(57)【要約】【課題】パワーモジュール１に冷媒式のヒートシンク５を接合する場合に、パワーモジュール１中の絶縁基板３（セラミック基板３ａ）の反りを防止すると共に、冷却面として用いるヒートシンク底板７の反りを防止する。【解決手段】パワーモジュール１は、放熱基板２と、その上の絶縁基板３と、その上に実装されるパワーデバイス４とを含んで構成される。ヒートシンク５は、天板６と、底板７と、これらの間に差し渡される放熱フィン（コルゲートフィン）８とを備える。ここにおいて、底板７と放熱フィン８との間に結合部Ｘと非結合部Ｙとを設け、非結合部Ｙ（補強板７ｂの貫通穴１１）を平面視でパワーモジュール１と重複するように位置させる。また、コルゲートフィン８の波の連続方向にスリット１２を設け、このスリット１２も平面視でパワーモジュール１と重複するように位置させる。【選択図】図１
2010093020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールに、冷媒式のヒートシンクを接合してなるパワーモジュール用冷却装置において、
前記ヒートシンクを、前記パワーモジュールに接合する天板と、前記天板との間に冷媒流路を形成する底板と、前記天板と前記底板との間に差し渡される放熱フィンと、を備える構成とする一方、
前記底板とこれに差し渡される前記放熱フィンの底板側先端との間に、結合部と非結合部とを設け、前記非結合部を、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの接合面に対し直角な方向で見て、前記パワーモジュールと重複するように位置させることを特徴とするパワーモジュール用冷却装置。
【請求項２】
前記放熱フィンはコルゲートフィンであり、コルゲートフィンの波の連続方向にスリットを設け、このスリットを、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの接合面に対し直角な方向で見て、前記パワーモジュールと重複するように位置させることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項３】
前記パワーモジュールは、放熱基板と、この放熱基板の一方の面に接合される絶縁基板と、この絶縁基板に実装されるパワーデバイスと、を含んで構成され、
前記放熱基板の他方の面に、前記ヒートシンクを接合することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項４】
前記絶縁基板は、セラミック基板であって、その両面に金属層を有してなり、一方の金属層が前記パワーデバイスが実装される回路層となり、他方の金属層が前記放熱基板と接合される伝熱層となることを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項５】
前記放熱基板は、応力緩衝用の複数の貫通穴を有していることを特徴とする請求項３又は請求項４記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項６】
前記底板は、２枚の板材を接合してなり、
前記非結合部は、前記２枚の板材のうち前記放熱フィン側の板材に形成した貫通穴により形成されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項７】
前記ヒートシンクの底板の外側の面に、冷却されるべき発熱体が配置されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のパワーモジュール用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに冷媒式のヒートシンク（冷却器）を接合してなるパワーモジュール用冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体チップからなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、パワーデバイスから発せられる熱を効率良く放熱して、パワーデバイスの温度を所定温度以下に保つ必要がある。
【０００３】
このため、特許文献１では、冷媒式のヒートシンクを設けている。これは、天板と、天板との間に冷媒流路を形成する底板と、天板と底板との間に差し渡されて結合する放熱フィンとからなる。そして、パワーモジュールにヒートシンクの天板を接合して、パワーモジュールを積極的に冷却するようにしている。
【０００４】
このようなパワーモジュール用冷却装置では、パワーモジュール中のセラミック製の絶縁基板と、アルミ製のヒートシンクとの、線膨張係数の差により、高温下での接合（ろう付け）後の熱収縮により、ヒートシンクに反りなどの変形が発生し、これに起因して、絶縁基板にも反りなどの変形が発生するのを回避する必要がある。
【０００５】
