JP2010135697A - 積層モジュール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高い冷却性能を有する積層モジュール構造を提供することを課題とする。
【解決手段】積層モジュール構造１は、半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、を有するモジュールユニット６を複数積層してなり、半導体モジュール２は、両面放熱性のモジュールからなり、各モジュールユニット６における半導体モジュール２の一面側と冷却器３とは、ろう層４０により接合されるとともに、モジュールユニット６を積層するに際し、隣接するモジュールユニット６・６の一方のモジュールユニット６における半導体モジュール２の他面側と他方のモジュールユニット６における冷却器３との間にはグリス層４１が介在される。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層モジュール構造に関する。

近年、ハイブリッド車、電気自動車等の電気自動車では、大出力・大容量の交流モータを搭載する要請が強いため、バッテリ電源からの直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給するインバータ装置も大電流化が求められている。また、大電流・大出力のインバータ装置に用いられる半導体モジュールは発熱も大きいため、その冷却性を確保する両面放熱性の半導体モジュールが多く用いられている。
このような両面放熱性半導体モジュールを複数積層して組み付ける際に、半導体モジュールと冷却器とを交互に積層し、半導体モジュールを両側から冷却する技術が広く知られている。また、半導体モジュールと冷却器との密着性を高めて冷却性を向上するために、積層後に積層方向一側又は両側から圧力をかける方法は公知となっている。

例えば、特許文献１には、半導体素子を放熱板で挟み、該放熱板にグリスを介して絶縁板を配置し、該絶縁板にグリスを介して冷却器を接触配置することにより、半導体素子の両面放熱を実現する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示される積層モジュール構造では、半導体素子から冷却器に至るまでに熱伝導性に劣るグリスを複数回経由して熱伝導されるため、高い放熱性が得られないという点で不利となる。
特開２００７−１７３３７２号公報

本発明は、高い冷却性能を有する積層モジュール構造を提供することを課題とする。

請求項１に記載のように、半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を有するモジュールユニットを複数積層してなる積層モジュール構造であって、前記半導体モジュールは、両面放熱性のモジュールからなり、前記各モジュールユニットにおける前記半導体モジュールの一面側と前記冷却器とは、ろう付けにより接合されるとともに、前記モジュールユニットを積層するに際し、隣接する一方のモジュールユニットにおける前記半導体モジュールの他面側と他方のモジュールユニットにおける前記冷却器との間にはグリス層が介在される。

本発明によれば、高い冷却性能を有する積層モジュール構造を提供できる。

以下では、本発明に係る積層モジュール構造の実施の一形態である積層モジュール構造１について説明する。積層モジュール構造１は、複数の半導体モジュール２・２・・・を積層してなる構造体であり、大電流・大出力のインバータ装置として利用される。

半導体モジュール２は、電力変換用のパワーモジュールであり、半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を有する。半導体モジュール２からは、制御用の制御ピンと、大電流端子とが突出されており、積層モジュール構造１の組み付け時に前記制御ピンには制御基板、前記大電流端子にはバスバモジュールがそれぞれ接続される。
また、半導体モジュール２は両面放熱の半導体モジュール構造を有し、その両面側から冷却可能に構成されている。

半導体モジュール２の積層方向両側には、冷却器３・３が密着して配置されており、半導体モジュール２からの発熱は冷却器３・３によって両面側から冷却される構成である。
冷却器３は、アルミニウム等の熱伝導性に優れる金属製の部材からなり、その内部に冷却水を流通させることによって、半導体モジュール２からの発熱を連続的に冷却している。

以上のように構成される積層モジュール構造１においては、高い発熱性を有する半導体モジュール２・２・・・の使用時の冷却性能を確保する観点から、半導体モジュール２・２・・・から冷却器３・３・・・側への熱伝達性を良好にする必要がある。
そこで、本実施形態では、上記のような課題を解決する積層モジュール構造の一例として、積層モジュール構造１を提案している。

