JPH0265261A

JPH0265261A - 半導体用ヒートシンク

Info

Publication number: JPH0265261A
Application number: JP21719388A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Shirai; 秀明白井; Hiroshi Umemoto; 梅本　弘; Katsuo Shin; 信　勝男
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1988-08-31
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1990-03-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体用ヒートシンクに関するものである。

〔従来の技術〕

電子部品である半導体レーザ、パワートランジスタ、パ
ワーＩＣなどの半導体素子はその動作中に相当な熱を発
生ずるが、これらの素子はいずれも熱に非常に弱い。た
とえば、−船釣にはシリコン系半導体は１２５〜１５０
℃で作動させると寿命が短くなり、短期間で早く所定機
能を果たさなくなる恐れがある。そのために、これらの
電子部品には最高許容温度が指定されており、使用時に
できるだけ放熱し易いように、部品の中にその一部とし
てヒートシンク（ベース板ともいう）が組み込まれてい
る。しかし、組み込みベース板は上記多量の熱を発生す
る半導体素子の自己発熱量に見合った包絡体積〔即ち、
冷媒（自然空冷の場合は空気）と接している輪廓が占め
る体積をいう〕を有しておらず、自己発熱量を十分外部
に放熱させて最高許容温度以下に抑えることが困難な場
合が多い。そのため、さらに別の大型ヒートシンクをベ
ース板にネジ止めし、この大型ヒートシンクにも熱を伝
えて放熱させながら、外部に熱を放散していく方策が採
られるのが常である。ここで、この大型ヒートシンクと
は、その包絡体積が十分あり、これによる放熱で半導体
素子の使用時の発熱量を該半導体素子の適性動作温度に
まで十分放散するような形状及び大きさを有するもので
ある。

すなわち従来は、第３図に示すように、半導体素子３０
を取付けたセラミック基板３１の下面にメタライズＪｉ
３２を形成し、これとニッケルメッキ銅などからなる組
み込みヒートシンク４０とを半田付層３５によって取付
け、その次にヒートシンク４ｏを別の大型ヒートシンク
５０に両者の熱伝導を良くするよう一種の塗布剤である
サーマル・コンパウンド６０を介して取イ」け、両ヒー
トシンク４０．５０が容易に分離しないように堅固に固
定するためにネジ７０によってヒートシンク４０をヒー
トシンク５０にネジ止めするというようなことが行われ
ている。

ここで、ベース板としては、上述のとおり通常ニッケル
メッキ銅が使用されるが、これはメタライズ層３２とベ
ース板とを半田付けする場合、ニッケルメッキ銅にあっ
ては鋼上に半田付けに耐えうるニッケルメッキ層を容易
に設けることができるからである。ところが、ニッケル
メッキ銅は、平板状のベース板に成形することは容易で
あるが、銅を押出し成形することが困難なため、たとえ
ばフィン付のヒートシンクに成形することが困難である
。従って、ニッケルメッキ銅よりなるヒートシンクにあ
っては、ベース板とすることはできても、フィン付大型
ヒートシンクとすることは困難なので、十分な放熱性を
得るために第３図に示した通り、さらに大型ヒートシン
クを取付けているのである。

しかして、大型ヒートシンクを取付けた場合には次のよ
うな面倒かつ不利な構造とする必要がある。即ち、例え
ば第３図の例で、ベース板４０とヒートシンク５０との
間にサーマル・コンパウンド層６０を設ける必要がある
。これは、ベース板４０とヒートシンク５０との接触を
十分に行うには両者の平滑加工が不可欠であるが、この
平滑加工は極めて高い精度が要求され、その結果高コス
トになり、加えてメタライズ層３２とベース板４０とを
半田付け３５によって取付ける際の熱でベース板４０に
反りが生じ易く、反りがあるとベース板４０とヒートシ
ンク５０を熱伝導良く接触させるのが一層困難になり、
この問題を回避するために、両者の接触面に熱伝導性の
良好なサーマル・コンパウンド１１６０を介在させる必
要があるからである。

