JP4039339B2 - Immersion type double-sided heat dissipation power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an immersion type two-surface heat-radiation power module having an efficient heat radiating structure with thermal resistance factors as in presence in the conventional model eliminated. <P>SOLUTION: A package 2 is shaped into a box and houses a module structure 3 provided with a power element 31, to be immersed in cooling water in a cooler 5. Both surfaces of the module structure 3 are brought into close contact with inner surfaces of the package 2, with thermoconductive insulating layers 4 respectively sandwiched in between. A cover 22 is provided on one surface of the box-shape package 2 wherewith the module structure 3 is in close contact, and the cover 22 is capable of adjusting its distance from the other surface of the package 2 for pressing and fixing the module structure 3 immovable. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&amp;NCIPI

Description

本発明は、パワーモジュール仕組みを収容したパッケージを冷却水に浸漬することで、パワーモジュールの放熱性向上を図る浸漬式両面放熱パワーモジュールの構成に関する。   The present invention relates to a configuration of a submersible double-sided heat dissipation power module that improves heat dissipation of a power module by immersing a package containing a power module mechanism in cooling water.

一般的に、ＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタ等のパワー素子を使用したパワーモジュールは動作に伴い発熱するため、この熱を効率良く外部に放熱することが重要であるが、効率良く放熱させるためには、パワーモジュールの両面から冷却することが考えられる。
パワーモジュールを両面から冷却する構成のパワーモジュールとしては、例えば特許文献１に示すようなものがある。
つまり、パワーモジュール（特許文献１における半導体モジュール）の両面に冷却器（特許文献１における冷媒チューブ）を接触させることで、パワーモジュールの両面から放熱するようにしている。 Generally, power modules that use power elements such as IGBTs and MOS transistors generate heat during operation. Therefore, it is important to dissipate this heat to the outside efficiently. Cooling from both sides of the module can be considered.
An example of a power module configured to cool the power module from both sides is shown in Patent Document 1.
That is, heat is radiated from both surfaces of the power module by bringing the cooler (refrigerant tube in Patent Document 1) into contact with both surfaces of the power module (the semiconductor module in Patent Document 1).

特開２００１−３５２０２３号公報JP 2001-352023 A

パワーモジュールに冷却器を接触させて放熱を行う場合、パワーモジュールと冷却器とをはんだ等の良熱伝導材料にて接合すると効率良く放熱することができる。
しかし、冷却器は熱容量が大きく熱伝導性が高いため、はんだ接合等を行うときに冷却器の接合面を必要な温度まで加熱することが難しく、量産工程にてはんだ接合等を行うことは現実的には困難である。
従って、前述の如くのパワーモジュールでは、パワーモジュールと冷却器との間に絶縁スペーサを介して、冷却器をパワーモジュールへ圧接させるだけの構成となっている。 When heat is radiated by bringing a cooler into contact with the power module, heat can be radiated efficiently by joining the power module and the cooler with a good heat conductive material such as solder.
However, because the cooler has a large heat capacity and high thermal conductivity, it is difficult to heat the joint surface of the cooler to the required temperature when performing solder bonding, etc. Is difficult.
Therefore, the power module as described above has a configuration in which the cooler is press-contacted to the power module via the insulating spacer between the power module and the cooler.

このように、冷却器をパワーモジュールへ圧接させるだけでは、パワーモジュールから冷却器へ熱が伝わる際に、パワーモジュールと冷却器との圧接面に熱抵抗が生じて、効率良い放熱を行うことができない。
圧接面の熱抵抗を低減する方法としては、パワーモジュールと冷却器との圧接面に熱伝導性のシリコングリスを塗布してパワーモジュールと冷却器との接触度合いを高めることが考えられるが、シリコングリスははんだ材や金属に比べて格段に熱伝導率が低いため、あまり改善効果を得ることはできない。 In this way, when the cooler is simply pressed against the power module, when heat is transferred from the power module to the cooler, a thermal resistance is generated on the pressure contact surface between the power module and the cooler, and efficient heat dissipation can be performed. Can not.
As a method of reducing the thermal resistance of the pressure contact surface, it is conceivable to increase the degree of contact between the power module and the cooler by applying thermally conductive silicon grease to the pressure contact surface between the power module and the cooler. Since grease has a much lower thermal conductivity than solder materials and metals, it cannot provide much improvement.

そこで、本発明では、従来のパワーモジュールのような熱抵抗要因を排除した、高い放熱構造を備える浸漬式両面放熱パワーモジュールを提供するものである。   Therefore, the present invention provides an immersion type double-sided heat dissipation power module having a high heat dissipation structure that eliminates a thermal resistance factor like a conventional power module.

上記課題を解決する本発明の浸漬式両面放熱パワーモジュールは、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１においては、パワー素子を備えたモジュール仕組みを収容し、冷却器内の冷却水に浸漬されるパッケージを箱状に形成し、モジュール仕組みの両面を、それぞれ熱伝導性絶縁層を介してパッケージの内面に密着させ、モジュール仕組みが密着される箱状パッケージの一面に、該一面と対向する他面との間隔を調節可能な蓋体を設け、該蓋体によりモジュール仕組みを押圧固定する。
これにより、モジュール仕組みの厚みを厳密に管理することなく、モジュール仕組みの両面とパッケージとを密着させるとともに、パッケージの防水性を確保することができる。
従って、従来のパワーモジュールのような熱抵抗要因を排除して、信頼性が高く放熱効率が高い浸漬式両面放熱パワーモジュールを構成することが可能となる。 The immersion double-sided heat dissipation power module of the present invention that solves the above-described problems has the following characteristics.
That is, in claim 1, the module mechanism provided with the power element is accommodated, a package immersed in the cooling water in the cooler is formed in a box shape, and both sides of the module mechanism are respectively provided with a heat conductive insulating layer. Is attached to the inner surface of the package, and on one surface of the box-shaped package to which the module mechanism is closely attached, a cover body capable of adjusting the distance between the one surface and the other surface is provided, and the module mechanism is pressed and fixed by the cover body. To do.
Thereby, without strictly managing the thickness of the module mechanism, both surfaces of the module mechanism and the package can be brought into close contact with each other, and the waterproofness of the package can be ensured.
Therefore, it is possible to configure a submersible double-sided heat radiation power module with high reliability and high heat radiation efficiency by eliminating the thermal resistance factor as in the conventional power module.

