JP2004172379A - 放熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】被放熱体及び放熱体の双方の熱膨張係数差に拘わることなく、反りを抑制できると共に、熱伝導率が低下することも抑制できること。
【解決手段】被放熱体の熱を放熱させる放熱体１６であって、放熱体１６は、放熱体本体１７と、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８と、放熱体本体１７に設けられたフィン１９とを備え、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体よりなり、低熱膨張材１８は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１７に鋳ぐまれている。また、フィン１９は、放熱体１６の周縁部における対向する端部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ間の曲げ剛性が、他の端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低い一の端部Ｃ，Ｄ間方向に位置させて配置されている。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【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合される。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し、また、放熱体は、高熱伝導材である純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、半導体チップからの熱を良好に外部に放出できるようになっている。ここで、放熱体が、更に良好な放熱効果を奏するようにして、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを確実に防止できる構成を実現するため、放熱体にフィンを設けた構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−３３５６５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来では、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こと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してしまい、そのため、放熱体の放熱効果低下を招いていた。
【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止するために、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。この場合、熱膨張係数の低い方（被放熱体）に合わせることになるが、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、反り対策と良好な放熱効果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こと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】
前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、被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、前記放熱体は、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、前記放熱体本体に設けられたフィンとを備え、前記放熱体本体と前記フィンとは一体成形された鋳造体よりなり、前記低熱膨張材は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前記放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の放熱体において、前記低熱膨張材は、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。
【０００９】
これらの発明に係る放熱体によれば、放熱体に低熱膨張材が設けられているとともに、低熱膨張材に前記連絡開口部を設け、この連絡開口部を介して放熱体本体を充填し、低熱膨張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になるとともに、熱伝導率の低下を確実に抑制することになる。また、放熱体はフィンを備えているため、放熱体全体の放熱効果を向上させることになり、さらに、放熱体本体とフィンとは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体を容易に形成できることになる。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でも、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生することを確実に抑制することができるとともに、放熱体自体の熱伝導率が低下することも抑制することができ、これらの作用を奏する放熱体を確実に形成することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の放熱体において、前記フィンは、前記放熱体本体の板面に沿う方向において、前記放熱体の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低い一の端部間方向に位置させて配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係る放熱板によれば、フィンは、放熱体本体の板面に沿う方向において、放熱体の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低い一の端部間方向に位置させて配置されているので、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に、被放熱体へ向かう反りを発生させる力が作用して、放熱体の前記一の端部間方向に曲げが発生することを抑制することになる。すなわち、フィンが、放熱体の前記一の端部間方向に発生する曲げに対して抗することになる。
【００１２】
【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はこの発明の一実施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。
本実施形態のパワーモジュール１０は、図１に示すように、被放熱体としてのパワーモジュール用基板１１に放熱体１６が接合して構成されている。
【００１３】
パワーモジュール用基板１１は、例えばＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，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、その上面に回路層１２が，下面に金属層１３が各々積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ等により形成されている。以下、パワーモジュール用基板１１を「絶縁基板１１」と略称する。
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、絶縁基板１１の下面側，すなわち金属層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、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。
【００１４】
ここで、放熱体１６は、放熱体本体１７と、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８と、放熱体本体１７の下面に突出して設けられたフィン１９とを備え、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体より形成されている。これら放熱体本体１７とフィン１９とは、例えば純Ａｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金等，好ましくは純度９９．５％以上のＡｌ合金のような熱伝導性の良好な材質，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以上のものである。
【００１５】
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、後述するように放熱体本体１７の内部に埋設することで、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る。この低熱膨張材１８は、Ｆｅ―Ｎｉ系合金，例えばインバー合金からなり、熱膨張係数がおよそ５×１０^−６／℃以下である。
ここで、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。
【００１６】
このような材質からなる低熱膨張材１８は、図２，図３に示すように、低熱膨張材１８が、絶縁基板１１側の放熱体本体１７と接合される一方の面と、フィン１９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に連絡すると共に、該厚み方向と交差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２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。
【００１７】
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図３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を前記厚み方向に沿って組付けることで連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。ここで、連絡開口部４０は、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄと、斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂとで形成された空間となっている。そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列設けられると共に、連絡開口部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る。
