JP2013026279A - Insulation laminate material, base for power module and power module - Google Patents
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Description
この発明は、絶縁積層材、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュールに関し、さらに詳しくは、たとえばパワーデバイスなどの電子素子が実装される絶縁回路基板として用いられる絶縁積層材、絶縁回路基板となっている絶縁積層材に実装されたパワーデバイスなどの電子素子を冷却するのに用いられるパワーモジュール用ベース、およびパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールに関する。 The present invention relates to an insulating laminate material, a power module base, and a power module, and more particularly, an insulating laminate material used as an insulating circuit substrate on which an electronic element such as a power device is mounted, and an insulating circuit substrate. The present invention relates to a power module base used for cooling an electronic element such as a power device mounted on a laminated material, and a power module in which a power device is mounted on an insulating circuit board of the power module base.
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、「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、「純アルミニウム」という用語は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウムを意味するものとする。 In this specification and claims, the term “aluminum” includes aluminum alloys in addition to pure aluminum, unless expressed as “pure aluminum”. In this specification and claims, the term “pure aluminum” means pure aluminum having a purity of 99.00% by mass or more.
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子（電子素子）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。 For example, in a power module equipped with a power device composed of a semiconductor element (electronic element) such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), the heat generated from the semiconductor element is efficiently dissipated to keep the temperature of the semiconductor element below a predetermined temperature. Need to keep.
この種のパワーモジュールとして、アルミニウム製冷却器および冷却器にろう付された絶縁回路基板からなる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回路基板に実装されたパワーデバイスとよりなり、絶縁回路基板が、セラミック製絶縁板、絶縁板の一面にろう付された純アルミニウム製回路板（第１金属板）および絶縁板の他面にろう付された純アルミニウム製伝熱板（第２金属板）からなる絶縁積層材によって形成されており、絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が電子素子搭載部を有する配線面となされ、当該配線面の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されているパワーモジュールが知られている（特許文献１参照）。 This type of power module consists of an aluminum cooler and a power module base made of an insulated circuit board brazed to the cooler, and a power device mounted on the insulated circuit board of the power module base. A ceramic insulating plate, a pure aluminum circuit board (first metal plate) brazed to one surface of the insulating plate, and a pure aluminum heat transfer plate (second metal plate) brazed to the other surface of the insulating plate The surface of the circuit board of the insulated circuit board opposite to the surface brazed to the insulating board is a wiring surface having an electronic element mounting portion, and the electronic circuit of the wiring surface A power module in which a power device is mounted on an element mounting portion is known (see Patent Document 1).
特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、パワーデバイスから発せられた熱は、回路板、絶縁板および伝熱板を経てヒートシンクに伝えられ、放熱されるようになっている。
In the power module described in
しかしながら、特許文献１に記載されたようなパワーモジュールにおいては、使用時の冷熱サイクル、すなわち絶縁回路基板となっている絶縁積層材が繰り返して加熱、冷却された場合に、絶縁板とヒートシンクにろう付されている伝熱板との線膨張係数の相違に起因して、絶縁板にクラックが発生したり、絶縁板と伝熱板との接合界面に剥離が発生して絶縁性や放熱性が比較的短期間で低下するという問題がある。
However, in a power module such as that described in
この発明の目的は、上記問題を解決し、冷熱サイクル時の絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生を抑制しうる絶縁積層材、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an insulating laminate material and a power module that can suppress generation of cracks in the insulating plate during a cooling / heating cycle and occurrence of peeling at the bonding interface between the insulating plate and the second metal plate It is to provide a base and a power module.
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。 In order to achieve the above object, the present invention comprises the following aspects.
1)絶縁板と、絶縁板の片面に接合されかつ絶縁板とは反対側の面に発熱体が取り付けられるようになされている第１金属板と、絶縁板の他面に接合された第２金属板とよりなり、第１金属板に取り付けられる発熱体から発せられる熱が、第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わるようになされている絶縁積層材であって、
第２金属板の輪郭に、第１金属板の輪郭よりも外側に位置する部分がなく、かつ第２金属板の輪郭の少なくとも一部分が第１金属板の輪郭よりも内側に位置している絶縁積層材。
1) a first metal plate joined to one side of the insulating plate, and a heating element attached to a surface opposite to the insulating plate, and a second joined to the other side of the insulating plate An insulating laminate made of a metal plate, wherein heat generated from a heating element attached to the first metal plate is transmitted to the second metal plate through the first metal plate and the insulating plate,
Insulation in which the contour of the second metal plate has no portion located outside the contour of the first metal plate, and at least a part of the contour of the second metal plate is located inside the contour of the first metal plate Laminated material.
