JP2009124054A - 発熱体と放熱体との接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の発熱体と放熱体との接合構造では、両者間の熱抵抗を下げるために、発熱体および放熱体の接合面を高精度に加工する必要があり、加工工程が高コスト化するなどしていた。
【解決手段】パワー半導体モジュール１０とヒートシンク２０との接合構造であって、パワー半導体モジュール１０の接合面には、接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する複数の接合フィン１３ｂが並設され、ヒートシンク２０の接合面には、各接合フィン１３ｂ間の形状に対応した形状の、接合フィン１３ｂの傾斜方向と同じ方向へ傾斜した方向へ突出する複数の接合フィン２０ｃが並設され、接合フィン１３ｂおよび接合フィン２０ｃの少なくとも何れか一方の基部の剛性が、基部以外の部分の剛性よりも低く構成されており、パワー半導体モジュール１０とヒートシンク２０とは、各接合フィン１３ｂと各接合フィン２０ｃとが噛み合う状態で接続されることにより接合される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、互いに接合される発熱体と前記発熱体からの熱を放熱するための放熱体との接合構造に関する。

一般的に、ＩＧＢＴモジュール等のパワー半導体モジュールは、発熱素子となるパワー半導体素子を回路基板に実装して構成された発熱体であるため、該パワー半導体モジュールにヒートシンク（放熱板）や冷却器などの放熱体を接合して、パワー半導体素子からの発熱を前記放熱体へ放熱するように構成している。
このような、発熱体であるパワー半導体モジュールと放熱体との接合構造としては、例えば図９に示すように、はんだ１１４接続によりパワー半導体素子１１１を実装した回路基板１１２に、電極板１１３をはんだ１１４接合してパワー半導体モジュール１１０を構成し、前記電極板１１３の下面と放熱体となるヒートシンク１２０の上面とが当接するように、パワー半導体モジュール１１０をヒートシンク１２０に取り付けた構造がある。

このような構成の場合、パワー半導体モジュール１１０からヒートシンク１２０への放熱を効率良く行うためには、電極板１１３とヒートシンク１２０とを全面的に密着させて両者間の熱抵抗を小さくすることが好ましいため、電極板１１３およびヒートシンク１２０の当接面の平面度を高くすることが必要である。
しかし、電極板１１３およびヒートシンク１２０の当接面を、両者が密着するほどの高い平面度に加工するのには大きな手間がかかってコスト高となる。

そこで、前記当接面をある程度の平面度にまで加工して、電極板１１３とヒートシンク１２０との間にできた隙間に熱伝導性グリスを充填することにより、両者間の熱抵抗を下げることが行われている。
しかし、熱伝導性グリスは空気に比べると熱伝導性が良好であるが、電極板１１３やヒートシンク１２０に用いられる金属に比べると熱伝導性が悪いため、充填するグリスの厚みが大きいと電極板１１３とヒートシンク１２０との間の熱抵抗をかえって増大させてしまうことになる。一般的に、ペースト状に構成される熱伝導性グリスを広範囲にわたって薄く均一に塗布することは困難であるため、良好な熱伝導性を安定して得ることが困難である。

また、発熱体と放熱体との接合構造としては、両者をはんだ付けやろう付けにより接合するものがある。
このはんだ付けやろう付けによる接合構造は、発熱体と放熱体との間の熱抵抗が非常に低くいという利点があるが、接合時に発熱体および放熱体を高温にまで加熱する必要があることや、一旦接合してしまうとパワー半導体素子１１や回路基板１１２などの交換や手直しなどができなくなってしまうという難点を有している。

また、発熱体と放熱体との接合構造に類似する構造として、特許文献１に示すような構造がある。
つまり、特許文献１には複数のヒートシンクの接続構造が記載されており、一方のヒートシンクにおける接続面に凹凸形状を形成し、他方のヒートシンクにおける接続面に、一方のヒートシンクの凹凸形状に対応する凹凸形状を形成して、一方の凹凸形状を他方の凹凸形状に圧入するように構成されている。
この場合、他方の凹部に圧入される一方の凸部の幅寸法は、前記他方の凹部の幅寸法よりも若干大きくなるような公差にて形成されており、一方の凸部が他方の凹部に圧入された際に塑性変形して両者の結合力が高められることとなっている。
特開平９−１９７２８号公報

