JP4968150B2

JP4968150B2 - 半導体素子冷却装置

Info

Publication number: JP4968150B2
Application number: JP2008099430A
Authority: JP
Inventors: 克之梶浦
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-04-07
Also published as: JP2009253034A

Description

本発明は、半導体素子冷却装置に係り、詳しくは半導体パワー素子や整流ダイオード等のように駆動に伴って発熱する半導体素子を冷却するための半導体素子冷却装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車両における走行用モータの制御や各種電気部品の制御等、大電圧、大電流を制御する半導体装置においては、駆動に伴って発熱する半導体パワー素子やダイオード等の冷却に、冷媒を循環させて冷却を行う冷媒循環型の冷却装置が必要になる。また、半導体パワー素子が実装される基板としては、放熱性に優れるセラミック製の絶縁板の両面に回路層と金属層とが形成された絶縁基板が多く用いられている。この種の絶縁基板を冷媒循環型の冷却装置にロウ付けする等して直接接合するような構成では、絶縁基板にかかる熱応力による負荷が大きくなる。このため、絶縁基板にかかる熱応力による負荷を抑制するパワーモジュール用基板が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に開示されたパワーモジュール用基板は、図６に示すように、放熱板６１と緩衝層６２と金属層６３と絶縁基板６４と回路層６５とがこの順で積層接着され、放熱板６１、金属層６３及び回路層６５はＡｌで構成されている。回路層６５には半田層６６を介して半導体チップ６７が搭載される所定のパターンが形成され、緩衝層６２は絶縁基板６４の熱膨張係数と放熱板６１の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成されている。放熱板６１は、冷却水が通過する冷却水通路６８ａが形成された水冷シンク部６８にねじ６９により締め付け固定されている。
特開２００５−３２８０８７号公報

ところが、絶縁基板６４として好ましい窒化アルミ板は、高価であり、また、熱膨張率が両側に形成される金属層６３及び回路層６５や当該パワーモジュール用基板が搭載される水冷シンク部６８と大きく異なるため熱応力を緩和するための応力緩和構造（例えば、緩衝層６２）が必須となり、基板の構造が複雑になる。また、回路層６５のパターニングは厚膜印刷技術を使用したエッチングで行うため、細かいパターニングが難しい。また、回路層６５の一部をグランドと接続したい場合、回路層６５がセラミック製の絶縁基板６４上に設けられているため、スルーホールを利用してグランドをとることができないという問題もある。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、応力緩和構造を必要とせず、しかもスルーホールを用いてグランドをとることができる半導体素子冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、内部に冷媒流路が形成された金属製の冷却器と、前記冷却器の表面に半田付け用の第１表面処理層を介して半田付けされた金属ベース基板とを備え、前記金属ベース基板は、金属製のベースと、冷却器との半田付け面に設けられた半田付け用の第２表面処理層と、前記半田付け面と反対側の面に絶縁樹脂層を介してパターニングされた半導体素子搭載用の回路層と、を備えている。また、前記金属ベース基板は、前記半導体素子搭載用の回路層の周囲に形成され、且つ、前記絶縁樹脂層に設けられたスルーホールを介して前記金属製のベースに接続された金属配線からなる放熱用パターンを備えている。

この発明では、セラミック製の絶縁板を用いないため、セラミック基板に加わる熱応力を緩和する応力緩和構造を設ける必要がない。即ち、半導体素子搭載基板の構成を簡単にすることができる。また、半導体素子搭載用の回路層はセラミック基板上ではなく絶縁樹脂層上に形成される構成のため、絶縁樹脂層を貫通して回路層と金属ベースとを電気的に接続するスルーホールを用いてグランドをとることができる。また、半導体素子からの発熱を、絶縁樹脂層を介して金属製のベースに伝導させることに加えて、半導体素子搭載用の金属配線層と同一平面状に設けられた金属配線からなる放熱パターンを介して金属製のベースに伝導させることができる。即ち、冷却器に半田接合された金属製のベースへの熱伝導経路が多くなるため冷却効率が高くなる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記金属製の冷却器と前記金属製のベースとは同じ材料で形成されている。したがって、この発明では、基板と冷却器との線膨張係数の差に起因する応力の影響を配慮する必要がなくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、金属ベース基板は、前記回路層の一部が前記絶縁樹脂層に設けられたスルーホールを介して前記金属製のベースと電気的に接続されたグランドパターンを備えている。したがって、この発明では、セラミック製の絶縁基板を有する場合と異なり、グランドを取る位置の自由度が高くなる。

