專利名稱：功率模塊用基體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及構(gòu)成功率模塊的功率模塊用基體。
在該說明書以及權(quán)利要求中，關(guān)于"鋁，，這一術(shù)語，除了記述為"氮化 鋁"、"氧化鋁，，以及"純鋁，，的情況以夕卜，不僅包括純鋁還包括鋁合金。另夕卜， 在本說明書以及權(quán)利要求中，關(guān)于"銅"這一術(shù)語，不僅包括純銅還包括銅 合金。
背景技術(shù)：
在具備例如由IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor )等半導(dǎo)體元 件構(gòu)成的功率器件的功率模塊中，需要使半導(dǎo)體元件所發(fā)出的熱量高效散 熱，將半導(dǎo)體元件的溫度保持在規(guī)定溫度以下。于是，以往有人提出了下
述的功率模塊用基體。該功率模塊用基體，包括 一面形成有鋁制布線層、 且另一面形成有鋁制傳熱層的陶資制絕緣基板，釬焊于絕緣基板的傳熱層 的鋁制散熱基板，和釬焊在散熱基板中的與釬焊于絕緣基板的一側(cè)相反側(cè) 的面上的鋁制散熱器，在散熱器的內(nèi)部形成有冷卻液流路(參照專利文獻(xiàn) 1)。
在專利文獻(xiàn)1所記載的功率模塊用基體中，在絕緣基板的布線層上安 裝功率器件，進(jìn)而在散熱基板上安裝功率器件所需的各種部件例如覆蓋絕 緣基板以及功率器件的樹脂罩、或者安裝電布線框、電子部件等，作為功 率模塊使用。該功率模塊，使用于例如以電動機(jī)作為驅(qū)動源的一部分的混 合動力車輛等移動體的逆變電路，由此根據(jù)移動體的運(yùn)行狀態(tài)控制向電動
機(jī)供給的電力。
而且，從功率器件所發(fā)出的熱量，經(jīng)布線層、絕緣基板、傳熱層以及散熱基板傳遞至散熱器，向在冷卻液流路內(nèi)流動的冷卻液散熱。
在專利文獻(xiàn)l所記載的功率模塊用基體中，在絕緣基板、散熱基板以 及散熱器的釬焊中的加熱時，絕緣基板、散熱基板以及散熱器熱膨脹、且 在熱膨脹的狀態(tài)下釬焊，加熱結(jié)束后，絕緣基板、散熱基板以及散熱器熱 收縮。但是，由線膨脹系數(shù)比較大的鋁形成的散熱基板以及散熱器，顯示 出由于釬焊時的加熱而要產(chǎn)生比較大的熱膨脹的傾向。另一方面，形成絕 緣基板的陶瓷的線膨脹系數(shù)，比鋁的線膨脹系數(shù)小，因此，即便由于釬焊 時的加熱也不會像散熱基板以及散熱器那樣大幅熱膨脹。其結(jié)果是，散熱 基板以及散熱器的熱收縮程度也比絕緣基板大。因此，如果不采取任何對 策的話，那么當(dāng)在奸焊結(jié)束后冷卻至常溫時絕緣基板、散熱基板以及散熱 器熱收縮時，散熱基板以及散熱器的收縮的程度比絕緣基板大，散熱基板 以及散熱器由絕緣基板牽拉，散熱基板發(fā)生翹曲等的變形。其結(jié)果是，不 能在散熱基板上正確地安裝各種部件。例如，在部件是覆蓋絕緣基板以及 功率器件的樹脂罩的情況下，可能會不能無間隙地以密封狀態(tài)安裝樹脂罩。 另外，也可能會不能正確安裝電布線框、電子部件等的功率模塊所需的部 件。
于是，在專利文獻(xiàn)l所記載的功率模塊用基體中，通過增大散熱基板 的厚度，來抑制上述那樣的散熱基板以及散熱器的翹曲。但是，如果增大 散熱基板的厚度，則會出現(xiàn)從功率器件到散熱器的熱傳導(dǎo)的路徑變長、散 熱性能降低的情況。
專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-86744號公報
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，解決上述的問題，提供一種功率模塊用基體，能 夠正確安裝覆蓋絕緣基板以及功率器件的罩之類的功率模塊所需的部件， 而且能夠防止散熱性能降低。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括以下的方案。
D—種功率模塊用基體，具備由高熱傳導(dǎo)性(傳熱性、導(dǎo)熱性)材料形成的散熱基板、接合于散熱基板的一面的絕緣基板、設(shè)置在絕緣基板 中的與接合于散熱基板的一側(cè)相反側(cè)的面的布線層、和接合于散熱基板的
另一面的散熱片；其中，
在散熱基板中的接合有絕緣基板的一側(cè)的面上，接合有比散熱基板厚 且具有使絕緣基板通過的貫通孔的部件安裝板，使得絕緣基板位于貫通孔 內(nèi)。
2)根據(jù)上述l)所記載的功率模塊用基體，其中，
在散熱基板中的接合有散熱片的一側(cè)的面上，以覆蓋散熱片的方式固 定有冷卻套，冷卻液在冷卻套內(nèi)流動。
