JP2005101259A - パワーモジュールの組み付け構造及び組み付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のパワーモジュールの組み付け構造では、グリスの反力によりパワーモジュールとインバータケースとの間に隙間ができて密着性が確保できず、放熱性が低下してしまっていた。また、インバータケースとパワーモジュールとの間に存在していた空気が逃げ場を失って残留し、隙間が発生する恐れもある。
【解決手段】 パワーモジュール１に装着された放熱板１２を、熱伝導性グリス５を介して放熱ケース３に組み付けるパワーモジュール１の組み付け構造であって、放熱板１２の放熱ケース３への接合面、及び放熱ケース３の放熱板１２への接合面の少なくとも一方に凹溝３ａ・１２ａを形成し、放熱板１２又は放熱ケース３に、放熱板１２と放熱ケース３との間への熱伝導性グリス５の注入孔３ｂを形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴモジュール等のパワーモジュールの組み付け構造に関し、特に、ケースに対する密着性を向上して放熱性を高めたパワーモジュールの組み付け構造及び組み付け方法に関する。

ＩＧＢＴ素子等の半導体素子を収納したパワーモジュール等のパッケージは、半導体素子からの発熱を放熱するために、冷却体として作用するインバータケース等のケース部材等に取り付けられることが多い。
例えば、パワーモジュールをインバータケースに取り付けた場合は、パワーモジュールとインバータケースとの間に半流動体物である熱伝導性グリスを充填して、パワーモジュールの熱を、熱伝導性グリスを介してインバータケースへ効率良く伝達するように構成している。
また、特許文献１には、パワーモジュールを熱伝導性グリスといった半流動体物を介してインバータケースに取り付けるのと同様に、封止ケースを半流動体物である接着剤を介して配線基板に取り付ける場合の技術が記載されている。
特許文献１に記載の技術は、封止ケースを配線基板に接着する際に、未接着部分の発生を防ぐべく着剤量を多くした場合でも、接着剤が外部にはみ出さないように、余分な接着剤を収容する凹溝を、封止ケースの接着面に形成したものである。

特開平７−１３０９１６号公報

前述の、パワーモジュールとインバータケースとの間に熱伝導性グリスを充填する場合には、図５に示すように、熱伝導性グリス１０５を塗布したインバータケース１０３上にパワーモジュール１０１を載置して、両端をボルト１０６等により締結することで、パワーモジュール１０１をインバータケース１０３へ組み付けるようにしていた。

しかし、図６に示すように、熱伝導性グリス１０５を塗布したインバータケース１０３にパワーモジュール１０１を組み付けた場合には、熱伝導性グリス１０５の流動性が悪いため、ボルト１０６によりパワーモジュール１０１を締結する際に、パワーモジュール１０１が熱伝導性グリス１０５からの反力を受け、熱伝導性グリス１０５の両端部を支点Ｐとして変形し、上に凸の形状となる。
このように、パワーモジュール１０１が上に凸となるように変形すると、パワーモジュール１０１の底面と熱伝導性グリス１０５との間に隙間Ｑが出来てしまって、パワーモジュール１０１とインバータケース１０３との密着性が確保できず、放熱性が低下してしまうこととなる。
また、組み付け時にインバータケース１０３に塗布された熱伝導性グリスと、パワーモジュール１０１との間に存在していた空気が逃げ場を失って残留し、隙間Ｑが発生する恐れもある。

前述の、熱伝導性グリス１０５の反力により生じる隙間Ｑや、空気が逃げ場を失うことで生じる隙間Ｑは、熱伝導性グリス１０５の塗布量を増しても解消するものではなく、さらに特許文献１に記載される溝のように、パワーモジュール１０１のインバータケース１０３との接合面の周縁部に熱伝導性グリス１０５逃がし用の凹溝を形成しただけでも隙間Ｑを解消できるものではない。

そこで、本発明においては、パワーモジュールとケースとを確実に密着させて放熱性を高めることができる、パワーモジュールの組み付け構造及び組み付け方法を提供するものである。

