JP5128951B2 - ヒートシンクモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクモジュール、及びその製造方法、並びに電子部品に関する。更に詳しくは、半導体等で構成された電子回路チップを冷却するために使用されるヒートシンクモジュール、及びその製造方法、並びにこのヒートシンクモジュールを用いた電子部品に関する。

一般に、半導体装置にとって熱は大敵であり、内部温度が最大許容温度を超えないようにしなければならない。また、パワートランジスタや半導体整流素子等の半導体装置では、動作面積当たりの消費電力が大きいため、半導体装置のケース（パッケージ）やリードから放出される熱量だけでは、発生熱量を放出しきれず、装置の内部温度が上昇して熱破壊を引き起こすおそれがある。この現象は、ＣＰＵを搭載した半導体装置でも同様に起こり得るものである。更には、ＣＰＵのクロック周波数の向上に伴って動作時の発熱量が多くなるため、放熱を考慮した熱設計を行うことが重要である。

半導体装置の熱破壊防止等を考慮した熱設計においては、半導体装置のケース（パッケージ）に、放熱面積の大きいヒートシンクを固着することを加味した素子設計や実装設計が行われている。このとき使用されるヒートシンクの材料としては、熱伝導率の高い銅やアルミニウム等の金属材料が使用されている。

従来、半導体基体（半導体素子や電気絶縁性の基板を含む）と、ヒートシンクとの熱膨張率の差に起因して、半導体装置内において、各構成部材（層）の剥離や機械的破壊、或いは半導体素子の誤動作等が生じ易くなるといった問題がある。このような問題は、半導体装置が大型化すると、各構成部材（層）間の熱膨張率の差により生ずる応力も大きくなるため、特に顕著となる。

このような問題を解消するため、ヒートシンク用の材料が種々開発されている。具体的な関連技術として、高い熱伝導性を有するとともに熱膨張率とのバランスをも考慮した、カーボンと、銅やアルミニウムをはじめとする金属との複合材料が、ヒートシンク材として用いられることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、ヒートシンク材としてカーボン（Ｃ）と銅（Ｃｕ）との複合材料（Ｃ／Ｃｕ複合材料）、或いはカーボン（Ｃ）とアルミニウム（Ａｌ）との複合材料（Ｃ／Ａｌ複合材料）等を用いた、従来の放熱機構（ヒートシンクモジュール）の構成（例えば、特許文献２参照）について説明する。図１０は、従来のヒートシンクモジュールの一実施形態を示す断面図である。このヒートシンクモジュール５０は、ヒートシンク材からなるヒートシンク層５１上に、金属材料からなる中間層２２、セラミックからなる電気絶縁層２３、及び電極層２４が積層され、それぞれの層どうしがろう材等の接合材２８により接合されることによって構成されている。なお、このヒートシンクモジュール５０は、外部へと熱を放出する放熱冷却機構（図示せず）上に、ヒートシンク層５１を当接させた状態で、ネジ止め等の方法で固定される。また、電子回路チップ（図示せず）は、電極層２４上に半田層を介して固着される。

電子回路チップから生じた熱は、電極層２４、電気絶縁層２３、中間層２２、及びヒートシンク層５１を通じて放熱冷却機構に伝わり、外部へと放出される。しかしながら、ヒートシンク層５１と放熱冷却機構との間はネジ止め等の方法で固定されているのみであるため、必ずしも十分な熱伝導がなされない場合がある。また、ヒートシンク層５１から放熱冷却機構への熱伝導を十分に確保すべく、適当な接合材を用いてこれらを接合した場合には、両者の熱膨張率差に起因して剥離や損傷等の不具合を生ずる可能性がある。従って、熱伝導を十分に行いつつ、剥離等の不具合の生じ難い、信頼性に優れたヒートシンクモジュールの開発が求められている。

一方、半導体装置は、素子の高集積化と素子形成面積の拡大化に伴い、半導体装置自体が大型化する傾向にある。半導体装置自体が大型化すると、多くの半導体素子を限られたスペースに組み込むことが困難になるといった問題がある。このような問題を解消すべく、十分に放熱可能な機構を備えながらも省スペース化された電子部品の開発が求められている。
特開２００１−３３９０２２号公報 特開２００２−４３４８２号公報

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、熱伝導性が良好であり、剥離等の不具合が生じ難く信頼性に優れ、十分に放熱可能な機構を備えながらも省スペース化されたヒートシンクモジュール、及びその製造方法、並びに電子部品を提供することにある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、ろう材により接合形成された性所定の積層構造を有する二以上の熱伝導部を、Ｃｕ等からなる二以上の設置面を有する放熱冷却部上にろう材により接合することによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、以下に示すヒートシンクモジュール、及びその製造方法、並びに電子部品が提供される。

［１］熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層がこの順序で積層されるとともに第一のろう材により接合された二以上の熱伝導部と、二以上の設置面を有する放熱冷却部と、を備え、前記放熱冷却部の少なくとも前記設置面は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、前記放熱冷却部の二以上の前記設置面上に、二以上の前記熱伝導部が、それぞれの前記ヒートシンク層が配置された状態で第二のろう材により接合されてなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有するヒートシンクモジュール。

［２］前記電極層の表面もしくは第二のろう材との接合面に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された前記［１］に記載のヒートシンクモジュール。

［３］熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる下部層がこの順序で積層されるとともに第一のろう材により接合された二以上の熱伝導部と、二以上の設置面を有する放熱冷却部と、を備え、前記放熱冷却部の少なくとも前記設置面は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、前記放熱冷却部の二以上の前記設置面上に、二以上の前記熱伝導部が、それぞれの前記ヒートシンク層が配置された状態で第二のろう材により接合されてなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有するヒートシンクモジュール。

［４］前記電極層及び前記下部層の表面の両方もしくはどちらか一方に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された前記［３］に記載のヒートシンクモジュール。

［５］Ｎｉメッキの厚さが２μｍ以上である前記［２］又は［４］に記載のヒートシンクモジュール。

［６］前記熱伝導部の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫを越えるか、又は熱抵抗率が０．０３Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２００Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．１２Ｋ/Ｗ以下である、前記［１］〜［５］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［７］前記熱伝導部の熱伝導率が２３０Ｗ／ｍＫ以上、又は熱抵抗率が０．０２５Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２３０Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．０９Ｋ/Ｗ以下である、前記［１］〜［５］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［８］前記熱伝導部のヒートシンク層の厚さが１ｍｍ以上であり、一つ当りの熱伝導部の体積が１２０００ｍｍ^３以下である前記［１］〜［７］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［９］前記放熱冷却部の前記流路の内壁面が凹凸状に形成されている前記［１］〜［８］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［１０］前記放熱冷却部の前記流路内に、網目状部材が配設されている前記［１］〜［９］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［１１］前記ヒートシンク材が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、又はＣからなる材料、もしくはこれを母材にし、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金が含浸された複合材料である前記［１］〜［１０］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［１２］前記母材が多孔体である前記［１１］に記載のヒートシンクモジュール。

