(57)【要約】【課題】防水性を確保しつつ絶縁基板の割れの恐れのない接続構造で熱抵抗を安定に低減しパワーモジュールを構成するインバータを小型化し、パワー素子の絶縁基板を小型化し組立ての容易な構造を提供すること。【解決手段】主面に冷却液を流すための溝７を形成した放熱基板５に、絶縁基板３に配線導体２を形成した配線基板４を、溝７を塞ぐように接合して成る液冷式回路基板８において、平面透視して溝７に沿った縁辺２’を有する配線導体２を形成するとともに配線導体２の溝７に沿った縁辺２’を溝７の内側に位置させた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に冷却液を流すための溝を形成した放熱基板に、絶縁基板に配線導体を形成した配線基板を、前記溝を塞ぐように接合して成る液冷式回路基板において、平面透視して前記溝に沿った縁辺を有する前記配線導体を形成するとともに該配線導体の前記溝に沿った縁辺を前記溝の内側に位置させたことを特徴とする液冷式回路基板。
【請求項２】
前記配線導体は、前記絶縁基板の表面に接合した回路パターン形状の金属板から成ることを特徴とする請求項１記載の液冷式回路基板。
【請求項３】
前記配線導体は細長い形状であり、該細長い形状の配線導体の先端の縁辺が平面透視して前記溝の内側に位置していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の液冷式回路基板。
【請求項４】
前記絶縁基板は前記放熱基板の両主面に接合されており、前記配線導体は前記放熱基板の一方主面に接合された前記絶縁基板に形成されたものと、前記放熱基板の他方主面に接合された前記絶縁基板に形成されたものとが対称関係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液冷式回路基板。
【請求項５】
前記絶縁基板は前記放熱基板に金属板を介して接合されてい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液冷式回路基板。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の液冷式回路基板の前記配線基板上に、平面透視して前記溝と重なるように電子部品を搭載して成ることを特徴とする液冷式電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール等に使用される、放熱性及び信頼性に優れた液冷式回路基板およびそれを用いた液冷式電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＩＰＭ（Intelligent Power Module）を初めとするパワーモジュールにおいて、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡlＮ）等のセラミックス基板からなる配線基板を、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａl）等の金属からなる放熱板（ヒートシンクともいう）に半田付けした後、樹脂ケース等を取り付けることでパワーモジュールが得られている。
【０００３】
一方、電鉄車両やハイブリッドカーを含む電気自動車等の車載用途において、パワーモジュールは、更なる大電流化が要求されるようになっており、例えば電源のＯＮ、ＯＦＦに伴う耐久性に代表される高信頼性が要求されている。このようなパワーモジュールの信頼性を損なう要因としては、使用されているセラミックス基板の割れや、セラミックス基板と放熱板との接合に使用されている半田にクラックが発生することが知られている。
【０００４】
セラミックス基板に発生するクラックは絶縁不良の原因となるし、セラミックス基板と放熱板との間の半田に発生するクラックは放熱性を悪化させ、その結果半導体素子の動作不能を引き起こしてしまい、パワーモジュールとしての寿命を縮めることに直結してしま
うので、上記問題の発生が極力防止された、長期に渡って信頼性の高いパワーモジュールが求められている。
【０００５】
上記の事情から、セラミックス基板に生じるクラックを防止するために、応力緩和性に優れるアルミニウム（Ａｌ）を配線用金属として用いることや、セラミックス基板と放熱板との間に用いられる半田に発生する熱応力を低減させるためにセラミックス基板に近い
熱膨張率を有するアルミシリコンカーバイト（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ）或いは銅モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）等の複合材を放熱板として用いることが提案されている。
【０００６】
セラミックス基板と複合材からなる放熱板とを組み合わせて得られる大電流化が要求されるパワーモジュールは高信頼性を有し、電鉄車両やハイブリッドカーなどに好適なものであるが、このような構造のものは搭載されるＩＧＢＴやＩＰＭが正常に作動するためには冷却性能が不足しており、さらには複合材の放熱板が高価なためモジュール全体の値段が高いという問題点がある。
