JP6493612B1 - パワー半導体モジュールおよび車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】 環境温度変化または半導体装置の発熱等により冷却装置の温度が変化すると、冷却装置を外部装置等に締結する締結部分に応力がかかってしまう。【解決手段】冷却装置と、冷却装置に搭載されたパワー半導体装置とを備えるパワー半導体モジュールにおいて、冷却装置は、下面を有する天板と、冷媒流通部および冷媒流通部を囲む外縁部を含み、冷媒流通部が天板の下面側に配置され、且つ、外縁部において天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、冷媒流通部に配置された冷却フィンとを有し、天板およびケース部は、天板および外縁部が重なって配置され、且つ、天板およびケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、パワー半導体装置は、回路基板と端子ケースとを有し、締結部は、天板の外周よりも外側に突出し、端子ケースは、回路基板の周囲に配置されたケース本体と、締結部の上面側に延在する補強部とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールおよび車両に関する。
従来、パワー半導体チップ等の半導体素子を含む半導体モジュールにおいて、冷却装置を設けた構成が知られている（例えば、特許文献１−５参照）。
特許文献１ 特開２０１７−１７１９５号公報
特許文献２ 特開２０１４−１７９５６３号公報
特許文献３ 特開平７−１７６６４２号公報
特許文献４ ＷＯ２０１３／１５７４６７
特許文献５ 特開２０１７−１８３４２１号公報
環境温度変化または半導体装置の発熱等により冷却装置の温度が変化すると、冷却装置を外部装置等に締結する締結部分に応力がかかってしまう。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、冷却装置と、冷却装置に搭載されたパワー半導体装置とを備えるパワー半導体モジュールを提供する。冷却装置は、下面を有する天板と、冷媒流通部および冷媒流通部を囲む外縁部を含み、冷媒流通部が天板の下面側に配置され、且つ、外縁部において天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、冷媒流通部に配置された冷却フィンとを有してよい。天板およびケース部は、天板および外縁部が重なって配置され、且つ、天板およびケース部を外部装置に締結するための締結部を有してよい。パワー半導体装置は、回路基板と端子ケースとを有してよい。締結部は、天板の外周よりも外側に突出してよい。端子ケースは、回路基板の周囲に配置されたケース本体と、締結部の上面側に延在する補強部とを有してよい。
天板は、上面視において２組の対向する辺と、４つの角部とを有してよい。締結部は、少なくとも一つの角部において天板の外周よりも外側に突出して設けられてよい。ケース部には、冷媒流通部と外部とを接続する開口部が設けられてよい。開口部は、天板において締結部が設けられた角部と対向して配置されてよい。
補強部の高さはケース本体の高さ以下であってよい。補強部と締結部とは接着剤により固定されてよい。補強部は、ケース本体の外周よりも外側に突出していてよい。
補強部は、上下に貫通した貫通孔の周囲に配された平面部と、平面部を囲い、平面部よりも上下方向に厚い筒状部を有してよい。補強部は、ケース本体から漸次高さが低くなる滑らかな曲面でケース本体と接続していてよい。補強部は、ケース本体から漸次幅が狭くなる滑らかな曲面でケース本体と接続していてよい。
ケース部は、天板の下面の中心と対向する位置における厚みと、締結部における厚みとが同一であってよい。締結部において、天板およびケース部は同一の厚みであってよい。締結部において、天板と外縁部との間に設けられた補強材を更に備えてよい。