しかし、前述の特許文献１に記載された接続構造の場合、一方の凸部の幅寸法を他方の凹部の幅寸法よりも若干大きくなるような公差にて形成し、一方の凸部を他方の凹部に圧入することで両者の接続を図るものであるため、一方の凸部の幅寸法および他方の凹部の幅寸法を高精度な公差にて形成する必要がある。
つまり、一方の凸部の幅寸法が他方の凹部の幅寸法よりも小さくなってしまうと、一方の凸部を他方の凹部に挿入したときに両者間に隙間ができてしまって強固な接続を実現することができず、一方の凸部の幅寸法が他方の凹部の幅寸法に対して大きくなり過ぎると一方の凸部を他方の凹部へ圧入することができなくなるため、両者の幅寸法は高精度に形成する必要がある。

このように、一方のヒートシンクおよび他方のヒートシンクの凹凸形状を高精度に形成する必要があるため、これらのヒートシンクの高精度な加工工程が高コスト化するという問題がある。
また、このようなヒートシンクは、パワー半導体素子などの発熱素子の駆動時には高温となり、停止時には低温となるため高温時と低温時との間で熱歪みが生じる。
従って、例えばヒートシンクの加工精度を高くして、低温時に一方の凸部の他方の凹部への適正な圧入を行うことができるようにしたとしても、高温時には熱歪みにより両者が密着し難くなるという問題がある。

そこで、本発明においては、発熱体と放熱体との接合部の加工精度を緩和して、加工工程を容易かつ低コスト化するとともに、発熱体と放熱体とを一旦接合した後でも発熱体を放熱体から取り外すことが可能なように構成しながら、発熱体と放熱体との間の熱抵抗を小さくして、両者間において効率的な熱伝導を行うことができる、発熱体と放熱体との接合構造を提供するものである。

上記課題を解決する発熱体と放熱体との接合構造は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、発熱体と前記発熱体からの熱を放熱するための放熱体との接合構造であって、前記発熱体の接合面には、該接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する、複数の発熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、前記放熱体の接合面には、前記各発熱体側突起間の形状に対応した形状に形成され、前記発熱体側突起の傾斜方向と同じ方向へ傾斜した方向へ突出する、複数の放熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、前記発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも何れか一方の基部の剛性が、基部以外の部分の剛性よりも低く構成されており、前記発熱体と放熱体とは、前記各発熱体側突起と各放熱体側突起とが噛み合う状態で接続されることにより接合される。
これにより、前記発熱体側突起の傾斜角度および放熱体側突起の傾斜角度の加工精度をさほど高くしなくても（発熱体側突起および放熱体側突起の傾斜角度に多少の誤差が生じても）、発熱体と放熱体とを密着させることができ、発熱体および放熱体の接合部を容易かつ低コストで加工しながら、両者間の熱抵抗を低下させることができ、効率的な熱伝導を実現することができる。
また、発熱体と放熱体とを一旦接合した後でも、発熱体を放熱体から取り外すことが可能となる。

また、請求項２記載の如く、発熱体と前記発熱体からの熱を放熱するための放熱体との接合構造であって、前記発熱体の接合面には、該接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する、複数の発熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、前記放熱体の接合面には、前記各発熱体側突起間の形状に対応した形状に形成され、前記接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する、複数の放熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、前記発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも何れか一方の基部の剛性が、基部以外の部分の剛性よりも低く構成されており、前記発熱体と放熱体とは、前記各発熱体側突起と各放熱体側突起とが噛み合う状態で接続されることにより接合され、前記発熱体側突起と放熱体側突起との傾斜方向は、前記各発熱体側突起と各放熱体側突起とが噛み合った際に、該発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも一方が弾性変形する大きさだけずれている。
これにより、前記発熱体側突起の傾斜角度および放熱体側突起の傾斜角度の加工精度をさほど高くしなくても（発熱体側突起および放熱体側突起の傾斜角度に多少の誤差が生じても）、発熱体と放熱体とを密着させることができ、発熱体および放熱体の接合部を容易かつ低コストで加工しながら、両者間の熱抵抗を低下させることができ、効率的な熱伝導を実現することができる。
特に、前記発熱体側突起および放熱体側突起の傾斜角度が製造誤差などにより基準値からずれた場合でも、発熱体側突起および放熱体側突起が弾性変形することにより、そのずれを吸収することが可能となり、両者間の密着を図り、熱抵抗を低下させることができる。
また、発熱体と放熱体とを一旦接合した後でも、発熱体を放熱体から取り外すことが可能となる。

