(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（11）と、
上記基板（11）の一方面（111）に形成された回路部（12）と、
上記基板（11）の他方面（112）に形成された矩形状の金属層（13）と、
長さ方向に直交する断面形状が一定となるように構成された放熱部材（14）とを備え、
上記放熱部材（14）は、上記金属層（13）に対向する接合面（141）と、該接合面（141）の裏側に配置された放熱面（142）とを有し、
上記放熱部材（14）の接合面（141）には、該放熱部材（14）の長さ方向に沿って該接合面（141）の全長に亘って平行に延びる一対の凹条部（100）が形成され、
上記放熱部材（14）の接合面（141）は、平面視において上記金属層（13）の互いに対向する一対の側面（131）が上記一対の凹条部（100）の内部にそれぞれ配置されるように、半田（10）によって上記金属層（13）と接合され、
上記放熱部材（14）の放熱面（142）には、配管（201）を取り付け可能な取り付け溝（200）が形成され、
上記取り付け溝（200）は、上記一対の凹条部（100）と平行となるように上記放熱部材（14）の長さ方向に沿って該放熱部材（14）の放熱面（142）の全長に亘って延びている
ことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーモジュールに関し、特に、パワーモジュールの放熱機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パワーモジュールでは、絶縁基板の一方の面にパワー半導体素子が搭載され、絶縁基板の他方の面に金属層（放熱パターン）が形成されている。そして、半田によって絶縁基板の金属層（放熱パターン）に放熱板が接合されている。一般的に、放熱板は、銅で構成されている。
【０００３】
このようなパワーモジュールでは、パワーモジュールの周囲の温度変化や、パワーモジュールの電気的な動作（駆動／停止）に伴う温度変化によって、絶縁基板と放熱板とを接合している半田に、熱応力（絶縁基板と放熱板との線膨張率の差に起因する熱応力）が発生することがある。半田に熱応力が繰り返し発生すると、熱疲労により半田の劣化（例えば、亀裂）が生じるおそれがある。
【０００４】
上記のような熱応力は、半田接合部（絶縁基板と放熱板とを接合している半田）のうち金属層の角部に対応する部分に集中しやすい。また、半田の厚みを厚くするほど、半田の熱疲労耐量が高くなることが知られている。そこで、特許文献１の半導体装置では、金属層の角部の外周が凹部の内側に位置するように、放熱板の接着面（金属層との接着面）のうち金属層の角部に対応する位置に凹部を設けることによって、金属層の角部における接合材の厚みを厚くして、半田接合部の耐久性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２５２０８２号公報
【発明の概要】
【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の半導体装置（パワーモジュール）では、フライス加工などの機械加工によって放熱部材の接合面に凹部を局所的に形成することになるので、放熱部材の形成が困難であった。
【０００７】
そこで、この発明は、熱応力耐性を効果的に向上させることができるとともに、放熱部材を容易に形成することが可能なパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、基板（11）と、上記基板（11）の一方面（111）に形成された回路部（12）と、上記基板（11）の他方面（112）に形成された矩形状の金属層（13）と、長さ方向に直交する断面形状が一定となるように構成された放熱部材（14）とを備え、上記放熱部材（14）は、上記金属層（13）に対向する接合面（141）と、該接合面（141）の裏側に配置された放熱面（142）とを有し、上記放熱部材（14）の接合面（141）には、該放熱部材（14）の長さ方向に沿って該接合面（141）の全長に亘って平行に延びる一対の凹条部（100）が形成され、上記放熱部材（14）の接合面（141）は、平面視において上記金属層（13）の互いに対向する一対の側面（131）が上記一対の凹条部（100）の内部にそれぞれ配置されるように、半田（10）によって上記金属層（13）と接合され、上記放熱部材（14）の放熱面（142）には、配管（201）を取り付け可能な取り付け溝（200）が形成され、上記取り付け溝（200）は、上記一対の凹条部（100）と平行となるように上記放熱部材（14）の長さ方向に沿って該放熱部材（14）の放熱面（142）の全長に亘って延びていることを特徴とするパワーモジュールである。
