JP3873870B2

JP3873870B2 - 放熱体

Info

Publication number: JP3873870B2
Application number: JP2002336574A
Authority: JP
Inventors: 健根岸; 義幸長友; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: JP2004172380A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられる放熱体に係り、特に半導体チップ等の発熱体を搭載している被放熱体に伝わる熱を放散させるのに好適な放熱体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置としてのパワーモジュールは、一般に、半導体チップがパワーモジュール用基板に搭載され、半導体チップの熱がパワーモジュール用基板に伝達されることから、パワーモジュール用基板に伝わる熱を放熱する必要がある。
このような被放熱体としてのパワーモジュール用基板は、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接合される。可塑性多孔質金属層は、気孔率２０〜５０％のＣｕの多孔質焼結体であって、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収する応力緩和層をなし、また、放熱体は、高熱伝導材である純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、半導体チップからの熱を良好に外部に放出できるようになっている。ここで、放熱体が、更に良好な放熱効果を奏するようにして、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを確実に防止できる構成を実現するため、放熱体にフィンを設けた構成のものも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−３３５６５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来では、被放熱体としてのパワーモジュール用基板に設けられた可塑性多孔質金属層が、絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板,放熱体に反りや割れが起こることを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下してしまい、そのため、放熱体の放熱効果低下を招いていた。
【０００５】
一般に、放熱体は、被放熱体との間で互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防止するために、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。この場合、熱膨張係数の低い方（被放熱体）に合わせることになるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な放熱効果との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、被放熱体と間で熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができると共に、熱伝導率が低下することも抑制することができる放熱体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる複数の低熱膨張材とを備え、前記各低熱膨張材は、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられるとともに、該各低熱膨張材の周縁部における対向する一の端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低く構成され、前記各低熱膨張材は、前記厚み方向に積層して設けられるとともに、積層された前記各低熱膨張材は、一の前記低熱膨張材の前記一の端部間方向が、他の前記低熱膨張材の前記一の端部間方向と交差するように配設され、前記各低熱膨張材は、前記放熱体本体に鋳ぐまれていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の放熱体において、前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設してなることを特徴とする。
【０００９】
これらの発明に係る放熱体によれば、放熱体に前記低熱膨張材がその厚み方向に積層して設けられているため、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることになる。また、前記低熱膨張材は前記連絡開口部を備え、該連絡開口部を介して放熱体本体に鋳ぐまれているため、低熱膨張材の表裏面に位置する放熱体本体がこの低熱膨張材を介して隔離することを回避し、放熱体本体が前記厚み方向全体に連続する構成となる。従って、放熱体全体としての熱伝導率の低下を確実に抑制することになる。
さらに、各低熱膨張材は、前記厚み方向に積層して設けられるとともに、積層された各低熱膨張材は、一の低熱膨張材の前記一の端部間方向が、他の低熱膨張材の前記一の端部間方向と交差するように配設されているため、前記各低熱膨張材が各々、他の低熱膨張材における曲げ剛性の弱い方向を互いに補強し合うことになる。従って、被放熱体と放熱体とをはんだ等によって接合した際、放熱体に、被放熱体へ向かう反りを発生させる力が作用した場合でも、放熱体の前記一の端部間方向に曲げが発生することを抑制することになる。すなわち、互いに補強し合った前記各低熱膨張材が、放熱体の前記一の端部間方向に発生する曲げに対して抗することになる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の放熱体において、前記放熱体にはフィンが設けられ、該フィンは前記放熱体本体と一体に鋳造成形されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体がフィンを備えているため、放熱体全体の放熱効果を向上させることになり、さらに、放熱体本体とフィンとは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体を容易に形成できることになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。本実施形態のパワーモジュール１０は、図１に示すように、被放熱体としてのパワーモジュール用基板１１に放熱体１６が接合して構成されている。
