絶縁積層材、絶縁回路基板、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュール
【課題】冷熱サイクル時の絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生を抑制しうる絶縁回路基板を提供する。
【解決手段】絶縁回路基板４は、絶縁板５と、絶縁板５の片面にろう付されかつ絶縁板５とは反対側の面が、発熱体となるパワーデバイス３を搭載する電子素子搭載部11を有する配線面９となされている回路板６と、絶縁板５の他面にろう付された応力緩和板７とよりなる。回路板６の電子素子搭載部11に取り付けられるパワーデバイス３から発せられる熱は、回路板６および絶縁板５を経て応力緩和板７に伝わる。応力緩和板７の輪郭を形成しかつ応力緩和板(7)の厚み方向に幅を持つ輪郭面10に、応力緩和板７の輪郭面10の沿ってのびかつ絶縁板５の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝12を設ける。
【解決手段】絶縁回路基板４は、絶縁板５と、絶縁板５の片面にろう付されかつ絶縁板５とは反対側の面が、発熱体となるパワーデバイス３を搭載する電子素子搭載部11を有する配線面９となされている回路板６と、絶縁板５の他面にろう付された応力緩和板７とよりなる。回路板６の電子素子搭載部11に取り付けられるパワーデバイス３から発せられる熱は、回路板６および絶縁板５を経て応力緩和板７に伝わる。応力緩和板７の輪郭を形成しかつ応力緩和板(7)の厚み方向に幅を持つ輪郭面10に、応力緩和板７の輪郭面10の沿ってのびかつ絶縁板５の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝12を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁積層材、絶縁回路基板、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュールに関し、さらに詳しくは、たとえばパワーデバイスなどの電子素子が実装される絶縁回路基板に用いられる絶縁積層材、絶縁積層材からなる絶縁回路基板、絶縁回路基板に実装されたパワーデバイスなどの電子素子を冷却するのに用いられるパワーモジュール用ベース、およびパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールに関する。
【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、「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。また、この明細書および特許請求の範囲において、「純アルミニウム」という用語は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウムを意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子（電子素子）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。
【０００４】
この種のパワーモジュールとして、アルミニウム製冷却器および冷却器にろう付された絶縁回路基板からなる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回路基板に実装されたパワーデバイスとよりなり、パワーモジュール用ベースが、セラミック製絶縁板、絶縁板の一面にろう付された純アルミニウム製回路板（第１金属板）および絶縁板の他面にろう付された純アルミニウム製伝熱板（第２金属板）よりなる絶縁回路基板と、絶縁回路基板の伝熱板における絶縁板にろう付された面と反対側の面にろう付されたアルミニウム製ヒートシンクとからなり、絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が電子素子搭載部を有する配線面となされ、当該配線面の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されているパワーモジュールが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、パワーデバイスから発せられた熱は、回路板、絶縁板および伝熱板を経てヒートシンクに伝えられ、放熱されるようになっている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されたようなパワーモジュールにおいては、使用時の冷熱サイクル、すなわち絶縁回路基板が繰り返して加熱、冷却された場合に、絶縁板とヒートシンクにろう付されている伝熱板との線膨張係数の相違に起因して、絶縁板にクラックが発生したり、絶縁板と伝熱板との接合界面に剥離が発生して絶縁性や放熱性が比較的短期間で低下するという問題がある。
【０００７】
絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と伝熱板との接合界面の剥離の発生のメカニズムは明確には分かっていないが、次の通りであると推測される。すなわち、絶縁板および伝熱板が収縮する際には、伝熱板が絶縁板よりも大きく収縮するので、絶縁板の収縮が伝熱板の収縮に追いつかず、絶縁板が伝熱板側に反って絶縁板に曲げモーメントがかかり、絶縁板の回路板側に比較的大きな引張応力が発生してクラックが発生すると考えられる。一方、絶縁板および伝熱板が膨張する際には、伝熱板が絶縁板よりも大きく膨張するので、絶縁板の膨張が伝熱板の膨張に追いつかず、絶縁板に大きな引張応力が発生してクラックが発生すると考えられる。また、クラックが発生しない場合であっても、膨張、収縮を繰り返すと、絶縁板と伝熱板との接合界面に大きな力が作用して、両者の接合界面での剥離が発生すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３１１５２７号公報
【発明の概要】
【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、冷熱サイクル時の絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生を抑制しうる絶縁積層材、絶縁回路基板、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュール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)絶縁板と、絶縁板の片面に接合されかつ絶縁板とは反対側の面に発熱体が取り付けられるようになされている第１金属板と、絶縁板の他面に接合された第２金属板とよりなり、第１金属板に取り付けられる発熱体から発せられる熱が、第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わるようになされている絶縁積層材であって、第２金属板の輪郭を形成しかつ第２金属板の厚み方向に幅を持つ輪郭面に、絶縁板の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部が設けられている絶縁積層材。
【００１２】
2)絶縁板と両金属板とがろう付されている上記1)記載の絶縁積層材。
【００１３】
3)熱応力緩和用凹部が、第２金属板の前記輪郭面に沿ってのびる凹溝からなる上記1)または2)記載の絶縁積層材。
【００１４】
4)絶縁板および両金属板が多角形であり、前記凹溝が、第２金属板の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されている上記3)記載の絶縁積層材。
【００１５】
5)前記凹溝が、第２金属板の厚み方向における絶縁板側の端部に形成されており、絶縁板における第２金属板が接合された側の面の一部が、前記凹溝内に臨むとともに前記凹溝の一方の側面となっている上記3)または4)記載の絶縁積層材。
【００１６】
6)前記凹溝が角溝であり、第２金属板全体の厚みをＴ１mm、第２金属板における絶縁板とは反対側の面から前記凹溝までの厚みをＴ２mmとした場合、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たす上記5)記載の絶縁積層材。
【００１７】
7)前記凹溝が、第２金属板の厚み方向の中間部に形成されている上記3)記載の絶縁積層材。
【００１８】
8)絶縁板の外周縁部が、第２金属板の外周縁部よりも外側に位置している上記7)記載の絶縁積層材。
【００１９】
9)前記凹溝が、第２金属板の全周にわたって形成されている上記3)〜8)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【００２０】
10)前記凹溝の底と、第１金属板の外周縁との距離をＸmm、第１金属板の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たす上記3)〜9)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【００２１】
11)第２金属板に、第２金属板の厚み方向にのびかつ第２金属板の両面のうち少なくともいずれか一面に開口した複数の穴が形成されている上記1)〜10)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【００２２】
12)上記1)〜11)のうちのいずれかに記載された絶縁積層材の第１金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面が、発熱体となる電子素子を搭載する電子素子搭載部を有する配線面となされている絶縁回路基板。
【００２３】
13)上記12)記載の絶縁回路基板の第２金属板における絶縁板と接合された面とは反対側の面が、冷却器に接合されているパワーモジュール用ベース。
