(57)【要約】【課題】優れた冷却能力を有するとともに簡略化された構造の半導体素子用基板を提供する。【解決手段】  半導体素子２を搭載するための基板１Ｂであって、絶縁層３の一面側に半導体素子２を取り付ける通電層４が形成され、他面側に放熱デバイス５が直接接合されてなる。前記放熱デバイス５は、冷却液が流通する複数の微細通路７ａを備えた液冷式冷却板７であることが好ましい。また、前記絶縁層３として、絶縁性樹脂、絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物、あるいは絶縁性布帛に絶縁性樹脂または絶縁性樹脂組成物を含浸させてなる複合材を用いることが好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を搭載するための基板であって、絶縁層の一面側に半導体素子を取り付ける通電層が形成され、他面側に放熱デバイスが直接接合されてなることを特徴とする半導体素子用基板。
【請求項２】
前記放熱デバイスは、冷却液が流通する複数の微細通路を備えた液冷式冷却板である請求項１に記載の半導体素子用基板。
【請求項３】
前記液冷式冷却板は、
冷却液が流通する微細通路を有する少なくとも１個の扁平状の多孔チューブと、互いに離間した２個のヘッダ部形成用凹部と該両ヘッダ部形成用凹部間に形成され且つ前記チューブを収容するチューブ収容用凹部とが設けられたケース本体と、前記ケース本体に重合される蓋板とを備え、
前記チューブ収容用凹部内に前記多孔チューブが前記両ヘッダ部形成用凹部を連通する態様にして収容され、前記ケース本体に前記蓋板が重合された状態で、前記多孔チューブが前記ケース本体と前記蓋板との間に挟まれるとともに、前記両ヘッダ部形成用凹部の開口部が前記蓋板で閉塞されて２個のヘッダ部が形成され、前記ケース本体と前記多孔チューブと前記蓋板とが、前記ヘッダ部内を流通する冷却液の漏出を阻止する状態に接合一体化されてなる、請求項２に記載の半導体素子用基板。
【請求項４】
前記液冷式冷却板において、冷却液流入管と連結される第１連結口部材が前記２個のヘッダ部のうち一方のヘッダ部に連通接続されるとともに、冷却液流出管と連結される第２連結口部材が他方のヘッダ部に連通接続されている請求項３に記載の半導体素子用基板。
【請求項５】
前記液冷式冷却板の微細通路の相当直径は、０．０５〜１．７ｍｍの範囲に設定されている請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【請求項６】
前記絶縁層は、絶縁性樹脂からなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【請求項７】
前記絶縁層は、絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物からなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【請求項８】
前記絶縁層は、絶縁性布帛に絶縁性樹脂、または絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物を含浸させてなる複合材である請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【請求項９】
前記絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のうちの少なくとも一つである請求項６〜８のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【請求項１０】
前記熱伝導性フィラーは、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮのうちの少なくとも一つである請求項７または８に記載の半導体素子用基板。
【請求項１１】
前記絶縁性樹脂組成物において、熱伝導性フィラーの含有量は４０〜９０容量％である請求項７，８，１０のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載された半導体素子用基板の通電層に半導体素子が取り付けられてなることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載された半導体モジュールが搭載されていることを特徴とする電気車両。
【請求項１４】
ラジエータを搭載し、このラジエータにより冷却された冷却液が前記液冷式冷却板に流入するとともに、前記液冷式冷却板から流出した冷却液が前記ラジエータにより冷却されるものとなされている請求項１３に記載の電気車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子を搭載するための基板、特に冷却機能を有する半導体素子用基板に関する。
【０００２】
なお、この明細書において、「アルミニウム」の語はアルミニウムおよびその合金の両者を含む意味で用いられ、「銅」の語は銅およびその合金の両者を含む意味で用いられる。
【背景技術】
【０００３】