そこで、特許文献１では、ヒートシンクの天板に貫通穴を設け、この貫通穴をパワーモジュールとその平面視にて重複するように位置させることで、パワーモジュールとヒートシンク天板との間で相互に影響しあうのを少なくして、反りの発生を抑制している。また、貫通穴の部分で冷媒によりパワーモジュールを直接的に冷却することで、放熱性能を向上させるとしている。
【特許文献１】特開２００８−１２４１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように、ヒートシンクの天板に貫通穴を設けると、パワーモジュールの直下で天板と放熱フィンとが結合しないため、放熱フィンによる放熱性能が低下してしまう。また、貫通穴の部分で冷媒により直接的に冷却すると言っても、天板側では重力の関係から貫通穴の部分に空気が滞留して冷媒が流れにくくなり、流れたとしても、その部分の流路断面積の増加により冷媒の流速が低下することから、放熱性能の向上は望めない。
【０００７】
本発明は、ヒートシンクの底板に着目し、パワーモジュールとヒートシンク底板との間で相互に影響しあうのを少なくすることで、パワーモジュール及びヒートシンク底板の反りを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本発明では、ヒートシンクの底板とこれに差し渡される放熱フィンの底板側先端との間に、結合部と非結合部とを設け、このうちの非結合部を、パワーモジュールとヒートシンクとの接合面に対し直角な方向で見て、パワーモジュールと重複するように位置させる構成とする。尚、ここでいう「重複」は、少なくとも一部が重なり合う状態を意味する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、前記非結合部により、パワーモジュールの下方で、ヒートシンク底板と放熱フィンとの結合を断つことにより、パワーモジュールの熱変形の影響をヒートシンク底板に伝えないようにすることができ、ヒートシンク底板の反りを低減することができる。逆に、パワーモジュールの反りも低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）は、バッテリとモータジェネレータとの間に設けられており、バッテリからの直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えている。そして、昇圧コンバータ及びインバータでは、ＩＧＢＴなどの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールを用いている。
【００１２】
このようなパワーモジュールにおいては、パワーデバイスから発せられる熱を効率良く放熱して、パワーデバイスの温度を所定温度以下に保つ必要があり、パワーモジュールの冷却のために、冷媒式のヒートシンクを設けている。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態を示すパワーモジュール及びヒートシンクの要部断面図である。
【００１４】
パワーモジュール１は、ベースとなる放熱基板２と、放熱基板２の上面に接合（ろう付け）される絶縁基板３と、絶縁基板３の上面に実装されるパワーデバイス４とを含んで構成される。
【００１５】
放熱基板２は、高熱伝導性材料であるアルミにより形成されている。厚さは１ｍｍ程度であり、応力緩衝用に、３ｍｍφ程度の貫通穴（図示せず）が複数形成されている（開口率は２０％程度）。
【００１６】
絶縁基板３は、絶縁性を有し、かつ熱伝導性の良いセラミック（例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素など）からなるセラミック基板３ａを基体として構成される。
【００１７】
そして、セラミック基板３ａの両面に、金属層として、アルミ層３ｂ、３ｃを有していて、一方（上面側）のアルミ層３ｂがパワーデバイス４が実装される回路層となり、他方（下面側）のアルミ層３ｃが放熱基板２と接合される伝熱層となる。
【００１８】
尚、かかる絶縁基板３としては、セラミック基板の両面に予めアルミ層がろう付けされたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板を用いることができる。尚、セラミック基板７ａの厚さは０．６〜０．７ｍｍ程度、アルミ層７ｂ、７ｃの厚さはそれぞれ０．６ｍｍ程度である。
【００１９】
パワーデバイス４は、ＩＧＢＴなどの半導体チップであり、絶縁基板３の上面の回路層にろう付けされて実装される。尚、１つの絶縁基板３に１〜複数のパワーデバイスが実装される。
【００２０】
パワーモジュール１には、冷媒式のヒートシンク（冷却器）５を接合する。尚、１〜複数のパワーモジュール１に対し、１つのヒートシンク５を接合する。
【００２１】
ヒートシンク５は、天板６と、天板６との間に冷媒流路を形成する底板７と、天板６と底板７との間に差し渡されて結合し冷媒流路を区画する放熱フィン８とを含んで構成される。
