JP2012109619A - Cooling device of semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁基板の一側面に電極板を介して半導体素子を接合して構成される半導体モジュールの冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for a semiconductor module configured by bonding a semiconductor element to one side surface of an insulating substrate via an electrode plate.
一般的に、従来のIGBTモジュール等のパワー半導体モジュールは、絶縁基板の一面側に電極板や回路層を介してパワー半導体素子を実装するとともに、前記絶縁基板の他面側に電極板を接合して構成されており、前記他面側の放熱板を冷却器の天板に接合して、パワー半導体が発した熱を冷却器へ伝導させて放熱するように構成している。
このような、パワー半導体モジュールの熱を放熱するための放熱装置としては、例えば特許文献1に示すようなものがある。
Generally, in a power semiconductor module such as a conventional IGBT module, a power semiconductor element is mounted on one surface side of an insulating substrate via an electrode plate or a circuit layer, and an electrode plate is bonded to the other surface side of the insulating substrate. The heat radiation plate on the other surface side is joined to the top plate of the cooler, and the heat generated by the power semiconductor is conducted to the cooler to radiate heat.
As such a heat radiating device for radiating the heat of the power semiconductor module, there is a device as shown in Patent Document 1, for example.
特許文献1の放熱装置に接合されるパワーモジュール用基板においては、絶縁基板の一面に形成された回路層上に半導体素子が実装され、他面に金属層が接合されている。また、前記金属層には、応力緩和部材を介して放熱装置が接合されている。
前記回路層、金属層、応力緩和部材、および放熱装置は、多くの場合、熱伝導性の観点からアルミにて構成されており、前記絶縁基板、金属層、応力緩和部材、および放熱装置を接合するロウ材はアルミ合金にて構成されている。
また、前記パワー半導体モジュールは、前記絶縁基板の一面側に形成される回路層に半導体素子を実装するとともに、該絶縁基板の他面側に電極板となる金属層をロウ材にて接合して構成されており、絶縁基板に接合された電極板に応力緩和部材をロウ材にて接合し、さらに応力緩和部材と放熱装置とをロウ材にて接合することで、パワー半導体モジュールの放熱装置が構成される。
In the power module substrate bonded to the heat dissipation device of Patent Document 1, a semiconductor element is mounted on a circuit layer formed on one surface of an insulating substrate, and a metal layer is bonded to the other surface. In addition, a heat dissipation device is joined to the metal layer via a stress relaxation member.
The circuit layer, metal layer, stress relaxation member, and heat dissipation device are often made of aluminum from the viewpoint of thermal conductivity, and the insulating substrate, metal layer, stress relaxation member, and heat dissipation device are joined. The brazing material is made of an aluminum alloy.
In the power semiconductor module, a semiconductor element is mounted on a circuit layer formed on one surface side of the insulating substrate, and a metal layer serving as an electrode plate is bonded to the other surface side of the insulating substrate with a brazing material. The stress relief member is joined to the electrode plate joined to the insulating substrate with a brazing material, and the stress relief member and the heat radiating device are joined with the brazing material, so that the heat radiating device of the power semiconductor module is Composed.
また、パワー半導体モジュールを冷却する装置としては、図9に示すような冷却装置がある。
図9に示すパワー半導体モジュールの冷却装置101は、パワー半導体素子111を備えたパワー半導体モジュール102を冷却器103の上に接合することで構成されており、前記パワー半導体モジュール102は、絶縁基板112の上面にロウ材122を介して接合された上部電極板113上にパワー半導体素子111を実装するとともに、絶縁基板112の下面にロウ材122を介して下部電極板114を接合して構成されている。
また、前記パワー半導体モジュール102は、応力緩和材115を介して冷却器103における冷却器本体131の天板に接合されている。前記応力緩和材115はロウ材122によりパワー半導体モジュール102および冷却器本体131の天板と接合されている。
Further, as a device for cooling the power semiconductor module, there is a cooling device as shown in FIG.
