WO2008075409A1 - パワーモジュール用ベース、パワーモジュール用ベースの製造方法及びパ ワーモジュール - Google Patents

パワーモジュール用ベース、パワーモジュール用ベースの製造方法及びパ ワーモジュール Download PDF

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WO2008075409A1
WO2008075409A1 PCT/JP2006/325271 JP2006325271W WO2008075409A1 WO 2008075409 A1 WO2008075409 A1 WO 2008075409A1 JP 2006325271 W JP2006325271 W JP 2006325271W WO 2008075409 A1 WO2008075409 A1 WO 2008075409A1
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heat dissipation
substrate
power module
heat
insulating substrate
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PCT/JP2006/325271
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Keiji Toh
Hidehito Kubo
Masahiko Kimbara
Katsufumi Tanaka
Kota Otoshi
Eiji Kono
Shinobu Yamauchi
Shintaro Nakagawa
Shinobu Tamura
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Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki
Showa Denko K.K.
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Definitions

  • the present invention relates to a power module base constituting a power module.
  • aluminum includes pure aluminum except when expressed as “aluminum nitride”, “acid aluminum” and “pure aluminum”. In addition, an aluminum alloy is included.
  • a power module including a power device composed of a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) the heat generated from the semiconductor element is efficiently radiated to set the temperature of the semiconductor element to a predetermined value.
  • a predetermined value such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
  • an aluminum wiring layer is formed on one surface and an aluminum heat transfer layer is formed on the other surface, and an aluminum heat sink bonded to the heat transfer layer of the insulating substrate.
  • a base for a power module comprising a substrate and an aluminum heat sink bonded to the opposite surface of the heat dissipation substrate to the insulating substrate, and a coolant flow path is formed inside the heat sink. (See Patent Document 1).
  • a power device is mounted on a wiring layer of an insulating substrate and used as a power module.
  • This power module is applied to, for example, an inverter circuit of a moving body such as a hybrid car that uses an electric motor as a part of a driving source, thereby supplying electric power to be supplied to the electric motor according to the operating state of the moving body. Come to control.
  • the heat generated also by the power device force is transmitted to the heat sink through the wiring layer, the insulating substrate, the heat transfer layer, and the heat release substrate, and is radiated to the coolant flowing in the coolant flow path.
  • the heat dissipation substrate and the heat sink which also have an aluminum force with a relatively large linear expansion coefficient, tend to be heated to a relatively high temperature due to the heat generated by the power device force, and to be relatively large.
  • the coefficient of linear expansion of the ceramics forming the insulating substrate is smaller than that of aluminum, so it is heated by heat generated from the power device. Even if it becomes, it does not try to thermally expand as much as a heat dissipation board and a heat sink.
  • the insulating substrate, the heat dissipation substrate, and the heat sink are thermally expanded at the time of heating during the brazing, After being brazed, the insulating substrate, heat dissipation substrate, and heat sink shrink after heat.
  • the linear expansion coefficient of the heat dissipation board and the heat sink is larger than the linear expansion coefficient of the insulating board, the degree of thermal expansion of the heat dissipation board and the heat sink is larger than that of the insulating board.
  • the heat shrinkage of the heat sink is larger than that of the insulating substrate.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-86744
  • An object of the present invention is to provide a power module base that solves the above-described problems and that can improve durability while preventing deterioration in heat dissipation performance.
  • the present invention has the following aspect power.
  • a heat dissipation substrate made of a highly thermally conductive material, and an insulating substrate bonded to one surface of the heat dissipation substrate Heat dissipation caused by the difference in linear expansion coefficient between the insulating layer and the heat dissipation board, which is bonded to the other surface of the heat dissipation board, and the wiring layer provided on the opposite side of the insulating substrate to the side bonded to the heat dissipation board
  • a base for a power module comprising: a restraint plate that restrains warping of the substrate; and a radiation fin that is joined to a surface of the restraint plate opposite to the side joined to the heat dissipation substrate.
  • a heat transfer layer made of a high thermal conductivity material is provided on the surface of the insulating substrate opposite to the side where the wiring layer is provided, and the heat transfer layer and the heat dissipation substrate are joined together.
  • the base for power modules according to any one of 1) to 6).
  • the term "symmetric" includes, in addition to the mathematically defined strict symmetry, a state close to symmetry, that is, from the thickness direction of the heat dissipation board.
  • a state where a part of both of them is overlapped is included.
  • the insulating substrate is made of ceramic, and the ceramic is aluminum nitride.
  • thermoelectric joint The base for a thermoelectric joint according to any one of 1) to 8) above, wherein the constraining plate is made of ceramics, and the ceramics is also aluminum nitride, acid aluminum or silicon nitride. .
  • the cooling jacket is fixed on the surface of the heat dissipation board to which the restraining plate is joined so as to cover the heat dissipation fin, and the cooling liquid flows through the cooling jacket 1)
  • a heat dissipation substrate made of a high thermal conductivity material is laminated on the other surface side of the insulating substrate having the wiring layer provided on the surface, and the insulating substrate is disposed on the surface of the heat dissipation substrate opposite to the insulating substrate.
  • a constraining plate that restrains warpage of the heat dissipating substrate due to the difference in linear expansion coefficient with the heat dissipating substrate is laminated, and heat dissipating fins are arranged on the surface of the constraining plate opposite to the heat dissipating substrate, and the insulating substrate and the heat dissipating substrate.
  • a method for manufacturing a base for a power module characterized in that a heat dissipation substrate and a restraint plate, and a restraint plate and a heat dissipation fin are brazed simultaneously.
  • a heat transfer layer made of a highly heat conductive material is provided on the surface of the insulating substrate opposite to the surface on which the wiring layer is provided, and the heat transfer layer and the heat dissipation substrate are brazed.
  • a cooling jacket is disposed on the surface of the heat sink board on the side of the restraint plate so as to cover the heat sink fins, and the insulation board and the heat sink board, the heat sink board and the restraint board, and the brace of the restraint board and the heat sink fins.
  • a power module is configured by mounting a power device on the wiring layer of the insulating substrate.
  • This power module is applied to, for example, an inverter circuit of a hybrid car that uses an electric motor as a part of a drive source, and controls the electric power supplied to the electric motor in accordance with the operating condition.
  • the heat generated from the power device is transmitted to the heat radiating fins through the wiring layer, the insulating substrate, the heat radiating substrate, and the restraining plate, and the heat radiating fin force is also radiated.
  • the heat dissipation board is heated to a high temperature (for example, about 150 ° C) by the heat generated from the power device, so it tries to thermally expand.
