JP2014072244A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パワーモジュール用基板10の回路層12とは反対の面側に接合されたヒートシンク30を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板10Bであって、ヒートシンク30内に、そのヒートシンク30の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状の低熱膨張材31を複数ヒートシンク30の長手方向に沿って組み込んだ構成とされ、低熱膨張材31は、ヒートシンク30の幅方向wに間隔をおいて配置され、その低熱膨張材31の長手方向の両端面31cは、パワーモジュール用基板10との接合面の両端11aを含む位置でのヒートシンクの断面31dと同一又はそれよりも外方に突出して設けられる。
【選択図】 図1
Description
そこで、特許文献1では、パワーモジュール用基板の反り量を緩和するため、回路層と金属層との間に、両面にセラミックス板を設けた肉厚の熱拡散板を積層することにより、金属層を肉厚に形成した場合と同様の緩衝機能を持たせて、反り量を緩和することが提案されている。また、この特許文献1には、熱拡散板に冷却路を設けたり、熱拡散板と金属層との間に配置されるセラミックス板を熱拡散板と金属層とで完全に覆うように形成したりすることで、セラミックス基板に生じる反り量を低減して取り扱い性を向上させることが開示されている。
ところで、この低熱膨張材には、熱膨張係数が低いセラミックス等を用いることが考えられ、セラミックスは、ヒートシンクに使用されるアルミニウム等の金属に比べて熱伝導率が低いことから放熱性能の低下が懸念される。しかし、低熱伝導率の低熱膨張材を使用した場合にも、低熱膨張材を棒状にして複数に分けて配置することで、各低熱膨張材を熱伝導性の高い金属の間に組み込むことができ、そのヒートシンクの厚み方向に繋がる金属部分によって良好な放熱性能を確保することができる。
したがって、反りの発生を抑制できるとともに、良好な放熱性能を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成することができる。
この場合、低熱膨張材が、反りが発生し易いヒートシンクの長手方向に対して、曲げ剛性が高くなるように配置されることになるので、同じ低熱膨張材を、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの幅方向とほぼ平行になるように配置した場合と比べて、反りに対する抵抗力を高めることができる。
また、低熱膨張材を、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの厚み方向とほぼ平行になるように配置することで、各低熱膨張材の間に配置される金属部分の面積をより多く確保することができることから、低熱膨張材を、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの幅方向とほぼ平行に配置した場合に比べて、放熱性能を良好に確保することができる。
反りを抑制するためには、低熱膨張材の上下左右の全面で接合された状態として接合面を広く確保することが最も好ましい。また、ヒートシンクの反りは、そのヒートシンクの厚み方向と同一の方向に生じることから、少なくとも低熱膨張材の厚み方向の両端面でヒートシンクの金属部分と接合する構成とすることで、低熱膨張材の剛性を良好に発揮させることができ、反りを好適に抑制することができる。
図1に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板10Aは、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10に接合されたヒートシンク30とから構成されている。
また、回路層12は、厚さ0.2mm〜2.5mmの純アルミニウム板(好ましくは純度99.99質量%以上の4N‐Al板)からなる。パワーモジュール100においては、エッチング等により所定の回路パターン状に成形された回路層12の上に電子部品20がはんだ材等によって接合されている。なお、回路層12には、純アルミニウム板の他、アルミニウム合金板、銅又は銅合金板を用いることもできる。
ヒートシンク30は、回路層12よりも厚く、厚さ3mm〜15mmの純アルミニウム板(好ましくは純度99.0質量%以上のAl板)からなり、図1及び図2に示すように、平板状に形成されている。また、ヒートシンク30の内部には、ヒートシンク30の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状に形成された低熱膨張材31が、複数ヒートシンク30の長手方向L(図1では紙面前後方向)に沿って組み込まれている。そのため、ヒートシンク30の長手方向Lと低熱膨張材31の長手方向とは同一方向となる。低熱膨張材31は、例えば、アルミニウムや銅よりも熱膨張係数が低く、剛性が高いセラミックス等(例えば、AlN)の部材を使用することができ、その長手方向と直交する断面は、例えば長辺H:2mm×短辺W:1mmであり、長辺Hはヒートシンク30の厚さの30%〜70%とされる。
また、セラミックス基板11とヒートシンク30との接合面における低熱膨張材31の長手方向と同方向の両端11aを含んだ位置でのヒートシンク30の断面を31dとした場合、低熱膨張材31の長手方向の両端面31cは、ヒートシンク30の断面31dと同一又はそれよりも外方に突出して設けられている。
なお、図1及び図2に示す本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板10Aでは、低熱膨張材31の長手方向の両端面31cは、ヒートシンク30の両端面とほぼ同一に設けられており、セラミックス基板11はヒートシンク30より小さな平面積で形成されていることから、ヒートシンク30の断面31dよりも外方に突出して設けられている。
ヒートシンク30と低熱膨張材31とをろう付けにより接合する場合には、例えば、図3(a)に示すように、ヒートシンク30の母材となる金属部分32を、ヒートシンク30の長手方向に沿って相互に平行な凸条部33aを有する基台33と、その基台33の上面部を覆う蓋部34とに分割して形成しておく。
