JP5007296B2 - パワーモジュール用ベース - Google Patents
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Description
この発明は、パワーモジュールを構成するパワーモジュール用ベースに関する。
この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「窒化アルミニウム」、「酸化アルミニウム」および「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。また、この明細書および特許請求の範囲において、「銅」という用語には、純銅の他に銅合金を含むものとする。
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、一面にアルミニウム製配線層が形成されるとともに、他面にアルミニウム製伝熱層が形成されたセラミックス製絶縁基板と、絶縁基板の伝熱層にろう付されたアルミニウム製放熱基板と、放熱基板における絶縁基板にろう付された側と反対側の面にろう付されたアルミニウム製ヒートシンクとからなり、ヒートシンクの内部に冷却液流路が形成されたパワーモジュール用ベースが提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁基板の配線層上にパワーデバイスが装着され、さらに放熱基板上に、パワーデバイスに必要な様々な部品、たとえば絶縁基板およびパワーデバイスを覆う樹脂ケーシングが取り付けられたり、あるいは電気配線枠や電子部品などが取り付けられてパワーモジュールとして用いられる。このパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリットカーなどの移動体のインバータ回路に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御するようになっている。
そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、絶縁基板、伝熱層および放熱基板を経てヒートシンクに伝えられ、冷却液流路内を流れる冷却液に放熱される。
ところで、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクのろう付の際の加熱時に絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクが熱膨張するとともに熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクが熱収縮する。ところが、比較的線膨張係数の大きいアルミニウムからなる放熱基板およびヒートシンクは、ろう付時の加熱により比較的大きく熱膨張しようとする傾向を示す。一方、絶縁基板を形成するセラミックスの線膨張係数は、アルミニウムの線膨張係数よりも小さいので、ろう付時の加熱によっても放熱基板およびヒートシンクほど大きく熱膨張しようとしない。その結果、放熱基板およびヒートシンクの熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、何も対策を講じなければ、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクが熱収縮すると、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板およびヒートシンクの方が大きくなって、放熱基板およびヒートシンクが絶縁基板により引っ張られて放熱基板に反りなどの変形が発生する。その結果、放熱基板に様々な部品を正確に取り付けることができなくなる。たとえば、絶縁基板およびパワーデバイスを覆う樹脂ケーシングの場合、樹脂ケーシングを隙間なく密封状態で取り付けることができなくなるおそれがある。また、電気配線枠や電子部品などのパワーモジュールに必要な部品も正確に取り付けることができなくなるおそれがある。
そして、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、放熱基板の厚みを大きくすることにより、上述したような放熱基板およびヒートシンクの反りを抑制している。しかしながら、放熱基板の厚みを大きくすると、パワーデバイスからヒートシンクまでの熱伝導の経路が長くなり、放熱性能が低下することがある。
特開２００３−８６７４４号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、絶縁基板およびパワーデバイスを覆うケーシングのようなパワーモジュールに必要な部品を正確に取り付けることができ、しかも放熱性能の低下を防止しうるパワーモジュール用ベースを提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)高熱伝導性材料からなる放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱基板の他面に接合された放熱フィンとを備えているパワーモジュール用ベースであって、
放熱基板における絶縁基板が接合された側の面に、放熱基板よりも厚肉でかつ絶縁基板を通す貫通穴を有する部品取付板が、絶縁基板が貫通穴内に位置するように接合されているパワーモジュール用ベース。
