JP2006294699A - 放熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 材料コストが安く、しかも放熱性能の優れた放熱装置を提供する。
【解決手段】 放熱装置１は、一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板３と、絶縁基板３の他面に固定されたヒートシンク５とを備えている。絶縁基板３における発熱体搭載面とは反対側の面に金属層７を形成する。絶縁基板３の金属層７とヒートシンク５との間に、複数の貫通穴９が形成されたアルミニウム板10からなり、かつ貫通穴９が応力吸収空間となっている応力緩和部材４を介在させる。応力緩和部材４を、絶縁基板３の金属層７およびヒートシンク５にろう付する。
【選択図】 図１

Description

この発明は放熱装置に関し、さらに詳しくは、一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシンクとを備えており、絶縁基板に搭載される半導体素子などの発熱体から発せられる熱をヒートシンクから放熱する放熱装置に関する。
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、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、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。
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子を使用したパワーモジュールにおいては、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、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックからなりかつ一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、アルミニウムまたは銅（同合金を含む。以下、同じ）などの高熱伝導性金属により形成され、かつ絶縁基板の他面にはんだ付けされたヒートシンクとを備えた放熱装置が用いられており、放熱装置の絶縁基板の発熱体搭載面に半導体素子がはんだ付けされることによってパワーモジュールが構成されていた。
ところで、たとえばハイブリットカーなどに用いられるパワーモジュールにおいては、放熱装置の放熱性能が長期間にわたって維持されることが要求されているが、上述した従来の放熱装置によれば、使用条件によっては、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生し、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板とヒートシンクとを接合しているはんだ層にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁基板への接合面に反りが生じたりすることがあり、いずれの場合にも放熱性能が低下するという問題があった。
そこで、このような問題を解決した放熱装置として、一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面にはんだ付けされた放熱体と、放熱体にねじ止めされたヒートシンクとを備えており、放熱体が、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料からなる１対の板状放熱体本体間に、インバー合金などの低熱膨張材が介在させられたものが提案されている（特許文献１参照。）
しかしながら、特許文献１記載の放熱装置においては、高熱伝導性材料と低熱膨張材とからなる放熱体を用いる必要があるので、材料コストが高くなるという問題がある。さらに、放熱体とヒートシンクとがねじ止めされているだけであるので、両者間での熱伝導性が十分ではなく、十分な放熱性能が得られない。
特開２００４−１５３０７５号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、材料コストが安く、しかも放熱性能の優れた放熱装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシンクとを備えた放熱装置において、
絶縁基板の片面とヒートシンクとの間に、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介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板およびヒートシンクに金属接合されている放熱装置。
2)応力緩和部材が絶縁基板およびヒートシンクにろう付されている上記1)記載の放熱装置。
3)一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシンクとを備えた放熱装置において、
絶縁基板における発熱体搭載面とは反対側の面に金属層が形成され、当該金属層とヒートシンクとの間に、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介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板の金属層およびヒートシンクに金属接合されている放熱装置。
4)応力緩和部材が絶縁基板の金属層およびヒートシンクにろう付されている上記3)記載の放熱装置。
5)絶縁基板がセラミックからなる上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
