JP4729336B2 - パワーモジュール用基板 - Google Patents

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Description

本発明はパワーモジュール用基板に関する。
特許文献１に従来の絶縁回路基板が開示されている。この絶縁回路基板は、一方の面に半導体チップ等のパワーデバイスが実装されるアルミニウム製の配線層と、配線層の他方の面に接合された絶縁性セラミック製の絶縁基板と、絶縁基板の他方の面に接合されたアルミニウム製の放熱層とを備える。また、この絶縁回路基板は、絶縁基板の他方の面側に複数のフィンを備えている。具体的には、放熱層の他方の面には複数の細孔が形成された金属板がハンダ等で接合され、舌状をなすフィン又は薄板を折り曲げてなるフィンが各細孔に挿着され、ハンダ等で接合されている。
このような構成である特許文献１の絶縁回路基板は、配線層の一方の面にパワーデバイスが実装される。そして、この絶縁回路基板は、例えば、冷媒室が形成され、冷媒室内に冷却媒体を流通させるヒートシンクに搭載されて、パワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば、電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等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ー等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイスが発する高熱を配線層、絶縁基板、放熱層及び金属板を介してフィンに伝え、さらにフィンからヒートシンクの冷却媒体に伝えて、その熱を放熱する。
また、特許文献２に他の従来の絶縁回路基板が開示されている。この絶縁回路基板は、上記特許文献１の絶縁回路基板とほぼ同様の構成である配線層、絶縁基板及び放熱層を備えている。また、この絶縁回路基板は、絶縁基板の他方の面側に放熱板を備えている。放熱板は、平板部と、平板部の他方の面に一体に形成された複数のフィンからなる。この放熱板は、放熱層の他方の面に平板部の一方の面がハンダ等で接合されている。
このような構成である特許文献２の絶縁回路基板も、上記特許文献１のものと同様、ヒートシンクに搭載されて、パワーモジュールとなり、パワーデバイスが発する高熱を配線層、絶縁基板、放熱層及び放熱板の平板部を介してフィンに伝え、さらにフィンからヒートシンクの冷却媒体に伝えて、その熱を放熱する。
特開平８−１０７１６６号公報 特開２００４−２４７６８４号公報
しかし、上記特許文献１、２の絶縁回路基板では、製造コスト及び耐久性に関して、下記の問題があった。
すなわち、製造コストに関し、特許文献１の絶縁回路基板では、放熱性能の向上を図るために、金属板に多数の細孔を形成し、かつ多数の放熱フィンを個別に製造しなければならず、部品加工工程を短縮することが難しい。また、この絶縁回路基板では、金属板の多数の細孔の各々に多数のフィンを一つ一つ挿着しなければならず、組付け工程も短縮することが難しい。このため、この絶縁回路基板では、製造コストの低廉化が困難であった。
また、特許文献２の絶縁回路基板でも、放熱性能の向上を図るために、放熱板に薄いフィンを数多く形成しようとすると、切削加工や押出成形等の加工コストが上昇し、製造コストの低廉化が困難であった。
また、耐久性に関し、特許文献１、２の絶縁回路基板では、金属板又は放熱板の平板部が絶縁基板の他方の面側に接合されていることから、絶縁基板と、金属板又は放熱板の平板部との間の線膨張係数の差に起因する熱膨張差により、絶縁基板が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合の懸念があった。具体的には、絶縁基板は、セラミック等からなるため、線膨張係数が小さく（窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の線膨張係数は、約３．２×１０-6／°Ｃ）、金属板又は放熱板の平板部は、アルミニウム等の金属からなるため、絶縁基板に比べて線膨張係数が大きい（アルミニウム合金の線膨張係数は、約２３×１０-6／°Ｃ）。このため、接合された双方の温度が上昇するにつれて、相互間で熱膨張差が生じ、接合面にせん断力が作用したり、全体を反らす力が作用したりして、絶縁基板が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合の原因となる。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、放熱性能を向上させつつ、製造コストの低廉化と耐久性の向上とを実現可能なパワーモジュール用基板を提供することを解決すべき課題としている。
本発明のパワーモジュール用基板は、一方の面にパワーデバイスが実装される配線層と、該配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、複数のフィンが波状に形成され、該絶縁基板の他方の面側に各該フィンの頂部が接合されたコルゲートフィンとを備える絶縁回路基板と、
冷媒室、流入路及び流出路が形成され、該流入路は該冷媒室に冷却媒体を流入させ、該流出路は該冷媒室から該冷却媒体を流出させるものであるヒートシンクとを有し、
該冷媒室内に該コルゲートフィンが収納された状態、かつ該絶縁基板が該冷媒室を封止する状態で、該ヒートシンクに該絶縁基板の周縁が固定され、
該コルゲートフィンは、各該フィンの該頂部を除く部分が波長方向に延びる切れ目により分断されていることを特徴とする。
このような構成である本発明のパワーモジュール用基板は、配線層の一方の面にパワーデバイスが実装されて、パワーモジュールとなる。
そして、このパワーモジュールは、例えば、電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等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ー等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイスが発する高熱を配線層及び絶縁基板を介して、コルゲートフィンの各フィンに伝え、各フィンからヒートシンクの冷媒室内を流通する冷却媒体にその熱を伝えて放熱する。
