(57)【要約】【課題】  異種金属を組み合わせて製造することを容易化する構造を持つフィン付放熱部品およびそれを用いた放熱構造体を提供する。【解決手段】  金属製の熱伝導板１と、フィン３ａと熱伝導板と異なる金属製の基部３ｂとで構成される、基部付フィン３とを備え、熱伝導板１と基部３ｂとは接合され、熱伝導板と基部の相対向する面の少なくとも一方に、当該面の端へと通じる開通路となる溝３ｃが設けられ、相対向する面の間に接合に用いた金属５が充填されていることを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の熱伝導板と、
フィンと前記熱伝導板と異なる金属製の基部とで構成される、基部付フィンとを備え、
前記熱伝導板と基部とは接合され、
前記熱伝導板と基部の相対向する面の少なくとも一方に、当該面の端へと通じる開通路となる表面地形が設けられ、前記相対向する面の間に前記接合に用いた金属が充填されていることを特徴とする、放熱部品。
【請求項２】
前記表面地形として、前記面の中央部から前記端へと開口する溝が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の放熱部品。
【請求項３】
前記表面地形として、所定の地点を頂上として前記端へと低くなるような丘が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の放熱部品。
【請求項４】
前記基部付フィンは、一体成形加工された一体物のアルミニウムからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の放熱部品。
【請求項５】
前記基部付フィンは、一体成形の押出し加工により製造されたアルミニウムの一体物であり、そのアルミニウムの前記表面地形が、その押出し加工により形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の放熱部品。
【請求項６】
前記基部付フィンは、一体成形のダイキャストにより製造されたアルミニウムの一体物であり、そのアルミニウムの前記表面地形が、そのダイキャストにより形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の放熱部品。
【請求項７】
前記相対向する面の少なくとも一方において、前記表面地形は、パンチ型による転写により形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の放熱部品。
【請求項８】
前記接合に用いた金属が鉛フリーであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の放熱部品。
【請求項９】
発熱体との間に、熱伝導性絶縁層、ヒートスプレッダおよび配線材の少なくとも１つを介在させて、前記請求項１〜８のいずれかに記載の放熱部品の熱伝道板が前記介在された物の底部に接続されていることを特徴とする、放熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱部品および放熱構造体に関し、より具体的には、各種の発熱体の温度上昇を抑えるための放熱部品および放熱構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速のデータ処理演算装置、通信装置、自動車等には多くの半導体デバイスが用いられており、これらの半導体デバイスからは損失電力に起因する多くの熱が発生する。これら装置では、装置の大容量化、小型化、処理の高速化などに伴い、半導体デバイスから発生する熱問題が深刻化している。十分な放熱をしない場合には、半導体デバイスの温度が上昇し、正常な動作を遂行することができなくなるので、半導体デバイスには放熱フィンを接続する方策がとられてきた。上記放熱部品の配設は、半導体デバイスの温度上昇を抑制する上では有効に機能するが、放熱経路に大きな熱勾配が生じるため、放熱経路に剥離、反りなどの熱変形が発生し、大きな問題となっている。
【０００３】
上記半導体デバイスの放熱経路おける熱応力に対しては、多くの取り組みがなされてきた。たとえば、半導体素子に近似した熱膨張係数をもち、熱伝導性にも優れたＷ、Ｍｏ等の粒子にＣｕまたはＡｇのめっき層を形成した複合粒子を成形し焼結した後、断面減少率５０％以上の圧延を行うという放熱部材製造方法の提案がなされた（特許文献１）。この方法によれば、上記焼結圧延された単一の部材は、強度・靭性および熱伝導性に優れ、ならびに異種金属の組み合わせにより熱膨張係数が半導体素子に近似するために、放熱経路における熱応力を抑制することができる。
【０００４】
