(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却物と接触する接触面を有する板状のベース部と、
このベース部における前記接触面と反対側の面に立設された複数の放熱部と
を備えたヒートシンクであって、
前記ベース部および放熱部が実質的に２種類の材質で構成されており、この２種類の材質の組成比が、前記ベース部の接触面から前記放熱部の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成であり、
前記２種類の材質がアルミニウムとシリコンであり、
前記ベース部が、純シリコンと、少量のアルミニウムを含む低合金シリコンとで構成されており、かつ、前記接触面側がシリコンリッチとなる傾斜組成であり、かつ、
前記放熱部が、純アルミニウムと、少量のシリコンを含む低合金アルミニウムとで構成されており、かつ、前記先端側がアルミニウムリッチとなる傾斜組成である、ヒートシンク。 
【請求項２】
請求項１に記載のヒートシンクの製法であって、
３Ｄプリンターを用いて、前記ベース部および放熱部を構成する材料の粉末を所定のパターンで積層する工程、および積層した所定のパターンにレーザを照射して焼き固める工程を含む、ヒートシンクの製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートシンクおよびその製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器のパワー半導体などの発熱素子の熱を放熱（放散）するためにヒートシンクと呼ばれる放熱器または放熱板が用いられている。ヒートシンクとしては、例えば、図４に示されるような、板状のベース部３０の一方の面に複数のフィン状または壁状の放熱部３１が立設されたものや、図５に示されるような、同じく板状のベース部４０に複数の柱状の放熱部４１が立設されたものが知られている。    
【０００３】
図４に示されるヒートシンク３３は、例えば純アルミニウム系や、アルミニウムーマンガン系などの押出成形により作製することができる。また、図５に示されるヒートシンク４３は、同じく例えば純アルミニウム系や、アルミニウムーマンガン系などの冷間鍛造により作製することができる。
【０００４】
図４〜５に示されるヒートシンク３３、４３では、ベース部３０、４０における放熱部３１、４１が形成された面と反対側の面が、半導体素子などの発熱素子が搭載される接触面３２、４２として機能する。
【０００５】
ところで、シリコン基板を含む半導体素子を冷却するヒートシンクの場合、以下の２つの特性が要求される。すなわち、シリコン基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有すること、および、良好な熱拡散性を有することである。前者については、熱膨張係数の違いによりシリコン基板とヒートシンクとの接合（接触）箇所に応力が発生し、シリコン基板に歪が生じるのを防ぐためである。また、後者については、近年における半導体素子の大型化および集積度の増加に伴い、多量の熱が発生するようになったが、この熱による半導体素子の機能低下や寿命低下を防ぐためである。
【０００６】
そこで、前記ベース部と放熱部とで異なる材料を用いてヒートシンクを作製することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の複合放熱構造体では、基盤と固着される部位を、シリコンを３０〜５０質量％含有する高Ｓｉ過共晶Ａｌ合金で作製し、放熱部を、主として展伸用Ａｌ合金で作製している。具体的に、Ｓｉを３０〜５０質量％含有するＡｌ合金粉末を圧縮成形または押出成形した成形体の周囲に展伸用アルミニウム合金を外層とした複合ビレットを熱間押出することで複合放熱構造体を作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記のような複合構造体では、ベース部と放熱部との境界面において材料の組成が大きく異なっているので、半導体素子が発熱を繰り返す間に、当該境界面でベース部と放熱部とが剥離し、放熱性が低下する虞がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、異なる材料を用いることで所定の放熱性および被冷却物の熱膨張係数との近似性を確保しつつ、異種材料使用によるベース部と放熱部との剥離を防止することができるヒートシンクを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係るヒートシンクは、被冷却物と接触する接触面を有する板状のベース部と、
