JP5104259B2 - Metal base plate cooling device - Google Patents
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Description
この発明は、パワー半導体モジュールの製造工程において用いられるハンダリフロー装置(システム)に関し、特に金属ベース板と絶縁基板とのハンダ付けにおける加熱後の冷却工程において用いられる金属ベース板冷却装置に関する。 The present invention relates to a solder reflow apparatus (system) used in a power semiconductor module manufacturing process, and more particularly to a metal base plate cooling apparatus used in a cooling process after heating in soldering a metal base plate and an insulating substrate.
現在、モーターの駆動や電力変換など電力制御の分野においては、例えばIGBTやMOSFET、ダイオードといった大電力を扱うパワー半導体素子(チップ)を、1つのパッケージに複数個内蔵するようにして構成されたパワー半導体モジュールが広く利用されている。 Currently, in the field of power control such as motor drive and power conversion, power semiconductor devices (chips) that handle large amounts of power, such as IGBTs, MOSFETs, and diodes, are built in one package. Semiconductor modules are widely used.
このパワー半導体モジュールについては、その用途・目的に応じて各種のパッケージが存在しているが、比較的大きな出力容量を扱うものは、セラミック基板の両面に銅などの導体層(パターン)が設けられた絶縁基板と、その表面(上面)側にハンダを介して接合されたIGBTやダイオード等のパワー半導体素子、絶縁基板の裏面(下面)側にハンダを介して接合された銅やアルミニウムなどからなる金属ベース板を有し(例えば、特許文献1参照)、更に、絶縁基板上のパワー半導体素子と電気的に接続された複数のリード電極端子やパワー半導体素子を含む絶縁基板を囲繞するようにして保護する樹脂ケース、そして樹脂ケース内をシリコンゲルやエポキシ樹脂などを充填するようにして構成されたものが利用されている。 There are various packages for this power semiconductor module depending on its application and purpose, but those that handle a relatively large output capacity are provided with a conductor layer (pattern) such as copper on both sides of the ceramic substrate. A power semiconductor element such as an IGBT or a diode bonded to the front surface (upper surface) via solder, copper or aluminum bonded to the rear surface (lower surface) of the insulating substrate via solder, and the like. A metal base plate is provided (see, for example, Patent Document 1), and a plurality of lead electrode terminals electrically connected to the power semiconductor element on the insulating substrate and the insulating substrate including the power semiconductor element are surrounded. A protective resin case and a resin case configured to be filled with silicon gel or epoxy resin are used.
このような構成を有するパワー半導体モジュールにあっては、その製造工程において、絶縁基板と金属ベース板とをハンダで接合する必要があり、一般的に、ハンダリフロー法が使用されている。このハンダリフロー法では、絶縁基板と金属ベース板の間にあって、印刷或いは塗布されたクリームハンダ(ハンダペースト)を加熱して液相化した後、これを、冷却装置を用いて所定の速度で冷却(除熱)することによりハンダを固化(凝固)させて、絶縁基板と金属ベース板とのハンダ接合がなされている。 In the power semiconductor module having such a configuration, in the manufacturing process, it is necessary to join the insulating substrate and the metal base plate with solder, and the solder reflow method is generally used. In this solder reflow method, cream solder (solder paste), which is placed between an insulating substrate and a metal base plate, is heated to form a liquid phase and then cooled at a predetermined rate using a cooling device. (Heat removal) solidifies (solidifies) the solder, and the insulating substrate and the metal base plate are soldered together.
一方、従来の冷却装置では、パワー半導体モジュールの金属ベース板における絶縁基板搭載面の反対側である金属ベース板裏面に接触して熱を吸収する冷却ブロック部を備え、この冷却ブロック部は、金属ベース板全面、或いは、複数の絶縁基板を囲んでできる一つの領域全面に当接して冷却するように、一つの平坦(フラット)面のみを持つものとして形成されていた。(例えば、特許文献2参照) On the other hand, the conventional cooling device includes a cooling block portion that contacts the back surface of the metal base plate opposite to the insulating substrate mounting surface in the metal base plate of the power semiconductor module and absorbs heat. The entire surface of the base plate or a single region formed by surrounding a plurality of insulating substrates is formed so as to have only one flat surface so as to be cooled. (For example, see Patent Document 2)
そして、そのような構成にすることによって、金属ベース板に搭載される絶縁基板が一つの場合であっても複数の場合であっても、冷却ブロック部の構成に差異はなく基本的に同じものの使用が可能とされ、冷却ブロック部の共有化が図られていた。 By adopting such a configuration, there is no difference in the configuration of the cooling block portion regardless of whether the insulating substrate mounted on the metal base plate is a single case or a plurality of cases. The use of the cooling block was made possible.