【００２４】
14)第２金属板と冷却器とが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。
【００２５】
15)上記13)または14)記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板における第１金属板の電子素子搭載部に、パワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【発明の効果】
【００２６】
上記1)〜11)の絶縁積層材によれば、第２金属板の輪郭を形成しかつ第２金属板の厚み方向に幅を持つ輪郭面に、絶縁板の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部が設けられているので、第１金属板に発熱体が取り付けられるとともに、発熱体から発せられた熱が第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わって第２金属板から放熱されることによって絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が絶縁板に対して大きく膨張、収縮したとしても、第２金属板が、輪郭面に熱応力緩和用凹部が設けられた部分において変形する。したがって、絶縁板および第２金属板が収縮する際には、絶縁板に曲げモーメントが係ることに起因する絶縁板の第１金属板側に発生する上述した引張応力が緩和されて絶縁板へのクラックの発生が抑制される。一方、絶縁板および金属板が膨張する際には、絶縁板の膨張が第２金属板の膨張に追いつかなくても、絶縁板に発生する引張応力が緩和されて絶縁板へのクラックの発生が抑制される。また、クラックが発生しないで、膨張、収縮を繰り返したとしても、絶縁板と第２金属板との接合界面に作用する力が低減され、当該接合界面での剥離の発生が抑制される。
【００２７】
上記5)の絶縁積層材によれば、熱応力緩和用凹部となる凹溝が、第２金属板の厚み方向における絶縁板側の端部に形成されており、絶縁板における第２金属板が接合された側の面の一部が、前記凹溝内に臨むとともに前記凹溝の一方の側面となっているので、冷熱サイクル時に、第２金属板が絶縁板に対して大きく膨張、収縮したとしても、第２金属板が、輪郭面に前記凹溝が設けられた部分において比較的大きく変形し、絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生が効果的に抑制される。
【００２８】
上記6)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱された場合に絶縁板に発生する応力を効果的に低減することができ、絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生が効果的に抑制される。
【００２９】
上記8)の絶縁積層材によれば、上記7)の絶縁積層材のように、前記凹溝が、第２金属板の厚み方向の中間部に形成されている場合であっても、第１金属板と第２金属板との間の絶縁距離を長くすることができ、両金属板間の絶縁性が向上する。
【００３０】
上記9)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が比較的大きく変形し、絶縁板のクラックや、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離が効果的に抑制される。
【００３１】
上記10)の絶縁積層材によれば、熱応力緩和用凹部となる凹溝の底と、第１金属板の外周縁との距離をＸ、第１金属板の厚みをＹとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たしているので、絶縁積層材が加熱された場合に絶縁板における第１金属板側に発生する応力を効果的に低減することができ、絶縁板のクラックの発生が効果的に抑制される。
【００３２】
上記11)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が比較的大きく変形し、絶縁板のクラックや、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離が効果的に抑制される。
【００３３】
上記12)の絶縁回路基板によれば、第１金属板の配線面の電子素子搭載部に発熱体となる電子素子が搭載されて使用され、電子素子から発せられる熱が第２金属板に伝わって第２金属板から放熱されることによって絶縁回路基板が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、上記1)〜10)の絶縁積層材と同様な効果を奏する。
【００３４】
上記13)および14)のパワーモジュール用ベースによれば、第１金属板の配線面の電子素子搭載部に発熱体となる電子素子が搭載されて使用され、電子素子から発せられる熱が第２金属板に伝わって第２金属板から冷却器に放熱される。そして、絶縁回路基板が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、上記1)〜10)の絶縁積層材で述べたのと同様な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明による絶縁回路基板を有するパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図１のパワーモジュールに用いられている応力緩和板を示す斜視図である。
【図４】図１のパワーモジュールにおいて、絶縁板のクラックや、絶縁板と回路板との接合界面での剥離の発生が抑制されるメカニズムを示す概略図である。
【図５】図１のパワーモジュールについて、応力緩和板の凹溝の下側面の幅Ｗを変化させてコンピュータシミュレーションを行うことにより求めた絶縁板の上側に発生する最大主応力を示すグラフである。
【図６】図１のパワーモジュールについて、応力緩和板全体の厚みをＴ１mm、応力緩和板における下面から凹溝の下縁までの厚みをＴ２mmとした場合のＴ２／Ｔ１を変化させてコンピュータシミュレーションを行うことにより求めた絶縁板の上側に発生する最大主応力を示すグラフである。
【図７】図１のパワーモジュールについて、凹溝の底と回路板の外周縁との距離Ｘを変化させてコンピュータシミュレーションを行うことにより求めた絶縁板の上側に発生する最大主応力を示すグラフである。
【図８】図１のパワーモジュールに用いられる応力緩和板の変形例を示す斜視図である。
【図９】図１のパワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の変形例を示す図２相当の図である。
【図１０】図１のパワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の第２の変形例を示す図２相当の図である。
【図１１】図１のパワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の第３の変形例を示す図２相当の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３７】
なお、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。
【００３８】
また、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。
【００３９】
図１はこの発明による絶縁回路基板を備えたパワーモジュール用ベースにおける回路板の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを示し、図２は図１の要部を示し、図３は応力緩和板を示す。また、図４は、この発明による絶縁回路基板において、絶縁板のクラックや、絶縁板と回路板との接合界面での剥離の発生が抑制されるメカニズムを示す。図５〜図７は、図１に示すパワーモジュールについて行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す。
【００４０】
図１および図２において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)（電子素子）とよりなる。
【００４１】
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、絶縁板(5)の上面にろう付された方形のアルミニウム製回路板(6)（第１金属板）、および絶縁板(5)の下面にろう付された方形のアルミニウム製応力緩和板(7)（第２金属板）からなる絶縁回路基板(4)と、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)の下面がろう付されたアルミニウム製冷却器(8)（ヒートシンク）とからなる。なお、図１においては１つの絶縁回路基板(4)だけが図示されているが、パワーモジュール用ベース(2)は、複数の絶縁回路基板(4)を備えているのが一般的である。
【００４２】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)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、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および応力緩和板(7)の外周縁部よりも外側に位置している。なお、応力緩和板(7)の外周縁部が、絶縁板(5)の外周縁部よりも外側に位置していてもよい。いずれの場合も、回路板(6)と応力緩和板(7)との間の絶縁性能は十分に確保される。
【００４３】
