JP2011199202A - 熱拡散部材、放熱部材及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱拡散部材の熱拡散性能の向上及び基板等との線膨張係数の相違に起因する故障等の防止を実現する。
【解決手段】基準軸((D)参照)の軸回りの互いに異なる位置に、配向性黒鉛から成る黒鉛層が形成された４個の熱伝導部材24,26,28,30を、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第１方向((A)のA方向又はC方向)が基準軸と各々平行となり、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿いかつ第１方向と直交する第２方向((A)のB方向又はD方向)が、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上の熱伝導部材の第２方向と交差する向きになると共に、他の熱伝導部材と接触するように各々配置し、各熱伝導部材を互いに接合することでヒートシンク16を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は熱拡散部材、放熱部材及び冷却装置に係り、特に、配向性黒鉛から成る黒鉛層によって熱を拡散させる熱拡散部材、前記熱拡散部材を含む放熱部材、及び、前記放熱部材を含んで構成された冷却装置に関する。

半導体素子等の発熱体からの熱を拡散させて発熱体の過熱等を防止するヒートシンクとしては、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属で製造することが一般的であるが、ダイヤモンドに匹敵する高い熱伝導率を示しかつ安価な配向性黒鉛を用いてヒートシンクを構成することも提案されており、例えば特許文献１には、配向性黒鉛から成り黒鉛層が複数積層された矩形状のヒートシンクを、発熱体としての長尺状の半導体素子(レーザダイオード)に対してｃ面(黒鉛層の面)が垂直となるように配置した構成が開示されている。

また、特許文献２には、マトリックス金属材と炭素繊維布を組み合わせた炭素繊維強化金属(ＣＦＲＭ)から成るヒートスプレッダにおいて、炭素繊維布に含まれる炭素繊維材はヒートスプレッダの第１面に沿う延び成分を有し、前記第１面に対する個々の炭素繊維材の仮想投影線が、ヒートスプレッダ厚さ方向に延びる基準軸を中心として放射状に延びるように、個々の複数の炭素繊維材を配置した構成が開示されている。

特開平８−１９１１２１号公報 特開２００５−３４７６１６号公報

配向性黒鉛は、黒鉛層に沿った方向(ｃ面方向ともいう)の熱伝導率は1000Ｗ／ｍ・Ｋ以上と極めて高いものの、黒鉛層と垂直な方向(ｃ軸方向ともいう)の熱伝導率は10Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低い。このため、特許文献１に記載のヒートシンクにおいて、黒鉛層と垂直な方向に沿った両端面は発熱体から受けた熱の拡散に殆ど寄与しないことになり、熱拡散性能の点で改善の余地がある。

また、半導体素子の線膨張係数は、例えばシリコンであれば約3ppm／Ｋ、シリコンカーバイドであれば4〜6ppm／Ｋのように金属よりも小さく、半導体素子を搭載する基板の線膨張係数についても、例えば窒化アルミであれば約4〜6ppm／Ｋのように金属よりも小さい。これに対して配向性黒鉛は線膨張係数にも異方性があり、黒鉛層に沿った方向の線膨張係数は極めて小さい(温度上昇に対して僅かに収縮する)が、黒鉛層と垂直な方向の線膨張係数は30ppm／Ｋ近くにも達する。

特許文献１に記載の技術では、発熱体としての長尺状の半導体素子をヒートシンクの黒鉛層と垂直な方向に沿って配置しているので、半導体素子とヒートシンクを構成する配向性黒鉛との線膨張係数の差は20ppm／Ｋ近くにもなり、半導体素子とヒートシンクをはんだ等によって接合していたとすると、温度が変化する度にはんだに歪や応力が加わることが繰り返されることで、はんだにクラックが発生したり、場合によっては半導体素子が破壊される恐れもある。

また、特許文献１に記載のヒートシンクは、前述のように、黒鉛層と垂直な方向に沿った両端面を除く各表面から熱が放散されるので、ヒートシンクによる冷却対象の素子の周辺に他の素子も配置する場合、ヒートシンク自体の冷却が阻害されず、かつヒートシンクから放散される熱を受けて故障等が生ずることの無いように、他の素子の配置位置を定める必要があり、冷却対象の素子の周辺への他の素子の配置レイアウトの自由度が制限されるという問題もある。

また、特許文献２に記載の技術は、炭素繊維強化金属(ＣＦＲＭ)を従来例として、炭素繊維布に銅やアルミを含浸した構造である。このとき、炭素繊維中のグラフェン(黒鉛層)の場合、熱の伝導は軸方向で最も高く、１次元的である。炭素繊維を布に織ることにより、熱伝導の方向が布の縦糸や横糸の方向へ分散される(約１／２になる)。

これに対して本発明では、高配向黒鉛を放射状に配置したことにより、熱の伝導は縦横共に高い値を示す。これは、２次元的に連なったベンゼン環の網目を、熱が縦方向や横方向に限定されず自由に伝導するためである。このように、マクロに見た場合(図上では)、特許文献２に記載の炭素繊維布と本発明の黒鉛層には顕著な差異が無いように見えるが、内部構造や分子構造まで立ち入ると、両者は全く異なり、その構造に起因する効果(冷却性能、線膨張係数)も本発明の方が圧倒的に優れている。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、熱拡散性能の向上及び線膨張係数の相違に起因する故障等の防止を実現できる熱拡散部材を得ることが目的である。

また本発明は、発熱体としての素子の周辺に他の素子を配置する場合の配置レイアウトの自由度を向上させることができる放熱部材及び冷却装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱拡散部材は、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、配向性黒鉛から成る黒鉛層が形成された３個以上の熱伝導部材が、個々の前記熱伝導部材の前記黒鉛層に沿った第１方向が前記基準軸と各々平行となり、個々の前記熱伝導部材の前記黒鉛層に沿いかつ前記第１方向と直交する第２方向が、前記基準軸と各々直交しかつ他の１個以上の前記熱伝導部材の前記第２方向と交差する向きになると共に、他の前記熱伝導部材と接触するように各々配置され、３個以上の前記熱伝導部材が互いに接合されて構成されている。

請求項１記載の発明に係る熱拡散部材は、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、配向性黒鉛から成る黒鉛層が形成された３個以上の熱伝導部材が各々配置されて構成されている。ここで個々の熱伝導部材は、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第１方向が基準軸と平行となり、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿いかつ第１方向と直交する第２方向が、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上の熱伝導部材の第２方向と交差する向きとされている。これにより、基準軸の軸回りに配置された３個以上の熱伝導部材の黒鉛層は、個々の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状又は放射状に近い向きとなるように配列されることになる。そして、個々の熱伝導部材は他の熱伝導部材と接触するように各々配置されており、請求項１記載の発明に係る熱拡散部材は、３個以上の熱伝導部材が互いに接合されて構成されている。

上記構成により、請求項１記載の発明に係る熱拡散部材を、例えば請求項７にも記載したように、当該熱拡散部材のうち基準軸(第１方向)に沿った一端部を含む端部が発熱体と接触するように配置すると、発熱体から受けた熱は、個々の熱伝導部材の黒鉛層を第１方向及び第２方向に沿って高い熱伝導率で伝導することで、熱拡散部材のうち基準軸に沿った他端部側から熱が放射・拡散されると共に、熱拡散部材のうち基準軸と直交する方向に沿った端部からも基準軸の軸回りの全周に亘って熱が放射・拡散されることになるので、特許文献１に記載のヒートシンクと比較して熱拡散性能の向上を実現することができる。

