JP4737294B2

JP4737294B2 - 放熱装置、パワーモジュール、放熱装置の製造方法

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Publication number: JP4737294B2
Application number: JP2009002472A
Authority: JP
Inventors: 忠史吉田; 広規田代
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: CN101794741B; JP2010161203A; CN101794741A; US7961474B2; US20100172104A1

Description

本発明は、放熱装置、パワーモジュール、放熱装置の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールについて説明する。図６に例示するパワーモジュール５００は、ＤＢＡ（ダイレクト・ボンディング・アルミニウム）法やＤＢＣ（ダイレクト・ボンディング・カッパー）法などによりその片面または両面に回路が形成された絶縁基板１４の一方面側に半導体素子１２が、他方面側に放熱装置１１６が、それぞれ接合されている。放熱装置１１６は、放熱器１２０と、必要に応じて設けられる放熱板１１８とを含み、絶縁基板１４を介して伝達する、半導体素子１２に由来する熱を、特に放熱フィン１２６を備える放熱器１２０から放散させることができる。

このような構成を有するパワーモジュール５００において、一般に線膨張係数が大きく異なる絶縁基板１４と放熱装置１１６（放熱板１１８）との接合には、例えば６００℃程度の高温でロウ付けし、これを冷却する手法を適用することができる。このとき、ロウ付け後、常温に戻る際に、絶縁基板１４と放熱装置１１６とがそれぞれ収縮するが、両者の線膨張係数の相違に基づいて、収縮の程度が異なる。つまり、線膨張係数が比較的小さい絶縁基板１４（セラミック系の絶縁材料の場合の一例（窒化アルミニウム）として、線膨張係数が４．５×１０^−６／Ｋ程度）に対し、線膨張係数が比較的大きな放熱装置１１６（アルミニウムやアルミニウム合金、銅、黄銅などの熱伝導性の高い材料の場合の一例（アルミニウム）として、線膨張係数が２３×１０^−６／Ｋ程度）の方が、その収縮の程度が大きくなるため、放冷など、公知の冷却方法により常温（例えば、２５℃）まで冷却を行うと、図７に示すように平面部材１２２，１２４を含む放熱器１２０や放熱装置１１６が変形してしまう場合があり得、さらに変形が進むと、場合によっては絶縁基板１４と放熱装置１１６との間の接合強度や、パワーモジュールとしての耐久性が低下することもあり得た。

例えば特許文献１〜４に示すように、絶縁基板や放熱装置および／または放熱板の反りを防止または抑制するためのさまざまな手法が知られている。

特許文献１，２には、絶縁基板と放熱フィンとの間に貫通穴が形成された板材を挟んで接合し、応力を緩和することについて記載されている。

特許文献３には、絶縁基板を予め放熱板の反対側に反らせておくことにより、接合後の反りを抑制することについて記載されている。

特許文献４には、コルゲートフィンが絶縁基板側にのみ接合され、絶縁基板に対向する面では接合されていないパワーモジュールについて記載されている。

特開２００８−１２４１８７号公報特開２００６−２９４６９９号公報特開２００６−２０２８８４号公報特開２００６−３１０４８６号公報

本発明は、放熱性能を維持しつつ、熱応力を緩和して放熱装置の変形を防止または抑制することを目的とする。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）対面する第１の平面部材と第２の平面部材との間に放熱フィンを挟んでなる放熱器を備え、一方面側に半導体素子を配設可能な絶縁基板の他方面側に配置される放熱装置であって、前記第１の平面部材が、絶縁基板側に接合可能な絶縁基板側接合面と、前記放熱フィンと対向し、接合する第１の放熱フィン接合面とを含み、前記第２の平面部材が、前記放熱フィンと対向し、少なくともその一部が前記放熱フィンと接合する第２の放熱フィン接合面を含み、前記放熱フィンが、前記第１の放熱フィン接合面および前記第２の放熱フィン接合面のそれぞれと接合する接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔にほぼ等しい振幅方向高さを有する第１の部分と、前記第１の放熱フィン接合面と接合する接合頂部および前記第２の放熱フィン接合面と所定の間隙を有する非接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔よりも小さい振幅方向高さを有する第２の部分と、を含むコルゲートフィンである、放熱装置。