回路板(6)は、電気伝導率および熱伝導率が高く、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、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、回路板(6)の上面、すなわち回路板(6)における絶縁板(5)にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部(11)を有する配線面(9)となされている。
【００４４】
応力緩和板(7)は、熱伝導率が高く、しかも変形能が高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。応力緩和板(7)の外周縁部は、回路板(6)の外周縁部よりも外側に位置している。応力緩和板(7)の輪郭を形成しかつ応力緩和板(7)の厚み方向に幅を持つ輪郭面(10)の上端部、すなわち応力緩和板(7)の輪郭面(10)における応力緩和板(7)の厚み方向の絶縁板(5)側の端部に、上記輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(12)が形成されている。凹溝(12)は角溝からなり、応力緩和板(7)の全周わたって形成されている。そして、絶縁板(5)における応力緩和板(7)が接合された側の面の一部が、凹溝(12)内に臨むとともに凹溝(12)の上側面(12a)となっている。凹溝(12)の下側面(12b)はアルミニウムからなる。ここで、絶縁板(5)の外周縁部が応力緩和板(7)の外周縁部よりも外側に位置しているので、凹溝(12)の上側面(12a)における凹溝(12)の開口側端部（外端部）は下側面(12b)の外端部よりも外側に位置している。凹溝(12)は、図３に示すように、応力緩和板(7)の上面の周縁部に、全周にわたる除去部(7a)を形成しておき、応力緩和板(7)を絶縁板(5)にろう付することによって設けられる。なお、凹溝(12)は応力緩和板(7)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(12)が、応力緩和板(7)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００４５】
ここで、応力緩和板(7)全体の厚みをＴ１mm、応力緩和板(7)における下面（絶縁板(5)とは反対側の面）から凹溝(12)の下縁（下側面(12b)）までの厚みをＴ２mmとした場合、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たしていることが好ましい。Ｔ２／Ｔ１＜０．５の場合、冷却器(8)の影響を受けて応力緩和板(7)による熱応力緩和効果が十分に得られないからである。
【００４６】
また、凹溝(12)の底(12c)と回路板(6)の外周縁との距離をＸmm、回路板(6)の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たしていることが好ましい。Ｘ＞Ｙの場合、応力緩和板(7)による熱応力緩和効果が十分に得られないからである。また、Ｘの下限は、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)から冷却器(8)への熱伝導性を低下させないように、適宜決められる。
【００４７】
冷却器(8)は、複数の冷却流体通路(13)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。なお、冷却器(8)としては、ケース内にインナーフィンが配置されたものが用いられてもよい。
【００４８】
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の回路板(6)の配線面(9)における電子素子搭載部(11)上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。
【００４９】
パワーモジュール用ベース(2)の製造方法は次の通りである。
【００５０】
まず、冷却器(8)上に、応力緩和板(7)、絶縁板(5)および回路板(6)をこの順序で配置する。冷却器(8)と応力緩和板(7)との間、応力緩和板(7)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にはそれぞれアルミニウムろう材層を設けておく。ろう材層は、たとえばＳｉ１０質量％、Ｍｇ１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるアルミニウムろう材からなる。冷却器(8)と絶縁板(5)との間に配置されるろう材層は、アルミニウムろう材からなる箔や、心材の両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートなどからなる。絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置されるろう材層は、アルミニウムろう材からなる箔や、心材の両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートからなる。また、絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置されるろう材層は、回路板(6)の下面に予めクラッドされていてもよい。
【００５１】
その後、適当な治具により回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)を加圧した状態にして仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、適当な温度に適当な時間加熱し、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和板(7)とをろう付することにより絶縁回路基板(4)を製造すると同時に、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)と冷却器(8)とをろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００５２】
上述したパワーモジュール(1)において、パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱される。したがって、絶縁回路基板(4)が繰り返して加熱、冷却されることになるが、この冷熱サイクル時においても、次のメカニズムにより、絶縁板(5)のクラックや、絶縁板(5)と回路板(6)との接合界面での剥離の発生が抑制されると考えられる。
【００５３】
すなわち、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)が膨張する際には、線膨張係数の相違に起因して、応力緩和板(7)および冷却器(8)が絶縁板(5)よりも大きく膨張するが、図４(a)に示すように、応力緩和板(7)における輪郭面(10)に凹溝(12)が設けられた部分、すなわち凹溝(12)の下側面(12b)よりも上方の部分において変形する。したがって、絶縁板(5)に発生する引張応力が緩和されて特許文献１のパワーモジュールに比べて小さくなり、その結果絶縁板(5)へのクラックの発生が抑制される。
【００５４】
一方、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)が収縮する際には、線膨張係数の相違に起因して、応力緩和板(7)および冷却器(8)が絶縁板(5)よりも大きく収縮するが、図４(b)に示すように、応力緩和板(7)における輪郭面(10)に凹溝(12)が設けられた部分、すなわち凹溝(12)の下側面(12b)よりも上方の部分において変形する。したがって、絶縁板(5)の応力緩和板(7)側への反りの程度が、特許文献１のパワーモジュールに比べて小さくなって、絶縁板(5)に係る曲げモーメントが小さくなり、その結果絶縁板(5)の回路板(6)側に発生する引張応力が緩和されてクラックの発生が抑制される。
【００５５】
また、クラックが発生せずに膨張、収縮を繰り返したとしても、上述した応力緩和板(7)の変形によって、絶縁板(5)および応力緩和板(7)の接合界面に作用する力が低減され、絶縁板(5)および応力緩和板(7)の接合界面での剥離の発生が抑制される。
【００５６】
以下、図１および図２に示すパワーモジュール(1)について、コンピュータシミュレーションを行った結果を図５〜図７に示す。シミュレーション条件は、回路板(6)の厚み：０．６mm、縦：２６．５mm、横：３１．５mm、材質：重度９９．９９質量％の純アルミニウム、絶縁板(5)の厚み：０．６mm、縦：２９mm、横：３４mm、材質ＡｌＮ、応力緩和板(7)の厚み：１．６mm、縦：２６．５mm、横：３１．５mm、材質：純度９９．９９質量％の純アルミニウム、冷却器(8)の代わりに厚み：５mm、縦：１００mm、横１００mm、材質：Ａ３００３を共通の条件とし、ろう付後の冷却工程の条件を５８０℃→２０℃とし、その後１２５℃に加熱→−４０℃に冷却を１サイクル行ったとして、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力を求めた。図５に示す結果は、凹溝(12)の下側面(12a)の幅Ｗ、すなわち下側面(12a)の外端と凹溝(12)の底(12c)との間の距離を変化させて求め、図６に示す結果は、応力緩和板(7)全体の厚みをＴ１mm、応力緩和板(7)における下面から凹溝(12)の下縁までの厚みをＴ２mmとした場合のＴ２／Ｔ１を変化させて求め、図７に示す結果は、凹溝(12)の底(12c)と回路板(6)の外周縁との距離Ｘを変化させて求めた。図５に示す最大主応力は、Ｗ＝０．６ｍｍの場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。図６に示す最大主応力は、Ｔ２／Ｔ１＝０．６２５の場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。図７に示す最大主応力は、Ｘ＝０．５mmの場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。なお、回路板(6)の厚み（Ｙ）が０．６mmであるから、Ｘ＝１．２mmの場合に、Ｘ＝２Ｙとなる。また、Ｘ＜０の場合とは、凹溝(12)の底(12c)が回路板(6)の外周縁よりも内側に位置していることである。
