JP2015032758A

JP2015032758A - 放熱板、パワーモジュールおよび放熱板の製造方法

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Publication number: JP2015032758A
Application number: JP2013162815A
Authority: JP
Inventors: 智資平野; Tomosuke Hirano; 尚哉相川; Naoya Aikawa
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-16
Also published as: WO2015019890A1; TW201523817A; TWI566344B

Abstract

【課題】熱サイクル下でのそり量を抑制しうる放熱板、パワーモジュールおよび放熱板の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の放熱板１０は、板状をなし、主面中央部に側面が主面に対し１０〜４５?の傾斜角を有する溝部３を有する金属または合金からなる第１部材１と、溝部３内または溝部３内から第１部材１の厚さ方向に、第１部材１を構成する材料より熱伝導率が大きい金属または合金が積層されてなる第２部材２と、を備え、第２部材２は、第２部材２を構成する金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、第１部材１の溝部３内、または溝部３内から第２部材２の厚さ方向に延在するように固相状態のままで吹き付け堆積させて積層させたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱板、パワーモジュールおよび放熱板の製造方法に関するものである。

従来より、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、基材である絶縁基板（例えばセラミックス基板）の一方の面に、ろう付された金属板からなる回路パターン上に半導体チップ（トランジスタ）を実装し、他方の面に、ろう付された金属板を介して放熱板を配設した装置である。このようなパワーモジュールにおいて、半導体チップは、回路パターン上に半田付けにより接合されるとともに、放熱板が半田またはろう付により金属板上に接合されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１等のパワーモジュールでは、放熱板の材料としてパワーモジュールからの熱を効率よく拡散するために、熱伝導率に優れる銅が使用され、該放熱板は、絶縁基板の接する面と反対側の面で、アルミニウム合金で構成された冷却器と、固定ネジで締結、あるいは半田またはろう付されて使用されている。

特開２０１３−５８５３５号公報

パワーモジュールは、使用時に熱サイクルが負荷されるため、特許文献１のように、放熱板（銅）と冷却器（アルミニウム合金）の材料として異なる材料が使用されると、熱膨張係数の差により熱応力が発生し、放熱板と冷却器との間に生じた隙間により放熱効率が低下したり、熱応力により接合部に剥がれが生じることがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱サイクル下でのそり量を抑制しうるとともに、他の部材との接合性に優れる放熱板、パワーモジュールおよび放熱板の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる放熱板は、板状をなし、主面中央部に側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部を有する金属または合金からなる第１部材と、前記溝部内または前記溝部内から前記第１部材の厚さ方向に延在する、前記第１部材を構成する材料より熱伝導率が大きい金属または合金が積層されてなる第２部材と、を備え、前記第２部材は、前記第２部材を構成する金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記第１部材の溝部内、または溝部内から前記第２部材の厚さ方向に延在するように固相状態のままで吹き付け堆積させて積層させたことを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、側面が主面に対し１０〜４５°の角度で傾斜する板状体をなし、金属または合金からなる第２部材と、前記第２部材の側面外周部に、前記第２部材を構成する材料より熱伝導率が小さい金属または合金が積層されてなる第１部材と、を備え、前記第１部材は、前記第１部材を構成する金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記第２部材の側面外周部に固相状態のままで吹き付けて堆積させて積層させたことを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記第２部材を構成する金属または合金の熱膨張率が、前記第１部材を構成する金属または合金よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記第１部材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第２部材は銅または銅合金であることを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記溝部は、前記第１部材の主面の一端部から他端部まで横断するように形成されることを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記溝部は、前記第１部材を貫通するように形成されることを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記第２部材は前記溝部内に形成され、第１部材の上面と第２部材の上面が平面をなすことを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記第２部材の上面は、前記第１部材の上面から突出するように形成され、前記第１部材の前記第２部材と接する部分の最大厚さと、前記第２部材の前記第１部材と接する部分の最大厚さとの比が、１：１〜１：３の範囲であることを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記第１部材の前記第２部材と接する部分の最大厚さと、前記第２部材の前記第１部材と接する部分の最大厚さとの比が、１：１〜２０：１の範囲であることを特徴とする。

