JP2003218298A - パワーモジュールの放熱構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーモジュールにおいて、シリコンチップ
の熱を効率よくヒートシンクに放熱することができると
共に、製造が容易なパワーモジュールの放熱構造を提供
する。 【解決手段】パワーモジュール１が、シリコンチップ３
の発生する熱をベース板２を介して放熱させるように、
ヒートシンク１７に取り付けられたパワーモジュール１
の放熱構造において、前記ベース板２とヒートシンク１
７との間に放熱板１９が介在され、ケース体２とヒート
シンク１７との間でベース板２と放熱板１９とを挟持し
てベース板２を放熱板１９に密着重合させると共に放熱
板１９をヒートシンク１７に密着重合させるように、ケ
ース体４がヒートシンク１７に締め付け固定され、前記
放熱板１９は、その外周部全周に沿ってベース板２から
外方突出するように、ベース板２より大きく形成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンチップと
ベース体とを有するパワーモジュールの放熱構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器等を始め、広い分野で半
導体集積回路が使用され、特に大きな電力を必要とする
装置に対して、半導体集積回路を内蔵しているシリコン
チップを含むパワーモジュールが使用されている。この
パワーモジュールには、図１１，１２に示すように、ベ
ース板４１と、シリコンチップ４２と、シリコンチップ
４２の周囲を取り囲むようにベース板４１から起立した
ケース体４３と、シリコンチップ４２をベース板４１と
間で挟んで被覆するようにケース体４３内に充填された
充填剤４４を有するものがある。

【０００３】この種のパワーモジュール４０では、シリ
コンチップ４２の電力消費に伴い、シリコンチップ４２
が発熱し温度上昇することから、シリコンチップ４２の
温度上昇を防止するため、従来では、図１１，１２に示
すように、発熱体となるシリコンチップ４２を、絶縁基
板４５を介して銅板で形成されているベース板４１に重
合させ、そのベース板４１をアルミニウム等で形成され
たヒートシンク４６に半田等により直接取り付けた放熱
構造が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
パワーモジュールの放熱構造では、ベース板４１に比べ
ヒートシンク４６の熱伝導率が低く、ベース板４１がヒ
ートシンク４６よりも比較的小さいので、シリコンチッ
プ４２からベース板４１を介してヒートシンク４６に伝
達する熱が、ベース板４１に留まってしまい、ヒートシ
ンク４６に効率よく伝達できない問題があった。そこ
で、ベース板４１を大きくして、ベース板４１とヒート
シンク４６の接合面積を増加させることにより、ベース
板４１からヒートシンク４６に伝達する熱量を増加させ
ることで、上記の問題点を回避する方法がある。しかし
ながら、この方法では、ベース板４１を大きくするとパ
ワーモジュール全体が大きくなるので、パワーモジュー
ルの製造が非常に面倒になると共にパワーモジュールの
製造コストが高くなる問題があった。

【０００５】さらに、シリコンチップ４２の発熱量に対
応して、ベース板４１の大きさを変えなければならず、
この点からもパワーモジュールの製造が面倒であった。
そこで、本発明は上記の問題点に鑑み、シリコンチップ
の熱を効率よく放熱することができると共に、製造が容
易で且つ安価に製造し得るパワーモジュールの放熱構造
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この技術的課題を解決す
るための本発明の技術的手段は、ベース板２と、該ベー
ス板２に重合したシリコンチップ３と、シリコンチップ
３の周囲を取り囲むようにベース板２から起立したケー
ス体４と、シリコンチップ３をベース板２と間で挟んで
被覆するようにケース体４内に充填された充填剤５とを
有するパワーモジュール１が、シリコンチップ３の発生
する熱をベース板２を介して放熱させるように、ヒート
シンク１７に取り付けられたパワーモジュールの放熱構
造において、前記ベース板２とヒートシンク１７との間
に放熱板１９が介在され、ケース体４とヒートシンク１
７との間でベース板２と放熱板１９とを挟持してベース
板２を放熱板１９に密着重合させると共に放熱板１９を
ヒートシンク１７に密着重合させるように、ケース体４
がヒートシンク１７に締め付け固定され、前記放熱板１
９は、その外周部全周に沿ってベース板２から外方突出
するように、ベース板２より大きく形成されている点に
ある。

