JP2008270297A - パワーユニットおよび放熱容器 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーデバイスだけでなく各種発熱部品の冷却が可能で、小型化されたパワーユニットおよび放熱容器を提供する。
【解決手段】放熱容器５０は、半導体チップ１１やＤＢＡ基板が搭載された天板５１と、容器本体５２とを備えている。天板５１は、第１の平板部５１ａと第１のフィン部５１ｂとからなる第１のヒートシンク部材Ａを有している。また、容器本体５２は、第２の平板部５２ａと第２のフィン部５２ｂとからなる第２のヒートシンク部材Ｂを有している。放熱容器５０内の領域において、第１のフィン部５１ｂと第２のフィン部５２ｂとが、交互に配置された構造となっている。各フィン部５１ｂ，５２ｂの先端部は、平板部５２ａ，５１ａにそれぞれろう付けされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換媒体が流れる領域を囲む容器に半導体チップを実装してなるパワーユニットおよび放熱容器に関する。

近年、ハイブリッド車や燃料電池車などの各種産業機器には、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，ダイオードなどの電力用半導体素子（パワーデバイス）を実装したパワーモジュールが用いられている。たとえば、特許文献１の図１０（Ａ）に開示されているように、パワーモジュールは、冷却液が流れる領域を囲む容器の蓋部材に設置されるのが一般的であり、パワーデバイスである半導体素子（発熱部品）の熱は、冷却液が流れる領域に突出したフィンにより効率よく放出するように構成されている。

特開２００１−１６８２５６号公報

ところで、ハイブリッド車や燃料電池車などの各種産業機器には、パワーデバイス以外の各種発熱部品も存在する。たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータや、エアコンインバータなどである。したがって、パワーユニットとして、パワーモジュール以外の各種発熱部品をも冷却することができ、かつ、ハイブリッド車や燃料電池車などにも適した小型化された構造が望まれる。

本発明の目的は、パワーデバイスだけでなく各種発熱部品の冷却が可能で、小型化されたパワーユニットおよび放熱容器を提供することにある。

本発明のパワーユニットは、半導体チップに熱伝導可能に設けられ、冷媒が流れる空間を囲む容器の天井側から突出する第１のフィン部を有する第１のヒートシンク部材と、容器の底面側から突出する第２のフィン部を有する第２のヒートシンク部材とを設けたものである。また、天井側から突出する第１のフィン部を有する第１のヒートシンク部材と、容器の底面側から突出する第２のフィン部を有する第２のヒートシンク部材とを備えた放熱容器単体の発明としても構成することができる。

これにより、第１のヒートシンク部材から半導体素子の発熱を放出する一方、容器の底板に他の発熱部品を取り付けて、第２のヒートシンク部材により他の発熱部品の熱を放出することが可能になる。

その場合、天井側と底部側の双方から延びるフィン部の先端同士を対向させる構造に比べ、各フィン部同士を互いに相手の間隙に位置させることにより、容器の深さ寸法を低減させることができ、小型化を図ることができる。

各フィン部の先端部が相手側の平板部に接合されていることにより、半導体素子の熱、および他の発熱部品の熱が双方のフィン部からも放出されるので、放熱機能がより向上する。また、単一のフィン部では、製造技術上困難な微細ピッチ、たとえば３ｍｍ以下のピッチで、２つのフィン部が配置されるファインピッチ化構造をも実現できる。

本発明のパワーユニットまたは放熱容器によると、パワーデバイスだけでなく各種発熱部品の冷却が可能で、小型化されたパワーユニットや放熱容器が得られる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるパワーユニットの構造を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のパワーユニットは、放熱容器５０の上に、複数のパワーモジュール１０を取り付けて構成されている。放熱容器５０は、天板５１と、天板５１に接合された容器本体５２とを備えている。放熱容器５０を構成する天板５１と容器本体５２とは、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている。

図２は、実施の形態１に係るパワーユニットのII-II線における断面図である。ただし、図２において配線構造の図示は省略されている。本実施の形態のパワーユニットにおいて、放熱容器５０の天板５１と容器本体５２との間の空間には、熱交換媒体としての冷却液が図２の紙面に直交する方向に流れている。天板５１は、冷却液が流通する領域の天井側に位置する第１の平板部５１ａと、第１の平板部５１ａから下方に突出する薄板状の第１のフィン部５１ｂとを有し、第１の平板部５１ａと第１のフィン部５１ｂとにより、第１のヒートシンク部材Ａが構成されている。また、容器本体５２は、たとえばＬＬＣ等の冷却液が流通する領域の底面側に位置する第２の平板部５２ａと、第２の平板部５２ａから上方に突出する第２のフィン部５２ｂとを有し、第２の平板部５２ａおよび第２のフィン部５２ｂにより、第２のヒートシンク部材Ｂが構成されている。

