JP2019140198A - 回路基板付きヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイクルに対する耐久性及び放熱性に優れ、回路基板の位置ずれを抑制することができ、回路基板上に半導体素子を容易に搭載することができる回路基板付きヒートシンクを提供する。【解決手段】ヒートシンク１は、ヒートシンク本体２と、低膨張板３と、回路基板４と、ろう材５とを有している。ヒートシンク本体２は、底板部２１と、底板部２１の周縁から立設された外枠部２２と、外枠部２２の内側に形成された収容空間２３とを有している。低膨張板３は底板部２１上に保持されている。回路基板４は、裏面金属層４１と、セラミックス板４２と、回路金属層４３とが順次積層された構造を有し、裏面金属層４１が底板部２１側を向いている。外枠部２２の内側面２２１と、底板部２１の部品搭載面２１１との間には、円弧状を呈する接続面２４が介在している。外枠部２２の高さＨ１は回路金属層４３の高さＨ２の０．９〜１．１倍である。【選択図】図３

Description

本発明は、回路基板付きヒートシンクに関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置には、セラミックス板の両面に金属板が接合された回路基板と、回路基板における一方の金属板に接合されたヒートシンクとを有する回路基板付きヒートシンクが組み込まれている。回路基板における他方の金属板には、電力回路を構成する半導体素子などがはんだ付により搭載されている。また、この種の回路基板付きヒートシンクにおけるヒートシンクや金属板は、軽量化を目的として、アルミニウム材（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同様。）から構成されていることがある。

回路基板の金属板は、ろう付によりヒートシンクに接合されていることが多い。しかし、絶縁基板を構成するセラミックスの熱膨張係数と、天板部を構成するアルミニウム材の熱膨張係数とは異なっているため、ろう付時の加熱により絶縁基板と天板部との熱膨張量に差が生じる。このような状態で被処理物を冷却すると、絶縁基板や天板部の収縮が完了する前にろうが凝固する。その結果、ろう付が完了した後に、絶縁基板に反り及び残留応力が発生する。

また、ろう付後の絶縁基板は、ろう材及び金属層を介してヒートシンクの天板部に拘束されている。そのため、例えば半導体素子のはんだ付作業の際や、半導体素子の発熱等により絶縁基板及びヒートシンクの温度が上昇すると、絶縁基板の中心付近に引張応力が生じるとともに、絶縁基板に反りが生じる。このような熱サイクルによって生じる引張応力や反りが過度に大きい場合には、絶縁基板に割れが発生するおそれがある。

このような問題を回避するため、ろう付後の熱サイクルによってセラミックス板に生じる応力を低減する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、絶縁基板の一方の面上に回路層を有するとともに他方の面上に金属層を有するパワーモジュール用基板と、パワーモジュール用基板が接合されたヒートシンクとを有するヒートシンク付きパワーモジュール基板が記載されている。このヒートシンクの天板部には、パワーモジュール用基板の金属層の少なくとも一部を収容する収容凹部が設けられている。

特許第５０５０６３３号

特許文献１のヒートシンク付きパワーモジュール用基板では、収容凹部を設けることにより、収容凹部における天板部の厚みと金属層との厚みの合計を低減している。これにより、ろう付後の熱サイクルによって絶縁基板に生じる応力の低減を図り、ひいては熱サイクルに対する絶縁基板の耐久性の向上を図っている。しかし、近年、熱サイクルに対する絶縁基板の耐久性をより高める要求がより強くなっており、更なる耐久性の向上が強く望まれている。

また、アルミニウム材からなる金属層と天板部とのろう付を行う場合、溶融したろうが金属層と天板部との間に滞留し、収容凹部内に濡れ広がりにくいことがある。この場合には、金属層と天板部との接合強度が低下するため、熱サイクルに対するろう材の耐久性の低下を招くおそれがある。

また、特許文献１のヒートシンク付きパワーモジュール用基板では、金属層と天板部とのろう付を行った後に、パワーモジュール用基板の位置がろう付前の位置からずれることがある。このような位置のずれが発生した場合、パワーモジュール用基板上に搭載される半導体素子の位置が所定の位置からずれるおそれがある。

パワーモジュール用基板の位置ずれを抑制するためには、例えば、収容凹部の深さをより深くし、収容凹部によってパワーモジュール用基板の位置決めを行う方法が考えられる。しかし、収容凹部の深さを単純に深くすると、パワーモジュール用基板上に半導体素子を搭載する作業の作業性が損なわれるおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、熱サイクルに対する耐久性及び放熱性に優れ、回路基板の位置ずれを抑制することができ、回路基板上に半導体素子を容易に搭載することができる回路基板付きヒートシンクを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、平板状を呈する底板部と、上記底板部の周縁から上記底板部の厚み方向に立設された外枠部と、上記底板部と上記外枠部とによって上記外枠部の内側に形成された収容空間とを備え、アルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
上記ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有し、上記収容空間内において上記底板部に保持された低膨張板と、
アルミニウム材からなり、上記低膨張板上に配置された裏面金属層と、上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、アルミニウム材からなり、上記セラミックス板上に積層された回路金属層とを備えた回路基板と、
上記収容空間内に配置された部品同士を接合するろう材とを有し、
上記外枠部における上記収容空間に面した内側面と、上記底板部における上記収容空間に面した部品搭載面との間には、上記底板部の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面が介在しており、
上記底板部における上記部品搭載面の裏面を基準とした場合に、上記外枠部の高さは上記回路金属層の高さの０．９〜１．１倍である、
回路基板付きヒートシンクにある。

