(57)【要約】【課題】放熱板からの放熱経路中に空隙ができることを防止し，放熱効率を向上させた放熱板および放熱装置を提供すること。【解決手段】本発明の放熱装置１の放熱板２６は，電力素子２１を搭載するとともに，冷却水１５を内蔵するインバータケース１１に取り付けられて，電力素子２１の熱を冷却水１５に放熱するものである。放熱板２６には，電力素子２１の搭載される面の裏面に突起部２６ａが形成され，その突起部２６ａの先端にはフィン２６ｂが設けられている。放熱板２６がインバータケース１１に取り付けられた際には，フィン２６ｂは，インバータケース１１に設けられた貫通孔１３ａを貫通して冷却水１５に接触する。これにより，電力素子２１の熱は放熱板２６を介して直接，冷却水１５に放熱される。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子を搭載するとともに，冷却媒体を内蔵する冷却ケースに取り付けられて，発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱板において，
発熱素子を搭載する面以外の面に形成された突起部と，
前記突起部の先端に設けられるとともに，前記冷却ケースに取り付けられた際に前記冷却ケースを貫通して冷却媒体に接触する放熱部とを有し，
発熱素子から受けた熱を，前記放熱部から冷却媒体に放熱することを特徴とする放熱板。
【請求項２】
請求項１に記載する放熱板において，
前記突起部は，発熱素子を搭載する面の裏面における，発熱素子を搭載する位置に対応する位置に形成されていることを特徴とする放熱板。
【請求項３】
請求項１に記載する放熱板において，
前記突起部は，発熱素子を搭載する面の裏面に形成されており，
前記突起部の断面は，発熱素子を搭載する面において発熱素子が占める領域を包含していることを特徴とする放熱板。
【請求項４】
発熱素子を搭載する放熱板と，前記放熱板を取り付けるとともに冷却媒体を内蔵する冷却ケースとを有し，前記放熱板を介して発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱装置において，
前記放熱板は，
発熱素子を搭載する面以外の面に形成されるとともに，前記冷却ケースを貫通する突起部と，
前記突起部の先端に設けられるとともに，前記冷却ケースの内部の冷却媒体に接触する放熱部とを有し，
前記冷却ケースには，前記突起部が貫通する穴が形成されており，
前記冷却ケースの穴に前記突起部が挿入されることにより，前記放熱板が前記冷却ケースに固定されていることを特徴とする放熱装置。
【請求項５】
発熱素子を搭載する放熱板と，前記放熱板を取り付けるとともに冷却媒体を内蔵する冷却ケースとを有し，前記放熱板を介して発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱装置において，
前記放熱板には，発熱素子を搭載する面以外の面に有底穴が形成されており，
前記冷却ケースは，前記放熱板の有底穴に嵌入する突起部を有し，
前記放熱板の有底穴に前記突起部が挿入されることにより，前記放熱板が前記冷却ケースに固定されていることを特徴とする放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，半導体装置等の発熱素子の熱を放熱する放熱板および放熱装置に関する。さらに詳細には，冷蔵媒体を内蔵する冷却ケースに取り付けられて，発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱板および放熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，半導体素子やそれらを搭載した集積回路基板等では，その素子や回路から発生する熱を効率よく放熱するために，種々の工夫がなされている。（例えば，特許文献１，特許文献２参照。）。これらの技術は，回路用パッケージに各種の放熱フィンをネジ等によって取付け，このフィンに空気の流れを当てることにより放熱するものである。
【０００３】
一方，パワートランジスタ等を含んだインバータパッケージモジュール（以下，ＩＰＭと記載する）では，従来より冷却水による水冷方式が採用されている。
