JP5881860B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

この発明は、パワーモジュール等におけるパワー半導体素子が搭載された放熱基板を冷却フィンに密着させるパワーモジュールの取り付け構造に関するものである。
従来のパワーモジュールにおいては、ネジを用いて樹脂ケースと冷却フィンとを固定し、パワー半導体素子が搭載された放熱基板を冷却フィンに取り付ける手段として、樹脂ケースに設けられた突起部を用いて放熱基板を冷却フィンに押し付ける構造を用いていた（例えば、特許文献１参照）。
特許第３２２５４５７号公報（第２頁、第１図）
従来のパワーモジュールでは、樹脂ケースを用いて放熱基板を冷却フィンに固定していたため、ネジ軸力により樹脂ケースに応力が加わり、この応力により樹脂ケースの変形が発生する。この樹脂ケースの変形により、樹脂ケース内に充填した樹脂にクラックが発生する。このクラックにより、半導体素子の耐圧不良や電気的特性変動が発生するという問題点があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、放熱基板の冷却フィンへの固定により発生する樹脂ケースの変形を抑制し、樹脂ケース内に充填した樹脂へのクラックの発生が防止可能なパワーモジュールを得るものである。
この発明に係るパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子を搭載し、端部に傾斜部を有する放熱基板と、パワー半導体素子搭載面と接する樹脂ケースと、放熱基板裏面と接する冷却フィンと、放熱基板端部の傾斜部と接して放熱基板を冷却フィンに押さえ付ける押さえ手段とを備えたものである。
この発明は、放熱基板の断面における角部（外周部）を傾斜部とし、放熱基板の外周部に形成した傾斜部を押さえ手段を用いて押さえることで、放熱基板外周部の角部を支点とした樹脂ケースの変形を抑制したので、樹脂ケース内に充填した樹脂へのクラックの発生を防止することができる。
この発明の実施の形態１のパワーモジュールの断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２のパワーモジュールの断面構造模式図である。 この発明の実施の形態２の別の形状のブッシュの断面構造摸式図である。 この発明の実施の形態３のパワーモジュールの断面構造模式図である。 この発明の実施の形態４のパワーモジュールの断面構造模式図である。
以下の各実施の形態を説明するための各図において、同一符号は同一または相当の構成を示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１のパワーモジュールの断面構造模式図である。図１（ａ）に示すように、パワーモジュール１００は、樹脂ケース６、冷却フィン１０、押さえ手段である押さえ部品１３、放熱基板２０を備えている。樹脂ケース６は、外周部に貫通穴である通し穴１５を備えている。冷却フィン１０は、外周部にネジ穴１６を備えている。
放熱基板２０は、金属ベース１、絶縁層２を備え、放熱基板２０上に金属パターン３が形成されており、金属パターン３上にはんだ（図示せず）を介してパワー半導体素子４が搭載される。また、放熱基板２０は、端部に傾斜部を有している。傾斜部は、放熱基板２０の内部から外周部へ向かって低くなっている。
パワー半導体素子４としては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ−Ｂｉｐｏｌａｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が該当する。また、パワー半導体素子４として、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ−Ｗｈｅｅｌｉｎｇ−Ｄｉｏｄｅ）があってもよい。
これらのパワー半導体素子４と金属パターン３の形状とにより、例えば、インバータ回路が構成される。パワーモジュール１００は、このインバータ回路を備える。
金属ベース１の材質としては、放熱性や密度の点でアルミや銅、またはそれらの合金を用いると良い。金属パターン３については、電気抵抗、放熱性の観点から銅や銅合金が望ましい。金属ベース１や金属パターン３の厚みは、生産性、経済性の観点からそれぞれ、金属ベース１については０．５ｍｍから３．０ｍｍ程度、金属パターン３については０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度が望ましい。
絶縁層２には、例えば、エポキシや液晶ポリマーに高放熱材料からなるフィラーが充填された材料を用いるのが良い。絶縁層２の厚みは、使用する定格電圧、求められる放熱特性により決定するが、およそ０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲が望ましい。
