JP2012079837A - フィン付ベース一体型基板およびフィン付ベース一体型基板装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィン付ベース一体型基板装置における放熱フィンの放熱性能と強度を両立させる。
【解決手段】
回路用金属板１２が実装された絶縁基板１１を接合させた冷却用のフィン付ベース一体型基板２であって、絶縁基板１１を接合させた面と反対側の面に、複数の板状の第１放熱フィン１５と、第１放熱フィン１５よりも短い板状の第２放熱フィン１６が互いに隙間をあけて平行に取り付けられ、互いに隣接する第１放熱フィン１５同士の間には、第１放熱フィン１５と平行に配置された第２放熱フィン１６が並べて配置されている。第１放熱フィン１５と第２放熱フィン１６を囲む水冷ジャケットが取り付けることにより、放熱性能と強度を両立させたフィン付ベース一体型基板装置１を得ることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、回路用金属板が実装された絶縁基板に冷却用のフィンを接合したフィン付ベース一体型基板と、それに水冷ジャケットが取り付けられたフィン付ベース一体型基板装置に関する。

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、回路用金属板が実装された絶縁基板に冷却用のフィンを接合したフィン付ベース一体型基板装置が用いられている。このフィン付ベース一体型基板装置では、ベース板と呼ばれている金属板または複合材板の一方の面に金属−セラミックスからなる絶縁基板が直接接合され、この絶縁基板上の金属回路板に半導体チップ等の回路用金属板が半田付けにより固定されている。また、ベース板には絶縁基板を接合させる面と反対側の面に、複数の放熱フィンが形成されており、更に、それら放熱フィンを囲む水冷ジャケットが取り付けられている（例えば特許文献１、２参照）。

特開２００７−２９４８９１号公報 特開２００８−２１８９３８号公報

フィン付ベース一体型基板装置では、放熱フィンによる放熱性能を高めるために放熱フィンの表面積をなるべく多くすることが望ましい。一方で、放熱フィンに冷却水の水圧がかかったときのベース板の変形を防ぐために、ベース板の強度が要求される。特に特許文献１、２に記載の溶湯接合法により作製されたフィン付ベース一体型基板およびフィン付ベース一体型基板装置において、このような放熱性能と強度を両立させるのは困難である。なぜなら、溶湯接合法によって作製されたフィン一体型基板のフィン付ベース板は、溶融した金属が凝固したいわゆる鋳造品のため、たとえば引張強度が１００ＭＰａに満たないほど小さいためである。

本発明は、かかる要求に鑑みてなされたものであり、フィン付ベース一体型基板装置における放熱フィンの放熱性能と強度を両立させることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、回路用金属板が実装された絶縁基板を接合させた冷却用のフィン付ベース一体型基板であって、絶縁基板を接合させた面と反対側の面に、複数の板状の第１放熱フィンと、前記第１放熱フィンよりも短い板状の第２放熱フィンが互いに隙間をあけて平行に取り付けられ、互いに隣接する前記第１放熱フィン同士の間には、前記第１放熱フィンと平行に配置された前記第２放熱フィンが並べて配置されていることを特徴とする、フィン付ベース一体型基板が提供される。

前記第２放熱フィンが複数あり、互いに隣接する前記第１放熱フィン同士の間には、前記第１放熱フィンと平行に配置された複数の第２放熱フィンを並列に並べて形成された第２放熱フィン列が複数列配置されていても良い。また、前記第１放熱フィンの長手方向において互いに隣接する前記第２放熱フィン列同士において、前記第２放熱フィンが同一直線上にあっても良い。あるいは、前記第１放熱フィンの長手方向において互いに隣接する前記第２放熱フィン列同士において、前記第２放熱フィンが同一直線上になくても良い。

また、前記第１放熱フィンの長手方向において互いに隣接する前記第２放熱フィン列同士の間には、前記第１放熱フィンと交差する方向に延びる、前記第２放熱フィンが存在しない通路部が形成されていても良い。この場合、前記第１放熱フィンには、前記通路部と対抗する位置に孔が設けられていても良い。

また、本発明によれば、これらフィン付ベース一体型基板に、前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンを囲む水冷ジャケットが取り付けられた、フィン付ベース一体型基板装置が提供される。