  • the linear expansion coefficient of aluminum is larger than that of the insulating substrate, so the heat dissipation is caused by the difference in thermal expansion between the heat dissipation substrate and the insulating substrate.
  • the substrate is pulled by the insulating substrate and tries to warp.
  • a constraining plate that restrains the warpage of the heat dissipation board due to the difference in linear expansion coefficient between the insulation board and the heat dissipation board is joined to the surface of the heat dissipation board opposite to the side bonded to the insulating board. Therefore, the warping of the heat dissipation substrate is restrained by the restraining plate. Therefore, it is possible to prevent cracks from being generated on the insulating substrate and peeling at each bonding surface, thereby improving durability.
  • the insulating substrate, the heat radiating substrate, and the heat radiating fins are joined by, for example, brazing, the insulating substrate and the heat radiating substrate are heated during heating during brazing. In addition to expansion, it is brazed in a thermally expanded state, and after heating is complete The edge substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted.
  • the heat dissipation board is made of a highly thermally conductive material such as aluminum, and its coefficient of linear expansion is larger than that of the insulating board, so the degree of thermal expansion of the heat dissipation board is greater than that of the insulating board.
  • the heat shrinkage of the heat dissipation board is also larger than that of the insulating substrate.
  • the heat dissipation substrate is pulled by the insulating substrate because the degree of shrinkage is greater than that of the insulating substrate. It tries to warp.
  • a restraint plate that restrains the warpage of the heat sink due to the difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink is bonded to the surface of the heat sink opposite to the side bonded to the insulating substrate. Therefore, the warping of the heat dissipation substrate is restrained by the restraining plate. Therefore, it is possible to prevent the insulating substrate from being cracked or to peel off at each bonding surface, and the durability is improved.
  • the heat transmitted from the power device mounted on the insulating substrate is diffused in the surface direction of the heat transfer layer and transferred to the heat radiating substrate. Heat transfer to the radiating fin is improved.
  • the heat dissipation board is formed of a high thermal conductivity material such as aluminum, for example, and its linear expansion coefficient is larger than that of the insulating substrate, so the degree of thermal expansion of the heat dissipation substrate is higher than that of the insulating substrate. As a result, the degree of thermal contraction of the heat dissipation substrate becomes larger than that of the insulating substrate. For this reason, when the insulating substrate and the heat dissipation substrate thermally contract when cooled to room temperature after the brazing is completed, the heat dissipation substrate is larger than the insulation substrate, and the heat dissipation substrate becomes the insulation substrate. It tries to warp by being pulled by.
  • a restraint plate that restrains the warpage of the heat dissipation board due to the difference in linear expansion coefficient between the insulation board and the heat dissipation board is joined to the surface of the heat dissipation board opposite to the side bonded to the insulating board.
  • the warping of the heat dissipation board is restrained by the restraining plate. Therefore, it is possible to prevent the insulating substrate from being cracked or to peel off at each bonding surface, and the durability is improved.
  • the thermal resistance between the insulating substrate and the heat dissipation substrate is reduced, and the heat dissipation performance is improved.
  • the heat radiating substrate and the restraining plate, and the restraining plate and the heat radiating fin are respectively brazed
  • the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally expanded and brazed in a thermally expanded state, and after the heating, the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted.
  • the heat dissipation board is made of a high thermal conductivity material such as aluminum, and its coefficient of linear expansion is larger than that of the insulating board, so the degree of thermal expansion of the heat dissipation board is higher than that of the insulating board.
  • the degree of thermal contraction of the heat dissipation substrate is also larger than that of the insulating substrate.
  • the heat dissipation substrate is pulled by the insulating substrate because the degree of shrinkage is greater in the heat dissipation substrate than in the insulation substrate. Stretched and tries to warp.
  • a restraint plate that restrains the heat dissipation board warpage caused by the difference in linear expansion coefficient between the insulation board and the heat dissipation board is joined to the surface of the heat dissipation board opposite to the side bonded to the insulating board. Therefore, the warping of the heat dissipation board is restrained by the restraining plate. Therefore, it is possible to prevent the insulating substrate from cracking or peeling off at each bonding surface, and the durability is improved.
  • the insulating substrate bonded to one surface of the heat dissipation substrate and the other surface are bonded to each other.
  • the both surfaces of the heat dissipation substrate are pulled almost evenly by the restrained plate. Therefore, it is possible to more reliably prevent the heat dissipation substrate from warping.
  • the insulating substrate and the constraining plate can be made of a ceramic substrate having a general thickness such as aluminum nitride, and the material availability is improved.
  • the heat generated by the power device mounted on the insulating substrate is transferred to the heat radiating fin through the insulating substrate and the heat radiating substrate, and the heat radiating fin force cooling jacket. Heat is dissipated to the coolant flowing inside. Therefore, the heat dissipation performance is relatively excellent.
  • the heat transfer layer of the insulating substrate and the heat dissipation substrate, the heat dissipation substrate and the restraint plate, and the restraint plate and the heat dissipation plate When the fins are brazed, or as in the case of the power module base in 6) above, the insulating substrate and the heat dissipation substrate, the heat dissipation substrate and the restraint plate, and the restraint plate and the heat dissipation fin will each be If attached, the cooling jacket can be brazed to the heat dissipation board simultaneously with these brazings, so that the fixing operation of the cooling jacket is simplified.
  • the heat dissipation substrate and the restraint plate, and the restraint plate and the heat dissipation fin are brazed, as in the method for manufacturing the power module base of 16) and 17) above.
  • the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally expanded and brazed in a thermally expanded state, and after the heating is completed, the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted.
  • the heat dissipation board is made of a highly thermally conductive material such as aluminum, and its coefficient of linear expansion is larger than that of the insulating board.
  • the degree of thermal expansion of the heat dissipation board is larger than that of the insulating board.
  • the degree of thermal contraction of the heat dissipation substrate is also larger than that of the insulating substrate.
  • the insulation substrate and heat dissipation substrate heat shrink when cooled to room temperature after brazing.
  • the degree of shrinkage is larger in the heat dissipation substrate than in the insulating substrate, and the heat dissipation substrate is pulled by the insulating substrate and tends to warp.
  • the cooling jacket is brazed to the heat dissipation board at the same time as the insulating board and the heat dissipation board, the heat dissipation board and the restraint plate, and the restraint plate and the heat dissipation fin are brazed. Since it can be attached, the fixing work of the cooling jacket becomes easy.
  • FIG. 1 the upper side of FIG. 1 is referred to as the front and the lower side is referred to as the rear, and the upper and lower sides and the left and right sides of FIG.
