JP2020072101A - パワーユニット、パワーユニットの製造方法、パワーユニットを有する電気装置及びヒートシンク - Google Patents

パワーユニット、パワーユニットの製造方法、パワーユニットを有する電気装置及びヒートシンク Download PDF

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Abstract

【課題】パワーモジュールをヒートシンクに組み付けたパワーユニットにおいて、放熱性を向上しつつ、製造精度を向上し、さらにヒートシンクの強度を向上するとともに組立性を向上する。【解決手段】パワーユニット1は、パワーモジュール10と、ヒートシンク20とを備える。パワーモジュールは、封止樹脂11と、封止樹脂に一面12aを露出させた金属板12と、反対面12b側に設置され封止樹脂に封止された回路部14とを有する。ヒートシンクは、凹部21を有し、平面視で凹部の底面21aは、上端開口の縁21tより隔たりGAを介して内側に配置され、底面の外縁G1から上端開口の縁に向かう隆起部R1を有し、パワーモジュールの底部が隆起部より内側に配され底面21aに金属板が接続されている。【選択図】図1

Description

本開示は、パワーユニット、パワーユニットの製造方法、パワーユニットを有する電気装置及びヒートシンクに関する。
大電力の変換に用いられるパワーユニットでは、ヒートシンクが用いられることがある。パワーユニットの駆動時の発熱部品であるパワー半導体スイッチング素子からヒートシンクへの熱伝導性は良好である必要がある。特にヒートシンクのモジュール搭載面と逆側の放熱面への熱伝導性が良好であることが好ましい。
特許文献1に記載の発明にあっては、ヒートシンクのモジュール搭載面に凹部を設け、絶縁放熱シート又は放熱グリスを介して発熱部品であるパワー半導体スイッチング素子を当該凹部に配置する。
パワー半導体スイッチング素子の配置部に凹部が設けられることによって、半導体チップ(スイッチング素子)をヒートシンクの放熱面に近づけることができ、当該放熱面への熱伝導性が良好になる。
特許第6115465号公報
しかしながら、特許文献1にあっては、異なる凹部に配置されるパワー半導体スイッチング素子が共通の回路基板に実装されており、ヒートシンクの凹部の位置精度、回路基板上のスイッチング素子の位置精度が求められるほか、ヒートシンクと回路基板との間に大きな熱応力が発生し得る。
また一般に、ヒートシンクに設けた凹部に半導体チップやその実装基板を配置した場合、その後に半導体チップや電気回路の樹脂封止を行う必要がある。この場合、封止樹脂を硬化させるための熱処理により、ヒートシンクが加熱されることとなる。モジュール搭載用の凹部を設けることによって薄肉化したヒートシンクが加熱により変形するおそれがあり、製造精度が劣化するおそれがある。
また、凹部の形成により発生したヒートシンクの薄肉部は変形しやすくなる。その変形により、凹部の内縁位置に応力が集中し破断するおそれがある。
本開示は、パワーモジュールをヒートシンクに組み付けたパワーユニットにおいて、放熱性を向上しつつ、製造精度を向上し、さらにヒートシンクの強度を向上するとともに組立性を向上する。
本開示の1つの態様のパワーユニットは、パワーモジュールと、ヒートシンクとを備えるパワーユニットであって、前記パワーモジュールは、封止樹脂と、前記封止樹脂に一面を露出させた金属板と、前記金属板の前記一面の反対面側に設置され、パワー半導体スイッチング素子を含み、前記封止樹脂に封止された回路部とを有し、
前記ヒートシンクは、凹部を有し、平面視で前記凹部の底面は、前記凹部の上端開口の縁より隔たりを介して内側に配置され、前記底面の外縁から前記上端開口の縁に向かう隆起部を有し、
前記パワーモジュールの底部が前記隆起部より内側に配され前記底面に前記金属板の前記一面が熱的及び機械的に接続されている。
本開示の1つの態様のパワーユニットの製造方法は、前記パワーモジュールの前記封止樹脂を硬化させるための熱処理を含めた樹脂封止工程を実施した後、前記ヒートシンクの前記凹部に前記パワーモジュールを配置し、前記凹部の底面に前記金属板の前記一面を接合するモジュール実装工程を実施する。
本開示の1つの態様のヒートシンクは、凹部を有し、平面視で前記凹部の底面は、前記凹部の上端開口の縁より隔たりを介して内側に配置され、前記底面の外縁から前記上端開口の縁に向かう隆起部を有する。
本開示のパワーユニットによれば、パワーモジュールの金属板による放熱面がヒートシンクの薄肉化した凹部に熱的に接続するので放熱性が向上し、また封止樹脂まで含めてモジュール化されているので、パワーモジュールの封止樹脂を硬化させるための熱処理工程による熱負荷をヒートシンクに与えることもなく、凹部による薄肉部を有するヒートシンクを樹脂封止工程の加熱により変形させることが避けられ、製造精度を向上することができる。
