JP2010177529A

JP2010177529A - パワーモジュールのシール部構造

Info

Publication number: JP2010177529A
Application number: JP2009019917A
Authority: JP
Inventors: Kunio Hasegawa; 邦男長谷川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】樹脂部分が冷却媒体のシール面となっている場合でも充分なシール性能を得ることのできるパワーモジュールのシール部構造を提供する。
【解決手段】ヒートシンク３１上にトランジスタ等を実装して半導体装置７０を構成する。半導体装置７０を樹脂ケース３４に保持させて半導体ユニット３２を構成し、半導体ユニット３２の下面に流路ケース４１を取り付けてパワーモジュール３０を構成する。樹脂ケース３４と流路ケース４１の間にシール部材４７を介装し、樹脂ケース３４の側縁部をボルト５０によって流路ケース４１に締結固定する。樹脂ケース３４のシール部材４７との当接部３４ａよりも内側に肉厚調整用の溝５１を形成し、樹脂ケース３４の成形時の引け反りを防止する。
【選択図】図４

Description

この発明は、パワーモジュールのシール部構造に関するものである。

従来からパワーモジュールの中には、放熱効率の向上を図るために、基台部材に孔を設け、ここにセラミックス製の放熱部材を備えた半導体装置を、放熱部材を孔に挿入した状態で設け、基台部材の孔に冷媒を流して半導体装置を冷却する構造のものがある（特許文献１参照）。

特開２００７−１５９２５０号公報

ところで、このようなパワーモジュールにおいては、流路となる孔を一つの部材で形成しているため、メインテナンス性が悪いという問題がある。ところが、メインテナンス性を良くするため、製造上の便宜からこのようなパワーモジュールを分割構造とした場合に、シール性能を確保することが困難となるという問題がある。
特に、樹脂などで複雑な形状に形成されたパワーモジュールは、部位毎に厚さ寸法が異なるため、製造時の冷却速度（硬化速度）が部位によってばらつき、この冷却速度のばらつきによって製品面に引け反りが生じ易くなる。そして、この引け反りがシール部材の当接面の近傍に生じると、シール性能の確保が難しくなる。

そこで、この発明は、冷却を必要とする半導体装置を備えたパワーモジュールにおいて、樹脂部分が冷却媒体のシール面となっている場合でも充分なシール性能を得ることのできるパワーモジュールのシール部構造を提供しようとするものである。

上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、ヒートシンク（例えば、後述の実施形態におけるヒートシンク３１）を備えた半導体装置（例えば、後述の実施形態における半導体装置７０）が樹脂部材（例えば、後述の実施形態における樹脂ケース３４）に保持されて成る半導体ユニット（例えば、後述の実施形態における半導体ユニット３２）と、この半導体ユニットに取り付けられ、前記ヒートシンクを冷却する冷媒の流路を形成する流路ケース（例えば、後述の実施形態における流路ケース４１）と、で構成されるパワーモジュールのシール部構造であって、前記半導体ユニットの樹脂部材と流路ケースの当接部間にシール部材（例えば、後述の実施形態におけるシール部材４７）が介装されるとともに、前記樹脂部材の前記シール部材よりも外側の縁部が前記流路ケースにボルト締結され、前記樹脂部材のうちの前記シール部材との当接部よりも内側位置に、肉厚調整用の溝（例えば、後述の実施形態における溝５１）が設けられていることを特徴とする。
この発明の場合、肉厚調整用の溝によって樹脂部材の肉厚がほぼ均一にされ、樹脂部材の製造時に、シール部材との当接部の近傍に引け反りが生じにくくなる。また、肉厚調整用の溝が、樹脂部材のうちのシール部材との当接部よりも内側位置に設けられているため、ボルト締結による荷重は肉厚調整用の溝に作用し難くなる。また、シール部材がボルト締結部に近接して配置されるため、ボルト締結による荷重によってシール部材が安定的に潰されるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパワーモジュールのシール部構造において、前記樹脂部材のうちの、前記シール部材との当接部の近傍領域は、前記流路を囲む周域方向において高さが変化し、前記肉厚調整用の溝は、前記樹脂部材の前記シール部材との当接部の近傍領域の、他の部位に比較して高さの高い部位に設けられていることを特徴とする。
これにより、樹脂部材の他の部位に比較して高さの高い部位が肉厚調整用の溝によって他の部位と大差のない厚みに調整され、樹脂部材の製造時に、シール部材との当接部の近傍に引け反りが生じにくくなる。

