JP2010525588A - 冷却体 - Google Patents

Abstract

本発明は、平坦な金属製の放熱板を備えたパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子のための冷却体に関する。放熱板は、パワーエレクトロニクスモジュール側または半導体素子側に、マトリックス状に構造化した、突出隆起部を備える表面を有している。放熱板とマトリックス状に構造化した表面とは一体から製造されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、パワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子のための冷却体に関するものである。

トランジスタおよびマイクロプロセッサは、作動時にかなりの量の排熱を発生させる。最近のパーソナルコンピュータ用プロセッサ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴの場合、構成要素の誤作動または破壊の原因になり得る過熱を阻止するには、特に補助手段がなければ、自然放熱だけでは不十分である。最適な冷却および少ないパワーロスを保証するには、排熱をできるだけ迅速に構成部品から逃がし、放熱表面積を拡大させねばならない。冷却を行なうため、放熱板に熱伝導ペーストを用いて補助的に冷却体を配置することが多い。冷却は空気または液体で補助して行なうことができる。第１のケースでは、冷却体はリブ付きメタルブロックであり、アルミニウムまたは銅から成ることが多く、また冷却体上に装着されるファンを補助的に備えていることが多い。第２のケースでは、冷却体は液体が貫流する熱伝導体から成っている。

たとえばＩＧＢＴ、ＤＣＢ素子、ＭＯＳＦＥＴ等のようなパワーエレクトロニクスモジュールは、今日では多体で構成される。製造時および後の作動時における主要な問題は、機械的なスタビライザとして放熱に用いられるセラミック基板と銅放熱板との熱膨張係数の差が大きいことである。蝋接／結合プロセス（ＤＣＢ）の際に、たとえばＳｎＡｇＣｕ合金から成る蝋材はほぼ２２１℃の溶融点以上の２５０℃−２６０℃の蝋接温度まで加熱され、放熱板は２６０℃まで加熱される。これに続く冷却の際には、セラミックスの熱膨張係数が４−６×１０^−６ｌ／Ｋであり、銅放熱板の１７×１０^−６ｌ／Ｋの値とはかなり異なっているので、部品全体が変形する。不都合な条件の下では、発生する応力はセラミックスに亀裂が入るほどの大きさになることがある。その対策として、熱膨張係数がより低く、熱伝導性に十分優れた材料から成る放熱板を創作することはできる。しかしながら、このような材料はその組成、製造プロセスの点で非常に高価である。

これとは択一的に、ＳＭＤ技術を導入することで、チップキャリアの接続部を接続ワイヤーによって直接従来のエポキシ・ガラス積層物上に装備させる可能性も生じた。しかしながら、リードレスセラミックチップキャリア（ＬＣＣＣ）の場合、線熱膨張係数がほぼ６−８×１０^−６ｌ／Ｋであり、導電板に使用する材料のほぼ１２−１５×１０^−６ｌ／Ｋの値のほうが高いので、チップキャリアと蝋付け部位との間に同様に大きな剪断応力が発生する。この剪断応力のためにチップキャリアが蝋付け部位から剥離し、或いは、チップキャリアに亀裂が生じることがある。

その対策として、多層回路内にコア層を組み付けることができる。この場合、主に銅・インバー・銅が使用される。これらの銅・インバー・銅層は多層回路内に左右対称に配置され、アース面および給電面として使用することができる。このような配置により、回路の表面付近において熱膨張係数は１．７−２×１０^−６ｌ／Ｋの範囲にあり、セラミックチップキャリアの値に適合しているという利点が得られる。ＳＭＤ部品が大きければ大きいほど、それだけ多層表面の膨張係数をセラミックスのそれに適合させる必要性が増す。