A power semiconductor
The
図9に示す冷却装置101の場合も、熱伝導性の観点から、前記上部電極板113、下部電極板114、応力緩和材115、および冷却器本体131をアルミにて構成しており、前記上部電極板113と絶縁基板112、絶縁基板112と下部電極板114、下部電極板114と応力緩和材115、応力緩和材115と冷却器本体131とを接合するロウ材122はアルミ合金(例えばAl−Si)にて構成されている。
In the case of the
これにより、パワー半導体素子111にて生じた熱を、上部電極板113、絶縁基板112、下部電極板114、および応力緩和材115を通じて冷却器103に伝達し、放熱するように構成されている。
また、前記冷却器103においては、冷却器本体131の内部に形成される冷却水通路131a内に多数の冷却フィン132を形成して、冷却水通路131a内を流れる冷却水による冷却効率を向上させている。
Thus, heat generated in the
Further, in the
前述の特許文献1に記載された放熱装置においては、ロウ材にて絶縁基板の他面に金属層を接合した状態のパワー半導体モジュールを、ロウ材にて応力緩和部材および放熱装置に接合するように構成されているが、絶縁基板と金属層とを接合するロウ材と、金属層と応力緩和部材、および応力緩和部材と放熱装置とを接合するロウ材とは同種の材質(アルミ合金)にて構成されているため、両者のロウ付け温度が略等しくなっている。
従って、前記パワー半導体モジュールを応力緩和部材および放熱装置に接合する際の、パワー半導体モジュールにおける温度分布や接合装置による温度制御のばらつきによっては、パワー半導体モジュールと応力緩和部材および放熱装置とを接合するロウ材を溶融させる熱によって、絶縁基板と金属層とを接合しているロウ材が再溶融してしまい、該絶縁基板と金属層との接合端部が剥離してしまう場合があった。
In the heat radiating device described in Patent Document 1, the power semiconductor module in which the metal layer is bonded to the other surface of the insulating substrate with the brazing material is joined to the stress relaxation member and the heat radiating device with the brazing material. The brazing material that joins the insulating substrate and the metal layer, the brazing material that joins the metal layer and the stress relaxation member, and the stress relaxation member and the heat dissipation device are made of the same material (aluminum alloy). Therefore, the brazing temperatures of both are substantially equal.
Accordingly, when the power semiconductor module is joined to the stress relaxation member and the heat dissipation device, the power semiconductor module, the stress relaxation member, and the heat dissipation device are joined depending on the temperature distribution in the power semiconductor module and the variation in temperature control by the joining device. Due to the heat that melts the brazing material, the brazing material joining the insulating substrate and the metal layer may be remelted, and the joining end portion between the insulating substrate and the metal layer may peel off.
また、前記図9に示す冷却装置101においても、絶縁基板112の上面にロウ材122を介して接合された上部電極板113上にパワー半導体素子111を実装するとともに、絶縁基板112の下面にロウ材122を介して下部電極板114を接合して構成されたパワー半導体モジュール102を、前記ロウ材122により応力緩和材115を介して冷却器本体131の天板に接合している。
従って、パワー半導体モジュール102と前記応力緩和材115および冷却器本体131とを接合する際に、該パワー半導体モジュール102と前記応力緩和材115および冷却器本体131とを接合するロウ材122を溶融させる熱によって、絶縁基板112に上部電極板113および下部電極板114を接合しているロウ材が再溶融してしまい、該絶縁基板112と上部電極板113および下部電極板114との接合端部が剥離してしまうという問題があった。
In the
Accordingly, when the
そこで、本発明においては、パワー半導体モジュールを冷却装置に接合する際に、該パワー半導体モジュールの絶縁基板に接合される電極板等の接合部が、パワー半導体モジュールと冷却装置とを接合するためのロウ材を溶融させる熱によって剥離することがない、信頼性の高いパワー半導体モジュールの冷却装置を提供するものである。 Therefore, in the present invention, when the power semiconductor module is joined to the cooling device, a joining portion such as an electrode plate joined to the insulating substrate of the power semiconductor module serves to join the power semiconductor module and the cooling device. It is an object of the present invention to provide a highly reliable power semiconductor module cooling device that does not peel off by heat that melts a brazing material.
上記課題を解決する半導体モジュールの冷却装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項1記載の如く、絶縁基板の一面側に第一の電極板を介して半導体素子が接合された半導体モジュールの他面側を、第二の電極板を介して冷却器の天板に接合して構成される、半導体モジュールの冷却装置であって、前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とを同質部材にて構成するとともに、前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材を同質部材にて構成し、前記第二の電極板の周縁部に、第二の電極板と天板とを接合する接合材が、少なくとも前記第二の電極板と絶縁基板との接合界面に接触することを防止するための接触防止材が塗布される。
特に、請求項2記載の如く、前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とはアルミにて構成され、前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成され、前記接触防止材はホウ素または酸化チタンにて構成される。
A semiconductor module cooling device that solves the above problems has the following characteristics.