従来の放熱装置の例を図９に示す。この放熱装置１００では，ＩＰＭ１１０とインバータケース１２０とが引きネジ１３０によるネジ止めによって固定されている。ＩＰＭ１１０には，インバータケース１２０と接する面に放熱板１１１が設けられている。また，インバータケース１２０には，その内部に冷却水１２１が循環されている。ＩＰＭ１１０の主な発熱源である電力素子１１２は，放熱板１１１の上方中央付近に固定されているので，その発生熱は放熱板１１１とインバータケース１２０とを介して冷却水１２１へと放散される。
【０００４】
しかしながら，この放熱装置１００では，図９にやや大げさに示したように，ＩＰＭ１１０の放熱板１１１とインバータケース１２０との間に空隙Ｐができるという問題点があった。ＩＰＭ１１０とインバータケース１２０との間に放熱用シリコーングリス１３１を塗布しているが，それでも空隙Ｐに空気層が残存することがあり，放熱性能が低下する原因となっていた。これは以下の理由によるものである。
【０００５】
電力素子１１２は，絶縁板１１３の導体パターンにハンダ付けされ，その絶縁板１１３と放熱板１１１とがハンダ箔１１４によって接合されている。ここで，一般に絶縁板１１３は，電力素子１１２等に比較して熱膨張率が大きい材質が使用されている。例えば，電力素子１１２は，熱膨張係数３〜４×１０−６／Ｋ程度のＳｉが使用されているのに対し，絶縁板１１３はＡｌＮ等であり，その熱膨張係数は４〜７×１０−６／Ｋ程度である。そのため，電力素子１１２等を絶縁板１１３にハンダ付けする際に，その熱により絶縁板１１３の方が大きく膨張し，再び冷えることにより絶縁板１１３の方が大きく収縮する。さらに，この絶縁板１１３がハンダ箔１１４にて放熱板１１１に加熱圧接にて接合される。この放熱板１１１はＭｏ，ＣｕＭｏ，ＡｌＳｉＣ等であり，その熱膨張係数は７〜９×１０−６／Ｋ程度である。そのため，ハンダ付け温度からの冷却時には，電力素子１１２や絶縁板１１３よりさらに大きく収縮する。これにより，放熱板１１１の中央部分の裏側にくぼみができるのである。
【０００６】
これに対し，図１０に示したように，電力素子１１２の周辺の引きネジ１３０に代えて，電力素子１１２のまっすぐ下方に引きネジ１６０を設けた放熱装置１５０とすることもできる。このようにすれば，電力素子１１２周辺のネジ穴が不要となるので，ＩＰＭ１７０および放熱板１７１を小面積化することが可能である。小面積化により，放熱板１７１の裏側のくぼみ量も小さくなる。さらには，そのくぼみ部分に引きネジ１６０を設ければ，空隙Ｐを減少させるとともに引きネジ１６０を介して放熱することができる。図１０に示した放熱装置１５０では，引きネジ１６０の図中下端部にフィン１６１を設けて，さらに放熱性能を良好なものとしている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−８２８８３号公報（第３−４頁，第１図）
【特許文献２】
特開平７−２６３６００号公報（第３頁，第１，３図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した従来の放熱装置１５０においても，放熱板１７１のくぼみ自体はなくすことはできない。特に大電流容量に対応したＩＰＭでは電力素子１１２自体が大きく，放熱板１７１も大きいものが必要なので，くぼみも大きいものとなっていた。そのため，空隙Ｐをなくそうとして引きネジ１６０に大きな力を加えると，ＩＰＭに無理な力が加わることとなり，ＩＰＭを破損するおそれがあった。
【０００９】
あるいは，前記従来の放熱装置１５０では，放熱板１７１とインバータケース１８０との間に塗布している放熱用シリコーングリス１６２が，放熱板１７１の中央部にできたくぼみ部分に溜まりやすくなっていた。この放熱用シリコーングリス１６２は比較的高い熱伝導性を有してはいるが，所定の膜厚を超えて厚いと全体としての熱伝導性が悪くなるので好ましくないという問題点があった。
【００１０】