上記回路基板付きヒートシンク（以下、適宜「ヒートシンク」と省略する。）においては、ヒートシンク本体と回路基板との間に低膨張板が介在しているため、回路基板がヒートシンク本体に直接拘束されていない。それ故、熱サイクルによってヒートシンク本体が膨張または収縮した場合に、ヒートシンク本体の膨張や収縮によって回路基板のセラミックス板に生じる反りや応力を低減することができる。その結果、熱サイクルに対するセラミックス板の耐久性を向上させることができる。

ヒートシンク本体は、底板部と、底板部の周縁から底板部の厚み方向に立設された外枠部と、底板部と外枠部とによって外枠部の内側に形成された収容空間とを有している。また、外枠部における収容空間に面した内側面と、底板部の部品搭載面との間には、底板部の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面が介在している。そのため、ろう付時の加熱によって溶融したろうが接続面を伝わり、外枠部の内側面まで濡れ広がりやすくなる。それ故、低膨張板から外枠部までの全長に亘ってろう材を充填し、低膨張板とヒートシンク本体との接合強度を高めることができる。その結果、熱サイクルに対するろう材の耐久性を向上させることができる。

また、ろう付時にろうが溶融すると、低膨張板と底板部との間に存在するろう中に気泡が発生する。このとき、上述したように溶融したろうが濡れ広がることにより、低膨張板と底板部との間から低膨張板と外枠部との間の隙間に移動しやすくなる。このろうの移動に伴って、ろう中に発生した気泡を低膨張板と底板部との間から上記隙間に移動させ、更にはろうの外部へ排出することができる。その結果、低膨張板と底板部との間の接合欠陥を低減し、ヒートシンクの放熱性を向上させることができる。

また、ヒートシンク本体の外枠部の高さは、底板部における部品搭載面の裏面を基準とした場合に、回路金属層の高さの０．９〜１．１倍である。外枠部の高さを上記特定の範囲とすることにより、回路基板上に半導体素子を搭載する作業の作業性の悪化を回避しつつ、ろう付の前後での回路基板の位置ずれを抑制することができる。

以上のように、上記ヒートシンクは、熱サイクルに対する耐久性及び放熱性に優れ、回路基板の位置ずれを抑制することができる。また、上記ヒートシンクは、回路基板上に半導体素子を容易に搭載することができる。

実施例１における、回路基板付きヒートシンクの平面図である。 図１のII−II線矢視断面図である。 図２における、接続面の拡大図である。 実施例１における、ヒートシンク本体の延出部の拡大平面図である。 実施例２における、テーパ状を呈する外枠部を備えた回路基板付きヒートシンクの要部を示す断面図（図３に相当する断面図）である。 実施例１における延出部の配置を変更した変形例である。 実施例１における延出部の配置を変更した変形例である。 実施例１における部品収容部の直線部分に沿って延出部を配置した変形例である。

上記ヒートシンクにおいて、ヒートシンク本体の材質は、公知のアルミニウム及びアルミニウム合金の中から、要求される機械的特性や耐食性、加工性等に応じて適宜選択することができる。

例えば、ヒートシンク本体は、６０００系アルミニウム合金から構成されていてもよい。６０００系アルミニウム合金は高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、ヒートシンク本体のクリープ変形をより抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。

ヒートシンク本体は、平板状を呈する底板部と、底板部の周縁に立設された外枠部とを有している。ヒートシンク本体は、更に、底板部の裏面に配置された放熱フィンを有していてもよい。放熱フィンとしては、例えば、ピンフィンやプレートフィン、コルゲートフィン等の公知の形状を備えた放熱フィンを採用することができる。これらの放熱フィンは、例えば、鍛造や切削等の方法により、底板部と一体に形成することができる。また、底板部とは別の部品として放熱フィンを準備し、底板部と放熱フィンとを接合することによって底板部に放熱フィンを取り付けることもできる。

ヒートシンク本体における外枠部の内側は外枠部よりも陥没しており、この陥没部分が収容空間を構成している。外枠部における収容空間に面した内側面と、底板部の部品搭載面との間には、底板部の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面が介在している。このような形状を有する接続面を形成する方法としては、例えば、ラジアスエンドミルやテーパラジアスエンドミル等を用いた切削加工を採用することができる。これらの切削加工は、ヒートシンク本体に収容空間を形成するための切削加工に続けて実施することができる。そのため、ヒートシンク本体の生産性を損なうことなく上記特定の形状を備えた接続面を形成することができる。

