JP2013187334A

JP2013187334A - パワーモジュール装置

Info

Publication number: JP2013187334A
Application number: JP2012051003A
Authority: JP
Inventors: Manabu Miyazawa; 学宮澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: JP5821710B2

Abstract

【課題】パワーモジュールと冷却器とを交互に複数積層したときにパワーモジュールと冷却器との位置ずれを抑制すると共に冷却水の圧損を抑制する。
【解決手段】半導体素子モジュール２０の面２６には、面２２の凸部２４ａ〜２４ｄと対向する位置から離間して凸部２８ａ，２８ｂが形成されており、面３２，３６の両面に半導体素子モジュール２０が配置された冷却器３０では、面３２の凹部３４ａ〜３４ｄと面３６の凹部３８ａ，３８ｂとが互いに対向せず離間するよう形成されている。こうしたパワーモジュール装置１０では、半導体素子モジュール２０と冷却器３０とを交互に複数積層すると、半導体素子モジュール２０の面２２と凸部２４ａ〜２４ｄと面２２側で隣り合った冷却器３０の凹部３４ａ〜３４ｄとが嵌合し、半導体素子モジュール２０の面２６の凸部２８ａ，２８ｂと冷却器３０の凹部３８ａ，３８ｂとが嵌合するよう構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュール装置に関し、詳しくは、パワー素子が封入されたパワーモジュールと、内部に冷却水が流通する流路を有する冷却器と、が交互に複数積層されてなるパワーモジュール装置に関する。

従来、この種のパワーモジュール装置としては、半導体素子が封入されたものの両面に、冷却水が流通する冷却流路を有する冷却器を配置して構成されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、半導体素子が封入されたものの両面に凹凸を設け、冷却器の半導体素子に対向する面に半導体素子の凹凸に嵌合するよう凹凸を形成することにより、半導体素子を封入されたものに冷却器を組み付ける際の位置ずれを抑制できるとしている。

特開２０１０−６２４９０号公報

ところで、比較的電力量が大きいパワー素子が封入されたパワーモジュールと、内部に冷却水が流通する流路を有する冷却器と、が交互に積層されてなるパワーモジュール装置では、パワーモジュールと冷却器との位置ずれを抑制しながら積層することが重要な課題として認識されている。こうした位置ずれを抑制する手法として、パワーモジュールの両面に凹凸を設け、パワーモジュールに隣り合って配置された冷却器には両面にパワーモジュールの凹凸を嵌合する形状の凹凸を設ける手法が考えられる。しかしながら、こうした手法では、冷却器の一方の面の凹部が他方の面の凹部と対向する位置に設けられると、その位置で冷却器の流路が狭くなり、流路内に冷却水を流通させる際の圧損が増加する場合がある。

本発明のパワーモジュール装置は、半導体モジュールと冷却器との位置ずれを抑制すると共に冷却器の流路内に冷却水を流通させる際の圧損を抑制することを主目的とする。

本発明のパワーモジュール装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のパワーモジュール装置は、
パワー素子が封入されたパワーモジュールと、内部に冷却水が流通する流路を有する冷却器と、が交互に複数積層されてなるパワーモジュール装置であって、
前記パワーモジュールには、一方の面には第１の凸部が形成され、前記一方の面の反対側の面である他方の面には前記第１の凸部に対向する位置から離間した位置に第２の凸部が形成され、
前記パワーモジュールの前記一方の面側に配置された冷却器には、前記パワーモジュールの前記一方の面に対向する面に前記第１の凸部と嵌合する第１の凹部が形成され、
前記パワーモジュールの前記他方の面側に配置された冷却器には、前記パワーモジュールの前記他方の面に対向する面に前記第２の凸部と嵌合する第２の凹部が形成されている、
ことを要旨とする。

