JP2016134552A - パワーモジュール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導材の塗布層を介して絶縁基板と冷却器とを接合する構成において、密着性を高めて熱伝導性能を向上させることのできるパワーモジュール構造を提供する。
【解決手段】冷却器１と、該冷却器の一面に熱伝導材の塗布層２を介して一面が配置される絶縁基板４と、該絶縁基板の他の面に搭載されるパワー半導体素子７ａ、７ｂと、該パワー半導体素子に接合されるビームリード８と、熱伝導材の塗布層を押圧する方向に前記ビームリードを付勢する付勢部材１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュール構造に関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置（インバータ）などとして用いられる。

ところで、冷却器を一体に設けたパワーモジュール構造においては、絶縁基板と冷却器との間をハンダ層で接合した場合に、線膨張係数の違いに基づくハンダ接合後の収縮差によって絶縁基板が反ってしまい、ハンダ層にクラックを生じる等の問題があった。

そこで、ハンダ接合に代えて、伝熱グリス等の熱伝導材を用いて絶縁基板と冷却器との接合を行う技術が種々提案されている（例えば特許文献１等）。

このように伝熱グリス等の熱伝導材を用いて絶縁基板と冷却器とを接合することにより、絶縁基板に反りを生じることを解消することができた。

特開平１１−１６３２３１号公報

しかしながら、上記のように熱伝導材を用いたパワーモジュール構造では、絶縁基板と冷却器との密着性が低く、絶縁基板と冷却器との間の熱伝導性能が低下するという新たな問題を生じていた。

例えば、図８（ａ）に示すようなパワーモジュール構造では、熱伝動性グリス７０５を塗布したインバータケース７０３上にパワーモジュール７０１を載置して、両端をボルト７０６により締結することで、パワーモジュール７０１をインバータケース７０３へ組み付けるようにしているが、図８（ｂ）に示すように、ボルト７０６等で締結した際に、パワーモジュール７０１の底面と熱伝動性グリス７０５との間に隙間Ｑが生じるという問題があった。

即ち、熱伝動性グリス７０５を塗布したインバータケース７０３にパワーモジュール７０１を組み付けた場合に、熱伝動性グリス７０５の流動性が悪いことから、ボルト７０６によりパワーモジュール７０１を締結する際にパワーモジュール７０１が熱伝動性グリス７０５からの反力を受けて、熱伝動性グリス７０５の両端部を支点Ｐとして上方に凸形状に変形し、パワーモジュール７０１の底面と熱伝動性グリス７０５との間に隙間Ｑが発生してパワーモジュール７０１とインバータケース７０３との密着性を確保できず、熱伝導性能が低下してしまうという不都合があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱伝導材の塗布層を介して絶縁基板と冷却器とを接合する構成において、密着性を高めて熱伝導性能を向上させることのできるパワーモジュール構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るパワーモジュール構造は、冷却器と、該冷却器の一面に熱伝導材の塗布層を介して一面が配置される絶縁基板と、該絶縁基板の他の面に搭載されるパワー半導体素子と、該パワー半導体素子に接合されるビームリードと、前記熱伝導材の塗布層を押圧する方向に前記ビームリードを付勢する付勢部材とを備えることを要旨とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュール構造において、前記冷却器上には、パワーモジュール全体を囲繞する枠体が設けられ、前記付勢部材は、前記枠体に両端部が固定される板バネ部材で構成されることを要旨とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のパワーモジュール構造において、前記板バネ部材と前記ビームリードとの間には、薄板状の絶縁部材が介在されていることを要旨とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のパワーモジュール構造において、前記ビームリードは、前記パワー半導体素子を押圧する弾性部を有することを要旨とする。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のパワーモジュール構造において、前記熱伝導材の塗布層の厚さは、前記パワー半導体素子に対応する塗布範囲が、他の塗布範囲よりも厚くなるように成されていることを要旨とする。

