JP2009135278A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーのボルト締結位置のばらつきを低減するパワーモジュールを提供すること。
【解決手段】パワーモジュール１００は，発熱体である半導体素子１１が実装されたセラミック基板２０と，応力緩和部材４０と，冷却器３０とがロウ材によって一体に構成されている。また，パワーモジュール１００は，セラミック基板２０を搭載する冷却器３０をＡｌダイキャストケース７０内に収容し，当該冷却器３０をＡｌダイキャストケース７０に固定している。さらに，パワーモジュール１００は，バスバー５１を樹脂５２で固定したものであるバスバーハウジング５０を，接着剤５４によってＡｌダイキャストケース７０に接着している。
【選択図】 図１

Description

本発明は，発熱体である半導体素子が冷却器とともにケースに収容されたパワーモジュールに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に車載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは，半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。このことから，車載用パワーモジュールは，高放熱性を有する冷却構造を具備する必要がある。

図２は，冷却構造を具備するパワーモジュールの一例を示している。すなわち，パワーモジュール９０は，発熱体である半導体素子１１と，半導体素子１１を実装するセラミック基板２０と，冷媒流路を備えた冷却器３０と，セラミック基板２０と冷却器３０との間の応力歪を吸収する応力緩和部材４０とを有している。そして，パワーモジュール９０を構成する各部材はロウ付けないし判だ付けによって固定され，半導体素子１１から発せられる熱を冷却器３０によって効率良く放熱している。

このような構造のパワーモジュール９０では，線膨張率の相違に起因する応力集中の発生が懸念される。つまり，セラミック基板２０の線膨張率は４〜６ｐｐｍ／℃と小さい。一方，冷却器３０の素材となるアルミの線膨張率は２３ｐｐｍ／℃と比較的大きい。応力緩和部材４０は，この線膨張率差を吸収するため，セラミック基板２０と冷却器３０との間に位置し，高熱伝導性を有しかつ冷却器３０と線膨張率が近い素材（高純度アルミ等）からなる（例えば，特許文献１）。そして，この応力緩和部材４０には，多数の貫通穴が設けられており，それら貫通穴がセラミック基板２０と冷却器３０との線膨張歪を吸収する構造になっている。

また，パワーモジュール９０は，ハイブリッド車両等に車載される際には，Ａｌダイキャストケース等のケースに固定されて収容される。図３は，Ａｌダイキャストケース６０に収容された状態のパワーモジュール９０の一例を示している。パワーモジュール９０では，半導体素子１１を電源あるいは負荷に電気的に接続するバスバー５１をモールド樹脂５２で固定した枠体５０（以下，「バスバーハウジング５０」とする）が冷却器３０上に配置される。バスバーハウジング５０およびセラミック基板２０を搭載した冷却器３０は，Ａｌダイキャストケース６０にボルト固定される。

また，パワーモジュール９０が車載された状態では，図３に示したように，Ａｌダイキャストケース６０の背面に，リアクトル８０やＤＣ−ＤＣコンバータ８１等の発熱体が配置されることもある。その場合，Ａｌダイキャストケース６０内の冷却器３０は，リアクトル８０等から発せられる熱を放熱する機能を兼ねることになる。そこで，冷却器３０とＡｌダイキャストケース６０との隙間は，放熱グリス６１によって充填される。
特開２００６−２９４６９９号公報 特開２００３−９５０７号公報

しかしながら，前記した従来のパワーモジュール９０には，次のような問題があった。すなわち，冷却器３０の平坦性が悪く，バスバーモジュール５０の高さ方向（図３中の上下方向）の位置のばらつきが大きい。

平坦性が悪化する要因としては，セラミック基板２０や応力緩和部材４０あるいはバスバーモジュール５０を組み付ける際の温度変化が考えられる。つまり，セラミック基板２０，応力緩和部材４０および冷却器３０の固定は，６００℃程度に加熱した状態でロウ付けによって行われる。さらに，冷却器３０自体についても，セラミック基板２０等との固定とともに，フィン３１，天板３２および底板３３がロウ付けによって固定される。また，バスバーハウジング５０は，冷却器３０の天板３２上に，シリコン接着剤５４によって固定される。この接着工程においても冷却器３０が加熱される。これらの加熱工程により，冷却器３０にかかる線膨張歪が増大し，冷却器３０全体が反り変形する。

