JP2008124187A - Base for power module - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a power module base constituting a power module.
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」、「酸化アルミニウム」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。また、この明細書および特許請求の範囲において、「銅」という用語には、純銅の他に銅合金を含むものとする。 In this specification and claims, the term “aluminum” includes aluminum alloys in addition to pure aluminum, except where expressed as “aluminum nitride”, “aluminum oxide” and “pure aluminum”. . In this specification and claims, the term “copper” includes a copper alloy in addition to pure copper.
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体チップからなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、パワーデバイスから発せられる熱を効率良く放熱して、パワーデバイスの温度を所定温度以下に保つ必要がある。 For example, in a power module equipped with a power device consisting of a semiconductor chip such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), it is necessary to efficiently dissipate the heat generated from the power device and keep the temperature of the power device below a predetermined temperature. .
そこで、上述したパワーモジュールとして、従来、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどからなるセラミックス製絶縁基板、絶縁基板の一面に形成されたアルミニウム、銅などからなる配線層、絶縁基板の他面に形成されたアルミニウム、銅などからなる伝熱層、および伝熱層に接合されたアルミニウムなどからなる放熱用ヒートシンクにより構成された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配線層上にはんだ付された半導体チップなどからなるパワーデバイスとを備えたものが用いられていた。しかしながら、このパワーモジュールを長期間使用した場合、パワーデバイスの動作に伴う繰り返しの熱サイクルや、動作環境における温度変化等により、絶縁基板の伝熱層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発生するという問題があった。 Therefore, as a power module described above, conventionally, a ceramic insulating substrate made of aluminum oxide, aluminum nitride, etc., an aluminum formed on one surface of the insulating substrate, a wiring layer made of copper, etc., an aluminum formed on the other surface of the insulating substrate , A power module base composed of a heat transfer layer made of copper, and a heat sink for heat dissipation made of aluminum joined to the heat transfer layer, and a semiconductor chip soldered on the wiring layer of the power module base What was equipped with the power device which consists of was used. However, when this power module is used for a long period of time, cracks occur in the solder layer that joins the heat transfer layer of the insulating substrate and the heat sink due to repeated thermal cycles accompanying the operation of the power device and temperature changes in the operating environment. There was a problem that occurred.
上述したクラックが発生するのは、絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の差が比較的大きいことが原因となっていた。そして、上述したクラックの発生を防止するために、ヒートシンクをＡｌ−ＳｉＣ複合材、Ｃｕ−Ｍｏ複合材などの絶縁基板に近い線膨張係数を有する材料により形成することが考えられたが、その場合、材料コストが高くなるという問題があった。 The cracks described above are caused by a relatively large difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink. In order to prevent the occurrence of cracks described above, it was considered that the heat sink was formed of a material having a linear expansion coefficient close to that of an insulating substrate such as an Al-SiC composite material or a Cu-Mo composite material. There was a problem that the material cost was high.
そこで、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ろう付されたアルミニウム製放熱基板と、放熱基板における絶縁基板にろう付された側と反対側の面にろう付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）。特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいてにおいては、絶縁基板の配線層上に半導体チップなどからなるパワーデバイスがはんだ付されてパワーモジュールとして用いられ、パワーデバイスから発せられた熱は、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。
Therefore, a ceramic insulating substrate having an aluminum wiring layer formed on one surface and an aluminum heat transfer layer formed on the other surface, an aluminum heat radiating substrate brazed to the heat transfer layer of the insulating substrate, and heat dissipation A power module base has been proposed which comprises an aluminum heat sink brazed to the surface opposite to the side brazed to the insulating substrate in the substrate, and in which a coolant flow path is formed inside the heat sink (patent) Reference 1). In the base for a power module described in
ところで、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、放熱基板およびヒートシンクの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、比較的線膨張係数の大きいアルミニウムからなる放熱基板およびヒートシンクは、ろう付時の加熱により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、アルミニウムの線膨張係数よりも小さいので、ろう付時の加熱によっても放熱基板およびヒートシンクほど大きく熱膨張しようとしない。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すると、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って、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、放熱基板およびヒートシンクに反りなどの変形が発生し、放熱基板に発生した反りに起因して絶縁基板にも反りが発生する。
By the way, in the power module base described in
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。しかしながら、放熱基板の厚みを大きくすると、パワーデバイスから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。
この発明の目的は、上記問題を解決し、製造の際に放熱基板および絶縁基板への反りの発生を抑制することができ、しかも優れた放熱性能を有するパワーモジュール用ベースを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power module base that solves the above-described problems, can suppress the occurrence of warping of the heat dissipation substrate and the insulating substrate during manufacture, and has excellent heat dissipation performance. .
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。 In order to achieve the above object, the present invention comprises the following aspects.
