(57)【要約】【課題】  パワー・モジュールと冷却器と間の熱膨張差に起因したはんだの寿命低下を抑制することができるパワー・モジュール装置の製造方法を提供する。【解決手段】  パワー・モジュール装置1の製造方法は、絶縁基板5の一方の面に設けられた第１金属層6にパワー半導体をはんだ付けで接合される工程と、冷却媒体を流す冷却通路3bが形成された冷却器3の絶縁基板5側の面に、コールド・スプレー法で金属粉体が溶融固着した粉体溶融金属層9が設けられる工程と、粉体溶融金属層9の冷却器とは反対側の面に第２金属層8がはんだ付けで接合される工程と、備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
絶縁基板の一方の面に設けた第１金属層にはんだ付けで接合したパワー半導体と、
前記絶縁基板の他方の面側に設け、冷却媒体を流す冷却通路が形成を有する冷却器と、
を備えたパワー・モジュール装置において、
前記冷却器の前記絶縁基板側の面に、熱膨張率が冷却器の材質より小さい金属粉体を溶融固着させた粉体溶融金属層を設け、
該粉体溶融金属層の前記冷却器とは反対側の面に、前記絶縁基板の他方の面に設けた第２金属層をはんだ付けで接合した、
ことを特徴とするパワー・モジュール装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー・モジュール装置の製造方法において、
前記粉体溶融金属層を形成する金属粉体は、銅である、
ことを特徴とするパワー・モジュール装置の製造方法。
【請求項３】
絶縁基板の一方の面に設けられた第１金属層にパワー半導体をはんだ付けで接合する工程と、
冷却媒体を流す冷却通路を形成した冷却器の絶縁基板側の面に、コールド・スプレー法で熱膨張率が冷却器の材質より小さい金属粉体を溶融固着した粉体溶融金属層を設ける工程と、
粉体溶融金属層の冷却器とは反対側の面に第２金属層をはんだ付けで接合する工程と、
備えたことを特徴とするパワー・モジュール装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のパワー・モジュール装置の製造方法において、
前記粉体溶融金属層を形成する金属粉体は、銅である、
ことを特徴とするパワー・モジュール装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気自動車等の駆動用モータへ供給する電力を制御するためのパワー素子等を備え、かつ、このパワー素子等を冷却する冷却器を設けたパワー・モジュール装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー・モジュール装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この従来のパワー・モジュール装置では、セラミック製絶縁基板の上面にアルミニウムや銅などの金属で回路層が形成されて、この上にパワー素子がはんだ付けされ、またセラミック製絶縁基板の下面にアルミニウムや銅等の金属で金属層が形成されて、これらによりパワー・モジュール基板が構成される。
上記金属層には、複数の貫通孔が設けられ、高熱伝導性材料であるアルミニウム板からなる応力緩和部材がろう付けされている。
応力緩和部材の下面には、液体または気体を流す複数の冷却流体通路が並列状に設けられた扁平中空状のアルミニウムにより形成されたヒート・シンクがろう付けされている。
なお、別の実施態様にあっては、セラミック製絶縁基板の下面には金属層を形成せずに、応力緩和部材を直接ろう付けしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のパワー・モジュール装置には以下に説明するような問題がある。
すなわち、パワー素子の発熱量は大きく高温になるので、これらを冷却するため、セラミック製絶縁基板のパワー素子とは反対側の面には、ヒート・シンクを設けて半導体等を液体または気体で冷却するようにしている。
この場合、これら間での温度差は非常に大きく熱応力差が生じるので、上記従来のパワー・モジュール装置では、セラミック製絶縁基板とヒート・シンクとの間にアルミニウム製の応力緩和部材を介在させて熱応力差を吸収するようにしている。
このような応力緩和部材の追加は、部品点数や固着工数が増えるので、コスト高につながる。
【０００５】
また、応力緩和部材をセラミック製絶縁基板上の金属層に、あるいは絶縁基板に直接ろう付けをする場合、セラミック製基板に割れが発生しないまでも残留応力が発生することがある。
