JP2009224556A - 印刷版及びそれを用いたパワーモジュールの組み付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールが組み付けられるケースとパワーモジュールの冷却器との間に隙間なく充填可能なグリス量を確実に塗布することができる印刷版およびそれを用いたパワーモジュールの組み付け方法を提供すること。
【解決手段】パワーモジュール２１に備わる冷却器２に対して放熱グリス２９を塗布するための印刷版５０において、印刷版５０の版厚が、印刷版５０を冷却器２上に配置したときに、冷却器２の反りに倣うように中央部５０ｃが最も厚くされ両端部５０ｅ，５０ｅに向かって薄くされている。そして、この印刷版５０を用いて冷却器２に放熱グリス２９を塗布した後、冷却器２とケース２２とが対向するように放熱グリス２９が塗布されたパワーモジュール２１をケース２２に組み付ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＩＧＢＴモジュールなどの冷却器を備えるパワーモジュールに放熱グリスを塗布するための印刷版及びそれを用いたパワーモジュールの組み付け方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは、半導体素子の動作時における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１０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１２１は、発熱体である半導体素子１２６と、半導体素子１２６を実装するセラミック基板１０４と、冷媒流路を備えた冷却器１０２と、セラミック基板１０４と冷却器１０２との間の応力歪を吸収する応力緩和部材１０３と、端子１３２が設けられた樹脂ハウジング１２５とを有している。そして、パワーモジュール１２１を構成する各部材はロウ付けないしハンダ付けによって固定され、半導体素子１２６から発せられる熱を冷却器１０２によって効率良く放熱している。なお、半導体素子１２６は、樹脂ハウジング１２５に設けられた端子１３２に対しボンディングワイヤ１３３，１３４を介して電気的に接続されている。また、樹脂ハウジング１２５は、シリコン接着剤３０を介して、冷却器１０２の天板１１０上に接着されている。

このような構造のパワーモジュール１２１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１０４の線膨張率は４〜６ｐｐｍ／℃と小さい。一方、冷却器１３０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１０３は、この線膨張率差を吸収するため、セラミック基板１０４と冷却器１０２との間に位置し、高熱伝導性を有しかつ冷却器１０２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１０３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１０４と冷却器１０２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１２１は、ハイブリッド車両等に車載されてインバータを構成する際には、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１１は、インバータ１０１の一例を示している。すなわち、インバータ１０１では、パワーモジュール１２１がＡｌダイキャストケース１２２に固定されるとともに、Ａｌダイキャストケース１２２の背面に、リアクトル１２３やＤＣ−ＤＣコンバータ１２４の発熱体が配置されている。このようなインバータ１０１では、パワーモジュール１２１、リアクトル１２３及びＤＣ−ＤＣコンバータ１２４の熱破壊を防止するため、これらの部品から発せられる熱を冷却器１０２により放熱するようになっている。

そして、リアクトル１２３及びＤＣ−ＤＣコンバータ１２４から発せられる熱を冷却器１０２に効率良く伝達するために、冷却器１０２とＡｌダイキャストケース１２２との間に放熱グリス２９が介在している（特許文献２参照）。この放熱グリス２９は、例えばスクリーン印刷により、冷却器１０２の底板１１１に設けられる。すなわち、図１２に示すように、冷却器１０２の底板上に印刷版１５０を載せ、その印刷版１５０の上からスキージ５５により放熱グリス２９が塗布される。その後、放熱グリス２９が塗布されたパワーモジュール１２１が、Ａｌダイキャストケース１２２に取り付けられることにより、冷却器１０２とＡｌダイキャストケース１２２との間に放熱グリス２９が設けられる。
特開２００６−２９４６９９号公報 特開２００３−８６７４５号公報

しなしながら、上記したインバータ構造では、図１１に示すように、Ａｌダイキャストケース１２２と冷却器１０２との間に介在する放熱グリス２９の両部材に対する密着性が不十分となるおそれがあった。なぜなら、冷却器１０２に反りが発生してしまうため、図１２に示すように、スクリーン印刷時に印刷版１５０が冷却器１０２の反りに倣って湾曲してしまう。そのため、図１３に示すように、冷却器１０２に塗布された放熱グリス２９の表面（Ａｌダイキャストケース１２２に接する面）が基準面Ｐより下側に湾曲してしてしまい、必要量の放熱グリスを冷却器１０２に塗布することができない。その結果、パワーモジュール１２１をＡｌダイキャストケース１２２に取り付けたときに、放熱グリス２９とＡｌダイキャストケース１２２との間に隙間（気泡欠陥）が生じ、放熱グリス２９の密着性が不十分となるのである。

