(57)【要約】【課題】  バワー半導体に代表される発熱性電気部品をプリント基板に実装する場合において、ヒートシンクから隣接する電気部品までの空間距離を最小にでき、ヒートシンク外周部のデッドスペースを最小にすることにより、総合的にプリント基板への実装密度が向上でき、省スペース化が図れる絶縁性熱伝導性ヒートシンクを提供する。【解決手段】  パワー半導体に代表される発熱性電気部品をプリント基板に実装する場合に、発熱性電気部品に付設するヒートシンクであって、体積抵抗率が１０10Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である絶縁性熱伝導性材料を用いて一体形成した。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体に代表される発熱性電気部品をプリント基板に実装する場合に、発熱性電気部品に付設するヒートシンクであって、体積抵抗率が１０10Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である絶縁性熱伝導性材料を用いて一体形成したことを特徴とする絶縁性熱伝導性ヒートシンク。
【請求項２】
前記絶縁性熱伝導性材料が、熱可塑性樹脂に対して、熱伝導性無機充填材の配合量合計が１０体積％〜７０体積％である樹脂複合材である請求項１記載の絶縁性熱伝導性ヒートシンク。
【請求項３】
前記熱伝導性無機充填材は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）の中から選択された１種又は２種以上である請求項２記載の絶縁性熱伝導性ヒートシンク。
【請求項４】
前記絶縁性熱伝導性材料が、マシナブルセラミックス材である請求項１記載の絶縁性熱伝導性ヒートシンク。
【請求項５】
前記マシナブルセラミックス材が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、若しくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）の複合材である請求項４記載の絶縁性熱伝導性ヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶縁性熱伝導性ヒートシンクに係り、例えばプリント基板に実装されるパワー半導体やその他の発熱性電気部品の冷却に用いる絶縁性熱伝導性ヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板に実装される発熱性電気部品（トランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、小型ＩＧＢＴ、トライアック、レギュレータ等）は、絶対定格温度以下で使用する必要があり、動作発熱がそれを上回る場合には、通常、ヒートシンクが付設される（特許文献１、２参照）。特に、電力の制御や供給を行うために用いるパワー半導体は、高電圧、大電流を流すため発熱量が大きいので、ヒートシンクの付設は必須である。通常、このような用途に用いるヒートシンクは、熱伝導性が高いアルミニウム製のものであり、プリント基板上の占有面積は、パワー半導体自体に比べ付設するヒートシンクの方が大きい。
【０００３】
一般的に、プリント基板に実装する電気部品は、他の電気部品との間に絶縁性を確保するため一定の空間距離が必要である。アルミ製ヒートシンクは導電性のため、ヒートシンク外周部から隣接する電気部品の間に一定の空間距離が必要となる。空間距離に関しては、使用電圧や周囲環境汚染度にもよるが、例えば６００Ｖまでの電圧環境下では８ｍｍを確保すれば、国際的規格（ＵＬ８４０）に準拠できる事が知られている。つまり、アルミニウム製ヒートシンクの外周部には８ｍｍ以上の空間を設けることが必要であり、この絶縁のための空間がデッドスペースとなってプリント基板上に存在することになる。
【０００４】
従って、バワー半導体に代表される発熱性電気部品をプリント基板に実装する場合、アルミニウム製ヒートシンクを用いると、その周囲に一定の空間距離を設ける必要があるので、プリント基板の小面積化において妨げとなっていた。また、アルミニウム製ヒートシンクは、電磁ノイズに対してアンテナとなるので、電磁ノイズ対策にとって悩ましい存在である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３２７７４号公報
【特許文献２】特開２００３−２８３０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、パワー半導体に代表される発熱性電気部品をプリント基板に実装する場合において、ヒートシンクから隣接する電気部品までの空間距離を最小にでき、ヒートシンク外周部のデッドスペースを最小にすることにより、総合的にプリント基板への実装密度が向上でき、省スペース化が図れる絶縁性熱伝導性ヒートシンクを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述の課題解決のために、パワー半導体に代表される発熱性電気部品をプリント基板に実装する場合に、発熱性電気部品に付設するヒートシンクであって、体積抵抗率が１０10Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である絶縁性熱伝導性材料を用いて一体形成したことを特徴とする絶縁性熱伝導性ヒートシンクを構成した（請求項１）。
【０００８】
具体的には、前記絶縁性熱伝導性材料が、熱可塑性樹脂に対して、熱伝導性無機充填材の配合量合計が１０体積％〜７０体積％である樹脂複合材であることが好ましい（請求項２）。
【０００９】
ここで、前記熱伝導性無機充填材は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）の中から選択された１種又は２種以上であることがより好ましい（請求項３）。