底板部の厚み方向と平行な方向の断面において測定した場合の接続面の曲率半径は、０．１〜０．５ｍｍとすることができる。接続面の曲率半径を０．１ｍｍ以上とすることにより、外枠部の内側面と底板部の部品搭載面とを比較的滑らかな曲面で接続することができる。それ故、この場合には、ろう付時の加熱によって溶融したろうが、接続面を介して外枠部の内側面まで濡れ広がりやすくなる。その結果、低膨張板とヒートシンクとの接合強度を高め、熱サイクルに対するろう材の耐久性をより向上させることができる。

また、接続面の曲率半径を０．５ｍｍ以下とすることにより、外枠部の内側面が低膨張板から過度に離れることを回避することができる。それ故、この場合には、低膨張板と外枠部との間の隙間に充填されるろうの厚みをより厚くすることができる。その結果、回路基板からヒートシンク本体への熱伝達の効率をより高め、ヒートシンクの放熱性をより向上させることができる。

また、外枠部の高さは、底板部における部品搭載面の裏面を基準とした場合に、回路金属層の高さの０．９〜１．１倍である。これにより、回路基板上に半導体素子を搭載する作業の作業性の悪化を回避しつつ、ろう付の前後での回路基板の位置ずれを抑制することができる。

外枠部の高さが回路金属層の高さの０．９倍未満である場合には、ろう付を行う前の状態において、回路基板が外枠部よりも過度に突出するおそれがある。そのため、ろう付時に外枠部によって回路基板の位置を保持することが難しくなり、ろう付の前後での回路基板の位置ずれ量が大きくなるおそれがある。一方、外枠部の高さが回路金属層の高さの１．１倍を超える場合には、ろう付後に、回路基板が外枠部よりも過度に陥没するおそれがある。そのため、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業の際に外枠部が障害となり、作業性の低下を招くおそれがある。

収容空間は、外枠部の立設方向から視た平面視において長方形状を呈し、低膨張板及び回路基板が収容された部品収容部と、部品収容部の角部から外枠部側に延出した延出部とを有していることが好ましい。この場合には、ろう付時に溶融したろうが、低膨張板と底板部との間から、低膨張板と外枠部との間の隙間に移動することに加え、延出部にも移動することができる。そのため、ろう付時のろうの移動を促進することができる。そして、ろうの移動が促進されることに伴い、ろう付時にろう中に発生した気泡のろう外部への排出を促進することができる。その結果、低膨張板と底板部との間の接合欠陥をより低減し、ヒートシンクの放熱性をより向上させることができる。

上記底板部の厚み方向から視た平面視における、延出部の輪郭の端点同士を結ぶ線分の長さは１．４〜２０ｍｍであることが好ましい。この場合には、低膨張板と外枠部との間の隙間から延出部へのろうの移動をより促進することができる。これにより、ろう付時にろう中に発生した気泡のろう外部への排出をより促進することができる。その結果、低膨張板と底板部との間の接合欠陥をより低減し、ヒートシンクの放熱性をより向上させることができる。

また、底板部の厚み方向から視た平面視における、延出部の面積は１．５〜１６０ｍｍ²であることが好ましい。延出部の面積が過度に狭い場合には、ろうの移動を促進させる効果が低くなるため、延出部による接合欠陥の低減の効果が低くなるおそれがある。一方、延出部の面積が過度に広い場合には、ろう付時に延出部に流入するろうの量が多くなり、低膨張板と外枠部との間の隙間に充填されるろう材の厚みが薄くなるおそれがある。延出部の面積を上記特定の範囲とすることにより、ろう付時に延出部内に流入するろうの量の過度の増加を回避しつつ、低膨張板と底板部との間の接合欠陥をより低減することができる。その結果、熱サイクルに対するろう材の耐久性の悪化を抑制しつつ、低膨張板と底板部との間の接合欠陥をより低減することができる。

なお、上述した延出部の面積は、底板部の厚み方向から視た平面視において、延出部の輪郭と、当該輪郭の端点同士を結ぶ線分とによって囲まれた面積の値である。

延出部の具体的な形状は特に限定されることはなく、種々の形状を採用することができる。例えば、延出部は、底板部の厚み方向から視た平面視において、円状、楕円状、四角形状等を呈していてもよい。

延出部の形状を円状とした場合、上記平面視における延出部の輪郭は円弧状となる。この場合には、延出部が角部を有しないため、ろう材における応力集中をより緩和することができる。その結果、熱サイクルに対するろう材の耐久性の悪化をより効果的に抑制することができる。

また、上記平面視における延出部の輪郭が円弧状を呈する場合には、底板部の厚み方向から視た平面視における、延出部の輪郭の曲率半径は１〜１０ｍｍの範囲から適宜設定することができる。

