WO2005091363A1 - ヒートシンク基板とその製造方法 - Google Patents

Description

明 細 書

ヒートシンク基板とその製造方法 技術分野

本発明はヒートシンク基板とその製造方法に係り、 特に発熱量の大き い電子部品の搭載、 取り分け半導体部品を搭載する電気自動車用ィンバ 一夕、 或いはパワーモジュール等に適したヒートシンク基板とその製造 方法に関する。 背景技術 '

従来、 発熱量の大きな電子部品である半導体部品を搭載するヒートシ ンク基板は、 基本的に銅材 （C u ) が用いられ、 一枚板で構成するのが 一般的であった。 このタイプはヒートシンク基板が一枚板で済むため安 価で、 材質面から見ても銅材のため放熱性が良好であった。

しかしながら、 銅材 （C u ) は線膨張係数が 1 6 . 6 ( ppmZで） と大 きく、 搭載する半導体部品からの発熱で線膨張係数の異なるはんだ接合 面に熱応力による亀裂が生じるという問題があった。 この亀裂の発生を なくすために銅材の代わりに線膨張係数が 9 . 2 ( ppm/ °C ) と小さく放 熱性も比較的良好な銅一モリブデン （C u— M o ) 複合材で一枚のヒー トシンク基板を形成することも知られている。

この場合は、 材料コス トの高いモリブデン （M o ) を多量に使用した C u— M o複合材で一体品としているので非常に高価なものになる問題 があった。

特許文献 1 (特開平 8 - 1 8 6 2 0 4号公報） には、 半導体素子の熱 膨張率に近似した材料で出来た搭載部と、 熱伝導及び熱放散特性に優れ た材料で出来た放熱部材とを備え、 搭載部材と放熱部材を加熱による溶 浸接合により一体化したヒ一トシンク基板を形成することが開示されて いる。

特許文献 2 (特開平 6— 7 7 6 7 8号公報） には、 ニッケル一鉄合金 で形成された母材の所定の位置に孔を設け、 該孔に銅系の金属からなる 放熱部材をねじ込み或いは圧入により埋め込むことにより一体化したヒ ―トシンク基板を形成することが開示されている。

ところで、 前述した複数部材からなるヒ一トシンク基板は効率良く熱 を放出するために発熱源と密着しなくてはならない。 そのため、 たとえ ば発熱源が半導体の場合には半導体をはんだ付けして搭載するために平 面度などの製品精度が要求される。

しかしながら前者の特許文献 1では溶接， ろう付けのように熱を加え た結合方法で熱変形等により結合精度が低く、 結合後にはんだ付け面な どの必要部に機械加工が必要であるなどの問題があつた。 熱を使用する ためのエネルギーロスや材料歩留りの点でも不利であった。

また、 後者の特許文献 2のようにネジ締めする方法では母材と放熱部 材との締結部の密着性が低く、 ヒ一トシンク基板のように板厚が薄いも のでは有効なネジ長さを確保できないと共に、 ネジ締めでは緩みが生じ るなどの懸念がある。 また、 圧入は柔らかい材料である放熱部材に圧入 による変形圧がかかるため、 平面度が出し難く、 場合によっては平面仕 上げ加工が必要となり生産性， コス トの面で不利は否めない。

本発明の目的は、 製品精度が高くて、 生産性に優れたヒートシンク基 板とその製造方法を提供するにある。 発明の開示 本発明は、 第 1のヒートシンクにそのヒートシンクより線膨張係数の 小さい第 2のヒートシンクを結合して形成してなるヒートシンク基板で あって、

第 1のヒートシンクに第 2のヒートシンクを嵌合し、 その嵌合境界部 の近傍にある第 1のヒートシンクを塑性変形させて第 2のヒートシンク に密着させることにより達成される。

本発明の好ましくは、 第 2のヒートシンクは半導体部品を搭載するチ ップ部材により達成される。

本発明の好ましくは、 第 1のヒートシンクは嵌合境界部の結合面に塑 性結合用押圧溝が形成され、 第 2のヒ一トシンク材を受け入れることに より達成される。

本発明の好まし <は 、 第 1のヒ一トシンクは C u系材料からなり、 第

2のヒートシンクは C u — M o複合材からなることにより達成される。 本発明の好まし <は 、 第 2のヒートシンクは塑性流動結合による凹状 圧痕により全周の Xッジ部が露出していることにより達成される。

本発明の好まし <は 、 第 2のヒートシンクは半導体部品をはんだ付け により固着している とにより達成される。

本発明の好まし <は 、 第 1のヒートシンクの内周面と第 2のヒ一トシ ンクの外周面間に熱伝導性ペース トもしくはワックスを介して両者間を 塑性流動結合した とにより達成される。

