JP3865179B2 - パワー電子回路装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー電子回路装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体チップが接合される電気絶縁性の絶縁基板を冷却基板にねじによる締結又は半田付けやろう付けで接合したパワー電子回路装置において、冷却基板の反絶縁基板側の面に冷却フィンを設けたものが知られている。
冷却フィンは、特開平３−２５９６２号公報に示されるように冷却基板自身にアルミなどの良熱伝導性の金属を素材として一体成形されるのが最も簡単である。
【０００３】
しかし、冷却基板としてアルミなどの良熱伝導性金属を用い、両基板を半田付けする場合には両基板間の熱膨張率差により両者間の半田寿命が減少するので、冷却基板に絶縁基板と熱膨張率がより近似するＡｌＳｉＣや銅モリブデンなどの複合基板を用いるようになってきている。
ただし、このような複合基板は加工上の問題などから平板とするのが一般的であるので、この複合基板の冷却のためにその反絶縁基板面に冷却フィンをあらかじめ溶接しておくことが提案されている。このような溶接による冷却基板と冷却フィンとの接合は、その後の両基板の接合により低温の半田付けを用いる場合、冷却基板と冷却フィンとの接合が熱的影響を受けないという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような冷却フィンの溶接は、溶接時の高温による冷却基板の熱変形や製造コストの面で実用上、問題が大きかった。
そこで、冷却フィンを冷却基板により低温の半田付けで接合することも考えられるが、この場合、その後に実施する両基板の半田付け時に冷却フィンと冷却基板とのあいだの半田付け部が再溶融し、冷却フィンが冷却基板からずれたり、剥離したりする可能性が生じるので、実用上、問題が大きかった。
【０００５】
また、冷却フィンと冷却基板とをねじなどで締結したり、接着したりすることは伝熱抵抗は大きく、実用上、問題が大きかった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、両基板間の接合寿命の低下、並びに、製造ぶどまりや製造コストの増大を抑止しつつ、優れた放熱性能を有するパワー電子回路装置及びその製造方法を提供することを、その課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、冷却基板はチップ接合用の絶縁基板、および、金属冷却フィンに、半田リフロー炉により同時にはんだ付けされる。
したがって、半田付け工程は一回で済み、かつ、この時、絶縁基板、冷却基板および冷却フィンをバインドしたりするなどしてそれらの相互相対移動規制のための作業も一回で済み、簡単な製造工程で優れた放熱性能を有するパワー電子回路装置を製造することができる。また、冷却基板と冷却フィンとが別体であるので冷却基板として絶縁基板との熱膨張率差が小さい素材を適宜選択することができ、両基板間の半田層の寿命を向上することができる。なお、この場合、冷却基板の熱膨張率が絶縁基板のそれに近づく分だけ冷却基板と冷却フィンとの間の熱膨張率差は増大し、両者間の半田付け寿命が問題となるが、絶縁基板と冷却基板との間の半田接合に比較して、冷却基板と冷却フィンとの間のそれにかかる温度差や熱ストレスは小さく、重大な問題となることはない。
【０００７】
また、この金属冷却フィンの半田付けは、従来用いられていた半導体チップと絶縁基板との、又は、絶縁基板と冷却基板との半田付けのためのリフロー工程をそのまま利用することができ、製造は容易である。
更に、本発明では、金属冷却フィンの熱容量を絶縁基板の熱容量より小さくする。このようにすれば、簡単にリフロー炉で冷却フィン側の半田の早期溶融を実現することができる。
好適な態様において、金属冷却フィン側の半田層の溶融を前記絶縁基板側の前記半田層の溶融と同時またはそれ以前に行う。
【０００８】
このようにすれば、この半田リフロー工程において、金属冷却フィンの半田付けのために絶縁基板や半導体チップをいたずらに長時間、高温に保持することがなく、それらの特性劣化を防止することができる。
【０００９】
好適な態様において、冷却基板は両面にニッケルメッキされている。
このようにすれば、冷却基板と絶縁基板および金属冷却フィンとの半田付け性が向上する。なお、このニッケルメッキは、はんだ融液槽への冷却基板の浸漬により一工程にて実施することができる。
【００１０】
【発明を実施するための態様】
以下、本発明の好適な態様を以下の実施例に基づいて説明する。
【００１１】
【実施例１】
本発明のパワー電子回路装置の製造方法の一実施例を図１〜図４を参照して以下に説明する。図１はその分解斜視図、図２はチップ側からみた斜視図、図３は冷却フィン側からみた斜視図、図４は製造工程を示すフロー図である。
このパワー電子回路装置は、冷却基板１、絶縁基板２ａ、２ｂ、電力用半導体チップ３ａ〜３ｈおよび冷却フィン４をその主要構成要素としている。
【００１２】
冷却基板１は、絶縁基板２ａ、２ｂと熱膨張率がより近似するＡｌＳｉＣや銅モリブデンなどを素材とする良熱伝導性の平板からなり、その全表面はあらかじめニッケルめっきされている。
絶縁基板２ａ、２ｂは、ＡｌＮなどからなる電気絶縁性の平板からなり、その表面に電力用半導体チップ３ａ〜３ｈが半田付けなどで接合されている。
【００１３】
電力用半導体チップ３ａ〜３ｈは、ＩＧＢＴやダイオードからなる。
冷却フィン４は、アルミ板にプレス加工により網目状スリットを形成し、その全表面はあらかじめニッケルめっきされている。５ａ、５ｂ、５ｃは半田シートである。
図４を参照してこの装置の製造工程を説明する。
【００１４】
まず、冷却フィン４を固定し、その上に半田シート５ｃ、冷却基板１、半田シート５ａ、５ｂ、絶縁基板２ａ、２ｂを順番に位置合わせして搭載し、それらの相互位置ずれを防ぐために金属テープなどでバインドする。なお、絶縁基板２ａ、２ｂ上には電力用半導体チップ３ａ〜３ｈがあらかじめ実装されている。
次にこのアセンブリを、半田リフロー炉に入れて半田シート５ａ、５ｂ、５ｃをリフローして冷却フィン４および絶縁基板２ａ、２ｂを冷却基板１に半田付けし、リフロー炉からとり出した製品を洗浄して完成させる。
【００１５】
なお、半田シート５ａ、５ｂ、５ｃは、クリーム半田、半田ペーストをたとえば印刷法などで塗布してもよい。
この実施例では、冷却フィン４側の半田シート５ｃは絶縁基板２ａ、２ｂ側の半田シート５ａ、５ｂと同時かまたはそれよりも早く溶融するようにする。これにより、絶縁基板２ａ、２ｂを冷却基板１に半田付けする従来の製造工程、製造装置をまったく変更することなく、冷却フィン４を冷却基板１に接合することが可能となる。たとえば、冷却フィン４の熱容量を絶縁基板２ａ、２ｂのそれと等しいか又はそれより小さく設定する。このようにすれば、リフロー炉内において、冷却フィン４側の半田シート５ｃは絶縁基板２ａ、２ｂ側の半田シート５ａ、５ｂと同時かまたはそれよりも早く溶融させることができる。冷却フィン４の熱伝導率は絶縁基板２ａ、２ｂのそれより大きく、かつ、冷却フィン４の表面積が絶縁基板２ａ、２ｂのそれよりも大きいので、冷却フィン４の熱容量は多少は絶縁基板２ａ、２ｂのそれよりも大きくても半田シート５ｃは半田シート５ａ、５ｂより早く溶融する。
【００１６】
（変形態様）
冷却フィン４はアルミプレス成形品を用いているが、銅や黄銅などでもよく、加工法も鋳造、切削、押し出し加工など種々の方法を採用できることはもちろんである。
冷却基板１も同じく銅や黄銅などを用いてもよい。
【００１７】
【実施例２】
他の実施例を図５、図６を参照して説明する。図５はこのパワー電子回路装置の側面図である。
この実施例は、冷却フィン４の構造を変更した点だけが実施例１と異なっている。
【００１８】
すなわち、この実施例では、冷却フィン４は３段に重ねられた部分冷却フィン４ａ、４ｂ、４ｃからなり、半田シート５ｃと同一形状の半田シート５ｄ、５ｅをこれら部分冷却フィン４ａ、４ｂ、４ｃの間に挟んで、リフロー炉に入れ、他の半田シート５ａ、５ｂ、５ｃと同一工程で溶融させたものである。
このようにすれば、一体品としては加工が困難な複雑な形状を有し、放熱効果に優れる冷却フィンをなんら工程増加なしに得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のパワー電子回路装置の分解斜視図である。
【図２】 図１のパワー電子回路装置のチップ側からみた斜視図である。
【図３】 図１に示すパワー電子回路装置の冷却フィン側からみた斜視図である。
【図４】 図１に示すパワー電子回路装置の製造工程を示すフロー図である。
【図５】 実施例２のパワー電子回路装置の分解斜視図である。
【図６】 図５に示すパワー電子回路装置の製造工程を示すフロー図である。
【符号の説明】
１は冷却基板、２ａ、２ｂは絶縁基板、３ａ〜３ｈは電力用半導体チップ、４は冷却フィン（金属冷却フィン）、５ａ〜５ｃは半田シート（半田層）

