JPH09172112A - 発熱性素子の放熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱体の熱伝導板に設けた放熱板を外部に突
出させることにより、発熱性素子からの熱を外部に確実
に放熱できると共に、放熱効率を向上させることにより
放熱体の基板上の面積を小さくでき、全体を小型化でき
るようにする。 【解決手段】 支持台２１に接着層２３を介して固定さ
れた基板２２には、熱伝導板２５と各放熱板２８とから
なるヒートシンク２４を配設する。そして、各放熱板２
８を基板２２および支持台２１の各挿通穴２２Ａ，２１
Ａから外部に突出した状態で、熱伝導板２５を半田層２
６を介して基板２２上に固定する。また、熱伝導板２５
上には半田層２７を介してトランジスタ６を固定する。
そして、トランジスタ６のソース８，ゲート９をボンデ
ィングワイヤ２９，３０を介して基板２２上の各配線パ
ターンに接続し、ドレイン１０を熱伝導板２５を介して
基板２２上の配線パターンに接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばパワートラ
ンジスタ等の発熱性素子から発生する熱を外部に放熱さ
せるのに用いて好適な発熱性素子の放熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術による発熱性素子の放熱装置と
して図３に基き、ベアチップ型の電界効果トランジスタ
の放熱装置を例に挙げて説明する。

【０００３】図中、１は例えばコントロールユニットの
ケーシング等により構成された支持台を示し、該支持台
１は例えばアルミニウム，樹脂材料等から平板状に形成
され、該支持台１の裏面側（図３中の下面側）はコント
ロールユニット等の外側面１Ａとなっている。

【０００４】２は後述のトランジスタ６等を搭載した基
板を示し、該基板２は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂
Ｏ₃ ）等のセラミック材料から平板状に形成され、熱伝
導性の高い接着剤等からなる接着層３を介して支持台１
上に固着されている。また、基板２上には後述するトラ
ンジスタ６のソース８，ゲート９およびドレイン１０と
接続される３系統の配線パターン（いずれも図示せず）
が形成されている。

【０００５】４は基板２上に半田層５を介して固着され
た放熱体としてのヒートスプレッダを示し、該ヒートス
プレッダ４は熱伝導性の高い材料、例えば銅（Ｃｕ），
モリブデン（Ｍｏ）等の金属材料から、その外形寸法が
１０mm角程度、厚さ寸法が１〜１．５mm程度の四角形状
をなす平板として形成されている。ここで、ヒートスプ
レッダ４は前記トランジスタ６の発熱量に応じて十分に
大きい面積をもつことにより、トランジスタ６が通電中
に発生する熱を基板２側に効果的に放熱（伝導）するも
のである。

【０００６】６は発熱性素子としてのトランジスタを示
し、該トランジスタ６は例えば５mm角程度の四角形状を
有するベアチップ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
として構成され、半田層７を介してヒートスプレッダ４
上の中央部に固着されている。そして、トランジスタ６
の入出力用端子のうち、ソース８側端子，ゲート９側端
子は互いに離間して該トランジスタ６の表面上に形成さ
れると共に、ドレイン１０側端子は該トランジスタ６の
裏面側に形成され、該ドレイン１０側端子はヒートスプ
レッダ４および半田層５，７を介して基板２上に形成さ
れた前記配線パターンに接続されている。

【０００７】１１，１２はボンディングワイヤで、該ボ
ンディングワイヤ１１，１２は、基端側が各アルミパッ
ド１３を介してトランジスタ６のソース８側端子，ゲー
ト９側端子に固着され、先端側は各アルミパッド１４を
介して基板２上に形成された他の各配線パターンに固着
されている。そして、ボンディングワイヤ１１，１２の
中間部は略円弧状の大きなたるみをもって配設され、こ
れによりボンディングワイヤ１１，１２は、トランジス
タ６のドレイン１０に導通されたヒートスプレッダ４か
ら離間した状態で、ソース８，ゲート９と基板２上の各
配線パターンとを接続している。

【０００８】このように構成される従来技術では、基板
２上の配線パターンからボンディングワイヤ１２等を介
してトランジスタ６のゲート９に電圧信号を入力する
と、この電圧信号に応じてトランジスタ６のソース８，
ドレイン１０間が電気的に導通するから、ドレイン１０
側に接続された基板２上の配線パターンから、ヒートス
プレッダ４，トランジスタ６およびボンディングワイヤ
１１等を介してソース８側の配線パターンへと大電流が
流れる。