［１３］前記第一のろう材及び前記第二のろう材が、周期律表第２Ａ族、第３Ａ族、第４Ａ族、第５Ａ族、又は第４Ｂ族に属する一以上の元素を含有するろう材である前記［１］〜［１２］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［１４］前記電気絶縁層が、ＡｌＮ又はＳｉ₃Ｎ₄からなる層である前記［１］〜［１３］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［１５］前記放熱冷却部の前記設置面に対応する部分の形状が、薄肉部と厚肉部とを有する形状であり、前記薄肉部の厚みが、０．１ｍｍ以上である前記［１］〜［１４］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール。

［１６］熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層をこの順序で積層するとともに第一のろう材により接合して得られる二以上の熱伝導部を、二以上の設置面を有し、少なくとも前記設置面がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有する放熱冷却部の、二以上の前記設置面上に、それぞれの前記ヒートシンク層を配置した状態で第二のろう材により接合することを含むヒートシンクモジュールの製造方法。

［１７］前記電極層の表面に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された前記［１６］に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［１８］熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる下部層をこの順序で積層するとともに第一のろう材により接合して得られる二以上の熱伝導部を、二以上の設置面を有し、少なくとも前記設置面がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有する放熱冷却部の、二以上の前記設置面上に、それぞれの前記ヒートシンク層を配置した状態で第二のろう材により接合することを含むヒートシンクモジュールの製造方法。

［１９］前記電極層及び前記下部層の表面の両方もしくはどちらか一方に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された前記［１８］に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２０］前記Ｎｉメッキの厚さが２μｍ以上である前記［１７］又は［１９］に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２１］前記熱伝導部の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫを越えるか、又は熱抵抗率が０．０３Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２００Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．１２Ｋ/Ｗ以下である、前記［１６］〜［２０］のいずれかに記載のヒートシンクモジュール製造方法。

［２２］前記熱伝導部の熱伝導率が２３０Ｗ／ｍＫ以上、又は熱抵抗率が０．０２５Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２３０Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．０９Ｋ/Ｗ以下である、前記［１６］〜［２０］のいずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２３］前記熱伝導部のヒートシンク層の厚さが１ｍｍ以上であり、一つ当りの熱伝導部の体積が１２０００ｍｍ^３以下である前記［１６］〜［２２］のいずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２４］前記第一のろう材、及び前記第二のろう材が、周期律表第２Ａ族、第３Ａ族、第４Ａ族、第５Ａ族、又は第４Ｂ族に属する一以上の元素を含有するろう材である前記［１６］〜［２３］のいずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２５］複数の板状部材を積層するとともに第三のろう材により接合して、冷却媒体が流れる流路をその内部に有する前記放熱冷却部を得ることを更に含む前記［１６］〜［２４］のいずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２６］前記板状部材のうちの、前記設置面を包摂する部材以外の部材の熱膨張率が、前記設置面を包摂する部材の熱膨張率に比して低い前記［２５］に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２７］前記ヒートシンク材が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、又はＣからなる材料、もしくはこれを母材にし、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金が含浸された複合材料である前記［１６］〜［２６］のいずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２８］前記母材が多孔体である前記［２７］に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［２９］前記電気絶縁層が、ＡｌＮ又はＳｉ₃Ｎ₄からなる層である前記［１６］〜［２８］のいずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［３０］前記電気絶縁層であるＡｌＮ又はＳｉ₃Ｎ₄からなる層の表面をブラスト又はエッチングにより処理して絶縁性を確保する前記［２９］に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。

［３１］前記［１］〜［１５］のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの二以上の前記熱伝導部のそれぞれの前記電極層上に、半田層を介して電子回路チップが配設されてなる電子部品。

［３２］前記半田層が、鉛フリー半田からなる層である前記［３１］に記載の電子部品。

本発明のヒートシンクモジュールは、熱伝導性が良好であり、剥離等の不具合が生じ難く信頼性に優れ、十分に放熱可能な機構を備えながらも省スペース化されているという効果を奏するものである。
また、本発明のヒートシンクモジュールの製造方法によれば、熱伝導性が良好であり、剥離等の不具合が生じ難く信頼性に優れ、十分に放熱可能な機構を備えながらも省スペース化されたヒートシンクモジュールを製造することができる。
本発明の電子部品は、熱伝導性が良好であり、剥離等の不具合が生じ難く信頼性に優れ、十分に放熱可能な機構を備えながらも省スペース化されているという効果を奏するものである。

本発明のヒートシンクモジュールの一実施形態を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの他の実施形態を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの更に他の実施形態を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの更に他の実施形態を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの製造方法の一実施形態を模式的に説明する断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの製造方法の他の実施形態を模式的に説明する断面図である。 下部層が配設された熱伝導部の作製方法を模式的に説明する断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの製造方法の更に他の実施形態を模式的に説明する断面図である。 Ｃ／Ｃｕ複合材を示す拡大断面図である。 従来のヒートシンクモジュールの一実施形態を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの他の実施形態を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの他の実施形態（図１１の熱伝導部を放熱冷却部に接合する実施形態）を示す断面図である。 本発明のヒートシンクモジュールの他の実施形態（図７の熱伝導部を放熱冷却部に接合する実施形態）を示す断面図である。 従来のヒートシンクモジュールの他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１，５１：ヒートシンク層、２，２２：中間層、３，２３：電気絶縁層、４，２４：電極層、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ：熱伝導部、６，１６，２６，３６：流路、７，１７，２７，３７：放熱冷却部、８：凸状部、９：網目状部材、１０，２０，３０，４０，５０：ヒートシンクモジュール、１１，２１，３１，４１：電子部品、１２：薄肉部、１３：厚肉部、１５：第一のろう材、２５：第二のろう材、２８：接合材、３５：第三のろう材、４５：設置面、６５：下部層、６０，７０，７５，８０：金属板、１００：ＩＣチップ、１１０：半田層、１２０：Ｃ／Ｃｕ複合材、１３０：多孔質焼結体、１４０：開気孔、１５０：Ｃｕ又はＣｕ合金

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。なお、各層の積層順序、各層の厚さ等についても、材料の熱伝導率、熱膨張率、ヤング率等から適切に設定される。

図１は、本発明のヒートシンクモジュールの一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態のヒートシンクモジュール１０は、二つの熱伝導部５ａ，５ｂと、二つの設置面４５を有する放熱冷却部７とを備えている。熱伝導部５ａ，５ｂは、それぞれヒートシンク層１、中間層２、電気絶縁層３、及び電極層４がこの順で積層されるとともに、第一のろう材により接合されることによって構成されている。なお、電極層４の表面には、電子回路との接合（半田付け等）を容易にするためにＮｉメッキが施されている（図示せず。以下に示す実施形態は全て同じ。）。放熱冷却板を有する事でなお、図１に示した各層の積層順序は一例であり、本発明に係るヒートシンクモジュールを構成する各層の積層順序はこれに限定されるものではない。

