WO2007037306A1 - ヒートシンクモジュール及びその製造方法 - Google Patents

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WO2007037306A1
WO2007037306A1 PCT/JP2006/319261 JP2006319261W WO2007037306A1 WO 2007037306 A1 WO2007037306 A1 WO 2007037306A1 JP 2006319261 W JP2006319261 W JP 2006319261W WO 2007037306 A1 WO2007037306 A1 WO 2007037306A1
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WO
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heat
heat sink
alloy
layer
sink module
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PCT/JP2006/319261
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Ken Suzuki
Takahiro Ishikawa
Shuhei Ishikawa
Yumihiko Kuno
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Ngk Insulators, Ltd.
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Definitions

  • the present invention relates to a heat sink module, a manufacturing method thereof, and an electronic component.
  • the present invention relates to a heat sink module used for cooling an electronic circuit chip made of a semiconductor or the like, a manufacturing method thereof, and an electronic component using the heat sink module.
  • heat is a major enemy for semiconductor devices, and the internal temperature must not exceed the maximum allowable temperature.
  • semiconductor devices such as power transistors and semiconductor rectifiers consume a large amount of power per operating area, so the amount of heat generated from the semiconductor device case (package) and leads alone cannot be released.
  • the internal temperature of the device may rise and cause thermal destruction. This phenomenon can also occur in a semiconductor device equipped with a CPU.
  • the CPU clock frequency increases, the amount of heat generated during operation increases, so it is important to perform a thermal design that takes heat dissipation into consideration.
  • element design and mounting design that take into account that a heat sink with a large heat radiation area is fixed to the case (knockage) of the semiconductor device is performed. It has been broken.
  • a heat sink material used at this time a metal material such as copper or aluminum having high thermal conductivity is used.
  • each component (layer) is peeled off or mechanically formed in the semiconductor device.
  • destruction or malfunction of the semiconductor element is likely to occur.
  • Such a problem becomes particularly prominent when the semiconductor device is increased in size because the stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between the constituent members (layers) increases.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing an embodiment of a conventional heat sink module.
  • the heat sink module 50 includes a heat sink layer 51 made of a heat sink material, an intermediate layer 22 also having a metal material force, an electrical insulating layer 23 also having a ceramic force, and an electrode layer 24, and each layer is made of a brazing material or the like.
  • the heat sink module 50 is fixed by a method such as screwing while a heat sink layer 51 is in contact with a heat release cooling mechanism (not shown) that releases heat to the outside.
  • An electronic circuit chip (not shown) is fixed on the electrode layer 24 via a solder layer.
  • semiconductor devices tend to increase in size as the integration of elements increases and the area for forming elements increases.
  • semiconductor device itself becomes larger, there is a problem that it is difficult to incorporate many semiconductor elements in a limited space.
  • space-saving electronic components that have sufficient heat dissipation mechanisms to solve these problems.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-339022
  • Patent Document 2 JP 2002-43482 A Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide a heat sink module, a manufacturing method thereof, and an electronic component which are excellent in space saving while having a mechanism capable of sufficiently dissipating heat.
  • heat sink layer coefficient of thermal expansion becomes the heat sink material
  • Ca is 1 X 10- 6 ⁇ 8 X 10- 6 ZK, Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy mosquito ⁇ et consisting intermediate layer, electrical An insulating layer and an electrode layer made of Cu, Cu alloy, A1, or A1 alloy layer are laminated, and two or more heat conducting parts joined by the first brazing material and two or more installation surfaces are radiated.
  • a cooling unit, and at least the installation surface of the heat radiation cooling unit is made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy, and two or more on the two or more installation surfaces of the heat radiation cooling unit
  • a heat sink module having a flow path through which a cooling medium flows in the heat-dissipating cooling section, wherein the heat conducting sections are joined by a second brazing material in a state where the respective heat sink layers are arranged.
  • heat sink layer coefficient of thermal expansion becomes the heat sink material
  • Ca is 1 X 10- 6 ⁇ 8 X 10- 6 ZK
  • Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy strength becomes intermediate layer, electrically insulating layer
  • An electrode layer made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy and a lower layer made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy are laminated and joined by the first brazing material.
  • Two or more heat conducting parts, and a heat radiation cooling part having two or more installation surfaces, and at least the installation surface of the heat radiation cooling part also has Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy force, and the heat radiation
  • the two or more heat conducting units are arranged in a state where the respective heat sink layers are arranged.
  • a heat sink module which is joined by a brazing filler metal and has a flow path through which a cooling medium flows in the heat radiation cooling section.
  • the heat conductivity of the heat conduction part exceeds 200 WZmK, or the heat resistivity is 0.03 K ZW or less and includes a heat dissipation cooling plate (the part up to the shortest distance to the cooling medium)
  • the heat sink module according to any one of [1] to [5], wherein the thermal conductivity exceeds 200 W / mK or the thermal resistance is 0.12 K / W or less.
  • the heat conductivity of the heat conduction part is 230 WZmK or more, or the heat resistivity is 0.025 K / W or less, and includes a heat radiation cooling plate (part up to the shortest distance to the cooling medium) Of the above [1] to [5], the thermal conductivity exceeds 230 W / mK, or the thermal resistance is 0.09 K / W or less!
  • the heat sink module according to any one of the above.
  • the heat sink material is SiC, Si N
  • the first brazing material and the second brazing material are group 2A, group 3A, group 4 of the periodic table.
  • the brazing material containing one or more elements belonging to Group A, Group 5A, or Group 4B [1]
  • the heat sink module according to the above.
  • the shape of the part corresponding to the installation surface of the heat radiation cooling part is a shape having a thin part and a thick part, and the thickness force of the thin part is 0.1 mm or more.
  • the heat sink module according to any one of [14] to [14].
  • the heat sink layer coefficient of thermal expansion becomes the heat sink material
  • Ca is 1 X 10- 6 ⁇ 8 X 10- 6 ZK
  • Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy strength becomes intermediate layer, electrically insulating layer
  • two or more installation surfaces with two or more heat conducting parts obtained by laminating electrode layers made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy and bonding with the first brazing material
  • At least the installation surface is made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy, and has a flow path through which the cooling medium flows in the heat dissipation cooling unit, on each of the two or more installation surfaces of the heat dissipation cooling unit,
  • a method of manufacturing a heat sink module comprising joining with a second brazing material in a state where the heat sink layer is disposed.
  • the surface of the electrode layer is provided with Ni plating for improving solderability.
  • the heat sink layer coefficient of thermal expansion becomes the heat sink material Ca is 1 X 10- 6 ⁇ 8 X 10- 6 ZK, Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy power et consisting intermediate layer, an electrically insulating Layer, electrode layer made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy and lower layer made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy layer are stacked and joined by the first brazing material
  • Two or more heat conducting parts have two or more installation surfaces, at least the installation surface is made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy, and has a flow path through which the cooling medium flows in the heat radiation cooling unit.
  • a method of manufacturing a heat sink module comprising: joining a second heat brazing material in a state where the heat sink layers are arranged on two or more installation surfaces of a heat radiation cooling unit.
  • the heat conductivity of the heat conduction part exceeds 200 WZmK, or the heat resistivity is 0.03. KZw or less and including a heat-dissipating cooling plate (the part up to the shortest distance to the cooling medium)
  • the thermal conductivity exceeds 200 W / mK, or the thermal resistance is 0.12 K / W or less, [1
  • the thermal conductivity of the thermal conduction part is 230 WZmK or more, or the thermal resistivity is 0.025 K /
  • the heat conductivity is 230 W / mK or less, and the thermal resistance is 0.09 K / W or less.
