JP5193712B2 - パワーモジュールのシール部構造 - Google Patents

Description

この発明は、パワーモジュールのシール部構造に関する。

従来からパワーモジュールの中には、放熱効率の向上を図るために、基台部材に孔を設け、ここにセラミックス製の放熱部材を備えた半導体装置を、放熱部材を孔に挿入した状態で設け、基台部材の孔に冷媒を流して半導体装置を冷却する構造のものがある（特許文献１参照）。
特開２００７−１５９２５０号公報

ところで、このようなパワーモジュールにおいては、流路となる孔を一つの部材で形成しているため、メインテナンス性が悪いという問題がある。ところが、メインテナンス性を良くするため、製造上の便宜からこのようなパワーモジュールを分割構造とした場合に、シール性を確保することが困難となるという問題がある。樹脂などで複雑な形状に形成されたパワーモジュールは、部位毎に厚さ寸法が異なるため、液冷反りや引けが発生した場合にはこの部位においてはシール面を確保できないという問題がある。

そこで、この発明は、冷却を必要とする半導体装置を備えたパワーモジュールにおいて、樹脂部分が冷却媒体のシール面となっている場合でもシール性に問題を生じないパワーモジュールのシール部構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、ヒートシンク（例えば、実施形態におけるヒートシンク３１）を備えた複数の半導体装置（例えば、実施形態におけるトランジスタ）を樹脂材料にて形成された樹脂モールド部（例えば、実施形態における樹脂モールド部３３）で一体的に把持する半導体ユニット（例えば、実施形態における半導体ユニット３２）と、前記半導体ユニットに取り付けられ、前記ヒートシンクを冷却する冷媒の流路を構成する流路ケース（例えば、実施形態における流路ケース４１）とで構成されるパワーモジュール（例えば、実施形態におけるパワーコントロールユニット１）のシール部構造であって、前記樹脂モールド部に前記半導体ユニットの前記ヒートシンクの縁部を把持する把持部（例えば、実施形態における把持部３９）を設け、前記把持部をこの把持部の周囲よりも薄肉に形成し、この把持部の直下に前記流路ケースとのシール面（例えば、実施形態におけるシール面２８）を設定し、このシール面にシール材（例えば、実施形態におけるシール材Ｓ１）を配置したことを特徴とする。
このように構成することで、半導体ユニットの把持部をこの把持部の周囲よりも薄肉に形成してあることで、把持部のシール面に液冷反りや引けの発生を防止することが可能となる。

請求項２に記載した発明は、前記半導体ユニットの前記シール面に前記流路ケース側に固定された前記シール材を受け入れる凹部（例えば、実施形態における受け入れ凹部５１）を設け、該凹部の開口面積を前記シール材との間に隙間を形成するように前記シール材のシール部よりも大きく形成し、前記凹部の底壁（例えば、実施形態における底壁５２）に前記シール材を押圧する突起部（例えば、実施形態における突条部５３）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、半導体ユニットと流路ケースとを締め付ける際の締め付け代を確保しシール材に十分な潰し代を持たせることができ、かつ突起部によりシール材の潰し代を大きくすることができる。
また、凹部を設けることで、平坦な面で形成した場合に比較してこの部位での放熱面積を増加できるため、均一な冷却を確保することができ、液冷反りや引けの発生を防止できる。

請求項３に記載した発明は、前記半導体ユニットを構成する前記樹脂モールド部で前記半導体装置を取り囲むようなケース（例えば、実施形態における樹脂ケース３４）を構成し、このケース内にポッティング材が充填されていることを特徴とする。
このように構成することで、ケース内にポッティング材を充填するだけの簡単な作業でで樹脂モールド成形を行ないつつ、ケースの周囲とヒートシンクを把持する把持部との肉厚の差が大きくなることによる、液冷反りや引けの発生をシール面に及ばないようにした。

請求項４に記載した発明は、前記半導体ユニットには前記シール面の近傍であって、前記流路ケースに重合する部位に突起（例えば、実施形態における突条６０，６０）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、把持部とは異なり液冷反りや引けが発生し易い流路ケースに重合する部分に液冷反りや引けが発生したとしても、突起を設けることで、流路ケースとの接合時における面圧を確保できる。

