JP2009130060A - 放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストダウンを図るとともに熱抵抗の上昇を抑えながら発熱体が発熱することにより生じる熱応力を緩和することができる放熱装置を提供する。
【解決手段】絶縁基板１０は、発熱体搭載面側に金属回路層１１が形成され、かつ他面側にはアルミニウムよりなる金属層１２が形成されている。ヒートシンク４０は、アルミニウムより構成され、かつ内部に冷却通路が形成された液式冷却器である。絶縁基板１０の金属層１２とヒートシンク４０との間にはアルミニウムよりなるヒートマス部材３０が金属接合されている。ヒートマス部材３０はその厚さ方向において、応力緩和部３１とヒートマス部３２とを有している。応力緩和部３１はヒートマス部材３０の絶縁基板１０側の面に複数の凹部３１ａが形成された領域であり、ヒートマス部３２の厚さｔ２は応力緩和部３１よりも厚く、ヒートマス部材３０の厚さｔ３は３ｍｍよりも厚い。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱装置に関するものである。

たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子を有するパワーモジュールに使用される放熱装置が特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１においては、一面が発熱体搭載面とされた絶縁基板とヒートシンクとの間に複数の貫通孔を有する応力緩和部材を設けることが開示されている。また、特許文献２においては、絶縁基板とヒートシンクとの間に緩衝層が設けられ、その緩衝層の材料として絶縁基板の熱膨張係数とヒートシンクの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）を用いることが開示されている。
特開２００６−２９４６９９号公報 特開２００１−１４８４５１号公報

しかしながら、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）は、ヒートシンク等に用いられるＡｌ（アルミニウム）と比較して高価な材料であるため、特許文献２のように緩衝層としてＡｌＳｉＣを用いると放熱装置のコストアップを招いてしまう。また、特許文献１に示される複数の貫通孔を有する応力緩和部材では、熱伝導面積が小さくなることによる熱抵抗の上昇を招き、発熱体からの熱を上手くヒートシンクに伝えることができないという虞がある。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、コストダウンを図るとともに熱抵抗の上昇を抑えながら発熱体が発熱することにより生じる熱応力を緩和することができる放熱装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、一面が発熱体搭載面となる絶縁基板と、該絶縁基板の他面側に配置固定されて該絶縁基板と熱的に結合するヒートシンクとを備えた放熱装置において、前記絶縁基板は、発熱体搭載面側に金属回路層が形成され、かつ他面側にはアルミニウムよりなる金属層が形成されており、前記ヒートシンクは、アルミニウムより構成され、かつ内部に冷却通路が形成された液式冷却器であり、前記絶縁基板の前記金属層と前記ヒートシンクとの間にはアルミニウムよりなるヒートマス部材が設けられており、前記ヒートマス部材は前記絶縁基板および前記ヒートシンクに金属接合されており、前記ヒートマス部材はその厚さ方向において、応力緩和部とヒートマス部とを有しており、前記応力緩和部は前記ヒートマス部材の絶縁基板側およびヒートシンク側の少なくとも一方の面に複数の凹部が形成された領域であり、前記ヒートマス部の厚さを前記応力緩和部よりも厚くなるように設定しており、前記ヒートマス部材の厚さを３ｍｍよりも厚くしたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、発熱体から発生した熱は絶縁基板およびヒートマス部材を介してヒートシンクに伝導され、該ヒートシンクにおいて内部に流れる冷却液との間で熱交換される。この時、絶縁基板の金属層とヒートシンクとの間に設けられ、該絶縁基板およびヒートシンクのそれぞれと金属接合されたアルミニウムよりなるヒートマス部材には複数の凹部からなる応力緩和部が設けられているので、発熱体が発熱することにより生じる熱応力をこの応力緩和部で構造的に緩和することができる。即ち、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱膨張係数を有するＡｌＳｉＣに比較してコスト的に有利なアルミニウムを用いて熱応力の緩和を図ることができる。また、ヒートマス部材のヒートマス部の厚さは応力緩和部よりも厚く設定されており、かつ、ヒートマス部材全体の厚さが３ｍｍよりも厚くなるように構成されているので、発熱体からの発熱が急増した時であっても熱抵抗の上昇を抑えつつ効率的な放熱を行うことができる。

本発明によれば、放熱装置のコストダウンを図ることができ、また、熱抵抗の上昇を抑えた効率的な放熱と発熱体が発熱することにより生じる熱応力の緩和を同時に行うことができる。

