JP2005045105A - モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた放熱特性と耐久性を有し、構造が簡素で小型化が可能な、パワーモジュールとして最適なモジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス基板（１ａ）に回路金属（１ｂ）及び放熱板（１ｃ）が形成されてなる回路基板と、冷却ユニット（２）とが、放熱部材（３）を介在させてネジ（４）止めされてなるものであって、このネジ止めが、上記セラミックス基板の縁部上面を囲周する圧接用部材（５）を介して行われているものであることを特徴とするモジュール。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワーモジュール等に最適なモジュールに関する。

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。

従来のモジュールは、図２に示されるように、セラミックス基板１ａの表面に回路金属１ｂが、また裏面には放熱板１ｃが形成されてなる回路基板を、半田１０を用いてベース板（ヒートシンク板）９に半田付けし、それを冷却ユニット２に冷却ユニット用半田１１を用いて取り付けされていた。回路金属１ｂには、Ｓｉチップ等の半導体素子７が半導体素子用半田６により半田付けされる。

ベース板（ヒートシンク板）としては、熱伝導性に優れ、安価材料である銅板が一般に使用されているが、回路基板との熱膨張差により半田１０に半田クラックを生じることがあった。これを解決するため、Ａｌ含浸ＳｉＣのようにセラミックス基板１ａと同程度の熱膨張係数を有するベース板を使用することが提案されているが、これは極めて高価であるので特殊用途にしか普及していない。

このような状況下、ベース板（ヒートシンク板）を用いずに、直接、回路基板を冷却ユニットに取り付けるタイプのモジュール、いわゆるベースレス型モジュールが注目されている（特許文献１）。このモジュールでは、回路基板のセラミックス基板の４隅に穴を設け、そこからネジを通し、回路基板の放熱板面を、グリースを介して、直接、冷却ユニットにネジ止めする構造であるので、従来構造のような半田クラックが発生する余地がなく、しかもベース板を用いないので部品点数の削減によるモジュールの簡素化、低コスト化の利点がある。
特開２０００−１９６２７０号公報

しかしながら、ベースレス型モジュールには次のような問題点が指摘されている。すなわち、回路基板の多くは、回路金属と放熱板の接合されている面積、厚みが異なるために反りを生じることが多い。とくに、セラミックス基板に複数の回路が形成されたような構造では、回路金属と放熱板の接合面積が異なり、放熱板の接合面積が回路金属の接合面積に比べて著しく大きくなるので、回路基板は表面側に凸形の大きな反りを生じることになる。この状態で、回路基板を冷却ユニットにネジ止めすると、反りに起因する隙間を生じ、モジュールの放熱を阻害することになる。

回路基板の反りを矯正して冷却ユニットに取り付けるには、セラミックス基板又は回路基板に多数の穴を設けネジ止めすることが考えられるが、穴加工に費用が嵩むばかりでなく、モジュールが熱衝撃を受けたときに、穴部に局所的な熱応力が掛かり、亀裂が生じやすくなる。一方、回路金属と放熱板の厚みを調整して回路基板の反りを極力小さくすることの提案もあるが、この方法ではバランス良く反りを小さくするのに限界がある上に、折角反りを小さくしても、半導体素子が発熱した際に生じる回路基板の厚み方向の温度分布によって、熱変形を生じてしまい、ヒートサイクルを受けて徐々に隙間を生じ、熱抵抗を増大させた。

本発明の目的は、上記に鑑み、構造が簡素で小型化ができ、しかも放熱性及び耐久性の改善されたモジュール、とくにベースレス型モジュールを提供することである。本発明の目的は、回路基板と冷却ユニットを、圧接用部材を用い、回路基板に均一な締め付け力を付与して固定することによって達成することができる。

すなわち、本発明は、セラミックス基板１ａに回路金属１ｂ及び放熱板１ｃが形成されてなる回路基板と、冷却ユニット２とが、放熱部材３を介在させてネジ４止めされてなるものであって、このネジ止めが、上記セラミックス基板の縁部上面を囲周する圧接用部材５を介して行われているものであることを特徴とするモジュールである。この場合において、圧接用部材５が、セラミックス基板１ａに接合されていることが好ましい。また、ベース板（ヒートシンク板）９を有しないベースレス型モジュールであることが好ましい。

本発明によれば、優れた放熱特性と耐久性を有するモジュールが提供される。本発明のモジュールは、例えば電気自動車用、電鉄用等、厳しい条件で用いられるモジュールとして好適となる。また、モジュールの構造が簡素化でき、部品点数を削減することが可能となるため、製造コストが大幅に低減されるとともに小型化が可能となる。

