エレクトロニクス

電鉄車輌用パワーモジュール向け新規放熱板

New Heat Sink for Railroad Vehicle Power Modules
＊岩山功

池田利哉

Isao Iwayama
Toshiya Ikeda

桑原鉄也

小山茂樹

Tetsuya Kuwabara

中井由弘

岡本匡史

Yoshihiro Nakai

Shigeki Koyama

Masashi Okamoto

地球温暖化や化石燃料枯渇問題への対策の一貫として、エネルギー効率に優れた輸送手段である電気鉄道が注目されており、世界各国で鉄道網の整備が進められている。
当社のグループ企業であるアライドマテリアルと住友電工は、電鉄車輌に搭載するパワーモジュール向けに、マグネシウムと炭化ケイ素の複合材料（MgSiC）から成る新規放熱板を開発した。
本放熱板は、従来材であるアルミニウムと炭化ケイ素の複合材料（AlSiC）よりも、特性で優れ、製法も簡便であり、パワーモジュールの高性能化への貢献が期待される。本レビューでは、その優れた特性や組織、製法について紹介する。

As countermeasures against global warming and fossil fuel depletion, electric railways have been increasingly installed fortheir excellent energy efficiency. Sumitomo Electric Industries, Ltd. and its group company A.L.M.T. Corp. have jointly
developed a new heat sink that is made of a magnesium silicon carbide composite (MgSiC) to be used for the power
modules of railroad vehicles. The MgSiC heat sink is superior in thermal conductivity and easy to process as compared withthe conventional heat sink made of aluminum silicon carbide composite (AlSiC). The new heat sink is expected to contributeto the development of advanced power modules.
キーワード：ヒートスプレッダー、パワーモジュール、MgSiC、複合材料、放熱材料

1.

緒言

地球温暖化や化石燃料枯渇問題への対策として、エネル
ギー効率に優れた陸上輸送手段である電気鉄道が注目されており、世界各国で鉄道網の整備が進められている。
電鉄車輌では、エネルギーの効率的な利用のためパワー素子や周辺部材と線膨張係数をマッチングさせた高機能な材料が使用されている。
アライドマテリアルは、このような高機能放熱材料の総合メーカーである。同社は、ユーザーからの幅広い線膨張デバイス※1 を用いている。なかでも、主動力モーターを駆係数と高い熱伝導率への要求に対し、同社のコア技術であ動するデバイスは発熱が大きく、その破損を防ぐ目的で制る複合化技術により応えている。図 1 は、各種デバイスを御された線膨張係数と高い熱伝導率を有する炭化ケイ素（SiC）と ア ル ミ ニ ウ ム （Al）合 金 の 複 合 材 料 （以 下 、AlSiC）が放熱板として用いられている。
今回、当社は㈱アライドマテリアル（以下、アライドマテリアル）と共同で、電鉄車輌に搭載するパワーモジュー
ル ※2 向けに、マグネシウム（Mg）と炭化ケイ素の複合材料（以下、MgSiC）から成る新規放熱板を開発した。本材料は AlSiC と同等の線膨張係数と、より高い熱伝導を有し、簡便な工程で製造することが可能である。

2.

アライドマテリアルの放熱材料
マイクロプロセッサーやパワーデバイスなどの半導体素子は発熱を伴い、その熱を除去するために放熱材料が用いられる。放熱材料の材質としては、安価で熱伝導率に優れる銅や Al 合金が用いられることが多い。しかし、発熱量が特に大きく、また高い信頼性が求められる用途のデバイスに対しては、高負荷時の熱応力による破損を防ぐために、

図1

アライドマテリアルの放熱材料の特性

2014 年 1 月・ S E I テクニカルレビュー・第 184 号

61構成する代表的な素材の線膨張係数と、アライドマテリア

表1

電鉄車輌向けパワーモジュール用放熱板の仕様

ルの高機能放熱材料の線膨張係数と熱伝導率を示したものである。放熱材の熱特性（熱伝導率、線膨張係数）は、デバイス全体の構成を考慮し、最適なものが選択される。

3.

