(57)【要約】【課題】冷却効率の高い電子機器を提供する。【解決手段】本発明の電子機器は、発熱源となる電子デバイス（１０）と、低熱膨張で高熱伝導の基部（２１）と基部上に設けられ電子デバイスがハンダ接合される配線層を有する配線部（２２）と基部上で配線部の反対面側に設けられ基部を通過した電子デバイスからの発熱を放熱する放熱部（２３）とからなる基板（２０）と、基板を保持する筐体（３０）と、からなる電子機器であって、さらに、前記基板の放熱部に冷媒を直接導く冷媒誘導体（４０）を有することを特徴とする。冷媒が基板の放熱部へ直接誘導されるので、高い冷却効率が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源となる電子デバイスと、
金属製または金属を含む複合材製で熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃で熱伝導率が１５０〜２５０Ｗ／（ｍｋ）の基部と該基部上に設けられ該電子デバイスがハンダ接合される配線層を有する配線部と該基部上で該配線部の反対面側に設けられ該基部を通過した該電子デバイスからの発熱を放熱する放熱部とからなる基板と、
該基板を保持する筐体と、からなる電子機器であって、
さらに、前記基板の放熱部に冷媒を直接導く冷媒誘導体を有することを特徴とする電子機器。
【請求項２】
前記基部は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるマトリックス中にＳｉＣ粒子が分散したＡｌ−ＳｉＣ複合材からなる請求項１に記載の電子機器。
【請求項３】
前記基板の放熱部は、前記冷媒に対する耐食性を備えた絶縁層を有する請求項１または２に記載の電子機器。
【請求項４】
前記冷媒誘導体は、前記放熱部に対して法線方向成分を有する流入方向から前記冷媒を該放熱部に向けて導く誘導路を有する請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の電子機器。
【請求項５】
前記冷媒誘導体は、前記冷媒の流速を高める絞り部を有する請求項１から４のうちいずれか一項に記載の電子機器。
【請求項６】
前記筐体は樹脂製であり、前記冷媒誘導体は金属製である請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の電子機器。
【請求項７】
前記冷媒誘導体は、前記冷媒を前記基板の放熱部へ誘導すると共に開口端部が該基板に密接し得る突出した冷却突穴を有し、
前記筐体は、該冷却突穴に嵌合する嵌合穴を有する請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の電子機器。
【請求項８】
前記絶縁層は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）被膜または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）被膜のいずれかである請求項３〜７のうちいずれか一項に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱量が比較的大きな半導体素子などの電子デバイスを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーＭＯＳＦＥＴ等の電子デバイスは発熱量が多い。この発熱により電子デバイスを搭載した電子機器が過熱されると、様々な障害を生じ得る。このような障害として、例えば、高温になった電子デバイスの機能低下に伴う電子機器の誤動作がある。そこで、電子デバイスなどの過熱を抑止するために、電子デバイスの発熱を効率的に外部へ移動（放熱）させることがヒートシンクなどの放熱器を介してなされる。
【０００３】
もっとも、このような放熱を行っても、電子デバイスやそれがハンダ接合される配線部などが、ある程度の温度まで上昇することは避けられない。このような温度上昇により各部に熱膨張が生じる。しかも、ハンダ接合部のように、ハンダを介して熱膨張係数の異なるものが接合されると、その接合界面には熱膨張差により、熱応力が発生する。しかも、電子機器の起動と終了とが繰返される度に、ハンダ接合部は冷間状態と高温状態とを繰り返すことになり、上記の熱応力の大きさや向きが変動（振動）することになる。この結果、時間の経過にしたがってハンダ接合部などに熱疲労による亀裂などが生じたりし得る。そして、このような温度変化自体を無くすことは困難であり、また、ハンダ接合部の耐熱強度や耐熱疲労強度を従来以上に高めることも難しい。
【０００４】
従って、電子機器の信頼性を高めるためには、効率的な放熱によって電子デバイスやその周辺部の温度上昇を抑制すると共に、温度変化に伴って電子デバイスの接合部等などに生じる熱応力や熱疲労などを低減することが重要となる。上述したように、熱応力は、熱膨張係数の異なる異種部材間の接合界面などに生じるから、熱応力の低減には異種部材間の熱膨張係数差を可能な限り小さくすることが有効である。
