JP5046378B2 - Power semiconductor module and power semiconductor device equipped with the module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ケイ素(Si)または炭化ケイ素(SiC)からなるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOS FET等のパワー半導体素子を備えたパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスに関し、特にパワー半導体素子を搭載した絶縁基板をフィン付ベースプレート上に配置し、該フィンが直接冷却されるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a power semiconductor module including a power semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) made of silicon (Si) or silicon carbide (SiC), a MOS FET, and the like, and more particularly to a power semiconductor device equipped with the module. The present invention relates to a power semiconductor module in which an insulating substrate on which a power semiconductor element is mounted is disposed on a base plate with fins and the fin is directly cooled, and a power semiconductor device on which the module is mounted.
通常、ハイブリッド自動車または電気自動車には、大容量の走行用モータを駆動すべく電力変換装置(以下、インバータ)が使用されている。インバータには、IGBTモジュール等のパワー半導体モジュールが使用され、直流電力を三相交流電力に変換して走行用モータを駆動するとともに、三相交流電力を直流電力に変換してエネルギーを回生するようになっている。
パワー半導体モジュールは、大電流を制御して走行用モータを駆動するため、発熱量が非常に大きい。その一方で、上記ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるパワー半導体モジュールには小形化が要求されている。従って、パワー半導体モジュールの冷却は、冷却効率が高い水冷構造とするのが一般的である。
Usually, in a hybrid vehicle or an electric vehicle, a power converter (hereinafter referred to as an inverter) is used to drive a large-capacity travel motor. The inverter uses a power semiconductor module such as an IGBT module, which converts DC power into three-phase AC power to drive the traveling motor, and converts the three-phase AC power into DC power to regenerate energy. It has become.
Since the power semiconductor module controls a large current to drive the traveling motor, the power semiconductor module generates a large amount of heat. On the other hand, miniaturization is required for the power semiconductor module mounted on the hybrid vehicle or the electric vehicle. Therefore, the power semiconductor module is generally cooled by a water cooling structure with high cooling efficiency.
図1に、内部に冷却媒体が循環される冷却ジャケットの載置面上に、パワー半導体モジュールを搭載して放熱する、いわゆる間接冷却構造の一例を示す。
図1(A)に示すように、パワー半導体モジュール20は、冷却ジャケット21の載置面21a上にネジ止め固定される。パワー半導体モジュール20と冷却ジャケット21の接触面には、熱抵抗低減用のシリコングリースが塗布され、熱伝導性が高められている。給水口23から導入された冷却媒体は、冷却ジャケット21の内部を通った後に、排水口24から排出される。冷却ジャケット21の内部には、1〜2mmピッチで並んだ放熱フィン22が一体成形され、放熱性能が高められている。
FIG. 1 shows an example of a so-called indirect cooling structure in which a power semiconductor module is mounted on a mounting surface of a cooling jacket in which a cooling medium is circulated to dissipate heat.
As shown in FIG. 1 (A), the
図1(B)は、パワー半導体モジュール20と冷却ジャケット21を組み合わせたパワー半導体デバイスを図1(A)に示すB方向から見た断面図である。
パワー半導体モジュール20は、パワー半導体素子28が搭載された絶縁基板31をベースプレート25の表面にはんだ接合し、さらに、素子周囲を取り囲むようにハウジング26をベースプレート25に取り付けて構成される。絶縁基板31は、熱伝導特性が良好でかつ熱膨張係数がSiに近い絶縁性セラミックス(例えば、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素)等の絶縁材料からなる絶縁層30と、その両面に設けられた銅またはアルミニウム等からなる金属層29で構成される。上側の金属層29には、パワー半導体素子28がはんだ接合される。また、下側の金属層29は、ベースプレート25の表面にはんだ接合される。
FIG. 1B is a cross-sectional view of a power semiconductor device in which the
The
金属層29の厚さは、回路パターンに流れる電流量を考慮して決定される。また、ベースプレート25の厚さは、熱拡散板としての機能を高めるために通常3〜4mmに設定され、熱容量が高められている。
ハウジング26には外部端子27が一体成形され、パワー半導体素子28または上側の金属層29と外部端子27とがアルミワイヤでボンディング接続されている。
The thickness of the
An
上述したように、図1(A)および(B)に示した間接冷却構造のパワー半導体デバイスは、パワー半導体モジュール20と冷却ジャケット21との熱抵抗を低減すべく、その接触面にシリコングリースが塗布されている。しかしながら、通常使用されるシリコングリースの熱伝導率は、ベースプレート25や絶縁基板31の熱伝導率と比較して2桁以上小さい1W/m・K程度で、パワー半導体素子28の発熱を冷却ジャケット21側に十分伝導できず、満足する放熱性能が得られていなかった。
