JP2012033524A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各構成部材の線熱膨張係数の差異に起因する熱応力に関する問題を受けることなく、また、十分な放熱性能、絶縁性を確保することができ、製造工程にも特に制約はなく容易に製造ができる放熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】一表面に発熱体２が取付けられる発熱体取付面３ａを有する伝熱性基板３と、伝熱性基板３から伝達された熱を電気絶縁材４を介して放熱するヒートシンク５を備えた放熱装置１において、伝熱性基板３とヒートシンク５は、伝熱性基板３の端縁部に接続する電気絶縁材４を介して連結されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体素子を利用したパワーモジュールや、高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を半導体素子として利用した照明器具等に用いられる放熱装置、より詳しくは、一表面に発熱体が取付けられる発熱体取付面を有する伝熱性基板と、前記伝熱性基板から伝達された熱を放熱するヒートシンクを備えた放熱装置に関するものである。

近年、広く採用されている絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体素子を利用したパワーモジュールにおいては、半導体素子から高温の熱が発せられるため、その熱を効率良く放熱してその半導体素子の温度を所定の温度以下に保つ必要があり、放熱装置を用いることでその対応はなされていた。

この従来の放熱装置は、発熱体（半導体素子）と、アルミニウムや銅などの高熱伝導性金属で形成された伝熱性基板と、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成された絶縁基板と、アルミニウムや銅或いはそれらの合金などの高熱伝導性金属で形成されたヒートシンクを、発熱体−伝熱性基板−絶縁基板−ヒートシンクの順、或いは、発熱体−絶縁基板−伝熱性基板−ヒートシンクの順で順次積層した積層構造で構成されていた。

また、最近は高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を半導体素子（発光素子）として利用した照明器具（ＬＥＤ電球）が広く採用され始めている。このＬＥＤ電球においても発光素子である高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）から発せられる高温の熱がＬＥＤ電球自体に与える影響は大きく、特にＬＥＤ電球のようにサイズが小さい発光素子から発生せられる熱の密度は大きいため、その高温の熱を効率良く放熱して、発光素子の性能を引き出すことが課題とされている。

先に示した従来の放熱装置では、発熱体から発せられる高温の熱の影響で、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成された絶縁基板と他の構成部材、特に絶縁基板とヒートシンクの線熱膨張係数の差異に起因する熱応力が発生し、積層した絶縁基板にクラックが発生することや、絶縁基板とヒートシンクを接合するハンダ等にクラックが発生することや、或いは、それらの接合面に反りが発生するという問題が発生することが多々あり、いずれの場合も放熱性能の低下の原因となっていた。

このような問題を解決するために提案されているのが特許文献１や特許文献２に記載の放熱装置に関する技術である。これらの放熱装置は、一表面に発熱体が取付けられる発熱体取付面を有する絶縁基板と、その絶縁基板の他表面側（裏側）に設けられる金属層（伝熱性基板）と、高熱伝導性材料からなる応力緩和部材と、ヒートシンクを順に積層することで構成されている。

この放熱装置は、発熱体が取付けられる絶縁基板とヒートシンクが応力緩和部材を介して接合されているため、熱応力に関する問題は応力緩和部材により低減することは可能であると考えられる。しかしながら、従来と同様に絶縁基板の他表面側に金属層（伝熱性基板）を介して積層した状態でヒートシンクを取付ける構成であるため、その低減効果は確実ではなく、上記した問題は確実に解決できるものではなかった。

また、この放熱装置は、発熱体、絶縁基板、伝熱性基板、応力緩和部材、ヒートシンクが積層される構造であるため、各構成部材をハンダ材で接続することを考えた場合、融点の高いハンダ材を使用した接続から低いハンダ材を使用した接続に順を追って行わねばならず、製造工程に制約があるものであった。

更には、発熱体のサイズが高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）のように小さい場合は、発熱体から発生せられる熱の密度が大きく、絶縁基板の他表面にヒートシンクを取付ける従来の構成を採用したままでは、十分な放熱性能を得ることができなかった。

特開２００６−２９４６９９号公報 特開２００７−１９２０３号公報

本発明は、これら従来の問題を解決せんとしてなされたもので、各構成部材の線熱膨張係数の差異に起因する熱応力に関する問題を受けることなく、また、十分な放熱性能、絶縁性を確保することができ、更には、製造工程にも特に制約はなく容易に製造ができる放熱装置を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、一表面に発熱体が取付けられる発熱体取付面を有する伝熱性基板と、前記伝熱性基板から伝達された熱を電気絶縁材を介して放熱するヒートシンクを備えた放熱装置において、前記伝熱性基板と前記ヒートシンクは、前記伝熱性基板の端縁部に接続する電気絶縁材を介して連結されていることを特徴とする放熱装置である。

