特開 2017-224748 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2017-224748(P2017-224748A)

(43)【公開日】2017年12月21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 20060101AFI20171124BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20171124BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 C

   H01L23/12 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-119666(P2016-119666)

(22)【出願日】2016年6月16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）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136BA04

5F136BB05

5F136BC03

5F136FA02

5F136FA06

5F136FA16

5F136FA83

5F136GA02

5F136GA17

(57)【要約】

【課題】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、ヒートシンク本体２と、低膨張板３と、中間アルミニウム板４と、回路基板５とを有している。ヒートシンク本体２は、平板状を呈するベース部２１を有している。ベース部２１上には、ヒートシンク本体２よりも低い線膨張係数を有する低膨張板３と、中間アルミニウム板４と、回路基板５とがろう材層を介して積層されている。回路基板５は、ろう材層を介して中間アルミニウム板４上に積層された裏面金属層５１と、裏面金属層５１上に積層されたセラミックス板５２と、セラミックス板５２上に積層された回路金属層５３とを有している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平板状を呈するベース部を備え、アルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
上記ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有し、上記ベース部上に配置された低膨張板と、
上記低膨張板上に配置された中間アルミニウム板と、
上記中間アルミニウム板上に配置された回路基板と、
上記ベース部と上記低膨張板との間、上記低膨張板と上記中間アルミニウム板との間及び上記中間アルミニウム板と上記回路基板との間に介在するろう材層とを有し、
上記回路基板は、
アルミニウム材からなり、上記ろう材層を介して上記中間アルミニウム板上に積層された裏面金属層と、
上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、
アルミニウム材からなり、上記セラミックス板上に積層された回路金属層とを有する、回路基板付きヒートシンク。

【請求項2】

上記中間アルミニウム板は、純度９９．０〜９９．８５％のアルミニウムから構成されている、請求項１に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項3】

上記中間アルミニウム板は、６０００系アルミニウム合金から構成されている、請求項１に記載の回路基板付きヒートシンク。

【請求項4】

上記低膨張板の厚みは、上記セラミックス板の厚みの０．４〜３．５倍である、請求項１〜３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5】

上記低膨張板の線膨張係数は、上記セラミックス板の線膨張係数の０．５〜２．５倍である、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】

上記ベース部の厚みは、上記回路金属層の厚みの０．５〜１．５倍である、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】

上記ヒートシンク本体は、６０００系アルミニウム合金から構成されている、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】

上記ヒートシンク本体は、上記ベース部の外周端縁から立設され、上記低膨張板、上記中間アルミニウム板及び上記回路基板の周囲に配置された外枠部をさらに有しており、上記ベース部における上記低膨張板が配置された板面の裏面を基準としたときに、上記外枠部の高さは、上記回路金属層の高さに対して０．９〜１．１倍である、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】

上記中間アルミニウム板の外周端縁は、上記裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出するとともに上記回路基板側に突出しており、上記低膨張板の外周端縁は、上記中間アルミニウム板の外周端縁よりも外方に延出しているとともに上記回路基板側に突出している、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】

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の製造方法であって、
上記ベース部上に載置された下側ろう箔と、該下側ろう箔上に載置された上記低膨張板と、該低膨張板上に載置された中間ろう箔と、該中間ろう箔上に載置された上記中間アルミニウム板と、該中間アルミニウム板上に載置された上側ろう箔と、該上側ろう箔と上記裏面金属層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ベース部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（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同様。）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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−１５３９２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、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】

【0008】

本発明の一態様は、平板状を呈するベース部を備え、アルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
上記ヒートシンク本体よりも低い線膨張係数を有し、上記ベース部上に配置された低膨張板と、
上記低膨張板上に配置された中間アルミニウム板と、
上記中間アルミニウム板上に配置された回路基板と、
上記ベース部と上記低膨張板との間、上記低膨張板と上記中間アルミニウム板との間及び上記中間アルミニウム板と上記回路基板との間に介在するろう材層とを有し、
上記回路基板は、
アルミニウム材からなり、上記ろう材層を介して上記中間アルミニウム板上に積層された裏面金属層と、
上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、
アルミニウム材からなり、上記セラミックス板上に積層された回路金属層とを有する、回路基板付きヒートシンクにある。

