(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口が形成された第１のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に嵌め合わされ、前記第１のヒートシンクより線膨張係数の小さい第２のヒートシンクと、
前記第２のヒートシンクの一方の面にはんだにより固定された半導体部品と、を有し、
凹み形状の押圧痕が、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に形成され、
前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に存在する前記第１のヒートシンクの材料が前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を埋め、さらに前記第２のヒートシンクの外周面に対して緊迫力により密着結合している塑性流動部が、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
開口が形成され、Ｃｕ系材料からなる第１のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に嵌め合わされ、前記第１のヒートシンクより線膨張係数の小さいＣｕ−Ｍｏ複合材からなる第２のヒートシンクと、
前記第２のヒートシンクの一方の面にはんだにより固定された半導体部品と、を有し、
凹み形状の押圧痕が、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に形成され、
前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に存在する前記第１のヒートシンクの材料が前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を埋め、さらに前記第２のヒートシンクの外周面に対して緊迫力により密着結合している塑性流動部が、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１ないし２のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１のヒートシンクに形成された開口は円形あるいは楕円形を成すことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
請求項３に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第２のヒートシンクの一方側の面の外周端が塑性流動結合による前記凹み形状の押圧痕から露出していることを特徴としたパワーモジュール用ヒートシンク。
【請求項５】
請求項１ないし２のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記第２のヒートシンクの一方の面にはんだによりパワー半導体チップが固定されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項５に記載のパワーモジュールにおいて、
前記凹み形状の押圧痕は前記第２のヒートシンクを囲むように形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１ないし２のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１のヒートシンクは前記開口を形成するための孔を有し、
前記孔の内周壁と前記第２のヒートシンクの外周面の間に、熱伝導性ペーストもしくはワックスを介装し、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を塑性流動結合したことを特徴としたパワーモジュール。
【請求項８】
請求項１ないし２のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１のヒートシンクは前記開口を形成するための有底の穴を有し、
前記穴の底面と前記第２のヒートシンクの間に、熱伝導性ペーストもしくはワックスを介装し、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を塑性流動結合したことを特徴としたパワーモジュール。
【請求項９】
開口が形成された第１のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に嵌め合わされ、前記第１のヒートシンクより線膨張係数の小さく、かつはんだを介して半導体部品を配置するための第２のヒートシンクと、を有し、
凹み形状の押圧痕が、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に形成され、
前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に存在する前記第１のヒートシンクの材料が前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を埋め、さらに前記第２のヒートシンクの外周面に対して緊迫力により密着結合している塑性流動部が、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に形成されていることを特徴とするパワーモジュール用ヒートシンク。
【請求項１０】
開口が形成された第１のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンクより線膨張係数が小さく、パワー半導体チップをはんだにより固定するための第２のヒートシンクとを結合させるパワーモジュール用ヒートシンクの製造方法であって、
前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に前記第２のヒートシンクを嵌め合す工程と、
