JP2005228919A - 積層パワーモジュールおよびその位置決め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の積層パワーモジュールでは、半導体モジュールおよび冷却器を積層するため、半導体モジュールを構成する各部品の厚み寸法や、絶縁基板に塗布するグリスの厚み寸法等のばらつきが積み重なって、半導体モジュールの接続端子と回路基板の接続用孔との相対位置がずれるため、接続端子を接続用孔に挿入する際の作業性が悪化していた。
【解決手段】 複数の半導体モジュール１０と冷却器２０とを交互に積層して構成した積層パワーモジュール１であって、半導体モジュール１０および冷却器２０を支持する支持ケース３０に、各半導体モジュール１０または各冷却器２０の積層方向の位置を個別に決定する位置決め部である凹部３１ａを形成するとともに、隣接する半導体モジュール１０と冷却器２０とを密着させる付勢部材である板ばね２１を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の半導体モジュールと冷却器とを交互に積層して構成した積層パワーモジュールおよびその位置決め方法に関する。

従来から、ＩＧＢＴ等の半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却するための冷却器とを、交互に積層して構成した積層パワーモジュールが知られている。
半導体モジュールと冷却器とを交互に積層した積層パワーモジュールとしては、例えば、特許文献１に示すように、平型半導体素子とヒートシンクとを積層配置したものが開示されている。

また、同様に、半導体モジュールと冷却器とを交互に積層して構成された積層パワーモジュールとして、図７、図８に示すようなものがある。
積層パワーモジュール１００の半導体モジュール１０１は、半導体素子１１１の両面に絶縁基板１１２を接合して構成されており、半導体モジュール１０１を回路基板４０１と電気的に接続させる接続端子１１３が下方へ延出している。
半導体モジュール１０１および冷却器２０１は、交互に積層されながら支持部材３０１に収納されている。
積層状態で支持部材３０１に収納されている各半導体モジュール１０１の接続端子１１３は、それぞれ回路基板４０１の接続用孔４１１に挿入される。

ここで、冷却器２０１の厚み寸法はｄｃであり、半導体モジュール１０１の厚み寸法はｄｍであり、冷却器２０１および半導体モジュール１０１は、寸法ｄｐ１（＝ｄｃ＋ｄｍ）のピッチで積層されている。つまり、半導体モジュール１０１の接続端子１１３は、半導体モジュール１０１の積層方向に寸法ｄｐ１の間隔で配置されている。
一方、回路基板４０１の接続用孔４１１は、半導体モジュール１０１の積層方向に寸法ｄｐ２の間隔で配置されている。

特開２００３−１６８７７８号公報

前述の、接続端子１１３の配置間隔寸法ｄｐ１と、接続用孔４１１の配置寸法間隔ｄｐ２とは、設計上は、接続端子１１３と接続用孔４１１との相対位置が合うように同じ寸法に設定して、接続端子１１３を接続用孔４１１へ容易に挿入できるようにしている。
しかし、半導体素子１１１や絶縁基板１１２等といった各部品の厚み寸法や、絶縁基板に塗布するグリスの厚み寸法等のばらつきにより、接続端子１１３と接続用孔４１１との相対位置がずれる場合がある。
このような場合には、接続端子１１３を接続用孔４１１に挿入しにくくなって、作業性が悪くなってしまう。
特に、積層数が多いと、各層でのばらつきが積み重なるため、接続端子１１３と接続用孔４１１との相対位置のずれが大きくなり、接続端子１１３を接続用孔４１１に挿入する際の作業性がさらに悪化することになる。

上記課題を解決する積層パワーモジュールおよびその位置決め方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、複数の半導体モジュールと冷却器とを交互に積層して構成した積層パワーモジュールであって、半導体モジュールおよび冷却器を支持する支持部材に、各半導体モジュールまたは各冷却器の積層方向の位置を個別に決定する位置決め部を形成するとともに、隣接する半導体モジュールと冷却器とを密着させる付勢部材を設けた。
このように構成することで、隣接する冷却器と半導体モジュールとが密着した良好な放熱状態を保持しつつ、冷却器および半導体モジュールの積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。
これにより、冷却器および半導体モジュールを積層した場合に、半導体モジュールの厚み寸法等のばらつきが積算されて、接続端子間の寸法に影響を与えることが防止でき、冷却器と半導体モジュールとが密着した良好な放熱状態を保持しつつ、冷却器および半導体モジュールの積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。
そして、回路基板の接続用孔間の寸法に合わせて設定されている接続端子間の寸法を一定にすることで、接続端子と接続用孔との相対位置のずれを抑えて、接続端子を接続用孔に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。