また、請求項３記載の如く、前記基部以外の部分よりも低い剛性に構成される基部は、切り欠いて肉薄にすることにより基部以外の部分よりも低い剛性に構成されている。
これにより、前記発熱体側突起および放熱体側突起の基部の剛性を容易に低下させることができ、その剛性の低下度合いも切り欠き量を調整することで容易に変化させることが可能となる。

また、請求項４記載の如く、前記発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも何れか一方の基部または基部以外の部分の何れかに対して選択的に熱処理または表面処理を施すことにより、前記基部を前記基部以外の部分よりも低い剛性に構成する。
これにより、前記発熱体側突起および放熱体側突起を容易に弾性変形させることができ、その弾性変形度合いも熱処理および表面処理の種類や処理条件などを調整することで容易に変化させることが可能である。

本発明によれば、前記発熱体側突起の傾斜角度および放熱体側突起の傾斜角度の加工精度をさほど高くしなくても（発熱体側突起および放熱体側突起の傾斜角度に多少の誤差が生じても）、発熱体と放熱体とを密着させることができ、発熱体および放熱体の接合部を容易かつ低コストで加工しながら、両者間の熱抵抗を低下させることができ、効率的な熱伝導を実現することができる。
また、発熱体と放熱体とを一旦接合した後でも、発熱体を放熱体から取り外すことが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１にはヒートシンク２０に接合されたパワー半導体モジュール１０を示している。
前記パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子１１と、前記パワー半導体素子１１がはんだ１４接合により実装される回路基板１２と、前記回路基板１２がはんだ１４接合により実装される接合電極板１３とを備えており、前記パワー半導体素子１１、回路基板１２、および接合電極板１３が上から順に積層された構成となっている。
前記パワー半導体素子１１は駆動時に発熱する素子であり、パワー半導体モジュール１０は全体として発熱体となっている。

前記接合電極板１３は、その上面が前記回路基板１２と接合される板状の本体部１３ａと、前記本体部１３ａの下面から、該下面と直交する方向に対して傾斜した下方向へ突出する複数の接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・とを備えており、該複数の接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・は、互いに所定の間隔を隔てて並設されている。

前記ヒートシンク２０は、前記パワー半導体モジュール１０からの発熱を放熱するための放熱体であり、板状部材にて構成される本体部２０ａと、前記本体部２０ａの下面から下方へ突出する放熱フィン２０ｂと、前記本体部２０ａの上面から、該上面と直交する方向に対して傾斜した上方向へ突出する複数の接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを備えている。
前記複数の接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・は、互いに所定の間隔を隔てて並設されている。

図２に示すように、前記隣接する接合フィン１３ｂ・１３ｂ間の間隔ｄ１は、前記接合フィン２０ｃの厚みＷ２と同じ寸法に構成されており、前記隣接する接合フィン２０ｃ・２０ｃ間の間隔ｄ２は、前記接合フィン１３ｂの厚みＷ１と同じ寸法に構成されている。
本例の場合は、前記間隔ｄ１と、間隔ｄ２と、厚みＷ１と、厚みＷ２とが、ともに同じ寸法に構成されている。

また、前記各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の、前記本体部１３ａの下面と直交する方向に対する傾斜角度θ１は、前記各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の、前記本体部２０ａの上面と直交する方向に対する傾斜角度θ２と同じ角度に構成されている。
つまり、前記各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜方向と、前記各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜方向とが同じ方向に設定されている。