本発明は，前記した従来の放熱板および放熱装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，放熱板からの放熱経路中に空隙ができることを防止し，放熱効率を向上させた放熱板および放熱装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の放熱板は，発熱素子を搭載するとともに，冷却媒体を内蔵する冷却ケースに取り付けられて，発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱板であって，発熱素子を搭載する面以外の面に形成された突起部と，突起部の先端に設けられるとともに，冷却ケースに取り付けられた際に冷却ケースを貫通して冷却媒体に接触する放熱部とを有し，発熱素子から受けた熱を，放熱部から冷却媒体に放熱するものである。
【００１２】
本発明の放熱板によれば，突起部とその先端に放熱部とを有しており，冷却ケースに取り付けられた際に放熱部は冷却媒体に接触している。従って，放熱板に搭載された発熱素子の熱は，放熱板の突起部と放熱部とだけを介して，冷却媒体に放熱されることができる。つまり，放熱板がいくらか変形した場合でも，放熱板と冷却媒体との間には空隙はできない。従って，放熱板からの放熱経路中に空隙ができることを防止し，放熱効率を向上させることができている。
【００１３】
さらに，本発明の放熱板の突起部は，発熱素子を搭載する面の裏面における，発熱素子を搭載する位置に対応する位置に形成されていることが望ましい。
このようにすれば，発熱素子の熱は発熱素子の位置から放熱板をまっすぐ通り抜けて突起部に至り放熱されるので，熱伝導の経路が短く効率が高いからである。
【００１４】
さらに，本発明の放熱板の突起部は，発熱素子を搭載する面の裏面に形成されており，突起部の断面は，発熱素子を搭載する面において発熱素子が占める領域を包含していることが望ましい。
このようにすれば，発熱素子の熱は放熱板をまっすぐ通り抜けて突起部に至り放熱される。その際，突起部の断面が，発熱素子が占める領域を包含していれば，突起部の断面積が発熱範囲を包含して広いこととなる。従って，発熱素子から放熱部に至るまでの伝熱効率がよいものとなるからである。
【００１５】
また，本発明の放熱装置は，発熱素子を搭載する放熱板と，放熱板を取り付けるとともに冷却媒体を内蔵する冷却ケースとを有し，放熱板を介して発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱装置であって，放熱板は，発熱素子を搭載する面以外の面に形成されるとともに，冷却ケースを貫通する突起部と，突起部の先端に設けられるとともに，冷却ケースの内部の冷却媒体に接触する放熱部とを有し，冷却ケースには，突起部が貫通する穴が形成されており，冷却ケースの穴に突起部が挿入されることにより，放熱板が冷却ケースに固定されているものである。
【００１６】
この放熱装置によれば，放熱板は，突起部と放熱部とが設けられている。そして，この放熱板を冷却ケースに取り付けた状態で冷却ケースに冷却媒体を満たすと，放熱部が冷却媒体に接触する。従って，放熱板に搭載された発熱素子の熱は，放熱板の突起部と放熱部とだけを介して，冷却媒体に放熱されることができる。つまり，放熱板がいくらか変形した場合でも，放熱板と冷却媒体との間には空隙はできないので放熱効率が高い。さらに，突起部が冷却ケースに形成された貫通孔を貫通することにより，放熱板が冷却ケースに固定されているので，ネジ等の固定部材が不要である。これにより，放熱装置のさらなる小型化が可能となる。
【００１７】
また，本発明の放熱装置は，発熱素子を搭載する放熱板と，放熱板を取り付けるとともに冷却媒体を内蔵する冷却ケースとを有し，放熱板を介して発熱素子の熱を冷却媒体に放熱する放熱装置であって，放熱板には，発熱素子を搭載する面以外の面に有底穴が形成されており，冷却ケースは，放熱板の有底穴に嵌入する突起部を有し，放熱板の有底穴に突起部が挿入されることにより，放熱板が冷却ケースに固定されているものであってもよい。
このようにすれば，発熱素子の発生する熱は，放熱板と冷却ケースの突起部とのみを介して冷却媒体に放熱されるので，放熱効率が向上されている。さらに，有底穴に突起部が挿入されることにより，放熱板が冷却ケースに固定されているので，ネジ等の固定部材や貫通孔が不要である。また，冷却媒体が発熱素子周辺に浸潤するおそれはない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