また、請求項２記載の如く、前記支持部材は、積層される半導体モジュールおよび冷却器の両端部に配置され、前記位置決め部は、支持部材に形成される凹凸部であり、該位置決め部に各半導体モジュールまたは各冷却器の端部が嵌合することで積層方向の位置決めが行われる。
これにより、容易に冷却器および半導体モジュールの高精度な位置決めを行うことができる。

また、請求項３記載の如く、前記支持部材は、各冷却器の両端部を貫通する軸体であり、前記位置決め部は、各冷却器間に配置されて軸体が貫通するスペーサである。
これにより、積層パワーモジュールを、簡単な構成部材で容易に組み立てつつ、冷却器および半導体モジュールの高精度な位置決めを行うことができる。そして、半導体モジュールの接続端子と回路基板の接続用孔との相対位置のずれを抑えて、接続端子を接続用孔に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。

また、請求項４記載の如く、前記付勢部材は、冷却器内に設けられる、または冷却器と半導体モジュールとの間に設けられる弾性部材である。
これにより、冷却器と半導体モジュールとの間、または冷却器間に生じた間隙の大きさにばらつきが生じたとしても、そのばらつきを吸収して、確実に冷却器と半導体モジュールとを密着させることが可能となる。

また、請求項５記載の如く、複数の半導体モジュールと冷却器とを交互に積層して構成した積層パワーモジュールの位置決め方法であって、半導体モジュールおよび冷却器を支持する支持部材に形成した位置決め部により、各半導体モジュールまたは各冷却器の積層方向の位置を個別に決定し、付勢部材による押圧力により、隣接する半導体モジュールと冷却器とを密着させる。
これにより、隣接する冷却器と半導体モジュールとが密着した良好な放熱状態を保持しつつ、冷却器および半導体モジュールの積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。
これにより、冷却器および半導体モジュールを積層した場合に、半導体モジュールの厚み寸法等のばらつきが積算されて、接続端子間の寸法に影響を与えることが防止でき、冷却器と半導体モジュールとが密着した良好な放熱状態を保持しつつ、冷却器および半導体モジュールの積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。
そして、回路基板の接続用孔間の寸法に合わせて設定されている接続端子間の寸法を一定にすることで、接続端子と接続用孔との相対位置のずれを抑えて、接続端子を接続用孔に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。

本発明によれば、各半導体モジュールの接続端子間の寸法を一定にすることができ、接続端子と回路基板の接続用孔との相対位置のずれを抑えて、接続端子を接続用孔に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。
また、簡便な構成部材で容易に組み立てを行うことができ、容易に冷却器および半導体モジュールの高精度な位置決めを行うことができる。
さらに、確実に冷却器と半導体モジュールとを密着させ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。
本発明にかかる積層パワーモジュールについて説明する。
図１、図２に示すように、積層パワーモジュール１は、半導体モジュール１０と冷却器２０とを交互に積層した状態で支持ケース３０に収納されている。

半導体モジュール１０は、半導体素子１１の両面に絶縁基板１２を接合して構成されており、半導体モジュール１０を回路基板４０と電気的に接続させる接続端子１３が下方へ延出している。
積層状態で支持ケース３０に収納されている各半導体モジュール１０の接続端子１３は、それぞれ回路基板４０の接続用孔４１に挿入される。

支持ケース３０は、半導体モジュール１０および冷却器２０の、積層方向に対する直交方向における両端部（図１における左右端部）に配置されるサイドガイド３１・３１と、半導体モジュール１０および冷却器２０の、積層方向における一端部（図１における下端部）に配置される基準ガイド３２、および半導体モジュール１０および冷却器２０の、積層方向における他端部（図１における上端部）に配置される押えガイド３３とを備えている。

サイドガイド３１の内側面には、凹凸が一定間隔で形成されており、凹部３１ａには冷却器２０の端部が嵌合している。
基準ガイド３２は、左右のサイドガイド３１・３１の一端部３１ｃ・３１ｃに支持されており、該基準ガイド３２の内側面３２ａは、半導体モジュール１０および冷却器２０の、積層方向における基準面となっている。
また、サイドガイド３１の各凹部３１ａの一端側面（図１における下側面）３１ｂも、半導体モジュール１０および冷却器２０の、積層方向における基準面となっている。
積層パワーモジュール１の他端部には押えガイド３３が配置されており、他端側の冷却器２０が一端側へ押圧されている。