【０００７】
冷却性能についてみると、従来のパワーモジュールは放熱板と冷却ユニットとの間が放熱グリースを介して固定されていること、更に、セラミックス基板と放熱板とが半田で接合されていることが冷却性能を低下させる主原因と考えられている。半田や放熱グリースはセラミックス基板や放熱板などに比べて熱伝導率が非常に低く、パワーモジュール構造体の全体の冷却性能のボトルネックとなっている。
【０００８】
冷却性能が高ければパワーモジュールの寸法や重量を減少することができるが、例えば車載用途において、コンパクトなパワーモジュールは設置スペースの確保や軽量化につながるという大きな利点が期待され、このため、パワーモジュール構造体の冷却性能の更なる向上が望まれている。
【０００９】
また、コスト面についてみると、パワーモジュール本体価格が高価であることが大きな欠点となっている。その主な原因は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ等の複合材料は特殊な製法によって製造せざるをえないためであり、このことが高信頼性パワーモジュールの用途拡大の足かせになっている。コストが安くかつ信頼性が高いパワーモジュールの開発が熱望されている。
【００１０】
このような要求に対応して例えば、下記の特許文献１の構造においては、セラミックス基板に電子部品を搭載するためのアルミニウムを主成分とする配線を有し、それによって得られたセラミック配線基板を、アルミニウム系ロウ材で冷却ユニットに接合してなるパワーモジュール構造体が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−９３９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示されたアルミニウム合金製の冷却ユニットを使用したパワーモジュール構造体は、空冷式のため例えば中、小型のハイブリットカーでは小型化することができたが、大型車、４ＷＤ車等のより高出力のハイブリッドカーに使用しようとすると、パワーモジュール構造体が大きくなってしまう問題があった。
【００１２】
従って、本発明の液冷式回路基板は上記問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、電流密度を増加した場合に於いても半導体素子の温度上昇を効果的に抑制することのできる小形高効率インバータを実現するために、防水性を確保しつつ絶縁基板の割れの恐れのない接続構造で熱抵抗を安定に低減しパワーモジュールを構成するインバータを小型化し、パワー素子の絶縁基板を小型化し組立ての容易な構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の液冷式回路基板は、主面に冷却液を流すための溝を形成した放熱基板に、絶縁基板に配線導体を形成した配線基板を、前記溝を塞ぐように接合して成る液冷式回路基板において、平面透視して前記溝に沿った縁辺を有する前記配線導体を形成するとともに該配線導体の前記溝に沿った縁辺を前記溝の内側に位置させたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の液冷式回路基板において好ましくは、前記配線導体は、前記絶縁基板の表面に接合した回路パターン形状の金属板から成ることを特徴とする。
【００１５】
本発明の液冷式回路基板において好ましくは、前記配線導体は細長い形状であり、該細長い形状の配線導体の先端の縁辺が平面透視して前記溝の内側に位置していることを特徴とする。
【００１６】
本発明の液冷式回路基板において好ましくは、前記絶縁基板は前記放熱基板の両主面に接合されており、前記配線導体は前記放熱基板の一方主面に接合された前記絶縁基板に形成されたものと、前記放熱基板の他方主面に接合された前記絶縁基板に形成されたものとが対称関係になっていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の液冷式回路基板において好ましくは、前記絶縁基板は前記放熱基板に金属板を介して接合されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の液冷式電子装置は、上記本発明の液冷式回路基板の前記配線基板上に、平面透視して前記溝と重なるように電子部品を搭載して成ることを特徴とする液冷式電子装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の液冷式回路基板は、主面に冷却液を流すための溝を形成した放熱基板に、絶縁基板に配線導体を形成した配線基板を、溝を塞ぐように接合して成ることから、冷却液を直接配線基板に接触させることができるので冷却性能が向上し、また、従来の空冷式放熱板を用いた構造において必要であった放熱板が不要になるとともに、冷却性能の向上に伴い搭載する半導体素子などの電子部品の削減も可能になるのでインバータの小型が実現できる。
【００２０】
