JP2005191502A - Electronic part cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ装置等の発熱性の電子部品を冷却するための冷却装置に関するものである。 The present invention relates to a cooling device for cooling a heat-generating electronic component such as an inverter device.
ハイブリッド自動車においては、バッテリからの直流電力を走行用モータ等へ給電するためにインバータ装置が用いられている。
上記インバータ装置は、トランジスタやFET、またはIGBT等の半導体スイッチング素子を搭載しているが、これらの素子は、大電流を制御するため、消費電力が大きく、多くの熱を発生する。
この発熱は、効率よく逃がさないと、部品の寿命が短くなり、また、破壊に至るおそれがあるため、放熱および、温度上昇の抑制が容易な構造が要求されている。
In a hybrid vehicle, an inverter device is used to supply DC power from a battery to a traveling motor or the like.
The inverter device includes semiconductor switching elements such as transistors, FETs, or IGBTs. These elements control large currents, and therefore consume large power and generate a lot of heat.
If this heat generation is not escaped efficiently, the life of the parts will be shortened, and there is a risk of destruction, so a structure that can easily dissipate heat and suppress temperature rise is required.
従来、上記の半導体スイッチング素子からの発熱を冷却液で強制的に液冷し、温度上昇を抑制する、いわゆる液冷方式の冷却構造体を採用したものが提供されている。
図1は、このような従来の液冷方式を採用したインバータ装置の一例を示す斜視図である。
パワーモジュール1は、冷却ブロック2の載置面3上にシリコングリースを塗布して実装され、パワーモジュール1の四隅に設けられた穴位置にボルト4を通して、冷却ブロック2にネジ締め固定されている。パワーモジュール1の下面と冷却ブロック載置面3との間にはシリコングリースが塗布され、両者の密着性を高め、熱抵抗を低減させている。
また、冷却ブロック2の内部には、アルミニウムにより成形した狭ピッチのコルゲートフィン5が挿入されており、冷却ブロック2の両側面からアルミ板材で密封し、冷却液循環用の冷液管6a、6bとともにろう付けして液密性を確保している。
図2は、図1のインバータ装置の断面図を示したものである。
パワーモジュール1は、半導体スイッチング素子7を搭載した絶縁基板8を金属製の放熱板9に半田付けし、その素子の周囲を取り囲むハウジング10を放熱板9に取り付けて構成される。
絶縁基板8は、セラミックス(例えば窒化アルミニウムや窒化珪素)等の絶縁材料で形成された絶縁層の両面に、銅やアルミニウム等の金属層を設けて構成されており、上面側の金属層には電極が形成されている。
ハウジング10には、外部接続端子11が一体成形され、半導体スイッチング素子7は、絶縁基板8の金属電極または外部接続端子11とアルミワイヤ12でボンディング接続されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been provided a so-called liquid cooling type cooling structure in which heat generated from the semiconductor switching element is forcibly cooled with a cooling liquid to suppress a temperature rise.
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an inverter device employing such a conventional liquid cooling system.
The
In addition, narrow pitch
FIG. 2 is a cross-sectional view of the inverter device of FIG.
The
The
An
パワーモジュールに組み込まれる半導体スイッチング素子が、数十Aを超える大容量のチップである場合は、通電時の発熱が顕著となり、半導体チップと絶縁基板、あるいは放熱板との熱膨張係数の違いによって接合界面に応力が生じ、クラック等で破壊するおそれがある。
従って、絶縁基板および放熱板は、半導体チップとほぼ等しいか、それに近い熱膨張係数のものが選定される。例えば、半導体チップの構成材料であるシリコンの熱膨張係数は3ppm/℃であるため、絶縁基板としては、熱膨張係数が5ppm/℃のAlN基板が選定される。また、放熱板としては、熱膨張係数が7〜8ppm/℃のAl−SiC複合板、Cu−Mo複合板、カーボン複合板などが使用できる。
When the semiconductor switching element incorporated in the power module is a large-capacity chip exceeding several tens of A, heat generation during energization becomes significant, and bonding is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip and the insulating substrate or the heat sink. Stress is generated at the interface, and there is a risk of breaking by cracks or the like.
Accordingly, the insulating substrate and the heat radiating plate are selected to have a thermal expansion coefficient substantially equal to or close to that of the semiconductor chip. For example, since the thermal expansion coefficient of silicon, which is a constituent material of the semiconductor chip, is 3 ppm / ° C., an AlN substrate having a thermal expansion coefficient of 5 ppm / ° C. is selected as the insulating substrate. Moreover, as a heat sink, an Al-SiC composite board, a Cu-Mo composite board, a carbon composite board, etc. with a thermal expansion coefficient of 7-8 ppm / degrees C can be used.
また、他の電子部品冷却装置の例として、冷却ブロックに開口部を設けて、パワーモジュールの放熱板を嵌合して一体化した構造とし、冷却ブロック内部を循環する冷却媒体で放熱板の下面を直接冷却した構造が提案されている。
上記の冷却装置の構造例として、開口部を有するヒートシンクにゴムシートやOリング、パッキン等の弾性体を挟んで、発熱性の電子部品が実装された放熱板を直接接合してネジ止め固定した構造の冷却構造が提案されている(例えば特許文献1〜3参照)。
As an example of the structure of the cooling device described above, an elastic body such as a rubber sheet, an O-ring, and packing is sandwiched between a heat sink having an opening, and a heat sink on which heat-generating electronic components are mounted is directly joined and fixed with screws. Structure cooling structures have been proposed (see, for example,
また、他の電子部品冷却装置の例として、中空構造を有する冷却ブロックに、発熱性の電子部品を実装した絶縁基板を直接実装して冷却する構造が提案されている(例えば特許文献4参照)。
さらに、他の電子部品冷却装置の例として、インバータケースに開口部を設けて、発熱性の電子部品が実装された放熱板を嵌合し、放熱板の外周の張出部分とインバータケースとの継ぎ目を摩擦撹拌接合により、接合して一体化した構造が提案されている(例えば特許文献5参照)。
また、他の電子部品冷却装置の例として、板状のNi−Fe合金の両面に板状の銅を接合した複合金属がヒートスプレッダ材として用いられる場合がある。
この複合金属の特徴として、熱膨張係数が2ppm/℃と非常に小さいNi−Fe合金の両面に、熱膨張係数が17ppm/℃の銅を接合することで、複合金属の熱膨張係数を小さく抑えるとともに熱を面方向に拡散させることが可能である。
従って、半導体チップが実装された絶縁基板を放熱板上に実装する用途において、放熱板と絶縁基板の熱膨張係数の差を小さく設定できるために、ヒートサイクルにおいて界面にクラックを発生するおそれがない。
ところが、熱伝導率が15W/m・Kと非常に小さいNi−Fe合金の両面に、熱伝導率が390W/m・Kと非常に大きい銅を貼り付けるため、中間層のNi−Fe合金で熱伝達が阻害され、熱伝導率は非常に小さくなってしまう。
一例として、銅−(Ni−Fe合金)−銅の複合金属において、3つの金属の構成比を銅20%、Ni−Fe合金60%、銅20%と設定した場合、熱膨張係数は、AlN基板とほぼ同じ7ppm/℃を実現できるが、板面平行方向の熱伝導率160W/m・K、板面垂直方向の熱伝導率20W/m・Kとなり、垂直方向の熱伝達率が極端に低下してしまう。従って、過渡的に発生した熱を面方向に拡散する目的でヒートスプレッダ材として利用されている。
As another example of the electronic component cooling apparatus, a composite metal in which plate-like copper is bonded to both surfaces of a plate-like Ni—Fe alloy may be used as a heat spreader material.
