JP2008277442A - 放熱基板 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた放熱性能を得ることができる放熱基板を提供する。
【解決手段】放熱基板１０は、セラミック基板１４の一面１４ａに金属回路１５が接合されるとともに他面１４ｂに金属板１６が接合されて形成された回路基板１１を備え、該回路基板１１における金属回路１５に半導体素子１２が接合されている。回路基板１１の表面を形成するセラミック基板１４及び金属回路１５の周面１４ｃ，１５ａには放熱用の凹凸部１４１，１５１が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミック基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合されて形成された回路基板を備え、該回路基板における前記第１金属板に半導体素子が接合された放熱基板に関する。

一般に、パワーモジュール等に用いられる回路基板は、窒化アルミニウムなどのセラミック基板の表裏両側に金属板が設けられてなり、該回路基板における表側の金属板に半導体素子が熱的に結合（接合）されている。また、パワーモジュール等において、半導体素子から発せられた熱を放熱する技術として、例えば特許文献１〜特許文献３に開示されるものがある。

特許文献１に開示の半導体装置は、セラミック絶縁体を備え、該セラミック絶縁体の一方の面には回路導体が接合され、他方の面には裏面部材が接合されている。前記裏面部材には凸状形状が予め成形されており、裏面部材がセラミック絶縁体に接合されることにより凸状形状の内側に液体の通る液路が形成されている。さらに、液路の形成された裏面部材にブロック部材が接合されている。そして、回路導体に接合された半導体素子から発せられた熱は、回路導体及びセラミック絶縁体を介して液路を流れる液体に伝導されるとともに持ち去られ（放熱され）、半導体素子が冷却される。

特許文献２に開示の半導体装置は、セラミック基板と、セラミック基板の第１の面に形成される第１面側配線パターンと、セラミック基板の第２の面に形成される第２面側配線パターンと、第１面側配線パターンに実装された半導体素子を有する半導体回路部を備える。さらに、特許文献２に開示の半導体装置は、第２面側配線パターン側で半導体素子の直下範囲を含みセラミック基板の第２の面全体範囲内に塗布された接合部材と、セラミック基板の線膨張係数より大きな線膨張係数の金属材料からなり接合部材を介して複数の半導体回路部が接合された金属ベース板を備える。そして、この半導体装置では半導体素子で発生した熱はその下面から半導体回路部を介して金属ベース板に伝導されて放熱される。

特許文献３に開示の半導体装置における両面銅貼り基板は、互いに対向する第１面と第２面とを有するセラミック基板と、第１面に接合された第１銅板と、第２面に接合された第２銅板とを含み、第２銅板がフィンを有するヒートシンクからなる。第１銅板上に半導体素子が接合されて半導体装置が形成されている。そして、この半導体装置では、半導体素子から発生せられた熱は第１銅板、セラミック基板、及び第２銅板に伝導されて該第２銅板のフィンから放熱される。
特開平７−１３０９２５号公報 特開２００５−１５０３０９号公報 特開２００５−１１９２２号公報

ところが、近年では、特許文献１〜特許文献３に開示の放熱技術を備えていてもさらなる放熱性能の向上が切望されている。この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、優れた放熱性能を得ることができる放熱基板を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、絶縁基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合されて形成された回路基板を備え、該回路基板における前記第１金属板に半導体素子が接合された放熱基板であって、前記回路基板の表面を形成する前記第１金属板、第２金属板、及び絶縁基板のうちの少なくとも一つに放熱用の凹凸部が設けられている。

