KR101215695B1 - 방열 장치 및 파워 모듈 - Google Patents

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쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

방열 장치(1)는 한 면이 발열체 탑재면으로 이루어진 절연 기판(3)과, 절연 기판(3)의 다른 면에 고정된 히트 싱크(5)를 구비하고 있다. 절연 기판(3)에 있어서의 발열체 탑재면과는 반대측 면에 금속층(7)을 마련한다. 절연 기판(3)의 금속층(7)과 히트 싱크(5) 사이에 고열전도성 재료로 이루어지고, 또한 판 형상 본체(10) 및 판 형상 본체(10)의 한 면에 간격을 두고 형성된 복수의 돌기(11)로 이루어지는 응력 완화 부재(4)를 개재시킨다. 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)의 선단부면을 금속층(7)에 경납땜하고, 판 형상 본체(10)에 있어서의 돌기(11)가 형성되어 있지 않은 면을 히트 싱크(5)에 경납땜한다. 이 방열 장치(1)에 따르면 재료 비용이 저렴해지고, 게다가 방열 성능이 우수한 것이 된다.
방열 장치, 히트 싱크, 절연 기판, 반도체 소자, 응력 완화 부재

Description

방열 장치 및 파워 모듈{HEAT DISSIPATION DEVICE AND POWER MODULE}
본 발명은 방열 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 한 면이 발열체 탑재면으로 이루어진 절연 기판과, 절연 기판의 다른 면에 고정된 히트 싱크를 구비하고 있고, 절연 기판에 탑재되는 반도체 소자 등의 발열체로부터 발생되는 열을 히트 싱크로부터 방열하는 방열 장치에 관한 것이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 있어서,「알루미늄」이라는 용어에는,「순(純) 알루미늄」으로 표현하는 경우를 제외하고, 순 알루미늄 외에 알루미늄 합금을 포함하는 것으로 한다.
예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자를 사용한 파워 모듈에 있어서는, 반도체 소자로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열하여 반도체 소자의 온도를 소정 온도 이하로 유지할 필요가 있다. 그래서, 종래, 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹으로 이루어지고 또한 한 면이 발열체 탑재면(23)으로 이루어진 절연 기판과, 알루미늄 또는 구리(구리 합금을 포함함. 이하, 동일) 등의 고열전도성 금속에 의해 형성되고, 또한 절연 기판의 다른 면에 연납땜된 히트 싱크를 구비한 방열 장치가 이용되고 있고, 방열 장치의 절연 기판의 발열체 탑재면에 반도체 소자가 연납땜됨으로써 파워 모듈이 구성되어 있었다.
그런데, 예를 들어 하이브리드 카 등에 이용되는 파워 모듈에 있어서는, 방열 장치의 방열 성능이 장기간에 걸쳐 유지되는 것이 요구되고 있지만, 상술한 종래의 방열 장치에 따르면, 사용 조건에 따라서는, 절연 기판과 히트 싱크의 선열팽창계수의 차이에 기인하여 열응력이 발생하여, 절연 기판에 균열이 생기거나, 절연 기판과 히트 싱크를 접합하고 있는 땜납층(solder layer)에 균열이 생기거나, 히트 싱크의 절연 기판에의 접합면에 휨이 생기는 경우가 있어, 어떠한 경우에도 방열 성능이 저하되는 문제가 있었다.
그래서, 이와 같은 문제를 해결한 방열 장치로서, 한 면이 발열체 탑재면으로 이루어진 절연 기판과, 절연 기판의 다른 면에 연납땜된 방열체와, 방열체에 나사 고정된 히트 싱크를 구비하고 있고, 방열체가 알루미늄, 구리 등의 고열전도성 재료로 이루어지는 1쌍의 판 형상 방열체 본체와, 양 방열체 본체 사이에 개재된 인바(Invar) 합금 등의 저열팽창재로 이루어지는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
그러나, 특허문헌 1에 기재된 방열 장치에 있어서는, 고열전도성 재료와 저열팽창재로 이루어지는 방열체를 이용할 필요가 있으므로, 재료 비용이 높아지는 문제가 있다. 또한, 방열체와 히트 싱크가 나사 고정되어 있을 뿐이므로, 양자간의 열전도성이 충분하지 않아, 충분한 방열 성능을 얻을 수 없다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2004-153075호 공보
본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결하여, 재료 비용이 저렴하고, 게다가 방열 성능이 우수한 방열 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해 이하의 태양으로 이루어진다.
1) 한 면이 발열체 탑재면으로 이루어진 절연 기판과, 절연 기판의 다른 면에 고정된 히트 싱크를 구비한 방열 장치에 있어서,
절연 기판과 히트 싱크 사이에, 고열전도성 재료로 이루어지고, 또한 판 형상 본체 및 판 형상 본체의 적어도 한 면에 간격을 두고 형성된 복수의 돌기로 이루어지는 응력 완화 부재가 개재되고, 응력 완화 부재가 절연 기판 및 히트 싱크에 금속 접합되어 있는 방열 장치.
