JP3620581B2

JP3620581B2 - パワーモジュール

Info

Publication number: JP3620581B2
Application number: JP34745399A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎馬場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: JP2001168563A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールに関し、特にその放熱効果を高める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子を効率よく冷却するために、半導体素子のパッケージ表面にヒートシンクを設け、かかるヒートシンクに接触する冷却媒体（気体、液体）へと熱を逃がす方法が取られている。特に、発熱量の大きい大電流利用のパワー素子の冷却に当っては、熱の伝達効率を高めるために、水等の液体を冷却媒体として用いることが望ましい。係る冷却手段を有するものの従来例として、特開平４−１８８７８７号公報、特開昭５５−１６５６５９号公報等に開示された発明がある。
【０００３】
図３には、従来のパワーモジュール１の構造を示している。パワー素子２は、絶縁基板３上に設けられたアルミ導体４に、はんだ層５を介して固定されている。また、絶縁基板３は、はんだ層６を介して放熱板７に固定されている。さらに、放熱板７はグリス層８を介してアルミケース９に取付けられている。そして、アルミケース９のヒートシンク９ａが、水１０に直接接触している。なお、放熱板７の周囲は樹脂ケース１１に覆われており、さらにカバー１２が設けられている、図中符号１３で示す部分は電極であり、ワイヤボンディング１４によってパワー素子２に接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパワーモジュール１において、以上のごとき多段の積層構造を採用している理由は、熱源であるパワー素子２と、放熱板７、アルミケース９等が夫々持っている線膨張率の違いにより、隣接する部材間に生ずる熱応力を、各層が弾力的に受け止めることによって緩和するためである。しかしながら、上記のごとき多段の積層構造は、パワー素子２からアルミケース９に至るまでの熱の伝達効率の低下を来すものであり、また、製造工程の増加を来すことからも問題となっていた。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成部材の線膨張率の違いによる熱応力の緩和を図りつつ、パワーモジュールの冷却効率を高めることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の請求項１に係るパワーモジュールは、格納ケースと、該格納ケース内に、水路を有しパワー素子が固定される絶縁基板をフローティング支持する支持手段と、前記絶縁基板の水路と前記格納ケース外部との間の流体連通手段と、前記パワー素子と格納ケース外部との間の電流導通手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、前記パワー素子は、前記絶縁基板を介して、前記絶縁基板の水路内を流通する水へと放熱を行う。この際、前記絶縁基板と前記格納ケースとの線膨張率の違いから生ずる熱変形を、前記支持手段によって吸収し、前記絶縁基板と前記格納ケースとの間の熱応力の発生を防止する。しかも、前記電流導通手段によって前記パワー素子と格納ケース外部との導通が確保されるので、前記パワー素子の機能は確保される。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係るパワーモジュールにおいて、前記支持手段は、前記格納ケースおよび前記絶縁基板の各々に形成された凹部に嵌合する弾性部材である。この構成によると、前記弾性部材が前記格納ケースおよび前記絶縁基板の各々に形成された凹部に嵌合することで、両者間の位置関係を決定しつつ、前記弾性部材が弾性変形することによって、前記格納ケース内に前記絶縁基板をフローティング支持する。