このようにして、パワー半導体素子４が搭載された放熱基板２０は形成される。図１における放熱基板２０の両断面端の角部（外周部）には、傾斜部が設けられている。この傾斜部は、金属ベース１もしくは金属ベース１と絶縁層２とに形成される。また、パワー半導体素子４の搭載面の反対面側の金属ベース１の端部には傾斜部が形成されてなくても良い。
図１（ｂ）は、放熱基板２０の外周部の断面構造の拡大模式図である。傾斜部の傾斜としては、パワー半導体素子４を搭載する平面に対して２０度から６０度、望ましくは３０度から４５度の範囲が適している。図１（ｂ）に示すように、例えば、３０度の斜面の場合、放熱基板２０の厚み方向の斜面寸法ａを１．５ｍｍとした場合、平面方向の斜面部幅ｂは１．５×√３＝２．６ｍｍとなる。斜面部幅ｂとしては、２ｍｍ以上確保することが外部からの振動などに対して基板を確実に押さえる上で望ましい。
パワー半導体素子４が搭載された放熱基板２０は、接着材５を介して樹脂ケース６内に固定される。樹脂ケース６はＰＰＳ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−Ｓｕｌｆｉｄｅ：ポリ・フェニレン・サルファイド）で構成される。樹脂ケース６には、端子７として、主端子や制御端子が内蔵されている。端子７は、樹脂ケース６内部に配置されたパワー半導体素子４と接続され、端子７を介してパワー半導体素子４が外部と電気的に接続される。例えば、パワー半導体素子４であるＩＧＢＴのゲートと制御端子と、パワー半導体素子４であるＩＧＢＴのエミッタと主端子と、コレクタと主端子とをそれぞれ接続する。これらの接続には、例えばφ０．４ｍｍのアルミ線８が用いられる。アルミ線８は、超音波による方法を用いてパワー半導体素子４や端子７と接合される。また、アルミ線８の代わりに銅線を用いても良い。銅線はアルミ線に比べて低抵抗であるので、大電流を扱うパワー半導体素子４を使用する場合には、特に有効である。
パワー半導体素子４およびアルミ線８部分の保護、絶縁耐圧の確保を目的として、充填樹脂９は、樹脂ケース６と放熱基板２０とで形成された領域に設けられる。充填樹脂９としては、例えば、ゲルまたはエポキシ樹脂を主成分とする樹脂が適用される。
放熱基板２０と樹脂ケース６と充填樹脂９とが一体となったモジュールは、ネジ１２を用いて、冷却フィン１０に取り付けられる。樹脂ケース６には、ネジ締め用の通し穴１５が設けられ、通し穴１５内にはブッシュ１１が設けられる。ブッシュ１１は、樹脂ケース６を確実に冷却フィン１０に固定する為に設けている。このモジュールは、冷却フィン１０に形成されたネジ穴１６に通し穴１５を介してネジ１２を締めることで冷却フィン１０に固定される。ブッシュ１１の形状としては、円筒形状が考えられるが、通し穴１５に挿入可能であれば円筒形状に限定されるものではなく、多角形でも良い。また、ブッシュ１１の長さとしては、樹脂ケース６の通し穴１５の深さより長ければ良い。さらに、ブッシュ１１は、樹脂ケース６のネジ１２の挿入側で樹脂ケース６に引っ掛かる形状であっても良い。
このとき、ブッシュ１１と冷却フィン１０との間に押さえ部品１３を設けることで、押さえ部品１３はネジ軸力により圧縮される力を受ける。放熱基板２０の端部には傾斜部が設けられ、金属ベース１の傾斜部、もしくは金属ベース１と絶縁層２とに形成される傾斜部に対して押さえ部品１３を当てる構造にする。押さえ部品１３には、放熱基板２０の傾斜部と接触する部分に、この放熱基板２０の傾斜部と接触可能な傾斜部が設けられている。押さえ部品１３の厚みは放熱基板２０の厚みと同一、若しくは０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度薄くする。本構造により、押さえ部品１３は放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ込む作用を生み出す。ネジ締め後、ブッシュ１１は通し穴１５よりも冷却フィン１０側に突き出ており、接着材５とブッシュ１１とで、樹脂ケース６と押さえ部品１３との間に隙間を形成する。また、押さえ部品１３の材質としては、金属であることが望ましいが、金属に限定されるものではなく、経時変化の発生しにくい材質であれば良い。
例えば、放熱基板２０の断面端に傾斜部を形成しない構造では、樹脂ケース６をＭ５ネジ２本で締め付けた場合、３．５Ｎｍのネジトルクで充填樹脂９にクラックの発生が見られた。これは、放熱基板２０の断面端に傾斜部を形成していないため、放熱基板２０の平面と樹脂ケース６とが面接触し、放熱基板２０の断面端の角部（外周部）を支点として樹脂ケース６にネジ締めによる回転モーメントが発生しているためと考えられる。樹脂ケース６に回転モーメントが発生すると、樹脂ケース６および充填樹脂９が変形する。樹脂ケース６に対して充填樹脂９のヤング率は一般的に低く、強度も弱いので、端子７などが形成されて樹脂ケース６がせり出している箇所での充填樹脂９に応力集中が発生しやすい。その結果、充填樹脂９にクラックが発生したものと考えられる。