本発明の好まし <は 、 第 1のヒートシンクの底面と第 2のヒートシン クの低面間に熱伝導性ペース トもしくはヮックスを介して両者間を塑性 流動結合したことにより達成される。

本発明は、 第 1のヒートシンクにそのヒートシンクより線膨張係数の 小さい第 2のヒー卜シンクを結合してなるヒートシンク基板の製造方法 であって、

第 1のヒートシンクに設けられた嵌合穴に第 2のヒートシンクを嵌合 し、 その後、 前記第 2のヒートシンクの外周壁にそって下降する結合パ ンチにより前記第 2のヒートシンクと接する前記第 1のヒートシンクの 周囲の部材を局部的に塑性変形させ塑性流動結合させることにより達成 される。

本発明は、 第 1 のヒートシンク嵌合穴に第 2のヒートシンクが嵌合さ れ、 その嵌合境界部の第 1のヒートシンクが塑性変形して第 2のヒート シンクに結合するヒートシンク基板としているため、 両部材間の結合は 常温で可能となり、 平面精度の高い複合部材からなるヒ一トシンク基板 が容易確実に提供される。

本発明は、 第 1のヒートシンクに第 2のヒートシンクを嵌合し、 その 後、 前記第 2のヒートシンクの外周壁にそって下降する結合パンチによ り前記第 2のヒートシンクと接する前記第 1のヒートシンクの周囲の部 材を局部的に塑性変形させて塑性流動結合させることによってヒ一トシ ンク基板を得ているので、 結合時に形成された第 2ヒートシンク （チッ プ） 近傍の塑性結合押圧溝 （圧痕） が、 半導体を搭載する時に生じるは んだのたれを特別な治具を用いることなく防止でき、 生産性の高い発熱 部品搭載用ヒ一トシンクを提供することができる。 図面の簡単な説明

第 1図は本発明の一実施形態を示すヒートシンク基板の斜視図。

第 2図は第 1図の一部縦断面図。

第 3図は本発明に係るパワーモジュール構造の一実施形態の縦断面図。 第 4図は本発明を構成する第 1のヒートシンク斜視図。 第 5図は本発明を構成する第 2のヒートシンク斜視図。

第 6図は本発明の製法に係るヒートシンク結合前の部材嵌合状態を示 す縦断面図。

第 7図は本発明の製法に係るヒートシンクの結合寸前の縦断面図。 第 8図は本発明の製法に係るヒートシンクの加圧結合完了時の縦断面 図。

第 9図は本発明の第 2の実施例におけるヒートシンク基板の斜視図。 第 1 0図は本発明の第 3の実施例におけるヒートシンクの加圧結合完 了時の縦断面図。

第 1 1図は本発明の第 4の実施例におけるヒートシンクの加圧結合完 了時の縦断面図。 発明を実施するための最良の形態

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。 尚、 本発明は本実施例に 限定されるものではなく、 発熱部品を搭載するヒートシンク基板に広く 適用される。

実施例 1

第 1図は、 本発明に係るヒートシンク構造の実施例の斜視図、 第 2図 は第 1図の要部拡大縦断面図、 第 3図はヒートシンク上に半導体を搭載 したパワーモジュールの縦断面図である。

第 1図， 第 2図に示すヒートシンク基板 1は、 銅 （C u ) 材からなる 板状の第 1のヒートシンク 2 と C u— M o複合材のような C uよりも線 膨張係数が小さい材質からなる第 2のヒートシンク 3から構成されてい る。

前記第 1のヒートシンク 2には搭載部品に応じて複数の貫通する穴 3 が設けられ、 該穴 3には円盤状のチップ部材である前記第 2のヒ一トシ ンク 3がそれぞれ嵌合され、 塑性変形結合されて一体化されている。 前記第 2のヒートシンク 3は第 2図に示すように、 第 1のヒートシン ク 2に電子部品の搭載面 5が同一平面となるように嵌合され、 嵌合境界 部付近にある第 1のヒートシンク 3の部材全周を押圧して両部材間を塑 性流動結合している。

第 3図にヒートシンク基板 1の第 2のヒートシンクに半導体部品を搭 載した実装状態を示している。

このヒートシンク基板 1 には第 3図に示す様に半導体が搭載され半導 体の発した熱を主にヒートシンク基板 1から放熱する。 第 2のヒ一トシ ンク 4の端面 5には C u板 1 0がはんだ 1 1で接合され、 その上に A g ろう 1 2で窒化ケィ素板 1 3が接合されている。 さらに A gろう 1 4を 介して C u板 1 5が接合され、 更にその上にはんだ 1 6により半導体チ ップ 1 7が搭載されている。 図では省略しているが実際には半導体チッ プ 1 7にはアルミ線などの電気配線が施され半導体装置が構成される。

