JP2011166126A - 液冷一体型基板および液冷一体型基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板およびその液冷一体型基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１０の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板１５が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板２０の一方の面が接合され、金属ベース板２０の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器３０が接合された液冷一体型基板１において、金属回路板１５の厚さｔ１と金属ベース板２０の厚さｔ２との関係はｔ２／ｔ１≧２を満たし、金属回路板１５の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、金属ベース板２０の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、液冷一体型基板が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板およびその製造方法に関する。

例えば電気自動車、電車、工作機械等の大電流を制御するために使用されている従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップ等の電子部品が半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ネジ止め等により熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケット等の放熱器が取り付けられている。

この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や電子部品等の半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じやすい。また、電子部品等から発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケット（放熱器）により空気や冷却水等に逃がされるため、ベース板の反りが発生すると放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けた際のクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下してしまう。

そこで、例えば特許文献１には、上記問題点であるベース板の反りを非常に小さくすることができる放熱フィン（補強部）と金属ベース板とが一体的に形成され、溶湯接合法により作製された金属−セラミックス直接接合基板が開示されている。また、例えば特許文献２および特許文献３には、金属ベース板や放熱フィン等に取り付けて、熱発生体を効率的に冷却する冷却ジャケットが開示されている。

特開２００８−２１８９３８号公報 特開２００６−３２４６４７号公報 特開２００８−１３５７５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、放熱を行う機構として金属ベース板の一方の面に放熱フィンを一体的に設けるとしており、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板に対して一体的に放熱フィンを形成するために、例えば鋳型等を用いてフィン形状を加工する必要があり、加工コストや原材料コストが増大してしまうといった問題があった。また、フィン形状を加工する際に、加工時に金属ベース板に発生する残留応力によって金属ベース板に反りが発生してしまう恐れもあった。さらに、複数の放熱フィンを形成するために溝加工を行う場合、金属−セラミックス基板全体（一体型基板全体）としての強度が不十分になってしまう恐れがあった。

また、上記特許文献１に記載の金属−セラミックス基板においては、過渡熱伝導が十分に確保されない恐れがあることから、その放熱性（冷却効率）について更なる改良の余地があった。

また、上記特許文献２、特許文献３に記載の冷却ジャケットを金属−セラミックス基板に取り付ける（接合する）ことにより、放熱性（冷却効率）の面で優れた金属−セラミックス基板（一体型基板）が得られるが、上記特許文献２、特許文献３に記載された金属−セラミックス基板は、金属ベース板に放熱フィンが形成され、その放熱フィンを覆うように（収納するように）冷却ジャケットが接合されているため、上述した問題点である加工コスト・原材料コストの増大や一体型基板全体としての強度が不十分になってしまうといった問題点は解消されないと考えられる。さらには、特許文献３の扁平管に直接金属−セラミックス基板を接合すると、扁平管や金属−セラミックス基板の金属回路板の反りが大きくなり、電子部品の実装が困難になったり、熱衝撃が加わったときの信頼性の問題が発生することが判明した。

そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板およびその液冷一体型基板の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板において、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たし、
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、液冷一体型基板が提供される。

上記液冷一体型基板においては、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。前記金属ベース板と前記放熱器をろう接合法で一体化する場合、ろう接合性を阻害しない程度に各元素の添加量を抑制する必要がある。そこで、例えば、Ｍｇ量を０．９質量％以下にすることが好ましい。また、前記金属回路板の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３〜２．０μｍ程度が好ましい。前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合および前記金属ベース板と前記放熱器との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われてもよい。前記金属ベース板の放熱器接合側の表面粗さはろう接合性を良くするために、Ｒａ１．０〜２．０μｍが好ましい。なお、前記放熱器と前記金属ベース板を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３〜２．０μｍでも構わない。ろう接合する場合、放熱器の表面粗さは、一般的な押出し材及び板材で得られる程度で良い。

また、別な観点からの本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たす厚さに形成される、液冷一体型基板の製造方法が提供される。
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）

上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍであることが好ましい。また、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。さらに、前記金属回路板の表面粗さは素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３〜２．０μｍ程度が好ましい。ろう接合する場合、放熱器の表面粗さは、一般的な押出し材及び板材で得られる程度で良い。

本発明によれば、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、熱衝撃に対する信頼性に優れ、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板およびその液冷一体型基板の製造方法が提供される。

液冷一体型基板１の側面断面図である。 液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。 放熱器３０の構成を異なるものとした場合の、液冷一体型基板１の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本発明の実施の形態にかかる液冷一体型基板１の側面断面図である。図１に示すように、液冷一体型基板１においては、例えばＡｌＮ基板（窒化アルミニウム基板）やＳｉＮ基板（窒化珪素基板）であるセラミックス基板１０の上面（図１中上方）にアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属回路板１５が接合されており、また、セラミックス基板１０の下面（図１中下方）にはアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属ベース板２０が接合されている。また、金属ベース板２０の下面（図１中下方）には押出し材によって構成される中空角柱形状の放熱器３０が接合されている。ここで、押出し材とは、押出し加工によって一体的に成形される部材を示している。