As a feature of this composite metal, copper having a thermal expansion coefficient of 17 ppm / ° C. is bonded to both surfaces of a Ni—Fe alloy having a very low thermal expansion coefficient of 2 ppm / ° C., thereby suppressing the thermal expansion coefficient of the composite metal to be small. At the same time, it is possible to diffuse heat in the surface direction.
Therefore, in applications where an insulating substrate on which a semiconductor chip is mounted is mounted on a heat sink, the difference between the thermal expansion coefficients of the heat sink and the insulating substrate can be set small, so there is no risk of cracking at the interface during the heat cycle. .
However, since copper with a very high thermal conductivity of 390 W / m · K is attached to both sides of a very small Ni—Fe alloy with a thermal conductivity of 15 W / m · K, Heat transfer is hindered and the thermal conductivity becomes very small.
As an example, in a copper- (Ni-Fe alloy) -copper composite metal, when the composition ratio of the three metals is set to 20% copper, Ni-Fe alloy 60%, and copper 20%, the thermal expansion coefficient is AlN. 7ppm / ° C, which is almost the same as the substrate, can be realized, but the heat conductivity in the plate surface parallel direction is 160W / m · K, the heat conductivity in the plate surface vertical direction is 20W / m · K, and the heat transfer coefficient in the vertical direction is extremely It will decline. Therefore, it is used as a heat spreader material for the purpose of diffusing transiently generated heat in the surface direction.
上記の電子部品冷却装置において、半導体スイッチング素子を搭載した絶縁基板を金属製の放熱板にはんだ付けし、さらに放熱板の下面と冷却ブロックの載置面との間にシリコングリースを塗布した構造のインバータ装置においては、シリコングリースの熱伝導率が1W/m・Kと、放熱板や絶縁基板と比較して2桁以上小さく、シリコングリース界面における熱抵抗が大きくなるため高い放熱性能が期待できない。
さらに、図3に示すように、放熱板9の中央部が冷却ブロック載置面から離れるように反っている場合、パワーモジュールの四隅をネジ締めしても、放熱板の中央部は冷却ブロックに密着しないため、放熱板9を介して冷却ブロック2に熱が伝達されず、異常に温度上昇してしまうこととなる。従って、半導体スイッチング素子、および絶縁基板が実装された状態での放熱板と冷却ブロックの載置面上の平面精度に非常に高い精度が要求され、加工の手間やコスト増大を招くこととなる。
In the above electronic component cooling device, the insulating substrate on which the semiconductor switching element is mounted is soldered to a metal heat sink, and silicon grease is applied between the lower surface of the heat sink and the mounting surface of the cooling block. In the inverter device, the thermal conductivity of silicon grease is 1 W / m · K, which is two orders of magnitude smaller than that of a heat sink or an insulating substrate, and the thermal resistance at the silicon grease interface increases, so high heat dissipation performance cannot be expected.
Furthermore, as shown in FIG. 3, when the center part of the
さらに、上記した従来の冷却構造のうち、開口部を有するヒートシンクにゴムシートやOリング、パッキン等の弾性体を挟んで、発熱性の電子部品が実装された放熱板を接合させてネジ止め固定した冷却構造では、ヒートシンクと放熱板との接合部の液密性を保つことが非常に重要となり、冷却液の液漏れを発生させない注意が必要となる。
例えば、放熱板として使用されている、Al−SiC複合板およびCu−Mo複合板では、熱膨張係数が7〜8ppm/℃であるのに対し、開口部を有するヒートシンクとして使用される金属材料は、低コストで加工性に富むアルミニウムで、熱膨張係数が24ppm/℃と非常に大きい。
30〜50kWクラスの車載用インバータ装置に搭載されるパワーモジュールを想定したとき、パワーモジュールベース板の長辺側寸法は約20cmとなる。車載用途のインバータ装置等で要求される環境温度−40〜+85℃においては、ΔT=125℃の温度変化に対応する必要があり、Al−SiC複合板およびCu−Mo複合板等の放熱板では、パワーモジュール長辺側寸法20cmに対して0.2mmの寸法変化となるのに対し、アルミニウムにおいては、0.6mmの寸法変化を発生させることとなる。
従って、放熱板とアルミニウム間の熱膨張差が0.4mmも発生することになり、これがヒートシンクと放熱板との接合部に挟み込まれたゴムシート等にストレスを与える。
さらに、温度環境が厳しい車載用途においては、ヒートシンクと放熱板との界面に存在するゴムシートやOリング、パッキン等の弾性体にこれらストレスが熱履歴となって加わり、長期間の使用によって密着性が劣化するとう問題も懸念される。
また、上記した従来の冷却構造のうち、インバータケースに開口部を設けて、発熱性の電子部品が実装された放熱板を嵌合し、放熱板の外周の張出部分とインバータケースとの継ぎ目を摩擦撹拌接合により接合して一体化した冷却構造が提案されているが、インバータケースと放熱板嵌合部を隙間なく密着させた上で摩擦撹拌接合を実施する必要があり、高い工作精度が要求されるため、加工の手間やコスト増大を招くこととなる。
さらに、摩擦撹拌接合は、回転する工具を接合部分に押しつけ、その回転による摩擦熱で軟化した材料を回転する工具で混ぜ合わせることで材料同士を接合する方法であり、パワーモジュール周囲に放熱板とインバータケースを結合させるための比較的大きなスペースが必要となるとともに、一定条件で工具を回転させ、材料を軟化させて混ぜ合わせるといった難易度の高い加工が必要となり、一定の品質を確保することが難しい。
また、放熱板として、銅−(Ni−Fe合金)−銅を接合した複合金属を用いる場合、数十kWクラスのインバータ装置の用途としては、定常運転時において放熱板の板面垂直方向へ大容量放熱が必要となり、板面垂直方向への熱伝導率が低い、銅−(Ni−Fe合金)−銅の複合金属は使用が困難となる。
Furthermore, among the conventional cooling structures described above, an elastic body such as a rubber sheet, an O-ring, and packing is sandwiched between a heat sink having an opening, and a heat radiating plate mounted with heat-generating electronic components is joined and fixed with screws. In such a cooling structure, it is very important to maintain liquid tightness at the joint between the heat sink and the heat sink, and care must be taken not to cause leakage of the cooling liquid.
For example, in an Al—SiC composite plate and a Cu—Mo composite plate used as a heat sink, the thermal expansion coefficient is 7 to 8 ppm / ° C., whereas the metal material used as a heat sink having an opening is It is a low-cost and highly workable aluminum and has a very high thermal expansion coefficient of 24 ppm / ° C.
Assuming a power module mounted on a 30 to 50 kW class in-vehicle inverter device, the long side dimension of the power module base plate is about 20 cm. At the ambient temperature of −40 to + 85 ° C. required for inverter devices for in-vehicle use, it is necessary to cope with a temperature change of ΔT = 125 ° C., and heat sinks such as Al—SiC composite plates and Cu—Mo composite plates The power module has a dimensional change of 0.2 mm with respect to the long side dimension of 20 cm, whereas aluminum causes a dimensional change of 0.6 mm.
