WO2011087027A1 - 液冷一体型基板および液冷一体型基板の製造方法 - Google Patents

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WO2011087027A1
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liquid
radiator
metal base
integrated substrate
base plate
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堀　久司
貴訓 小久保
小山内　英世
高橋　貴幸
邦彦 智原
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日本軽金属株式会社
Ｄｏｗａメタルテック株式会社
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    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass

Definitions

  • the present invention relates to a metal / ceramic bonding substrate, and in particular, a metal circuit board and a metal base plate each made of aluminum or an aluminum alloy are bonded to both surfaces of the ceramic substrate, and a radiator to the surface of the metal base plate not bonded to the ceramic substrate.
  • the present invention relates to a liquid-cooled integrated substrate to which is bonded and a manufacturing method thereof.
  • a metal-ceramic insulating substrate is provided on one side of a metal plate or composite material called a base plate.
  • An electronic component such as a semiconductor chip is fixed on the metal-ceramic insulating substrate by soldering.
  • a radiator such as a metal radiating fin or a cooling jacket is attached to the other surface (back surface) of the base plate through heat conductive grease by screwing or the like.
  • the base plate Since soldering of the base plate and electronic parts to the metal-ceramic insulating substrate is performed by heating, the base plate is likely to warp due to the difference in thermal expansion coefficient between the joining members during soldering. In addition, the heat generated from the electronic parts is released to the air, cooling water, etc. by the radiating fins and the cooling jacket (heatsink) through the metal-ceramic insulating substrate, the solder and the base plate, causing the base plate to warp. Then, the clearance when the radiating fins and the cooling jacket are attached to the base plate is increased, and the heat dissipation performance is extremely lowered.
  • Patent Document 1 a heat dissipating fin (reinforcing portion) and a metal base plate that can greatly reduce the warp of the base plate, which is the above problem, are integrally formed and manufactured by a molten metal joining method.
  • a metal-ceramic direct bonding substrate is disclosed.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a cooling jacket that is attached to a metal base plate, a heat radiating fin, or the like and efficiently cools the heat generating body.
  • a heat radiating fin is integrally provided on one surface of the metal base plate as a mechanism for radiating heat, and the metal base plate made of aluminum or aluminum alloy is provided.
  • the metal base plate made of aluminum or aluminum alloy.
  • the metal base plate may be warped due to residual stress generated in the metal base plate during processing.
  • the groove processing is performed to form a plurality of radiating fins, the strength of the entire metal-ceramic substrate (the entire integrated substrate) may be insufficient.
  • the metal-ceramic substrate described in Patent Document 1 has room for further improvement in its heat dissipation (cooling efficiency) because there is a risk that sufficient transient heat conduction may not be ensured.
  • the object of the present invention is to reduce the raw material cost and processing cost, reduce warping (shape deformation) as an integrated substrate, and have a liquid cooling integrated type with excellent strength and heat dissipation.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a substrate and a liquid-cooled integrated substrate.
  • a metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is joined to one surface of a ceramic substrate, and a flat metal base made of aluminum or an aluminum alloy is joined to the other surface.
  • the thickness t1 of the metal circuit plate And the thickness t2 of the metal base plate satisfy the following formula (1): t2 / t1 ⁇ 2 (1)
  • a liquid-cooled integrated substrate is provided in which the thickness t1 of the metal circuit board is 0.4 to 3 mm and the thickness t2 of the metal base board is 0.8 to 6 mm.
  • the radiator may be a porous tube, and the metal base plate and the radiator may be brazed and joined.
  • the relationship between the groove width W (mm) which is the flow path of the refrigerant of the porous tube and the width T (mm) of the partition plate ⁇ W + 1.4 ⁇ T / W ⁇ 1.5W + 3.3 (when 0.4 ⁇ W ⁇ 1.0) -0.2W + 0.7 ⁇ T / W ⁇ -1.5W + 3.3 (when 1.0 ⁇ W ⁇ 2.0) It is preferable to satisfy.
  • the groove width W is preferably 0.4 mm or more.
  • the radiator is preferably made of aluminum or an aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 W / mK or more
  • the metal base plate is made of aluminum having a thermal conductivity of 170 W / mK or more
  • the metal circuit board is preferably an aluminum alloy or aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 W / mK or more.
  • the bonding between the ceramic substrate and the metal circuit board, the bonding between the ceramic substrate and the metal base plate, and the bonding between the metal base plate and the radiator may be performed by a molten metal bonding method or a brazing bonding method.
  • the surface roughness of the metal base plate on the radiator joint side is preferably Ra 1.0 to 2.0 ⁇ m in order to improve the braze bondability.
  • Ra 0.3 to 2.0 ⁇ m may be used.
  • the surface roughness of the radiator may be such that it can be obtained with a general extruded material and plate material.
  • the partition plate of the perforated pipe may be buckled.
  • a metal circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to one surface of the ceramic substrate, and one surface of a flat metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface. Is bonded to the other surface of the metal base plate, and a liquid-cooled integrated board is bonded to the other surface of the metal base plate, the metal circuit plate and the metal base.
  • the plate and the ceramic substrate are bonded by a molten metal bonding method, and the metal base plate and the radiator are bonded by a brazing bonding method.
  • the thickness t1 of the metal circuit plate and the thickness of the metal base plate A method for manufacturing a liquid-cooled integrated substrate is provided in which the relationship of the length t2 is formed to a thickness satisfying the following formula (1). t2 / t1 ⁇ 2 (1)
  • the thickness t1 of the metal circuit board is preferably 0.4 to 3 mm, and the thickness t2 of the metal base board is preferably 0.8 to 6 mm.
  • the metal base plate and the radiator may be brazed and joined by heating after pressurizing with a surface pressure equal to or greater than formula (2).
  • Surface pressure (N / mm 2 ) ⁇ 1.25 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ (secondary moment of heat sink cross section) +2.0 (2)
  • the radiator is a porous tube, and the relationship between the groove width W (mm) and the groove depth D (mm), which is the flow path of the refrigerant in the porous tube, 3.3W ⁇ D ⁇ 10W
  • the relationship between the groove width W (mm) which is the flow path of the refrigerant of the porous tube and the width T (mm) of the partition plate ⁇ W + 1.4 ⁇ T / W ⁇ 1.5W + 3.3 (when 0.4 ⁇ W ⁇ 1.0) -0.2W + 0.7 ⁇ T / W ⁇ -1.5W + 3.3 (when 1.0 ⁇ W ⁇ 2.0)
  • the groove width W is preferably 0.4 mm or more.
  • the metal base plate and the radiator are applied so that the partition plate surface pressure applied to the partition plate of the porous tube is ⁇ 0.5 ⁇ D (groove depth) +10 (MPa) or less. It is preferable to braze and join by heating after pressing.
  • the radiator is preferably made of aluminum or an aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 W / mK or more, and the metal base plate has a thermal conductivity of 170 W / m.
  • the metal circuit board is aluminum or an aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 W / mK or more.
  • a liquid-cooled integrated type that suppresses raw material costs and processing costs, reduces warpage (shape deformation) as an integrated substrate, has excellent reliability against thermal shock, and has excellent strength and heat dissipation.
  • a substrate and a method for manufacturing the liquid-cooled integrated substrate are provided.
  • FIG. 2 is a side sectional view of the liquid-cooled integrated substrate 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of the liquid cooling integrated substrate 1 and a lid member 40.
  • FIG. It is side surface sectional drawing of the liquid cooling integrated substrate 1 at the time of making the structure of the heat radiator 30 different.
  • FIG. 4 is a perspective view of the liquid cooling integrated substrate 1 and the lid member 40 of FIG. 3.
  • It is sectional drawing which shows the perforated pipe
  • Example 3 It is a test result of Example 3, and it is a graph which shows the relationship between the cross-sectional secondary moment and curvature amount by the brazing direction of a small heat sink (sample). It is a graph which shows the relationship between the cross-sectional secondary moment and the amount of curvature of the brazing test of the large radiating board performed in Example 4. It is the graph which compared the curvature amount per unit length with respect to a surface pressure of the large radiating board performed in Example 4, and a small radiating board. It is a graph which shows the relationship between the cross-sectional secondary moment of the aluminum material obtained in Example 4, surface pressure, and curvature amount. It is a graph which shows the relationship between the groove width and groove depth obtained in Example 5, and performance.
  • FIG. 1 is a side sectional view of a liquid-cooled integrated substrate 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a ceramic substrate 10 that is, for example, an AlN substrate (aluminum nitride substrate) or a SiN substrate (silicon nitride substrate).
  • a metal circuit board 15 made of an aluminum alloy containing at least one element selected from Mg, Zn, Bi, and Sn is bonded, and aluminum or Si is attached to the lower surface (lower part in FIG. 1) of the ceramic substrate 10.