  • FIG. 1 This embodiment is shown in FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of the power module using the power module base of Embodiment 1
  • FIG. 2 shows the configuration of the main part thereof.
  • the power module base (1) is joined to the upper surface of the heat dissipation board (2) with a square heat dissipation board (2) long in the front-rear direction and spaced apart in the front-rear direction.
  • Warpage of the heat dissipation substrate (2) due to the difference in the linear expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat dissipation substrate (2) A restraint plate (4) for restraining the heat sink, a heat dissipating fin (5) joined to the surface of the restraint plate (4) opposite to the side joined to the heat sink substrate (2), and the bottom surface of the heat sink substrate (2) And a cooling jacket (6) fixed so as to cover the radiating fin (5).
  • the heat dissipation substrate (2) is formed of a high thermal conductivity material such as aluminum or copper (including a copper alloy; hereinafter the same), here aluminum.
  • the insulating substrate (3) may be formed with any insulating material force as long as it satisfies the required insulating properties, thermal conductivity, and mechanical strength. For example, a ceramic force is also formed. In this case, aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride or the like is used.
  • the thickness of the insulating substrate (3) is preferably 0.1 to Lmm.
  • a wiring layer (7) is provided on the upper surface of the insulating substrate (3), and a heat transfer layer (8) is provided on the lower surface.
  • the wiring layer (7) is made of a metal such as aluminum or copper having excellent conductivity, but has high electrical conductivity, high deformability, and high strength and excellent solderability with semiconductor elements. Preferably, it is made of pure aluminum.
  • the heat transfer layer (8) is made of a metal such as aluminum or copper with excellent thermal conductivity, but has a high thermal conductivity, high deformability, high purity and excellent wettability with the brazing filler metal. It is preferable to be made of high purity aluminum.
  • the wiring layer (7) and the heat transfer layer (8) are preferably formed of the same material.
  • the heat transfer layer (8) is brazed to the heat dissipation substrate (2). Insulating substrate (3) provided with wiring layer (7) and heat transfer layer (8) in advance includes DBA (Direct Brazed Aluminum, registered trademark) substrate, DBC (Direct Bonded Copper, registered trademark) substrate, etc. Can be used.
  • the constraining plate (4) may be formed of any material force as long as the linear expansion coefficient and Young's modulus are the same as those of the insulating substrate (3). Ceramic, Invar alloy, electromagnetic soft iron, etc. Formed from. When ceramic force is also formed, aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride, etc. are used. However, it is preferable that the constraining plate (4) is made of the same material as the insulating substrate (3) and has a thickness comparable to that of the insulating substrate (3).
  • the restraint plate (4) is arranged symmetrically with respect to the insulating substrate (3) with the heat dissipation substrate (2) interposed therebetween.
  • the same number of restraining plates (4) as the insulating substrate (3) may be used, or a smaller number of restraining plates (4) than the insulating substrate (3) may straddle multiple insulating substrates (3). May be used.
  • the horizontal dimension is almost the same as that of the insulating substrate (3), and the longitudinal dimension is the front edge of the front insulating substrate (3) and the rear edge of the rear insulating substrate (3).
  • a restraining plate (4) that is substantially the same as the distance.
  • the radiating fin (5) is made of a highly heat conductive material such as aluminum or copper, here aluminum, and includes a wave crest, a wave bottom, and a connecting portion that connects the wave crest and the wave bottom.
  • the corrugated shape is brazed to the restraining plate (4) with the wave crest portion and the wave bottom portion oriented in the longitudinal direction.
  • the same number of heat dissipation fins (5) as the restraint plate (4) are brazed to each restraint plate (4).
  • a smaller number of radiating fins (5) than the restraining plate (4) are brazed across the plurality of restraining plates (4).
  • the cooling jacket (6) has a box-like shape as a whole, and a heat radiating fin housing portion (11) that is surrounded by the peripheral wall (9) and that opens upward is provided therein.
  • the coolant inlet pipe (12) is connected to the front wall of the peripheral wall (9) of the cooling jacket (6), and the coolant outlet pipe (13) is connected to the rear wall of the radiator fin housing (11). Connected by welding, etc.
  • a plurality of screw holes (14) are formed in the left and right wall portions of the cooling jacket (6) at intervals in the front-rear direction.
  • the peripheral edge of the heat sink (2) is placed on the peripheral wall (9) of the cooling jacket (6), and the male screw (15) (fastener) passing through the heat sink (2) is screwed into the screw hole (14).
  • the cooling jacket (6) is fixed to the heat radiating board (2) by screwing into the heat radiating fin housing part (11).
  • the upper end opening of 11) is closed by the heat dissipation board (2).
  • a known appropriate sealing means such as an O-ring or gasket is used between the lower surface of the peripheral edge of the heat dissipation substrate (2) and the peripheral wall (9) of the cooling jacket (6). Sealed liquid-tight. Accordingly, the coolant fed into the inlet pipe (12) flows backward through the radiating fin housing portion (11) in the cooling jacket (6), and the outlet pipe (13) force is also sent out.
  • the power module base (1) is manufactured as follows.
  • the heat dissipation substrate (2) is laminated on the surface of the insulating substrate (3) on which the heat transfer layer (8) is provided, and the heat dissipation substrate (2) on the opposite side of the insulating substrate (3).
  • the restraint plate (4) is laminated on the surface, and the heat dissipating fins (5) are placed on the surface of the restraint plate (4) opposite to the heat dissipating substrate (2).
  • a sheet-like aluminum brazing material made of an Al—Si alloy, an Al—Si—Mg alloy, or the like is interposed between the two.
  • the insulating substrate (3), the heat radiating substrate (2), the restraint plate (4), and the heat radiating fin (5) are temporarily fixed by an appropriate means, and an appropriate load is applied to the joint surface in a vacuum atmosphere. Or by heating to 570-600 ° C in an inert gas atmosphere, release from the heat transfer layer (8) of the insulating substrate (3).
  • the thermal substrate (2), the heat dissipation substrate (2) and the restraint plate (4), and the restraint plate (4) and the heat dissipation fin (5) are brazed at the same time. Thereafter, the cooling jacket (6) is fixed to the heat dissipation substrate (2). In this way, the base for the module (1) is manufactured.
  • the insulating substrate (3), the wiring layer (7), the heat transfer layer (8), the heat radiating substrate (2), and the restraint plate (4) are thermally expanded and heated. They are brazed in the expanded state, and after heating, they shrink by heat.
