JP2017092374A - パワーカードの組付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートスプレッダの窪み量のばらつきによる影響を低減すること。【解決手段】中央部に配置された素子２１部分の両面にヒートスプレッダ２２が当接されると共に、端部が樹脂モールド部２３によりモールドされ、樹脂モールド部２３に比べてヒートスプレッダ２２が素子２１側に窪んでいる平板状のパワーカード１１に対して、放熱グリス３１を介して平板状の相手材を組付ける組付け方法であって、ヒートスプレッダ２２に塗布される放熱グリス３１の塗膜厚さを、樹脂モールド部２３に塗布される塗膜厚さに比べて厚くする。【選択図】図３

Description

本発明は、パワーカードの組付け方法に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２００９−２４６０６３号公報がある。この公報に記載されたパワーモジュールの冷却構造では、パワーモジュールと筐体の間に放熱グリスを充填して保持しておくための保持部が形成されたものが開示されている。これにより放熱グリスの流出を抑えるとともに、パワーモジュールの表面から放熱板に放熱グリスを介して熱を伝導させることにより、パワーモジュールを高効率で冷却することができる。

特開２００９−２４６０６３号公報

しかしながら、端部がエポキシなどの樹脂によりモールドされ、中央の素子部分が銅などのヒートスプレッダなどで覆われたパワーカードにおいて、パワーカード表面を平滑化するために切削すると、線形膨張係数の差によってヒートスプレッダ部分が素子側に窪んだ状態となる。このようなパワーカードに対して、図７に示すように、断面形状が四角であるスリットノズル７１を用いて平面状に塗布されたグリス６１を介して、絶縁板６２等を取り付けた場合、図８に示すように、ヒートスプレッダ５２の窪み量が小さいと、絶縁板６２により圧縮荷重をかけた場合であってもグリス６１の圧縮量が小さくなる。この場合、端部側の樹脂モールド部５３でグリス６１の厚みが厚くなり、熱抵抗が大きくなり放熱効率が低下するおそれがある。一方、図９に示すように、ヒートスプレッダ５２の窪み量が大きいと、絶縁板６２により圧縮荷重をかけた場合に、端部側の樹脂モールド部５３においてグリス６１が薄く、絶縁板６２と樹脂モールド部５３が接触して擦れることで樹脂モールド部５３が割れ、絶縁不良を起こすおそれがある。
本発明は、ヒートスプレッダの窪み量のばらつきによる影響を低減するパワーカードの組付け方法を提供するものである。

本発明にかかるパワーカードの組付け方法は、中央部に配置された素子部分の両面にヒートスプレッダが当接されると共に、端部が樹脂モールド部によりモールドされ、前記樹脂モールド部に比べて前記ヒートスプレッダが前記素子側に窪んでいる平板状のパワーカードに対して、放熱グリスを介して平板状の相手材を組付ける組付け方法であって、前記ヒートスプレッダに塗布される放熱グリスの塗膜厚さを、前記樹脂モールド部に塗布される塗膜厚さに比べて厚くする。
これにより、相手材による圧縮によりグリスが変形しやすくなり、グリスが溢れた分は端部の樹脂モールド部に流動させることができる。

これにより、ヒートスプレッダの窪み量のばらつきによる影響を低減することができる。

半導体装置の構成を示す図である。 半導体装置の分解図である。 パワーカードに対し、位置によって厚みが異なるように放熱グリスが塗布された状態を示す図である。 パワーカードに絶縁板を取り付ける際のグリスの流れを示す図である。 スリットノズルの形状が異なる例を示す図である。 形状が異なるスリットノズルにより放熱グリスが塗布された後に、パワーカードに絶縁板を取り付ける状態を示す図である。 関連するパワーカードに平面状に放熱グリスが塗布された状態を示す図である。 関連するパワーカードに放熱グリスが厚く塗布され、絶縁板等を取り付けた状態を示す図である。 関連するパワーカードに放熱グリスが薄く塗布され、絶縁板等を取り付けた状態を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２に示すように、半導体装置１は、パワーカード１１と、放熱部１２と、を備える。パワーカード１１は、パワーカード１１の中央部に配置された素子２１と、素子２１の上下に両面にそれぞれ配置された２枚ヒートスプレッダ２２と、パワーカード１１の端部側に設けられた樹脂モールド部２３と、を備える。放熱部１２は、ヒートスプレッダ２２及び樹脂モールド部２３上に塗布される放熱グリス３１と、放熱グリス３１を挟んでパワーカード１１の両面と対向する２枚の絶縁板３２と、絶縁板３２に密着する冷却フィン部３３と、を備える。

