特開 2017-183533 回路基板付きヒートシンク及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-183533(P2017-183533A)

(43)【公開日】2017年10月5日

(54)【発明の名称】回路基板付きヒートシンク及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20170908BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20170908BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 C

   H05K7/20 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-68936(P2016-68936)

(22)【出願日】2016年3月30日

(71)【出願人】

【識別番号】000107538

【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大高 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 正樹

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA11

5E322AB02

5E322AB09

5F136BA06

5F136BB04

5F136FA02

5F136FA04

5F136FA06

5F136FA14

5F136FA16

5F136FA18

5F136FA83

5F136GA02

(57)【要約】

【課題】質量の増大を抑制しつつ、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる回路基板付きヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ヒートシンク１は、回路基板２と、ヒートシンク本体３と、低膨張部材４と、ろう材層５とを有している。ヒートシンク本体３は、回路基板２における第１アルミニウム板２１が搭載される基板搭載部３１と、基板搭載部３１の一部に形成され、周囲よりも陥没した凹部３１１とを備えている。低膨張部材４は、ヒートシンク本体３よりも低い線膨張係数を有し、凹部３１１に埋設されている。低膨張部材４は、一方向に延設された第１直線部４１と、第１直線部４１に直交する第２直線部４２とを有している。第１直線部４１と第２直線部４２とは一体に形成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

矩形を呈する第１アルミニウム板と、該第１アルミニウム板に積層されたセラミックス板と、該セラミックス板に積層された第２アルミニウム板とを備えた回路基板と、
上記第１アルミニウム板が搭載される基板搭載部と、該基板搭載部の一部に形成され、周囲よりも陥没した凹部とを備え、アルミニウム材から構成されているヒートシンク本体と、
該ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有し、上記凹部に埋設された低膨張部材と、
上記第１アルミニウム板と上記基板搭載部との間及び上記第１アルミニウム板と上記低膨張部材との間に介在するろう材層とを有し、
上記低膨張部材は、
一方向に延設された第１直線部と、
該第１直線部に交差する第２直線部とを有しており、
上記第１直線部と上記第２直線部とが一体に形成されている、回路基板付きヒートシンク。

【請求項2】

上記低膨張部材は、上記第１アルミニウム板の外周端縁に沿って延設された外枠部を有しており、該外枠部は、上記第１直線部及び上記第２直線部に連なっている、請求項１に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項3】

上記回路基板側から視た平面視において、上記外枠部の外周端縁における角部が円弧状を呈している、請求項２に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項4】

上記低膨張部材は、上記第１直線部、上記第２直線部及び上記外枠部を含む板状部と、上記外枠部から上記ヒートシンク本体側に突出した補強部とを有している、請求項２または３に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項5】

上記低膨張部材は、上記第１直線部及び上記第２直線部のうち少なくとも一方に連なり、上記回路基板側から視た平面視において上記第１アルミニウム板の角部に対応する位置に配置された応力緩和部を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項6】

上記第１アルミニウム板の外周端縁、該外周端縁におけるいずれかの辺に平行な２本の第１分割線及び該第１分割線と直交する２本の第２分割線に沿って上記第１アルミニウム板の表面を９個の仮想領域に等分割したときに、中央に配置された中央仮想領域における、上記低膨張部材を上記第１アルミニウム板上に投影してなる低膨張領域の面積率が５５％以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項7】

上記回路基板側から視た平面視における上記低膨張部材の形状は、上記第１アルミニウム板の中心に対して１８０°回転対称である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項8】

上記第２直線部は、上記第１直線部に直交している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項9】

上記第１直線部は、上記第１アルミニウム板の外周端縁におけるいずれかの辺と平行な方向に延設されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項10】

上記低膨張部材における上記第１アルミニウム板側の表面と、上記基板搭載部の表面とが面一に配置されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項11】

上記低膨張部材の線膨張係数は０．１〜１９ｐｐｍ／Ｋである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回路基板付きヒートシンクの製造方法であって、
上記ヒートシンク本体と、上記凹部内に配置された下側ろう箔と、該下側ろう箔の上に載置された上記低膨張部材と、上記基板搭載部及び上記低膨張部材の上に載置された上側ろう箔と、該上側ろう箔と上記第１アルミニウム板とが当接するように載置された上記回路基板とを有する被処理物を組み立て、
上記回路基板を上記ヒートシンク本体側に押圧しつつ上記被処理物を加熱することにより、該被処理物のろう付を一括して行う、回路基板付き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、回路基板付きヒートシンク及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

インバータやコンバータ等の電力変換装置には、セラミックス板の両面に金属板が接合された回路基板と、回路基板における一方の金属板に接合されたヒートシンクとを有する回路基板付きヒートシンクが組み込まれている（例えば、特許文献１）。回路基板における他方の金属板には、電力回路を構成する半導体素子などがはんだ付により搭載されている。また、この種の回路基板付きヒートシンクにおけるヒートシンクや金属板は、軽量化を目的として、アルミニウム材やアルミニウム合金材から構成されていることがある。

【0003】

回路基板は、以下のような方法により、ヒートシンクに接合されている。まず、ヒートシンクと、ろう材と、回路基板とをこの順に積層して被処理物を組み立てる。そして、回路基板をヒートシンク側に押圧しながら被処理物を加熱し、ろう材を溶融させる。その後、被処理物を冷却してろう材を凝固させることにより、ろう材を介して回路基板における金属板とヒートシンクとを接合することができる。