更には、平面透視して溝に沿った縁辺を有する配線導体を形成するとともにこの配線導体の溝に沿った縁辺を前記溝の内側に位置させたことにより、放熱基板と配線基板の接合時の熱膨張差により配線導体の縁辺付近に発生する応力を開放された溝の内側で分散することができ、配線基板にクラックが発生するのを有効に防止することが可能な高信頼性を有する液冷却式回路基板を得ることができる。
【００２１】
本発明の液冷式回路基板は、配線導体が絶縁基板の表面に接合した回路パターン形状の金属板から成ることから、容易に配線導体断面を矩形とすることができるため一般的に印刷で形成した場合の断面がかまぼこ状の配線導体に比べ同一厚みで同一配線導体幅であっても断面積が大きくなるため、より多くの電流を流すことが可能となる。また、印刷で形成した配線導体は、微小な粒子を焼結した構造となっているため、同一断面積であっても同一断面積の純金属板に比べて電気抵抗が高いため、配線導体を金属板とすることで、より大きな電流を流すことが可能となり、その結果、冷却性能の優れた液冷式回路基板を得ることができる。
【００２２】
本発明の液冷式回路基板は、配線導体が細長い形状であり、この細長い形状の配線導体の先端の縁辺が平面透視して溝の内側に位置していることから、より大きな応力が加わりやすい細長い形状の配線導体の先端部において、より良好に応力を分散でき、配線基板のクラックをより有効に防止できる。
【００２３】
本発明の液冷式回路基板は、絶縁基板が放熱基板の両主面に接合されており、配線導体は放熱基板の一方主面に接合された絶縁基板に形成されたものと、放熱基板の他方主面に接合された絶縁基板に形成されたものとが対称関係になっていることから、液冷式回路基板の歪を良好に抑制でき、さらに良好にクラックを防止できる。
【００２４】
本発明の液冷式回路基板において好ましくは、絶縁基板が放熱基板に金属板を介して接合されていることから、絶縁基板の主面の配線導体と他主面の金属板とで絶縁基板を挟み込むことによって配線基板全体としての反りを低減することができ、応力が生じるのをより有効に防止できる。
【００２５】
本発明の液冷式電子装置は、上記本発明の液冷式回路基板の特徴を有する小型で放熱性に優れ、クラック等の発生しない高信頼性を有するものとなる。また、平面透視して溝と重なるように電子部品を搭載して成ることから、電子部品の放熱性をきわめて高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の液冷却式回路基板を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の液冷式回路基板の実施の形態の一例の断面図である。図２はその平面透視図である。これらの図において１は金属板、２は配線導体、３は絶縁基板、４は配線導体２と絶縁基板３と金属板１より構成される配線基板、５は放熱基板、６は接合材、７は放熱基板５に形成された冷却液が流れる溝である。９はボンディングワイヤー、１０は電子部品としての半導体素子である。本発明の液冷式回路基板８は絶縁基板３に例えば窒化珪素基板を用い、銅を主成分とする配線導体２と金属板１により構成される配線基板４を放熱基板５の両側に銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）を主要な成分とする融点が約５７０℃の接合材６で接合されることにより形成される。
【００２８】
本発明の液冷式回路基板８は、主面に冷却液を流すための溝７を形成した放熱基板５に、絶縁基板３に配線導体２を形成した配線基板４を、溝７を塞ぐように接合して成る液冷式回路基板８において、平面透視して溝７に沿った縁辺２’を有する配線導体２を形成するとともに配線導体２の溝７に沿った縁辺２’を溝７の内側に位置させている。
【００２９】
これにより、冷却液を直接配線基板４に接触させることができるので冷却性能が向上し、また、従来の空冷式放熱板を用いた構造において必要であった放熱板が不要になるとともに、冷却性能の向上に伴い搭載する半導体素子１０などの電子部品の削減も可能になるのでインバータの小型が実現できる。例えば、従来の空冷式放熱板を用いた構造では熱抵抗が０．４５℃／Ｗ〜０．５℃／Ｗに対し、本発明では０．３℃／Ｗ〜０．３５℃／Ｗと改善される。
【００３０】
更には、平面透視して溝７に沿った縁辺２’を有する配線導体２を形成するとともにこの配線導体２の溝７に沿った縁辺２’を溝７の内側に位置させたことにより、放熱基板５と配線基板４の接合時の熱膨張差により配線導体２の縁辺２’付近に発生する応力を開放された溝７の内側で分散することができ、配線基板４にクラックが発生するのを有効に防止することが可能な高信頼性を有する液冷却式回路基板８を得ることができる。
【００３１】
このような配線導体２の溝７に沿った縁辺２’は、図２および図３に示すように溝７の軸方向と略平行な配線導体２の縁に位置する辺部を示す。なお、図２のように配線導体２が細長であり、その先端が曲面状である場合でも、その先端の一部が溝７に沿う部分があり、その部分が縁辺２’となる。
【００３２】
