JP2011228508A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子が実装された基板の位置決めを簡単かつ正確に行うことができるとともに、放熱性能を向上させることができるパワーモジュールを提供すること。
【解決手段】半導体素子１１，１２と、半導体素子１１，１２が実装される回路基板２０と、回路基板２０が固定される冷却器３０とを備えるパワーモジュール１０において、冷却器３０は、冷却フィン３１が設けられるとともに冷却媒体が流される冷媒流路３４の断面積が拡げられた凸部３５ａ，３５ｂと、凸部３５ａ，３５ｂによって形成された矩形状の開口を持つ凹部３６とを備え、回路基板２０が凹部３６に配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷却器を備えるパワーモジュールに関するものである。

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の自己発熱量が大きい。そのため、このような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。

そこで、例えば、特許文献１に記載されているパワーモジュールでは、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、半導体素子と冷却器とを一体に構成することにより、半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達するようにしている。

また、別の技術として、例えば、特許文献２に記載されているパワーモジュールでは、水冷ジャケットの半導体素子が実装された回路基板に接触する部位を、回路基板の下面に沿って水冷ジャケットの流路側に窪ませることにより、回路基板中央部の流路を狭くし、その部分を流れる冷却水の流速を早めて放熱性を向上させている。

特開２００９−１３５２７８号公報 特開２００７−２６６２２４号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載のパワーモジュールでは、絶縁基板が固定される冷却器の面が平坦であるため、冷却器に対して絶縁基板の位置決めを行うために、専用の組付け治具が必要であった。一方、特許文献２に記載のパワーモジュールでは、水冷ジャケットに対して回路基板のある程度の位置決めを行うことはできるが、正確に位置決めすることができない。つまり、位置決めの精度が悪い。これは、放熱性の向上を図るために、回路基板の下面中央部を下面外周部よりも下側に突出させる手段として、段差によって突出した形状にするのではなく、回路基板下面外周部から下面中央部にかけてなだらかな凸状の曲面としているからである。このように、上記した従来のパワーモジュールに備わる冷却器では、半導体素子が実装された基板の位置決めを簡単かつ正確に行うことが困難であった。

そして、車載用のパワーモジュールでは、１つの冷却器に多数の基板（半導体素子）が固定されるが多く、生産性向上などの面から、冷却器に対する基板の位置決めを簡単かつ正確に行えるようにすることが望まれている。また近年、パワーモジュールの小型化・高性能化に伴い、半導体素子からの発熱量が大きくなってきており、冷却器の冷却性能の更なる向上が望まれている。

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、半導体素子が実装された基板の位置決めを簡単かつ正確に行うことができるとともに、放熱性能を向上させることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、半導体素子と、前記半導体素子が実装される回路基板と、前記回路基板が固定される冷却器とを備えるパワーモジュールにおいて、前記冷却器は、冷却フィンが設けられるとともに冷却媒体が流される冷媒流路の断面積が拡げられた凸部と、前記凸部によって形成された矩形状の開口を持つ凹部とを備え、前記絶縁基板が前記凹部に配置されていることを特徴とする。

このパワーモジュールでは、冷却器の冷媒流路に、回路基板が配置される部分以外の流路断面積が拡げられた凸部が形成され、回路基板が配置される部分に矩形状の開口を持つ凹部が形成されている。この凹部は凸部によって形成されたものである。つまり、凸部によって形成された凹部内に半導体素子が実装された回路基板が配置されて冷却器に固定されている。このため、凹部の側面に対して絶縁回路を当接させることにより、絶縁基板の冷却器に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単かつ正確に行うことができる。