2)第１金属板および第２金属板が方形である上記1)記載の絶縁積層材。 2) The insulating laminated material according to 1) above, wherein the first metal plate and the second metal plate are square.
3)第１金属板および第２金属板が方形であり、第２金属板の輪郭の全体が第１金属板の輪郭よりも内側に位置し、第１金属板の中心と各角部との距離をＬ１、第１金属板の各角部とこれに最も近接した第２金属板の角部との距離をＬ２とした場合、０＜Ｌ２／Ｌ１≦０．０３５という関係を満たす上記1)記載の絶縁積層材。
3) The first metal plate and the second metal plate are square, the entire contour of the second metal plate is located inside the contour of the first metal plate, and the center of the first metal plate and each corner portion When the distance is L1, and the distance between each corner of the first metal plate and the corner of the second metal plate closest to this is L2, the above 1) satisfying the
4)第１金属板と第２金属板とが相似形であり、第１金属板の中心と各角部とを結ぶ直線と、第２金属板の中心と各角部とを結ぶ直線とが平面から見て重なっている上記2)または3)記載の絶縁積層材。 4) The first metal plate and the second metal plate are similar, and a straight line connecting the center of the first metal plate and each corner and a straight line connecting the center of the second metal plate and each corner. The insulating laminate as described in 2) or 3) above, which overlaps when viewed from above.
5)絶縁板と両金属板とがろう付されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。 5) The insulating laminate according to any one of 1) to 4) above, wherein the insulating plate and both metal plates are brazed.
6)第２金属板に、第２金属板の厚み方向にのびる複数の貫通穴が形成されている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。 6) The insulating laminated material according to any one of 1) to 5) above, wherein a plurality of through holes extending in the thickness direction of the second metal plate are formed in the second metal plate.
7)第２金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面に、緩衝板が接合されている上記1)〜6)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。 7) The insulating laminated material according to any one of 1) to 6), wherein a buffer plate is bonded to a surface of the second metal plate opposite to the surface bonded to the insulating plate.
8)第２金属板と緩衝板とが同一の形状および大きさであり、第２金属板および緩衝板の輪郭が合致している上記7)記載の絶縁積層材。 8) The insulating laminated material according to 7) above, wherein the second metal plate and the buffer plate have the same shape and size, and the contours of the second metal plate and the buffer plate are matched.
9)第２金属板に、第２金属板の厚み方向にのびる複数の貫通穴が形成され、第２金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面に、厚み方向にのびる複数の貫通穴が形成された緩衝板が接合されている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。 9) A plurality of through holes extending in the thickness direction of the second metal plate are formed in the second metal plate, and a plurality of holes extending in the thickness direction are formed on the surface of the second metal plate opposite to the surface joined to the insulating plate. The insulating laminated material according to any one of 1) to 5), wherein a buffer plate in which a through hole is formed is joined.
10)第２金属板と緩衝板とが同一の形状および大きさであり、第２金属板および緩衝板の輪郭が合致し、第２金属板および緩衝板の貫通穴が平面から見て同一位置に形成されている上記9)記載の絶縁積層材。 10) The second metal plate and the buffer plate have the same shape and size, the contours of the second metal plate and the buffer plate match, and the through holes of the second metal plate and the buffer plate are in the same position as seen from the plane. The insulating laminated material according to 9) above, which is formed in
11)上記1)〜6)のうちのいずれかに記載された絶縁積層材の第２金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面が、冷却器にろう付されているパワーモジュール用ベース。 11) The power of the second metal plate of the insulating laminate described in any of the above 1) to 6) opposite to the surface joined to the insulating plate is brazed to the cooler Base for modules.
12)上記7)〜10)のうちのいずれかに記載された絶縁積層材の緩衝板における第２金属板に接合された面とは反対側の面が、冷却器にろう付されているパワーモジュール用ベース。 12) The power on which the surface opposite to the surface joined to the second metal plate in the buffer plate of the insulating laminate described in any one of 7) to 10) above is brazed to the cooler Base for modules.