半導体素子、例えば電力用半導体素子は通電により発熱し、近年の高容量化に伴って発熱量が増加する傾向にある。発熱は半導体素子の信頼性や寿命に大きく影響するため、基板に半導体素子を取り付けたモジュールに放熱部を設け、半導体素子およびその近傍の温度上昇を抑制しなければならない。一方、半導体モジュールを搭載する各種電子製品の小型軽量化傾向により、半導体モジュールは小型化が望まれている。
【０００４】
図１０に、半導体素子用基板(51)上に半導体素子(52)を搭載した半導体モジュール(50)と、この半導体モジュール(50)に装着した放熱デバイス(60)の一例を示す。
【０００５】
前記半導体モジュール(50)において、半導体素子用基板(51)は銅またはアルミニウムからなる金属板(53)上に絶縁層(54)が積層され、さらに銅箔またはアルミニウム箔からなる通電層(55)が積層され、これらが一体化されてなる。そして、半導体素子(52)は前記基板(51)の通電層(55)上にハンダ(56)を用いて取り付けられている。また、前記金属板(53)側には、伝熱性グリース(57)を介して図外のボルトにより放熱デバイス(60)が取り付けられている。なお、図示例では放熱デバイス(60)として櫛歯状のフィンが立設されたヒートシンクが用いられている。
【０００６】
また、半導体素子用基板と各種放熱デバイスとを一体に接合することにより、冷却機能を備えた半導体素子用基板も提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００７】
特許文献１に記載された半導体素子用基板は、セラミック絶縁性基板の表面に金属層を接合し、熱処理によりこの金属層と放熱板とを金属接合して一体化させたものである。
【０００８】
特許文献２に記載された半導体素子用基板は、セラミックまたは樹脂からなる絶縁性基板と放熱部材とをろう材や接着剤による接着層を介して接合一体化させたものである。
【特許文献１】特許第３４５２０１１号公報
【特許文献２】特開２００３−６０１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１０に示した構造では、半導体モジュール(50)および放熱デバイス(60)の取付面の平坦度や表面粗度によっては伝熱性グリース(57)部分で大きな熱抵抗が生じ、放熱性能を低下させることがある。十分な放熱性能を得られなければ、増大傾向にある発熱量に対応するために放熱デバイスの放熱面積を拡大しなければならず、半導体モジュールの小型化にも反する。また、組立工程数が多くなるという問題点もあった。
【００１０】
特許文献１に記載された半導体素子用基板では、図１０のような金属板(53)がなく構造が簡略化されているものの、セラミック絶縁性基板と金属製の放熱板と接合するための金属層が必要である。また、放熱板と接合する前に、予めセラミック絶縁性基板に金属層をろう付けしておく必要がある。このため、構造と製造工程のさらなる簡略化が求められている。
【００１１】
特許文献２に記載された半導体素子用基板においても、図１０のような金属板(53)がなく構造が簡略化されているものの、絶縁性基板と放熱部材を接合する接着層が必要である。しかも、接着層として接着剤を用いると熱伝導率が低下するために放熱能力が低下するという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上述した背景技術に鑑み、優れた冷却能力を有するとともに簡略化された構造の半導体素子用基板を提供し、さらに該半導体素子用基板を用いた半導体モジュール、該半導体モジュールを搭載した電気車両の提供を目的とする。
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明の半導体素子用基板は下記〔１〕〜〔１１〕に記載の構成を有する。
【００１４】
〔１〕  半導体素子を搭載するための基板であって、絶縁層の一面側に半導体素子を取り付ける通電層が形成され、他面側に放熱デバイスが直接接合されてなることを特徴とする半導体素子用基板。
【００１５】
〔２〕  前記放熱デバイスは、冷却液が流通する複数の微細通路を備えた液冷式冷却板である〔１〕に記載の半導体素子用基板。
【００１６】
〔３〕  前記液冷式冷却板は、
冷却液が流通する微細通路を有する少なくとも１個の扁平状の多孔チューブと、互いに離間した２個のヘッダ部形成用凹部と該両ヘッダ部形成用凹部間に形成され且つ前記チューブを収容するチューブ収容用凹部とが設けられたケース本体と、前記ケース本体に重合される蓋板とを備え、
前記チューブ収容用凹部内に前記多孔チューブが前記両ヘッダ部形成用凹部を連通する態様にして収容され、前記ケース本体に前記蓋板が重合された状態で、前記多孔チューブが前記ケース本体と前記蓋板との間に挟まれるとともに、前記両ヘッダ部形成用凹部の開口部が前記蓋板で閉塞されて２個のヘッダ部が形成され、前記ケース本体と前記多孔チューブと前記蓋板とが、前記ヘッダ部内を流通する冷却液の漏出を阻止する状態に接合一体化されてなる、〔２〕に記載の半導体素子用基板。
【００１７】