そして，冷却器３０の反り変形に伴って，冷却器３０上のバスバーハウジング５０が高さ方向の上側に押し上げられる。その結果，図３に示したように，ボルト締結位置の高さＨにずれが生じる。すなわち，バスバー５１の本来のボルト締結位置とボルト締結孔５３の位置との間にずれＤが生じ，バスバー５１の締結が困難になる。

本発明は，前記した従来のパワーモジュールが有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，バスバーのボルト締結位置のばらつきを低減するパワーモジュールを提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされたパワーモジュールは，半導体素子と，半導体素子を支持する絶縁基板と，一面に絶縁基板が固定された冷却器と，半導体素子と電気的に接続するバスバーを絶縁体で固定し，ボルト締結用の孔が設けられたバスバー部材と，冷却器を収容するとともに冷却器が固定されたケースとを備え，バスバー部材は，ケースに固定されていることを特徴としている。

本発明のパワーモジュールは，冷却器の一方の面上に，発熱体である半導体素子が実装された絶縁基板を固定している。すなわち，半導体素子と冷却器とが一体に構成されており，半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達している。絶縁基板は，冷却器の一方の面上に配置されていればよく，冷却器と絶縁基板との間に線膨張歪を緩和する応力緩和部材を介在させてもよい。

また，本発明のパワーモジュールは，半導体素子と一体である冷却器をケースに収容し，当該冷却器をケースに固定している。さらに，本発明のパワーモジュールは，バスバーを樹脂等の絶縁体によって固定したバスバー部材をケースに固定している。すなわち，バスバー部材は，冷却器の変位範囲外に位置しており，冷却器の反りの影響を受けない。よって，バスバー部材に設けられたボルト締結用の孔の位置のばらつきは極めて小さい。従って，バスバーのボルト締結は容易である。

また，本発明のパワーモジュールの冷却器は，接着剤によってケースに固定されていることとするとよりよい。すなわち，接着剤を利用することで，ボルトによって固定していた従来のパワーモジュールと比較して，部品点数を少なくすることができる。

また，接着剤を利用する場合，その接着剤の線膨張率は，冷却器の線膨張率と等しいこととするとよりよい。すなわち，パワーモジュールを車載する際には，ケースの背面にも発熱体を配置することがある。そこで，接着剤として，高放熱性（高熱伝導性）を有するものを利用し，さらにその接着剤の線膨張率が冷却器の線膨張率と等しいものを利用することで，接着時に冷却器に生じる応力を軽減することができる。なお，線膨張率が等しいとは，必ずしも厳密に同値であることを意味するものではなく，その差によって生じる応力歪が軽微なものであれば許容される。なお，冷却器の材質やサイズ等によってその許容範囲は異なる。

また，本発明のパワーモジュールは，ケースの背面であって，ケースを挟んで冷却器と対向する位置に，発熱体を接触させるスペースが設けられていることとするとよりよい。すなわち，ケース外に位置する発熱体を，ケースを挟んで冷却器と対向する領域に配置する。ケース内の冷却器とケース外の発熱体とをケースを挟んで対向させることで，その発熱体から発せられる熱を効率良く冷却器に伝達することができる。

本発明によれば，バスバーのボルト締結位置のばらつきを低減するパワーモジュールが実現されている。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，ハイブリッド自動車用のインバータ回路を構成するパワーモジュールとして本発明を適用する。

本形態のパワーモジュール１００は，図１に示すように，半導体素子１１と，半導体素子１１を実装するセラミック基板２０と，冷媒流路を備えた冷却器３０と，セラミック基板２０と冷却器３０との間に介在し，両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和部材４０と，バスバーを保持するバスバーハウジング５０と，これらを収容するＡｌダイキャストケース７０とを有している。

