JP4984955B2

JP4984955B2 - パワー素子搭載用ユニット及びパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュール

Info

Publication number: JP4984955B2
Application number: JP2007042329A
Authority: JP
Inventors: 博志宮田; 博弥石塚; 祥郎黒光; 丈嗣北原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: JP2008205372A

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワー素子搭載用ユニット及びパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。

半導体素子、例えば電力用半導体素子（以下「パワー素子」と省略する）は、通電により発熱し近年の高容量化に伴って発熱量が増加する傾向にある。発熱はパワー素子の信頼性や寿命に大きく影響するため、パワー素子搭載用ユニットにパワー素子を取り付けたパワーモジュールに冷却器を備え、パワー素子及びその近傍の温度上昇を抑制しなければならない。又パワーモジュールを搭載する各種電子製品の小型化傾向によりパワーモジュールは小型・省スペース化が望まれている。
従来のパワー素子搭載用ユニット及びパワーモジュールとしては、例えば特許文献１に記載された冷却器を備えるものが知られている。この冷却器は、その内部に互いに平行に離間した二つのヘッダーと、該ヘッダー間に配設されヘッダーの水路と連通される複数の貫通穴（微細水路）を有する多流路管とを備え、各ヘッダーの端部から冷却液を流入又は流出させる各配水管を備える。そして冷却器本体の蓋板外側の面にパワー素子を搭載した被冷却体を取り付け、該被冷却体から発せられる熱を水路を流れる冷却液で熱交換させて該被冷却体を冷却するよう構成されたものである。
特開２００５−２７４１２０号公報

上記構成では、冷却液を流通させる多流路管は冷却器本体（筐体）の内部に収容され、前記多流路管を蓋板で覆って上記筐体とする構成とされ、前記蓋板の外側の面に被冷却体が取り付けられるようになっている。そのため多流路管と被冷却体との間に前記蓋板が介在させられており被冷却体を冷却するための性能が十分に発揮されているとは言い難い。又上記のように冷却器本体と多流路管と蓋板とを積層し、該蓋板の外側に更に被冷却体を積層させる構成となっているため、装置としての厚みが増してしまう。そこで小型・省スペース化をいかにして行うかが課題となっていた。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、優れた冷却性能を有し装置の小型・省スペース化が可能なパワー素子搭載用ユニット及びパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明は、冷却液が流通する離間した二つのヘッダーと、該ヘッダー間に両端を支持されて冷却液を流通する多流路管とが、夫々平面的に別体として連設されるとともに、前記多流路管の一面に直接接合されて設けられるセラミックス絶縁層と該セラミックス絶縁層の一面に設けられる回路層とを備え、前記セラミックス絶縁層は、溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され、前記回路層は、スパッタリング又は蒸着又は印刷法によって形成され、前記多流路管の他面にはアウターフィンが備えられ、前記アウターフィンは、金属帯板を波形に曲折形成したものであり、その稜線方向は前記多流路管の微細水路の水路形成方向と平面視垂直であり、前記アウターフィンの一面と前記多流路管の他面とは接合されていることを特徴とする。

この発明に係るパワー素子搭載用ユニットによれば、前記二つのヘッダーと、前記多流路管とが夫々平面的に別体として連設されており、該多流路管の一面にセラミックス絶縁層が直接接合され該セラミックス絶縁層の一面に前記回路層が備えられているため、装置の厚みを極力少なく抑えることが出来、又セラミックス絶縁層が多流路管に直接接合されているため、熱抵抗が小さく優れた冷却性能を有する。

また、前記多流路管の他面にはアウターフィンが備えられるので、これにより多流路管の内部に流通する冷却液の熱を該アウターフィンにより放出することが出来、冷却液が沸騰するのを防止することが出来る。
また、アウターフィンが多流路管の剛性を向上するので熱による反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することが出来る。

