(57)【要約】      （修正有）【課題】電子部品冷却装置の冷却性能の向上、および冷却ブロックと放熱板との間の接触性を確保し、信頼性の向上を図る。【解決手段】発熱性の電子部品が実装された絶縁基板８を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板９と、該放熱板９を載置して発熱素子７を強制冷却する冷却ブロック２とから構成される電子部品冷却装置において、  上記放熱板９が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属であって、該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板８の取り付け領域と、相対向する裏面に凸部を形成し、上記両面の凸部を取り囲む領域をＮｉ−Ｆｅ合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させるか、または、該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板８の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面領域をＮｉ−Ｆｅ合金で形成したことを特徴とする。【選択図】図１１
2005191502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱性の電子部品が実装された絶縁基板を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板と、
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
上記放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面領域に凸部を形成し、
上記両面の凸部を取り囲む領域をＮｉ−Ｆｅ合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させたことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項２】
発熱性の電子部品が実装された絶縁基板を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板と、
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
上記放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面領域をＮｉ−Ｆｅ合金で形成したことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のＮｉ−Ｆｅ合金の取り囲む領域形状が、基材両面で略同一であり、かつ同一厚さであることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の放熱板の熱膨張係数が３〜８ｐｐｍ／℃であることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２記載の冷却ブロックが、冷却媒体の流路を備え、上記電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域に相対向する裏面と接合する開口部を有し、該開口部に放熱板を接合させて一体化し、放熱板の面の一部を、上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却することを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項６】
請求項５記載の放熱板が、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域に相対向する裏面にフィンを有し、該フィンを冷却ブロックの開口部と嵌合させて一体化したことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２記載の冷却ブロックと放熱板との接合をろう付けとしたことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項８】
請求項１または請求項２記載の冷却ブロックと放熱板との接合に、Ｏリングまたは平パッキンを介在させたことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項９】
請求項１または請求項２記載の冷却ブロックが銅を基材とし、該基材の両面にＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属、または、Ｎｉ−Ｆｅ合金を基材とし、該基材の両面に銅を接合した３層の複合金属からなることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項１０】
請求項１、請求項２、または請求項９記載のＮｉ−Ｆｅ合金がインバー（Ｎｉ３６％、Ｆｅ６４％）または４２アロイ（Ｎｉ４２％、Ｆｅ５８％）であることを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項１１】
請求項１、請求項２、または請求項９記載のＮｉ−Ｆｅ合金に替えて、コバール系合金（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金）を使用したことを特徴とする電子部品冷却装置。
