(57)【要約】【課題】熱拡散板として炭素成分を含むものを用いる場合であっても、強固な電極部を形成可能とする熱拡散装置を提供することにある。【解決手段】発熱体１１０と、発熱体１１０が発する熱を板面方向および板厚方向に拡散する熱拡散板１２１と、発熱体１１０に入力された電力の出力部を形成する電極部１５０と、を備える熱拡散装置において、発熱体１１０は、熱拡散板１２１に対して、熱伝導および電気伝導が可能となるように、熱拡散板１２１の一方側の板面に配置され、熱拡散板１２１は、炭素成分を含む材料から形成されており、電極部１５０は、熱拡散板１２１の板面方向の端部に、導電性の接合層１６０を介して接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体（１１０）と、
前記発熱体（１１０）が発する熱を板面方向および板厚方向に拡散する熱拡散板（１２１）と、
前記発熱体（１１０）に入力された電力を出力する電極部（１５０）と、を備える熱拡散装置において、
前記発熱体（１１０）は、前記熱拡散板（１２１）に対して、熱伝導および電気伝導が可能となるように、前記熱拡散板（１２１）の一方側の板面に配置され、
前記熱拡散板（１２１）は、炭素成分を含む材料から形成されており、
前記電極部（１５０）は、前記熱拡散板（１２１）の板面方向の端部に、導電性の接合層（１６０）を介して接合されていることを特徴とする熱拡散装置。
【請求項２】
前記熱拡散板（１２１）は、短冊状を成して長辺方向および短辺方向に良好な熱伝導性を有するグラファイト板材（１２１ａ１）が複数積層されて形成された板であり、前記板の厚さ方向が前記短辺方向となるグラファイト積層体（１２１ａ）であることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散装置。
【請求項３】
前記電極部（１５０）は、前記グラファイト積層体（１２１ａ）の前記長辺方向の端部側となる周面に接合されていることを特徴とする請求項２に記載の熱拡散装置。
【請求項４】
前記熱拡散板（１２１）は、前記グラファイト積層体（１２１ａ、１２１ｂ）が前記板の厚さ方向に複数積層されて形成されており、
前記電極部（１５０）は、前記発熱体（１１０）に最も近い前記グラファイト積層体（１２１ａ）に接合されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱拡散装置。
【請求項５】
前記熱拡散板（１２１）は、前記グラファイト積層体（１２１ａ、１２１ｂ）が前記板の厚さ方向に複数積層されて形成されており、
積層された前記グラファイト積層体（１２１ａ、１２１ｂ）のそれぞれの板面方向の端部位置が階段状にずれるように配置されており、
前記電極部（１５０）は、１つの前記グラファイト積層体（１２１ａ）の板面方向端部の周面、および他の前記グラファイト積層体（１２１ｂ）の板面方向端部の板面に接合されていることを特徴とする請求項２に記載の熱拡散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の発熱体の熱を効果的に拡散する熱拡散装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体等の発熱体が発する熱を拡散させるための熱拡散装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の熱拡散装置では、対向する熱拡散板（放熱板）の間に半導体チップが設けられ、熱拡散板と半導体チップとが互いに半田付けによって接合されている。そして、熱拡散板と半導体チップは樹脂によってモールドされている。
【０００３】
熱拡散板は、例えば、アルミニウムや銅等の金属板材から形成されており、この板材の１つの辺から板面方向に突出する突出部が形成されて、半導体チップの入出力用の電極として形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３００６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の発熱体の小型化、高出力化に伴い、発熱体の発する熱量は増加しており、熱拡散板における熱拡散機能の向上が求められている。その１つの対応として、炭素成分を含み所定の方向に高熱伝導性を備えるもの（グラファイト等）が考えられている。しかしながら、熱拡散板として上記のような炭素成分を含むものであると、強度面において脆いという短所があり、熱拡散板から一体的に突出する電極部を形成することが困難である。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、熱拡散板として炭素成分を含むものを用いる場合であっても、強固な電極部を形成可能とする熱拡散装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
本発明では、発熱体（１１０）と、
発熱体（１１０）が発する熱を板面方向および板厚方向に拡散する熱拡散板（１２１）と、
発熱体（１１０）に入力された電力の出力部を形成する電極部（１５０）と、を備える熱拡散装置において、
発熱体（１１０）は、熱拡散板（１２１）に対して、熱伝導および電気伝導が可能となるように、熱拡散板（１２１）の一方側の板面に配置され、