また、本発明のパワー素子搭載用ユニット及びこれを製造する方法において、前記セラミックス絶縁層は溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され、前記回路層はスパッタリング又は蒸着又は印刷法によって形成されるので、この方法により製造されるパワー素子搭載用ユニットは、前記多流路管に前記セラミックス絶縁層と前記回路層とを積層させる製造過程において、各熱膨張係数の差に起因する接合面の反りによる界面剥離やクラックが防止され、安定した製造を行うことが可能となる。

本発明のパワーモジュールは、パワー素子搭載用ユニットと前記回路層の一面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ユニットが請求項１に記載のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とする。

本発明に係るパワー素子搭載用ユニット及びパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールによれば、優れた冷却性能を有し装置の小型・省スペース化が可能となる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニットを適用したパワーモジュールを示す平面図である。
このパワーモジュール１０は、後述する多流路管２の一面に接合された被冷却体５から発せられる熱を内部を流通する冷却液Ｃが回収するように構成されている。図１に示すようにこのパワーモジュール１０は、平行に離間される二つのヘッダー１ａ及びヘッダー１ｂと、両ヘッダー１ａ，１ｂ間に配置される二つの多流路管２とを備える。各ヘッダー１ａ，１ｂの内部には、冷却液Ｃを流通するためのヘッダー水路１１ａ，１１ｂが夫々形成されている。多流路管２は、該多流路管２を貫通し両ヘッダー水路１１ａ，１１ｂと連通する多数の微細水路２０を備えている。各微細水路２０は断面が矩形状からなり、その断面の上下の向きを同一にして互いに該微細水路２０の水路形成方向と平行に連設されている。多流路管２は、前記微細水路２０の連設方向に扁平した板状の外形を有している。二つの多流路管２は前記微細水路２０の連設方向の向きに並列に配設されて両ヘッダー１ａ，１ｂに支持されている。

ヘッダー水路１１ａ及びヘッダー水路１１ｂの水路形成方向と各微細水路２０の水路形成方向とは平面視略垂直になるよう配設されている。
ヘッダー１ａの長手方向の一方端には、ヘッダー水路１１ａに冷却液Ｃを流入させるための配水管３ａが短管状に形成されておりその一端部に連結口３１ａを有している。又ヘッダー１ｂの長手方向の一方端には、ヘッダー水路１１ｂから冷却液Ｃを流出させるための配水管３ｂが短管状に形成されておりその一端部に連結口３１ｂを有している。
配水管３ａの内部には冷却液Ｃを流通させる配水管水路３０ａが形成され、配水管３ｂの内部には冷却液Ｃを流通させる配水管水路３０ｂが形成されている。前記配水管水路３０ａと前記ヘッダー水路１１ａとは連通されて水路が形成され、前記配水管水路３０ｂと前記ヘッダー水路１１ｂとも連通されて水路が形成されている。
図示しないがこの配水管３ａの連結口３１ａには冷却液流入管が連結され、配水管３ｂの連結口３１ｂには冷却液流出管が連結される。そして冷却液流入管と冷却液流出管とを連結する外部管路には、冷却液Ｃを冷却する冷却手段と冷却液Ｃを循環させるポンプ等の循環手段とを備え、冷却液Ｃが冷却され循環させられるようになっている。
又両ヘッダー水路１１ａ，１１ｂの長手方向の他方側は夫々その水路が閉塞されている。

多流路管２の一面には、このパワーモジュール１０によって冷却される複数の被冷却体５が備えられている。本実施形態では被冷却体５は多流路管２の一面に前記両ヘッダー水路１１ａ，１１ｂの水路形成方向と前記微細水路２０の水路形成方向とに夫々間隔をあけて複数連設されている。夫々の被冷却体５は、セラミックス絶縁層（以下「絶縁層」と省略する）５２と、該絶縁層５２の一面に接合される回路層５１と、該回路層５１の一面にはんだ層５３によりはんだ接合されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー素子５０とから構成される。そして絶縁層５２の他面と多流路管２の一面とは直接接合されている。
前記絶縁層５２は必要とされる絶縁特性、熱伝導率及び機械的強度を満たしていればどのようなセラミックスから形成されていてもよいが、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素、酸化アルミニウムにより形成される。
回路層５１は導電性材料による層であり、例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）系導電材料により形成される。
前記多流路管２は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る。