また、本発明の放熱板は、上記発明において、前記第１部材は、前記溝部が形成された面と反対側の面に冷却媒体が流通する流路が形成されることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュールは、上記のいずれか一つに記載の放熱板と、前記放熱板の第２部材と接続されるセラミックス基板と、前記放熱板の第１のセラミックス基板と接する面と反対側の面で接続される、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクと、を備えることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュールは、上記発明において、上記に記載の放熱板と、前記放熱板の第２部材側に接続されるセラミックス基板と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の放熱板の製造方法は、板状をなし、金属または合金からなる第１部材の主面中央部に形成された、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部に、前記第１部材を構成する材料より熱伝導率が大きい金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記溝部内または前記溝部内から前記第２部材の厚さ方向に延在するように、固相状態のままで吹き付けて堆積させ、第２部材を形成する積層工程と、前記積層工程により形成した前記第２部材を少なくとも切削加工する切削工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の放熱板の製造方法は、側面が主面に対し１０〜４５°の角度で傾斜する板状をなし、金属または合金からなる第２部材の側面および側面外周部の上方から、前記第２部材を構成する材料より熱伝導率が小さい金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて堆積させ、第１部材を形成する積層工程と、前記積層工程により形成した前記第１部材を少なくとも切削加工する切削工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の放熱板の製造方法は、上記発明において、前記第２部材を構成する金属または合金の熱膨張率が、前記第１部材を構成する金属または合金よりも小さいことを特徴とする。

本発明にかかる放熱板は、２種の金属または合金を使用するにもかかわらず、熱サイクル下においてもそり量を低減しうるとともに、セラミックス基板や冷却器と接合して使用する場合においても接合部分の剥がれ等を抑制できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の製造工程を説明する概略図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の製造工程の別法を説明する概略図である。図５は、本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの構成を示す概略図である。図６は、本発明の実施の形態１の変形例１にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図７は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図８は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる放熱板の製造工程を説明する概略図である。図９は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１０は、本発明の実施の形態１の変形例４にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１１は、本発明の実施の形態２にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１２は、本発明の実施の形態２にかかる放熱板の製造工程を説明するフローチャートである。図１３は、本発明の実施の形態２の変形例１にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１４は、本発明の実施の形態２の変形例２にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１５は、本発明の実施の形態２の変形例２にかかる放熱板の製造工程を説明するフローチャートである。図１６は、本発明の実施の形態２の変形例３にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１７は、本発明の実施の形態２の変形例４にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１８は、本発明の実施の形態２の変形例６にかかる放熱板の構成を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる放熱板について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図１（ａ）は、放熱板の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ線での断面図を示す。

放熱板１０は、金属または合金からなる第１部材１と、第１部材１を構成する材料より熱伝導率が大きい金属または合金からなる第２部材２とからなる。第１部材１と第２部材２の好適な組み合わせは、アルミニウムと銅、鉄とアルミニウム、鉄と銅を例示することができる。

第１部材１は、主面中央部に、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角（θ）を有する溝部３を有する。実施の形態１において、溝部３は、第１部材１の主面の一端部から他端部まで横断するように形成されるとともに、第１部材１の主面上面から主面まで貫通するように形成されている。なお、本明細書において、「側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角（θ）を有する」とは、側面を形成する１つの面（または稜線）が主面に対し１０〜４５°の傾斜角（θ）を有する場合に加え、側面が円弧部分を含む場合に、円弧部分の接線のうち、主面との傾斜角が最大である接線の傾斜角（θ）が、１０〜４５°の場合を含む。

第１部材１の第２部材２と接する部分の最大厚さｈ_１と、第２部材の第１部材と接する部分の最大厚さｈ_２との比は、１：１〜１：３の範囲であることが好ましい。当該範囲とすることにより、放熱板１０の厚さを厚くすることなく、熱サイクル下での放熱板のそりを低減することができる。第１部材１の第２部材２と接する部分の最大厚さｈ_１と、第２部材の第１部材と接する部分の最大厚さｈ_２との比は、１：１．５〜１：２．５の範囲であることが好ましい。

第２部材２は、第２部材２を構成する粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、溝部３内から第１部材１の厚さ方向に延在するように、固相状態のままで吹き付けて堆積させて形成される。