本発明によれば、放熱性能と強度を両立させたフィン付ベース一体型基板装置を得ることができる。

本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板装置の平面図である。 本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板装置の正面図である。 本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板装置の底面図である。 本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板装置の側面図である。 本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板の底面図である。 本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板の正面図である。 本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板の側面図である。 第１放熱フィンに孔を設けた本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板の底面図である。 図８のフィン付ベース一体型基板の正面図である。 第２放熱フィンが同一直線上にない本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板の底面図である。 図１０のフィン付ベース一体型基板の正面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面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構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１〜４に示すように、フィン付ベース一体型基板装置１は、フィン付ベース一体型基板２の下面に水冷ジャケット１７を取り付けた構成である。フィン付ベース一体型基板２は、第１放熱フィン１５と第２放熱フィン１６が取り付けられたベース板１０の上面に、例えばセラミックスなどからなる複数の絶縁基板１１を接合し、更に、各絶縁基板１１の上面に、回路用金属板１２を接合した構成である。即ち、第１放熱フィン１５と第２放熱フィン１６が取り付けられたベース板１０の上面に、絶縁基板１１および回路用金属板１２が接合されたものがフィン付ベース一体型基板２である。

ベース板１０の下面には、放熱効率を高めるための複数の第１放熱フィン１５と第２放熱フィン１６が取り付けられている。また、フィン付ベース一体型基板２の下面（ベース板１０の下面）には、これら第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６を囲む水冷ジャケット１７が取り付けられている。

水冷ジャケット１７の上面には、フィン付ベース一体型基板２の下面（ベース板１０の下面）との間に形成される空間部１８が設けられており、ベース板１０の下面に設けられた第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６は、この空間部１８の内部に収納されている。水冷ジャケット１７の両側面には、冷却水を空間部１８に流通させるための注水口１９と排水口２０が設けられている。

図５〜７に示すように、例えばベース板１０の下面の厚さＴ＝５ｍｍである。また、第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６はいずれも例えば厚さｔ＝１．８ｍｍ、高さｈ＝５ｍｍの略長方形の板状であり、第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６はベース板１０の下面（絶縁基板１１および回路用金属板１２が接合されている面の反対側の面）に対して垂直に取り付けられている。また、各第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６は長手方向が同じ方向であり、いずれも水冷ジャケット１７の注水口１９と排水口２０を結ぶ方向と平行に配置されている。なお、第１の放熱フィン１５および第２の放熱フィン１６は溶湯接合法で作製されるため、フィン（第１の放熱フィン１５および第２の放熱フィン１６）を鋳型から離型させるために、フィンの頂部からベース板１０に向かってテーパーをもって広がっている。その角度はベース板１０の下面に垂直である方向に対して約２°である。前記テーパーは鋳型との離型性およびフィン間隔を密にできるといった観点から、２°〜１０°であることが好ましい。また、このときフィンとフィンのピッチは２．７ｍｍである。（フィンとフィンの間隔が約０．９ｍｍ。）

また、第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６は、互いに等しい隙間をあけて設けられており、第１放熱フィン１５と第２放熱フィン１６の間、および、第２放熱フィン１６同士の間に、いずれも例えばｓ＝０．９ｍｍの隙間が形成されている。また、いずれの隙間も、水冷ジャケット１７の注水口１９と排水口２０を結ぶ方向と平行に形成されている。

第１放熱フィン１５は、水冷ジャケット１７とフィン付ベース一体型基板２の下面（ベース板１０の下面）の間に形成された空間部１８のほぼ全長にわたる長さを有しており、例えば第１放熱フィン１５の長手方向の長さＬ１＝１１１ｍｍに設定されている。これに対して第２放熱フィン１６の長さＬ２は第１放熱フィン１５の長さＬ１よりも相当に短く、例えば第２放熱フィン１６の長手方向の長さＬ２＝１６ｍｍに設定されている。

ベース板１０の下面に例えば７枚の第１放熱フィン１５が等間隔で平行に取り付けられており、互いに隣接する第１放熱フィン１５同士の間には、例えば幅ｌ＝９ｍｍの隙間２５が形成されている。各隙間２５には、例えば３枚の第２放熱フィン１６を並列に並べて形成された第２放熱フィン列２６が、例えば６列ずつ配置されている。

