(57)【要約】【課題】  放熱性能の低下を防止しつつ耐久性の向上を実現しうるパワーモジュール用ベースを提供する。【解決手段】  パワーモジュール用ベース１は、高熱伝導性材料からなる放熱基板２と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板３と、絶縁基板３における放熱基板３に接合された側と反対側の面に設けられた配線層７とを備えている。また、パワーモジュール用ベース１は、放熱基板２の他面に接合され、かつ絶縁基板３と放熱基板２との線膨張係数の差に起因する放熱基板２の反りを拘束する拘束板４と、拘束板４における放熱基板２に接合された側と反対側の面に接合された放熱フィン５とを備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱伝導性材料からなる放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱基板の他面に接合され、かつ絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板と、拘束板における放熱基板に接合された側と反対側の面に接合された放熱フィンとを備えているパワーモジュール用ベース。
【請求項２】
絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層が設けられ、伝熱層と放熱基板とが接合されている請求項１記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項３】
絶縁基板の配線層と伝熱層とが、同一材料からなる請求項２記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項４】
絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている請求項２または３記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項５】
絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面と、放熱基板とが直接接合されている請求項１記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項６】
絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている請求項５記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項７】
拘束板が、絶縁基板に対して放熱基板を間に挟んで対称に配置されている請求項１〜６のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項８】
絶縁基板がセラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる請求項１〜７のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項９】
拘束板がセラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる請求項１〜８のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１０】
絶縁基板と拘束板とが同一材料により形成されている請求項８または９記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１１】
拘束板がインバー合金または電磁軟鉄からなる請求項１〜８のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１２】
絶縁基板および拘束板の厚みがそれぞれ０．１〜１ｍｍである請求項１〜１１のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１３】
放熱基板における拘束板が接合された面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットが固定されており、冷却ジャケット内を冷却液が流れるようになされている請求項１〜１２のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１４】
冷却ジャケットが放熱基板にろう付されている請求項１３記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１５】
冷却ジャケットが、締結具を用いて放熱基板に着脱自在に固定されており、冷却ジャケットと放熱基板との間がシール手段により液密状にシールされている請求項１３記載のパワーモジュール用ベース。
【請求項１６】
一面に配線層が設けられた絶縁基板における他面側に、高熱伝導性材料からなる放熱基板を積層し、放熱基板における絶縁基板とは反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板を積層し、拘束板における放熱基板とは反対側の面に放熱フィンを配置し、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとをそれぞれ同時にろう付することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１７】
絶縁基板における配線層が設けられた面とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層を設けておき、当該伝熱層と放熱基板とをろう付する請求項１６記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１８】
放熱基板の拘束板側の面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットを配置し、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとのろう付と同時に、冷却ジャケットを放熱基板にろう付する請求項１６または１７記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１９】
