(57)【要約】【課題】熱伝導シート，グリースなどのサーマルインターフェース材料を併用することなしに、ヒートシンクとの間で高い熱伝導性を確保して電子部品の発生熱を効率よく放熱できるようにした電子部品の放熱部材を提供する。【解決手段】通電動作に伴い発熱する半導体素子などの電子部品を搭載して該電子部品の発生熱をヒートシンク（放熱フィン）に伝熱する放熱部材を、少なくともヒートシンクに対面する側の表面層域が多孔質ないしハニカム構造である金属製放熱基板４の層内空孔４ａに、常温では非流動性（固相）で、電子部品の発熱により低粘度化して流動性を呈する熱伝導性充填材９を含浸させた構成とし、電子部品の通電状態では軟化，流動した熱伝導充填材が放熱基板／ヒートシンク間の伝熱面に存在する空隙（表面粗さ，反りによる）を埋めて伝熱性を高める。ここで、熱伝導性充填材９は、電子部品の発熱により低粘度化して流動性を呈する熱可塑性の有機バインダーに、高熱伝導性材質のフィラーを添加したものとする。【選択図】        図１
2005347500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電動作により発熱する電子部品を搭載して該電子部品の発生熱をヒートシンクに伝熱する放熱部材であって、少なくともヒートシンクに対面する側の表面層域が多孔質ないしハニカム構造である金属基板の層内空孔に、常温では非流動性で、電子部品の発熱により低粘度化して流動性を呈する熱伝導性充填材を含浸させたことを特徴とする電子部品の放熱部材。
【請求項２】
請求項１記載の放熱部材において、金属基板がソリッドベース板と、その表面に成層した多孔質ないしハニカム構造の被覆層からなり、該被覆層の空孔に熱伝導性充填材を含浸させたことを特徴とする電子部品の放熱部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の放熱部材において、熱伝導性充填材が、電子部品の発熱により低粘度化して流動性を呈する熱可塑性の有機バインダーに、高熱伝導性材質のフィラーを添加したものであることを特徴とする電子部品の放熱部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスなどに適用する電子部品の放熱部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように半導体デバイスなどでは、通電動作に伴う半導体素子の発生熱を系外に熱放散させるために、半導体素子を放熱基板に搭載した上で、この放熱基板をヒートシンク（放熱フィン）に伝熱的に装着し、通電に伴う素子の発生熱をヒートシンクに伝熱して外部に放熱するようにしている。
図３はＩＧＢＴモジュールのパワー半導体デバイスを例に、該半導体デバイスをヒートシンクに装着した状態での要部の模式図であり、１は半導体デバイス、２は半導体素子（ＩＧＢＴ）、３はセラミックス基板、４は放熱基板（金属ベース板）、５はパッケージケース、６はヒートシンク（放熱フィン）であり、図中の矢印は半導体素子１に発生した熱の放熱経路を表している。なお、半導体素子２／セラミックス基板３／放熱基板４の間は半田接合されている。
【０００３】
ここで、半導体素子２に過大な熱ストレスを加えことなしにその発生熱を効率よくヒートシンク６に伝熱させるために、放熱基板４として、熱膨張係数が半導体素子２とほぼ等しく、かつ熱伝導性にも優れたタングステン,モリブデン,またはその合金などで作られた放熱基板を使用し、さらにこの放熱基板４について、低熱膨張係数を保ちつつ熱伝導性をより一層高めるために、タングステン,モリブデンなどで作られた基板をハニカム構造とし、その基板（スケルトン）の層内空隙部(セル)に銅などの高熱伝導性材を溶浸させた複合材が知られている(例えば、特許文献１参照)。
また、前記とは別に、放熱基板,ヒートシンク自身の表面粗さ(凹凸面),板面の反り等による伝熱抵抗の影響を抑えて放熱基板とヒートシンクとの間に高い熱伝導性を確保するために、柔軟性を有する熱伝導シート,あるいは熱伝導性コンパウンド,グリースなどのサーマルインターフェース材料を介して放熱基板とヒートシンクとを密着させる方法も一般に採用されている。
