JP2018182219A - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体モジュールの小型化と低コスト化を図るとともに、冷却器と半導体素子との間の冷却効率を高めること。【解決手段】パワー半導体モジュール１０は、半導体素子６０と、前記半導体素子６０を収容したケース７０と、前記半導体素子６０及び前記ケース７０を実装した冷却器１１とを備えている。前記冷却器１１は、冷媒を通す凹状の冷媒路２２を有した本体部２０と、前記凹状の冷媒路２２を塞ぐように前記本体部２０の開口側の端面２０ａに積層された導電性を有するリッド４０とからなる。前記本体部２０の開口側の端面２０ａと前記リッド４０との間には、熱伝導性と電気絶縁性とを有した熱伝導性絶縁部材５０が介在している。前記半導体素子６０は、前記リッド４０に実装されている。【選択図】図３

Description

本発明は、パワー半導体モジュールの改良技術に関する。

近年、大電流、高電圧の環境下であっても動作可能なパワー半導体モジュールが、様々な分野で用いられるようになってきている。この種のパワー半導体モジュールの技術が種々提案されてきた（例えば、特許文献１）。

特許文献１で知られているパワー半導体モジュールは、平板状の金属製ベース板（冷却器に相当）と、この金属製ベース板に実装される絶縁基板及びケースとを備える。絶縁基板は、セラミック板と、このセラミック板の下面に設けられた金属製の放熱板と、セラミック板の上面に設けられた金属製の回路板とからなる。放熱板は、ハンダ層によって金属製ベース板に実装されている。回路板には、ハンダ層によって半導体チップ（半導体素子に相当）が実装されている。絶縁基板及び半導体チップは、ケースに収容されている。ケースの内部はゲルによって封止されている。このように、半導体チップ及びケースは、金属製ベース板に実装されている。

しかし、特許文献１で知られているパワー半導体モジュールは、前記絶縁基板を採用しているので、その分、コストが増す。パワー半導体モジュールの低コスト化を図るには、改良の余地がある。しかも、冷却器と半導体素子との間に絶縁基板が介在している分、冷却器と半導体素子との間の距離が大きいので、その間の熱抵抗が増える。つまり、冷却器と半導体素子との間の冷却効率は、比較的低い。この低効率を補うには、冷却器と絶縁基板との接触面積を増やす必要がある。これでは、パワー半導体モジュールの小型化を図る上で、不利である。

特開２００７−１１００００号公報

本発明は、パワー半導体モジュールの小型化と低コスト化を図るとともに、冷却器と半導体素子との間の冷却効率を高めることができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、半導体素子と、前記半導体素子を収容したケースと、前記半導体素子及び前記ケースを実装した冷却器とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、
前記冷却器は、冷媒を通す凹状の冷媒路を有した本体部と、前記本体部の開口側の端面に積層された導電性を有するリッドとからなり、前記本体部の開口側の端面と前記リッドとの間には、熱伝導性と電気絶縁性とを有した熱伝導性絶縁部材が介在しており、前記半導体素子は、前記リッドに実装されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、前記熱伝導性絶縁部材は、両面に接着層を有するとともに熱伝導性と電気絶縁性とを有した樹脂シートによって構成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、前記本体部は、前記冷媒路の底面から、前記本体部の開口側の端面まで、起立した複数の冷却フィンを有し、前記複数の冷却フィンは、複数の厚肉状の厚肉フィンと、複数の薄肉状の薄肉フィンとからなり、前記パワー半導体モジュールを、前記半導体素子側から前記冷却器側へ向かって見たときに、前記複数の厚肉フィンは、前記リッドの縁の少なくとも一部と、前記ケースの少なくとも一部とに、重なり合っていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、前記複数の厚肉フィンの列と、前記複数の薄肉フィンの列とは、前記冷媒路を流れる前記冷媒の流れ方向に交互に配列され、且つ、各列毎に千鳥配列されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、本体部とリッドとは、熱伝導性絶縁部材によって互いに電気的に絶縁されている。このため、導電性を有するリッドに対して半導体素子を直接実装することが可能である。リッドには、半導体素子を実装する面に、別個の電気絶縁部材を設ける必要はない。よって、電気絶縁部材の削減により、半導体素子を実装する高さ方向が低くなり、パワー半導体モジュールの小型化に寄与するとともに、このパワー半導体モジュールの製造コストを低減することができる。しかも、別個の電気絶縁部材が不要なので、冷却器と半導体素子との距離が短くなり、冷却器と半導体素子との間の熱抵抗を低減できることにより、冷却効率を高めることができる。

