JP2005512345A - パワーモジュールおよびパワーモジュールアセンブリ - Google Patents

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Abstract

一体型のパワーモジュール（１２）は、少なくとも一つの切り抜き金属パターン（１４）と、切り抜き金属パターンに電気的に接続される少なくとも一つのパワー電子部品（１６）と、パワーモジュールの結合を行う電気絶縁材料（３０；５６）とを含んでおり、パワーモジュールは、このモジュールの外部冷却手段と直接接触するように構成された冷却面（２８）を有する。冷却面（２８）の少なくとも一部が、切り抜き金属パターン（１４）を含む。

Description

本発明は、少なくとも一つの切り抜き金属パターンと、切り抜き金属パターンに電気的に接続される少なくとも一つのパワー電子部品と、パワーモジュールの結合を行う電気絶縁材とを含む、一体型のパワーモジュールに関する。パワーモジュールは、さらに、このモジュールの外部冷却手段と直接接するように構成された冷却面を有する。
本発明は、また、このようなパワーモジュールのアセンブリに関する。
一般に、上記のタイプのパワーモジュールは、基板に蝋付けされるか貼り合わされる少なくとも一つのパワー電子部品を含む。
この基板は、たとえばＤＢＣ（「Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｕｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ」）タイプの基板であり、三つの層を含んでいる。第一の層は、電気回路の接続部をなすエッチング金属パターンから構成され、第二の中間層は、たとえば酸化アルミニウムのようなセラミック等の電気絶縁材のプレートであり、第三の層は、銅またはニッケルメッキ銅から構成される金属プレートである。ＤＢＣタイプの基板と、蝋付けまたは貼り合わされる電子部品とからなるアセンブリは、銅プレートに蝋付けされて、機械的な放熱支持体を構成する。
基板は、また、ＩＭＳ（絶縁金属基板）としてもよい。この場合、非常に薄い銅の金属パターンからなる第一の層を支持可能な樹脂プレートを、セラミックプレートに代えて用いる。この場合、アルミニウムの金属プレートから第三の放熱層を構成可能である。
使用される基板がＤＢＣタイプの基板である場合、パワーモジュールは、剛性であって、強いパワーに耐えるが、原価は高い。ＩＭＳタイプの基板の場合、切り抜き金属パターンをいっそう複雑化することができ、さらに多数のパワー電子部品を配置できるが、パワーモジュールは強い力に弱く、厳しい環境における応力に弱い。
いずれの場合にも、少なくとも基板の各層を通ることが必要であるため、パワー電子部品と、パワーモジュールの外部冷却手段との間の熱の経路が長くなる。
本発明は、製造コストが安く、外部冷却手段により有効な冷却が可能な構造を備えたパワーモジュールを提供することにより、従来のパワーモジュールの不都合を解消することをめざしている。
従って、本発明は、冷却面の少なくとも一部が切り抜き金属パターンを含むことを特徴とする上記のタイプのパワーモジュールを目的とする。
そのため、切り抜き金属パターンと外部冷却手段とが直接接するので、熱の経路が著しく短縮される。しかも、切り抜き金属パターンと冷却手段との間に絶縁層および放熱層がないので、製造コストを抑えることができる。
本発明によるパワーモジュールは、さらに、一つまたは複数の以下の特徴、すなわち、
・切り抜き金属パターンは、間に隙間が残るトラックを含んでおり、冷却面が、切り抜き金属パターンのトラックと、隙間を満たす電気絶縁補完部分とを含むこと、
・補完部分（ｐａｒｔｉｅｓ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｉｒｅｓ）は、切り抜き金属パターンのトラックの周囲に一体成形されること、
・電気絶縁材がハウジングを構成し、その底が冷却面の少なくとも一部を構成すること、
・ハウジングが、側壁により画定されてパワー電子部品を含む内部スペースと、切り抜き金属パターンへの接続手段とを有し、充填材が、側壁間でパワー電子部品および接続手段の周囲のフリースペースを充填すること、
・充填材が、シリコーンジェルおよびエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂の中から選択されること、
・電気絶縁材が、切り抜き金属パターンおよびパワー電子部品の周囲に一体成形されるブロックを形成すること、
・切り抜き金属パターンをパワーモジュールの外部素子に接続する電気接続支持端子を含むこと、
・パワーモジュールの外部素子が、その制御手段を含むこと、
・パワー電子部品が、ダイオード、ＭＯＳ型トランジスタ、ＩＧＢＴ型トランジスタ、およびＡＳＩＣ型ＩＣ（集積回路）の中の素子の一つであること、