【０００５】
このような観点から、例えば、下記の特許文献１では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材とその両面に設けたＡｌ層とからなる基板上に半導体チップをハンダを介して実装し、その半導体チップの反対側に水路をもつヒートシンク（特許文献１での呼称は「基板」）を設けた電子機器が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−６７２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１のように閉じた水路をもつヒートシンクでは、配線層と水路との距離が長く必ずしも冷却効率がよいとはいえない。また、水路を拡張すればヒートシンクが大型化し易くなり、電子機器のコンパクト化の要請に反する。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、発熱源である電子デバイスを搭載した基板をより効率的に冷却でき、より信頼性を高めることが可能な電子機器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】
【０００８】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、発熱する電子デバイスを搭載した基板を裏側から直接的に冷却することを思いついた。そしてこの着想を発展させることで、本発明者は以降に述べる種々の発明を完成させるに至った。
【０００９】
〈電子機器〉
（１）本発明の電子機器は、発熱源となる電子デバイスと、金属製または金属を含む複合材製で熱膨張係数が６〜２０ｐｐｍ／℃（望ましくは６〜１８ｐｐｍ／℃）で熱伝導率が１５０〜２５０Ｗ／（ｍｋ）の基部と該基部上に設けられ該電子デバイスがハンダ接合される配線層を有する配線部と該基部上で該配線部の反対面側に設けられ該基部を通過した該電子デバイスからの発熱を放熱する放熱部とからなる基板と、該基板を保持する筐体と、からなる電子機器であって、
さらに、前記基板の放熱部に冷媒を直接導く冷媒誘導体を有することを特徴とする。
【００１０】
（２）本発明の電子機器の場合、先ず、基板の基部の熱伝導率が大きいため、その熱流束が大きく、電子デバイスで生じた大きな発熱も、基板の配線部から放熱部へスムーズに流れる。また、基板の基部の熱膨張係数が小さいため、熱膨張係数の小さい電子デバイスとそれがハンダ接合される配線部との間の熱膨張差も小さく保たれる。このため、その接合部に作用する熱応力も小さくなり、冷熱サイクルに伴う接合部の疲労寿命も大きくなる。
【００１１】
さらに本発明の電子機器では、冷媒誘導体により冷媒が基板の放熱部へ直接導入されるため、基板の冷却効率が著しく高まる。また、その放熱部と冷媒誘導体の水路との間に余分な介在物が存在しない分、電子機器をよりコンパクトにすることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。本発明の電子機器は、次に列挙する中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成を、上述した構成に付加してものでもよい。また選択される構成は、重畳的かつ任意的に付加可能である。なお、本明細書で説明するいずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なることを断っておく。
【００１３】
〈電子デバイス〉
電子デバイスは発熱を伴うものである限り、その種類は問わないが、代表的なものはパワーＭＯＳＦＥＴ等の発熱量の大きなパワー半導体素子である。もちろん、高密度に集積された集積回路チップなどでもよいし、逆に、抵抗素子等であってもよい。
【００１４】
〈基板〉
本発明の基板は、基部と、その一面側に設けられる配線部と、その他面側に設けられる放熱部とからなる。
（１）基部は、低熱膨張で高熱伝導の金属製または金属を含む複合材製からなる。この一例として、ＡｌまたはＡｌ合金からなるマトリックス中にＳｉＣ粒子が分散したＡｌ−ＳｉＣ複合材がある。マトリックス金属や分散粒子の種類はこれには限らず、また、マトリックス金属や分散粒子の配合割合、複合材の製法等は電子機器の仕様に応じて適宜、決定、選択される。この他、金属製の基部として、例えば、Ｃｕ−Ｃｒ合金なども選択可能である。
【００１５】
ちなみに、単なるセラミックス基板等ではなく、このような金属を含む基板を用いることで、低コスト化のみならず、基板の靱性や耐衝撃性等が高まり電子機器の信頼性がより向上し、電子機器の用途が拡大し得る。
【００１６】
ところで、半導体素子等の電子デバイスの熱膨張係数は一般的に３〜５ｐｐｍ／℃程度である。そこで、基部の熱膨張係数もその範囲に近い方が好ましいので、基部の熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃さらには８〜１２ｐｐｍ／℃であると好ましい。
