JP2006222461A - 放熱構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱抵抗を低減することによって、デバイスが発生する熱をより一層効率よく放散し、デバイスの動作や寿命、信頼性を向上することができる放熱構造体を提供する。また、部品点数の減少などにより、放熱構造体のコストダウンや工程短縮を図る。
【解決手段】 動作時に発熱を伴うデバイス１０が金属箔１５の一表面に接合され、且つその金属箔１５の他表面が冷媒２３に直接接触して冷却される放熱構造体であり、金属箔１５は電気絶縁性の支持部材１６に接合されている。電気絶縁性の支持部材１６を冷媒が入れられた放熱器２の一隔壁面として天板２１をなくしたり、金属箔１５の他表面をフィン形状に加工することもできる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発熱量の大きな半導体デバイスや画像表示デバイスなど、動作時に発熱を伴う各種デバイスの放熱に好適な放熱構造体に関する。

電気自動車のインバータで用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタなどのパワー半導体デバイスや、コンピュータ用マイクロプロセッサユニット或いはレーザーダイオードなどの半導体デバイス、またはプラズマディスプレイパネルなどの画像表示デバイスにおいては、高性能化や高出力化が進み、それに伴って動作時の発熱量も著しく増大してきている。

これらのデバイスで発生した熱は速やかに放散除去されなければ、デバイスが自らの熱によって加熱され、誤動作を引き起こす危険がある。そのため、このような発熱量が大きなデバイスを搭載する基板には、基板を通してデバイスの熱を効率良く放散できるように、高い放熱性を有するものが必要である。

従来から、これら動作時に発熱を伴うデバイスの冷却を目的とした様々な放熱構造体が考案されており、例えば、特開２００１−１６８２５６号公報に開示されているような放熱構造体が提案されている。この放熱構造体の実施例断面を図１に示す。図１において、１は半導体パワーモジュール、１１は半導体デバイス、１２は電極部材、１３は絶縁基板、１４はろう材層であり、２は放熱器、２１はその天板、２２はその容器、及び２３は冷媒である。

半導体デバイス１１は、例えばアルミニウム又は銅から形成される電極部材１２の上に、例えば鉛−錫系はんだ材によって接合されている。この電極部材１２は、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素の焼結体からなる絶縁基板１３の上に接合されている。更に、絶縁基板１３の側壁面は、金属化層が形成された後、アルミニウム−シリコン系ろう材からなるろう材層１４を介在させることによって、放熱器２の天板２１に接合されている。

上記電極部材１２と絶縁基板１３の接合は、絶縁基板１３の表面上に金属化層（メタライズ層）を形成した後、例えば、ろう材を用いた接合、活性金属を含むろう材を用いた接合、或いは電極部材１２を構成するアルミニウム又は銅を溶融させることによる接合などによって行なわれる。あるいは、電極部材１２と絶縁基板１３の接合に際し、電極部材１２を絶縁基板１３の上に機械的に保持し、それらの間にサーマルグリースなどを配置して接合することもできる。

そして、放熱器２の内部には、ＬＩＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）やフロリナート（商品名、スリーエム社製）などの冷媒２３が流されている。この冷媒２３に絶縁基板１３の裏面が接することにより、絶縁基板１３の表面側に搭載された半導体デバイス１１で発生した熱が冷媒２３に放散される。
特開２００１−１６８２５６号公報

パワー半導体デバイスやコンピュータ用マイクロプロセッサユニット、半導体レーザーダイオード、或いはプラズマディスブレイパネルなどの画像表示デバイスの発熱量は、年々増加の一途をたどっている。このため、上記の特開２００１−１６８２５６号公報に記載され、図１に例示したような放熱構造体をもってしても、デバイスの温度を効果的に下げることは困難となってきている。即ち、これら発熱量の大きなデバイスの放熱を目的とした放熱構造体においては、熱抵抗の更なる低減が望まれる。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、放熱構造体の熱抵抗を更に低減することによって、デバイスが動作時に発生する熱をより一層効率よく冷媒中に放散し、デバイスの動作や寿命、信頼性を向上することを目的とするものである。

また、従来の放熱構造体では、まだ部品点数や冷媒の所要量が多く、製造工程が長いなど、改善の余地が残されている。本発明は、これらの点についても改善すべく、部品点数の減少などによるコストダウンや工程短縮を図るなど様々なメリットを生み出すこと、あるいは省スペース化を実現することも併せて目的としている。

上記目的を達成するため、本発明において提供する請求項１の放熱構造体は、動作時に発熱を伴うデバイスが金属箔の一表面に接合され、且つ該金属箔の他表面が冷媒に直接接触して冷却されることを特徴とする。

また、本発明における請求項２の放熱構造体は、上記請求項１の放熱構造体において、前記金属箔が電気絶縁性の支持部材に接合されていることを特徴とするものである。

本発明における請求項３の放熱構造体は、上記請求項１又は２の放熱構造体において、前記金属箔の外周部が電気絶縁性の支持部材に接合されると共に、該支持部材の開口部に露出した該金属箔の一表面に前記発熱を伴うデバイスが接合されていることを特徴とする。