また、請求項１記載の発明に係る熱拡散部材は、前述のように、３個以上の熱伝導部材の黒鉛層が、個々の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状又は放射状に近い向きとなるように配列されているので、線膨張係数の高い方向、すなわち黒鉛層に直交する方向が基準軸の周方向又は周方向に近い向きとなり、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に配置された個々の熱伝導部材によって線膨張係数の高い方向が相違することから、温度変化に伴う熱拡散部材全体としての膨張／収縮が抑制される(熱拡散部材全体としての線膨張係数は、例えば半導体素子と同等のレベルに抑制される)。従って、請求項１記載の発明に係る熱拡散部材を発熱体と接触・接合した場合にも、配向性黒鉛と発熱体との線膨張係数の相違に起因してクラックの発生や発熱体の破壊等の故障等が生ずることを防止することができる。

なお、請求項１記載の発明において、例えば請求項２に記載したように、個々の熱伝導部材は、第１方向を含み第２方向と交差する第１平面が形成され、第１平面が他の熱伝導部材と面接触している構成であることが好ましい。請求項２に記載の第１平面は第１方向を含み第２方向と交差しているので、個々の熱伝導部材の第１平面上には、第１方向に沿って延びる黒鉛層の端部が露出することになり、第１平面に面接触している他の熱伝導部材から伝導された熱、或いは第１平面に沿って伝導された熱は、第１平面上に端部が露出している黒鉛層を第１方向及び第２方向に沿って伝導することになる。これにより、例えば第１方向及び第２方向を含む平面(黒鉛層と平行な平面)を他の熱伝導部材と面接触させる構成とした場合よりも熱拡散性能を向上させることができる。

また、請求項２記載の発明において、例えば請求項３に記載したように、個々の熱伝導部材は、第１方向を含み第２方向と交差し第１方向と平行な辺を挟んで第１平面と隣り合う第２平面も形成され、前記辺が基準軸に沿うように各々配置されると共に、第２平面が、第１平面が面接触している熱伝導部材とは異なる他の熱伝導部材と面接触している構成であることが好ましい。請求項３に記載の第２平面も第１方向を含み第２方向と交差しているので、個々の熱伝導部材の第２平面上にも、第１方向に沿って延びる黒鉛層の端部が露出することになり、第２平面に面接触している他の熱伝導部材から伝導された熱、或いは第２平面に沿って伝導された熱は、第２平面上に端部が露出している黒鉛層を第１方向及び第２方向に沿って伝導することになる。これにより、請求項２に記載の第１平面と、第１方向及び第２方向を含む別の平面(黒鉛層と平行な平面)を他の熱伝導部材と各々面接触させる構成とした場合よりも熱拡散性能を向上させることができる。

また、請求項３記載の発明において、熱拡散部材を構成する熱伝導部材の数が４個の場合、個々の熱伝導部材は、例えば請求項４に記載したように、前記辺を挟んで隣り合う第１平面と第２平面との成す角度を９０°とすることができる。

また、請求項１〜請求項４の何れかに記載の発明において、例えば請求項５に記載したように、配向性黒鉛としては配向性熱分解黒鉛又は化学気相成長黒鉛を適用することができる。

また、請求項１〜請求項５の何れかに記載の発明において、個々の熱伝導部材は配向性黒鉛のみから構成されていてもよいが、例えば請求項６に記載したように、個々の熱伝導部材は、黒鉛層が形成された黒鉛部材層と、熱伝導率が所定値以上の材料(例えば金属材料や樹脂材料等)又は接着剤から成る基材層と、が交互に形成されて構成されていてもよい。

また、請求項１〜請求項６の何れかに記載の発明に係る熱拡散部材は、例えば請求項７に記載したように、基準軸に沿った一端部を含む端部が発熱体と接触するように配置することが好ましい。これにより、本発明に係る熱拡散部材が発熱体から受けた熱が、本発明に係る熱拡散部材の高い熱拡散性能によって効率良く拡散されることで、発熱体の温度上昇を効果的に抑制することができる。

請求項８記載の発明に係る放熱部材は、熱伝導率が所定値以上の材料から成り全体形状が平板状とされた基体と、前記基準軸が前記基体の厚さ方向と平行となる向きで、前記基体内のうち前記厚さ方向と直交する方向に沿った一端部側に偏倚した位置に埋設された請求項１〜請求項７の何れか１項記載の前記熱拡散部材と、配向性黒鉛から成る黒鉛層の一端が前記熱拡散部材の何れかの前記熱伝導部材の前記黒鉛層と接触され、他端が前記基体内のうち前記厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側へ延設された状態で前記基体内に埋設されて成る熱拡散経路と、を含んで構成されている。

請求項８記載の発明に係る放熱部材は、熱伝導率が所定値以上の材料から成り全体形状が平板状とされた基体を備えており、基体内のうち基体の厚さ方向と直交する方向に沿った一端部側に偏倚した位置には、請求項１〜請求項７の何れか１項記載の熱拡散部材が、基準軸が基体の厚さ方向と平行となる向きで埋設されている。従って、請求項８記載の発明に係る放熱部材は、熱拡散部材のうち基準軸に沿った一端部を含む端部又は当該端部に対応する部分が発熱体と接触するように配置されることで、基体内のうち基体の厚さ方向と直交する方向に沿った一端部側に偏倚した位置に埋設された熱拡散部材が発熱体から受熱する。

また、請求項８記載の発明に係る放熱部材は、配向性黒鉛から成る黒鉛層の一端が熱拡散部材の何れかの熱伝導部材の黒鉛層と接触され、他端が基体内のうち厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側へ延設された構成の熱拡散経路が基体内に埋設されている。これにより、基体内のうち基体の厚さ方向と直交する方向に沿った一端部側に偏倚した位置に埋設された熱拡散部材が発熱体から受けた熱は、熱拡散部材から熱拡散経路へ伝導された後に、熱拡散経路に沿って基体の厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側へ伝導されることで、前記他端部側で放射・拡散されることになる。

このように、請求項８記載の発明では、放熱部材に埋設された熱拡散部材が発熱体から受けた熱を、熱拡散部材の配置位置とは異なる位置で放射・拡散することができるので、発熱体が素子であり、当該素子の周辺に他の素子を配置するにあたり、放熱部材の冷却や放熱部材からの前記他の素子の受熱量等を考慮する必要性が低減される。従って、請求項８記載の発明によれば、発熱体としての素子の周辺に他の素子を配置する場合の配置レイアウトの自由度を向上させることができる。

請求項９記載の発明に係る冷却装置は、基体の厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側に冷却用の媒体(例えば水或いは空気)が通過するための通路が設けられ、熱拡散部材のうち基準軸に沿った一端部を含む端部又は当該端部に対応する部分が発熱体と接触するように配置された請求項８記載の放熱部材と、放熱部材の通路に冷却用の媒体を供給する冷却手段と、を含んで構成されているので、請求項８記載の発明と同様に、発熱体としての素子の周辺に他の素子を配置する場合の配置レイアウトの自由度を向上させることができる。

また、請求項９記載の発明において、例えば請求項１０に記載したように、放熱部材を平行となるように一対設け、発熱体を一対の放熱部材の間隙に配置し、一対の放熱部材を、個々の放熱部材に埋設された熱拡散部材のうち、基準軸に沿った一端部を含む端部又は当該端部に対応する部分が発熱体と接触するように各々配置してもよい。

以上説明したように本発明は、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、配向性黒鉛から成る黒鉛層が形成された３個以上の熱伝導部材が、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第１方向が基準軸と各々平行となり、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿いかつ第１方向と直交する第２方向が、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上の熱伝導部材の第２方向と交差する向きになると共に、他の熱伝導部材と接触するように各々配置し、３個以上の前記熱伝導部材が互いに接合して構成したので、熱拡散性能の向上及び線膨張係数の相違に起因する故障等の防止を実現できる、という優れた効果を有する。

