JP2013055218A - Heat radiator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放熱装置及びその製造方法に関し、特に、放熱部材とセラミック材料からなる部材とが直接接合されて構成されることにより、放熱装置と発熱源との接合部分に、熱疲労（ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ）によってクラック（ｃｒａｃｋ）が発生する問題を解決することができる放熱装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a heat radiating device and a method for manufacturing the same, and in particular, a heat radiating member and a member made of a ceramic material are directly joined to form a thermal fatigue at a joint portion between the heat radiating device and a heat source. The present invention relates to a heat dissipating device and a method for manufacturing the same.
半導体技術の進歩に伴い、集積回路の体積は、徐々に縮小されている。また、集積回路がさらに多くのデータを処理できるようにするために、集積回路には、従来より数倍以上の数の演算素子が積載されるようになっている。しかし、集積回路内の演算素子の数が増加することにより、演算素子が動作するときに発生する熱も多くなる。ＣＰＵを例に挙げると、最大稼動中のＣＰＵから発生する熱は、ＣＰＵ全体を焼損させるのに十分な熱量である。従って、集積回路の放熱装置は、非常に重要である。 With the progress of semiconductor technology, the volume of integrated circuits is gradually reduced. Further, in order to allow the integrated circuit to process a larger amount of data, the integrated circuit is loaded with a number of arithmetic elements several times that of the conventional circuit. However, as the number of arithmetic elements in the integrated circuit increases, more heat is generated when the arithmetic elements operate. Taking the CPU as an example, the heat generated from the CPU in maximum operation is a sufficient amount of heat to burn out the entire CPU. Therefore, the heat dissipation device of the integrated circuit is very important.
電子装置中のＣＰＵユニット及びチップは、発熱源であるため、動作するとき、熱が発生する。ＣＰＵユニット及びチップの外部パッケージは、主に、セラミック材料からなる。セラミック材料は、熱膨張係数が低く、絶縁物質である上、熱膨張係数がチップに近いため、パッケージ材料及び半導体材料として大量に使用されている。 Since the CPU unit and the chip in the electronic device are heat generation sources, heat is generated when operating. The external package of the CPU unit and the chip is mainly made of a ceramic material. Ceramic materials have a low thermal expansion coefficient, are insulating materials, and have a thermal expansion coefficient close to that of a chip, so that they are used in large quantities as package materials and semiconductor materials.
放熱装置は、一般に、アルミニウム材料及び銅材料が放熱構造の材料とされる。また、ファン、ヒートパイプなどの放熱部材が組み合わされることにより、放熱効果が増強される。しかし、ファン及びヒートパイプを採用することにより、放熱装置全体の信頼性が低下してしまう。 In general, an aluminum material and a copper material are used as a material for the heat dissipation device. Moreover, the heat radiation effect is enhanced by combining heat radiating members such as a fan and a heat pipe. However, adopting a fan and a heat pipe reduces the reliability of the entire heat dissipation device.
一般に、放熱装置は、全体の構造が簡素であるほど、信頼性が高くなる。また、銅の放熱能力よりも優れた材料を放熱構造の材料とすることにより、熱伝導率を直接改善することができる。 In general, the simpler the overall structure of the heat dissipation device, the higher the reliability. Moreover, the thermal conductivity can be directly improved by using a material having a heat dissipation structure that is superior to the heat dissipation capability of copper.
また、放熱装置と発熱源との間の熱応力の問題は、製品の信頼性に関わるもう１つの問題である。発熱源（例えば、ＣＰＵ内のチップ）の熱膨張係数は低いため、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）などの熱膨張係数が低いセラミック材料によってチップをパッケージすることにより、製品の信頼性を高めている。 The problem of thermal stress between the heat dissipation device and the heat source is another problem related to the reliability of the product. Since the thermal expansion coefficient of a heat source (for example, a chip in a CPU) is low, product reliability is achieved by packaging the chip with a ceramic material having a low thermal expansion coefficient such as AlN (aluminum nitride) or SiC (silicon carbide). Is increasing.
また、例えば、ＬＥＤの放熱に関し、アルミニウム材料及び銅材料の熱膨張係数は、サファイヤ（ｓａｐｐｈｉｒｅ）よりも遥かに高い。そのため、高輝度ＬＥＤを長期間使用した場合、熱疲労により、アルミニウム材料及び銅材料とサファイヤとの接合部分にクラックが発生し、接合面の熱抵抗が上昇してしまう問題が発生しやすい。放熱境界面の熱抵抗が上昇した場合、高輝度ＬＥＤ製品に熱が蓄積することにより、ＬＥＤチップが損傷し、発光体が損壊する虞がある。 For example, regarding the heat dissipation of the LED, the thermal expansion coefficient of the aluminum material and the copper material is much higher than that of sapphire. Therefore, when a high-intensity LED is used for a long period of time, due to thermal fatigue, a crack is likely to occur in the joint portion between the aluminum material and the copper material and sapphire, and the thermal resistance of the joint surface is likely to increase. When the thermal resistance at the heat dissipation interface increases, heat accumulates in the high-brightness LED product, which may damage the LED chip and damage the light emitter.
