(57)【要約】【課題】発熱性素子を冷却する冷却装置の冷却性能の向上を図ること。【解決手段】冷却装置１は、発熱性素子１１が搭載される素子搭載領域３ａを含む上面３を有する配線層２と、配線層２の下側に配置される冷却部材８とを具備する。配線層２はアルミニウム−炭素粒子複合材で形成されている。複合材は、直交座標において、熱伝導率が最も高いａ方向と、熱伝導率が高いｂ方向と、熱伝導率が第ａ方向の熱伝導率及びｂ方向の熱伝導率よりも低いｃ方向とを有する。配線層２は、配線層２の上面３の素子搭載領域３ａを通過する分割面４で分割された複数のセグメントで構成されている。配線層２の各セグメントにおいて、ａ方向は下方向に対してセグメントの外縁部２ａ側に傾斜した方向であり、ｂ方向は配線層２の上面３に沿う方向である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱性素子を冷却する冷却装置であって、
発熱性素子が搭載される素子搭載領域を含む上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−炭素粒子複合材で形成されており、
前記複合材は、直交座標において、熱伝導率が最も高いａ方向と、熱伝導率が高いｂ方向と、熱伝導率が前記第ａ方向の熱伝導率及び前記ｂ方向の熱伝導率よりも低いｃ方向とを有するとともに、
前記ａ方向、ｂ方向及びｃ方向の熱伝導率をそれぞれｋａ、ｋｂ及びｋｃとするとき、ｋａ、ｋｂ及びｋｃは次の式１を満たしており、
ｋａ≧ｋｂ＞ｋｃ  …（式１）
さらに、前記配線層は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を通過する分割面で分割された複数のセグメントで構成されており、
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記ａ方向は下方向に対して前記配線層における前記セグメントの外縁部側に傾斜した方向であり、前記ｂ方向は前記配線層の前記上面に沿う方向である冷却装置。
【請求項２】
前記配線層は長手方向及び短手方向を有し、
前記複数のセグメントは第１セグメントと第２セグメントを含み、
前記第１セグメントと前記第２セグメントは前記分割面にて互いに接合されており、
前記分割面は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を前記配線層の長手方向に通過している請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度が２５°以上９０°未満である請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度が３５°以上７０°以下である請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項５】
前記複数のセグメントは第１セグメントと第２セグメントを含み、
前記第１セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度をθ１とし、
前記第２セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度をθ２とするとき、
θ１とθ２との差θ１−θ２が±１０°の範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記複数のセグメントは少なくとも３つのセグメントを含む請求項１記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子素子（例：半導体素子）等の発熱性素子を冷却する冷却装置に関する。
【０００２】
ここで、本発明に係る冷却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、冷却装置の構成を理解し易くするため、冷却装置における発熱性素子が搭載される側を冷却装置の上側、及び、その反対側を冷却装置の下側と定義する。
【０００３】
さらに、本発明に係る冷却装置では、冷却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。
【０００４】
また、本明細書では、特に文中に明示する場合を除いて、「板」の語は箔も含む意味で用いられ、「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、「銅」の語は純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。
【背景技術】
【０００５】
金属−炭素粒子複合材として、例えば特許第５１５０９０５号公報（特許文献１）や（特許第５１４５５９１号公報（特許文献２）に記載されているように、金属層と炭素繊維層が交互に複数積層された状態で接合一体化された金属−炭素繊維複合材が知られている。また、国際公開第２００９／０５１０９４号（特許文献３）は、炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子を用いた金属−鱗片状黒鉛粒子複合材を開示している。
【０００６】
金属−炭素粒子複合材について開示したその他の特許文献として、特開２０１５−２５１５８号公報（特許文献４）、特開２０１５−２１７６５５号公報（特許文献５）、特開２０１７−８８９１３号公報（特許文献６）等がある。
【０００７】
上述した金属−炭素粒子複合材は熱伝導率に異方性を有するものであり、高い熱伝導性が要求される部材の材料としての利用が期待されている。
【０００８】
ところで、発熱性素子として例えば半導体素子を冷却する冷却装置には、高い冷却性能を得るために高い熱伝導性が要求される。そこで、冷却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、特開２０１６−１３２１１３号公報（特許文献７）、特開２０１６−１５２２４１号公報（特許文献８）等に提案されている。
【０００９】