このベース部における前記接触面と反対側の面に立設された複数の放熱部と
を備えたヒートシンクであって、
前記ベース部および放熱部が実質的に２種類の材質で構成されており、この２種類の材質の組成比が、前記ベース部の接触面から前記放熱部の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成であり、
前記２種類の材質がアルミニウムとシリコンであり、
前記ベース部が、純シリコンと、少量のアルミニウムを含む低合金シリコンとで構成されており、かつ、前記接触面側がシリコンリッチとなる傾斜組成であり、かつ、
前記放熱部が、純アルミニウムと、少量のシリコンを含む低合金アルミニウムとで構成されており、かつ、前記先端側がアルミニウムリッチとなる傾斜組成である。
【００１１】
本発明の他の態様に係るヒートシンクの製法は、上記ヒートシンクの製法であって、３Ｄプリンターを用いて、前記ベース部および放熱部を構成する材料の粉末を所定のパターンで積層する工程、および積層した所定のパターンにレーザを照射して焼き固める工程を含む。
【発明の効果】
【００１２】
上記発明によれば、異なる材料を用いることで所定の放熱性および被冷却物の熱膨張係数との近似性を確保しつつ、異種材料使用によるベース部と放熱部との剥離を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一態様に係るヒートシンクの斜視説明図である。
【図２】本発明の他の態様に係るヒートシンクの斜視説明図である。
【図３】実験例で用いたヒートシンクの斜視説明図である。
【図４】従来のヒートシンクの一例の斜視説明図である。
【図５】従来のヒートシンクの他の例の斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔本発明の実施形態の説明〕
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の一態様に係るヒートシンクは、
（１）被冷却物と接触する接触面を有する板状のベース部と、
このベース部における前記接触面と反対側の面に立設された複数の放熱部と
を備えたヒートシンクであって、
前記ベース部および放熱部が実質的に２種類の材質で構成されており、この２種類の材質の組成比が、前記ベース部の接触面から前記放熱部の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成であり、
前記２種類の材質がアルミニウムとシリコンであり、
前記ベース部が、純シリコンと、少量のアルミニウムを含む低合金シリコンとで構成されており、かつ、前記接触面側がシリコンリッチとなる傾斜組成であり、かつ、
前記放熱部が、純アルミニウムと、少量のシリコンを含む低合金アルミニウムとで構成されており、かつ、前記先端側がアルミニウムリッチとなる傾斜組成である。
【００１５】
本態様に係るヒートシンクでは、ベース部および放熱部を構成する材質の組成比が当該ベース部の接触面から前記放熱部の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成であるので、ベース部に要求される特性を有する材質を主に含む材料で当該ベース部を構成するとともに、放熱部に要求される特性を有する材質を主に含む材料で当該放熱部を構成しつつ、材質が急変する界面が生じるのを防ぐことができる。その結果、ベース部と放熱部とが剥離するのを防止することができる。
また、ベース部をシリコンリッチの材料とすることで当該ベース部の熱膨張係数を小さくすることができ、被冷却物がシリコン基板であるときに、当該シリコン基板の熱膨張係数に近づけることができる。これにより、熱膨張係数の違いによりシリコン基板とヒートシンクとの接合（接触）箇所に応力が発生し、シリコン基板に歪が生じるのを防ぐことができる。一方、放熱部をアルミニウムリッチの材料とすることで当該放熱部の放熱性を確保することができる。