請求項２記載の発明は、前記伝熱性基板と前記ヒートシンクは、間隔を開けて配置された複数の電気絶縁材を介して連結されている請求項１記載の放熱装置である。

請求項３記載の発明は、前記伝熱性基板の他表面には応力緩和層が形成されている請求項１または２記載の放熱装置である。

請求項４記載の発明は、前記電気絶縁材の体積平均熱伝導率が、１００Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）以上である請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱装置である。

本発明の請求項１記載の放熱装置によると、各構成部材の線熱膨張係数の差異に起因する熱応力に関する問題を受けることなく、また、十分な放熱性能、絶縁性を確保することができる。また、発熱体のサイズが高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）のように小さい場合も、十分な放熱性能を得ることができる。更には、各構成部材の接続の順序等、製造工程にも特に制約はなく容易に製造ができる。

本発明の請求項２記載の放熱装置によると、複数に分割された電気絶縁材が間隔を開けて配置されているため、その間隔が伝熱性基板の変形吸収領域として機能し、熱応力に関する問題の発生を更に確実に抑制することができる。

本発明の請求項３記載の放熱装置によると、伝熱性基板と発熱体の線膨張率差を緩和することができ、熱応力の発生を抑制することができる。

本発明の請求項４記載の放熱装置によると、電気絶縁材によるヒートシンクへの伝熱性能を十分に確保することができる。

本発明の一実施形態を示す放熱装置の縦断面図である。 本発明の異なる実施形態を示す放熱装置の縦断面図である。 伝熱性基板の端縁部に接続する電気絶縁材の一事例を示す斜視図である。 伝熱性基板の端縁部に接続する電気絶縁材の異なる事例を示す斜視図である。 伝熱性基板の端縁部に接続する電気絶縁材の更に異なる事例を示す斜視図である。 伝熱性基板の端縁部に接続する電気絶縁材の更に異なる事例を示す斜視図である。 本発明の更に異なる実施形態を示す放熱装置の縦断面図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す放熱装置１の縦断面図であって、一表面に発熱体２が取付けられる発熱体取付面３ａを有する伝熱性基板３と、その伝熱性基板３から伝達された熱を電気絶縁材４を介して放熱するヒートシンク５を備えており、伝熱性基板３とヒートシンク５は、伝熱性基板３の端縁部に接続する電気絶縁材４を介して連結されている。尚、ここで示す伝熱性基板３の端縁部は、伝熱性基板３の対向する両側縁或いは全周のいずれであっても構わない。その具体的構成については図２〜６に示す本発明の異なる実施形態を説明する際に併せて詳細に説明する。

本発明の放熱装置１の伝熱性基板３の発熱体取付面３ａに取付けられる発熱体２としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）などの高温の熱が発せられる半導体素子等を例示することができる。この発熱体２は、下方の伝熱性基板３と、その上方に設けられたアルミニウム、銅、グラファイトなどでなる電極７で支持されている。尚、この実施形態では発熱体２が複数個ある場合を例示しているが、図２に示す実施形態のように発熱体２は単数であっても構わない。

伝熱性基板３は、その一表面側を発熱体２が取付けられる発熱体取付面３ａとした例えば矩形の板であり、伝熱性、導電性が共に優れるアルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属板で形成されている。また、その表面層は、耐熱性が高く、耐酸性にも優れるアルミニウム合金や銅合金で形成されておればより好ましい。

この伝熱性基板３の端縁部、すなわち伝熱性基板３の対向する両側縁或いは四周には電気絶縁材４が接続されるが、この電気絶縁材４は板状であって、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或いはダイヤモンドなどで形成されている。 尚、この電気絶縁材４の詳細形状については、図２に示す本発明の異なる実施形態の説明で詳細に説明する。

また、ヒートシンク５は、この電気絶縁材４を介して伝熱性基板３の対向する両側縁或いは四周と連結されている。このヒートシンク５は、その内部に複数本の偏平な冷却流体通路５ａが並列した状態で形成された中空構造であって、外殻は、熱伝導性に優れると共に、質量密度の小さいアルミニウムで形成されていることが好ましい。また、冷却流体通路５ａ内を流れる冷却流体は、液体、気体のいずれであっても構わない。

以上のような構成の放熱装置１を用いることで発熱体２から発せられた高温の熱を放熱することができるが、その詳細は以下に説明する通りである。まず、発熱体２から発せられた高温の熱は伝熱性基板３に伝達される。伝熱性基板３に伝達された熱は伝熱性基板３内の隅々にまで伝達され、伝熱性基板３の端縁部に接続する電気絶縁材４を通ってヒートシンク５に伝達されて放熱される。