Therefore, a thermal expansion difference of 0.4 mm between the heat sink and the aluminum is generated, which gives stress to a rubber sheet or the like sandwiched between the heat sink and the heat sink.
Furthermore, in automotive applications where the temperature environment is severe, these stresses are applied as thermal history to the rubber sheet, O-ring, packing, and other elastic bodies that exist at the interface between the heat sink and the heat sink. There is also concern about the problem of deterioration.
In addition, among the conventional cooling structures described above, an opening is provided in the inverter case, and a heat sink on which heat-generating electronic components are mounted is fitted, and the joint between the projecting portion of the outer periphery of the heat sink and the inverter case Although a cooling structure that integrates and integrates friction stir welding has been proposed, it is necessary to perform friction stir welding after the inverter case and the heat sink fitting part are in close contact with each other without any gaps. This is required, resulting in increased processing time and cost.
Furthermore, friction stir welding is a method of joining materials by pressing a rotating tool against the joint and mixing the materials softened by frictional heat generated by the rotation with the rotating tool. A relatively large space is required to connect the inverter case, and high-difficult processing such as rotating the tool under certain conditions and softening and mixing the materials is necessary, ensuring a certain quality. difficult.
Moreover, when using a composite metal in which copper- (Ni-Fe alloy) -copper is joined as a heat sink, the use of an inverter device of several tens of kW class is large in the direction perpendicular to the plate surface of the heat sink during steady operation. Capacitive heat dissipation is required, and a copper- (Ni-Fe alloy) -copper composite metal having low thermal conductivity in the direction perpendicular to the plate surface is difficult to use.
本発明は、上記の課題を解決するものであって、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板と、
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
該放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のNi−Fe合金を接合した3層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面領域に凸部を形成し、
上記両面の凸部を取り囲む領域をNi−Fe合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させたことを特徴とする電子部品冷却装置である(図5)。
The present invention solves the above problem, and a heat sink attached to a power module having an insulating substrate on which a heat-generating electronic component is mounted,
In an electronic component cooling device comprising a cooling block for forcibly cooling an exothermic electronic component by placing the heat sink,
The heat sink is a three-layer composite metal in which plate-like copper is used as a base material, and a plate-like Ni—Fe alloy is bonded to both surfaces of the base material,
Protruding portions are formed on the mounting region of the insulating substrate on which the heat-generating electronic components of the base material are mounted, and on the opposite back surface region,
An electronic component cooling apparatus characterized in that a region surrounding the convex portions on both sides is formed of a Ni-Fe alloy, and the region is fitted to the convex portions on both sides (FIG. 5).
また、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板を有するパワーモジュールに取り付けられる放熱板と、
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
上記放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のNi−Fe合金を接合した3層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面領域をNi−Fe合金で形成したことを特徴とする電子部品冷却装置である(図10)。
A heat sink attached to a power module having an insulating substrate on which heat-generating electronic components are mounted;
In an electronic component cooling device comprising a cooling block for forcibly cooling an exothermic electronic component by placing the heat sink,
The heat sink is a three-layer composite metal in which a plate-like copper is used as a base material, and a plate-like Ni—Fe alloy is bonded to both surfaces of the base material,
An electronic component cooling device characterized in that a region surrounding an attachment region of an insulating substrate on which a heat-generating electronic component of the base material is mounted and a back surface region facing each other are formed of a Ni-Fe alloy (FIG. 10). ).
さらに、上記のNi−Fe合金の取り囲む領域形状が、基材両面で略同一であり、かつ同一厚さであることを特徴とする電子部品冷却装置である。 Furthermore, the electronic component cooling device is characterized in that the shape of the region surrounded by the Ni—Fe alloy is substantially the same on both surfaces of the base material and has the same thickness.
そして、上記放熱板の熱膨張係数が3〜8ppm/℃であることを特徴とする電子部品冷却装置である。 And the thermal expansion coefficient of the said heat sink is 3-8 ppm / degrees C, It is an electronic component cooling device characterized by the above-mentioned.
また、上記冷却ブロックが、冷却媒体の流路を備え、上記放熱板のNi−Fe合金の取り囲む領域に接合する開口部を有し、該開口部に放熱板を接合させて一体化し、放熱板の面の一部を、上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却することを特徴とする電子部品冷却装置である(図12)。 The cooling block includes a cooling medium flow path, and has an opening joined to a region surrounding the Ni—Fe alloy of the heat radiating plate, and the heat radiating plate is joined to and integrated with the opening. A part of the surface of the electronic component is exposed in the flow path and directly cooled with a cooling medium (FIG. 12).
さらに、上記放熱板が、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域に相対向する裏面にフィンを有し、該フィンを冷却ブロックの開口部と嵌合させて一体化したことを特徴とする電子部品冷却装置である。 Further, the radiator plate has fins on the back surface opposite to the mounting region of the insulating substrate on which the heat-generating electronic components are mounted, and the fins are integrated with the cooling block opening. The electronic component cooling device is characterized.
そして、上記冷却ブロックと放熱板との接合をろう付けとしたことを特徴とする電子部品冷却装置である。 And it is an electronic component cooling device characterized by brazing the joining of the cooling block and the heat sink.
また、上記冷却ブロックと放熱板との接合に、Oリングまたは平パッキンを介在させたことを特徴とする電子部品冷却装置である(図8)。 The electronic component cooling apparatus is characterized in that an O-ring or a flat packing is interposed between the cooling block and the heat radiating plate (FIG. 8).
さらに、上記冷却ブロックが銅を基材とし、該基材の両面にNi−Fe合金を接合した3層の複合金属、または、Ni−Fe合金を基材とし、該基材の両面に銅を接合した3層の複合金属からなることを特徴とする電子部品冷却装置である。 Further, the cooling block is made of copper as a base material, and a three-layer composite metal in which Ni—Fe alloy is bonded to both surfaces of the base material, or a Ni—Fe alloy as a base material, and copper is added to both surfaces of the base material It is an electronic component cooling device comprising three layers of joined composite metals.
そして、上記Ni−Fe合金がインバー(Ni36%、Fe64%)または42アロイ(Ni42%、Fe58%)であることを特徴とする電子部品冷却装置である。 The electronic component cooling apparatus is characterized in that the Ni-Fe alloy is Invar (Ni 36%, Fe 64%) or 42 alloy (Ni 42%, Fe 58%).
また、上記Ni−Fe合金に替えて、コバール系合金(Ni−Co−Fe系合金)を使用したことを特徴とする電子部品冷却装置である。 Moreover, it is an electronic component cooling device characterized by using a Kovar alloy (Ni-Co-Fe alloy) instead of the Ni-Fe alloy.
さらに、上記の銅に替えて、アルミニウムを使用したことを特徴とする電子部品冷却装置である。
上記構成を用いることで、より低コストで軽量化された電子部品冷却装置を提供することができる。
Furthermore, it is an electronic component cooling device using aluminum instead of the above copper.
By using the above-described configuration, it is possible to provide an electronic component cooling device that is reduced in cost and weight.
