(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液供給手段に連通される供給水路が内部に形成された第１ヒートシンク本体と、この第１ヒートシンク本体の表面に設けられるとともに、第１ヒートシンク本体よりも曲げ剛性が小さい第２ヒートシンク本体とが備えられた二層構造とされ、
第２ヒートシンク本体の内部には、第１、第２ヒートシンク本体が積層された方向と直交する方向に延在し、かつ前記積層された方向で前記供給水路に連通した冷却水路が形成され、
第２ヒートシンク本体の表面において冷却水路の直上に位置する部分の一部が、被冷却体の接合される搭載部分とされ、
この第２ヒートシンク本体の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分が前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されておらず、前記対応部分を除いた部分が前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
請求項１記載のヒートシンクにおいて、
第２ヒートシンク本体の裏面のうち、この裏面に沿った方向において前記対応部分を挟んで互いに対向する部分がそれぞれ、前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項３】
請求項１または２に記載のヒートシンクにおいて、
前記冷却水路は、前記積層された方向と直交する方向においてこの水路の延在する方向に直交する方向で複数に仕切られていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項４】
前記被冷却体は、表面側に半導体チップが搭載されるパワーモジュール用基板とされ、
このパワーモジュール用基板の裏面側が請求項１から３のいずれかに記載のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とするパワーモジュール用部材。
【請求項５】
前記被冷却体は、パワーモジュール用基板の表面側に半導体チップが搭載された構成とされ、このパワーモジュール用基板の裏面側が請求項１から３のいずれかに記載のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被冷却体と接合されて、この被冷却体を冷却するヒートシンク並びにパワーモジュール用部材およびパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のヒートシンクとして、例えば下記特許文献１に示されるような、その内部に表面に沿った方向に延びる冷却水路が形成され、この表面において冷却水路の直上に被冷却体が搭載される構成が知られている。これにより、被冷却体がヒートシンクの表面に接合された構造体を使用する過程において、冷却水路内に冷却液を流すことにより、この冷却液によって被冷却体の熱を回収するようになっている。
【特許文献１】特開２００２−９３９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年では、ヒートシンクに高い冷却能を具備させ、ヒートシンクと被冷却体との接合信頼性をさらに向上させることに対する要望がある。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、高い冷却能を具備させ、被冷却体との接合信頼性を向上させることができるヒートシンク並びにパワーモジュール用部材およびパワーモジュール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】
【０００５】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンクは、冷却液供給手段に連通される供給水路が内部に形成された第１ヒートシンク本体と、この第１ヒートシンク本体の表面に設けられるとともに、第１ヒートシンク本体よりも曲げ剛性が小さい第２ヒートシンク本体とが備えられた二層構造とされ、第２ヒートシンク本体の内部には、第１、第２ヒートシンク本体が積層された方向と直交する方向に延在し、かつ前記積層された方向で前記供給水路に連通した冷却水路が形成され、第２ヒートシンク本体の表面において冷却水路の直上に位置する部分の一部が、被冷却体の接合される搭載部分とされ、この第２ヒートシンク本体の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分が前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されておらず、前記対応部分を除いた部分が前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されていることを特徴とする。