6)応力緩和部材が、複数の貫通穴が形成されたアルミニウム板からなり、貫通穴が応力吸収空間となっている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
7)貫通穴が、アルミニウム板における少なくとも絶縁基板の周縁部と対応する位置に形成されている上記6)記載の放熱装置。
8)貫通穴が非角形であり、貫通穴の円相当径が１〜４ｍｍである上記6)または7)記載の放熱装置。
なお、この明細書および特許請求の範囲において、「非角形」という用語は、数学的に定義される鋭角、鈍角および直角を持たない形状、すなわち円、だ円、長円や、コーナ部がアール状となされたほぼ多角形状などを意味するものとする。また、この明細書および特許請求の範囲において、「円相当径」は、ある形状の面積を、この面積と等しい円の直径で表したものである。
上記8)の放熱装置において、貫通穴の円相当径を１〜４ｍｍとしたのは、貫通穴の円相当径が小さすぎると、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合の応力緩和部材の変形が不十分になって、応力緩和部材による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、貫通穴の円相当径が大きすぎると、熱伝導性が低下するおそれがあるからである。特に、応力緩和部材を絶縁基板およびヒートシンクにろう付する場合には、上記円相当径が小さすぎると、貫通穴がろう材により塞がれ、その結果放熱装置に熱応力が発生した場合にも応力緩和部材て全く変形しなくなることがある。
9)アルミニウム板の一面の面積に対するすべての貫通穴の面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にある上記6)〜8)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
上記9)の放熱装置において、アルミニウム板の一面の面積に対するすべての貫通穴の面積の合計の割合を３〜５０％の範囲内としたのは、この割合が低すぎると、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合の応力緩和部材の変形が不十分になって、応力緩和部材による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、高すぎると、熱伝導性が低下するおそれがあるからである。
10)応力緩和部材が、少なくともいずれか一面に複数の凹所が形成されたアルミニウム板からなり、凹所が応力吸収空間となっている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
11)凹所が、アルミニウム板における少なくとも絶縁基板の周縁部と対応する位置に形成されている上記10)記載の放熱装置。
12)凹所の開口が非角形であり、凹所の開口の円相当径が１〜４ｍｍである上記10)または11)記載の放熱装置。
上記12)の放熱装置において、凹所の開口の円相当径を１〜４ｍｍとしたのは、凹所の開口の円相当径が小さすぎると、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合の応力緩和部材の変形が不十分になって、応力緩和部材による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、凹所の開口の円相当径が大きすぎると、熱伝導性が低下するおそれがあるからである。特に、応力緩和部材を絶縁基板およびヒートシンクにろう付する場合には、上記円相当径が小さすぎると、凹所がろう材により塞がれ、その結果放熱装置に熱応力が発生した場合にも応力緩和部材て全く変形しなくなることがある。
13)アルミニウム板の凹所が形成された面の面積に対する当該面に形成された全凹所の開口面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にある上記10)〜12)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
上記13)の放熱装置において、アルミニウム板の凹所が形成された面の面積に対する当該面に形成された全凹所の開口面積の合計の割合を３〜５０％の範囲内としたのは、この割合が低すぎると、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合の応力緩和部材の変形が不十分になって、応力緩和部材による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、高すぎると、熱伝導性が低下するおそれがあるからである。
14)応力緩和部材が、少なくとも一面に複数の凹所が形成されるとともに、複数の貫通穴が形成されたアルミニウム板からなり、凹所および貫通穴が応力吸収空間となっている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
15)応力緩和部材を形成するアルミニウム板の肉厚が０．３〜３ｍｍである上記6)〜14)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
上記15)の放熱装置において、応力緩和部材を形成するアルミニウム板の肉厚を０．３〜３ｍｍとしたのは、この肉厚が薄すぎると、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合の応力緩和部材の変形が不十分になって、応力緩和部材による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、この肉厚が厚すぎると熱伝導性が低下するおそれがあるからである。