【特許文献１】特開２００３−１７６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記した従来技術の放熱部材には次記のような課題が残る。すなわち、電子部品の放熱部材（半導体素子の放熱基板）として、特許文献１に開示されているように成形，焼結法により作製した複合材は、表面をラップ仕上げしたとしてもミクロ的には表面粗さがかなり粗く、このままでは放熱基板をヒートシンクに隙間なく密着させることが困難であり、放熱基板／ヒートシンク間の伝熱面に残る空隙によって接触熱抵抗（界面熱抵抗）が高くなる。そのために、前記したサーマルインターフェース材料を併用して伝熱部材とヒートシンクとの間の伝熱性を高める必要がある。
この場合に、熱伝導シートは簡単な作業で伝熱面に貼着できる利点があり、図４の模式図で示すように放熱基板４とヒートシンク６との間の伝熱面に熱伝導シート７を貼着することにより空隙８をある程度埋めることができるが、熱伝導シート７の両側には依然として空隙が残る。
【０００５】
これに対して、熱伝導グリースを使用すれば、前記した図４における空隙８を略完全に埋めることができて接触熱抵抗を低減できるが、組立作業時の塗布に手間がかかり、また伝熱面の周辺部分をグリースで汚したりすることがある。さらに、長時間使用するとグリースのオイル成分が流出し、このために伝熱界面に空隙が生じて熱伝導グリースの機能が十分に発揮できなくなる問題がある。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、熱伝導シート，グリースなどのサーマルインターフェース材料を併用することなしに、ヒートシンクとの間で高い熱伝導性を確保して電子部品の発生熱を効率よくヒートシンクを通じて放熱できるようにした電子部品の放熱部材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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、通電動作に伴い発熱する電子部品を搭載して該電子部品の発生熱をヒートシンクに伝熱する放熱部材を、少なくともヒートシンクに対面する側の表面層域が多孔質ないしハニカム構造である金属基板の層内空孔に、常温では非流動性（固相）であり、電子部品の発熱により低粘度化して流動性を呈する熱伝導性充填材を含浸させて構成する（請求項１）。
ここで、前記の放熱部材は、金属基板がソリッドベース板と、その表面に成層した多孔質ないしハニカム構造の被覆層からなり、該被覆層の空孔に熱伝導性充填材を含浸させて構成する（請求項２）こともできる。
また、金属基板に含浸させる前記の熱伝導性充填材は、電子部品の発熱により低粘度化して流動性を呈する熱可塑性の有機バインダーに、高熱伝導性材質のフィラーを添加したものとする（請求項３）。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成の放熱部材は、常温（電子部品が非通電の状態）では多孔質ないしハニカム構造の金属基板に含浸させた熱伝導充填材が固相を呈しており、ヒートシンクに装着する際には熱伝導充填材を固形のまま金属基板の層内に保持して放熱部材をヒートシンクに装着することができる。一方、ヒートシンクに装着した使用状態で通電により電子部品が発熱すると、この発生熱により前記の熱伝導充填材が軟化，流動して放熱部材の金属基板とヒートシンクとの間の伝熱面に流出し、該伝熱面に生じている空隙を埋めて両者間を密着させる。
これにより、放熱部材とヒートシンクとの間の熱伝導性が向上して電子部品の発生熱を効率よく系外に熱放散させることができる。しかも、従来使用していた伝熱シート，グリースなどのサーモインターフェース材料が必要なくなるので、組立工数が削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。まず、図１（ａ），（ｂ）は図３の半導体デバイス１に適用する放熱基板４の基本的な実施例を表す平面図，および断面図である。図示例の放熱基板４はハニカム構造で、その板面全域に分散形成した空孔（セル）４ａに後記の熱伝導充填材９を含浸させた構成になる。
ここで、金属基板は、例えば熱膨張係数が半導体素子あるいはセラミックス基板と略等しく、熱伝導性に優れたタングステン，モリブデン等で作製した焼結板になる。なお、この金属基板製法を説明すると、まず原料となるタングステン単体の粉末に有機バインダーを加えて混練し、これを押し出し成形機のハニカム金型を通してハニカム状に成形する。次に、前記成形体を所定厚さの板状に剪断し、脱脂（バインダーの除去）と焼結処理を行い、所定密度を有するハニカム構造の金属基板を得る。
