電子部品搭載基板の冷却構造

【課題】放熱性に優れた電子部品搭載基板の冷却構造を提供する。
【解決手段】セラミックス基板２２、２６の一方の面に金属回路板２４、２８が接合した金属−セラミックス回路基板１２、１４の金属回路板２４、２８の間に電子部品１６が挟持されて固定された電子部品搭載基板１０を一対の冷却器４４により挟持して冷却する冷却構造において、２つの金属−セラミックス回路基板１２、１４の各々のセラミックス基板２２、２６の一方の面に金属回路板２４、２８が直接接合し、２つの金属−セラミックス回路基板１２、１４の一方の金属−セラミックス回路基板１２のセラミックス基板２２の他方の面に一方の冷却器４４が直接接合している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品搭載基板の冷却構造に関し、特に、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属回路板が接合した金属−セラミックス回路基板に電子部品が搭載された電子部品搭載基板の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面に金属−セラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、この金属−セラミックス絶縁基板上に半導体チップが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（裏面）には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。
【０００３】
この金属−セラミックス絶縁基板へのベース板や半導体チップの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数の差によりベース板の反りが生じ易い。また、半導体チップから発生した熱は、金属−セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされるため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下するという問題がある。さらに、半田自体の熱伝導率が低いため、大電流を流すパワーモジュールでは、より高い放熱性が求められていた。
【０００４】
このような問題を解決するため、ベース板と金属−セラミックス絶縁基板との間を半田付けすることなく、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板をセラミックス基板に直接接合した金属−セラミックス回路基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、ハイブリッド自動車や電気自動車などで使用されているインバータは、絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体素子を内蔵した半導体モジュールを使用しており、大容量であるために発熱量も大きいので、特許文献１に提案された金属−セラミックス回路基板のベース板に熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けても、放熱性が不十分な場合があった。そのため、半導体モジュールなどの電子部品を両主面から挟持するように積層配置された冷却管が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５）
【特許文献２】特開２００７−１７３３７２号公報（段落番号０００８）
【特許文献３】特開２０１０−１０４１８号公報（段落番号０００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２および３の冷却管では、電子部品と冷却管の間（電子部品と冷却管の間に絶縁物が介在している場合には絶縁物と冷却管の間）の接触を十分にするために、これらの間に熱伝導グリースを介在させる必要があり、電子部品の両面を冷却しても、放熱性が十分でなかった。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、放熱性に優れた電子部品搭載基板の冷却構造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】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合した２つの金属−セラミックス回路基板の金属回路板の間に電子部品が挟持されて固定された電子部品搭載基板を一対の冷却器により挟持して冷却する冷却構造において、２つの金属−セラミックス回路基板の各々の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面に金属回路板を直接接合させ、２つの金属−セラミックス回路基板の一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に一対の冷却器の一方の冷却器を直接接合させることにより、放熱性に優れた電子部品搭載基板の冷却構造を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による電子部品搭載基板の冷却構造は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合した２つの金属−セラミックス回路基板の金属回路板の間に電子部品が挟持されて固定された電子部品搭載基板を一対の冷却器により挟持して冷却する冷却構造において、２つの金属−セラミックス回路基板の各々の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面に金属回路板が直接接合し、２つの金属−セラミックス回路基板の一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に一対の冷却器の一方の冷却器が直接接合していることを特徴とする。
【００１１】
この電子部品搭載基板の冷却構造において、２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合しているのが好ましい。この場合、２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に直接接合した金属部材が、熱伝導グリースを介して、一対の冷却器の他方の冷却器に接合しているのが好ましい。また、２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板に貫通穴が形成され、このセラミックス基板の他方の面に金属部材から離間して電極接続用金属板が直接接合し、この電極接続用金属板が貫通穴に充填された金属を介して他方の金属−セラミックス回路基板の金属回路板と電気的に接続されているのが好ましい。
