JP6116404B2 - 放熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子素子を搭載する回路基板とヒートシンクとを一体化した放熱装置に関する。

本明細書および特許請求の範囲の記載において、「アルミニウム」の語はアルミニウムおよびその合金の両者を含む意味で用いられる。

電子素子が発生する熱を放散させる方法として、電子素子を搭載する回路基板をヒートシンクにろう付してこれらを一体化した放熱装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された放熱装置は、セラミックからなる絶縁層の一方の面に回路層を積層し、他方の面にアルミニウム層を介して金属製ヒートシンクを積層し、各層をろう付することによって一体化したものである。このような積層構造の放熱装置は、各層間にろう材を挟んで放熱装置を仮組みし、仮組体を加熱することによって各層が一括してろう付される。

特開２００４−１５３０７５号公報

一般に、セラミックと金属のろう付は金属同士のろう付よりも難しく、接合されにくい。

前記放熱装置は、セラミック製絶縁層とアルミニウム層、アルミニウム層と金属製ヒートシンクというろう付性に難易差のある接合部を有しているため、仮組体を一括ろう付すると接合されにくい絶縁層とアルミニウム層との間のろう材がヒートシンク側に流れる傾向があり、ろう材が不足することがある。

絶縁層−アルミニウム層間のろう材不足を解消するためにろう材量を増やすと、これらの接合界面でろう材による侵食が増大するおそれがある。ヒートシンク側への流出量も増えるので、流出したろう材によるヒートシンクへの侵食が発生するおそれがある。また、アルミニウム層は絶縁層とヒートシンクとの間の応力緩和層であり応力吸収力の大きいパンチングメタルを使用することがあるが、パンチングメタルを用いた放熱装置では流出したろう材で穴が塞がることがある。パンチングメタルの穴がろう材で塞がると応力吸収力が低下する。このように、絶縁層とアルミニウム層のろう付性をろう材量を増やすことによって改善しようとすると、余剰ろう材による弊害も増大することになる。

本発明は上述した技術背景に鑑みて、ろう付性に難易差のある複数の接合部を有する放熱装置のろう付において、余剰ろう材による弊害を増大させることなく良好にろう付する技術の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［８］に記載の構成を有する。

［１］絶縁層の一方の面側に電子素子を搭載する回路層が積層され、他方の面側にアルミニウム層を介してヒートシンクが積層されて、これらが一体化された放熱装置であって、
前記絶縁層とアルミニウム層とが第１ろう材によって接合され、前記アルミニウム層とヒートシンクとが第２ろう材によって接合され、
前記第１ろう材および第２ろう材をこれらのうちの固相線温度の低い方のろう材の固相線温度よりも高い温度で１分保持したときに溶融するろう材量について、ろう付面積１ｍｍ^２あたりのろう材の厚さ（μｍ）を第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）とするとき、
前記第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）と第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）とがＸ＞Ｙの関係を満たしていることを特徴とする放熱装置。

［２］前記第１ろう材の溶融量Ｘが１５〜７０μｍ／ｍｍ^２であり、第２ろう材の溶融量Ｙが５〜５０μｍ／ｍｍ^２である前項１項に記載の放熱装置。

［３］前記第１ろう材の厚さｔ１（μｍ）と第２ろう材の厚さｔ２（μｍ）とがｔ１＞ｔ２の関係を満たしている前項１または２に記載の放熱装置。

［４］前記第１ろう材および第２ろう材がいずれもＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材であり、
前記第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）を、これらのろう材を６００℃で１分保持したときに溶融するろう材量で表す前項１〜３のうちのいずれ１項に記載の放熱装置。

［５］前記第１ろう材中のＳｉ濃度Ｓ１（質量％）と第２ろう材中のＳｉ濃度Ｓ２（質量％）とがＳ１＞Ｓ２の関係を満たしている前項４に記載の放熱装置。

［６］前記第１ろう材のろう数Ｘｓｔをろう材中のＳｉ濃度Ｓ１（質量％）×ろう材の厚さｔ１（μｍ）で表し、前記第２ろう材のろう数Ｙｓｔをろう材中のＳｉ濃度Ｓ２（質量％）×ろう材の厚さｔ２（μｍ）で表すとき、第１ろう材のろう数数Ｘｓｔと第２ろう材のろう数Ｙｓｔとが２＜Ｘｓｔ−Ｙｓｔ＜５００の関係を満たしている前項４に記載の放熱装置。