【０００７】本発明の他の技術的手段は、前記放熱板１
９がベース板２とヒートシンク１７との間から脱着可能
になるように、前記ケース体４はヒートシンク１７に締
結具２０により脱着自在に締め付け固定されている点に
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態を図１〜３に基づいて説明する。パワーモジ
ュール１は、ベース板２と、シリコンチップ３と、ケー
ス体４と、充填剤５と絶縁基板６と、制御基板７とで構
成されている。ケース体４は、角筒状の側壁部８と、側
壁部８の上端開口を塞ぐ上蓋部９とを有し、側壁部８の
４隅には段部１０があり、段部１０は挿通孔１１を備え
ている。 側壁部８の下部の内面側には、ベース板２の
外周部と嵌合する嵌合凹部１５が全周にわたって設けら
れ、ケース体４は、嵌合凹部１５をベース板２の外周部
に嵌合することにより、シリコンチップ３を取り囲むよ
うにベース板２から起立されている。

【０００９】ベース板２は、熱伝導性が優れている銅板
により方形板状に形成され、その４隅にはケース体４の
挿通孔１１に対応するように挿通孔１２が形成され、ベ
ース板２には絶縁基板６を介してシリコンチップ３が重
合されている。絶縁基板６は、ベース板２とシリコンチ
ップ３との間に介在されていて、電気的にベース板２と
シリコンチップ３とを絶縁している。制御基板７には、
シリコンチップ３との出力電力を制御する制御回路を構
成する電子部品が設置されている。

【００１０】シリコンチップ３には、制御回路からの信
号により図示していない負荷に対し所望の電力を出力す
る半導体集積回路が内蔵されている。充填剤５は、ケー
ス体４と、ベース板２との間で形成される封止空間１６
に充填され、シリコンチップ３をベース板２との間で挟
むように被覆している。ヒートシンク１７は、熱伝導性
が優れているアルミニウムで形成され、ヒートシンク１
７のケース体４の取り付け面には、ケース体４の挿通孔
１１と対応するねじ孔１８が設けられている。

【００１１】パワーモジュール１は、放熱板１９を挟み
込みこんで、ヒートシンク１７に取り付けられている。
放熱板１９は、熱伝導性が優れている銅板によりベース
板２よりも大きい方形板状に形成され、その外周部は全
周に沿ってベース板２から外方突出されている。放熱板
１９の４隅にケース体４の挿通孔１１と対応する挿通孔
１３が形成されている。ケース体４は、ヒートシンク１
７にねじ等の締結具２０により、脱着自在に締め付け固
定されている。

【００１２】締結具２０は、ケース体４の４隅に対応し
て４個設けられていて、各締結具２０は、ケース体４の
挿通孔１１、ベース板２の挿通孔１２及び放熱板１９の
挿通孔１３に挿通されて、ヒートシンク１７のねじ孔１
８に結合され、各締結具２０の締め付けにより、ケース
体４はヒートシンク１７に脱着自在に固定されている。
これにより、放熱板１９とベース板２とはケース体４と
ヒートシンク１７との間で挟持され、放熱板１９とベー
ス板２とが、密着重合されると共に、放熱板１９とヒー
トシンク１７とも密着重合されている。

【００１３】このように、実施の形態１では、ベース板
２とヒートシンク１７との間に、放熱板１９を介在した
ので、シリコンチップ３で発生した熱がベース板２に留
まることなく放熱板１９を介してヒートシンク１７に放
熱しやすくなると共に放熱板１９はベース板２に比べ大
きいので、ベース板２を大きくすることなく従来のパワ
ーモジュールの放熱構造よりもヒートシンク１７に効率
よく放熱することができるようになった。これにより、
ベース板２の大きさを抑えることができて、パワーモジ
ュール１全体を極力小型にすることができ、パワーモジ
ュール１の製造を容易にすると共に、製造コストも安価
にすることができる。

【００１４】さらに、従来のパワーモジュール放熱構造
ではシリコンチップ３の発熱量に対応して、ベース板２
の大きさを変える必要があったが、ベース板２の代わり
に放熱板１９の大きさを変えることにより従来と同様の
効果が得られるので、シリコンチップ３の発熱量に対応
してベース板２の大きさを変える必要がなくなり、パワ
ーモジュール１の製造を容易にすることができる。ま
た、放熱板１９がベース板２とヒートシンク１７との間
から脱着可能となったので、ベース板２、ヒートシンク
１７それぞれの大きさや材質に対応した放熱板１９を容
易に交換することができる。

【００１５】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２について、図４に基づき説明する。図４に示すよう
に、パワーモジュール１とヒートシンク１７との間に
は、大きさの異なる２枚の放熱板１９（パワーモジュー
ル１側の放熱板１９ａ、ヒートシンク１７側の放熱板１
９ｂ）が介在されている。パワーモジュール１側の放熱
板１９ａは、熱伝導性が優れている銅板によりベース板
２よりも大きい方形板状に形成され、その外周部は全周
に沿ってベース板２から外方突出されている。放熱板１
９ａの４隅には、実施の形態１と同様に、ケース体４の
挿通孔１１と対応する挿通孔１３が形成されている。

