(57)【要約】【課題】本発明は、高い放熱性能を発現できる放熱構造を提供することを課題とする。また、熱伝導性グリースを使用することにより生じる、熱抵抗の高さ、及び塗布部からの漏れ等による不具合が解消された放熱構造を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る放熱構造は、絶縁材料である基板と、該基板の少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成された炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層とを有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料である基板と、
該基板の少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、
該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成された炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層と、
を有することを特徴とする放熱構造。
【請求項２】
前記基板中の、炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りに、アルミニウム相を有することを特徴とする請求項１に記載の放熱構造。
【請求項３】
前記基板が、Ｓi3Ｎ4、ＡlＮ又はＳiＣのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造。
【請求項４】
前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、基板面に対して略垂直に成長していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項５】
前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項６】
前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが、１０μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の放熱構造。
【請求項７】
前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層中にグリースが含浸されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載の放熱構造。
【請求項８】
少なくとも表面の一部又は全面がアルミニウムである絶縁性基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱し、該基板表面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成する第一の工程を含むことを特徴とする放熱構造の製造方法。
【請求項９】
前記第一の工程の後、前記炭化アルミニウムウィスカー層を形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱し、該炭化アルミニウムウィスカー層をアルミナウィスカー層に転化する第二の工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１０】
前記第一の工程又は第二の工程の後に、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層にグリースを含浸する工程を有することを特徴とする請求項９に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１１】
前記基板が、Ｓi3Ｎ4、ＡlＮ又はＳiＣのいずれかであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法。
【請求項１２】
少なくとも発熱素子を有する発熱体の発熱面から発熱する熱が、放熱構造を介して放熱板及び／又は冷却器に伝熱される放熱装置において、該放熱構造が請求項１〜７のいずれか一に記載の放熱構造であることを特徴とする放熱装置。
【請求項１３】
前記発熱体が、発熱素子の他に、放熱ブロック、放熱板又は半導体基板のいずれかを有し、前記発熱体の発熱面が、該発熱素子、該放熱ブロック、該放熱板又は該半導体基板のいずれか一以上であることを特徴とする請求項１２に記載の放熱装置。
【請求項１４】
