JP2008294197A - パワーモジュール用ユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁回路基板を高い位置精度で配置可能であると共に、設計の自由度を向上させたパワーモジュール用ユニットの製造方法を提供すること。
【解決手段】セラミックス基板３１の一面に金属材料で構成された回路層３２を接合すると共にセラミックス基板３１の他面に回路層３２と同一の金属材料で構成されて内部に冷却水が流通する微細水路２１、２２が形成された多流路管１１、１２を接合するセラミックス基板接合工程と、微細水路２１、２２に冷却水を流通させるヘッダ１３、１４を、多流路管１１、１２の側縁の一部を挟持するように配置した状態で、多流路管１１、１２と接合するヘッダ接合工程とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば半導体チップなどの電子部品が実装されるパワーモジュール用ユニットの製造方法に関するものである。

従来から、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）やＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）などのように、絶縁セラミックスの両面に接合によって金属層を形成した絶縁回路基板を有するパワーモジュールが知られている。この種のパワーモジュールは、絶縁回路基板上に搭載された電子部品で発生した熱を放散させる液冷式または空冷式のヒートシンクを備えている。

ここで、積層方向における熱抵抗を低減させるために、セラミックス基板をヒートシンクの上面に直接接合することが考えられる。しかし、ヒートシンク上にセラミックス基板を直接接合すると、セラミックス基板上に接合された金属層に繰り返し作用する熱応力によって接合部分に剥離が生じ、パワーモジュールの熱サイクル寿命が短くなってしまう。
そこで、ヒートシンク上に接合される絶縁回路基板の大きさを規定することで絶縁回路基板とヒートシンクとの間の熱収縮率の相違による収縮量の差を小さくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−８６７４４号公報

しかしながら、上記従来のパワーモジュール用ユニットの製造方法には、以下の課題が残されている。すなわち、ヒートシンクとして、複数の貫通孔である流路が形成された多流路管の側縁に、流路に対する冷却水の供給及び排出を行う一対のヘッダを対向配置した構成が考えられる。ところが、一対のヘッダが設けられた状態のヒートシンク上に絶縁回路基板を接合させており、ヒートシンクが比較的大型かつ複雑な形状を有しているため、絶縁回路基板を高い位置精度で配置することが困難であるという問題がある。また、収縮量の差を小さくするために絶縁回路基板の大きさを制限しているため、設計の自由度が低いという問題がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、絶縁回路基板を高い位置精度で配置可能であると共に、設計の自由度を向上させたパワーモジュール用ユニットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記のような課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明のパワーモジュール用ユニットの製造方法は、セラミックス基板の一面に金属材料で構成された回路層を接合すると共に、前記セラミックス基板の他面に前記回路層と同一の金属材料で構成されて内部に流体を流通させる流路が形成された流路管を接合するセラミックス基板接合工程と、前記流路に前記流体を流通させるヘッダを、該流路管の側縁の一部を挟持するように配置した状態で、前記流路管と接合するヘッダ接合工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、流路管とセラミックス基板と回路層とを同時に接合固定することで、流路管上にセラミックス基板を位置精度よく配置できると共に、セラミックス基板の大きさを規定することなく設計の自由度が向上する。また、ヘッダが接合されていない状態の流路管上にセラミックス基板を接合することによっても、セラミックス基板を高い位置精度で接合できる。すなわち、回路層とセラミックス基板とを接合した後に流路管とセラミックス基板とを接合することと比較して、セラミックス基板に反りが発生しない状態でセラミックス基板と流路管とを接合できる。このため、セラミックス基板を流路管上に精度よく配置できると共に、さまざまな形状のセラミックス基板を流路管上に接合できる。また、流路管にヘッダが接合された状態と比較して小型であると共に単純な表面形状を有する流路管上にセラミックス基板を接合するため、セラミックス基板を精度よく配置できる。さらに、ヘッダで流路管の縁部を挟持した状態で両者を接合しているため、流路管に反りが発生しても、この反りを矯正できる。

また、本発明のパワーモジュール用ユニットの製造方法は、前記ヘッダ接合工程で、前記流路管の側縁の他の一部を挟持する他のヘッダを、該流路管を介して対向する他のヘッダを配置した状態で、前記流路管と接合することが好ましい。
この発明によれば、流路管の複数箇所をヘッダで挟持した状態で接合固定することにより、流路管に発生した反りをより確実に矯正できる。