そして、冷媒流路内において、凸部と凹部との段差により冷却媒体に乱流を発生させているため、絶縁基板が配置される凹部の部分で冷却媒体に境界層が形成されにくい。そのため、凹部が形成された冷媒流路の部分、言い換えると回路基板の配置位置において、冷却媒体との熱交換を効率よく行うことができるので、放熱性能を向上させることができる。また、回路基板の側面を冷却器に当接させるため、回路基板と冷却器との接触面積が増すので、放熱性能をより向上させることができる。さらに、凸部により冷却器全体の流路断面積が大きくなっているので、冷却媒体の圧力損失を低減することもできる。このことも、放熱性能の向上に寄与する。

上記したパワーモジュールにおいて、前記回路基板は、その側面が前記凹部の側面のうち隣接する少なく２面に当接させられて前記冷却器に対して位置決めされていることが望ましい。

このような構成にすることにより、回路基板の冷却器に対する位置決めをより正確に行うことができるとともに、回路基板と冷却器との接触面積をより増すことができるので、放熱性能をさらに向上させることができる。

上記したパワーモジュールにおいて、前記回路基板の側面全周が、前記凹部の側面に接していることが望ましい。

このような構成にすることにより、回路基板と冷却器との接触面積をさらに増すことができるので、放熱性能をより一層向上させることができる。

そして、上記したパワーモジュールにおいて、前記凸部の高さが、前記半導体素子と前記回路基板との合計厚さよりも低くされている
ことが望ましい。

このような構成にすることにより、パワーモジュールを大型化（高さ（厚み）方向へ大型化）させることなく、回路基板の冷却器に対する位置決めを簡単かつ正確に行うとともに、放熱性能を向上させることができる。

また、上記したパワーモジュールにおいて、前記回路基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の両面に設けられた金属層とを備え、前記金属層のうち冷却器側に配置されるものの側面が、前記凹部の側面のうち隣接する少なく２面に当接させられて、前記回路基板の前記冷却器に対する位置決めが行われていてもよい。

このように、金属層のうち冷却器側に配置されるものの側面を凹部の側面に当接させても、回路基板の冷却器に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単かつ正確に行うことができる。また、金属層と冷却器との接触面積が増すので、放熱性能を一層向上させることができる。なお、この場合には、凸部の高さ（凹部の深さ）は、冷却器側に配置される金属層の厚みよりも低く（浅く）されている。冷却器側に配置される金属層よりも絶縁基板の方が大きいからである。

そして、この場合には、前記金属層のうち冷却器側に配置されるものの側面全周が、前記凹部の側面に接していることが望ましい。

このような構成にすることにより、金属層と冷却器との接触面積をさらに増すことができるので、放熱性能をより一層向上させることができる。また、回路基板のうち絶縁基板の側面全周を凹部の側面に当接させる場合に比べ、パワーモジュールの耐久性を向上させることができる。なぜなら、絶縁基板の側面全周を凹部の側面に当接させた場合、絶縁基板と冷却器との線膨張係数が大きく異なるため、絶縁基板に熱応力が生じて耐久性を低下させるおそれがあるからである。

ここで、凹部に比べ凸部では流路断面積が広くなっているため冷却媒体が流れやすくなっている。言い換えると、凹部つまり半導体素子配置位置直下に冷却媒体が流れにくくなっている。そのため、冷却器の冷却効率が低下して、放熱性能の向上を阻害するおそれがある。

そこで、上記したいずれか１つのパワーモジュールにおいて、前記凹部の周囲に位置する前記凸部のうち、冷却媒体の流れ方向に位置するものの高さが、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に位置するものの高さよりも高くされていることが望ましい。

このような構成にすることにより、冷却媒体の凹部周囲への流れを抑制することができるため、凹部つまり半導体素子配置位置直下に冷却媒体が流れにくくなることを防止することができる。これにより、凸部を設けて冷却媒体に乱流を発生させることによる冷却器の冷却効率の向上効果を大きくすることができるので、放熱性能を確実に向上させることができる。

上記したいずれか１つのパワーモジュールにおいて、前記冷却フィンは、板状部材がつづら折りされて形成されており、前記板状部材は、つづら折りされてフィン形状に形成された際に前記凹部に配置される部分が、予め打ち抜かれていることが望ましい。