また、ヒートシンクは、凹部の底面の外縁から上端開口の縁に向かう隆起部を有するから、隆起部により補強されてヒートシンクの強度が向上するとともに、隆起部により組立て時のパワーモジュールの位置決めが容易になりパワーユニットの組立性が向上する。
本開示のパワーユニットの製造方法によれば、凹部による薄肉部を有するヒートシンクを樹脂封止工程時の加熱により変形させることが避けられ、製造精度を向上することができる。
本開示の一実施形態に係るパワーユニットの要部断面模式図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの上面側斜視図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの下面側斜視図である。 本開示の一実施形態に係るパワーユニットの断面模式図である。 本開示の一実施形態に係るヒートシンクの上面側斜視図である。 本開示の一実施形態に係るヒートシンクの下面側斜視図である。 本開示の一実施形態に係るヒートシンクの上面図である。 本開示の他の一実施形態に係るパワーユニットの要部断面模式図である。 本開示の他の一実施形態に係るパワーユニットの要部断面模式図である。
以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。
図1の断面図に本パワーユニットの概要を示す。
本パワーユニット1は、パワーモジュール10と、ヒートシンク20とを備える。
パワーモジュール10は、樹脂封止型のパッケージでモジュール化されたものである。パワーモジュール10の斜視図を図2、図3に示す。
パワーモジュール10は、封止樹脂11と、封止樹脂11に一面である下面12aを露出させた金属板12と、金属板12の下面12aの反対面である上面12b側に設置され、パワー半導体スイッチング素子13を含み、封止樹脂11に封止された回路部14と、回路部14の電極を外部に取り出し、内端部が封止樹脂11に封止された電極端子15とを有する。
例えば、パワーモジュール10は、導体パターンを表裏に有した回路基板の上面にパワー半導体スイッチング素子13及び電極端子15を実装し、必要な配線接続をボンディングワイヤ等で行って回路部14を構成し、回路基板の下面の導体ベタパターンを金属板12の上面12bにはんだ等の熱伝導性接合剤30により接合して構成される。金属板12の上面12bにセラミック等による絶縁層を形成し、その上にパワー半導体スイッチング素子13等を接続する導体パターンを形成してもよい。
その後、封止樹脂11による樹脂封止工程を実施する。
封止樹脂11は、金属板12の下面12a以外の面、パワー半導体スイッチング素子13を含む回路部14、電極端子15の内端部を覆い、封止する。
ヒートシンク20は、凹部21を有する。凹部21を設けられた面を上面とする。ヒートシンク20の下面には放熱突起22が形成されている。
凹部21の底面21aに金属板12の下面12aがはんだ等の熱伝導性接合剤30により接合されることで、熱的及び機械的に接続されている。
以上により、パワー半導体スイッチング素子13からの熱が金属板12を介してヒートシンク20に伝導するようにされている。
図1に示すように、凹部21の周縁部には傾斜面S1を形成する隆起部R1が形成されている。すなわち、平面視で(厚み方向Zに見て)、凹部21の底面21aは、凹部21の上端開口の縁21tより隔たりGAを介して内側に配置されている。そして、底面21aの外縁G1から上端開口の縁21tに向かう隆起部R1を有する。底面21aより高く隆起する隆起部R1が形成されていることにより、隆起部R1の表面である傾斜面S1が凹部21の内面として形成されている。
傾斜面S1の上端は、上端開口の縁21tに一致していてもよいし、上端開口の縁21tより下位置(凹部内位置)に傾斜面S1の上端を配置して、傾斜面S1の上端から上端開口の縁21tまでを垂直な側面としてよい。
いずれにしても凹部21の内縁角部が隆起部R1により補強されてヒートシンク20の破断強度が向上する。
また、パワーモジュール10の底部を凹部21に配置する作業において、パワーモジュール10の底部が隆起部R1より内側に配されるように傾斜面S1によって案内される。これによりヒートシンク20に対してパワーモジュール10が容易に精度よく位置決めされ、組立て性が向上する。
封止樹脂11の側面11sと上端開口の縁21tとの間に隔たりGAがあることで、封止樹脂11が凹部21に嵌合しないから、ヒートシンク20と封止樹脂11との熱膨張係数差による熱応力が発生しない。
図4は、3つのパワーモジュール10を搭載し、液冷式に構成したパワーユニット1の断面図である。ヒートシンク20の斜視図を図5、図6に、上面図を図7に示す。