また、本発明のパワーモジュール用ユニットの製造方法は、前記ヘッダ接合工程で、前記流路管と前記ヘッダとをフラックスを用いたロウ付けにより接合することとしてもよい。
この発明によれば、流路管とヘッダとをフラックスを用いたロウ付けにより接合固定する。これにより、フラックスを用いずにロウ付けすることと比較してコストを削減できると共に、流路管とヘッダとを線接合させるため接合信頼性が向上する。

この発明にかかるパワーモジュール用ユニットの製造方法によれば、比較的小型の流路管とセラミックス基板と回路層とを同時に接合固定することで、流路管上にセラミックス基板を高い位置精度で配置できると共に、セラミックス基板の設計の自由度が向上する。

以下、本発明によるパワーモジュール用ユニットの製造方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

まず、本実施形態におけるパワーモジュール用ユニットの製造方法により製造されるパワーモジュール用ユニットを備えるパワーモジュールについて説明する。
パワーモジュール１は、図１から図３に示すように、パワーモジュール用ユニット２と、パワーモジュール用ユニット２に搭載された電子部品３とを備えている。
パワーモジュール用ユニット２は、２つの多流路管（流路管）１１、１２と、この多流路管１１、１２を介して対向配置されるヘッダ１３及びヘッダ（他のヘッダ）１４と、多流路管１１、１２上に配置される複数の絶縁回路基板１５とを備えている。

多流路管１１、１２のそれぞれは、平面視でほぼ矩形状である扁平の板状部材であり、例えばＡｌ（アルミニウム）などのような高熱伝導率を有する金属材料により形成されている。そして、多流路管１１は、断面がほぼ矩形状であって、短辺方向に沿って形成された微細水路（流路）２１を複数有している。同様に、多流路管１２は、断面がほぼ矩形状であって、端辺方向に沿って形成された微細水路２２を複数有している。
これら複数の微細水路２１、２２は、それぞれが互いに平行となるように多流路管１１、１２の短辺と直交する長辺方向に沿って一列に配列されている。そして、複数の微細水路２１、２２は、多流路管１１、１２のそれぞれの短辺方向における一対の側面のそれぞれまで形成されている。このため、複数の微細水路２１、２２の端部は、多流路管１１、１２の短辺方向における一対の側面において露出している。
ここで、多流路管１１、１２のそれぞれのうち上面と微細水路２１、２１との間の距離である多流路管１１、１２の天板部の厚さは、例えば０．３ｍｍ以上１０ｍｍ以下となっている。これにより、この天板部の剛性を減少させている。

ヘッダ１３は、多流路管１１、１２のそれぞれの長辺方向に沿って配置されている。そして、ヘッダ１３は、多流路管１１、１２のそれぞれの短辺方向に沿う縁部を挟持するヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂを有している。
ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂは、多流路管１１、１２のそれぞれの端辺方向に沿う縁部を上下両側から挟み込むことにより多流路管１１、１２を挟持している。また、ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂのそれぞれは、互いに対向する内面に形成された溝部１３ｃ、１３ｄを有しており、多流路管１１、１２を挟持したときにヘッダ１３の内部に形成されるヘッダ水路２３を構成する。このヘッダ水路２３は、複数の微細水路２１、２２に連通しており、複数の微細水路２１、２２内に冷却水（流体）を流通させる構成となっている。そして、ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂと多流路管１１、１２とは、互いにロウ付けにより接合固定されており、ヘッダ水路２３と複数の微細水路２１、２２とが互いに液密となっている。
また、ヘッダ１３の長手方向の一端には、ヘッダ水路２３に冷却水を流入させるための冷却水流入管（図示略）が接続される。

ヘッダ１４は、ヘッダ１３と同様に、多流路管１１、１２のそれぞれの長辺方向に沿って多流路管１１、１２を介してヘッダ１３と対向配置されている。そして、ヘッダ１４は、多流路管１１、１２の短辺方向に沿う縁部を挟持するヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂを有している。
ヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂは、互いに対向する内面に形成された溝部１４ｃ、１４ｄを有しており、多流路管１１、１２を挟持したときにヘッダ１４の内部に形成されるヘッダ水路２４を構成する。このヘッダ水路２４は、複数の微細水路２１、２２に連通している。そして、ヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂと多流路管１１、１２とは、互いにロウ付けにより接合固定しており、ヘッダ水路２４と複数の微細水路２１、２２とが互いに液密となっている。
また、ヘッダ１４の長手方向の一端には、ヘッダ水路２４から冷却水を排出させるために冷却水流出管（図示略）が接続される。