【０００９】そして、ソース８，ドレイン１０間に大き
な電流が流れることにより、トランジスタ６は通電中
（動作中）に発熱を伴うが、この熱はヒートスプレッダ
４を介して基板２に伝導され、さらに該基板２から支持
台１へと伝導されることにより、該支持台１から外部へ
と放熱される。

【００１０】これにより、従来技術では、トランジスタ
６が通電中に発生する熱をヒートスプレッダ４，基板２
および支持台１等を介して外部に放熱することにより、
トランジスタ６の温度を耐久温度以下の例えば１００℃
程度に保持し、トランジスタ６が通電中に高温となって
破損するのを防止している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、トランジスタ６から発生した熱は、半田層
７を介してヒートスプレッダ４へと伝導し、該ヒートス
プレッダ４から半田層５を介して基板２へと伝導した後
に、該基板２から接着層３を介して支持台１へと伝導
し、最終的に支持台１から外部に放熱される。

【００１２】ここで、半田層５，７および接着層３は、
放熱装置の組立工程でトランジスタ６，ヒートスプレッ
ダ４，基板２および支持台１の間にそれぞれ塗布した液
状の半田，接着剤等が固化することにより形成され、例
えば接着層３では、基板２と支持台１との間に液状の接
着剤等を塗布した後に両者を衝合することにより、固化
した接着剤が接着層３を形成し、これによって基板２と
支持台１とが接着層３を介して接着されるものである。

【００１３】ところが、上述した接着工程では、基板２
と支持台１とを衝合する段階で塗布した接着剤に空気が
混入し、接着層３の内部に気泡が形成されることがあ
り、接着層３内に熱伝導性の悪い気泡（空気等）が形成
されると、基板２と支持台１との間の熱伝導性が悪化す
るばかりでなく、放熱装置毎に熱伝導性にばらつきが生
じるという問題がある。

【００１４】さらに、半田層５，７の内部にも同様に気
泡が形成されることがあるため、従来技術では、トラン
ジスタ６，ヒートスプレッダ４，基板２および支持台１
の各衝合面間における熱伝導性が気泡等によって悪化
し、トランジスタ６からの熱が外部に放出されにくくな
り、トランジスタ６が通電中に高温となって破損した
り、熱で早期に劣化したりするという問題がある。

【００１５】特に、支持台１が熱伝導性の低い樹脂材料
から形成されている場合には、トランジスタ６から支持
台１までの間に高い熱伝導性が要求されるため、気泡等
によってこの間の放熱性が妨げられると、トランジスタ
６が通電中にさらに高温になり易く、破損，劣化等の問
題を起こす可能性が高くなる。

【００１６】また、放熱装置毎にトランジスタ６から支
持台１までの熱伝導性にばらつきがあるため、トランジ
スタ６の信頼性を確保するためには、設計段階でヒート
スプレッダ４の面積を大きく設計することによりトラン
ジスタ６から支持台１への放熱性能に余裕をもたせざる
を得ず、放熱装置全体の小型化が難しくなるという問題
がある。

【００１７】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、放熱装置毎に熱伝導性がばらつくことな
く発熱性素子からの熱を外部に確実に放熱できると共
に、基板上における放熱体の面積を小さくでき、全体を
小型化できるようにした発熱性素子の放熱装置を提供す
ることを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために請求項１に記載の発明は、支持台に設けられた基
板と、該基板に設けられた熱伝導性材料からなる放熱体
と、該放熱体上に熱伝導可能に設けられ、外部からの通
電により熱を発生させる発熱性素子とからなる発熱性素
子の放熱装置において、前記放熱体は、前記基板と前記
発熱性素子との間に配設された熱伝導板と、基端側が該
熱伝導板に一体的に連結され、先端側が前記基板および
前記支持台を介して該支持台の外部に突出する放熱板と
から構成したことを特徴している。

【００１９】このように構成することにより、放熱体上
に設けた発熱性素子が通電中に発生させる熱を該放熱体
の熱伝導板から放熱板側へと伝導させ、該放熱板の先端
側から支持台の外部へと直接放熱できるから、発熱性素
子からの熱を基板，支持台等の熱伝導性に影響されるこ
となく外部に放熱でき、該発熱性素子が通電中に高温と
なるのを防止できる。