近年、ハイブリッドカーや電気自動車などの実用化に伴い、大容量のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＭＯＳＦＥＴ  （  Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられ、上記の熱応力の課題解決は、熱量の増大に加えて小サイズ化の制約が課せられ、さらにハードルが高くなっている。このような課題に対して、セラミックス基板と、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗなどの３層構造の放熱板とを用いたセラミックス回路基板の提案がなされている（特許文献２）。このセラミックス回路基板には、Ｍｏ、Ｗなどの半導体素子に近い熱膨張係数をもつ金属と、熱伝導性に優れたＣｕとを組み合わせた３層構造の放熱板を用いるので、熱応力を抑制し、かつ熱伝導性を確保して放熱性を高めることができる。特許文献１および２は、半導体素子の放熱経路の熱応力に対処するのに、異種金属を組み合わせることが有効であることを示している。すなわち、発熱体を構成する素材と放熱フィンの熱膨張率のミスマッチを緩和するために、異なる金属で放熱経路を形成することが有効な方策として認められるにいたっている。
【０００５】
上記の異種金属層の組み合わせによる発熱体と放熱フィンの熱膨張率のミスマッチの緩和のために、異種金属同士の接合が必要になる。とくにアルミニウム層と銅層とは、ともに熱伝導性に優れるため、放熱経路の構成の多くの場面で両金属層の接合が必要とされる。一般には、銅とアルミニウムとの接合は、銅とアルミニウムを各々、表面にめっき層を形成した後、はんだ付けして接合する方法（めっき形成はんだ付け法）による。また、とくに高い接合強度を得るために、銅とアルミニウムとの間に銀層をインサートしてろう付けする方法（銀インサートろう付け法）が提案されている（特許文献３）。この方法によれば、信頼性の高いアルミニウム／銅の接合を得ることができる。
【０００６】
上記の放熱経路の熱応力の問題とは別に、放熱部品の製造の容易化、とくに多数のフィンを形成する際の煩雑さを簡単化するための構造の提案がなされてきた。たとえば、ベース金属板に溝を設け、その溝に金属板に溝加工して形成した一列フィンを順次挿し込んで組み立てる構造が提案されている（特許文献４）。また、上下のカバープレートによって並行する多数の薄板状のプレートフィンを挟んで係止する構造が提案された（特許文献５）。上記特許文献４〜５に開示の構造によれば、放熱部品の構成を簡単化して製造を容易化することが可能である。
【特許文献１】特開平５−２４３４３６号公報
【特許文献２】特開２００６−１００６４０号公報
【特許文献３】特開２００５−５２８８５号公報
【特許文献４】特開平６−２７５７４７号公報
【特許文献５】特開２００１−１２７４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献１および２に開示の方法は、放熱経路を異種材料の組み合わせで形成することで、発熱体とフィンの熱膨張率のミスマッチを緩和することはできるが、本発明の根幹をなす異種金属の接合に関しては、有効な方法は提案されていない。また、上記の特許文献４および５に開示の放熱部品では、フィンおよびそのフィンが取り付けられるベース部材（基部）の金属を、異なる種類の金属で形成することは可能である。これらの方法では、ともにめっき処理したフィンおよびベース部材同士を機械的に止め、上述のろう付け処理を施せばよいからである。また、特許文献３に開示の方法は、銅とアルミニウムとの接合を可能にするが、この方法は、１個のチップ（半導体デバイス）に対する放熱経路を形成する場合には信頼性の高い方法といえるかもしれないが、多数チップ搭載のパワーモジュールなどで必要とされる大面積の銅とアルミニウムとの接合は、欠陥やボイド等の発生が生じ、有効な打開策がない。
【０００８】
近年のハイブリッドカーのパワーモジュールのような、チップを多数配列した装置は、不可避的に大面積となり、放熱は、この大面積の装置をひとくくりにして、１つの大面積の放熱経路で対処するのが熱効率の点から好ましい。このような放熱に用いる放熱部品は、フィンが立つベース部分と、他の異種金属とを接合して、複合化された大面積の放熱部品または放熱フィンとすることができれば、熱応力の緩和を得ながら放熱を促進することができる。しかしながら、上述のように、現在、多数チップ用の放熱経路を形成する大面積の異種金属、とくに銅とアルミニウムを高い信頼性で接合する方法は存在しない。また、面積の大小によらず、異種金属とくにアルミニウムと銅とを高い信頼性で簡単に接合できれば、工業的に非常に価値があり、この分野の発展に寄与しうる技術であるといえる。
【０００９】
