(57)【要約】【課題】  製造工数・コスト低減可能なパワー素子の実装構造の製造方法を提供する。【解決手段】  セラミック基板1の一方の面にパワー素子を、他方の面の金属層3を設け、放熱部4aと両端部側にそれぞれ設けた突起部4dとを押し出し加工で同時成形して冷却装置4を形成し、はんだシートを挟んだ状態で突起部間に金属層3を配置し、はんだシートを加熱溶融させてセラミック基板1を冷却器4に接合する。突起部4dの高さは、はんだシートの厚さより高く、かつ溶融前のはんだシートの厚さと金属層3の高さとの合計値より低く設定する。金属層3は、冷却器4にはんだシートではんだ付けされる第１の金属層3aと、冷却器4にはんだ付けされずに、第１金属層の外側位置で所定の距離離されて、突起部4dの内側側面に当接してセラミック基板1と冷却器4との相対位置を規制する第２の金属層3bと、を有するようにした。【選択図】図１
2013247310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の一方の面にパワー素子を実装し、他方の面の金属層を設け、
放熱部および前記セラミック基板側の面の両端部側にそれぞれ設けた突起部を押し出し加工で同時成形して冷却装置を形成し、
前記突起部間に前記セラミック基板の金属層を配置し、前記金属層と前記冷却器との間にはんだシートを配置した状態で、前記セラミック基板を前記冷却器に組み付け、
前記はんだシートを加熱溶融させて前記セラミック基板と前記冷却器とを接合するパワー素子の実装構造の製造方法であって、
前記突起部は、これらの高さを、前記配置した溶融前のはんだシートの厚さより高く、かつ該はんだシートの厚さと前記金属層の高さとの合計値より低く設定するとともに、
前記金属層は、前記冷却器に前記はんだシートではんだ付けされる第１の金属層と、前記冷却器にはんだ付けされずに、前記第１金属層の外側位置で所定の距離離されて、前記突起部の内側側面に当接して前記セラミック基板と前記冷却器との相対位置を規制する第２の金属層と、を有するようにした、
ことを特徴とするパワー素子の実装構造の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー素子の実装構造の製造方法において、
前記第１の金属層と前記第２の金属層との離間距離は、前記溶融したはんだで前記第１の金属層と前記第２の金属層とがつながることがない距離に設定されている、
ことを特徴とするパワー素子の実装構造の製造方法。
【請求項３】
セラミック基板と、
該セラミック基板の一方の面に実装されたパワー素子と、
前記セラミック基板の他方の面に設けられた金属層と、
幅方向および長さ方向のうちの一方向での両端側で前記セラミック基板側の面からそれぞれ突出され、これらの間に前記金属層を収納可能な突起部と放熱部の冷却路とが並行に幅方向および長さ方向のうちの他方向の両端部間にわたって延在するように一体形成され、前記セラミック基板が接合された冷却器と、を備え、
前記金属層が前記冷却器に接合した第１の金属層と、前記冷却器に接合されることなく、前記第１金属層の外側位置で所定の距離離されて、前記突起部の内側側面に向かい合った第２の金属層と、を有する、
ことを特徴とするパワー素子の実装構造。
【請求項４】
前記第１の金属層と前記第２の金属層との離間距離は、前記溶融したはんだで前記第１の金属層と前記第２の金属層とがつながることがない距離に設定されている、
ことを特徴とするパワー素子の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー素子を実装したセラミック基板に冷却器をはんだ接合するパワー素子の実装構造の製造方法およびパワー素子の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー素子の実装構造の製造方法としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この従来のパワー素子の実装構造は、半導体基板と、この基板をはんだ接合により搭載するための銅または銅合金からなる放熱板と、を有している。
半導体基板と放熱板とは、はんだ接合されるが、これら間に配置されるはんだ層の厚さが薄いと、その部分にクラックが生じ易い。そこで、従来から半導体基板と放熱板の間隔を確保するため、放熱板の面に突起を設けて半導体基板に当接させて上記間隔を保つようにしている。
上記特許文献１に記載のものにあっては、上記突起を製造するには、放熱板に加工ピンでリング状の窪みを付けて突起を隆起させるパンチ工程の後、少なくとも突起上面または窪み周囲の盛り上がり部のいずれかをプレス型でパンチする工程を経て突起を形成するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１６０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のパワー素子の実装構造の製造方法にあっては、放熱板を作成した後、突起を形成するには、この放熱板に対し別途、二度もしくは三度にわたるパンチ工程が必要となるため、工数と製造コストが増加するといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、製造工数および製造コストを少なくしながら，安定した強度および信頼性を確保することができるようにしたパワー素子の実装構造の製造方法およびパワー素子の実装構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のため、請求項１に記載の本第１の発明によるパワー素子の実装構造の製造方法は、