【００１７】
本発明の他の態様に係るヒートシンクの製法は、
（２）上記（１）のヒートシンクの製法であって、
３Ｄプリンターを用いて、前記ベース部および放熱部を構成する材料の粉末を所定のパターンで積層する工程、および積層した所定のパターンにレーザを照射して焼き固める工程を含む。
【００１８】
本態様に係るヒートシンクの製法では、３Ｄプリンターを用いてベース部と放熱部を作製するので、当該ベース部および放熱部を構成する材料の組成を容易に調整することができ、組成比が徐々に変化する傾斜組成を高精度に実現することができる。また、レーザを照射することでベース部および放熱部を焼き固めているので、冷却のための媒質を用いることなく自己冷却で十分冷やすことができる。これにより、微細なシリコン結晶を得ることができるので、相手攻撃性が低く、被冷却物と接触するベース部の接触面の後加工（研磨や切削など）を容易に行うことができる。
【００１９】
〔本発明の実施形態の詳細〕
以下、添付図面を参照しつつ、本発明のヒートシンクおよびその製法の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００２０】
図１は、本発明の一態様に係るヒートシンクの断面説明図である。
本態様に係るヒートシンク１は、ベース部２と、放熱部３とを備えている。ベース部２は板状を呈しており、半導体素子などの被冷却物と接触する接触面２ａを有している。放熱部３は、ベース部２における前記接触面２ａと反対側の面２ｂに立設されている。本態様では、複数の壁状の放熱部３が規則的に前記面２ｂに立設されている。
【００２１】
本態様における放熱部３は、ベース部２の面２ｂに垂直な方向に沿って、複数回ジグザグ状に折り曲げられた形状を呈している。具体的に、放熱部３は、ベース部２の面２ｂに対し斜め４５°に折り曲げられた第１屈曲部３ａと、この第１屈曲部３ａの折り曲げ方向と直交する斜め４５°方向に折り曲げられた第２屈曲部３ｂとが交互に設けられている。  
【００２２】
ベース部２および放熱部３のサイズは、被冷却物のサイズなどに応じて適宜設定すればよく、本発明において特に限定されるものではないが、ベース部２としては、例えば４０ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（奥行）×４ｍｍ（厚さ）とすることができる。また、放熱部３としては、例えば１ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（奥行）とし、高さ（ベース部２の面２ｂからの高さ）を１０ｍｍとすることができる。屈曲部の頂点４間の距離ｄ１は、例えば３．３ｍｍとすることができる。また、隣接する放熱部３間の距離ｄ２は３．８７ｍｍとすることができる。  
【００２３】
本態様に係るヒートシンク１では、被冷却部からの熱を放熱する放熱部３が、板状のベース部２の面２ｂに垂直な方向に沿って、複数回ジグザグ状に折り曲げられた形状を呈しているので、放熱に供される部分の面積を従来の放熱部よりも大きくすることができる。換言すれば比表面積を大きくすることができるので、単純な壁状の放熱部に比べ放熱性を向上させることができる。
【００２４】
ヒートシンク１は、３Ｄプリンターを用いて作製することができる。すなわち、３Ｄプリンターを用いて、ベース部２および放熱部３を構成する材料の粉末を所定のパターンで積層する工程、および積層した所定のパターンにレーザを照射して焼き固める工程を繰り返すことで作製することができる。３Ｄプリンターを用いてベース部２と放熱部３を作製することで、当該放熱部３の折り曲げられた形状を高精度に実現することができる。
【００２５】