・電気絶縁材が、エポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂であること、を備えることができる。
本発明は、また、各パワーモジュールの冷却面を含む面を備えることを特徴とする上記のタイプの少なくとも一つのパワーモジュールを含む、パワーモジュールアセンブリを目的とする。
本発明によるパワーモジュールアセンブリは、さらに、アセンブリケースを含んでおり、その底が、各パワーモジュールの冷却面を含む面の少なくとも一部を構成するという特徴を備えることができる。
本発明は、例としてのみ挙げられ、添付図面を参照しながらなされた以下の説明により、いっそう理解されるであろう。
図１に示したパワーモジュールアセンブリ１０は、この図では一つだけしか示していないが、１個のアセンブリケース４２に複数のパワーモジュール１２をまとめて含むことができる。
このパワーモジュール１２は、少なくとも一つの電気接続線の集合をなす切り抜き金属パターン１４を含み、このパターン上にパワー電子部品１６が配置される。金属パターン１４は複数のトラックにカットされ、トラックの間に残る隙間１５が金属パターン１４の厚みを通る通路を形成する。パワー電子部品１６は、たとえば、ダイオード等のバイポーラ部品、ＭＯＳまたはＩＧＢＴ型トランジスタ等のトリポーラ部品、またはＡＳＩＣ型ＩＣ等のもっと複雑な部品である。
図１に示した例では、各パワー電子部品１６が蝋付け１８により切り抜き金属パターン１４に固定されて、パワー電子部品と金属パターンとを電気的に接触可能にしている。金属パターン１４の蝋付け面と反対側にある各パワー電子部品１６の自由面は、それ自体が、金属パターン１４の別の箇所に電気的に接続される。
この接続は、金属線２０により行われ、この金属線は、切り抜き金属パターン１４に溶接または蝋付けされる一方で、パワー電子部品１６の自由面に直接溶接または蝋付けされるか、あるいはパワー電子部品１６の自由面に蝋付け２４により結合される金属プレート２２に、溶接または蝋付けされる。金属線２０は、金属線内を流れる電流の強度に応じて決まる一定の区間を含む。しかしながら、この区間の厚さおよび長さは、特に熱膨張によって、パワー電子部品１６に機械的な応力を及ぼさずに変形可能になるように寸法決定される。
パワーモジュール１２は、パワー電子部品１６を含む樹脂ハウジング２６を含む。このハウジングの底２８は複合構造である。すなわち、パワー電子部品１６を支持する切り抜き金属パターン１４と、切り抜き金属パターンの隙間１５を埋める補完樹脂部分３０とから構成される。
かくして、断面から見ると、底２８は、切り抜き金属パターン１４の分離した金属トラックと、このトラックを埋める同じ厚さの樹脂部分３０との組立による一体型プレートのように見える。
底２８は、外部冷却手段（図示せず）と接するパワーモジュール１２の冷却面を構成する。
樹脂部分３０を得る適切な方法は、切り抜き金属パターン１４のトラックの周囲に樹脂部分を一体成形することにある。この場合、一体成形時に樹脂を溶融状態で各隙間１５に充填する。
隙間１５を埋める各樹脂部分３０の機械的な連結は、形状適合（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄａｎｃｅ ｄｅ ｆｏｒｍｅｓ）により行われる。図示された例では、図５に示したように、対向する２個の傾斜面３１により各隙間の断面を狭めて得られる皿型である。
このような皿型により、各樹脂部分３０が隙間１５からハウジング２６の外部に漏れないようにしていることが分かる。
ハウジング２６の内部では、たとえばシリコーンジェル、エポキシ樹脂、あるいはポリウレタン樹脂等の充填材３６が、ハウジング２６を画定する側壁３２の間で、パワー電子部品１６と切り抜き金属パターン１４の接続手段との周囲のフリースペースを充填する。
充填材３６は、ハウジング２６の内部の底２８の面から樹脂部分３０が漏れないようにしている。
このようにして、皿型の形状と充填材３６との組み合わせ作用により、樹脂部分３０がトラックに結合され、切り抜き金属パターン１４の機械強度、すなわち結合を保証する。
それと同時に、充填材３６は、パワーモジュール１２のアセンブリを結合する剛性ブロックを形成し、実際には一体型ブロックを形成する。
剛性のカバー３８は、ハウジング２６を閉じる。このカバーが必要なのは、パワー電子部品１６を申し分なく保護するのに充填材３６の剛性が万全ではないと仮定される場合だけであり、シリコーンジェルの場合がそうである。
パワーモジュール１２は、ハウジング２６の各側壁３２を通って、モジュールの外部と金属パターンとを電気的に接続する支持端子４０を含む。
さらに、この端子４０の真下で周辺リング４１がハウジング２６の周囲に延びる。周辺リングは、密封機能を果たすが、これについては図３、４に関して後述する。
複数のモジュール１２を収容するように構成されたアセンブリケース４２は、対応するパワーモジュールの底２８よりも多少広幅の開口部４３を設けた底４４を含む。
