(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートシンクの表面側にセラミックスがろう付けされると共に、そのヒートシンクの裏面側に異種材がろう付けされたものにおいて、異種材とヒートシンクとの間に電位差腐蝕が生じないものを提供する。【解決手段】ヒートシンク２の表面側にセラミックス１がろう付けされると共に、そのヒートシンク２の裏面側に異種材３がろう付けされたものにおいて、異種材の外周にヒートシンクの金属材と同一の金属材よりなるカバープレート４をろう付けして、異種材の外周を完全に液密に被蔽する。【選択図】図１
2010205981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品接合用の絶縁用セラミックス(1) が、表面にろう付けされた偏平な金属製のヒートシンク(2) において、
そのヒートシンク(2) の裏面で、前記セラミックス(1) のろう付け位置の真裏に、平面形状を有し、その線膨張係数がヒートシンク(2) よりも小さい金属板からなる異種材(3) がろう付けされ、
その異種材(3) の外周に、前記ヒートシンク(2) の金属材と同一の金属材よりなるカバープレート(4)がろう付けされて、前記異種材(3) の外周が完全に液密に被蔽されたことを特徴とする異種材内蔵ヒートシンク。
【請求項２】
請求項１において、
複数の前記絶縁用セラミックス(1) が互いに離間して前記ヒートシンク(2) の表面にろう付けされ、その裏面に各セラミックス(1) に対応して複数の前記異種材(3) がろう付けされ、各異種材(3) に整合した位置で、その複数の異種材(3) がそれぞれ嵌着するように、複数の嵌着孔(5a)を有する中間プレート(5)が前記ヒートシンク(2) の裏面にろう付けされると共に、その中間プレート(5)の外面に前記カバープレート(4)がろう付けされた異種材内蔵ヒートシンク。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
伝熱用のグリスを介して、平坦に形成された前記カバープレート(4)の外面に被冷却用の他の電子部品が接続される異種材内蔵ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種半導体素子等の電子部品を冷却するヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路や各種半導体等の電子部品を冷却するヒートシンクは、内部に冷却水が流通する偏平なヒートシンク本体の外面に、電子部品接合用の絶縁用セラミックスがろう付けされ、そのセラミックス上に電子部品がろう付け固定される。このセラミックスはアルミナやベリリア等が使用されている。ヒートシンク本体は、アルミニウム材等からなり、その線膨張率は絶縁用セラミックスのそれに比べて大きい。そのため、ろう付け後に両者の線膨張率差に基づき、バイメタルの作用でヒートシンク本体に反りが発生し、セラミックスに亀裂が生じる等の各種不都合が起こる。
【０００３】
即ち、図１１（Ａ）に示す如く、セラミックス１とアルミニウム製のヒートシンク２との間を６００℃程度でろう付けするとき、そのセラミックス１およびヒートシンク２は共に、その温度で熱膨張した状態にある。そして、それを常温に冷却固化すると（Ｂ）に示す如く、セラミックス１、ヒートシンク２は膨張した分だけ収縮する。このときセラミックス１の収縮しろｂはヒートシンク２の収縮しろａよりも小さい。すると、（Ｃ）の如くセラミックス１とヒートシンク２の境界部分においてセラミックス１は引伸ばされるひずみが生じると共に、ヒートシンク２は収縮するひずみが生じる。その結果、（Ｃ）の如く両者の境界部が上側に凸湾曲する。
すると、図１３の如くヒートシンク２の下面側にも電子部品６を取り付けるとき、それとヒートシンクとの間に隙間が生じ、伝熱性が著しく低下する不都合が起こる。それと共に、前記の如くセラミックス１に亀裂等が生じる。
そこで、ヒートシンクのセラミックスが固着される面と反対の面にヒートシンクの線膨張率より小さい金属板を設け、反りを補正するものが提案されている。