本態様では、ベース部２および放熱部３が、アルミニウムとシリコンという実質的に２種類の材質で構成されている。そして、この２種類の材質の組成比が、前記ベース部２の接触面２ａから前記放熱部３の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成である。より詳細には、前記ベース部２が、純シリコンと、少量のアルミニウムを含む低合金シリコンとで構成されており、かつ、前記接触面２ａ側がシリコンリッチとなる傾斜組成である。また、前記放熱部３が、純アルミニウムと、少量のシリコンを含む低合金アルミニウムとで構成されており、かつ、前記先端側がアルミニウムリッチとなる傾斜組成である。これにより、ベース部２をシリコンリッチの材質として当該ベース部２の熱膨張係数を小さくすることができ、被冷却物がシリコン基板であるときに、当該シリコン基板の熱膨張係数に近づけることができる。その結果、熱膨張係数の違いによりシリコン基板とヒートシンクとの接合（接触）箇所に応力が発生し、シリコン基板に歪が生じるのを防ぐことができる。一方、放熱部３をアルミニウムリッチの材質とすることで当該放熱部３の放熱性を確保することができる。
【００２６】
前述したベース部２における少量のアルミニウムを含む低合金シリコンの具体的な材料としては、例えば純シリコンやアルミ４０ｍａｓｓ％シリコンを例示することができる。また、放熱部３における少量のシリコンを含む低合金アルミニウムの具体的な材料としては、例えば純アルミニウムやアルミ２ｍａｓｓ％シリコンを例示することができる。
また、ベース部２における傾斜組成としては、例えば接触面２ａ側の組成を純シリコンやアルミ４０ｍａｓｓ％シリコンとし、ベース部２の面２ｂ側の組成をアルミ１０ｍａｓｓ％シリコンやアルミ１７ｍａｓｓ％シリコンとすることができる。一方、放熱部３における傾斜組成としては、例えばベース部２の面２ｂ側の組成をアルミ１７ｍａｓｓ％シリコンやアルミ２０ｍａｓｓ％シリコンとし、放熱部３の先端側の組成を純アルミニウムとすることができる。
【００２７】
本態様では、前記ベース部２の接触面２ａから前記放熱部３の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成であるので、ベース部２と放熱部３に対して、それぞれに適した材質を採用して当該ベース部２と放熱部３に所望の特性（ベース部２に対してはシリコン基板と近い熱膨張係数を有すること。放熱部３に対しては良好な放熱性を有すること。）を与えつつも、材質が急変する界面が生じるのを防ぐことができる。これにより、被冷却物が発熱を繰り返すことに起因する、ベース部２と放熱部３との境界面における剥離を防止することができる。
【００２８】
図２は、本発明の他の態様に係るヒートシンク１１の斜視説明図である。本態様に係るヒートシンク１１も、図１に示される態様と同様にベース部１２と、放熱部１３とを備えているが、当該放熱部１３の構成が図１における放熱部３の構成と異なっている。  
【００２９】
本態様における放熱部１３は角柱状の部材であり、ベース部１２の面１２ｂ（被冷却物と接触する接触面１２ａと反対側の面）にマトリクス状に規則的に立設されている。
本態様における放熱部１３は、ベース部１２の面１２ｂに垂直な方向に沿って、複数回ジグザグ状に折り曲げられた形状を呈している。具体的に、放熱部１３は、ベース部１２の面１２ｂに対し斜め４５°に折り曲げられた第１屈曲部１３ａと、この第１屈曲部１３ａの折り曲げ方向と直交する斜め４５°方向に折り曲げられた第２屈曲部１３ｂとが交互に設けられている。
【００３０】
ベース部１２および放熱部１３のサイズは、被冷却物のサイズなどに応じて適宜設定すればよく、本発明において特に限定されるものではないが、ベース部２としては、例えば４０ｍｍ（幅）×４０ｍｍ（奥行）×４ｍｍ（厚さ）とすることができる。また、放熱部３としては、例えば２ｍｍ（幅）×２ｍｍ（奥行）とし、高さ（ベース部１２の面１２ｂからの高さ）を１０ｍｍとすることができる。屈曲部の頂点１４間の距離ｄ３は、例えば３．３ｍｍとすることができる。また、隣接する放熱部３間の距離ｄ４は、幅方向および奥行方向ともに１．７ｍｍとし、最も外側の放熱部１３とベース部１２の縁との距離は０．５ｍｍとすることができる。  
【００３１】
本態様に係るヒートシンク１１においても、前記ヒートシンク１と同様に、ベース部１２および放熱部１３が、アルミニウムとシリコンという実質的に２種類の材質で構成されている。そして、この２種類の材質の組成比が、前記ベース部１２の接触面１２ａから前記放熱部１３の先端に至る方向に連続的に変化する傾斜組成である。これにより、ベース部１２と放熱部１３に対して、それぞれに適した材質を採用して当該ベース部１２と放熱部１３に所望の特性（ベース部１２に対してはシリコン基板と近い熱膨張係数を有すること。放熱部１３に対しては良好な放熱性を有すること。）を与えつつも、材質が急変する界面が生じるのを防ぐことができる。これにより、被冷却物が発熱を繰り返すことに起因する、ベース部１２と放熱部１３との境界面における剥離を防止することができる。  