この発明では、被冷却体が、第１ヒートシンク本体よりも曲げ剛性が小さい第２ヒートシンク本体の表面に接合されるので、被冷却体が発熱した際、第２ヒートシンク本体の、被冷却体およびヒートシンクそれぞれの熱膨張係数の差に起因した曲げ変形を、拘束少なく発生させることが可能になり、これら被冷却体と第２ヒートシンク本体との間の接合部に発生する応力を抑えることができる。
しかも、このヒートシンクでは、第２ヒートシンク本体の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分が前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されておらず、前記対応部分を除いた部分が前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されているので、第２ヒートシンク本体のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分のみを前記のように拘束少なく曲げ変形させて、この他の部分では、第１ヒートシンク本体との接合によりこの曲げ変形を拘束することが可能になる。
以上より、曲げ剛性の小さい第２ヒートシンク本体を過度に変形させることなく、被冷却体とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。
さらに、第２ヒートシンク本体の冷却水路が、前記積層された方向で供給水路に連通しているので、供給水路から冷却水路に冷却液が流入したときに、まず、この冷却液を、冷却水路を画成する壁面のうち、第２ヒートシンク本体の表面側に位置する上面壁に衝突させ、この冷却液の流れを乱流にし、その後、この乱流の冷却液を冷却水路内を流通させて前記搭載部分の直下に到達させることが可能になる。したがって、ヒートシンクの被冷却体に対する冷却能を向上させることができる。
【０００６】
ここで、第２ヒートシンク本体の裏面のうち、この裏面に沿った方向において前記対応部分を挟んで互いに対向する部分がそれぞれ、前記第１ヒートシンク本体の表面に接合されてもよい。
この場合、第２ヒートシンク本体のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分に対する曲げ変形の拘束を低減させつつ、この他の部分の曲げ変形を確実に拘束することが可能になる。
【０００７】
また、前記冷却水路は、前記積層された方向と直交する方向においてこの水路の延在する方向に直交する方向で複数に仕切られてもよい。
この場合、ヒートシンクの被冷却体に対する冷却能をさらに向上させることができる。
【０００８】
また、本発明のパワーモジュール用部材は、被冷却体は、表面側に半導体チップが搭載されるパワーモジュール用基板とされ、このパワーモジュール用基板の裏面側が本発明のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュールは、被冷却体は、パワーモジュール用基板の表面側に半導体チップが搭載された構成とされ、このパワーモジュール用基板の裏面側が本発明のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、高い冷却能を具備させ、被冷却体との接合信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係るヒートシンクの一実施形態について説明する。
このヒートシンク１０は、その表面の後述する搭載部分に接合された被冷却体２１の熱を、内部を流通する冷却液が回収するようになっている。図示の例では、被冷却体２１は、セラミックス板２２を有する絶縁回路基板２３の表面側に半導体チップ２４がはんだ付けされた構成とされている。絶縁回路基板２３は、セラミックス板２２の表面にろう付けされた回路板２２ａと、セラミックス板２２の裏面にろう付けされた金属板２２ｂとにより構成され、回路板２２ａの表面に半導体チップ２４がはんだ付けされ、金属板２２ｂの表面がヒートシンク１０の表面にろう付けまたははんだ付けされて、パワーモジュールが構成されている。
【００１２】
なお、本実施形態では、被冷却体２１は、ヒートシンク１０の表面に一方向Ｄ１に間隔をあけて複数連設されている。また、セラミックス板２２は、例えばＡｌＮ若しくはＳｉＮ等により形成され、回路板２２ａおよび金属板２２ｂは、例えば純度９９％以上のアルミニウム合金若しくは純アルミニウムにより形成されている。さらに、セラミックス板２２の厚さは約０．６３５ｍｍとされ、回路板２２ａおよび金属板２２ｂの各厚さは約０．４ｍｍとされている。
【００１３】
ヒートシンク１０は、図示されない冷却液供給手段に連通される供給水路１１が内部に形成された第１ヒートシンク本体１２と、この第１ヒートシンク本体１２の表面に設けられるとともに、第１ヒートシンク本体１２よりも曲げ剛性が小さい第２ヒートシンク本体１３とを備える二層構造とされている。
