JP2008251932A - パワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係るパワー半導体モジュールは、放熱フィン4と周壁部5が一体成形されてフィン付ベースプレート2を構成し、放熱フィン4の突出量が周壁部5の突出量以下であり、周壁部5の周壁端面が同一平面となっている。また、本発明に係るパワー半導体デバイス10は、上記パワー半導体モジュールと冷却ジャケット11とで冷却媒体の流路を形成し、給水口12と排水口13が流路の隅部対角位置に配置されている。
【選択図】図7
Description
パワー半導体モジュールは、大電流を制御して走行用モータを駆動するため、発熱量が非常に大きい。その一方で、上記ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるパワー半導体モジュールには小形化が要求されている。従って、パワー半導体モジュールの冷却は、冷却効率が高い水冷構造とするのが一般的である。
図1(A)に示すように、パワー半導体モジュール20は、冷却ジャケット21の載置面21a上にネジ止め固定される。パワー半導体モジュール20と冷却ジャケット21の接触面には、熱抵抗低減用のシリコングリースが塗布され、熱伝導性が高められている。給水口23から導入された冷却媒体は、冷却ジャケット21の内部を通った後に、排水口24から排出される。冷却ジャケット21の内部には、1〜2mmピッチで並んだ放熱フィン22が一体成形され、放熱性能が高められている。
パワー半導体モジュール20は、パワー半導体素子28が搭載された絶縁基板31をベースプレート25の表面にはんだ接合し、さらに、素子周囲を取り囲むようにハウジング26をベースプレート25に取り付けて構成される。絶縁基板31は、熱伝導特性が良好でかつ熱膨張係数がSiに近い絶縁性セラミックス(例えば、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素)等の絶縁材料からなる絶縁層30と、その両面に設けられた銅またはアルミニウム等からなる金属層29で構成される。上側の金属層29には、パワー半導体素子28がはんだ接合される。また、下側の金属層29は、ベースプレート25の表面にはんだ接合される。
ハウジング26には外部端子27が一体成形され、パワー半導体素子28または上側の金属層29と外部端子27とがアルミワイヤでボンディング接続されている。
第1の課題である「はんだ接合の均一化」について説明するにあたり、まず、パワー半導体素子28と絶縁基板31、および絶縁基板31とフィン付ベースプレート32のはんだ接合工程について説明する。
従って、図2に示すフィン付ベースプレート32を用いたパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子28と絶縁基板31、および絶縁基板31とフィン付ベースプレート32のはんだ接合の均一性は、放熱フィン22の先端とヒーター伝熱板50との接触の安定性に大きく依存することになる。
しかしながら、いずれの成形方法によっても、放熱フィン22の形状(特に、突出量)に多少のばらつきが生じ、全ての放熱フィン22をヒーター伝熱板50に均等に接触させるのは困難であった。このため、ヒーター伝熱板50からフィン付ベースプレート32および絶縁基板31への熱伝導に不均一が生じ、はんだ箔34’の溶融むらによるボイドが発生していた。
次に、第2の課題である「冷却媒体流路の流量分布均一化」について、図2に示すパワー半導体デバイスの平面図(図4(A))、および図2とは直角方向から見た断面図(図4(B))を用いて説明する。なお、図4(A)では、絶縁基板31上に搭載されるパワー半導体素子を省略している。
また、本発明は、第1の課題とともに、第2の課題である冷却媒体の流量分布不均一に伴うパワー半導体素子の放熱の不均一をも解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することを課題とする。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記周壁部の端面の面粗度は、2μm以下である。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールは、前記複数の放熱フィン間を通流する冷却媒体の通流方向に対して直角に位置する前記周壁部の内壁に15〜45°のテーパーが設けられる。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記フィン付ベースプレートは、熱膨張係数が3〜10ppm/℃のアルミニウム(Al)と炭化ケイ素(SiC)の複合材である。
さらに好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記絶縁基板は、絶縁性セラミックス層と、該層の両面に貼り合わされた金属層からなる。
また、Al−SiC複合材は、Alの比率を30〜40%にし、熱膨張係数を他の構成部材に合わせて3〜10ppm/℃としている。これにより、フィン付ベースプレート2と他の構成部材との接触面において、温度変化に伴うストレスが発生するのを抑制することができる。さらに、SiCに上記比率でAlを含浸することによって、曲げ応力に対する耐性を改善することもできる。
なお、簡略化のために、図5(A)では、フィン付ベースプレート2の表面側を覆うハウジングおよび接続用アルミワイヤを省略している。
なお、本明細書中における放熱フィン4の突出量、および後述する周壁部5の突出量は、それぞれ、平板上のベースプレート2’の裏面からの量で定義されるものである。
図5(B)に示す周壁部5の長手方向および長手垂直方向の幅寸法は、それぞれ、20mm、15mmである。また、周壁部5には、パワー半導体モジュール1と冷却ジャケットとの固定に用いられるボルト挿入穴が適宜設けられている。
なお、本実施例で用いた冷却媒体は、主成分がエチレングリコールのロングライフクーラント(LLC)50vol.%である。また、シール材14は、エチレンプロピレン系またはシリコーン系樹脂を主成分とする弾性材料からなる、Oリングあるいはメタルガスケットである。