本発明の放熱装置１が、各構成部材の線熱膨張係数の差異に起因する熱応力に関する問題を受けることないのは以下の理由である。まず、発熱体２から高温の熱が発せられると伝熱性基板３および電気絶縁材４に伝達されこれらは熱膨張する。一方で、この発熱体２からの発熱が停止すると伝熱性基板３および電気絶縁材４は雰囲気温度に低下し熱収縮する。従来のように、発熱体２、伝熱性基板３、電気絶縁材４、ヒートシンク５が積層された構造であると、線熱膨張係数の差異に起因してこの熱膨張・収縮の際に各構成部材間に熱応力が発生する。しかしながら、本発明の放熱装置１は各構成部材が積層されてはおらず、熱膨張・収縮の際に各構成部材間に線熱膨張係数の差異に起因する熱応力が発生することがない。

尚、本発明の放熱装置１では、高温の熱を面方向すなわち周囲に伝達して放熱するため、伝熱性基板３の厚みはできるだけ厚い方が有利である。しかしながら、伝熱性基板３を厚くしすぎた場合、発熱体２と伝熱性基板３の線熱膨張係数の差異に起因する熱応力が無視できなくなる。よって、伝熱性基板３の厚みは、伝熱性基板３の大きさや発熱体２から発せられる熱にもよるが、０．２〜３．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

また、電気絶縁材４の体積平均熱伝導率は１００Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）以上であることが、ヒートシンク５への伝熱性が向上することで好ましい。これらの伝熱性を備える酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或いはダイヤモンドといった電気絶縁材料は、一般に剛性が高く、発熱体２との線熱膨張係数の差異に起因する熱応力が積層した場合は発生しやすく使用しにくいが、伝熱性基板の端縁部に限定して接続することにより、発熱体２や伝熱性基板３への過大な熱応力を回避しつつ、優れた放熱性を実現できる。

尚、前記した体積平均熱伝導率とは、電気絶縁材４を構成する個々の材料（伝熱性基板３やヒートシンク５との接続にロウ材や伝熱グリ−スなどが使用される場合はそれらを含む。）の熱伝導率と、その個々の材料が、電気絶縁材４で占める体積比率を乗じた総和のことである。

図１に示す実施形態の放熱装置１は以上に説明したような構成であり、積層されるのは伝熱性基板３と、その発熱体取付面３ａ上に取り付けられる発熱体２だけである。この伝熱性基板３と発熱体２の線熱膨張係数の差異は、電気絶縁材４との差異と比べるとさほど大きくはなく問題はないが、熱応力に関する問題をより慎重に考えると、発熱体２と伝熱性基板３の間に僅かではあるが熱応力が発生する可能性は残る。

次に、図２〜６に基づき本発明の異なる実施形態について説明する。図２は本発明の一実施形態を示す放熱装置１の縦断面図であって、一表面に発熱体２が取付けられる発熱体取付面３ａを有する伝熱性基板３と、その伝熱性基板３から伝達された熱を電気絶縁材４を介して放熱するヒートシンク５を備えており、伝熱性基板３とヒートシンク５は、伝熱性基板３の端縁部に接続する電気絶縁材４を介して連結されている。この実施形態の放熱装置１が図１に示す実施形態の放熱装置１と大きく異なるのは、伝熱性基板３の他表面側（裏側）に応力緩和層６が形成されていることである。

図１に示す実施形態の放熱装置１の説明で、発熱体２と伝熱性基板３の線熱膨張係数の差異に起因する熱応力が発生する可能性が残ることを説明したが、応力緩和層６は、その発熱体２と伝熱性基板３の線熱膨張係数の差異を抑制するために、伝熱性基板３の他表面側（裏側）に形成される。この応力緩和層６に用いる材料としては、酸化シリコン、ダイヤモンドなどを例示することができる。尚、この応力緩和層６は設ける目的は応力緩和であるため、熱伝導性については問わない。

また、伝熱性基板３と応力緩和層６の関係は、各々の厚さをｔｓ、ｔｒ、ヤング率をＧｓ、Ｇｒとしたしたとき、０．１≦Ｒ（Ｇｒ×ｔｒ）／（Ｇｓ×ｔｓ）≦１０の範囲とすることが好ましい。尚、前記の式でＲは伝熱性基板３と応力緩和層６の面積比（Ｒ＝Ａｒ／Ａｓ）である。

図３〜６に、図２に示す実施形態の放熱装置１に係る電気絶縁材４の様々な形態を示す。図３および図５は、電気絶縁材４が伝熱性基板３の対向する両側縁に接続されている事例を、図４および図６は、電気絶縁材４が伝熱性基板３の全周に接続されている事例をそれぞれ示す。また、図３および図４は、電気絶縁材４が長尺の連続する枠状の電気絶縁材４である事例を、図５および図６は、電気絶縁材４が間隔を開けて配置された複数の電気絶縁材４からなる事例をそれぞれ示す。

