JP5070014B2 - 放熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱装置に関するものである。

たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子を有するパワーモジュールに使用される放熱装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の放熱装置は、パワーモジュール用基板の絶縁基板とヒートシンクを構成する放熱板との間に、絶縁基板の表面積の１〜３倍の表面積を有する緩衝層が介装接着されている。また、放熱板の下部には水冷シンク部が設けられている。緩衝層は絶縁基板の熱膨張係数とヒートシンクの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有し、絶縁基板およびヒートシンクにおける熱変形の度合いの差を緩衝層により吸収させて絶縁基板に発生する内部応力を小さくしている。
特開２００１−１４８４５１号公報

発熱量の大きい半導体素子が使用されるパワーモジュール用の放熱装置においては、冷却効率を下げることなく、発熱体が発熱することにより生じる熱応力を緩和する機能を向上させたいというニーズがある。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、冷却効率を下げることなく熱応力の緩和機能を向上させた放熱装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、一面が発熱体搭載面となる絶縁基板と、該絶縁基板の他面側に配置固定されて該絶縁基板と熱的に結合するヒートシンクとを備えた放熱装置において、前記絶縁基板は、発熱体搭載面側に金属回路層が形成され、かつ他面側には金属層が形成されており、前記ヒートシンクは、上側ケースと下側ケースとを備え、かつ内部に冷却通路が形成された液式冷却器であり、前記絶縁基板の前記金属層と前記ヒートシンクの前記上側ケースとの間には、高熱伝導性材料からなり、かつ、応力吸収空間を有する応力緩和部材が設けられており、前記応力緩和部材は前記絶縁基板および前記ヒートシンクに金属接合されており、前記上側ケースは、前記応力緩和部材が当接する部位の厚さがその他の部位の厚さよりも薄く形成されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、発熱体から発生した熱は絶縁基板および応力緩和部材を介して液式冷却器であるヒートシンクに伝達され、該ヒートシンク内部を流れる冷却液と熱交換されることにより放熱装置外部に逃がされる。ここで、ヒートシンクの上側ケースは、応力緩和部材が当接する部位の厚さがその他の部位の厚さよりも薄く形成されているので、ヒートシンクの剛性が下がり、ヒートシンクの上側ケース部分においても熱応力の緩和が図られる。また、ヒートシンクの上側ケースは応力緩和部材が当接する部位の厚さがその他の部位の厚さよりも薄く形成されているので、発熱体と冷却通路との距離が短くなり冷却効率が向上する。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の放熱装置において、前記金属層はアルミニウムより形成され、前記上側ケースはアルミニウムより形成され、前記応力緩和部材は複数の貫通孔を有するアルミニウム板であると、アルミニウム同士の金属接合とすることができる。

請求項３に記載のように、請求項１に記載の放熱装置において、前記金属層はアルミニウムより形成され、前記上側ケースはアルミニウムより形成され、前記応力緩和部材は前記絶縁基板側および前記ヒートシンク側の少なくとも一面に複数の凹部が設けられたアルミニウム板であると、アルミニウム同士の金属接合とすることができる。

本発明によれば、冷却効率を下げることなく、熱応力の緩和機能を向上させることができる。

以下、本発明を車両に搭載されて使用されるパワーモジュール用放熱装置に具体化した実施形態を説明する。以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、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。

図１に示すように、放熱装置は、一面（上面）が発熱体搭載面となる絶縁基板１０と、絶縁基板１０の他面（下面）側に配置固定されたヒートシンク４０とを備えている。また、絶縁基板１０とヒートシンク４０との間には応力緩和部材３０が設けられており、応力緩和部材３０は絶縁基板１０およびヒートシンク４０と金属接合されている。ヒートシンク４０と絶縁基板１０とは熱的に結合されている。

絶縁基板１０は、絶縁性の基板であるセラミック基板１３と、そのセラミック基板１３の発熱体搭載面側に形成された金属回路層１１と、セラミック基板１３の他面側に形成されたアルミニウムよりなる金属層１２とで構成されている。セラミック基板１３は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。

絶縁基板１０の上面の発熱体搭載面においては発熱体としての半導体素子（半導体チップ）２０が半田を介して接合されている。半導体素子２０としては、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等が用いられる。