図面を参照しながら本発明を更に詳しく説明する。図１は、本発明のモジュールの一例を示す概略断面図である。図において、回路基板は、セラミックス基板１ａと、回路金属１ｂと、放熱板１ｃとから構成されている。２は冷却ユニット、３はグリース等の放熱部材、４はネジ、５は圧接用部材、６は半導体素子用半田、７は半導体素子、８はモジュールケース、９はベース板（ヒートシンク板）、１０は半田、１１は冷却ユニット用半田である。

セラミックス基板の表面に回路金属を形成させるには、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、などを採用することができる（例えば国際公開ＷＯ９１／１６８０５公報参照）が、作業性及び生産性の点からエッチング法が好ましい。

エッチングによって回路金属及び放熱板となる金属板と、セラミックス基板とを接合するには、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６０−１７７６３４号公報）、などによって行うことができる。

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、放熱特性に対する信頼性を十分にしておくため、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上で厚みが１．５〜４ｍｍの窒化アルミニウムが好適となる。この理由は、ベース板の役割である熱の放散をセラミックス基板に担わせること、及び回路基板に生じる反りを軽減させるためである。熱伝導率が１５０Ｗ/ｍ・Ｋ未満、又は厚みが１．５ｍｍ未満では、熱の放散効果が不足するか、回路基板の変形が大きくなり、厚みが４ｍｍよりも大きくなると、回路基板の熱抵抗が大きくなる。セラミックス基板の曲げ強度は４００ＭＰａ以上であることが好ましい。４００ＭＰａ未満では、熱履歴による熱応力によってセラミックス基板に割れやクラックを生じることがある。

回路金属及び放熱板の材質は、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、高い信頼性が要求される高出力モジュールでは、アルミニウム又はその合金が好ましい。この理由としては、銅又は銅合金では、セラミックス基板や半田との熱膨張差に起因する熱応力の発生が避けられないので、長期的な信頼性が不十分であるのに対し、アルミニウム又はアルミニウム合金では、熱伝導性や電気伝導性ではやや銅又は銅合金よりも劣るが、熱応力を受けても容易に塑性変形するので、応力が緩和され、信頼性が飛躍的に向上するからである。

本発明の特徴は、回路基板と冷却ユニットの固定方法にある。本発明においては、図１に示されるように、セラミックス基板１ａの外周縁面に例えばリング状の圧接用部材５を設置して、ネジ４による締め付け力を回路基板全体に伝えることができるようにし、反りを矯正して回路基板１を冷却ユニット２に圧接固定される。圧接用部材は必ずしも一体物（リング）である必要はなく、セラミックス基板の外周縁面を均一に圧接できる程度に複数個に分割されたものであってもよいし、またメッシュ板であってもよい。図１には、ネジ４による締め付け力が、モジュールケース８を介してリング状の圧接用部材５に伝達される例が示されている。

圧接用部材の材質は、セラミックス、金属等の剛性材質が用いられるが、中でも放熱板と同材質、具体的には銅、アルミニウム又はそれらの合金であることが好ましい。これらの材質は、適度な剛性と良熱伝導性を有しているので、回路基板の反りを矯正して固定することができ、しかも半導体素子からの熱を系外に容易に放散させるので、回路基板が熱変形する恐れが極めて少なくなる。

圧接用部材は、セラミックス基板に接合されていることが好ましく、これによってセラミック基板との界面における抵抗が低減されるために熱抵抗が一段と小さくなる、部品点数が削減される、回路金属や放熱板と同時形成が可能となる、などの利点がある。圧接用部材をセラミックス基板に接合する方法としては、セラミックス基板と、回路金属となる金属板との接合体を製造しておき、縁部を囲周させるとともに、回路金属パターン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し、回路金属と圧接用部材とを形成させる方法が好適である。

回路金属を、圧接用部材を介して冷却ユニットに固定するには、ネジ４とモジュールケース８が使用される。すなわち、ネジの締め付け力が回路基板に伝達できるように、モジュールケースの一部が圧接用部材に係合するように配置される。モジュールケースの材質は、銅、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属である。

本発明のモジュールにおいては、ベース板（ヒートシンク材）９がなくても耐久性が高まるので、簡素かつ小型化の点から、それがない方が好ましい。回路基板と冷却ユニットをしっかりと接面させるために、グリース等の放熱部材３が使用される。