  • the degree of thermal expansion of the heat radiating board (2) is larger than that of the insulating board (3) and the restraining board (4). It becomes larger than (4). For this reason, if the insulation substrate (3) and the heat dissipation substrate (2) are thermally shrunk when cooled to room temperature after brazing is completed, the degree of shrinkage is greater for the heat dissipation substrate (2) than for the insulation substrate (3).
  • the heat dissipation substrate (2) When there is no restraint plate (4), the heat dissipation substrate (2) will be pulled by the insulating substrate (3) and will try to warp. However, on the opposite side of the heat dissipation substrate (2) bonded to the insulating substrate (3), the heat dissipation substrate (3) and the heat dissipation substrate (2) are caused by the difference in coefficient of linear expansion between the insulating substrate (3) and the heat dissipation substrate (2). Since the restraint plate (4) that restrains the warpage of 2) is joined, the warp of the heat dissipation substrate (2) is restrained by the restraint plate (4). Therefore, it is possible to prevent the insulating substrate (3) from being cracked or peeled off at each joint surface, and the durability is improved.
  • the power device is mounted by attaching the power device (P) on the wiring layer (7) of the insulating substrate (3), for example, by soldering. Is configured.
  • This power module is applied to, for example, an inverter circuit of a hybrid car that uses an electric motor as a part of a drive source, and controls the electric power supplied to the electric motor in accordance with the driving situation.
  • the heat generated by the power device (P) is generated by the wiring layer (7), the insulating substrate (3), the heat transfer layer (8), the heat dissipation substrate (2), and the restraint plate (4). Then, the heat is transmitted to the heat radiating fin (5) and radiated from the heat radiating fin (5) to the coolant flowing through the heat radiating fin housing (11) in the cooling jacket (6).
  • the heat dissipation substrate (2) is heated to a high temperature (for example, about 150 ° C) by the heat generated by the power device (P) force, so if there is no restraint plate (4), the heat dissipation substrate (2) Due to the difference in thermal expansion between the heat sink and the insulating substrate (3), the heat radiating substrate (2) is pulled by the insulating substrate (3) and tends to warp. However, due to the difference in coefficient of linear expansion between the insulating substrate (3) and the heat dissipating board (2) on the surface of the heat dissipating substrate (2) opposite to the side bonded to the insulating substrate (3).
  • Restraining plate (4) that restrains warpage of heat sink (2) to be joined Therefore, the warping of the heat dissipation board (2) is restrained by the restraining plate (4). Therefore, it is possible to prevent the insulating substrate (3) from being cracked or peeled off at each joint surface, and the durability is improved.
  • the linear thermal expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat dissipation substrate (2) Even if the heat dissipation substrate (2) contracts and warps under the restraint of the insulating substrate (3) due to the difference, the warp of the heat dissipation substrate (2) is restrained by the restraint plate (4). Accordingly, it is possible to prevent the insulating substrate (3) from being cracked or to peel off at each bonding surface, and the durability is improved.
  • the case where the power module is left for a long time in a low-temperature environment is, for example, the case where the power module is used for a long time outdoors in the winter in a hybrid car.
  • the heat transfer layer (8) and the heat dissipation substrate (2) of the circuit board, the heat dissipation substrate (2) and the restraint plate (4), and the restraint plate (4) and Joining to the heat dissipating fin (5) is performed by brazing, but it may be performed by bonding using an adhesive instead.
  • the heat transfer layer (8) is not formed on the lower surface of the insulating substrate (3), and the insulating substrate (3) is directly connected to the heat dissipation substrate (2 ) Is brazed. This brazing is performed, for example, in the same manner as in the first embodiment. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • the insulating substrate (3) and the heat radiating substrate (2), the heat radiating substrate (2) and the constraining plate (4), and the constraining plate (4) and the radiating fin (5 )) By bonding with an adhesive.
  • the cooling jacket (6) is fixed to the heat dissipation board (2) by the male screw (15) (fastener) screwed into the screw hole (14).
  • the cooling jacket (6) may be fixed to the heat dissipation substrate (2) by brazing. In this case, the cooling jacket (6) and the heat dissipation substrate (2) are brazed simultaneously with the brazing of the other members described above.
  • FIG. [0073] In the case of the power module base (25) of Embodiment 3, the restraint plate (4) is embedded in a recess (26) formed in the lower surface of the heat dissipation substrate (2). The lower surface of the restraint plate (4) and the lower surface of the heat dissipation board (2) are flush with each other.
  • the radiating fin (5) has a horizontal dimension that is approximately equal to the horizontal width of the radiating board (2) .
  • the radiating fin (5) is located on the lower surface of the restraint plate (4) and the lower surface of the radiating board (2). It is brazed to the left and right sides of the recess (26). Further, the cooling jacket (6) is not fixed to the heat dissipation board (2). Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • the heat radiating fins (5 ) Is sent to the wind.
  • the heat generated by the power device (P) is radiated through the wiring layer (7), insulating substrate (3), heat transfer layer (8), heat dissipation substrate (2), and restraint plate (4). It is transmitted to (5) and is radiated to the wind from the radiating fin (5).
  • the heat transfer layer (8) and the heat dissipation board (2) of the circuit board, the heat dissipation board (2) and the restraint plate (4), and the restraint plate (4) and the heat dissipation fin (5 Bonding with) may be performed by bonding using an adhesive.
  • the heat transfer layer (8) is not formed on the lower surface of the insulating substrate (3), and the insulating substrate (3) is directly connected to the heat dissipation substrate (2 ) Is brazed.
  • Other configurations are the same as those of the third embodiment.
  • the insulating substrate (3) and the heat radiating substrate (2), the heat radiating substrate (2) and the restraint plate (4), and the joint between the restraint plate (4) and the heat radiating fin (5) are adhesives. It may be performed by bonding using
  • the restraint plate (4) is embedded in a recess (26) formed in the lower surface of the heat dissipation substrate (2), and the heat dissipation substrate (2)
  • the recess (26) is not necessarily required.
  • a part of the force restricting plate (4) of the radiating fin (5) may be cut out so as to be accommodated.
  • the power module base of the present invention constitutes a power module including a power device, and is preferably used for efficiently radiating heat generated from a semiconductor element.
  • FIG. 1 is a plan view showing a power module including a power module base according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 and showing a power module including a power module base according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2, showing a power module including a power module base according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 and showing a power module including a power module base according to Embodiment 4 of the present invention.

