JP2004153075A - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁性基板及び放熱体の双方の熱膨張係数差に拘わることなく、反りを低減できると共に、熱伝導率が低下するのも抑制できること。
【解決手段】放熱体１６の放熱体本体１７に低熱膨張材１８が積層される。放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材で形成され、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７の熱膨張係率より低い熱膨張率の材質、例えばインバーからなる。低熱膨張材１８には、これを貫通する孔１９が複数穿設される。孔１９は、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１と対応領域に穿設される数が少なく、その対応領域の周辺領域に穿設される数を多くして、断面積が大きくなっている。
【選択図】 図１
【解決手段】放熱体１６の放熱体本体１７に低熱膨張材１８が積層される。放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材で形成され、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７の熱膨張係率より低い熱膨張率の材質、例えばインバーからなる。低熱膨張材１８には、これを貫通する孔１９が複数穿設される。孔１９は、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１と対応領域に穿設される数が少なく、その対応領域の周辺領域に穿設される数を多くして、断面積が大きくなっている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に係り、特に半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させる放熱体を有するパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のパワーモジュール用基板にあっては、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接着される（例えば、特許文献１参照）。可塑性多孔質金属層は、気孔率２０〜５０％のＣｕの多孔質焼結体であり、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収することで絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止できるように構成され、いわゆる応力緩和層をなしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記に示す従来のパワーモジュール用基板は、可塑性多孔質金属層が、絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板、放熱体に反りや割れが起こるのを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下してしまい、放熱効果が悪くなっていた。
【０００５】
一般に、絶縁基板と放熱体とのように、互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防ぐためには、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。その場合、熱膨張係数の低い方（絶縁基板）に合わせることとなるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な熱伝導との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、絶縁性基板及び放熱体の双方の熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができると共に、熱伝導率が低下するのも抑制することができるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、放熱体本体に該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材を積層して構成され、該低熱膨張材にはこれを貫通する孔が穿設されていることを特徴とする。
【０００８】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体が、放熱体本体と低熱膨張材とを積層して形成されると、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、そのため、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができ、しかも低熱膨張材に設けられた孔により、絶縁基板からの熱を放熱体の外部に放熱させることができるので、熱伝導率が低下するのを抑制することもできる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュール用基板において、前記低熱膨張材は、リブを有していることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、低熱膨張材がリブを有していると、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、反りをいっそう抑えることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板において、前記孔は、前記低熱膨張材において、絶縁基板と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、低熱膨張材において、絶縁基板との対応領域に設けられた孔の断面積が、その対応領域の周辺領域に設けられた孔の断面積より少なくなっているので、絶縁基板からの熱影響で、対応領域が熱変形を受けて反りが発生するのを防ぐことができる一方、前記対応領域より周辺領域に設けられた孔の断面積が大きくなることで、放熱体本体間の熱伝達をいっそう良好にさせることができ、これによって、放熱体の熱伝達をいっそう良好に行うことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、絶縁基板と、一方の面が絶縁基板と接合され、他方の面が冷却シンク部に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とからなり、前記低熱膨張材