放熱基板における絶縁基板が接合された側の面に、放熱基板よりも厚肉でかつ絶縁基板を通す貫通穴を有する部品取付板が、絶縁基板が貫通穴内に位置するように接合されているパワーモジュール用ベース。
2)放熱基板における放熱フィンが接合された側の面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットが固定されており、冷却ジャケット内を冷却液が流れるようになされている上記1)記載のパワーモジュール用ベース。
3)絶縁基板と放熱基板、放熱基板と放熱フィン、および放熱基板と部品取付板とがそれぞれろう付されている上記1)または2)記載のパワーモジュール用ベース。
4)冷却ジャケットにおける放熱基板と対向する壁部分の外面に、第２の部品取付板が接合されている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
5)両部品取付板が相互に結合されている上記4)記載のパワーモジュール用ベース。
6)絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層が設けられ、伝熱層と放熱基板とが接合されている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
7)絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面と、放熱基板とが直接接合されている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
8)絶縁基板がセラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる上記1)〜7)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
9)配線層がアルミニウムまたは銅からなる上記1)〜8)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
10)絶縁基板と放熱基板との間に、高熱伝導性材料からなる応力緩和部材が介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板および放熱基板に接合されている上記1)〜9)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
11)応力緩和部材が、複数の貫通穴が形成された板状体からなる上記10)記載のパワーモジュール用ベース。
12)応力緩和部材が、板状本体と、板状本体の少なくとも一面に相互に間隔をおいて一体に形成された複数の突起とからなる上記10)記載のパワーモジュール用ベース。
13)応力緩和部材が、絶縁基板の線膨張係数と放熱基板の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料からなる上記10)記載のパワーモジュール用ベース。
13)応力緩和部材が、絶縁基板の線膨張係数と放熱基板の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料からなる上記10)記載のパワーモジュール用ベース。
14)応力緩和部材が、多孔質性材料からなる上記10)記載のパワーモジュール用ベース。
15)上記1)〜14)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースと、パワーモジュール用ベースの絶縁基板の配線層上に装着されたパワーデバイスとを備えているパワーモジュール
16)部品取付板上に取り付けられ、かつパワーモジュール用ベースの絶縁基板およびパワーデバイスを覆うケーシングを備えている上記15)記載のパワーモジュール。
16)部品取付板上に取り付けられ、かつパワーモジュール用ベースの絶縁基板およびパワーデバイスを覆うケーシングを備えている上記15)記載のパワーモジュール。
上記1)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板、放熱基板、放熱フィンおよび部品取付板の接合を、たとえばろう付により行う場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板、放熱基板および部品取付板が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板、放熱基板および部品取付板が熱収縮する。ところが、放熱基板は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板および放熱基板が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板の方が大きくなって、放熱基板が絶縁基板により引っ張られ、放熱基板に反りのような変形が発生する。しかしながら、部品取付板は放熱基板よりも厚肉であって剛性が高いので、部品取付板が放熱基板の変形の影響を受けることはなく、部品取付板における放熱基板と接合された面とは反対側の面は平坦面のまま保たれる。したがって、種々の部品を正確に取り付けることが可能になる。たとえば、パワーモジュール用ベースの絶縁基板およびパワーデバイスを覆うケーシングを部品取付板に取り付ける際に、ケーシングと部品取付板との間に隙間が生じることが防止され、ケーシングの内部を密封状態とすることができる。また、電気配線枠や電子部品などのパワーモジュールに必要な部品も正確に取り付けることができる。