ここで、第１のフィン部５１ｂは第２のフィン部５２ｂの間隙に位置し、第２のフィン部５２ｂは第１のフィン部５１ｂの間隙に位置している。つまり、冷却液が流れる放熱容器５０内の領域において、第１のフィン部５１ｂと第２のフィン部５２ｂとが、交互に配置された構造となっている。また、第１のフィン部５１ｂは、第２の平板部５２ａの上面に、たとえばＡｌ−11%Ｓｉ−2%Ｍｇからなるろう材層５４により接合され、第２のフィン部５２ｂは、第１の平板部５１ａの下面に同様のろう材層５４によって接合されている。

ここで、天板５１は、焼結アルミニウムを用いて圧延法により形成される。一方、容器本体５２は、焼結アルミニウムを用いて圧延法により形成される容器本体５２の底壁と、アルミニウムを用いてダイキャスト法により形成される筒部とをろう付けして形成されている。天板５１および容器本体５２の材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金に限定されるものではない。特に、天板５１はＡｌＮやＣｕを用いてもよい。ただし、焼結アルミニウムは、汎用のアルミニウムよりも熱膨張係数が小さいので、焼結アルミニウムを用いることにより、パワーモジュール１０における熱応力を低減することができる。

また、ろう材層５４に代えて、半田付け層を形成しても。その場合には、アルミニウムの表面にＮｉまたはＣｕめっきを施しておけばよい。

パワーモジュール１０は、主要部材として、ＩＧＢＴなどの半導体素子が形成された半導体チップ１１と、半導体チップ１１を支持するＤＢＡ基板とを、第１のヒートシンク部材Ａの上に配置して構成されている。ＤＢＡ基板は、半導体チップ１１内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するためのＡｌ配線１４と、Ａｌ配線を支持する絶縁性基板であるＡｌＮ基板２３と、ＡｌＮ基板２３の下面側に設けられたＡｌ板２４とを有している。そして、図示されていないが、半導体チップ１１の裏面には、裏面電極が形成されており、半導体チップ１１の裏面電極とＡｌ配線１４とは、たとえばＳｎ−37%からなるＰｂ半田層１３によって接続され、Ａｌ板２４と天板５１とは、たとえばＡｌ−11%Ｓｉ−2%Ｍｇからなるろう材層２６によって接合されている。

本実施の形態のパワーユニットにおいては、容器本体５２の底壁の下面に各種発熱部品を取り付けることにより、半導体チップ１１だけでなく、他の発熱部品をも効率よく冷却しうる構造となっている。そして、各フィン部５１ｂ，５２ｂが、対向する平板部５２ａ，５１ａにろう材層５４により接合されて、半導体チップ１１および発熱部品の熱が、第１のフィン部５１ｂおよび第２のフィン部５２ｂから冷却液に放出されるように構成されている。

本実施の形態のパワーユニットの製造工程においては、天板５１および容器本体５２の底板部分を、焼結アルミニウムを用いた圧延法によって成型する。そのとき、各フィン部５１ｂ，５２ｂも同時に形成されている。そして、各フィン部５１ｂ，５２ｂの先端、または各フィン部５１ｂ，５２ｂの間隙部にろう材を塗布しておいて、炉内で６００℃程度に加熱することにより、ろう材層５４を形成する。一方、容器本体５２の筒部分はアルミニウムを用いたダイキャスト法により形成する。そして、容器本体５２の底板部分と筒部分とをろう付け等により接合して、容器本体５２を形成する。また、容器本体５２と天板５１とをろう付け等により接合、またはＯリングを挟んでネジ止めすることにより、放熱容器５０を形成する。

その後、天板５１の上に、ＤＢＡ基板（Ａｌ板２４，ＡｌＮ板２３およびＡｌ配線１４）を天板５１上にろう付けにより固定して、さらに、ＤＢＡ基板の上に半導体チップ１１を半田付けする。

本実施の形態のパワーユニットによると、熱交換媒体（冷却液）が流れる領域を囲む放熱容器５０において、放熱容器５０の天井側に位置する第１の平板部５１ａ（本実施の形態では、天板５１の一部）および第１のフィン部５１ｂを有する第１のヒートシンク部材Ａと、放熱器の底側に位置する第２の平板部５２ａ（本実施の形態では、容器本体５２の一部）および第２のフィン部５２ｂを有する第２のヒートシンク部材Ｂとを備えている。このように、放熱容器５０内において、天井側と底面側とからそれぞれフィン部５１ｂ，５２ｂが延びる構造により、パワーデバイス、およびＤＣ／ＤＣコンバータ、エアコンインバータなどの発熱部品をも効率よく冷却することができる。