以下、本発明を車両に搭載されて使用されるパワーモジュールの放熱装置に具体化した実施形態を説明する。以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、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。

図１に示すように、放熱装置は、一面（上面）が発熱体搭載面となる絶縁基板１０と、絶縁基板１０の他面（下面）側にヒートマス部材３０を介して配置固定されたヒートシンク４０とを備えている。即ち、ヒートシンク４０と絶縁基板１０とはヒートマス部材３０を介して熱的に結合されている。

絶縁基板１０は、絶縁性の基板であるセラミック基板１３と、そのセラミック基板１３の発熱体搭載面側に形成された金属回路層１１と、セラミック基板１３の他面側に形成されたアルミニウムよりなる金属層１２とで構成されている。セラミック基板１３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。

絶縁基板１０の上面の発熱体搭載面においては発熱体としての半導体素子（半導体チップ）２０が半田を介して接合されている。半導体素子２０としては、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等が用いられる。

ヒートシンク４０は放熱性のよい金属、例えば、アルミニウムより構成されている。ヒートシンク４０はその内部に複数の冷却水通路４０ａが並列状に設けられた扁平中空状をなし、各通路４０ａに冷却水が流れる。このようにヒートシンク４０は内部に冷却通路としての冷却水通路４０ａが形成された液式冷却器である。冷却水通路４０ａは、図示しない入口部及び出口部を備え、入口部及び出口部は、車両に装備された冷却水循環路に連結可能に形成されている。ヒートシンク４０の冷却能力は、半導体素子２０が駆動されて定常発熱状態（通常状態）にある場合、該半導体素子２０で発生した熱が絶縁基板１０およびヒートマス部材３０を介してヒートシンク４０に伝導されて円滑に除去されるように設定されている。

絶縁基板１０の金属層１２とヒートシンク４０との間にはアルミニウムよりなるヒートマス部材３０が設けられており、そのヒートマス部材３０は絶縁基板１０およびヒートシンク４０に金属接合されている。具体的には、絶縁基板１０とヒートマス部材３０とヒートシンク４０とは、ロウ付けにより接合されて一体化している。

ヒートマス部材３０はその厚さ方向において、応力緩和部３１とヒートマス部３２とを有している。応力緩和部３１はヒートマス部材３０の絶縁基板１０側の面に複数の凹部３１ａが形成された領域である。また、ヒートマス部材３０は、ヒートマス部３２の厚さｔ２が応力緩和部３１の厚さｔ１よりも厚くなるように設定されている。そして、ヒートマス部材３０全体の厚さｔ３は３ｍｍよりも厚くなるように設定している。

ヒートマス部３２について言及すると、熱的に結合した半導体素子２０の温度が上昇したときに半導体素子２０の熱を受けるべく所定の熱容量を有する。
ヒートマス部３２は、半導体素子２０で発生した熱を一時的に吸収して、その後、ヒートシンク４０に放出する機能を有している。ヒートマス部３２の熱容量は、半導体素子２０から定常発熱状態より大きな熱が発生した際、その発生した熱の一部を一時的に吸収して半導体素子２０が過熱状態になることを抑制するのに必要な値に設定されている。

例えば、ハイブリッド車の走行用モータの制御に使用されるインバータの場合、定常運転状態から急な加速あるいは急停止の場合、１秒未満の短時間で半導体素子２０からの発熱で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この実施形態においては、そのようなインバータの放熱装置として用いられる場合であっても、半導体素子２０の温度が動作温度の上限を超えないように冷却能力が設定される。なお、車両の急停止の場合に過大な損失熱量が発生するのは、回生動作による大電流が流れるためである。

次に、前記のように構成された放熱装置の作用を説明する。
放熱装置は、ハイブリッド車のパワーモジュールに搭載されるとともに、図示しない冷却水循環路にヒートシンク４０がパイプを介して連通された状態で使用される。冷却水循環路にはポンプ及びラジエータが設けられ、ラジエータは、モータにより回転されるファンを備え、ラジエータからの放熱が効率よく行われるようになっている。