【０００９】
また、本発明の請求項３に係るパワーモジュールにおいて、前記流体連通手段は、前記格納ケースの水路開口部と前記水路付絶縁基板の水路開口部との間で、圧縮変形しながら両者間をつなぐ弾性リングを備える。すなわち、前記弾性リングが、前記格納ケースの水路開口部と前記水路付絶縁基板の水路開口部との間で圧縮変形することで、前記絶縁基板と格納ケース外部との間の密閉と水の連通とを確保する。
【００１０】
さらに、本発明の請求項４に係るパワーモジュールによると、前記流体連通手段の弾性リングは、前記支持手段の弾性部材を兼ねるものである。この構成によると、前記流体連通手段と前記支持手段とが統合され、構成部品の削減と構造の単純化とを図ることができる。
【００１１】
また、本発明の請求項５に係るパワーモジュールによると、前記電流導通手段は、前記絶縁基板に設けられた電極リードと、前記格納ケースを貫通し前記電極リードに対する接触圧を変更可能な金属端子とを備えるものである。本発明では、前記パワー素子と格納ケース外部との間の導通を、前記絶縁基板に設けられた電極リードに対し、その接触圧力を変更可能な金属端子によって確保することで、前記絶縁基板が前記格納ケース内にフローティング支持される構成においても、前記パワー素子と格納ケース外部との間の電流の導通を確保する。
【００１２】
また、本発明の請求項６に係るパワーモジュールでは、前記金属端子は、前記電極リードとの接触部分がループ状をなし、該接触部分を前記格納ケースの外部に露出する調整ねじで押圧可能である。そして、ループ状をなす前記接触部分に対する調整ねじの圧力を、格納ケースの外部から調節することで、当該圧力の調整を、パワーモジュールの組立工程の最終段階で行うことを可能とする。
【００１３】
加えて、本発明の請求項７に係るパワーモジュールでは、前記格納ケースは複数の部分に分割されており、少なくとも、前記分割された格納ケースの各部分と、前記絶縁基板と、前記支持手段と、前記連通手段と、これらを固定する係止手段とが、一方向に組み付けられるように配置されることを特徴とする。この構成により、各部の組立作業を一方向に統一して行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明は省略する。
【００１５】
図１には、本発明の実施の形態に係るパワーモジュール１５の断面を示している。パワー素子２は、はんだ層５を介してアルミ導体４に固定されている。アルミ導体４は、水路１６ａを有する絶縁基板１６に、低融点アルミ等を用いて貼付されている。同様にして、絶縁基板１６には電極リード１７が貼付されている。各パワー素子２および電極リード１７の間は、ワイヤボンディング１４で接続されている。
【００１６】
絶縁基板１６は、ＡｌＮセラミック（窒化アルミニウムセラミック）等で形成されている。絶縁基板１６の水路１６ａは、内部に冷却水を流通させてパワー素子２の熱を逃がすためのものであり、絶縁基板１６の内部には、必要に応じて一つ、または複数の水路１６ａが平行に配置される（図２参照）。なお、これら各部品の貼付および接続は、後述する他の部品とは別個に、予め完了させておき、以後アッセンブリー部品として取り扱う。
【００１７】
また、絶縁基板１６は、本体１８と蓋１９とに分割された格納ケース２０の内部に格納されている。本体１８および蓋１９は、いずれも樹脂成型品である。また、絶縁基板１６は、格納ケース２０の内壁に対し若干の隙間を有し、絶縁基板１６の水路１６ａと、本体１８および蓋１９の水路１８ａ，１９ａとの間に配置した、Ｏリング等の弾性リング２１を圧縮することで、当該隙間からの水もれを防止する。また、弾性リング２１の弾性変形可能な範囲内で、絶縁基板１６は格納ケース２０に対しフローティング支持される。
【００１８】
本体１８の水路１８ａおよび蓋１９の水路１９ａには、さらに、図１の奥行き方向へと延びる水路１８ｃ，１９ｃが形成されており、絶縁基板１６の内部に平行に形成される複数の水路１６ａへの、水の供給を可能としている。さらに、本体１８の水路１８ａおよび蓋１９の水路１９ａには、水供給用の外部管路（図示省略）を連結するためのジョイント２２，２３が、本体１８および蓋１９の外側から嵌め込まれている。
