JPS63217648A - 発熱体の放熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発熱体の放熱構造に係り、特に発熱性を有する
電子部品等に好適な放熱構造に関するものである。

〔従来の技術〕

従来よりパワートランジスタ等の発熱を伴う電子部品は
、ヒートシンク要素（放熱部材）を介して放熱用基板（
例えば放熱フィン）に搭載され。

このような放熱構造を呈して電子部品等で生じた熱が外
部に放熱され部品の健全性が保たれている。

このような放熱構造において、ヒートシンク要素を放熱
用基板に接合する場合には、従来は、はんだ等のろう材
が用いられていたが、近年においては、はんだ付けより
も作業性が良く、しかもはんだ接合よりも耐熱衝撃性の
良好なシリコン接着剤等が使用される傾向にある。なお
、この種の発熱体の放熱構造に関する従来技術としては
、例えば特開昭６０−７３０５５号公報に開示されたも
のがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、近年、自動車搭載部品、特にエンジンルーム
内に装着される部品は、車両のＦＦ化、エアロダイナミ
クス化に伴い、温度等の使用環境や使用条件が年々厳し
くなってきており、装置の高信頼性を確保するためには
、発熱要素を含む電子部品の放熱構造の改良が望まれて
いる。このような要求がある反面、上述の如く発熱体の
放熱構造に接着剤を使用する場合には、接着剤自身の熱
伝導性がさ程良好でないために、放熱性能が犠牲になり
、厳しい温度環境条件に充分対応できない事態が懸念さ
れる。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、発熱体の放熱構造の一要素となる
接着剤を改良して、放熱性に優れ発熱を伴う部品の熱劣
化を有効に防止することのできる放熱構造を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、放熱部材同士を接着して、放熱構造の要素
となる接着剤中に、熱伝導率の高い素材を混合すること
で達成される。

〔作用〕

発熱体の放熱構造の一要素である接着剤に、例えば窒化
アルミニウムや炭化シリコン等の熱伝導率の高い素材を
適宜割合で混合することにより、接着剤中の熱伝導率を
向上させることが可能になる。従って、放熱部材間の熱
伝導性ひいては放熱構造全体の放熱性能を大幅に向上さ
せ、発熱体の熱劣化を防止して信頼性を高めることがで
きる。

また、接着剤と熱伝導素材との混合率を変えることによ
り、熱伝導率を任意に設定できるため、温度条件の厳し
さやコストを考慮して最適な放熱構造を構成することが
できる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図ないし第２図に基づき説明す
る。

第１図は車両のエンジンルーム内に装着される点火装置
の断面図であり１図中、１は発熱源となるパワートラン
ジスタ（以下、トランジスタと略する）、２は金属板よ
りなるヒートシンク要素、３はアルミナＣＡＱｚ○３）
よりなる絶縁板、４は金属板よりなるヒートシンク要素
、５はシリコン接着剤、６はアルミニウム製の放熱フィ
ンである。

トランジスタ１とヒートシンク要素２、ヒートシンク要
素２と絶縁板３、絶縁板３とヒートシンク４要素との間
の接合は、はんだ等の接合部材を用いて接合され、更に
ヒートシンク要素４と放熱フィン６とがシリコン接着剤
５を介して接着され、このようにしてヒートシンク要素
２．絶縁板３゜ヒートシンク要素４．シリコン接着剤５
及び放熱フィン６により、トランジスタ１の放熱手段（
ヒートシンク）を構成している。

９はアルミナよりなる厚膜基板で、厚膜基板９上に半導
体、チップコンデンサ、ジャンパーリード等のマウント
部品８がはんだ接合されて、制御回路を構成している。

１１はアルミワイヤで、トランジスタ１の電極と、厚膜
基板９上のアルミクラッド部材７とを超音波ワイヤボン
ディングにより接続している。１２は樹脂ケース１３に
インサート成形された複数の外部端子で、外部端子１２
の一端にもアルミクラッド部材７′がはんだ付けされて
おり、このアルミクラッド部材７′及び厚膜基板９上の
アルミクラッド部材７との夫ぞれが、アルミワイヤ１１
により超音波ワイヤボンディング接続されている。厚膜
基板９は、放熱フィン６上の支持部１ｏに接着剤１４を
介して接着されて−いる。

１５は樹脂ケース１３のカバーで、カバー１５゜樹脂ケ
ース１３．放熱フィン６は、夫ぞれ接着剤１６．１７を
介して接合されている。

以上の構成において、特にトランジスタ１の放熱部材２
〜４の積層体と放熱フィン６との間、及びマウント部品
７，８を搭載した厚膜基板９と放熱フィン６との間は、
今まではんだ接合されていた箇所であったが、本実施例
でははんだに代えてシリコン接着剤５及び１４を使用し
ている。接着剤を使用する理由は、「発明が解決しよう
とする問題点」でも既述したように、接合作業工程数の
削減化２部品液合作業性及び絶縁性の向上化等が挙げら
れる６反面、接着剤は熱伝導性が悪いため。