熱拡散板（１２１）は、炭素成分を含む材料から形成されており、
電極部（１５０）は、熱拡散板（１２１）の板面方向の端部に、導電性の接合層（１６０）を介して接合されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、脆性を有する熱拡散板（１２１）から一体的に電極部（１５０）を形成することなく、熱拡散板（１２１）の板面方向の端部に導電性の接合層（１６０）を介して電極部（１５０）を接合するようにしているので、強固な電極部（１５０）を設けることができる。
【００１０】
また、電極部（１５０）を熱拡散板（１２１）の板面方向の端部に接合することで、熱拡散板（１２１）の他方側の板面には、障害物のない状態にすることができ、熱拡散板（１２１）の他方側の板面を発熱体（１１０）の熱を放出するため領域として効果的に活用することができる。
【００１１】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における発熱体の冷却装置を示す断面図である。
【図２】図１における熱拡散板を示す斜視図である。
【図３】熱拡散板における温度分布を示すグラフである。
【図４】第２実施形態における熱拡散装置を示す断面図である。
【図５】第３実施形態における熱拡散板および電極部を示す斜視図である。
【図６】第４実施形態における熱拡散装置を示す断面図である。
【図７】第４実施形態における熱拡散板および電極部を示す斜視図である。
【図８】第５実施形態１における発熱体の冷却装置を示す断面図である。
【図９】第５実施形態２における発熱体の冷却装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１４】
（第１実施形態）
第１実施形態における熱拡散装置１００について図１〜図３を用いて説明する。本実施形態の熱拡散装置１００は、発熱体の冷却装置１０に適用したものである。図１、図２に示すように、発熱体の冷却装置（以下、冷却装置）１０は、熱拡散装置１００に冷却器２００が設けられて形成されており、発熱体１１０の熱を熱拡散板１２１、１２２によって冷却器２００に伝導させて、発熱体１１０を冷却するようになっている。
【００１５】
熱拡散装置１００は、発熱体１１０の熱を熱拡散板１２１、１２２の板面方向および板厚方向に拡散させる装置であり、発熱体１１０、熱拡散板１２１、１２２、スペーサ１３０、リード電極１４０、電極部１５０、接合層１６０、およびモールド材１７０等を備えている。本実施形態では、発熱体１１０（１１１、１１２）、熱拡散板１２１、１２２、電極部１５０、および冷却器２００は、それぞれ２つ設けられたものとなっている。
【００１６】
発熱体１１０は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）や、ＦＷＤ（フライホイールダイオード）等の半導体素子１１１、１１２である。発熱体１１０は、リード電極１４０から供給される制御信号に基づいて、発熱体１１１、１１２に入力される電力を制御して、電極部１５０に出力するようになっており、電力制御時に発熱を伴うものとなっている。発熱体１１０は、２つの熱拡散板１２１、１２２のうち、熱拡散板１２１の一方の板面（図１中の上面）に当接するように設けられている。発熱体１１０は、熱拡散板１２１の一方の板面上で、所定の間隔をもって並ぶように配置されている。
【００１７】
熱拡散板１２１、１２２は、炭素成分を含む材料から形成された板部材であり、熱伝導性および電気伝導性を有している。熱拡散板１２１、１２２は、発熱体１１０の熱を板面方向および板厚方向に拡散させて、冷却器２００側に効率よく伝導させると共に、発熱体１１０からの出力電力を電極部１５０へ伝えるようになっている。本実施形態では、それぞれの熱拡散板１２１、１２２は、グラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂから形成されたものが使用されている。熱拡散板１２１、１２２は、共に構造的には同一のものとなっており、以下、熱拡散板１２１（図２）を例にして、詳細構造を説明する。
【００１８】
熱拡散板１２１は、板状を成す複数のグラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂが、それらの厚さ方向に積層され、接合層１２１ｃによって接合されて形成されている。グラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂの接合にあたっては、はんだ付け、銀（Ａｇ）粉末を主体としたペーストの焼結、あるいは活性金属ろう（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系）を用いたろう付け等によって行うことができ、高熱伝導を維持した接合となっている。
【００１９】
グラファイト積層体１２１ａは、複数のグラファイト板材１２１ａ１が積層されて形成されており、また、グラファイト積層体１２１ｂは、複数のグラファイト板材１２１ｂ１が積層されて形成されている。
【００２０】
グラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）は、短冊状を成す極薄の板部材であり、短冊状板の板厚方向に比べて長手方向（本発明の長辺方向）および幅方向（本発明の短辺方向）、つまり、短冊状の板面の２方向において熱伝導性に優れる高配向性グラファイト材料が使用されている。グラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）は、その板厚方向に複数積層されることで、板状のグラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）を形成している。尚、グラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）は、複数のグラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）を積層した後に高温、高圧プレスで接合することによって、あるいは、ガス状としたグラファイト材料を平面の上に順次堆積（ＣＶＤ法）させていくことで、積層体として形成される。
【００２１】
上記のグラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）においては、グラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）の長手方向における長辺によって積層方向に板状に拡がる板面が形成されており、更に、板面に直交する方向が、板状となるグラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）の厚さ方向となっている。グラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）は、グラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）の幅方向寸法よりも積層方向寸法が大きくとられて、板状になっている。板面は、換言すると、長辺と積層方向に形成される辺とによって囲まれる面となっている。グラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）の厚さ方向における寸法は、グラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）の幅方向の寸法に等しい。よって、グラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）においては、積層されたグラファイト板材１２１ａ１（１２１ｂ１）の長手方向と幅方向との２方向において熱伝導性に優れるものとなっている。
【００２２】
尚、グラファイト積層体１２１ａ（１２１ｂ）においては、上記熱伝導性に優れる方向と同一方向に電気伝導性にも優れるものとなっている。
【００２３】
本実施形態の熱拡散板１２１では、グラファイト積層体１２１ａにおけるグラファイト板材１２１ａ１の長手方向（高熱伝導方向であり図２中では奥行き方向）と、グラファイト積層体１２１ｂにおけるグラファイト板材１２１ｂ１の長手方向（高熱伝導方向であり図２中では左右方向）は、互いに直交するように配置されている。よって、熱拡散板１２１全体としては、板面における２方向（図２中の奥行き方向および左右方向）、および厚さ方向において熱伝導性に優れるものとなっている。
【００２４】
上記のように形成される熱拡散板１２１、１２２のうち、熱拡散板１２１の一方の板面（図１中の上面）に発熱体１１０が設けられ、熱拡散板１２２は、発熱体１１０を熱拡散板１２１とによって挟むように配置されている。熱拡散板１２１、１２２においては、それぞれのグラファイト積層体１２１ａ同士が向かい合うように配置されている。
【００２５】
スペーサ１３０は、発熱体１１０と熱拡散板１２２との間に介在されたブロック状の導電性金属部材であり、熱拡散板１２１と熱拡散板１２２との隙間をある程度確保することで、リード電極１４０用のリード線１４１の取り回しが容易となるようにしている。
【００２６】
リード電極１４０は、発熱体１１０に対してリード線１４１を介して形成された電力制御用の制御信号の入力部であり、熱拡散板１２１、１２２の板面方向の一方の端部側に配置されている。リード電極１４０は、熱拡散板１２１、１２２の板面と平行となるように配置されている。
【００２７】
電極部１５０は、発熱体１１０によって制御された電力を入出力する板状の入出力部であり、熱拡散板１２１、１２２の板面方向の他方の端部側に配置されている。電極部１５０の板面は、熱拡散板１２１、１２２の板面と平行となるように配置されている。また、電極部１５０の熱拡散板１２１、１２２側の端部は、Ｌ字状に折り曲げられており、この折り曲げ部が熱拡散板１２１、１２２の板面方向の端部となる周面に導電性の接合層１６０を介して接合されている。
【００２８】
電極部１５０と熱拡散板１２１、１２２との接合にあたっては、電気伝導性に優れるはんだ付け、銀（Ａｇ）粉末をペースト状にした接合材や、活性金属を用いたろう材による接合が好ましい。銀粉末をペースト状にした接合材を接合層１６０として使用する場合、少なくとも接合材と接する部分の熱拡散板１２１、１２２には金（Ａｕ）メッキ（下地にＴｉ、Ｎｉを含む）を施し、銀粉末との結合力を高めることで電気抵抗の低減を図ることが可能である。
【００２９】