放熱装置に搭載された半導体素子２０が駆動されると、半導体素子２０から熱が発生する。定常運転状態（定常発熱状態）では、半導体素子２０から発生した熱は、絶縁基板１０およびヒートマス部材３０を介してヒートシンク４０に伝導され、ヒートシンク４０において内部に流れる冷却水との間で熱交換される。つまり、ヒートシンク４０に伝導された熱は、冷却水通路４０ａを流れる冷却液に伝導されるとともに持ち去られる（熱が逃がされる）。即ち、ヒートシンク４０は、冷却水通路４０ａを流れる冷却水によって強制冷却されるため、半導体素子２０等からヒートシンク４０に至る熱の伝導経路における温度勾配が大きくなり、半導体素子２０で発生した熱が絶縁基板１０およびヒートマス部材３０を介して効率良く除去される。

この時、絶縁基板１０の金属層１２とヒートシンク４０との間に設けられ、該絶縁基板１０およびヒートシンク４０に金属接合されたアルミニウムよりなるヒートマス部材３０には、複数の凹部３１ａからなる応力緩和部３１が設けられているので、発熱体が発熱することにより生じる熱応力をこの応力緩和部３１で構造的に緩和することができる。即ち、絶縁基板１０とヒートシンク４０との間の熱膨張係数を有するＡｌＳｉＣに比較してコスト的に有利なアルミニウムを用いて熱応力の緩和を図ることができる。つまり、図６に示されるような構造のアルミニウム製ヒートマス部材５０を用いた場合には、図１に示されるヒートマス部材３０のような複数の凹部３１ａがないので熱応力を構造的に緩和することはできない。また、図６の構造において、ヒートマス部材（５０）として絶縁基板１０とヒートシンク４０との間の熱膨張係数を有するＡｌＳｉＣ製のものを用いた場合は、放熱装置が高価になってしまう。即ち、図１に示す本実施形態では、コスト的に有利なアルミニウムからなるヒートマス部材３０を用いて半導体素子２０が発熱することにより生じる熱応力の緩和を図ることができる。

一方、定常運転状態から急な加速あるいは急な停止が行われると、半導体素子２０からの発熱が急増し、１秒以下の短時間で定格の３〜５倍もの損失熱量が発生する。この非定常時の高発熱に対しては、ヒートシンク４０による強制冷却だけでは対処できない。

ここで、ヒートマス部材３０においてヒートマス部３２の厚さｔ２は応力緩和部３１の厚さｔ１よりも厚く設定されており、かつ、ヒートマス部材３０全体の厚さｔ３が３ｍｍよりも厚くなるように構成されているので、発熱体としての半導体素子２０の発熱が急増した時であっても熱抵抗の上昇を抑えつつ効率的な放熱を行うことができる。

即ち、ヒートマス部３２において、ヒートシンク４０で瞬間的に除去できない熱が一時的に吸収される。その後、定常運転状態に戻ると、ヒートマス部３２の熱がヒートシンク４０へ伝導されて放熱される。

次に、ヒートマス部材の具体的な作用をシミュレーションの結果と共により詳細に説明する。
図２には、絶縁基板とヒートシンクとの間に金属接合されるヒートマス部材に、図３（ａ）のサンプルと図３（ｂ）のサンプルと図３（ｃ）のサンプルを用いた場合における熱抵抗の時間的変化についてのシミュレーション結果を示す。

図３（ａ）のサンプルは、厚さ１ｍｍのアルミニウム製板材を用い、貫通孔を形成したものである。このサンプルを用いた場合のシミュレーション結果を図２において特性線Ｌ１で示し、本実施形態に対する第１比較例となる。

図３（ｂ）のサンプルは、厚さ３ｍｍのアルミニウム製板材を用い、深さが１ｍｍの凹部を形成したものである。このサンプルを用いた場合のシミュレーション結果を図２において特性線Ｌ２で示し、本実施形態に対する第２比較例となる。

図３（ｃ）のサンプルは、厚さ４ｍｍのアルミニウム製板材を用い、深さが１ｍｍの凹部を形成したものである。このサンプルを用いた場合のシミュレーション結果を図２において特性線Ｌ３で示し、本実施形態に対応する。

図２において、特性線Ｌ１，Ｌ２に示されるように、発熱体の発熱開始から０．５秒での第２比較例の熱抵抗は第１比較例より僅かに低い程度である。これに対し、特性線Ｌ３で示される本実施形態では、発熱体の発熱開始から０．５秒での熱抵抗は第１比較例及び第２比較例よりも低くなっている。つまり、特性線Ｌ３に示される本実施形態では、ヒートマス部材３０のヒートマス部３２の厚さを最適化したことによって、発熱体の発熱開始から短時間での熱抵抗の上昇を抑えているのである。