これとは択一的な解決手段では、銅・インバー・銅多層体において、インバーを０．５ｍｍないし１．５ｍｍの厚いメタルコアとして多層体中央部に配置することもできる。その利点は、回路表面において膨張係数が制限される以外に、とりわけ付加的な優れた放熱性にある。これにより、ＳＭＤ部品を両面に実装することが可能である。銅・インバー・銅導電板は、表面の膨張制御という機能以外に、ヒートシンクの機能をも受け持つことができる。

他の特殊な解決手段として、特許文献１から、電力半導体素子のための冷却体が知られている。冷却体と半導体素子との間には、共通の接触面に、熱応力を分解させるための中間層が配置されている。この中間層は、応力分解用の多数の穴を有するアルミニウムプレートから成っている。中間層は、絶縁基板上に全面装着される金属性の表面層と冷却体とに両面を蝋付けされている。

さらに、特許文献２からは、ケーシングと、接続要素と、セラミック基板と、半導体素子とから成る電力半導体モジュール用冷却装置が知られている。電力半導体モジュールの放熱は、平坦な基体とフィンガー状の延設部とから成る個々の冷却要素を介して行なわれる。これら個々の冷却要素はマトリックス状に行列を成して、冷却対象の表面に配置されている。個々の冷却要素の、冷却すべきでない構成要素側またはモジュール側の表面は、平滑な表面または放熱性を良くするために任意に構造化した表面を有することができる。

国際公開第２００６／１０９６６０Ａ１号パンフレット 独国特許発明第１０１３４１８７Ｂ４号明細書

本発明の課題は、パワーエレクトロニクスモジュール用冷却体をさらに改良して、その複合体が熱により発生する応力に耐えうるようにすることである。

本発明は、請求項１の構成を特徴とする。他の従属項は本発明の他の有利な構成に関わる。

本発明は、平坦な金属製の放熱板を備えたパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子のための冷却体において、放熱板が、パワーエレクトロニクスモジュール側または半導体素子側に、マトリックス状に構造化した、突出隆起部を備える表面を有し、放熱板とマトリックス状に構造化した表面とが一体から製造されているものである。

この場合、本発明は、熱により発生する応力を弾性変形により吸収するには、冷却体の表面をマトリックス状に構造化するのが適しているという考察から出発するものである。構造化した表面を備える金属製の放熱体は、高伝導能の銅または銅合金から成ることができる。これに関連してたとえば軟状態のＥ−Ｃｕ，ＳＥ−Ｃｕ，ＥＴＰ−Ｃｕ，ＯＦＥ−Ｃｕ，ＣｕＦｅ０．１，ＣｕＳｍｏ０．１５が挙げられる。この場合、構造化した表面は単段階または多段階の圧延プロセスまたはエンボスプロセスを用いて帯材から一体に製造することができる。成形プロセスにより通常は構造化した輪郭部に材料の固化が生じる。特に個々の隆起部の間に形成される細条部の領域で材料固化が生じる。続いて、得られた構造物をレーザーを用いて、或いは、炉内での熱処理により軟化させて、熱膨張による長さ変化を弾性的に吸収することのできる輪郭部の細条部をできるだけ軟状態へもたらす。構造化に対し択一的な方法として、フライス加工、押出し加工またはエッチングが適していることがある。

冷却体は、その構造化した表面でもってたとえばセラミック基板の下へ蝋付けする。したがって細条部または輪郭部は、モジュールを変形させずに、発生した応力を吸収することができる。

格別な利点は、冷却体とパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とによって提供される複合体が、個々の材料の弾性変形の範囲内で、熱により発生した応力に耐えうることにある。この場合、熱により発生した応力が材料複合体を破壊することなく、互いにまったく異なる熱膨張係数を有する材料を使用することもできる。より高い蝋付け温度から生じる応力状態にも材料複合体は耐えることができる。

本発明の有利な構成では、構造化した表面は切頭角錐体状または切頭円錐体状の隆起部を有していることができる。この比較的簡潔な構造は、隆起部とパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子との特に小さな共通の接触面を有する。放熱板のほうへ厚くなっている隆起部は、熱拡散に寄与し、すなわち冷却体内部での入熱の平面分布に寄与する。