従って、発熱源外部のセラミック材料と金属材料からなる放熱装置との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題の早急な解決が求められていた。 Accordingly, there has been a demand for an immediate solution to the problem that cracks are generated due to thermal fatigue caused by the difference in thermal expansion coefficient at the joint portion between the ceramic material outside the heat source and the heat dissipation device made of a metal material.
本発明の主な目的は、放熱装置と発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生する問題を解決することができる放熱装置を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、放熱装置と発熱源との接合部分に、熱疲労によってクラックが発生する問題を解決することができる放熱装置の製造方法を提供することにある。
A main object of the present invention is to provide a heat dissipating device that can solve the problem of cracks caused by thermal fatigue at a joint portion between a heat dissipating device and a heat source.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a heat dissipation device that can solve the problem of cracks caused by thermal fatigue at the joint between the heat dissipation device and a heat source.
上述の課題を解決するために、本発明の放熱装置は、放熱部材を具える。 In order to solve the above-described problems, the heat dissipation device of the present invention includes a heat dissipation member.
放熱部材は、半導体装置などの発熱源に対する導熱部を有する。放熱部材の導熱部と反対側の面は、放熱フィンなどの放熱部を有する。導熱部には、発熱源に直接接合して熱を伝導するセラミック本体が接続される。 The heat radiating member has a heat conducting portion for a heat source such as a semiconductor device. A surface of the heat radiating member opposite to the heat conducting portion has a heat radiating portion such as a heat radiating fin. A ceramic body that conducts heat by joining directly to a heat source is connected to the heat conducting portion.
放熱部材は、フィンを具えた放熱器、板型ヒートパイプ、ヒートパイプ又はウォータブロックである。 The heat radiating member is a heat radiator, a plate heat pipe, a heat pipe or a water block having fins.
セラミック本体の材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）である。 The material of the ceramic body is silicon nitride (Si 3 N 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
上述の課題を解決するために、本発明の放熱装置の製造方法は、以下のステップを含む。 In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a heat dissipation device of the present invention includes the following steps.
放熱フィンなどの放熱部及びその反対側の面に半導体装置などの発熱源に相対する導熱部を形成した放熱部材及び発熱源に直接接合されて熱を伝導するセラミック本体を準備する。 A heat dissipating part such as a heat dissipating fin and a heat dissipating member having a heat conducting part opposite to a heat generating source such as a semiconductor device formed on a surface opposite to the heat dissipating part and a ceramic body that is directly bonded to the heat generating source and conducts heat are prepared.
放熱部材とセラミック本体とを接合する。 The heat dissipating member and the ceramic body are joined.
放熱部材とセラミック本体との接合は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ：ＤＢＣ）によって行われる。 The heat radiating member and the ceramic body are joined by soft solder joining, hard solder joining, diffusion joining, ultrasonic welding, or direct bonding copper (DBC).
本発明の放熱装置は、セラミック本体と放熱部材とが直接接合されて構成される。使用される際、セラミック本体と発熱源外部のセラミック外表面とが接合されることにより、放熱装置と発熱源との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題を解決することができる。 The heat dissipation device of the present invention is configured by directly joining a ceramic body and a heat dissipation member. When used, the ceramic body and the ceramic outer surface outside the heat source are joined, so that cracks occur due to thermal fatigue caused by the difference in thermal expansion coefficient at the joint between the heat dissipation device and the heat source. The problem can be solved.
