JP2004200567A - 放熱体及びその製造方法、パワーモジュール用基板、パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放熱体16は、熱膨張係数の小さい特性を有する材料からなる低熱膨張材17の粉末と、金属製の高熱伝導材18の粉末とが一体化されることで形成される。低熱膨張材17としては、鉄ニッケル系合金であり、例えばインバー合金からなっている。高熱伝導材18としては、文字通り熱伝導率の良好な材質であって、例えばCu、又はその合金からなっている。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、放熱体及びその製造方法と、パワーモジュール用基板と、パワーモジュールとに係り、特に大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられて、半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるのに好適な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種のパワーモジュール用基板にあっては、セラミックス材料からなる絶縁基板の一方の面に回路層を、他方の面に放熱体を各々備え、この放熱体の絶縁基板と対向する面に、冷却水等の冷却手段を備えた冷却シンク部を備えた構成のものが一般的である。
このようなパワーモジュール用基板に設けられる放熱体は、絶縁基板と接合するために低熱膨張係数の特性を有することが要求される一方、絶縁基板に搭載された半導体チップの熱を放熱するために高熱伝導性も要求される。
【0003】
これらの要求を満たすため、従来の放熱体として、Cuと低熱膨張係数を有するMoの混合体を焼結して形成されたCuMo複合材(特許文献1)、また熱間押出加工によって形成されたCuMo複合材(特許文献2)が提案されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平6−212340号公報
【特許文献2】
特開平8−078578号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパワーモジュール用基板において、放熱体がCuMoで構成されるので、硬度があって重く、加工性に劣ると共に軽量化しにくい問題があった。また、Moの熱膨張係数が5.5×10−6/Kであって、絶縁基板の4.6×10−6/Kより大きく、Cuとの複合体を形成する上で完全な接合性を得ることができにくいので強度上の問題があり、しかも絶縁基板と高温によって接合されたとき、熱膨張係数の違いにより大きな反りを発生するという問題もあった。
【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、加工性が良好で軽量化を図り、また充分な強度を得ることができると共に反り防止を図ることができる放熱体及びその製造方法と、その放熱体を有するパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上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、伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、鉄ニッケル系合金の粉末と、金属製の高熱伝導材の粉末とを一体形成して放熱体を形成することを特徴とする。
【0008】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、鉄ニッケル系合金の粉末と高熱伝導材の粉末とを一体形成することで放熱体を形成するので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となるので、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【0009】
請求項2に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、鉄ニッケル系合金の粉末と、金属製の高熱伝導材の粉末とを一体形成してコア体を形成し、次いで、前記コア体を高熱伝導材からなる金属板で挟着して放熱体を形成することを特徴とする。
【0010】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低熱膨張材の粉末と高熱伝導材の粉末との一体形成によってコア体を形成し、これを金属板で挟着して放熱体を形成するので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となるので、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【0011】
請求項3に係る発明は、請求項2記載の放熱体の製造方法において、前記金属板は、熱間圧延又は冷間圧延によりコア体を挟着することを特徴とする。
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、金属板が熱間圧延又は冷間圧延でコア体を挟着するので、放熱体を強固に形成することができ、良好な放熱体を形成できる。
【0012】
請求項4に係る発明は、請求項1記載の放熱体又は請求項2記載のコア体は、ガス雰囲気中で焼結形成されることを特徴とする。
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、ガス雰囲気中で焼結することで放熱体又はコア体を形成すると、高熱伝導材に付着する表面酸化膜が除去され、低熱膨張材と高熱伝導材とを確実かつ良好に一体化させることができる。