しかも、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースの場合のように、放熱基板の肉厚を大きくする必要がないので、パワーデバイスから放熱フィンまでの熱伝導の経路が比較的短くなり、放熱性能の低下が抑制される。
上記2)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板に搭載されたパワーデバイスから発せられた熱は、絶縁基板および放熱基板を経て放熱フィンに伝えられ、放熱フィンから冷却ジャケット内を流れる冷却液に放熱される。したがって、放熱性能が比較的優れたものになる。
上記3)のパワーモジュール用ベースのように、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と放熱フィン、および放熱基板と部品取付板とがそれぞれろう付されている場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板、放熱基板および部品取付板が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板、放熱基板および部品取付板が熱収縮する。ところが、放熱基板は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板および放熱基板が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板の方が大きくなって、放熱基板が絶縁基板により引っ張られ、放熱基板に反りのような変形が発生する。しかしながら、部品取付板は放熱基板よりも厚肉であって剛性が高いので、部品取付板が放熱基板の変形の影響を受けることはなく、部品取付板における放熱基板と接合された面とは反対側の面は平坦面のまま保たれる。したがって、種々の部品を正確に取り付けることが可能になる。たとえば、パワーモジュール用ベースの絶縁基板およびパワーデバイスを覆うケーシングを部品取付板に取り付ける際に、ケーシングと部品取付板との間に隙間が生じることが防止され、ケーシングの内部を密封状態とすることができる。また、電気配線枠や電子部品などのパワーモジュールに必要な部品も正確に取り付けることができる。
上記4)のパワーモジュール用ベースによれば、第２の部品取付板を利用して、パワーモジュール全体を納めるハウジングや、電気配線枠やパワーモジュールに必要な様々な部品などを取り付けることができる。しかも、これらの部品が発熱体である場合には、冷却ジャケット内を流れる冷却液によりこれらの発熱部品を冷却することができる。
上記6)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板に搭載されるパワーデバイスから伝わった熱が、伝熱層の面方向に拡散されて放熱基板に伝わるので、放熱基板、ひいては放熱フィンへの伝熱性が向上する。
上記10)〜14)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板の配線層上にパワーデバイスが装着されて、パワーモジュールが構成される。このパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリットカーのインバータ回路に適用され、運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、絶縁基板および放熱基板を経て放熱フィンに伝えられ、放熱フィンから放熱される。このとき、絶縁基板と放熱基板との間に、高熱伝導性材料からなる応力緩和部材が介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板および放熱基板に接合されているので、次のような効果を奏する。すなわち、パワーデバイスから発せられる熱により高温（たとえば、１５０℃程度）に加熱されるので、絶縁基板および放熱基板は熱膨張しようとする。特に、放熱基板が比較的熱伝導性に優れたアルミニウムから形成されている場合、アルミニウムの線膨張係数が絶縁基板に比べて大きいので、放熱基板と絶縁基板との熱膨張差により、放熱基板が絶縁基板に引っ張られて反ろうとし、熱応力が発生する。しかしながら、応力緩和部材の働きによりにより熱応力が緩和されるので、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、放熱基板に反りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって維持される。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。
図１はこの発明によるパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールの全体構成を示す。
図１において、パワーモジュール用ベース(1)は、放熱基板(2)と、放熱基板(2)の上面にろう付された絶縁基板(3)と、放熱基板(2)の下面にろう付された放熱フィン(4)と、放熱基板(2)の上面における絶縁基板(3)の周囲の部分にろう付された上側部品取付板(5)と、放熱基板(2)の下面に、放熱フィン(4)を覆うように固定された冷却ジャケット(6)と、冷却ジャケット(6)の下面にろう付された下側部品取付板(7)（第２の部品取付板）とを備えている。