上記課題を解決する本発明のパワーモジュールの組み付け構造及び組み付け方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、パワーモジュールに装着された放熱板を、グリスを介して放熱ケースに組み付けるパワーモジュールの組み付け構造であって、放熱板の放熱ケースへの接合面、及び放熱ケースの放熱板への接合面の少なくとも一方に凹溝を形成し、放熱板又は放熱ケースに、放熱板と放熱ケースとの間へのグリス注入用孔を形成した。
このグリス注入用孔からグリスを注入することで、グリスの伸びが助長され、接合面の全面にグリスが広がり易くなる。
その結果、グリスが各凹溝を通じて、放熱板と放熱ケースとの接合面全域に広がり、さらに各凹溝から、接合面の凹溝が形成されていない部分にまでグリスが流れ込んでいき、接合面全体に充填されることとなる。
これにより、パワーモジュールと放熱ケースとの密着性を高めて、パワーモジュールの放熱性を向上させることができる。
また、放熱ケース及び放熱板に凹溝を形成することで、形成しない場合に比べて凹溝形成面の表面積が増加し、充填されたグリスとの接触面積も増加するため、パワーモジュールの放熱性をさらに向上することができる。

また、請求項２記載の如く、前記溝は、放熱板と放熱ケースとの両方に形成され、放熱板に形成される凹溝と放熱ケースに形成される凹溝とが平面視にて交差しており、前記グリス注入用孔は、凹溝３ａと凹溝１２ａとの交差点に配置される。
これにより、凹溝を効率的に放熱板と放熱ケースとの接合面全体に配置することができる。また、グリス注入用孔から注入したグリスを、放熱板の凹溝と放熱ケースの凹溝との両方に直接供給することができ、グリスを効率的に接合面全体に広げることが可能となる。

また、請求項３記載の如く、パワーモジュールに装着された放熱板を、グリスを介して放熱ケースに組み付けるパワーモジュールの組み付け方法であって、前記放熱板の放熱ケースとの接合面、及び放熱ケースの放熱板との接合面には凹溝が形成されており、放熱板と放熱ケースとを組み付けた後に、放熱板又は放熱ケースに形成した、放熱板と放熱ケースとの間へのグリス注入用孔から、熱伝導性グリスを注入する。
このように、グリス注入用孔からグリスを注入することで、グリスの伸びが助長され、接合面の全面にグリスが広がり易くなる。
その結果、グリスが各凹溝を通じて、放熱板と放熱ケースとの接合面全域に広がり、さらに各凹溝から、接合面の凹溝が形成されていない部分にまでグリスが流れ込んでいき、接合面全体に充填されることとなる。
これにより、パワーモジュールと放熱ケースとの密着性を高めて、パワーモジュールの放熱性を向上させることができる。
また、放熱ケース及び放熱板には凹溝が形成されているので、形成しない場合に比べて凹溝形成面の表面積が増加し、充填されたグリスとの接触面積も増加するため、パワーモジュールの放熱性をさらに向上することができる。

本発明によれば、グリスの伸びが助長され、グリスが放熱板と放熱ケースとの接合面全体に充填されることとなる。これにより、パワーモジュールと放熱ケースとの密着性を高めて、パワーモジュールの放熱性を向上させることができる。
また、凹溝が形成された接合面の表面積が増加し、パワーモジュールの放熱性をさらに向上することができる。
さらに、凹溝を効率的に放熱板と放熱ケースとの接合面全体に配置することができ、グリスを効率的に接合面全体に広げることが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１〜図３に示すパワーモジュール１は、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子が実装された基板（図示せず）を、合成樹脂等により構成されるハウジング１１にて覆い、さらに底部に放熱板１２を装着して構成されている。

パワーモジュール１は、熱伝導性グリス５を介して放熱ケース３に組み付けられており、熱伝導性グリス５によりパワーモジュール１の放熱板１２と放熱ケース３とを密着させて、パワーモジュール１の半導体素子からの発熱を放熱ケース３へ効率良く伝達するようにしている。

放熱板１２の放熱ケース３との接合面（図１における下面）には、複数の凹溝１２ａが形成されている。複数の凹溝１２ａは、図２における上下方向に形成され、互いに略平行に配置されている。
凹溝１２ａは、放熱板１２の上下方向における一端から他端まで形成されている。