【0009】

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、
上記ベース部上に載置された下側ろう箔と、該下側ろう箔上に載置された上記低膨張板と、該低膨張板上に載置された中間ろう箔と、該中間ろう箔上に載置された上記中間アルミニウム板と、該中間アルミニウム板上に載置された上側ろう箔と、該上側ろう箔と上記裏面金属層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ベース部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】

【0010】

上記回路基板付きヒートシンク（以下、「ヒートシンク」という。）における上記ベース部上には、上記低膨張板、上記中間アルミニウム板、上記裏面金属層、上記セラミックス板及び上記回路金属層が順次積層されている。即ち、上記ヒートシンクは、上述した積層構造における最も外側に、アルミニウム材からなる上記ベース部と上記回路金属層とが配置されており、その内側に、アルミニウム材よりも線膨張係数が低い上記低膨張板と上記セラミックス板とが配置されている。そして、上記低膨張板と上記セラミックス板との間には、アルミニウム材からなる中間アルミニウム板と裏面金属層とが配置されている。

【0011】

このように、アルミニウム材からなる層と、アルミニウム材よりも低い線膨張係数を有する材料からなる層とが対称的に配置された積層構造においては、ろう付時などに上記セラミックス板に生じる反りの向きが、上記低膨張板に生じる反りの向きとは反対方向となる。そして、両者の反りが相殺される結果、ろう付時の上記セラミックス板の反りを低減するとともに、ろう付後の温度変化によって生じる上記セラミックス板の反りを低減することができる。その結果、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。

【0012】

また、上記の態様の製造方法においては、上述した構成部品を上記外枠部の内側に配置して上記被処理物を組み立てた後、一括してろう付を行う。これにより、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】

【0013】

【図1】実施例における、回路基板付きヒートシンクの平面図である。

【図2】図１のII−II線矢視断面図である。

【図3】実施例６の試験体Ｆ２における、低膨張板の外周端縁近傍の一部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

上記ヒートシンクにおいて、ヒートシンク本体は、平板状を呈するベース部を有している。ベース部の厚み方向における一方側には、ろう材層を介して低膨張板が積層されている。また、ベース部の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が取り付けられていてもよい。これらの放熱フィンはヒートシンク本体と一体的に形成することもできる。

【0015】

上記ベース部の厚みは、上記回路金属層の厚みの０．５〜１．５倍であることが好ましい。このように、回路金属層の厚みとベース部の厚みとを同程度にすることにより、上記セラミックス板に生じる反りと、上記低膨張板に生じる反りとをより効果的に相殺することができる。その結果、上記セラミックス板の反りをより効果的に低減することができる。

【0016】

セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、ベース部の厚みを回路金属層の厚みに近付けることが好ましい。かかる観点からは、ベース部の厚みを回路金属層の厚みの１．０〜１．５倍とすることがより好ましく、１．０〜１．２倍とすることがさらに好ましい。

【0017】

また、ヒートシンク本体は、さらに、ベース部の外周端縁から立設され、低膨張板、中間アルミニウム板及び回路基板の周囲に配置された外枠部を有していてもよい。外枠部は、ろう付において、上記低膨張板、上記中間アルミニウム板及び上記回路基板の位置ずれを容易に抑制することができる。また、ろう付の際に、溶融したろうを上記外枠部の内部に保持することができる。その結果、上述した構成部品のろう付をより確実に行うことができる。

【0018】

上記外枠部の高さは、上記回路金属層の高さに対して０．９〜１．１倍であることが好ましい。外枠部の高さを上記特定の範囲とすることにより、上記ヒートシンクを作製する際に、ろう付をより容易に行うことができる。また、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業における作業性をより向上させることができる。ここで、外枠部の高さ及び回路金属層の高さは、ベース部における、低膨張板が配置された板面の裏面を基準として計測した高さとする。

【0019】

外枠部の高さが回路金属層の高さに対して０．９倍未満の場合には、ろう付時に、回路基板等の位置がずれ易くなる、ろうが外枠部の外部に流出する、等の問題が起こるおそれがある。外枠部の高さが回路金属層の高さに対して１．１倍を超える場合には、ヒートシンク本体の質量増大を招くおそれがある。また、この場合には、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業において、外枠部の存在により作業性が低下するおそれがある。