放熱基板(2)は、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料、ここではアルミニウムで形成されている。放熱基板(2)の肉厚は０．１〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．４ｍｍ程度であることが望ましい。
絶縁基板(3)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのような絶縁材料から形成されていてもよいが、たとえばセラミックから形成される場合、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが用いられる。絶縁基板(3)の肉厚は０．１〜１ｍｍであることが好ましい。絶縁基板(3)上面に配線層(8)が設けられるとともに下面に伝熱層(9)が設けられている。配線層(8)は、導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。伝熱層(9)は、熱伝導性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。また、配線層(8)および伝熱層(9)は同一材料で形成されていることが好ましい。さらに、配線層(8)および伝熱層(9)の肉厚は、０．１〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．６ｍｍ程度であることが望ましい。そして、伝熱層(9)が放熱基板(2)にろう付されている。なお、配線層(8)および伝熱層(9)が予め設けられた絶縁基板(3)としては、ＤＢＡ(Direct Brazed Aluminum、登録商標)基板や、ＤＢＣ(Direct Bonded Copper、登録商標)基板などを用いることができる。
放熱フィン(4)は、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料、ここではアルミニウムで形成されており、波頂部、波底部、および波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状であり、波頂部および波底部の長さ方向を図１の紙面表裏方向に向けて、放熱基板(2)にろう付されている。放熱フィン(4)の肉厚は０．５ｍｍ、フィン高さ１０ｍｍ、フィンピッチ１．３ｍｍ程度である。
上側部品取付板(5)は放熱基板(2)と同じ材料、ここではアルミニウムで形成されており、その上面は平坦面となっている。上側部品取付板(5)には、絶縁基板(3)を通すための貫通穴(11)が形成されている。また、上側部品取付板(5)は放熱基板(2)よりも厚肉であり、上側部品取付板(5)の肉厚は１．０〜３．０ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ程度であることが望ましい。この場合、上側部品取付板(5)の剛性を、放熱基板(2)の剛性よりも十分に高くすることが可能になり、後述するパワーモジュール用ベース(1)の製造時に、上側部品取付板(5)の変形が防止される。そして、上側部品取付板(5)は、絶縁基板(3)が貫通穴(11)内に位置するように、放熱基板(2)の上面にろう付されている。
なお、放熱基板(2)の上面に複数の絶縁基板(3)がろう付されている場合、上側部品取付板(5)には、絶縁基板(3)を通す貫通穴が絶縁基板(3)と同数形成されたり、すべての絶縁基板(3)を通す１つの貫通穴が形成されたり、あるいは１または複数の絶縁基板(3)を通す貫通穴が絶縁基板(3)の数よりも少なく形成されたりする。
冷却ジャケット(6)は放熱基板(2)と同じ材料、ここではアルミニウムで形成されており、放熱基板(2)の下面にろう付された金属製、ここではアルミニウム製周壁(6a)と、周壁(6a)にろう付されかつ周壁の下端開口を塞ぐ底壁(6b)とにより全体に箱状となされている。図示は省略したが、冷却ジャケット(6)の周壁(6a)に、冷却液入口パイプおよび冷却液出口パイプが接続されており、冷却液入口パイプから送り込まれた冷却液が冷却ジャケット(6)内を流れ、冷却液出口パイプから送り出されるようになっている。
下側部品取付板(7)は上側部品取付板(5)と同じ材料、ここではアルミニウムで形成されており、冷却ジャケット(6)の底壁(6b)の下面にろう付されている。上側部品取付板(5)の周縁部と、下側部品取付板(7)の周縁部との間には、貫通状のねじ穴(12a)を有する複数のめねじ部材(12)が、周方向に適当な間隔をおいて配置されており、上側部品取付板(5)および下側部品取付板(7)にろう付され、上下両部品取付板(5)(7)が相互に結合されている。また、上側部品取付板(5)および下側部品取付板(7)におけるめねじ部材(12)のねじ穴(12a)と対応する部分には、それぞれ貫通穴(5a)(7a)が形成されている。なお、図示は省略したが、めねじ部材(12)が配置されていない部分においては、上側部品取付板(5)の周縁部の所要箇所および下側部品取付板(7)の周縁部の所要箇所は、それぞれ相互に他方側に突出するように折り曲げられており、両板(5)(7)の折り曲げ部が相互にろう付されている。
なお、パワーモジュール用ベース(1)において、絶縁基板(3)の下面に伝熱層(9)が形成されず、絶縁基板(3)が直接放熱基板(2)にろう付されることがある。
パワーモジュール用ベース(1)は次のようにして製造される。