  • a metal base plate 20 made of an aluminum alloy containing at least one element selected from Mg, Zn, Bi, and Sn is joined.
  • a hollow prism-shaped radiator 30 formed of an extruded material is joined to the lower surface (lower side in FIG. 1) of the metal base plate 20.
  • the extruded material refers to a member that is integrally formed by extrusion.
  • the ceramic substrate 10 and the metal circuit board 15 and the ceramic substrate 10 and the metal base plate 20 are joined by a molten metal joining method, and the metal base plate 20 and the radiator 30 are joined. These are joined by the brazing method. That is, in joining the metal base plate 20 and the radiator 30, a brazing material layer 33 for joining is formed in the gap portion 31.
  • a brazing material layer 33 for joining is formed in the gap portion 31.
  • the objects to be joined need to have a thickness greater than a predetermined thickness (a thickness that can withstand brazing), and in this case, in particular, the upper surface of the radiator 30 (the surface to be joined). ) Must be sufficiently secured (for example, 0.5 mm or more).
  • the radiator 30 has a hollow inner space, and a partition plate 35 for partitioning the inner space is provided.
  • a partition plate 35 is provided so as to divide the internal space into 14 locations as shown in the figure, and a plurality (14 locations) of the interior space of the radiator 30 are provided by the partition plates 35.
  • a flow path 38 is formed.
  • the heat radiator 30 provided with the partition plate 35 is manufactured as an integral body by extrusion.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the liquid-cooled integrated substrate 1 according to a modification of the present invention when the configuration (cross-sectional shape) of the radiator 30 is different in the liquid-cooled integrated substrate 1.
  • the internal space of the radiator 30 is partitioned into seven flow paths 38 by a partition plate 35, and the coolant is circulated in the flow path 38 as in the above embodiment.
  • the heat radiator 30 provided with the partition plate 35 is manufactured as an integral body by extrusion.
  • FIGS. 2 and 4 are perspective views of the liquid-cooled integrated substrate 1 and the lid member 40.
  • FIG. The lid member 40 is a member that is attached so as to cover the side surface 30a of the opening on the near side of the radiator 30 (the near side in FIGS. 2 and 4).
  • the lid member 40 is a side surface of the lid portion 41 and the lid portion 41.
  • the liquid circulation port 45 (45a, 45b) is provided at two locations (surface corresponding to the side surface 30a when attached to the radiator 30).
  • a similar lid member is attached to the opening provided on the opposite side of the opening on the near side in FIGS. 2 and 4 except that the liquid circulation port (not shown) is not provided.
  • the lid member 40 is actually attached to the radiator 30 when liquid cooling is performed by heat generation of, for example, a semiconductor element attached to the metal circuit board 15 in the liquid cooling integrated substrate 1.
  • a coolant circulation mechanism (not shown) is connected to the fluid circulation port 45 (45a, 45b), and the coolant is supplied from the coolant circulation mechanism to the inside of the radiator 30 (flow path 38) via the fluid circulation port 45a. Coolant is discharged from the radiator 30 to the coolant circulation mechanism via the liquid circulation port 45b. That is, the coolant circulates between the radiator 30 and the coolant circulation mechanism such that the coolant flows into the flow path 38 by the operation of the coolant circulation mechanism and then returns to the coolant circulation mechanism again.
  • the cooling capacity of the radiator 30 is kept constant.
  • the lid member 40 and the radiator 30 may be brazed at the same time when the metal base 20 and the radiator 30 are brazed.
  • the relationship between the height t1 of the metal circuit board 15 and the height t2 of the metal base board 20 is expressed by the following equation (1). Yes. (For example, see FIGS. 1 and 3) t2 / t1 ⁇ 2 (1) Further, as values at this time, t1 is 0.4 to 3 mm, and t2 is 0.8 to 6 mm. It is desirable that the relationship between the height t1 of the metal circuit board 15 and the height t2 of the metal base plate 20 is as shown in the above (1). This is to suppress warping of the body substrate.
  • t1 is 0.4 to 3 mm and t2 is 0.8 to 6 mm in order to obtain sufficient heat dissipation of transient heat and to suppress warpage of the integrated substrate. It is more preferable that t1 is 0.4 to 1.0 mm and t2 is 0.8 to 2 mm.
  • the material of the radiator 30 is preferably aluminum having a thermal conductivity of 170 W / mK or higher, or an aluminum alloy containing at least one element selected from Si, Mg, Zn, Bi, and Sn.
  • the surface roughness of the metal circuit board 15 is preferably about Ra 0.3 to 2.0 ⁇ m in order to improve solder wettability for mounting the device.
  • the surface roughness of the radiator 30 may be such that it can be obtained with general extruded materials and plate materials.
  • the surface roughness of the metal base plate 20 on the side where the radiator 30 is bonded is preferably Ra 1.0 to 2.0 ⁇ m in order to improve brazing. When the radiator 30 and the metal base plate 20 are joined by the melt joining method, Ra 0.3 to 2.0 ⁇ m can be sufficiently joined.
  • the heat generated from the electronic component is As described above, the heat is radiated by the radiator 30 in which the coolant circulates, and the entire liquid-cooled integrated substrate 1 is cooled.
  • the relationship between the height t1 of the metal circuit board 15 and the height t2 of the metal base board 20 is expressed by the following equation (1), t2 / t1 ⁇ 2 (1)
  • the material of the metal circuit board 15, the metal base board 20 and the radiator 30 contains aluminum having a thermal conductivity of 170 W / mK or more, or at least one element selected from Si, Mg, Zn, Bi and Sn.
  • the liquid-cooled integrated substrate 1 having sufficient strength and reliability (such as thermal shock resistance) as the integrated substrate can be obtained. Furthermore, joining reliability is sufficiently ensured by joining each member using the molten metal joining method or the brazing joining method.
  • the radiator 30 is made of an extruded material made of aluminum or aluminum alloy having a thermal conductivity of 170 / mK or more, heat dissipation is good, and the radiator 30 is machined by cutting into a fin shape or the like. Compared to the above, the occurrence of warpage (shape deformation) in the radiator 30 is suppressed, and the liquid cooling integrated substrate 1 that is excellent in terms of raw material costs and processing costs is manufactured because it is integrally formed by extrusion. Is possible.
  • the metal base plate 20 and the radiator 30 are joined by brazing as described above. Brazing is performed by setting a brazing material between the metal base plate 20 and the radiator 30, applying a predetermined load, and heating to a predetermined brazing temperature in a brazing furnace.
  • Surface pressure (Load applied during setting before brazing heating) / (Area of metal base plate) The surface pressure was set to the following formula (2) or more.
  • Surface pressure (N / mm 2 ) ⁇ 1.25 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ (secondary moment of the radiator cross section) +2.0 (2)
  • the cross-sectional secondary moment of the radiator 30 is calculated
  • the depth dimension D (mm) of each groove (coolant flow path 38) of the radiator 30 is set to the width dimension W (mm) of each groove.
  • 3.3W ⁇ D ⁇ 10W It is the range of this, and it makes the suitable thermal performance and extrudability compatible.
  • the width W (mm) and the width T (mm) of the partition plate are ⁇ W + 1.4 ⁇ T / W ⁇ 1.5W + 3.3 (when 0.4 ⁇ W ⁇ 1.0) -0.2W + 0.7 ⁇ T / W ⁇ -1.5W + 3.3 (when 1.0 ⁇ W ⁇ 2.0) Satisfying the requirements makes it possible to achieve both suitable thermal performance and extrudability.
  • the configuration (cross-sectional shape) of the radiator 30 is such that the partition plate 35 divides the internal space of the radiator 30 into 14 or 7 locations.
  • the number of formations can be arbitrarily set, and is preferably determined as appropriate so that the heat dissipation property (cooling efficiency) of the radiator 30 is suitable.
  • Example 1 A liquid-cooled integrated substrate was produced according to the present invention, and the product was evaluated.
  • an AlN substrate is prepared as the ceramic substrate 10, and a metal circuit board 15 is bonded to one surface thereof, and a metal base plate 20 is bonded to the other surface thereof by molten metal bonding. Registration) substrate).
  • the sizes of the ceramic substrate 10, the metal circuit board 15, and the metal base board 20 are as shown in Table 1. Examples 1, 2, and 3 of the present invention based on the present invention, and Comparative examples 1 and 2 outside the scope of the present invention. A sample of was prepared. The material of the metal circuit board and the metal base board was 0.4 mass% Si-0.04 mass% B-balance Al. The metal circuit board 15 and the metal base board 20 were joined to the center of the ceramic substrate 10 respectively. In Comparative Examples 1 and 2, the portions outside the scope of the present invention are underlined.
  • each metal-ceramic bonding substrate shown in Table 1 is bonded to each radiator through a brazing material.
  • a body substrate was produced.