次に図１のＸ−Ｘ線断面を図２に、Ｙ−Ｙ線断面を図３に示す。
図２、図３に示す通り、多流路管２の他面には、微細水路２０を流通する冷却液Ｃを冷却するためのアウターフィン６が備えられている。該アウターフィン６は極めて薄い金属帯板を波形に曲折形成したものであり、その稜線方向は前記微細水路２０の水路形成方向と平面視略垂直に形成される。又該アウターフィン６は前記微細水路２０の水路形成方向と同一方向にその波形が連設され、その幅はヘッダー１ａとヘッダー１ｂとで形成されるヘッダー間寸法の内寸よりもわずかに小さくなるよう形成されている。又その波形の稜線方向の長さは一方側の多流路管２の一方端から他方側の多流路管２の他方端までの長さに合わせて形成されている。該アウターフィン６は、例えばアルミニウムブレージングシートの帯板状素材により形成される。
前記アウターフィン６の一面と多流路管２の他面とは密着して接合されておりその接合手段にはろう付けが用いられる。

図３に示す様に、両ヘッダー水路１１ａ，１１ｂはその断面形状が共に扁平状に形成されており、前記微細水路２０の水路形成方向に長く被冷却体５の構成要素の積層方向（以下「積層方向」と省略する）に短い矩形状に形成されている。前記両ヘッダー水路１１ａ，１１ｂを内包する両ヘッダー１ａ，１ｂも又該両ヘッダー水路１１ａ，１１ｂ同様に扁平状に形成されている。又多流路管２はその微細水路２０の水路形成方向の両端を各ヘッダー１ａ，１ｂに夫々嵌入され、液密にろう付けされ接合されている。そして上記のように装置の積層方向の厚みは極力薄くなるように構成されている。

次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用ユニット７を製造する方法として、前記絶縁層５２は、前記多流路管２の一面に溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され、又前記回路層はスパッタリング又は蒸着又は印刷法によって形成される。

以上説明したように、本実施形態に係るパワー素子搭載用ユニット７によれば、冷却液Ｃが流通する離間した二つのヘッダー１ａ，１ｂと、該ヘッダー１ａ，１ｂ間に両端を支持されて冷却液Ｃを流通する多流路管２とが、夫々平面的に別体として連設されてその水路が形成されており、前記多流路管２の一面に前記絶縁層５２が直接接合されて設けられており、該絶縁層５２の一面に前記回路層５１が設けられている。よって前記パワー素子搭載用ユニット７はその装置の積層方向の厚みが極力薄くなるよう構成されており、該パワー素子搭載用ユニット７を適用した前記パワーモジュール１０を搭載する各種電子製品の小型化傾向に対する小型・省スペース化への要望に応えることが可能となる。又前記絶縁層５２は前記多流路管２との間に余計な部材を介在させることなく直接接合されているので、前記被冷却体５は該多流路管２の内部を流れる冷却液Ｃにより効率良く冷却される。
又多流路管２の他面には前記アウターフィン６が備えられているので、冷却液Ｃが被冷却体５から回収した熱を効率良く空気中へ放出することが出来る。よって冷却液Ｃが被冷却体５からの回収熱により各微細水路２０内で沸騰し、泡が発生して該水路形成内面と冷却液Ｃとの間に膜を作って熱交換が良好に行われなくなる虞が無くなり効率良く熱交換を行うことが可能となる。又前記アウターフィン６が多流路管２の剛性を向上するので熱による反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することが出来る。

