JP6405758B2 - 熱伝導部材 - Google Patents

Description

本発明は、放熱装置に用いられて線膨張係数が異なる部材間の熱応力を緩和する熱伝導部材に関する。

放熱対象部品である電子部品の熱を放熱部品である金属部材に伝導する場合、電子部品と金属部材との間に単に窒化アルミニウムなどの高熱伝導材製の電気絶縁部材を介在させる構造とすると、電気絶縁部材と金属部材との線膨張係数差により両者間に熱応力が作用し、電気絶縁部材にクラックが発生したり反りが発生したりする。そこで、電気絶縁部材と金属部材との間に、熱伝導を図りながら熱応力を緩和する応力緩和部材を介在させるようにしている。（特許文献１）。

特開２００６−２９４６９９号公報

前記特許文献１に記載された技術は、熱伝導体である応力緩和部材を、アルミニウム板に適宜間隔で孔を開けた構成としている。しかし、これでは、前記孔によって低熱伝導の空間部が構成されてしまい、当該応力緩和部材自体の熱伝導性が低下する不具合があった。又、電気絶縁基板と金属製である応力緩和部材との間の線膨張係数差は小さくなっておらず、両者の材料の相違による線膨張係数差が依然存在しており、電気絶縁部材と応力緩和部材との間に熱応力が発生するという問題がある。さらに、応力緩和部材と金属部材との間に、両者とは別部材である接合部材をわざわざ塗布して当該接合部材により両者を接合しなければならない面倒があった。

そこで、本発明は、高熱伝導材製の電気絶縁基板から金属部材へ熱伝導性を向上できると共に、応力緩和性に優れ、且つ、熱伝導体を金属部材に接合する場合に接合材を塗布せずに済む熱伝導部材を提供することを目的とする。

請求項１の発明においては、熱伝導体を、電気絶縁部材と同材料の第１の部材と金属部材に対して接合可能な高熱伝導材製の第２の部材とを混合して構成したので、当該熱伝導体の全体的な線膨張係数を電気絶縁部材と金属部材とのほぼ中間的な線膨張係数とすることができ、電気絶縁部材と金属部材との間の熱応力を緩和できる。又、この熱伝導体は高熱伝導材製である電気絶縁部材と同材料の第１の部材と、もともと高熱伝導材製である金属部材に対して接合可能な高熱伝導材製の第２の部材との混合体からなるので、従来のような低熱伝導の空間部が存在せず、熱伝導性も向上する。さらに、前記熱伝導体において他方の面である金属部材側の面に当該金属部材と接合可能な第２の部材の一部が露出するので、熱伝導体と金属部材とを接合する場合、熱伝導体において露出する第２の部材により両者を接合することができ、もって、熱伝導体を金属部材に接合する場合に接合材を塗布せずに済む。

本発明の第１実施形態による放熱構造の縦断面図 図１におけるＫ部分の拡大断面図 図２の矢印Ａ−Ａに沿う断面図 図２の矢印Ｂ−Ｂに沿う断面図 図２相当の拡大断面図を用いて各部分の線膨張係数を示す図 第１の参考形態による図２相当図 熱伝導体の分解断面図 第２の参考形態による図２相当図 熱伝導体の分解断面図 第２実施形態による放熱構造の縦断面図 図１０におけるＩ部分の拡大断面図

以下、本発明の第１実施形態について図１から図５を参照して説明する。熱伝導部材１は、放熱対象部品に相当する例えばＩＧＢＴなどの半導体素子２と放熱部材に相当する金属部材３との間に介在する。金属部材３は放熱特性に優れた材料例えばアルミニウムから構成されている。このアルミニウムは線膨張係数が大きい。

前記金属部材３は、内部に冷却流体３ｂが流通可能な通路３ａが形成されており、当該冷却流体の流通により放熱性を向上させる。
熱伝導部材１は、高熱伝導材製の板状の電気絶縁部材４と、熱伝導体５とを備えている。電気絶縁部材４は、例えば窒化アルミニウムから構成されている。この電気絶縁部材４としては、電気絶縁特性が良く、又熱良導性であってある程度の機械的強度を備えていれば良い。又、この電気絶縁部材４には線膨張係数の小さい前記半導体素子２を搭載するため、線膨張係数の小さい材料が良い。前記窒化アルミニウムは、これら条件に合致する。この窒化アルミニウム以外には、窒化けい素、窒化ホウ素、アルミナ、シリカのいずれかであっても良い。