【００１９】
以上の構成より、弾性リング２１は、絶縁基板１６を格納ケース２０内にフローティング支持する支持手段としての機能と、絶縁基板１６の水路１６ａと格納ケース２１の外部との間の流体連通手段としての機能とを兼ね備える。さらに、弾性リング２１を、水路１６ａ，１８ａ，１９ａの各開口部に形成された凹部１６ｂ，１８ｂ，１９ｂに嵌め込むことで、弾性リング２１の保持と、各水路１６ａ，１８ａ，１９ａの位置合わせとが確実に行われる。
【００２０】
また、パワーモジュール１５は、パワー素子２と格納ケース２０の外部との電流導通手段として、絶縁基板１６に設けられた電極リード１７と、電極リード１７に対し格納ケース２０を貫通して接触する金属端子２４，２５とを備える。金属端子２４，２５は、高張力銅材等で構成されている。金属端子２４は本体１８の端部を貫通して蓋１９の方向へと延びており、電極リード１７との接触部分２４ａがループ状に形成されている。また、金属端子２５は蓋１９を貫通して本体１８の方向へと延び、電極リード１７との接触部分２５ａがループ状に形成されている。
【００２１】
さらに、金属端子２４，２５の、格納ケース２０の外部に露出する端部２４ｂ，２５ｂを、図示のごとく本体１８および蓋１９の端面に沿って折り曲げ、かかる端部２４ｂ，２５ｂを、外部バスバー２６，２７と共に、ねじ２８，２９で本体１８、蓋１９へと固定している。なお、金属端子２４，２５は、本体１８、蓋１９の所定の取付け穴に対し嵌め込むものであってもよく、また、本体１８、蓋１９と共にインサート成形してもよい。
【００２２】
さらに、格納ケース２０には、金属端子２４，２５の接触部分２４ａ，２５ａを電極リード１７へと押し付けるための押圧コマ３０と、調整ねじ３１とが設けられている。調整ねじ３１は、六角穴付平先止めねじが用いられる。また、押圧コマ３０は樹脂等の絶縁材料で形成されているので、金属端子２４，２５から調整ねじ３１への導通は遮断される。
【００２３】
ここで、パワーモジュール１５の組立手順を説明する。まず、格納ケース２０の本体１８に、ジョイント２２と金属端子２４とを嵌め込む。また、格納ケース２０の蓋１９にも、ジョイント２３と金属端子２５とを嵌め込んでおく。続いて、格納ケース２０の内部にパワー素子２などがアッセンブリーされた絶縁基板１６を挿入する。この際、水路１８ａの凹部１８ｂに、予め弾性リング２１をはめ込んでおき、絶縁基板１６の水路１６ａに形成した凹部１６ｂ（図１の右側の凹部１６ｂ）を、かかる弾性リング２１に合わせて位置決めする。
【００２４】
次に、絶縁基板１６の水路１６ａに形成したもう一方の凹部１６ｂ（図１の左側の凹部１６ｂ）に弾性リング２１をはめ込み、本体１８に蓋１９を合わせる。この際にも、弾性リング２１に、蓋１９の水路１９ａに形成した凹部１９ｂを合わせて位置決めする。そして、固定ねじ３２で、本体１８と蓋１９とを固定する。この際、弾性リング２１は圧縮変形され、水路１６ａと１８ａ、水路１６ａと１９ａの間の密閉性が確保される。
【００２５】
続いて、金属端子２４，２５の端部２４ｂ，２５ｂを、外部バスバー２６，２７と共に、ねじ２８，２９で本体１８、蓋１９へと固定する。以上の工程の間は、各部品および各ねじの組み付け方向は、全て一方向（図１の左右方向）に統一される。最後に、本体１８の外部から２つの押圧コマ３０をはめ込み、調整ねじ３１を締め込んで、電極リード１７に対する金属端子２４，２５の接触部分２４ａ，２５ａの接触圧力を調整し、パワーモジュール１５の組立を完了する。
【００２６】
上記構成をなす本発明の実施の形態から得られる作用効果は、以下の通りである。
【００２７】
まず、本実施の形態では、樹脂製の格納ケース２０を採用したことで、軽量化および低コスト化を図ることができる。また、樹脂製の格納ケース２０の線膨張率と絶縁基板１６との線膨張率は大きく異なるが、絶縁基板１６を格納ケース２０の内部にフローティング支持したことによって、両者間の熱応力の発生を防止する事ができる。なお、パワー素子２とアルミ導体４との線膨張率の違いにより生ずる熱応力、および、アルミ導体４と絶縁基板１６との線膨張率の違いにより生ずる熱応力は、はんだ層５およびアルミ導体４の塑性変形と、絶縁基板１６の比較的大きな変形とによって吸収し得るものである。
