JP2018166184A - 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、半導体をより効率的に冷却する。【解決手段】パワー半導体５ｂが実装された絶縁基板４と、上記絶縁基板４が載置される載置面Ａと上記載置面Ａに直交する側面Ｂ，Ｃと上記載置面Ａと対向する対向面Ｄとを有する冷却器２と、上記載置面Ａと上記側面Ｂ，Ｃと上記対向面Ｄとの少なくとも各面の一部を覆うグラファイトカバー３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールに関するものである。

自動車等に搭載されるパワーモジュールには、発熱量の多い電子部品が複数用いられるため、これらの電子部品を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、特許文献１には、発熱体（電子部品）が載置される熱拡散体と、熱拡散体を冷却する冷却器とが開示されている。また、特許文献１には、このような熱拡散体をチタンやグラファイト等の無機物で構成することにより、熱伝導率を向上させている。

特開２０１１−２５８７５５号公報

特許文献１の冷却装置は、熱拡散体が冷却器と１つの面においてのみ当接している。このように、電子部品または電子部品の熱を伝導する部材は、冷却器の１つの面にのみ当接しているため、冷却器への熱伝達が限定的であり、効率よく熱を伝達して冷却することができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、パワーモジュールにおいて、半導体をより効率的に冷却することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、パワー半導体が実装された絶縁基板と、上記絶縁基板が載置される載置面と上記載置面に直交する側面と上記載置面と対向する対向面とを有する冷却器と、上記載置面と上記側面と上記対向面との少なくとも各面の一部を覆うグラファイトカバーとを備える、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記グラファイトカバーは、折曲されることにより上記載置面と上記側面と上記対向面に当接する平板である、という構成を採用する。

第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記グラファイトカバーと上記冷却器とは、銀焼結材により接合される、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第１〜第３のいずれかの手段において、上記グラファイトカバーと上記絶縁基板とは、銀焼結材により接合される、という構成を採用する。

本発明によれば、パワーモジュールにおいて、冷却器の設置面、側面及び対向面を覆うグラファイトカバーを備えている。グラファイトカバーは、銅等の金属よりも熱伝導率が高い。このため、絶縁基板に実装されたパワー半導体により発生した熱を、グラファイトカバーの配置方向に沿って、冷却器の側面及び対向面へと伝えることができ、伝熱面積を増加させることが可能である。したがって、本発明のパワーモジュールは、パワー半導体をより効率的に冷却することができる。

本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの概略断面図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールが備えるパワー半導体の実装部における拡大図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。図１は、本実施形態におけるパワーモジュール１の概略断面図である。また、図２は、本実施形態におけるパワーモジュール１が備えるパワー半導体チップ５ｂの実装部における拡大図である。また、図３は、本実施形態におけるパワーモジュール１の斜視図である。

本実施形態におけるパワーモジュール１は、自動車等に設けられ、図１及び図２に示すように、冷却器２と、グラファイトカバー３と、絶縁基板４と、電子回路５とを備えている。
冷却器２は、全体として直方体状とされ、絶縁基板４がグラファイトカバー３を介して載置される載置面Ａと、載置面Ａと直交する第１側面Ｂと、載置面Ａと直交すると共に第１側面Ｂと対向する第２側面Ｃと、載置面Ａに対向する対向面Ｄとを有している。また、冷却器２には、内側において平行に立設された複数のフィン部２ａが形成されている。また、冷却器２の内側には、複数のフィン部２ａの間を通過する冷却水が流れている。また、このような冷却器２は、熱伝導率の高い金属により構成され、グラファイトカバー３と共にヒートシンクを構成している。

グラファイトカバー３は、平板状のグラファイト材を同方向に３回折曲することにより周状に形成されており、冷却器２の載置面Ａ、第１側面Ｂ、対向面Ｄ及び第２側面Ｃのそれぞれに対して当接するように、冷却器２に接合されている。なお、グラファイトカバー３は、冷却器２の各面に対して銀焼結材により接合されている。
グラファイトカバー３に用いられるグラファイト材は、黒鉛を含み、熱伝導率が銅等の金属と比較して高い特性を有している。
銀焼結材は、銀の微粒粉を約３００℃で焼成することにより部材同士を接合するものであり、熱伝導率が約４２０Ｗ／ｍ・Ｋとされている。

絶縁基板４は、例えばセラミックにより構成され、一方の面において電子回路５が設けられている。また、他方の面において、グラファイトカバー３に対して銀焼結材により接合されている。電子回路５は、図１〜３に示すように、絶縁基板４に実装された回路であり、絶縁基板４上にプリントされたプリント配線５ａと、プリント配線５ａにハンダ等により電気的に接続されたパワー半導体チップ５ｂとを有している。パワー半導体チップ５ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を有しており、プリント配線５ａに対してハンダ等により接合されている。