3 )根據(jù)上述1)或2 )所記載的功率模塊用基體，其中，
絕緣基板與散熱基板、散熱基板與散熱片、以及散熱基板與部件安裝 板分別被釬焊。
4) 根據(jù)上述l)至3)中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 在冷卻套中的與散熱基板相對的壁部分的外面，接合有第二部件安裝板。
5) 根據(jù)上述4)所記載的功率模塊用基體，其中， 兩部件安裝板相互結(jié)合。
6) 根據(jù)上述1)至5)中任一項所記載的功率^^莫塊用基體，其中， 在絕緣基板中的與設(shè)有布線層的一側(cè)相反側(cè)的面，設(shè)有由高熱傳導(dǎo)性
材料形成的傳熱層，傳熱層與散熱基板相接合。
7) 根據(jù)上述l)至5)中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 絕緣基板中的與設(shè)有布線層的 一側(cè)相反側(cè)的面與散熱基板直接接合。
8) 根據(jù)上述l)至7)中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 絕緣基板由陶瓷形成，該陶瓷由氮化鋁、氧化鋁或氮化硅形成。
9) 根據(jù)上述l)至8)中任一項所記載的功率;f莫塊用基體，其中， 布線層由鋁或銅形成。
10) 根據(jù)上述l)至9)中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 在絕緣基板和散熱基板之間介有由高熱傳導(dǎo)性材料形成的應(yīng)力緩和部件，應(yīng)力緩和部件接合于絕緣基板以及散熱基板。
11) 根據(jù)上述IO)所記載的功率模塊用基體，其中，
應(yīng)力緩和部件包括形成有多個貫通孔的板狀體。
12) 根據(jù)上述IO)所記載的功率模塊用基體，其中， 應(yīng)力緩和部件，包括板狀本體、和相互隔開間隔地一體形成在板狀本
體的至少一面上的多個突起。
13) 根據(jù)上述IO)所記載的功率模塊用基體，其中， 應(yīng)力緩和部件，由具有介于絕緣基板的線膨脹系數(shù)和散熱基板的線膨
脹系數(shù)之間的線膨脹系數(shù)的材料形成。
14) 根據(jù)上述IO)所記載的功率模塊用基體，其中， 應(yīng)力緩和部件由多孔質(zhì)材料形成。
15) —種功率模塊，具備如上述l)至14)中任一項所記載的功率 模塊用基體、和安裝在功率模塊用基體的絕緣基板的布線層上的功率器件。
16) 根據(jù)上述15)所記載的功率模塊，其中，
具備安裝在部件安裝板上、且覆蓋功率模塊用基體的絕緣基板以及功 率器件的罩。
根據(jù)上述1)的功率模塊用基體，在通過例如釬焊進(jìn)行絕緣基板、散 熱基板、散熱片以及部件安裝板的接合的情況下，在釬焊時的加熱時，絕 緣基板、散熱基板以及部件安裝板熱膨脹，并且在熱膨脹了的狀態(tài)下釬焊， 加熱結(jié)束后，絕緣基板、散熱基板以及部件安裝板熱收縮。但是，散熱基 板，由例如鋁那樣的高熱傳導(dǎo)性材料形成，其線膨脹系數(shù)比絕緣基板的線 膨脹系數(shù)大，因此，散熱基板的熱膨脹程度比絕緣141的大，其結(jié)果是， 散熱基板的熱收縮程度也比絕緣基板的大。因此，在釬焊結(jié)束后冷卻至常 溫時絕緣基板以及散熱基板熱收縮了的情況下，散熱基板的收縮的程度比 絕緣基板大，散熱基板被絕緣基板牽拉，在散熱基板上發(fā)生翹曲那樣的變 形。但是，部件安裝板比散熱基板厚且剛性高，因此，部件安裝板不受散 熱基板的變形的影響，部件安裝板中的與散熱基板接合的面的相反側(cè)的面 仍然保持為平坦面。因此，能夠正確地安裝各種部件。例如，防止在將覆蓋功率模塊用基體的絕緣基板以及功率器件的罩安裝到部件安裝板上時， 在罩和部件安裝板之間產(chǎn)生間隙，能夠使罩的內(nèi)部為密封狀態(tài)。另外，也 能夠正確安裝電布線框、電子部件等的功率^^莫塊所需的部件。
而且，沒有必要像專利文獻(xiàn)1所記載的功率模塊用基體那樣增大散熱 基板的厚度，因此，從功率器件到散熱片的熱傳導(dǎo)的路徑比較短，抑制散 熱性能的減低。
根據(jù)上述2)的功率模塊用基體，從搭載在絕緣基板上的功率器件所 發(fā)出的熱量，經(jīng)絕緣基板以及散熱基板傳遞至散熱片，從散熱片向在冷卻 套內(nèi)流動的冷卻液散熱。因此，散熱性能比較優(yōu)異。