【００３２】
［実験例］
図３に示される形状のヒートシンク２０を用いて剥離実験を行った。ヒートシンク２０は、板状のベース部２１の一方の面２１ｂに複数（１１×１１＝１２１）の柱状の放熱部２２が立設されたものである。ベース部２１における放熱部２２が形成された面２１ｂと反対側の面、すなわち下面２１ａが、半導体素子などの発熱素子が搭載される接触面として機能する。
ベース部２１のサイズは、４０ｍｍ（幅）×４０ｍｍ（奥行）×４ｍｍ（厚さ）である。一方、放熱部２２のサイズは、２ｍｍ（幅）×２ｍｍ（奥行）×１０ｍｍ（高さ）である。また、隣接する放熱部２１間の隙間ｇは１．７ｍｍであり、最も外側の放熱部２２の側面２２ｂとベース部２１の上面２１ｂとが交差する交線と、ベース部２１の縁２１ｃとの距離ｔは０．５ｍｍである。
【００３３】
前記形状およびサイズを有するヒートシンクに関し、以下の４種類のサンプルを用意した。サンプルＡ〜Ｃは、３Ｄプリンターを用いて所定の傾斜組成となるように作製した。一方、サンプルＤは冷間鍛造により作製した。
サンプルＡ：ベース部２１の下面２１ａから放熱部２２の上端面２２ａまで、１００％Ｓｉから１００％Ａｌに組成を直線的に傾斜させた。
サンプルＢ：ベース部２１の下面２１ａから放熱部２２の上端面２２ａまで、Ａｌ−６０ｍａｓｓ％Ｓｉから１００％Ａｌに組成を直線的に傾斜させた。
サンプルＣ：ベース部２１の下面２１ａをＡｌ−６０ｍａｓｓ％Ｓｉとし、放熱部２２の上端面２２ａに向けて１０％ずつ６段階に渡って組成を変化させ、当該上端面２２ａの組成を１００％Ａｌとした。
サンプルＤ：全体を１００％Ａｌとした。
【００３４】
各サンプルにおけるベース部２１の下面２１ａに厚さ２ｍｍの純Ｓｉ基板（サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）を２液タイプのエポキシ樹脂を用いて貼り付けた。エポキシ樹脂の厚さは５０ミクロン狙いとし、１５０℃で１２０分間加熱して純Ｓｉ基板のベース部２１への接着を行った。
ついで、各サンプルを、室温と２００℃の間で１００回の熱サイクルを与え、接着状態を観察した。
組成を傾斜させたサンプルＡ〜Ｃについては、ベース部２１と純Ｓｉ基板との剥離は観察されなかったが、サンプルＤについては、純Ｓｉ基板のベース部２１への接触面の約３０％で剥離が観察された。
【００３５】
〔その他の変形例〕
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、ベース部および放熱部それぞれにおいて、アルミニウムとシリコンの組成比を直線的に変化させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば階段状に組成比を変化させてもよいし、また、部分的に組成比が変化しない領域が存在していてもよい。本発明における「連続的に変化する」には、これらの態様が含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１  ：ヒートシンク
２  ：ベース部
２ａ：接触面
２ｂ：面
３  ：放熱部
３ａ：第１屈曲部
３ｂ：第２屈曲部
４  ：頂点
１１  ：ヒートシンク
１２  ：ベース部
１３  ：放熱部
１４  ：頂点
２０  ：ヒートシンク
２１  ：ベース部
２１ａ：下面（接触面）
２１ｂ：上面
２１ｃ：縁
２２  ：放熱部
２２ａ：上端面
２２ｂ：側面
３０  ：ベース部
３１  ：放熱部
３２  ：接触面
３３  ：ヒートシンク
４０  ：ベース部
４１  ：放熱部
４２  ：接触面
４３  ：ヒートシンク
ｄ１  ：距離
ｄ２  ：距離
ｄ３  ：距離
ｄ４  ：距離
ｔ    ：距離
ｇ    ：隙間
【図１】
0006357683.tif 000002
【図２】
0006357683.tif 000003
【図３】
0006357683.tif 000004
【図４】
0006357683.tif 000005
【図５】
0006357683.tif 000006