［７］前記第１ろう材中のＳｉ粒子の平均粒径ｄ１（μｍ）と第２ろう材中のＳｉ粒子の平均粒径ｄ２（μｍ）とがｄ１＜ｄ２の関係を満たしている前項４〜６のうちのいずれか１項に記載の放熱装置。

［８］前記第１ろう材および第２ろう材のうちの少なくとも一方がＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材以外のろう材であり、
前記第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）を、これらのろう材のうちの固相線温度の低い方ろう材の固相線温度よりも３０℃高い温度で１分保持したときに溶融するろう材量で表す前項１〜３のうちのいずれか１項に記載の放熱装置。

［１］に記載の発明は、接合され難い絶縁層とアルミニウム層とを接合する第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）と接合され易いアルミニウム層とヒートシンクとを接合する第２ろう材溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）とがＸ＞Ｙの関係を満たしている。Ｘ＞Ｙにより、ろう付過程初期においては第１ろう材の溶融量が多く第２ろう材の溶融量が少ないので、接合界面からはみ出した第２ろう材の第１ろう材側への伝い流れが抑えられる。このため、アルミニウム層の側面上で第２ろう材が第１ろう材と繋がることが防がれて、第２ろう材が第１ろう材の接合界面からの流出を促すことがなく、第１ろう材は絶縁層とアルミニウム層との接合に費やされるのでこれらは良好に接合される。ろう付過程が進行すると双方のろう材の溶融量が増え、第１ろう材がヒートシンク側に流れ、あるいは第１ろう材と第２ろう材が繋がるが、その時点では絶縁層とアルミニウム層との接合に必要な量のろう材が接合界面に保持されているのでろう材不足となることはない。また、アルミニウム層とヒートシンクはもとよりろう付性が良く、しかもヒートシンク側に流れた第１ろう材がアルミニウム層とヒートシンクとの接合界面に入り込んで接合に供されるので、アルミニウム層とヒートシンクも良好にろう付される。

このようにろう付性に難易差のある２つの接合部が共に良好に接合されるので、流出を見越した過剰量のろう材を供給する必要がなく、余剰ろう材による侵食を抑えることができる。また、アルミニウム層に貫通孔を設けた場合は貫通孔が余剰ろう材で塞がることがなく、応力吸収力が低下することもない。

［２］に記載の発明によれば、上述した効果に基づく適正量の第１ろう材および第２ろう材によって良好に接合することができる。

［３］に記載の発明によれば、第１ろう材および第２ろう材の厚さ（ｔ１、ｔ２）の関係によって２つのろう材を選定することができる。

［４］に記載によれば、前記第１ろう材および第２ろう材がいずれもＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材である場合に、ろう付過程初期のろう材の溶融状態を的確に把握することができる。

［５］に記載の発明によれば、第１ろう材および第２ろう材中のＳｉ濃度（Ｓ１、Ｓ２）の関係によって２つのろう材を選定することができる。

［６］に記載に発明によれば、ろう材中のＳｉ濃度（Ｓ１、Ｓ２）とろう材の厚さ（ｔ１、ｔ２）の積であるろう数Ｘｓｔ、Ｙｓｔの関係によって２つのろう材を選定することができる。

［７］に記載によれば、第１ろう材および第２ろう材中のＳｉ粒子の平均粒径（ｄ１、ｄ２）の関係によって２つのろう材を選定することができる。

［８］に記載によれば、前記第１ろう材および第２ろう材のうちの少なくとも一方がＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材以外のろう材である場合に、ろう付過程初期のろう材の溶融状態を的確に把握することができる。