本発明の第２の態様においては、上記パワー半導体モジュールを備える車両が提供される。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の一つの実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。 上面視（ｘｙ面）における天板２０の形状の一例を示す図である。 締結部８１の突出方向を説明する図である。 上面視（ｘｙ面）におけるケース部４０の形状の一例を示す図である。 上面視（ｘｙ面）におけるパワー半導体装置７０の形状の一例を示す図である。 パワー半導体モジュール１００の分解斜視図である。 補強部１７１−１の一例の部分拡大斜視図である。 比較例の部分拡大斜視図である。 他の補強部１８１の例の部分拡大斜視図である。 他のパワー半導体モジュール１０２の例を示す模式的な断面図である。 上面視（ｘｙ面）における補強材３０の形状の一例を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。 本発明の一つの実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の主回路図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一つの実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の一例を示す模式的な断面図である。パワー半導体モジュール１００は、パワー半導体装置７０および冷却装置１０を備える。本例のパワー半導体装置７０は、冷却装置１０に載置されている。本明細書では、パワー半導体装置７０が載置されている冷却装置１０の面をｘｙ面とし、ｘｙ面と垂直な面をｚ軸とする。本明細書では、ｚ軸方向において冷却装置１０からパワー半導体装置７０に向かう方向を上、逆の方向を下と称するが、上および下の方向は、重力方向に限定されない。また本明細書では、各部材の面のうち、上側の面を上面、下側の面を下面、上面および下面の間の面を側面と称する。
パワー半導体装置７０は、パワー半導体チップ等の半導体チップ７８を１つ以上含む。一例として半導体チップ７８は、シリコンや炭化ケイ素等の半導体基板にスイッチング素子が設けられている。スイッチング素子は例えばＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
パワー半導体装置７０は、回路基板７６と、端子ケース７２とを有する。回路基板７６は、一例として上面と下面を有する絶縁基板と、上面に回路パターンが、下面に金属層がそれぞれ設けられた基板である。回路パターンは金属層により形成されてよい。回路基板７６には、はんだ等を介して半導体チップ７８が固定されている。端子ケース７２は、樹脂等の絶縁材料で形成されている。端子ケース７２は、半導体チップ７８、回路基板７６および配線等を収容する内部空間を有する。端子ケース７２の内部空間には、半導体チップ７８、回路基板７６および配線等を封止する封止部７４が充填される。封止部７４は、例えばシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂等の絶縁部材である。
端子ケース７２は、ケース本体１７０と、複数の補強部１７１と、側面部１７２とを有する。ケース本体１７０は、回路基板７６の周囲に配置される。複数の補強部１７１のうちの少なくとも１つは、当該ケース本体１７０との接続部１８０から外側に延在する。複数の補強部１７１のそれぞれの詳細は後述する。補強部１７１、側面部１７２およびケース本体１７０は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの樹脂等の絶縁材料により一体的に成型される。端子ケース７２用の樹脂は、ＰＰＳのほか、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリブチルアクリレート（ＰＢＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ウレタンやシリコン等の絶縁性樹脂から選択される。樹脂は２種以上の樹脂の混合物でもよい。樹脂には、強度および／または機能性を向上させるためのフィラー（例えばガラスフィラー）が含まれてもよい。