ここで、冷却器２０の厚み寸法はｄｃであり、半導体モジュール１０の厚み寸法はｄｍである。
また、基準ガイド３２の内側面３２ａと、最も基準ガイド３２側に位置している凹部３１ａの一端側面３１ｂとの間の寸法、および各凹部３１ａの一端側面３１ｂ間の寸法は、ともにｄｐ１となるように構成されている。

寸法ｄｐ１は、前記寸法ｄｃと寸法ｄｍとを加えた寸法と略同じ寸法に設定されており、冷却器２０の厚み寸法ｄｃおよび半導体モジュール１０の厚み寸法ｄｍが、ばらつきによりそれぞれ最大寸法となった場合の、寸法ｄｃと寸法ｄｍとを加えた寸法に合わせて設定されている。
つまり、冷却器２０を一端側面３１ｂに当接させながら、各凹部３１ａに嵌合させるとともに、各冷却器２０間に半導体モジュール１０を配置することで、冷却器２０および半導体モジュール１０を、同一の寸法ｄｐ１のピッチで配置しながら積層することができる。

ここで、ピッチ寸法ｄｐ１は、寸法ｄｃおよび寸法ｄｍがそれぞれ最大であるときの寸法に合わせて設定されているので、冷却器２０の厚みおよび半導体モジュール１０の厚みのばらつきにより、寸法ｄｃおよび寸法ｄｍが最大となっているときには、冷却器２０と半導体モジュール１０とは密着することになる。
しかし、冷却器２０の厚みおよび半導体モジュール１０の厚みのばらつきにより、寸法ｄｃおよび寸法ｄｍが最大でないときには、各冷却器２０と半導体モジュール１０との間には若干の隙間が生じることとなる。

そこで、本積層パワーモジュール１においては、次のように構成して、寸法ｄｃおよび寸法ｄｍが最大でないときでも、冷却器２０と半導体モジュール１０とが密着するようにしている。
図２に示すように、冷却器２０内部には、冷却水路となる空間２０ｂが形成されており、該空間２０ｂ内には、一側面２０ａ側へ凸となるように湾曲した板ばね２１が設けられている。

冷却器２０の一側面２０ａは、板ばね２１の付勢力により容易に積層方向外側へ弾性変形することが可能であり、板ばね２１により積層方向外側へ突出した一側面２０ａは半導体モジュール１０と密着している。
冷却器２０の一側面２０ａは、板ばね２１の付勢力により弾性変形して積層方向外側へ突出しているので、冷却器２０と半導体モジュール１０との間に生じた間隙の大きさにばらつきが生じたとしても、そのばらつきを吸収して、確実に冷却器２０と半導体モジュール１０とを密着させることが可能となっている。
なお、冷却器２０と半導体モジュール１０との間には、シリコングリス等のグリス５０が塗布されており、冷却器２０と半導体モジュール１０との密着性を高めている。

以上のように構成して、支持ケース３０のサイドガイド３１に形成した位置決め部である各凹部３１ａにより、各冷却器２０の積層方向の位置を個別に決定し、付勢部材である板ばね２２による押圧力により、隣接する半導体モジュール１０と冷却器２０とを密着させるようにしている。
これにより、冷却器２０および半導体モジュール１０を積層した場合に、半導体モジュール１０の厚み寸法等のばらつきが積算されて、接続端子１３間の寸法ｄｐ１に影響を与えることが防止でき、冷却器２０と半導体モジュール１０とが密着した良好な放熱状態を保持しつつ、冷却器２０および半導体モジュール１０の積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。
そして、回路基板４０の接続用孔４１間の寸法ｄｐ２に合わせて設定されている接続端子１３間の寸法ｄｐ１を一定にすることで、接続端子１３と接続用孔４１との相対位置のずれを抑えて、接続端子１３を接続用孔４１に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。

また、冷却器２０の位置決めは、サイドガイド３１に凹部３１ａを含む凹凸部を形成し、この凹部３１ａに冷却器２０を嵌合することで行っているので、容易に冷却器２０および半導体モジュール１０の高精度な位置決めを行うことができる。