すなわち、絶縁基板(3)の下面に放熱基板(2)を積層し、放熱基板(2)の上面に、上側部品取付板(5)を、絶縁基板(3)が貫通穴(11)内に位置するように積層する。また、放熱基板(2)の下面に放熱フィン(4)、冷却ジャケット(6)の周壁(6a)および底壁(6b)を配置する。さらに、冷却ジャケット(6)の底壁(6b)の下面に下側部品取付板(7)を積層し、上側部品取付板(5)と下側部品取付板(7)との間にめねじ部材(12)を配置する。放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(9)との間、放熱基板(2)と放熱フィン(4)および周壁(6a)との間、および放熱基板(2)と上側部品取付板(5)との間、底壁(6b)と放熱フィン(4)および周壁(6a)との間、底壁(6b)と下側部品取付板(7)との間、ならびにめねじ部材(12)と上側部品取付板(5)および下側部品取付板(7)との間には、それぞれＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などからなるシート状アルミニウムろう材を介在させておく。また、両板(5)(7)の折り曲げ部間にも、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などからなるアルミニウムろう材を介在させておく。
ついで、放熱基板(2)、絶縁基板(3)、放熱フィン(4)、上側部品取付板(5)、冷却ジャケット(6)の周壁(6a)および底壁(6b)、下側部品取付板(7)、ならびにめねじ部材(12)を適当な手段で仮止めし、接合面に適当な荷重を加えながら、真空雰囲気中または不活性ガス雰囲気中において、５７０〜６００℃に加熱することによって、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(9)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱基板(2)と上側部品取付板(5)、放熱基板(2)と周壁(6a)、放熱フィン(4)および周壁(6a)と底壁(6b)、底壁(6)と下側部品取付板(7)、上側部品取付板(5)および下側部品取付板(7)とめねじ部材(12)とをそれぞれ同時にろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(1)が製造される。
上述したろう付の際の加熱時には、絶縁基板(3)、配線層(8)、伝熱層(9)、放熱基板(2)、放熱フィン(4)、上側部品取付板(5)、周壁(6a)、底壁(6b)、下側部品取付板(7)およびめねじ部材(12)が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後これらは熱収縮する。ここで、放熱基板(2)の熱膨張の度合は絶縁基板(3)よりも大きく、その結果放熱基板(2)の熱収縮の度合も絶縁基板(3)よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板(3)および放熱基板(2)が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板(3)よりも放熱基板(2)の方が大きくなり、放熱基板(2)が絶縁基板(3)により引っ張られて反るように変形する。しかしながら、放熱基板(2)が変形したとしても、上側部品取付板(5)が放熱基板(2)よりも厚肉であって剛性が高く、しかも上側部品取付板(5)および放熱基板(2)がいずれもアルミニウムからなりかつ両者の線膨張係数の差がほとんどないので、放熱基板(2)の変形が上側部品取付板(5)に影響することはない。したがって、上側部品取付板(5)の平坦度は維持され、上側部品取付板(5)の上面は平坦面のまま保たれる。
上述したパワーモジュール用ベース(1)によれば、絶縁基板(3)の配線層(8)上にパワーデバイス(P)が、たとえばはんだ付で接合されることにより装着され、さらにパワーモジュール用ベース(1)の絶縁基板(3)およびパワーデバイス(P)を覆う樹脂ケーシング(13)が上側部品取付板(5)に取り付けられることにより、パワーモジュールが構成される。樹脂ケーシング(13)の下端開口の周縁部には外向きフランジ(13a)が形成されており、外向きフランジ(13a)を上方から貫通するとともに貫通穴(5a)に通されたおねじ(14)をめねじ部材(12)のめねじ穴(12a)内にねじ嵌めることにより、樹脂ケーシング(13)が上側部品取付板(5)に取り付けられている。ここで、上側部品取付板(5)の上面が平坦面であるから、樹脂ケーシング(13)を上側部品取付板(5)に取り付ける際に、樹脂ケーシング(13)の外向きフランジ(13a)と上側部品取付板(5)との間に隙間が生じることが防止され、樹脂ケーシング(13)の内部を密封状態とすることができる。また、上側部品取付板(5)には、電気配線枠や電子部品などのパワーモジュールに必要な部品も正確に取り付けることができる。
また、下側部品取付板(7)を利用して、パワーモジュール全体を納めるハウジングや、電気配線枠や、電子部品などのパワーモジュールに必要な様々な部品が取り付けられる。
上述したパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリットカーのインバータ回路に適用され、運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。