As described above, the power semiconductor device having the indirect cooling structure shown in FIGS. 1A and 1B has silicon grease on the contact surface in order to reduce the thermal resistance between the
そこで、例えば特許文献1では、図2に示すように、ベースプレート自体に放熱フィン22を一体成形してフィン付ベースプレート32として、冷却ジャケット33の内部を循環する冷却媒体でフィン付ベースプレート32の下面側を直接冷却するようにした直接冷却構造のパワー半導体デバイスが提案されている。
しかしながら、特許文献1に係るパワー半導体デバイスにおいても、以下に示す2つの課題を有していた。
However, the power semiconductor device according to
[第1の課題](はんだ接合の均一化)
第1の課題である「はんだ接合の均一化」について説明するにあたり、まず、パワー半導体素子28と絶縁基板31、および絶縁基板31とフィン付ベースプレート32のはんだ接合工程について説明する。
[First issue] (Uniform solder joints)
In describing the first problem “uniform soldering”, first, the solder bonding process of the
図2に示すパワー半導体デバイスにおいて、パワー半導体素子28と絶縁基板31、および絶縁基板31とフィン付ベースプレート32は接合面積が大きいため、大気中ではんだ接合を行うと溶融したはんだ層34の内部に気泡による空隙(以下、ボイド)が生じる虞がある。ボイドが生じると、パワー半導体素子28の発熱がフィン付ベースプレート32まで効率よく伝達されず、パワー半導体素子28の十分な放熱が行えなくなり、使用電流範囲が制限される等の問題が発生する。このため、上記はんだ接合は、減圧雰囲気ではんだ溶融を行うことができる真空リフロー炉を用いて行われる。
In the power semiconductor device shown in FIG. 2, the
図3に、真空リフロー炉における、パワー半導体素子28と絶縁基板31、および絶縁基板31とフィン付ベースプレート32のはんだ接合工程の態様を示す。パワー半導体素子28と絶縁基板31との間には、パワー半導体素子28と略同サイズのはんだ箔34’が配置される。また、絶縁基板31とフィン付ベースプレート32の間には、絶縁基板31と略同サイズのはんだ箔34’が配置される。はんだ箔34’を配置する替わりに、はんだペーストを塗布してもよい。パワー半導体素子28および絶縁基板31が配置されたフィン付ベースプレート32は、平坦なヒーター伝熱板50上に載置される。真空リフロー炉の熱源(下面ヒーター51、上面ヒーター52)は、ヒーター伝熱板50内、および天井部にそれぞれ配置されている。
FIG. 3 shows an aspect of a solder bonding process of the
はんだ接合は、まず、真空リフロー炉内を大気状態からN2雰囲気状態に置換し、温度をはんだ溶融点の直前まで上昇させる。そして、その状態を一定時間保持することによって、フィン付ベースプレート32および絶縁基板31の内部温度を均一化するとともに、はんだ箔34’を軟化させる。次に、真空リフロー炉内のN2を排気し、真空度を数kPaまで減圧した後、はんだ溶融点よりも高い温度で一定時間保持し、はんだを溶融させる。はんだ溶融時に減圧するのは、はんだ箔34’の内部に生じた気泡を外部に排出して、ボイド発生を抑制するためである。
In solder joining, first, the inside of the vacuum reflow furnace is replaced from the atmospheric state to the N 2 atmosphere state, and the temperature is increased to just before the solder melting point. By holding this state for a certain period of time, the internal temperatures of the
真空リフロー炉内における加熱には、上面ヒーター52および/または下面ヒーター51が使用されるが、減圧時には、下面ヒーター51の固体熱伝導が支配的な役割を果たし、上面ヒーター52からの輻射熱伝導は、補助的に寄与するのみである。
従って、図2に示すフィン付ベースプレート32を用いたパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子28と絶縁基板31、および絶縁基板31とフィン付ベースプレート32のはんだ接合の均一性は、放熱フィン22の先端とヒーター伝熱板50との接触の安定性に大きく依存することになる。
For the heating in the vacuum reflow furnace, the
Therefore, in the power semiconductor module using the
通常、フィン付ベースプレート32の成形は、その素材として銅を使用した場合には押出成形によって行われ、AlとSiCの複合体を用いた場合にはグリーン加工、または金型による成形によって行われる。
しかしながら、いずれの成形方法によっても、放熱フィン22の形状(特に、突出量)に多少のばらつきが生じ、全ての放熱フィン22をヒーター伝熱板50に均等に接触させるのは困難であった。このため、ヒーター伝熱板50からフィン付ベースプレート32および絶縁基板31への熱伝導に不均一が生じ、はんだ箔34’の溶融むらによるボイドが発生していた。
In general, the
However, in any of the forming methods, there is some variation in the shape (particularly the amount of protrusion) of the
[第2の課題](パワー半導体素子の放熱均一化)
次に、第2の課題である「冷却媒体流路の流量分布均一化」について、図2に示すパワー半導体デバイスの平面図(図4(A))、および図2とは直角方向から見た断面図(図4(B))を用いて説明する。なお、図4(A)では、絶縁基板31上に搭載されるパワー半導体素子を省略している。
[Second problem] (Uniform heat dissipation of power semiconductor elements)
Next, regarding the second problem “uniformization of the flow rate distribution of the cooling medium flow path”, the plan view of the power semiconductor device shown in FIG. 2 (FIG. 4 (A)) and FIG. This will be described with reference to a cross-sectional view (FIG. 4B). In FIG. 4A, the power semiconductor element mounted on the
図4(A)および(B)に示すパワー半導体デバイスにおいて、冷却媒体は、液体ガスケットで貼り合わされた2つの筐体部材36、36’で形成される流路を、給水口23から排水口24に向かって通流する。フィン付ベースプレート32は、放熱フィン22を筐体37の開口部に嵌合し、その周辺をネジ止めして筐体37に固定される。冷却媒体の流路は、フィン付ベースプレート32および筐体部材36の間に挟まれるOリング35で液密封止される。
In the power semiconductor device shown in FIGS. 4A and 4B, the cooling medium passes through the flow path formed by the two