【0004】

しかし、回路基板におけるセラミックス板の熱膨張係数と、ヒートシンクを構成するアルミニウム材の熱膨張係数とは異なっているため、ろう付時の加熱によりセラミックス板とヒートシンクとの熱膨張量に差が生じる。このような状態で被処理物を冷却すると、セラミックス板やヒートシンクの収縮が完了する前にろう材が凝固する。その結果、ろう付が完了した後の回路基板付きヒートシンクにおいて、セラミックス板に反り及び残留応力が発生する。

【0005】

また、ろう付後の回路基板は、ろう材を介してヒートシンクに拘束されている。そのため、例えば半導体素子のはんだ付作業の際や、半導体素子の発熱等により回路基板及びヒートシンクの温度が上昇すると、セラミックス板の中心付近に引張応力が生じるとともに、セラミックス板に反りが生じる。そして、これらの引張応力や反りが過度に大きい場合には、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。

【0006】

このような問題を解決するため、例えば、ヒートシンクよりも線膨張係数の小さい台座をヒートシンク上に設け、この台座に回路基板を接合する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。台座としては、銅や銅とタングステンとの合金、銅とモリブデンとの合金が例示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５−１５３９２５号公報

【特許文献2】特開２０１０−２７９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献２の半導体装置においては、回路基板全体がアルミニウムに比べて密度の高い銅等からなる台座上に搭載されている。それ故、半導体装置の質量増大を抑制することが難しいという問題がある。

【0009】

さらに、近年では、電気回路をコンパクト化することを目的として、回路基板上に多数の半導体素子や電気部品を搭載することが望まれている。そのため、回路基板がより大型化する傾向にあり、半導体装置の質量増大を抑制することがますます難しくなっている。

【0010】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、質量の増大を抑制しつつ、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる回路基板付きヒートシンク及びその製造方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、矩形を呈する第１アルミニウム板と、該第１アルミニウム板に積層されたセラミックス板と、該セラミックス板に積層された第２アルミニウム板とを備えた回路基板と、
上記第１アルミニウム板が搭載される基板搭載部と、該基板搭載部の一部に形成され、周囲よりも陥没した凹部とを備え、アルミニウム材から構成されているヒートシンク本体と、
該ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有し、上記凹部に埋設された低膨張部材と、
上記第１アルミニウム板と上記基板搭載部との間及び上記第１アルミニウム板と上記低膨張部材との間に介在するろう材層とを有し、
上記低膨張部材は、
一方向に延設された第１直線部と、
該第１直線部に交差する第２直線部とを有しており、
上記第１直線部と上記第２直線部とが一体に形成されている、回路基板付きヒートシンクにある。

【0012】

本発明の他の態様は、上記の態様の回路基板付きヒートシンクの製造方法であって、上記ヒートシンク本体と、上記凹部内に配置された下側ろう箔と、該下側ろう箔の上に載置された上記低膨張部材と、上記基板搭載部及び上記低膨張部材の上に載置された上側ろう箔と、該上側ろう箔と上記第１アルミニウム板とが当接するように載置された上記回路基板とを有する被処理物を組み立て、
上記回路基板を上記ヒートシンク側に押圧しつつ上記被処理物を加熱することにより、該被処理物のろう付を一括して行う、回路基板付きヒートシンクの製造方法にある。

【発明の効果】

【0013】

上記回路基板付きヒートシンク（以下、「ヒートシンク」と省略する。）は、上記基板搭載部と、該基板搭載部の一部に形成された上記凹部とを備えた上記ヒートシンク本体を有している。上記凹部には、上記第１直線部と、該第１直線部に交差する第２直線部とを備え、上記ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有する上記低膨張部材が埋設されている。そして、上記第１アルミニウム板は、上記ろう材層を介して上記低膨張部材及び上記基板搭載部の両方に接合されている。

【0014】

上記ヒートシンクは、上記凹部に上記低膨張部材を埋設することにより、ろう付時に上記セラミックス板に生じる反り及び残留応力を低減することができる。さらに、上記ヒートシンクは、ろう付後の温度上昇に伴って上記セラミックス板に加わる反りや引張応力を低減することもできる。これらの結果、上記セラミックス板の割れを長期間に亘って抑制することができる。

【0015】

また、上記ヒートシンクにおいては、従来のように、上記回路基板の全体を上記低膨張部材上に載置する必要がない。これにより、上記セラミックス板の割れを長期間に亘って抑制する効果を得つつ、上記低膨張部材の体積を小さくすることができる。その結果、上記ヒートシンクの質量の増加を抑制することができる。

【0016】

以上のように、上記ヒートシンクによれば、質量の増大を抑制しつつ、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる。

【0017】

また、上記の態様の製造方法によれば、上記ヒートシンク本体、上記低膨張部材及び上記回路基板のろう付を一括して行うことができる。その結果、上記ヒートシンクを容易に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施例１における、回路基板付きヒートシンクの平面図である。