また、特開２０１６−２０７７９９号公報（特許文献９）は、発熱体モジュールの熱拡散板の材料として、互いに直交する二方向に高熱伝導性を有し、残りの一方向に低熱伝導性を有する配向性の高い炭素系材料を用いることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５１５０９０５号公報
【特許文献２】特許第５１４５５９１号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／０５１０９４号
【特許文献４】特開２０１５−２５１５８号公報
【特許文献５】特開２０１５−２１７６５５号公報
【特許文献６】特開２０１７−８８９１３号公報
【特許文献７】特開２０１６−１３２１１３号公報
【特許文献８】特開２０１６−１５２２４１号公報
【特許文献９】特開２０１６−２０７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような冷却装置に対して、近年、発熱性素子の高性能化及び発熱量の増加に伴い益々高い冷却性能が要求されてきている。
【００１２】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、発熱性素子を冷却する冷却装置の冷却性能の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は以下の手段を提供する。
【００１４】
１）  発熱性素子を冷却する冷却装置であって、
発熱性素子が搭載される素子搭載領域を含む上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−炭素粒子複合材で形成されており、
前記複合材は、直交座標において、熱伝導率が最も高いａ方向と、熱伝導率が高いｂ方向と、熱伝導率が前記第ａ方向の熱伝導率及び前記ｂ方向の熱伝導率よりも低いｃ方向とを有するとともに、
前記ａ方向、ｂ方向及びｃ方向の熱伝導率をそれぞれｋａ、ｋｂ及びｋｃとするとき、ｋａ、ｋｂ及びｋｃは次の式１を満たしており、
ｋａ≧ｋｂ＞ｋｃ  …（式１）
さらに、前記配線層は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を通過する分割面で分割された複数のセグメントで構成されており、
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記ａ方向は下方向に対して前記配線層における前記セグメントの外縁部側に傾斜した方向であり、前記ｂ方向は前記配線層の前記上面に沿う方向である冷却装置。
【００１５】
２）  前記配線層は長手方向及び短手方向を有し、
前記複数のセグメントは第１セグメントと第２セグメントを含み、
前記第１セグメントと前記第２セグメントは前記分割面にて互いに接合されており、
前記分割面は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を前記配線層の長手方向に通過している前項１記載の冷却装置。
【００１６】
３）  前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度が２５°以上９０°未満である前項１又は２記載の冷却装置。
【００１７】
４）  前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度が３５°以上７０°以下である前項１又は２記載の冷却装置。
【００１８】
５）  前記複数のセグメントは第１セグメントと第２セグメントを含み、
前記第１セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度をθ１とし、
前記第２セグメントにおいて、前記上面と前記ａ方向とがなす鋭角側の角度をθ２とするとき、
θ１とθ２との差θ１−θ２が±１０°の範囲である前項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
【００１９】
６）  前記複数のセグメントは少なくとも３つのセグメントを含む前項１記載の冷却装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以下の効果を奏する。
【００２１】
前項１では、冷却装置により発熱性素子が冷却される際、配線層の上面の素子搭載領域の位置から冷却部材に向かう方向への熱拡散と、配線層内での平面方向の熱拡散との双方が生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の向上を図ることができる。
【００２２】
前項２では、配線層内での平面方向の熱拡散が特に効果的に生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の更なる向上を図ることできる。
【００２３】
前項３及び４では、配線層の上面の素子搭載領域の位置から冷却部材に向かう方向への熱拡散と、配線層内での平面方向の熱拡散との双方がより効果的に生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の更なる向上を図ることできる。
【００２４】
前項５では、発熱性素子の熱が配線層の第１セグメントと第２セグメントとに略均一に拡散するようになる。これにより、冷却装置の冷却性能の更なる向上を図ることができる。
【００２５】
前項６では、配線層の上面の素子搭載領域の位置から冷却部材に向かう方向への熱拡散と、配線層内での平面方向の熱拡散との双方がより効果的に生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る冷却装置を、発熱性素子を搭載した状態で示す概略正面図である
【図２】図２は、同冷却装置の概略斜視図である。
【図３】図３は、同冷却装置の上配線層及びその近傍の概略正面図である。
【図４】図４は、同冷却装置の概略平面図である。
【図５】図５は、同上配線層を構成するセグメントの材料に用いたアルミニウム−炭素粒子複合材の概略斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に係る冷却装置の概略斜視図である。
