JP2002094192A - 回路基板の冷却構造 - Google Patents
回路基板の冷却構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】優れた放熱特性を有する回路基板の冷却構造を
提供する。 【解決手段】セラミックス基板（３）の表面には回路
（２）、裏面には複数個の良熱伝導性突起物（４）が設
けられてなり、上記良熱伝導性突起物が冷媒と直接流通
接触できるようにセラミックス基板の下部がハウジング
（５）されていることを特徴とする回路基板の冷却構
造。この場合において、セラミックス基板（３）の裏面
面積に対する複数個の良熱伝導性突起物（４）の設置面
積の合計の比が、０．３〜０．９であることが好まし
い。
提供する。 【解決手段】セラミックス基板（３）の表面には回路
（２）、裏面には複数個の良熱伝導性突起物（４）が設
けられてなり、上記良熱伝導性突起物が冷媒と直接流通
接触できるようにセラミックス基板の下部がハウジング
（５）されていることを特徴とする回路基板の冷却構
造。この場合において、セラミックス基板（３）の裏面
面積に対する複数個の良熱伝導性突起物（４）の設置面
積の合計の比が、０．３〜０．９であることが好まし
い。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板の冷却構
造に関する。
造に関する。
【０００２】
【従来の技術】パワーモジュールの高出力化が進む中、
小型軽量化モジュールにおいて、半導体素子等の電子部
品から発生した熱をいかに効率よく速やかに系外に逃が
すかが、重要課題の一つとなっている。
小型軽量化モジュールにおいて、半導体素子等の電子部
品から発生した熱をいかに効率よく速やかに系外に逃が
すかが、重要課題の一つとなっている。
【０００３】従来の水冷式冷却構造は、セラミックス基
板の裏面に放熱板を貼り、更に冷却板を取り付け、その
冷却板に通水する間接方式であったため（例えば特開平
７−１５４０８２号公報）、電子部品が良好に作動する
温度までにモジュール温度を下げることができなかった
し、その温度コントロールも容易でなかった。
板の裏面に放熱板を貼り、更に冷却板を取り付け、その
冷却板に通水する間接方式であったため（例えば特開平
７−１５４０８２号公報）、電子部品が良好に作動する
温度までにモジュール温度を下げることができなかった
し、その温度コントロールも容易でなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
てなされたものであり、その目的は、優れた放熱特性を
有する回路基板の冷却構造を提供することである。
てなされたものであり、その目的は、優れた放熱特性を
有する回路基板の冷却構造を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板（３）の表面には回路（２）、裏面には
複数個の良熱伝導性突起物（４）が設けられてなり、上
記良熱伝導性突起物が冷媒と直接流通接触できるように
セラミックス基板の下部がハウジング（５）されている
ことを特徴とする回路基板の冷却構造である。この場合
において、セラミックス基板（３）の裏面面積に対する
良熱伝導性突起物（４）の設置面積の合計の比が、０．
３〜０．９であることが好ましい。
ラミックス基板（３）の表面には回路（２）、裏面には
複数個の良熱伝導性突起物（４）が設けられてなり、上
記良熱伝導性突起物が冷媒と直接流通接触できるように
セラミックス基板の下部がハウジング（５）されている
ことを特徴とする回路基板の冷却構造である。この場合
において、セラミックス基板（３）の裏面面積に対する
良熱伝導性突起物（４）の設置面積の合計の比が、０．
３〜０．９であることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施態様の図面に
基づいて更に詳しく説明する。
基づいて更に詳しく説明する。
【０００７】図１は、本発明の回路基板の冷却構造の一
例を示す概略断面図であり、図２、図３は良熱伝導性突
起物の形状の一例を示すためのセラミックス基板裏面の
斜視図である。図４は、従来の水冷式回路基板の冷却構
造の概略断面図である。図において、１は半導体、２は
回路、３はセラミックス基板、４は良熱伝導性突起物、
５はハウジング、６は放熱板、７は冷却板である。
例を示す概略断面図であり、図２、図３は良熱伝導性突
起物の形状の一例を示すためのセラミックス基板裏面の
斜視図である。図４は、従来の水冷式回路基板の冷却構
造の概略断面図である。図において、１は半導体、２は
回路、３はセラミックス基板、４は良熱伝導性突起物、
５はハウジング、６は放熱板、７は冷却板である。
【０００８】セラミックス基板の表面に回路を形成させ
るには、種々の方法があるが、本発明においては、導電
性ペーストを回路パターンに描いた後、乾燥・焼結する
厚膜ペースト法、金属回路パターンをセラミックス基板
に接合するパターン搭載法、金属板をセラミックス基板
に接合した後、回路パターンをエッチングによって形成
させるエッチング法等、を採用することができる（たと
えば、国際公開ＷＯ９１／１６８０５公報参照）。
るには、種々の方法があるが、本発明においては、導電
性ペーストを回路パターンに描いた後、乾燥・焼結する
厚膜ペースト法、金属回路パターンをセラミックス基板