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Abstract

　パワーモジュール用ベース（１）は、高熱伝導性材料からなる放熱基板（２）と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板（３）と、絶縁基板（３）における放熱基板（２）に接合された側と反対側の面に設けられた配線層（７）とを備えている。また、パワーモジュール用ベース（１）は、放熱基板（２）の他面に接合され、かつ絶縁基板（３）と放熱基板（２）との線膨張係数の差に起因する放熱基板（２）の反りを拘束する拘束板（４）と、拘束板（４）における放熱基板（２）に接合された側と反対側の面に接合された放熱フィン（５）とを備えている。この発明のパワーモジュール用ベース（１）によれば、放熱性能の低下を防止しつつ耐久性の向上を実現することができる。

Description

明 細 書
ノヽ0ヮーモジユーノレ用ベース 技術分野
[0001] 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。
[0002] 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」、「酸ィ匕アルミニウム」および「純アルミニウム」と表現する場合を除!ヽ 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。
背景技術
[0003] たとえば IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体素子からなるパヮ 一デバイスを備えたパワーモジュールにお 、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接合されたアルミ- ゥム製放熱基板と、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に接合 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)。
[0004] 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 、る。
[0005] そして、パワーデバイス力も発せられた熱は、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。
[0006] このとき、比較的線膨張係数の大きいアルミニウム力もなる放熱基板およびヒートシ ンクは、パワーデバイス力も発せられた熱により高温になって、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 ミニゥムの線膨張係数よりも小さいので、パワーデバイスから発せられた熱により高温 になったとしても、放熱基板およびヒートシンクほど大きく熱膨張しょうとしない。この ため、何も対策を講じなければ、放熱基板およびヒートシンクと絶縁基板との熱膨張 差により、放熱基板およびヒートシンクが絶縁基板に引っ張られて反ることとなり、そ の結果絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりし、耐久性 が低下する。
[0007] また、絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクの接合を、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、上述したように、放熱基板およびヒートシンクの線膨張係 数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板およびヒートシンクの熱膨 張の度合は絶縁基板よりも大きぐ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した場合、 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つて、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反ることとなり、その結果絶縁 基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりし、耐久性が低下する。
[0008] 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。し力しながら、放熱基板の厚みを大きくすると、パワーデバイス力もヒートシン 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。
特許文献 1：特開 2003— 86744号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] この発明の目的は、上記問題を解決し、放熱性能の低下を防止しつつ耐久性の向 上を実現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。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明は、上記目的を達成するために以下の態様力もなる。
[0011] 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、かつ絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因 する放熱基板の反りを拘束する拘束板と、拘束板における放熱基板に接合された側 と反対側の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。
[0012] 2)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)記載のパヮ ' ~~モシュ ~~ノレ用ベ' ~~ス。
[0013] 3)絶縁基板の配線層と伝熱層とが、同一材料力 なる上記 2)記載のパワーモジュ ' ~~ノレ用べ1 ~~ス。
[0014] 4)絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンと がそれぞれろう付されている上記 2)または 3)記載のパワーモジュール用ベース。
[0015] 5)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)記載のパワーモジュール用ベース。
[0016] 6)絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞ れろう付されている上記 5)記載のパワーモジュール用ベース。
[0017] 7)拘束板が、絶縁基板に対して放熱基板を間に挟んで対称に配置されている上記
1)〜6)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
[0018] なお、この明細書および特許請求の範囲において、「対称」という用語には、数学 的に定義される厳密な対称の他に、対称に近い状態、すなわち放熱基板の厚さ方 向から見て、絶縁基板と拘束板とが完全に一致するように重なり合う場合の他に、両 者の一部がずれて重なり合う状態も含むものとする。
[0019] 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
、酸ィ匕アルミニウムまたは窒化ケィ素からなる上記 1)〜7)のうちのいずれかに記載の ノ ヮ一モジュール用ベース。
[0020] 9)拘束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、 酸ィ匕アルミニウムまたは窒化ケィ素カもなる上記 1)〜8)のうちのいずれかに記載のパ ヮーモジユーノレ用ベース。
[0021] 10)絶縁基板と拘束板とが同一材料により形成されている上記 8)または 9)記載のパ ヮーモジユーノレ用ベース。
[0022] 11)拘束板力インバー合金または電磁軟鉄力もなる上記 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。
[0023] 12)絶縁基板および拘束板の厚みがそれぞれ 0. 1〜： Lmmである上記 1)〜10)のう ちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
[0024] 13)放熱基板における拘束板が接合された面に、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)
〜 12)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
[0025] 14)冷却ジャケットが放熱基板にろう付されて 、る上記 13)記載のパワーモジュール 用ベース。
[0026] 15)冷却ジャケットが、締結具を用いて放熱基板に着脱自在に固定されており、冷 却ジャケットと放熱基板との間がシール手段により液密状にシールされている上記 13 )記載のパワーモジュール用ベース。
[0027] 16)—面に配線層が設けられた絶縁基板における他面側に、高熱伝導性材料から なる放熱基板を積層し、放熱基板における絶縁基板とは反対側の面に、絶縁基板と 放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板を積層 し、拘束板における放熱基板とは反対側の面に放熱フィンを配置し、絶縁基板と放 熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとをそれぞれ同時にろう付す ることを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
[0028] 17)絶縁基板における配線層が設けられた面とは反対側の面に、高熱伝導性材料 からなる伝熱層を設けておき、当該伝熱層と放熱基板とをろう付する上記 16)記載の パワーモジュール用ベースの製造方法。
[0029] 18)放熱基板の拘束板側の面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットを配置し、絶 縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとのろう付と同時 に、冷却ジャケットを放熱基板にろう付する上記 16)または 17)記載のパワーモジユー ル用ベースの製造方法。
[0030] 19)上記 1)〜15)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。 発明の効果