【０００４】
即ち、図１２の（Ａ）の如く、アルミニウム製ヒートシンク２の一方の面にセラミックス１をろう付けすると共に、他方の面に鉄板（Ｆｅ）等の異種材３を同時にろう付けする。この鉄板等の線膨張率は、セラミックス１とアルミニウム製ヒートシンク２のそれとの中間にある。これは、同図（Ｂ）の如くヒートシンク２の線膨張率ａ、鉄板線膨張率ｃ、セラミックスのそれをｂとすれば、ａ＞ｃ＞ｂに関係にある。すると、常温では同図（Ｃ）の如くヒートシンク２と鉄板等の異種材３の両者の境界部のひずみは、ヒートシンク２とセラミックス１の境界部とのひずみに対して、逆向きに現われ、結果として全体の反りが抑制される。なお、図１２ではセラミックス１を１つのみ図示したが、複数のセラミックスが互いに離間し、ヒートシンク２にろう付け固定することが多い。
この場合、図１４に示す如くヒートシンク２の一方の表面に取り付けた複数のセラミックス１が存在する場合、ヒートシンク２の他面側には各セラミックス１に整合する位置に異種材３がろう付けされる。そして、複数の異種材３間を架橋するように、電子部品６がワックス等の伝熱材を介して取り付けられることがある。この場合も、電子部品と異種材との間に隙間が生じ、伝熱性が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平３−２５２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のヒートシンクは、ヒートシンク本体の裏面側に異種金属板がろう付け固定されているため、その異種金属板とヒートシンクの金属材料との間に電位差腐蝕が生じるおそれがあった。
そこで本発明は、電位差腐蝕を生じることなく、且つヒートシンク本体に反りの生じないものを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、電子部品接合用の絶縁用セラミックス(1) が、表面にろう付けされた偏平な金属製のヒートシンク(2) において、
そのヒートシンク(2) の裏面で、前記セラミックス(1) のろう付け位置の真裏に、平面形状を有し、その線膨張係数がヒートシンク(2) よりも小さい金属板からなる異種材(3) がろう付けされ、
その異種材(3) の外周に、前記ヒートシンク(2) の金属材と同一の金属材よりなるカバープレート(4)がろう付けされて、前記異種材(3) の外周が完全に液密に被蔽されたことを特徴とする異種材内蔵ヒートシンクである。
【０００８】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
複数の前記絶縁用セラミックス(1) が互いに離間して前記ヒートシンク(2) の表面にろう付けされ、その裏面に各セラミックス(1) に対応して複数の前記異種材(3) がろう付けされ、各異種材(3) に整合した位置で、その複数の異種材(3) がそれぞれ嵌着するように、複数の嵌着孔(5a)を有する中間プレート(5)が前記ヒートシンク(2) の裏面にろう付けされると共に、その中間プレート(5)の外面に前記カバープレート(4)がろう付けされた異種材内蔵ヒートシンクである。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
伝熱用のグリスを介して、平坦に形成された前記カバープレート(4)の外面に被冷却用の他の電子部品が接続される異種材内蔵ヒートシンクである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク２の裏側で、セラミックス１のろう付け位置の真裏に、線膨張係数がヒートシンク２よりも小さい金属板からなる異種材３がろう付けされ、その異種材３の外周をヒートシンク２と同一の材料により完全に液密に被蔽されるようにしたから、セラミックス１とヒートシンク２との熱膨張差による反りを異種材３によって修正することができる。そして、異種材３の外周がカバープレート４により完全に液密に被蔽されているため、異種材３とカバープレート４、ヒートシンク２との間に水等の液体が浸入することを防止し、外界との遮断によって電位差腐蝕を防止できる。