前記第２のヒートシンクの外周部に沿って下降する結合パンチにより前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面を局部的に塑性変形させ、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を塑性流動結合させ、
前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に、凹み形状の押圧痕を形成させる工程を有するパワーモジュール用ヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートシンク基板とその製造方法に係り、特に発熱量の大きい電子部品の搭載、取り分け半導体部品を搭載する電気自動車用インバータ、或いはパワーモジュール等に適したヒートシンク基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱量の大きな電子部品である半導体部品を搭載するヒートシンク基板は、基本的に銅材（Ｃｕ）が用いられ、一枚板で構成するのが一般的であった。このタイプはヒートシンク基板が一枚板で済むため安価で、材質面から見ても銅材のため放熱性が良好であった。
【０００３】
しかしながら、銅材（Ｃｕ）は線膨張係数が１６.６（ppm／℃）と大きく、搭載する半導体部品からの発熱で線膨張係数の異なるはんだ接合面に熱応力による亀裂が生じるという問題があった。この亀裂の発生をなくすために銅材の代わりに線膨張係数が９.２（ppm／℃）と小さく放熱性も比較的良好な銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）複合材で一枚のヒートシンク基板を形成することも知られている。
【０００４】
この場合は、材料コストの高いモリブデン（Ｍｏ）を多量に使用したＣｕ−Ｍｏ複合材で一体品としているので非常に高価なものになる問題があった。
【０００５】
特許文献１（特開平８−１８６２０４号公報）には、半導体素子の熱膨張率に近似した材料で出来た搭載部と、熱伝導及び熱放散特性に優れた材料で出来た放熱部材とを備え、搭載部材と放熱部材を加熱による溶浸接合により一体化したヒートシンク基板を形成することが開示されている。
【０００６】
特許文献２（特開平６−７７６７８号公報）には、ニッケルー鉄合金で形成された母材の所定の位置に孔を設け、該孔に銅系の金属からなる放熱部材をねじ込み或いは圧入により埋め込むことにより一体化したヒートシンク基板を形成することが開示されている。
【０００７】
ところで、前述した複数部材からなるヒートシンク基板は効率良く熱を放出するために発熱源と密着しなくてはならない。そのため、たとえば発熱源が半導体の場合には半導体をはんだ付けして搭載するために平面度などの製品精度が要求される。
【０００８】
しかしながら前者の特許文献１では溶接，ろう付けのように熱を加えた結合方法で熱変形等により結合精度が低く、結合後にはんだ付け面などの必要部に機械加工が必要であるなどの問題があった。熱を使用するためのエネルギーロスや材料歩留りの点でも不利であった。
【０００９】
また、後者の特許文献２のようにネジ締めする方法では母材と放熱部材との締結部の密着性が低く、ヒートシンク基板のように板厚が薄いものでは有効なネジ長さを確保できないと共に、ネジ締めでは緩みが生じるなどの懸念がある。また、圧入は柔らかい材料である放熱部材に圧入による変形圧がかかるため、平面度が出し難く、場合によっては平面仕上げ加工が必要となり生産性，コストの面で不利は否めない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、製品精度が高くて、生産性に優れたヒートシンク基板とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るパワーモジュールは、開口が形成された第１のヒートシンクと、前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に嵌め合わされ、前記第１のヒートシンクより線膨張係数の小さい第２のヒートシンクと、前記第２のヒートシンクの一方の面にはんだにより固定された半導体部品と、を有し、凹み形状の押圧痕が、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に形成され、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に存在する前記第１のヒートシンクの材料が前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を埋め、さらに前記第２のヒートシンクの外周面に対して緊迫力により密着結合している塑性流動部が、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るパワーモジュールは、開口が形成され、Ｃｕ系材料からなる第１のヒートシンクと、前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に嵌め合わされ、前記第１のヒートシンクより線膨張係数の小さいＣｕ−Ｍｏ複合材からなる第２のヒートシンクと、前記第２のヒートシンクの一方の面にはんだにより固定された半導体部品と、を有し、凹み形状の押圧痕が、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に形成され、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に存在する前記第１のヒートシンクの材料が前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を埋め、さらに前記第２のヒートシンクの外周面に対して緊迫力により密着結合している塑性流動部が、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るパワーモジュールは好ましくは、前記第１のヒートシンクに形成された開口は円形あるいは楕円形を成すことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るパワーモジュール用ヒートシンクは好ましくは、前記第２のヒートシンクの一方側の面の外周端が塑性流動結合による前記凹み形状の押圧痕から露出していることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るパワーモジュールは好ましくは、前記第２のヒートシンクの一方の面にはんだによりパワー半導体チップが固定されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るパワーモジュールは好ましくは、前記凹み形状の押圧痕は前記第２のヒートシンクを囲むように形成されていることを特徴とするパワーモジュール。