本発明における請求項４の放熱構造体は、上記請求項２又は３の放熱構造体において、前記電気絶縁性の支持部材が、冷媒が入れられた放熱器の一隔壁面として機能することを特徴とする。

また、本発明における請求項５の放熱構造体は、上記請求項４の放熱構造体において、前記放熱器の容器が開口側に突き出た補強用凸部を有し、該補強用凸部が前記支持部材の前記金属箔が存在しない部分に接合されていることを特徴とする。

さらに、本発明における請求項６の放熱構造体は、前記金属箔の冷媒に直接接触する他表面が、フィン形状に加工されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、動作時に発熱を伴うデバイスとの間の熱抵抗を従来よりも大幅に低減させた放熱構造体を提供することができ、よってデバイスが発生する熱をより一層効率良く放散して、デバイスの動作や寿命、信頼性を更に向上させることができる。特に、上記請求項５の放熱構造体は、デバイスが発生する熱を更により一層効率良く放散させることができる。

しかも、本発明によれば、放熱構造体の部品点数を削減することができ、特に上記請求項４の放熱構造体では部品点数の削減が顕著であるため、材料費のコストダウンや製造工程の短縮を図り、或いは全体の省スペース化を実現することができる。

本発明の放熱構造体を図面に基づいて説明する。図２は本発明の放熱構造体の一具体例を示すものであり、１０は動作時に発熱を伴うデバイス、例えば、電気自動車のインバータで用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉ−ｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体デバイス、コンピュータ用マイクロプロセッサユニット、レーザーダイオードなどの半導体デバイス、或いはプラズマディスプレイパネルなどの画像表示デバイスなどである。

上記本発明の放熱構造体においては、図２に示すように、発熱を伴うデバイス１０は金属箔１５の一表面に、例えば鉛一錫系はんだ材によって接合されており、その金属箔１５の他表面が冷媒２３に直接接触して冷却される。この金属箔１５は、放熱作用を果たすと共に、必要に応じて電極材料としても機能するものであるから、熱伝導率に優れ且つ電気良導性である材料、例えばアルミニウム又は銅から形成され、その厚さは例えば０．３ｍｍ程度が好ましい。

また、金属箔１５は、電気絶縁性の支持部材１６に接合され、この支持部材１６を介して他の部材に支持されるようになっている。例えば、電気絶縁性の支持部材１６の所望個所に単数ないし複数の開口部１６ａが設けられ、この開口部１６ａを閉鎖するように金属箔１５の外周部が電気絶縁性の支持部材１６に接合されている。その結果、金属箔１５の一表面に接合された発熱を伴うデバイス１０は、支持部材１６の開口部１６ａ内に収容される。

この電気絶縁性の支持部材１６としては、例えばセラミックスが好ましく、ヒートスプレッダーとして機能させることによって発熱を伴うデバイス１０からの熱放散性をより高めるために、例えば窒化アルミニウム又は窒化ケイ素など熱伝導性の良いものが望ましい。

金属箔１５と電気絶縁性の支持部材１６の接合は、電気絶縁性の支持部材１６の表面に金属化層（メタライズ層）を形成した後、例えば、ろう材を用いた接合、活性金属を含むろう材を用いた接合、或いは金属箔１５を構成するアルミニウム又は銅を溶融させることによる接合、などによって行なうことができる。また、金属箔１５が電気絶縁性の支持部材１６の上に機械的に保持され、両者の間にサーマルグリースなどを配置した接合構造であってもよい。

更に、電気絶縁性の支持部材１６の外側壁面は、金属化層が形成された後、ろう材層１４を介在させることによって、アルミニウム又は銅で形成された放熱器２の天板２１に接合される。ろう材層１４としては、例えば、アルミニウム−シリコン系ろう材などを用いることができる。天板２１と容器２２で構成された放熱器２の内部には、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）やフロリナート（商品名、スリーエム社製）などの冷媒２３が流され、金属箔１５の発熱を伴うデバイス１０が接合されていない他表面がこの冷媒２３に直接接触することによって、金属箔１５から冷媒２３に熱を放散することができる。

ここで、支持部材１６に電気絶縁性が必要とされるのは、次のような理由からである。上述したような発熱を伴うデバイス１０への給電は、デバイス１０の一表面のみならず他の表面、即ち金属箔１５と接合する面にも必要な場合が多く、また給電が必要でない場合でも独立した電位を保つ必要がある場合が多い。従って、発熱を伴うデバイス１０は、放熱器２に対して、また複数のデバイスが搭載される場合は他のデバイスに対して、電気的に独立している必要があるため、支持部材１６は電気絶縁性であることが必要である。

また、冷媒２３が電気良導体である場合には、金属箔１５を通じて発熱を伴うデバイス１０への電気経路が生じてしまう。従って、冷媒２３についても、電気絶縁性の支持部材１６と同じ理由により、電気絶縁性である方が望ましい。尚、上述のフロリナートはこの要求に対応することが可能な冷媒である。あるいは、冷媒が電気絶縁性でない場合には、金属箔１５の冷媒２３と接触する全表面を電気絶縁処理することも対応策の一つとなり得る。