次に、実施の形態１にかかる放熱板１０の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の製造工程を説明する概略図である。図４は、本発明の実施の形態１にかかる放熱板の製造工程の別法を説明する概略図である。

コールドスプレー装置５０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器５１と、基材に噴射する粉末材料を収容し、スプレーガン５２に供給する粉末供給装置５３と、スプレーガン５２で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を、切削加工後に第１部材１となる第１基材部１ａに噴射するガスノズル５４とを備えている。

圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ５５および５６により、ガス加熱器５１と粉末供給装置５３にそれぞれ供給される。ガス加熱器５１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、第２部材２の材料粉末の融点以下の温度に加熱された後、スプレーガン５２に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００〜９００℃である。

粉末供給装置２３に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置２３内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン２２に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル２４により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。また、圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力を１〜５ＭＰａ程度とすることにより、第１部材１と第２部材２との間の密着強度の向上を図ることができる。２〜４ＭＰａ程度の圧力で処理することが好ましい。スプレーガン５２に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を第１基材部１ａに形成された溝部３に固相状態で衝突させて、第２皮膜部２ａを形成できる装置であれば、図２のコールドスプレー装置５０に限定されるものではない。

実施の形態１にかかる放熱板１０は、まず、図３（ａ）に示すように、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部３を形成した第１基材部１ａを用意し、上述したコールドスプレー装置５０により、図３（ｂ）に示すように、溝部３内に、第２部材２を構成する粉末材料を固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２皮膜部２ａを形成する。第２皮膜部２ａの積層後、図３（ｃ）に示すように、第２皮膜部２ａの上面および第１部材１ａの溝部３が形成された面の反対側の面を、平面をなすように切削加工することにより製造することができる。

あるいは、実施の形態１にかかる放熱板１０は、図４に示す工程によっても製造することができる。図４の方法においては、２つのパーツからなる第１部材１ｂを、溝部３が所定の形状となるように、図示しない位置合わせ部材により位置合わせする（図４（ａ）参照）。その後、図４（ｂ）に示すように、コールドスプレー装置５０により、第２部材２を構成する粉末材料を固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２皮膜部２ａを形成し、図４（ｃ）に示すように、第２皮膜部２ａの上面を、平面をなすように切削加工することにより製造することができる。なお、放熱板１０は、第２皮膜部２ａが積層された側と反対側の面（第１部材１ｂおよび第２皮膜部２ａ）も切削加工してもよい。

コールドスプレー装置５０によって、材料粉末をガスと共に加速し、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部３に固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２部材２ａを形成することにより、第１部材１と第２部材２との間の密着強度を向上することができる。なお、実施の形態１にかかる放熱板１０は、コールドスプレー法による製造に限定されるものではなく、異種金属が接合されたクラッド材や、ＦＳＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）によっても製造可能である。

また、実施の形態１にかかる放熱板１０は、溝部３を第１部材１の主面上面から主面まで貫通するように形成しているため、第１部材１と第２部材２の接触面積が小さくなり、熱膨張差によるそり量を大幅に低減することができる。

実施の形態１にかかる放熱板１０は、図５に示すパワーモジュールの放熱板として好適に使用することができる。図５は、本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの構成を示す概略図である。

パワーモジュール１００は、半導体素子３１を搭載したパワーモジュール基板３０と、半導体素子３１が放出する熱を伝熱する放熱板１０と、放熱板１０からの熱を排出する冷却器２０と、を備える。

パワーモジュール基板３０は、セラミックス基板３３を備え、セラミックス基板３３の一方の面に回路層３２が形成されるとともに、他方の面に金属層３４が形成されている。

セラミックス基板３３は、絶縁性材料からなる略板状の部材である。セラミックス基板３３の材料としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスが用いられる。

回路層３２は、例えば、アルミニウムや銅、銀等の良好な電気伝導度を有する金属または該金属を含む合金からなる。回路層３２には、半導体素子３１等に対して電気信号を伝達するための回路パターンが形成されている。

半導体素子３１は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。半導体素子３１は、半田３５により回路層３２に接続されている。なお、半導体素子３１は、高電圧で使用が可能なパワーデバイス、特に耐熱性に優れる炭化珪素チップであることが好ましく、使用の目的に合わせてセラミックス基板３３上に複数個設けられても良い。