Claims (5)

1. 電力用半導体チップが表面に接合される電気絶縁性の絶縁基板と、前記絶縁基板の裏面に半田層を介して密着するとともに前記絶縁基板に近い熱膨張率を有する良熱伝導性の冷却基板と、前記冷却基板の反絶縁基板側の面に半田層を介して密着するとともに前記冷却基板より更に良熱伝導性の金属冷却フィンとを備えるパワー電子回路装置において、
   前記金属冷却フィンの熱容量は、前記絶縁基板の熱容量より小さいことを特徴とするパワー電子回路装置。
2. 請求項１記載のパワー電子回路装置において、
   前記冷却基板は、両面にニッケルメッキされていることを特徴とするパワー電子回路装置。
3. 電力用半導体チップが表面に接合される電気絶縁性の絶縁基板の裏面に半田層を介して前記絶縁基板に近い熱膨張率を有する良熱伝導性の冷却基板を密着させ、前記冷却基板の反絶縁基板側の面に半田層を介して前記冷却基板より更に良熱伝導性の金属冷却フィンを密着させ、前記絶縁基板、冷却基板および金属冷却フィンを同一の半田リフロー工程で接合するパワー電子回路装置の製造方法において、
   前記金属冷却フィンの熱容量を、前記絶縁基板の熱容量より小さくすることを特徴とするパワー電子回路装置の製造方法。
4. 請求項３記載のパワー電子回路装置の製造方法において、
   前記金属冷却フィン側の前記半田層の溶融を前記絶縁基板側の前記半田層の溶融と同時またはそれ以前に行うことを特徴とするパワー電子回路装置の製造方法。
5. 請求項３又は４記載のパワー電子回路装置の製造方法において、
   前記冷却基板は、両面にニッケルメッキされていることを特徴とするパワー電子回路装置の製造方法。

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