また、サーマル・コンパウンドは接触面を平滑にするた
めの塗布剤であって接着剤としての機能は不十分であり
、それ故ベース板４０とヒートシンク５０を互いに固定
するにはネジ止めを必ず施さなければならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の如き熱対策に用いる大型ヒー
トシンクでは、■ヒートシンク（ベース板）を組み込ん
だ電子部品を取付けることを前提としており、この組み
込みヒートシンクとの取付けにサーマル・コンパウンド
の塗布、ネジ止めなどの工程が要るため、コスト高にな
る、■ベース板とヒートシンクとの間隙が半導体素子へ
の通電・体重のヒートサイクルによる一種の呼吸作用で
開閉し、間隙にあるサーマル・コンパウンドが漏れ出し
たりはみ出る場合がある、■ベース板とヒートシンクと
のネジ止めの際に加わる締付はトルクの過大によってベ
ース板上のセラミック基板が破壊することがある、■ベ
ース板とヒートシンクの接触が不十分である場合、熱放
散が効率良く行われず、半導体素子を始めとする電子部
品の特性が劣化する、という■〜■の問題点を有する。

従って本発明の目的は、以上の点を鑑みて、上記■〜■
の問題点を生起することのないヒートシンクを提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から
なり、かつ４００℃でのボイド検出試験において発現す
るボイドの個数が５個／１０ｃｄ以下である易半田性金
属のメッキ層を有すると共に、半導体素子の使用時の発
熱量を該半導体素子に支障のない温度にまで放熱するに
十分な包絡体積を有することを特徴とする半導体用ヒー
トシンクにより達成される。

本発明のヒートシンクであれば、電子部品に組み込むヒ
ートシンク（ベース板）を必要とせず、いわば従来は２
つのヒートシンクで必要な放熱量を確保していたのに対
し、本発明のヒートシンクは１つで十分な放熱が保証さ
れ、しかも本発明のヒートシンクに半導体素子４中心と
する電子部品を直接半田イ」りすることができる。従っ
て、サーマル・コンパウンドの塗布やネジ止めは不要で
、コス１〜を低く抑えることができると共に、サーマル
・コンパラン１゛の漏洩及びセラミック基板の破壊がな
く、しかも電子部品の特性劣化も起こらない。

なお、Ｍｉ＝７ｊ込みヒートシンクを有する電子部品も
本発明のヒートシンクに直接半田付けすることができ、
この場合もサーマル・コンパウンドの塗布、ネジ止めな
どの工程が不要になることはいうまでもない。

本発明のヒートシンクはアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金からなるものであるが、アルミニウムは銅に比べ
て経済的に有利である他、種々の形状への成形加工が容
易である（圧延、押出、打抜、ダイキャストなど）、耐
食性に優れている（耐食性をより向トさゼるためにアル
マイト加工などが可能）、放熱性に優れている（アルマ
イト加］−により優れた放熱効果が得られる）、機械加
工が容易である（切断、ネジ孔形成、溝切りなど）、の
ような特徴を有している。本発明のヒートシンクはこれ
らのアルミニウムの特徴をｒｔｔ大限に利用したもので
、さらに下記に述べるような易半田性金属のメッキ層及
び包絡体積を有するものである。

しかして、アルミニウムの種類としζは特に制限はなく
、たとえば純アルミニウム系、アルミニウムーマグネシ
ウム（０，２〜１．３％）の５０００番系、アルミニウ
ムーマグネシウム（０，３〜１．５％）シリコン（０，
２〜１．２％）の６０００番系、アルミニウムーマグネ
シウム（０，１〜８．５％）−シリコン（０，２〜１３
％）−銅（０，１〜５．０％）のアルミニウム合金など
が例示される。