請求項１〜１５のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースと、パワーモジュール用ベースの絶縁基板の配線層上に装着されたパワーデバイスとを備えてい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、パワーモジュールを構成するパワーモジュール用ベースに関する。
【０００２】
この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「窒化アルミニウム」、「酸化アルミニウム」および「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、一面にアルミニウム製配線層が形成されるとともに、他面にアルミニウム製伝熱層が形成されたセラミックス製絶縁基板と、絶縁基板の伝熱層に接合されたアルミニウム製放熱基板と、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に接合されたアルミニウム製ヒートシンクとからなり、ヒートシンクの内部に冷却液流路が形成されたパワーモジュール用ベースが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、絶縁基板の配線層上にパワーデバイスが装着されてパワーモジュールとして用いられる。このパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリットカーなどの移動体のインバータ回路に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御するようになっている。
【０００５】
そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、絶縁基板、伝熱層および放熱基板を経てヒートシンクに伝えられ、冷却液流路内を流れる冷却液に放熱される。
【０００６】
このとき、比較的線膨張係数の大きいアルミニウムからなる放熱基板およびヒートシンクは、パワーデバイスから発せられた熱により高温になって、比較的大きく熱膨張しようとする傾向を示す。一方、絶縁基板を形成するセラミックスの線膨張係数は、アルミニウムの線膨張係数よりも小さいので、パワーデバイスから発せられた熱により高温になったとしても、放熱基板およびヒートシンクほど大きく熱膨張しようとしない。このため、何も対策を講じなければ、放熱基板およびヒートシンクと絶縁基板との熱膨張差により、放熱基板およびヒートシンクが絶縁基板に引っ張られて反ることとなり、その結果絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりし、耐久性が低下する。
【０００７】
また、絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクの接合を、たとえばろう付により行う場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクが熱膨張するとともに熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクが熱収縮する。ところが、上述したように、放熱基板およびヒートシンクの線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板およびヒートシンクの熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板およびヒートシンクの熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、何も対策を講じなければ、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板、放熱基板およびヒートシンクが熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板およびヒートシンクの方が大きくなって、放熱基板およびヒートシンクが絶縁基板により引っ張られて反ることとなり、その結果絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりし、耐久性が低下する。
【０００８】
そして、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにおいては、放熱基板の厚みを大きくすることにより、上述したような放熱基板およびヒートシンクの反りを抑制している。しかしながら、放熱基板の厚みを大きくすると、パワーデバイスからヒートシンクまでの熱伝導の経路が長くなり、放熱性能が低下することがある。
【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】
【０００９】
この発明の目的は、上記問題を解決し、放熱性能の低下を防止しつつ耐久性の向上を実現しうるパワーモジュール用ベースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１１】
1)高熱伝導性材料からなる放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱基板の他面に接合され、かつ絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板と、拘束板における放熱基板に接合された側と反対側の面に接合された放熱フィンとを備えているパワーモジュール用ベース。
【００１２】
2)絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層が設けられ、伝熱層と放熱基板とが接合されている上記1)記載のパワーモジュール用ベース。
【００１３】
3)絶縁基板の配線層と伝熱層とが、同一材料からなる上記2)記載のパワーモジュール用ベース。