【請求項１２】
請求項１、請求項２、または請求項９記載の銅に替えて、アルミニウムを使用したことを特徴とする電子部品冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置等の発熱性の電子部品を冷却するための冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車においては、バッテリからの直流電力を走行用モータ等へ給電するためにインバータ装置が用いられている。
上記インバータ装置は、トランジスタやＦＥＴ、またはＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を搭載しているが、これらの素子は、大電流を制御するため、消費電力が大きく、多くの熱を発生する。
この発熱は、効率よく逃がさないと、部品の寿命が短くなり、また、破壊に至るおそれがあるため、放熱および、温度上昇の抑制が容易な構造が要求されている。
【０００３】
従来、上記の半導体スイッチング素子からの発熱を冷却液で強制的に液冷し、温度上昇を抑制する、いわゆる液冷方式の冷却構造体を採用したものが提供されている。
図１は、このような従来の液冷方式を採用したインバータ装置の一例を示す斜視図である。
パワーモジュール１は、冷却ブロック２の載置面３上にシリコングリースを塗布して実装され、パワーモジュール１の四隅に設けられた穴位置にボルト４を通して、冷却ブロック２にネジ締め固定されている。パワーモジュール１の下面と冷却ブロック載置面３との間にはシリコングリースが塗布され、両者の密着性を高め、熱抵抗を低減させている。
また、冷却ブロック２の内部には、アルミニウムにより成形した狭ピッチのコルゲートフィン５が挿入されており、冷却ブロック２の両側面からアルミ板材で密封し、冷却液循環用の冷液管６ａ、６ｂとともにろう付けして液密性を確保している。
図２は、図１のインバータ装置の断面図を示したものである。
パワーモジュール１は、半導体スイッチング素子７を搭載した絶縁基板８を金属製の放熱板９に半田付けし、その素子の周囲を取り囲むハウジング１０を放熱板９に取り付けて構成される。
絶縁基板８は、セラミックス（例えば窒化アルミニウムや窒化珪素）等の絶縁材料で形成された絶縁層の両面に、銅やアルミニウム等の金属層を設けて構成されており、上面側の金属層には電極が形成されている。
ハウジング１０には、外部接続端子１１が一体成形され、半導体スイッチング素子７は、絶縁基板８の金属電極または外部接続端子１１とアルミワイヤ１２でボンディング接続されている。
【０００４】
パワーモジュールに組み込まれる半導体スイッチング素子が、数十Ａを超える大容量のチップである場合は、通電時の発熱が顕著となり、半導体チップと絶縁基板、あるいは放熱板との熱膨張係数の違いによって接合界面に応力が生じ、クラック等で破壊するおそれがある。
従って、絶縁基板および放熱板は、半導体チップとほぼ等しいか、それに近い熱膨張係数のものが選定される。例えば、半導体チップの構成材料であるシリコンの熱膨張係数は３ｐｐｍ／℃であるため、絶縁基板としては、熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃のＡｌＮ基板が選定される。また、放熱板としては、熱膨張係数が７〜８ｐｐｍ／℃のＡｌ−ＳｉＣ複合板、Ｃｕ−Ｍｏ複合板、カーボン複合板などが使用できる。
【０００５】
また、他の電子部品冷却装置の例として、冷却ブロックに開口部を設けて、パワーモジュールの放熱板を嵌合して一体化した構造とし、冷却ブロック内部を循環する冷却媒体で放熱板の下面を直接冷却した構造が提案されている。
上記の冷却装置の構造例として、開口部を有するヒートシンクにゴムシートやＯリング、パッキン等の弾性体を挟んで、発熱性の電子部品が実装された放熱板を直接接合してネジ止め固定した構造の冷却構造が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開平９−１２１５５７号公報
【特許文献２】特開平９−２０７５８３号公報
【特許文献３】特開２００１−２０３４８７号公報
【０００６】
また、他の電子部品冷却装置の例として、中空構造を有する冷却ブロックに、発熱性の電子部品を実装した絶縁基板を直接実装して冷却する構造が提案されている（例えば特許文献４参照）。
【特許文献４】特開２００１−７７２６０号公報
【０００７】
さらに、他の電子部品冷却装置の例として、インバータケースに開口部を設けて、発熱性の電子部品が実装された放熱板を嵌合し、放熱板の外周の張出部分とインバータケースとの継ぎ目を摩擦撹拌接合により、接合して一体化した構造が提案されている（例えば特許文献５参照）。
【特許文献５】特開２００３−１０１２７７号公報
【０００８】
また、他の電子部品冷却装置の例として、板状のＮｉ−Ｆｅ合金の両面に板状の銅を接合した複合金属がヒートスプレッダ材として用いられる場合がある。
この複合金属の特徴として、熱膨張係数が２ｐｐｍ／℃と非常に小さいＮｉ−Ｆｅ合金の両面に、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃の銅を接合することで、複合金属の熱膨張係数を小さく抑えるとともに熱を面方向に拡散させることが可能である。
従って、半導体チップが実装された絶縁基板を放熱板上に実装する用途において、放熱板と絶縁基板の熱膨張係数の差を小さく設定できるために、ヒートサイクルにおいて界面にクラックを発生するおそれがない。