なお、本実施の形態ではセラミックス基板１０と金属回路板１５の接合およびセラミックス基板１０と金属ベース板２０の接合は溶湯接合法によって接合が行われているものとし、金属ベース板２０と放熱器３０の接合はろう接合法によって接合が行われている。即ち、金属ベース板２０と放熱器３０との接合において、その間隙部３１には接合のためのろう材層３３が形成されることとなる。ろう接合法が行われる際に、接合対象物には所定の厚さ以上の厚み（ろう接合に耐えうるだけの厚み）が必要となるため、この場合、特に放熱器３０の上面（接合対象面）の厚みが十分に（例えば０．５ｍｍ以上）確保されている必要がある。

また、図１に示すように、放熱器３０は内部空間が中空であり、その内部空間を仕切る仕切り部材３５が設けられている。本実施の形態にかかる放熱器３０では、図示のように内部空間を１４箇所に仕切るように仕切り部材３５が設けられ、放熱器３０の内部空間には仕切り板３５によって複数（１４箇所）の各流路３８が形成されることとなる。仕切り部材３５が設けられた放熱器３０は押出し加工により一体物として作製される。

また、図２は、液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。蓋部材４０は放熱器３０の手前側（図２中手前側）の開口部の側面３０ａを覆うように取り付けられる部材であり、蓋部材４０は、蓋部４１と蓋部４１の側面（放熱器３０に取り付けた際の側面３０ａに対応する面）の２箇所に設けられる液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）から構成される。また、放熱器３０において図２中手前側の開口部の反対側に設けられた開口部には、図示しない液循環ポートを有していない以外は同様の蓋部材が取り付けられる。蓋部材４０は、実際に液冷一体型基板１において、金属回路板１５に取り付けられた例えば半導体素子等の発熱により、液冷却が行われる場合に放熱器３０に取り付けられる。液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）には図示しない冷却液循環機構が接続され、冷却液循環機構から液循環ポート４５ａを介して放熱器３０の内部（流路３８）に冷却液が供給され、液循環ポート４５ｂを介して放熱器３０の内部から冷却液が冷却液循環機構に排出される。即ち、冷却液循環機構の作動により冷却液が流路３８に流れこみ、その後、再度冷却液循環機構に戻るといったように、冷却液が放熱器３０内と冷却液循環機構との間で循環し、放熱器３０の冷却能力を一定に保つような構成となっている。この蓋部材４０と放熱器３０とは、金属ベース２０と放熱器３０とがろう接合される時、同時にろう接合しても構わない。

一方、本実施の形態にかかる液冷一体型基板１においては、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係は、以下の（１）式のようになっている。（例えば図１参照）
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
また、この時の各値としては、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍである。金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係が上記（１）に示すような関係であることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。また、ｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。なお、ｔ１が０．４〜１．０ｍｍ、ｔ２が０．８〜２ｍｍであることがさらに好ましい。

また、放熱器３０の材質としては、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金が望ましい。

また、金属回路板１５および放熱器３０の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３〜２．０μｍ程度が好ましい。放熱器３０の表面粗さは、一般的な押出材及び板材で得られる程度で良い。また、金属ベース板２０の放熱器３０接合側の表面粗さはろう付性を良くするために、Ｒａ１．０〜２．０μｍが好ましい。なお、放熱器３０と金属ベース板２０を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３〜２．０μｍでも充分に接合できる。

以上、図１および図２を参照して説明した液冷一体型基板１において、例えば半導体素子等の電子部品が金属回路板１５に取り付けられ使用された場合に、その電子部品から発生した熱は、上記説明したように内部に冷却液が循環する放熱器３０によって放熱され、液冷一体型基板１全体が冷却される。ここで、上述したように、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係が以下の（１）式となっていることや、
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
各値を、それぞれｔ１が０．４〜３ｍｍであり、ｔ２が０．８〜６ｍｍであるとしたことにより、十分な放熱性を発揮する液冷一体型基板１が得られることとなる。

また、金属回路板１５、金属ベース板２０および放熱器３０の材質を、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金とすることで、一体型基板としての強度や信頼性（耐熱衝撃性等）が十分に確保された液冷一体型基板１が得られる。さらには、溶湯接合法やろう接合法を用いて各部材同士を接合することで接合信頼性が十分に確保される。

また、放熱器３０をアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出し材で構成することで、放熱器３０をフィン形状に加工する場合等に比べ、放熱器３０における反り（形状変形）の発生が抑えられると共に、押出し加工で一体的に成形を行うため、原材料コストや加工コストの面で優れた液冷一体型基板１を製造することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施の形態において放熱器３０の構成（断面形状）は、仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が１４箇所に仕切られるものとしたが、これに限られるものではない。図３は液冷一体型基板１において放熱器３０の構成（断面形状）を異なるものとした場合の、本願発明の変形例にかかる液冷一体型基板１の断面図である。この変形例においては、放熱器３０の内部空間は仕切り板３５によって７箇所の流路３８に仕切られており、流路３８において上記実施の形態と同様、冷却液が循環する構成となっている。なお、この変形例では仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が７箇所に仕切られ流路３８を形成するとしたが、この仕切り方や流路３８の形成数は任意に設定可能であり、放熱器３０の放熱性（冷却効率）が好適になるように適宜定めることが好ましい。