【００１３】
パワーモジュール用基板１１は、例えばＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ等により所望の大きさに形成された絶縁基板であって、その上面に回路層１２が,下面に金属層１３が各々積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金,Ｃｕ等により形成されている。以下、パワーモジュール用基板１１を「絶縁基板１１」と略称する。
絶縁基板１１の回路層１２上にはんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、絶縁基板１１の下面側,すなわち金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が接合され、放熱体１６に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュール１０が構成されている。
【００１４】
ここで、放熱体１６は、放熱体本体１７と、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材１８と、放熱体本体１７の下面に設けられたフィン１９とを備え、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体により形成されている。フィン１９は、図１に示すように、放熱体本体１７の下面において、一方向に対して所定の間隙を有し複数突出して設けられるとともに、これらが前記一方向に対して直交する方向に各々延在して設けられた複数の壁面体により構成されている。また、低熱膨張材１８は、第１の低熱膨張材１８ａと第２の低熱膨張材１８ｂとを備え、これら各低熱膨張材１８ａ，１８ｂは厚さ方向に積層して設けられている。
ここで、放熱体本体１７とフィン１９とは、例えば純Ａｌ，Ａｌ合金,Ｃｕ，Ｃｕ合金等,好ましくは純度９９．５％以上のＡｌ合金のような熱伝導性の良好な材質，いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上,好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。
【００１５】
一方、第１，第２の低熱膨張材１８ａ，１８ｂは各々、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い熱膨張係数の材質からなっており、後述するように放熱体本体１７の内部に埋設することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差を可及的に近づけさせるためのものであり、Ｆｅ―Ｎｉ系合金，例えばインバー合金からなり、熱膨張係数がおよそ５×１０^−６／℃以下である。ここで、インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００１６】
このような材質からなる第１，第２の低熱膨張材１８ａ，１８ｂは各々、図２，図３に示すように、絶縁基板１１側に位置する一方の面と、フィン１９側に位置する他方の面とに亘る厚み方向に連絡すると共に、該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部４０を有して設けられ、かつ該連絡開口部４０に放熱体本体１７が充填されることで、図２に示すように、放熱体本体１７に鋳ぐまれる構成となっている。
【００１７】
具体的に述べると、第１，第２の低熱膨張材１８ａ，１８ｂは各々、図３に示すように、例えば二枚からなる帯状の単位板状体４１,４２を前記厚み方向に沿って組付けることで連絡開口部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。ここで、連絡開口部４０は、平坦壁４１ｃ,４１ｄ,４２ｃ,４２ｄと、斜面壁４１ａ,４１ｂ,４２ａ,４２ｂとで形成された空間となっている。そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列設けられると共に、連絡開口部４０を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成される。
【００１８】
このように形成された第１，第２の低熱膨張材１８ａ，１８ｂは、放熱体１６の形成時、放熱体本体１７の材料が注入されると、その材料は連絡開口部４０内に側方から充填されるとともに、前記厚み方向に流動するため、絶縁基板１１側の放熱体本体１７とフィン１９側の放熱体本体１７とは各低熱膨張材１８ａ，１８ｂに隔離されることなく前記厚み方向に連続する構成となる。
【００１９】
ここで、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂは前述したように構成されているため、図３において、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの周縁部における対向する端部Ａ，Ｂ、Ｃ，Ｄ間の各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの曲げ剛性が、他の端部Ａ，Ｂ間の曲げ剛性より低い一の端部Ｃ，Ｄ間を有する,すなわち異方性を有することになる。
【００２０】
