WO2007007602A1 - 放熱装置およびパワーモジュール - Google Patents

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WO2007007602A1
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heat
protrusion
stress relaxation
plate
insulating substrate
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PCT/JP2006/313376
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Kota Otoshi
Eiji Kono
Keiji Toh
Katsufumi Tanaka
Yuichi Furukawa
Shinobu Yamauchi
Ryoichi Hoshino
Nobuhiro Wakabayashi
Shintaro Nakagawa
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Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki
Showa Denko K.K.
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Definitions

  • the present invention relates to a heat dissipation device, and more specifically, a semiconductor mounted on an insulating substrate, including an insulating substrate with one surface serving as a heating element mounting surface and a heat sink fixed on the other surface of the insulating substrate.
  • the present invention relates to a heat dissipation device that dissipates heat generated from a heating element such as an element from a heat sink.
  • aluminum includes an aluminum alloy in addition to pure aluminum, unless expressed as “pure aluminum”.
  • the power module is configured by soldering a semiconductor element to the heating element mounting surface of the insulating substrate of the heat dissipation device.
  • the heat dissipation performance of the heat dissipation device is required to be maintained over a long period of time.
  • the thermal stress occurs due to the difference in the linear thermal expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink, causing cracks in the insulating substrate, cracks in the solder layer joining the insulating substrate and the heat sink, In some cases, the heat sink performance may be deteriorated due to warping of the heat sink's bonding surface to the insulating substrate.
  • one side has been a heating element mounting surface. It has an insulating substrate, a heat sink soldered to the other surface of the insulating substrate, and a heat sink screwed to the heat sink, and the heat sink is made of a highly thermally conductive material such as aluminum or copper. And a low thermal expansion material such as an invar alloy interposed between the two radiator bodies (see Patent Document 1).
  • the heat dissipating device described in Patent Document 1 has a problem that the material cost increases because it is necessary to use a heat dissipating body made of a high thermal conductivity material and a low thermal expansion material. Furthermore, since the heat dissipation body and the heat sink are only screwed together, sufficient heat dissipation performance cannot be obtained that the thermal conductivity between them is not sufficient!
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-153075
  • An object of the present invention is to provide a heat dissipation device that solves the above-described problems, has low material cost, and has excellent heat dissipation performance.
  • the present invention has the following aspect.
  • a heat dissipating device including an insulating substrate, one surface of which is a heating element mounting surface, and a heat sink fixed to the other surface of the insulating substrate.
  • a stress relief member made of a highly thermally conductive material and having a plurality of protruding forces formed on at least one surface of the plate-like body with an interval is interposed therebetween to relieve stress.
  • a heat dissipation device whose members are metal-bonded to an insulating substrate and a heat sink.
  • a plurality of protrusions are formed only on one surface of the plate-like main body of the stress relaxation member, and protrusions on the plate-like main body of the stress relaxation member are formed!
  • a heat conduction plate made of a highly heat-conductive material and having a through hole through which the protrusion passes is laminated on the surface of the stress relief member on which the protrusion is formed.
  • the insulation board and heat sink are metal-bonded to the side where the tip end surface of the protrusion is metal-bonded.
  • the outer diameter of the cross section of the protrusion is 0.8 mm or more and less than 1.5 mm, and the protrusion height exceeds 0.8 mm.
  • a power module comprising the heat radiating device according to any one of 1) to 14) above and a semiconductor element mounted on a heat generator mounting surface of an insulating substrate of the heat radiating device.
  • the plate-shaped main body and at least one surface of the plate-shaped main body are formed with a space between the insulating substrate and the heat sink. Since the stress relaxation member having a plurality of protrusions is interposed and the stress relaxation member is metal-bonded to the insulating substrate and the heat sink, the thermal conductivity between the insulating substrate and the heat sink is excellent, and insulation is achieved. The heat dissipation performance of the heat generated from the semiconductor element mounted on the heating element mounting surface of the substrate is improved.
  • the stress relieving member has a plurality of protruding forces formed on the plate-like main body and at least one surface of the plate-like main body, the stress relieving member costs are relatively low, and as a result, the material of the heat dissipation device Cost is reduced.
  • a plurality of protrusions are formed only on one surface of the plate-like body of the stress relaxation member, and the protrusions on the plate-like body of the stress relaxation member are formed.
  • One of the tip surface of the projection and the protrusion is metal-bonded to the insulating substrate, and the other is metal-bonded to the heat sink, so that the heat conductivity between the insulating substrate and the heat sink is excellent. Therefore, the heat dissipation performance of the heat generated from the semiconductor element mounted on the heating element mounting surface of the insulating substrate is improved.
  • the stress relaxation member has a plurality of protrusions formed on only one surface of the plate-like main body and the plate-like main body, the cost of the stress relaxation member is relatively low, and as a result, the material cost of the heat dissipation device is low. Become.
  • the insulating substrate and the heat sink are separated by the action of the heat conducting plate. Since the heat transfer area increases, the thermal conductivity between the insulating substrate and the heat sink becomes even better, and the heat dissipation performance of the heat generated from the semiconductor elements mounted on the heating element mounting surface of the insulating substrate Will improve. However, due to the difference in the coefficient of linear thermal expansion between the insulating substrate and the heat sink, even when thermal stress is generated in the heat dissipation device, the heat conduction plate is deformed by the function of the through-holes. Also the thermal stress is relaxed.
  • the heat transfer area between the insulating substrate and the heat sink is increased by the action of the two stress relaxation members, so that the thermal conductivity between the insulating substrate and the heat sink is increased.
  • the layer is superior, and the heat dissipation performance of the heat generated by the power of the semiconductor element mounted on the heating element mounting surface of the insulating substrate is improved.
  • the protrusions of both stress relaxation members are deformed, which causes the thermal stress to be reduced. Since it is mitigated, it is possible to prevent cracks in the insulating substrate, cracks in the joint between the insulating substrate and the stress relaxation member, and warpage of the surface of the heat sink on the insulating substrate side.
  • the degree of deformation of the protrusions is small when thermal stress is generated in the radiator, but it is sufficient if the thermal stress generated in the radiator is relatively small. Thermal stress can be relaxed.
  • the thermal conductivity between the insulating substrate and the heat sink is caused by the action of the high thermal conductive grease or the thermal conductive grease filled in the gap between the protrusions of the stress relaxation member. Therefore, the heat dissipation performance of the heat generated by the semiconductor element mounted on the heating element mounting surface of the insulating substrate is improved.
  • FIGS. 1, 3, and 5 are referred to as top and bottom, and left and right.
  • the same portions and the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • FIG. 1 This embodiment is shown in FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 1 shows a part of a power module using the heat dissipation device of Embodiment 1
  • FIG. 2 shows a stress relaxation member of the heat dissipation device of Embodiment 1.
  • the power module includes a heat dissipation device (1) and a semiconductor element (2) such as an IGBT mounted on the heat dissipation device (1).
  • the heat dissipation device (1) includes an insulating substrate (3) whose upper surface is a heating element mounting surface, a stress relaxation member (4) bonded to the lower surface of the insulating substrate (3), and a stress relaxation member ( And a heat sink (5) joined to the lower surface of 4).