パワー半導体モジュールでは、その動作時、搭載されたパワー半導体素子によって大量の熱が発生・放出されるが、上述したような構成、所謂、高熱伝導構造と称されている構造の採用により、発生する熱の放熱が速やかに行われることで、パワー半導体素子の破壊や特性の劣化が回避されている。しかしながら、同構造に採用される金属ベース板は、その加工工程における残留応力等の影響による反りや歪、また絶縁基板との接合面ではバイメタル効果により、ある曲率で一般に反りが発生することが知られている。 In the power semiconductor module, a large amount of heat is generated and released by the mounted power semiconductor element during the operation, but it is generated by adopting the structure as described above, a so-called high heat conduction structure. By quickly radiating heat, destruction of power semiconductor elements and deterioration of characteristics are avoided. However, it is known that the metal base plate adopted in the structure generally warps with a certain curvature due to warpage and distortion due to the residual stress in the processing process and the bimetal effect at the joint surface with the insulating substrate. It has been.
一方、従来の冷却装置では、上述のごとくパワー半導体モジュールの金属ベース板裏面全面、或いは、複数の絶縁基板を囲んでできる一つの領域全面を冷却するように、冷却装置の冷却ブロック部が、一つの平坦(フラット)面のみを持つものとして金属ベースの一つの領域に当接するように形成されていた。そしてそれは、上述の金属ベース板の反りや歪に起因する金属ベース板と冷却ブロックとの部分的隙間(部分的非接触)の発生が避けられず、更に隙間発生箇所(状態)も個々のパワー半導体モジュールにおける金属ベース板の反りの状態に依存するため一定ではなく個体差(バラツキ)を生じるものであった。 On the other hand, in the conventional cooling device, as described above, the cooling block portion of the cooling device has a single cooling block so as to cool the entire back surface of the metal base plate of the power semiconductor module or the entire surface of a single region formed by surrounding a plurality of insulating substrates. It was formed so as to be in contact with one region of the metal base as having only two flat surfaces. And it is inevitable that partial gaps (partial non-contact) occur between the metal base plate and the cooling block due to the warp and distortion of the metal base plate described above. Since it depends on the state of warping of the metal base plate in the semiconductor module, it is not constant and causes individual differences (variation).
そのため、高熱伝導構造であるパワー半導体モジュールにおいては、固体差における部分的隙間の発生状態に伴って、詰まり、隙間がなく冷却ブロックと金属ベース板が接触しているところから放熱が進み速やかに温度が低下し、逆に隙間が大きいところ程、温度が下がらず冷却時の温度勾配も著しく大きくなる場合があった。また温度勾配分布についての予想も難しいので、ハンダ結晶粒のサイズ不均一や、最後に固化する箇所に不純物元素が凝集しハンダ接合強度が劣化するなど、金属ベース板と絶縁基板とのハンダ接合における不安定化を招き、ハンダ付け不良による製品信頼性低下の問題があった。更に、ハンダ固化時の冷却速度不安定化は、接合面ハンダのボイド発生の原因ともなり、製品品質低下の問題にも繋がっていた。 For this reason, in power semiconductor modules with a high thermal conductivity structure, due to the occurrence of partial gaps in the solid difference, clogging occurs and there is no gap, and heat dissipation proceeds quickly from the point where the cooling block and metal base plate are in contact. On the contrary, as the gap becomes larger, the temperature does not decrease and the temperature gradient during cooling sometimes increases remarkably. In addition, since it is difficult to predict the temperature gradient distribution, the solder crystal grains are non-uniform in size, and the solder element strength deteriorates due to the agglomeration of impurity elements at the last solidified location. There was a problem of destabilization and reduced product reliability due to poor soldering. Furthermore, the unstable cooling rate at the time of solidifying the solder causes voids in the joint surface solder, leading to a problem of product quality degradation.
そして、上述のような問題は、絶縁基板または金属ベース板が大型化するに伴って顕著であり、また近年は環境対策の観点から、その成分中に鉛を含まない、所謂、鉛フリーハンダの使用が欠かせなくなっているが、特に固相と液相線との温度差が大きい特徴を有する鉛フリーハンダを使用する場合においても顕著となっていた。 The above-mentioned problems become more prominent as the insulating substrate or the metal base plate becomes larger, and in recent years, from the viewpoint of environmental measures, so-called lead-free solder that does not contain lead in its components. Although the use is indispensable, it has become prominent even when using lead-free solder having a characteristic that the temperature difference between the solid phase and the liquidus is large.