前記発熱素子の両面から放熱することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極めて放熱性が高い放熱構造及び該放熱構造の製造方法及び該放熱構造を用いたパワーモジュール用放熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のパワー素子（パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）をセラミック基板等の上に結線し、１つのパッケージに組み込んだパワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、表面側にパワー素子が設けられ、主に裏面側から熱を逃がす構成となっている。パワーモジュールは、裏面に熱伝導性グリースを塗布され、この熱伝導性グリースを介して冷却器にネジで固定される。そして、発熱素子の両面から放熱することにより、冷却効率を高めた構造も発明されている（特許文献１参照）。
【０００３】
パワーモジュールを冷却器に固定する際には、冷却器と熱伝導性グリースとのなじみをよくするために加圧され、さらにネジで締め付け固定されるために、固定時に熱伝導性グリースが広がる。このため、パワーモジュールを冷却器に固定する際の加圧力が大きかったり、塗布したグリース厚が厚かったりすると、熱伝導性グリースがネジ穴に浸入する場合がある。熱伝導性グリースがネジ穴に浸入すると、ネジの締め付けトルクが経時的に減少してパワーモジュールと冷却器との間隔が広がり、放熱性が悪化するという問題がある。このような問題を解決する発明として、特許文献２には、グリースがネジ穴に侵入しないようにする工夫がなされている。
しかし、これらの方法では、グリースの熱抵抗が大きいため、十分な冷却性能を得ることができなかった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５０４２０号公報
【特許文献２】特許第３６４４４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記点に鑑みて、高い放熱性能を発現できる放熱構造を提供することを課題とする。また、熱伝導性グリースを使用することにより生じる、熱抵抗の高さ、及び塗布部からの漏れ等による不具合が解消された放熱構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、基板の表面に炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカー層（以下、両者を区別なく、単にウィスカー層と記す場合もある）を有する放熱構造を用いることが有効であることを見出した。すなわち、基板表面のウィスカー層により、グリースを用いなくても発熱源の凹凸に効率的に接触して低い接触抵抗が得られ、高い放熱性能を発揮することを見出した。
また、グリースと併用することでさらに高い放熱性能を発揮することも見出した。
【０００７】
本発明は下記の構成からなる。
（１）本発明に係る放熱構造は、絶縁材料である基板と、該基板の少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成された炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層とを有することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の放熱構造であって、前記基板中の、炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相の周りに、アルミニウム相を有することを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の放熱構造であって、前記基板が、Ｓi3Ｎ4、ＡlＮ又はＳiＣのいずれかであることを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが、基板面に対して略垂直に成長していることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが、１μｍ以上であることを特徴とする。
（６）上記（５）に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層の厚さが、１０μｍ以上であることを特徴とする。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一に記載の放熱構造であって、前記炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層中にグリースが含浸されたことを特徴とする。