【0020】

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。

【0021】

例えば、ヒートシンク本体は、６０００系アルミニウム合金から構成されていてもよい。６０００系アルミニウム合金は高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、ヒートシンク本体のクリープ変形をより抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。

【0022】

低膨張板は、ベース部上に積層されており、ろう材層を介してベース部と接合されている。低膨張板の厚みは、上記セラミックス板の厚みの０．４〜３．５倍であることが好ましい。このように、セラミックス板の厚みと低膨張板の厚みとを同程度にすることにより、上記セラミックス板に生じる反りと、上記低膨張板に生じる反りとをより効果的に相殺することができる。その結果、上記セラミックス板の反りを効果的に低減することができる。

【0023】

セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、低膨張板の厚みをセラミックス板の厚みに近付けることが好ましい。かかる観点からは、低膨張板の厚みをセラミックス板の厚みの０．４〜２．５倍とすることがより好ましく、０．５〜２．０倍とすることがさらに好ましい。

【0024】

低膨張板及びセラミックス板の線膨張係数は、２〜１０ｐｐｍ／Ｋであることが好ましい。この場合には、回路基板のセラミックス板と同程度の線膨張係数となるため、セラミックス板に生じる反りと、低膨張板に生じる反りとを効果的に相殺することができる。その結果、セラミックス板の反りを効果的に低減し、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。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、低膨張板及びセラミックス板の線膨張係数を２〜９ｐｐｍ／Ｋとすることがより好ましく、３〜８ｐｐｍ／Ｋとすることがさらに好ましい。

【0025】

上記特定の範囲の線膨張係数を有する材料としては、例えば、タングステン（Ｗ）、タングステン合金、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）３６％合金等の金属；アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等のセラミックス；タングステンやモリブデン等の線膨張係数の低い金属板と銅板とが積層された積層材料；ダイヤモンド分散複合銅材料やセラミック分散銅材料等の複合材料を採用することができる。

【0026】

また、上記低膨張板の線膨張係数は、上記セラミックス板の線膨張係数の０．５〜２．５倍であることがさらに好ましい。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効果的に相殺することができる。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。

【0027】

セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、低膨張板の線膨張係数をセラミックス板の線膨張係数に近付けることが好ましい。かかる観点からは、低膨張板の線膨張係数をセラミックス板の線膨張係数の０．５〜２．０倍とすることがより好ましく、０．７〜２．０倍とすることがさらに好ましく、０．７５〜１．５倍とすることが特に好ましい。

【0028】

低膨張板は、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板は、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】

低膨張板の形状は、外枠部の内側に配置可能な形状であれば、特に限定されることはない。例えば、低膨張板は、正方形状あるいは長方形状を呈していてもよい。この場合、低膨張板の厚み方向から視た平面視において、低膨張板の外周端縁における角部が円弧状を呈するように、角部を丸めることもできる。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。

【0030】

また、低膨張板は、格子状の構造を有していてもよい。この場合には、低膨張板をより軽量化することができ、ひいては上記ヒートシンクをより軽量化することができる。

【0031】

中間アルミニウム板は、ろう材層を介して低膨張板に積層されている。中間アルミニウム板は、例えば、純度９９．０〜９９．８５％のアルミニウムから構成されていてもよい。低膨張板の純度を９９．０％以上とすることにより、中間アルミニウム板の熱伝導率をより高くすることができる。その結果、上記ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。一方、低膨張板の純度が過度に高くなると、材料コストの増大を招く。低膨張板の純度を９９．８５％以下とすることにより、材料コストの増大を回避することができる。

【0032】

また、中間アルミニウム板は、６０００系アルミニウム合金から構成されていてもよい。６０００系アルミニウム合金は、高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、セラミックス基板から受ける応力による中間アルミニウム板のクリープ変形をより効果的に抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。

【0033】

中間アルミニウム板上には、ろう材層を介して回路基板が積層されている。回路基板は、回路金属層、セラミックス板及び裏面金属層が順次積層された３層構造を有している。回路金属層及び裏面金属層としては、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。

【0034】

回路金属層の厚みと裏面金属層の厚みとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。回路金属層の厚み及び裏面金属層の厚みは、０．１〜１．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。これらの厚みを０．１ｍｍ以上とすることにより、回路基板に搭載された発熱体の熱を効率よく拡散することができる。その結果、ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。一方、これらの厚みが過度に厚い場合には、寸法精度の低下を招くおそれがある。寸法精度の低下を回避する観点から、回路金属層の厚み及び裏面金属層の厚みは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

