JP2006019410A - 放熱体およびその製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 放熱体本体17に、放熱体本体17の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体18が積層され、放熱体本体17の表面側に設けられた発熱体30の熱を積層方向に伝導させ放散させる構成とされた放熱体16であって、低熱膨張体18に穿設された貫通孔19内に、放熱体本体17より熱伝導率の高い孔埋め材21が配設され、放熱体本体17と、低熱膨張材18および孔埋め材21とがろう付けされ接合されている。
【選択図】 図1
Description
請求項1に係る発明は、放熱体本体に、該放熱体本体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体が積層され、前記放熱体本体の表面側に設けられた発熱体の熱を積層方向に伝導させ放散させる構成とされた放熱体であって、前記低熱膨張体に穿設された貫通孔内に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、前記放熱体本体と、前記低熱膨張材および前記孔埋め材とがろう付けされ接合されていることを特徴とし、前記放熱体本体としてはCr−Zr−Cu系合金若しくはNi−Si−Cu系合金が好ましく、前記低熱膨張体としてはFe−Ni系合金が好ましく、前記孔埋め材としては純Cuが好ましい。
特に、放熱体本体,低熱膨張体,および孔埋め材を前述した材料により形成すると、低熱膨張性および高熱伝導性を確実に具備させることができるとともに、放熱体の高強度化を図ることができ、したがって、放熱体より熱膨張係数の小さい発熱体側と放熱体とが接合された構成において、これが温度サイクル下で使用されても、放熱体に反りが発生することを抑制することができる。
また、この発明に係る放熱体の製造方法によれば、孔埋め工程と接合工程とを各別に有するので、低熱膨張体の表裏面に各々配設された放熱体本体の厚さを略均一にすることが可能になり、放熱体の使用に際し、この放熱体に反りが発生することを抑制することができる。
このパワーモジュールは、大別すると図1に示すように、パワーモジュール用基板10と、冷却シンク部31とを備えている。
パワーモジュール用基板10は、例えばAlN,Al2O3,Si3N4,SiC等により形成された絶縁基板11と、この絶縁基板11の上面に配設された回路層12と、絶縁基板11の下面に配設された金属層13と、回路層12の上面に配設された半導体チップ(発熱体)30と、金属層13の下面に配設された放熱体16とを備えている。
そして、金属層13の下面にはんだ15により、あるいはろう付けや拡散接合等により放熱体16が接合され、さらに、この放熱体16に、取り付けねじ33により冷却シンク部31が取り付けられてパワーモジュールが構成されている。
なお、貫通孔19を平面視6角形状とすることにより、低熱膨張体18の表面上で、各貫通孔19同士の間隔を略一定とすることを容易に実現することができ、前記各領域X,Yごとで、低熱膨張体18の表面に沿った方向において、熱伝導率の均一化を実現できるようになっている。
また、貫通孔19の開口端部は、図3に示すように、この開口端から貫通方向に向うに従い漸次縮径されるとともに、径方向内方に向って凸とされた凸曲面部19aとされ、この凹曲面部19aの表面を含めた貫通孔19の内側の略全域にわたって孔埋め材19が配設された構成となっている。
また、低熱膨張体18はFe−Ni系合金により形成され、孔埋め材21は純Cuにより形成されている。低熱膨張体18のFe−Ni系合金としては特にインバー合金(熱膨張係数が約2.0×10−6/℃以下)が好ましい。このインバー合金は、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。ただし、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。
さらに、放熱体本体17と、低熱膨張体18および孔埋め材21とを接合するろう材として、本実施形態では、JIS Z 3261に規定されるAg−Cu系のろう材を採用した。
すなわち、低熱膨張体18の厚さAを放熱体本体の厚さBの0.3倍以上1.3倍以下とすることにより、放熱体16の熱膨張係数の低下,すなわち放熱体16の反り発生抑制と、放熱体16の熱伝導率の低下抑制との双方を図ることができる。
まず、低熱膨張体18のうち、対応領域Xと周辺領域Yとで占有面積比を異ならせて貫通孔19を複数穿設するとともに、これらの各貫通孔19の空間体積より大きい体積の孔埋め材19を純Cuにより形成する。この孔埋め材21としては、例えば図4に示すようないわゆるリベット形状がある。