素子２１は、上下方向に薄く形成された板状の半導体素子である。素子２１は、電流の交流と直流を変更する、電圧の降下などを行うことでモータを駆動する、バッテリの充電を行う、マイコンを動作させる、ＬＳＩを動作させる、電源を制御し電力の供給を行う等の動作を行う。また、素子２１の平面方向の端部側には端子２１ａが突出している。

１対の平板状のヒートスプレッダ２２は、素子２１の上面及び下面に当接するように配置されている。すなわち、第１のヒートスプレッダ２２ａの下面は素子２１の上面に当接し、第２のヒートスプレッダ２２ｂの上面は、素子２１の下面に当接する。例えば、第１のヒートスプレッダ２２ａ及び第２のヒートスプレッダ２２ｂの素材は銅であり、それぞれ素子２１にはんだ付けされている。なお、ヒートスプレッダ２２の素材は銅に限られない。

樹脂モールド部２３は、樹脂により素子２１をオーバーモールドする。これにより、樹脂モールド部２３は、素子２１の防水、応力によるハンダ割れの防止、防塵を行う。樹脂モールド部２３は、素子２１が延在する方向における端部側に配置されている。樹脂モールド部２３から端子２１ａの一端部が突出している。樹脂モールド部２３に使用される樹脂は、例えばエポキシ樹脂である。

ここで、樹脂モールド部２３は、ヒートスプレッダ２２を取り付けた素子２１に対してモールド樹脂を塗布した後に、パワーカード１１の上面及び下面の両方において、平板状になるように切削することにより形成される。モールド樹脂の切削を行う際には、ヒートスプレッダ２２の中央部はモールド樹脂との線膨張差により、凸形状となっている。また、ヒートスプレッダ２２は、常温に戻ったときに、中央部が凹んだ状態になる。

放熱グリス３１は、ヒートスプレッダ２２上及び樹脂モールド部２３上に塗布される。放熱グリス３１の塗布厚さは、樹脂モールド部２３上に比べてヒートスプレッダ２２上のほうが厚い状態である。例えば放熱グリス３１は、ヒートスプレッダ２２上では、中央部の凹みから約２０μｍの厚さで塗布された状態である。放熱グリス３１の塗布方法については後に詳述する。

２枚の絶縁板３２は、パワーカード１１を上下方向から挟み込むように配置されている。パワーカード１１の上側に配置された絶縁板３２ａの下面は、放熱グリス３１を介して、パワーカード１１の上面と当接している。絶縁板３２ａに上面には、冷却フィン部３３が密着して配置されている。同様に、パワーカード１１の下面に配置された絶縁板３２ｂの上面は、放熱グリス３１を介して、パワーカード１１の下面と当接している。絶縁板３２ｂに下面には、冷却フィン部３３が密着して配置されている。なお典型的には、絶縁板３２の上下面の面積は、パワーカード１１の上下面の面積より僅かに大きい。

冷却フィン部３３には、絶縁板３２に密着する台座３３ａ上に、突起状の複数のフィン３３ｂが設けられている。複数のフィン３３ｂにより伝熱面積を拡大することで、熱交換の効率を向上させる。

次に、図面を参照して、パワーカード１１に放熱部１２を組み付ける手順について説明する。

最初に、パワーカード１１に対して、放熱グリス３１の塗布を行う。図３に示すように、素子２１に対してヒートスプレッダ２２と樹脂モールド部２３が設けられたパワーカード１１を、１対のスリットノズル４１で挟みこむ。ここでパワーカード１１の上部側に配置されたスリットノズルを上側スリットノズル４１Ａ、下部側に配置されたスリットノズルを下側スリットノズル４１Ｂとする。

上側スリットノズル４１Ａの下面部の形状は、ヒートスプレッダ２２に対向する第１の壁部４１ａが、樹脂モールド部２３に対向する第２の壁部４１ｂよりも上方に配置された円弧形状である。言い換えると、上側スリットノズル４１Ａの下部側では、中央部が上方に凹んでおり、端部が下がった形状である。例えば、ヒートスプレッダ２２から、第１の壁部４１ａまでの距離は、２０μｍである。この上側スリットノズル４１Ａを用いて放熱グリス３１が塗布されることで、パワーカード１１の上面において、放熱グリス３１の表面が円弧を描くように、中央部で厚く塗布された塗膜が形成され、端部で薄く塗布された塗膜が形成された状態になる。