第１金属板、第２金属板、及び絶縁基板において、他の部材が接合されず、露出した領域全てが回路基板の表面を形成している。そして、回路基板の表面を形成する第１金属板、第２金属板、及び絶縁基板のうちの少なくとも１つに凹凸部が設けられることにより、該凹凸部が設けられない場合に比して、凹凸部が設けられた板の表面積を増加させ、ひいては回路基板の表面積を増加させることができる。よって、凹凸部が設けられない場合に比して、回路基板の大気との接触面積を増加させ、回路基板からの放熱性能を向上させることができ、放熱基板において半導体素子から発せられた熱の放熱性能を優れたものとすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の放熱基板において、前記凹凸部は、該凹凸部が設けられた板と同一材料より形成されている。この発明によれば、例えば、凹凸部を、該凹凸部が設けられた板とは別材料で形成し、該板に接合して設ける場合のように、材料が異なることによる接触熱抵抗のロスを抑えて放熱性能の向上に寄与することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の放熱基板において、前記凹凸部は、該凹凸部が設けられた板の全周に亘って形成されている。この発明によれば、例えば、凹凸部が、第１金属板、第２金属板、及び絶縁基板のうちの少なくとも１つの周方向における一箇所だけに設けられる場合に比して表面積を増加させることができ、回路基板からの放熱性能を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の放熱基板において、前記第２金属板には前記半導体素子の冷却を行う放熱装置が熱的に結合されている。この発明によれば、半導体素子から発せられた熱は回路基板における第２金属板から放熱装置に伝導され、該放熱装置から放熱される。よって、放熱基板においては、回路基板からの放熱性能の向上に加え、放熱装置からの放熱も行われるため、放熱基板の放熱性能がより一層優れたものとなる。

本発明によれば、優れた放熱性能を得ることができる。

以下、本発明の放熱基板を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。なお、図１及び図２は、放熱基板を模式的に示したものであり、図示の都合上、一部の寸法を誇張して分かり易くするために、それぞれの部分の幅、長さ、厚さ等の寸法の比は実際の比と異なっている。

図２に示すように、放熱基板１０は、回路基板１１に半導体素子１２が接合されてなり、さらに、放熱装置としてのヒートシンク１３を備えているものである。まず、前記回路基板１１の構成について説明する。回路基板１１は、絶縁基板としての四角板状をなすセラミック基板１４と、該セラミック基板１４の一面１４ａに接合された第１金属板としての金属回路１５と、セラミック基板１４において前記一面１４ａに背向する他面１４ｂに接合された第２金属板としての金属板１６とから形成されている。図１に示すように、金属回路１５は薄板状をなすとともに、セラミック基板１４の一面１４ａに２個設けられている。また、図２に示すように、金属板１６は薄板状をなし、セラミック基板１４と前記ヒートシンク１３とを接合する金属層として機能する。

前記回路基板１１において、セラミック基板１４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成されている。また、金属回路１５及び金属板１６は、例えば、アルミニウム系金属や銅等で形成されている。前記ヒートシンク１３はアルミニウム系金属や銅等で形成されている。なお、アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。

図１に示すように、前記半導体素子１２は平面視四角形状をなす。そして、半導体素子１２は、半田層Ｈ（図２参照）を介して金属回路１５に接合され、半導体素子１２はセラミック基板１４の一面１４ａに金属回路１５を介して熱的に結合されている。なお、半導体素子１２は、１個の金属回路１５に２個ずつ接合されている。半導体素子１２は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードが用いられている。前記ヒートシンク１３の内部には流体（例えば、冷却水）が流れる流路１３ａが形成されている（図２参照）。

図２に示すように、ヒートシンク１３と、回路基板１１における金属板１６との間には、四角板状をなす応力緩和部材２０が介装されている。応力緩和部材２０は、金属板１６及びヒートシンク１３と同じ金属材料（アルミニウム系金属や銅等）によって形成され、前記金属板１６と平面形状が同じに形成されている。そして、応力緩和部材２０は、第１接合面２０ａが金属板１６にろう付けされ、第２接合面２０ｂがヒートシンク１３にろう付けされている。このため、回路基板１１とヒートシンク１３とは、応力緩和部材２０を介して熱的に結合されている。

次に、放熱基板１０に設けられた放熱性能を向上させるための構成について説明する。図１及び図２に示すように、前記セラミック基板１４において、他の部材（金属回路１５及び金属板１６）が接合されず、露出した領域（表側の面、周面、及び表側の面に背向する裏側の面）が回路基板１１の表面を形成している。そして、回路基板１１の表面を形成するセラミック基板１４の周面１４ｃには、複数の凸部１４ｄが形成されるとともに隣り合う凸部１４ｄの間には凹部１４ｅが形成されている。そして、セラミック基板１４の周面１４ｃには、複数の凸部１４ｄと複数の凹部１４ｅによってフィン構造よりなる放熱用の凹凸部１４１がセラミック基板１４の全周に亘って設けられている。