各第２放熱フィン列２６は、例えば３枚の第２放熱フィン１６をｓ＝０．９ｍｍの隙間をあけて互いに平行に並列に配置した構成であり、また、各第２放熱フィン列２６の最外部にある第２放熱フィン１６と第１放熱フィン１５同士の間にもｓ＝０．９ｍｍの隙間が設けられている。

各第２放熱フィン列２６は、第１放熱フィン１５同士の間において、第１放熱フィン１５の長手方向に例えば６列設けられている。また、第１放熱フィン１５の長手方向において互いに隣接する第２放熱フィン列２６同士の間には、第１放熱フィン１５の長手方向と交差（直交）する方向に延びる通路部２７が形成されている。この通路部２７は、第２放熱フィン１６の端部同士の間に形成される空間であり、通路部２７は、第２放熱フィン１６が存在しない領域となっている。通路部２７の距離Ｍは、例えばＭ＝３ｍｍに設定されている。

また、ベース板１０および第１放熱フィン１５、第２放熱フィン１６は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などといった熱伝導性に優れた材料からなる。ベース板１０の下面において、第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６は、溶湯接合法（鋳造）で形成されている。

以上のように構成される本発明の実施の形態にかかるフィン付ベース一体型基板装置１によれば、注水口１９と排水口２０を通じて水冷ジャケット１７内の空間部１８に冷却水を流すことにより、第１放熱フィン１５および第２放熱フィン１６によって良好な放熱を行うことができ、絶縁基板１１上に実装された回路用金属板１２の発熱負荷を処理して、発熱による動作不良を回避できる。この場合、特に第１放熱フィン１５よりも短い第２放熱フィン１６を多数設けていることにより、放熱面積を大きくすることができ、高い放熱能力を得ることができる。

また一方、フィン付ベース一体型基板２の下面（ベース板１０の下面）には適当な間隔で複数（７枚）の長手方向に対して長い第１放熱フィン１５が取り付けられているので、フィン付ベース一体型基板装置１の長手方向、すなわち冷却水の通水方向（注水口１９と排水口２０を結ぶ方向）においては、第１放熱フィン１５のリブ効果によってフィン付ベース一体型基板１０の曲げ強度を向上させることができる。第１放熱フィン１５は空間部１８のほぼ全長にわたる長さ、或いはフィン付ベース一体型基板２に接合された絶縁基板１１が複数ある場合はそれらにまたがって形成されるのが好ましい。

その結果、放熱性能と強度を両立させたフィン付ベース一体型基板装置１を得ることができるようになる。

図８、９に示すように、第１放熱フィン１５には、例えば直径３ｍｍ程度の孔３０を設けても良い。このように第１放熱フィン１５に孔３０を設ければ、第１放熱フィン１５の表面積が増えることにより、放熱性能を向上させることができる。また、孔３０をあけることで軽量化も図れる。更に、孔３０を通じて第１放熱フィン１５を貫通する方向に冷却水を流すことができ、空間部１８内に乱流を作り出すことによって、冷却効率を向上させることができる。

なお、孔３０は第１放熱フィン１５の横方向（第１放熱フィン１５に垂直方向）からドリルで貫通させて容易に形成することができる。この場合、第２放熱フィン１６が存在しない通路部２７に対向する位置に孔３０を配置すれば、ドリルで孔３０を貫通させる際に第２放熱フィン１６を破損する心配がない。

なお、図５〜７に示したフィン付ベース一体型基板２および図８、９に示したフィン付ベース一体型基板２では、いずれの場合も第１放熱フィン１５の長手方向において互いに隣接する第２放熱フィン列２７同士において、第２放熱フィン１６が同一直線上にある例を示した。しかし、第２放熱フィン１６は同一直線上になくても良い。

図１０、１１に示したフィン付ベース一体型基板２では、第１放熱フィン１５の長手方向において互いに隣接する第２放熱フィン列２７同士において、第２放熱フィン１６が同一直線上になく、オフセットした関係になっている。第１放熱フィン１５には通路部２７に対向する位置に屈曲部３１が設けられており、オフセットされた第２放熱フィン１６との隙間はいずれもｓ＝０．９ｍｍに保たれている。また、図１０、１１に示したフィン付ベース一体型基板２と同様に、第１放熱フィン１５には、通路部２７に対向する位置に孔３０が設けられている。なお、屈曲部３１は鋳造、金型プレスあるいは、鍛造などで形成することができる。

