(57)【要約】【課題】従来より大型化することなく簡単な構造で冷却能力が高い放熱器を提供する。【解決手段】放熱器１０は、一つの面に形成された凹部１２ｃの底面に多数の略円錐台形状の柱状突起部１２ｄが一体に形成された第１の部材１２と、この第１の部材１２の凹部１２ｃの側に固定されて内部に空間を形成するとともに、第１の部材１２の多数の柱状突起部１２ｄの各々の先端面に当接する第２の部材とから構成され、第１の部材１２には、冷却剤を内部に供給するとともに内部から排出するために一対の貫通孔１２ｅが形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に形成された空間を外部に連通させる貫通孔が形成された金属部材からなり、前記空間の対向する二つの面の間に延びる多数の柱状部が互いに離間して設けられていることを特徴とする、放熱器。
【請求項２】
前記金属部材が、前記多数の柱状部が一体に形成された第１の部材と、この第１の部材に固定されて前記空間を形成する第２の部材とからなることを特徴とする、請求項１に記載の放熱器。
【請求項３】
前記金属部材が、一つの面に形成された凹部の底面に前記多数の柱状部が一体に形成された第１の部材と、この第１の部材の前記凹部の側に固定されて前記空間を形成するとともに、前記第１の部材の前記多数の柱状部の各々の先端に当接する第２の部材とからなることを特徴とする、請求項１に記載の放熱器。
【請求項４】
前記多数の柱状部の各々が略円錐台形状、略円錐形状または略直方体形状を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱器。
【請求項５】
前記金属部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の放熱器。
【請求項６】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合した金属−セラミックス接合基板と、この金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板の他方の面に接合した請求項１乃至５のいずれかに記載の放熱器とから構成されていることを特徴とする、放熱器付き金属−セラミックス接合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱器に関し、特に、内部に冷却剤が流れて発熱体からの熱を冷却剤に放熱するために使用される放熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュール用絶縁基板として使用されている金属−セラミックス接合基板では、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合するとともに他方の面に放熱用金属ベース板が接合し、金属回路板上に半導体チップなどが搭載されている。このような半導体チップなどの発熱素子からの熱を外部に放熱するために、放熱用金属ベース板の裏面に放熱グリースを介して放熱フィンを取り付ける方法が知られている。また、半導体装置実装用基板にろう材を介して放熱フィンを接合する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、特許文献１に開示された方法では、空冷の放熱フィンを使用しているため、一般に水冷の冷却装置と比べて冷却能力が低く、性能を安定させ難いという問題がある。
【０００４】
また、発熱体からの熱を水などの冷却剤に放熱するための様々な水冷用放熱器が提案されている（例えば、特許文献２〜４参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平４−３６３０５２号公報（段落番号０００６）
【特許文献２】特開昭６２−５２９４５号公報（第１頁）
【特許文献３】特開平１−６３１４２号公報（第１頁）
【特許文献４】特開２００４−２４７６８４号公報（段落番号００１１−００１７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近年のパワーモジュール用絶縁基板では、半導体チップなどの高出力化や高密度実装化により発熱量が増大しており、特許文献２〜４に提案されたような水冷用放熱器を使用しても、複雑な構造にしたり、大型化しなければ十分に放熱を行うことができなくなっている。
【０００７】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、従来より大型化することなく簡単な構造で冷却能力が高い放熱器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】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、貫通孔を介して外部に連通する空間を金属部材の内部に形成し、この空間の対向する二つの面の間に延びる多数の柱状部を互いに離間して設けることにより、従来より大型化することなく簡単な構造で冷却能力が高い放熱器を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明による放熱器は、内部に形成された空間を外部に連通させる一対の貫通孔が形成された金属部材からなり、空間の対向する二つの面の間に延びる多数の柱状部が互いに離間して設けられていることを特徴とする。この放熱器において、金属部材が、多数の柱状部が一体に形成された第１の部材と、この第１の部材に固定されて空間を形成する第２の部材とからなるのが好ましい。あるいは、金属部材が、一つの面に形成された凹部の底面に多数の柱状部が一体に形成された第１の部材と、この第１の部材の凹部の側に固定されて空間を形成するとともに、第１の部材の多数の柱状部の各々の先端に当接する第２の部材とからなるのが好ましい。また、多数の柱状部の各々が略円錐台形状、略円錐形状または略直方体形状を有するのが好ましく、金属部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。