72Ag−28Cuからなる厚さ約50μmのろう材と、Cu−Cr−Zr系合金からなる厚さ約1.0mm,幅約80mm,長さ約200mmの放熱体本体17と、Fe−36Ni系合金からなる厚さ約1.0mm,幅約80mm,長さ約200mmの低熱膨張体18とを採用した。そして、低熱膨張体18の表面に最外径約5.8mmの貫通孔19を、互いが約5.8mmのピッチ間隔を有するように複数形成し、この貫通孔19内に前述のように孔埋め材21を配設する。
以上により、放熱体本体17と、低熱膨張体18および孔埋め材21とが接合され、放熱体16が得られる。
11 絶縁基板
16 放熱体
17 放熱体本体
18 低熱膨張体
19 貫通孔
19a 凸曲面部
21 孔埋め材
30 半導体チップ(発熱体)
X 対応領域
Y 周辺領域
Claims (8)
- 放熱体本体に、該放熱体本体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体が積層され、前記放熱体本体の表面側に設けられた発熱体の熱を積層方向に伝導させ放散させる構成とされた放熱体であって、
前記低熱膨張体に穿設された貫通孔内に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材が配設され、
前記放熱体本体と、前記低熱膨張材および前記孔埋め材とがろう付けされ接合されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1記載の放熱体において、
前記貫通孔は、前記低熱膨張体の表面のうち、前記発熱体と対応する領域における占有面積比が、該対応領域の周辺領域における占有面積比より小さくなるように形成されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1または2に記載の放熱体において、
前記貫通孔の開口端部は、当該開口端から貫通方向に向うに従い漸次縮径されるとともに、径方向内方に向って凸とされた凸曲面部とされていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1から3のいずれかに記載の放熱体において、
前記低熱膨張体の表裏面に前記放熱体本体が配設された3層構造とされ、
これらの放熱体本体に前記孔埋め材がろう付けされ接合されていることを特徴とする放熱体。 - 放熱体本体に、該放熱体本体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体が積層され、前記放熱体本体の表面側に設けられた発熱体の熱を積層方向に伝導させ放散させる構成とされた放熱体の製造方法であって、
前記低熱膨張体に穿設された貫通孔に、前記放熱体本体より熱伝導率の高い孔埋め材を配設する孔埋め工程と、
該孔埋め工程の後に、前記放熱体本体と、前記低熱膨張体および前記孔埋め材とをろう付けにより接合する接合工程とを有することを特徴とする放熱体の製造方法。 - 請求項5記載の放熱体の製造方法において、
前記孔埋め工程は、予め形成された前記貫通孔の空間体積より大きい体積の孔埋め材を前記貫通孔に圧入することを特徴とする放熱体の製造方法。 - 放熱体本体に、該放熱体本体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体が積層された放熱体と、発熱体を備えた絶縁基板とを備え、
前記放熱体の一方の表面に前記絶縁基板が配設され、前記発熱体の熱を積層方向に伝導させ放散させる構成とされたパワーモジュール用基板であって、
前記放熱体が請求項1から4のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 放熱体本体に、該放熱体本体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体が積層された放熱体と、発熱体を備えた絶縁基板と、内部に冷媒が循環する構成とされた冷却シンク部とを備え、
前記放熱体の一方の表面に前記絶縁基板が配設されるとともに、他方の表面に前記冷却シンク部が配設され、
前記発熱体の熱を前記放熱体の一方の表面から他方の表面に伝導させ放散させる構成とされたパワーモジュールであって、
前記放熱体が請求項1から4のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とするパワーモジュール。
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