冷却装置１０は、天板２０およびケース部４０を有する。天板２０は、ｘｙ面と平行な上面２２および下面２４を有する板状の金属板であってよい。一例として天板２０は、アルミニウムを含む金属で形成されている。天板２０の上面２２には、パワー半導体装置７０が載置される。天板２０には、半導体チップ７８が発生した熱が主に回路基板７６を介して伝達される。例えば天板２０および半導体チップ７８の間は、回路基板７６およびはんだ等の熱伝導性の部材が配置されている。回路基板７６は、はんだ等により天板２０の上面２２に直接的に固定されていてよい。この場合、端子ケース７２は、天板２０の上面２２において回路基板７６等が配置された領域を囲んで設けられる。他の例では、パワー半導体装置７０は端子ケース７２の下面に露出する金属板を有しており、当該金属板の上面に回路基板７６が固定され、当該金属板が天板２０の上面２２に固定されていてもよい。
ケース部４０は、天板２０の下面２４との間に空洞９２を有して配置されている。空洞９２は、水等の冷媒が流通する冷媒流通部として機能する。また、ケース部４０は、ｘｙ面において空洞９２を囲む外縁部としての枠部６２の上面１６において、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。これにより、空洞９２を密閉している。なお、間接に密着とは、天板２０の下面２４とケース部４０との間に設けられた、ロウ材、シール材、接着剤、または、その他の部材を介して、天板２０の下面２４とケース部４０とが密着している状態を指す。密着は、空洞９２の内部の冷媒が、当該密着部分から漏れ出ない状態を指す。空洞９２の内部には冷却フィン９４が配置されている。冷却フィン９４は、天板２０の下面２４と接続されていてよい。冷却フィン９４の近傍に冷媒を通過させることで、半導体チップ７８が発生した熱を冷媒に受け渡す。これにより、パワー半導体装置７０を冷却できる。本例のケース部４０は、枠部６２、底板６４および側壁６３を有する。
枠部６２は、ｘｙ面において空洞９２を囲んで配置されている。枠部６２の上面１６は、天板２０の下面２４に直接または間接に密着して配置されている。つまり、枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４とは、空洞９２を密閉するように設けられている。枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４との間には、シール材または他の部材が設けられていてよい。
本例では、天板２０およびケース部４０の間はロウ付けされている。一例として、天板２０、ケース部４０は、同一組成の金属で形成されており、ロウ材は、天板２０等よりも融点の低い金属で形成されている。金属としてアルミニウムを含む金属が用いられてよい。アルミニウムを含む金属として、Ａｌ−Ｍｎ系合金（３０００系アルミニウム合金）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系アルミニウム合金）などのアルミニウム合金が用いられてよい。ロウ材としてＡｌ−Ｓｉ系合金（４０００系アルミニウム合金）などのアルミニウム合金が用いられてよい。本例で用いられるアルミニウム合金は、室温時の耐力が３５〜６５ＭＰａの範囲にあるものが好ましい。耐力は、除荷したとき０．２％の永久ひずみを生じさせる応力である。
底板６４は、天板２０の下面２４との間に空洞９２を有して配置されている。本例の底板６４には、空洞９２に冷媒を導入し、または、導出する２つ以上の開口部４２が設けられている。開口部４２には、冷媒を搬送するパイプ９０が接続される。パイプ９０は、底板６４を基準として、冷却フィン９４とは逆側（本例ではｚ軸負側）に突出している。パイプ９０は外部の冷却系と冷却装置１０を接続するための管継手（ニップル）であってもよい。
側壁６３は、枠部６２と、底板６４とを接続することで、空洞９２を画定する。本例の側壁６３は、枠部６２の内側面１３と、底板６４の周縁を接続する。枠部６２の内側面１３は、空洞９２に面する側面である。底板６４の周縁は、ｘｙ面における底板６４の外周部分である。
天板２０とケース部４０は、互いを締結する締結部８０を有する。締結部８０は補強部１７１と共に、天板２０、ケース部４０およびパワー半導体装置７０を締結する。締結部８０および補強部１７１は、パワー半導体モジュール１００を外部の装置に固定するのに用いられてもよい。
一例として締結部８０は、天板２０およびケース部４０が、直接または間接に密着してｚ軸方向において重なって配置された領域であって、天板２０およびケース部４０を貫通する貫通孔７９が形成された領域である。図１では、貫通孔７９が形成された天板２０およびケース部４０の領域を破線で示している。本例の締結部８０は、枠部６２に設けられている。