熱伝導体５は、前記電気絶縁部材４と同材料の第１の部材５ａと前記金属部材３に対して接合可能な高熱伝導材製の第２の部材５ｂとを混合して構成されている。前記第１の部材５ａは窒化アルミニウムから構成されており、窒化アルミニウム粉の焼結成形や、射出成型により上下面が平坦な円錐形状に形成されている。前記第２の部材５ｂはアルミニウム製である金属部材３を接合可能な金属ろう材例えばアルミニウムろう材から構成されている。当該アルミニウムろう材はけい素を含む。

この第２の部材５ｂは、金属部材３が銅や黄銅の場合には、その材料に合った金属ろう材である例えば銅ろう材や黄銅ろう材でも良い。
なお、この実施形態においては、窒化アルミニウムの線膨張係数は、ほぼ４．６×(１／１０００００)／℃、アルミニウムは２３×(１／１０００００)／℃、アルミニウムろう材は１９×(１／１０００００)／℃としている。

上記熱伝導体５は次のようにして形成されている。内部に浅底な成形用空間部を有する成形型（図示せず）内に、各第１の部材５ａを、均一間隔で配置し、当該成形型内に前記第２の部材５ｂを溶融状態で充填して固化し、その後固化物を離型する。これにより、第１の部材５ａと第２の部材５ｂとが混合した形態の熱伝導体５が形成される。この熱伝導体５においては一方の面５ｃ側に前記第１の部材５ａの大径部分が位置し、この第１の部材５ａは、他方の面５ｄ側へ向かうに従って径小となっている。つまり、熱伝導体５においては、一方の面５ｃ側で第１の部材５ａに対する第２の部材５ｂの混合比率（占有体積比率）が小さく他方の面５ｄ側へ向かうに従って大きくなる。そして、当該他方の面５ｄにおいて第２の部材５ｂの一部が露出している。

上記熱伝導体５において、第１の部材５ａの大径部分が位置する側の面である前記一方の面５ｃが前記電気絶縁部材４の一方の面４ａに接合されている。その接合は例えば固相接合や、窒化アルミニウムと融剤とを有する接合剤を用いて加熱加圧することによりなされている。前記電気絶縁部材４と第１の部材５ａとを窒化アルミニウムで一体に製作しても良い。

前記電気絶縁部材４の他方の面４ｂは、前記半導体素子２に、接触熱抵抗を小さくするために熱伝導性の良いグリス層６を介在させた状態で適宜連結手段により接合している。
又、前記熱伝導体５の他方の面５ｄは、前記金属部材３に、アルミニウムろう材からなる前記第２の部材５ｂにより接合（ろう付け）している。

ここで、前記電気絶縁部材４、熱伝導体５、金属部材３の線膨張係数の概略の関係を図５に示している。窒化アルミニウム製の電気絶縁部材４は線膨張係数が小さく、アルミニウム製の金属部材３は線膨張係数が大きい。熱伝導体５は、金属部材３用の接合用である金属ろう材からなる第２の部材５ｂの混合比率が一方の面５ｃから他方の面５ｄに向かうに従い大きくなっているから、熱伝導体５の線膨張係数は電気絶縁部材４側で小さくて金属部材３方向へ向かうに従い次第に大きくなり、当該金属部材３に近い線膨張係数となる。つまり、線膨張係数が電気絶縁部材４側から金属部材３側へ大きくなる。なお、熱伝導体５全体の平均的な線膨張係数は、電気絶縁部材４の線膨張係数と金属部材３の線膨張係数とのほぼ中間的な線膨張係数とみなすことができる。

上記構成において、半導体素子２に発生した熱は、グリス層６、電気絶縁部材４、熱伝導体５を介して金属部材３に伝導され、この金属部材３により放熱される。
上述した本実施形態においては、熱伝導体５を、電気絶縁部材４と同材料の第１の部材５ａと金属部材３に対して接合可能な高熱伝導材製の第２の部材５ｂとを混合して構成したので、当該熱伝導体５の全体的な線膨張係数を電気絶縁部材４と金属部材３とのほぼ中間的な線膨張係数とすることができ、電気絶縁部材４と金属部材３との間の熱応力を緩和できる。

又、この熱伝導体５は、高熱伝導材製である電気絶縁部材４と同材料の第１の部材５ａと、もともと高熱伝導材製である金属部材３に対して接合可能な高熱伝導材製の第２の部材５ｂとの混合体からなるので、従来のような低熱伝導の空間部が存在せず、熱伝導性も向上する。

さらに、前記熱伝導体５において他方の面５ｄである金属部材３側の面に当該金属部材３と接合可能な第２の部材５ｂの一部が露出するので、熱伝導体５と金属部材３とを接合する場合、熱伝導体５において露出する第２の部材５ｂにより両者を接合することができ、もって、熱伝導体５を金属部材３に接合する場合に別の接合材を塗布せずに済む。