なお、図１に示す積層パワーモジュール１においては、各冷却器２０内の空間２０ｂは連結管６０にて連結されており、基準ガイド３２の冷却水入口３２ｂから浸入した冷却水は連結管６０を通じて各空間２０ｂへ案内され、該空間２０ｂを通過した後に、冷却水出口３２ｃから排出される。
また、積層パワーモジュール１では、支持ケース３０により冷却器２０の位置決めを行っているが、冷却器２０の代わりに半導体モジュール１０の位置決めを行うことも可能である。

また、前述の冷却器と半導体モジュールとの密着構造は、次のような構造を採ることもできる。
図３に示す積層パワーモジュール２は、各半導体モジュール１０の両側に冷却器２２を配置している。つまり、交互に積層される冷却器２２および半導体モジュール１０は、（・・−冷却器２２−半導体モジュール１０−冷却器２２−冷却器２２−半導体モジュール１０−冷却器２２−・・）といった並びとなるように積層されている。冷却器２２の内部には、冷却水が通過する空間２２ｂが形成されている。

積層される冷却器２２と冷却器２２との間には、積層方向へ湾曲した板ばね２４が介装されており、板ばね２４は、両側の冷却器２２をそれぞれ積層方向へ押圧する。押圧された冷却器２２は、それぞれ隣接する半導体モジュール１０側へ付勢され、該冷却器２２と半導体モジュール１０との間に介装されるグリス５０を介して、半導体モジュール１０と密着する。

このように、冷却器２２と冷却器２２との間に板ばね２４を介装した場合も、該板ばね２４の弾性力により、冷却器２２と半導体モジュール１０との間に生じた間隙の大きさにばらつきを吸収しつつ、確実に冷却器２２と半導体モジュール１０とを密着させることが可能である。

さらに、前述の冷却器と半導体モジュールとの密着構造は、図４、図５に示すような構造を採ることもできる。
図４、図５に示す積層パワーモジュール３では、交互に積層される冷却器２２と半導体モジュール１０との間にゴム等の弾性部材２５を介装している。
弾性部材２５は、平板状部材の中央部をくり貫いた「ロ」字状に形成されており、くり貫かれた部分の空間にはグリス５０を充填している。

このように、冷却器２２と半導体モジュール１０との間に介装した弾性部材２５により、冷却器２２と半導体モジュール１０との間に生じた隙間を埋めて、弾性部材２５の内部に充填したグリス５０により、冷却器２２と半導体モジュール１０とを密着させることが可能となっている。

次に、積層パワーモジュールにおける、半導体モジュールと冷却器との積層構造の第二の実施例について説明する。

図６に示す積層パワーモジュール５は、半導体モジュール１０と冷却器２７とを交互に積層して構成されており、各冷却器２７間における半導体モジュール１０の両側には、基準スペーサ８３が介装されている。
各冷却器２７および基準スペーサ８３には、ボルト等の軸体８２が貫通しており、この軸体８２により支持され、互いに連結されている。軸体８２は冷却器２７の両端部に配置されている。
また、半導体モジュール１０は、軸体８２にて支持される各冷却器２７にグリス５０を介して密着することで支持されている。

基準スペーサ８３の厚み寸法ｄｓは、半導体モジュール１０の厚み寸法ｄｍが、ばらつきにより最大寸法となった場合の寸法に合わせて設定されている。
基準スペーサ８３の厚み寸法ｄｓをこのように設定した場合、半導体モジュール１０の厚み寸法ｄｍが、ばらつきにより最大となっているときには、冷却器２７と半導体モジュール１０とが密着することになり、半導体モジュール１０の厚み寸法ｄｍが最大でないときには、各冷却器２７と半導体モジュール１０との間には若干の隙間が生じることとなる。
従って、冷却器２７と、半導体モジュール１０および基準スペーサ８３とを積層した場合の、積層パワーモジュール５の積層方向の寸法は、冷却器２７の厚み寸法ｄｃおよび基準スペーサ８３の厚み寸法ｄｓにより決定されることになる。

この各基準スペーサ８３を一定の厚み寸法ｄｓにて形成することで、前記寸法ｄｃと寸法ｄｓを加えた寸法である寸法ｄｐ１を一定にすることができ、半導体モジュール１０の厚み寸法ｄｍのばらつきに左右されずに、冷却器２７および半導体モジュール１０の積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。