ここで、本発明のパワーモジュール用基板では、冷媒室内にコルゲートフィンが収納された状態、かつ絶縁基板が冷媒室を封止する状態で、ヒートシンクに絶縁基板の周縁が固定されていることから、パワーデバイスからの熱をヒートシンク自体を介さずに、コルゲートフィンの各フィンから冷却媒体に伝えることができる。このため、このパワーモジュール用基板は、パワーデバイスから各フィンまでの伝熱経路を大幅に短縮することができ、放熱性能を向上させることが可能である。
また、本発明のパワーモジュール用基板における絶縁回路基板では、絶縁基板の他方の面側にコルゲートフィンの各フィンの頂部が接合されており、特許文献１、２の絶縁回路基板における金属板等が介在していない。このため、この絶縁回路基板は、パワーデバイスから各フィンまでの伝熱経路を大幅に短縮することができ、放熱性能を向上させることが可能である。
また、この絶縁回路基板は、複数のフィンが波状に形成されたコルゲートフィンを用いる。このため、この絶縁回路基板では、放熱性能の向上を図るために、多数のフィンを形成する場合でも、コルゲートフィンの加工工程がそれ程長くならず、加工コストもそれ程上昇しない。また、この絶縁回路基板では、絶縁基板の他方の面側に各フィンの頂部を一度で又は少ない回数で接合することができるため、多数のフィンを絶縁基板の他方の面側に比較的容易に組み付けることができる。このため、特許文献１の絶縁回路基板のように金属板に多数の細孔を形成し、かつ多数の放熱フィンを個別に製造する必要がなくなり、部品加工工程を大幅に短縮することができる。また、特許文献１の絶縁回路基板のように金属板の多数の細孔の各々に多数のフィンを一つ一つ挿着する必要もなくなり、組付け工程も大幅に短縮することができる。また、特許文献２の絶縁回路基板のように多数の薄いフィンを切削加工や押出成形等により形成する必要がないので、加工コストを抑えることができる。このため、この絶縁回路基板は、放熱性能の向上を図りつつ、製造コストの低廉化を実現できる。
また、この絶縁回路基板は、絶縁基板の他方の面側に薄板からなるコルゲートフィンの各フィンの頂部が間隔を開けて帯状に接合されているだけである。このため、この絶縁回路基板では、パワーデバイスからの熱によりコルゲートフィンが熱膨張する際、絶縁基板を反らすように作用する力はそれ程大きくならない。このため、この絶縁回路基板では、絶縁基板とコルゲートフィンとの間の熱膨張差による絶縁基板の割れやヒビの発生等の不具合も抑制されることとなり、耐久性の向上を実現できる。
したがって、本発明のパワーモジュール用基板は、放熱性能を向上させつつ、製造コストの低廉化と耐久性の向上とを実現することができる。
また、本発明のパワーモジュール用基板において、コルゲートフィンは、各フィンの頂部を除く部分が波長方向に延びる切れ目により分断されている。このため、コルゲートフィンの波長方向と波長方向に直交する方向とで剛性が異なるという異方性が大幅に解消されることから、絶縁基板が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合の発生を一層抑制することができる。また、コルゲートフィンは、頂部に分断されていない部分を有しており、一体のものとして取り扱うことができるので、組み付け工程における作業性も低下しない。
本発明のパワーモジュール用基板において、絶縁基板の周縁がヒートシンクに固定される具体例としては、配線層や放熱層の面積を絶縁基板よりも一回り小さくして、絶縁基板の周縁近傍を露出させておき、この絶縁基板の周縁近傍がヒートシンクに固定され得る。この場合、絶縁回路基板を固定する部材と配線層とが接触しないようにすることができる。ここで、絶縁回路基板を固定する部材は、金属製である可能性が高いので、両者を絶縁する必要もなくなり、製造コストの低廉化に寄与する。
配線層は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウム、銅等からなる層により構成され得る。
絶縁基板は、厚さ０．５〜３ｍｍ程度の薄い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等の絶縁性セラミックからなる板により構成され得る。好適な熱伝導性の観点から、窒化アルミニウム製のものであることが好ましい。
コルゲートフィンは、厚さ０．１〜１ｍｍ程度の薄いアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金、ステンレス鋼等からなる薄板により構成され得る。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記絶縁基板と前記コルゲートフィンとの間には放熱層が備えられていることが好ましい。
この場合、絶縁回路基板の他方の面側にコルゲートフィンの各頂部を接合する際に、ロウ付け等の簡便な方法で容易に実施することができる。また、絶縁基板より熱伝導率が高い放熱層であれば、パワーデバイスから伝わる熱が放熱層において面方向に拡散されるので、放熱性能を一層向上させることができる。
放熱層は、厚さ０．１〜０．６ｍｍ程度の薄いアルミニウム、銅等からなる層により構成され得る。基本的には、放熱層は、上述の配線層と同じ材質とし、厚みを配線層の厚みと同程度とし、又はコルゲートフィンの厚みを考慮して、配線層の厚みより若干薄くすれば、絶縁回路基板の一方の面側と他方の面側との熱膨張差に起因する反りをある程度抑制することが可能である。
また、この絶縁回路基板として、例えば、配線層、絶縁基板及び放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板とコルゲートフィンを備え、放熱層に各フィンの頂部が接合されたものであってもよい。従来公知の絶縁回路基板としては、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum、登録商標）基板、ＤＢＣ（Direct Bonded Cupper、登録商標）基板等を採用することが可能である。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記放熱層は前記配線層より薄いものであり得る。