以下では、図１を参照して、積層モジュール構造１について詳細に説明する。
図１に示すように、積層モジュール構造１は、インバータケース４内にモジュールユニット６・６・・・を複数積層してなる。インバータケース４は、積層モジュール構造１の外郭をなす部材であり、モジュールユニット６・６・・・を内部に収容するとともに、モジュールユニット６・６・・・の位置決めを行うためのケースである。インバータケース４には、各モジュールユニット６を位置決めする位置決め部材５・５・・・が所定位置にケース内側に向けて突出して設けられている。
また、隣接する二つの位置決め部材５・５間の積層方向への間隔は、モジュールユニット６の体格（積層方向幅）より狭く設定されており、インバータケース４内にモジュールユニット６・６・・・を積層して収容する際は、所定の外力を加え、加圧しつつ挿入する必要がある。

なお、インバータケース４は、ダイキャストにより鋳造成型されるアルミニウム製の薄肉製品であり、位置決め部材５・５・・・は、その強度を確保するためにインバータケース４の内側面に向けて一体的に成型されているリブである。
このように、位置決め部材５・５・・・は、インバータケース４を製造する際に補強用のリブとして同時に設けられているため、位置決め部材５・５・・・をインバータケース４に別途後付けする必要がない。さらに、位置決め部材５・５・・・は、インバータケース４と一体成型されているため、位置決め部材５・５・・・の設置位置の精度を向上できる。

以下では、図２及び図３を参照して、積層モジュール構造１を構成する一つのユニットであるモジュールユニット６について詳細に説明する。
図２に示すように、モジュールユニット６は、半導体モジュール２、冷却器３、半導体モジュール２を内部に格納する半導体モジュールケース１０、冷却器３と半導体モジュールケース１０とを連通する冷却水パイプ１５等を具備する。

図２に示すように、半導体モジュール２は、半導体素子２０、ヒートスプレッタ２１・２１、絶縁層２２・２２等を封止樹脂層２３で封止してなるモジュールである。
半導体素子２０は平板状のパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）であり、その両面（図示において上下二面）にヒートスプレッタ２１・２１がはんだ層２４・２４によってはんだ付けされている。
ヒートスプレッタ２１は、半導体素子２０に大電流を通電するための電極及び配線であり、はんだ層２４を介して半導体素子２０と電気的に接続されている。また、ヒートスプレッタ２１は、銅、アルミニウム、銀、金、又はこれらを含む合金等の熱伝導性に優れ、かつ、低電気抵抗の金属製の部材である。
絶縁層２２は、エポキシ系の樹脂からなる樹脂層であり、ヒートスプレッタ２１と半導体モジュールケース１０の内壁とを電気的に絶縁するとともに、ヒートスプレッタ２１と半導体モジュールケース１０の内壁とを接着するための部材である。また、絶縁層２２には、セラミックス、シリコン等の高熱伝導フィラーが含まれており、高い熱伝導性を有する部材として構成されている。なお、絶縁層２２は、全体を樹脂材料とする本実施形態のものに限定されず、半導体モジュールケース１０内壁に絶縁素材を薄膜コーティングしたもの等、十分な絶縁性及び接着性を実現するものであれば良い。
封止樹脂層２３は、エポキシ系の熱硬化性樹脂からなる封止層であり、半導体モジュールケース１０内の熱応力を緩和するための部材である。より具体的には、半導体素子２０の発熱の一部を吸収・拡散するとともに、線膨張係数の異なる部材間を接合している絶縁層２２・２２、及びはんだ層２４・２４にかかる熱応力を緩和し、これらの長寿命化を図っている。
以上のように、半導体モジュール２では、半導体素子２０からの発熱を、半導体素子２０両面から半導体モジュール２の外側へ向けて、半導体素子２０→はんだ層２４→ヒートスプレッタ２１→絶縁層２２の順に伝導して外部へ放熱するとともに、その一部を封止樹脂層２３に放熱・拡散する。