金属層３４は、回路層３２の材料と同様の材料から形成され、回路層３２および金属層３４は、ろう材によりセラミックス基板３３に接合されている。

また、実施の形態１にかかるパワーモジュール１００は、回路層３２および銅板からなる金属層３４が、セラミックス基板３３に直接接合されたＤＢＣ基板（「ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｅｄＣｏｐｐｅｒ基板」、以下、ＤＢＣ基板という）であってもよい。

冷却器２０は、熱伝導性が良好な金属または合金、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。冷却器２０の放熱板１０と接する側と反対側の面には、空気や水等の冷却媒体が流通する流路２１が形成される。

放熱板１０は、第２部材２の突出した面で、ろう材５によりパワーモジュール基板３０の金属層３４と接続される。また、放熱板１０は、金属層２４と接する面の反対側の面で、ろう材４により冷却器２０と接続される。

実施の形態１にかかるパワーモジュール１００において、放熱板１０の第２部材２を構成する金属または合金の熱膨張率は、第１部材１を構成する金属または合金の熱膨張率よりも小さいことが好ましい。第２部材２を構成する金属または合金の熱膨張率が、第１部材１を構成する金属または合金の熱膨張率よりも小さいことにより、熱サイクル下でセラミックス基板３３と冷却器２０との間で発生しうる熱応力を緩衝することができる。

放熱板１０をパワーモジュール１００で使用する場合、第１部材１はアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されることが好ましく、第２部材２は銅または銅合金から形成されることが好ましい。第１部材１をアルミニウムまたはアルミニウム合金、第２部材２を銅または銅合金とすることにより、熱サイクル下でのそり量を低減できるだけでなく、熱拡散性に優れるとともに、セラミックス基板３３や、冷却器２０との接合した際の接合部の剥がれを抑制することが可能となる。

なお、実施の形態１にかかる放熱板１０の変形例１として、図６に示す放熱板を例示することができる。図６に示す、変形例１にかかる放熱板１０Ａは、第２部材２Ａが、第１部材１Ａの溝部３Ａ内にのみ積層され、第２部材２Ａと第１部材１Ａとが平面をなしている点で実施の形態１の放熱板１０と異なる。

変形例１にかかる放熱板１０Ａは、図３または図４に示す、実施の形態１の放熱板１０の製造方法により製造することができる。たとえば、図３（ａ）に示す、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部３を形成した第１基材部１ａを用意し、コールドスプレー装置５０により、図３（ｂ）に示すように、溝部３内に、第２部材２を構成する粉末材料を固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２皮膜部２ａを形成し、第１部材１ａの溝部３が形成された面の反対側の面を切削加工するとともに、第２皮膜部２ａの上面と第１部材１ａの上面を、第２部材２Ａと第１部材１Ａとが平面をなすように切削すればよい。あるいは、図４（ａ）に示す２つのパーツからなる第１部材１ｂを用意し、コールドスプレー装置５０により、図４（ｂ）に示すように、溝部３内に、第２部材２を構成する粉末材料を固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２皮膜部２ａを形成し、第２皮膜部２ａの上面と第１部材１ａの上面を第２部材２Ａと第１部材１Ａとが平面をなすように切削すればよい。

さらに、放熱板は、図７に示す形状であってもよい。図７は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる放熱板の構成を示す概略図である。図８は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる放熱板の製造工程を説明する概略図である。

実施の形態１の変形例２にかかる放熱板１０Ｂは、第２部材２Ｂが、第１部材１Ｂから突出形成している点は、実施の形態１の放熱板１０と同様であるが、溝部３Ｂが凸型に形成される点で、実施の形態１の放熱板１０と異なる。変形例２に係る放熱板１０Ｂでは、第２部材２Ｂが突出する側の溝部３Ｂの側面の主面に対する傾斜角（θ）を、１０〜４５°とする。変形例２の放熱板１０Ｂは、第２部材２Ｂが凸型であるため、熱拡散が更に容易となる。