【００１０】
また、本発明による放熱器付き金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合した金属−セラミックス接合基板と、この金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板の他方の面に接合した上記の放熱器とから構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、貫通孔を介して外部に連通する空間を金属部材の内部に形成し、この空間の対向する二つの面の間に延びる多数の柱状部を互いに離間して設けることにより、従来より大型化することなく簡単な構造で冷却能力が高い放熱器を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明による放熱器の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１〜図４は、本発明による放熱器の第１の実施の形態を示している。図１は本実施の形態の放熱器の平面図、図２は図１の放熱器の蓋体を取り付ける前の放熱部材の裏面を示す底面図、図３は図１の放熱器の蓋体を取り付ける前の放熱部材のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は図１の放熱器の放熱部材に蓋体を取り付けた状態を示す断面図である。
【００１４】
これらの図に示すように、本実施の形態の放熱器１０は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料からなる略矩形の平面形状を有する平板状の放熱部材（第１の部材）１２と、この放熱部材１２に取り付けられたアルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料からなる略矩形の平面形状を有する平板状の蓋体（第２の部材）１４とから構成され、この蓋体１４を放熱部材１２に取り付けることよって内部に形成された空間に連通する一対の管状部材１６が取り付けられている。
【００１５】
図１に示すように、放熱部材１２は、上面１２ａが平坦な面になっており、この上面１２ａには、半導体チップなどが搭載された金属−セラミックス接合基板のように発熱体からの熱を冷却剤に放熱する必要がある部品が載置されるようになっている。また、図２および図３に示すように、放熱部材１２の裏面１２ｂの略中央部には、略矩形の凹部１２ｃが形成されている。
【００１６】
この凹部１２ｃの底面には、略円錐台形状（略円錐の上端を底面と略平行に切断した形状）の多数の柱状突起部１２ｄが形成されている。これらの柱状突起部１２ｄは、裏面１２ｂの凹部１２ｃのまわりの周縁部分と同じ高さまで、放熱部材１２の上面１２ａおよび裏面１２ｂに対して略垂直方向に延びている。また、これらの柱状突起部１２ｄは、それぞれ所定の間隔で離間して一列に配置された突起部１２ｄの複数列が互いに平行に且つ隣接する柱状突起部１２ｄの列と互いに半ピッチ（隣接する柱状突起部１２ｄの中心線（柱状突起部１２ｄが延びる軸線）間の距離の半分）ずれるように配置され、隣接する柱状突起部１２ｄの間隔を確保しながらより多くの柱状突起部１２ｄが配置されるようにしている。本実施の形態では、これらの柱状突起部１２ｄは、例えば、高さが２〜５０ｍｍ程度、好ましくは５〜１５ｍｍ程度、ピッチが２〜１０ｍｍ程度、好ましくは３〜７ｍｍ程度、テーパ角度が２〜１５°、好ましくは５〜１０°になっている。
【００１７】
また、放熱部材１２の側面から凹部１２ｃの側面まで放熱部材１２の周縁部分を貫通する略円柱形の一対の貫通孔１２ｅが形成されている。これらの一対の貫通孔１２ｅの一方は、放熱部材１２の長手方向の一端側の角部付近に形成され、この角部と対角線方向の角部付近であって放熱部材１２の長手方向の他端側には、他方の貫通孔１２ｅが形成されている。これらの貫通孔１２ｅには、冷却剤を凹部１２ｃ内に導入するとともに凹部１２ｃから排出するための一対の管状部材１６が嵌合して取り付けられるようになっている。
【００１８】
また、放熱部材１２の裏面１２ｂの周縁部分には６つのねじ穴１２ｆが形成されており、これらのねじ穴１２ｆに対応するように蓋体１４を貫通して形成された（図示しない）６つのねじ穴を放熱部材１２の６つのねじ穴１２ｆに合わせて（図示しない）ねじを螺合させることにより、図４に示すように放熱部材１２に蓋体１４を固定することができるようになっている。このように蓋体１４を放熱部材１２に固定すると、内部に冷却剤を収容する空間が形成され、放熱部材１２の貫通孔１２ｅに管状部材１６を取り付けることによって、これらの管状部材１６を介して冷却剤の供給および排出が可能な放熱器１０が完成する。なお、放熱部材１２に蓋体１４を固定することによって内部に形成された空間内には、多数の柱状突起部１２ｄが形成されており、これらの柱状突起部１２ｄの間に冷却剤が流れる流路が形成される。