【００２０】また、請求項２に記載の発明では、前記放
熱体を断面略コ字状に形成し、前記熱伝導板の両端側に
は前記放熱板をそれぞれ設ける構成としている。

【００２１】これにより、発熱性素子からの熱を熱伝導
板の両端側から各放熱板側へと効率よく伝導させること
ができ、この熱を該各放熱板の先端側から支持台の外部
へと広い放熱面積をもって放熱できる。

【００２２】そして、請求項３に記載の発明では、前記
発熱性素子は高電圧または高電流用のパワー系ベアチッ
プからなり、前記放熱体は該ベアチップからの熱を支持
台の外部に放熱させる構成としている。

【００２３】この結果、パワー系ベアチップが通電中に
発生させる熱を放熱体の熱伝導板から放熱板側へと伝導
させ、該放熱板の先端側から支持台の外部に効率よく放
熱でき、該ベアチップの温度上昇を抑えることができ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従い、ベアチップ型の電界効果トランジスタを発
熱性素子として用いた場合を例に挙げて詳細に説明す
る。なお、実施例では、従来技術と同一の構成要素に同
一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

【００２５】図中、２１は本実施例による放熱装置の支
持台を示し、該支持台２１は従来技術と同様に、例えば
アルミニウム，樹脂材料等から平板状に形成され、その
表面にはトランジスタ６等を搭載した従来技術と同様の
基板２２が接着層２３を介して固定されているものの、
本実施例では、後述するヒートシンク２４の各放熱板２
８を挿通する挿通穴２１Ａ，２１Ａが支持台２１に、挿
通穴２２Ａ，２２Ａが基板２２に形成されている。

【００２６】ここで、各挿通穴２１Ａは図２に示すよう
に、互いに離間したスリット状の貫通穴として支持台２
１に形成されると共に、各挿通穴２２Ａは該各挿通穴２
１Ａの位置に対応した貫通穴として基板２２に形成され
ている。そして、基板２２を支持台２１上に固着した状
態では、各挿通穴２１Ａ，２２Ａが互いに連通し、これ
によって支持台２１と基板２２とには、基板２２の表面
側と支持台２１の裏面側（外側面）とを連通する一対の
貫通穴が形成される。

【００２７】２４は本実施例による放熱体としてのヒー
トシンクを示し、該ヒートシンク２４は熱伝導性の高い
材料、例えば銅（Ｃｕ），モリブデン（Ｍｏ）等の金属
材料から断面コ字状に形成され、後述の熱伝導板２５
と、該熱伝導板２５の両端側に一体形成された後述の放
熱板２８，２８とから構成されている。

【００２８】２５は熱伝導板を示し、該熱伝導板２５は
従来技術によるヒートスプレッダ４と同様に、図２に示
す如く四角形状の平板として形成されているものの、本
実施例による熱伝導板２５は、その外形寸法がヒートス
プレッダ４よりも小さく形成されている。そして、熱伝
導板２５は半田層２６を介して基板２２上に固着され、
これによりヒートシンク２４は基板２２上に固定されて
いる。また、熱伝導板２５上には図１に示すように、半
田層２７を介してトランジスタ６が固着され、該トラン
ジスタ６の裏面側に形成されたドレイン１０側端子は、
半田層２７，熱伝導板２５および半田層２６を介して基
板２２上に形成されたドレイン接続用の配線パターン
（図示せず）に接続されている。

【００２９】２８，２８は放熱板を示し、該各放熱板２
８は基端側が基板２２上に固着された熱伝導板２５の両
端側に一体形成され、図１に示す如く互いに平行となっ
て垂直方向下向きに伸長している。そして、各放熱板２
８の先端側２８Ａは、基板２２の各挿通穴２２Ａおよび
支持台２１の各挿通穴２１Ａに順次挿通されることによ
り、該支持台２１の裏面側から外部に突出した状態で配
設されている。

【００３０】２９，３０は例えばアルミニウム等の金属
材料からなるボンディングワイヤで、該ボンディングワ
イヤ２９，３０は従来技術と同様に、トランジスタ６の
ソース８，ゲート９と、基板２２に形成された該ソース
８，ゲート９接続用の配線パターン（いずれも図示せ
ず）とを各アルミパッド３１，３２を介して接続してい
る。しかし、本実施例では、熱伝導板２５の外形寸法が
ヒートスプレッダ４よりも小さく、アルミパッド３１，
３２間の接続距離が従来技術に比較して短くなっている
ため、ボンディングワイヤ２９，３０の中間部には比較
的小さなたるみが与えられている。

