JP2011510502A - ヒートシンク並びにヒートシンクを製造するための方法 - Google Patents

ヒートシンク並びにヒートシンクを製造するための方法 Download PDF

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Abstract

複合材料(2)から成るヒートシンク(1)であって、第1の材料(3)と、第2の材料(4)とを有し、第1の材料(3)は電気絶縁体を含有し、第2の材料(4)は電気導体を含有し、ヒートシンク(1)はヒートシンク(1)の主延在平面(100)に対して平行に第1の面(5)を有しており、ヒートシンク(1)は主延在平面(100)に対して垂直に第1の面(5)に相対する第2の面(6)を、第1の面(5)に対してほぼ平行に有している、複合材料から成るヒートシンクにおいて、第1の面(5)の領域における第1の材料(3)の材料割合が、第2の面(6)の領域における第1の材料(3)の材料割合よりも大きく設定されている、複合材料から成るヒートシンクを提案する。

Description

本発明は請求項1の上位概念部に記載のヒートシンクに関するものである。
このようなヒートシンクは一般的に公知である。例えば刊行物JP2005044841A、WO2004/005566A2、EP1168438A2、US5886407A及びEP0859410A2において、均質な金属炭素から成る複合材料、特に金属・セラミックス複合材料(MMC)から成っているヒートシンクが公知になっている。複合材料は、例えば銅又はアルミニウムといった金属から成るマトリックス及びマトリックス内に拡散されている炭素粒子を含有している。均質な複合材料は、特にヒートシンクの第1の面に配置されている半導体装置の出力廃熱の導出のために設けられている。さらに、半導体装置とヒートシンクとの間の熱応力を減じるために、半導体装置基板の熱膨張係数に比較可能な熱膨張係数を備えたヒートシンクが求められる。MMCベースプレート構造を備えたモジュールの場合、半導体装置は銅により絶縁層に電気的に接触接続され、絶縁層はMMCヒートシンクに配置されており、特に接着されている。その結果、ヒートシンクの熱膨張係数の、絶縁層の熱膨張係数への適合が必要となる。
発明の開示
独立請求項に記載の本発明に係るヒートシンク及びヒートシンクを製造するための本発明に係る方法は、先行技術に比べて、ヒートシンク自体に第1の材料から成る絶縁層が組み込まれており、その結果、絶縁層の熱膨張係数はその他のヒートシンクの熱膨張係数に明らかに良好に適合させられており、それと同時に著しく良好な絶縁層と他のヒートシンクとの熱連結が達成され、さらに絶縁層は機械的に安定して他のヒートシンクと結合されている。特に有利には、他のヒートシンクと絶縁層との素材結合による結合(stoffschluessige Verbindung)のための接着層を完全に省くことができる。したがって、絶縁層における熱はヒートシンクを通じて明らかに迅速に導出されるので、特に半導体構造における過熱損壊は防がれ、その一方で絶縁層における機械的な熱応力若しくは絶縁層と他のヒートシンクとの間の機械的な応力は、絶縁層と他のヒートシンクとの間の著しく細分化している熱膨張係数に基づき、明らかに小さいか若しくは完全に抑制される。ヒートシンクは複合体であり、絶縁性の第1の材料の材料割合は第1の面において、第2の面よりも大きく、その結果、ヒートシンクの第1の面は有利には第1の材料から成る絶縁層であり、第2の面は主に第2の材料を含んでいる。したがって、特に有利には、比較的良好な第2の材料の熱伝導性と、第1の材料の比較的低い導電性との組合せにより、複合体内部において熱膨張係数の比較的良好な適合が実現されており、ひいては複合体内部の熱機械的な応力が先行技術と比べて明らかに小さいことを可能にする。
本発明の有利な構成及び改良形が、従属請求項及び図面に基づく記載から看取可能である。
有利な構成によれば、第2の面の領域における複合材料中の第2の材料の材料割合は、第1の面の領域における第2の材料の材料割合よりも大きくなっている。有利には、第1の面は実質的に第1の材料のみを有している及び/又は第2の面は実質的に第2の材料のみを有しているので、特に有利には第1の面は絶縁層として最小の導電性を有しており、第2の面は最大の熱伝導性を有しており、それと同時に第1の面及び第2の面の間に最大の熱連結が実現されており、第1の面の熱膨張係数と第2の面の熱膨張係数との最大限の適合が実現されている。