16)応力緩和部材が、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よりなる波形のアルミニウム板からなり、隣り合う連結部どうしの間の部分が応力吸収空間となっている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
17)波形アルミニウム板の肉厚が０．０５〜１ｍｍである上記16)記載の放熱装置。
上記17)の放熱装置において、波形アルミニウム板の肉厚を０．０５〜１ｍｍとしたのは、この肉厚が薄すぎると、波形アルミニウム板の加工が困難になるとともに座屈が発生することがあり、この肉厚が厚すぎると、波形アルミニウム板の加工が困難になり、いずれの場合にも所定の形状に仕上げることが困難になるからである。
18)波形アルミニウム板の波頂部、波底部および連結部に、波頂部および波底部の長さ方向と直交する方向に伸びる少なくとも１つの切除部が形成されている上記16)または17)記載の放熱装置。
19)複数の波形アルミニウム板が、波頂部および波底部の長さ方向に間隔をおいて配置されている上記16)または17)記載の放熱装置。
20)隣り合う波形アルミニウム板の波頂部および波底部の位置が、波頂部および波底部の幅方向にずれている上記19)記載の放熱装置。
21)アルミニウム板が、純度９９％以上の純アルミニウムからなる上記6)〜20)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
22)応力緩和部材が、芯材と芯材の両面を被覆するろう材製皮材とからなるブレージングシートにより形成され、ブレージングシートの皮材を用いて絶縁基板または絶縁基板の金属層と、ヒートシンクとにろう付されている上記6)〜21)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
23)応力緩和部材が、シート状ろう材を用いて絶縁基板または絶縁基板の金属層と、ヒートシンクとにろう付されている上記6)〜21)のうちのいずれかに記載の放熱装置。
24)上記1)〜23)のうちのいずれかに記載の放熱装置と、放熱装置の絶縁基板に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュール。
上記1)の放熱装置によれば、絶縁基板とヒートシンクとの間に、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介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板およびヒートシンクに金属接合されているので、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝導性が優れたものになり、絶縁基板に搭載される半導体素子から発せられる熱の放熱性能が向上する。しかも、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合にも、応力吸収空間の働きによりにより応力緩和部材が変形し、これにより熱応力が緩和されるので、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁基板への接合面に反りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって維持される。また、応力緩和部材として、たとえば上記6)〜14)記載のものを用いると、応力緩和部材のコストが安くなり、その結果放熱装置の材料コストが安くなる。
上記2)の放熱装置によれば、応力緩和部材が絶縁基板およびヒートシンクにろう付されているので、応力緩和部材と絶縁基板、および応力緩和部材とヒートシンクとを同時に接合することができ、製作する際の作業性が向上する。特許文献１記載の放熱装置においては、絶縁基板と放熱体とをはんだ付けした後に放熱体とヒートシンクとをねじ止めする必要があり、製作の際の作業性が悪い。
上記3)の放熱装置によれば、絶縁基板における発熱体搭載面とは反対側の面に金属層が形成され、当該金属層とヒートシンクとの間に、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介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板の金属層およびヒートシンクに金属接合されているので、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝導性が優れたものになり、絶縁基板に搭載される半導体素子から発せられる熱の放熱性能が向上する。しかも、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合にも、応力吸収空間の働きによりにより応力緩和部材が変形し、これにより熱応力が緩和されるので、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板の金属層と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁基板への接合面に反りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって維持される。また、応力緩和部材として、たとえば上記6)〜20)記載のものを用いると、応力緩和部材のコストが安くなり、その結果放熱装置の材料コストが安くなる。
上記4)の放熱装置によれば、応力緩和部材が絶縁基板の金属層およびヒートシンクにろう付されているので、応力緩和部材と絶縁基板の金属層、および応力緩和部材とヒートシンクとを同時に接合することができ、製作する際の作業性が向上する。特許文献１記載の放熱装置においては、絶縁基板と放熱体とをはんだ付けした後に放熱体とヒートシンクとをねじ止めする必要があり、製作の際の作業性が悪い。