また、セラミック製基板の下面に設けた金属層に応力緩和部材をろう付けする場合には、そのろう材には、ぬれ性や反応性をよくするため、ろう材にチタニウムなどのセラミックに対し活性な元素をろう材に添加して反応不足や過剰反応が生じないようにする必要があり、さらに、ろう付けの炉内におけるコンタミネ−ションの管理が難しく、この場合もコスト高を避けることができない。
【０００６】
そこで、ろう材に代えてはんだを用いることで接合温度をより低く抑えるなど、上記ろう材に起因する課題を解消することが考えられる。
しかしながら、はんだの場合、その機械的強度はろう材を使用した場合よりも小さく、上記従来のパワー・モジュール装置では上記熱膨張差が非常に大きいので、はんだに作用する熱応力も大きく、はんだの寿命が短くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、絶縁基板の一方の面側にパワー素子が設けられたパワー・モジュール基板と、この他方の面側に設けられた冷却器と、を備えたパワー・モジュール装置において、パワー・モジュール基板と冷却器と間の熱膨張差に起因した、はんだの寿命低下を抑制することができるようにしたパワー・モジュール装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的のため、請求項１に記載の本発明によるパワー・モジュール装置は、
絶縁基板と、
絶縁基板の一方の面に設けた第１金属層にはんだ付けで接合したパワー半導体と、
絶縁基板の他方の面側に設け、冷却媒体を流す冷却通路を有する冷却器と、
を備えたパワー・モジュール装置において、
冷却器の絶縁基板側の面に、熱膨張率が冷却器の材質より小さい金属粉体が溶融固着された粉体溶融金属層を設け、
粉体溶融金属層の冷却器とは反対側の面に、絶縁基板の他方の面に設けた第２金属層をはんだ付けで接合した、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明のパワー・モジュール装置は、
請求項１に記載の発明のパワー・モジュール装置において、
粉体溶融金属層を形成する金属粉体は、銅である、
ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の本発明によるパワー・モジュール装置の製造方法は、
絶縁基板の一方の面に設けた第１金属層にパワー半導体をはんだ付けで接合する工程と、
冷却媒体を流す冷却通路が形成された冷却器の絶縁基板側の面に、コールド・スプレー法で熱膨張率が冷却器の材質より小さい金属粉体を溶融固着した粉体溶融金属層を設ける工程と、
粉体溶融金属層の冷却器とは反対側の面に第２金属層をはんだ付けで接合する工程と、
備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の本発明によるパワー・モジュール装置の製造方法は、
請求項３に記載の本発明によるパワー・モジュール装置の製造方法において、
粉体溶融金属層を形成する金属粉体は、銅である、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の本発明のパワー・モジュール装置にあっては、パワー・モジュール基板と冷却器と間の熱膨張差が生じる際、粉体溶融金属層が冷却器の熱膨張を抑制することで、パワー・モジュール基板と冷却器と間にあるはんだの寿命低下を防ぐことができる。
【００１３】
請求項２に記載の本発明のパワー・モジュール装置にあっては、粉体溶融金属層を銅にすることで、はんだ付け性に優れ、確実に冷却器の熱膨張を抑制することができる。
【００１４】
請求項３に記載の本発明のパワー・モジュール装置の製造方法にあっては、パワー・モジュール基板と冷却器と間の熱膨張差が生じる際、粉体溶融金属層が冷却器の熱膨張を抑制することで、パワー・モジュール基板と冷却器と間にあるはんだの寿命低下を防ぐことができる。
【００１５】
請求項４に記載の本発明のパワー・モジュール装置の製造方法にあっては、粉体溶融金属層を銅にすることで、はんだ付け性に優れ、確実に冷却器の熱膨張を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１のパワー・モジュール装置の斜視図である。
【図２】図１のパワー・モジュール装置の横断面を模式的に描いた図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
まず、実施例１のパワー・モジュール装置の製造の全体構成を説明する。
なお、この実施例１のパワー・モジュール装置は、本実施例では、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用モータに供給する電力を制御するのに用いられる。