本発明は、異種金属の接合を容易にする構造を持つ放熱部品およびそれを用いた放熱構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の放熱部品は、金属製の熱伝導板と、フィンと熱伝導板と異なる金属製の基部とで構成される、基部付フィンとを備え、熱伝導板と基部とは接合される。そして、熱伝導板と基部の相対向する面の少なくとも一方に、当該面の端へと通じる開通路となる表面地形が設けられ、相対向する面の間に接合に用いた金属が充填されていることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成により、異種の金属層を接合するためのはんだやろう等に付随する気泡を面の端へと追い出すことができる。この結果、ボイド等の欠陥のない信頼性の高い異種金属接合部を持つ放熱部品を、面に設けた表面地形という簡単な機構で実現することができる。このため、１チップ用の小面積用の放熱経路から多数チップのモジュール等の大面積用の放熱経路まで、どのような面積サイズの放熱経路においても熱応力の緩和に寄与することができる。
【００１２】
上記の表面地形として、面の中央部から端へと開口する溝を形成することができる。この構成により、低融点金属に付随する気泡を外に追い出しながら、溝を面全体にわたって形成することで、はんだ、ろう等の低融点金属を均一にゆき渡らせ、または均一に濡れさせることができる。
【００１３】
上記の表面地形として、所定の地点を頂上として端へと低くなるような丘を形成することができる。上記の丘の地形の勾配を制御することにより、低融点金属に付随する気泡を外に追い出しながら、はんだ、ろう等の低融点金属を均一にゆき渡らせ、または均一に濡れさせることができる。
【００１４】
上記の基部付フィンを、一体成形加工された一体物のアルミニウムとすることができる。この構成により、加工性にも熱伝導性にも優れるアルミニウムにより基部付フィンを形成し、基部に接合される熱伝導板を、熱伝導性に優れるが加工性でアルミニウムに劣る銅によって形成することができる。この結果、本放熱部品を安価に製造することができる。なお、上述の表面地形は、基部および／または熱伝導板に設けることができる。
【００１５】
上記の基部付フィンを、一体成形の押出し加工により製造されたアルミニウムの一体物とし、そのアルミニウムの表面地形を、その押出し加工により形成することができる。これにより、押出し加工により、効率よく安価に、フィンと基部とからなる一体物の基部付フィンを製造することができる。
【００１６】
上記の基部付フィンを、一体成形のダイキャストにより製造したアルミニウムの一体物とし、そのアルミニウムの表面地形を、そのダイキャストにより形成することができる。これにより、ダイキャストにより、効率よく安価に、フィンと基部層との一体物の基部付フィンを製造することができる。
【００１７】
上記の相対向する面の少なくとも一方において、表面地形を、パンチ型による転写により形成することができる。これにより、簡便に表面地形を形成して、上記の接合を迅速に遂行することができる。
【００１８】
上記の接合に用いた金属を鉛フリーとすることができる。これによって、鉛害を防止することができる。
【００１９】
本発明の放熱構造体は、発熱体との間に、熱伝導性絶縁層、ヒートスプレッダおよび配線材の少なくとも１つを介在させて、上記のいずれかの放熱部品の基部が介在された物の底部に接続された構成とすることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、放熱性を確保して発熱体とフィンとの熱膨張率のミスマッチを緩和する上で、製造が容易な放熱部品を用いて、材料選択の余地を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の放熱部品によれば、その構造によって異種金属の接合を容易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における放熱部品の斜視図である。この放熱部品１０では、金属製の熱伝導板１と、フィン３ａおよび基部３ｂからなる一体物の基部付フィン３が、低融点金属５により接合されている。熱伝導板１は、単に金属板と呼ぶ場合がある。フィン３ａは壁状の形態を有しているが、壁状に限定されず、棒状であってもよい。金属板１と基部３ｂとで、異種金属を組み合わせた、フィン３ａの一つの基部を構成しているという見方ができる。本実施の形態では、図２に示すように、基部３ｂの面に、面の端へと通じる開通路となる溝３ｃが設けられている点に特徴を有する。そして、金属板１と基部３ｂの相対向する面の間に、上記の低融点金属が充填されている。
【００２３】
金属板１は銅で形成するのがよく、また一体物のフィン３ａおよび基部３ｂからなる基部付フィン３は、加工性に優れたアルミニウムで形成するのがよい。アルミニウムをダイキャスト法で製造するが、その際に、図２に示すような溝３ｃのパターンを設ける。ダイキャスト法の場合は雌型に対して、溝３ｃが形成される型を形成する。ダイキャスト法によって溝のないフィン付基部３を製造した後、パンチ型を用いて転写によって溝３ｃのパターンを形成してもよい。さらに、溝のない基部付フィン３を、ダイス型を用いて押出し加工法で製造した後に、溝３ｃのパターンを、基部３ｂの面にパンチ型で転写して形成してもよい。個々の溝３ｃの形態は、図３に示す略半円形の断面を持つように形成するのがよい。溝３ｃの深さｈは、ろう材やはんだ材で全面を濡らすために、１ｍｍ以下とするのがよい。なお、アルミニウムまたは銅と記すときは、特に断らない限り、これらの合金を含んでいる。