また本発明は、熱伝導率が所定値以上の材料から成り全体形状が平板状とされた基体内のうち基体の厚さ方向と直交する方向に沿った一端部側に偏倚した位置に、基準軸が基体の厚さ方向と平行となる向きで熱拡散部材を埋設すると共に、配向性黒鉛から成る黒鉛層の一端が熱拡散部材の何れかの熱伝導部材の黒鉛層と接触され、他端が基体内のうち基体の厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側へ延設された状態の熱拡散経路を基体内に埋設したので、発熱体としての素子の周辺に他の素子を配置する場合の配置レイアウトの自由度を向上させることができる、という優れた効果を有する。

第１実施形態に係るパワーモジュールの、(Ａ)は側面図、(Ｂ)は平面図である。 (Ａ)は第１実施形態に係るヒートシンクの斜視図、(Ｂ),(Ｃ)は第１実施形態に係るヒートシンクの作製工程を説明するための斜視図である。 (Ａ)は第２実施形態に係るパワーモジュールの概略側面図、(Ｂ)は第２実施形態に係るヒートシンクの内部構成を示す平面図である。 第３実施形態に係るカード型のパワーモジュールの、(Ａ)は側面図、(Ｂ)は(Ａ)の４Ａ−４Ａ線に沿った断面図、(Ｃ)は第３実施形態に係るヒートシンクの内部構成を示す平面図である。 (Ａ)は第３実施形態に係るヒートシンクの斜視図、(Ｂ),(Ｃ)は第３実施形態に係るヒートシンクの作製工程を説明するための図である。 ヒートシンクの構成の他の例を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１(Ａ)及び(Ｂ)には、本第１実施形態に係るパワーモジュール１０が示されている。パワーモジュール１０は、平面形状が矩形で厚みを有する平板状の基板１２と、当該基板１２のおよそ中央に搭載された半導体素子１４と、半導体素子１４を冷却するためのヒートシンク１６及び冷却器１８と、が一体化されて構成されている。基板１２はＤＢＡ(Direct Brazed Aluminum)から成り、例えば窒化アルミニウム(ＡlＮ)等で形成された絶縁基板１２Ａの表面及び裏面に、例えばアルミニウム等で形成された配線金属層１２Ｂが各々形成されて構成されている。

基板１２に搭載される半導体素子１４としては、駆動時の発熱量が比較的大きい半導体素子が好適であり、具体的には、例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)や整流ダイオード、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の電力用半導体素子が好適であるが、サイリスタやゲートターンオフサイリスタ(ＧＴＯ)、トライアック等の他の電力用半導体素子であってもよいし、駆動時の発熱量が比較的大きい他の半導体素子を適用することも可能である。半導体素子１４は半田付け等によって基板１２の配線金属層１２Ｂと接合され、配線金属層１２Ｂと電気的に接続されている。

また冷却器１８は、熱伝導率が所定値以上の金属材料(例えばアルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系金属)から成り、平面形状が基板１２よりも大面積の矩形で厚みを有する平板状とされた天板２０を備えており、この天板２０の一方の面に、天板２０と同一の材料から成る放熱用フィン２２が複数立設されて構成されている。冷却器１８は、天板２０のうち放熱用フィン２２が立設されている側と反対側の面(上面)が基板１２側を向くように配置されている。なお、冷却器１８のうち放熱用フィン２２が立設されている側には、図示しない冷却水供給手段により冷却用の水流(図１(Ａ)に示す矢印も参照)が供給される。

一方、ヒートシンク１６は、その平面形状が、冷却器１８の天板２０よりも小面積かつ基板１２よりも僅かに大面積の矩形で、ほぼ一定の厚みを有する形状とされており、冷却器１８(の上面)と基板１２(の底面：半導体素子１４が搭載されている側と反対側の面)の間に配置されている。図２(Ａ)に示すように、ヒートシンク１６は、各々高配向熱分解黒鉛から成る４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０が接合されて構成されている。

４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０のうち、熱伝導部材２４,２６は、平面形状が直角二等辺三角形でほぼ一定の厚みを有する形状とされ、熱伝導部材２４,２６の厚さ方向(図２(Ａ)の矢印Ａ方向：本発明における第１方向)を含み、かつ、直角二等辺三角形の平面形状において内角が直角の頂点を通り斜辺と直角に交わる仮想線の方向(図２(Ａ)の矢印Ｂ方向：本発明における第２方向)を含む面(この面を図２(Ａ)に「熱伝導部材２４,２６のｃ面」と表記して示す)と平行な黒鉛層３２が各々複数形成されている。なお、高配向熱分解黒鉛等の配向性黒鉛に形成される黒鉛層は目視では確認できない場合もあるが、図２では説明を簡単にするために、個々の熱伝導部材に形成されている黒鉛層を線で示しており、個々の熱伝導部材に形成されている黒鉛層の数は、図２(やその他の図面)で黒鉛層として示している線の数は必ずしも一致しないことを付記しておく。

また熱伝導部材２８,３０は、その平面形状が、直角二等辺三角形の斜辺に、長辺が前記斜辺と長さの等しい矩形を、前記斜辺が前記長辺と接するように付加した五角形で、ほぼ一定の厚みを有する形状とされ、熱伝導部材２８,３０の厚さ方向(図２(Ａ)の矢印Ｃ方向：本発明における第１方向)を含み、かつ、五角形状の平面形状のうちの直角二等辺三角形状部において内角が直角の頂点を通り斜辺と直角に交わる仮想線の方向(図２(Ａ)の矢印Ｄ方向：本発明における第２方向)を含む面(この面を図２(Ａ)に「熱伝導部材２８,３０のｃ面」と表記して示す)と平行な黒鉛層３４が各々複数形成されている。

上述の形状で、かつ上述の方向に黒鉛層が形成された熱伝導部材２４,２６,２８,３０は、例えば以下の工程を経て作製することができる。すなわち、炭化水素ガスを気相中で高温熱分解して堆積させた後、圧力を印加しつつ、高温(例えば3400℃程度)で長時間再焼鈍することで、黒鉛層が形成された高配向熱分解黒鉛を作製する。なお、高配向熱分解黒鉛の厚みは炭化水素ガスを気相中で高温熱分解して堆積させる時間を増減させることで調整できる。そして、上記のようにして作製した高配向熱分解黒鉛を、図２(Ｂ),(Ｃ)に示すように、黒鉛層が前述の矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向を含む方向、又は、矢印Ｃ方向及び矢印Ｄ方向を含む方向となり、かつ平面形状が前述の形状となるようにダイヤモンドソーにより切断する。これにより熱伝導部材２４,２６,２８,３０を得ることができる。

ヒートシンク１６は、図２(Ｄ)に示すように、上記のようにして作製した熱伝導部材２４,２６,２８,３０を、基準軸(図２(Ｄ)参照)の軸回りの互いに異なる位置に、個々の熱伝導部材の厚さ方向(第１方向)が基準軸と各々平行となり、直角二等辺三角形の平面形状における内角が直角の頂点、又は、五角形の平面形状のうち直角二等辺三角形状部における内角が直角の頂点が基準軸上に各々位置するように配置し(図２(Ａ)に示すように、個々の熱伝導部材２４,２６,２８,３０は、この配置状態で、その側面のうち前記頂点を挟んで隣り合う一対の側面(請求項２に記載の第１平面、請求項３に記載の第２平面に相当)が、互いに異なる他の熱伝導部材の前記一対の側面の何れかと面接触する)、この配置状態が維持されるように４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０を接合することで作製される。これにより、個々の熱伝導部材における第２方向は、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上(この場合は２個)の熱伝導部材の第２方向と交差する向きとなり、４個の熱伝導部材の黒鉛層は、個々の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きで配列される。なお、本第１実施形態に係るヒートシンク１６は、請求項１〜請求項５、請求項７に記載の熱拡散部材に各々対応している。