は、前記一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる開口空間部を有して設けられ、かつ該開口空間部を介して放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、熱膨張材の開口空間部を介して放熱体本体を充填することで、低熱放熱材が放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたので、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができ、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、従って、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項４記載のパワーモジュール用基板において、前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記開口空間部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記開口空間部の位置をずらして配設することを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて開口空間部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記開口空間部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる開口空間部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の絶縁板上に半導体チップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１及び図２はこの発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す図であって、図１はパワーモジュールの全体図、図２は放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
この実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１と、放熱体１６とを備える。
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、その上面及び下面に回路層１２及び金属層１３がそれぞれ積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。
【００１７】
絶縁基板１１の回路層１２上にはんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が接合され、更に、この放熱体１６が冷却シンク部２０に取り付けられて使用され、該冷却シンク部２０内の冷却水（或いは冷却空気）２１により、放熱体１６に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュールＰが構成されている。放熱体１６は、冷却シンク部２０に取付ねじ２２によって密着した状態で取り付けられる。
【００１８】
この実施形態は、放熱体１６の放熱体本体１７に低熱膨張材１８が積層されている。放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋのものである。
【００１９】
一方、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い熱膨張係数の材質からなっており、放熱体本体１７に積層することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差を可及的に近づけさせるためのものであり、例えばインバーからなっていて、熱膨張係数がおよそ５ｐｐｍ／℃以下である。
インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２０】
このような材質からなる低熱膨張材１８は、図１及び図２に示すように、放熱体本体１７と１７との間に接合されている。従って、放熱体１６が二枚の放熱体本体１７と一枚の低熱膨張材１８との三層構造であって、絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側とに放熱体本体１７が配置されている。
【００２１】
また、この低熱膨張材１８には、これを貫通する孔１９が複数穿設されている。孔１９は、放熱体１６自体に低熱膨張材１８を設けると、それだけ熱伝導率が低下するので、その熱伝導率が低下するのを極力抑えるようにするためのものである。その場合、図２に示すように、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１と対応する領域Ａには孔１９の穿設される数を少なくすると共に、その対応領域Ａの周辺領域Ｂには孔１９の穿設される数を多くしている。
【００２２】
つまり、低熱膨張材１８において絶縁基板１１との対応領域Ａでは穿設される孔１９の個数を少なくすると共に、それを除く周辺領域Ｂでは孔１９の個数を多くすることにより、孔１９の断面積の分布を変えている。この場合、低熱膨張材１８に穿設される孔１９の数が徒らに増えると、低熱膨張材としての機能を果たし難くなることから、低熱膨張材１８の表面積に対し、絶縁基板１１及び放熱体本体１７並びに低熱膨張材１８の材質等に基づき、およそ２０〜５０％の割合の面積で孔１９が形成されることが好ましい。なお、孔１９は、この実施形態では丸孔をなしているが、その形状は任意である。
【００２３】
このように、パワーモジュール用基板１０を構成する放熱体１６が、放熱体本体１７と低熱膨張材１８とを互いに積層して形成されると、放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
【００２４】
そのため、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ１５（若しくはろう付けや拡散接合等）によって接合した場合、放熱体１６に絶縁基板１１に向かう反りが発生するのを確実に低減することができるので、放熱体１６を冷却シンク部２０に取り付けても、冷却シンク部２０と放熱体１６との間に隙間が発生するのを防止することができる。
【００２５】
しかも、低熱膨張材１８が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２、絶縁基板１１、金属層１３、はんだ１５、放熱体１６及び冷却シンク部２０を介して外部に放熱される結果、熱伝導率が低下するのを抑制することもできる。