  • the first brazing material and the second brazing material are group 2A, 3A,
  • the brazing material containing one or more elements belonging to Group 4A, Group 5A, or Group 4B [
  • the above-described method further includes obtaining the heat radiation cooling section having a flow path through which a cooling medium flows by laminating a plurality of plate-like members and joining them with a third brazing material. [16] ⁇ [
  • the heat sink material is made of SiC, SiN, A1N, BeO, BN, or C.
  • the heat sink module manufacturing method according to any one of [16] to [26] above, wherein the heat sink module is a composite material impregnated with Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy.
  • a surface of the A1N or Si N force layer which is the electrical insulating layer is blasted or ethtin
  • the heat sink module according to the above [29] is manufactured by securing the insulation by processing the Manufacturing method.
  • solder layer is a layer having a lead-free soldering force.
  • the heat sink module of the present invention has good thermal conductivity, is less likely to cause defects such as peeling, has excellent reliability, and has a mechanism that can sufficiently dissipate heat. This is an effect.
  • the thermal conductivity is good, the defect such as peeling is difficult to occur, the reliability is excellent, and the space is saved while providing a mechanism capable of sufficiently dissipating heat.
  • a heat sink module can be manufactured.
  • the electronic component of the present invention has good thermal conductivity, is less likely to cause defects such as peeling, is highly reliable, and has an effect of being space-saving while having a mechanism that can sufficiently dissipate heat. .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a heat sink module of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink module of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing still another embodiment of the heat sink module of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing still another embodiment of the heat sink module of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating one embodiment of a method for producing a heat sink module of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating another embodiment of the method for manufacturing a heat sink module of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for schematically explaining a method for producing a heat conducting portion in which a lower layer is disposed.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating still another embodiment of the method for manufacturing a heat sink module of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing a CZCu composite material.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing an embodiment of a conventional heat sink module.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink module of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink module of the present invention (embodiment in which the heat conducting unit in FIG. 11 is joined to the heat-radiating cooling unit).
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink module of the present invention (embodiment in which the heat conducting section of FIG. 7 is joined to the heat radiating and cooling section).
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing another embodiment of a conventional heat sink module.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a heat sink module of the present invention.
  • the heat sink module 10 of the present embodiment includes two heat conducting portions 5a and 5b and a heat radiating and cooling portion 7 having two installation surfaces 45.
  • the heat conducting portions 5a and 5b are respectively laminated in this order with the heat sink layer 1, the intermediate layer 2, the electrical insulating layer 3, and the electrode layer 4, and are joined by the first brazing material. It is constituted by.
  • the surface of the electrode layer 4 is Ni-plated for facilitating bonding (soldering, etc.) with an electronic circuit (not shown. All the embodiments shown below are the same).
  • the stacking order of each layer shown in Fig. 1 is an example, and the heat sink module according to the present invention The stacking order of each layer to be configured is not limited to this.
  • the type of the heat sink material is not particularly limited as long as the thermal expansion coefficient is within the above range. Specifically, SiC, Si N, A1N, BeO, BN, or C is heated as it is.
  • the CZCu composite material is a Cu or Cu alloy melted in the open pores 52 of the porous sintered body 50 (porous body) obtained by prefiring and networking carbon or its allotrope. It is obtained by impregnating 54 and then solidifying the Cu or Cu alloy 54. Details of this CZCu composite material are described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-339022.
  • the C, A1 composite material has the same configuration as the CZCu composite material shown in FIG. That is, the C / A1 composite material is obtained by impregnating molten A1 or A1 alloy in the open pores of a porous sintered body (porous body), and then solidifying the A1 or A1 alloy. is there.
  • Such CZCu composites are extremely low in Young's modulus of CZA1 composites, so that residual stress is unlikely to occur after joining. Therefore, cracks are hardly generated in the electrical insulating layer 3, and the electrical insulating layer 3 is difficult to peel off.
  • the networked base material acts as a matrix and suppresses the thermal expansion of the metal impregnated therein, so that it is smaller than the thermal expansion obtained from stoichiometry, and the network
  • the material has the merit of improving the thermal conductivity of the matrix.
  • the base material include porous bodies including a porous sintered body 130 as shown in FIG.
  • the porous body conceptually includes, in addition to a general porous body, one formed by pressing and solidifying powder, particles, fillers, etc. and having a mesh-like void inside the porous body. It is.
  • the heat conductivity of the heat sink material constituting the heat sink layer 1 is preferably 150 WZmK or more. If it is less than 150 WZmK, the thermal conductivity of the thermal conduction part will not exceed 200 W / mK, or the thermal resistance will not be less than 0.03 K / W, and the thermal conductivity of 230 W / mK, which is a desirable range, will also be exceeded.
  • the thermal resistance will not be less than 0.025 K / W.
  • the speed at which the heat generated by the IC chip 100 with the use of the electronic component 11 is transmitted to the outside of the electronic component 11 becomes slow, and it becomes difficult to keep the temperature of the electronic component 100 constant.
  • the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the heat sink material C constituting the heat sink layer 1 such as C simple substance, SiC simple substance, CZCu composite material, and CZA1 composite material, etc.
  • the thermal expansion of impregnated ceramics is a ceramic matrix that is a networked matrix (SiC, SiN, A1N, BeO, BN, or C).
  • the dimensions of the heat sink layer 1 ensure the strength for fixing to the heat-dissipating and cooling unit 7, and can sufficiently prevent the heat generated by the electronic circuit chip force such as the IC chip 100 disposed on the electrode layer 30. It is determined in consideration of transmission to the minute. Specifically, the thickness of the heat sink layer 1 is preferably 1 to 30 mm. In addition, this thickness also takes into account thermal conductivity, thermal resistance, and stress relaxation effects. If the heat sink layer is too thin, the electrode cannot withstand the stress generated between the solder for soldering the electronic circuit, the intermediate layer, the lower layer, and the cooling heat sink. Also, if the heat sink layer is too thick, it will be difficult to achieve downsizing and the thermal resistance will increase. In order to realize a heat sink module that is compact and has excellent heat dissipation, the volume of the heat conduction part is preferably 12000 mm 3 or less. Beyond this, the entire module becomes large and does not contribute to downsizing.
  • the intermediate layer 2 is a layer that can relieve the thermal expansion difference between the electrical insulating layer 3 and the heat sink layer 1 during thermal shock, and is made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy. It is a layer that is composed. By providing the intermediate layer 2, it is possible to improve the bonding property of the heat sink module 10 as a whole and to improve the thermal shock resistance.
  • the thickness of the intermediate layer 2 is preferably 0.05 to 3. Omm, more preferably 0.05 to: L Omm. As long as the thermal expansion difference between the electrical insulating layer 3 and the heat sink layer 1 is alleviated, it is effective even if the thickness is thin.
  • the volume of the intermediate layer 2 in particular, by making the influence on the thermal expansion equal to the upper and lower sides of the insulating layer 3 including the volume ratio (considering the effect of the thermal expansion coefficient and its volume) The upper and lower balance of layer 3 is improved.
  • the electrical insulating layer 3 is a layer made of a material that can be electrically insulated between the electrode 4 layer and the intermediate layer 2.