請求項１に係るパワーモジュール構造によれば、熱伝導材の塗布層を押圧する方向にビームリードを付勢する付勢部材を備えているので、パワー半導体素子の裏面部に相当する絶縁基板と冷却器との間に隙間を生じることを抑制し、絶縁基板と冷却器との密着性を高めて熱抵抗を低減し、熱伝導性能を向上させることができる。

請求項２に係るパワーモジュール構造によれば、付勢部材は、枠体に両端部が固定される板バネ部材で構成されるので、比較的簡易且つ低コストの構成で、絶縁基板と冷却器との密着性を高めて熱伝導性能を向上させることができる。

請求項３に係るパワーモジュール構造によれば、板バネ部材とビームリードとの間には、薄板状の絶縁部材が介在されているので、板バネ部材による付勢力をビームリードに均等に伝達することができ、パワー半導体素子の裏面部に相当する絶縁基板と冷却器との間に隙間が生じることをより有効に抑制することができる。

請求項４に係るパワーモジュール構造によれば、ビームリードは、パワー半導体素子を押圧する弾性部を有するので、この弾性部で付与される押圧力をパワー半導体素子に均等に伝達して、パワー半導体素子の裏面部に相当する絶縁基板と冷却器との間に隙間が生じることをより有効に抑制することができる。

請求項５に係るパワーモジュール構造によれば、熱伝導材の塗布層の厚さは、パワー半導体素子に対応する塗布範囲が、他の塗布範囲よりも厚くなるように成されているので、熱伝導材の塗布層の厚みによってパワー半導体素子の裏面部に相当する絶縁基板と冷却器との間に隙間やボイドが生じることをより有効に抑制することができる。

第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造の構成例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造の要部の構成例を示す断面図（ａ）、（ｂ）である。 第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造の構成例を示す断面図である。 第３の実施の形態に係るパワーモジュール構造の構成例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造の構成例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造の他の構成例を示す断面図である。 伝熱グリスの塗布範囲を示す説明図である。 従来技術に係るパワーモジュール構造の構成例を示す側面図（ａ）、（ｂ）である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図１および図２を参照して、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１の構成例について説明する。

図１は、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１の構成例を示す断面図、図２（ａ）、（ｂ）は、パワーモジュール構造ＰＭ１の要部の構成例を示す断面図である。

図１に示すように、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１は、アルミニウムや銅などで構成される冷却ジャケットとしての冷却器１と、この冷却器１の一面に伝熱グリス等で構成される熱伝導材の塗布層２および導電金属層（導電パターン等）３を介して一面が接合されるセラミック基板等の絶縁基板４と、この絶縁基板４の他の面に導電金属層５およびハンダ層６を介して一面が接合されるパワー半導体素子７ａ、７ｂと、このパワー半導体素子７ａ、７ｂの他の面に電気的に接合される銅板等で構成されるビームリード８と、熱伝導材の塗布層２を押圧する方向にビームリード８を付勢する付勢部材１０とを備えている。

また、冷却器１の上には、パワーモジュール全体を囲繞する樹脂製の枠体２００が設けられている。

そして、本実施の形態において、付勢部材１０は、枠体２００の上部に両端部１０ａ、１０ｂが固定されるステンレス鋼等で形成される板バネ部材で構成されている。なお、板バネ部材１０の両端部１０ａ、１０ｂの構成例およびその固定部の構成例については図２を参照して後述する。

また、本実施の形態では、板バネ部材１０とビームリード８との間には、薄板状の絶縁部材（例えば、厚さ１ｍｍ程度のセラミック板等）９が介在されている。

ここで、図２（ａ）を参照して板バネ部材１０Ａの両端部１０ａ、１０ｂの構成例およびその固定部の構成例について説明する。

図２（ａ）には、板バネ部材１０Ａの端部１０ａの構成例を示す。なお、他端部１０ｂも同様の構造を有する。

図２（ａ）に示す構成例では、端部１０ａが、ステンレス鋼等で形成される板材の折曲げ加工により、矢印Ｄ２方向に弾性変形可能な楔状に成形されている。

また、枠体２００の上部には、板バネ部材１０の端部１０ａを収容して固定する固定部２０１ａ（２０１ｂ）が形成されている。

より具体的には、枠体２００の上部には、楔状に成形された板バネ部材１０Ａの端部１０ａ（１０ｂ）の凸部１０ａ１と係合可能な庇部２００ａを有する穴状の固定部２０１ａ（２０１ｂ）が穿設されている。