その結果、絶縁基板１１と放熱体１６との材質の膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝導率の低下の抑制とを両立させた、良好なパワーモジュール用基板１０を得ることができる。
【００２６】
また、放熱体１６が、二層からなる放熱体本体１７、１７の間に低熱膨張材１８が挟まれた状態で接合されているので、つまり、放熱体１６において絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側との層に放熱体本体１７がそれぞれ配置して形成されているので、絶縁基板１１からの熱を受け、その熱が冷却シンク部２０に伝達することとなる。
【００２７】
その際、低熱膨張材１８には孔１９が複数設けられているので、この孔１９を形成する空間により、絶縁基板１１側の放熱体本体１７から冷却シンク部２０側の放熱体本体１７への熱伝達を良好に行うことができ、これによって、放熱体１６本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【００２８】
しかも、孔１９は、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１との対応領域Ａでは、その周辺領域Ｂより少ない個数で穿設され、孔１９の断面積が周辺領域Ｂより少なくしているので、絶縁基板１１からの熱影響で、その対応領域Ａが熱変形を受けて反りが発生するのを防ぐことができる一方、周辺領域Ｂ内の孔１９の断面積が対応領域Ａより大きくなることで、放熱体本体１７間の熱伝達を良好にさせることができ、これによって、熱伝達をいっそう良好に行うことができる。
【００２９】
図３及び図４は、この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示している。
この場合は、放熱体１６に設けられた低熱膨張材１８がリブを有している。
リブは、低熱膨張材１８に設けられる孔１９の製作に際し、予め所定の厚みに形成された板材に図４に示すように切り込みが設けられ、この切り込みを利用することで形成される。即ち、予め設けられた切り込みを上下方向に立上げたり、立下げたりして折り曲げることで孔１９を形成したとき、上記切り込みによって立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂが共に形成され、これらからなるリブを有する低熱膨張材１８が製作される。
そして、この低熱膨張材１８が放熱体本体１７と１７との間に挟着されることで、放熱体１６が構成される。
【００３０】
この実施形態によれば、放熱体１６が放熱体本体１７に孔１９を穿設した低熱膨張材１８が積層されるので、基本的は前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
これに加え、低熱膨張材１８が立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂからなるリブを有しているので、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、これによっても、絶縁基板１１の熱による反りをいっそう抑えることができる。
【００３１】
なお、低熱膨張材１８は、上述の実施形態では、放熱体本体１７間に積層されたり、また放熱体本体１７間に挟着することで設けられた例を示したが、これに限らず、例えば、粉末冶金によって孔１９付きの板を焼成した後、これにリブを後付けして設けるようにしてもよく、又は、ダイカスト鋳造法によって形成することもでき、更には、熱間鍛造より高温処理される溶融鍛造法によって形成することもできる。それ以外として、以下に示すように放熱体１６を構成することもできる。
【００３２】
図５及び図６は、この発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す放熱体の構成図である。
この場合の低熱膨張材１８は、絶縁基板１１側の放熱体本体１７と接合される一方の面と、冷却シンク部２０側の放熱体本体１７と接合される他方の面とに亘る厚み方向と連絡すると共に、該厚み方向と直交方向で互いに連なる開口空間部４０を有して設けられ、かつ該開口空間部４０に放熱体本体１７が充填されることで、図５に示すように、放熱体本体１７に鋳ぐまれる構成となっている。
【００３３】
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図６に示すように、例えば二枚からなる帯状の単位板状体４１、４２が厚み方向に沿って組付けることで開口空間部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。
そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列で設けられると共に、開口空間部４０を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成されている。
【００３４】
このように形成された低熱膨張材１８は、放熱体１６の形成時、放熱体本体１７の材料が注入されると、その材料がいずれかの開口空間部４０から内部に充填されると、側面から見たとき、図５に示すように、絶縁基板１１側である上層の放熱体本体１７と、冷却シンク部２０側である下層の放熱体本体１７間に埋設されるように形成される。
【００３５】
この実施形態によれば、低熱膨張材１８が厚み方向に沿い放熱体本体１７に鋳ぐまれて形成したので、放熱体１６全体の熱膨張率を下げることができ、また開口空間部４０により放熱体本体１７が絶縁基板１１からの熱を良好に受けると共に、その熱を冷却シンク部２０に対して伝達させることができ、従って、反りを抑えつつ熱伝達が良好となり、基本的には前述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３６】
図７は、この発明の第４の実施の形態に係る放熱体を示している。
この実施の形態は、上記の各実施の形態において用いた冷却シンク部に代えて放熱フィン７０を用いたものである。放熱フィン７０は、帯状の板体を平坦部５０ａ、立上がり部５０ｂ、平坦部５０ｃ、折返し部５０ｄを有するように折り曲げて、これを一方向に繰り返すよう形成したものであり、平坦部５０ａが放熱体１６の表面にろう付け手段により固定されている。
この実施の形態においては、放熱体１６、放熱フィン７０を介して外部への放熱がなされ、上記の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。
【００３７】