  • the external dimensions of the radiator 30 are 122 mm ⁇ 90 mm ⁇ 8 mm, the thickness of the upper plate and the lower plate is 1 mm, the flow path 38 is 6 mm in height (height of the partition plate), 1.5 mm in width, rib width (the partition plate) The width is 0.7 mm.
  • the four metal-ceramic bonding substrates were bonded to the center of the position where the upper surface (top plate) of the radiator 30 was divided into four. Also, the brazing between the metal base plate 20 and the radiator 30 was held in a vacuum at 600 ° C. for 10 minutes, and the brazing material was A4045.
  • Evaluation of the liquid-cooled integrated substrate was performed with respect to solder and cracks at each joint interface, a heat shock test, and a warped shape of the upper surface of the radiator.
  • solder and cracks at each joint interface were inspected with an ultrasonic flaw detector.
  • the semiconductor chip was joined via the eutectic solder on the metal circuit board of a liquid cooling integrated substrate, and was evaluated.
  • the heat shock test was performed using a liquid bath thermal shock device, and the process of holding at ⁇ 40 ° C. for 2 minutes and then holding at 110 ° C. for 2 minutes was repeated as one cycle.
  • the solder cracks were evaluated by determining the area ratio of the solder cracks with an ultrasonic flaw detector at the initial stage, after 1000 cycles of heat shock, after 2500 cycles, and after 4000 cycles.
  • the length of the most developed part of the crack extending from the metal base plate edge surface of the metal-ceramic joint substrate to the joint interface after 4000 cycles of heat shock was evaluated by an ultrasonic flaw detector. It was. In addition, the length of the crack was confirmed also by cross-sectional observation of the sample.
  • the warped shape (warpage amount) of the porous tube is the difference between the height of the center and the end of the porous tube, and measured using a three-dimensional warpage measuring device after joining, soldering, and after 4000 cycles of heat shock, The difference in warpage after joining and after 4000 cycles was determined.
  • Table 2 shows the evaluation results of the sample in which the cracks were most developed among the four metal-ceramic bonding substrates bonded to each radiator by the above evaluation method.
  • the portion inferior in characteristics as compared with Inventive Examples 1, 2, and 3 produced based on the present invention is underlined.
  • the comparative example in which the ratio t1 / t2 between the thickness t1 of the metal circuit board and the thickness t2 of the metal base board is smaller than the range of the present invention was vulnerable to heat shock, and many cracks occurred.
  • Example 2 A basic test for manufacturing a liquid-cooled integrated substrate by brazing was performed using a heat dissipation substrate “Aluminac” (registered trademark) in which an aluminum alloy was melt-bonded (directly bonded) to both surfaces of an AlN substrate.
  • AlN substrate a heat dissipation substrate “Aluminac” (registered trademark) in which an aluminum alloy was melt-bonded (directly bonded) to both surfaces of an AlN substrate.
  • the radiator composed of a perforated tube has a large number of refrigerant flow tubes arranged continuously, and the groove width W (tube width) of the refrigerant flow channel is 1.515 mm.
  • Depth D pipe height
  • partition plate width rib thickness, radiating fin thickness
  • upper plate (top plate) and lower plate (bottom plate) are It was 1.01 mm.
  • a metal circuit board made of an aluminum alloy has a length of 15.7 mm ⁇ width of 26.4 mm ⁇ thickness of 0.6 mm (t1), and a ceramic substrate has a length of 18.1 mm.
  • X width 28.8 mm x thickness 0.64 mm, and the size of the metal base plate 20 made of an aluminum alloy was 15.7 mm long x 26.4 mm wide x 1.6 mm thick (t2).
  • a small heat dissipation board having the same configuration was prepared except that the thickness (t2) of the metal base plate 20 was 0.6 mm.
  • the material of the metal circuit board and the metal base board was 0.4 mass% Si-0.04 mass% B-balance Al. Note that each of the metal circuit board and the metal base board of the small heat dissipation board is a rectangular parallelepiped (plate shape), and is arranged and bonded to the center of the ceramic substrate.
  • a brazing material (composition: 10 mass% Si-1 mass% Mg—balance Al, thickness) on the radiator is the same size (length and width) as the aluminum part of the metal base plate of the small heat dissipation board. 15 ⁇ m), place a heat dissipation board on the brazing material, and set a “Inconel” (registered trademark) disc spring on it via a jig. A predetermined load (surface pressure) is applied. Tightened with bolts. Next, after setting in a brazing furnace in a nitrogen atmosphere, the temperature is raised to 500 ° C. at 50 ° C./min, up to 605 ° C.
  • the amount of warpage (26.4 mm in the longitudinal direction) of the metal circuit board surface of the heat dissipation board was measured. The results are shown in Table 1. In addition, the amount of curvature measured the difference of the height of the edge part and center part of a metal circuit board with the three-dimensional surface roughness meter.
  • the target warp amount is 60 ⁇ m or less, preferably 50 ⁇ m or less.
  • Example 3 As shown in FIG. 5, a large number of refrigerant flow pipes are continuously arranged, the groove width W (pipe width) of the refrigerant flow path is 1.515 mm, and the groove depth D (pipe height). 110 mm (extrusion direction) for a porous tube having a thickness of 6.06 mm, a partition plate width (rib thickness, radiating fin thickness) T of 0.707 mm, and a top plate and a bottom plate of 1.01 mm each. A radiator made of a perforated tube was cut into ⁇ 135 mm, and pipes with a diameter of 18 mm (inner diameter: 16 mm) were brazed on both sides as a lid.
  • the coolant is supplied from one pipe by a coolant circulation mechanism (not shown), passes through the porous tube, and is discharged from the other pipe.
  • a small heat radiating substrate (15.7 mm ⁇ 26.4 mm ⁇ 0.6 mm as a metal circuit plate made of an aluminum alloy, and 15.7 mm ⁇ 26.4 mm ⁇ 0.00 mm as a metal base plate made of an aluminum alloy.
  • Ceramics (AlN substrate) 18.1 mm ⁇ 28.8 mm ⁇ 0.64 mm
  • the material of the metal circuit board 15 and the metal base board 20 was 0.4 mass% Si-0.04 mass% B-balance Al.
  • the load at this time was 3500 N, that is, the surface pressure was 2.1 N / mm 2 .
  • the brazing conditions were the same as in Example 2, but flux was applied to the brazing between the perforated pipe and the pipe.
  • the porous tube and the small heat dissipation substrate, and the porous tube and the pipe were joined at the same time.
  • the longitudinal direction of the small heat dissipation substrate (5-1, 5-2, 5-3, 5-4) is parallel to the partition plate of the porous tube (the direction of the refrigerant flow path).
  • the small heat dissipation board (6-1, 6-2, 6-3, 6-4) in the longitudinal direction are porous as shown in FIG. 9B.
  • the measurement result of the curvature amount of these metal circuit board surfaces is shown in FIG.
  • the amount of warpage is the metal circuit board surface in the X direction (parallel to the partition plate), the metal circuit board surface in the Y direction (perpendicular to the partition board), and the metal in the diagonal direction (diagonal direction of the metal circuit board).
  • the circuit board surface was measured with a three-dimensional surface roughness meter as the difference in height between the edge and the center of the metal circuit board.
  • the target warpage amount is 50 ⁇ m or less.
  • FIG. 11 shows the results of calculating the sectional moments in the X direction and the Y direction, respectively, and further calculating the amount of warpage per unit length. As shown in FIG. 11, it can be seen that even when the direction of the partition plate is different and the secondary moment changes, the amount of warpage is distributed on the same line, and the sectional secondary moment is appropriate as an influencing factor on the amount of warpage. It has been found.
  • radiators there are two types of radiators, 40 mm long ⁇ 40 mm wide ⁇ 4 mm thick plate material, 40 mm long ⁇ 40 mm wide ⁇ 8 mm thick plate material made of A1100 material, and 40 mm long ⁇ width shown in FIG.
  • a radiator made of a porous tube (material: A6063 alloy) of 40 mm ⁇ 8.08 mm thickness was prepared.
  • a heat sink composed of a perforated tube has a large number of refrigerant flow tubes arranged in a row, and the groove width W (tube width) that is the refrigerant flow channel is 1.515 mm and the groove depth.
  • D (height of the tube) was 6.06 mm
  • the width of the partition plate (radiation fin thickness, rib thickness) was 0.707 mm
  • the thicknesses of the top plate and the bottom plate were 1.01 mm, respectively.
  • the dimension of the metal circuit board made of an aluminum alloy is 27.4 mm long ⁇ 32.4 mm wide ⁇ 0.6 mm thick (t1), and the size of the ceramic substrate is 28.8 mm.
  • a large heat radiating board having dimensions of 38.8 mm ⁇ 0.64 mm and a metal base plate 20 made of an aluminum alloy having a length of 27.4 mm, a width of 32.4 mm, and a thickness of 1.6 mm (t2) was prepared.
