JP3933031B2

JP3933031B2 - Radiator

Info

Publication number: JP3933031B2
Application number: JP2002315923A
Authority: JP
Inventors: 義幸長友; 健根岸; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2004152970A

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着されている（例えば、特許文献１参照）。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す構成であり、これにより、絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止できて、放熱体が良好な放熱作用を果たすこともできるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、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の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する結果、放熱体の放熱効果が悪くなっていた。
【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ぐためには、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。その場合、熱膨張係数の低い方（被放熱体）に合わせることとなるが、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、反り対策と良好な熱伝導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、被放熱体との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の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】
上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、一方の面が被放熱体と接合され、他方の面が冷却シンク部に接合される放熱体において、該放熱体は、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低熱膨張材とからなり、前記低熱膨張材は、前記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、かつ該連絡開口部を介して放熱体本体に鋳ぐまれ、かつ、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することを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材の連絡開口部を介して放熱体本体を充填することで、低熱放熱材が放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたので、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、被放熱体と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、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場合、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。
【００１４】
また、この発明に係る放熱体によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて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たので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００１５】
【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及び図２はこの発明の第１の実施の形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す図であって、図１はパワーモジュールの全体図、図２は放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
この実施形態のパワーモジュール１０は、パワーモジュール用基板１１に放熱体１６が接合されて構成されている。
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、その上面及び下面に回路層１２及び金属層１３がそれぞれ積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。以下は、パワーモジュール用基板１１を「絶縁基板１１」と略称する。
【００１６】
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、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、更に、この放熱体１６が冷却シンク部２０に取り付けられて使用され、該冷却シンク部２０内の冷却水（或いは冷却空気）２１により、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。放熱体１６は、冷却シンク部２０に取付ねじ２２によって密着した状態で取り付けられる。
【００１７】
この実施形態において、放熱体１６は、放熱体本体１７に低熱膨張材１８が積層されている。放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質、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のものである。
【００１８】
一方、低熱膨張材１８は、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、放熱体本体１７に積層することで、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、例えばインバーからなっていて、熱膨張係数がおよそ５ｐｐｍ／℃以下である。
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。
【００１９】
このような材質からなる低熱膨張材１８は、図１及び図２に示すように、放熱体本体１７と１７との間に接合されている。従って、放熱体１６が二枚の放熱体本体１７と一枚の低熱膨張材１８との三層構造であって、絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側とに放熱体本体１７が配置されている。
【００２０】
また、この低熱膨張材１８には、これを貫通する孔１９が複数穿設されている。孔１９は、放熱体１６自体に低熱膨張材１８を設けると、それだけ熱伝導率が低下するので、その熱伝導率が低下するのを極力抑えるようにするためのものである。その場合、図２に示すように、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１と対応する領域Ａには孔１９の穿設される数を少なくすると共に、その対応領域Ａの周辺領域Ｂには孔１９の穿設される数を多くしている。
【００２１】