なお、図示実施形態では、放熱体に積層された低熱膨張材として、インバーを用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）、４２合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
また、絶縁基板１１において放熱体１６側の面に金属層１３が積層された例を示したが、これに限らず、金属層１３が設けられていない絶縁基板１１を放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、放熱体が、放熱体本体と低熱膨張材とを積層することで、放熱体全体としての熱膨張係数を下げ、また低熱膨張材に孔が穿設されることで、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制するように構成したので、絶縁基板と放熱体との材質の熱膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝導率の低下の抑制とを両立させた良好なパワーモジュール用基板が得られるという効果がある。
【００３９】
請求項２に係る発明によれば、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、反りをいっそう抑えることができるという効果が得られる。
【００４０】
請求項３に係る発明によれば、低熱膨張材において、絶縁基板との対応領域に設けられた孔の断面積が、その対応領域の周辺領域に設けられた孔の断面積より少なくなることにより、放熱体本体間の熱伝達をいっそう良好にさせることができ、放熱体の熱伝達をいっそう良好に行うことができるという効果が得られる。
【００４１】
請求項４に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができるという効果が得られる。
【００４２】
請求項５に係る発明によれば、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる開口空間部を有する低熱膨張材を確実に形成できるという効果が得られ
る。
【００４３】
請求項６に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図４】低熱膨張材の製作に際し、板材に孔を形成するために切り込みを設けた説明図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す図であって、放熱体を側面からみた断面図である。
【図６】低熱膨張材を示す斜視図である。
【図７】この発明の第４の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｐ パワーモジュール
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板
１６ 放熱体
１７ 放熱体本体（高熱伝導材）
１８ 低熱膨張材
１９ 孔
１８ａ リブ（立上げ片）
１８ｂ リブ（立下げ片）
２０ 冷却シンク部
３０ 半導体チップ
４０ 開口空間部
４１、４２ 帯状の単位板状体
４３ 連鎖状体
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に係り、特に半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させる放熱体を有するパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のパワーモジュール用基板にあっては、セラミックス材料からなる絶縁基板（セラミックス基板）に金属薄板が直接積層され、この金属薄板に可塑性多孔質金属層を介し、ヒートシンクからなる放熱体が積層接着される（例えば、特許文献１参照）。可塑性多孔質金属層は、気孔率２０〜５０％のＣｕの多孔質焼結体であり、絶縁基板が、これに搭載されている半導体チップからの熱を受けたとき、その熱変形を吸収することで絶縁基板及び放熱体の反りや割れを防止できるように構成され、いわゆる応力緩和層をなしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３３５６５２号公報（第４−１２頁、図１〜図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記に示す従来のパワーモジュール用基板は、可塑性多孔質金属層が、絶縁基板や放熱体の熱変形を吸収するので、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数が異なっても、絶縁基板、放熱体に反りや割れが起こるのを防止できるようにしているものの、絶縁基板と放熱体との間に可塑性多孔質金属層が介在しているので、その分だけ熱抵抗が上昇して熱伝導率が低下してしまい、放熱効果が悪くなっていた。
【０００５】
一般に、絶縁基板と放熱体とのように、互いに熱膨張係数の異なる材質で構成する場合、両者の熱膨張係数の差による反りを防ぐためには、両者の熱膨張係数を合わせることが容易に考えられる。その場合、熱膨張係数の低い方（絶縁基板）に合わせることとなるが、そうすると、反りを低減できる反面、その分だけ熱伝導率が低下して放熱効果の低下をきたしてしまい、反り対策と良好な熱伝導との双方を兼ね備えたものの要請に応えることができない問題があった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、絶縁性基板及び放熱体の双方の熱膨張係数差があっても、これに拘わることなく反りを低減することができると共に、熱伝導率が低下するのも抑制することができるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、放熱体本体に該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材を積層して構成され、該低熱膨張材にはこれを貫通する孔が穿設されていることを特徴とする。