【０００９】
上記第１の発明では、平面視において金属層（13）の一対の側面（131）が一対の凹条部（100）の内部に配置されているので、金属層（13）の角部に対応する半田（10）の部分の厚みを厚くすることができる。また、長さ方向に直交する断面形状が一定となるように放熱部材（14）が構成されているので、放熱部材（14）を押出成型（放熱部材（14）の長さ方向を押出方向とする押出成型）によって形成することができる。
【００１０】
また、上記第１の発明では、放熱部材（14）の放熱面（142）に取り付け溝（200）を形成することにより、冷却液を流通させる配管（201）を放熱部材（14）の放熱面（142）に取り付けることができる。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、金属層（13）の角部に対応する半田（10）の部分の厚みを厚くすることができるので、半田（10）の熱応力耐性を効果的に向上させることができる。また、放熱部材（14）を押出成型によって形成することができるので、フライス加工などの機械加工を利用せずに、放熱部材（14）を容易に形成することができる。そのため、放熱部材（14）の製造コストを低減することができる。
【００１２】
また、第１の発明によれば、冷却液を流通させる配管（201）を放熱部材（14）の放熱面（142）に取り付けることができるので、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１によるパワーモジュールの構成例について説明するための図。
【図２】実施形態１によるパワーモジュールの変形例について説明するための図。
【図３】実施形態２によるパワーモジュールの構成例について説明するための図。
【図４】実施形態２によるパワーモジュールの変形例について説明するための図。
【図５】実施形態３によるパワーモジュールの構成例について説明するための図。
【図６】実施形態３によるパワーモジュールの変形例について説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。
【００１５】
〔実施形態１〕
図１ａおよび図１ｂは、実施形態１によるパワーモジュールの断面構成および平面構成をそれぞれ示している。このパワーモジュールは、空気調和機のインバータなどにおいて使用される。パワーモジュールは、絶縁基板（11）と、回路部（12）と、金属層（13）と、放熱部材（14）とを備えている。なお、図１ｂでは、回路部（12）の図示を省略している。
【００１６】
また、以下の説明では、「主面」は、矩形状部材のうち厚み方向において互いに対向する一対の面のことを示し、「側面」は、矩形状部材のうち幅方向において互いに対向する一対の面のことを示し、「端面」は、矩形状部材のうち部材の長さ方向において互いに対向する一対の面のことを示している。
【００１７】
〈絶縁基板〉
絶縁基板（11）は、絶縁材料（例えば、セラミックス）で構成されている。また、絶縁基板（11）は、矩形状に形成されている。以下の説明では、絶縁基板（11）の一対の主面のうち一方の主面（より具体的には、回路部（12）に対向する主面）を「回路面（111）」と表記し、他方の主面（より具体的には、金属層（13）および放熱部材（14）に対向する主面）を「放熱面（112）」と表記する。
【００１８】
〈回路部〉
回路部（12）は、絶縁基板（11）の回路面（111）に形成されている。回路部（12）は、金属層（121），半田（122），パワー半導体素子（123），ボンディングワイヤ（124）などによって構成されている。金属層（121）は、導電性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金など）によって構成され、絶縁基板（11）の回路面（111）に形成されている。金属層（121）には、回路パターンが形成されている。パワー半導体素子（123）は、半田（122）によって金属層（121）と接合されている。また、パワー半導体素子（123）は、ボンディングワイヤ（124）によって金属層（121）に電気的に接続されている。例えば、パワー半導体素子（123）は、整流ダイオードや、パワートランジスタなどである。
【００１９】
〈金属層〉
金属層（13）は、導電性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金など）によって構成され、絶縁基板（11）の放熱面（112）に形成されている。金属層（13）には、放熱パターンが形成されている。
【００２０】
