(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却液を流通させる流路が形成された箱状の基体と、該基体の開口を塞ぐ蓋体とを備え、
前記基体が、前記開口の周囲に該開口の内方に向けて突出して形成された縁部を有し、前記蓋体が、前記縁部の前記流路側の面に当接するフランジ部を有し、
前記冷却液を流通させることで、該冷却液に前記蓋体及び前記基体の熱を放散させるとともに、この冷却液の液圧によって前記蓋体の前記フランジ部が前記基体の前記縁部を押圧することで前記蓋体と前記基体とが液密とされることを特徴とする冷却器。
【請求項２】
前記基体と前記蓋体とが、電子ビーム接合またはレーザ溶接によって接合されており、
前記基体の前記開口の周縁に切欠部が形成され、前記蓋体の周縁部に切欠部が形成されており、これらの切欠部には、電子ビーム接合またはレーザ溶接によって溶融した前記基体及び前記蓋体の一部が充填された構造とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷却器と、前記蓋体上に固着された絶縁回路基板とを備え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】
本発明は、例えば半導体チップなどの電子部品が実装される回路基板などの発熱体で発生した熱を放散させる冷却器及びこれを備えるパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）やＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）などのように、絶縁セラミックスの両面に接合によって金属層を形成した絶縁回路基板を有するパワーモジュールが知られている。
この種のパワーモジュールとしては、絶縁回路基板と、ハンダ層を介して一方の金属層が配置された放熱板と、この放熱板が熱伝導グリース層を介して設けられた液冷式ヒートシンクである冷却器とを備える構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
冷却器には、冷却液を流通させる流路内に突出するフィンが設けられており、冷却液との接触面積を増大させることで冷却効率を向上させている。また、このパワーモジュールは、絶縁回路基板上に、例えば半導体チップのような発熱体を接合して使用する。そして、使用時には、発熱体で発生した熱が絶縁回路基板及び放熱板を介して冷却器に伝導され、冷却器内の冷却液によって放散される。
【０００３】
このようなパワーモジュールでは、放熱板を冷却器に対して一様に当接させるために熱伝導グリース層を介して両者を接触させているが、熱伝導グリースの熱伝導性が絶縁回路基板に用いられる絶縁セラミックスや金属層、放熱板よりも低いため、絶縁回路基板から冷却器までの熱抵抗が増加するという問題がある。そこで、熱伝導グリース層を設けないために放熱板と冷却器のフィンとを一体成型することによって熱抵抗を低減する手段が考えられる。
【特許文献１】特開２００３−８６７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の冷却器には、以下の課題が残されている。すなわち、上記従来の冷却器では、上述のように放熱板とフィンとを一体成型することを考えると、内部に冷却液の流路が形成された箱状部材の開口端を放熱板及びフィンが一体成型された蓋部材で箱状部材の上面側から覆い、箱状部材に蓋部材をネジ止め固定する構成が考えられる。ところが、流路内に冷却液を流通させると、その液圧によって蓋部材を外方に押圧する力が発生する。ここで、蓋部材が箱状部材の上面側から覆うように配置されているので、液圧によって箱状部材と蓋部材との間に冷却液が漏洩するだけの隙間が生じる恐れが考えられる。そして、漏洩した冷却液に絶縁回路基板が接触することで、絶縁回路基板に不良が発生する恐れが考えられる。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、絶縁回路基板との熱伝導性が良好であると共に、冷却液を流通させてもその液圧によって外部に冷却液が漏洩しにくい冷却器及び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】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の冷却器は、内部に冷却液を流通させる流路が形成された箱状の基体と、該基体の開口を塞ぐ蓋体とを備え、前記基体が、前記開口の周囲に該開口の内方に向けて突出して形成された縁部を有し、前記蓋体が、前記縁部の前記流路側の面に当接するフランジ部を有し、前記冷却液を流通させることで、該冷却液に前記蓋体及び前記基体の熱を放散させるとともに、この冷却液の液圧によって前記蓋体の前記フランジ部が前記基体の前記縁部を押圧することで前記蓋体と前記基体とが液密とされることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、流路内に冷却液を流通させ、蓋体の熱を冷却液中に放散させることで蓋体上に配置された発熱体の冷却を行う。