この際、パワーデバイス(P)から発せられた熱は、配線層(8)、絶縁基板(3)、伝熱層(9)および放熱基板(2)を経て放熱フィン(4)に伝えられ、放熱フィン(4)から冷却ジャケット(6)内を流れる冷却液に放熱される。
上述したパワーモジュール用ベース(1)において、絶縁基板(3)の伝熱層(9)と放熱基板(2)との間に、高熱伝導性材料からなる応力緩和部材が介在させられ、応力緩和部材が伝熱層(9)および放熱基板(2)にろう付されることがある。
応力緩和部材を有するパワーモジュール用ベース(1)を用いたパワーモジュールの場合、パワーデバイス(P)から発せられた熱は、配線層(8)、絶縁基板(3)、伝熱層(9)および放熱基板(2)を経て放熱フィン(4)に伝えられ、放熱フィン(4)から冷却ジャケット(6)内を流れる冷却液に放熱される。このとき、絶縁基板(3)および放熱基板(2)は、パワーデバイス(P)から発せられる熱により高温（たとえば、１５０℃程度）に加熱されるので、熱膨張しようとする。特に、放熱基板(2)が比較的熱伝導性に優れたアルミニウムから形成されている場合、アルミニウムの線膨張係数が絶縁基板(3)に比べて大きいので、放熱基板(2)と絶縁基板(3)との熱膨張差により、放熱基板(2)が絶縁基板(3)に引っ張られて反ろうとする。しかしながら、応力緩和部材の働きにより、放熱基板(2)を引っ張る力が緩和され、放熱基板(2)における反りの発生が抑制される。
また、応力緩和部材を有するパワーモジュール用ベース(1)を用いたパワーモジュールが低温環境下（たとえば、−５０℃程度）に長時間放置された場合、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の差に起因して放熱基板(2)が絶縁基板(3)の拘束の下で収縮して反ろうとする。しかしながら、応力緩和部材の働きにより、放熱基板(2)を引っ張る力が緩和され、放熱基板(2)における反りの発生が抑制される。
さらに、応力緩和部材を有するパワーモジュール用ベース(1)の製造にあたり、すべての部材をろう付する場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板(3)および放熱基板(2)が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板(3)および放熱基板(2)が熱収縮する。ところが、放熱基板(2)は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板(3)の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板(2)の熱膨張の度合は絶縁基板(3)よりも大きく、その結果放熱基板(2)の熱収縮の度合も絶縁基板(3)よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板(3)および放熱基板(2)が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板(3)よりも放熱基板(2)の方が大きくなって、放熱基板(2)が絶縁基板(3)により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、応力緩和部材の働きにより、放熱基板(2)を引っ張る力が緩和され、放熱基板(2)における反りの発生が抑制される。
応力緩和部材の例を図２〜図４に示す。
図２に示す応力緩和部材(20)は、アルミニウム製板状体(21)に、複数の非角形、ここでは円形貫通穴(22)が千鳥配置状に形成されたものであり、貫通穴(22)が応力吸収空間となっている。円形貫通穴(22)は、板状体(21)における少なくとも絶縁基板(3)の周縁部と対応する位置、すなわち板状体(21)における絶縁基板(3)の周縁部と対応する周縁部を含んで、全体に形成されている。板状体(21)は、熱伝導率が高く、ろう付時の加熱により強度が低下して変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度９９％以上、望ましく純度９９．５％以上の純アルミニウムにより形成されているのがよい。板状体(21)の肉厚は０．３〜３ｍｍであることが好ましく、０．３〜１．５ｍｍであることが望ましい。貫通穴(22)の円相当径、ここでは貫通穴(22)が円形であるから、その穴径は１〜４ｍｍであることが好ましい。また、板状体(21)の一面の面積に対するすべての貫通穴(22)の面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
なお、図２に示す応力緩和部材(20)において、板状体(21)の周縁部のみに、複数の円形貫通穴(22)が形成されていてもよい。この場合にも、板状体(21)の一面の面積に対するすべての貫通穴(22)の面積の合計の割合は、図２に示す応力緩和部材(20)の場合と同様に、３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。また、図２に示す応力緩和部材(20)において、円形貫通穴(22)の代わりに、方形貫通穴が形成されていてもよい。すなわち、貫通穴の形状、配置は適宜変更可能である。また、貫通穴(22)に代えて、板状体(21)の少なくともいずれか一面に、複数の凹所形成されていてもよい。この場合、凹所としては、凹球面状、円錐台状、四角錐状、直方体状、溝状などのものが用いられる。凹所の形状、配置は適宜変更可能である。さらに、板状体(21)には、貫通穴と凹所とが混在するように形成されていてもよい。