これは、放熱層に接合された各フィンの頂部により、放熱層に対して若干の補強効果があることから、その分だけ放熱層を配線層より薄くしても、絶縁回路基板の一方の面側と他方の面側との熱膨張差に起因する反りを抑制することができるからである。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記コルゲートフィンにおける各前記頂部の他方側である各前記フィンの底部には補強板が接合され得る。
この場合、各前記フィンの底部に接合された補強板により、絶縁回路基板全体の剛性が向上し、絶縁基板が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合の発生を抑制することができる。また、コルゲートフィン自体は、波長方向と波長方向に直交する方向とで剛性が異なる異方性を有するが、この補強板が接合されれば、コルゲートフィンの異方性を緩和させることができる。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記コルゲートフィンは、各前記フィンが矩形であり得る。
この場合、このパワーモジュール用基板は、絶縁回路基板の他方の面側に接合される各フィンの頂部の接合面又は補強板に接合される各フィンの底部の接合面を所定の面積に設定することが容易となる。このため、このパワーモジュール用基板は、コルゲートフィンによる絶縁回路基板の一方の面側に対する補強効果を調整することが一層容易になり、耐久性をさらに向上させることが可能となる。
本発明のパワーモジュール用基板において、前記ヒートシンクと前記絶縁基板の周縁とは、弾性力により該絶縁基板を該ヒートシンクに向けて押圧するばね材によって固定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクと前記絶縁回路基板とは、互いの寸法変化が許容可能に固定されることが可能である。これにより、線熱膨張係数が比較的大きいアルミニウム等の材料からなるヒートシンクと、線熱膨張係数が比較的小さい窒化アルミニウム等の材料からなる絶縁基板との間の熱膨張差が許容されることから、絶縁基板が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合を抑制することができる。
また、この場合、この絶縁回路基板をねじ止め等の他の方法よりも簡便にヒートシンクに固定したり、取り外したりすることができる。このため、この絶縁回路基板は、組み付け作業やメンテナンス作業が容易となる。この際、ヒートシンクと絶縁基板の周縁との間にＯリング等の封止手段を介在させるようにすれば、両者の寸法変化を許容しつつ、封止することができるので、より好ましい。
以下、本発明を具体化した実施例１〜９を図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において、上側を表面、下側を裏面とする。
（実施例１）
図１〜図４に示すように、実施例１の絶縁回路基板１１は、表面にパワーデバイス９１が実装される配線層２１と、配線層２１の裏面に接合された絶縁基板３１と、複数のフィン４１ａが波状に形成され、絶縁基板３１の裏面側に各フィン４１ａの頂部４１ｂが接合されたコルゲートフィン４１とを備えている。また、絶縁基板３１の裏面とコルゲートフィン４１との間には、放熱層５１が備えられている。
配線層２１は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウムからなる層により構成されている。配線層２１には、この絶縁回路基板１１を使用する際、半導体チップ等のパワーデバイス９１がワイヤーボンディング等の手段により実装される。
絶縁基板３１は、絶縁性と好適な熱伝導性とが要求されるため、絶縁性セラミック製であり、厚さ０．６３５ｍｍの薄い窒化アルミニウムからなる板により構成されている。窒化アルミニウムの線膨張係数は３．２×１０-6／°Ｃであるため、絶縁基板３１は、熱膨張し難い特性を有している
放熱層５１は、配線層２１よりも少し薄い厚さ０．３ｍｍ程度のアルミニウムからなる層により構成されている。
配線層２１、絶縁基板３１及び放熱層５１の縦横寸法に関して、絶縁基板３１では、縦が約４０ｍｍ、横が約４０ｍｍの矩形とされている。また、配線層２１及び放熱層５１では、縦が約３０ｍｍ、横が約３０ｍｍの矩形とされており、絶縁基板３１よりも一回り小さくなっている。このため、絶縁基板３１の周縁近傍の表面及び裏面は露出された状態となっている。
コルゲートフィン４１は、厚み０．２ｍｍ程度のアルミニウム製薄板が繰り返し折り曲げられることにより、複数のフィン４１ａが波状に形成されたものである。各フィン４１ａの頂部４１ｂ及び底部４１ｃは、丸くカーブしつつ隣り合う各フィン４１ａ同士を繋いでいる。コルゲートフィン４１は、高さが５ｍｍ、各フィン４１ａの間隔が約２ｍｍとさされている。
このように構成される実施例１の絶縁回路基板１１は、例えば、下記の通り、製造される。
まず、配線層２１となるアルミニウムクラッド材料製の薄板と、絶縁基板３１と、放熱層５１となるアルミニウムクラッド材料製の薄板とを上方からこの順序で積層する。そして、アルミニウムクラッド材料の薄板の表層が溶融する程度の高温まで加熱し、その後に冷却して、これらが接合された積層体を得る。
次に、上記積層体の下方の放熱層５１の裏面に、アルミロウ付け材料を介して、コルゲートフィン４１の頂部４１ｂを当接させ、治具等で挟持する。そして、アルミロウ付け材料が溶融する程度の高温まで加熱し、その後に冷却する。これにより、放熱層５１の裏面にコルゲートフィン４１の頂部４１ｂが接合された絶縁回路基板１１が完成する。こうして得られた絶縁回路基板１１では、図３及び図４に拡大して示すように、コルゲートフィン４１の頂部４１ｂが放熱層５１の裏面にアルミロウ付けされた接合部４１ｄの列が形成されている。
実施例１の絶縁回路基板１１は、上記の製造方法以外によっても製造される。例えば、配線層２１となるアルミニウムクラッド材料製の薄板と、絶縁基板３１と、放熱層５１となるアルミニウムクラッド材料製の薄板と、アルミニウムクラッド材料製の薄板からなるコルゲートフィン４１とを上方からこの順序で積層して、治具等で挟持する。そして、高温で加熱し、その後に冷却して、これらが接合された絶縁回路基板１１を得ることも可能である。