なお、変形例２にかかる放熱板１０Ｂは、図８に示すようにして製造すればよい。まず、図８（ａ）に示すように、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する第２基材部２ｃを用意し、上述したコールドスプレー装置５０により、図８（ｂ）に示すように、第１部材１Ｂを構成する粉末材料を、第２基材部２ｃの側面の外周部に固相状態のままで吹き付けて堆積させて第１皮膜１ｃを形成する。第１皮膜１ｂの積層後、図８（ｃ）に示すように、第１皮膜１ｃの上面を平面をなすように切削するとともに、第２基材部２ｃの角部を切削加工することにより製造することができる。

また、放熱板は、図９に示すような形状であってもよい。図９は、本発明の実施の形態１の変形例３にかかる放熱板の断面図である。変形例３にかかる放熱板１０Ｋは、変形例１にかかる放熱板１０Ａを上下反転させた形状をなす。放熱板１０Ｋは、第２部材２Ｋが主面上に露出する面積が、セラミックス基板に接続される上面側より、冷却器に接続される下面側のほうが大きくなるように形成される。したがって、変形例３にかかる放熱板１０Ｋは、セラミックス基板上の半導体素子から放出された熱の拡散性に優れる。変形例３にかかる放熱板１０Ｋは、変形例１にかかる放熱板１０Ａを製造した後、反転させて使用すればよい。

さらにまた、放熱板は、図１０に示すような形状であってもよい。図１０（ａ）は、本発明の実施の形態１の変形例４にかかる放熱板の上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢＢ線の断面図である。変形例４にかかる放熱板１０Ｄは、溝部３Ｄが主面中央部に貫通するように形成される。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかる放熱板１０Ｅは、第１部材１Ｅに形成される溝部３Ｅが貫通穴でない点で実施の形態１と異なる。以下、図面を参照して実施の形態２にかかる放熱板１０Ｅについて説明する。

図１１は、本発明の実施の形態２にかかる放熱板１０Ｅの上面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＣＣ線の断面図である。放熱板１０Ｅにおいて、溝部３Ｅが第１部材１Ｅを貫通しない点で、実施の形態１の放熱板１０と異なる。

第１部材１Ｅは、主面中央部に、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角（θ）を有する溝部３Ｅを有する。溝部３Ｅは、第１部材１の主面の一端部から他端部まで横断するように形成される。

実施の形態２にかかる放熱板１０Ｅは、図１２に示すようにして製造することができる。放熱板１０Ｅは、図１２（ａ）に示すように、まず、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部３Ｅを形成した第１基材部１Ｅを用意し、上述したコールドスプレー装置５０により、図１２（ｂ）に示すように、溝部３Ｅ内に、第２部材２Ｅを構成する粉末材料を固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２皮膜部２ｅを形成する。第２皮膜部２ｅの積層後、図１２（ｃ）に示すように、第２皮膜部２ｅの上面を、平面とする切削加工を行なうことにより製造することができる。

また、放熱板は、図１３に示すような形状であってもよい。図１３（ａ）は、本発明の実施の形態２の変形例１にかかる放熱板の上面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＤＤ線の断面図である。実施の形態２の変形例１にかかる放熱板１０Ｆは、溝部３Ｆが主面中央部のみに形成されている。

さらに、実施の形態２にかかる放熱板１０Ｅは、第１部材１Ｅに流路を形成し、冷却機能を有するものとすることも可能である。図１４は、本発明の実施の形態２の変形例２にかかる放熱板の構成を示す概略図である。

実施の形態２の変形例２にかかる放熱板１０Ｇは、溝部３Ｇが形成された面と対向する面に冷却媒体が流通する流路２１が形成された第１部材１Ｇを備える。放熱板１０Ｇは、第２部材２Ｇを介して伝熱された熱を、第１部材１Ｇの流路２１を介して排出することができる。

実施の形態２の変形例２にかかる放熱板１０Ｇは、図１５に示すように、第１部材１Ｇの材料である金属または合金のバルク材に、流路２１および溝部３Ｇを形成して第１部材１Ｇとし（ステップＳ１）、上述したコールドスプレー装置５０により、溝部３Ｇ内に、第２部材２を構成する粉末材料を固相状態のままで吹き付けて堆積させて第２皮膜部を形成する（ステップＳ２）。第２皮膜部の積層後、第２皮膜部の上面を平面とする切削加工を行なうことにより製造することができる（ステップＳ３）。あるいは、第１部材１Ｇの材料である金属または合金のバルク材に、溝部３Ｇのみ形成し、コールドスプレー装置５０により第２皮膜部を形成し、切削により第２部材とした後、流路２１を形成してもよい。