上記構成のとおり、放熱板が板状の銅またはアルミニウムを基材とし、該基材の両面に板状のNi−Fe合金またはコバール系合金を接合した3層の複合金属であって、該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面に凸部を形成し、上記両面の凸部を取り囲む領域をNi−Fe合金若しくはコバール系合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させるか、または
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面をNi−Fe合金若しくはコバール系合金で形成することにより、放熱板の板面垂直方向へは、熱伝導性の高い銅の特性を利用して大容量放熱が可能となり、かつ、放熱板の熱膨張係数は、中間層の銅またはアルミニウムの両面にNi−Fe合金またはコバール系合金を接合しているため、3〜8ppm/℃に抑制することができ、放熱板上に実装される絶縁基板との界面にストレスを生ずることなく、信頼性の高い電子部品冷却装置を提供することができる。
As described above, the heat sink is a three-layer composite metal having a plate-like copper or aluminum as a base material, and a plate-like Ni—Fe alloy or a Kovar alloy bonded to both surfaces of the base material. A mounting region of the insulating substrate on which the heat-generating electronic components of the material are mounted, a convex portion is formed on the opposite back surface, and a region surrounding the convex portion on both sides is formed of a Ni-Fe alloy or a Kovar alloy, The region is fitted to the convex portions on both sides, or the region surrounding the mounting region of the insulating substrate on which the heat-generating electronic component of the base material is mounted, and the opposite back surface is Ni-Fe alloy or Kovar. By forming it with an alloy, heat dissipation of large capacity is possible in the direction perpendicular to the plate surface of the heat sink using the characteristics of copper with high thermal conductivity, and the thermal expansion coefficient of the heat sink is the copper of the intermediate layer. Or Ni- e-alloy or Kovar-based alloy is bonded, so it can be suppressed to 3-8 ppm / ° C. and highly reliable electronic components without causing stress at the interface with the insulating substrate mounted on the heat sink A cooling device can be provided.
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図4は、本発明の実施例による電子部品冷却装置の斜視図であり、
半導体スイッチング素子7を搭載した絶縁基板8を放熱板9上に実装し、図1と同様、半導体周囲を取り囲むハウジングを放熱板に取り付けて、パワーモジュールとした状態で冷却ブロックに実装して使用される。ここでは、放熱板の構造をより明確にするために、ハウジング部を省略して記載する。
半導体スイッチング素子7を搭載した絶縁基板8は、放熱板9にはんだ付けして実装される。
さらに、放熱板9の下面と冷却ブロック2の載置面3との間に、シリコングリースを塗布し、両者間の密着性を高めた上で放熱板9が冷却ブロック2にボルト4でネジ止め固定される。
そして、冷却ブロック2の一方の冷液管6aからクーラントや純水等の冷却液を供給して冷却ブロック内の流路を循環させたのち、他方の液冷管6bから排出させることで、パワーモジュール内の半導体スイッチング素子7で発生する熱を、絶縁基板8、放熱板9、シリコングリースを通じて冷却ブロック内を流れる冷却液に伝え、パワーモジュールを強制冷却する。
FIG. 4 is a perspective view of an electronic component cooling apparatus according to an embodiment of the present invention.
An insulating
The insulating
Further, silicon grease is applied between the lower surface of the
Then, a coolant such as coolant or pure water is supplied from one cold
図5(a)は、上記電子部品冷却装置に使用される放熱板9の斜視図であり、図5(b)はその断面図である。放熱板9はNi−Fe合金、銅、Ni−Fe合金の順に3つの金属を接合した複合金属で構成される。中間層の銅13の一方の面には、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の実装領域を凸部に形成し、該凸部に嵌合する穴部を形成したNi−Fe合金14がインレイ処理してクラッド化(後述する)されている。
このように、3つの金属を嵌合するクラッドメタルを製作する手段として、例えば、冷間圧接して3種類の金属を接合した後、焼鈍作業(焼き入れ)を行って接合する方法、もしくは3種類の金属をろう付けして接合する方法、熱圧着法などが挙げられる。
Fig.5 (a) is a perspective view of the
As described above, as a means for producing a clad metal for fitting three metals, for example, a method in which three kinds of metals are joined by cold welding and then subjected to an annealing operation (quenching), or 3 Examples include a method of brazing and joining various types of metals, a thermocompression bonding method, and the like.
図6は、複数の金属を冷間圧接して複合化する成形工程を示す図であり、3つの金属材をローラ15で冷間圧接して接合した後、焼鈍作業(焼き入れ)により、圧接した金属界面間で各金属を融合させて一体化することができる。
また、ろう付け法により複数の金属を接合する場合には、ろう材としてりん銅ろうを使用し、該ろう材を銅とNi−Fe合金の接合面に挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で790〜820℃に加熱してろう付けを行うことで、3種類の金属を接合することができる。
さらに、比較的低温でろう付けを行いたい場合は、あらかじめ銅13とNi−Fe合金14にNiメッキを施した上で、Sn−Agはんだを接合面に挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で約220℃に加熱してろう付けを行うことで、基材に施したNiメッキとSn−Agはんだが反応し、接合面にNi3Sn4ができることで、再溶融温度を795℃と非常に高く設定した複合金属板を製作することができる。
FIG. 6 is a diagram showing a molding process in which a plurality of metals are combined by cold pressure welding, and after three metal materials are cold pressure welded and joined by a
In addition, when joining a plurality of metals by the brazing method, a phosphor copper brazing material is used as a brazing material, and the brazing material is placed in a state where it is sandwiched between the joining surfaces of copper and a Ni—Fe alloy, and then in a vacuum. By performing brazing by heating to 790 to 820 ° C., three kinds of metals can be joined.
Furthermore, when brazing is performed at a relatively low temperature, the
インレイ(in−lay)処理は、母材となる基材の必要な部分に必要な材質をクラッドする技術であり、母材となる基材の全面を覆ってクラッド化するオーバーレイ(over−lay)処理とは異なる。
インレイ処理は、図5に示すとおり、母材となる基材の一部を凸状に成形しておき、凸部の周囲に別の材料をクラッド化している。クラッド化される材料は、プレス成形で打ち抜き処理して中抜きにした材料でも、図5のNi−Fe合金14の点線部で分割された個片材料でもよく、高熱伝導性が必要でない箇所を低熱膨張係数の材料でインレイ処理することにより、放熱板の熱膨張係数に抑えた上で、高い熱伝導性をもつ複合金属を実現することができる。
一例として、熱膨張係数が3ppm/℃の半導体チップが、熱膨張係数が5ppm/℃の絶縁基板に搭載される場合、絶縁基板をはんだ付けして実装する放熱板の熱膨張係数は約7ppm/℃付近に設定するのが好ましい。
ここで、放熱板としてNi−Fe合金、銅、Ni−Fe合金の順に3つの金属を接合した複合金属を用いる場合、第1層のNi−Fe合金の厚みをt1、第2層の銅の厚みをt2、第3層のNi−Fe合金の厚みをt3として、Ni−Fe合金の縦弾性係数をE1(=E3)、熱膨張係数をα1(=α3)、銅の縦弾性係数をE2、熱膨張係数をα2とすると、複合金属全体での熱膨張係数αは、次の数1で示される。
The in-lay process is a technique for cladding a necessary material on a necessary portion of a base material that is a base material, and is an overlay that covers the entire surface of the base material that is the base material. It is different from processing.