このように構成される前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とは、図３に示すように、両者を噛み合わせた状態とすることが可能となっている。
この場合、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ間の間隔ｄ１と接合フィン２０ｃの厚みＷ２、および接合フィン２０ｃ・２０ｃ間の間隔ｄ２と接合フィン１３ｂの厚みＷ１とを同じ寸法に構成するとともに、前記各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜方向と各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜方向とを同じに設定しているので、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせた際に、互いに対向する接合フィン１３ｂの側面と接合フィン２０ｃの側面とが密着した状態で隙間なく噛み合わせることが可能となっている。

前記接合電極板１３およびヒートシンク２０は、例えばアルミ材を押し出し加工することにより成形されるが、前記各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ１・θ２などに所定の公差をもって成形される。
従って、各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１と各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ２とが同じ角度に設定されていたとしても、実際に成形された接合電極板１３およびヒートシンク２０においては、前記傾斜角度θ１と傾斜角度θ２との間にずれが生じている場合がある。

そこで、前記接合電極板１３とヒートシンク２０との接合構造においては、各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ１・θ２に誤差が生じていたとしても、両者を噛み合わせた際に、隣接する各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とが、それぞれ密着するように構成している。

つまり、前記接合電極板１３の接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・およびヒートシンク２０の接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・のうち、少なくとも何れか一方の基部に切り欠き部２０ｄを形成して（図２に示すように、本例では接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部に切り欠き部２０ｄを形成している）、該基部が基部以外の部分よりも肉薄になるように構成しており、前記基部を基部以外の部分よりも肉薄に形成することで、該基部の剛性が基部以外の部分の剛性よりも低くなるようにしている。

そして、前記切り欠き部２０ｄを形成して基部の剛性を基部以外の部分の剛性よりも低くすることで、前記接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・に力がかかった際に、前記基部が弾性変形して接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が容易に屈曲するようになっている。
なお、本例では、前記切り欠き部２０ｄは、傾斜している接合フィン２０ｃの外側（ヒートシンク２０の上面と接合フィン２０ｃとのなす角度が大きい側）を、ヒートシンク２０の上面と直交する方向へ直線状に切り欠いて形成している。

このように、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部の剛性を低下させて屈曲し易くすることで、例えば前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ２とが若干ずれていたとしても、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせたときに、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が基部の部分で屈曲して接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・に沿った形状で噛み合うこととなる。

このように、前記傾斜角度θ１および傾斜角度θ２に誤差があって、両角度が若干ずれていたとしても、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・に沿った形状で噛み合うこととなるので、隣接する各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とは、それぞれ密着した状態で噛み合うことが可能となる。

従って、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ２の加工精度をさほど高くしなくても（傾斜角度θ１・θ２に多少の誤差が生じても）、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・と接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・とを密着させることができ、接合電極板１３およびヒートシンクを容易かつ低コストで加工しながら、両者間の熱抵抗を低下させることができ、効率的な熱伝導を実現することができる。
また、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせて接続した後に、該接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・や接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・に熱歪みが生じた場合でも、前記接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が屈曲することでその歪みを吸収することができ、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・との密着状態を維持することが可能となる。

また、互いに隣接する接合フィン２０ｃの側面および接合フィン１３ｂの側面の平面度が低くて両者の間に隙間が生じていると、両者間の熱抵抗が高くなってしまう。
しかし、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・および接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の側面の面積は、接合電極板１３の下面の面積やヒートシンク２０の上面全体の面積に比べると僅かであるため、該接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・および接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の側面を高い平面度に成形または加工することは容易であり、比較的低コストで高い平面度を得ることが可能である。

従って、前記接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・および接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の側面を高い平面度に加工して、隣接する接合フィン２０ｃと接合フィン１３ｂとを密着させることが容易であり、低コストで接合フィン２０ｃと接合フィン１３ｂとの間の熱抵抗を低くすることが可能である。

さらに、前記接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・と接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・との間に微小な隙間がある場合には、両者間にグリスを充填して、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・と接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・との間の熱抵抗をさらに小さくすることができる。
この場合、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・と接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・との間の隙間は極僅かであり、前述のように容易に各フィン側面の平面度を高くすることができるので、充填したグリスの厚みを均一に薄くすることができ、良好な熱伝導性を安定して得ることができる。