That is, the other surface side of the semiconductor module in which the semiconductor element is bonded to the one surface side of the insulating substrate via the first electrode plate is connected to the top plate of the cooler via the second electrode plate. A cooling device for a semiconductor module, wherein the first electrode plate, the second electrode plate, and the top plate of the cooler are made of homogeneous members, and the insulating substrate; A bonding material for bonding the first electrode plate and the second electrode plate, and a bonding material for bonding the second electrode plate and the top plate are made of homogeneous members, and the periphery of the second electrode plate A contact preventing material for preventing the bonding material for bonding the second electrode plate and the top plate from contacting at least the bonding interface between the second electrode plate and the insulating substrate is applied to the portion.
In particular, according to
これにより、前記接合材による接合時に絶縁基板と第二の電極板との接合界面に、溶融した接合材が侵入して第二の電極板の中へ拡散して偏析することを防止することができ、第二の電極板と前記天板との接合を行うときに、絶縁基板と第二の電極板との接合部が再溶融して剥離することを防止できる。 This prevents the molten bonding material from entering the bonding interface between the insulating substrate and the second electrode plate during bonding by the bonding material and diffusing into the second electrode plate and segregating. In addition, when the second electrode plate and the top plate are bonded, it is possible to prevent the bonded portion between the insulating substrate and the second electrode plate from being remelted and peeled off.
本発明によれば、パワー半導体モジュールを冷却器に接合する際に、該パワー半導体モジュールの絶縁基板に既に接合された電極板の該絶縁基板との接合部が再溶融して剥離することを防止でき、信頼性の高いパワー半導体モジュールの冷却装置を構成することが可能となる。 According to the present invention, when the power semiconductor module is bonded to the cooler, the bonding portion of the electrode plate already bonded to the insulating substrate of the power semiconductor module is prevented from being remelted and separated. This makes it possible to configure a highly reliable power semiconductor module cooling device.
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。 Next, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[第一の実施形態]
図1に示すパワー半導体モジュールの冷却装置1は、パワー半導体モジュール2と冷却器3とを接合して構成されており、該パワー半導体モジュール2のパワー半導体素子11からの発熱を冷却器3へ放熱して冷却するものである。
前記パワー半導体モジュール2は、パワー半導体素子11、電極板である上部電極13、および絶縁基板12を積層して構成されており、前記絶縁基板12の上面に上部電極13がロウ材22aを介して接合され、前記上部電極13の上面にパワー半導体素子11がはんだを介して接合されている。
[First embodiment]
A power semiconductor module cooling device 1 shown in FIG. 1 is configured by joining a
The
前記冷却器3は、上面が開口した箱体に形成され、内部に冷却水が流れる冷却器本体31と、該冷却器本体31の上面を閉塞する天板32とを備えており、該冷却器本体31と天板32とがロウ材22bにより接合されている。
The cooler 3 includes a cooler
前記天板32には開口部32aが形成されており、天板32の一面(図1における上面)側における前記開口部32aの周縁部には、嵌合凹部32bが形成されている。