この本発明のパワーモジュール装置では、パワーモジュールの一方の面には第１の凸部が形成され、一方の面の反対側の面である他方の面には第１の凸部に対向する位置から離間した位置に第２の凸部が形成され、パワーモジュールの一方の面側に配置された冷却器には、パワーモジュールの一方の面に対向する面に第１の凸部と嵌合する第１の凹部が形成され、パワーモジュールの他方の面側に配置された冷却器には、パワーモジュールの他方の面に対向する面に第２の凸部と嵌合する第２の凹部が形成されている。パワーモジュールの第１の凸部と冷却器の第１の凹部とが嵌合し、パワーモジュールの第２の凸部と冷却器の第２の凹部とが嵌合しているから、パワーモジュールと冷却器との位置ずれを抑制することができる。また、パワーモジュールには、一方の面の反対側の面である他方の面には第１の凸部と対向する位置から離間した位置に第２の凸部が形成され、冷却器には、パワーモジュールと共に積層されたときにパワーモジュールの一方の面に対向する面に第１の凸部と嵌合する第１の凹部が形成され、積層したときにパワーモジュールの他方の面に対向する面に第２の凸部と嵌合する第２の凹部が形成されている。したがって、積層されたときに両側にパワーモジュールが配置される冷却器では、第１の凹部と第２の凹部とが対向せずに離間した位置に形成される。これにより、第１の凹部に対向する位置に第２の凹部を形成するものに比して、冷却器の流路が狭くなるのを抑制することができ、流路内に冷却水を流通させる際の圧損を抑制することができる。これにより、パワーモジュールと冷却器との位置ずれを抑制すると共に冷却器の流路内に冷却水を流通させる際の圧損を抑制することができる。

こうしたパワーモジュール装置において、前記第１の凸部および前記第２の凸部は、テーパ状に形成されてなるものとすることもできる。パワーモジュールの中央部を避けて第１の凸部や第２の凸部を設けることにより、第１の凸部や第２の凸部によりパワーモジュールの冷却が阻害されることを抑制することができる。

また、本発明のパワーモジュール装置において、前記パワーモジュールには、前記第１の凸部および前記第２の凸部が複数形成されており、前記パワーモジュールの前記一方の面側に配置された冷却器には、前記第１の凹部が複数形成され、前記パワーモジュールの前記他方の面側に配置された冷却器には、前記第２の凹部が複数形成されてなる、ものとすることもできる。こうすれば、より適正にパワーモジュールと冷却器との位置決めをより精度良く行うことができる。

本発明の一実施例としてのパワーモジュール装置１０の構成の概略を示す構成図である。パワーモジュール装置１０の要部の構成の概略を示す説明図である。パワーモジュール装置１０に搭載される半導体素子モジュール２０および冷却器３０の構成の概略を示す分解説明図である。変形例のパワーモジュール装置１１０の構成の概略を示す構成図である。変形例の半導体素子２３０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのパワーモジュール装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、パワーモジュール装置１０の要部の構成の概略を示す説明図であり、図３は、パワーモジュール装置１０に搭載される半導体素子モジュール２０および冷却器３０の構成の概略を示す分解説明図である。図１中の矢印は、冷却水の流れを示している。パワーモジュール装置１０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、以下「ＩＧＢＴ」という）１２が樹脂パッケージ１４内に封入されてなる半導体素子モジュール２０と、内部に冷却水が流通する冷却流路（図示せず）を有し半導体素子モジュール２０と密着することにより半導体素子モジュール２０と熱交換可能な冷却器３０と、が交互に複数積層されて構成されている。こうして積層された半導体素子モジュール２０と冷却器３０とは、互いに密着するよう図示しないバネによって積層方向から押圧されている。

半導体素子モジュール２０には、冷却器３０に対向する１つの面２２にテーパ状の凸部２４ａ〜２４ｄが形成されており、面２２の反対側の面２６にテーパ状の凸部２８ａ，２８ｂが形成されている。凸部２８ａ，２８ｂは、面２６の凸部２４ａ〜２４ｄに対向する位置から図１における上下方向に離間した位置に配置されている。半導体素子モジュール２０のＩＧＢＴ１２は、半導体素子モジュール２０の中央部に配置されており、面２２のＩＧＢＴ１２と対向する位置に比較的熱伝導性能が良好なアルミニウムなどの金属材料からなるヒートスプレッダ２９が貼り付けられている。

冷却器３０は、内部に冷却水が流通する冷却流路（図示せず）を有する冷却板３０ａと、冷却板３０ａ内部の冷却流路と連通する入り口窓３０ｂと、冷却板３０ａ内部の冷却流路と連通する出口窓３０ｃと、が設けられている。入り口窓３０ｂ、出口窓３０ｃは、冷却器３０が半導体素子モジュール２０と共に複数積層されたときに隣の冷却器３０の入り口窓３０ｂ、出口窓３０ｃとそれぞれ連通し、入り口窓３０ｂから導入された冷却水が冷却板３０ａを通り、出口窓３０ｃから排出されるよう構成されている。こうした構成により、冷却器３０は、冷却流路に流れる冷却水で半導体素子モジュール２０を冷却することができる。