〔４〕  前記液冷式冷却板において、冷却液流入管と連結される第１連結口部材が前記２個のヘッダ部のうち一方のヘッダ部に連通接続されるとともに、冷却液流出管と連結される第２連結口部材が他方のヘッダ部に連通接続されている〔３〕に記載の半導体素子用基板。
【００１８】
〔５〕  前記液冷式冷却板の微細通路の相当直径は、０．０５〜１．７ｍｍの範囲に設定されている〔２〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【００１９】
〔６〕  前記絶縁層は、絶縁性樹脂からなる〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【００２０】
〔７〕  前記絶縁層は、絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物からなる〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【００２１】
〔８〕  前記絶縁層は、絶縁性布帛に絶縁性樹脂、または絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物を含浸させてなる複合材である〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【００２２】
〔９〕  前記絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のうちの少なくとも一つである〔６〕〜〔８〕のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【００２３】
〔１０〕  前記熱伝導性フィラーは、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮのうちの少なくとも一つである〔７〕または〔８〕に記載の半導体素子用基板。
【００２４】
〔１１〕  前記絶縁性樹脂組成物において、熱伝導性フィラーの含有量は４０〜９０容量％である〔７〕、〔８〕、〔１０〕のいずれか１項に記載の半導体素子用基板。
【００２５】
本発明の半導体モジュールは、下記〔１２〕に記載の構成を有する。
【００２６】
〔１２〕  〔１〕〜〔１１〕のいずれか１項に記載された半導体素子用基板の通電層に半導体素子が取り付けられてなることを特徴とする半導体モジュール。
【００２７】
本発明の電気車両は、下記〔１３〕〔１４〕に記載の構成を有する。
【００２８】
〔１３〕  〔１２〕に記載された半導体モジュールが搭載されていることを特徴とする電気車両。
【００２９】
〔１４〕  ラジエータを搭載し、このラジエータにより冷却された冷却液が前記液冷式冷却板に流入するとともに、前記液冷式冷却板から流出した冷却液が前記ラジエータにより冷却されるものとなされている〔１３〕に記載の電気車両。
【発明の効果】
【００３０】
〔１〕の発明にかかる半導体素子用基板は、絶縁層が放熱デバイスに直接接合されているので熱抵抗が小さく優れた冷却能力を有する。また、構造が簡略であるため、製作工程が簡単である。
【００３１】
〔２〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、特に優れた冷却能力が得られる。
【００３２】
〔３〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、さらに優れた冷却能力が得られ、かつ強度にも優れている。
【００３３】
〔４〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、冷却液流入管および流出管との連結作業を容易に行える。
【００３４】
〔５〕の発明にかかる半導体素子用基板は、特に優れた冷却能力が得られる。
【００３５】
〔６〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、絶縁層と放熱デバイスとの密着性が高いために優れた冷却能力が得られる。またセラミック絶縁層よりも割れにくいことで大面積の基板製作が可能である。
【００３６】
〔７〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、絶縁層と放熱デバイスとの密着性が高いことに加えて、熱伝導性フィラーにより絶縁層の熱伝導性の向上により、優れた冷却能力が得られる。
【００３７】
〔８〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、絶縁層の強度が高く、かつ径時的な寸法変化、そり、ねじれが抑制される。
【００３８】
〔９〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、耐熱性に優れ熱膨張による変形が抑制された絶縁層が形成される。
【００３９】
〔１０〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、特に熱伝導性の高い絶縁層を形成できる。
【００４０】
〔１１〕の発明にかかる半導体素子用基板によれば、特に熱伝導性の高い絶縁層を形成できる。