セラミック基板の一方の面にパワー素子を実装し、他方の面の金属層を設け、
放熱部およびセラミック基板側の面の両端部側にそれぞれ設けた突起部を押し出し加工で同時成形して冷却装置を形成し、
突起部間にセラミック基板の金属層を配置し、金属層と冷却器との間にはんだシートを配置した状態で、セラミック基板を冷却器に組み付け、
はんだシートを加熱溶融させてセラミック基板と冷却器とを接合するパワー素子の実装構造の製造方法であって、
突起部は、これらの高さを、はんだシートの厚さより高く、かつ上記配置した溶融前のはんだシートの厚さと金属層の高さとの合計値より低く設定するとともに、
金属層は、冷却器にはんだシートではんだ付けされる第１の金属層と、冷却器にはんだ付けされずに、第１金属層の外側位置で所定の距離離されて、突起部の内側側面に当接してセラミック基板と冷却器との相対位置を規制する第２の金属層と、を有するようにした、
ことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に載の本発明によるパワー素子の実装構造の製造方法は、
請求項１に記載のパワー素子の実装構造の製造方法において
第１の金属層と第２の金属層との離間距離は、溶融したはんだで第１の金属層と第２の金属層とがつながることがない距離に設定されている、
ことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の本第２の発明によるパワー素子の実装構造は、
セラミック基板と、
セラミック基板の一方の面に実装されたパワー素子と、
セラミック基板の他方の面に設けられた金属層と、
幅方向および長さ方向のうちの一方向での両端側でセラミック基板側の面からそれぞれ突出されこれらの間に金属層を収納可能な突起部と放熱部の冷却路とが並行に幅方向および長さ方向のうちの他方向の両端部間にわたって延在するように一体形成され、セラミック基板が接合された冷却器と、を備え、
金属層が冷却器にはんだ層を介して接合した第１の金属層と、冷却器に接合されることなく、第１金属層の外側位置で所定の距離離されて、突起部の内側側面に向かい合った第２の金属層と、を有する、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明のパワー素子の実装構造は、
請求項３に記載のパワー素子の実装構造において、
第１の金属層と第２の金属層との離間距離は、溶融したはんだで第１の金属層と第２の金属層とがつながることがない距離に設定されている、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の本発明のパワー素子の実装構造の製造方法にあっては、製造工数および製造コストを少なくしながら，安定した強度および信頼性を確保することができるようにしたパワー素子の実装構造を製造することができる。
【００１１】
請求項２に記載のパワー素子の実装構造の製造方法にあっては、第１の金属層と第２の金属層とがはんだでつながることを防止することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明のパワー素子の実装構造にあっては、製造工数および製造コストを少なくしながら，安定した強度および信頼性を確保することができる。
【００１３】
請求項４に記載の本発明のパワー素子の実装構造にあっては、第１の金属層と第２の金属層とがはんだでつながることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１のパワー素子の実装構造に用いられるセラミック基板を示す平面図である。
【図２】本発明の実施例１のパワー素子の実装構造を示す側面断面図である。
【図３】実施例１のパワー素子の実装構造で用いる冷却器の側面断面図である。
【図４】(a)は本発明の実施例１のパワー素子の実装構造を構成するセラミック基板と冷却器との組み付け前の分解断面図、（ｂ）は実施例２に係るパワー素子の実装構造を構成するセラミック基板と冷却器とを組み付けた状態の全体の側面断面図、およびその一部（図中一点鎖線で示す）の拡大側面断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
まず、実施例１のパワー素子の実装構造の全体構成を説明する。
この実施例１のパワー素子の実装構造は、たとえば電気自動車やハイブリッド電気自動車等に搭載された車両駆動用モータを駆動するための複数のパワー素子（たとえば、IGBTやダイオード）を有する。このパワー素子は、高熱を発するので、これらを冷却するようにして適正温度内に保つように冷却器を取り付けるようにしている。
【００１７】