また、放熱板は、図１６に示すような形状であってもよい。図１６（ａ）は、本発明の実施の形態２の変形例３にかかる放熱板の上面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＥＥ線の断面図である。実施の形態２の変形例３にかかる放熱板１０Ｇは、第２部材２Ｇは、第１部材１Ｇの溝部３内に形成され、第２部材２Ｇの上面と第１部材１Ｇの上面は平面をなしている。

さらに、放熱板は、図１７に示すような形状であってもよい。図１７（ａ）は、本発明の実施の形態２の変形例４にかかる放熱板の上面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＦＦ線の断面図である。実施の形態２の変形例４にかかる放熱板１０Ｈにおいて、第１部材１Ｈ上には、主面の位置端部から他端部まで横断する溝３Ｈが、平行に３つ形成されている。第２部材２Ｈは、第１部材１Ｈの溝部３Ｈ内にそれぞれ形成され、第２部材２Ｈの上面と第１部材１Ｈの上面は、平面をなしている。

さらにまた、放熱板は、図１８に示すような形状であってもよい。図１８（ａ）は、本発明の実施の形態２の変形例５にかかる放熱板の上面図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＧＧ線の断面図である。実施の形態２の変形例５にかかる放熱板１０Ｊにおいて、第１部材１Ｊ上には、溝３Ｊが、等間隔で格子状に複数形成されている。第２部材２Ｊは、第１部材１Ｊの溝部３Ｊ内にそれぞれ形成され、第２部材２Ｊの上面と第１部材１Ｊの上面は、平面をなしている。

実施の形態１の変形例１および変形例３、ならびに実施の形態２の変形例３〜５のような、第１部材と第２部材の上面が平面をなす放熱板において、第１部材の第２部材と接する部分の最大厚さｈ_１と、第２部材の第１部材と接する部分の最大厚さｈ_２との比は、１：１〜２０：１の範囲であることが好ましい。当該範囲とすることにより、放熱板の厚さを厚くすることなく、熱サイクル下での放熱板のそりを低減することができる。第１部材の第２部材と接する部分の最大厚さｈ_１と、第２部材の第１部材と接する部分の最大厚さｈ_２との比は、１：１〜１０：１の範囲であることが好ましい。

（実施例１）
図１の形状の放熱板１０を、第１部材１をアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２を銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１には、厚さ（ｈ_１）３．０ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍの溝部３を形成した。第２部材２は、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３に吹付けて積層した。第２部材２の厚さｈ_２は５．０ｍｍである。

（実施例２および３）
図１１の形状の放熱板１０Ｅを、第１部材１Ｅをアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２Ｅを銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１Ｅには、厚さ（ｈ_１）３．０ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、基部厚さｈ_３：２．０ｍｍまたは１．０ｍｍ、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍの溝部３Ｅを形成した。第２部材２Ｅは、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３Ｅに吹付けて積層した。第２部材２Ｅの厚さｈ_２は、３．０ｍｍまたは４．０ｍｍｍである。

（参考例１）
図１の形状の放熱板１０において、溝部３を有しない第１部材１に第２部材２を積層した。第１部材には、厚さ（ｈ_１）が３ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３−Ｔ５、ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）を使用し、第２部材２は、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（リン脱酸銅、粒径３０μｍ）を吹付けて積層した。第２部材の大きさは、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ、ｈ_２：２ｍｍである。参考例１の第１部材および第２部材の厚さを表１に示す。

（実施例４）
図１０の形状の放熱板１０Ｄを、第１部材１Ｄをアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２Ｄを銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１Ｄには、厚さ（ｈ_１）３ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_４：３０ｍｍの溝部３Ｄを形成した。第２部材２Ｄは、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３Ｄに吹付けて積層した。第２部材２Ｄの厚さｈ_２は５．０ｍｍである。