別の有利な構成によれば、複合材料中の第1の材料の材料割合は、主延在方向に対して垂直に第1の面から第2の面に向かって、特に連続的に、単調に及び/又は段階的に減少し、その一方で複合材料中の第2の材料の材料割合は、主延在方向に対して垂直に第1の面から第2の面に向かって、特に連続的に、単調に及び/又は段階的に増大する。したがって特に有利には、複合材料内部の熱応力は最小になる。その理由は、有利には主延在方向に対して垂直方向への、第1の材料の高い材料割合から第2の材料の高い材料割合への連続的な移行により、この方向での熱膨張係数の比較的顕著な飛躍個所が生じないからである。これと同時に第1及び第2の材料間の熱連結は最大限に達成される。
さらに別の有利な構成によれば、第1の材料は多孔性を有している。多孔率は、主延在方向に対して垂直に第1の面から第2の面に向かって高まり、有利には第1の材料の細孔サイズ及び/又は細孔密度は平均して、主延在方向に対して垂直に第1の面から第2の面に向かって増大し、特に有利には細孔は第2の材料によって充填されている。特に簡単かつ廉価に製造可能には、第1及び第2の面の間の第1の材料の種々異なる材料割合は、第1の材料における細孔サイズ及び/又は細孔密度の変更により実現可能である。択一的には、特に細孔サイズ及び/又は細孔密度に関して第2の材料の多孔率の変更が、主延在方向に対して垂直に考慮可能でもある。
さらに別の有利な構成によれば、複合材料は主延在方向に対して垂直に複数の複合材料層を有している。特に第1の材料と第2の材料との比率は複合材料層間においてそれぞれ種々異なっており、特に簡単かつ廉価な形式において、第1及び第2の面の間において第1の材料の種々異なる材料割合を有する複合体が製造可能である。特に複数の複合材料層を有する複合体が考慮可能である。第1の面近傍の複合材料層の第1の材料と第2の材料との比率は、第2の面近傍の複合材料層に対して比較的小さな段階で及び/又は単調に増大するか又は減少するように変化する。
さらに別の有利な構成によれば、第1の材料は第2の材料と形状接続(formschluessig:形状による束縛)及び/又は摩擦接続(kraftschluessig:摩擦による束縛)により結合されている、及び/又は第1の材料は第2の材料と共に相互侵入網目を形成する。第1及び第2の材料間の形状接続及び/又は摩擦接続による結合は、有利には第1の材料の細孔を第2の材料により充填することによりもたらされる。特に有利には、第1及び第2の材料間の形状接続及び/又は摩擦接続による結合により、ヒートシンク内部の機械的な負荷耐性は従来技術と比べて著しく向上している。
さらに別の有利な構成によれば、第1の材料は主延在平面に対して垂直に、有利には0〜95vol%、特に有利には0〜65vol%の多孔度の延在を有しており、第1の面は、極めて特に有利には主延在平面に対して垂直に、少なくとも50μmの厚さの、第1の材料からほぼ完全に成る複合材料層を有しており、その結果、絶縁層の小さな導電性の特性と、ヒートシンクの良好な熱伝導性、及び熱膨張係数の良好な適合が比較的良好に実現されている。
さらに別の有利な構成によれば、第1の材料はセラミックス製の材料、有利には酸化物、窒化物及び/又は炭化物、特に有利にはAl、AlN、Si及び/又はSiC、極めて特に有利にはAlを含有し、第2の材料は金属製の材料、有利には銅、銅合金、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有する。特に有利にはセラミックス製の材料は比較的低い導電性を有しているので、絶縁層の高い絶縁性に対する要求は満たされている。金属製の材料は比較的良好な熱伝導性を有しているので、同時にヒートシンクの良好な冷却性に対する要求を満たすことができる。
本発明の別の対象は、ヒートシンクを備えたアッセンブリである。ヒートシンクの第1の面には少なくとも1つの電気構成素子、電子構成素子及び/又はマイクロメカニクス構成素子及び/又は導体路及び/又は結合層が配置されている。有利には第1の面は少なくとも部分的に金属層、特に有利には少なくとも部分的にアルミニウム及び/又は銅層によって覆われている。電気的に絶縁しているヒートシンクの絶縁層に基づき、電気構成素子、電子構成素子及び/又はマイクロメカニクス構成素子の接触接続のために、特に有利には導体路の被着が絶縁層に直接可能になるので、上記アッセンブリによりDBCスタックの実施が不要になる。
本発明のさらに別の対象はヒートシンクを製造する方法である。第1の方法ステップにおいて、主延在平面に対して垂直に所定の多孔率勾配を有するプリフォームが、第1の材料から製造される。第2の方法ステップにおいてプリフォームの細孔は第2の材料によって充填される。したがって本発明に係るヒートシンクの製造は、比較的簡単で良好に制御可能な、単に2つの作業ステップにおいて可能であり、製造は比較的廉価であり、比較的廉価な材料の使用が可能である。
