特許 6108802 放熱構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6108802

(24)【登録日】2017年3月17日

(45)【発行日】2017年4月5日

(54)【発明の名称】放熱構造体

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20170327BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20170327BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/40 Z

   H05K7/20 E

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-267736(P2012-267736)

(22)【出願日】2012年12月7日

(65)【公開番号】特開2014-116375(P2014-116375A)

(43)【公開日】2014年6月26日

【審査請求日】2015年10月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】591149089

【氏名又は名称】株式会社ＭＡＲＵＷＡ

(72)【発明者】

【氏名】長江 辰徳

(72)【発明者】

【氏名】墨 勝博

【審査官】 井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−０６８９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９２９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０５６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１７７４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０７０４６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−３００４７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ネジ部と、第１ネジ頭部と、前記第１ネジ頭部よりも断面積が大きい第２ネジ頭部とを有する、少なくとも３段構造以上のネジを用いて、ネジ穴を有するヒートシンクに前記ネジ部を螺入して、前記第１ネジ頭部がストッパとなって前記ネジと前記ヒートシンクとを当接固定するとともに、前記ヒートシンクと前記第２ネジ頭部との間に、セラミック基板と環状の弾性体とを積重して、前記第２ネジ頭部と前記セラミック基板とが対向している空間の全領域に前記弾性体を介在させて、前記セラミック基板を破損させることなく前記弾性体の弾性力のみによって、前記セラミック基板と前記ヒートシンクとを圧接固定した、放熱構造体。

【請求項2】

前記セラミック基板の厚みをＴ２、前記弾性体の厚みをＴ４、前記第１ネジ頭部の厚みをＴ１としたとき、Ｔ２＜Ｔ１＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たす請求項１記載の放熱構造体。

【請求項3】

前記弾性体のショア硬度Ａは、７０以上である請求項１又は２に記載の放熱構造体。

【請求項4】

前記セラミック基板の厚みは、０．３ｍｍ未満である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放熱構造体。

【請求項5】

前記セラミック基板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ジルコニア強化アルミナのいずれかから選択される１種を主成分とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放熱構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セラミック基板とヒートシンクを圧接固定した放熱構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＧＢＴやＬＥＤ素子のような半導体素子が高機能化するにしたがって、これら半導体素子は小型化、高電流化が進んでいる。そして半導体素子を搭載するためのセラミック基板もこれに対応して様々な機能・特性の改善が求められている。例えば、セラミック基板は熱伝導率が低いため、放熱性を改善するためにその向上が要求されたり、セラミック基板を薄くして熱抵抗を小さくするために薄型且つ高強度のものが要求されたりしている。半導体素子は、使用中に発熱するため、放熱特性に関する改善が特に重要である。

【0003】

しかし、薄型のセラミック基板を採用するときの問題の一つとして、ヒートシンクとセラミック基板との接合の困難性があげられる。ヒートシンクとセラミックとの間に接着剤を介して接合した場合、接着剤の熱伝導率が非常に悪いため、放熱効果を著しく劣化させてしまう。このような理由から、ヒートシンクとセラミック基板とを直接接触させて接合する方法として、ネジで締め付けて固定する方法が一般的に用いられているが、セラミック基板は薄くするほどその強度が弱くなるため、ネジで締め付けられたときに破損する虞が生じる。また、破損しないようにネジの締め付け強度を弱くすると、セラミック基板とヒートシンクとの間に隙間ができ、熱伝導抵抗を生じて放熱特性が劣化してしまう。

【0004】

このような問題を回避する方法として、例えば特開２０００−３１５７５６号公報で開示されているように、特定の硬度を有するワッシャを用いることによって基板にかかる負荷を適度に調節して破損の虞を回避する方法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００−３１５７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記の手法を用いても、０．３ｍｍ未満の薄いセラミック基板を使用する場合は、セラミック基板が破損する虞があるためネジ締め固定することはできない。その理由は、ネジ締め付けトルクが直接セラミック基板に伝わってネジ締め時にセラミック基板に負荷がかかるためである。換言すれば、ネジ締め付けトルクによる負荷をワッシャで吸収しているだけにすぎないので、締め付けトルクを特定の範囲に限定しなければヒートシンクとセラミック基板とを適切に固定することができないという課題があった。