[0031] 上記 1)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、放熱基板および拘束板を経て放熱フィン に伝えられ、放熱フィン力も放熱される。このとき、放熱基板は、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°C程度）に加熱されるので、熱膨張しょうとす 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力も形成されている場 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する。しかしな がら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱 基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合され ているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラ ックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向 上する。
[0032] また、上記 1)のパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールが低温環境 下 (たとえば、 50°C程度）に長時間放置された場合、絶縁基板と放熱基板との線 熱膨張係数の差に起因して放熱基板が絶縁基板の拘束の下で収縮して反ろうとして も、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生 じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。 パワーモジュールが低温環境下に長時間放置される場合とは、たとえばパワーモジ ユールが用いられたハイブリッドカー力 冬季に屋外で長時間放置されるような場合 である。
[0033] さらに、上記 1)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板、放熱基板および 放熱フィンの接合を、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 および放熱基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 縁基板および放熱基板が熱収縮する。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ぐその結果放熱基 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つて、放熱基板が絶縁基板により引っ張られて反ろうと する。しカゝしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶 縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束 板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、 絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され 、耐久性が向上する。
[0034] し力も、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く、パワーデバイス力 放熱フィンまでの熱伝導の経路が 比較的短くなつて、放熱性能の低下が抑制される。
[0035] 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るパワーデバ イスカゝら伝わった熱が、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。
[0036] 上記 3)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板の配線層と伝熱層の線膨 張係数やヤング率が同一になるので、反りの発生が特に少なくなる。
[0037] 上記 4)のパワーモジュール用ベースのように、絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱 基板と拘束板、および拘束板と放熱フィン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および放熱基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および放熱基板が熱収縮する。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 りも大きぐ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つて、放熱基板が絶縁基板 により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に接合さ れた側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱 基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反り が拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が 生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
[0038] 上記 5)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板と放熱基板との間の熱抵 抗が少なくなり、放熱性能が向上する。
[0039] 上記 6)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、放熱基板と拘 束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている場合、ろう付の際の加 熱時に絶縁基板および放熱基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および放熱基板が熱収縮する。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つて、放熱基板が絶縁基板により引 つ張られて反ろうとする。しカゝしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と 反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反 りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束され る。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりす ることが防止され、耐久性が向上する。
[0040] 上記 7)のパワーモジュール用ベースによれば、放熱基板が熱膨張または熱収縮し ようとする際に、放熱基板の一方の面に接合された絶縁基板と、他方の面に接合さ れた拘束板とによって、放熱基板の両面がほぼ均等に引っ張られる。したがって、放 熱基板の反りを一層確実に防止することができる。
[0041] 上記 9)のパワーモジュール用ベースによれば、拘束板の線膨張係数が比較的小さ くなり、ヤング率が比較的高いので、上記 1)で述べた効果が一層顕著になる。
[0042] 上記 10)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板および拘束板の線膨張 係数やヤング率が同じとなるので、放熱基板が熱膨張または熱収縮する際に、絶縁 基板および拘束板によって均等な力で拘束されることになり、上記 1)で述べた効果が 一層顕著になる。
[0043] 上記 11)のパワーモジュール用ベースによれば、拘束板の線膨張係数が比較的小 さくなり、ヤング率が比較的高いので、上記 1)で述べた効果が一層顕著になる。
[0044] 上記 12)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板および拘束板として、窒 化アルミニウムなどのセラミック基板の一般的な厚みのものを用いることができ、材料 の入手性が向上する。
[0045] 上記 13)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 イスカゝら発せられた熱は、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 熱フィン力 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。
[0046] 上記 14)のパワーモジュール用ベースによれば、上記 4)のパワーモジュール用べ一 スのように、絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱 フィンとがそれぞれろう付されて 、る場合や、上記 6)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、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそ れぞれろう付されている場合には、これらのろう付と同時に放熱基板に冷却ジャケット をろう付することができるので、冷却ジャケットの固定作業が簡単になる。
[0047] 上記 15)のパワーモジュール用ベースによれば、冷却ジャケットを放熱基板から取り 外す必要が生じた場合には、簡単に対処することができる。
[0048] 上記 16)および 17)のパワーモジュール用ベースの製造方法のように、絶縁基板と放 熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとをそれぞれろう付する場合 、ろう付の際の加熱時に絶縁基板および放熱基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および放熱基板が熱収縮する。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 基板よりも大きぐ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つて、放熱基板が絶 縁基板により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に 接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する 放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の 反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥 離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