【００５７】
図５に示す結果から、応力緩和板(7)の輪郭面(10)に凹溝(12)が形成されている場合、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力は、ある深さまで低減され、その後は一定となることが分かる。図６に示す結果から、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たす場合、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力の増大を抑制しうることが分かる。さらに、図７に示す結果から、Ｘ≦２Ｙという関係を満たす場合に、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力の増大を抑制しうることが分かる。
【００５８】
図８は、パワーモジュールに用いられる応力緩和板の変形例を示す。
【００５９】
図８に示す応力緩和板(7)には、応力緩和板(7)を厚み方向（上下方向）に貫通した複数の貫通穴(15)が形成されている。なお、これに限定されるものではなく、応力緩和板(7)には、応力緩和板(7)の厚み方向にのびかつ上下いずれか一面に開口した複数の有底穴が形成されていてもよい。また、貫通穴(7)と有底穴とが混在していてもよい。
【００６０】
図９〜図１２は、パワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の変形例を示す。
【００６１】
図９に示す絶縁回路基板(20)の場合、絶縁板(5)の外周縁部は、回路板(6)および絶縁板(5)の下面にろう付された応力緩和板(21)の外周縁部よりも外側に位置している。また、応力緩和板(21)の輪郭面(10)の厚み方向の中間部に、応力緩和板(21)の輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(22)が形成されている。凹溝(22)は角溝からなり、応力緩和板(21)の全周わたって形成されている。凹溝(22)の上下両側面(22a)(22b)の外端部は同一位置にある。なお、凹溝(22)は応力緩和板(21)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(22)が、応力緩和板(21)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００６２】
図１０に示す絶縁回路基板(25)の場合、絶縁板(5)の外周縁部は、回路板(6)および絶縁板(5)の下面にろう付された応力緩和板(26)の外周縁部よりも外側に位置している。また、応力緩和板(26)の輪郭面(10)の厚み方向の中間部に、応力緩和板(26)の輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(27)が形成されている。凹溝(27)はＶ溝からなり、応力緩和板(27)の全周わたって形成されている。凹溝(27)の上下両側面(27a)(27b)の外端部は同一位置にある。なお、凹溝(27)は応力緩和板(21)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(27)が、応力緩和板(21)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００６３】
図９および図１０に示す絶縁回路基板(20)(25)において、絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および応力緩和板(21)(26)の外周縁部よりも外側に位置しているので、回路板(6)と応力緩和板(21)(26)との間の絶縁距離を長くすることができ、回路板(6)と応力緩和板(21)(26)との間の絶縁性が向上する。
【００６４】
図１１に示す絶縁回路基板(30)の場合、絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および絶縁板(5)の下面にろう付された応力緩和板(31)の外周縁部よりも外側に位置している。また、応力緩和板(31)の輪郭面(10)における応力緩和板(31)の厚み方向の絶縁板(5)側の端部に、応力緩和板(31)の輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(32)が形成されている。凹溝(32)はＶ溝からなり、輪郭面(10)の厚み方向の全幅にわたって開口しており、応力緩和板(31)の全周わたって形成されている。そして、絶縁板(5)における応力緩和板(31)が接合された側の面の一部が、凹溝(32)内に臨むとともに凹溝(32)の水平な上側面(32a)となっている。凹溝(32)の下側面(32b)はアルミニウムからなり、応力緩和板(31)の下端から上方に向かって凹溝(32)の底方向に傾斜している。ここで、絶縁板(5)の外周縁部が応力緩和板(31)の外周縁部よりも外側に位置しているので、凹溝(32)の上側面(32a)における凹溝(32)の開口側端部（外端部）は下側面(32b)の外端部よりも外側に位置している。なお、凹溝(32)は応力緩和板(31)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(32)が、応力緩和板(31)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００６５】
図１１に示す絶縁回路基板(30)において、応力緩和板(31)の凹溝(32)の下側面は、応力緩和板(32)の下端よりも若干上方の位置から上方に向かって凹溝(32)の底方向に傾斜していてもよい。すなわち、応力緩和板(31)の下面の周縁に連なって低い垂直面が存在し、当該垂直面の上端に凹溝(32)の下側面(32b)が連なっていてもよい。
【００６６】
図９〜図１１の絶縁回路基板(20)(25)(30)において、応力緩和板(21)(26)(31)の凹溝(22)(27)(32)の底と回路板(6)の外周縁との距離をＸmm、回路板(6)の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たしていることが好ましい。
【符号の説明】
【００６７】
(1)：パワーモジュール
(2)：パワーモジュール用ベース
(3)：パワーデバイス（発熱体となる電子素子）
(4)(20)(25)(30)：絶縁回路基板
(5)：絶縁板
(6)：回路板（第１金属板）
(7)(21)(26)(31)：応力緩和板（第２金属板）
(8)：冷却器
(9)：配線面
(11)：電子素子搭載部
(12)(22)(27)(32):：凹溝（熱応力緩和用凹部）
(12a)(32a)：上側面
(12b)(32b)：下側面
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁積層材、絶縁回路基板、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュールに関し、さらに詳しくは、たとえばパワーデバイスなどの電子素子が実装される絶縁回路基板に用いられる絶縁積層材、絶縁積層材からなる絶縁回路基板、絶縁回路基板に実装されたパワーデバイスなどの電子素子を冷却するのに用いられるパワーモジュール用ベース、およびパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールに関する。
【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、「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。また、この明細書および特許請求の範囲において、「純アルミニウム」という用語は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウムを意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子（電子素子）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。
【０００４】
この種のパワーモジュールとして、アルミニウム製冷却器および冷却器にろう付された絶縁回路基板からなる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回路基板に実装されたパワーデバイスとよりなり、パワーモジュール用ベースが、セラミック製絶縁板、絶縁板の一面にろう付された純アルミニウム製回路板（第１金属板）および絶縁板の他面にろう付された純アルミニウム製伝熱板（第２金属板）よりなる絶縁回路基板と、絶縁回路基板の伝熱板における絶縁板にろう付された面と反対側の面にろう付されたアルミニウム製ヒートシンクとからなり、絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が電子素子搭載部を有する配線面となされ、当該配線面の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されているパワーモジュールが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、パワーデバイスから発せられた熱は、回路板、絶縁板および伝熱板を経てヒートシンクに伝えられ、放熱されるようになっている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されたようなパワーモジュールにおいては、使用時の冷熱サイクル、すなわち絶縁回路基板が繰り返して加熱、冷却された場合に、絶縁板とヒートシンクにろう付されている伝熱板との線膨張係数の相違に起因して、絶縁板にクラックが発生したり、絶縁板と伝熱板との接合界面に剥離が発生して絶縁性や放熱性が比較的短期間で低下するという問題がある。