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かつパワーデバイスが実装される配線層と、放熱基板の他面に設けられた放熱フィンと、放熱基板における放熱フィンが設けられた側の面に放熱フィンを覆うように固定され、かつ内部を冷却液が流れるようになされている冷却ジャケットとを備えており、配線層にパワーデバイスが実装されるパワーモジュール用ベースであって、
放熱基板に貫通穴が形成されており、配線層に実装されるパワーデバイスの少なくとも一部分が、平面から見て貫通穴と重複するようになされているパワーモジュール用ベース。
1) A heat dissipation board made of a high thermal conductivity material, an insulating substrate bonded to one surface of the heat dissipation substrate, and a wiring provided on the surface of the insulating substrate opposite to the side bonded to the heat dissipation substrate and on which the power device is mounted The heat radiation fin provided on the layer, the other surface of the heat dissipation substrate, and the surface of the heat dissipation substrate on the side where the heat dissipation fin is provided are fixed so as to cover the heat dissipation fin, and the cooling liquid flows through the inside. A cooling jacket and a base for a power module in which a power device is mounted on a wiring layer,
A base for a power module, wherein a through hole is formed in a heat dissipation board, and at least a part of a power device mounted on a wiring layer overlaps with the through hole when viewed from above.
2)放熱基板に形成された貫通穴の数が１つである上記1)記載のパワーモジュール用ベース。 2) The base for a power module as described in 1) above, wherein the number of through holes formed in the heat dissipation board is one.
3)放熱基板に形成された貫通穴の数が複数である上記1)記載のパワーモジュール用ベース。 3) The power module base according to 1) above, wherein the number of through holes formed in the heat dissipation board is plural.
4)配線層に１つのパワーデバイスが搭載されるようになっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。 4) The power module base according to any one of 1) to 3) above, wherein one power device is mounted on the wiring layer.
5)配線層に複数のパワーデバイスが搭載されるようになっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。 5) The base for a power module according to any one of 1) to 3) above, wherein a plurality of power devices are mounted on the wiring layer.
6)放熱基板に形成された貫通穴が円形である上記1)〜5)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。 6) The base for a power module according to any one of 1) to 5) above, wherein the through hole formed in the heat dissipation substrate is circular.
7)放熱基板に形成された貫通穴の合計開口面積をＳｍｍ２、絶縁基板における放熱基板への接合面積をＳ０ｍｍ２とした場合、Ｓ／Ｓ０×１００で表される開口率が１０％以上である上記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。 7) When the total opening area of the through holes formed in the heat dissipation substrate is Smm 2 and the bonding area of the insulating substrate to the heat dissipation substrate is S 0 mm 2 , the opening ratio represented by S / S 0 × 100 is 10 % Of the power module according to any one of 1) to 6) above.
8)絶縁基板と放熱基板、および放熱基板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている上記1)〜7)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) The base for a power module according to any one of 1) to 7) above, wherein the insulating substrate and the heat dissipation substrate, and the heat dissipation substrate and the heat dissipation fin are brazed.
9)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)〜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。 9) The above 1) to 8), wherein a heat transfer layer made of a highly heat conductive material is provided on the surface of the insulating substrate opposite to the side on which the wiring layer is provided, and the heat transfer layer and the heat dissipation substrate are joined. ) Base for power module according to any one of
10)上記1)〜9)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、平面から見て少なくとも一部分が放熱基板の貫通穴と重複するように搭載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。 10) On the power module base according to any one of the above 1) to 9) and the wiring layer of the insulating substrate of the power module base, at least a part thereof overlaps with the through hole of the heat dissipation board as viewed from above. A power module equipped with a power device mounted as described above.
上記1)〜5)のパワーモジュール用ベースにおいて、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って、放熱基板が絶縁基板により引っ張られ、その結果放熱基板に反りのような変形が発生するとともに、放熱基板に発生した反りに起因して絶縁基板にも反りが発生する。しかしながら、上記1)〜5)のパワーモジュール用ベースによれば、放熱基板に貫通穴が形成されているので、放熱基板と絶縁基板との熱膨張差によって発生する熱応力により生じる放熱基板の歪みが貫通穴により緩和され、その結果上述した放熱基板への反りの発生を抑制することができるとともに、放熱基板に発生した反りに起因する絶縁基板への反りの発生を抑制することができる。 In the power module base of 1) to 5) above, when the insulating substrate, the heat dissipation substrate, and the heat dissipation fin are joined by brazing, for example, the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally expanded during heating during brazing, Brazing is performed in a thermally expanded state, and the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted after the heating is completed. However, the heat dissipation board is formed of a highly thermally conductive material such as aluminum, for example, and its linear expansion coefficient is larger than the linear expansion coefficient of the insulating board, so the degree of thermal expansion of the heat dissipation board is larger than that of the insulating board, As a result, the degree of thermal contraction of the heat dissipation substrate is also larger than that of the insulating substrate. For this reason, when the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted when cooled to room temperature after the brazing is completed, the degree of shrinkage is greater in the heat dissipation substrate than the insulating substrate, and the heat dissipation substrate is pulled by the insulating substrate. As a result, deformation such as warpage occurs in the heat dissipation substrate, and warpage also occurs in the insulating substrate due to the warpage generated in the heat dissipation substrate. However, according to the power module bases 1) to 5) above, since the through holes are formed in the heat dissipation board, the heat dissipation board distortion caused by the thermal stress generated by the thermal expansion difference between the heat dissipation board and the insulating substrate. Can be mitigated by the through-hole, and as a result, the occurrence of warpage of the heat dissipation substrate can be suppressed, and the occurrence of warpage of the insulating substrate due to the warpage generated in the heat dissipation substrate can be suppressed.