尚、特に図示はしないが、図１に示す実施形態の放熱装置１に係る電気絶縁材４の場合も、図２に示す実施形態の放熱装置１に係る電気絶縁材４と同様に、様々な形態をとり得ることは勿論である。

また、図５および図６に示すように、電気絶縁材４が間隔を開けて配置された複数の電気絶縁材４からなる場合は、その間隔が伝熱性基板３の変形吸収領域として機能し、熱応力に関する問題の発生を更に確実に抑制することができる。尚、電気絶縁材４を間隔を開けて配置することで伝熱性は低下するが、発熱体２から発せられた高温の熱は伝熱性基板３の端縁部ではより広い全周も領域に拡げられているため、熱密度としては低下しており、伝熱性の低下の度合いは僅かである。

次に、図１および図２に示す実施形態の各構成材の接続について例を挙げて説明する。

伝熱性基板３と電気絶縁材４の接続は、簡便に伝熱グリースを使って接続しても良いが、ハンダ材を使った接続が一般的である。ここでは、伝熱性基板３と電気絶縁材４の双方の接続面にハンダ箔を配して接続した。ハンダ箔としては、スズ−銀系、或いは、スズ−銀−銅系のハンダ箔を用い、これらハンダ箔の間に厚さ２０μｍ程度のアルミニウム−ナノ多層膜を挟み込んで固定したうえで通電着火すると、アルミニウム−ナノ多層膜が自己伝搬発熱反応によってハンダ箔を瞬時に溶解するので、１秒以内の短時間に接続できる。この方法で伝熱性基板３と電気絶縁材４を接続すれば、伝熱性基板３と電気絶縁材４への内部応力を必要最低限に抑制することができる。

尚、伝熱性基板３とヒートシンク５を、間隔を開けて配置した複数の電気絶縁材を介して連結する場合には、ロウ材との濡れ性の悪いセラミック製スペーサや銅材を挿入して複数の電気絶縁材４の間に間隔を形成することで、上記接続作業を行えば良い。

電気絶縁材４とヒートシンク５の接続も、簡便に伝熱グリースを使って接続しても良いが、ハンダ材を使って接続することができる。例えば、ヒートシンク５がアルミニウム製である場合は、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム系合金などからなるハンダ材を介在させて接続することができる。これらハンダ材を接続面に介在させた状態で電気絶縁材４とヒートシンク５を適切な治具により固定し、その接続面に適切な範囲の荷重を加えながら真空雰囲気中または不活性雰囲気中において、約６００℃に加熱すれば、電気絶縁材４とヒートシンク５はハンダ接続することができる。

また、発熱体２と伝熱性基板３、伝熱性基板３と応力緩和層６を接続する場合も、各々を構成する材料の特性に応じて適切な接続法を採用すれば良い。例えば、後者の場合は、インジウムやスズを含むハンダ合金で接続することが一般的である。

図７に本発明の更に異なる実施形態を示す放熱装置１を示す。この放熱装置１は基本的な構成は図１および図２に示す実施形態と同様であるが、伝熱性基板３が、全周を構成する矩形の伝熱性基板枠３Ａと、その伝熱性基板枠３Ａで支持されたアルミニウム、銅、グラファイトなどでなる板状の下部電極３Ｂよりなる。この実施形態の場合、発熱体２が取付けられる発熱体取付面３ａは、下部電極３Ｂの一表面となる。

１…放熱装置
２…発熱体
３…伝熱性基板
３ａ…発熱体取付面
３Ａ…伝熱性基板枠
３Ｂ…下部電極
４…電気絶縁材
５…ヒートシンク
５ａ…冷却流体通路
６…応力緩和層
７…電極

Claims (4)

1. 一表面に発熱体が取付けられる発熱体取付面を有する伝熱性基板と、前記伝熱性基板から伝達された熱を電気絶縁材を介して放熱するヒートシンクを備えた放熱装置において、
   前記伝熱性基板と前記ヒートシンクは、前記伝熱性基板の端縁部に接続する電気絶縁材を介して連結されていることを特徴とする放熱装置。
2. 前記伝熱性基板と前記ヒートシンクは、間隔を開けて配置された複数の電気絶縁材を介して連結されている請求項１記載の放熱装置。
3. 前記伝熱性基板の他表面には応力緩和層が形成されている請求項１または２記載の放熱装置。
4. 前記電気絶縁材の体積平均熱伝導率が、１００Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）以上である請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱装置。

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