【０００９】
一方、熱伝導充填材９は、常温では非流動性（固相）を呈し、半導体素子（電子部品）の仕様で規定した許容温度以下の温度で低粘度化して流動性を呈する熱可塑性の有機バインダーに高熱伝導性材質のフィラーを添加したものである。
ここで、有機バインダーは４０〜１００℃程度の温度範囲で軟化して流動性を呈する材料であり、例えばα−オレフィン，シリコーン樹脂，ワックスなどの低融点物質が挙げられる。また、高熱伝導性材質のフィラーとしては、銅，アルミニウム等の非磁性金属、アルミナ，シリカ，等の金属酸化物、あるいは窒化アルミニウム，窒化けい素などの金属窒化物，人工ダイヤモンド，炭化けい素等の粉末が用いられる。そして、前記の有機バインダーと高熱伝導性材質のフィラーを所定の組成割合で混合することにより熱伝導充填材を得る。また、この熱伝導充填材は、例えば真空含浸法などにより前記ハニカム構造の金属基板に含浸させる。
【００１０】
次に、前記放熱基板４の機能を図２（ａ），（ｂ）で説明する。図２（ａ）は図３に示した半導体デバイス１をヒートシンク（放熱フィン）６に装着した組立状態での放熱基板４とヒートシンク６との間の伝熱面の拡大断面図であり、組立直後の常温状態では熱伝導充填材９が固相状態でハニカム構造になる金属基板の内孔（セル）４ａの中に保持されていて、放熱基板４とヒートシンク６との間の伝熱面には、表面粗さ，反りなどによる空隙８がそのまま残っている。なお、図２（ａ）の状態では、空隙８の存在により、放熱基板４とヒートシンク６との間の伝熱経路における接触熱抵抗は大である。
ここで、電子デバイスを通電動作させると、半導体素子２（図３参照）の発生熱により放熱基板４に含浸している熱伝導充填材９が軟化，流動して金属基板の内孔４ａから空隙８に流出し、図２（ｂ）で表すように熱伝導充填材９が空隙８を隅々まで埋める。この状態になると、放熱基板４とヒートシンク６との間の接触熱抵抗が低減するので、半導体素子の発生熱が放熱基板４からヒートシンク６に効率よく伝熱され、ヒートシンク６を介して系外に熱放散されるようになる。また、この状態から半導体デバイスの通電が停止して発熱がなくなると、熱伝導充填材９は図２（ｂ）の状態を保ったまま常温に低下して固相に戻る。
【００１１】
上記の図示実施例では、放熱基板４の金属基板をハニカム構造として熱伝導充填材９を含浸させているが、ハニカム構造とする代わりに多孔質板として熱伝導充填材９を含浸させるようにしてもよい。また、放熱部材の応用実施例として、放熱基板４の金属基板を、中実のソリッドベース板と該ベース板の伝熱面側の成層したハニカム構造ないし多孔質の被覆層からなる２層体とした上で、前記被覆層に熱伝導充填材９を含浸させることもできる。
なお、図示実施例では半導体デバイスに適用する放熱部材について述べたがこれに限定されるものではなく、半導体デバイス以外の発熱電子部品についても同様に実施適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例に係わる放熱部材の構成図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図および断面図
【図２】図１の放熱部材の機能説明図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ電子部品を搭載した放熱部部材をヒートシンクに装着した組立直後の常温状態，および電子部品の通電動作後の状態における放熱部材／ヒートシンク間の伝熱面の接触状態を表す模式図
【図３】本発明に係わる放熱部材の適用例として、ヒートシンクに装着した半導体デバイスの模式構成図
【図４】図３の放熱基板とヒートシンクとの間に熱伝導シートを介挿した伝熱面の接触状態を表す模式図
【符号の説明】
【００１３】
２    半導体素子（電子部品）
４    放熱基板（放熱部材）
４ａ  ハニカム構造の内孔
６    ヒートシンク（放熱フィン）
８    空隙
９    熱伝導充填材
【図１】
2005347500.tif 000003
【図２】
2005347500.tif 000004
【図３】
2005347500.tif 000005
【図４】
2005347500.tif 000006