ここで、冷却器１０２に反りが発生するのは、セラミック基板１０４や応力緩和部材１０３の温度変化が原因である。つまり、セラミック基板１０４、応力緩和部材１０３および冷却器１０２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１０２自体についても、セラミック基板１０４等との固定とともに、フィン１０８、天板１１０および底板１１１がロウ付けによって固定される。これらの加熱工程により、冷却器１０２にかかる線膨張歪が増大し、冷却器１０２全体に反りが発生するのである。

そして、放熱グリス２９とＡｌダイキャストケース１２２との間に隙間が生じ、放熱グリス２９の密着性が不十分になると、各部品（発熱体）からの放熱が十分に行われなくなってしまう。そうすると、インバータ１０１の性能が低下したり、さらには、各部品が損傷してしまうおそれもある。

特に、近年普及が進んでいる、エンジンとモータとを使用するハイブリッド車や、電気自動車などにおいて、モータの高出力化に伴い、そのモータの制御を行う車両用インバータに対する高性能化の要望が高まっている。そして、このような高性能なインバータにおいては、より大きな放熱性能が求められるため、ダイキャストケースと冷却器とに対する放熱グリスの密着性がより重要となってくる。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、パワーモジュールが組み付けられるケースとパワーモジュールの冷却器との間に隙間なく充填可能なグリス量を確実に塗布することができる放熱グリス塗布用の印刷版およびそれを用いたパワーモジュールの組み付け方法を提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る伝熱部材は、パワーモジュールに備わる冷却器に対して放熱グリスを塗布するための印刷版において、前記印刷版の版厚が、前記印刷版を前記冷却器上に配置したときに、前記冷却器の反りに倣うように中央部が最も厚くされ両端に向かって薄くされていることを特徴とする。

この印刷版の版厚は、中央部が最も厚くされ両端に向かって薄くされているため、放熱グリスを冷却器に塗布するときに、印刷版の湾曲を抑えることができる。そして、版厚が冷却器の反りに倣うように設定されているため、放熱グリス塗布時に、印刷版がほとんど湾曲しないようにすることができる。これにより、冷却器に塗布された放熱グリスの表面が基準面より下側に湾曲することを防止することができる。その結果、必要量の放熱グリスを冷却器に塗布することができるため、パワーモジュールをケースに組み付けた際に、ケースとパワーモジュールの冷却器との間に隙間なく放熱グリスが充填される。つまり、ケースとパワーモジュールの冷却器とに対する放熱グリスの十分な密着性を確保することができる。

本発明に係る印刷版においては、前記印刷版の中央部における版厚の増加分は、前記冷却器の最大反り量であることが望ましい。なお、最大反り量とは、製品として許容される反り量の最大値である。

このような構成により、ケースとパワーモジュールの冷却器との間に隙間なく放熱グリスを充填することができるだけのグリス量をより確実に塗布することができるからである。すなわち、冷却器の反り量は、最大反り量より大きくなることはないから、このような構成にすることにより、冷却器に塗布された放熱グリスの表面が基準面より下側に湾曲することを確実に防止することができる。なお、冷却器の反りが最小の場合には、冷却器に塗布された放熱グリスの表面が基準面より上側に湾曲することになるが、これは放熱グリスの塗布量が増加するだけなので、パワーモジュールをケースに組み付ける際に、放熱グリスが流動して広がるため、ケースとパワーモジュールの冷却器とに対する放熱グリスの密着性が不十分になることはない。

そして、インバータを構成する場合等に、パワーモジュールを放熱グリスを介してケースに組み付ける際には、上記した印刷版を使用して前記冷却器に放熱グリスを塗布した後、前記冷却器と前記ケースとが対向するように、放熱グリスが塗布されたパワーモジュールを前記ケースに組み付けるようにすればよい。

こうすることにより、ケースとパワーモジュールの冷却器とに対する放熱グリスの密着性が十分に確保された状態で、パワーモジュールをケースを組み付けることができる。これにより、非常に放熱性能が高いパワーモジュール、さらにはインバータを実現することができる。

本発明によれば、上記した通り、パワーモジュールに十分な量の放熱グリスを確実に塗布することができるため、ケースとパワーモジュールの冷却器とに対する放熱グリスの密着性を確保することができる。