そして、板バネ部材１０Ａの端部１０ａ（１０ｂ）を枠体２００に固定する際には、楔状に成形された板バネ部材１０Ａの端部１０ａ（１０ｂ）を手動で矢印Ｄ２方向に弾性変形させて、穴状の固定部２０１ａ（２０１ｂ）に挿入する。

次いで、端部１０ａ（１０ｂ）から手を離して、弾性変形を解除することにより、板バネ部材１０Ａの端部１０ａの凸部１０ａ１と、固定部２０１ａ（２０１ｂ）の庇部２００ａとが係合して、板バネ部材１０Ａの端部１０ａ（１０ｂ）が固定部２０１ａ（２０１ｂ）により固定される。

なお、パワーモジュール構造ＰＭ１のメンテナンス等において、板バネ部材１０Ａを取り外す必要がある場合には、上記の固定手順と逆の操作を行うことにより、板バネ部材１０Ａの端部１０ａ（１０ｂ）と固定部２０１ａ（２０１ｂ）との固定状態を解除することができる。

図２（ｂ）には、板バネ部材１０Ｂの端部１０ａの他の構成例を示す。なお、他端部１０ｂも同様の構造を有する。

図２（ｂ）に示す構成例では、板バネ部材１０Ｂはステンレス鋼等から成る板材で構成され、その端部１０ａ（１０ｂ）には、金属製の球体３０ａ（３０ｂ）が固定されている。

また、枠体２００の上部には、球体３０ａ（３０ｂ）を収容して固定する固定部２０１ａ（２０１ｂ）が形成されている。

そして、板バネ部材１０Ｂの端部１０ａ（１０ｂ）を枠体２００に固定する際には、板バネ部材１０Ｂの端部１０ａ（１０ｂ）に有る球体３０ａ（３０ｂ）を穴状の固定部２０１ａ（２０１ｂ）に対してＤ３方向に押圧して圧入する。

この際に、固定部２０１ａ（２０１ｂ）の上端部２００ｂは、球体３０ａ（３０ｂ）に押されてＤ４方向に弾性変形して球体３０ａ（３０ｂ）を受け入れた後に、元の状態に戻る。

これにより、板バネ部材１０Ｂの端部１０ａ（１０ｂ）の球体３０ａ（３０ｂ）が固定部２０１ａ（２０１ｂ）に収容されて固定される。

本実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１は、上述のような構成により、以下の効果を奏することができる。

まず、パワーモジュール構造ＰＭ１は、熱伝導材の塗布層２を押圧する方向（Ｄ１方向）にビームリードを付勢する付勢部材１０を備えているので、パワー半導体素子７ａ、７ｂの裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１との間に隙間やボイドを生じることを抑制し、絶縁基板４と冷却器１との密着性を高めて熱抵抗を低減し、熱伝導性能を向上させることができる。

また、付勢部材１０は、枠体に両端部が固定される板バネ部材１０Ａ、１０Ｂで構成されるので、比較的簡易且つ低コストの構成で、絶縁基板４と冷却器１との密着性を高めて熱伝導性能を向上させることができる。

また、本実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１では、板バネ部材１０Ａ、１０Ｂとビームリード８との間には、薄板状の絶縁部材９が介在されているので、板バネ部材１０Ａ、１０Ｂによる付勢力をビームリード８に均等に伝達することができ、パワー半導体素子７ａ、７ｂの裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１との間に隙間やボイドが生じる事態をより有効に抑制することができる。