【０００７】
絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と伝熱板との接合界面の剥離の発生のメカニズムは明確には分かっていないが、次の通りであると推測される。すなわち、絶縁板および伝熱板が収縮する際には、伝熱板が絶縁板よりも大きく収縮するので、絶縁板の収縮が伝熱板の収縮に追いつかず、絶縁板が伝熱板側に反って絶縁板に曲げモーメントがかかり、絶縁板の回路板側に比較的大きな引張応力が発生してクラックが発生すると考えられる。一方、絶縁板および伝熱板が膨張する際には、伝熱板が絶縁板よりも大きく膨張するので、絶縁板の膨張が伝熱板の膨張に追いつかず、絶縁板に大きな引張応力が発生してクラックが発生すると考えられる。また、クラックが発生しない場合であっても、膨張、収縮を繰り返すと、絶縁板と伝熱板との接合界面に大きな力が作用して、両者の接合界面での剥離が発生すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３１１５２７号公報
【発明の概要】
【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、冷熱サイクル時の絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生を抑制しうる絶縁積層材、絶縁回路基板、パワーモジュール用ベースおよびパワーモジュール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)絶縁板と、絶縁板の片面に接合されかつ絶縁板とは反対側の面に発熱体が取り付けられるようになされている第１金属板と、絶縁板の他面に接合された第２金属板とよりなり、第１金属板に取り付けられる発熱体から発せられる熱が、第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わるようになされている絶縁積層材であって、第２金属板の輪郭を形成しかつ第２金属板の厚み方向に幅を持つ輪郭面に、絶縁板の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部が設けられている絶縁積層材。
【００１２】
2)絶縁板と両金属板とがろう付されている上記1)記載の絶縁積層材。
【００１３】
3)熱応力緩和用凹部が、第２金属板の前記輪郭面に沿ってのびる凹溝からなる上記1)または2)記載の絶縁積層材。
【００１４】
4)絶縁板および両金属板が多角形であり、前記凹溝が、第２金属板の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されている上記3)記載の絶縁積層材。
【００１５】
5)前記凹溝が、第２金属板の厚み方向における絶縁板側の端部に形成されており、絶縁板における第２金属板が接合された側の面の一部が、前記凹溝内に臨むとともに前記凹溝の一方の側面となっている上記3)または4)記載の絶縁積層材。
【００１６】
6)前記凹溝が角溝であり、第２金属板全体の厚みをＴ１mm、第２金属板における絶縁板とは反対側の面から前記凹溝までの厚みをＴ２mmとした場合、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たす上記5)記載の絶縁積層材。
【００１７】
7)前記凹溝が、第２金属板の厚み方向の中間部に形成されている上記3)記載の絶縁積層材。
【００１８】
8)絶縁板の外周縁部が、第２金属板の外周縁部よりも外側に位置している上記7)記載の絶縁積層材。
【００１９】
9)前記凹溝が、第２金属板の全周にわたって形成されている上記3)〜8)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【００２０】
10)前記凹溝の底と、第１金属板の外周縁との距離をＸmm、第１金属板の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たす上記3)〜9)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【００２１】
11)第２金属板に、第２金属板の厚み方向にのびかつ第２金属板の両面のうち少なくともいずれか一面に開口した複数の穴が形成されている上記1)〜10)のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【００２２】
12)上記1)〜11)のうちのいずれかに記載された絶縁積層材の第１金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面が、発熱体となる電子素子を搭載する電子素子搭載部を有する配線面となされている絶縁回路基板。
【００２３】
13)上記12)記載の絶縁回路基板の第２金属板における絶縁板と接合された面とは反対側の面が、冷却器に接合されているパワーモジュール用ベース。
【００２４】
14)第２金属板と冷却器とが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。
【００２５】
15)上記13)または14)記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板における第１金属板の電子素子搭載部に、パワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【発明の効果】
【００２６】
上記1)〜11)の絶縁積層材によれば、第２金属板の輪郭を形成しかつ第２金属板の厚み方向に幅を持つ輪郭面に、絶縁板の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部が設けられているので、第１金属板に発熱体が取り付けられるとともに、発熱体から発せられた熱が第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わって第２金属板から放熱されることによって絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が絶縁板に対して大きく膨張、収縮したとしても、第２金属板が、輪郭面に熱応力緩和用凹部が設けられた部分において変形する。したがって、絶縁板および第２金属板が収縮する際には、絶縁板に曲げモーメントが係ることに起因する絶縁板の第１金属板側に発生する上述した引張応力が緩和されて絶縁板へのクラックの発生が抑制される。一方、絶縁板および金属板が膨張する際には、絶縁板の膨張が第２金属板の膨張に追いつかなくても、絶縁板に発生する引張応力が緩和されて絶縁板へのクラックの発生が抑制される。また、クラックが発生しないで、膨張、収縮を繰り返したとしても、絶縁板と第２金属板との接合界面に作用する力が低減され、当該接合界面での剥離の発生が抑制される。
【００２７】
上記5)の絶縁積層材によれば、熱応力緩和用凹部となる凹溝が、第２金属板の厚み方向における絶縁板側の端部に形成されており、絶縁板における第２金属板が接合された側の面の一部が、前記凹溝内に臨むとともに前記凹溝の一方の側面となっているので、冷熱サイクル時に、第２金属板が絶縁板に対して大きく膨張、収縮したとしても、第２金属板が、輪郭面に前記凹溝が設けられた部分において比較的大きく変形し、絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生が効果的に抑制される。
【００２８】
上記6)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱された場合に絶縁板に発生する応力を効果的に低減することができ、絶縁板のクラックの発生や、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離の発生が効果的に抑制される。
【００２９】
上記8)の絶縁積層材によれば、上記7)の絶縁積層材のように、前記凹溝が、第２金属板の厚み方向の中間部に形成されている場合であっても、第１金属板と第２金属板との間の絶縁距離を長くすることができ、両金属板間の絶縁性が向上する。
【００３０】
上記9)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が比較的大きく変形し、絶縁板のクラックや、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離が効果的に抑制される。
【００３１】
上記10)の絶縁積層材によれば、熱応力緩和用凹部となる凹溝の底と、第１金属板の外周縁との距離をＸ、第１金属板の厚みをＹとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たしているので、絶縁積層材が加熱された場合に絶縁板における第１金属板側に発生する応力を効果的に低減することができ、絶縁板のクラックの発生が効果的に抑制される。
【００３２】
上記11)の絶縁積層材によれば、絶縁積層材が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、第２金属板が比較的大きく変形し、絶縁板のクラックや、絶縁板と第２金属板との接合界面での剥離が効果的に抑制される。
【００３３】
上記12)の絶縁回路基板によれば、第１金属板の配線面の電子素子搭載部に発熱体となる電子素子が搭載されて使用され、電子素子から発せられる熱が第２金属板に伝わって第２金属板から放熱されることによって絶縁回路基板が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、上記1)〜10)の絶縁積層材と同様な効果を奏する。