以下、本発明に係る放熱グリス塗布用の印刷版及びそれを用いたパワーモジュールの組み付け方法を具体化した最も好適な実施の形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。そこでまず、本実施の形態に係る印刷版を用いて製造したインバータの概略構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態に係る印刷版を用いて製造したインバータの概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、インバータ１は、冷却器２を備えるパワーモジュール２１と、このパワーモジュール２１が組み付けられるアルミ製のダイキャストケース２２と、ダイキャストケース２２に設けられた、発熱体であるリアクトル２３及びＤＣ−ＤＣコンバータ２４と、冷却器２の上に設けられた樹脂ハウジング２５と、基板４の高純度アルミ６の上に設けられたパワー半導体素子２６とを備えている。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４は、ボルト２７によりダイキャストケース２２の下面に固定されている。パワーモジュール２１は、複数のボルト２８によりダイキャストケース２２の上面に固定されている。そして、冷却器２の底板１１とダイキャストケース２２との間に、放熱グリス２９が介在している。

ここで、パワーモジュール２１について図２を参照しながら説明する。図２は、パワーモジュールの概略構成を示す断面図である。パワーモジュール２１は、図２に示すように、パワー半導体素子２６と、その半導体素子２６を実装する基板４と、冷媒流路を備えた冷却器２と、基板４と冷却器２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３と、外部電源等に接続される端子３２が設けられた樹脂ハウジング２５とを有している。

パワー半導体素子２６は、スイッチング素子であり、ハンダ３１を介して、基板４（より詳しくは後述する高純度アルミ６）上に接合されている。そして、パワー半導体素子２６は、樹脂ハウジング２５に設けられた端子３２に対しボンディングワイヤ３３，３４を介して電気的に接続される。なお、樹脂ハウジング２５は、シリコン接着剤３０を介して、冷却器２（より詳しくは後述する天板１０）上に接着されている。実際には、基板４上に複数の半導体素子が固定されるが、図２では説明の便宜上省略している。

基板４は、セラミック絶縁基板５と、その上下面に設けられた高純度アルミ６，７とから構成されている。セラミック絶縁基板５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。本実施の形態では、セラミック絶縁基板５として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。また、本実施の形態では、高純度アルミ６，７の純度が９９．９９％以上となっている。

応力緩和部材３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。本実施の形態では、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（いわゆるパンチングアルミ）。高純度アルミである応力緩和部材３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２とセラミック絶縁基板５との線膨張率差による応力歪を緩和できる。

冷却器２は、内部にフィン８を収容して冷媒を流す水路ケース９と、水路ケース９の上側面にロウ付けされた天板１０と、水路ケース９の下側面にロウ付けされた底板１１とを備えている。水路ケース９は、内部に冷媒としての冷却水を流すように構成されている。この水路ケース９は、上ケース１２と下ケース１３とがロウ付けされて構成されている。フィン８は、上ケース１２と下ケース１３の内面にそれぞれロウ付けされている。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。フィン８、天板１０、及び底板１１は、例えば、それぞれ板厚が１〜３ｍｍ程度の圧延薄板から構成されており、本実施の形態では、高熱伝導性を有しかつ軽量であるアルミ製の薄板によって形成されている。

そして、基板４と応力緩和部材４は、パワー半導体素子２６から発せられる熱を効率よく冷却器２に伝達させるため、ロウ付けによって冷却器２上に直接接合されている。ロウ材としては、上記した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。

ここで、上記した各部材３，４，９〜１１を互いにロウ付けする工程では、各部材３，４，９〜１１に熱が加わるが、セラミック絶縁基板５（線膨張：４．５ｐｐｍ／℃）と冷却器２（線膨張：２３ｐｐｍ／℃）には線膨張差があることから、ロウ付け後の冷却器２の全体には、図２に示すように、熱変形により下側に凹となる反りが生じる。なお、底板１１に掛かる線膨張歪みも増大するため、その底板１１にも変形により反りが生じる。ロウ付けは、例えば、６００℃付近の温度で加工が行われる。その後、常温まで冷やす過程で、温度による収縮率の違いにより反りが生じるのである。そして、冷却器２の反り量Ｄは製品ごとにバラツキがあるが、その最大値（最大反り量）の許容限度が予め決められている。