さらに本発明に係るパワーモジュールは好ましくは、前記第１のヒートシンクは前記開口を形成するための孔を有し、前記孔の内周壁と前記第２のヒートシンクの外周面の間に、熱伝導性ペーストもしくはワックスを介装し、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を塑性流動結合したことを特徴とする。さらに本発明に係るパワーモジュールは好ましくは、前記第１のヒートシンクは前記開口を形成するための有底の穴を有し、前記穴の底面と前記第２のヒートシンクの間に、熱伝導性ペーストもしくはワックスを介装し、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を塑性流動結合したことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るヒートシンク用パワーモジュールは、開口が形成された第１のヒートシンクと、前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に嵌め合わされ、前記第１のヒートシンクより線膨張係数の小さく、かつはんだを介して半導体部品を配置するための第２のヒートシンクと、を有し、凹み形状の押圧痕が、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に形成され、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に存在する前記第１のヒートシンクの材料が前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を埋め、さらに前記第２のヒートシンクの外周面に対して緊迫力により密着結合している塑性流動部が、前記第２のヒートシンクの外周面の近傍に形成されていることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュール用ヒートシンクの製造方法は、開口が形成された第１のヒートシンクと、前記第１のヒートシンクより線膨張係数が小さく、パワー半導体チップをはんだにより固定するための第２のヒートシンクとを結合させるパワーモジュール用ヒートシンクの製造方法であって、前記第１のヒートシンクに形成された前記開口に前記第２のヒートシンクを嵌め合す工程と、前記第２のヒートシンクの外周部に沿って下降する結合パンチにより前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面を局部的に塑性変形させ、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間を塑性流動結合させ、前記第２のヒートシンクの外周部近傍であって前記第１のヒートシンクの一方の面に、凹み形状の押圧痕を形成させる工程を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の目的は、製品精度が高くて、生産性に優れたヒートシンク基板とその製造方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。尚、本発明は本実施例に限定されるものではなく、発熱部品を搭載するヒートシンク基板に広く適用される。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明に係るヒートシンク構造の実施例の斜視図、図２は図１の要部拡大縦断面図、図３はヒートシンク上に半導体を搭載したパワーモジュールの縦断面図である。
【００２３】
図１，図２に示すヒートシンク基板１は、銅（Ｃｕ）材からなる板状の第１のヒートシンク２とＣｕ−Ｍｏ複合材のようなＣｕよりも線膨張係数が小さい材質からなる第２のヒートシンク３から構成されている。
【００２４】
前記第１のヒートシンク２には搭載部品に応じて複数の貫通する穴３が設けられ、該穴３には円盤状のチップ部材である前記第２のヒートシンク３がそれぞれ嵌合され、塑性変形結合されて一体化されている。
【００２５】
前記第２のヒートシンク３は図２に示すように、第１のヒートシンク２に電子部品の搭載面５が同一平面となるように嵌合され、嵌合境界部付近にある第１のヒートシンク３の部材全周を押圧して両部材間を塑性流動結合している。
【００２６】
図３にヒートシンク基板１の第２のヒートシンクに半導体部品を搭載した実装状態を示している。
【００２７】
このヒートシンク基板１には図３に示す様に半導体が搭載され半導体の発した熱を主にヒートシンク基板１から放熱する。第２のヒートシンク４の端面５にはＣｕ板１０がはんだ１１で接合され、その上にＡｇろう１２で窒化ケイ素板１３が接合されている。さらにＡｇろう１４を介してＣｕ板１５が接合され、更にその上にはんだ１６により半導体チップ１７が搭載されている。図では省略しているが実際には半導体チップ１７にはアルミ線などの電気配線が施され半導体装置が構成される。
【００２８】
このように第２のヒートシンク３にはＣｕ−Ｍｏ複合材のようなＣｕよりも線膨張係数が小さい材質のヒートシンクが用いられ、その上にはんだ付けで半導体部品が接合されるため高温時の線膨張係数差によりはんだ１１に亀裂が生じることがなく、高価なＣｕ−Ｍｏ複合材の使用もわずかでよく、省資源化を実現し、極めて合理的な装置となる。