  • the layer is made of a material such as A1N or SiN. It is. A1N or Si N
  • the coefficient of thermal expansion of the electrical insulating layer 3 is almost the same as the coefficient of thermal expansion of the electronic circuit chip including the IC chip 16.
  • the minimum thickness is set to a thickness that can ensure the insulation of the current flowing through the electrode layer 4.
  • the maximum thickness of the electrical insulating layer 3 is determined by the value of thermal resistance. The thicker is more advantageous in terms of strength. Heat conduction as a force circuit tends to decrease. Accordingly, the maximum thickness of the electrical insulating layer 3 is preferably 0.1 to 2. Omm, and more preferably 0.1 to 1. Omm.
  • an insulation distance In order to ensure electrical insulation, it is important to secure an insulation distance. Specifically, it is 2 mm or more, preferably 2.5 mm or more, more preferably 3 mm or more. For this reason, the size of the electrode 4 to be joined, the heat sink layer 1 and the intermediate layer 2 is also selected so as to secure the insulation distance. Furthermore, if a conductor or the like adheres to the surface of the insulating layer 3 during bonding after securing an insulation distance, it must be removed by a physical method such as blasting or a chemical method such as etching. .
  • the electrode layer 4 is a layer composed of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy.
  • the dimensions, particularly the minimum thickness, of the electrode layer 4 are determined by the current density of the current flowing through the electrode layer 4.
  • the maximum thickness is determined by the control target for thermal shock resistance after bonding.
  • the maximum thickness of the electrode layer 4 is preferably 0.05 to 2. Omm, more preferably 0.1 to 1. Omm! /.
  • the lower layer 65 is laminated as shown in FIG. 8 and the like, the lower layer 65 is preferably the same thickness as the electrode layer 4, but the lower layer 65 is directly connected to the electronic circuit. Since there is no bonding, the thickness can be determined arbitrarily. Needless to say, the thickness is determined by ensuring the desired thermal conductivity and the thermal shock test to ensure the reliability of the module (for example, 1000 repetitions from 40 ° C to 150 ° C). Can be cleared 3000 times) and handling It is determined in consideration of the warped shape of the joined body.
  • At least the installation surface 45 of the heat radiation cooling unit 7 is made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy. Since the installation surface 45 is made of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy, the heat sink layer 1 and the installation surface 45 can be bonded to each other under pressure using a second brazing material. it can.
  • the overall heat of the heat radiating and cooling unit 7 may be composed of Cu, Cu alloy, Al, or A1 alloy.
  • two heat conducting portions 5a and 5b are joined to the two installation surfaces 45 of the heat radiating and cooling portion 7, respectively.
  • the heat conducting portions 5a and 5b are joined to the installation surface 45 by the second brazing material in a state where these heat sink layers 1 are arranged on the installation surface 45.
  • the two heat conducting parts 5a and 5b are joined and disposed via the heat radiation cooling part 7, thereby providing a symmetric (target shape).
  • the heat conduction part is arranged at the top and bottom.
  • the heat conduction part is arranged on the top, bottom, left and right (not shown), and hexagonal and octagonal (none are shown).
  • hexagonal and octagonal one are shown.
  • the same effect can be expected by arranging them.
  • it is possible to save space by providing an installation surface (for example, a hexagonal shape, a regular icosahedron, or a shape like a soccer ball) (not shown) on the heat-radiating and cooling part that is nearly spherical.
  • the stress balance can be improved even if it is not a perfect symmetric shape.
  • the heat conduction part is provided only on one side of the heat-dissipation cooling part, it is not provided, but it is simulated by controlling the thickness of the side.
  • the stress balance can be improved, and a slight angle (for example, V shape or ⁇ shape between two heat conduction parts) is also effective (not shown).
  • one heat release cooling section 7 has an installation surface 45 on which two or more heat conducting sections 5a and 5b can be installed. Therefore, the heat sink module 10 of the present embodiment can arrange many electronic circuit chips (IC chip 100) in a limited space, and is excellent in space saving.
  • the first brazing material is a brazing material containing one or more elements (active elements) belonging to Groups 2A, 3A, 4A, 5A, or 4B of the periodic table I prefer that. like this
  • the bonding between each layer and between the heat-dissipating cooling part and the heat sink layer is performed under pressure.
  • the thickness of the brazing material can be controlled by the pressurizing condition or the like. Therefore, it is possible to provide a heat sink module with excellent heat dissipation as compared with a solder layer with a thickness of several hundreds / zm, which is used for joining layers.
  • the average thickness of the first brazing material and the second brazing material after joining is preferably 50 m or less, more preferably 10 m or less, considering thermal conductivity. It is particularly preferred that This thickness can be controlled by pressing conditions.
  • first brazing material examples include Ag-Cu-Ti brazing material, Ag-Cu-In-Ti brazing material, and the like.
  • the active metal of these brazing materials is Ti.
  • the first brazing material and the second brazing material may be the same or different.
  • a low melting point brazing material such as A1 brazing material as the first brazing material.
  • the second brazing material can be selected in the same manner as when the first brazing material is used, and may be the same component. Furthermore, when joining the heat conduction part and the heat radiation cooling part joined by the first brazing material, it belongs to the 2A group, 3A group, 4A group, 5A group or 4B group of the periodic table.
  • a low melting point brazing material (such as solder) containing Sn or the like that also selects the upper elemental force may be used.
  • Ni plating or the like is applied to the surface of the lower layer 65, and bonding is easy because no pressure is required. It is also possible to apply pressure to improve the bondability.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the heat sink module of the present invention.
  • the convex portion 8 is formed in the flow path 16 of the heat radiation cooling section 17, and the inner wall surface of the flow path 16 is formed in a concave convex shape.
  • the inner wall surface of the flow path 16 is formed in an uneven shape, a turbulent flow is likely to occur when a cooling medium such as water flows in the flow path 16.
  • the contact area between the cooling medium and the heat radiation cooling unit 17 is increased, and the heat generated in the IC chip 100 can be released to the outside more efficiently.
  • reference numeral 21 denotes an electronic component.
  • the mesh member 9 is disposed in the flow path 26 of the heat radiation cooling unit 27. Since the mesh member 9 is disposed in the flow path 16, turbulence is likely to occur when a cooling medium such as water flows in the flow path 16, and heat generated in the IC chip 100 is more efficiently generated. Can be released to the outside.
  • reference numeral 31 denotes an electronic component.
  • the shape of the portion corresponding to the installation surface 45 of the heat radiating and cooling unit 37 has a thin portion 12 and a thick portion 13. It is preferable that As described above, the shape of the portion corresponding to the installation surface 45 of the heat-dissipating cooling unit 37 is a shape having the thin-walled portion 12, so that the IC chip 100 disposed on the electrode layer 4 and the flow path 36 can be connected. The distance can be shortened. Therefore, the heat dissipation efficiency can be further improved.
  • the thickness force of the thin portion 12 is preferably 0.1 to 50 mm.
  • the thickness of the thin wall portion 12 is determined by heat balance, thermal stress, and weight, but is more preferably 0.1 to 20 mm, and particularly preferably 0.1 to 5 mm. . If the thickness of the thin portion 12 is less than 0.1 mm, wear due to erosion may occur.
  • reference numeral 41 denotes an electronic component.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating an embodiment of a method for manufacturing a heat sink module according to the present invention.