【００１０】
または、前記絶縁性熱伝導性材料が、マシナブルセラミックス材であることが好ましい（請求項４）。
【００１１】
ここで、前記マシナブルセラミックス材が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、若しくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）の複合材であることがより好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１２】
以上にしてなる本発明の絶縁性熱伝導性ヒートシンクによれば、ヒートシンク材質を導電性のアルミニウム製から絶縁性材料（樹脂、セラミック）に変更することで、従来はデッドスペースとなっていた他の電気部品との間の空間距離を確保する必要がなくなり、プリント基板の省スペース化ができる。また、アルミニウム製ヒートシンクで問題となっていた電磁ノイズに対するアンテナ作用も無くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】プリント基板にパワー半導体とヒートシンクを実装した状態の説明用斜視図である。
【図２】プリント基板にパワー半導体とヒートシンクを実装した状態の平面図である。
【図３】アルミニウム製のヒートシンクの周囲に他の電気部品を実装した状態の平面図である。
【図４】本発明のヒートシンクの周囲に他の電気部品を実装した状態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の詳細を実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
近年、熱伝導性樹脂やセラミックの放熱性改善材料が開発されており、自然空冷条件下では同形状ヒートシンクでアルミニウム製に匹敵する放熱特性を有する。本発明は、体積抵抗率が１０10Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である絶縁性熱伝導性材料を用いて一体形成した絶縁性熱伝導性ヒートシンクを用い、プリント基板にパワー半導体に代表される発熱性電気部品を実装する新規な方法を提案するものである。
【００１６】
図１及び図２において、１はプリント基板、２はパワー半導体、３はヒートシンクを示している。本実施形態の前記ヒートシンク３は、中央部の受熱板４の両端に平面視Ｔ字状に主放熱板５，５を形成するとともに、受熱板４の素子取付面６とは反対側に複数のフィン７を形成した形状を有している。そして、前記プリント基板１の上に、前記パワー半導体２を接続し、前記ヒートシンク３を固定するとともに、前記受熱板４の素子取付面６にパワー半導体２を密接状態でネジ止め等によって取付ける。
【００１７】
例えば、図２に示すように、プリント基板１の中央にヒートシンク３を付設したパワー半導体２が配置される場合において、ヒートシンク３の周囲に同じ大きさの他の電気部品８を実装する場合を想定する。
【００１８】
図３は、アルミニウム製ヒートシンク３Ａの周囲に電気部品８を実装する場合を示し、ヒートシンク３Ａと電気部品８との間には８ｍｍの空間距離を設けている。ヒートシンク３Ａが導電性の場合、他の電気部品８との間に空間距離を確保するために斜線部で示されるように大きなデッドスペースＤが必要となる。そして、このようなパワー半導体２と電子部品８を実装するために必要最小限の大きさのプリント基板１は、１辺の寸法がＬ１となる。
【００１９】
これに対して図４に示すように、ヒートシンク３が絶縁性材料の場合、ヒートシンク３の周囲に接近させて電子部品８を配置することができるので、デッドスペースＤとなる斜線部は図３の場合と比べて非常に小さくなる。この場合に必要最小限の大きさのプリント基板１は、１辺の寸法がＬ２となる。Ｌ２＜Ｌ１となり、同じ回路構成でもプリント基板１も小さくでき、素子実装密度が向上できる。
【００２０】
前記パワー半導体２としては、トランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、小型ＩＧＢＴ、トライアック、三端子レギュレータなど各種のものに適用でき、種類は問わない。また、前記電気部品８としては、コイル、コンデンサ、抵抗などが挙げられる。
【００２１】
本発明のヒートシンクを形成する絶縁性熱伝導性材料は、体積抵抗率が１０10Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。具体的には、前記絶縁性熱伝導性材料が、熱可塑性樹脂に対して、熱伝導性無機充填材の配合量合計が１０体積％〜７０体積％である樹脂複合材である。
【００２２】
ここで、前記熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂（ＰＡ６、ＰＡ１２、ＰＡ６６、ＰＡ９Ｔなど）、ポリアリーレン系樹脂（ＰＰＳ、ＬＣＰなど）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）及びアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）などが好適に使用できる。ＰＰＳはポリフェニレンサルファイド、ＬＣＰは液晶ポリマーである。
【００２３】
また、前記熱伝導性無機充填材は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）の中から選択された１種又は２種以上を用いる。ここで、酸化亜鉛は、テトラポッド状単結晶体を用いることが好ましい。
【００２４】
または、前記絶縁性熱伝導性材料が、マシナブルセラミックス材であっても良い。マシナブルセラミックスとは、工作機械で加工がし易いセラミックスことを意味している。本発明では、マシナブルセラミックス材の中で、絶縁性熱伝導性の特性を有するものを使用する。
