JP3812321B2 - 放熱板およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体である電気素子（デバイス）により構成されたパワーモジュール等からの熱を放熱するために使用される放熱板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板上に高密度に電気素子を配設したチップ（シリコンチップ等）や多数のチップを配設したパワーモジュール等は、各種機器の制御に不可欠である。しかし、半導体製品は、通常、その使用温度範囲が定められており、その範囲を超えると、誤作動を起す。このため、シリコンチップ等からの発熱は、適宜放熱する必要がある。特に、集積度が高くなるほど、また、制御電流量が増えるほど、冷却能力を高める必要がある。
そこで、シリコンチップ等の下面に放熱板を設けることが従来から行われてきた。例えば、特開平１１−１２６８７０号公報には、セラミックス分散材を用いた金属基複合材料からなる放熱板が開示されている。具体的に言うと、その放熱板は、マトリックスであるアルミニウム合金中にセラミックス分散材である炭化珪素粉末が分散した金属基複合材料からなる。熱伝達率の良いアルミニウム合金をマトリックスとして放熱性を確保し、熱膨張係数の少ない炭化珪素粉末をその中に分散させることにより放熱板の反りを抑制している。なお、この放熱板の放熱面側に設けられたフィンは、易溶解性の塩（ＮａＣｌ）中子を用いて製造されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記公報に記載された放熱板は、シリコンチップ等のある受熱面からフィンのある放熱面まで、全体的に均一な組織（組成）構造をしている。このため、受熱面から放熱面にかけて生じる温度勾配により、放熱板の熱膨張にも勾配を生じる。つまり、受熱面側の熱膨張が大きく、放熱面側の熱膨張が小さくなり、放熱板全体に反りが生じ得る。このため、放熱板の受熱面側でシリコンチップ等の剥離や接触性の低下が生じ、放熱性の低下を招く虞がある。
【０００４】
また、炭化珪素が放熱板全体に均一に分散しているため、熱抵抗が大きくなり、熱伝達率が低下して放熱性が損なわれる。
さらに、従来の放熱板は、塩中子を使用して製造されているが、その塩中子の熱膨張係数は４６×１０^-6／Ｋ程度であり、金属基複合材料の熱膨張係数は８×１０^-6／Ｋ程度ある。このため、溶湯の凝固前後で両者の間に大きな熱膨張差が生じ、鋳造後にできる放熱板に反りが生じ、製品の寸法が安定しない。
また、塩中子は放熱板一品毎に製作され、鋳造後に水で洗い流す必要がある。このため、前述の公報に記載された製造方法は、工数的にもコスト的にも好ましい製造方法とは言えない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、反りを十分に抑制できる放熱板を提供することを目的とする。
また、そのような放熱板を効率よく製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤すると共に各種系統的実験を重ねた結果、放熱板の放熱面側よりも受熱面側に分散材を多く分散させることを思いつき、本発明の放熱面を開発するに至ると共に、その放熱板を製造する上で好適な製造方法を開発するに至ったものである。
【０００７】
（放熱板）
すなわち、本発明の放熱板は、金属マトリックスと、該金属マトリックス中に分散した該金属マトリックスよりも熱膨張率の小さい分散材とからなり、発熱体である電気素子が配設される受熱面と該受熱面から受熱した熱を放熱する放熱面とを備える放熱板において、
前記分散材は、前記放熱面側よりも前記受熱面側に多く分散していることを特徴とする。
【０００８】
熱膨張率の小さい分散材が、発熱体である電気素子が配設される受熱面側に多く分散しているため、受熱面側の膨張が抑制され、シリコンチップ等との接合性や密着性が確保される。また、受熱面側から放熱面側にかけて温度勾配ができても、受熱面側に熱膨張率の小さな分散材が多く分布するため、放熱板全体の反りが抑制、防止される。
また、低熱膨張率の部材を金属中に鋳込だ場合と異なり、本発明に係る放熱板は、低熱膨張率の分散材が金属マトリックス中で適度に傾斜分布するため、熱抵抗も少なく、急激な境界層の形成が防止される。
【０００９】
特に、本発明の放熱板は、前記金属マトリックスがアルミニウムを主成分とし、前記分散材がケイ素を主成分とする初晶からなると、好適である。
ケイ素を主成分とする初晶（分散材）は、シリコン製基板の熱膨張率と近く、両者の間で生じる熱膨張差が一層小さくなる。しかも、ケイ素を主成分とする初晶は、合金溶湯に分散材を別途添加したりせずに、合金溶湯の凝固温度を制御することで容易に製造可能である。そして、金属マトリックスがアルミニウムを主成分とすることで、熱伝達性や放熱性に優れた放熱板が得られる。