この発明は、上述のような課題を解消するためになされたもので、高熱伝導構造を有するパワー半導体モジュールの絶縁基板と金属ベース板とのハンダ接合におけるハンダ固化時の冷却の不安定化による影響を回避し、ハンダの理想的な固化を実現することで、製品(パワー半導体モジュール)において安定した信頼性が得られるようにするための金属ベース板冷却装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is an influence caused by unstable cooling at the time of solder solidification in solder bonding between an insulating substrate and a metal base plate of a power semiconductor module having a high heat conduction structure. It is an object of the present invention to provide a metal base plate cooling device for achieving stable reliability in a product (power semiconductor module) by avoiding the above and realizing ideal solidification of solder.
この発明に係る金属ベース板冷却装置においては、パワー半導体モジュールにおける金属ベース板と複数の絶縁基板とのハンダ付けに使用されるハンダリフロー装置システム内の金属ベース板冷却装置であって、金属ベース板表面における複数の絶縁基板の各配置に対応するようにして、金属ベース板裏面に接触する冷却突起部が設けられた冷却ブロック機構部を有するものである。 The metal base plate cooling device according to the present invention is a metal base plate cooling device in a solder reflow device system used for soldering a metal base plate and a plurality of insulating substrates in a power semiconductor module, the metal base plate It has a cooling block mechanism part provided with a cooling projection part in contact with the rear surface of the metal base plate so as to correspond to each arrangement of the plurality of insulating substrates on the surface.
この発明は、金属ベース板表面における複数の絶縁基板の各配置に対応するようにして、金属ベース板裏面に接触する冷却突起部が設けられた冷却ブロック機構部を有することにより、金属ベース板の反りや歪を起因とする金属ベース板と冷却ブロックとの予想外な部分的隙間発生を抑制させることができるため、接合ハンダの冷却速度が安定し、ハンダ結晶粒のサイズを揃え、均一にすることができる。 The present invention has a cooling block mechanism portion provided with a cooling protrusion that contacts the back surface of the metal base plate so as to correspond to each arrangement of the plurality of insulating substrates on the surface of the metal base plate. Unexpected partial gaps between the metal base plate and the cooling block due to warpage and strain can be suppressed, so the cooling rate of the soldering solder is stable, the size of the solder crystal grains is made uniform and uniform. be able to.
実施の形態1.
本発明における実施の形態1に係る金属ベース板冷却装置で用いる冷却ブロック機構部を、図面を使って説明する。図1(a)は、冷却ブロック機構部の上面図であり、図1(b)は同機構部の側面図である。また図2は冷却ブロック機構部の他に、少なくとも冷却媒体循環機構を含んだ金属ベース板冷却装置全体の概略構成例を、一部構成の断面をまじえ表した概略図である。
A cooling block mechanism used in the metal base plate cooling apparatus according to
図1において、冷却ブロック10a〜10dは、冷却ブロック固定枠25a,bの所定の位置に保持され、その冷却ブロック固定枠25a,bは、冷却ブロック支持台28の所定の位置に固定されるようにして構成されている。また、図中においてパワー半導体モジュールが冷却される場合の冷却ブロック機構部30とパワー半導体モジュール(金属ベース板と金属ベース板上の複数の絶縁基板)との位置関係を明らかにするため、金属ベース板201と複数の絶縁基板202を表している(二点鎖線)。なお、ハンダについては省略しているが、絶縁基板と同等の面積を持ち、金属ベース板と絶縁基板との間に存在する。
In FIG. 1, the cooling blocks 10 a to 10 d are held at predetermined positions on the cooling block fixing frames 25 a and b, and the cooling block fixing frames 25 a and 25 b are fixed at predetermined positions on the cooling
冷却ブロック固定枠25に対する冷却ブロック10、また、冷却ブロック支持台28に対する冷却ブロック固定枠25の位置関係は、それぞれ移動可能であって、位置調整機構26によって調整および固定がなされる。そうすることによって、パワー半導体モジュールが冷却ブロック機構部30にセットされたとき、モジュールの金属ベース板における絶縁基板が載置されている位置に、冷却ブロック10のそれぞれが対応して正確に配置できるようになっている。そして、各冷却ブロック10a〜10dの冷却突起部1上面と、パワー半導体モジュールの金属ベース板裏面201とが、絶縁基板202が搭載されている位置で接触することになり、絶縁基板下のハンダ部の熱が速やかに冷却ブロック10へ放出可能なようになっている。
