JP4626555B2 - Heat sink, power module member and power module - Google Patents
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Description
本発明は、被冷却体と接合されて、この被冷却体を冷却するヒートシンク並びにパワーモジュール用部材およびパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a heat sink, a power module member, and a power module that are joined to a cooled object and cool the cooled object.
この種のヒートシンクとして、例えば下記特許文献1に示されるような、その内部に表面に沿った方向に延びる冷却水路が形成され、この表面において冷却水路の直上に被冷却体が搭載される構成が知られている。これにより、被冷却体がヒートシンクの表面に接合された構造体を使用する過程において、冷却水路内に冷却液を流すことにより、この冷却液によって被冷却体の熱を回収するようになっている。
ところで、近年では、ヒートシンクに高い冷却能を具備させ、ヒートシンクと被冷却体との接合信頼性をさらに向上させることに対する要望がある。 By the way, in recent years, there is a demand for providing a heat sink with a high cooling capability and further improving the bonding reliability between the heat sink and the object to be cooled.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、高い冷却能を具備させ、被冷却体との接合信頼性を向上させることができるヒートシンク並びにパワーモジュール用部材およびパワーモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a heat sink, a power module member, and a power module that have high cooling ability and can improve the reliability of joining to an object to be cooled. With the goal.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンクは、冷却液供給手段に連通される供給水路が内部に形成された第1ヒートシンク本体と、この第1ヒートシンク本体の表面に設けられるとともに、第1ヒートシンク本体よりも曲げ剛性が小さい第2ヒートシンク本体とが備えられた二層構造とされ、第2ヒートシンク本体の内部には、第1、第2ヒートシンク本体が積層された方向と直交する方向に延在し、かつ前記積層された方向で前記供給水路に連通した冷却水路が形成され、第2ヒートシンク本体の表面において冷却水路の直上に位置する部分の一部が、被冷却体の接合される搭載部分とされ、この第2ヒートシンク本体の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分が前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されておらず、前記対応部分を除いた部分が前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されていることを特徴とする。
この発明では、被冷却体が、第1ヒートシンク本体よりも曲げ剛性が小さい第2ヒートシンク本体の表面に接合されるので、被冷却体が発熱した際、第2ヒートシンク本体の、被冷却体およびヒートシンクそれぞれの熱膨張係数の差に起因した曲げ変形を、拘束少なく発生させることが可能になり、これら被冷却体と第2ヒートシンク本体との間の接合部に発生する応力を抑えることができる。
しかも、このヒートシンクでは、第2ヒートシンク本体の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分が前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されておらず、前記対応部分を除いた部分が前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されているので、第2ヒートシンク本体のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分のみを前記のように拘束少なく曲げ変形させて、この他の部分では、第1ヒートシンク本体との接合によりこの曲げ変形を拘束することが可能になる。
以上より、曲げ剛性の小さい第2ヒートシンク本体を過度に変形させることなく、被冷却体とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。
さらに、第2ヒートシンク本体の冷却水路が、前記積層された方向で供給水路に連通しているので、供給水路から冷却水路に冷却液が流入したときに、まず、この冷却液を、冷却水路を画成する壁面のうち、第2ヒートシンク本体の表面側に位置する上面壁に衝突させ、この冷却液の流れを乱流にし、その後、この乱流の冷却液を冷却水路内を流通させて前記搭載部分の直下に到達させることが可能になる。したがって、ヒートシンクの被冷却体に対する冷却能を向上させることができる。
In order to solve such problems and achieve the above object, a heat sink according to the present invention includes a first heat sink body in which a supply water channel communicating with a coolant supply means is formed, and the first heat sink body. And a second heat sink body having a bending rigidity smaller than that of the first heat sink body, and the first and second heat sink bodies are laminated inside the second heat sink body. A cooling water channel that extends in a direction perpendicular to the formed direction and that communicates with the supply water channel in the stacked direction is formed, and a part of a portion of the surface of the second heat sink body that is located immediately above the cooling water channel is , is a mounting portion to be bonded of the object to be cooled, the corresponding portion is present the first heat sink is located immediately below the mounting portion in the rear surface of the second heat sink body Not joined to a surface of said excluding the portion corresponding portion, characterized in that it is bonded to the surface of the first heat sink body.
