JP2008311550A - Power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ケイ素(Si)または炭化ケイ素(SiC)からなるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOS FET等のパワー半導体素子を備えた絶縁基板がベースプレート上に配置され、該ベースプレートが冷却媒体で冷却されるパワー半導体モジュールに関する。 In the present invention, an insulating substrate including a power semiconductor element such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) made of silicon (Si) or silicon carbide (SiC) or MOS FET is disposed on a base plate, and the base plate is cooled by a cooling medium. The present invention relates to a power semiconductor module.
通常、ハイブリッド自動車または電気自動車には、大容量の走行用モータを駆動すべく電力変換装置(以下、インバータ)が使用されている。インバータには、IGBT等のパワー半導体素子が使用され、直流電力を三相交流電力に変換して走行用モータを駆動するとともに、三相交流電力を直流電力に変換してエネルギーを回生するようになっている。
IGBT等で構成された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、一般的に、冷却効率が高い水冷構造が採用されている。
Usually, in a hybrid vehicle or an electric vehicle, a power converter (hereinafter referred to as an inverter) is used to drive a large-capacity travel motor. The inverter uses a power semiconductor element such as an IGBT to convert DC power to three-phase AC power to drive a traveling motor and to regenerate energy by converting three-phase AC power to DC power. It has become.
A power semiconductor module composed of an IGBT or the like generates a very large amount of heat because it controls a large current to drive a traveling motor. On the other hand, miniaturization is required for the power semiconductor module mounted on the hybrid vehicle or the electric vehicle. Therefore, the cooling of the power semiconductor module generally employs a water cooling structure with high cooling efficiency.
図1に、内部に冷却媒体が循環される冷却ジャケットの載置面上に、複数のパワー半導体素子を搭載して放熱する、いわゆる間接冷却型のパワー半導体モジュールの一例を示す。
図1(A)に示すように、複数のパワー半導体素子を収容した素子収容体20は、冷却ジャケット5の載置面5a上にボルト7で固定される。素子収容体20のベースプレート22と冷却ジャケット5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。
給水ニップル14から導入された冷却媒体は、冷却ジャケット5内部の流路を通流した後に、排水ニップル15から排出される。冷却ジャケット5の内部には、1〜2mmピッチで並んだ放熱フィン8が一体成形され、放熱性能が高められている。
FIG. 1 shows an example of a so-called indirect cooling type power semiconductor module in which a plurality of power semiconductor elements are mounted on a mounting surface of a cooling jacket in which a cooling medium is circulated to dissipate heat.
As shown in FIG. 1A, the element housing 20 that houses a plurality of power semiconductor elements is fixed on the
The cooling medium introduced from the
図1(B)は、素子収容体20と冷却ジャケット5を組み合わせたパワー半導体モジュール1の、Y−Y(図1(A))における断面図である。
素子収容体20は、パワー半導体素子19が搭載された絶縁基板3をベースプレート22の表面にはんだ接合し、さらに、素子周囲を取り囲むハウジング23をベースプレート22に取り付けて構成される。
絶縁基板3は、熱伝導特性が良好でかつ線膨張係数が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31、31’で構成される。上側の金属層31には、パワー半導体素子19がはんだ層Sを介して接合される。また、下側の金属層31’は、ベースプレート22の表面にはんだ層Sを介して接合される。