  • the insulating substrate (3) may be formed with any insulating material force as long as it satisfies the required insulating properties, thermal conductivity, and mechanical strength.
  • a ceramic force is also formed.
  • aluminum oxide is used.
  • a circuit layer (6) is formed on the heating element mounting surface on the upper surface of the insulating substrate (3), and the semiconductor element (2) is bonded on the circuit layer (6). This joining is performed by soldering, for example. Illustration of the solder layer is omitted.
  • the circuit layer (6) is made of a metal such as aluminum or copper with excellent electrical conductivity, but its electrical conductivity is high, its deformability is high, and its squeezing force is also excellent in solderability with semiconductor elements.
  • metal layer (7) is formed on the lower surface of the insulating substrate (3), and the stress relaxation member (4) is brazed to the metal layer (7).
  • the illustration of the brazing material layer is omitted.
  • Metal layer (7) is a force formed by a metal such as aluminum or copper with excellent thermal conductivity. High thermal conductivity. High deformability. Excellent wettability with molten brazing material. High purity. It is preferably formed of pure aluminum.
  • the insulating substrate (3), the circuit layer (6), and the metal layer (7) constitute a power module substrate (8).
  • the stress relaxation member (4) is formed from a high thermal conductivity material, here aluminum, for example by cold forging, and includes a plate-like body (10) and a plate-like body ( 10) Top view And a plurality of solid cylindrical protrusions (11) formed at intervals in a staggered arrangement.
  • the tip end surface of the protrusion (11) is brazed to the metal layer (7), and the lower surface of the plate-like body (10) is brazed to the heat sink (5).
  • the stress relieving member (4) has a high thermal conductivity and the strength is reduced by heating during brazing, the deformability is high, and the wettability with the molten brazing material is excellent. 99. It should be formed of 5% or more pure aluminum.
  • the thickness of the plate-like main body (10) is preferably 0.5 to 3 mm. If the thickness of the plate-shaped body (10) is too thin, stress relaxation when thermal stress occurs in the heat dissipation device (1) due to the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat sink (5) There is a risk that the deformation of the member (4) becomes insufficient and the stress relaxation performance by the stress relaxation member (4) may not be sufficient. If this thickness is too thick, the thermal conductivity will decrease and the heat dissipation performance will decrease. It is because there is a possibility of doing.
  • the protrusion height of the protrusion (11) is larger than the outer diameter of the cross section (11) More preferably, the height of the protrusion is more than 0.8 mm and not more than 1.5 mm, and the outer diameter of the cross section is not less than 0.8 mm and less than 1.5 mm. If the protrusion height of the protrusion (11) is too low and the outer diameter of the cross section of the protrusion (11) is too large, heat dissipation will occur due to the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat sink (5).
  • the deformation of the stress relaxation member (4) becomes insufficient, and the stress relaxation performance by the stress relaxation member (4) may not be sufficient. If the protrusion height of the protrusion is too high and the outer diameter of the cross section of the protrusion (11) is too small, there is a possibility that the heat conductivity is lowered and the heat dissipation performance is lowered.
  • the protrusion height of the protrusion (11) is smaller than the outer diameter of the cross section (
  • the protrusion height of 11) is more preferably 0.5 to 0.8 mm, and the outer diameter of the cross section is more preferably 1.5 to 3 mm. If the protrusion height of the protrusion (11) is too low and the outer diameter of the cross section of the protrusion (11) is too large, the insulation substrate (3) and the heat sink (5) will have different thermal expansion coefficients. When thermal stress occurs in the heat dissipation device (1), deformation of the stress relaxation member (4) becomes insufficient, and the stress relaxation performance by the stress relaxation member (4) may not be sufficient.
  • the heat sink (5) has a flat hollow shape in which a plurality of cooling fluid passages (12) are provided in parallel, and is preferably formed of aluminum that is excellent in thermal conductivity and lightweight. Either a liquid or a gas may be used as the cooling fluid.
  • the stress relaxation member (4) is brazed to the metal layer (7) and the heat sink (5) of the power module substrate (8), for example, as follows. That is, the stress relaxation member (4) is formed of the bare aluminum material. Next, the power module substrate (8), the stress relieving member (4), and the heat sink (5) are arranged in a laminated form. At this time, between the stress relaxation member (4) and the metal layer (7) and heat sink (5) of the power module substrate (8), respectively, an A 1-Si alloy, an Al-Si-Mg alloy, etc. A sheet-like aluminum brazing material is also interposed. The thickness of the sheet-like aluminum brazing material is preferably about 10 to 200 ⁇ m. If this thickness is too thin, there is a risk of brazing failure due to insufficient supply of brazing material, and if this thickness is too thick, there is an excess of brazing material, which may cause voids and decrease in thermal conductivity. .
  • the power module substrate (8), the stress relaxation member (4), and the heat sink (5) are restrained by an appropriate jig, and an appropriate load is applied to the joint surface. Heat to 570-600 ° C in an inert gas atmosphere.
  • the stress relaxation member (4), the metal layer (7) of the power module substrate (8) and the heat sink (5) are brazed simultaneously.
  • the power module described above is applied to a vehicle such as a hybrid car having an electric motor as a part of a drive source, for example, thereby controlling the electric power supplied to the electric motor according to the driving situation of the vehicle. Then, the heat generated from the semiconductor element (2) is transferred to the heat sink (5) through the power module substrate (8) and the stress relaxation member (4), and the cooling fluid flowing in the cooling fluid path (12). Heat is released to the fluid.
  • the protrusion (11) of the stress relaxation member (4) is deformed so that the outer diameter of the cross section expands and contracts, and the thermal stress is thereby relaxed, so that the insulating substrate (3) It is possible to prevent cracks from occurring, cracks at the joint between the insulating substrate (3) and the stress relaxation member (4), and warpage of the upper surface of the heat sink (5). Therefore, the heat dissipation performance is maintained for a long time.
  • the protrusion (11) of the stress relaxation member (4) is a solid columnar force. If the solid columnar shape is not limited to this, The outer shape can be changed as appropriate, and may be, for example, a prismatic shape.
  • a gap between the protrusions (11) has a high thermal conductive grease or thermal conductivity. It is preferred to be filled with oil.
  • silicon grease, silver paste, conductive paste or the like is used as the high thermal conductive grease, and epoxy resin is used as the thermal conductive grease, for example. In this case, thermal conductivity to the power module substrate (8) force heat sink (5) is improved, and heat dissipation performance is improved.
  • FIG. 3 This embodiment is shown in FIG. 3 and FIG.
  • FIG. 3 shows a part of a power module using the heat dissipation device of the second embodiment
  • FIG. 4 shows a stress relaxation member of the heat dissipation device of the second embodiment.
  • a stress relaxation member (4) having the same configuration as that of Embodiment 1;
  • a highly heat-conductive material here a heat-conducting plate (16) which also has aluminum force and has a plurality of through holes (17) through which the protrusions (11) of the stress relaxation member (4) pass.
  • the protrusions (11) of the stress relaxation member (4) are not formed in a staggered arrangement, but are formed side by side in the vertical and horizontal directions.
  • the heat conduction plate (16) is disposed on the upper surface of the plate body (10) in the stress relaxation member (4) with the protrusion (11) passed through the through hole (17).