しかしながら、本発明の構造では、放熱基板２０の平面部と樹脂ケース６とが面接触し、さらに、放熱基板２０の断面端の角部を傾斜部とし、傾斜部を有する押さえ部品１３を用いて、放熱基板２０を冷却フィン１０へ押さえ付ける構造とする。放熱基板２０の傾斜部と押さえ部品１３の傾斜部との接触が少なくとも複数点以上となること、すなわち面接触に近い状態で押える。その結果、放熱基板２０は、樹脂ケース６と押さえ部品１３の傾斜部との２面で冷却フィン１０に押さえ付けられる。また、放熱基板２０断面端の角部を支点とした回転モーメント（応力）が、直接樹脂ケース６へ加わるのではなく、押さえ部品１３を介して樹脂ケース６へ伝わる。そのため、樹脂ケース６に加わる回転モーメントがさらに低減され、樹脂ケース６の回転方向への変形もさらに抑制される。その結果、３．５Ｎｍの締め付けトルクであっても充填樹脂９にクラックの発生は見られなかった。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、放熱基板２０の平面部と樹脂ケース６と、放熱基板２０の傾斜部と押さえ部品１３の傾斜部とで、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造とした。このように、放熱基板２０の平面と斜面との２面以上を用いて、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造により、押さえ部品１３が樹脂ケース６に応力を伝えにくくするため、樹脂ケース６を冷却フィン１０にネジ締めした際に樹脂ケース６の曲げ変位を抑制できる。その結果、充填樹脂９での発生応力も低減できるので、充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。また、この両者の傾斜部が面で接するために、押さえ部品１３の要求寸法公差、位置公差を緩和でき、加工、組み立てが容易となる。さらに、経時変化が発生しやすい樹脂ではなく、経時変化が発生しにくい金属で形成された押さえ部品１３を用いて押さえることで、放熱基板２０の冷却フィン１０への押さえ付け力の経時変化を低減でき、パワーモジュールの熱抵抗の長期安定化も可能となる。
また、押さえ部品１３が熱伝導の良好な金属製であれば、パワー半導体素子４で発生した熱を、放熱基板２０から押さえ部品１３を介して冷却フィン１０へと伝導することができるため、パワーモジュールの熱抵抗が低減することで、パワーモジュールを長寿命化できるという効果もある。
本実施例では、押さえ部品１３は放熱基板２０の外周部全てに設置した構造としたが、必ずしも外周部全てを押さえる必要は無く、樹脂ケース６にかかる応力が大きくなるネジ締め箇所近傍のみに設置してもよい。この場合には押さえ部品１３のサイズを小さくすることができ、コスト面で有利となる。
実施の形態２．
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた押さえ手段である押さえ部品１３をブッシュ１１に置き換えた点が異なる。このようにブッシュ１１を用いても、ブッシュ１１が放熱基板２０に形成された傾斜部を押さえるので、樹脂ケース６の曲げ変位を抑制でき、充填樹脂９での発生応力も低減できるので充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。
図２は、この発明の実施の形態２のパワーモジュールの断面構造模式図である。図２には、実施の形態２の特徴的な部分である樹脂ケース６と冷却フィン１０との固定部について拡大した断面模式図を示す。図２に示すように、パワーモジュール２００は、樹脂ケース６、冷却フィン１０、ブッシュ１１、放熱基板２０を備えている。樹脂ケース６は、外周部に貫通穴である通し穴１５を備えている。冷却フィン１０は、外周部にネジ穴１６を備えている。
図３は、別の形状のブッシュ２１の断面構造摸式図である。図３より、ブッシュ２１は、放熱基板２０に形成された傾斜部に対応した傾斜部を有している。
樹脂ケース６に設けられた通し穴１５内にブッシュ２１を配置し、このブッシュ２１の冷却フィン１０側の先端部分に形成された傾斜部を用いて、放熱基板２０に形成された傾斜部を押さえる。そして、冷却フィン１０に形成されたネジ穴１６に通し穴１５を介してネジ１２を締め、樹脂ケース６とブッシュ２１とで、放熱基板２０の平面部と傾斜部とを押さえることで、放熱基板２０は冷却フィン１０に固定される。
例えば、本発明の構造において、Ｍ５ネジを用いて冷却フィン１０に３．５Ｎｍの締め付けトルクで取り付けても、充填樹脂９にクラックの発生は見られなかった。