【００１４】
4)絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている上記2)または3)記載のパワーモジュール用ベース。
【００１５】
5)絶縁基板における配線層が設けられた側とは反対側の面と、放熱基板とが直接接合されている上記1)記載のパワーモジュール用ベース。
【００１６】
6)絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている上記5)記載のパワーモジュール用ベース。
【００１７】
7)拘束板が、絶縁基板に対して放熱基板を間に挟んで対称に配置されている上記1)〜6)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【００１８】
なお、この明細書および特許請求の範囲において、「対称」という用語には、数学的に定義される厳密な対称の他に、対称の近い状態、すなわち放熱基板の厚さ方向から見て、絶縁基板と拘束板とが完全に一致するように重なり合う場合の他に、両者の一部がずれて重なり合う状態も含むものとする。
【００１９】
8)絶縁基板がセラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる上記1)〜7)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【００２０】
9)拘束板がセラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる上記1)〜8)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【００２１】
10)絶縁基板と拘束板とが同一材料により形成されている上記8)または9)記載のパワーモジュール用ベース。
【００２２】
11)拘束板がインバー合金または電磁軟鉄からなる上記1)〜8)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【００２３】
12)絶縁基板および拘束板の厚みがそれぞれ０．１〜１ｍｍである上記1)〜10)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【００２４】
13)放熱基板における拘束板が接合された面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットが固定されており、冷却ジャケット内を冷却液が流れるようになされている上記1)〜12)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベース。
【００２５】
14)冷却ジャケットが放熱基板にろう付されている上記13)記載のパワーモジュール用ベース。
【００２６】
15)冷却ジャケットが、締結具を用いて放熱基板に着脱自在に固定されており、冷却ジャケットと放熱基板との間がシール手段により液密状にシールされている上記13)記載のパワーモジュール用ベース。
【００２７】
16)一面に配線層が設けられた絶縁基板における他面側に、高熱伝導性材料からなる放熱基板を積層し、放熱基板における絶縁基板とは反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板を積層し、拘束板における放熱基板とは反対側の面に放熱フィンを配置し、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとをそれぞれ同時にろう付することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２８】
17)絶縁基板におけるパワーデバイス搭載面とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層を設けておき、当該伝熱層と放熱基板とをろう付する上記16)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２９】
18)放熱基板の拘束板側の面に、放熱フィンを覆うように冷却ジャケットを配置し、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとのろう付と同時に、冷却ジャケットを放熱基板にろう付する上記16)または17)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００３０】
19)上記1)〜15)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースと、パワーモジュール用ベースの絶縁基板の配線層上に装着されたパワーデバイスとを備えているパワーモジュール。
【発明の効果】
【００３１】
上記1)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板の配線層上にパワーデバイスが装着されて、パワーモジュールが構成される。このパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリットカーのインバータ回路に適用され、運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、配線層、絶縁基板、放熱基板および拘束板を経て放熱フィンに伝えられ、放熱フィンから放熱される。このとき、放熱基板は、パワーデバイスから発せられる熱により高温（たとえば、１５０℃程度）に加熱されるので、熱膨張しようとする。特に、放熱基板が比較的熱伝導性に優れたアルミニウムから形成されている場合、アルミニウムの線膨張係数が絶縁基板に比べて大きいので、放熱基板と絶縁基板との熱膨張差により、放熱基板が絶縁基板に引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００３２】