【００３１】本実施例による接続装置は上述の如き構成
を有するもので、その基本的動作については従来技術に
よるものと格別差異はない。

【００３２】然るに、本実施例では、トランジスタ６か
らの熱を外部に放熱するヒートシンク２４を、トランジ
スタ６と基板２２との間に配設された熱伝導板２５と、
基端側が該熱伝導板２５に一体形成され、先端側２８Ａ
が基板２２，支持台２１を貫通して外部に突出する一対
の放熱板２８とから構成したから、トランジスタ６が通
電中に発生する熱を各放熱板２８の先端側２８Ａから十
分な露出面積をもって外部に効率よく放熱でき、ヒート
シンク２４によるトランジスタ６の放熱効率を従来技術
に比較して大幅に向上させることができる。

【００３３】従って、支持台２１が例えば樹脂材料から
なる場合であっても、トランジスタ６が通電中に高熱と
なって破損したり、早期に劣化したりするのを確実に防
止でき、その安定した動作状態を長期間に亘って保持で
きると共に、トランジスタ６による電流等の制御装置と
しての信頼性を大幅に向上させることができる。

【００３４】そして、トランジスタ６からの熱をヒート
シンク２４の各放熱板２８を介して外部に直接放熱でき
るから、ヒートシンク２４の熱伝導板２５と基板２２と
の間や基板２２と支持台２１との間の熱伝導性等に影響
されることなく、トランジスタ６からの熱を支持台１の
外部に確実に放熱できると共に、トランジスタ６から支
持台１までの熱伝導性のばらつきを効果的に低減でき、
放熱装置としての信頼性を大幅に向上させることができ
る。

【００３５】また、ヒートシンク２４の放熱効率を支持
台１の外部に露出した各放熱板２８により向上できるか
ら、熱伝導板２５の外形寸法を従来技術のヒートスプレ
ッダ４等の放熱部材よりも小さく形成でき、これによっ
てヒートシンク２４（熱伝導板２５）を基板２２上に容
易に配設できると共に、当該放熱装置全体の大きさを確
実に小型化することができる。

【００３６】そして、熱伝導板２５を小さく形成するこ
とにより、ボンディングワイヤ２９，３０によるトラン
ジスタ６側と基板２２上の配線パターンとの接続距離を
短かくできるから、ボンディングワイヤ２９，３０が屈
曲等によりヒートシンク２４と短絡（ショート）するの
を確実に防止でき、その信頼性を大幅に向上させること
ができる。

【００３７】さらに、ヒートシンク２４のみを介して放
熱を行うことにより、トランジスタ６の放熱経路を簡素
化できるから、設計時に基板２２，支持台２１等の熱伝
導性を特別に考慮する必要がなくなり、当該放熱装置の
設計および製造管理を効率化することができる。

【００３８】なお、前記実施例では、一対の放熱板２８
を熱伝導板２５の両端側に配設することにより、ヒート
シンク２４を断面コ字状に形成したが、本発明はこれに
限らず、放熱板２８等の放熱部をトランジスタ６と基板
２２との間に配設した熱伝導板２５から支持台１の外部
に突出させる構成とすればよい。従って、例えば１枚ま
たは３枚の放熱板と熱伝導板とからヒートシンク（放熱
体）を断面Ｔ字状または断面Ｅ字状に形成してもよく、
さらには４枚以上の放熱板や棒状の放熱部（放熱板）を
熱伝導板２５に一体に設けることにより、放熱体を構成
してもよい。

【００３９】また、前記実施例では、熱伝導板２５と各
放熱板２８とを一体形成する構成とした場合を例に挙げ
て述べたが、本発明はこれに限らず、熱伝導板２５と各
放熱板２８とを別部材から形成し、これらを一体的に連
結することによりヒートシンク２４を構成してもよい。