本発明にかかる放熱装置の一実施形態の断面図である。

［放熱装置の構成］
図１は本発明の放熱装置の一実施形態を、構成部材が積層する方向で切断した断面で示している。

放熱装置（1）は、絶縁層（11）の一方の面側に電子素子（14）を搭載する回路層（12）が積層され、他方の面側にはアルミニウム層（13）を介してヒートシンク（20）が積層され、これらが一体に接合されている。前記回路層（12）および絶縁層（11）とヒートシンク(13)とはアルミニウム層（13）を介して熱的に結合され、回路層（12）に搭載された電子素子（14）が発する熱はヒートシンク（20）に排熱される。

前記放熱装置（1）は、回路層（12）、絶縁層（11）、アルミニウム層（13）およびヒートシンク（20）をそれぞれの部材間にろう材を配置して仮組みし、仮組体を一括ろう付し、その後に電子素子（14）をはんだ付したものである。以下の説明において、前記絶縁層（11）とアルミニウム層（13）との接合部を第１接合部（31）、前記アルミニウム層（13）とヒートシンク（20）との接合部を第２接合部（32）、前記絶縁層（11）と回路層（12）との接合部を第３接合部（33）と略称し、第１接合部（31）、第２接合部（32）および第３接合部（33）を接合するためのろう材をそれぞれ第１ろう材（41）、第２ろう材（42）および第３ろう材（43）と称する。

前記放熱装置（1）を構成する各層の好ましい材料は以下のとおりである。

前記絶縁層（11）を構成する材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。

前記回路層（12）を構成する金属としては、導電性が高くかつ絶縁層（11）とろう付またははんだ付が可能な金属を用いるものとし、特に高純度アルミニウムを推奨できる。

前記アルミニウム層（13）は、剛性の高いセラミック製の絶縁層（11）とヒートシンク（20）との接合界面に発生する熱応力を緩和するための層であるから、軟質の金属を用いることが好ましく、特に高純度アルミニウムが好ましい。また、図示例のアルミニウム層（13）のように、応力吸収空間として複数の円形貫通穴（13a）を有するパンチングメタルを用いることも好ましい。

前記ヒートシンク（20）を構成する金属は、軽量性、強度維持、成形性、耐食性に優れた材料を用いることが好ましく、これらの特性を有するものとしてＡｌ−Ｍｎ系合金やＡｌ−Ｆｅ系合金等のアルミニウム合金を推奨できる。ヒートシンク（20）はアルミニウム層（13）側の外面がフラットであればアルミニウム層（20）と広い面積でろう付して高い放熱性能が得られるので、アルミニウム層（20）側の面以外の外部形状や内部形状は問わない。図示例のヒートシンク（20）は膨出部を有する上板（21）と平板からなる底板（22）とを組み合わせて形成される冷媒室（23）にインナーフィン（24）をはめ込んで接合したものである。ヒートシンクの他の形状として、平板、平板の他方の面にフィンをろう付したヒートシンク、中空部を有する形材で構成したチューブ型ヒートシンク等を例示できる。

［ろう材の溶融量］
本発明は上述した３つのろう材のうちの第１ろう材（41）および第２ろう材（42）の特性を規定する。

第１接合部（31）と第２接合部（32）はアルミニウム層（13）の両面に位置し、これらはアルミニウム層（13）によって隔てられており、その隔たりはアルミニウム層（13）の厚み分である。アルミニウム層（13）の側面は平坦であるから、接合界面からはみ出した溶融ろう材は妨げられることなくアルミニウム層（13）の側面を伝うことができる状態である。また、接合界面から貫通穴（13a）にはみ出した溶融ろう材も貫通穴（13a）の壁面を伝うことができる状態である。

