JP3933031B2 - 放熱体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられる放熱体に係り、特に半導体チップ等の発熱体を搭載している被放熱体に伝わる熱を放散させるのに好適な放熱体に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置としてのパワーモジュールは、一般に、半導体チップがパワーモジュール用基板に搭載され、半導体チップの熱がパワーモジュール用基板に伝達されることから、パワーモジュール用基板に伝わる熱を放熱する必要がある。
このような被放熱体としてのパワーモジュール用基板は、セラミックス材料からなる絶縁基板(セラミックス基板)に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接着されている(例えば、特許文献1参照)。可塑性多孔質金属層は、気孔率20〜50%のCuの多孔質焼結体であって、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収する応力緩和層をなす構成であり、これにより、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止できて、放熱体が良好な放熱作用を果たすこともできるようになっている。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−335652号公報(第4−12頁、図1〜図5)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、被放熱体としてのパワーモジュール用基板に設けられた可塑性多孔質金属層が、絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板、放熱体に反りや割れが起こるのを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下する結果、放熱体の放熱効果が悪くなっていた。
【0005】
一般に、放熱体は、被放熱体との間で互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防ぐためには、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。その場合、熱膨張係数の低い方(被放熱体)に合わせることとなるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な熱伝導との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【0006】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、被放熱体との間で熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができると共に、熱伝導率が低下するのも抑制することができる放熱体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項1に係る発明は、一方の面が被放熱体と接合され、他方の面が冷却シンク部に接合される放熱体において、該放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とからなり、前記低熱膨張材は、前記一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられ、かつ該連絡開口部を介して放熱体本体に鋳ぐまれ、かつ、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする。
【0013】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材の連絡開口部を介して放熱体本体を充填することで、低熱放熱材が放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたので、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができ、被放熱体と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、従って、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。
【0014】
また、この発明に係る放熱体によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図1及び図2はこの発明の第1の実施の形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す図であって、図1はパワーモジュールの全体図、図2は放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
この実施形態のパワーモジュール10は、パワーモジュール用基板11に放熱体16が接合されて構成されている。
パワーモジュール用基板11は、例えばAlN、Al2O3、Si3N4、SiC等により所望の大きさに形成された絶縁基板であって、その上面及び下面に回路層12及び金属層13がそれぞれ積層接合される。回路層12及び金属層13は、Al、Cu等により形成されている。以下は、パワーモジュール用基板11を「絶縁基板11」と略称する。
【0016】
絶縁基板11の回路層12上にはんだ14によって半導体チップ30が搭載される一方、金属層13の下面にはんだ15によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体16が接合され、更に、この放熱体16が冷却シンク部20に取り付けられて使用され、該冷却シンク部20内の冷却水(或いは冷却空気)21により、放熱体16に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュール10が構成されている。放熱体16は、冷却シンク部20に取付ねじ22によって密着した状態で取り付けられる。
【0017】