【０００８】
（８）本発明に係る放熱構造の製造方法は、少なくとも表面の一部又は全面がアルミニウムである絶縁性基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱し、該基板表面に炭化アルミニウムウィスカー層を形成する第一の工程を含むことを特徴とする。
（９）上記（８）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第一の工程の後、前記炭化アルミニウムウィスカー層を形成した基板を、酸化雰囲気中で加熱し、該炭化アルミニウムウィスカー層をアルミナウィスカー層に転化する第二の工程を含むことを特徴とする。
（１０）上記（９）に記載の放熱構造の製造方法であって、前記第一の工程又は前記第二の工程の後に、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層にグリースを含浸する工程を有することを特徴とする。
（１１）上記（８）〜（１０）のいずれか一に記載の放熱構造の製造方法であって、前記基板が、Ｓi3Ｎ4、ＡlＮ又はＳiＣのいずれかであることを特徴とする。
【０００９】
（１２）本発明に係る放熱装置は、少なくとも発熱素子を有する発熱体の発熱面から発熱する熱が、放熱構造を介して放熱板及び／又は冷却器に伝熱される放熱装置において、該放熱構造が上記（１）〜（７）のいずれか一に記載の放熱構造であることを特徴とする。
（１３）上記（１２）に記載の放熱装置であって、前記発熱体が、発熱素子の他に、放熱ブロック、放熱板又は半導体基板のいずれかを有し、前記発熱体の発熱面が、該発熱素子、該放熱ブロック、該放熱板又は該半導体基板のいずれか一以上であることを特徴とする。
（１４）上記（１２）又は（１３）に記載の放熱装置であって、前記発熱素子の両面から放熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは、発熱源表面の凹凸に追従すべく、しなる特徴がある。本発明に係る放熱構造は、該炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが基板表面に形成されているため、熱伝導性グリースを使用せずとも、熱抵抗が低く、高い放熱性能を発揮することができる。また、熱伝導性グリースを併せて使用しても、従来のグリースの漏れ等による不具合を生じさせずに、放熱性能を高めることが可能となる。特に、自動車部品等、パワーデバイス用放熱装置として有効である。
また、本発明に係る放熱構造の製造方法により、熱抵抗が低く、高い放熱性能を有する放熱構造を安価に提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る放熱構造は、絶縁材料である基板と、少なくとも表面の全面又は一部に形成された炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相と、該基板表面の炭化アルミニウム相又は酸化アルミニウム相から、複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーが立設して形成されたウィスカー層とを有することを特徴とする。炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは、微細な髭状物質であるため、その先端が相手材表面の微細な凹凸にも追従して効率よく接触する。このため、本発明に係る放熱構造は、グリース等を用いずとも相手材と接触熱抵抗が低く、優れた放熱性能を発揮することができる（図１参照）。また、グリースと併用することでさらに低い熱抵抗を発揮することもできる）。この場合にも、該グリースは、ウィスカー層に含浸されているため、従来のように塗布部から漏れ出すような不具合を解消することができる。
【００１２】
本は発明に係る放熱構造を、前記パワーモジュールの放熱を目的としてパワーモジュール用放熱装置に使用する場合には、該放熱構造が絶縁性である必要がある。このため、前記基板は、絶縁性基板であることが好ましい。特に、Ｓi3Ｎ4、ＡlＮ又はＳiＣのいずれかであることが好ましい。
前記ウィスカー層は、基板表面の全面に形成されていてもよいが、基板表面の一部に形成されていて、他の基板表面部分においてラディエイションによる放熱をしたり、他の冷却部材と接触させるべく、基板表面の複数個所に形成されたりしていてもよい。
【００１３】