第１接合部（31）はセラミックと金属の異種材料の接合であるから、金属同士の第２接合部（32）よりも接合されにくく接合に時間がかかる。このため、ろう付過程において、溶融した第２ろう材（41）は接合に費やされて接合界面に保持されているが、溶融した第１ろう材（41）は接合界面における保持力が第２ろう材（42）よりも弱いために接合界面から流出し易い、という状態にある時期がある。ろう付過程の初期にこのような状態になると、第1ろう材（41）が接合に費やされることなく接合界面からアルミニウム層（13）の側面および貫通穴（13a）に流出し易くなる。また、このとき、第２ろう材（42）がアルミニウム層（13）の側面および貫通穴（13a）にはみ出していると、はみ出した第２ろう材（42）と第１ろう材（41）とがアルミニウム層（13）の側面上および貫通穴（13a）の壁面上で繋がることがある。しかも、第２接合部（32）の接合界面からはみ出す第２ろう材（42）の量が多いほど、第２ろう材（42）はアルミニウム層（13）の側面を第１接合部（31）側に伝い流れる量が増えて第1接合部（31）に近づき、第２ろう材（42）が第1ろう材（41）を迎えに行くことになって第１ろう材（41）と繋がり易くなる。両方の溶融ろう材が繋がってろう材の道すじが形成されると、接合界面での保持力の弱い第１ろう材（41）は第２ろう材（42）が呼び水となって接合界面からの流出が促され、第１ろう材（41）が単独で流出するよりも多量のろう材が接合界面から流出する。その結果、第１接合部（31）はろう材が不足して接合不良となる。

本発明は、ろう付過程初期において第２ろう材（42）を第１ろう材（41）流出の呼び水にしないために、第１ろう材（41）および第２ろう材（42）をろう材の溶融量Ｘ、Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）に基づいて規定する。

前記第１接合部（31）に配置する第１ろう材（41）の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２接合部（32）に配置する第２ろう材（42）の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）は、第１ろう材（41）および第２ろう材（42）をこれらのうちの固相線温度の低い方のろう材の固相線温度よりも高い温度で１分保持したときに溶融するろう材量について、ろう付面積１ｍｍ^２あたりのろう材の厚さ（μｍ）で表した数値とするする。

前記第１ろう材（41）の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材（42）の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）は、絶縁層（11）、第１ろう材（41）、アルミニウム層（13）、第２ろう材（42）、ヒートシンク（20）を重ねて仮組し、第１接合部（31）および第２接合部（32）を同時に加熱するろう付において、ろう付過程初期のろう材の溶融状態を表している。そして、本発明においては、第１ろう材（41）の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）と前記第２ろう材（42）の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）とがＸ＞Ｙの関係を満たすろう材を用いる。

「Ｘ＞Ｙ」は、ろう付過程初期において、接合され難い第１接合部（31）に存在する溶融ろう材量が接合され易い第２接合部（32）に存在する溶融ろう材量よりも多い状態を示している。第２接合部（32）の溶融ろう材量が少ないことで、接合界面からアルミニウム層（13）の側面にはみ出すろう材量も抑えられ、第２ろう材（42）の第１ろう材（41）側へ伝い流れが抑えられて、第２ろう材（42）が第１接合部（31）の接合界面からはみ出した第１ろう材（41）と繋がることを防ぐことができる。第２ろう材（42）は第１ろう材（41）と繋がらない限り第１ろう材（41）流出の呼び水になることはないので、第１ろう材（41）は接合界面から失われることなく接合に費やされる。ろう付過程が進行すると双方のろう材の溶融量が増え、第１ろう材（41）が第２接合部（32）側に流れ、あるいは第１ろう材（41）と第２ろう材（42）が繋がるが、その時点では第１接合部（31）の接合に必要な量のろう材が接合界面に保持されているのでろう材不足となることはない。また、第２接合部（32）はもとよりろう付性が良く、しかも第２接合部（32）側に流れた第１ろう材（41）が第２接合部（32）の接合界面に入り込んで接合に供されるので、第２接合部（32）に十分な量のろう材が供給されて良好にろう付される。

図示例のアルミニウム層（13）は応力吸収空間として貫通穴（13a）を有しており、貫通穴（13a）の壁面においても側面と同様の現象が起こる。即ち、ろう付過程初期においては第２ろう材（42）よる呼び水作用を防いで第１接合部（31）の接合界面に接合に要する第１ろう材（41）を保持し、ろう付過程が進行すれば貫通穴（13a）を通じて第１ろう材（41）が第２接合部（32）に供給される。

以上のように、本発明によれば、接合され難い第１接合部（31）はろう付過程初期に接合界面に第１ろう材（41）が保持されるので良好にろう付される。第２接合部（31）はもとより接合され易い上に、ろう付過程の進行に伴って第１ろう材（41）が供給されるので良好にろう付される。このようにろう付性に難易差のある２つの接合部が共に良好に接合される。また、第１接合部（31）に流出を見越した過剰量のろう材を供給する必要がないので、余剰ろう材による侵食を抑えることができる。また、アルミニウム層（13）の貫通孔（13a）が余剰ろう材で塞がることがなく、応力吸収力が低下することもない。