[0049] 上記 18)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、絶縁基板と放熱基板、 放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとのろう付と同時に放熱基板に冷却ジ ャケットをろう付することができるので、冷却ジャケットの固定作業が簡単になる。 発明を実施するための最良の形態
[0050] 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の上側を前、下側を後といい、図 2の上下、左右を上下、左右というものとす る。
[0051] 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。
[0052] 実施形態 1
この実施形態は図 1および図 2に示すものである。
[0053] 図 1は実施形態 1のパワーモジュール用ベースを用!、たパワーモジュールの全体 構成を示し、図 2はその要部の構成を示す。
[0054] 図 1および図 2において、パワーモジュール用ベース (1)は、前後方向に長い方形 状の放熱基板 (2)と、放熱基板 (2)の上面に前後方向に間隔をおいて接合された複数 の絶縁基板 (3)と、放熱基板 (2)の下面に接合され、かつ絶縁基板 (3)と放熱基板 (2)と の線膨張係数の差に起因する放熱基板 (2)の反りを拘束する拘束板 (4)と、拘束板 (4) における放熱基板 (2)に接合された側と反対側の面に接合された放熱フィン (5)と、放 熱基板 (2)の下面に、放熱フィン (5)を覆うように固定された冷却ジャケット (6)とを備え ている。
[0055] 放熱基板 (2)は、アルミニウム、銅 (銅合金も含む。以下、同様)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。 [0056] 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 、 れば、どのような絶縁材料力も形成されていてもよいが、たとえばセラミック力も形成さ れる場合、酸ィ匕アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケィ素などが用いられる。絶縁 基板 (3)の肉厚は 0. 1〜： Lmmであることが好ましい。絶縁基板 (3)上面に配線層 (7)が 設けられるとともに下面に伝熱層 (8)が設けられている。配線層 (7)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、電気伝導率が高ぐ変形能が高く 、し力も半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高 、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 (8)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、熱伝導率が高ぐ変形能が高ぐし力も溶融したろう材との 濡れ性に優れた純度の高 、純アルミニウムにより形成されて 、ることが好まし 、。また 、配線層 (7)および伝熱層 (8)は同一材料で形成されていることが好ましい。そして、伝 熱層 (8)が放熱基板 (2)にろう付されている。なお、配線層 (7)および伝熱層 (8)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。
[0057] 拘束板 (4)は、線膨張係数およびヤング率が、絶縁基板 (3)と同程度であれば、どの ような材料力 形成されていてもよぐセラミックス、インバー合金、電磁軟鉄などから 形成される。セラミックス力も形成される場合、酸ィ匕アルミニウム、窒化アルミニウム、 窒化ケィ素などが用いられる。但し、拘束板 (4)は、絶縁基板 (3)と同じ材料で形成され ていること、および絶縁基板 (3)と同程度の肉厚であることが好ましい。また、拘束板 (4 )は、絶縁基板 (3)に対して放熱基板 (2)を間に挟んで対称に配置されている。さらに、 絶縁基板 (3)と同数の拘束板 (4)が用いられることがあり、あるいは絶縁基板 (3)よりも小 数の拘束板 (4)が、複数の絶縁基板 (3)に跨るように用いられることがある。前者の場 合、前後方向および左右方向の寸法が絶縁基板 (3)とほぼ同じである方形の拘束板（ 4)を用いることが好ましい。後者の場合、左右方向の寸法が絶縁基板 (3)とほぼ同じ であり、かつ前後方向の寸法が前端の絶縁基板 (3)の前縁と後端の絶縁基板 (3)の後 縁との距離とほぼ同じである拘束板 (4)を用いることが好ましい。
[0058] 放熱フィン (5)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前後方向に向けて、拘束 板 (4)にろう付されている。なお、複数の拘束板 (4)が放熱基板 (2)にろう付されている 場合、拘束板 (4)と同数の放熱フィン (5)が各拘束板 (4)にろう付される場合と、拘束板（ 4)よりも少数の放熱フィン (5)が複数の拘束板 (4)に跨ってろう付される場合とがある。
[0059] 冷却ジャケット (6)は全体に箱状となされ、その内部に、全周が周壁 (9)により囲繞さ れるとともに上方に開口した放熱フィン収容部 (11)が設けられている。冷却ジャケット（ 6)の周壁 (9)の前壁部に冷却液入口パイプ (12)が、後壁部に冷却液出口パイプ (13)が 、それぞれ放熱フィン収容部 (11)内に通じるように、溶接などによって接続されている 。また、冷却ジャケット (6)の左右壁部に、複数のねじ穴 (14)がそれぞれ前後方向に間 隔をおいて形成されている。そして、放熱基板 (2)の周縁部が冷却ジャケット (6)の周 壁 (9)上に載せられ、放熱基板 (2)を貫通したおねじ (15) (締結具)をねじ穴 (14)にねじ 嵌めることによって、冷却ジャケット (6)が放熱基板 (2)に固定され、これにより放熱フィ ン収容部 (11)内に放熱フィン (5)が収容された状態で、放熱フィン収容部 (11)の上端 開口が放熱基板 (2)により閉鎖されている。なお、図示は省略したが、放熱基板 (2)の 周縁部下面と、冷却ジャケット (6)の周壁 (9)上端面との間は、公知の適当なシール手 段、たとえば Oリングやガスケットによって液密状にシールされている。したがって、入 口パイプ (12)力 送り込まれた冷却液が冷却ジャケット (6)内の放熱フィン収容部 (11) を後方に流れ、出口パイプ (13)力も送り出されるようになつている。
[0060] 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。
[0061] すなわち、絶縁基板 (3)の伝熱層 (8)が設けられた面側に放熱基板 (2)を積層し、放 熱基板 (2)における絶縁基板 (3)とは反対側の面に、拘束板 (4)を積層し、拘束板 (4)に おける放熱基板 (2)とは反対側の面に放熱フィン (5)を配置する。絶縁基板 (3)の伝熱 層 (8)と放熱基板 (2)との間、放熱基板 (2)と拘束板 (4)との間、および拘束板 (4)と放熱フ イン (5)との間には、それぞれそれぞれ 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。
[0062] ついで、絶縁基板 (3)、放熱基板 (2)、拘束板 (4)および放熱フィン (5)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°Cに加熱することによって、絶縁基板 (3)の伝熱層 (8)と放 熱基板 (2)、放熱基板 (2)と拘束板 (4)、および拘束板 (4)と放熱フィン (5)とをそれぞれ同 時にろう付する。その後、冷却ジャケット (6)を放熱基板 (2)に固定する。こうして、パヮ 一モジュール用ベース (1)が製造される。
[0063] 上述したろう付の際の加熱時には、絶縁基板 (3)、配線層 (7)、伝熱層 (8)、放熱基板 ( 2)および拘束板 (4)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)および拘束 板 (4)よりも大きぐその結果放熱基板 (2)の熱収縮の度合も絶縁基板 (3)および拘束板 (4)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、拘束板 (4)がない場合、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、放熱基板 (2)における絶縁基板 (3)に接合された側と反 対側の面に、絶縁基板 (3)と放熱基板 (2)との線膨張係数の差に起因する放熱基板 (2) の反りを拘束する拘束板 (4)が接合されているので、拘束板 (4)により放熱基板 (2)の反 りが拘束される。したがって、絶縁基板 (3)にクラックが生じたり、各接合面において剥 離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
[0064] 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 (7)上にパヮ 一デバイス (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、パワーモジユー 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。
[0065] この際、パワーデバイス (P)カゝら発せられた熱は、配線層 (7)、絶縁基板 (3)、伝熱層 (8 )、放熱基板 (2)および拘束板 (4)を経て放熱フィン (5)に伝えられ、放熱フィン (5)から冷 却ジャケット (6)内の放熱フィン収容部 (11)を流れる冷却液に放熱される。このとき、放 熱基板 (2)は、パワーデバイス (P)力も発せられる熱により高温 (たとえば、 150°C程度） に加熱されるので、拘束板 (4)がない場合、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。しカゝしながら、放熱 基板 (2)における絶縁基板 (3)に接合された側と反対側の面に、絶縁基板 (3)と放熱基 板 (2)との線膨張係数の差に起因する放熱基板 (2)の反りを拘束する拘束板 (4)が接合 されているので、拘束板 (4)により放熱基板 (2)の反りが拘束される。したがって、絶縁 基板 (3)にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、 耐久性が向上する。