有利な構成によれば、プリフォームは第1の方法ステップにおいてネガ型成形、特にセラミックスラリを用いた、互いに押し合わされたフォーム、有利にはポリウレタンフォームによるネガ型成形により製造される。若しくはプリフォームは第1の方法ステップにおいてスラリ加圧ろ過及び後続の焼結により製造され、有利にはまずスラリ型が、種々異なる組成の2つのスラリによって充填され、2つのスラリの比率が連続的に変えられ次いで加圧ろ過及び焼結方法によりプリフォームは製造される。若しくはプリフォームは第1の方法ステップにおいて粉末加圧成形により製造され、有利には種々異なる組成の粉末がダイ内においてドクターブレードにより重ねてコーティングされ次いで圧縮される。若しくはプリフォームは第1の方法ステップにおいて、複数のグリーンボディプレートの積層及び焼結により製造され、有利には焼結時に種々異なる多孔率をもたらすグリーンボディプレートを互いに積層する。若しくはプリフォームは第1の方法ステップにおいて、種々異なる多孔率のプレートの積層及び結合により製造され、有利にはセラミックプレートは互いに積層されて結合のために互いに後から焼結される。若しくはプリフォームは第1の方法ステップにおいて、鋳込成形方法(Giessverfahren)により、特にシート成形方法(Foliengiessverfahren)により製造され、有利にはシート成形技術において種々異なる組成のスラリが重ねて注型され次いで焼結される。若しくは第2の方法ステップが含浸方法を有しており、有利にはプリフォームは第2の材料によって含浸され、特に有利には、第2の材料は第2の方法ステップ前に液状の凝集状態に変えられる。つまり、特に有利にはヒートシンクの製造は複数の製造方法により可能である。これにより比較的融通がきく、コストに関して最適な製造が実現可能である。製造方法は全体として比較的良好に制御可能で廉価に実施可能である。
本発明の例示的な第1の実施の形態に係るヒートシンクのアッセンブリの概略的な側面図である。 図2aは、本発明の例示的な第2の実施の形態に係るヒートシンクを製造するためのプリフォームの概略的な側面図であり、図2bは、本発明の例示的な第2の実施の形態に係るヒートシンクの概略的な側面図である。
本発明の実施の形態を図示し、以下に詳細に説明する。
本発明の実施の形態
図1には、本発明の例示的な第1の実施の形態に基づくヒートシンク1のアッセンブリ20の概略的な側面図が示されている。ヒートシンク1は、第1の材料3と第2の材料4とを備える複合材料2を有する。第1の材料3は電気絶縁体、有利にはセラミックス製の材料を含有し、第2の材料4は電気導体、有利には金属を含有する。ヒートシンク1は、ヒートシンク1の主延在平面100に対して平行に第1の面5を有している。ヒートシンク1は主延在平面100に対して垂直に、第1の面5に相対する第2の面6を、第1の面5に対してほぼ平行に有している。第1の面5の領域における第1の材料3の材料割合は、第2の面6の領域における第1の材料3の材料割合よりも大きく、複合材料2において第2の面6の領域における第2の材料4の材料割合は、第1の面5の領域における第2の材料4の材料割合よりも大きい。その結果、特に第1の面は実質的に第1の材料3のみを有しており、第2の面6は実質的に第2の材料4のみを有している。複合材料2中の第1の材料3の材料割合は、主延在方向100に対して垂直方向に第1の面5から第2の面6へ向かって特に段階的に減少し、複合材料2における第2の材料4の材料割合は、主延在方向100に対して垂直方向に第1の面5から第2の面6へ向かって特に段階的に増大する。複合材料2は主延在方向に対して垂直に複数の複合材料層7を有し、第1の材料3対第2の材料4の比率は、複数の複合材料層7の間においてそれぞれ異なっている。有利には、第1の材料3は多孔性である。多孔率は主延在方向100に対して垂直方向に第1の面5から第2の面6へ向かって増大し、特に第1の材料3の細孔サイズと細孔密度とは主延在方向100に対して垂直に第1の面5から第2の面6へ向かって平均して増大し、細孔10は第2の材料4によって充填されている。第2の材料4による第1の材料3の細孔10の充填により、第1の材料3は第2の材料4によって少なくとも部分的に形状接続により及び摩擦接続により結合されている。実質的に第1の材料3しか有していない第1の面5の領域における複合材料層7は、主延在方向100に対して垂直に、少なくとも50μmの厚さを有している。ヒートシンク1の第1の面5には半導体構成素子11が配置されている。第1の面5と半導体構成素子11との間には、特に銅から成る導体路11′が配置されている。
