JP7296122B2

JP7296122B2 - 放熱体及びパワー半導体用放熱体

Info

Publication number: JP7296122B2
Application number: JP2019240185A
Authority: JP
Inventors: 健市砂本
Original assignee: Akane Co Ltd
Current assignee: Akane Co Ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: JP2020113758A

Description

天然黒鉛と銅の複合材における焼結体をカットした放熱板本体の外周に薄銅板あるいはメッキ処理してなる放熱体及びパワー半導体用放熱体に関するものである。

上記カットした放熱板本体を例えばパワー半導体（ＩＧＢＴ）に使用した時、ろう付等の加工ができない。
また、放熱板本体から天然鱗片状黒鉛や銅粉が銅によって炭素を包んでいる状態のため、表面に現れた炭素（銅）は剥離しやすく、周囲に落下する危険性があり、周囲に回路等の通電部がある場合はショートすることがあり、実用上問題がある。
さらに、ＩＧＢＴを使用する時、下面に通電する素材として銅板を設けている。しかしながら、銅の熱膨張率は１７．７×１０^－６／ｋと高く、ＩＧＢＴや下面に設ける絶縁素材

形してしまう。

上記に述べたように、現有する放熱板本体では特にパワー半導体（ＩＧＢＴ）に使用する場合は、ショート等の危険がある。
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするもので、放熱板本体（焼結）の外周の一部あるいは全部に薄銅板を設けたり、全周をメッキ処理することにより、炭素（鱗片状黒鉛等）が剥離しにくく、通電を必要とする箇所に使用できる。

本発明は、上記目的を達成するために、天然鱗片状黒鉛と銅粉の複合材を層状に積層して得られる焼結体を垂直方向あるいは水平方向にカットしてなる放熱板本体の上下面に、ワイヤーブラシにて天然鱗片状黒鉛を取り除いた後、銅粉を塗布し、焼結してなる。
前記放熱板本体を９０°倒した状態の上下面に、薄銅板を設けてなる。
前記放熱板本体の外周全体を包着すべく、薄銅板の外縁を折り曲げ蓋状としたものを２箇所に設ける。
前記放熱板本体の全面に通電メッキ処理してなる。
放熱体をパワー半導体に取り付けてなる。

１）、天然鱗片状黒鉛と銅粉の複合材を層状に積層して得られる焼結体を垂直方向あるいは水平方向にカットしてなる放熱板本体の上下面に、ワイヤーブラシにて天然鱗片状黒鉛を取り除いた後、銅粉を塗布し、焼結してなることにより、鱗片状黒鉛が剥離しにくくなり、ＩＧＢＴ等接合においてショートの危険性が極力抑えられる。
２）、焼結体をカットした放熱板（９０°倒した）の上下面に薄銅板を設けることにより、特にＩＧＢＴ等の接合においては、薄銅板によりろう付が可能で通電も良好でありな

かつ放熱機能と導電機能を高機能化している。
３）、放熱板の上下及び外周面全体を薄銅板で包み込むことにより、側面より天然鱗片状黒鉛等が落下することがなく、安全・安心して使用できる。
４）、放熱板の全周を通電メッキ処理することにより、炭素が落下することなく、かつ、天然鱗片状黒鉛等との密着性が高いため、より冷却性及び通電性を高めてなる。

本発明の第１実施例を示す放熱体の縦断正面図。本発明の第２実施例を示す放熱体の縦断正面図。本発明の第３実施例を示す放熱体の縦断正面図。本発明の第４実施例を示す放熱体の縦断正面図。本発明の各実施例に使用する放熱板本体の加工図。本発明の各実施例に使用する放熱板本体の縦カット放熱板本体斜視図。本発明の各実施例に使用する放熱板本体の横カット放熱板本体斜視図。本発明の一実施例を示すパワー半導体用放熱体の一部縦断正面図。

まず、本発明の放熱板本体について説明する。
天然鱗片状黒鉛ＴＫと銅粉ＤＦの複合材を層状に積層（Ｚ方向）にして得られる焼結体Ｓ（図５）を垂直方向にカットしたブロック状の垂直放熱板本体ＳＨを図６に示す。
また、水平方向にカットしたブロック状の水平放熱板本体ＨＨを図７に示す。

この焼結体Ｓは、熱伝導率・強度・電気伝導率・熱膨張に異方性が見られる。
この異方性を有効的に使用する方法が、焼結体Ｓの切断方向に委ねられる。
例えば、Ｙ方向及びＸ方向に垂直放熱板本体ＳＨ及び水平放熱板本体ＨＨを使用した場合、熱伝導率は８００ｗ／ｍＫ以上であり、Ｚ方向においては６０ｗ／ｍＫとかなり低い。
なお、曲げ強度においては、Ｚ方向が強く、Ｙ方向及びＸ方向は弱い。
よって、使用目的に応じて切断方向を選択するものである。