  • the heat sink layer 1, the intermediate layer 2, the electrical insulating layer 3, and the electrode layer 4 are disposed on the two installation surfaces 45 of the heat radiation cooling unit 7. Laminate in order.
  • the first brazing material 15 is interposed between the heat sink layer 1, the intermediate layer 2, the electrical insulating layer 3, and the electrode layer 4.
  • a second brazing material 25 is interposed between the heat sink layer 1 and the installation surface 45 of the heat radiation cooling unit 7.
  • Heat conduction part 5a on the two installation surfaces 45 of the heat radiation cooling part 7 by raising and lowering the temperature while applying the pressure of LOMPa.
  • the heat sink module 10 to which 5b is bonded can be obtained.
  • the heat sink layer 1, the intermediate layer 2, the electrical insulating layer 3, and the electrode layer 4 are joined by the first brazing material 15 and the heat conducting portion 5 a. Therefore, these layers are strongly bonded to each other.
  • the heat sink layer 1 and the heat-dissipating cooler 7 are firmly joined because the heat sink layer 1 and the heat dissipating cooler 7 are joined by the second brazing material 25. Furthermore, since the first brazing material can be made thin by adjusting the pressurizing conditions, the heat sink module 10 having a short heat conduction distance V and excellent heat dissipation efficiency can be manufactured.
  • the electrode layer 4 of the manufactured heat sink module 10 is formed in a desired circuit pattern. Specifically, first, a resist for circuit formation is printed on the entire surface of the electrode layer 4. After the printed resist is not etched, only a portion is selectively hardened, and then a non-cured portion is removed to expose a part of the electrode layer 4. Next, when the exposed electrode layer 4 (for example, Cu) is etched with a salty cupric aqueous solution, the electrode layer 4 can be formed into a desired pattern. In order to remove the brazing material between the patterns, it is sufficient to sequentially wash with an acidic ammonium fluoride aqueous solution and water. Thereafter, a protective layer such as Ni—P plating may be formed on the pattern surface.
  • a protective layer such as Ni—P plating may be formed on the pattern surface.
  • the electronic circuit is bonded directly to the bonded electrode surface by solder.
  • the electrode layer 4 it is better to join the electrode layer 4 to which Ni plating has been applied in advance. Needless to say, there is no problem even if there is a mess after joining.
  • the insulation layer 3 is bonded to a size that can ensure a predetermined insulation distance rather than the electrode layer 4 as shown in the examples in FIG. The If a circuit pattern is to be formed, it should be formed so that a predetermined insulation distance can be secured. In this case, the size of the electrode layer 4 and the insulating layer 3 at the time of bonding may be the same.
  • At least the installation surface of the heat-dissipation cooling section is made of Cu, Cu alloy, Al, or Al alloy.
  • a partially unjoined part that does not join well may occur. If the pressure applied to avoid the occurrence of such an unjoined portion is increased, the installation surface of the heat-dissipation cooling section may be softened and deformed.
  • at least the installation surface of the heat-dissipating cooling section is made of CuCr, which is a high thermal conductivity material with superior high-temperature strength compared to Cu alone. It is preferable to use a structure such as that because it is possible to avoid the formation of unjoined parts while maintaining excellent thermal conductivity.
  • the interleaving paper include carbon sheet, paper, metal thin plate, ceramic plate and the like.
  • the thickness of the slip sheet is preferably 0.1 to LOmm.
  • a plurality of metal plates 60 and 70 that are plate-like members are laminated, and these are formed by the third brazing material 35.
  • a heat radiation cooling section 7 (see FIG. 1) having a flow path 6 (see FIG. 1) through which the cooling medium flows can be joined.
  • the third brazing material 35 can be the same as the first brazing material and the second brazing material described above (a brazing material containing a predetermined active element).
  • the coefficient of thermal expansion of the member (metal plate 70) other than the member (metal plate 60) that includes the installation surface includes the installation surface. It is preferable that the coefficient of thermal expansion of the member (metal plate 60) is low.
  • the metal plate 70 is not a member that directly transfers heat generated by the IC chip or the like provided on the electrode layer 4. For this reason, the metal plate 70 can be made of a material having a lower coefficient of thermal expansion than the metal plate 60. Further, by doing so, for example, when the heat sink layer is thinned, it is possible to avoid problems such as cracks that are likely to occur in the heat sink layer.
  • the metal plate 70 is preferably a plate having CuW, Cu Mo and the like.
  • the material constituting the plate-like member is not limited to metal, and may be alumina or SiN, for example.
  • a method for manufacturing the heat sink module 40 of the embodiment shown in FIG. 4 will be described.
  • a metal plate 65 made of, for example, Cu corresponding to the lower layer is placed on an appropriate jig (not shown). To do.
  • the heat sink layer 1, the intermediate layer 2, the electrical insulating layer 3, and the electrode layer 4 are laminated in this order.
  • the first brazing material 15 is interposed in the joining.
  • a second brazing material may be interposed between the metal plate 65 and the heat sink layer 1.
  • the heat conducting portions 5a and 5b By heating and lowering the pressure while applying a pressure of 0.2 to 10 MPa in a moderate vacuum, it is possible to manufacture the heat conducting portions 5a and 5b having the metal plate 65 disposed on the lower surface thereof. .
  • the produced heat conducting portions 5a and 5b are laminated with metal plates 75 and 80 having a predetermined shape with the third brazing material 35 interposed therebetween.
  • 0.2 ⁇ The shape of the part corresponding to the installation surface 45 of the heat-dissipation cooling part 37 is changed to the thin-walled part 12 and the thick-walled part by raising and lowering the temperature while applying the LOMPa pressure.
  • a heat sink module 40 having a shape having 13 can be manufactured.
  • the melting points of the third brazing material 35 used for joining the metal plates 75, 80 and the heat conducting portions 5a, 5b and the metal plate 75 produce the heat conducting portions 5a, 5b.
  • the melting point of the first brazing material 15 and the second brazing material 25 (see FIG. 7) used for this purpose is preferably lower.
  • the third brazing material which has a lower melting point than the first brazing material and the second brazing material, the first brazing material and the second brazing material are heated at the time of temperature rise when obtaining the heat sink module. It is possible to manufacture a more reliable heat sink module that is less likely to be deformed and that is unlikely to melt.
  • FIG. 11 shows an embodiment in which the laminated structure is changed.
  • An intermediate layer 2, a heat sink layer 1 and an electrode layer 4 are disposed on the insulating layer 3.
  • This structure has an advantage that a heat capacity for storing heat generated on the electrode layer 4 can be secured.
  • Ni plating may or may not be performed for joining the lower layer 65 and the heat radiation cooling unit 7.
  • FIG. 12 shows an embodiment in which the heat conducting portions 5 c and 5 d joined in FIG. 11 are joined to the heat radiation cooling portion 7 with the second brazing material 25. This joining does not necessarily require pressure depending on the type and thickness of the brazing material.
  • FIG. 13 shows an embodiment in which the heat conducting portions 5 a and 5 b joined in FIG. 7 are joined by the heat radiation cooling portion 7 and the second brazing material 25. This bonding does not necessarily require pressure depending on the type and thickness of the brazing material.
  • the power of the lower layer 65, which has already been described, and the laminated structure, etc. are not limited to the examples described above. In this case, the conditions such as the non-pressurization method and the pressurization method are selected in consideration of the selection of the brazing material, the material and size of the heat sink material, the thickness of each layer, the conditions arising from the manufacturing equipment, etc.