電鉄車輌用パワーモジュールの特長と放熱板
電鉄車輌の主動力制御用パワーモジュールの模式図を図2に示す。パワーデバイスは AlSiC 放熱板上に接合され、制御に必要な電気・電子回路は筐体内に納められて一体化されている。このパワーモジュールは、ほぼ世界共通の大き4.

新規放熱板（MgSiC）の開発さで、一般にメーカー間で取付けの互換性がある。

4−1

MgSiC の製法

MgSiC の製法を、AlSiC の代表的な製法である高圧鋳造法 ※3 と比較して図 4 に示す。両者は共に SiC 粒子と金属の複合材料で、SiC 粒子の隙間に金属を溶浸させて作製される。

図2

パワーモジュールの模式図

図 3 に冷却器に取り付けた電鉄車輌用パワーモジュールの断面を示す。パワーデバイスと放熱板は、両面に金属層を有するセラミックスの絶縁基板を挟み、はんだで接合されている。パワーモジュールは、熱伝導性のグリスを介して冷却器にボルト付けされる。

図4

放熱板の製法AlSiC では、溶融金属を SiC 粒子間に導入する前に、SiC粒子を自立した構造体とする必要がある。構造体は、必要
図3

パワーモジュール断面の模式図に応じ加工等施された後、鋳型に配置され、高圧の溶融 Al合金を溶浸させる。その後、加工やめっきが施され製品となる。

本分野で使用される放熱板の仕様の一例を表 1 に示す。

放熱板には、冷却器と放熱板のボルト締結時の密着を確実にするために、冷却器側が凸となるように反りが設けられ、絶縁基板の種類などに合わせて、適切な値が選択される。

MgSiC は、自立した構造体を用意する必要がなく、鋳型に SiC 粒子を充填すれば良い。また、溶融 Mg の溶浸に外部圧力は不要である。凝固後は、加工やめっきが施され製品となる。
以上のように、MgSiC の溶浸工程は AlSiC の溶浸工程より簡便であり、低コスト化を図れる可能性がある。また、
SiC 粉末を充填できる形状であれば複雑形状品や、圧力を必

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電鉄車輌用パワーモジュール向け新規放熱板

要としないことから大型品への対応の可能性もある。さらに SiC の割合により、線膨張係数を変更することもできる。
MgSiC 放熱板外観を写真 1 に、断面写真を写真 2 に示す。

SiC 粉末間に、Mg が隙間無く充填されていることが分かる。

図5

MgSiC の熱伝導率の温度依存性

図 5 に、MgSiC の熱伝導率の温度依存性を示す。MgSiC

写真 1

MgSiC の外観

は室温から 200℃までの温度域で、AlSiC よりも高い熱伝導率を示した。
4−3

MgSiC の熱伝導に関する考察

MgSiC の高い熱伝導率の理由を調査するため、Mg と SiC粒子の界面を透過電子顕微鏡で観察した。
AlSiC の場合、写真 3 に示すように、Al と SiC 粒子の界面には、Al4C3 といった化合物が生じやすい（1）ことが知られている。
一方で MgSiC の場合には、写真 4 に示す Mg と SiC 粒子界面の透過電子像から分かるように、Mg と SiC の界面に

写真 2

4−2MgSiC の断面

MgSiC の特性

鉄道車輌用の放熱板として使用される AlSiC の線膨張係

数 7.5ppm/K に合わせた MgSiC の特性を、AlSiC と比較して表 2 に示す。

表2

写真 3

Al と SiC の界面に生じた炭化物の透過電子像（1）

写真 4MgSiC における SiC と Mg の界面の透過電子像

MgSiC の代表的な特性

MgSiC の熱伝導率は 210～230W/mK という高い値を示し、AlSiC よりも 10～20％優れていることが確認された。
また比重は MgSiC の方がやや軽く、機械的特性は同等であった。

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63中間層が無く、直接結合している。この構造のため熱の伝達が良く、高い熱伝導率を示したと推定している。
4−5

MgSiC の信頼性の確認

MgSiC と絶縁基板（両面に金属層を有す）をはんだで接合した試料を作製し、その耐久性を評価した。絶縁基板として、両面 Al 層付きの窒化アルミニウム（AlN）基板を用いた。
実験条件を表 3 に示す。また接合試料の模式図を図 6 に示す。評価としては、はんだ接合前後、規定回数の冷熱サイクルを与えた後に、反りの測定とはんだ接合部の超音波検査を行った。