（２）上記（１）に記載の放熱装置において、前記第２の平面部材の、前記第２の放熱フィン接合面とは反対の面が、発熱体を固定するための発熱体固定面である、放熱装置。

（３）上記（２）に記載の放熱装置において、前記発熱体が、リアクトルまたはＤＣ／ＤＣコンバータである、放熱装置。

（４）絶縁基板の一方面側に半導体素子を、前記絶縁基板の他方面側に放熱装置を、それぞれ配置してなるパワーモジュールであって、前記放熱装置が、対面する第１の平面部材と第２の平面部材との間に放熱フィンを挟んでなる放熱器を含み、前記第１の平面部材が、絶縁基板側に接合可能な絶縁基板側接合面と、前記放熱フィンと対向し、接合する第１の放熱フィン接合面とを含み、前記第２の平面部材が、前記放熱フィンと対向し、少なくともその一部が前記放熱フィンと接合する第２の放熱フィン接合面を含み、前記放熱フィンが、前記第１の放熱フィン接合面および前記第２の放熱フィン接合面のそれぞれと接合する接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔にほぼ等しい振幅方向高さを有する第１の部分と、前記第１の放熱フィン接合面と接合する接合頂部および前記第２の放熱フィン接合面と所定の間隙を有する非接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔よりも小さい振幅方向高さを有する第２の部分と、を含むコルゲートフィンである、パワーモジュール。

（５）上記（４）に記載のパワーモジュールにおいて、前記第２の平面部材の、前記第２の放熱フィン接合面とは反対の面に、発熱体を固定してなる、パワーモジュール。

（６）上記（５）に記載のパワーモジュールにおいて、前記第２の平面部材と前記発熱体との間に熱伝導性グリースを挟んでなる、パワーモジュール。

（７）上記（５）または（６）に記載のパワーモジュールにおいて、前記発熱体が、リアクトルまたはＤＣ／ＤＣコンバータである、パワーモジュール。

（８）上記（４）から（７）のいずれか１つに記載のパワーモジュールにおいて、前記絶縁基板と前記放熱装置との接合領域には放熱フィンの前記第１の部分と前記第２の部分とを備え、前記絶縁基板と前記放熱装置との非接合領域には放熱フィンの前記第１の部分のみを備える、パワーモジュール。

（９）対面する第１の平面部材と第２の平面部材との間に放熱フィンを挟んでなる放熱器を備え、一方面側に半導体素子を配設可能な絶縁基板の他方面側に配置される放熱装置の製造方法であって、前記第１の平面部材が、絶縁基板側に接合可能な絶縁基板側接合面と、前記放熱フィンと対向し、接合可能な第１の放熱フィン接合面とを含み、前記第２の平面部材が、前記放熱フィンと対向し、少なくともその一部が前記放熱フィンと接合可能な第２の放熱フィン接合面を含み、前記放熱フィンが、前記第１の放熱フィン接合面および前記第２の放熱フィン接合面のそれぞれと接合する接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔にほぼ等しい振幅方向高さを有する第１の部分と、前記第１の放熱フィン接合面と接合する接合頂部および前記第２の放熱フィン接合面と所定の間隙を有する非接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔よりも小さい振幅方向高さを有する第２の部分と、を含むコルゲートフィンであり、前記第１の平面部材および前記第２の平面部材と前記放熱フィンの各接合頂部とをロウ付けにより接合し、冷却する工程を含む、放熱装置の製造方法。

本発明によれば、放熱性能を維持しつつ、放熱装置の変形を防止または抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。図１に示すパワーモジュール１００は、放熱装置１１６に代えて放熱装置１６を備えることを除き、図５に示すパワーモジュール５００とほぼ同様の構成を有している。放熱装置１６は、放熱器２０を備え、さらに図５に示す放熱板１１８とほぼ同様の構成を有する放熱板１８を必要に応じて備え得る。

図２は、図１に示す放熱装置１６の構成をさらに説明するために、特に図１の領域Ａについて示した拡大図である。図２において、放熱器２０は、ほぼ同様の構成を有する平面状の板材である、天板２２（第１の平面部材とも称する）と底板２４（第２の平面部材とも称する）とが放熱フィン２６を挟んでほぼ平行に対面している。

図２において、天板２２は、絶縁基板１４側の部材（本実施の形態では、放熱板１８）に接合する絶縁基板側接合面２２ａと、放熱フィン２６と対向し、接合する放熱フィン接合面（第１の放熱フィン接合面とも称する）２２ｂとを含む。一方、底板２４は、放熱フィン２６と対向し、少なくともその一部が放熱フィン２６と接合する放熱フィン接合面（第２の放熱フィン接合面とも称する）２４ｂを含む。