つまり、低熱膨張材１８において絶縁基板１１との対応領域Ａでは穿設される孔１９の個数を少なくすると共に、それを除く周辺領域Ｂでは孔１９の個数を多くすることにより、孔１９の断面積の分布を変えている。この場合、低熱膨張材１８に穿設される孔１９の数が徒らに増えると、低熱膨張材としての機能を果たし難くなることから、低熱膨張材１８の表面積に対し、絶縁基板１１及び放熱体本体１７並びに低熱膨張材１８の材質等に基づき、およそ２０〜５０％の割合の面積で孔１９が形成されることが好ましい。なお、孔１９は、この実施形態では丸孔をなしているが、その形状は任意である。
【００２２】
このように、パワーモジュール１０の放熱体１６が、放熱体本体１７と低熱膨張材１８とを互いに積層して形成されると、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ので、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
【００２３】
そのため、放熱体１６が絶縁基板１１とはんだ１５（若しくはろう付けや拡散接合等）によって接合された場合、放熱体１６に絶縁基板１１に向かう反りが発生するのを確実に低減することができるので、放熱体１６を冷却シンク部２０に取り付けても、冷却シンク部２０と放熱体１６との間に隙間が発生するのを防止することができる。
【００２４】
しかも、低熱膨張材１８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及び冷却シンク部２０を介して外部に放熱される結果、熱伝導率が低下するのを抑制することもできる。
その結果、放熱体１６と絶縁基板１１との材質の熱膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝導率の低下の抑制とを両立させた、良好な放熱体１６を得ることができ、これにより、放熱特性に優れたパワーモジュール１０が得られる。
【００２５】
また、放熱体１６が、二層からなる放熱体本体１７、１７の間に低熱膨張材１８が挟まれた状態で接合されているので、つまり、放熱体１６において絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側との層に放熱体本体１７がそれぞれ配置して形成されているので、絶縁基板１１からの熱を受け、その熱が冷却シンク部２０に伝達することとなる。
【００２６】
その際、低熱膨張材１８には孔１９が複数設けられているので、この孔１９を形成する空間により、絶縁基板１１側の放熱体本体１７から冷却シンク部２０側の放熱体本体１７への熱伝達を良好に行うことができ、これによって、放熱体１６本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【００２７】
しかも、孔１９は、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１との対応領域Ａでは、その周辺領域Ｂより少ない個数で穿設され、孔１９の断面積が周辺領域Ｂより少なくしているので、絶縁基板１１からの熱影響で、その対応領域Ａが熱変形を受けて反りが発生するのを防ぐことができる一方、周辺領域Ｂ内の孔１９の断面積が対応領域Ａより大きくなることで、放熱体本体１７間の熱伝達を良好にさせることができ、これによって、熱伝達をいっそう良好に行うことができる。
【００２８】
図３及び図４は、この発明の第２の実施の形態に係る放熱体を示している。
この場合は、放熱体１６に設けられた低熱膨張材１８がリブを有している。
リブは、低熱膨張材１８に設けられる孔１９の製作に際し、予め所定の厚みに形成された板材に図４に示すように切り込みが設けられ、この切り込みを利用することで形成される。即ち、予め設けられた切り込みを上下方向に立上げたり、立下げたりして折り曲げることで孔１９を形成したとき、上記切り込みによって立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂが共に形成され、これらからなるリブを有する低熱膨張材１８が製作される。
そして、この低熱膨張材１８が放熱体本体１７と１７との間に挟着されることで、放熱体１６が構成される。
【００２９】
この実施形態によれば、放熱体１６が放熱体本体１７に孔１９を穿設した低熱膨張材１８が積層されるので、基本的は前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
これに加え、低熱膨張材１８が立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂからなるリブを有しているので、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、これによっても、絶縁基板１１の熱による反りをいっそう抑えることができる。
【００３０】
なお、低熱膨張材１８は、上述の実施形態では、放熱体本体１７間に積層されたり、また放熱体本体１７間に挟着することで設けられた例を示したが、これに限らず、例えば、粉末冶金によって孔１９付きの板を焼成した後、これにリブを後付けして設けるようにしてもよく、又は、ダイカスト鋳造法によって形成することもでき、更には、熱間鍛造より高温処理される溶融鍛造法によって形成することもできる。それ以外として、以下に示すように放熱体１６を構成することもできる。
【００３１】
図５及び図６は、この発明の第３の実施の形態に係る放熱体を示す放熱体の構成図である。
この場合の低熱膨張材１８は、絶縁基板１１側の放熱体本体１７と接合される一方の面と、冷却シンク部２０側の放熱体本体１７と接合される他方の面とに亘る厚み方向と連絡すると共に、該厚み方向と直交方向で互いに連なる開口空間部４０を有して設けられ、かつ該開口空間部４０に放熱体本体１７が充填されることで、図５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。
【００３２】
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図６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が厚み方向に沿って組付けることで開口空間部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。
そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列で設けられると共に、開口空間部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ている。
【００３３】
このように形成された低熱膨張材１８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、その材料がいずれかの開口空間部４０から内部に充填されると、側面から見たとき、図５に示すように、絶縁基板１１側である上層の放熱体本体１７と、冷却シンク部２０側である下層の放熱体本体１７間に埋設されるように形成される。
【００３４】
この実施形態によれば、低熱膨張材１８が厚み方向に沿い放熱体本体１７に鋳ぐまれて形成したので、放熱体１６全体の熱膨張率を下げることができ、また連絡開口部４０により放熱体本体１７が絶縁基板１１からの熱を良好に受けると共に、その熱を冷却シンク部２０に対して伝達させることができ、従って、反りを抑えつつ熱伝達が良好となり、基本的には前述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３５】
図７は、この発明の第４の実施の形態に係る放熱体を示している。
この実施の形態は、上記の各実施の形態において用いた冷却シンク部に代えて放熱フィン７０を用いたものである。放熱フィン７０は、帯状の板体を平坦部５０ａ、立上がり部５０ｂ、平坦部５０ｃ、折返し部５０ｄを有するように折り曲げて、これを一方向に繰り返すように形成したものであり、平坦部５０ａが放熱体１６の表面にろう付け手段により固定されている。