【００３４】
上記13)および14)のパワーモジュール用ベースによれば、第１金属板の配線面の電子素子搭載部に発熱体となる電子素子が搭載されて使用され、電子素子から発せられる熱が第２金属板に伝わって第２金属板から冷却器に放熱される。そして、絶縁回路基板が加熱、冷却される冷熱サイクル時に、上記1)〜10)の絶縁積層材で述べたのと同様な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明による絶縁回路基板を有するパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図１のパワーモジュールに用いられている応力緩和板を示す斜視図である。
【図４】図１のパワーモジュールにおいて、絶縁板のクラックや、絶縁板と回路板との接合界面での剥離の発生が抑制されるメカニズムを示す概略図である。
【図５】図１のパワーモジュールについて、応力緩和板の凹溝の下側面の幅Ｗを変化させてコンピュータシミュレーションを行うことにより求めた絶縁板の上側に発生する最大主応力を示すグラフである。
【図６】図１のパワーモジュールについて、応力緩和板全体の厚みをＴ１mm、応力緩和板における下面から凹溝の下縁までの厚みをＴ２mmとした場合のＴ２／Ｔ１を変化させてコンピュータシミュレーションを行うことにより求めた絶縁板の上側に発生する最大主応力を示すグラフである。
【図７】図１のパワーモジュールについて、凹溝の底と回路板の外周縁との距離Ｘを変化させてコンピュータシミュレーションを行うことにより求めた絶縁板の上側に発生する最大主応力を示すグラフである。
【図８】図１のパワーモジュールに用いられる応力緩和板の変形例を示す斜視図である。
【図９】図１のパワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の変形例を示す図２相当の図である。
【図１０】図１のパワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の第２の変形例を示す図２相当の図である。
【図１１】図１のパワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の第３の変形例を示す図２相当の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３７】
なお、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。
【００３８】
また、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。
【００３９】
図１はこの発明による絶縁回路基板を備えたパワーモジュール用ベースにおける回路板の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを示し、図２は図１の要部を示し、図３は応力緩和板を示す。また、図４は、この発明による絶縁回路基板において、絶縁板のクラックや、絶縁板と回路板との接合界面での剥離の発生が抑制されるメカニズムを示す。図５〜図７は、図１に示すパワーモジュールについて行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す。
【００４０】
図１および図２において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)（電子素子）とよりなる。
【００４１】
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、絶縁板(5)の上面にろう付された方形のアルミニウム製回路板(6)（第１金属板）、および絶縁板(5)の下面にろう付された方形のアルミニウム製応力緩和板(7)（第２金属板）からなる絶縁回路基板(4)と、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)の下面がろう付されたアルミニウム製冷却器(8)（ヒートシンク）とからなる。なお、図１においては１つの絶縁回路基板(4)だけが図示されているが、パワーモジュール用ベース(2)は、複数の絶縁回路基板(4)を備えているのが一般的である。
【００４２】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)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、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および応力緩和板(7)の外周縁部よりも外側に位置している。なお、応力緩和板(7)の外周縁部が、絶縁板(5)の外周縁部よりも外側に位置していてもよい。いずれの場合も、回路板(6)と応力緩和板(7)との間の絶縁性能は十分に確保される。
【００４３】
回路板(6)は、電気伝導率および熱伝導率が高く、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、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、回路板(6)の上面、すなわち回路板(6)における絶縁板(5)にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部(11)を有する配線面(9)となされている。
【００４４】
応力緩和板(7)は、熱伝導率が高く、しかも変形能が高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。応力緩和板(7)の外周縁部は、回路板(6)の外周縁部よりも外側に位置している。応力緩和板(7)の輪郭を形成しかつ応力緩和板(7)の厚み方向に幅を持つ輪郭面(10)の上端部、すなわち応力緩和板(7)の輪郭面(10)における応力緩和板(7)の厚み方向の絶縁板(5)側の端部に、上記輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(12)が形成されている。凹溝(12)は角溝からなり、応力緩和板(7)の全周わたって形成されている。そして、絶縁板(5)における応力緩和板(7)が接合された側の面の一部が、凹溝(12)内に臨むとともに凹溝(12)の上側面(12a)となっている。凹溝(12)の下側面(12b)はアルミニウムからなる。ここで、絶縁板(5)の外周縁部が応力緩和板(7)の外周縁部よりも外側に位置しているので、凹溝(12)の上側面(12a)における凹溝(12)の開口側端部（外端部）は下側面(12b)の外端部よりも外側に位置している。凹溝(12)は、図３に示すように、応力緩和板(7)の上面の周縁部に、全周にわたる除去部(7a)を形成しておき、応力緩和板(7)を絶縁板(5)にろう付することによって設けられる。なお、凹溝(12)は応力緩和板(7)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(12)が、応力緩和板(7)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００４５】
ここで、応力緩和板(7)全体の厚みをＴ１mm、応力緩和板(7)における下面（絶縁板(5)とは反対側の面）から凹溝(12)の下縁（下側面(12b)）までの厚みをＴ２mmとした場合、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たしていることが好ましい。Ｔ２／Ｔ１＜０．５の場合、冷却器(8)の影響を受けて応力緩和板(7)による熱応力緩和効果が十分に得られないからである。
【００４６】
また、凹溝(12)の底(12c)と回路板(6)の外周縁との距離をＸmm、回路板(6)の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たしていることが好ましい。Ｘ＞Ｙの場合、応力緩和板(7)による熱応力緩和効果が十分に得られないからである。また、Ｘの下限は、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)から冷却器(8)への熱伝導性を低下させないように、適宜決められる。
【００４７】
冷却器(8)は、複数の冷却流体通路(13)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。なお、冷却器(8)としては、ケース内にインナーフィンが配置されたものが用いられてもよい。
【００４８】
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の回路板(6)の配線面(9)における電子素子搭載部(11)上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。
【００４９】
パワーモジュール用ベース(2)の製造方法は次の通りである。
【００５０】
まず、冷却器(8)上に、応力緩和板(7)、絶縁板(5)および回路板(6)をこの順序で配置する。冷却器(8)と応力緩和板(7)との間、応力緩和板(7)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にはそれぞれアルミニウムろう材層を設けておく。ろう材層は、たとえばＳｉ１０質量％、Ｍｇ１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるアルミニウムろう材からなる。冷却器(8)と絶縁板(5)との間に配置されるろう材層は、アルミニウムろう材からなる箔や、心材の両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートなどからなる。絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置されるろう材層は、アルミニウムろう材からなる箔や、心材の両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートからなる。また、絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置されるろう材層は、回路板(6)の下面に予めクラッドされていてもよい。