続いて、パワーモジュール２１を用いてインバータ１を構成する手順、つまりパワーモジュール２１のダイキャストケース２２への組み付け手順について、図３〜図９を参照しながら説明する。図３は、放熱グリス塗布用の印刷版の概略構成を示す平面図である。図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。図５は、印刷版をパワーモジュールに配置した状態を示す図である。図６は、放熱グリスをパワーモジュールに塗布した状態を示す図である。図７は、印刷版をパワーモジュールから外した状態を示す図である。図８は、放熱グリスをパワーモジュールに塗布した状態を示す図である。図９は、印刷版をパワーモジュールから外した状態を示す図である。なお、図６および図７は、冷却器の反りが最大である場合を示し、図８及び図９は、冷却器の反りが最小である場合を示している。

パワーモジュール２１のダイキャストケース２２への組み付けは、冷却器２の底板１２の上に放熱グリス２９を塗布した後、パワーモジュール２１の冷却器２を複数のボルト２８で固定することにより行われる。そして、パワーモジュール２１に対する放熱グリス２９の塗布は、スクリーン印刷によって行われる。本実施の形態では、このスクリーン印刷を図３及び図４に示す印刷版５０を用いて行う。

この印刷版５０は、図３及び図４に示すように、長方形状の板状部材であり、その周辺に枠部材５１が取り付けられている。印刷版５０は、ステンレス製である。そして、印刷版５０には、冷却器２の反り方向に合わせて細長く形成された短冊状の開口５２が、並列に設けられており（本実施の形態では４つ）、開口５２を介して放熱グリス２９を供給するようになっている。また、印刷版５０の版厚は、図４に示すように、中央部５０ｃが最も厚く両端部に向かって段階的に薄くなっている。ここで、印刷版５０の中央部５０ｃにおける版厚の増加分は、冷却器２の最大反り量と等しい。なお、冷却器２の最大反り量は、製品としての許容される最大の反り量である。本実施の形態では、最大版厚が４５０μｍであって、両端部５０ｅ，５０ｅに向かって５０μｍずつ５段階で徐々に薄くなっており（ハーフエッチングにより加工）、両端部５０ｅ，５０ｅにおける版厚が２００μｍである。

そして、このような印刷版５０を用いて、パワーモジュール２１に対して放熱グリス２９を塗布する際には、まず図５に示すように、印刷版５０をパワーモジュール２１にセットする。具体的には、印刷版５０を冷却器２の底板１２の上に載置する。このとき、印刷版５０には放熱グリス２９が供給されている。この状態から、図６に示すように、スキージ５５を印刷版５０の表面上で移動させて、放熱グリス２９を開口５２から冷却器２に供給し底板１２上に塗布する。このとき、冷却器２の反り量が最大であっても、印刷版５０が冷却器２の反りに倣って冷却器２側（下側）に湾曲しない。なぜなら、印刷版５０の版厚は、中央部５０ｃが最も厚く両方の端部５０ｅ，５０ｅに向かって段階的に薄くなっているとともに、中央部５０ｃにおける版厚の増加分が、冷却器２の最大反り量と等しくされているからである。

これにより、冷却器２の底板１２に塗布された放熱グリス２９の表面は、図７に示すように、冷却器２の反りに倣って冷却器２側（下側）に湾曲せず平坦となり、基準面Ｐと等しくなる。そして、放熱グリス２９が塗布されたパワーモジュール２１を、ダイキャストケース２２に取り付けて複数のボルト２８により固定することにより、図２に示すインバータ１が完成する。

このように、印刷版５０を用いることにより、冷却器２の底板１２に塗布された放熱グリス２９の表面を、湾曲させずに基準面Ｐに沿うように平坦にすることができる。従って、放熱グリス２９が塗布されたパワーモジュール２１を、ダイキャストケース２２に取り付けて固定したときに、ダイキャストケース２２と冷却器２との間に必要量の放熱グリス２９を確実に充填することができる。その結果、ダイキャストケース２２と冷却器２とに対する放熱グリス２９の密着性を確保することができ、非常に冷却性能が高いパワーモジュール２１、さらにはインバータ１を実現することができる。

ここで、上記したように、冷却器２の反り量Ｄは製品ごとにバラツキがある。そこで、冷却器２の反りが最小の場合について説明する。この場合、放熱グリス２９を塗布する際に、図８に示すように、印刷版５０が冷却器２とは反対側（上側）に反ってしまう。このため、冷却器２の底板１２に塗布された放熱グリス２９の表面は、図９に示すように、冷却器２の反りとは反対側に湾曲、つまり基準面Ｐよりも上側に湾曲する。従って、放熱グリス２９の膜厚が厚くなる。そして、放熱グリス２９が塗布されたパワーモジュール２１を、ダイキャストケース２２に取り付けて複数のボルト２８により固定することにより、図１に示すインバータ１が完成する。