［第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図３を参照して、第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２の構成例について説明する。

図３は、第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２の構成例を示す断面図である。

なお、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２が、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と異なる点は、図３に示すように、ビームリード８Ａの一端側（図３では右端側）に延長部８Ａａを設けると共に、上方等へ折曲げ加工を施し、枠体２００ａの上面と接触する部位には、板バネ部材１０Ａの端部１０ａおよび図示しない固定ボルトを挿通する挿通穴８Ａｂが設けられている点である。

なお、枠体２００ａの上面の高さは、反対側の枠体２００ｂの上面の高さより若干低く構成するとよい。

このような構成の第２の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２では、板バネ部材１０Ａの挿通穴８Ａｂに固定ボルト（図示せず）を挿通して枠体２００ａの上面に固定することにより、延長部８Ａａを介して熱伝導材の塗布層２を押圧する方向（Ｄ５方向）に押圧力を付与することができ、パワー半導体素子７ａ、７ｂの裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１との間に隙間やボイドが生じる事態をより有効に抑制することができる。

［第３の実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図４を参照して、第３の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ２の構成例について説明する。

図３は、第３の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ３の構成例を示す断面図である。

なお、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

第３の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ３が、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と異なる点は、図１と図３を比較すると分かるように、パワーモジュール構造ＰＭ３では、絶縁基板４の下面の導電金属層（銅パターン等）３が省略されている点である。

即ち、従来のように絶縁基板４と冷却器１とをハンダ接合する構成では、絶縁基板４の下面側にハンダ層を接合させるために絶縁基板４の下面に金属層（銅パターン等）３を設けることが必須であった。しかし、本発明においては、絶縁基板４と冷却器１とを伝熱グリス等で構成される熱伝導材の塗布層２で接合しているので、金属層（銅パターン等）３の存在は必須ではなくなった。

第３の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ３では、絶縁基板４の下面の導電金属層（銅パターン等）３を省略して、導電金属層３による熱抵抗を低減することにより、熱伝導性能を一層向上させることができる。

［第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造］
図５および図６を参照して、第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ４ａ、ＰＭ４ｂの構成例について説明する。

図５は、第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ４ａの構成例を示す断面図、図６は、パワーモジュール構造の他の構成例ＰＭ４ｂを示す断面図である。

なお、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ４ａ、ＰＭ４ｂが、第１の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１と異なる点は、ビームリード８Ｂ、８Ｃが、パワー半導体素子７ａ、７ｂを押圧する弾性部（バネ部）４０ａ、４０ｂまたは５０ａ、５０ｂを備えている点である。

具体的には、図５に示す構成例では、ビームリード８Ｂの両下部についてそれぞれ内側に湾曲させる加工を施して、弾性部（バネ部）４０ａ、４０ｂを形成している。

これにより、弾性部（バネ部）４０ａ、４０ｂで付与されるＤ６方向の押圧力をパワー半導体素子７ａ、７ｂに均等に伝達して、パワー半導体素子７ａ、７ｂの裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１との間に隙間やボイドが生じる事態をより有効に抑制することができる。

また、図６に示す構成例では、弾性部（バネ部）４０ａ、４０ｂに加えて、ビームリード８Ｃの垂直部に波状の弾性部（バネ部）５０ａ、５０ｂを設けている。

これにより、弾性部（バネ部）４０ａ、４０ｂおよび弾性部（バネ部）５０ａ、５０ｂで付与されるＤ７方向の押圧力をパワー半導体素子７ａ、７ｂに均等に伝達して、パワー半導体素子７ａ、７ｂの裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１との間に隙間やボイドが生じる事態をより有効に抑制することができる。

［伝熱グリスの塗布範囲について］
図７を参照して、第１から第４の実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１〜ＰＭ４の何れかを用いたインバータ装置１００における伝熱グリス等の熱伝導材の塗布範囲の実施例について説明する。