しかも、配線層に搭載される発熱素子の少なくとも一部分が、平面から見て貫通穴と重複するようになされているので、このパワーモジュール用ベースを使用したパワーモジュールにおいては、冷却ジャケット内を流れる冷却液が、貫通穴を通して直接絶縁基板に接することになり、配線層上に、平面から見て少なくとも一部分が放熱基板の貫通穴と重複するように実装されたパワーデバイスの冷却効率が、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースを用いた場合に比べて飛躍的に向上し、パワーデバイスからの放熱性能が優れたものになる。
In addition, since at least a part of the heating element mounted on the wiring layer overlaps with the through hole when viewed from above, in the power module using this power module base, the cooling flowing in the cooling jacket is performed. The liquid is in direct contact with the insulating substrate through the through hole, and the cooling efficiency of the power device mounted on the wiring layer so that at least a portion thereof overlaps with the through hole of the heat dissipation substrate when viewed from above is disclosed in
上記6)のパワーモジュール用ベースによれば、貫通穴が円形であるから、放熱基板における貫通穴の周縁部への局部的な応力集中を防止することが可能となり、上述した放熱基板への反りの発生を一層効果的に抑制することができるとともに、放熱基板の反りに起因する絶縁基板への反りの発生を一層効果的に抑制することができる。 According to the power module base of 6) above, since the through hole is circular, it is possible to prevent local stress concentration on the peripheral portion of the through hole in the heat dissipation board, and the warp to the heat dissipation board described above. The generation of warpage to the insulating substrate due to the warpage of the heat dissipation substrate can be further effectively suppressed.
上記7)のパワーモジュール用ベースによれば、上述した放熱基板および絶縁基板への反りの発生を効果的に防止することができる。 According to the power module base of the above 7), it is possible to effectively prevent the warpage of the heat dissipation substrate and the insulating substrate described above.
上記8)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、および放熱基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って、放熱基板が絶縁基板により引っ張られ、その結果放熱基板に反りのような変形が発生するとともに、放熱基板に発生した反りに起因して絶縁基板にも反りが発生する。しかしながら、上記1)〜7)のように構成されていると、放熱基板と絶縁基板との熱膨張差によって発生する熱応力により生じる放熱基板の歪みが貫通穴により緩和され、その結果上述した放熱基板への反りの発生を抑制することができるとともに、放熱基板に発生した反りに起因する絶縁基板への反りの発生を抑制することができる。 When the insulating substrate and the heat radiating substrate, and the heat radiating substrate and the heat radiating fin are respectively brazed as in the power module base of 8) above, the insulating substrate and the heat radiating substrate thermally expand during heating during brazing. At the same time, it is brazed in a thermally expanded state, and after the heating, the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted. However, the heat dissipation board is formed of a highly thermally conductive material such as aluminum, for example, and its linear expansion coefficient is larger than the linear expansion coefficient of the insulating board, so the degree of thermal expansion of the heat dissipation board is larger than that of the insulating board, As a result, the degree of thermal contraction of the heat dissipation substrate is also larger than that of the insulating substrate. For this reason, when the insulating substrate and the heat dissipation substrate are thermally contracted when cooled to room temperature after the brazing is completed, the degree of shrinkage is greater in the heat dissipation substrate than the insulating substrate, and the heat dissipation substrate is pulled by the insulating substrate. As a result, deformation such as warpage occurs in the heat dissipation substrate, and warpage also occurs in the insulating substrate due to the warpage generated in the heat dissipation substrate. However, when configured as in 1) to 7) above, the distortion of the heat dissipation substrate caused by the thermal stress generated by the thermal expansion difference between the heat dissipation substrate and the insulating substrate is relieved by the through holes, and as a result, the heat dissipation described above. The occurrence of warpage on the substrate can be suppressed, and the occurrence of warpage on the insulating substrate due to the warpage generated on the heat dissipation substrate can be suppressed.
上記9)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板に実装されるパワーデバイスから伝わった熱が、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。 According to the power module base of 9) above, the heat transmitted from the power device mounted on the insulating substrate is diffused in the direction of the surface of the heat transfer layer and transferred to the heat dissipation substrate. Heat transfer is improved.
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、左右を上下、左右というものとし、図２〜図５の下側を前、これと反対側を後というものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the top and bottom, left and right in FIG. 1 are referred to as top and bottom, and left and right, and the lower side of FIGS.
図１および図２はこの発明の第１の実施形態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の全体構成を示す。 1 and 2 show the overall configuration of a power module using a power module base according to the first embodiment of the present invention.
図１および図２において、パワーモジュールは、パワーモジュール用ベース(1)と、パワーモジュール(1)に実装された半導体チップなどからなるパワーデバイス(P)とを備えている。パワーモジュール用ベース(1)は、放熱基板(2)と、放熱基板(2)の上面にろう付された絶縁基板(3)と、放熱基板(2)の下面にろう付された放熱フィン(4)と、放熱基板(2)の下面に、放熱フィン(4)を覆うように固定された冷却ジャケット(5)とを備えている。 1 and 2, the power module includes a power module base (1) and a power device (P) made of a semiconductor chip or the like mounted on the power module (1). The power module base (1) includes a heat dissipation board (2), an insulating board (3) brazed to the upper surface of the heat dissipation board (2), and a heat dissipation fin ( 4) and a cooling jacket (5) fixed on the lower surface of the heat dissipation board (2) so as to cover the heat dissipation fins (4).