本発明の他の有利な構成では、構造化した表面はきのこ状の隆起部を有することができる。この場合、放熱板はｘ方向およびｙ方向に構造化され、その結果金属の放熱板への結合部としての細条部を備えたＴ字形のきのこ構造または切頭角錐体状の構造が膨張を適宜弾性的に吸収する。このため、輪郭部表面は最終的に圧延またはエンボス加工により据え込み成形される。特に隆起部の中央領域において構造物は湾曲し、それによってそこには材料内部の応力を分解させるために特に有利に適している弾性変形可能な領域が形成される。

有利には、構造化した表面はピン状または針状の隆起部を有することができる。これとは択一的に、リブ状または十字形リブ状の隆起部が形成されていてもよい。必要に応じては、個々の構造物を互いに組み合わせてもよい。たとえば熱源がモジュールから冷却体へ局所的に入熱する場合には、局所的に異なる構造物を互いに直接に隣接させて使用することができる。これらの構造物は放熱または熱拡散に適していて特に有利である。

有利な構成では、構造化した表面の構造サイズは基本的には１ミリメートル以下であり、しかし有利には０．５ｍｍないし２０ｍｍである。このような微細構造物の幅Ｂ、長さＬまたは直径Ｄ、高さＨは数マイクロメートルから数ミリメートルのサイズを有することができる。構造物の高さＨは可変であってよい。有利には、１つの隆起部の高さＨと１つの隆起部の横方向への拡がりＢ，Ｌ，Ｄとの比率が少なくとも１：１であるのがよい。このような比率以下の幾何学的比率では、材料内部の応力がもはや弾性的に補償されず、よって複合体に亀裂が入る危険がある。

本発明の特に有利な構成では、隆起部の間の中間空間は、Ｆｅ：６４％、Ｎｉ：３６％をベースにした組成の、膨張率の低い鉄・ニッケル合金で充填されていることができる。この場合、金属製の放熱板は銅または銅合金から成っていることができる。銅と鉄・ニッケル合金との組み合わせには、熱膨張が異なる２つの材料が微細構造の表面に設けられているという利点がある。鉄・ニッケル合金は１．７ないし２．０×１０^−６ｌ／Ｋの熱膨張係数を有し、これはセラミックのチップキャリア材料の値にほぼ相当している。隆起部によって形成される中間空間を充填することにより、冷却体とたとえばパワーエレクトロニクスモジュールとの簡単な平面的な蝋接を提供することができる。

有利には、放熱板が、パワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とは逆の側に、構造化した放熱用の多数の隆起部を、たとえば０．５ｍｍないし２０ｍｍのオーダーのリブまたはピンの形状で、マトリックス状に補助的に有しているのがよい。このため、放熱板は両面を構造化されていてよく、その結果空冷用のリブ付き冷却体および熱伝導ペーストを省略することができ、それによって従来の解決手段において熱伝導ペーストに起因して生じていた熱抵抗が低減される。したがって、構造化した隆起部と放熱板とは一体に形成されていてよい。製造方法としては、圧延、フライス加工、押出し加工、エンボス加工のような従来と同じプロセス工学或いは他の方法を使用する。さらに、一体構造は多体構造の解決手段に比べてコスト上の利点を提供する。

上記構造は好ましくは空気による熱除去に用いられるので、それによって面積が大きく拡大されることが重要である。通常の幾何学的構造は、数センチメートルの高さと１ミリメートル以上の間隔を有することのできる積層板またはいわゆるピンである。これらの積層板またはピンを放熱板に機械的に固定してもよい。