半導体モジュールケース１０は、半導体モジュール２を内部に格納するケース部材であり、アルミニウム、銅等の熱伝導性に優れた金属製の部材である。
図２に示すように、半導体モジュールケース１０は、半導体モジュール２を格納するケース部１１と、ケース部１１の開口面を閉塞する保護プレート１２と、ケース部１１より側方に突出して設けられる支持部１３とからなる。
ケース部１１は、一面（図示において上面）が開口する箱状の部位であり、その内部空間の形状は半導体モジュール２の形状に応じて形成されている。このケース部１１内に半導体モジュール２が格納される。
保護プレート１２は、ケース部１１の開口面（図示において上面）を塞ぐ平板状の部材であり、ケース部１１、支持部１３と同様にアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属製の部材である。
支持部１３は、ケース部１１の側部から側方に延出して設けられる部位である。支持部１３は、半導体モジュールケース１０をインバータケース４に対して位置決めし、支持するための部位である。支持部１３を位置決め部材５に向かって積層方向一側から（図示において下側から）圧接することによって、半導体モジュールケース１０の位置決め、ひいては半導体モジュール２の位置決めを行う。支持部１３の両端部には、冷却水を流通するための水路１４・１４が設けられている。この水路１４は、冷却水パイプ１５を介して冷却器３と接続されている。

図２に示すように、冷却水パイプ１５は、半導体モジュールケース１０に設けられる水路１４と冷却器３とを連通する冷却水通路である。冷却水パイプ１５と半導体モジュールケース１０及び冷却器３との接続部位は、ろう付け、溶接等の適宜の接合処理、又はＯ−リング、ガスケット等の適宜のシール材によってシールされており、冷却水の漏水が防止されている。

冷却器３は、内部空間を二つに分割し、それぞれの内部空間に冷却フィン３１等を収容する二層構造を有する中空状の部材であり、前記二つに分割された内部空間に冷却水を流通させることで冷却フィン３１・３１を冷却するための部材である。
図２及び図３に示すように、冷却器３は、冷却器ケース３０と、冷却フィン３１・３１と、内部を二層に分割するための中板３２、冷却フィン３１と中板３２との間に介装されるばね部材３３・３３とからなる。
冷却器ケース３０は、冷却器３の外郭をなす部材であり、アルミニウム等の熱伝導性に優れる金属製の部材からなる。冷却器ケース３０内に冷却フィン３１・３１、中板３２、ばね部材３３・３３を収容し、その内部空間は、中板３２によって対称に分割されている。冷却器ケース３０の両端部には、冷却水を冷却器ケース３０内部に導入する又は内部から排出するための開口３５・３５がそれぞれ形成される。冷却器ケース３０は、半導体モジュールケース１０に間接的に接触した状態に置かれており、半導体モジュール２からの熱は、この冷却器ケース３０に伝達される。また、冷却器ケース３０は、薄肉製品であり、その剛性は半導体モジュールケース１０の剛性より低く設定されている。このため、冷却器ケース３０は、モジュールユニット６を積層する際に、半導体モジュールケース１０より積層方向に向けて変形しやすい構造を有する。
冷却フィン３１は、冷却器３における冷却水との熱交換部であり、アルミニウム等の熱伝導性に優れる金属製の部材からなる。冷却フィン３１は、プレス成型等により波形形状に成型される薄板状の部材である。冷却フィン３１は冷却器ケース３０内において分割される二つの内部空間にそれぞれ一つづつ配され、冷却器ケース３０の内壁とそれぞれろう付けされている。このようにして、冷却器ケース３０に伝達された熱が、冷却フィン３１を介して冷却水に伝達される。
中板３２は、冷却器ケース３０の内部空間を二つに分割する仕切り部材であり、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属製の部材からなる平板状の部材である。中板３２の両端部には、開口３５から導入される冷却水が通過可能な通路３２ａがそれぞれ穿設されている。中板３２は、両端部において冷却器ケース３０とろう付けされている。
ばね部材３３は、冷却器３に所定のばね特性を付与する弾性部材であり、Ｆｅ系（ＳＵＳ含む）、ベリリウム鋼、リン青銅等の熱伝導性及び耐食性に優れるばね鋼材からなる。ばね部材３３は、冷却フィン３１と中板３２との間に挿入されるとともに、冷却フィン３１の端部とろう付けされている。このばね部材３３により、冷却器３から半導体モジュールケース１０に向けて弾性力（ばね反力）が付与されている。