根椐上述3)的功率模塊用基體，在分別釬焊絕緣基板與散熱基板、 散熱基板與散熱片、以及散熱基板與部件安裝板的情況下，在釬焊時的加 熱時，絕緣基板、散熱基板以及部件安裝板熱膨脹，并且在熱膨脹了的狀 態(tài)下釬焊，加熱結(jié)束后，絕緣基板、散熱基板以及部件安裝板熱收縮。但 是，散熱基板，由例如鋁那樣的高熱傳導(dǎo)性材料形成，其線膨脹系數(shù)比絕 緣基板的線膨脹系數(shù)大，因此，散熱基板的熱膨脹程度比絕緣基板的大， 其結(jié)果是，散熱基板的熱收縮程度也比絕緣基板的大。因此，在釬焊結(jié)束 后冷卻至常溫時絕緣基板以及散熱基板熱收縮了的情況下，散熱基板的收 縮的程度比絕緣基板大，散熱基板被絕緣基板牽拉，在散熱基板上發(fā)生翹 曲那樣的變形。但是，部件安裝板比散熱基板厚且剛性高，因此，部件安 裝板不受散熱基板的變形的影響，部件安裝板中的與散熱基板接合的面的 相反側(cè)的面仍然保持為平坦面。因此，能夠正確地安裝各種部件。例如， 防止在將覆蓋功率模塊用基體的絕緣基板以及功率器件的罩安裝到部件安 裝板上時，在罩和部件安裝板之間產(chǎn)生間隙，能夠使罩的內(nèi)部為密封狀態(tài)。 另外，也能夠正確安裝電布線框、電子部件等功率模塊所需的部件。
根據(jù)上述4)的功率模塊用基體，利用第二部件安裝板，能夠安裝收 納功率模塊整體的殼體、電布線框、功率模塊所需的各種部件等。而且， 在這些部件是發(fā)熱體的情況下，能夠通過在冷卻套內(nèi)流動的冷卻液，對這 些發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。根據(jù)上述6)的功率模塊用基體，從搭載在絕緣基板上的功率器件傳 遞的熱量，向傳熱層的面方向擴(kuò)散、傳遞至散熱基板，因此，提高向散熱 基板、進(jìn)而向散熱片的傳熱性。
根據(jù)上述10 )至14 )的功率模塊用基體，在絕緣基板的布線層上安裝 功率器件，構(gòu)成功率模塊。該功率模塊，使用于例如以電動機(jī)作為驅(qū)動源 的一部分的混合動力車輛的逆變電路，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)控制向電動機(jī)供給的 電力。而且，從功率器件所發(fā)出的熱量，經(jīng)布線層、絕緣基板、以及散熱 基板傳遞至散熱片，從散熱片散熱。此時，由高熱傳導(dǎo)性材料形成的應(yīng)力 緩和部件介于絕緣基板和散熱基板之間，應(yīng)力緩和部件接合于絕緣基板以 及散熱基板，所以起到以下這樣的效果。即，由于從功率器件發(fā)出的熱量 被加熱至高溫(例如150。C左右)，因此絕緣基板以及散熱基板將要熱膨 脹。尤其是在散熱基板由熱傳導(dǎo)性比較優(yōu)異的鋁形成的情況下，鋁的線膨 脹系數(shù)比絕緣基板大，所以由于散熱基板和絕緣基板的熱膨脹差，散熱基 板被絕緣基板牽拉而要翹曲，產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是，在應(yīng)力緩和部件的作用 下緩和了熱應(yīng)力，所以防止在絕緣基板上發(fā)生裂紋、在絕緣基板與應(yīng)力緩 和部件的接合部產(chǎn)生裂紋、或在散熱基板上發(fā)生翹曲。因此，能夠長期維 持散熱性能。
圖1是使用了本發(fā)明所涉及的功率模塊用基體的功率模塊的垂直放大 剖視圖。
圖2是表示配置在絕緣基板和散熱基板之間并接合于兩者的應(yīng)力緩和 部件的例子的立體圖。
圖3是表示配置在絕緣基板和散熱基板之間并接合于兩者的應(yīng)力緩和 部件的其他例子的立體圖。
圖4是表示配置在絕緣基板和散熱基板之間并接合于兩者的應(yīng)力緩和 部件的另外其他例子的立體圖。
圖5是表示圖2至圖4所示的應(yīng)力緩和部件介于功率模塊用基體中的絕緣基板的傳熱層和散熱基板之間、釬焊于傳熱層以及散熱基板的例子的 與圖l相當(dāng)?shù)钠蔳見圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。另外，在以下的說明 中，將圖1中的上下、左右稱為上下、左右。
圖1表示使用了本發(fā)明的功率模塊用基體的功率模塊的整體結(jié)構(gòu)。
在圖l中，功率模塊用基體l,具備散熱基板2;釬焊在散熱基板2 的上面的絕緣基板3;釬焊在散熱基板2的下面的散熱片4;釬焊在散熱基 板2的上面中的絕緣基板3周圍的部分的上側(cè)部件安裝板5;在散熱基板2 的下面以覆蓋散熱片4的方式固定的冷卻套6;和釬焊在冷卻套6的下面 的下側(cè)部件安裝板7(第二部件安裝板)。
散熱基板2，由鋁、銅等高熱傳導(dǎo)性材料形成，在這里由鋁形成。優(yōu) 選，散熱基板2的厚度為0.1~1.0mm，希望為0.4mm左右。