このような構成にすることにより、凸部と凹部が形成された冷媒通路内に配置する冷却フィンをコストアップを伴うことなく簡単に形成することができる。これにより、コストアップを伴うことなく、回路基板の冷却器に対する位置決めを簡単かつ正確に行うことができるとともに、放熱性能を向上させることができる。

本発明に係るパワーモジュールによれば、上記した通り、半導体素子が実装された基板の位置決めを簡単かつ正確に行うことができるとともに、放熱性能を向上させることができる。

第１の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す平面図である。 図２のＡ−Ａにおける断面図である。 凸部のうち冷媒の流れ方向と直交する方向に位置するものの高さを低くしたパワーモジュールの断面図である。 冷却フィンの成形方法を説明するための図であり、（ａ）が成形前の圧延薄板を模式的に示す平面図であり、（ｂ）が成形後の冷却フィンを模式的に示す平面図である。 図５のＡ−Ａにおける断面図である。 図５のＢ−Ｂにおける断面図である。 第１の実施の形態におけるパワーモジュールの変形例を示す図である。 第２の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す平面図である。 図１０のＡ−Ａにおける断面図である。 第２の実施の形態におけるパワーモジュールの変形例を示す図である。 第３の実施の形態に係るパワーモジュール（セラミック基板により位置決め）の概略構成を示す平面図である。 第３の実施の形態に係るパワーモジュール（金属層により位置決め）の概略構成を示す平面図である。 絶縁基板に複数の金属層を備える回路基板を有すパワーモジュールに対する適用例を示す図である。 複数の回路基板を有するパワーモジュールに対する適用例を示す図である。

以下、本発明のパワーモジュールを具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態では、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に本発明を適用した場合を例示する。

［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態について説明する。そこで、第１の実施の形態に係るパワーモジュールについて、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、第１の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａにおける断面図である。

図１及び図２に示すように、第１の実施の形態におけるパワーモジュール１０は、半導体素子１１，１２と、半導体素子１１，１２を実装する回路基板２０と、冷却器３０とを備えている。
半導体素子１１，１２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る。そして、半導体素子１１，１２は、半田付けによって回路基板２０上に固定されている。

回路基板２０は、セラミック基板２１と、パターン層（金属層）２２と、金属層２３とを備えている。セラミック基板２１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、セラミック基板２１として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。そして、図３に示すように、セラミック基板２１の上面（半導体素子１１，１２側）には、パターン層２２が設けられている。パターン層２２としては、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２１の下面（冷却器３０側）には、金属層２３が設けられている。金属層２３としては、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。

冷却器３０は、図１に示すように、圧延薄板をつづら折りして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及び底板３３とを有している。なお、冷却フィン３１の詳細については後述する。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ニウムによって形成されている。冷却器３０内には、天板３２及び底板３３により冷媒流路３４が形成され、この冷媒流路３４に冷却フィン３１が配置されている。これにより、冷媒流路３４は、冷却フィン３１によって複数の中空空間に区画されている。なお、冷媒としては、液体あるいは気体のいずれを用いてもよい。

ここで、冷却器３０には、図２及び図３に示すように、冷媒流路３４の断面積が拡げられた凸部３５ａ、３５ｂと、凸部３５ａ，３５ｂにより形成された矩形状の開口を持つ凹部３６とが設けられている。参考として図３に、従来の天板位置を一点鎖線で示している。図３から明らかなように、凹部３６における冷媒流路３４の断面積が、従来のものと同じである。このため、冷却器３０では、冷媒流路３４の断面積が従来のものに比べて大きくなっている。従って、冷却器３０における冷媒の圧力損失を低減することができる。

そして、凸部３５ａと凹部３６との段差により、冷媒流路３４における凹部３６の部分では、冷媒の流れが乱れるため乱流が発生するようになっている。このため、凹部３６が形成された部分では、冷媒の流れに境界層が形成されにくくなっている。