また基部の熱伝導率は高いほど好ましいが、熱伝導率の非常に大きなＳｉＣ単体の熱伝導率でも３９０Ｗ／（ｍｋ）程度である。従って、本発明の基部の熱伝導率は１５０〜２５０Ｗ／（ｍｋ）さらには１８０〜２００Ｗ／（ｍｋ）程度であれば実用的である。
【００１７】
また、基部の厚さは薄いほど基板全体としての放熱性に優れる。実用的な強度等を考慮して、その厚さは０．５〜２ｍｍさらには０．８〜１．２ｍｍ程度であると好ましい。
【００１８】
（２）配線部は、電子デバイスがハンダ接合される配線層を備える。この配線層はＣｕ（合金）製、Ａｌ（合金）製などいずれでもよく、表面にハンダとの接合性（濡れ性）を高めるＮｉメッキなどを施しても良い。
【００１９】
また、配線の回路構成にも依るが、通常は、この配線層と前記基部の表面との間には絶縁層が形成される。この絶縁層は、後述する放熱部の絶縁層と同じでもよいし、異なっていてもよい。
なお、この配線部の厚さは高々０．３ｍｍ程度と薄いため、配線部の熱膨張は実質的に下層にある基部の熱膨張により支配される。
【００２０】
（３）放熱部は、基部に対して配線部の反対面側に設けられる。この放熱部で、基部を通過した電子デバイスからの発熱が、冷媒誘導体から導かれた冷媒へ伝達され、熱交換（放熱）される。
【００２１】
上述した配線部と基部との間で十分な絶縁がされているなら、放熱部は単に基部の表面そのものでも良い。また、冷媒が非導電性である場合も、基部の表面そのものを放熱部とすることも可能である。
【００２２】
もっとも、基部は少なからずＡｌなどの金属を含んでいるため、冷媒として一般的な冷却水を用いた場合、漏電対策として放熱部が絶縁層を備えると好ましい。特に、発熱の大きな電子デバイスには高電圧が印加されることが多いため、十分な漏電対策を施すことが好ましい。
【００２３】
また、用いる冷媒や基部を構成する金属の種類にも依るが、放熱部には循環する冷媒が継続的にあたり、いわば放熱部は冷媒からの攻撃に曝される。このため放熱部は、冷媒の浸食に対する耐食性を備えた保護層を備えると好ましい。さらに、前記絶縁層が冷媒に対する耐食性をも有するものであり、その保護層を兼用するものであるとより好適である。
【００２４】
このような保護層と絶縁層とを兼用できる絶縁被膜として、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）被膜または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）被膜などがある。いずれを選択しても良いが、例えば、基部がＡｌ−ＳｉＣ複合材からなる場合であれば、被膜の性能と被膜形成の容易さからＤＬＣ被膜が好適である。
なお、この放熱部の厚さは高々２０μｍ程度と薄いため、絶縁層や保護層の存在によって伝熱性や放熱性が阻害されることはほとんどない。
【００２５】
〈冷媒誘導体および筐体〉
（１）冷媒誘導体は、冷媒を基板の放熱部に直接的に導く。冷媒誘導体の材質は問わないが、使用する冷媒に応じた耐食性を有すると好ましい。例えば、冷媒が冷却水である場合、熱硬化性樹脂などの硬質樹脂を冷媒誘導体に用いることも考えられる。しかし、冷却水が高温になり得ることや、冷媒誘導体自体も熱伝導性に優れ放熱性のある金属製が好ましいことから、冷媒誘導体は、軽量で耐食性の高いＡｌ（合金）製等が好ましい。
【００２６】
（２）ところで、本発明の電子機器も何らかの筐体に収容されることが一般的である。この筐体が、軽量化や成形性等の観点から樹脂製である場合でも、前述の観点から冷媒誘導体は金属製であることが好ましい。
【００２７】
もっとも、本発明の電子機器の場合、その構成上、樹脂製の筐体と、金属製の冷媒誘導体とが独立していてもよいが、両者の形状等を工夫することで、電子機器をより簡素な構造とすることも可能である。例えば、冷媒誘導体が冷媒を基板の放熱部へ誘導すると共に開口端部が該基板に密接し得る突出した冷却突穴を有し、筐体が該冷却突穴に嵌合する嵌合穴を有すると好適である。これにより、電子デバイスを搭載した基板を収納した筐体に、いわば、冷媒誘導体を差し込むようにするだけで、本発明の電子機器を得ることができる。また、冷媒誘導体が筐体の外側に配置されるようになるため、冷媒誘導体や電子機器の形状的な設計自由度が高まり、電子機器をよりコンパクトにし得る。
【００２８】
勿論、筐体も放熱性が高く、信頼性の高いＡｌ（合金）等の金属製からなる場合であれば、その筐体に冷媒誘導体を兼用させることも可能となり、より低コスト化、軽量化、コンパクト化等を図ることも可能となる。
【００２９】
（３）冷媒誘導体により、基板の放熱部へ導かれる冷媒の流れる方向は特にこだわらない。ただし、平面的な放熱部に沿った層流であると、放熱部の最表層部分の流速が遅くなり、効率的な熱交換がされ難い。また、長く複雑な流路形成が必要となる場合もある。そこで、冷媒誘導体は、放熱部に対して法線方向成分を有する流入方向から記冷媒を放熱部に向けて導く誘導路を有すると好適である。この流入方向は放熱部に対する直交方向であっても傾斜していてもよい。要するに、流入方向は放熱部に平行でなければよい。