図4に示すようにパワーユニット1は、パワーモジュール10を複数備え、ヒートシンク20には、凹部21が複数設けられる。本実施形態ではパワーモジュール10及び凹部21が3ずつである。パワーユニット1は、一の凹部21に対して一のパワーモジュール10がそれぞれ、図1に示した接合構造で配設されたものである。
ヒートシンク20の下面にジャケット31が、放熱突起22を内部に収めるようにパッキン33で周囲を水密されて取り付けられ、冷媒液が流通する流路空間32が形成される。図7に示すように、ヒートシンク20は、ジャケット31との間でパッキン33を圧着状態で固定するボルトを挿通する複数の取付孔23、及びパッキン33の取付部33Gを有する。複数の取付孔23とパッキン33の取付部33Gは、凹部21の周囲の厚みのある部分とされ、パッキン33、ジャケット31の取り付けによるヒートシンク20の変形は避けられる。
3つのパワーモジュール10,10,10は、個々に独立してモジュール化されており、共通の回路基板等で一体化されていない。したがって、ヒートシンク20の凹部21,21,21の位置精度は厳しく求められず、ヒートシンク20と3つのパワーモジュール10,10,10との間に大きな熱応力の発生は避けられる。
次に、改めて本パワーユニットの製造方法につき説明する。
パワーモジュール10の製造工程を実施しパワーモジュール10を完成させる。そのパワーモジュール10の製造工程の中に、樹脂封止工程が含まれる。樹脂封止工程では、パワーモジュール10のうち封止樹脂11以外の構成による組立体を成形型に設置し、成形型に樹脂を充填するなどの方法により同組立体の封止箇所を樹脂で覆うとともに、成形型の成形面で封止樹脂11の外面を成形し、封止樹脂11を硬化させるための熱処理を実行する。
上記のような凹部21を有したヒートシンク20を別途、準備しておく。
以上のように樹脂封止工程を実施した後、ヒートシンク20の凹部21にパワーモジュール10を配置し、凹部21の底面21aに金属板12の下面12aを接合するモジュール実装工程を実施する。
以上の実施形態のパワーユニット1によれば、パワーモジュール10の金属板12の下面12aがヒートシンク20の薄肉化した凹部21に熱的に接続するので放熱性が向上する。また封止樹脂11まで含めてモジュール化されているので、パワーモジュール10の封止樹脂11を硬化させるための熱処理工程による熱負荷をヒートシンク20に与えることがない。凹部21による薄肉部を有するヒートシンク20が樹脂封止工程の加熱により変形すること避けられ、製造精度を向上することができる。ヒートシンク20に変形(歪み)が生じていないから、パッキン33、ジャケット31の取り付け後の水冷構造の水密性が向上する。
また、ヒートシンク20は、凹部21の底面21aの外縁G1から上端開口の縁21tに向かう隆起部R1を有するから、隆起部R1により凹部21の縁部が補強されてヒートシンク20の強度が向上するとともに、隆起部R1により組立て時の案内面として機能する傾斜面S1が構成されパワーユニット1の組立性が向上する。
このような補強効果と案内機能(位置決め機能)を得るためには、隆起部、傾斜面は図1に示すように平面状の傾斜面S1とこれを形成する隆起部R1であってもよいし、図8に示すように曲面状の傾斜面S2とこれを形成する隆起部R2であってもよい。また、隆起部は図9に示すように底面21aの外縁G1から上端開口の縁21tに向かって昇る階段状に形成された隆起部R3を実施してもよい。階段状の隆起部R3によっても、補強効果及び位置決め機能を奏する。いずれにしても隆起部の表面は、底面21aの外縁G1から上端開口の縁21tに向かって、連続的又は段階的に高さが増すとともに外側に遷移する形状である。
以上の実施形態の製造方法によれば、凹部21による薄肉部を有するヒートシンク20を、パワーモジュール10の樹脂封止工程時の加熱により変形させることが避けられ、パワーユニット1の製造精度を向上することができる。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されるものでなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施してよいことは勿論である。
パワー半導体スイッチング素子13は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、サイリスタなどが適用されるがこれらに限定されるものではない。
3つのパワーモジュールを組み込んだ1つのパワーユニットを開示したが、1つのパワーユニットへのパワーモジュールの組込み数は、1つでもよいし、3つ以外の複数でもよい。
また、ヒートシンクに放熱突起を設けること、液冷式にすること等は任意である。
本開示に記載のパワーユニット1は、電気自動車等の種々の電気装置に用いられてもよい。
1 パワーユニット
10 パワーモジュール
11 封止樹脂
12 金属板
12a 下面
13 パワー半導体スイッチング素子
14 回路部
15 電極端子
20 ヒートシンク
21 凹部