このような構成である実施例１の絶縁回路基板１１は、図５に示すように、配線層２１の表面にパワーデバイス９１が実装される。そして、この絶縁回路基板１１は、ヒートシンク６１に搭載される。
ヒートシンク６１は、アルミニウム合金からなる。アルミニウム合金の線膨張係数は、約２３×１０-6／°Ｃであり、絶縁基板３１を構成する窒化アルミニウムの線膨張係数（約３．２×１０-6／°Ｃ）よりも大きい。このため、ヒートシンク６１と絶縁回路基板１１とがともにパワーデバイス９１が発する熱により加熱された場合、ヒートシンク６１は、絶縁基板３１よりも大きく熱膨張する傾向を有している。
ヒートシンク６１の表面には、冷媒室６１ａの一部を構成する凹部６１ｂが設けられ、その凹部６１ｂの周囲にＯリング溝６１ｃが形成されている。そして、Ｏリング溝６１ｃ内には、Ｏリング６１ｄが装着されている。
このヒートシンク６１の凹部６１ｂ内に絶縁回路基板１１の裏面側のコルゲートフィン４１が収納されるように、絶縁回路基板１１を凹部６１ｂの上方から載置し、ばね材６１ｅにより固定する。こうして、絶縁回路基板１１と凹部６１ｂとによって、冷媒室６１ａが形成され、冷却媒体がコルゲートフィン４１に沿って、冷媒室６１ａ内を流通することが可能となる。
ばね材６１ｅは、弾性変形能が高いばね鋼板製である。このばね材６１ｅは、一方が絶縁回路基板１１の周縁を上方からヒートシンク６１の表面に向けて押圧するようにクランク状に折り曲げられ、他方がヒートシンク６１の表面にロウ付けされるものである。このような形状とされたばね材６１ｅは、ヒートシンク６１と絶縁回路基板１１との間の熱膨張差による寸法変化が生じても、その寸法変化に追従可能となっている。
また、この際、ヒートシンク６１の表面と、ばね材６１ｅにより固定された絶縁回路基板１１を構成する絶縁基板３１の裏面の周縁近傍とは、Ｏリング６１ｄを介して当接する。これにより、ヒートシンク６１と絶縁回路基板１１との間は、冷却媒体が漏れないように封止状態とされている。
こうして、実施例１の絶縁回路基板１１は、ヒートシンク６１に搭載されて、パワーモジュールとなり、例えば、電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等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ー等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールは、パワーデバイス９１が発する高熱を配線層２１、絶縁基板３１及び放熱層５１を介して、コルゲートフィン４１の各フィン４１ａに伝え、各フィン４１ａからヒートシンク６１の冷媒室６１ａ内を流通する冷却媒体にその熱を伝えて放熱する。
ここで、実施例１の絶縁回路基板１１では、絶縁基板３１の裏面側にコルゲートフィン４１の各フィン４１ａの頂部４１ｂが接合されており、特許文献１、２の絶縁回路基板における金属板等が介在していない。このため、この絶縁回路基板１１は、パワーデバイス９１から各フィン４１ａまでの伝熱経路を大幅に短縮することができており、放熱性能を向上させることが可能となっている。
また、この絶縁回路基板１１は、複数のフィン４１ａが波状に形成されたコルゲートフィン４１を用いている。このため、この絶縁回路基板１１では、放熱性能の向上を図るために、多数のフィン４１ａを形成する場合でも、コルゲートフィン４１の加工工程がそれ程長くならず、加工コストもそれ程上昇しない。また、この絶縁回路基板１１では、絶縁基板３１の裏面側に各フィン４１ａの頂部４１ｂを一度で又は少ない回数で接合することができるため、多数のフィン４１ａを絶縁基板３１の裏面側に比較的容易に組み付けることができている。このため、特許文献１の絶縁回路基板のように金属板に多数の細孔を形成し、かつ多数の放熱フィンを個別に製造する必要がなくなっており、部品加工工程を大幅に短縮することができている。また、特許文献１の絶縁回路基板のように金属板の多数の細孔の各々に多数のフィンを一つ一つ挿着する必要もなくなっており、組付け工程も大幅に短縮することができている。また、特許文献２の絶縁回路基板のように多数の薄いフィンを切削加工や押出成形等により形成する必要がなくなっているので、加工コストを抑えることができている。このため、この絶縁回路基板１１は、放熱性能の向上を図りつつ、製造コストの低廉化を実現できている。
また、この絶縁回路基板１１は、絶縁基板３１の裏側に薄板からなるコルゲートフィン４１の各フィン４１ａの頂部４１ｂが間隔を開けて帯状に接合されているだけである。このため、この絶縁回路基板１１では、パワーデバイス９１からの熱によりコルゲートフィン４１が熱膨張する際、絶縁基板３１を反らすように作用する力はそれ程大きくならない。このため、この絶縁回路基板１１では、絶縁基板３１とコルゲートフィン４１との間の熱膨張差による絶縁基板３１の割れやヒビの発生等の不具合も抑制されており、耐久性の向上を実現できている。
したがって、実施例１の絶縁回路基板１１は、放熱性能を向上させつつ、製造コストの低廉化と耐久性の向上とを実現することができている。
また、この絶縁回路基板１１において、絶縁基板３１とコルゲートフィン４１との間には絶縁基板３１より熱伝導率が高い放熱層５１が備えられているので、絶縁回路基板１１の裏面側にコルゲートフィン４１の各頂部４１ｂを接合する際に、ロウ付け等の簡便な方法で容易に実施することができている。また、パワーデバイス９１から伝わる熱が放熱層５１において面方向に拡散されるようになっており、放熱性能を一層向上させることができている。
さらに、この絶縁回路基板１１において、放熱層５１は配線層２１より薄いものである（配線層２１が厚み０．４ｍｍ程度であるのに対して、放熱層５１は厚み０．３ｍｍ程度）。その理由は、放熱層５１に接合された各フィン４１ａの頂部４１ｂにより、放熱層５１に対して若干の補強効果があることから、その分だけ放熱層５１を配線層２１より薄くしても、絶縁回路基板１１の表面側と裏面側との熱膨張差に起因する反りを抑制することができているからである。
また、この絶縁回路基板１１が適用されたパワーモジュール用基板１では、冷媒室６１ａ内にコルゲートフィン４１が収納された状態でヒートシンク６１に絶縁回路基板１１が冷媒室６１ａを封止する状態で固定されている。このため、パワーモジュール用基板１では、パワーデバイス９１からの熱をヒートシンク６１自体を介さずに、コルゲートフィン４１の各フィン４１ａから冷却媒体に伝えることができる。このため、このパワーモジュール用基板１は、パワーデバイス９１から各フィン４１ａまでの伝熱経路を大幅に短縮することができており、放熱性能を向上させることができている。