また、金属層（13）は、矩形状に形成されている。ここでは、金属層（13）は、平面視において金属層（13）の一対の側面（131,131）が絶縁基板（11）の一対の側面（113,113）と平行になるように、絶縁基板（11）の放熱面（112）に形成されている。
【００２１】
〈放熱部材〉
放熱部材（14）は、伝熱性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金など）によって構成されている。また、放熱部材（14）は、放熱部材（14）の長さ方向に直交する断面形状が一定となるように構成されている。例えば、放熱部材（14）は、放熱部材（14）の長さ方向を押出方向として押出成型された部材である。ここでは、放熱部材（14）は、矩形状に形成されている。以下の説明では、放熱部材（14）の一対の主面のうち一方の主面（より具体的には、絶縁基板（11）および金属層（13）に対向する主面）を「接合面（141）」と表記し、他方の主面（すなわち、接合面（141）の裏側に配置された主面）を「放熱面（142）」と表記する。
【００２２】
放熱部材（14）の接合面（141）は、金属層（13）に対向している。放熱部材（14）の接合面（141）には、一対の凹条部（100,100）が形成されている。一対の凹条部（100,100）は、放熱部材（14）の長さ方向に沿って、放熱部材（14）の接合面（141）の全長に亘って、平行に延びている。また、放熱部材（14）の接合面（141）は、平面視において金属層（13）の一対の側面（131,131）が一対の凹条部（100,100）の内部にそれぞれ配置されるように、半田（10）によって金属層（13）と接合されている。
【００２３】
ここでは、放熱部材（14）の放熱面（142）は、平坦に形成されている。一対の凹条部（100,100）は、放熱部材（14）の長さ方向に沿って、放熱部材（14）の一対の端面（144,144）の一方から他方へ向けて、平行に延びている。また、凹条部（100）は、凹条部（100）の断面形状（長さ方向に直交する断面の形状）がコの字型となるように、底面（101）と、内側壁面（102）と、外側壁面（103）とによって構成されている。内側壁面（102）は、底面（101）から接合面（141）の中央面部（141a）へ向けて垂直に延び、外側壁面（103）は、底面（101）から接合面（141）の外側面部（141b）へ向けて垂直に延びている。なお、「中央面部（141a）」とは、接合面（141）のうち凹条部（100,100）に挟まれた領域のことであり、「外側面部（141b）」とは、接合面（141）のうち凹条部（100,100）によって中央面部（141a）から分断された領域のことである。
【００２４】
〈半田〉
次に、半田（10）について説明する。半田（10）の厚みを厚するほど、半田（10）の熱応力耐性を高くすることができるが、半田（10）の熱抵抗が高くなるので放熱特性が悪化してしまう。また、接合不良（例えば、絶縁基板（11）の傾き）が発生しやすくなる。また、半田（10）に発生する熱応力は、金属層（13）の４つの角部に対応する半田（10）の部分（より具体的には、平面視において金属層（13）の角部に重複している部分）に集中しやすくなっている。
【００２５】
〈半田の熱応力耐性〉
次に、半田（10）の熱応力耐性について説明する。図１ａおよび図１ｂに示したパワーモジュールでは、放熱部材（14）の接合面（141）に凹条部（100,100）が形成されているので、凹条部（100,100）に対応する半田（10）の部分（より具体的には、平面視において凹条部（100,100）に重複している部分）の厚みを厚くすることができる。
【００２６】
また、平面視において金属層（13）の一対の側面（131,131）が一対の凹条部（100,100）の内部にそれぞれ配置されているので、金属層（13）の角部は、一対の凹条部（100,100）に対応する位置に配置されることになる。したがって、金属層（13）の角部に対応する半田（10）の部分の厚みを厚くすることができる。例えば、凹条部（100,100）の深さが300μｍ程度である場合、金属層（13）の中央部と放熱部材（14）の中央面部（141a）との間に挟まれた半田（10）の部分の厚みが300μｍ程度となるように、半田（10）によって放熱部材（14）を金属層（13）に接合すると、金属層（13）の角部に対応する半田（10）の部分の厚みは、600μｍ程度となる。
【００２７】
〈効果〉
以上のように、平面視において金属層（13）の側面（131,131）が凹条部（100,100）の内部にそれぞれ配置しているので、金属層（13）の角部に対応する半田（10）の部分の厚みを厚くすることができる。これにより、半田（10）の熱応力耐性を効果的に向上させることができる。
【００２８】
