JP4385358B2

JP4385358B2 - 回路基板の冷却構造

Info

Publication number: JP4385358B2
Application number: JP2000284717A
Authority: JP
Inventors: 浩二西村; 信行吉野; 好彦辻村; 正人西川; 昭二高倉
Original assignee: Toyota Motor Corp; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2002093975A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーモジュールの高出力化が進む中、小型軽量化モジュールにおいて、半導体素子等の電子部品から発生した熱をいかに効率よく速やかに系外に逃がすかが、重要課題の一つとなっている。
【０００３】
従来の冷却構造は、冷却水の通水された冷却板をモジュールに当接させる間接方式であったため（たとえば、特開平７−１５４０８２号公報参照）、接触面での熱抵抗が大きくなり、電子部品が良好に作動する温度までにモジュール温度を下げることができなかった。
【０００４】
このような問題を解決するには、セラミックス基板の下部をハウジングし、その中に水等の冷媒を流通させ、セラミックス裏面と直接接触できるような構造とすればよいが、この場合、ハウジングの形成を通常のゴム製Ｏリングによるパッキング法であっては、−５０℃〜２００℃近い温度変化を伴うモジュールの使用環境下において、そのシール部が劣化する恐れがあり、その耐久性改善に工夫が必要であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、シール性とその耐久性並びに放熱特性に優れた回路基板の冷却構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、セラミックス基板（３）の表面に回路（２）が設けられてなり、上記セラミックス基板の裏面が冷媒と直接流通接触できるようにハウジング（５）されている回路基板において、上記ハウジングは、セラミックス基板の裏面縁部に形成されたアルミニウム又はその合金からなる金属部分（６）に嵌合され、かつ圧接により取り付けられているものであることを特徴とする回路基板の冷却構造である。セラミックス基板（３）の裏面には、複数個の良熱伝導性突起物（４）が設けられていることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施態様の図面に基づいて更に詳しく説明する。
【０００８】
図１は、本発明の回路基板の冷却構造の一例を示す概略断面図、図２、図３、図４は、良熱伝導性突起物（４）の一例を示す斜視図、図５は比較例の回路基板の冷却構造の概略断面図である。図において、１は半導体、２は回路、３はセラミックス基板、４は良熱伝導性突起物、５はハウジング、６は金属部分、７はゴム製Ｏリングである。
【０００９】
セラミックス基板の表面に回路を形成させるには、種々の方法があるが、本発明においては、導電性ペーストを回路パターンに描いた後、乾燥・焼結する厚膜ペースト法、金属回路パターンをセラミックス基板に接合するパターン搭載法、金属板をセラミックス基板に接合した後、回路パターンをエッチングによって形成させるエッチング法等、を採用することができる（たとえば、国際公開ＷＯ９１／１６８０５公報参照）。
【００１０】
また、セラミックス基板の裏面縁部において、ハウジングを取り付けるための金属部分を形成させる方法もエッチング法によることが望ましい。すなわち、金属板をセラミックス基板の裏面に接合しておき、縁部を囲周するようにしてエッチングレジストを塗布し、エッチングを行って不要金属部分を除去する方法であることが望ましい。
【００１１】
また、セラミックス基板の裏面に良熱伝導性突起物（４）を形成させる方法についてもエッチング法を採用することが望ましい。突起物の形状は、図２に示したように、一連の溝を設けた角状物ないしは板状物、図３に示したような単なる角状物ないしは板状物である。本発明においては、図２に示したものにおいて、一連の溝のかわりに格子状（図４に示す）、リブ状、ジンプル状、窪み状等の凹凸を設けたものであってもよい。突起物ないしは凹凸の平面形状は、十字状、楕円状、円状、菱形状等とすることができ、また突起物ないしは凹凸の側面形状は、角柱、円柱等のように非斜面形状であってもよく、また円錐、角錐、円錐台、角錐台等のように斜面形状であってもよい。
【００１２】
回路、金属部分、良熱伝導性突起物、又はエッチングによって回路、金属部分、良熱伝導性突起物となる金属板と、セラミックス基板とを接合するには、硫化銅を用いる方法、セラミックス基板をメタライズしてから接合する方法、表面を酸化処理した窒化アルミニウム基板と銅板とを直接接触させ共晶を形成させるＤＢＣ法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報）、活性金属と呼ばれているチタン、ジルコニウム、ハフニウム等のＩＶ族元素金属を銅、銀、銀−銅合金等のろう材に含有させた接合材を用いる活性金属ろう付け法（例えば特開昭６０−１７７６３４号公報）等によって行うことができる。
【００１３】
本発明で使用されるセラミックス基板の材質としては、炭化ケイ素、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等をあげることができるが、中でも高出力モジュールの場合には、熱履歴に対する信頼性を十分にしておくため、熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が好適となる。熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ未満のセラミックス基板では、高出力モジュールになるほど、その温度管理が困難となる。セラミックス基板の厚みは、０．２〜３ｍｍが一般的である。このようなセラミックス基板は、市販品があるので、それを用いることができる。
【００１４】