【0035】

セラミックス板は、２〜１０ｐｐｍ／Ｋの線膨張係数を有するセラミックス材料から構成されている。セラミックス板の材質としては、具体的には、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。

【0036】

上記中間アルミニウム板の外周端縁は、上記裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出するとともに上記回路基板側に突出しており、上記低膨張板の外周端縁は、上記中間アルミニウム板の外周端縁よりも外方に延出するとともに上記回路基板側に突出していてもよい。この場合には、上記ヒートシンクをより容易に製造することができる。

【0037】

即ち、上記ヒートシンクを製造するに当たっては、まず、上述した各構成部品を常法により準備する。ここで、低膨張板及び中間アルミニウム板の準備においては、これらの元板に、所定の寸法となるようにプレス打ち抜き加工を行う、あるいは、シャー切断加工を行うことがある。これらの加工は、生産性が高く、加工コストも低いという利点がある一方、加工後に低膨張板や中間アルミニウム板の外周端縁にバリが発生する。このようなバリは、その後の工程において製造上あるいは品質上のトラブルの原因となるおそれがある。しかし、バリを除去するための加工を追加すると、生産性や加工コストの面での利点が損なわれるおそれがある。

【0038】

これらの問題を回避するためには、中間アルミニウム板の外周端縁が裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出し、かつ、低膨張板の外周端縁が中間アルミニウム板の外周端縁よりも外方に延出するように、低膨張板及び中間アルミニウム板を作製すればよい。これにより、低膨張板及び中間アルミニウム板のバリを、これらの上部に積層される材料と接触することなく、ベース部と回路基板との積層方向における回路基板側に突出させることができる。その結果、バリによる製造上あるいは品質上のトラブルを回避しつつ、プレス打ち抜き加工等による利点を得ることができる。

【0039】

また、この場合には、低膨張板と中間アルミニウム板との隙間及び中間アルミニウム板と裏面金属層との隙間を小さくすることができる。その結果、冷却性能の更なる向上という効果も期待することができる。

【0040】

上記の作用効果を十分に得るためには、低膨張板の外周端縁の突出量、即ち、中間アルミニウム板の外周端縁から低膨張板の外周端縁までの距離は、０．１ｍｍ以上であればよい。同様に、中間アルミニウム板の外周端縁の突出量、即ち、裏面金属層の外周端縁から中間アルミニウム板の外周端縁までの距離は、０．１ｍｍ以上であればよい。

【0041】

これらの突出量の上限は特に限定されるものではないが、ヒートシンクの小型化の観点からは、突出量を４．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

【実施例】

【0042】

上記回路基板付きヒートシンクの実施例を、以下に説明する。なお、本発明の回路基板付きヒートシンク及びその製造方法の態様は以下の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲において適宜構成を変更することができる。

【0043】

（実施例１）
本例のヒートシンク１は、図１及び図２に示すように、ヒートシンク本体２と、低膨張板３と、中間アルミニウム板４と、回路基板５とを有している。図２に示すように、ヒートシンク本体２は、アルミニウム材から構成されており、平板状を呈するベース部２１を有している。低膨張板３は、ヒートシンク本体２よりも低い線膨張係数を有し、ベース部２１上に配置されている。中間アルミニウム板４は、低膨張板３上に配置されている。回路基板５は、中間アルミニウム板４上に配置されている。

【0044】

ベース部２１と低膨張板３との間、低膨張板３と中間アルミニウム板４との間及び中間アルミニウム板４と回路基板５との間には、ろう材層（図示略）が介在している。回路基板５は、アルミニウム材からなり、ろう材層を介して中間アルミニウム板４上に積層された裏面金属層５１と、裏面金属層５１上に積層されたセラミックス板５２と、アルミニウム材からなり、セラミックス板５２上に積層された回路金属層５３とを有している。