前記嵌合凹部32bは、前記絶縁基板12の外形と略同じ形状で略同じ大きさか若干大きく形成されており、該絶縁基板12の周縁部が嵌合凹部32bに嵌合可能となっている。
An
The
また、絶縁基板12の周縁部と嵌合凹部32bとの間には前記ロウ材22bが介装されており、該ロウ材22bにより絶縁基板12の周縁部と嵌合凹部32bとが接合されている。
また、前記絶縁基板12の他面(図1における下面)側には、複数の冷却フィン14・14・・・が取り付けられており、該冷却フィン14・14・・・は前記天板32の開口部32aから冷却器本体31内へ向けて突出している。
前記冷却フィン14・14・・・は前記ロウ材22aにより前記絶縁基板12に接合されている。
The
Further, a plurality of cooling fins 14, 14... Are attached to the other surface (the lower surface in FIG. 1) side of the insulating
The cooling
前記絶縁基板12は、例えば熱伝導率が高くて高強度なセラミックス材(Si3N4、Al2O3、AlN等)にて構成され、前記上部電極13および冷却フィン14・14・・・は、例えば熱伝導性が高い銅材(Cu)にて構成されている。前記絶縁基板12と上部電極13および冷却フィン14・14・・・とを接合するためのロウ材22aは、例えばチタン(Ti)および銅材(Cu)を添加した銀合金材(銀ロウ;Ag−Cu−Ti)にて構成されており、例えばペースト状、線状、または箔状に形成されたものが用いられる。
また、前記冷却器本体31および天板32は熱伝導性が高いアルミ材(Al)にて構成されており、前記絶縁基板12と前記天板32、および前記天板32と冷却器本体31とを接合するためのロウ材22bは例えば熱伝導性が高いアルミ合金(Al−Si、Al−Mg)にて構成されており、例えばペースト状、線状、または箔状に形成されたものが用いられる。
また、前記ロウ材22bは、冷却器本体31および天板32の接合部に予めクラッドしたものを用いることもできる。
The insulating
The
Further, the
このように、パワー半導体素子11から冷却器3の間にかけて介在される部材に熱伝導性が高い部材を用いることで、パワー半導体素子11で発生した熱を効率良く冷却器3へ伝達させるようにしている。
Thus, by using a member having high thermal conductivity as a member interposed between the
また、前記冷却フィン14・14・・・は、図2に示すように、ロールフォーミング等により薄板状部材を凹凸形状に折り畳むように屈曲させて、垂直部14a、底部14b、および頂部14cを備えた略三角形状に形成されている。
この三角形状の冷却フィン14・14・・・においては、前記底部14bが絶縁基板12に接合される部分となり、前記頂部14cとその両側の垂直部14aとが前記冷却器本体31内へ侵入して熱を冷却水へ放熱するフィン部分となっている。
Further, as shown in FIG. 2, the cooling
In the
このように、冷却フィン14・14・・・を、薄板状部材を凹凸形状に屈曲させた後に折り畳み方向に圧縮して略三角形状に形成することで、冷却フィン14・14・・・の表面積を大きくして、冷却効率の向上を図ることが可能となっている。
また、前記底部14bにより広い面積で冷却フィン14・14・・・を絶縁基板12に接合することにより、絶縁基板12から冷却フィン14・14・・・への熱伝導性を向上させている。
As described above, the cooling
In addition, the thermal conductivity from the insulating
また、前述のように構成されるパワー半導体モジュールの冷却装置1は、次のようにして組み立てが行われる。
つまり、図3に示すように、まず、絶縁基板12の上面にロウ材22aを介して上部電極13を配するとともに、絶縁基板12の下面にロウ材22aを介して冷却フィン14・14・・・を配して、該絶縁基板12に上部電極13および冷却フィン14・14・・・を組み付けた状態で(S01)、前記ロウ材22aを加熱して溶融させ、上部電極13および冷却フィン14・14・・・をロウ材22aにより絶縁基板12に接合する(S02)。
The power semiconductor module cooling device 1 configured as described above is assembled as follows.
That is, as shown in FIG. 3, first, the
この場合、前記上部電極13および冷却フィン14・14・・・が銅材(Cu)にて構成されており、ロウ材22aが銀合金材(Ag−Cu−Ti)にて構成されているため、ロウ付け温度は800℃程度に設定される。
また、ロウ材22aのロウ付け時の酸化を防止するために真空炉内でのロウ付けが行われる。
In this case, the
Further, brazing in a vacuum furnace is performed to prevent oxidation during brazing of the
次に、上部電極13および冷却フィン14・14・・・が接合された絶縁基板12を、前記ロウ材22bを介して前記天板32の嵌合凹部32bに嵌合させて、該絶縁基板12を天板32に組み付ける(S03)。
この状態で、前記ロウ材22bを加熱して溶融させ、前記絶縁基板12を天板32に接合する(S04)。この場合、絶縁基板12と天板32とは、両者が密着されるように冶具により加圧固定される。
また、この際同時に、前記冷却器本体31と天板32とをロウ材22bにより接合することも可能である。冷却器本体31と天板32とを接合する際にも、該冷却器本体31と天板32とは、両者が密着されるように冶具により加圧固定される。
Next, the insulating
In this state, the
At the same time, the
この場合、前記天板32および冷却器本体31はアルミ材にて構成されており、前記ロウ材22bはアルミ合金(Al−Si等)にて構成されているため、ロウ付け温度は600℃程度に設定される。