（実施例５および６）
図１３の形状の放熱板１０Ｆを、第１部材１Ｆをアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２Ｆを銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１Ｆには、厚さ（ｈ_１）３．０ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、基部厚さｈ_３：２．０ｍｍまたは１．０ｍｍ、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_４：３０ｍｍの溝部３Ｆを形成した。第２部材２Ｆは、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３Ｆに吹付けて積層した。第２部材２Ｆの厚さｈ_２は３．０ｍｍまたは４．０ｍｍである。

（参考例２）
図１０の形状の放熱板１０Ｄにおいて、溝部を有しない第１部材に第２部材を積層した。第１部材には、厚さ（ｈ_１）が３ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３−Ｔ５、ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）を使用し、第２部材は、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、アルミニウム粒子（リン脱酸銅、粒径３０μｍ）を吹付けて積層した。第２部材の大きさは、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_４：３０ｍｍ、ｈ_２：２ｍｍである。参考例２の第１部材および第２部材の厚さを表２に示す。

（実施例７）
図１６の形状の放熱板１０Ｇを、第１部材１Ｇをアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２Ｇを銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１Ｇには、厚さ（ｈ_１）５．０ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、基部厚さｈ_３：４．０ｍｍ、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍの溝部３Ｇを形成した。第２部材２Ｇは、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３Ｇに吹付けて積層した後、第１部材１Ｇの上面と第２部材２Ｇの上面が平面をなすように切削した。実施例７の第１部材１Ｇおよび第２部材２Ｇの厚さを表３に示す。

（実施例８）
図１７の形状の放熱板１０Ｈを、第１部材１Ｈをアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２Ｈを銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１Ｈには、厚さ（ｈ_１）５．０ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、基部厚さｈ_３：４．０ｍｍ、ｒ_２：９ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍの溝部３Ｈを、ｒ_４：１．５ｍｍの間隔で３つ形成した。第２部材２Ｈは、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３Ｇに吹付けて積層した後、第１部材１Ｈの上面と第２部材２Ｈの上面が平面をなすように切削した。実施例８の第１部材１Ｈおよび第２部材２Ｈの厚さを表３に示す。

（実施例９）
図１８の形状の放熱板１０Ｊを、第１部材１Ｊをアルミニウム（Ａ６０６３−Ｔ５）、第２部材２Ｊを銅（リン脱酸銅）で形成した。第１部材１Ｊには、厚さ（ｈ_１）５．０ｍｍのアルミニウム板（ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）に、側面の主面に対する角度（θ）：３０°、基部厚さｈ_３：４．０ｍｍ、ｒ_２：９ｍｍ、ｒ_５：９ｍｍの溝部３Ｊを、ｒ_４：１．５ｍｍ、ｒ_６：１．５ｍｍの間隔で格子状に形成した（完全な溝は９個）。第２部材２Ｊは、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（粒径３０μｍ）を溝部３Ｊに吹付けて積層した後、第１部材１Ｊの上面と第２部材２Ｊの上面が平面をなすように切削した。実施例９の第１部材１Ｊおよび第２部材２Ｊの厚さを表３に示す。

（参考例３）
図１の形状の放熱板１０において、溝部３を有しない第１部材１に第２部材２を積層した。第１部材には、厚さ（ｈ_１）が４．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３−Ｔ５、ｒ_１：５０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ）を使用し、第２部材２は、コールドスプレー装置５０により、圧縮ガス：窒素、圧縮ガス温度：６００℃、ガス圧力：３ＭＰａで、銅粒子（リン脱酸銅、粒径３０μｍ）を吹付けて積層した。第２部材の大きさは、ｒ_２：３０ｍｍ、ｒ_３：５０ｍｍ、ｈ_２：１．０ｍｍである。参考例３の第１部材および第２部材の厚さを表３に示す。

上記の実施例および参考例で作製した各テストピースについて、１２５℃に加温時および−４０℃に冷却時のそりを目視により評価した（◎〜×）。なお、そりは、第２部材である銅板の端部における熱負荷なしの状態からのそりである。実施例および参考例で作製したテストピースの厚さおよびそり量を表１〜表３にまとめた。
は、