【0045】

図１及び図２に示すように、本例のヒートシンク本体２は、ベース部２１と、外枠部２２と、放熱フィン２３とを有している。図１に示すように、ヒートシンク本体２は、ベース部２１の厚み方向から視た平面視において、長方形状を呈している。本例のヒートシンク本体２における縦方向（長辺方向）の寸法は１１０ｍｍであり、横方向（短辺方向）の寸法は９０ｍｍである。また、本例のベース部２１の厚みは０．４ｍｍである。また、本例のヒートシンク本体２は、ＪＩＳ Ａ３００３合金から構成されている。

【0046】

図２に示すように、ベース部２１における一方の板面２１１上には、ろう材層（図示略）を介して低膨張板３が積層されている。また、ベース部２１の他方の板面、即ち、低膨張板３が積層されている板面２１１の裏面２１２には、多数の放熱フィン２３が立設されている。本例の放熱フィン２３は、直径１．５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱状を呈している。また、放熱フィン２３は、ベース部２１の厚み方向から視た平面視において、一辺７５ｍｍの正方形状の領域内に配置されている。

【0047】

外枠部２２は、ベース部２１の外周縁部２１３に立設されており、図１及び図２に示すように、低膨張板３、中間アルミニウム板４及び回路基板５の周囲に配置されている。また、これらの部材と外枠部２２との間には、図２に示すように、ろう付時にベース部２１と低膨張板３との間、低膨張板３と中間アルミニウム板４との間及び中間アルミニウム板４と裏面金属層５１との間から流出したろう材１１が保持されている。

【0048】

本例においては、ベース部２１の裏面２１２を基準としたときの外枠部２２の高さＨ１は、回路金属層５３の高さＨ２の１．０倍である。具体的には、本例のヒートシンク１における外枠部２２の高さＨ１及び回路金属層５３の高さＨ２は、いずれも３．０ｍｍである。

【0049】

図２に示すように、ベース部２１上には、ろう材層（図示略）を介して低膨張板３が積層されている。本例の低膨張板３は、厚み０．６４ｍｍのニッケル板である。なお、ニッケルの典型的な線膨張係数は１３．３ｐｐｍ／Ｋであり、アルミニウム材の典型的な線膨張係数（２３〜２４ｐｐｍ／Ｋ）よりも低い線膨張係数を有する。

【0050】

低膨張板３上には、ろう材層（図示略）を介して中間アルミニウム板４が積層されている。

【0051】

中間アルミニウム板４上には、ろう材層（図示略）を介して、回路基板５の裏面金属層５１が積層されている。本例の回路基板５は、アルミニウム材からなる厚み０．４ｍｍの裏面金属層５１、窒化アルミニウムからなる厚み０．３２ｍｍのセラミックス板５２及びアルミニウム材からなる厚み０．４ｍｍの回路金属層５３が順次積層された３層構造を有している。

【0052】

本例においては、表１に示すように、ＪＩＳ Ａ３００３合金板、純アルミニウム板（純度９９．５０％）及びＪＩＳ Ａ６０６３合金板のいずれかを中間アルミニウム板４として用い、３種のヒートシンク１（試験体Ａ１〜Ａ３）を作製した。試験体の作製は、以下の方法により行った。

【0053】

まず、Ａ３００３合金の板材に鍛造加工を施して放熱フィン２３を立設した。次いで、放熱フィン２３を立設した面と反対側の板面に切削加工を施して深さ２．６ｍｍの凹部を形成し、ヒートシンク本体２を作製した。また、厚み０．６４ｍｍのニッケル板を裏面金属層５１と同じ寸法に切断することにより、低膨張板３を作製した。

【0054】

厚み０．８２ｍｍのＡ３００３合金板、純アルミニウム板及びＡ６０６３合金板を低膨張板３と同じ寸法に切断することにより、中間アルミニウム板４を作製した。回路基板５には、市販品を採用した。また、Ａｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）系合金よりなる厚み０．１ｍｍのろう箔を低膨張板３と同じ寸法に切断し、上側ろう箔、中間ろう箔及び下側ろう箔を準備した。

【0055】

これらの部材を準備した後、ベース部２１上に、下側ろう箔、低膨張板３、中間ろう箔、中間アルミニウム板４、上側ろう箔及び回路基板５をこの順に載置し、被処理物を組み立てた。この被処理物に治具を取り付け、回路基板５をベース部２１側に押圧した状態で窒素ガス雰囲気中で被処理物を６００℃まで加熱し、ろう付を行った。以上により試験体Ａ１〜Ａ３を作製した。