【００２８】
したがって、本実施の形態によれば、パワー素子２で発生する熱は、はんだ層５、アルミ導体４、低融点アルミ層および絶縁基板１６を介して水路１６ａ内部を流れる水へと逃がされることとなり、従来のパワーモジュール１のごとき、より多段の積層構造に比して、効率的に放熱を行うことが可能となる。よって、構成部材の線膨張率の違いによる熱応力の緩和と、パワーモジュールの冷却効率の向上とを両立させることが可能となる。また、積層数の減少により、製造工程の削減を図ることができる。
【００２９】
また、絶縁基板１６の水路１６ａと、本体１８および蓋１９の水路１８ａ，１９ａとの間に、Ｏリング等の弾性リング２１を配置し、組立の際に弾性リング２１を圧縮することで、絶縁基板１６を格納ケース２０に対しフローティング支持しつつ、水路１６ａと１８ａ、水路１６ａと１９ａの間の密閉と水の連通とを確保する。そして、金属端子２４，２５と電極リード１７との接触部分やパワーモジュール１５の外部への、水漏れによる悪影響の発生を抑え、かつ、水を確実に循環させて、パワー素子２で発生する熱を効率的に除去することができる。
【００３０】
また、弾性リング２１は、格納ケース２０に対し絶縁基板１６をフローティング支持するための支持手段としても機能し、構成部品の削減によるコストダウンと、構造の単純化による組立性の向上とを促進している。なお、弾性リング２１とは別個に、格納ケース２０と絶縁基板１６との間に弾性部材で構成されるサスペンション機構を設けることで、振動に対する耐久性をより高めることも可能である。この場合には、弾性リング２１は水路１６ａと１８ａ、水路１６ａと１９ａの間の、水の密閉性を確保する機能のみ受け持つこととなるので、蛇腹ホース等に変えることも可能となる。
【００３１】
さらに、パワー素子２と格納ケース２０外部との間の電流導通手段として、電極リード１７と金属端子２４，２５と用い、金属端子２４，２５の、電極リード１７との接触部分２４ａ，２５ａをループ状に形成している。そして、接触部分２４ａ，２５ａを格納ケース２０の外部に露出する調整ねじ３１を締め込むことで、調整ねじ３１により、押圧コマ３０を介して接触部分２４ａ，２５ａを押圧し、接触部分２４ａ，２５ａのループを弾性変形させる。ここで生ずる弾性力を利用して、電極リード１７に対する接触部分２４ａ，２５ａの必要な接触圧を確保する。したがって、上記のごとく絶縁基板１６が格納ケース２０内にフローティング支持される構成においても、パワー素子２と格納ケース２０外部との間の導通を確保し、作動の信頼性を高めることが可能となる。
【００３２】
しかも、当該接触圧の調整を、パワーモジュール１５の組立工程の最終段階で行うことが可能なので、格納ケース２０の内部に絶縁基板１６を挿入する時点や、本体１８に蓋１９を合わせる時点で、金属端子２４，２５と電極リード１７とが不要な干渉を起こすような部材の組み合わせを避けることが可能となり、組立の容易性と電気的接触の確実性とを両立させることが可能となる。
【００３３】
さらに、パワーモジュール１５を構成する、本体１８、蓋１９、絶縁基板１６、弾性リング２１、ジョイント２２，２３、固定ねじ３２、金属端子２４，２５の端部２４ｂ，２５ｂ、外部バスバー２６，２７、ねじ２８，２９等が、一方向に組み付けられるように配置されることから、各部の組立作業を一方向に統一して行うことが可能となる。したがって、組立の容易性を高め、本発明の実施の形態のごとく、パワーモジュール１５を構成する各部品を組立工程で最終的に一つにまとめるという手法を、容易に実現することが可能となる。なお、本発明の実施の形態では、格納ケース２０を本体１８と蓋１９とに分割した場合を例に挙げて説明したが、必要に応じてその分割位置を変更することも、また、さらに多くの部分に分割することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明はこのように構成したので、以下のような効果を有する。まず、本発明の請求項１に係るパワーモジュールによれば、構成部材の線膨張率の違いによる熱応力の緩和を図りつつ、冷却効率を高めることが可能となる。そして、パワーモジュールの性能の安定化を、低コストで実現することができる。