また、請求項２においては、前記箱状パッケージは、パッケージ本体と前記蓋体との二部材にて構成され、モジュール仕組みを収容する箱状パッケージ内の空間に封止材を充填した。
これにより、モジュール仕組みにおける各電極間等の絶縁性を高めて、パワーモジュールの信頼性向上を図ることができる。 According to a second aspect of the present invention, the box-shaped package is composed of two members, a package main body and the lid body, and a space in the box-shaped package that houses the module mechanism is filled with a sealing material.
Thereby, the insulation between each electrode etc. in a module structure can be improved, and the reliability improvement of a power module can be aimed at.

また、請求項３においては、前記浸漬式両面放熱パワーモジュールは、冷却器に設置された状態で、箱状パッケージの冷却水に浸漬されている部分に第一のモジュール仕組みを収容するとともに、箱状パッケージの外部露出面に第二のモジュール仕組みを設置する。
これにより、第一のモジュール仕組みと第二のモジュール仕組みといった複数のモジュール仕組みをコンパクトに設置することができ、それぞれのモジュール仕組みを別個に構成した場合に比べて、省スペース化を図ることができる。 Further, in claim 3, the immersion type double-sided heat dissipation power module is installed in a cooler and accommodates the first module mechanism in a portion immersed in the cooling water of the box-shaped package. A second module mechanism is installed on the externally exposed surface of the package.
As a result, a plurality of module mechanisms such as the first module mechanism and the second module mechanism can be installed in a compact manner, and space can be saved compared to the case where each module mechanism is configured separately. .

本発明によれば、信頼性が高く放熱効率が高い浸漬式両面放熱パワーモジュールを構成することが可能となる。
また、モジュール仕組みにおける各電極間等の絶縁性を高めて、パワーモジュールの信頼性向上を図ることができる。
さらに、複数のモジュール仕組みを備えるパワーモジュールでは、設置スペースの省スペース化を図ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to comprise the immersion type double-sided thermal radiation power module with high reliability and high thermal radiation efficiency.
Moreover, the insulation between each electrode in a module structure, etc. can be improved, and the reliability of a power module can be improved.
Furthermore, in a power module having a plurality of module mechanisms, installation space can be saved.

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１に示すように、浸漬式両面放熱パワーモジュールであるパワーモジュール１は、パワー素子３１を備えたモジュール仕組み３を、パッケージ２内に収容して構成されており、冷却水が充満される冷却器５内に浸漬されている。 Next, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, a power module 1 that is an immersion type double-sided heat dissipation power module is configured by housing a module mechanism 3 including a power element 31 in a package 2 and is filled with cooling water. It is immersed in the vessel 5.

パッケージ２は、上面及び下面が開放されたパッケージ本体２１と、該パッケージ本体２１の下面を閉塞する蓋体２２とで構成され、側面視において略Ｌ字形状となる箱型に形成されており、上下方向に空間が伸びる垂直部２ａと、水平方向に空間が伸びる水平部２ｂとを備えている。   The package 2 is composed of a package main body 21 having an open upper surface and a lower surface, and a lid body 22 that closes the lower surface of the package main body 21, and is formed in a box shape having a substantially L shape in a side view. A vertical portion 2a in which the space extends in the vertical direction and a horizontal portion 2b in which the space extends in the horizontal direction are provided.

モジュール仕組み３は、パッケージ２の水平部２ｂに配置されるパワー素子３１と、パワー素子３１の一面（図１においては下面）と接合される第一の電極３２と、ヒートシンク３５を介してパワー素子３１の他面（図１においては上面）と接合される第二の電極３３と、パワー素子３１の他面にワイヤを介して接合される第三の電極３４（第三の電極３４はセンシング用、制御用の信号線であり、複数本の場合がある）とを備えている。   The module mechanism 3 includes a power element 31 disposed on the horizontal portion 2b of the package 2, a first electrode 32 joined to one surface (the lower surface in FIG. 1) of the power element 31, and a power element via a heat sink 35. A second electrode 33 joined to the other surface of 31 (the upper surface in FIG. 1), and a third electrode 34 joined to the other surface of the power element 31 via a wire (the third electrode 34 is for sensing). , A signal line for control, and there may be a plurality of cases).

パワー素子３１と第一の電極３２、パワー素子３１とヒートシンク３５、及びヒートシンク３５と第二の電極３３とは、はんだ３６により接合されている。
また、第一の電極３２、第二の電極３３、第三の電極３４は、パッケージ２の水平部２ｂから垂直部２ａを通じて、該垂直部２ａの上方まで延出されている。 The power element 31 and the first electrode 32, the power element 31 and the heat sink 35, and the heat sink 35 and the second electrode 33 are joined by solder 36.
The first electrode 32, the second electrode 33, and the third electrode 34 are extended from the horizontal portion 2b of the package 2 to the upper portion of the vertical portion 2a through the vertical portion 2a.

第一の電極３２の外側面は、熱伝導性絶縁層４を介してパッケージ２の内面に接合されており、第一の電極３２の内側面には、熱伝導性絶縁層４を介して第三の電極３４が接合されている。
また、第二の電極３３の外側面も、第一の電極３２が接合されるパッケージ２の内面に対向する内面に、熱伝導性絶縁層４を介して接合されている。 The outer surface of the first electrode 32 is joined to the inner surface of the package 2 via the heat conductive insulating layer 4, and the inner surface of the first electrode 32 is connected to the inner surface of the first electrode 32 via the heat conductive insulating layer 4. Three electrodes 34 are joined.
Further, the outer surface of the second electrode 33 is also bonded to the inner surface facing the inner surface of the package 2 to which the first electrode 32 is bonded via the heat conductive insulating layer 4.