「第１の実施の形態」
以下，本発明を具体化した第１の実施の形態について，添付図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の放熱板および放熱装置は，パワートランジスタを含むＩＰＭなどの半導体装置に設けられて，その発生熱を冷却水へと放散するための放熱板および放熱装置である。
【００１９】
本実施の形態の半導体装置の放熱装置１は，図１に示すように，ＩＰＭ１０がインバータケース１１に収められて構成されている。ＩＰＭ１０とインバータケース１１との接触面には放熱用シリコーングリス１２が塗布されている。インバータケース１１は，熱伝導性の良好な材質で形成され，上側ケース１３と下側ケース１４とで箱状にして内部に冷却水１５を循環させるものである。インバータケース１１から冷却水１５への放熱性を良好なものにするために，上側ケース１３の内面（図中下面）には複数のフィンが設けられている。また，上側ケース１３の中央付近には，ＩＰＭ１０を取り付けるための貫通孔１３ａが形成されている。ＩＰＭ１０と貫通孔１３ａとの間にはシール材１６が塗布されている。ここで，インバータケース１１が冷却ケースに相当し，冷却水１５が冷却媒体に相当する。
【００２０】
次に，ＩＰＭ１０について説明する。ＩＰＭ１０は，図２に拡大して示すように，ほぼ中央部に電力素子２１，ハンダ２２，導体パターン２３，絶縁板２４，ハンダ２５，放熱板２６が上から順に積み重ねられて固定されている。さらに，その周囲にはボンディングワイヤ２７，バスバー２８，２９，ハウジング３０等が配置されている。ハウジング３０は接着剤３１によって放熱板２６に固定され，電力素子２１やボンディングワイヤ２７等はシリコーンゲル３２によって封止されている。これらのうち放熱板２６以外のものは，いずれも従来使用されているものと同様である。以下，上下等の方向は，図１および図２中の方向に合わせて説明する。
【００２１】
電力素子２１は，パワートランジスタ等の発熱素子であり，ハンダ層２２を介して絶縁板２４の上面に付けられた導体パターン２３に取り付けられている。絶縁板２４は，ハンダ層２５を介して放熱板２６上に取り付けられている。放熱板２６の下面には突起部２６ａが形成されている。突起部２６ａの配置は，電力素子２１のまっすぐ下方が好ましい。また，突起部２６ａの断面積は，電力素子２１の面積とほぼ等しく形成されている。また，突起部２６ａの下端部には複数のフィン２６ｂが形成されている。このフィン２６ｂが放熱部に相当する。
【００２２】
また，電力素子２１が複数接近して配置されている場合は，突起部２６ａはそれらの電力素子２１の面積重心に配置されればよい。あるいは，突起部２６ａの配置は，全電力素子２１の発熱分布の重心としてもよい。さらには，各電力素子２１のそれぞれ下方に複数設けてもよい。
この放熱板２６および突起部２６ａには熱伝導性の良好な材質が使用されている。例えば，Ａｌ，Ｃｕ，アルミナ，ＡｌＮ，Ｍｏ，ＣｏＭｏ，ＣｕＭｏ，ＡｌＳｉＣ等が好ましい。
【００２３】
このＩＰＭ１０の製造工程を図３〜図５に従って説明する。まず，図３に示すように，電力素子２１と導体パターン２３が付いた絶縁板２４との間にハンダ箔２２を配置して，加熱圧接する。これにより，電力素子２１と絶縁板２４とを固定する。次に，図４に示すように，絶縁板２４と放熱板２６との間にハンダ箔２５を配置して，加熱圧接する。これにより，絶縁板２４と放熱板２６とを固定する。放熱板２６はこの段階で膨張収縮し，絶縁板２４等との熱膨張係数の違いから，その下面にくぼみができる。従来の放熱装置では，このくぼみのために空隙Ｐができていた。
【００２４】
次に，図５に示すように，接着剤３１を放熱板２６に塗布し，バスバー２８，２９が取り付けられたハウジング３０をセットして，加熱硬化させることにより固定する。さらに，電力素子２１とバスバー２９との間，または導体パターン２３とバスバー２８との間を，それぞれボンディングワイヤ２７によって接続する。さらに，ハウジング３０の中央部の空間にシリコーンゲル３２を注入し，加熱硬化させる。これにより，電力素子２１から絶縁板２４までとボンディングワイヤ２７とが，シリコーンゲル３２によって封止される。