前記複数の炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーは、前記基板表面からほぼ垂直に成長して配向していることが好ましい。基板表面に対してウィスカーがほぼ垂直に形成されていると、ウィスカーの先端が発熱体又は冷却体方向を向いているため該先端が微細な凹凸へ侵入しやすくなり、接触熱抵抗を効率よく低下させることが可能となる。但し、必ずしも完全に垂直方向を向いている必要はなく、ランダム方向を向いたものが一部にまざっていても構わず、概ね垂直方向を向いていればよい。また、微細な凹凸に追従させるという同様の観点から、ウィスカー層の厚さは、１μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上であると更に好ましい。
【００１４】
本発明に従った放熱構造は、絶縁基板と、その表面に形成された炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーとを備え、以下の手法により合成される。
すなわち、少なくとも表面の一部又は全面がアルミニウムである基板を、炭化水素含有物質を含む空間に配置して加熱して基板表面に炭化アルミウィスカーを形成する第一の工程と、該炭化アルミウィスカーを形成した基板を酸化雰囲気中で加熱して該炭化アルミニウムウィスカーをアルミナウィスカーに転化する第二の工程を含む。本発明は、炭化水素含有物質を含む空間にアルミニウム基板を配置し、加熱するという簡単な工程で、アルミニウムの表面にアルミナウィスカーからなる層を形成することができる。図２はこの発明の一つの実施の形態としてアルミナウィスカー層の断面構造を模式的に示す図である。
【００１５】
アルミニウム基板を、炭化水素含有物質を含む雰囲気で加熱することにより、基板表面の少なくとも一部には、炭化アルミニウムを主成分とする相が形成される。基板表面の前面に炭化アルミニウム相が形成されてもよいし、基板表面の一部に炭化アルミニウム相が形成されて、該炭化アルミニウム相の周りにアルミニウム相が残存していてもよい。該炭化アルミニウム相の表面からは、ウィスカー状の形態で延びるように炭化アルミニウムを主成分とする炭化アルミニウムウィスカー相が成長する。炭化アルミニウムウィスカーは、基板表面の炭化アルミニウム相から複数形成されるため、層状をなし、基板表面に炭化アルミニウムウィスカー層が形成されることとなる。基板表面から成長する炭化アルミニウムウィスカー相は、例えば、Ａl4Ｃ3結晶を含むものであるが、非晶質を含む場合がある。また、基板のアルミニウムに含まれる各種不純物を含む場合もある。
【００１６】
アルミニウムが炭化されて炭化アルミニウムに転化する時、図２（ｂ）に示すような組織となる。図２（ｂ）の組織は、加熱温度が３００℃以上で得られる。反応効率を考えると４５０℃以上が好ましく、上限はアルミニウムの融点以下である。アルミニウムには種々の合金があり、それぞれの融点よりも低温にすればよい。
【００１７】
用いられる炭化水素含有物質の種類は特に限定されない。たとえば、メタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、又はこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素は、アルミニウム箔を加熱する工程においてガス状になるので好ましい。さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素である。最も好ましい炭化水素はメタンである。
【００１８】
また、アルミニウムを配置する空間に導入される炭化水素含有物質の質量比率は、特に限定されないが、通常はアルミニウム１００質量部に対して炭素換算値で０．１質量部以上５０質量部以下の範囲内にするのが好ましく、特に０．５質量部以上３０質量部以下の範囲内にするのが好ましい。加熱時間は、加熱温度等にもよるが、一般的には１時間以上１００時間以下の範囲内である。
また、基板表面部のアルミニウムを全て、完全に炭化アルミニウムに転化させても構わない。この場合、アルミナウィスカーの生成密度が増大するので熱抵抗は低下する。（図３参照）
【００１９】
炭化アルミニウムは水分と反応しやすく、耐湿性に課題がある場合もある。この場合には、アルミナに転化させて使用することが好ましい。炭化アルミニウムは極めて酸化しやすい材料であるため、酸化雰囲気中で加熱することにより容易にアルミナウィスカーに転化する（図２（ｃ））。熱力学的には炭化アルミニウムは室温でもアルミナに転化するが、プロセスの効率を考えるとアルミナに転化させるための温度は３００℃以上が好ましい。好ましくは４５０℃以上で、上限はアルミニウムの融点以下である。このように、本発明では、アルミニウム基板から極めて簡易な手法でアルミナウィスカーが得られる。
【００２０】