また、冷却フィンなどを有する所望の形状のヒートシン
クにアルミニウムを成形する方法としては、平板のメッ
キ後に打抜成形する、押出成形後にメッキする、グイキ
ャスト成形後にメッキする、などアルミニウムの成形加
工の容易性を十分に活かして任意の成形方法にて実施す
ればよい。

アルミニウム製ヒートシンクに形成するメッキ層の易半
田性金属としては、ニッケル、銅、銀、錫、錫−鉛合金
などで、これらの金属のメッキ層を有するヒートシンク
は、（ａｌアルミニウムの軽量、良好な熱伝導などの特
徴を維持している、（ｂｌ加工性についても打抜、切削
、曲げがアルミニウム用の治具で可能である、ｆｃｌ必
要に応じてイ」加メッキができる、（ｄｉ半田付は性が
銅またはニッケルと同等である、という特徴を備えてい
る。上記（ｃ）の付加メッキが可能である点に関して、
本発明のヒートシンクは一種の金属からなるメッキ層を
有していれば十分であるが、たとえば銅メッキ層上にさ
らにニッケルメッキ層を設けても構わない。

これらのメッキ層は４００°Ｃでの加熱のボイド検出試
験において発現するボイドの個数が５個／１〇−以下で
あることが必須要件である。ここでボイド検出試験とは
、アルミニウム複合材の高温密着性を評価するだめの試
験方法であり、次の手順及び条件で行うものである。す
なわち、１００ｃ＋ｄ角の試料を４００℃に設定したオ
ーブン中に入れて１０分間保った後、常温度の水中に投
入して急冷し、導電性金属メッキ層に膨らみを生じせし
める。生した大小の膨らみのうち長径が０　、２　＊富
以上のものをボイドと判定してその数を数える。計数し
た個数がボイド数となるわけである。

ちなみに、かかる４００℃ボイド検出試験におけるボイ
ド個数が６個／１〇−以上のメッキ層は、ボイドを起点
としてメッキ層の剥離が起こり易いことが危惧されるた
め、本発明のヒートシンクにおけるメッキ層としては不
適当である。また、ボイド検出試験の温度を４００℃に
設定したことは、電子部品を該メッキ層に半田付けする
際の熱が約３６０℃であることから、４００℃であれば
半田付は時の熱による影響をほとんど受けることがない
からである。

メッキ層の厚さは１〜２５ｕｌ＋１、好ましくは７〜２
３戸、特には１０１五ｍであることが好ましい。

アルミニウム製ヒートシンクに上記メッキ層を設ける方
法は特に限定はなく、ＯＣＡ技術、電界メッキ、無電界
メッキなどの既知の方法を採用すればよい。これらの例
示の中でもより良質なメソキ層を得るにはＣＣＡ技術を
用いることが好ましい。

ＯＣＡ技術は、通常特開昭６２−３０８８７号公報に記
載の方法にて実施される。具体的にはアルミニウム材上
にプライマー層を介して易半田性金属メッキ層を形成さ
せるものであり、当該プライマー層が亜鉛と耐熱性金属
から構成されている。

耐熱性金属としては融点８００℃以上のものが採用され
、たとえば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）コバルト（Ｃ
ｏ）　、ｍ　（Ｃｕ）　、クロム（Ｃｒ）、マンガン（
Ｍｎ）等から選ばれた少なくとも一種が挙げられる。好
ましい組み合わせとしては、たとえばＺｎ−Ｆｅ−Ｎｉ
系、Ｚｎ−Ｆｅ−Ｃｏ系等が挙げられる。耐熱性金属は
合計量で０．１〜５０重量％程度である。

プライマー層における亜鉛と耐熱性金属との組成は、通
常衣の通りである。

Ｆｅは０．５〜３０％、Ｎｉは０．５〜４０％、ｃ。

は０．５〜３０％、Ｃｕは０．０５〜２０％、Ｃｒは０
．０５−２０％、Ｍｎは０．０１−２０％である。

ＣＣＡ法によるメッキにおける前処理方法、ジンケート
処理液および処理方法並びに金属メッキ法は従来から知
られている方法を採用すればよいが、基本的には各工程
、特に前処理工程を基本に忠実にかつ丁寧に行うことで
ある。