半導体素子モジュール２０の面２２側に配置された冷却器３０には、半導体素子モジュール２０の面２２に対向する面３２の凸部２４ａ〜２４ｄに対向する位置に、凸部２４ａ〜２４ｄと嵌合するテーパ状の凹部３４ａ〜３４ｄが形成されている。そして、半導体素子モジュール２０の面２６側に配置された冷却器３０には、半導体素子モジュール２０の面２６に対向する面３６の凸部２８ａ，２８ｂに対向する位置に、凸部２８ａ，２８ｂと嵌合するテーパ状の凹部３８ａ，３８ｂが形成されている。

半導体素子モジュール２０の面２２の凸部２４ａ〜２４ｄと面２６の凸部２８ａ，２８ｂとは、互いに対向せず離間するよう形成されているから、面３２，３６側の両面に半導体素子モジュール２０が配置された冷却器３０では、面３２の凹部３４ａ〜３４ｄと面３６の凹部３８ａ，３８ｂとが互いに対向せず離間するよう形成されることになる。面３２の凹部と面３６の凹部とが対向する位置に形成されると、その位置で内部の冷却流路が狭くなってしまうが、面３２の凹部３４ａ〜３４ｄと面３６の凹部３８ａ，３８ｂとが対向しないよう形成することにより、内部の冷却流路が狭くなることを抑制して、冷却水が流通する際の圧損を抑制することができる。

こうして構成されたパワーモジュール装置１０では、半導体素子モジュール２０と冷却器３０とが積層されたときに、半導体素子モジュール２０の面２２の凸部２４ａ〜２４ｄと半導体素子モジュール２０の面２２側に配置された冷却器３０の凹部３４ａ〜３４ｄとが嵌合し、半導体素子モジュール２０の面２６の凸部２８ａ，２８ｂと半導体素子モジュール２０の面２６側に配置された冷却器３０の凹部３８ａ，３８ｂとが嵌合する。これにより、半導体素子モジュール２０，冷却器３０の積層方向に垂直な方向へのずれが抑制され、半導体素子モジュール２０と冷却器３０との位置ずれを抑制することができる。

以上説明した実施例のパワーモジュール装置１０によれば、半導体素子モジュール２０と冷却器３０とを交互に複数積層すると、半導体素子モジュール２０の面２２の凸部２４ａ〜２４ｄと面２２側で隣り合った冷却器３０の凹部３４ａ〜３４ｄとが嵌合し、半導体素子モジュール２０の面２６の凸部２８ａ，２８ｂと冷却器３０凹部３８ａ，３８ｂとが嵌合する。これにより、半導体素子モジュール２０と冷却器３０との位置ずれを抑制することができる。また、面３２，３６の両面に半導体素子モジュール２０が配置された冷却器３０では、面３２の凹部３４ａ〜３４ｄと面３６の凹部３８ａ，３８ｂとが互いに対向せず離間するよう形成されている。これにより、冷却器の内部の冷却流路が狭くなることが抑制され、冷却水の圧損を抑制することができる。

実施例のパワーモジュール装置１０では、半導体素子モジュール２０の凸部２４ａ〜２４ｄ，２８ａ，２８ｂがテーパ状に形成されているものとしたが、凸部２４ａ〜２４ｄ，２８ａ，２８ｂは半導体素子モジュール２０の面２２，２６に凸状に形成されていればよく、例えば、図４の変形例のパワーモジュール装置１１０に例示するように、面２２，２６に矩形状の凸部１２４ａ〜１２４ｄ，１２８ａ，１２８ｂが形成されているものとしてもよい。この場合、冷却器３０は、凸部１２４ａ〜１２４ｄ，１２８ａ，１２８ｂの各々に嵌合する形状の凹部１３４ａ〜１３４ｄ，１３８ａ，１３８ｂが形成されているものとすればよい。

実施例のパワーモジュール装置１０では、半導体素子モジュール２０に６個の凸部（凸部２４ａ〜２４ｄ，２８ａ，２８ｂ）を形成するものとしたが、凸部の個数は６個に限定されるものではなく、半導体素子モジュール２０と冷却器３０とを積層したときに半導体素子モジュール２０と冷却器３０とに生じる位置ずれを抑制することができる個数に適宜調整するものすればよい。