一方、回路及び金属部分、良熱伝導性突起物の材質は、銅又はその合金、アルミニウム又はその合金が一般的であるが、これに限られるものではない。しかしながら金属部分は、ハウジングを取り付ける際にねじ止め等の圧接により変形してシール部を形成させることが望ましいので、比較的軟らかい材質のもの、例えばアルミニウム又はその合金であることが特に好ましい。良熱伝導性突起物を設ける場合、その熱伝導率はセラミックス基板のそれよりも１００Ｗ／ｍＫ以上大きいことがが好ましい。回路の厚みは、通常、セラミックス基板のそれよりも薄く設計される。また、金属部分、良熱伝導性突起物の厚みは回路の厚みと同程度でよい。
【００１５】
本発明の特徴は、回路基板の冷却構造にある。従来の放熱構造は、セラミックス基板の裏面に放熱板を貼り、それを半田付け等でヒートシンクに取り付けた構造であるか、セラミックス基板の裏面に板状の冷却管を当接し、その冷却管に通水する水冷式構造であった。
【００１６】
これに対し、本発明の冷却構造は、図１に示されるように、セラミックス基板（３）の裏面に、直接、冷却水等の冷媒と流通接触できるようにハウジングを設けてなるものであるが、その際、セラミックス基板の裏面縁部に形成された金属部分（６）を介してハウジング（５）されていることが特徴である。この場合において、良熱伝導性突起物（４）の一個又は複数個をハウジング内のセラミックス基板（３）の裏面に設けてもよい。また、図示してないが、ハウジングは小部屋に分割されていてもよい。
【００１７】
ハウジングの形成に際しては、図１に示されるように、金属部分とハウジングとの当接面を、例えば一連の凸状や平面円錐状のような突起部を設けた嵌合構造とし、これを更にねじ止め等（図示してなし）により圧接して行うことが好ましい。このようにすることによって、シール部は従来のゴム製Ｏリング等を使用する場合に比べ、締め込み時の圧力や使用環境下での温度変化により生じる応力に対して極めて安定であり、耐久性の優れたシール部が形成される。また、Ｏリング等の部品を使用しないために、部品点数の削減、生産性の良さから、モジュールの低コスト化にも有効である。
【００１８】
ハウジングの材質は、上記セラミックス、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属、各種プラスチックスのいずれであってもよく、またこれらの材料を適宜組み合わせた構造であってもよいが、金属部分を変形させてシール部を形成させるために金属部分の材質よりも硬い材質、特にステンレス、銅、硬質プラスチック等であることが好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２０】
実施例１〜４（実施例２は参考例）
市販窒化ケイ素基板（大きさ８０×５８ｍｍ角、厚さ１ｍｍ、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ）の表面中央部に金属回路（厚さ０．４ｍｍ）、また表面縁部に金属製せり出し部（厚み０．４ｍｍ、せり出し部分の長さ１０ｍｍ、縁部幅７ｍｍ）を、また窒化ケイ素基板の裏面縁部には金属部分（縁部幅７ｍｍ）と良熱伝導性突起物（突起高さ０．４ｍｍ、突起物の個数と形状は表１に示す）を、活性金属ろう付け法で窒化ケイ素基板に接合された金属板をエッチングすることによって形成した。ここで金属回路、せり出し部、金属部分、及び良熱伝導性突起物の材質は、実施例２は銅であるが、その他は全てアルミニウムである。また、活性金属ろう付け法は、銀−銅合金にジルコニウムを含有させた接合剤を用いた。
【００２１】
ついで、金属回路の上面に半導体（１３ｍｍ×１３ｍｍ）を半田付けし、ワイヤボンディングをした。その後、セラミックス基板の裏面には図１に示される嵌合構造（嵌合部分の深さ０．２ｍｍ）にしてステンレス製のハウジングをネジ止めした。なお、ネジ止めは、セラミックス基板の表面縁部のせり出し部（図示してなし）とハウジングに設けられたせり出し部分とにネジを渡らせ締め付けることによって行った。
【００２２】
比較例１
実施例１において、ハウジングの取付構造を金属部分（６）を介さないＯリング（太さ３．１ｍｍ、内径６４．４ｍｍのアクリルゴム製）構造とした。このとき、ハウジングのネジ止めは、取付具（８）とハウジングに設けられたせり出し部分とにネジを渡らせ締め付けることによって行った。取付具（８）は、ステンレス製であり、窒化ケイ素基板表面縁部の周囲に上記Ｏリングを介してネジ止めした。
【００２３】
上記で得られた各種回路基板の冷却構造のシール耐久性を評価するため、ヒートサイクル試験として、−５０℃で１５分保持した後、加熱により１５０℃で１５分保持することを１サイクルとして、合計１０００サイクルの加熱冷却試験を行い、その後、ハウジング内に６５℃の冷却水を流水して水漏れの有無を観察した。それらの結果を表２に示す。
【００２４】
また各冷却構造の放熱特性を評価するため、ハウジング内に６５℃の冷却水を流速１．０ｍ／ｓで通水し、半導体に通電（１６０Ｗ）して、半導体の表面温度と冷却水温度を熱電対により測定し、熱抵抗を算出した。それらの結果を表２に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
表２からわかるように、本発明の回路基板の冷却構造は、優れたシール部の耐久性及び放熱特性を有することが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた耐久性を有する回路基板の冷却構造が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路基板の冷却構造の一例を示す概略断面図。
【図２】本発明で用いられる良熱伝導性突起物の一例を示す斜視図。
【図３】本発明で用いられる良熱伝導性突起物の別の一例を示す斜視図。
【図４】本発明で用いられる良熱伝導性突起物の更に別の一例を示す斜視図。
【図５】比較例の回路基板の冷却構造の概略断面図。
【符号の説明】
１半導体
２回路
３セラミックス基板
４良熱伝導性突起物
５ハウジング
６金属部分
７Ｏリング
８取付具

Claims

セラミックス基板（３）の表面に回路（２）が設けられてなり、上記セラミックス基板の裏面が冷媒と直接流通接触できるようにハウジング（５）されている回路基板において、上記ハウジングは、セラミックス基板の裏面縁部に形成されたアルミニウム又はその合金からなる金属部分（６）に嵌合され、かつ圧接により取り付けられているものであることを特徴とする回路基板の冷却構造。
セラミックス基板（３）の裏面に、複数個の良熱伝導性突起物（４）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の回路基板の冷却構造。