2) 응력 완화 부재의 판 형상 본체의 한 면에만 복수의 돌기가 형성되어 있고, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면 및 돌기의 선단부면 중 어느 한쪽이 절연 기판에 금속 접합되는 동시에, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면 및 돌기의 선단부면 중 다른 한쪽이 히트 싱크에 금속 접합되어 있는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
3) 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성된 면에, 고열전도성 재료로 이루어지고, 또한 돌기를 통과시키는 관통 구멍을 갖는 열전도판이 적층되어 있고, 열전도판이, 절연 기판 및 히트 싱크 중 돌기의 선단부면이 금속 접합된 측에 금속 접합되어 있는 상기 2)에 기재된 방열 장치.
4) 절연 기판과 히트 싱크 사이에, 판 형상 본체의 한 면에만 복수의 돌기가 형성된 2개의 응력 완화 부재가 배치되고, 한쪽 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면이 절연 기판에 금속 접합되는 동시에, 다른 쪽 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면이 히트 싱크에 금속 접합되어 있고, 한쪽 응력 완화 부재의 돌기가 다른 쪽 응력 완화 부재의 돌기 사이의 간극에 위치하는 동시에, 양 응력 완화 부재의 돌기의 선단부면이 각각 다른 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 금속 접합되어 있는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
5) 돌기가, 판 형상 본체에 일체 형성된 중실(中實) 기둥 형상체로 이루어지는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
6) 돌기가, 판 형상 본체에 형성된 관통 구멍의 주위에 일체 형성된 중공(中空) 통 형상체로 이루어지는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
7) 돌기의 횡단면의 외형이 원형이고, 돌기의 돌출 높이가 돌기의 횡단면의 외경보다도 크게 되어 있는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
8) 돌기의 횡단면의 외경이 0.8 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 미만, 돌출 높이가 0.8 ㎜를 초과하고 1.5 ㎜ 이하인 상기 7)에 기재된 방열 장치.
9) 돌기의 횡단면의 외형이 원형이고, 돌기의 돌출 높이가 돌기의 횡단면의 외경보다도 작게 되어 있는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
10) 돌기의 횡단면의 외경이 1.5 내지 3 ㎜, 돌출 높이가 0.5 내지 0.8 ㎜인 상기 9)에 기재된 방열 장치.
11) 응력 완화 부재의 돌기 사이의 간극에, 고열전도성 그리스(grease) 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
12) 절연 기판이, 발열체 탑재면과는 반대측 면에 금속층을 구비하고 있고, 이 금속층에 응력 완화 부재가 금속 접합되어 있는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
13) 고열전도성 재료가 알루미늄으로 이루어지는 상기 1)에 기재된 방열 장치.
14) 금속 접합이 경납땜(brazing)에 의한 것인 상기 1)에 기재된 방열 장치.
15) 상기 1) 내지 14) 중 어느 하나에 기재된 방열 장치와, 방열 장치의 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재된 반도체 소자를 구비한 파워 모듈.
상기 1)의 방열 장치에 따르면, 절연 기판과 히트 싱크 사이에, 고열전도성 재료로 이루어지고, 또한 판 형상 본체 및 판 형상 본체의 적어도 한 면에 간격을 두고 형성된 복수의 돌기로 이루어지는 응력 완화 부재가 개재되고, 응력 완화 부재가 절연 기판 및 히트 싱크에 금속 접합되어 있으므로, 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열전도성이 우수한 것이 되고, 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재되는 반도체 소자로부터 발생하는 열의 방열 성능이 향상된다. 게다가, 절연 기판과 히트 싱크의 선열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치에 열응력이 발생한 경우에도, 응력 완화 부재의 돌기가 변형되고, 이에 의해 열응력이 완화되므로, 절연 기판에 균열이 생기거나, 절연 기판과 응력 완화 부재의 접합부에 균열이 생기거나, 히트 싱크의 절연 기판측 면에 휨이 생기는 것이 방지된다. 따라서, 방열 성능이 장기간에 걸쳐 유지된다. 또한, 응력 완화 부재가 판 형상 본체 및 판 형상 본체의 적어도 한 면에 간격을 두고 형성된 복수의 돌기로 이루어지므로, 응력 완화 부재의 비용이 비교적 저렴해지고, 그 결과 방열 장치의 재료 비용이 저렴해진다.
상기 2)의 방열 장치에 따르면, 응력 완화 부재의 판 형상 본체의 한 면에만 복수의 돌기가 형성되어 있고, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면 및 돌기의 선단부면 중 어느 한쪽이 절연 기판에 금속 접합되는 동시에, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면 및 돌기의 선단부면 중 다른 한쪽이 히트 싱크에 금속 접합되어 있으므로, 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열전도성이 우수한 것이 되고, 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재되는 반도체 소자로부터 발생되는 열의 방열 성능이 향상된다. 게다가, 절연 기판과 히트 싱크의 선열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치에 열응력이 발생한 경우에도, 응력 완화 부재의 돌기가 변형되고, 이에 의해 열응력이 완화되므로, 절연 기판에 균열이 생기거나, 절연 기판과 응력 완화 부재의 접합부에 균열이 생기거나, 히트 싱크의 절연 기판측 면에 휨이 생기는 것이 방지된다. 따라서, 방열 성능이 장기간에 걸쳐 유지된다. 또한, 응력 완화 부재가 판 형상 본체 및 판 형상 본체의 한 면에만 형성된 복수의 돌기로 이루어지므로, 응력 완화 부재의 비용이 비교적 저렴해지고, 그 결과 방열 장치의 재료 비용이 저렴해진다.