上記6)〜20)の放熱装置によれば、応力緩和部材のコストが安くなり、その結果放熱装置の材料コストが安くなる。
上記6)〜9)の放熱装置によれば、貫通穴からなる応力吸収空間の働きにより応力緩和部材が変形し、これにより熱応力が緩和される。
上記7)の放熱装置によれば、熱応力緩和効果が優れたものになる。すなわち、放熱装置における絶縁基板の周縁部に最も大きな熱応力や歪みが発生しやすいが、上記7)のように構成されていると、貫通穴の働きによりによりアルミニウム板における絶縁基板の周縁部と対応する部分が変形しやすくなり、これにより熱応力が緩和される。
上記10)の放熱装置によれば、凹所からなる応力吸収空間の働きにより応力緩和部材が変形し、これにより熱応力が緩和される。
上記11)の放熱装置によれば、熱応力緩和効果が優れたものになる。すなわち、放熱装置における絶縁基板の周縁部に最も大きな熱応力や歪みが発生しやすいが、上記11)のように構成されていると、凹所の働きによりによりアルミニウム板における絶縁基板の周縁部と対応する部分が変形しやすくなり、これにより熱応力が緩和される。
上記14)の放熱装置によれば、凹所および貫通穴からなる応力吸収空間の働きにより応力緩和部材が変形し、これにより熱応力が緩和される。
上記16)および17)の放熱装置の放熱装置によれば、波形アルミニウム板の応力吸収空間の働きにより応力緩和部材が変形し、これにより熱応力が緩和される。
上記18)の放熱装置によれば、切除部の働きにより、熱応力緩和効果が一層向上する。
上記19)の放熱装置によれば、隣り合う波形アルミニウム板間の空間の働きにより、熱応力緩和効果が一層向上する。
上記20)の放熱装置によれば、異なる方向の熱応力緩和効果が一層向上する。
上記21)の放熱装置によれば、応力緩和部材と、絶縁基板または絶縁基板の金属層およびヒートシンクとをろう付する際の応力緩和部材に対する溶融ろう材の濡れ性が優れたものになるので、ろう付性が向上する。しかも、上記ろう付の際の加熱により応力緩和部材の強度が低下し、放熱装置に熱応力が発生した場合に、応力緩和部材が変形しやすく、応力緩和効果が優れたものになる。
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の上下を上下というものとする。また、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。
図１はこの発明の第１の実施形態の放熱装置を用いたパワーモジュールの一部分を示し、図２は応力緩和部材を示す。
図１において、パワーモジュールは、放熱装置(1)と、放熱装置(1)に搭載された、たとえばIGBTなどの半導体素子(2)とを備えている。
放熱装置(1)は、上面が発熱体搭載面となされたセラミック製絶縁基板(3)と、絶縁基板(3)の下面に接合された応力緩和部材(4)と、応力緩和部材(4)の下面に接合されたヒートシンク(5)とを備えている。
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いれば、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえば酸化アルミニウムや窒化アルミニウムにより形成される。絶縁基板(3)の上面に回路層(6)が形成され、回路層(6)上に半導体素子(2)がはんだ付けされている。はんだ層の図示は省略する。回路層(6)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、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。また、絶縁基板(3)の下面に金属層(7)が形成され、金属層(7)に応力緩和部材(4)がろう付されている。ろう材層をの図示は省略する。金属層(7)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、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、絶縁基板(3)、回路層(6)および金属層(7)によりパワーモジュール用基板(8)が構成されている。
応力緩和部材(4)は高熱伝導性材料からなり、応力吸収空間を有している。図２に示すように、応力緩和部材(4)は、複数の非角形、ここでは円形貫通穴(9)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、貫通穴(9)が応力吸収空間となっている。円形貫通穴(9)は、アルミニウム板(10)における少なくとも絶縁基板(3)の周縁部と対応する位置、すなわちアルミニウム板(10)における絶縁基板(3)の周縁部と対応する周縁部を含んで、全体に形成されている。アルミニウム板(10)は、熱伝導率が高く、ろう付時の加熱により強度が低下して変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度９９％以上、望ましく純度９９．５％以上の純アルミニウムにより形成されているのがよい。アルミニウム板(10)の肉厚は０．３〜３ｍｍであることが好ましく、０．３〜１．５ｍｍであることが望ましい。貫通穴(9)の円相当径、ここでは貫通穴(9)が円形であるから、その穴径は１〜４ｍｍであることが好ましい。また、アルミニウム板(10)の一面の面積に対するすべての貫通穴(9)の面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
ヒートシンク(5)は、複数の冷却流体通路(11)が並列状に設けられた偏平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。