【００１２】
上記の電子部品搭載基板の冷却構造において、冷却器が、平板状の金属部材の一方の面に多数のフィンが形成された一対のフィン付き冷却板であり、２つの金属−セラミックス回路基板の一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に、一対のフィン付き冷却板の一方のフィン付き冷却板のフィンと反対側の面が直接接合しているのが好ましい。また、２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合しているのが好ましい。この場合、２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に直接接合した金属部材が、熱伝導グリースを介して、一対のフィン付き冷却板の他方のフィン付き冷却板のフィンと反対側の面に接合しているのが好ましい。また、２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板に貫通穴が形成され、このセラミックス基板の他方の面に金属部材から離間して電極接続用金属板が直接接合し、この電極接続用金属板が貫通穴に充填された金属を介して他方の金属−セラミックス回路基板の金属回路板と電気的に接続されているのが好ましい。
【００１３】
上記の電子部品搭載基板の冷却構造において、金属部材が金属板であるのが好ましい。また、
一方の冷却器が、鋳型内にセラミックス基板を配置させた後に金属溶湯を注湯して冷却することによって、一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に直接接合しているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、放熱性に優れた電子部品搭載基板の冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態によって冷却される電子部品搭載基板を概略的に示す側面図である。
【図２Ａ】図１の電子部品搭載基板の上側の金属−セラミックス回路基板の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの金属−セラミックス回路基板の側面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの金属−セラミックス回路基板の裏面を示す図である。
【図３Ａ】図１の電子部品搭載基板を冷却するフィン付き冷却板の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのフィン付き冷却板の長手方向側面図である。
【図３Ｃ】図３Ａのフィン付き冷却板の裏面を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ａのフィン付き冷却板の幅方向（短手方向）側面図である。
【図４Ａ】図３Ａのフィン付き冷却板に下側の金属−セラミックス回路基板と電子部品を搭載した状態を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの長手方向側面図である。
【図５Ａ】図３Ａのフィン付き冷却板に下側の金属−セラミックス回路基板と電子部品と上側の金属−セラミックス回路基板を搭載し、エミッタ電極およびコレクタ電極を取り付けた状態を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの長手方向側面図である。
【図６】本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態を概略的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態によって冷却される電子部品搭載基板１０は、下側の金属−セラミックス回路基板１２と、上側の金属−セラミックス回路基板１４と、下側の金属−セラミックス回路基板１２と上側の金属−セラミックス回路基板１４の間に配置された電子部品１６、例えば、厚さ１００μｍ程度のダイオード１８および絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）２０からなる電子部品１６とを備えている。
【００１８】
下側の金属−セラミックス回路基板１２は、（本実施の形態では略矩形の平面形状の）セラミックス基板２２と、このセラミックス基板２２の上面に直接接合した（セラミックス基板２２より小さい）略矩形の平面形状のアルミニウムなどの金属からなる１つまたは複数（図４Ａに示すように、本実施の形態では２つ）の金属回路板２４とを備えている。なお、下側の金属−セラミックス回路基板１２は、例えば、（図示しない）鋳型内にセラミックス基板２２を配置させた後にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯して冷却することによって、金属回路板２４を形成する際にセラミックス基板２２に直接接合させることによって製造することができる。
【００１９】
上側の金属−セラミックス回路基板１４は、図１および図２Ａ〜図２Ｃに示すように、略矩形の平面形状のセラミックス基板２６と、このセラミックス基板２６の下面に直接接合した（セラミックス基板２６より小さい）略矩形の平面形状の１つまたは複数（本実施の形態では３つの帯状）のアルミニウムなどの金属からなる金属回路板２８と、セラミックス基板２６の上面に直接接合した（セラミックス基板２６より小さい）略矩形の平面形状のアルミニウムなどの金属からなる金属部材（または金属板）３０および電極接続用金属板３２とを備えている。電極接続用金属板３２は、金属部材３０から離間して配置され、セラミックス基板２６の長手方向一端側の周縁部に沿って帯状に延びている。また、セラミックス基板２６には、電極接続用金属板３２に対向する位置に、１つまたは複数（本実施の形態では３つ）の貫通穴（スルーホール）２６ａが所定の間隔で形成されており、これらの貫通穴２６ａにアルミニウムなどの金属が充填されて金属回路板２８と電極接続用金属板３２とを電気的に接続している。なお、上側の金属−セラミックス回路基板１４は、例えば、（図示しない）鋳型内にセラミックス基板２６を配置させた後にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯して冷却して、貫通穴２６ａの内部の金属溶湯を固化させるとともに金属回路板２８と金属部材３０と電極形成用金属板３２を形成する際に、これらをセラミックス基板２６に直接接合させることによって製造することができる。
【００２０】
図１に示すように、電子部品１６の下面は、それぞれ（例えば、厚さ１００μｍ程度の）半田３４を介して下側の金属−セラミックス回路基板１２の金属回路板２４の上面に接合され、電子部品１６の他方の面（上面）は、それぞれ（例えば、厚さ１００μｍ程度の）半田３４を介して上側の金属−セラミックス回路基板１４の金属回路板２８の下面に接合されている。
【００２１】
また、下側の金属−セラミックス回路基板１２の金属回路板２４の上面の一端側には、コレクタ電極３６が接続され、上側の金属−セラミックス回路基板１４の電極接続用金属板３２の上面には、エミッタ電極３８が接続されている。また、ＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴ２０の上面（の金属回路板２４の上面の他端側に対向する部分）には、ゲート電極４０が接続されている。なお、上側の金属−セラミックス回路基板１４の金属部材３０の上面には、熱伝導グリース４２が塗布される。
【００２２】
本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態では、電子部品搭載基板１０の両主面が一対のフィン付き冷却板４４によって冷却されるようになっている。
【００２３】
一対のフィン付き冷却板４４の各々は、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、略矩形の平面形状の平板部４４ａの一方の面（裏面）の周縁部を除いた部分に多数のフィン４４ｂが形成されたアルミニウム部材などの金属部材からなる。多数のフィン４４ｂは、平板部４４ａから垂直方向に突出し且つ平板部４４ａの長手方向に延びる多数の板状体であり、互いに平板部４４ａの幅方向（短手方向）に所定の間隔で離間して配置されている。また、平板部４４ａの各々の角部付近には、貫通穴４４ｃが形成されている。なお、各々のフィン付き冷却板４４は、例えば、（図示しない）鋳型内にアルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯して冷却することによって製造することができる。
【００２４】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、一対のフィン付き冷却板４４の一方（下側のフィン付き冷却板４４）の平板部４４ａの上面（フィン４４ｂと反対側の平面）には、１つまたは複数（本実施の形態では３つ）の下側の金属−セラミックス回路基板１２のセラミックス基板２２が直接接合している。すなわち、下側のフィン付き冷却板４４の平板部４４ａの上面のフィン４４ｂに対応する部分に、１つまたは複数（本実施の形態では３枚）のセラミックス基板２２の各々の下面が直接接合し、これらのセラミックス基板２２の各々の上面に、１つまたは複数（本実施の形態では２つ）の金属回路板２４が直接接合している。また、上述したように、金属回路板２４の各々の上面に、それぞれ１つまたは複数（本実施の形態では２つ）のダイオード１８およびＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴ２０が半田３４を介して取り付けられている。なお、下側の金属−セラミックス回路基板１２は、例えば、１つまたは複数（本実施の形態では３枚）のセラミックス基板２２を（図示しない）鋳型内の同一面上に所定の間隔で配置させた後に、アルミニウム溶湯などの金属溶湯を注湯して冷却することによって、フィン付き冷却板４４および（それぞれのセラミックス基板２２上に）１つまたは複数（本実施の形態では２つ）の金属回路板２４を形成する際に、セラミックス基板２２に金属回路板２４およびフィン付き冷却板４４に直接接合させることによって製造することができる。
【００２５】
図５Ａおよび図５Ｂは、下側のフィン付き冷却板４４の平板部４４ａの上面（フィン４４ｂと反対側の平面）に電子部品搭載基板１０に取り付けられた状態を示している。すなわち、図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれの電子部品１６（それぞれの対のダイオード１８およびＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴ２０）の上面に、上側の金属−セラミックス回路基板１４の金属回路板２８が半田３４を介して取り付けられ、コレクタ電極３６およびエミッタ電極３８が取り付けられた状態を示している。
【００２６】
図６は、１つ以上（本実施の形態では４個）の電子部品１６を搭載した１つ以上（本実施の形態では３個）の電子部品搭載基板１０が一対のフィン付き冷却板４４によって挟持されて固定された状態を示している。図６に示すように、下側のフィン付き冷却板４４の平板部４４ａの上面（フィン４４ｂと反対側の平面）に取り付けられた電子部品搭載基板１０は、それぞれ電極内臓樹脂ケース４６内に配置され、コレクタ電極３６、エミッタ電極３８およびベース電極４０がそれぞれ電極内臓樹脂ケース４６に接続され、各々の電極内臓樹脂ケース４６内にエポキシ樹脂（またはＳｉゲルおよびエポキシ樹脂）などの樹脂４８が充填されている。また、電子部品搭載基板１０の各々（の上側の金属−セラミックス回路基板１４の金属部材３０）の上面には、上側のフィン付き冷却板４４がその平板部４４ａのフィン４４ｂと反対側の面が下向きになるように熱伝導グリース４２を介して配置され、１つ以上（本実施の形態では４つ）のボルト５０を上側および下側のフィン付き冷却板４４の平板部４４ａの貫通穴４４ｃに通してそれぞれナット５２を締結することによって、電子部品搭載基板１０が一対のフィン付き冷却板４４に挟持されて固定されている。
【００２７】
このようにして、本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態では、セラミックス基板２２、２６の一方の面に金属回路板２４、２８が直接接合した２つの金属−セラミックス回路基板１２、１４の金属回路板２４、２８間に電子部品１６を挟持して固定した電子部品搭載基板１０の両面を一対のフィン付き冷却板４４によって冷却しているので、放熱性を向上させることができる。