  • the material of the metal circuit board 15 and the metal base board 20 was 0.4 mass% Si-0.04 mass% B-balance Al.
  • a brazing material having the same size (length and width) as the aluminum part of the metal base plate of the heat radiating board (composition: 10 mass% Si-1 mass% Mg-balance Al, thickness 15 ⁇ m) ) was set, and a heat dissipation board was placed on the brazing material and brazed.
  • the conditions for brazing are the same as in Example 2 except for the surface pressure.
  • the warpage amount (32.4 mm direction) of the surface of the metal circuit board of the large heat dissipation board obtained at this time was measured in the same manner as in Example 2. The test was performed by setting the load during brazing in two ways: 1150 N (surface pressure 1.31 N / mm 2 ) and 1600 N (surface pressure 1.82 N / mm 2 ).
  • FIG. 13 shows the relationship between the surface pressure and the amount of warping when the small heat radiating board and the large heat radiating board are brazed to the heat radiating element made of an aluminum plate having a thickness of 4 mm and the heat radiating element made of a perforated tube. Show. Since the size of the heat radiating substrate is different, the value of warpage is divided by the size of the heat radiating substrate. As is clear from FIG.
  • FIG. 14 shows the result of combining the result of the large heat dissipation board with FIG. 8 which is the result of the small heat dissipation board.
  • the warpage amount of the large heat dissipation board was corrected to the warpage amount of the small heat dissipation board. That is, the amount of warpage was evaluated by a value obtained by dividing the amount of warpage of the large heat dissipation substrate by 1.18 (32.4 / 27.4).
  • the result of the large heat dissipation substrate almost coincided with the result of the small heat dissipation substrate. That is, it has been found that the formula (2) can be applied even if the size of the heat dissipation substrate changes.
  • Example 5 The size of the radiator is 50 mm x 70 mm, and thermal analysis is performed by changing the groove width W, groove depth D, and partition plate width T (see Fig. 5) of the porous tube used as the radiator, and a suitable groove width.
  • the relationship between W and groove depth D, and groove width W and partition plate width T / groove width W ratio was determined. Furthermore, the extrusion limit in the production of the perforated tube was determined.
  • FIG. 15 shows the relationship between the groove width W and the groove depth D.
  • D 3.3W Is a lower limit for suitable thermal performance, and below this (when D is less than 3.3 W), thermal performance decreases.
  • D 10W Is the upper limit which becomes the limit of extrusion processing, and if it exceeds this, that is, D is larger than 10 W, extrusion cannot be performed.
  • the relationship between the groove width W and the partition plate width T / groove width W ratio is shown in FIG. As shown in FIG.
  • the upper limit indicated by is the limit at which the thermal performance is suitable, and if it exceeds this, the thermal performance will decrease. As shown in FIGS. 15 and 16, it was found that the dimensions of the groove width W, the groove depth D, and the width T of the partition plate are limited from the thermal performance and the extrusion limit.
  • the lower limit at which the thermal performance is suitable is set in consideration of heat dissipation when a power semiconductor chip such as an IGBT is mounted on a metal circuit board.
  • the load applied to the heat dissipation substrate is applied to the partition plates (ribs, heat dissipation fins).
  • the dimensions of the metal circuit board and the metal base plate made of an aluminum alloy are 15.7 mm long ⁇ 26.4 mm wide, the dimensions of the ceramic substrate are 18.1 mm long ⁇ 28.8 mm wide ⁇ 0.64 mm thick,
  • the thickness t1 of the metal circuit board 15 and the thickness t2 of the metal base board 20 are 0.6 mm (t1) and 1.6 mm (t2), respectively, and a porous tube (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 8) having the dimensions shown in FIG.
  • the material of the metal circuit board 15 and the metal base board 20 was 0.4 mass% Si-0.04 mass% B-balance Al.
  • Fig. 17 shows the groove depth after brazing and the deformation state of the partition plate.
  • the partition plate At a surface pressure of 7.4 MPa, the partition plate was greatly deformed (buckled), and the groove depth was reduced by 0.3 mm.
  • the surface pressure was 5.7 MPa, the deformation of the partition plate was reduced, and the groove depth was reduced by 0.15 mm.
  • the surface pressure was 2.3 MPa, the deformation of the partition plate was very small, and no change was observed in the groove depth.
  • the surface pressure is 7.3 MPa
  • the flow of the cooling water becomes unstable and the thermal performance slightly decreases, but it is within an allowable range.
  • the critical surface pressure varies with the overall height.
  • the thermal performance affects the cooling when the semiconductor chip is mounted on the metal circuit board. Since it decreases to such an extent that it appears, the groove width at which the amount of deformation of the partition plate is 10% or less was determined using that as an index. The result is shown in FIG. The width of the partition plate at that time was fixed at 1.0 mm. As the groove width decreases, the number of partition plates increases. As is apparent from FIG. 18, the load (limit load) at which the partition plate deforms by 10% increases as the groove width decreases. Also, the limit load decreases as the height of the perforated tube increases.
  • the critical load at each groove width was obtained, and the value obtained by dividing the load by the partition plate area was defined as the critical surface pressure (MPa).
  • MPa critical surface pressure
  • the critical surface pressure has a good correlation with the overall height of the porous tube.
  • the critical surface pressure decreases as the groove width increases, the critical surface pressure was determined with a small groove width of 1.0 mm.
  • the critical surface pressure at which the thermal performance does not deteriorate is obtained by -0.5 ⁇ D (groove depth, partition plate height) +10. Cooling with no deformation of the partition plate by setting a surface pressure lower than that. Can be obtained. If more surface pressure is applied, the buckling of the partition plate further increases and the change in the groove width W1 increases. Therefore, the surface pressure of the partition plate is set to ⁇ 0.5 ⁇ D (groove depth, partition plate height). S) +10 (MPa) or less. On the other hand, in the case of a large heat dissipation board, the partition plate was not deformed under a load of 1100 N (surface pressure of 4.1 MPa).
  • the buckling of the partition plate is considered to have the effect of reducing the amount of warping of the metal circuit board. Therefore, as described above, if the amount of deformation is within 10%, the thermal performance is not deteriorated, but rather is positively buckled. You can use the crook.
  • the present invention is applied to a metal / ceramic bonding substrate, and in particular, a metal circuit board and a metal base plate made of aluminum or an aluminum alloy are bonded to both surfaces of the ceramic substrate, respectively, and the metal base plate is not bonded to the ceramic substrate.
  • the present invention is applied to a liquid-cooled integrated substrate to which a radiator is joined and a manufacturing method thereof.