図７において、符号１０１ａ〜１０１ｄはビームリード、符号Ｃ１〜Ｃ８はパワー半導体素子のチップを表すものとする。

そして、図７に示す例では、熱伝導材の塗布層の厚さは、パワー半導体素子Ｃ１〜Ｃ８に対応する塗布範囲１５０が、他の塗布範囲よりも厚くなるように成されている。

より具体的には、塗布範囲１５０については、伝熱グリス等の塗布に用いるスクリーンのメッシュ開口比率を他の塗布範囲よりも大きくすることにより、塗布範囲１５０における熱伝導材の塗布層の厚さを他の塗布範囲よりも厚くすることができる。

また、塗布範囲１５０については、伝熱グリス等の塗布に用いるスクリーンの厚さを変えて、塗布範囲１５０における熱伝導材の塗布層の厚さを他の塗布範囲よりも厚くするようにしてもよい。

これにより、熱伝導材の塗布層の厚さについて、パワー半導体素子Ｃ１〜Ｃ８に対応する塗布範囲が、他の塗布範囲よりも厚くなるので、熱伝導材の塗布層の厚みによってパワー半導体素子Ｃ１〜Ｃ８の裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１（図１等参照）との間に隙間やボイドが生じる事態をより有効に抑制することができる。

以上述べたように、本実施の形態に係るパワーモジュール構造ＰＭ１〜ＰＭ４によれば、パワー半導体素子７ａ、７ｂ、Ｃ１〜Ｃ８の裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１（図１等参照）との間に隙間やボイドが生じる事態を有効に抑制することができ、熱伝導性能、放熱性能を向上させることができる。

また、ビームリード８の高さにバラツキがあった場合でも、板バネ部材１０や弾性部（バネ部）４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂによって、熱伝導材の塗布層２を押圧する方向に押圧力を付与することができ、パワー半導体素子７ａ、７ｂの裏面部に相当する絶縁基板４と冷却器１との間に隙間やボイドが生じる事態をより有効に抑制することができるなどの効果を得ることができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

ＰＭ１〜ＰＭ４…パワーモジュール構造
１…冷却器
２…塗布層
３…導電金属層
４…絶縁基板
５…導電金属層
６…ハンダ層
７ａ、７ｂ…パワー半導体素子
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ…ビームリード
８Ａａ…延長部
８Ａｂ…挿通穴
９…薄板状の絶縁部材
１０、１０Ａ、１０Ｂ…付勢部材（板バネ部材）
１０ａ…両端部
１０ａ１…凸部
１０ｂ…他端部
３０ａ、３０ｂ…球体
１００…インバータ装置
１５０…塗布範囲
２００、２００ａ、２００ｂ…枠体
２０１ａ…固定部
Ｃ１〜Ｃ８…パワー半導体素子

Claims (5)

1. 冷却器（１）と、
   該冷却器の一面に熱伝導材の塗布層（２）を介して一面が配置される絶縁基板（４）と、
   該絶縁基板の他の面に搭載されるパワー半導体素子（７ａ、７ｂ）と、
   該パワー半導体素子に接合されるビームリード（８）と、
   前記熱伝導材の塗布層を押圧する方向に前記ビームリードを付勢する付勢部材（１０）と
   を備えることを特徴とするパワーモジュール構造。
2. 前記冷却器上には、パワーモジュール全体を囲繞する枠体（２００）が設けられ、
   前記付勢部材は、前記枠体に両端部（１０ａ、１０ｂ）が固定される板バネ部材（１０Ａ、１０Ｂ）で構成され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構造。
3. 前記板バネ部材と前記ビームリードとの間には、薄板状の絶縁部材（９）が介在されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール構造。
4. 前記ビームリードは、前記パワー半導体素子を押圧する弾性部（４０ａ、４０ｂ）を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のパワーモジュール構造。
5. 前記熱伝導材の塗布層の厚さは、前記パワー半導体素子に対応する塗布範囲（１５０）が、他の塗布範囲よりも厚くなるように成されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のパワーモジュール構造。

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