具体的に述べると、図３において、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの端部Ａ,Ｂを把持してこれを曲げた際、平坦壁４１ｃ,４１ｄ,４２ｃ,４２ｄには面外変形させようとする力が作用することになり、比較的容易に曲がることになるが、斜面壁４１ａ,４１ｂ,４２ａ,４２ｂには若干の面外変形させようとする力が作用するものの、主に面内変形させようとする力が作用することになり、この斜面壁４１ａ,４１ｂ,４２ａ,４２ｂが前記曲げに対してはリブとして作用することになり前記曲げに対する剛性を高める構成となっている。
これに対し、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの端部Ｃ，Ｄを把持してこれを曲げた際、平坦壁４１ｃ,４１ｄ,４２ｃ,４２ｄ及び斜面壁４１ａ,４１ｂ,４２ａ,４２ｂには共に、面外変形させようとする力が主に作用することになる。
以上により、図３に示す各低熱膨張材１８ａ，１８ｂにおいては、端部Ａ，Ｂを把持してこれを曲げたときの剛性より、端部Ｃ，Ｄを把持して曲げたときの曲げ剛性の方が低いことになる。
【００２１】
このように構成された各低熱膨張材１８ａ，１８ｂは、図４に示すように、第１の低熱膨張材１８ａ表面に第２の低熱膨張材１８ｂが積層されるとともに、第１の低熱膨張材１８ａの端部Ｃ，Ｄ間方向と、第２の低熱膨張材１８ｂの端部Ａ，Ｂ間方向とが、これらの表面に沿った方向において略一致するように配設されている。すなわち、第１の低熱膨張材１８ａにおいて曲げ剛性が低い端部Ｃ，Ｄ間方向を、第２の低熱膨張材１８ｂにおいて曲げ剛性が高い端部Ａ，Ｂ間方向と略一致させるとともに、逆に、第２の低熱膨張材１８ｂにおいて曲げ剛性が低い端部Ｃ，Ｄ間方向を、第１の低熱膨張材１８ｂにおいて曲げ剛性が高い端部Ａ，Ｂ間方向と略一致させることにより、第１の低熱膨張材１８ａと第２の低熱膨張材１８ｂとが、互いの曲げ剛性が弱い端部Ｃ，Ｄ間方向を補強し合う構成となっている。
【００２２】
また、第１の低熱膨張材１８ａと第２の低熱膨張材１８ｂとは、図２に示すように、第２の低熱膨張材１８ｂの各平坦壁４１ｄ，４２ｄ表面が、第１の低熱膨張材１８ａの各平坦壁４１ｃ，４２ｃ表面と当接するように積層された構成となっている。この構成において、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの各連絡開口部４０は、図２に示すように、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの各斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂを介して、積層された各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの厚み方向に連絡する構成となっている（矢印Ｆ）。すなわち、低熱膨張材１８の絶縁基板１１側の放熱体本体１７と、フィン１９側の放熱体本体１７とは、前述したように、低熱膨張材１８を介して隔離されず厚み方向に連続した構成となっている。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュールによれば、放熱体１６に低熱膨張材１８が設けられているため、放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができる。また、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂは、平坦壁４１ｃ，４１ｄ，４２ｃ，４２ｄと斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂとにより形成される連絡開口部４０を備え、また、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂは、第２の低熱膨張材１８ｂの各平坦壁４１ｄ，４２ｄ表面が、第１の低熱膨張材１８ａの各平坦壁４１ｃ，４２ｃ表面と当接するように積層された構成となっているので、全ての連絡開口部４０を、低熱膨張材１８を介して隔離されず厚さ方向に連続した構成とすることができる。すなわち、例えば第１の低熱膨張材１８ａの各連絡開口部４０を、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの各斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂを介して、第２の低熱膨張材１８ｂの各連絡開口部４０と連絡させる構成を実現することができる。従って、低熱膨張材１８の絶縁基板１１側の放熱体本体１７とフィン側１９の放熱体本体１７とを低熱膨張材１８の厚み方向で連続した構成を実現することができ、放熱体１６自体の熱伝導率の低下を抑制することができる。
【００２４】
また、放熱体１６はフィン１９を備えているため、放熱体１６全体の放熱効果を向上させることができ、さらに、放熱体本体１７とフィン１９とは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体１６を容易に形成することができる。従って、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ等によって接合した場合でも、放熱体１６に絶縁基板１１に向かう反りが発生することを確実に抑制することができるとともに、放熱体１６全体としての熱伝導率が低下することも抑制することができる放熱体１６を容易に形成することができる。
【００２５】