次に、図3(b)に示すように、基台33の凸条部33aの間に形成された凹部33bに、ろう材(図示略)を介して低熱膨張材31を嵌め込み、さらにその上からろう材(図示略)を介して平板状の蓋部34を被せた状態でろう材を溶融させる。これにより、基台33及び蓋部34と低熱膨張材31とをろう付け接合することができる。なお、凸条部33aを有する基台33は、例えば押出成形により形成することができる。
そして、このようにして形成されたヒートシンク30の蓋部34の上に、破線で示すセラミックス基板11及び二点鎖線で示す回路層12を接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板10Aが製造される。この図3(b)に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板10Aにおいて、低熱膨張材31の長手方向の両端面31cは、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との接合面における低熱膨張材の長手方向と同方向の両端11aを含む位置でのヒートシンクの断面31dよりも外方に突出して設けられている。
まず、ヒートシンク30の基台33、低熱膨張材31、蓋部34をそれぞれろう材箔を介して重ねた状態としておく。そして、回路層12を、ろう材箔を介在させてセラミックス基板11の一方の面に積層するとともに、そのセラミックス基板11の他方の面に、基台33、低熱膨張材31、蓋部34を重ねたものをろう材箔を介在させて積層することにより、基板積層体40を形成する。
この基板積層体40を、カーボングラファイト層からなる板状のクッションシート50との間に挟んだ状態とし、複数の基板積層体40を、図4に示すような加圧治具110によって積層方向に0.34MPa〜0.54MPa(3.5kgf/cm2〜5.5kgf/cm2)で加圧した状態とする。
また、低熱膨張材31を棒状にして複数に分けて配置しているので、ヒートシンク30の母材部分の金属と比べて熱伝導率の低い低熱膨張材31を使用しても、各低熱膨張材31を熱伝導性の高い金属の間に組み込むことができ、図1に破線矢印で示すように、そのヒートシンク30の厚み方向に繋がる金属部分によって良好な放熱性能を確保することができる。
したがって、反りの発生を抑制できるとともに、良好な放熱性能を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成することができる。
さらに、低熱膨張材31を、その長手方向Lと直交する断面における長辺Hがヒートシンク30の厚み方向hとほぼ平行になるように配置することで、各低熱膨張材31の間に配置される金属部分の面積をより多く確保することができることから、低熱膨張材31を、その長手方向と直交する断面における長辺Hが、ヒートシンク30の幅方向wとほぼ平行になるように配置した場合に比べて、放熱性能を良好に確保することができる。
なお、低熱膨張材31の長辺Hの配置は、ヒートシンク30の厚み方向hとほぼ平行であればよく、ヒートシンク30の厚み方向と厳密な平行でなくてもよい。その配置の多少の傾きは、ヒートシンク30の放熱性能を阻害しない範囲内で許容される。
また、金属層13とヒートシンク30との間に、例えば、熱をヒートシンク30の幅方向wに拡散させるための放熱板や、熱応力を緩和するための緩衝層を設けてもよい。
例えば、上記実施形態では、低熱膨張材31としてAlNを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートシンク30を構成する金属部分32の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するものであればよく、AlSiC、アルミナや窒化珪素等を用いることもできる。
10A,10B ヒートシンク付パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
11a 両端
12 回路層
13 金属層
20 電子部品
30 ヒートシンク
31 低熱膨張材
31a 上面
31b 下面
31c 両端面
31d 断面
32 金属部分
33 基台
33a 凸条部
33b 凹部
34 蓋部
40 基板積層体
50 クッションシート
100 パワーモジュール
110 加圧治具
111 ベース板
112 ガイドポスト
113 固定板
114 押圧板
115 付勢手段
Claims (3)
- セラミックス基板の一方の面に回路層が積層されてなるパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記回路層とは反対の面側に接合されたヒートシンクとを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンク内に、該ヒートシンクの熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状の低熱膨張材を複数前記ヒートシンクの長手方向に沿って組み込んだ構成とされ、該低熱膨張材は、前記ヒートシンクの幅方向に間隔をおいて配置され、前記低熱膨張材の長手方向の両端面は、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの接合面における前記低熱膨張材の長手方向と同方向の両端を含む位置でのヒートシンクの断面と同一又はそれよりも外方に突出して設けられていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記低熱膨張材は、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの厚み方向とほぼ平行に配置されていることを特徴とする請求項1記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記低熱膨張材は、少なくとも前記ヒートシンクの厚み方向の両端面で前記ヒートシンクの金属部分と接合されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
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JP2004153075A (ja) * | 2002-10-31 | 2004-05-27 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
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