【0013】
請求項5に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体において、鉄ニッケル系合金の粉末と、金属製の高熱伝導材の粉末とで一体に形成することを特徴とする。
【0014】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材の粉末と高熱伝導材の粉末とを一体化することで形成されるので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となることで、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【0015】
請求項6に係る発明は、伝達される熱を放熱させる放熱体において、鉄ニッケル系合金の粉末及び金属製の高熱伝導材を一体に形成してなるコア体と、該コア体を挟着し、かつ高熱伝導材からなる金属板とにより形成することを特徴とする。
【0016】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材の粉末及び高熱伝導材の粉末の一体化によって形成したコア体と、これを挟着する金属板とで形成されるので、構成材料が全て金属となる放熱体を確実に形成することができ、従って、全ての構成材料が金属となることで、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化することができる。
【0017】
請求項7に係る発明は、請求項6記載の放熱体において、前記金属板は、熱間圧延又は冷間圧延によりコア体を挟着することを特徴とする。
この発明に係る放熱体によれば、金属板が熱間圧延又は冷間圧延でコア体を挟着するので、放熱体を強固に形成することができ、良好な放熱体を形成できる。
【0018】
請求項8に係る発明は、請求項5〜7のいずれか記載の放熱体において、前記低熱膨張材は、放熱体における体積含有率が50%以上であることを特徴とする。
この発明に係る放熱体によれば、体積含有率50%以上であるので、熱伝導率を高めることができ、これにより、低熱膨張係数の特性を有する材質で形成されてあっても、良好な熱伝導を得ることができる。
【0019】
請求項9に係る発明は、請求項5〜8のいずれか記載の放熱体において、前記高熱伝導材は、Cu又はその合金からなることを特徴とする。
この発明に係る放熱体によれば、高熱伝導材がCu又はその合金であるので、鉄ニッケル系合金と確実に接合することができ、良好な放熱体を形成することができる。
【0020】
請求項10に係る発明は、請求項5〜9のいずれか記載の放熱体を、絶縁基板に取り付けることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、加工性が良好で、かつ軽量化を図ることができ、その上、構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、それだけ信頼性が高まる。
【0021】
請求項11に係る発明は、請求項10記載のパワーモジュール用基板の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、加工性が良好で、かつ軽量化を図ることができ、その上、構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、それだけ信頼性が高まる。
【0022】
【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から図4はこの発明の第1の実施の形態に係る放熱体を示す図であって、図1は放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図、図2は放熱体を示す説明用斜視図、図3は放熱体を製造するときの説明図、図4は低熱膨張材を型締めする説明図である。
図1に示すパワーモジュール10は、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。
パワーモジュール用基板11は、例えばAlN、Al2O3、Si3N4、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が積層接合されると共に、その下面に金属層13が積層接合される。回路層12及び金属層13は、Al、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。
【0023】
絶縁基板11の回路層12上には、図1に示すように、はんだ14によって半導体チップ30が搭載される一方、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、更に、この放熱体16が冷却シンク部20に取り付けられて使用され、該冷却シンク部20内の冷却水(或いは冷却空気)21により、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。放熱体16は、冷却シンク部20に取付ねじ22によって密着した状態で取り付けられる。
【0024】
この実施形態の放熱体16は、図2及び図3に示すように、熱膨張係数の小さい特性を有する材料からなる低熱膨張材17の粉末と、金属製の高熱伝導材18の粉末とが一体化されることで形成されている。
【0025】
即ち、低熱膨張材17としては、いわゆる鉄ニッケル系合金であり、例えばインバー合金からなっている。インバー合金(以下、インバーと略称す)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。高熱伝導材18としては、文字通り熱伝導率の良好な材質であって、例えばCu、又はその合金からなっている。