ところが、熱伝導率が１５Ｗ／ｍ・Ｋと非常に小さいＮｉ−Ｆｅ合金の両面に、熱伝導率が３９０Ｗ／ｍ・Ｋと非常に大きい銅を貼り付けるため、中間層のＮｉ−Ｆｅ合金で熱伝達が阻害され、熱伝導率は非常に小さくなってしまう。
一例として、銅−（Ｎｉ−Ｆｅ合金）−銅の複合金属において、３つの金属の構成比を銅２０％、Ｎｉ−Ｆｅ合金６０％、銅２０％と設定した場合、熱膨張係数は、ＡｌＮ基板とほぼ同じ７ｐｐｍ／℃を実現できるが、板面平行方向の熱伝導率１６０Ｗ／ｍ・Ｋ、板面垂直方向の熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、垂直方向の熱伝達率が極端に低下してしまう。従って、過渡的に発生した熱を面方向に拡散する目的でヒートスプレッダ材として利用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の電子部品冷却装置において、半導体スイッチング素子を搭載した絶縁基板を金属製の放熱板にはんだ付けし、さらに放熱板の下面と冷却ブロックの載置面との間にシリコングリースを塗布した構造のインバータ装置においては、シリコングリースの熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋと、放熱板や絶縁基板と比較して２桁以上小さく、シリコングリース界面における熱抵抗が大きくなるため高い放熱性能が期待できない。
さらに、図３に示すように、放熱板９の中央部が冷却ブロック載置面から離れるように反っている場合、パワーモジュールの四隅をネジ締めしても、放熱板の中央部は冷却ブロックに密着しないため、放熱板９を介して冷却ブロック２に熱が伝達されず、異常に温度上昇してしまうこととなる。従って、半導体スイッチング素子、および絶縁基板が実装された状態での放熱板と冷却ブロックの載置面上の平面精度に非常に高い精度が要求され、加工の手間やコスト増大を招くこととなる。
【００１０】
さらに、上記した従来の冷却構造のうち、開口部を有するヒートシンクにゴムシートやＯリング、パッキン等の弾性体を挟んで、発熱性の電子部品が実装された放熱板を接合させてネジ止め固定した冷却構造では、ヒートシンクと放熱板との接合部の液密性を保つことが非常に重要となり、冷却液の液漏れを発生させない注意が必要となる。
例えば、放熱板として使用されている、Ａｌ−ＳｉＣ複合板およびＣｕ−Ｍｏ複合板では、熱膨張係数が７〜８ｐｐｍ／℃であるのに対し、開口部を有するヒートシンクとして使用される金属材料は、低コストで加工性に富むアルミニウムで、熱膨張係数が２４ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
３０〜５０ｋＷクラスの車載用インバータ装置に搭載されるパワーモジュールを想定したとき、パワーモジュールベース板の長辺側寸法は約２０ｃｍとなる。車載用途のインバータ装置等で要求される環境温度−４０〜＋８５℃においては、ΔＴ＝１２５℃の温度変化に対応する必要があり、Ａｌ−ＳｉＣ複合板およびＣｕ−Ｍｏ複合板等の放熱板では、パワーモジュール長辺側寸法２０ｃｍに対して０．２ｍｍの寸法変化となるのに対し、アルミニウムにおいては、０．６ｍｍの寸法変化を発生させることとなる。
従って、放熱板とアルミニウム間の熱膨張差が０．４ｍｍも発生することになり、これがヒートシンクと放熱板との接合部に挟み込まれたゴムシート等にストレスを与える。
さらに、温度環境が厳しい車載用途においては、ヒートシンクと放熱板との界面に存在するゴムシートやＯリング、パッキン等の弾性体にこれらストレスが熱履歴となって加わり、長期間の使用によって密着性が劣化するとう問題も懸念される。
また、上記した従来の冷却構造のうち、インバータケースに開口部を設けて、発熱性の電子部品が実装された放熱板を嵌合し、放熱板の外周の張出部分とインバータケースとの継ぎ目を摩擦撹拌接合により接合して一体化した冷却構造が提案されているが、インバータケースと放熱板嵌合部を隙間なく密着させた上で摩擦撹拌接合を実施する必要があり、高い工作精度が要求されるため、加工の手間やコスト増大を招くこととなる。
さらに、摩擦撹拌接合は、回転する工具を接合部分に押しつけ、その回転による摩擦熱で軟化した材料を回転する工具で混ぜ合わせることで材料同士を接合する方法であり、パワーモジュール周囲に放熱板とインバータケースを結合させるための比較的大きなスペースが必要となるとともに、一定条件で工具を回転させ、材料を軟化させて混ぜ合わせるといった難易度の高い加工が必要となり、一定の品質を確保することが難しい。
また、放熱板として、銅−（Ｎｉ−Ｆｅ合金）−銅を接合した複合金属を用いる場合、数十ｋＷクラスのインバータ装置の用途としては、定常運転時において放熱板の板面垂直方向へ大容量放熱が必要となり、板面垂直方向への熱伝導率が低い、銅−（Ｎｉ−Ｆｅ合金）−銅の複合金属は使用が困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板と、
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
該放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面領域に凸部を形成し、
上記両面の凸部を取り囲む領域をＮｉ−Ｆｅ合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させたことを特徴とする電子部品冷却装置である（図５）。
【００１２】
また、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板と、
