(57)【要約】【課題】  異種金属の接合部を有する放熱部品を能率よく製造することができる製造方法、その放熱部品および放熱構造体を提供する。【解決手段】  フィンおよびそのフィンを支持する基部を有する基部付フィン３と、基部付フィンと異なる金属製の熱伝導板１とを有する放熱部品の製造方法であって、放熱部品１０の鋳型４０内に、熱伝導板１を配置する工程と、鋳型内に、熱伝導板の金属と異なる、溶融状態の金属を鋳込む工程とを備えることを特徴とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィンおよびそのフィンを支持する基部を有する基部付フィンと、前記基部付フィンと異なる金属の熱伝導板とを備える放熱部品の製造方法であって、
前記放熱部品の鋳型内に、前記熱伝導板を配置する工程と、
前記鋳型内に、前記熱伝導板の金属と異なる、溶融状態の金属を鋳込む工程とを備えることを特徴とする、基部付フィンの製造方法。
【請求項２】
前記鋳型内に配置される熱伝導板に、めっき処理を施す工程を備えることを特徴とする、請求項１に記載の放熱部品の製造方法。
【請求項３】
フィンおよび該フィンを支持する基部を有する一体鋳造物の基部付フィンと、
前記基部付フィンの基部と一体化され、前記基部付フィンと異なる金属の熱伝導板とを備え、
前記基部付フィンは、一体鋳造された際に、前記熱伝導板との接合がされたものであることを特徴とする、放熱部品。
【請求項４】
前記熱伝導板および基部のいずれか一方に、前記接合の相手方の位置を規制する位置規制機構が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の放熱部品。
【請求項５】
前記熱伝導板の面に凹部が形成され、前記基部がその凹部を埋めていることを特徴とする、請求項３または４に記載の放熱部品。
【請求項６】
前記熱伝導板は、めっき層で被覆されていることを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに記載の放熱部品。
【請求項７】
前記一体鋳造物の基部付フィンをアルミニウムとし、前記熱伝導板を銅としたことを特徴とする、請求項３〜６のいずれかに記載の放熱部品。
【請求項８】
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３〜７のいずれかに記載の放熱部品の熱伝導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、その製造方法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、その製造方法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設けた放熱部品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、熱膨張率の異なる金属を組み合わせて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】
金属層のみで放熱部品を形成する場合、異種金属層の組み合わせを得るためには、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。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、異種金属を接合することに関しては、有効な方法は提案されていない。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、固体同士の拡散接合という非能率的な工程を経る必要がある。そして、大面積の固相拡散接合にインサート材を用いる場合に付随する、欠陥の発生、すなわち低い信頼性という問題がある。
【０００７】
上述のように、現在、銅とアルミニウムなどの異種金属の接合部を含む放熱部品を、能率よく製造する方法は開示されていない。本発明は、異種金属の接合部を有する放熱部品を能率よく製造することができる製造方法、その放熱部品および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】
【０００８】
本発明の放熱部品の製造方法は、フィンおよびそのフィンを支持する基部を有する基部付フィンと、前記基部付フィンと異なる金属の熱伝導板とを備える放熱部品の製造方法である。この製造方法は、放熱部品の鋳型内に、熱伝導板を配置する工程と、鋳型内に、熱伝導板の金属と異なる、溶融状態の金属を鋳込む工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記の方法によって、異種金属を組み合わせた複合金属層を有する放熱部品を能率よく製造することができる。このため、発熱体と放熱経路の構成材料の熱膨張率のミスマッチを緩和できる放熱部品を安価に製造することが可能になる。また、上記の方法は、固相同士の拡散接合ではなく、液相と固相との拡散接合であり、一方が溶融状態なので大面積の接合においても容易であり、かつ液相が固相表面にゆきわたるので信頼性の高い接合を得ることができる。また、ろう材、はんだ材などの接着剤を用いないことによる利点を得ることができる。
【００１０】
上記の鋳型内に配置される熱伝導板に、めっき処理を施す工程を備えることができる。これにより、たとえば上記の異なる金属同士が脆化合金層を形成する金属の場合であって、かつ形状的に高い接合強度を必要とする場合に、両金属の間に両方の金属と脆化合金層を形成しない金属めっき層を介在させることにより、信頼性の高い接合を得ることができる。この場合、接合面積の大小によらず、接合部の信頼性を高めることができる。
【００１１】
本発明の放熱部品は、フィンおよび該フィンを支持する基部を有する一体鋳造物の基部付フィンと、基部付フィンの基部と一体化され、基部付フィンと異なる金属の熱伝導板とを備える。そして、基部付フィンは、一体鋳造された際に、熱伝導板との接合がされたものであることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、異種金属を接合によって組み合わせた複合金属層を有する放熱部品を、安価に提供することができる。この放熱部品では、とくに大面積の場合に、高い信頼性の接合を能率よく得ることができる。一体鋳造されたものであるか否かは、マクロ金属組織を調べることにより、容易に特定することができる。また、熱伝導板表面に接触して凝固して、上記の接合がなされたことは、やはり熱伝導板表面上の凝固組織を観察することにより容易に特定することができる。もとより、接合部に、ろう材等の接着剤やインサート材が存在しないことも容易に特定できる。