さらに、このパワーモジュール用基板１において、絶縁回路基板１１を構成する絶縁基板３１の露出された周縁近傍が金属製のバネ材６１ｅによりヒートシンク６１に固定されている。このため、絶縁回路基板１１を固定するバネ材６１ｅと配線層２１とが接触しないので、両者を絶縁する必要もなくなっており、製造コストの低廉化に寄与している。
また、このパワーモジュール用基板１において、ヒートシンク６１と絶縁回路基板１１とは、バネ材６１ｅ及びＯリング６１ｄにより、互いの寸法変化が許容可能に固定されている。このため、線熱膨張係数が比較的大きいアルミニウム合金からなるヒートシンク６１と、線熱膨張係数が比較的小さい窒化アルミニウムからなる絶縁基板３１との間の熱膨張差が許容されている。このため、このパワーモジュール用基板１は、絶縁基板３１が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合を抑制することができている。
（実施例２）
実施例２の絶縁回路基板１２は、実施例１の絶縁回路基板１１のコルゲートフィン４１に対して、図６〜図９に示すように、コルゲートフィン４２が波長方向に延びる切れ目４２ｅにより分断された複数のフィン部材４２ｆからなる点、及び切れ目４２ｅを挟んで隣り合う各フィン４２ａのピッチがずれている点が異なる。その他の構成は、実施例１の絶縁回路基板１１と同様であるので、説明は省く。
コルゲートフィン４２は、複数のフィン部材４２ｆからなる。各フィン部材４２ｆは、厚み０．２ｍｍ程度のアルミニウム製薄板が繰り返し折り曲げられることにより、複数のフィン４２ａが波状に形成され、波長方向に狭い幅で伸びるものである。各フィン４２ａの各頂部４２ｂ及び各底部４２ｃは、丸くカーブしつつ隣接する各フィン４２ａ同士を繋いでいる。各フィン部材４２ｆは、高さが５ｍｍ、各フィン４２ａの間隔が約２ｍｍとされている。
実施例２の絶縁回路基板１２では、このような形状である複数のフィン部材４２ｆが絶縁回路基板１２の放熱層５１の裏面に、所定の隙間を有して並列に並べられた後、各フィン部材４２ｆの頂部４２ｂが放熱層５１の裏面にロウ付け等により接合される。こうして、各フィン部材４２ｆ同士の隙間は、隣り合うフィン部材４２ｆ同士を分断する切れ目４２ｅとされる。
この際、並列に並べられた複数のフィン部材４２ｆは、隣り合うもの同士で波長方向にずらして配置されている。このため、こうして得られた絶縁回路基板１２において、コルゲールフィン４２は、切れ目４２ｅを挟んで隣り合うフィン４２ａのピッチが図８に拡大して示すようにずれている。また、絶縁回路基板１２では、コルゲートフィン４２の頂部４２ｂが放熱層５１の裏面にアルミロウ付けされた接合部４２ｄの列が形成されている。
このような構成である実施例２の絶縁回路基板１２も、図１０に示すように、配線層２１の表面にパワーデバイス９１が実装される。そして、この絶縁回路基板１２は、冷媒室６１ａ内にコルゲートフィン４２が収納された状態でヒートシンク６１に搭載される。
ここで、実施例２の絶縁回路基板１２は、ヒートシンク６１にバネ材６２ｅにより固定される。ヒートシンク６１に係るその他の構成は、全て実施例１で述べた通りであるので説明は省く。
バネ材６２ｅは、実施例１のバネ材６１ｅの中間に「Ｎ」字状の折り曲げ加工が施されている。このため、バネ材６２ｅは、実施例１のバネ材６１ｅと比較して、ヒートシンク６１と絶縁回路基板１２との間の寸法変化に対する追従性がさらに向上している。
こうして、実施例２の絶縁回路基板１２も、ヒートシンク６１に搭載されて、パワーモジュールとなり、例えば、ハイブリッドカー等の移動体に搭載されて、実施例１の絶縁回路基板１１と同様の作用効果を奏することができている。
それに加えて、実施例２の絶縁回路基板１２において、コルゲートフィン４２は、波長方向に延びる切れ目４２ｅにより分断された複数のフィン部材４２ｆからなっている。このため、コルゲートフィン４２の波長方向と波長方向に直交する方向とで剛性が異なるという異方性が大幅に解消されており、絶縁基板３１が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合の発生を一層抑制することができている。
また、実施例２の絶縁回路基板１２において、コルゲールフィン４２は、切れ目４２ｅを挟んで隣り合う各フィン４２ａのピッチがずれていることから、コルゲートフィン４２の周囲を流通する冷却媒体は、各フィン４２ａに沿って上流から下流へと流通しつつ、ピッチのずれた次のフィン４２ａによって、分断される。このため、冷却媒体は、適度に攪拌されつつ流通する。その結果として、この絶縁回路基板１２では、各フィン４２ａの近傍において、流通する冷却媒体の境界層が顕著に生じて放熱性能が低下するという不具合を抑制することができている。このため、この絶縁回路基板１２は、放熱性能を一層向上させることができている。
（実施例３）
実施例３の絶縁回路基板１３は、実施例１のコルゲートフィン４１及び実施例２のコルゲートフィン４２に対して、図１１及び図１２に示すように、コルゲートフィン４３の各フィン４３ａの頂部４３ｂを除く部分が波長方向に延びる切れ目４３ｅにより分断されている点及び各フィン４３ａが矩形である点が異なる。その他の構成は、実施例１の絶縁回路基板１１と同様であるので、説明は省く。
各フィン４３ａの頂部４３ｂ及び底部４３ｃは、直角に折り曲げられつつ隣り合う各フィン４３ａ同士を繋いでおり、その結果として、図１１に示すように、各フィン４３ａの折り曲げ断面が矩形となっている。
このような構成である実施例３の絶縁回路基板１３も、配線層２１の表面にパワーデバイス９１が実装される。そして、図１０に示す実施例２の絶縁回路基板１２と同様に、この絶縁回路基板１３も、冷媒室６１ａ内にコルゲートフィン４３が収納された状態でヒートシンク６１に搭載される。ヒートシンク６１の構成は、実施例２で述べた通りであるので説明は省く。