すなわち、下方から順に第一の電極３２、パワー素子３１、ヒートシンク３５、及び第二の電極３３が積層状態となったモジュール仕組み３が、パッケージ２の水平部２ｂ内に収納されており、モジュール仕組み３の上面と水平部２ｂの上面との間、及びモジュール仕組み３の下面と水平部２ｂの下面との間に熱伝導性絶縁層４を介装して、モジュール仕組み３の上下面をそれぞれ水平部２ｂ内の上下面に接合している。   That is, the module mechanism 3 in which the first electrode 32, the power element 31, the heat sink 35, and the second electrode 33 are stacked in order from the bottom is housed in the horizontal portion 2b of the package 2, and the module mechanism 3 and the upper surface of the horizontal portion 2b, and between the lower surface of the module mechanism 3 and the lower surface of the horizontal portion 2b, the thermally conductive insulating layer 4 is interposed between the upper and lower surfaces of the module mechanism 3. It is joined to the upper and lower surfaces in the part 2b.

パッケージ２の垂直部２ａの上部には取付用フランジ２３が形成されており、該取付用フランジ２３を締結部材等で冷却器５の上面５１に取付固定することで、パワーモジュール１を冷却水に浸漬させた状態で冷却器５に取り付けている。
冷却器５の上面５１と取付用フランジ２３との間には液体ガスケット６を塗布して、冷却水が外部に漏出しないようにシールしている。なお、取付固定は、溶接や摩擦攪拌接合等の手法を用いてもよい。 A mounting flange 23 is formed on the upper portion of the vertical portion 2a of the package 2. The power module 1 can be used as cooling water by fixing the mounting flange 23 to the upper surface 51 of the cooler 5 with a fastening member or the like. It is attached to the cooler 5 in a dipped state.
A liquid gasket 6 is applied between the upper surface 51 of the cooler 5 and the mounting flange 23 so as to prevent the cooling water from leaking outside. Note that the attachment and fixation may be performed using a technique such as welding or friction stir welding.

また、パワーモジュール１のパッケージ２内における、モジュール仕組み３の収容部分以外の空間には、シリコーンゲルやエポキシ樹脂等で構成される封止材７を充填してモジュール仕組み３における各電極３２・３３・３４間等の絶縁性を高めている。   Further, in the package 2 of the power module 1, a space other than the housing portion of the module mechanism 3 is filled with a sealing material 7 made of silicone gel, epoxy resin, or the like, and the electrodes 32 and 33 in the module mechanism 3 are filled.・ Insulation such as between 34 is improved.

各電極３２・３３・３４は銅やアルミニウムや銅・モリブデン等により構成され、熱伝導性絶縁層４はセラミックスや樹脂等により構成され、パッケージ本体２１及び蓋体２２はアルミニウム等により構成されている。   The electrodes 32, 33, and 34 are made of copper, aluminum, copper, molybdenum, or the like, the thermally conductive insulating layer 4 is made of ceramic, resin, or the like, and the package body 21 and the lid body 22 are made of aluminum or the like. .

このように構成されるパワーモジュール１は、図２に示すように組み立てられる。
すなわち、まず、モジュール仕組み３をパッケージ本体２１に下方から挿入する。次に、モジュール仕組み３が収容されたパッケージ本体２１の下端の開口部に蓋体２２を嵌装して、該開口部を閉じる。 The power module 1 configured as described above is assembled as shown in FIG.
That is, first, the module mechanism 3 is inserted into the package body 21 from below. Next, the lid 22 is fitted into the opening at the lower end of the package body 21 in which the module mechanism 3 is accommodated, and the opening is closed.

この場合、モジュール仕組み３とパッケージ本体２１の内面とは、熱伝導性絶縁層４を介して接合され、熱伝導性絶縁層４とモジュール仕組み３及びパッケージ本体２１とは、ろう付けや熱圧着等により接合される。
ろう付けや熱圧着等を行う場合、パッケージ２の熱容量が、従来のパワーモジュールの冷却器の熱容量に比べると十分小さいので、接合時の加熱等の加工が容易となっている。 In this case, the module mechanism 3 and the inner surface of the package main body 21 are joined via the heat conductive insulating layer 4, and the heat conductive insulating layer 4, the module mechanism 3 and the package main body 21 are brazed, thermocompression bonded, or the like. Are joined together.
When performing brazing, thermocompression bonding, or the like, the heat capacity of the package 2 is sufficiently smaller than the heat capacity of the cooler of the conventional power module, so that processing such as heating at the time of joining is easy.

また、パッケージ本体２１と下方から嵌装された蓋体２２とは、溶接や摩擦攪拌接合で接合を行う。また、嵌装部分におけるパッケージ本体２１と蓋体２２とのクリアランスは極僅かな寸法とすることが可能であるので、両者の接合を樹脂等の接着材により行うこともできる。
このように接合したパッケージ本体２１と蓋体２２との接合部分は、十分な防水性及び信頼性を備えることができる。 The package body 21 and the lid body 22 fitted from below are joined by welding or friction stir welding. Moreover, since the clearance between the package main body 21 and the lid body 22 at the fitting portion can be set to a very small size, both can be joined by an adhesive such as a resin.
The joint portion between the package body 21 and the lid body 22 joined in this way can have sufficient waterproofness and reliability.

組み立てられたパワーモジュール１は、冷却器５の上面５１に取り付けられる。
取り付けの際には、上面５１の裏面に液体ガスケット６を塗布した後に、取付用フランジ２３を該上面５１の裏面に重ね合わせ、締結部材等で締結する。 The assembled power module 1 is attached to the upper surface 51 of the cooler 5.
At the time of attachment, after applying the liquid gasket 6 to the back surface of the upper surface 51, the mounting flange 23 is superimposed on the back surface of the upper surface 51 and fastened with a fastening member or the like.