絕緣基板3,只要滿足必要的絕緣特性、熱傳導(dǎo)率以及機(jī)械強(qiáng)度，由 哪種絕緣材料形成都可以，但在例如由陶瓷形成的情況下，使用氧化鋁、 氮化鋁、氮化硅等。優(yōu)選，絕緣基板3的厚度為0.1~lmm。在絕緣基板3 上面設(shè)有布線層8，并且在下面設(shè)有傳熱層9。布線層8，由導(dǎo)電性優(yōu)異的 鋁、銅等的金屬形成，但優(yōu)選由電傳導(dǎo)率高、變形能力高而且與半導(dǎo)體元 件的軟釬焊性優(yōu)異的純度高的純鋁形成。傳熱層9，由熱傳導(dǎo)性優(yōu)異的鋁、 銅等的金屬形成，但優(yōu)選由熱傳導(dǎo)率高、變形能力高而且與熔融的釬焊材 料的浸潤性(潤濕性)優(yōu)異的純度高的純鋁形成。另外，優(yōu)選，布線層8 和傳熱層9由同一材料形成。而且，優(yōu)選，布線層8和傳熱層9的厚度為 (U 1.0mm，希望在0.6mm左右。而且，傳熱層9被釬焊于散熱基板2。 另外，作為事先設(shè)有布線層8以及傳熱層9的絕緣基板3，能夠使用DBA (Direct Brazed Aluminum,注冊商標(biāo))基;f反、DBC( Direct Bonded Copper, 注冊商標(biāo))基板等。
散熱片4，由鋁、銅等高熱傳導(dǎo)性材料(這里是鋁)形成，為包括波峰部、波谷部以及連接波峰部和波谷部的連接部的波紋狀，使波峰部以及
波谷部的長度方向朝向圖1的紙面表里方向而釬焊于散熱基板2。散熱片4 的厚度為0.5mm,片高度為10mm，片間距為1.3mm左右。
上側(cè)部件安裝板5由與散熱基板2相同的材料(這里是鋁)形成，其 上面為平坦面。在上側(cè)部件安裝板5上，形成有用于使絕緣基板3通過的 貫通孔ll。另外，上側(cè)部件安裝板5比散熱基板2厚，優(yōu)選，上側(cè)部件安 裝板5的厚度為1.0~3.0mm，希望在2mm左右。此時，能夠使上側(cè)部件 安裝板5的剛性充分高于散熱基板2的剛性，在后述的制造功率模塊用基 體1時，防止上側(cè)部件安裝板5的變形。而且，上側(cè)部件安裝板5，以絕 緣基板3位于貫通孔11內(nèi)的方式，釬焊于散熱基板2的上面。
另外，在散熱基板2的上面釬焊有多個絕緣基板3的情況下，在上側(cè) 部件安裝板5上，形成有與絕緣基板3相同數(shù)量的使絕緣基板3通過的貫 通孔、或形成一個使所有絕緣基板3通過的貫通孔，或者形成少于絕緣基 板3的數(shù)量的使一個或多個絕緣基板3通過的貫通孔。
冷卻套6由與散熱基板2相同的材料(這里是鋁)形成，通過釬焊于 散熱基板2的下面的金屬制(這里為鋁制)周壁6a和釬焊于周壁6a且堵 塞周壁的下端開口的底壁6b,整體成為箱狀。雖省略圖示，但在冷卻套6 的周壁6a,連接有冷卻液入口管以及冷卻液出口管，從冷卻液入口管送入 的冷卻液在冷卻套6內(nèi)流動，從冷卻液出口管送出。
下側(cè)部件安裝板7由與上側(cè)部件安裝板5相同的材料(這里是鋁)形 成，釬焊于冷卻套6的底壁6b的下面。在上側(cè)部件安裝板5的周緣部和下 側(cè)部件安裝板7的周緣部之間，具有貫通狀的螺紋孔12a的多個陰螺紋部 件12沿周方向隔開適當(dāng)間隔地配置，并釬焊于上側(cè)部件安裝板5以及下側(cè) 部件安裝板7，使上下兩部件安裝板5、 7相互結(jié)合。另外，在上側(cè)部件安 裝板5以及下側(cè)部件安裝板7的與陰螺紋部件12的螺紋孔12a相對應(yīng)的部 分，分別形成有貫通孔5a、 7a。另外，雖省略圖示，但在沒有配置陰螺紋 部件12的部分，上側(cè)部件安裝板5的周緣部的所需部位以及下側(cè)部件安裝 板7的周緣部的所需部位，分別以相互向另一方側(cè)突出的方式被彎曲，兩板5、 7的彎曲部被相互釬焊。
另外，在功率模塊用基體l中，有時在絕緣基板3的下面沒有形成傳 熱層9，絕緣基板3直接釬焊于散熱基板2上。
功率模塊用基體l,如下制造。
即，在絕緣基板3的下面層疊散熱基板2,在散熱基板2的上面以絕 緣基板3位于貫通孔11內(nèi)的方式層疊上側(cè)部件安裝板5。另外，在散熱基 板2的下面配置散熱片4、冷卻套6的周壁6a以及底壁6b。進(jìn)而，在冷卻 套6的底壁6b的下面層疊下側(cè)部件安裝板7，在上側(cè)部件安裝板5和下側(cè) 部件安裝板7之間配置陰螺紋部件12。在散熱基板2與絕緣基板3的傳熱 層9之間、散熱基板2與散熱片4以及周壁6a之間、散熱基板2與上側(cè)部 件安裝板5之間、底壁6b與散熱片4以及周壁6a之間、底壁6b與下側(cè) 部件安裝板7之間、陰螺紋部件12與上側(cè)部件安裝板5以及下側(cè)部件安裝 板7之間，分別預(yù)先介有由Al-Si類合金、Al-Si-Mg類合金等形成的片狀 鋁釬焊材。另外，在兩板5、 7的彎曲部之間也預(yù)先介有由Al-Si類合金、 Al-Si-Mg類合金等形成的鋁釬焊材。