FIG. 1B is a cross-sectional view at YY (FIG. 1A) of the
The
The
金属層31、31’の厚さは、回路パターンに流れる電流量を考慮して決定される。また、ベースプレート22の厚さは、熱拡散板としての機能を高めるために通常3〜4mmに設定され、熱容量が高められている。
ハウジング23には外部端子21が一体成形され、パワー半導体素子19または金属層31と外部端子21とがアルミニウムワイヤでボンディング接続されている。
The thickness of the
An
上記したように、図1(A)および(B)に示した間接冷却型のパワー半導体モジュール1は、素子収容体20と冷却ジャケット5との熱抵抗を低減すべく、その接触面にシリコングリースが塗布されている。しかしながら、通常使用されるシリコングリースの熱伝導率は、ベースプレート22や絶縁基板3の熱伝導率と比較して2桁以上小さい1W/m・K程度で、パワー半導体素子19の発熱を冷却ジャケット5側に十分伝導できず、満足する放熱性能を得るのは困難であった。
As described above, the indirect cooling type
そこで、例えば特許文献1では、図2に示すように、平板状のベースプレートの裏面側に放熱フィン8を一体成形してフィン付ベースプレート2とし、この放熱フィン8を冷却媒体で直接冷却するようにした直接冷却型のパワー半導体モジュール1が提案されている。
Therefore, in
上記したように、パワー半導体素子19は発熱量が非常に大きい。そこで、通常、図2に示すような直接冷却型のパワー半導体モジュール1では、絶縁基板3およびフィン付ベースプレート2を、パワー半導体素子19に近い線膨張係数を有する材料で構成することによって、パワー半導体素子19と絶縁基板3の間、および絶縁基板3とフィン付ベースプレート2の間に位置するはんだ層Sのクラックが防止されている。
As described above, the
例えば、パワー半導体素子19の構成材料であるシリコンの線膨張係数は約3ppm/℃なので、絶縁基板3としては、線膨張係数が4〜5ppm/℃の窒化アルミニウム基板、または窒化ケイ素基板が用いられる。
For example, since the linear expansion coefficient of silicon which is a constituent material of the
また、フィン付ベースプレート2は、加工の容易さも考慮して、線膨張係数が4〜8ppm/℃のAl−SiC(アルミニウム−シリコンカーバイド)複合板が用いられる。
このAl−SiC複合板を用いたフィン付ベースプレート2によれば、上記したはんだ層Sのクラックを防ぐことができ、しかも、複雑な形状の放熱フィン8を金型成形によって容易に形成することができる。
According to the fin-equipped
しかしながら、Al−SiC複合板を用いたフィン付ベースプレート2は、その主成分であるSiCの特性、すなわち、高硬度・低粘度のために、破壊靱性値が低いという欠点を有している。このため、フィン付ベースプレート2をAl−SiC複合板で形成した従来のパワー半導体モジュール1では、フィン付ベースプレート2と冷却ジャケット5をボルト固定した状態でパワー半導体モジュール1の周囲環境温度が上昇/下降すると、ボルト固定部に発生する応力によってフィン付ベースプレート2にクラックが生じるおそれがあった。
However, the
この様子を、図3を用いて具体的に説明する。
図3は、図2に示すフィン付ベースプレート2とその表面側に配置されたハウジング23とを、ボルト7で冷却ジャケット5に固定したボルト固定部の拡大断面図である。図3では、アルミニウム製の冷却ジャケット5に形成された溝にOリング24が嵌め込まれ、その外側でAl−SiC複合板のフィン付ベースプレート2とハウジング23とが冷却ジャケット5にボルト固定されている。フィン付ベースプレート2は、ボルト固定の押力Pによって、Oリング24を押し潰しつつ冷却ジャケット5側に押し付けられる。従って、フィン付ベースプレート2は、ボルト7の内側においては、冷却ジャケット5との間に僅かな隙間が開いた状態となり、Oリング24が存在しないボルト7の外側においては、冷却ジャケット5に密着した状態となる。
This will be specifically described with reference to FIG.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a bolt fixing portion in which the
アルミニウム製の冷却ジャケット5(約24ppm/℃)は、線膨張係数が小さいフィン付ベースプレート2(4〜8ppm/℃)よりも熱膨張/収縮する量が大きい。従って、図3に示す構成において、車載環境を想定した−40〜+85℃の温度サイクル試験を行った場合、Oリング24が存在せず、フィン付ベースプレート2と冷却ジャケット5とが直接接触しているボルト7の外側では、フィン付ベースプレート2と冷却ジャケット5の線膨張係数差によって、界面に摩擦力Wが発生し、これにより、フィン付ベースプレート2のボルト固定部から外側に向かって引張力Eが働くことになる。そして、この引張力EがAl−SiC複合板の破壊靱性値を越えると、フィン付ベースプレート2表面側のボルト固定部の略中央から、引張力E方向にフィン付ベースプレート2裏面側に向かってクラック32が生じる。クラック32が生じると、Oリング24を介したフィン付ベースプレート2と冷却ジャケット5との液密性が損なわれ、放熱フィン8間を通流している冷却媒体が漏れ出すおそれがある。
The aluminum cooling jacket 5 (about 24 ppm / ° C.) has a larger amount of thermal expansion / contraction than the finned base plate 2 (4-8 ppm / ° C.) having a small linear expansion coefficient. Therefore, in the configuration shown in FIG. 3, when a temperature cycle test of −40 to + 85 ° C. assuming an in-vehicle environment is performed, the O-