ここで、浸漬式両面放熱構造のパワーモジュール１のパッケージ２は、少なくとも以下の特性を備えることが必要である。
第一に、パワー素子３１から発生した熱を、パワーモジュール１が浸漬されている冷却水に効率良く伝達することが求められる。
この特性を備えるためには、パワー素子３１が第一の電極３２や第二の電極３３等といった電極面等を通じて、パッケージ２の内面に一定圧以上の面圧で圧接するか、良熱伝導性の接合材等により密着又は接合していることが必要である。
従って、パワー素子３１とパッケージ２内面との間に隙間が生じることは許されない。 Here, the package 2 of the power module 1 having an immersion type double-sided heat dissipation structure needs to have at least the following characteristics.
First, it is required to efficiently transfer the heat generated from the power element 31 to the cooling water in which the power module 1 is immersed.
In order to have this characteristic, the power element 31 is brought into pressure contact with the inner surface of the package 2 through an electrode surface such as the first electrode 32, the second electrode 33, or the like with a surface pressure of a predetermined pressure or higher, or has good thermal conductivity. It is necessary to adhere or bond with a bonding material or the like.
Therefore, a gap is not allowed to occur between the power element 31 and the inner surface of the package 2.

第二に、パッケージ２が防水性を備えていることが求められる。つまり、パッケージ２は二以上の部材を組み合わせて形成されるが、この複数の部材の組み合わせ面に隙間が生じないようにしなければならない。
複数の部材を組み合わせて接合する方法としては、かしめ、溶接、ガスケット、及び樹脂シール等があるが、何れの場合でも接合面に隙間が生じないように、又は隙間が生じるとしても極僅かな隙間に抑えなければならない。 Second, the package 2 is required to be waterproof. That is, the package 2 is formed by combining two or more members, but it is necessary to prevent a gap from occurring on the combined surface of the plurality of members.
As a method of joining a plurality of members in combination, there are caulking, welding, gaskets, resin seals, etc., but in any case there is no gap on the joining surface, or even if a gap occurs, a very slight gap Must be kept to a minimum.

複数の部材を溶接等で接合してパッケージを構成する場合、仮に、図１に示すような本発明のパワーモジュール１におけるパッケージ構造を用いないとすると、半割り状に分割された第一のパッケージ部材と第二のパッケージ部材とを対向させて、モジュール仕組みを挟み込むように接合するパッケージ構造が考えられる。   When a package is formed by joining a plurality of members by welding or the like, if the package structure in the power module 1 of the present invention as shown in FIG. 1 is not used, the first package divided in half A package structure is conceivable in which the member and the second package member are opposed to each other so as to sandwich the module mechanism.

例えば、図３に示すように、縦の半割り状に分割された第一パッケージ１０２ａと第二パッケージ１０２ｂとでパッケージ１０２を構成したパワーモジュール１０１の場合、図４に示すように、該第一パッケージ１０２ａと第二パッケージ１０２ｂとを対向させ、モジュール仕組み１０３を挟み込むように接合することで、パッケージ１０２が構成される。   For example, as shown in FIG. 3, in the case of the power module 101 in which the package 102 is composed of a first package 102a and a second package 102b divided into vertical halves, the first module 102a is divided into the first package 102a and the second package 102b as shown in FIG. The package 102 is configured by bonding the package 102a and the second package 102b so as to face each other and sandwich the module mechanism 103 therebetween.

この場合、収容されるモジュール仕組み１０３の一面（第一の電極３２が接合されている側の面）は第一パッケージ１０２ａの内側面に熱伝導性絶縁層４を介して接触し、他面（第二の電極３２が接合されている側の面）は第二パッケージ１０２ｂの内側面に熱伝導性絶縁層４を介して接触することとなる。   In this case, one surface of the module mechanism 103 to be accommodated (the surface on the side where the first electrode 32 is bonded) is in contact with the inner surface of the first package 102a via the thermally conductive insulating layer 4, and the other surface ( The surface on the side to which the second electrode 32 is bonded is in contact with the inner side surface of the second package 102b through the heat conductive insulating layer 4.

そして、収容されるモジュール仕組み１０３の両面を、それぞれパッケージ１０２の内側面に接触させるためには、モジュール仕組み１０３の厚みｄ１（積層されるパワー素子３１、第一の電極３２、ヒートシンク３５、第二の電極３３、及びこれらを接合するはんだ３６層の厚みに、両面の熱伝導性絶縁層４の厚みを加えたもの）と、パッケージ１０２の両内側面間の寸法ｄ２とを等しくしなければならない。   Then, in order to bring both sides of the accommodated module mechanism 103 into contact with the inner surface of the package 102, the thickness d1 of the module mechanism 103 (the power element 31, the first electrode 32, the heat sink 35, the second The thickness of the electrode 33 and the solder 36 layer for joining them to the thickness of the heat conductive insulating layer 4 on both sides) and the dimension d2 between the inner side surfaces of the package 102 must be equal. .

しかし、現実には、各部材の寸法精度等により、前記厚みｄ１と寸法ｄ２とを全く同じ値にすることは不可能であり、両者には寸法差が生じる。
例えば、図５に示すように、モジュール仕組み１０３の厚みｄ１がパッケージ１０２の寸法ｄ２よりも小さいと、モジュール仕組み１０３とパッケージ１０２の内側面との間に隙間ｓ１が生じて、モジュール仕組み１０３の両面をパッケージ１０２の内側面と接触させることができず、放熱性が著しく低下することになる。 However, in reality, it is impossible to make the thickness d1 and the dimension d2 exactly the same due to the dimensional accuracy of each member, and a dimensional difference occurs between them.
For example, as shown in FIG. 5, when the thickness d1 of the module mechanism 103 is smaller than the dimension d2 of the package 102, a gap s1 is generated between the module mechanism 103 and the inner surface of the package 102, and both sides of the module mechanism 103 are formed. Cannot be brought into contact with the inner surface of the package 102, and the heat dissipation performance is significantly reduced.

逆に、図６に示すように、モジュール仕組み１０３の厚みｄ１がパッケージ１０２の寸法ｄ２よりも大きいと、第一パッケージ１０２ａと第二パッケージ１０２ｂとの間に隙間ｓ２が生じて、防水性を確保することができない。   On the other hand, as shown in FIG. 6, when the thickness d1 of the module mechanism 103 is larger than the dimension d2 of the package 102, a gap s2 is generated between the first package 102a and the second package 102b to ensure waterproofness. Can not do it.