  • the power of the lower layer 65 which has already been described, and the laminated structure, etc.
  • FIG. 14 shows an embodiment of a module that is currently on the market and used in a hybrid car!
  • the substrate 70 three-layer structure of aluminum, aluminum nitride, and aluminum
  • CuMo heat sink material 1 are joined together by solder 70.
  • Table 14 shows the difference between the theoretical value and the actual measurement value for the embodiment of each structure with the heat conduction part 5e shown in FIG. 14 as a benchmark (reference).
  • Table 1 shows the results of Example 1 in the case where specific materials and dimensions are applied to the heat conducting section 5a or 5b in the heat sink module shown in FIG.
  • Table 2 shows the results of Example 2 when specific materials and dimensions are applied to the heat conducting portions 5a and 5b in the heat sink module shown in FIG. 7 or FIG.
  • Table 3 shows the results of Example 3 when specific materials and dimensions are applied to the heat conduction section shown in FIG.
  • Table 4 shows the results of the reference example (Comparative Example 1) when the current marketed product is applied to the heat conducting part 5e in the heat sink module shown in Fig. 14.
  • Table 5 summarizes Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the heat transfer section.
  • the thermal conductivity exceeded 200 WZmK, more preferably 230 W / mK, and there was almost no difference from the theoretical value.
  • the thermal resistance is also less than 0.03 K / W, and more preferably less than 0.025 K / W. This indicates that the bondability is good.
  • the heat capacities up to the substrates are compared, and the amount of heat capacities indicates the degree to which the heat generated during the heat transfer, such as the generation of abrupt heat generation from IGBTs, is stored. Examples 1 and 2 are worse than Comparative Example 1, but Example 3 is very large.
  • Tables 6-9 show examples in the case where the heat conducting section and the heat radiation cooling section are joined.
  • Table 6 shows Example 4 when specific materials and dimensions are applied to the laminated structure shown in FIG.
  • Table 7 shows Example 5 in the case where specific materials and dimensions are applied to the laminated structure shown in FIG.
  • Table 8 shows Example 6 in the case where specific materials and dimensions are applied to the laminated structure shown in FIG.
  • Table 9 shows a comparative example 2 in which the current factory distribution product is applied to the laminated structure shown in Figure 14 as a benchmark.
  • Table 10 shows the overall thermal conductivity and thermal resistivity, and their realization rates.
  • the thermal conductivity exceeds 200 WZmK, and the realization rate is 0.97 or more. It can be seen that there is no void (air layer) etc. that can be joined properly and become thermal resistance. On the other hand, in Comparative Example 2, the thermal conductivity is about half of l lOWZmK (actual measured value), and it is easy for variations to occur. The realization rate is also reduced due to the influence of grease.
  • Example 1 shows Example 1, which shows an example for only the heat conducting portions 5a and 5b in FIG. By describing the size, coefficient of thermal expansion, yield stress, Poisson's ratio, longitudinal elastic modulus, transverse elastic modulus, etc. in the table, it is shown that it is possible to simulate the stress generated in the heat conduction part.
  • Ni plating is applied to the surface of the electrode portion to improve soldering.
  • the thickness of the electrode layer is set to 0.1 mm. This thickness is set in consideration of the effect on the electronic circuit to be soldered.
  • the thickness of the electrode layer varies depending on the solder component and its thickness. For copper or copper alloy, 0.05 force or 0.5 mm is appropriate, and when the electrode layer is aluminum or aluminum alloy, it is 0. 05 to 1.
  • the reason why aluminum and aluminum alloys are thick is that the yield stress is lower than that of copper and copper alloys, so that the generated stress is easily absorbed in the electrode layer.
  • the insulating layer uses SiN. A1N is superior from the viewpoint of heat conduction,
  • Si N is excellent.
  • the intermediate layer is made of Cu.
  • a copper alloy, aluminum or aluminum alloy force can also be selected. This thickness is basically matched to the thickness of the electrode part. When the circuit is cut in the electrode part, the volume should be adjusted. In Example 1, even 0.3 mm related to the heat sink layer could be used.
  • the heatsink layer is a composite material in which a metal is impregnated into a strong bonnet, and a copper alloy (4% Si) is used for the metal. This As described above, various materials can be selected. Especially in the case of composite materials, the bondability between the material to be impregnated and the base material and the control of residual pores are important. For example, when carbon is impregnated with metal and mixed, the hot water flow is improved.
  • an additive element Si that can reduce the residual pores and improve the bondability by forming SiC between the metal and the base material.
  • the additive element is selected in consideration of interaction with the base material and ease of manufacture.
  • the base material is SiC
  • pure copper reacts with SiC, so the selection of the additive element is important.
  • the characteristic values in Table 1 are measured values.
  • the thermal conductivity, thermal resistance, and heat capacity are calculated from the theoretical values of the heat conduction part obtained from the measured values.
  • the measured values were described as the measured values for thermal conductivity and thermal resistance, and the difference between the theoretical values and the measured values was shown as the realization rate.
  • the realization rate is the measured value Z theoretical value for thermal conductivity and the theoretical value Z measured value for thermal resistance.
  • the heat capacity to the insulating substrate is an index for accumulating the heat generated in the electronic circuit.
  • the cooling medium flowing in the heat dissipation cooling body is not regarded as important in water, liquid refrigerant, etc., but air, inert In the case of gas such as gas, it is important because the amount of heat removal is small.
  • the first brazing material used for joining is Ag-Cu-In-Ti, which can be applied to misalignment of joining with Ceramitas and joining metal with composite material, making thin and reliable joining, The
  • Table 2 shows an example related to the structure corresponding to FIG.
  • the difference from Example 1 is in the presence or absence of the lower layer, and this effect can be compared by thermal conductivity and thermal resistance. Similar to Example 1, there is almost no difference between the theoretical value and the actual measurement value, and the result produced by the manufacturing method of the present application shows a measurement result almost the same as the theoretical value. This indicates that the first brazing material is thin and can be joined without impeding heat conduction! /
  • Example 3 shown in Table 3 has a structure shown in Fig. 11 in which the stacking order of the heat conducting portions is changed. The purpose is to increase the heat capacity up to the insulating substrate, and it can be seen that the heat capacity that is important when the medium flowing in the heat-dissipation cooling section is not a liquid but a gas (air, inert gas, carbon dioxide, etc.) is large. . In this case as well, it can be seen that almost ideal bonding is performed with little difference from the theoretical value.
  • Table 4 shows Comparative Example 1 (5e part in Fig. 14), which is an estimate of the current laminated structure and characteristics of a hybrid car. A board with aluminum on top and bottom of aluminum nitride is joined with CuMo by soldering, and the water-cooled heat dissipation cooling part is screwed through conductive grease. Yes. Table 4 shows the thermal conductivity and heat capacity up to CuMo. The reason why the realization rate is lower than that of the example seems to be that voids are likely to occur inside the case of soldering.
  • Table 5 summarizes the thermal conductivity, thermal resistance, and heat capacity up to the substrate, which are important characteristics regarding Example 13 and Comparative Example 4.
  • Each characteristic value shows the theoretical value, actual value, and realization rate of the heat conduction part after joining with the best judgment criteria from ⁇ to ⁇ , ⁇ , and the worst X.