【００１６】ヒートシンク１７側の放熱板１９ｂは、熱
伝導性が優れている銅板によりパワーモジュール１側の
放熱板１９ａよりも大きい方形板状に形成され、その外
周部は全周に沿ってパワーモジュール１側の放熱板１９
ａから外方突出されている。放熱板１９ｂの４隅には、
実施の形態１と同様に、ケース体４の挿通孔１１と対応
する挿通孔１３が形成されている。パワーモジュール１
側の放熱板１９ａとヒートシンク１７側の放熱板１９ｂ
とは互いに重合され、ベース板２とヒートシンク１７と
の間に挟み込まれると共に、ケース体４が締結具２０に
よりヒートシンク１７に締め付け固定されることによ
り、それぞれの放熱板１９はベース板２とヒートシンク
１７とにより挟持されている。

【００１７】その他の構成は前記実施の形態１と同様で
ある。このように、実施の形態２では、実施の形態１と
同様の効果を得ることができるのに加え、さらに、ベー
ス板２とヒートシンク１７との間に介在される放熱板１
９をベース板２側からヒートシンク１７側にかけて、段
階的に大きくしてそれぞれを重合させたので、シリコン
チップ３の発生した熱が効率よくヒートシンク１７に放
熱すると共に、ヒートシンク１７に直接重合している放
熱板１９とヒートシンク１７との接合面積が大きいの
で、放熱量が多くなり、実施の形態１よりも放熱効率を
上昇させることができる。

【００１８】また、ベース板２とヒートシンク１７との
間に介在される放熱板１９を、段階的に大きくしている
ので、実施の形態１よりも放熱板１９の材料が少なくす
ることができ、放熱板１９の製造コストを抑えることが
できる。なお、実施の形態２では、パワーモジュール１
とヒートシンク１７との間には、大きさの異なる２枚の
放熱板１９が介在されているが、これに代え介在される
放熱板１９の枚数は３枚以上であってもよい。この場
合、パワーモジュール１側の放熱板１９よりもヒートシ
ンク１７側の放熱板１９が順次大きくなるように形成し
て、各放熱板１９の外周部がパワーモジュール１側の放
熱板１９よりも順次階段状に突出するように構成すれば
よい。

【００１９】（実施の形態３）次に本発明の実施の形態
３について、図５に基づき説明する。図５に示すよう
に、パワーモジュール１とヒートシンク１７との間に
は、大きさの同じ２枚の放熱板１９（パワーモジュール
１側の放熱板１９ａ、ヒートシンク１７側の放熱板１９
ｂ）が介在されている。各放熱板１９は、熱伝導性が優
れている銅板によりベース板２よりも大きい方形板状に
形成され、その外周部は全周に沿ってベース板２から外
方突出されている。各放熱板１９の４隅には、実施の形
態１と同様に、ケース体４の挿通孔１１と対応する挿通
孔１３が形成されている。

【００２０】パワーモジュール１側の放熱板１９ａとヒ
ートシンク１７側の放熱板１９ｂとはその外周が揃うよ
うに重合され、ベース板２とヒートシンク１７との間に
挟み込まれると共に、ケース体４が締結具２０によりヒ
ートシンク１７に締め付け固定されることにより、それ
ぞれの放熱板１９はベース板２とヒートシンク１７とに
より挟持されている。その他の構成は前記実施の形態１
と同様である。このように、実施の形態３では、実施の
形態１と同様の効果に加え、同じ大きさの放熱板１９を
複数枚、ベース板２とヒートシンク１７との間に介在さ
せているので、その放熱板１９の枚数を自在に変えるこ
とにより、シリコンチップ３の発熱量に対応したパワー
モジュール１の放熱構造を形成することができる。

【００２１】なお、実施の形態３では、パワーモジュー
ル１とヒートシンク１７との間には、大きさの同じ２枚
の放熱板１９が介在されているが、介在される放熱板１
９の枚数は３枚以上であってもよい。

【００２２】（実施の形態４）次に本発明の実施の形態
４について、図６〜１０に基づき説明する。図６に示す
ように、ヒートシンク１７の側面開口部３２に放熱ファ
ン２８が取り付けられている。