このように、単に、縦の半割り状に分割された第一パッケージ１０２ａと第二パッケージ１０２ｂとを対向させて、モジュール仕組み１０３を挟み込むように接合するだけでは、パワー素子３１から発生した熱を効率良く冷却水へ伝達することと、パッケージ１０２の防水性を確保することの両方の要件を満足することは困難である。   In this way, the heat generated from the power element 31 can be generated simply by facing the first package 102a and the second package 102b divided into vertical halves so as to sandwich the module mechanism 103 therebetween. It is difficult to satisfy both the requirements of efficiently transmitting to the cooling water and ensuring the waterproofness of the package 102.

しかし、パッケージ２にモジュール仕組み３を収容して構成した、本発明にかかるパワーモジュール１は、放熱性を防水性の両方の要件を満たすことができる。   However, the power module 1 according to the present invention configured by housing the module mechanism 3 in the package 2 can satisfy both requirements of heat dissipation and waterproofness.

つまり、パッケージ２の蓋体２２には、該蓋体２２の上面から寸法Ｒだけ下方へ延出する垂直部２２ａ（図１図示）が外周部に形成されており、この垂直部２２ａの寸法Ｒ分だけ蓋体２２とパッケージ本体２１の内周面とがオーバーラップして接している。
また、蓋体２２は、上下摺動可能にパッケージ本体２１に嵌装され、その後ろう付け等により接合される。
そして、モジュール仕組み３の厚みＨが設計中心寸法となっているときには、パッケージ本体２１の下端位置と蓋体２２の垂直部２２ａの下端位置とが揃った状態となる（図１に示す状態）。 That is, the lid 22 of the package 2 is formed with a vertical portion 22a (shown in FIG. 1) extending downward from the upper surface of the lid 22 by a dimension R on the outer peripheral portion, and the dimension R of the vertical portion 22a. The cover body 22 and the inner peripheral surface of the package body 21 are overlapped and in contact with each other.
The lid 22 is fitted to the package body 21 so as to be slidable up and down, and then joined by brazing or the like.
When the thickness H of the module mechanism 3 is the design center dimension, the lower end position of the package body 21 and the lower end position of the vertical portion 22a of the lid body 22 are aligned (the state shown in FIG. 1).

これに対し、モジュール仕組み３の厚みが、公差によりＨが設計中心寸法よりも小さく構成されたときは、厚みＨが設計中心寸法となっているときと同じ位置に蓋体２２を嵌装すると、モジュール仕組み３の上面とパッケージ本体２１との間、又はモジュール仕組み３の下面と蓋体２２との間に隙間が生じる。   On the other hand, when the thickness of the module mechanism 3 is configured such that H is smaller than the design center dimension due to tolerance, when the lid 22 is fitted at the same position as when the thickness H is the design center dimension, A gap is generated between the upper surface of the module mechanism 3 and the package body 21 or between the lower surface of the module mechanism 3 and the lid body 22.

しかし、図７に示すように、蓋体２２はパッケージ本体２１に対して上下摺動可能に嵌装されているので、厚みＨが設計中心寸法となっているときよりも、蓋体２２の垂直部２２ａの下端位置がパッケージ本体２１の下端位置蓋体に対して寸法ｈ１だけ上方に位置するように、該蓋体２２をパッケージ本体２１に深く挿入することができる。
これにより、モジュール仕組み３の上面とパッケージ本体２１、及びモジュール仕組み３の下面と蓋体２２とを、隙間を生じさせることなく密着させることができる。 However, as shown in FIG. 7, the lid 22 is fitted to the package main body 21 so as to be slidable in the vertical direction, so that the lid 22 is more perpendicular than when the thickness H is the design center dimension. The lid 22 can be inserted deeply into the package body 21 such that the lower end position of the portion 22a is positioned above the lower end position lid of the package body 21 by the dimension h1.
Thereby, the upper surface of the module mechanism 3 and the package main body 21, and the lower surface of the module mechanism 3 and the lid body 22 can be adhered to each other without generating a gap.

逆に、図８に示すように、モジュール仕組み３の厚みが、公差によりＨが設計中心寸法よりも大きく構成されたときは、厚みＨが設計中心寸法となっているときと同じ位置にまで蓋体２２を挿入することはできず、浅く挿入されることとなる。すなわち、蓋体２２の垂直部２２ａの下端位置がパッケージ本体２１の下端位置蓋体に対して寸法ｈ２だけ下方に位置するように挿入される。   On the contrary, as shown in FIG. 8, when the thickness of the module mechanism 3 is configured such that H is larger than the design center dimension due to tolerance, the lid is brought to the same position as when the thickness H is the design center dimension. The body 22 cannot be inserted and will be inserted shallowly. That is, it is inserted so that the lower end position of the vertical portion 22a of the lid body 22 is positioned below the lower end position lid body of the package body 21 by the dimension h2.

このように、蓋体２２を浅く挿入した場合でも、蓋体２２の垂直部２２ａは上下方向に寸法Ｒだけ形成されているので、蓋体２２とパッケージ本体２１とが、寸法Ｒから寸法ｈ２を引いた寸法だけオーバーラップすることができ、パッケージ２の防水性を確保することができる。
なお、この場合も、モジュール仕組み３の上面とパッケージ本体２１、及びモジュール仕組み３の下面と蓋体２２とを、隙間を生じさせることなく密着させることができる。 Thus, even when the lid 22 is inserted shallowly, the vertical portion 22a of the lid 22 is formed with the dimension R in the vertical direction, so that the lid 22 and the package body 21 have a dimension h2 from the dimension R. It is possible to overlap only the drawn dimensions, and the waterproofness of the package 2 can be ensured.
In this case as well, the upper surface of the module mechanism 3 and the package body 21 and the lower surface of the module mechanism 3 and the lid body 22 can be brought into close contact with each other without causing a gap.