ここで、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂは前述したように、放熱体本体１７に鋳ぐるみ易い前述した構成であるため前記効果を奏することができる反面、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂの端部Ｃ，Ｄ間方向の曲げ剛性が、端部Ａ，Ｂ間方向の曲げ剛性より低くなる，すなわち異方性を有することになる。しかし、第１の低熱膨張材１８ａの端部Ｃ，Ｄ間方向と第２の低熱膨張材１８ｂの端部間Ａ，Ｂ方向とが略一致するように各低熱膨張材１８ａ，１８ｂを積層した構成としたため、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂが互いに補強し合う構成を実現することができる。これにより、放熱体１６全体としての曲げ剛性を全方位について向上させるように均一にすることができ、放熱体１６の曲げ剛性の低下を抑制することができる。
【００２６】
さらに、各低熱膨張材１８ａ，１８ｂが金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２,絶縁基板１１,金属層１３,はんだ１５,放熱体１６を介して外部に良好に放熱されることになる。すなわち、パワーモジュール１０全体としての熱伝導率が低下することを抑制することができ、パワーモジュール１０全体としての温度上昇を抑制することができる。この結果、絶縁基板１１と放熱体１６との熱膨張係数に差があっても、放熱体１６の温度上昇を抑制することができるため、放熱体１６の反り発生抑制効果を備えた,良好なパワーモジュール１０を得ることができる。
【００２７】
なお、前述の実施形態では、放熱体本体１７に積層された低熱膨張材１８として、Ｆｅ―Ｎｉ系合金を用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）、４２合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
【００２８】
また、放熱体１６がパワーモジュール用基板１１に取付られた例を示したが、この基板１１に限らず、他の発熱体や熱源に取付られる場合にも適用することができ、放熱を必要とする種々の被放熱体に用いられることで実用上有益となる。さらに、放熱体１６が取り付けられるパワーモジュール用基板１１として、放熱体１６側の面に金属層１３が設けられた例を示したが、金属層１３を設けず絶縁基板１１をはんだ１５を介して放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【００２９】
さらにまた、前述した低熱膨張材１８に替えて、いわゆるコルゲートルーバ,斜面壁４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂのみにより断面矩形に形成された連絡開口部４０を有するエキスパンド構造,若しくは前記実施形態のいわゆる，ハニカム構造を一層設けたもの,又は前記構造のうちの一つを複数積層させた構成としてもよい。
【００３０】
また、第１の低熱膨張材１８ａと第２の低熱膨張材１８ｂとを、これらの板面に沿った方向に対して各々が約９０°ずれるようにして、第１の低熱膨張材１８ａの端部Ｃ，Ｄ間方向と、第２の低熱膨張材１８ｂの端部Ａ，Ｂ間方向とが、板面に沿った方向において略一致するようにして積層した構成を示したが、これに限らず、第１の低熱膨張材１８ａの端部Ｃ，Ｄ間方向と第２の低熱膨張材１８ｂの端部Ｃ，Ｄ間方向とが一致していない構成であればよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る放熱体によれば、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるとともに、熱伝導率の低下を抑制することができる。また、放熱体全体としての曲げ剛性を全方位について向上させるように均一にすることができ、この曲げ剛性の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、放熱体がフィンを備えているため、放熱体全体の放熱効果を向上させることができ、さらに、放熱体本体とフィンとは一体成形された鋳造体からなるので、この放熱体を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示す放熱体の拡大断面側面図，及び図４のＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【図３】図１,図２に示す第１，第２の低熱膨張材の要部を示す拡大斜視図である。
【図４】図１から図３に示す第１，第２の低熱膨張材を積層した際の板面に沿った方向に対する配設位置を説明するための拡大斜視展開図である。
【符号の説明】
１０パワーモジュール
１１パワーモジュール用基板（絶縁基板）
１６放熱体
１７放熱体本体（高熱伝導材）
１８ａ低熱膨張材
１８ｂ低熱膨張材
１９フィン
３０半導体チップ（チップ）
４０連絡開口部
４１,４２板状体
４３連鎖状体
Ａ，Ｂ低熱膨張材の他の端部
Ｃ，Ｄ低熱膨張材のの一の端部

Claims

被放熱体の熱を放熱させる放熱体であって、
前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる複数の低熱膨張材とを備え、
前記各低熱膨張材は、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる連絡開口部を有して設けられるとともに、該各低熱膨張材の周縁部における対向する一の端部間の曲げ剛性が、他の端部間の曲げ剛性より低く構成され、
前記各低熱膨張材は、前記厚み方向に積層して設けられるとともに、積層された前記各低熱膨張材は、一の前記低熱膨張材の前記一の端部間方向が、他の前記低熱膨張材の前記一の端部間方向と交差するように配設され、
前記各低熱膨張材は、前記放熱体本体に鋳ぐまれていることを特徴とする放熱体。
請求項１に記載の放熱体において、
前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記連絡開口部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記連絡開口部の位置をずらして配設してなることを特徴とする放熱体。
請求項１又は２に記載の放熱体において、
前記放熱体にはフィンが設けられ、該フィンは前記放熱体本体と一体に鋳造成形されていることを特徴とする放熱体。