応力緩和部材(4)と、パワーモジュール用基板(8)の金属層(7)およびヒートシンク(5)とのろう付は、たとえば次のようにして行われる。すなわち、応力緩和部材(4)を上記純アルミニウムからなる芯材と、芯材の両面を被覆するアルミニウムろう材製皮材とからなるアルミニウムブレージングシートにより形成する。なお、アルミニウムろう材としては、たとえばＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などが用いられる。また、皮材の厚みは１０〜２００μｍ程度であることが好ましい。この厚みが薄すぎるとろう材の供給不足となってろう付不良を起こすおそれがあり、この厚みが厚すぎるとろう材過多となってボイドの発生や熱伝導性の低下を招くおそれがある。
ついで、パワーモジュール用基板(8)、応力緩和部材(4)およびヒートシンク(5)を積層状に配置するとともに適当な治具により拘束し、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℃に加熱する。こうして、応力緩和部材(4)と、パワーモジュール用基板(8)の金属層(7)およびヒートシンク(5)とが同時にろう付される。
また、応力緩和部材(4)と、パワーモジュール用基板(8)の金属層(7)およびヒートシンク(5)とのろう付は、次のようにして行ってもよい。すなわち、応力緩和部材(4)を上記純アルミニウムのベア材により形成する。ついで、パワーモジュール用基板(8)、応力緩和部材(4)およびヒートシンク(5)を積層状に配置する。このとき、応力緩和部材(4)と、パワーモジュール用基板(8)の金属層(7)およびヒートシンク(5)との間に、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。シート状アルミニウムろう材の厚みは１０〜２００μｍ程度であることが好ましい。この厚みが薄すぎるとろう材の供給不足となってろう付不良を起こすおそれがあり、この厚みが厚すぎるとろう材過多となってボイドの発生や熱伝導性の低下を招くおそれがある。その後、上述したアルミニウムブレージングシートを用いた場合と同様にしてろう付する。こうして、応力緩和部材(4)と、パワーモジュール用基板(8)の金属層(7)およびヒートシンク(5)とが同時にろう付される。
図３はこの発明による放熱装置の第２の実施形態を示す。
図３に示す放熱装置(15)の場合、パワーモジュール用基板(8)の絶縁基板(3)の下面には金属層(7)は形成されておらず、応力緩和部材(4)が絶縁基板(3)に直接ろう付されている。このろう付は、たとえば上記第１の実施形態の場合と同様にして行われる。
図４〜図２１は応力緩和部材の変形例を示す。
図４に示す応力緩和部材(20)は、複数の方形貫通穴(21)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、貫通穴(21)が応力吸収空間となっている。貫通穴(21)は、アルミニウム板(10)における少なくとも絶縁基板(3)の周縁部と対応する位置、すなわちアルミニウム板(10)における絶縁基板(3)の周縁部と対応する周縁部を含んで、全体に形成されている。アルミニウム板(10)の一面の面積に対するすべての貫通穴(21)の面積の合計の割合は、図２に示す応力緩和部材(4)の場合と同様に、３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
図５に示す応力緩和部材(22)の場合、アルミニウム板(10)の周縁部のみ、すなわちアルミニウム板(10)における絶縁基板(3)の周縁部と対応する位置のみに、複数の円形貫通穴(9)が形成されている。この場合にも、アルミニウム板(10)の一面の面積に対するすべての貫通穴(9)の面積の合計の割合は、図２に示す応力緩和部材(4)の場合と同様に、３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
図６に示す応力緩和部材(23)の場合、アルミニウム板(10)の周縁部のみ、すなわちアルミニウム板(10)における絶縁基板(3)の周縁部と対応する位置のみに、複数の円形貫通穴(9)が、内外２重に形成されている。この場合にも、アルミニウム板(10)の一面の面積に対するすべての貫通穴(9)の面積の合計の割合は、図２に示す応力緩和部材(4)の場合と同様に、３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
図５および図６に示す応力緩和部材(22)(23)において、円形貫通穴(9)の代わりに、方形貫通穴(21)が形成されていてもよい。いずれの場合においても、貫通穴(9)(21)が応力吸収空間となっている。
図７に示す応力緩和部材(25)は、一面に複数の球状凹所(26)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(26)が応力吸収空間となっている。
図８に示す応力緩和部材(30)は、両面に複数の球状凹所(26)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(26)が応力吸収空間となっている。アルミニウム板(10)の一面の凹所(26)と他面の凹所(26)とは、平面から見て異なった位置に形成されている。
図９に示す応力緩和部材(31)は、一面に複数の円錐台状凹所(32)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(32)が応力吸収空間となっている。