本実施例では、接着剤５及び１４中に、絶縁性を有し熱
伝導率の高い素材である窒化アルミニウム（Ａ　Ｑ　Ｎ
）や、炭化シリコン（Ｓ　ｉ　Ｃ）等の粉末を混合して
いる。このＡＱＮ、ＳｉＣの粒径は、接着剤層の厚みを
１００μｍ程度に管理する必要があるため５０μｍ以下
にする必要がある。また。

ＡＲＮ、ＳｉＣ等の粉末を接着剤中に混合させる場合に
は、これらの成分を混線機で充分に混練して、高熱伝導
性の素材である粉末粒子表面をシリコン接着剤でコーテ
ィングするもので、このようにすれば、接着剤層と放熱
部材との界面及び接着剤中の高熱伝導素材粒子同士を充
分に結合することができるので、接着強度を良好に保つ
ことができる。

第２図に、シリコン接着剤中の熱伝導素材の混合率（体
積）と熱伝導率の関係を示す。なお、第２図は、高熱伝
導素材としてＳｉＣ，Ａｌ２Ｎを使用し、これらの素材
をシリコン接着剤中に混合した場合に、（１）式に基づ
き熱伝導率を求めたものである。

熱伝導率＝（（高熱伝導素材ＳｉＣ，ＡＱＮの熱伝導率
）Ｘ（高熱伝導素材の混合率））＋（（シリコン接着剤
の熱伝導率）Ｘ（シリコン接着剤の混合率））　　　　
　　　　　　　　　　　　　・・・（１）しかして、第
２図の点Ｐに示すように、従来のシリコン接着剤のみで
は、Ｉ　Ｗ　／　ｍ　ｋの熱伝導率であるのに対し、３
０％の混合率でＡＱＮは３１Ｗ／ｍｋ、ＳｉＣは５７Ｗ
／ｍｋと大巾に熱伝導率が向上する。また、接着剤中の
熱伝導素材の混合率を高めることにより、熱伝導率を任
意に設定できるため、環境温度の厳しさに応じ、或いは
コストを考慮して、最適な混合率を選択することが可能
となる。

本実施例によれば、発熱体の放熱構造の一要素として使
用される接着剤の熱伝導率を大巾に向上することができ
る。また、混合率により任意の熱伝導率に設定できるた
め、コストを考慮して、環境温度に応じて、最適な放熱
性接着剤を使用できる効果がある。

また、本実施例では、シリコン接着剤に電気的絶縁性を
有する窒化アルミニウム、炭化シリコンを混在させるこ
とにより、放熱構造の電気絶縁性をも確保することがで
きる。

第３図は本発明の第２実施例を示すもので、既述した第
１実施例と同一符号は同−或いは共通する要素を示すも
のである。本実施例は、放熱フィン６上のトランジスタ
１．放熱要素２〜４等の積層体を搭載すべき箇所に、こ
れらの積層体を支持して接着剤層５の厚みを均一に確保
する突起２゜を適宜間隔で配設したものである。このよ
うな接着剤層５の厚みを一定に確保するのは、接着力を
高めると共に、接着剤の厚みに不均一さが生じ厚み不足
の箇所が生じると耐熱応力性（耐熱衝撃性）が低下する
ので、これを防止するためであり、このような突起２０
を設けることにより繰返しの熱応力（熱サイクル）が加
わっても耐熱ＷＩ撃を向上させ接着強度の向上化を図り
得る。

第４図は、本発明の第３実施例を示すもので。

既述した第１．第２の実施例と同一符号は同−或いは共
通する要素を示すものである。

第４図において、６′は銅ベースが構成されるヒートシ
ンクベース、９′はセラミック基板で、セラミック基板
９′上に薄膜回路が形成されると共に、半導体チップ、
チップコンデンサ等のマウント部品８がはんだ接続され
て混成集積回路を構造している。そして、本実施例では
、セラミック基板（以下、厚膜基板とする）９′を銅ベ
ース６′上にシリコン接着剤１４′を介して接合してい
るものであり、この接着剤１４′中に前記第１実施例と
同様の窒化アルミニウム、炭化シリコン等の絶縁性を有
する熱伝導素材（粉末）を少なくとも１種類混在させる
ことにより、接着剤１４′の熱伝導率ひいては放熱構造
全体の放熱性を向上させている。