このように第 2のヒートシンク 3には C u— M o複合材のような C u よりも線膨張係数が小さい材質のヒ一トシンクが用いられ、 その上には んだ付けで半導体部品が接合されるため高温時の線膨張係数差によりは んだ 1 1 に亀裂が生じることがなく、 高価な C u — M o複合材の使用も わずかでよく、 省資源化を実現し、 極めて合理的な装置となる。

また、 第 2のヒートシンク 3の端面 5にはんだ 1 1 を流して半導体を 構成する C u板 1 0をはんだ付けするが、 第 1 のヒートシンク 2に第 2 のヒートシンク 3を金型の押圧力で塑性変形結合する際に生じる環状の 押圧痕 （凹部） 6が前記はんだが外周に流れ出すのを阻止する。

すなわち、 前記押圧痕 （凹部） 6により第 2のヒートシンク 3の角部 3 1が露出して見かけ上第 2のヒートシンク 3が第 1のヒートシンク 2 から突出することになるので、 溶融したはんだを流した時に表面張力で はんだが第 2のヒートシンク 3の端面 5から流れ出ないため、 容易には んだ付けをする事が出来る。

次に上記したヒートシンク基板の製造方法について説明する。

第 4図に示すような複数の貫通穴 4を設けた板状の C u製第 1のヒー トシンク 2と、 第 5図に示す様な C u _ M o複合材からなる円盤状の第 2のヒートシンク 3を第 6図に示すように第 1のヒートシンク 2の嵌合 穴 4に嵌合した状態で下型 7の上に載置し、 セッ トする。 C uは軟らか く塑性変形が容易で、 （：！！ー！^ は ！！ょりも硬いため塑性流動結合に は適した組合わせである。 仮に、 第 1のヒートシンク 2の嵌合穴 4をプ レス抜きして嵌合穴 4が加工硬化した状態でも両者間の硬度差を確保す る事が出来、 実用上問題ない。

その後、 第 7図に示す様に環状のパンチ 8で第 2のヒートシンク 3の 外周、 すなわち第 1のヒートシンク 2の嵌合穴 4の内周近傍全周を局部 的に加圧し、 第 8図に示す様に第 1のヒートシンク 2の材料を塑性流動 させてヒートシンク 2， 3間を弹性変形圧を封入して緊迫力により密着 結合する。その後パンチ 8を取り除けばヒートシンク基板 1は完成する。

このようにして形成されたヒートシンク基板 1は、 第 1のヒートシン ク 2に第 1のヒ一トシンク 3を結合する際にわずかなパンチ力だけで第 2のヒートシンク 3の側面に第 1のヒートシンク 3の材料を塑性流動さ せることができるためヒートシンク基板の平行度に影響を与えることは 無く、 極めて製品精度の高いヒートシンク基板が得られる。

実施例 2

また、 第 2のヒートシンク 3は望ましくは円盤状がよいが、 第 9図に 示す様な矩形状でも、 あるいは楕円状でもかまわない。

実施例 3

また、 第 1のヒートシンク 2の穴 6は貫通しない袋穴であってもかま わない。

実施例 4

第 1 0図は第 1のヒートシンク 2 1の貫通穴に第 2のヒートシンク 3 1 を熱伝導性ペース トもしくはワックス 2 0 (一般的にはシリコンぺ 一ストが用いられる） を介して配置し、 両者間を塑性流動結合したもの である。 一般に金属の塑性流動結合は第 7図， 第 8図から解るようにパ ンチにより結合部品の周囲を局部的に押圧して集中的に押圧された部材 を垂直方向に流動させているだけであるためパンチの先端から遠い部分 の材料はほとんど塑性変化はない。

ところが結合された放熱部材の良し悪しは両者間が如何に緊密に密着 しているかにある。 そこで本実施例は第 1のヒートシンク 2 1 もしくは 第 2のヒートシンク 3 1のほぼ中央部にある塑性変形圧の加わらない領 域に環状凹溝を設け、 そこに熱伝導性べ一ストもしくはワックス 2 0を 配置し両面からパンチを加えたもので、 これにより第 2のヒートシンク 3 1 との熱伝導機能は一段と増し、 ヒートシンク基板として実用性の高 いものとなる。 もちろんパンチによる環状の押圧痕 （凹部） 6 1， 6 2 は両面に形成される。

I

なおパンチは両部材間の境界を押圧するのが一般的であるが、 図示の ように板厚或いは熱伝導性ペーストもしくはワックス 2 0の配置等によ つて任意の位置が選ばれる。

