１０－炭素材料３２－第２部材２０間が強固に接続され、これらの界面における接触がより安定する効果が得られる。また、有機膜１２、２２が１分子層であることで、炭素材料３２と第１部材１０または第２部材２０との界面における熱抵抗の増大を抑制することができる。
【0052】
（第４実施形態）
第４実施形態について、図面を参照して説明する。
第４実施形態について、図面を参照して説明する。
【0053】
本実施形態の接続構造は、例えば図１６に示すように、第１部材１０の外周を囲む第３部材４０と、第２部材２０と第３部材４０とを繋げる封止材５０とを備える点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0054】
第３部材４０は、例えば、第１部材１０の側面の一部または全部を囲む形状とされ、第１部材１０と共に、第２部材２０と対向配置される部材である。第３部材４０は、例えば、第１部材１０の接触面１０ａとは反対の背面１０ｂ側を覆っている。第３部材４０は、例えば、平面サイズが第１部材１０よりも大きい一方で、第２部材２０よりも小さくなっている。第３部材４０は、例えば、側面の全周を囲む封止材５０により第２部材２０と接着されている。第３部材４０は、例えば、樹脂材料、金属材料やこれらの複合材料、その他の任意の材料で構成されうる。
【0055】
封止材５０は、第２部材２０と第３部材４０とを接着保持するものである。封止材５０は、例えば、エポキシ系やアクリル系などの接着性を有する任意の樹脂材料で構成される。封止材５０は、例えば、上面視にて、すなわち接触面２０ａに対する法線方向から見て、第３部材４０の側面を連続した枠体状に囲むように配置される。封止材５０は、例えば、第１部材１０および第３部材４０と、第２部材２０とにより接続部材３０を加圧した状態で塗布などにより配置されるが、加圧前に配置されてもよい。言い換えると、封止材５０は、第２部材２０と第３部材４０とを接着保持することで、接続部材３０が第１部材１０と第２部材２０とにより加圧された状態を維持し、これらの熱的な接続を確保する役割を果たす。また、封止材５０は、第１部材１０および第３部材４０と、第２部材２０との隙間領域を封止する。これにより、封止材５０は、炭素材料３２に起因して発塵が生じた場合であっても、生じた塵を密閉空間に閉じ込める役割を果たす。
【0056】
なお、封止材５０は、例えば図１７に示すように、第１部材１０と第２部材２０との隙間まで流れ込み、一部が空隙層３３に入り込んだ状態であってもよい。封止材５０は、第１部材１０と第２部材２０とにより接続部材３０が加圧された状態で配置される場合には、炭素材料３２と第１部材１０または第２部材２０との間に入り込むことはなく、部材１０、２０間の熱伝導を阻害しない。また、本接続構造は、接続部材３０と部材１０、２０との接触する面積が封止材５０による接着面積よりも十分に大きいため、部材１０、２０の線膨張係数等の違いによる変形や応力の緩和効果が損なわれることはない。
【0057】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる接続構造となる。また、本実施形態の接続構造は、以下の効果も得られる。
【0058】
（１）この接続構造は、第１部材１０の外周を囲む第３部材４０と、第２部材２０とが封止材５０により接着されることで、第１部材１０および第２部材２０による接続部材３０の加圧状態が維持される。このため、部材１０、２０と炭素材料３２との接触が安定した状態で維持され、部材１０、２０間の高熱伝導率での接続をより継続的に確保できる効果が得られる。また、接続部材３０が配置された空間が封止材５０により密閉されるため、炭素材料３２に起因する発塵が生じた場合であっても、発生した塵が外部に拡散することを防ぐことができる。
【0059】
（第４実施形態の変形例）
第４実施形態の接続構造は、例えば図１８に示すように、第１部材１０が放熱板１１０、絶縁基板１２０、金属層１３０がこの順に積層された積層体であってもよい。この場合、例えば、第１部材１０は、放熱板１１０および金属層１３０がＣｕ、絶縁基板１２０がセラミック基板とされたＤＢＣ基板とされうる。ＤＢＣとは、Direct Bonded Copperの略称である。
第４実施形態の接続構造は、例えば図１８に示すように、第１部材１０が放熱板１１０、絶縁基板１２０、金属層１３０がこの順に積層された積層体であってもよい。この場合、例えば、第１部材１０は、放熱板１１０および金属層１３０がＣｕ、絶縁基板１２０がセラミック基板とされたＤＢＣ基板とされうる。ＤＢＣとは、Direct Bonded Copperの略称である。
【0060】