【０００８】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体が、放熱体本体と低熱膨張材とを積層して形成されると、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、そのため、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができ、しかも低熱膨張材に設けられた孔により、絶縁基板からの熱を放熱体の外部に放熱させることができるので、熱伝導率が低下するのを抑制することもできる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュール用基板において、前記低熱膨張材は、リブを有していることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、低熱膨張材がリブを有していると、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、反りをいっそう抑えることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板において、前記孔は、前記低熱膨張材において、絶縁基板と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、低熱膨張材において、絶縁基板との対応領域に設けられた孔の断面積が、その対応領域の周辺領域に設けられた孔の断面積より少なくなっているので、絶縁基板からの熱影響で、対応領域が熱変形を受けて反りが発生するのを防ぐことができる一方、前記対応領域より周辺領域に設けられた孔の断面積が大きくなることで、放熱体本体間の熱伝達をいっそう良好にさせることができ、これによって、放熱体の熱伝達をいっそう良好に行うことができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、絶縁基板と、一方の面が絶縁基板と接合され、他方の面が冷却シンク部に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とからなり、前記低熱膨張材は、前記一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる開口空間部を有して設けられ、かつ該開口空間部を介して放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、熱膨張材の開口空間部を介して放熱体本体を充填することで、低熱放熱材が放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたので、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができ、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、従って、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項４記載のパワーモジュール用基板において、前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記開口空間部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記開口空間部の位置をずらして配設することを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて開口空間部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記開口空間部の位置をずらして配設したので、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる開口空間部を有する低熱膨張材を確実に形成できる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の絶縁板上に半導体チップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１及び図２はこの発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す図であって、図１はパワーモジュールの全体図、図２は放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
この実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１と、放熱体１６とを備える。
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、その上面及び下面に回路層１２及び金属層１３がそれぞれ積層接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。
【００１７】
絶縁基板１１の回路層１２上にはんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が接合され、更に、この放熱体１６が冷却シンク部２０に取り付けられて使用され、該冷却シンク部２０内の冷却水（或いは冷却空気）２１により、放熱体１６に伝達される熱が外部に放熱されることで、パワーモジュールＰが構成されている。放熱体１６は、冷却シンク部２０に取付ねじ２２によって密着した状態で取り付けられる。
【００１８】
この実施形態は、放熱体１６の放熱体本体１７に低熱膨張材１８が積層されている。放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋのものである。
【００１９】
一方、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７の熱膨張係数より低い熱膨張係数の材質からなっており、放熱体本体１７に積層することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差を可及的に近づけさせるためのものであり、例えばインバーからなっていて、熱膨張係数がおよそ５ｐｐｍ／℃以下である。
インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２０】
このような材質からなる低熱膨張材１８は、図１及び図２に示すように、放熱体本体１７と１７との間に接合されている。従って、放熱体１６が二枚の放熱体本体１７と一枚の低熱膨張材１８との三層構造であって、絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側とに放熱体本体１７が配置されている。
【００２１】
また、この低熱膨張材１８には、これを貫通する孔１９が複数穿設されている。孔１９は、放熱体１６自体に低熱膨張材１８を設けると、それだけ熱伝導率が低下するので、その熱伝導率が低下するのを極力抑えるようにするためのものである。その場合、図２に示すように、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１と対応する領域Ａには孔１９の穿設される数を少なくすると共に、その対応領域Ａの周辺領域Ｂには孔１９の穿設される数を多くしている。
【００２２】
