JPH0677678A

JPH0677678A - ヒートシンク構造

Info

Publication number: JPH0677678A
Application number: JP22856392A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Nishihara; 和則西原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はパワー系ベアチップがろう付けされ
るヒートシンクの構造にに関し、良好な放熱性と高い接
合面の信頼性を有し、かつ、任意の厚さに、無駄なく生
産することができるヒートシンクを構成することを目的
とする。【構成】４２Ｎｉ−残Ｆｅ合金で任意の厚さの母材２
を形成する。母材２に放熱部材３を埋め込むための孔２
ａを設ける。放熱部材３は放熱性に優れたＣｕ系の金属
を、孔２ａに対応した形状に成形することにより構成す
る。母材２の孔２ａに放熱部材を埋め込ませる。ヒート
シンク１は、母材２の作用により適正な線膨張係数を有
し、放熱部材３の作用により良好な放熱性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートシンク構造に係
り、特にパワー系ベアチップがろう付けされるヒートシ
ンクの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】パワー系素子を使用する際には、パワー
系素子から十分な電力を取り出し、かつ素子の温度が耐
熱温度を超えないようにするため、一般にヒートシンク
が用いられる。特に、パワー系素子をベアチップの状態
でアルミナ基板等に実装して、パワーユニットを形成す
るような場合には、ベアチップと基板との間に、放熱性
と同時に接合部の信頼性が確保されたヒートシンクを設
ける必要がある。

【０００３】このため、従来より、良好な放熱性を確保
しつつ、シリコンチップやアルミナ基板と同等な線熱膨
張係数を有するヒートシンクが要求されており、種々の
構造が提案されている。

【０００４】多くの場合、ヒートシンクとしては放熱特
性に優れていることから、銅（Ｃｕ）系材料が用いられ
ている。しかし、Ｃｕの線膨張係数は大きく、ベアチッ
プとアルミナ基板との間に介在させて用いるような場合
は、環境温度の変化に伴い、ベアチップとヒートシン
ク、およびヒートシンクとアルミナ基板間の接合面に大
きな応力が生じることになる。

【０００５】すなわち、アルミナ基板上にヒートシンク
がはんだ付けされ、さらにその上にベアチップがはんだ
付けされている場合に、これらの系の環境温度が大きく
変化すると、ヒートシンクだけが他に比べて著しく大き
く膨張し、それぞれの界面を接合しているはんだに大き
な剪断力が働く。従って、このようなヒートシンクは温
度変化が激しい部位には使用することができない。

【０００６】そこで、特に接合部に信頼性が要求される
場合には、モリブデン（Ｍｏ）や窒化アルミ（ＡｌＮ）
製のヒートシンクが用いられている。これらの材料の線
熱膨張係数は、Ｓｉの線膨張係数とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ
₃）の線膨張係数との中間の値である。このため、接合
面のはんだにかかる剪断力は緩和され、その信頼性が向
上する。

【０００７】しかし、これらの材料により構成されるヒ
ートシンクは、Ｃｕに比べて放熱性が劣るばかりでな
く、加工が難しく、材料コストも高いという欠点を有し
ている。特に、ＡｌＮにおいては、そのままでははんだ
付けができないため、表面処理を必要とするという取扱
上の難点も有している。

【０００８】このため、近年では、このようなヒートシ
ンク材料として、良好な放熱性と高い接合面の信頼性と
を両立し、かつ加工性に優れていることから、４２Ｎｉ
−残Ｆｅ合金とＣｕとを張り合わせてなる複合材料が用
いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の４２Ｎ
ｉ−残Ｆｅ合金とＣｕとを張り合わせてなる複合材料で
構成されたヒートシンクは、両者の線膨張係数の差異等
の理由により、０．８mm以下にしか成形することができ
ない。このため、ヒートシンクの放熱特性に自由度がな
く、その厚みで放熱性を確保する必要があるような部位
には使用することができない。

【００１０】また、４２Ｎｉ−残Ｆｅ合金とＣｕとを張
り合わせるためには、加熱圧延を行う必要があり、一度
に一定量以上を製造しなければならない。このため、作
り過ぎによる無駄が生じ、効率の悪化を引き起こすこと
になる。

【００１１】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、良好な放熱性と高い接合面の信頼性を有し、か
つ、任意の厚さで無駄なく生産できるヒートシンクの構
造を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、４２ニッ
ケル−残鉄合金で形成された母材を有するヒートシンク
構造において、前記母材の所定の位置に孔を設け、該孔
に銅系の金属からなる放熱部材を埋め込んだ構成として
なるヒートシンク構造により解決される。

【００１３】

【作用】本発明のヒートシンク構造においては、前記母
材は、前記合金を成形して、前記所定の孔を有する任意
の大きさおよび厚さの板にするにことにより構成され
る。次いで、前記孔に前記放熱部材を埋め込むことによ
り、前記ヒートシンクが構成され、一度に一定量以上を
製造する必要がなく、作り過ぎによる無駄が排除され
る。