상기 3)의 방열 장치에 따르면, 열전도판의 작용에 의해 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열 전달 면적이 증대하므로, 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열전도성이 한층 우수한 것이 되고, 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재되는 반도체 소자로부터 발생되는 열의 방열 성능이 향상된다. 게다가, 절연 기판과 히트 싱크의 선열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치에 열응력이 발생한 경우에도, 관통 구멍의 동작에 의해 열전도판이 변형되고, 이에 의해 열응력이 완화된다.
상기 4)의 방열 장치에 따르면, 2개의 응력 완화 부재의 작용에 의해 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열 전달 면적이 증대하므로, 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열전도성이 한층 우수한 것이 되고, 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재되는 반도체 소자로부터 발생되는 열의 방열 성능이 향상된다. 게다가, 절연 기판과 히트 싱크와의 선열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치에 열응력이 발생한 경우에도, 양 응력 완화 부재의 돌기가 변형되고, 이에 의해 열응력이 완화되므로, 절연 기판에 균열이 생기거나, 절연 기판과 응력 완화 부재의 접합부에 균열이 생기거나, 히트 싱크의 절연 기판측 면에 휨이 생기는 것이 방지된다.
상기 7) 및 8)의 방열 장치에 따르면, 방열 장치에 열응력이 발생한 경우의 돌기의 변형도가 커져, 방열 장치에 발생하는 열응력이 비교적 큰 경우에도 열응력을 완화시킬 수 있다.
상기 9) 및 10)의 방열 장치의 경우, 방열 장치에 열응력이 발생한 경우의 돌기의 변형도는 작아지지만, 방열 장치에 발생하는 열응력이 비교적 작은 경우에는 충분히 열응력을 완화시킬 수 있다.
상기 11)의 방열 장치에 따르면, 응력 완화 부재의 돌기 사이의 간극에 충전된 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지의 작용에 의해, 절연 기판과 히트 싱크 사이의 열전도성이 한층 우수한 것이 되고, 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재되는 반도체 소자로부터 발생되는 열의 방열 성능이 향상된다.
상기 14)의 방열 장치에 따르면, 응력 완화 부재가 절연 기판 및 히트 싱크에 경납땜되어 있으므로, 응력 완화 부재와 절연 기판, 및 응력 완화 부재와 히트 싱크를 동시에 접합할 수 있어, 제작시 작업성이 향상된다. 특허문헌 1에 기재된 방열 장치에 있어서는, 절연 기판과 방열체를 연납땜(soldering)한 후에 방열체와 히트 싱크를 나사 고정할 필요가 있어, 제작시 작업성이 나쁘다.
도1은 본 발명에 의한 방열 장치의 제1 실시 형태를 나타내는 것으로, 방열 장치를 이용한 파워 모듈의 일부분을 도시하는 수직 단면도이다.
도2는 도1의 방열 장치에 이용되는 응력 완화 부재를 도시하는 사시도이다.
도3은 본 발명에 의한 방열 장치의 제2 실시 형태를 나타내는 도1 상당의 도면이다.
도4는 도3의 방열 장치에 이용되는 응력 완화 부재 및 열전도판을 도시하는 사시도이다.
도5는 본 발명에 의한 방열 장치의 제3 실시 형태를 나타내는 도1 상당의 도면이다.
도6은 도5의 방열 장치에 이용되는 응력 완화 부재를 도시하는 사시도이다.
도7은 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 방열 장치에 이용되는 응력 완화 부재의 변형예를 나타내는 일부 절결 사시도이다.
도8은 제2 실시 형태의 방열 장치에 이용되는 응력 완화 부재 및 열전도판의 변형예를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다. 또, 이하의 설명에 있어서, 도1, 도3 및 도5의 상하, 좌우를 상하, 좌우로 한다. 또한, 전체 도면을 통해 동일 부분 및 동일물에는 동일 부호를 부여하여 중복되는 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태는 도1 및 도2에 나타내는 것이다.
도1은 제1 실시 형태의 방열 장치를 이용한 파워 모듈의 일부분을 도시하고, 도2는 제1 실시 형태의 방열 장치의 응력 완화 부재를 도시한다.
도1에 있어서, 파워 모듈은 방열 장치(1)와, 방열 장치(1)에 탑재된, 예를 들어 IGBT 등의 반도체 소자(2)를 구비하고 있다.
방열 장치(1)는 상면이 발열체 탑재면으로 이루어진 절연 기판(3)과, 절연 기판(3)의 하면에 접합된 응력 완화 부재(4)와, 응력 완화 부재(4)의 하면에 접합된 히트 싱크(5)를 구비하고 있다.