また、上記1)のパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールが低温環境下（たとえば、−５０℃程度）に長時間放置された場合、絶縁基板と放熱基板との線熱膨張係数の差に起因して放熱基板が絶縁基板の拘束の下で収縮して反ろうとしても、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。パワーモジュールが低温環境下に長時間放置される場合とは、たとえばパワーモジュールが用いられたハイブリッドカーが、冬季に屋外で長時間放置されるような場合である。
【００３３】
さらに、上記1)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板、放熱基板および放熱フィンの接合を、たとえばろう付により行う場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板および放熱基板が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板および放熱基板が熱収縮する。ところが、放熱基板は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板および放熱基板が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板の方が大きくなって、放熱基板が絶縁基板により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００３４】
しかも、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースの場合のように、放熱基板の肉厚を大きくする必要がなく、パワーデバイスから放熱フィンまでの熱伝導の経路が比較的短くなって、放熱性能の低下が抑制される。
【００３５】
上記2)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板に搭載されるパワーデバイスから伝わった熱が、伝熱層の面方向に拡散されて放熱基板に伝わるので、放熱基板、ひいては放熱フィンへの伝熱性が向上する。
【００３６】
上記3)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板の配線層と伝熱層の線膨張係数やヤング率が同一になるので、反りの発生が特に少なくなる。
【００３７】
上記4)のパワーモジュール用ベースのように、絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板および放熱基板が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板および放熱基板が熱収縮する。ところが、放熱基板は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板および放熱基板が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板の方が大きくなって、放熱基板が絶縁基板により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００３８】
上記5)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板と放熱基板との間の熱抵抗が少なくなり、放熱性能が向上する。
【００３９】
上記6)のパワーモジュール用ベースのように、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板および放熱基板が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板および放熱基板が熱収縮する。ところが、放熱基板は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板および放熱基板が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板の方が大きくなって、放熱基板が絶縁基板により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００４０】
上記7)のパワーモジュール用ベースによれば、放熱基板が熱膨張または熱収縮しようとする際に、放熱基板の一方の面に接合された絶縁基板と、他方の面に接合された拘束板とによって、放熱基板の両面がほぼ均等に引っ張られる。したがって、放熱基板の反りを一層確実に防止することができる。
【００４１】
上記9)のパワーモジュール用ベースによれば、拘束板の線膨張係数が比較的小さくなり、ヤング率が比較的高いので、上記1)で述べた効果が一層顕著になる。
【００４２】
上記10)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板および拘束板の線膨張係数やヤング率が同じとなるので、放熱基板が熱膨張または熱収縮する際に、絶縁基板および拘束板によって均等な力で拘束されることになり、上記1)で述べた効果が一層顕著になる。
【００４３】
上記11)のパワーモジュール用ベースによれば、拘束板の線膨張係数が比較的小さくなり、ヤング率が比較的高いので、上記1)で述べた効果が一層顕著になる。
【００４４】
上記12)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板および拘束板として、窒化アルミニウムなどのセラミック基板の一般的な厚みのものを用いることができ、材料の入手性が向上する。
【００４５】
上記13)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁基板に搭載されたパワーデバイスから発せられた熱は、絶縁基板および放熱基板を経て放熱フィンに伝えられ、放熱フィンから冷却ジャケット内を流れる冷却液に放熱される。したがって、放熱性能が比較的優れたものになる。
【００４６】