【図2】実施例１における、回路基板付きヒートシンクのろう付を行う前の分解斜視図である。

【図3】図１のIII−III線矢視断面図である。

【図4】図３における、低膨張部材近傍の一部拡大図である。

【図5】実施例１における、低膨張部材が埋設されたヒートシンク本体の平面図である。

【図6】実施例１における、第１アルミニウム板側から見た回路基板の平面図である。

【図7】実施例２における、外枠部を備えた低膨張部材を有する回路基板付きヒートシンクのろう付を行う前の分解斜視図である。

【図8】実施例２における、低膨張部材が埋設されたヒートシンク本体の平面図である。

【図9】実施例３における、補強部を備えた低膨張部材を有する回路基板付きヒートシンクのろう付を行う前の分解斜視図である。

【図10】実施例３における、低膨張部材が埋設されたヒートシンク本体の平面図である。

【図11】実施例３における、回路基板付きヒートシンクの断面図（図３に相当する矢視断面図）である。

【図12】図１１における、補強部近傍の一部拡大図である。

【図13】実施例３における、板状部の平面図である。

【図14】実施例３における、補強部の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

上記ヒートシンクにおいて、回路基板は、第１アルミニウム板、セラミックス板及び第２アルミニウム板が順次積層された３層構造を有している。第１アルミニウム板及び第２アルミニウム板としては、公知のアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成された板材を採用することができる。第１アルミニウム板及び第２アルミニウム板の厚みは、例えば、０．２〜０．６ｍｍの範囲内から適宜設定することができる。

【0020】

第１アルミニウム板は、矩形を呈している。ここで、上記の「矩形」には、幾何学的に定義される矩形及び一般的な感覚として矩形と認識される形状が含まれる。例えば、第１アルミニウム板は、平面視において長方形あるいは正方形を呈していてもよい。また、第１アルミニウム板は、長方形あるいは正方形を、矩形と認識できる程度に変形した形状とすることもできる。例えば、平面視において、第１アルミニウム板の角部は円弧状を呈していてもよい。

【0021】

第２アルミニウム板の形状は特に限定されるものではないが、通常、所望する電気回路に応じた形状を呈している。また、第２アルミニウム板は、セラミックス板上に複数配置されていてもよい。

【0022】

回路基板におけるセラミックス板は、例えば、アルミナ等の酸化物系セラミックスや、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物系セラミックスなどから構成されている。セラミックス板の厚みは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内から適宜設定することができる。

【0023】

ヒートシンク本体は、アルミニウム材から構成されている。ここで、上記の「アルミニウム材」には、純アルミニウム及びアルミニウム合金が含まれる。ヒートシンク本体の材質は、要求される機械的特性や耐食性、加工性等に応じて公知のアルミニウム及びアルミニウム合金の中から適宜選択することができる。

【0024】

ヒートシンク本体は、例えば、平板状を呈していてもよい。この場合には、厚み方向における一方側を基板搭載部として構成することができる。また、厚み方向における他方側には、ヒートシンク本体とは別体に構成されたピンフィンやプレートフィン、コルゲートフィン等の放熱フィン部材が取り付けられていてもよい。また、これらの放熱フィン部材とヒートシンク本体とを一体的に形成することもできる。

【0025】

基板搭載部におけるろう材層に接している表面は、回路基板の接合性を高める観点から、通常、平坦に形成されている。また、基板搭載部の一部には、周囲よりも陥没した凹部が形成されている。

【0026】

凹部には、ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有する低膨張部材が埋設されている。低膨張部材は、例えば、ろう付によりヒートシンク本体と接合されていてもよい。

【0027】

低膨張部材は、種々の単体金属や合金、セラミックスから構成されていてもよい。単体金属としては、例えば、ニッケル、タングステン、モリブデン等を採用することができる。合金としては、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ３６％合金等を採用することができる。セラミックスとしては、例えば、アルミナ等の酸化物系セラミックスや、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスを採用することができる。

【0028】

低膨張部材は、金属から構成されていることが好ましい。金属は、セラミックスに比べて高い靭性を有している。そのため、金属からなる低膨張部材は、ヒートシンク本体が熱膨張した際に、ヒートシンク本体の変形に容易に追従することができる。

【0029】

低膨張部材の線膨張係数は、０．１〜１９ｐｐｍ／Ｋであることが好ましい。この場合には、ろう付時及びろう付後にセラミックス板に生じる応力や反りをより低減することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制する観点からは、低膨張部材の線膨張係数を４．５〜１９ｐｐｍ／Ｋとすることが好ましい。

【0030】

低膨張部材は、第１直線部と、第１直線部に交差する第２直線部とを有している。第１直線部と第２直線部とは、一体に形成されている。これにより、ろう付時及びろう付後にセラミックス板に生じる応力や反りを低減する効果を十分に得ることができる。

【0031】

第１直線部の数は、１本であってもよく、２本以上であってもよい。また、第２直線部の数は、１本であってもよく、２本以上であってもよい。

【0032】

第２直線部は、第１直線部に直交していることが好ましい。この場合には、第２直線部が第１直線部に対して斜めに交差している場合に比べて、第１直線部と第２直線部との交差部分の面積を小さくすることができる。これにより、ろう付時及びろう付後にセラミックス板に生じる応力や反りの偏りをより低減することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0033】

なお、上述の「直交」には、第１溝部と第２溝部とのなす角度が９０°である場合、及び、この角度が９０°からわずかにずれる場合が含まれる。具体的には、第１直線部と第２直線部とのなす角度が８７〜９３°であれば、上述した応力や反りを低減する効果を十分に得ることができる。

【0034】

第１直線部の延設方向は、例えば、第１アルミニウム板の外周端縁におけるいずれかの辺に平行な方向とすることができる。

【0035】

また、低膨張部材は、第１アルミニウム板の外周端縁に沿って形成された外枠部を有しており、外枠部は、第１直線部及び第２直線部に連なっていることが好ましい。この場合には、ろう付時及びろう付後に生じるヒートシンク本体の反りをより低減することができ、ひいてはセラミックス板の反りをより低減することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0036】