本第１実施形態に係るパワーモジュール１０は、冷却器１８、ヒートシンク１６、半導体素子１４が搭載された基板１２が図１(Ａ)に示す順に積層・密着され、これらが半田付け(ロウ付けでもよい)によって一体化されると共に、基板１２上にＮiめっきが施されることで作製される。なお、図示は省略するが、パワーモジュール１０は、合成樹脂製で外面に露出する端子が設けられたケースが接着されることで、パワーモジュール１０のうちの半導体素子１４側がケースによって被覆される。また、半導体素子１４又は配線金属層１２Ｂに設けられた端子は、ケースに設けられた端子とをＡl細線でワイヤボンド接合される等によって電気的に接続される。

次に本第１実施形態の作用を説明する。パワーモジュール１０の半導体素子１４が駆動されると、半導体素子１４に電流が流れることで半導体素子１４が発熱し、半導体素子１４が搭載された基板１２も、半導体素子１４から熱を受けることで温度が上昇する。このように、本第１実施形態では半導体素子１４及び基板１２が請求項７等に記載の発熱体となる。

ここで、基板１２の底面にはヒートシンク１６が密着されているので、半導体素子１４で発生した熱は基板１２を経由してヒートシンク１６(を構成する個々の熱伝導部材)に伝導する。ヒートシンク１６を構成する４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０は、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第１方向が基準軸と平行で、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きとなるように配列され、個々の熱伝導部材が互いに接合されているので、ヒートシンク１６が基板１２から受けた熱は、個々の熱伝導部材の黒鉛層を第１方向及び第２方向に沿って高い熱伝導率で伝導し、個々の熱伝導部材の黒鉛層を第１方向に沿って伝導した熱は、ヒートシンク１６の下面に密着している冷却器１８へ速やかに伝導し、個々の熱伝導部材の黒鉛層を第２方向に沿って伝導した熱は、ヒートシンク１６の側面から基準軸の軸回りの全周に亘って放射・拡散される。

本第１実施形態では、冷却器１８のうち放熱用フィン２２が立設されている側に冷却用の水流が供給され、冷却器１８と冷却用水流との熱交換により冷却器１８へ伝導した熱が排熱され、冷却器１８の温度上昇が抑制されるので、半導体素子１４で発生し基板１２を経由してヒートシンク１６に伝導した熱は、主に冷却器１８と冷却用水流との熱交換によって排熱されるが、ヒートシンク１６に伝導した熱のうち個々の熱伝導部材の黒鉛層を第２方向に沿って伝導する熱についても、高い熱伝導率で伝導してヒートシンク１６の側面から基準軸の軸回りの全周に亘って放射・拡散される。従って、本第１実施形態に係るヒートシンク１６は特許文献１に記載のヒートシンクよりも熱拡散性能が高く、ヒートシンク１６自体の温度上昇が抑制されると共に、発熱体(半導体素子１４及び基板１２)をより効率良く冷却することができる。

また、本第１実施形態に係るヒートシンク１６を構成する４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０は、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きとなるように配列されているので、線膨張係数の高い方向、すなわち黒鉛層に直交する方向が基準軸の周方向に近い向きとなり、線膨張係数の高い方向が個々の熱伝導部材によって相違することから、温度変化に伴うヒートシンク１６全体としての線膨張係数が、例えば半導体素子１４や基板１２と同等程度のレベルに抑制される。従って、本第１実施形態に係るパワーモジュール１０は、半導体素子１４の駆動／駆動停止が繰り返され、これに伴い半導体素子１４、基板１２、ヒートシンク１６及び冷却器１８の温度上昇／低下が繰り返された場合にも、ヒートシンク１６と半導体素子１４及び基板１２との線膨張係数の相違により、基板１２とヒートシンク１６との接合部にクラックが生じたり、半導体素子１４が破壊される等の故障が生ずることも防止することができる。

〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。図３(Ａ)には本第２実施形態に係るパワーモジュール４０が示されている。パワーモジュール４０は、冷却器１８が省略され、ヒートシンク１６に代えてヒートシンク４２が設けられている点で第１実施形態で説明したパワーモジュール１０と相違している。

本第２実施形態に係るヒートシンク４２は、熱伝導率が所定値以上の金属材料(例えばアルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系金属)から成り、図３(Ａ),(Ｂ)に示すように、平面形状が基板１２よりも大面積(基板１２の数倍程度の面積)の矩形(例えば正方形)で、ほぼ一定の厚みを有する形状とされた基体４４を備えており、この基体４４内に、受熱部材４６及び熱伝達部材５６が埋設されて構成されている。

本第２実施形態では基板１２の平面形状が正方形とされ、受熱部材４６は、その平面形状が、基板１２の平面形状に合わせて、基板１２よりも僅かに大面積の正方形とされ、ほぼ一定の厚みを有する形状とされている。また受熱部材４６は、第１実施形態で説明したヒートシンク１６と同様に、各々高配向熱分解黒鉛から成る４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４が接合されて構成されている。４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４は、第１実施形態で説明した熱伝導部材２４,２６と同様に、平面形状が直角二等辺三角形でほぼ一定の厚みを有する形状とされ、熱伝導部材の厚さ方向を含み、かつ、直角二等辺三角形の平面形状において内角が直角の頂点を通り斜辺と直角に交わる仮想線の方向を含む面と平行な黒鉛層が各々複数形成されている。

受熱部材４６は、第１実施形態で説明したヒートシンク１６と同様に、上記構成の熱伝導部材４８,５０,５２,５４を、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、個々の熱伝導部材の厚さ方向(第１方向)が基準軸と各々平行となり、直角二等辺三角形の平面形状における内角が直角の頂点が基準軸上に各々位置するように配置することで作製される。これにより、個々の熱伝導部材における第２方向は、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上(この場合は２個)の熱伝導部材の第２方向と交差する向きとなり、４個の熱伝導部材の黒鉛層は、個々の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きで配列される。なお、本第２実施形態に係る受熱部材４６も請求項１〜請求項５、請求項７に記載の熱拡散部材に各々対応している。

本第２実施形態において、半導体素子１４が搭載された基板１２は、ヒートシンク４２の上面上のうち、その中央部から前記上面に沿う方向(ヒートシンク４２の厚さ方向と直交する方向)に沿ってヒートシンク４２の一端部側に偏倚した位置に配置される。このため、受熱部材４６は、基準軸が基体４４の厚さ方向と平行となる向きで基体４４内に埋設されているが、ヒートシンク４２の上面上のうち基板１２が配置される位置に受熱部材４６の端面(基準軸に沿った両端面の一方)が露出するように、ヒートシンク４２の厚さ方向と直交する方向に沿った位置がヒートシンク４２の一端部側に偏倚されると共に、ヒートシンク４２の厚さ方向に沿った位置がヒートシンク４２の上面側に偏倚されている。

また熱伝達部材５６は、長尺状で長手方向に沿って黒鉛層が形成された高配向熱分解黒鉛から構成されている。図３(Ｂ)に示すように、ヒートシンク４２の基体４４内には熱伝達部材５６が複数本埋設されているが、個々の熱伝達部材５６は、一端が受熱部材４６を構成する４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４の何れかの互いに異なる黒鉛層と接触され、熱伝達部材５６の他端は、ヒートシンク４２の厚さ方向と直交する方向に沿ったヒートシンク４２(基体４４)の他端まで延設されている。