【００３５】
また、本発明の請求項２に係るパワーモジュールによれば、パワーモジュールの格納ケース内部に、パワー素子が固定される絶縁基板をフローティング支持し、前記絶縁基板と前記格納ケースとに生ずる熱応力の発生を防止することができる。
【００３６】
また、本発明の請求項３に係るパワーモジュールによれば、前記絶縁基板と格納ケース外部との間の密閉と水の連通とを確保し、水漏れによる悪影響の発生を抑え、かつ、水を確実に循環させて、前記パワー素子で発生する熱を効率的に除去することができる。
【００３７】
また、本発明の請求項４に係るパワーモジュールによれば、構成部品の削減によるコストダウンと、構造の単純化による組立性の向上とを促進することができる。
【００３８】
さらに、本発明の請求項５に係るパワーモジュールによれば、前記絶縁基板が前記格納ケース内にフローティング支持される構成における、前記パワー素子と前記格納ケース外部との間の導通を確保し、信頼性を高めることが可能となる。
【００３９】
また、本発明の請求項６に係るパワーモジュールによれば、前記電流導通手段の前記電極リードに対する前記金属端子の接触圧力の調整を、パワーモジュールの組立工程の最終段階で行うことで、組立の容易性と電気的接触の確実性とを両立させることが可能となる。
【００４０】
加えて、本発明の請求項７に係るパワーモジュールによれば、組立の容易性を高め、本発明の実施の形態のごとく、パワーモジュール１５を構成する各部品を組立工程で最終的に一つにまとめるという手法を、容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの断面図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの絶縁基板の単体図である。
【図３】従来のパワーモジュールの要部断面図である。
【符号の説明】
２パワー素子
４アルミ導体
５はんだ層
１４ワイヤボンディング
１６絶縁基板
１６ａ水路
１６ｂ凹部
１７電極リード
１８本体
１８ａ水路
１８ｂ凹部
１９蓋
１９ａ水路
１９ｂ凹部
２０格納ケース
２１弾性リング
２４金属端子
２４ａ接触部分
２５金属端子
２５ａ接触部分
３０押圧コマ
３１調整ねじ

Claims

格納ケースと、該格納ケース内に、水路を有しパワー素子が固定される絶縁基板をフローティング支持する支持手段と、前記絶縁基板の水路と前記格納ケース外部との間の流体連通手段と、前記パワー素子と格納ケース外部との間の電流導通手段とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
前記支持手段は、前記格納ケースおよび前記絶縁基板の各々に形成された凹部に嵌合する弾性部材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。
前記流体連通手段は、前記格納ケースの水路開口部と前記水路付絶縁基板の水路開口部との間で、圧縮変形しながら両者間をつなぐ弾性リングを備え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。
前記流体連通手段の弾性リングは、前記支持手段の弾性部材を兼ねることを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。
前記電流導通手段は、前記絶縁基板に設けられた電極リードと、前記格納ケースを貫通し前記電極リードに対する接触圧を変更可能な金属端子とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のパワーモジュール。
前記金属端子は、前記電極リードとの接触部分がループ状をなし、該接触部分を前記格納ケースの外部に露出する調整ねじで押圧可能であることを特徴とする請求項５記載のパワーモジュール。
前記格納ケースは複数の部分に分割されており、少なくとも、前記分割された格納ケースの各部分と、前記絶縁基板と、前記支持手段と、前記連通手段と、これらを固定する係止手段とが、一方向に組み付けられるように配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のパワーモジュール。