ヒートシンク層１は、熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋ、好ましくは２×１０^-6〜６×１０^-6／Ｋ、更に好ましくは３×１０^-6〜５×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材によって構成される層である。ヒートシンク材の熱膨張率が１×１０^-6／Ｋ未満であると、熱応力が発生し、冷熱試験で破壊に至る場合がある。一方、ヒートシンク材の熱膨張率が８×１０^-6／Ｋ超であると、やはり熱応力が発生し、冷熱試験で破壊に至る場合がある。

ヒートシンク材の種類は、熱膨張率が上記の範囲内となるようなものであれば特に限定されない。具体的には、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、又はＣをそのままヒートシンク材として使用するか、もしくはこれを母材に、Ｃｕ又はＣｕ合金が含浸された複合材料（Ｃ／Ｃｕ複合材等）や、前記母材に、Ａｌ又はＡｌ合金が含浸された複合材料（Ｃ／Ａｌ複合材等）であることが好ましい。Ｃ／Ｃｕ複合材は、図９に示すように、カーボン又はその同素体を予備焼成してネットワーク化することによって得られる多孔質焼結体５０（多孔体）の開気孔５２内に溶融したＣｕ又はＣｕ合金５４を含浸し、次いで、このＣｕ又はＣｕ合金５４を固化することにより得られるものである。このＣ／Ｃｕ複合材の詳細については、例えば特開２００１−３３９０２２号公報等に記載されている。なお、Ｃ／Ａｌ複合材も、図９に示すＣ／Ｃｕ複合材と同様の構成を有するものである。即ち、Ｃ／Ａｌ複合材は、多孔質焼結体（多孔体）の開気孔内に溶融したＡｌ又はＡｌ合金が含浸され、次いで、このＡｌ又はＡｌ合金が固化されることにより得られるものである。このようなＣ／Ｃｕ複合材やＣ／Ａｌ複合材のヤング率は極端に低いために、接合後に残留応力が生じ難い。従って、電気絶縁層３にクラックが発生し難くなり、電気絶縁層３が剥離し難くなる。複合化させた場合には、ネットワーク化している母材は、マトリックスとして作用してこれに含浸された金属の熱膨張を抑えるため、化学量論から得られる熱膨張よりも小さくなり、かつネットワークされたマトリックの熱伝導率も向上するメリットのある材料となる。

なお、母材の具体例としては、図９に示すような多孔質焼結体１３０をはじめとする多孔体を挙げることができる。ここで、多孔体には、一般的な多孔体の他、粉体、粒体、又はフィラー等を押し固めることにより形成された、その内部に網目状の空隙を有するものも概念的に含まれる。

ヒートシンク層１を構成するヒートシンク材の熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。１５０Ｗ／ｍＫ未満であると、熱伝導部の熱伝導率が２００Ｗ/ｍＫを越えないか、または熱抵抗が０．０３Ｋ/Ｗ未満にならなくなり、更に望ましい範囲である熱伝導率２３０Ｗ/ｍＫも越えず、また熱抵抗が０．０２５Ｋ/Ｗ未満にならなくなる。これにより、電子部品１１が使用されることに伴ってＩＣチップ１００が発した熱を電子部品１１の外部へと伝達させる速度が遅くなり、電子部品１００の温度を一定に保持し難くなる傾向にある。なお、ヒートシンク層１を構成するヒートシンク材が、Ｃ単体、ＳｉＣ単体や上述したＣ／Ｃｕ複合材やＣ／Ａｌ複合材等からなるものである場合に、その熱膨張率や熱伝導率は、構成成分の組成比を設定することにより、上記した範囲内に制御することができる。特に複合材料の場合はネットワーク化しているマトリックス（ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、又はＣ）であるセラミックス等が、含浸された金属の熱膨張を抑制する効果をねらったものである。

ヒートシンク層１の寸法は、放熱冷却部７に固定するための強度を確保すること、及び電極層３０上に配設されるＩＣチップ１００等の電子回路チップから発生した熱を十分に伝達すること等を考慮して決定される。具体的には、ヒートシンク層１の厚みは１〜３０ｍｍであることが好ましい。更にこの厚さは、熱伝導率、熱抵抗、応力緩和効果も併せて考慮されているのはいうまでもない。ヒートシンク層があまり薄いと電極や電子回路接合用の半田や中間層、下部層、冷却放熱板間で発生する応力に耐えられなくなる。また、ヒートシンク層があまり厚いと小型化の実現が難しくなり、熱抵抗も大きくなってしまう。小型でかつ放熱性に優れたヒートシンクモジュールを実現するためには、熱伝導部の体積は１２０００ｍｍ^３以下が望ましい。これを超えるとモジュール全体が大きくなり小型化に寄与しない。

中間層２は、熱衝撃時における、電気絶縁層３とヒートシンク層１との間の熱膨張差を緩和することが可能な層であり、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金によって構成される層である。この中間層２を設けることによって、ヒートシンクモジュール１０全体の接合性を向上させ、耐熱衝撃性の向上をも図ることができる。中間層２の厚みは、好ましくは０．０５〜３．０ｍｍ、より好ましくは０．０５〜１．０ｍｍである。電気絶縁層３とヒートシンク層１との間の熱膨張差の緩和だけであれば、厚みが薄くても効果があるが、中間層２の体積を考慮して、特に絶縁層３の上下で熱膨張への影響をその体積率を含めて同じにする（熱膨張率とその体積による影響を考慮する）ことで電気絶縁層３の上下でのバランスがよくなる。

電気絶縁層３は、電極４層と、中間層２との間を電気的に絶縁可能な材料からなる層であり、例えば、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の材料によって構成される層である。ＡｌＮやＳｉ₃Ｎ₄で電気絶縁層３を構成した場合には、電気絶縁層３の熱膨張率が、ＩＣチップ１６をはじめとする電子回路チップの熱膨張率とほぼ同じとなる。電気絶縁層３の寸法のうち、最低厚みは、電極層４を流れる電流の絶縁性を確保できる厚みに設定される。但し、他の層に比して脆い材料からなる層であるため、実際上は、強度により最低厚みを決定する。一方、電気絶縁層３の最大厚みは、熱抵抗の値で決定される。厚い方が強度的には有利であるが、回路としての熱伝導が低下する傾向にある。従って、電気絶縁層３の最大厚みは、０．１〜２．０ｍｍであることが好ましく、０．１〜１．０ｍｍであることが更に好ましい。

電気的な絶縁を確保するために、絶縁距離を確保する事が重要である。具体的には２ｍｍ以上、望ましくは２．５ｍｍ以上、更に望ましくは３ｍｍ以上である。このため接合される電極４やヒートシンク層１、中間層２などの大きさも絶縁距離を確保するように選ばれる。更に絶縁距離を確保した上で、絶縁層３の表面などに接合時に導電体などが付着する場合にはブラストなどの物理的な方法、もしくはエッチングなどの化学的な方法により除去する必要がある。

