JP2013187396A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放熱部材(14)は、放熱部材(14)の長さ方向に直交する断面形状が一定となるように構成されている。放熱部材(14)は、矩形状の金属層(13)に対向する接合面(141)を有している。放熱部材(14)の接合面(141)には、放熱部材(14)の長さ方向に沿って接合面(141)の全長に亘って平行に延びる一対の凹条部(100)が形成されている。放熱部材(14)の接合面(141)は、平面視において金属層(13)の互いに対向する一対の側面(131)が一対の凹条部(100)の内部にそれぞれ配置されるように、半田(10)によって金属層(13)と接合されている。
【選択図】図1
Description
図1aおよび図1bは、実施形態1によるパワーモジュールの断面構成および平面構成をそれぞれ示している。このパワーモジュールは、空気調和機のインバータなどにおいて使用される。パワーモジュールは、絶縁基板(11)と、回路部(12)と、金属層(13)と、放熱部材(14)とを備えている。なお、図1bでは、回路部(12)の図示を省略している。
絶縁基板(11)は、絶縁材料(例えば、セラミックス)で構成されている。また、絶縁基板(11)は、矩形状に形成されている。以下の説明では、絶縁基板(11)の一対の主面のうち一方の主面(より具体的には、回路部(12)に対向する主面)を「回路面(111)」と表記し、他方の主面(より具体的には、金属層(13)および放熱部材(14)に対向する主面)を「放熱面(112)」と表記する。
回路部(12)は、絶縁基板(11)の回路面(111)に形成されている。回路部(12)は、金属層(121),半田(122),パワー半導体素子(123),ボンディングワイヤ(124)などによって構成されている。金属層(121)は、導電性材料(例えば、銅,銅合金,アルミニウム,アルミニウム合金など)によって構成され、絶縁基板(11)の回路面(111)に形成されている。金属層(121)には、回路パターンが形成されている。パワー半導体素子(123)は、半田(122)によって金属層(121)と接合されている。また、パワー半導体素子(123)は、ボンディングワイヤ(124)によって金属層(121)に電気的に接続されている。例えば、パワー半導体素子(123)は、整流ダイオードや、パワートランジスタなどである。
金属層(13)は、導電性材料(例えば、銅,銅合金,アルミニウム,アルミニウム合金など)によって構成され、絶縁基板(11)の放熱面(112)に形成されている。金属層(13)には、放熱パターンが形成されている。
放熱部材(14)は、伝熱性材料(例えば、銅,銅合金,アルミニウム,アルミニウム合金など)によって構成されている。また、放熱部材(14)は、放熱部材(14)の長さ方向に直交する断面形状が一定となるように構成されている。例えば、放熱部材(14)は、放熱部材(14)の長さ方向を押出方向として押出成型された部材である。ここでは、放熱部材(14)は、矩形状に形成されている。以下の説明では、放熱部材(14)の一対の主面のうち一方の主面(より具体的には、絶縁基板(11)および金属層(13)に対向する主面)を「接合面(141)」と表記し、他方の主面(すなわち、接合面(141)の裏側に配置された主面)を「放熱面(142)」と表記する。
次に、半田(10)について説明する。半田(10)の厚みを厚するほど、半田(10)の熱応力耐性を高くすることができるが、半田(10)の熱抵抗が高くなるので放熱特性が悪化してしまう。また、接合不良(例えば、絶縁基板(11)の傾き)が発生しやすくなる。また、半田(10)に発生する熱応力は、金属層(13)の4つの角部に対応する半田(10)の部分(より具体的には、平面視において金属層(13)の角部に重複している部分)に集中しやすくなっている。
次に、半田(10)の熱応力耐性について説明する。図1aおよび図1bに示したパワーモジュールでは、放熱部材(14)の接合面(141)に凹条部(100,100)が形成されているので、凹条部(100,100)に対応する半田(10)の部分(より具体的には、平面視において凹条部(100,100)に重複している部分)の厚みを厚くすることができる。
以上のように、平面視において金属層(13)の側面(131,131)が凹条部(100,100)の内部にそれぞれ配置しているので、金属層(13)の角部に対応する半田(10)の部分の厚みを厚くすることができる。これにより、半田(10)の熱応力耐性を効果的に向上させることができる。
なお、放熱部材(14)は、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されていることが好ましい。このように構成することにより、放熱部材(14)を銅によって構成する場合よりも、放熱部材(14)の材料コストを低減することができるとともに、放熱部材(14)を軽量化することができる。
また、放熱部材(14)がアルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている場合、半田(10)による接合を可能にするための表面処理(例えば、ニッケルめっき)が放熱部材(14)の接合面(141)に施されていることが好ましい。このように構成することにより、特殊な方法を利用して半田(10)による接合を行う場合(例えば、超音波半田付け)よりも、半田(10)による接合を容易に行うことができる。
図2aおよび図2bのように、凹条部(100,100)の内側壁面(102,102)は、底面(101,101)から放熱部材(14)の中央面部(141a)へ向けて傾斜するように構成されていても良い。このように構成することにより、凹条部(100,100)の内側壁面(102,102)の付近に半田(10)の熱応力が集中することを緩和することができる。これにより、半田(10)の熱応力耐性をさらに向上させることができる。
図3aおよび図3bは、実施形態2によるパワーモジュールの断面構成および平面構成をそれぞれ示している。このパワーモジュールでは、放熱部材(14)の放熱面(142)に、取り付け溝(200)が形成されている。その他の構成は、図1aおよび図1bに示したパワーモジュールの構成と同様である。なお、図3bでは、放熱部材(14)のみを図示している。