図２Ａは、上面視（ｘｙ面）における天板２０の形状の一例を示す図である。天板２０は、上面視において２組の対向する辺２６、２８を有する。本例の天板２０は、短辺２６と、長辺２８とを有する略矩形形状である。天板２０は、４つの角部２９を有する。本明細書では、短辺２６が伸びる方向をｙ軸とし、長辺２８が伸びる方向をｘ軸とする。
また、長辺２８および短辺２６で規定される矩形の外周８８を、天板２０の外周とする。つまり外周８８の形状は、天板２０の長辺２８および短辺２６に対する凹凸を、長辺２８および短辺２６の延長線で置き換えた形状である。図２Ａにおいては、外周８８を破線で示している。
角部２９は、天板２０の外周８８における各頂点近傍の領域を指す。一例として、図２Ａにおいて一点鎖線で示すように、天板２０の外周８８をｘ軸およびｙ軸のそれぞれにおいて４等分してできる１６の領域のうち、外周８８の角に配置されている４つの領域を角部２９とする。本例では、ケース部４０の開口部４２と対向して配置された角部２９を第１の角部２９−１とし、他の角部２９を第２の角部２９−２とする。第１の角部２９−１には、開口部４２と対向する領域の全体が含まれてよく、一部だけが含まれていてもよい。図２Ａにおいては、開口部４２と対向する領域を破線で示している。
天板２０には、図１に示した締結部８０の一部である１つ以上の締結部８１が設けられている。少なくとも一つの締結部８１は、角部２９に設けられてよい。本例では、全ての角部２９に締結部８１が設けられている。また、それぞれの長辺２８にも締結部８１が設けられてよく、設けられていなくともよい。それぞれの短辺２６にも締結部８１が設けられてよく、設けられていなくともよい。
それぞれの締結部８１は、天板２０の外周８８において、外周８８の外側に突出して設けられている。本例の外側とは、ｘｙ面における天板２０の中心から離れる方向を指す。それぞれの締結部８１は、図１に示した貫通孔７９の一部である貫通孔８２を有する。貫通孔８２は、外周８８の外側に配置されていてよく、外周８８の内側に配置されていてよく、外周８８と重なって配置されていてもよい。
本例では、第１の角部２９−１の第１の締結部８１−１において、貫通孔８２の全体が外周８８よりも外側に配置されている。第２の角部２９−２の第２の締結部８１−２と、各辺の第３の締結部８１−３においては、貫通孔７９は、外周８８の内側に配置され、または、外周８８と重なって配置されてよい。開口部４２にはパイプ９０が接続される。第１の締結部８１−１の貫通孔８２を、外周８８の外側に配置することで、パイプ９０を接続する作業と、第１の締結部８１−１の貫通孔８２にネジ等を締結する作業等を容易にできる。
また、第１の締結部８１−１が外周８８の外側に突出する長さは、他の締結部８１が外周８８の外側に突出する長さよりも大きいことが好ましい。これにより、第１の締結部８１−１の貫通孔８２を、開口部４２から離して配置できる。また、図１において説明したように、締結部８１と重ねて補強部１７１を設けるので、第１の締結部８１−１の突出長さを大きくしても、強度を維持できる。
第１の締結部８１−１は、ｘｙ面において、長辺２８と平行な方向（すなわちｘ軸方向）に、外周８８から突出して設けられていてよい。ここで平行な方向とは、所定の誤差を含んでよい。例えば長辺２８と第１の締結部８１−１の突出方向とは、２０度以内の傾きを有してもよい。締結部８１が突出する方向とは、締結部８１の頂点（外周８８から最も離れた点）と、外周８８とを最短距離で結ぶ方向であってよい。図２Ａにおいては、一部の締結部８１が突出する方向を矢印で示している。これにより、第１の締結部８１−１の突出長さを大きくしても、天板２０がｙ軸方向に大きくなることを抑制できる。
なお、第２の締結部８１−２は、第１の締結部８１−１とは異なる方向に突出して設けられてよい。図２Ａの例では、第２の締結部８１−２は、ｙ軸に対して４５度を成す方向に突出している。第２の締結部８１−２は、突出長さが比較的に小さいので、当該方向に突出させても、天板２０はそれほど大きくならない。また、第３の締結部８１−３は、外周８８からｙ軸方向に突出している。第２の締結部８１−２が外周８８からｙ軸方向に突出する長さは、第３の締結部８１−３が外周８８からｙ軸方向に突出する長さと同一であってよい。図２Ａにおいて、２つの第１の締結部８１−１は、ｘｙ面における天板２０の中心に対し、対称に配置されてよい。同様に、２つの第２の締結部８１−２は、ｘｙ面における天板２０の中心に対し、対称に配置されてよい。