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
上記放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面領域をＮｉ−Ｆｅ合金で形成したことを特徴とする電子部品冷却装置である（図１０）。
【００１３】
さらに、上記のＮｉ−Ｆｅ合金の取り囲む領域形状が、基材両面で略同一であり、かつ同一厚さであることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００１４】
そして、上記放熱板の熱膨張係数が３〜８ｐｐｍ／℃であることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００１５】
また、上記冷却ブロックが、冷却媒体の流路を備え、上記放熱板のＮｉ−Ｆｅ合金の取り囲む領域に接合する開口部を有し、該開口部に放熱板を接合させて一体化し、放熱板の面の一部を、上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却することを特徴とする電子部品冷却装置である（図１２）。
【００１６】
さらに、上記放熱板が、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域に相対向する裏面にフィンを有し、該フィンを冷却ブロックの開口部と嵌合させて一体化したことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００１７】
そして、上記冷却ブロックと放熱板との接合をろう付けとしたことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００１８】
また、上記冷却ブロックと放熱板との接合に、Ｏリングまたは平パッキンを介在させたことを特徴とする電子部品冷却装置である（図８）。
【００１９】
さらに、上記冷却ブロックが銅を基材とし、該基材の両面にＮｉ−Ｆｅ合金を接合した３層の複合金属、または、Ｎｉ−Ｆｅ合金を基材とし、該基材の両面に銅を接合した３層の複合金属からなることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２０】
そして、上記Ｎｉ−Ｆｅ合金がインバー（Ｎｉ３６％、Ｆｅ６４％）または４２アロイ（Ｎｉ４２％、Ｆｅ５８％）であることを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２１】
また、上記Ｎｉ−Ｆｅ合金に替えて、コバール系合金（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金）を使用したことを特徴とする電子部品冷却装置である。
【００２２】
さらに、上記の銅に替えて、アルミニウムを使用したことを特徴とする電子部品冷却装置である。
上記構成を用いることで、より低コストで軽量化された電子部品冷却装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成のとおり、放熱板が板状の銅またはアルミニウムを基材とし、該基材の両面に板状のＮｉ−Ｆｅ合金またはコバール系合金を接合した３層の複合金属であって、該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面に凸部を形成し、上記両面の凸部を取り囲む領域をＮｉ−Ｆｅ合金若しくはコバール系合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させるか、または
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面をＮｉ−Ｆｅ合金若しくはコバール系合金で形成することにより、放熱板の板面垂直方向へは、熱伝導性の高い銅の特性を利用して大容量放熱が可能となり、かつ、放熱板の熱膨張係数は、中間層の銅またはアルミニウムの両面にＮｉ−Ｆｅ合金またはコバール系合金を接合しているため、３〜８ｐｐｍ／℃に抑制することができ、放熱板上に実装される絶縁基板との界面にストレスを生ずることなく、信頼性の高い電子部品冷却装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２５】
図４は、本発明の実施例による電子部品冷却装置の斜視図であり、
半導体スイッチング素子７を搭載した絶縁基板８を放熱板９上に実装し、図１と同様、半導体周囲を取り囲むハウジングを放熱板に取り付けて、パワーモジュールとした状態で冷却ブロックに実装して使用される。ここでは、放熱板の構造をより明確にするために、ハウジング部を省略して記載する。
半導体スイッチング素子７を搭載した絶縁基板８は、放熱板９にはんだ付けして実装される。
さらに、放熱板９の下面と冷却ブロック２の載置面３との間に、シリコングリースを塗布し、両者間の密着性を高めた上で放熱板９が冷却ブロック２にボルト４でネジ止め固定される。
そして、冷却ブロック２の一方の冷液管６ａからクーラントや純水等の冷却液を供給して冷却ブロック内の流路を循環させたのち、他方の液冷管６ｂから排出させることで、パワーモジュール内の半導体スイッチング素子７で発生する熱を、絶縁基板８、放熱板９、シリコングリースを通じて冷却ブロック内を流れる冷却液に伝え、パワーモジュールを強制冷却する。
【００２６】