13)上記11)または12)記載のパワーモジュール用ベースの第１金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面が、発熱体となる電子素子を搭載する電子素子搭載部を有する配線面となされ、第１金属板の電子素子搭載部に、パワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。 13) The surface opposite to the surface joined to the insulating plate of the first metal plate of the power module base described in 11) or 12) has an electronic element mounting portion for mounting an electronic element serving as a heating element. A power module having a wiring surface and a power device soldered to an electronic element mounting portion of a first metal plate.
上記1)〜10)の絶縁積層材は、通常、第２金属板における絶縁板とは反対側の面が第２金属板よりも大きな冷却器にろう付され、第１金属板における絶縁板とは反対側の面に発熱体が取り付けられて用いられ、第１金属板に取り付けられる発熱体から発せられる熱が、第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わり、冷却器を介して放熱される。その結果、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板側の膨張量および収縮量が第１金属板側の膨張量および収縮量よりも大きくなる傾向にあるが、この場合であっても、第２金属板の輪郭に、第１金属板の輪郭よりも外側に位置する部分がなく、かつ第２金属板の輪郭の少なくとも一部分が第１金属板の輪郭よりも内側に位置していると、上述した冷熱サイクル時における第２金属板側の膨張量および収縮量と、第１金属板側の膨張量および収縮量との差を小さくすることが可能になる。したがって、上述した冷熱サイクル時における絶縁板に発生する引張／圧縮応力が低減され、特に、絶縁板における第１金属板側の表面に生じる最大主応力が低減され、絶縁板へのクラックの発生が抑制されるとともに、絶縁板と第２金属板との接合界面に作用する力が低減されて当該接合界面での剥離の発生が抑制される。 The insulating laminates 1) to 10) are usually brazed to a cooler having a surface opposite to the insulating plate of the second metal plate larger than the second metal plate, Is used with a heating element attached to the opposite surface, and the heat generated from the heating element attached to the first metal plate is transmitted to the second metal plate through the first metal plate and the insulating plate, and is passed through the cooler. To dissipate heat. As a result, during the thermal cycle in which the insulating laminate is heated and cooled, the expansion amount and the contraction amount on the second metal plate side tend to be larger than the expansion amount and the contraction amount on the first metal plate side. Even so, the contour of the second metal plate does not have a portion located outside the contour of the first metal plate, and at least a portion of the contour of the second metal plate is inside the contour of the first metal plate. If it is located, it becomes possible to reduce the difference between the amount of expansion and contraction on the second metal plate side and the amount of expansion and contraction on the first metal plate side during the above-described cooling cycle. Therefore, the tensile / compressive stress generated in the insulating plate during the above-described cooling cycle is reduced. In particular, the maximum principal stress generated on the surface of the insulating plate on the first metal plate side is reduced, and cracks are generated in the insulating plate. In addition to being suppressed, the force acting on the bonding interface between the insulating plate and the second metal plate is reduced, and the occurrence of peeling at the bonding interface is suppressed.
上記3)の絶縁積層材によれば、上述した冷熱サイクル時における絶縁板に発生する引張／圧縮応力が確実に低減され、絶縁板へのクラックの発生および絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生が効果的に抑制される。Ｌ２／Ｌ１＞０．０３５の場合、すなわち第２金属板が第１金属板よりも小さくなり過ぎると、絶縁板の第１金属板側に発生する引張／圧縮応力が、逆に増加するおそれがある。 According to the insulating laminated material of 3) above, the tensile / compressive stress generated in the insulating plate during the above-described cooling / heating cycle is surely reduced, the generation of cracks in the insulating plate and the bonding between the insulating plate and the second metal plate. Generation of peeling at the interface is effectively suppressed. When L2 / L1> 0.035, that is, when the second metal plate is too smaller than the first metal plate, the tensile / compressive stress generated on the first metal plate side of the insulating plate may increase conversely. is there.
上記6)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が比較的大きく変形することにより応力を効果的に緩和し、絶縁板のクラックや、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離が効果的に抑制される。 According to the insulating laminated material of 6) above, during the cooling cycle in which the insulating laminated material is heated and cooled, the second metal plate is relatively largely deformed to relieve stress effectively, and the insulating plate cracks, Separation at the bonding interface between the insulating plate and the second metal plate is effectively suppressed.
上記7)〜10)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板および緩衝板が比較的大きく変形することにより応力を効果的に緩和し、絶縁板のクラックや、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離が効果的に抑制される。 According to the insulating laminates of the above 7) to 10), during the cooling cycle in which the insulating laminate is heated and cooled, the second metal plate and the buffer plate are relatively greatly deformed to relieve stress effectively, Cracks in the insulating plate and peeling at the bonding interface between the insulating plate and the second metal plate are effectively suppressed.
