JPH087641Y2 - 半導体素子の放熱構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 考案の目的 ［産業上の利用分野］ 本考案は半導体素子の放熱構造に関し、詳しくは高熱
を発生するパワートランジスタ等の半導体素子の放熱構
造に関する。

［従来の技術］ 従来から、パワートランジスタ等の半導体素子は、そ
れらに発生する高熱を逃がすため、種々の放熱用の構造
が提案されている。例えば、実開昭61-53989号公報に
は、発熱電気部品の裏面に金属板を露出させ、この金属
板全面に放熱フィラーを混入した紫外線硬化シリコーン
を塗布して表面を硬化させた後、この電気部品をビス等
により放熱板に固着した構造が開示されている。

［考案が解決しようとする課題］ しかしながら、このような構成を用いた場合には、電
気部品を放熱板に取り付けるビスの締め付け度合が強く
て、金属板と放熱板との間に塗布されたシリコーンが横
にはみ出てしまったり、逆に、締め付け度合が弱くて、
シリコーンが金属板と放熱板との間を密に結合できなか
ったり、また、締め付けの不均一により電気部品が傾斜
して装着されてしまうという問題を生じていた。従っ
て、金属板と放熱板との距離およびシリコーンの塗布量
を、各々製品毎に精度良く調整する必要が生じ、大変手
間のかかるものとなっていた。

また、シリコーンに放熱フィラーを含有させているも
のの、電気部品に発生する熱は、熱抵抗の高いシリコー
ンを介して伝導するため、放熱性もあまり良好にはなら
なかった。

本考案の半導体素子の放熱構造は上記課題を解決し、
良好に放熱すると共に、簡単でしかも均一に組み付けす
ることを目的とする。

考案の構成 かかる目的を達成する本考案の構成について以下説明
する。

［課題を解決するための手段］ 本考案の半導体素子の放熱構造は、 表面に半導体素子を載置した基板の裏面に放熱板を接
着し、上記半導体素子の発生する熱を上記基板を介して
上記放熱板に伝導する半導体素子の放熱構造において、 柱状あるいは球状の径の等しい複数の金属フィラーを
混入した接着剤層を、上記放熱板と上記基板との間に、
該金属フィラーが両者に当接介在するよう形成したこと
を要旨とする。

［作用］ 上記構成を有する本考案の半導体素子の放熱構造は、
基板に伝導された熱を、接着材層を構成する接着剤を介
して放熱板に伝導するのみならず、直接金属フィラーを
介して放熱板に伝導する。しかも、径の等しい複数の金
属フィラーが基板と放熱板とに当接して、この基板と放
熱板との距離を一定に保持する。

［実施例］ 以上説明した本考案の構成・作用を一層明らかにする
ために、以下本考案の半導体素子の放熱構造の好適な実
施例について説明する。

第１図は、一実施例として車載用エアコンのブロアモ
ータを駆動制御するパワーモジュール素子10の構造を示
す正面図である。アルミナ製の基板１の上面には回路パ
ターンを構成する銅製の回路板２が、同じく基板１の下
面ほぼ全面には銅板３が直接接合されている。この直接
接合は、DBC（Direct Bond Copper）技術を用いてい
る。即ち、温度を1065〜1083℃に、酸素を0.008〜0.39w
t％にコントロールして、銅・酸素の共晶溶液を生成さ
せ、これをアルミナ基板１に濡らすことにより、銅をア
ルミナ基板１に強固に接合するのである。

回路板２には、ブロアモータＭを駆動する出力段パワ
ー素子として大電流を流す静電誘導トランジスタ４と、
その静電誘導トランジスタ４にデューティ信号を出力し
ブロアモータＭの回路制御を行なうPWM（パルス幅変
調）制御回路５などが、はんだ付により実装されてい
る。

基板１の下面に直接接合された銅板３は、外径の等し
い円柱形の金属フィラー６（銅製）を一定量混入したシ
リコーン樹脂７が接着材としてスクリーン印刷され、そ
の印刷部に向かい合って配置されたアルミ製の放熱板８
に加圧接着される。このとき、外径を等しくした複数の
金属フィラー６は、銅板３と放熱板８との間の挟圧によ
り、その円柱外周面が銅板3,放熱板８に当接し、銅板３
と放熱板８との間を一定距離（金属フィラー６の外径）
に保持する。そして、この状態においてシリコーン樹脂
７をオーブン中で加熱硬化（120℃,1時間）することに
より、銅板３と放熱板８とが完全に接着される。

尚、本実施例では、各部材の厚さを以下のようにして
いる。

基板１…0.625mm 回路板２…0.3mm 銅板３…0.3mm 金属フィラー６…0.3mm 放熱板８…１〜2mm 以上のように構成されたパワーモジュール素子10にお
ける各部の熱抵抗θを、第２図のグラフに示す。接着部
（金属フィラー６を混入したシリコーン樹脂７）におい
ては、金属フィラー６が銅板３と放熱板８とに直接当接
するため、熱抵抗が低減される（破線は金属フィラー６
をシリコーン樹脂７に混入しない場合を示す）。即ち、
銅板３に伝導された熱が、シリコーン樹脂７に比べ熱抵
抗の小さい金属フィラー６を介して放熱板８に伝導され
る経路を有するため、接着部は全体として熱抵抗が非常
に減少するわけである。

尚、この熱抵抗θ（℃/W）は、熱流通路の断面積をＡ
（m₂），熱流通路２点間の距離をＬ（ｍ），熱流通路の
熱伝導率をλ（W/m・℃）として、次式により算出され
る。