図５（ａ）は、上記電子部品冷却装置に使用される放熱板９の斜視図であり、図５（ｂ）はその断面図である。放熱板９はＮｉ−Ｆｅ合金、銅、Ｎｉ−Ｆｅ合金の順に３つの金属を接合した複合金属で構成される。中間層の銅１３の一方の面には、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の実装領域を凸部に形成し、該凸部に嵌合する穴部を形成したＮｉ−Ｆｅ合金１４がインレイ処理してクラッド化（後述する）されている。
このように、３つの金属を嵌合するクラッドメタルを製作する手段として、例えば、冷間圧接して３種類の金属を接合した後、焼鈍作業（焼き入れ）を行って接合する方法、もしくは３種類の金属をろう付けして接合する方法、熱圧着法などが挙げられる。
【００２７】
図６は、複数の金属を冷間圧接して複合化する成形工程を示す図であり、３つの金属材をローラ１５で冷間圧接して接合した後、焼鈍作業（焼き入れ）により、圧接した金属界面間で各金属を融合させて一体化することができる。
また、ろう付け法により複数の金属を接合する場合には、ろう材としてりん銅ろうを使用し、該ろう材を銅とＮｉ−Ｆｅ合金の接合面に挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で７９０〜８２０℃に加熱してろう付けを行うことで、３種類の金属を接合することができる。
さらに、比較的低温でろう付けを行いたい場合は、あらかじめ銅１３とＮｉ−Ｆｅ合金１４にＮｉメッキを施した上で、Ｓｎ−Ａｇはんだを接合面に挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で約２２０℃に加熱してろう付けを行うことで、基材に施したＮｉメッキとＳｎ−Ａｇはんだが反応し、接合面にＮｉ３Ｓｎ４ができることで、再溶融温度を７９５℃と非常に高く設定した複合金属板を製作することができる。
【００２８】
インレイ（ｉｎ−ｌａｙ）処理は、母材となる基材の必要な部分に必要な材質をクラッドする技術であり、母材となる基材の全面を覆ってクラッド化するオーバーレイ（ｏｖｅｒ−ｌａｙ）処理とは異なる。
インレイ処理は、図５に示すとおり、母材となる基材の一部を凸状に成形しておき、凸部の周囲に別の材料をクラッド化している。クラッド化される材料は、プレス成形で打ち抜き処理して中抜きにした材料でも、図５のＮｉ−Ｆｅ合金１４の点線部で分割された個片材料でもよく、高熱伝導性が必要でない箇所を低熱膨張係数の材料でインレイ処理することにより、放熱板の熱膨張係数に抑えた上で、高い熱伝導性をもつ複合金属を実現することができる。
一例として、熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃の半導体チップが、熱膨張係数が５ｐｐｍ／℃の絶縁基板に搭載される場合、絶縁基板をはんだ付けして実装する放熱板の熱膨張係数は約７ｐｐｍ／℃付近に設定するのが好ましい。
ここで、放熱板としてＮｉ−Ｆｅ合金、銅、Ｎｉ−Ｆｅ合金の順に３つの金属を接合した複合金属を用いる場合、第１層のＮｉ−Ｆｅ合金の厚みをｔ１、第２層の銅の厚みをｔ２、第３層のＮｉ−Ｆｅ合金の厚みをｔ３として、Ｎｉ−Ｆｅ合金の縦弾性係数をＥ１（＝Ｅ３）、熱膨張係数をα１（＝α３）、銅の縦弾性係数をＥ２、熱膨張係数をα２とすると、複合金属全体での熱膨張係数αは、次の数１で示される。
【００２９】
【数１】
2005191502.tif 000003
【００３０】
で表される。ここで、第１層と第３層のＮｉ−Ｆｅ合金が同一材料で、かつ同一厚みとして、Ｅ３＝Ｅ１、α３＝α１、ｔ３＝ｔ１を代入してＥ３、α３を消去すると、次の数２が得られる。
【００３１】
【数２】
2005191502.tif 000004
【００３２】
一例として、Ｎｉ−Ｆｅ合金にインバー（３６Ｎｉ−Ｆｅ合金）を用いた場合、α１＝１．５ｐｐｍ／℃、α２＝１７ｐｐｍ／℃、Ｅ１＝１３０ＧＰａ、Ｅ２＝１１９ＧＰａを代入すると、α＝７ｐｐｍ／℃とするためのｔ１／ｔ２＝１．１４とすればよく、この数値に基づいて、Ｎｉ−Ｆｅ合金と銅の厚みを決定する。
ただし、Ｎｉ−Ｆｅ合金はインレイ処理しており、その中央部は中抜き状態であるため、熱膨張係数は７ｐｐｍ／℃より多少大きめにずれることとなり、Ｎｉ−Ｆｅ合金を上記計算値よりも厚めに設定して熱膨張係数を調整する必要がある。
また、中間層である銅の両側面に接合される２枚のＮｉ−Ｆｅ合金の形状が大きく異なる場合、接合界面付近で熱膨張係数に差が生じるために、温度変化によって多少のそりが発生することが懸念される。従って、銅の両側面にインレイ処理して接合される２枚のＮｉ−Ｆｅ合金の形状と厚さは、略同一とすることが望ましい。
【実施例２】
【００３３】
実施例１では、冷却ブロック載置面上にシリコングリースを塗布して密着性を高めた状態で、パワーモジュールを冷却ブロックにネジ締め固定して冷却する構造を示したが、シリコングリースにおける熱抵抗を除去し、さらに積極的に放熱性を高めた構造について説明する。
図７は本発明による他の実施例であり、半導体スイッチング素子７を搭載した絶縁基板８は、放熱板９上に実装されている。図１と同様、通常は半導体周囲を取り囲むハウジングを放熱板に取り付けて、パワーモジュールとして使用されるが、放熱板の構造をより明確にするためにハウジング部を省略して記載することとする。
【００３４】
放熱板９は図５と同様に、中間層である銅の両面にＮｉ−Ｆｅ合金をインレイ処理してクラッド化されているが、さらに放熱板９の下面側に放熱フィン５を接合した構造を取っている。放熱フィン５は、放熱板上に実装される半導体スイッチング素子部の直下付近にコルゲートフィンをろう付けして一体化されている。また、冷却ブロック２は、冷却液の流路を備え、放熱板に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたＵ字形の通液路が形成されている。