回路基板側から視た平面視において、外枠部の外周端縁における角部は、円弧状を呈していてもよい。この場合には、ろう付時及びろう付後に生じるセラミックス板の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0037】

上記角部が円弧状を呈している場合、その曲率半径は、１ｍｍ以上６ｍｍ以下であることが好ましい。この場合には、セラミックス板への応力集中をより効果的に緩和することができる。

【0038】

低膨張部材は、第１直線部、第２直線部及び外枠部を含む板状部と、外枠部からヒートシンク本体側に突出した補強部とを有していることが好ましい。この場合には、補強部により、低膨張部材の剛性をより高くすることができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0039】

板状部と補強部とは、一体に形成されていてもよい。また、板状部と補強部とを別々に形成し、これらの部品をろう付等により一体化することもできる。板状部と補強部とを別々に形成する場合には、個々の部品の構造を簡素化することができる。その結果、板状部及び補強部を容易に製造することができる。

【0040】

また、低膨張部材は、第１直線部及び第２直線部のうち少なくとも一方に連なり、回路基板側から視た平面視において第１アルミニウム板の角部に対応する位置に配置された応力緩和部を有していてもよい。この場合には、ろう付時及びろう付後に生じるセラミックス板の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0041】

応力緩和部は、平面視において、例えば正方形状、長方形状、三角形状、扇形状等の種々の形態を呈していてもよい。また、面状凹部は、外枠部を介して第１直線部及び第２直線部のうち少なくとも一方に連なっていてもよい。また、第１直線部及び第２直線部のうち少なくとも一方に連なるように、応力緩和部を第１直線部及び／または第２直線部まで延設することもできる。

【0042】

回路基板側から視た平面視における低膨張部材の形状は、第１アルミニウム板の中心に対して１８０°回転対称であることが好ましい。この場合には、ろう付時及びろう付後にセラミックス板に生じる応力や反りの偏りをより低減することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0043】

第１アルミニウム板の外周端縁、この外周端縁におけるいずれかの辺に平行な２本の第１分割線及び第１分割線と直交する２本の第２分割線に沿って第１アルミニウム板の表面を９個の仮想領域に等分割したときに、中央に配置された中央仮想領域における、低膨張部材を第１アルミニウム板上に投影してなる低膨張領域の面積率が５５％以上であることが好ましい。

【0044】

中央仮想領域に占める低膨張領域の面積率を５５％以上とすることにより、ろう付時にセラミックス板の中央部に生じる引張応力をより低減することができるとともに、ろう付後の応力の変動をより低減することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0045】

低膨張部材及び基板搭載部は、ろう材層を介して第１アルミニウム板と接合されている。ろう材層は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ（アルミニウムーシリコン）系合金やＡｌ−Ｃｕ（アルミニウム−銅）系合金などの、アルミニウム用のろう材として公知の合金から構成されていてもよい。

【0046】

低膨張部材における第１アルミニウム板側の表面と、基板搭載部におけるろう材層に接している表面とは、面一に配置されていることが好ましい。この場合には、ろう付作業の際に、ろう材層中にボイドが発生することをより効果的に抑制することができる。その結果、ヒートシンクの放熱性をより向上させることができる。

【0047】

第１アルミニウム板と基板搭載部との間には、セラミックス板に加わる応力を緩和するための緩衝材が配置されていてもよい。緩衝材としては、例えば、１０００系アルミニウム等の比較的軟らかい金属からなる薄板を採用することができる。緩衝材は、例えば、ろう材層を介して第１アルミニウム板、基板搭載部及び低膨張部材に接合されていてもよい。

【0048】

上記の態様の回路基板付きヒートシンクは、例えば、以下の方法により製造することができる。まず、上記ヒートシンク本体、上記凹部の形状と合致するように形成された下側ろう箔及び低膨張部材、上記第１アルミニウム板の形状と合致するように形成された上側ろう箔及び回路基板を準備する。

【0049】

ヒートシンク本体の凹部内に下側ろう箔を配置し、次いで下側ろう箔の上に低膨張部材を載置する。その後、基板搭載部及び低膨張部材の上に上側ろう材を載置する。そして、上側ろう箔と第１アルミニウム板とが当接するようにして回路基板を載置する。以上により被処理物を組み立てた後、回路基板をヒートシンクに押圧しつつ被処理物を加熱することにより、被処理物のろう付を一括して行う。以上により、上記の態様のヒートシンクを製造することができる。

【実施例】

【0050】

（実施例１）
上記回路基板付きヒートシンクの実施例について、図を用いて説明する。図１〜図４に示すように、ヒートシンク１は、回路基板２と、ヒートシンク本体３と、低膨張部材４と、ろう材層５とを有している。回路基板２は、矩形を呈する第１アルミニウム板２１（図６参照）と、第１アルミニウム板２１に積層されたセラミックス板２２と、セラミックス板２２に積層された第２アルミニウム板２３（図１参照）とを有している。

【0051】

ヒートシンク本体３は、アルミニウム材から構成されている。また、ヒートシンク本体３は、図２〜図５に示すように、第１アルミニウム板２１が搭載される基板搭載部３１と、基板搭載部３１の一部に形成され、周囲よりも陥没した凹部３１１とを備えている。

【0052】

低膨張部材４は、ヒートシンク本体３よりも低い線膨張係数を有している。また、図２〜図５に示すように、低膨張部材４は凹部３１１に埋設されている。図４に示すように、第１アルミニウム板２１と基板搭載部３１との間及び第１アルミニウム板２１と低膨張部材４との間には、ろう材層５が介在している。