この実施形態において、放熱体16は、放熱体本体17に低熱膨張材18が積層されている。放熱体本体17は、例えばAl、Cu等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば100W/m・K以上、好ましくは150W/m・Kのものである。
【0018】
一方、低熱膨張材18は、放熱体本体17の熱膨張係数より低い熱膨張係数の材質からなっており、放熱体本体17に積層することで、放熱体16全体の熱膨張係数と絶縁基板11の熱膨張係数との差を可及的に近づけさせるためのものであり、例えばインバーからなっていて、熱膨張係数がおよそ5ppm/℃以下である。
インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Feが64.6mol%で、Niが35.4mol%の組成率となっている。但し、Fe中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【0019】
このような材質からなる低熱膨張材18は、図1及び図2に示すように、放熱体本体17と17との間に接合されている。従って、放熱体16が二枚の放熱体本体17と一枚の低熱膨張材18との三層構造であって、絶縁基板11側と冷却シンク部20側とに放熱体本体17が配置されている。
【0020】
また、この低熱膨張材18には、これを貫通する孔19が複数穿設されている。孔19は、放熱体16自体に低熱膨張材18を設けると、それだけ熱伝導率が低下するので、その熱伝導率が低下するのを極力抑えるようにするためのものである。その場合、図2に示すように、低熱膨張材18において、絶縁基板11と対応する領域Aには孔19の穿設される数を少なくすると共に、その対応領域Aの周辺領域Bには孔19の穿設される数を多くしている。
【0021】
つまり、低熱膨張材18において絶縁基板11との対応領域Aでは穿設される孔19の個数を少なくすると共に、それを除く周辺領域Bでは孔19の個数を多くすることにより、孔19の断面積の分布を変えている。この場合、低熱膨張材18に穿設される孔19の数が徒らに増えると、低熱膨張材としての機能を果たし難くなることから、低熱膨張材18の表面積に対し、絶縁基板11及び放熱体本体17並びに低熱膨張材18の材質等に基づき、およそ20〜50%の割合の面積で孔19が形成されることが好ましい。なお、孔19は、この実施形態では丸孔をなしているが、その形状は任意である。
【0022】
このように、パワーモジュール10の放熱体16が、放熱体本体17と低熱膨張材18とを互いに積層して形成されると、放熱体16全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板11と放熱体16全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
【0023】
そのため、放熱体16が絶縁基板11とはんだ15(若しくはろう付けや拡散接合等)によって接合された場合、放熱体16に絶縁基板11に向かう反りが発生するのを確実に低減することができるので、放熱体16を冷却シンク部20に取り付けても、冷却シンク部20と放熱体16との間に隙間が発生するのを防止することができる。
【0024】
しかも、低熱膨張材18が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板11上の半導体チップ30からの発熱が、回路層12、絶縁基板11、金属層13、はんだ15、放熱体16及び冷却シンク部20を介して外部に放熱される結果、熱伝導率が低下するのを抑制することもできる。
その結果、放熱体16と絶縁基板11との材質の熱膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝導率の低下の抑制とを両立させた、良好な放熱体16を得ることができ、これにより、放熱特性に優れたパワーモジュール10が得られる。
【0025】
また、放熱体16が、二層からなる放熱体本体17、17の間に低熱膨張材18が挟まれた状態で接合されているので、つまり、放熱体16において絶縁基板11側と冷却シンク部20側との層に放熱体本体17がそれぞれ配置して形成されているので、絶縁基板11からの熱を受け、その熱が冷却シンク部20に伝達することとなる。
【0026】
その際、低熱膨張材18には孔19が複数設けられているので、この孔19を形成する空間により、絶縁基板11側の放熱体本体17から冷却シンク部20側の放熱体本体17への熱伝達を良好に行うことができ、これによって、放熱体16本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【0027】
しかも、孔19は、低熱膨張材18において、絶縁基板11との対応領域Aでは、その周辺領域Bより少ない個数で穿設され、孔19の断面積が周辺領域Bより少なくしているので、絶縁基板11からの熱影響で、その対応領域Aが熱変形を受けて反りが発生するのを防ぐことができる一方、周辺領域B内の孔19の断面積が対応領域Aより大きくなることで、放熱体本体17間の熱伝達を良好にさせることができ、これによって、熱伝達をいっそう良好に行うことができる。
【0028】
図3及び図4は、この発明の第2の実施の形態に係る放熱体を示している。
この場合は、放熱体16に設けられた低熱膨張材18がリブを有している。
リブは、低熱膨張材18に設けられる孔19の製作に際し、予め所定の厚みに形成された板材に図4に示すように切り込みが設けられ、この切り込みを利用することで形成される。即ち、予め設けられた切り込みを上下方向に立上げたり、立下げたりして折り曲げることで孔19を形成したとき、上記切り込みによって立上げ片18a及び立下げ片18bが共に形成され、これらからなるリブを有する低熱膨張材18が製作される。
そして、この低熱膨張材18が放熱体本体17と17との間に挟着されることで、放熱体16が構成される。
【0029】
この実施形態によれば、放熱体16が放熱体本体17に孔19を穿設した低熱膨張材18が積層されるので、基本的は前述した第1の実施形態と同様の作用効果が得られる。
これに加え、低熱膨張材18が立上げ片18a及び立下げ片18bからなるリブを有しているので、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、これによっても、絶縁基板11の熱による反りをいっそう抑えることができる。