【００２２】
天板６は、厚さ０．８ｍｍ程度のアルミ板である。
【００２３】
底板７は、２枚のアルミ板を接合（ろう付け）したもので、外側の主底板７ａと、内側の補強板７ｂとからなる。主底板７ａ及び補強板７ｂの厚さはそれぞれ１ｍｍ程度である。
【００２４】
放熱フィン８は、アルミ製で、波頂部、波底部、及び、波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状（コルゲートフィン）であり、波頂部がヒートシンク５の天板６に、波底部がヒートシンク５の底板７（特に補強板７ｂ）に結合（ろう付けにより接合）されている。
【００２５】
尚、図２に複数のパワーモジュール１を搭載したヒートシンク５の平面図を示すように、天板６と底板７は矩形をなし、これらの間に冷媒流路（ウォータジャケット）を形成するが、天板６と底板７の周縁部は相手方に向かって湾曲し、最中（もなか）状に接合して、筐体（箱形）をなしている。
【００２６】
そして、ヒートシンク５の筐体内に放熱フィン（コルゲートフィン）８が配置されることで、フィンの延在方向（コルゲートフィンの波頂部及び波底部の連続方向；図１で紙面と直交する方向、図２で上下方向）が冷媒（冷却水）の流通方向となる。
【００２７】
そして、ヒートシンク５の筐体内における前記フィンの延在方向の一端側（図２の下側）が冷媒入口側空間、他端側（図２の上側）が冷媒出口側空間となり、各空間に対し横方向でかつ対角線の位置に冷媒入口パイプ９と冷媒出口パイプ１０とを連通接続してある。
【００２８】
ここにおいて、ヒートシンク５の底板７と放熱フィン８の底板側先端（コルゲートフィンの波底部）との間に、結合部Ｘと非結合部Ｙとを設ける。言い換えれば、ヒートシンク５の底板７と放熱フィン８の底板側先端（コルゲートフィンの波底部）との間の一部に、空隙（１１）を設けて、非結合部Ｙを形成する。そして、この非結合部Ｙを、パワーモジュール１とヒートシンク５との接合面に対し直角な方向で見て（パワーモジュール１の平面視で）、パワーモジュール１と重複するように位置させる。
【００２９】
より具体的には、補強板７ｂに貫通穴１１を設け、この貫通穴１１をパワーモジュール１と重複するように位置させる。
【００３０】
図３は、非結合部形成用の貫通穴１１を形成した補強板７ｂの平面図である。この例は、図２と同様、６つのパワーモジュールに対して１つのヒートシンクを接合した例であり、各パワーモジュール１に重複させる形で、対応する領域に、３個ずつ貫通穴１１を並べて形成した例である。
【００３１】
また、放熱フィン８を構成するコルゲートフィンの波の連続方向（波頂部及び波底部の連続方向と直交する方向）に幅１ｍｍ程度のスリット１２を設け、このスリット１２を、パワーモジュール１とヒートシンク５との接合面に対し直角な方向で見て（パワーモジュール１の平面視で）、パワーモジュール１と重複するように位置させる。
【００３２】
図４は、スリット１２を形成した放熱フィン８の平面図及びそのＡ矢視図である。この例は、図２と同様、６つのパワーモジュールに対して１つのヒートシンクを接合した例であり、各パワーモジュール１に重複させる形で、対応する領域に、３本ずつスリット１２を並べて形成した例である。尚、図４に示すように、コルゲートフィンを平面体として見たとき、フィンの延在方向（波頂部及び波底部の連続方向）が剛性（曲げ剛性）の高い方向であり、これと直交する方向にスリット１２を入れることで、その剛性を低下させている。
【００３３】
上記のパワーモジュール１及びヒートシンク５は次のように製造する。
【００３４】
下から、主底板７ａ、補強板７ｂ、放熱フィン８、天板６、放熱基板２、絶縁基板（ＤＢＡ基板）３の順で、積層し、各層の間にはシート状のろう材を介装する。
【００３５】
そして、これらを適当な手段で仮止めし、接合面に適当な荷重（圧力）を加えながら、真空雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中において、６００℃程度まで加熱することによって、これらを同時にろう付けにより接合して一体化する。尚、パワーデバイス４は、後工程で実装する。
【００３６】
ここで、これらの接合部品のうち、絶縁基板（ＤＢＡ基板）３の基体をなすセラミック基板３ａ以外は、全てアルミであり、セラミックとアルミでは、アルミの方が線膨張係数が大きい。
【００３７】
従って、上記の接合は、高温状態にて行われるので、アルミが大きく熱膨張した状態で行われる。
【００３８】
その結果、高温下での接合後、常温に戻ると、アルミの方が大きく熱収縮し、アルミとセラミックとの接合部で反りを生じる。
【００３９】
すなわち、絶縁基板３中のセラミック基板３ａと、その上のアルミ層（回路層）３ｂとの間、及び、絶縁基板３中のセラミック基板３ａと、その下のアルミ層（伝熱層）３ｃ、放熱基板２、天板６、放熱フィン８、底板７（補強板７ｂ、主底板７ａ）との間で、熱膨張差（熱収縮差）を生じる。