絶縁基板３に用いられる窒化珪素基板は、窒化珪素質焼結体からなる板状体である。窒化珪素基板を得るには、まず窒化珪素粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加し混合して窒化珪素質焼結体の原料粉末を調整する。次いで、この原料粉末に有機バインダー及び分散媒を添加し混合してペースト化し、このペーストを例えばドクターブレード法でシート状に成形して窒化珪素質グリーンシートを作製する。このような窒化珪素質グリーンシートを必要に応じて積層し、プレス加工を施して圧着（加圧接着）して窒化珪素質成形体を作製する。この後、窒化珪素質成形体を空気中もしくは窒素雰囲気中で脱脂処理した後、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で焼成することにより、目的とする窒化珪素基板を得ることができる。
【００３３】
絶縁基板３は、配線導体２上に搭載される半導体素子１０等の電子部品が発生する熱を金属板１から放熱基板５へと有効に伝導して放散させ、配線基板４および液冷式回路基板８の放熱特性を向上させるためには、熱伝導率が少なくとも６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、半導体素子１０の実装密度が大きくなることと半導体素子１０の小型化による発熱密度が大きくなることから、特に８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
【００３４】
また、絶縁基板３は、配線基板４および液冷式回路基板８の機械的強度を向上させ、放熱特性を劣化させないためには、その厚みを０．２〜１．０ｍｍとすることが好ましい。厚みが０．２ｍｍ未満では、絶縁基板３と金属板１と放熱基板５とを接合したときに発生する応力により、絶縁基板３に割れが発生しやすくなる傾向がある。他方、厚みが１．０ｍｍを超えると、半導体素子１０から発生する熱を冷却液が流れる溝７に良好に伝達することが困難となる傾向がある。
【００３５】
配線基板４は、前述のようにして製造した絶縁基板３を金属板１と金属板から成る配線導体２で挟んで直接接合法や活性金属法を用いて接合して配線基板４を作製する。
【００３６】
例えば、活性金属法を用いる場合であれば、銀−銅合金粉末を主成分とする銀ロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種からなる活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属ロウ材ペーストを、絶縁基板３の上下面に従来周知のスクリーン印刷技術を用いて所定パターンに印刷する。
【００３７】
その後、金属板１と配線導体２で絶縁基板３をはさんで真空中で、所定温度で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融させて、絶縁基板３と金属板１と配線導体２を接合させる。
【００３８】
金属板１と配線導体２はインゴット（塊）に圧延加工法や抜き打ち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０．３ｍｍで、回路配線パターンの形状等に対応する所定のパターン形状に製作される。あるいは広面積の金属板を絶縁基板３に接合しておき、これからエッチングにより所定の回路を形成するようにしたものであってもよい。
【００３９】
また、配線導体２は、金属板でなく従来周知の導体ペーストで印刷形成したり、蒸着法や、めっき法で形成しても良い。
【００４０】
ここで、配線導体２の厚さは、大電流による発熱を抑制し、配線導体２と絶縁基板３との接合時に接合界面に発生する熱負荷によるクラックを抑制するためには、０．１〜１．０ｍｍが好ましい。配線導体２の厚さが０．１ｍｍより小さいと、電気抵抗が大きくなるため半導体素子１０に十分な電流を供給できにくくなる傾向がある。他方、１．０ｍｍより大きいと、絶縁基板３と配線導体２の熱膨張係数の違いや、活性金属を介して接合したときに発生する応力により、絶縁基板３に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。配線導体２と金属板１は、絶縁基板３の両主面の熱膨張係数を合わせて配線基板４全体としての反りを低減するためには、同じ材質にすることが好ましい。
【００４１】
また、配線導体２が銅板から成る場合であれば、これ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ロウ材との濡れ性が良好となり、ロウ材を介しての接合を強固なものとすることができる。また、配線導体２は例えばアルミニウムやニッケル、その他の導電性合金でも良い。
【００４２】
さらに、配線導体２は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法等により被着させておくと、配線導体２と外部電気回路との電気的接続を良好なものにできるとともに、配線導体２に半導体素子１０等の電子部品を半田を介して強固に接着させることができる。また、金属板１には直接冷却水が接触する。従って、金属板１と配線導体２は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性および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。