上記11)および12)のパワーモジュール用ベースによれば、第１金属板の配線面の電子素子搭載部に発熱体となる電子素子が搭載されて使用され、電子素子から発せられる熱が第２金属板に伝わって第２金属板から冷却器に放熱される。そして、絶縁回路基板となっている絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、上記1)〜10)の絶縁積層材で述べたのと同様な効果を奏する。 According to the power module bases of 11) and 12) above, an electronic element serving as a heating element is mounted and used on the electronic element mounting portion on the wiring surface of the first metal plate, and the heat generated from the electronic element is second. It is transmitted to the metal plate and radiated from the second metal plate to the cooler. Then, the same effects as described in the above-described insulating laminate materials 1) to 10) are exhibited during the cooling cycle in which the insulating laminate material serving as the insulating circuit board is heated and cooled.
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。 In the following description, the upper and lower sides and the left and right sides in FIG.
また、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。 Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the same thing through all drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図１はこの発明による絶縁積層材が絶縁回路基板として用いられているパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを示し、図２および図３はこの発明による絶縁積層材からなる絶縁回路基板の要部を示す。図４は、図１に示すパワーモジュールについて行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す。 FIG. 1 shows a power module in which a power device is mounted on a base for a power module in which the insulating laminated material according to the present invention is used as an insulating circuit board. FIGS. 2 and 3 show an insulating circuit made of the insulating laminated material according to the present invention. The principal part of a board | substrate is shown. FIG. 4 shows the results of computer simulation performed on the power module shown in FIG.
図１において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)（電子素子）とよりなる。 In FIG. 1, the power module (1) includes a power module base (2) and a power device (3) (electronic element) mounted on the power module base (2).
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、絶縁板(5)の上面にろう付された方形のアルミニウム製回路板(6)（第１金属板）、および絶縁板(5)の下面にろう付された方形のアルミニウム製応力緩和板(7)（第２金属板）からなる絶縁回路基板(4)（絶縁積層材）と、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)の下面がろう付されたアルミニウム製冷却器(8)とからなる。なお、図１においては１つの絶縁回路基板(4)だけが図示されているが、パワーモジュール用ベース(2)は、複数の絶縁回路基板(4)を備えているのが一般的である。 The power module base (2) includes a square ceramic insulating plate (5), a square aluminum circuit board (6) (first metal plate) brazed to the upper surface of the insulating plate (5), and an insulating plate. Stress relaxation of insulating circuit board (4) (insulating laminated material) made of square aluminum stress relaxation plate (7) (second metal plate) brazed to the lower surface of (5) and insulating circuit board (4) An aluminum cooler (8) having a lower surface of the plate (7) brazed. Although only one insulating circuit board (4) is shown in FIG. 1, the power module base (2) generally includes a plurality of insulating circuit boards (4).
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)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、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および応力緩和板(7)の外周縁部よりも外側に位置している。 The insulating plate (5) of the insulating circuit board (4) may be formed of any ceramic as long as it satisfies the required insulating properties, thermal conductivity and mechanical strength. For example, AlN, It is formed of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or the like. The outer peripheral edge portion of the insulating plate (5) is positioned outside the outer peripheral edge portions of the circuit board (6) and the stress relaxation plate (7).
回路板(6)は、電気伝導率および熱伝導率が高く、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、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、回路板(6)の上面、すなわち回路板(6)における絶縁板(5)にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部(11)を有する配線面(9)となされている。 The circuit board (6) is pure aluminum having high electrical conductivity and thermal conductivity, high deformability, and excellent solderability with a semiconductor element, such as pure aluminum having a purity of 99.99% by mass or more. It is preferable that it is formed by. And the upper surface of the circuit board (6), that is, the surface opposite to the surface brazed to the insulating plate (5) in the circuit board (6), the wiring surface (9) having the electronic element mounting portion (11) It has been.
応力緩和板(7)は、熱伝導率が高く、しかも変形能が高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。応力緩和板(7)に、応力緩和板(7)の厚み方向（上下方向）にのびる複数の貫通穴(12)が形成されている。なお、応力緩和板(7)には、必ずしも貫通穴が形成されている必要はない。 The stress relaxation plate (7) is preferably formed of pure aluminum having high thermal conductivity and high deformability, for example, pure aluminum having a purity of 99.99% by mass or more. A plurality of through holes (12) extending in the thickness direction (vertical direction) of the stress relaxation plate (7) are formed in the stress relaxation plate (7). The stress relaxation plate (7) does not necessarily have a through hole.