The positional relationship between the
なお、位置調整機構26は、冷却ブロック固定枠25に設けられたスリット(図面上、横長の孔)と、これを貫通して冷却ブロック支持台28に固定可能な螺子によって構成され、スリット内の所望の位置で螺子を締め付ける(螺合する)ことによって冷却ブロック支持台28に対する冷却ブロック固定枠25の位置調整が行われる。また同様に、冷却ブロック10に設けられたスリット(図面上、縦長の孔)と、これを貫通して冷却ブロック固定枠25に固定可能な螺子によって構成されており、冷却ブロック固定枠25に対する冷却ブロック10の位置調整が行われる。
The
そして、位置決めに関しては、金属ベース板201上に搭載された複数の絶縁基板202におけるそれぞれの中心と、それぞれの冷却ブロック10における冷却突起(押圧接触)部1の中心とをほぼ一致させるようにすることが最も好ましい。
With respect to positioning, the respective centers of the plurality of
図2で表された金属ベース板冷却装置100は、図1の冷却ブロック機構部30における冷却ブロック10に対して、所望の温度(例えば、10℃程度)に制御された冷却媒体を供給・循環させる機能を有する冷却媒体循環器(一般には、「チラー」とも称される)90と、各冷却ブロック10a〜10c間、および冷却媒体循環器90との間を接続する断熱性ホース95とで構成されている。
The metal base
図3は、図1における冷却ブロック10の拡大断面図である。図3に示す冷却ブロック10は、冷却突起部1、冷却突起ガイド部2、冷却ブロック躯体3、弾性体であるバネ4、冷却媒体導入路形成部6、冷却媒体排出路形成部7を組み立てることにより構成されている。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the
冷却ブロック躯体3は、上部外周の一部で対向する位置に突出(鍔)部を備え、位置調整機構26による冷却ブロック固定枠25への固定が行われる。また、冷却ブロック10の組み立ては、冷却突起部1、冷却突起ガイド部2、バネ4、冷却媒体導入路形成部6、冷却媒体排出路形成部7のそれぞれを冷却ブロック躯体3に装着するようにして行われる。
The
冷却媒体導入路形成部6と冷却媒体排出路形成部7とが組み合わせられることによって、冷却ブロック10内における冷却媒体の循環経路(通路)を形成している。この例では、冷却媒体導入路形成部6には、冷却ブロック10に導入される冷却媒体を冷却突起部1の下方直近に導く筒状の通路を有し、この外周に所定の隙間を形成するように覆う筒状の通路を冷却媒体排出路形成部7に備えることで冷却媒体が冷却ブロック10の外へ排出されるようになっている。以降、冷却媒体導入路形成部6と冷却媒体排出路形成部7とによりなる構成を冷却媒体循環経路形成部9と称す。
A cooling medium circulation path (passage) in the
また、冷却媒体導入路形成部6と冷却媒体排出路形成部7には、断熱性ホース95との結合部を有し、結合される断熱性ホース95を介して、冷却媒体の冷却ブロック10への導入・排出が行われる。
Further, the cooling medium introduction
冷却突起部1は、冷却媒体循環経路形成部9(冷却媒体排出路形成部7側)と常に接触する構造を採用し、外部、すなわち金属ベース板201から冷却突起部1に伝導された熱が、冷却媒体循環経路形成部9中の冷却媒体に吸収されるように構成されている。そのため、冷却突起部1の材質は、高い熱伝導率を有する銅(k=403W/mK)、或いは、保守作業の観点からハンダの付着がなく、比較的高い熱伝導率を有するアルミニウム(k=236W/mK)などが適している。
The cooling
また、冷却突起部1は、冷却ブロック躯体3との間に弾性部材であるバネ4を備え、その伸縮によって上下するようになっている。これによって、パワー半導体モジュールの金属ベース板201が冷却ブロック機構部30にセットされている場合においては、金属ベース板201に対して冷却突起部1が押し付けられるように作用する。なお、バネ4の弾性力については、パワー半導体モジュールの自重、またはパワー半導体モジュールクランプ機構(図示なし)との関係において決定すればよく、例えば、パワー半導体モジュールの自重のみにて接触させる場合は、自重のバラツキの範囲にあって金属ベース板201が冷却突起ガイド部2とは接触しない程度の強さとすることが望ましく、これは、バネ4の特性を変更することで金属ベース板200に対する冷却突起部1の押圧力調整が可能であることを意味する。
Moreover, the cooling
冷却突起ガイド部2は、バネ4の伸縮によって上下する冷却突起部1のガイドとして、必要以上の横方向のズレやこれに伴う傾きを防ぎ、突出量を制限している。そして、本実施の形態では、冷却突起部1と冷却突起ガイド部2の上面形状が円形であり、冷却突起部1の直径に関しては絶縁基板より小さく、また冷却突起ガイド部2の外径は絶縁基板の短辺とほぼ同じ大きさになるようにしている。
なお、冷却突起部1と冷却突起ガイド部2の形状や材質を変更することが可能であるため、絶縁基板201における各種構成等にあわせて、強度、熱伝導性など求められる仕様に合致するように冷却条件を選択し最適化することも容易である。
The cooling
In addition, since it is possible to change the shape and material of the cooling
断熱性ホース95は、冷却ブロック10における冷却媒体導入路形成部6と冷却媒体排出路形成部7とにそれぞれ結合されている。そして当該断熱性ホース95は、他の冷却ブロック10または、冷却媒体循環器90と結合されて冷却媒体の循環系を形成している。例えばその内径は8mm程度のものが熱負荷変動や流路圧損に対し適正であり、また冷却媒体としては、水のほかにエチレングリコールや油などの使用が可能である。
The
そして、断熱性ホース95の接続に関しては、冷却媒体循環器90からの冷却媒体が複数の冷却ブロック10a〜10dを順番に経由して再び冷却媒体循環器90に戻るように接続してもよいし、冷却媒体循環器90と冷却ブロック10a〜10dとを個々に接続するようにしたり、また中継部品を介すなどして冷却精度や効果が高まるようにしてもよい。
With respect to the connection of the
なお、断熱性ホース95で冷却媒体を循環させる方法に替えて、ヒートパイプを使用して実現することも可能である。