【００４１】
〔１２〕の発明にかかる半導体モジュールによれば、半導体素子が確実に冷却され、その動作について長期に亘って高い信頼性を確保できる。
【００４２】
〔１３〕の発明にかかる電気車両によれば、、電気車両用半導体素子が確実に冷却される。
【００４３】
〔１４〕の発明にかかる電気車両によれば、冷却液が冷却板をラジエータとを循環し、半導体素子の冷却を容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１に、本発明の一実施形態にかかる半導体素子用基板(1A)、およびこの半導体素子用基板(1A)上に半導体素子(2)を搭載した半導体モジュール(S1)の構造を模式的に示す。
【００４５】
半導体素子用基板(1A)は、絶縁層(3)の一面側に通電層(4)が形成され、他面側に放熱デバイス(5)が接着層を介することなく直接接合され、これらが一体化された基板である。そして、半導体モジュール(S1)は、前記半導体素子用基板(1A）の通電層(4)上にハンダ(6)等により半導体素子(2)が取り付けられたものである。なお、半導体素子(2)の取付は半田に限定されず、ろうやペーストなど周知の取付方法を任意に採用できる。
【００４６】
前記通電層(4)は、導電性材料による層であり、例えば銅箔やアルミニウム箔が用いられる。
【００４７】
絶縁層(3)は、放熱デバイス(5)に直接接合可能な絶縁材料で構成される。具体的には、絶縁性樹脂、前記絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物、絶縁性布帛に前記絶縁性樹脂または絶縁性樹脂組成物を含浸させてなる複合材の３種を推奨できる。これらの樹脂ベースの絶縁層は、セラミックに比べて割れにくく、大面積の基板の製作が可能である。
【００４８】
前記絶縁性樹脂としては、耐熱性が優れて熱膨張率が小さく、金属製の放熱デバイスに密着して接着性の優れているものが好ましい。これらの条件を満たす樹脂として、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂を推奨できる。さらに、エポキシ樹脂は、特に銅材との接着性が良く、吸湿性が少なく、かつ安価である点でも推奨できる。ポリイミド樹脂は、耐薬品性が優れるとともに厚さ方向の熱膨張率が小さい点でも推奨できる。
【００４９】
また、前記絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物を用いることによって、絶縁層の熱伝導性を高め、ひいては放熱性能を高めることができる。熱伝導性フィラーは絶縁体であって高熱伝導率を有するものが好ましく、金属酸化物または金属窒化物が好ましく、具体的にはＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮを例示できる。これらの熱伝導性フィラーは単独で使用しても任意の複数種を併用しても良い。熱伝導性フィラーは、樹脂組成物中の含有量が多くなるほど絶縁層(3)の熱伝導率が高くなり、４０〜９０容量％が好ましい。４０容量％未満では熱伝導率向上効果が乏しく、９０容量％を超えると放熱デバイスとの密着性が低下して放熱性能が低下する。特に好ましい含有量は６０〜８０容量％である。また、熱伝導性フィラーの粒径は１０〜４０μｍが好ましい。
【００５０】
また、前記絶縁層(3)として、上述した絶縁性樹脂または絶縁性樹脂組成物を絶縁性布帛に含浸させてなる複合材を用いることも好ましい。絶縁性布帛は絶縁層(3)に強度を付与するとともに、半導体素子(2)が発生する熱による径時的な寸法変化、そり、ねじれなどを防止する効果がある。絶縁性布帛は、ガラス等の無機繊維による不織布または織布を推奨できる。無機繊維布は、紙や合成繊維布よりも寸法変化、そり、ねじれが小さいためである。このような絶縁性布帛に絶縁性樹脂または絶縁性樹脂組成物を含浸させるのであるが、絶縁層(3)の厚さ方向の全体に布帛が存在している必要はなく、絶縁性樹脂または絶縁性樹脂組成物の一部が布帛に含浸し、樹脂が布帛に積層された状態であっても良い。なお、絶縁性布帛は絶縁層(3)の熱伝導や放熱を妨げるため、可及的に薄いことが好ましい。
【００５１】
絶縁層(3)の厚さは、上記の３種類のいずれの場合も０．０１〜０．５ｍｍが好ましい。
【００５２】
放熱デバイス(5)は、絶縁層(3)に直接接合可能であれば種類を問わず用いることができる。放熱用平板、図１０に例示した櫛歯状のヒートシンク、各種ヒートチューブ等空冷、液冷を問わず用いることができる。また、絶縁層(3)と放熱デバイス(5)とを直接接合した構造によって、基板としての強度が確保される。即ち、図９の半導体用基板(51)から金属板(53)を除去したことによる強度低下は、放熱デバイス(5)の接合によって十分に補填される。
【００５３】
図１に例示した放熱デバイスは、扁平状の多孔チューブ(7)によるアルミニウム製液冷式冷却板(5)である。このような液冷式冷却板(5)は、薄型で放熱性能が優れているため半導体素子用基板(1A)に組み込む放熱デバイスとして適している。