又、本実施形態においては、熱伝導体５において第１の部材５ａに対する第２の部材５ｂの混合比率を、電気絶縁部材４側の面である一方の面５ｃから金属部材３側の面である他方の面５ｄに向かうに従い大となるようにした。これによれば、熱伝導体５の線膨張係数が電気絶縁部材４側から金属部材３側へ大きくなるようにしたので、電気絶縁部材４、当該熱伝導体５、金属部材３の各間での線膨張係数差を小さくすることができて、各間の熱応力を緩和できる。

又、本実施形態においては、電気絶縁部材４及び第１の部材５ａを、窒化アルミニウムから構成したので、電気絶縁性が高く、且つ熱伝導性が良く、電子部品の絶縁及び放熱に優れている。なお、この窒化アルミニウムに代えて、窒化けい素、窒化ホウ素、アルミナ、シリカのいずれかでも良い。

又、本実施形態においては、第２の部材５ｂを、金属部材３と同じ材料を含む金属ろう材から構成したので、熱伝導体５と金属部材３とを良好に接合することができる。この場合、金属ろう材としてアルミニウムろう材であるので、放熱部材として一般的に用いられるアルミニウム製の金属部材３に対する接合用ろう材として好適する。

図６及び図７は第１の参考形態を示している。この第１の参考形態では、熱伝導体１１の構成が第１実施形態と異なる。この熱伝導体１１は、第１熱伝導体１１１、第２熱伝導体１１２、及び第３熱伝導体１１３を相互に接合して構成されている。第１熱伝導体１１１は第１の単位部材１１１ａと第２の単位部材１１１ｂとの混合体から構成されている。第１の単位部材１１１ａは、前記電気絶縁部材４と同材料（窒化アルミニウム）で例えば円形板状をなしている。第２の単位部材１１１ｂは前記第２の部材５ｂと同様にアルミニウムろう材から構成されている。

第１熱伝導体１１１は、内部に浅底な成形用空間部を有する成形型内に、複数の第１の単位部材１１１ａを、均一間隔で配置し、当該成形型内に前記第２の単位部材１１１ｂを溶融状態で充填して固化し、その後固化物を離型する。これにより、第１の単位部材１１１ａと第２の単位部材１１１ｂとが混合した形態の第１熱伝導体１１１が形成される。

第２熱伝導体１１２は、第１の単位部材１１２ａの大きさが前記第１熱伝導体１１１の前記第１の単位部材１１１ａの大きさより若干小さいこと以外、第１熱伝導体１１１と同じ構成及び同じ形成方法である。この第２熱伝導体１１２において、第１の単位部材１１２ａに対する第２の単位部材１１２ｂの混合比率（占有体積比率）は、前記第１熱伝導体１１１の混合比率より小さい。

第３熱伝導体１１３は、第１の単位部材１１３ａの大きさが前記第２熱伝導体１１２の前記第２の単位部材１１２ａの大きさより若干小さいこと以外、第２熱伝導体１１２と同じ構成及び同じ形成方法である。この第３熱伝導体１１３において、第１の単位部材１１３ａに対する第２の単位部材１１３ｂの混合比率は、前記第２熱伝導体１１２の混合比率より小さい。つまり、混合比率は、第１熱伝導体１１１、第２熱伝導体１１２、第３熱伝導体１１３の順に小さくなっている。前記電気絶縁部材４と各単位部材１１１ａ、１１２ａ、１１３ａを一体に製作しても良い。

これら第１熱伝導体１１１、第２熱伝導体１１２、第３熱伝導体１１３を相互に重ねて加熱加圧することにより熱伝導体１１が形成されている。そして、第１の単位部材１１１ａ、１１２ａ、１１３ａが相互に連結されることにより第１の部材１１ａが構成され、第２の単位部材１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂが相互に連結されることにより第２の部材１１ｂが構成されている。この熱伝導体１１において、第１の部材１１ａに対する第２の部材１１ｂの混合比率は、一方の面１１ｃから他方の面１１ｄに向かうに従って段階的に小さくなっている。

図８及び図９は第２の参考形態を示している。この第２の参考形態では、熱伝導体２１の構成が第１の参考形態と異なる。この熱伝導体２１は、第１熱伝導体２１１、第２熱伝導体２１２、及び第３熱伝導体２１３を相互に接合して構成されている。第１熱伝導体２１１は第１の単位部材２１１ａと第２の単位部材２１１ｂとの混合体から構成されている。第１の単位部材２１１ａは、前記電気絶縁部材４と同材料（窒化アルミニウム）で例えば球状もしくは粒子状をなしている。第２の単位部材２１１ｂは前記第２の部材５ｂと同様にアルミニウムろう材から構成されている。