電極層４は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金によって構成される層である。電極層４の寸法、特に最低厚みは、電極層４を流れる電流の電流密度により決定される。最大厚みは、接合後の耐熱衝撃性の制御目標により決まる。電極層４の最大厚みは、０．０５〜２．０ｍｍであることが好ましく、０．１〜１．０ｍｍである更に好ましい。

一方、図８などに示すように下部層６５が積層される場合には、下部層６５も電極層４と同様な厚さが好ましいが、下部層６５の場合は直接電子回路との接合がないため、その厚みは任意に決められる。言うまでもないが、その厚みの決定には、所望の熱伝導率を確保し、モジュールの信頼性を確保するための熱衝撃試験（例えば−４０℃から１５０℃までの繰り返し数が１０００回から３０００回）をクリアできる事やハンドリングに影響する接合体のそり形状などを考慮して決められる。

放熱冷却部７の少なくとも設置面４５は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金によって構成されている。設置面４５が、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金によって構成されていることにより、ヒートシンク層１と、設置面４５とを、第二のろう材によって加圧条件下で接合することができる。なお、放熱冷却部７の全体が、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金によって構成されていてもよい。

図１に示すように、本実施形態のヒートシンクモジュール１０では、放熱冷却部７の二つの設置面４５上に、二つの熱伝導部５ａ，５ｂがそれぞれ接合されている。熱伝導部５ａ，５ｂは、これらのヒートシンク層１が設置面４５上に配置された状態で、第二のろう材によって設置面４５上に接合されている。このように、放熱冷却部７を介して二つの熱伝導部５ａ，５ｂが接合して配設されることにより、シンメトリック（対象な形状）になる。これにより熱膨張差による応力がバランスし集中応力が発生しにくくなるため放熱冷却部７の設置面４５とヒートシンク層１との間で剥離等の不具合が生じ難く、信頼性に優れたヒートシンクモジュール１０とすることができる。図１では上下に熱伝導部が配置されているが、その他に、例えば上下左右への熱伝導部の配置（図示せず）、６角形や８角形（いずれも図示せず）に熱伝導部を配置することによっても同様な効果が期待できる。無論、球形に近い放熱冷却部に設置面を設け（例えば六角形や正１２面体、サッカーボールのような形状）（図示せず）による省スペース化も可能である。完全なシンメトリックな形状でなくとも応力バランスを改善できる場合もあり、放熱冷却部の片側にのみ熱伝導部を配設する場合でも、配設されない側の厚さの制御による疑似的な応力バランスの向上が可能であり、更に多少の角度をつける（例えば２つの熱伝導部間でＶ形状やΛ形状にするなど）も効果がある（図示せず）。また、一の放熱冷却部７は、二以上の熱伝導部５ａ，５ｂを設置可能な設置面４５を有するものである。従って、本実施形態のヒートシンクモジュール１０は、限られたスペースにより多くの電子回路チップ（ＩＣチップ１００）を配設することができ、省スペース性に優れている。

第一のろう材は、周期律表第２Ａ族、第３Ａ族、第４Ａ族、第５Ａ族、又は第４Ｂ族に属する一以上の元素（活性元素）を含有するろう材であることが好ましい。このようなろう材を使用する場合、各層どうし、及び放熱冷却部とヒートシンク層との接合は、加圧条件下で実施される。このため、加圧条件等によって、ろう材の厚みを制御することができる。従って、各層どうしの接合に用いられていた、数百μｍ厚の半田層と比較して、放熱性に優れたヒートシンクモジュールとすることができる。また、熱サイクルや熱衝撃等にさらされた場合でも、電気絶縁層３にクラック等が生じ難くなり、熱的信頼性の向上を図ることができる。接合後の第一のろう材、及び第二のろう材の平均厚みは、熱伝導性を考慮すると５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることが更に好ましく、５μｍ以下であることが特に好ましい。この厚みは、加圧条件によって制御可能である。

第一のろう材の具体例としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉろう材等を挙げることができる。これらのろう材の活性金属は、Ｔｉである。なお、第一のろう材と第二のろう材は、同一でのものであっても、異なるものであってもよい。なお、中間層や電極層が、ＡｌやＡｌ合金からなるものである場合には、第一のろう材として、Ａｌろう等の低融点のろう材を用いることが適切である。

第二のろう材は、第一のろう材を用いる場合と同様な選択も可能であり、同一な成分でも良い。さらに第一のろう材により接合された熱伝導部と放熱冷却部に接合する際には周期律表第２Ａ族、第３Ａ族、第４Ａ族、第５Ａ族、又は第４Ｂ族に属する一以上の元素から選択されるＳｎなどが入った低融点のろう材（半田でも可）でもよい。下部層６５を設けた場合などは、下部層６５の表面にＮｉメッキ等が施されており、接合は圧力が不要であり容易になる。接合性の向上のために圧力を負荷することも可能である。

放熱冷却部７の内部には、冷却媒体が流れる流路６が形成されていることが、ＩＣチップ１００で発生した熱をより効率的にヒートシンクモジュール１０の外部へと放出することが可能となるために好ましい。図２は、本発明のヒートシンクモジュールの他の実施形態を示す断面図である。図２に示すように、本実施形態のヒートシンクモジュール２０は、放熱冷却部１７の流路１６内に凸状部８が形成され、流路１６の内壁面が凹凸状に形成されていることが好ましい。このように、流路１６の内壁面が凹凸状に形成されていることにより、水等の冷却媒体が流路１６内を流れる際に乱流を生じ易くなるとともに、冷却媒体と放熱冷却部１７との接触面積が増大し、ＩＣチップ１００で発生した熱をより効率的に外部へと放出することができる。なお、図２中、符号２１は電子部品を示す。

また、図３に示すように、本実施形態のヒートシンクモジュール３０は、放熱冷却部２７の流路２６内に、網目状部材９が配設されていることが好ましい。流路１６内に網目状部材９が配設されていることにより、水等の冷却媒体が流路１６内を流れる際に乱流を生じ易くなり、ＩＣチップ１００で発生した熱をより効率的に外部へと放出することができる。なお、図３中、符号３１は電子部品を示す。

また、図４に示すように、本実施形態のヒートシンクモジュール４０は、放熱冷却部３７の設置面４５に対応する部分の形状が、薄肉部１２と厚肉部１３とを有する形状であることが好ましい。このように、放熱冷却部３７の設置面４５に対応する部分の形状を、薄肉部１２を有する形状とすることにより、電極層４上に配設されたＩＣチップ１００と、流路３６までの距離を短縮することができる。従って、放熱効率を更に向上させることができる。また、本実施形態においては、薄肉部１２の厚みが、０．１〜５０ｍｍであることが好ましい。より好ましい薄肉部１２の厚みは、熱バランス、熱応力、及び重さにより決まるが、０．１〜２０ｍｍであることが更に好ましく、０．１〜５ｍｍであることが特に好ましい。薄肉部１２の厚みが０．１ｍｍ未満であると、エロージョンによる磨耗が起こる場合がある。なお、図４中、符号４１は電子部品を示す。