前記第３接合部（33）は絶縁層（11）と回路層（12）は異種材料の接合であり、第１接合部（31）と同様に接合され難い接合部である。しかし、回路層（12）の短絡を防止するために絶縁層（11）の寸法は回路層（12）よりも大きく設定されているので、第３接合部（33）は大きい絶縁層（11）によって第１接合部（31）および第２接合部（32）との間の連絡が完全に断ち切られている。このため、第３接合部（33）の接合に時間がかかったとしても第３ろう材（43）が接合界面から失われることなない。従って、第３ろう材（43）を第１ろう材（41）および第２ろう材（42）の溶融量との関係に基づいて設定する必要はなく、第３ろう材（43）は絶縁層（11）と回路層（12）とのろう付性のみを考慮して選定すれば良い。また、本発明は絶縁層（11）と回路層（12）の接合方法をろう付に限定するものではなく、はんだ付によって接合する場合も本発明に含まれる。

前記第１ろう材（41）および第２ろう材（42）は、上述した溶融量Ｘ，Ｙの関係を満たす限り組成や形態は限定されない。

ろう材の組成として、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を推奨でき、真空ろう付にはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材を推奨できる。また、これらのＳｉ含有合金をベースにして種々の元素を添加したろう材を使用することも好ましい。例えば、ろう材の流動性を高めるために、ＢｉまたはＳｒを添加したろう材を使用することも好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材以外のろう材として、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を例示できる。

ろう材の溶融量を求めるための保持温度は、ろう材の固相線温度よりも高い温度範囲で適宜設定することができる。溶融量の差を求めるために設定する温度であるからろう材の種類毎に細かく温度を変更するには及ばないが、ろう付過程初期のろう材の溶融状態を的確に把握するために、ろう付温度またはその近傍の温度に設定することが好ましい。かかる観点より、前記第１ろう材（41）および第２ろう材（42）がＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材である場合は６００℃とすることが好ましい。また、前記第１ろう材（41）および第２ろう材（42）のうち少なくとも一方がＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材以外のろう材である場合は、これらのろう材のうちの固相線温度の低いろう材の固相線温度よりも３０℃高い温度とすることが好ましい。

また、ろう材の溶融量を求めるための保持時間は１分とする。前記保持時間はろう付時の昇温速度に鑑みて設定された時間であり、保持時間を１分とすることでろう付過程初期のろう材の溶融状態を把握することができる。

前記第１ろう材（41）の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材（42）の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）はＸ＞Ｙの関係を満たす限り限定されないが、好ましい範囲は以下のとおりであり、第１接合部（31）および第２接合部（32）を、上述した効果に基づく適正量のろう材によって良好に接合することができる。前記第１ろう材（41）の溶融量Ｘは１５〜７０μｍ／ｍｍ^２が好ましく、特に１５〜６０μｍ／ｍｍ^２が好ましい。また、前記第２ろう材（42）の溶融量Ｙは５〜５０μｍ／ｍｍ^２が好ましく、特に１５〜４０μｍ／ｍｍ^２が好ましい。

前記ろう材の溶融量Ｘ、Ｙに影響を及ぼす要因として、ろう材の厚さ、Ｓｉ濃度、Ｓｉ粒子径を挙げることができる。従って、Ｘ＞Ｙの関係を満たす第１ろう材（41）および第２ろうろう材(42)の選定に際しては、これらの要因に差を付けることを目安とすることができる。ただし、ろう材の溶融量Ｘ、Ｙは複数の要因によって決まるものであるから、以下の要因のうちのいずれかの条件を満たしていない場合でも他の要因の条件を満たすことでＸ＞Ｙの関係が満たされることがある。