上記パワー半導体デバイスにおける冷却媒体の流量は、図4(A)に矢印で示すようになる。すなわち、給水口23−排水口24間の流路距離は、内回り(給水口23の左端〜排水口24の右端)が短く、外回り(給水口23の右端〜排水口24の左端)が長い。また、冷却媒体の流量は流路距離に依存し、冷却能力は流量に依存する。従って、絶縁基板31上のパワー半導体素子(図示せず)は、搭載される場所によって冷却媒体による冷却度合いにばらつきが生じることになる。その結果、十分に冷却されないパワー半導体素子は温度上昇が顕著となり、使用電流範囲が制限される等の問題が生じていた。
The flow rate of the cooling medium in the power semiconductor device is as shown by an arrow in FIG. That is, the flow path distance between the
以上のことから、本発明は、第1の課題であるパワー半導体素子と絶縁基板、および絶縁基板とフィン付ベースプレートのはんだ接合の不均一を解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することを課題とする。
また、本発明は、第1の課題とともに、第2の課題である冷却媒体の流量分布不均一に伴うパワー半導体素子の放熱の不均一をも解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することを課題とする。
From the above, the present invention is a power semiconductor module and an insulating substrate, and a power semiconductor module capable of solving the non-uniformity of solder bonding between the insulating substrate and the finned base plate, and the module mounted thereon. An object is to provide a power semiconductor device.
In addition to the first problem, the present invention provides a power semiconductor module that can solve the non-uniformity of heat dissipation of the power semiconductor element due to the non-uniform flow rate distribution of the cooling medium, which is the second problem, and the module. It is an object to provide a mounted power semiconductor device.
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子と、表面側に前記複数のパワー半導体素子がはんだ接合された絶縁基板と、フィン付ベースプレートとを備え、前記フィン付ベースプレートは、前記絶縁基板の裏面側にその表面がはんだ接合された平板状ベースプレート部と、前記ベースプレート部の裏面側領域のうち前記絶縁基板と前記ベースプレート部との接合領域に相当する領域において前記ベースプレート部の裏面側から突出した複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレート部の裏面側から突出した周壁部とが一体成形されることで形成され、前記複数の放熱フィンは、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲む周壁部の一方側から他方側に向かって通流する冷却媒体の通流方向に沿って列状に配置され、前記冷却媒体は、前記ベースプレート部の裏面法線方向に沿って導入および排出され、前記複数の放熱フィン間を流れる前記冷却媒体の通流方向の両端に位置する前記周壁部の内壁に、前記裏面法線方向に対して15〜45°に傾斜したテーパーが設けられ、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a power semiconductor module according to the present invention includes a plurality of power semiconductor elements, an insulating substrate in which the plurality of power semiconductor elements are solder-bonded on a surface side, and a base plate with fins, The finned base plate is a flat base plate portion whose surface is solder-bonded to the back surface side of the insulating substrate, and a region corresponding to a bonding region between the insulating substrate and the base plate portion in the back surface side region of the base plate portion. The plurality of heat dissipating fins protruding from the back surface side of the base plate portion and the peripheral wall portion protruding from the back surface side of the base plate portion so as to surround the plurality of heat dissipating fins are integrally formed, and the plurality The radiating fin is directed from one side of the peripheral wall portion surrounding the plurality of radiating fins to the other side. Are arranged in a row along the flow direction of the cooling medium flowing through I, the cooling medium along said rear surface normal direction of the base plate portion is introduced and discharged, the flow between said plurality of heat dissipating fins the inner wall of the peripheral wall portion located flow direction of the ends of the cooling medium, the tapered inclined to 15 to 45 ° with respect to the rear surface normal direction is provided, the amount of projection of the plurality of radiation fins peripheral wall portion And the end surface of the peripheral wall portion is the same plane.