本発明の垂直放熱板本体ＳＨ（ブロック状）・水平放熱板本体ＨＨ（ブロック状）は、天然鱗片状黒鉛と銅粉は互いに反応（圧着の状態）を示さず、銅粉により天然鱗片状黒鉛を包んでいる（コーティングしている）ため、外周の天然鱗片状黒鉛や銅粉が剥離（欠落）することがある。

これを防止するため、以下の発明を行った。
図１に示すように、上記垂直放熱板本体ＳＨを９０°に倒した状態で使用する。つまりＹ方向の熱伝導率が良好な方向である。
１は、このブロック状の垂直放熱板本体ＳＨの側面ＳＭをワイヤーブラシにて天然鱗片状黒鉛を取り除いた後、銅粉を側面ＳＭに塗布し、焼結ＳＫ（通電焼結により加工するもので、例えば、特開平９－５３１０３号公報参照）した放熱体（必要に応じて薄く水平にカットした薄板状の垂直放熱板本体ＳＨ１）で、パワー半導体用放熱体として使用するものである。（図１）
次に、放熱体２１は、上記放熱体１の上面及び下面に厚さ０．０５ｍｍ～０．１ｍｍの薄銅板２を設けて（密着して）なる放熱体である。（図２）
この放熱体２１は、図８にあるようにパワー半導体（ＩＧＢＴ）Ｉの下面にハンダ付（ろ

Ｎに取り付けてパワー半導体用放熱体として使用するものである。

なお、一般的な銅板の熱膨張率は１７．７×１０^－６／Ｋで、本発明の放熱体１は４～１

つまり、従来のように銅板のみであれば、熱膨張率に大きな差があり、変形する危険性がある。
これに対して、本発明の放熱体２１は薄銅板２のため熱膨張に対する応力が少なく、かつ垂直放熱板本体ＳＨ１は絶縁材Ｓと熱膨張が近いため変形が少ない。
かつ、銅板は熱を持ちやすいが、放熱体２１は熱伝導率が高く放熱効果が高い。

つぎに、放熱体３１について説明する。
垂直放熱板本体ＳＨ２は、上記垂直放熱板本体ＳＨ１と同様で、その外周全体を包着（密着）すべく、上記と同様な薄銅板２２の外縁を折り曲げ、蓋状としたものを上下に設けてなるものである。（図３）

この放熱体３１も、上記と同様な使用を行うことにより、効率よい電気伝導・熱膨張・放熱を行うことができる。
かつ、全周が薄銅板２２で包まれているため天然鱗片状黒鉛や銅粉が落下することがない。

つづいて、放熱体４１について説明する。
放熱体４１は、上記と同様な垂直放熱板本体ＳＨ３の外周（必要に応じて研磨しなくてもよい）に、通電可能なメッキ処理３２を行ったもので、Ｎｉメッキ・Ａｕメッキ・Ａｇメッキ・Ｃｕメッキ等であり、厚みは数ミクロンとする。（図４）
これも同様にＩＧＢＴに使用するもので、外周全体をメッキ処理しているため天然鱗片状黒鉛の落下は皆無であり、必要に応じて熱伝導率や熱膨張率の異なるものを使用できる。

上記各実施例において、垂直放熱板本体の大きさや厚み等は必要に応じて決めればよい。
また、薄銅板の大きさや形状等も必要に応じて決めればよく、通電メッキも必要に応じて決めればよい。

１－－－放熱体
２－－－薄銅板
ＳＨ１－垂直放熱板本体
Ｉ－－－パワー半導体
Ｓ－－－絶縁材

Claims

天然鱗片状黒鉛と銅粉の複合材を垂直方向に積層して得られる焼結体を垂直方向あるいは水平方向にカットしてなる放熱板本体の上下面に、ワイヤーブラシにて天然鱗片状黒鉛を取り除いた後、銅粉を塗布し、焼結してなることを特徴とする放熱体の製造方法。
前記放熱板本体を９０°倒した状態の上下面に、薄銅板を設けてなることを特徴とする請求項１記載の放熱体の製造方法。
前記放熱板本体の外周全体を包着すべく、薄銅板の外縁を折り曲げ蓋状としたものを２箇所に設けてなることを特徴とする請求項１記載の放熱体の製造方法。
前記放熱板本体の全面を通電メッキ処理してなることを特徴とする請求項１記載の放熱体の製造方法。
請求項１乃至請求項４のうちいずれか１つに記載の放熱体の製造方法により製造された放熱体をパワー半導体に取り付けてなることを特徴とするパワー半導体用放熱体の製造方法。