このように、パワーモジュール１は、パワー素子３１を備えたモジュール仕組み３を収容して、冷却器５内の冷却水に浸漬されるパッケージ１を箱状に形成し、該モジュール仕組み３の両面を、それぞれ熱伝導性絶縁層４を介してパッケージ２の内面に密着させ、モジュール仕組み３が密着される箱状のパッケージ２の一面（水平部２ｂの下面）に、該一面と対向する他面（水平部２ｂの上面）との間隔を調節可能な蓋体２２を設け（本実施形態の場合は、水平部２ｂの下面全体が蓋体２２となっている）、該蓋体２２によりモジュール仕組み３を押圧固定するように構成している。   As described above, the power module 1 accommodates the module mechanism 3 including the power element 31 and forms the package 1 immersed in the cooling water in the cooler 5 in a box shape. , Each of which is brought into close contact with the inner surface of the package 2 through the heat conductive insulating layer 4 and is attached to one surface (the lower surface of the horizontal portion 2b) of the box-like package 2 to which the module mechanism 3 is adhered. A lid 22 that can adjust the distance from the upper surface of the horizontal portion 2b is provided (in the case of the present embodiment, the entire lower surface of the horizontal portion 2b is the lid 22). Is configured to press and fix.

これにより、第一の電極３２、パワー素子３１、ヒートシンク３５、及び第二の電極３３等が積層状態となったモジュール仕組み３の厚みＨが異なった場合でも、蓋体２２のパッケージ本体２１への挿入深さを調節することができるので、該厚みＨを厳密に管理することなく、モジュール仕組み３の両面とパッケージ２とを密着させるとともに、パッケージ２の防水性を確保することができる。   Thereby, even when the thickness H of the module mechanism 3 in which the first electrode 32, the power element 31, the heat sink 35, the second electrode 33, and the like are stacked is different, the lid 22 is attached to the package body 21. Since the insertion depth can be adjusted, both the surfaces of the module mechanism 3 and the package 2 can be brought into close contact with each other and the waterproofness of the package 2 can be secured without strictly managing the thickness H.

また、パワーモジュール１は、図９に示すように構成することもできる。
すなわち、図９に示すパワーモジュール１は、モジュール仕組み３を収納するパッケージ８を、縦の半割り状に分割された第一パッケージ本体８１と第二パッケージ本体８２と、第二パッケージ本体８２に形成される開口部８２ａに摺動可能に嵌装される蓋体８３とで構成し、第一パッケージ８１と第二パッケージ８２とを対向させ、モジュール仕組み３を挟み込むように接合して構成されている。 The power module 1 can also be configured as shown in FIG.
That is, in the power module 1 shown in FIG. 9, the package 8 that houses the module mechanism 3 is formed in a first package body 81, a second package body 82, and a second package body 82 that are divided into vertical halves. The lid 83 is slidably fitted into the opening 82a, and the first package 81 and the second package 82 are opposed to each other and are joined so as to sandwich the module mechanism 3 therebetween. .

そして、収容されるモジュール仕組み３の一面（第一の電極３２が接合されている側の面）は、第一パッケージ本体８１の内側面に熱伝導性絶縁層４を介して接触し、他面（第二の電極３３が接合されている側の面）は第二パッケージ本体８２に嵌装される蓋体８３の内側面に熱伝導性絶縁層４を介して接触している。   Then, one surface of the module mechanism 3 to be accommodated (the surface on the side where the first electrode 32 is bonded) is in contact with the inner surface of the first package body 81 via the thermally conductive insulating layer 4, and the other surface The surface (the surface on which the second electrode 33 is bonded) is in contact with the inner surface of the lid 83 fitted in the second package body 82 via the heat conductive insulating layer 4.

このように、図１に示した垂直部２ａと水平部２ｂとを有した略Ｌ字状のパッケージ２だけでなく、図９に示した垂直部分のみで形成されるパッケージ８でも、モジュール仕組み３のパワー素子３１やヒートシンク３５等が積層される部分を、蓋体８３と、該蓋体８３と対向する第一パッケージ本体８１の内側面との間に配置することで、モジュール仕組み３の両面とパッケージ２とを密着させつつ、パッケージ２の防水性を確保したパワーモジュール１を構成することができる。   Thus, not only the substantially L-shaped package 2 having the vertical portion 2a and the horizontal portion 2b shown in FIG. 1, but also the package 8 formed only by the vertical portion shown in FIG. The power element 31 and the heat sink 35 are stacked between the lid 83 and the inner surface of the first package body 81 facing the lid 83, so that both sides of the module mechanism 3 It is possible to configure the power module 1 that ensures the waterproofness of the package 2 while closely contacting the package 2.

また、図１に示したパワーモジュール１の放熱性をさらに向上させるために、図１０のように構成することもできる。
図１０に示すパワーモジュール１には、パッケージ本体２１におけるモジュール仕組み３が接合している部分（水平部２ｂの上面）、及び蓋体２２におけるモジュール仕組み３が接合している部分に、外側方向へ突出するフィン２１ｂ・２２ｂが、それぞれ形成されている。 Moreover, in order to further improve the heat dissipation of the power module 1 shown in FIG. 1, it can also comprise as FIG.
In the power module 1 shown in FIG. 10, a portion (the upper surface of the horizontal portion 2 b) where the module mechanism 3 is bonded to the package body 21 and a portion where the module mechanism 3 is bonded to the lid 22 are outward. Protruding fins 21b and 22b are respectively formed.

このように、パッケージ本体２１及び蓋体２２のモジュール仕組み３が接合する部分にフィン２１ｂ・２２ｂをそれぞれ形成することで、パッケージ本体２１及び蓋体２２と冷却水との接触面積を増加させることができ、パワー素子３１からの発熱をさらに効率良く冷却水へ伝達することが可能となる。   In this manner, by forming the fins 21b and 22b at the portions where the module mechanism 3 of the package body 21 and the lid body 22 is joined, the contact area between the package body 21 and the lid body 22 and the cooling water can be increased. Thus, the heat generated from the power element 31 can be transmitted to the cooling water more efficiently.