ヒートシンク４０は上側ケース４１と下側ケース４２とを備えており、上側ケース４１と下側ケース４２とを重ねた状態で両者が、たとえば、ロウ付け等の金属接合により一体化されている。また、ヒートシンク４０はその内部に冷却フィン等を設けることにより構成される複数の冷却水通路４０ａを備えている。これらの冷却水通路４０ａは並列状に設けられている。つまり、上側ケース４１および下側ケース４２で構成されるヒートシンク４０の内部には複数の冷却水通路４０ａが形成されており、この冷却水通路４０ａは並設されている。この冷却水通路４０ａに冷却水を流すことで発熱体の冷却が行われる。このようにヒートシンク４０は内部に冷却通路としての冷却水通路４０ａが形成された液式冷却器である。冷却水通路４０ａは、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷却水循環路に連結可能に形成されている。ヒートシンク４０の冷却能力は、半導体素子２０が駆動されて発熱状態にある場合、半導体素子２０で発生した熱が絶縁基板１０および応力緩和部材３０を介してヒートシンク４０に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。ヒートシンク４０の上側ケース４１はアルミニウムにより形成されている。なお、本実施形態では上側ケース４１と下側ケース４２とは共にアルミニウムにより形成されている。

絶縁基板１０の金属層１２とヒートシンク４０の上側ケース４１との間には、応力緩和部材３０が設けられており、応力緩和部材３０は絶縁基板１０およびヒートシンク４０に金属接合されている。具体的には、絶縁基板１０と応力緩和部材３０とヒートシンク４０の上側ケース４１とはロウ付けにより一体化されている。応力緩和部材３０は高熱伝導性材料からなり、かつ、貫通孔３０ａよりなる応力吸収空間を有する。具体的には、応力緩和部材３０は複数の貫通孔３０ａを有するアルミニウム板である。

ヒートシンク４０の上側ケース４１の肉厚ｔについては次のような構成となっている。
ヒートシンク４０における上側ケース４１は、応力緩和部材３０が当接する部位の厚さｔ２がその他の部位の厚さｔ１よりも薄く形成されている（ｔ２＜ｔ１）。

具体的には、ヒートシンク４０の上側ケース４１における応力緩和部材３０が当接する部位以外の厚さｔ１は１ｍｍであり、上側ケース４１における応力緩和部材３０が当接する部位の厚さｔ２は０．５ｍｍである。一方、応力緩和部材３０の厚さｔ３は１ｍｍである。

次に、前記のように構成された放熱装置の作用を説明する。
放熱装置は、ハイブリッド車等に搭載されるとともに、図示しない冷却水循環路にヒートシンク４０がパイプを介して連通された状態で使用される。冷却水循環路にはポンプ及びラジエータが設けられ、ラジエータは、モータにより回転されるファンを備え、ラジエータからの放熱が効率よく行われるようになっている。

放熱装置に搭載された半導体素子２０が駆動されると、半導体素子２０から熱が発生する。半導体素子２０から発生した熱は、絶縁基板１０および応力緩和部材３０を介してヒートシンク４０に伝導され、ヒートシンク４０の内部を流れる冷却水と熱交換されることにより放熱装置外部に逃がされる。つまり、ヒートシンク４０に伝導された熱は、冷却水通路４０ａを流れる冷却水に伝導されるとともに持ち去られる（熱が逃がされる）。即ち、ヒートシンク４０は、冷却水通路４０ａを流れる冷却水によって強制冷却されるため、半導体素子２０等からヒートシンク４０に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、半導体素子２０で発生した熱が絶縁基板１０および応力緩和部材３０を介して効率良く除去される。