【００５４】
前記多孔チューブ(7)は、該チューブ(7)を貫通する断面四角形の貫通孔からなる複数個の微細通路(7a)を有している。前記多孔チューブ(7)は、例えば押出や圧延等によって製作されるものであり、このような押出チューブや圧延チューブは熱交換器に一般的に用いられているものである。そして、微細通路(7a)の開口両端に、図外のヘッダ部、冷却液の流入出管への連結口を取り付けることによって液冷式冷却板に製作される。
【００５５】
なお、本発明における微細通路(7a)の横断面形状は、略円形状、略楕円形状、略星形状、多角形状等であっても良い。また、前記複数個の微細通路(7a)は相互に独立した孔からなるものに限定されず、複数個の微細通路が相互に連通していても良い。
【００５６】
図２に、前記液例式冷却板(5)において、冷却液を流入させるためのポンプの動力が一定の場合における、微細通路(7a)の相当直径と熱抵抗との関係を示す図（グラフ）を示す。なお、微細通路(7a)の断面積Ａ、濡れ周長さｐのときの相当直径ｄeは、ｄe＝４Ａ／ｐで算出される。また一般に、熱抵抗の絶対値は冷却板(5)のサイズにより変化するが、相当直径に対する熱抵抗の変化傾向は冷却板(5)のサイズに依らず、同図と同様となる。
【００５７】
同図に示すように、多孔チューブ(7)の微細通路(7a)の相当直径が０．０５〜１．７ｍｍの範囲に設定されている場合には、熱抵抗が小さくなり、よって高い冷却能力を発揮し得るものとなる。さらに、この相当直径が０．１〜１．０５ｍｍの範囲に設定されている場合には熱抵抗がさらに小さくなり、相当直径が０．１５〜０．７ｍｍの範囲に設定されている場合にはなお一層熱抵抗が小さくなり、高い冷却能力を発揮し得るものとなる。したがって、平均相当直径は、０．０５〜１．７ｍｍの範囲に設定されていることが望ましく、さらに０．１〜１．０５ｍｍの範囲に設定されていることが望ましく、なおさらに０．１５〜０．７ｍｍの範囲に設定されていることが望ましい。
【００５８】
上述した通電層(4)、絶縁層(3)および放熱デバイス(5)の接合は、ホットプレス等の周知の方法により適宜行う。
【００５９】
例えば、絶縁層(3)の絶縁性樹脂として熱硬化性樹脂を用いた場合を例に挙げて説明すると、通電層(4)、絶縁層(3)、放熱デバイス(5)を重ね合わせ、上下をステンレス鋼板で挟み、さらにクッション材を介して押圧し、加熱する。このホットプレスにより、絶縁層(3)が硬化するとともに放熱デバイス(5)と通電層(4)に接合され、これらが一体化される。
【００６０】
また、図９に示すように、絶縁層(3)の一部に通電層(4)を接合する場合は、位置合わせシート(60)および当て板(61)を用いて接合を行う。即ち、位置合わせシート(60)に通電層(4)を張り付け、通電層(4)に対応する位置に孔をあけた当て板(61)を介して絶縁層(3)上に配置し、放熱デバイス(5)に重ねる。これらをステンレス鋼板(62)で挟み、さらにクッション材(63)を介して押圧して加熱する。これにより、絶縁層(3)の所定位置に通電層(4)が接合される。  また、絶縁層(3)として絶縁性樹脂組成物または絶縁性布帛を使用した複合材を用いる場合は、予め所定組成の組成物または複合材を用意しておき、上述と同じくホットプレスにより接合一体化を行う。
【００６１】
前記液冷式冷却板は、図１のように多孔チューブ(7)が露出した状態で直接絶縁層(3)に接合する他、ケース内に一または複数の多孔チューブを装填したものを用いることができる。
【００６２】
図３に示す半導体素子用基板(1B)においては、ケース内に多孔チューブを装填した液冷式冷却板(8)が用いられ、該液冷式冷却板(8)の一面側の複数箇所に絶縁層(3)と通電層(4)が積層されている。
【００６３】
前記液冷式冷却板(8)は、図４に示すように、ケース本体(10)と、蓋板(30)と、冷却液が流通する複数の微細通路(21)を有する複数個の扁平状の多孔チューブ(20)と、第１連結口部材(18a)と、第２連結口部材(18b)とを備えている。これらの冷却板材料として、熱伝導率の高いアルミニウムまたは銅を推奨できる。
【００６４】
図４に示すように、ケース本体(10)は平面形状が四角形に形成され、上面側中央部における左右両側部には、互いに平行に離間した２個のヘッダ形成用凹部(11a)(11b)が設けられており、さらに該両ヘッダ形成用凹部(11a)(11b)間には、多孔チューブ(20)を収容するチューブ収容用凹部(12)が設けられている。各ヘッダ部形成用凹部(11a)(11b)の横断面形状は略四角形である。チューブ収容用凹部(12)の深さは多孔チューブ(20)の厚さと略同寸に設定され、各ヘッダ部形成用凹部(11a)(11b)の深さはチューブ収容用凹部(12)の深さよりも深く設定されている。また、前記ケース本体(10)の側面には、一方のヘッダ部形成用凹部(11a)の一端部に連通した第１連結口部材用挿通孔(13a)と、他方のヘッダ部形成用凹部(11b)の一端部に連通した第２連結口部材用挿通孔(13b)とがそれぞれ設けられている。
【００６５】