【００１９】
このように本実施の形態の放熱器１０では、冷却剤が流れる内部の空間に多数の柱状突起部１２ｄを形成することにより、冷却剤が接触する放熱器１０の内面の面積（放熱面積）を著しく増大することができるので、放熱器１０の冷却能力を非常に高くすることができる。
【００２０】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明による放熱器の第２の実施の形態の放熱部材の裏面を示している。本実施の形態の放熱器は、第１の実施の形態の放熱器の略矩形の凹部１２ｃの代わりに、長手方向に互いに平行に延びる４つの凹部の部分が連結されて蛇行して延びる１つの凹部１１２ｃが形成され、この凹部１１２ｃの両端から放熱部材１２の側面まで貫通する一対の貫通孔１１２ｅが形成されている以外は、第１の実施の形態の放熱器１０と略同一の構成を有するので、同一部分の参照符号に１００を加えて示し、それらの説明を省略する。
【００２１】
このように本実施の形態の放熱器でも、冷却剤が流れる内部の空間に多数の柱状突起部１１２ｄを形成することにより、冷却剤が接触する放熱器の内面の面積（放熱面積）を著しく増大することができるので、放熱器の冷却能力を非常に高くすることができる。また、冷却剤が流れる凹部１１２ｃが蛇行して延びているので、第１の実施の形態の放熱器１０よりも冷却能力を向上させることができる。
【００２２】
なお、上述した第１および第２の実施の形態では、多数の柱状突起部１２ｄ、１１２ｄの各々の形状が略円錐台形状であったが、図６および図７に示すように略円錐形状の多数の柱状突起部２１２ｄを形成してもよく、図８および図９に示すように略直方体形状の多数の柱状突起部３１２ｄを形成してもよい。なお、第１の実施の形態の放熱器１０と同一の構成を有する部分には、図６および図７では参照符号に２００を加えて示し、図８および図９では参照符号に３００を加えて示している。
【００２３】
また、上述した第１および第２の実施の形態では、多数の柱状突起部１２ｄ、１１２ｄの高さを裏面１２ｃ、１１２ｃの凹部１２ｅ、１１２ｅのまわりの周縁部分と同じ高さにしたが、必ずしも同じ高さにする必要はなく、凹部１２ｅ、１１２ｅの深さの半分以上の高さであるのが好ましい。
【００２４】
また、上述した第１および第２の実施の形態では、放熱部材１２、１１２に一対の貫通孔１２ｅ、１１２ｅを形成したが、これらの貫通孔１２ｅ、１１２ｅの数は必ずしも２つである必要はなく、放熱器の内部に冷却剤と導入するための少なくとも１つの貫通孔と放熱器の内部から冷却剤を排出するための少なくとも１つの貫通孔が形成されていればよい。
【００２５】
また、上述した第１および第２の実施の形態において、放熱器の放熱性を高めるために、ブラストなどの物理的処理や薬液を用いた化学的処理によって、裏面１２ｃ、１１２ｃの凹部１２ｅ、１１２ｅや多数の柱状突起部１２ｄ、１１２ｄの表面を粗くして、表面積を増大してもよい。また、冷却剤によって放熱器の腐食を防止するために、放熱器の材質として耐食性の高い合金部材を適宜選択してもよく、アルマイト処理やＮｉめっき処理によって表面を処理してもよい。
【００２６】
また、上述した第１および第２の実施の形態では、放熱部材１２、１１２に蓋体１４、１１４を取り付けているが、図１０に示すように、蓋体１４、１１４の代わりに放熱部材４１２同士を組み合わせてもよい。なお、図１０において、第１の実施の形態の放熱器１０と同一の構成を有する部分には、参照符号に４００を加えて示している。
【００２７】
また、上述した第１および第２の実施の形態において、半導体チップなどが搭載された金属−セラミックス接合基板のように発熱体からの熱を冷却剤に放熱する必要がある部品に、上述した第１および第２の実施の形態の放熱器を接合して一体にしてもよい。
【００２８】
例えば、図１１および図１２に示すように、放熱部材５１２の上面に複数の（図示した例では３つであるが、１つでもよい）セラミックス基板５１８を接合し、これらのセラミックス基板５１８の上面にそれぞれ金属回路板５２０を接合することにより、セラミックス基板５１８に金属回路板５２０が接合した金属−セラミックス接合基板を放熱器に一体に接合してもよい。なお、図１１および図１２において、第１の実施の形態の放熱器１０と同一の構成を有する部分には、参照符号に５００を加えて示している。
【００２９】
また、図１３に示すように、放熱部材６１２の上面および蓋体６１４の底面にそれぞれ複数の（図示した例では３つであるが、１つでもよい）セラミックス基板６１８を接合し、これらのセラミックス基板６１８にそれぞれ金属回路板６２０を接合することにより、セラミックス基板６１８に金属回路板６２０が接合した金属−セラミックス接合基板を放熱器に一体に接合してもよい。なお、図１３において、第１の実施の形態の放熱器１０と同一の構成を有する部分には、参照符号に６００を加えて示している。
【００３０】
また、図１４に示すように、放熱部材７１２同士を組み合わせて、上側の放熱部材７１２の上面に複数の（図示した例では３つであるが、１つでもよい）セラミックス基板７１８を接合し、これらのセラミックス基板７１８の上面にそれぞれ金属回路板７２０を接合することにより、セラミックス基板７１８に金属回路板７２０が接合した金属−セラミックス接合基板を放熱器に一体に接合してもよい。なお、図１４において、第１の実施の形態の放熱器１０と同一の構成を有する部分には、参照符号に７００を加えて示している。