In addition, it can replace with the method of circulating a cooling medium with the
次に冷却動作について説明する。ハンダリフロー装置において加熱されたパワー半導体モジュール200(金属ベース板201と絶縁基板202)は、冷却ブロック機構部30の冷却ブロック支持台28または冷却ブロック固定枠25に設けられた位置決め(アライメント)機構(図示なし)で、各冷却ブロックと金属ベース板上の絶縁基板の位置とが一致するようにセット(固定)され、金属ベース板201は、自重あるいはクランプ機構(図示なし)により、各冷却ブロック10の冷却突起部1と接触するようにして保持される。
Next, the cooling operation will be described. The power semiconductor module 200 (the
金属ベース板に生じた反りに伴う冷却装置の冷却ブロックとの部分的隙間を小さくし、その接触を良好なものとするには、冷却ブロックにおける一つのフラット面からなる冷却領域面積を減らすことが、金属ベース板の反り伴う悪影響を抑制する観点から有効となり、また、金属ベース板の反りは、絶縁基板真下部の曲率変化量が最も大きく、この部分に冷却ブロックを接触させることが好ましく、これにより均一な冷却状態が実現できる。 In order to reduce the partial gap with the cooling block of the cooling device due to the warp generated in the metal base plate and to make the contact good, it is necessary to reduce the cooling area area consisting of one flat surface in the cooling block. This is effective from the viewpoint of suppressing the adverse effect caused by the warp of the metal base plate, and the warp of the metal base plate has the largest amount of curvature change directly below the insulating substrate, and it is preferable to contact the cooling block with this portion. A uniform cooling state can be realized.
特に今回、冷却のために金属ベース板に押圧される冷却ブロックの接触部、即ち、冷却突起部については、個々の絶縁基板領域に内包されることが反りの悪影響を最小限に食い止めるために好ましいことがわかった。そして、その冷却突起部が接触する面積は絶縁基板面積の略1/2以下が適正であった。 In particular, the contact portion of the cooling block that is pressed against the metal base plate for cooling, that is, the cooling protrusion, is preferably included in each insulating substrate region in order to minimize the adverse effect of warpage. I understood it. And the area which the cooling projection part contacts is about 1/2 or less of the insulating substrate area.
図4は、金属ベース板上に搭載された絶縁基板の配置および大きさの一例に対する冷却ブロック(冷却突起部)の接触想定範囲との関係を示したもので、図4(a)は本実施の形態による場合であり、図4(b)は従来技術によるものである。本実施の形態では、絶縁基板が配置された部分を中心として、比較的狭い領域が接触想定範囲Aa〜Adとなっているので、隙間の発生を概ね回避でき、また接触箇所を一定とすることもでき、金属ベース板の温度ではなくハンダ部の温度がより均一化される。一方、従来技術では、比較的広い領域(複数の絶縁基板を囲んでできる領域)を接触想定範囲Bとしているので、部分的隙間の発生を回避したり、小さくしたりすることは困難であり、加えて隙間の発生位置も必ずしも一定ではないので、接触箇所や状態が変化することになっていた。 FIG. 4 shows the relationship with the assumed contact range of the cooling block (cooling protrusion) with respect to an example of the arrangement and size of the insulating substrate mounted on the metal base plate. FIG. FIG. 4B is based on the prior art. In the present embodiment, since a relatively narrow region centering on the portion where the insulating substrate is disposed is the assumed contact range Aa to Ad, generation of a gap can be substantially avoided, and the contact location is made constant. The temperature of the solder portion is made more uniform than the temperature of the metal base plate. On the other hand, in the conventional technology, since a relatively wide area (area formed by surrounding a plurality of insulating substrates) is assumed as the contact range B, it is difficult to avoid or reduce the generation of a partial gap, In addition, since the position where the gap is generated is not always constant, the contact location and state are supposed to change.