アセンブリケース４２は、また、パワーモジュール１２のハウジング２６よりも高さのある側壁４５を含んでいるので、前記側壁が前記パワーモジュール全体を収容可能な容積を相互の間で画定する。
電気コネクタ４６、４８をアセンブリケース４２に設けることにより、各パワーモジュール１２を電源（図示せず）と外部装置（図示せず）とに接続している。
電源の電気接続は、アセンブリケース４２の側面の突出部により支持される導体端子４６により実施され、この突出部は、端子４６の基部からアセンブリケース内部まで延びる金属線４７を含んでおり、アセンブリケース内部で、このケース内部に入る前記金属線４７の末端部分が、アセンブリケース４２の底４４と前記底から突出する内縁４９とからなる受容部に入る。この受容部は、（図１の）上方、すなわち底４４の反対側に通じている。そのため、金属線４７の末端部分がむき出しになり、後述するようにパワーモジュール１２との電機接続が保証される。
また、各入力／出力に対して外部装置との接続手段が設けられている。図示された例では、外部コネクタ４８が金属線５０を含み、この金属線は、アセンブリケース４２の内部まで底で支持されて延び、前述の金属線４７と同様にむき出しの末端部分を備えてパワーモジュール１２との電気接続を可能にする。
アセンブリケース４２の底４４に設けられた各開口部４３の輪郭は、支持部が前記アセンブリケース４２の内部に向いたショルダ５２として成形される。
このショルダは、パワーモジュール１２のハウジング２６の周辺リング４１と協働するように寸法決定され、前記ハウジング２６の底２８の外面がアセンブリケース４２の底４４の外面と接するようにする。
かくして、パワーモジュール１２の各ハウジング２６が、アセンブリケース４２の底４４を延長しながら対応する開口部４３を塞ぐ。
充填材５６は、パワーモジュール１２の周囲でアセンブリケース４２に残された容積を充填し、オプションのカバー５４は、アセンブリケースの内部容積全体を被覆し、側壁４２の上端に固定される。
次に、アセンブリケース４２への一つまたは複数のパワーモジュール１２の設置について説明する。
カバーをしないアセンブリケース４２を図１に示した位置にし、対応する開口部４３の正面で各パワーモジュール１２を上からアセンブリケース４２の内部に係合する。
各パワーモジュール１２の底２８は、対応する開口部４３に入り、アセンブリケース４２の底と同じ面に配置され、一方で、周辺リング４１は、開口部４３の周囲に形成されたショルダ５２に設置される。
同時に、電気接続支持端子４０が、アセンブリケース４２のコネクタ４６、４８の金属線４７、５０に配置される。
その場合、パワーモジュール１２は、アセンブリケース４２の接続支持端子４０で保持される。次いで、接続支持端子４０は、金属線４７、５０に蝋付けまたは溶接されて外部との高品質接続を保証される。
この操作の後で、パワーモジュール１２の周囲の空いている全ての容積を占有するように充填材５６をアセンブリケース４２に導入してから、カバー５４をかけてアセンブリケースを閉じる。
図２に示したパワーモジュールアセンブリ１０’は、本発明の第二の実施形態である。
この実施形態では、ハウジング２６の代わりに同じ容積の樹脂ブロック５６を用いて、これを切り抜き金属パターン１４、パワー電子部品１６、および金属線２０の周囲に一体成形している。先の実施形態と同様に、金属パターン１４は、外部冷却手段と接するパワーモジュール１２の底２８の部分を構成する。
この実施形態では、アセンブリケース４２の代わりに別の樹脂ブロック５８をアセンブリケース４２と同じ容積の樹脂ブロック５６の周囲に一体成形している。
電機接続支持端子４０とパワーモジュールアセンブリ１０’のコネクタ４６、４８との電機接続については、パワーモジュールアセンブリ１０と同じである。
図３では、図１のパワーモジュールアセンブリ１０の底４４で保持されるパワーモジュール１２の接続支持端子４０を詳しく示している。
また、ショルダ５２で保持されるリング４１がアセンブリケース４２の開口部４３を気密に閉じていることが分かり、それによって、カバー５４を閉じる前にアセンブリケース４２に充填材５６を注ぐことができる。
本明細書において、密封とは、充填材５６がアセンブリケース４２の底から漏れないような十分な閉鎖を意味する。
こうした密封性を確保する第一の解決方法を図３に示しており、この方法は、リング４１とショルダ５２との間に接着テープ６２をつけることからなる。
図４に示した別の解決方法は、リング４１とショルダ５２とが構成する向かい合った二面の各々に突出部を設け、この突出部が前記面の自由縁にあり、それによって前記面と共に別の面の突出部を受容可能な溝を画定することからなる。
ショルダ５２に形成された溝の底には接着剤６８を充填し、リング４１の突出部がこの接着剤で支持される。