  • the clearance between the upper surface of the plate-like body (10) of the stress relaxation member (4) and the lower surface of the heat conduction plate (16) is not necessarily required, and the heat conduction plate (16) and the stress relaxation member (4)
  • the plate-like body (10) can be brazed.
  • the heat conductive plate (16) has a high thermal conductivity, a strength lowering due to heating during brazing, a high deformability, a high deformability, and excellent wettability with a molten brazing material. It should be made of pure aluminum with a purity of 99.5% or more! /.
  • the heat conductive plate (16) and the metal layer (7) are brazed using a sheet-like aluminum brazing material that brazes the tip surface of the protrusion (11) in Embodiment 1 to the metal layer. .
  • this brazing also has a force such as Al—S engagement gold, Al—Si—Mg alloy, and projections (11). This is performed by interposing a sheet-like aluminum brazing material having a plurality of through-holes between the heat conducting plate (16) and the plate-like main body (10).
  • the gap between the outer peripheral surface of the protrusion (11) and the inner peripheral surface of the through hole (17), and the plate-like main body of the stress relaxation member (4) ( It is preferable that the gap between the upper surface of 10) and the lower surface of the heat conductive plate (16) is filled with the same high heat conductive grease or heat conductive grease as in the first embodiment.
  • the heat conductive plate (16) includes a core material made of pure aluminum having a purity of 99% or more, and preferably a purity of 99.5% or more, and a core material.
  • An aluminum brazing sheet made of an aluminum brazing material covering both surfaces of the brazing sheet is used to braze the heat conductive plate (16) and the metal layer (7). May be used.
  • the skin material of the above aluminum brazing sheet for example, an Al—Si alloy, an Al—Si—Mg alloy, or the like is used.
  • the thickness of the skin material is preferably about 10 to 200 / ⁇ ⁇ . If this thickness is too thin, there is a risk of brazing failure due to insufficient supply of brazing material, and if this thickness is too thick, excessive brazing material may result, resulting in voids and reduced thermal conductivity. .
  • FIG. 5 shows a part of a power module using the heat dissipation device of the third embodiment
  • FIG. 6 shows a stress relaxation member of the heat dissipation device of the third embodiment.
  • FIG. 5 and FIG. 6 there are two stress relaxation members (4) having the same configuration as in the first embodiment between the power module substrate (8) and the heat sink (5) in the heat dissipation device (20). Are arranged.
  • the upper stress relaxation member (4) is disposed so that the protrusion (11) faces downward, and the lower stress relaxation member (4) is disposed such that the protrusion (11) faces upward.
  • the protrusions (11) of the two stress relaxation members (4) are not formed in a staggered arrangement, but are formed side by side in the vertical and horizontal directions.
  • the upper surface of the plate-like body (10) of the upper stress relaxation member (4) is brazed to the metal layer (7) of the power module substrate (8), and the plate-like body of the lower stress relaxation member (4).
  • the lower surface of the main body (10) is brazed to the heat sink (5).
  • These brazings are performed using a sheet-like aluminum brazing material.
  • the protrusions (11) of both stress relaxation members (4) are formed so as not to interfere with each other, and the protrusion (11) tip surface of the upper stress relaxation member (4) is formed on the lower stress relaxation member (4).
  • the protrusion (11) tip surface of the lower stress relaxation member (4) is brazed to the lower surface of the plate body (10) of the upper stress relaxation member (4) on the upper surface of the plate body (10).
  • These brazings are made of Al-Si-based alloy, Al-Si-Mg-based alloy such as a sheet-like aluminum brazing material having a plurality of through-holes through which the projections (11) are passed. This is done by interposing between the plate-like body (10) of 4) and the tip surface of the protrusion (11).
  • the high thermal conductivity grease or heat conduction similar to that of the first embodiment is provided in the gap between the protrusions (11) between the upper and lower stress relaxation members (4). It is preferable to be filled with rosin.
  • the force that the metal layer (7) is formed on the lower surface of the insulating substrate (3) of the power module substrate (8) The metal layer is not limited to this. Not necessarily required.
  • the stress relaxation member (4) is directly brazed to the insulating substrate (3), and in the case of the heat dissipation device (20) of Embodiment 2.
  • the stress relaxation member (4) and the heat conduction plate (16) are brazed directly to the insulating substrate.
  • FIG. 7 shows a modification of the stress relaxation member used in the heat radiating devices (1), (15), and (20) of the first to third embodiments.
  • the stress relaxation member (25) shown in FIG. 7 is a high thermal conductivity material, here an aluminum force.
  • the thickness of the plate-like main body (26) is preferably 0.5 to 3 mm. If the plate-shaped body (26) is too thin, stress relaxation when thermal stress occurs in the heat dissipation device (1X15X20) due to the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat sink (5) The deformation of the member (25) may be insufficient, and the stress relaxation performance by the stress relaxation member (25) may not be sufficient. If this thickness is too thick, the thermal conductivity will decrease and the heat dissipation performance will decrease. It is because there is a possibility of doing.
  • the protrusion height of the protrusion (28) is larger than the outer diameter of the cross section (28) It is more preferable that the protruding height is more than 0.8 mm and not more than 1.5 mm, and the outer diameter of the cross section is not less than 0.8 mm and less than 1.5 mm. If the protrusion height of the protrusion (28) is too low and the outer diameter of the cross section of the protrusion (28) is too large, heat is dissipated due to the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat sink (5).
  • the stress relaxation member (25) is not sufficiently deformed when thermal stress is generated in the device (1X15X20), the stress relaxation performance by the stress relaxation member (25) may not be sufficient. This is because if the protrusion height of) is too high and the outer diameter of the cross section of the protrusion (28) is too small, the thermal conductivity may be reduced and the heat dissipation performance may be reduced.
  • the protrusion height of the protrusion (28) is smaller than the outer diameter of the cross section (
  • the protrusion height of 28) is more preferably 0.5 to 0.8 mm, and the outer diameter of the cross section is more preferably 1.5 to 3 mm. If the protrusion height of the protrusion (28) is too low and the outer diameter of the cross section of the protrusion (28) is too large, it is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate (3) and the heat sink (5).
  • the stress relaxation member (25) may not be sufficiently deformed, and the stress relaxation performance by the stress relaxation member (25) may not be sufficient. If the protrusion height of) is too high and the outer diameter force S of the cross section of the protrusion (28) is too small, the heat conductivity is lowered and the heat radiation performance may be lowered.
  • the stress relieving member (25) is preferably made of pure aluminum having a purity of 99% or more, desirably 99.5% or more. [0065] When this stress relaxation member (25) is used, as described in the embodiments 1 to 3, in addition to being filled with the high thermal conductive grease or the thermal conductive grease, the protrusion (28) It is preferable to be filled with high thermal conductivity grease or thermal conductive grease.
  • the stress relaxation member (25) shown in FIG. 7 is made of a core material made of pure aluminum having a purity of 99% or more, desirably 99.5% or more, and an aluminum brazing material covering both surfaces of the core material. It may be formed of an aluminum brazing sheet that also has strength and strength, and the stress relaxation member (25) may be brazed using a skin material of the aluminum brazing sheet.
  • the skin material for example, an Al—Si alloy, an Al—Si—Mg alloy, or the like is used.