蓋板(30)の裏面の形状および大きさは、ケース本体(10)の平面形状および大きさと同じに設定されている。したがって、蓋板(30)は、ケース本体(10)に重合された状態において、ケース本体(10)の表面に設けられた両ヘッダ形成用凹部(11a)(11b)の開口部とチューブ収容用凹部(12)の開口部とを閉塞し得るものとなされている。そして、蓋板(30)の表面には図３に示すように絶縁層(3)および通電層(4)が取り付けられる。すなわち、本実施形態の液冷式冷却板(8)では、蓋板(30)の表面が冷却面(8A)として作用する。蓋板(30)の冷却面(8A)は平坦状に形成されている。また、蓋板(30)の裏面も同様に平坦状に形成されている。
【００６６】
前記ケース本体(10)の内面および上端面にはろう材が被覆されている。同じく、前記蓋板(30)の少なくとも裏面、前記多孔チューブ(20)の外周面および両連結口部材(18a)(18b)の外周面にも、それぞれろう材が被覆されている。
【００６７】
各多孔チューブ(20)は複数個の微細通路(21)を有している。各微細通路(21)はチューブ(20)を貫通した、横断面形状が四角形の微細な貫通孔からなる。前記多孔チューブ(20)の製造方法、微細通路(21)の好ましい横断面形状、および高い冷却能力を発揮するための好ましい相当直径は、上述した多孔チューブ(7)およびその微細通路(7a)に準じる。
【００６８】
第１連結口部材(18a)および第２連結口部材(18b)は、図７に示すように短管状に形成されており、一端部に連結口を有している。そして図８に示すように、第１連結口部材(18a)は冷却液流入管(19a)と液密状態に連結され、第２連結口部材(18b)は冷却液流出管(19b)と液密状態に連結される。
【００６９】
次に、前記冷却板(8)の構成を、その製造方法に基づいて以下に説明する。
【００７０】
まず、図４〜７に示すように、ケース本体(10)のチューブ収容用凹部(12)内に、相互に横一列に並べられた複数個の多孔チューブ(20)を、両ヘッダ部形成用凹部(11a)(11b)を連通する態様にして収容する。このとき、必要に応じて、ケース本体(10)のチューブ収容用凹部(12)の底面と多孔チューブ(20)との間にろう材を介在させても良い。
【００７１】
次いで、このケース本体(10)の上面に蓋板(30)を多孔チューブ(20)全体を覆うように重合させる。こうして蓋板(30)を重合することにより、多孔チューブ(20)がケース本体(10)と蓋板(30)との間に挟まれるとともに、ケース本体(10)の両ヘッダ部形成用凹部(11a)(11b)のケース本体(10)上面側の開口部が蓋板(30)によって閉塞され、図７に示すように、ケース本体(10)の内部に２個のヘッダ部(14a)(14b)が形成される。なお、この蓋板(30)の重合工程において、必要に応じて、ケース本体(10)と蓋板(30)との間や、多孔チューブ(20)と蓋板(30)との間に、ろう材を介在させても良い。
【００７２】
また、蓋板(30)の重合工程の前に、または蓋板(30)の重合工程と同時に、あるいは蓋板(30)の重合工程の後で、第１および第２連結口部材(18a)(18b)をそれぞれ対応する挿通孔(13a)(13b)に挿通し、第１連結口部材(18a)を一方のヘッダ部形成用凹部(11a)に連通接続するとともに、第２連結口部材(18b)を他方のヘッダ部形成用凹部(11b)に連通接続する。
【００７３】
次いで、こうして組み立てられた冷却板の組立体をろう付用の炉内に導入し、炉内ろう付によってケース本体(10)と多孔チューブ(20)と蓋板(30)と第１連結口部材(18a)と第２連結口部材(18b)とを一括して相互に接合一体化する。この接合工程では、ケース本体(10)と蓋板(30)とは、各ヘッダ部(14a)(14b)内に収容される冷却液(Ｃ)の漏出を阻止する状態、即ち液密状態に相互に接合一体化される。さらに、第１連結口部材(18a)および第２連結口部材(18b)はそれぞれ液密状態に対応する挿通孔(13a)(13b)に接合される。なお、図５において、(47)はろう材のフィレットである。
【００７４】
以上の工程を経て、図３に示した液冷式冷却板(8)が製作される。そして、上述した半導体素子用基板(1A)と同様に、この液冷式冷却板(8)の冷却面(8A)に絶縁層(3)および通電層(4)を設けることにより、半導体素子用基板(1B)が製作される。さらにこの半導体素子用基板(1B)の通電層(4)に半導体素子(2)を取り付けることにより、半導体モジュール（S2、図示省略）が製作される。
【００７５】
前記液冷式冷却板(8)は、多孔チューブ(20)がケース本体(10)の所定凹部（12）内に収容されているので、組立物のろう付加熱によって冷却面(8A)の平坦度が低下したり、多孔チューブ(21)が変形したりするのを防止することができる。そのため、冷却面(8A)の平坦度を高く保持することができ、ひいては絶縁層(3)との密着性を高めて半導体素子(2)を効率良く冷却することができる。また、微細通路(21)を所定形状および大きさに保持することができ、高い冷却能力を発揮できる。さらに、多孔チューブ(20)がケース本体(10)および蓋板(30)内に収容され、さらにろう付一体化されているため、高い機械的強度を有している。また、ケース本体(10)とチューブ(20)と蓋板(30)との相互間の隙間にフレットが充填されているために、熱伝導性が良好であり、優れた冷却能力を得ることができる。