このようなパワーモジュール１は、絶縁基板４上の電子回路５に通電されると、パワー半導体チップ５ｂが発熱し、高温となる。パワー半導体チップ５ｂの熱は、図１及び図２に示すように、プリント配線５ａを介して絶縁基板４へと伝わる。絶縁基板４に伝えられた熱は、グラファイトカバー３に伝えられ、さらに、冷却器２の載置面Ａへと伝えられる。そして、載置面Ａに伝えられた熱は、冷却器２のフィン部２ａが冷却水と接触することにより冷却される。また、グラファイトカバー３に伝えられた熱の一部は、図１に示すように、グラファイトカバー３の内部において熱伝導されることによりグラファイトカバー３の全体に伝わり、冷却器２の第１側面Ｂ、第２側面Ｃ及び対向面Ｄへと伝わる。冷却器２の第１側面Ｂ、第２側面Ｃ、対向面Ｄへと伝えられた熱は、冷却器２のフィン部２ａが冷却水と接触することにより冷却される。

このような本実施形態におけるパワーモジュール１によれば、グラファイトカバー３により、パワー半導体チップ５ｂの熱が冷却器２のフィン部２ａが冷却水と接触することにより冷却される。パワー半導体チップ５ｂの熱が第１側面Ｂ、第２側面Ｃ、対向面Ｄにも伝えられることにより、冷却器２において、載置面Ａのパワー半導体チップ５ｂとの接合部のみにおける局所的な伝熱を解消し、パワー半導体チップ５ｂの熱を効率的に除去することができる。

さらに、本実施形態におけるパワーモジュール１によれば、グラファイトカバー３がグラファイト材の平板を折曲することにより構成されている。グラファイト材は、面方向における熱伝導率が高い特性を有している。これにより、グラファイトカバー３に伝えられた熱が、グラファイトカバー３内を連続的に熱伝導することにより伝わる。したがって、グラファイトカバー３において、熱を効率的に第１側面Ｂ、第２側面Ｃ及び対向面Ｄへと伝えることができ、パワー半導体チップ５ｂの熱を効率的に除去することができる。

また、本実施形態におけるパワーモジュール１は冷却器２とグラファイトカバー３とが銀焼結材により接合されている。銀焼結材の熱伝導率がハンダと比較して高いため、グラファイトカバー３の熱を冷却器２へと効率よく伝えることができる。したがって、これによっても、パワー半導体チップ５ｂの熱を効率的に除去することができる。

さらに、本実施形態におけるパワーモジュール１は、グラファイトカバー３と絶縁基板４とが銀焼結材により接合されている。したがって、絶縁基板４の熱を、グラファイトカバー３へと効率よく伝えることができる。したがって、これによっても、パワー半導体チップ５ｂの熱を効率的に除去することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

（１）上記実施形態においては、冷却器２に対してグラファイトカバー３を巻回する構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。グラファイトカバー３は、中空の箱状とされ、内部に冷却器２を収容する構成を採用することも可能である。この場合、グラファイトカバー３の表面積を広くし、さらに冷却器２との接触面積を広くすることが可能であるため、パワー半導体チップ５ｂの熱をより効率的に除去することができる。

（２）また、グラファイトカバー３は、複数のプレート部材を互いに接続することにより構成されるものとしてもよい。この場合、グラファイトカバー３のプレート部材は、冷却器２の載置面Ａ、第１側面Ｂ、対向面Ｄ及び第２側面Ｃのそれぞれに対して接合され、さらに、プレート部材同士が当接された状態とする。これによれば、グラファイトカバー３を折曲して冷却器２を覆う場合と比較して、製造が容易となる。

（３）また、上記実施形態においては、グラファイトカバー３は、第２側面Ｃに対しても接合される構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。グラファイトカバー３は、載置面Ａ、第１側面Ｂ及び対向面Ｄに対してのみ接合される構成を採用することも可能である。

（４）また、上記実施形態においては、グラファイトカバー３と冷却器２とが銀焼結材により接合される構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。グラファイトカバー３は、冷却器２に対して直接蒸着されるものとしてもよい。

１……パワーモジュール
２……冷却器
３……グラファイトカバー
４……絶縁基板
５……電子回路
５ａ……プリント配線
５ｂ……パワー半導体チップ
Ａ……載置面
Ｂ……第１側面
Ｃ……第２側面
Ｄ……対向面

Claims (4)

1. パワー半導体が実装された絶縁基板と、
   前記絶縁基板が載置される載置面と前記載置面に直交する側面と前記載置面と対向する対向面とを有する冷却器と、
   前記載置面と前記側面と前記対向面との少なくとも各面の一部を覆うグラファイトカバーと
   を備えることを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記グラファイトカバーは、折曲されることにより前記載置面と前記側面と前記対向面に当接する平板であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記グラファイトカバーと前記冷却器とは、銀焼結材により接合されることを特徴とする請求項１または２記載のパワーモジュール。
4. 前記グラファイトカバーと前記絶縁基板とは、銀焼結材により接合されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。

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