図２Ｂは、締結部８１の突出方向を説明する図である。図２Ｂにおいては、締結部８１−１および締結部８１−２の近傍を拡大して示している。図２Ｂでは、それぞれの締結部８１における貫通孔８２を省略している。本例では、それぞれの締結部８１において、ｘｙ面で外周８８から最も離れる点を頂点９５とする。上述したように、締結部８１の突出方向は、頂点９５と、外周８８とを最短距離で結ぶ方向である。ただし、締結部８１−２のように、頂点９５が複数存在する場合、ｘｙ座標空間における複数の頂点９５の平均の位置９６と、外周８８とを最短距離で結ぶ方向を、締結部８１の突出方向としてよい。複数の頂点９５の平均の位置９６とは、ｘ座標およびｙ座標のそれぞれにおいて、複数の頂点９５の座標値の平均を示す位置である。
図３は、上面視（ｘｙ面）におけるケース部４０の形状の一例を示す図である。本例のケース部４０のｘｙ面における外形は、天板２０の外形と同一である。本例では、枠部６２の外形が、ケース部４０の外形に相当する。枠部６２は、空洞９２側の内側面１３と、内側面１３とは逆側の外側面１１とを有する。本例における各側面は、ｘｙ面とは略垂直な面である。図３においては、天板２０の外周８８を、ケース部４０の形状に重ねて示している。また、ケース部４０も天板２０と同様に、ｘｙ面における角部２９を有する。
ケース部４０のそれぞれの角部２９にも、天板２０と同様に締結部８０の一部をなす締結部８５が設けられている。また、ケース部４０のいずれかの辺にも、締結部８５が設けられてよい。締結部８５は、枠部６２から、外周８８よりも外側に突出して設けられている。なお外側とは、ｘｙ面において、空洞９２の中心から離れる方向を指す。
本例では、それぞれの締結部８５のｘｙ面における形状は、対向する締結部８１の形状と同一である。それぞれの締結部８５には、貫通孔８６が設けられている。貫通孔８６は、図２Ａに示した貫通孔８２と重なる位置に設けられる。
ｘｙ面において枠部６２の内側には、底板６４が設けられている。底板６４は、４つの角部１９を有している。角部１９は、角部２９と同様に、底板６４の外周をｘ軸およびｙ軸のそれぞれにおいて４等分してできる１６の領域のうち、角に配置されている４つの領域であってよい。締結部８５は、天板２０の外周８８において、開口部４２および底板６４の角部１９とは逆側の外側へ突出して設けられている。
底板６４のいずれかの角部１９には、空洞９２と外部とを接続する開口部４２が設けられてよい。本例の底板６４には、ｘｙ面における底板６４の中心に対して点対称に配置された２つの角部１９に、それぞれ開口部４２が設けられている。図２Ａおよび図３に示すように、締結部８１−１が設けられた天板２０の角部２９−１と、開口部４２が設けられた底板６４の角部１９−１が対向する位置に配置されている。
本例では、それぞれの角部１９を、ｘ軸およびｙ軸における相対的な位置を用いて、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部１９（図３の例では角部１９−１）、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部（図３の例では角部１９−２）、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部（図３の例では角部１９−２）、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部１９（図３の例では角部１９−１）とする。同様に、それぞれの角部２９を、ｘ軸およびｙ軸における相対的な位置を用いて、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部２９（図２Ａの例では角部２９−１）、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部（図２Ａの例では角部２９−２）、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部（図２Ａの例では角部２９−２）、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部２９（図３の例では角部２９−１）とする。