放熱基板(2)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いる。放熱基板(2)の肉厚は０．１〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．４ｍｍ程度であることが望ましい。放熱基板(2)の中央部には、１つの円形貫通穴(6)が形成されている。 The heat dissipating substrate (2) is made of a highly heat conductive material such as aluminum or copper, here aluminum. The thickness of the heat dissipation substrate (2) is preferably 0.1 to 1.0 mm, and preferably about 0.4 mm. One circular through hole (6) is formed at the center of the heat dissipation substrate (2).
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、どのような絶縁材料から形成されていてもよいが、たとえばセラミックから形成される場合、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが用いられる。絶縁基板(3)の肉厚は０．１〜１ｍｍ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、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかもパワーデバイス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。そして、配線層(7)上に、１つのパワーデバイス(P)が、たとえばはんだ付で接合されることにより実装されている。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。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。さらに、配線層(7)および伝熱層(8)の肉厚は、０．１〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．６ｍｍ程度であることが望ましい。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 Alminum、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。 The insulating substrate (3) may be formed of any insulating material as long as it satisfies the required insulating properties, thermal conductivity, and mechanical strength. Aluminum, aluminum nitride, silicon nitride or the like is used. The thickness of the insulating substrate (3) is preferably 0.1 to 1 mm. 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 it has high electrical conductivity, high deformability, and high purity and pureness with excellent solderability to power devices. It is preferable that it is formed of aluminum. One power device (P) is mounted on the wiring layer (7) by soldering, for example. The heat transfer layer (8) is made of a metal such as aluminum or copper with excellent thermal conductivity, but has high thermal conductivity, high deformability, and purity with excellent wettability with molten brazing material. It is preferable that it is made of pure aluminum having a high thickness. The wiring layer (7) and the heat transfer layer (8) are preferably formed of the same material. Furthermore, the thickness of the wiring layer (7) and the heat transfer layer (8) is preferably 0.1 to 1.0 mm, and preferably about 0.6 mm. The heat transfer layer (8) is brazed to the heat dissipation substrate (2). As the insulating substrate (3) provided with the wiring layer (7) and the heat transfer layer (8) in advance, a DBA (Direct Brazed Aluminum, registered trademark) substrate, a DBC (Direct Bonded Copper, registered trademark) substrate, etc. Can be used.
ここで、貫通穴(6)の開口面積をＳｍｍ２、絶縁基板(3)における放熱基板(2)への接合面積、すなわち伝熱層(8)の面積をＳ０ｍｍ２とした場合、Ｓ／Ｓ０×１００で表される開口率(％)は１０％以上であることが好ましい。この場合、後述するパワーモジュール用ベース(1)の製造の際の放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、および放熱基板(2)と放熱フィン(4)とのろう付時に、放熱基板(2)および絶縁基板(3)に反りが発生することを効果的に抑制しうる。 Here, when the opening area of the through hole (6) is Smm 2 and the bonding area of the insulating substrate (3) to the heat dissipation substrate (2), that is, the area of the heat transfer layer (8) is S 0 mm 2 , S The aperture ratio (%) represented by / S 0 × 100 is preferably 10% or more. In this case, the heat dissipation substrate (2) and the heat transfer layer (8) of the insulating substrate (3), and the heat dissipation substrate (2) and the heat dissipation fin (4) when the power module base (1) described later is manufactured. It is possible to effectively suppress warping of the heat dissipation substrate (2) and the insulating substrate (3) during brazing.
また、配線層(7)上に実装されたパワーデバイス(P)の全体が、図２に示すように、平面から見て放熱基板(2)の貫通穴(6)と重複している。なお、パワーデバイス(P)は、少なくとも一部分が、平面から見て放熱基板(2)の貫通穴(6)と重複していればよい。 Further, as shown in FIG. 2, the entire power device (P) mounted on the wiring layer (7) overlaps with the through hole (6) of the heat dissipation board (2) as viewed from above. Note that at least a part of the power device (P) only has to overlap with the through hole (6) of the heat dissipation board (2) when viewed from the plane.
放熱フィン(4)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、放熱基板(2)にろう付されている。放熱フィン(4)の肉厚は０．５ｍｍ、フィン高さ１０ｍｍ、フィンピッチ０．５ｍｍ程度である。 The radiating fin (4) is made of a highly heat conductive material such as aluminum or copper, here aluminum, and has a corrugated shape including a wave crest part, a wave bottom part, and a connecting part that connects the wave crest part and the wave bottom part. Yes, and brazed to the heat radiating substrate (2) with the wave crest portion and the wave bottom portion in the longitudinal direction. The thickness of the radiating fin (4) is about 0.5 mm, the height of the fin is 10 mm, and the fin pitch is about 0.5 mm.