表3

図7

接合条件および耐久性評価条件

4−6

冷熱サイクル回数と反りの変化量

MgSiC の反り付け

4−5 で示したように、放熱板と絶縁基板を接合すると、両材質の線膨張係数の差から生じる熱応力により、反りの変化が生じる。
電鉄車輌向けパワーモジュールでは一般に、放熱板の線膨張係数（7.5ppm/k）が絶縁基板の線膨張係数（4.5ppm/K）
よりも大きい。このため、はんだ付け後には絶縁基板側に凸形状となりやすく、図 3 のパワーモジュールの図において冷却器と放熱板が接触し難くなる。これを避けるため、放熱板には、あらかじめ反りが与えられている。

MgSiC も、このような反りに対応可能であり、図 8 は、4−5 で使用した AlN 絶縁基板用に調整した反りの例である。

図6

MgSiC-絶縁基板接合試料の模式図
図8

反りを付与した MgSiC の表面形状

図 7 に、はんだ接合前後、冷熱サイクル試験経過後のMgSiC の反りの変化を示した。MgSiC は、その線膨張係数や機械的特性が AlSiC と同等であるため、反りの変化の挙動も、両材料でほぼ同一となった。両材質共に、はんだ

4−7

MgSiC の加熱時の安全性

MgSiCの加熱時の安全性を評価するため、ASTM E659に接合直後に反りの変化量が大きくなったのは、はんだ付け

準 拠 し た 試 験 で 発 火 点 を 測 定 し た 。測 定 は 、規 定 温 度

温度と室温間の温度差と、絶縁基板と放熱板の線膨張係数（500、550、600℃）に保持したフラスコ内に、それぞれ差によって生じた熱応力のためだと考えられる。その後、ニクロム線で保持した試料（10×10×5mm）を投入し、冷熱サイクルで反りが安定するのは、残留応力が解放され10 分以内に赤熱や発火が生じるかを、目視確認することでていくためと考えられる。

行った。

なお、今回の試験範囲で、両材質ともに超音波によるはその結果、MgSiC は 600℃においても発火や赤熱を確認

んだ接合部の評価で剥離等が生じていないことを観察して出来なかった。MgSiC 単体では、600℃程度までの加熱にいる。

対して特段の配慮は不要と考えられる。

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電鉄車輌用パワーモジュール向け新規放熱板

5.

結言

住友電気工業はアライドマテリアルと共同で、電鉄車輌

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

岩山

功＊：エレクトロニクス・材料研究所

桑原

鉄 也 ：エレクトロニクス・材料研究所
グループ長 博士（工学）中井

由 弘 ：エレクトロニクス・材料研究所

池田利 哉 ：㈱アライドテック
ヒートシンク開発部部長

小山茂 樹 ：㈱アライドテック
ヒートシンク開発部

主席

岡本匡 史 ：㈱アライドテック
ヒートシンク開発部に搭載するパワーモジュール向けに、Mg と SiC の複合材料（MgSiC）から成る新規放熱板を開発した。
アライドマテリアルでは、量産技術の開発を進めるとともに、市場への MgSiC の紹介を開始している。
エネルギーの効率運用の観点から、パワーエレクトロニクス技術の発展は重要であり、当社グループは、本分野における新規材料の開発によって貢献していきたい。
なお、開発材については、特許登録済みである。

部長

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

パワーデバイス

電圧・交直・周波数などの変換や、電力のオンオフに用いる IGBT、サイリスタなどの半導体素子。
※2

パワーモジュール

1～数個のパワーデバイスと、その駆動回路や自己保護回路、入出力端子、放熱板（放熱基板）を、ひとまとめにしてパッケージングしたもの。
※3

高圧鋳造法

セラミックスなどの多孔質体の隙間に、高圧で溶融金属を浸透させて複合材料の作製する方法。

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

参考

文

献

（1） J. A. Vreeling et al., Scripta mater. 42 (2000) 589–595（2） ASTM E659

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