また、放熱ケース３の放熱板１２との接合面（図１における上面）にも、複数の凹溝３ａが形成されている。複数の凹溝３ａは、図２における左右方向に形成され、互いに略平行に配置されている。
凹溝３ａは、放熱ケース３の左右方向における一端から他端まで形成されている。

つまり、放熱板１２に形成される凹溝１２ａと、放熱ケース３に形成される凹溝３ａとは平面視にて異なる方向に形成され、略直交している。
ただし、凹溝１２ａと凹溝３ａとは、必ずしも直交していなくても良く、交差していればその交差角度は特に問わない。
このように、凹溝１２ａと凹溝３ａとを、互いに交差するように配置することで、凹溝３ａ・１２ａを効率的に放熱板１２と放熱ケース３との接合面全体に配置することができる。
また、凹溝１２ａ及び凹溝３ａは直線状に形成されているが、途中で屈曲していたり、曲線状に形成されていたりしても良い。

前記熱伝導性グリス５は、放熱板１２側の凹溝１２ａ、放熱ケース３側の凹溝３ａ、及び接合される放熱ケース３の放熱板１２との間の隙間Ｑ（図４図示）に充填されている。
図２、図４に示すように、放熱ケース３には、裏面（図４における下面）から上面（図４における上面）にかけて貫通する注入孔３ｂが形成されており、注入孔３ｂの裏面側から熱伝導性グリス５を注入し、放熱ケース３の放熱板１２との間、及び凹溝３ａ・１２ａに熱伝導性グリス５を充填するようにしている。

熱伝導性グリス５の注入孔３ｂからの注入は、パワーモジュール１と放熱ケース３とをボルトで締結する等して組み付けた後に行う。
なお、注入孔３ｂは、本実施形態では五箇所に形成されているが、これに限るものではなく、パワーモジュール１の大きさ等に応じて適宜適切な数の注入孔を、適切な個所に形成することができる。

このように、パワーモジュール１と放熱ケース３とを組み付けた状態で注入孔３ｂから熱伝導性グリス５を注入する場合、パワーモジュール１と放熱ケース３との間に達した熱伝導性グリス５は、凹溝３ａ及び凹溝１２ａを通じてパワーモジュール１と放熱ケース３との接合面の全域に広がっていく。

つまり、凹溝３ａ及び凹溝１２ａは、それぞれ放熱板１２及び放熱ケース３の両端まで形成されているとともに、放熱板１２と放熱ケース３との接合面に全体的に形成されている。そして、この凹溝３ａ及び凹溝１２ａが、放熱板１２と放熱ケース３との空間に存在する空気、及び注入された熱伝導性グリス５の逃げ道となって、空気が閉じ込められることもなく、熱伝導性グリス５の伸びが助長され、全面に広がり易くなる。

その結果、熱伝導性グリス５が、凹溝３ａ及び凹溝１２ａを通じて、放熱板１２と放熱ケース３との接合面全域に広がり、さらに各凹溝３ａ・１２ａから、接合面の凹溝３ａ・１２ａが形成されていない部分にまで熱伝導性グリス５が流れ込んでいき、接合面全体に充填されることとなる。
これにより、パワーモジュール１と放熱ケース３との密着性を高めて、パワーモジュール１の放熱性を向上させることができる。

なお、前記注入孔３ｂは、平面視において凹溝３ａと凹溝１２ａとが交差している個所に形成するのが望ましい。
このように、凹溝３ａと凹溝１２ａとの交差点に配置することにより、熱伝導性グリス５を凹溝３ａと凹溝１２ａとの両方に直接供給することができ、効率的に接合面全体に広げることが可能となる。

また、本実施形態では、凹溝を放熱板１２と放熱ケース３との両方に形成しているが、放熱板１２及び放熱ケース３の何れか一方のみに形成しても、熱伝導性グリス５の伸びを助長して、広がり易くすることができる。
この場合は、左右方向又は上下方向の一方向のみに凹溝を形成するだけでなく、同一面に左右方向及び上下方向の両方向に凹溝を形成することもできる。