また、ロウ材22bのロウ付け時の酸化を防止するために、例えば1×10-5Torr程度の真空炉内でのロウ付けが行われる。
ロウ付け後、天板32および冷却器本体31は冷却されるが、ロウ付け時に両者は冶具により加圧固定されているため、その熱歪が低減されている。
In this case, since the
In order to prevent oxidation of the
After brazing, the
このように、本例のパワー半導体モジュールの冷却装置1においては、上部電極13および冷却フィン14・14・・・を銅材(Cu)にて構成するとともに、ロウ材22aを銀合金材(Ag−Cu−Ti)にて構成し、前記天板32および冷却器本体31をアルミ材にて構成するとともに、前記ロウ材22bをアルミ合金(Al−Si等)にて構成しているので、上部電極13および冷却フィン14・14・・・を絶縁基板12に接合する際のロウ付け温度(800℃程度)よりも、絶縁基板12を天板32にロウ付けする際のロウ付け温度(600℃程度)を、大きな温度差をもって低くすることができる。
As described above, in the cooling device 1 for the power semiconductor module of this example, the
これにより、既に上部電極13および冷却フィン14・14・・・が接合された絶縁基板12を天板32に接合する際に、該上部電極13および冷却フィン14・14・・・を接合しているロウ材22aが再溶融することがなく、該上部電極13と絶縁基板12との接合部端、および冷却フィン14・14・・・と絶縁基板12との接合部端が剥離することもない。
従って、組み立てられたパワー半導体モジュールの冷却装置1において、パワー半導体素子11からの発熱の冷却器3への伝達が阻害されることがなく、信頼性の高い冷却装置1を構成することが可能となっている。
When the insulating
Therefore, in the assembled cooling device 1 of the power semiconductor module, the transmission of the heat generated from the
また、パワー半導体モジュールの冷却装置1においては、前記絶縁基板12と天板32との接合は、該絶縁基板12の周縁部と天板32の嵌合凹部32bとを接合することで行われており、絶縁基板12の他側面の大部分(天板32の開口部32aに相当する部分)は天板32と接合されていない。
従って、従来のように絶縁基板12の他側面の全面を、下部電極を介して放熱板に接合する場合に比べて、絶縁基板12の他側面における接合面積が小さくなり、絶縁基板12と天板32との線膨張係数の差に伴って両者間に生じる応力を低減して、絶縁基板12の反り変形を抑えることが可能となっている。
In the power semiconductor module cooling device 1, the insulating
Therefore, compared with the conventional case where the entire other side surface of the insulating
さらに、前記天板32は板状部材にて構成されており、前記天板32の嵌合凹部32bの外周側周辺部位には天板32を屈曲させて形成したベント部33が配置されている。
該ベント部33は、力が加わると弾性変形が可能となっているため、絶縁基板12の周縁部と天板32の嵌合凹部32bとの接合部に応力が発生した際に、該接合部の近傍に位置するベント部33が変形することとなって、前記接合部に生じた応力を低減させることが可能となる。
Further, the
Since the
また、前記冷却フィン14・14・・・は、その底部14b・14b・・・が絶縁基板12の他面に接合されているが、該底部14b・14b・・・と前記絶縁基板12の一面に接合されている上部電極13との剛性や熱容量が等しくなるように構成して、絶縁基板12に上部電極13および冷却フィン14・14・・・を接合する際に、該絶縁基板12に反りが生じないようにしている。
Further, the
また、前記冷却フィン14・14・・・は、絶縁基板12が冷却器3に接合された状態では冷却器本体31内に侵入しているが、該冷却器本体31の内壁面と接触しないように構成されている。
これは、冷却フィン14・14・・・と冷却器本体31とが接触すると、該冷却フィン14・14・・・を構成する銅材と冷却器本体31を構成するアルミとの電位差によりアルミに電解腐食が生じることとなるが、このような電解腐食が発生することを防止するためである。
また、冷却フィン14・14・・・の頂部14cが冷却器本体31の底面と接触しないように構成することで、絶縁基板12の熱による伸縮の影響を受けて冷却器本体31に反りが生じることを防止することが可能となっている。
In addition, the cooling
When the cooling
Further, the top 14c of the cooling
また、前記各冷却フィン14の垂直部14aの底部14bに対する角度θは(図2参照)、本例の場合70°程度以下となるように設定されている。
これは、パワー半導体素子11と上部電極13とを接合するはんだ中における、放熱を阻害するボイドの有無を、前記冷却装置1の上方または下方からX線を照射することにより検査しているが、前記冷却フィン14の垂直部14aの角度θが70°程度を超えると(垂直部14aが底部14bに対して垂直に近くなると)、X線の前記垂直部14aを透過する距離が長くなって該垂直部14aの影が写し出されることとなり、ボイドの判別力が低下する原因となるからである。
Further, the angle θ of each cooling
This is inspecting the presence or absence of voids that inhibit heat dissipation in the solder joining the
また、パワー半導体モジュールの冷却装置1においては、前記絶縁基板12の他側面に接合される複数の冷却フィン14・14・・・が、冷却器本体31の内部に天板32の開口部32aを通じて侵入しており、絶縁基板12の他側面は開口部32aを通じて冷却器本体31内に面している。