また、放熱フィン２６は、板材を、天板２２の第１の放熱フィン接合面２２ｂと接合する天板側頂部２３と、底板２４の第２の放熱フィン接合面２４ｂと接合する底板側接合頂部２５ａ，２５ｂと、第２の放熱フィン接合面２４ｂと離間して対面する底板側非接合頂部２７ａ，２７ｂとを含むように所望の波板形状に成形した、いわゆるコルゲートフィンである。

図３は、本発明の実施の形態において適用可能な放熱フィン２６の一例を説明するための、図２に示す天板２２側から見た上面図である。図５に示す放熱フィン２６は、放熱性向上の観点から、例えば０．３〜３．０ｍｍ程度の幅を有するスリット１０を挟んで隣り合うコルゲート部分２８ａと２８ｂ、２８ｂと２８ｃ、２８ｃと２８ｄの位相がそれぞれ互いにずれた、いわゆるオフセットフィンと称される配置にすることが可能である。また、作業性の向上や完成品の成形精度の観点から、スリット１０を挟んで隣り合うコルゲート部分２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄはそれぞれ、少なくとも一方の端部２９または両端部の一部を繋いで一体に成形することが可能である。なお、図５に示す放熱フィン２６は一例であってこれに限るものではない。つまり、スリット１０の配置は任意であり、またコルゲート部分２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの位相がすべて同じであっても良く、さらにコルゲート部分２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄはそれぞれ、別々に成形したものを適切に配置したものであっても良い。

このような構成を有する放熱フィン２６は、図２に示すように、底板側接合頂部２５ａ，２５ｂを含み、底板２４と接合する部分（第１の部分）２６ａ，２６ｄでは、天板２２と底板２４との間隔にほぼ等しい振幅方向高さ（ｈ_１）を有しており、天板２２または底板２４とこれに当接する放熱フィン２６の頂部とがロウ付けなどの手法により接合されている。一方、底板側非接合頂部２７ａ，２７ｂを含み、底板２４と接合していない部分（第２の部分）２６ｂ，２６ｃでは、天板２２と底板２４との間隔よりも小さい振幅方向高さ（ｈ_２）を有し、第２の放熱フィン接合面２４ｂと所定の間隙ｄを隔てて対面している。

このような構成を有する放熱器２０は、放熱フィン２６の第２の部分２６ｂ，２６ｃでは底板２４と接合していないため、絶縁基板１４と放熱装置１６を構成する各部材間の線膨張係数の差に基づく影響が緩衝され、底板２４の反りなどを含む放熱装置１６の変形が抑制される。一方、放熱フィン２６の第１の部分２６ａ，２６ｄでは、底板２４と接合しているため、放熱性を確保することもできる。

本実施の形態において、図２に示す放熱フィン２６の底板側頂部と底板２４とが接合する第１の部分と、放熱フィン２６の底板側頂部と底板２４とが接合しない第２の部分との配置は、図１，２に示す放熱器２０と同様の比率や順序に限らず、例えば図１に示す半導体素子１２の発熱特性や絶縁基板１４と放熱装置１６との間の線膨張係数の差の程度、放熱器２０の物理的強度などの諸条件に応じて適宜設定することができるが、放熱装置１６の変形を均等に防止または抑制するためには、少なくとも第１の部分（図２では、部分２６ａ，２６ｄ）の配置は、等間隔であることが好ましい。

本実施の形態において、放熱フィン２６は断面がほぼＵまたはＳ字波形状を有しているが、これに限定されるものではなく、成形性や強度、放熱性能などに応じて、例えば三角波形状、正弦波形状、矩形波形状またはこれらに類似する適切な波形状を適宜設定することができる。

また、本実施の形態において、図２に示す間隙ｄは、底板２４と接合されない程度であればいかなる大きさであっても良く、特に限定されるものではないが、放熱フィン２６の成形精度やロウ付けなどの接合精度に応じて、例えば０．２〜１ｍｍ程度に設定することが可能である。間隙ｄが１ｍｍを超えると、底板２４の組成や厚みによっては放熱性能が低減する場合がある。

［実施の形態２］
図４は、本発明の他の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。図４に示すパワーモジュール２００は、底板２４の、放熱フィン接合面２４ｂとは反対側の外側面２４ａに、発熱体３０を備えることを除き、図１に示すパワーモジュール１００とほぼ同様の構成を有している。