【００７６】
さらに、前記液冷式冷却板(8)は、冷却液流入管(19a)と連結される第１連結口部材(18a)と、冷却液流出管(19b)と連結される第２連結口部材(18b)とを備えているので、冷却液流入管(19a)および冷却液流出管(19b)の液冷式冷却板(8)との連結作業を容易に行うことができる。
【００７７】
本発明にかかる半導体素子用基板は、絶縁層と放熱デバイスが一体に接合されているため、放熱デバイスを別工程で取り付ける必要がなく、製作工程が簡略化される。その上、絶縁層と放熱デバイスとが直接接合されているため、熱抵抗が小さく優れた冷却性能を有する。
【００７８】
本発明の半導体素子用基板(1A)(1B)および半導体モジュール(S1)(S2)は、電気車両、コンピュータ等の電子製品に搭載され、半導体素子を確実に冷却し、その動作について長期に亘って高い信頼性を確保することができる。また、冷却によって半導体素子寿命の延命効果も得ることができる。なお、半導体モジュールとして、ＩＧＢＴモジュール、インバータ、コンバータ、半導体制御素子、ダイオード、コンデンサ、コイル、発光部品、半導体デバイス、マルチチップモジュール、スピーカ、ＣＲＴ、ハードディスクドライブ、ＤＶＤドライブ、プリンタ部品（例：サーマルヘッド）、あるいはこれらに搭載されるモジュール等を例示できる。また、「電気車両」の語は、ハイブリッド車両を含み、車両として、自動車、自動二輪車、鉄道車両等を例示できる。
【００７９】
前記半導体モジュールの使用例として、図８に前記半導体モジュール(S2)を搭載した電気自動車(40)について説明する。
【００８０】
前記電気自動車(40)には冷却液を冷却する既設のラジエータ(41)が搭載されている。このラジエータ(41)は、電気自動車(40)のフロント部に配置されている。なお、(44)はラジエータ用ファン、(45)は車輪である。
【００８１】
前記半導体モジュール(S2)の液冷式冷却板(8)の第１連結口部材(18a)には冷却液流入管(19a)が液密状態に連結されており、また液冷式冷却板(8)の第２連結口部材（18b）には冷却液流出管(19b)が液密状態に連結されている。冷却液流入管(19a)にはラジエータ（41）により冷却された冷却液が流通する。冷却液流出管(19b)には液冷式冷却板(8)から排出された冷却液が流通し、その後、該冷却液がラジエータ(41)へ供給される。
【００８２】
前記電気自動車(40)において、ラジエータ(41)により冷却された冷却液は、リザーブタンク（レシーバタンク)(42)を介してポンプ(43)によって冷却液流入管(19a)を通って液冷式冷却板(8)へ送られる。そして図６に示すように、冷却液（Ｃ）が、液冷式冷却板(8)の第１連結口部材（18a）から第１ヘッダ部(14a)内に流入し、多数に分岐して他孔チューブ(20)の各微細通路(21)を流通する。この流通時に冷却液（Ｃ）が半導体素子(2)の熱を奪って該半導体素子(2)を冷却する。その後、この冷却液（Ｃ）が第２ヘッダ部(14b)に流入し該第２ヘッダ部(14a)において合流し、第２連結口部材(18b)から流出する。流出した冷却液（Ｃ）は、冷却液流出管(19b)を通ってラジエータ(41)へ供給されて、再度ラジエータ(41)により冷却される。
【００８３】
以上のように、前記電気自動車(40)において、冷却液（Ｃ）はラジエータ(41)と液冷式冷却板(8)とを循環し、長期に亘って半導体素子(2)を確実に冷却して高い信頼性を確保することができる。また、電気自動車等の電気車両には水冷機構が備わっているため、本発明の液冷式冷却板を組み込んだ半導体モジュールの適用が容易である。
【実施例】
【００８４】
図３〜７に示す半導体素子用基板(1B)および半導体モジュール(S2)を製作した。表１に示す実施例１〜１１の半導体素子用基板(1B)において、通電層(4)および液冷式冷却板(8)を共通とし、絶縁層(3)の構成を表１に示すものに種々変えた。
【００８５】
前記通電層(4)として、厚さ７０μｍの銅箔を用いた。
【００８６】
前記液冷式冷却板(8)は、上述したように、複数のアルミニウム製多孔チューブ(20)を、アルミニウム製ケース本体(10)およびアルミニウム製蓋板(30)内に収容してろう付するとともに、第１連結口部材(18a)および第２連結口部材(18b)をろう付したものである。さらに詳述すると、状多孔チューブ(20)は、微細通路(21)が１９個形成された高さ１．７mm×幅１６mmの押出チューブであり、微細通路(21)の相当直径が０．７mm、外周壁の肉厚が０．３mm、隣接する微細通路(21)(21)間の仕切の肉厚が０．２mmに形成されている。本実施例では、このような多孔チューブ(20)を１２本並べて使用した。また、前記ケース本体(10)の平面寸法は１００mm×２００mmの長方形であり、高さが２０mm、側面壁の肉厚が２mm、チューブ収容用凹部(12)形成部分の肉厚が２mmに形成されている。また、前記蓋板(30)は厚さ３mmの平板で形成されている。なお、図示の都合上、図中の多孔チューブおよび微細通路の数は本実施例とは一致していない。