請求項２に係る発明では、熱伝導性と電気絶縁性とを有した樹脂シートを、本体部とリッドとに貼り付けるだけで、本体部とリッドとの間を電気的に絶縁することができるとともに、リッドから本体部への放熱性を確保することができる。しかも、熱伝導性絶縁部材を樹脂シートによって構成するので、パワー半導体モジュールの薄型化を、より一層図ることができる。

請求項３に係る発明では、本体部の開口側の端面に対して、リッドとケースとを重ねて実装する場合に、リッドの縁とケースの、各々少なくとも一部は、複数の厚肉フィンの先端面に重なる。厚肉フィンの先端面の面積は、薄肉フィンの先端面の面積よりも大きい。薄肉フィンの先端面に比べて、面積が大きい厚肉フィンの先端面に、リッドの縁とケースの一部を重ねることができるので、リッドとケースとを本体部に実装しやすい。

請求項４に係る発明では、冷媒路における冷媒の流れの偏りを規制して極力均一化することができる。この結果、冷却器の冷却効率を高めることができる。

本発明によるパワー半導体モジュールを上から見た構成図である。 図１に示されるパワー半導体モジュールの一部の拡大図である。 図２の３−３線に沿った断面及び分解構成図である。 図２の４−４線に沿った断面及び分解構成図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係るパワー半導体モジュールについて図１〜図４に基づき説明する。

図１（ａ）は、パワー半導体モジュールの平面図である。図１（ｂ）は、パワー半導体モジュールの冷却器の本体部を開口側から見た図である。図２は、図１（ａ）に示されるパワー半導体モジュールの一部の拡大図である。図３（ａ）は、図２の３−３線に沿った断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示されるパワー半導体モジュールの分解図である。図４（ａ）は、図２の４−４線に沿った断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示されるパワー半導体モジュールの分解図である。

パワー半導体モジュール１０は、冷却器１１と、少なくとも１つの半導体素子６０と、ケース７０とを備えた、いわゆる電子回路ユニットである。

冷却器１１は、１つの本体部２０と、少なくとも１つのリッド４０とからなる。本体部２０は、アルミニウム合金等の金属製の平面視矩形状の部材であって、例えばダイキャスト品からなる。この本体部２０は、平坦な１つの面２０ａに形成されてなる凹状の冷媒路２２を有する。つまり、この冷媒路２２は、１つの面２０ａに開口している。本体部２０の１つの面２０ａのことを、以下「開口側の端面２０ａ」という。

詳しく述べると、図１（ｂ）に示されるように、本体部２０を開口側の端面２０ａ側から見て、この本体部２０は一定幅の外周壁２１に囲まれた、矩形状の冷媒路２２を有する。この冷媒路２２は、本体部２０の長手方向Ａｒに長い。本体部２０の外周壁２１には、冷媒（例えば冷却水）を冷媒路２２へ供給する冷媒入口２３と、冷媒路２２から冷媒を排出する冷媒出口２４とが設けられている。この冷媒出口２４は、冷媒入口２３に対して本体部２０の反対側に位置することが好ましい。例えば、冷媒入口２３は本体部２０の長手方向Ａｒの一端に位置している。冷媒出口２４は、本体部２０の長手方向Ａｒの他端に、且つ、冷媒入口２３とは本体部２０の幅方向Ｗｉの反対側に位置している。

図３も参照すると、冷媒路２２の底面２２ａは、開口側の端面２０ａに平行である。本体部２０は、冷媒路２２の底面２２ａから、本体部２０の開口側の端面２０ａまで、それぞれ起立した、１つの仕切り板２５と複数の冷却フィン２６とを有する。１つの仕切り板２５と複数の冷却フィン２６の、それぞれの先端面２５ａ，２６ａは開口側の端面２０ａに平行な平坦面である。