【0053】

図２及び図５に示すように、低膨張部材４は、一方向に延設された第１直線部４１と、第１直線部４１に直交する第２直線部４２とを有している。第１直線部４１と第２直線部４２とは一体に形成されている。

【0054】

以下、ヒートシンク１の各部についてより詳細に説明する。
本例の回路基板２における第１アルミニウム板２１は、純度９９．９９％（４Ｎ）のアルミニウムから構成されており、縦７６ｍｍ、横７６ｍｍ、厚さ０．４０ｍｍの正方形状を呈している。また、図６に示すように、第１アルミニウム板２１における４箇所の角部２１１は円弧状を呈している。

【0055】

セラミックス板２２は、窒化アルミニウムから構成されており、縦８０ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ０．６４ｍｍの正方形状を呈している。第２アルミニウム板２３は、純度９９．９９％（４Ｎ）のアルミニウムから構成されている。図１及び図２に示すように、本例の回路基板２は、３枚の第２アルミニウム板２３を有している。

【0056】

本例のヒートシンク本体３は、図２及び図３に示すように、平板状を呈するベース部３２と、ベース部３２から立設された多数のピンフィン３３とを有している。図１及び図５に示すように、ベース部３２は、回路基板２側から見た平面視において長方形状を呈している。ピンフィン３３は、ベース部３２の厚み方向における一方側に立設されている。また、図３及び図４に示すように、ベース部３２の厚み方向における他方側には、ろう材層５を介して第１アルミニウム板２１が搭載されている。

【0057】

なお、本例のヒートシンク本体３はＪＩＳ Ａ６０６３合金から構成されている。また、ピンフィン３３は、直径１．５ｍｍの円柱状を呈している。以下において、便宜上、ベース部３２の長辺方向に平行な方向を「縦方向」といい、ベース部３２の短辺方向に平行な方向を「横方向」ということがある。

【0058】

図１に示すように、ベース部３２の中央部には第１アルミニウム板２１が搭載されている。これにより、ベース部３２の中央部が基板搭載部３１として構成されている。図５に示すように、基板搭載部３１の中央には、縦方向に伸びた３本の第１直線部４１と、横方向に延びた３本の第２直線部４２とを有する低膨張部材４が埋設されている。第１直線部４１及び第２直線部４２の幅は３ｍｍであり、長さは２５ｍｍであり、厚みは０．８ｍｍである。また、隣り合う第１直線部４１の間隔及び隣り合う第２直線部４２の間隔は５ｍｍである。

【0059】

本例の低膨張部材４は、ニッケルから構成されている。ニッケルの線膨張係数は１３．４ｐｐｍ／Ｋであり、ヒートシンク本体３の線膨張係数２３．０ｐｐｍ／Ｋよりも低い。

【0060】

図１及び図５に示すように、第１アルミニウム板２１は、その一辺が縦方向と平行になるようにして基板搭載部３１上に配置されている。これにより、第１直線部４１が第１アルミニウム板２１の外周端縁２１２におけるいずれかの辺と平行な方向に延設されている。

【0061】

また、回路基板２側から視た平面視における第１アルミニウム板２１の中心２１３（図６参照）は、低膨張部材４の中心４０と一致している。これにより、図５に示すように、回路基板２側から視た平面視における凹部３１１の形状が、第１アルミニウム板２１の中心２１３に対して１８０度回転対称となっている。

【0062】

図４に示すように、低膨張部材４における第１アルミニウム板２１側の表面４００と、基板搭載部３１におけるろう材層５に接している表面３１０とは面一に配置されている。また、低膨張部材４は、下側ろう材層５１を介して基板搭載部３１に接合されている。

【0063】

本例においては、上記の構成を有するヒートシンク１を以下の方法により作製し、反りの評価を行った。

【0064】

まず、図２に示すように、ヒートシンク本体３の凹部３１１内に、低膨張部材４と同一の平面形状を有する下側ろう箔５１０を配置した。本例の下側ろう箔５１０は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金から構成されており、０．０８ｍｍの厚さを有している。

【0065】

この下側ろう箔５１０の上に低膨張部材４を載置し、さらに、基板搭載部３１及び低膨張部材４の上に、正方形状を呈する上側ろう箔５０を載置した。本例の上側ろう箔５０は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金から構成されており、０．０８ｍｍの厚さを有している。そして、上側ろう箔５０上に回路基板２を載置し、上側ろう箔５０と第１アルミニウム板２１とを当接させた。以上により、図２に示す被処理物１０を組み立てた。

【0066】

次に、この被処理物１０に治具（図示略）を取り付け、回路基板２をヒートシンク本体３側に押圧した。本例の治具は、回路基板２に当接する基板加圧板と、ヒートシンク本体３に当接するヒートシンク加圧板とを有している。これらの加圧板は、回路基板２とヒートシンク本体３との積層方向におけるヒートシンク本体３側が凸となるように湾曲している。また、これらの加圧板の曲率半径は２０００ｍｍである。

【0067】

上記の治具を被処理物１０に取り付けることにより、回路基板２の中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３側に突出するようにして、被処理物１０全体を湾曲させた。そして、この状態で被処理物１０を加熱することにより、被処理物１０のろう付を一括して行った。以上により、図１に示すヒートシンク１を作製した。