【００４０】一方、前記実施例では、トランジスタ６の
表面側にソース８側端子およびゲート９側端子を、裏面
側にドレイン１０側端子を配設する構成としたが、本発
明はこれに限らず、例えばドレイン１０側端子をトラン
ジスタ６の表面側に配設し、ソース８側の端子をトラン
ジスタ６の裏面側に配設する構成としてもよく、この場
合には、ドレイン１０側端子をボンディングワイヤ２９
等を介して基板２２上の配線パターンに接続し、ソース
８側端子をヒートシンク２４の熱伝導板２５等を介して
基板２２上の他の配線パターンに接続する構成とすれば
よい。

【００４１】さらに、前記実施例においては、発熱性素
子としてベアチップ型の電界効果トランジスタを用いた
場合を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、こ
れ以外のパワートランジスタ等に適用してもよく、さら
にはトランジスタ以外のパワー系電子素子、例えばサイ
リスタ，３端子レギュレータ等に適用してもよい。

【００４２】さらにまた、前記実施例では、ヒートシン
ク２４の熱伝導板２５上に単一の発熱性素子（トランジ
スタ６）を配設した場合を例に挙げて述べたが、本発明
はこれに限らず、複数個の発熱性素子を熱伝導板２５上
に配設した発熱性素子の放熱装置に適用してもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１に記載の発
明によれば、放熱体を、発熱性素子と基板との間に配設
された熱伝導板と、基端側が該熱伝導板に一体形成さ
れ、先端側が基板および支持台を介して該支持台の外部
に突出する放熱板とから構成したので、発熱性素子が通
電中に発生する熱を放熱板の先端側から外部に効率よく
放熱でき、発熱性素子が通電中に高熱となって破損した
り、早期に劣化したりするのを確実に防止できる。ま
た、発熱性素子からの熱を放熱板を介して支持台の外部
に直接放熱できるから、発熱性素子からの熱を基板，支
持台等の熱伝導性に影響されることなく確実に放熱でき
ると共に、発熱性素子から支持台までの熱伝導性のばら
つきを効果的に低減でき、放熱装置としての信頼性を大
幅に向上させることができる。

【００４４】また、請求項２に記載の発明によれば、放
熱体を熱伝導板と一対の放熱板とにより断面略コ字状に
形成したから、発熱性素子からの熱を熱伝導板の両端側
から各放熱板側へと効率よく伝導させることができると
共に、この熱を該各放熱板の先端側から支持台の外部へ
と広い放熱面積をもって確実に放熱でき、発熱性素子の
温度上昇を効果的に抑えることができる。

【００４５】そして、請求項３に記載の発明によれば、
発熱性素子をパワー系ベアチップから構成し、該ベアチ
ップからの熱を放熱体により外部に放熱する構成とした
から、該放熱体の放熱板によりベアチップが通電中に発
生する熱を支持台の外部に効果的に放熱することがで
き、ベアチップが通電中に温度上昇するのを確実に防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による電界効果トランジスタの
放熱装置を示す縦断面図である。

【図２】図１中の電界効果トランジスタの放熱装置を示
す平面図である。

【図３】従来技術による電界効果トランジスタの放熱装
置を示す縦断面図である。

【符号の説明】

６ トランジスタ（発熱性素子） ８ ソース ９ ゲート １０ ドレイン ２１ 支持台 ２２ 基板 ２４ ヒートシンク（放熱体） ２５ 熱伝導板 ２８ 放熱板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持台に設けられた基板と、該基板に設
   けられた熱伝導性材料からなる放熱体と、該放熱体上に
   熱伝導可能に設けられ、外部からの通電により熱を発生
   させる発熱性素子とからなる発熱性素子の放熱装置にお
   いて、 前記放熱体は、前記基板と前記発熱性素子との間に配設
   された熱伝導板と、基端側が該熱伝導板に一体的に連結
   され、先端側が前記基板および前記支持台を介して該支
   持台の外部に突出する放熱板とから構成したことを特徴
   とする発熱性素子の放熱装置。
2. 【請求項２】 前記放熱体を断面略コ字状に形成し、前
   記熱伝導板の両端側には前記放熱板をそれぞれ設ける構
   成としてなる請求項１に記載の発熱性素子の放熱装置。
3. 【請求項３】 前記発熱性素子は高電圧または高電流用
   のパワー系ベアチップからなり、前記放熱体は該ベアチ
   ップからの熱を前記支持台の外部に放熱させる構成とし
   てなる請求項１または２に記載の発熱性素子の放熱装
   置。