また、本発明に係るもう一つのパワー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子と、表面側に前記複数のパワー半導体素子がはんだ接合された熱拡散板と、前記熱拡散板の裏面側に配置された絶縁樹脂層と、フィン付ベースプレートとを備え、前記フィン付ベースプレートは、前記絶縁樹脂層にその表面が密着して配置された平板状ベースプレート部と、前記ベースプレート部の裏面側領域のうち前記絶縁基板と前記ベースプレート部との接合領域に相当する領域において前記ベースプレート部の裏面側から突出した複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレート部の裏面側から突出した周壁部とが一体成形されることで形成され、前記複数の放熱フィンは、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲む周壁部の一方側から他方側に向かって通流する冷却媒体の通流方向に沿って列状に配置され、前記冷却媒体は、前記ベースプレート部の裏面法線方向に沿って導入および排出され、前記複数の放熱フィン間を流れる前記冷却媒体の通流方向の両端に位置する前記周壁部の内壁に、前記裏面法線方向に対して15〜45°に傾斜したテーパーが設けられ、前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とする。 Further, another power semiconductor module according to the present invention is disposed on a back surface side of the heat diffusion plate, a plurality of power semiconductor elements, a heat diffusion plate in which the plurality of power semiconductor elements are soldered on the front surface side, and the heat diffusion plate. An insulating resin layer and a base plate with fins, the base plate with fins being a flat base plate portion arranged in close contact with the insulating resin layer, and the insulating portion of the back side region of the base plate portion. A plurality of radiating fins protruding from the back surface side of the base plate portion in a region corresponding to a bonding region between the substrate and the base plate portion, and a peripheral wall protruding from the back surface side of the base plate portion so as to surround the periphery of the plurality of radiating fins And the plurality of radiating fins are arranged around the plurality of radiating fins. Are arranged in a row along the one side of the free wall portion flow direction of the cooling medium flowing toward the other side, the cooling medium is introduced and discharged along the rear surface normal direction of the base plate portion , the inner wall of the peripheral wall portion located flow direction of both ends of the cooling medium flowing between the plurality of radiating fins, a tapered inclined to 15 to 45 ° with respect to the rear surface normal direction is provided, said plurality The amount of protrusion of the radiating fin is equal to or less than the amount of protrusion of the peripheral wall portion, and the end surfaces of the peripheral wall portion are the same plane.
好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記複数の放熱フィンの突出量と前記周壁部の突出量との差は、0.2〜1.0mmである。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記周壁部の端面の面粗度は、2μm以下である。
また、好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記フィン付ベースプレートは、熱膨張係数が3〜10ppm/℃のアルミニウム(Al)と炭化ケイ素(SiC)の複合材である。
さらに好ましくは、上記パワー半導体モジュールの前記絶縁基板は、絶縁性セラミックス層と、該層の両面に貼り合わされた金属層からなる。
Preferably, the difference between the protruding amount of the plurality of heat radiating fins of the power semiconductor module and the protruding amount of the peripheral wall portion is 0.2 to 1.0 mm.
Preferably, the surface roughness of the end face of the peripheral wall portion of the power semiconductor module is 2 μm or less .
Preferably, the finned base plate of the power semiconductor module is a composite material of aluminum (Al) and silicon carbide (SiC) having a thermal expansion coefficient of 3 to 10 ppm / ° C.
More preferably, the insulating substrate of the power semiconductor module includes an insulating ceramic layer and a metal layer bonded to both surfaces of the layer.
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体デバイスは、上記いずれかのパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの前記フィン付ベースプレートに固定され、該フィン付ベースプレートとの間に前記冷却媒体の流路を形成する冷却ジャケットとを備え、前記冷却ジャケットは、前記放熱フィンの突出方向に沿って前記流路内に冷却媒体を導入する給水口と、前記放熱フィンの突出方向に沿って前記流路から前記冷却媒体を排出する排水口と、前記給水口および前記排水口の直上において前記複数の放熱フィンの配列方向にそれぞれ延設された給水空洞および排水空洞とを有し、前記給水口および前記排水口は、前記流路の平面視対角位置の一方と他方においてそれぞれ開口していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a power semiconductor device according to the present invention is fixed to any of the power semiconductor modules described above and the finned base plate of the power semiconductor module, and the cooling medium between the finned base plate. A cooling jacket that forms a flow path of the cooling fin, wherein the cooling jacket introduces a cooling medium into the flow path along the protruding direction of the radiating fin, and the protruding direction of the radiating fin. A drain outlet for discharging the cooling medium from the flow path, and a water supply cavity and a drain cavity extending in the arrangement direction of the plurality of heat dissipating fins immediately above the water inlet and the drain outlet, and the water inlet And the said drain outlet is each opened in one side and the other of the planar view diagonal position of the said flow path, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、パワー半導体素子と絶縁基板、および絶縁基板とフィン付ベースプレートのはんだ接合の不均一を解決することができるパワー半導体モジュール、並びに該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することができる。また、本発明によれば、上記はんだ接合の不均一とともに、冷却媒体の流量分布不均一に伴うパワー半導体素子の放熱の不均一をも解決することができるパワー半導体モジュール、および該モジュールを搭載したパワー半導体デバイスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a power semiconductor module and an insulating substrate, a power semiconductor module capable of solving the non-uniformity of solder bonding between the insulating substrate and the finned base plate, and a power semiconductor device mounted with the module. it can. In addition, according to the present invention, the power semiconductor module that can solve the non-uniformity of heat dissipation of the power semiconductor element due to the nonuniformity of the flow rate distribution of the cooling medium as well as the nonuniformity of the solder joint, and the module are mounted. A power semiconductor device can be provided.