図５は、変形実施形態によるパワーモジュール１２の底２８の細部を示している。この図では、変形実施形態において切り抜き金属パターン１４が一体成形樹脂３０から飛び出していることが分かる。そのため、底２８が外部冷却手段と接した場合、直接接するのは切り抜き金属パターン１４となる。
こうした構成は、切り抜き金属パターン１４に一体成形するために使用した金型のキャビティを適切な形状にすることによって得られる。
本発明によるパワーモジュールは簡単な設計であり、パワーモジュールの熱エネルギー放出素子とモジュール外部の冷却手段とを直接接触可能にすることが明らかに分かる。
さらに、本発明は、上記の実施形態に制限されるものではないことを指摘しておく。
実際、変形実施形態では、外部冷却手段と直接接するように構成された金属パターンの面が、ハウジング２６の底２８の対応面に接する。
本発明の第一の実施形態によるパワーモジュールアセンブリの概略的な断面図である。 本発明の第二の実施形態によるパワーモジュールアセンブリの概略的な断面図である。 変形実施形態による図１の細部ＩＩＩの拡大図である。 他の変形実施形態による図１の細部ＩＩＩの拡大図である。 変形実施形態による図１の細部Ｖの拡大図である。

Claims (13)

  1. 少なくとも一つの切り抜き金属パターン（１４）と、切り抜き金属パターンに電気的に接続される少なくとも一つのパワー電子部品（１６）と、パワーモジュールの結合を行う電気絶縁材（３０；５６）とを含んでおり、このモジュールの外部冷却手段と直接接するように構成された冷却面（２８）を有する一体型のパワーモジュール（１２）であって、前記冷却面の少なくとも一部が、前記切り抜き金属パターンを含むことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 切り抜き金属パターン（１４）は、間に隙間（１５）が残るトラックを含んでおり、冷却面が、切り抜き金属パターン（１４）のトラックと、隙間（１５）を満たす電気絶縁補完部分（３０；５６）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 補完部分（３０；５６）が、切り抜き金属パターン（１４）のトラックの周囲に一体成形されることを特徴とする、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
  4. 電気絶縁材（３０）がハウジング（２６）を構成し、その底（２８）が冷却面の少なくとも一部を構成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記ハウジング（２６）が、側壁（３２）により画定されてパワー電子部品（１６）を含む内部スペースと、切り抜き金属パターン（１４）への接続手段とを有し、充填材（３６）が、側壁（３２）の間でパワー電子部品および接続手段の周囲のフリースペースを充填することを特徴とする、請求項４に記載のパワーモジュール。
  6. 充填材（３６）が、シリコーンジェルおよびエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂の中から選択されることを特徴とする、請求項５に記載のパワーモジュール。
  7. 電気絶縁材（５６）が、切り抜き金属パターン（１４）およびパワー電子部品（１６）の周囲に一体成形されるブロックを形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
  8. 切り抜き金属パターン（１４）をパワーモジュールの外部素子に接続する電気接続支持端子（４０）を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
  9. パワーモジュールの外部素子がその制御手段を含むことを特徴とする、請求項８に記載のパワーモジュール。
  10. パワー電子部品（１６）が、ダイオード、ＭＯＳ型トランジスタ、ＩＧＢＴ型トランジスタ、およびＡＳＩＣ型ＩＣの中の素子の一つであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
  11. 電気絶縁材（３０；５６）が、エポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
  12. 各パワーモジュール（１２）の冷却面（２８）を含む面（４４）を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の少なくとも一つのパワーモジュール（１２）を含む、パワーモジュールアセンブリ（１０）。
  13. アセンブリケース（４２）を含んでおり、その底（４４）が、各パワーモジュール（１２）の冷却面（２８）を含む面の少なくとも一部を構成することを特徴とする、請求項１２に記載のパワーモジュールアセンブリ（１０）。
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