接著，用適當(dāng)?shù)氖侄闻R時固定散熱基板2、絕緣基板3、散熱片4、上 側(cè)部件安裝板5、冷卻套6的周壁6a以及底壁6b、下側(cè)部件安裝板7、陰 螺紋部件12,對接合面施加適當(dāng)?shù)妮d荷，并在真空環(huán)境中或惰性氣體環(huán)境 中加熱至570 ~ 600°C ，從而同時分別釬焊散熱基板2與絕緣基板3的傳熱 層9、散熱基板2與散熱片4、散熱基板2與上側(cè)部件安裝板5、散熱基板 2與周壁6a、散熱片4以及周壁6a與底壁6b、底壁6b與下側(cè)部件安裝板 7、上側(cè)部件安裝才反5以及下側(cè)部件安裝板7與陰螺紋部件12。這樣一來， 制造出功率模塊用基體l。
在上述釬焊中的加熱時，絕緣基板3、布線層8、傳熱層9、散熱基板 2、散熱片4、上側(cè)部件安裝板5、周壁6a、底壁6b、下側(cè)部件安裝板7 以及陰螺紋部件12熱膨脹，并且在熱膨脹了的狀態(tài)下被釬焊，加熱結(jié)束后， 它們熱收縮。在此，散熱基板2的熱膨脹程度比絕緣基板3的大，其結(jié)果 是，散熱基板2的熱收縮程度也比絕緣基板3的大。因此，在釬焊結(jié)束后冷卻至常溫時絕緣基板3以及散熱基板2熱收縮的情況下，散熱基板2的 收縮的程度比絕緣基板3大，散熱基板2被絕緣基板3牽拉、發(fā)生翹曲那 樣的變形。但是，即便散熱基板2變形，因?yàn)樯蟼?cè)部件安裝板5比散熱基 板2厚且剛性高，而且上側(cè)部件安裝板5以及散熱基板2都是鋁制的、且 兩者的線膨脹系數(shù)的差別幾乎不存在，所以散熱基板2的變形不會影響上 側(cè)部件安裝板5。因此，維持上側(cè)部件安裝板5的平坦度，上側(cè)部件安裝 板5的上面仍被保持為平坦面。
根據(jù)上述的功率模塊用基體1,在絕緣基板3的布線層8上通過例如 軟釬焊接合而安裝功率器件P，進(jìn)而將覆蓋功率模塊用基體1的絕緣基板 3以及功率器件P的樹脂罩13安裝在上側(cè)部件安裝板5，從而構(gòu)成功率模 塊。在樹脂罩13的下端開口的周緣部形成有朝外突緣13a，將從上方貫通 朝外突緣13a并且通過貫通孔5a的(陽螺紋)螺栓14螺紋嵌合于陰螺紋 部件12的陰螺紋孔12a內(nèi)，從而將樹脂罩13安裝到上側(cè)部件安裝板5上。 這里，上側(cè)部件安裝板5的上面是平坦面，所以能夠防止在將樹脂罩13 安裝到上側(cè)部件安裝板5上時在樹脂罩13的朝外突緣13a與上側(cè)部件安裝 板5之間產(chǎn)生間隙，能夠使樹脂罩13的內(nèi)部成為密封狀態(tài)。另外，也能夠 在上側(cè)部件安裝板5上，正確安裝電布線框、電子部件等功率模塊所需的 部件。
另外，利用下側(cè)部件安裝板7，安裝收納功率模塊整體的殼體、電布 線框、電子部件等的功率模塊所需的各種部件。
上述的功率模塊，適用于例如以電動機(jī)(電動馬達(dá))為驅(qū)動源的一部 分的混合動力車輛的逆變電路，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)控制供給至電動機(jī)的電力。
此時， 從功率器件P發(fā)出的熱量，經(jīng)布線層8、絕緣基板3、傳熱層9 以及散熱J412傳遞至散熱片4，從散熱片4向在冷卻套6內(nèi)流動的冷卻 液散熱。
在上述的功率模塊用基體l中，有時在絕緣基板3的傳熱層9和散熱 基板2之間介有由高熱傳導(dǎo)性材料形成的應(yīng)力緩和部件，應(yīng)力緩和部件釬 焊于傳熱層9和散熱基板2。在為使用了具有應(yīng)力緩和部件的功率模塊用基體l的功率模塊時，從
功率器件P發(fā)出的熱量，經(jīng)布線層8、絕緣基板3、傳熱層9以及散熱基 板2傳遞至散熱片4,從散熱片4向在冷卻套6內(nèi)流動的冷卻液散熱。此 時，絕緣基斧反3以及散熱基板2，由于從功率器件P所發(fā)出的熱量而被加 熱至高溫(例如150。C左右)，所以要熱膨脹。尤其是，在散熱基板2由 熱傳導(dǎo)性比較優(yōu)異的鋁形成的情況下，鋁的線膨脹系數(shù)比絕緣^3大， 所以由于散熱基板2與絕緣基板3的熱膨脹差異，散熱基板2被絕緣基板 3牽拉發(fā)生翹曲。但是，由于應(yīng)力緩和部件的作用，緩和了牽拉散熱基板2 的力，抑制發(fā)生散熱基板2的翹曲。