ヒートシンク本体の収容空間、即ち、外枠部の内側に形成された空間内には、低膨張板と、回路基板とが配置されている。低膨張板は、ヒートシンク本体より低い線膨張係数を有しており、ろう材を介して底板部に保持されている。低膨張板としては、例えば、タングステン（Ｗ）、タングステン合金、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）３６％合金等の金属；タングステンやモリブデン等の線膨張係数の低い金属層と銅層とが積層された積層材料；ダイヤモンド分散複合銅材料やセラミック分散銅材料等の複合材料を採用することができる。

低膨張板の形状は、外枠部の内側に配置可能な形状であれば、特に限定されることはない。例えば、低膨張板は、正方形状あるいは長方形状を呈していてもよい。この場合、低膨張板の厚み方向から視た平面視において、低膨張板の外周端縁における角部が円弧状を呈するように、角部を丸めることもできる。この場合には、ろう付時及びろう付後に生じるセラミックス板の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

低膨張板と外枠部との間の隙間の幅は、例えば、０．１〜１．０ｍｍとすることができる。上記隙間の幅が過度に狭い場合には、ろう付時に溶融したろうが低膨張板と底板部との間から低膨張板と外枠部との間の隙間に移動しにくくなるため、ろう中に発生した気泡が低膨張板と底板部との間に滞留しやすい。そのため、この場合には、低膨張板と底板部との間に接合欠陥が形成されやすくなり、ヒートシンクの放熱性の低下を招くおそれがある。上記隙間の幅を０．１ｍｍ以上とすることにより、このような問題を回避することができる。

一方、上記隙間の幅が過度に広い場合には、ろう付後に上記隙間に充填されたろう材の厚みが薄くなりやすい。そのため、この場合には、低膨張板とヒートシンク本体との接合強度が低下し、熱サイクルに対するろう材の耐久性の悪化を招くおそれがある。上記隙間の幅を１．０ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下とすることにより、上述した問題を回避することができる。従って、低膨張板と外枠部との間の隙間の幅を、０．１〜１．０ｍｍとすることにより、ヒートシンクの放熱性を向上させるとともに、熱サイクルに対するろう材の耐久性を向上させることができる。

低膨張板と外枠部との間の隙間の幅は、例えば、以下のようにして計測することができる。まず、上記ヒートシンクを切断し、底板部の厚み方向と平行な方向の断面を露出させる。そして、当該断面において、低膨張板の端面から外枠部の内側面、即ち、外枠部における収容空間に面した表面の先端までの、底板部の部品搭載面と平行な方向における距離を計測する。この距離を低膨張板と外枠部との間の隙間の幅とすることができる。

低膨張板上には、回路基板が配置されている。回路基板は、ろう材を介して低膨張板に直接接合されていてもよいし、低膨張板と回路基板との間に他の部材が介在していてもよい。

例えば、低膨張板と回路基板との間に、アルミニウム材からなる中間板が介在していてもよい。中間板は、アルミニウム材から構成されているため、回路基板のセラミックス板に比べて軟らかい。そのため、低膨張板と裏面金属層との間に中間板を設けることにより、ろう付時やろう付後の熱サイクル等によってセラミックス板に生じる応力をより低減することができる。その結果、熱サイクルに対するセラミックス板の耐久性をより向上させることができる。

回路基板は、回路金属層、セラミックス板及び裏面金属層が順次積層された３層構造を有しており、裏面金属層を低膨張板側に向けて配置されている。回路金属層及び裏面金属層としては、公知のアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成された板材を採用することができる。セラミックス板の材質としては、例えば、アルミナ等の酸化物系セラミックスや、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスを採用することができる。

（実施例１）
上記回路基板付きヒートシンクの実施例を、図１〜図４を用いて説明する。本例のヒートシンク１は、図２に示すように、ヒートシンク本体２と、低膨張板３と、回路基板４と、ろう材５とを有している。ヒートシンク本体２は、アルミニウム材から構成されている。また、ヒートシンク本体２は、平板状を呈する底板部２１と、底板部２１の周縁から底板部２１の厚み方向に立設された外枠部２２と、底板部２１と外枠部２２とによって外枠部２２の内側に形成された収容空間２３とを有している。

低膨張板３は、ヒートシンク本体２よりも低い線膨張係数を有し、収容空間２３内において底板部２１に保持されている。回路基板４は、アルミニウム材からなり、低膨張板３上に配置された裏面金属層４１と、裏面金属層４１上に積層されたセラミックス板４２と、アルミニウム材からなり、セラミックス板４２上に積層された回路金属層４３とを有している。収容空間２３内に配置された部品同士は、ろう材５によって接合されている。

また、図２及び図３に示すように、外枠部２２における収容空間２３に面した内側面２２１と、底板部２１における収容空間２３に面した部品搭載面２１１との間には、底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面２４が介在している。そして、底板部２１における部品搭載面２１１の裏面２１２を基準とした場合に、外枠部２２の高さＨ１は回路金属層４３の高さＨ２の０．９〜１．１倍である。