実施例のパワーモジュール装置１０では、半導体素子モジュール２０の凸部２８ａ，２８ｂを面２６の凸部２４ａ〜２４ｄに対向する位置から図１における上下方向に離間した位置に配置されているものとしたが、凸部２８ａ，２８ｂと凸部２４ａ〜２４ｄとは対向していなければよいから、図５の変形例の半導体素子２３０に例示するように、凸部２８ａ，２８ｂを面２６の凸部２４ａ〜２４ｄに対向する位置から図１における奥行き方向に離間した位置にされているものとしてもよい。この場合において、冷却板２３０ａには半導体素子モジュール２０と冷却板３０ａとを積層したときに凸部２８ａ，２８ｂと嵌合する位置に凹部２３８ａ，２３８ｂを配置すればよい。

実施例のパワーモジュール装置１０では、半導体素子モジュール２０は内部にパワー素子としてＩＧＢＴ１２を備えるものとしたが、パワー素子としてはＩＧＢＴに限定されるものではなく、バイポーラ素子などの比較的大きな電力で作動するパワー素子であれば如何なるものを用いても構わない。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、半導体素子モジュール２０が「パワーモジュール」に相当し、冷却器３０が「冷却器」に相当し、凸部２４ａが「第１の凸部」に相当し、凸部２８ａが「第２の凸部」に相当し、凹部３４ａが「第１の凹部」に相当し、凹部３８ａが「第２の凹部」に相当する。

ここで、「パワーモジュール」としては、パワー素子が封入されたものであれば如何なるものとしても構わない。「冷却器」としては、内部に冷却水が流通する流路を有するものであれば如何なるものとしても構わない。「第１の凸部」としては、パワーモジュールの一方の面に第１の凸部が形成されたものであれば如何なるものとしても構わない。「第２の凸部」としては、パワーモジュールの一方の面の反対側の面である他方の面に他方の面の第１の凸部と対向する位置から離間した位置に形成されるものであれば如何なるものとしても構わない。「第１の凸部」としては、パワーモジュールの一方の面に対向する冷却器の面に第１の凸部と嵌合する形状に形成されるであれば如何なるものとしても構わない。「第２の凸部」としては、パワーモジュールの他方の面に対向する冷却器の面に第２の凸部と嵌合する形状に形成されるものであれば如何なるものとしても構わない。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、パワーモジュール装置の製造産業などに利用可能である。

１０，１１０パワーモジュール装置、１４樹脂パッケージ、２０半導体素子モジュール、２２，２６，３２，３６面、２４ａ〜２４ｄ，２８ａ，２８ｂ、１２４〜１２４ｄ，２８ａ，２８ｂ凸部、２９ヒートスプレッダ、３０冷却器、３０ａ冷却板、３０ｂ入り口窓、３０ｃ出口窓、３４ａ〜３４ｄ、３８ａ，３８ｂ、１３４ａ〜１３４ｄ、１３８ａ，１３８ｂ凹部。

Claims

パワー素子が封入されたパワーモジュールと、内部に冷却水が流通する流路を有する冷却器と、が交互に複数積層されてなるパワーモジュール装置であって、
前記パワーモジュールには、一方の面には第１の凸部が形成され、前記一方の面の反対側の面である他方の面には前記第１の凸部に対向する位置から離間した位置に第２の凸部が形成され、
前記パワーモジュールの前記一方の面側に配置された冷却器には、前記パワーモジュールの前記一方の面に対向する面に前記第１の凸部と嵌合する第１の凹部が形成され、
前記パワーモジュールの前記他方の面側に配置された冷却器には、前記パワーモジュールの前記他方の面に対向する面に前記第２の凸部と嵌合する第２の凹部が形成されている、
パワーモジュール装置。
請求項１記載のパワーモジュール装置であって、
前記第１の凸部および前記第２の凸部は、テーパ状に形成されてなる
請求項１または２記載のパワーモジュール装置。
請求項１または２記載のパワーモジュール装置であって、
前記パワーモジュールは、中央部に前記パワー素子が配置されており、前記第１の凸部および前記第２の凸部は、端部近傍の領域にそれぞれ形成されてなる
パワーモジュール装置。
請求項１または２記載のパワーモジュール装置であって、
前記パワーモジュールには、前記第１の凸部および前記第２の凸部が複数形成されており、
前記パワーモジュールの前記一方の面側に配置された冷却器には、前記第１の凹部が複数形成され、
前記パワーモジュールの前記他方の面側に配置された冷却器には、前記第２の凹部が複数形成されてなる、
パワーモジュール装置。