底板６４および天板２０において対向する２つの角部とは、ｘ軸およびｙ軸の相対位置が対応している角部１９および角部２９を指す。より具体的には、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部１９と、ｘ軸正側且つｙ軸正側の角部２９が対向しており、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部１９と、ｘ軸正側且つｙ軸負側の角部２９が対向しており、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部１９と、ｘ軸負側且つｙ軸正側の角部２９が対向しており、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部１９と、ｘ軸負側且つｙ軸負側の角部２９が対向している。
図４は、上面視（ｘｙ面）におけるパワー半導体装置７０の形状の一例を示す図であり、図５は、パワー半導体モジュール１００の分解斜視図である。なお、図５において説明の簡略化を目的として、パワー半導体装置７０、天板２０およびケース部４０が互いに分解された状態を描いており、冷却フィン９４等の部材を省略した。
本例のパワー半導体装置７０のケース本体１７０は、天板２０の４つの角部２９に対応する４つの角部１７９を有し、ｘｙ面で略矩形の枠形状をなす。よって、ケース本体１７０の外周が略矩形であるともいえる。ケース本体１７０の角部１７９のそれぞれには当該角部１７９から外側に延在する補強部１７１−１、１７１−２が設けられる。すなわち、これら補強部１７１−１、１７１−２は、ケース本体１７０の外周よりも外側に突出している。なお外側とは、ｘｙ面において、パワー半導体装置７０の中心から離れる方向を指す。
より具体的には、角部２９−１に対向する角部１７９−１の補強部１７１−１の全体は、ケース本体１７０の外周よりも外側に突出している。一方、角部２９−２に対向する角部１７９−２の補強部１７１−２の一部分はケース本体１７０の外周よりも外側に突出しており、他の部分はケース本体１７０の外周よりも内側に配される。さらに、ケース本体１７０の略矩形の一対の長辺部分には、ケース本体１７０の内部に配された補強部１７１−３が各辺に２つずつ設けられる。
補強部１７１−１を貫通する貫通孔１７３は、上面視において天板２０の締結部８１−１の貫通孔８２と重なる。同様に、補強部１７１−２を貫通する貫通孔１７３は、上面視において天板２０の締結部８１−２の貫通孔８２と重なり、補強部１７１−３を貫通する貫通孔１７３は、上面視において天板２０の締結部８１−３の貫通孔８２と重なる。
本例のパワー半導体装置７０のｘｙ面における外形は、天板２０の外形と略相似形であって、かつ、わずかに大きい。より詳しくは、パワー半導体装置７０のケース本体１７０のｘｙ面での外周は天板２０の外周８８と略相似形であって、かつ、わずかに大きい。さらに、本例のパワー半導体装置７０の補強部１７１のそれぞれは、パワー半導体モジュール１００において、天板２０の締結部８１に対向するように配置される。それぞれの補強部１７１および締結部８１は上面視で重なっており、補強部１７１は締結部８１の上面全体に接して当該上面を覆っている。すなわち、上面視において天板２０の締結部８１は露出しない。互に対向する補強部１７１と締結部８１とは接着剤により固定されてもよい。
付言すれば、パワー半導体装置７０の２つの補強部１７１−１は、天板２０の２つの締結部８１−１の上面側に延在する。同様に、パワー半導体装置７０の２つの補強部１７１−２は天板２０の２つの締結部８１−２の上面側に延在し、パワー半導体装置７０の４つの補強部１７１−３は天板２０の４つの締結部８１−３の上面側に延在する。また、天板２０の締結部８１−１の方が締結部８１−２よりも外側へ延在していることに対応して、補強部１７１−１の方が補強部１７１−２よりもケース本体１７０に対して外側へ延在している。