本例のヒートシンク本体２は、ＪＩＳ Ａ３００３合金から構成されており、図１及び図２に示すように、底板部２１と、底板部２１の周縁に立設された外枠部２２と、底板部２１における、部品搭載面２１１の裏面２１２に設けられた放熱フィン２５とを有している。図１に示すように、ヒートシンク本体２は、底板部２１の厚み方向から視た平面視において、長方形状を呈している。本例のヒートシンク本体２における縦方向（長辺方向）の寸法は１１０ｍｍであり、横方向（短辺方向）の寸法は９０ｍｍである。また、本例の底板部２１の厚みは０．４ｍｍである。

外枠部２２は、底板部２１の周縁に立設されており、図１及び図２に示すように、低膨張板３及び回路基板４の周囲に配置されている。底板部２１の裏面２１２を基準とした場合の外枠部２２の高さＨ１は、回路金属層４３の高さＨ２の１．０倍である（図３参照）。具体的には、本例のヒートシンク１における外枠部２２の高さＨ１及び回路金属層４３の高さＨ２は５．０ｍｍである。

放熱フィン２５は、底板部２１の裏面２１２に立設されている。本例の放熱フィン２５は、直径１．５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状を呈している。また、放熱フィン２５は、底板部２１の裏面２１２側から視た平面視において、一辺７５ｍｍの正方形状の領域内に配置されている。

図２及び図３に示すように、外枠部２２の内側には、外枠部２２よりも陥没した収容空間２３が設けられている。外枠部２２における収容空間２３に面した内側面２２１と、底板部２１の部品搭載面２１１との間には、底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面２４が介在している。底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において測定した場合の接続面２４の曲率半径Ｒ（図３参照）は、０．１ｍｍである。なお、かかる形状を備えた接続面２４は、例えば、ラジアスエンドミルを用いて切削加工を行うことにより容易に形成することができる。

本例の収容空間２３は、図１に示すように、底板部２１の厚み方向から視た平面視において長方形状を呈し、低膨張板３及び回路基板４が収容された部品収容部２３１と、部品収容部２３１の角部２３２から外枠部２２側に延出した延出部２３３とを有している。本例の延出部２３３は、より具体的には、部品収容部２３１の各角部２３２からヒートシンク本体２の縦方向の外方に延出している。

図１及び図４に示すように、底板部２１の厚み方向から視た平面視における延出部２３３の形状は半円形であり、延出部２３３の輪郭２３４は、曲率半径０．５ｍｍの円弧状を呈している。また、当該平面視における、延出部２３３の輪郭２３４の端点２３５同士を結ぶ線分Ｌ１（図４参照）の長さは１ｍｍであり、延出部２３３の面積は０．３９ｍｍ²である。

図２及び図３に示すように、部品収容部２３１内には、低膨張板３と、回路基板４とが収容されている。低膨張板３は、ろう材５（図示略）により底板部２１に接合されている。低膨張板３と外枠部２２との間には隙間が形成されている。本例における隙間の幅ｗは０．５ｍｍである。ここで、低膨張板３と外枠部２２との間の隙間の幅ｗは、図３に示すように、底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において計測した、低膨張板３の端面３１から外枠部２２の内側面２２１の先端２２２までの、底板部２１の部品搭載面２１１と平行な方向における距離である。

本例の低膨張板３は、厚み０．６４ｍｍのニッケル板である。なお、ニッケルの典型的な線膨張係数は１３．３ｐｐｍ／Ｋであり、銅材の典型的な線膨張係数（１６〜１７ｐｐｍ／Ｋ）よりも低い線膨張係数を有する。

回路基板４は低膨張板３上に配置されている。本例の回路基板４は、アルミニウム材からなる厚み０．４ｍｍの裏面金属層４１、窒化アルミニウムからなる厚み０．６４ｍｍのセラミックス板４２及びアルミニウム材からなる厚み０．４ｍｍの回路金属層４３が順次積層された３層構造を有している。回路基板４の裏面金属層４１は、ろう材５（図示略）により低膨張板３に接合されている。

次に、本例のヒートシンク１の作用効果を説明する。図２に示すように、ヒートシンク１におけるヒートシンク本体２と回路基板４との間には、低膨張板３が介在しており、回路基板４がヒートシンク本体２に直接拘束されていない。それ故、熱サイクルによってヒートシンク本体２が膨張または収縮した場合に、ヒートシンク本体２の膨張や収縮によって回路基板４のセラミックス板４２に生じる反りや応力を低減することができる。その結果、熱サイクルに対するセラミックス板４２の耐久性を向上させることができる。

図３に示すように、ヒートシンク本体２における、外枠部２２の内側面２２１と底板部２１の部品搭載面２１１との間には、底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面２４が介在している。そのため、ろう付時の加熱によって溶融したろうが接続面２４を伝わり、外枠部２２の内側面２２１まで濡れ広がりやすくなる。それ故、低膨張板３から外枠部２２までの全長に亘ってろう材５を充填し、低膨張板３とヒートシンク本体２との接合強度を高めることができる。その結果、熱サイクルに対するろう材５の耐久性を向上させることができる。