In the inlay process, as shown in FIG. 5, a part of the base material as a base material is formed into a convex shape, and another material is clad around the convex portion. The material to be clad may be a material that has been punched out by press molding, or may be an individual material divided by the dotted line portion of the Ni-
As an example, when a semiconductor chip having a thermal expansion coefficient of 3 ppm / ° C. is mounted on an insulating substrate having a thermal expansion coefficient of 5 ppm / ° C., the thermal expansion coefficient of the heat sink mounted by soldering the insulating substrate is about 7 ppm / It is preferable to set the temperature in the vicinity of ° C.
Here, when a composite metal obtained by joining three metals in the order of Ni—Fe alloy, copper, and Ni—Fe alloy is used as the heat sink, the thickness of the Ni—Fe alloy of the first layer is t1, the copper of the second layer is made of The thickness is t2, the thickness of the Ni—Fe alloy of the third layer is t3, the longitudinal elastic modulus of the Ni—Fe alloy is E1 (= E3), the thermal expansion coefficient is α1 (= α3), and the longitudinal elastic modulus of copper is E2. When the thermal expansion coefficient is α2, the thermal expansion coefficient α of the entire composite metal is expressed by the following equation (1).
で表される。ここで、第1層と第3層のNi−Fe合金が同一材料で、かつ同一厚みとして、E3=E1、α3=α1、t3=t1を代入してE3、α3を消去すると、次の数2が得られる。 It is represented by Here, when the Ni-Fe alloys of the first layer and the third layer are made of the same material and have the same thickness, E3 = E1, α3 = α1, t3 = t1 are substituted, and E3 and α3 are deleted. 2 is obtained.
一例として、Ni−Fe合金にインバー(36Ni−Fe合金)を用いた場合、α1=1.5ppm/℃、α2=17ppm/℃、E1=130GPa、E2=119GPaを代入すると、α=7ppm/℃とするためのt1/t2=1.14とすればよく、この数値に基づいて、Ni−Fe合金と銅の厚みを決定する。
ただし、Ni−Fe合金はインレイ処理しており、その中央部は中抜き状態であるため、熱膨張係数は7ppm/℃より多少大きめにずれることとなり、Ni−Fe合金を上記計算値よりも厚めに設定して熱膨張係数を調整する必要がある。
また、中間層である銅の両側面に接合される2枚のNi−Fe合金の形状が大きく異なる場合、接合界面付近で熱膨張係数に差が生じるために、温度変化によって多少のそりが発生することが懸念される。従って、銅の両側面にインレイ処理して接合される2枚のNi−Fe合金の形状と厚さは、略同一とすることが望ましい。
As an example, when Invar (36Ni—Fe alloy) is used for the Ni—Fe alloy, α1 = 1.5 ppm / ° C., α2 = 17 ppm / ° C., E1 = 130 GPa, E2 = 119 GPa, and α = 7 ppm / ° C. T1 / t2 = 1.14 for determining the thickness of the Ni—Fe alloy and copper based on this numerical value.
However, since the Ni—Fe alloy is inlayed and the center part is hollow, the coefficient of thermal expansion will be slightly larger than 7 ppm / ° C., and the Ni—Fe alloy will be thicker than the above calculated value. It is necessary to adjust the thermal expansion coefficient by setting to.
In addition, when the shape of the two Ni-Fe alloys bonded to both sides of copper, which is the intermediate layer, is significantly different, there is a difference in the thermal expansion coefficient in the vicinity of the bonding interface. There is a concern to do. Therefore, it is desirable that the shapes and thicknesses of the two Ni—Fe alloys joined by inlaying on both sides of copper are substantially the same.
実施例1では、冷却ブロック載置面上にシリコングリースを塗布して密着性を高めた状態で、パワーモジュールを冷却ブロックにネジ締め固定して冷却する構造を示したが、シリコングリースにおける熱抵抗を除去し、さらに積極的に放熱性を高めた構造について説明する。
図7は本発明による他の実施例であり、半導体スイッチング素子7を搭載した絶縁基板8は、放熱板9上に実装されている。図1と同様、通常は半導体周囲を取り囲むハウジングを放熱板に取り付けて、パワーモジュールとして使用されるが、放熱板の構造をより明確にするためにハウジング部を省略して記載することとする。
In the first embodiment, the structure in which the power module is screwed and fixed to the cooling block in a state where the silicone grease is applied to the cooling block mounting surface to improve the adhesion is shown. A structure in which the heat dissipation is further improved will be described.
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. An insulating
放熱板9は図5と同様に、中間層である銅の両面にNi−Fe合金をインレイ処理してクラッド化されているが、さらに放熱板9の下面側に放熱フィン5を接合した構造を取っている。放熱フィン5は、放熱板上に実装される半導体スイッチング素子部の直下付近にコルゲートフィンをろう付けして一体化されている。また、冷却ブロック2は、冷却液の流路を備え、放熱板に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたU字形の通液路が形成されている。
そして、冷却ブロック2のU字形通液路側に、パワーモジュールの放熱板9のフィン側を嵌合させ、周囲部16をろう付けして液密性が確保された一体構造とする。さらに、放熱板9の四隅を、冷却ブロック2とボルト4を用いてネジ締め固定することで、液密性の信頼性がより向上する。
As in FIG. 5, the
And the fin side of the
放熱板9への放熱フィン5のろう付けと放熱板9と冷却ブロック2のろう付けは、1回のろう付けで実施しても良いし、別々に実施してもよい。
1回のろう付けで実施する場合は、放熱板9と冷却ブロック2にあらかじめNiメッキを施した上で、Sn−Agはんだを接合面に挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で約220℃に加熱してろう付けが行うことで、基材に施したNiメッキとSn−Agはんだが反応し、接合面にNi3Sn4ができることで、再溶融温度を795℃と非常に高く設定することができる。
従って、その後、放熱板9に絶縁基板8を220℃ではんだ付け実装する際に放熱板のフィン接合部、および放熱板と冷却ブロックの接合部のはんだが再溶融することなく、接合を保った状態で使用することができる。
また、2回に分けて、放熱板と放熱フィン、及び放熱板と冷却ブロックを接合する場合、放熱板と放熱フィンの間にリン銅ろうを挟んで、真空中で790〜820℃に加熱して放熱板と放熱フィンをろう付けした後、放熱板と冷却ブロックの接合部に上記Sn−Agはんだを挟んだ状態で重ね合わせ、真空中で約220℃に加熱してろう付けすることで、接合面を再溶融することなく、信頼性を保った状態で接合することができる。(さらに、放熱板9を構成する3層の金属をろう付けで接合する場合は、放熱フィン5のろう付けと併せて実施することが可能である。)
The brazing of the radiating
When performing brazing once, the
Therefore, after that, when soldering and mounting the insulating
Moreover, when joining a heat sink and a heat sink and a heat sink and a cooling block in two steps, a phosphorous copper solder is put between the heat sink and the heat sink, and heated to 790 to 820 ° C. in a vacuum. After brazing the radiator plate and the radiator fins, the solder plate and the cooling block are overlapped with the Sn-Ag solder sandwiched between them and heated to about 220 ° C. in a vacuum to be brazed. It is possible to perform the bonding while maintaining the reliability without remelting the bonding surface. (Furthermore, when the three layers of the metal constituting the
また、図8に示すように、冷却ブロック2と放熱板9を嵌合させる際に周囲部16にOリング17、または平パッキンを挟み、ボルト4を用いてパワーモジュールの放熱板9の四隅を、冷却ブロック2にネジ締め固定することで液密を確保することも可能である。
ただし、この場合、ネジ締めの間隔をできるだけ短くとり、Oリング、または平パッキンに充分な圧力を加えて信頼性を確保する必要がある。
さらに、冷却ブロックの一方の冷液管6aからクーラントや純水等の冷却液を供給し冷却ブロック内の流路を循環させたのち、他方の液冷管6bから排出させることで、パワーモジュール内の半導体スイッチング素子7で発生する熱を、絶縁基板8、放熱板9を通じて冷却ブロック内を流れる冷却液で吸収して排熱させることができる。
Further, as shown in FIG. 8, when the
However, in this case, it is necessary to secure the reliability by making the screw tightening interval as short as possible and applying sufficient pressure to the O-ring or the flat packing.