さらに、本発明によれば、冷却媒体の流路の液密性を良好に確保することができるとともに、容易にフィン付ベースプレートを成形することができる。 Furthermore, according to the present invention, the liquid tightness of the flow path of the cooling medium can be ensured satisfactorily, and the finned base plate can be easily formed.
また、フィン付ベースプレートをリング形状かつ平板形状にして、モータハウジングを利用して冷却媒体の流路を形成し、または、絶縁基板の替わりに安価な絶縁シートを利用することによって、製造コストを削減することができる。 In addition, the base plate with fins has a ring shape and a flat plate shape, and a cooling medium flow path is formed using a motor housing, or an inexpensive insulating sheet is used instead of an insulating substrate, thereby reducing manufacturing costs. can do.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図5(A)および(B)は、600V/600Aクラスの直接冷却型パワー半導体モジュール1の斜視図で、(A)は表面、(B)は裏面である。図5(A)において、フィン付ベースプレート2の表面には、3個の絶縁基板3が配置されている。本実施例における各絶縁基板3は窒化アルミニウムからなり、構成は全て同一である。各絶縁基板3は、U相インバータの上下アーム、V相インバータの上下アーム、W相インバータの上下アームをそれぞれ構成するものである。
5A and 5B are perspective views of the 600V / 600A class direct cooling
本実施例において、フィン付ベースプレート2の寸法は10cm×21cmである。また、フィン付ベースプレート2の厚さは11mmであり、このうち表面側に位置する平板状のベースプレート2’は3mmである。フィン付ベースプレート2の材質はAl−SiC複合材であり、その各面はNiメッキされている。
In this embodiment, the size of the finned
Al−SiC複合材からなるフィン付ベースプレート2は、SiCを主成分とする素材に適当なバインダーを混合して成形し、この成形体を焼結して硬度を高めた後に、Alを含浸して作成される。Al−SiC複合材は、複雑な形状を金型成形するのに適しており、放熱フィン4を成形するために面倒な切削加工等を必要としない。
また、Al−SiC複合材は、Alの比率を30〜40%にし、熱膨張係数を他の構成部材に合わせて3〜10ppm/℃としている。これにより、フィン付ベースプレート2と他の構成部材との接触面において、温度変化に伴うストレスが発生するのを抑制することができる。さらに、SiCに上記比率でAlを含浸することによって、曲げ応力に対する耐性を改善することもできる。
The
The Al—SiC composite material has an Al ratio of 30 to 40% and a thermal expansion coefficient of 3 to 10 ppm / ° C. in accordance with other constituent members. Thereby, it can suppress that the stress accompanying a temperature change generate | occur | produces in the contact surface of the
また、本実施例における絶縁基板3の寸法は4.7cm×6.0cmで、チップサイズ10mm×16mmのIGBT素子とチップサイズ7mm×10mmのFWD素子がそれぞれ4チップずつ融点240℃以上の鉛フリーはんだで接合されている。はんだ厚は約0.1mmである。各素子の電圧/電流定格は600V/300Aであり、2素子が並列接続されることにより、定格600V/600Aのモジュールとなっている。
In addition, the dimension of the insulating
絶縁基板3とフィン付ベースプレート2は、融点約200℃の鉛フリーはんだで接合されている。はんだ厚は約0.1mmである。
なお、簡略化のために、図5(A)では、フィン付ベースプレート2の表面側を覆うハウジングおよび接続用アルミワイヤを省略している。
The insulating
For simplification, in FIG. 5A, the housing and the connecting aluminum wire that cover the surface side of the finned
図5(B)に示すように、フィン付ベースプレート2の裏面側に一体成形された放熱フィン4は、フィン付ベースプレート2の長手方向(冷却媒体通流方向)と平行に配置されている。本実施例において、放熱フィン4は17本形成されており、それぞれ突出量8mm、幅1.5mmである。また、放熱フィン4のピッチは3mm、放熱フィン4間の流路幅は1.5mmである(図6(A)参照)。
なお、本明細書中における放熱フィン4の突出量、および後述する周壁部5の突出量は、それぞれ、平板上のベースプレート2’の裏面からの量で定義されるものである。
As shown in FIG. 5B, the
In addition, the protrusion amount of the
放熱フィン4の周囲を取り囲む周壁部5の突出量は、放熱フィン4と同一か、または放熱フィン4よりも僅かに大きい(図6(B)参照)。また、周壁部5はベースプレート2’の裏面と平行な同一平面からなる周壁端面6を有している。