この発明によれば、肉厚調整用の溝によって樹脂部材の肉厚がほぼ均一にされ、樹脂部材の製造時に、シール部材との当接部の近傍に引け反りが生じにくくなるため、良好なシール性能を得ることができ、しかも、肉厚調整用の溝が、樹脂部材のうちのシール部材との当接部よりも内側位置に設けられていることから、ボルト締結部の肉厚を増加することなくボルト締結荷重をシール部材に有効に作用させることが可能になるとともに、肉厚調整用の溝へのボルト締結荷重の入力を少なくして樹脂部材の劣化を未然に防止することが可能になる。
したがって、この発明によれば、樹脂部材の大型化や重量増加を招くことなく、半導体ユニットと流路ケースの間のシール性能の向上と樹脂部材の耐久性の向上を図ることができる。

この発明の一実施形態のパワーコントロールユニットの回路図である。この発明の一実施形態の半導体装置の斜視図である。この発明の一実施形態の半導体ユニットの背面図である。この発明の一実施形態のパワーモジュールの図３のＡ−Ａ断面に対応する断面図である。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はハイブリッド車両用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１を含む回路の概略構成を示している。このハイブリッド車両はエンジン（図示せず）と、エンジンの機械的出力により駆動される発電機（ＧＥＮ）２と、発電機２の発電出力により充電される高圧系のバッテリ（ＢＡＴ）３と、バッテリ３の放電出力と発電機２の発電出力の少なくとも一方を用いて駆動輪（図示せず）を駆動する三相交流式のモータ（ＭＯＴ）４と、を備えている。

パワーコントロールユニット１は、昇圧回路や降圧回路として機能するコンバータ（ＤＣ／ＤＣＣＯＮＶ）７と、直流電力を三相交流電力に変換してモータ４を駆動するとともに、モータ４で発電された三相交流電力を直流電力に変換する第１インバータ（Ｔｒ／ＭＰＤＵ）５と、発電機２で発電された三相交流電力を直流電力に変換する第２インバータ（ＧＥＮＰＤＵ）６と、を備えている。
モータ４の駆動時には、コンバータ７で昇圧されたバッテリ３の直流電力、若しくは、第２インバータ２で直流に変換された発電機２の発電電力が第１インバータ５によって任意の出力の三相交流電力に変換され、その電力がモータ４に供給される。また、バッテリ３への充電時には、第１インバータ５で直流電力に変換されたモータ４の回生電力、若しくは、第２インバータ６で直流電力に変換された発電機２の発電電力がコンバータ７によって設定電圧の直流電力に降圧され、その電力がバッテリ３に供給される。
コンバータ７、第１インバータ５及び第２インバータ６は、制御基板（ＥＣＵ）８からの制御指令によりゲートドライブ基板（ＧＤＣＢ）９を介して駆動制御される。

第１インバータ５は、例えば、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を具備するブリッジ回路５ａと平滑コンデンサ５ｂが設けられたパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータによって構成されている。この第１インバータ５にはモータ４とコンバータ７が接続されている。

第２インバータ６は、第１インバータ５と同様に、複数のスイッチング素子を具備するブリッジ回路６ａと平滑コンデンサ６ｂが設けられたパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータ等によって構成されている。また、この第２インバータ６には発電機２とコンバータ７が接続されている。

第１インバータ５と第２インバータ６の各ブリッジ回路５ａ，６ａには、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に対応するハイ側のトランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨとロー側のトランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬが設けられている。各相のハイ側のトランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続され、ロー側のトランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されている。各相毎の対をなすトランジスタＵＨとＵＬ，ＶＨとＶＬ，ＷＨとＷＬはそれぞれ直列に接続され、各相のトランジスタの対はコンバータ７に対して並列に接続されている。また、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ電極部−エミッタ電極部間には、エミッタ電極部からコレクタ電極部に向けて順方向となるようにして、帰還ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが各々接続されている。

図２は、半導体装置７０のブロックを示している。
この半導体装置７０は、第１インバータ５のＵ相のハイ側のトランジスタＵＨとロー側のトランジスタＵＬを、対応する帰還ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬとともにヒートシンク３１上に一体化したものである。なお、第１インバータ５のＶ相、Ｗ相のハイ側とロー側のトランジスタＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬと帰還ダイオードＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬと、第２インバータ６の各相のハイ側とロー側のトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬと帰還ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬについても同様の構成の半導体装置７０として構成されている。したがって、以下では第１インバータ５のＵ相の半導体装置７０を代表として説明し、他の半導体装置７０については異なる構成についてのみ説明するものとする。

ヒートシンク３１は、アルミニウム材料から成り、矩形板状の台座４３の下面に下側に向けて突出する複数のピン状のフィン４０（図３，図４参照）が一体形成されている。また、台座４３の上面には、窒化アルミ等の熱伝導性に優れた絶縁層４４を介して一対のベース電極４５，４６が並列に設置されている。