この実施の形態においては、放熱体１６，放熱フィン７０を介して外部への放熱がなされ、上記の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。
【００３６】
なお、上記実施の形態において、放熱体に積層された低熱膨張材として、インバー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。
また、放熱体１６がパワーモジュール用基板１１に取り付けられた例を示したが、該基板１１に限らず、他の発熱体や熱源に取り付けられる場合にも適用することができ、要は、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。更に、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が積層された例を示したが、金属層１３が設けられていない絶縁基板１１を放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、放熱体が被放熱体にはんだ等によって接合された場合、放熱体に被放熱体に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができるという効果が得られる。
【００４１】
また、請求項１に係る発明によれば、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる連絡開口部を有する低熱膨張材を確実に形成できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の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】放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態に係る放熱体を示す断面図である。
【図４】低熱膨張材の製作に際し、板材に孔を形成するために切り込みを設けた説明図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態に係る放熱体を示す図であって、放熱体を側面からみた断面図である。
【図６】低熱膨張材を示す斜視図である。
【図７】この発明の第４の実施の形態に係る放熱体を示す断面図である。
【符号の説明】
１０パワーモジュール
１１被放熱体（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）
１８低熱膨張材
１９孔
１８ａリブ（立上げ片）
１８ｂリブ（立下げ片）
２０冷却シンク部
４０開口空間部
４１、４２帯状の板状体
４３連鎖状体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat radiating body used in a semiconductor device for controlling a large voltage and a large current, and more particularly to a heat radiating body suitable for radiating heat transmitted to a heat radiating body on which a heat generating body such as a semiconductor chip is mounted. .
[0002]
[Prior art]
In general, a power module as a semiconductor device has a semiconductor chip mounted on a power module substrate and heat of the semiconductor chip is transmitted to the power module substrate. Therefore, it is necessary to dissipate heat transmitted to the power module substrate. .
In such a power module substrate as a radiator, a metal thin plate is directly laminated on an insulating substrate (ceramic substrate) made of a ceramic material, and a heat sink made of a heat sink is interposed on the metal thin plate with a plastic porous metal layer. They are laminated and bonded (for example, see Patent Document 1). The plastic porous metal layer is a porous sintered body of Cu having a porosity of 20 to 50%, and when the insulating substrate receives heat from the semiconductor chip mounted thereon, it absorbs the thermal deformation. Thus, it is possible to prevent warping and cracking of the insulating substrate and the heat radiating body, and the heat radiating body can also perform a good heat radiating action.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-335652 (page 4-12, FIGS. 1 to 5)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the said conventional thing, since the plastic porous metal layer provided in the board | substrate for power modules as a to-be-radiated body absorbs the thermal deformation of an insulated substrate or a radiator, the thermal expansion of an insulated substrate and a radiator is carried out. Even if the coefficients are different, the insulation substrate and the heat sink can be prevented from warping or cracking, but the plastic porous metal layer is interposed between the insulation substrate and the heat sink. As a result, only the thermal resistance increased and the thermal conductivity decreased, and as a result, the heat dissipation effect of the radiator was deteriorated.