【0026】
そして、図4に示すように、低熱膨張材17の粉末と高熱伝導材18の粉末とが焼結金型31で型締めされると、図2及び図3に示すように、双方17、18の粉末が互いに結合されることで放熱体16が形成される。焼結金型31に限らず、通常の成形金型で成形してもよい。
低熱膨張材17が放熱体16全体で占める体積含有率(断面積比率ともいう)としては、インバーの場合、30%以上で、好ましくは50%以上となっている。
【0027】
なお、図4に示す焼結金型31は、ダイ32のキャビティ内にコア33がセットされると低熱膨張材17及び高熱伝導材18の粉末がそれぞれ所望の割合で混合して充填され、その状態でパンチ34が下降することで、図2及び図3のような放熱体16が形成される。図2及び図3は、説明の都合上、低熱膨張材17と高熱伝導材18との粉末粒子が拡大して描かれている。
【0028】
また、成形に際しては、インバーからなる低熱膨張材17のみならず、それ以外の金属製からなる低熱膨張材が混入されてあってもよく、例えば線状に形成されたフィラー等を混入させてもよく、要は、低熱膨張材であって、その高熱伝導材18との接合性が良好な鉄ニッケル系合金であればよい。
【0029】
このようにして形成された放熱体16は、例えば熱伝導率が100W/mK以上で、熱膨張係数が絶縁基板11の熱膨張係数αの±40%程度、つまり4×10−6/K<α<10×10−6/Kの大きさとなっている。
【0030】
このように、放熱体16がインバーのような低熱膨張材17の粉末と、それより熱膨張係数の大きい高熱伝導材18の粉末とを一体化することで形成されたとしても、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ので、放熱体16と絶縁基板11間の熱膨張係数の差を小さくして絶縁基板11に近づけることができる。そのため、両者16、11をはんだ15(若しくはろう付けや拡散接合等)によって接合した場合、放熱体16に絶縁基板11に向かうような反りが発生するのを防止することができると共に、絶縁基板11から放熱体16への熱伝達が良好に行われることとなる。
【0031】
この実施形態の放熱体16は、前述したように、低熱膨張材17及び高熱伝導材18を一体化することで形成され、従って、従来のようにMoを使用していなので、構成部材間の接合性が良好となり、特に高熱伝導材18がCu又はその合金であると、鉄ニッケル系合金との接合性が確実に良好となる。また、Moを使用しないことで、放熱体16自体を軽量化することができ、ひいては絶縁基板11全体の軽量化を図ることができると共に、それだけパワーモジュール10を軽量化できる。
【0032】
また、低熱膨張材17の粉末及び高熱伝導材18の粉末をガス雰囲気中で焼結形成すると、高熱伝導材18の表面に付着してる表面酸化膜が破壊され、該酸化膜のない高熱伝導材18と低熱膨張材17が互いに密接に金属結合するので、高熱伝導材18と低熱膨張材17との接合性を強固にすることができ、強固な接合性が得られる。
しかも、低熱膨張材17は、高熱伝導材18に比較すると、熱伝達率が落ちるものの、双方の粉末同士が一体形成されることで放熱体16としての熱伝達が低下するのを回避することができる。
【0033】
従って、この実施形態によれば、重い材料が使用されていないことから、加工性が良好で、かつ軽量化を図ることができ、その上、構成部材間の接合性が良好となる放熱体を確実に形成でき、これにより、絶縁基板11及びパワーモジュール10としての信頼性を高めることができる。
【0034】
図5は、この発明の第2の実施の形態の放熱体を示している。
この実施の形態においては、低熱膨張材17の粉末と高熱伝導材18の粉末を一体化してコア体24を形成した後、次いで、高熱伝導材18と同程度の高熱伝導材からなる金属板25を用意し、これらの金属板25、25でコア体24を挟着することで放熱体16が構成される。この金属板25は、コア体24中における高熱伝導材18との接合性を考慮すれば、高熱伝導材18と同一であることが好ましいが、異なってもよい。
【0035】
従って、前述した実施形態の放熱体の場合と同様にしてコア体24を形成した後、これを金属板25で挟着することで放熱体16が形成されることとなる。その場合、金属板25は、熱間圧延又は冷間圧延加工されることでコア体20を確実にかつ強固に挟着することができる。このようにして形成された放熱体16の熱伝導率及び熱膨張率は、前述した実施形態の場合と同程度に構成される。
【0036】
この実施形態によれば、低熱膨張材17と高熱伝導材18との一体化で形成されたコア体24を用いるので、基本的には第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができ、しかも、コア体24が金属板25で挟着されるので、第1の実施形態に比較すると、絶縁基板11と放熱体16間での熱伝導がいっそう良好なり、放熱作用がいっそう高まる利点もある。
【0037】
なお、上記実施の形態において、低熱膨張材17として、インバーを用いた例を示したが、他の低熱膨張材を用いてもよく、例えば、42合金、或いはCuインバーのような低熱膨張材によって形成してもよく、更にはスーパーインバー等であってもよく、いずれにしろ、鉄ニッケル系合金であれば図示実施形態に限定されるものではない。また、低熱膨張材17の体積含有率としては、使用する低熱膨張材及び高熱伝導材の材質、目標とすべき熱伝導率や熱膨張係数の値によって適宜選定すればよい。