上記14)のパワーモジュール用ベースによれば、上記4)のパワーモジュール用ベースのように、絶縁基板の伝熱層と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている場合や、上記6)のパワーモジュール用ベースのように、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとがそれぞれろう付されている場合には、これらのろう付と同時に放熱基板に冷却ジャケットをろう付することができるので、冷却ジャケットの固定作業が簡単になる。
【００４７】
上記15)のパワーモジュール用ベースによれば、冷却ジャケットを放熱基板から取り外す必要が生じた場合には、簡単に対処することができる。
【００４８】
上記16)および17)のパワーモジュール用ベースの製造方法のように、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとをそれぞれろう付する場合、ろう付の際の加熱時に絶縁基板および放熱基板が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板および放熱基板が熱収縮する。ところが、放熱基板は、たとえばアルミニウムのような高熱伝導性材料で形成され、その線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板および放熱基板が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板の方が大きくなって、放熱基板が絶縁基板により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面に、絶縁基板と放熱基板との線膨張係数の差に起因する放熱基板の反りを拘束する拘束板が接合されているので、拘束板により放熱基板の反りが拘束される。したがって、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００４９】
上記18)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、絶縁基板と放熱基板、放熱基板と拘束板、および拘束板と放熱フィンとのろう付と同時に放熱基板に冷却ジャケットをろう付することができるので、冷却ジャケットの固定作業が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１の上側を前、下側を後といい、図２の上下、左右を上下、左右というものとする。
【００５１】
全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００５２】
実施形態１
この実施形態は図１および図２に示すものである。
【００５３】
図１は実施形態１のパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールの全体構成を示し、図２はその要部の構成を示す。
【００５４】
図１および図２において、パワーモジュール用ベース(1)は、前後方向に長い方形状の放熱基板(2)と、放熱基板(2)の上面に前後方向に間隔をおいて接合された複数の絶縁基板(3)と、放熱基板(2)の下面に接合され、かつ絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の差に起因する放熱基板(2)の反りを拘束する拘束板(4)と、拘束板(4)における放熱基板(2)に接合された側と反対側の面に接合された放熱フィン(5)と、放熱基板(2)の下面に、放熱フィン(5)を覆うように固定された冷却ジャケット(6)とを備えている。
【００５５】
放熱基板(2)は、アルミニウム、銅（銅合金も含む。以下、同様）などの高熱伝導性材料、ここではアルミニウムで形成されている。
【００５６】
絶縁基板(3)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのような絶縁材料から形成されていてもよいが、たとえばセラミックから形成される場合、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが用いられる。絶縁基板(3)の肉厚は０．１〜１ｍｍであることが好ましい。絶縁基板(3)上面に配線層(7)が設けられるとともに下面に伝熱層(8)が設けられている。配線層(7)は、導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。伝熱層(8)は、熱伝導性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。また、配線層(7)および伝熱層(8)は同一材料で形成されていることが好ましい。そして、伝熱層(8)が放熱基板(2)にろう付されている。なお、配線層(7)および伝熱層(8)が予め設けられた絶縁基板(3)としては、ＤＢＡ(Direct Brazed Alminum、登録商標)基板や、ＤＢＣ(Direct Bonded Copper、登録商標)基板などを用いることができる。
【００５７】
拘束板(4)は、線膨張係数およびヤング率が、絶縁基板(3)と同程度であれば、どのような材料から形成されていてもよく、セラミックス、インバー合金、電磁軟鉄などから形成される。セラミックスから形成される場合、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが用いられる。但し、拘束板(4)は、絶縁基板(3)と同じ材料で形成されていること、および絶縁基板(3)と同程度の肉厚であることが好ましい。また、拘束板(4)は、絶縁基板(3)に対して放熱基板(2)を間に挟んで対称に配置されている。さらに、絶縁基板(3)と同数の拘束板(4)が用いられることがあり、あるいは絶縁基板(3)よりも小数の拘束板(4)が、複数の絶縁基板(3)に跨るように用いられることがある。前者の場合、前後方向および左右方向の寸法が絶縁基板(3)とほぼ同じである方形の拘束板(4)を用いることが好ましい。後者の場合、左右方向の寸法が絶縁基板(3)とほぼ同じであり、かつ前後方向の寸法が前端の絶縁基板(3)の前縁と後端の絶縁基板(3)の後縁との距離とほぼ同じである拘束板(4)を用いることが好ましい。
【００５８】