【００２５】
次に，上記のように構成されたＩＰＭ１０とインバータケース１１との接続方法について説明する。予め，放熱板２６の突起部２６ａの外径を上側ケース１３の貫通孔１３ａより０．０１〜０．２ｍｍ程度大きく形成しておく。そして，ＩＰＭ１０をインバータケース１１にはめ込む際には，上側ケース１３の貫通孔１３ａの周囲を１５０〜３００℃程度に加熱する。これにより貫通孔１３ａをやや大きくしておいて突起部２６ａを圧入するのである。インバータの使用温度は−４０〜１００℃程度であるので，使用時にはしっかり固定されて抜けることはない。さらには，この突起部２６ａの側面にシール材１６として液体ガスケット（ＦＩＰＧ）を塗布しておくことにより，冷却水１５がＩＰＭ１０の方へ漏洩することが防止されている。
【００２６】
このように構成された放熱装置１では，放熱板２６には，電力素子２１のまっすぐ下方に突起部２６ａが形成されているので，ハンダ付けの際のくぼみが形成されにくい。また，電力素子２１およびその周辺から発生した熱は，放熱板２６からその突起部２６ａおよび先端のフィン２６ｂを介して，冷却水１５へと直接に伝達される。従って，放熱板２６の下面にくぼみができているとしても，伝熱性への影響はごく小さいものとなる。さらには，放熱用シリコーングリス１２の厚さによる影響も，ごく小さいものとなる。
【００２７】
以上詳細に説明したように，本実施の形態の放熱装置１によれば，放熱板２６に突起部２６ａが形成され，上側ケース１３の貫通孔１３ａに圧入されているので，放熱板２６とインバータケース１１との間に空隙ができることが防止されている。さらに，突起部２６ａの先端部にはフィン２６ｂが形成され，冷却水１５中に浸漬されているので，電力素子２１から発生した熱は突起部２６ａから直接冷却水１５へと伝達される。従って，放熱板からの放熱経路中に空隙ができることを防止し，放熱性能を向上させることができた。
【００２８】
「第２の実施の形態」
次に，本発明を具体化した第２の実施の形態について，添付図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の放熱装置２は，第１の実施の形態の放熱装置１と比較して，放熱板２６の突起部２６ａおよびインバータケース１１の貫通孔１３ａの大きさが異なるのみである。その他の構成部分については放熱装置１と共通であるので，同一の符号を付し，説明を省略する。
【００２９】
本実施の形態の放熱装置２は，図６に示すように，ＩＰＭ４０の放熱板４１が，下部に絶縁板２４の範囲を超える大きさの突起部４１ａを有している。突起部４１ａの下端部には，多数のフィン４１ｂが形成されている。また，インバータケース１１の貫通孔１３ａは，突起部４１ａが入る大きさにされている。
【００３０】
この放熱装置２では，電力素子２１から発生した熱は，放熱板４１の突起部４１ａ，フィン４１ｂから冷却水１５へと放熱される。突起部４１ａの断面積が電力素子２１に比較して十分大きい場合は，放熱用シリコーングリス１２はなくてもよい。各所の組み付けが可能な範囲内で，突起部４１ａの断面積は大きく取る方が放熱性能上は好ましい。
【００３１】
以上詳細に説明したように，本実施の形態の放熱装置２によれば，第１の実施の形態の放熱装置１と同様に，放熱性能を向上させることができた。
【００３２】
「第３の実施の形態」
次に，本発明を具体化した第３の実施の形態について，添付図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態の放熱装置３は，第１の実施の形態の放熱装置１と比較して，放熱板２６およびインバータケース１１の上側ケース１３の構造が異なるのみである。その他の構成部分については放熱装置１と共通であるので，同一の符号を付し，説明を省略する。
【００３３】
本実施の形態の放熱装置３は，図７に示すように，ＩＰＭ５０の放熱板５１には，その下面中央部に凹部５１ａが形成されている。さらに，凹部５１ａの上面の周囲には円溝５１ｂが形成されている。また，インバータケース５２の上側ケース５３の上面中央部には凹部５１ａに見合う大きさの凸部５３ａが形成されている。さらに，図には現れていないが，凹部５１ａまたは凸部５３ａの側面には，縦溝が形成されている。ここで，凹部５１ａが有底穴に相当し，凸部５３ａが突起部に相当する。