ここで、ブッシュ１１の形状としては、図３に示したような傾斜部を有する形状とすることで、放熱基板２０に形成された傾斜部との接触面積が増え、放熱基板２０を冷却フィン１０へより安定して押し付けることが可能となる。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、放熱基板２０の平面部と樹脂ケース６と、放熱基板２０に形成された傾斜部とブッシュ１１とで放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造とした。このように、放熱基板２０の平面と斜面との２面以上を用いて、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造により、樹脂ケース６を冷却フィン１０にネジ締めした際に樹脂ケース６の曲げ変位を抑制できる。その結果、充填樹脂９での発生応力も低減できるので充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。また、押さえ部品１３を取り付ける手間を省くことができ、製造工程を簡素化することが可能となる。
実施の形態３．
本実施の形態３においては、実施の形態１で用いた押さえ手段である押さえ部品１３を樹脂ケース６の放熱基板２０の傾斜部に対向する位置に形成した傾斜部に置き換えた点が異なる。このような構造とすることで、樹脂ケース６は押さえ手段を備えた一体構造となる。このような樹脂ケース６に設けた傾斜部を用いても、樹脂ケース６に設けた傾斜部が放熱基板２０に形成された傾斜部を押さえることで、樹脂ケース６の曲げ変位を抑制でき、充填樹脂９での発生応力も低減できるので充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。
図４は、この発明の実施の形態３のパワーモジュールの断面構造模式図である。図４は、実施の形態３の特徴的な部分である樹脂ケース６と冷却フィン１０との固定部について拡大した断面模式図を示す。図４に示すように、パワーモジュール３００は、傾斜部を有する樹脂ケース６、冷却フィン１０、放熱基板２０を備えている。樹脂ケース６は、外周部に貫通穴である通し穴１５を備えている。冷却フィン１０は、外周部にネジ穴１６を備えている。
樹脂ケース６に設けられた通し穴１５内にブッシュ１１を配置し、樹脂ケース６に設けた傾斜部で放熱基板２０に形成された傾斜部を押さえる。そして、冷却フィン１０に形成されたネジ穴１６に通し穴１５を介してネジ１２を締め、樹脂ケース６の平面部と傾斜部とで、放熱基板２０の平面部と傾斜部とを押さえることで、放熱基板２０は冷却フィン１０に固定される。
例えば、本発明の構造においてＭ５ネジを用いて冷却フィン１０に３．５Ｎｍの締め付けトルクで取り付けても、充填樹脂９にクラックの発生は見られなかった。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、放熱基板２０の平面部と樹脂ケース６と、放熱基板２０に形成された傾斜部と樹脂ケース６に形成された傾斜部とで、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造とした。このように、放熱基板２０の平面と斜面との２面以上を用いて、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造により、樹脂ケース６を冷却フィン１０にネジ締めした際に樹脂ケース６の曲げ変位を抑制できる。その結果、充填樹脂９での発生応力も低減できるので、充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。また、樹脂ケース６に傾斜部を設けたことで、それぞれの傾斜部を合わせるために、樹脂ケース６の取り付け位置は、放熱基板２０の内部側へ配置することが可能となる。そのため、放熱基板２０の使用領域サイズを最小化し、充填樹脂９の使用量も少なくすることができ、その結果として充填樹脂９や樹脂ケース６、放熱基板２０の熱膨張率差で発生する熱歪を小さくすることが可能となる。
実施の形態４．
本実施の形態４においては、実施の形態１で用いた押さえ手段である押さえ部品１３を樹脂ケース６に設けられたバネ１４に置き換えた点が異なる。このようなバネ１４を用いても、バネ１４が放熱基板２０に形成された傾斜部を押さえることで、樹脂ケース６の曲げ変位を抑制でき、充填樹脂９での発生応力も低減できるので充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。
図５は、この発明の実施の形態４のパワーモジュールの断面構造模式図である。図５は、実施の形態４の特徴的な部分である樹脂ケース６と冷却フィン１０との固定部について拡大した断面模式図を示す。図５に示すように、パワーモジュール４００は、樹脂ケース６、冷却フィン１０、押さえ手段であるバネ１４、放熱基板２０を備えている。樹脂ケース６は、外周部に貫通穴である通し穴１５を備えている。冷却フィン１０は、外周部にネジ穴１６を備えている。