こうして、実施例３の絶縁回路基板１３も、実施例１の絶縁回路基板１１と同様に、ヒートシンク６１に搭載されて、パワーモジュールとなり、例えば、ハイブリッドカー等の移動体に搭載されて、実施例１の絶縁回路基板１１及び実施例２の絶縁回路基板１２と同様の作用効果を奏することができている。
それに加えて、実施例３の絶縁回路基板１３において、コルゲートフィン４３は、各フィン４３ａの頂部４３ｂを除く部分が波長方向に延びる切れ目４３ｅにより分断されている。このため、コルゲートフィン４３は、頂部４３ｂに分断されていない部分を有しており、一体のものとして取り扱うことができているので、実施例１のコルゲートフィン４１と比較して、組付け工程における作業性も低下してしない。
また、実施例３の絶縁回路基板１３において、コルゲートフィン４３の各フィン４３ａが矩形であることから、放熱層５１の裏面に接合される各フィン４３ａの頂部４３ｂの接合面積を所定の面積に設定することが容易となっている。このため、この絶縁回路基板１３は、コルゲートフィン４３による絶縁回路基板１３の裏面側に対する補強効果を調整することが一層容易になっており、耐久性をさらに向上させることが可能となっている。
（実施例４）
実施例４の絶縁回路基板１４は、実施例２の絶縁回路基板１２のコルゲートフィン４２における各頂部４２ｂの他方側である各フィン４２ａの底部４２ｃに、図１３〜図１６に示すように、補強板４９が接合されたものである。その他の構成は、実施例２の絶縁回路基板１２と同様であるので、説明は省く。
補強板４９は、厚み２ｍｍのアルミニウム合金製の板であり、縦横寸法は、配線層２１及び放熱層５１と同じ寸法とされている。
この補強板４９は、コルゲートフィン４２が放熱層５１の裏面に接合される際に、同時にコルゲートフィン４２と接合される。具体的には、各フィン４２ａの底部４３ｃに補強板４９の表面が当接されて、ロウ付けにより接合される。こうして得られた絶縁回路基板１４では、図１５及び図１６に拡大して示すように、コルゲートフィン４２の底部４２ｃが補強板４９の表面にアルミロウ付けされた接合部４９ａの列が形成されている。
このような構成である実施例４の絶縁回路基板１４も、図１７に示すように、配線層２１の表面にパワーデバイス９１が実装される。そして、この絶縁回路基板１４は、冷媒室６１ａ内にコルゲートフィン４２及び補強板４９が収納された状態でヒートシンク６１に搭載される。ヒートシンク６１の構成は、上述した通りであるので説明は省くが、ばね材６４ｅがロウ付けでなくボルト６４ｆでヒートシンク６１の表面に固定されている点が異なる。これにより、バネ材６４ｅは着脱可能となっており、絶縁回路基板１４を取り外すことが可能となっている。
こうして、実施例４の絶縁回路基板１４も、ヒートシンク６１に搭載されて、パワーモジュールとなり、例えば、ハイブリッドカー等の移動体に搭載されて、実施例１の絶縁回路基板１１及び実施例２の絶縁回路基板１２と同様の作用効果を奏することができている。
それに加えて、実施例４の絶縁回路基板１４において、コルゲートフィン４２における各頂部４２ｂの他方側である各フィン４２ａの底部４２ｃには補強板４９が接合されている。このため、絶縁回路基板１４全体の剛性が向上しており、絶縁基板３１が割れたり、ヒビを生じたりする等の不具合の発生を抑制することができている。また、コルゲートフィン４２自体は、波長方向と波長方向に直交する方向とで剛性が異なる異方性を有するが、この補強板４９が接合されることにより、コルゲートフィン４２の異方性を緩和させることができている。発明者らが試算した結果によれば、コルゲートフィン４２の高さが５ｍｍ程度程度と充分に確保されていれば、補強板４９が接合された絶縁基板３１の反りも極めて小さくすることができている（反りは２μｍ以下）。但し、コルゲートフィン４２の高さが減少する程、絶縁基板３１の反りが増加する傾向があることが解っている。
（実施例５）
実施例５のパワーモジュール用基板５は、実施例１〜実施例４で述べたパワーモジュール用基板１〜４を改良し、複数の絶縁回路基板を簡便な方法により搭載可能にしたものである。実施例５のパワーモジュール用基板５は、実施例１〜４の絶縁回路基板１１〜１４のいずれかを採用することが可能であるが、ここでは便宜上、実施例１の絶縁回路基板１１を採用して説明する。
実施例５のパワーモジュール用基板５は、図１８及び図１９に示すように、６枚（２×３列に配列される）の絶縁回路基板１１と、ヒートシンク６５とを有する。
ヒートシンク６５には、一枚のベースプレート６５ｚ上に配設された６組（２×３列に配列される）の冷媒室６５ａ、流入路６５ｇ及び流出路６５ｈが形成されている。流入路６５ｇは冷媒室６５ａに冷却媒体を流入させ、流出路６５ｈは冷媒室６５ａから冷却媒体を流出させるものである。
各絶縁回路基板１１は、ヒートシンク６５にバネ材６５ｅとＯリング６１ｄとにより封止状態で固定されている。この際、各絶縁回路基板１１のコルゲートフィン４１は、冷媒室６５ａ内に収納された状態となっている。
バネ材６５ｅは、弾性変形能が高いバネ鋼板製であり、図２０及び図２１に示すように、上方から見て、中央に大きな開孔６５１ｅを有する矩形をなし、四辺各々が下方に折り曲げられて、下端側に係止用凸部６５２ｅが形成されている。このばね材６５ｅは、図１８及び図１９に示すように、ヒートシンク６５に載置された絶縁回路基板１１の上方から被せられて、係止用凸部６５２ｅをヒートシンク６５に形成された係止用凹部６５３ｅに嵌め合わされることにより、絶縁回路基板１１をヒートシンク６５に固定するようになっている。この際、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１との間にＯリング６１ｄが介在することにより、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１との間が封止状態とされるとともに、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１とが互いの寸法変化を許容可能となっている。
このような構成である実施例５のパワーモジュール用基板５は、パワーデバイス９１が実装された複数の絶縁回路基板１１が搭載されて、パワーモジュールとなり、例えば、ハイブリッドカー等の移動体に搭載されて、上述の作用効果を奏することができている。それに加えて、このパワーモジュール用基板５は、複数の絶縁回路基板１１を簡便な方法により搭載可能となっている。特にバネ材６５ｅにより、絶縁回路基板１１の着脱を容易に実施可能であり、メンテナンス性も大幅に向上している。