以上の構成を有する本発明の放熱構造体では、動作時に発熱を伴うデバイス１０は金属箔１５に接合されており、この金属箔１５に対して冷媒２３が直接接触して冷却する構造となっている。即ち、発熱を伴うデバイス１０から冷媒２３までの間には、（１）デバイス１０を金属箔１５（電極部材）に接合する部材（メッキ層やはんだ層など）と、（２）金属箔１５が存在するのみである。一方、図１に示す従来例では、（１）半導体デバイス１１を電極部材１２に接合する部材（メッキ層やはんだ層など）、（２）電極部材１２、（３）電極部材１２を絶縁基板１３に接合する部材、及び（４）絶縁基板１３が存在している。

従って、本発明の放熱構造体では、従来必要であった（３）電極部材１２を絶縁基板１３に接合する部材及び（４）絶縁基板１３を省略できるため、部品点数の削減と同時に、これらが持つ熱抵抗が排除されている。これにより、デバイス１０で発生した熱は、容易に金属箔１５に伝達され、金属箔１５から冷媒２３に従来よりも更に効率良く放散させることが可能となった。特に、本発明の放熱構造体においては、従来必要であった（４）絶縁基板の熱抵抗が排されたことが熱放散性の向上に大きく貢献している。

次に、図３を用いて本発明の他の具体例を説明する。この放熱構造体は、前述の図２に示した具体例における放熱器２の天板２１を、電気絶縁性の支持部材１６で代用した形態となっている。この形態をとることにより、放熱器２の天板が必要なくなるため、部品点数が軽減され、材料費のコストダウンや、製造工程の短縮といったメリットが得られる。

ここで、図３に示した支持部材１６は、放熱器２の容器２２の開口全面を覆う面積を持つようになっている。この場合、容器２２の開口全面の面積が大きく、従って支持部材１６が大きくなるほど、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素の焼結体からなる支持部材１６では、その機械的強度に問題が生じたり、製造可能なサイズに限界が生じたりする場合が有り得る。

このような場合には、図４に示すように、放熱器２の容器２２の開口側に突き出た補強用凸部２２ａを形成し、この補強用凸部２２ａを支持部材１６の金属箔１５が存在しない部分に、ろう材層１４によって接合することが好ましい。この放熱構造体によれば、支持部材１６のサイズを小さくすることができるため、支持部材１６の機械的強度の確保や製造可能サイズヘの対応が可能となる。しかも、図３の場合と同様に、放熱器２の天板を支持部材１６で代用した形態であるため、部品点数が軽減され、材料費のコストダウンや、製造工程の短縮などのメリットを得ることができる。

更に、図５を用いて本発明の放熱構造体の更に他の具体例を説明する。この放熱構造体においては、金属箔１５の他表面、即ち発熱を伴うデバイス１０が接合されている表面と反対側の表面に、フィン形状が加工されている。この放熱構造体では、デバイス１０が発生する熱は金属箔１５のフィン１５ａを通じて冷媒２３に伝えられるため、金属箔１５から冷媒２３中へより一層効率的に熱を放散されることが可能となる。

従来の放熱構造体を示す概略の断面図である。 本発明による放熱構造体の一具体例を示す概略の断面図である。 本発明による放熱構造体の他の具体例を示す概略の断面図である。 本発明の図３の放熱構造体を改良した具体例を示す概略の断面図である。 本発明による放熱構造体の更に他の具体例を示す概略の断面図である。

符号の説明

１ 半導体パワーモジュール
２ 放熱器
１０ 発熱を伴うデバイス
１１ 半導体デバイス
１２ 電極材料
１３ 絶縁基板
１４ ろう材層
１５ 金属箔
１５ａ フイン
１６ 支持部材
１６ａ 開口部
２１ 天板
２２ 容器
２２ａ 補強用凸部

Claims (6)

1. 動作時に発熱を伴うデバイスが金属箔の一表面に接合され、且つ該金属箔の他表面が冷媒に直接接触して冷却されることを特徴とする放熱構造体。
2. 前記金属箔が電気絶縁性の支持部材に接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の放熱構造体。
3. 前記金属箔の外周部が電気絶縁性の支持部材に接合されると共に、該支持部材の開口部に露出した該金属箔の一表面に前記発熱を伴うデバイスが接合されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の放熱構造体。
4. 前記電気絶縁性の支持部材が、冷媒が入れられた放熱器の一隔壁面として機能することを特徴とする、請求項２又は３に記載の放熱構造体。
5. 前記放熱器の容器が開口側に突き出た補強用凸部を有し、該補強用凸部が前記支持部材の前記金属箔が存在しない部分に接合されていることを特徴とする、請求項４に記載の放熱構造体。
6. 前記金属箔の冷媒に直接接触する他表面が、フィン形状に加工されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の放熱構造体。
   
   
   
   

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