に接合するパターン搭載法、金属板をセラミックス基板
に接合した後、回路パターンをエッチングによって形成
させるエッチング法等、を採用することができる（たと
えば、国際公開ＷＯ９１／１６８０５公報参照）。
【０００９】また、裏面に良熱伝導性突起物を形成させ
る方法も同様の手法が採用できるが、本発明において
は、良熱伝導性部材である金属板をセラミックス基板に
接合した後、所望形状の突起物パターン状にエッチング
レジストを塗布し、エッチングを行って不要金属部分を
除去する、エッチング法によることが望ましい。
る方法も同様の手法が採用できるが、本発明において
は、良熱伝導性部材である金属板をセラミックス基板に
接合した後、所望形状の突起物パターン状にエッチング
レジストを塗布し、エッチングを行って不要金属部分を
除去する、エッチング法によることが望ましい。
【００１０】良熱伝導性突起物の形状は全く任意であ
り、図２に示すような一連の凸条、図３に示すようなリ
ブ状は勿論のこと、平面形状が十字条、楕円状、円状、
菱形状等とすることができる。更には、その側面形状
は、角柱、円柱等のように非斜面形状であってもよく、
また平面円錐、角錐、円錐台、角錐台等のように、斜面
形状であってもよい。
り、図２に示すような一連の凸条、図３に示すようなリ
ブ状は勿論のこと、平面形状が十字条、楕円状、円状、
菱形状等とすることができる。更には、その側面形状
は、角柱、円柱等のように非斜面形状であってもよく、
また平面円錐、角錐、円錐台、角錐台等のように、斜面
形状であってもよい。
【００１１】良熱伝導性突起物の長さは、セラミックス
基板厚みの０．１〜１０倍、特に０．３〜２倍であるこ
とが好ましい。また、良熱伝導性突起物の個数は、少な
くとも２個であり、好ましくは１０〜１０００個、更に
好ましくは３０〜７００個、特に好ましくは５０〜５０
０個である。セラミックス基板の裏面面積に対する良熱
伝導性突起物の設置面積の合計の比は、０．３〜０．９
が好ましく、特に０．５〜０．８であることが好まし
い。
基板厚みの０．１〜１０倍、特に０．３〜２倍であるこ
とが好ましい。また、良熱伝導性突起物の個数は、少な
くとも２個であり、好ましくは１０〜１０００個、更に
好ましくは３０〜７００個、特に好ましくは５０〜５０
０個である。セラミックス基板の裏面面積に対する良熱
伝導性突起物の設置面積の合計の比は、０．３〜０．９
が好ましく、特に０．５〜０．８であることが好まし
い。
【００１２】回路又は良熱伝導性突起物、又はエッチン
グによって回路又は良熱伝導性突起物が形成される金属
板と、セラミックス基板との接合には、硫化銅を用いる
方法、セラミックス基板をメタライズしてから接合する
方法、表面を酸化処理した窒化アルミニウム基板と銅板
とを直接接触させ共晶を形成させるＤＢＣ法（例えば特
開昭５６−１６３０９３号公報）、活性金属と呼ばれて
いるチタン、ジルコニウム、ハフニウム等のＩＶ族元素
金属を銅、銀、銀−銅合金等のろう材に含有させた接合
材を用いる活性金属ろう付け法（例えば特開昭６０−１
７７６３４号公報）等が用いられる。
グによって回路又は良熱伝導性突起物が形成される金属
板と、セラミックス基板との接合には、硫化銅を用いる
方法、セラミックス基板をメタライズしてから接合する
方法、表面を酸化処理した窒化アルミニウム基板と銅板
とを直接接触させ共晶を形成させるＤＢＣ法（例えば特
開昭５６−１６３０９３号公報）、活性金属と呼ばれて
いるチタン、ジルコニウム、ハフニウム等のＩＶ族元素
金属を銅、銀、銀−銅合金等のろう材に含有させた接合
材を用いる活性金属ろう付け法（例えば特開昭６０−１
７７６３４号公報）等が用いられる。
【００１３】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質としては、炭化ケイ素、アルミナ、ベリリア、窒化ケ
イ素、窒化アルミニウム等をあげることができるが、中
でも高出力モジュールの場合には、熱履歴に対する信頼
性を十分にするため、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化
アルミニウム又は窒化ケイ素が好適となる。熱伝導率が
５０Ｗ／ｍＫ未満のセラミックス基板では、高出力モジ
ュールになるほど、その温度管理が困難となる。セラミ
ックス基板の厚みは、０．２〜３ｍｍが一般的である。
このようなセラミックス基板は、市販品があるので、そ
れを用いることができる。
質としては、炭化ケイ素、アルミナ、ベリリア、窒化ケ
イ素、窒化アルミニウム等をあげることができるが、中
でも高出力モジュールの場合には、熱履歴に対する信頼
性を十分にするため、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化
アルミニウム又は窒化ケイ素が好適となる。熱伝導率が
５０Ｗ／ｍＫ未満のセラミックス基板では、高出力モジ
ュールになるほど、その温度管理が困難となる。セラミ
ックス基板の厚みは、０．２〜３ｍｍが一般的である。
このようなセラミックス基板は、市販品があるので、そ
れを用いることができる。
【００１４】一方、回路及び良熱伝導性突起物の材質
は、銅又はその合金、アルミニウム又はその合金が一般
的であるが、これに限られるものではない。良熱伝導性
突起物の熱伝導率はセラミックス基板のそれよりも１０
０Ｗ／ｍＫ以上大きいことが好ましい。回路の厚みは、
通常、セラミックス基板のそれよりも薄く設計される。