（実施例６）
実施例６のパワーモジュール用基板６は、実施例５のパワーモジュール用基板５のばね材６５ｅに対して、図２２〜図２４に示すように、ばね材６６ｅの形状が異なる。その他の構成は実施例５のパワーモジュール用基板５と同様であるので説明は省く。
バネ材６６ｅも、ばね材６５ｅと同様に、弾性変形能が高いバネ鋼板製であり、図２３及び図２４に示すように、上方からみて、中央に大きな開孔６６１ｅを有する矩形をなし、四辺各々が一端上方に折り曲げられた後、下方に折り曲げられて、下端側に係止用穴部６６２ｅが形成されている。このばね材６６ｅは、図２２に示すように、ヒートシンク６５に載置された絶縁回路基板１１の上方から被せられて、係止用穴部６６２ｅをヒートシンク６５に形成された係止用凸部６６３ｅに嵌め合わされることにより、絶縁回路基板１１をヒートシンク６５に固定するようになっている。この際、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１との間にＯリング６１ｄが介在することにより、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１との間が封止状態とされるとともに、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１とが互いの寸法変化を許容可能となっている。
このような構成である実施例６のパワーモジュール用基板６も、実施例５のパワーモジュール用基板５と同様に、パワーデバイス９１が実装された絶縁回路基板１１が搭載されて、パワーモジュールとなり、同様の作用効果を奏することができている。
（実施例７）
実施例７のパワーモジュール用基板７は、実施例５、６のパワーモジュール用基板５、６のばね材６５ｅ、６６ｅの代わりに、図２５に示すように、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１との寸法変化を許容可能な接着剤６７ｅによって固定されている点が異なる。その他の構成は実施例５のパワーモジュール用基板５と同様であるので説明は省く。
接着剤６７ｅは、耐熱性、耐水性及び弾性変形能が高いシリコン系の弾性接着剤である。この接着剤６７ｅは、図２５に示すように、ヒートシンク６５に絶縁回路基板１１を載置する際、双方の間に介在させて、絶縁回路基板１１の裏面側の周縁をヒートシンク６５に接着固定するようになっている。この接着剤６７ｅにより、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１との間が封止状態とされるとともに、ヒートシンク６５と絶縁回路基板１１とが互いの寸法変化を許容可能となっている。
このような構成である実施例７のパワーモジュール用基板７も、実施例５、６のパワーモジュール用基板５、６と同様に、パワーデバイス９１が実装された絶縁回路基板１１が搭載されて、パワーモジュールとなり、同様の作用効果を奏することができている。また、部品点数を削減することができているので、製造コストの低廉化が可能となっている。
（実施例８）
実施例１〜実施例７のパワーモジュール用基板１〜７では、絶縁回路基板１１〜１４とヒートシンク６１、６５とが別体となっているのに対して、実施例８のパワーモジュール用基板８では、図２６〜図２８に示すように、絶縁回路基板１１とヒートシンク６８とが一体とされたものである点が異なる。実施例８のパワーモジュール用基板８は、実施例１〜４の絶縁回路基板１１〜１４のいずれかを採用することが可能であるが、ここでは便宜上、実施例１の絶縁回路基板１１を採用して説明する。
実施例８のパワーモジュール用基板８において、絶縁回路基板１１は、パワーデバイス９１が実装される前の製造工程において、予めヒートシンク６８のベースプレート６８ｚの表面に、周壁部材６８ｊを介して一体に接合固定される。
周壁部材６８ｊは、表面に亜鉛メッキ又はニッケルメッキ処理が施されたされた鉄又は銅製のものであり、図２８に示すように、上面から見て矩形をなす側壁部６８１ｊと、側壁部６８１ｊの上端から水平外側に伸びる上面部６８２ｊと、側壁部６８１ｊの下端から水平外側に伸びる下面部６８３ｊとからなる。
絶縁回路基板１１と周壁部材６８ｊとベースプレート６８ｚとは、下記のように一体化される。
まず、流入路６８ｇ及び流出路６８ｈが加工されたベースプレート６８ｚの表面に周壁部材６８ｊを載置する。この際、ベースプレート６８ｚの表面と下面部６８３ｊとの間にアルミロウ材を介在させる。次に周壁部材６８ｊの上方に、絶縁回路基板１１を載置する。この際、絶縁回路基板１１の放熱層５１の裏面と、周壁部材６８ｊの上面部６８２ｊとの間にアルミロウ材を介在させる。そして、これらを加熱、冷却することにより、絶縁回路基板１１と周壁部材６８ｊとベースプレート６８ｚとがアルミロウ付けで一体化されることとなる。また、この際、絶縁回路基板１１のコルゲートフィン４１は、絶縁回路基板１１と、周壁部材６８ｊの側壁部６８１ｊと、ベースプレート６８ｚとで囲まれた冷媒室６５ａ内に収納される。
こうして、図２６に示すように、予め周壁部材６８ｊ及びベースプレート６８ｚと一体化された絶縁回路基板１１にパワーデバイス９１が実装され、流路が凹設された流路部材６８ｙがベースプレート６８ｚの裏面に組み付けられ、絶縁回路基板１１を保護する蓋部材６８ｘがベースプレート６８ｚの表面に組み付けられた後、ボルト６８ｗにより、これらが固定されて、実施例８のパワーモジュール用基板８が完成する。こうして、完成した実施例８のパワーモジュール用基板８は、既にパワーデバイス９１が搭載されていることから、パワーモジュールとしても完成しており、例えば、ハイブリッドカー等の移動体に搭載されて、上述の作用効果を奏することができている。
それに加えて、実施例８のパワーモジュール用基板８では、パワーデバイス９１が絶縁回路基板１１に実装される前の製造工程において、予め絶縁回路基板１１がヒートシンク６８のベースプレート６８ｚの表面に、周壁部材６８ｊを介して一体に接合固定される。このため、パワーモジュール用基板８では、パワーデバイス９１の実装からパワーモジュールが完成するまでの作業工程が大幅に削減されており、組付け作業の作業効率の向上に寄与している。
（実施例９）