上記構成のヒートシンク４２の作製は、第１実施形態と同様にして４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４を作製すると共に熱伝達部材５６として用いる高配向熱分解黒鉛部材を作製し、基体４４を作製するための型の中に、４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４を図３(Ｂ)に示すように配置すると共に、熱伝達部材５６として用いる高配向熱分解黒鉛部材を図３(Ｂ)に示すように配設した後に、型の中にアルミニウム系金属の熔湯を注ぎ、ヒートシンク４２の側面及び上面の全面をアルミニウム系金属で鋳包むことによって実現できる。この鋳込みにより４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４の間及び熱伝導部材と熱伝達部材５６との間も接合される。なお、上記構成のヒートシンク４２は請求項８に記載の放熱部材に対応しており、受熱部材４６は請求項８に記載の熱拡散部材に、熱伝達部材５６は請求項８に記載の熱拡散経路に各々対応している。

そして、本第２実施形態に係るパワーモジュール４０は、作製したヒートシンク４２の天地を反転させることで、ヒートシンク４２のうち受熱部材４６の端面が露出している面をヒートシンク４２の上面として用い、この上面上に半導体素子１４が搭載された基板１２に配置し、これらを半田付け等によって一体化することで作製することができる。なお、図３では図示を省略しているが、熱伝達部材５６の端部が延設されているヒートシンク４２の側部には、冷却用の媒体(例えば水又は空気)によって冷却する冷却手段が設けられている。

次に本第２実施形態の作用を説明する。パワーモジュール４０の半導体素子１４が駆動されると、半導体素子１４に電流が流れることで半導体素子１４が発熱し、半導体素子１４が搭載された基板１２も、半導体素子１４から熱を受けることで温度が上昇する。基板１２の底面はヒートシンク４２の上面と密着しているが、ヒートシンク４２の上面のうち基板１２の底面が密着している部分には、ヒートシンク４２の基体４４内に埋設された受熱部材４６の端面が露出しているので、半導体素子１４で発生した熱は基板１２を経由してヒートシンク４２の受熱部材４６(を構成する個々の熱伝導部材)に伝導する。

受熱部材４６を構成する４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４は、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第１方向が基準軸と平行で、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きとなるように配列され、個々の熱伝導部材が互いに接合されているので、受熱部材４６が基板１２から受けた熱は、受熱部材４６を構成する個々の熱伝導部材の黒鉛層を第１方向及び第２方向に沿って伝導する。本第２実施形態に係るヒートシンク４２は、受熱部材４６が基体４４内に埋設されているので、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿って伝導した熱は基体４４に伝導し、ヒートシンク４２全体に拡散される。

また、受熱部材４６を構成する個々の熱伝導部材の黒鉛層のうち、熱伝達部材５６の一端が接合されている一部の黒鉛層は、基体４４より熱伝達部材５６の方が熱伝導率が高いために、当該一部の黒鉛層に沿って伝導した熱は大部分が熱伝達部材５６へ伝導し、熱伝達部材５６の長手方向に沿って基板１２の配置位置と反対側のヒートシンク４２の側部まで高い熱伝導率で伝導した後に、ヒートシンク４２の側部から排熱される。また、このヒートシンク４２の側部及びその周辺は前述の冷却手段によって冷却される。これにより、ヒートシンク４２自体の温度上昇が抑制されると共に、発熱体(半導体素子１４及び基板１２)が効率良く冷却される。

また、上記のように、熱伝達部材５６の一端が接合されている一部の黒鉛層は、熱伝達部材５６の一端が接合されていない他の黒鉛層よりも排熱効率が高いため、基板１２からの熱は、その多くが熱伝達部材５６の一端が接合されている黒鉛層に伝導し、ヒートシンク４２の側部から排熱される。従って、例えばヒートシンク４２の上面上のうち半導体素子１４(基板１２)の配置位置以外の範囲内に他の素子を配置する場合にも、前記範囲内に他の素子を配置することでヒートシンク４２の冷却が阻害されたり、前記範囲内に配置した他の素子がヒートシンク４２から放散された熱によって故障したりする可能性は低く、半導体素子１４の周辺への他の素子の配置レイアウトの自由度が向上する。

また、受熱部材４６を構成する４個の熱伝導部材４８,５０,５２,５４は、第１実施形態で説明したヒートシンク１６を構成する４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０と同様に、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きとなるように配列されているので、受熱部材４６全体としての線膨張係数も半導体素子１４や基板１２と同等程度のレベルに抑制される。従って、半導体素子１４の駆動／駆動停止が繰り返され、これに伴い半導体素子１４、基板１２及びヒートシンク４２の温度上昇／低下が繰り返された場合にも、ヒートシンク４２と半導体素子１４及び基板１２との線膨張係数の相違により、基板１２とヒートシンク４２との接合部にクラックが生じたり、半導体素子１４が破壊される等の故障が生ずることも防止される。

〔第３実施形態〕
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。図４には本第３実施形態に係るパワーモジュール６０が示されている。本第３実施形態に係るパワーモジュール６０は、三相インバータ回路の一部を構成するＩＧＢＴ６２及びダイオード６４が搭載され、このうち特に発熱量の大きいＩＧＢＴ６２を冷却する機能を備えたモジュールであり、平面形状が矩形とされていると共に、厚さ方向のサイズがこの種のモジュールとしては小さく抑制されることで、全体形状がおよそカード型とされている。

ＩＧＢＴ６２及びダイオード６４は、およそ平行に配置された一対の基板６６に挟まれている。一対の基板６６は各々ＤＢＡから成り、絶縁基板６６Ａの一方の面に配線金属層６６Ｂが形成されて構成されている。一対の基板６６は配線金属層６６Ｂが形成されている側の面が内側(ＩＧＢＴ６２側)となる向きで各々配置されており、ＩＧＢＴ６２及びダイオード６４は半田付け等によって一対の基板６６の配線金属層６６Ｂと各々接合され、一対の基板６６の配線金属層６６Ｂと電気的に各々接続されている。

一対の基板６６の配置位置の近傍の一端側には、直流電力(Ｐ極及びＮ極)を供給するための２本の給電線６８,７０が、パワーモジュール６０の厚さ方向に沿って延設されている。給電線６８,７０の各々には、何れか一方の基板６６の配線金属層６６Ｂと同じ高さ位置に、配線金属層６６Ｂへ向けて突出する接続用端子７８が取付けられており、一対の基板６６の何れか一方は、配線金属層６６Ｂと、２本の給電線６８,７０の何れか一方の接続用端子７８と、の間に接続部材８０が掛け渡されることで、給電線６８,７０の何れか一方と電気的に接続されている。

また、一対の基板６６を挟んで給電線６８,７０の配設位置と反対側には、三相の交流電流(ｕ相、ｖ相及びｗ相)を出力するための３本の出力配線７２,７４,７６が、パワーモジュール６０の厚さ方向に沿って延設されている。出力配線７２,７４,７６の各々にも、何れか一方の基板６６の配線金属層６６Ｂと同じ高さ位置に、配線金属層６６Ｂへ向けて突出する接続用端子７８が取付けられており、一対の基板６６の何れか一方は、配線金属層６６Ｂと、３本の出力配線７２,７４,７６の何れの接続用端子７８と、の間に接続部材８０が掛け渡されることで、３本の出力配線７２,７４,７６の何れかと電気的に接続されている。