転化したアルミナウィスカーの主成分は非晶質である。非晶質アルミナウィスカーは結晶質アルミナウィスカーに比べて熱伝導率が低いため、熱抵抗を小さくするためには結晶質にすることが好ましい。結晶質に転化させるためには大凡、１５００℃以上での熱処理が必要であるが、基板がアルミニウム等の金属では適さないので、この場合は、例えば、セラミックス又は耐熱性金属を基板とし、その表面にアルミニウムをコーティングした後、アルミニウム全体を、炭化アルミニウムを主成分とする相に転化させてアルミニウムを残存させないようにすればよい（前記図３）。
【００２１】
本発明では、前記ウィスカーは基板表面から直接成長しているので基板とウィスカーの間の熱抵抗は実質ゼロであると言える。また、上記基板表面のアルミニウムを全て炭化させた基板を酸化させた場合には、全面にアルミナウィスカー層が形成され、基板表面の一部のみを炭化させたものを用いた場合には、基板表面の炭化アルミニウム相の周りには、アルミニウム相が残存した状態となる。
本発明に係るパワーモジュール用放熱装置では、使用される放熱構造には絶縁性が要求されるのでＳi3Ｎ4やＡlＮの焼結体であることが好ましい。比抵抗が小さいならばＳiＣでも構わない。
【００２２】
必要とされるウィスカー層の厚さは、もちろん冷却体等、相手材の面粗度や表面のうねりの程度により変わるが、厚さが１μｍ以上になると、熱抵抗低減効果が高い。厚さが１０μｍ以上になるとほぼどのような相手材にも対応できる。すなわち、相手材表面にマクロなたわみがある場合でも、基板表面のウィスカー層が変形して相手材に追従することが可能となる。
また、本発明に係る放熱構造の製造方法は、上記第一の工程又は第二の工程の後に、炭化アルミニウムウィスカー層又はアルミナウィスカー層にグリースを含浸させる工程を有することを特徴とする。熱伝導性樹脂を併用すると更に接触性が増す。熱伝導性樹脂としては、例えば熱伝導率に優れるグリース等が好ましい。
【００２３】
本発明に係る放熱装置は、少なくとも発熱素子を有する発熱体の発熱面から発熱する熱が、放熱構造を介して放熱板及び／又は冷却器に伝熱される放熱装置において、該放熱構造が前記本発明に係るいずれかの放熱構造であることを特徴とする。本発明に係る放熱構造は、その表面にウィスカー層を有するため、低い接触熱抵抗を発揮するが、ウィスカー層自体には接着性がないため、発熱体・冷却体に挟まれて固定されるような放熱装置に用いられることが好ましい。
【００２４】
すなわち、図４に示すように、発熱素子がパッケージングされ、外面に放熱板を有するような発熱体を冷却器と接触させる際に、本発明に係る放熱構造を介在させることを特徴とする。図４においては、前記発熱体の発熱面とは、発熱素子がパッケージングされた発熱体の該表面に有する放熱板を意味する。このように本発明に係る放熱装置は、本発明に係るいずれかの放熱構造を用いることにより、従来の手法により発熱素子がパッケージングされた発熱体を良好に適用することが可能である。
【００２５】
前述の通り、従来であれば熱伝導性グリース等により発熱体と冷却体とを接触させていたため、冷却体との接触熱抵抗が大きくなったり、固定部材のネジ穴にグリースが侵入したりすることによる不具合があったが、本発明に係る放熱装置では、前記放熱構造を用いることによりグリースが不要となり、当該不具合が解消される。発熱素子からの放熱は、片面のみからでもよいが、両面側から放熱をするとより効率が良くなるため、好ましい。
もちろん、グリースを併用しても構わない。ウィスカー層は緻密な層ではなく、多孔質層であるため、該ウィスカー層の気孔部にグリースを含浸させると接触性がさらに向上するので熱伝導率はさらに小さくなる。グリースはウィスカー層の気孔部に保持されるので、グリースを単独で用いるより揮発しにくく信頼性が向上するという利点もある。
【００２６】
また、本発明に係る放熱装置は、前記発熱体が、発熱素子の他に、放熱ブロック、放熱板又は半導体基板のいずれかを有し、前記発熱体の発熱面が、該発熱素子、該放熱ブロック、該放熱板又は該半導体基板のいずれか一以上であることを特徴とする。すなわち、図５に示すように、発熱素子（いわゆるダイ）を本発明に係る放熱構造と接するようにパッケージングし、該放熱構造を介して発熱素子と冷却器とを接続してもよい。この場合の発熱体の発熱面とは、発熱素子表面を意味するものである。
【００２７】
図５に示す放熱装置では、放熱板を介さずに発熱素子からの熱を冷却器に伝熱することが可能であり、より効率よく放熱することが可能となる。このとき、本発明に係る放熱構造は、発熱素子と接する面側においては、ウィスカー層は発熱素子と接触する部分にのみ形成されていれば構わないが、冷却器と接触する面においては、より放熱効果を高めるために前面にウィスカー層が形成されていることが好ましい。
【００２８】