In the present invention, since the object to be cooled is joined to the surface of the second heat sink body having a bending rigidity smaller than that of the first heat sink body, when the object to be cooled generates heat, the object to be cooled and the heat sink of the second heat sink body. It becomes possible to generate bending deformation caused by the difference between the respective thermal expansion coefficients with little restraint, and it is possible to suppress the stress generated at the joint between the cooled body and the second heat sink body.
In addition, in this heat sink, the corresponding portion located immediately below the mounting portion on the back surface of the second heat sink body is not joined to the surface of the first heat sink body, and the portion excluding the corresponding portion is the first heat sink. Since the second heat sink body is bonded to the surface of the main body, only the portion where the mounting portion on the front surface and the corresponding portion on the back surface are located is bent and deformed with little restraint as described above, and this other portion. Then, it becomes possible to restrain this bending deformation by joining with the first heat sink body.
As described above, it is possible to improve the bonding reliability between the body to be cooled and the heat sink without excessively deforming the second heat sink body having low bending rigidity.
Furthermore, since the cooling water channel of the second heat sink body communicates with the supply water channel in the stacked direction, when the cooling liquid flows into the cooling water channel from the supply water channel, the cooling liquid is first passed through the cooling water channel. Of the wall surfaces to be defined, the upper surface wall located on the surface side of the second heat sink body is collided to make the flow of the cooling liquid turbulent, and then the turbulent cooling liquid is circulated in the cooling water channel to It becomes possible to reach directly below the mounting part. Therefore, it is possible to improve the cooling ability of the heat sink to the object to be cooled.
ここで、第2ヒートシンク本体の裏面のうち、この裏面に沿った方向において前記対応部分を挟んで互いに対向する部分がそれぞれ、前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されてもよい。
この場合、第2ヒートシンク本体のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分に対する曲げ変形の拘束を低減させつつ、この他の部分の曲げ変形を確実に拘束することが可能になる。
Here, of the back surface of the second heat sink body, portions facing each other across the corresponding portion in a direction along the back surface may be bonded to the surface of the first heat sink body.
In this case, it is possible to reliably restrain the bending deformation of the other part while reducing the bending deformation of the second heat sink main body on the part where the mounting part on the front surface and the corresponding part on the back surface are located. It becomes possible.
また、前記冷却水路は、前記積層された方向と直交する方向においてこの水路の延在する方向に直交する方向で複数に仕切られてもよい。
この場合、ヒートシンクの被冷却体に対する冷却能をさらに向上させることができる。
The cooling water channel may be partitioned into a plurality of directions in a direction orthogonal to the extending direction of the water channel in a direction orthogonal to the stacked direction.
In this case, the cooling ability of the heat sink with respect to the object to be cooled can be further improved.
また、本発明のパワーモジュール用部材は、被冷却体は、表面側に半導体チップが搭載されるパワーモジュール用基板とされ、このパワーモジュール用基板の裏面側が本発明のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とする。 In the power module member of the present invention, the object to be cooled is a power module substrate on which a semiconductor chip is mounted on the front surface side, and the back side of the power module substrate is bonded to the mounting portion of the heat sink of the present invention. It is characterized by being.
また、本発明のパワーモジュールは、被冷却体は、パワーモジュール用基板の表面側に半導体チップが搭載された構成とされ、このパワーモジュール用基板の裏面側が本発明のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とする。 In the power module of the present invention, the object to be cooled is configured such that a semiconductor chip is mounted on the front surface side of the power module substrate, and the back surface side of the power module substrate is bonded to the mounting portion of the heat sink of the present invention. It is characterized by being.
この発明によれば、高い冷却能を具備させ、被冷却体との接合信頼性を向上させることができる。 According to this invention, it is possible to provide a high cooling capacity and to improve the reliability of joining with the object to be cooled.
以下、本発明に係るヒートシンクの一実施形態について説明する。
このヒートシンク10は、その表面の後述する搭載部分に接合された被冷却体21の熱を、内部を流通する冷却液が回収するようになっている。図示の例では、被冷却体21は、セラミックス板22を有する絶縁回路基板23の表面側に半導体チップ24がはんだ付けされた構成とされている。絶縁回路基板23は、セラミックス板22の表面にろう付けされた回路板22aと、セラミックス板22の裏面にろう付けされた金属板22bとにより構成され、回路板22aの表面に半導体チップ24がはんだ付けされ、金属板22bの表面がヒートシンク10の表面にろう付けまたははんだ付けされて、パワーモジュールが構成されている。
Hereinafter, an embodiment of a heat sink according to the present invention will be described.