そして、冷却ブロック２のＵ字形通液路側に、パワーモジュールの放熱板９のフィン側を嵌合させ、周囲部１６をろう付けして液密性が確保された一体構造とする。さらに、放熱板９の四隅を、冷却ブロック２とボルト４を用いてネジ締め固定することで、液密性の信頼性がより向上する。
【００３５】
放熱板９への放熱フィン５のろう付けと放熱板９と冷却ブロック２のろう付けは、１回のろう付けで実施しても良いし、別々に実施してもよい。
１回のろう付けで実施する場合は、放熱板９と冷却ブロック２にあらかじめＮｉメッキを施した上で、Ｓｎ−Ａｇはんだを接合面に挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で約２２０℃に加熱してろう付けが行うことで、基材に施したＮｉメッキとＳｎ−Ａｇはんだが反応し、接合面にＮｉ３Ｓｎ４ができることで、再溶融温度を７９５℃と非常に高く設定することができる。
従って、その後、放熱板９に絶縁基板８を２２０℃ではんだ付け実装する際に放熱板のフィン接合部、および放熱板と冷却ブロックの接合部のはんだが再溶融することなく、接合を保った状態で使用することができる。
また、２回に分けて、放熱板と放熱フィン、及び放熱板と冷却ブロックを接合する場合、放熱板と放熱フィンの間にリン銅ろうを挟んで、真空中で７９０〜８２０℃に加熱して放熱板と放熱フィンをろう付けした後、放熱板と冷却ブロックの接合部に上記Ｓｎ−Ａｇはんだを挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で約２２０℃に加熱してろう付けすることで、接合面を再溶融することなく、信頼性を保った状態で接合することができる。（さらに、放熱板９を構成する３層の金属をろう付けで接合する場合は、放熱フィン５のろう付けと併せて実施することが可能である。）
【００３６】
また、図８に示すように、冷却ブロック２と放熱板９を嵌合させる際に周囲部１６にＯリング１７、または平パッキンを挟み、ボルト４を用いてパワーモジュールの放熱板９の四隅を、冷却ブロック２にネジ締め固定することで液密を確保することも可能である。
ただし、この場合、ネジ締めの間隔をできるだけ短くとり、Ｏリング、または平パッキンに充分な圧力を加えて信頼性を確保する必要がある。
さらに、冷却ブロックの一方の冷液管６ａからクーラントや純水等の冷却液を供給し冷却ブロック内の流路を循環させたのち、他方の液冷管６ｂから排出させることで、パワーモジュール内の半導体スイッチング素子７で発生する熱を、絶縁基板８、放熱板９を通じて冷却ブロック内を流れる冷却液で吸収して排熱させることができる。
【００３７】
図７、図８に示す電子部品冷却装置において、半導体スイッチング素子と冷却液間には、絶縁基板とフィン一体型放熱板しかなく、実施例１のシリコングリースは存在しない。さらに、放熱板と冷却フィンが一体化されているため、実施例１で放熱板と冷却フィン間に存在した冷却ブロックの載置面部が除去されており、この間での熱抵抗が低減されている。
特に、シリコングリース塗布をなくしたことで熱抵抗の低減効果が非常に大きく、例えば縦３ｃｍ、横３ｃｍの絶縁基板上に実装された半導体スイッチング素子部から３００Ｗの発熱を直下に放熱した場合、シリコングリース部での熱抵抗によるΔＴを約１６℃近くも低減することができる。
さらに、放熱板のわずかなそりによって、放熱板と冷却ブロック載置面との密着性が低下するということもなく、放熱能力を安定して発揮させることができる。
【００３８】
Ｕ字形通液路を有する冷却ブロックとして、アルミニウムよりも熱膨張係数の小さい銅を使用し、１０〜２０ｋＷクラスの小形インバータに使用した場合は、パワーモジュール放熱板の長辺側寸法が１０ｃｍ以内に収まる。よって、車載用途で要求されるΔＴ＝１２５℃の温度変化に対し、放熱板と冷却ブロックの熱膨張差を０．１ｍｍに抑えることができ、冷却ブロックと放熱板の嵌合部における密着性を低減することなく、長期にわたって安定して使用することができる。
しかし、５０ｋＷを超えるインバータ用途としては、パワーモジュールの放熱板、および冷却ブロックの寸法サイズも大きくなり、放熱板、および冷却ブロックで使用される材料による熱膨張係数の違いによって嵌合部にストレスを与えるおそれがある。
そこで、図９の断面図に示す通り、放熱板と同じ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）−銅−（Ｎｉ−Ｆｅ合金）の３つの金属を接合した複合金属板を使用し、金型で断面凹状にプレスした後、中央に冷却液路を形成するしきり板をろう付けしてＵ字形の通液路を形成した冷却ブロックを用い、ここに、前述の放熱フィン付き複合金属板を嵌合させて、放熱板と冷却ブロック周囲部をろう付けまたはＯリング、平パッキンを間に挟んで液密に一体固定する。
上記構成により、放熱板と冷却ブロック嵌合部における熱膨張係数を略同一とし、界面にストレスを発生させることなく、車載用途においても長期にわたって安定して使用することができる。
また、冷却ブロックに使用する複合金属板については、銅−（Ｎｉ−Ｆｅ合金）−銅の３つの金属材を接合して、約７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数に設定された複合金属板を使用することも可能であり、このような場合においても、放熱板と冷却ブロック嵌合部における熱膨張係数を同一とし、界面にストレスを発生させることなく安定して使用することができる。