次に、パワーモジュール素子10の回路構成を第３図と
共に説明する。

パワーモジュール素子10は、エアコン・コントローラ
ACからブロア・スピードの出力信号を入力して、その出
力信号に応じたデューティ信号を発生するPWM制御回路
５と、PWM制御回路５のデューティ信号に応じてブロア
モータＭを駆動する出力段パワー素子として大電流を流
す静電誘導トランジスタ４と、静電誘導トランジスタ４
とブロアモータＭとの間に直列に接続されノイズを吸収
する平滑回路９とからなる。従って、エアコン・コント
ローラACからのブロア・スピードの出力信号に応じてPW
M制御回路５のデューティ比を変化させることにより、
静電誘導トランジスタ４のベース電圧を変化させてブロ
アモータＭを変速させるのである。尚、このように構成
されたパワーモジュール素子10は、本実施例では、ブロ
アモータＭの取り付けられるエアダクト（図示略）に組
み付けられる。

以上説明した本実施例の半導体素子の放熱構造によれ
ば、銅板３と放熱板８との間に円柱形の金属フィラー６
を混入した接着剤層を設け、金属フィラー６の円柱外周
面を銅板３と放熱板８とに当接させているため、この当
接部近傍において、銅板３に伝導された熱は、シリコー
ン樹脂７に比べ熱抵抗の小さい金属フィラー６を介して
放熱板８に伝導されるため、銅板３と放熱板８との接着
部は全体として熱抵抗が非常に減少する。従って、各種
素子の発生する熱は有効に放散されるため、各種素子の
誤動作あるいは破損といった問題は生じなく、耐久性，
信頼性が向上する。また、外径を等しくした複数の金属
フィラー６は、銅板３と放熱板８との間のスペーサとし
て作用するため、銅板３と放熱板８との挟圧の度合にか
かわらず、銅板３と放熱板８との間を一定距離（金属フ
ィラー６の外径）に保持する。従って、接着部の厚さが
均一になると共に、基板１が傾斜することもない。ま
た、シリコーン樹脂７のはみ出しもなくなる。尚、金属
フィラー６の形状が円柱形であるため、金属フィラー６
がシリコーン樹脂７内にどのように混在されても、銅板
３と放熱板８との挟圧により両板の間隔は一定になると
共に、円柱外周面と銅板３および放熱板８との接触面積
が大きくとれ、熱伝導も良好に行なわれる。

一方、ブロアモータＭの制御回路を、従来のような個
別回路部品の集合構成（リレー，レジスタ，バイポーラ
トランジスタ等の外付け回路による構成）を用いずにモ
ジュール化して、ブロアモータＭの取り付けられるエア
ダクトに組み付けたため、制御回路は、小型・軽量化さ
れると共に、その配線も簡素化される。また、PWM制御
と、出力段パワー素子として静電誘導トランジスタ４と
を用いているため、発熱量が少なくなる。尚、静電誘導
トランジスタ４に代えて、MOS-FETを用いても、入出力
部のIC化が容易なため、自動車用ソレノイド駆動回路や
ランプ駆動回路等に用いることができる。

以上本考案の実施例について説明したが、本考案はこ
うした実施例に何等限定されるものではなく、例えば、
円柱形の金属フィラー６の形状を球形にした構成でも良
く、また、その材質においても銅に限らず熱伝導率の良
好な銀等を用いても良い。また、車載用エアコンのブロ
アモータの制御回路に用いるものに限らず、本考案の要
旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得
ることは勿論である。尚、銅板３の表面一面に凹凸を設
けて表面積を大きくすれば、放熱効果を一層上げること
ができる共に、シリコーン樹脂７との接着強度も増大さ
せることができる。

考案の効果 以上詳述したように、本考案の半導体素子の放熱構造
によれば、柱状あるいは球状の径の等しい複数の金属フ
ィラーを混入した接着剤層を、放熱板と金属板との間
に、金属フィラーが両者に当接介在するよう形成したた
め、この当接する近傍において、金属板に伝導された熱
は、金属フィラーを介して放熱板に伝導されるため、金
属板と放熱板との接着材層は全体として熱抵抗が非常に
減少する。従って、半導体素子の発生する熱は有効に放
散されるため、その素子の誤動作あるいは破損といった
問題は生じなく、耐久性，信頼性が向上する。また、外
径を等しくした複数の金属フィラーは、金属板と放熱板
との間のスペーサとして作用するため、金属板と放熱板
との挟圧の度合にかかわらず、金属板と放熱板との間を
一定距離（金属フィラーの外径）に保持する。従って、
接着層の厚さが均一になると共に、基板が傾斜すること
もない。また、接着剤のはみ出しもなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はパワーモジュール素子の放熱構造を表す正面
図、第２図はその放熱構造の各部の熱抵抗を示すグラ
フ、第３図はパワーモジュール素子の回路構成図であ
る。 １……基板、２……回路板、３……銅板 ４……静電誘導トランジスタ ５……PWM制御回路、６……金属フィラー ７……シリコーン樹脂、８……放熱板 10……パワーモジュール素子

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に半導体素子を載置した基板の裏面に
   放熱板を接着し、上記半導体素子の発生する熱を上記基
   板を介して上記放熱板に伝導する半導体素子の放熱構造
   において、 柱状あるいは球状の径の等しい複数の金属フィラーを混
   入した接着剤層を、上記放熱板と上記基板との間に、該
   金属フィラーが両者に当接介在するよう形成してなる半
   導体素子の放熱構造。