【００１０】
上記構成において請求項２に記載のように、中間プレート５に複数の嵌着孔５ａを形成し、そこにそれぞれ異種材３を嵌着すると共に、その外面にカバープレート４をろう付けした場合には、各異種材３の位置決めを容易に行い、量産性の高いヒートシンクとなる。
上記構成において請求項３に記載のように、カバープレート４を平坦に形成し、その外面に伝熱用グリースを介して被冷却用の他の電子部品を接続した場合には、カバープレート４を利用して、より多くの電子部品の冷却を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の異種材内蔵ヒートシンクの要部分解斜視図。
【図２】同ヒートシンク２の分解略図。
【図３】同異種材内蔵ヒートシンクの横断面略図。
【図４】同異種材内蔵ヒートシンクに電子部品６を取り付けた状態を示す説明図。
【図５】同ヒートシンクとセラミックス１との間に介装される応力緩和プレート１２の平面図。
【図６】同異種材内蔵ヒートシンクの他の例を示す説明図。
【図７】同異種材内蔵ヒートシンクのさらに他の例を示す説明図。
【図８】異種材３の面積がセラミックス１のそれに比べて十分大きい場合の断面形状を示す模式図である。
【図９】セラミックス面積に対する異種材としての鉄板面積の割合を横軸とし、縦軸に平面度をとった平面度曲線の説明図。
【図１０】平面度の基準となる説明図。
【図１１】従来型ヒートシンクとセラミックスとの関係を示す説明図。
【図１２】従来型ヒートシンクに対してセラミックスの多面側に異種材をろう付けした場合の説明図。
【図１３】図１１に示すヒートシンクの裏面に電子部品を取り付けた説明図。
【図１４】図１２に示すヒートシンクの異種材の裏面に電子部品を取り付けた説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
この異種材内蔵ヒートシンクは、そのヒートシンク２が一例として図２に示す如く、上下一対の上端板２ａ、下端板２ｂ間に第１枠板２ｃ、第２枠板２ｄを介装し、全体を一体的にろう付け固定したものである。上端板２ａには対角位置に冷却水出入口９が形成され、一方の冷却水出入口９から冷却水が内部に流通し、他方の冷却水出入口９からそれが流出する。第１枠板２ｃ、第２枠板２ｄは、この例では互いに逆向きの多数の骨部７が方形の枠部８から伸びると共に、その長手方向両端にはマニホールド１０がその枠部と骨部との間に形成されたものである。そして、一方の冷却水出入口９からマニホールド１０に流入した冷却水は上下一対の第１枠板２ｃ、第２枠板２ｄの各骨部７間を上下左右に蛇行しながら他方のマニホールド１０に流通して、その間に熱交換するものである
【００１３】
次に、このようなヒートシンク２には、図１に示す如く多数の板状のセラミックス１がろう付け固定される。このセラミックスはアルミナやベリリアその他を使用する。さらに、このヒートシンク２の裏面側には、中間プレート５とカバープレート４が一体的にろう付け固定されると共に、各中間プレート５の嵌着孔５ａに異種材３が嵌着した状態でその異種材３とヒートシンク２およびカバープレート４との間がろう付け固定される。中間プレート５に設けた嵌着孔５ａは、ヒートシンク２上面側の各セラミックス１と同一の大きさまたは、それより若干大きく且つ、各セラミックス１の真裏に配置されている。
【００１４】
そして、その嵌着孔５ａに整合する異種材３は、一例としてヒートシンク２がアルミニウム材でなる場合には、鉄板等を用いることができる。この鉄板等の線膨張率はセラミックスのそれとアルミニウムのそれとの中間である。また、中間プレート５、カバープレート４はヒートシンク２と同一の材質、即ちアルミニウム材で形成することができる。
このように構成することにより、鉄板等である異種材３の外周は完全にアルミニウム材により被覆させる。そのため、異種材３とアルミニウムとの間に水等の液体が浸入することが防止される。それにより異種材３とアルミニウムとの間に生じる電位差腐食が防止できる。それと共に、各異種材３は中間プレート５の嵌着孔５ａにより位置決めされ、量産性の高いものとなる。
【００１５】