このような凹部３６に、回路基板２０が配置されている。より詳細には、回路基板２０におけるセラミック基板２１の側面が、凹部３６の側面３６ｂと３６ｃに当接した状態で、回路基板２０が凹部３６に配置されている。これにより、回路基板２０が冷却器３０に対して正確に位置決めされている。このように、パワーモジュール１０では、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単に行うことができる。

位置決めされた回路基板２０は、金属層２３が冷却器３０の天板３２にロウ付けされて固定されている。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。本実施の形態では、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ている。

そして、上記したように、冷媒流路３４における凹部３６の部分では、冷媒の流れに境界層が形成されにくくなっているため、冷媒との熱交換が効率よく行われる。このため、パワーモジュール１０における放熱性を向上させることができる。また、セラミック基板２１の側面が冷却器３０に当接しているため、セラミック基板２１と冷却器３０との接触面積が増えている。さらに、回路基板２０が凹部３６内に入り込んだように配置されている。これらのことにより、パワーモジュール１０における放熱性をさらに向上させることができる。

ここで、凸部３５ａ，３５ｂの高さｈ１は、回路基板２０と半導体素子１１又は１２のいずれか厚みが厚い方との合計厚さよりも低くなっている。このため、冷却器３０に凸３５ａ，３５ｂを設けることによって、パワーモジュール１０の高さ（厚み）方向へ大型化することはない。このため、パワーモジュール１０の車両搭載性が悪くなることはない。

なお、本実施の形態では、凸部３５ａ，３５ｂの高さは同じであるが、凸部３５ａと３５ｂとの高さを変えることもできる。この場合には、図３、図４に示すように、冷媒の流れ方向に位置する凸部３５ａの高さｈ１を、冷媒の流れ方向と直交する方向に位置する凸部３５ｂの高さｈ２よりも高くする（ｈ１＞ｈ２）ことが好ましい。これにより、凸部３５ｂにおける冷媒の流れ、すなわち凹部３６周囲への冷媒の流れを抑制することができるため、凹部３６つまり回路基板２０の配置位置直下に冷媒が流れにくくなることを防止することができる。そのため、凸部３５ａを設けたことによる冷却器３０の冷却効率の向上効果を大きくすることができ、パワーモジュール１０における放熱性を確実に向上させることができる。なお、図４は、凸部のうち冷媒の流れ方向と直交する方向に位置するものの高さを低くしたパワーモジュールの断面図である。

続いて、冷却フィン３１の構成及び成形方法について、図５〜図７を参照しながら説明する。図５は、冷却フィンの成形方法を説明するための図であり、（ａ）が成形前の圧延薄板を模式的に示す平面図であり、（ｂ）が成形後の冷却フィンを模式的に示す平面図である。図６は、図５のＡ−Ａにおける断面図である。図７は、図５のＢ−Ｂにおける断面図である。

冷却フィン３１は、図５（ｂ）に示すように、冷却器３０における天板３２の形状に合うように、凹部３６に対応した形状をなすフィン凹部４１を有している。冷却フィン３１は、フィン凹部４１に位置する低フィン部３１ｌと、フィン凹部４１以外に位置する高フィン部３１ｈとを備えている。そして、冷却フィン３１は、図６、図７に示すように、高フィン部３１ｈ及び低フィン部３１ｌのそれぞれにおいては、フィン高さが同じにされている。これにより、天板３２及び底板３３に対して冷却フィンが密着して固定されるようになっている。

そして、図７に示すように、低フィン部３１ｌは、高フィン部３１ｈに比べてフィン高さが低くなっている。なお、図７では便宜上、フィン凹部４１の紙面奥側に位置する高フィン部３１ｈを二点鎖線で示している。このような形状の冷却フィン３１は、図５（ａ）に示す圧延薄板３１ａを、プレスでつづら折りに成形することにより得られる。圧延薄板３１ａには、フィン凹部４１に対応する部分に打ち抜き穴４１ａ〜４１ｄが設けられている。このような圧延薄板３１ａを、図５（ａ）に示す一点鎖線で谷折りされ、破線で山折りされるようにプレス成形すると、図５（ｂ）に示す冷却フィン３１が得られる。なお、フィン凹部４１の寸法は、打ち抜き穴の大きさ及び数を変更することにより変えることができる。