以上のように構成されるモジュールユニット６・６・・・を、インバータケース４内に積層方向一側に向けて積層することによって、積層モジュール構造１が構成される。モジュールユニット６・６・・・は、積層モジュール構造１の外郭をなすインバータケース４内に予め設けられる位置決め部材５・５・・・によって位置決めされる。
このとき、冷却器３は、内部にばね部材３３を具備し、積層状態において、冷却器３に隣接する半導体モジュール２に対してばね反力を発生し、半導体モジュール２と冷却器３とを圧接するとともに、冷却器３と位置決め部材５とで半導体モジュール２を圧接することとなる。
これにより、半導体モジュール２と冷却器３との密着性を確保できるとともに、半導体モジュール２を高精度に位置決めできる。

また、積層モジュール構造１では、インバータケース４内にて、積層方向一側から（図示において下側から）モジュールユニット６・６・・・を位置決めしつつ積層する際に、半導体モジュールケース１０及び冷却器３が積層方向に荷重を受け、これら二つのうち剛性の低い冷却器３側が収縮し、冷却器３内のばね部材３３が積層方向の荷重を受けて収縮する。これにより、ばね部材３３にばね反力が発生して、冷却器３と半導体モジュールケース１０との間に所定の圧接力が付与されている。このとき、半導体モジュール２、冷却器３の製造寸法にばらつきが生じた場合でも、ばね部材３３の収縮により、そのばらつきが吸収される。つまり、積層時に、ばね部材３３の収縮量が前記製造寸法のばらつきに応じて変化することによって半導体モジュール２・２・・・間の距離を同一に調整している。

以下では、図４及び図５を参照して、モジュールユニット６を製造するモジュールユニット製造工程Ｓ１０について説明する。
モジュールユニット製造工程Ｓ１０は、半導体モジュールケース１０と冷却器ケース３０とのろう付け、冷却器ケース３０と冷却フィン３１・３１及び中板３２とのろう付け、並びに半導体モジュールケース１０と冷却水パイプ１５と冷却器ケース３０とのろう付けを行うろう付け工程Ｓ１１と、半導体モジュールケース１０内に半導体モジュール２を格納する格納工程Ｓ１２とを含む。

図４に示すように、ろう付け工程Ｓ１１では、（１）半導体モジュールケース１０下面と冷却器ケース３０上面との間、冷却器ケース３０と冷却フィン３１・３１端部及び中板３２との間、並びに半導体モジュールケース１０と冷却水パイプ１５と冷却器ケース３０とのそれぞれの接続部分にろう材が供給され（図中に矢印で示す各箇所）、（２）それらのろう材が溶融する所定温度まで加熱された後、冷却することによってこれらが一括してろう付けされる。
このとき、半導体モジュールケース１０、冷却器３とを同一の鋼材（本実施形態ではアルミニウム）で構成することにより、ろう付け時の熱収縮の違いに起因する反り・歪み等の要因を抑制できる。
このろう付け工程Ｓ１１により、半導体モジュールケース１０と冷却器３とがろう付けされ、ろう層４０により一体化される。これにより、半導体モジュールケース１０と冷却器３との間の熱伝導性を向上することができる。つまり、半導体モジュール２の冷却性能を向上できる。

図５に示すように、格納工程Ｓ１２では、半導体モジュール２を構成する各部材が半導体モジュールケース１０内に格納される。より具体的には、（１）半導体モジュールケース１０のケース部１１内に、下方から絶縁層２２、ヒートスプレッタ２１・２１がはんだ付けされた半導体素子２０の順に載置され、（２）ケース部１１内に封止樹脂層２３を形成するエポキシ系の熱硬化性樹脂２３ａを充填し、（３）ケース部１１上方から絶縁層２２が接着された保護プレート１２を加圧しながら設置した状態で、（４）熱硬化性樹脂２３ａが硬化する温度（ゲル化温度）まで加熱された後、冷却することによって半導体モジュール２が形成されるとともに、半導体モジュール２が半導体モジュールケース１０内に格納される。
このとき、絶縁層２２と封止樹脂層２３とは、同じエポキシ系の樹脂で構成されているため、前記ゲル化温度等を調整することにより、絶縁層２２と封止樹脂層２３とを一体化させることができ、密着強度が向上することができる。また、同様の理由により、絶縁層２２の接着及び封止樹脂層２３を構成する熱硬化性樹脂２３ａの充填を同時に行うことができ、加工コストを抑制できる。