【実施例３】
【００３９】
実施例１、２では、パワーモジュール放熱板として、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面領域とを凸部とした中間層である銅と、該領域に嵌合する形状としたＮｉ−Ｆｅ合金を接合するインレイ処理を行って、クラッド化された複合金属基板を使用していた。
しかし、Ｎｉ−Ｆｅ合金のインレイ処理に要するコストを低減し、中間層である銅の厚みをさらに薄くして、熱抵抗を低減することにより放熱性を高めた構造についての他の実施例を次に説明する。
【００４０】
図１０に示す放熱板において、中間層である銅１３の両面にクラッド化されるＮｉ−Ｆｅ合金１４にはあらかじめ、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域部分をプレス成形で打ち抜き加工している。
中間層の銅１３はフラットな板材を使用している。中間層である銅板１３、および、上下のＮｉ−Ｆｅ合金１４は、実施例１の放熱板と同様に、３つの金属材を冷間圧接して接合した後、焼鈍作業を行うことで、圧接した金属界面間で各金属を融合するか、または３つの金属材をろう付けして一体化される。
この結果、放熱板の両面には、絶縁基板の実装領域にあたる部分だけ段差を有して銅板が露出するキャビティ（凹）構造を取ることとなる。
【００４１】
図１０に示す放熱板を用いて構成した電子部品冷却装置の斜視図を図１１、断面図を図１２に示す。
放熱板９の下面側キャビティ部には、予めコルゲートフィンがろう付けして一体化されている。
また、放熱板９の上面側のキャビティ部には半導体スイッチング素子７を搭載した絶縁基板８をはんだ付け実装している。
冷却ブロック２は、冷却液の流路を備え、放熱板９に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたＵ字形の通液路が形成されており、パワーモジュール放熱板９のフィン側と嵌合させ、周囲部１７をろう付け、もしくはＯリング、平パッキンを間に挟んで液密に一体化されることで冷却液流路用の液路を形成する構造としている。
中間層である銅板の両側のＮｉ−Ｆｅ合金をクラッドする際の各層の厚みについては、実施例１、２と同様に数２を用いて計算することができる。
ただし、クラッドされるＮｉ−Ｆｅ合金の中央部は中抜き状態であるため、熱膨張係数は７ｐｐｍ／℃より多少大きめにずれることとなり、Ｎｉ−Ｆｅ合金を上記計算値よりも厚めに設定して熱膨張係数を調整する必要がある。
また、放熱板９と放熱フィン５、および冷却ブロック２のろう付けについては、実施例２と同様の方法で実施することができる。
図７に示す実施例２では、Ｎｉ−Ｆｅ合金がインレイ処理される層の厚さ分も含めた銅の厚さが必要であったが、図１２の例ではＮｉ−Ｆｅ合金がクラッドされる層の厚さ分の銅厚さは必要でない。
従って、実施例１、２と比較して、銅板の層厚さ分だけ熱抵抗を低減することが可能となる。
【実施例４】
【００４２】
図１０において、パワーモジュール放熱板の中間層である銅の両面に接合されるＮｉ−Ｆｅ合金は、３枚の絶縁基板の実装領域部を一括してプレス成形で打ち抜き加工している。しかし、銅の両面側から接合されるＮｉ−Ｆｅ合金は、中間層である銅の熱膨張を抑制するために、打ち抜きして切除するエリアを極力小さくして接合することが望ましい。
従って、絶縁基板の上面側における配線パターンを最適化し、半導体スイッチング素子が実装される絶縁基板を極力小さく設定することで、より信頼性の高い電子部品冷却装置を提供することができる。
図１３は、３相インバータのＵ、Ｖ、Ｗ相の上下アームに相当する半導体スイッチング素子７を６枚の絶縁基板に各々、実装する場合を示す。
図１３において、銅の両面から接合されるＮｉ−Ｆｅ合金には、全６箇所をプレス成形して打ち抜き加工している。放熱板９の上面側では、図１４に示す半導体スイッチング素子７を実装した絶縁基板８を６箇所のキャビティ（凹）部にはんだ付け実装している。また、放熱板９の下面側キャビティ部には、図１５に示す小片形状の放熱フィン５が各々ろう付けされている。
そして、図１６に示す通り、冷却ブロック２は、冷却液の流路を備え、放熱板９に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたＵ字形の通液路が形成されており、放熱板９のフィン側と嵌合させ、周囲部１７をろう付けするか、またはＯリング、平パッキンを間に挟んで液密に一体化されることで冷却液流路用の液路を形成する構造としている。
従って、実施例１〜３と比較して、銅の両面側から接合されるＮｉ−Ｆｅ合金の打ち抜き部分を小さく設定しているため、より安定して中間層の銅の熱膨張を抑制することができ、信頼性をさらに向上させることができる。
【００４３】
図７〜９、１１、１２、１６に示す電子部品冷却装置においては、金属板を金型で断面凹状にプレスした後、中央に冷却液路を形成するしきり板をろう付けしてＵ字形の通液路を形成した冷却ブロックを用いていたが、図１７に示すようにインバータ筐体１８の冷却液循環路に中空口を設け、放熱板９のフィン側と嵌合させて、周囲部１６にＯリング１７または平パッキンを挟んでネジ締め固定し、液密に一体化されることで冷却液流路用の液路を形成する構造も可能である。
インバータ筐体のサイズが大きい場合は、筐体の熱容量が大きく、ろう付けに必要な電力が大きくなるとともに、炉内で１度に処理できる量が少なくなるために量産性は低下してしまうため、上記Ｏリングもしくは平パッキンによる方が実用的である。
【００４４】