このとき、流通する冷却液の液圧によって蓋体が基体の外方に向けて付勢される。ここで、基体の開口に縁部が形成されており、蓋体のフランジ部が縁部の流路側の面と当接しているので、蓋体のフランジ部が基体の縁部を押圧する。これにより、蓋体と基体とが液密となって蓋体と基体との間から冷却液が漏洩しにくくなる。そして、冷却液の液圧が高くなると、蓋体のフランジ部が基体の縁部をより大きな力で押圧するので、より液密となる。したがって、蓋体上に、例えば電子部品などが搭載された絶縁回路基板を配置しても電子部品に冷却液が接触することを防止して電子部品に不良が発生することを回避する。
また、蓋体が流路に接触していることで、蓋体上に絶縁回路基板を固着したときに、絶縁回路基板から蓋体に熱が伝導しても、この熱が冷却液に速やかに放散される。したがって、熱が蓋体に伝導することで熱膨張によって蓋体に変形応力が発生することを抑制する。そして、この変形応力に起因して絶縁回路基板と蓋体との接合界面に剥離が生じることを防止する。したがって、良好な放熱特性を維持することができる。
【０００８】
また、本発明の冷却器は、前記基体と前記蓋体とが、電子ビーム接合またはレーザ溶接によって接合されており、前記基体の前記開口の周縁に切欠部が形成され、前記蓋体の周縁部に切欠部が形成されており、これらの切欠部には、電子ビーム接合またはレーザ溶接によって溶融した前記基体及び前記蓋体の一部が充填された構造とされていることが好ましい。
この発明によれば、電子ビーム接合またはレーザ溶接によって液密に接合することで、冷却液の液圧によっても基体と蓋体との間からの冷却液の漏洩をより確実に防止できる。また、フランジ部と縁部との接合部に負荷がかかることを抑制する。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュールは、上記記載の冷却器と、前記蓋体上に固着された絶縁回路基板とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、上述した冷却器を備えているので、絶縁回路基板に冷却液が接触して不良が発生することを防止する。また、蓋体上に絶縁回路基板を接合することで熱伝導グリースを用いる必要がなくなることや、放熱板を用いた場合と比較して接合界面が少なくなることによって熱伝導性が良好となる。さらに、蓋体の変形応力の発生を抑制して蓋体と絶縁回路基板との接合界面に剥離が生じることを防止するので、熱伝導性の低下を抑制できる。そして、パワーモジュールのさらなる省スペース化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明にかかる冷却器及びパワーモジュールによれば、蓋体が冷却液の液圧を受けても、フランジ部が縁部を冷却器の外側に向けて押圧し、蓋体と基体とが液密となる。したがって、冷却液が漏洩することを防止し、漏洩した冷却液が絶縁回路基板と接触することで絶縁回路基板に不良が発生することを抑制する。
また、熱伝導グリースが不要であることや接合界面が少なくなることによって熱伝導性が良好となる。そして、蓋体に絶縁回路基板において発生した熱が伝導しても熱膨張及びこれによる変形応力の発生を抑制し、絶縁回路基板と蓋体との間の接合界面に剥離が生じることを防止する。したがって、良好な放熱特性を維持できる。
また、パワーモジュールの省スペース化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明によるパワーモジュールの第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態におけるパワーモジュール１は、図１に示すように、冷却器２と冷却器２上に固着された絶縁回路基板３とによって構成されており、絶縁回路基板３で発生した熱を冷却器２で放散させる。
【００１２】
冷却器２は、内部に冷却液を流通させることによって伝導された熱を冷却液に放散させる液冷式のヒートシンクであって、内部に冷却液を流通させる流路１１が形成された箱状の基体１２と、この基体１２の上部開口１２Ａを塞ぐ蓋体１３とによって構成されている。
基体１２は、例えばＡｌ（アルミニウム）−Ｓｉ（珪素）−Ｃｕ（銅）系合金であるアルミニウム合金ダイカスト（ＡＤＣ１２：ＪＩＳ規格）によって形成されており、それぞれ別部材である底部１４と周壁部１５とを備えている。なお、基体１２の上部開口１２Ａの周縁には、蓋体１３との接合のための切欠部１２Ｂが形成されている。この切欠部１２Ｂは、例えば、深さ２ｍｍ、幅１ｍｍとなっている。ここで、切欠部１２Ｂの形状は適宜変更してもよい。
底部１４は、周壁部１５に対して水密となるように固定されている。
周壁部１５は、四角筒形状を有しており、一端が底部１４の周縁と当接しており、この周縁からほぼ垂直に立設して配置されている。また、周壁部１５の他端の周囲には、開口１２Ａに向けて突出する縁部１６が形成されている。
【００１３】
蓋体１３は、Ａｌ−Ｍｇ（マグネシウム）−Ｓｉ系合金（６０６３：ＪＩＳ規格）によって構成されており、平板部１７と複数の突条フィン１８とを備えている。
平板部１７は、周壁部１５の縁部１６の周縁と密着しており、縁部１６の流路１１内側の面である下面と当接している。ここで、基体１２の縁部１６と蓋体１３のフランジ部１９とは電子ビーム接合によって接合されている。これにより、基体１２と蓋体１３とは水密となっている。ここで、電子ビーム接合とは、真空中で加熱されたフィラメントから発生した電子を、電圧をかけることで光速近くまで加速させて材料に衝突させる。このときに発生する高熱を利用して、材料の溶接を行うものである。
複数の突条フィン１８は、蓋体１３と流路１１内の冷却液との接触面積を増大させるために形成されており、平板部１７に対して垂直であると共に相互に平行となるように突設して設けられている。
なお、蓋体１３の周縁には、基体１２との電子ビーム接合のための切欠部１３Ａが形成されている。この切欠部１３Ａは、例えば、深さ２ｍｍ、幅１ｍｍとなっている。ここで、切欠部１３Ａの形状は適宜変更してもよい。そして、切欠部１２Ｂ、１３Ａは、電子ビーム接合によって溶融した基体１２及び蓋体１３で充填されている。このような切欠部１２Ｂ、１３Ａを設けることで、電子ビーム接合時の余盛切除が不要となり、冷却液が漏洩しにくくなる。さらに、溶接ビード上部にコーキング処理を施すことにより、より漏洩しにくくなる。
【００１４】
絶縁回路基板３は、絶縁セラミックス２１と、絶縁セラミックス２１の両側に配置された金属層２２、２３とによって構成されており、金属層２２の上面に発熱体である電子部品２４が配置されている。
絶縁セラミックス２１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの板状のセラミックス材料によって構成されている。
また、金属層２２、２３は、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属によって形成されており、絶縁セラミックス２１に対してロウ付け固定されている。ここで用いられるロウ材としては、さまざまなものが適用可能であるが、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系、Ａｌ−Ｍｎ（マンガン）系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系及びＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系のロウ材から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
【００１５】
金属層２２には、金属層２２を分断するように適宜、例えばエッチングなどを行うことで、回路が形成されており、電子部品２４がハンダ層２５によって固着されている。ここで、電子部品２４としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）などのパワーデバイスがあげられる。また、ハンダとしては、例えば９５％Ｐｂ（鉛）−５％Ｓｎ（スズ）や、Ｓｎ−Ａｇ（銀）−Ｃｕ系のハンダが適用可能である。なお、９５％Ｐｂ−５％Ｓｎのハンダには、Ａｇを含有するものを適用してもよい。
そして、金属層２３の下面は、ハンダ層２６を介して蓋体１３の上面に接合されている。
【００１６】
このようなパワーモジュール１において、電子部品２４を駆動させる際には、まず、流路１１内に冷却液を流通させる。そして、電子部品２４を駆動すると、電子部品２４で発生した熱が金属層２２及び絶縁セラミックス２１を介して金属層２３に至る。金属層２３に至った熱は、ハンダ層２６を介して蓋体１３に伝導し、複数の突条フィン１８から冷却液内に放散される。このようにして、電子部品２４の冷却を行う。
このとき、流路１１内に冷却液を流通させると、この冷却液の液圧によって蓋体１３が冷却器２の内方から外方、すなわち上方に向けて押圧される。ここで、基体１２の縁部１６の下面に蓋体１３のフランジ部１９の上面が接合されているので、蓋体１３のフランジ部１９が基体１２の縁部１６を押圧することになる。したがって、蓋体１３と基体１２とが水密となる。
【００１７】
このように構成された冷却器２及びパワーモジュール１によれば、蓋体１３が流路１１内の冷却液の液圧を受けることで、フランジ部１９が縁部１６を上側に向けて押圧し、蓋体１３と基体１２とが水密となる。また、蓋体１３と基体１２とを電子ビーム接合によって接合している。これらにより、冷却液の液圧によって蓋体１３と基体１２との間から冷却液が漏洩することを防止し、漏洩した冷却液と電子部品２４との接触による電子部品２４の不良の発生を抑制する。また、フランジ部１９と縁部１６との接合部に負荷がかかることを抑制する。