複数の凸部１４ｄ及び複数の凹部１４ｅは、セラミック基板１４の周方向に沿って等間隔おきに形成されている。また、各凸部１４ｄは、セラミック基板１４の周囲を切削することにより形成され、複数の凸部１４ｄが形成されると同時に凸部１４ｄの間に凹部１４ｅが形成されている。そして、セラミック基板１４を直接切削することにより凸部１４ｄ及び凹部１４ｅが形成されており、凹凸部１４１は、該凹凸部１４１が形成されたセラミック基板１４（絶縁基板）と同一材料により形成されている。凸部１４ｄ及び凹部１４ｅは、セラミック基板１４の厚み方向全体に延びている。また、全ての凸部１４ｄにおいて、平面視における幅及び突出長さは同じになっているとともに、全ての凹部１４ｅにおいて、平面視における開口幅及び深さは同じになっている。

前記金属回路１５において、他の部材（半導体素子１２及びセラミック基板１４）が接合されず、露出した領域（表側の面及び周面）が回路基板１１の表面を形成している。そして、回路基板１１の表面を形成する金属回路１５の周面１５ａには、複数の凸部１５ｂが形成されるとともに隣り合う凸部１５ｂの間には凹部１５ｃが形成されている。そして、金属回路１５の周面１５ａには、複数の凸部１５ｂと複数の凹部１５ｃによってフィン構造よりなる放熱用の凹凸部１５１が金属回路１５の全周に亘って設けられている。

複数の凸部１５ｂ及び複数の凹部１５ｃは、金属回路１５の周方向に沿って等間隔おきに形成されている。また、複数の凸部１５ｂ及び凹部１５ｃは、金属回路１５をエッチング処理することにより形成されている。そして、凹凸部１５１は金属回路１５に直接形成されており、凹凸部１５１は該凹凸部１５１が形成された金属回路１５と同一材料で形成されている。凸部１５ｂ及び凹部１５ｃは、金属回路１５の厚み方向全体に亘って延びている。また、全ての凸部１５ｂにおいて、平面視における幅及び突出長さは同じになっているとともに、全ての凹部１５ｃにおいて、平面視における開口幅及び深さは同じになっている。

図１に示すように、セラミック基板１４及び金属回路１５において、凹部１４ｅ、１５ｃの内底面を通過する直線を仮想線Ｌ１としたとき、凸部１４ｄ，１５ｂは、平面視が前記仮想線Ｌ１を一辺とする四角形状に形成されている。

さて、このように構成した放熱基板１０は、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカーなどの車両に適用されることにより、車両の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。そして、半導体素子１２から発せられた熱は、矢印Ｙ１（図２参照）に示すように、半導体素子１２の直下に伝導され、金属回路１５、セラミック基板１４、金属板１６、及び応力緩和部材２０を介してヒートシンク１３に伝導される。ヒートシンク１３に伝導された熱は、ヒートシンク１３内の流路１３ａを流れる流体に伝導されるとともに持ち去られ、放熱される。すなわち、ヒートシンク１３は、流路１３ａを流れる流体によって強制冷却されるため、半導体素子１２で発せられた熱が効率良く除去され、結果として半導体素子１２が回路基板１１への結合側（接合側）から冷却される。よって、放熱基板１０においては、半導体素子１２の直下に向けて伝導した熱はヒートシンク１３から放熱される。

また、半導体素子１２から発せられた熱は、矢印Ｙ２（図２参照）に示すように、ヒートシンク１３へ向けて伝導するだけでなく、セラミック基板１４及び金属回路１５の厚みと交差する方向へも伝導する。そして、セラミック基板１４及び金属回路１５に伝導した熱の一部は、それらセラミック基板１４及び金属回路１５の表面からも放熱される。

このとき、放熱基板１０において、半導体素子１２が接合された金属回路１５の周面１５ａ（表面）には凹凸部１５１が全周に亘って形成されている。このため、金属回路１５の周面１５ａがフラットに形成され、凹凸部１５１が形成されていない場合に比して、金属回路１５における表面積が増加している。よって、金属回路１５の周面１５ａの大気との接触面積が増加し、金属回路１５からの放熱効率が向上している。