図2aには、本発明の例示的な第2の実施の形態に基づくヒートシンク1を製造するためのプリフォーム1′の概略的な側面図が示されている。プリフォーム1′は第1の材料3だけを有している。プリフォーム1′は複数の細孔10を有し、細孔密度は主延在平面100に対して垂直に第1の面5から第2の面6へ向かって連続的に又は段階的に増大する。第1の材料3の材料密度は、第1の面5から第2の面6へ向かって連続的に又は段階的に減少する。プリフォーム1′は、セラミックスラリを用いた互いに圧縮されたポリウレタンフォームによるネガ型成形(Negativabformung)により製造されるか、又は勾配化スラリ加圧ろ過(gradierte Schlicker-Druckfiltration)により製造され、有利には、例えばポアフォーマ又は粒径に関して種々異なる組成のスラリを備えたリーザバからスラリ型は充填される。2つのスラリの比率を特に連続的に変化させ、次いで加圧ろ過によりグリーンボディ若しくは圧粉体を製造する。グリーンボディは、例えばポアフォーマ割合において勾配を有しており、続く焼結プロセスの後に多孔率勾配を備えたプリフォーム1′がもたらされる。択一的にはプリフォーム1′を勾配的な/段階的な粉末加圧加工により製造し、この実施の形態においては、有利には種々異なる組成の粉末をダイにおいてドクターブレードにより重ねてコーティングして次いで圧縮する。粒径又はポアフォーマに関する粉末バリエーションが可能である。又はプリフォーム1′を、焼結条件が同じ場合に粒径又はポアフォーマ割合のバリエーションに基づき種々異なる多孔質をもたらすグリーンボディプレートの積層により製造し、次いでグリーンボディプレートの焼結により製造する。択一的にはプリフォームの製造のために、結合のために互いに後焼結される、種々異なる多孔率のセラミックプレートの重合せが行われているか又はシート成形法が行われている。シート成形技術において、例えば粒径又はポアフォーマ割合に関して種々異なる組成を備えたセラミックス製のスラリを重ねて注型し、次いで焼結する。
図2bには、本発明の例示的な第2の実施の形態に基づくヒートシンク1の概略的な側面図が示されている。ヒートシンク1は、図2aに図示された第1の方法ステップにおいて製造されたプリフォーム1′から成る。プリフォーム1′は第2の方法ステップにおいて溶融金属によって、有利には高圧鋳造技術又はガス圧含浸を介して加圧サポートして含浸される。その結果、細孔10は第2の材料4によって充填されて、ヒートシンクは有利には第2の面6に、実質的に第2の材料4だけを有する複合材料層7を有する。

Claims (17)

  1. 複合材料(2)から成るヒートシンク(1)であって、第1の材料(3)と第2の材料(4)とを有し、第1の材料(3)は電気絶縁体を含有し、第2の材料(4)は電気導体を含有し、ヒートシンク(1)は該ヒートシンク(1)の主延在平面(100)に対して平行に第1の面(5)を有しており、ヒートシンク(1)は主延在平面(100)に対して垂直に第1の面(5)に相対する第2の面(6)を、第1の面(5)に対してほぼ平行に有している、複合材料から成るヒートシンクにおいて、
    第1の面(5)の領域における第1の材料(3)の材料割合が、第2の面(6)の領域における第1の材料(3)の材料割合よりも大きいことを特徴とする、複合材料から成るヒートシンク。
  2. 第2の面(6)の領域における複合材料(2)中の第2の材料(4)の材料割合が、第1の面(5)の領域における第2の材料(14)の材料割合よりも大きく、有利には第1の面(5)はほぼ第1の材料(3)のみを有している、及び/又は、第2の面(6)はほぼ第2の材料(4)のみを有していることを特徴とする、請求項1記載のヒートシンク。
  3. 複合材料(2)中の第1の材料(3)の前記材料割合は、主延在方向(100)に対して垂直に第1の面(5)から第2の面(6)へ、特に連続的に、単調に及び/又は段階的に減少し、複合材料(2)中の第2の材料(4)の前記材料割合は、主延在方向(100)に対して垂直に第1の面(5)から第2の面(6)へ、特に連続的に、単調に及び/又は段階的に増大することを特徴とする、請求項1又は2記載のヒートシンク。
  4. 第1の材料(3)は、特に連続気泡型の多孔性を有しており、該多孔性は主延在方向(100)に対して垂直に第1の面(5)から第2の面(6)へ高まり、有利には第1の材料(3)の細孔サイズ及び/又は細孔密度は平均して主延在方向(100)に対して垂直に第1の面(5)から第2の面(6)へ増大し、特に有利には細孔(10)は第2の材料(4)によって充填されていることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか一項記載のヒートシンク。
  5. 複合材料(2)は前記主延在方向に対して垂直に複数の複合材料層(7)を有しており、特に第1の材料(3)対第2の材料(4)の比率は、複数の複合材料層(7)間においてそれぞれ種々異なっていることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一項記載のヒートシンク。
