JP2010171279A

JP2010171279A - 放熱装置

Info

Publication number: JP2010171279A
Application number: JP2009013557A
Authority: JP
Inventors: Kenji Otsuka; 健司大塚; Masaru Nakajima; 優中島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-08-05
Also published as: CN101789404A; US20100187680A1

Abstract

【課題】放熱装置において、簡易な構造で、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを接合する工程で発生する熱応力を緩和して、絶縁基板の損傷を抑制する。
【解決手段】ヒートシンク１８は、応力緩和部材１６に接合する天板２８と、天板２８に接合し、天板２８との間に冷却液の流路３０を形成する底板３２とを有する。天板２８と底板３２との厚さの比が１：３から１：５の範囲内に設定する。この構成により、絶縁基板１４と応力緩和部材１６とヒートシンク１８とを接合する工程で発生する熱応力が緩和され、絶縁基板１４の損傷を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱装置、特に、表面に発熱体である半導体チップを配置した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材を介して設けられ、半導体チップの熱を放熱するヒートシンクとを有する放熱装置の改良に関する。

例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の半導体を使用したパワーモジュールにおいては、半導体チップで発生した熱を効率よく放熱して、半導体チップの温度を所定温度以下に保つ放熱装置が知られている。

下記特許文献１には、表面に半導体チップを配置した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材を介して設けられ、半導体チップの熱を放熱するヒートシンクとを有し、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクがそれぞれろう付けにより接合されて構成される放熱装置が開示されている。応力吸収空間とは、例えば応力緩和部材に形成された貫通孔のことである。

下記特許文献１の放熱装置によれば、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとがろう付けにより金属接合されているので、半導体チップで生じた熱を効率よくヒートシンクに伝達することができる。また、下記特許文献１の放熱装置によれば、半導体チップが発熱し、絶縁基板とヒートシンクとの熱線膨張の相違に起因して放熱装置に熱応力が発生した場合においても、応力吸収空間の働きにより応力緩和部材が変形して熱応力を緩和するので、絶縁基板がクラックの発生などにより損傷してしまうことを抑制することができる。

特開２００６−２９４６９９号公報

上記特許文献１の放熱装置において、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとは、ろう付けにより接合される。絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを接合する工程は、一般的に、次のようにして行われる。まず、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを順に積層して配置するとともに、所定の治具により拘束する。そして、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとのそれぞれの接合面に所定の荷重を加える。そして、真空の雰囲気中または不活性ガスの雰囲気中において約６００℃まで加熱した状態でろう付けを行い、その後常温まで冷却する。このように、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとをろう付けにより接合するとき、雰囲気は約６００℃まで加熱され、接合後に常温まで冷却される。絶縁基板の線膨張率とヒートシンクの線膨張率とは異なる。このため、約６００℃の状態で、絶縁基板とヒートシンクが応力緩和部材を介して接合され、その後冷却されると、互いの線膨張率の違いから熱応力が発生する。この熱応力は、半導体チップが発熱したときに絶縁基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力より大きいため、応力緩和部材では緩和することができずに、絶縁基板が損傷してしまう可能性があった。

本発明の目的は、簡易な構造で、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを接合する工程で発生する熱応力を緩和して、絶縁基板の損傷を抑制することができる放熱装置を提供することにある。

本発明は、表面に発熱体である半導体チップを配置した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材を介して設けられ、半導体チップの熱を放熱するヒートシンクと、を有し、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとがそれぞれろう付けにより接合されて構成される放熱装置において、ヒートシンクは、応力緩和部材に接合する天板と、天板に接合し、天板との間に冷却液の流路を形成する底板と、を有し、天板と底板との厚さの比が１：３から１：５の範囲内にあることを特徴とする。

また、底板には、発熱体を有する電子機器が接して設けられていることが好適である。

また、ヒートシンクは、冷却液の流路に、天板と底板とを結ぶように設けられたフィンを有し、フィンは、天板と底板に真空ろう付けにより接合され、天板の厚さが０．８ｍｍであることが好適である。

また、絶縁基板は、第一のアルミニウム層とセラミック板と第二のアルミニウム層とを順に積層して構成されることが好適である。

また、応力緩和部材とヒートシンクはアルミニウムからなることが好適である。

本発明の放熱装置によれば、簡易な構造で、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを接合する工程で発生する熱応力を緩和して、絶縁基板の損傷を抑制することができる。

以下、本発明に係る放熱装置の実施形態について、図面に従って説明する。なお、本実施形態においては、一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これに用いられる放熱装置について説明する。