【００１４】また、前記母材に埋め込まれた前記放熱部
材は、前記ヒートシンクの放熱特性を決定し、その位
置、大きさおよび数により、前記ヒートシンクの放熱特
性は容易に変更できる。さらに、前記放熱部材は、前記
母材に埋め込まれているため、前記ヒートシンクの線膨
張係数は、ほぼ前記母材の線膨張係数と同一の値とな
る。ところで、前記合金は、ＳｉとＡｌ₂Ｏ₃の間の線
膨張係数を有している。従って、前記ヒートシンクをＳ
ｉやＡｌ₂Ｏ₃と接合した場合、高い接合面の信頼性が
得られる。

【００１５】

【実施例】次に、本発明に係るヒートシンク構造の構成
をより明確にするため、適切な実施例に基づいて説明す
る。

【００１６】図１は、本発明に係るヒートシンク構造の
一実施例の構成図を示す。同図（Ａ）はその平面図を示
し、図中、Ｂ−Ｂ断面を同図（Ｂ）に示す。

【００１７】同図中、符号１は本発明に係る構造を有す
るヒートシンクを示す。また、符号２は母材を示し、Ｆ
ｅ中に約４２wt％のＮｉを含んでなる４２Ｎｉ−残Ｆｅ
合金で構成されている。母材２は、任意の体格に成形さ
れてヒートシンク１の外形を構成すると共に、放熱部材
３を埋め込むための複数の孔２ａを有している。

【００１８】放熱部材３は、Ｃｕ製の充填材で、本実施
例においては、その周囲にネジ山が成形されている。こ
れに対応して、母材２の孔２ａには、放熱部材３のネジ
山に対応したネジ溝が切ってある。従って、放熱部材３
は孔２ａにねじ込むことにより容易に装着される。尚、
放熱部材３の高さと母材２の厚さとは、同図（Ｂ）に示
すように同一であり、ヒートシンク１は滑らかな表面を
有している。

【００１９】また、上記したように、本実施例の構造を
有するヒートシンク１は、母材２を構成する４２Ｎｉ−
残Ｆｅ合金と、放熱部材３を構成するＣｕとの接触が機
械的力で保持されている。このため、両者の線膨張係数
の違いにもかかわらずそれらの界面が剥離することがな
く、高い信頼性を確保することができる。

【００２０】このように、本実施例の構造のヒートシン
ク１は、４２Ｎｉ−残Ｆｅ合金とＣｕとの接触界面にお
ける高い信頼性を確保しつつ、任意の厚さを確保するこ
とができる。さらに、従来の構成のヒートシンクと異な
り、圧延を行う必要がなく、少量生産が可能であるた
め、作り過ぎによる無駄を排除することができる。

【００２１】図２は、本実施例の構造のヒートシンク１
の、実装状態の正面断面図を示す。尚、同図において、
図１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明
を省略する。

【００２２】同図中、符号４はパワー系ベアチップを示
し、Ｓｉ系の半導体で構成されている。パワー系ベアチ
ップ４は、はんだ５でヒートシンク１にろう付けされ
る。また、符号６はアルミナ基板を示し、Ａｌ₂Ｏ₃を
主成分とするセラミック基板上に厚膜回路を形成するこ
とにより構成される。

【００２３】先にパワー系ベアチップ４が搭載されたヒ
ートシンク１は、はんだ７でアルミナ基板６上の所定の
位置にろう付けされ、パワーユニットの１部を構成す
る。尚、パワー系ベアチップ４のはんだ付けされない面
は、駆動信号等の供給を受けるためにアルミナ基板６の
所定の部位とワイヤボンディング等により（図示せず）
電気的に接続されている。

【００２４】図３は、上記のヒートシンク１やパワー系
ベアチップ４等の構成材料の線膨張係数および熱伝導度
を表した図表である。以下、同図を参照しながら、ヒー
トシンク１を上記構造としたことによる効果について説
明する。

【００２５】同図に示すように、Ｃｕの線膨張係数１６
ppm は、パワー系ベアチップ４（Ｓｉ）の３．５ppm お
よびアルミナ基板６（Ａｌ₂Ｏ₃）の７ppm と比べて著
しく大きい値である。これに対して、４２Ｎｉ−残Ｆｅ
合金の線膨張係数４．５ppmは、Ｓｉの線膨張係数とＡ
ｌ₂Ｏ₃の線膨張係数との間の値である。また、ヒート
シンク１は、上記したように４２Ｎｉ−残Ｆｅ合金でＣ
ｕを包み込んだ構造であり、ヒートシンク１としての線
膨張係数は、４２Ｎｉ−残Ｆｅ合金のそれと、ほぼ同一
の値となる。

【００２６】このため、図２に示すように、パワー系ベ
アチップ４、ヒートシンク１およびアルミナ基板６を組
み付けた場合、それぞれの線膨張係数の差異が緩和さ
れ、熱による膨張収縮に対してはんだ５、７がうける剪
断力が緩和されることになる。従って、本実施例の構造
のヒートシンク１によれば、パワー系ベアチップ４やア
ルミナ基板６との接合面において、高い信頼性を確保す
ることができる。