また、本例のヒートシンク２０においては、前記切り欠き部２０ｄは、前述のように接合フィン２０ｃにおける基部の外側を切り欠いて形成しているが、図４に示すように、前記基部の内側を円弧形状などの形状に切り欠いて形成することもできる。
前記切り欠き部２０ｄは、接合フィン２０ｃにおける基部の外側および内側の何れか一方または両方に形成することができ、その形状は基部の厚みを薄くして剛性を低下させるものであれば、前記基部の外側および内側の何れに形成するかにかかわらず、直線状、または円弧状など種々の形状に形成することができる。

また、本例では前記切り欠き部２０ｄはヒートシンク２０側のみに形成しているが、図５に示すように、ヒートシンク２０側の各接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・に切り欠き部２０ｄ・２０ｄ・・・を形成するとともに、前記接合電極板１３の各接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・に切り欠き部１３ｃ・１３ｃ・・・を形成することもできる。
また、前記接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・には切り欠き部２０ｄ・２０ｄ・・・を形成せず、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・のみに切り欠き部１３ｃ・１３ｃ・・・を形成することもできる。

このように、前記切り欠き部１３ｃ・２０ｄは、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の何れか一方のみに形成しても、その両方に形成してもよい。
また、前記切り欠き部１３ｃ・２０ｄを、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の何れか一方に形成するか、または両方に形成するかは、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・との間で生じる前記傾斜角度θ１・θ２のずれ量などに応じて適宜選択することができる。

さらに、前記切り欠き部１３ｃ・１３ｃ・・・による前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部の切り欠き量も、前記傾斜角度θ１・θ２のずれ量などに応じて適宜選択することができる。
つまり、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせた際に、前記切り欠き部１３ｃ・２０ｄを形成した箇所が弾性変形し、前記傾斜角度θ１・θ２のずれ量を吸収して、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とが密着するように、前記切り欠き部１３ｃ・２０ｄの形成場所および切り欠き量を設定することができる。

このように、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部に切り欠き部１３ｃ・２０ｄを形成することで、前記基部の剛性を容易に低下させることができ、その剛性の低下度合いも切り欠き量を調整することで容易に変化させることが可能である。

また、本パワー半導体モジュール１０においては、接合電極板１３の接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・とヒートシンク２０の接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせることで、接合電極板１３とヒートシンク２０とを接続しているので、パワー半導体モジュール１０のパワー半導体素子１１などに不具合があったときには、パワー半導体モジュール１０とヒートシンク２０とをはんだ付けやろう付けにより接合した場合とは異なり、不具合があったパワー半導体モジュール１０を交換することが可能である。

また、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・における基部の剛性を基部以外の部分の剛性よりも小さくするために、次のような構成とすることもできる。
つまり、図６に示すように、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部またはその他の箇所に表面処理もしくは熱処理を施すことにより、該基部の剛性を基部以外の部分の剛性よりも低くすることができる（図６の場合は接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部に表面処理もしくは熱処理を施して、該基部の硬度を基部以外の部分の硬度よりも低下させている）。

前記表面処理および熱処理としては、相対的に接合フィン１３ｂ・２０ｃの基部の剛性が基部以外の部分の剛性よりも低くなるような処理が施される。
例えば、接合フィン１３ｂ・２０ｃの基部に焼きなまし処理（熱処理）を施して、該基部の硬度を低下させることで、基部の剛性が基部以外の部分の剛性よりも低くなるようにすることができる。

また、接合フィン１３ｂ・２０ｃの基部以外の部分に「高温加熱→急冷→時効」といった熱処理を施したり、硬質アルマイト処理（表面処理）やタフラム処理（硬質アルマイト処理＋フッ素樹脂コーティング；表面処理）を施したりして、該基部以外の部分の剛性を基部の剛性よりも高くすることで、基部の剛性が基部以外の部分の剛性よりも低くなるようにすることができる。
その他、アルミ材などの金属部材に対して施される一般的な表面処理や熱処理によって基部の剛性が基部以外の部分の剛性よりも低くなるようにすることができる。
また、これらの熱処理および表面処理は、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の何れか一方、または両方に施すことができる。