[0005]
In general, when the heat dissipating body is made of a material having a different thermal expansion coefficient with respect to the heat radiating body, in order to prevent warping due to the difference between the two thermal expansion coefficients, it is easy to match the thermal expansion coefficients of both. Conceivable. In that case, it will be matched to the one with the lower thermal expansion coefficient (heat radiating body), but doing so will reduce the warpage, but the thermal conductivity will be reduced by that much, and the heat dissipation effect will be reduced, and the countermeasure against warpage will be reduced. However, there was a problem that it was not possible to meet the demand of what had both good heat conduction.
[0006]
The present invention has been made in consideration of such circumstances, and the object thereof is to reduce warpage without regard to this even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the heat radiating body and the invention. An object of the present invention is to provide a heat dissipating body that can suppress a decrease in thermal conductivity.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention proposes the following means.
The invention according to claim 1 is a heat radiator in which one surface is joined to a heat sink and the other surface is joined to a cooling sink part. The heat radiator includes a heat radiator main body and heat of the heat radiator main body. A low thermal expansion material made of a material having a lower coefficient of expansion, the low thermal expansion material being in communication with the thickness direction across the one surface and the other surface, and communicating with each other in the cross direction with the thickness direction And is formed in the heat dissipating body through the communication opening, and the belt-like unit plate-like bodies are assembled to each other at the same position so as to continuously have the connection opening. The chain-like body is provided in a plurality of rows on the same plane, and the position of the communication opening is shifted for each row adjacent to each other.
[0013]
According to the heat dissipating body according to the present invention, the low heat dissipating material is filled in the heat dissipating body main body by filling the heat dissipating body main body through the communication opening of the low thermal expansion material. The thermal expansion coefficient can be reliably reduced, and the difference in thermal expansion coefficient between the heat radiating body and the entire heat radiating body can be made as small as possible. Therefore, the heat radiating body and the heat radiating body are joined by solder or the like. When it does, it can reduce reliably that the curvature which goes to a to-be-heated body generate | occur | produces in a heat radiator, and it can suppress that the thermal conductivity of a heat radiator falls.
[0014]
Further , according to the heat dissipating body according to the present invention, the band-like unit plate-like bodies are assembled to each other at the same position to form a chain-like body having continuous communication openings, and the chain-like bodies are formed on the same plane. Since a plurality of rows are provided and the positions of the communication openings are shifted for each row adjacent to each other, a low thermal expansion material having communication openings continuous in the thickness direction over one surface and the other surface is ensured. Can be formed.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 are views showing a power module to which a heat radiator according to a first embodiment of the present invention is applied. FIG. 1 is an overall view of the power module, and FIG. 2 is a diagram showing a low thermal expansion material in the heat radiator. It is explanatory drawing seen from the top.
The power module 10 of this embodiment is configured by bonding a heat radiator 16 to a power module substrate 11.
The power module substrate 11 is an insulating substrate formed in a desired size with, for example, AlN, Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiC, or the like, and a circuit layer 12 and a metal layer 13 are formed on the upper and lower surfaces thereof. Each is laminated and joined. The circuit layer 12 and the metal layer 13 are made of Al, Cu or the like. Hereinafter, the power module substrate 11 is abbreviated as “insulating substrate 11”.
[0016]
A semiconductor chip 30 is mounted on the circuit layer 12 of the insulating substrate 11 by solder 14, while a heat radiator 16 is bonded to the lower surface of the metal layer 13 by solder 15, or by brazing or diffusion bonding. The body 16 is used by being attached to the cooling sink portion 20, and the heat transmitted to the radiator 16 is radiated to the outside by the cooling water (or cooling air) 21 in the cooling sink portion 20, so that the power module 10 is configured. The radiator 16 is attached to the cooling sink portion 20 in close contact with the attachment screw 22.