この実施例１のパワー素子の実装構造は、図１、図２、図４に示すように、アルミナや窒化アルミニウムからなる絶縁体としてのセラミック基板1と、このセラミック基板1の一方の面（冷却器4とは反対側の面）上に実装される、パワー素子等を有する３つのレグ（上下のパワー素子のペア）6a〜6cを構成する、たとえば銅製の半導体実装側金属パターン2と、セラミック基板1の他方の面(冷却器4側の面)上に設けられ銅板などの導体からな冷却器側金属パターン3と、セラミック基板1の他方側に設けられて冷却器側金属パターン3に面接触する冷却器4と、この冷却器4上でセラミック基板1、セラミック基板半導体実装側金属パターン2、冷却器側金属側パターン3を覆うとともに冷却器4とは反対側の面上にここから冷却器4とは反対側に突出する複数の放熱フィン5aを有するケース5と、を備えている。
【００１８】
冷却器4は、図３に示すように、ある程度の厚みがある板状のアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなるアルミ部材から押し出し成形で製造され、内部が長さ方向（図１での上下方向）に貫通する複数の貫通孔を形成するように、高さ方向（図３での上下方向）に延びる複数の放熱フィン部4aで仕切られる。
【００１９】
したがって、隣合うこれら放熱フィン部4aの間に形成された貫通孔は、たとえば冷却水を流すための複数の冷却路4bとして用いる。
なお、これら複数の貫通孔のうち、幅方向（図２、図３での左右方向）の両最外側の放熱フィン部4aの幅方向外側にもそれぞれ１本の冷却路4cが形成されているが、これらの冷却路4cは、冷却路4bより大きな流路面積を有するように設定されている。
【００２０】
また、冷却器4の一方の面（セラミック基板1側の面）上には、幅方向（図１および図３での左右方向）の端部に近い位置にそれぞれ、外側へ延びる突起部4dが設けられる。
なお、これら両突起部4dは、セラミック基板1と冷却器4とを組み合わせたとき、両突起部4dの間にセラミック基板1の冷却器側金属パターン3が挿入可能であり、かつこの冷却器側金属パターン3の幅方向両端部に近接する位置に来て、それら両者が幅方向の相対位置を規制するようにする。
また、これらの突起部4dは、上記従来技術のように放熱板の４隅近くの４点に設けるのではなく、冷却器4の長さ方向（図１の上下方向）に沿って、両端部を結ぶように、この直線上に同じ横断面を有して延在する。
【００２１】
これら突起部4dの高さは、後で説明するように、冷却器4とセラミック基板1の間に配置するはんだシートより高くなるようにするとともに、はんだシートの高さとセラミック基板1の冷却器側金属パターン3の厚さ（高さ）との合計値よりも低く設定する。
【００２２】
なお、本発明、したがって実施例１では、冷却器4は、上記放熱フィン部4a、冷却路4b、4c、突起部4d等を、すべてアルミ材を押し出し形成することで、同時に形成する。すなわち、従来技術のように冷却板形成後に別途パンチ工程で形成するようなことは不要とする。
【００２３】
なお、冷却器4は、水冷式の場合には開放端側を塞ぐとともに、その一端側に冷却水の流入口を、また他端側に冷却水の流出口をそれぞれ設け、それらを図示しない冷却水回路に接続する。
【００２４】
一方、上述したように、セラミック基板1の一方の面には半導体実装側金属パターン2が設けられるとともに、その他方の面には冷却器側金属パターン3がそれぞれ設けられるが、これらの金属パターン2、3は、セラミック基板1本体よりも一周り小さくしてある。
なお、冷却器側金属パターン3は、本発明の金属層に相当する。
【００２５】
冷却器側金属パターン3は、この幅方向の中央位置に配置される第１の金属層3aと、この第１の金属層3aの幅方向外側で第１の金属層3aから幅方向に分離された位置にそれぞれ配置される第２の金属層3bと、を有している。
また、第２の金属層3bの最外側端は、冷却器4とセラミック基板1とを組み付けたとき、連続あるいは不連続であれ、冷却器4の突起部4dに沿うようにして向かい合うような直線上に設けてある。
【００２６】
第１の金属層3aは、このセラミック基板1とは反対側の面が、冷却器4のセラミック基板1側の面にはんだ接合される。
一方、幅方向両端側にそれぞれ配置された第２の金属層3bは、いずれも冷却器4にはんだ接合されることなく、セラミック基板1と冷却器4とを組み合わせたとき、第２の金属層3bの端部が冷却器4の突起部4dに当接可能な高さを有し、これらが当接することで、上述したように、はんだ接合前にセラミック基板1と冷却器4とをこれらの間にはんだシートを配置した状態で組み合わせたとき、セラミック基板1と冷却器4との幅方向の相対位置を規制するように構成している。
【００２７】
なお、第１の金属層3aと第２の金属層3bとの幅方向の隙間は、溶融接合したはんだの端部にはんだフィレットを形成可能な大きさにし、また、はんだが第１の金属層3aと第２の金属層3bとをつなぐことで第２金属層3bがはんだおよび第１の金属層3aを介して冷却器4に電気的に接続されることがないような大きさに設定してある。
【００２８】
次に、上記構成になるパワー素子の実装構造の製造につき、以下に説明する。
まず、セラミック基板1には、この一方の面に半導体実装側金属パターン2を、また他方の面に冷却器側金属パターン3をそれぞれ取り付ける。また、半導体実装側金属パターン2には、パワー半導体等を組み付ける。
【００２９】