【００２３】放熱ファン２８は、ファン体２９とファン
体２９を格納するケース体３０とを備え、ファン体２９
は図示していないケース体３０内にある駆動手段によ
り、ファン体２９が回転駆動される。ファン体２９の回
転駆動により、図７に示すように、ヒートシンク１７近
傍の空気がＡからＢに対流するので、ヒートシンク１７
の熱は、空気により効率よく持ち去られる。その他の構
成は前記実施の形態１〜３と同様である。

【００２４】このように、実施の形態４では、実施の形
態１〜３と同様の効果を得ることができるのに加え、ヒ
ートシンク１７に放熱ファン２９を取り付けたので、ヒ
ートシンク１７の熱が実施の形態１〜３よりもさらに効
率よく放熱することができる。なお、実施の形態４で
は、ヒートシンク１７近傍の空気がＡからＢに対流する
吸い込み型の放熱ファン２８をヒートシンク１７に取り
付けていたが、図８に示すように、ヒートシンク１７近
傍の空気がＢからＡに対流するような、押し出し型の放
熱ファン２８であってもよい。

【００２５】また、放熱ファン２８は、直接ヒートシン
ク１７の側面開口部３２に取り付けられていたが、図９
に示すように、ヒートシンク１７の熱を放熱できるよう
にヒートシンク１７より離れて取り付けられていてもよ
い。さらに、放熱ファン２８は図１０に示すように、ヒ
ートシンク１７の下部３３に取り付けられていてもよ
い。このとき、放熱ファン２８は、上記記載の吸い込み
型の放熱ファン２８であっても押し出し型の放熱ファン
２８であってもよい。本発明は、上記実施の形態に限定
されるものではない。

【００２６】すなわち、前記実施の形態１〜４では、ベ
ース板２が銅板で形成されていたが、熱伝導性が優れて
いる、マグネシウム、アルミニウムを含む材料で形成さ
れいてもよい。また、ヒートシンク１７はアルミニウム
で形成されていたが、熱伝導性が優れている、銅、マグ
ネシウム、を含む材料で形成されていてもよい。また、
実施の形態１〜４において、放熱板１９とヒートシンク
１７とは、直接密着重合されていたが、放熱板１９とヒ
ートシンク１７との間に放熱効果を高める放熱グリスを
塗布する等により介在させてもよい。。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、シリコンチップ３の熱
を効率よく放熱することができると共に、製造が容易で
且つ、安価に製造し得るパワーモジュールの放熱構造を
提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１を示す側面断面図であ
る。

【図２】同斜視図である。

【図３】同側面矢視図である。

【図４】本発明の実施の形態２を示す側面矢視図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態３を示す側面矢視図であ
る。

【図６】本発明の実施の形態４を示す斜視図である。

【図７】同対流説明図である。

【図８】同他の対流説明図である。

【図９】同他の斜視図である。

【図１０】同他の側面斜視図である。

【図１１】従来のパワーモジュール放熱構造の断面図で
ある。

【図１２】同斜視図である。

【符号の説明】

１ パワーモジュール ２ ベース板 ３ シリコンチップ ４ ケース体 ５ 充填剤 １７ ヒートシンク １９ 放熱板 ２０ 締結具

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース板（２）と、該ベース板（２）に重
   合したシリコンチップ（３）と、シリコンチップ（３）
   の周囲を取り囲むようにベース板（２）から起立したケ
   ース体（４）と、シリコンチップ（３）をベース板
   （２）と間で挟んで被覆するようにケース体（４）内に
   充填された充填剤（５）とを有するパワーモジュール
   （１）が、シリコンチップ（３）の発生する熱をベース
   板（２）を介して放熱させるように、ヒートシンク（１
   ７）に取り付けられたパワーモジュールの放熱構造にお
   いて、 前記ベース板（２）とヒートシンク（１７）との間に放
   熱板（１９）が介在され、ケース体（４）とヒートシン
   ク（１７）との間でベース板（２）と放熱板（１９）と
   を挟持してベース板（２）を放熱板（１９）に密着重合
   させると共に放熱板（１９）をヒートシンク（１７）に
   密着重合させるように、ケース体（４）がヒートシンク
   （１７）に締め付け固定され、前記放熱板（１９）は、
   その外周部全周に沿ってベース板（２）から外方突出す
   るように、ベース板（２）より大きく形成されているこ
   とを特徴とするパワーモジュールの放熱構造。
2. 【請求項２】前記放熱板（１９）がベース板（２）とヒ
   ートシンク（１７）との間から脱着可能になるように、
   前記ケース体（４）はヒートシンク（１７）に締結具
   （２０）により脱着自在に締め付け固定されることを特
   徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの放熱構
   造。