Further, a coolant such as coolant or pure water is supplied from one cold
図7、図8に示す電子部品冷却装置において、半導体スイッチング素子と冷却液間には、絶縁基板とフィン一体型放熱板しかなく、実施例1のシリコングリースは存在しない。さらに、放熱板と冷却フィンが一体化されているため、実施例1で放熱板と冷却フィン間に存在した冷却ブロックの載置面部が除去されており、この間での熱抵抗が低減されている。
特に、シリコングリース塗布をなくしたことで熱抵抗の低減効果が非常に大きく、例えば縦3cm、横3cmの絶縁基板上に実装された半導体スイッチング素子部から300Wの発熱を直下に放熱した場合、シリコングリース部での熱抵抗によるΔTを約16℃近くも低減することができる。
さらに、放熱板のわずかなそりによって、放熱板と冷却ブロック載置面との密着性が低下するということもなく、放熱能力を安定して発揮させることができる。
In the electronic component cooling apparatus shown in FIGS. 7 and 8, only the insulating substrate and the fin-integrated heat sink are provided between the semiconductor switching element and the coolant, and the silicon grease of Example 1 does not exist. Furthermore, since the heat radiating plate and the cooling fin are integrated, the mounting surface portion of the cooling block existing between the heat radiating plate and the cooling fin in Example 1 is removed, and the thermal resistance therebetween is reduced. .
In particular, the effect of reducing the thermal resistance is greatly reduced by eliminating the application of silicon grease. For example, when 300 W of heat is radiated directly from a semiconductor switching element portion mounted on an insulating substrate having a length of 3 cm and a width of 3 cm, silicon ΔT due to thermal resistance in the grease portion can be reduced to about 16 ° C.
Furthermore, the slight heat sink of the heat sink does not reduce the adhesion between the heat sink and the cooling block mounting surface, and the heat dissipation capability can be stably exhibited.
U字形通液路を有する冷却ブロックとして、アルミニウムよりも熱膨張係数の小さい銅を使用し、10〜20kWクラスの小形インバータに使用した場合は、パワーモジュール放熱板の長辺側寸法が10cm以内に収まる。よって、車載用途で要求されるΔT=125℃の温度変化に対し、放熱板と冷却ブロックの熱膨張差を0.1mmに抑えることができ、冷却ブロックと放熱板の嵌合部における密着性を低減することなく、長期にわたって安定して使用することができる。
しかし、50kWを超えるインバータ用途としては、パワーモジュールの放熱板、および冷却ブロックの寸法サイズも大きくなり、放熱板、および冷却ブロックで使用される材料による熱膨張係数の違いによって嵌合部にストレスを与えるおそれがある。
そこで、図9の断面図に示す通り、放熱板と同じ(Ni−Fe合金)−銅−(Ni−Fe合金)の3つの金属を接合した複合金属板を使用し、金型で断面凹状にプレスした後、中央に冷却液路を形成するしきり板をろう付けしてU字形の通液路を形成した冷却ブロックを用い、ここに、前述の放熱フィン付き複合金属板を嵌合させて、放熱板と冷却ブロック周囲部をろう付けまたはOリング、平パッキンを間に挟んで液密に一体固定する。
上記構成により、放熱板と冷却ブロック嵌合部における熱膨張係数を略同一とし、界面にストレスを発生させることなく、車載用途においても長期にわたって安定して使用することができる。
また、冷却ブロックに使用する複合金属板については、銅−(Ni−Fe合金)−銅の3つの金属材を接合して、約7ppm/℃の熱膨張係数に設定された複合金属板を使用することも可能であり、このような場合においても、放熱板と冷却ブロック嵌合部における熱膨張係数を同一とし、界面にストレスを発生させることなく安定して使用することができる。
When using copper with a smaller coefficient of thermal expansion than aluminum as a cooling block with a U-shaped liquid passage and using it for a small inverter of 10-20 kW class, the long side dimension of the power module heat sink should be within 10 cm. It will fit. Therefore, the difference in thermal expansion between the heat sink and the cooling block can be suppressed to 0.1 mm with respect to a temperature change of ΔT = 125 ° C. required for in-vehicle use, and the adhesion between the cooling block and the heat sink can be reduced. Without being reduced, it can be used stably over a long period of time.
However, for inverter applications exceeding 50 kW, the size of the heat sink and cooling block of the power module also increases, and stress is applied to the fitting part due to the difference in thermal expansion coefficient depending on the material used in the heat sink and cooling block. There is a risk of giving.
Therefore, as shown in the cross-sectional view of FIG. 9, a composite metal plate in which three metals of the same (Ni—Fe alloy) -copper- (Ni—Fe alloy) as the heat radiating plate are joined is used to form a concave cross section with a mold. After pressing, using a cooling block in which a U-shaped liquid passage is formed by brazing a threshold plate that forms a cooling liquid passage at the center, and the above-described composite metal plate with radiating fins is fitted here, The heat sink and the periphery of the cooling block are brazed or fixed in a liquid-tight manner with an O-ring and flat packing in between.
With the above configuration, the thermal expansion coefficients of the heat radiating plate and the cooling block fitting portion can be made substantially the same, and can be used stably for a long period of time in in-vehicle applications without causing stress at the interface.
As for the composite metal plate used for the cooling block, a composite metal plate having a coefficient of thermal expansion of about 7 ppm / ° C is used by joining three metal materials of copper- (Ni-Fe alloy) -copper. Even in such a case, the thermal expansion coefficients of the heat radiating plate and the cooling block fitting portion can be made the same, and it can be used stably without causing stress at the interface.
実施例1、2では、パワーモジュール放熱板として、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面領域とを凸部とした中間層である銅と、該領域に嵌合する形状としたNi−Fe合金を接合するインレイ処理を行って、クラッド化された複合金属基板を使用していた。
しかし、Ni−Fe合金のインレイ処理に要するコストを低減し、中間層である銅の厚みをさらに薄くして、熱抵抗を低減することにより放熱性を高めた構造についての他の実施例を次に説明する。
In Examples 1 and 2, as the power module heatsink, copper as an intermediate layer with convex portions on the insulating substrate mounting region on which the heat-generating electronic components are mounted and the opposite back surface region, The inlay process which joins the Ni-Fe alloy made into the fitting shape was performed, and the clad composite metal substrate was used.
However, another embodiment of the structure in which the cost required for the inlay treatment of the Ni—Fe alloy is reduced, the thickness of copper as the intermediate layer is further reduced, and the heat dissipation is improved by reducing the thermal resistance is as follows. Explained.