図１０に示す応力緩和部材(34)は、両面に複数の円錐台状凹所(32)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(32)が応力吸収空間となっている。アルミニウム板(10)の一面の凹所(32)と他面の凹所(32)とは、平面から見て異なった位置に形成されている。
図７〜図１０に示す応力緩和部材(25)(30)(31)(34)において、凹所(26)(32)は、アルミニウム板(10)における少なくとも絶縁基板(3)の周縁部と対応する周縁部を含んで、全体に形成されているが、図５および図６に示す応力緩和部材(22)(23)の場合と同様に、絶縁基板(3)の周縁部と対応する周縁部のみに形成されていればよい。また、図７〜図１０に示す応力緩和部材(25)(30)(31)(34)において、凹所(26)(32)の開口の円相当径、ここでは凹所(26)(32)の開口は円形であるから、その直径は１〜４ｍｍであることが好ましい。また、アルミニウム板(10)の凹所(26)(32)が形成された面の面積に対する当該面に形成された全凹所(26)(32)の開口面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
図１１に示す応力緩和部材(36)は、一面に複数の四角錐状凹所(37)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(37)が応力吸収空間となっている。
図１２に示す応力緩和部材(38)は、両面に複数の四角錐状凹所(37)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(37)が応力吸収空間となっている。アルミニウム板(10)の一面の凹所(37)と他面の凹所(37)とは、平面から見て異なった位置に形成されている。
図１３に示す応力緩和部材(40)は、一面に複数の直方体状凹所(41)が縦横に並んで形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(41)が応力吸収空間となっている。ここでは、縦に並んだ凹所(41)の各列における隣り合う凹所(41)の長手方向は９０度異なった方向を向いており、同じく横に並んだ凹所(41)の各列における隣り合う凹所(41)の長手方向は９０度異なった方向を向いている。
図１４に示す応力緩和部材(42)は、両面に複数の直方体状凹所(41)が千鳥配置状に形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(41)が応力吸収空間となっている。アルミニウム板(10)の一面の凹所(41)と他面の凹所(41)とは、平面から見て異なった位置に形成されている。また、アルミニウム板(10)の一面の凹所(41)の長手方向は同方向を向いており、他面の凹所(41)の長手方向は、上記一面の凹所(41)の長手方向と直角をなす方向を向いている。
図１５に示す応力緩和部材(45)は、複数の貫通穴(46)(47)が形成されたアルミニウム板(10)からなり、貫通穴(46)(47)が応力吸収空間となっている。すなわち、アルミニウム板(10)の４隅部においては、アルミニウム板(10)の各隅部を挟んで隣接する２つの辺を結ぶ傾斜した複数の平行線上に、それぞれ複数の短尺直線状貫通穴(46)が上記平行線の長さ方向に間隔をおいて形成されている。また、アルミニウム板(10)の４隅部を除いた部分においては、複数の同心円上に、それぞれ複数の円弧状貫通穴(47)が周方向に間隔をおいて形成されている。この応力緩和部材(45)の場合も、アルミニウム板(10)の一面の面積に対するすべての貫通穴(46)(47)の面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にあることが好ましい。
図１６に示す応力緩和部材(50)は、一面に複数の溝状凹所(51)が形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(51)が応力吸収空間となっている。凹所(51)はＶ字を連続したような形状またはＶ字状である。
図１７に示す応力緩和部材(53)は、両面に複数のＶ溝状凹所(54)(55)が形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(54)(55)が応力吸収空間となっている。アルミニウム板(10)の一面の凹所(54)は、アルミニウム板(10)の長さ方向に伸びかつアルミニウム板(10)の幅方向に間隔をおいて形成されている。アルミニウム板(10)の他面の凹所(55)は、アルミニウム板(10)の幅方向に伸びかつアルミニウム板(10)の長さ方向に間隔をおいて形成されている。なお、アルミニウム板(10)の一面の凹所(54)の深さと他面の凹所(55)の深さの合計は、アルミニウム板(10)の板厚よりも小さくなっている。
図１８に示す応力緩和部材(57)は、両面に複数のＶ溝状凹所(58)(59)が形成されるとともに、複数の貫通穴(60)が形成されたアルミニウム板(10)からなり、凹所(58)(59)および貫通穴(60)が応力吸収空間となっている。アルミニウム板(10)の一面の凹所(58)は、アルミニウム板(10)の長さ方向に伸びかつアルミニウム板(10)の幅方向に間隔をおいて形成されている。アルミニウム板(10)の他面の凹所(59)は、アルミニウム板(10)の幅方向に伸びかつアルミニウム板(10)の長さ方向に間隔をおいて形成されている。そして、アルミニウム板(10)の一面の凹所(58)の深さと他面の凹所(59)の深さの合計は、アルミニウム板(10)の板厚よりも大きくなっており、これにより両凹所(58)(59)の交差部分に貫通穴(60)が形成されている。
図４〜図１８に示す応力緩和部材を形成するアルミニウム板(10)は、図２に示す応力緩和部材(4)の場合と同じである。そして、図４〜図１８に示す応力緩和部材は、上述した第１および第２の実施形態の場合と同様にして、パワーモジュール用基板(8)およびヒートシンク(5)にろう付される。