また、発熱体が発熱素子の他に、ヒートブロック又は放熱板（いわゆるヒートスプレッダ）を有する場合には、これらの互いの接触面に本発明に係る放熱構造を介在させることも可能である。この場合において、前記放熱体の発熱面とは、発熱素子、ヒートブロック又は放熱板のいずれかを指すものとする。
更に、図６に示すように、例えば、ヒートシンクのような冷却器を発熱素子と離れた場所で用いる場合には、発熱素子と放熱板との間に本発明に係る放熱構造を介在させ、放熱板の一部分と冷却器とを接触さてもよい。また、該ヒートシンクと放熱板の間に本発明に係る放熱構造を介在させてもよい。なお、図６において、前記発熱体の発熱面とは、発熱素子表面、半導体基板及び放熱板表面を意味する。
本発明に係る放熱装置においては、放熱効果を高めるため、前記発熱素子の両面から放熱することが好ましい。
【実施例】
【００２９】
本発明に係る放熱構造は、その表面にウィスカー層を有するため、低い接触熱抵抗を発揮するが、ウィスカー自体には接着性がないため、発熱体・冷却体に挟まれて固定されるような放熱装置に用いられることが好ましい。このため、特許文献１にあるような装置の如く、接触圧力を適宜変更可能な装置を用いることが好ましい。なお、熱伝導性グリースとして接着性樹脂を用いる場合には、特に接触圧力を必要としない使用態様も可能である。
【００３０】
図７は、両面放熱型半導体の両面を冷却器と接触させて冷却する本発明に係る放熱装置の一例の全体構成を示す概略図である。
まず、本放熱装置における発熱体としての半導体について説明する。図７に示す放熱装置は、発熱素子としての半導体チップと、放熱板（いわゆるヒートスプレッダ）と、放熱ブロックとしてのヒートシンクブロックと、これらの間に介在する接合材と、これらをモールドする樹脂とを備えて構成されている。
【００３１】
この構成の場合、半導体素子の下面と下側放熱板の上面との間は、例えば、はんだ等からなる接合材によって接合されている。同様に、半導体素子の上面とヒートシンクブロックの下面との間も、接合材によって接合されている。そして、これらの放熱板と半導体チップとは、樹脂によりモールドされている。
さらに、ヒートシンクブロックの上面と上側放熱板の下面との間には本発明に係る放熱構造が介在されている。同様に、下側放熱板と下側冷却器も本発明に係る放熱構造と接触している。
【００３２】
これにより、上記構成においては半導体素子の上面では、接合材、ヒートシンクブロック、接合材及び上側放熱板を介して放熱が行われ、半導体素子の下面では、接合材から下側放熱板を介して放熱が行われる。なお、発熱素子としては、特に限定されるものではないが、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成されている。この場合、半導体チップのデバイス構造を、トレンチゲートタイプとすることが好ましい。他のタイプのデバイス構造を用いるように構成であっても構わない。
【００３３】
上記半導体素子の形状は、例えば矩形状の薄板状とすることができる。また、下側放熱板、上側放熱板及びヒートシンクブロックは、電極及び放熱体の機能を兼ねたものであり、例えば銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性及び電気伝導性の良い金属で構成されている。また、ヒートシンクブロックとしては、一般的な鉄合金を用いてもよい。
この構成の場合、下側放熱板及び上側放熱板は、半導体素子の図示しない各主電極（例えば、コレクタ電極やエミッタ電極等）に接合材を介して電気的にも接続されている。
【００３４】
また、下側放熱板は、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材とすることができる。また、この下側放熱板には、端子部が突設されている。また、ヒートシンクブロックは、例えば、半導体素子よりも１回り小さい程度の大きさの矩形状の板材とすることができる。さらに、上側放熱板も、例えば、全体としてほぼ長方形状の板材で構成すればよい。上側放熱板にも、同様に、端子部が突設されている。
【００３５】
下側放熱板の端子部および上側放熱板の端子部は、半導体素子の上記コレクタ電極やエミッタ電極と電気的に接続されている。それぞれの端子部は、例えばブスバーや回路基板等の外部配線部材との接続を行うために設けられているものである。さらに、図６に示されるように、一対の放熱板の隙間並びに半導体素子及びヒートシンクブロックの周囲部分には、樹脂が充填封止されている。
なお、樹脂は例えばエポキシ樹脂等の通常のモールド材料を採用することができる。また、放熱板等を樹脂でモールドするにあたっては、上下型からなる成形型（図示しない）を使用し、トランスファーモールド法によって容易に行うことができる。
【００３６】