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Abstract

　本発明は、反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を目的とした液冷一体型基板であって、セラミックス基板（１０）の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板（１５）が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板（２０）の一方の面が接合され、金属ベース板（２０）の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器（３０）が接合された液冷一体型基板（１）において、金属回路板（１５）の厚さ（ｔ１）と金属ベース板（２０）の厚さ（ｔ２）との関係はｔ２／ｔ１≧２を満たし、金属回路板（１５）の厚さ（ｔ１）は０．４～３ｍｍであり、金属ベース板（２０）の厚さ（ｔ２）は０．８～６ｍｍである、液冷一体型基板である。

Description

液冷一体型基板および液冷一体型基板の製造方法
　本発明は、金属－セラミックス接合基板に関し、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板およびその製造方法に関する。
　例えば電気自動車、電車、工作機械等の大電流を制御するために使用されている従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属－セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属－セラミックス絶縁基板上に半導体チップ等の電子部品が半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ネジ止め等により熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケット等の放熱器が取り付けられている。
　この金属－セラミックス絶縁基板へのベース板や電子部品等の半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じやすい。また、電子部品等から発生した熱は、金属－セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケット（放熱器）により空気や冷却水等に逃がされるため、ベース板の反りが発生すると放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けた際のクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下してしまう。
　そこで、例えば特許文献１には、上記問題点であるベース板の反りを非常に小さくすることができる放熱フィン（補強部）と金属ベース板とが一体的に形成され溶湯接合法により作製された金属－セラミックス直接接合基板が開示されている。また、例えば特許文献２および特許文献３には、金属ベース板や放熱フィン等に取り付けて、熱発生体を効率的に冷却する冷却ジャケットが開示されている。
特開２００８－２１８９３８号公報 特開２００６－３２４６４７号公報 特開２００８－１３５７５７号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載の金属－セラミックス基板においては、放熱を行う機構として金属ベース板の一方の面に放熱フィンを一体的に設けるとしており、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属ベース板に対して一体的に放熱フィンを形成するために、例えば鋳型等を用いてフィン形状を加工する必要があり、加工コストや原材料コストが増大してしまうといった問題があった。また、フィン形状を加工する際に、加工時に金属ベース板に発生する残留応力によって金属ベース板に反りが発生してしまう恐れもあった。さらに、複数の放熱フィンを形成するために溝加工を行う場合、金属－セラミックス基板全体（一体型基板全体）としての強度が不十分になってしまう恐れがあった。
　また、上記特許文献１に記載の金属－セラミックス基板においては、過渡熱伝導が十分に確保されない恐れがあることから、その放熱性（冷却効率）について更なる改良の余地があった。
　また、上記特許文献２、特許文献３に記載の冷却ジャケットを金属－セラミックス基板に取り付ける（接合する）ことにより、放熱性（冷却効率）の面で優れた金属－セラミックス基板（一体型基板）が得られるが、上記特許文献２、特許文献３に記載された金属－セラミックス基板は、金属ベース板に放熱フィンが形成され、その放熱フィンを覆うように（収納するように）冷却ジャケットが接合されているため、上述した問題点である加工コスト・原材料コストの増大や一体型基板全体としての強度が不十分になってしまうといった問題点は解消されないと考えられる。さらには、特許文献３の扁平管に直接金属－セラミックス基板を接合すると、扁平管や金属－セラミックス基板の金属回路板の反りが大きくなり、電子部品の実装が困難になったり、熱衝撃が加わったときの信頼性の問題が発生することが判明した。
　そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板およびその液冷一体型基板の製造方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板において、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たし、
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
前記金属回路板の厚さｔ１は０．４～３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８～６ｍｍである、液冷一体型基板が提供される。
　上記液冷一体型基板においては、前記放熱器は多孔管からなり、前記金属ベース板と前記放熱器とがろう付け接合されてもよい。前記放熱器における前記多孔管の冷媒の流路である溝の幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
－Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
－０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
　上記液冷一体型基板においては、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。前記金属ベース板と前記放熱器をろう接合法で一体化する場合、ろう接合性を阻害しない程度に各元素の添加量を抑制する必要がある。そこで、例えば、Ｍｇ量を０．９質量％以下にすることが好ましい。また、前記金属回路板の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３～２．０μｍ程度が好ましい。前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合および前記金属ベース板と前記放熱器との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われてもよい。前記金属ベース板の放熱器接合側の表面粗さはろう接合性を良くするために、Ｒａ１．０～２．０μｍが好ましい。なお、前記放熱器と前記金属ベース板を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３～２．０μｍでも構わない。ろう接合する場合、放熱器の表面粗さは、一般的な押出し材及び板材で得られる程度で良い。
　また、前記多孔管の仕切り板が座屈していてもよい。
　また、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たす厚さに形成される、液冷一体型基板の製造方法が提供される。
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
　上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記金属回路板の厚さｔ１は０．４～３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８～６ｍｍであることが好ましい。
　前記金属ベース板と前記放熱器とを、（２）式以上の面圧で加圧した後に加熱してろう付け接合してもよい。
面圧（Ｎ／ｍｍ２）＝－１．２５×１０－３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（２）
　上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記放熱器は多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
を満たすことが好ましく、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
－Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
－０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことが好ましい。さらに、前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
　さらに、前記金属ベース板と前記放熱器とが、前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、－０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合されることが好ましい。
　また、上記液冷一体型基板の製造方法においては、前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましく、前記金属ベース板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記金属回路板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。
　本発明によれば、原材料コストや加工コストを低く抑え、一体型基板としての反り（形状変形）が低減され、熱衝撃に対する信頼性に優れ、優れた強度および放熱性を備えた液冷一体型基板およびその液冷一体型基板の製造方法が提供される。
液冷一体型基板１の側面断面図である。 液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。 放熱器３０の構成を異なるものとした場合の、液冷一体型基板１の側面断面図である。 図３の液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。 実施例で用いた多孔管を示す断面図である。 実施例で用いたろう付け用治具を正面から見た写真である。 実施例２で行ったろう付け試験によるアルミ材の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。 実施例２で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。 実施例３で行ったろう付け試験のろう付け後の外観を示す写真であり、（ａ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して平行方向（Ｘ方向）に沿ってろう付けしたタイプ、（ｂ）はサンプルの長手方向を多孔管の仕切り板に対して垂直方向（Ｙ方向）にろう付けしたタイプである。 実施例３の試験による反り量を示すグラフである。 実施例３の試験結果であり、小型放熱基板（サンプル）のろう付け方向による断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。 実施例４で行った大型放熱基板のろう付け試験の断面２次モーメントと反り量との関係を示すグラフである。 実施例４で行った大型放熱基板と小型放熱基板の、面圧に対する単位長さ当たりの反り量を比較したグラフである。 実施例４で得られたアルミ材の断面２次モーメントおよび面圧と反り量との関係を示すグラフである。 実施例５で得られた溝幅および溝深さと性能との関係を示すグラフである。 実施例５で得られた溝幅および仕切り板の幅（放熱フィン厚さ）／溝幅と性能との関係を示すグラフである。 実施例５で得られた各面圧における仕切り板の変形状態と溝深さの分布を示すグラフであり、（ａ）は３５０Ｎ、（ｂ）は８５０Ｎ、（ｃ）は１１００Ｎの場合である。 実施例５で得られた限界荷重と溝幅との関係を示すグラフである。 実施例５で得られた多孔管の高さ（溝深さ）と限界面圧との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　図１は本発明の実施の形態にかかる液冷一体型基板１の側面断面図である。図１に示すように、液冷一体型基板１においては、例えばＡｌＮ基板（窒化アルミニウム基板）やＳｉＮ基板（窒化珪素基板）であるセラミックス基板１０の上面（図１中上方）にアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属回路板１５が接合されており、また、セラミックス基板１０の下面（図１中下方）にはアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金からなる金属ベース板２０が接合されている。また、金属ベース板２０の下面（図１中下方）には押出し材によって構成される中空角柱形状の放熱器３０が接合されている。ここで、押出し材とは、押出し加工によって一体的に成形される部材を示している。