このようにして冷却フィン３１を成形することにより、凸部３５ａ，３５ｂ及び凹部３６を備える冷却器３０に対応する形状をなす冷却フィン３１であっても、コストアップを伴うことなく簡単に製作することができる。従って、パワーモジュール１０において、コストアップを伴うことなく、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを簡単かつ正確に行うことができるとともに、放熱性を向上させることができる。

ここで、第１の実施の形態における変形例について、図８を参照しながら説明する。図８は、第１の実施の形態におけるパワーモジュールの変形例を示す図である。この変形例に係るパワーモジュール１０ａでは、回路基板２０の位置決めを行う箇所が異なっている。具体的には、図８に示すように、パワーモジュール１０ａにおいては、回路基板２０におけるセラミック基板２１の側面が、凹部３６の側面３６ａと３６ｄに当接させられることにより、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めが行われている。

このようなパワーモジュール１０ａでも、上記したパワーモジュール１０と同様の効果を得ることができる。また、図８に示した場合に限らず、セラミック基板２１の側面を凹部３６の側面３６ａと３６ｂに当接させる、あるいはセラミック基板２１の側面を凹部３６の側面３６ｃと３６ｄに当接させることにより、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行うこともできる。このような場合であっても、上記したパワーモジュール１０と同様の効果を得ることができる。

以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係るパワーモジュール１０によれば、冷却器３０に冷媒流路３４の断面積が拡げられた凸部３５ａ，３５ｂと、凸部３５ａ，３５ｂによって形成された凹部３６が形成されている。そして、凹部３６の側面３６ｂ，３６ｃにセラミック基板２１の側面を当接させて回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行っている。このため、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単かつ正確に行うことができる。

そして、冷媒流路３４内において、凸部３５ａと凹部３６との段差により冷媒の流れに乱流を発生させているため、回路基板２０が配置される凹部３６が形成された部分で冷媒の流れに境界層が形成されにくい。そのため、凹部３６が形成された冷媒流路３４の部分、言い換えると回路基板２０の配置位置において、冷媒との熱交換を効率よく行うことができるので、パワーモジュール１０における放熱性を向上させることができる。また、セラミック基板２１の側面を冷却器３０に当接させているため、回路基板２０と冷却器３０との接触面積が増えるので、放熱性をより向上させることができる。さらに、凸部３５ａ，３６ｂにより冷却器３０全体の流路断面積が大きくなっているので、冷媒の圧力損失を低減することもできる。このことも、パワーモジュール１０における放熱性の向上に寄与している。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態と基本的な構成はほぼ同じであるが、回路基板の位置決め構造が少し異なっている。そのため、以下では、第１の実施の形態と同じ構成については図面に同じ符号を付してその説明を適宜省略し、第１の実施の形態との相違点を主に説明する。そこで、第２の実施の形態に係るパワーモジュールについて、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は、第２の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す斜視図である。図１０は、第２の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す平面図である。図１１は、図１０のＡ−Ａにおける断面図である。

図９、図１０に示すように、パワーモジュール１０ｂでは、冷却器３０の凸部３５ａ，３５ｂの高さ（凹部３６の深さ）が、第１の実施の形態に比べ低く（浅く）なっている。そして、回路基板２０のセラミック基板２１ではなく、金属層２３の側面を凹部３６の側面に当接させることにより、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めが行われている。