次に、本発明のヒートシンクモジュールの製造方法の一実施形態について説明する。図５は、本発明のヒートシンクモジュールの製造方法の一実施形態を模式的に説明する断面図である。図５に示すように、本実施形態のヒートシンクモジュールの製造方法では、放熱冷却部７の二つの設置面４５上に、ヒートシンク層１、中間層２、電気絶縁層３、及び電極層４をこの順で積層する。このとき、ヒートシンク層１、中間層２、電気絶縁層３、及び電極層４の間には、第一のろう材１５を介在させる。また、ヒートシンク層１と放熱冷却部７の設置面４５との間には、第二のろう材２５を介在させる。例えば０．００１３３Ｐａ前後の真空中にて、０．２〜１０ＭＰａの圧力を負荷しつつ昇温・降温することにより、放熱冷却部７の二つの設置面４５上にそれぞれ熱伝導部５ａ，５ｂが接合されたヒートシンクモジュール１０を得ることができる。

このように、本実施形態のヒートシンクモジュールの製造方法では、ヒートシンク層１、中間層２、電気絶縁層３、及び電極層４を第一のろう材１５で接合して熱伝導部５ａを作製するため、これらの層どうしが強固に接合される。また、本実施形態のヒートシンクモジュールの製造方法では、ヒートシンク層１と放熱冷却部７を第二のろう材２５で接合するため、ヒートシンク層１と放熱冷却部７が強固に接合される。更に、加圧条件を調整することによって、第一のろう材を薄くすることができるため、熱伝導距離の短い、放熱効率に優れたヒートシンクモジュール１０を製造することができる。

なお、製造したヒートシンクモジュール１０の電極層４を、所望とする回路パターンに形成することが一般的である。具体的には、先ず、電極層４の全表面に、回路形成用のレジストを印刷する。印刷されたレジストのエッチングしない部分のみを選択的に硬化した後、非硬化部分を除去することにより、電極層４の一部を露出させる。次いで、露出した電極層４（例えば、Ｃｕ）を塩化第二銅水溶液でエッチングすれば、電極層４を所望とするパターンに形成することができる。パターン間のろう材を除くには、酸性フッ化アンモニウム水溶液及び水で順次洗浄すればよい。その後、パターン表面に、Ｎｉ−Ｐめっき等の保護層を形成してもよい。一方、回路を形成せずに使用する場合もあり、この場合は接合された電極面に直接半田で電子回路が接合される。この場合は予めＮｉメッキを施した電極層４を接合した方が良い。無論接合後にメッキしても問題はない。特に回路パターンを形成しない場合は絶縁距離を確保するために、図１以降の実施例にみられるように、電極層４よりも絶縁層３が所定の絶縁距離を確保できるようなサイズで接合される。回路パターンが形成される場合には所定の絶縁距離を確保できるようなパターンを形成すればよい。この場合は接合時の電極層４と絶縁層３の大きさは同じでも良い。

既に述べたように、放熱冷却部の少なくとも設置面は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金によって構成されている。但し、ろう材によって接合する際の加圧時に、圧力分布が生ずるような場合には、上手く接合されない部分未接合部分を生ずる場合もある。このような未接合部分を生ずることを回避すべく、加える圧力を増加させた場合には、放熱冷却部の設置面が軟化して変形する可能性もある。このため、放熱冷却部の少なくとも設置面を、Ｃｕ単体に比して高温強度に優れた高熱伝導材であるＣｕＣｒ等によって構成することが、優れた熱伝導性を維持しながら、未接合部分を生ずることを回避可能となるために好ましい。

また、ろう材による接合の際の加圧時に生ずる圧力分布を解消すべく、クッション性を有する合紙をろう材とともに介在させることが好ましい。合紙の種類としては、カーボンシート、紙、金属薄板、セラミクス板等を挙げることができる。また、合紙の厚みは、０．１〜１０ｍｍとすることが好ましい。

また、本実施形態のヒートシンクモジュールの製造方法においては、図６に示すように、板状部材である複数の金属板６０，７０を積層するとともに、これらを第三のろう材３５により接合し、冷却媒体が流れる流路６（図１参照）をその内部に有する放熱冷却部７（図１参照）を形成してもよい。このように、放熱冷却部を、複数の板状部材を積層及び接合して形成する場合には、流路の形成、熱伝導部の形成、及び熱伝導部と放熱冷却部の接合を一度の接合操作によって完了することができるため、製造工程を簡略化することができる。なお、第三のろう材３５は、前述の第一のろう材及び第二のろう材と同様のもの（所定の活性元素を含有するろう材）を用いることができる。

図６に示す板状部材である金属板６０，７０のうちの、設置面を包摂する部材（金属板６０）以外の部材（金属板７０）の熱膨張率が、設置面を包摂する部材（金属板６０）の熱膨張率に比して低いことが好ましい。金属板７０は、電極層４上に配設されるＩＣチップ等から発生する熱が直接的に伝達される部材ではない。このため、金属板７０を、金属板６０に比して熱膨張率の低い材料とすることが可能である。また、このようにすることにより、例えばヒートシンク層を薄くした場合に、ヒートシンク層に生じ易いクラック等の不具合を回避することが可能となる。なお、金属板６０に比して熱膨張率の低い材料としては、例えば金属板６０がＣｕ板である場合には、金属板７０は、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等からなる板であることが好ましい。なお、図６においては、金属板７０として示しているが、板状部材を構成する材料としては金属に限定されず、例えば、アルミナやＳｉ₃Ｎ₄であってもよい。

次に、図４に示す実施形態のヒートシンクモジュール４０の製造方法について説明する。このヒートシンクモジュール４０を製造するには、例えば、図７に示すように、下部層に相当する、例えばＣｕからなる金属板６５を適当な治具（図示せず）上に載置する。この下部層６５上に、ヒートシンク層１、中間層２、電気絶縁層３、及び電極層４をこの順で積層する。このとき、その接合には、第一のろう材１５を介在させる。特に金属板６５とヒートシンク層１の間には、第二のろう材を介在させてもよい。適度な真空中にて、０．２〜１０ＭＰａの圧力を負荷しつつ昇温・降温することにより、その下面に金属板６５が配設された熱伝導部５ａ，５ｂを作製することができる。次いで、図８に示すように、作製した熱伝導部５ａ，５ｂを、第三のろう材３５を介在させた状態で、所定形状の金属板７５，８０と積層する。適度な真空中にて、０．２〜１０ＭＰａの圧力を負荷しつつ昇温・降温することにより、放熱冷却部３７の設置面４５に対応する部分の形状が、薄肉部１２と厚肉部１３とを有する形状である、ヒートシンクモジュール４０を製造することができる。

ここで、金属板７５，８０どうし、及び熱伝導部５ａ，５ｂと金属板７５を接合するために用いられる第三のろう材３５の融点は、熱伝導部５ａ，５ｂを作製するために用いた第一のろう材１５及び第二のろう材２５（図７参照）の融点よりも、低いことが好ましい。第一のろう材及び第二のろう材に比べて低融点である第三のろう材を用いることにより、ヒートシンクモジュールを得る際の昇温時に、第一のろう材及び第二のろう材が溶け出す恐れがなく、変形等の生じ難い、より信頼性に優れたヒートシンクモジュールを製造することができる。