次に、このようなセラミックス１の上面には電子部品６がろう材１１によって固定され、セラミックス１の下面には応力緩和プレート１２を介し、ヒートシンク２がろう付けされている。なお、この例の応力緩和プレート１２は、図５に示す如く、金属板に多数のスリット１４を不連続に配置したものである。また、ヒートシンク裏面のカバープレート４の裏面側にはグリース１３を介し電子部品６が配置される。
この応力緩和プレート１２は、セラミックス１とヒートシンク２との間に生じる熱ひずみを可能な限り吸収するものである。その熱ひずみにより、各スリット間が変形しやすいようにしたものである。なお、図示の応力緩和プレートは、本出願人が開発したものであり、その他に特開２００７−１９２０３号、特開２００６−２９４６９９号等が存在する。
【００１６】
次に、図６は本発明の異種材内蔵ヒートシンクの他の例の説明図であって、これが図４のそれと異なる点は、カバープレート４の形状のみである。このカバープレート４は、プレス成形により異種材３に整合する凹嵌部を有する。その凹陥部内に異種材３が収納されてヒートシンクの裏面に一体にろう付けされる。
【００１７】
次に、図７はさらに他の例であり、この例はカバープレート４の内部に凹嵌部を形成し、そこに異種材３を収納した例である。多数のセラミックスがヒートシンクの表面に接合される場合には、それに略整合する多数の凹陥部が形成され、各凹陥部に異種材が嵌着され、ヒートシンクの裏面に一体にろう付けされる。
【００１８】
次に図８は、アルミニウム製ヒートシンク２の表面側にセラミックス１をろう付けすると共に、裏面側に異種材３をろう付けする場合において、セラミックス１と異種材３とは略相似形で且つ、異種材３の平面をセラミックス１のそれより著しく大きくした場合における断面の変形状態を示した説明図である。このとき、異種材３の線膨張率はセラミックス１のそれとヒートシンク２のそれとの中間にある。この場合、セラミックス１の位置では図において上側に凸湾曲するが、その外側では上面側が凹湾曲する。これは、セラミックス１の位置では、その線膨張率が異種材３の線膨張率より小さいため、セラミックス１の影響をより大きく受けて凸湾曲し、それが存在しない位置では、異種材の影響により、ヒートシンク２の上面側が凹湾曲するものである。
【００１９】
次に図９は、セラミックス１に対して、異種材３の大きさを変化させたとき、その平面度の変化を図示したものである。そして、その横軸にセラミックス面積に対する異種材（Ｆｅ，Ｃｕ，ステンレス等）面積をとり、縦軸に平面度をとったものである。
ここに平面度は図１０において次のように定める。セラミックス１の平面度は、その中心Ｏに対して隅部Ｘが変移した垂直距離であり、全体の平面度はそのヒートシンク２の中心Ｏ’に対し、垂直方向にセラミックス２の端が沈み込んだ垂直距離を言う。そして、この平面度をセラミックス面積に対する異種材３の面積に対してどのような変化をするか図９に示す。
同図で、曲線Ｄはセラミックス１の平面度を示し、曲線Ｅは全体の平面度としてヒートシンクのそれを代用したものである。
この図９から明らかになったことは、異種材３が鉄板の場合、セラミックスの面積に対し１．２倍の位置でセラミックスの平面度および全体の平面度が最小になる。そして、この例では面積比が１．０〜１．５の範囲で実用上差し支えない平面度であった。
【符号の説明】
【００２０】
１  セラミックス（ＡＬＮ，ＳｉＮ，アルミナ，ベリリア）
２  ヒートシンク
2a  上端板
2b  下端板
2c  第１枠板
2d  第２枠板
【００２１】
３  異種材
４  カバープレート
５  中間プレート
5a  嵌着孔
６  電子部品
７  骨部
８  枠部
【００２２】
９  冷却水出入口
10  マニホールド
11  ろう材
12  応力緩和プレート
13  グリース
14  スリット
15  ろう材
【図１】
2010205981.tif 000003
【図２】
2010205981.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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