절연 기판(3)은, 필요로 하는 절연 특성, 열전도율 및 기계적 강도를 충족시키고 있으면, 어떠한 절연 재료로 형성되어 있어도 좋지만, 예를 들어 세라믹으로 형성되는 경우, 산화알루미늄이나 질화알루미늄이 이용된다. 절연 기판(3) 상면의 발열체 탑재면에 회로층(6)이 형성되고, 회로층(6) 상에 반도체 소자(2)가 접합되어 있다. 이 접합은, 예를 들어 연납땜에 의해 행해진다. 땜납층(solder layer)의 도시는 생략한다. 회로층(6)은 도전성이 우수한 알루미늄, 구리 등의 금속에 의해 형성되지만, 전기 전도율이 높고, 변형능이 높고, 게다가 반도체 소자와의 납 땜성(solderability)이 우수한 순도가 높은 순 알루미늄에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 절연 기판(3)의 하면에 금속층(7)이 형성되고, 금속층(7)에 응력 완화 부재(4)가 경납땜(brazing)되어 있다. 경납땜재층(brazing material layer)의 도시는 생략한다. 금속층(7)은 열전도성이 우수한 알루미늄, 구리 등의 금속에 의해 형성되지만, 열전도율이 높고, 변형능이 높고, 게다가 용융된 경납땜재와의 젖음성이 우수한 순도가 높은 순 알루미늄에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 절연 기판(3), 회로층(6) 및 금속층(7)에 의해 파워 모듈용 기판(8)이 구성되어 있다.
도2에 도시한 바와 같이, 응력 완화 부재(4)는 고열전도성 재료, 여기서는 알루미늄으로 예를 들어 냉간 단조에 의해 형성된 것이며, 판 형상 본체(10)와, 판 형상 본체(10)의 상면에 지그재그 배치 형상으로 간격을 두고 형성된 복수의 중실 원기둥 형상 돌기(11)로 이루어진다. 그리고, 돌기(11)의 선단부면이 금속층(7)에 경납땜되고, 판 형상 본체(10)의 하면이 히트 싱크(5)에 경납땜되어 있다. 응력 완화 부재(4)는 열전도율이 높고, 경납땜시의 가열에 의해 강도가 저하되어 변형능이 높고, 게다가 용융된 경납땜재와의 젖음성이 우수한 순도 99 % 이상, 바람직하게 순도 99.5 % 이상의 순 알루미늄에 의해 형성되어 있는 것이 좋다.
판 형상 본체(10)의 두께는 0.5 내지 3 ㎜인 것이 바람직하다. 판 형상 본체(10)의 두께가 지나치게 얇으면, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치(1)에 열응력이 발생한 경우의 응력 완화 부재(4)의 변형이 불충분해져, 응력 완화 부재(4)에 의한 응력 완화 성능이 충분하지 않게 될 우려가 있고, 이 두께가 지나치게 두꺼우면, 열전도성이 저하되어 방열 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
방열 장치(1)에 발생하는 열응력이 비교적 큰 경우에는, 돌기(11)의 돌출 높이가 횡단면의 외경보다도 크게 되어 있는 것이 바람직하고, 돌기(11)의 돌출 높이는 0.8 ㎜를 초과하고 1.5 ㎜ 이하이며, 횡단면의 외경은 0.8 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 미만인 것이 더욱 바람직하다. 돌기(11)의 돌출 높이가 지나치게 낮고, 또한 돌기(11)의 횡단면의 외경이 지나치게 크면, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치(1)에 열응력이 발생한 경우의 응력 완화 부재(4)의 변형이 불충분해져, 응력 완화 부재(4)에 의한 응력 완화 성능이 충분하지 않게 될 우려가 있고, 돌기(11)의 돌출 높이가 지나치게 높고, 또한 돌기(11)의 횡단면의 외경이 지나치게 작으면, 열전도성이 저하되어 방열 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
또한, 방열 장치(1)에 발생하는 열응력이 비교적 작은 경우에는, 돌기(11)의 돌출 높이가 횡단면의 외경보다도 작게 되어 있는 것이 바람직하고, 돌기(11)의 돌출 높이는 0.5 내지 0.8 ㎜, 횡단면의 외경은 1.5 내지 3 ㎜인 것이 더욱 바람직하다. 돌기(11)의 돌출 높이가 지나치게 낮고, 또한 돌기(11)의 횡단면의 외경이 지나치게 크면, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치(1)에 열응력이 발생한 경우의 응력 완화 부재(4)의 변형이 불충분해져, 응력 완화 부재(4)에 의한 응력 완화 성능이 충분하지 않게 될 우려가 있고, 돌기(11)의 돌출 높이가 지나치게 높고, 또한 돌기(11)의 횡단면의 외경이 지나치게 작으면, 열전도성이 저하되어 방열 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
히트 싱크(5)는 복수의 냉각 유체 통로(12)가 병렬 형상으로 설치된 편평 중공 형상이며, 열전도성이 우수한 동시에, 경량인 알루미늄에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 냉각 유체로서는, 액체 및 기체 중 어느 것을 이용해도 좋다.