このように、接合フィン１３ｂ・２０ｃに熱処理および表面処理を施して基部の剛性を基部以外の部分の剛性よりも小さくすることで、前記傾斜角度θ１と傾斜角度θ２との間に誤差があった場合には、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・と接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・とを噛み合わせたときに基部のみが弾性変形して、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部以外の部分と接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の基部以外の部分とが平面形状を保持した状態で密着することとなり、両者間の熱抵抗を低くすることができる。

このように、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の基部または基部以外の部分に熱処理および表面処理を施して前記基部の剛性を相対的に低下させることにより、該接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・を容易に弾性変形させることができ、その弾性変形度合いも熱処理および表面処理の種類や処理条件などを調整することで容易に変化させることが可能である。

また、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせたときに両者を密着させるために、次のような構成とすることもできる。
つまり、図７に示すように、例えば前記切り欠き部２０ｄ・２０ｄ・・・が形成された接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ２を、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１よりも所定角度αだけ大きく（ヒートシンク２０の上面と直交する方向側へ立てた状態に）設定することにより、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせたときに、前記接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・に押圧されて、前記角度α分だけ弾性変形するため、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とが密着することとなる。

このように、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ２を接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１よりも前記角度αだけ大きく設定した場合、実際に形成された接合電極板１３における接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度がθ１よりも前記角度αまでの範囲で大きい側へずれたとしても、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせたときに接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が弾性変形して両者を密着させることができる。

なお、本例では、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせたときに接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が弾性変形するように構成しているが、前記接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・に切り欠き部１３ｃを形成して該接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・が弾性変形するように構成したり、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の両方に切り欠き部１３ｃ・２０ｄを形成して、該接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを噛み合わせたときに、その両方が弾性変形して密着するように構成したりすることもできる。

また、本例では、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１のみに誤差が生じた場合について記載したが、前記傾斜角度θ１および傾斜角度θ２の両方に誤差が生じた場合についても、同様に接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・とを密着させることができる。
つまり、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度θ１の基準値からのずれ量と、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度θ２の基準値からのずれ量とを考慮して、該傾斜角度θ１と傾斜角度θ２との差が最も大きくなる値を前記角度αの値に設定することができる。

この場合、傾斜角度θ１・θ２の基準値からのずれ量は、例えば該傾斜角度θ１・θ２の公差の値に基づいて決定することができる。
例えば、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度がθ１±β（βは公差）に設定され、接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度がθ２±γ（γは公差）に設定され、θ１とθ２とが同じ値に設定されている場合には、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度がθ１＋βとなり、かつ接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度がθ２−γとなったとき、または接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・の傾斜角度がθ１−βとなり、かつ接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・の傾斜角度がθ２＋γとなったときに、前記傾斜角度θ１と傾斜角度θ２との差が最も大きくなるため、前記角度αは「α＝β＋γ」となるように設定することができる。

前記角度αをこのように設定することで、前記傾斜角度θ１・θ２が製造誤差などにより基準値から公差の範囲内でずれた場合でも、接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・および／または接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・が弾性変形することにより、そのずれを吸収することが可能となる。
言い換えれば、傾斜角度θ１・θ２の公差を有効的に利用して接合フィン１３ｂ・１３ｂ・・・と接合フィン２０ｃ・２０ｃ・・・との密着を図り、両者間の熱抵抗を低下させることができる。

また、前述の図１に示したパワー半導体モジュール１０は、複数のパワー半導体素子１１を一枚の回路基板１２上に実装して構成されているが、該パワー半導体モジュール１０は、図８に示すように、一または複数のパワー半導体素子１１を回路基板１２に実装して構成された、複数のモジュールユニット１０ａ・１０ａ・・・にて構成することもできる。
前述のごとく、複数のモジュールユニット１０ａ・１０ａ・・・にて構成されるパワー半導体モジュール１０においては、各モジュールユニット１０ａ・１０ａ・・・が、それぞれ個別的に前記ヒートシンク２０に接合されることとなる。

従って、例えば、パワー半導体モジュール１０を構成する複数のパワー半導体素子１１のうち、ある一部のパワー半導体素子１１に不具合があったときには、その不具合があるパワー半導体素子１１が実装されたモジュールユニット１０ａのみを前記ヒートシンク２０から取り外して交換することができ、他のモジュールユニット１０ａ・１０ａ・・・はヒートシンク２０に実装したまま置いておくことができる。