は、銅又はその合金、アルミニウム又はその合金が一般
的であるが、これに限られるものではない。良熱伝導性
突起物の熱伝導率はセラミックス基板のそれよりも１０
０Ｗ／ｍＫ以上大きいことが好ましい。回路の厚みは、
通常、セラミックス基板のそれよりも薄く設計される。
【００１５】本発明の回路基板の冷却構造の特徴は、図
１に示されるように、上記したセラミックス基板の裏面
構造にして、そこに形成されている良熱伝導性突起物に
冷媒が直接流通接触できるように、セラミックス基板の
下部にハウジングが施されていることである。図示して
ないが、ハウジングは小部屋に分割されていてもよい。
このような本発明の冷却構造は、従来の水冷式冷却構造
に比べて、著しく特異的である。
１に示されるように、上記したセラミックス基板の裏面
構造にして、そこに形成されている良熱伝導性突起物に
冷媒が直接流通接触できるように、セラミックス基板の
下部にハウジングが施されていることである。図示して
ないが、ハウジングは小部屋に分割されていてもよい。
このような本発明の冷却構造は、従来の水冷式冷却構造
に比べて、著しく特異的である。
【００１６】ハウジングの材質は、上記したセラミック
ス、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属や、各種プ
ラスチックスが用いられ、更にはこれらの材料の複合化
物であってもよい。ハウジングの形成は、Ｏリング等の
パッキングを用いたネジ止め等によって、セラミックス
基板の下部にハウジングを取り付けることによって行う
ことができる。
ス、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属や、各種プ
ラスチックスが用いられ、更にはこれらの材料の複合化
物であってもよい。ハウジングの形成は、Ｏリング等の
パッキングを用いたネジ止め等によって、セラミックス
基板の下部にハウジングを取り付けることによって行う
ことができる。
【００１７】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。
本発明を説明する。
【００１８】実施例１〜４ 市販窒化ケイ素基板（大きさ６０ｍｍ角、厚さ１ｍｍ、
熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ）の表面に厚さ０．４ｍｍのアル
ミニウム回路、裏面には表１に示す良熱伝導性突起物
（突起長さはいずれも０．４ｍｍ）を、活性金属ろう付
け法で窒化ケイ素基板に接合された金属板をエッチング
することによって形成させ、そのアルミニウム回路の上
面に半導体（１３ｍｍ×１３ｍｍ）を半田付けし、ワイ
ヤボンディングをした。また、セラミックス基板の下部
には、アルミニウム製ハウジング（厚さ３ｍｍ、大きさ
６０ｍｍ角×高さ外寸８ｍｍ）をＯリングとネジを用い
て取り付け、図１に示されるような回路基板の冷却構造
を作製した。その後、回路面側にはシリコーンゲルを充
填し、表面からの熱の流出を防ぐ構造とした。
熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ）の表面に厚さ０．４ｍｍのアル
ミニウム回路、裏面には表１に示す良熱伝導性突起物
（突起長さはいずれも０．４ｍｍ）を、活性金属ろう付
け法で窒化ケイ素基板に接合された金属板をエッチング
することによって形成させ、そのアルミニウム回路の上
面に半導体（１３ｍｍ×１３ｍｍ）を半田付けし、ワイ
ヤボンディングをした。また、セラミックス基板の下部
には、アルミニウム製ハウジング（厚さ３ｍｍ、大きさ
６０ｍｍ角×高さ外寸８ｍｍ）をＯリングとネジを用い
て取り付け、図１に示されるような回路基板の冷却構造
を作製した。その後、回路面側にはシリコーンゲルを充
填し、表面からの熱の流出を防ぐ構造とした。
【００１９】比較例１ 実施例１において、良熱伝導性突起物の代わりに、アル
ミニウム製平板（厚み０．４ｍｍ）からなる放熱板を窒
化ケイ素基板のほぼ全面に形成させ、その後、冷却板を
取り付けて、図４に示される従来構造の水冷式回路基板
の冷却構造を作製した。
ミニウム製平板（厚み０．４ｍｍ）からなる放熱板を窒
化ケイ素基板のほぼ全面に形成させ、その後、冷却板を
取り付けて、図４に示される従来構造の水冷式回路基板
の冷却構造を作製した。
【００２０】上記で得られた各種回路基板冷却構造の放
熱特性を評価するため、ハウジング内又は冷却板内に６
５℃の冷却水を流速１．５ｍ／ｓで通水し、半導体に通
電（１５０Ｗ）したときの、半導体の表面温度と、中央
付近の良熱伝導性突起物の表面温度（比較例１において
は、冷却板の上部中央付近の内表面温度）とを熱電対に
より測定し、熱抵抗を算出した。それらの結果を表１に
示す。
熱特性を評価するため、ハウジング内又は冷却板内に６
５℃の冷却水を流速１．５ｍ／ｓで通水し、半導体に通
電（１５０Ｗ）したときの、半導体の表面温度と、中央
付近の良熱伝導性突起物の表面温度（比較例１において
は、冷却板の上部中央付近の内表面温度）とを熱電対に
より測定し、熱抵抗を算出した。それらの結果を表１に
示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば、優れた放熱特性を有す
る回路基板の冷却構造が提供される。
る回路基板の冷却構造が提供される。
【図１】本発明の回路基板の冷却構造の一例を示す概略