また、外枠部２２の内側面２２１と底板部２１の部品搭載面２１１との間に上記特定の形状を呈する接続面２４を設けることにより、ろう中に発生した気泡を効果的にろうの外部へ排出することができる。その結果、低膨張板３と底板部２１との間の接合欠陥を低減し、ヒートシンク１の放熱性を向上させることができる。

また、ヒートシンク本体２の外枠部２２の高さＨ１は、底板部２１における部品搭載面２１１の裏面２１２を基準とした場合に、回路金属層４３の高さＨ２の０．９〜１．１倍である。そのため、回路基板４上に半導体素子を搭載する作業の作業性の悪化を回避しつつ、ろう付の前後での回路基板４の位置ずれを抑制することができる。

以上のように、ヒートシンク１は、熱サイクルに対する耐久性及び放熱性に優れ、回路基板４の位置ずれを抑制することができる。また、ヒートシンク１は、回路基板４上に半導体素子を容易に搭載することができる。

また、図１及び図４に示すように、収容空間２３は、外枠部２２の立設方向から視た平面視において長方形状を呈し、低膨張板３及び回路基板４が収容された部品収容部２３１と、部品収容部２３１の角部２３２から外枠部２２側に延出した延出部２３３とを有している。そのため、ろう付時に溶融したろうが、低膨張板３と底板部２１との間から、低膨張板３と外枠部２２との間の隙間だけではなく延出部２３３にも移動することができる。これにより、ろう付時にろう中に発生した気泡のろう外部への排出を促進することができる。その結果、低膨張板３と底板部２１との間の接合欠陥をより低減し、ヒートシンク１の放熱性をより向上させることができる。

図４に示すように、底板部２１の厚み方向から視た平面視における、延出部２３３の輪郭２３４の端点２３５同士を結ぶ線分Ｌ１の長さは１．４〜２０ｍｍである。これにより、ろう付時にろう中に発生した気泡のろう外部への排出をより促進することができる。その結果、低膨張板３と底板部２１との間の接合欠陥をより低減し、ヒートシンク１の放熱性をより向上させることができる。

底板部２１の厚み方向から視た平面視における、延出部２３３の面積は１．５〜１６０ｍｍ²である。これにより、ろう付時に延出部２３３内に流入するろうの量の過度の増加を回避しつつ、低膨張板３と底板部２１との間の接合欠陥をより低減することができる。その結果、熱サイクルに対するろう材５の耐久性の悪化を抑制しつつ、低膨張板３と底板部２１との間の接合欠陥をより低減することができる。

（実施例２）
本例は、外枠部２６の内側面２６１に、底板部２１の部品搭載面２１１と平行な方向における低膨張板３からの距離が先端２６２に近づくほど大きくなるような傾斜を付与した例である。なお、本実施例以降において用いる符号のうち、既出の実施例において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り、既出の実施例における構成要素と同様の構成要素を示す。

本例のヒートシンク１０２におけるヒートシンク本体２０２は、図５に示すように、底板部２１と、底板部２１の周縁に立設された外枠部２６と、底板部２１の裏面２１２に立設された放熱フィン２５とを有している。外枠部２６の内側面２６１と底板部２１の部品搭載面２１１との間には、底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面２４が介在している。

また、底板部２１の内側面２６１は、先端２６２に近づくほど低膨張板３から離れるような傾斜が付与されている。図５に示す底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において、内側面２６１と接続面２４との境界を通り、底板部２１の厚み方向に平行な直線を基準線Ｌ２とした場合に、本例の内側面２６１と、基準線Ｌ２とのなす角度θは３°である。なお、本例の内側面２６１及び接続面２４は、例えば、テーパラジアスエンドミルを用いて切削加工を行うことにより容易に形成することができる。

また、本例における低膨張板３と外枠部２６との間の隙間の幅ｗは、０．５ｍｍである。その他は実施例１と同様である。本例のヒートシンク１０２は、外枠部２６の内側面２６１が傾斜している以外は実施例１と同様の構成を有しているため、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例３）
本例は、ヒートシンク本体２における接続面２４の曲率半径Ｒ、外枠部２２の高さＨ１及び延出部２３３の輪郭２３４の曲率半径を種々変更した例である。本例では、接続面２４の曲率半径Ｒ、外枠部２２の高さＨ１及び延出部２３３の輪郭２３４の曲率半径を表１に示すように変更した以外は、実施例１のヒートシンク１と同様の構成を有する試験体１〜６及び試験体１１〜１８を作製した。

また、底板部２１の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面２４を有しないヒートシンク１の例として、試験体７〜１０を作製した。これらの試験体の作製に当たっては、収容空間２３を形成するための切削加工の際にスクエアエンドミルを使用した。これらの試験体における外枠部２２の内側面２２１は底板部２１の部品搭載面２１１と直交しているため、外枠部２２の内側面２２１と底板部２１の部品搭載面２１１との境界部分の正確な曲率半径を測定することはできないが、曲率半径の値自体を算出することは可能である。試験体７〜１０における上記境界部分の曲率半径の値は、０．０５ｍｍ未満であった。