[0017]
In this embodiment, the heat dissipating body 16 has a low heat expansion material 18 laminated on a heat dissipating body main body 17. The heat dissipating body 17 is formed of a material having a good thermal conductivity such as Al, Cu, for example, a so-called high heat conducting material. The high thermal conductivity material has a thermal conductivity of, for example, 100 W / m · K or more, preferably 150 W / m · K.
[0018]
On the other hand, the low thermal expansion material 18 is made of a material having a thermal expansion coefficient lower than the thermal expansion coefficient of the heat radiating body 17, and is laminated on the heat radiating body 17 so that the thermal expansion coefficient of the entire heat radiating body 16 and the insulating substrate 11 are increased. For example, it is made of invar and has a thermal expansion coefficient of about 5 ppm / ° C. or less.
An Invar alloy is an alloy that hardly undergoes thermal expansion near room temperature, and has a composition ratio of 64.6 mol% Fe and 35.4 mol% Ni. However, Fe containing other inevitable impurities is also called an Invar alloy.
[0019]
As shown in FIGS. 1 and 2, the low thermal expansion material 18 made of such a material is joined between the radiator bodies 17 and 17. Accordingly, the radiator 16 has a three-layer structure of two radiator bodies 17 and one low thermal expansion material 18, and the radiator body 17 is disposed on the insulating substrate 11 side and the cooling sink portion 20 side. Yes.
[0020]
The low thermal expansion material 18 has a plurality of holes 19 penetrating therethrough. The holes 19 are provided so as to suppress the decrease in the thermal conductivity as much as possible since the thermal conductivity is lowered by providing the low thermal expansion material 18 in the radiator 16 itself. In that case, as shown in FIG. 2, in the low thermal expansion material 18, the number of holes 19 is reduced in the region A corresponding to the insulating substrate 11, and the hole B is formed in the peripheral region B of the corresponding region A. The number of 19 drilled holes is increased.
[0021]
In other words, in the low thermal expansion material 18, the number of holes 19 formed in the region A corresponding to the insulating substrate 11 is reduced, and in the peripheral region B other than that, the number of holes 19 is increased, so that the holes 19 are cut off. The area distribution is changed. In this case, if the number of holes 19 drilled in the low thermal expansion material 18 increases, it becomes difficult to perform the function as the low thermal expansion material. The holes 19 are preferably formed with an area of approximately 20 to 50% based on the material of the body main body 17 and the low thermal expansion material 18. In addition, although the hole 19 has comprised the round hole in this embodiment, the shape is arbitrary.
[0022]
Thus, if the heat radiator 16 of the power module 10 is formed by laminating the heat radiator body 17 and the low thermal expansion material 18, the thermal expansion coefficient of the heat radiator 16 as a whole can be reliably reduced. The difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate 11 and the entire radiator 16 can be made as small as possible.
[0023]
Therefore, when the heat radiating body 16 is joined to the insulating substrate 11 by solder 15 (or brazing, diffusion bonding or the like), it is possible to reliably reduce the occurrence of warping of the heat radiating body 16 toward the insulating substrate 11. Even if the radiator 16 is attached to the cooling sink part 20, it is possible to prevent a gap from being generated between the cooling sink part 20 and the radiator 16.
[0024]
Moreover, since the low thermal expansion material 18 is a metal and has a suitable thermal conductivity, the heat generated from the semiconductor chip 30 on the insulating substrate 11 is generated by the circuit layer 12, the insulating substrate 11, the metal layer 13, and the solder. 15. It can also be suppressed that heat conductivity falls as a result of thermally radiating outside through the heat sink 16 and the cooling sink part 20.
As a result, even if there is a difference in the thermal expansion coefficient between the material of the radiator 16 and the insulating substrate 11, it is possible to obtain a good radiator 16 that achieves both suppression of warpage and suppression of decrease in thermal conductivity. Thus, the power module 10 having excellent heat dissipation characteristics can be obtained.