仕切り板２５は、本体部２０の幅方向Ｗｉの中央に位置するとともに、本体部２０の長手方向Ａｒへ細長く延びている。冷媒路２２の長手方向両端と、仕切り板２５の長手方向両端との間には、冷媒が通過可能な通路２７，２８を有する。仕切り板２５は、冷媒路２２を幅方向Ｗｉの両側に、第１流路３１と第２流路３２とに仕切る。冷媒入口２３から冷媒路２２へ流入した冷媒は、入口側の通路２７で幅方向Ｗｉ両側に分かれて、第１流路３１または第２流路３２を流れた後に、出口側の通路２８で再び合流して、冷媒出口２４から流出する。以下、第１流路３１と第２流路３２を流れる冷媒の流れ方向Ｆｏのことを、適宜「冷媒路２２を流れる冷媒の流れ方向Ｆｏ」と言い換える。

図１（ｂ）に示されるように、本体部２０を開口側の端面２０ａ側から見て、全ての冷却フィン２６は、全体として本体部２０の長手方向Ａｒに細長い形であり、仕切り板２５に沿って位置している。複数の冷却フィン２６は、複数の厚肉状の厚肉フィン３３と、複数の薄肉状の薄肉フィン３４とからなる。厚肉フィン３３の全体形状は、開口側の端面２０ａ側から見て、長手中央から前端と後端へ向かって尖りつつ、丸みを帯びている。つまり、厚肉フィン３３は長手中央部分が最も肉厚である。薄肉フィン３４は、一定厚みの平板であって、厚肉フィン３３の長手中央部分よりも薄肉である。

複数の厚肉フィン３３は、本体部２０の幅方向Ｗｉへ一定の個数ずつ、１列に整列している。同様に、複数の薄肉フィン３４も、本体部２０の幅方向Ｗｉへ一定の個数ずつ、１列に整列している。例えば、第１流路３１と第２流路３２には、それぞれ４個ずつの厚肉フィン３３が、幅方向Ｗｉへ１列に整列している。第１流路３１の厚肉フィン３３の列３５と、第２流路３２の厚肉フィン３３の列３５とは、幅方向Ｗｉへ一直線状に整列している。また、第１流路３１と第２流路３２には、それぞれ３個ずつの薄肉フィン３４が、幅方向Ｗｉへ１列に整列している。第１流路３１の薄肉フィン３４の列３６と、第２流路３２の薄肉フィン３４の列３６とは、幅方向Ｗｉへ一直線状に整列している。

さらに、第１流路３１にそれぞれ位置している、複数の厚肉フィン３３の列３５と、複数の薄肉フィン３４の列３６とは、冷媒路２２を流れる冷媒の流れ方向Ｆｏに交互に配列され、且つ、各列３５，３６毎に千鳥状に配列されてなる。第２流路３２にそれぞれ位置している、複数の厚肉フィン３３の列３５と、複数の薄肉フィン３４の列３６も、同様に千鳥状に配列されてなる。このように千鳥配列をすることにより、冷媒路２２における冷媒の流れの偏りを規制して極力均一化することができる。この結果、冷却器１１の冷却効率を高めることができる。

リッド４０は、本体部２０の開口側の端面２０ａに積層された平板によって構成されており、基材４０又は基板４０ともいう。このリッド４０は、導電性を有しており、ハンダ付けが可能な材料によって構成されている。

本体部２０の開口側の端面２０ａとリッド４０との間には、熱伝導性絶縁部材５０が介在している。この熱伝導性絶縁部材５０は、熱伝導性と電気絶縁性とを有した平板状の部材であって、本体部２０の開口側の端面２０ａ全体を覆い、且つ端面２０ａに固定されている。このため、本体部２０の開口側の端面２０ａは、熱伝導性絶縁部材５０によって密封されている。

好ましくは、熱伝導性絶縁部材５０は、両面に接着層を有するとともに熱伝導性と電気絶縁性とを有した樹脂シート５１によって構成される。この樹脂シート５１は、熱伝導性と電気絶縁性とが優れたシート（薄膜を含む）の両面に、接着層を有した構成であり、柔軟性と加工性を有することが、より好ましい。この樹脂シート５１は、一般に高熱伝導性絶縁シートとして知られている（例えば、特開２０１５−２０２９９５号公報、特開２０１６−０６０７８５号公報参照）。