【0007】

また、破損しないようにするために締め付けトルクを小さくすると、ネジがゆるみやすくなり、その結果ヒートシンクとセラミック基板との間に隙間ができて、熱伝導抵抗を生じてしまうという課題もあった。

【0008】

したがって、本発明は、締め付けトルクを限定することなく、どのような条件で締め付けを行なったとしても、セラミック基板を破損することなくヒートシンクに固定することができ、さらに、ネジのゆるみによるが発生することもない放熱構造体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行なった結果、ネジ頭部とヒートシンクとの間に隙間を有した状態のままで、ネジとヒートシンクとを固定できるようなストッパ構造を採用し、さらにその隙間に環状の弾性体とセラミック基板を積重して、前記ネジ頭部と前記セラミック基板とが対向している空間の全領域に前記弾性体を介在させると、ネジの締め付けトルクと、セラミック基板にかかる負荷とを独立させることができ、したがって、セラミック基板とヒートシンクとが、弾性体の弾性力のみによって圧接固定されるので、どのような強さのトルクでネジを締めつけても、薄いセラミック基板が破損することのない放熱構造体を得ることができることを見出した。

【0010】

すなわち、ネジ部と、第１ネジ頭部と、前記第１ネジ頭部よりも断面積が大きい第２ネジ頭部とを有する、少なくとも３段構造以上のネジを用いて、ネジ穴を有するヒートシンクに前記ネジ部を螺入して、前記第１ネジ頭部がストッパとなって前記ネジと前記ヒートシンクとを当接固定するとともに、前記ヒートシンクと前記第２ネジ頭部との間に、セラミック基板と環状の弾性体とを積重して、前記第２ネジ頭部と前記セラミック基板とが対向している空間の全領域に前記弾性体を介在させて、前記セラミック基板を破損させることなく前記弾性体の弾性力のみによって、前記セラミック基板と前記ヒートシンクとを圧接固定した、放熱構造体。

【0011】

前記セラミック基板の厚みをＴ２、前記弾性体の厚みをＴ４、前記第１ネジ頭部の厚みをＴ１としたとき、Ｔ２＜Ｔ１＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たす放熱構造体。

【0012】

ネジ部と、ネジ頭部とを有するネジを用いて、ネジ穴を有するヒートシンクに前記ネジ部を螺入して、前記ネジ穴の底又はネジ山の終点又はネジ溝の終点がストッパとなって前記ネジと前記ヒートシンクとを固定するとともに、前記ヒートシンクと前記ネジ頭部との間に、セラミック基板と弾性体とを積重して介在させて、前記セラミック基板を破損させることなく前記弾性体の弾性力のみによって、前記セラミック基板と前記ヒートシンクとを圧接固定した、放熱構造体。

【0013】

前記ネジ部の長さをＴ１ａ、前記ネジ穴の深さをＴ３、前記セラミック基板の厚みをＴ２、前記弾性体の厚みをＴ４としたとき、Ｔ２＜（Ｔ１ａ−Ｔ３）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たす放熱構造体。

【0014】

前記ネジ部の長さをＴ１ａ、前記セラミック基板の厚みをＴ２、前記弾性体の厚みをＴ４、前記ネジ部の先端から前記ネジ山の終点までの距離をＬ１ａとしたとき、Ｔ２＜（Ｔ１ａ−Ｌ１ａ）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たす放熱構造体。

【0015】

前記ネジ部の長さをＴ１ａ、前記セラミック基板の厚みをＴ２、前記弾性体の厚みをＴ４、前記ネジ穴の開口部から前記ネジ溝の終点までの距離をＬ３ａとしたとき、Ｔ２＜（Ｔ１ａ−Ｌ３ａ）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たす放熱構造体。

【0016】

前記弾性体のショア硬度Ａは、７０以上である放熱構造体。

【0017】

前記セラミック基板の厚みは、０．３ｍｍ未満である放熱構造体。

【0018】

前記セラミック基板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ジルコニア強化アルミナのいずれかから選択される１種を主成分とする放熱構造体。