冷却ジャケット(5)は放熱基板(2)と同じ材料、ここではアルミニウムで形成されており、放熱基板(2)の下面の左右両側縁部にろう付された左右１対のアルミニウム製側板(5a)と、両側板(5a)の下端に跨るようにろう付された底板(5b)とを備えている。なお、通常、放熱基板(2)と冷却ジャケット(5)の側板(5a)および底板(5b)は、図２に示すよりも前後方向に長く形成されているとともに、放熱基板上に複数の絶縁基板(3)が配置され、各絶縁基板(3)の配線層(7)上に１または複数のパワーデバイス(P)が実装されるようになっている。そして、図示は省略したが、放熱基板(2)と冷却ジャケット(5)の側板(5a)および底板(5b)により形成される一端開口が冷却液入口パイプが設けられた閉鎖板により塞がれるとともに、他端開口が冷却液出口パイプが設けられた閉鎖板により塞がれ、冷却液入口パイプから送り込まれた冷却液が冷却ジャケット(5)内を流れ、冷却液出口パイプから送り出されるようになっている。 The cooling jacket (5) is made of the same material as the heat dissipation board (2), here aluminum, and a pair of left and right aluminum side plates (5a) brazed to the left and right edges of the lower surface of the heat dissipation board (2). ) And a bottom plate (5b) brazed so as to straddle the lower ends of both side plates (5a). Usually, the side plate (5a) and the bottom plate (5b) of the heat dissipation board (2) and the cooling jacket (5) are formed longer in the front-rear direction than shown in FIG. A substrate (3) is disposed, and one or more power devices (P) are mounted on the wiring layer (7) of each insulating substrate (3). Although not shown, one end opening formed by the heat radiating substrate (2) and the side plate (5a) and bottom plate (5b) of the cooling jacket (5) is closed by a closing plate provided with a coolant inlet pipe. In addition, the other end opening is closed by a closing plate provided with a coolant outlet pipe so that the coolant fed from the coolant inlet pipe flows through the cooling jacket (5) and is sent out from the coolant outlet pipe. It has become.
なお、パワーモジュール用ベース(1)において、絶縁基板(3)の下面に伝熱層(8)が形成されず、絶縁基板(3)が直接放熱基板(2)にろう付されることがある。この場合、絶縁基板(3)における放熱基板(2)への接合面積は、絶縁基板(3)の面積となる。 In the power module base (1), the heat transfer layer (8) is not formed on the lower surface of the insulating substrate (3), and the insulating substrate (3) may be brazed directly to the heat dissipation substrate (2). . In this case, the bonding area of the insulating substrate (3) to the heat dissipation substrate (2) is the area of the insulating substrate (3).
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。 The power module base (1) is manufactured as follows.
すなわち、絶縁基板(3)の下面に放熱基板(2)を積層し、放熱基板(2)の下面に放熱フィン(4)、冷却ジャケット(5)の側板(5a)および底板(5b)を配置する。放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)との間、放熱基板(2)と放熱フィン(4)および側板(5a)との間、ならびに底板(5b)と放熱フィン(4)および側板(5a)との間には、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。 In other words, the heat dissipation substrate (2) is laminated on the lower surface of the insulating substrate (3), and the heat dissipation fin (4), the side plate (5a) and the bottom plate (5b) of the cooling jacket (5) are disposed on the lower surface of the heat dissipation substrate (2). To do. Between the heat dissipation substrate (2) and the heat transfer layer (8) of the insulating substrate (3), between the heat dissipation substrate (2) and the heat dissipation fin (4) and the side plate (5a), and between the bottom plate (5b) and the heat dissipation fin Between (4) and the side plate (5a), a sheet-like aluminum brazing material made of an Al—Si alloy, an Al—Si—Mg alloy, or the like is interposed.
ついで、放熱基板(2)、絶縁基板(3)、放熱フィン(4)、ならびに冷却ジャケット(5)の側板(5a)および底板(5b)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℃に加熱することによって、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱基板(2)と側板(5a)、放熱フィン(4)および側板(5a)と底板(5b)とをそれぞれ同時にろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(1)が製造される。 Next, temporarily fix the heat dissipation board (2), insulating board (3), heat dissipation fin (4), and side plate (5a) and bottom plate (5b) of the cooling jacket (5) with appropriate means, Heating to 570 to 600 ° C. in a vacuum atmosphere or inert gas atmosphere while applying a load, heat transfer layer (8) of heat dissipation substrate (2) and insulating substrate (3), heat dissipation substrate (2) And the heat radiation fin (4), the heat radiation substrate (2) and the side plate (5a), the heat radiation fin (4), and the side plate (5a) and the bottom plate (5b) are simultaneously brazed. Thus, the power module base (1) is manufactured.
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)、放熱フィン(4)、側板(5a)および底板(5b)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)よりも大きく、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)の方が大きくなって、放熱基板(2)が絶縁基板(3)により引っ張られて反るように変形し、放熱基板(2)の反りに起因して絶縁基板(3)にも反りが発生しようとする。しかしながら、放熱基板(2)に円形の貫通穴(5)が形成されているので、放熱基板(2)における貫通穴(5)の周縁部への局部的な応力集中を防止することが可能となり、放熱基板(2)と絶縁基板(3)との熱膨張差によって発生する熱応力により生じる放熱基板(2)の歪みが貫通穴(5)により効果的に緩和され、その結果上述した放熱基板(2)および絶縁基板(3)への反りの発生を抑制することができる。 During heating during brazing, the insulating substrate (3), wiring layer (7), heat transfer layer (8), heat dissipation substrate (2), heat dissipation fin (4), side plate (5a) and bottom plate (5b) Are thermally expanded and brazed in a thermally expanded state, and after the heating, they shrink. Here, the degree of thermal expansion of the heat dissipation board (2) is larger than that of the insulating board (3), and as a result, the degree of thermal contraction of the heat dissipation board (2) is also larger than that of the insulating board (3). For this reason, when the insulating substrate (3) and the heat dissipation substrate (2) are thermally contracted when cooled to room temperature after brazing is completed, the degree of contraction is greater for the heat dissipation substrate (2) than for the insulating substrate (3). It becomes large and deforms so that the heat dissipation substrate (2) is pulled and warped by the insulating substrate (3), and the warpage of the heat dissipation substrate (2) also causes the warpage of the insulating substrate (3). . However, since the circular through hole (5) is formed in the heat dissipation board (2), it is possible to prevent local stress concentration on the periphery of the through hole (5) in the heat dissipation board (2). The distortion of the heat dissipation substrate (2) caused by the thermal stress generated by the thermal expansion difference between the heat dissipation substrate (2) and the insulating substrate (3) is effectively relieved by the through hole (5), and as a result, the heat dissipation substrate described above The occurrence of warping to (2) and the insulating substrate (3) can be suppressed.
上述した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。 The power module described above 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 electric power supplied to the electric motor according to an operation state.
この際、パワーデバイス(P)から発せられた熱は、配線層(7)、絶縁基板(3)、伝熱層(8)および放熱基板(2)を経て放熱フィン(4)に伝えられ、放熱フィン(4)から冷却ジャケット(5)内を流れる冷却液に放熱される。このとき、冷却液が、貫通穴(5)を通して直接伝熱層(8)に接することになり、配線層(7)上に実装されたパワーデバイス(P)の冷却効率が飛躍的に向上し、パワーデバイス(P)からの放熱性能が優れたものになる。 At this time, the heat generated from the power device (P) is transferred to the heat radiation fin (4) through the wiring layer (7), the insulating substrate (3), the heat transfer layer (8) and the heat radiation substrate (2). The heat is radiated from the radiating fin (4) to the coolant flowing in the cooling jacket (5). At this time, the coolant directly contacts the heat transfer layer (8) through the through hole (5), and the cooling efficiency of the power device (P) mounted on the wiring layer (7) is dramatically improved. The heat dissipation performance from the power device (P) will be excellent.
図３〜図５は、この発明の他の実施形態を示す。 3 to 5 show another embodiment of the present invention.
図３に示す第２の実施形態の場合、パワーモジュール用ベース(10)の放熱基板(2)の中央部には比較的大きな１つの円形貫通穴(11)が形成されている。そして、このパワーモジュール用ベース(10)の配線層(7)には、複数、ここでは４つのパワーデバイス(P)が、各パワーデバイス(P)の少なくとも一部分が、平面から見て放熱基板(2)の貫通穴(11)と重複するように、はんだ付により接合されている。 In the case of the second embodiment shown in FIG. 3, one relatively large circular through hole (11) is formed at the center of the heat dissipation board (2) of the power module base (10). The power layer (7) of the power module base (10) has a plurality of, four power devices (P) here, and at least a part of each power device (P) is a heat dissipation board (see FIG. It is joined by soldering so as to overlap with the through hole (11) of 2).
図４に示す第３の実施形態の場合、パワーモジュール用ベース(15)の放熱基板(2)の中央部には、複数、ここでは９つの円形貫通穴(16)が前後、左右に並んで形成されている。各貫通穴(16)の大きさは同一である。そして、このパワーモジュール用ベース(15)の配線層(7)には、１つのパワーデバイス(P)が、その少なくとも一部分が、平面から見て放熱基板(2)のすべての貫通穴(16)と重複するように、はんだ付により接合されている。 In the case of the third embodiment shown in FIG. 4, a plurality of, in this case, nine circular through holes (16) are arranged in the front, rear, left and right in the center of the heat dissipation board (2) of the power module base (15). Is formed. The size of each through hole (16) is the same. And, in the wiring layer (7) of the power module base (15), one power device (P) has at least a part of all the through holes (16) of the heat dissipation board (2) as viewed from the plane. It is joined by soldering so as to overlap.
図５に示す第４の実施形態の場合、パワーモジュール用ベース(20)の放熱基板(2)には、複数、ここでは４つの円形貫通穴(21)が前後、左右に並んで形成されている。各貫通穴(21)の大きさは同一である。そして、このパワーモジュール用ベース(20)の配線層(7)には、貫通穴(21)と同数、すなわち４つのパワーデバイス(P)が、各パワーモデバイス(P)の少なくとも一部分が、平面から見て放熱基板(2)の各貫通穴(21)と重複するように、はんだ付により接合されている。 In the case of the fourth embodiment shown in FIG. 5, a plurality of, in this case, four circular through holes (21) are formed side by side on the front and rear and on the left and right of the heat radiating board (2) of the power module base (20). Yes. The size of each through hole (21) is the same. The wiring layer (7) of the power module base (20) has the same number as the through holes (21), that is, four power devices (P), and at least a part of each power device (P) is flat. As seen from above, they are joined by soldering so as to overlap each through hole (21) of the heat dissipation board (2).
なお、第４の実施形態の場合のように、放熱基板(2)に形成される貫通穴が複数で、配線層(7)上に実装されるパワーデバイス(P)が複数の場合、両者の数は異なっていてもよい。 As in the case of the fourth embodiment, when there are a plurality of through holes formed in the heat dissipation substrate (2) and a plurality of power devices (P) mounted on the wiring layer (7), The number may be different.
第２〜第４の実施形態においても、放熱基板(2)に形成された貫通穴(6)(11)(16)(21)の合計開口面積をＳｍｍ２、絶縁基板(3)における放熱基板(2)への接合面積をＳ０ｍｍ２とした場合、Ｓ／Ｓ０×１００で表される開口率(％)は１０％以上であることが好ましい。なお、合計開口面積：Ｓｍｍ２は、第２の実施形態の場合は１つの貫通穴(11)の開口面積であり、第３および第４の実施形態の場合は全貫通穴(16)(21)の開口面積の合計である。 Also in the second to fourth embodiments, the total opening area of the through holes (6), (11), (16), and (21) formed in the heat dissipation substrate (2) is Smm 2 , and the heat dissipation substrate in the insulating substrate (3) When the bonding area to (2) is S 0 mm 2 , the aperture ratio (%) represented by S / S 0 × 100 is preferably 10% or more. Incidentally, the total opening area: Smm 2, the case of the second embodiment is an opening area of one through hole (11), in the case of the third and fourth embodiments all the through holes (16) (21 ) Of the opening area.
次に、この発明によるパワーモジュール用ベースについての実験例を、比較実験例とともに示す。 Next, an experimental example of the power module base according to the present invention will be shown together with a comparative experimental example.
実験例１
窒化アルミニウムからなりかつ厚さが０．６３５ｍｍの絶縁基板(3)の両面に、純度９９．９％の純アルミニウムからなり、かつ厚さが０．４ｍｍ、縦横の寸法が５０×３５ｍｍである配線層(7)および伝熱層(8)を設けておいた。
Experimental example 1
A wiring made of aluminum nitride and made of pure aluminum with a purity of 99.9% on both sides of an insulating substrate (3) having a thickness of 0.635 mm, a thickness of 0.4 mm, and vertical and horizontal dimensions of 50 × 35 mm A layer (7) and a heat transfer layer (8) were provided.
また、JIS Ａ１１００からなりかつ厚さ０．５ｍｍ、ピッチ０．５ｍｍのコルゲートフィン(4)と、JIS Ａ３００３からなりかつ厚さが３ｍｍ、縦横の寸法が１００×５０ｍｍである放熱基板(2)および冷却ジャケット(5)の底板(5b)とを用意した。放熱基板(2)の中央部には直径１５ｍｍの円形貫通穴(6)を形成しておいた。 Further, a corrugated fin (4) made of JIS A1100 and having a thickness of 0.5 mm and a pitch of 0.5 mm, and a heat dissipation board (2) made of JIS A3003 and having a thickness of 3 mm and vertical and horizontal dimensions of 100 × 50 mm, and A bottom plate (5b) of the cooling jacket (5) was prepared. A circular through hole (6) having a diameter of 15 mm was formed in the center of the heat dissipation substrate (2).
そして、絶縁基板(3)、放熱基板(2)、コルゲートフィン(4)および底板(5b)を、絶縁基板(3)の伝熱層(8)と放熱基板(2)との間、放熱基板(2)とコルゲートフィン(4)との間、およびコルゲートフィン(4)と底板(5b)との間にそれぞれ厚さ０．１ｍｍのシート状アルミニウムろう材を介在させた状態で積層した。このとき、放熱基板(2)の貫通穴(6)が平面から見て伝熱層(8)の中央部に位置するようにした。その後、これらを６００℃に加熱して、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱フィン(4)と底板(5b)とをそれぞれ同時にろう付した。 Then, the insulating substrate (3), the heat dissipation substrate (2), the corrugated fin (4) and the bottom plate (5b) are disposed between the heat transfer layer (8) of the insulating substrate (3) and the heat dissipation substrate (2). Lamination was performed between (2) and the corrugated fin (4) and between the corrugated fin (4) and the bottom plate (5b) with a sheet-like aluminum brazing material having a thickness of 0.1 mm interposed therebetween. At this time, the through hole (6) of the heat radiating substrate (2) was positioned at the center of the heat transfer layer (8) when viewed from above. Thereafter, these are heated to 600 ° C., and the heat transfer layer (8) of the heat dissipation substrate (2) and the insulating substrate (3), the heat dissipation substrate (2) and the heat dissipation fin (4), the heat dissipation fin (4) and the bottom plate ( 5b) was brazed at the same time.