表１に示すように、実施例１〜３は、参考例１に比べそり量を低減することが可能となる。また、表２に示すように、実施例４〜６は、参考例２に比べそり量を低減することが可能となる。さらに、表３に示すように、実施例７〜９は、参考例３に比べそり量を低減することが可能となる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊ、１Ｋ第１部材
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ、２Ｊ、２Ｋ第２部材
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ、３Ｊ、３Ｋ溝部
４、５ろう材
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ、１０Ｊ、１０Ｋ放熱板
２０冷却器
２１流路
３０パワーモジュール基板
３１半導体素子
３２回路層
３３セラミックス基板
３４金属層
３５半田
５０コールドスプレー装置
５１ガス加熱器
５２スプレーガン
５３粉末供給装置
５４ガスノズル
１００パワーモジュール

Claims

板状をなし、主面中央部に側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部を有する金属または合金からなる第１部材と、
前記溝部内または前記溝部内から第１部材の厚さ方向に、前記第１部材を構成する材料より熱伝導率が大きい金属または合金が積層されてなる第２部材と、
を備え、前記第２部材は、前記第２部材を構成する金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記第１部材の溝部内、または溝部内から前記第２部材の厚さ方向に延在するように固相状態のままで吹き付け堆積させて積層させたことを特徴とする放熱板。
側面が主面に対し１０〜４５°の角度で傾斜する板状体をなし、金属または合金からなる第２部材と、
前記第２部材の側面外周部に、前記第２部材を構成する材料より熱伝導率が小さい金属または合金が積層されてなる第１部材と、
を備え、前記第１部材は、前記第１部材を構成する金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記第２部材の側面外周部に固相状態のままで吹き付けて堆積させて積層させたことを特徴とする放熱板。
前記第２部材を構成する金属または合金の熱膨張率が、前記第１部材を構成する金属または合金よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の放熱板。
前記第１部材はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第２部材は銅または銅合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の放熱板。
前記溝部は、前記第１部材の主面の一端部から他端部まで横断するように形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の放熱板。
前記溝部は、前記第１部材を貫通するように形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の放熱板。
前記第２部材は前記溝部内に形成され、第１部材の上面と第２部材の上面が平面をなすことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の放熱板。
前記第２部材の上面は、前記第１部材の上面から突出するように形成され、
前記第１部材の前記第２部材と接する部分の最大厚さと、前記第２部材の前記第１部材と接する部分の最大厚さとの比が、１：１〜１：３の範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の放熱板。
前記第１部材の前記第２部材と接する部分の最大厚さと、前記第２部材の前記第１部材と接する部分の最大厚さとの比が、１：１〜２０：１の範囲であることを特徴とする請求項７に記載の放熱板。
前記第１部材は、前記溝部が形成された面と反対側の面に冷却媒体が流通する流路が形成されることを特徴とする請求項１、３〜５のいずれか一つに記載の放熱板。
請求項１〜９のいずれか一つに記載の放熱板と、
前記放熱板の第２部材と接続されるセラミックス基板と、
前記放熱板のセラミックス基板と接する面と反対側の面で接続されるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクと、
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
請求項１０に記載の放熱板と、
前記放熱板の第２部材側に接続されるセラミックス基板と、
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
板状をなし、金属または合金からなる第１部材の主面中央部に形成された、側面が主面に対し１０〜４５°の傾斜角を有する溝部に、前記第１部材を構成する材料より熱伝導率が大きい金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、前記溝部内または前記溝部内から第１部材の厚さ方向に固相状態のままで吹き付けて堆積させ、第２部材を形成する積層工程と、
前記積層工程により形成した前記第２部材を少なくとも切削加工する切削工程と、
を含むことを特徴とする放熱板の製造方法。
側面が主面に対し１０〜４５°の角度で傾斜する板状体をなし、金属または合金からなる第２部材の側面および側面外周部の上方から、前記第２部材を構成する材料より熱伝導率が小さい金属または合金の粉末材料を、該粉末材料の融点より低い温度に加熱されたガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて堆積させ、第１部材を形成する積層工程と、
前記積層工程により形成した前記第１部材を少なくとも切削加工する切削工程と、
を含むことを特徴とする放熱板の製造方法。
前記第２部材を構成する金属または合金の熱膨張率が、前記第１部材を構成する金属または合金よりも小さいことを特徴とする請求項１１または１２に記載の放熱板の製造方法。