  • the thickness of the skin material is preferably about 10 to 200 ⁇ m. If this thickness is too thin, there is a risk of brazing failure due to insufficient supply of the brazing material, and if this thickness is too thick, excessive brazing material may result, resulting in voids and a decrease in thermal conductivity.
  • FIG. 8 shows a modification of the stress relaxation member and the heat conduction plate used in the heat dissipation device (15) of the second embodiment.
  • the protrusion (31) formed on the upper surface of the plate-like body (10) of the stress relaxation member (30) has a solid prismatic shape, and the protrusion (31 A plurality of rectangular through holes (33) are formed.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view showing a part of a power module using a heat dissipation device according to Embodiment 1 of the heat dissipation device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a stress relaxation member used in the heat dissipation device of FIG.
  • FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 1 and showing a second embodiment of the heat dissipation device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a stress relaxation member and a heat conduction plate used in the heat dissipation device of FIG.
  • FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 1, showing Embodiment 3 of the heat dissipation device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a stress relaxation member used in the heat radiating device of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a partially cutaway perspective view showing a modification of the stress relaxation member used in the heat radiating device of Embodiments 1 to 3.
  • FIG. 8 shows a modification of the stress relaxation member and the heat conduction plate used in the heat dissipation device of Embodiment 2. It is a perspective view shown.

Abstract

　放熱装置１は、一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板３と、絶縁基板３の他面に固定されたヒートシンク５とを備えている。絶縁基板３における発熱体搭載面とは反対側の面に金属層７を設ける。絶縁基板３の金属層７とヒートシンク５との間に、高熱伝導性材料からなり、かつ板状本体10および板状本体10の一面に間隔をおいて形成された複数の突起11からなる応力緩和部材４を介在させる。応力緩和部材４の突起11の先端面を金属層７にろう付し、板状本体10における突起11が形成されていない面をヒートシンク５にろう付する。この放熱装置１によれば、材料コストが安くなり、しかも放熱性能が優れたものになる。

Description

明 細 書
放熱装置おょぴパワーモジュール
技術分野
[0001] この発明は放熱装置に関し、さらに詳しくは、一面が発熱体搭載面となされた絶縁 基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシンクとを備えており、絶縁基板に搭載 される半導体素子などの発熱体から発せられる熱をヒートシンクから放熱する放熱装 置に関する。
[0002] この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「純ァ ルミ-ゥム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含む ものとする。
背景技術
[0003] たとえば IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体素子を使用したパ ヮーモジュールにおいては、半導体素子力も発せられる熱を効率良く放熱して、半導 体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、酸ィ匕アルミニウム（ Al O )、窒化アルミニウム (A1N)などのセラミック力もなりかつ一面が発熱体搭載面
2 3
となされた絶縁基板と、アルミニウムまたは銅 (銅合金を含む。以下、同じ)などの高 熱伝導性金属により形成され、かつ絶縁基板の他面にはんだ付けされたヒートシンク とを備えた放熱装置が用いられており、放熱装置の絶縁基板の発熱体搭載面に半 導体素子がはんだ付けされることによってパワーモジュールが構成されていた。
[0004] ところで、たとえばハイブリットカーなどに用いられるパワーモジュールにおいては、 放熱装置の放熱性能が長期間にわたって維持されることが要求されているが、上述 した従来の放熱装置によれば、使用条件によっては、絶縁基板とヒートシンクとの線 熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生し、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁 基板とヒートシンクとを接合しているはんだ層にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁 基板への接合面に反りが生じたりすることがあり、いずれの場合にも放熱性能が低下 するという問題があった。
[0005] そこで、このような問題を解決した放熱装置として、一面が発熱体搭載面となされた 絶縁基板と、絶縁基板の他面にはんだ付けされた放熱体と、放熱体にねじ止めされ たヒートシンクとを備えており、放熱体が、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料か らなる 1対の板状放熱体本体と、両放熱体本体間に介在させられたインバー合金な どの低熱膨張材とよりなるものが提案されている (特許文献 1参照。）
しかしながら、特許文献 1記載の放熱装置においては、高熱伝導性材料と低熱膨 張材とからなる放熱体を用いる必要があるので、材料コストが高くなるという問題があ る。さらに、放熱体とヒートシンクとがねじ止めされているだけであるので、両者間での 熱伝導性が十分ではなぐ十分な放熱性能が得られな!/ヽ。