【発明の効果】

【0019】

本発明によると、ヒートシンクと薄いセラミック基板とをネジで固定するときに、ネジの締め付けトルクを限定することなく、どのようなトルクで締め付けを行なったとしてもセラミック基板を破損する虞がなく、ヒートシンクに固定することができる放熱構造体を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明で使用される４つの部品の斜視図。

【図2】ネジの斜視図。

【図3】ネジの断面積を示した斜視図。

【図4】弾性体を使用しないときの組み立て斜視図。

【図5】本発明のストッパ原理を示した断面図。

【図6】本発明においてネジを途中まで螺入したときの断面図

【図7】本発明においてネジを最後まで螺入したときの断面図。

【図8】本発明の別の実施例のストッパ原理を示した断面図。

【図9】本発明のさらに別の実施例のストッパ原理を示した断面図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面に沿って本発明を実施するための形態について説明する。本発明による放熱構造体は、図１（ａ）〜（ｄ）に示した４つの部品を組み合わせることによって効果を発揮するものであるので、まずは、下記の４つの部品について説明する。
（ａ）ネジ１
（ｂ）弾性体４
（ｃ）セラミック基板２
（ｄ）ヒートシンク３

【0022】

まず、ネジ１について説明する。図２、３に示したように、ネジ１は、ネジ部１ａと第１ネジ頭部１ｂと第２ネジ頭部１ｃとからなる。ネジ部１ａは断面積Ｓ１を有する円柱形状で、ネジ山を有しており対応する雌ネジに螺入して締め付け固定することができる。第１ネジ頭部１ｂは、断面積Ｓ２がネジ部１ａの断面積Ｓ１よりも大きくなっている。円柱形状とするのが望ましいが、形状は特に限定されるものではない。また、第１ネジ頭部１ａの厚み（円柱の高さ）はＴ１である。第２ネジ頭部１ｃは、断面積Ｓ３が第１ネジ頭部１ｂの断面積Ｓ２よりもさらに大きくなっている。円柱形状や六角柱が望ましいが、これらに限定されるものではない。ネジの材質は、金属、ステンレス、またはＰＥＥＫ・ＰＯＭ等の耐熱樹脂等、任意の材質を選択可能である。

【0023】

次に、セラミック基板２について説明する。半導体素子のような発熱体は、回路配線が形成されたセラミック基板（絶縁基板）上に搭載して使用される。そして、半導体素子で発生した熱の一部は、大気中に放出されることになるが、大部分はまずセラミック基板に伝導する。したがって、セラミック基板としては、熱伝導率が高いものを使用するのが好ましい。また、セラミック基板の熱伝導率は、後述するヒートシンクの熱伝導率よりは小さいため、できるだけ厚み（Ｔ２）が薄いセラミック基板を採用して迅速にヒートシンクへ熱を伝えて放熱する構造をとることが望ましい。具体的には、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ジルコニア強化アルミナなどを主成分とし、セラミック基板の厚み（Ｔ２）は、第１ネジ頭部の厚み（Ｔ１）よりも小さくする。本発明では、セラミック基板の厚みは何ｍｍであっても効果を発揮することができるが、従来技術では破損の虞があってネジ締めすることができなかった０．３ｍｍ未満の薄いセラミック基板であってもセラミック基板が破損する虞がない。そして、セラミック基板２は、上述したネジ１を使用してヒートシンクに固定するので、セラミック基板には貫通孔５を開けておくと好適である。貫通孔５の形状は特に限定されないが、ネジを締めるときの第１ネジ頭部１ｂの回転を妨げない形状であればよい。

【0024】

次に、ヒートシンク３について説明する。半導体素子からセラミック基板２に伝導した熱を引き継いで放熱するために設置されるものであるので、セラミック基板２よりも熱伝導率の高いもの、例えばアルミニウム、アルミダイカスト、銅等が望ましい。そして、ネジ１のネジ部１ａを螺入するためのネジ穴６が形成されている。