また、第４実施形態の接続構造は、例えば図１９に示すように、第２部材２０および第３部材４０のうち封止材５０と接触する部位に、封止材５０が入り込む凹部や溝などが形成された高密着部２３、４１が形成されていてもよい。高密着部２３は、第２部材２０にレーザ光照射や機械加工等の任意の手法により形成され、封止材５０の一部が入り込んでアンカー効果を生じさせることで、封止材５０との密着性が他の部位よりも高められる部位である。高密着部４１は、第３部材４０に任意の手法により形成され、高密着部２３と同様の役割を果たす部位である。高密着部２３、４１は、封止材５０との密着性を向上させるものであればよく、そのパターン等については適宜変更されてもよい。なお、図１９では、第１部材１０が複合部材である例を示しているが、本変形例において、第１部材１０は、単一部材であっても構わない。また、この接続構造は、第２部材２０および第３部材４０の一方のみが高密着部２３、４１を有する構成であってもよい。
【0061】
また、第４実施形態の接続構造は、例えば図２０に示すように、第１部材１０と第２部材２０との間に第４部材６０が配置され、第１部材１０と第４部材６０との間、第２部材２０と第４部材６０との間のそれぞれに接続部材３０が配置されていてもよい。この場合、第４部材６０は、例えば、セラミックなどの熱伝導率が高い任意の材料で構成される。
【0062】
また、第４実施形態の接続構造は、例えば図２１に示すように、第２部材２０と第３部材４０との接着領域の全域を覆う第５部材７０をさらに有し、第３部材４０が第５部材７０により封止された構成であってもよい。第５部材７０は、例えば、任意の樹脂材料で構成される。本変形例の接続構造は、接続部材３０を介した第１部材１０と第２部材２０との接続部分が、第３部材４０および第５部材７０により二重封止された構造となっているため、部材１０、２０と炭素材料３２との接触がより安定する効果が得られる。
【0063】
上記した変形例によっても、上記第４実施形態と同様の効果が得られる。
【0064】
（第５実施形態）
第５実施形態について、図面を参照して説明する。
第５実施形態について、図面を参照して説明する。
【0065】
本実施形態の接続構造は、例えば図２２に示すように、第３部材４０に連通部４２が形成されている点で上記第４実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0066】
以下、説明の便宜上、第１部材１０および第３部材４０と、第２部材２０と、封止材５０とにより囲まれた空間を「内部空間２００」と称する。内部空間２００は、接続部材３０が収容される空間ともいえる。
【0067】
第３部材４０は、本実施形態では、内部空間２００と外部空間とを連通させる連通部４２が形成されている。連通部４２は、例えば、第３部材４０の厚み方向に沿って形成される貫通孔であり、穴あけ加工などにより形成される。連通部４２は、内部空間２００内の空気等の流体が外部の発熱体による熱で膨張した場合における通り道として機能し、内部空間２００の内圧の増大を抑制する。連通部４２は、内部空間２００内の流体が通ることができるものであればよく、数、寸法、形状や配置等については適宜変更されてもよい。
【0068】
本実施形態によっても、上記第４実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態の接続構造は、以下の効果も得られる。
【0069】
（１）第３部材４０に連通部４２が形成されていることで、内部空間２００内の流体が熱により膨張した場合であっても、連通部４２を介して外部に逃がすことができ、内圧の増大を抑制することができる。
【0070】
（第５実施形態の変形例）
第５実施形態の接続構造は、例えば図２３に示すように、第３部材４０に代わって、第２部材２０側に内部空間２００と外部の空間を連通させる連通部２４が形成された構成であってもよい。連通部２４は、連通部４２と同様に、任意の手法により形成されるが、内部空間２００と外部の空間とを繋げ、流体が通ることができればよく、その数、形状、寸法や配置等については適宜変更されうる。
第５実施形態の接続構造は、例えば図２３に示すように、第３部材４０に代わって、第２部材２０側に内部空間２００と外部の空間を連通させる連通部２４が形成された構成であってもよい。連通部２４は、連通部４２と同様に、任意の手法により形成されるが、内部空間２００と外部の空間とを繋げ、流体が通ることができればよく、その数、形状、寸法や配置等については適宜変更されうる。
【0071】
また、第５実施形態の接続構造は、例えば図２４に示すように、封止材５０を複数に分割して配置し、封止材５０同士の間に隙間が生じさせ、当該隙間が連通部５１として機能する構成であってもよい。この場合、第２部材２０および第３部材４０は、連通部を有した構成とする必要はない。