冷却器(8)は、複数の冷却流体通路(13)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。なお、冷却器(8)としては、ケース内にインナーフィンが配置されたものが用いられてもよい。 The cooler (8) is preferably a flat hollow shape in which a plurality of cooling fluid passages (13) are provided in parallel, is excellent in thermal conductivity, and is preferably formed of lightweight aluminum. Either a liquid or a gas may be used as the cooling fluid. As the cooler (8), a cooler in which inner fins are arranged in a case may be used.
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の回路板(6)の配線面(9)における電子素子搭載部(11)上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。 The power device (3) is soldered onto the electronic element mounting part (11) on the wiring surface (9) of the circuit board (6) of the insulated circuit board (4), thereby the power module base (2). Has been implemented. Heat generated from the power device (3) is transferred to the cooler (8) through the circuit board (6), the insulating plate (5), and the stress relaxation plate (7), and is cooled in the cooling fluid passage (13). Heat is released to the fluid.
図２および図３に示すように、絶縁回路基板(4)の回路板(6)および応力緩和板(7)は方形状であるとともに相似形である。応力緩和板(7)の輪郭の全体は、平面から見て回路板(6)の輪郭よりも内側に位置している。すなわち、応力緩和板(7)の輪郭に、回路板(6)の輪郭よりも外側に位置する部分がなく、かつ応力緩和板(7)の輪郭の少なくとも一部分が回路板(6)の輪郭よりも内側に位置している。また、回路板(6)および応力緩和板(7)の中心(O)は平面から見て合致しており、回路板(6)の中心(O)と各角部(C)とを結ぶ直線(S)と、応力緩和板(7)の中心と各角部(C1)とを結ぶ直線とが平面から見て重なっている。ここで、回路板(6)における中心(O)と各角部(C)との距離をＬ１、回路板(6)の各角部(C)とこれに最も近接した応力緩和板(7)の角部(C1)との距離をＬ２とした場合、０＜Ｌ２／Ｌ１≦０．０３５という関係を満たしていることが好ましい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the circuit board (6) and the stress relaxation board (7) of the insulated circuit board (4) have a square shape and a similar shape. The entire outline of the stress relaxation plate (7) is located inside the outline of the circuit board (6) when viewed from above. That is, the contour of the stress relaxation plate (7) has no portion located outside the contour of the circuit board (6), and at least a part of the contour of the stress relaxation plate (7) is greater than the contour of the circuit board (6). Is also located inside. In addition, the center (O) of the circuit board (6) and the stress relaxation board (7) coincide with each other when viewed from the plane, and a straight line connecting the center (O) of the circuit board (6) and each corner (C). (S) and a straight line connecting the center of the stress relaxation plate (7) and each corner (C1) overlap each other when seen from the plane. Here, the distance between the center (O) of the circuit board (6) and each corner (C) is L1, each corner (C) of the circuit board (6) and the stress relaxation plate (7) closest to the corner (C). When the distance from the corner (C1) is L2, it is preferable that the
なお、回路板(6)および応力緩和板(7)の角部には丸みが形成されていてもよい。 In addition, roundness may be formed in the corners of the circuit board (6) and the stress relaxation board (7).
パワーモジュール用ベース(2)の製造方法は次の通りである。 The manufacturing method of the power module base (2) is as follows.