本発明によれば、応力緩和構造を必要とせず、しかもスルーホールを用いてグランドをとることができる半導体素子冷却装置を提供することができる。

以下、本発明を車両用走行モータの制御に使用される半導体装置であるインバータ装置の冷却に使用される冷却装置に具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。

図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、半導体素子冷却装置１０は、冷却器１１と、冷却器１１の表面に形成された半田付け用の第１表面処理層１１ａ上に半田付けされた金属ベース基板２０とを備えている。

冷却器１１は、平面視略楕円形状をなし、２つの外殻プレート１２，１３が外周縁部においてロウ付けされて接合されるとともに、この接合部の内周側は冷媒が通過する中空断面形状に形成されている。両外殻プレート１２，１３の間に波板状のインナーフィン１４がロウ付けされている。インナーフィン１４は、冷媒流路１４ａが冷却器１１の長手方向に延びるように形成されている。外殻プレート１２，１３及びインナーフィン１４はアルミニウム系金属で形成されている。アルミニウム系金属とはアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。

冷却器１１には冷媒が供給あるいは排出されるパイプ１５ａ，１５ｂが連結されている。図２（ａ）に示すように、外殻プレート１２には連通孔１６ａ，１６ｂが形成されるとともに、連通孔１６ａと連通するようにパイプ１５ａが連結され、連通孔１６ｂと連通するようにパイプ１５ｂが連結されている。そして、パイプ１５ａから冷媒が連通孔１６ａを介して冷却器１１内に送られ、連通孔１６ｂを介してパイプ１５ｂから排出される。

図１（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、金属ベース基板２０は、冷却器１１の表面に半田付け用の第１表面処理層１１ａを介して半田付けされた金属ベース２２と、金属ベース２２上に形成された絶縁樹脂層２３と、絶縁樹脂層２３上に形成され回路層２４と、を備えている。そして、図１（ａ），（ｃ）に示すように、回路層２４上に半導体素子としてのＩＧＢＴ２５及びダイオード２６が半田付けされている。ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６は６個ずつ設けられている。

詳述すると、図１（ｃ）に示すように、冷却器１１は半田付けを行うための表面処理がなされており、冷却器１１の外殻プレート１２の表面には第１表面処理層１１ａが設けられている。また、金属ベース基板２０は、一方の面が半田付け面とされた、金属ベース２２と、該金属ベース２２の半田付け面と反対側の面に絶縁樹脂層２３を介して形成された金属配線からなる回路層２４とを備えており、その全体に半田付けを行うための表面処理がなされている。従って、金属ベース２２の半田付け面及び回路層２４の表面上には第２表面処理層２１が形成される。そして、上記の冷却器１１の外殻プレート１２と金属ベース基板２０とは半田付けされることから、外殻プレート１２の上には、第１表面処理層１１ａ、半田層２７ａ、第２表面処理層２１、金属ベース２２が順に配置される。ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６は、回路層２４上の第２表面処理層２１上に形成された半田層２７ｂを介して回路層２４に電気的に接続されている。回路層２４は、１組のＩＧＢＴ２５及びダイオード２６が実装される領域相互が電気的に絶縁された状態で形成されている。ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６の半田付けに使用される半田、即ち半田層２７ｂを構成する半田には、金属ベース２２の半田付けに使用される半田、即ち半田層２７ａを構成する半田より溶融温度が低い半田が使用されている。なお、図示の都合上、図によって各層の厚みの比率は統一されていない。