すなわち、まず被メッキ物の表面を可及的に平滑面とす
る。次に苛性アルカリの水溶液にて洗浄する。その際、
たとえば１０〜７０　ｇ＃の苛性アルカリ水溶液を使用
し、常＠〜９０℃の温度で処理することが好２ましい。

次に苛性アルカリを硝酸水溶液にて洗浄し、硝酸水溶液
を水洗浄する。

表面洗浄後、ジンケート処理に付される。ジンケート処
理液は基本的には水溶性亜鉛化合物、耐熱性金属の水溶
性化合物、苛性アルカリおよび水から構成される。水溶
性亜鉛化合物としては、炭酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛
等が挙げられる。耐熱性金属の水溶性化合物に関して、
鉄成分供給用としては、たとえば塩化第１鉄、塩化第２
鉄、硫酸鉄、硝酸鉄、酸化第１鉄、酸化第２鉄など、ニ
ソケル成分供給用としては、たとえば硫酸ニッケル、水
酸化ニッケル、酸化ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッ
ケルなど、クロム成分供給用としては、たとえば硫酸ク
ロム、酸化クロム、硝酸クロム、塩化クロムなど、コバ
ルト成分供給用としては、たとえば硫酸コバルト、酸化
コバルト、硝酸コバルト、水酸化コバルト、塩化コバル
トなど、銅成分供給用としては、たとえば硫酸銅、酸化
銅、塩化銅、炭酸銅、シアン化銅、水酸化銅、硝酸銅な
ど、マンガン成分供給用としては、たとえば酸化マンガ
ン、硫酸マンガン、炭酸マンガン、塩化マンガン、水酸
化マンガン、硝酸マンガンなどが挙げられる。通常水溶
性亜鉛化合物を２〜２００ｇ／ｌ、耐熱性金属の水溶性
化合物を合計で０．０５〜１００ｇ／ｊ！とするのが好
ましい。苛性アルカリの配合量は３０〜５００　ｇ／７
！が好ましい。さらに錯化合物形成剤、シアン化アルカ
リ金属塩等の緻密化促進剤を添加することが好ましい。

緻密化促進剤としては、たとえば酒石酸、乳酸、クエン
酸などのオキシカルボン酸類、またはそのアルカリ金属
塩；ニトリロ３酢酸、イミノ２酢酸、ＥＤＴＡなどのポ
リカルボン酸類またはそのアルカリ金属塩；モノエタノ
ールアミン、エチレンジアミン、トリエタノールアミン
などのアミン類、ＫＣＮ、ＮａＣＮなどのジシアン化ア
ルカリ類、炭水化物の金属塩類、たとえばＤ−エリスロ
ー２ケトペントース、Ｄ−）レオ−２−ケトペントース
、Ｌ−エリスロー２−ケトペントース、Ｄ−フルクトー
ス、Ｄ−タガトース、Ｌ−フルクトース、Ｄ−プシコー
ス、Ｌ−ビシコース、Ｄ−エリスロース、Ｄ−トレオー
ス、Ｌ−グルコース、Ｄ−ガラクトースなどの単糖類：
Ｄ−グルコン酸、糖酸なとの単糖類の酸化生成物；グル
コン酸ナトリウムなどの単Ｉｉ類の酸化生成物のアルカ
リ金属塩；ソルビットなどの単糖類の還元生成物などが
あげられる。緻密化促進剤の配合割合は通常１〜１５０
ｇ／ｌが好ましい。

プライマー層の形成は、アルミニウム材を前記処理液中
に浸漬することにより行われる。処理液の温度は緻密化
促進剤を使用する場合、０〜６０℃であり、浸漬時間は
１０秒間〜５分間である。