なお、第１ヒートシンク本体１２の断面二次モーメントは、第２ヒートシンク本体１３よりも大きく、例えば、第１ヒートシンク本体１２では、２０００ｍｍ４〜４５００００ｍｍ４とされ、第２ヒートシンク本体１３では、６０ｍｍ４〜２０００ｍｍ４とされている。
【００１４】
供給水路１１は、第１ヒートシンク本体１２の内部に、被冷却体２１が連設されている前記一方向Ｄ１に沿って延在している。さらに、本実施形態では、第１ヒートシンク本体１２の内部に、第１、第２ヒートシンク本体１２、１３が積層された方向Ｄ３と直交する方向において前記一方向Ｄ１に直交する直交方向Ｄ２に供給水路１１と間隔をあけて、この供給水路１１と略平行に延在する排出水路１４が形成されている。
そして、これらの供給水路１１および排出水路１４は、ヒートシンク１０の平面視において、被冷却体２１の搭載された位置を避けた位置に配置されて、被冷却体２１を前記直交方向Ｄ２で挟み込むように配置されている。
【００１５】
第２ヒートシンク本体１３は、前記直交方向Ｄ２に横長の平面視矩形状とされ、この直交方向Ｄ２の両端部がそれぞれ、供給水路１１および排出水路１４の直上に配置されるように、前記複数の被冷却体２１それぞれの下面側に各別に設けられている。この第２ヒートシンク本体１３の内部には、前記直交方向Ｄ２に延在し、かつ前記積層された方向Ｄ３で供給水路１１および排出水路１４にそれぞれ連通した冷却水路１５が形成されている。
【００１６】
本実施形態では、第１ヒートシンク本体１２の表面において、供給水路１１の直上に位置する部分には、供給水路１１に開口する第１孔１２ａが、複数の被冷却体２１が連設されている前記一方向Ｄ１における間隔と略等間隔に複数形成されるとともに、排出水路１４の直上に位置する部分には、排出水路１４に開口する第２孔１２ｂが、第１孔１２ａが形成されている間隔と略等間隔で複数形成されている。さらに、第２ヒートシンク本体１３の裏面において、前記直交方向Ｄ２の両端部にはそれぞれ、冷却水路１５に開口する第３孔１３ａおよび第４孔１３ｂが各別に形成されている。
【００１７】
これにより、供給水路１１と冷却水路１５とが、第１孔１２ａおよび第３孔１３ａを介して前記積層された方向Ｄ３で連通し、また、排出水路１４と冷却水路１５とが、第２孔１２ｂおよび第４孔１３ｂを介して前記積層された方向Ｄ３で連通している。
そして、第２ヒートシンク本体１３の表面において冷却水路１５の直上に位置する部分のうち、前記直交方向Ｄ２の中央部が被冷却体２１が接合される搭載部分とされている。
【００１８】
ここで、本実施形態では、第２ヒートシンク本体１３の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分を、この裏面に沿った方向で挟む互いに対向する部分が、第１ヒートシンク本体１２の表面に接合されている。
図示の例では、前記直交方向Ｄ２に横長の平面視矩形状とされた第２ヒートシンク本体１３の裏面のうち、この直交方向Ｄ２の両端部にそれぞれ形成された第３孔１３ａおよび第４孔１３ｂの各開口周辺部が、第１ヒートシンク本体１２の表面にろう付けされ、第２ヒートシンク本体１３の裏面において、前記対応部分を含む第３孔１３ａおよび第４孔１３ｂの各開口周辺部同士の間の部分は、第１ヒートシンク本体１２の表面と非接合とされている。
【００１９】
なお、このような第１、第２ヒートシンク１２、１３のろう付けは、内径が第１孔〜第４孔１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの径よりも大きくされたリング状のろう材箔を、第１ヒートシンク本体１２の表面と第２ヒートシンク本体１３の裏面との間において、各第１孔〜第４孔１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと同軸上に配置して挟み込んだ状態で加熱溶融させることによって実現することができる。
【００２０】
さらに、本実施形態では、冷却水路１５は、前記一方向Ｄ１、すなわち前記積層された方向Ｄ３に直交する方向においてこの水路１５の延在する方向に直交する方向で複数に仕切られている。図示の例では、冷却水路１５は、複数に仕切られた各水路が前記直交方向Ｄ２の全域にわたって同等の流路断面積とされた、いわゆる多穴管とされている。
【００２１】
なお、第２ヒートシンク本体１３は、例えば、純度が９９％以上のアルミニウム合金若しくは純アルミニウムにより形成され、前記一方向Ｄ１の大きさが約５０ｍｍ、前記直交方向Ｄ２の大きさが約１００ｍｍ、前記各水路の仕切り間隔が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、総厚が５ｍｍ以下、前記表面側の天板および前記裏面側の底板の各肉厚が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、前記各水路を仕切る仕切り壁１３ｃの厚さが１ｍｍ以下とされている。