絶縁回路基板１５は、セラミックス基板３１と、セラミックス基板３１の上面に配置された回路層３２とによって構成されている。そして、絶縁回路基板１５は、回路層３２の上面に発熱体である電子部品３が配置されている。
セラミックス基板３１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）などの板状のセラミックス材料によって構成されている。
回路層３２は、多流路管１１、１２と同一材料であって例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属により形成されており、ロウ付けによりセラミックス基板３１に接合固定されている。また、回路層３２には、例えばエッチングや打抜き加工などを行うことによって回路層３２を適宜分断した回路が形成されている。ここで、回路層３２の厚さは、例えば０．６ｍｍ程度となっている。

電子部品３は、ハンダ層により回路層３２上に固着されている。ここで、電子部品３としては、例えば半導体チップが適用可能である。半導体チップとしては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイスが挙げられる。

次に、以上のような構成のパワーモジュール用ユニット２の製造方法について、図４を参照しながら説明する。
まず、セラミックス基板３１、回路層３２及び多流路管１１、１２を接合する（セラミックス基板接合工程）。ここでは、多流路管１１、１２のそれぞれの上面にロウ材を介してセラミックス基板３１を配置すると共にセラミックス基板３１上にロウ材を介して回路層３２を配置し、これらを真空接合によりロウ付け固定する。これにより、多流路管１１、セラミックス基板３１及び回路層３２が接合固定されると共に、多流路管１２、セラミックス基板３１及び回路層３２が接合固定される（図４（ａ）参照）。そして、セラミックス基板３１及び回路層３２が接合固定されることで、絶縁回路基板１５が形成される。
このとき、セラミックス基板３１に回路層３２及び多流路管１１、１２を同時に接合固定しており、セラミックス基板３１に反りが発生していない状態でセラミックス基板３１と多流路管１１、１２とを接合するため、セラミックス基板３１が精度よく配置される。なお、多流路管１１、１２とセラミックス基板３１との熱膨張係数の違いから、多流路管１１、１２が凹形状または凸形状に反ることがある。

次に、多流路管１１、１２と一対のヘッダ１３、１４とを接合する（ヘッダ接合工程）。ここでは、多流路管１１、１２の短辺方向に沿う一方の側辺の縁部をヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂで挟持すると共に、多流路管１１、１２の短辺方向に沿う他方の側辺の縁部をヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂで挟持する。そして、これら多流路管１１、１２、ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂ及びヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂを、例えばＫＡｌＦ_４（４フッ化カリウムアルミニウム）などを主成分としてＫ_２ＡｌＦ_５・Ｈ_２Ｏ、Ｋ_２ＡｌＦ_５などを含有するフッ化物系フラックスを用いたロウ付けにより接合固定する。これにより、ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂが接合固定され、ヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂが接合固定されると共に、多流路管１１、１２とヘッダ１３、１４とが接合固定される（図４（ｂ）参照）。そして、ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂが接合固定されることで、ヘッダ１３が形成されると共に、ヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂの溝部１３ｃ、１３ｄが対向することでヘッダ水路２３が形成される。同様に、ヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂが接合固定されることで、ヘッダ１４が形成されると共に、ヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂの溝部１４ｃ、１４ｄが対向することでヘッダ水路２４が形成される。
このとき、多流路管１１、１２が凹形状または凸形状に沿っていても、多流路管１１、１２をヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂやヘッダ部材１４Ａ、１４Ｂが挟持することで、多流路管１１、１２の形状が矯正される。また、フッ化物系フラックスを用いたロウ付けにより多流路管１１、１２とヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂが線接合される。
以上のようにして、パワーモジュール用ユニット２を製造する。このようにして製造されたパワーモジュール用ユニット２の回路層３２上に、電子部品３をハンダ層により固着する。これにより、図１から図３に示すようなパワーモジュール１が製造される。

