JPH0265262A - 半導体用ヒートシンク - Google Patents

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
生するが、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、短時間で所定機能を
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ずる半
導体素子の自己発熱量に見合った包絡体積〔包絡体積と
は冷媒（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
伝えて消費させながら、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に支障のない温
度にまで十分放散させるような形状及び大きさを有する
ものであすなわち従来は、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３Ｉの下面にメタラ
イズ層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４０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を介して取付け、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、フィンイ１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（接触させるのが一層困離になり、
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・コンパウンド層６０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■〜■の欠点を有する。

さらに、一般に放熱用の大型ヒートシンクはアルミニウ
ム製が大部分であり、現段階ではアルミニウムはヒート
シンクに用いられているその他の材料である銅、鉄に比
べると素材価格が最も高く、これがためにアルミニウム
製ヒートシンクを半導体素子に取付けるとどうしても電
子部品が高価にならざるを得ない。

従って本発明の目的は、以上の点を鑑みて、上記■〜■
の欠点及び使用する素材の割高を解決したヒートシンク
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、鉄または鉄合金からなり、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
／１０ｃ＋Ｉｌ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
子に支障をきたさ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
Ｊ、り達成される。

本発明のし−トシンクであれば、電子部品に組み込むヒ
ートシンク（ヘース板）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を直接半
田付けすることができる。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、コストを低く抑えるこ
とができると共に、サーマル・コンパウンドの漏洩及び
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。加えて、本発明のヒートシンクは鉄製
であり、通常のアルミニウム製に比べてその素材価格が
大幅に安いため、電子部品全体のコストを下げることが
できる。

なお、組み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・コンパウッドの傅布、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鉄または鉄合金からなるもので
あるが、鉄はアルミニウムや銅に比べて経済的に有利で
ある他、剛性が強く反りが発生し難い、サイズ的に薄い
ものでも安定したものを作製することができる、電磁波
遮蔽効果をもたすことができる、製造や運搬工程でマグ
ネットハンドリングができる、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鉄の特徴を最大限
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、鉄の種類としては特に制限はなく、たとえば
純鉄系、鉄−炭素系、鉄−ニソケル系（Ｆｅ−１〜５０
％Ｎｉ）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
クに鉄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、鋳造加工後にメッ
キする、鍛造成形後にメッキする、など鉄のもつ素材の
特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。

鉄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
必要に応じて付加メッキができる、（ｂｌ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＋ａ＋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層の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℃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ための試験
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、１００ｃａ！角の試料を４００℃に設定したオー
プン中に入れて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０．２１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／１０Ｃ品以上のメッキ層は、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°
Ｃ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°Ｃ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。

鉄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、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。

また、メッキ層の厚さは１〜２５Ｎ−１好ましくは７〜
２３Ｎ、、特には１０ｔ、、であることが好ましい。

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、 Ｔ、　−Ｔａ　＝Ｑ　（θ、。十〇。、十〇ｓ　ａ　）
　　　（ａｌ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［Ｌ）間熱抵
抗（℃／Ｗ） θｃｓ：’ｆ−ス（ベース板）−大型ヒートシンク間熱
抵抗（”Ｃ／Ｗ） θ、Ａ：大型ヒートシンクー空気間熱抵抗（’Ｃ／Ｗ）
Ｔ、：ジャンクション温度（’Ｃ） ＴＡ　：周囲温度（℃） （なお、θ、ｅとθ。、との和はジャンクション−大型
ヒートシンク間熱抵抗という概念でとられえらる。） を表す。この式（ａｌに所定の数値を代入し、θ、Ａ（
大型ヒートシンク−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θＳＡ（℃／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（Ｎ３）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、熱に弱いパワー・ダイオードを４個含むハイ
ブリッドＩＣで、その最大定格電流が３ＯＡ、最大定格
ケース（ベース板）温度が１０７℃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（ａｌ及び
第２図に基づき約１．４　Ｘ　１０’１璽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、す
なわち次のようにしζ得られたヒートシンクの熱抵抗（
θｍＡ）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、たとえば上側のハイブリッドＩＣ
を利用し、成る包絡体積のヒートシンクを用い、ハイブ
リッドＩＣに通電し、これによりハイブリッドＩＣが発
熱する（この発熱温度をＴ、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
。Ｔ、とＴ３の差及び消費電力によってθ１．十〇。８
、すなわちθ５．（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θ５．と包絡体積とにより、当該ヒートシンク
の熱抵抗θＳＡ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θＪＳ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θ、Ａ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
鉄または鉄合金からなり、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Ｔａ＋及び
第２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。かかるヒートシン
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Ｎ１
２を半田付け１５によって直接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、ヒートシンク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。

鉄または鉄合金からなり、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／１０ｃｊ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、 ｉ）組み込みヒートシンク（ベース板）が必要ない。

ｉｉ）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。

ｉｖ）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
示す断面図である。 なお、第２図中のＭＣ２０３、ＭＣ２２２、ＭＣ２３４
、１４ＣＵ０４５−Ｌ３８．２０ＣＵ０５０−Ｌ３８、
１４ＣＵＯ４５−Ｌｉ２Ｏ，３２ＣＨ１６（１−Ｌ７６
．３２Ｃ１（１６０−Ｌｉ２Ｏ，１４４ＨＴ１１０−Ｌ
２００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 第１図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鉄または鉄合金からなり、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／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をき
   たさ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。