本体部２０の開口側の端面２０ａの全体が、１枚の樹脂シート５１により覆われている。しかも、この樹脂シート５１は、自己の接着層により端面２０ａに固定されてなる。このため、冷媒路２２の開口２２ｂ（図３（ｂ）参照）は、樹脂シート５１によって密閉されている。さらに、樹脂シート５１は、仕切り板２５と複数の冷却フィン２６の、それぞれの先端面２５ａ，２６ａにも重ねられ且つ接着層により固定されてなる。

このように、熱伝導性と電気絶縁性とを有した樹脂シート５１を、本体部２０とリッド４０とに貼り付けるだけで、本体部２０とリッド４０との間を電気的に絶縁することができるとともに、リッド４０から本体部２０への放熱性を確保することができる。しかも、熱伝導性絶縁部材５０を樹脂シート５１によって構成するので、パワー半導体モジュール１０の薄型化を、より一層図ることができる。

半導体素子６０は、ＩＧＢＴ等の発熱性が高いパワー半導体を含んでおり、リッド４０にハンダ層６１によって実装されている。例えば、１つの本体部２０に対して複数個のリッド４０が組み合わされ、それぞれのリッド４０に対して複数の半導体素子６０が実装される。図１に示される例では、本体部２０の幅方向Ｗｉに２つのリッド４０が配列されている。各リッド４０には、それぞれ幅方向Ｗｉに配列された２つずつの半導体素子６０が、実装されている。

図４も参照すると、ケース７０は、半導体素子６０を収容している。半導体素子６０及びケース７０は、冷却器１１に実装されている。詳しく述べると、パワー半導体モジュール１０を、半導体素子６０側から冷却器１１側へ向かって（つまり矢印Ｉａ方向に）見たときに、ケース７０は、グリッド状（格子状）の構成であり、矢印Ｉａ方向に貫通した複数の収納孔７１を有する。このケース７０は、矢印Ｉａ方向に見て、冷却器１１の外周壁２１の上にそのまま重なる外枠７２と、この外枠７２の幅中央に位置して外枠７２を幅方向Ｗｉに２区分する幅区画板７３と、外枠７２を長手方向に複数に区分けする複数の長手区画板７４とからなる。

それぞれ区画された複数の収納孔７１には、複数のリッド４０及び複数の半導体素子６０が収容されている。複数の収納孔７１に収容された各々のリッド４０は、樹脂シート５１に重ねられ、且つ接着層によって固定されている。図３（ａ）に示されるように、ケース７０には端子７５が設けられている。各半導体素子６０の電極同士や、半導体素子６０の電極と端子７５との間は、ボンディングワイヤ７６によって配線されている。各収納孔７１内は、封止樹脂７７によって封止されている。

上述のように、本体部２０と複数のリッド４０とは、熱伝導性絶縁部材５０によって互いに電気的に絶縁されている。このため、導電性を有する複数のリッド４０に対して各々の半導体素子６０を直接実装することが可能である。複数のリッド４０には、半導体素子６０を実装する面に、別個の電気絶縁部材を設ける必要はない。よって、電気絶縁部材の削減により、半導体素子６０を実装する高さ方向が低くなり、パワー半導体モジュール１０の小型化に寄与するとともに、このパワー半導体モジュール１０の製造コストを低減することができる。しかも、別個の電気絶縁部材が不要なので、冷却器１１と各半導体素子６０との距離が短くなり、冷却器１１と各半導体素子６０との間の熱抵抗を低減できることにより、冷却効率を高めることができる。

図２、図３（ａ）、図４（ａ）に示されるように、パワー半導体モジュール１０を、半導体素子６０側から冷却器１１側へ向かって（矢印Ｉａ方向に）見たときに、複数の厚肉フィン３３は、リッド４０の縁４１の少なくとも一部と、ケース７０の少なくとも一部とに、重なり合っている。