実施例９のパワーモジュール用基板９は、実施例８のパワーモジュール用基板８の周壁部材６８ｊに対して、図２９〜図３０に示すように、周壁部材６９ｊの形状が異なる。その他の構成は実施例８のパワーモジュール用基板８と同様であるので説明は省く。
周壁部材６９ｊは、材料コストが低廉なアルミニウム製の押出成形中空角材を所定の長さに切断して得られる。
このような周壁部材９１を採用することにより、実施例９のパワーモジュール用基板９は、実施例８のパワーモジュール用基板８と同様の作用効果を奏することができるとともに、製造コストの低廉化が可能となっている。
以上において、本発明を実施例１〜９に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜９に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、ばね材６１ｅ、６２ｅ、６４ｅは、それぞれ実施例１、２、４で使用したが、この組み合わせに限られない。また、実施例２〜４では、切れ目を挟んで隣り合うフィンのピッチがずれるようにコルゲートフィンを配置したが、ピッチがずれないようにコルゲートフィンを配置しても良い。
本発明はパワーモジュール基板に利用可能である。
実施例１の絶縁回路基板の概略正面図である。 実施例１の絶縁回路基板の概略側面図である。 実施例１の絶縁回路基板に係り、図１のＺ部の部分拡大図である。 実施例１の絶縁回路基板に係り、図３のＡ−Ａ断面を示す部分拡大断面図である。 実施例１の絶縁回路基板が適用されたパワーモジュールの概略断面図である。 実施例２の絶縁回路基板の概略正面図である。 実施例２の絶縁回路基板の概略側面図である。 実施例２の絶縁回路基板に係り、図６のＹ部の部分拡大図である。 実施例２の絶縁回路基板に係り、図８のＢ−Ｂ断面を示す部分拡大断面図である。 実施例２の絶縁回路基板が適用されたパワーモジュールの概略断面図である。 実施例３の絶縁回路基板に係り、図６部の部分拡大図である。 実施例３の絶縁回路基板に係り、図１１のＣ−Ｃ断面を示す部分拡大断面図である。 実施例４の絶縁回路基板の概略正面図である。 実施例４の絶縁回路基板の概略側面図である。 実施例４の絶縁回路基板に係り、図１３のＸ部の部分拡大図である。 実施例４の絶縁回路基板に係り、図１５のＤ−Ｄ断面を示す部分拡大断面図である。 実施例４の絶縁回路基板が適用されたパワーモジュールの概略断面図である。 実施例５のパワーモジュール用基板の概略断面図である。 実施例５のパワーモジュール用基板に係り、図１８のＥ−Ｅ断面を示す概略断面図である。 実施例５のパワーモジュール用基板に係り、絶縁回路基板を固定するばね材の概略上面図である。 実施例５のパワーモジュール用基板に係り、絶縁回路基板を固定するばね材の概略正面図である。 実施例６のパワーモジュール用基板の部分断面図である。 実施例６のパワーモジュール用基板に係り、絶縁回路基板を固定するばね材の概略上面図である。 実施例６のパワーモジュール用基板に係り、絶縁回路基板を固定するばね材の概略正面図である。 実施例７のパワーモジュール用基板の部分断面図である。 実施例８のパワーモジュール用基板に係り、流路部材と蓋部材とともに組み付けられた状態を示す概略断面図である。 実施例８のパワーモジュール用基板の概略断面図である。 実施例８のパワーモジュール用基板に係り、周壁部材の概略斜視図である。 実施例９のパワーモジュール用基板の概略断面図である。 実施例９のパワーモジュール用基板に係り、周壁部材の概略斜視図である。
符号の説明
１１、１２、１３、１４…絶縁回路基板
２１…配線層
３１…絶縁基板
４１、４２、４３…コルゲートフィン
４１ａ、４２ａ、４３ａ…フィン
４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ…頂部
４１ｃ、４２ｃ、４３ｃ…底部
４２ｅ、４３ｅ…切れ目
４２ｆ…フィン部材
４９…補強板
５１…放熱層
６１ａ、６５ａ…冷媒室
６５ｇ、６８ｇ…流入路
６５ｈ、６８ｈ…流出路
６１、６５、６８…ヒートシンク
６１ｅ、６２ｅ、６４ｅ、６５ｅ、６６ｅ…ばね材
６７ｅ…接着剤
９１…パワーデバイス

Claims (6)

  1. 一方の面にパワーデバイスが実装される配線層と、該配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、複数のフィンが波状に形成され、該絶縁基板の他方の面側に各該フィンの頂部が接合されたコルゲートフィンとを備える絶縁回路基板と、
    冷媒室、流入路及び流出路が形成され、該流入路は該冷媒室に冷却媒体を流入させ、該流出路は該冷媒室から該冷却媒体を流出させるものであるヒートシンクとを有し、
    該冷媒室内に該コルゲートフィンが収納された状態、かつ該絶縁基板が該冷媒室を封止する状態で、該ヒートシンクに該絶縁基板の周縁が固定され、
    該コルゲートフィンは、各該フィンの該頂部を除く部分が波長方向に延びる切れ目により分断されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  2. 前記絶縁基板と前記コルゲートフィンとの間には放熱層が備えられていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。
  3. 前記放熱層は前記配線層より薄いことを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール用基板。
  4. 前記コルゲートフィンにおける各前記頂部の他方側である各前記フィンの底部には補強板が接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
  5. 前記コルゲートフィンは、各前記フィンが矩形であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
  6. 前記ヒートシンクと前記絶縁基板の周縁とは、弾性力により該絶縁基板を該ヒートシンクに向けて押圧するばね材によって固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。
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