【００３０】
冷媒は、通常、外部にあるポンプなどにより放熱部へ圧送され、放熱部で加熱された冷媒はラジエター等の熱交換器で冷却されて、放熱部へ環流する。ここで放熱部へあたる際に冷媒の流速が大きいほど、冷媒と放熱部との間の熱伝達性が向上する。そこで、冷媒誘導体（またはその誘導路）は、冷媒の流速を高める絞りを放熱部の直前の流路上に有すると好適である。
【００３１】
なお、放熱部と冷媒誘導体との間、筐体と冷媒誘導体との間など、冷媒の浸入があり得る部分には、適宜、冷媒の種類に応じた材質からなるゴムパッキンや液体シールパッキンが設けられると好適である。
【実施例】
【００３２】
実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
本発明に係る電子機器の一実施例であるパワーモジュール（半導体モジュール）Ｐの要部を示す横断面図を図１に示す。このパワーモジュールＰは、例えば、三相誘導電動機（三相モータ）の駆動制御用のインバータ装置等に使用されるものである。
【００３３】
パワーモジュールＰは、パワーＭＯＳＦＥＴ等の種々の半導体素子１０（電子デバイス）と、この半導体素子１０を搭載する基板２０と、基板２０を収容するケース３０（筐体）と、放熱器４０（冷媒誘導体）とからなる。なお、図１では、便宜上、１個の半導体素子１０の近傍のみを示してある。
【００３４】
基板２０は、中央にＡｌ−ＳｉＣ複合材からなる基部２１と、その上面に配置された薄いＡｌ層（配線層）からなる配線部２２と、基部の下面に配置された薄いＡｌ層２３１およびそのさらに下面に設けられたＤＬＣ被膜からなる絶縁層２３２とからなる放熱部２３とからなる。
【００３５】
ここで基部２１のＡｌ−ＳｉＣ複合材は次のようにして製造される。先ず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末に、無機バインダーを加えて混合し、その混合物を成形し、得られた成形物を焼成した焼結体を製作する。この焼結体を成形型内にセットし、溶融状態の純Ａｌを加圧注入し、冷却凝固させる。こうしてＡｌ−ＳｉＣ複合材が形成される。
【００３６】
このときのＳｉＣとＡｌの割合は全体を１００質量％としたときにそれぞれ５０体積％と５０体積％であった。その空孔率は２％であった。このＡｌ−ＳｉＣ複合材の熱膨張係数は１５ｐｐｍ／℃で熱伝導率は１８０Ｗ／（ｍｋ）であった。また、基部の厚みは１ｍｍであった。
【００３７】
基部２１の両面のＡｌ層は、上記のＡｌ−ＳｉＣ複合材の両面にそれぞれ厚さ０．３ｍｍのアルミニウム板を配置し、加圧しつつアルミニウムの溶融温度まで加熱し、Ａｌ−ＳｉＣ複合材にアルミニウム板を積層接着させることで形成される。
【００３８】
ＤＬＣ被膜は周知の方法により形成される。具体的には、プラズマＣＶＤ法により得られる。このＤＬＣ被膜は絶縁性および耐食性に優れるので、絶縁層のみならず本発明でいう保護層をも兼ねる。ちなみにこのＤＬＣ被膜の膜厚は約２０μｍであった。
ケース３０は樹脂製であり、半導体素子１０の発熱の拡散領域を考慮して、半導体素子１０の搭載面より少し拡幅した嵌合穴３１が形成されている。
【００３９】
放熱器４０は耐食性に優れたＡｌ合金製であり、上部にケース３０の嵌合穴３１に嵌入される冷却突穴４１が形成されている。冷却突穴４１の上部にある開口端部４１１は、放熱部２３の絶縁層２３２に密接している。なお、この開口端部４１１と放熱部２３との間は、水漏れを防ぐために薄く塗布した液体パッキンでシールされている。
【００４０】
放熱器４０の内部には、冷却水（冷媒）が通過する水路４２が形成されている。この水路４２は、外部のウォータポンプから圧送された冷却水を導入する導入部４２１と、それに連なる絞り部４２２と、絞り部４２２から噴流させた冷却水を放熱部２３へその法線方向成分から導く誘導路４２３と、放熱部４３で加熱された冷却水を外部にある熱交換器（ラジエター等）に戻す還流部４２４とからなる。
【００４１】
このようにして、冷却水が放熱部２３へ直接誘導され、基板２０を介して半導体素子１０の接合されるハンダ接合部は効率的に安定した冷却される。その結果、耐久性等の信頼性が高いパワーモジュールＰが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施例に係るパワーモジュールＰを示す横断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ｐ      パワーモジュール（電子機器）
１０    半導体素子（電子デバイス）
２０    基板
３０    ケース（筐体）
４０    放熱器（冷媒誘導体）
【図１】
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