また、セラミック基板１４においても、セラミック基板１４の周面１４ｃ（表面）には凹凸部１４１が全周に亘って形成されている。このため、セラミック基板１４の周面１４ｃがフラットに形成され、凹凸部１４１が形成されていない場合に比して、セラミック基板１４における表面積が増加している。よって、セラミック基板１４の周面１４ｃの大気との接触面積が増加し、セラミック基板１４からの放熱効率が向上している。

したがって、放熱基板１０は、回路基板１１を形成する各板に凹凸部１４１，１５１が形成されない場合に比して放熱効率が向上されている。その結果として、放熱基板１０においては、半導体素子１２から発せられた熱は、ヒートシンク１３からの放熱に加え、回路基板１１から効率良く放熱されるため、放熱基板１０全体の放熱性能が優れたものとなる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）回路基板１１の表面を形成するセラミック基板１４の周面１４ｃ及び金属回路１５の周面１５ａに凹凸部１４１，１５１を形成した。このため、放熱基板１０において、回路基板１１の表面に凹凸部１４１，１５１が形成されない場合に比して、回路基板１１の表面積が増加し、大気との接触面積が増加する。その結果として、凹凸部１４１，１５１が設けられない場合に比して回路基板１１における放熱性能を向上させることができ、放熱性能の優れた放熱基板１０を得ることができる。

（２）回路基板１１を形成するセラミック基板１４及び金属回路１５に凹凸部１４１，１５１を形成した。このため、例えば、回路基板１１を形成する１枚の板だけに凹凸部を形成する場合に比して放熱性能を向上させることができる。

（３）セラミック基板１４の凹凸部１４１は該セラミック基板１４を直接加工して形成され、金属回路１５の凹凸部１５１は該金属回路１５を直接処理して形成されている。このため、例えば、凹凸部１４１，１５１を、回路基板１１を形成する各板１４，１５とは別材料よりなる部材を接合して設ける場合に比して、接触熱抵抗によるロスを小さくして放熱基板１０の放熱性能の向上に寄与することができる。

（４）凹凸部１４１はセラミック基板１４の全周に、凹凸部１５１は金属回路１５の全周に亘って形成されている。このため、例えば、各凹凸部１４１，１５１が周方向における一部だけに形成されている場合に比して、回路基板１１の表面積を増加させ、放熱性能を向上させることができる。

（５）放熱基板１０はヒートシンク１３を備えている。このため、半導体素子１２から発せられた熱をヒートシンク１３からも放熱させることができる。よって、回路基板１１における放熱性能の向上に加え、ヒートシンク１３からの放熱により、放熱基板１０の放熱性能が優れたものとなる。

（６）凹凸部１４１，１５１を形成する凸部１４ｄ，１５ｂは、平面視が、凹部１４ｅ，１５ｃの内底面を通過する仮想線Ｌ１を一辺とする四角形状に形成されている。このため、例えば、凸部１４ｄ，１５ｂの突出長さ、及び幅が同じ場合において、先端が平面視円弧状に形成される場合に比して各凸部１４ｄ，１５ｂの表面積を増加させることができ、回路基板１１の表面積を増加させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 上記実施形態において、凹凸部１４１は、セラミック基板１４の周面１４ｃ全体でなく、該周面１４ｃの一部のみに設けられていてもよい。また、凹凸部１５１は、金属回路１５の周面１５ａ全体でなく、該周面１５ａの一部のみに設けられていてもよい。

○ 図３に示すように、セラミック基板１４の周面１４ｃ（表面）に、セラミック基板１４の厚みより薄く、かつセラミック基板１４の全周に亘って延びる凸部１４ｆを複数形成するとともに隣り合う凸部１４ｆの間に凹部１４ｇを形成して凹凸部１４１を形成してもよい。また、金属回路１５の周面１５ａに、金属回路１５の厚みより薄く、かつ金属回路１５の周方向へ延びる凸部１５ｅを複数形成するとともに隣り合う凸部１５ｅの間に凹部１５ｆを形成して凹凸部１５１を形成してもよい。さらに、金属板１６の周面１６ａに、金属板１６の厚みより薄く、かつ金属板１６の全周に亘って延びる凸部１６ｅを複数形成するとともに隣り合う凸部１６ｅの間に凹部１６ｆを形成して凹凸部１６１を形成してもよい。なお、図３に示すような全周に亘って凸部１４ｆ，１５ｅ，１６ｅが延びるような凹凸部１４１，１５１，１６１は、セラミック基板１４、金属回路１５、及び金属板１６のうち少なくとも１つに形成されていてもよい。また、凹凸部１４１，１５１，１６１における凸部１４ｆ，１５ｅ，１６ｅの数は任意に変更してもよく、各凹凸部１４１，１５１，１６１はセラミック基板１４、金属回路１５、及び金属板１６の周面１４ｃ，１５ａ，１６ａ全体ではなく、一部のみに設けられていてもよい。