実施例 5

第 1 1図は前記実施例 4の問題点を踏まえて、 これを袋穴の第 1のヒ —トシンク 2 2に応用したもので、 袋穴の底面もしくは第 2のヒ一トシ ンク 3の底面に予め熱伝導性べ一ス トもしくはワックス 2 3を充填した 上で、 袋穴径ょり若干小さい径のもしくは同等径の第 2のヒートシンク 3を配置し、 その後パンチで両部材間の境界を押圧し、 パンチ直下の部 材を垂直に第 2のヒ一トシンク 3 2の部材方向に塑性変形させて結合す ると共に前記熱伝導性ペース ト 2 3を圧縮して機密性を向上させたもの である。

なお、 上記いずれの実施例も第 1のヒートシンク 2に第 2のヒートシ ンク 3を塑性流動結合してヒートシンク基板 1 を形成し、 その後のヒー トシンク基板 1の状態で電子部品を搭載していく手法としているが、 常 温で高精度に結合できる塑性流動結合を使えば第 2のヒートシンク 3に 電子部品を先に搭載し、 その後に第 1のヒートシンク 2に第 2のヒート シンク 3を塑性流動結合しても良い。 産業上の利用可能性

本発明は、 特に発熱量の大きい電子部品の搭載， 取り分け半導体部品 を搭載する電気自動車用インバー夕、 或いはパヮーモジュール等に適し たヒートシンク基板で、 その利用分野は広い。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 第 1のヒー卜シンクにそのヒートシンクより線膨張係数の小さい第 2のヒートシンクを結合して形成してなるヒ一トシンク基板であって、 第 1のヒートシンクに第 2のヒートシンクが嵌合され、 その嵌合境界 部近傍の第 1のヒートシンクが塑性変形されて第 2のヒートシンクに結 合されていることを特徴としたヒートシンク基板。

2 . 請求項 1記載において、 第 2のヒートシンクは半導体部品を搭載す るチップ部材であることを特徴としたヒートシンク基板ヒートシンク。

3 . 請求項 1 もしくは 2記載において、 第 1のヒートシンクは嵌合境界 部の結合面に塑性結合押圧溝が形成されていて、 塑性変形された第 2の ヒートシンク材を受け入れていることを特徴としたヒートシンク基板。

4 . 請求項 1ないし 3記載のいずれかにおいて、 第 1のヒ一トシンクは C u系材料からなり、 第 2のヒートシンクは C u— M o複合材からなる ことを特徴とした半導体装置用ヒートシンク。

5 . 請求項 1ないし 4記載のいずれかにおいて、 第 1のヒートシンクと 第 2のヒートシンクの電子部品搭載面は同一平面をなし、 前記第 2のヒ 一トシンクは塑性流動結合による凹状圧痕により全周のエツジ部が露出 していることを特徴としたヒートシンク基板。

6 . 請求項 5記載において、 第 2のヒートシンクは半導体部品をはんだ 付けにより固着していることを特徴とした半導体装置用ヒ一トシンク。

7 . 請求項 1 , 2 , 3のいずれかの記載において、 第 1のヒートシンク の内周面と第 2のヒートシンクの外周面間に熱伝導性ペーストもしくは ワックス 2 0を介して両者間を塑性流動結合したことを特徴としたヒー トシンク基板。

8 . 請求項 1， 2 , 3のいずれかの記載において、 第 1のヒートシンク の底面と第 2のヒートシンクの低面間に熱伝導性ペース トもしくはヮッ クス 2 0を介して両者間を塑性流動結合したことを特徴としたヒートシ ンク基板。

9 . 第 1のヒートシンクにそのヒートシンクより線膨張係数の小さい第 2のヒ一トシングを結合してなるヒートシンク基板の製造方法であって、 第 1のヒートシンクに設けられた嵌合穴に第 2のヒートシンクを嵌合 し、 その後、 前記第 2のヒートシンクの外周壁にそって下降する結合パ ンチにより前記第 2のヒートシンクと接する前記第 1のヒートシンクの 周囲の部材を局部的に塑性変形させ両者間を塑性流動結合させることを 特徴としたヒー卜シンク基板の製造方法。

1 0 . 第 1のヒートシンクにそのヒートシンクより線膨張係数の小さい 第 2のヒートシンクを結合してなる半導体装置用ヒ一トシンクを搭載し たパワーモジュール装置であって、

第 1のヒートシンクに第 2のヒートシンクが嵌合され、 その嵌合境界 部の第 1のヒートシンクが塑性変形して第 2のヒートシンクに密着して いる半導体装置用ヒ一トシンクを搭載したことを特徴としたパワーモジ ユール装置。