응력 완화 부재(4)와, 파워 모듈용 기판(8)의 금속층(7) 및 히트 싱크(5)의 경납땜은, 예를 들어 다음과 같이 하여 행해진다. 즉, 응력 완화 부재(4)를 상기 순 알루미늄의 베어재(bare material)에 의해 형성한다. 계속해서, 파워 모듈용 기판(8), 응력 완화 부재(4) 및 히트 싱크(5)를 적층 형상으로 배치한다. 이 때, 응력 완화 부재(4)와, 파워 모듈용 기판(8)의 금속층(7) 및 히트 싱크(5) 사이에, 각각 Al-Si계 합금, Al-Si-Mg계 합금 등으로 이루어지는 시트 형상 알루미늄 경납땜재를 개재시켜 둔다. 시트 형상 알루미늄 경납땜재의 두께는 10 내지 200 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 이 두께가 지나치게 얇으면 경납땜재의 공급 부족이 되어 경납땜 불량을 일으킬 우려가 있고, 이 두께가 지나치게 두꺼우면 경납땜재 과다가 되어 보이드의 발생이나 열전도성의 저하를 초래할 우려가 있다.
계속해서, 파워 모듈용 기판(8), 응력 완화 부재(4) 및 히트 싱크(5)를 적당한 지그에 의해 구속하고, 접합면에 적당한 하중을 가하면서, 진공 분위기 중 또는 불활성 가스 분위기 중에 있어서, 570 내지 600 ℃로 가열한다. 이와 같이 하여, 완화 부재(4)와, 파워 모듈용 기판(8)의 금속층(7) 및 히트 싱크(5)가 동시에 경납땜된다.
상술한 파워 모듈은, 예를 들어 전동 모터를 구동원의 일부로 하는 하이브리 드 카 등의 차량에 적용됨으로써, 차량의 운전 상황에 따라서 전동 모터에 공급하는 전력을 제어한다. 그리고, 반도체 소자(2)로부터 발생된 열은, 파워 모듈용 기판(8) 및 응력 완화 부재(4)를 통해 히트 싱크(5)에 전달되고, 냉각 유체 통로(12) 내를 흐르는 냉각 유체에 방열된다.
반도체 소자(2)로부터 발생한 열이 히트 싱크(5)에 전달되었을 때에는, 절연 기판(3) 및 히트 싱크(5)는 고온이 되어 열팽창한다. 한편, 반도체 소자(2)로부터의 발열이 정지하면, 절연 기판(3) 및 히트 싱크(5)의 온도는 상온까지 저하되어 열수축한다. 그리고, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 선열팽창계수의 차이에 기인하여, 상술한 열팽창 및 열수축시에, 방열 장치에, 도1의 좌우 방향, 및 도1의 지면(紙面) 표리 방향으로 열응력이 발생한다. 그러나, 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)가, 그 횡단면의 외경이 팽창, 수축하도록 변형되고, 이에 의해 열응력이 완화되므로, 절연 기판(3)에 균열이 생기거나, 절연 기판(3)과 응력 완화 부재(4)의 접합부에 균열이 생기거나, 히트 싱크(5)의 상면에 휨이 생기는 것이 방지된다. 따라서, 방열 성능이 장기간에 걸쳐 유지된다.
상술한 제1 실시 형태에 있어서, 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)는 중실의 원기둥 형상이지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 중실의 기둥 형상이면, 그 횡단면의 외형은 적절하게 변경 가능하고, 예를 들어 사각 기둥 형상이어도 좋다. 또한, 파워 모듈용 기판(8)의 금속층(7)과, 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10) 사이에 있어서, 돌기(11) 사이의 간극에 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 고열전도성 그리스로서는, 예를 들어 실리콘계 그리스는 은 페이스트, 도전성 페이스트 등이 이용되고, 열전도 수지로서는, 예를 들어 에폭시 수지가 이용된다. 이 경우, 파워 모듈용 기판(8)으로부터 히트 싱크(5)로의 열전도성이 향상되고, 방열 성능이 우수한 것이 된다.
(제2 실시 형태)
본 실시 형태는 도3 및 도4에 나타내는 것이다.
도3은 제2 실시 형태의 방열 장치를 이용한 파워 모듈의 일부분을 도시하고, 도4는 제2 실시 형태의 방열 장치의 응력 완화 부재를 도시한다.