このように、不具合があるパワー半導体素子１１が実装されたモジュールユニット１０ａのみが交換可能となるので、一枚の回路基板１２上にパワー半導体モジュール１０を構成する全てのパワー半導体素子１１・１１・・・が実装された場合のように、一部のパワー半導体素子１１に不具合があった場合に全てのパワー半導体素子１１・１１・・・を交換する必要がなく、リワーク性を向上して廃棄部品の数を減少させることが可能となる。

ヒートシンクに接合されたパワー半導体モジュールを示す側面断面図である。 パワー半導体モジュールにおける接合電極板の接合フィン、およびヒートシンクの接合フィンを示す側面断面図である。 互いに接合された状態の接合電極板の接合フィン、およびヒートシンクの接合フィンを示す側面断面図である。 基部に直線状の切り欠き部および円弧形状の切り欠き部が形成された接合フィンを示す側面断面図である。 接合電極板の接合フィンの基部、およびヒートシンクの接合フィンの基部の両方に切り欠き部を形成した状態を示す側面断面図である。 表面処理または熱処理により、接合電極板の接合フィンの基部の剛性を基部以外の部分の剛性に比べて相対的に低下させた状態を示す側面断面図である。 ヒートシンクの接合フィンの傾斜角度を接合電極板の接合フィンの傾斜角度よりも所定角度だけ大きく設定した状態を示す側面断面図である。 複数のモジュールユニットにて構成したパワー半導体モジュールを示す側面断面図である。 従来のヒートシンクに接合されたパワー半導体モジュールを示す側面断面図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール
１１ パワー半導体素子
１２ 回路基板
１３ 接合電極板
１３ａ 本体部
１３ｂ 接合フィン
２０ ヒートシンク
２０ａ 本体部
２０ｂ 放熱フィン
２０ｃ 接合フィン
２０ｄ 切り欠き部

Claims (4)

1. 発熱体と前記発熱体からの熱を放熱するための放熱体との接合構造であって、
   前記発熱体の接合面には、該接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する、複数の発熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、
   前記放熱体の接合面には、前記各発熱体側突起間の形状に対応した形状に形成され、前記発熱体側突起の傾斜方向と同じ方向へ傾斜した方向へ突出する、複数の放熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、
   前記発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも何れか一方の基部の剛性が、基部以外の部分の剛性よりも低く構成されており、
   前記発熱体と放熱体とは、前記各発熱体側突起と各放熱体側突起とが噛み合う状態で接続されることにより接合される、
   ことを特徴とする発熱体と放熱体との接合構造。
2. 発熱体と前記発熱体からの熱を放熱するための放熱体との接合構造であって、
   前記発熱体の接合面には、該接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する、複数の発熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、
   前記放熱体の接合面には、前記各発熱体側突起間の形状に対応した形状に形成され、前記接合面と直交する方向から傾斜した方向へ突出する、複数の放熱体側突起が所定の間隔を隔てて並設され、
   前記発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも何れか一方の基部の剛性が、基部以外の部分の剛性よりも低く構成されており、
   前記発熱体と放熱体とは、前記各発熱体側突起と各放熱体側突起とが噛み合う状態で接続されることにより接合され、
   前記発熱体側突起と放熱体側突起との傾斜方向は、前記各発熱体側突起と各放熱体側突起とが噛み合った際に、該発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも一方が弾性変形する大きさだけずれている、
   ことを特徴とする発熱体と放熱体との接合構造。
3. 前記基部以外の部分よりも低い剛性に構成される基部は、切り欠いて肉薄にすることにより基部以外の部分よりも低い剛性に構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の発熱体と放熱体との接合構造。
4. 前記発熱体側突起および放熱体側突起の少なくとも何れか一方の基部または基部以外の部分の何れかに対して選択的に熱処理または表面処理を施すことにより、前記基部を前記基部以外の部分よりも低い剛性に構成する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の発熱体と放熱体との接合構造。
   
   
   

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