第１熱伝導体２１１は、内部に浅底な成形用空間部を有する成形型内に、複数の第１の単位部材２１１ａを、均一間隔で配置し、当該成形型内に前記第２の単位部材２１１ｂを溶融状態で充填して固化し、その後固化物を離型する。これにより、第１の単位部材２１１ａと第２の単位部材２１１ｂとが混合した形態の第１熱伝導体２１１が形成される。

第２熱伝導体２１２は、第１の単位部材２１２ａの大きさが前記第１の単位部材２１１ａの大きさより若干小さいこと以外、第１熱伝導体２１１と同じ構成及び同じ形成方法である。この第２熱伝導体２１２において、第１の単位部材２１２ａに対する第２の単位部材２１２ｂの混合比率（占有体積比率）は、前記第１熱伝導体２１１の混合比率より小さい。

第３熱伝導体２１３は、第１の単位部材２１３ａの大きさが前記第２熱伝導体２１２の前記第１の単位部材２１２ａの大きさより若干小さいこと以外、第２熱伝導体２１２と同じ構成及び同じ形成方法である。この第３熱伝導体２１３において、第１の単位部材２１３ａに対する第２の単位部材２１３ｂの混合比率は、前記第２熱伝導体２１２の混合比率より小さい。つまり、混合比率は、第１熱伝導体２１１、第２熱伝導体２１２、第３熱伝導体２１３の順に小さくなっている。

これら第１熱伝導体２１１、第２熱伝導体２１２、第３熱伝導体２１３を相互に重ねて加熱加圧することにより熱伝導体２１が形成されている。そして、第１の単位部材２１１ａ、２１２ａ、２１３ａにより第１の部材２１ａが構成され、第２の単位部材２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂが相互に連結されることにより第２の部材２１ｂが構成されている。この熱伝導体２１において、第１の部材２１ａに対する第２の部材２１ｂの混合比率は、一方の面２１ｃから他方の面２１ｄに向かうに従って段階的に小さくなっている。

図１０及び図１１は、第２実施形態を示しており、この第２実施形態においては、次の点が第１実施形態と異なる。電気絶縁部材４の他方の面４ｂには、金属層３１が形成されている。そして、この金属層３１を前記半導体素子２に半田付けすることにより電気絶縁部材４が半導体素子２に接合されている。この場合グリス層６は設けていない。この第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明の複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は熱伝導部材、２は半導体素子（放熱対象部品）、３は金属部材、４は電気絶縁部材、５は熱伝導体、５ａは第１の部材、５ｂは第２の部材、６はグリス層、１１は熱伝導体、１１１は第１熱伝導体、１１２は第２熱伝導体、１１３は第３熱伝導体、１１ａは第１の部材、１１ｂは第２の部材、２１は熱伝導体、２１１は第１熱伝導体、２１２は第２熱伝導体、２１３は第３熱伝導体、２１ａは第１の部材、２１ｂは第２の部材、３１は金属層を示す。

Claims (5)

1. 放熱対象部品（２）に接合される高熱伝導材製の電気絶縁部材（４）と、一方の面が前記電気絶縁部材に接合され他方の面が放熱部品である金属部材（３）に接合される熱伝導体（５）と、を備えた熱伝導部材（１）であって、
   前記熱伝導体は、前記電気絶縁部材と同材料の第１の部材（５ａ）と前記金属部材に対して接合可能な高熱伝導材製の第２の部材（５ｂ）とを混合してなると共に、
   前記第１の部材は、前記一方の面側で大径で、前記他方の面に向かうに従って径小となる円錐形状の粒体が多数配置され、前記第１の部材同士間の空間部に前記第２の部材が充填され、前記他方の面で前記第２の部材の一部が露出する熱伝導部材。
2. 前記電気絶縁部材及び前記第１の部材は、窒化アルミニウム、窒化けい素、窒化ホウ素、アルミナ、シリカのいずれかである請求項１記載の熱伝導部材。
3. 前記第２の部材は前記金属部材と同じ材料を含む金属ろう材である請求項１又は２記載の熱伝導部材。
4. 前記金属ろう材はアルミニウムろう材であって、当該アルミニウムろう材はけい素を含む請求項３記載の熱伝導部材。
5. 前記熱伝導体の他方の面は、前記金属部材に対し前記第２の部材により直接接合されている請求項３又は４記載の熱伝導部材。
   

Images