このとき、冷却器２の底板１２に塗布された放熱グリス２９の表面が平坦ではなく膜厚が厚くなっているが、余分な放熱グリス２９は流動して広がるため、ダイキャストケース２２と冷却器２との間に必要量の放熱グリス２９を確実に充填することができる。その結果、ダイキャストケース２２と冷却器２とに対する放熱グリス２９の密着性を確保することができ、非常に冷却性能が高いパワーモジュール２１、さらにはインバータ１を実現することができる。

このように印刷版５０を用いることにより、冷却器２の反り量のバラツキに関係なく、冷却器２に必要量の放熱グリス２９を確実に塗布することができる。これにより、パワーモジュール２１をダイキャストケース２２に組み付けたときに、冷却器２とダイキャストケース２２との間に放熱グリス２９を隙間なく充填することができる。従って、ダイキャストケース２２と冷却器２とに対する放熱グリス２９の密着性を確保することができる。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る印刷版５０は、中央部５０ｃが最も厚くされ両端部５０ｅ，５０ｅに向かって薄くされているため、放熱グリス２９を冷却器２に塗布するときに、冷却器２の反りに倣った印刷版５０の湾曲を抑えることができる。これにより、冷却器２に塗布された放熱グリス２９の表面が基準面Ｐより下側に湾曲することを防止することができる。その結果、必要量の放熱グリス２９を冷却器２に塗布することができるため、パワーモジュール２１をダイキャストケース２２に組み付けた際、ダイキャストケース２２とパワーモジュール２１の冷却器２との間に隙間なく放熱グリス２９が充填される。従って、ダイキャストケース２２とパワーモジュール２１の冷却器２とに対する放熱グリス２９の十分な密着性を確保することができる。

なお、上記した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く、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、印刷版５０の版厚を中央部５０ｃから両端部５０ｅ，５０ｅに向かって５段階で薄くしていっているが、６段階以上で薄くしていくこともできるし、逆に４段階以下で薄くしていくこともできる。つまり、この版厚の変化は、冷却器の最大反り量とグリス塗布面積に応じて最適に設定すればよい。

実施の形態に係る印刷版を用いて製造したインバータの概略構成を示す断面図である。 パワーモジュールの概略構成を示す断面図である。 放熱グリス塗布用の印刷版の概略構成を示す平面図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 印刷版をパワーモジュールに配置した状態を示す図である。 放熱グリスをパワーモジュールに塗布した状態を示す図である。 印刷版をパワーモジュールから外した状態を示す図である。 放熱グリスをパワーモジュールに塗布した状態を示す図である。 印刷版をパワーモジュールから外した状態を示す図である。 従来のパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。 図１０に示すパワーモジュールを用いたインバータの概略構成を示す断面図である。 従来の印刷版を用いて放熱グリスをパワーモジュールに塗布した状態を示す図である。 パワーモジュールに塗布された放熱グリスの状態を示す図である。

符号の説明

１ インバータ
２ 冷却器
３ 応力緩和部材
４ 基板
８ フィン
９ 水路ケース
１０ 天板
１２ 底板
２１ パワーモジュール
２２ ダイキャストケース
２３ リアクトル
２４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２５ 樹脂ハウジング
２６ パワー半導体素子
２８ ボルト
２９ 放熱グリス
５０ 印刷版
５０ｃ 中央部
５０ｅ 端部
５１ 枠部材
５２ 開口
５５ スキージ
Ｄ 反り量
Ｐ 基準面

Claims (3)

1. パワーモジュールに備わる冷却器に対して放熱グリスを塗布するための印刷版において、
   前記印刷版の版厚が、前記印刷版を前記冷却器上に配置したときに、前記冷却器の反りに倣うように中央部が最も厚くされ両端に向かって薄くされている
   ことを特徴とする印刷版。
2. 請求項１に記載する印刷版において、
   前記印刷版の中央部における版厚の増加分が、前記冷却器の最大反り量と等しい
   ことを特徴とする印刷版。
3. 冷却器を備えるパワーモジュールを放熱グリスを介してケースに組み付けるパワーモジュールの組み付け方法において、
   請求項１又は請求項２に記載する印刷版を使用して前記冷却器に放熱グリスを塗布した後、前記冷却器と前記ケースとが対向するように、放熱グリスが塗布されたパワーモジュールを前記ケースに組み付ける
   ことを特徴とするパワーモジュールの組み付け方法。

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