このような本実施の形態に基づく冷却ブロック機構部の構成によれば、接合ハンダの冷却速度が安定するため、ハンダ結晶粒のサイズを揃え、均一にすることができ、製品信頼性の保障期間(保持期間)を長期化できる。また、凝固時のハンダ温度分布が均一となり、接合面ハンダのボイド発生を抑制できる。更に、安定した製品製造が可能となり、生産性が向上し、スループットと歩留まりの改善を可能とした。 According to the configuration of the cooling block mechanism unit based on the present embodiment, since the cooling rate of the bonding solder is stabilized, the size of the solder crystal grains can be made uniform and uniform, and the product reliability guarantee period (Holding period) can be extended. In addition, the solder temperature distribution during solidification becomes uniform, and the generation of voids in the joining surface solder can be suppressed. Furthermore, stable product manufacturing is possible, productivity is improved, and throughput and yield can be improved.
また、本実施の形態によれば、独立した冷却突起部1を金属ベース板201の反りや歪に沿うように押し付ける構造としたため、金属ベース板201の反りの影響が緩和でき、上述の効果を増大できる。
In addition, according to the present embodiment, since the
更に、本実施の形態によれば、独立した冷却ブロック10a〜10dが可動式であるため、異なったサイズ(絶縁基板202の配置が変わる)の金属ベース板201や金属ベース板201上の絶縁基板202の位置が異なるものに対しても、図示しないアライメント機構を基準とし、冷却ブロックの各絶縁基板下への整合が簡単な再配置として対応でき、冷却ブロック10(冷却ブロック機構部30)の共有化、生産時の段取り替えの作業負荷軽減が図れ、コスト削減できる。
Furthermore, according to the present embodiment, since the independent cooling blocks 10a to 10d are movable, the
以上、本発明によれば、金属ベース板全面接触による冷却よりも、接触面積が減少した分、金属ベース板自身の残留反りや歪による、密着(接触)性悪化の影響を受けにくくなった。更に、密着性が改善されることにより、冷却時の絶縁基板搭載部分だけでなく金属ベース板の温度分布(max値、min値の差異)が改善されるため、金属ベース板の熱反りが軽減され、金属ベース板と冷却ブロック(冷却突起部)との部分的隙間発生を劇的に抑制できる。 As described above, according to the present invention, as compared with the cooling due to the entire metal base plate contact, the contact area is reduced, so that the metal base plate itself is less susceptible to the deterioration of the adhesion (contact) property due to the residual warp and distortion of the metal base plate itself. Furthermore, the improved adhesion improves the temperature distribution (difference between max and min values) of the metal base plate as well as the insulating substrate mounting part during cooling, thus reducing thermal warpage of the metal base plate. Thus, the occurrence of a partial gap between the metal base plate and the cooling block (cooling protrusion) can be dramatically suppressed.
(実施の形態1の変形例).
続いて、本実施の形態1における変形例について説明する。図5は図3における冷却ブロック10の変形例を示す拡大断面図である。図5において冷却ブロック20は、冷却突起(押圧接触)部11、冷却突起ガイド部12、冷却ブロック躯体13、弾性体である金属ベローズ(伸縮性金属筒)15、冷却媒体導入路形成部16、冷却媒体排出路形成部17を組み立てることにより構成されている。なお、同図では実施の形態1と同じ構成については同じ符号を用いている。
(Modification of Embodiment 1).