これにより、冷却器２７および半導体モジュール１０を積層した場合に、半導体モジュール１０の厚み寸法等のばらつきが積算されて、接続端子１３間の寸法ｄｐ１に影響を与えることが防止でき、冷却器２７と半導体モジュール１０とが密着した良好な放熱状態を保持しつつ、冷却器２７および半導体モジュール１０の積層方向における配置ピッチを一定にすることができる。
そして、回路基板４０の接続用孔４１間の寸法ｄｐ２に合わせて設定されている接続端子１３間の寸法ｄｐ１を一定にすることで、接続端子１３と接続用孔４１との相対位置のずれを抑えて、接続端子１３を接続用孔４１に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。

また、積層パワーモジュール２は、冷却器２７、基準モジュール８３、および半導体モジュール１０を支持する支持部材を、各冷却器２７の両端部を貫通する軸体８２とし、冷却器２７を位置決めする位置決め部を、各冷却器間２７に配置されて軸体８２が貫通する基準スペーサ８３としているので、積層パワーモジュール５を、簡単な構成部材で容易に組み立てつつ、冷却器２７および半導体モジュール１０の高精度な位置決めを行うことができる。そして、半導体モジュール１０の接続端子１３と回路基板４０の接続用孔４１との相対位置のずれを抑えて、接続端子１３を接続用孔４１に挿入する際の作業性を良好に保つことが可能となる。

また、半導体モジュール１０の厚み寸法ｄｍが最大でない場合に、冷却器２７と半導体モジュール１０との間に生じる隙間を埋めて、冷却器２７と半導体モジュール１０とを密着させる構造は、前述の冷却器２７と半導体モジュール１０との密着させる構造を用いることが可能である。

なお、積層パワーモジュール５においては、各冷却器２７内に形成される空間が基準スペーサ８３に形成される連絡路８３を通じて連結されており、基準ガイド８１の冷却水入口８１ｂから浸入した冷却水は、連結路８３ａを通じて各冷却器２７へ案内され、その後冷却水出口８１ｃから排出される。

本発明の積層パワーモジュールを示す平面断面図である。 冷却器と半導体モジュールとの密着構造を示す側面断面図である。 冷却器と半導体モジュールとの密着構造の第二実施例を示す側面断面図である。 冷却器と半導体モジュールとの密着構造の第三実施例を示す側面断面図である。 冷却器と半導体モジュールとの密着構造の第三実施例における弾性部材を示す斜視図である。 積層パワーモジュールの第二実施例を示す平面断面図である。 従来の積層パワーモジュールを示す斜視図である。 従来の積層パワーモジュールを示す平面断面図である。

符号の説明

１ 積層パワーモジュール
１０ 半導体モジュール
１３ 接続端子
２０ 冷却器
２０ｂ 空間
２２ 板ばね
３０ 支持ケース
３１ａ凹部
３１ｂ 基準面
４０ 回路基板
４１ 接続用孔
５０ グリス

Claims (5)

1. 複数の半導体モジュールと冷却器とを交互に積層して構成した積層パワーモジュールであって、
   半導体モジュールおよび冷却器を支持する支持部材に、各半導体モジュールまたは各冷却器の積層方向の位置を個別に決定する位置決め部を形成するとともに、
   隣接する半導体モジュールと冷却器とを密着させる付勢部材を設けた、
   ことを特徴とする積層パワーモジュール。
2. 前記支持部材は、積層される半導体モジュールおよび冷却器の両端部に配置され、
   前記位置決め部は、支持部材に形成される凹凸部であり、
   該位置決め部に各半導体モジュールまたは各冷却器の端部が嵌合することで積層方向の位置決めが行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層パワーモジュール。
3. 前記支持部材は、各冷却器の両端部を貫通する軸体であり、
   前記位置決め部は、各冷却器間に配置されて軸体が貫通するスペーサである
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層パワーモジュール。
4. 前記付勢部材は、冷却器内に設けられる、または冷却器と半導体モジュールとの間に設けられる弾性部材である、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の積層パワーモジュール。
5. 複数の半導体モジュールと冷却器とを交互に積層して構成した積層パワーモジュールの位置決め方法であって、
   半導体モジュールおよび冷却器を支持する支持部材に形成した位置決め部により、各半導体モジュールまたは各冷却器の積層方向の位置を個別に決定し、
   付勢部材による押圧力により、隣接する半導体モジュールと冷却器とを密着させる、
   ことを特徴とする積層パワーモジュールの位置決め方法。
   

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