図5(B)に示す周壁部5の長手方向および長手垂直方向の幅寸法は、それぞれ、20mm、15mmである。また、周壁部5には、パワー半導体モジュール1と冷却ジャケットとの固定に用いられるボルト挿入穴が適宜設けられている。
The protruding amount of the
The width dimensions of the
図7に、図5に示すパワー半導体モジュール1と冷却ジャケット11とを、シール材14を介して一体化したパワー半導体デバイス10を示す。パワー半導体デバイス10において、冷却媒体は給水口12から流路内に導入され、フィン付ベースプレート2の裏面側に形成された放熱フィン4の間を通って排水口13から排出されるようになっている。本実施例において、給水口12および排水口13の内径はφ15mmである。
なお、本実施例で用いた冷却媒体は、主成分がエチレングリコールのロングライフクーラント(LLC)50vol.%である。また、シール材14は、エチレンプロピレン系またはシリコーン系樹脂を主成分とする弾性材料からなる、Oリングあるいはメタルガスケットである。
FIG. 7 shows a
The cooling medium used in this example is a long life coolant (LLC) 50 vol. %. The sealing
図7(A)および(B)に示すように、冷却ジャケット11は、給水口12および排水口13の直上に、それぞれ給水空洞12’および排水空洞13’を備えている。また、図7(B)に示すように、給水口12および排水口13は、それぞれ給水空洞12’および排水空洞13’に対角配置されている。つまり、本発明において、給水口12から導入された冷却媒体は、給水空洞12’において全放熱フィン4に分配されるとともに、排水空洞13’において排水口13に集約される。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the cooling
また、給水口12および排水口13を対角配置することにより、図7(B)に示すように、給水口12から各放熱フィン4間を通って排水口13に至るまでの流路距離が同一になる。
従って、本発明に係るパワー半導体デバイス10は、各放熱フィン4の間を流れる冷却媒体の流量分布が均一となり、搭載される場所によって、パワー半導体素子の冷却度合いにばらつきが生じることなく、安定した冷却能力が得られる。
Further, by arranging the
Therefore, the
さらに、本発明に係るパワー半導体デバイス10は、図8に示すように、放熱フィン4間を通流する冷却媒体の通流方向に対して直角に位置する周壁部5の内壁に約30°のテーパーが設けられている。同様のテーパーが、給水側においても設けられている。これにより、冷却媒体の通流方向が垂直方向から水平方向に、またはその反対に変更されることによる圧力損失を低減し、冷却媒体の通流をスムーズに行うことができる。
なお、テーパー角度θが大きいほど上記効果は高くなるが、放熱フィン4の表面積が縮小して冷却能力が低下しないように、テーパー角度θは15〜45°の範囲で設定するのが望ましい。
Further, as shown in FIG. 8, the
The above effect is enhanced as the taper angle θ is increased. However, it is desirable to set the taper angle θ in a range of 15 to 45 ° so that the surface area of the radiating
図6に、真空リフロー炉における本発明に係るパワー半導体モジュール1のはんだ接合工程の態様を示す。図3を用いて上述したように、パワー半導体素子15(IGBT素子、FWD素子)と絶縁基板3、および絶縁基板3とフィン付ベースプレート2の接合には、はんだ箔またははんだペーストが用いられる。また、真空リフロー炉には、熱源として、ヒーター伝熱板50内に配置される下面ヒーター51と、天井部に配置される上面ヒーター52が備えられる。
In FIG. 6, the aspect of the solder joining process of the
図6中の一部拡大図に示されるように、本実施例において、ベースプレート2’に対する放熱フィン4の突出量は、周壁部5の突出量よりも0.2〜1.0mm少なくなるように設計されており、フィン付ベースプレート2をヒーター伝熱板50上に載置しても、放熱フィン4の先端とヒーター伝熱板50は直接接触しない。また、ヒーター伝熱板50に接触する周壁端面6は、冷却ジャケットと一体化した際の冷却媒体の密封を考慮して、表面粗さRaが1μm以下の面粗度で研磨されていることから、周壁端面6とヒーター伝熱板50載置面との接触は良好に確保される。
なお、放熱フィン4の周壁端面6の高さは同一としてもよく、また、周壁端面6の面粗度を2μm以下としても、はんだ接合工程におけるヒーター伝熱板50との接触性、およびシール材14を介して冷却ジャケット11と一体化した際の冷却媒体流路の液密性を良好に確保することができる。
As shown in the partially enlarged view in FIG. 6, in the present embodiment, the protruding amount of the radiating
In addition, the height of the peripheral
以上のように、本発明に係るパワー半導体デバイス10は、周壁端面6とヒーター伝熱板50とが広い面積で接触し、均一な熱伝導によってはんだが溶融されるため、安定したはんだ接合を行うことができる。
As described above, in the
放熱フィンの形状は、他の形状にすることもできる。
例えば、図9に示す実施例2に係るフィン付ベースプレート2は、冷却媒体との接触面積が大きく熱伝導係数が高い波形状の放熱フィン4を冷却媒体の通流方法に沿って備えている。また、パワー半導体素子の直下に集中的に放熱フィン4を配置することで、冷却媒体の圧力損失を極力抑えつつ、効率的な放熱を行うことができる。
The shape of the heat radiating fins may be other shapes.