【0056】

また、本例においては、試験体Ａ１〜Ａ３との比較のため、回路基板５がベース部２１上に直接ろう付された試験体Ｒを作製した。試験体Ｒは、低膨張板３及び中間アルミニウム板４を有しない点以外は、試験体Ａ１〜Ａ３と同一の構成を有している。

【0057】

これらの試験体Ａ１〜Ａ３及び試験体Ｒについて、ろう付後の回路基板５の反り、はんだ付時の回路基板５の反り、冷却性能及び耐久性の評価を行った。

【0058】

・ろう付後の回路基板５の反り
ろう付後の試験体を治具から取り外した後、回路基板５の中央部と外周端部との高さの差を測定し、これを回路基板５の反り量とした。ろう付後の回路基板５は、ベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側が凸となるように湾曲していた。ろう付後の回路基板５の反り量は、表１に示したとおりであった。

【0059】

・はんだ付時の回路基板５の反り
回路基板５へのはんだ付作業を想定し、試験体を２７０℃に加熱した状態での回路基板５の反り量を測定した。２７０℃に加熱された状態においては、回路基板５の反りの向きが加熱前とは逆向きとなり、ベース部２１と回路基板５との積層方向におけるベース部２１側が凸となるように湾曲していた。この状態での回路基板５の反り量は、表１に示したとおりであった。

【0060】

・冷却性能
各試験体の放熱フィン２３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、回路金属層５３上に発熱体を載置し、一定の出力で熱を発生させた。なお、冷媒としてはＬＬＣ（Long-Life Coolant）５０％を使用し、流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。また、発熱体の発熱量は８００Ｗとした。

【0061】

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、試験体Ｒにおける発熱体の温度をＴr（Ｋ）、試験体Ａ１〜Ａ３における発熱体の温度をＴs（Ｋ）とし、下記の式により、冷却性能の低下率Ｒ（％）を算出した。冷却性能の低下率Ｒは、表１に示した通りであった。
Ｒ＝（Ｔs−Ｔr）／Ｔr×１００

【0062】

・耐久性
温度サイクル試験機を用い、１５０℃に３０分間保持する加熱ステップと、−５０℃に３０分間保持する冷却ステップとからなるサイクルを１０００サイクル繰り返して温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験後の回路基板５の反り量を測定し、温度サイクル試験前の回路基板５の反り量からの変化を算出した。温度サイクル試験による反り量の変化は表１に示した通りであった。

【0063】

【表1】

【0064】

表１から理解できるように、アルミニウム材からなる層と、アルミニウム材よりも低い線膨張係数を有する材料からなる層とが対称的に配置された積層構造を有する試験体Ａ１〜Ａ３は、ろう付後の反り量が小さく、２７０℃に加熱した際にセラミックス板５２の割れは発生しなかった。また、試験体Ａ３は、材料強度の高いＡ６０６３合金板を中間アルミニウム板４としたため、温度サイクル試験後の反り量の変化が小さく、特に優れた耐久性を示した。

【0065】

一方、試験体Ｒは、低膨張板３を有していないため、２７０℃に加熱した際にセラミックス板５２に割れが発生した。

【0066】

（実施例２）
本例は、セラミックス板５２の材質を種々変更した例である。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ものは、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表す。

【0067】

本例においては、低膨張板３、中間アルミニウム板４及びセラミックス板５２の構成を表２に示すように変更した以外は実施例１と同様の方法により試験体Ｂ１〜Ｂ１０を作製した。なお、表２中には、低膨張板３の線膨張係数として、その値とともに、セラミックス板５２の線膨張係数を１倍としたときの倍率を記載した。

【0068】

そして、これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表３に示す通りであった。

【0069】

【表2】

【0070】

【表3】

【0071】

表２及び表３から理解できるように、試験体Ｂ１〜Ｂ１０は、低膨張板３として、ニッケルに比べて熱伝導率の高いモリブデンを採用したため、試験体Ａ１〜Ａ３（表１参照）に比べて冷却性能が向上した。

【0072】

また、これらの試験体のうち、試験体Ｂ１〜Ｂ３及びＢ６〜Ｂ８は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍である。そのため、低膨張板３の線膨張係数が上記の範囲外である試験体Ａ１（表１参照）やＢ４等に比べて、はんだ付時の回路基板５の反り量を低減することができた。