また同様に、下側スリットノズル４１Ｂの上面部の形状は、ヒートスプレッダ２２に対向する第１の壁部４１ａが、樹脂モールド部２３に対向する第２の壁部４１ｂよりも下方に配置される形状である。この下側スリットノズル４１Ｂを用いて放熱グリス３１が塗布されることにより、パワーカード１１の下面において、中央部で厚く塗布され、端部で薄く塗布された状態になる。

放熱グリス３１が塗布された後に、スリットノズル４１を取り外す。その後、図４に示すように、パワーカード１１の上下面に絶縁板３２を配置し、パワーカード１１の両面側から圧力をかける。ここで、放熱グリス３１は絶縁板３２により圧力をかけられたときに変形しやすく、ヒートスプレッダ２２上に厚く塗布されている放熱グリス３１が、樹脂モールド部２３に流れる。したがって、放熱グリス３１の塗布の状態が、ヒートスプレッダ２２の凹み具合による影響を受けにくくなる。

次に、図１に示すように、絶縁板３２に冷却フィン部３３を取り付ける。すなわち絶縁板３２において、パワーカード１１と対向している面とは反対側の面に、冷却フィン部３３の台座３３ａを密着させる。例えば、絶縁板３２と冷却フィン部３３の台座３３ａは、グリス等を介して当接させることにより、伝熱の効率を向上させる。台座３３ａに伝熱された熱は、フィン３３ｂにより放熱される。

このように、放熱グリス３１をヒートスプレッダ２２上で厚くなるように塗布しておき、絶縁板３２を組み付ける際には、厚く塗布された放熱グリス３１を圧縮するように絶縁板３２で圧力を加えることで、放熱グリス３１がパワーカード１１の端部側に薄く広がって塗布された状態になる。これにより、放熱グリス３１において、熱抵抗のバラツキの発生が低減される。また、放熱グリス３１により樹脂モールド部２３と絶縁板３２の間のエアを排出し、絶縁板３２等が擦れて樹脂モールド部２３が割れて絶縁不良が発生することを抑制できる。そのため、熱抵抗を減少させることができ、素子２１の小型化、及び低コスト化を図ることができる。

ここで、図５に示すように、上側スリットノズル４１Ａの下面部の形状は、中央部が上方に凹んでおり、中央部から端部に向かって一定の傾斜で下がった形状であってもよい。同様に、下側スリットノズル４１Ｂの形状は、中央部が下方に凹んでおり、中央部から端部に向かって一定の傾斜で上がった形状であってもよい。

このような形状のスリットノズル４１を用いることで、図６に示すように、パワーカード１１上において、放熱グリス３１が略三角形状となるように塗布することができる。このように形成された放熱グリス３１に対して、絶縁板３２により上下方向から圧力を加えて圧縮させることにより、放熱グリス３１が変形して端部側に流れやすくなる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、放熱グリス３１は円弧又は略三角形状以外の形状になるようなスリットノズル４１を用いても良く、塗布された放熱グリス３１の表面が略台形状となるようなスリットノズルを用いても良い。すなわち、スリットノズル４１は、断面形状において中央部に比べて端が下がった形状であり、放熱グリス３１が中央部に比べて端部が薄く塗布されるものであれば、上述の形状に限られない。

１ 半導体装置
１１ パワーカード
１２ 放熱部
２１ 素子
２１ａ 端子
２２ ヒートスプレッダ
２３ 樹脂モールド部
３１ 放熱グリス
３２ 絶縁板
３３ 冷却フィン部
３３ａ 台座
３３ｂ フィン
４１ スリットノズル
４１Ａ 上側スリットノズル
４１Ｂ 下側スリットノズル
４１ａ 第１の壁部
４１ｂ 第２の壁部

Claims (1)

1. 中央部に配置された素子部分の両面にヒートスプレッダが当接されると共に、端部が樹脂モールド部によりモールドされ、前記樹脂モールド部に比べて前記ヒートスプレッダが前記素子側に窪んでいる平板状のパワーカードに対して、放熱グリスを介して平板状の相手材を組付ける組付け方法であって、
   前記ヒートスプレッダに塗布される放熱グリスの塗膜厚さを、前記樹脂モールド部に塗布される塗膜厚さに比べて厚くする
   パワーカードの組付け方法。

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