【００１９】
図１に示すように、実施例１のパワー・モジュール装置1は、パワー・モジュール基板11と冷却器3を一体に組み付けたものである。
パワー・モジュール基板11は、パワー素子としての絶縁ゲート・バイポーラ方トランジスタ（IGBT: Insulated gate bipolar transistor）や整流素子としてのダイオードとが２個ずつで１組となったチップ2が搭載された絶縁基板を有し、このパワー・モジュール基板11が合計３組組み合わされて、図示しない車両駆動用の三相交流モータのそれぞれのコイルへ供給する電力を制御する周知のインバータを構成する。
【００２０】
パワー・モジュール基板11の下方には、パワー・モジュール基板11のパワー素子等が発熱する熱を奪って、パワー・モジュール基板11の温度上昇を抑える冷却器3が取り付けられている。
冷却器3は、この本体3aが、たとえばアルミニウムで押し出し形成され、この内部に、たとえば冷却水などの冷却媒体を流す複数の並列した冷却通路3b（図２を参照）が設けられている。
【００２１】
冷却通路3bがそれぞれ開口する本体3aの両端部には、第１ジャケット4A、第２ジャケット4Bがそれぞれ取り付けられる。
第１ジャケット4Aには、図示しない冷却水流入用パイプに接続される冷却水流入ポート41と図示しない冷却水排出用パイプに接続される冷却水排出ポート42とが設けられる。
そして、図２中における左側半分側に相当する冷却通路3bの第１ジャケット4A側の開口には、冷却水流入ポート41が連通され、また図２中における右側半分側に相当する冷却通路3bの第１ジャケット4A側の開口には、冷却水流出ポート42が連通される。
【００２２】
一方、第２ジャケット4Bには、ここに開口する図１中における左側半分側に相当する冷却通路3bの第2ジャケット4B側の開口と、図１中における右側半分側に相当する冷却通路3bの第２ジャケット4B側の開口とを、第２ジャケット4B内で連通して冷却水を前者から後者に向けてＵターンさせるＵターン通路が形成されている。
なお、このような構成に代えて、第１ジャケット4A側に冷却水流入ポート41のみを、また、第２ジャケット4B側に冷却水流出ポート42のみを設けて、冷却水が、すべて第１ジャケット4A側から第２ジャケット4B側へ向けて冷却通路3bを流れるようにしても良い。
【００２３】
図２にパワー・モジュール基板11と冷却器3とを備えたパワー・モジュール装置1の横断面を模式的に示す。
同図に示すように、セラミック等の絶縁部材で形成された絶縁基板5の同図中の上側面には、回路が形成された第１金属層6が固着されるとともに、この第１金属層6の上面にIGBTやダイオードからなるチップ2がはんだ7で取り付けられる。
また、絶縁基板5の同図中の下側面には、第２金属層8が固着される。
【００２４】
一方、冷却器3の上面には、銅の粉体が、コールド・スプレー法で、すなわち、図外のコールド・スプレー装置のノズルから高圧ガスに混入させて超音速で冷却器3の上面に向けて吹き付けられる。
この衝突で銅の粉体は、冷却器3の上面に溶融・固着されて膜状の銅層9を形成する。
【００２５】
ここで、コールド・スプレー法では、空気、窒素ガス、ヘリウム・ガスなどを常温あるいは加熱して得た高圧ガスを、特殊なノズルを用いて音速を超える速度で被加工物に吹き付けて行う。このとき、ガス流に粉末材料を加え、この粉末材料を被加工物に衝突させて運動エネルギを熱エネルギに変え、被加工物とともに塑性変形させることで、粉末材料を対象物に付着・積層させるようにしている。
この方法では、厚膜の形成が容易で、緻密な被膜を得ることができ、しかも熱の影響がほとんど受けないといったメリットがある。
【００２６】
なお、上記銅の粉体は、本発明の金属粉体に相当する。
また、膜状の銅層9は、本発明の粉体溶融金属層に相当する。
【００２７】
パワー・モジュール基板11の第２金属層8の下面と、冷却器3の上面に形成された膜状の銅層9とは、これらの間に介在させたはんだ10で接合する。
【００２８】
上記のように構成されたパワー・モジュール装置1では、パワー・モジュール基板11を、図外のコントローラによりドライバによるアクセル・ペダルの踏み込み量や車速等に応じて制御し、最適な電力を電気もモータへ供給するようにする。
【００２９】
このようなパワー・モジュール基板11の動作時にあっては、パワー・モジュール基板11のIGBT等が発熱して高温となる。
この熱は、はんだ7を通じて第１金属層6や絶縁基板5へ伝わり、これらを熱膨張させる。