The
なお、本実施形態では、被冷却体21は、ヒートシンク10の表面に一方向D1に間隔をあけて複数連設されている。また、セラミックス板22は、例えばAlN若しくはSiN等により形成され、回路板22aおよび金属板22bは、例えば純度99%以上のアルミニウム合金若しくは純アルミニウムにより形成されている。さらに、セラミックス板22の厚さは約0.635mmとされ、回路板22aおよび金属板22bの各厚さは約0.4mmとされている。
In the present embodiment, a plurality of the objects to be cooled 21 are continuously provided on the surface of the
ヒートシンク10は、図示されない冷却液供給手段に連通される供給水路11が内部に形成された第1ヒートシンク本体12と、この第1ヒートシンク本体12の表面に設けられるとともに、第1ヒートシンク本体12よりも曲げ剛性が小さい第2ヒートシンク本体13とを備える二層構造とされている。
なお、第1ヒートシンク本体12の断面二次モーメントは、第2ヒートシンク本体13よりも大きく、例えば、第1ヒートシンク本体12では、2000mm4〜450000mm4とされ、第2ヒートシンク本体13では、60mm4〜2000mm4とされている。
The
Incidentally, the second moment of the first
供給水路11は、第1ヒートシンク本体12の内部に、被冷却体21が連設されている前記一方向D1に沿って延在している。さらに、本実施形態では、第1ヒートシンク本体12の内部に、第1、第2ヒートシンク本体12、13が積層された方向D3と直交する方向において前記一方向D1に直交する直交方向D2に供給水路11と間隔をあけて、この供給水路11と略平行に延在する排出水路14が形成されている。
そして、これらの供給水路11および排出水路14は、ヒートシンク10の平面視において、被冷却体21の搭載された位置を避けた位置に配置されて、被冷却体21を前記直交方向D2で挟み込むように配置されている。
The
The
第2ヒートシンク本体13は、前記直交方向D2に横長の平面視矩形状とされ、この直交方向D2の両端部がそれぞれ、供給水路11および排出水路14の直上に配置されるように、前記複数の被冷却体21それぞれの下面側に各別に設けられている。この第2ヒートシンク本体13の内部には、前記直交方向D2に延在し、かつ前記積層された方向D3で供給水路11および排出水路14にそれぞれ連通した冷却水路15が形成されている。
The second
本実施形態では、第1ヒートシンク本体12の表面において、供給水路11の直上に位置する部分には、供給水路11に開口する第1孔12aが、複数の被冷却体21が連設されている前記一方向D1における間隔と略等間隔に複数形成されるとともに、排出水路14の直上に位置する部分には、排出水路14に開口する第2孔12bが、第1孔12aが形成されている間隔と略等間隔で複数形成されている。さらに、第2ヒートシンク本体13の裏面において、前記直交方向D2の両端部にはそれぞれ、冷却水路15に開口する第3孔13aおよび第4孔13bが各別に形成されている。
In the present embodiment, on the surface of the first heat sink
これにより、供給水路11と冷却水路15とが、第1孔12aおよび第3孔13aを介して前記積層された方向D3で連通し、また、排出水路14と冷却水路15とが、第2孔12bおよび第4孔13bを介して前記積層された方向D3で連通している。
そして、第2ヒートシンク本体13の表面において冷却水路15の直上に位置する部分のうち、前記直交方向D2の中央部が被冷却体21が接合される搭載部分とされている。
Thereby, the
Of the portion of the surface of the second
ここで、本実施形態では、第2ヒートシンク本体13の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分を、この裏面に沿った方向で挟む互いに対向する部分が、第1ヒートシンク本体12の表面に接合されている。
図示の例では、前記直交方向D2に横長の平面視矩形状とされた第2ヒートシンク本体13の裏面のうち、この直交方向D2の両端部にそれぞれ形成された第3孔13aおよび第4孔13bの各開口周辺部が、第1ヒートシンク本体12の表面にろう付けされ、第2ヒートシンク本体13の裏面において、前記対応部分を含む第3孔13aおよび第4孔13bの各開口周辺部同士の間の部分は、第1ヒートシンク本体12の表面と非接合とされている。
Here, in the present embodiment, on the back surface of the second
In the example shown in the drawing, the
なお、このような第1、第2ヒートシンク12、13のろう付けは、内径が第1孔〜第4孔12a、12b、13a、13bの径よりも大きくされたリング状のろう材箔を、第1ヒートシンク本体12の表面と第2ヒートシンク本体13の裏面との間において、各第1孔〜第4孔12a、12b、13a、13bと同軸上に配置して挟み込んだ状態で加熱溶融させることによって実現することができる。
The brazing of the first and
さらに、本実施形態では、冷却水路15は、前記一方向D1、すなわち前記積層された方向D3に直交する方向においてこの水路15の延在する方向に直交する方向で複数に仕切られている。図示の例では、冷却水路15は、複数に仕切られた各水路が前記直交方向D2の全域にわたって同等の流路断面積とされた、いわゆる多穴管とされている。
Furthermore, in this embodiment, the
なお、第2ヒートシンク本体13は、例えば、純度が99%以上のアルミニウム合金若しくは純アルミニウムにより形成され、前記一方向D1の大きさが約50mm、前記直交方向D2の大きさが約100mm、前記各水路の仕切り間隔が1.5mm〜2.5mm、総厚が5mm以下、前記表面側の天板および前記裏面側の底板の各肉厚が0.3mm〜0.5mm、前記各水路を仕切る仕切り壁13cの厚さが1mm以下とされている。