放熱フィン(5)は、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料、ここではアルミニウムで形成されており、波頂部、波底部、および波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状であり、波頂部および波底部の長さ方向を前後方向に向けて、拘束板(4)にろう付されている。なお、複数の拘束板(4)が放熱基板(2)にろう付されている場合、拘束板(4)と同数の放熱フィン(5)が各拘束板(4)にろう付される場合と、拘束板(4)よりも少数の放熱フィン(5)が複数の拘束板(4)に跨ってろう付される場合とがある。
【００５９】
冷却ジャケット(6)は全体に箱状となされ、その内部に、全周が周壁(9)により囲繞されるとともに上方に開口した放熱フィン収容部(11)が設けられている。冷却ジャケット(6)の周壁(9)の前壁部に冷却液入口パイプ(12)が、後壁部に冷却液出口パイプ(13)が、それぞれ放熱フィン収容部(11)内に通じるように、溶接などによって接続されている。また、冷却ジャケット(6)の左右壁部に、複数のねじ穴(14)がそれぞれ前後方向に間隔をおいて形成されている。そして、放熱基板(2)の周縁部が冷却ジャケット(6)の周壁(9)上に載せられ、放熱基板(2)を貫通したおねじ(15)（締結具）をねじ穴(14)にねじ嵌めることによって、冷却ジャケット(6)が放熱基板(2)に固定され、これにより放熱フィン収容部(11)内に放熱フィン(5)が収容された状態で、放熱フィン収容部(11)の上端開口が放熱基板(2)により閉鎖されている。なお、図示は省略したが、放熱基板(2)の周縁部下面と、冷却ジャケット(6)の周壁(9)上端面との間は、公知の適当なシール手段、たとえばＯリングやガスケットによって液密状にシールされている。したがって、入口パイプ(12)から送り込まれた冷却液が冷却ジャケット(6)内の放熱フィン収容部(11)を後方に流れ、出口パイプ(13)から送り出されるようになっている。
【００６０】
パワーモジュール用ベース(1)は次のようにして製造される。
【００６１】
すなわち、絶縁基板(3)の伝熱層(8)が設けられた面側に放熱基板(2)を積層し、放熱基板(2)における絶縁基板(3)とは反対側の面に、拘束板(4)を積層し、拘束板(4)における放熱基板(2)とは反対側の面に放熱フィン(5)を配置する。絶縁基板(3)の伝熱層(8)と放熱基板(2)との間、放熱基板(2)と拘束板(4)との間、および拘束板(4)と放熱フィン(5)との間には、それぞれそれぞれＡｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などからなるシート状アルミニウムろう材を介在させておく。
【００６２】
ついで、絶縁基板(3)、放熱基板(2)、拘束板(4)および放熱フィン(5)を適当な手段で仮止めし、接合面に適当な荷重を加えながら、真空雰囲気中または不活性ガス雰囲気中において、５７０〜６００℃に加熱することによって、絶縁基板(3)の伝熱層(8)と放熱基板(2)、放熱基板(2)と拘束板(4)、および拘束板(4)と放熱フィン(5)とをそれぞれ同時にろう付する。その後、冷却ジャケット(6)を放熱基板(2)に固定する。こうして、パワーモジュール用ベース(1)が製造される。
【００６３】
上述したろう付の際の加熱時には、絶縁基板(3)、配線層(7)、伝熱層(8)、放熱基板(2)および拘束板(4)が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後これらは熱収縮する。ここで、放熱基板(2)の熱膨張の度合は絶縁基板(3)および拘束板(4)よりも大きく、その結果放熱基板(2)の熱収縮の度合も絶縁基板(3)および拘束板(4)よりも大きくなる。このため、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板(3)および放熱基板(2)が熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板(3)よりも放熱基板(2)の方が大きくなり、拘束板(4)がない場合、放熱基板(2)が絶縁基板(3)により引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板(2)における絶縁基板(3)に接合された側と反対側の面に、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の差に起因する放熱基板(2)の反りを拘束する拘束板(4)が接合されているので、拘束板(4)により放熱基板(2)の反りが拘束される。したがって、絶縁基板(3)にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００６４】
上述したパワーモジュール用ベース(1)によれば、絶縁基板(3)の配線層(7)上にパワーデバイス(P)が、たとえばはんだ付で接合されることにより装着され、パワーモジュールが構成される。このパワーモジュールは、たとえば電動モータを駆動源の一部とするハイブリットカーのインバータ回路に適用され、運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。
【００６５】
この際、パワーデバイス(P)から発せられた熱は、配線層(7)、絶縁基板(3)、伝熱層(8)、放熱基板(2)および拘束板(4)を経て放熱フィン(5)に伝えられ、放熱フィン(5)から冷却ジャケット(6)内の放熱フィン収容部(11)を流れる冷却液に放熱される。このとき、放熱基板(2)は、パワーデバイス(P)から発せられる熱により高温（たとえば、１５０℃程度）に加熱されるので、拘束板(4)がない場合、放熱基板(2)と絶縁基板(3)との熱膨張差により、放熱基板(2)が絶縁基板(3)に引っ張られて反ろうとする。しかしながら、放熱基板(2)における絶縁基板(3)に接合された側と反対側の面に、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線膨張係数の差に起因する放熱基板(2)の反りを拘束する拘束板(4)が接合されているので、拘束板(4)により放熱基板(2)の反りが拘束される。したがって、絶縁基板(3)にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。