また、熱はさらに第２金属層8、はんだ10、銅層9にも伝わり、最終的に冷却器3へ伝わる。冷却器3の冷却通路3bには冷却水が流れており、上記熱を吸収することで、パワー・モジュール基板11が許容値以上に高温になるのを抑える。
【００３０】
しかしながら、冷却器3自体は、冷却水で直に冷却されているのに対し、パワー・モジュール基板11は熱伝導で熱交換が行われるため、これら間には温度差が生じざるを得ない。また、パワー・モジュール基板11側と冷却器３とで材質も異なることからその熱膨張率も異なる結果、温度に起因して熱膨張差が生じ、両者の間、とりわけ絶縁基板5と冷却器3との間にあるはんだ10などには大きな熱応力（熱負荷）が作用する状況となる。
【００３１】
ここで、たとえば、窒化アルミニウム（AIN）を用いたセラミック製の絶縁基板5にあっては、AINの線膨張係数は、4.55ppm/℃程度であるのに対し、アルミニウム製の冷却器を用いた場合、アルミニウムの線膨張係数は、24ppm/℃程度とAINの線膨張係数の約５倍にもなる。
【００３２】
しかしながら、実施例１のパワー・モジュール装置では、そのような状態にあってはんだ10と冷却器3との間に膜状の銅層9が介在されていて、銅の線膨張率が冷却器3のアルミニウムの線膨張率より小さく、かつ銅の強度が高いことから、上記のように熱負荷が作用した場合には、銅層9が冷却器3の熱膨張を抑えるように働く。
【００３３】
このように、銅層9を設けることで冷却器3の熱膨張を抑え、はんだ10等への熱負荷を小さく抑えることができるが、コールド・スプレー法で形成した膜状の銅層9は、銅板を固着する場合と異なって、以下のメリットがある。
コールド・スプレー法では、銅層9を冷却器3に設ける場合に温度を上げる必要がないので、冷却器3の熱変形を防ぐことができ、コールド・スプレー法を終えた後でも熱応力による歪みがほとんどない。一方、銅板を用いる場合、はんだより高負荷に耐える材料を使用し、熱を用いて固着することになる。
このことから、コールド・スプレー法で形成した膜状の銅層9にあっては、冷却器3に絶縁基板5を実装する際に、冷却器3の取り付け面の平面度を確保することが可能である。
【００３４】
また、コールド・スプレー法で形成した銅層9は、はんだ付け性が良く、信頼性が高いことも実験で確認された。
【００３５】
以上に説明したように、実施例１のパワー・モジュール装置1は、以下の効果を得ることができる。
すなわち、実施例１のパワー・モジュール装置1およびその製造方法では、冷却器3の絶縁基板5側の面に、コールド・スプレー法で銅の粉体を溶融固着した膜状の銅層9を設け、この銅層9の冷却器3とは反対側の面に、絶縁基板5の他方の面に設けた第２金属層8をはんだ付けで接合されるようにしたので、パワー・モジュール基板11と冷却器3と間の熱膨張差に起因したはんだ10等の寿命の低下を抑制することができる。
【００３６】
また、膜状の銅層9はコールド・スプレー法で形成されるので、銅層9を冷却器3に形成する場合に温度を上げる必要がないため、冷却器3の熱変形を防ぐことができる。この結果、冷却器3に絶縁基板5を実装する再に、冷却器3の取り付け面の平面度を確保することができる。
【００３７】
また、はんだ10との冷却器3との間に介在させる銅層9は、はんだ付け性が良く、高信頼性を確保することができる。
【００３８】
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
【００３９】
たとえば、コールド・スプレー法で形成される粉体溶融金属層は、実施例では銅層8としたが、これに限られず、他の材料を使ってコールド・スプレー法で形成で形成してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
1          パワー・モジュール装置
2          チップ
3          冷却器
3a        本体
3b        冷却通路
4A        第１ジャケット
4B        第２ジャケット
41        冷却水冷却水流入ポート
42        冷却出流入ポート
5          絶縁基板
6          第１金属層
7          はんだ
8          第２金属層
9          銅層（粉体溶融金属層）
10        はんだ
11        パワー・モジュール基板
【図１】
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【図２】
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