【００４３】
放熱基板５は、冷却液の流路となる溝７が形成されたものであって、銅やアルミニウム等の金属、または銅モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金やアルミシリコンカーバイド（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ）系等の複合金属材料等により製作される。
【００４４】
放熱基板５の厚さは、冷却液の流路の圧力損失を小さくして冷却液の流量を多くすることおよび配線基板４と放熱基板５との接合界面に発生する熱負荷によるクラックを抑制するために、１．０〜２０．０ｍｍが好ましい。１．０ｍｍより小さいと圧力損失が大きくなり、冷却液が流れにくくなるため冷却能力が低下する傾向がある。２０．０ｍｍより大きいと配線基板４と放熱基板５の熱膨張係数の違いにより配線基板４に加わる応力が大きくなるので、クラックが発生しやすくなる傾向がある。
【００４５】
冷却液の流れる溝７は対向する2枚の配線基板２と放熱基板５により構成される。配線基板２の直下には半導体素子１０を十分に冷却できるように冷却液の流路となる溝が配置される。溝７の幅は１〜５ｍｍが好ましく１．０ｍｍより小さいと圧力損失が大きくなり、冷却液が流れにくくなる。また溝７の幅が５ｍｍを超えた場合、配線基板４と放熱基板５の熱膨張係数の違いにより配線基板４が変形しクラックが発生しやすくなる傾向がある。溝７は半導体素子１０周辺部に複数個配置されることが好ましい。配線基板４と放熱基板５の接合部分は３ｍｍ以上あることが好ましい。３ｍｍより小さいと十分な気密性を確保しにくくなる傾向があり、また熱を拡散しにくくなる傾向がある。
【００４６】
また、例えば図４に示すように、放熱基板５の中央部に接続部１１を形成した構造、つまり、上下に溝７を形成した構造の場合、内部を接続部１１で接続することにより放熱基板５の剛性を高めることができ、配線基板４と放熱基板５との接合界面に発生するクラックを抑制することができ、更には冷却液と接する面積が増え接続部１１に熱が拡散することにより効率よく冷却することができる。接続部１１の厚みは溝７の幅の０．５倍以上が好ましく、溝７の幅に対し接続部１１の厚みが０．５倍未満の場合は放熱基板５の剛性が弱くなる傾向がある。
【００４７】
また、冷却液の流れる溝７の深さは、１．０〜２０．０ｍｍが好ましい。１．０ｍｍより小さいと圧力損失が大きくなり、冷却液が流れにくくなるため冷却能力が低下する傾向がある。２０．０ｍｍより大きいと配線基板４と放熱基板５の熱膨張係数の違いにより配線基板４に加わる応力が大きくなるので、クラックが発生しやすくなる傾向がある。
【００４８】
配線基板２と放熱基板５は接合前もしくは接合後に冷却液による侵食の影響を防ぐためにＮｉめっき等の耐食メッキをほどこすことが好ましい。
【００４９】
以上の構成により図１に示すような半導体素子１０から水冷式ヒートシンクとして機能する放熱基板５までの熱伝達経路を短くして半導体素子１からの熱を充分に冷却し、かつ信頼性の高い液冷式回路基板８が完成する。
【００５０】
そして、上記本発明の液冷式回路基板８の配線基板４上に、平面透視して溝７と重なるように電子部品を搭載することにより、本発明の液冷式電子装置となる。これにより、上記本発明の液冷式回路基板８の特徴を有する小型で放熱性に優れ、クラック等の発生しない高信頼性を有する液冷式電子装置となる。また、平面透視して溝７と重なるように半導体素子１０などの電子部品を搭載して成ることから、電子部品の放熱性をきわめて高めることができる。
【００５１】
なお、本発明は上述の最良の形態および実施例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、図３のように、溝を液の流れ方向と垂直方向に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の液冷式回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の液冷式回路基板の実施の一例を示す平面透視図である。
【図３】本発明の液冷式回路基板の他の例を示す平面透視図である。
【図４】本発明の液冷式回路基板のもう一つの例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
２：配線導体
２’：縁辺
３：絶縁基板
４：配線基板
５：放熱基板
７：溝
８：液冷式回路基板
１０：半導体素子（電子部品）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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