そこで本発明は、例えば、Al−SiC複合板のような破壊靱性値が低い材料で形成されたベースプレートと、これと異なる線膨張係数を有する冷却ジャケットとをボルト固定した場合においても、そのボルト固定部においてベースプレートにクラックが生じることがなく、冷却媒体流路の液密性が確保されるパワー半導体モジュールを提供することを課題とする。 Therefore, the present invention, for example, when a base plate formed of a material having a low fracture toughness value such as an Al-SiC composite plate and a cooling jacket having a different linear expansion coefficient are bolted, It is an object of the present invention to provide a power semiconductor module in which cracks are not generated in the base plate in the portion and the liquid tightness of the cooling medium flow path is ensured.
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュールは、i)表面側に冷却すべきパワー半導体素子が搭載されたベースプレートと、ii)前記ベースプレートの表面側に配置される補強板と、iii)前記ベースプレートの裏面側に、前記補強板および前記ベースプレートを貫通する複数の締め付け固定具で固定され、前記ベースプレートとの間に冷却媒体流路を形成する冷却ジャケットと、iv)前記補強板と前記ベースプレートとの間に配置される第1緩衝部材と、v)前記ベースプレートと前記冷却ジャケットとの間に配置される第2緩衝部材からなり、前記冷却ジャケットおよび前記補強板の線膨張係数が前記ベースプレートの線膨張係数よりも大きく、前記第1緩衝部材および前記第2緩衝部材が少なくとも前記締め付け固定具の内側および外側に配置されている。 In order to solve the above problems, a power semiconductor module according to the present invention includes: i) a base plate on which a power semiconductor element to be cooled is mounted on the surface side; ii) a reinforcing plate disposed on the surface side of the base plate; iii) a cooling jacket fixed to the back side of the base plate with a plurality of fastening fixtures penetrating the reinforcing plate and the base plate, and forming a cooling medium flow path between the base plate and iv) the reinforcing plate A first buffer member disposed between the base plate and v) a second buffer member disposed between the base plate and the cooling jacket, wherein the linear expansion coefficient of the cooling jacket and the reinforcing plate is The linear expansion coefficient of the base plate is larger, and the first buffer member and the second buffer member are at least the tightening member. It is arranged inside and outside the attached fastener.
好ましくは、前記ベースプレートは、前記パワー半導体素子の搭載領域に相対向する裏面側の領域に形成された複数の放熱フィンを備え、前記冷却媒体流路は、前記放熱フィンを取り囲むように形成される。 Preferably, the base plate includes a plurality of radiating fins formed in a region on the back surface opposite to the mounting region of the power semiconductor element, and the cooling medium flow path is formed so as to surround the radiating fins. .
好ましくは、前記第1緩衝部材および前記第2緩衝部材は、それぞれ、Oリング、メタルガスケットおよび接着樹脂層から選択されたものである。 Preferably, the first buffer member and the second buffer member are respectively selected from an O-ring, a metal gasket, and an adhesive resin layer.