従って、冷却器本体31内を流れる冷却水により、絶縁基板12に直接接合される冷却フィン14・14・・・のみならず、該絶縁基板12の他側面も冷却されるため、従来のように絶縁基板12を下部電極や放熱板を介して冷却器に接合した場合に比べて、パワー半導体素子11の冷却効率が向上する。
In the power semiconductor module cooling device 1, a plurality of cooling
Therefore, the cooling water flowing in the
また、該絶縁基板12の他面、該他面と各冷却フィン14・14・・・との接合部、および天板32が、前記冷却水により同時に冷却されることとなるため、絶縁基板12や天板32の各部の温度に温度勾配が生じにくく、絶縁基板12と天板32との線膨張係数の差による応力も発生し難くなっている。
Further, the other surface of the insulating
[第二の実施形態]
図4に示すパワー半導体モジュールの冷却装置51は、パワー半導体モジュール52と冷却器3とを接合して構成されており、該パワー半導体モジュール52のパワー半導体素子11からの発熱を冷却器3へ放熱して冷却するものである。
以下に本例の冷却装置51について説明するが、前述の冷却装置1と同様の構成となる部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
The power semiconductor
Although the
前記パワー半導体モジュール52は、パワー半導体素子11、上部電極63、絶縁基板12、および下部電極66を積層して構成されており、前記絶縁基板12の上面に上部電極13がロウ材22bを介して接合され、前記上部電極63の上面にパワー半導体素子11がはんだを介して接合されている。
また、前記下部電極66はロウ材22bにより絶縁基板12に接合されており、該下部電極66の下面には冷却フィン64・64・・・がロウ材22bにより接合されている。
The
The
このように上部電極63、下部電極66、および冷却フィン64・64・・・が接合された絶縁基板12は、前記ロウ材22bにより冷却器3の天板32に接合されており、該天板32は前記冷却器本体31とロウ材22bにより接合されている。
前記絶縁基板12が天板32に接合された状態では、前記冷却フィン64・64・・・が前記天板32の開口部32aから冷却器本体31内へ向けて突出している。
In this way, the insulating
In a state where the insulating
本例における前記上部電極13、下部電極66、および冷却フィン64・64・・・は、前記冷却器本体31および天板32と同様に、例えば熱伝導性が高いアルミ材(Al)にて構成されている。
The
また、前記冷却フィン64・64・・・は、前記冷却フィン14・14・・・と同様に、ロールフォーミング等により薄板状部材を凹凸形状に折り畳むように屈曲させて、垂直部64a、底部64b、および頂部64cを備えた略三角形状に形成されている。
この三角形状の冷却フィン64・64・・・においては、前記底部64bが下部電極66に接合される部分となり、前記頂部64cとその両側の垂直部64aとが前記冷却器本体31内へ侵入して熱を冷却水へ放熱するフィン部分となっている。
Further, the cooling
In the
このように構成されるパワー半導体モジュールの冷却装置51は、次のようにして組み立てが行われる。
つまり、図5に示すように、まず、絶縁基板12の上面および下面にロウ材22bを介して上部電極63および下部電極66をそれぞれ配するとともに、前記下部電極66の下面にロウ材22bを介して冷却フィン64・64・・・を配して、該絶縁基板12に上部電極63、下部電極66および冷却フィン64・64・・・を組み付けた状態で(S11)、前記ロウ材22bを加熱して溶融させ、上部電極63、下部電極66および冷却フィン64・64・・・をロウ材22bにより絶縁基板12に接合する(S12)。
The power semiconductor
That is, as shown in FIG. 5, first, the
この場合、前記上部電極63、下部電極66および冷却フィン64・64・・・はアルミ材にて構成され、前記ロウ材22bはアルミ合金(Al−Si等)にて構成されているため、ロウ付け温度は600℃程度に設定される。
また、ロウ材22bのロウ付け時の酸化を防止するために真空炉内でのロウ付けが行われる。
In this case, the
Also, brazing in a vacuum furnace is performed to prevent oxidation during brazing of the
なお、前記ステップS12にてロウ付けを行うときには、接合後の下部電極66内に、前記ロウ材22bに含まれるシリコン(Si)が所定の濃度で均一に分散している状態となるような条件でロウ付けを行う。この場合におけるシリコン(Si)の分散濃度は、例えば0.2%以下に設定する。
これは、図6に示すように、下部電極66内におけるシリコン(Si)の分散濃度が0
.2%以下であると、下部電極66を構成するアルミ材の融点が640℃以上の高い温度となるためであり、後述するステップS14にて下部電極66と天板32とをロウ付けする際の加熱により、下部電極66と絶縁基板12との接合部における下部電極66および間のロウ材22bが再溶融し難くなる。
It should be noted that when brazing is performed in step S12, a condition that silicon (Si) contained in the
This is because, as shown in FIG. 6, the dispersion concentration of silicon (Si) in the
. If it is 2% or less, the melting point of the aluminum material constituting the