【００１０】
（放熱板の製造方法）
本発明の放熱板の製造方法は、濾過材を配設した金型のキャビティ内に該濾過材の一方側から過共晶の合金溶湯を初晶を生じる温度下で加圧注入する注入工程と、該注入工程によって該濾過材の一方側に該初晶を集積させた状態で該合金溶湯を凝固させる凝固工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
過共晶の合金溶湯を適切な温度に保持することにより、過共晶成分が初晶として現れる。そして、金型のキャビティ内に出現した初晶は、注入工程で濾過材により濾過され、その濾過材の一方側に初晶が集積することになる。この状態で、金型を冷却等して合金溶湯を冷却させると（凝固工程）、濾過材の一方側に初晶が集積した放熱板が得られる。
【００１２】
さらに、この合金溶湯が、過共晶成分をケイ素とするアルミニウム−ケイ素系合金溶湯であると、好適である。
前述した、アルミニウムを主成分とする金属マトリックスと、ケイ素を主成分とする初晶からなる分散材とで構成された放熱板が、効率的に製造される。
【００１３】
さらに、濾過材に対して放熱面側から加圧注入する場合（図１参照）、前記凝固工程後に前記濾過材を除去する除去工程を備えると、好適である。
セラミック繊維の成形体等からなる濾過材を放熱板上に残存させておいても良いが、これを除去することにより、反りが少なく、放熱性に優れた放熱板が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の放熱板およびその製造方法に関する実施形態を挙げて本発明を詳しく説明する。
▲１▼金属マトリックス
金属マトリックスは、アルミニウムの他、マグネシウム、銅、亜鉛等の純金属およびそれらの各種合金からなるものでも良い。
【００１５】
▲２▼分散材
分散材は、放熱板の受熱面側の熱膨張を抑制できるものであれば良い。従って、分散材は、各種セラミック繊維からなるものでも良いが、前述した通り、熱膨張率や熱抵抗等から初晶ケイ素粒子が好ましい。また、初晶ケイ素粒子も、ケイ素単体からなるものでも、金属マトリックス（アルミニウム、合金成分等）とケイ素との化合物等からなるものでも良い。
【００１６】
▲３▼濾過材
濾過材は、初晶を集積してそれ以外の合金溶湯を通過させるものである。従って、集積させる初晶サイズに応じて、所望の孔径をもつ濾過材を適宜選択すれば良い。
【００１７】
濾過材は、具体的には、炭化珪素、炭素、アルミナ、アルミナ−シリカ、ガラスの繊維やウイスカ等を用いて、金型のキャビティの形状に応じて形成されたものである。そして、濾過材は、合金溶湯をキャビティに加圧注入してもばらけない程度の強度を有することが好ましい。また、合金溶湯と反応したり、新たな化合物を形成しないものの方が好ましい。このため、合金溶湯との相性を考慮して濾過材を選択すると良い。例えば、合金溶湯が過共晶成分をケイ素とするアルミニウム−ケイ素系合金溶湯である場合、濾過材としてアルミナ−シリカ製の濾過材を使用すると良い。
【００１８】
▲４▼その他
放熱板は、フィン等を放熱面に有すると、放熱面積を拡大し放熱性の向上を図れる。また、放熱板は、一品ごと鋳造する必要はなく、数品分を一度に鋳造して、その後に、各製品の大きさに切断分割しても良い。
また、注入工程で合金溶湯を加圧する際は、合金溶湯が濾過材に浸透、透過する程度に加圧すれば良く、射出成形、ダイキャスト等を用いることができる。また、そのときの合金溶湯の温度は、プランジャや金型を加熱、保温することにより、調整可能である。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の放熱板およびその製造方法に係る実施例を挙げて、より具体的に本発明を説明する。
（放熱板）
本発明に係る一実施例である放熱板１０を図２に示す。
放熱板１０は、放熱側に設けられた短いフィンを有する放熱部１１と、受熱面側に設けられた受熱部１２とからなり、後述の製造方法により、アルミニウム（Ａｌ）−ケイ素（Ｓｉ）系合金溶湯（例えば、Ｓｉの含有量が１７％であるＡ３９０（ＡＳＴＭ規格））から製作される。
受熱部１２は、主にケイ素の初晶が集積したＳｉ集積層１３を有する。このＳｉ集積層１３は、その最表面部で、全体を１００％（質量百分率）とした場合にＳｉが３０％前後となっていた。なお、このＳｉの割合は、その最表面部から順に、母材のＡｌ−Ｓｉ系合金（Ｓｉ：１７％）まで緩やかに変化していた。
【００２０】
（放熱板の製造方法）
次に、放熱板１０の製造方法について、図１を用いて説明する。図２に、放熱板１０の製造に用いた金型鋳造機１００の概要を模式的に示す。
この金型鋳造機１００は、金型である上型（図示せず）と下型１１０とを備え、金型内部のキャビティ内には、その形状に沿った濾過材１２０が配設されている。なお、この濾過材１２０は、アルミナ−シリカ製ウイスカを加圧成形して製作した。
【００２１】