なお図４(Ａ),(Ｂ)では、一対の基板６６のうち、図４(Ａ)で上側に位置している基板６６の配線金属層６６Ｂが給電線７０と電気的に接続されていると共に、図４(Ａ)で下側に位置している基板６６の配線金属層６６Ｂが出力配線７２と電気的に接続されている例を示しているが、同一の三相インバータ回路を構成する別のＩＧＢＴ６２及びダイオード６４が搭載された他のパワーモジュール６０では、電気的に接続される給電線及び出力配線の少なくとも一方が上記と相違される。

また、一対の基板６６は、およそ平行に配置された一対のヒートシンク８２によって挟持されている。本第３実施形態に係るヒートシンク８２は、熱伝導率が所定値以上の金属材料(例えばアルミニウム系金属)から成り、図４(Ａ)〜(Ｃ)に示すように、平面形状が基板６６よりも大面積(基板１２の数倍程度の面積)の長方形で、ほぼ一定の厚みを有する形状とされた基体８４を備えており、この基体８４内に、図４(Ｃ)に示すように、受熱部材８６、熱伝達部材１１２及び放熱部材１１０が各々埋設されて構成されている。なお、基体８４には、前述の給電線６８,７０を挿通するための２個の貫通孔８４Ａと、後述する給水管１１４,１１６を挿通するための２個の貫通孔８４Ｂと、後述する連通部材１１８の突出部分を挿入するための４個の貫通溝８４Ｃと、が各々穿設されている。

図５(Ａ)に示すように、本第３実施形態に係る受熱部材８６は、高配向熱分解黒鉛から成る黒鉛部材層９６と、熱伝導率が所定値以上の金属材料(例えばアルミニウム系金属)から成る基材層９８と、が交互に形成されて構成された４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４が集成されて構成されている。なお、黒鉛部材層９６は請求項６に記載の黒鉛部材層に、基材層は請求項６に記載の基材層に各々対応している。また、基材層９８としては、金属材料に代えて、熱伝導率が所定値以上の樹脂材料や接着剤を用いてもよい。

個々の熱伝導部材８８,９０,９２,９４は、第１実施形態で説明した熱伝導部材２８,３０と同様に、その平面形状が、直角二等辺三角形の斜辺に、長辺が前記斜辺と長さの等しい矩形を、前記斜辺が前記長辺と接するように付加した五角形で、ほぼ一定の厚みを有する形状とされている。また、個々の熱伝導部材８８,９０,９２,９４の黒鉛部材層９６には、その厚さ方向(図５(Ａ)の矢印Ｅ方向又は矢印Ｇ方向：本発明における第１方向)を含み、かつ、五角形状の平面形状のうちの直角二等辺三角形状部において内角が直角の頂点を通り斜辺と直角に交わる仮想線の方向(図５(Ａ)の矢印Ｆ方向又は矢印Ｈ方向：本発明における第２方向)を含む面(この面を図５(Ａ)に「熱伝導部材８８,９０のｃ面」又は「熱伝導部材９２,９４のｃ面」と表記して示す)と平行な黒鉛層が各々形成されている。

上記構成の熱伝導部材８８,９０,９２,９４は、例えば以下の工程を経て作製することができる。すなわち、まず第１実施形態で説明した手順により、平板状(例えば厚さ0.1ｍｍ程度)で黒鉛層が形成された高配向熱分解黒鉛部材を作製し、図５(Ｂ)に示すように、作製した高配向熱分解黒鉛部材１００と、同じく平板状(例えば厚さ0.1ｍｍ程度)で高配向熱分解黒鉛部材１００よりも面積が若干大きい金属部材１０２を交互に積層する。このとき、金属部材１０２の上面のうち高配向熱分解黒鉛部材１００が載置されていない部分には、高配向熱分解黒鉛部材１００と同じ厚さのブレイジングシート１０４を挿入する。

次に、高配向熱分解黒鉛部材１００と金属部材１０２の積層体に、ネジにより圧力を発生するステンレス製の冶具を装着し、装着した治具によって積層方向に加圧する。また、加圧状態の前記積層体を炉内に投入し、450℃以上(好ましくは600℃程度)の窒素ガス雰囲気中で３分以上加熱してロウ付けを行うことで、高配向熱分解黒鉛部材１００と金属部材１０２の積層体を一体化させる。そして、上記のようにして作製した高配向熱分解黒鉛部材１００と金属部材１０２の積層体１０６を、図５(Ｃ)に示すように、黒鉛部材層９６に形成された黒鉛層が前述の矢印Ｅ方向及び矢印Ｆ方向を含む方向、又は、矢印Ｇ方向及び矢印Ｈ方向を含む方向となり、かつ平面形状が前述の形状となるようにダイヤモンドソーにより切断する。これにより熱伝導部材８８,９０,９２,９４を得ることができる。

受熱部材８６は、第１実施形態で説明したヒートシンク１６と同様に、上記構成の熱伝導部材８８,９０,９２,９４を、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、個々の熱伝導部材の厚さ方向(第１方向)が基準軸と各々平行となり、五角形の平面形状のうち直角二等辺三角形状部における内角が直角の頂点が基準軸上に各々位置するように配置する(図５(Ａ)に示すように、個々の熱伝導部材２４,２６,２８,３０は、この配置状態で、その側面のうち前記頂点を挟んで隣り合う一対の側面(請求項２に記載の第１平面、請求項３に記載の第２平面に相当)が、互いに異なる他の熱伝導部材の前記一対の側面の何れかと面接触する) ことで作製される。これにより、個々の熱伝導部材の黒鉛部材層９６に形成された黒鉛層の第２方向は、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上(この場合は２個)の熱伝導部材の黒鉛層の第２方向と交差する向きとなり、４個の熱伝導部材の黒鉛層は、個々の黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きで配列される。なお、本第３実施形態に係る受熱部材８６は請求項１〜請求項７に記載の熱拡散部材に各々対応している。

本第３実施形態において、一対の基板６６は、ヒートシンク８２の面上のうち、その中央部からヒートシンク８２の長手方向に沿ってヒートシンク８２の一端部側に偏倚した位置に配置される。本第３実施形態において、受熱部材８６は、基準軸が基体８４の厚さ方向と平行となる向きで基体８４内に埋設されているが、ヒートシンク８２の面上のうち
、特に発熱量の大きいＩＧＢＴ６２に対応する位置に受熱部材８６の端面(基準軸に沿った両端面の一方)が露出するように、ヒートシンク８２の面上の位置がヒートシンク８２の長手方向に沿った一端部側に偏倚されると共に、ヒートシンク８２の厚さ方向に沿った位置がヒートシンク８２の一方の面(基板６６と接触する面)側に偏倚されている。

また、基体８４に穿設された４個の貫通溝８４Ｃは、ヒートシンク８２の長手方向に沿った他端側(基板６６の配置位置と反対側)に配置されている。放熱部材１１０は長尺状で幅方向に沿って黒鉛層が形成された高配向熱分解黒鉛から構成されており、図４(Ｃ)に示すように、４個の貫通溝８４Ｃの両側壁に沿って合計８個配設されている。

また熱伝達部材１１２は、長尺状で長手方向に沿って黒鉛層が形成された高配向熱分解黒鉛から構成されている。図４(Ｃ)に示すように、ヒートシンク８２の基体８４内には熱伝達部材１１２が複数本埋設されているが、個々の熱伝達部材１１２は、一端が受熱部材８６を構成する４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４の何れかの互いに異なる黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)と接触されると共に、中間部がヒートシンク８２の長手方向に沿った他端側へ延設され、熱伝達部材１１２の他端は８個の放熱部材１１０の何れかと各々接触されている。