図１９に示す応力緩和部材(63)は、波頂部(64)、波底部(65)および波頂部(64)と波底部(65)とを連結する連結部(66)とよりなる波形のアルミニウム板(67)からなり、隣り合う連結部(66)どうしの間の部分が応力吸収空間となっている。また、波形アルミニウム板(67)の幅方向の中央部において、波頂部(64)、波底部(65)および連結部(66)に、波頂部(64)および波底部(65)の長さ方向と直交する方向に伸びる切除部(68)が形成されている。したがって、波形アルミニウム板(67)は、両端部を除いて２つの部分に分割されている。
図２０に示す応力緩和部材(70)は、図１９と同様な波形アルミニウム板(67)の波頂部(64)、波底部(65)および連結部(66)に、波頂部(64)および波底部(65)の長さ方向と直交する方向に伸びる切除部(68)が、波形アルミニウム板(67)の幅方向に並んで複数形成されている。したがって、波形アルミニウム板(67)は、両端部を除いて複数の部分に分割されている。
図２１に示す応力緩和部材(72)は、切除部が形成されていない複数、ここでは２つの波形アルミニウム板(67)が、波頂部(64)および波底部(65)の長さ方向に間隔をおいて配置されている。なお、波形アルミニウム板(67)の数は限定されない。そして、隣り合う波形アルミニウム板(67)の波頂部(64)および波底部(65)の位置が、波頂部(64)および波底部(65)の幅方向にずれている。
なお、図２１に示す応力緩和部材(72)において、隣り合う波形アルミニウム板(67)の波頂部(64)および波底部(65)の位置が、波頂部(64)および波底部(65)の幅方向にずれていない場合もある。
図１９〜図２１に示す応力緩和部材(63)(70)(72)において、波形アルミニウム板(67)の肉厚は０．０５〜１ｍｍであることが好ましい。また、波形アルミニウム板(67)は、図２に示す応力緩和部材(4)の場合と同様に、熱伝導率が高く、しかもろう付時の加熱により強度が低下して変形能の高い純度９９％以上、望ましく純度９９．５％以上の純アルミニウムにより形成されているのがよい。図１９〜図２１に示す応力緩和部材(63)(70)(72)は、上述した第１および第２の実施形態の場合と同様にして、パワーモジュール用基板(8)およびヒートシンク(5)にろう付される。
この発明による放熱装置の第１の実施形態を示し、放熱装置を用いたパワーモジュールの一部分を示す垂直断面図である。 図１の放熱装置に用いられる応力緩和部材を示す斜視図である。 この発明による放熱装置の第２の実施形態を示す図１相当の図である。 応力緩和部材の第１の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第２の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第３の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第４の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第５の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第６の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第７の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第８の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第９の変形例を示す一部切り欠き斜視図である。 応力緩和部材の第１０の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１１の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１２の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１３の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１４の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１５の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１６の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１７の変形例を示す斜視図である。 応力緩和部材の第１８の変形例を示す斜視図である。
符号の説明
(1)(15)：放熱装置
(3)：絶縁基板
(4)：応力緩和部材
(5)：ヒートシンク
(7)：金属層
(9)：貫通穴
(10)：アルミニウム板
(20)(22)(23)：応力緩和部材
(21)：貫通穴
(25)(30)：応力緩和部材
(26)：凹所
(31)(34)：応力緩和部材
(32)：凹所
(36)(38)：応力緩和部材
(37)：凹所
(40)(42)：応力緩和部材
(41)：凹所
(45)：応力緩和部材
(46)(47)：貫通穴
(50)(53)(57)：応力緩和部材
(51)(54)(55)(58)(59)：凹所
(60)：貫通穴
(63)(70)(72)：応力緩和部材
(64)：波頂部
(65)：波底部
(66)：連結部
(67)：波形アルミニウム板
(68)：切除部

Claims (24)

  1. 一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシンクとを備えた放熱装置において、