【００５１】
その後、適当な治具により回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)を加圧した状態にして仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、適当な温度に適当な時間加熱し、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和板(7)とをろう付することにより絶縁回路基板(4)を製造すると同時に、絶縁回路基板(4)の応力緩和板(7)と冷却器(8)とをろう付する。こうして、パワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００５２】
上述したパワーモジュール(1)において、パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和板(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(13)内を流れる冷却流体に放熱される。したがって、絶縁回路基板(4)が繰り返して加熱、冷却されることになるが、この冷熱サイクル時においても、次のメカニズムにより、絶縁板(5)のクラックや、絶縁板(5)と回路板(6)との接合界面での剥離の発生が抑制されると考えられる。
【００５３】
すなわち、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)が膨張する際には、線膨張係数の相違に起因して、応力緩和板(7)および冷却器(8)が絶縁板(5)よりも大きく膨張するが、図４(a)に示すように、応力緩和板(7)における輪郭面(10)に凹溝(12)が設けられた部分、すなわち凹溝(12)の下側面(12b)よりも上方の部分において変形する。したがって、絶縁板(5)に発生する引張応力が緩和されて特許文献１のパワーモジュールに比べて小さくなり、その結果絶縁板(5)へのクラックの発生が抑制される。
【００５４】
一方、絶縁板(5)、応力緩和板(7)および冷却器(8)が収縮する際には、線膨張係数の相違に起因して、応力緩和板(7)および冷却器(8)が絶縁板(5)よりも大きく収縮するが、図４(b)に示すように、応力緩和板(7)における輪郭面(10)に凹溝(12)が設けられた部分、すなわち凹溝(12)の下側面(12b)よりも上方の部分において変形する。したがって、絶縁板(5)の応力緩和板(7)側への反りの程度が、特許文献１のパワーモジュールに比べて小さくなって、絶縁板(5)に係る曲げモーメントが小さくなり、その結果絶縁板(5)の回路板(6)側に発生する引張応力が緩和されてクラックの発生が抑制される。
【００５５】
また、クラックが発生せずに膨張、収縮を繰り返したとしても、上述した応力緩和板(7)の変形によって、絶縁板(5)および応力緩和板(7)の接合界面に作用する力が低減され、絶縁板(5)および応力緩和板(7)の接合界面での剥離の発生が抑制される。
【００５６】
以下、図１および図２に示すパワーモジュール(1)について、コンピュータシミュレーションを行った結果を図５〜図７に示す。シミュレーション条件は、回路板(6)の厚み：０．６mm、縦：２６．５mm、横：３１．５mm、材質：重度９９．９９質量％の純アルミニウム、絶縁板(5)の厚み：０．６mm、縦：２９mm、横：３４mm、材質ＡｌＮ、応力緩和板(7)の厚み：１．６mm、縦：２６．５mm、横：３１．５mm、材質：純度９９．９９質量％の純アルミニウム、冷却器(8)の代わりに厚み：５mm、縦：１００mm、横１００mm、材質：Ａ３００３を共通の条件とし、ろう付後の冷却工程の条件を５８０℃→２０℃とし、その後１２５℃に加熱→−４０℃に冷却を１サイクル行ったとして、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力を求めた。図５に示す結果は、凹溝(12)の下側面(12a)の幅Ｗ、すなわち下側面(12a)の外端と凹溝(12)の底(12c)との間の距離を変化させて求め、図６に示す結果は、応力緩和板(7)全体の厚みをＴ１mm、応力緩和板(7)における下面から凹溝(12)の下縁までの厚みをＴ２mmとした場合のＴ２／Ｔ１を変化させて求め、図７に示す結果は、凹溝(12)の底(12c)と回路板(6)の外周縁との距離Ｘを変化させて求めた。図５に示す最大主応力は、Ｗ＝０．６ｍｍの場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。図６に示す最大主応力は、Ｔ２／Ｔ１＝０．６２５の場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。図７に示す最大主応力は、Ｘ＝０．５mmの場合の最大主応力を１とし、これに対する比として求めた。なお、回路板(6)の厚み（Ｙ）が０．６mmであるから、Ｘ＝１．２mmの場合に、Ｘ＝２Ｙとなる。また、Ｘ＜０の場合とは、凹溝(12)の底(12c)が回路板(6)の外周縁よりも内側に位置していることである。
【００５７】
図５に示す結果から、応力緩和板(7)の輪郭面(10)に凹溝(12)が形成されている場合、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力は、ある深さまで低減され、その後は一定となることが分かる。図６に示す結果から、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たす場合、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力の増大を抑制しうることが分かる。さらに、図７に示す結果から、Ｘ≦２Ｙという関係を満たす場合に、絶縁板(5)の上側に発生する最大主応力の増大を抑制しうることが分かる。
【００５８】
図８は、パワーモジュールに用いられる応力緩和板の変形例を示す。
【００５９】
図８に示す応力緩和板(7)には、応力緩和板(7)を厚み方向（上下方向）に貫通した複数の貫通穴(15)が形成されている。なお、これに限定されるものではなく、応力緩和板(7)には、応力緩和板(7)の厚み方向にのびかつ上下いずれか一面に開口した複数の有底穴が形成されていてもよい。また、貫通穴(7)と有底穴とが混在していてもよい。
【００６０】
図９〜図１２は、パワーモジュールに用いられる絶縁回路基板の変形例を示す。
【００６１】
図９に示す絶縁回路基板(20)の場合、絶縁板(5)の外周縁部は、回路板(6)および絶縁板(5)の下面にろう付された応力緩和板(21)の外周縁部よりも外側に位置している。また、応力緩和板(21)の輪郭面(10)の厚み方向の中間部に、応力緩和板(21)の輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(22)が形成されている。凹溝(22)は角溝からなり、応力緩和板(21)の全周わたって形成されている。凹溝(22)の上下両側面(22a)(22b)の外端部は同一位置にある。なお、凹溝(22)は応力緩和板(21)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(22)が、応力緩和板(21)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００６２】
図１０に示す絶縁回路基板(25)の場合、絶縁板(5)の外周縁部は、回路板(6)および絶縁板(5)の下面にろう付された応力緩和板(26)の外周縁部よりも外側に位置している。また、応力緩和板(26)の輪郭面(10)の厚み方向の中間部に、応力緩和板(26)の輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(27)が形成されている。凹溝(27)はＶ溝からなり、応力緩和板(27)の全周わたって形成されている。凹溝(27)の上下両側面(27a)(27b)の外端部は同一位置にある。なお、凹溝(27)は応力緩和板(21)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(27)が、応力緩和板(21)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００６３】
図９および図１０に示す絶縁回路基板(20)(25)において、絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および応力緩和板(21)(26)の外周縁部よりも外側に位置しているので、回路板(6)と応力緩和板(21)(26)との間の絶縁距離を長くすることができ、回路板(6)と応力緩和板(21)(26)との間の絶縁性が向上する。
【００６４】