ろう材は厚さが厚いものほどその溶融量が多くなる。このため、第１ろう材（41）の厚さｔ１（μｍ）と第２ろう材（42）の厚さｔ２（μｍ）をｔ１＞ｔ２の関係を満たすように２つのろう材を選定することが好ましい。第１ろう材（41）の好ましい厚さｔ１は１５〜１２０μｍであり、特に好ましい厚さは１５〜１００μｍである。第２ろう材（42）の好ましい厚さｔ２は１０〜１００μｍであり、特に好ましい厚さは１０〜８０μｍである。

Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材においては、ろう材中のＳｉ濃度が高いほど溶融量が多くなる。従って、前記第１ろう材（41）および第２ろう材（42）がいずれもＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材である場合は、前記第１ろう材（41）中のＳｉ濃度Ｓ１（質量％）と第２ろう材（42）中のＳｉ濃度Ｓ２（質量％）とがＳ１＞Ｓ２の関係を満たすように２つのろう材を選定することが好ましい。Ｓｉ含有合金ではＳｉ濃度が６質量％以上であればろう材として用いることができる。前記第１ろう材（41）中の好ましいＳｉ濃度は８〜１４質量％であり、特に９〜１２質量％が好ましい。前記第２ろう材（42）中の好ましいＳｉ濃度は７〜１２質量％であり、特に８〜１１．５質量％が好ましい。

また、ろう材の厚さとＳｉ濃度の両方で規定するとなお一層的確にろう材を選定することができる。本発明においては、ろう材のＳｉ濃度と厚さの積をろう数として表し、これらの関係に基づいてろう材を選定することを推奨する。第１ろう材（41）のろう数Ｘｓｔおよび第２ろう材（42）のろう数Ｙｓｔは以下のとおりである。

第１ろう材のろう数Ｘｓｔ＝Ｓｉ濃度Ｓ１（質量％）×厚さｔ１（μｍ）
第２ろう材のろう数Ｙｓｔ＝Ｓｉ濃度Ｓ２（質量％）×厚さｔ２（μｍ）
２つのろう材のろう数Ｘｓｔ、ＹｓｔはＸｓｔ＞Ｙｓｔの関係を満たすことが好ましい。さらに好ましい関係は２＜Ｘｓｔ−Ｙｓｔ＜５００であり、この関係を満たすように第１ろう材（41）および第２ろう材（42）を選定することが好ましい。特に好ましい関係は２＜Ｘｓｔ−Ｙｓｔ＜４００である。また、第１ろう材（41）のろう数はＸｓｔは１２０〜１６８０（質量％・μｍ）が好ましく、特に１２０〜１３００（質量％・μｍ）が好ましい。第２ろう材（42）のろう数Ｙｓｔは７０〜１２００（質量％・μｍ）が好ましく、特に７０〜１０００（質量％・μｍ）が好ましい。

また、ろう材中のＳｉ粒子はろう材の溶けやすさに影響を及ぼす要因であり、Ｓｉ粒子が微細化された組織は溶けやすく、Ｓｉ粒子が粗くなると溶けにくくなる。ろう材の溶けやすさはろう付過程初期のろう材の溶融量に影響を及ぼす。従って、前記第１ろう材（41）中のＳｉ粒子の平均粒径ｄ１（μｍ）と第２ろう材（42）中のＳｉ粒子の平均粒径ｄ２（μｍ）とがｄ１＜ｄ２の関係を満たすように第１ろう材（41）および第２ろう材（42）を選定することが好ましい。また、第１ろう材（41）中のＳｉ粒子の好ましい平均粒径ｄ１は０．０１〜０．５μｍであり、特に０．０２〜０．４μｍが好ましい。第２ろう材（42）中のＳｉ粒子の好ましい平均粒径ｄ２は０．０５〜２μｍであり、特に０．１〜２μｍが好ましい。ろう材中のＳｉ粒子が微細化されたろう材として、溶湯の急冷凝固によって得た粉末ろう材、溶湯から直接圧延して得たシート状ろう材を例示できる。

前記第１ろう材（41）および第２ろう材（42）の形態は何ら限定されす、ろう材箔やろう材粉末として接合部に配置しても良いし、アルミニウム層（13）をブレージングシートで構成しても良い。