【００６６】
また、上記とは逆に、パワーモジュールが低温環境下（たとえば、−５０℃程度）に長時間放置された場合、絶縁基板(3)と放熱基板(2)との線熱膨張係数の差に起因して放熱基板(2)が絶縁基板(3)の拘束の下で収縮して反ろうとしても、拘束板(4)により放熱基板(2)の反りが拘束される。したがって、絶縁基板(3)にクラックが生じたり、各接合面において剥離が生じたりすることが防止され、耐久性が向上する。パワーモジュールが低温環境下に長時間放置される場合とは、たとえばパワーモジュールが用いられたハイブリッドカーが、冬季に屋外で長時間放置されるような場合である。
【００６７】
上記実施形態１において、回路基板の伝熱層(8)と放熱基板(2)、放熱基板(2)と拘束板(4)、および拘束板(4)と放熱フィン(5)との接合はろう付により行われているが、これに代えて、接着剤を用いた接着により行ってもよい。
【００６８】
実施形態２
この実施形態は図３に示すものである。
【００６９】
実施形態２のパワーモジュール用ベース(20)の場合、絶縁基板(3)の下面には伝熱層(8)は形成されておらず、絶縁基板(3)が直接放熱基板(2)にろう付されている。このろう付は、たとえば上記実施形態１の場合と同様にして行われる。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００７０】
また、上記実施形態２においても、絶縁基板(3)と放熱基板(2)、放熱基板(2)と拘束板(4)、および拘束板(4)と放熱フィン(5)との接合を、接着剤を用いた接着により行ってもよい。
【００７１】
上記実施形態１および２において、冷却ジャケット(6)は、ねじ穴(14)にねじ嵌められたおねじ(15)（締結具）によって放熱基板(2)に固定されているが、これに代えて、冷却ジャケット(6)をろう付により放熱基板(2)に固定してもよい。この場合、冷却ジャケット(6)と放熱基板(2)とのろう付は、上述した他の部材のろう付と同時に行われる。
【００７２】
実施形態３
この実施形態は図４に示すものである。
【００７３】
実施形態３のパワーモジュール用ベース(25)の場合、拘束板(4)は、放熱基板(2)の下面に形成された凹所(26)内に埋め込まれた状態で放熱基板(2)にろう付されており、拘束板(4)の下面と放熱基板(2)の下面とが面一となっている。放熱フィン(5)の左右方向の寸法は放熱基板(2)の左右方向の幅とほぼ等しく、放熱フィン(5)は、拘束板(4)の下面、および放熱基板(2)の下面における凹所(26)の左右両側部分にろう付されている。また、放熱基板(2)に冷却ジャケット(6)は固定されていない。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００７４】
実施形態３のパワーモジュール用ベース(25)の配線層(7)上にパワーデバイス(P)がはんだ付されてなるパワーモジュールの場合、送風機により前後いずれか一方から放熱フィン(5)に風が送られる。そして、パワーデバイス(P)から発せられた熱は、配線層(7)、絶縁基板(3)、伝熱層(8)、放熱基板(2)および拘束板(4)を経て放熱フィン(5)に伝えられ、放熱フィン(5)から風に放熱される。
【００７５】
上記実施形態３においても、回路基板の伝熱層(8)と放熱基板(2)、放熱基板(2)と拘束板(4)、および拘束板(4)と放熱フィン(5)との接合は、接着剤を用いた接着により行ってもよい。
【００７６】
実施形態４
この実施形態は図５に示すものである。
【００７７】
実施形態４のパワーモジュール用ベース(30)の場合、絶縁基板(3)の下面には伝熱層(8)は形成されておらず、絶縁基板(3)が直接放熱基板(2)にろう付されている。その他の構成は実施形態３と同じである。  
上記実施形態４においても、絶縁基板(3)と放熱基板(2)、放熱基板(2)と拘束板(4)、および拘束板(4)と放熱フィン(5)との接合を、接着剤を用いた接着により行ってもよい。
【００７８】
上記実施形態３および４においては、拘束板(4)は、放熱基板(2)の下面に形成された凹所(26)内に埋め込まれた状態で放熱基板(2)にろう付されているが、凹所(26)は必ずしも必要としない。この場合、放熱フィン(5)の一部が、拘束板(4)を収容しうるように切り欠かれることがある。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の実施形態１のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュールを示す平面図である。
【図２】図１のII−II線拡大断面図である。
【図３】この発明の実施形態２のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュールを示す図２相当の断面図である。
【図４】この発明の実施形態３のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュールを示す図２相当の断面図である。
【図５】この発明の実施形態４のパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュールを示す図２相当の断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
(1)(20)(25)(30)：パワーモジュール用ベース
(2)：放熱基板
(3)：絶縁基板
(4)：拘束板
(5)：放熱フィン
(6)：冷却ジャケット
(7)：配線層
(8)：伝熱層
(P)：パワーデバイス
【図１】
2007141932.tif 000003
【図２】
2007141932.tif 000004
【図３】
2007141932.tif 000005
【図４】
2007141932.tif 000006
【図５】
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