半導体素子１１は，インバータ回路を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子であり，バスバーハウジング５０のバスバー５１にボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。また，半導体素子１１は，半田付けによってセラミック基板２０上に固定されている。なお，実際には，セラミック基板２０上に複数の半導体素子が固定されるが，説明の便宜上省略している。

セラミック基板２０は，必要とされる絶縁特性，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能である。本形態では，セラミック基板２０として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる。また，セラミック基板２０の上面には，パターン層２１が設けられている。パターン層２１には，電気伝導率が高く，はんだとの濡れ性に優れたものであればよい。例えば，純度が高いアルミニウムが適用可能である。一方，セラミック基板２０の下面には，金属層２２が設けられている。金属層２２は，熱伝導率が高く，後述するロウ材との濡れ性に優れたものであればよい。例えば，純度が高いアルミニウムが適用可能である。

応力緩和部材４０は，高熱伝導性を有する材料からなり，応力吸収空間が幾つか設けられている。本形態では，純度が９９．９９％以上のアルミ板であり，複数の貫通穴が千鳥状に配置されているものを用いる。高純度アルミである応力緩和部材４０の線膨張率は，アルミニウムの固有値と等しい２３．５ｐｐｍ／℃である。高純度アルミは，ヤング率が７０．３ＧＰａと比較的軟らかい材料であり，応力に対する変形が大きい。そのため，アルミ製の冷却器３０とセラミック基板２０との線膨張率差による応力歪を緩和できる。

冷却器３０は，圧延薄板を波状に成形した冷却フィン３１と，冷却フィン３１を挟んで固定する天板３２および底板３３とを有している。冷却器３０を構成する各部材は，高熱伝導性を有しかつ軽量であるアルミによって形成される。冷却器３０の内部の冷却フィン３１によって区画された中空は，冷媒流路となる。冷媒としては，液体および気体のいずれを用いてもよい。

セラミック基板２０と応力緩和部材４０は，半導体素子１１から発せられる熱を効率よく冷却器３０に伝達させるため，ロー付けによって冷却器３０上に直接接合される。ロウ材としては，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が適用可能である。本形態では，Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い，６００℃弱の温度でロウ付けを行う。なお，冷却器３０の，冷却フィン３１，天板３２，底板３３の接合も同様に，Ａｌ−Ｓｉ系合金のロウ付けによって行われる。

バスバーハウジング５０は，電源あるいは負荷に電気的に接続するための金属部材からなるバスバー５１をモールド樹脂５２で固定した枠体である。また，バスバーハウジング５０の側面には，バスバー５１のボルト締結に利用されるボルト締結孔５３が設けられている。

Ａｌダイキャストケース７０は，アルミ製のケースであり，半導体素子１１，セラミック基板２０および応力緩和部材４０と一体化された冷却器３０と，バスバーハウジング５０とを収容する。また，Ａｌダイキャストケース７０には，その内側に向かって突出するリブ７１が設けられている。そして，リブ７１によって，ケース内が，冷却器３０を収容するスペース７２と，バスバーハウジング５０を収容するスペース７３とに区画される。

また，Ａｌダイキャストケース７０の背面には，リアクトル８０やＤＣ−ＤＣコンバータ８１等の発熱体が配置される。より具体的には，リアクトル８０やＤＣ−ＤＣコンバータ８１は，Ａｌダイキャストケース７０を挟んで冷却器３０と対向する領域内に配置される。これにより，リアクトル８０等から発せられる熱をＡｌダイキャストケース７０を介して冷却器３０に放熱することができる。つまり，Ａｌダイキャストケース６０内の冷却器３０が，リアクトル８０等に対する放熱機能を兼ねることになる。