又前記絶縁層５２は、前記多流路管２の一面に溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され、又前記回路層５１はスパッタリング又は蒸着又は印刷法によって該絶縁層５２の一面に形成される。よって従来のろう付けによる接合方法と比較し、前記絶縁層５２は多流路管２との熱膨張係数の差に起因する接合時の反りによる界面剥離やクラックの発生を極力少なく抑えることが出来る。特に前記エアロゾルデポジション法によれば、特に加熱手段を必要とせず常温で前記絶縁層５２の形成が可能となり、さらに製造時の安定性を増すことが出来る。

なお、本発明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。例えば上記多流路管２の水路形状はこの形態に限られるものではなく、図４に示すように多流路管２の内部に矩形コルゲートフィン８をろう付けし水路を形成させたり、又図５に示すように多流路管２の内部に三角インナーフィン９をろう付けして水路を形成させたりしてもよい。

又上記アウターフィン６は放熱効果を持つものであればこの形態に限られるものではない。前述の実施形態以外の参考例として、例えば該アウターフィン６の替わりに多流路管２の他方の面の形状を凹凸形状（以下「凹凸形状」と省略する）に形成することで放熱効果を持たせる構成としてもよい。又前記アウターフィン６と前記凹凸形状とを併用した構成としてもよい。

又前記実施形態では、前記絶縁層５２は前記多流路管２の一面に溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され又前記回路層５１はスパッタリング又は蒸着又は印刷法によって該絶縁層５２の一面に形成されるとしたが、前述の実施形態以外の参考例として、例えば前記多流路管２と絶縁層５２と回路層５１との各接合をろう箔によるろう付けとしても良い。この場合、回路層５１はその絶縁層５２との界面側に含まれるＦｅの濃度が０．０５ｗｔ％未満で、該界面側と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．０５ｗｔ％以上であることが好ましい。これにより、前記回路層５１においてろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が０．０５ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル時に前記絶縁層５２および回路層５１の各熱膨張係数の差に起因してこれらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層５１のろう付け面側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能となる。よって前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり絶縁層５２と回路層５１との接合信頼性を向上させることができる。又前記回路層５１のろう付け面側と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．０５ｗｔ％以上とされているのでこの回路層５１全体の曲げ剛性を高めて多流路管２の曲げ剛性との差を縮めることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニット７を形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することが出来、絶縁層５２にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するのを抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニットを適用したパワーモジュールを示す平面図である。図１に示すＸ−Ｘ線断面図である。図１に示すＹ−Ｙ線断面図である。多流路管の水路の変形例を示す斜視図である。多流路管の水路の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ，１ｂヘッダー
２多流路管
６アウターフィン
７パワー素子搭載用ユニット
１０本発明の一実施形態におけるパワーモジュール
１１ａ，１１ｂヘッダー水路
２０微細水路
３０ａ，３０ｂ配水管水路
５０パワー素子
５１回路層
５２セラミックス絶縁層
５３はんだ層
Ｃ冷却液

Claims

冷却液が流通する離間した二つのヘッダーと、該ヘッダー間に両端を支持されて冷却液を流通する多流路管とが、夫々平面的に別体として連設されるとともに、前記多流路管の一面に直接接合されて設けられるセラミックス絶縁層と該セラミックス絶縁層の一面に設けられる回路層とを備え、
前記セラミックス絶縁層は、溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され、
前記回路層は、スパッタリング又は蒸着又は印刷法によって形成され、
前記多流路管の他面にはアウターフィンが備えられ、
前記アウターフィンは、金属帯板を波形に曲折形成したものであり、その稜線方向は前記多流路管の微細水路の水路形成方向と平面視垂直であり、
前記アウターフィンの一面と前記多流路管の他面とは接合されていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。
請求項１に記載のパワー素子搭載用ユニットを製造する方法であって、
前記セラミックス絶縁層は溶射又はエアロゾルデポジション法によるセラミックスコーティングにより形成され、前記回路層はスパッタリング又は蒸着又は印刷法によって形成されることを特徴とするパワー素子搭載用ユニットの製造方法。
請求項１に記載のパワー素子搭載用ユニットと、回路層の一面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュール。