(57)【要約】【課題】電子部品を載置したパワーモジュールの放熱性を向上させること。【解決手段】上面の中央部に電子部品１を載置した回路基板２と、回路基板２の下面に接触されるとともに該接触部の直下に冷却水を流すための流路を有する水冷ジャケット３とを具備するパワーモジュールにおいて、回路基板２の下面中央部が下面外周部よりも下側に突出しており、前記水冷ジャケット３の回路基板２に接触する部位が回路基板２の下面に沿って流路側に窪んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面の中央部に電子部品を載置した回路基板と、該回路基板の下面に接触されるとともに該接触部の直下に冷却水を流すための流路を有する水冷ジャケットとを具備するパワーモジュールにおいて、前記回路基板の下面中央部が下面外周部よりも下側に突出しており、前記水冷ジャケットの前記回路基板に接触する部位が前記回路基板の下面に沿って前記流路側に窪んでいることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記回路基板の下面側の部位が絶縁基板から成ることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記絶縁基板が窒化珪素質焼結体から成ることを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記回路基板は下面外周部から下面中央部にかけて、なだらかな凸状の曲面になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記回路基板の上面が平坦であることを特徴とする請求項1乃至請求項４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水冷ジャケットに固定することで放熱性を高めたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等に用いられるパワー制御用デバイス等の電子部品は、自動車の駆動方式のハイブリッド化による高電圧化が進み、そのため電子部品を搭載するパワーモジュールには高放熱性を求められるようになってきている。
【０００３】
従来のパワーモジュールは、一般に電子部品を載置した回路基板を銅等の放熱板を介して水冷ジャケットに固定している。
【０００４】
従来のパワーモジュールを図２に示す。図２に示すように、21は電子部品、22は回路基板、22aは回路基板22の上面側の部位である電気回路基板、22bは回路基板22の下面側の部位である絶縁基板、23は回路基板22を冷却するための水冷ジャケットである。電気回路基板22aは例えばセラミック基板の両面に銅、またはアルミニウムを活性ロウ材等を用いて接合し、エッチング等にて回路形成したものである。水冷ジャケット23は通常放熱性を考慮してアルミニウムにて水路を形成したものである。絶縁基板22bは電気回路基板22aと水冷ジャケット23の絶縁を保つため、樹脂またはセラミックス材料を用いる。なお、電子部品21より発生した熱を電気回路基板22aを通して水冷ジャケット23に放熱するため高放熱性の特性を有するセラミックス材料がより好ましい。
【特許文献１】特開２００２−２６４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、回路基板、水冷ジャケットの各接触面は平面度を上げることによって接触面積を大きくして放熱性を確保していたが、近年さらに高い放熱性が要求されるようになった。従って、本発明のパワーモジュールは上記問題を鑑みて完成されたものであり、その目的はパワーモジュールの放熱性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のパワーモジュールは、上面の中央部に電子部品を載置した回路基板と、該回路基板の下面に接触されるとともに該接触部の直下に冷却水を流すための流路を有する水冷ジャケットとを具備するパワーモジュールにおいて、前記回路基板の下面中央部が下面外周部よりも下側に突出しており、前記水冷ジャケットの前記回路基板に接触する部位が前記回路基板の下面に沿って前記流路側に窪んでいることを特徴とする。
【０００７】
本発明のパワーモジュールは、前記回路基板の下面側の部位が絶縁基板から成ることを特徴とする。
【０００８】
本発明のパワーモジュールは、前記絶縁基板が窒化珪素質焼結体から成ることを特徴とする。
【０００９】
本発明のパワーモジュールは、前記回路基板は下面外周部から下面中央部にかけて、なだらかな凸状の曲面になっていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のパワーモジュール、前記回路基板の上面が平坦であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のパワーモジュールは、上面の中央部に電子部品を載置した回路基板と、回路基板の下面に接触されるとともに接触部の直下に冷却水を流すための流路を有する水冷ジャケットとを具備するパワーモジュールにおいて、回路基板の下面中央部が下面外周部よりも下側に突出しており、水冷ジャケットの回路基板に接触する部位を回路基板の下面に沿って流路側に窪ませることにより、回路基板中央部の流路が狭くなることで、その部分を流れる冷却水の流速が早くなることから、放熱性を向上させることができる。
【００１２】
本発明のパワーモジュールは、回路基板の下面側の部位が絶縁基板から成ることにより、回路基板の上面側の電気回路部位を平板構造に維持しながら、絶縁基板の形状のみを中央部が突出した構造とすることができる。よって電気回路部位に歪が生じ難くなり、回路基板と水冷ジャケットを密着させる際に電気回路部位に加わる応力が小さくなることで電気回路部位の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
本発明のパワーモジュールは、絶縁基板として窒化珪素質焼結体から成るものを使用することにより、樹脂等に比べて高放熱性、且つ高強度の特性を有することから、絶縁基板を介して回路基板と水冷ジャケットを密着させる場合に水冷ジャケットが絶縁基板下面によって窪むほど圧力をかけても絶縁基板に割れが発生しないのでより安定した放熱性とすることができる。
【００１４】
本発明のパワーモジュールは、回路基板は下面外周部から下面中央部にかけて、なだらかな凸状の曲面になっていることによって、水冷ジャケットが窪む際に追随しやすく密着性も向上すると共に流路の変形もなだらかとなるため冷却水の流速抵抗が小さくなるので冷却水が流れ易くなることで放熱性をより向上させることができる。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、回路基板の上面が平坦であることによって、電子部品からの発熱をより効果的に回路基板に伝えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明のパワーモジュールを添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明のパワーモジュールの実施の形態の一例の断面図である。図１に示すように、１は電子部品、２は回路基板、２ａは回路基板２の上面側の部位である電気回路基板、２ｂは回路基板２の下面側の部位である絶縁基板、３は回路基板２を冷却するための水冷ジャケットである。
【００１８】
電子部品１は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）、またはＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の素子である。
【００１９】
回路基板２の上面側の電気回路基板２ａは例えば四角形状のセラミック基板１０の上下面に活性金属ロウ材を介して金属回路板１１，１２がロウ付けされている。セラミック基板１０は金属回路板１１，１２を支持する支持部材として作用し、例えば、窒化珪素質焼結体で形成されている。
【００２０】
窒化珪素焼結体は窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、所定形状となすとともに必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２１】
この窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板１０はその熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に大きいことから、金属回路板１１に載置固定された電子部品１が作動時に熱を発生したとしてもその熱はセラミック基板１０を介して外部に効率よく放散され、その結果、熱によって電子部品１が高温となることはなく常に適温として電子部品１を安定して信頼性よく作動させることができる。
【００２２】
そしてセラミック基板１０はその上下面に活性金属ロウ材を介して金属回路板１１，１２が取着されており、その活性金属ロウ材はセラミック基板１０と金属回路板１１，１２とを接合する接合材として作用し、例えば、銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％）やアルミニウムロウ材（アルミニウム：８８重量％、シリコン：１２重量％）等から成るロウ材にチタン、タングステン、ハフニウム及び／またはその水素化物の少なくとも１種を２乃至５重量％添加したもので形成されている。
【００２３】
活性金属ロウ材によるセラミック基板１０への金属回路板１１，１２の取着は、セラミック基板１０上に金属回路板１１，１２を間に活性金属ロウ材を挟んで載置させ、しかる後、これを真空中もしくは還元雰囲気中、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アルミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融せしめるとともにセラミック基板１０と金属回路板１１，１２とを接合させることによって行われる。
【００２４】
またセラミック基板１０上に活性金属ロウ材を介して取着される金属回路板１１，１２は銅やアルミニウム等の金属材料から成り、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが５００μｍで、所定パターン形状に製作される。
【００２５】
なお、この金属回路板１１，１２は銅から成る場合、金属回路板を無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく活性金属ロウ材との濡れ性が良好となり、セラミック基板１０への活性金属ロウ材を介しての接合が強固となる。従って、金属回路板はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００２６】
このような金属回路板１１，１２は、まず、セラミック基板１０の上下面に金属回路板１１，１２となる銅板やアルミニウム板などの金属板を活性金属ロウ材を介して接合し、しかる後、この金属板の表面にエッチングレジストを所定の回路形状に印刷する。そして、エッチング装置によって例えば塩化第二鉄や塩化第二銅等のエッチング液を用いて、上下よりスプレーにてエッチング液を金属板の表面に吹き付け不要な金属部を溶解して回路を形成し、エッチング終了後は、水酸化ナトリウム等のアルカリ溶液を用いて金属回路部に塗布されているエッチングレジストを除去する方法によって回路状の金属回路板１１，１２を形成する。
【００２７】
また金属回路板はその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、金属回路板１１，１２の耐食性を向上できるとともに金属回路板１１，１２に電子部品や放熱板等を半田を介して強固に接着させることができる。従って、金属回路板１１，１２はその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００２８】
更に金属回路板１１，１２の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくとニッケルから成るメッキ層の表面酸化を良好に防止して活性金属ロウ材との濡れ性等を長く維持することができる。従って、金属回路板１１，１２の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくことが好ましい。
【００２９】
金属回路板１１，１２の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合、ニッケルに対する燐の含有量が８重量％未満、あるいは１５重量％を超えたときニッケル−燐のアモルファス合金を形成するのが困難となってメッキ層に半田を強固に接着させることが困難になりやすい。
【００３０】
また、金属回路板１１，１２の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合金属回路板１１，１２の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層は、またその厚みが１．５μｍ未満の場合、金属回路板１１，１２の表面全体をニッケルから成るメッキ層で被覆するのが困難となり、金属回路板１１，１２の酸化腐蝕を有効に防止し難くなる。また３μｍを超えるとニッケルから成るメッキ層の内部に内在する内在応力が大きくなってセラミック基板１に反りや割れ等が発生し易くなる。特にセラミック基板１の厚さが７００μｍ以下の薄いものになった場合にはこのセラミック基板１の反りや割れ等が顕著となりやすい。従って、金属回路板１１，１２の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層はその厚みを１．５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３１】
セラミック基板１０の下面には金属回路板１２を介して絶縁基板２ｂが接合されるのがよい。これにより、回路基板２の上面側の電気回路基板２ａを平板構造に維持しながら、絶縁基板２ｂの形状のみを下面中央部が突出した構造とすることができる。よって電気回路基板２ａに歪が生じ難くなり、回路基板２と水冷ジャケット３を密着させる際に電気回路基板２ａに加わる応力が小さくなることで電気回路基板２ａの信頼性を向上させることができる。
【００３２】
なお、図１において、金属回路層１２は絶縁基板２ｂの下面全面に接合される板状体である。このような構成により、金属回路層１２と絶縁基板２ｂとの接合強度を高めることができるとともに電子部品１から回路基板２に移動した熱を水冷ジャケット３に効率よく放熱させることができる。
【００３３】
絶縁基板２ｂは例えば四角形状のセラミック板を使用する。このセラミック基板は例えば、窒化珪素質焼結体で形成されている。窒化珪素焼結体の作製方法は、電気回路基板２ａのセラミック基板１０の作製方法と同様にして製作する。
【００３４】
また、図１では絶縁基板２ｂの下面中央部が下面外周部よりも下側に突出するように中央部が周辺部に比べて厚くなっている。このように絶縁基板２ｂの中央部が周辺部と比べて厚くなるように作製する方法としては、ラップ、グラインド等による研磨、セラミックグリーンシートの段階でプレス等によって中央部が厚くなるように形状を形成する方法、およびセラミックグリーンシートの段階、または焼成後のセラミック基板の状態で大きさの異なる複数枚のセラミックグリーンシート、またはセラミック基板を重ね合わせて階段状に形成する等の方法がある。
【００３５】
そして、電気回路基板２ａの下に絶縁基板２ｂを重ねることで下面中央部が下面外周部よりも下側に突出した回路基板２となる。なお、電気回路基板１２および絶縁基板２ｂは互いに接触しているだけでもよく、電気回路基板１２と絶縁基板２ｂとを活性金属ロウ材等で接合してもよい。
【００３６】
水冷ジャケット３は、アルミニウム等熱伝導率に優れた金属にて作られており、内部を冷媒が流れるように空洞となっているものである。例えば、アルミニウムのブロック内部を大きくくり貫き筒状とした穴を設けたもの、または複数本の貫通穴を開けたものについて、開放されている両端の穴に例えば冷媒を流すことができるホースを取り付けるためのポートを取り付けたものである。
【００３７】
本発明のパワーモジュールは、以上の各部品の組合せで構成されており、その接続方法は以下の通りである。電気回路基板２ａの金属回路板１１の所定の場所に半田ペーストを印刷、または半田箔を乗せ、そこに電子部品１を乗せた状態で230℃から350℃程度の還元雰囲気中で半田接合を行い、必要に応じてボンディングワイヤー等で電子部品１の端子と金属回路板１１とを電気的に接合する。
【００３８】
次に、電気回路基板２ａの電子部品１を実装していない面を絶縁基板２ｂを介して水冷ジャケット３に載置する。この際、絶縁基板２ｂは中央部の凸の面が水冷ジャケット３側になるようにし、さらに電気回路基板２ａと絶縁基板２ｂと水冷ジャケット３のそれぞれの間には、載置時に電気回路基板２ａ、絶縁基板２ｂ、水冷ジャケット３それぞれの表面のうねりにより空気の層ができ、放熱性を阻害することを防止するため、シリコングリス等が厚み１００μｍ程度塗布されるのがよい。
【００３９】
電子部品１を実装した電気回路基板２ａを絶縁基板２ｂを介して水冷ジャケット３に接合する際、回路基板２と水冷ジャケット３の間で荷重を加え、回路基板２の中央部の凸の部分にて水冷ジャケット３を変形させることで、回路基板２の中央部にあたる部分の水冷ジャケット３の流路が狭くなるためその部分の流速が早くなり、放熱性を向上させることができるパワーモジュールとすることができる。
【００４０】
そして、回路基板２の下面中央部を下面外周部よりも下側に突出させる手段として、段差によって突出した形状にすることも可能であるが、このような段差により突出させるよりも、回路基板下面外周部から下面中央部にかけてなだらかな凸状の曲面となるようにする方がよい。これにより、水冷ジャケットが窪む際に追随しやすく密着性も向上すると共に流路の変形もなだらかとなるため冷却水の流速抵抗が小さくなるので冷却水が流れ易くなることで放熱性をより向上させることができる。
【００４１】
なお、回路基板２の下面中央部が下面外周部よりも下側に突出している形状については、絶縁基板２ｂの中央部が周辺部と比べてなだらかに厚くなるように作製する方法だけに限定されない。例えば、絶縁基板２ｂを用いずに電気回路基板２ａの下面中央部が下側に突出するようにして、この電気回路基板２ａを水冷ジャケット３に接触させてもよい。この場合、電気回路基板２ａの下面に接合された金属回路板１２の下面中央部が下側に突出するようにしてこの金属回路板１２を水冷ジャケット３に接触させるか、あるいは、電気回路基板２ａのセラミック板１０の下面中央部が下側に突出するようにしてこのセラミック板１０を直接水冷ジャケット３に接触させればよい。
【００４２】
また、回路基板２の電子部品１と接する側の面については、電子部品１から発する熱を回路基板２を介して効率よく水冷ジャケット３に伝熱するため、回路基板２の電子部品１と接する側の面は平面であることが良い。
【００４３】
なお、本発明は上述の最良の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことは何等差し支えない。例えば、電気回路基板２ａを構成するセラミック基板１０は樹脂基板でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のパワーモジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来のパワーモジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：電子部品
２：回路基板
２ａ：電気回路基板
２ｂ：絶縁基板
３：水冷ジャケット
【図１】
2007266224.tif 000003
【図２】
2007266224.tif 000004