図７に示すように、底板１２４が変形したパワーモジュールの場合、底板１２４の外側に発熱体３０をさらに配置する場合には、例えば図８に示すように、発熱体３０と底板１２４との間に生じた隙間に、熱伝導性グリース１３２などを挟み込み、固定する必要があり、発熱体３０からの放熱が十分でない場合があり得た。これに対し、本実施の形態では、図４に示すように、発熱体３０と底板２４との間にはほとんど隙間がないことから、熱伝導性グリース３２を少量適用することで密着、固定させることが可能となるため、発熱体３０からの放熱性を確保することができる。本実施の形態によれば、天板２２側に発熱体を配置する場合と比較すると放熱性が若干低い傾向があるものの、発熱体３０として例えばリアクトルやＤＣ／ＤＣコンバータなどを配置し、熱伝導性グリース３２として、シリコーングリースなどの高い熱伝導性を有する材料を適用する場合には、充分な放熱性を確保することが可能であり、パワーモジュールの小型化や放熱装置１６の高効率化に寄与し得る。

［実施の形態３］
図５は、本発明のさらに別の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。図５に示すパワーモジュール３００は、複数の半導体素子１２ａ，１２ｂを放熱する構成を有していることを除き、図１に示すパワーモジュール１００とほぼ同様の構成を有している。

図５に示すパワーモジュール３００において、放熱板１８ａ，１８ｂおよび放熱器５０を含む放熱装置４６と絶縁基板１４ａ，１４ｂとが接合している接合領域４０ａ，４０ｂと、放熱装置４６と絶縁基板とが接合していない非接合領域４２とでは、放熱フィン５６の形状が相違している。つまり、接合領域４０ａでは、放熱フィン５６は、図２に示す放熱フィン２６と同様に、放熱フィン５６と底板５４とが接合している部分（５６ｃ，５６ｆ）と、放熱フィン５６と底板５４とが接合していない部分（５６ａ，５６ｂ，５６ｄ，５６ｅ，５６ｇ）とをそれぞれ有しており、接合領域４０ｂにおいてもまた、放熱フィン５６は接合領域４０ａとほぼ同様の形状を有している。これに対し、非接合領域４２には、放熱装置の変形の要因となり得る絶縁基板が接合されていないため、放熱フィン５６の頂部はすべて、接合領域４０ａの部分（５６ｃ，５６ｆ）と同様に、天板５２または底板５４と接合している。本実施の形態によれば、絶縁基板１４ａ，１４ｂとの接合領域４０ａ，４０ｂではある程度の放熱性の確保とともに放熱装置の変形を防止または抑制することができ、非接合領域４２では高い放熱性を有する構成とすることにより、パワーモジュール３００全体として放熱性能を維持しつつ、放熱装置の変形を防止または抑制することが可能となる。

図５に示す本実施の形態において、底板５４の、放熱フィン５６とは反対側の外側面５４ａに、図４に示す構成と同様に、発熱体（図示せず）を配置させることができる。このとき、図示しない発熱体は、接合領域４０ａ，４０ｂ、非接合領域４２のいずれに配置しても良く、また、接合領域４０ａ，４０ｂの少なくともいずれか一方と非接合領域４２との両者に跨がるように配置することも好適である。本実施の形態によれば、放熱器５０を効率よく利用することができるため、パワーモジュールの小型化に寄与し得る。

本発明は、ハイブリッド車両に搭載されるハイブリッド（ＨＶ）インバータなど、各種のパワーモジュールに対し利用することが可能である。

本発明の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。図１に示す領域Ａについて示した拡大図である。放熱フィン２６の一例を説明するための、図２に示す天板２２側から見た上面図である。本発明の他の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。本発明のさらに別の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。従来のパワーモジュールの構成の概略を例示する断面図である。図６に示すパワーモジュールにおいて、放熱装置の変形の様子を例示する断面図である。図７に示す放熱器の底板側に発熱体を配置したパワーモジュールの構成の概略を例示する断面図である。

１０スリット、１２，１２ａ，１２ｂ半導体素子、１４，１４ａ，１４ｂ絶縁基板、１６，４６，１１６放熱装置、１８，１８ａ，１８ｂ放熱板、２０，５０，１２０放熱器、２２，５２，１２２天板（第１の平面部材）、２３，２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂ頂部、２４，５４，１２４底板（第２の平面部材）、２６，５６，１２６放熱フィン、２６ａ，２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，５６ｅ，５６ｆ，５６ｇ部分、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄコルゲート部分、２９端部、３０発熱体、３２，１３２熱伝導性グリース、４０ａ，４０ｂ接合領域、４２非接合領域、１００，２００，３００，５００パワーモジュール。