另外，在將使用了具有應(yīng)力緩和部件的功率模塊用基體1的功率模塊 長時間放置在低溫環(huán)境(例如，-50。C左右)中的情況下，由于絕緣基板3 和散熱基板2的線膨脹系數(shù)的差異，散熱基板2在絕緣基板3的約束下收 縮、要發(fā)生翹曲。但是，由于應(yīng)力緩和部件的作用，緩和了牽拉散熱基板 2的力，抑制發(fā)生散熱基板2的翹曲。
并且，在制造具有應(yīng)力緩和部件的功率模塊用基體1時，在釬焊所有 部件的情況下，在釬焊中的加熱時，絕緣基板3以及散熱基板2熱膨脹， 并且在熱膨脹的狀態(tài)下被釬焊，在加熱結(jié)束后絕緣基板3以及散熱基板2 熱收縮。但是，散熱基板2由例如鋁這樣的高熱傳導(dǎo)性材料形成，其線膨 脹系數(shù)比絕緣基板3的線膨脹系數(shù)大，所以散熱基板2的熱膨脹的程度比 絕緣基板3大，結(jié)果散熱基板2的熱收縮的程度也比絕緣基板3大。因此， 在釬焊結(jié)束后冷卻到常溫時絕緣基板3以及散熱基板2熱收縮的情況下， 散熱基板2的收縮的程度比絕緣基板3大，散熱基板2被絕緣基板3牽拉、 要發(fā)生翹曲。但是，在應(yīng)力緩和部件的作用下，緩和了牽拉散熱基板2的 力，抑制產(chǎn)生散熱基板2的翹曲。
圖2至圖4表示應(yīng)力緩和部件的例子。
圖2所示的應(yīng)力緩和部件20，在鋁制板狀體21上呈交錯配置狀形成 多個非角形(這里是圓形)的貫通孔22，貫通孔22成為應(yīng)力吸收空間。 圓形貫通孔22,形成在板狀體21中的至少與絕緣基板3的周緣部相對應(yīng)的位置，即在板狀體21上包括與絕緣基板3的周緣部相對應(yīng)的周緣部地在 整體上形成。板狀體21，可以由熱傳導(dǎo)率高、由于釬焊時的加熱導(dǎo)致強(qiáng)度 降低從而變形能力高、而且與熔融的釬焊材料的浸潤性優(yōu)異的、純度99% 以上優(yōu)選純度99.5%以上的純鋁形成。優(yōu)選，板狀體21的厚度為0.3 ~ 3mm，希望為0.3~1.5mm。優(yōu)選，貫通孔22的圓相當(dāng)徑(相當(dāng)于圓的直 徑)為l 4mm，因?yàn)樵谶@里貫通孔22是圓形的，所以優(yōu)選其孔徑為1 ~ 4mm。另外，優(yōu)選，所有的貫通孔22的面積的總和相對于板狀體21的一 個面的面積的比例在3 ~ 50%的范圍內(nèi)。
另外，在圖2所示的應(yīng)力緩和部件20中，可以僅在板狀體21的周緣 部形成多個圓形貫通孔22。在這種情況下，與圖2所示的應(yīng)力緩和部件20 的情況相同，優(yōu)選，所有的貫通孔22的面積的總和相對于板狀體21的一 個面的面積的比例在3~50%的范圍內(nèi)。另外，在圖2所示的應(yīng)力緩和部 件20中，可以代替圓形貫通孔22,形成方形貫通孔。即，能夠適當(dāng)變化 貫通孔的形狀、配置。另外，可以代替貫通孔22,在板狀體21的至少任 意一個面上形成多個凹處。此時，作為凹處，4吏用凹J求面狀、圓錐臺狀、 四棱錐狀、長方體狀以及溝槽狀等的凹處。能夠適當(dāng)變化凹處的形狀、配 置。并且，可以在板狀體21上形成為貫通孔與凹處混合存在。
圖3所示的應(yīng)力緩和部件30，用鋁例如通過冷鍛造而形成，包括板狀 本體31、和在板狀本體31的上面呈交錯配置狀隔開間隔地形成的多個實(shí) 心圓柱狀突起32。而且，突起32的前端面釬焊于傳熱層9，板狀本體31 的下面釬焊于散熱基板2。應(yīng)力緩和部件30，可以由熱傳導(dǎo)率高、由于釬 焊時的加熱導(dǎo)致強(qiáng)度降低從而變形能力高、而且與熔融的釬焊材料的浸潤 性優(yōu)異的、純度99%以上、優(yōu)選純度99.5%以上的純鋁形成。
優(yōu)選，板狀本體31的厚度為0.5~3mm。這是因?yàn)槿绻鍫畋倔w31 的厚度過薄，則在由于絕緣基板3與散熱基^反2的線膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致 功率模塊用設(shè)備1產(chǎn)生了熱應(yīng)力的情況下的應(yīng)力緩和部件30的變形不夠， 由應(yīng)力緩和部件30所產(chǎn)生的應(yīng)力緩和性能可能變得不夠充分；如果該厚度 過厚，則存在熱傳導(dǎo)性減低、散熱性能減低的可能性。在功率;^莫塊用設(shè)備l所產(chǎn)生的熱應(yīng)力比較大的情況下，優(yōu)選，突起32 的突出高度比橫截面的外徑大，更加優(yōu)選，突起32的突出高度大于0.8111111 且小于等于1.5mm,橫截面的外徑大于等于0.8mm且小于1.5mm。這是 因?yàn)槿绻黄?2的突出高度過低、且突起32的橫截面的外徑過大，則 在由于絕緣基板3和散熱基板2的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下 的應(yīng)力緩和部件30的變形不夠，由應(yīng)力緩和部件30所產(chǎn)生的應(yīng)力緩和性 能可能變得不夠充分；如果該突起32的突出高度過高且突起32的橫截面 的外徑過小，則存在熱傳導(dǎo)性減低、散熱性能減低的可能性。