本例では、試験体１〜１８を用いて以下の評価を実施した。

・ろうの濡れ性
ヒートシンク本体２の横方向（短辺方向）に沿って試験体の中央を切断した。これにより露出した断面において、ろう材５が低膨張板３の端面３１から外枠部２２の内側面２２１までの全長に亘って充填されているか否かを目視観察した。ろう材５が低膨張板３の端面３１から外枠部２２の内側面２２１までの全長に亘って充填されていた場合には、表１の「ろうの濡れ性」の欄に記号「Ａ」を、ろう材５が外枠部２２の内側面２２１まで到達していなかった場合には、同欄に記号「Ｂ」を記載した。

ろうの濡れ性の評価においては、記号「Ａ」の場合を、低膨張板３とヒートシンク本体２との接合強度が十分であると推定されるため合格と判定し、記号「Ｂ」の場合を、接合強度が不十分であると推定されるため不合格と判定した。

・ろう付前後での回路基板４の位置ずれ
各試験体を１００個ずつ作製し、これらの試験体における回路基板４の位置を計測した。そして、実際の回路基板４の位置と、設計図上の回路基板４の位置とのずれの大きさが全ての試験体において許容される範囲内であった場合には、表１の「回路基板４の位置ずれ」欄に記号「Ａ」を、１個以上の試験体において許容される範囲を超えた場合には、同欄に記号「Ｂ」を記載した。

回路基板４の位置ずれの評価においては、記号「Ａ」の場合を、位置ずれを十分に抑制できるため合格と判定し、記号「Ｂ」の場合を、位置ずれの抑制が不十分であるため不合格と判定した。

・半導体素子を搭載する作業における作業性
各試験体を１００個ずつ作製し、これらの試験体を用いて回路金属層４３上に半導体素子を搭載する作業を実施した。回路金属層４３上に半導体素子を搭載した後、実際の製造工程における搬送等を想定した振動を試験体に加えた。そして、全ての試験体について半導体素子の脱落が起こらなかった場合には、表１の「作業性」の欄に記号「Ａ」を、１個以上の試験体において半導体素子の脱落が起きた場合には、同欄に記号「Ｂ」を記載した。

半導体素子を搭載する作業における作業性の評価においては、記号「Ａ」の場合を、作業性が良好であるため合格と判定し、記号「Ｂ」の場合を、作業性が悪いため不合格と判定した。

・外枠部２２と低膨張板３との間の隙間に存在するろう材５の厚み
ろうの濡れ性評価と同様に試験体の中央を切断した。これにより露出した断面において、外枠部２２と低膨張板３との間の隙間に存在するろう材５の平均の厚みを算出した。ろう材５の厚みが０．２ｍｍ以上の場合には、表１の「ろう材５の厚み」の欄に記号「Ａ＋」を、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満の場合には、同欄に記号「Ａ」を、０．１ｍｍ未満の場合には、同欄に記号「Ｂ」を記載した。

・接合欠陥の面積率
超音波測定装置を用いて、各試験体における低膨張板３とろう材５との界面、及び、ろう材５と底板部２１との界面の画像を取得した。これらの画像に基づいて、低膨張板３の面積を１００％としたときの、ろう材５が存在していない部分の面積率を算出した。そして、低膨張板３とろう材５との界面における上記面積率の値、及び、ろう材５と底板部２１との界面における上記面積率の値のうち、小さい方の値を接合欠陥の面積率とした。接合欠陥の面積率が４％未満の場合には、表１の「接合欠陥の面積率」の欄に記号「Ａ＋」を、面積率が４％以上８％未満の場合には同欄に記号「Ａ」を記載した。なお、本例の試験体の中には、接合欠陥の面積率が８％以上となる試験体は存在していない。

・熱サイクルに対する耐久性
温度サイクル試験機を用い、１２５℃に３０分間保持する加熱ステップと、−４０℃に３０分間保持する冷却ステップとからなるサイクルを１０００サイクル繰り返して温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験後の接合欠陥の面積率を測定し、温度サイクル試験前の接合欠陥の面積率からの変化を算出した。試験前の接合欠陥の面積率を１００％とした場合の試験後の面積率が１０５％未満であった場合には、表１の「耐久性」の欄に記号「Ａ＋」を、試験後の面積率が１０５％以上１１０％未満であった場合には、同欄に記号「Ａ」を記載した。なお、本例の試験体の中には、試験後の面積率が試験前の１１０％以上となる試験体は存在していない。

表１に示すように、試験体１〜６は、円弧状を呈する接続面２４を備え、外枠部２２の高さＨ１が上記特定の範囲内であるヒートシンク本体２を有しているため、全ての評価項目において良好な結果を示した。これらの試験体の中でも、試験体５〜６は、延出部２３３の輪郭２３４の曲率半径等が上記特定の範囲内であったため、ろう材５の厚み、接合欠陥の面積率及び耐久性に特に優れていた。