冷却ユニットとしては、銅、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の筒型、箱型、フィン状、平板が用いられる。内部に冷却水を通すことができるように、通水の出口と入口を設けることもできる。

実施例１〜４
窒化アルミニウム基板（大きさ１００×５０ｍｍ角、厚さ２ｍｍ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）と金属板の接合体を活性金属ろう付け法によって製造し、その表面には回路金属（大きさ２０×２０ｍｍ角を３個、厚さ０．４ｍｍ、回路間隔２０ｍｍ）、裏面には放熱板（９８×４８ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍ）をエッチングによって形成させた。なお、実施例２、４では、表面縁部にリング状の圧接用部材（幅５ｍｍ）を同時に形成した。

実施例１、２で用いた金属板はアルミニウムであり、実施例３、４では銅板である。実施例１、２の接合方法はＡｌ−Ｃｕ合金箔を用いたろう付け法であり、実施例３、４は銀−銅合金にチタンを含有させたペーストを用いた活性金属ろう付け法である。

得られた回路基板の回路金属に半導体素子（１３ｍｍ×１３ｍｍ）を半田付けし、ワイヤボンディングをした。また、放熱板にグリース（厚さ２０μｍ）を塗ってから冷却ユニット（アルミニウム製、縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍ×幅４０ｍｍ、厚さ５ｍｍの箱型）に配置した。その後、実施例１、３ではモジュールケース（縦１００ｍｍ×横５０ｍｍ×幅５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を介して、ネジで締め付けて回路基板と冷却ユニットを圧接固定した。モジュールケースの材質は、実施例１がアルミニウム、実施例３が銅である。実施例２、４では、モジュールケースを用いないで、エッチングにより形成した圧接用部材を直接ネジで締め付けることによって回路基板と冷却ユニットを圧接固定した。

比較例１、２
実施例１、３で製造された回路基板の窒化アルミニウム基板の４角に穴（直径５ｍｍ）を設け、圧接用部材もモジュールケースも用いないで、その穴からネジを通し、グリースを介在させて冷却ユニットと回路基板をネジ止めした。

得られたモジュールについて、（１）放熱特性、（２）耐久性、（３）外観観察を以下に従って評価した。また、モジュールの製造過程で得られた（４）回路基板の反り量を測定した。それらの結果を表１に示す。

（１）放熱特性：冷却ユニット内に７０℃の冷却水を流速１．５ｍ／ｓで通水しながら半導体素子に通電（１００Ｗ）し、半導体素子の表面温度と冷却水温度を熱電対により測定し、熱抵抗を算出した。
（２）耐久性：−４０℃で１５分保持した後、１２５℃で１５分保持することを１サイクルとするヒートサイクル試験を１０００サイクル行ってから、上記に従って熱抵抗を測定した。
（３）外観観察：ヒートサイクル試験終了後に、回路基板を冷却ユニットから取り外し、固定部（実施例においてはモジュールケースの圧接部、比較例においてはネジ止め部）を実体顕微鏡により観察して、クラックの発生有無を調べた。 （４）回路基板の反り量：レーザー変位計により測定した。

表１からわかるように、実施例のモジュールは比較例に比べて優れた放熱特性と耐久性を有し、信頼性が高いものであることが示された。

本発明のモジュールは、例えば電気自動車用、電鉄用等、厳しい条件で用いられるモジュールとして好適となる。

本発明のモジュールの一例を示す概略断面図 従来のモジュールの一例を示す概略断面図

符号の説明

１ａ セラミックス基板
１ｂ 回路金属
１ｃ 放熱板
２ 冷却ユニット
３ 放熱部材
４ ネジ
５ 圧接用部材
６ 半導体素子用半田
７ 半導体素子
８ モジュールケース
９ ベース板（ヒートシンク板）
１０ 半田
１１ 冷却ユニット用半田

Claims (3)

1. セラミックス基板（１ａ）に回路金属（１ｂ）及び放熱板（１ｃ）が形成されてなる回路基板と、冷却ユニット（２）とが、放熱部材（３）を介在させてネジ（４）止めされてなるものであって、このネジ止めが、上記セラミックス基板の縁部上面を囲周する圧接用部材（５）を介して行われているものであることを特徴とするモジュール。
2. 圧接用部材（５）が、セラミックス基板（１ａ）に接合されてなるものであることを特徴とする請求項１記載のモジュール。
3. ベース板（９）を有しないものであることを特徴とする請求項１又は２記載のモジュール。

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