次に、上部電極63、下部電極66、および冷却フィン64・64・・・が接合された絶縁基板12を、前記ロウ材22bを介して前記天板32の嵌合凹部32bに嵌合させて、該絶縁基板12を天板32に組み付ける(S13)。
この状態では、下部電極66が前記嵌合凹部32bに当接しており、前記ロウ材22bを加熱して溶融させることで、前記下部電極66と天板32とが接合される(S14)。この場合、絶縁基板12と天板32とは、下部電極66と天板32とが密着されるように冶具により加圧固定される。
また、この際同時に、前記冷却器本体31と天板32とをロウ材22bにより接合することも可能である。冷却器本体31と天板32とを接合する際にも、該冷却器本体31と天板32とは、両者が密着されるように冶具により加圧固定される。
Next, the insulating
In this state, the
At the same time, the
この場合、前記天板32および冷却器本体31はアルミ材にて構成され、前記ロウ材22bはアルミ合金(Al−Si等)にて構成されているため、ロウ付け温度は600℃程度に設定される。
In this case, since the
ここで、図6に示すように、前述のごとくアルミ材内のシリコン分散濃度が少ないと溶融温度が高くなるが(0.2%以下で640℃以上)、アルミ材内にシリコン(Si)が偏析してシリコン濃度が高くなると溶融温度が低くなる(例えばアルミ材中のシリコン濃度が10%程度になると溶融温度は577℃程度となる)。
なお、アルミ合金が「Si−Mg」にて構成されている場合も同様である(以下についても同様)。
Here, as shown in FIG. 6, when the silicon dispersion concentration in the aluminum material is small as described above, the melting temperature becomes high (0.2% or less and 640 ° C. or more), but silicon (Si) is contained in the aluminum material. When the silicon concentration increases due to segregation, the melting temperature decreases (for example, when the silicon concentration in the aluminum material is approximately 10%, the melting temperature is approximately 577 ° C.).
The same applies to the case where the aluminum alloy is composed of “Si—Mg” (the same applies to the following).
また、図7に示すように、下部電極66内にシリコン(Si)が低濃度で分散するように絶縁基板12と下部電極66とをロウ付けした場合でも、その後にロウ材22bにより下部電極66にそのまま冷却器3の天板32をロウ付けすると、下部電極66と冷却器3との間のロウ材22bが、下部電極66の外周端面に上ってフィレットを形成する。そして、下部電極66の外周端面に上ったロウ材22b内のシリコン(Si)が下部電極66の外周端部および下部電極66と絶縁基板12との接合界面に偏析することとなる。
特に、下部電極66と絶縁基板12との接合界面は下部電極66の母材よりも低密度となるためロウ材22b内のシリコン(Si)が侵入し易く偏析することとなる。
Further, as shown in FIG. 7, even when the insulating
In particular, since the bonding interface between the
このように、下部電極66と天板32とを接合する際に、下部電極66の外周端部および下部電極66と絶縁基板12との接合界面に、ロウ材22b内のシリコン(Si)が偏析することで、これらの部分の融点が低くなって再溶融し、下部電極66と絶縁基板12との接合端部が剥離する恐れがある。
これは、下部電極66と冷却フィン64・64・・・との接合部についても同様のことがいえる。
As described above, when the
The same can be said for the joints between the
そこで、本例のパワー半導体モジュールの冷却装置51においては、次のようにして、下部電極66と天板32との接合時に下部電極66へのシリコン(Si)の偏析の発生を抑え、下部電極66と絶縁基板12との接合端部に剥離が生じることを防止している。
Therefore, in the
つまり、図8に示すように、下部電極66と天板32とを接合する前に、絶縁基板12と下部電極66との接合端部、および下部電極66と冷却フィン64・64・・・との接合端部に、これらの接合端部がロウ材22bと接触することを防止する、接触防止材69を塗布するようにしている。
前記接触防止材69は、前記ロウ材22bを構成するアルミ合金(Al−Si等)と反応しない、ホウ素や酸化チタン等にて構成されている。
That is, as shown in FIG. 8, before joining the
The
このように、アルミ合金と反応しない材質で構成される接触防止材69を前記接合端部に予め塗布することで、ロウ材22bのロウ付け時に絶縁基板12と下部電極66との接合界面、および下部電極66と冷却フィン64・64・・・との接合界面に、溶融したロウ材22bが侵入して下部電極66等の中へ拡散して偏析することを防止することができる。
これにより、下部電極66と天板32との接合を行うときに、絶縁基板12と下部電極66との接合部が再溶融して剥離することを防止できる。
In this way, by previously applying the
Thereby, when joining the
また、前記接触防止材69を塗布することで、ロウ付けを行う際に接合部の酸化膜除去や再酸化防止を行うためのフラックスを下部電極66と天板32との接合部分に塗布したとしても、塗布したフラックスが絶縁基板12と下部電極66との接合界面、および下部電極66と冷却フィン64・64・・・との接合界面に浸入して、該接合界面へのロウ材22bの侵入を促進することもないので、絶縁基板12と下部電極66、および下部電極66と冷却フィン64・64・・・との接合作業を、接合部分にフラックスを塗布して行うことで、大気圧の窒素雰囲気にて行うことが可能となる。