より詳細には、回路基板２０における金属層２３の側面が、凹部３６の側面３６ｂと３６ｃに当接した状態で、回路基板２０が凹部３６に配置され、回路基板２０が冷却器３０に対して正確に位置決めされている。そして、図１１に示すように、金属層２３が冷却器３０の天板３２にロウ付けされて固定されている。このようにして、パワーモジュール１０ｂでも、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単に行うことができる。

このように、第２の実施の形態に係るパワーモジュール１０ｂによれば、冷却器３０に冷媒流路３４の断面積が拡げられた凸部３５ａ，３５ｂと、凸部３５ａ，３５ｂによって形成された凹部３６が形成されている。そして、凹部３６の側面３６ｂ，３６ｃに金属層２３の側面を当接させて回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行っている。このため、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単かつ正確に行うことができる。

そして、パワーモジュール１０ｂでも冷媒流路３４内において、凸部３５ａと凹部３６との段差により冷媒の流れに乱流が発生するので、第１の実施の形態と同様に、回路基板２０の配置位置において、冷媒との熱交換を効率よく行うことができるため、パワーモジュール１０ｂにおける放熱性を向上させることができる。そして、金属層２３の側面を冷却器３０に当接させているため、放熱効果が大きい金属層２３と冷却器３０との接触面積が増えるので、第１の実施の形態よりも放熱性を向上させることができる。

なお、第２の実施の形態においても、図１２に示すように、金属層２３の側面を、凹部３６の側面３６ａと３６ｄに当接させて回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行うこともできるし、金属層２３の側面を凹部３６の側面３６ａと３６ｂに当接させる、あるいは金属層２３の側面を凹部３６の側面３６ｃと３６ｄに当接させて、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行うこともできる。なお、図１２は、第２の実施の形態におけるパワーモジュールの変形例を示す図である。
また、上記したように、凸部３５ａの高さを、冷媒の流れ方向と直交する方向に位置する凸部３５ｂの高さよりも高くすることもできる。

［第３の実施の形態］
最後に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、第１、第２の実施の形態と基本的な構成はほぼ同じであるが、回路基板の位置決め構造が少し異なっている。そのため、以下では、第１、第２の実施の形態と同じ構成については図面に同じ符号を付してその説明を適宜省略し、第１、第２の実施の形態との相違点を主に説明する。そこで、第３の実施の形態に係るパワーモジュールについて、図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、第３の実施の形態に係るパワーモジュール（セラミック基板により位置決め）の概略構成を示す平面図である。図１４は、第３の実施の形態に係るパワーモジュール（金属層により位置決め）の概略構成を示す平面図である。

図１３に示すパワーモジュール１０ｃは、第１の実施の形態に対する変形形態である。このパワーモジュール１０ｃでは、セラミック基板２１の側面全周を、凹部３６の側面３６ａ〜３６ｄに対して当接させて回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行っている。このようにしても、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単かつ正確に行うことができる。そして、セラミック基板２１と冷却器３０との接触面積がさらに増えるので、放熱性をより一層向上させることができる。

図１４に示すパワーモジュール１０ｄは、第２の実施の形態に対する変形形態である。このパワーモジュール１０ｄでは、金属層２３の側面全周を、凹部３６の側面３６ａ〜３６ｄに対して当接させて回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを行っている。このようにしても、回路基板２０の冷却器３０に対する位置決めを、治具を用いることなく簡単かつ正確に行うことができる。そして、金属層２３と冷却器３０との接触面積がさらに増えるので、放熱性をより一層向上させることができる。

ここで、凹部３６の側面３６ａ〜３６ｄに対して回路基板２０の側面全周を当接させる場合には、パワーモジュール１０ｄのように、金属層２３の側面全周を凹部３６の側面３６ａ〜３６ｄに当接させる方が好ましい。セラミック基板２１の側面全周を凹部の側面３６ａ〜３６ｄに当接させた場合、セラミック基板２１と冷却器３０との線膨張係数が大きく異なるため、セラミック基板２１に熱応力が生じて耐久性を低下させるおそれがあるからである。