【００２８】
特に、本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態では、電子部品１６の下面を冷却するための下側の金属−セラミックス回路基板１４の金属回路板２４がセラミックス基板２２と直接接合し且つこのセラミックス基板２２が下側のフィン付き冷却板４４と直接接合しているので、電子部品１６の下面を冷却するための下側の金属−セラミックス回路基板１４と下側のフィン付き冷却板４４との間に熱伝導グリースを使用する必要がなく、さらに放熱性を向上させることができる。
【００２９】
また、本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態では、電子部品搭載基板１０の上側の金属−セラミックス回路基板１４にスルーホールを設けているので、電極を接合し易く且つコンパクトな電子部品搭載基板１０にすることができる。
【００３０】
なお、上述した本発明による電子部品搭載基板の冷却構造の実施の形態では、放熱フィンとしてフィン付き冷却板４４を使用した例について説明したが、放熱フィンの代わりに冷却ジャケットを使用してもよい。その場合、例えば、フィン付き冷却板４４のフィン４４ｂを覆うようにカバーを取り付けて、その内部に冷却材が流れるようにすればよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０電子部品搭載基板
１２下側の金属−セラミックス回路基板
１４上側の金属−セラミックス回路基板
１６電子部品
１８ダイオード
２０ＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴ
２２、２６セラミックス基板
２６ａ貫通穴（スルーホール）
２４、２８金属回路板
３０金属部材（金属板）
３２電極接続用金属板
３４半田
３６コレクタ電極
３８エミッタ電極
４０ベース電極
４２熱伝導グリース
４４フィン付き冷却板
４４ａ平板部
４４ｂフィン
４４ｃ貫通穴
４６電極内臓樹脂ケース
４８樹脂
５０ボルト
５２ナット

【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合した２つの金属−セラミックス回路基板の金属回路板の間に電子部品が挟持されて固定された電子部品搭載基板を一対の冷却器により挟持して冷却する冷却構造において、２つの金属−セラミックス回路基板の各々の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面に金属回路板が直接接合し、２つの金属−セラミックス回路基板の一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に一対の冷却器の一方の冷却器が直接接合していることを特徴とする、電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項２】
前記２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合していることを特徴とする、請求項１に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項３】
前記２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に直接接合した金属部材が、熱伝導グリースを介して、前記一対の冷却器の他方の冷却器に接合していることを特徴とする、請求項２に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項４】
前記２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板に貫通穴が形成され、このセラミックス基板の他方の面に前記金属部材から離間して電極接続用金属板が直接接合し、この電極接続用金属板が貫通穴に充填された金属を介して前記他方の金属−セラミックス回路基板の金属回路板と電気的に接続されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項５】
前記冷却器が、平板状の金属部材の一方の面に多数のフィンが形成された一対のフィン付き冷却板であり、前記２つの金属−セラミックス回路基板の一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に、前記一対のフィン付き冷却板の一方のフィン付き冷却板のフィンと反対側の面が直接接合していることを特徴とする、請求項１に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項６】
前記２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合していることを特徴とする、請求項５に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項７】
前記２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に直接接合した金属部材が、熱伝導グリースを介して、前記一対のフィン付き冷却板の他方のフィン付き冷却板のフィンと反対側の面に接合していることを特徴とする、請求項６に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項８】
前記２つの金属−セラミックス回路基板の他方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板に貫通穴が形成され、このセラミックス基板の他方の面に前記金属部材から離間して電極接続用金属板が直接接合し、この電極接続用金属板が貫通穴に充填された金属を介して前記他方の金属−セラミックス回路基板の金属回路板と電気的に接続されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項９】
前記金属部材が金属板であることを特徴とする、請求項２乃至４および６乃至８のいずれかに記載の電子部品搭載基板の冷却構造。
【請求項１０】
前記一方の冷却器が、鋳型内にセラミックス基板を配置させた後に金属溶湯を注湯して冷却することによって、前記一方の金属−セラミックス回路基板のセラミックス基板の他方の面に直接接合していることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の電子部品搭載基板の冷却構造。

【図１】