このように大気圧中での接合作業を行うことで、真空炉内で接合作業を行う場合に比べて真空引きの時間やワークの加熱時間を短縮することができ(大気圧中で加熱すると対流伝熱効果により早く加熱できるため)、冷却装置51の生産性の向上を図ることができる。
Further, by applying the
By performing the joining work in the atmospheric pressure in this way, the time required for evacuation and the heating time of the workpiece can be shortened compared to the case where the joining work is performed in a vacuum furnace. Because the heat can be quickly heated due to the heat transfer effect), the productivity of the
1・51 パワー半導体モジュールの冷却装置
2・52 パワー半導体モジュール
3 冷却器
11 パワー半導体素子
13・63 上部電極
14・64 冷却フィン
14a・64a 垂直部
14b・64b 底部
14c・64c 頂部
22a・22b ロウ材
31 冷却器本体
32 天板
32b 嵌合凹部
33 ベント部
66 下部電極
69 接触防止材
1 · 51 Power semiconductor
Claims (2)
前記第一の電極板および第二の電極板と前記冷却器の天板とを同質部材にて構成するとともに、前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材を同質部材にて構成し、
前記第二の電極板の周縁部に、第二の電極板と天板とを接合する接合材が、少なくとも前記第二の電極板と絶縁基板との接合界面に接触することを防止するための接触防止材が塗布される、
ことを特徴とする半導体モジュールの冷却装置。 A semiconductor configured by joining the other surface side of a semiconductor module in which a semiconductor element is bonded to one surface side of an insulating substrate via a first electrode plate to the top plate of a cooler via a second electrode plate. Module cooling device,
The first electrode plate, the second electrode plate, and the top plate of the cooler are made of a homogeneous material, and a bonding material that joins the insulating substrate, the first electrode plate, and the second electrode plate And the joining material for joining the second electrode plate and the top plate is composed of a homogeneous material,
A bonding material for bonding the second electrode plate and the top plate to the peripheral edge of the second electrode plate is prevented from contacting at least the bonding interface between the second electrode plate and the insulating substrate. A contact prevention material is applied,
A cooling device for a semiconductor module.
前記絶縁基板と第一の電極板および第二の電極板とを接合する接合材ならびに前記第二の電極板と前記天板とを接合する接合材はアルミとシリコンまたはマグネシウムとの合金材にて構成され、
前記接触防止材はホウ素または酸化チタンにて構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュールの冷却装置。 The first electrode plate and the second electrode plate and the top plate of the cooler are made of aluminum,
The bonding material for bonding the insulating substrate, the first electrode plate and the second electrode plate, and the bonding material for bonding the second electrode plate and the top plate are made of an alloy material of aluminum and silicon or magnesium. Configured,
The contact preventing material is composed of boron or titanium oxide.
The cooling device for a semiconductor module according to claim 1.
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