도3 및 도4에 있어서, 방열 장치(15)에 있어서의 파워 모듈용 기판(8)과 히트 싱크(5) 사이에, 제1 실시 형태와 같은 구성의 응력 완화 부재(4)와, 고열전도성 재료, 여기에서는 알루미늄으로 이루어지고, 또한 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)를 통과시키는 복수의 관통 구멍(17)을 갖는 열전도판(16)이 배치되어 있다. 또, 제2 실시 형태에 있어서, 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)는 지그재그 배치 형상으로 형성되어 있지 않고, 종횡으로 나열되어 형성되어 있다. 열전도판(16)은, 관통 구멍(17)에 돌기(11)를 통과시킨 상태에서, 응력 완화 부재(4)에 있어서의 판 형상 본체(10)의 상면에 배치되어 있고, 파워 모듈용 기판(8)의 금속층(7)에 경납땜되어 있다. 돌기(11)의 외주면과, 관통 구멍(17)의 내주면 사이에는 간극이 존재하고 있다. 또한, 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)의 상면과 열전도판(16)의 하면 사이에도 간극이 존재하고 있다(도3 참조). 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)의 상면과 열전도판(16)의 하면 사이에 간극을 형성하기 위해서는, 금속층(7)과 응력 완화 부재(4) 및 열전도판(16)의 경납땜, 및 응력 완화 부 재(4)와 히트 싱크(5)의 경납땜을, 도3에 도시하는 경우와는 상하 역배향으로 하여 행하면 된다. 또, 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)의 상면과 열전도판(16)의 하면 사이의 간극은 반드시 필요로 하지 않고, 열전도판(16)과 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)가 경납땜되어 있어도 좋다.
열전도판(16)은, 열전도율이 높고, 경납땜시의 가열에 의해 강도가 저하되어 변형능이 높고, 게다가 용융된 경납땜재와의 젖음성이 우수한 순도 99 % 이상, 바람직하게 순도 99.5 % 이상의 순 알루미늄에 의해 형성되어 있는 것이 좋다.
열전도판(16)과 금속층(7)의 경납땜은, 제1 실시 형태에 있어서의 돌기(11)의 선단부면을 금속층에 경납땜하는 시트 형상 알루미늄 경납땜재를 이용하여 행해진다. 또한, 열전도판(16)과 판 형상 본체(10)가 경납땜되는 경우, 이 경납땜은 Al-Si계 합금, Al-Si-Mg계 합금 등으로 이루어지고, 또한 돌기(11)가 통과되는 복수의 관통 구멍을 갖는 시트 형상 알루미늄 경납땜재를 열전도판(16)과 판 형상 본체(10) 사이에 개재시킴으로써 행해진다.
제2 실시 형태의 방열 장치(15)의 경우, 돌기(11)의 외주면과 관통 구멍(17)의 내주면 사이의 간극, 및 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)의 상면과 열전도판(16)의 하면 사이의 간극에, 제1 실시 형태의 경우와 같은 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 것이 바람직하다.
또, 제2 실시 형태의 방열 장치(15)의 경우, 열전도판(16)을, 순도 99 % 이상, 바람직하게 순도 99.5 % 이상의 순 알루미늄으로 이루어지는 코어재와, 코어재의 양면을 피복하는 알루미늄 경납땜재로 된 표피재로 이루어지는 알루미늄 브레이 징 시트에 의해 형성해 두고, 열전도판(16)과 금속층(7)의 경납땜을 브레이징 시트의 표피재를 이용하여 행해도 좋다. 상기 알루미늄 브레이징 시트의 표피재로서는, 예를 들어 Al-Si계 합금, Al-Si-Mg계 합금 등이 이용된다. 또한, 표피재의 두께는 10 내지 200 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 이 두께가 지나치게 얇으면 경납땜재의 공급 부족이 되어 경납땜 불량을 일으킬 우려가 있고, 이 두께가 지나치게 두꺼우면 경납땜재 과다가 되어 보이드의 발생이나 열전도성의 저하를 초래할 우려가 있다.
(제3 실시 형태)
본 실시 형태는 도5 및 도6에 나타내는 것이다.
도5는 제3 실시 형태의 방열 장치를 이용한 파워 모듈의 일부분을 도시하고, 도6은 제3 실시 형태의 방열 장치의 응력 완화 부재를 도시한다.
도5 및 도6에 있어서, 방열 장치(20)에 있어서의 파워 모듈용 기판(8)과 히트 싱크(5) 사이에, 제1 실시 형태와 같은 구성의 응력 완화 부재(4)가 2개 배치되어 있다. 상측 응력 완화 부재(4)는 돌기(11)가 하향이 되도록 배치되고, 하측 응력 완화 부재(4)는 돌기(11)가 상향이 되도록 배치되어 있다. 또, 제3 실시 형태에 있어서, 양 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)는 지그재그 배치 형상으로 형성되어 있지 않고, 종횡으로 나열되어 형성되어 있다. 그리고, 상측 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)의 상면이 파워 모듈용 기판(8)의 금속층(7)에 경납땜되는 동시에, 하측 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)의 하면이 히트 싱크(5)에 경납땜되어 있다. 이들 경납땜은, 시트 형상 알루미늄 경납땜재를 이용하여 행해진다. 또한, 양 응력 완화 부재(4)의 돌기(11)는 서로 간섭하지 않도록 형성되어 있어, 상측 응력 완화 부재(4)의 돌기(11) 선단부면은 하측 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10) 상면에, 하측 응력 완화 부재(4)의 돌기(11) 선단부면은 상측 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10) 하면에 각각 경납땜되어 있다. 이들 경납땜은, Al-Si계 합금, Al-Si-Mg계 합금 등으로 이루어지고, 또한 돌기(11)가 통과되는 복수의 관통 구멍을 갖는 시트 형상 알루미늄 경납땜재를, 양 응력 완화 부재(4)의 판 형상 본체(10)와 돌기(11)의 선단부면 사이에 개재시킴으로써 행해진다.