【００２９】
また、第２のヒートシンク３の端面５にはんだ１１を流して半導体を構成するＣｕ板１０をはんだ付けするが、第１のヒートシンク２に第２のヒートシンク３を金型の押圧力で塑性変形結合する際に生じる環状の押圧痕（凹部）６が前記はんだが外周に流れ出すのを阻止する。
【００３０】
すなわち、前記押圧痕（凹部）６により第２のヒートシンク３の角部３１が露出して見かけ上第２のヒートシンク３が第１のヒートシンク２から突出することになるので、溶融したはんだを流した時に表面張力ではんだが第２のヒートシンク３の端面５から流れ出ないため、容易にはんだ付けをする事が出来る。
【００３１】
次に上記したヒートシンク基板の製造方法について説明する。
【００３２】
図４に示すような複数の貫通穴４を設けた板状のＣｕ製第１のヒートシンク２と、図５に示す様なＣｕ−Ｍｏ複合材からなる円盤状の第２のヒートシンク３を図６に示すように第１のヒートシンク２の嵌合穴４に嵌合した状態で下型７の上に載置し、セットする。Ｃｕは軟らかく塑性変形が容易で、Ｃｕ−ＭｏはＣｕよりも硬いため塑性流動結合には適した組合わせである。仮に、第１のヒートシンク２の嵌合穴４をプレス抜きして嵌合穴４が加工硬化した状態でも両者間の硬度差を確保する事が出来、実用上問題ない。
【００３３】
その後、図７に示す様に環状のパンチ８で第２のヒートシンク３の外周、すなわち第１のヒートシンク２の嵌合穴４の内周近傍全周を局部的に加圧し、図８に示す様に第１のヒートシンク２の材料を塑性流動させてヒートシンク２，３間を弾性変形圧を封入して緊迫力により密着結合する。その後パンチ８を取り除けばヒートシンク基板１は完成する。
【００３４】
このようにして形成されたヒートシンク基板１は、第１のヒートシンク２に第１のヒートシンク３を結合する際にわずかなパンチ力だけで第２のヒートシンク３の側面に第１のヒートシンク３の材料を塑性流動させることができるためヒートシンク基板の平行度に影響を与えることは無く、極めて製品精度の高いヒートシンク基板が得られる。
【実施例２】
【００３５】
また、第２のヒートシンク３は望ましくは円盤状がよいが、図９に示す様な矩形状でも、あるいは楕円状でもかまわない。
【実施例３】
【００３６】
また、第１のヒートシンク２の穴６は貫通しない袋穴であってもかまわない。
【実施例４】
【００３７】
図１０は第１のヒートシンク２１の貫通穴に第２のヒートシンク３１を熱伝導性ペーストもしくはワックス２０（一般的にはシリコンペーストが用いられる）を介して配置し、両者間を塑性流動結合したものである。一般に金属の塑性流動結合は図７，図８から解るようにパンチにより結合部品の周囲を局部的に押圧して集中的に押圧された部材を垂直方向に流動させているだけであるためパンチの先端から遠い部分の材料はほとんど塑性変化はない。
【００３８】
ところが結合された放熱部材の良し悪しは両者間が如何に緊密に密着しているかにある。そこで本実施例は第１のヒートシンク２１もしくは第２のヒートシンク３１のほぼ中央部にある塑性変形圧の加わらない領域に環状凹溝を設け、そこに熱伝導性ペーストもしくはワックス２０を配置し両面からパンチを加えたもので、これにより第２のヒートシンク３１との熱伝導機能は一段と増し、ヒートシンク基板として実用性の高いものとなる。もちろんパンチによる環状の押圧痕（凹部）６１，６２は両面に形成される。
【００３９】
なおパンチは両部材間の境界を押圧するのが一般的であるが、図示のように板厚或いは熱伝導性ペーストもしくはワックス２０の配置等によって任意の位置が選ばれる。
【実施例５】
【００４０】
図１１は前記実施例４の問題点を踏まえて、これを袋穴の第１のヒートシンク２２に応用したもので、袋穴の底面もしくは第２のヒートシンク３の底面に予め熱伝導性ペーストもしくはワックス２３を充填した上で、袋穴径より若干小さい径のもしくは同等径の第２のヒートシンク３を配置し、その後パンチで両部材間の境界を押圧し、パンチ直下の部材を垂直に第２のヒートシンク３２の部材方向に塑性変形させて結合すると共に前記熱伝導性ペースト２３を圧縮して機密性を向上させたものである。
【００４１】
なお、上記いずれの実施例も第１のヒートシンク２に第２のヒートシンク３を塑性流動結合してヒートシンク基板１を形成し、その後のヒートシンク基板１の状態で電子部品を搭載していく手法としているが、常温で高精度に結合できる塑性流動結合を使えば第２のヒートシンク３に電子部品を先に搭載し、その後に第１のヒートシンク２に第２のヒートシンク３を塑性流動結合しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、特に発熱量の大きい電子部品の搭載，取り分け半導体部品を搭載する電気自動車用インバータ、或いはパワーモジュール等に適したヒートシンク基板で、その利用分野は広い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示すヒートシンク基板の斜視図。
【図２】図１の一部縦断面図。
【図３】本発明に係るパワーモジュール構造の一実施形態の縦断面図。
【図４】本発明を構成する第１のヒートシンク斜視図。
【図５】本発明を構成する第２のヒートシンク斜視図。
【図６】本発明の製法に係るヒートシンク結合前の部材嵌合状態を示す縦断面図。
【図７】本発明の製法に係るヒートシンクの結合寸前の縦断面図。
【図８】本発明の製法に係るヒートシンクの加圧結合完了時の縦断面図。
【図９】本発明の第２の実施例におけるヒートシンク基板の斜視図。
【図１０】本発明の第３の実施例におけるヒートシンクの加圧結合完了時の縦断面図。
【図１１】本発明の第４の実施例におけるヒートシンクの加圧結合完了時の縦断面図。
【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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