For example, the
図10に示す実施例3に係るパワー半導体デバイス10は、リング形状かつ平板形状のフィン付ベースプレート2を適用し、ハイブリッド自動車または電気自動車用の走行用モータに一体化することができる。図10に示す構成によれば、冷却ジャケット11の替わりに、走行用モータのハウジング端壁を使用することによって冷却媒体の流路を形成することができるので、小形軽量化、およびコスト削減が実現できる。また、インバータと、その駆動対象である走行用モータの距離とを近づけて配置することによって、回路結線を短くすることができ、配線損失を低減することができる。
また、実施例3に係るパワー半導体デバイス10の中空部は、モータシャフトを通したり、走行用モータへの電力供給線を配置したりする領域として利用することができる。
The
Further, the hollow portion of the
図11は、図6に示すパワー半導体モジュールの絶縁基板を絶縁樹脂層に置き換えたものである。
実施例4に係るパワー半導体モジュール1は、フィン付ベースプレート2上に絶縁樹脂層16を密着して配置し、さらにその絶縁樹脂層16上に導体板17を配置している。導体板17は、絶縁樹脂層16上に銅板を接合し、エッチング処理によってその銅板から不必要な導体パターン以外の部分を除去(パターンニング)して形成される。また、導体板17とフィン付ベースプレート2は、これらの間に配置される絶縁樹脂層16とパターンニングされた沿面距離によって絶縁性能が確保されている。
FIG. 11 is a diagram in which the insulating substrate of the power semiconductor module shown in FIG. 6 is replaced with an insulating resin layer.
In the
複数のパワー半導体素子15が熱拡散板18にはんだ接合され、熱拡散板18は、導体板17にはんだ接合される。熱拡散板18は、熱伝導率と熱容量がともに大きい材質(例えば、本実施例では銅)が選択され、パワー半導体素子15の発熱は、面内方向に急速に拡散するとともに、フィン付ベースプレート2で放熱される。これによって、パワー半導体素子15の急激な発熱に対する過渡的な温度上昇を抑制することができる。
また、実施例4に係る構成によれば、窒化アルミニウム基板等の高価な絶縁基板を使用する必要がないので、コストを削減することができる。
A plurality of
Moreover, according to the structure which concerns on Example 4, since it is not necessary to use expensive insulating substrates, such as an aluminum nitride board | substrate, cost can be reduced.
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、当業者が種々の変形例を想到できることは自明である。 As mentioned above, although the preferable Example of this invention was described, this invention is not limited to the said structure, It is obvious that those skilled in the art can come up with various modifications.
例えば、各実施例に係るパワー半導体モジュールおよびパワー半導体デバイスにおいて、各構成部材のサイズ、フィン付ベースプレートに搭載される絶縁基板の数量、絶縁基板に搭載されるパワー半導体素子の数量、成形される放熱フィンの数量、および放熱フィンの形状等は、適宜変更することができる。 For example, in the power semiconductor module and the power semiconductor device according to each embodiment, the size of each constituent member, the number of insulating substrates mounted on the finned base plate, the number of power semiconductor elements mounted on the insulating substrate, and the heat radiation formed The number of fins, the shape of the radiating fins, and the like can be changed as appropriate.
また、実施例4に係るパワー半導体モジュールにおいて、ヒートサイクル性能などの耐環境性を向上したい場合には、熱拡散板18の材質を熱膨張係数の小さい銅−モリブデン複合材に置き換えてもよい。また、パワー半導体素子15の発熱量が大きくない場合には、熱拡散板18を省略して、パワー半導体素子15と導体板17を直接接合してもよい。
Further, in the power semiconductor module according to the fourth embodiment, when it is desired to improve environmental resistance such as heat cycle performance, the material of the
1 パワー半導体モジュール
2 フィン付ベースプレート
2’ ベースプレート
3 絶縁基板
4 放熱フィン
5 周壁部
6 周壁端面
10 パワー半導体デバイス
11 冷却ジャケット
12 給水口
12’ 給水空洞
13 排水口
13’ 排水空洞
14 シール材
15 パワー半導体素子
16 絶縁樹脂層
17 導体板
18 熱拡散板
34 はんだ層
34’ はんだ箔
50 ヒーター伝熱板
51 下面ヒーター
52 上面ヒーター
DESCRIPTION OF
Claims (7)
表面側に前記複数のパワー半導体素子がはんだ接合された絶縁基板と、
フィン付ベースプレートと
を備え、
前記フィン付ベースプレートは、前記絶縁基板の裏面側にその表面がはんだ接合された平板状ベースプレート部と、前記ベースプレート部の裏面側領域のうち前記絶縁基板と前記ベースプレート部との接合領域に相当する領域において前記ベースプレート部の裏面側から突出した複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレート部の裏面側から突出した周壁部とが一体成形されることで形成され、
前記複数の放熱フィンは、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲む周壁部の一方側から他方側に向かって通流する冷却媒体の通流方向に沿って列状に配置され、
前記冷却媒体は、前記ベースプレート部の裏面法線方向に沿って導入および排出され、
前記複数の放熱フィン間を流れる前記冷却媒体の通流方向の両端に位置する前記周壁部の内壁に、前記裏面法線方向に対して15〜45°に傾斜したテーパーが設けられ、
前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、
前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A plurality of power semiconductor elements;
An insulating substrate in which the plurality of power semiconductor elements are solder-bonded on the surface side;
With a base plate with fins,
The finned base plate is a flat base plate portion whose surface is solder-bonded to the back surface side of the insulating substrate, and a region corresponding to a bonding region between the insulating substrate and the base plate portion in a back surface region of the base plate portion. A plurality of radiating fins protruding from the back surface side of the base plate portion and a peripheral wall portion protruding from the back surface side of the base plate portion so as to surround the periphery of the plurality of radiating fins are integrally formed,
The plurality of radiating fins are arranged in a row along the flow direction of the cooling medium flowing from one side of the peripheral wall portion surrounding the plurality of radiating fins toward the other side,
The cooling medium is introduced and discharged along the back surface normal direction of the base plate portion,
The inner wall of the peripheral wall portion located flow direction of both ends of the cooling medium flowing between the plurality of radiating fins, a tapered inclined to 15 to 45 ° with respect to the rear surface normal direction is provided,
The amount of protrusion of the plurality of radiating fins is equal to or less than the amount of protrusion of the peripheral wall portion, and
The power semiconductor module is characterized in that end faces of the peripheral wall portion are coplanar.