　なお、本実施の形態ではセラミックス基板１０と金属回路板１５の接合およびセラミックス基板１０と金属ベース板２０の接合は溶湯接合法によって接合が行われているものとし、金属ベース板２０と放熱器３０の接合はろう接合法によって接合が行われている。即ち、金属ベース板２０と放熱器３０との接合において、その間隙部３１には接合のためのろう材層３３が形成されることとなる。ろう接合法が行われる際に、接合対象物には所定の厚さ以上の厚み（ろう接合に耐えうるだけの厚み）が必要となるため、この場合、特に放熱器３０の上面（接合対象面）の厚みが十分に（例えば０．５ｍｍ以上）確保されている必要がある。
　また、図１に示すように、放熱器３０は内部空間が中空であり、その内部空間を仕切る仕切り板３５が設けられている。本実施の形態にかかる放熱器３０では、図示のように内部空間を１４箇所に仕切るように仕切り板３５が設けられ、放熱器３０の内部空間には仕切り板３５によって複数（１４箇所）の各流路３８が形成されることとなる。仕切り板３５が設けられた放熱器３０は押出し加工により一体物として作製される。
　図３は液冷一体型基板１において放熱器３０の構成（断面形状）を異なるものとした場合の、本発明の変形例にかかる液冷一体型基板１の断面図である。この変形例においては、放熱器３０の内部空間は仕切り板３５によって７箇所の流路３８に仕切られており、流路３８において上記実施の形態と同様、冷却液が循環する構成となっている。仕切り板３５が設けられた放熱器３０は押出し加工により一体物として作製される。
　また、図２、図４は、液冷一体型基板１と蓋部材４０の斜視図である。蓋部材４０は放熱器３０の手前側（図２、図４中手前側）の開口部の側面３０ａを覆うように取り付けられる部材であり、蓋部材４０は、蓋部４１と蓋部４１の側面（放熱器３０に取り付けた際の側面３０ａに対応する面）の２箇所に設けられる液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）から構成される。また、放熱器３０において図２、図４中手前側の開口部の反対側に設けられた開口部には、図示しない液循環ポートを有していない以外は同様の蓋部材が取り付けられる。蓋部材４０は、実際に液冷一体型基板１において、金属回路板１５に取り付けられた例えば半導体素子等の発熱により、液冷却が行われる場合に放熱器３０に取り付けられる。液循環ポート４５（４５ａ、４５ｂ）には図示しない冷却液循環機構が接続され、冷却液循環機構から液循環ポート４５ａを介して放熱器３０の内部（流路３８）に冷却液が供給され、液循環ポート４５ｂを介して放熱器３０の内部から冷却液が冷却液循環機構に排出される。即ち、冷却液循環機構の作動により冷却液が流路３８に流れこみ、その後、再度冷却液循環機構に戻るといったように、冷却液が放熱器３０内と冷却液循環機構との間で循環し、放熱器３０の冷却能力を一定に保つような構成となっている。この蓋部材４０と放熱器３０とは、金属ベース２０と放熱器３０とがろう接合される時、同時にろう接合しても構わない。
　一方、本実施の形態にかかる液冷一体型基板１においては、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係は、以下の（１）式のようになっている。（例えば図１、図３参照）
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
また、この時の各値としては、ｔ１が０．４～３ｍｍであり、ｔ２が０．８～６ｍｍである。金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係が上記（１）に示すような関係であることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。また、ｔ１が０．４～３ｍｍであり、ｔ２が０．８～６ｍｍであることが望ましいのは、充分な過渡熱の放熱性を得ること、一体型基板の反りを抑制するためである。なお、ｔ１が０．４～１．０ｍｍ、ｔ２が０．８～２ｍｍであることがさらに好ましい。
　また、放熱器３０の材質としては、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金が望ましい。
　また、金属回路板１５の表面粗さは、素子実装のための半田濡れを良くするためにＲａ０．３～２．０μｍ程度が好ましい。放熱器３０の表面粗さは、一般的な押出材及び板材で得られる程度で良い。また、金属ベース板２０の放熱器３０接合側の表面粗さはろう付性を良くするために、Ｒａ１．０～２．０μｍが好ましい。なお、放熱器３０と金属ベース板２０を溶湯接合法で接合する場合はＲａ０．３～２．０μｍでも充分に接合できる。
　以上、図１～図４を参照して説明した液冷一体型基板１において、例えば半導体素子等の電子部品が金属回路板１５に取り付けられ使用された場合に、その電子部品から発生した熱は、上記説明したように内部に冷却液が循環する放熱器３０によって放熱され、液冷一体型基板１全体が冷却される。ここで、上述したように、金属回路板１５の高さｔ１と、金属ベース板２０の高さｔ２の関係が以下の（１）式となっていることや、
ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
各値を、それぞれｔ１が０．４～３ｍｍであり、ｔ２が０．８～６ｍｍであるとしたことにより、十分な放熱性を発揮する液冷一体型基板１が得られることとなる。
　また、金属回路板１５、金属ベース板２０および放熱器３０の材質を、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１つの元素を含有するアルミニウム合金とすることで、一体型基板としての強度や信頼性（耐熱衝撃性等）が十分に確保された液冷一体型基板１が得られる。さらには、溶湯接合法やろう接合法を用いて各部材同士を接合することで接合信頼性が十分に確保される。
　また、放熱器３０を、熱伝導率が１７０／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出し材で構成することで、放熱性も良く、放熱器３０をフィン形状に切削など機械加工する場合等に比べ、放熱器３０における反り（形状変形）の発生が抑えられると共に、押出し加工で一体的に成形を行うため、原材料コストや加工コストの面で優れた液冷一体型基板１を製造することが可能となる。
　本発明において、金属ベース板２０と放熱器３０とは、前述の通りろう付けにより接合されている。ろう付けは、金属ベース板２０と放熱器３０との間にろう材をセットして所定の荷重を負荷し、ろう付け炉内で、所定のろう付け温度まで加熱して行われる。本発明では、
面圧＝（ろう付けの加熱前のセット時に負荷する荷重）／（金属ベース板の面積）
とし、この面圧を、下記（２）式以上とした。
面圧（Ｎ／ｍｍ２）＝－１．２５×１０－３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（２）
尚、放熱器３０の断面２次モーメントは、次式から求める。
仕切り板の平行方向に垂直な放熱器の断面の場合は、
ＢＨ３／１２－（（溝幅）×本数×Ｄ３）／１２
仕切り板の垂直方向に垂直な放熱器の断面の場合は、
ＢＨ３／１２－（Ｂ×Ｄ３）／１２
ただし、Ｂ：放熱器と金属ベース板の接合部の幅，Ｈ：放熱器の高さ，Ｄ：放熱器における多孔管の溝深さ（仕切り板の高さ）、Ｔ：仕切り板の幅
ろう付け時の面圧を、金属ベース板２０の剛性に対して（２）式以上とすることにより、反り量が低減された一体型基板を得ることができる。
　また、放熱器３０の各溝（冷却液の流路３８）の深さ寸法Ｄ（ｍｍ）は、各溝の幅寸法Ｗ（ｍｍ）に対して、
３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
の範囲であることが、好適な熱性能と押出し性を両立させる。さらに、幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）とが、
－Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
－０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
を満たすことで、好適な熱性能と押出し性を両立させることができる。
　さらに、
仕切り板の面圧＝（ろう付け時に放熱器３０に負荷する荷重）／（放熱器３０の仕切り板の面積）
とし、仕切り板の面圧を、－０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下とすることにより、放熱器の仕切り板の座屈を低減させることができる。ただし、仕切り板の面積は、仕切り材３５を上板に平行な平面で切断したときの仕切り板の断面積を指す。
　以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記実施の形態において放熱器３０の構成（断面形状）は、仕切り板３５によって放熱器３０の内部空間が１４箇所または７箇所に仕切られるものとしたが、この仕切り方や流路３８の形成数は任意に設定可能であり、放熱器３０の放熱性（冷却効率）が好適になるように適宜定めることが好ましい。
　〈実施例１〉
　本発明に従って液冷一体型基板を作製し、製品の評価を行った。
　まず、セラミックス基板１０としてＡｌＮ基板を準備し、その一方の面に金属回路板１５、他方の面に金属ベース板２０を、それぞれ溶湯接合により接合し、金属－セラミックス接合基板（「アルミック」（商標登録）基板）を得た。セラミックス基板１０及び金属回路板１５、金属ベース板２０のサイズは表１に示す通りであり、本発明に基づく本発明例１、２、３と、本発明の範囲を外れた比較例１、２のサンプルを作製した。金属回路板および金属ベース板の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ－０．０４ｍａｓｓ％Ｂ－残部Ａｌとした。金属回路板１５および金属ベース板２０は、夫々セラミックス基板１０の中央に接合した。なお、比較例１、２において、本発明の範囲を外れた部分に下線を付した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、放熱器３０としてアルミニウムの押出し材からなる多穴管を準備し、放熱器１個につき表１に示す各金属－セラミックス接合基板４個を、ろう材を介して接合し、液冷一体型基板を作製した。放熱器３０の外形寸法は１２２ｍｍ×９０ｍｍ×８ｍｍ、上板および下板の厚さはそれぞれ１ｍｍ、流路３８は高さ（仕切り板の高さ）６ｍｍ、幅１．５ｍｍ、リブ幅（仕切り板の幅）０．７ｍｍが連続している構造とした。４個の金属－セラミックス接合基板は、放熱器３０の上面（天板）を４分割した位置の中央部に接合した。また、金属ベース板２０と放熱器３０とのろう接は、真空中で６００℃×１０分保持し、ろう材をＡ４０４５とした。
　液冷一体型基板の評価は、半田および各接合界面のクラック、ヒートショック試験、放熱器上面の反り形状に関して行った。