【図７】図７は、同冷却装置の上配線層及びその近傍の概略側面図である。
【図８】図８は、同冷却装置の概略平面図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態に係る冷却装置の概略斜視図である。
【図１０】図１０は、同冷却装置の概略平面図である。
【図１１】図１１は、同冷却装置の上配線層と、当該上配線層を構成する４つのセグメントとを示す概略斜視図である。
【図１２】図１２は、同上配線層を構成するセグメントの材料に用いたアルミニウム−炭素粒子複合材の概略斜視図である。
【図１３】図１３は、シミュレーション例１で用いた上記第１実施形態の冷却装置の概略平面図である。
【図１４】図１４は、シミュレーション例１の場合における発熱性素子の最高温度を示すグラフである。
【図１５】図１５は、シミュレーション例２で用いた上記第２実施形態の冷却装置の概略平面図である。
【図１６】図１６は、シミュレーション例２の場合における発熱性素子の最高温度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
図１〜５は本発明の第１実施形態に係る冷却装置を説明する図である。
【００２９】
本第１実施形態の冷却装置１は、図１及び２に示すように、発熱性素子１１を冷却するためのものである。発熱性素子１１としてはパワー半導体素子（例：ＩＧＢＴ素子）等の半導体素子が挙げられる。
【００３０】
冷却装置１は、互いに積層状に接合一体化された複数の冷却装置構成部材を具備したものであり、具体的には、複数の構成部材として、上配線層２、絶縁層５、下配線層６、緩衝層７及び冷却部材８を具備している。そして、これら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、これにより冷却装置１が形成されている。
【００３１】
なお、図４では冷却部材８は図示されていない。後述する図８及び１０でも冷却部材は図示されていない。
【００３２】
上述の所定の接合手段は限定されるものではなく、例えばろう付け、クラッド圧延、焼結（例：放電プラズマ焼結）などが挙げられる。
【００３３】
上配線層２は上回路層とも呼ばれているものであり、発熱性素子１１が搭載される素子搭載領域（図２中にクロスハッチングで示す）３ａを含む平坦な上面３を有している。素子搭載領域３ａは上配線層２の上面３の略中央部に位置している。図１に示すように、発熱性素子１１はこの素子搭載領域３ａにはんだ層１２で接合されて搭載される。はんだ層１２はすず合金（Ｓｎ合金）等からなる。
【００３４】
発熱性素子１１が半導体素子であれば、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａに半導体素子が搭載されることで、半導体素子モジュールが形成される。
【００３５】
上配線層２の詳細な構成は後述する。
【００３６】
絶縁層５は電気絶縁性を有するものであり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミック材で形成されている。上配線層２は絶縁層５の上面に接合されている。
【００３７】
下配線層６は下回路層とも呼ばれているものであり、金属材（例：アルミニウム、銅）などで形成されている。さらに、下配線層６は絶縁層５の下面に接合されている。
【００３８】
緩衝層７は冷却装置１に発生する熱応力等の応力を緩和するための層であり、金属材（例：アルミニウム、銅）などで形成されている。さらに、緩衝層７は下配線層６の下面に接合されている。
【００３９】
冷却部材８は、発熱性素子１１を冷却する板状のものであり、本第１実施形態では冷却部材８として冷却板が用いられている。冷却部材８は金属材（例：アルミニウム、銅）などで形成されており、緩衝層７の下面に接合されている。
【００４０】
なお本発明では、冷却部材８は冷却板であることに限定されない。その他に例えば、発熱性素子１１の熱を放散する放熱部材（例：ヒートシンク、放熱板）であってもよいし、液冷式のものであってもよい。冷却部材８が液冷式のものである場合、一般に冷却部材８の内部には冷却媒体としての冷却液（例：冷却水）が流通する流路が設けられる。
【００４１】
冷却装置１では、発熱性素子１１に発生した熱が発熱性素子１１から順にはんだ層１２、上配線層２、絶縁層５、下配線層６、緩衝層７及び冷却部材８に伝導していくことで、発熱性素子１１が冷却されてその温度が低下する。
【００４２】
図中の矢印Ｘ、Ｙ及びＺは、それぞれ、冷却装置１の各構成部材（上配線層２、絶縁層５、下配線層６、緩衝層７及び冷却部材８）の長手方向Ｘ、短手方向Ｙ及び厚さ方向Ｚを示している。長手方向Ｘ、短手方向Ｙ及び厚さ方向Ｚは例えば互いに直交している。なお、各構成部材の長手方向Ｘ、短手方向Ｙ及び厚さ方向Ｚは、冷却装置１の長手方向、短手方向及び厚さ方向と一致している。
【００４３】
上配線層２は長手方向Ｘ及び短手方向Ｙを有しており、図４に示すように上配線層２の平面視の形状は略長方形状である。
【００４４】
絶縁層５は長手方向Ｘ及び短手方向Ｙを有しており、絶縁層５の平面視の形状は略長方形状である。
【００４５】
下配線層６は長手方向Ｘ及び短手方向Ｙを有しており、下配線層６の平面視の形状は略長方形状である。
【００４６】
緩衝層７は長手方向Ｘ及び短手方向Ｙを有しており、緩衝層７の平面視の形状は略長方形状である。
【００４７】
冷却部材８は長手方向Ｘ及び短手方向Ｙを有しており、冷却部材８の平面視の形状は略長方形状である。
【００４８】
上配線層２の長さ（即ち上配線層２の長手方向Ｘの長さ）及び幅（即ち上配線層２の短手方向Ｙの長さ）はそれぞれ絶縁層５の長さ及び幅よりも小さい。下配線層６の長さ及び幅はそれぞれ上配線層２の長さ及び幅と略等しい。緩衝層７の長さ及び幅はそれぞれ上配線層２の長さ及び幅と略等しい。冷却部材８の長さ及び幅はそれぞれ上配線層２の長さ及び幅よりも大きい。
【００４９】