【0072】
なお、図２４では、封止材５０の配置例を分かり易くするため、断面を示すものではないが、封止材５０にハッチングを施している。また、図２４は、図示しない第２部材２０の接触面２０ａに対する法線方向から見た上面レイアウトを示したものである。これらは、図２５、図２６でも同様である。
【0073】
封止材５０は、例えば図２４に示すように、２つの略Ｕ字状のパターンで分割配置されると共に、大きい略Ｕ字状のパターンの内側に、小さい略Ｕ字状のパターンが逆向きに入り込むパターン配置とされうる。この場合、２つの略Ｕ字状パターン同士の隙間が連通部５１として機能する。また、封止材５０は、例えば図２５に示すように、略同一の大きさとされた２つの略Ｕ字状のパターンで分割配置されると共に、これら２つのパターンが逆向きで互い違いに配置されてもよい。また、封止材５０は、例えば図２６に示すように、四隅の角を構成するように互いに離れて配置された略Ｌ字状の４つのパターンと、４つの略Ｌ字状パターンよりも内側に配置された４つの直線状パターンと、を有する配置であってもよい。この場合、直線状パターンは、それぞれ、隣接する略Ｌ字パターン同士の隙間よりも長くされ、当該隙間の全域と隣接するように配置される。また、この場合、直線状パターンと略Ｌ字状パターンとの隙間が連通部５１として機能する。なお、封止材５０を分割配置するパターン形状は、上記した例に限定されるものでなく、適宜変更されてもよい。
【0074】
上記した変形例によっても、上記第５実施形態と同様の効果が得られる。
【0075】
（第６実施形態）
第６実施形態について、図面を参照して説明する。
第６実施形態について、図面を参照して説明する。
【0076】
本実施形態の接続構造は、例えば図２７に示すように、第３部材４０のうち第１部材１０が露出する側とは反対面に接して配置され、第３部材４０ごと第１部材１０を第２部材２０に向かって押圧する締結部材８０をさらに有する点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0077】
締結部材８０は、第３部材４０を第２部材２０に締結固定し、第１部材１０と第２部材２０とによる接続部材３０の加圧状態を維持するための部材である。締結部材８０は、例えば、第３部材４０よりも平面サイズが大きく、第１部材１０が露出する側の面とは反対面に当接する基部８１と、基部８１に形成されたネジ穴に挿入されるネジ８２とを有した構成とされる。締結部材８０は、ネジ８２を第２部材２０のネジ穴２５に挿入することで、基部８１が第３部材４０ごと第１部材１０を押圧した状態で第２部材２０に固定される。これにより、接続部材３０の加圧状態が維持され、部材１０、２０と炭素材料３２との接触状態を良好に維持することができる。つまり、締結部材８０は、部材１０、２０に挟持された接続部材３０の加圧部材として機能する。なお、基部８１は、例えば、第３部材４０からはみ出す部分にネジ穴が形成される。
【0078】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる接続構造となる。また、本実施形態の接続構造は、以下の効果も得られる。
【0079】
（１）締結部材８０を有することで第１部材１０が第２部材２０に固定され、接続部材３０を押圧した状態が維持されるため、この接続構造は、第１部材１０および第２部材２０と炭素材料３２との接触状態がより安定する効果が得られる。
【0080】
（第６実施形態の変形例）
第６実施形態の接続構造は、例えば図２８に示すように、締結部材８０がネジ８２のみで構成され、ネジ８２が第３部材４０を貫通し、第２部材２０と第３部材４０とをネジ止めする構成であってもよい。
第６実施形態の接続構造は、例えば図２８に示すように、締結部材８０がネジ８２のみで構成され、ネジ８２が第３部材４０を貫通し、第２部材２０と第３部材４０とをネジ止めする構成であってもよい。
【0081】
第６実施形態の接続構造は、例えば図２９に示すように、締結部材８０に代わって、第３部材４０ごと第１部材１０を加圧する加圧部材９０を有する構成であってもよい。加圧部材９０は、例えば、第３部材４０に当接する板状部材９１と、板状部材９１を対向配置される対向部材９２と、板状部材９１および対向部材９２の間に配置される弾性体９３とを有する。加圧部材９０は、例えば、弾性体９３が縮められた状態で板状部材９１および対向部材９２の間に配置され、復元力により板状部材９１を押圧する構成とされる。対向部材９２は、例えば、何らかに固定された任意の部材であり、弾性体９３の復元力により変形等をしない構成となっている。このような構成であっても、接続部材３０は、第３部材４０ごと第１部材１０および第２部材２０により加圧された状態が維持される。なお、加圧部材９０は、樹脂材料、金属材料、これらの複合材料や他の任意の材料で構成されうる。