上記構成のヒートシンク８２の作製は、前述のように４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４を作製すると共に、熱伝達部材１１２として用いる高配向熱分解黒鉛部材及び放熱部材１１０として用いる高配向熱分解黒鉛部材を各々作製し、基体８４を作製するための型の中に、４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４、熱伝達部材１１２として用いる高配向熱分解黒鉛部材、及び、放熱部材１１０として用いる高配向熱分解黒鉛部材を図４(Ｃ)に示すように各々配置した後に、型の中にアルミニウム系金属の熔湯を注ぎ、ヒートシンク８２の側面及び上面の全面をアルミニウム系金属で鋳包むことによって実現できる。この鋳込みにより４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４の間、熱伝導部材と熱伝達部材１１２との間、及び、熱伝達部材１１２と放熱部材１１０との間も接合される。なお、上記構成のヒートシンク８２は請求項８に記載の放熱部材に対応しており、受熱部材８６は請求項８に記載の熱拡散部材に、熱伝達部材１１２は請求項８に記載の熱拡散経路に各々対応している。

また、本第３実施形態に係るパワーモジュール６０を複数組み合わせて構成される三相インバータ回路が搭載される装置には、図示しない冷却装置が設けられている。この冷却装置は、冷却用の水流を循環路内で循環させると共に、循環路の途中に設けられた熱交換器による熱交換によって、循環路内を循環する冷却水流の水温の上昇を抑制する構成であり、パワーモジュール６０には、パワーモジュール６０を複数組み合わせて三相インバータ回路を構成した状態で、冷却装置(の循環路)の一部を構成する部材として、２本の給水管１１４,１１６と、給水管１１４,１１６との間を連通する連通部材１１８が取付けられている。

給水管１１４,１１６はパワーモジュール６０の厚さ方向に沿って配設され、一対のヒートシンク８２に各々穿設された貫通孔８４Ｂを各々貫通している。また、一方のヒートシンク８２において４個の貫通溝８４Ｃの間に位置している３個の部材は、パワーモジュール６０が組立てられた状態で、熱伝導率が所定値以上の金属材料(例えばアルミニウム系金属)から成る３本のフィン１２０を介して、他方のヒートシンク８２における３個の同部材の何れかと各々連結される。また、連通部材１１８は一方のヒートシンク８２の間に配置されており、給水管１１４から流入し連通部材１１８内を通過して給水管１１６へ流出する冷却水流が、３本のフィン１２０の表側及び裏側を各々通過するように、中間部が４本の水路に分岐されていると共に、冷却水流の一部が４個の貫通溝８４Ｃ内も通過するように、各水路の上端及び下端に突出部も形成された形状(この突出部はパワーモジュール６０の組立時に貫通溝８４Ｃ内に挿入される)とされている。

次に本第３実施形態の作用を説明する。本第３実施形態に係るパワーモジュール６０は、当該パワーモジュール６０を厚さ方向に複数積層し、ＩＧＢＴ６２をオンオフさせる制御信号の配線等の一部配線をワイヤボンド接合で追加する等により、サイズも小型化された三相インバータ回路を構成することができる。また、パワーモジュール６０を複数組み合わせて三相インバータ回路を構成した状態で、個々のパワーモジュール６０のＩＧＢＴ６２が駆動されると、ＩＧＢＴ６２に電流が流れることでＩＧＢＴ６２が発熱し、ＩＧＢＴ６２を挟んで配置された一対の基板６６も、ＩＧＢＴ６２から熱を受けることで温度が上昇する。一対の基板６６のうちＩＧＢＴ６２と反対側の面はヒートシンク８２の表面と密着しているが、ヒートシンク８２の表面のうちＩＧＢＴ６２と対応する部分には、ヒートシンク８２の基体８４内に埋設された受熱部材８６の端面が露出しているので、ＩＧＢＴ６２で発生した熱は基板６６を経由してヒートシンク８２の受熱部材８６(を構成する個々の熱伝導部材)に伝導する。

受熱部材８６を構成する４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４は、個々の熱伝導部材の黒鉛部材層９６に形成された黒鉛層に沿った第１方向が基準軸と平行で、個々の熱伝導部材の黒鉛部材層９６に形成された黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きとなるように配列され、個々の熱伝導部材が互いに接合されているので、受熱部材８６が基板６６経由でＩＧＢＴ６２から受けた熱は、受熱部材８６を構成する個々の熱伝導部材の黒鉛部材層９６に形成された黒鉛層を第１方向及び第２方向に沿って伝導する。本第３実施形態に係るヒートシンク８２は、受熱部材８６が基体８４内に埋設されているので、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿って伝導した熱は基体８４に伝導し、ヒートシンク８２全体に拡散される。

また、受熱部材８６を構成する個々の熱伝導部材の黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)のうち、熱伝達部材１１２の一端が接合されている一部の黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)は、基体８４より熱伝達部材１１２の方が熱伝導率が高いために、当該一部の黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)に沿って伝導した熱は大部分が熱伝達部材１１２へ伝導し、熱伝達部材１１２の長手方向に沿ってヒートシンク８２の他端側(給電線６８,７０を挟んで基板６６と反対側)へ高い熱伝導率で伝導した後に放熱部材１１０に伝導し、放熱部材１１０及びフィン１２０から排熱される。また、放熱部材１１０及びフィン１２０は連通部材１１８内を通過する冷却水流との熱交換によって冷却される。これにより、ヒートシンク８２自体の温度上昇が抑制されると共に、発熱体(ＩＧＢＴ６２及び基板６６)が効率良く冷却される。

また、上記のように、熱伝達部材１１２の一端が接合されている一部の黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)は、熱伝達部材１１２の一端が接合されていない他の黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)よりも排熱効率が高いため、基板６６からの熱は、その多くが熱伝達部材１１２の一端が接合されている黒鉛部材層９６(に形成された黒鉛層)に伝導し、放熱部材１１０及びフィン１２０から排熱される。従って、一対の基板６６の間に配置されたダイオード６４等の他の素子によってヒートシンク８２の冷却が阻害されたり、前記他の素子がヒートシンク８２から放散された熱によって故障したりする可能性は低く、ＩＧＢＴ６２の周辺への他の素子の配置レイアウトの自由度が向上する。

また、受熱部材８６を構成する４個の熱伝導部材８８,９０,９２,９４は、第１実施形態で説明したヒートシンク１６を構成する４個の熱伝導部材２４,２６,２８,３０と同様に、個々の熱伝導部材の黒鉛部材層９６に形成された黒鉛層に沿った第２方向が基準軸を中心として放射状に近い向きとなるように配列されているので、受熱部材８６全体としての線膨張係数もＩＧＢＴ６２や基板６６と同等程度のレベルに抑制される。従って、ＩＧＢＴ６２の駆動／駆動停止が繰り返され、これに伴いＩＧＢＴ６２、基板６６及びヒートシンク８２の温度上昇／低下が繰り返された場合にも、ヒートシンク８２とＩＧＢＴ６２及び基板６６との線膨張係数の相違により、基板６６とヒートシンク８２との接合部にクラックが生じたり、ＩＧＢＴ６２が破壊される等の故障が生ずることも防止される。

なお、第２実施形態及び第３実施形態では、本発明に係る放熱部材の一例として、受熱部材４６又は受熱部材８６の端面が表面に露出している構成のヒートシンク４２,８２を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、受熱部材の一端をヒートシンクの表面に露出させずに、基体内に埋設した構成としてもよい。