本発明に従って液冷一体型基板を作製し、製品の評価を行った。

まず、セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板を準備し、その一方の面に金属回路板１５、他方の面に金属ベース板２０を、それぞれ溶湯接合により接合し、金属−セラミックス接合基板（「アルミック」（商標登録）基板）を得た。セラミックス基板１０及び金属回路板１５、金属ベース板２０のサイズは表１に示す通りであり、本発明に基づく実施例１、２、３と、本発明の範囲を外れた比較例１、２のサンプルを作製した。金属回路板および金属ベース板の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０４ｍａｓｓ％Ｂ−残部Ａｌとした。金属回路板１５および金属ベース板２０は、夫々セラミックス基板１０の中央に接合した。なお、比較例１、２において、本発明の範囲を外れた部分に下線を付した。

次に、放熱器３０としてアルミニウムの押出し材からなる多穴管を準備し、放熱器１個につき表１に示す各金属−セラミックス接合基板４個を、ろう材を介して接合し、液冷一体型基板を作製した。放熱器３０の外形寸法は１２２ｍｍ×９０ｍｍ×８ｍｍ、上板および下板の厚さはそれぞれ１ｍｍ、流路３８は高さ（仕切り板の高さ）６ｍｍ、幅１．５ｍｍ、リブ幅（仕切り板の幅）０．７ｍｍが連続している構造とした。４個の金属−セラミックス接合基板は、放熱器３０の上面（天板）を４分割した位置の中央部に接合した。また、金属ベース板２０と放熱器３０とのろう接は、真空中で６００℃×１０分保持し、ろう材をＡ４０４５とした。

液冷一体型基板の評価は、半田および各接合界面のクラック、ヒートショック試験、放熱器上面の反り形状に関して行った。

半田および各接合界面のクラックは、超音波探傷機で検査した。なお、半田クラックのサンプルについては、液冷一体型基板の金属回路板上に共晶半田を介して半導体チップを接合し、評価した。ヒートショック試験は、液槽冷熱衝撃装置を用いて行い、−４０℃で２分保持した後１１０℃で２分保持する過程を１サイクルとして、これを繰り返した。半田クラックについては、初期と、ヒートショック１０００サイクル後、２５００サイクル後、４０００サイクル後に、それぞれ超音波探傷機で半田クラックの面積率を求めて評価した。接合界面のクラックについては、ヒートショック４０００サイクル後の、金属−セラミックス接合基板の金属ベース板縁面から接合界面方向に延びるクラックの最も進展した箇所の長さについて、超音波探傷機による評価を行った。なお、クラックの長さは、サンプルの断面観察でも確認した。多孔管の反り形状（反り量）は多孔管の中央部と端部の高さの差とし、３次元反り測定器を用いて、接合後、半田付け後、ヒートショック４０００サイクル後にそれぞれ測定し、接合後と４０００サイクル後との反りの差を求めた。以上の評価方法によって、各放熱器に接合された４個の前記金属−セラミックス接合基板のうち、最もクラックが進展していたサンプルの評価結果を表２に示す。なお、比較例１、２の結果において、本発明に基づいて作製した実施例１、２、３と比べて特性が劣る部分に下線を付した。

金属回路板の厚さｔ１と金属ベース板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が本発明の範囲よりも小さい比較例は、ヒートショックに弱く、クラックが多く発生した。

本発明は、金属−セラミックス接合基板に適用され、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板およびその製造方法に適用される。

１ 液冷一体型基板
１０ セラミックス基板
１５ 金属回路板
２０ 金属ベース板
３０ 放熱器
３１ 間隙部
３３ ろう材層
３５ 仕切り板
３８ 流路
４０ 蓋部材
４１ 蓋部
４５（４５ａ、４５ｂ） 液循環ポート

Claims (10)

1. セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板において、
   前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たし、
   ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
   前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、液冷一体型基板。
2. 前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１に記載の液冷一体型基板。
3. 前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１または２に記載の液冷一体型基板。
4. 前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１〜３のいずれかに記載の液冷一体型基板。
5. 前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合および前記金属ベース板と前記放熱器との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われる、請求項１〜４のいずれかに記載の液冷一体型基板。
6. セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、
   前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、
   前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、
   前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たす厚さに形成される、液冷一体型基板の製造方法。
   ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
7. 前記金属回路板の厚さｔ１は０．４〜３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８〜６ｍｍである、請求項６に記載の液冷一体型基板の製造方法。
8. 前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項６または７に記載の液冷一体型基板の製造方法。
9. 前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項６〜８のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。
10. 前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項６〜９のいずれかに記載の液冷一体型基板の製造方法。

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