そして、冷却装置１では、上配線層２、絶縁層５、下配線層６、緩衝層７及び冷却部材８は、平面視において、それぞれの長手方向Ｘ及び短手方向Ｙが互いに一致し且つそれぞれの中心位置も互いに一致するように積層されている。
【００５０】
上配線層２の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．１〜２ｍｍの範囲であることがよい。絶縁層５の厚さは限定されるものではなく、例えば０．１〜２ｍｍの範囲であることがよい。下配線層６の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．１〜２ｍｍの範囲であることがよい。緩衝層７の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．１〜３ｍｍの範囲であることがよい。冷却部材８の厚さは限定されるものではなく、好ましくは０．２〜３ｍｍの範囲であることがよい。
【００５１】
なお本発明では、冷却装置１の各構成部材の平面視の形状は略長方形状であることに限定されるものではなく、その他に例えば略正方形状であってもよい。
【００５２】
発熱性素子１１は平面視の形状が略正方形状のものであり、平面視において発熱性素子１１の中心位置が上配線層２の上面３の中心位置と一致するように発熱性素子１１が上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａにはんだ層１２で接合されて搭載される。
【００５３】
なお本発明では、発熱性素子１１の平面視の形状は略正方形状であることに限定されるものではなく、その他に例えば略長方形状であってもよい。
【００５４】
上配線層２の詳細な構成を以下に説明する。
【００５５】
図２に示すように、上配線層２は、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａを通過する分割面４で分割された複数のセグメントで構成されている。本第１実施形態では、分割面４は、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａを上配線層２の短手方向Ｙに真直に通過している。したがって、上配線層２は、上述の複数のセグメントとしての２つのセグメント２Ａ、２Ｂで構成されている。
【００５６】
ここで、説明の便宜上、２つのセグメント２Ａ、２Ｂのうち一方を「第１セグメント２Ａ」、他方を「第２セグメント２Ｂ」という。
【００５７】
第１セグメント２Ａと第２セグメント２Ｂは、上配線層２の長手方向Ｘに互いに隣接しており、更に、分割面４にて所定の接合手段（例：ろう付け）により互いに接合一体化されている。
【００５８】
さらに、上配線層２はアルミニウム−炭素粒子複合材（２１、図５参照）で形成されている。したがって、第１セグメント２Ａ及び第２セグメント２Ｂはそれぞれアルミニウム−炭素粒子複合材で形成されている。
【００５９】
複合材は熱伝導率に異方性を有するものである。図２及び３中の矢印ａ、ｂ及びｃは、複合材について定められた直交座標の互いに直交する３方向を示している。ａ方向が複合材の熱伝導率が最も高い方向を示している。ｂ方向が複合材の熱伝導率が高い方向を示している。ｃ方向が複合材の熱伝導率がａ方向の熱伝導率及びｂ方向の熱伝導率よりも低い方向を示している。
【００６０】
すなわち、複合材の熱伝導率において、複合材のａ方向の熱伝導率を「ｋａ」、複合材のｂ方向の熱伝導率を「ｋｂ」、及び、複合材のｃ方向の熱伝導率を「ｋｃ」とするとき、ｋａ、ｋｂ及びｋｃは次の式１を満たしている。
【００６１】
ｋａ≧ｋｂ＞ｋｃ  …（式１）。
【００６２】
複合材において、ａ方向とｂ方向とが作る面ＡＢが複合材の高熱伝導面（二点鎖線で示す）であり、高熱伝導面ＡＢに垂直な方向であるｃ方向が複合材の低熱伝導方向である。
【００６３】
ｋａ及びｋｂは限定されるものではなく、それぞれ好ましくは４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがよい。ｋｃは限定されるものではなく、好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがよい。
【００６４】
複合材は、上述したような熱伝導率に異方性を有するものであれば限定されるものではなく、好ましくは、アルミニウムマトリックスとアルミニウムマトリックス中に分散した炭素粒子（炭素粉末を含む）とを含むものであることがよい。この場合、上配線層２の熱伝導率を確実に高めることができる。
【００６５】
炭素粒子は熱伝導率に異方性を有するものであり、詳述すると、例えば炭素粒子の厚さ方向の熱伝導率よりも炭素粒子の平面方向の熱伝導率の方が高いという異方性を有するものである。なお、炭素粒子の平面とは炭素粒子の厚さ方向に垂直な面をいい、炭素粒子の平面方向とは炭素粒子の平面に平行な方向をいう。
【００６６】
炭素粒子としては鱗片状黒鉛粒子（鱗片状黒鉛粉末を含む）などが用いられる。
【００６７】
複合材中の炭素粒子は複合材の高熱伝導面ＡＢ方向に配向した状態でアルミニウムマトリックス中に分散している。
【００６８】
複合材の製造方法は限定されるものではなく、例えば、溶湯撹拌法、粉末焼結法、粉末押出法、塗工＋焼結法などが挙げられる。
【００６９】
溶湯撹拌法とは、アルミニウム溶湯中に炭素粒子を入れて撹拌混合し冷却凝固させる方法である。粉末焼結法とは、アルミニウム粉末と炭素粒子との混合物を加圧焼結する方法である。粉末押出法とは、アルミニウム粉末と炭素粒子との混合物を押出加工する方法である。塗工＋焼結法とは、アルミニウム板上に炭素粒子を塗工して得られた塗工板を複数積層して焼結一体化する方法である。
【００７０】
本第１実施形態では、複合材は塗工＋焼結法により製造されたものであり、図５にこの複合材２１の概略斜視図を示す。
【００７１】
複合材２１は、アルミニウムマトリックスとアルミニウムマトリックス中に分散した炭素粒子とを含むものである。炭素粒子としては例えば鱗片状黒鉛粒子が用いられる。
【００７２】