図１は、本実施形態の放熱装置１０の構成を示す断面図である。放熱装置１０は、表面に半導体チップ１２を配置した絶縁基板１４と、絶縁基板１４の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材１６を介して設けられたヒートシンク１８とを有する。絶縁基板１４と応力緩和部材１６とヒートシンク１８とは、それぞれろう付けにより接合されている。

半導体チップ１２は、インバータや昇圧コンバータに用いられるスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ、サイリスタ等などで構成される。スイッチング素子は、駆動により発熱する。

絶縁基板１４は、第一のアルミニウム層２０とセラミック層２２と第二のアルミニウム層２４とを順に積層して構成される。

第一のアルミニウム層２０には、電気回路が形成され、この電気回路上に半導体チップ１２がはんだ付けにより電気的に接続される。第一のアルミニウム層２０は、導電性に優れたアルミニウムにより形成されるが、導電性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体チップ１２とのはんだ付けが良好である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適である。

セラミック層２２は、絶縁性能が高く、熱伝導率が高く、そして機械的強度が高いセラミックから形成されている。セラミックは、例えば酸化アルミニウムや窒素アルミニウムである。

第二のアルミニウム層２４には、応力緩和部材１６がろう付けにより接合される。第二のアルミニウム層２４は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、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適である。

応力緩和部材１６は応力吸収空間を有する。応力吸収空間は、応力緩和部材１６を積層方向に貫通する貫通孔２６であり、この貫通孔２６が変形することにより応力を吸収することができる。貫通孔２６は、スリット形状の孔であり、応力緩和部材１６に千鳥状に形成されている。なお、貫通孔２６はスリット形状に限らず、多角形状や円形の孔であってもよい。応力緩和部材１６は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、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適である。本実施形態においては、応力吸収空間が応力緩和部材１６を積層方向に貫通する貫通孔２６である場合について説明したが、この構成に限定されず、応力緩和部材１６を貫通することなく端部が塞がった孔でもよい。

ヒートシンク１８は、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成される。ヒートシンク１８は、応力緩和部材１６に接合する天板２８と、天板２８に接合し、天板２８との間に冷却液の流路３０を形成する底板３２とを有する。流路３０には、天板２８と底板３２とを結ぶようにフィン３４が設けられている。フィン３４を設けることにより、流路３０を流れる冷却液とヒートシンク１８との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。本実施形態のヒートシンク１８の流路３０を流れる冷却液は、腐食及び凍結防止性能を有するＬＬＣ（ロングライフクーラント）である。

ヒートシンク１８の底板３２には、電子機器３６が接するように設けられている。電子機器３６は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータやリアクトルであり、発熱体を含む。

このように構成される放熱装置１０によれば、半導体チップ１２で生じた熱を、絶縁基板１４と応力緩和部材１６を介して、ヒートシンク１８の流路３０を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。また、電子機器３６で生じた熱も、ヒートシンク１８の流路３０を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。

従来技術で述べたように、一般的に、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを接合する工程において、これらが約６００℃の状態でろう付けにより接合され、その後冷却されると、絶縁基板とヒートシンクの線膨張率の違いから熱応力が発生する。この熱応力は、半導体チップが発熱したときに絶縁基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力より大きいため、応力緩和部材では緩和することができずに、絶縁基板が損傷してしまうおそれがあるという問題があった。

そこで、この問題を解決するために、本発明に係る放熱装置１０は、天板２８と底板３２との厚さの比が１：３から１：５の範囲内にあるよう構成されたヒートシンク１８を有する。このようにヒートシンク１８が構成されることで、絶縁基板１４と応力緩和部材１６とヒートシンク１８とを接合する工程で発生する熱応力が緩和され、絶縁基板１４の損傷が抑制される。以下、ヒートシンク１８の構成について具体的に説明する。

図２は、ヒートシンク１８の詳細な構成を示す断面図である。ヒートシンク１８は、上述したように、天板２８と底板３２とフィン３４により構成される。これらは、真空ろう付けにより接合される。図に示す符号３８は、ろう付け箇所である。ここで、天板２８と底板３２とは、図に示されるように、平面でろう付けされる。平面でろう付けすることにより、容易にかつ確実に接合することができる。

天板２８と底板３２は、軽量化と良好な熱伝導性を確保するため、比較的薄く形成されている。本実施形態における天板２８の板厚ｔ１は、０．８ｍｍである。これは、耐久性が考慮されているからである。すなわち、０．８ｍｍより板厚ｔ１を小さくすると、流路３０を流れる冷却液により天板２８が腐食して損傷してしまうからである。なお、天板２８の板厚ｔ１は、０．８ｍｍに限らず、これより大きくてもよい。軽量化と良好な熱伝導性を確保する範囲であれば、０．８〜１．２ｍｍの範囲内に設定することもできる。