【0073】

（実施例３）
本例は、低膨張板３の厚みを種々変更した例である。本例においては、ヒートシンク本体２における外枠部２２の高さＨ１を３．５ｍｍに変更し、低膨張板３、中間アルミニウム板４及びセラミックス板５２の構成を表４に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法により試験体Ｃ１〜Ｃ５を作製した。なお、表４中には、低膨張板３の厚みとして、その値とともに、セラミックス板５２の厚みを１倍としたときの倍率を記載した。また、中間アルミニウム板４の厚みは、回路金属層５３の高さＨ２が３．５ｍｍとなるように調整されている。

【0074】

これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表５に示す通りであった。

【0075】

【表4】

【0076】

【表5】

【0077】

試験体Ｃ１〜Ｃ５は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付後の反り量を、試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。

【0078】

また、表４及び表５に示したように、試験体Ｃ１、Ｃ２及びＣ４は、低膨張板３の厚みがセラミックス板５２の厚みの０．５〜２．０倍である。そのため、これらの試験体は、セラミックス板５２の厚みが上記の範囲外である試験体Ｃ３等よりもさらに回路基板５の反り量を低減することができた。

【0079】

（実施例４）
本例は、ベース部２１の厚みを種々変更した例である。本例においては、低膨張板３として厚み１．０ｍｍのモリブデン板（線膨張係数５．０ｐｐｍ／Ｋ）、セラミックス板５２として厚み０．６４ｍｍの窒化アルミニウム板（線膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ）を採用し、ヒートシンク本体２及び中間アルミニウム板４の構成を表６に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法により試験体Ｄ１〜Ｄ５を作製した。なお、表６中には、ベース部２１の厚みとして、その値とともに、回路金属層５３の厚みを１倍としたときの倍率を記載した。また、中間アルミニウム板４の厚みは、回路金属層５３の高さＨ２が３．５ｍｍとなるように調整されている。

【0080】

これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表７に示す通りであった。

【0081】

【表6】

【0082】

【表7】

【0083】

試験体Ｄ１〜Ｄ５は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付後の反り量を試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。

【0084】

また、表６及び表７に示したように、試験体Ｄ２〜Ｄ４は、ベース部２１の厚みが回路金属層５３の厚みの１．０〜１．５倍である。そのため、これらの試験体は、ベース部２１の厚みが上記の範囲外である試験体Ｄ１等よりもさらに回路基板５の反り量を低減することができた。

【0085】

（実施例５）
本例は、回路金属層５３の高さＨ２を変更した例である。本例においては、低膨張板３として厚み１．０ｍｍのモリブデン板（線膨張係数５．０ｐｐｍ／Ｋ）、セラミックス板５２として厚み０．６４ｍｍの窒化アルミニウム板（線膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ）を採用し、ヒートシンク本体２及び中間アルミニウム板４の構成を表８に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法により試験体Ｅ１〜Ｅ２を作製した。なお、表８中には、外枠部２２の高さＨ１として、その値とともに、回路金属層５３の高さＨ２を１倍としたときの倍率を記載した。

【0086】

これらの試験体について、実施例１と同様の手順により評価を行った。評価結果は表９に示す通りであった。

【0087】

【表8】

【0088】

【表9】

【0089】

試験体Ｅ１〜Ｅ２は、外枠部２２の高さＨ１が回路金属層５３の高さＨ２の０．９〜１．１倍であったため、ろう付をより容易に行うことができた。

【0090】

（実施例６）
本例は、低膨張板３０６及び中間アルミニウム板４０６のバリ３１、４１の影響を評価した例である。本例においては、以下のようにして試験体Ｆ１及びＦ２を作製した。

【0091】

まず、Ａ６０６３合金の板材に鍛造加工を施して放熱フィン２３を立設し、次いで、放熱フィン２３を立設した面と反対側の板面に切削加工を施して深さ２．６ｍｍの凹部を形成することにより、ヒートシンク本体２を作製した。次に、厚み０．８２ｍｍの純アルミニウム板にプレス打ち抜き加工を施して中間アルミニウム板４、４０６を作製するとともに、厚み１．０ｍｍのモリブデン板にプレス打ち抜き加工を施して低膨張板３、３０６を作製した。