また、好ましくは、前記補強板が、前記パワー半導体素子の周囲を取り囲むハウジングと一体成型されたものである。 Preferably, the reinforcing plate is integrally formed with a housing surrounding the power semiconductor element.
さらに好ましくは、前記補強板および/または前記冷却ジャケットが、アルミニウムまたはステンレスからなる。 More preferably, the reinforcing plate and / or the cooling jacket is made of aluminum or stainless steel.
従って、本発明に係るパワー半導体モジュールによれば、例えば、Al−SiC複合板のような破壊靱性値が低い材料で形成されたベースプレートと、これと異なる線膨張係数を有する冷却ジャケットとをボルト固定した場合においても、そのボルト固定部においてベースプレートにクラックが生じることがなく、冷却媒体流路の液密性を確保することができる。 Therefore, according to the power semiconductor module of the present invention, for example, a base plate formed of a material having a low fracture toughness value such as an Al-SiC composite plate and a cooling jacket having a different linear expansion coefficient are bolted. Even in this case, the base plate does not crack at the bolt fixing portion, and the liquid tightness of the cooling medium flow path can be ensured.
以下、本発明の好ましい実施形態について、図4〜10を用いて説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図4(A)に、実施例1に係る600V/600Aクラスの直接冷却型パワー半導体モジュール1を示す。パワー半導体モジュール1は、主に、フィン付ベースプレート2、冷却ジャケット5、およびフィン付ベースプレート2とともに冷却ジャケット5にボルト固定される補強板4からなる。フィン付ベースプレート2の表面には、3個の絶縁基板3がはんだ接合され、さらに絶縁基板3の表面には複数のパワー半導体素子が搭載されている。
本実施例における各絶縁基板3は窒化アルミニウムからなる同一のもので、それぞれ、U相インバータの上下アーム、V相インバータの上下アーム、W相インバータの上下アームを構成する。
FIG. 4A shows a 600 V / 600 A class direct cooling
The insulating
本実施例における絶縁基板3の外形寸法は4.7cm×6.0cmで、チップサイズが10mm×16mmのIGBT素子と、チップサイズが7mm×10mmのFWD素子が、それぞれ4チップずつ融点240℃以上の鉛フリーはんだで接合されている。はんだ厚は約0.1mmである。各素子の電圧/電流定格は600V/300Aであり、2素子が並列接続されることにより、定格600V/600Aのモジュールとなっている。
絶縁基板3とフィン付ベースプレート2は、融点約200℃の鉛フリーはんだで接合されている。はんだ厚は約0.1mmである。なお、簡略化のために、図4(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ニウムワイヤを省略している。
In this embodiment, the insulating
The insulating
本実施例におけるフィン付ベースプレート2には、ボルト7を挿入するためのφ7mmの貫通穴6が計8個設けられており、その外形寸法は10cm×21cm、厚さは約11mmである。また、フィン付ベースプレート2はAl−SiC複合板であり、その各面はNiメッキされている。
In the present embodiment, the
図4(A)に示すように、実施例1に係るパワー半導体モジュール1では、厚さ約3mmの補強板4が3枚の絶縁基板3を取り囲むようにフィン付ベースプレート2の表面側に重ねて配置される。補強板4の外形寸法は、フィン付ベースプレート2と同じ10cm×21cmで、絶縁基板3と干渉しないように、6cm×19cmの内側部分が取り除かれている。また、補強板4には、フィン付ベースプレート2とともに冷却ジャケット5にボルト固定されるべく、フィン付ベースプレート2と同位置にφ7mmの貫通穴6が計8個設けられている。
なお、補強板4は、パワー半導体素子の周囲を取り囲むハウジング(図示せず)と一体成形することができる。
As shown in FIG. 4A, in the
The reinforcing
図4(B)に示す、実施例1に係るフィン付ベースプレート2の裏面側には、放熱フィン8が一体成形されている。本実施例において、放熱フィン8は、フィン付ベースプレート2の長手方向(冷却媒体通流方向)と平行に17本形成されており、それぞれ突出量8mm、幅1.5mmである。また、放熱フィン8のピッチは3mm、放熱フィン8間の流路幅は1.5mmである。放熱フィン8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.%で冷却される。
なお、上記放熱フィン形状、配置および冷却媒体は一例であり、適宜変更することができる。
On the back surface side of the finned
In addition, the said radiation fin shape, arrangement | positioning, and a cooling medium are examples, and can be changed suitably.