図１１は積層構造を変更した実施形態を示す。絶縁層３の上部に中間層２、ヒートシンク層１並びに電極層４を配している。この構造では、電極層４上で発生した熱を溜めるための熱容量が確保できる利点がある。この積層構造では、下部層６５を設ける事が必要になり、下部層６５と放熱冷却部７との接合のためにＮｉメッキを施しても良いし、施さなくても良い。

図１２は図１１で接合された熱伝導部５ｃ，５ｄを放熱冷却部７と第二のろう材２５で接合する実施形態である。この接合にはろう材の種類、厚みにより加圧を必ずしも必要とはしない。
図１３は図７で接合された熱伝導部５ａ，５ｂを放熱冷却部７と第二のろう材２５で接合する実施形態である。この接合にはろう材の種類、厚みにより加圧を必ずしも必要とはしない。

積層構造などは例示した以外にもあることは既に述べているが、下部層６５のメッキ処理の有無や放熱冷却部７との同時接合もしくは各々を接合した後で合体させる方法が考えられ、その際は、無加圧方式、加圧方式などの条件は、ろう材の選択やヒートシンク材の材質、サイズ、各層の板厚や製造設備から生じる条件などを考慮して選択される。
図１４は、現在市販されているハイブリッドカーに用いられているモジュールの実施形態である。半田７０により図示した基板（アルミと窒化アルミ、アルミの三層構造）７２とＣｕＭｏのヒートシンク材１を接合している。

以下、本発明の実施例について説明する。
表１−４は、図１４に示す熱伝導部５ｅをベンチマーク（基準）として各々の構造の実施形態に関して、理論値と実測値の差について示したものである。

表１は、図1に示すヒートシンクモジュールにおいて、熱伝導部５ａもしくは５ｂに具体的な材料及び寸法を適用した場合の実施例１の結果である。同様に、表２は、図７もしくは図１３に示すヒートシンクモジュールにおいて、熱伝導部５ａ，５ｂに具体的な材料及び寸法を適用した場合の実施例２の結果である。表３は、図１１に示す熱伝導部に具体的な材料及び寸法を適用した場合の実施例３の結果である。表４は、図１４に示すヒートシンクモジュールにおける熱伝導部５ｅに現行市場流通品を適用した場合の基準例（比較例１）の結果である。表５は熱伝達部の実施例１〜３と比較例１をまとめたものである。

実施例１〜３は、いずれも熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫを越え更に望ましい範囲２３０Ｗ/ｍＫも越えており理論値との差もほとんどない。熱抵抗も０．０３Ｋ/Ｗ未満であり更に望ましい０．０２５Ｋ/Ｗ未満である。これは接合性が良好であることを示している。一方、基板までの熱容量を比較しており、この熱容量の多寡は、ＩＧＢＴなどの急な発熱が生じ、熱が伝わるまでの間に発生した熱をためこむ程度を示している。実施例１，２は比較例１に比べて悪いが、実施例３は非常に大きい。放熱冷却部７が水冷などの媒体を用いる場合では、この熱容量の多寡は大きい問題とならないが、空気などの場合は奪熱能力が水などに比べ落ちるため、熱容量の大きい方が有利となる。放熱冷却部７の能力や放熱冷却方法により選択されることになる。

更に、表６−９は熱伝導部と放熱冷却部を接合した場合の実施例を示す。表６は図１に示す積層構造において、具体的な材料及び寸法を適用した場合の実施例４である。表７は、図１３に示す積層構造において、具体的な材料及び寸法を適用した場合の実施例５である。表８は、図１２に示す積層構造において、具体的な材料及び寸法を適用した場合の実施例６である。表９は、ベンチマークとなる図１４に示す積層構造において、現行市場流通品を適用した場合の比較例２である。表１０には全体の熱伝導率、熱抵抗率を示し、その実現率を示している。

実施例４〜６では熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫを越え実現率も０．９７以上である。接合が適切に行われ、熱抵抗になるようなボイド（空気層）などがないことがわかる。一方、比較例２では熱伝導率は１１０Ｗ／ｍＫ（実測値）と半分程度であり、ばらつきを生じ易い。グリースの影響を受けて実現率も小さくなっている。

表1は実施例１であり、図１の熱伝導部５ａ，５ｂ部分のみに対する実施例を示している。表中にサイズ、熱膨張率、降伏応力、ポアソン比、縦弾性係数、横弾性係数等を記載することで、熱伝導部に発生する応力シミュレーションが可能である事を示している。実施例１は、電極部表面に半田付けを良好にするためのＮｉメッキを施している。電極層の厚さは、０．１ｍｍとしている。この厚さは半田付けされる電子回路への影響に鑑みて設定される。半田の成分やその厚みで電極層の厚さは変化し、銅もしくは銅合金の場合は０．０５から０．５ｍｍが適切であり、電極層がアルミもしくはアルミ合金の場合は０．０５から１．０ｍｍが適切である。アルミ、アルミ合金が厚いのは、銅および銅合金に比べ降伏応力が低いため、発生する応力を電極層内で吸収しやすいためである。絶縁層はＳｉ_３Ｎ_４を採用している。熱伝導の観点からはＡｌＮが優れているが強度の観点では、Ｓｉ_３Ｎ_４が優れている。発生応力のシミュレーションや熱衝撃試験などにより選択可能である。中間層はＣｕとしている。これも銅合金やアルミもしくはアルミ合金から選択可能である。この厚さは、電極部の厚さに合わせることが基本である。電極部に回路が切られる場合にはその体積で合わせるようにすべきである。実施例１ではヒートシンク層との関連から０．３ｍｍでも使用可能であった。ヒートシンク層は、カーボンに金属を含浸した複合材であり、金属には銅合金（４％Ｓｉ）を採用している。これも上記で説明したように各種の材料を選択できる。特に複合材料の場合は、含浸される材料と母材との接合性、残留気孔の制御などが重要になるため、例えばカーボンに金属を含浸し複合化する際には、湯流れを改善し残留気孔を減らし金属と母材との間でこの例ではＳｉＣを作り接合性を向上できる添加元素Ｓｉを入れることも好適である。添加元素は母材との相互反応や製造しやすさなどを考慮して選択される。母材がＳｉＣの場合は、純銅ではＳｉＣとの反応が生じるので、添加元素の選択は重要である。表１中の特性値は実測値である。この実測値から得られる熱伝導部の理論値を熱伝導率並びに熱抵抗、熱容量を計算している。これに対し、実測した値を実測値として熱伝導率と熱抵抗について記載し、理論値と実測値の差を実現率として示した。実現率は、熱伝導率では実測値／理論値、熱抵抗では理論値／実測値としている。