○ 図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、セラミック基板１４の表側の面（表面）及び該表側の面に背向する裏側の面（表面）のうちの少なくとも一方に、セラミック基板１４の周方向全体に亘って延びる凸部１４ｈを複数形成し、隣り合う凸部１４ｈの間に凹部１４ｉを形成して凹凸部１４１を形成してもよい。なお、図４では表側の面に凸部１４ｈ及び凹部１４ｉを図示している。また、金属回路１５の表側の面（表面）に、金属回路１５の周方向全体に亘って延びる凸部１５ｇを複数形成し、隣り合う凸部１５ｇの間に凹部１５ｈを形成して凹凸部１５１を形成してもよい。なお、図４に示すような凸部１４ｈ，１５ｇが形成された１４１，１５１は、セラミック基板１４及び金属回路１５のうち少なくとも１つに形成されていてもよい。また、凹凸部１４１，１５１における凸部１４ｈ，１５ｇの数は任意に変更してもよく、凹凸部１４１，１５１はセラミック基板１４及び金属回路１５の周方向全体ではなく、一部のみに設けられていてもよい。

○ 上記の実施形態における各凹凸部１４１は組み合わせて実施してもよい。例えば、セラミック基板１４の表面たる表側の面、該表側の面に背向する裏側の面、及び周面１４ｃに凹凸部１４１を形成し、金属回路１５の表面たる表側の面及び周面１５ａに凹凸部１５１を形成してもよい。

○ 実施形態の放熱基板１０において、セラミック基板１４、金属回路１５、及び金属板１６のうちの１つだけ（例えば金属回路１５だけ）、又は２つ（例えば、セラミック基板１４と金属板１６）に凹凸部を設けた構成としてもよい。

○ 放熱基板１０は、金属板１６にヒートシンク１３が接合されず、ヒートシンク１３を一体に備えていなくてもよい。
○ ヒートシンク１３は強制冷却式の冷却器であればよく、ヒートシンク１３を流れる流体は水に限らず、例えば、他の液体や空気などの気体であってもよい。また、沸騰冷却式の冷却器であってもよい。

○ 回路基板１１上に金属回路１５が２個形成される構成に限らず、金属回路１５が１個又は３個以上形成されるとともに、金属回路１５上に半導体素子１２が１個又は３個以上接合された構成としてもよい。

○ 放熱基板１０は、車載用に限らず他の用途に使用するものに適用してもよい。

実施形態の放熱基板を示す平面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 放熱基板の別例を示す断面図。 （ａ）は放熱基板の別例を示す平面図、（ｂ）は放熱基板の別例を示す図４（ａ）のｂ−ｂ線断面図。

符号の説明

１０…放熱基板、１１…回路基板、１２…半導体素子、１３…放熱装置としてのヒートシンク、１４…絶縁基板としてのセラミック基板、１４ａ…一面、１４ｂ…他面、１５…第１金属板としての金属回路、１６…第２金属板としての金属板、１４１，１５１，１６１…凹凸部。

Claims (4)

1. 絶縁基板の一面に第１金属板が接合されるとともに他面に第２金属板が接合されて形成された回路基板を備え、該回路基板における前記第１金属板に半導体素子が接合された放熱基板であって、
   前記回路基板の表面を形成する前記第１金属板、第２金属板、及び絶縁基板のうちの少なくとも一つに放熱用の凹凸部が設けられている放熱基板。
2. 前記凹凸部は、該凹凸部が設けられた板と同一材料より形成されている請求項１に記載の放熱基板。
3. 前記凹凸部は、該凹凸部が設けられた板の全周に亘って形成されている請求項１又は請求項２に記載の放熱基板。
4. 前記第２金属板には前記半導体素子の冷却を行う放熱装置が熱的に結合されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の放熱基板。

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