ここで、複数の貫通孔３０ａよりなる応力吸収空間を有する応力緩和部材３０にて、半導体素子２０が発熱することにより生じる熱応力が緩和される。また、水冷式ヒートシンク４０の上側ケース４１は、応力緩和部材３０が当接する部位の厚さｔ２がその他の部位の厚さｔ１よりも薄く形成されているので、水冷式ヒートシンク４０の剛性が下がり、この水冷式ヒートシンク４０の上側ケース４１部分においても熱応力の緩和が図られる（水冷式ヒートシンク４０自身においても熱応力の緩和が図られる）。また、水冷式ヒートシンク４０の上側ケース４１は、応力緩和部材３０が当接する部位の厚さｔ２がその他の部位の厚さｔ１よりも薄く形成されているので、発熱体（２０）と冷却水路（４０ａ）との距離が短くなり冷却効率が向上する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）絶縁基板１０の金属層１２と、液式冷却器であるヒートシンク４０の上側ケース４１との間には、高熱伝導性材料からなり、かつ、応力吸収空間（貫通孔３０ａ）を有する応力緩和部材３０が設けられており、応力緩和部材３０は絶縁基板１０およびヒートシンク４０に金属接合されており、上側ケース４１は、応力緩和部材３０が当接する部位の厚さｔ２がその他の部位の厚さｔ１よりも薄く形成されている。よって、冷却効率を下げることなく熱応力の緩和機能を向上させることができる（薄くして剛性を下げて熱応力の緩和を図ることができる）。

（２）金属層１２はアルミニウムより形成され、上側ケース４１はアルミニウムより形成され、応力緩和部材３０は複数の貫通孔３０ａを有するアルミニウム板であるので、アルミニウム同士をロウ付け（金属接合）とすることができる。また、複数の貫通孔３０ａにて応力吸収空間を形成することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
図２に示すように応力緩和部材３０は絶縁基板１０側の一面に複数の凹部３０ｂが設けられたアルミニウム板であってもよい。あるいは、図３に示すように応力緩和部材３０はヒートシンク４０側の一面に複数の凹部３０ｃが設けられたアルミニウム板であってもよい。あるいは、図４に示すように応力緩和部材３０は絶縁基板１０側およびヒートシンク４０側の両方の面に複数の凹部３０ｄ，３０ｅが設けられたアルミニウム板であってもよい。このように金属層１２はアルミニウムより形成され、上側ケース４１はアルミニウムより形成され、応力緩和部材３０は絶縁基板１０側およびヒートシンク４０側の少なくとも一面に複数の凹部が設けられたアルミニウム板であってもよい。この場合にもアルミニウム同士をロウ付け（金属接合）とすることができる。また、複数の凹部にて応力吸収空間を形成することができる。

液式冷却器としてのヒートシンク４０は内部に水が流れる構成としたが、水以外にもアルコール等の他の液体が流れる構成としてもよい。

本実施形態における放熱装置の縦断面図。 別例の放熱装置の縦断面図。 別例の放熱装置の縦断面図。 別例の放熱装置の縦断面図。

符号の説明

１０…絶縁基板、１１…金属回路層、１２…金属層、３０…応力緩和部材、３０ａ…貫通孔、３０ｂ…凹部、３０ｃ…凹部、３０ｄ…凹部、３０ｅ…凹部、４０…ヒートシンク、４０ａ…冷却水通路、４１…上側ケース、４２…下側ケース。

Claims (3)

1. 一面が発熱体搭載面となる絶縁基板と、該絶縁基板の他面側に配置固定されて該絶縁基板と熱的に結合するヒートシンクとを備えた放熱装置において、
   前記絶縁基板は、発熱体搭載面側に金属回路層が形成され、かつ他面側には金属層が形成されており、
   前記ヒートシンクは、上側ケースと下側ケースとを備え、かつ内部に冷却通路が形成された液式冷却器であり、
   前記絶縁基板の前記金属層と前記ヒートシンクの前記上側ケースとの間には、高熱伝導性材料からなり、かつ、応力吸収空間を有する応力緩和部材が設けられており、
   前記応力緩和部材は前記絶縁基板および前記ヒートシンクに金属接合されており、
   前記上側ケースは、前記応力緩和部材が当接する部位の厚さがその他の部位の厚さよりも薄く形成されている
   ことを特徴とする放熱装置。
2. 前記金属層はアルミニウムより形成され、
   前記上側ケースはアルミニウムより形成され、
   前記応力緩和部材は複数の貫通孔を有するアルミニウム板である
   請求項１に記載の放熱装置。
3. 前記金属層はアルミニウムより形成され、
   前記上側ケースはアルミニウムより形成され、
   前記応力緩和部材は前記絶縁基板側および前記ヒートシンク側の少なくとも一面に複数の凹部が設けられたアルミニウム板である
   請求項１に記載の放熱装置。

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