以上のように、ろう付け工程Ｓ１１及び格納工程Ｓ１２を経て、モジュールユニット６が製造される。

以下では、図６〜図８を参照して、積層モジュール構造１を製造する積層モジュール製造工程Ｓ２０について説明する。積層モジュール製造工程Ｓ２０では、モジュールユニット製造工程Ｓ１０によって製造された複数のモジュールユニット６・６・・・を用いる。
積層モジュール製造工程Ｓ２０は、一つ目のモジュールユニット６をインバータケース４内側面の位置決め部材５に当接するようにインバータケース４内に挿入する第一ユニット挿入工程Ｓ２１と、二つ目以降のモジュールユニット６を同じくインバータケース４内側面の位置決め部材５に当接するようにインバータケース４内に加圧しつつ挿入するユニット挿入工程Ｓ２２と、一つ目のモジュールユニット６に冷却器３を取り付ける冷却器取付工程Ｓ２３とを具備する。

図６に示すように、第一ユニット挿入工程Ｓ２１では、モジュールユニット６の支持部１３と位置決め部材５とが当接するようにインバータケース４内にモジュールユニット６を挿入する。つまり、モジュールユニット６において冷却器３が配置されている側と反対側を端部として、一つ目のモジュールユニット６がインバータケース４内に挿入される。
これにより、端部に配置されるモジュールユニット６がインバータケース４内において高精度に位置決めされる。ひいては、半導体モジュール２がインバータケース４内の所定位置に位置決めされる。

図７に示すように、ユニット挿入工程Ｓ２２では、モジュールユニット６の保護プレート１２上に放熱性確保用のグリス層４１を介在させた状態でモジュールユニット６の支持部１３と位置決め部材５とが当接するまで、インバータケース４内にモジュールユニット６を加圧しながら押し込む。また、半導体モジュールケース１０の水路１４と冷却器３の開口３５との間にはＯ−リングが介装され、シール性が確保される。
これにより、モジュールユニット６がインバータケース４内で位置決めされつつ積層されるとともに、半導体モジュールケース１０より剛性の低い冷却器３側が積層方向に向けて変形（収縮）する。このとき、冷却器３内のばね部材３３が外力を受けて収縮し、当該外力へ反発する方向にばね反力を発生させ、半導体モジュールケース１０と冷却器３とを密着させる。また、前記外力及びばね部材３３のばね反力により、モジュールユニット６・６間（本実施形態の場合、より厳密には、冷却器ケース３０の底面と保護プレート１２の上面との間）に介在するグリス層４１が圧縮される。
このように積層されたモジュールユニット６・６では、端部に配置されているモジュールユニット６の半導体モジュール２を除いて、半導体モジュール２から冷却器３・３への両面放熱が実現される。
このユニット挿入工程Ｓ２２を所定回数繰り返す。より具体的には、積層モジュール構造１に必要なモジュールユニット６の個数から１回減じた回数だけ繰り返す。

図８に示すように、冷却器取付工程Ｓ２３では、端部に配置されているモジュールユニット６の保護プレート１２上面に放熱性確保用のグリス層４１を塗布し、グリス層４１を介して冷却器３を加圧しつつ保護プレート１２に取り付ける。冷却器３を、モジュールユニット６に対して加圧した状態でインバータケース４に固定することにより、グリス層４１が圧縮した状態となる。なお、この冷却器３は、端部に配置されるため、開口３５の一端は封止されている構造を有する。
これにより、積層モジュール構造１における全ての半導体モジュール２の両面側が冷却器３と当接した状態となり、全ての半導体モジュール２から冷却器３・３への両面放熱が実現される。