【００２７】また、図３に示すように、４２Ｎｉ−残Ｆ
ｅ合金の熱伝導度０．０３２cal/s.m.deg は、Ｃｕの熱
伝導度０．８５cal/s.m.deg の１／２０以下の値であ
る。すなわちヒートシンク１における放熱効果は、ほと
んど放熱部材３が占める割合で決まることになる。

【００２８】図４および図５は、上記図２に示すように
組み付けたパワー系ベアチップ４の熱抵抗を、過渡熱抵
抗測定法にて測定した結果を示す。

【００２９】過渡熱抵抗測定法とは、熱抵抗を測定すべ
き半導体チップに所定の電力を消費させると共に、半導
体チップのジャンクションにおける抵抗値を測定し、そ
の抵抗値の上昇分から半導体チップの温度上昇を検出す
る方法である。従って、熱抵抗、すなわち所定の電力を
消費する際の温度上昇率が小さいほど、その半導体チッ
プは良好な放熱性を有していることになる。

【００３０】図４は、ヒートシンク１を、厚さｔ＝１．
５mm、面積ｓ＝７×７mm²、放熱部材３（Ｃｕ）の専有
面積４０wt％として熱抵抗を測定した結果（図中●）、
およびＣｕ単体またはＭｏ単体で構成されたヒートシン
クを用いて測定した結果（図中○）を示している。尚、
図中の上下限値は、測定数ｎ＝２０における平均値±３
σを示している。

【００３１】同図から、明らかなように、本実施例の構
造によるヒートシンク１の放熱性は、Ｃｕ単体で構成さ
れたヒートシンクには劣るものの、Ｍｏ単体で構成され
たヒートシンクより優れている。すなわち、母材２に埋
め込まれている放熱部材３が、パワー系ベアチップ４か
ら伝播される熱を放熱するために有効に作用している。

【００３２】図５は、ｔ＝１．５mm、s=7 ×７mm²のヒ
ートシンク１において、Ｃｕの専有面積と熱抵抗との関
係を表す図を示す。同図から明らかなように、ヒートシ
ンク１の熱抵抗は、Ｃｕの専有面積が増えるに伴って小
さくなる。すなわち、放熱部材３が増えるに従ってヒー
トシンク１の放熱性は向上する。

【００３３】このように、本実施例の構造のヒートシン
ク１は、従来より、接合面の信頼性重視の場合に用いら
れていたＭｏ単体のヒートシンクより良好な放熱性を有
している。また、ヒートシンク1 中における放熱部材3
の占有面積を変更することにより、必要に応じて放熱特
性を設定することができる。

【００３４】参考のために、本実施例の構成のヒートシ
ンク１と、Ｃｕ単体またはＭｏ単体で構成されたヒート
シンクとのコスト比を図６に示す。同図から、本実施例
の構造のヒートシンク１は、Ｍｏ単体のヒートシンクの
約１／２のコスト（図６中、斜線部）で製造できること
が判る。

【００３５】上記したように、ヒートシンク１は、従来
の構成のヒートシンクと比べて、十分な放熱性と、組み
付けられた際の高い信頼性とを有すると共に、任意の体
格に、任意の数だけ製造することができる。すなわち、
本実施例のヒートシンク構造によれば、従来の構成のヒ
ートシンクと同等以上の性能確保と、生産性および設計
の自由度の向上とが両立される。

【００３６】尚、本実施例においては、放熱部材３にネ
ジ山を形成し、孔２ａにネジ溝形成しているが、これに
限るものではなく、例えば放熱部材をピン状に成形して
両者を圧入する構成にしてもよい。

【００３７】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、良好な放
熱性と接合面の高い信頼性とが両立される。また、母材
も放熱部材も、一度に一定量以上を製造しなければなら
ない圧延加工のような工程を必要としないため、必要な
量だけを製造することができ、作り過ぎによる無駄を排
除することができる。

【００３８】また、母材に放熱部材を埋め込むことで異
種金属間の接触を保持しているため、母材と放熱部材と
の接触部が剥離することがなく、ヒートシンクとして厚
さや大きさの制限を受けない。さらに、放熱部材の占有
面積を変えることによりヒートシンクとしての放熱特性
を変化させることが可能である。従って、本発明に係る
ヒートシンク構造によれば、設計の自由度を向上させる
ことができるという特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る構造を有するヒートシンクの一実
施例の構成図である。

【図２】本実施例構造のヒートシンクを実装した例を表
す正面断面図である。

【図３】本実施例構造のヒートシンク等を構成する材料
の線膨張係数および熱伝導度を表す図表である。

【図４】本実施例構造のヒートシンクの熱抵抗を表す図
である。

【図５】本実施例構造のヒートシンクにおける放熱部材
の占有面積と熱抵抗の関係を表す図である。

【図６】本実施例構造のヒートシンクと従来構成のヒー
トシンクのコスト比を表す図である。

【符号の説明】

１ヒートシンク２母材２ａ孔３放熱部材４パワー系ベアチップ５、７はんだ６アルミナ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】４２ニッケル−残鉄合金で形成された母
材を有するヒートシンク構造において、前記母材の所定の位置に孔を設け、該孔に銅系の金属からなる放熱部材を埋め込んだ構成と
してなることを特徴とするヒートシンク構造。