図10に示す放熱板において、中間層である銅13の両面にクラッド化されるNi−Fe合金14にはあらかじめ、発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域部分をプレス成形で打ち抜き加工している。
中間層の銅13はフラットな板材を使用している。中間層である銅板13、および、上下のNi−Fe合金14は、実施例1の放熱板と同様に、3つの金属材を冷間圧接して接合した後、焼鈍作業を行うことで、圧接した金属界面間で各金属を融合するか、または3つの金属材をろう付けして一体化される。
この結果、放熱板の両面には、絶縁基板の実装領域にあたる部分だけ段差を有して銅板が露出するキャビティ(凹)構造を取ることとなる。
In the heat radiation plate shown in FIG. 10, the Ni-
The
As a result, the both sides of the heat radiating plate have a cavity (concave) structure in which the copper plate is exposed with a step corresponding to the mounting region of the insulating substrate.
図10に示す放熱板を用いて構成した電子部品冷却装置の斜視図を図11、断面図を図12に示す。
放熱板9の下面側キャビティ部には、予めコルゲートフィンがろう付けして一体化されている。
また、放熱板9の上面側のキャビティ部には半導体スイッチング素子7を搭載した絶縁基板8をはんだ付け実装している。
冷却ブロック2は、冷却液の流路を備え、放熱板9に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたU字形の通液路が形成されており、パワーモジュール放熱板9のフィン側と嵌合させ、周囲部17をろう付け、もしくはOリング、平パッキンを間に挟んで液密に一体化されることで冷却液流路用の液路を形成する構造としている。
中間層である銅板の両側のNi−Fe合金をクラッドする際の各層の厚みについては、実施例1、2と同様に数2を用いて計算することができる。
ただし、クラッドされるNi−Fe合金の中央部は中抜き状態であるため、熱膨張係数は7ppm/℃より多少大きめにずれることとなり、Ni−Fe合金を上記計算値よりも厚めに設定して熱膨張係数を調整する必要がある。
また、放熱板9と放熱フィン5、および冷却ブロック2のろう付けについては、実施例2と同様の方法で実施することができる。
図7に示す実施例2では、Ni−Fe合金がインレイ処理される層の厚さ分も含めた銅の厚さが必要であったが、図12の例ではNi−Fe合金がクラッドされる層の厚さ分の銅厚さは必要でない。
従って、実施例1、2と比較して、銅板の層厚さ分だけ熱抵抗を低減することが可能となる。
FIG. 11 is a perspective view of an electronic component cooling device configured using the heat sink shown in FIG. 10, and FIG. 12 is a cross-sectional view thereof.
A corrugated fin is brazed and integrated with the lower surface side cavity of the
An insulating
The
About the thickness of each layer at the time of clad | ingling the Ni-Fe alloy of the both sides of the copper plate which is an intermediate | middle layer, it can calculate using
However, since the central part of the Ni—Fe alloy to be clad is in the hollowed out state, the thermal expansion coefficient will be slightly larger than 7 ppm / ° C., and the Ni—Fe alloy is set to be thicker than the above calculated value. It is necessary to adjust the thermal expansion coefficient.
Further, brazing of the
In Example 2 shown in FIG. 7, the thickness of the copper including the thickness of the layer to which the Ni—Fe alloy is inlayed is necessary, but in the example of FIG. 12, the Ni—Fe alloy is clad. No copper thickness is required for the layer thickness.
Therefore, as compared with Examples 1 and 2, it is possible to reduce the thermal resistance by the thickness of the copper plate.
図10において、パワーモジュール放熱板の中間層である銅の両面に接合されるNi−Fe合金は、3枚の絶縁基板の実装領域部を一括してプレス成形で打ち抜き加工している。しかし、銅の両面側から接合されるNi−Fe合金は、中間層である銅の熱膨張を抑制するために、打ち抜きして切除するエリアを極力小さくして接合することが望ましい。
従って、絶縁基板の上面側における配線パターンを最適化し、半導体スイッチング素子が実装される絶縁基板を極力小さく設定することで、より信頼性の高い電子部品冷却装置を提供することができる。
図13は、3相インバータのU、V、W相の上下アームに相当する半導体スイッチング素子7を6枚の絶縁基板に各々、実装する場合を示す。
図13において、銅の両面から接合されるNi−Fe合金には、全6箇所をプレス成形して打ち抜き加工している。放熱板9の上面側では、図14に示す半導体スイッチング素子7を実装した絶縁基板8を6箇所のキャビティ(凹)部にはんだ付け実装している。また、放熱板9の下面側キャビティ部には、図15に示す小片形状の放熱フィン5が各々ろう付けされている。
そして、図16に示す通り、冷却ブロック2は、冷却液の流路を備え、放熱板9に一体化されたフィン形状と合致する形で、断面凹状をしたU字形の通液路が形成されており、放熱板9のフィン側と嵌合させ、周囲部17をろう付けするか、またはOリング、平パッキンを間に挟んで液密に一体化されることで冷却液流路用の液路を形成する構造としている。
従って、実施例1〜3と比較して、銅の両面側から接合されるNi−Fe合金の打ち抜き部分を小さく設定しているため、より安定して中間層の銅の熱膨張を抑制することができ、信頼性をさらに向上させることができる。
In FIG. 10, the Ni—Fe alloy bonded to both surfaces of copper, which is the intermediate layer of the power module heat sink, is stamped by press molding all the mounting region portions of three insulating substrates. However, it is desirable that the Ni—Fe alloy joined from both sides of the copper be joined with the area to be punched out and cut as small as possible in order to suppress the thermal expansion of the intermediate layer copper.
Therefore, by optimizing the wiring pattern on the upper surface side of the insulating substrate and setting the insulating substrate on which the semiconductor switching element is mounted as small as possible, a more reliable electronic component cooling device can be provided.
FIG. 13 shows a case where the
In FIG. 13, the Ni—Fe alloy joined from both sides of copper is stamped by stamping all six locations. On the upper surface side of the
As shown in FIG. 16, the
Therefore, compared with Examples 1-3, since the punching part of the Ni-Fe alloy joined from both sides of copper is set small, the thermal expansion of copper in the intermediate layer can be suppressed more stably. And the reliability can be further improved.
図7〜9、11、12、16に示す電子部品冷却装置においては、金属板を金型で断面凹状にプレスした後、中央に冷却液路を形成するしきり板をろう付けしてU字形の通液路を形成した冷却ブロックを用いていたが、図17に示すようにインバータ筐体18の冷却液循環路に中空口を設け、放熱板9のフィン側と嵌合させて、周囲部16にOリング17または平パッキンを挟んでネジ締め固定し、液密に一体化されることで冷却液流路用の液路を形成する構造も可能である。
インバータ筐体のサイズが大きい場合は、筐体の熱容量が大きく、ろう付けに必要な電力が大きくなるとともに、炉内で1度に処理できる量が少なくなるために量産性は低下してしまうため、上記Oリングもしくは平パッキンによる方が実用的である。
In the electronic component cooling apparatus shown in FIGS. 7 to 9, 11, 12, and 16, a metal plate is pressed into a concave cross section with a die, and then a U-shaped brazing plate is formed by brazing a threshold plate that forms a cooling liquid path at the center. Although the cooling block in which the liquid passage is formed is used, as shown in FIG. 17, a hollow port is provided in the cooling liquid circulation path of the
When the size of the inverter housing is large, the heat capacity of the housing is large, the power required for brazing increases, and the amount that can be processed at once in the furnace decreases, so the mass productivity is reduced. The O-ring or flat packing is more practical.