  • Each usable range means ⁇ , desirable range is ⁇ , more desirable range is ⁇ , and target is not achieved.
  • the thermal conductivity exceeds 200 W / mK, and more preferably 230 W / mK.
  • Thermal resistance is also less than 0.025K / W, which is a more desirable range that is very low, 0.03KZW. It can be seen that the realization rate exceeded 0.95 and almost ideal bonding was achieved.
  • the realization rate is an ideal force of 100%, preferably 0.9 or more, more preferably 0.95 or more. In all the examples, it was 0.95 or more.
  • Example 4-6 shown in Table 6 shows the characteristics after joining the facility water cooling part. As the characteristics shown, as in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 above, various values were shown for the heat conduction part. Table 6 shows the case of Figure 1.
  • the heat-dissipation cooling section is 10mm copper and is joined using a second brazing filler metal. This second brazing material is based on Ag-Cu-In-Ti, and it has excellent adhesion even in very thin layers.
  • Thermal conductivity exceeds 200W / mK, while thermal resistance is less than 0.12KZW. Further, the thermal conductivity exceeds 230 WZmK, which is a preferable range, and the thermal resistance is lower than 0.09 K / W. Since the realization rate is also high, it is considered that the joining with the heat radiation cooling part is also good
  • Table 7 shows Example 5 and is the case of FIG.
  • the heat-dissipating cooling section is 10mm aluminum.
  • the second brazing material used here is Sn-based solder.
  • the heat conduction parts 5a and 5b are joined in advance and then joined to the heat-dissipation cooling part.
  • the melting point of 700-800 degrees is 200-300 degrees. Since it has a melting point of C, it can be joined without affecting the joining of the heat conduction part. Even in this case, the preferred range of heat conduction or resistance is satisfactory! /
  • Table 8 shows Example 6 and is the case of FIG.
  • the laminated structure of the heat conduction part is different. This is to increase the heat capacity to the insulating layer.
  • the heat radiation cooling part is joined using the second brazing material used in Example 7.
  • the heat conduction part is in a pre-bonded state Bonding with the second brazing material is performed. In this case, no pressure is applied.
  • it is possible to apply a pressure and aim for a thinner brazing filler metal layer and it is also possible to increase the realization rate of thermal conductivity and thermal resistance. Even in this case, the preferred range of thermal conductivity or thermal resistance is satisfied.
  • Table 9 shows the case of FIG. 14 as a comparative example.
  • the structure is screwed with thermal grease, and the theoretical value of thermal conductivity is low and its realization rate is also low. This is because the presence of voids in the crease and the control of the thickness of the grease are difficult, and it can be seen that the heat transfer capability is only about half that of the present embodiment.
  • the heat-dissipating cooling section was 10mm aluminum.
  • Table 10 compares the thermal conductivity and thermal resistance of Example 46 and Comparative Example 2. Each usable range is indicated by ⁇ , the desired range is ⁇ , the more desirable range is ⁇ , and the target is not achieved by X. All examples show a desirable range of thermal properties. In addition, the realization rate is high, indicating good bondability.
  • Table 11 shows the results of an experiment on whether or not the structure can withstand the cooling test depending on the thickness of the heat sink layer.
  • the cold test was repeated 1000 times from 40 ° C to 150 ° C.
  • the generation of cracks is the result of observation of the electrical insulation layer, heat sink layer, and brazing joint layer.
  • the structure shown in Fig. 1 has the thickness shown in Table 6 except for the heat sink layer. Thermal conductivity and thermal resistance are measured values before testing. Cracks are generated when the heat sink layer is 0.5 mm, but no crack is generated when the heat sink layer is 1.5 mm.
  • Table 12 shows the results of an experiment on whether or not the structure can withstand the cooling test depending on the thickness of the heat sink layer.
  • the structure shown in FIG. 13 has the thickness shown in Table 7 except for the heat sink layer. Thermal conductivity and thermal resistance are measured values before testing. When the heat sink layer is 0.8mm, cracks occur!
  • the electronic component 11 of the present embodiment is required to be installed in a limited space despite being highly integrated, such as an ACZDC conversion module for hybrid vehicles, a current amount adjustment mechanism, a computer, a server, etc. It is suitable as a CPU used in
  • an electronic circuit chip (IC chip 100) is disposed on each of the electrode layers 4 of the two or more heat conducting portions 5a, 5b of the heat sink module 10, a conventionally known method may be followed. Specifically, the IC chip is disposed and fixed via the solder layer 110. For example, a layer such as a Ni layer is provided between the IC chip 100 and the solder layer 110. To improve the wettability of the IC chip 100 and the solder layer 110 and to make the electronic component 11 more reliable. I like it.
  • the solder layer 110 is preferably a layer that also has lead-free soldering power, because it can reduce environmentally hazardous substances!
  • the heat sink module and electronic component of the present invention include, for example, an AC for a hybrid vehicle.
  • Suitable as PU and the like are Suitable as PU and the like.

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Abstract

　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提供する。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１、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる中間層２、電気絶縁層３、及びＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、又はＡｌ合金からなる電極層４が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５ａ，５ｂと、二以上の設置面４５を有する放熱冷却部７とを備え、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合金からなり、これら二以上の設置面４５上に、二以上の熱伝導部５ａ，５ｂが、それぞれのヒートシンク層１が配置された状態で第二のろう材により接合されてなるヒートシンクモジュール１０である。

Description

明 細 書
ヒートシンクモジュール及びその製造方法
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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。
[0003] 半導体装置の熱破壊防止等を考慮した熱設計にぉ 、ては、半導体装置のケース（ ノ 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 、銅やアルミニウム等の金属材料が使用されて 、る。
[0004] 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。
[0005] 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力 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)。
[0006] 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 (CZCu複合材料 )、或 ヽはカーボン (C)とアルミニウム (A1)との複合材料 (CZA1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、金属材料力もなる中間層 22、セラミック力もなる電気絶縁層 23、及び電極層 2 4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つ 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。
[0007] 電子回路チップ力 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。し力しながら、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ベぐ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。
[0008] 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 問題を解消すベぐ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。
特許文献 1：特開 2001— 339022号公報
特許文献 2 :特開 2002— 43482号公報 発明の開示
[0009] 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ユー 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。
[0010] 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等力 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。
[0011] 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。
[0012] [1]熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金カゝらなる中間層、電気絶縁層、及び Cu、 Cu合金、 A1 、又は A1合金カゝらなる電極層が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 A1合金カゝらなり、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。
[0013] [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メツキが施された前記 [1]に記載のヒートシンクモジュール。
[0014] [3]熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金力もなる中間層、電気絶縁層、 Cu、 Cu合金、 Al、又 は A1合金カゝらなる電極層、及び Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金カゝらなる下部層が積 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 A1合金力もなり、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。
[0015] [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メツキが施された前記 [3]に記載のヒートシンクモジュール。
[0016] [5]Niメツキの厚さが 2 /z m以上である前記 [2]又は [4]に記載のヒートシンクモジュ 一ノレ。
[0017] [6]前記熱伝導部の熱伝導率が 200WZmKを越える力、又は熱抵抗率が 0. 03K ZW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!、ずれかに記載のヒートシンクモジュール。
[0018] [7]前記熱伝導部の熱伝導率が 230WZmK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を越えるカゝ、又は熱抵抗が 0. 09K/W以下である、前記 [1]〜[5 ]の！、ずれかに記載のヒートシンクモジュール。
[0019] [8]前記熱伝導部のヒートシンク層の厚さが lmm以上であり、一つ当りの熱伝導部 の体積が 12000mm3以下である前記 [1]〜 [7]の!、ずれかに記載のヒートシンクモ ジュール。
[0020] [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！、ずれかに記載のヒートシンクモジュール。
[0021] [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！、ずれかに記載のヒートシンクモジュール。