제3 실시 형태의 방열 장치(20)의 경우, 상하 양 응력 완화 부재(4) 사이에 있어서, 돌기(11) 사이의 간극에, 제1 실시 형태의 경우와 같은 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태에 있어서, 파워 모듈용 기판(8)의 절연 기판(3)의 하면에는 금속층(7)이 형성되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 금속층을 반드시 필요로 하지는 않는다. 그리고, 제1 실시 형태 및 제3 실시 형태의 방열 장치(1)(15)의 경우에는, 응력 완화 부재(4)가 절연 기판(3)에 직접 경납땜되고, 제2 실시 형태의 방열 장치(20)의 경우에는, 응력 완화 부재(4) 및 열전도판(16)이 절연 기판에 직접 경납땜된다.
도7은 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 방열 장치(1)(15)(20)에 이용되는 응력 완화 부재의 변형예를 나타낸다.
도7에 도시하는 응력 완화 부재(25)는 고열전도성 재료, 여기서는 알루미늄으로 예를 들어 프레스 가공에 의해 형성된 것이며, 복수의 관통 구멍(27)이 지그 재그 배치 형상으로 간격을 두고 형성된 판 형상 본체(26)와, 판 형상 본체(26)의 관통 구멍(27)의 주위에 기립 형상으로 일체 형성된 중공 원통 형상의 돌기(28)로 이루어진다.
판 형상 본체(26)의 두께는 0.5 내지 3 ㎜인 것이 바람직하다. 판 형상 본체(26)의 두께가 지나치게 얇으면, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치(1)(15)(20)에 열응력이 발생한 경우의 응력 완화 부재(25)의 변형이 불충분해져, 응력 완화 부재(25)에 의한 응력 완화 성능이 충분하지 않게 될 우려가 있고, 이 두께가 지나치게 두꺼우면, 열전도성이 저하되어 방열 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
방열 장치(1)(15)(20)에 발생하는 열응력이 비교적 큰 경우에는, 돌기(28)의 돌출 높이가 횡단면의 외경보다도 크게 되어 있는 것이 바람직하고, 돌기(28)의 돌출 높이는 0.8 ㎜를 초과하고 1.5 ㎜ 이하이며, 횡단면의 외경은 0.8 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 미만인 것이 더욱 바람직하다. 돌기(28)의 돌출 높이가 지나치게 낮고, 또한 돌기(28)의 횡단면의 외경이 지나치게 크면, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치(1)(15)(20)에 열응력이 발생한 경우의 응력 완화 부재(25)의 변형이 불충분해져, 응력 완화 부재(25)에 의한 응력 완화 성능이 충분하지 않게 될 우려가 있고, 돌기(28)의 돌출 높이가 지나치게 높고, 또한 돌기(28)의 횡단면의 외경이 지나치게 작으면, 열전도성이 저하되어 방열 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
또한, 방열 장치(1)(15)(20)에 발생하는 열응력이 비교적 작은 경우에는, 돌 기(28)의 돌출 높이가 횡단면의 외경보다도 작게 되어 있는 것이 바람직하고, 돌기(28)의 돌출 높이는 0.5 내지 0.8 ㎜, 횡단면의 외경은 1.5 내지 3 ㎜인 것이 더욱 바람직하다. 돌기(28)의 돌출 높이가 지나치게 낮고, 또한 돌기(28)의 횡단면의 외경이 지나치게 크면, 절연 기판(3)과 히트 싱크(5)의 열팽창계수의 차이에 기인하여 방열 장치(1)(15)(20)에 열응력이 발생한 경우의 응력 완화 부재(25)의 변형이 불충분해져, 응력 완화 부재(25)에 의한 응력 완화 성능이 충분하지 않게 될 우려가 있고, 돌기(28)의 돌출 높이가 지나치게 높고, 또한 돌기(28)의 횡단면의 외경이 지나치게 작으면, 열전도성이 저하되어 방열 성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
응력 완화 부재(25)는, 순도 99 % 이상, 바람직하게 순도 99.5 % 이상의 순 알루미늄에 의해 형성되어 있는 것이 좋다.