錯化合物形成剤などの緻密化促進剤を添加しない場合は
、比較的低い温度、通常５〜３０℃で行う。

プライマー層の形成は、以上の方法のほか、たとえば蒸
着法、スパッタ法、電気メッキなどの方法により形成し
てもよい。

プライマー層上に耐熱性金属のメッキ層を形成する方法
としては、各耐熱性金属における通常のメッキ条件が採
用できる。

前述した如く本発明のヒートシンクは、半導体素子の使
用時の発熱量を該半導体素子に支障のない温度まで放熱
するに十分な包絡体積を有するものである。

ここに“半導体に支障をきたさない温度”とは、当該半
導体が使用に供しえない程度に破壊されることをいい、
たとえば当該温度に達した場合に当該半導体が、１０％
以上、好ましく５％以上、さらに好ましくは３％以上の
誤作動率とならない温度である。

また、“包絡体積”は株式会社リョウサン発行による半
導体素子用ヒートシンクのカタログＮｏ。

８６　（１９８５年１０月１日）、第５〜６頁に開示し
である式に基づいて求める。すなわち、ＴＪ　　　ＴＡ＝Ｑ（θ４．十ｏｃｓ十〇、Ａ）（ａ）
但し、上記式中において、Ｑ　：消費電力（Ｗ） θ、ｃ：ジャンクションーケース（ベース板）間熱抗（
℃／Ｗ） θｓド大型ヒートシンクー空気間熱抵抗（℃／Ｗ）Ｔ１
　：ジャンクション温度（”Ｃ）ＴＡ　：周囲温度（’Ｃ）る。）を表す。この弐ｆａ）に所定の数値を代入し、θ３Ａ　
（ヒートシンク−空気間熱抵抗）を求め、次に第２図の
熱抵抗と包絡体積との関係を示すグラフを利用して前記
得られた熱抵抗０３Ａ（’ｃ／ｗ）と図中に示すフィン
付のヒートシンクの熱抵抗直線とに基づいて必要な包絡
体積（ｍｕ３）を求めることができる。各種半導体素子
に対しては上記より求めた包絡体積を有するフィン付ヒ
ートシンクを用いることになり、包絡体積が必要値を満
足していればフィン付ヒートシンクのフィンの形状や大
きさには特に限定はない。

たとえば、大電力トランジスタを３個使用したパワー・
モジュールで、その最大定格電圧が１００Ｖ、最大定格
ジャンクション温度が１１０℃である場合に必要なフィ
ン付ヒートシンクの包絡体積は、上記式＋ａ＋及び第２
図に基づき約４．２Ｘ１０６ｍ＊３となる。

なお、フィン付ヒートシンクでない場合、すなわち他の
形態のヒートシンクの場合に対しては、公知の方法、即
ち次のようにして得られたヒートシンクの熱抵抗（θ３
Ａ）直線により前記と同様にして必要な包絡体積を求め
ればよい。まず、たとえば上側のパワー・トランジスタ
を利用し、成る包絡体積のヒートシンクを用い、パワー
・トランジスタに通電し、これによりトランジスタが発
熱する（この発熱温度をＴＪとする）が、その時のヒー
トシンクの温度（Ｔ、）と周囲温度（ＴＡ　）を測定す
る。ＴＪ　とＴ、の差及び消費電力によってｅＪＣ＋θ
６８、すなわちθ□、（ジャンクション大型ヒートシン
ク間熱抵抗、’Ｃ／　Ｗ　）が求まる。

得られたθ１．と包絡体積とにより、当該ヒートシンク
の熱抵抗θ、Ａを図にプロットする。次に、上記ヒート
シンクの包絡体積とは異なる包絡体積を有するヒートシ
ンクを用い、同様に測定して得られた各数値によって求
めたθ１．と包絡体積とにより、該ヒートシンクの熱抵
抗θ、Ａを図にプロットする。これを多数の包絡体積の
ヒートシンクについて行えば任意の形態のヒートシンク
の熱抵抗θＳＡに関する直線が得られることになる。