断面図。
断面図。
【図２】本発明で用いられる良熱伝導性突起物の一例を
示すセラミックス基板裏面の斜視図。
示すセラミックス基板裏面の斜視図。
【図３】本発明で用いられる別の良熱伝導性突起物の一
例を示すセラミックス基板裏面の斜視図。
例を示すセラミックス基板裏面の斜視図。
【図４】従来の水冷式回路基板の冷却構造の概略断面
図。
図。
１ 半導体 ２ 回路 ３ セラミックス基板 ４ 良熱伝導性突起物 ５ ハウジング ６ 放熱板 ７ 冷却板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 正人 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 (72)発明者 西村 浩二 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 (72)発明者 岩元 豪 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 Ｆターム(参考） 5E322 AA01 AA05 DA04 5E338 AA01 AA18 BB61 BB71 BB75 CC01 CD11 EE02 5F036 AA01 BA10 BA23 BB05
Claims (2)
- 【請求項１】 セラミックス基板（３）の表面には回路
（２）、裏面には複数個の良熱伝導性突起物（４）が設
けられてなり、上記良熱伝導性突起物が冷媒と直接流通
接触できるようにセラミックス基板の下部がハウジング
（５）されていることを特徴とする回路基板の冷却構
造。 - 【請求項２】 セラミックス基板（３）の裏面面積に対
する複数個の良熱伝導性突起物（４）の設置面積の合計
の比が、０．３〜０．９であることを特徴とする請求項
１記載の回路基板の冷却構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000275853A JP2002094192A (ja) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | 回路基板の冷却構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000275853A JP2002094192A (ja) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | 回路基板の冷却構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002094192A true JP2002094192A (ja) | 2002-03-29 |
Family
ID=18761406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000275853A Pending JP2002094192A (ja) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | 回路基板の冷却構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002094192A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007173831A (ja) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Internatl Rectifier Corp | 高電力密度デバイス用のパッケージ |
| JP2011216517A (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Toyota Industries Corp | 電子機器の冷却器 |
| JP2011230954A (ja) * | 2010-04-27 | 2011-11-17 | Ngk Spark Plug Co Ltd | セラミック部材とフィン付き放熱部材との接合体の製造方法 |
| CN104428891A (zh) * | 2012-04-23 | 2015-03-18 | 皇家飞利浦有限公司 | 带有冷却结构的集成电子设备模块 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0311759A (ja) * | 1989-06-09 | 1991-01-21 | Hitachi Ltd | 半導体装置の冷却装置 |
| JPH05206341A (ja) * | 1991-10-11 | 1993-08-13 | W R Grace & Co | 開口流路のあるセラミツク基質 |
| JPH0677368A (ja) * | 1992-08-27 | 1994-03-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置およびその製造方法 |
-
2000
- 2000-09-12 JP JP2000275853A patent/JP2002094192A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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