これとは択一的に、放熱板の、パワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とは逆の側に、閉じた流体循環路を備えた冷却ユニットが配置されていることができる。この場合、放熱板の構造化は両面であってよく、その結果構造化した背面は、液体式冷却体用の開放型流動管路／流動構造体として直接機能する。このとき、金属またはプラスチックから成る補助的なカバーは、熱伝導体を密閉する。

上記構造は好ましくは別個の冷媒（ほとんどの場合、グリコール・水混合物、或いは、電子産業で慣用されている他の冷媒）を用いた熱除去に用いられるので、構造物として、管路、管路部分、または、ピンも形成されている必要がある。冷却は、１段階のプロセスにより、たとえば液冷により、或いは、２段階のプロセスにより、たとえば蒸発により保証することができる。通常の構造高さは０．５ｍｍないし１０ｍｍであり、この場合成形した管路は２０μｍないし３ｍｍの幅を有することができる。

本発明の他の実施態様を、概略図を用いて詳細に説明する。

平坦な下面を備えた冷却体の構造化した表面の図である。 平坦な下面を備えた冷却体の構造化した表面の構成の他の図である。 平坦な下面を備えた冷却体の構造化した表面の構成の他の図である。 下面上に冷却要素を配置した冷却体の構造化した表面の図である。 閉じた循環路を備えた冷却ユニットを下面に配置した冷却体の構造化した表面の図である。

全図において、互いに対応する部材には同一の符号が付してある。

図１は、図には図示していないパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子のための冷却体１の構造化した表面１２の概略図である。

冷却体１は、その基本形状において、平坦な金属製の放熱板１１から成り、その上面は、すなわちパワーエレクトロニクスモジュール側または半導体素子側は、マトリックス状に構造化した、突出隆起部１３の形状の表面１２を有している。この場合、放熱板１１とマトリックス状に構造化した表面１２の隆起部１３とは１体構成で製造されている。本例の場合、放熱板１１の下面、すなわちパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とは逆の側は平坦である。隆起部１３は切頭角錐体として形成されている。個々の隆起部１３の間の中間空間１４は充填されていない。

このような構造の幅Ｂ、長さＬ、高さＨは数マイクロメートルから数ミリメートルの大きさを有することができる。この場合、１つの隆起部１３の高さＨと１つの隆起部１３の横方向への拡がりＢまたはＬとの比率はほぼ３：１である。通常は、１つの隆起部１３の高さＨが横方向の拡がりＢまたはＬよりも大きい傾向にある。

図２は、平坦な下面を備えた冷却体１の構造化した表面１２の他の構成図である。マトリックス状に構造化した表面１２は切頭角錐体状の突出隆起部１３の形状に形成されている。この場合も、放熱板１１とマトリックス状に構造化した表面１２の隆起部１３とは１体構成で製造されている。

隆起部１３は切頭角錐体として形成され、その足は放熱板１１への移行領域において細条部１５によって肉厚になっている。このような足の形状は、基板と放熱板１１との間の接触面積をさらに改善させる用を成す。個々の隆起部１３の間の中間空間１４は同様に材料で充填されていない。

図３は、平坦な下面を備えた冷却体１の構造化した表面１２の他の構成図である。この場合、放熱板１１は、ｘ方向およびｙ方向において、角錐体状構造と関連しているＴ字形のきのこ構造の形状の隆起部１３が結合部としての細条部１５によって金属製の放熱板１１の方向への異なる拡がりに応じて緩衝作用を行なうように構造化されている。特に首領域において、すなわち隆起部の中央領域において構造は湾曲しており、これによってそこでは弾性変形可能な領域が形成され、この領域はパワーエレクトロニクスモジュールの温度負荷による応力を吸収するのに適しており、特に有利である。

図４は、下面に冷却要素１６を配置した冷却体１の構造化した表面１２の図である。この場合、放熱板１１の下面には、補助的なリブ状の多数の冷却要素１６が放熱のために配置されている。冷却要素１６は放熱板１１にたとえば蝋付けされており、或いは、機械的にまたは熱伝導ペーストにより結合されており、それ故この実施形態では２体構成である。

