JP4148123B2 - 放熱体及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
請求項1に係る発明は、Cuからなる母材内にダイヤモンド粒子が混入されてなり、前記母材の一方の表面側に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ放散させる構成とされた放熱体であって、前記ダイヤモンド粒子の表面には、前記母材と同一材質のコーティング層とAg材層とをこの順に備えた金属材層が形成されていることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1記載の放熱体において、前記母材は純度99.999%以上のCuにより形成されることを特徴とする。
特に、前記母材が純度99.999%以上のCuにより形成されると、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合でも、この際の熱膨張,収縮挙動により母材が硬化することを抑制することが可能になる。したがって、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合でも、ダイヤモンド粒子との接合部における母材は、ダイヤモンド粒子の表面に沿って略流動することになり、ダイヤモンド粒子と母材との熱膨張係数差に起因した両者間に生ずる熱応力を最小限に抑制することが可能になり、これらの間に剥離が発生することを抑制することができ、この放熱体の長寿命化を図ることができる。
これらの発明に係る放熱体によれば、高熱伝導性及び低熱膨張性の均質化を図ることができる。
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。
このパワーモジュール10は、放熱体11と、この放熱体11の一方の表面11aにはんだ層12を介して接合されたSiチップ13と、放熱体11の他方の表面11bにはんだ層12を介して接合されたALN,Al2O3,Si3N4,SiC等からなる絶縁基板14とを備えている。
また、前記各層のうち、母材15の表裏面近傍に配設された層は、この層を構成するダイヤモンド粒子17等がこの表面に露出する場合があるが、母材15の表裏面に形成されたCu材層16により、ダイヤモンド粒子17等の前記露出分が被覆され、放熱体11の表裏面11a,11bは平滑面とされている。
なお、第2,第3のダイヤモンド粒子18a,18bに代えて、表面がCuにより被覆されたCBN粒子、またはSiC粒子を母材15内に混入し、第1のダイヤモンド粒子17同士の間を埋めるような構成としてもよい。この場合においても、第1のダイヤモンド粒子17と、SiC粒子、または前記CBN粒子との全体の含有量は、母材15の体積に対して50%以下となるようにされる。
また、特に、母材15の材質がCuまたはAgにより形成された構成においては、第1から第3のダイヤモンド粒子17,18a,18bおよびCBN粒子表面にコーティング層30を形成しなくても、第1から第3のダイヤモンド粒子17,18a,18bおよびCBN粒子と母材15との必要最小限の接合強度を確保することはできる。
特に、第2,第3のダイヤモンド粒子18a,18bまたはCBN粒子を母材15内に混入させた構成においては、図4に示すように、放熱体の熱伝導率を大幅に向上させることができる(515W/m・K以上)ことを確認できた。
まず、Cuからなる金属粉末にダイヤモンド粒子17を混合する。この際、ダイヤモンド粒子17の配合量は、母材15の体積に対する比率で10%以上50%以下となるように設定する。そして、これを型に入れ、非酸化性雰囲気中、例えば真空状態とされた窒素ガス雰囲気中で加圧(約20MPa),加熱して焼結体を形成する。ここで、コーティング層30がCuの場合は700℃以上900℃以下で加熱し、Agの場合は600℃以上850℃以下で加熱する。その後、前記焼結体の表裏面に、Cuめっき処理を施しCuめっき層を形成する、またはCuからなる板状体を接合して、Cu材層16を形成し、放熱体11を形成する。
すなわち、放熱体は、発熱体からの熱を受け、この熱を外部へ放散させる構成に供されるものであれば、この形態の如何は不問であることはいうまでもない。
11 放熱体
13 半導体チップ(発熱体)
15 母材
16 Cu材層
17 第1のダイヤモンド粒子
18a 第2のダイヤモンド粒子
18b 第3のダイヤモンド粒子
30 コーティング層
31 Ag材層
32 金属材層
Claims (7)
- Cuからなる母材内にダイヤモンド粒子が混入されてなり、前記母材の一方の表面側に設けられた発熱体からの熱を他方の表面側へ放散させる構成とされた放熱体であって、
前記ダイヤモンド粒子の表面には、前記母材と同一材質のコーティング層とAg材層とをこの順に備えた金属材層が形成されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1記載の放熱体において、
前記母材は純度99.999%以上のCuにより形成されることを特徴とする放熱体。 - 請求項1または2に記載の放熱体において、
前記母材の少なくとも前記一方の表面にはCu材層が形成され、該Cu材層の表面は平滑面とされていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1から3のいずれかに記載の放熱体において、
前記ダイヤモンド粒子は、第1のダイヤモンド粒子と、該第1のダイヤモンド粒子の粒径の1/30以上1/5以下とされた第2のダイヤモンド粒子とを備え、前記第1のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して10%以上50%以下の割合で混入され、前記第2のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して20%以上40%以下の割合で混入されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項4記載の放熱体において、
前記ダイヤモンド粒子は、第2のダイヤモンド粒子の粒径の1/30以上1/5以下とされた第3のダイヤモンド粒子を備え、
該第3のダイヤモンド粒子は、前記母材の体積に対して1%以上5%以下の割合で混入されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1から3のいずれかに記載の放熱体において、
前記母材に、SiC粒子、若しくは表面がCuにより被覆されたCBN粒子が含有されていることを特徴とする放熱体。 - 請求項1から6のいずれかに記載の放熱体の前記一方の表面側に半導体チップが接合されてなることを特徴とするパワーモジュール。
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