JP2018082006A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーモジュールにおいて押圧力がパワーカードの中心部へ局所的に作用することを抑制する。【解決手段】 パワーモジュールは、パワーカードと冷却器とが交互に積層された積層体と、積層体の一端に位置する最外の冷却器を積層体の積層方向に沿って押圧する押圧機構とを備える。最外の冷却器に隣接する最外のパワーカードと押圧機構との間に位置する少なくとも一つの構成部材には、前記隣接するパワーカードの中心部に対応する箇所に凹部が設けられている。【選択図】図２

Description

本明細書で開示する技術は、パワーモジュールに関する。

特許文献１に、パワーモジュールが開示されている。このパワーモジュールは、パワーカードと冷却器とが交互に積層された積層体と、積層体の一端に位置する最外の冷却器を積層体の積層方向に沿って押圧する押圧機構とを備える。

特開２０１５−２０１９８１号公報

上述した構成を有するパワーモジュールにおいて、押圧機構による押圧力がパワーカードの中心部へ局所的に作用していると、パワーカードが局所的に変形することによって、例えばリードフレームと樹脂モールドとの間で剥離が生じることがある。このような剥離又はその他の損傷がパワーカードに生じると、例えばパワーカードの内部へ水分が侵入することによって、パワーカードの寿命が早期に尽きてしまうことがある。

上記を鑑み、本開示は、押圧力がパワーカードの中心部へ局所的に作用することを抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示するパワーモジュールは、パワーカードと冷却器とが交互に積層された積層体と、積層体の一端に位置する最外の冷却器を積層体の積層方向に沿って押圧する押圧機構とを備える。最外の冷却器に隣接するパワーカードと押圧機構との間に位置する少なくとも一つの構成部材には、当該隣接するパワーカードの中心部に対応する箇所に凹部が設けられている。ここでいうパワーカードの中心部とは、当該パワーカードを積層方向（即ち、押圧機構による押圧方向）に沿って見たときの中心部を意味し、特に、端子といった突出部を除いた部分の中心部を意味する。また、凹部が設けられた構成部材は、例えば冷却器であってもよいし、スペーサ又は絶縁板といった付加的な部材であってもよい。

上記したパワーモジュールでは、冷却器又はその他の構成部材に設けられた凹部によって、最外のパワーカードの中心部と押圧機構との間に空間が形成されている。このような構成によると、押圧機構による押圧力が、当該空間の周りに分散されることから、パワーカードの中心部へ局所的に作用することが抑制される。これにより、例えばリードフレームと樹脂モールドとの間の剥離といったパワーカードの損傷が抑制される。

実施例のパワーモジュール２の要部の構成を模式的に示す図。 最外の冷却器１４ａ及びその周辺の構造を拡大して示す図。 パワーカード１２の平面図。 図３中のＩＶ−ＩＶ線における断面図。 パワーカード１２の中心部に押圧力が作用する様子を示す図。 実施例のパワーモジュール２において押圧力Ｆがパワーカード１２に作用する様子を示す図。 パワーモジュール２の変形例の要部を示す図。 パワーモジュール２の他の変形例の要部を示す図。

図面を参照して実施例のパワーモジュール２について説明する。パワーモジュール２は、コンバータやインバータといった電力変換回路を有しており、例えばハイブリッド車、燃料電池車又は電気自動車といった電動型の自動車に搭載され、電源と走行用モータとの間の電力供給を制御する。

図１、図２に示すように、パワーモジュール２は、積層体１０と押圧機構２０とを備える。積層体１０は、複数のパワーカード１２と複数の冷却器１４とを有しており、パワーカード１２と冷却器１４とが交互に積層された構造となっている。パワーカード１２と冷却器１４との間には、絶縁性の材料で形成された絶縁板１８が配設されている。各々のパワーカード１２は、パワー半導体素子を内蔵する半導体パッケージである。複数のパワーカード１２は、全てが同一構造のものであってもよいし、少なくとも一部が異なる構造のものであってもよい。パワーカード１２の具体的な構造は特に限定されない。

各々の冷却器１４は、板状に広がる形状を有しており、例えばアルミニウムといった金属材料によって形成されている。各々の冷却器１４の内部には、冷却水といった冷媒が流れる流路が画定されている。複数の冷却器１４は、互いに平行に配列されており、二つの管路１６によって互いに連結されている。各々の冷却器１４には、二つの管路１６を通じて冷媒が循環し、それによってパワーカード１２の冷却が行われる。

押圧機構２０は、積層体１０の一端に位置する最外の冷却器１４ａを、積層体１０の積層方向（図１の左右方向）に沿って押圧する機構である。これにより、全てのパワーカード１２が隣接する冷却器１４へそれぞれ密着し、パワーカード１２の冷却が効果的に行われる。押圧機構２０の具体的な構成については特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における押圧機構２０は、弾性部材２２と押圧プレート２４とを用いて構成されている。弾性部材２２は、特に限定されないが、金属板を曲げ加工によって成形した板ばねである。弾性部材２２の両端は、ピン２６を介してハウジング（図示省略）に固定されている。弾性部材２２の中央部は、積層体１０に向けて突出しており、押圧プレート２４を介して積層体１０を押圧する。