また、本実施例では、ヒートシンクのベース６′上に、
パワートランジスタ１をヒートシンク要素２，３（符号
２は、例えばモリブデンシートで、３はアルミナよりな
る絶縁板）を介して搭載するが、このトランジスタ１及
びヒートシンク要素２，３よりなる積層体を、第１．第
２実施例とは異なり、接着剤を用いずはんだ部材２１に
よりベース６′上に接合している。このようなはんだ部
材２１を用いてヒートシンク要素３とヒートシンクベー
ス６′とを接合する場合には、「発明が解決しようとす
る問題点」でも述べたように、耐熱ＷＩ撃性の向上化を
図ることが望まれるが、本実施例では、第２実施例と同
様の突起２０をベース６′上に配設して、はんだ２１の
適度の厚みを均一に確保することにより耐熱［！性の向
上化を図つている。

ここで、突起２０を設けた効果を、第５図ないし第７図
に基づき従来例と比較しながら説明する。

従来のはんだ接合の場合、第６図に示すようにヒートシ
ンク要素３とヒートシンクベース６′との接合面が平坦
であるため、両者をはんだ接合２１した場合に、トラン
ジスタ１等の部品の自重によりヒートシンク要素３が傾
き、はんだ２０の厚みを均一化することが困難であった
。ところで、はんだ厚みと剪断ひずみの関係は、第５図
（同図は、はんだ厚みに対する剪断ひずみ量及び熱抵抗
の関係を示す）に示すようにはんだが厚い程、剪断ひず
みは小さくなる。従って、はんだ２０の均一化を図れず
、厚み不足の箇所が生じた場合には、この部分に繰り返
し熱応力が印加されると、剪断ひずみが大きいため、比
較的低サイクルではんだ接続部にクラックが発生する。

そのため、熱伝導が低下し放熱性能が低下するおそれが
ある。以上からすれば、はんだ２０をある程度厚くする
ことにより、剪断ひずみを下げて、耐熱衝撃ひいてはは
んだ接合寿命を向上させることが望まれる。

一方、はんだ厚みと熱抵抗の関係は、第５図に示すよう
にはんだの厚みが増えると熱抵抗も高くなる。つまり、
はんだのようなろう材の接合部には気泡であるボイドが
発生する。このボイド量は。

はんだ量、即ちはんだ厚みが増えるほど、ボイド量も多
くなる。つまり、熱抵抗が大きくなる。従って、剪断ひ
ずみの小さいところとボイド発生量の少ないところとの
均衡のとれた点で、はんだ２０の厚みを設定する必要が
ある。

本実施例では、以上の点を配慮してヒートシンクベース
１に、トランジスタ１からヒートシンク３までの自重を
保ちつつ、はんだ２０の厚みを均一化する突起２０を配
設したもので、また、突起部２０の高さを第４図の特性
線に基づき０．１５〜０．２５　ｍにすれば、はんだ厚
が理想的な厚さで均一に確保でき、従って、はんだ接合
部の寿命を向上させ、更に、熱抵抗も増大することがな
い。

第７図は、突起２０付ヒートシンクと従来のはんだ接合
による熱サイクルに対する耐熱疲労性と熱抵抗変化の比
較を示す。その結果、ヒートシンクに突起を設けたこと
によりはんだ厚みを均一に確保できるので、繰り返し熱
応力により生ずるはんだ接続部のひずみを小さくでき長
寿命化が図れる。

なお、このような突起２ｏの効果は、はんだに代えて接
着剤を使用した場合もいいえる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、放熱構造の要素となる接
着剤中に熱伝導率の高い素材を混合することにより、接
着剤の熱伝導性を高め、ひいては、発熱体の放熱構造の
放熱性能を向上させることができ、発熱を伴う部品の熱
劣化を有効に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す縦断面図、第２図
は、上記実施例に使用する接着剤中の熱伝導素材の混合
率と熱伝導率との関係を表わす特性線図、第３図は、本
発明の第２実施例を示す部分断面図、第４図は、本発明
の第３実施例を示す部分断面図、第５図は、はんだ厚み
と剪断ひずみ及び熱抵抗の関係を表わす特性図、第６図
は、従来の放熱構造を表わす部分断面図、第７図は、上
記第３実施例の突起付ヒートシンク及び従来のはんだ接
合部の耐熱疲労性及び熱抵抗の関係を表わす特性図であ
る。 １・・・発熱体（パワートランジスタ）、４．６・・・
放熱部材、５，１４・・・接着剤。 （ほか１名）゛、□゛ 高２０ 高３日 率４図 率Ｓ日 （！んだ厚み（ｍｕ） 第６図 ヒート寸イフル（〜）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発熱体の放熱部材同士を接着して放熱構造の一部を
   構成している接着剤中に、熱伝導率の高い素材を混合し
   てなることを特徴とする発熱体の放熱構造。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記熱伝導率の高
   い素材は、窒化アルミニウム又は炭化シリコンの少なく
   とも一つよりなることを特徴とする発熱体の放熱構造。