図５中の矢印Ｌ、Ｍ及びＮは、それぞれ、複合材２１の長さ方向、幅方向及び厚さ方向を示している。この複合材２１では、炭素粒子がアルミニウム板上に塗工される際に炭素粒子がアルミニウム板の表面方向に配向するため、複合材２１中の炭素粒子は複合材２１の平面方向（即ち複合材２１の厚さ方向Ｎに垂直な面に平行な方向）に配向している。そのため、複合材２１のａ方向及びｂ方向は、複合材２１の長さ方向Ｌ及び幅方向Ｍと一致しており、したがって複合材２１の高熱伝導面ＡＢは複合材２１の平面方向と平行である。
【００７３】
上配線層２の第１セグメント２Ａ及び第２セグメント２Ｂは次のようにして形成されている。
【００７４】
複合材２１を、複合材２１の厚さ方向Ｎに対して傾斜し且つ複合材２１の幅方向Ｍと平行な切断面Ｓで所定の厚さに切断することにより、切断片２１ａを得る。図５中のαは、複合材２１の厚さ方向Ｎに対する切断面Ｓの傾斜角の余角であり、即ち複合材２１の高熱伝導面ＡＢと切断面Ｓとがなす鋭角側の角度である。このαは０°よりも大きく９０°よりも小さい（即ち０°＜α＜９０°）。
【００７５】
そして、切断片２１ａの厚さ方向の両面（即ち切断面Ｓ及びＳ）が上配線層２の上面３及び下面になるように第１セグメント２Ａと第２セグメント２Ｂをそれぞれ切断片２１ａで形成する。これにより、第１セグメント２Ａ及び第２セグメント２Ｂのそれぞれにおいて、複合材２１の高熱伝導面ＡＢは下方向ｄに対して傾斜する。そして、第１セグメント２Ａと第２セグメント２Ｂを分割面４にて互いに接合一体化し、これにより上配線層２が得られる。
【００７６】
図２及び３に示すように、上配線層２の第１セグメント２Ａにおける複合材のａ方向は、下方向ｄに対して上配線層２における第１セグメント２Ａの外縁部２ａ側に傾斜した方向である。また、第１セグメント２Ａにおける複合材のｂ方向は、上配線層２の上面３（即ち第１セグメント２Ａの上面３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層２の短手方向Ｙと平行な方向である。
【００７７】
上配線層２の第２セグメント２Ｂにおける複合材のａ方向は、下方向ｄに対して上配線層２における第２セグメント２Ｂの外縁部２ａ側に傾斜した方向である。また、第２セグメント２Ｂにおける複合材のｂ方向は、上配線層２の上面３（即ち第２セグメント２Ｂの上面３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層２の短手方向Ｙと平行な方向である。
【００７８】
なお、第１セグメント２Ａ及び第２セグメント２Ｂのそれぞれにおいて、下方向ｄは、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａの位置から冷却部材８へと向かう方向と一致している。
【００７９】
本第１実施形態の冷却装置１には次の利点がある。
【００８０】
上配線層２の第１セグメント２Ａでは、ａ方向が下方向ｄに対して上配線層２における第１セグメント２Ａの外縁部２ａ側に傾斜しており、且つ、上配線層２の第２セグメント２Ｂでは、ａ方向が下方向ｄに対して上配線層２における第２セグメント２Ｂの外縁部２ａ側に傾斜している。したがって、上配線層２の全体では発熱性素子１１の熱は下方向ｄと平面方向とに伝導する。そのため、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａの位置から冷却部材８に向かう方向への熱拡散と、上配線層２内での平面方向の熱拡散との双方が生じる。これにより、冷却装置１の冷却性能が向上している。
【００８１】
ここで、図２及び３に示すように、第１セグメント２Ａにおいて、上配線層２の上面３（即ち第１セグメント２Ａの上面３）とａ方向とがなす鋭角側の角度をθ１とする。第２セグメント２Ｂにおいて、上配線層２の上面３（即ち第２セグメント２Ｂの上面３）とａ方向とがなす鋭角側の角度をθ２とする。
【００８２】
θ１とθ２はいずれも２５°以上９０°未満であることが望ましい。すなわち、θ１とθ２はそれぞれ次の式２ａと式２ｂを満足していることが望ましい。
【００８３】
２５°≦θ１＜９０°  …（式２ａ）
２５°≦θ２＜９０°  …（式２ｂ）。
【００８４】
この場合、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａの位置から冷却部材８に向かう方向への熱拡散と、上配線層２内での平面方向の熱拡散との双方がより効果的に生じる。これにより、冷却装置１の冷却性能が更に向上する。
【００８５】
特にθ１とθ２はいずれも３５°以上７０°以下であることが望ましい。すなわち、θ１とθ２はそれぞれ次の式３ａと式３ｂを満足していることが特に望ましい。
【００８６】
３５°≦θ１≦７０°  …（式３ａ）
３５°≦θ２≦７０°  …（式３ｂ）。
【００８７】
この場合、冷却装置１の冷却性能がより更に向上する。
【００８８】
さらに、θ１とθ２との差θ１−θ２は±１０°の範囲であることが望ましい。この場合、発熱性素子１１の熱が上配線層２の第１セグメント２Ａと第２セグメント２Ｂとに略均一に拡散するようになる。これにより、冷却装置１の冷却性能がより更に一層向上する。
【００８９】
図６〜８は本発明の第２実施形態に係る冷却装置１０１を説明する図である。これらの図において、上記第１実施形態の冷却装置１の要素と同じ作用を奏する要素には１００を加算した符号が付されている。以下、本第２実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。
【００９０】
図６及び８に示すように、本第２実施形態の冷却装置１０１では、上配線層１０２の分割面１０４は、上配線層１０２の上面１０３の素子搭載領域１０３ａを上配線層１０２の長手方向Ｘに真直に通過している。したがって、上配線層１０２の第１セグメント１０２Ａと第２セグメント１０２Ｂは、上配線層１０２の短手方向Ｙに互いに隣接しており、且つ、分割面１０４にて互いに接合一体化されている。
【００９１】