[0025]
Further, since the radiator 16 is joined in a state where the low thermal expansion material 18 is sandwiched between the radiator bodies 17, 17 having two layers, that is, the insulating substrate 11 side and the cooling sink portion in the radiator 16. Since the heat dissipating body main body 17 is disposed and formed in the layer on the 20 side, the heat from the insulating substrate 11 is received and the heat is transmitted to the cooling sink portion 20.
[0026]
At this time, since a plurality of holes 19 are provided in the low thermal expansion material 18, a space from the heat sink body 17 on the insulating substrate 11 side to the heat sink body 17 on the cooling sink portion 20 side is formed by a space in which the holes 19 are formed. Heat transfer can be performed satisfactorily, and thereby the original heat dissipation effect of the radiator 16 can be accurately achieved.
[0027]
Moreover, the holes 19 are formed in the low thermal expansion material 18 in the corresponding area A with the insulating substrate 11 in a smaller number than the peripheral area B, and the cross-sectional area of the holes 19 is smaller than that in the peripheral area B. It is possible to prevent the corresponding region A from being warped due to thermal influence from the insulating substrate 11, while the cross-sectional area of the hole 19 in the peripheral region B is larger than the corresponding region A. The heat transfer between the heat dissipating body 17 can be improved, whereby the heat transfer can be performed more satisfactorily.
[0028]
3 and 4 show a heat radiator according to the second embodiment of the present invention.
In this case, the low thermal expansion material 18 provided on the radiator 16 has ribs.
When the hole 19 provided in the low thermal expansion material 18 is manufactured, the rib is formed by using a notch as shown in FIG. 4 in a plate material previously formed to have a predetermined thickness. That is, when the hole 19 is formed by bending a notch provided in advance by raising or lowering in the vertical direction, the rising piece 18a and the falling piece 18b are both formed by the above-mentioned notch, and are composed of these. A low thermal expansion material 18 having ribs is produced.
The low thermal expansion material 18 is sandwiched between the heat radiating body main bodies 17 and 17 to constitute the heat radiating body 16.
[0029]
According to this embodiment, since the heat dissipating body 16 is laminated with the low thermal expansion material 18 in which the hole 19 is formed in the heat dissipating body main body 17, the same operation and effect as the first embodiment described above can be basically obtained. .
In addition to this, since the low thermal expansion material 18 has ribs made up of the rising pieces 18a and the falling pieces 18b, the rigidity of the entire radiator can be increased and the strength can be increased. Warpage due to heat of the insulating substrate 11 can be further suppressed.
[0030]
In addition, although the low thermal expansion material 18 showed the example provided by being laminated | stacked between the heat radiator main bodies 17 or being pinched between the heat radiator main bodies 17 in the above-mentioned embodiment, it is not restricted to this, For example, after firing a plate with holes 19 by powder metallurgy, the ribs may be retrofitted to the plate, or it may be formed by die casting, and further processed at a higher temperature than hot forging. It can also be formed by the melt forging method. Otherwise, the heat radiator 16 can also be configured as shown below.
[0031]
5 and 6 are configuration diagrams of a heat radiating body showing a heat radiating body according to a third embodiment of the present invention.
In this case, the low thermal expansion material 18 has a thickness direction extending from one surface joined to the radiator body 17 on the insulating substrate 11 side and the other surface joined to the radiator body 17 on the cooling sink 20 side. As shown in FIG. 5, as shown in FIG. 5, the heat sink body 17 is filled with the open space portion 40 that is connected to each other in the direction orthogonal to the thickness direction and is filled with the heat sink body 17. The body body 17 is configured to be cast.
[0032]
More specifically, as shown in FIG. 6, the low thermal expansion material 18 includes, for example, two band-shaped unit plate bodies 41 and 42 that are assembled along the thickness direction so that the opening space 40 is continuously formed. Thus, the chain 43 is formed.
These chain-like bodies 43 are provided in a plurality of rows on the same plane, and the opening spaces 40 are alternately arranged in rows adjacent to each other.