【００４０】
このうち、特に、ヒートシンク５の天板６の熱収縮によるセラミック基板３ａへの影響と、底板７の熱収縮による放熱フィン８及び天板６を介してのセラミック基板３ａへの影響が大きい。
【００４１】
ここで、ヒートシンク５の天板６については、パワーモジュール１中のセラミック基板３ａとの関係で、その厚さを適宜設定して（薄くして）、剛性を調整（低下）することにより、セラミック基板３ａへの影響を回避できる。
【００４２】
すなわち、天板６を薄くして、剛性を低下させることにより、天板６が変形しても、その影響がセラミック基板３ａに伝わらないようにすることで、セラミック基板３ａの反りや内部応力の発生を防止でき、セラミック基板３ａの割れ等を回避できる。
【００４３】
これに対し、ヒートシンク５の底板７については、これを他部品の冷却面として用いること、すなわち、これに他部品を接触させて冷却すること、を考えると、剛性を高くして反りを防止し、平面度を確保する必要がある。
【００４４】
そのため、底板７を２枚の板材（主底板７ａと補強板７ｂ）の接合構造とすることで、剛性を増し、他からの影響を排除して、底板７の平面度を確保する。
【００４５】
しかし、剛性を増すだけでは、他への影響が大となって、セラミック基板３ａの反りを生じる。
【００４６】
言い換えれば、
（１）ヒートシンク５の天板６については、パワーモジュール１（特にその絶縁基板３）との関係で、その厚さを適宜設定して、剛性を調整することにより、パワーモジュール１（絶縁基板３）への影響を回避できる、
（２）ヒートシンク５の底板７については、これを他部品の冷却面として用いることを考えると、剛性を高くして反りを防止したいが、放熱フィン８を介して天板６と強固に結合されているので、パワーモジュール１（絶縁基板３）との間で、互いに影響しあうことで、反りを生じている、
（３）ヒートシンク５の底板の反りに起因して、パワーモジュール１（絶縁基板３）に反りを生じ、この反りに起因して割れが発生するおそれがある、
という事実がある。
【００４７】
そこで、底板７の影響をセラミック基板３ａに伝えないように、パワーモジュール１と重複する位置にて、底板７と放熱フィン８との結合を前記非結合部Ｙ（補強板７ｂの貫通穴１１）により断つようにしている。同時に、セラミック基板３ａの影響も底板７に伝わらないようになる。
【００４８】
従って、前記非結合部Ｙ（補強板７ｂの貫通穴１１）により、パワーモジュール１の下方で、ヒートシンク底板７と放熱フィン８との結合を断つことで、パワーモジュール１（セラミック基板３ａ）の熱変形の影響をヒートシンク底板７に伝えないようにすることができ、ヒートシンク底板７の反りを低減することができる。逆に、ヒートシンク底板７の熱変形の影響をパワーモジュール１（セラミック基板３ａ）に伝えないので、パワーモジュール１（セラミック基板３ａ）の反りを低減することができる。また、これらにより、冷熱サイクル時の信頼性の低下も抑制できる。
【００４９】
また、放熱フィン８は、方向によって曲げ剛性が異なるため、パワーモジュール１と重複する位置にて、曲げ剛性が高い方向に対し、これを横断する方向にスリット１２を設けて、放熱フィン８の曲げ剛性を均等に低下させている。
【００５０】
これによっても、パワーモジュール１（セラミック基板３ａ）の熱変形の影響をヒートシンク底板７に伝えないようにして、ヒートシンク底板７の反りを更に低減することができ、逆に、ヒートシンク底板７の熱変形の影響をパワーモジュール１（セラミック基板３ａ）に伝えないようにして、パワーモジュール１（セラミック基板３ａ）の反りを更に低減することができる。
【００５１】
上記のようにして、ヒートシンク底板７の反りを低減することにより、次のような効果が得られる。
【００５２】
すなわち、底板７の外側の面（ヒートシンク５の裏面）に、冷却されるべき発熱体を直接ないし間接的に配置して、底板７の外側の面（ヒートシンク５の裏面）を冷却面として用いる場合に、平面度が向上し、冷却対象との密着度を向上させて、ヒートシンク５の裏面冷却性能を向上させることができる。
【００５３】
図５はＰＣＵケースにおけるヒートシンク５の配置例を示している。
【００５４】
ＰＣＵケースは、アッパーケース２１とロアケース２２とから構成されている。
【００５５】
ヒートシンク５は、アッパーケース２１内に収納し、アッパーケース２１の内側の底面とヒートシンク５の裏面とはシリコングリースを介して密着させる。尚、ヒートシンク５の冷媒入口パイプ９と冷媒出口パイプ１０はアッパーケース２１の側部より突出させ、冷媒入口パイプ９には冷却系のウォータポンプ（図示せず）からの配管を接続し、冷媒出口パイプ１０にはラジエータ（図示せず）への配管を接続する。
【００５６】
そして、アッパーケース２１の外側の底面とロアケース２２の外側の天面とはシリコングリースを介して密着させる。