つまり、低熱膨張材１８において絶縁基板１１との対応領域Ａでは穿設される孔１９の個数を少なくすると共に、それを除く周辺領域Ｂでは孔１９の個数を多くすることにより、孔１９の断面積の分布を変えている。この場合、低熱膨張材１８に穿設される孔１９の数が徒らに増えると、低熱膨張材としての機能を果たし難くなることから、低熱膨張材１８の表面積に対し、絶縁基板１１及び放熱体本体１７並びに低熱膨張材１８の材質等に基づき、およそ２０〜５０％の割合の面積で孔１９が形成されることが好ましい。なお、孔１９は、この実施形態では丸孔をなしているが、その形状は任意である。
【００２３】
このように、パワーモジュール用基板１０を構成する放熱体１６が、放熱体本体１７と低熱膨張材１８とを互いに積層して形成されると、放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
【００２４】
そのため、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ１５（若しくはろう付けや拡散接合等）によって接合した場合、放熱体１６に絶縁基板１１に向かう反りが発生するのを確実に低減することができるので、放熱体１６を冷却シンク部２０に取り付けても、冷却シンク部２０と放熱体１６との間に隙間が発生するのを防止することができる。
【００２５】
しかも、低熱膨張材１８が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２、絶縁基板１１、金属層１３、はんだ１５、放熱体１６及び冷却シンク部２０を介して外部に放熱される結果、熱伝導率が低下するのを抑制することもできる。
その結果、絶縁基板１１と放熱体１６との材質の膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝導率の低下の抑制とを両立させた、良好なパワーモジュール用基板１０を得ることができる。
【００２６】
また、放熱体１６が、二層からなる放熱体本体１７、１７の間に低熱膨張材１８が挟まれた状態で接合されているので、つまり、放熱体１６において絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側との層に放熱体本体１７がそれぞれ配置して形成されているので、絶縁基板１１からの熱を受け、その熱が冷却シンク部２０に伝達することとなる。
【００２７】
その際、低熱膨張材１８には孔１９が複数設けられているので、この孔１９を形成する空間により、絶縁基板１１側の放熱体本体１７から冷却シンク部２０側の放熱体本体１７への熱伝達を良好に行うことができ、これによって、放熱体１６本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【００２８】
しかも、孔１９は、低熱膨張材１８において、絶縁基板１１との対応領域Ａでは、その周辺領域Ｂより少ない個数で穿設され、孔１９の断面積が周辺領域Ｂより少なくしているので、絶縁基板１１からの熱影響で、その対応領域Ａが熱変形を受けて反りが発生するのを防ぐことができる一方、周辺領域Ｂ内の孔１９の断面積が対応領域Ａより大きくなることで、放熱体本体１７間の熱伝達を良好にさせることができ、これによって、熱伝達をいっそう良好に行うことができる。
【００２９】
図３及び図４は、この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示している。
この場合は、放熱体１６に設けられた低熱膨張材１８がリブを有している。
リブは、低熱膨張材１８に設けられる孔１９の製作に際し、予め所定の厚みに形成された板材に図４に示すように切り込みが設けられ、この切り込みを利用することで形成される。即ち、予め設けられた切り込みを上下方向に立上げたり、立下げたりして折り曲げることで孔１９を形成したとき、上記切り込みによって立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂが共に形成され、これらからなるリブを有する低熱膨張材１８が製作される。
そして、この低熱膨張材１８が放熱体本体１７と１７との間に挟着されることで、放熱体１６が構成される。
【００３０】
この実施形態によれば、放熱体１６が放熱体本体１７に孔１９を穿設した低熱膨張材１８が積層されるので、基本的は前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
これに加え、低熱膨張材１８が立上げ片１８ａ及び立下げ片１８ｂからなるリブを有しているので、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、これによっても、絶縁基板１１の熱による反りをいっそう抑えることができる。
【００３１】
なお、低熱膨張材１８は、上述の実施形態では、放熱体本体１７間に積層されたり、また放熱体本体１７間に挟着することで設けられた例を示したが、これに限らず、例えば、粉末冶金によって孔１９付きの板を焼成した後、これにリブを後付けして設けるようにしてもよく、又は、ダイカスト鋳造法によって形成することもでき、更には、熱間鍛造より高温処理される溶融鍛造法によって形成することもできる。それ以外として、以下に示すように放熱体１６を構成することもできる。
【００３２】
図５及び図６は、この発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す放熱体の構成図である。
この場合の低熱膨張材１８は、絶縁基板１１側の放熱体本体１７と接合される一方の面と、冷却シンク部２０側の放熱体本体１７と接合される他方の面とに亘る厚み方向と連絡すると共に、該厚み方向と直交方向で互いに連なる開口空間部４０を有して設けられ、かつ該開口空間部４０に放熱体本体１７が充填されることで、図５に示すように、放熱体本体１７に鋳ぐまれる構成となっている。
【００３３】
具体的に述べると、低熱膨張材１８は、図６に示すように、例えば二枚からなる帯状の単位板状体４１、４２が厚み方向に沿って組付けることで開口空間部４０を連続的に有する連鎖状体４３が形成される。
そして、これら連鎖状体４３が同一平面上で複数列で設けられると共に、開口空間部４０を互いに隣接する列毎に互い違いに配列して形成されている。
【００３４】
このように形成された低熱膨張材１８は、放熱体１６の形成時、放熱体本体１７の材料が注入されると、その材料がいずれかの開口空間部４０から内部に充填されると、側面から見たとき、図５に示すように、絶縁基板１１側である上層の放熱体本体１７と、冷却シンク部２０側である下層の放熱体本体１７間に埋設されるように形成される。
【００３５】