  6. 第1の材料(3)は第2の材料(4)と形状接続により及び/又は摩擦接続により結合されている、及び/又は、第1の材料(3)は第2の材料(4)と共に相互侵入網目を形成することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか一項記載のヒートシンク。
  7. 第1の材料(3)は主延在平面(100)に対して垂直に、有利には0〜95vol%、特に有利には0〜65vol%の多孔度の経過を有しており、極めて特に有利には第1の面(5)は、主延在平面(100)に対して垂直に少なくとも50μmの厚さの、ほぼ完全に第1の材料(3)から成る1つの複合材料層(7)を有していることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一項記載のヒートシンク。
  8. 第1の材料(3)はセラミックス製の材料、有利には酸化物、窒化物及び/又は炭化物、特に有利にはAl、AlN、Si及び/又はSiC、及び極めて特に有利にはAlを含有し、第2の材料(4)は金属製の材料、有利には銅、銅合金、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有することを特徴とする、請求項1から7までのいずれか一項記載のヒートシンク。
  9. 請求項1から8までのいずれか一項記載のヒートシンク(1)を備えたアッセンブリ(20)において、ヒートシンク(1)の第1の面(5)に、少なくとも1つの電気的、電子的及び/又はマイクロメカニクスの構成素子(11)及び/又は導体路(11′)及び/又は接続層が配置されており、有利には第1の面(5)は少なくとも部分的に金属層によって被覆されており、特に有利には少なくとも部分的にアルミニウム層及び/又は銅層によって被覆されていることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか一項記載のヒートシンクを備えるアッセンブリ。
  10. 請求項1から9までのいずれか一項記載のヒートシンク(1)を製造するための方法において、第1の方法ステップにおいて、主延在平面(100)に対して垂直に多孔率勾配を有するプリフォーム(1′)を第1の材料(3)から製造し、第2の方法ステップにおいて、前記プリフォームの細孔(10)を第2の材料(4)によって充填することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか一項記載のヒートシンクを製造するための方法。
  11. プリフォーム(1′)を第1の方法ステップにおいてネガ型成形により製造し、特にスラリを用いた互いにプレスされたフォームによるネガ型成形により製造し、有利にはポリウレタンフォームを使用することを特徴とする、請求項10記載の方法。
  12. プリフォーム(1′)を前記第1の方法ステップにおいてスラリ加圧ろ過及び後続の焼結により製造し、有利にはまずスラリ型を種々異なる組成の2つのスラリによって充填し、2つのスラリの比率を連続的に変更し、次いで前記プリフォームを加圧ろ過及び焼結方法により製造することを特徴とする、請求項10又は11記載の方法。
  13. プリフォーム(1′)を前記第1の方法ステップにおいて粉末加圧加工により製造し、有利には種々異なる組成の粉末をダイにおいてドクターブレードによって重ねてコーティングし、次いで圧縮することを特徴とする、請求項10から12までのいずれか一項記載の方法。
  14. プリフォーム(1′)を前記第1の方法ステップにおいて複数のグリーンボディプレートの積層及び焼結により製造し、有利には、前記焼結時に種々異なる多孔率をもたらす複数のグリーンボディプレートを重ねて積層することを特徴とする、請求項10から13までのいずれか一項記載の方法。
  15. プリフォーム(1′)を前記第1の方法ステップにおいて種々異なる多孔率のプレートの積層および結合により製造し、有利にはセラミックプレートを重ねて積層し、結合するために互いに後焼結することを特徴とする、請求項10から14までのいずれか一項記載の方法。
  16. プリフォーム(1′)を前記第1の方法ステップにおいて鋳込成形方法、特にシート成形方法により製造し、有利にはシート成形技術において種々異なる組成のスラリを重ねて注型し、次いで焼結することを特徴とする、請求項10から15までのいずれか一項記載の方法。
  17. 前記第2の方法ステップは溶融含浸法を有し、有利にはプリフォーム(1′)に加圧サポートして第2の材料(4)を含浸させ、特に有利には第2の材料(4)を前記第2の方法ステップ前に液状の凝集状態に変えることを特徴とする、請求項10から16までのいずれか一項記載の方法。
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