最外の冷却器１４ａは、凹部３０を有する。凹部３０は、隣接するパワーカード１２ａとは反対側の表面、即ち、押圧機構２０の押圧プレート２４に対向する表面に設けられている。凹部３０は、最外の冷却器１４ａと押圧プレート２４との間に空間を形成する。凹部３０は、最外の冷却器１４ａに隣接するパワーカード１２ａの中心部に対応する箇所に位置している。ここでいうパワーカード１２ａの中心部とは、当該パワーカード１２ａを積層方向（即ち、押圧機構２０による押圧方向）に沿って見たときの中心部を意味し、特に、端子（後述する電力端子６４、６６、６８及び信号端子群６０、６２）といった突出部を除いた部分の中心部を意味する。そして、凹部３０がパワーカード１２ａの中心部に対応する箇所に位置するとは、積層体１０を積層方向に沿って見たときに、凹部３０が形成された範囲内にパワーカード１２ａの中心部が位置することを意味する。

図３、図４を参照して、本実施例におけるパワーカード１２の構成について説明する。但し、ここで説明する構成は一例であり、パワーカード１２の構成を限定するものではない。図３、図４に示すように、パワーカード１２は、複数のパワー半導体素子４２、４４、４６、４８と、それらを封止する樹脂モールド５０を有する。複数のパワー半導体素子４２、４４、４６、４８には、第１スイッチング素子４２と第１ダイオード４４と第２スイッチング素子４６と第２ダイオード４８とが含まれる。第１スイッチング素子４２と第２スイッチング素子４４には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を採用することができる。

パワーカード１２は、複数の放熱板５２、５４、５６、５８をさらに有する。各々の放熱板５２、５４、５６、５８は、銅で形成されており、導電性及び熱伝導性に優れる。各々の放熱板５２、５４、５６、５８は、複数のパワー半導体素子４２、４４、４６、４８のいくつかと電気的に接続されているとともに、樹脂モールド５０の表面に露出している。例えば、第１の放熱板５２は、導電性ブロック４３を介して、第１スイッチング素子４２のエミッタ及び第１ダイオード４４のアノードと電気的に接続されており、樹脂モールド５０の一方の表面に露出している。第２の放熱板５４は、第１スイッチング素子４２のコレクタ及び第１ダイオード４４のカソードと電気的に接続されており、樹脂モールド５０の他方の表面に露出している。同様に、第３の放熱板５６は、第２スイッチング素子４６のエミッタ及び第２ダイオード４８のアノードと電気的に接続されており、樹脂モールド５０の一方の表面に露出している。第４の放熱板５８は、第２スイッチング素子４６のコレクタ及び第２ダイオード４８のカソードと電気的に接続されており、樹脂モールド５０の他方の表面に露出している。また、第１の放熱板５２と第４の放熱板５８は互いに、樹脂モールド５０の内部で電気的に接続されている。

パワーカード１２は、複数の電力端子６４、６６、６８及び二つの信号端子群６０、６２を有する。一方の信号端子群６０は、第１スイッチング素子４２へ電気的に接続されており、他方の信号端子群６２は、第２スイッチング素子４６へ電気的に接続されている。複数の電力端子６４、６６、６８には、Ｐ電力端子６４とＮ電力端子６６とＯ電力端子６８が含まれる。Ｐ電力端子６４は、樹脂モールド５０の内部で第２の放熱板５４と電気的に接続されており、Ｎ電力端子６６は、樹脂モールド５０の内部で第３の放熱板５６と電気的に接続されており、Ｏ電力端子６８は、樹脂モールド５０の内部で第４の放熱板５８（又は第１の放熱板５２）と電気的に接続されている。以上の構成により、各々のパワーカード１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ又はインバータの上下アームを構成し得る回路構造を有している。

図５に示すように、パワーカード１２では、その中心部Ｃの一方側（図５中の左側）に第１の放熱板５２や第１スイッチング素子４２などが配置されており、他方側（図５中の右側）に第３の放熱板５６や第２スイッチング素子４６が配置されている。一方、パワーカード１２の中心部Ｃは、樹脂モールド５０のみが存在しており、外力に対して比較的に変形しやすい。かかる構成のパワーカード１２において、仮に、パワーカード１２の中心部Ｃに押圧力Ｆが局所的に作用すると、中心部Ｃの局所的な変形に伴って放熱板５２、５６に反力Ｒが作用し、例えば図５中の範囲Ａにおいて引っ張り応力が生じ得る。その結果、放熱板５２、５６（又はその他のリードフレーム）と樹脂モールド５０との間で剥離が生じることがある。このような剥離又はその他の損傷がパワーカード１２に生じると、例えばパワーカード１２の内部へ水分が侵入することによって、パワーカード１２の寿命が早期に尽きてしまうことがある。なお、このような事象は、積層体１０のなかの複数のパワーカード１２において、押圧機構２０の近くに位置するパワーカード１２ほど生じやすい。