図１１に示す絶縁回路基板(30)の場合、絶縁板(5)の外周縁部は回路板(6)および絶縁板(5)の下面にろう付された応力緩和板(31)の外周縁部よりも外側に位置している。また、応力緩和板(31)の輪郭面(10)における応力緩和板(31)の厚み方向の絶縁板(5)側の端部に、応力緩和板(31)の輪郭をなぞるように輪郭面(10)に沿ってのびかつ絶縁板(5)の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部となる凹溝(32)が形成されている。凹溝(32)はＶ溝からなり、輪郭面(10)の厚み方向の全幅にわたって開口しており、応力緩和板(31)の全周わたって形成されている。そして、絶縁板(5)における応力緩和板(31)が接合された側の面の一部が、凹溝(32)内に臨むとともに凹溝(32)の水平な上側面(32a)となっている。凹溝(32)の下側面(32b)はアルミニウムからなり、応力緩和板(31)の下端から上方に向かって凹溝(32)の底方向に傾斜している。ここで、絶縁板(5)の外周縁部が応力緩和板(31)の外周縁部よりも外側に位置しているので、凹溝(32)の上側面(32a)における凹溝(32)の開口側端部（外端部）は下側面(32b)の外端部よりも外側に位置している。なお、凹溝(32)は応力緩和板(31)の全周わたって連続的に形成されていることが好ましいが、少なくとも１箇所において途切れていてもよい。この場合も、凹溝(32)が、応力緩和板(31)の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されていることが望ましい。
【００６５】
図１１に示す絶縁回路基板(30)において、応力緩和板(31)の凹溝(32)の下側面は、応力緩和板(32)の下端よりも若干上方の位置から上方に向かって凹溝(32)の底方向に傾斜していてもよい。すなわち、応力緩和板(31)の下面の周縁に連なって低い垂直面が存在し、当該垂直面の上端に凹溝(32)の下側面(32b)が連なっていてもよい。
【００６６】
図９〜図１１の絶縁回路基板(20)(25)(30)において、応力緩和板(21)(26)(31)の凹溝(22)(27)(32)の底と回路板(6)の外周縁との距離をＸmm、回路板(6)の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たしていることが好ましい。
【符号の説明】
【００６７】
(1)：パワーモジュール
(2)：パワーモジュール用ベース
(3)：パワーデバイス（発熱体となる電子素子）
(4)(20)(25)(30)：絶縁回路基板
(5)：絶縁板
(6)：回路板（第１金属板）
(7)(21)(26)(31)：応力緩和板（第２金属板）
(8)：冷却器
(9)：配線面
(11)：電子素子搭載部
(12)(22)(27)(32):：凹溝（熱応力緩和用凹部）
(12a)(32a)：上側面
(12b)(32b)：下側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁板と、絶縁板の片面に接合されかつ絶縁板とは反対側の面に発熱体が取り付けられるようになされている第１金属板と、絶縁板の他面に接合された第２金属板とよりなり、第１金属板に取り付けられる発熱体から発せられる熱が、第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わるようになされている絶縁積層材であって、第２金属板の輪郭を形成しかつ第２金属板の厚み方向に幅を持つ輪郭面に、絶縁板の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部が設けられている絶縁積層材。
【請求項２】
絶縁板と両金属板とがろう付されている請求項１記載の絶縁積層材。
【請求項３】
熱応力緩和用凹部が、第２金属板の前記輪郭面に沿ってのびる凹溝からなる請求項１または２記載の絶縁積層材。
【請求項４】
絶縁板および両金属板が多角形であり、前記凹溝が、第２金属板の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されている請求項３記載の絶縁積層材。
【請求項５】
前記凹溝が、第２金属板の厚み方向における絶縁板側の端部に形成されており、絶縁板における第２金属板が接合された側の面の一部が、前記凹溝内に臨むとともに前記凹溝の一方の側面となっている請求項３または４記載の絶縁積層材。
【請求項６】
前記凹溝が角溝であり、第２金属板全体の厚みをＴ１mm、第２金属板における絶縁板とは反対側の面から前記凹溝までの厚みをＴ２mmとした場合、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たす請求項５記載の絶縁積層材。
【請求項７】
前記凹溝が、第２金属板の厚み方向の中間部に形成されている請求項３記載の絶縁積層材。
【請求項８】
絶縁板の外周縁部が、第２金属板の外周縁部よりも外側に位置している請求項７記載の絶縁積層材。
【請求項９】
前記凹溝が、第２金属板の全周にわたって形成されている請求項３〜８のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【請求項１０】
前記凹溝の底と、第１金属板の外周縁との距離をＸmm、第１金属板の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たす請求項３〜９のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【請求項１１】
第２金属板に、第２金属板の厚み方向にのびかつ第２金属板の両面のうち少なくともいずれか一面に開口した複数の穴が形成されている請求項１〜１０のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちのいずれかに記載された絶縁積層材の第１金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面が、発熱体となる電子素子を搭載する電子素子搭載部を有する配線面となされている絶縁回路基板。
【請求項１３】
請求項１２記載の絶縁回路基板の第２金属板における絶縁板とは接合された面とは反対側の面が、冷却器に接合されているパワーモジュール用ベース。
【請求項１４】
第２金属板と冷却器とが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】
請求項１３または１４記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板における第１金属板の電子素子搭載部に、パワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【請求項１】
絶縁板と、絶縁板の片面に接合されかつ絶縁板とは反対側の面に発熱体が取り付けられるようになされている第１金属板と、絶縁板の他面に接合された第２金属板とよりなり、第１金属板に取り付けられる発熱体から発せられる熱が、第１金属板および絶縁板を経て第２金属板に伝わるようになされている絶縁積層材であって、第２金属板の輪郭を形成しかつ第２金属板の厚み方向に幅を持つ輪郭面に、絶縁板の熱応力を低減する熱応力緩和用凹部が設けられている絶縁積層材。
【請求項２】
絶縁板と両金属板とがろう付されている請求項１記載の絶縁積層材。
【請求項３】
熱応力緩和用凹部が、第２金属板の前記輪郭面に沿ってのびる凹溝からなる請求項１または２記載の絶縁積層材。
【請求項４】
絶縁板および両金属板が多角形であり、前記凹溝が、第２金属板の全周のうち少なくとも各角部に、当該角部を挟む２つの辺部にまたがるように形成されている請求項３記載の絶縁積層材。
【請求項５】
前記凹溝が、第２金属板の厚み方向における絶縁板側の端部に形成されており、絶縁板における第２金属板が接合された側の面の一部が、前記凹溝内に臨むとともに前記凹溝の一方の側面となっている請求項３または４記載の絶縁積層材。
【請求項６】
前記凹溝が角溝であり、第２金属板全体の厚みをＴ１mm、第２金属板における絶縁板とは反対側の面から前記凹溝までの厚みをＴ２mmとした場合、Ｔ２／Ｔ１≧０．５という関係を満たす請求項５記載の絶縁積層材。
【請求項７】
前記凹溝が、第２金属板の厚み方向の中間部に形成されている請求項３記載の絶縁積層材。
【請求項８】
絶縁板の外周縁部が、第２金属板の外周縁部よりも外側に位置している請求項７記載の絶縁積層材。
【請求項９】
前記凹溝が、第２金属板の全周にわたって形成されている請求項３〜８のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【請求項１０】
前記凹溝の底と、第１金属板の外周縁との距離をＸmm、第１金属板の厚みをＹmmとした場合、Ｘ≦２Ｙという関係を満たす請求項３〜９のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【請求項１１】
第２金属板に、第２金属板の厚み方向にのびかつ第２金属板の両面のうち少なくともいずれか一面に開口した複数の穴が形成されている請求項１〜１０のうちのいずれかに記載の絶縁積層材。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちのいずれかに記載された絶縁積層材の第１金属板における絶縁板に接合された面とは反対側の面が、発熱体となる電子素子を搭載する電子素子搭載部を有する配線面となされている絶縁回路基板。
【請求項１３】
請求項１２記載の絶縁回路基板の第２金属板における絶縁板とは接合された面とは反対側の面が、冷却器に接合されているパワーモジュール用ベース。
【請求項１４】
第２金属板と冷却器とが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】
請求項１３または１４記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板における第１金属板の電子素子搭載部に、パワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６９３１９（Ｐ２０１２−１６９３１９Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６７４３（Ｐ２０１１−２６７４３）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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