〔実施例〕

以下、本発明の半導体用ヒートシンクを実施例に基づい
て説明する。

第１図に示す半導体用の大型ヒートシンク２０は前例の
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、電子部
品との接触面に易半田性金属のメッキ層１７が設けられ
、前記の式（ａｌおよび第３図のグラフに基づいて求め
た所望の包絡体積を満足するような形状及び大きさを有
する。かかるし−トシンク２０は図からも明らかな如く
、半導体素子１０を取付けたセラミック基板１１の下面
に設けたメタライズ層１２を直接半田イ１番月５によっ
て取付けることができる。

すなわち、第３図に示したような組み込みヒートシンク
が要らず、サーマル・コンパウンドの塗布、ネジ止めな
どの煩雑な工程が不要であるにもかかわらず、半導体素
子１０の動作による発生熱は半田付け１５を介してヒー
トシンク２０に伝わり、ヒトシンク２０から効率良く放
散される。

もちろん、先にも述べたように組み込みヒートシンクを
有する電子部品も直接半田付けすることが可能であり、
この場合でもサーマル・コンパウンドの塗布やネジ止め
も不要である。

本発明は上記実施例に限定されることはなく、本発明の
目的を逸脱しない限り種々の態様を採用しても構わない
。

〔発明の効果〕

本発明の半導体用ヒートシンクは、以上説明したように
構成されているので、以下に記載されるような効果を奏
する。

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、かつ４
００℃でのボイド検出試験において発現するボイドの個
数が５個／１０ｄ以下である易半田性金属のメッキ層を
有すると共に、半導体素子の使用時の発熱量を該半導体
素子に支障のない温度にまで放熱するに十分な包絡体積
を有するものであるから、このヒートシンクを半導体素
子の放熱対策に使用することにより、）組み込みヒートシンク（ヘース板）が必要ない。

１１）サーマル・コンパウンドの塗布工程、ネジ止め工
程及びそれらに付随する一切の工程が不要である。

ｉｉｉ　）サーマル・コンパウンドのはみ出し、漏れな
どの恐れがない。

】　９ｉｖ）セラミック基板が破損するようなことがない。

■）本発明のヒートシンクを取付けた態様まで加味する
と、電子部品全体のコストが下がり、付加価値が上がる
。

ｖｉ）電子部品を直接半田付けすることができるので、
放熱を効率良く行うことができ、電子部品の熱的安定度
が高まる。

従って、本発明の半導体用ヒートシンクは多量の熱を発
生する半導体素子の放熱手段として最適なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体用ヒートシンクの一実施例を半
導体素子に取付けた状態を示す断面図、第２図はヒート
シンクの熱抵抗と包絡体積との関係を示すグラフ、第３
図は従来のヒートシンクを半導体素子に取付けた状態を
示す新面図である。なお、第２図中のＭＣ２０３、ＭＣ２２２、ＭＣ２３４
，１４ＣＵ０４５−Ｌ３８．２０ＣＵＯ５０−Ｌ３Ｂ、
１４ＣＵ０４５−Ｌｉ２Ｏ，３２ＣＨ１６０−Ｌ７６．
３２ＣＨ１６０−Ｌｉ２Ｏ，１４４’ＨＴ１１０−Ｌ２
００はそれぞれ株式会社リョウサンのヒートシンクの商
品番号である。１０：　　半導体素子１１：　　セラミック基板１２：　　メタライズ層１５：　　半田付け１７；　　易半田性金属のメッキ層２０：　　ヒートシンク

Claims

【特許請求の範囲】

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、かつ４
００℃でのボイド検出試験において発現するボイドの個
数が５個／１０ｃｍ＾２以下である易半田性金属のメッ
キ層を有すると共に、半導体素子の使用時の発熱量を該
半導体素子に支障のない温度にまで放熱するに十分な包
絡体積を有することを特徴とする半導体用ヒートシンク
。