一方のベース電極４５はコンバータ７の正極側端子Ｐｔ（図１参照）と導通するＰバスバー２０に接続され、他方のベース電極４６はモータ４のＵ相端子に接続されるＯｕｔバスＴｒＵ２２に接続されている。一方のベース電極４５の上方には、ＯｕｔバスＴｒＵ２２から延出した平板状の接続片２２ａが平行に配置され、ベース電極４５と接続片２２ａの間にハイ側のトランジスタＵＨとダイオードＤＵＨが接続されている。なお、ハイ側のトランジスタＵＨは、コレクタ側がベース電極４５（Ｐバスバー２０）に接続され、エミッタ側が接続片２２ａ（ＯｕｔバスＴｒＵ２２）に接続されている。

他方のベース電極４６の上方には、コンバータ７の負極側端子Ｎｔ（図１参照）と導通するＮバスバー２１の平板状の接続片２１ａが平行に配置され、ベース電極４６とＮバスバー２１の間にロー側のトランジスタＵＬとダイオードＤＵＬが接続されている。なお、ロー側のトランジスタＵＬは、コレクタ側がベース電極４６（ＯｕｔバスＴｒＵ２２）に接続され、エミッタ側がＮバスバー２１の接続片２１ａに接続されている。

また、ヒートシンク３１の上面側には、トランジスタＵＨ，ＵＬのゲート電極やその他の電子機器に接続する信号線を設置するための端子台６９（図４参照）が配置されている。
なお、Ｖ相とＷ相の半導体装置７０においては、ＯｕｔバスＴｒＵ２２に代えて、モータ４のＶ相端子に接続されるＯｕｔバスＴｒＶ２３（図１参照）と、モータ４のＷ相端子に接続されるＯｕｔバスＴｒＷ２４（図１参照）が用いられている。また、第２インバータ６のＵ，Ｖ，Ｗの各相の半導体装置７０では、ＯｕｔバスＴｒＵ２５、ＯｕｔバスＴｒＶ２６、ＯｕｔバスＴｒＷ２７（図１参照）が用いられている

図３は、第１インバータ５のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３つの半導体装置７０が樹脂ケース３４（樹脂部材）で保持された半導体ユニット３２を示し、図４は、この半導体ユニット３２の下面側に流路ケース４１が取り付けられたパワーモジュール３０を示している。
この実施形態では、第１インバータ５のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３つの半導体装置７０が一つのパワーモジュール３０として一体化されている。

３つの半導体装置７０は一列に並べられ、これらの半導体装置７０の周縁部と上面側が樹脂ケース３４によって覆われている。
なお、樹脂ケース３４は、枠部が最初に半導体装置７０と一体化され、その後に各半導体装置７０の上部を覆うように枠部内にポッティングが行われる。このため、各半導体装置７０の上部は樹脂ケース３４のポッディング部内に埋設されるが、Ｐバスバー２０、ＯｕｔバスＴｒＵ２２、Ｎバスバー２１の各接続端子部と、端子台６９から引き出された信号ピン３７は樹脂ケース３４の外側に露出している。

樹脂ケース３４は、連続して並べられた３つの半導体装置７０の周縁部を取り囲む略長方形の枠状の周壁３６を備え、その周壁３６の内周面に、３つの半導体装置７０のヒートシンク３１の外周縁部を把持する凹状の把持部３７が設けられている。樹脂ケース３４の下面は偏平に形成され、その偏平な下面が後述する流路ケース４１の上面に重合されるようになっている。そして、樹脂ケース３４の下面のうちの、周壁３６の内周縁部に対応する部位は、流路ケース４１の上面に配置された環状のシール部材４７と当接する当接部３４ａとされている。

ところで、樹脂ケース３４の周壁３６の高さは、周域方向で均一ではなく、図４に示すように半導体装置７０の構造や周囲との干渉回避の関係で異なっている。具体的には、この実施形態では周壁３６のうちの、長尺な一辺３４Ａの高さが他の辺３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄの高さに比較して高くなるように設定されている。また、周壁３６の外周縁部には（四隅部と長尺な２辺の略等間隔に離間した２ヶ所）には他の部位に比較して高さ方向の肉厚の薄いボルト締結部４８が設けられている。このボルト締結部４８には挿通孔４９が形成され、各挿通孔４９には樹脂ケース３４と流路ケース４１を固定するためのボルト５０が挿入されるようになっている。なお、樹脂ケース３４上の各ボルト締結部４８は、シール部材４７との当接部３４ａよりも外側に配置されている。