また、樹脂内において、半導体素子の周囲には、図示しないリードフレーム等からなる端子部（制御用端子）が設けられている。更に、この端子部と半導体素子の図示しないゲート電極等とがワイヤによって結線され、電気的に接続されている。ワイヤは、ワイヤボンディング等により形成され、金やアルミ等からなる。
【００３７】
次に、上記構成の放熱装置の製造方法について、図６を参照して、簡単に説明する。ここでは、接合材として、はんだを用いた例を述べる。まず、下側放熱板の上面に、半導体素子をはんだ付けする工程を実行する。
この場合、下側放熱板の上面に、例えば、はんだ箔を介して半導体素子を積層するとともに、該半導体素子の上にはんだ箔を介してヒートシンクブロックを積層する。この後、加熱装置（リフロー装置）によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
【００３８】
続いて、半導体素子の制御電極（例えばゲート電極等）と端子部とをワイヤボンディングする工程を実行する。これにより上記ワイヤが形成され、該ワイヤによって、半導体素子の制御電極と端子部とが結線され、電気的に接続される。
次いで、ヒートシンクブロックの上に上側放熱板をはんだ付けする工程を実行する。この場合、ヒートシンクブロックの上にはんだ箔を介して上側ヒートシンクを載せ、加熱装置によって上記はんだ箔を溶融させてから、硬化させる。
溶融したはんだ箔が硬化すれば、硬化したはんだが接合材として構成されることになる。そして、該接合材を介して、下側放熱板、半導体素子、ヒートシンクブロック、上側放熱板間の接合及び電気的・熱的接続が完了する。
【００３９】
最後に、図示しない成形型を使用して、一対の放熱板の隙間及び外周部に樹脂を充填する工程（モールド工程）を実行する。これにより、図６に示されるように、放熱板の隙間及び外周部等に、樹脂が充填され、半導体装置のほぼ全体が樹脂によって封止される。そして、樹脂が硬化した後、成形型内から半導体装置を取り出せば、半導体装置が完成する。
なお、半導体装置においては、上記構成の場合、下側放熱板の下面及び上側放熱板の上面が、それぞれ放熱面として露出するように樹脂モールドされている。これにより、放熱板の放熱性が高められている。
【００４０】
このような半導体装置の両放熱面、すなわち、樹脂から露出する下側放熱板の下面及び上側放熱板の上面には、それぞれ、絶縁材としての絶縁板を介して、冷却器が接触している。これにより、本発明に係る放熱装置の一例が構成される。
ここで、絶縁板は、前述の本発明に係る放熱構造である。また、比較材として、たとえば窒化アルミニウム（ＡlＮ）や窒化珪素（Ｓi3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳiＣ）等のセラミック等からなる電気絶縁性を有する板のみも用いた放熱装置も作製した。
【００４１】
また、冷却器は、たとえばアルミニウム（Ａl）等からなり、内部を冷却水が流れる水冷式やフィンを有する空冷式等のものであればよいが、本実施例では、冷却器は、内部に冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、放熱板からの熱は、この冷却水流路内の冷却水にて冷却され、熱交換が行われるようになっている。
【００４２】
また、従来であれば、冷却器と絶縁板との間、および絶縁板と各放熱板との間には、必要に応じて、電気絶縁性及び伝熱性を有するグリースやゲル等の伝熱材が介在設定されている必要があるが、本発明に係る放熱構造を用いる場合はグリースやゲルを用いる必要がない。
【００４３】
このように、図６に示される放熱装置においては、下側から、冷却器、放熱構造、半導体装置、放熱構造、冷却器という積層構成を有する構造となっている。そして、この構造においては、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側には、挟圧部材が設けられている。この挟圧部材は、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように荷重を印加することで、冷却器と半導体装置とを一体に保持するためのものである。
該冷却器によって半導体装置を挟み付けるように印加される荷重は、図６中の矢印で示される荷重として表される。つまり、荷重は放熱装置の積層方向に印加される。
【００４４】
ここで、挟圧部材は、弾性体等を介した締結力の作用により荷重の印加を行うものである。具体的には、挟圧部材は、半導体装置を隔てて対向する冷却器の両外側の一方から荷重を印加する固定部と、他方から荷重を印加する可動部とを有し、これら固定部と可動部とにより、上下の冷却器を挟み付けるようにしている。図６に示すように、挟圧部材において、固定部には雄ネジ（送りネジ）を持つボルトが連結されている。このボルトは、可動部に設けられた貫通穴に通されて、弾性体を介してナットで締結されている。ここで、弾性体として、図示のコイルバネの他にも、ゴムチューブ、Ｏリング、バネワッシャ等が採用できる。