一方、冷却器4は、アルミ材を押し出し成形加工することで、図４に示すように、長さ方向に延在する複数の放熱フィン部4aと、長さ方向に延在する冷却路4b、4cと、長さ方向に延在する２つの突起部4dと、を一体で同時形成する。
【００３０】
また、これらとは別に、ケース５に複数の放熱フィン5aを設け、またはんだ材を用意する。
【００３１】
次いで、冷却器4の一方の面上には、第２のセラミック基板1の冷却器側金属パターン3のうちの第１の金属層3aに対応する大きさ、位置にはんだシートをおいた状態で、セラミック基板1を載せる。
このとき、セラミック基板1の冷却器側金属パターン3は、冷却器4の両突起部4d間に入って第２の金属層3bの両端部側がこれらと相対する。したがって、はんだ溶融前であっても、突起部4dと第２の金属層3bの両端部側が当接してこれらの相対変位を規制する。
【００３２】
このようにして仮組みしたパワー素子の実装構造は、図示しない加熱炉に入れて、はんだシートを溶融し、この部分を接合する。すなわち、第２金属層3bと、はんだ層7（図２参照）とを互いに接合する。
ケース5は、すべてのはんだ付が終了した後に、接着剤にて冷却器4に接着固定する。
【００３３】
ここで、上記はんだの溶融にあっては、セラミック基板1の両端部が突起部4d上に載っているので、これら間の高さを規制する。したがって、はんだがこれらの間で薄くなることを防止する。これは、はんだが薄くなることによってはんだにクラック等が発生するのを防止することになる。
【００３４】
また、第１の金属層3aと第２の金属層3bとの間には隙間を設けてあるので、第１の金属層3a側のはんだ層が溶融してこの端部側にはんだフィレットを形成することが可能となる。これは、その接合強度を高め、かつ信頼性の安定したはんだ層を形成することになる。
この場合、第１の金属層3aと第２のはんだ層3bとの間の隙間が溝状に形成されて分離され、かつ上述の大きさに設定されているので、はんだが第１の金属層3aと第２の金属層3bとをつなぐことはない。
【００３５】
また、上記はんだ付けに作業により発生したガスは、図２の手前あるいは奥行方向の突起部4がない面から外へ排出されることになる。
【００３６】
以上、説明したように、実施例１のパワー素子の実装構造およびその製造方法にあっては、以下の効果を有する。
冷却器4は、放熱フィン部4a、冷却路4b、4c、突起部4dを、アルミ材を押し出し加工で同時に一体加工して、これらが長手方向にこの両端側にわたって並行に延在するようにした。
したがって、突起部4dの形成は、冷却部4を形成するのと同時に一体形成することができる。この結果、製造工数が減り、製造コストも小さくすることが可能となる。
【００３７】
セラミック基板1と冷却器4とを組み合わせたとき、セラミック基板1の金属層を形成する冷却器側金属パターン3が、冷却器4の突起部4d間に挿入可能とされ、冷却器側金属パターン3の第２金属層3bが突起部4dの内側側面に当たってセラミック基板1と冷却器4との幅方向の相対位置を規制するようにしたので、はんだ接合前のそれらの位置決めが容易になる。
【００３８】
金属層を形成する冷却器側金属パターン3を、冷却器4にはんだ付けで接合する第１の金属層3aと、冷却器4にはんだ接合せず、冷却器4の突起部4dの内側側面に当たってセラミック基板1と冷却器4との幅方向の相対位置を規制する第２の金属層3bと、から構成し、かつこれらの金属層3a、3bが幅方向に所定距離、離間するようにした。
したがって、第２の金属層3bのはんだが溶融してフィレットができるのを可能にする。この結果、接合強度が上がり、信頼性の安定したはんだ層が得られる。
【００３９】
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
【００４０】
たとえば、突起部4dの形状は、実施例１では断面が長方形をしているが、これに限られず、押し出し成形で同時加工可能で、かつ第２の金属層3bに当接して冷却器4とセラミック基板1との相対変位を規制できる形状であればよい。
【００４１】
また、実施例では、突起部4d、放熱フィン部4a、冷却路4b、4cは幅方向に並べられて、長さ方向に延在しているが、長さ方向、幅方向を逆にしてもよい。また、それらの形状も、使用条件や環境に応じて適宜設定することができる。
【００４２】
また、本発明のパワー素子は、電気自動車やハイブリッド車等に限られることなく、他の分野のパワー素子を用いるものに適用してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
1      セラミック基板
2      半導体実装側金属パターン
3      冷却器側金属パターン（金属層）
3a    第１の金属層
3b    第２の金属層
4      冷却器
4a     放熱フィン部
4b、4c    冷却路
4d     突起
5      ケース
5a     放熱フィン
6a〜6c      レグ（上下のパワー素子のペア）
7      はんだ層（はんだシートが溶融してできた層）
【図１】
2013247310.tif 000003
【図２】
2013247310.tif 000004
【図３】
2013247310.tif 000005
【図４】
2013247310.tif 000006