さらに、図９で示したパワーモジュール１の場合でも、図１１に示すように、第一パッケージ本体８１及び蓋体８３のモジュール仕組み３が接合する部分にフィン８１ｂ・８３ｂを形成して、放熱効率を向上させることができる。   Further, even in the case of the power module 1 shown in FIG. 9, as shown in FIG. 11, fins 81 b and 83 b are formed at the portion where the module mechanism 3 of the first package body 81 and the lid 83 is joined, so that the heat radiation efficiency is increased. Can be improved.

また、前述の如く、パワーモジュール１のパッケージ２内における、モジュール仕組み３収容部分以外の空間には、シリコーンゲルやエポキシ樹脂等で構成される封止材７が充填されている。
このように、パッケージ２内に封止材７を充填することで、モジュール仕組み３における各電極３２・３３・３４間等の絶縁性を高めて、パワーモジュール１の信頼性を図っている。 Further, as described above, the space other than the housing portion of the module mechanism 3 in the package 2 of the power module 1 is filled with the sealing material 7 made of silicone gel, epoxy resin, or the like.
Thus, by filling the package 2 with the sealing material 7, the insulation between the electrodes 32, 33, 34 and the like in the module mechanism 3 is enhanced, and the reliability of the power module 1 is achieved.

封止材７は、パッケージ２内の空間に隙間なく充填することが望ましいが、パッケージ２内にゲル状又はペースト状の封止材７を注入する際に気泡をかみ込んで、封止材７が硬化した後も気泡が残った状態となり易い。
たとえ、封止材７を真空注入したとしても、モジュール仕組み３の構成部品や封止材７内に含まれている気体により封止材７に気泡が発生するため、硬化後の封止材７から完全に気泡を取り除くことは困難である。 It is desirable that the sealing material 7 is filled in the space in the package 2 without any gap. However, when the gel-like or paste-like sealing material 7 is injected into the package 2, the sealing material 7 is encapsulated with bubbles. It is easy to be in a state where air bubbles remain even after curing.
Even if the sealing material 7 is vacuum-injected, bubbles are generated in the sealing material 7 due to the gas contained in the components of the module mechanism 3 and the sealing material 7. It is difficult to completely remove the air bubbles.

しかし、本パワーモジュール１では、図１２に示すように構成することで、封止材７内に発生する気泡を除去するようにすることが可能である。
つまり、パッケージ２の水平部２ｂにおける上端部に、該水平部２ｂの上面よりも高位置に位置する気泡トラップ用空間２ｃを形成する。 However, in the power module 1, it is possible to remove bubbles generated in the sealing material 7 by configuring as shown in FIG. 12.
That is, the bubble trapping space 2c positioned higher than the upper surface of the horizontal portion 2b is formed at the upper end of the horizontal portion 2b of the package 2.

このように、気泡トラップ用空間２ｃをパッケージ２内に形成しておくことで、封止材７内の気泡を気泡トラップ用空間２ｃへ逃がすことができ、封止材７の硬化後に気泡が残留することを防ぐことができる。
これにより、モジュール仕組み３における高電界部分に気泡が形成された状態で封止材７が硬化することを防いで、絶縁破壊の発生を防止することができる。 Thus, by forming the bubble trapping space 2c in the package 2, the bubbles in the sealing material 7 can escape to the bubble trapping space 2c, and the bubbles remain after the sealing material 7 is cured. Can be prevented.
Thereby, it can prevent that the sealing material 7 hardens | cures in the state in which the bubble was formed in the high electric field part in the module structure 3, and generation | occurrence | production of a dielectric breakdown can be prevented.

また、パワーモジュール１を、複数のモジュール仕組みを備えた構造とすることもできる。
図１３に示すパワーモジュール１は、冷却器５の上面５１に取り付けられ、パッケージ２に収容される前述のモジュール仕組み３と、該パッケージ２の取付用フランジ２３上に構成されるモジュール仕組み９とを備えている。 Moreover, the power module 1 can also be made into the structure provided with the several module structure.
The power module 1 shown in FIG. 13 is attached to the upper surface 51 of the cooler 5 and includes the above-described module mechanism 3 accommodated in the package 2 and the module mechanism 9 configured on the mounting flange 23 of the package 2. I have.

モジュール仕組み９は、パワー素子９１と、パワー素子９１の一面（図１３においては下面）に接合される第一の電極９２と、パワー素子９１の他面（図１３においては上面）に接合される第二の電極９３と、パワー素子９１の他面にワイヤを介して接合される第三の電極９４とを備えている。   The module mechanism 9 is bonded to the power element 91, the first electrode 92 bonded to one surface (the lower surface in FIG. 13), and the other surface (the upper surface in FIG. 13) of the power element 91. A second electrode 93 and a third electrode 94 joined to the other surface of the power element 91 via a wire are provided.

パワー素子９１と第一の電極９２、パワー素子９１と第二の電極９３とは、はんだ９６により接合されている。
そして、第一の電極９２の下面が、熱伝導性絶縁層４を介して取付用フランジ２３の上面に接合されている。
また、パワー素子９１、第一の電極９２、第二の電極９３、及び第三の電極９４の周囲には保護壁９８が立設されており、保護壁９８に囲まれた空間内には、封止材７が充填されている。 The power element 91 and the first electrode 92, and the power element 91 and the second electrode 93 are joined by solder 96.
The lower surface of the first electrode 92 is joined to the upper surface of the mounting flange 23 via the thermally conductive insulating layer 4.
In addition, a protective wall 98 is provided around the power element 91, the first electrode 92, the second electrode 93, and the third electrode 94, and in the space surrounded by the protective wall 98, The sealing material 7 is filled.

該モジュール仕組み９においては、パワー素子９１の他面側が熱伝導性絶縁層４を介して取付用フランジ２３の上面に接合されており、パワー素子９１で発生した熱が、この他面側から取付用フランジ２３を通じて冷却水に伝達されることで、放熱効率を向上させている。   In the module mechanism 9, the other surface side of the power element 91 is joined to the upper surface of the mounting flange 23 via the heat conductive insulating layer 4, and the heat generated in the power element 91 is attached from the other surface side. The heat dissipation efficiency is improved by being transmitted to the cooling water through the flange 23 for use.