そして、上記の発熱体１１０、熱拡散板１２１、１２２、スペーサ１３０、リード電極１４０（リード線１４１）、電極部１５０（接合層１６０）は、樹脂製のモールド材１７０によってモールドされて、熱拡散装置１００として形成されている。尚、熱拡散板１２１、１２２における発熱体１１０とは反対側の板面、リード電極１４０のリード線１４１とは反対側、および電極部１５０の接合層１６０とは反対側は、モールド材１７０から露出した形となっている。
【００３０】
冷却器２００は、板状ブロック材の内部に多数の通路２０１が形成された熱交換器である。冷却器２００は、通路２０１に冷却媒体が流通されて、この冷却媒体に発熱体１１０の熱を移動させて、発熱体１１０を冷却するようになっている。冷却媒体としては、例えば冷却用空気、あるいは冷却水等を使用することができる。熱拡散板１２１、１２２のモールド材１７０から露出された板面には、絶縁板２１０がそれぞれ設けられており、冷却器２００は、この絶縁板２１０の外側の面に固定されている。絶縁板２１０は、発熱体１１０から冷却器２００への漏電を防止するものであって、例えばセラミック製の板が使用されている。尚、熱拡散板１２１、１２２と絶縁板２１０と間、および絶縁板２１０と冷却器２００との間には、それぞれ、接触熱抵抗を小さくするためのグリス２２０が介在されている。
【００３１】
以上のように構成される冷却装置１０においては、発熱体１１０の熱が、直接的に熱拡散板１２１に、またスペーサ１３０を介して熱拡散板１２２に至り、熱拡散板１２１、１２２の板面（各グラファイト板材１２１ａ１、１２１ｂ１の長手方向）に沿って外周側に拡がるように、且つ厚さ方向に向けて伝導される。そして、この熱は、更に絶縁板２１０の板厚方向に伝導されて、冷却器２００に至る。冷却器２００においては、上記のように伝導された発熱体１１０の熱が、内部の通路２０１を流通する冷却媒体に移動され、発熱体１１０は冷却される。
【００３２】
本実施形態においては、熱拡散板１２１、１２２は炭素成分を含む材料から形成されるようにしている。このような熱拡散板１２１、１２２においては強度的に脆いため、電極部を一体的に形成することが難しくなるが、熱拡散板１２１、１２２の板面方向の端部となる周面に導電性の接合層１６０を介して電極部１５０を接合するようにしているので、強固な電極部１５０を設けることができる。また、熱拡散板１２１、１２２、電極部１５０、および接合層１６０は、モールド材１７０によって保護されているので、更に強固な電極部１５０とすることができる。
【００３３】
また、電極部１５０を熱拡散板１２１、１２２の周面に接合することで、熱拡散板１２１、１２２の発熱体１１０が設けられる板面とは反対側の板面には、障害物のない状態にすることができ、熱拡散板１２１、１２２の反対側の板面を発熱体１１０の熱を放出するため領域として効果的に活用することができる。つまり熱拡散板１２１、１２２の反対側の板面に冷却器２００を容易に設けることが可能である。
【００３４】
また、熱拡散板１２１、１２２として、グラファイト板材１２１ａ１、１２１ｂ１を積層したグラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂを使用している。これにより、熱拡散板１２１、１２２の板面の拡がる方向、および板の厚さ方向に熱伝導性に優れる熱拡散板１２１、１２２とすることができ、発熱体１１０の熱を効果的に拡散することができる。
【００３５】
図３に示すように、熱拡散装置１００の熱拡散板として銅製の板材を用いた従来技術と、グラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂを用いた本発明とで、熱拡散板の板面の拡がる方向（例えばＸ方向）の温度分布を比較確認してみた。従来技術では、発熱体１１０に対応する領域で温度が高くなっているものに対して、本発明では、発熱体１１０に対応する領域での温度が低下され、熱拡散板１２１、１２２の板面の拡がる方向に均一化されていることを確認した。
【００３６】
（第２実施形態）
第２実施形態の熱拡散装置１００Ａを図４に示す。第２実施形態の熱拡散装置１００Ａは、上記第１実施形態の熱拡散装置１００に対して、発熱体１１０を発熱体１１０Ａとしたものである。
【００３７】
発熱体１１０Ａは、ＩＧＢＴおよびＦＷＤが１つの半導体素子によって形成されたものである。発熱体１１０Ａは、熱拡散板１２１の板面のほぼ中央に配置されている。スペーサ１３０は、発熱体１１０Ａに対応するように１つ設けられている。
【００３８】
本実施形態では、発熱体１１０Ａにおける２つの要素を１つにまとめたものであり、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３９】
（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態では、熱拡散板１２１、１２２は、それぞれグラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂが板の厚さ方向に積層されており、電極部１５０は、グラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂの両者に接合されるものとして説明したが、これに限らず、一方（１つ）のグラファイト積層体のみ（１２１ａあるいは１２１ｂ）に接合されるようにしても良い。