また、熱伝導グリースが不要であることや接合界面が少なくなることによって熱伝導性が良好となる。そして、電子部品２４で発生した熱が蓋体１３に伝導しても、蓋体１３に熱膨張及びこれに起因する変形応力が発生することを抑制する。これにより、変形応力によって絶縁回路基板３と蓋体１３との接合界面に剥離が生じることを防止する。すなわち、絶縁回路基板３と蓋体１３とが良好に接触しているので、良好な放熱特性を維持することができる。
そして、パワーモジュールの小型化を図ることができる。
【００１８】
次に、第２の実施形態について、図２を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図２においては、図１と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第２の実施形態におけるパワーモジュール３０は、絶縁セラミックス２１が絶縁セラミックス２１と絶縁セラミックス２１の一面に形成された金属層２２と電子部品２４とによって構成され、絶縁セラミックス２１が蓋体１３上に直接ロウ付けされている点である。
【００１９】
このように構成されたパワーモジュール３０においても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、金属層２３を設けないことで、より接合界面を少なくして、放熱性がさらに良好となる。
【００２０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、基体がＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金を用いてダイカスト成型することによって構成されているが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（ＡＣ４Ｃ：ＪＩＳ規格）を用いたアルミニウム合金などのように、他の材料によって構成されてもよく、ダイカスト成型以外の成型方法によって形成されてもよい。
また、蓋体はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金によって構成されているが、Ａｌ−Ｍｎ系合金（３００３：ＪＩＳ規格）や高熱伝導ダイカスト材（例えば、菱化マックス社製ＤＭＳ合金）などのように冷却液に対して耐食性を有するアルミ材である、他の材料によって構成されてもよい。また、蓋体と絶縁回路基板との接合は、ハンダ付けに限らず、ロウ付けによって接合されてもよい。
また、蓋体が互いに平行に配置された複数の突条フィンを備えているが、平板部に対して垂直に突設されたピンフィンを備えていてもよく、設計に応じて他の形状であってもよい。
また、蓋体と基体とを電子ビーム接合によって接合しているが、レーザ溶接によってこれらを接合してもよい。このようにしても、上述と同様の効果を得ることができる。さらに、液状ガスケットや嫌気性接着剤を用いて蓋体と基体とを接着してもよく、Ｏリングなどを用いて蓋体と基体とを水密としてもよい。また、蓋体を基体にネジ止め固定することによって液密としてもよい。また、上述した接合、接着、Ｏリングまたはネジ止めを組み合わせてもよい。
また、基体及び蓋体にそれぞれ切欠部を形成しているが、切欠部を形成しない構成としてもよい。
【００２１】
また、絶縁回路基板は蓋体上に２つ設けられているが、１つでも３つ以上であってもよく、電子部品などの発熱体が設けられていないものを組み合わせた構成としてもよい。
また、絶縁セラミックスはＡｌＮによって構成されているが、発熱体で発生した熱を効率よく蓋体に伝達することができる絶縁性物質であればよく、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）やＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（炭化珪素）など、他の絶縁性物質を用いてもよい。
また、金属層はＡｌによって構成されているが、Ａｌ合金や純Ｃｕ、Ｃｕ合金など、他の金属材料を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
この発明によれば、冷却器及びパワーモジュールに関して、絶縁回路基板との熱伝導性が良好であると共に、冷却液を流通させてもその液圧によって外部に冷却液が漏洩しにくいため、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】本発明の第２の実施形態におけるパワーモジュールを示す全体図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、３０  パワーモジュール
２  冷却器
１１  流路
１２  基体
１２Ａ  開口
１３  蓋体
１６  縁部
１９  フランジ部
【図１】
0004600199.tif 000002
【図２】
0004600199.tif 000003