【００１８】
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、その材料が連絡開口部４０内に側方から充填される。そして、この低熱膨張材１８は、側面から見たとき、図２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、フィン１９が形成されている下層の放熱体本体１７との間に埋設されることになる。
【００１９】
ここで、低熱膨張材１８は前述したように構成されているため、図３において、低熱膨張材１８の周縁部における対向する端部Ａ，Ｂ、Ｃ，Ｄ間の低熱膨張材１８の曲げ剛性が、他の端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低い一の端部Ｃ，Ｄ間を有する，すなわち異方性を有することになる。
【００２０】
具体的に述べると、図３において、低熱膨張材１８（放熱体１６）の端部Ａ，Ｂを把持してこれを曲げた際、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄには面外変形させようとする力が作用することになり、比較的容易に曲がることになるが、斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂには若干の面外変形させようとする力が作用するものの、主に面内変形させようとする力が作用することになり、この斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂが前記曲げに対してはリブとして作用することになり前記曲げに対する剛性を高める構成となっている。
これに対し、低熱膨張材１８（放熱体１６）の端部Ｃ，Ｄを把持してこれを曲げた際、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄ及び斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂには共に、面外変形させようとする力が主に作用することになる。
【００２１】
以上により、図３に示す低熱膨張材１８（放熱体１６）においては、端部Ａ，Ｂを把持してこれを曲げたときの剛性より、端部Ｃ，Ｄを把持したときの曲げ剛性の方が低いことになる。
このように構成された低熱膨張材１８を有する放熱体１６に、図４に示すように、フィン１９が、放熱体本体１７の板面に沿った方向において、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間方向と対応した方向に連続して設けられると共に、端部Ａ，Ｂ間方向と対応した方向に所定の間隙を有し複数列設けられている。
【００２２】
以上説明したように本実施形態によるパワーモジュールによれば、放熱体１６に低熱膨張材１８が設けられているとともに、低熱膨張材１８に連絡開口部４０が設けられ、この連絡開口部４０を介して放熱体本体１７を充填し、低熱膨張材１８が放熱体本体１７に鋳ぐまれる構成としたので、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とともに、絶縁基板１１側の上層の放熱体本体１７とフィン１９が設けられている下層の放熱体本体１７とを完全に分離することを回避可能な構成を実現でき、放熱体１６全体としての熱伝導率の低下を確実に抑制することができる。
【００２３】
また、放熱体１６はフィン１９を備えているため、放熱体１６全体の放熱効果を向上させることができ、さらに、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体１６を容易に形成することができる。従って、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ等によって接合した場合でも、放熱体１６に絶縁基板１１に向かう反りが発生することを確実に抑制することができるとともに、放熱体１６全体としての熱伝導率が低下することも抑制することができる放熱体１６を容易に形成することができる。
【００２４】
ここで、低熱膨張材１８は前述したように、放熱体本体１７に鋳ぐるみ易い前述した構成であるため前記効果を奏することができる反面、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間の曲げ剛性が、端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低くなり、結果これを有する放熱体１６においても同様に曲げ剛性についての異方性を有することになる。しかし、フィン１９を放熱体本体１７の板面に沿った方向において、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間方向と対応させた方向に連続して設けると共に、端部Ａ，Ｂ間方向と対応させた方向に所定の間隙を有し複数列設けた構成としたので、放熱体１６全体としての曲げ剛性の低下を確実に抑制することができる。
【００２５】
すなわち、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ等によって接合した際、放熱体１６が絶縁基板１１に向かう反りを発生させる力が作用し、この際、放熱体１６においては、低熱膨張材１８の端部Ｃ，Ｄ間方向と対応した方向に曲げが発生し易いことになるが、前述のようにフィン１９を放熱体本体１７に設けることにより、このフィン１９が前記曲げ発生に対して抗することができる。これにより、放熱体１６の反り発生抑制を確実に実現することができる。
【００２６】
さらにまた、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を介して外部に良好に放熱されることになる。すなわち、パワーモジュール１０全体としての熱伝導率が低下することを抑制することができ、パワーモジュール１０全体としての温度上昇を抑制することができる。この結果、絶縁基板１１と放熱体１６との熱膨張係数に差があっても、放熱体１６の温度上昇を抑制することができるため、放熱体１６の反り発生抑制効果を備えた，良好なパワーモジュール１０を得ることができる。
【００２７】
なお、前述の実施形態では、放熱体本体１７に積層された低熱膨張材１８として、Ｆｅ―Ｎｉ系合金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。
【００２８】
また、放熱体１６がパワーモジュール用基板１１に取付られた例を示したが、この基板１１に限らず、他の発熱体や熱源に取付られる場合にも適用することができ、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。
さらに、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が設けられた例を示したが、金属層１３を設けず絶縁基板１１をはんだ１５を介して放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【００２９】
さらにまた、前述した低熱膨張材１８に替えて、いわゆるコルゲートルーバ，斜面壁のみにより断面矩形に形成された連絡開口部４０を有するエキスパンド構造，若しくは前記実施形態のいわゆる，ハニカム構造を一層設けたもの，又は前記構造のうちの一つを複数積層させた構成としてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る放熱体によれば、放熱体本体に低熱膨張材が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るとともに、熱伝導率の低下を確実に抑制することができる。
また、放熱体はフィンを備えているため、放熱体全体の放熱効果を向上させることができ、さらに、放熱体本体とフィンとは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体を容易に形成することができる。
【００３１】
また、低熱膨張材を放熱体本体に鋳ぐるみ易い構成としたために、放熱体が曲げ剛性に対して異方性を有した場合でも、フィンが放熱体本体の板面に沿った方向に対して、前記一の端部間方向に位置させて配置されているので、放熱体の前記一の端部間方向に発生する曲げを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施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】図１に示す放熱体の拡大断面側面図である。
【図３】図１，図２に示す低熱膨張材の要部を示す拡大斜視図である。
【図４】図１に示す低熱膨張材の曲げ剛性に対する異方性と、フィンの配設位置との関係を説明図である。
【符号の説明】
１０ パワーモジュール
１１ 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 フィン
３０ 半導体チップ（チップ）
４０ 連絡開口部
４１，４２ 板状体
４３ 連鎖状体
Ａ，Ｂ 低熱膨張材（放熱体）の他の端部
Ｃ，Ｄ 低熱膨張材の（放熱体）の一の端部

Claims (3)

1. 被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、
   前記放熱体は、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、前記放熱体本体に設けられたフィンとを備え、
   前記放熱体本体と前記フィンとは一体成形された鋳造体よりなり、
   前記低熱膨張材は、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前記放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたことを特徴とする放熱体。
2. 請求項１に記載の放熱体において、
   前記低熱膨張材は、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。
3. 請求項１又は２に記載の放熱体において、
   前記フィンは、前記放熱体本体の板面に沿う方向において、前記放熱体の周縁部における対向する端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低い一の端部間方向に位置させて配置されていることを特徴とする放熱体。

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