即ち、発熱体の発熱開始から数秒後までの短時間においては、図３（ａ）の複数の貫通孔のみを有する１ｍｍの薄いアルミニウム製板材からなるヒートマス部材では、図３（ｃ）に示される本実施形態のヒートマス部材３０ほど熱抵抗の上昇を抑えることができず、また、図３（ｂ）のごとく凹部を有する厚さ３ｍｍのアルミニウム製板材でも、図３（ｃ）の本実施形態のヒートマス部材３０ほど熱抵抗の上昇を十分抑えることがでない。即ち、図３（ｃ）のごとく本実施形態のヒートマス部材であれば、発熱体の発熱開始から短時間における熱抵抗の上昇を効率的に抑えることができる。

なお、ヒートマス部材３０におけるヒートマス部３２の厚さが厚くなりすぎると、飽和熱抵抗が高くなってしまうため、ヒートマス部材３０の厚さｔ３の上限は１０ｍｍ程度にするとよい。

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。
アルミニウムより構成された液式冷却器であるヒートシンク４０と、絶縁基板１０のアルミニウムよりなる金属層１２との間にはアルミニウムよりなるヒートマス部材３０が設けられており、該ヒートマス部材３０は絶縁基板１０およびヒートシンク４０に金属接合され、複数の凹部３１ａが形成された領域である応力緩和部３１よりもヒートマス部３２の厚さｔ２が厚く、かつヒートマス部材３０の厚さｔ３が３ｍｍよりも厚い。よって、ヒートマス部材３０をＡｌＳｉＣと比較して安価な材料であるアルミニウムより構成しているので、放熱装置のコストダウンを図ることができる。また、ヒートマス部材３０に設けた、ヒートマス部３２により、発熱体からの発熱が急増した時であっても熱抵抗の上昇を抑えつつ効率的な放熱を行うことができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
図１のヒートマス部材３０においては、ヒートマス部材３０の絶縁基板１０の面に複数の凹部３１ａを形成したが、図４に示すように、ヒートマス部材３０のヒートシンク４０側の面に複数の凹部３１ａを形成してもよい。あるいは、図５に示すように、ヒートマス部材３０の絶縁基板１０側およびヒートシンク４０側の両方の面に複数の凹部３１ａを形成してもよい。このように、応力緩和部３１はヒートマス部材３０の絶縁基板１０側およびヒートシンク４０側の少なくとも一方の面に複数の凹部３１ａが形成された領域であればよい。

液式冷却器としてのヒートシンク４０は内部に水が流れる構成としたが、水以外にもアルコール等の他の冷却液体が流れる構成としてもよい。

本実施形態における放熱装置の縦断面図。 熱抵抗の時間的変化を示すシミュレーション結果図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はシミュレーションで用いたサンプルの縦断面図。 別例の放熱装置の縦断面図。 他の別例の放熱装置の縦断面図。 比較のための放熱装置の縦断面図。

符号の説明

１０…絶縁基板、１１…金属回路層、１２…金属層、３０…ヒートマス部材、３１…応力緩和部、３１ａ…凹部、３２…ヒートマス部、４０…ヒートシンク、４０ａ…冷却水通路。

Claims (1)

1. 一面が発熱体搭載面となる絶縁基板と、該絶縁基板の他面側に配置固定されて該絶縁基板と熱的に結合するヒートシンクとを備えた放熱装置において、
   前記絶縁基板は、発熱体搭載面側に金属回路層が形成され、かつ他面側にはアルミニウムよりなる金属層が形成されており、
   前記ヒートシンクは、アルミニウムより構成され、かつ内部に冷却通路が形成された液式冷却器であり、
   前記絶縁基板の前記金属層と前記ヒートシンクとの間にはアルミニウムよりなるヒートマス部材が設けられており、
   前記ヒートマス部材は前記絶縁基板および前記ヒートシンクに金属接合されており、
   前記ヒートマス部材はその厚さ方向において、応力緩和部とヒートマス部とを有しており、
   前記応力緩和部は前記ヒートマス部材の絶縁基板側およびヒートシンク側の少なくとも一方の面に複数の凹部が形成された領域であり、
   前記ヒートマス部の厚さを前記応力緩和部よりも厚くなるように設定しており、
   前記ヒートマス部材の厚さを３ｍｍよりも厚くした
   ことを特徴とする放熱装置。

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