図5は、実施例1に係るパワー半導体モジュール1の、補強板4およびフィン付ベースプレート2を冷却ジャケット5に取り付けた状態を示す断面図である。図4(A)のX−Xにおけるパワー半導体モジュール1の断面構造を示す図5(A)では、冷却ジャケット5の上にフィン付ベースプレート2が配置され、さらにその上に補強板4が重ねて配置されている。補強板4およびフィン付ベースプレート2は、それぞれに形成された貫通穴6を貫通するとともにボルト穴6’と螺合する締め付け固定具(本実施例では、一例としてボルト7)で冷却ジャケット5に固定される。使用されるボルト7はM6ボルトで、締め付けトルクは約4N・mである。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where the reinforcing
本実施例では、補強板4の貫通穴6の外側および内側にそれぞれ幅2.4mm、深さ1.4mmの溝9が形成されており、そこに第1緩衝部材(本実施例では、一例としてOリング10)が配置されている。同様に、冷却ジャケット5のボルト穴6’の外側および内側にも、それぞれ幅2.4mm、深さ1.4mmの溝9’が形成されており、そこに第2緩衝部材(本実施例では、一例としてOリング10’)が配置されている。Oリング10、10’の線径はφ1.9mmである。また、形成される溝9、9’の寸法は、Oリング10、10’の材料組成および弾性を考慮して決定される。
なお、用語「内側」「外側」は、フィン付ベースプレート2の周囲に配置された貫通穴6周辺の領域のうち、「内側」は貫通穴6で囲まれた領域に相当する部分を意味し、また、「外側」は、貫通穴6で囲まれていない領域(フィン付ベースプレート2の端に近い領域)に相当する部分を意味する。
In this embodiment,
The terms “inside” and “outside” mean a portion corresponding to the region surrounded by the through
図5(B)は、図5(A)に示すパワー半導体モジュール1のボルト固定部を拡大した断面図である。本実施例における補強板4と冷却ジャケット5は線膨張係数が24ppm/℃のアルミニウムからなり、フィン付ベースプレート2は線膨張係数が3.5ppm/℃のAl−SiC複合板からなる。この他、補強板4および冷却ジャケット5の材質としては、ステンレス(線膨張係数:10〜17ppm/℃)が選択可能であるが、特に、線膨張係数が10ppm/℃以上である補強板4および冷却ジャケット5と、Al−SiC複合板からなるフィン付ベースプレート2を組み合わせた際に、本発明の効果は顕著となる。
つまり、本発明に係るパワー半導体モジュール1において、フィン付ベースプレート2は、線膨張係数が相対的に高い補強板4と冷却ジャケット5の間に挟まれて配置される。
FIG. 5B is an enlarged cross-sectional view of the bolt fixing portion of the
That is, in the
一般的に、車載用のパワー半導体モジュールには、−40〜+85℃(ΔT=125℃)の温度変化への対応が要求されており、フィン付ベースプレート2、補強板4および冷却ジャケット5は、それぞれの線膨張係数に応じて熱膨張/収縮する。図5(B)中の、各構成部材の熱膨張/収縮の度合いを模式的に示した矢印から明らかなように、フィン付ベースプレート2と、補強板4および冷却ジャケット5とは、同じ温度変化に対する寸法の変化量が異なる。
Generally, in-vehicle power semiconductor modules are required to respond to a temperature change of −40 to + 85 ° C. (ΔT = 125 ° C.). The
実施例1に係るパワー半導体モジュール1は、上記−40〜+85℃の温度変化に応じてフィン付ベースプレート2、補強板4および冷却ジャケット5が熱膨張/収縮しても、フィン付ベースプレート2にクラックが生じることはない。すなわち、実施例1に係るパワー半導体モジュール1によれば、車載用のパワー半導体モジュールに要求される環境温度条件での信頼性を確保することができる。
The
これは、補強板4の貫通穴6の外側および内側に第1緩衝部材10を配置するとともに、冷却ジャケット5のボルト穴6’の外側および内側に第2緩衝部材10’を配置することによって、フィン付ベースプレート2が、線膨張係数が異なる冷却ジャケット5および補強板4と直接接触するのを防ぎつつ、ボルト固定の押力Pがフィン付ベースプレート2に対して均等に印加されるようになったからである。