図６及び７に示すように、上配線層１０２の第１セグメント１０２Ａにおける複合材のａ方向は、下方向ｄに対して上配線層１０２における第１セグメント１０２Ａの外縁部１０２ａ側に傾斜した方向である。また、第１セグメント１０２Ａにおける複合材のｂ方向は、上配線層１０２の上面１０３（即ち第１セグメント１０２Ａの上面１０３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層１０２の長手方向Ｘと平行な方向である。
【００９２】
上配線層１０２の第２セグメント１０２Ｂにおける複合材のａ方向は、下方向ｄに対して上配線層１０２における第２セグメント１０２Ｂの外縁部１０２ａ側に傾斜した方向である。また、第２セグメント１０２Ｂにおける複合材のｂ方向は、上配線層１０２の上面１０３（即ち第２セグメント１０２Ｂの上面１０３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層１０２の長手方向Ｘと平行な方向である。
【００９３】
冷却装置１０１において、上記第１実施形態の冷却装置１と同じ理由により、θ１とθ２はいずれも２５°以上９０°未満であることが望ましく、特にθ１とθ２はいずれも３５°以上７０°以下であることが望ましく、更に、θ１とθ２との差θ１−θ２は±１０°の範囲であることが望ましい。
【００９４】
さらに、冷却装置１０１では、上配線層１０２の分割面１０４が上配線層１０２の上面１０３の素子搭載領域１０３ａを上配線層１０２の長手方向Ｘに通過しているので、上配線層１０２内での平面方向の熱拡散が特に効果的に生じる。これにより、上記第１実施形態の冷却装置１のように上配線層２の分割面４が上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａを上配線層２の短手方向Ｙに通過している場合に比べて、冷却装置１０１の冷却性能が向上している。
【００９５】
図９〜１２は本発明の第３実施形態に係る冷却装置２０１を説明する図である。これらの図において、上記第１実施形態の冷却装置１の要素と同じ作用を奏する要素には２００を加算した符号が付されている。以下、本第３実施形態について上記第１実施形態との相異点を中心に説明する。
【００９６】
図９〜１１に示すように、本第３実施形態の冷却装置２０１では、上配線層２０２は、上配線層２０２の上面２０３の素子搭載領域２０３ａを上配線層２０２の長手方向Ｘに通過する第１分割面２０４ａと素子搭載領域２０３ａを上配線層２０２の短手方向Ｙに通過する第２分割面２０４ｂとで分割された４つのセグメント２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ及び２０２Ｄで構成されている。
【００９７】
第１分割面２０４ａは上配線層２０２の上面２０３の素子搭載領域２０３ａを上配線層２０２の長手方向Ｘに真直に通過している。第２分割面２０４ｂは上配線層２０２の上面２０３の素子搭載領域２０３ａを上配線層２０２の短手方向Ｙに真直に通過している。
【００９８】
ここで、説明の便宜上、４つのセグメントをそれぞれ「第１セグメント２０２Ａ」、「第２セグメント２０２Ｂ」、「第３セグメント２０２Ｃ」及び「第４セグメント２０２Ｄ」と呼ぶ。
【００９９】
第１セグメント２０２Ａと第２セグメント２０２Ｂは上配線層２０２の長手方向Ｘに互いに隣接している。第３セグメント２０２Ｃと第４セグメント２０２Ｄは上配線層２０２の長手方向Ｘに互いに隣接している。第１セグメント２０２Ａと第３セグメント２０２Ｃは上配線層２０２の短手方向Ｙに互いに隣接している。第２セグメント２０２Ｂと第４セグメント２０２Ｄは上配線層２０２の短手方向Ｙに互いに隣接している。そして、図１１に示すように、第１〜第４セグメント２０２Ａ〜２０２Ｄが第１分割面２０４ａ及び第２分割面２０４ｂにて所定の接合手段（例：ろう付け）により互いに接合一体化されている。
【０１００】
図１２に示すように、上配線層２０２の材料に用いられたアルミニウム−炭素粒子複合材２２１は、上記第１実施形態のアルミニウム−炭素粒子複合材２１と同じく、塗工＋焼結法により製造されたものである。上配線層２０２の各セグメントは次のようにして形成されている。
【０１０１】
複合材２２１を、複合材２２１の厚さ方向Ｎに対して傾斜し且つ複合材２２１の幅方向Ｍに対して傾斜した切断面Ｓで所定の厚さに切断することにより、切断片２２１ａを得る。図１２中のαは、複合材２２１の厚さ方向Ｎに対する切断面Ｓの傾斜角の余角である。このαは０°よりも大きく９０°よりも小さい（即ち０°＜α＜９０°）。同図中のβは、複合材２２１の幅方向Ｍに対する切断面Ｓの傾斜角の余角である。このβは０°よりも大きく９０°よりも小さい（即ち０°＜β＜９０°）。
【０１０２】
そして、切断片２２１ａの厚さ方向の両面（即ち切断面Ｓ及びＳ）が上配線層２０２の上面２０３及び下面になるように第１〜第４セグメント２０２Ａ〜２０２Ｄをそれぞれ切断片２２１ａで形成する。これにより、第１〜第４セグメント２０２Ａ〜２０２Ｄのそれぞれにおいて、複合材２２１の高熱伝導面ＡＢは下方向ｄに対して傾斜する。そして、図１１に示すように、第１〜第４セグメント２０２Ａ〜２０２Ｄを第１分割面２０４ａ及び第２分割面２０４ｂにて互いに接合一体化し、これにより上配線層２０２が得られる。
【０１０３】
図９に示すように、上配線層２０２の第１セグメント２０２Ａにおける複合材のａ方向は、下方向ｄに対して上配線層２０２における第１セグメント２０２Ａの外縁部２０２ａ側に傾斜した方向である。また、第１セグメント２０２Ａにおける複合材のｂ方向は、上配線層２０２の上面２０３（即ち第１セグメント２０２Ａの上面２０３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層２０２の上面２０３と平行で且つ上配線層２０２の短手方向Ｙに対して傾斜した方向である。
【０１０４】
上配線層２０２の第２セグメント２０２Ｂにおける複合材のａ方向は、下方向ｄに対して上配線層２０２における第２セグメント２０２Ｂの外縁部２０２ａ側に傾斜した方向である。また、第２セグメント２０２Ｂにおける複合材のｂ方向は、上配線層２０２の上面２０３（即ち第２セグメント２０２Ｂの上面２０３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層２０２の上面２０３と平行で且つ上配線層２０２の短手方向Ｙに対して傾斜した方向である。