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、回路基板として、セラミック基板２１に１つのパターン層２２と１つの金属層２３が設けられた回路基板２０を備えるパワーモジュールに本発明を適用した場合を例示した。しかしながら、図１５に示すように、セラミック基板２１に複数のパターン層（ここでは２つのパターン層２２ａ，２２ｂ）と複数の金属層（ここでは２つの金属層２３ａ，２３ｂ）が設けられた回路基板２０ａであっても本発明を適用することができる。このような場合には、凹部３６を１つだけ設けてもよいが、複数の金属層２３ａ，２３ｂに対応するように複数の凹部３６を設けてもよい。

また、上記した実施の形態では、冷却器３０に１つの回路基板２０が固定されているパワーモジュールに本発明を適用した場合を例示したが、図１６に示すように、複数の回路基板２０（ここでは６個）が固定されているパワーモジュールであっても、本発明を適用することができる。

また、上記した実施の形態では、絶縁基板としてセラミック基板を使用しているが、セラミック基板の代わりに樹脂基板を使用することもできる。さらに、上記した実施の形態では、ハイブリッド自動車に搭載されるインバータ回路を構成するパワーモジュールに本発明を適用した場合を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限られず、電力制御を行うパワーモジュール（例えば、家電製品に使用されるものなど）に対して広く適用することができる。

１０ パワーモジュール
１１ 半導体素子
１２ 半導体素子
２０ 回路基板
２１ セラミック基板
２２ パターン層
２３ 金属層
３０ 冷却器
３１ 冷却フィン
３１ｈ 高フィン部
３１ｌ 低フィン部
３４ 冷媒流路
３５ａ，３５ｂ 凸部
３６ 凹部
４１ フィン凹部
４１ａ〜４１ｄ 打ち抜き穴

Claims (8)

1. 半導体素子と、前記半導体素子が実装される回路基板と、前記回路基板が固定される冷却器とを備えるパワーモジュールにおいて、
   前記冷却器は、冷却フィンが設けられるとともに冷却媒体が流される冷媒流路の断面積が拡げられた凸部と、前記凸部によって形成された矩形状の開口を持つ凹部とを備え、
   前記回路基板が前記凹部に配置されている
   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、
   前記回路基板は、その側面が前記凹部の側面のうち隣接する少なく２面に当接させられて前記冷却器に対して位置決めされている
   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、
   前記回路基板の側面全周が、前記凹部の側面に接している
   ことを特徴とするパワーモジュール。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つのパワーモジュールにおいて、
   前記凸部の高さが、前記半導体素子と前記回路基板との合計厚さよりも低くされている
   ことを特徴とするパワーモジュール。
5. 請求項１に記載するいずれか１つのパワーモジュールにおいて、
   前記回路基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の両面に設けられた金属層とを備え、
   前記金属層のうち冷却器側に配置されるものの側面が、前記凹部の側面のうち隣接する少なく２面に当接させられて、前記回路基板の前記冷却器に対する位置決めが行われている
   ことを特徴とするパワーモジュール。
6. 請求項５に記載するパワーモジュールにおいて、
   前記金属層のうち冷却器側に配置されるものの側面全周が、前記凹部の側面に接している
   ことを特徴とするパワーモジュール。
7. 請求項１からに請求項６に記載するいずれか１つのパワーモジュールにおいて、
   前記凹部の周囲に位置する前記凸部のうち、冷却媒体の流れ方向に位置するものの高さが、冷却媒体の流れ方向と直交する方向に位置するものの高さよりも高くされている
   ことを特徴とするパワーモジュール。
8. 請求項１から請求項７に記載するいずれか１つのパワーモジュールにおいて、
   前記冷却フィンは、板状部材がつづら折りされて形成されており、
   前記板状部材は、つづら折りされてフィン形状に形成された際に前記凹部に配置される部分が、予め打ち抜かれている
   ことを特徴とするパワーモジュール。

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