取り付け溝(200)は、冷却液配管(201)を取り付けることができるように構成されている。冷却液配管(201)は、冷却液を流通させるための配管である。ここでは、取り付け溝(200)は、放熱部材(14)の長さ方向に沿って、放熱部材(14)の放熱面(142)の全長に亘って(より具体的には、放熱部材(14)の一対の端面(144,144)の一方から他方へ向けて)延びている。また、取り付け溝(200)の断面形状(長さ方向に直交する断面の形状)は、半円状に形成されている。
冷却液配管(201)は、放熱部材(14)の放熱面(142)に形成された取り付け溝(200)に嵌め込まれ、取り付け部材(202)に覆われている。取り付け部材(202)は、ボルト(203,203,…)によって放熱部材(14)の放熱面(142)に固定されている。
以上のように、放熱部材(14)の放熱面(142)に取り付け溝(200)を形成することにより、放熱部材(14)の放熱面(142)に冷却液配管(201)を取り付けることができる。これにより、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
図4のように、取り付け溝(200)の代わりに、複数の放熱フィン(142a,142a,…)が、放熱部材(14)の放熱面(142)に形成されていても良い。このように構成した場合も、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
図5aおよび図5bは、実施形態3によるパワーモジュールの断面構成および平面構成を示している。このパワーモジュールは、図1aおよび図1bに示した構成に加えて、放熱グリス(301)と、ヒートシンク(302)とを備えている。なお、図5bでは、回路部(12)の図示を省略している。
ヒートシンク(302)は、伝熱性材料(例えば、銅,銅合金,アルミニウム,アルミニウム合金など)によって構成されている。また、ヒートシンク(302)は、矩形状に形成されている。以下の説明では、ヒートシンク(302)の一対の主面のうち一方の主面(より具体的には、放熱部材(14)に対向する主面)を「接合面(311)」と表記し、他方の主面を「放熱面(312)」と表記する。
冷却液配管(201)は、ヒートシンク(302)の放熱面(312)に形成された取り付け溝(300)に嵌め込まれ、取り付け部材(202)に覆われている。取り付け部材(202)は、ボルト(203,203,…)によってヒートシンク(302)の放熱面(312)に固定されている。
以上のように、放熱部材(14)の放熱面(142)にヒートシンク(302)を取り付けることにより、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
図6のように、取り付け溝(300)の代わりに、複数の放熱フィン(312a,312a,…)が、ヒートシンク(302)の放熱面(312)に形成されていても良い。このように構成した場合も、パワーモジュールの放熱性能を向上させることができる。
なお、以上の実施形態を適宜組み合わせて実施しても良い。以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
11 絶縁基板(基板)
111 回路面(一方面)
112 放熱面(他方面)
113 側面
12 回路部
121 金属層
122 半田
123 パワー半導体素子
124 ボンディングワイヤ
13 金属層
131 側面
14 放熱部材
141 接合面
141a 中央面部
141b 外側面部
142 放熱面
142a 放熱フィン
143 側面
144 端面
100 凹条部
101 底面
102 内側壁面
103 外側壁面
200 取り付け溝
Claims (5)
- 基板(11)と、
上記基板(11)の一方面(111)に形成された回路部(12)と、
上記基板(11)の他方面(112)に形成された矩形状の金属層(13)と、
長さ方向に直交する断面形状が一定となるように構成された放熱部材(14)とを備え、
上記放熱部材(14)は、上記金属層(13)に対向する接合面(141)を有し、
上記放熱部材(14)の接合面(141)には、該放熱部材(14)の長さ方向に沿って該接合面(141)の全長に亘って平行に延びる一対の凹条部(100)が形成され、
上記放熱部材(14)の接合面(141)は、平面視において上記金属層(13)の互いに対向する一対の側面(131)が上記一対の凹条部(100)の内部にそれぞれ配置されるように、半田(10)によって上記金属層(13)と接合されている
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 請求項1において、
上記放熱部材(14)は、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 請求項2において、
上記放熱部材(14)の接合面(141)には、上記半田(10)による接合を可能にするための表面処理が施されている
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 請求項1〜3のいずれか1項において、
上記一対の凹条部(100)は、該一対の凹条部(100)の底面(101)から上記放熱部材(14)の接合面(141)のうち該一対の凹条部(100)の間に挟まれた中央面部(141a)へ向けて傾斜する内側壁面(102)を有している
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 請求項1〜4のいずれか1項において、
上記放熱部材(14)は、上記接合面(141)の裏側に配置された放熱面(142)を有し、
上記放熱部材(14)の放熱面(142)には、配管(201)を取り付け可能な取り付け溝(200)が形成されている
ことを特徴とするパワーモジュール。
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