請求項１に記載した発明によれば、半導体ユニットの把持部をこの把持部の周囲よりも薄肉に形成してあることで、把持部のシール面に液冷反りや引けの発生を防止することが可能となるため、把持部の下面と把持部直下の流路ケースとのシール面でのシール材のシール性に問題を生じさせない効果がある。
請求項２に記載した発明によれば、半導体ユニットと流路ケースとを締め付ける際の締め付け代を確保しシール材に十分な潰し代を持たせることができ、かつ突起部によりシール材の潰し代を大きくすることができるため、シール性能を高めることができる効果がある。また、凹部を設けることで、平坦な面で形成した場合に比較してこの部位での放熱面積を増加できるため、均一な冷却を確保することができ、液冷反りや引けの発生を防止できるため、この点でもシール性能を高めることができる効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、ケース内にポッティング材を充填するだけの簡単な作業で樹脂モールド成形を行ないつつ、ケースの周囲とヒートシンクを把持する把持部との肉厚の差が大きくなることによる、液冷反りや引けの発生をシール面に及ばないようにできる効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、把持部とは異なり液冷反りや引けが発生し易い流路ケースに重合する部分に液冷反りや引けが発生したとしても、突起を設けることで、流路ケースとの接合時における面圧を確保できるため、半導体ユニットと流路ケースとに確実な締め付け力を付与することができる効果がある。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はハイブリッド車両用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１を含む回路の概略構成を示している。このハイブリッド車両はエンジン（図示せず）と、エンジンの機械的出力により駆動される発電機（ＧＥＮ）２と、発電機２の発電出力により充電される高圧系のバッテリ（ＢＡＴ）３と、バッテリ３の放電出力と発電機２の発電出力の少なくとも一方を用いて駆動輪（図示せず）を駆動するモータ（ＭＯＴ）４を備えている。

パワーコントロールユニット１は、バッテリ３から供給される電力により昇圧回路として機能するコンバータ（ＤＣ／ＤＣＣＯＮＶ）７を介してモータ４を駆動すると共にモータ４を回生作動させた際の電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給する第１インバータ（Ｔｒ／Ｍ ＰＤＵ）５と、発電機２により発生する電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給し、あるいは発電機２により発生する電力でモータ４を駆動する第２インバータ（ＧＥＮ ＰＤＵ）６を備えている。
これらコンバータ７、第１インバータ５及び第２インバータ６は、制御基板（ＥＣＵ）８からの制御指令によりゲートドライブ基板（ＧＤＣＢ）９を介して駆動制御される。

第１インバータ５は、例えば、トランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａと平滑コンデンサ５ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第１インバータ５にはモータ４とコンバータ７が接続されている。

コンバータ７と第１インバータ５との間には第１インバータ５と同様の構成を備えた第２インバータ６が正極側端子Ｐｔと負極側端子Ｎｔに接続され、この第２インバータ６に発電機２が接続されている。この第２インバータ６は、第１インバータ５と同様に、トランジスタのスイッチング素子を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路６ａと平滑コンデンサ６ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第２インバータ６には発電機２とコンバータ７が接続されている。この第２インバータ６は発電機２の出力電圧をコンバータ７により降圧してバッテリ３に充電を行ったり、第１インバータ５を経由してモータ４を駆動する。

第１インバータ５、第２インバータ６は、各相毎に対をなすハイ側，ロー側Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬ及びハイ側，ロー側Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬ及びハイ側，ロー側Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬをブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａ，６ａと、平滑コンデンサ５ｂ，６ｂとを備えている。各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されローサイドアームを構成しており、各相毎に対をなす各トランジスタＵＨ，ＵＬ及びＶＨ，ＶＬ及びＷＨ，ＷＬはコンバータ７に対して直列に接続されている。トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが各々接続されている。

ここで、コンバータ７から第１インバータ５のトランジスタＷＨ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の正極側端子Ｐｔから第２インバータ６のトランジスタＷＨ間のバスがＰＯｕｔバスバー２０として構成されている。また、コンバータ７から第１インバータ５のトランジスタＷＬ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の負極側端子Ｎｔから第２インバータ６のトランジスタＷＬ間のバスがＮバスバー２１として構成されている。

また、第１インバータ５からモータ４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４を構成し、第２インバータ６から発電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７を構成している。