【0092】

このとき、試験体Ｆ１に用いる中間アルミニウム板４及び低膨張板３については、裏面金属層５１と同じ寸法となるようにプレス打ち抜き加工を行った。一方、試験体Ｆ２に用いる中間アルミニウム板４０６については、裏面金属層５１よりもわずかに寸法が大きくなるようにプレス打ち抜き加工を行った。また、試験体Ｆ２に用いる低膨張板３０６については、中間アルミニウム板４０６よりもわずかに寸法が大きくなるようにプレス打ち抜き加工を行った。

【0093】

回路基板５としては、市販品を採用した。また、Ａｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）系合金よりなる厚み０．１ｍｍのろう箔を低膨張板３、３０６と同じ寸法に切断し、上側ろう箔、中間ろう箔及び下側ろう箔を準備した。

【0094】

試験体Ｆ１については、ベース部２１上に、下側ろう箔、低膨張板３、中間ろう箔、中間アルミニウム板４、上側ろう箔及び回路基板５をこの順に載置し、被処理物を組み立てた。一方、試験体Ｆ２については、図３に示すように、プレス打ち抜き加工の際に形成されたバリ３１、４１が、ベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側に突出するようにして被処理物を組み立てた。

【0095】

その後、実施例１と同様の方法によりろう付を行い、試験体Ｆ１及びＦ２を作製した。

【0096】

ろう付後の試験体Ｆ２は、図３に示すように、中間アルミニウム板４０６の外周端縁４１１が、裏面金属層５１の外周端縁５１１よりも外方に延出するとともに回路基板５側に突出していた。また、低膨張板３０６の外周端縁３１１が、中間アルミニウム板４０６の外周端縁４１１よりも外方に延出するとともに回路基板５側に突出していた。より具体的には、中間アルミニウム板４０６の外周端縁４１１は、裏面金属層５１の外周端縁５１１よりも０．１ｍｍ外方に延出していた。また、低膨張板３０６の外周端縁３１１は、中間アルミニウム板４０６の外周端縁４１１よりも０．１ｍｍ外方に延出していた。

【0097】

以上により得られた試験体Ｆ１及びＦ２を用い、実施例１と同様の方法により評価を行った。評価結果は、表１０に示した通りであった。

【0098】

【表10】

【0099】

表１０に示したように、試験体Ｆ１及びＦ２は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付後の反り量を、試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。さらに、試験体Ｆ２は、図３に示すように、低膨張板３０６及び中間アルミニウム板４０６のバリ３１、４１が、これらの上部に積層される材料と接触することなく、ベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側に突出している。そのため、試験体Ｆ１に比べて、低膨張板３０６と中間アルミニウム板４０６との隙間及び中間アルミニウム板４０６と裏面金属層５１との隙間を小さくすることができた。以上の結果、試験体Ｆ２は、試験体Ｆ１に比べて冷却性能を向上させることができたと考えられる。

【符号の説明】

【0100】

１ 回路基板付きヒートシンク
２ ヒートシンク本体
２１ ベース部
３、３０６ 低膨張板
４、４０６ 中間アルミニウム板
５ 回路基板
５１ 裏面金属層
５２ セラミックス板
５３ 回路金属層

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2016年8月1日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0077】

試験体Ｃ１〜Ｃ５は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付時の反り量を、試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0083】

試験体Ｄ１〜Ｄ５は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付時の反り量を試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0099】

表１０に示したように、試験体Ｆ１及びＦ２は、低膨張板３の線膨張係数がセラミックス板５２の線膨張係数の０．７〜２．０倍であるため、はんだ付時の反り量を、試験体Ｂ１〜Ｂ１０（表３参照）と同等以上に抑制することができた。さらに、試験体Ｆ２は、図３に示すように、低膨張板３０６及び中間アルミニウム板４０６のバリ３１、４１が、これらの上部に積層される材料と接触することなく、ベース部２１と回路基板５との積層方向における回路基板５側に突出している。そのため、試験体Ｆ１に比べて、低膨張板３０６と中間アルミニウム板４０６との隙間及び中間アルミニウム板４０６と裏面金属層５１との隙間を小さくすることができた。以上の結果、試験体Ｆ２は、試験体Ｆ１に比べて冷却性能を向上させることができたと考えられる。