　半田および各接合界面のクラックは、超音波探傷機で検査した。なお、半田クラックのサンプルについては、液冷一体型基板の金属回路板上に共晶半田を介して半導体チップを接合し、評価した。ヒートショック試験は、液槽冷熱衝撃装置を用いて行い、－４０℃で２分保持した後１１０℃で２分保持する過程を１サイクルとして、これを繰り返した。半田クラックについては、初期と、ヒートショック１０００サイクル後、２５００サイクル後、４０００サイクル後に、それぞれ超音波探傷機で半田クラックの面積率を求めて評価した。接合界面のクラックについては、ヒートショック４０００サイクル後の、金属－セラミックス接合基板の金属ベース板縁面から接合界面方向に延びるクラックの最も進展した箇所の長さについて、超音波探傷機による評価を行った。なお、クラックの長さは、サンプルの断面観察でも確認した。多孔管の反り形状（反り量）は多孔管の中央部と端部の高さの差とし、３次元反り測定器を用いて、接合後、半田付け後、ヒートショック４０００サイクル後にそれぞれ測定し、接合後と４０００サイクル後との反りの差を求めた。以上の評価方法によって、各放熱器に接合された４個の前記金属－セラミックス接合基板のうち、最もクラックが進展していたサンプルの評価結果を表２に示す。なお、比較例１、２の結果において、本発明に基づいて作製した本発明例１、２、３と比べて特性が劣る部分に下線を付した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　金属回路板の厚さｔ１と金属ベース板の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２が本発明の範囲よりも小さい比較例は、ヒートショックに弱く、クラックが多く発生した。
　〈実施例２〉
　ＡｌＮ基板の両面にアルミニウム合金が溶湯接合（直接接合）された放熱基板「アルミック」（商標登録）を用いて、ろう付けにより液冷一体型基板を製作するための基礎試験を行った。
　まず、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×６ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の３種類の、材質が合金番号Ａ１１００材（純アルミニウム）からなる放熱器と、図５に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：合金番号Ａ６０６３アルミニウム合金製）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には、図５の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、前記冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）が０．７０７ｍｍ、上板（天板）と下板（底板）の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。
　また、小型放熱基板として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）を準備した。さらに、金属ベース板の２０の厚さ（ｔ２）が０．６ｍｍである以外は同じ構成である小型放熱基板を準備した。金属回路板および金属ベース板の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ－０．０４ｍａｓｓ％Ｂ－残部Ａｌとした。なお、小型放熱基板の金属回路板及び金属ベース板は、いずれも直方体（板形状）であり、セラミックス基板の中央に配置、接合されている。
　図６に示すように、放熱器の上に、小型放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さおよび幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ－１ｍａｓｓ％Ｍｇ－残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、その上に治具を介して「インコネル」（登録商標）の皿バネをセットして所定の荷重（面圧）が負荷されるようにボルトで締め付けた。次に、窒素雰囲気中のろう付け炉内にセットした後、５００℃まで５０℃／ｍｉｎ、６０５℃までは１０℃／ｍｉｎで昇温して、ろう付け温度である６０５℃で１０分間保持し、その後２５０℃までは１５℃／ｍｉｎで冷却した。このようにろう付けした後、放熱基板の金属回路板表面の反り量（２６．４ｍｍ長手方向）を測定した。結果を表１に示す。なお、反り量は、金属回路板の端部と中央部の高さの差を３次元表面粗さ計で測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３から明らかなように、面圧が増加するに従い、また、放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントが増加するに従い、放熱基板表面の反り量は減少する。また、図７に示すように、反り量と放熱器（アルミ材）の断面２次モーメントとの間には、良い相関関係があることがわかった。放熱基板の金属ベース板の厚さを変化させても反り量には差が見られなかったので、放熱基板の金属ベース板の厚さは、反りには影響しないと考えられる。ただし、過渡熱特性などの放熱性や信頼性を考慮すると、金属ベース板の厚さは大きい方が好ましい。反りが大きいと、半導体チップを半田付けによって金属回路板表面に接合する際などに不具合が発生するため、目標としている反り量は６０μｍ以下であり、望ましくは５０μｍ以下である。図８に示すように、反り量を６０μｍ以下、あるいは５０μｍ以下にするための、面圧と断面２次モーメントの範囲が存在することがわかった。つまり、
面圧（Ｎ／ｍｍ２）＝－１．２５×１０－３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（２）
反り量の目標を５０μｍとすれば、（２）式を満足すれば、目標を達成できる。
　〈実施例３〉
　図５に示すような、多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（リブ厚さ、放熱フィン厚さ）Ｔが０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍである多孔管を、１１０ｍｍ（押出方向）×１３５ｍｍに切断して多孔管からなる放熱器とし、その両側にφ１８ｍｍ（内径１６ｍｍ）のパイプを、蓋材としてろう付けした。図示しない冷却液循環機構により、冷媒は一方のパイプから供給され、多孔管を通過して他方のパイプから排出される構造となっている。また、多孔管の表面に、小型放熱基板（アルミ合金からなる金属回路板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×０．６ｍｍ、アルミ合金からなる金属ベース板として１５．７ｍｍ×２６．４ｍｍ×０．６ｍｍ、セラミックス（ＡｌＮ基板）１８．１ｍｍ×２８．８ｍｍ×０．６４ｍｍ）を４枚ろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ－０．０４ｍａｓｓ％Ｂ－残部Ａｌとした。このときの荷重を３５００Ｎ、すなわち面圧を２．１Ｎ／ｍｍ２とした。ろう付け条件は実施例２と同様であるが、多孔管とパイプとのろう付けにはフラックスを塗布した。多孔管と小型放熱基板、および多孔管とパイプは同時に接合した。図９（ａ）に示すように小型放熱基板（５－１、５－２、５－３、５－４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して平行方向（冷媒の流路の方向）に沿ってろう付けしたタイプ（平行タイプと称す）と、図９（ｂ）に示すように小型放熱基板（６－１、６－２、６－３、６－４）の長手方向が多孔管の仕切り板に対して垂直方向（冷媒の流路に直角方向）にろう付けしたタイプ（垂直タイプと称す）を試作した。これらの金属回路板表面の反り量の測定結果を図１０に示す。反り量は、Ｘ方向（仕切り板に対して平行方向）の金属回路板表面、Ｙ方向（仕切り板に対して垂直方向）の金属回路板表面、斜め方向（金属回路板の対角線方向）の金属回路板表面について、いずれも金属回路板の端部と中央部の高さの差として３次元表面粗さ計で測定した。
　図１０から明らかなように、実施例２で得られた（２）式に基づいて面圧を設定したことにより、小型放熱基板を４枚ろう付けした場合でも、目標とする反り量５０μｍ以下を達成することができた。
　また、仕切り板の方向によって断面２次モーメントが変化するので、図１０に示すように反り量も変化する。そこで、Ｘ方向及びＹ方向の断面２次モーメントをそれぞれ計算して、さらに反り量を単位長さ当たりとして計算した結果を図１１に示す。図１１に示すように、仕切り板の方向が異なり断面２次モーメントが変化した場合でも、反り量は同一線上に分布することがわかり、反り量への影響因子として断面２次モーメントが妥当であることが判明した。
　〈実施例４〉
　次に、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ４ｍｍの板材、長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×８ｍｍの板材の２種類の、材質がＡ１１００材からなる放熱器と、図５に示す長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍ×厚さ８．０８ｍｍの多孔管（材質：Ａ６０６３合金製）からなる放熱器を準備した。多孔管からなる放熱器には図５の通り多数の冷媒の流路の管が連続して並んでおり、冷媒の流路である溝幅Ｗ（管の幅）が１．５１５ｍｍ、溝深さＤ（管の高さ）が６．０６ｍｍ、仕切り板の幅（放熱フィン厚さ、リブ厚さ）が０．７０７ｍｍ、天板と底板の厚さがそれぞれ１．０１ｍｍであった。
　また、放熱基板（アルミック）として、アルミニウム合金からなる金属回路板の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ（ｔ１）であって、セラミックス基板の寸法が２８．８ｍｍ×３８．８ｍｍ×０．６４ｍｍであり、アルミニウム合金からなる金属ベース板２０の寸法が長さ２７．４ｍｍ×幅３２．４ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ（ｔ２）の大型放熱基板を準備した。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ－０．０４ｍａｓｓ％Ｂ－残部Ａｌとした。
　図６に示すように、放熱器の上に、放熱基板の金属ベース板のアルミ部分と同一サイズ（長さと幅）のろう材（組成：１０ｍａｓｓ％Ｓｉ－１ｍａｓｓ％Ｍｇ－残部Ａｌ、厚さ１５μｍ）をセットして、さらにろう材の上に放熱基板を置き、ろう付けした。ろう接の条件は、面圧以外、実施例２と同様である。このとき得られた大型放熱基板の金属回路板表面の反り量（３２．４ｍｍ方向）を実施例２と同様に測定した。なお、ろう付け時の荷重を、１１５０Ｎ（面圧１．３１Ｎ／ｍｍ２）、１６００Ｎ（面圧１．８２Ｎ／ｍｍ２）の２通りに設定して試験を行った。
　図１２に示すように、大型放熱基板の場合でも、断面２次モーメントと反り量は良い相関関係を示すことがわかった。また、前述の厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器及び多孔管からなる放熱器に、前記小型放熱基板及び前記大型放熱基板をろう付けした時の面圧と反り量との関係を図１３に示す。放熱基板のサイズが異なるので、反り量は放熱基板のサイズで割った値を用いた。図１３から明らかなように、多孔管からなる放熱器の場合、反り量（反り量／放熱基板のサイズ）は、面圧と良い相関関係が見られており、放熱基板のサイズの影響は見られなかった。前記厚さ４ｍｍのアルミ板からなる放熱器でも同様の結果となった。以上の結果より、放熱基板のサイズが異なっても、本発明の（２）式が適用できることがわかった。
　小型放熱基板の結果である図８に、大型放熱基板の結果を合わせた結果を図１４に示す。尚、大型放熱基板の反り量を小型放熱基板の反り量に補正した。すなわち、大型放熱基板の反り量を１．１８（３２．４／２７．４）で割った値で反り量を評価した。図１４に示すように、大型放熱基板の結果は小型放熱基板の結果とほぼ一致した。つまり、放熱基板のサイズが変化しても（２）式が適用できることがわかった。
　以上の結果より、高放熱基板の反り量を５０μｍ以下とするためには、（２）式を満足させることが必要であることがわかった。
　〈実施例５〉
　放熱器の大きさを５０ｍｍ×７０ｍｍとし、放熱器として用いる多孔管の溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔ（図５参照）を変化させて熱解析を行い、好適な溝幅Ｗと溝深さＤ、及び溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比との関係を求めた。さらに、多孔管の製造における押出し限界を求めた。