【0068】

ろう付後のヒートシンク１を治具から取り外した後、回路基板２の反りを測定した。ろう付後の回路基板２は、その中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３の反対側に突出するように湾曲していた。また、回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．２ｍｍ以下であった。

【0069】

さらに、回路基板２へのはんだ付を想定し、ヒートシンク１を２５０℃に加熱した状態で回路基板２の反りを測定した。２５０℃に加熱された状態においては、回路基板２の反りの向きが加熱前に対して反転し、回路基板２の中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３側に突出するように湾曲していた。回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．３ｍｍ以下であった。

【0070】

本例の作用効果を以下に説明する。ヒートシンク１は、基板搭載部３１と、基板搭載部３１の一部に形成された凹部３１１とを備えたヒートシンク本体３を有している。凹部３１１には、第１直線部４１と、第１直線部４１に交差する第２直線部４２とを備え、ヒートシンク本体３よりも低い線膨張係数を有する低膨張部材４が埋設されている。そして、第１アルミニウム板２１は、ろう材層５を介して低膨張部材４及び基板搭載部３１の両方に接合されている。

【0071】

ヒートシンク１は、凹部３１１に低膨張部材４を埋設することにより、ろう付時にセラミックス板２２に生じる反り及び残留応力を低減することができる。さらに、ヒートシンク１は、ろう付後の温度上昇に伴ってセラミックス板２２に加わる反りや引張応力を低減することもできる。これらの結果、セラミックス板２２の割れを長期間に亘って抑制することができる。

【0072】

また、ヒートシンク１においては、従来のように、回路基板２の全体を低膨張部材４上に載置する必要がない。これにより、セラミックス板２２の割れを長期間に亘って抑制する効果を得つつ、低膨張部材４の体積を小さくすることができる。その結果、ヒートシンク１の質量の増加を抑制することができる。

【0073】

本例の低膨張部材４における第２直線部４２は、第１直線部４１に直交している。また、回路基板２側から視た平面視における低膨張部材４の形状は、第１アルミニウム板２１の中心２１３に対して１８０°回転対称である。これらの結果、ろう付時及びろう付後にセラミックス板２２に生じる応力や反りの偏りをより低減することができる。それ故、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0074】

本例の低膨張部材４は、金属から構成されているため、ヒートシンク本体３が熱膨張した際に、ヒートシンク本体３の変形に容易に追従することができる。

【0075】

また、低膨張部材４の線膨張係数は、０．１〜１９ｐｐｍ／Ｋである。そのため、ろう付時及びろう付後にセラミックス板２２に生じる応力や反りをより低減することができる。その結果、セラミックス板２２の割れの発生をより長期間に亘って抑制することができる。

【0076】

また、低膨張部材４における第１アルミニウム板２１側の表面４００と、基板搭載部３１におけるろう材層５に接している表面３１０とは、面一に配置されている。そのため、ろう付作業の際に、ろう材層５中にボイドが発生することをより効果的に抑制することができる。その結果、ヒートシンク１の放熱性をより向上させることができる。

【0077】

また、図５に示すように、第１アルミニウム板２１の外周端縁２１２、外周端縁２１２におけるいずれかの辺に平行な２本の第１分割線Ｌ１及び第１分割線Ｌ１と直交する２本の第２分割線Ｌ２に沿って第１アルミニウム板２１の表面を９個の仮想領域に等分割した結果、中央に配置された中央仮想領域Ｃにおける、低膨張部材４を第１アルミニウム板２１上に投影してなる低膨張領域の面積率が６２．７％であった。このように、中央仮想領域Ｃにおける低膨張領域の面積率を５５％以上とすることにより、ろう付時にセラミックス板２２の中央部に生じる引張応力をより低減することができるとともに、ろう付後の応力の変動をより低減することができる。その結果、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0078】

以上のように、ヒートシンク１によれば、質量の増大を抑制しつつ、長期間に亘ってセラミックス板２２の割れを抑制することができる。

【0079】

（実施例２）
本例は、外枠部４３を有する低膨張部材４０２を備えたヒートシンク１０２の例である。なお、本実施例以降において用いる符号のうち、既出の実施例において用いた符号と同一の符号は、特に説明のない限り、既出の実施例における構成要素等と同様の構成要素等を示す。

【0080】

本例のヒートシンク１０２は、図７に示すように、ヒートシンク本体３０２と、低膨張部材４０２と、回路基板２と、ろう材層５（図示略）とを有している。図８に示すように、本例の低膨張部材４０２は、縦方向に伸びた７本の第１直線部４１と、横方向に延びた７本の第２直線部４２とを有している。第１直線部４１及び第２直線部４２の幅は３ｍｍであり、厚みは１ｍｍである。また、隣り合う第１直線部４１の間隔及び隣り合う第２直線部４２の間隔は５ｍｍである。

【0081】

また、本例の低膨張部材４０２は、第１アルミニウム板２１の外周端縁２１２に沿って形成された外枠部４３を有している。外枠部４３は、第１直線部４１及び第２直線部４２に連なっている。外枠部４３の厚みは１ｍｍであり、幅は３ｍｍである。また、回路基板２側から視た平面視において、外枠部４３の外周端縁における角部４３１は円弧状を呈している。なお、本例の低膨張部材４は、ニッケルから構成されている。その他は実施例１と同様である。

【0082】

実施例１と同様の方法によりろう付を行ってヒートシンク１０２を作製し、治具を取り外した後の回路基板２の反りを測定した。ろう付後の回路基板２は、その中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３０２の反対側に突出するように湾曲していた。また、回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．１ｍｍ以下であった。