本発明の目的、特徴および効果を示す実施形態を図面に沿って詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments showing the objects, features, and effects of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（第１実施形態）
図１〜図３を参照する。図１は、本発明の第１実施形態による放熱装置を示す分解斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態による放熱装置を示す斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態による放熱装置を示す側面図である。図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態による放熱装置１は、放熱部材１１を具える。
(First embodiment)
Please refer to FIG. FIG. 1 is an exploded perspective view showing a heat dissipation device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the heat dissipation device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a side view showing the heat dissipation device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1 to 3, the
放熱部材１１は、導熱部１１１を有する。放熱部材１１の導熱部１１１と反対側の側面は、放熱部１１２を有する。導熱部１１１には、セラミック本体１２が接続される。本実施形態中、放熱部材１１は、放熱器である。また、セラミック本体１２の材料は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムである。
The
（第２実施形態）
図４及び図５を参照する。図４は、本発明の第２実施形態による放熱装置を示す分解斜視図である。図５は、本発明の第２実施形態による放熱装置を示す斜視図である。図４及び図５に示すように、本発明の第２実施形態による放熱装置は、第１実施形態による放熱装置と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分は、ここでは繰り返して述べない。本発明の第２実施形態による放熱装置は、放熱部材１１が板型ヒートパイプである点が第１実施形態と異なる。セラミック本体１２は、放熱部材１１の導熱部１１１に接合される。
(Second Embodiment)
Please refer to FIG. 4 and FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view showing a heat dissipation device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a perspective view showing a heat dissipation device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 4 and 5, the heat dissipation device according to the second embodiment of the present invention has the same structure and connection relationship as the heat dissipation device according to the first embodiment. I don't mention. The heat dissipation device according to the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the
（第３実施形態）
図６を参照する。図６は、本発明の第３実施形態による放熱装置を示す断面図である。図６に示すように、本発明の第３実施形態による放熱装置は、第１実施形態による放熱装置と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分は、ここでは繰り返して述べない。本発明の第３実施形態による放熱装置は、放熱部材１１がヒートパイプである点が第１実施形態と異なる。セラミック本体１２には、放熱部材１１の導熱部１１１が接合される。
(Third embodiment)
Please refer to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a heat dissipation device according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the heat dissipating device according to the third embodiment of the present invention has the same structure and connection as the heat dissipating device according to the first embodiment. Therefore, the same parts will not be described again here. The heat dissipation device according to the third embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the
（第４実施形態）
図７及び図８を参照する。図７は、本発明の第４実施形態による放熱装置を示す分解斜視図である。図８は、本発明の第４実施形態による放熱装置を示す斜視図である。図７及び図８に示すように、本発明の第４実施形態による放熱装置は、第１実施形態による放熱装置と一部構造及び接続関係が同一であるため、同一部分は、ここでは繰り返して述べない。本発明の第４実施形態による放熱装置は、放熱部材１１がウォータブロックである点が第１実施形態と異なる。セラミック本体１２は、放熱部材１１の導熱部１１１に接合される。
(Fourth embodiment)
Please refer to FIG. 7 and FIG. FIG. 7 is an exploded perspective view showing a heat dissipation device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 is a perspective view showing a heat dissipation device according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 7 and 8, the heat dissipation device according to the fourth embodiment of the present invention has the same structure and connection relationship as the heat dissipation device according to the first embodiment. I don't mention. The heat radiating device according to the fourth embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the
図９を参照する。図９は、本発明の一実施形態による放熱装置の製造方法を示すフロー図である。図１〜図８を合わせて参照する。本発明の一実施形態による放熱装置の製造方法は、以下のステップからなる。 Please refer to FIG. FIG. 9 is a flowchart showing a method for manufacturing a heat dissipation device according to an embodiment of the present invention. Please refer to FIGS. The manufacturing method of the heat radiating device by one Embodiment of this invention consists of the following steps.
Ｓ１：放熱部材及びセラミック本体を準備する。 S1: Prepare a heat dissipation member and a ceramic body.
Ｓ１において、放熱部材１１及びセラミック本体１２を準備する。放熱部材１１は、放熱器、板型ヒートパイプ、ヒートパイプ又はウォータブロックである。セラミック本体１２の材料は、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムである。
In S1, the
Ｓ２：放熱部材とセラミック本体とを接合する。 S2: Join the heat dissipation member and the ceramic body.
Ｓ２において、放熱部材１１の導熱部１１１とセラミック本体１２とを接合する。放熱部材１１とセラミック本体１２との接合は、軟質はんだ接合、硬質はんだ接合、拡散接合、超音波溶接又は銅直接接合によって行われる。
In S <b> 2, the
本発明の放熱装置は、放熱部材１１（例えば、放熱器、板型ヒートパイプ、ヒートパイプ、ウォータブロックなど）と発熱源との間にセラミック本体１２が接合されて構成される。セラミック本体１２の熱膨張係数は、発熱源の外部に封止されたセラミックパッケージの熱膨張係数に近いため、放熱装置１１と発熱源との接合部分に、熱膨張係数の相違によって発生する熱疲労により、クラックが発生する問題を解決することができ、放熱部材の適用範囲を広げることができる。
The heat radiating device of the present invention is configured by joining a
１ 放熱装置
１１ 放熱部材
１１１ 導熱部
１１２ 放熱部
１２ セラミック本体
1
Claims (10)
前記放熱部材は、発熱源に対する導熱部を有し、前記放熱部材の前記導熱部と反対側の面は、放熱部を有し、前記導熱部には発熱源に直接接するセラミック本体が接続されることを特徴とする放熱装置。 A heat dissipation device including a heat dissipation member,
The heat dissipating member has a heat conducting part for a heat source, the surface of the heat dissipating member opposite to the heat conducting part has a heat dissipating part, and a ceramic body that is in direct contact with the heat source is connected to the heat conducting part. A heat dissipation device characterized by that.
前記放熱部材と前記セラミック本体とを接合するステップと、を含むことを特徴とする放熱装置の製造方法。 Preparing a heat dissipating member and a heat dissipating member provided with a heat conducting part for a heat generating source on the opposite surface of the heat dissipating part, and a ceramic body that directly contacts the heat generating source and conducts the heat;
Joining the said heat radiating member and the said ceramic main body, The manufacturing method of the heat radiating device characterized by the above-mentioned.
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