また、注入する熱伝導性グリス５の必要量は、放熱ケース３に形成される凹溝３ａの体積分、放熱板１２に形成される凹溝１２ａの体積分、及び放熱ケース３と放熱板１２との隙間Ｑの体積分を加えた量であり、以下のように算出することができる。

まず、放熱ケース３に形成される凹溝３ａの深さをｈ１、幅をｄ１、放熱ケース３の長手方向寸法（図２における左右方向の寸法）をＬ１、形成した凹溝３ａの本数をｍ本とすると、凹溝３ａの全体積Ｖ１は次式（１）により表される。
Ｖ１＝ｈ１×ｄ１×Ｌ１×ｍ・・・（１）

また、放熱板１２に形成される凹溝１２ａの深さをｈ２、幅をｄ２、放熱板１２の長手方向寸法（図２における上下方向の寸法）をＬ２、形成した凹溝３ａの本数をｎ本とすると、凹溝１２ａの全体積Ｖ２は次式（２）により表される。
Ｖ２＝ｈ２×ｄ２×Ｌ２×ｍ・・・（２）

さらに、放熱ケース３と放熱板１２との隙間寸法の最大値をｑとし、放熱板１２の下面の面積をｓとすると、次式（３）に示す隙間体積Ｖ３分の量だけ注入すれば、少なくとも隙間Ｑ全体に熱伝導性グリス５を充填することができる。
Ｖ３＝ｑ×ｓ・・・（３）

そして、熱伝導性グリス５の必要注入体積Ｖは、前記体積Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３の和であって、次式（４）により表される。
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３・・・（４）
この必要注入体積Ｖだけ熱伝導性グリス５を注入すれば、凹溝３ａ、凹溝１２ａ、及び隙間Ｑに確実に熱伝導性グリス５を充填して、放熱ケース３と放熱板１２とを密着させることができる。

また、放熱ケース３及び放熱板１２に、それぞれ凹溝３ａ・１２ａを形成することで、
形成しない場合に比べて凹溝形成面の表面積が増加し、充填された熱伝導性グリス５との接触面積も増加するため、パワーモジュール１の放熱性を向上することができる。

本発明にかかるパワーモジュールの組み付け構造を示す斜視図である。 同じくパワーモジュールの組み付け構造を示す平面図である。 パワーモジュールの組み付け構造を示す部分拡大斜視図である。 放熱板に形成される凹溝、放熱ケースに形成される凹溝、放熱板と放熱ケースとの隙間、及びグリス注入用孔の関係を示す側面断面図である。 従来の組み付け方でパワーモジュールをインバータケースに組み付ける様子を示す側面図である。 従来の組み付け方でパワーモジュールをインバータケースに組み付けた場合に生じるパワーモジュールの変形、及びその変形により発生する隙間を示す側面図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
３ 放熱ケース
３ａ 凹溝
３ｂ 注入孔
５ 熱伝導性グリス
１２ 放熱板
１２ａ 凹溝

Claims (3)

1. パワーモジュールに装着された放熱板を、グリスを介して放熱ケースに組み付けるパワーモジュールの組み付け構造であって、
   放熱板の放熱ケースへの接合面、及び放熱ケースの放熱板への接合面の少なくとも一方に凹溝を形成し、
   放熱板又は放熱ケースに、放熱板と放熱ケースとの間へのグリス注入用孔を形成したことを特徴とするパワーモジュールの組み付け構造。
2. 前記溝は、放熱板と放熱ケースとの両方に形成され、放熱板に形成される凹溝と放熱ケースに形成される凹溝とが平面視にて交差しており、
   前記グリス注入用孔は、凹溝３ａと凹溝１２ａとの交差点に配置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組み付け構造。
3. パワーモジュールに装着された放熱板を、グリスを介して放熱ケースに組み付けるパワーモジュールの組み付け方法であって、
   前記放熱板の放熱ケースとの接合面、及び放熱ケースの放熱板との接合面には凹溝が形成されており、
   放熱板と放熱ケースとを組み付けた後に、
   放熱板又は放熱ケースに形成した、放熱板と放熱ケースとの間へのグリス注入用孔から、熱伝導性グリスを注入することを特徴とするパワーモジュールの組み付け方法。