また、第1ヒートシンク本体12は、例えば、純度が99%以上のアルミニウム合金若しくは純アルミニウムにより形成されている。
The second
The first
以上説明したように、本実施形態に係るヒートシンク10によれば、被冷却体21が、第1ヒートシンク本体12よりも曲げ剛性が小さい第2ヒートシンク本体13の表面に接合されるので、被冷却体21が発熱した際、第2ヒートシンク本体13の、被冷却体21およびヒートシンク10それぞれの熱膨張係数の差に起因した曲げ変形を拘束少なく生じさせることが可能になり、これら被冷却体21と第2ヒートシンク本体13との間の接合部に発生する応力を抑えることができる。
As described above, according to the
しかも、このヒートシンク10では、第2ヒートシンク本体13の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分を除いた部分が、第1ヒートシンク本体12の表面に接合されているので、第2ヒートシンク本体13のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分のみを前記のように拘束少なく曲げ変形させ、この他の部分では、第1ヒートシンク本体12との接合によりこの曲げ変形を拘束することが可能になる。
以上より、曲げ剛性の小さい第2ヒートシンク本体13を過度に変形させることなく、被冷却体21とヒートシンク10との接合信頼性を向上させることができる。
In addition, in this
From the above, it is possible to improve the bonding reliability between the
さらに、第2ヒートシンク本体13の冷却水路15が、両ヒートシンク本体12、13が積層された方向D3で供給水路11と連通しているので、供給水路11から冷却水路15に冷却液が流入したときに、まず、この冷却液を、冷却水路15を画成する壁面のうち、第2ヒートシンク本体13の表面側に位置する上面壁に衝突させ、この冷却液の流れを乱流にし、その後、この乱流の冷却液を冷却水路15内を流通させて前記搭載部分の直下に到達させることが可能になる。したがって、ヒートシンク10の被冷却体21に対する冷却能を向上させることができる。
Furthermore, since the cooling
特に本実施形態では、第2ヒートシンク本体13の裏面において、この裏面に沿った方向で前記対応部分を挟んだ互いに対向する部分、すなわち、第2ヒートシンク本体13の裏面のうち、前記直交方向D2の両端部にそれぞれ形成された第3孔13aおよび第4孔13bの各開口周辺部に限定して、第1ヒートシンク本体12の表面にろう付けされているので、第2ヒートシンク本体13のうち、その表面の前記搭載部分および裏面の前記対応部分が位置する部分に対する曲げ変形の拘束を低減させつつ、この他の部分の曲げ変形を確実に拘束することが可能になる。
In particular, in the present embodiment, the back surface of the second
また、冷却水路15は前記一方向D1で複数に仕切られているので、ヒートシンク10による被冷却体21の冷却能をさらに向上させることができる。
In addition, since the cooling
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
前記実施形態では、冷却水路15として、いわゆる多穴管を示したが、これに代えて、例えば、前記のような仕切り壁13cを有さず仕切られていない広幅の流路とされた冷却水路15を採用してもよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
In the above-described embodiment, a so-called multi-hole pipe is shown as the cooling
また、複数のコルゲートフィンを冷却水路15の幅方向に連設して、この水路15の流路をその幅方向で仕切るようにしてもよい。
さらに、第2ヒートシンク本体13の裏面のうち、前記対応部分を除いた部分の全域を第1ヒートシンク本体12の表面にろう付けするようにしてもよい。
さらにまた、前記実施形態では、第1ヒートシンク本体12の表面側に複数の被冷却体21が設けられた構成を示したが、これに代えて、例えば1つの被冷却体21が設けられた構成においても適用可能である。
Further, a plurality of corrugated fins may be provided continuously in the width direction of the cooling
Furthermore, you may make it braze the whole surface of the part except the said corresponding part among the back surfaces of the 2nd heat sink
Furthermore, in the above-described embodiment, the configuration in which the plurality of objects to be cooled 21 are provided on the surface side of the first heat sink
高い冷却能を具備させ、被冷却体との接合信頼性を向上させる。 High cooling ability is provided to improve the reliability of joining with the object to be cooled.
10 ヒートシンク
11 供給水路
12 第1ヒートシンク本体
13 第2ヒートシンク本体
15 冷却水路
21 被冷却体
23 パワーモジュール用基板
24 半導体チップ
D3 積層された方向
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第2ヒートシンク本体の内部には、第1、第2ヒートシンク本体が積層された方向と直交する方向に延在し、かつ前記積層された方向で前記供給水路に連通した冷却水路が形成され、