【００５７】
そして、ロアケース２２内に、例えば、昇圧用リアクトル２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４を収納し、これらをシリコングリースを介してロアケース２２の内側の天面に密着させる。これらの昇圧用リアクトル２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４が冷却されるべき発熱体である。
【００５８】
このような構成により、パワーモジュール１冷却用のヒートシンク５の裏面を冷却面として用い、アッパーケース２１の底面及びロアケース２２の天面を介して、昇圧用リアクトル２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４などを冷却することができる。
【００５９】
この際に、ヒートシンク５の裏面の反りをなくし、その平面度及び水平度を確保できることから、密着度が高まり、また伝熱効率の良くないシリコングリースの使用量を少なくでき、裏面冷却性能を大幅に向上させることができる。
【００６０】
また、上記のようにして、パワーモジュール１（セラミック基板３ａ）の反りを低減することにより、次のような効果が得られる。
【００６１】
すなわち、セラミック基板３ａの表面（回路層）の平面度や水平度を確保できることから、パワーデバイス実装時の配線接合工程が楽となり、ボンディング性能を向上させることができる。また、セラミック基板３ａにかかる応力が低減し、セラミック基板３ａの割れを防止でき、信頼性を大幅に向上させることができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、パワーモジュール１のベースとなる放熱基板２として、応力緩衝用の複数の貫通穴を有しているものを用いることにより、放熱基板２を応力緩衝材として用いて、接合時の応力低減を図ることができる。
【００６３】
また、本実施形態によれば、底板７を２枚の板材（主底板７ａ、補強板７ｂ）を接合して構成することにより、底板７の剛性を向上させることができると共に、そのうち放熱フィン８側の板材（補強板７ｂ）に貫通穴１１を形成することで、底板７と放熱フィン８との間の非結合部Ｙを容易に形成することができる。
【００６４】
また、図３に示したように、補強板７ｂに貫通穴１１を形成する際に、１つのパワーモジュール１に対する貫通穴１１を複数に分割して、それぞれを放熱フィン（コルゲートフィン）８の波底部の連続方向と直角な方向に横長にして、貫通穴１１間に肉部を残すことで、天板６と底板７との間に放熱フィン８を積層して、圧力をかけつつ接合（ろう付け）する際に、貫通穴１１間の放熱フィン８の波底部を、波底部の連続方向と直角方向に延びる肉部で受けることができ、接合時の放熱フィン８の変形を抑えることができる。
【００６５】
また、このときに、放熱フィン８のスリット１２を複数にして、各スリット１２が貫通穴１１に入るようにすることで、スリット１２を設けたことで剛性が低下しても、接合時の放熱フィン８の変形を抑えることができる。
【００６６】
但し、前記非結合部Ｙの形成方法は、これに限るものではなく、単に、底板７と放熱フィン８との間の一部について、接合時にろう材を介在させないようにして、未接合にするようにしてもよい。
【００６７】
尚、以上の実施形態では、高熱伝導性材料として、アルミを使用したが、これに代えて銅などを使用してもよい。
【００６８】
また、以上の実施形態での厚さ等の数値は、理解を助けるための例示であり、これに限定されるものでないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態を示すパワーモジュール及びヒートシンクの要部断面図
【図２】複数のパワーモジュールを搭載したヒートシンクの平面図
【図３】非結合部形成用の貫通穴を形成した補強板の平面図
【図４】スリットを形成した放熱フィンの平面図及びそのＡ矢視図
【図５】ＰＣＵケースにおけるヒートシンクの配置例を示す断面図
【符号の説明】
【００７０】
１  パワーモジュール
２  放熱基板
３  絶縁基板
３ａ  セラミック基板
３ｂ  アルミ層（回路層）
３ｃ  アルミ層（伝熱層）
４  パワーデバイス
５  ヒートシンク
６  天板
７  底板
７ａ  主底板
７ｂ  補強板
８  放熱フィン（コルゲートフィン）
９  冷媒入口パイプ
１０  冷媒出口パイプ
１１  補強板７ｂの貫通穴
１２  スリット
２１  アッパーケース
２２  ロアケース
２３  リアクトル
２４  ＤＣ−ＤＣコンバータ
Ｘ  結合部
Ｙ  非結合部
【図１】
2010093020.tif 000003
【図２】
2010093020.tif 000004
【図３】
2010093020.tif 000005
【図４】
2010093020.tif 000006
【図５】
2010093020.tif 000007