まず、冷却器(8)上に、応力緩和板(7)、絶縁板(5)および回路板(6)をこの順序で配置する。冷却器(8)と応力緩和板(7)との間、応力緩和板(7)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にはそれぞれアルミニウムろう材層を設けておく。ろう材層は、たとえばＳｉ１０質量％、Ｍｇ１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるアルミニウムろう材からなる。冷却器(8)と応力緩和板(7)との間に配置されるろう材層は、アルミニウムろう材からなる箔や、心材の両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートなどからなる。また、冷却器(8)と応力緩和板(7)との間に配置されるろう材層は、応力緩和板(7)の下面に予めクラッドされていてもよい。絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和板(7)との間に配置されるろう材層は、アルミニウムろう材からなる箔や、心材の両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートからなる。また、絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置されるろう材層は、回路板(6)の下面に予めクラッドされていてもよく、絶縁板(5)と応力緩和板(7)との間に配置されるろう材層は、応力緩和板(7)の上面に予めクラッドされていてもよい。
First, the stress relaxation plate (7), the insulating plate (5), and the circuit board (6) are arranged in this order on the cooler (8). Aluminum is placed between the cooler (8) and the stress relief plate (7), between the stress relief plate (7) and the insulation plate (5), and between the insulation plate (5) and the circuit board (6). A brazing material layer is provided. The brazing material layer is made of an aluminum brazing material containing, for example, Si 10% by mass and
その後、適当な治具により回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)を加圧した状態にして仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、適当な温度に適当な時間加熱し、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和板(7)とをろう付することにより絶縁回路基板(4)を製造すると同時に、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)と冷却器(8)とをろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。 Then, the heating furnace in which the circuit board (6), the insulating board (5), the stress relaxation board (7), and the cooler (8) were temporarily put in a vacuum atmosphere by using an appropriate jig. The insulated circuit board (4) is manufactured at the same time by brazing the insulating board (5), the circuit board (6), and the stress relaxation board (7) by putting in, heating to an appropriate temperature for an appropriate time, The stress relaxation plate (7) of the insulating circuit board (4) and the cooler (8) are brazed. Thus, the power module base (2) is manufactured.
上述したパワーモジュール(1)において、パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱される。したがって、絶縁回路基板(4)が繰り返して加熱、冷却されることになるが、この冷熱サイクル時においても、次のメカニズムにより、絶縁板(5)のクラックや、絶縁板(5)と回路板(6)との接合界面での剥離の発生が抑制されると考えられる。 In the power module (1) described above, the heat generated from the power device (3) is transferred to the cooler (8) through the circuit board (6), the insulating board (5) and the stress relaxation board (7), and cooled. Heat is radiated to the cooling fluid flowing in the fluid passage (13). Therefore, the insulating circuit board (4) is repeatedly heated and cooled, but even during this cooling cycle, the following mechanism causes cracks in the insulating board (5) and the insulating board (5) and circuit board. It is considered that the occurrence of peeling at the bonding interface with (6) is suppressed.
すなわち、応力緩和板(7)における絶縁板(5)とは反対側の面（下面）が、応力緩和板(7)よりも大きな冷却器(8)にろう付され、回路板(6)における絶縁板(5)とは反対側の面（上面）にパワーデバイス(3)が取り付けられて用いられており、パワーデバイス(3)から発せられる熱が、回路板(6)および絶縁板(5)を経て応力緩和板(7)に伝わり、冷却器(8)の冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱される。その結果、絶縁回路基板(4)が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、応力緩和板(7)側の膨張量および収縮量が回路板(6)側の膨張量および収縮量よりも大きくなる傾向にある。しかしながら、この場合であっても、応力緩和板(7)の輪郭の全体が、平面から見て回路板(6)の輪郭よりも内側に位置していると、上述した冷熱サイクル時における応力緩和板(7)側の膨張量および収縮量と、回路板(6)側の膨張量および収縮量との差を小さくすることが可能になる。したがって、上述した冷熱サイクル時における絶縁板(5)に発生する引張／圧縮応力が低減され、特に、絶縁板(5)における回路板(6)側の上面に生じる最大主応力が低減され、絶縁板(5)へのクラックの発生が抑制されるとともに、絶縁板(5)と応力緩和板(7)との接合界面に作用する力が低減されて当該接合界面での剥離の発生が抑制される。 That is, the surface (lower surface) of the stress relaxation plate (7) opposite to the insulating plate (5) is brazed to the cooler (8) larger than the stress relaxation plate (7), and the circuit board (6) The power device (3) is attached to the surface opposite to the insulating plate (5) (upper surface), and the heat generated from the power device (3) is used as the circuit board (6) and the insulating plate (5 ) Is transmitted to the stress relieving plate (7), and is radiated to the cooling fluid flowing in the cooling fluid passage (13) of the cooler (8). As a result, during the thermal cycle in which the insulated circuit board (4) is heated and cooled, the amount of expansion and contraction on the stress relaxation plate (7) side tends to be larger than the amount of expansion and contraction on the circuit board (6) side. It is in. However, even in this case, if the entire contour of the stress relaxation plate (7) is located on the inner side of the contour of the circuit board (6) when viewed from above, the stress relaxation during the above-described cooling cycle is performed. It is possible to reduce the difference between the amount of expansion and contraction on the board (7) side and the amount of expansion and contraction on the circuit board (6) side. Therefore, the tensile / compressive stress generated in the insulating plate (5) during the above-described cooling cycle is reduced, and in particular, the maximum principal stress generated on the upper surface of the insulating plate (5) on the circuit board (6) side is reduced, and the insulation is reduced. The generation of cracks in the plate (5) is suppressed, and the force acting on the bonding interface between the insulating plate (5) and the stress relaxation plate (7) is reduced, and the occurrence of peeling at the bonding interface is suppressed. The
以下、図１〜図３に示すパワーモジュール(1)について、コンピュータシミュレーションを行った結果を図４に示す。シミュレーション条件は、回路板(6)の厚み：０．６mm、縦：２６．５mm、横：３１．５mm、材質：純度９９．９９質量％の純アルミニウム、絶縁板(5)の厚み：０．６mm、縦：２９mm、横：３４mm、材質ＡｌＮ、応力緩和板(7)の厚み：１．６mm、材質：純度９９．９９質量％の純アルミニウム、冷却器(8)の代わりに厚み：５mm、縦：１００mm、横１００mm、材質：Ａ３００３を共通の条件とし、応力緩和板(7)の縦、横の寸法については、縦：２６．５mm、横：３１．５mm（板(I)）、縦：２７．５mm、横：３２．５mm（板(II)）、縦：２６．１mm、横：３１．１mm（板(III)）、縦：２５．８mm、横：３０．８mm（板(IV)）の４つの異なる条件とした。ここで、回路板(6)における中心(O)と各角部(C)との距離をＬ１、回路板(6)の各角部(C)とこれに最も近接した応力緩和板(7)の角部との距離をＬ２とした場合、上記板(I)ではＬ２／Ｌ１＝０、上記板(II)ではＬ２／Ｌ１＝−０．０３４、上記板(III)ではＬ２／Ｌ１＝０．０１４、上記板(IV)ではＬ２／Ｌ１＝０．０４４である。 FIG. 4 shows the result of computer simulation for the power module (1) shown in FIGS. The simulation conditions were as follows: thickness of the circuit board (6): 0.6 mm, length: 26.5 mm, width: 31.5 mm, material: pure aluminum with a purity of 99.99% by mass, thickness of the insulating board (5): 0. 6 mm, length: 29 mm, width: 34 mm, material AIN, thickness of stress relaxation plate (7): 1.6 mm, material: pure aluminum with a purity of 99.99 mass%, thickness: 5 mm instead of cooler (8), Vertical: 100mm, horizontal 100mm, material: A3003 is the common condition. The vertical and horizontal dimensions of the stress relaxation plate (7) are vertical: 26.5mm, horizontal: 31.5mm (plate (I)), vertical : 27.5 mm, width: 32.5 mm (plate (II)), length: 26.1 mm, width: 31.1 mm (plate (III)), length: 25.8 mm, width: 30.8 mm (plate (IV )) Four different conditions. Here, the distance between the center (O) of the circuit board (6) and each corner (C) is L1, each corner (C) of the circuit board (6) and the stress relaxation plate (7) closest to the corner (C). Is L2 / L1 = 0 for the plate (I), L2 / L1 = −0.034 for the plate (II), and L2 / L1 = 0 for the plate (III). .014, L2 / L1 = 0.044 for the plate (IV).
そして、ろう付後の冷却工程の条件を５８０℃→２０℃とし、その後１２５℃に加熱→−４０℃に冷却を１サイクル行ったとして、絶縁板(5)の上側の中央部および角部に発生する最大主応力を求めた。その結果を図４に示す。図４に示す最大主応力は、上記(I)の場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。 Then, the condition of the cooling process after brazing was changed to 580 ° C. → 20 ° C., then heated to 125 ° C. → cooled to −40 ° C. for one cycle. The maximum principal stress generated was determined. The result is shown in FIG. The maximum principal stress shown in FIG. 4 was obtained as a ratio relative to the maximum principal stress in the case (I) described above.
図４に示す結果から、０＜Ｌ２／Ｌ１という関係を満たしている場合に、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力の増大を抑制しうることが分かる。なお、図４示す結果から、Ｌ２／Ｌ１＞０．０３５になると、応力緩和板(7)が回路板(6)よりも小さくなり過ぎ、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力が、逆に増加するおそれがある。 From the results shown in FIG. 4, it can be seen that the increase in the maximum principal stress generated on the upper side of the insulating plate (5) can be suppressed when the relationship of 0 <L2 / L1 is satisfied. From the results shown in FIG. 4, when L2 / L1> 0.035, the stress relaxation plate (7) becomes too smaller than the circuit board (6), and the maximum principal stress generated on the upper side of the insulating board (5) is Conversely, there is a risk of increasing.