以上のように、第一ユニット挿入工程Ｓ２１、ユニット挿入工程Ｓ２２、冷却器取付工程Ｓ２３を経て、積層モジュール構造１が製造される。
また、積層モジュール構造１では、半導体モジュールケース１０の一面（図示において下面）と冷却器３との間は、ろう層４０によるろう付けによって固定され、半導体モジュールケース１０の他面（図示において上面）と、積層される他のモジュールユニット６の冷却器３との間は、放熱性確保用のグリス層４１を介して互いに圧接されることによって積層されている。つまり、一つのモジュールユニット６において、冷却器３と半導体モジュールケース１０とが一体的にユニットとして用いられている。
これにより、積層モジュール製造工程Ｓ２０において、モジュールユニット６の支持部１３を位置決め部材５に対して位置決めすることのみによって、高精度にモジュールユニット６を位置決めしつつ組み付けることができる。従って、積層モジュール製造工程Ｓ２０における作業工程数を低減することができ、組み付け性に優れる。

以下では、図9及び図１０を参照して、本実施形態に係る積層モジュール構造１と従来の積層モジュール構造１００とにおける放熱性について説明する。
図９に示すように、従来の積層モジュール構造１００は、半導体素子１１０の両面側それぞれに、はんだ層１２０を介してヒートスプレッタ１３０を接合し、ヒートスプレッタ１３０にグリス層１４０、絶縁板１５０、グリス層１６０を介して冷却器１７０を取り付けている。つまり、半導体素子１１０両面からの放熱の熱伝導経路は、半導体素子１１０→はんだ層１２０→ヒートスプレッタ１３０→グリス層１４０→絶縁板１５０→グリス層１６０→冷却器１７０となる。
これに対して、図１０に示すように、本実施形態に係る積層モジュール構造１では、上述のように、半導体素子２０の上面側に、はんだ層２４を介してヒートスプレッタ２１を接合し、ヒートスプレッタ２１に絶縁層２２を接着し、絶縁層２２に保護プレート１２を接着し、保護プレート１２にグリス層４１を介して冷却器３を取り付けている。また、半導体素子２０の下面側に、はんだ層２４を介してヒートスプレッタ２２を接合し、ヒートスプレッタ２１に絶縁層２２を接着し、絶縁層２２に半導体モジュールケース１０のケース部１１内壁を接着し、半導体モジュールケース１０をろう層４０を介して冷却器３に接合している。つまり、半導体素子２０上面側の放熱の熱伝導経路は、半導体素子２０→はんだ層２４→ヒートスプレッタ２１→絶縁層２２→保護プレート１２→グリス層４１→冷却器３となり、半導体素子２０下面側の放熱の熱伝導経路は、半導体素子２０→はんだ層２４→ヒートスプレッタ２１→絶縁層２２→ケース部１１→ろう層４０→冷却器３となる。
以上のように、本実施形態の積層モジュール構造１では、熱伝導性に劣り熱抵抗の高いグリス層４１を一面側で一度経由するだけであるのに対して、従来の積層モジュール構造１００では、両面側でグリス層１４０・１６０の二度経由している。このように、本実施形態の積層モジュール構造１では、従来の積層モジュール構造１００に対して熱抵抗の低い、つまり放熱性に非常に優れる構造を提供できる。

積層モジュール構造を示す図である。 モジュールユニットを示す図である。 冷却器を示す図である。 ろう付け工程を示す図である。 格納工程を示す図である。 第一挿入工程を示す図である。 第二挿入工程を示す図である。 冷却器取付工程を示す図である。 従来の積層モジュール構造における放熱性を示す概略図である。 積層モジュール構造における放熱性を示す概略図である。

符号の説明

１ 積層モジュール構造
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ インバータケース
５ 位置決め部材
６ モジュールユニット
３３ ばね部材（弾性部材）
３４ 板ばね
４０ ろう層
４１ グリス層

Claims (1)

1. 半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、を有するモジュールユニットを複数積層してなる積層モジュール構造であって、
   前記半導体モジュールは、両面放熱性のモジュールからなり、
   前記各モジュールユニットにおける前記半導体モジュールの一面側と前記冷却器とは、ろう付けにより接合されるとともに、
   前記モジュールユニットを積層するに際し、隣接する一方のモジュールユニットにおける前記半導体モジュールの他面側と他方のモジュールユニットにおける前記冷却器との間にはグリス層が介在されることを特徴とする積層モジュール構造。

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