また、第１ヒートシンク本体１２は、例えば、純度が９９％以上のアルミニウム合金若しくは純アルミニウムにより形成されている。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態に係るヒートシンク１０によれば、被冷却体２１が、第１ヒートシンク本体１２よりも曲げ剛性が小さい第２ヒートシンク本体１３の表面に接合されるので、被冷却体２１が発熱した際、第２ヒートシンク本体１３の、被冷却体２１およびヒートシンク１０それぞれの熱膨張係数の差に起因した曲げ変形を拘束少なく生じさせることが可能になり、これら被冷却体２１と第２ヒートシンク本体１３との間の接合部に発生する応力を抑えることができる。
【００２３】
しかも、このヒートシンク１０では、第２ヒートシンク本体１３の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分を除いた部分が、第１ヒートシンク本体１２の表面に接合されているので、第２ヒートシンク本体１３のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分のみを前記のように拘束少なく曲げ変形させ、この他の部分では、第１ヒートシンク本体１２との接合によりこの曲げ変形を拘束することが可能になる。
以上より、曲げ剛性の小さい第２ヒートシンク本体１３を過度に変形させることなく、被冷却体２１とヒートシンク１０との接合信頼性を向上させることができる。
【００２４】
さらに、第２ヒートシンク本体１３の冷却水路１５が、両ヒートシンク本体１２、１３が積層された方向Ｄ３で供給水路１１と連通しているので、供給水路１１から冷却水路１５に冷却液が流入したときに、まず、この冷却液を、冷却水路１５を画成する壁面のうち、第２ヒートシンク本体１３の表面側に位置する上面壁に衝突させ、この冷却液の流れを乱流にし、その後、この乱流の冷却液を冷却水路１５内を流通させて前記搭載部分の直下に到達させることが可能になる。したがって、ヒートシンク１０の被冷却体２１に対する冷却能を向上させることができる。
【００２５】
特に本実施形態では、第２ヒートシンク本体１３の裏面において、この裏面に沿った方向で前記対応部分を挟んだ互いに対向する部分、すなわち、第２ヒートシンク本体１３の裏面のうち、前記直交方向Ｄ２の両端部にそれぞれ形成された第３孔１３ａおよび第４孔１３ｂの各開口周辺部に限定して、第１ヒートシンク本体１２の表面にろう付けされているので、第２ヒートシンク本体１３のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分に対する曲げ変形の拘束を低減させつつ、この他の部分の曲げ変形を確実に拘束することが可能になる。
【００２６】
また、冷却水路１５は前記一方向Ｄ１で複数に仕切られているので、ヒートシンク１０による被冷却体２１の冷却能をさらに向上させることができる。
【００２７】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
前記実施形態では、冷却水路１５として、いわゆる多穴管を示したが、これに代えて、例えば、前記のような仕切り壁１３ｃを有さず仕切られていない広幅の流路とされた冷却水路１５を採用してもよい。
【００２８】
また、複数のコルゲートフィンを冷却水路１５の幅方向に連設して、この水路１５の流路をその幅方向で仕切るようにしてもよい。
さらに、第２ヒートシンク本体１３の裏面のうち、前記対応部分を除いた部分の全域を第１ヒートシンク本体１２の表面にろう付けするようにしてもよい。
さらにまた、前記実施形態では、第１ヒートシンク本体１２の表面側に複数の被冷却体２１が設けられた構成を示したが、これに代えて、例えば１つの被冷却体２１が設けられた構成においても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
高い冷却能を具備させ、被冷却体との接合信頼性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の一実施形態に係るヒートシンクを有するパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線矢視断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ヒートシンク
１１  供給水路
１２  第１ヒートシンク本体
１３  第２ヒートシンク本体
１５  冷却水路
２１  被冷却体
２３  パワーモジュール用基板
２４  半導体チップ
Ｄ３  積層された方向
【図１】
0004626555.tif 000002
【図２】
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