【００１３】
上記の熱伝導板および基部のいずれか一方に、接合の相手方の位置を規制する位置規制機構を設けることができる。これによって、熱伝導板と基部付フィンとの接合を強固にすることができる。位置規制機構としては、熱伝導板または基部を取り囲む枠体、熱伝導板または基部を嵌め込む凹部等を挙げることができる。
【００１４】
上記の熱伝導板の面に凹部を形成し、基部がその凹部を埋める構成とすることができる。これによって、基部付フィンを形成する溶融金属との接触面積を大きくし、かつ濡れ性を高めて、上記の接合を強固にすることができる。なお、凹部は、各種の溝などが該当し、さらに広くは、粗面化処理された面なども該当する。
【００１５】
上記の熱伝導板は、めっき層で被覆されたものとできる。この構成によって、たとえば上記の異なる金属同士が脆化合金層を形成する金属の場合で、かつ接合部周囲の形状が高い接合強度を要する場合に、両金属の間に両方の金属と脆化合金層を形成しない金属めっき層を介在させることにより、面積の大小によらず、信頼性の高い接合部の放熱部品を得ることができる。
【００１６】
上記の一体鋳造された基部付フィンをアルミニウムで、また熱伝導板を銅で、それぞれ形成することができる。これによって、熱伝導性に優れ、製造が容易な放熱部品を得ることができる。
【００１７】
上記の一体鋳造物の基部付フィンをアルミニウムとし、熱伝導板を銅とすることができる。これにより、ともに熱伝導率は高いが、熱膨張率の異なる銅とアルミニウムとで放熱部品を構成して、放熱経路の熱応力の発生を緩和することができる。また、一体鋳造物を融点の低いアルミニウムとすることにより、鋳造して作製した後の放熱部品の変形を抑えることができる。
【００１８】
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熱伝導板を、介在された物の底部に接続することを特徴とする。
【００１９】
上記により、発熱体と放熱経路の構成材の熱膨張率のミスマッチを緩和しながら、高い放熱性を有する放熱経路を、安価に構成することができる。これは、この放熱経路に組み込まれた放熱部品が、上述のように、面積の大小によらず、信頼性の高い異種金属接合を能率よく実現できるからである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、面積の大小によらず、高い信頼性の異種金属間接合部を持つ放熱部品を能率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（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断面図である。この放熱部品１０は、銅の熱伝導板１と、その熱伝導板１に接合したアルミニウムの基部付フィン３とから構成され、基部付フィン３が一体鋳造されている点に特徴を持つ。熱伝導板１と基部付フィンの基部との接合は、金属接合によっている。一体鋳造されたものか否かは、基部付フィン３の断面の鋳造組織をエッチング液などを用いて顕出させることにより、容易に確認することができる。
【００２２】
また、上記のアルミニウムの一体鋳造の際に銅板１との接合が行われたか否かは、銅板１と基部付フィン３との界面付近の凝固組織を観察することによって容易に特定することができる。すなわち、アルミニウムは、熱伝導板１の表面からほぼ直交するような柱状の柱状晶が内部に向かって延びており、内部では等方的な等軸晶へと変わってゆく。柱状晶の存在は、凝固がそこから始まったことを意味し、鋳造時に鋳型内に熱伝導板１が配置されていたことを意味する。柱状晶の部分の厚みは、材料や鋳込み温度で決まる。また、鋳込みの際に、液相の原子（Ａｌ）が固相（Ｃｕ）へと拡散するので、界面直交方向の各原子の分布プロファイルを、ＩＭＭＡ(Ion Mass Micro Analyser)やＥＰＭＡ(Electron
Probe Micro Analyser)等で測定して、接合の状態を確認することができる。また、上記の各原子のプロファイルを測定する際に、ろう材やはんだ材などの接着材を構成する原子の不存在、すなわちろう材等により接合されたものでないことを確認することができる。要は、アルミニウムの一体鋳造の際に接合が行われた否か、製造の後で、製品の状態で、特定することができる。
【００２３】
銅とアルミニウムとの接合は、これら金属を直接に接触させると、硬くて脆い金属間化合物を生成して接合強度が低下するので、接合の信頼性を高めるために、熱伝導板１には、図２に示すように、銅部分１ｂを被覆するようにニッケルめっき層１ｂを形成しておくのがよい。ニッケルは、銅とも、またアルミニウムとも脆い金属間化合物を生成しないので、ニッケルめっき層１ｂを介在させて、熱伝導板１と基部付フィン３とを接合することにより、信頼性の高い接合を実現することができる。
【００２４】
次に、図１に示す放熱部品１０の製造方法について説明する。図３は、図１に示す放熱部品１０の製造方法を説明するための図面である。図３において、鋳型４０は、図１の放熱部品１０に対応する雌型をその内面に有している。この鋳型４０内に、図２に示すようなニッケルめっきした銅板１を配置し、湯口４１から溶融状態のアルミニウムを注入する。アルミニウムの温度は、放熱部品の変形等を防止するために、７００℃程度とするのがよい。アルミニウムの注入により、アルミニウム製の基部付フィン３が形成される。型抜きを行う際に、製品に湯道等も接続しているので、これらを切断して、整形することにより、放熱部品１０を得ることができる。
【００２５】
上記の放熱部品１０の製造方法によれば、接合部の面積の大小にかかわらず、信頼性の高い異種金属接合を能率よく得ることができる。このため、とくにハイブリッドカーのパワーモジュール用のような、これまでにない大面積の放熱経路を安価に形成することができる。上記の放熱部品は、熱伝導板１を銅で、また基部付フィン３をアルミニウムで形成するため、半導体デバイスと放熱経路の構成材の熱膨張率のミスマッチの緩和に、それ自体で、また他の構成材の材料選択の余地を広げることで、寄与することができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図５は、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。この放熱部品１０は、アルミニウム製の基部付フィン３に、熱伝導板１の位置を規制する位置規制機構として枠体６が設けられている点に特徴を有する。この枠体６を基部付フィンに設けることによって、基部付フィン３と熱伝導板１との接合をより強固にすることができる。このため、熱伝導板１にはニッケルめっき層を形成しなくてもよい。ただし、ニッケルめっき層を形成することによって、銅とアルミニウムの金属間化合物の生成を防止できるので、ニッケルめっき層を形成してもよい。枠体６の高さｈは、１ｍｍ未満とするのがよく、たとえば０．５ｍｍとするのがよい。また、枠体の代わりに、熱伝導板を嵌め込むような凹部を基部付フィンに設けてもよい。上記の枠体や凹部を有する構造は、鋳造の際に熱伝導板を、半分、鋳ぐるむことになり、鋳ぐるみ構造と呼んでもよい。