図２に示すのはパワーモジュール３０であって、ここでは第１インバータ５のハイ側Ｕ相トランジスタＵＨとロー側Ｕ相トランジスタＵＬとをユニット化したものである。尚、第１インバータ５のＶ相、Ｗ相のハイ側とロー側トランジスタ、第２インバータ６の各相のハイ側とロー側トランジスタについても同様の構成であるのでこのパワーモジュール３０を例にして説明する。

図３〜図４に示すように、パワーモジュール３０はヒートシンク３１を備えた半導体装置であるハイ側Ｕ相トランジスタＵＨとロー側Ｕ相トランジスタＵＬとを樹脂材料にて一体的に把持する半導体ユニット３２を備えている。半導体ユニット３２は樹脂モールド部３３とヒートシンク３１とで構成されている。樹脂モールド部３３はヒートシンク３１を把持する樹脂ケース３４とこの樹脂ケース３４内にポッティングにより樹脂が充填されたポッティング部３５とで一体構成されている。
樹脂ケース３４には出力端子が露出しており、この出力端子は図２において左側からＯｕｔバスＴｒＵ２２、Ｎバスバー２１、ＰＯｕｔバスバー２０の取付端子２２ｔ，２１ｔ，２０ｔとして設けられている。尚、１９は取付端子２２ｔ，２１ｔ，２０ｔの孔を示している。

樹脂ケース３４は半導体装置であるハイ側Ｕ相トランジスタＵＨとロー側Ｕ相トランジスタＵＬを取り囲むようにして設けられ、これらを載置したヒートシンク３１の縁部を把持している。樹脂ケース３４の周壁３６はヒートシンク３１の配置面よりも高く肉厚に形成され、この周壁３６の内周面に内側に延びる上壁部３７と下壁部３８とが上下方向で重なり合う位置に設けられ、これら上壁部３７と下壁部３８との間にヒートシンク３１を上下で把持する把持部３９が形成されている。ここで、上壁部３７と下壁部３８との肉厚は周壁３６の肉厚に対して十分に小さく設定され、樹脂成形を行った場合に液冷反りや引けが生じないような厚さ寸法に成形されている。また、樹脂ケース３４の周壁３６の下面と、下壁部３８直下の下面は面一に形成され、下壁部３８の下面はシール面２８として設定されている。
ヒートシンク３１はアルミニウム製の部材であって、下面には下側に向けて突出する複数のピン状のフィン４０が一体形成されている。
樹脂ケース３４の周壁３６で囲まれ内側部分にはポッティング材が充填されたポッティング部３５が形成され、ハイ側Ｕ相トランジスタＵＨとロー側Ｕ相トランジスタＵＬが外部に露出しないようになっている。

パワーモジュール３０は樹脂ケース３４の下側から取り付けられてヒートシンク３１を冷却し冷媒の流路を形成する流路ケース４１を備えている。
流路ケース４１は樹脂ケース３４の下側に空間部を形成するための凹部４２を備え、周囲に壁部４５を備えている。流路ケース４１の凹部４２内はヒートシンク３１のフィン４０を収容して冷媒の流路を形成し、冷媒の流路には、ハイ側Ｕ相トランジスタＵＨとロー側Ｕ相トランジスタＵＬとの配置方向に沿って流れる冷媒の入口ポート４３と出口ポート４４が流路ケース４１の壁部４５に下側にオフセットした状態で接続されている。尚、４７は入口ポート４３、出口ポート４４に接続される配管、４８は壁部４５に形成された通路を示す。

流路ケース４１の壁部４５の上面は、樹脂ケース３４の周壁３６の下面と下壁部３８の下面（シール面２８）とに接合され、両者に設けた取付孔２９に図示しないボルトを挿通して固定されている（図２参照）。
ここで、流路ケース４１の壁部４５の上面であって、樹脂ケース３４の下壁部３８のシール面２８に対応する部分に断面角形で角形の凹部４６が形成され、この凹部４６に断面円形状のシール材Ｓ１が配置されている。