また、放熱体16に冷却シンク部20を設けた構成を示したが、この形態に限らず、放熱体16表面にろう材を介してコルゲートフィンを設ける構成としてもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、鉄ニッケル系合金の粉末と金属製の高熱伝導材の粉末とを一体化することで、放熱体を形成するようにしたので、加工性が良好になると共に、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化でき、熱伝導と放熱特性に優れた良好な放熱体を製造できる効果が得られる。
【0039】
請求項2に係る発明によれば、低熱膨張材の粉末と高熱伝導材の粉末とを一体化してコア体を形成し、これを金属板で挟着して放熱体を形成するので、請求項1と同様、加工性が良好で構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体の軽量化できる結果、熱伝導と放熱特性に優れた良好な放熱体を製造できる効果が得られる。
【0040】
請求項3に係る発明によれば、放熱体を強固に形成することができるという効果が得られる。
【0041】
請求項4に係る発明によれば、ガス雰囲気中で焼結形成することで、高熱伝導材に付着する表面酸化膜が除去されるので、低熱膨張材と高熱伝導材とを確実かつ良好に一体化できるという効果が得られる。
【0042】
請求項5に係る発明によれば、低熱膨張材の粉末及び高熱伝導材の粉末を一体化して形成するので、加工性が良好で、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体の軽量化できる結果、熱伝導と放熱特性に優れる効果が得られる。
【0043】
請求項6に係る発明によれば、コア体とこれを挟着する金属板とで構成したので、加工性が良好で、構成材料間の接合性も良好となり、かつ放熱体自体を軽量化できる結果、熱伝導と放熱特性に優れる効果が得られる。
【0044】
請求項7に係る発明によれば、金属板が熱間圧延又は冷間圧延でコア体を挟着するので、放熱体を強固に形成することができ、良好な接合性の放熱体を形成できる効果が得られる。
【0045】
請求項8に係る発明によれば、低熱膨張材で形成されてあっても、良好な熱伝導を得ることができるという効果が得られる。
【0046】
請求項9に係る発明によれば、高熱伝導材がCu又はその合金であって、鉄ニッケル系合金と確実に接合することができ、良好な放熱体を形成できる効果が得られる。
【0047】
請求項10に係る発明によれば、加工性が良好で軽量化を図り、かつ構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、パワーモジュール用基板としての信頼性が高まる効果が得られ、特に窒化アルミナのような基板にろう付けのような高温で放熱体を接合するのに有益となる。
【0048】
請求項11に係る発明によれば、加工性が良好で軽量化を図り、かつ構成部材間の接合性が良好となる放熱体を有するので、パワーモジュールとしての信頼性が高まる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の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】放熱体を示す説明用斜視図である。
【図3】図1及び図2における放熱体を製造するときの説明図である。
【図4】低熱膨張材を型締めする説明図である。
【図5】この発明の第2の実施の形態に係る放熱体を示す要部の断面図である。
【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 低熱膨張材(鉄ニッケル系合金)
18 高熱伝導材
24 コア体
25 金属板
30 半導体チップ
Claims (11)
- 伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、
鉄ニッケル系合金の粉末と、金属製の高熱伝導材の粉末とを一体形成して放熱体を形成することを特徴とする放熱体の製造方法。 - 伝達される熱を放熱させる放熱体の製造方法において、
鉄ニッケル系合金の粉末と、金属製の高熱伝導材の粉末とを一体形成してコア体を形成し、
次いで、前記コア体を高熱伝導材からなる金属板で挟着して放熱体を形成することを特徴とする放熱体の製造方法。 - 請求項2記載の放熱体の製造方法において、
前記金属板は、熱間圧延又は冷間圧延によりコア体を挟着することを特徴とする放熱体の製造方法。 - 請求項1記載の放熱体又は請求項2記載のコア体は、ガス雰囲気中で焼結形成されることを特徴とする放熱体の製造方法。
- 伝達される熱を放熱させる放熱体において、
鉄ニッケル系合金の粉末と、金属製の高熱伝導材の粉末とで一体に形成することを特徴とする放熱体。 - 伝達される熱を放熱させる放熱体において、
鉄ニッケル系合金の粉末及び金属製の高熱伝導材を一体に形成してなるコア体と、該コア体を挟着し、かつ高熱伝導材からなる金属板とにより形成することを特徴とする放熱体。 - 請求項6記載の放熱体において、
前記金属板は、熱間圧延又は冷間圧延によりコア体を挟着することを特徴とする放熱体。 - 請求項5〜7のいずれか記載の放熱体において、
前記低熱膨張材は、放熱体における体積含有率が50%以上であることを特徴とする放熱体。 - 請求項5〜8のいずれか記載の放熱体において、
前記高熱伝導材は、Cu又はその合金からなることを特徴とする放熱体。 - 請求項5〜9のいずれか記載の放熱体を、絶縁基板に取り付けることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- 請求項10記載のパワーモジュール用基板の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とするパワーモジュール。
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