スペース７２内の冷却器３０は，高放熱性（熱伝導率：１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましい）を有する接着剤７５にてＡｌダイキャストケース７０に接着される。これにより，冷却器３０の底板３３とＡｌダイキャストケース７０の底面との隙間が接着剤７５によって充填される。高放熱性を有する接着剤７５が充填されていることから，Ａｌダイキャストケース７０の背面に配置されるリアクトル８０等から発せられる熱を効率よく冷却器３０に伝えることができる。また，接着剤７５の線膨張率は，冷却器３０やＡｌダイキャストケース７０とほぼ等しい。

スペース７３内のバスバーハウジング５０は，シリコン接着剤５４にてＡｌダイキャストケース７０の底面に接着される。すなわち，バスバーハウジング５０は，冷却器３０の変位範囲外に配置される。そのため，バスバーハウジング５０は，冷却器３０の反りの影響を殆ど受けない。よって，ボルト締結孔５３の位置のばらつきは，従来の形態（図３参照）と比較して極めて小さい。なお，シリコン接着剤５４の厚さのばらつきは極めて小さく，ボルト締結位置には影響しない。シリコン接着剤５４としては一般的なものを使用すればよい。

以上詳細に説明したように本形態のパワーモジュール１００は，発熱体である半導体素子１１が実装されたセラミック基板２０と，応力緩和部材４０と，冷却器３０とが一体に構成されており，半導体素子１１からの熱を効率良く冷却器３０に伝達している。また，パワーモジュール１００は，冷却器３０をＡｌダイキャストケース７０内に収容し，当該冷却器３０をＡｌダイキャストケース７０に固定している。

さらに，パワーモジュール１００は，バスバーハウジング５０を，Ａｌダイキャストケース７０に固定している。すなわち，バスバーハウジング５０は，冷却器３０の変位範囲外に位置しており，冷却器３０の反りの影響を殆ど受けない。よって，パワーモジュール１００の製造工程中に冷却器３０が熱変形したとしても，ボルト締結孔５３の位置のばらつきは小さい。従って，バスバーのボルト締結位置のばらつきを低減するパワーモジュールが実現している。

また，冷却器３０は，高放熱性の接着剤７５によってＡｌダイキャストケース７０に固定されている。そのため，冷却器３０をボルトによって固定していた従来のパワーモジュール９０（図３参照）と比較して，部品点数が少ない。また，接着剤７５の線膨張率は，冷却器３０の線膨張率と等しい。そのため，Ａｌダイキャストケース７０への接着時に冷却器３０に生じる応力は小さい。また，接着剤７５は，放熱グリスと比較して安価であり，従来のパワーモジュール９０と比較してコストダウンを図ることができる。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，バスバーハウジング５０の固定は，Ａｌダイキャストケース７０の底面に限るものではなく，側面であってもよい。また，バスバーハウジング５０は，接着剤５４による固定に限らず，ボルトによって固定してもよい。

実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す図である。 従来の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す図（その１）である。 従来の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す図（その２）である。

符号の説明

１１ 半導体素子
２０ セラミック基板
３０ 冷却器
４０ 応力緩和部材
５０ バスバーハウジング（バスバー部材）
５１ バスバー
５２ モールド樹脂
５３ ボルト締結孔
５４ 接着剤
６０ Ａｌダイキャストケース
６１ 放熱グリス
７０ Ａｌダイキャストケース（ケース）
７５ 接着剤
８０ リアクトル（発熱体）
１００ パワーモジュール

Claims (3)

1. 半導体素子と，
   前記半導体素子が実装された絶縁基板と，
   一面に前記絶縁基板が固定された冷却器と，
   前記半導体素子と電気的に接続するバスバーを絶縁体で固定し，ボルト締結用の孔が設けられたバスバー部材と，
   前記冷却器を収容するとともに前記冷却器が固定されたケースとを備え，
   前記バスバー部材は，前記ケースに固定されていることを特徴とするパワーモジュール。
2. 請求項１に記載するパワーモジュールにおいて，
   前記冷却器は，接着剤によって前記ケースに固定されていることを特徴とするパワーモジュール。
3. 請求項２に記載するパワーモジュールにおいて，
   前記接着剤の線膨張率は，前記冷却器の線膨張率と等しいことを特徴とするパワーモジュール。

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