絶縁基板までの熱容量は、電子回路の発熱を溜めておくための指標となるもので、放熱冷却体中を流れる冷却媒体が水、液体冷媒などでは重要視されないが、空気、不活性ガス、などの気体の場合などは奪熱量が少ないので重要になる。接合に用いた第一のろう材はAg-Cu-In-Ti系でありセラミクスとの接合、複合材との接合金属の接合のいずれにも適用でき、薄くかつ確実な接合ができている。

表２は図７に相当する構造に関する実施例である。実施例１との違いは下部層の有無にあり、この効果に関して熱伝導率、熱抵抗で比較できる。実施例１と同様に理論と実測値との差はほとんど無く、本願の製法により作製されたものが理論値とほぼ同様な測定結果を示している。これは、第一のろう材による接合厚みが薄くかつ熱伝導を阻害しない接合ができていることを示している。

表３に示す実施例３は，熱伝導部の積層順序を替えたものであり図１１に示す構造である。この目的は絶縁基板までの熱容量を大きくして、放熱冷却部に流れる媒体が液体ではなく気体（空気、不活性ガス、炭酸ガスなど）であった場合に重要となる熱容量が大きいことがわかる。この場合にも理論値との差は少なく、ほぼ理想的な接合が実施されていることがわかる。

表４は比較例1（図１４の５ｅ部）を示しており、現状のハイブリッドカーの積層構造とその特性を予想したものである。窒化アルミの上下にアルミを配した基板をＣｕＭｏと半田付けにより接合し、水冷の放熱冷却部とは導電グリースを通してねじ止めされている。表４ではＣｕＭｏまでの熱伝導率と熱容量を示している。実施例に比較して実現率が低いのは半田付けの場合は内部にボイドなどが生じやすいためと思われる。

表５には実施例１−３、比較例４に関する重要な特性である熱伝導率、熱抵抗、基板までの熱容量をまとめている。各特性値は判定基準の最も良い◎から○、△、最も劣る×を定めて接合後の熱伝導部の理論値、実績値とその実現率を示す。各々使用可能範囲が△、望ましい範囲が○、更に望ましい範囲が◎、目標未達が×、の意味である。実施例では、熱伝導率は２００Ｗ/ｍＫを越えており、更に望ましい範囲である２３０Ｗ/ｍＫも越えている。熱抵抗も０．０３Ｋ／Ｗと非常に低く、更に望ましい範囲である０．０２５Ｋ/Ｗ未満である。その実現率も０．９５を超えほぼ理想的な接合が実現できていることがわかる。実現率は１００％が理想であるが、望ましくは０．９以上、更に望ましくは０．９５以上である。実施例では全て０．９５以上であった。

表６に示す実施例４-６は、放熱水冷部を接合した後の特性を示している。示された特性としては、上記実施例１〜３、比較例１と同様に、熱伝導部について各種の値を示した。表６は図１の場合である。放熱冷却部は、１０ｍｍの銅とし第二のろう材を用いて接合している。この第２のろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系であり、ごく薄い層でも接合性に優れている。熱伝導率は２００Ｗ/ｍＫを越え、一方熱抵抗は０．１２Ｋ／Ｗ以下である。更に好ましい範囲である熱伝導率２３０Ｗ／ｍＫを越え、熱抵抗は０．０９Ｋ/Ｗよりも低い。実現率も高いことから、放熱冷却部との接合も良好であると考えられる。

表７は、実施例５を示しており図１３の場合である。ここでは放熱冷却部は１０ｍｍのアルミである。ここで用いた第二のろう材は、Ｓｎ系の半田である。熱伝導部５ａ，５ｂを予め接合した後に放熱冷却部と接合しており、熱伝導部の接合に用いたＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系では７００−８００℃の融点に対し、２００−３００℃の融点を持つため熱伝導部の接合に影響を与えずに接合が可能である。この場合でも熱伝導もしくは熱抵抗の好ましい範囲は満足している。

表８は実施例６を示しており図１２の場合である。ここでは熱伝導部の積層構造が異なっている。これは絶縁層までの熱容量を上げるためである。放熱冷却部とは実施例７で用いた第二のろう材を用いて接合している。熱伝導部は予め接合された状態で第二のろう材による接合を実施している。この場合は圧力を付していない。無論圧力をかけより薄いろう材層を目指す事もできるし、それにより熱伝導率や熱抵抗の実現率を上げることも可能である。この場合でも熱伝導率もしくは熱抵抗の好ましい範囲は満足している。

表９は比較例である図１４の場合を示す。熱伝導グリースによりネジ止めされる構造であり、熱伝導率の理論値も低くその実現率も低い。これはクリース中のボイドの存在と、グリースの厚み制御などが難しいためであり、本願実施例に比べ半分程度の熱伝達能力しかない事がわかる。放熱冷却部は１０ｍｍのアルミとした。

表１０は実施例４−６と比較例２の熱伝導率と熱抵抗を比較している。各々使用可能範囲が△、望ましい範囲が○、更に望ましい範囲が◎、目標未達が×、で示している。実施例はすべて望ましい範囲の熱特性を示している。また実現率も高く接合性の良好さが示されている。

表１１はヒートシンク層の厚さにより構造体が冷熱試験に耐え得るか否かを実験した結果である。冷熱試験は、−４０℃から１５０℃の繰り返しを１０００回実施している。クラックの発生は、電気絶縁層及びヒートシンク層、ろう材接合層の観察による結果である。図１の構造で、ヒートシンク層以外は表６の厚さの構造である。熱伝導率、熱抵抗は、試験前の実測値である。ヒートシンク層が０．５ｍｍではクラックが発生しているが１．５ｍｍでは発生がなくなっている。

表１２はヒートシンク層の厚さにより構造体が冷熱試験に耐え得るか否かを実験した結果である。図１３の構造で、ヒートシンク層以外は表７に示す厚さの構造である。熱伝導率、熱抵抗は、試験前の実測値である。ヒートシンク層が０．８ｍｍではクラックが発生しているが１．０ｍｍでは発生がなくなっている。

次に、本発明の電子部品の一実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の電子部品１１は、本発明の実施形態であるヒートシンクモジュール１０の二以上の熱伝導部５ａ，５ｂのそれぞれの電極層４上に、半田層１１０を介して電子回路チップ（ＩＣチップ１００）が配設されてなるものである。即ち、本実施形態の電子部品１１は、ヒートシンクモジュール１０を用いて構成されたものである。従って、熱伝導性が良好であるとともに、これを構成する各部材に剥離やクラック等の不具合が生じ難く、信頼性に優れたものである。

また、一つの放熱冷却部７につき、二以上のＩＣチップ１００を配設可能なものである。従って、十分に放熱可能な機構を備えながらも、電子部品１１全体としては大型にならず、省スペース化されている。このため、本実施形態の電子部品１１は、高集積でありながらも限られたスペースに設置可能であることが要求される、ハイブリッド車用のＡＣ／ＤＣ変換モジュールや電流量調整機構、コンピュータ、サーバー等に用いられるＣＰＵ等として好適である。