以上のようなパワーモジュール用ユニット２の製造方法によれば、比較的小型の多流路管１１、１２とセラミックス基板３１と回路層３２とを同時に接合固定することで、多流路管１１、１２上にセラミックス基板３１を高い位置精度で配置できる。また、セラミックス基板３１に反りが発生していない状態で多流路管１１、１２と接合しているため、セラミックス基板３１の大きさを規定することなく絶縁回路基板１５の設計の自由度が向上する。
そして、多流路管１１、１２を介して一対のヘッダ１３、１４を配置して多流路管１１、１２の縁部の複数箇所を挟持することで、多流路管１１、１２に発生する反りをより確実に矯正できる。
さらに、多流路管１１、１２とヘッダ部材１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂとをフラックスを用いてロウ付けすることにより、コストを削減できると共に接合信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、セラミックス基板、回路層及び多流路管をロウ付けにより接合固定しているが、他の方法により接合固定してもよい。同様に、多流路管及びヘッダ部材をフラックスを用いたロウ付けにより接合固定しているが、セラミックス基板と回路層との接合のようにロウ付けによる真空接合により接合固定するなど、他の方法により接合固定してもよい。
また、多流路管は、内部に複数の微細水路が形成されていれば、他の構成であってもよい。例えば、図５に示すように矩形のコルゲートフィン５１をロウ付けすることにより複数の微細水路５２を形成した構成の多流路管５３や、図６に示すように内部に三角形状のインナーフィン５５をロウ付け固定することにより複数の微細水路５６を形成した構成の多流路管５７などが挙げられる。また、流路管は、内部に水路が形成されていれば、図７に示すように内部に複数の柱状のピン６１を２方向で等間隔に配置することにより流路６２を形成した構成の流路管６３など、他の流路形状を有する構成としてもよい。ここで、ピン６１は、千鳥格子状に配置してもよい。

また、ヘッダは、多流路管の縁部を挟持する２つのヘッダ部材を接合した構成となっており、多流路管の縁部を挟持できれば１つの部材のみで構成されてもよい。
そして、２つの多流路管を一対のヘッダ間に配置しているが、少なくとも１つの多流路管を一対のヘッダ間に配置していればよい。
さらに、多流路管を介して一対のヘッダを配置しているが、少なくとも１つのヘッダを配置していればよい。

また、多流路管の下面は、微細水路中を流通する冷却水を効率よく冷却するため、例えば多流路管の下面を凹凸形状として放熱効果を持たせる構成としてもよい。ここで、多流路管の下面にアウターフィンを設けてもよい。このアウターフィンは、例えばアルミニウムブレイジングシートの帯状素材のように極めて薄い金属帯板を波状に曲折形成したものであり、多流路管の下面に例えばロウ付けにより接合固定されている。
そして、多流路管は、内部の微細水路に冷却水を流通させることにより絶縁回路基板における発熱を放散する構成となっているが、他の冷却溶媒を流通させることによって放散する構成としてもよい。

この発明によれば、絶縁回路基板を高い位置精度で配置可能であると共に、設計の自由度を向上させたパワーモジュール用ユニットの製造方法に関して、産業上の利用可能性が認められる。

本発明のパワーモジュール用ユニットにより製造されるパワーモジュール用ユニットを備えるパワーモジュールを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明のパワーモジュール用ユニットの製造工程を示す工程図である。 本発明を適用可能な他の多流路管を示す斜視図である。 同じく、本発明を適用可能な他の多流路管を示す斜視図である。 同じく、本発明を適用可能な他の流路管を示す斜視図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
２ パワーモジュール用ユニット
１１，１２，５３，５７，６３ 多流路管（流路管）
１３ ヘッダ
１４ ヘッダ（他のヘッダ）
２１，２２，５２，５６ 微細水路（流路）
３１ セラミックス基板
３２ 回路層
６２ 流路

Claims (3)

1. セラミックス基板の一面に金属材料で構成された回路層を接合すると共に、前記セラミックス基板の他面に前記回路層と同一の金属材料で構成されて内部に流体を流通させる流路が形成された流路管を接合するセラミックス基板接合工程と、
   前記流路に前記流体を流通させるヘッダを、該流路管の側縁の一部を挟持するように配置した状態で、前記流路管と接合するヘッダ接合工程とを備えることを特徴とするパワーモジュール用ユニットの製造方法。
2. 前記ヘッダ接合工程で、前記流路管の側縁の他の一部を挟持する他のヘッダを、該流路管を介して対向する他のヘッダを配置した状態で、前記流路管と接合することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用ユニットの製造方法。
3. 前記ヘッダ接合工程で、前記流路管と前記ヘッダとをフラックスを用いたロウ付けにより接合することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用ユニットの製造方法。

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