したがって、この実施形態によれば、半導体ユニット３２の樹脂ケース３４の把持部３９を構成する上壁部３７や下壁部３８が樹脂ケース３４の周壁３６に比較して薄肉に形成されている。したがって、これら上壁部３７や下壁部３８、特に下壁部３８の下面、つまりシール面２８に液冷反りや引けが生ずることはなく、把持部３９のシール面２８とこれに対応する流路ケース４１との間のシール材Ｓ１のシール性に問題を生じさせることはない。
また、半導体ユニット２３の樹脂モールド部３３は樹脂ケース３４とポッティング部３５とで構成され、ヒートシンク３１を把持部３９で把持して箱形となった樹脂ケース３４内にポッティング材を充填して樹脂モールド部３３が形成されるため、樹脂ケース３４内にポッティング材を充填するだけの簡単な作業で成形を行ないつつ、樹脂ケース３４の周囲とヒートシンク３１を把持する把持部３９との肉厚の差が大きくなることによる、液冷反りや引けの発生をシール面に及ばないようにできる。

ここで、図１に示したパワーコントロールユニット１の第１インバータ５（或いは第２インバータ６）のブリッジ回路５ａには、Ｕ相以外にＶ相、Ｗ相のパワーモジュール３０が更に設けられて全部で３個のパワーモジュール３０が設けてあるので、図５に示すように、この３個のパワーモジュール３０を共通する長尺の樹脂モールド部３３’に装着して、各パワーモジュール３０にそれぞれシール材Ｓ１を配置して長尺の流路ケース４１’（入口ポート４３、出口ポート４４のみを示す）に装着してもよい。
また、図６に示すように、共通する樹脂モールド部３３’に３個分をまとめてシールするシール材Ｓ１’を設けてもよい。

次に、図７〜図９に基づいてこの発明の第２実施形態を説明する。この実施形態において基本的な構成は第１実施形態と同様であるので同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
図７，図８に示すように、この実施形態のパワーモジュール３０’は、流路ケース４１の壁部４５の上面であって、樹脂ケース３４の下壁部３８の下面の直下に位置する部分に、断面角形で角形の凹部５０が形成されると共に、ここに角断面の角リングシールＳ２が配置されている。そして、この凹部５０に対応して、半導体ユニット３２の樹脂モールド部３３の把持部３９の下壁部３８に角シールリングＳ２の上部を受け入れる受け入れ凹部５１を設けたものである。この受け入れ凹部５１の開口面積は角シールリングＳ２との間に隙間を形成するように、角シールリングＳ２の上下面であるシール面よりも大きく形成されている。また、この受け入れ凹部５１の底壁５２の中央部には円錐形状の突条部５３が下側に向かって突出している。尚、５４は凹部５０の底壁を示す。

具体的には、図８に示すように、角シールリングＳ２のシール部を構成する幅寸法をＷ、凹部５０の幅寸法Ａ、受け入れ凹部５１の幅寸法Ｂ、突条部５３の高さ寸法Ｃとした場合に、Ｂ＞ＡでＡ＞Ｗとなっている。
ここで、角シールリングＳ２の潰れ代は半導体ユニット３２に流路ケース４１を固定した場合に、受け入れ凹部５１と凹部５０と各底壁間５２，５４の寸法と、自然状態での角シールリングＳ２の高さ寸法Ｈとの差で決定されるため、角シールリングＳ２の高さ寸法Ｈを潰れ代分だけ大きく設定してある。
また、Ｃ＝０．２ｍｍ〜０．８ｍｍであり、図９に示すように、半導体ユニット３２に流路ケース４１を固定した場合に、突条部５３の寸法分（Ｃ）だけ突条部５３によって角シールリングＳ２が押圧され、角シールリングＳ２に更に潰れ代を付与するようになっている。ここで、突条部５３は先端が細くなっているため、角シールリングＳ２をずれなく押圧することができる。

この第２実施形態によれば、半導体ユニット３２と流路ケース４１とを締め付ける際の締め付け代を確保し角リングシールＳ２に十分な潰し代を持たせることができ、かつ突条部５３により角リングシールＳ２の潰し代を大きくすることができる。
また、樹脂モールド部３３に角シールリングＳ２の受け入れ凹部５１を設けることで、平坦な面で形成した場合に比較してこの部位での放熱面積、つまり樹脂モールド部３３の樹脂ケース３４を成形する際の放熱面積を増加できるため、均一な冷却を確保することができ、樹脂ケースの３４の製造時においてこの部分での液冷反りや引けの発生を防止できる。よって、液冷反りや引けの生じていない平坦なシール面（ここでは、受け入れ凹部５１の底壁５２）を確保でき、角シールリングＳ２のシール性を損なうことはない。