Claims

対面する第１の平面部材と第２の平面部材との間に放熱フィンを挟んでなる放熱器を備え、一方面側に半導体素子を配設可能な絶縁基板の他方面側に配置される放熱装置であって、
前記第１の平面部材が、絶縁基板側に接合可能な絶縁基板側接合面と、前記放熱フィンと対向し、接合する第１の放熱フィン接合面とを含み、
前記第２の平面部材が、前記放熱フィンと対向し、少なくともその一部が前記放熱フィンと接合する第２の放熱フィン接合面を含み、
前記放熱フィンが、前記第１の放熱フィン接合面および前記第２の放熱フィン接合面のそれぞれと接合する接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔にほぼ等しい振幅方向高さを有する第１の部分と、前記第１の放熱フィン接合面と接合する接合頂部および前記第２の放熱フィン接合面と所定の間隙を有する非接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔よりも小さい振幅方向高さを有する第２の部分と、を含むコルゲートフィンであることを特徴とする放熱装置。
請求項１に記載の放熱装置において、
前記第２の平面部材の、前記第２の放熱フィン接合面とは反対の面が、発熱体を固定するための発熱体固定面である、放熱装置。
請求項２に記載の放熱装置において、
前記発熱体が、リアクトルまたはＤＣ／ＤＣコンバータである、放熱装置。
絶縁基板の一方面側に半導体素子を、前記絶縁基板の他方面側に放熱装置を、それぞれ配置してなるパワーモジュールであって、
前記放熱装置が、対面する第１の平面部材と第２の平面部材との間に放熱フィンを挟んでなる放熱器を含み、
前記第１の平面部材が、絶縁基板側に接合可能な絶縁基板側接合面と、前記放熱フィンと対向し、接合する第１の放熱フィン接合面とを含み、
前記第２の平面部材が、前記放熱フィンと対向し、少なくともその一部が前記放熱フィンと接合する第２の放熱フィン接合面を含み、
前記放熱フィンが、前記第１の放熱フィン接合面および前記第２の放熱フィン接合面のそれぞれと接合する接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔にほぼ等しい振幅方向高さを有する第１の部分と、前記第１の放熱フィン接合面と接合する接合頂部および前記第２の放熱フィン接合面と所定の間隙を有する非接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔よりも小さい振幅方向高さを有する第２の部分と、を含むコルゲートフィンであることを特徴とするパワーモジュール。
請求項４に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第２の平面部材の、前記第２の放熱フィン接合面とは反対の面に、発熱体を固定してなる、パワーモジュール。
請求項５に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第２の平面部材と前記発熱体との間に熱伝導性グリースを挟んでなる、パワーモジュール。
請求項５または６に記載のパワーモジュールにおいて、
前記発熱体が、リアクトルまたはＤＣ／ＤＣコンバータである、パワーモジュール。
請求項４から７のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記絶縁基板と前記放熱装置との接合領域には放熱フィンの前記接合頂部と前記非接合頂部とを備え、
前記絶縁基板と前記放熱装置との非接合領域には放熱フィンの前記接合頂部のみを備える、パワーモジュール。
対面する第１の平面部材と第２の平面部材との間に放熱フィンを挟んでなる放熱器を備え、一方面側に半導体素子を配設可能な絶縁基板の他方面側に配置される放熱装置の製造方法であって、
前記第１の平面部材が、絶縁基板側に接合可能な絶縁基板側接合面と、前記放熱フィンと対向し、接合可能な第１の放熱フィン接合面とを含み、
前記第２の平面部材が、前記放熱フィンと対向し、少なくともその一部が前記放熱フィンと接合可能な第２の放熱フィン接合面を含み、
前記放熱フィンが、前記第１の放熱フィン接合面および前記第２の放熱フィン接合面のそれぞれと接合する接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔にほぼ等しい振幅方向高さを有する第１の部分と、前記第１の放熱フィン接合面と接合する接合頂部および前記第２の放熱フィン接合面と所定の間隙を有する非接合頂部をそれぞれ含み、第１の平面部材と第２の平面部材との間隔よりも小さい振幅方向高さを有する第２の部分と、を含むコルゲートフィンであり、
前記第１の平面部材および前記第２の平面部材と前記フィンの各接合頂部とをロウ付けにより接合し、冷却する工程を含むことを特徴とする放熱装置の製造方法。