This is because the
図6に、実施例2に係るパワー半導体モジュールを示す。このパワー半導体モジュール1は、実施例1で各2個使用したOリング10、10’をそれぞれ1個に削減したものである。図6に示すように、本実施例に係るOリング10、10’は、補強板4の貫通穴6および冷却ジャケット5のボルト穴6’を略円状に取り囲むとともに、隣接するボルト固定部間を互いに連結したような形状で、補強板4に形成された溝9および冷却ジャケット5に形成された溝9’に各1個ずつ配置される。
実施例2に係るパワー半導体モジュール1でも、実施例1に係るものと同等の効果を得ることができ、車載用のパワー半導体モジュールに要求される環境温度条件での信頼性を確保することができる。
FIG. 6 shows a power semiconductor module according to the second embodiment. This
Also in the
図7に、実施例3に係るパワー半導体モジュールを示す。このパワー半導体モジュール1では、円形薄板状の補強板4とフィン付ベースプレート2との間に配置されるOリング10(第1緩衝部材)、および補強板4はボルト固定部毎に円形薄板状に分割されている。図7に示す補強板4側のOリング10は、実施例1のように、隣接するボルト固定部間のOリング10を連結したような形状にはなっていない。これは、補強板4とフィン付ベースプレート2との間では、冷却媒体が漏れ出す心配がないためである。
実施例3に係るパワー半導体モジュール1では、実施例1および2に係るものと同等の効果が得られるとともに、Oリング10、10’の使用部材量を削減することができる。
FIG. 7 shows a power semiconductor module according to the third embodiment. In this
In the
図8に、実施例4に係るパワー半導体モジュールを示す。この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と冷却ジャケット5の間の第2緩衝部材として、メタルガスケット11を使用したものである。メタルガスケット11は、部分的に凸部11’を形成した金属薄板に弾性を有する樹脂を被覆したものである。本実施例では、ネジ固定部の内側および外側に、それぞれ、約0.2mmの段差を有する直線状の凸部11’を1本ずつ形成した。凸部11’は他の形状にしてもよく、例えば、実施例2(図6)に係るOリング10のように、ボルト固定部を略円状に取り囲むとともに、隣接するボルト固定部間を互いに連結したような形状にすることができる。
FIG. 8 shows a power semiconductor module according to the fourth embodiment. This
図9に、実施例5に係るパワー半導体モジュールを示す。このパワー半導体モジュール1は、補強板4とフィン付ベースプレート2の間の第1緩衝部材として、弾力性を有するシリコン接着樹脂からなる接着樹脂層12を使用したものである。シリコン接着樹脂は、ボルト固定部を取り囲むようにフィン付ベースプレート2上に塗布され、その上に補強板4が貼り合わされる。こうすることによって、シリコン接着樹脂は薄く広い範囲に伸ばされて、補強板4とフィン付ベースプレート2の間を隙間なく埋めることができる。その後、シリコン接着樹脂に対して熱処理が行われ、一定の弾力性を有しながら硬化した接着樹脂層12が形成される。
実施例5に係るパワー半導体モジュール1では、フィン付ベースプレート2の形状や寸法毎に異なる緩衝部材(Oリング等)を準備しておく必要がなく、パワー半導体モジュール1製造の初期コストを削減することができる。
なお、接着樹脂層12として、シリコン接着樹脂の替わりに、エポキシ系低弾性樹脂、ウレタン樹脂を用いても同様の効果を得ることができる。
FIG. 9 shows a power semiconductor module according to the fifth embodiment. This
In the
In addition, the same effect can be acquired even if it uses an epoxy-type low-elasticity resin and a urethane resin for the
図10に、リング形状かつ平板形状を有するフィン付ベースプレート2を用いた、実施例6に係るパワー半導体モジュールを示す。このパワー半導体モジュール1は、ハイブリッド自動車または電気自動車用の走行用モータと一体化して製造することができ、例えば、冷却ジャケットの替わりに、モータハウジング13の端壁を使用することによって冷却媒体の流路を形成することができる。