また、上記では本発明に係る熱拡散部材の一例として、４個の熱伝導部材を集成した構成を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱拡散部材の構成する熱伝導部材の数は、例として図６(Ａ)に示すように３個であってもよいし、５個以上(例えば図６(Ｂ)に示すように６個)であってもよい。熱伝導部材の数が３個以上でかつ４個以外の場合にも、個々の熱伝導部材を、基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿った第１方向が基準軸と各々平行となり、個々の熱伝導部材の黒鉛層に沿いかつ第１方向と直交する第２方向が、基準軸と各々直交しかつ他の１個以上(例えば図６(Ａ)の例では２個、図６(Ｂ)の例では４個)の熱伝導部材の第２方向と交差する向きになると共に、他の熱伝導部材と接触するように各々配置して接合することで、本発明に係る熱拡散部材を構成することができる。

また、上記では熱拡散部材を構成する熱伝導部材として、その平面形状が、黒鉛層の第１方向を含み第２方向と交差する第１平面と、黒鉛層の第１方向を含み第２方向と交差し第１方向と平行な辺を挟んで第１平面と隣り合う第２平面と、が各々形成された形状とされ、第１平面及び第２平面が互いに異なる他の熱伝導部材と面接触するように集成される構成を説明したが、本発明に係る熱拡散部材はこれに限定されるものではなく、例として図６(Ｂ)に示すように、熱拡散部材を構成する個々の熱伝導部材の平面形状を、黒鉛層の第１方向を含み第２方向と交差する第１平面１３０と、黒鉛層と平行で第１方向と平行な辺を挟んで第１平面１３０と隣り合う平面１３２が各々形成された形状とし、個々の熱伝導部材の第１平面１３０及び平面１３２が互いに異なる他の熱伝導部材と面接触するように集成した構成としてもよい。この構成では、平面１３２を通過して個々の熱伝導部材に伝導する熱の熱伝導率が低いため、熱拡散部材の熱拡散性能は低下するものの、本発明はこのような態様も権利範囲に含むものである。

更に、上記では本発明に係る配向性黒鉛の一例として高配向熱分解黒鉛を用いた態様を説明したが、これに代えて化学気相成長黒鉛を用いてもよい。

次に、本発明の有効性を確認するために本願発明者が行った実験について説明する。この実験では、本発明を適用したパワーモジュールとして、第１実施形態で説明したパワーモジュール１０(但し、半導体素子１４としてはＩＧＢＴを搭載した)を用いると共に、上記のパワーモジュール１０におけるヒートシンク１６を、特許文献１に記載のヒートシンクのように、黒鉛層が一定方向にのみ配列されたヒートシンクに入れ替えたパワーモジュール(比較用のパワーモジュール)も作製した。

そして、まず双方のパワーモジュールの冷却性能を比較するため、温水循環装置により冷却器１８に65℃の冷却水を供給している状態で、ＩＧＢＴに電力を供給してＩＧＢＴを発熱させ、各部の温度を測定して熱抵抗を算出することを、双方のパワーモジュールについて各々行った。その結果、本発明を適用したパワーモジュールは、比較用のパワーモジュールに対して熱抵抗が20％程度低減されていることが明らかとなった。

次に、本発明を適用したパワーモジュールに対して冷熱サイクル試験を行った。この試験には液槽冷熱サイクル試験装置を用い、低温槽の温度が−40℃、高温槽の温度が＋105℃、さらし時間が各５分間の条件で、冷熱サイクルを3000サイクル繰り返した。試験後にヒートシンク１６と基板１２との接合部のはんだを観察したが、はんだにクラックが生じていることは確認できたもののその長さは1mm以下であった。従って、ヒートシンク１６全体としての線膨張係数は、基板１２や半導体素子１４(ＩＧＢＴ)の線膨張係数に近い値に抑制されているものと推察される。

１０,４０,６０ パワーモジュール
１２,６６ 基板
１４ 半導体素子
１６,４２,８２ ヒートシンク
２４,２６,２８,３０,４８,４０,５２,５４,８８,９０,９２,９４ 熱伝導部材
３２,３４ 黒鉛層
４４,８４ 基体
４６, ８６ 受熱部材
５６, １１２ 熱伝達部材
６２ ＩＧＢＴ
９６ 黒鉛部材層
９８ 基材層
１１０ 放熱部材

Claims (10)

1. 基準軸の軸回りの互いに異なる位置に、配向性黒鉛から成る黒鉛層が形成された３個以上の熱伝導部材が、個々の前記熱伝導部材の前記黒鉛層に沿った第１方向が前記基準軸と各々平行となり、個々の前記熱伝導部材の前記黒鉛層に沿いかつ前記第１方向と直交する第２方向が、前記基準軸と各々直交しかつ他の１個以上の前記熱伝導部材の前記第２方向と交差する向きになると共に、他の前記熱伝導部材と接触するように各々配置され、３個以上の前記熱伝導部材が互いに接合されて構成された熱拡散部材。
2. 個々の前記熱伝導部材は、前記第１方向を含みかつ前記第２方向と交差する第１平面が形成され、前記第１平面が他の前記熱伝導部材と面接触している請求項１記載の熱拡散部材。
3. 個々の前記熱伝導部材は、前記第１方向を含みかつ前記第２方向と交差すると共に、前記第１方向と平行な辺を挟んで前記第１平面と隣り合う第２平面も形成され、前記辺が前記基準軸に沿うように各々配置されると共に、前記第２平面が、前記第１平面が面接触している前記熱伝導部材とは異なる他の前記熱伝導部材と面接触している請求項２記載の熱拡散部材。
4. 前記辺を挟んで隣り合う前記第１平面と前記第２平面との成す角度が９０°とされた４個の前記熱伝導部材から構成されている請求項３記載の熱拡散部材。
5. 前記配向性黒鉛は配向性熱分解黒鉛又は化学気相成長黒鉛である請求項１〜請求項４の何れか１項記載の熱拡散部材。
6. 個々の前記熱伝導部材は、前記黒鉛層が形成された黒鉛部材層と、熱伝導率が所定値以上の材料又は接着剤から成る基材層と、が交互に形成されて構成されている請求項１〜請求項５の何れか１項記載の熱拡散部材。
7. 前記基準軸に沿った一端部を含む端部が発熱体と接触するように配置される請求項１〜請求項６の何れか１項記載の熱拡散部材。
8. 熱伝導率が所定値以上の材料から成り全体形状が平板状とされた基体と、
   前記基準軸が前記基体の厚さ方向と平行となる向きで、前記基体内のうち前記厚さ方向と直交する方向に沿った一端部側に偏倚した位置に埋設された請求項１〜請求項７の何れか１項記載の前記熱拡散部材と、
   配向性黒鉛から成る黒鉛層の一端が前記熱拡散部材の何れかの前記熱伝導部材の前記黒鉛層と接触され、他端が前記基体内のうち前記厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側へ延設された状態で前記基体内に埋設されて成る熱拡散経路と、
   を含む放熱部材。
9. 前記基体の厚さ方向と直交する方向に沿った他端部側に冷却用の媒体が通過するための通路が設けられ、前記熱拡散部材のうち前記基準軸に沿った一端部を含む端部又は当該端部に対応する部分が発熱体と接触するように配置された請求項８記載の前記放熱部材と、
   前記放熱部材の前記通路に前記冷却用の媒体を供給する冷却手段と、
   を含む冷却装置。
10. 前記放熱部材は平行となるように一対設けられており、前記発熱体は一対の前記放熱部材の間隙に配置され、一対の前記放熱部材は、個々の前記放熱部材に埋設された前記熱拡散部材のうち、前記基準軸に沿った一端部を含む端部又は当該端部に対応する部分が前記発熱体と接触するように各々配置されている請求項９記載の冷却装置。

Images