另外，在功率模塊用設(shè)備l所產(chǎn)生的熱應(yīng)力比較小的情況下，優(yōu)選， 突起32的突出高度比橫截面的外徑小，更加優(yōu)選，突起32的突出高度為 0.5~0.8mm，橫截面的外徑為1.5~3mm。這是因?yàn)槿绻黄?2的突出 高度過低、且突起32的橫截面的外徑過大，則在由于絕緣基板3和散熱基 板2的線膨脹系數(shù)不同而在功率模塊用設(shè)備l上產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下的應(yīng) 力緩和部件30的變形不夠，由應(yīng)力緩和部件30所產(chǎn)生的應(yīng)力緩和性能可 能變得不夠充分；如果突起32的突出高度過高且突起32的橫截面的外徑 過小，則存在熱傳導(dǎo)性減低、散熱性能減低的可能性。
另外，可以將圖3所示的應(yīng)力緩和部件30，與由高熱傳導(dǎo)性材料(這 里是鋁)形成且具有使應(yīng)力緩和部件30的突起32通過的多個貫通孔的熱 傳導(dǎo)板組合使用。該熱傳導(dǎo)板，以突起32通過貫通孔的狀態(tài)配置在應(yīng)力緩 和部件30中的板狀本體31的上面，釬焊于絕緣基板3的傳熱層9以及應(yīng) 力緩和部件30的板狀本體31。這里，優(yōu)選，在突起32的外周面和貫通孔 的內(nèi)周面之間、以及應(yīng)力緩和部件30的板狀本體31的上面和熱傳導(dǎo)板的 下面之間，分別存在間隙。在這種情況下，優(yōu)選，在這些間隙中，填充高 熱傳導(dǎo)性油脂或者熱傳導(dǎo)樹脂。另外，可以在絕緣基板3的傳熱層9和散 熱基板2之間，配置兩個圖3所示的應(yīng)力緩和部件30。在這種情況下，上 側(cè)的應(yīng)力緩和部件30以突起32朝下的方式配置，下側(cè)的應(yīng)力緩和部件30 以突起32朝上的方式配置，上側(cè)應(yīng)力緩和部件30的板狀本體31的上面釬 焊于絕緣基壽反3的傳熱層9，并且下側(cè)應(yīng)力緩和部件30的板狀本體31的下面釬焊于散熱基板2。另外，在圖3所示的應(yīng)力緩和部件30中，可以在 突起32上形成沿上下方向延伸的貫通孔。而且，在圖3所示的應(yīng)力緩和部 件30中，能夠適當(dāng)變化突起的形狀。
圖4所示的應(yīng)力緩和部件40由板狀體41構(gòu)成，該板狀體41由多孔質(zhì) 材料形成。板狀體41,使用由鋁等的金屬纖維形成的織物以及無紡布、由 碳素纖維形成的織物以及無紡布、由陶瓷纖維形成的織物以及無紡布等而 形成。
另外，雖省略圖示，但作為介于絕緣基板3的傳熱層9和散熱基板2 之間的應(yīng)力緩和部件，有時使用由具有介于絕緣基板3的線膨脹系數(shù)和散 熱基板2的線膨脹系數(shù)的中間的線膨脹系數(shù)的材料形成的板狀體。例如， 在絕緣基板3是陶瓷制、散熱基板2是鋁制的情況下，優(yōu)選，應(yīng)力緩和部 件的板狀體由線膨脹系數(shù)為12xlO力。C左右的材料形成。
在圖5中，表示使上述應(yīng)力緩和部件20、 30、 40介于功率模塊用基體 1中的絕緣基板3的傳熱層9和散熱基板2之間、并釬焊于傳熱層9以及 散熱基板2上的例子。
在具備上述應(yīng)力緩和部件20、 30、 40的功率模塊用基體中，有時作為 使由高熱傳導(dǎo)性材料形成的應(yīng)力緩和部件介于絕緣基板3的傳熱層9和散 熱基板2之間的構(gòu)成的替代，配置上述應(yīng)力緩和部件來代替?zhèn)鳠釋?,將 應(yīng)力緩和部件直接釬焊于絕緣基板3、并釬焊于散熱基板2。
本發(fā)明的功率模塊用基體，適用于構(gòu)成具備功率器件的功率模塊、使 從半導(dǎo)體元件所發(fā)出的熱量高效地散熱。而且，利用該發(fā)明的功率模塊用 基體，能夠正確地安裝功率模塊所需的各種部件。
權(quán)利要求