【００３４】
この放熱装置３では，凸部５３ａが凹部５１ａに圧入されることによって，ＩＰＭ５０がインバータケース５２に固定されている。その際，放熱板５１と上側ケース５３との間には，伝熱を確実にするための放熱用シリコーングリス１２が塗布される。この放熱用シリコーングリス１２のうち，凸部５３ａと凹部５１ａとの間に入ったものは，凹部５１ａに形成された円溝５１ｂに回収され，縦溝を伝って外部に流れ出る。従って，所定以上の厚さの放熱用シリコーングリス１２が凸部５３ａと凹部５１ａとの間に溜まることが防止されている。
【００３５】
この放熱装置３では，電力素子２１から発生した熱は，放熱板５１および上側ケース５３を介して冷却水１５へと放散される。放熱板５１と上側ケース５３とは薄い放熱用シリコーングリス１２を介して密着しているので，熱伝導率はよい。また，シール材１６等の防水処理が不要である。
【００３６】
以上詳細に説明したように，本実施の形態の放熱装置３によれば，第１の実施の形態の放熱装置１と同様に，放熱性能を向上させることができた。
【００３７】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記第１および第２の実施の形態の放熱板２６，４１で，突起部２６ａ，４１ａを中空として，内部にナトリウムを封入したり，あるいは沸騰冷却式のヒートパイプを設ければ，突起部２６ａ，４１ａからの放熱性がさらに向上される。
また例えば，突起部２６ａ，４１ａの側面に塗布するシール材としては，液体ガスケットに限らず，シリコーン接着剤やエポキシ接着剤などを使用することもできる。
また例えば，上記第１および第２の実施の形態では，突起部２６ａ，４１ａと貫通孔１３ａとが断面同形状であって，圧入によって固定されるとしたが，図８のようにすることもできる。すなわち，貫通孔１３ａの内面に数カ所の凸部１３ｃを形成しておき，それらをやや変形させて突起部２６ａ，４１ａを圧入するのである。この場合は，突起部２６ａ，４１ａの側面部でシールすることは難しいので，突起部２６ａ，４１ａの基部にＯリング等を設けて防水処置を行うとよい。またあるいは，放熱板２６，４１の四隅等を，ネジ止めしたものでもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば，放熱板からの放熱経路中に空隙ができることを防止し，放熱効率を向上させた放熱板および放熱装置が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る放熱装置を示す断面図である。
【図２】ＩＰＭを示す断面図である。
【図３】ＩＰＭの製造工程を示す説明図である。
【図４】ＩＰＭの製造工程を示す説明図である。
【図５】ＩＰＭの製造工程を示す説明図である。
【図６】第２の実施の形態に係る放熱装置を示す断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る放熱装置を示す断面図である。
【図８】放熱装置の別の例を示す部分断面図である。
【図９】従来の放熱装置を示す断面図である。
【図１０】従来の放熱装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２，３  放熱装置
１１，５２  インバータケース
１３，５３  上側ケース
１５  冷却水
２１  電力素子
２６，４１，５１  放熱板
２６ａ，４１ａ  突起部
２６ｂ，４１ｂ  フィン
５１ａ  凹部
５３ａ  凸部
【図１】
2004247684.tif 000003
【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】
2004247684.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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