【0083】

さらに、回路基板２へのはんだ付を想定し、ヒートシンク１０２を２５０℃に加熱した状態で回路基板２の反りを測定した。２５０℃に加熱された状態においては、回路基板２の反りの向きが加熱前に対して反転し、回路基板２の中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３０２側に突出するように湾曲していた。回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．１ｍｍ以下であった。

【0084】

本例の低膨張部材４０２は、第１アルミニウム板２１の外周端縁２１２に沿って形成された外枠部４３を有しており、外枠部４３は、第１直線部４１及び第２直線部４２に連なっている。そのため、ろう付時及びろう付後に生じるヒートシンク本体３０２の反りをより低減することができ、ひいてはセラミックス板２２の反りをより低減することができる。その結果、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0085】

また、外枠部４３の外周端縁における角部４３１は、回路基板２側から視た平面視において円弧状を呈している。そのため、ろう付時及びろう付後に生じるセラミックス板２２の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0086】

また、本例の低膨張部材４０２においては、第１直線部４１、第２直線部４２及び外枠部４３が一体に形成されている。そのため、外枠部４３が第１直線部４１及び第２直線部４２とは別体に形成されている場合に比べて、低膨張部材４０２の剛性をより高くすることができる。それ故、ろう付時及びろう付後に生じるヒートシンク本体３０２の反りをより低減することができ、ひいてはセラミックス板２２の反りをより低減することができる。その結果、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。その他、本例のヒートシンク１０２は、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

【0087】

（実施例３）
本例は、板状部４４と補強部４５とを備えた低膨張部材４０３を有するヒートシンク１０３の例である。本例のヒートシンク１０３は、図１１及び図１２に示すように、ヒートシンク本体３０３と、低膨張部材４０３と、回路基板２と、ろう材層５とを有している。

【0088】

本例の低膨張部材４０３は、図１３に示す板状部４４と、図１４に示す補強部４５とを有している。板状部４４と補強部４５とは別体に形成されており、図１２に示すように、中間ろう材層５２を介して両者が接合されている。

【0089】

板状部４４は、図１０及び図１３に示すように、縦方向に伸びる第１直線部４１と、第１直線部４１に直交する第２直線部４２と、外枠部４３とを含んでいる。本例の板状部４４の厚みは０．５ｍｍである。図１０に示すように、第１直線部４１及び第２直線部４２は、回路基板２側から見た平面視において、第１アルミニウム板２１の中心２１３において交差している。

【0090】

また、図１０及び図１３に示すように、板状部４４は、第１直線部４１及び第２直線部４２のうち少なくとも一方に連なり、回路基板２側から視た平面視において第１アルミニウム板２１の角部２１１に対応する位置に配置された応力緩和部４６を有している。本例の応力緩和部４６は、平面視において正方形状を呈している。また、応力緩和部４６は、板状部４４の中央部分において、第１直線部４１及び第２直線部４２に向かって延設された延設部４６１を有している。応力緩和部４６は、この延設部４６１及び外枠部４３を介して第１直線部４１及び第２直線部４２に連なっている。

【0091】

図１０及び図１１に示すように、補強部４５は、板状部４４における外枠部４３からヒートシンク本体３０３側に突出している。補強部４５の厚みは１．３ｍｍである。その他は実施例２と同様である。

【0092】

本例においては、上記の構成を有するヒートシンク１０３を以下の方法により作製し、反りの評価を行った。

【0093】

まず、図９に示すように、ヒートシンク本体３０３の凹部３１１内に、補強部４５と同一の平面形状を有する下側ろう箔５１０を配置した。この下側ろう箔５１０の上に補強部４５を載置した。次いで、板状部４４と同一の平面形状を有する中間ろう箔５２０を補強部４５上に載置した。本例の中間ろう箔５２０は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金から構成されており、０．０８ｍｍの厚さを有している。

【0094】

この中間ろう箔５２０上に板状部４４を載置し、さらに、基板搭載部３１及び板状部４４の上に、正方形状を呈する上側ろう箔５０を載置した。そして、上側ろう箔５０上に回路基板２を載置し、上側ろう箔５０と第１アルミニウム板２１とを当接させた。以上により、図９に示す被処理物１０を組み立てた。その後、実施例２と同様の治具を用いて被処理物１０の固定及びろう付を行った。

【0095】

ろう付後のヒートシンク１０３から治具を取り外した後、回路基板２の反りを測定した。ろう付後の回路基板２は、その中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３０３の反対側に突出するように湾曲していた。また、回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．２ｍｍ以下であった。

【0096】

さらに、回路基板２へのはんだ付を想定し、ヒートシンク１０３を２５０℃に加熱した状態で回路基板２の反りを測定した。２５０℃に加熱された状態においては、回路基板２の反りの向きが加熱前に対して反転し、回路基板２の中央部が外周端部よりもヒートシンク本体３０３側に突出するように湾曲していた。回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．２ｍｍ以下であった。

【0097】

本例の低膨張部材４０３は、第１直線部４１、第２直線部４２及び外枠部４３を含む板状部４４と、外枠部４３からヒートシンク本体３０３側に突出した補強部４５とを有している。そのため、補強部４５により、低膨張部材４の剛性をより高くすることができる。その結果、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。

【0098】

また、板状部４４と補強部４５とは別々に形成されており、これらの部品がろう付等により一体化されている。そのため、板状部４４及び補強部４５の構造を簡素化することができる。その結果、板状部４４及び補強部４５を容易に製造することができる。