より詳しく述べると、ケース７０の外枠７２は、冷却器１１の外周壁２１に対して矢印Ｉａ方向に全体が重なっており、樹脂シート５１を介して開口側の端面２０ａに載置され且つ固定されている。ケース７０の幅区画板７３は、冷却器１１の仕切り板２５に対して矢印Ｉａ方向に概ね全体が重なっており、樹脂シート５１を介して仕切り板２５に載置され且つ固定されている。ケース７０の複数の長手区画板７４は、冷却器１１の外周壁２１と仕切り板２５と複数の厚肉フィン３３とに対して矢印Ｉａ方向に概ね全体が重なっており、樹脂シート５１を介して載置され且つ固定されている。

リッド４０の縁４１の少なくとも一部は、冷却器１１の外周壁２１に対して矢印Ｉａ方向に重なっており、樹脂シート５１を介して開口側の端面２０ａに載置され且つ固定されている。さらに、リッド４０の縁４１の少なくとも一部は、冷却器１１の仕切り板２５と複数の厚肉フィン３３とに対して矢印Ｉａ方向に重なっており、樹脂シート５１を介して、それぞれ載置され且つ固定されている。さらに、リッド４０の中央部分は、冷却器１１の複数の薄肉フィン３４に対して矢印Ｉａ方向に重なっており、樹脂シート５１を介して、それぞれ載置され且つ固定されている。

このように、本体部２０の開口側の端面２０ａに対して、リッド４０とケース７０とを重ねて実装する場合に、リッド４０の縁４１とケース７０の縁７０ａの、各々少なくとも一部は、複数の厚肉フィン３３の先端面３３ａに重なる。厚肉フィン３３の先端面３３ａの面積は、薄肉フィン３４の先端面３４ａ（図４（ｂ）参照）の面積よりも大きい。薄肉フィン３４の先端面３４ａに比べて、面積が大きい厚肉フィン３３の先端面３３ａ、にリッド４０の縁４１とケース７０の縁７０ａの一部を重ねることができるので、本体部２０に実装しやすい。

なお、本発明では、厚肉フィン３３と薄肉フィン３４とは、上記実施例のように互いに分割した構成の他に、一体化した構成であってもよい。

本発明は、車両に搭載されるパワー半導体モジュールに好適である。

１０…パワー半導体モジュール、１１…冷却器、２０…本体部、２０ａ…開口側の端面、２２…冷媒路、２２ａ…底面、２６…冷却フィン、３３…厚肉フィン、３４…薄肉フィン、３５…厚肉フィンの列、３６…厚肉フィンの列、４０…リッド、４１…リッドの縁、５０…熱伝導性絶縁部材、５１…樹脂シート、６０…半導体素子、７０…ケース、７０ａ…ケースの縁、Ｆｏ…冷媒路の流れ方向、Ｉａ…半導体素子側から冷却器側へ向かう方向。

Claims (4)

1. 半導体素子と、前記半導体素子を収容したケースと、前記半導体素子及び前記ケースを実装した冷却器とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、
   前記冷却器は、冷媒を通す凹状の冷媒路を有した本体部と、前記本体部の開口側の端面に積層された導電性を有するリッドとからなり、
   前記本体部の開口側の端面と前記リッドとの間には、熱伝導性と電気絶縁性とを有した熱伝導性絶縁部材が介在しており、
   前記半導体素子は、前記リッドに実装されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記熱伝導性絶縁部材は、両面に接着層を有するとともに熱伝導性と電気絶縁性とを有した樹脂シートによって構成されていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記本体部は、前記冷媒路の底面から、前記本体部の開口側の端面まで、起立した複数の冷却フィンを有し、
   前記複数の冷却フィンは、複数の厚肉状の厚肉フィンと、複数の薄肉状の薄肉フィンとからなり、
   前記パワー半導体モジュールを、前記半導体素子側から前記冷却器側へ向かって見たときに、前記複数の厚肉フィンは、前記リッドの縁の少なくとも一部と、前記ケースの少なくとも一部とに、重なり合っていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記複数の厚肉フィンの列と、前記複数の薄肉フィンの列とは、前記冷媒路を流れる前記冷媒の流れ方向に交互に配列され、且つ、各列毎に千鳥配列されていることを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。

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