【００２５】
具体的には、前記マシナブルセラミックス材として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、若しくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）の複合材を用いる。
【実施例】
【００２６】
絶縁性熱伝導性樹脂複合材を用いてヒートシンクを一体形成する場合を更に具体的に説明する。前記熱伝導性無機充填材として、テトラポッド状酸化亜鉛単結晶体と六方晶窒化ホウ素を用いる。
【００２７】
テトラポッド状酸化亜鉛単結晶体は、核部から異なる４軸方向に伸びた針状結晶部を備えた形態を有し、特開平１−２５２５９９号公報記載の方法で得られ、また株式会社アムテックから種々のグレードが市販されている。テトラポッド状酸化亜鉛単結晶体の熱伝導率は２５．３Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２８】
六方晶窒化ホウ素は、平板形状を有し、平均粒子径が１μｍ以上５０μｍ以下及び平均厚さが０．１μｍ以上５０μｍ以下、アスペクト比が１より大きく５００以下であり、好ましくは平均粒子径が３μｍ以上２０μｍ以下及び平均厚さが０．１μｍ以上２０μｍ以下、アスペクト比が１より大きく２００以下である。ここで、平板形状の六方晶窒化ホウ素の平均粒子径とは、平面内の長軸方向の粒子径とし、厚みとは最も小さい軸方向長さとする。六方晶窒化ホウ素の長軸方向への熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２９】
テトラポット状酸化亜鉛単結晶体及び六方晶窒化ホウ素の配合量合計の樹脂成形体全体に対する体積分率は１０体積％以上であることが好ましい。該配合量合計が少ないと、充填材同士の接触点が少なく熱伝導率の向上に効果的でなくなってくる。該配合量合計が多すぎると、成形加工時の流動性が低下し更に成形体が脆くなるため、該配合量合計は７０体積％以下であることが好ましい。更に、充填材の配合量合計の樹脂成形体全体に対する体積分率は４０体積％〜６０体積％であるとより好ましい。絶縁性熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率は、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上になるように熱伝導性充填材を配合する。
【００３０】
そして、テトラポット状酸化亜鉛単結晶体と六方晶窒化ホウ素の配合比は、特に制限はなく広い範囲から適宜選択してよいが、好ましくは１：９９〜５０：５０であり、更に好ましくは５：９５〜４０：６０である。また、従来の樹脂組成物と同様に、樹脂と充填材の密着性を高めるため、充填材の表面を配合に先立ち予めシランカップリング剤等で処理して用いることができる。
【００３１】
また、本発明の目的を損なわない範囲で、ガラス繊維や有機繊維などの充填材、フッ素樹脂、金属石鹸類などの離型改良剤、染料,顔料などの着色剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収材、帯電防止剤、界面活性剤などの通常の添加剤を１種以上添加して用いてもよい。また、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸金属塩、フルオロカーボン系界面活性剤等の外部滑剤効果を有するものを１種以上添加して用いてもよい。
【００３２】
また、本発明における配合手段は特に限定されない。熱可塑性樹脂および充填材をヘンシェルミキサー、タンブラー等を用いて混合した後、押出機を用いて溶融混練し、押出してペレットを製造する。このペレットを用いて、射出成形して所望形状のヒートシンク３を得る。
【００３３】
本実施例では熱可塑性樹脂（ＤＩＣ社製ＰＰＳ Ｔ−１）をマトリックスとした。そして、下記実施例１、２の配合割合で熱可塑性樹脂と平均粒子径１０μｍのテトラポット型酸化亜鉛単結晶体（株式会社アムテック製  パナテトラＷＺ−０５１１）及び平均粒子径１０μｍ、厚さ０．５μｍの六方晶窒化ホウ素（水島合金鉄株式会社製  窒化ホウ素  ＨＰ−１Ｗ）とをヘンシェルミキサー（三井鉱山株式会社製）を用いて混合した。その後、２軸押出機（池貝株式会社製ＰＣＭ３０型）を用いて溶融混練した後、ストランドを押し出して、該ストランドを空冷後切断してペレットを得た。このペレットを１３０℃で３時間以上乾燥させた後、形状が１００×５０×３ｔ（ｍｍ）の成形体を射出成形し、熱伝導率を熱線法（京都電子工業株式会社製  ＱＴＭ５００）により測定した。また、体積抵抗率を絶縁抵抗計（Agilent Technologies社製  ハイ・レジスタンス・メータ）により測定した。
【００３４】
実施例１は、熱可塑性樹脂５０体積％、テトラポット型酸化亜鉛単結晶体１０体積％、六方晶窒化ホウ素４０体積％であり、熱伝導率は３．５Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率は１．９×１０15Ω・ｃｍであった。
【００３５】
実施例２は、熱可塑性樹脂５０体積％、テトラポット型酸化亜鉛単結晶体５体積％、六方晶窒化ホウ素４５体積％であり、熱伝導率は３．２Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率は３．１×１０16Ω・ｃｍであった。
【符号の説明】
【００３６】
１  プリント基板、
２  パワー半導体、
３  ヒートシンク、
３Ａ  アルミニウム製ヒートシンク、
４  受熱板、
５  主放熱板、
６  素子取付面、
７  フィン、
８  電気部品。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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