このように、第１放熱フィン１５の長手方向において第２放熱フィン１６をオフセットさせて配置することにより、空間部１８内に容易に乱流を作り出すことができ、冷却効率を更に向上させることができる。

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、上記の実施の形態では、所定の厚さ、高さ、長さの第１の放熱フィンと第２の放熱フィンとしたが、これらのサイズが変更されても構わない。

本願発明のフィン付ベース一体型基板は、例えば溶湯接合法によって作製される。これは絶縁基板１１（セラミックス基板）を収容する空洞部が内部に形成されるとともに、この空洞部の両側にそれぞれベース板１０に対応する形状の空洞部と金属回路板１２に対応する形状の空洞部が形成された鋳型に、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの溶湯を注入して固化させる方法（所謂溶湯接合法）によって製造することができる。前記絶縁基板１１（セラミックス基板）は市販のアルミナ基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板が使用される。アルミニウム合金は例えばＳｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ｔｉ等をアルミニウムに添加したものが用いられる。

特にアルミニウムまたはアルミニウム合金を溶湯接合法によりセラミックス基板（例えばＡｌＮ基板、アルミナ基板）とベース板を接合すると、ベース板の強度は非常に低く、引張強度で１００ＭＰａ以下、さらには８０ＭＰａ以下、４０ＭＰａ以下でしかない。本願発明によるとこのような低強度のベース板であっても、第１の放熱フィンを長くし、第２の放熱フィンの長さを短く、断続的にすることで、フィン付ベース一体型基板として優れた放熱性と十分な強度を得ることができる。また、材料（引張）強度の低いベース板とすることで、耐熱衝撃性などの特性に対してフィン付ベース一体型基板およびフィン付ベース一体型基板装置の信頼性が確保される。

なお、水冷ジャケットは特に溶湯接合法（鋳造）で作製する必要はなく、プレスや機械加工など適切な加工法で作成すればよい。また、水冷ジャケットとフィン付ベース一体型基板の取り付けは、ろう接、ねじ止めなどで行い、冷却液が漏れなければよい。

本発明は、大電流を制御するために使用されるパワーモジュールに有用である。

１ フィン付ベース一体型基板装置
２ フィン付ベース一体型基板
１０ ベース板
１１ 絶縁基板
１２ 回路用金属板
１５ 第１放熱フィン
１６ 第２放熱フィン
１７ 水冷ジャケット
１８ 空間部
１９ 注水口
２０ 排水口
２５ 隙間
２６ 第２放熱フィン列
２７ 通路部
３０ 孔
３１ 屈曲部

Claims (7)

1. 回路用金属板が実装された絶縁基板を接合させた冷却用のフィン付ベース一体型基板であって、
   絶縁基板を接合させた面と反対側の面に、複数の板状の第１放熱フィンと、前記第１放熱フィンよりも短い板状の第２放熱フィンが互いに隙間をあけて平行に取り付けられ、
   互いに隣接する前記第１放熱フィン同士の間には、前記第１放熱フィンと平行に配置された前記第２放熱フィンが並べて配置されていることを特徴とする、フィン付ベース一体型基板。
2. 前記第２放熱フィンが複数あり、互いに隣接する前記第１放熱フィン同士の間には、前記第１放熱フィンと平行に配置された複数の第２放熱フィンを並列に並べて形成された第２放熱フィン列が複数列配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のフィン付ベース一体型基板。
3. 前記第１放熱フィンの長手方向において互いに隣接する前記第２放熱フィン列同士において、前記第２放熱フィンが同一直線上にあることを特徴とする、請求項２に記載のフィン付ベース一体型基板。
4. 前記第１放熱フィンの長手方向において互いに隣接する前記第２放熱フィン列同士において、前記第２放熱フィンが同一直線上にないことを特徴とする、請求項２に記載のフィン付ベース一体型基板。
5. 前記第１放熱フィンの長手方向において互いに隣接する前記第２放熱フィン列同士の間には、前記第１放熱フィンと交差する方向に延びる、前記第２放熱フィンが存在しない通路部が形成されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載のフィン付ベース一体型基板。
6. 前記第１放熱フィンには、前記通路部と対抗する位置に孔が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載のフィン付ベース一体型基板。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のフィン付ベース一体型基板に、前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンを囲む水冷ジャケットが取り付けられた、フィン付ベース一体型基板装置。

Images