[0022] [11]前記ヒートシンク材が、 SiC、 Si N
3 4、 A1N、 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 A1合金が含浸された複合材料である 前記 [ 1]〜 [ 10]の!、ずれかに記載のヒートシンクモジュール。
[0023] [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。
[0024] [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 4
A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!、ずれかに記載のヒートシンクモジュール。 [0025] [14]前記電気絶縁層が、 A1N又は Si N力 なる層である前記 [1]〜[13]のいずれ
3 4
かに記載のヒートシンクモジュール。
[0026] [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、前記薄肉部の厚み力 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。
[0027] [16]熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層 、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金力もなる中間層、電気絶縁層、及び Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金カゝらなる電極層を積層するとともに第一のろう材により接合して得ら れるニ以上の熱伝導部を、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 A1合金カゝらなり、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。
[0028] [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メツキが施された前記
[16]に記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
[0029] [18]熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層 、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金力らなる中間層、電気絶縁層、 Cu、 Cu合金、 Al、 又は A1合金からなる電極層及び Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金カゝらなる下部層が積 層され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 A1合金カゝらなり、 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
[0030] [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メツキが施された前記 [18]に記載のヒートシンクモジュールの 製造方法。
[0031] [20]前記 Niメツキの厚さが 2 m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。
[0032] [21]前記熱伝導部の熱伝導率が 200WZmKを越える力、又は熱抵抗率が 0. 03 KZw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
6]〜 [20]の!、ずれかに記載のヒートシンクモジュール製造方法。
[0033] [22]前記熱伝導部の熱伝導率が 230WZmK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を越える力、又は熱抵抗が 0. 09K/W以下である、前記 [16]
〜 [20]の!、ずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
[0034] [23]前記熱伝導部のヒートシンク層の厚さが lmm以上であり、一つ当りの熱伝導部 の体積が 12000mm3以下である前記 [16]〜 [22]の!、ずれかに記載のヒートシンク モジュールの製造方法。
[0035] [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!、ずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
[0036] [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!、ずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
[0037] [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。
[0038] [27]前記ヒートシンク材が、 SiC、 Si N、 A1N、 BeO、 BN、又は Cからなる材料、も
3 4
しくはこれを母材にし、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金が含浸された複合材料である 前記 [16]〜 [26]の!、ずれかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
[0039] [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。
[0040] [29]前記電気絶縁層が、 A1N又は Si N力 なる層である前記 [16]〜[28]のいず
3 4
れかに記載のヒートシンクモジュールの製造方法。
[0041] [30]前記電気絶縁層である A1N又は Si N力 なる層の表面をブラスト又はエツチン
3 4
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。
[0042] [31]前記 [ 1 ]〜 [ 15]の!、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。
[0043] [32]前記半田層が、鉛フリー半田力 なる層である前記 [31]に記載の電子部品。
[0044] 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 ヽ ると 、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。
図面の簡単な説明
[0045] [図 1]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 2]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 3]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。
[図 4]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。
[図 5]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 6]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。
[図 7]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。
[図 8]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。
[図 9]CZCu複合材を示す拡大断面図である。
[図 10]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。 [図 11]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 12]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。
[図 13]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。
[図 14]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
[0046] 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、 10 0:ICチップ、 110:半田層、 120:CZCu複合材、 130:多孔質焼結体、 140:開気 孔、 150:01又は01合金
発明を実施するための最良の形態
[0047] 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ぐ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。
[0048] 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メツキが施されて ヽ る（図示せず。以下に示す実施形態は全て同じ。 )o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。
[0049] ヒートシンク層 1は、熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6ZK、好ましくは 2 X 10— 6〜6 X 1 0— 6Ζ ：、更に好ましくは 3 X 10— 6〜5 X 10— 6Ζκ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 X 10— 6Ζκ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 X 10
Ζκ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。
[0050] 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、 Si N、 A1N、 BeO、 BN、又は Cをそのままヒート
3 4
シンク材として使用する力、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 (CZCu複合材等)や、前記母材に、 A1又は A1合金が含浸された複合材料 (C ZA1複合材等)であることが好ましい。 CZCu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 CZCu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, A1複合材も、図 9に示す CZCu複合材と同様の構成を有するものである。即ち、 C/ A1複合材は、多孔質焼結体 (多孔体)の開気孔内に溶融した A1又は A1合金が含浸 され、次いで、この A1又は A1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 CZCu複合材ゃ CZA1複合材のヤング率は極端に低 、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。
[0051] 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、又はフイラ一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。 [0052] 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、 150WZmK以上であるこ とが好ましい。 150WZmK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 1 1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カ C単体、 SiC単体 や上述した CZCu複合材ゃ CZA1複合材等カゝ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、 Si N、 A1N、 BeO、 BN、又は C)であるセラミックス等力 含浸された金属の熱膨張を
3 4
抑制する効果をねらったものである。
[0053] 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力も発生した熱を十 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 、るのは 、うまでもな 、。ヒートシンク層があまり薄 、と電極ゃ電 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 きくなつてしまう。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 12000mm3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。
[0054] 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 A1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. Omm、より好ましくは 0. 05〜： L Ommである。電気絶縁層 3とヒー卜 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力 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。
[0055] 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カゝらなる 層であり、例えば、 A1N、 Si N等の材料によって構成される層である。 A1Nや Si N
3 4 3 4 で電気絶縁層 3を構成した場合には、電気絶縁層 3の熱膨張率力 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力もなる層であるため、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力 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. Ommであることが好ましぐ 0. 1〜1. Ommである ことが更に好ましい。
[0056] 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。
[0057] 電極層 4は、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1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. Ommであること力好ましく、 0. 1〜1. Ommである更に好まし!/、。
[0058] 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°Cか ら 150°C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。
[0059] 放熱冷却部 7の少なくとも設置面 45は、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1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 A1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の全体力 Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金 によって構成されて 、てもよ 、。
[0060] 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 1 、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 配置されている力 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つても同様な効果 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 1 2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 、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
[0061] 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 、。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/ z m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 50 m以下であることが好ましぐ 10 m以下であるこ とが更に好ましぐ 5 m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 つて制御可能である。
[0062] 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、 A1や A1合金力もなるものである場合には、第一のろう材として、 A1ろう 等の低融点のろう材を用いることが適切である。
[0063] 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族に属するー以 上の元素力も選択される 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メツ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。
[0064] 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ユー 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。
[0065] 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 2 7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。
[0066] 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 3 7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の厚み力 0. l〜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. l〜20mmであることが更に好ましぐ 0. l〜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。
[0067] 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〜： LOMPa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。 [0068] 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 V、、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。