【0082】
上記した変形例によっても、上記第６実施形態と同様の効果が得られる接続構造となる。
【0083】
（他の実施形態）
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【0084】
（１）上記各実施形態では、接続構造は、例えば図３０に示すように、第１部材１０が半導体モジュールであってもよい。例えば、半導体モジュールは、半導体素子１４０と、放熱板１１０、絶縁基板１２０および金属層１３０の積層体と、半導体素子１４０および積層体の一部を覆うモールド樹脂１５０とを有した構成とされる。また、半導体モジュールは、例えば、半導体素子１４０が金属層１３０に図示しないはんだ等により接合され、放熱板１１０がモールド樹脂１５０から露出した構成とされる。半導体素子１４０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorの略）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistorの略）などの発熱体であり、図示しないワイヤや金属クリップなどが接続されている。そして、半導体モジュールは、放熱板１１０が接続部材３０と熱的に接続される。この場合、例えば、第２部材２０は、Ａｌなどで構成された冷却器などの放熱体とされる。図３０では、上記第４実施形態の接続構造が半導体素子と冷却器とが接続部材３０を介して接続された半導体装置とされた例を示しているが、他の実施形態も半導体装置に適応されうる。
【0085】
（２）上記第４実施形態の接続構造は、例えば図３１に示すように、第１部材１０が金属板あるいはグラファイト放熱板などの導電層とされ、第２部材２０がセラミックス基板とされた絶縁内蔵基板を構成しうる。この場合、絶縁内蔵基板は、第１部材１０と第２部材２０との主な熱的な接続が接続部材３０とされ、接合された領域が封止材５０による部位のみのため、第１部材１０の厚みを大きくしても応力の影響を低減された構造となる。また、この接続構造が適用された絶縁内蔵基板は、ろう材により導電層と絶縁層との大部分が接続された従来の構成に比べて、接合領域が少なく、応力が低減されているため、設計の自由度が高い構成となっている。また、第１部材１０がグラファイト放熱板である場合、接続部材３０は、例えば図３２に示すように、平面における熱伝導方向が、グラファイト放熱板である第１部材１０の平面における熱伝導方向と交差する配置とされることが好ましい。例えば、図３２の紙面左右方向をｘ方向とし、ｘ方向に直交する方向をｙ方向とし、ｘｙ平面に直交する方向をｚ方向とする。例えば、第１部材１０は、複数のグラファイト１３がｙ方向に沿って延設され、ｘ方向において平行配置された構成である場合、その熱伝導方向がｙｚ方向となる。この場合、第１部材１０は、ｘｙ平面における熱伝導方向がｙ方向である。このような場合、接続部材３０は、例えば、炭素材料３２がｘ方向に延設された配置、すなわちｘｙ平面における熱伝導方向がｘ方向となる配置とされることが好ましい。これにより、ｘｙ平面における熱伝導の効率がより向上する構成となる。
【0086】
なお、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【0087】
（本発明の特徴）
［請求項１］
第１部材（１０）と、
前記第１部材と対向配置され、前記第１部材とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記第１部材と前記第２部材とを接続する接続部材（３０）と、を備える、接続構造。
［請求項２］
前記炭素材料は、一端が前記第１部材に接触し、前記一端とは反対側の他端が前記第２部材に接触している、請求項１に記載の接続構造。
［請求項３］
前記炭素材料が前記第１部材と前記第２部材とを結ぶ方向を熱伝導方向（Ｄ２）として、前記炭素材料は、前記接続部材の厚み方向（Ｄ１）と前記熱伝導方向とのなす角度が１４°以上７０°以下の範囲内である、請求項１または２に記載の接続構造。
［請求項４］
前記第１部材および前記第２部材のうち前記炭素材料に接触する接触面（１０ａ、２０ａ）は、前記炭素材料との摩擦力を上げる凹部（１１、２１）を有する、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項５］