図３に示す応力緩和部材(30)は、アルミニウムからたとえば冷間鍛造により形成されたものであり、板状本体(31)と、板状本体(31)の上面に千鳥配置状に間隔をおいて形成された複数の中実円柱状突起(32)とからなる。そして、突起(32)の先端面が伝熱層(9)にろう付され、板状本体(31)の下面が放熱基板(2)にろう付されている。応力緩和部材(30)は、熱伝導率が高く、ろう付時の加熱により強度が低下して変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度９９％以上、望ましく純度９９．５％以上の純アルミニウムにより形成されているのがよい。
板状本体(31)の肉厚は０．５〜３ｍｍであることが好ましい。板状本体(31)の肉厚が薄すぎると、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の相違に起因してパワーモジュール用デバイス(1)に熱応力が発生した場合の応力緩和部材(30)の変形が不十分になって、応力緩和部材(30)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、この肉厚が厚すぎると、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するおそれがあるからである。
パワーモジュール用デバイス(1)に発生する熱応力が比較的大きい場合には、突起(32)の突出高さが横断面の外径よりも大きくなっていることが好ましく、突起(32)の突出高さは０．８ｍｍを超え１．５ｍｍ以下であり、横断面の外径は０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ未満であることがより好ましい。突起(32)の突出高さが低すぎ、かつ突起(32)の横断面の外径が大きすぎると、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の相違に起因してに熱応力が発生した場合の応力緩和部材(30)の変形が不十分になって、応力緩和部材(30)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、突起(32)の突出高さが高すぎ、かつ突起(32)の横断面の外径が小さすぎると、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するおそれがあるからである。
また、パワーモジュール用デバイス(1)に発生する熱応力が比較的小さい場合には、突起(32)の突出高さが横断面の外径よりも小さくなっていることが好ましく、突起(32)の突出高さは０．５〜０．８ｍｍ、横断面の外径は１．５〜３ｍｍであることがより好ましい。突起(32)の突出高さが低すぎ、かつ突起(32)の横断面の外径が大きすぎると、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の相違に起因してパワーモジュール用デバイス(1)に熱応力が発生した場合の応力緩和部材(30)の変形が不十分になって、応力緩和部材(30)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、突起(32)の突出高さが高すぎ、かつ突起(32)の横断面の外径が小さすぎると、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するおそれがあるからである。
なお、図３に示す応力緩和部材(30)を、高熱伝導性材料、ここではアルミニウムからなり、かつ応力緩和部材(30)の突起(32)を通す複数の貫通穴を有する熱伝導板と組み合わせて用いてもよい。この熱伝導板は、貫通穴に突起(32)を通した状態で、応力緩和部材(30)における板状本体(31)の上面に配置され、絶縁基板(3)の伝熱層(9)および応力緩和部材(30)の板状本体(31)にろう付される。ここで、突起(32)の外周面と貫通穴の内周面との間、および応力緩和部材(30)の板状本体(31)の上面と熱伝導板の下面との間には、それぞれ隙間を存在させることが好ましい。この場合、これらの隙間に、高熱伝導性グリースまたは熱伝導樹脂が充填されていることが好ましい。また、絶縁基板(3)の伝熱層(9)と放熱基板(2)との間に、図３に示す応力緩和部材(30)が２枚配置されていてもよい。この場合、上側の応力緩和部材(30)は突起(32)が下向きとなるように配置され、下側の応力緩和部材(30)は突起(32)が上向きとなるように配置され、上側応力緩和部材(30)の板状本体(31)の上面が絶縁基板(3)の伝熱層(9)にろう付されるとともに、下側応力緩和部材(30)の板状本体(31)の下面が放熱基板(2)にろう付される。また、図３に示す応力緩和部材(30)において、突起(32)に上下方向に伸びる貫通穴が形成されていてもよい。さらに、図３に示す応力緩和部材(30)において、突起の形状は適宜変更可能である。
図４に示す応力緩和部材(40)は、多孔質材料で形成された板状体(41)からなる。板状体(41)は、アルミニウムなどの金属繊維からなる織物および不織布、炭素繊維からなる織物および不織布、セラミックス繊維からなる織物および不織布などを用いて形成される。