しかしながら、冷却要素１６と放熱板１１とは１体構成であってもよい。このためには、放熱板は両面を構造化され、その結果熱伝導ペーストを用いて固定される空冷用の冷却ユニットは省略でき、これによって熱伝導ペーストを用いた従来の解決手段により生じていた熱抵抗は低減される。製造方法としては、圧延、フライス加工、押出し加工、エンボス加工のようなプロセス工学或いは他の方法を使用する。

図５は、閉じた流体循環路を備える冷却ユニット１７を下面に配置した冷却体の構造化した表面１２の図である。この構造は好ましくは別個の冷媒を用いた熱除去に用いられるので、構造物として、０．５ｍｍないし１０ｍｍの構造高さを備えた管路が形成されている。この場合、成形された管路は２０μｍないし３ｍｍの幅を有する。

このため、放熱板１１の下面に、放熱用の多数の補助的な冷却リブ１８がマトリックス状に配置され、これらの冷却リブ１８は放熱板１１と一体に結合している。この場合、金属またはプラスチックから成る補助的なカバー１８は熱伝導体を密閉させている。

この実施形態では、放熱板１１の構造化は両面で行なわれており、構造全体は冷却ユニット１７のカバー１９を除いて一体であり、その結果構造化した背面は、液体式冷却体用の開放型流動管路／流動構造物として直接機能する。したがって、冷却体１とパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とによって形成される複合体が提供され、複合体は、個々の材料の弾性変形の範囲内で、熱により生じる応力に耐えうる。

１ 冷却体
１１ 放熱板
１２ 構造化した表面
１３ 隆起部
１４ 中間空間
１５ 細条部
１６ 構造化した隆起部、冷却要素
１７ 冷却ユニット
１８ 冷却リブ
１９ カバー
Ｈ 隆起部の高さ
Ｂ 矩形隆起部の幅
Ｌ 矩形隆起部の長さ
Ｄ 丸い隆起部の直径

Claims (12)

1. 平坦な金属製の放熱板（１１）を備えたパワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子のための冷却体（１）において、
   放熱板（１１）が、パワーエレクトロニクスモジュール側または半導体素子側に、マトリックス状に構造化した、突出隆起部（１３）を備える表面（１２）を有し、放熱板（１１）とマトリックス状に構造化した表面（１２）とが一体から製造されていることを特徴とする冷却体。
2. 構造化した表面（１２）が切頭角錐体状または切頭円錐体状の隆起部（１３）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却体。
3. 構造化した表面（１２）がきのこ状の隆起部（１３）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却体。
4. 構造化した表面（１２）がピン状または針状の隆起部（１３）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却体。
5. 構造化した表面（１２）がリブ状または十字形リブ状の隆起部（１３）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の冷却体。
6. 構造化した表面（１２）の構造サイズが０．５ｍｍないし２０ｍｍであることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の冷却体。
7. １つの隆起部（１３）の高さ（Ｈ）と１つの隆起部（１３）の横方向への拡がり（Ｂ，Ｌ，Ｄ）との比率が少なくとも１：１であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の冷却体。
8. 隆起部（１３）の間の中間空間（１４）が膨張率の低い鉄・ニッケル合金で充填されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の冷却体。
9. 金属製の放熱板（１１）が銅または銅合金から成っていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の冷却体。
10. 放熱板（１１）が、パワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とは逆の側に、構造化した放熱用の多数の隆起部（１６）をマトリックス状に補助的に有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の冷却体。
11. 構造化した隆起部（１６）と放熱板（１１）とがマトリックス状に構造化した表面（１２）と一体に形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の冷却体。
12. 放熱板（１１）の、パワーエレクトロニクスモジュールまたは半導体素子とは逆の側に、閉じた流体循環路を備えた冷却ユニット（１７）が配置されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の冷却体。

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