また、長さ方向に直交する断面形状が一定となるように放熱部材（14）が構成されているので、放熱部材（14）を押出成型（放熱部材（14）の長さ方向を押出方向とする押出成型）によって形成することができる。このように、フライス加工などの機械加工を利用せずに、押出成型によって放熱部材（14）を容易に形成することができる。そのため、フライス加工などの機械加工によって放熱部材（14）の接合面（141）に凹部を局所的に形成する場合（例えば、特許文献１の場合）よりも、放熱部材（14）の製造コストを低減することができる。
【００２９】
〈放熱部材の構成材料〉
なお、放熱部材（14）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されていることが好ましい。このように構成することにより、放熱部材（14）を銅によって構成する場合よりも、放熱部材（14）の材料コストを低減することができるとともに、放熱部材（14）を軽量化することができる。
【００３０】
〈放熱部材の表面処理〉
また、放熱部材（14）がアルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている場合、半田（10）による接合を可能にするための表面処理（例えば、ニッケルめっき）が放熱部材（14）の接合面（141）に施されていることが好ましい。このように構成することにより、特殊な方法を利用して半田（10）による接合を行う場合（例えば、超音波半田付け）よりも、半田（10）による接合を容易に行うことができる。
【００３１】
〔実施形態１の変形例〕
図２ａおよび図２ｂのように、凹条部（100,100）の内側壁面（102,102）は、底面（101,101）から放熱部材（14）の中央面部（141a）へ向けて傾斜するように構成されていても良い。このように構成することにより、凹条部（100,100）の内側壁面（102,102）の付近に半田（10）の熱応力が集中することを緩和することができる。これにより、半田（10）の熱応力耐性をさらに向上させることができる。
【００３２】
〔実施形態２〕
図３ａおよび図３ｂは、実施形態２によるパワーモジュールの断面構成および平面構成をそれぞれ示している。このパワーモジュールでは、放熱部材（14）の放熱面（142）に、取り付け溝（200）が形成されている。その他の構成は、図１ａおよび図１ｂに示したパワーモジュールの構成と同様である。なお、図３ｂでは、放熱部材（14）のみを図示している。
【００３３】
〈取り付け溝〉
取り付け溝（200）は、冷却液配管（201）を取り付けることができるように構成されている。冷却液配管（201）は、冷却液を流通させるための配管である。ここでは、取り付け溝（200）は、放熱部材（14）の長さ方向に沿って、放熱部材（14）の放熱面（142）の全長に亘って（より具体的には、放熱部材（14）の一対の端面（144,144）の一方から他方へ向けて）延びている。また、取り付け溝（200）の断面形状（長さ方向に直交する断面の形状）は、半円状に形成されている。
【００３４】
〈冷却液配管の取り付け〉
冷却液配管（201）は、放熱部材（14）の放熱面（142）に形成された取り付け溝（200）に嵌め込まれ、取り付け部材（202）に覆われている。取り付け部材（202）は、ボルト（203,203,…）によって放熱部材（14）の放熱面（142）に固定されている。
【００３５】
〈効果〉
以上のように、放熱部材（14）の放熱面（142）に取り付け溝（200）を形成することにより、放熱部材（14）の放熱面（142）に冷却液配管（201）を取り付けることができる。これにより、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
【００３６】
また、取り付け溝（200）が放熱部材（14）の長さ方向に沿って延びているので、長さ方向に直交する断面形状が一定となるように放熱部材（14）を構成することができる。そのため、押出成型によって放熱部材（14）を形成することができるので、放熱部材（14）の製造コストを低減することができる。
【００３７】
なお、取り付け溝（200）の断面形状（長さ方向に直交する断面の形状）は、半円状に限らず、他の形状（例えば、三角形状）に形成されていても良い。
【００３８】
〔実施形態２の変形例〕
図４のように、取り付け溝（200）の代わりに、複数の放熱フィン（142a,142a,…）が、放熱部材（14）の放熱面（142）に形成されていても良い。このように構成した場合も、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
【００３９】
〔実施形態３〕