図１に示す放熱装置（1）をろう材を変えて仮組し、ろう付試験を行った。

［放熱装置の構成部材とろう材］
放熱装置（1）の仮組体は、各例で共通の回路層（12）、絶縁層（11）、アルミニウム層（13）およびヒートシンク（20）と、各例で異なるろう材とからなる。

前記回路層（12）は９９．９９％以上の高純度アルミニウムからなる２８．３ｍｍ×２８．３ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの平板である。

前記絶縁層（11）は窒化アルミニウムからなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの平板である。

前記アルミニウム層（13）は、９９．９９％以上の高純度アルミニウムからなり、２８．３ｍｍ×２８．３ｍｍ×厚さ１．６ｍｍの平板に直径２ｍｍの１３個の貫通穴（13a）を穿設したパンチングメタルである。

前記ヒートシンク（20）の上板（21）および底板（22）の材料は、Ａ３００３からなる心材にＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｚｎ合金からなるろう材をクラッドした片面ブレージングシートである。前記ブレージングシートの厚さは１．０ｍｍであり、ろう材のクラッド率は５％である。上板（21）は前記ブレージングシートにプレス加工で平面視５０ｍｍ×５０ｍｍの膨出部を形成し、膨出部の開口周縁を接合用継ぎ手部としたものである。底板（22）は前記ブレージングシートを上板（21）の接合用継ぎ手部の寸法に合わせて切断した平板である。インナーフィン（24）は厚さ０．３ｍｍのＡ１１００からなるベア材をコルゲート形に曲成したものである。前記ヒートシンク（20）は前記上板（21）および底板（22）をろう材側の面同士を対向させ、冷媒室（23）内にインナーフィン（14）を装填して組み立てたものである。

前記絶縁層（11）とアルミニウム層（13）とを接合する第１ろう材（41）、およびアルミニウム層（13）とヒートシンク（20）とを接合する第２ろう材（42）として、実施例１のみＡｌ−Ｃｕ系合金ろう材箔を用い、実施例２〜５および比較例の１、２はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材箔を用いた。

実施例１の第１ろう材（41）の組成はＡｌ−７質量％Ｃｕ合金であり、第２ろう材（42）の組成はＡｌ−７質量％Ｃｕ合金であり、固相線温度およびろう材の厚さｔ１、ｔ２は表１に示すとおりである。

実施例２〜５および比較例１、２の第１ろう材（41）および第２ろう材（41）は表1に示す濃度（Ｓ１、Ｓ２）のＳｉおよび１質量％のＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材箔である。これらのろう材箔の厚さｔ１、ｔ２および、固相線温度は表１に示すとおりである。また、Ｓｉ濃度Ｓ１、Ｓ２と厚さｔ１、ｔ２の積であるろう数Ｘｓｔ、Ｙｓｔを表１に示す。

各例の第１ろう材（41）および第２ろう材（42）についてろう材の溶融量Ｘ、Ｙ（μｍ／ｍｍ２）を調べた。第１ろう材（41）および第２ろう材（42）の平面寸法は、前記アルミニウム層（13）と同一寸法の２８．３ｍｍ×２８．３ｍｍであり、ろう付面積は８００ｍｍ^２である。実施例１は固相線温度よりも３０℃高い６０４℃で１分保持したときに溶融したろう材量に基づいて溶融量Ｘ、Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）を求めた。また、実施例２〜４および比較例の１、２のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材箔については、６００℃で１分保持したときに溶融したろう材量に基づいて溶融量Ｘ、Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）を求めた。

さらに、実施例４、５、比較例１、２のろう材箔についてはＳｉ粒子の平均粒径を調べたところ、表１に示すとおりであった。

前記絶縁層（11）と回路層（12）とを接合する第３ろう材（33）は各例で共通であり、厚さが４０μｍのＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金ろう材箔を用いた。

［ろう付試験］
回路層（12）、第３ろう材（43）、絶縁層（11）、第１ろう材（41）、アルミニウム層（13）、第１ろう材（42）、ヒートシンク（20）をこの記載順に重ねて放熱装置（1）を仮組し、真空中で６００℃×２０分加熱して一括ろう付した。

ろう付した放熱装置（1）について、絶縁層（11）とアルミニウム層（13）の第１接合部（31）、およびアルミニウム層（13）とヒートシンク（20）の第２接合部（32）の接合状態を超音波探傷して接合面積率を調べ、下記の基準で評価した。