上記のＮｉ−Ｆｅ合金としては、インバー（Ｎｉ３６％、Ｆｅ６４％）、または４２アロイ（Ｎｉ４２％、Ｆｅ５８％）が代表的な金属材料となる。例えば、４２アロイは、半導体のリードフレームとして利用されており、流通量が多いため、安価で入手しやすい。
従って、従来、Ｃｕ−Ｍｏ複合板に用いられてきたモリブデンのように貴金属ではないため、安価な材料費で放熱板を製作することができる。インバー、４２アロイ共に熱膨張係数が１．５〜５ｐｐｍ／℃と小さく銅の両面側から接合させるＮｉ−Ｆｅ合金としては、最適である。
【００４５】
また、Ｎｉ−Ｆｅ合金に替えて、コバール系合金（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金）も使用できる。コバール系合金は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅを主成分としており、熱膨張係数は約４．５ｐｐｍ／℃とインバーや４２アロイと比較して同等もしくは若干大きいが、低熱膨張が得られる温度領域を極めて広く取ることができる特徴を有している。
【００４６】
さらに、放熱板にクラッド化される銅に替えて、アルミニウムを使用することができる。アルミニウムは銅と比較し、２４ｐｐｍ／℃と熱膨張係数は大きいが、弾性係数は小さいため、両側面から接合されるＮｉ−Ｆｅ合金との間に働くストレスを吸収緩和し、耐ヒートサイクル性に富む材料である。
また、銅と比較して軽量で低コストであり、加工性に優れているため、有効に使用することができる。
【００４７】
また、放熱板の熱膨張係数として設定可能な値としては、熱膨張係数の小さい側では、半導体チップと同じ熱膨張係数である３ｐｐｍ／℃であり、熱膨張係数の大きい側では、Ｃｕ−Ｍｏ複合板の７ｐｐｍ／℃、Ａｌ−ＳｉＣ複合板の８ｐｐｍ／℃（−４０〜＋８５℃の広温度範囲での使用が要求される車載用）が求められる。従って、放熱板の熱膨張係数は３〜８ｐｐｍ／℃が好ましい。
さらに、絶縁基板としてセラミックス（窒化アルミニウムや窒化ケイ素）を用い、その両面に銅やアルミニウム等の金属層を設けたものも使用できる。
そして、絶縁基板として放熱板にスパッタ法、プラズマ溶射法等で直接、窒化アルミニウムや窒化ケイ素の絶縁層を形成したものも用いることができ、その上に配線パターンを形成して半導体スイッチング素子を実装することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の電子部品冷却装置の斜視図である。
【図２】図１の電子部品冷却装置の断面図である。
【図３】従来構造の問題点の１つを説明するための図である。
【図４】本発明の実施例による、電子部品冷却装置の斜視図である。
【図５】図４の放熱板の構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図６】放熱板の組立工程を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の斜視図である。
【図８】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の斜視図である。
【図９】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の断面図である。
【図１０】放熱板の他の構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】図１０の放熱板を使用した電子部品冷却装置の斜視図である。
【図１２】図１１の電子部品冷却構造の断面図である。
【図１３】放熱板の他の構造を示す斜視図である。
【図１４】図１３の放熱板に絶縁基板を実装した状態の斜視図である。
【図１５】図１３の放熱板に放熱フィンを実装した状態の底面側からの斜視図である。
【図１６】図１３の放熱板を使用した電子部品冷却装置の斜視図である。
【図１７】本発明の他の実施例による、電子部品冷却装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    パワーモジュール
２    冷却ブロック
３    冷却ブロック載置面
４    ボルト
５    放熱フィン
６ａ、６ｂ    冷液管
７    半導体スイッチング素子
８    絶縁基板
９    放熱板
１０  ハウジング
１１  外部接続端子
１２  アルミワイヤ
１３  銅板
１４  Ｎｉ−Ｆｅ合金板
１５  ローラ
１６  冷却ブロック周囲部
１７  Ｏリング
１８  インバータ筐体
【図１】
2005191502.tif 000005
【図２】
2005191502.tif 000006
【図３】
2005191502.tif 000007
【図４】
2005191502.tif 000008
【図５】
2005191502.tif 000009
【図６】
2005191502.tif 000010
【図７】
2005191502.tif 000011
【図８】
2005191502.tif 000012
【図９】
2005191502.tif 000013
【図１０】
2005191502.tif 000014
【図１１】
2005191502.tif 000015
【図１２】
2005191502.tif 000016
【図１３】
2005191502.tif 000017
【図１４】
2005191502.tif 000018
【図１５】
2005191502.tif 000019
【図１６】
2005191502.tif 000020
【図１７】
2005191502.tif 000021