図５ａおよび図５ｂは、実施形態３によるパワーモジュールの断面構成および平面構成を示している。このパワーモジュールは、図１ａおよび図１ｂに示した構成に加えて、放熱グリス（301）と、ヒートシンク（302）とを備えている。なお、図５ｂでは、回路部（12）の図示を省略している。
【００４０】
〈ヒートシンク〉
ヒートシンク（302）は、伝熱性材料（例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金など）によって構成されている。また、ヒートシンク（302）は、矩形状に形成されている。以下の説明では、ヒートシンク（302）の一対の主面のうち一方の主面（より具体的には、放熱部材（14）に対向する主面）を「接合面（311）」と表記し、他方の主面を「放熱面（312）」と表記する。
【００４１】
ヒートシンク（302）の接合面（311）は、放熱グリス（301）を介して放熱部材（14）の放熱面（142）に取り付けられている。ここでは、ヒートシンク（302）は、ボルト（303,303,…）によって放熱部材（14）の放熱面（142）に固定されている。
【００４２】
ヒートシンク（302）の放熱面（312）には、取り付け溝（300）が形成されている。取り付け溝（300）は、冷却液配管（201）を取り付けることができるように構成されている。ここでは、取り付け溝（300）は、ヒートシンク（302）の長さ方向に沿って、ヒートシンク（302）の放熱面（312）の全長に亘って（より具体的には、ヒートシンク（302）の一対の端面の一方から他方へ向けて）延びている。また、取り付け溝（300）の断面形状（長さ方向に直交する断面の形状）は、半円状に形成されている。
【００４３】
〈冷却液配管の取り付け〉
冷却液配管（201）は、ヒートシンク（302）の放熱面（312）に形成された取り付け溝（300）に嵌め込まれ、取り付け部材（202）に覆われている。取り付け部材（202）は、ボルト（203,203,…）によってヒートシンク（302）の放熱面（312）に固定されている。
【００４４】
〈効果〉
以上のように、放熱部材（14）の放熱面（142）にヒートシンク（302）を取り付けることにより、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
【００４５】
また、取り付け溝（300）がヒートシンク（302）の長さ方向に沿って延びているので、長さ方向に直交する断面形状が一定となるようにヒートシンク（302）を構成することができる。そのため、押出成型によってヒートシンク（302）を形成することができるので、ヒートシンク（302）の製造コストを低減することができる。
【００４６】
なお、取り付け溝（300）の断面形状（長さ方向に直交する断面の形状）は、半円状に限らず、他の形状（例えば、三角形状）に形成されていても良い。
【００４７】
〔実施形態３の変形例〕
図６のように、取り付け溝（300）の代わりに、複数の放熱フィン（312a,312a,…）が、ヒートシンク（302）の放熱面（312）に形成されていても良い。このように構成した場合も、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
【００４８】
〔その他の実施形態〕
なお、以上の実施形態を適宜組み合わせて実施しても良い。以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上説明したように、この発明は、空気調和機のインバータにおいて使用されるパワーモジュールなどとして有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１０        半田
１１        絶縁基板（基板）
１１１      回路面（一方面）
１１２      放熱面（他方面）
１１３      側面
１２        回路部
１２１      金属層
１２２      半田
１２３      パワー半導体素子
１２４      ボンディングワイヤ
１３        金属層
１３１      側面
１４        放熱部材
１４１      接合面
１４１ａ    中央面部
１４１ｂ    外側面部
１４２      放熱面
１４２ａ    放熱フィン
１４３      側面
１４４      端面
１００      凹条部
１０１      底面
１０２      内側壁面
１０３      外側壁面
２００      取り付け溝
【図１】
0006003109.tif 000002
【図２】
0006003109.tif 000003
【図３】
0006003109.tif 000004
【図４】
0006003109.tif 000005
【図５】
0006003109.tif 000006
【図６】
0006003109.tif 000007