【００２４】
上記のアルミニウム製の基部付フィン３と、銅製の金属板１とを、ろう付けまたははんだ付けによって接合する。ろう付けまたははんだ付けにおいて、溶融状態のろうまたははんだを基部３ｂの面に置いて銅板１と貼り合わせる際、溝３ｃのパターンが基部３ｂの面全体に設けられているので、ろうもしくははんだ、または金属フィラー含有の接着剤が全面に行き渡り、また生じる気泡は面の端に追い出すことが可能となる。上述の低融点金属（ろう材、はんだ材等）は、たとえば改訂４版金属データデータブック（金属学会編
丸善株式会社平成16年2月29日発行）pp.355-359に示されているなかから適切なものを用いることができる。近年、公害防止から開発が進んでいる鉛フリーや化学物質規制に対応した材料を用いることが好ましい。接着と接合との相違は厳密に区別する必要はなく、本説明において接合という表現は接着という概念を含むこととする。
【００２５】
上記の溝３ｃは、基部３ｂに設けただけでもよいが、図４に示すような溝１ｃを有する銅板１を併用することができる。相対向する面の両方に溝３ｃ，１ｃを設けることにより、溶融状態のはんだ材またはろう材を偏在させることなく、溝３ｃ，１ｃのパターンに付随して広く、かつ均一に濡れさせた状態を実現することができ、高品質の接合部を得ることができる。
【００２６】
本実施の形態における放熱部品１０は、面積の大小によらず、高い信頼性の接合部を得ることができる。とくに多数チップを搭載するパワーモジュールの場合の大面積の放熱経路に用いて、従来品にない有用性を発揮することができる。
【００２７】
溝３ｃのパターンは、図２に示すように、同心円状の溝と、中心から外側に放射状に広がる溝との組み合わせである。放射状に広がる溝は、端に開口する。上記のような中心部を有する溝パターンは、１つと限定されず、複数個、配置される形態であってもよい。また、図５に示すように格子状の溝３ｃ（１ｃ）でもよいし、図６に示すように、一方向に揃った溝３ｃ（１ｃ）でもよい。一方向の揃った溝の場合、ダイキャスト法や鈑金法だけでなく、ダイス型に溝型を形成することにより押出し加工によっても溝付きのフィン付基部３または溝付き銅板１を製造することができるようになる。
【００２８】
上記の放熱部品１０は、断面積の小さい１チップ用の放熱経路でも、また多数チップのモジュール用に大面積用の放熱経路にも用いることができ、とくに、大きな断面積のパワーモジュール用の放熱部品に適している。
【００２９】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における放熱部品を示す断面図である。本実施の形態では、基部３ｂの面に、表面地形として丘を設けた点に特徴を有する。丘の頂上において、接合相手の金属層１との距離ｄ１は０．０５ｍｍ程度とし、端における上記距離ｄ２は０．２ｍｍ程度となるように丘を形成するのがよい。
【００３０】
金属板１を銅とし、フィン３ａと基部３ｂとが一体成形加工で製造された基部付フィン３をアルミニウムで形成するのが望ましいことは、実施の形態１と同じである。基部付フィン３の製造方法については、溝が設けられないので、パンチ型の転写を用いる必要はなく、ダイキャスト法または押出し法によるのがよい。
【００３１】
ろう付けまたははんだ付けにおいて、溶融状態のろうまたははんだを基部３ｂの面に置いて銅板１と貼り合わせる際、丘の緩い勾配が基部３ｂの面全体に設けられているので、ろうまたははんだの濡れの制御が容易化され、ろう材等を容易に全面に行き渡らせ、また生じる気泡は面の端に追い出すことが可能となる。上記の丘の形状は、基部３ｂに設けただけでもよいが、銅板１にも設けることができる。
【００３２】
本実施の形態における放熱部品１０は、面積の大小によらず、高い信頼性の接合部を得ることができる。とくに多数チップを搭載するパワーモジュールの場合の大面積の放熱経路に用いて、従来品にない有用性を発揮することができる。
【００３３】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における放熱構造体５０を示す図である。この放熱構造体５０には、図１および図７に示した放熱部品１０が組み込まれている。図８において、発熱体である半導体デバイス３０の底面にはんだ層２７を介してアルミニウム板または銅板２５が配置されている。そのアルミニウム板または銅板の下には、ＡｌＮなどの熱伝導性絶縁板３１が配置され、さらにその下にアルミニウム板または銅板２５が配置される。さらに、その下にはんだ層２９によってヒートスプレッダ３３が接続され、そのヒートスプレッダ３３の下に放熱部品１０が配置される。放熱部品１０は、熱伝導板１をヒートスプレッダ３３に図示しないグリースなどを介して接して、図示しない壁状フィンは、筐体３５と熱伝導板１および基部３ｂとで形成された熱媒体流路内に位置している。ヒートスプレッダ３３と、放熱部品１０と、筐体３５とは、ねじ２３によって締結されている。