ここで、この第２実施形態においても、第１実施形態の図５に示したのと同じように３個のパワーモジュール３０’を共通する長尺の樹脂モールド部３３に装着して、各パワーモジュール３０’にそれぞれ角シールリングＳ２を配置してもよい。また、図６に示したのと同じように共通する樹脂モールド部３３に３個分をまとめてシールする角シールリングを設けてもよい。

次に、この発明の第３実施形態を図１０、図１１に基づいて説明する。この実施形態において基本的な構成は第２実施形態と同様であるので同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
この実施形態は第２実施形態のパワーモジュール３０’’の半導体ユニット３２の樹脂モールド部３３に改良を加えたものである。樹脂モールド部３３の樹脂ケース３４の周壁３６の下面であって、角シールリングＳ２の配置部位の近傍、具体的には角リングシールＳ２の配置部位の外側に、内側と外側に２条の連続した突条６０，６０が形成されている。ここで、この突条６０，６０は、この突条６０，６０の形成部位にひけが生じていた場合であっても流路ケース４１に締め付けられた際に適切な締め付け力を付与できるような高さ寸法に設定されている。尚、この突条６０，６０は連続していない複数の突起であってもよい。
したがって、この実施形態によれば、把持部３９の下壁部３８よりも肉厚が大きいため樹脂ケース３４の周壁３６の下部に液冷反りや引けが生じていたとしても、この２条の突条６０，６０により半導体ユニット３２と流路ケース４１との接合時において締め付け代を確保して面圧を確保できるため、半導体ユニット３２と流路ケース４１とに確実な締め付け力を付与して角シールリングＳ２のシール機能に悪影響を与えることはない。

尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、ハイブリッド車両用以外のパワーユニットである電気自動車や燃料電池車両のような高出力を必要とするパワーユニットにも適用できる。また、２つのインバータを用いた場合について説明したが、インバータが一つのパワードライブユニットにも適用できることは勿論である。更に、発電機２とモータ４を備えた、インバータを２つ備えたハイブリッド車両を例にして説明したが、モータと発電機を兼用し単一のインバータを備えたハイブリッド車両等に適用できる。

この発明の第１実施形態のパワーコントロールユニットの回路図である。 この発明のパワーモジュールの斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３の半導体ユニットの下面図である。 第１実施形態の他の態様を示す半導体ユニットの下面図である。 第１実施形態の別の態様を示す半導体ユニットの下面図である。 第２実施形態の図３に相当する断面図である。 図７の要部拡大図である。 図８の取付状態を示す断面図である。 第２実施形態の図２に相当する断面図である。 第２実施形態の図４に相当する下面図である。

符号の説明

１ パワーコントロールユニット（パワーモジュール）
２８ シール面
３１ ヒートシンク
３２ 半導体ユニット
３４ 樹脂ケース（ケース）
３９ 把持部
４１ 流路ケース
５１ 受け入れ凹部（凹部）
５２ 底壁
５３ 突条部（突起部）
６０ 突条（突起）
Ｓ１ シール材

Claims (4)

1. ヒートシンクを備えた複数の半導体装置を樹脂材料にて形成された樹脂モールド部で一体的に把持する半導体ユニットと、前記半導体ユニットに取り付けられ、前記ヒートシンクを冷却する冷媒の流路を構成する流路ケースとで構成されるパワーモジュールのシール部構造であって、前記樹脂モールド部に前記半導体ユニットの前記ヒートシンクの縁部を把持する把持部を設け、前記把持部をこの把持部の周囲よりも薄肉に形成し、この把持部の直下に前記流路ケースとのシール面を設定し、このシール面にシール材を配置したことを特徴とするパワーモジュールのシール部構造。
2. 前記半導体ユニットの前記シール面に前記流路ケース側に固定された前記シール材を受け入れる凹部を設け、該凹部の開口面積を前記シール材との間に隙間を形成するように前記シール材のシール部よりも大きく形成し、前記凹部の底壁に前記シール材を押圧する突起部を設けたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュールのシール部構造。
3. 前記半導体ユニットを構成する前記樹脂モールド部で前記半導体装置を取り囲むようなケースを構成し、このケース内にポッティング材が充填されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパワーモジュールのシール部構造。
4. 前記半導体ユニットには前記シール面の近傍であって、前記流路ケースに重合する部位に突起を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のパワーモジュールのシール部構造。

Images