[0033]
The low thermal expansion material 18 formed in this way is filled with the material of the heat radiating body 17 when the heat radiating body 16 is formed. As shown in FIG. 5, it is formed so as to be embedded between the upper radiator body 17 on the insulating substrate 11 side and the lower radiator body 17 on the cooling sink portion 20 side.
[0034]
According to this embodiment, since the low thermal expansion material 18 is cast and formed in the heat radiating body 17 along the thickness direction, the thermal expansion coefficient of the entire heat radiating body 16 can be lowered, and heat is radiated by the communication opening 40. The body main body 17 can receive heat from the insulating substrate 11 well, and can transmit the heat to the cooling sink portion 20. Therefore, heat transfer is improved while suppressing warping. The same effect as the embodiment can be obtained.
[0035]
FIG. 7 shows a radiator according to the fourth embodiment of the present invention.
In this embodiment, heat radiating fins 70 are used instead of the cooling sink portion used in each of the above embodiments. The heat radiating fin 70 is formed by bending a belt-like plate body so as to have a flat part 50a, a rising part 50b, a flat part 50c, and a folded part 50d, and repeating this in one direction. It is fixed to the surface of the radiator 16 by brazing means.
In this embodiment, heat is radiated to the outside through the heat radiating body 16 and the heat radiating fins 70, and the same operation and effect as the above-described embodiment can be obtained.
[0036]
In the above embodiment, an example of using invar was shown as the low thermal expansion material laminated on the radiator, but other low thermal expansion materials such as high carbon steel (Fe-C), 42 alloy, molybdenum ( Even if it is made of Mo), tungsten (W) or the like, the same effect can be obtained.
Moreover, although the example which attached the heat radiator 16 to the board | substrate 11 for power modules was shown, it is applicable not only to this board | substrate 11, but when it attaches to another heat generating body and a heat source. It is useful in practice by being used for various heat-dissipating bodies that require. Further, as an example of the power module substrate 11 to which the radiator 16 is attached, the metal layer 13 is laminated on the surface on the radiator 16 side. However, the insulating substrate 11 on which the metal layer 13 is not provided is used as the radiator 16. Even if it is directly joined to the same, the same effect can be obtained.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, when the heat radiating body is joined to the heat radiating body with solder or the like, it is possible to reliably reduce the occurrence of warpage of the heat radiating body toward the heat radiating body. The effect that it can suppress that the thermal conductivity of a heat radiator falls is obtained.
[0041]
Moreover, according to the invention which concerns on Claim 1 , the effect that the low thermal expansion material which has a connection opening part mutually connected in the thickness direction over one surface and the other surface can be formed reliably is acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view showing a power module to which a heat radiator according to a first embodiment of the invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory view of a low thermal expansion material in a heat radiating body as viewed from above.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a heat radiator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view in which a cut is provided to form a hole in a plate material when a low thermal expansion material is manufactured.
FIG. 5 is a view showing a heat dissipating body according to a third embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of the heat dissipating body as viewed from the side.
FIG. 6 is a perspective view showing a low thermal expansion material.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a heat radiator according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Power Module 11 Heat Dissipator (Power Module Substrate, Insulating Substrate)
16 Heat Dissipator 17 Heat Dissipator Body (High Thermal Conductive Material)
18 Low thermal expansion material 19 Hole 18a Rib (rise piece)
18b rib (falling piece)
20 Cooling sink part 40 Opening space part 41, 42 Band-shaped plate-like body 43 Chain-like body

Claims

In the radiator where one surface is bonded to the heat sink and the other surface is bonded to the cooling sink part,
The radiator is composed of a radiator body and a low thermal expansion material made of a material lower than the thermal expansion coefficient of the radiator body,
The low thermal expansion material is provided with a communication opening that communicates with the thickness direction across the one surface and the other surface and that is continuous with the thickness direction in a direction intersecting with the thickness direction, and through the communication opening. The belt-like unit plate-like bodies are assembled to each other at the same position to form a chain-like body having the continuous connection openings, and the chain-like bodies are formed on the same plane. A heat dissipating body characterized in that a plurality of rows are provided and the position of the communication opening is shifted for each row adjacent to each other.