【００４５】
また、冷却器および固定部、可動部は、図６中の紙面垂直方向に延びる板材であり、当該紙面垂直方向に沿って半導体装置は、複数個配列されたものとなっている。
そして、本放熱装置においては、挟圧部材のナットによるネジ締めを行っていくと、弾性体の弾性力を介した締結力の作用により、固定部に対して可動部が近づいていく。つまり、挟圧部材は、弾性体を介した締結力の作用により、冷却器によって半導体装置を挟み付けるように加重を行うものとなる。それにより、冷却器と半導体装置とが一体に保持されるようになっている。
【００４６】
本放熱装置は、次のようにして組み付けられる。まず、冷却器、絶縁板（含本発明に係る放熱構造）、半導体装置、絶縁板、冷却器と積層する。なお、比較例である従来型の放熱装置の場合には、絶縁板の両面にグリース等の伝熱材を介在させた状態となるように組み付ける。
その後、挟圧部材を用いて、上下の冷却器によって半導体装置が挟み込まれるように締め付け固定する。このとき、弾性体およびナットが荷重調整機構となって、荷重の調整が行われる。こうして、本実施形態の放熱装置が形成される。なお、半導体装置は、各端子部を介して、ブスバーや回路基板に接続される。そして、半導体素子からの熱は、両面の放熱板、絶縁板を介して冷却器へ放熱される。そして、冷却器により放熱板が冷却されることで、放熱特性を高めている。
【００４７】
発熱素子である半導体チップは駆動により発熱するが、ここでは、その発熱量は６５Ｗとした。
絶縁板としては、本発明に係る放熱構造、比較材としての窒化アルミニウム（ＡlＮ）、窒化ケイ素（Ｓi3Ｎ4）からなる厚さ０．３５ｍｍの板材を用いた。また、比較材においては、伝熱材はグリースを用いた。また、冷却器の冷却水流路を流れる冷却水の流量は、６リットル／min、当該冷却水の水温は４０℃とした。
【００４８】
また、熱抵抗は、半導体チップからそれぞれのヒートシンク、絶縁板を通って、冷却器の冷却水流路に至るまでの放熱経路における熱抵抗である。具体的には、半導体チップの温度をＴc、冷却水の温度をＴw、半導体チップの発熱量をＱとすると、熱抵抗は、（Ｔc−Ｔw）／Ｑ（単位：Ｋ／Ｗ（ケルビン／ワット））で表される。
そして、上述した検討条件にて、平行度Ｈ（単位：μｍ）を変えた場合における接触圧Ｐ（単位：ＭＰa）と熱抵抗（単位：Ｋ／Ｗ）との関係を調査した。
【００４９】
＜用いた放熱材料＞
ＡlＮ、Ｓi3Ｎ4基板の両面に、溶融アルミめっきにより、予めアルミニウム膜を各種厚さでコーティングしたものを用いた。
各種基板を各種温度、時間、ガス雰囲気で加熱して、基板の両面の全面に炭化アルミニウムウィスカーを生成させた。一部の試料は、更に大気圧下で加熱をすることにより、炭化アルミニウムをアルミナウィスカーに転化して、基板の両面にアルミナウィスカー層を形成した。
【００５０】
＜結果＞
結果を表１に示す。
本発明に係る放熱構造を用いることにより、グリースを用いた時よりも、低い熱抵抗が得られた。炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカーの長さが長いと、さらに低い熱抵抗が得られることが分かった。また、グリースを併用することで、さらに熱抵抗が低下した。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
尚、本発明では、絶縁基板表面にウィスカー層を形成しているが、
冷却部材がアルミニウム製である場合は、冷却部材表面に炭化アルミニウムウィスカー又はアルミナウィスカー層を形成しても構わない。同様の熱抵抗低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る放熱構造の使用例の一例の概略を示す図である。
【図２】本発明に係る放熱構造の製造過程の一例の概略を示す図である。
【図３】本発明に係る放熱構造の製造過程の別の一例の概略を示す図である。
【図４】本発明に係る放熱装置の一例の概略を示す図である。
【図５】本発明に係る放熱装置の別の一例の概略を示す図である。
【図６】本発明に係る放熱装置の更に別の一例の概略を示す図である。
【図７】実施例において用いた放熱装置の概略を示す図である。
【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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