ここで、樹脂ケース３４の高さの高い辺３４Ａの当接部３４ａは、周壁３６の内周面からの距離ｄが他の辺３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄに比較にして長く設定されている。具体的には、例えば、長尺な他辺３４Ｂと比較した場合、図４に示すように他辺３４Ｂの当接部３４ａはボルト締結部４８と周壁３６の内周面のほぼ中間位置に設定されているが、長尺な一辺３４Ａの当接部３４ａは、中間位置よりもボルト締結部４８側に偏った位置に設定されている。
そして、長尺な一辺３４Ａの下面のうちの、当接部３４ａよりも内側領域（周壁３６の内周面側の領域）には、断面矩形状の溝５１が形成されている。この溝５１は肉厚調整のための溝であり、この溝５１によって周壁３６の長尺な一辺の断面の肉厚がほぼ均等になるように設定されている。

流路ケース４１は、半導体ユニット３２の樹脂ケース３４の下面に結合されて、樹脂ケース３４との間に冷却媒体の流路を形成するものであり、上面の略中央部には、各ヒートシンク３１のフィン４０を受容する凹部４２が形成されている。また、流路ケース４１の長手方向の一端には、図３に示すように、凹部４２内に冷媒を導入するための導入管５２が接続され、長手方向の他端には凹部４２から冷媒を排出するための排出管５３が接続されている。

また、流路ケース４１の上面はほぼ偏平に形成され、その上面に樹脂ケース３４の下面が重合されるようになっている。そして、流路ケース３４の上面には、凹部４２の周囲を囲繞するように断面方形状のシール溝５４が形成されている。このシール溝５４には、樹脂ケース３４側の当接部３４ａに当接する前記シール部材４７が収容されている。シール部材４７は円形断面のゴム弾性体から成り、ボルト５０による締結により樹脂ケース３４と流路ケース４１で圧接されることによって凹部４２の周域を液密にシールする。

以上のように、このパワーモジュール３０においては、半導体装置７０を保持する樹脂ケース３４の周壁３６のうちの、高さの高い部位に肉厚調整用の溝５１が形成されているため、樹脂ケース３４の肉厚、特に、シール部材４７の当接部３４ａの近傍部分の肉厚がほぼ均一になる。このため、モールド成形時の各部の冷却時間（硬化時間）にばらつきが生じなくなり、樹脂ケース３４の当接部ａの近傍部分の引け反りの発生が防止される。したがって、樹脂ケース３４と流路ケース４１の間をシール部材４７によって安定的にシールすることが可能になる。

また、このパワーモジュール３０においては、肉厚調整用の溝５１が樹脂ケース３４のシール部材４７との当接部３４ａよりも内側に設けられているため、ボルト締結部４８の肉厚を厚くすることなくボルト５０による締結荷重を近接位置でシール部材４７に有効に作用させることができるうえ、ボルト締結荷重を肉厚調整用の溝５１に作用しにくくして樹脂ケース３４の劣化を未然に防止することができる。したがって、樹脂ケース３４の肉厚増加による大型化や重量増加を招くことなく、シール部材４７による安定的なシールと樹脂ケース３４の耐久性の向上を図ることができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば、ハイブリッド車両用以外のパワーユニットである電気自動車や燃料電池車両のような高出力を必要とするパワーユニットにも適用できる。また、２つのインバータを用いた場合について説明したが、インバータが一つのパワードライブユニットにも適用できることは勿論である。

３０…パワーモジュール
３１…ヒートシンク
３２…半導体ユニット
３４…樹脂ケース（樹脂材料）
４１…流路ケース
４７…シール部材
５１…肉厚調整用の溝
７０…半導体装置

Claims

ヒートシンクを備えた半導体装置が樹脂部材に保持されて成る半導体ユニットと、
この半導体ユニットに取り付けられ、前記ヒートシンクを冷却する冷媒の流路を形成する流路ケースと、で構成されるパワーモジュールのシール部構造であって、
前記半導体ユニットの樹脂部材と流路ケースの当接部間にシール部材が介装されるとともに、前記樹脂部材の前記シール部材よりも外側の縁部が前記流路ケースにボルト締結され、
前記樹脂部材のうちの前記シール部材との当接部よりも内側位置に、肉厚調整用の溝が設けられていることを特徴とするパワーモジュールのシール部構造。
前記樹脂部材のうちの、前記シール部材との当接部の近傍領域は、前記流路を囲む周域方向において高さが変化し、
前記肉厚調整用の溝は、前記樹脂部材の前記シール部材との当接部の近傍領域の、他の部位に比較して高さの高い部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールのシール部構造。