この後、前述のＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を下型１１０側からプランジャにて加圧注入した（注入工程）。このとき、Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯中にＳｉ初晶が出現するように、下型１１０の温度を調整、保持した。
また、そのときの注入圧力は、濾過材１２０を破壊することなく、所定粒径以上の初晶を含まないＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯が濾過材１２０を透過する程度の圧力（数１０ＭＰａ〜１００ＭＰａ）とした。
そして、濾過材１２０をキャビティ内に残したまま金型を冷却して、Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を凝固させた（凝固工程）。そして、離型後、機械切削により、濾過材１２０を除去した（除去工程）。このとき、除去工程と併せて、放熱板１０の受熱面の面だしをすることにより、放熱板１０の効率的な製造が可能となる。
【００２２】
（その他）
別の放熱板２０の製造方法を図３に模式的に示した。図３に示した金型鋳造機２００では、Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯を注湯する方向が前述の実施例と異なる。つまり、放熱板２０の受熱面側から（図示しない上型側から）合金溶湯を加圧注入し、濾過材２２０の上面側にＳｉ集積層１３’を形成したものである。この場合、受熱面側に既にＳｉ集積層１３’が形成されているので、濾過材２２０を除去する必要はない。なお、受熱面の平面度を確保するために、Ｓｉ集積層１３’の面出し加工を行っても良い。
【００２３】
また、濾過材２２０により、所定粒径以上（例えば、２０〜１００μｍ）のＳｉ初晶が濾過されるため、放熱板２０の放熱部は、その所定粒径以上のＳｉ初晶が除去され、微細で均一な（濾過材２２０を通過した数μｍ以下のＳｉ初晶を含む）Ａｌ−Ｓｉ系合金からなっていた。
こうして得られた放熱板は、反りが少なく製品の寸法安定性に優れ、また、放熱性にも優れるものであった。また、本発明の製造方法を用いれば、そのような放熱板を容易に、生産性よく、製造することができた。
【００２４】
なお、上述した実施例では、放熱面側にフィンが存在する放熱板を例示したが、フィンのない単なる板状の放熱板に本発明を用いても良いことは言うまでもない。
このような板状放熱板は、パワーモジュールの放熱面をヒートシンクや機器筐体に密着させて熱を逃す場合等に使用される。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の放熱板によれば、受熱面側に熱膨張率の小さい分散材が多いため、受熱面と放熱面との間の熱抵抗が低減され、放熱性が確保されると共に、反りが抑制され、製品の寸法安定性に優れる。
【００２６】
本発明の放熱板の製造方法によれば、そのような放熱板を、生産性良く、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である放熱板の製造方法を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例である放熱板を示す断面側面図である
【図３】本発明の他の実施例である放熱板の製造方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１０、２０ 放熱板
１１ 放熱部
１２ 受熱部
１３、１３’ Ｓｉ集積層
１１０ 金型（下型）
１２０、２２０ 濾過材

Claims (5)

1. 金属マトリックスと、該金属マトリックス中に分散した該金属マトリックスよりも熱膨張率の小さい分散材とからなり、発熱体である電気素子が配設される受熱面と該受熱面から受熱した熱を放熱する放熱面とを備える放熱板において、
   前記分散材は、前記放熱面側よりも前記受熱面側に多く分散していることを特徴とする放熱板。
2. 前記金属マトリックスはアルミニウムを主成分とし、前記分散材はケイ素を主成分とする初晶からなる請求項１記載の放熱板。
3. 濾過材を配設した金型のキャビティ内に該濾過材の一方側から過共晶の合金溶湯を初晶を生じる温度下で加圧注入する注入工程と、
   該注入工程によって該濾過材の一方側に該初晶を集積させた状態で該合金溶湯を凝固させる凝固工程と、
   を備えることを特徴とする放熱板の製造方法。
4. 前記合金溶湯は、過共晶成分をケイ素とするアルミニウム−ケイ素系合金溶湯である請求項３記載の放熱板の製造方法。
5. さらに、前記凝固工程後に前記濾過材を除去する除去工程を備える請求項３記載の放熱板の製造方法。

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