【００３１】
さらに、図１５に示すように、放熱部材８１２同士を組み合わせて、上側の放熱部材８１２の上面および下側の放熱部材８１２の底面にそれぞれ複数の（図示した例では３つであるが、１つでもよい）セラミックス基板８１８を接合し、これらのセラミックス基板８１８にそれぞれ金属回路板８２０を接合することにより、セラミックス基板８１８に金属回路板８２０が接合した金属−セラミックス接合基板を放熱器に一体に接合してもよい。なお、図１５において、第１の実施の形態の放熱器１０と同一の構成を有する部分には、参照符号に８００を加えて示している。
【００３２】
なお、上述した第１および第２の実施の形態において、放熱部材１２、１１２や蓋体１４は機械加工や鋳造によって製造することができる。
【００３３】
例えば、図１１〜図１５に示す金属−セラミックス接合基板が一体に接合した放熱部材５１２、６１２、７１２、８１２は、図１６に示すように、セラミックス基板を収容する空洞部９１４が内部に形成されるとともにこの空洞部９１４の両側にそれぞれ放熱部材に対応する形状の空洞部９１６と金属回路板に対応する形状の空洞部９１８が形成された鋳型９００に、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの溶湯を注入して固化させる方法（所謂溶湯接合法）によって製造することができる。なお、鋳型９００は、下側鋳型部材９１０と上側鋳型部材９１２から構成され、上側鋳型部材９１２には、内部に溶湯を注入する注湯口９２０が形成されている。
【００３４】
また、図１３に示す金属−セラミックス接合基板が一体に接合した蓋体６１４は、図１７に示すように、セラミックス基板を収容する空洞部１０１４が内部に形成されるとともにこの空洞部１０１４の両側にそれぞれ蓋体に対応する形状の空洞部１０１６と金属回路板に対応する形状の空洞部１０１８が形成された鋳型１０００に、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの溶湯を注入して固化させる方法（所謂溶湯接合法）によって製造することができる。なお、鋳型１０００は、下側鋳型部材１０１０と上側鋳型部材１０１２から構成され、上側鋳型部材１０１２には、内部に溶湯を注入する注湯口１０２０が形成されている。
【００３５】
なお、上述した第１および第２の実施の形態の放熱部材のように、多数の柱状突起部が形成された放熱部材を通常の溶湯接合法によって製造すると、所望の形状の柱状突起部を形成するのが困難になる場合がある。その場合には、鋳型に溶湯を注入した後に、注湯口からガスなどで溶湯を加圧することによって、所望の形状の柱状突起部を形成することができる。
【００３６】
また、上述した第１および第２の実施の形態では、放熱部材１２、１１２と蓋体１４、あるいは放熱部材１２、１１２同士をねじによって固定しているが、これらの部材をろう接やクランプによって固定してもよい。なお、これらの部材は、Ｏリングやパッキンなどのシール部材を介して固定するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による放熱器の第１の実施の形態の平面図である。
【図２】図１の放熱器の蓋体を取り付ける前の放熱部材の裏面を示す底面図である。
【図３】図１の放熱器の蓋体を取り付ける前の放熱部材のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図１の放熱器の放熱部材に蓋体を取り付けた状態を示す断面図である。
【図５】本発明による放熱器の第２の実施の形態の放熱部材の裏面を示す底面図である。
【図６】第１の実施の形態の放熱器の第１の変形例の放熱部材の裏面を示す底面図である。
【図７】図６の放熱部材の断面図である。
【図８】第１の実施の形態の放熱器の第２の変形例の放熱部材の裏面を示す底面図である。
【図９】図８の放熱部材の断面図である。
【図１０】第１の実施の形態の放熱器の第３の変形例を示す断面図である。
【図１１】第１の実施の形態の放熱器の第４の変形例を示す断面図である。
【図１２】図１１の放熱器の平面図である。
【図１３】第１の実施の形態の放熱器の第５の変形例を示す断面図である。
【図１４】第１の実施の形態の放熱器の第６の変形例を示す断面図である。
【図１５】第１の実施の形態の放熱器の第７の変形例を示す断面図である。
【図１６】第１の実施の形態の放熱器の第４〜第７の変形例の放熱部材を製造するために使用する鋳型の断面図である。
【図１７】第１の実施の形態の放熱器の第４の変形例の蓋体を製造するために使用する鋳型の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  放熱器
１２、１１２  放熱部材（第１の部材）
１２ａ  上面
１２ｂ、１１２ｂ  裏面
１２ｃ、１１２ｃ  凹部
１２ｄ、１１２ｄ  柱状突起部
１２ｅ、１１２ｅ  貫通孔
１２ｆ、１１２ｆ  ねじ穴
１４  蓋体（第２の部材）
１６、１１６  管状部材
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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