この実施形態によれば、低熱膨張材１８が厚み方向に沿い放熱体本体１７に鋳ぐまれて形成したので、放熱体１６全体の熱膨張率を下げることができ、また開口空間部４０により放熱体本体１７が絶縁基板１１からの熱を良好に受けると共に、その熱を冷却シンク部２０に対して伝達させることができ、従って、反りを抑えつつ熱伝達が良好となり、基本的には前述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３６】
図７は、この発明の第４の実施の形態に係る放熱体を示している。
この実施の形態は、上記の各実施の形態において用いた冷却シンク部に代えて放熱フィン７０を用いたものである。放熱フィン７０は、帯状の板体を平坦部５０ａ、立上がり部５０ｂ、平坦部５０ｃ、折返し部５０ｄを有するように折り曲げて、これを一方向に繰り返すよう形成したものであり、平坦部５０ａが放熱体１６の表面にろう付け手段により固定されている。
この実施の形態においては、放熱体１６、放熱フィン７０を介して外部への放熱がなされ、上記の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。
【００３７】
なお、図示実施形態では、放熱体に積層された低熱膨張材として、インバーを用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）、４２合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
また、絶縁基板１１において放熱体１６側の面に金属層１３が積層された例を示したが、これに限らず、金属層１３が設けられていない絶縁基板１１を放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、放熱体が、放熱体本体と低熱膨張材とを積層することで、放熱体全体としての熱膨張係数を下げ、また低熱膨張材に孔が穿設されることで、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制するように構成したので、絶縁基板と放熱体との材質の熱膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝導率の低下の抑制とを両立させた良好なパワーモジュール用基板が得られるという効果がある。
【００３９】
請求項２に係る発明によれば、放熱体全体としての剛性が上がり、強度を増大させることができるので、反りをいっそう抑えることができるという効果が得られる。
【００４０】
請求項３に係る発明によれば、低熱膨張材において、絶縁基板との対応領域に設けられた孔の断面積が、その対応領域の周辺領域に設けられた孔の断面積より少なくなることにより、放熱体本体間の熱伝達をいっそう良好にさせることができ、放熱体の熱伝達をいっそう良好に行うことができるという効果が得られる。
【００４１】
請求項４に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができると共に、放熱体の熱伝導率が低下するのを抑制することができるという効果が得られる。
【００４２】
請求項５に係る発明によれば、一方の面と他方の面とに亘る厚み方向に互いに連なる開口空間部を有する低熱膨張材を確実に形成できるという効果が得られ
る。
【００４３】
請求項６に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差に拘わることなく、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】放熱体における低熱膨張材を上から見た説明図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図４】低熱膨張材の製作に際し、板材に孔を形成するために切り込みを設けた説明図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す図であって、放熱体を側面からみた断面図である。
【図６】低熱膨張材を示す斜視図である。
【図７】この発明の第４の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｐ パワーモジュール
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板
１６ 放熱体
１７ 放熱体本体（高熱伝導材）
１８ 低熱膨張材
１９ 孔
１８ａ リブ（立上げ片）
１８ｂ リブ（立下げ片）
２０ 冷却シンク部
３０ 半導体チップ
４０ 開口空間部
４１、４２ 帯状の単位板状体
４３ 連鎖状体
Claims (6)
- 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、
前記放熱体は、放熱体本体に該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材を積層して構成され、該低熱膨張材にはこれを貫通する孔が穿設されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項１記載のパワーモジュール用基板において、
前記低熱膨張材は、リブを有していることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板において、
前記孔は、前記低熱膨張材において、絶縁基板と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 絶縁基板と、一方の面が絶縁基板と接合され、他方の面が冷却シンク部に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、
前記放熱体は、放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とからなり、
前記低熱膨張材は、前記一方の面と他方の面とに亘る厚み方向と連絡し、かつ該厚み方向と交差方向で互いに連なる開口空間部を有して設けられ、かつ該開口空間部を介して放熱体本体に鋳ぐまれる構成としたことを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項４記載のパワーモジュール用基板において、
前記低熱膨張材は、帯状の単位板状体を同列位置で互いに組付けて前記開口空間部を連続的に有する連鎖状体に形成し、該連鎖状体を同一平面上で複数列設けると共に、互いに隣接する列毎に前記開口空間部の位置をずらして配設することを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の絶縁板上に半導体チップを搭載してなることを特徴とするパワーモジュール。
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