モータハウジング13には、給水ニップル14および排水ニップル15が設けられている。給水ニップル14から導入された冷却媒体は導入液溜まり14’で各放熱フィン8に分配され、放熱フィン8間を通流した後に、導出液溜まり15’で排水ニップル15に集約され、排出される。
FIG. 10 shows a power semiconductor module according to Example 6 using a finned
The
実施例6に係るパワー半導体モジュール1によれば、小形軽量化およびコスト削減が実現できるとともに、インバータと走行用モータを同時に冷却することができる。また、インバータと、その駆動対象である走行用モータの距離とを近づけて配置することによって、回路結線を短くすることができ、配線損失を低減することができる。また、パワー半導体モジュール1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。
According to the
図10に示すパワー半導体モジュール1には、補強板4とフィン付ベースプレート2との間の第1緩衝部材(図示せず)、およびフィン付ベースプレート2とモータハウジング13との間の第2緩衝部材(図示せず)に、実施例1〜5に係る種々の緩衝部材、およびこれらの組み合わせを適用することができる。
従って、実施例6に係るパワー半導体モジュール1においても、他の実施例に係るものと同等の効果を得ることができ、車載用のパワー半導体モジュールに要求される環境温度条件での信頼性を確保することができる。
The
Therefore, also in the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、当業者が種々の変形例を想到できることは自明である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said structure, It is obvious that those skilled in the art can come up with various modifications.
例えば、各実施例で使用した絶縁基板は絶縁樹脂層に置き換えることができる。
図11では、フィン付ベースプレート2の表面側に絶縁樹脂層16を密着して配置し、さらにその絶縁樹脂層16の上に配線導体板17を配置している。配線導体板17は、絶縁樹脂層16の上に銅板を接合し、エッチング処理によってその銅板から導体パターン以外の不必要な部分を除去(パターンニング)して形成される。また、配線導体板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。
For example, the insulating substrate used in each embodiment can be replaced with an insulating resin layer.
In FIG. 11, the insulating
パワー半導体素子19は熱拡散板18にはんだ接合され、熱拡散板18は配線導体板17にはんだ接合される。熱拡散板18は、熱伝導率と熱容量に優れた材質(例えば、銅)が選択され、パワー半導体素子19の発熱は面内方向に急速に拡散されるとともに、フィン付ベースプレート2で放熱される。これによって、パワー半導体素子19の急激な発熱に対する過渡的な温度上昇を抑制することができる。
ヒートサイクル性能等の耐環境性を向上したい場合には、熱拡散板18の材質を線膨張係数の小さい他の材質(例えば、銅−モリブデン複合材)に置き換えてもよい。また、パワー半導体素子19の発熱量がそれほど大きくない場合には、熱拡散板18を省略して、パワー半導体素子19と配線導体板17を直接接合してもよい。
上記構成によれば、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。
The
When it is desired to improve environmental resistance such as heat cycle performance, the material of the
According to the above configuration, since it is not necessary to use an expensive insulating substrate such as an aluminum nitride substrate, the cost can be reduced.