また、図示は省略したが、絶縁基板(3)の伝熱層(9)と放熱基板(2)との間に介在させられる応力緩和部材としては、絶縁基板(3)の線膨張係数と、放熱基板(2)の線膨張係数との中間の線膨張係数を有する材料からなる板状体が用いられることがある。たとえば、絶縁基板(3)がセラミックス製であり、放熱基板(2)がアルミニウム製の場合、応力緩和部材の板状体は、線膨張係数が１２×１０−６／℃程度の材料で形成することが好ましい。
図５に、上述した応力緩和部材(20)(30)(40)が、パワーモジュール用ベース(1)における絶縁基板(3)の伝熱層(9)と放熱基板(2)との間に介在させられ、伝熱層(9)および放熱基板(2)にろう付された例を示す。
上述した応力緩和部材(20)(30)(40)を備えたパワーモジュール用ベースにおいて、絶縁基板(3)の伝熱層(9)と放熱基板(2)との間に、高熱伝導性材料からなる応力緩和部材が介在させられる代わりに、伝熱層(9)に代えて上述したような応力緩和部材が配置され、応力緩和部材が絶縁基板(3)に直接ろう付されるとともに、放熱基板(2)にろう付されることもある。
この発明のパワーモジュール用ベースは、パワーデバイスを備えたパワーモジュールを構成し、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱するのに好適に使用される。そして、この発明のパワーモジュール用ベースによれば、パワーモジュールに必要な様々な部品を正確に取り付けることが可能になる。
Claims (16)
- 高熱伝導性材料からなる放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱基板の他面に接合された放熱フィンとを備えているパワーモジュール用ベースであって、
放熱基板における絶縁基板が接合された側の面に、放熱基板よりも厚肉でかつ絶縁基板を通す貫通穴を有する部品取付板が、絶縁基板が貫通穴内に位置するように接合されているパワーモジュール用ベース。 - 放熱基板における放熱フィンが接合された側の面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットが固定されており、冷却ジャケット内を冷却液が流れるようになされている請求項１記載のパワーモジュール用ベース。
- 絶縁基板と放熱基板、放熱基板と放熱フィン、および放熱基板と部品取付板とがそれぞれろう付されている請求項１または２記載のパワーモジュール用ベース。
- 冷却ジャケットにおける放熱基板と対向する壁部分の外面に、下側部品取付板が接合されている請求項１〜３のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
- 両部品取付板が相互に結合されている請求項４記載のパワーモジュール用ベース。
- 絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層が設けられ、伝熱層と放熱基板とが接合されている請求項１〜５のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
- 絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面と、放熱基板とが直接接合されている請求項１〜５のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
- 絶縁基板がセラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる請求項１〜７のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
- 配線層がアルミニウムまたは銅からなる請求項１〜８のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
- 絶縁基板と放熱基板との間に、高熱伝導性材料からなる応力緩和部材が介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板および放熱基板に接合されている請求項１〜９のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
- 応力緩和部材が、複数の貫通穴が形成された板状体からなる請求項１０記載のパワーモジュール用ベース。
- 応力緩和部材が、板状本体と、板状本体の少なくとも一面に相互に間隔をおいて一体に形成された複数の突起とからなる請求項１０記載のパワーモジュール用ベース。
- 応力緩和部材が、絶縁基板の線膨張係数と放熱基板の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料からなる請求項１０記載のパワーモジュール用ベース。
- 応力緩和部材が、多孔質性材料からなる請求項１０記載のパワーモジュール用ベース。
- 請求項１〜１４のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースと、パワーモジュール用ベースの絶縁基板の配線層上に装着されたパワーデバイスとを備えているパワーモジュール。
- 部品取付板上に取り付けられ、かつパワーモジュール用ベースの絶縁基板およびパワーデバイスを覆うケーシングを備えている請求項１５記載のパワーモジュール。
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