前記第１部材および前記第２部材のうち前記炭素材料に接触する接触面（１０ａ、２０ａ）は、前記炭素材料と接合する有機膜（１２、２２）が形成されている、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項６］
前記有機膜は、トリアジン環を有する有機材料により構成されている、請求項５に記載の接続構造。
［請求項７］
前記第１部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と対向配置される第３部材（４０）と、
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ枠体状の封止材（５０）と、をさらに有する、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項８］
前記第２部材、前記第３部材および前記封止材により囲まれた空間を内部空間（２００）として、前記第２部材および前記第３部材のうち少なくとも１つは、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（２４、４２）を有する、請求項７に記載の接続構造。
［請求項９］
前記第１部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と対向配置される第３部材（４０）と、
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ封止材（５０）と、をさらに有し、
前記第２部材と前記第３部材との隙間に位置する空間を内部空間（２００）として、前記封止材は、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（５１）となる隙間が生じるように配置されている、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１０］
前記第２部材および前記第３部材の少なくとも一方は、前記封止材の一部が入り込み、前記封止材との密着が前記第２部材および前記第３部材の他の部位よりも高い凹部を有する高密着部（２３、４１）を備える、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１１］
前記炭素材料は、前記第１部材と接触する部位、および前記第２部材と接触する部位が化学修飾されており、前記第１部材および前記第２部材と化学結合している、請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１２］
前記第１部材および前記第２部材の一方を介して、前記接続部材を前記第１部材および前記第２部材の他方に押圧する加圧部材（８０、９０）をさらに備える、請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１３］
半導体素子（１４０）と、前記半導体素子に熱的に接続される放熱板（１１０）と、を有する半導体モジュール（１０）と、
前記半導体モジュールのうち前記放熱板の側と対向配置される放熱体（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記半導体モジュールと前記放熱体とを接続する接続部材（３０）と、を備える、半導体装置。
［請求項１４］
導電性材料で構成された導電層（１０）と、
前記導電層と対向配置され、絶縁性材料で構成された絶縁基板（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記導電層と前記絶縁基板とを接続する接続部材（３０）と、を備える、絶縁内蔵基板。
［請求項１］
第１部材（１０）と、
前記第１部材と対向配置され、前記第１部材とは線膨張係数が異なる材料で構成される第２部材（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記第１部材と前記第２部材とを接続する接続部材（３０）と、を備える、接続構造。
［請求項２］
前記炭素材料は、一端が前記第１部材に接触し、前記一端とは反対側の他端が前記第２部材に接触している、請求項１に記載の接続構造。
［請求項３］
前記炭素材料が前記第１部材と前記第２部材とを結ぶ方向を熱伝導方向（Ｄ２）として、前記炭素材料は、前記接続部材の厚み方向（Ｄ１）と前記熱伝導方向とのなす角度が１４°以上７０°以下の範囲内である、請求項１または２に記載の接続構造。
［請求項４］
前記第１部材および前記第２部材のうち前記炭素材料に接触する接触面（１０ａ、２０ａ）は、前記炭素材料との摩擦力を上げる凹部（１１、２１）を有する、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項５］