【００３４】
半導体デバイス３０は、ハイブリッドカーに用いられる電力用スイッチング素子のパワー半導体では、非常に多量の発熱があり、効率のよい放熱経路の構築は必須となる。上記の放熱構造体５０は、半導体デバイスで発生した多量の熱を、放熱部品１０によって効率よく熱媒体に放熱して、しかもその放熱部品１０は、異なる２種の金属で形成されているので、半導体デバイスとフィンの熱膨張率のミスマッチを緩和することができ、熱応力を低減することができる。
【００３５】
また、上記の放熱部品１０は、従来の放熱部品に対して、パワーモジュール用の大面積の異種金属の接合の信頼性が高く、簡単に製作することができる。このため、大きな断面積の放熱経路の製造費用を低減することができる。したがって、自動車、とくに発熱量が大きいハイブリッドカー等に搭載されるパワーモジュールにおいて、有用性を発揮すると考えられる。
【００３６】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における放熱構造体５０を示す図である。実施の形態３の放熱構造体５０との相違は、半導体デバイス３０から放熱部品１０にいたる放熱経路の構成だけにあり、放熱部品１０の構成は、実施の形態３と同じである。本実施の形態においては、実施の形態３における（アルミニウム板または銅板２５＋熱伝導性絶縁基板３１＋アルミニウム板または銅板２５）で構成される配線機能を配線材３７で置き換えた点に特徴を有する。図９において、半導体デバイス３０ははんだ層２７により配線材３７に接続され、配線材３７は絶縁性接続層３８により放熱部品１０に接続されている。配線材３７は、通常、銅板または（銅板＋めっき）によって形成される。
【００３７】
図９の放熱構造体５０では、放熱部品１０に直接はんだ層または絶縁性接着剤で接続するので、製造工程を簡単化することができる。さらに半導体デバイス３０から放熱部品１０にいたる放熱経路の長さを短縮して、熱伝導を促進することができる。また、上述のように放熱部品１０は、異種材料の接合を経て製作されているので、半導体デバイスとフィンの熱膨張率のミスマッチを緩和することができ、熱応力を低減することができる。上記の異種金属の接合は、大面積の接合の信頼性が高いため、とくにハイブリッドカーのパワーモジュール用の大面積の放熱経路に好適に用いることができる点では、上記実施の形態３で説明したことがそのまま該当する。
【００３８】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の放電部品および放熱構造体によれば、信頼性の高い異種金属間の接合を容易にできるので、とくに多数チップを搭載したパワーモジュール用の大面積の放熱経路を熱応力を抑制して実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１における放熱部品の斜視図である。
【図２】図１のフィン部を示す斜視図である。
【図３】溝の断面形状を示す図である。
【図４】銅板の溝のパターンを示す図である。
【図５】溝パターンの変形例を示す図である。
【図６】溝パターンの他の変形例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２における放熱部品の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における放熱構造体の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４における放熱構造体の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  熱伝導板または金属板（銅板）、１ｃ  溝、３  基部付フィン、３ａ  フィン、３ｂ  基部（アルミニウム層）、３ｃ  溝、５  ろう材またははんだ材、２３  ねじ、２５  アルミニウム板または銅板、２７，２９  はんだ、３０  半導体デバイス、３１  熱伝導性絶縁層（ＡｌＮ基板）、３３  ヒートスプレッダ、３５  筐体、３７  配線材、３８  絶縁性接続層。
【図１】
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【図２】
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【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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