ヒートシンクモジュール１０の二以上の熱伝導部５ａ，５ｂのそれぞれの電極層４上に、電子回路チップ（ＩＣチップ１００）を配設するに際しては、従来公知の方法に従えばよい。具体的には、半田層１１０を介してＩＣチップを配設・固定する。ＩＣチップ１００と半田層１１０と間に、例えばＮｉ層等の層を設けることが、ＩＣチップ１００と半田層１１０濡れ性を向上させ、より信頼性に優れた電子部品１１とすることができるために好ましい。また、半田層１１０は、鉛フリー半田からなる層であることが、環境負荷物質を低減させることができるために好ましい。

本発明のヒートシンクモジュール、及び電子部品は、例えばハイブリッド車用のＡＣ／ＤＣ変換モジュールや電流量調整機構、コンピュータ、サーバー等に用いられるＣＰＵ等として好適である。

Claims (32)

1. 熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層がこの順序で積層されるとともに第一のろう材により接合された二以上の熱伝導部と、
   二以上の設置面を有する放熱冷却部と、を備え、
   前記放熱冷却部の少なくとも前記設置面は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、
   前記放熱冷却部の二以上の前記設置面上に、二以上の前記熱伝導部が、それぞれの前記ヒートシンク層が配置された状態で第二のろう材により接合されてなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有するヒートシンクモジュール。
2. 前記電極層の表面もしくは第二のろう材との接合面に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された請求項１に記載のヒートシンクモジュール。
3. 熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる下部層がこの順序で積層されるとともに第一のろう材により接合された二以上の熱伝導部と、
   二以上の設置面を有する放熱冷却部と、を備え、
   前記放熱冷却部の少なくとも前記設置面は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、
   前記放熱冷却部の二以上の前記設置面上に、二以上の前記熱伝導部が、それぞれの前記ヒートシンク層が配置された状態で第二のろう材により接合されてなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有するヒートシンクモジュール。
4. 前記電極層及び前記下部層の表面の両方もしくはどちらか一方に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された請求項３に記載のヒートシンクモジュール。
5. Ｎｉメッキの厚さが２μｍ以上である請求項２又は４に記載のヒートシンクモジュール。
6. 前記熱伝導部の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫを越えるか、又は熱抵抗率が０．０３Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２００Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．１２Ｋ/Ｗ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
7. 前記熱伝導部の熱伝導率が２３０Ｗ／ｍＫ以上、又は熱抵抗率が０．０２５Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２３０Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．０９Ｋ/Ｗ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
8. 前記熱伝導部のヒートシンク層の厚さが１ｍｍ以上であり、一つ当りの熱伝導部の体積が１２０００ｍｍ^３以下である請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
9. 前記放熱冷却部の前記流路の内壁面が凹凸状に形成されている請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
10. 前記放熱冷却部の前記流路内に、網目状部材が配設されている請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
11. 前記ヒートシンク材が、
    ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、又はＣからなる材料、もしくはこれを母材にし、
    Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金が含浸された複合材料である請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
12. 前記母材が多孔体である請求項１１に記載のヒートシンクモジュール。
13. 前記第一のろう材及び前記第二のろう材が、周期律表第２Ａ族、第３Ａ族、第４Ａ族、第５Ａ族、又は第４Ｂ族に属する一以上の元素を含有するろう材である請求項１〜１２のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
14. 前記電気絶縁層が、ＡｌＮ又はＳｉ₃Ｎ₄からなる層である請求項１〜１３のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
15. 前記放熱冷却部の前記設置面に対応する部分の形状が、薄肉部と厚肉部とを有する形状であり、
    前記薄肉部の厚みが、０．１ｍｍ以上である請求項１〜１４のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール。
16. 熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層をこの順序で積層するとともに第一のろう材により接合して得られる二以上の熱伝導部を、
    二以上の設置面を有し、少なくとも前記設置面がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有する放熱冷却部の、二以上の前記設置面上に、それぞれの前記ヒートシンク層を配置した状態で第二のろう材により接合することを含むヒートシンクモジュールの製造方法。
17. 前記電極層の表面に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された請求項１６に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
18. 熱膨張率が１×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであるヒートシンク材からなるヒートシンク層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層、電気絶縁層、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる下部層をこの順序で積層するとともに第一のろう材により接合して得られる二以上の熱伝導部を、
    二以上の設置面を有し、少なくとも前記設置面がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなり、前記放熱冷却部に冷却媒体が流れる流路を有する放熱冷却部の、二以上の前記設置面上に、それぞれの前記ヒートシンク層を配置した状態で第二のろう材により接合することを含むヒートシンクモジュールの製造方法。
19. 前記電極層及び前記下部層の表面の両方もしくはどちらか一方に半田付け性を良好にするためのＮｉメッキが施された請求項１８に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
20. 前記Ｎｉメッキの厚さが２μｍ以上である請求項１７又は１９に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
21. 前記熱伝導部の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫを越えるか、又は熱抵抗率が０．０３Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２００Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．１２Ｋ/Ｗ以下である、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュール製造方法。
22. 前記熱伝導部の熱伝導率が２３０Ｗ／ｍＫ以上、又は熱抵抗率が０．０２５Ｋ／Ｗ以下であり、かつ放熱冷却板を含んだ（冷却媒体までの最短距離までの部分）熱伝導率が２３０Ｗ/ｍＫを越えるか、又は熱抵抗が０．０９Ｋ/Ｗ以下である、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
23. 前記熱伝導部のヒートシンク層の厚さが１ｍｍ以上であり、一つ当りの熱伝導部の体積が１２０００ｍｍ^３以下である請求項１６〜２２のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
24. 前記第一のろう材、及び前記第二のろう材が、周期律表第２Ａ族、第３Ａ族、第４Ａ族、第５Ａ族、又は第４Ｂ族に属する一以上の元素を含有するろう材である請求項１６〜２３のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
25. 複数の板状部材を積層するとともに第三のろう材により接合して、
    冷却媒体が流れる流路をその内部に有する前記放熱冷却部を得ることを更に含む請求項１６〜２４のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
26. 前記板状部材のうちの、前記設置面を包摂する部材以外の部材の熱膨張率が、
    前記設置面を包摂する部材の熱膨張率に比して低い請求項２５に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
27. 前記ヒートシンク材が、
    ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＢＮ、又はＣからなる材料、もしくはこれを母材にし、
    Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金が含浸された複合材料である請求項１６〜２６のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
28. 前記母材が多孔体である請求項２７に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
29. 前記電気絶縁層が、ＡｌＮ又はＳｉ₃Ｎ₄からなる層である請求項１６〜２８のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
30. 前記電気絶縁層であるＡｌＮ又はＳｉ₃Ｎ₄からなる層の表面をブラスト又はエッチングにより処理して絶縁性を確保する請求項２９に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
31. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載のヒートシンクモジュールの二以上の前記熱伝導部のそれぞれの前記電極層上に、
    半田層を介して電子回路チップが配設されてなる電子部品。
32. 前記半田層が、鉛フリー半田からなる層である請求項３１に記載の電子部品。

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