【0099】

また、低膨張部材４０３は、第１直線部４１及び第２直線部４２のうち少なくとも一方に連なり、回路基板２側から視た平面視において第１アルミニウム板２１の角部２１１に対応する位置に配置された応力緩和部４６を有している。そのため、ろう付時及びろう付後に生じるセラミックス板２２の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板２２の割れをより長期間に亘って抑制することができる。その他、本例のヒートシンク１０３は、実施例２と同様の作用効果を奏することができる。

【0100】

（比較例１）
本例は、低膨張部材４を有さない、従来の回路基板付きヒートシンクの例である。図には示さないが、本例のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、回路基板２と、ヒートシンク本体と回路基板２との間に介在するろう材層５とを有している。ヒートシンク本体は、ＪＩＳ Ａ６０６３合金から構成されており、平板状を呈するベース部３２と、ベース部３２から立設された多数のピンフィン３３とを有している。ベース部３２におけるピンフィン３３とは反対側の板面には、ろう材層５を介して回路基板２が搭載されている。その他は実施例１と同様である。

【0101】

実施例１と同様の方法によりろう付を行ってヒートシンクを作製し、治具を取り外した後の回路基板２の反りを測定した。ろう付後の回路基板２は、その中央部が外周端部よりもヒートシンク本体の反対側に突出していた。また、回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．６ｍｍ以下であった。

【0102】

さらに、回路基板２へのはんだ付を想定し、ヒートシンクを２５０℃に加熱した状態で回路基板２の反りを測定したところ、セラミックス板２２に割れが発生した。

【0103】

（比較例２）
本例は、回路基板２の全体が低膨張部材上に搭載された回路基板付きヒートシンクの例である。図には示さないが、本例のヒートシンクは、ヒートシンク本体、低膨張部材及び回路基板２が順次積層されている。本例の低膨張部材４は、正方形状を呈するニッケル板から構成されている。

【0104】

ヒートシンク本体と低膨張部材４との間には下側ろう材層５１が介在している。また、低膨張部材４と回路基板２との間には、ろう材層５が介在している。その他は比較例２と同様である。

【0105】

（比較例３）
本例は、中央仮想領域Ｃに占める低膨張領域の面積率を小さくした例である。図には示さないが、本例のヒートシンクは、第１直線部４１及び第２直線部４２の幅を２ｍｍにし、隣り合う第１直線部４１及び隣り合う第２直線部４２の間隔を５ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様の構成を有している。本例のヒートシンクにおける、中央仮想領域Ｃに占める低膨張領域の面積率は３９．９％である。

【0106】

実施例１と同様の方法によりろう付を行ってヒートシンクを作製し、治具を取り外した後の回路基板２の反りを測定した。ろう付後の回路基板２は、その中央部が外周端部よりもヒートシンク本体の反対側に突出していた。また、回路基板２の中央部と外周端部との高さの差は、０．４ｍｍ以下であった。

【0107】

さらに、回路基板２へのはんだ付を想定し、ヒートシンクを２５０℃に加熱した状態で回路基板２の反りを測定したところ、セラミックス板２２に割れが発生した。

【0108】

（実験例）
本例においては、実施例１〜３及び比較例１〜３のヒートシンクの放熱性能を評価した。具体的には、ヒートシンクのピンフィン側に水冷ジャケットを取り付け、この水冷ジャケット内に一定の流量で冷媒を流した。そして、第２アルミニウム板上に発熱体を載置し、一定の出力で熱を発生させた。

【0109】

この状態を保持し、定常状態に到達したときの発熱体の温度を計測した。そして、比較例１における発熱体の温度をＴr（Ｋ）、実施例１〜３及び比較例２〜３における発熱体の温度をＴs（Ｋ）とし、下記の式により、冷却性能の変化率Ｒ（％）を算出した。
Ｒ＝（Ｔs−Ｔr）／Ｔr×１００

【0110】

冷却性能の変化率Ｒとともに、上述した反りの結果及び中央仮想領域Ｃに占める低膨張部材の面積率を、表１にまとめて示す。

【0111】

【表1】

【0112】

実施例１〜３のヒートシンクに用いた低膨張部材は、アルミニウム材よりも熱伝導率の低いニッケルから構成されている。しかし、表１に示したように、実施例１〜３のヒートシンクは、比較例２のヒートシンクに比べて放熱性能の悪化を抑制することができた。また、実施例１〜３のヒートシンクは、比較例１及び比較例２に比べてろう付後の反りを低減することができるとともに、はんだ付後の割れを防止することができた。

【0113】

これらの結果から、低膨張部材が熱伝導率の低い材料から構成されている場合であっても、上記特定の構成を有する低膨張部材を回路基板とヒートシンク本体との間に配置することにより、反りや応力を低減する効果を得つつ放熱性能の悪化を抑制できることが容易に理解できる。

【0114】

なお、本発明に係る回路基板付きヒートシンクは、実施例１〜３の態様に限定されるものではなく、その趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

【符号の説明】

【0115】

１、１０２、１０３ 回路基板付きヒートシンク
２ 回路基板
２１ 第１アルミニウム板
２２ セラミックス板
２３ 第２アルミニウム板
３、３０２、３０３ ヒートシンク本体
３１ 基板搭載部
３１１ 凹部
４、４０２、４０３ 低膨張部材
４１ 第１直線部
４２ 第２直線部
５ ろう材層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】