また、図２（ｃ）に示すように、回路層２４の一部はスルーホール２８を介して金属ベース２２と接続され、金属ベース２２を介してグランド（例えば、車体）に電気的に接続可能に形成されている。即ち、金属ベース基板２０はグランドパターンを備える。

金属ベース２２は冷却器１１と同じ材料であるアルミニウム系金属で形成されている。また、金属配線からなる回路層２４は銅で形成されている。半田付け用の第２表面処理層２１はニッケルメッキ層で形成されている。絶縁樹脂層２３には良熱伝導性の樹脂が用いられ、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。

この実施形態では、ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６は、ベアチップ実装方式により金属ベース基板２０上に実装される。図１（ａ）に示すように、金属ベース基板２０にＩＧＢＴ２５及びダイオード２６が半田付けされた後には、図３に示すように、金属ベース基板２０上にコネクタ３０が配置される。コネクタ３０においては樹脂ケース３１に電力端子３２と信号端子３３が設けられている。そして、電力端子３２と信号端子３３はＩＧＢＴ２５およびダイオード２６とワイヤボンディングにより電気的に接続される。なお、コネクタ３０は、図３において、コネクタ３０の樹脂ケース３１に設けられた突起３４が、外殻プレート１２の透孔１７、外殻プレート１３の透孔１８に嵌め込まれて位置決めされる。なお、図３の分解斜視図では、外殻プレート１２の外表面に形成される第１表面処理層１１ａを、外殻プレート１２から離れた状態で示している。

半導体素子冷却装置１０を製造する場合、まず、冷却器１１に金属ベース基板２０を半田付けする。その際、冷却器１１及び金属ベース基板２０全体が半田の溶融温度以上まで加熱された後、冷却される。金属ベース基板２０ではなくセラミック基板を用いた場合は、セラミック基板の熱膨張率と冷却器１１の熱膨張率との差が大きいため、セラミック基板に過大な応力が作用する。この応力によるセラミック基板の破損を防止するため、従来は、特許文献１のように応力緩和構造が必要であった。

しかし、この実施形態の半導体素子冷却装置１０は、セラミック基板ではなく、金属ベース基板２０が冷却器１１に半田付けされるため、金属ベース基板２０の熱膨張率と冷却器１１の熱膨張率との差は小さく、金属ベース基板２０に過大な応力が作用することはなく、応力緩和構造を設ける必要がない。

また、半導体素子冷却装置１０の金属ベース基板２０上にＩＧＢＴ２５やダイオード２６等の半導体パワー素子を半田付けする場合も、半導体素子冷却装置１０及びＩＧＢＴ２５やダイオード２６は半田の溶融温度以上に加熱された後、室温まで冷却される。この場合も前記と同様に、金属ベース基板２０に過大な熱応力が加わることはない。また、金属ベース基板２０と冷却器１１とを接合する半田層２７ａに過大な応力が加わらず、応力緩和構造を設けなくても支障がない。

次に、半導体素子冷却装置の作用について説明する。
半導体素子冷却装置１０は、例えば、車両に搭載されるとともに、冷却媒体循環路に対してパイプ１５ａ，１５ｂにおいて連結されて使用される。冷却媒体循環路は途中で分岐されるとともに、上流側がパイプ１５ａに連結され、下流側がパイプ１５ｂに連結され、冷却媒体循環路を流れる冷媒の一部が、半導体素子冷却装置１０のパイプ１５ａから冷媒流路１４ａに導入されるとともにパイプ１５ｂから排出される。冷却媒体（冷媒）として、例えば、水や不凍液の混合された水あるいはアルコール等が使用される。

金属ベース基板２０に搭載された半導体パワー素子、即ちＩＧＢＴ２５及びダイオード２６が駆動されると、ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６から熱が発生する。ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６から発生した熱は、金属ベース基板２０介して冷却器１１の外殻プレート１２に伝導される。外殻プレート１２に伝導された熱は、冷媒流路１４ａを流れる冷媒との間で直接熱交換されたり、あるいはインナーフィン１４に伝導された後、冷媒流路１４ａを流れる冷媒との間で熱交換されたりする。そして、冷媒流路１４ａを流れる冷媒によって持ち去られる。

したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）内部に冷媒流路１４ａが形成された金属製の冷却器１１と、冷却器１１の表面に半田付け用の第１表面処理層１１ａ及び第２表面処理層２１を介して半田付けされた金属ベース基板２０とを備えている。金属ベース基板２０は、金属製のベースとしての金属ベース２２と、冷却器１１との半田付け面に設けられた半田付け用の第２表面処理層２１と、半田付け面と反対側の面に絶縁樹脂層２３を介してパターニングされた半導体素子搭載用の回路層２４と、を備えている。したがって、半導体素子が半田付けされるセラミック製の絶縁板（セラミック基板）を有さないため、セラミック基板に加わる熱応力を緩和する応力緩和構造を設ける必要がない。即ち、半導体素子搭載基板の構成を簡単にすることができる。また、半導体素子搭載用の回路層２４はセラミック基板上ではなく絶縁樹脂層２３上に形成される構成のため、絶縁樹脂層２３を貫通して回路層２４と金属ベース２２とを電気的に接続するスルーホール２８を用いてグランドをとることができ、ノイズ性能が良くなる。

（２）冷却器１１と金属ベース２２とは同じ材料で形成されている。したがって、金属ベース基板２０と冷却器１１との線膨張係数の差に起因する応力の影響を配慮する必要がない。

（３）回路層２４の一部はスルーホール２８を介して金属ベース２２と接続され、金属ベース２２を介してグランドと電気的に接続可能に形成されている。したがって、セラミック製の絶縁基板を有する場合と異なり、グランドを取る位置の自由度が高くなるとともに、グランド用の配線が邪魔にならない。

（４）セラミック基板の場合は、セラミック製の絶縁基板の両面に形成された回路層及び金属層の厚みが厚いため、回路層にパターニングを行う場合は厚膜印刷技術を用いたエッチングで行われる。しかし、金属ベース基板２０の場合は、回路層２４の厚みをセラミック基板の場合に比較して薄くできるため、回路層２４にパターニングを行う場合、フォトリソグラフィー法により細かいパターニングが可能になる。

（５）金属ベース基板２０の場合、セラミック基板に比較して大きな面積のものを容易に製作することができるため、金属ベース基板２０上に必要な回路部品、例えば、スナバ回路を実装することにより、必要な回路部品を実装した別の基板を冷却器１１上に搭載する場合に比較して装置全体としての小型化を図り易い。

（６）冷却器１１がアルミニウム系金属で形成されているため、低コストで軽量化を図ることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 図４に示すように、絶縁樹脂層２３上に金属配線からなる放熱用パターン２９を形成するとともに、放熱用パターン２９と金属ベース２２とをスルーホール２８を介して接続してもよい。スルーホール２８は複数設けるのが好ましい。この場合、ＩＧＢＴ２５及びダイオード２６から発生した熱が、絶縁樹脂層２３を介して金属ベース２２へ伝導されるのに加えて、回路層２４の周囲に配置された熱伝導率の良い金属配線（スルーホール２８）を介しても金属ベース２２へ伝導される。即ち、回路層２４側の熱が冷却器１１へ効率的に伝導されるため、冷却器１１によるＩＧＢＴ２５及びダイオード２６の冷却効率が高くなる。

○ 半導体素子としてＩＧＢＴ２５及びダイオード２６をベアチップ実装する代わりに、図５に示すように、ＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子を一つのパッケージにモールドしたモールド素子３５を金属ベース基板２０上に実装してもよい。この場合、信号系の配線を回路層２４の一部としてパターニングすることにより、信号系のワイヤボンディング作業が不要になる。

○ 半導体素子冷却装置１０は、金属ベース基板２０が冷却器１１の片面に限らず、両面に半田付けされた構成としてもよい。
○ 第１表面処理層１１ａ及び第２表面処理層２１はニッケルメッキ層に限らない。例えば、錫メッキ層としたり、錫−ニッケル複合メッキ層としたりしてもよい。錫メッキ層とした場合、半田付けを非酸化雰囲気ではなく、空気中で行ってもよい。