【0025】

最後に、弾性体４について説明する。弾性体４は、ネジ１の第２ネジ頭部１ｃとセラミック基板２との間に介在して、セラミック基板２とヒートシンク３とを固定するためのものである。第２ネジ頭部１ｃとセラミック基板２との間に介在させることができるものであれば、その形状は特に限定されるものではないが、ネジ１を通すことができる環状体にすると好適である。弾性体４の厚み（Ｔ４）は、Ｔ１＜（Ｔ２＋Ｔ４）となるような厚みとする。また、弾性体４の硬度はショアＡ７０以上であるのが望ましい。材質としては、耐熱ウレタン・シリコンゴム・ブチルゴム等耐熱性の高い材料等が好適に使用できる。

【0026】

次に、上記４つの部品を組み合わせたときの効果について説明するが、分かりやすく説明するために、まず、弾性体４を使用しない場合について説明する。図４に示すように、ネジ１のネジ部１ａを、セラミック基板２に形成された貫通孔５を通してヒートシンク３に形成されているネジ穴６に螺入する。そうすると、図５に示すように、ネジ部１ａの断面積（Ｓ１）よりも、第１ネジ頭部１ｂの断面積（Ｓ２）の方が大きいため、第１ネジ頭部１ｂがストッパの役割を果たすことによって、第１ネジ頭部１ｂの下面とヒートシンク３の上面とが当接して固定される。このとき、第１ネジ頭部１ｂの厚み（Ｔ１）は、セラミック基板２の厚み（Ｔ２）よりも大きいため、第２ネジ頭部１ｃとセラミック基板２との間には（Ｔ１−Ｔ２）に相当する隙間が生じており、セラミック基板２が自由に動くことができる状態になっている。すなわち、ネジ１の締め付けトルクをどのような強さに設定しても、セラミック基板２にはなんらの負荷もかかることはないので、セラミック基板２が破損する虞を考慮することなく、任意の締め付けトルクでネジ１とヒートシンク３とを固定することができるので、例えば、ＪＩＳ−Ｂ１０８２に準拠した締め付けトルクでネジ１とヒートシンク３とを強固に固定することができる。

【0027】

ここに弾性体４を介入した本発明の放熱構造体について説明する。図６は、ネジ１を完全に螺入してしまう前の状態で、第２ネジ頭部１ｃと弾性体４とセラミック基板２とヒートシンク３との間に隙間が全くなくなった状態である。しかし、セラミック基板２と弾性体４の厚みの合計（Ｔ２＋Ｔ４）は、第１ネジ頭部１ｂの厚み（Ｔ１）よりも大きいので、第１ネジ頭部１ｂの下面とヒートシンク３の上面との間には隙間７が存在している。この段階では、まだセラミック基板２にはなんらの負荷もかかっていない。

【0028】

図７は、ネジ１をさらに螺入して、隙間７がなくなるまで完全に螺入した状態である。弾性体４は、弾性を有しているため、ネジ１を螺入するにしたがって第２ネジ頭部１ｃとセラミック基板２とに押圧されて変形していく。したがって、ネジを螺入するとともに元の形状に戻ろうとする弾性力が徐々に大きくなり、ネジ１が完全に螺入されたときに最も大きい最大弾性力となる。セラミック基板２は、弾性体４とヒートシンク３との間に挟まれているので、セラミック基板２とヒートシンク３とは弾性体４の弾性力のみによって圧接して固定されている。ネジ１とヒートシンク３との締め付けを強くするために、さらに締め付けトルクを強くしても第１ネジ頭部１ｂがヒートシンク３に当接固定されているので、第２ネジ頭部１ｃはそれ以上弾性体４を変形させることはなく、弾性力が最大弾性力以上になることはない。すなわち、締め付けトルクと最大弾性力とは、相互に影響することなく独立したパラメーターとなり、どのような締め付けトルクでネジ１を締め付けても、セラミック基板２にかかる負荷は一定になるので、セラミック基板２が、締め付けトルクによって破損する虞はないのである。

【0029】

最大弾性力は、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及び弾性体のショア硬度Ａによってあらかじめ適切な弾性力に調整しておくことができる。したがって、０．３ｍｍ未満という薄いセラミック基板を用いた場合であっても、各部品の厚みなどを調整し、弾性力を適切な大きさにしておくことによって、どのようなトルクで締め付けてネジ固定しても、セラミック基板にかかる負荷は常に一定であるのでセラミック基板は破損する虞がないのである。