　図１５に、溝幅Ｗと溝深さＤの関係を示す。図１５に示すように、
Ｄ＝３．３Ｗ
は、熱性能が好適となる下限であり、これより下方（Ｄが３．３Ｗより小さい場合）では熱性能が低下する。また、
Ｄ＝１０Ｗ
は、押出し加工の限界となる上限であり、これを超えるすなわちＤが１０Ｗより大きいと、押出しができない。さらに、溝幅Ｗと仕切り板の幅Ｔ／溝幅Ｗ比の関係を図１６に示す。図１６に示すように、
－Ｗ＋１．４＝Ｔ／Ｗ　（０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
－０．２Ｗ＋０．７＝Ｔ／Ｗ　（１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
で示される下限は押出し加工の限界であり、
Ｔ／Ｗ＝－１．５Ｗ＋３．２７５
で示される上限は熱性能が好適となる限界で、これを超えると熱性能が低下する。図１５および図１６に示すように、熱性能と押出し限界から、溝幅Ｗ、溝深さＤ、仕切り板の幅Ｔの寸法に制約があることがわかった。なお、熱性能が好適となる下限は、金属回路基板にたとえばＩＧＢＴなどのパワー半導体チップを搭載したときの放熱性を考慮して設定したものである。
　図５に示すような多孔管の場合、放熱基板に負荷した荷重は、仕切り板（リブ、放熱フィン）に負荷される。アルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板の寸法が長さ１５．７ｍｍ×幅２６．４ｍｍ、セラミックス基板の寸法が長さ１８．１ｍｍ×幅２８．８ｍｍ×厚さ０．６４ｍｍ、アルミニウム合金の金属回路板１５の厚さｔ１と金属ベース板２０の厚さｔ２がそれぞれ０．６ｍｍ（ｔ１）、１．６ｍｍ（ｔ２）の放熱基板と図５に示す寸法の多孔管（４０ｍｍ×４０ｍｍ×８．０８ｍｍ、材質Ａ６０６３合金）からなる放熱器を、３５０Ｎ（仕切り板の面圧２．３ＭＰａ）、８５０Ｎ（仕切り板の面圧５．７ＭＰａ）、１１００Ｎ（仕切り板の面圧７．４ＭＰａ）の３通りの荷重で、実施例２と同様にろう付けした。金属回路板１５および金属ベース板２０の材質は、０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ－０．０４ｍａｓｓ％Ｂ－残部Ａｌとした。
　ろう付け後の溝深さと仕切り板の変形状態を図１７に示す。面圧７．４ＭＰａでは仕切り板が大きく変形（座屈）し、溝深さが０．３ｍｍ減少した。面圧５．７ＭＰａでは仕切り板の変形は小さくなり、溝深さは０．１５ｍｍ減少した。面圧２．３ＭＰａでは仕切り板の変形は非常に小さくなり、溝深さには変化が見られなかった。面圧７．３ＭＰａの状態では冷却水の流れが不安定となり、熱性能がやや低下するが、許容範囲である。その限界の面圧は全体高さによって変化する。仕切り板の高さＤ‘が接合前の高さＤ(仕切り板の高さ、溝深さ)よりも１０％変形すると、熱性能が金属回路板に半導体チップを搭載したときにその冷却に影響がでる程度に低下するので、それを指標として、仕切り板の変形量が１０％以下となる溝幅を決定した。その結果を図１８に示す。そのときの仕切り板の幅は、１．０ｍｍ一定とした。溝幅が減少すると仕切り板の本数が増加するので、図１８から明らかなように、溝幅が減少するに従って、仕切り板が１０％変形する荷重（限界荷重）は増加する。また、多孔管の高さが増加するに従い、限界荷重は減少する。
　図１８の結果より、各溝幅での限界荷重を求めて、その荷重を仕切り板面積で除した値を限界面圧（ＭＰａ）とした。図１９に示すように、その限界面圧は、多孔管の全体高さと良い相関関係にある。また、溝幅が増加するに従い限界面圧は減少するので、溝幅の小さい１．０ｍｍで限界面圧を決定した。
　熱性能の低下が無い限界面圧は、－０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０で求められ、それ以下の面圧を設定することで仕切り板の変形が無い冷却器を得ることができる。それ以上の面圧を加えると、仕切り板の座屈がさらに増えて溝幅Ｗ１の変化が大きくなるので、仕切り板の面圧を、－０．５×Ｄ（溝深さ、仕切り板の高さ）＋１０（ＭＰａ）以下とした。一方、大型放熱基板の場合には、荷重１１００Ｎ（面圧４．１ＭＰａ）で、仕切り板の変形は無かった。なお、仕切り板の座屈は、金属回路板の反り量を小さくする効果があると考えられるので、前述の通り１０％以内の変形量であれば熱性能の低下もなく、むしろ積極的に座屈を利用しても良い。
　本発明は、金属－セラミックス接合基板に適用され、特にセラミックス基板の両面にそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板および金属ベース板が接合され、金属ベース板のセラミックス基板が接合されていない面に放熱器が接合されている液冷一体型基板およびその製造方法に適用される。

Claims (22)

  1. 　セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板において、
    前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たし、
    ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
    前記金属回路板の厚さｔ１は０．４～３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８～６ｍｍである、液冷一体型基板。
  2. 　前記放熱器は多孔管からなり、前記金属ベース板と前記放熱器とがろう付け接合されたことを特徴とする、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  3. 　前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
    ３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
    を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  4. 　前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
    －Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
    －０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
    を満たすことを特徴とする、請求項３に記載の液冷一体型基板。
  5. 　前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項３に記載の液冷一体型基板。
  6. 　前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  7. 　前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  8. 　前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  9. 　前記セラミックス基板と前記金属回路板との接合、前記セラミックス基板と前記金属ベース板との接合および前記金属ベース板と前記放熱器との接合は、溶湯接合法あるいはろう接合法によって行われる、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  10. 　前記多孔管の仕切り板が座屈している、請求項１に記載の液冷一体型基板。
  11. 　セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、
    前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、
    前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、
    前記金属回路板の厚さｔ１と前記金属ベース板の厚さｔ２の関係は次式（１）を満たす厚さに形成される、液冷一体型基板の製造方法。
    ｔ２／ｔ１≧２・・・（１）
  12. 　前記金属回路板の厚さｔ１は０．４～３ｍｍであり、前記金属ベース板の厚さｔ２は０．８～６ｍｍである、請求項１１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  13. 　前記金属ベース板と前記放熱器とを、（２）式以上の面圧で加圧した後に加熱してろう付け接合することを特徴とする、請求項１１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
    面圧（Ｎ／ｍｍ２）＝－１．２５×１０－３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（２）
  14. 　前記放熱器は多孔管からなり、前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と溝深さＤ（ｍｍ）との関係が、
    ３．３Ｗ＜Ｄ＜１０Ｗ
    を満たすことを特徴とする、請求項１１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  15. 　前記多孔管の冷媒の流路である溝幅Ｗ（ｍｍ）と仕切り板の幅Ｔ（ｍｍ）との関係が、
    －Ｗ＋１．４＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（０．４≦Ｗ≦１．０の場合）
    －０．２Ｗ＋０．７＜Ｔ／Ｗ＜－１．５Ｗ＋３．３　（１．０＜Ｗ＜２．０の場合）
    を満たすことを特徴とする、請求項１４に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  16. 　前記溝幅Ｗが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１４に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  17. 　前記金属ベース板と前記放熱器とが、前記多孔管の仕切り板に負荷される仕切り板面圧が、－０．５×Ｄ（溝深さ）＋１０（ＭＰａ）以下となるように加圧した後に加熱してろう付け接合されたことを特徴とする、請求項１４に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  18. 　前記放熱器は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる、請求項１１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  19. 　前記金属ベース板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  20. 　前記金属回路板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上であるアルミニウムまたはアルミニウム合金である、請求項１１に記載の液冷一体型基板の製造方法。
  21. 　セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の放熱器が接合された液冷一体型基板の製造方法であって、
    前記金属回路板および前記金属ベース板と前記セラミックス基板との接合は溶湯接合法によって行われ、
    前記金属ベース板と前記放熱器との接合はろう接合法によって行われ、
    前記金属ベース板と前記放熱器とを、（２）式以上の面圧で加圧した後に加熱してろう付け接合することを特徴とする、液冷一体型基板の製造方法。
    面圧（Ｎ／ｍｍ２）＝－１．２５×１０－３×（放熱器の断面２次モーメント）＋２．０・・・（２）
  22. 　セラミックス基板の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属回路板が接合されると共に、他方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平板状の金属ベース板の一方の面が接合され、前記金属ベース板の他方の面には押出し材で構成される液冷式の多孔管からなる放熱器が接合された液冷一体型基板において、
    前記金属ベース板と前記放熱器とがろう付け接合されたことを特徴とする、液冷一体型基板。
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