従って、本発明に係るパワー半導体デバイス10は、各放熱フィン4の間を流れる冷却媒体の流量分布が均一となり、搭載される場所によって、パワー半導体素子の冷却度合いにばらつきが生じることなく、安定した冷却能力が得られる。
なお、テーパー角度θが大きいほど上記効果は高くなるが、放熱フィン4の表面積が縮小して冷却能力が低下しないように、テーパー角度θは15〜45°の範囲で設定するのが望ましい。
なお、放熱フィン4の周壁端面6の高さは同一としてもよく、また、周壁端面6の面粗度を2μm以下としても、はんだ接合工程におけるヒーター伝熱板50との接触性、およびシール材14を介して冷却ジャケット11と一体化した際の冷却媒体流路の液密性を良好に確保することができる。
例えば、図9に示す実施例2に係るフィン付ベースプレート2は、冷却媒体との接触面積が大きく熱伝導係数が高い波形状の放熱フィン4を冷却媒体の通流方法に沿って備えている。また、パワー半導体素子の直下に集中的に放熱フィン4を配置することで、冷却媒体の圧力損失を極力抑えつつ、効率的な放熱を行うことができる。
また、実施例3に係るパワー半導体デバイス10の中空部は、モータシャフトを通したり、走行用モータへの電力供給線を配置したりする領域として利用することができる。
実施例4に係るパワー半導体モジュール1は、フィン付ベースプレート2上に絶縁樹脂層16を密着して配置し、さらにその絶縁樹脂層16上に導体板17を配置している。導体板17は、絶縁樹脂層16上に銅板を接合し、エッチング処理によってその銅板から不必要な導体パターン以外の部分を除去(パターンニング)して形成される。また、導体板17とフィン付ベースプレート2は、これらの間に配置される絶縁樹脂層16とパターンニングされた沿面距離によって絶縁性能が確保されている。
また、実施例4に係る構成によれば、窒化アルミニウム基板等の高価な絶縁基板を使用する必要がないので、コストを削減することができる。
2 フィン付ベースプレート
2’ ベースプレート
3 絶縁基板
4 放熱フィン
5 周壁部
6 周壁端面
10 パワー半導体デバイス
11 冷却ジャケット
12 給水口
12’ 給水空洞
13 排水口
13’ 排水空洞
14 シール材
15 パワー半導体素子
16 絶縁樹脂層
17 導体板
18 熱拡散板
34 はんだ層
34’ はんだ箔
50 ヒーター伝熱板
51 下面ヒーター
52 上面ヒーター
Claims (10)
- 複数のパワー半導体素子と、
前記複数のパワー半導体素子が表面にはんだ接合される複数の絶縁基板と、
前記複数の絶縁基板の裏面側が表面にはんだ接合される平板状のベースプレートと、
前記ベースプレートの裏面側の、前記複数の絶縁基板と前記ベースプレートの接合領域に相対向する領域から突出した複数の放熱フィンと、
前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレートの裏面側から突出した周壁部とを備え、
前記ベースプレート、前記複数の放熱フィンおよび前記周壁部は一体成形されるフィン付ベースプレートを構成し、前記複数の放熱フィンが冷却媒体の通流方向に沿って配置され、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 複数のパワー半導体素子と、
前記複数のパワー半導体素子が表面にはんだ接合される熱拡散板と、
前記熱拡散板の裏面側に配置される絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層が表面に密着して配置される平板状のベースプレートと、
前記ベースプレートの裏面側の、前記絶縁樹脂層と前記ベースプレートの接合領域に相対向する領域から突出した複数の放熱フィンと、
前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレートの裏面側から突出した周壁部とを備え、
前記ベースプレート、前記複数の放熱フィンおよび前記周壁部は一体成形されるフィン付ベースプレートを構成し、前記複数の放熱フィンが冷却媒体の通流方向に沿って配置され、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 前記複数の放熱フィンの突出量と前記周壁部の突出量との差が、0.2〜1.0mmであることを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記周壁部の端面の面粗度が、2μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記複数の放熱フィン間を流れる冷却媒体の通流方向に対して直角に位置する前記周壁部の内壁に15〜45°のテーパーを設けたことを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記フィン付ベースプレートは、熱膨張係数が3〜10ppm/℃のアルミニウムと炭化ケイ素の複合材であることを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記絶縁基板が、絶縁性セラミックス層と、該層の両面に貼り合わされた金属層からなることを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記フィン付ベースプレートがリング形状かつ平板形状を有し、前記複数の放熱フィンがリング形状中心軸に対して同心円状に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。
- 請求項1〜8のいずれかに記載のパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールの前記周壁部の端面にシール材を介して貼り合わされて、前記複数の放熱フィン間に冷却媒体の流路を形成する冷却ジャケットとからなり、
前記冷却ジャケットは、
前記流路内に冷却媒体を導入する給水口と、
前記流路から前記冷却媒体を排出する排水口と、
を備え、前記給水口と前記排水口が、前記流路の隅部対角位置に配置されていることを特徴とするパワー半導体デバイス。 - 前記シール材が、エチレンプロピレン系またはシリコーン系樹脂を主成分とする弾性材料からなる、Oリングまたはメタルガスケットであることを特徴とする請求項9に記載のパワー半導体デバイス。
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