○：接合面積率が９５％以上
△：接合面積率が８５％以上９５％未満
×：接合面積率が８５％未満
また、第１接合部（31）および第２接合部（32）を観察してろう材の余剰の度合い（エロ−ジョン）調べ、下記の基準で評価した。

○：エロ−ジョンが殆ど見られない
×：エロ−ジョンが激しい
これらの評価結果を表１に併せて示す。

表１に示すように、ろう材の溶融量に基づいてろう材を選定することにより、ろう付性に難易差のある放熱装置を良好にろう付できることを確認した。

本発明は、絶縁層とヒートシンクとをアルミニウム層を介して積層し、これらを一括ろう付して一体化した放熱装置の製造に利用できる。

1…放熱装置
11…絶縁層
12…回路層
13…アルミニウム層
14…電子素子
20…ヒートシンク
41…第１ろう材
42…第２ろう材
43…第３ろう材
ｔ１…第1ろう材の厚さ
ｔ２…第２ろう材の厚さ

Claims (8)

1. 絶縁層の一方の面側に電子素子を搭載する回路層が積層され、他方の面側にアルミニウム層を介してヒートシンクが積層されて、これらが一体化された放熱装置であって、
   前記絶縁層とアルミニウム層とが第１ろう材によって接合され、前記アルミニウム層とヒートシンクとが第２ろう材によって接合され、
   前記第１ろう材および第２ろう材をこれらのうちの固相線温度の低い方のろう材の固相線温度よりも高い温度で１分保持したときに溶融するろう材量について、ろう付面積１ｍｍ^２あたりのろう材の厚さ（μｍ）を第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）とするとき、
   前記第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）と第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）とがＸ＞Ｙの関係を満たしていることを特徴とする放熱装置。
2. 前記第１ろう材の溶融量Ｘが１５〜７０μｍ／ｍｍ^２であり、第２ろう材の溶融量Ｙが５〜５０μｍ／ｍｍ^２である請求項１項に記載の放熱装置。
3. 前記第１ろう材の厚さｔ１（μｍ）と第２ろう材の厚さｔ２（μｍ）とがｔ１＞ｔ２の関係を満たしている請求項１または２に記載の放熱装置。
4. 前記第１ろう材および第２ろう材がいずれもＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材であり、
   前記第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）を、これらのろう材を６００℃で１分保持したときに溶融するろう材量で表す請求項１〜３のうちのいずれ１項に記載の放熱装置。
5. 前記第１ろう材中のＳｉ濃度Ｓ１（質量％）と第２ろう材中のＳｉ濃度Ｓ２（質量％）とがＳ１＞Ｓ２の関係を満たしている請求項４に記載の放熱装置。
6. 前記第１ろう材のろう数Ｘｓｔをろう材中のＳｉ濃度Ｓ１（質量％）×ろう材の厚さｔ１（μｍ）で表し、前記第２ろう材のろう数Ｙｓｔをろう材中のＳｉ濃度Ｓ２（質量％）×ろう材の厚さｔ２（μｍ）で表すとき、第１ろう材のろう数数Ｘｓｔと第２ろう材のろう数Ｙｓｔとが２＜Ｘｓｔ−Ｙｓｔ＜５００の関係を満たしている請求項４に記載の放熱装置。
7. 前記第１ろう材中のＳｉ粒子の平均粒径ｄ１（μｍ）と第２ろう材中のＳｉ粒子の平均粒径ｄ２（μｍ）とがｄ１＜ｄ２の関係を満たしている請求項４〜６のうちのいずれか１項に記載の放熱装置。
8. 前記第１ろう材および第２ろう材のうちの少なくとも一方がＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材以外のろう材であり、
   前記第１ろう材の溶融量Ｘ（μｍ／ｍｍ^２）および第２ろう材の溶融量Ｙ（μｍ／ｍｍ^２）を、これらのろう材のうちの固相線温度の低い方ろう材の固相線温度よりも３０℃高い温度で１分保持したときに溶融するろう材量で表す請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の放熱装置。
   

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