[0066] また、上記とは逆に、パワーモジュールが低温環境下 (たとえば、 50°C程度）に 長時間放置された場合、絶縁基板 (3)と放熱基板 (2)との線熱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しても、拘束板 (4)により 放熱基板 (2)の反りが拘束される。したがって、絶縁基板 (3)にクラックが生じたり、各接 合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。パワーモジュ ールが低温環境下に長時間放置される場合とは、たとえばパワーモジュールが用い られたハイブリッドカー力 冬季に屋外で長時間放置されるような場合である。
[0067] 上記実施形態 1にお!/ヽて、回路基板の伝熱層 (8)と放熱基板 (2)、放熱基板 (2)と拘 束板 (4)、および拘束板 (4)と放熱フィン (5)との接合はろう付により行われているが、こ れに代えて、接着剤を用いた接着により行ってもよい。
[0068] 実施形態 2
この実施形態は図 3に示すものである。
[0069] 実施形態 2のパワーモジュール用ベース (20)の場合、絶縁基板 (3)の下面には伝熱 層 (8)は形成されておらず、絶縁基板 (3)が直接放熱基板 (2)にろう付されている。この ろう付は、たとえば上記実施形態 1の場合と同様にして行われる。その他の構成は実 施形態 1と同じである。
[0070] また、上記実施形態 2にお 、ても、絶縁基板 (3)と放熱基板 (2)、放熱基板 (2)と拘束 板 (4)、および拘束板 (4)と放熱フィン (5)との接合を、接着剤を用いた接着により行って ちょい。
[0071] 上記実施形態 1および 2において、冷却ジャケット (6)は、ねじ穴 (14)にねじ嵌められ たおねじ (15) (締結具）によって放熱基板 (2)に固定されている力 これに代えて、冷 却ジャケット (6)をろう付により放熱基板 (2)に固定してもよい。この場合、冷却ジャケット (6)と放熱基板 (2)とのろう付は、上述した他の部材のろう付と同時に行われる。
[0072] 実施形態 3
この実施形態は図 4に示すものである。 [0073] 実施形態 3のパワーモジュール用ベース (25)の場合、拘束板 (4)は、放熱基板 (2)の 下面に形成された凹所 (26)内に埋め込まれた状態で放熱基板 (2)にろう付されており 、拘束板 (4)の下面と放熱基板 (2)の下面とが面一となつている。放熱フィン (5)の左右 方向の寸法は放熱基板 (2)の左右方向の幅とほぼ等しぐ放熱フィン (5)は、拘束板 (4) の下面、および放熱基板 (2)の下面における凹所 (26)の左右両側部分にろう付されて いる。また、放熱基板 (2)に冷却ジャケット (6)は固定されていない。その他の構成は実 施形態 1と同じである。
[0074] 実施形態 3のパワーモジュール用ベース (25)の配線層 (7)上にパワーデバイス (P)が はんだ付されてなるパワーモジュールの場合、送風機により前後 、ずれか一方から 放熱フィン (5)に風が送られる。そして、パワーデバイス (P)カゝら発せられた熱は、配線 層 (7)、絶縁基板 (3)、伝熱層 (8)、放熱基板 (2)および拘束板 (4)を経て放熱フィン (5)に 伝えられ、放熱フィン (5)から風に放熱される。
[0075] 上記実施形態 3においても、回路基板の伝熱層 (8)と放熱基板 (2)、放熱基板 (2)と拘 束板 (4)、および拘束板 (4)と放熱フィン (5)との接合は、接着剤を用いた接着により行 つてもよい。
[0076] 実施形態 4
この実施形態は図 5に示すものである。
[0077] 実施形態 4のパワーモジュール用ベース (30)の場合、絶縁基板 (3)の下面には伝熱 層 (8)は形成されておらず、絶縁基板 (3)が直接放熱基板 (2)にろう付されている。その 他の構成は実施形態 3と同じである。
上記実施形態 4においても、絶縁基板 (3)と放熱基板 (2)、放熱基板 (2)と拘束板 (4)、 および拘束板 (4)と放熱フィン (5)との接合を、接着剤を用いた接着により行ってもよい
[0078] 上記実施形態 3および 4にお ヽては、拘束板 (4)は、放熱基板 (2)の下面に形成され た凹所 (26)内に埋め込まれた状態で放熱基板 (2)にろう付されているが、凹所 (26)は 必ずしも必要としない。この場合、放熱フィン (5)の一部力 拘束板 (4)を収容しうるよう に切り欠かれることがある。
産業上の利用可能性 [0079] 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ユー 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。
図面の簡単な説明
[0080] [図 1]この発明の実施形態 1のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュール を示す平面図である。
[図 2]図 1の II II線拡大断面図である。
[図 3]この発明の実施形態 2のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュール を示す図 2相当の断面図である。
[図 4]この発明の実施形態 3のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュール を示す図 2相当の断面図である。
[図 5]この発明の実施形態 4のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュール を示す図 2相当の断面図である。

Claims

請求の範囲
[I] 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、かつ絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する 放熱基板の反りを拘束する拘束板と、拘束板における放熱基板に接合された側と反 対側の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。
[2] 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記載のパヮ ' ~~モシュ ~~ノレ用ベ' ~~ス。
[3] 絶縁基板の配線層と伝熱層とが、同一材料力もなる請求項 2記載のパワーモジユー ノレ用ベース。
[4] 絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとが それぞれろう付されている請求項 2または 3記載のパワーモジュール用ベース。
[5] 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記載のパワーモジュール用ベース。
[6] 絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろ う付されている請求項 5記載のパワーモジュール用ベース。
[7] 拘束板が、絶縁基板に対して放熱基板を間に挟んで対称に配置されている請求項 1
〜6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、 酸ィ匕アルミニウムまたは窒化ケィ素カもなる請求項 1〜7のうちのいずれかに記載の ノ ヮ一モジュール用ベース。
[9] 拘束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ィ素力 なる請求項 1〜8のうちのいずれかに記載のパ ヮーモジユーノレ用ベース。
[10] 絶縁基板と拘束板とが同一材料により形成されている請求項 8または 9記載のパワー モジユーノレ用ベース。
[II] 拘束板力 Sインバー合金または電磁軟鉄力もなる請求項 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。
[12] 絶縁基板および拘束板の厚みがそれぞれ 0. 1〜： Lmmである請求項 1〜10のうちの
V、ずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
[13] 放熱基板における拘束板が接合された面に、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 1〜12 のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
[14] 冷却ジャケットが放熱基板にろう付されている請求項 13記載のパワーモジュール用 ベース。
[15] 冷却ジャケットが、締結具を用いて放熱基板に着脱自在に固定されており、冷却ジャ ケットと放熱基板との間がシール手段により液密状にシールされている請求項 13記 載のパワーモジュール用ベース。
[16] 一面に配線層が設けられた絶縁基板における他面側に、高熱伝導性材料からなる 放熱基板を積層し、放熱基板における絶縁基板とは反対側の面に、絶縁基板と放熱 基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板を積層し、拘 束板における放熱基板とは反対側の面に放熱フィンを配置し、絶縁基板と放熱基板 、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとをそれぞれ同時にろう付することを 特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
[17] 絶縁基板における配線層が設けられた面とは反対側の面に、高熱伝導性材料から なる伝熱層を設けておき、当該伝熱層と放熱基板とをろう付する請求項 16記載のパ ヮーモジュール用ベースの製造方法。
[18] 放熱基板の拘束板側の面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットを配置し、絶縁基 板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとのろう付と同時に、 冷却ジャケットを放熱基板にろう付する請求項 16または 17記載のパワーモジュール 用ベースの製造方法。
[19] 請求項 1〜15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 ユ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 ノ ヮーモジユーノレ。
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