【００８７】
絶縁層(3)は、実施例１、２は絶縁性樹脂のみで形成し、実施例３〜６は絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した樹脂組成物で形成した。また、実施例７〜１１は、絶縁性布帛としてガラス繊維不織布を用い、このガラス繊維不織布に絶縁性樹脂または絶縁性樹脂組成物を含浸させた複合材で形成した。各実施例で使用した絶縁性樹脂、熱伝導性フィラーの種類および含有量、絶縁性布帛の厚さ、形成した各絶縁層の厚さを表１に示す。また、これらの熱伝導率を示す。
【００８８】
そして、上述した通電層(4)、絶縁層(3)および液冷式冷却板(8)を、上述したホットプレス法に基づき、３．９２ＭＰａ（４０ｋｇｆ／ｃｍ2）、１７０℃で２時間熱プレスし、接合一体化して半導体素子用基板(1B)を製作した。
【００８９】
以上のようにして作製した各半導体素子用基板(1B)における熱抵抗値を表１に示す。
【００９０】
さらに、前記半導体素子用基板(1B)に半導体素子(2)を半田付けし、半導体モジュール(S2)を製作した。
【００９１】
前記絶縁層(3)の径時的なそりについて、ＪＩＳ  Ｃ６４８１に基づいて最大そり量Ｄ１および最大そり部分の試料片Ｌ１を測定し、そり率Ｗ１（％）＝Ｄ１／Ｌ１×１００を求めた。そして、そり率Ｗ１により下記の基準で評価した。
◎：１％未満
○：１〜２％
×：２％を超える
また、比較例として、通電層としての上記銅箔を厚さ３mmのセラミック製絶縁層に接合し、該セラミック絶縁層を接着剤を用いて液冷式冷却板(8)に接合することにより、半導体素子用基板を製作した。比較例の熱伝導率および熱抵抗を表１に併せて示す。
【００９２】
【表１】
2005322879.tif 000003
【００９３】
表１の結果より、各実施例の半導体素子用基板は優れた冷却能力を発揮しうることを確認できた。また、絶縁層として熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物を用いることにより、熱伝導率を高めて冷却能力を向上しうることを確認した。また、絶縁性布帛を用いることにより、長期に亘って使用しても絶縁層の寸法変化等を抑制しうることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明にかかる半導体素子用基板は、電気自動車用半導体素子やコンピュータ用半導体素子をはじめ、様々な発熱体を搭載して冷却するための基板として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体素子用基板および半導体モジュールの模式的断面図である。
【図２】図１の半導体素子用基板に組み込まれた液冷式冷却板において、チューブの微細通路の相当直径と熱抵抗との関係を示す図（グラフ）である。
【図３】本発明の他の実施形態にかかる半導体素子用基板の斜視図である。
【図４】図３の半導体素子用基板に組み込まれた液冷式冷却板の分解斜視図である。
【図５】図３中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図６】図３中のＹ−Ｙ線断面図である。
【図７】図３中のＺ−Ｚ線断面図である。
【図８】図３の半導体素子用基板が組み込まれた半導体モジュールを搭載した電気自動車の概略平面図である。
【図９】通電層、絶縁層、放熱デバイスを接合する方法を示す模式的断面図である。
【図１０】従来の半導体素子用基板と、この半導体素子用基板および放熱デバイスが組み込まれた半導体モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
1A,1B…半導体素子用基板
S1,S2…半導体モジュール
2…半導体素子
3…絶縁層
4…通電層
5…放熱デバイス
7…多孔チューブ（液冷式冷却板、放熱デバイス）
20…多孔チューブ
7a,21…微細通路
8…液冷式冷却板（放熱デバイス）
10…ケース本体
11a、11b…ヘッダ部形成用凹部
12…チューブ収容用凹部
14a、14b…ヘッダ部
18a…第１連結口部材
18b…第２連結口部材
30…蓋板
40…電気自動車（電気車両）
Ｃ…冷却液
【図１】
2005322879.tif 000004
【図２】
2005322879.tif 000005
【図３】
2005322879.tif 000006
【図４】
2005322879.tif 000007
【図５】
2005322879.tif 000008
【図６】
2005322879.tif 000009
【図７】
2005322879.tif 000010
【図８】
2005322879.tif 000011
【図９】
2005322879.tif 000012
【図１０】
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