前記第１部材および前記第２部材のうち前記炭素材料に接触する接触面（１０ａ、２０ａ）は、前記炭素材料と接合する有機膜（１２、２２）が形成されている、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項６］
前記有機膜は、トリアジン環を有する有機材料により構成されている、請求項５に記載の接続構造。
［請求項７］
前記第１部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と対向配置される第３部材（４０）と、
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ枠体状の封止材（５０）と、をさらに有する、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項８］
前記第２部材、前記第３部材および前記封止材により囲まれた空間を内部空間（２００）として、前記第２部材および前記第３部材のうち少なくとも１つは、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（２４、４２）を有する、請求項７に記載の接続構造。
［請求項９］
前記第１部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と対向配置される第３部材（４０）と、
前記接続部材の外周部分を囲むと共に、前記第２部材と前記第３部材とを繋ぐ封止材（５０）と、をさらに有し、
前記第２部材と前記第３部材との隙間に位置する空間を内部空間（２００）として、前記封止材は、前記内部空間と外部の空間とを連通させる連通部（５１）となる隙間が生じるように配置されている、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１０］
前記第２部材および前記第３部材の少なくとも一方は、前記封止材の一部が入り込み、前記封止材との密着が前記第２部材および前記第３部材の他の部位よりも高い凹部を有する高密着部（２３、４１）を備える、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１１］
前記炭素材料は、前記第１部材と接触する部位、および前記第２部材と接触する部位が化学修飾されており、前記第１部材および前記第２部材と化学結合している、請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１２］
前記第１部材および前記第２部材の一方を介して、前記接続部材を前記第１部材および前記第２部材の他方に押圧する加圧部材（８０、９０）をさらに備える、請求項２ないし１０のいずれか１つに記載の接続構造。
［請求項１３］
半導体素子（１４０）と、前記半導体素子に熱的に接続される放熱板（１１０）と、を有する半導体モジュール（１０）と、
前記半導体モジュールのうち前記放熱板の側と対向配置される放熱体（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記半導体モジュールと前記放熱体とを接続する接続部材（３０）と、を備える、半導体装置。
［請求項１４］
導電性材料で構成された導電層（１０）と、
前記導電層と対向配置され、絶縁性材料で構成された絶縁基板（２０）と、
高耐熱樹脂材料（３１）と、炭素原子により構成された炭素材料（３２）と、空隙層（３３）とを有してなり、前記導電層と前記絶縁基板とを接続する接続部材（３０）と、を備える、絶縁内蔵基板。
【符号の説明】
【0088】
１０・・・第１部材（半導体素子、導電層）、１０ａ、２０ａ・・・接触面、
１１、２１・・・凹部、１２、２２・・・有機膜、
２０・・・第２部材（放熱体、絶縁基板）、２３、４１・・・高密着部、
２４、４２、５１・・・連通部、３０・・・接続部材、３１・・・高耐熱樹脂材料、
３２・・・炭素材料、３３・・・空隙層、４０・・・第３部材、５０・・・封止材、
８０、９０・・・加圧部材、１１０・・・放熱板、１４０・・・半導体素子、
２００・・・内部空間、Ｄ１・・・厚み方向、Ｄ２・・・熱伝導方向
１１、２１・・・凹部、１２、２２・・・有機膜、
２０・・・第２部材（放熱体、絶縁基板）、２３、４１・・・高密着部、
２４、４２、５１・・・連通部、３０・・・接続部材、３１・・・高耐熱樹脂材料、
３２・・・炭素材料、３３・・・空隙層、４０・・・第３部材、５０・・・封止材、
８０、９０・・・加圧部材、１１０・・・放熱板、１４０・・・半導体素子、
２００・・・内部空間、Ｄ１・・・厚み方向、Ｄ２・・・熱伝導方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】