이 응력 완화 부재(25)를 이용하는 경우, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태에서 서술한 바와 같이, 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 것에 부가하여, 돌기(28) 내에 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 도7에 도시하는 응력 완화 부재(25)를, 순도 99 % 이상, 바람직하게 순도 99.5 % 이상의 순 알루미늄으로 이루어지는 코어재와, 코어재의 양면을 피복하는 알루미늄 경납땜재로 된 표피재로 이루어지는 알루미늄 브레이징 시트에 의해 형성해 두고, 응력 완화 부재(25)의 경납땜을 알루미늄 브레이징 시트의 표피재를 이용하여 행해도 좋다. 또한, 표피재로서는, 예를 들어 Al-Si계 합금, Al-Si-Mg계 합금 등이 이용된다. 또한, 표피재의 두께는 10 내지 200 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 이 두께가 지나치게 얇으면 경납땜재의 공급 부족이 되어 경납땜 불량을 일으킬 우려가 있고, 이 두께가 지나치게 두꺼우면 경납땜재 과다가 되어 보이드의 발생이나 열전도성의 저하를 초래할 우려가 있다.
도8은 제2 실시 형태의 방열 장치(15)에 이용되는 응력 완화 부재 및 열전도판의 변형예를 나타낸다.
도8에 있어서, 응력 완화 부재(30)의 판 형상 본체(10)의 상면에 형성된 돌기(31)는 중실 사각 기둥 형상이며, 열전도판(32)에는 이 돌기(31)를 통과시키는 복수의 사각형 관통 구멍(33)이 형성되어 있다.

Claims (15)

  1. 한 면이 발열체 탑재면으로 이루어진 절연 기판과, 절연 기판의 다른 면에 고정된 히트 싱크를 구비한 방열 장치이며,
    절연 기판과 히트 싱크 사이에, 고열전도성 재료로 이루어지고, 또한 판 형상 본체 및 판 형상 본체의 적어도 한 면에 간격을 두고 형성된 복수의 돌기로 이루어지는 응력 완화 부재가 개재되고, 응력 완화 부재가 절연 기판 및 히트 싱크에 금속 접합되어 있는 방열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 응력 완화 부재의 판 형상 본체의 한 면에만 복수의 돌기가 형성되어 있고, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면 및 돌기의 선단부면 중 어느 한쪽이 절연 기판에 금속 접합되는 동시에, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면 및 돌기의 선단부면 중 다른 한쪽이 히트 싱크에 금속 접합되어 있는 방열 장치.
  3. 제2항에 있어서, 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성된 면에, 고열전도성 재료로 이루어지고, 또한 돌기를 통과시키는 관통 구멍을 갖는 열전도판이 적층되어 있고, 열전도판이, 절연 기판 및 히트 싱크 중 돌기의 선단부면이 금속 접합된 측에 금속 접합되어 있는 방열 장치.
  4. 제1항에 있어서, 절연 기판과 히트 싱크 사이에, 판 형상 본체의 한 면에만 복수의 돌기가 형성된 2개의 응력 완화 부재가 배치되고, 한쪽 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면이 절연 기판에 금속 접합되는 동시에, 다른 쪽 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 있어서의 돌기가 형성되어 있지 않은 면이 히트 싱크에 금속 접합되어 있고, 한쪽 응력 완화 부재의 돌기가 다른 쪽 응력 완화 부재의 돌기 사이의 간극에 위치하는 동시에, 양 응력 완화 부재의 돌기의 선단부면이 각각 다른 응력 완화 부재의 판 형상 본체에 금속 접합되어 있는 방열 장치.
  5. 제1항에 있어서, 돌기가, 판 형상 본체에 일체 형성된 중실(solid) 기둥 형상체로 이루어지는 방열 장치.
  6. 제1항에 있어서, 돌기가, 판 형상 본체에 형성된 관통 구멍의 주위에 일체 형성된 중공(hollow) 통 형상체로 이루어지는 방열 장치.
  7. 제1항에 있어서, 돌기의 횡단면의 외형이 원형이고, 돌기의 돌출 높이가 돌기의 횡단면의 외경보다도 크게 되어 있는 방열 장치.
  8. 제7항에 있어서, 돌기의 횡단면의 외경이 0.8 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 미만, 돌출 높이가 0.8 ㎜를 초과하고 1.5 ㎜ 이하인 방열 장치.
  9. 제1항에 있어서, 돌기의 횡단면의 외형이 원형이고, 돌기의 돌출 높이가 돌기의 횡단면의 외경보다도 작게 되어 있는 방열 장치.
  10. 제9항에 있어서, 돌기의 횡단면의 외경이 1.5 내지 3 ㎜, 돌출 높이가 0.5 내지 0.8 ㎜인 방열 장치.
  11. 제1항에 있어서, 응력 완화 부재의 돌기 사이의 간극에, 고열전도성 그리스 또는 열전도 수지가 충전되어 있는 방열 장치.
  12. 제1항에 있어서, 절연 기판이, 발열체 탑재면과는 반대측 면에 금속층을 구비하고 있고, 이 금속층에 응력 완화 부재가 금속 접합되어 있는 방열 장치.
  13. 제1항에 있어서, 고열전도성 재료가 알루미늄으로 이루어지는 방열 장치.
  14. 제1항에 있어서, 금속 접합이 경납땜(brazing)에 의한 것인 방열 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 방열 장치와, 방열 장치의 절연 기판의 발열체 탑재면에 탑재된 반도체 소자를 구비한 파워 모듈.
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