また、上記板(II)の応力緩和板(7)の場合には、実際に回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を、ろう付後の冷却工程の条件を５８０℃→２０℃として実際にろう付を行い、その後１２５℃に加熱→−４０℃に冷却を１サイクル行ったところ、絶縁板(5)にクラックが発生していた。 In the case of the stress relaxation plate (7) of the plate (II), the circuit board (6), the insulating plate (5), and the stress relaxation plate (7) are actually subjected to the cooling process conditions after brazing. Brazing was actually performed at 580 ° C. → 20 ° C., and then heated to 125 ° C. → cooled to −40 ° C. for one cycle. As a result, cracks were generated in the insulating plate (5).
図５は、パワーモジュールの変形例を示す。 FIG. 5 shows a modification of the power module.
図５に示すパワーモジュール(20)の場合、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)の下面に、厚み方向にのびる複数の貫通穴(22)が形成された緩衝板(21)がろう付されている。緩衝板(21)は、応力緩和板(7)と同一の材質であるとともに、応力緩和板(7)と同一の形状および大きさであり、応力緩和板(7)および緩衝板(21)の輪郭が合致している。また、応力緩和板(7)および緩衝板(21)の貫通穴(12)(22)は平面から見て同一位置に形成されている。そして、緩衝板(21)の下面に冷却器(8)がろう付されている。 In the case of the power module (20) shown in FIG. 5, a buffer plate (21) having a plurality of through holes (22) extending in the thickness direction is formed on the lower surface of the stress relaxation plate (7) of the insulated circuit board (4). It is brazed. The buffer plate (21) is made of the same material as the stress relief plate (7) and has the same shape and size as the stress relief plate (7). The contours match. Further, the through holes (12) and (22) of the stress relaxation plate (7) and the buffer plate (21) are formed at the same position as seen from the plane. The cooler (8) is brazed to the lower surface of the buffer plate (21).
図５に示すパワーモジュール(20)において、応力緩和板(7)および緩衝板(21)の貫通穴(12)(22)のうち少なくともいずれか一方は、必ずしも必要としない。 In the power module (20) shown in FIG. 5, at least one of the stress relaxation plate (7) and the through holes (12) and (22) of the buffer plate (21) is not necessarily required.
この発明による絶縁積層材は、パワーデバイスなどの電子素子を冷却するのに用いられるパワーモジュール用ベースに、電子素子が実装される絶縁回路基板として好適に使用される。 The insulating laminated material according to the present invention is suitably used as an insulating circuit board on which electronic elements are mounted on a power module base used for cooling electronic elements such as power devices.
(1)(20)：パワーモジュール
(2)：パワーモジュール用ベース
(3)：パワーデバイス（発熱体）
(4)：絶縁回路基板（絶縁積層材）
(5)：絶縁板
(6)：回路板（第１金属板）
(7)：応力緩和板（第２金属板）
(8)：冷却器
(9)：配線面
(11)：電子素子搭載部
(12)：貫通穴
(21)：緩衝板
(22)：貫通穴
(1) (20): Power module
(2): Base for power module
(3): Power device (heating element)
(4): Insulated circuit board (insulating laminated material)
(5): Insulating plate
(6): Circuit board (first metal plate)
(7): Stress relaxation plate (second metal plate)
(8): Cooler
(9): Wiring surface
(11): Electronic element mounting part
(12): Through hole
(21): Buffer plate
(22): Through hole
Claims (13)
第２金属板の輪郭に、第１金属板の輪郭よりも外側に位置する部分がなく、かつ第２金属板の輪郭の少なくとも一部分が第１金属板の輪郭よりも内側に位置している絶縁積層材。 An insulating plate, a first metal plate joined to one side of the insulating plate and attached to a surface opposite to the insulating plate, and a second metal plate joined to the other side of the insulating plate An insulating laminate material in which heat generated from a heating element attached to the first metal plate is transmitted to the second metal plate through the first metal plate and the insulating plate,
Insulation in which the contour of the second metal plate has no portion located outside the contour of the first metal plate, and at least a part of the contour of the second metal plate is located inside the contour of the first metal plate Laminated material.
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