樹脂ケース６に設けられた通し穴１５内にブッシュ１１を配置し、樹脂ケース６に設けられたバネ１４で放熱基板２０に形成された傾斜部を押さえる。そして、冷却フィン１０に形成されたネジ穴１６に通し穴１５を介してネジ１２を締め、樹脂ケース６と樹脂ケース６のバネ１４とで、放熱基板２０の平面部と傾斜部とを押さえることで、放熱基板２０は冷却フィン１０に固定される。バネ１４は金属製の部材で形成されるが、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付けることが可能で、押さえ付け力の経時変化が低減できれば金属製の部品に限定されるものではない。また、樹脂ケース６に設けたバネ１４の形状としては、放熱基板２０に形成された傾斜部に対応した傾斜形状であることが望ましい。しかしながら、この形状に限定されるものではなく、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付けることが可能な形状であれば良い。
例えば、本発明の構造においてＭ５ネジを用いて冷却フィン１０に３．５Ｎｍの締め付けトルクで取り付けても、充填樹脂９にクラックの発生は見られなかった。
以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、放熱基板２０の平面部と樹脂ケース６と、放熱基板２０に形成された傾斜部と樹脂ケース６に設けられたバネ１４とで放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造とした。このように、放熱基板２０の平面と斜面との２面以上を用いて、放熱基板２０を冷却フィン１０に押さえ付ける構造により、樹脂ケース６を冷却フィン１０にネジ締めした際に樹脂ケース６の曲げ変位を抑制できる。その結果、充填樹脂９での発生応力も低減できるので、充填樹脂９のクラックの発生を防止することが可能となる。また、樹脂ケース６にバネ１４を設けたことで、バネ１４と放熱基板２０の傾斜部を合わせるために、樹脂ケース６の取り付け位置は、放熱基板２０の内部側へ配置することが可能となる。そのため、放熱基板２０の使用領域サイズを最小化し、充填樹脂９の使用量も少なくすることができ、その結果として充填樹脂９や樹脂ケース６、放熱基板２０の熱膨張率差で発生する熱歪を小さくすることが可能となる。さらに、経時変化が発生しやすい樹脂ではなく、経時変化が発生しにくい金属で形成されたバネ１４を用いることで、放熱基板２０の冷却フィン１０への押さえ付け力の経時変化を低減でき、パワーモジュールの熱抵抗の長期安定化が可能となる。
１ 金属ベース
２ 絶縁層
３ 金属パターン
４ パワー半導体素子
５ 接着材
６ 樹脂ケース
７ 端子
８ アルミ線
９ 充填樹脂
１０ 冷却フィン
１１ ブッシュ
１２ ネジ
１３ 押さえ部品
１４ バネ
１５ 通し穴
１６ ネジ穴
２０ 放熱基板
２１ 傾斜部を有するブッシュ
１００，２００，３００，４００ パワーモジュール

Claims (8)

  1. 一方の面にパワー半導体素子が搭載され、端部に傾斜部を有する放熱基板と、
    前記パワー半導体素子を取り囲み、前記放熱基板の前記一方の面と接する樹脂ケースと、
    前記放熱基板の他方の面と接する冷却フィンと、
    前記放熱基板の前記傾斜部と接し、前記放熱基板を前記冷却フィンに押さえ付ける押さえ手段と、
    を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記押さえ手段は、傾斜部を有する金属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。
  3. 前記押さえ手段は、前記樹脂ケースの外周部に設けられた貫通穴に配置されたブッシュ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。
  4. 前記ブッシュは、前記放熱基板の前記傾斜部と接する部分に傾斜部を有することを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール。
  5. 前記押さえ手段は、前記放熱基板の前記傾斜部と対向する位置に傾斜部が設けられた前記樹脂ケース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。
  6. 前記押さえ手段は、前記樹脂ケースに接続された金属バネ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。
  7. 前記放熱基板の前記傾斜部は、前記放熱基板の前記一方の面側に形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  8. 前記放熱基板の前記傾斜部は、前記放熱基板の外周部へ向かって低くなることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
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