【0030】
なお、低熱膨張材18は、上述の実施形態では、放熱体本体17間に積層されたり、また放熱体本体17間に挟着することで設けられた例を示したが、これに限らず、例えば、粉末冶金によって孔19付きの板を焼成した後、これにリブを後付けして設けるようにしてもよく、又は、ダイカスト鋳造法によって形成することもでき、更には、熱間鍛造より高温処理される溶融鍛造法によって形成することもできる。それ以外として、以下に示すように放熱体16を構成することもできる。
【0031】
図5及び図6は、この発明の第3の実施の形態に係る放熱体を示す放熱体の構成図である。
この場合の低熱膨張材18は、絶縁基板11側の放熱体本体17と接合される一方の面と、冷却シンク部20側の放熱体本体17と接合される他方の面とに亘る厚み方向と連絡すると共に、該厚み方向と直交方向で互いに連なる開口空間部40を有して設けられ、かつ該開口空間部40に放熱体本体17が充填されることで、図5に示すように、放熱体本体17に鋳ぐまれる構成となっている。
【0032】
具体的に述べると、低熱膨張材18は、図6に示すように、例 えば二枚からなる帯状の単位板状体41、42が厚み方向に沿って組付けることで開口空間部40を連続的に有する連鎖状体43が形成される。
そして、これら連鎖状体43が同一平面上で複数列で設けられると共に、開口空間部40を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成されている。
【0033】
このように形成された低熱膨張材18は、放熱体16の形成時、放熱体本体17の材料が注入されると、その材料がいずれかの開口空間部40から内部に充填されると、側面から見たとき、図5に示すように、絶縁基板11側である上層の放熱体本体17と、冷却シンク部20側である下層の放熱体本体17間に埋設されるように形成される。
【0034】
この実施形態によれば、低熱膨張材18が厚み方向に沿い放熱体本体17に鋳ぐまれて形成したので、放熱体16全体の熱膨張率を下げることができ、また連絡開口部40により放熱体本体17が絶縁基板11からの熱を良好に受けると共に、その熱を冷却シンク部20に対して伝達させることができ、従って、反りを抑えつつ熱伝達が良好となり、基本的には前述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
【0035】
図7は、この発明の第4の実施の形態に係る放熱体を示している。
この実施の形態は、上記の各実施の形態において用いた冷却シンク部に代えて放熱フィン70を用いたものである。放熱フィン70は、帯状の板体を平坦部50a、立上がり部50b、平坦部50c、折返し部50dを有するように折り曲げて、これを一方向に繰り返すように形成したものであり、平坦部50aが放熱体16の表面にろう付け手段により固定されている。
この実施の形態においては、放熱体16,放熱フィン70を介して外部への放熱がなされ、上記の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。
【0036】
なお、上記実施の形態において、放熱体に積層された低熱膨張材として、インバーを用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼(Fe−C)、42合金、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
また、放熱体16がパワーモジュール用基板11に取り付けられた例を示したが、該基板11に限らず、他の発熱体や熱源に取り付けられる場合にも適用することができ、要は、放熱を必要とする種々の被放熱体に用いられることで実用上有益となる。更に、放熱体16が取り付けられるパワーモジュール用基板11として、放熱体16側の面に金属層13が積層された例を示したが、金属層13が設けられていない絶縁基板11を放熱体16に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、放熱体が被放熱体にはんだ等によって接合された場合、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができるという効果が得られる。
【0041】
また、請求項1に係る発明によれば、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施の形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図2】 放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
【図3】 この発明の第2の実施の形態に係る放熱体を示す断面図である。
【図4】 低熱膨張材の製作に際し、板材に孔を形成するために切り込みを設けた説明図である。
【図5】 この発明の第3の実施の形態に係る放熱体を示す図であって、放熱体を側面からみた断面図である。
【図6】 低熱膨張材を示す斜視図である。
【図7】 この発明の第4の実施の形態に係る放熱体を示す断面図である。
【符号の説明】
10 パワーモジュール
11 被放熱体(パワーモジュール用基板、絶縁基板)
16 放熱体
17 放熱体本体(高熱伝導材)
18 低熱膨張材
19 孔
18a リブ(立上げ片)
18b リブ(立下げ片)
20 冷却シンク部
40 開口空間部
41、42 帯状の板状体
43 連鎖状体
Claims (1)
- 一方の面が被放熱体と接合され、他方の面が冷却シンク部に接合される放熱体において、
該放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とからなり、
前記低熱膨張材は、前記一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられ、かつ該連絡開口部を介して放熱体本体に鋳ぐまれ、かつ、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設することを特徴とする放熱体。
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