    絶縁基板とヒートシンクとの間に、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介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板およびヒートシンクに金属接合されている放熱装置。
  2. 応力緩和部材が絶縁基板およびヒートシンクにろう付されている請求項１記載の放熱装置。
  3. 一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシンクとを備えた放熱装置において、
    絶縁基板における発熱体搭載面とは反対側の面に金属層が形成され、当該金属層とヒートシンクとの間に、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介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板の金属層およびヒートシンクに金属接合されている放熱装置。
  4. 応力緩和部材が絶縁基板の金属層およびヒートシンクにろう付されている請求項３記載の放熱装置。
  5. 絶縁基板がセラミックからなる請求項１〜４のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  6. 応力緩和部材が、複数の貫通穴が形成されたアルミニウム板からなり、貫通穴が応力吸収空間となっている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  7. 貫通穴が、アルミニウム板における少なくとも絶縁基板の周縁部と対応する位置に形成されている請求項６記載の放熱装置。
  8. 貫通穴が非角形であり、貫通穴の円相当径が１〜４ｍｍである請求項６または７記載の放熱装置。
  9. アルミニウム板の一面の面積に対するすべての貫通穴の面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にある請求項６〜８のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  10. 応力緩和部材が、少なくともいずれか一面に複数の凹所が形成されたアルミニウム板からなり、凹所が応力吸収空間となっている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  11. 凹所が、アルミニウム板における少なくとも絶縁基板の周縁部と対応する位置に形成されている請求項１０記載の放熱装置。
  12. 凹所の開口が非角形であり、凹所の開口の円相当径が１〜４ｍｍである請求項１０または１１記載の放熱装置。
  13. アルミニウム板の凹所が形成された面の面積に対する当該面に形成された全凹所の開口面積の合計の割合が３〜５０％の範囲内にある請求項１０〜１２のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  14. 応力緩和部材が、少なくとも一面に複数の凹所が形成されるとともに、複数の貫通穴が形成されたアルミニウム板からなり、凹所および貫通穴が応力吸収空間となっている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  15. 応力緩和部材を形成するアルミニウム板の肉厚が０．３〜３ｍｍである請求項６〜１４のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  16. 応力緩和部材が、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よりなる波形のアルミニウム板からなり、隣り合う連結部どうしの間の部分が応力吸収空間となっている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  17. 波形アルミニウム板の肉厚が０．０５〜１ｍｍである請求項１６記載の放熱装置。
  18. 波形アルミニウム板の波頂部、波底部および連結部に、波頂部および波底部の長さ方向と直交する方向に伸びる少なくとも１つの切除部が形成されている請求項１６または１７記載の放熱装置。
  19. 複数の波形アルミニウム板が、波頂部および波底部の長さ方向に間隔をおいて配置されている請求項１６または１７記載の放熱装置。
  20. 隣り合う波形アルミニウム板の波頂部および波底部の位置が、波頂部および波底部の幅方向にずれている請求項１９記載の放熱装置。
  21. アルミニウム板が、純度９９％以上の純アルミニウムからなる請求項６〜２０のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  22. 応力緩和部材が、芯材と芯材の両面を被覆するろう材製皮材とからなるブレージングシートにより形成され、ブレージングシートの皮材を用いて絶縁基板または絶縁基板の金属層と、ヒートシンクとにろう付されている請求項６〜２１のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  23. 応力緩和部材が、シート状ろう材を用いて絶縁基板または絶縁基板の金属層と、ヒートシンクとにろう付されている請求項６〜２１のうちのいずれかに記載の放熱装置。
  24. 請求項１〜２３のうちのいずれかに記載の放熱装置と、放熱装置の絶縁基板に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュール。
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