第2ヒートシンク本体の表面において冷却水路の直上に位置する部分の一部が、被冷却体の接合される搭載部分とされ、
この第2ヒートシンク本体の裏面において前記搭載部分の直下に位置する対応部分が前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されておらず、前記対応部分を除いた部分が前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されていることを特徴とするヒートシンク。 A first heat sink body in which a supply water channel communicating with the coolant supply means is formed, and a second heat sink body provided on the surface of the first heat sink body and having a lower bending rigidity than the first heat sink body. With a two-layer structure,
Inside the second heat sink body, there is formed a cooling water channel extending in a direction perpendicular to the direction in which the first and second heat sink bodies are laminated and communicating with the supply water channel in the laminated direction,
A part of the portion located immediately above the cooling water channel on the surface of the second heat sink main body is a mounting portion to which the object to be cooled is joined,
The corresponding portion located immediately below the mounting portion on the back surface of the second heat sink body is not bonded to the surface of the first heat sink body, and the portion excluding the corresponding portion is bonded to the surface of the first heat sink body. Heat sink characterized by being.
第2ヒートシンク本体の裏面のうち、この裏面に沿った方向において前記対応部分を挟んで互いに対向する部分がそれぞれ、前記第1ヒートシンク本体の表面に接合されていることを特徴とするヒートシンク。 The heat sink according to claim 1.
Of the back surface of the second heat sink body, a portion facing each other across the corresponding portion in the direction along the back surface is joined to the surface of the first heat sink body.
前記冷却水路は、前記積層された方向と直交する方向においてこの水路の延在する方向に直交する方向で複数に仕切られていることを特徴とするヒートシンク。 The heat sink according to claim 1 or 2,
The heat sink, wherein the cooling water channel is partitioned into a plurality of directions in a direction orthogonal to the direction in which the water channels extend in a direction orthogonal to the stacked direction.
このパワーモジュール用基板の裏面側が請求項1から3のいずれかに記載のヒートシンクの前記搭載部分に接合されていることを特徴とするパワーモジュール用部材。 The object to be cooled is a power module substrate on which a semiconductor chip is mounted on the surface side,
A power module member, wherein the back side of the power module substrate is joined to the mounting portion of the heat sink according to any one of claims 1 to 3.
The said to-be-cooled body is set as the structure by which the semiconductor chip was mounted in the surface side of the board | substrate for power modules, and the back surface side of this board | substrate for power modules is joined to the said mounting part of the heat sink in any one of Claim 1 to 3 Power module characterized by being.
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