特許文献 1 :特開 2004— 153075号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] この発明の目的は、上記問題を解決し、材料コストが安ぐし力も放熱性能の優れ た放熱装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、上記目的を達成するために以下の態様力もなる。
[0008] 1)一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒート シンクとを備えた放熱装置において、
絶縁基板とヒートシンクとの間に、高熱伝導性材料からなり、かつ板状本体および 板状本体の少なくとも一面に間隔をおいて形成された複数の突起力 なる応力緩和 部材が介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板およびヒートシンクに金属接合され ている放熱装置。
[0009] 2)応力緩和部材の板状本体の一面にのみ複数の突起が形成されており、応力緩 和部材の板状本体における突起が形成されて!、な 、面および突起の先端面のうち のいずれか一方が絶縁基板に金属接合されるとともに、同他方がヒートシンクに金属 接合されて!ヽる上記 1)記載の放熱装置。
[0010] 3)応力緩和部材の板状本体における突起が形成された面に、高熱伝導性材料か らなり、かつ突起を通す貫通穴を有する熱伝導板が積層されており、熱伝導板が、絶 縁基板およびヒートシンクのうち突起の先端面が金属接合された側に金属接合され て 、る上記 2)記載の放熱装置。
[0011] 4)絶縁基板とヒートシンクとの間に、板状本体の一面にのみ複数の突起が形成され た 2つの応力緩和部材が配置され、一方の応力緩和部材の板状本体における突起 が形成されていない面が絶縁基板に金属接合されるとともに、他方の応力緩和部材 の板状本体における突起が形成されていない面がヒートシンクに金属接合されおり、 一方の応力緩和部材の突起が他方の応力緩和部材の突起間の間隙に位置するとと もに、両応力緩和部材の突起の先端面がそれぞれ他の応力緩和部材の板状本体に 金属接合されて!ヽる上記 1)記載の放熱装置。
[0012] 5)突起が、板状本体に一体形成された中実柱状体力 なる上記 1)記載の放熱装置
[0013] 6)突起が、板状本体に形成された貫通穴の周囲に一体形成された中空筒状体から なる上記 1)記載の放熱装置。
[0014] 7)突起の横断面の外形が円形であり、突起の突出高さが突起の横断面の外径より も大きくなつて 、る上記 1)記載の放熱装置。
[0015] 8)突起の横断面の外径が 0. 8mm以上 1. 5mm未満、突出高さが 0. 8mmを超え
1. 5mm以下である上記 7)記載の放熱装置。
[0016] 9)突起の横断面の外形が円形であり、突起の突出高さが突起の横断面の外径より も小さくなつて 、る上記 1)記載の放熱装置。
[0017] 10)突起の横断面の外径が 1. 5〜3mm、突出高さが 0. 5〜0. 8mmである上記 9) 記載の放熱装置。
[0018] 11)応力緩和部材の突起間の間隙に、高熱伝導性グリースまたは熱伝導榭脂が充 填されて!ヽる上記 1)記載の放熱装置。
[0019] 12)絶縁基板が、発熱体搭載面とは反対側の面に金属層を備えており、この金属層 に応力緩和部材が金属接合されている上記 1)記載の放熱装置。
[0020] 13)高熱伝導性材料がアルミニウム力 なる上記 1)記載の放熱装置。
[0021] 14)金属接合がろう付によるものである上記 1)記載の放熱装置。
[0022] 15)上記 1)〜14)のうちのいずれかに記載の放熱装置と、放熱装置の絶縁基板の発 熱体搭載面に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュール。 発明の効果
[0023] 上記 1)の放熱装置によれば、絶縁基板とヒートシンクとの間に、高熱伝導性材料か らなり、かつ板状本体および板状本体の少なくとも一面に間隔をお ヽて形成された複 数の突起力 なる応力緩和部材が介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板および ヒートシンクに金属接合されているので、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝導性が 優れたものになり、絶縁基板の発熱体搭載面に搭載される半導体素子から発せられ る熱の放熱性能が向上する。しカゝも、絶縁基板とヒートシンクとの線熱膨張係数の相 違に起因して、放熱装置に熱応力が発生した場合にも、応力緩和部材の突起が変 形し、これにより熱応力が緩和されるので、絶縁基板にクラックが生じたり、絶縁基板 と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁基板側の面に反 りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって維持さ れる。また、応力緩和部材が、板状本体および板状本体の少なくとも一面に間隔を ぉ 、て形成された複数の突起力 なるので、応力緩和部材のコストが比較的安くなり 、その結果放熱装置の材料コストが安くなる。
[0024] 上記 2)の放熱装置によれば、応力緩和部材の板状本体の一面にのみ複数の突起 が形成されており、応力緩和部材の板状本体における突起が形成されて ヽな 、面お よび突起の先端面のうちのいずれか一方が絶縁基板に金属接合されるとともに、同 他方がヒートシンクに金属接合されているので、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝 導性が優れたものになり、絶縁基板の発熱体搭載面に搭載される半導体素子から発 せられる熱の放熱性能が向上する。しカゝも、絶縁基板とヒートシンクとの線熱膨張係 数の相違に起因して、放熱装置に熱応力が発生した場合にも、応力緩和部材の突 起が変形し、これにより熱応力が緩和されるので、絶縁基板にクラックが生じたり、絶 縁基板と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁基板側の 面に反りが生じたりすることが防止される。したがって、放熱性能が長期間にわたって 維持される。また、応力緩和部材が、板状本体および板状本体の一面のみに形成さ れた複数の突起力 なるので、応力緩和部材のコストが比較的安くなり、その結果放 熱装置の材料コストが安くなる。
[0025] 上記 3)の放熱装置によれば、熱伝導板の働きによって絶縁基板とヒートシンクとの 間の伝熱面積が増大するので、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝導性が一層優 れたものになり、絶縁基板の発熱体搭載面に搭載される半導体素子から発せられる 熱の放熱性能が向上する。しカゝも、絶縁基板とヒートシンクとの線熱膨張係数の相違 に起因して、放熱装置に熱応力が発生した場合にも、貫通穴の働きにより熱伝導板 が変形し、これによつても熱応力が緩和される。
[0026] 上記 4)の放熱装置によれば、 2つの応力緩和部材の働きによって絶縁基板とヒート シンクとの間の伝熱面積が増大するので、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝導性 がー層優れたものになり、絶縁基板の発熱体搭載面に搭載される半導体素子力ゝら発 せられる熱の放熱性能が向上する。しカゝも、絶縁基板とヒートシンクとの線熱膨張係 数の相違に起因して、放熱装置に熱応力が発生した場合にも、両応力緩和部材の 突起が変形し、これにより熱応力が緩和されるので、絶縁基板にクラックが生じたり、 絶縁基板と応力緩和部材との接合部にクラックが生じたり、ヒートシンクの絶縁基板側 の面に反りが生じたりすることが防止される。
[0027] 上記 7)および 8)の放熱装置によれば、放熱装置に熱応力が発生した場合の突起の 変形度が大きくなり、放熱装置に発生する熱応力が比較的大きい場合にも、熱応力 を緩和することができる。
[0028] 上記 9)および 10)の放熱装置の場合、放熱装置に熱応力が発生した場合の突起の 変形度は小さくなるが、放熱装置に発生する熱応力が比較的小さい場合には、十分 熱応力を緩和することができる。
[0029] 上記 11)の放熱装置によれば、応力緩和部材の突起間の間隙に充填された高熱伝 導性グリースまたは熱伝導榭脂の働きにより、絶縁基板とヒートシンクとの間の熱伝導 性が一層優れたものになり、絶縁基板の発熱体搭載面に搭載される半導体素子力 発せられる熱の放熱性能が向上する。