【００２７】
図６は、図５に示す放熱部品１０の製造方法を説明する図である。実施の形態１における製造方法と比べて、本質的な相違はないが、基部付フィン３を一体鋳造により形成するために鋳型を変える必要がある。枠体６の高さは任意に調整することができる。上記の枠体６を基部付フィン３に一体鋳造によって設けることによって、熱伝導板１との接合における接触面積を広くして、接合をより確固としたものにすることができる。このため、とくに大面積の接合を確実にするのに有効であり、ハイブリッドカーのパワーモジュールの放熱経路の形成等に有用性を発揮することができる。
【００２８】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における放熱部品の斜視図である。また、図８は、図７の放熱部品１０における熱伝導板１の接合の面を示す図である。本実施の形態の放熱部品１０では、熱伝導板１の接合面に、凹部である溝１ｃが設けられ、また基部付フィン３に枠体６が設けられている点に特徴がある。凹部である溝１ｃは、濡れ性を良くし、また接触面積を増やすことができ、溝１ｃを設けることにより、熱伝導板１と基部付フィン３との接合強度を高めることができる。なお、凹部は、溝１ｃの他に、ショットブラスト処理などで微小な凹凸が生成した面であってもよい。
【００２９】
溝１ｃの深さｈは、１ｍｍ以下とするのがよい（図９参照）。溝１ｃのパターンは、熱伝導板の全面に均一な密度で設けることがよく、たとえば、図８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。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１０に示すように格子状の溝１ｃでもよいし、図１１に示すように、一方向に揃った溝１ｃでもよい。一方向の揃った溝の場合、パンチ型の転写だけでなく、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銅板１を製造することができる。
【００３０】
（実施の形態４）
図１２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。この放熱構造体５０には、図１、図５または図７に示した放熱部品１０が組み込まれている。図１２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。
【００３１】
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。上記の放熱部品における異種金属の接合は、大面積であるにも係わらず、基部付フィンの一体鋳造の際に鋳型内に配置された熱伝導板との間で形成されるので、高い信頼性の接合部となっている。
【００３２】
（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５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４と同じである。本実施の形態においては、実施の形態４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１３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。
【００３３】
図１３の放熱構造体５０では、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。半導体デバイス実装時の作用効果についても、実施の形態４と同様の作用効果を得ることができる。ハイブリッドカーのパワーモジュールに好適に用いることができる点では、上記実施の形態４で説明したことがそのまま該当する。
【００３４】
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】
【００３５】
本発明の放電部品、その製造方法および放熱構造体によれば、面積の大小によらず、信頼性の高い異種金属間の接合を能率よく形成できる。このため、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、安価に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１における放熱部品の断面図である。
【図２】図１の放熱部品に接合部の拡大図である。
【図３】図１の放熱部品の製造方法における鋳型の説明図である。
【図４】図３の状態の鋳型にアルミニウムを注入した状態を示す図である。
【図５】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６】図５の放熱部品の製造方法における鋳型の説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３における放熱部品の斜視図である。
【図８】図７の放熱部品の熱伝導板の接合面の溝を示す図である。
【図９】図７の溝の断面図である。
【図１０】図７の放熱部品における溝パターンの変形例を示す図である。
【図１１】図７の放熱部品における溝パターンの別の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態４における放熱構造体を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態５における放熱構造体を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  熱伝導板（銅板）、１ａ  銅板、１ｂ  ニッケルめっき層、１ｃ  溝、３  基部付フィン、６  枠体、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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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