表面側に前記複数のパワー半導体素子がはんだ接合された熱拡散板と、
前記熱拡散板の裏面側に配置された絶縁樹脂層と、
フィン付ベースプレートと
を備え、
前記フィン付ベースプレートは、前記絶縁樹脂層にその表面が密着して配置された平板状ベースプレート部と、前記ベースプレート部の裏面側領域のうち前記絶縁基板と前記ベースプレート部との接合領域に相当する領域において前記ベースプレート部の裏面側から突出した複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲むように前記ベースプレート部の裏面側から突出した周壁部とが一体成形されることで形成され、
前記複数の放熱フィンは、前記複数の放熱フィンの周囲を取り囲む周壁部の一方側から他方側に向かって通流する冷却媒体の通流方向に沿って列状に配置され、
前記冷却媒体は、前記ベースプレート部の裏面法線方向に沿って導入および排出され、
前記複数の放熱フィン間を流れる前記冷却媒体の通流方向の両端に位置する前記周壁部の内壁に、前記裏面法線方向に対して15〜45°に傾斜したテーパーが設けられ、
前記複数の放熱フィンの突出量が前記周壁部の突出量以下であり、かつ、
前記周壁部の端面が同一平面であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A plurality of power semiconductor elements;
A heat diffusion plate in which the plurality of power semiconductor elements are soldered to the surface side; and
An insulating resin layer disposed on the back side of the heat diffusion plate;
With a base plate with fins,
The base plate with fins is a flat base plate portion arranged in close contact with the insulating resin layer, and a region corresponding to a bonding region between the insulating substrate and the base plate portion in a rear surface side region of the base plate portion. A plurality of radiating fins protruding from the back surface side of the base plate portion and a peripheral wall portion protruding from the back surface side of the base plate portion so as to surround the periphery of the plurality of radiating fins are integrally formed,
The plurality of radiating fins are arranged in a row along the flow direction of the cooling medium flowing from one side of the peripheral wall portion surrounding the plurality of radiating fins toward the other side,
The cooling medium is introduced and discharged along the back surface normal direction of the base plate portion,
The inner wall of the peripheral wall portion located flow direction of both ends of the cooling medium flowing between the plurality of radiating fins, a tapered inclined to 15 to 45 ° with respect to the rear surface normal direction is provided,
The amount of protrusion of the plurality of radiating fins is equal to or less than the amount of protrusion of the peripheral wall portion, and
The power semiconductor module is characterized in that end faces of the peripheral wall portion are coplanar.
前記パワー半導体モジュールの前記フィン付ベースプレートに固定され、該フィン付ベースプレートとの間に前記冷却媒体の流路を形成する冷却ジャケットとA cooling jacket fixed to the finned base plate of the power semiconductor module and forming a flow path for the cooling medium with the finned base plate;
を備え、With
前記冷却ジャケットは、前記放熱フィンの突出方向に沿って前記流路内に冷却媒体を導入する給水口と、前記放熱フィンの突出方向に沿って前記流路から前記冷却媒体を排出する排水口と、前記給水口および前記排水口の直上において前記複数の放熱フィンの配列方向にそれぞれ延設された給水空洞および排水空洞とを有し、The cooling jacket includes a water supply port that introduces a cooling medium into the flow path along the protruding direction of the radiating fin, and a drain port that discharges the cooling medium from the flow path along the protruding direction of the radiating fin. A water supply cavity and a drainage cavity respectively extending in the arrangement direction of the plurality of heat dissipating fins immediately above the water supply port and the drainage port,
前記給水口および前記排水口は、前記流路の平面視対角位置の一方と他方においてそれぞれ開口していることを特徴とするパワー半導体デバイス。The power semiconductor device is characterized in that the water supply port and the drain port are respectively opened at one and the other of the diagonal positions of the flow path in plan view.
Priority Applications (3)
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