[0030] 上記 14)の放熱装置によれば、応力緩和部材が絶縁基板およびヒートシンクにろう 付されているので、応力緩和部材と絶縁基板、および応力緩和部材とヒートシンクと を同時に接合することができ、製作する際の作業性が向上する。特許文献 1記載の 放熱装置においては、絶縁基板と放熱体とをはんだ付けした後に放熱体とヒートシン クとをねじ止めする必要があり、製作の際の作業性が悪い。 発明を実施するための最良の形態
[0031] 以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明におい て、図 1、図 3および図 5の上下、左右を上下、左右というものとする。また、全図面を 通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
[0032] 実施形態 1
この実施形態は図 1および図 2に示すものである。
[0033] 図 1は実施形態 1の放熱装置を用いたパワーモジュールの一部分を示し、図 2は実 施形態 1の放熱装置の応力緩和部材を示す。
[0034] 図 1において、パワーモジュールは、放熱装置 (1)と、放熱装置 (1)に搭載された、た とえば IGBTなどの半導体素子 (2)とを備えている。
[0035] 放熱装置 (1)は、上面が発熱体搭載面となされた絶縁基板 (3)と、絶縁基板 (3)の下 面に接合された応力緩和部材 (4)と、応力緩和部材 (4)の下面に接合されたヒートシン ク (5)とを備えている。
[0036] 絶縁基板 (3)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たして 、 れば、どのような絶縁材料力も形成されていてもよいが、たとえばセラミック力も形成さ れる場合、酸ィ匕アルミニウムゃ窒化アルミニウムが用いられる。絶縁基板 (3)上面の発 熱体搭載面に回路層 (6)が形成され、回路層 (6)上に半導体素子 (2)が接合されている 。この接合は、たとえばはんだ付けにより行われる。はんだ層の図示は省略する。回 路層 (6)は導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、電気伝導 率が高ぐ変形能が高ぐし力も半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い 純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。また、絶縁基板 (3)の下面に金属 層 (7)が形成され、金属層 (7)に応力緩和部材 (4)がろう付されている。ろう材層の図示 は省略する。金属層 (7)は、熱伝導性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成 される力 熱伝導率が高ぐ変形能が高ぐしかも溶融したろう材との濡れ性に優れた 純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、絶縁基板 (3) 、回路層 (6)および金属層 (7)によりパワーモジュール用基板 (8)が構成されている。
[0037] 図 2に示すように、応力緩和部材 (4)は高熱伝導性材料、ここではアルミニウムから たとえば冷間鍛造により形成されたものであり、板状本体 (10)と、板状本体 (10)の上面 に千鳥配置状に間隔をおいて形成された複数の中実円柱状突起 (11)とからなる。そ して、突起 (11)の先端面が金属層 (7)にろう付され、板状本体 (10)の下面がヒートシン ク (5)にろう付されている。応力緩和部材 (4)は、熱伝導率が高ぐろう付時の加熱によ り強度が低下して変形能が高ぐしかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度 99% 以上、望ましく純度 99. 5%以上の純アルミニウムにより形成されているのがよい。
[0038] 板状本体 (10)の肉厚は 0. 5〜3mmであることが好ましい。板状本体 (10)の肉厚が 薄すぎると、絶縁基板 (3)とヒートシンク (5)との熱膨張係数の相違に起因して放熱装置 (1)に熱応力が発生した場合の応力緩和部材 (4)の変形が不十分になって、応力緩和 部材 (4)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、この肉厚が厚すぎると 、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するおそれがあるからである。
[0039] 放熱装置 (1)に発生する熱応力が比較的大きい場合には、突起 (11)の突出高さが 横断面の外径よりも大きくなつていることが好ましぐ突起 (11)の突出高さは 0. 8mm を超え 1. 5mm以下であり、横断面の外径は 0. 8mm以上 1. 5mm未満であることが より好ましい。突起 (11)の突出高さが低すぎ、かつ突起 (11)の横断面の外径が大きす ぎると、絶縁基板 (3)とヒートシンク (5)との熱膨張係数の相違に起因して放熱装置 (1) に熱応力が発生した場合の応力緩和部材 (4)の変形が不十分になって、応力緩和部 材 (4)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、突起 (11)の突出高さが 高すぎ、かつ突起 (11)の横断面の外径が小さすぎると、熱伝導性が低下して放熱性 能が低下するおそれがある力もである。
[0040] また、放熱装置 (1)に発生する熱応力が比較的小さい場合には、突起 (11)の突出高 さが横断面の外径よりも小さくなつていることが好ましぐ突起 (11)の突出高さは 0. 5 〜0. 8mm、横断面の外径は 1. 5〜3mmであることがより好ましい。突起 (11)の突出 高さが低すぎ、かつ突起 (11)の横断面の外径が大きすぎると、絶縁基板 (3)とヒートシ ンク (5)との熱膨張係数の相違に起因して放熱装置 (1)に熱応力が発生した場合の応 力緩和部材 (4)の変形が不十分になって、応力緩和部材 (4)による応力緩和性能が十 分ではなくなるおそれがあり、突起 (11)の突出高さが高すぎ、かつ突起 (11)の横断面 の外径が小さすぎると、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するおそれがあるから である。 [0041] ヒートシンク (5)は、複数の冷却流体通路 (12)が並列状に設けられた偏平中空状で あり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが 好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。
[0042] 応力緩和部材 (4)と、パワーモジュール用基板 (8)の金属層 (7)およびヒートシンク (5) とのろう付は、たとえば次のようにして行われる。すなわち、応力緩和部材 (4)を上記 純アルミニウムのベア材により形成する。ついで、パワーモジュール用基板 (8)、応力 緩和部材 (4)およびヒートシンク (5)を積層状に配置する。このとき、応力緩和部材 (4)と 、パワーモジュール用基板 (8)の金属層 (7)およびヒートシンク (5)との間に、それぞれ A 1— Si系合金、 Al— Si— Mg系合金など力もなるシート状アルミニウムろう材を介在さ せておく。シート状アルミニウムろう材の厚みは 10〜200 μ m程度であることが好まし い。この厚みが薄すぎるとろう材の供給不足となってろう付不良を起こすおそれがあり 、この厚みが厚すぎるとろう材過多となってボイドの発生や熱伝導性の低下を招くお それがある。
[0043] っ 、で、パワーモジュール用基板 (8)、応力緩和部材 (4)およびヒートシンク (5)を適 当な治具により拘束し、接合面に適当な荷重を加えながら、真空雰囲気中または不 活性ガス雰囲気中において、 570〜600°Cに加熱する。こうして、応力緩和部材 (4)と 、パワーモジュール用基板 (8)の金属層 (7)およびヒートシンク (5)とが同時にろう付され る。
[0044] 上述したパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリツ ドカーなどの車両に適用されることにより、車両の運転状況に応じて電動モータに供 給する電力を制御する。そして、半導体素子 (2)から発せられた熱は、パワーモジユー ル用基板 (8)および応力緩和部材 (4)を介してヒートシンク (5)に伝えられ、冷却流体通 路 (12)内を流れる冷却流体に放熱される。