1. 一種功率模塊用基體，具備由高熱傳導(dǎo)性材料形成的散熱基板、接合于散熱基板的一面的絕緣基板、設(shè)置在絕緣基板中的與接合于散熱基板的一側(cè)相反側(cè)的面的布線層、和接合于散熱基板的另一面的散熱片；其中，在散熱基板中的接合有絕緣基板的一側(cè)的面上，接合有比散熱基板厚且具有使絕緣基板通過的貫通孔的部件安裝板，使得絕緣基板位于貫通孔內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所記載的功率模塊用基體，其中，在散熱基板中的接合有散熱片的 一側(cè)的面上，以覆蓋散熱片的方式固 定有冷卻套，冷卻液在冷卻套內(nèi)流動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所記載的功率模塊用基體，其中， 絕緣基板與散熱基板、散熱基板與散熱片、以及散熱基板與部件安裝板分別被釬焊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 在冷卻套中的與散熱基板相對的壁部分的外面，接合有下側(cè)部件安裝板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所記載的功率模塊用基體，其中， 兩部件安裝^L相互結(jié)合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 在絕緣基板中的與設(shè)有布線層的一側(cè)相反側(cè)的面，設(shè)有由高熱傳導(dǎo)性材料形成的傳熱層，傳熱層與散熱基板相接合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 絕緣基板中的與設(shè)有布線層的 一側(cè)相反側(cè)的面與散熱基板直接接合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所記載的功率模塊用基體，其中， 絕緣基板由陶瓷形成，該陶瓷由氮化鋁、氧化鋁或氮化硅形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所記載的功率模塊用基體，其中，布線層由鋁或銅形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所記載的功率模塊用基體，其中，在絕緣基板和散熱基板之間介有由高熱傳導(dǎo)性材料形成的應(yīng)力緩和部 件，應(yīng)力緩和部件接合于絕緣基板以及散熱基板。
11. 才艮據(jù)權(quán)利要求10所記載的功率模塊用基體，其中， 應(yīng)力緩和部件包括形成有多個貫通孔的板狀體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所記載的功率模塊用基體，其中， 應(yīng)力緩和部件，包括板狀本體、和相互隔開間隔地一體形成于板狀本體的至少一面的多個突起。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所記載的功率模塊用基體，其中，應(yīng)力緩和部件，由具有介于絕緣基板的線膨脹系數(shù)和散熱基板的線膨 脹系數(shù)之間的線膨脹系數(shù)的材料形成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所記載的功率模塊用基體，其中， 應(yīng)力緩和部件由多孔質(zhì)材料形成。
15. —種功率模塊，具備如權(quán)利要求1至14中任一項所記載的功率 模塊用基體、和安裝在功率模塊用基體的絕緣基板的布線層上的功率器件。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所記載的功率模塊，其中，具備安裝在部件安裝板上、且覆蓋功率模塊用基體的絕緣基板以及功 率器件的罩。
全文摘要
一種功率模塊用基體(1)，具備由高熱傳導(dǎo)性材料形成的散熱基板(2)、接合于散熱基板(2)的上面的絕緣基板(3)、設(shè)置在絕緣基板(3)的上面的布線層(8)、和接合于散熱基板(2)的下面的散熱片(4)。在散熱基板(2)的上面上，接合有比散熱基板(2)厚且具有使絕緣基板(3)通過的貫通孔(11)的部件安裝板(5)使得絕緣基板(3)位于貫通孔(11)內(nèi)。利用該功率模塊用基體(1)，能夠?qū)⒉考惭b板(5)的上面保持平坦，能夠在此處安裝罩(13)等功率模塊所需的各種部件。
文檔編號H01L25/18GK101443904SQ20078001726
公開日2009年5月27日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者中川信太郎, 小原英靖, 山內(nèi)忍, 森昌吾, 若林信弘, 藤敬司 申請人:株式會社豐田自動織機(jī);昭和電工株式會社