○ 回路層２４は銅に限らず、例えば、アルミニウムで形成してもよい。
○ 冷却器１１と金属ベース２２は同じ材料で形成されなくてもよい。例えば、冷却器１１をアルミニウム系金属以外の金属で形成してもよい。しかし、冷却器１１及び金属ベース２２をアルミニウム系合金で形成した方が、コストや軽量化の点で好ましい。

○ 絶縁樹脂層２３の材料はエポキシ樹脂に限らず、例えば、熱硬化性樹脂のポリイミドやフェノール樹脂を用いてもよい。また、ガラス繊維との複合材を使用してもよい。
○ 冷却器１１がインナーフィン１４を備える構成において、インナーフィン１４が冷却器１１の長手方向に延びる構成に限らない。例えば、インナーフィン１４を冷却器１１の長手方向と直交する方向に延びるように形成するとともに、インナーフィン１４は冷却器１１の金属ベース基板２０側の壁面に当接し、かつインナーフィン１４の延びる方向の両端面は冷却器１１の壁面との間に隙間を有する状態で設けてもよい。

○ インナーフィン１４は板材を波状に屈曲形成した物に限らず、独立した複数のフィン（板材）を冷却器１１の内壁に固着した構成としてもよい。
○ インナーフィン１４を省略してもよい。

○ 冷却器１１は、２つの外殻プレート１２，１３をその周縁部で接合した構成に限らず、四角筒状のハウジングで構成し、内部にフィンを設けてもよい。
○ 冷却器１１上に金属ベース基板２０を複数、半田付けしてもよい。

○ ＩＧＢＴ及びダイオードが半田付けされる回路層２４と金属ベース２２とをスルーホール２８で電気的に接続してもよい。
○ 回路層２４上に実装される半導体素子は、ＩＧＢＴ及びダイオードに限らず、ＭＯＳトランジスタ等の他のパワー素子が搭載されてもよい。

○ 半導体素子冷却装置１０の用途は、ハイブリッド自動車等に搭載されるものに限らず、家電製品や産業機械に適用してもよい。
○ スルーホール２８は金属ベース２２を貫通する構成であってもよい。また、スルーホール２８の内面にメッキを施してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）前記冷却器はアルミニウム系金属で形成されている。

（ａ）は一実施形態における半導体素子冷却装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線拡大断面図、（ｃ）は部分拡大模式断面図。（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図、（ｃ）はスルーホールが形成された部分の模式断面図。半導体素子冷却装置の分解斜視図。別の実施形態の半導体素子冷却装置の部分平面図。別の実施形態の半導体素子冷却装置の平面図。従来技術の模式断面図。

符号の説明

１１…冷却器、１１ａ…第１表面処理層、１４ａ…冷媒流路、２０…金属ベース基板、２１…第２表面処理層、２２…金属製のベースとしての金属ベース、２３…絶縁樹脂層、２４…回路層、２８…スルーホール、２９…放熱用パターン。

Claims

内部に冷媒流路が形成された金属製の冷却器と、
前記冷却器の表面に半田付け用の第１表面処理層を介して半田付けされた金属ベース基板とを備え、
前記金属ベース基板は、金属製のベースと、冷却器との半田付け面に設けられた半田付け用の第２表面処理層と、前記半田付け面と反対側の面に絶縁樹脂層を介してパターニングされた半導体素子搭載用の回路層と、を備え、
前記金属ベース基板は、前記半導体素子搭載用の回路層の周囲に形成され、且つ、前記絶縁樹脂層に設けられたスルーホールを介して前記金属製のベースに接続された金属配線からなる放熱用パターンを備えていることを特徴とする半導体素子冷却装置。
前記金属製の冷却器と前記金属製のベースとは同じ材料で形成されている請求項１に記載の半導体素子冷却装置。
金属ベース基板は、前記回路層の一部が前記絶縁樹脂層に設けられたスルーホールを介して前記金属製のベースと電気的に接続されたグランドパターンを備えている請求項１又は請求項２に記載の半導体素子冷却装置。