【0030】

弾性体４のショア硬度Ａは、７０以上であるのが望ましい。ショア硬度Ａが７０未満の弾性体を使用すると、ネジ１を螺入したときの弾性体の弾性力が、セラミック基板２をヒートシンク３に押しつける方向よりも、第２ネジ頭部１ｃとセラミック基板２との間から弾性体４が逃げようとする方向により大きく働いてしまう。すなわち、弾性体４が中途半端にはみ出した状態になって、セラミック基板２を押圧する力が不十分になってセラミック基板とヒートシンクとの間に隙間が生じたり、さらには弾性体４が滑って抜け落ちたりしてしまう虞がある。

【0031】

また、図８に示した別の実施例について説明する。上述した実施例で使用した３段構造のネジを用いることなく、一般的な２段構造のネジを使用しても、本発明の効果を有する放熱構造体を得ることができる。ネジ部の長さを（Ｔ１ａ）とし、ヒートシンクに形成されたネジ穴の深さを（Ｔ３）としたときに、Ｔ２＜（Ｔ１ａ−Ｔ３）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たすように設計すればよい。

【0032】

ネジ部１ａの長さよりもネジ穴の深さの方が小さくなるように設計すると、ネジ１をネジ穴に螺入したときに、ヒートシンクに形成されたネジ穴の底６ａがストッパの役割を果たすことによって、ネジ頭部１ｄの下面とヒートシンク３の上面との間には（Ｔ１ａ−Ｔ３）に相当する隙間が生じており、セラミック基板２は自由に動くことができる状態になっている。すなわち、ネジ１の締め付けトルクをどのような強さに設定しても、セラミック基板２にはなんらの負荷もかかることはないので、セラミック基板２が破損する虞を考慮することなく、任意の締め付けトルクでネジ１とヒートシンク３とを固定することができる。したがって、図８に弾性体４を介在させることによって、上述した実施例と同様に、薄いセラミック基板を用いた場合においても破損する虞がなくセラミック基板２とヒートシンク３とを固定することができるという効果が得られるのである。

【0033】

図９に示したさらに別の実施例について説明する。上記２段構造のネジにおいて、ネジ部に形成されているネジ山が、ネジ部の途中までしか形成されていないネジを使用しても、本発明の効果を有する放熱構造体を得ることができる。ネジ部の先端からネジ山の終点１ｅまでの距離を（Ｌ１ａ）としたときに、Ｔ２＜（Ｔ１ａ−Ｌ１ａ）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たすように設計すればよい。このように設計すると、ネジ１をネジ穴に螺入したときに、ヒートシンクに形成されたネジ山の終点１ｅがストッパの役割を果たすことによって、本発明の効果を得ることができる。

【0034】

また、図示しないが、ヒートシンクのネジ穴に形成されたネジ溝の終点がストッパの役割を果たすことによっても、本発明の効果を得ることができる。ネジ穴の開口部からネジ溝の終点までの距離を（Ｌ３ａ）としたとき、Ｔ２＜（Ｔ１ａ−Ｌ３ａ）＜（Ｔ２＋Ｔ４）を満たすように設計すれば良い。

【0035】

以上、本発明の詳細について、実施例を示しながら説明してきたが、ここで示したのは本発明の具体的な実施形態であり、その技術思想を踏まえた上で、発明の効果を著しく損なわない限度において、前記実施形態の一部を変更して実施することが可能であることが理解されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明によると、ＩＧＢＴや高出力ＬＥＤなどの分野に幅広く利用することができる。

【符号の説明】

【0037】

１；ネジ
１ａ；ネジ部
１ｂ；第１ネジ頭部
１ｃ；第２ネジ頭部
１ｄ；ネジ頭部
１ｅ；ネジ山の終点
２；セラミック基板
３；ヒートシンク
４；弾性体
５；貫通孔
６；ネジ穴
６ａ；ネジ穴の底
７；隙間
Ｔ１；第１ネジ頭部の厚み
Ｔ１ａ；ネジ部の長さ
Ｔ２；セラミック基板の厚み
Ｔ３；ネジ穴の深さ
Ｔ４；弾性体の厚み
Ｓ１；ネジ部の断面積
Ｓ２；第１ネジ頭部の断面積
Ｓ３；第２ネジ頭部の断面積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】