試験体７〜１０は、円弧状を呈する接続面２４を有していないため、ろうの濡れ性に劣っていた。なお、試験体７〜１０については、接合欠陥の面積率及び耐久性の評価を実施しなかった。

試験体９、１１、１３及び１７は、回路金属層４３の高さＨ２に対する外枠部２２の高さＨ１が０．９倍未満であったため、これら以外の試験体に比べてろう付の前後での回路基板４の位置ずれ量が大きくなる傾向があった。
試験体１０、１２、１４及び１６は、回路金属層４３の高さＨ２に対する外枠部２２の高さＨ１が１．１倍を超えていたため、半導体素子を搭載する作業性に劣っていた。
試験体１５〜１８は、接続面２４の曲率半径Ｒが大きいため、外枠部２２と低膨張板３との間に存在するろう材５の厚みが薄くなった。そのため、これらの試験体は、他の試験体に比べて熱伝達の効率に劣る可能性がある。

本発明に係る回路基板付きヒートシンクの態様は、上述した実施例１〜実施例３の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲において適宜構成を変更することができる。例えば、実施例１〜３においては、部品収容部２３１の角部２３２からヒートシンク本体の縦方向（長辺方向）に延出した延出部２３３の例を示したが、延出部の位置や形状を適宜変更してもよい。例えば、図６に示すヒートシンク１０３においては、部品収容部２３１の４か所の角部２３２のうち対角線上に配置された２か所の角部２３２ａに、縦方向に延出した延出部２３３ａが設けられ、残る２か所の角部２３２ｂに、横方向（短辺方向）に延出した延出部２３３ｂが設けられている。

また、図７に示すヒートシンク１０４のように、底板部２１の厚み方向から視た平面視において、扇形を呈する延出部２３３ｃを設けることもできる。更に、図には示さないが、延出部の形状を四角形状等とすることも可能である。なお、図７に示した延出部２３３ｃにおける輪郭２３４の曲率半径は１ｍｍである。また、延出部２３３ｃの輪郭２３４の端点２３５同士を結ぶ線分Ｌ１の長さは１．４〜２０ｍｍである。
また、図８に示すヒートシンク１０５のように、部品収容部２３１の直線部分から延出部２３３ｄを延出させることも可能である。

１、１０２、１０３、１０４、１０５ 回路基板付きヒートシンク
２、２０２ ヒートシンク本体
２１ 底板部
２１１ 部品搭載面
２１２ 裏面
２２、２６ 外枠部
２２１ 内側面
２３ 収容空間
２４ 接続面
３ 低膨張板
４ 回路基板
５ ろう材

Claims (8)

1. 平板状を呈する底板部と、上記底板部の周縁から上記底板部の厚み方向に立設された外枠部と、上記底板部と上記外枠部とによって上記外枠部の内側に形成された収容空間とを備え、アルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
   上記ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有し、上記収容空間内において上記底板部に保持された低膨張板と、
   アルミニウム材からなり、上記低膨張板上に配置された裏面金属層と、上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、アルミニウム材からなり、上記セラミックス板上に積層された回路金属層とを備えた回路基板と、
   上記収容空間内に配置された部品同士を接合するろう材とを有し、
   上記外枠部における上記収容空間に面した内側面と、上記底板部における上記収容空間に面した部品搭載面との間には、上記底板部の厚み方向と平行な方向の断面において円弧状を呈する接続面が介在しており、
   上記底板部における上記部品搭載面の裏面を基準とした場合に、上記外枠部の高さは上記回路金属層の高さの０．９〜１．１倍である、
   回路基板付きヒートシンク。
2. 上記底板部の厚み方向と平行な方向の断面において測定した場合の上記接続面の曲率半径が０．１〜０．５ｍｍである、請求項１に記載の回路基板付きヒートシンク。
3. 上記収容空間は、上記底板部の厚み方向から視た平面視において長方形状を呈し、上記低膨張板及び上記回路基板が収容された部品収容部と、上記部品収容部の角部から上記外枠部側に延出した延出部とを有している、請求項１または２に記載の回路基板付きヒートシンク。
4. 上記底板部の厚み方向から視た平面視における、上記延出部の輪郭の端点同士を結ぶ線分の長さは１．４〜２０ｍｍである、請求項３に記載の回路基板付きヒートシンク。
5. 上記底板部の厚み方向から視た平面視における、上記延出部の面積は１．５〜１６０ｍｍ²である、請求項３または４に記載の回路基板付きヒートシンク。
6. 上記底板部の厚み方向から視た平面視における、上記延出部の輪郭は円弧状を呈している、請求項３〜５のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。
7. 上記底板部の厚み方向から視た平面視における、上記延出部の輪郭の曲率半径は１〜１０ｍｍである、請求項６に記載の回路基板付きヒートシンク。
8. アルミニウム材からなり、上記低膨張板と上記裏面金属層との間に介在する中間板を更に有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

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