上記の問題に関して、本実施例では、押圧機構２０に最も近い最外の冷却器１４ａに凹部３０が設けられている。それにより、図６に示すように、最外のパワーカード１２ａの中心部Ｃと押圧機構２０との間に、凹部３０による空間が形成されている。このような構成によると、押圧機構２０による押圧力Ｆが、当該空間の周りに分散されることによって、最外のパワーカード１２ａの中心部Ｃへ局所的に作用することが抑制される。この点は、他のパワーカード１２においても同様である。これにより、上述した放熱板５２、５６と樹脂モールド５０との間の剥離といったパワーカード１２の損傷が抑制される。特に、本実施例におけるパワーカード１２の構造によると、分散された押圧力Ｆが二つの放熱板５２、５６へそれぞれ加えられる。これにより、パワーカード１２の変形がより効果的に抑制され、パワーカード１２の損傷がより有意に抑制される。

上記した実施例において、凹部３０の形状は特に限定されない。例えば、凹部３０の開口形状は、円形状、長円形状、楕円形状、矩形状、又はその他の形状であってもよい。また、凹部３０の断面形状は、半円形状、半長円形状、半楕円形状、矩形状又はその他の形状であってもよい。また、凹部３０は一つに限られず、複数の凹部３０が設けられてもよい。

また、凹部３０は、最外の冷却器１４ａに代えて、又は加えて、他の部材に設けてもよい。凹部３０は、最外の冷却器１４ａに隣接するパワーカード１２ａと押圧機構２０との間に位置する構成部材に設けることができ、それによって上述と同様の効果を得ることができる。例えば、図７に示すように、最外の冷却器１４ａと押圧機構２０との間に、凹部７２を有するスペーサ７０を設けてもよい。このような形態によっても、パワーカード１２ａの中心部Ｃに対応する箇所に、凹部７２による空間が形成されることによって、押圧力Ｆが中心部Ｃの周囲へ分散して作用する。

上記したスペーサ７０には、パワーカード１２ａの第１の放熱板５２及び第３の放熱板５６に対応する箇所に、突出部７４、７６をさらに設けることができる。このような構成によると、押圧力Ｆが二つの放熱板５２、５６へそれぞれ加えられ、パワーカード１２の局所的な変形を抑制することができる。なお、突出部７４、７６は、スペーサ７０に限られず、最外の冷却器１４ａや絶縁板１８など、パワーカード１２ａと押圧機構２０との間に位置する他の構成部材に設けることができる。また、突出部７４、７６は、放熱板５２、５６に限られず、樹脂モールド５０の表面に露出するリードフレームやその他の部材であって、押圧機構２０による押圧力が作用する部材に対応する箇所に設けることができる。

図８に、他の変形例を示す。この変形例では、最外の冷却器１４ａとそれに隣接するパワーカード１２ａとの間に位置する絶縁板１８に、凹部８０が設けられている。このような形態によっても、パワーカード１２ａの中心部Ｃに対応する箇所に、凹部８０による空間が形成されることによって、押圧力Ｆが中心部Ｃの周囲へ分散して作用する。凹部８０は、冷却器１４ａ側の表面に限られず、パワーカード１２ａ側の表面に設けられてもよい。また、絶縁板１８の凹部８０は、放熱グリスによって満たされていてもよい。

以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。本明細書又は図面に記載された技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示された技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：パワーモジュール
１０：積層体
１２：パワーカード
１２ａ：積層体１０の一端に位置する最外のパワーカード
１４：冷却器
１４ａ：最外のパワーカード１２ａに隣接するパワーカード
１６：管路
１８：絶縁板
２０：押圧機構
２２：弾性部材
２４：押圧プレート
３０：最外の冷却器１４ａに設けられた凹部
４２、４４、４６、４８：パワー半導体素子（スイッチング素子又はダイオード）
５０：樹脂モールド
５２、５４、５６、５８：放熱板
６０、６２：信号端子群
６４、６６、６８：電力端子
７０：スペーサ
７２：スペーサ７０に設けられた凹部
７４、７６：ペーサ７０に設けられた突出部
８０：絶縁板１８に設けられた凹部

Claims (1)

1. パワーカードと冷却器とが交互に積層された積層体と、
   前記積層体の一端に位置する最外の冷却器を、前記積層体の積層方向に沿って押圧する押圧機構と、を備え、
   前記最外の冷却器に隣接するパワーカードと前記押圧機構との間に位置する少なくとも一つの部材には、前記隣接するパワーカードの中心部に対応する箇所に凹部が設けられている、
   パワーモジュール。

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