Claims (7)

  1. パワーモジュールと、ヒートシンクとを備えるパワーユニットであって、
    前記パワーモジュールは、
    封止樹脂と、
    前記封止樹脂に一面を露出させた金属板と、
    前記金属板の前記一面の反対面側に設置され、前記封止樹脂に封止された回路部と、
    を有し、
    前記ヒートシンクは、凹部を有し、平面視で前記凹部の底面は、前記凹部の上端開口の縁より隔たりを介して内側に配置され、前記底面の外縁から前記上端開口の縁に向かう隆起部を有し、
    前記パワーモジュールの底部が前記隆起部より内側に配され前記底面に前記金属板の前記一面が熱的及び機械的に接続されたパワーユニット。
  2. 前記隆起部は、前記底面の外縁から前記上端開口の縁に向かう平面状又は曲面状の傾斜面である請求項1に記載のパワーユニット。
  3. 前記隆起部は、前記底面の外縁から前記上端開口の縁に向かって昇る階段状である請求項1に記載のパワーユニット。
  4. 前記パワーモジュールを複数備え、
    前記ヒートシンクには、前記凹部が複数設けられ、
    一の前記凹部に対して一の前記パワーモジュールが配設された請求項1から請求項3のうちいずれか一に記載のパワーユニット。
  5. 請求項1から請求項4のうちいずれか一に記載のパワーユニットの製造方法であって、
    前記パワーモジュールの前記封止樹脂を硬化させるための熱処理を含めた樹脂封止工程を実施した後、
    前記ヒートシンクの前記凹部に前記パワーモジュールを配置し、前記凹部の底面に前記金属板の前記一面を接合するモジュール実装工程を実施するパワーユニットの製造方法。
  6. 請求項1から請求項4のうちいずれか一に記載のパワーユニットを有する、
    電気装置。
  7. 凹部を有し、平面視で前記凹部の底面は、前記凹部の上端開口の縁より隔たりを介して内側に配置され、前記底面の外縁から前記上端開口の縁に向かう隆起部を有する、
    ヒートシンク。
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