[0045] 半導体素子 (2)から発せられた熱がヒートシンク (5)に伝わった際には、絶縁基板 (3) およびヒートシンク (5)は高温となり、熱膨張をする。一方、半導体素子 (2)からの発熱 が停止すると、絶縁基板 (3)およびヒートシンク (5)の温度は常温まで低下し、熱収縮 する。そして、絶縁基板 (3)とヒートシンク (5)との線熱膨張係数の相違に起因して、上 述した熱膨張および熱収縮の際に、放熱装置に、図 1の左右方向、および図 1の紙 面表裏方向に熱応力が発生する。し力しながら、応力緩和部材 (4)の突起 (11)が、そ の横断面の外径が膨張、収縮するように変形し、これにより熱応力が緩和されるので 、絶縁基板 (3)にクラックが生じたり、絶縁基板 (3)と応力緩和部材 (4)との接合部にクラ ックが生じたり、ヒートシンク (5)の上面に反りが生じたりすることが防止される。したが つて、放熱性能が長期間にわたって維持される。
[0046] 上述した実施形態 1において、応力緩和部材 (4)の突起 (11)は中実の円柱状である 力 これに限定されるものではなぐ中実の柱状であれば、その横断面の外形は適宜 変更可能であり、たとえば角柱状であってもよい。また、パワーモジュール用基板 (8) の金属層 (7)と、応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)との間において、突起 (11)間の間隙 に高熱伝導性グリースまたは熱伝導榭脂が充填されて ヽることが好ま ヽ。高熱伝導 性グリースとしては、たとえばシリコン系グリース、銀ペースト、導電性ペーストなどが 用いられ、熱伝導榭脂としては、たとえばエポキシ榭脂が用いられる。この場合、パヮ 一モジュール用基板 (8)力 ヒートシンク (5)への熱伝導性が向上し、放熱性能が優れ たものになる。
[0047] 実施形態 2
この実施形態は図 3および図 4に示すものである。
[0048] 図 3は実施形態 2の放熱装置を用いたパワーモジュールの一部分を示し、図 4は実 施形態 2の放熱装置の応力緩和部材を示す。
[0049] 図 3および図 4において、放熱装置 (15)におけるパワーモジュール用基板 (8)とヒート シンク (5)との間に、実施形態 1と同様な構成の応力緩和部材 (4)と、高熱伝導性材料 、ここではアルミニウム力もなり、かつ応力緩和部材 (4)の突起 (11)を通す複数の貫通 穴 (17)を有する熱伝導板 (16)とが配置されている。なお、実施形態 2において、応力 緩和部材 (4)の突起 (11)は千鳥配置状に形成されておらず、縦横に並んで形成され ている。熱伝導板 (16)は、貫通穴 (17)に突起 (11)を通した状態で、応力緩和部材 (4)に おける板状本体 (10)の上面に配置されており、パワーモジュール用基板 (8)の金属層 ( 7)にろう付されている。突起 (11)の外周面と、貫通穴 (17)の内周面との間には隙間が 存在している。また、応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)の上面と熱伝導板 (16)の下面 との間にも隙間が存在している（図 3参照)。応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)の上面 と熱伝導板 (16)の下面との間に隙間を形成するには、金属層 (7)と応力緩和部材 (4) および熱伝導板 (16)のろう付、ならびに応力緩和部材 (4)とヒートシンク (5)とのろう付を 、図 3に示す場合とは上下逆向きにして行えばよい。なお、応力緩和部材 (4)の板状 本体 (10)の上面と熱伝導板 (16)の下面との間の隙間は必ずしも必要とせず、熱伝導 板 (16)と応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)とがろう付されて ヽてもよ ヽ。
[0050] 熱伝導板 (16)は、熱伝導率が高ぐろう付時の加熱により強度が低下して変形能が 高ぐし力も溶融したろう材との濡れ性に優れた純度 99%以上、望ましく純度 99. 5 %以上の純アルミニウムにより形成されて 、るのがよ！/、。
[0051] 熱伝導板 (16)と金属層 (7)とのろう付は、実施形態 1における突起 (11)の先端面を金 属層にろう付するシート状アルミニウムろう材を用いて行われる。また、熱伝導板 (16) と板状本体 (10)とがろう付される場合、このろう付は、 Al— S係合金、 Al— Si— Mg系 合金など力もなり、かつ突起 (11)が通される複数の貫通穴を有するシート状アルミ- ゥムろう材を、熱伝導板 (16)と板状本体 (10)との間に介在させることにより行われる。
[0052] 実施形態 2の放熱装置 (15)の場合、突起 (11)の外周面と貫通穴 (17)の内周面との間 の隙間、および応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)の上面と熱伝導板 (16)の下面との間 の隙間に、実施形態 1の場合と同様な高熱伝導性グリースまたは熱伝導榭脂が充填 されていることが好ましい。
[0053] なお、実施形態 2の放熱装置 (15)の場合、熱伝導板 (16)を、純度 99%以上、望まし く純度 99. 5%以上の純アルミニウム力 なる芯材と、芯材の両面を被覆するアルミ- ゥムろう材製皮材とからなるアルミニウムブレージングシートにより形成しておき、熱伝 導板 (16)と金属層 (7)とのろう付をブレージングシートの皮材を用いて行ってもよい。上 記アルミニウムブレージングシートの皮材としては、たとえば Al— Si系合金、 Al—Si — Mg系合金などが用いられる。また、皮材の厚みは 10〜200 /ζ πι程度であることが 好ましい。この厚みが薄すぎるとろう材の供給不足となってろう付不良を起こすおそ れがあり、この厚みが厚すぎるとろう材過多となってボイドの発生や熱伝導性の低下 を招くおそれがある。
[0054] 実施形態 3
この実施形態は図 5および図 6に示すものである。 [0055] 図 5は実施形態 3の放熱装置を用いたパワーモジュールの一部分を示し、図 6は実 施形態 3の放熱装置の応力緩和部材を示す。
[0056] 図 5および図 6において、放熱装置 (20)におけるパワーモジュール用基板 (8)とヒート シンク (5)との間に、実施形態 1と同様な構成の応力緩和部材 (4)が 2つ配置されてい る。上側の応力緩和部材 (4)は突起 (11)が下向きとなるように配置され、下側の応力緩 和部材 (4)は突起 (11)が上向きとなるように配置されている。なお、実施形態 3におい て、両応力緩和部材 (4)の突起 (11)は千鳥配置状に形成されておらず、縦横に並ん で形成されている。そして、上側応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)の上面がパワーモ ジュール用基板 (8)の金属層 (7)にろう付されるとともに、下側応力緩和部材 (4)の板状 本体 (10)の下面がヒートシンク (5)にろう付されている。これらのろう付は、シート状アル ミニゥムろう材を用いて行われる。また、両応力緩和部材 (4)の突起 (11)は互いに干渉 しないように形成されており、上側応力緩和部材 (4)の突起 (11)先端面は下側応力緩 和部材 (4)の板状本体 (10)上面に、下側応力緩和部材 (4)の突起 (11)先端面は上側応 力緩和部材 (4)の板状本体 (10)下面にそれぞれろう付されて 、る。これらのろう付は、 Al—Si系合金、 Al—Si—Mg系合金など力もなり、かつ突起 (11)が通される複数の 貫通穴を有するシート状アルミニウムろう材を、両応力緩和部材 (4)の板状本体 (10)と 突起 (11)の先端面との間に介在させることにより行われる。
[0057] 実施形態 3の放熱装置 (20)の場合、上下両応力緩和部材 (4)間において、突起 (11) 間の隙間に、実施形態 1の場合と同様な高熱伝導性グリースまたは熱伝導榭脂が充 填されて 、ることが好まし 、。
[0058] 上記実施形態 1〜3において、パワーモジュール用基板 (8)の絶縁基板 (3)の下面に は金属層 (7)が形成されている力 これに限定されるものではなぐ金属層は必ずしも 必要としない。そして、実施形態 1および 3の放熱装置 (1)(15)の場合には、応力緩和 部材 (4)が絶縁基板 (3)に直接ろう付され、実施形態 2の放熱装置 (20)の場合には、応 力緩和部材 (4)および熱伝導板 (16)が絶縁基板に直接ろう付される。
[0059] 図 7は実施形態 1〜 3の放熱装置 (1)(15)(20)に用 、られる応力緩和部材の変形例 を示す。