このように、図１３におけるパワーモジュール１は、冷却器５に設置された状態で、パッケージ２の冷却水に浸漬されている部分に第一のモジュール仕組み３を収容するとともに、パッケージ２の外部露出面である取付用フランジ２３の上面に第二のモジュール仕組み９を設置することで、第一のモジュール仕組み３と第二のモジュール仕組み９といった複数のモジュール仕組みをコンパクトに設置することができ、それぞれのモジュール仕組みを別個に構成した場合に比べて、省スペース化を図ることができる。
さらに、取付用フランジ２３の冷却水面側にフィンを形成して、第二のモジュール仕組み９の放熱性を向上させるとさらに良い。 As described above, the power module 1 in FIG. 13 is installed in the cooler 5, and the first module mechanism 3 is accommodated in the portion of the package 2 that is immersed in the cooling water, and the package 2 is exposed to the outside. By installing the second module mechanism 9 on the upper surface of the mounting flange 23 that is a surface, a plurality of module mechanisms such as the first module mechanism 3 and the second module mechanism 9 can be installed in a compact manner. Compared to the case where the module mechanism is configured separately, space saving can be achieved.
Furthermore, it is better to improve the heat dissipation of the second module mechanism 9 by forming fins on the cooling water surface side of the mounting flange 23.

本発明にかかるパワーモジュールを示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the power module concerning this invention. パワーモジュールの組立状態を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the assembly state of a power module. 本発明のパワーモジュールにおけるパッケージ構造を用いない場合のパッケージ構造を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the package structure when not using the package structure in the power module of this invention. 図３のパッケージ構造の組立状態を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the assembly state of the package structure of FIG. 図３のパッケージ構造において、モジュール仕組みの厚みがパッケージの内側面間の寸法よりも小さく構成された状態を示す側面断面図である。FIG. 4 is a side cross-sectional view showing a state in which the thickness of the module mechanism is smaller than the dimension between the inner side surfaces of the package in the package structure of FIG. 3. 図３のパッケージ構造において、モジュール仕組みの厚みがパッケージの内側面間の寸法よりも大きく構成された状態を示す側面断面図である。FIG. 4 is a side cross-sectional view showing a state in which the thickness of the module mechanism is configured to be larger than the dimension between the inner side surfaces of the package in the package structure of FIG. 3. 図１に示すパワーモジュールにおいて、モジュール仕組みの厚みが設計中心寸法よりも小さく構成された状態を示す側面断面図である。In the power module shown in FIG. 1, it is side surface sectional drawing which shows the state by which the thickness of the module structure was comprised smaller than the design center dimension. 図１に示すパワーモジュールにおいて、モジュール仕組みの厚みが設計中心寸法よりも大きく構成された状態を示す側面断面図である。In the power module shown in FIG. 1, it is side surface sectional drawing which shows the state by which the thickness of the module structure was comprised larger than the design center dimension. 本発明にかかるパワーモジュールの第二の実施形態を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows 2nd embodiment of the power module concerning this invention. 図１に示すパワーモジュールのパッケージ本体及び蓋体に放熱用のフィンを形成した例を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the example which formed the fin for heat radiation in the package main body and cover body of the power module shown in FIG. 図９に示すパワーモジュールのパッケージ本体及び蓋体に放熱用のフィンを形成した例を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the example which formed the fin for heat radiation in the package main body and cover body of the power module shown in FIG. 図１に示すパワーモジュールのパッケージ本体に気泡トラップ用空間を形成した状態を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the state which formed the space for bubble traps in the package main body of the power module shown in FIG. 複数のモジュール仕組みを備えたパワーモジュールを示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the power module provided with the several module structure.

符号の説明Explanation of symbols

１ パワーモジュール
２ パッケージ
３ モジュール仕組み
４ 熱伝導性絶縁層
５ 冷却器
６ 液体ガスケット
７ 封止材
２１ パッケージ本体
２２ 蓋体
３１ パワー素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Package 3 Module mechanism 4 Thermal conductive insulating layer 5 Cooler 6 Liquid gasket 7 Sealing material 21 Package body 22 Lid 31 Power element

Claims (3)

パワー素子を備えたモジュール仕組みを収容し、冷却器内の冷却水に浸漬されるパッケージを箱状に形成し、
モジュール仕組みの両面を、それぞれ熱伝導性絶縁層を介してパッケージの内面に密着させ、
モジュール仕組みが密着される箱状パッケージの一面に、該一面と対向する他面との間隔を調節可能な蓋体を設け、
該蓋体によりモジュール仕組みを押圧固定する
ことを特徴とする浸漬式両面放熱パワーモジュール。 A module structure with power elements is housed, and a package that is immersed in cooling water in the cooler is formed in a box shape.
Both sides of the module mechanism are in close contact with the inner surface of the package via a thermally conductive insulating layer,
On one side of the box-shaped package to which the module mechanism is in close contact, a lid that can adjust the distance between the one side and the other side is provided,
An immersion type double-sided heat radiation power module characterized in that the module mechanism is pressed and fixed by the lid. 前記箱状パッケージは、パッケージ本体と前記蓋体との二部材にて構成され、
モジュール仕組みを収容する箱状パッケージ内の空間に封止材を充填した
ことを特徴とする請求項１に記載の浸漬式両面放熱パワーモジュール。 The box-shaped package is composed of two members, a package body and the lid,
The immersion type double-sided heat radiation power module according to claim 1, wherein a sealing material is filled in a space in a box-shaped package that accommodates the module mechanism. 前記浸漬式両面放熱パワーモジュールは、冷却器に設置された状態で、箱状パッケージの冷却水に浸漬されている部分に第一のモジュール仕組みを収容するとともに、箱状パッケージの外部露出面に第二のモジュール仕組みを設置する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浸漬式両面放熱パワーモジュール。
The immersion type double-sided heat dissipation power module is installed in a cooler and accommodates the first module mechanism in a portion of the box-shaped package that is immersed in cooling water, and is disposed on the external exposed surface of the box-shaped package. An immersion type double-sided heat radiation power module according to claim 1 or 2, wherein a second module mechanism is installed.
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