Subsequently, a modified example in the first embodiment will be described. FIG. 5 is an enlarged sectional view showing a modification of the
冷却ブロック躯体13は、上部外周の一部で対向する位置に突出部を有し、冷却ブロック固定枠25への固定が行われる。また、冷却ブロック20の組み立ては、冷却突起部11、冷却突起ガイド部12、金属ベローズ15、冷却媒体導入路形成部16、冷却媒体排出路形成部17のそれぞれを冷却ブロック躯体13に装着するようにして行われている。
The
金属ベローズ13、冷却媒体導入路形成部16と冷却媒体排出路形成部17とを組み合わせられることによって、冷却ブロック20内における冷却媒体の循環経路を形成している。以降、金属ベローズ15、冷却媒体導入路形成部16と冷却媒体排出路形成部17とによりなる構成を冷却媒体循環経路形成部19と称す。また、冷却媒体導入路形成部16と冷却媒体排出路形成部17には、断熱性ホース95との結合部を有し、結合される断熱性ホース95を介して、冷却媒体の冷却ブロック20への導入・排出が行われる。
By combining the metal bellows 13, the cooling medium introduction
冷却突起部11は、冷却媒体循環経路形成部19(金属ベローズ15側)と常に接触、或いは固着された構造を採用し、冷却突起部11の熱が冷却媒体循環経路形成部19中の冷却媒体に吸収されるように構成されている。そのため、冷却突起部11の材質は、高い熱伝導率を有する銅や、比較的高い熱伝導率を有し保守作業の観点からハンダの付着がないアルミニウムなどが適している。また、本実施の形態で用いる金属ベローズ15の材質としては、SUS、インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)などが考えられ、その中でも、耐食性、材料強度耐高圧性からインコネルが最適である。
The cooling
そして、冷却突起部11は弾性力を有する金属ベローズ15の先端部に接触(固着)され、金属ベローズ15の伸縮によって、実施の形態1のバネ4によるものと同様に上下するようになっている。
The cooling
したがって、本実施の形態によれば、金属ベローズ15に接触(固着)するように構成された冷却突起部11は自己伸縮且つ自己煽り動作が可能なため、金属ベース板201の反り面ならい性が一層増すことになり、金属ベース板201の反りの影響を更に緩和できる。本実施の形態における金属ベローズ13の大きさは、直径Φ20〜30mm程度で金属ベース板201の反り面ならい性が良好であった。
Therefore, according to the present embodiment, the cooling
実施の形態2.
実施の形態1では、冷却突起(押圧接触)部を設け、これをバネ或いは金属ベローズの弾性力を利用して、金属ベース板に押し付けるようにしたが、比較的小さい、例えば短辺長さが25mm以下であるような絶縁基板を搭載する金属ベース板に対しては、冷却ブロックにおけるバネ或いは金属ベローズを省略するようにしてもよい。
In the first embodiment, the cooling protrusion (pressing contact) portion is provided and pressed against the metal base plate using the elastic force of the spring or the metal bellows. However, the short side length is relatively small, for example. For a metal base plate on which an insulating substrate having a size of 25 mm or less is mounted, the spring or the metal bellows in the cooling block may be omitted.
図6(a)は、冷却ブロック機構部の上面図であり、図6(b)は同機構部の側面図ある。図7は図6における冷却ブロック40の拡大断面図である。図7において冷却ブロック40は、その上面部に冷却突起部31を有し、この冷却突起部31に対応するようにして形成された冷却媒体排出路を備えた冷却ブロック躯体33と、冷却媒体導入路形成部36とを組み立てることにより構成されている。よって、冷却ブロック40の組み立ては、冷却媒体導入路形成部36を冷却ブロック躯体33に装着するだけで概ね完了し、冷却ブロック躯体33と冷却媒体導入路形成部36とが組み合わせられることによって、冷却ブロック40内における冷却媒体の循環経路を形成している。また、冷却媒体導入路形成部36と冷却ブロック躯体33には、断熱性ホース95との結合部を有し、結合される断熱性ホース95を介して、冷却媒体の冷却ブロック40への導入・排出が行われる。なお、同図では実施の形態1と同じ構成については同じ符号を用いている。
Fig.6 (a) is a top view of a cooling block mechanism part, FIG.6 (b) is a side view of the mechanism part. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the
このような本実施の形態に基づく冷却ブロック機構部40の構成によれば、絶縁基板が比較的小さい場合にあっては、実施の形態1と同様に接合ハンダの冷却速度が安定するため、ハンダ結晶粒のサイズを揃え、均一にすることができ、製品信頼性の保障期間(保持期間)を長期化できる。また、凝固時のハンダ温度分布が均一となり、接合面ハンダのボイド発生を抑制できる。更に、安定した製品製造が可能となり、生産性が向上し、スループットと歩留まりの改善を可能とした。
According to the configuration of the cooling
その一方で、実施の形態1におけるバネ4或いは金属ベローズ15などの構成が省略されることによって、構成部品の削減が可能となり、冷却媒体排出路形成部を冷却ブロック躯体に予め形成しておくようにすることで、主要な構成部品を大幅に削減(6個から2個)され、安価に装置が実現できると共に保守等に費やされる時間や費用も削減できる。 On the other hand, by omitting the configuration of the spring 4 or the metal bellows 15 in the first embodiment, it is possible to reduce the number of components, and the cooling medium discharge path forming portion is previously formed in the cooling block housing. By doing so, the main components can be greatly reduced (from 6 to 2), the apparatus can be realized at low cost, and the time and cost spent for maintenance can be reduced.