特に、本実施の形態では、第１のフィン部５１ｂは第２のフィン部５２ｂの間隙に位置し、第２のフィン部５２ｂは第１のフィン部５１ｂの間隙に位置しているので、各フィン部５１ｂ，５２ｂが互いに先端同士を対向させる構造にくらべて、放熱容器５０の高さを低減することができ、小型化を図ることができる。ただし、各フィン部５１ｂ，５２ｂが互いに先端同士を対向させている構造を採用してもよい。その場合にも、パワーデバイスと他の発熱部品との熱を、それぞれフィンを利用して効率よく熱交換媒体に放出することができるからである。

さらに、各フィン部５１ｂ，５２ｂの先端部が各平板部５２ａ，５１ａにろう付けによって接合されていることにより、パワーデバイスや他の発熱部品の熱が、第１，第２フィン部５１ｂ，５２ｂの双方から熱交換媒体に放出されるので、より高い放熱機能を発揮することができる。

ただし、本実施の形態のごとく、各フィン部５１ｂ，５２ｂの先端部が各平板部５２ａ，５１ａにろう付けによって接合されている必要はない。その場合にも、放熱容器５０の高さを小さくして小型化を図りつつ、パワーデバイスと他の発熱部品とを、フィンを用いて効率よく冷却することができるからである。

また、図２に示す各フィン部５１ｂ，５２ｂ単独のピッチに対して、２つのフィン部５１ｂ，５２ｂを併せたフィン構造のピッチは、１／２まで低減することが可能である。天板５１や容器本体５２は、製造コストを考慮すると、実用上ダイキャストや圧延法により形成することになるが、フィンのピッチは製造可能な下限値がある。したがって、本実施の形態より、フィンのピッチを製造技術上の下限値の１／２までファインピッチ化することができる。たとえば、本実施の形態では、第１のフィン部５１ｂおよび第２のフィン部５２ｂの厚みを０．５ｍｍ程度に、相隣接するフィン部５１ｂ，５２ｂ間のピッチを１．５〜２ｍｍ程度にすることができる。一般に、圧延等の製造技術上、単独のフィン部のピッチを３ｍｍ以下にするのは実用的でないが、本実施の形態により、３ｍｍ以下のピッチを実用的に実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係るパワーユニットの構造を示す断面図である。本実施の形態においても、パワーユニットの立体構造は、図１に示す通りである。ただし、本実施形態においては、パワーモジュール１０が搭載される部分には、矩形状の貫通穴が設けられている。そして、図３に示すように、本実施の形態においては、パワーモジュール１０は、放熱容器５０の天板５１とは別に設けられた第１の平板部２１ａおよび第１のフィン部２１ｂを有する第１のヒートシンク部材Ａを備えている。第２のヒートシンク部材Ｂの構造は、実施の形態１の通りである。

そして、第１のヒートシンク部材Ａの上に、ＤＢＡ基板（Ａｌ配線１４，ＡｌＮ基板２３およびＡｌ板２４）がろう付けにより接合され、ＤＢＡ基板のうえに半導体チップ１１が半田層１３によって接合されている。また、第１のヒートシンク部材Ａの平面部２１ａの外縁は、アルミニウム−シリコン系ろう材からなるろう材層２５により天板５１に接合されている。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を発揮することができる。本実施の形態は、パワーモジュール１０が、天板５１の一部を第１のヒートシンク部材Ａの平板部として利用するのではなく、天板５１とは別に設けられているので、パワーモジュール１０をユニット化する場合には便利な構造である。

（実施の形態３）
次に、放熱容器のみを１セットとする場合に有利な構造に関する実施の形態３について説明する。図４は、実施の形態３に係る放熱容器５０の構造を示す断面図である。図４に示すように、本実施の形態の放熱容器５０は、天板５１と、底板５６と、側筒５３とを備えている。側筒５３と天板５１との間、側筒５３と底板５６との間は、それぞれろう付け層５５によって接合されている。

本実施の形態の放熱容器において、放熱容器５０の天板５１，底板５６および側筒５３によって囲まれる空間には、熱交換媒体としての冷却液が図４の紙面に直交する方向に流れている。天板５１は、第１の平板部５１ａと、第１の平板部５１ａから下方に突出する薄板状の第２のフィン部５１ｂとを有し、第１の平板部５１ａと第２のフィン部５１ｂとにより、第１のヒートシンク部材Ａが構成されている。また、底板５６は、第２の平板部５６ａと、第２の平板部５６ａから突出する第２のフィン部５６ｂとを有し、第２の平板部５６ａおよび第２のフィン部５６ｂにより、第２のヒートシンク部材Ｂが構成されている。

また、実施の形態１と同様に、第１のフィン部５１ｂは第２のフィン部５６ｂの間隙に位置し、第２のフィン部５６ｂは第１のフィン部５１ｂの間隙に位置している。つまり、冷却液が流れる放熱容器５０内の領域において、第１のフィン部５１ｂと第２のフィン部５６ｂとが、交互に配置された構造となっている。また、第１のフィン部５１ｂは、第２の平板部５６ａの上面に、たとえばＡｌ−11%Ｓｉ−2%Ｍｇからなるろう材層５４により接合され、第２のフィン部５６ｂは、第１の平板部５１ａの下面に同様のろう材層５４によって接合されている。

本実施の形態の放熱容器５０において、天板５１および底板５６には、実施の形態１におけるパワーデバイスや、ＤＣ／ＤＣコンバータ、エアコンインバータ、など各種発熱部品を搭載することができるが、パワーデバイスを搭載しているものには限定されない。

ここで、天板５１および底板５６は、焼結アルミニウムを用いて圧延法により形成され、側筒５３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いてダイキャスト法により形成される。ただし、天板５１および底板５６の材料は、焼結アルミニウムに限定されるものではなく、汎用のアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いてもよい。ただし、焼結アルミニウムは、汎用のアルミニウム等よりも熱膨張係数が小さいので、焼結アルミニウムを用いることにより、天板５１や底板５６に取り付けられる各種発熱機器から伝達される熱に起因する熱応力を低減することができる。
また、ろう材層５４に代えて、半田付け層を形成しても。その場合には、アルミニウムの表面にＮｉまたはＣｕめっきを施しておけばよい。

本実施の形態の放熱容器の製造工程においては、天板５１および底板５６を、焼結アルミニウムを用いた圧延法によって成型する。そのとき、各フィン部５１ｂ，５２ｂも同時に形成されている。一方、側筒５６はアルミニウムを用いたダイキャスト法により形成する。そして、各フィン部５１ｂ，５２ｂの先端、または各フィン部５１ｂ，５２ｂの間隙部や、天板５１と側筒５３との接合部、底板５６と側筒５３との接合部に、ろう材を塗布しておいて、炉内で６００℃程度に加熱することにより、放熱器５０を形成することができる。あるいは、天板５１と側筒５３との間、および底板５６と側筒５３との間を、Ｏリングを挟んでネジ止めすることにより、放熱容器５０を形成してもよい。

本実施の形態の放熱容器によると、熱交換媒体（冷却液）が流れる領域を囲む放熱容器５０において、第１の平板部５１ａ（本実施の形態では、天板５１の一部）および第１のフィン部５１ｂを有する第１のヒートシンク部材Ａと、第２の平板部５６ａ（本実施の形態では、底板５６の一部）および第２のフィン部５６ｂを有する第２のヒートシンク部材Ｂとを備えている。このように、放熱容器５０内において、両側から上下にそれぞれフィン部５１ｂ，５２ｂが延びる構造により、パワーデバイスや、ＤＣ／ＤＣコンバータ、エアコンインバータなどの発熱部品をも効率よく冷却することができる。

特に、本実施の形態では、第１のフィン部５１ｂは第２のフィン部５６ｂの間隙に位置し、第２のフィン部５６ｂは第１のフィン部５１ｂの間隙に位置しているので、各フィン部５１ｂ，５６ｂが互いに先端同士を対向させる構造にくらべて、放熱容器５０の高さを低減することができ、小型化を図ることができる。ただし、各フィン部５１ｂ，５６ｂが互いに先端同士を対向させている構造を採用してもよい。その場合にも、放熱容器５０の両面に取り付けられる各種発熱部品の熱を、それぞれフィンを利用して効率よく熱交換媒体に放出することができるからである。

また、各フィン部５１ｂ，５６ｂの先端部が各平板部５６ａ，５１ａにろう付けによって接合されていることにより、パワーデバイスや他の発熱部品の熱が、第１，第２フィン部５１ｂ，５６ｂの双方から、効率よく熱交換媒体に放出されることになる。

ただし、本実施の形態のごとく、各フィン部５１ｂ，５６ｂの先端部が各平板部５６ａ，５１ａにろう付けによって接合されている必要はない。その場合にも、放熱容器５０の高さを小さくして小型化を図りつつ、パワーデバイスと他の発熱部品とを、フィンを用いて効率よく冷却することができるからである。

また、図４に示す各フィン部５１ｂ，５６ｂ単独のピッチに対して、２つのフィン部５１ｂ，５６ｂを併せたフィン構造のピッチは、１／２まで低減することが可能である。天板５１や底板５６は、製造コストを考慮すると、実用上ダイキャストや圧延により形成することになるが、フィンのピッチは製造可能な下限値がある。したがって、本実施の形態より、フィンのピッチを製造技術上の下限値の１／２までファインピッチ化することができる。たとえば、本実施の形態では、第１のフィン部５１ｂおよび第２のフィン部５６ｂの厚みを０．５ｍｍ程度に、相隣接するフィン部５１ｂ，５６ｂ間のピッチを１．５〜２ｍｍ程度にすることができる。一般に、圧延法の製造技術上、単独のフィン部のピッチを３ｍｍ以下にするのは実用的でないが、本実施の形態により、３ｍｍ以下のピッチを実用的に実現することができる。

（他の実施の形態）
本発明のパワーユニットに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ，ＧａＮなど）を用いたパワーデバイスでもよいし、Ｓｉを用いたパワーデバイスでもよい。

上記実施の形態では、半導体チップ１１に、ＩＧＢＴが形成されているが、ＭＯＳＦＥＴ，ダイオード，ＪＦＥＴなどが形成された半導体チップを用いてもよい。

上記実施の形態１，２において、各ヒートシンク部材の平板部に溝を形成し、各フィン部の先端を溝に嵌合させる構造を採ることもできる。また、２つのヒートシンク部材同士の相対的な位置精度を向上させるために、位置決めピンとその嵌合孔とを設けることもできる。

ヒートシンク部材２４との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、ＬＬＣ，水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム，アルゴン，窒素，空気などの気体であってもよい。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のパワーユニットや放熱容器は、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ダイオード，ＪＦＥＴ，ＤＣ／ＤＣコンバータ、エアコンインバータ等を搭載した各種機器に利用することができる。

実施の形態１に係るパワーユニットの構造を示す斜視図である。 実施の形態１に係るパワーユニットのII-II線における断面図である。 実施の形態２に係るパワーユニットの断面図である。 実施の形態３に係る放熱容器の断面図である。

符号の説明

Ａ 第１のヒートシンク部材
Ｂ 第２のヒートシンク部材
１０ パワーモジュール
１１ 半導体チップ
１３ 半田層
１４ Ａｌ配線
２１ａ 第１の平板部
２１ｂ 第１のフィン部
２３ ＡｌＮ基板
２４ Ａｌ板
２５ ろう材層
２６ ろう材層
５０ 放熱容器
５１ 天板
５１ａ 第１の平板部
５１ｂ 第１のフィン部
５２ 容器本体
５２ａ 第２の平板部
２２ｂ 第２のフィン部
５３ 側筒
５６ 底板
５６ａ 第２の平板部
２６ｂ 第２のフィン部

Claims (6)

1. 半導体素子が形成された半導体チップと、
   前記半導体素子の発熱を放出するための熱交換媒体が流れる領域を囲む容器と、
   前記半導体チップに熱伝導可能に設けられ、前記容器の天井側に位置する第１の平板部および該第１の平板部から突出する複数の第１のフィン部を有する第１のヒートシンク部材と、
   前記容器の底側に位置する第２の平板部および該第２の平板部から突出する複数の第２のフィン部を有する第２のヒートシンク部材と、
   を備えているパワーユニット。
2. 請求項１記載のパワーユニットにおいて、
   前記第１のフィン部は、前記第２のフィン部の間隙に位置し、
   前記第２のフィン部は、前記第１のフィン部の間隙に位置している、
   パワーユニット。
3. 請求項２記載のパワーユニットにおいて、
   前記第２のフィン部の少なくとも一部の先端部は、前記第１の平板部に接合されている、パワーユニット。
4. 請求項２または３記載のパワーユニットにおいて、
   前記第１のフィン部の少なくとも一部の先端部は、前記第２の平板部に接合されている、パワーユニット。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のパワーユニットにおいて、
   前記第１，第２のフィン部を併せたピッチは、３ｍｍ以下である、パワーユニット。
6. 熱交換媒体が流れる空間を囲む放熱容器であって、
   第１の平板部および該第１の平板部から突出する複数の第１のフィン部を有する第１のヒートシンク部材が設けられた天板部と、
   第２の平板部および該第２の平板部から突出する複数の第２のフィン部を有する第２のヒートシンク部材が設けられた底板部と、
   前記天板部および底板部で挟まれる空間を囲む側筒部と、
   を備えている放熱容器。

Images