また、本発明に係るパワー半導体モジュールには、補強板とフィン付ベースプレートの間の第1緩衝部材、およびフィン付ベースプレートと冷却ジャケットの間の第2緩衝部材として、実施例1〜5に係る種々の緩衝部材を適宜組み合わせて適用することができる。
例えば、第1緩衝部材として接着樹脂層12(実施例5、図9参照)を使用するとともに、第2緩衝部材としてOリング10’(実施例2、図6参照)を使用してもよい。
Further, the power semiconductor module according to the present invention includes various first and fifth embodiments according to the first to fifth embodiments as a first buffer member between the reinforcing plate and the finned base plate and a second buffer member between the finned base plate and the cooling jacket. These buffer members can be applied in appropriate combination.
For example, the adhesive resin layer 12 (see Example 5 and FIG. 9) may be used as the first buffer member, and the O-
また、各実施例では、ベースプレートに放熱フィンが一体成形されたフィン付ベースプレートを使用する直接冷却型のパワー半導体モジュールについて説明したが、本発明は、放熱フィンが一体成形されていない平板ベースプレートを直接冷却する構造のパワー半導体モジュールにも適用することができる。 In each embodiment, the direct cooling type power semiconductor module using the fin-equipped base plate in which the radiating fin is integrally formed on the base plate has been described. However, the present invention directly applies the flat plate base plate in which the radiating fin is not integrally formed. The present invention can also be applied to a power semiconductor module having a cooling structure.
1 パワー半導体モジュール
2 フィン付ベースプレート
3 絶縁基板
4 補強板
5 冷却ジャケット
6 貫通穴
6’ ボルト穴
7 ボルト
8 放熱フィン
9、9’ 溝
10 第1緩衝部材(Oリング)
10’ 第2緩衝部材(Oリング)
11 メタルガスケット
11’ 凸部
12 接着樹脂層
13 モータハウジング
14 給水ニップル
14’ 導入液溜まり
15 排水ニップル
15’ 導出液溜まり
16 絶縁樹脂層
17 配線導体板
18 熱拡散板
19 パワー半導体素子
20 素子収容体
21 外部端子
22 ベースプレート
23 ハウジング
24 Oリング
30 絶縁層
31 金属層
31’ 金属層
32 クラック
S はんだ層
DESCRIPTION OF
10 'Second buffer member (O-ring)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
ii)前記ベースプレートの表面側に配置される補強板と、
iii)前記ベースプレートの裏面側に、前記補強板および前記ベースプレートを貫通する複数の締め付け固定具で固定され、前記ベースプレートとの間に冷却媒体流路を形成する冷却ジャケットと、
iv)前記補強板と前記ベースプレートとの間に配置される第1緩衝部材と、
v)前記ベースプレートと前記冷却ジャケットとの間に配置される第2緩衝部材と、からなり、
前記冷却ジャケットおよび前記補強板の線膨張係数が前記ベースプレートの線膨張係数よりも大きく、前記第1緩衝部材および前記第2緩衝部材が少なくとも前記締め付け固定具の内側および外側に配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 i) a base plate on which power semiconductor elements to be cooled are mounted on the surface side;
ii) a reinforcing plate disposed on the surface side of the base plate;
iii) a cooling jacket fixed to the back side of the base plate with a plurality of fastening fixtures penetrating the reinforcing plate and the base plate, and forming a cooling medium flow path between the base plate;
iv) a first buffer member disposed between the reinforcing plate and the base plate;
v) a second cushioning member disposed between the base plate and the cooling jacket,
The linear expansion coefficient of the cooling jacket and the reinforcing plate is larger than the linear expansion coefficient of the base plate, and the first buffer member and the second buffer member are disposed at least inside and outside of the fastening fixture. A featured power semiconductor module.
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