【００４０】
このとき、電極部１５０が接合されるグラファイト積層体は、発熱体１１０に最も近いグラファイト積層体１２１ａとするのが良い。これにより、グラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂが複数積層されて形成される熱拡散板１２１、１２２において、発熱体１１０と電極部１５０との距離を最短にすることができるので、発熱体１１０から電極部１５０に至る電気抵抗を低減することができる。
【００４１】
更に、上記のような場合は、図５に示すように、グラファイト積層体１２１ａにおいて、グラファイト板材１２１ａ１の長手方向の端部側に電極部１５０を配置して接合するのが良い。グラファイト積層体１２１ａにおいては、グラファイト板材１２１ａ１の長手方向に熱伝導性に優れるものとなっているが、電気伝導性についても同一方向に優れた特性を有する。よって、発熱体１１０から電極部１５０に至る電気抵抗を低減することができる。
【００４２】
（第４実施形態）
第４実施形態の熱拡散装置１００Ｂを図６、図７に示す。第４実施形態の熱拡散装置１００Ｂは、上記第１実施形態の熱拡散装置１００に対して、熱拡散板１２１、１２２を変更したものである。
【００４３】
上記第１実施形態では、熱拡散板１２１、１２２は、それぞれグラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂから形成されるものとしたが、本実施形態では、グラファイト積層体１２１ｂのみによって形成されるものとしている。グラファイト積層体１２１ｂのグラファイト板材１２１ｂ１の長手方向は、図７に示すように、リード電極１４０と電極部１５０とを結ぶ方向となっている。
【００４４】
そして、電極部１５０は、熱拡散板１２１、１２２のグラファイト板材１２１ｂ１の長手方向の端部側となる周面（板面方向の端部）に接合されている。
【００４５】
上記第３実施形態で説明したように、グラファイト積層体１２１ｂにおいては、グラファイト板材１２１ｂ１の長手方向に熱伝導性に優れると共に、電気伝導性についても同一方向に優れた特性を有する。よって、発熱体１１０から電極部１５０に至る電気抵抗を低減することができる。
【００４６】
（第５実施形態）
第５実施形態の熱拡散装置１００Ｃ、１００Ｄを図８、図９に示す。第５実施形態の熱拡散装置１００Ｃ、１００Ｄは、上記第１実施形態の熱拡散装置１００に対して、熱拡散板１２１、１２２の電極部１５０が接合される部位の形状を変更したものである。
【００４７】
熱拡散板１２１、１２２は、それぞれ複数のグラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂから形成されており、板面方向の電極部１５０側となる端部位置が、階段状にずれるように配置されている。つまり、グラファイト積層体１２１ａの板面方向の寸法（図８、図９中の左右方向寸法）が、グラファイト積層体１２１ｂの板面方向の寸法（図８、図９中の左右方向寸法）よりも小さくなるように形成されて、階段状の段部が形成されている。
【００４８】
電極部１５０は、この段部に接合されている。具体的には、グラファイト積層体１２１ａの板面方向端部となる周面と、グラファイト積層体１２１ｂの板面方向端部となる板面とに接合されている。
【００４９】
本実施形態では、階段状の２面（周面と板面）に電極部１５０を接合するようにしているので、特に板面によって接合面積を増加させることができ、接合強度を向上すると共に、電気抵抗を小さくすることができる。尚、熱拡散板１２１、１２２において、冷却器２００側の面積をより大きくして、より冷却効果を高めるためには、図８、図９のうち、図８の熱拡散装置１００Ｃのほうが好ましい。
【００５０】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、熱拡散板１２１、１２２は、グラファイト積層体１２１ａ、１２１ｂから形成されるものとして説明したが、これに限らず、銅やアルミニウム等の金属とグラファイトとを混合した複合材料（カーボンコンポジット材）としても良い。
【００５１】
また、上記各実施形態では、熱拡散板１２１、１２２によって発熱体１１０を挟むように配置して、各熱拡散板１２１、１２２に冷却器２００を設けるようにしたが、これに限らず、熱拡散板１２２、スペーサ１３０を廃止して、熱拡散板１２１に冷却器２００を設けたものとしても良い。
【符号の説明】
【００５２】
１０    発熱体の冷却装置
１００、１００Ａ〜１００Ｄ  熱拡散装置
１１０、１１０Ａ  発熱体
１２１、１２２  熱拡散板
１２１ａ、１２１ｂ  グラファイト積層体
１２１ａ１、１２１ｂ１  グラファイト板材
１５０  電極部
１６０  接合層
【図１】
2014022479.tif 000003
【図２】
2014022479.tif 000004
【図３】
2014022479.tif 000005
【図４】
2014022479.tif 000006
【図５】
2014022479.tif 000007
【図６】
2014022479.tif 000008
【図７】
2014022479.tif 000009
【図８】
2014022479.tif 000010
【図９】
2014022479.tif 000011