実施の形態3.
実施の形態1及び2では、冷却ブロック機構部として分割された複数の冷却ブロックと、その他に冷却ブロック固定枠25と冷却ブロック支持台28を用意することで、複数の冷却ブロックの配置が変更できるような可動式としたが、冷却ブロックを一体化して冷却突起部の位置を予め固定するようにしてもよい。
図8において冷却ブロック機構部70は一つの冷却ブロックとしてなり、その上面に、金属ベース板201上に搭載された複数の絶縁基板202の位置に対応させて冷却突起部71a〜71dが形成されている。
In the first and second embodiments, the arrangement of a plurality of cooling blocks can be changed by preparing a plurality of cooling blocks divided as a cooling block mechanism section, in addition to the cooling
In FIG. 8, the cooling
本実施の形態でも、実施の形態1同様に、金属ベース板201に生じた反りに伴う冷却装置の冷却ブロックの冷却突起部との部分的隙間を小さくし、その接触を良好なものとするには、冷却ブロックの冷却突起部における一つのフラット面からなる冷却領域面積を減らすことが、金属ベース板の反りに伴う悪影響を抑制する観点から有効となり、また、金属ベース板の反りは、絶縁基板真下部の曲率変化量が最も大きく、この部分に冷却ブロックを接触させることが好ましく、これにより均一な冷却状態が実現できる。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the partial gap with the cooling protrusion of the cooling block of the cooling device accompanying the warp generated in the
そして、このような本実施の形態に基づく冷却ブロック機構部70の構成によれば、接合ハンダの冷却速度が安定するため、ハンダ結晶粒のサイズを揃える(均一にする)ことができ、製品信頼性の保障期間(保持期間)を長期化できる。また、凝固時のハンダ温度分布が均一となり、接合面ハンダのボイド発生を抑制できる。更に、安定した製品製造が可能となり、生産性が向上し、スループットと歩留まりの改善を可能とした。
なお、冷却突起部71の位置が固定されているため、実施の形態1または2のように、絶縁基板202の配置等異なるパワー半導体モジュール間での共有化は難しいが、反面、その構成が単純であるので冷却ブロック自体は安価に製造することができ、また耐久性にも優れるので、同一のパワー半導体モジュールが一定数量を超えて生産処理される場合にはコスト低減等の効果を奏する。
And according to the structure of the cooling
Since the position of the cooling
実施の形態1または2では、1つの冷却ブロックに1つの冷却突起部を設けるようにしたが、1つの冷却ブロックに複数の突起を設けるようにしてもよく、絶縁基板間隔が狭い場合や、絶縁基板間の距離が一定な関係にある場合などにおいて特に有効である。また、冷却突起部の形状は円形だけに限らず、絶縁基板の形状に合わせて矩形やその他の形状を採用して更に最適化するようにしてもよい。 In the first or second embodiment, one cooling projection is provided in one cooling block. However, a plurality of projections may be provided in one cooling block. This is particularly effective when the distance between the substrates is in a fixed relationship. Further, the shape of the cooling protrusion is not limited to a circle, but may be further optimized by adopting a rectangle or other shapes according to the shape of the insulating substrate.
実施の形態3では、冷却ブロックの冷却突起部71の先端に、或いは冷却突起部71と置き換えるように金属ベローズを配置するようにしてもよく、それによって同様の効果が得られるだけでなく、金属ベローズの弾性力によって、より良好な接触状態となるが期待できる。
In the third embodiment, a metal bellows may be arranged at the tip of the cooling
また、実施の形態1乃至3にあって、冷却突起部の先端に伝熱性軟質パッドを配すれば、金属ベース板との熱接触性が更に改善されることは言うまでもない。
In
1 冷却突起部
2 冷却突起ガイド部
3 冷却ブロック躯体
4 バネ
6 冷却媒体導入路形成部
7 冷却媒体排出路形成部
10 冷却ブロック
25 冷却ブロック固定枠
28 冷却ブロック支持台
30 冷却ブロック機構部
90 冷却媒体循環器(チラー)
95 断熱性ホース
100 金属ベース板冷却装置
DESCRIPTION OF
95 Insulating
Claims (7)
Wherein each cooling block, the metal base plate cooling apparatus according to claim 3, characterized in that it includes a position preparation mechanism in the cooling block mechanism so that it can correspond to the arrangement of the insulating substrate in the metal base plate table surface .
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