【０１０５】
上配線層２０２の第３セグメント２０２Ｃにおける複合材のａ方向（図示せず）は、下方向ｄに対して上配線層２０２における第３セグメント２０２Ｃの外縁部２０２ａ側に傾斜した方向である。また、第３セグメント２０２Ｃにおける複合材のｂ方向は、上配線層２０２の上面２０３（即ち第３セグメント２０２Ｃの上面２０３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層２０２の上面２０３と平行で且つ上配線層２０２の短手方向Ｙに対して傾斜した方向である。
【０１０６】
上配線層２０２の第４セグメント２０２Ｄにおける複合材のａ方向（図示せず）は、下方向ｄに対して上配線層２０２における第４セグメント２０２Ｄの外縁部２０２ａ側に傾斜した方向である。また、第４セグメント２０２Ｄにおける複合材のｂ方向は、上配線層２０２の上面２０３（即ち第４セグメント２０２Ｄの上面２０３）に沿う方向であり、詳述するとｂ方向は上配線層２０２の上面２０３と平行で且つ上配線層２０２の短手方向Ｙに対して傾斜した方向である。
【０１０７】
ここで、図示していないが、第１セグメント２０２Ａにおいて、上配線層２０２の上面２０３（即ち第１セグメント２０２Ａの上面２０３）とａ方向とがなす鋭角側の角度をθ１とし、第２セグメント２０２Ｂにおいて、上配線層２０２の上面２０３（即ち第２セグメント２０２Ｂの上面２０３）とａ方向とがなす鋭角側の角度をθ２とし、第３セグメント２０２Ｃにおいて、上配線層２０２の上面２０３（即ち第３セグメント２０２Ｃの上面２０３）とａ方向とがなす鋭角側の角度をθ３とし、第４セグメント２０２Ｄにおいて、上配線層２０２の上面２０３（即ち第４セグメント２０２Ｄの上面２０３）とａ方向とがなす鋭角側の角度をθ４とする。
【０１０８】
冷却装置２０１において、上記第１実施形態の冷却装置１と同じ理由により、θ１〜θ４はいずれも２５°以上９０°未満であることが望ましく、特にθ１〜θ４はいずれも３５°以上７０°以下であることが望ましく、更に、θ１〜θ４から選択される二つの角度の差（即ちθ１−θ２、θ１−θ３、θ１−θ４、θ２−θ３、θ２−θ４、θ３−θ４）がいずれも±１０°の範囲であることが望ましい。
【０１０９】
以上で本発明の幾つかの実施形態について説明をしたが、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。
【０１１０】
上記第１及び第２実施形態の冷却装置（１、１０１）では上配線層（２、１０２）の分割数は２つであり、上記第３実施形態の冷却装置１０１では上配線層１０２の分割数は４つであるが、本発明に係る冷却装置では、上配線層の分割数は２つ及び４つに限定されるものではなく、その他に例えば３つであってもよいし５つ以上であってもよい。
【０１１１】
上記第１〜第３実施形態の冷却装置（１、１０１、２０１）はいずれも下配線層（６、１０６、２０６）を備えているが、本発明に係る冷却装置は下配線層を備えていてもよいし備えていなくてもよい。
【０１１２】
上記第１〜第３実施形態の冷却装置（１、１０１、２０１）では、上配線層（２、１０２、２０２）を構成する複数のセグメントは分割面（４、１０４、２０４ａ、２０４ｂ）にて互いに接合されているが、本発明に係る冷却装置では、上配線層を構成する複数のセグメントは分割面にて互いに接合されていてもよいし互いに接合されていなくてもよい。複数のセグメントが互いに接合されていない場合、当該複数のセグメントは分割面にて互いに接触して配置されることが望ましい。
【０１１３】
上記第１〜第３実施形態の冷却装置（１、１０１、２０１）では、下配線層（６、１０６、２０６）、緩衝層（７、１０７、２０７）及び冷却部材（８、１０８、２０８）の材料はそれぞれ金属材であるが、本発明に係る冷却装置では、下配線層、緩衝層及び冷却部材の材料はそれぞれ金属材であることに限定されるものではなく、例えばアルミニウム−炭素粒子複合材であってもよいしその他の材料であってもよい。
【実施例】
【０１１４】
本発明に係る冷却装置の冷却性能を評価するため、冷却装置の上配線層の上面の素子搭載領域に搭載された発熱性素子の最高温度を様々な条件で、有限要素法を用いたシミュレーションにより調べた。
【０１１５】
以下に示したシミュレーションではＡＮＳＹＳ社製の汎用構造解析ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ」を用いた。
【０１１６】
＜シミュレーション例１＞
シミュレーション例１ではそのモデルとして上記第１実施形態の冷却装置１を用いた。図１３はこの場合の冷却装置１の概略平面図である。なお、同図では冷却部材８は図示されていない。
【０１１７】
図１３に示すように、発熱性素子１１は平面視の形状が正方形状のものであり、平面視において発熱性素子１１の中心位置が上配線層２の上面３の中心位置と一致するように発熱性素子１１が上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａにはんだ層１２（図１参照）で接合されている。
【０１１８】
上配線層２を第１セグメント２Ａと第２セグメント２Ｂとに分割した分割面４は、上記第１実施形態で説明したように、上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａを上配線層２の短手方向Ｙに真直に通過している。
【０１１９】
さらに、この冷却装置１では、上配線層２の第１セグメント２Ａにおけるθ１（図３参照）と上配線層２の第２セグメント２Ｂにおけるθ２（図３参照）とは等しいと設定し、その角度をθとした。すなわち、θ≡θ１＝θ２とした。
【０１２０】