一方、本実施形態における底板３２の板厚ｔ２は、４．０ｍｍである。板厚ｔ２が４．０ｍｍに設定された理由について、具体的に説明する。

天板２８と底板３２の厚さの割合Ｌと、絶縁基板１４の応力Ｐとの関係について、図３を用いて説明する。割合Ｌとは、天板２８の板厚ｔ１を底板３２の板厚ｔ２で割った値である。応力Ｐとは、絶縁基板１４と応力緩和部材１６とヒートシンク１８とを結合させる工程のときに絶縁基板１４で発生する応力のことである。

割合Ｌが異なる複数のヒートシンク１８を用いて、絶縁基板１４と応力緩和部材１６とヒートシンク１８とを結合させる実験を行うと、図に示されるように、割合Ｌが小さくなるにつれて応力Ｐが小さくなる傾向が表れる。応力Ｐが小さくなるということは、接合工程で発生する熱応力が緩和されることであり、結果として絶縁基板１４の損傷が抑制される。つまり、天板２８の板厚ｔ１に対して底板３２の板厚ｔ２を大きくするほど、応力Ｐを小さくすることができ、絶縁基板１４の損傷を抑制することができる。

しかしながら、底板３２の板厚ｔ２を大きくすると、重量が増加してしまい、放熱装置１０の軽量化が図れない。また、底板３２の板厚ｔ２を大きくすると、熱伝導性が低下してしまい、電子機器３６の熱を効率よく放熱することができなくなる。

そこで、応力Ｐの緩和とともに、軽量化と良好な熱伝導性の確保を考慮して、底板３２の板厚ｔ２を４．０ｍｍに設定することとした。なお、底板３２の板厚ｔ２は、４．０ｍｍに限定されない。応力Ｐの緩和とともに、軽量化と良好な熱伝導性を確保する範囲の厚さに設定することができる。具体的には、天板２８の板厚ｔ１と底板３２の板厚ｔ２との比が１：３から１：５の範囲内になるように、底板３２の板厚ｔ２を設定することが好適である。

本実施形態における放熱装置１０によれば、ヒートシンク１８の天板２８と底板３２との厚さの比を１：３から１：５の範囲内に設定するという簡易な構造により、軽量化と良好な熱伝導性を確保するとともに、接合工程で発生する熱応力を緩和することができ、絶縁基板１４の損傷を抑制することができる。

本実施形態においては、ヒートシンク１８の天板２８と底板３２とフィン３４は、真空ろう付けにより接合される場合について説明したが、この構成に限定されず、非腐食性フラックスを用いたろう付けにより接合されてもよい。この場合、非腐食性フラックスにより天板２８がコーティングされて冷却液に対する耐久性が向上するので、天板２８の板厚ｔ１を０．８ｍｍより薄く、例えば０．４ｍｍに設定することができる。これにより、ヒートシンク１８の更なる軽量化と熱伝導性の向上を図ることができる。

本実施形態の放熱装置の構成を示す断面図である。ヒートシンクの詳細な構成を示す断面図である。天板と底板の厚さの割合と、絶縁基板の応力との関係を示す図である。

１０放熱装置、１２半導体チップ、１４絶縁基板、１６応力緩和部材、１８ヒートシンク、２０第一のアルミニウム層、２２セラミック層、２４第二のアルミニウム層、２６貫通孔、２８天板、３０流路、３２底板、３４フィン、３６電子機器、３８ろう付け箇所。

Claims

表面に発熱体である半導体チップを配置した絶縁基板と、
絶縁基板の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材を介して設けられ、半導体チップの熱を放熱するヒートシンクと、
を有し、
絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとがそれぞれろう付けにより接合されて構成される放熱装置において、
ヒートシンクは、
応力緩和部材に接合する天板と、
天板に接合し、天板との間に冷却液の流路を形成する底板と、
を有し、
天板と底板との厚さの比が１：３から１：５の範囲内にある、
ことを特徴とする放熱装置。
請求項１に記載の放熱装置において、
底板には、発熱体を有する電子機器が接して設けられている、
ことを特徴とする放熱装置。
請求項１または２に記載の放熱装置において、
ヒートシンクは、冷却液の流路に、天板と底板とを結ぶように設けられたフィンを有し、
フィンは、天板と底板に真空ろう付けにより接合され、
天板の厚さが０．８ｍｍである、
ことを特徴とする放熱装置。
請求項１から３のいずれか１つに記載の放熱装置において、
絶縁基板は、第一のアルミニウム層とセラミック板と第二のアルミニウム層とを順に積層して構成される、
ことを特徴とする放熱装置。
請求項１から４のいずれか１つに記載の放熱装置において、
応力緩和部材とヒートシンクはアルミニウムからなる、
ことを特徴とする放熱装置。