上記のNi−Fe合金としては、インバー(Ni36%、Fe64%)、または42アロイ(Ni42%、Fe58%)が代表的な金属材料となる。例えば、42アロイは、半導体のリードフレームとして利用されており、流通量が多いため、安価で入手しやすい。
従って、従来、Cu−Mo複合板に用いられてきたモリブデンのように貴金属ではないため、安価な材料費で放熱板を製作することができる。インバー、42アロイ共に熱膨張係数が1.5〜5ppm/℃と小さく銅の両面側から接合させるNi−Fe合金としては、最適である。
As the Ni-Fe alloy, invar (Ni 36%, Fe 64%) or 42 alloy (Ni 42%, Fe 58%) is a typical metal material. For example, 42 alloy is used as a semiconductor lead frame and has a large distribution volume, so it is inexpensive and easily available.
Therefore, since it is not a noble metal like the molybdenum conventionally used for the Cu-Mo composite board, a heat sink can be manufactured at an inexpensive material cost. Both Invar and 42 alloy have a thermal expansion coefficient as small as 1.5 to 5 ppm / ° C., and are optimal as Ni—Fe alloys to be joined from both sides of copper.
また、Ni−Fe合金に替えて、コバール系合金(Ni−Co−Fe系合金)も使用できる。コバール系合金は、Ni、Co、Feを主成分としており、熱膨張係数は約4.5ppm/℃とインバーや42アロイと比較して同等もしくは若干大きいが、低熱膨張が得られる温度領域を極めて広く取ることができる特徴を有している。 Moreover, it can replace with a Ni-Fe alloy and can also use a Kovar-type alloy (Ni-Co-Fe-type alloy). Kovar-based alloys are mainly composed of Ni, Co, and Fe, and their thermal expansion coefficient is about 4.5 ppm / ° C, which is the same or slightly larger than Invar and 42 alloy, but the temperature range where low thermal expansion can be obtained is extremely high. It has features that can be taken widely.
さらに、放熱板にクラッド化される銅に替えて、アルミニウムを使用することができる。アルミニウムは銅と比較し、24ppm/℃と熱膨張係数は大きいが、弾性係数は小さいため、両側面から接合されるNi−Fe合金との間に働くストレスを吸収緩和し、耐ヒートサイクル性に富む材料である。
また、銅と比較して軽量で低コストであり、加工性に優れているため、有効に使用することができる。
Furthermore, aluminum can be used instead of copper clad on the heat sink. Aluminum has a large coefficient of thermal expansion of 24 ppm / ° C compared to copper, but its elastic modulus is small, so it absorbs and relaxes the stress acting between the Ni-Fe alloys joined from both sides and improves heat cycle resistance. It is a rich material.
Moreover, since it is lightweight and low-cost compared with copper, and it is excellent in workability, it can be used effectively.
また、放熱板の熱膨張係数として設定可能な値としては、熱膨張係数の小さい側では、半導体チップと同じ熱膨張係数である3ppm/℃であり、熱膨張係数の大きい側では、Cu−Mo複合板の7ppm/℃、Al−SiC複合板の8ppm/℃(−40〜+85℃の広温度範囲での使用が要求される車載用)が求められる。従って、放熱板の熱膨張係数は3〜8ppm/℃が好ましい。
さらに、絶縁基板としてセラミックス(窒化アルミニウムや窒化ケイ素)を用い、その両面に銅やアルミニウム等の金属層を設けたものも使用できる。
そして、絶縁基板として放熱板にスパッタ法、プラズマ溶射法等で直接、窒化アルミニウムや窒化ケイ素の絶縁層を形成したものも用いることができ、その上に配線パターンを形成して半導体スイッチング素子を実装することもできる。
Further, values that can be set as the thermal expansion coefficient of the heat sink are 3 ppm / ° C. which is the same thermal expansion coefficient as that of the semiconductor chip on the side where the thermal expansion coefficient is small, and Cu—Mo on the side where the thermal expansion coefficient is large. A composite plate of 7 ppm / ° C. and an Al—SiC composite plate of 8 ppm / ° C. (for in-vehicle use requiring use in a wide temperature range of −40 to + 85 ° C.) are required. Therefore, the thermal expansion coefficient of the heat sink is preferably 3 to 8 ppm / ° C.
Further, a ceramic substrate (aluminum nitride or silicon nitride) that is provided with a metal layer such as copper or aluminum on both surfaces thereof can be used.
And, an insulating substrate with a heat sink directly formed with an insulating layer of aluminum nitride or silicon nitride by sputtering, plasma spraying, etc. can be used, and a semiconductor switching element is mounted by forming a wiring pattern on it You can also
1 パワーモジュール
2 冷却ブロック
3 冷却ブロック載置面
4 ボルト
5 放熱フィン
6a、6b 冷液管
7 半導体スイッチング素子
8 絶縁基板
9 放熱板
10 ハウジング
11 外部接続端子
12 アルミワイヤ
13 銅板
14 Ni−Fe合金板
15 ローラ
16 冷却ブロック周囲部
17 Oリング
18 インバータ筐体
DESCRIPTION OF
Claims (12)
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
上記放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のNi−Fe合金を接合した3層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域と、相対向する裏面領域に凸部を形成し、
上記両面の凸部を取り囲む領域をNi−Fe合金で形成し、該領域を上記両面の凸部に嵌合させたことを特徴とする電子部品冷却装置。 A heat sink attached to a power module having an insulating substrate on which heat-generating electronic components are mounted;
In an electronic component cooling device comprising a cooling block for forcibly cooling an exothermic electronic component by placing the heat sink,
The heat sink is a three-layer composite metal in which a plate-like copper is used as a base material, and a plate-like Ni—Fe alloy is bonded to both surfaces of the base material,
Protruding portions are formed on the mounting region of the insulating substrate on which the heat-generating electronic components of the base material are mounted, and on the opposite back surface region,
An electronic component cooling apparatus characterized in that a region surrounding the convex portions on both sides is formed of a Ni-Fe alloy, and the region is fitted to the convex portions on both sides.
該放熱板を載置して発熱性の電子部品を強制冷却する冷却ブロックとから構成される電子部品冷却装置において、
上記放熱板が、板状の銅を基材とし、該基材の両面に板状のNi−Fe合金を接合した3層の複合金属であって、
該基材の発熱性の電子部品が実装された絶縁基板の取り付け領域を取り囲む領域と、相対向する裏面領域をNi−Fe合金で形成したことを特徴とする電子部品冷却装置。 A heat sink attached to a power module having an insulating substrate on which heat-generating electronic components are mounted;
In an electronic component cooling device comprising a cooling block for forcibly cooling an exothermic electronic component by placing the heat sink,
The heat sink is a three-layer composite metal in which a plate-like copper is used as a base material, and a plate-like Ni—Fe alloy is bonded to both surfaces of the base material,
An electronic component cooling apparatus characterized in that a region surrounding an attachment region of an insulating substrate on which a heat-generating electronic component of the base material is mounted and a back region opposite to each other are formed of a Ni-Fe alloy.
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