表１は、本シミュレーション例１で設定した冷却装置１の各構成部材、発熱性素子１１及びはんだ層１２についての寸法、材料及び熱伝導率を示している。同表中の「材料」欄において、「Ｓｉ」とはケイ素、「Ｓｎ合金」とはすず合金、「Ａｌ−Ｃ複合材」とはアルミニウム−炭素粒子複合材、「ＡｌＮ」とは窒化アルミニウム、「純Ａｌ」とは純アルミニウム及び「Ａｌ合金」とはアルミニウム合金をそれぞれ意味している。なお、後述する表２中の「材料」欄の「Ｓｉ」、「Ｓｎ合金」、「Ａｌ−Ｃ複合材」、「ＡｌＮ」、「純Ａｌ」及び「Ａｌ合金」もそれぞれ上記と同じ意味である。
【０１２１】
【表１】
2020038887.tif 000003
【０１２２】
そして、θを０°から９０°まで変化させた場合における発熱性素子１１の最高温度をシミュレーションにより調べた。その結果を図１４に示す。なお同図では、縦軸は発熱性素子１１の最高温度である。
【０１２３】
本シミュレーション例１では、定常伝熱解析を実施することで、発熱性素子１１の最高温度を算出した。発熱性素子１１は発熱性素子１１の上面で均一に発熱すると仮定し、発熱性素子１１の上面に熱源２００Ｗを設定した。この熱は主に発熱性素子１１から、はんだ層１２、上配線層２、絶縁層５、下配線層６、緩衝層７を順に伝達する過程を経て、最終的に冷却部材８から放散される。そのため、冷却部材８の底面に熱伝達係数１０００００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）を設定することで上記過程を模した。環境温度は２５℃に設定した。
【０１２４】
同図に示すように、θが２５°以上９０°未満である場合（即ち、２５°≦θ＜９０°の場合）、発熱性素子１１の最高温度が低く、θが３５°以上７０°以下の場合（即ち、３５°≦θ≦７０°の場合）、発熱性素子１１の最高温度が更に低く、θが４９°である場合（即ち、θ＝４９°の場合）、発熱性素子１１の最高温度が最も低く、そのときの温度は６９．２３４℃であった。
【０１２５】
したがって、２５°≦θ＜９０°の場合が冷却装置１の冷却性能が高く、３５°≦θ≦７０°の場合が冷却装置１の冷却性能が更に高く、θ＝４９°の場合が冷却装置１の冷却性能が最も高かった。
【０１２６】
＜シミュレーション例２＞
シミュレーション例２ではそのモデルとして上記第２実施形態の冷却装置１０１を用いた。図１５はこの場合の冷却装置１０１の概略平面図である。なお、同図では冷却部材１０８は図示されていない。
【０１２７】
上配線層１０２を第１セグメント１０２Ａと第２セグメント１０２Ｂとに分割した分割面１０４は、上記第２実施形態で説明したように、上配線層１０２の上面１０３の素子搭載領域１０３ａを上配線層１０２の長手方向Ｘに真直に通過している。
【０１２８】
さらに、この冷却装置１１０１でも上記シミュレーション例１と同じく、上配線層１０２の第１セグメント１０２Ａにおけるθ１（図７参照）と上配線層１０２の第２セグメント１０２Ｂにおけるθ２（図７参照）とは等しいと設定し、その角度をθとした。すなわち、θ≡θ１＝θ２とした。
【０１２９】
表２は、本シミュレーション例２で設定した冷却装置１０１の各構成部材、発熱性素子１１１及びはんだ層についての寸法、材料及び熱伝導率を示している。
【０１３０】
【表２】
2020038887.tif 000004
【０１３１】
そして、上記シミュレーション例１で適用したシミュレーション条件と同じシミュレーション条件で、θを０°から９０°まで変化させた場合における発熱性素子１１１の最高温度をシミュレーションにより調べた。その結果を図１８に示す。
【０１３２】
同図に示すように、上記シミュレーション例１の結果と同様に、２５°≦θ＜９０°の場合が冷却装置１０１の冷却性能が高く、３５°≦θ≦７０°の場合が冷却装置１０１の冷却性能が更に高く、θ＝４９°の場合が冷却装置１０１の冷却性能が最も高かった。また、θ＝４９°の場合の発熱性素子１１１の最高温度は６９．１８５℃であった。
【０１３３】
また、本シミュレーション例２におけるθ＝４９°の場合の発熱性素子１１１の最高温度６９．１８５℃は、上記シミュレーション例１におけるθ＝４９°の場合の発熱性素子１１の最高温度６９．２３４℃よりも低い。したがって、上記第１実施形態の冷却装置１のように上配線層２の分割面４が上配線層２の上面３の素子搭載領域３ａを上配線層２の短手方向Ｙに通過している場合よりも、上記第２実施形態の冷却装置１０１のように上配線層１０２の分割面１０４が上配線層１０２の上面１０３の素子搭載領域１０３ａを上配線層１０２の長手方向Ｘに通過している場合の方が、冷却装置の冷却性能が高いことを確認し得た。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、電子素子（例：半導体素子）等の発熱性素子を冷却する冷却装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１、１０１、２０１：冷却装置
２、１０２、２０２：上配線層
２Ａ、１０２Ａ、２０２Ａ：第１セグメント
２Ｂ、１０２Ｂ、２０２Ｂ：第２セグメント
３、１０３、２０３：上配線層の上面
３ａ、１０３ａ、２０３ａ：素子搭載領域
４、１０４、２０４ａ、２０４ｂ：分割面
８、１０８、２０８：冷却部材
１１、１１１、２１１：発熱性素子
Ｘ：上配線層（配線層）の長手方向
Ｙ：上配線層（配線層）の短手方向
【図１】
2020038887.tif 000005
【図２】
2020038887.tif 000006
【図３】
2020038887.tif 000007
【図４】
2020038887.tif 000008
【図５】
2020038887.tif 000009
【図６】
2020038887.tif 000010
【図７】
2020038887.tif 000011
【図８】
2020038887.tif 000012
【図９】
2020038887.tif 000013
【図１０】
2020038887.tif 000014
【図１１】
2020038887.tif 000015
【図１２】
2020038887.tif 000016
【図１３】
2020038887.tif 000017
【図１４】
2020038887.tif 000018
【図１５】
2020038887.tif 000019
【図１６】
2020038887.tif 000020