実験例２
放熱基板(2)に形成された円形貫通穴(6)の直径を２０ｍｍとしたことを除いては、上記実験例１と同様にして、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱フィン(4)と底板(5b)とをそれぞれ同時にろう付した。
Experimental example 2
Except that the diameter of the circular through hole (6) formed in the heat radiating board (2) was 20 mm, the heat transfer between the heat radiating board (2) and the insulating board (3) was the same as in Experimental Example 1 above. The layer (8), the heat dissipation substrate (2) and the heat dissipation fin (4), and the heat dissipation fin (4) and the bottom plate (5b) were brazed simultaneously.
実験例３
放熱基板(2)に形成された円形貫通穴(6)の直径を３０ｍｍとしたことを除いては、上記実験例１と同様にして、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱フィン(4)と底板(5b)とをそれぞれ同時にろう付した。
Experimental example 3
Except that the diameter of the circular through hole (6) formed in the heat dissipation board (2) was 30 mm, the heat transfer between the heat dissipation board (2) and the insulating substrate (3) was the same as in Experimental Example 1 above. The layer (8), the heat dissipation substrate (2) and the heat dissipation fin (4), and the heat dissipation fin (4) and the bottom plate (5b) were brazed simultaneously.
実験例４
放熱基板(2)に、直径５ｍｍの９つの円形貫通穴(16)を、平面から見て全貫通穴(16)が伝熱層(8)と重複するように、前後、左右に等間隔を置いて並ぶように形成したことを除いては、上記実験例１と同様にして、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱フィン(4)と底板(5b)とをそれぞれ同時にろう付した。
Experimental Example 4
Nine circular through-holes (16) with a diameter of 5 mm are formed on the heat-dissipating board (2), and evenly spaced from front to back and from side to side so that all the through-holes (16) overlap the heat transfer layer (8) when viewed from above. Except that they are formed so as to be placed side by side, the heat transfer layer (8) of the heat dissipation substrate (2) and the insulating substrate (3), the heat dissipation substrate (2) and the heat dissipation fin ( 4) The radiating fin (4) and the bottom plate (5b) were brazed at the same time.
比較実験例
放熱基板(2)に貫通穴を形成しなかったことを除いては、上記実験例１と同様にして、放熱基板(2)と絶縁基板(3)の伝熱層(8)、放熱基板(2)と放熱フィン(4)、放熱フィン(4)と底板(5b)とをそれぞれ同時にろう付した。
Comparative Experimental Example Except that the through hole was not formed in the heat dissipation board (2), the heat transfer layer (8) of the heat dissipation board (2) and the insulating substrate (3), The heat radiating substrate (2) and the heat radiating fin (4), and the heat radiating fin (4) and the bottom plate (5b) were brazed simultaneously.
なお、上記実験例１〜４および比較実験例においては、冷却ジャケット(5)の側板(5a)は省略した。 In the experimental examples 1 to 4 and the comparative experimental example, the side plate (5a) of the cooling jacket (5) is omitted.
評価試験
実験例１〜４および比較実験例のろう付終了後、図６に示すような絶縁基板(3)の反り量：Ｄｍｍを測定した。これらの測定結果を、貫通穴の直径、貫通穴の数、開口率(％)＝Ｓ／Ｓ０×１００とともに表１に示す。
なお、表１中の反り量は、比較実験例の結果を１００とした場合の、相対値として示している。 In addition, the curvature amount in Table 1 is shown as a relative value when the result of the comparative experimental example is 100.
表１から明らかなように、放熱基板(2)に貫通穴(6)(16)を形成しておいた実験例１〜４においては、反り量：Ｄｍｍが、貫通穴を形成しておかなかった比較実験例に比べて小さくなることが分かる。 As is clear from Table 1, in Experimental Examples 1 to 4 in which the through holes (6) and (16) were formed in the heat dissipation substrate (2), the warpage amount: Dmm did not form the through holes. It can be seen that it is smaller than the comparative experimental example.
(1)(10)(15)(20)：パワーモジュール用ベース
(2)：放熱基板
(3)：絶縁基板
(4)：放熱フィン
(5)：冷却ジャケット
(6)(16)(21)：貫通穴
(7)：配線層
(8)：伝熱層
(P)：パワーデバイス
(1) (10) (15) (20): Base for power module
(2): Heat dissipation board
(3): Insulating substrate
(4): Radiation fin
(5): Cooling jacket
(6) (16) (21): Through hole
(7): Wiring layer
(8): Heat transfer layer
(P): Power device
Claims (10)
放熱基板に貫通穴が形成されており、配線層に実装されるパワーデバイスの少なくとも一部分が、平面から見て貫通穴と重複するようになされているパワーモジュール用ベース。 A heat dissipation substrate made of a high thermal conductivity material, an insulating substrate bonded to one surface of the heat dissipation substrate, a wiring layer provided on a surface of the insulating substrate opposite to the side bonded to the heat dissipation substrate, and on which the power device is mounted; A cooling fin provided on the other surface of the heat radiating substrate, and a cooling jacket fixed on the surface of the heat radiating substrate on the side where the heat radiating fin is provided so as to cover the heat radiating fin and allowing the coolant to flow inside. And a power module base on which a power device is mounted on a wiring layer,
A base for a power module, wherein a through hole is formed in a heat dissipation board, and at least a part of a power device mounted on a wiring layer overlaps with the through hole when viewed from above.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100202 |