[0060] 図 7に示す応力緩和部材 (25)は高熱伝導性材料、ここではアルミニウム力 たとえ ばプレス加工により形成されたものであり、複数の貫通穴 (27)が千鳥配置状に間隔を おいて形成された板状本体 (26)と、板状本体 (26)の貫通穴 (27)の周囲に立ち上がり 状に一体形成された中空円筒状の突起 (28)とからなる。
[0061] 板状本体 (26)の肉厚は 0. 5〜3mmであることが好ましい。板状本体 (26)の肉厚が 薄すぎると、絶縁基板 (3)とヒートシンク (5)との熱膨張係数の相違に起因して放熱装置 (1X15X20)に熱応力が発生した場合の応力緩和部材 (25)の変形が不十分になって、 応力緩和部材 (25)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、この肉厚が 厚すぎると、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するおそれがあるからである。
[0062] 放熱装置 (1X15X20)に発生する熱応力が比較的大きい場合には、突起 (28)の突出 高さが横断面の外径よりも大きくなつていることが好ましぐ突起 (28)の突出高さは 0. 8mmを超え 1. 5mm以下であり、横断面の外径は 0. 8mm以上 1. 5mm未満である ことがより好ましい。突起 (28)の突出高さが低すぎ、かつ突起 (28)の横断面の外径が 大きすぎると、絶縁基板 (3)とヒートシンク (5)との熱膨張係数の相違に起因して放熱装 置 (1X15X20)に熱応力が発生した場合の応力緩和部材 (25)の変形が不十分になつ て、応力緩和部材 (25)による応力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、突起 (2 8)の突出高さが高すぎ、かつ突起 (28)の横断面の外径が小さすぎると、熱伝導性が 低下して放熱性能が低下するおそれがあるからである。
[0063] また、放熱装置 (1X15X20)に発生する熱応力が比較的小さい場合には、突起 (28)の 突出高さが横断面の外径よりも小さくなつていることが好ましぐ突起 (28)の突出高さ は 0. 5〜0. 8mm、横断面の外径は 1. 5〜3mmであることがより好ましい。突起 (28) の突出高さが低すぎ、かつ突起 (28)の横断面の外径が大きすぎると、絶縁基板 (3)とヒ ートシンク (5)との熱膨張係数の相違に起因して放熱装置 (1X15X20)に熱応力が発生 した場合の応力緩和部材 (25)の変形が不十分になって、応力緩和部材 (25)による応 力緩和性能が十分ではなくなるおそれがあり、突起 (28)の突出高さが高すぎ、かつ突 起 (28)の横断面の外径力 S小さすぎると、熱伝導性が低下して放熱性能が低下するお それがある力 である。
[0064] 応力緩和部材 (25)は、純度 99%以上、望ましく純度 99. 5%以上の純アルミニウム により形成されて 、るのがよ 、。 [0065] この応力緩和部材 (25)を用いる場合、実施形態 1〜3で述べたように、高熱伝導性 グリースまたは熱伝導榭脂が充填されていることに加えて、突起 (28)内に高熱伝導性 グリースまたは熱伝導榭脂が充填されて 、ることが好ま 、。
[0066] なお、図 7に示す応力緩和部材 (25)を、純度 99%以上、望ましく純度 99. 5%以上 の純アルミニウム力 なる芯材と、芯材の両面を被覆するアルミニウムろう材製皮材と 力もなるアルミニウムブレージングシートにより形成しておき、応力緩和部材 (25)のろう 付を、アルミニウムブレージングシートの皮材を用いて行ってもよい。なお、皮材とし ては、たとえば Al— Si系合金、 Al— Si— Mg系合金などが用いられる。また、皮材の 厚みは 10〜200 μ m程度であることが好ましい。この厚みが薄すぎるとろう材の供給 不足となってろう付不良を起こすおそれがあり、この厚みが厚すぎるとろう材過多とな つてボイドの発生や熱伝導性の低下を招くおそれがある。
[0067] 図 8は実施形態 2の放熱装置 (15)に用いられる応力緩和部材および熱伝導板のの 変形例を示す。
[0068] 図 8において、応力緩和部材 (30)の板状本体 (10)の上面に形成された突起 (31)は 中実角柱状であり、熱伝導板 (32)にはこの突起 (31)を通す複数の角形貫通穴 (33)が 形成されている。
図面の簡単な説明
[0069] [図 1]この発明による放熱装置の実施形態 1を示し、放熱装置を用いたパワーモジュ ールの一部分を示す垂直断面図である。
[図 2]図 1の放熱装置に用いられる応力緩和部材を示す斜視図である。
[図 3]この発明による放熱装置の実施形態 2を示す図 1相当の図である。
[図 4]図 3の放熱装置に用いられる応力緩和部材および熱伝導板を示す斜視図であ る。
[図 5]この発明による放熱装置の実施形態 3を示す図 1相当の図である。
[図 6]図 5の放熱装置に用いられる応力緩和部材を示す斜視図である。
[図 7]実施形態 1〜3の放熱装置に用いられる応力緩和部材の変形例を示す一部切 り欠き斜視図である。
[図 8]実施形態 2の放熱装置に用いられる応力緩和部材および熱伝導板の変形例を 示す斜視図である。

Claims

請求の範囲
[1] 一面が発熱体搭載面となされた絶縁基板と、絶縁基板の他面に固定されたヒートシ ンクとを備えた放熱装置において、
絶縁基板とヒートシンクとの間に、高熱伝導性材料からなり、かつ板状本体および 板状本体の少なくとも一面に間隔をおいて形成された複数の突起力 なる応力緩和 部材が介在させられ、応力緩和部材が、絶縁基板およびヒートシンクに金属接合され ている放熱装置。
[2] 応力緩和部材の板状本体の一面にのみ複数の突起が形成されており、応力緩和部 材の板状本体における突起が形成されて 、な 、面および突起の先端面のうちの 、 ずれか一方が絶縁基板に金属接合されるとともに、同他方がヒートシンクに金属接合 されて ヽる請求項 1記載の放熱装置。
[3] 応力緩和部材の板状本体における突起が形成された面に、高熱伝導性材料からな り、かつ突起を通す貫通穴を有する熱伝導板が積層されており、熱伝導板が、絶縁 基板およびヒートシンクのうち突起の先端面が金属接合された側に金属接合されて V、る請求項 2記載の放熱装置。
[4] 絶縁基板とヒートシンクとの間に、板状本体の一面にのみ複数の突起が形成された 2 つの応力緩和部材が配置され、一方の応力緩和部材の板状本体における突起が形 成されていない面が絶縁基板に金属接合されるとともに、他方の応力緩和部材の板 状本体における突起が形成されていない面がヒートシンクに金属接合されおり、一方 の応力緩和部材の突起が他方の応力緩和部材の突起間の間隙に位置するとともに 、両応力緩和部材の突起の先端面がそれぞれ他の応力緩和部材の板状本体に金 属接合されて!ヽる請求項 1記載の放熱装置。
[5] 突起が、板状本体に一体形成された中実柱状体からなる請求項 1記載の放熱装置。
[6] 突起が、板状本体に形成された貫通穴の周囲に一体形成された中空筒状体からな る請求項 1記載の放熱装置。
[7] 突起の横断面の外形が円形であり、突起の突出高さが突起の横断面の外径よりも大 きくなつて!/、る請求項 1記載の放熱装置。
[8] 突起の横断面の外径が 0. 8mm以上 1. 5mm未満、突出高さが 0. 8mmを超え 1. 5 mm以下である請求項 7記載の放熱装置。
[9] 突起の横断面の外形が円形であり、突起の突出高さが突起の横断面の外径よりも小 さくなつている請求項 1記載の放熱装置。
[10] 突起の横断面の外径が 1. 5〜3mm、突出高さが 0. 5〜0. 8mmである請求項 9記 載の放熱装置。
[11] 応力緩和部材の突起間の間隙に、高熱伝導性グリースまたは熱伝導榭脂が充填さ れて 、る請求項 1記載の放熱装置。
[12] 絶縁基板が、発熱体搭載面とは反対側の面に金属層を備えており、この金属層に応 力緩和部材が金属接合されている請求項 1記載の放熱装置。
[13] 高熱伝導性材料がアルミニウムからなる請求項 1記載の放熱装置。
[14] 金属接合がろう付によるものである請求項 1記載の放熱装置。
[15] 請求項 1〜14のうちのいずれかに記載の放熱装置と、放熱装置の絶縁基板の発熱 体搭載面に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュール。
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