[0069] 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 、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)を塩ィ匕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 フッ化アンモニゥ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メツキを施した電極層 4を接合した方が良い。無論接合後にメツキしても 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ょ ヽ。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。
[0070] 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ベぐ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 、。
[0071] 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ベぐクッション性 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〜： LOmmとすることが好ましい。
[0072] 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、製造ェ 程を簡略ィ匕することができる。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。
[0073] 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 チップ等力 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、 Cu Mo等力も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 Si Nであってもよい。
3 4
[0074] 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〜： LOMPa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。
[0075] 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 出す恐れがなぐ変形等の生じ難い、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。
[0076] 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メツキを施しても良い し、施さなくても良い。
[0077] 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。 [0078] 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力 下部層 65のメツキ 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!、るハイブリッドカーに用いられて!/、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。
実施例
[0079] 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っ 、て示したものである。
[0080] 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〖こ 示すヒートシンクモジュールにおける熱伝導部 5eに現行巿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。
[0081] 実施例 1〜3は、いずれも熱伝導率は 200WZmK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。
[0082] 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に示す積層構造にぉ ヽて、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、現行巿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。
[0083] 実施例 4〜6では熱伝導率は 200WZmK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 l lOWZmK (実測値)と半分程度であり、ばらつきを生じ 易 、。グリースの影響を受けて実現率も小さくなつて 、る。
[0084] 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メツキを施している 。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力ら 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. Omm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 、ため、発生する応力を電極層内で吸収しやす 、た めである。絶縁層は Si Nを採用している。熱伝導の観点からは A1Nが優れているが
3 4
強度の観点では、 Si N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
3 4
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 ミ合金力も選択可能である。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カゝら 0. 3mmでも使用可能であった。ヒートシンク層は、力 一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ィ匕する際には、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っ ヽて記載し、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 Z理論値、熱抵抗では理論値 Z実測値としている。
[0085] 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系でありセラミタスとの接合、複合材との接合金属の 接合の 、ずれにも適用でき、薄くかつ確実な接合ができて 、る。
[0086] 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ぐ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 、接合ができて 、ることを示して！/、る。
[0087] 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ぐほぼ理想的な接合 が実施されて 、ることがわかる。
[0088] 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。
[0089] 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◎から〇、△、最も 劣る X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△、望ましい範囲が〇、更に望ましい範囲が◎、目標未達が X、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. 03KZWと非常に低ぐ更に望ましい範 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%が理想である力 望ましくは 0. 9以上、 更〖こ望ましくは 0. 95以上である。実施例では全て 0. 95以上であった。
[0090] 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 ヽる。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. 12KZW以下 である。更に好ましい範囲である熱伝導率 230WZmK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
[0091] 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— 111 1系では700— 800°〇の融点に対し、 200— 300°Cの融点を持っため熱伝導 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 、範囲は満足して！/、る。
[0092] 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 ヽ範囲 は満足している。
[0093] 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。
[0094] 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△、望ましい範囲が〇、更に望ましい範囲が◎、目標未達が X、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。
[0095] 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°Cから 150°C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では発生がなくなつている。
[0096] 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!/ヽるが 1. Ommでは発生がなくなって ヽる。
[0097] [表 1] 実施例 1 (下部層なし)
図 1 5a、 5b相当品
理実実
測現
率直
Figure imgf000025_0001
0.01981 7.76369 0.01993
0.994
実施例 2(下部層あり）
図 7相当品 図 13 5a5b
実実
測現
率直
Figure imgf000026_0001
0.02042 11.79932
0.02080
0.98
^20098 星0 実施例 3
ί¾ 図 1 1相当品
理実実
測現
率直
Figure imgf000027_0001
0.02309 31.89641
0.02350
0.98
^00993 比較例 1
現行市場流動品 図 14 5e
理実実
Figure imgf000028_0001
測現
率直 0.04077 30.34373
0.0441
0.92
0
Figure imgf000029_0001
¾0101 実施例 4
放熱冷却板直接ろう付
¾010
Figure imgf000030_0001
14.722 293.8559555
288 0.980
Figure imgf000030_0002
0.05210 0.962 理実実実実
測現測現
率値率値
実施例 5
図 1 3
0104
Figure imgf000031_0001
5.726 269.0991567
260 0.97
Figure imgf000031_0002
0.05844 0.06100 0.96 実実
測現
理実実率直
測現
値率
Figure imgf000032_0001
〔01 O
Figure imgf000032_0002
0.06112 0.06350 0.96 理実実
測現
値率
比較例 2
SSS01 OI 現行市場流動品
Figure imgf000033_0001
0.12136 0.141 0.86 理実実
論測現
値値率
実施例 6~8、比較例 2のまとめ Ss01cI
Figure imgf000034_0001
信頼性試験まとめ 2
Figure imgf000035_0001
^¾0101
Figure imgf000036_0001
[0109] 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 ー ー
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 ACZDC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。
[0111] 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力 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、鉛フリー半田力も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!/、。
産業上の利用可能性
[0112] 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
ZDC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 c
PU等として好適である。

Claims

請求の範囲
[1] 熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6Ζκであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層、 Cu 、 Cu合金、 Al、又は A1合金力もなる中間層、電気絶縁層、及び Cu、 Cu合金、 Al、 又は A1合金カゝらなる電極層が積層されるとともに第一のろう材により接合されたニ以 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 A1合金力ゝらな 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メツ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 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層、 Cu 、 Cu合金、 Al、又は A1合金力もなる中間層、電気絶縁層、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A 1合金カゝらなる電極層、及び Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金カゝらなる下部層が積層さ 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 A1合金力ゝらな 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メツ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メツキの厚さが 2 μ m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 200WZmK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を越えるカゝ、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 230WZmK以上、又は熱抵抗率が 0. 025KZW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を越える力、又は熱抵抗が 0. 09K/W以下である、請求項 1〜5の
V、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 lmm以上であり、一つ当りの熱伝導部の 体積が 12000mm3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
V、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、 Si N 、 A1N、 BeO、 BN、又は Cからなる材料、もしくはこれを母材にし、
3 4
Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金が含浸された複合材料である請求項 1〜： L0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 1〜1
2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、 A1N又は Si Nからなる層である請求項 1〜13のいずれか一
3 4
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. lmm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ユーノレ。
[16] 熱膨張率が 1 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層、 Cu 、 Cu合金、 Al、又は A1合金力もなる中間層、電気絶縁層、及び Cu、 Cu合金、 Al、 又は A1合金カゝらなる電極層を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 A1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メツキが施された請求項 1 6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 X 10— 6〜8 X 10— 6ZKであるヒートシンク材カもなるヒートシンク層、 Cu 、 Cu合金、 Al、又は A1合金力もなる中間層、電気絶縁層、 Cu、 Cu合金、 Al、又は A 1合金からなる電極層及び Cu、 Cu合金、 Al、又は A1合金カゝらなる下部層が積層され 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 A1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メツ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メツキの厚さが 2 m以上である請求項 17又は 19に記載のヒートシンクモジ ユールの製造方法。
[21] 前記熱伝導部の熱伝導率が 200WZmK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を越える力、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 230WZmK以上、又は熱抵抗率が 0. 025KZW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を越える力、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 lmm以上であり、一つ当りの熱伝導部の 体積が 12000mm3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、 Si N、 A1N、 BeO、 BN、又は Cからなる材料、もしくはこれを母材にし、
3 4
Cu、 Cu合金、 Al、又は A1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、 A1N又は Si Nからなる層である請求項 16〜28のいずれか一
3 4
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 A1N又は Si N力 なる層の表面をブラスト又はエッチング
3 4
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、鉛フリー半田力もなる層である請求項 31に記載の電子部品。
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