ここで、上記の通り、天板２０の締結部８１およびケース部４０の締結部８５を含む締結部８０は、ケース部４０の側壁６３よりも外側に突出して設けられている。さらに、締結部８１のうち、締結部８１−１、８１−２は上面視でケース本体１７０よりも外側に突出して設けられている。つまり、締結部８１−１、８１−２は、ｘｙ面における先端が、パワー半導体モジュール１００の他の部材に支持されていない片持ち梁の構造である。このため、締結部８１−１、８１−２は比較的に変形しやすいが、補強部１７１−１、１７１−２を設けることで、締結部８０の強度を向上できる。
一方、締結部８１のうち、締結部８１−３は上面視でその全体がケース本体１７０よりも内側に位置する。よって、締結部８１−３に対向する補強部１７１−３はケース本体１７０よりも外側には突出していない。これはケース本体１７０自体が締結部８１−３の上面側に延在して、締結部８１−３を補強しているともいえる。
上記の通り、締結部８０の上面に補強部１７１を設けることで、応力が集中しやすい締結部８０の強度を向上させることができる。また、補強部１７１を設けることで、側壁６３および底板６４の厚みを増大させずに、締結部８０の強度を向上させることができる。側壁６３および底板６４の厚みを増大させないことで、側壁６３および底板６４は、応力に対して比較的に容易に変形できる。このため、例えば空洞９２の内部の冷媒、冷却フィン９４等が温度変化に応じて膨張または収縮しても、側壁６３および底板６４が変形することで体積変化を吸収しやすくなる。また、パワー半導体モジュール１００が外部装置にパイプ９０および締結部材により接続される場合に、ケース部４０に力が加わり、さらに振動が加わっても、側壁６３および底板６４により力が吸収され、補強部１７１により締結部８０における片持ち梁の構造が支持される。このため、締結部８０を保護することができる。
図６は、補強部１７１−１の一例の部分拡大斜視図である。本例の補強部１７１−１は、ケース本体１７０の外側に延在する、一対の三角柱部１７５と、これら三角柱部１７５のさらに外側に延在する１つの円筒部１７６との組み合わせにより構成されている。一対の三角柱部１７５は、上面視でその頂点で向かい合うように、ケース本体１７０側に配されている。三角柱部１７５のそれぞれは中空であって底面を有してよい。また、中実であってもよい。三角柱部１７５および円筒部１７６は、それぞれの側面がz軸と平行になるよう配置されてよい。三角柱部１７５の代わりに、多角柱や円柱など他の柱状体を円筒部１７６と組み合わせてもよい。
円筒部１７６は、上述した貫通孔１７３の周囲に配された平面部１７７と、この平面部１７７を囲う筒状部１７８とを有する。筒状部１７８は、平面部１７７よりも上下方向に厚い。さらに、図１の断面図に示した通り、側面部１７２を除いた筒状部１７８の上下方向の厚さすなわち高さＨ２は、側面部１７２を除いたケース本体１７０の高さとしての全高Ｈ１以下である。なお、この円筒部１７６も中空であって部分的に底面を有するともいえる。さらに、ケース本体１７０全体、すなわち、端子ケース７２において補強部１７１を除いた部分、の高さを一律Ｈ１に揃えて、ケース本体１７０の強度を高めてもよい。貫通孔１７３と筒状部１７８は同軸となるよう配置されてよい。
これら三角柱部１７５および円筒部１７６により、軽くかつ簡便な成形で、補強部１７１自体の強度を高め、ひいては締結部８０の強度を向上させることができる。また、平面部１７７を筒状部１７８よりも低くしたことで、締結に用いるネジの頭が筒状部１７８の内部に収容されて、締結部分を小型化できる。
＜実施例１＞
図１から図６に示したパワー半導体モジュール１００の補強部１７１−１および締結部８０−１の部分を実施例１とした。なお、実施例１では、補強部１７１−１と締結部８０−１とは上下に接触しているが、接着剤での固定はしていない。
＜実施例２＞
実施例１のパワー半導体モジュール１００の補強部１７１−１および締結部８０−１の部分と同じ構成であって、かつ、補強部１７１−１と締結部８０−１とを接着剤で固定したものを実施例２とした。接着剤はＳｉ系接着剤を用いた。
＜比較例＞
図７に示すように、図１から図６に示したパワー半導体モジュール１００における、補強部１７１−１を設けないものを比較例とした。すなわち、比較例においては、天板２０の締結部８０−１の上面が露出している。
実施例１、２および比較例を用いて熱応力をシミュレーションした。具体的には、全相同時発熱時の最大負荷を想定したＴｃＰ／Ｃ評価において、ΔＴ＝１００℃の冷却器最大応力発生部分における応力振幅を熱応力シミュレーションにより算出した。また、材料としてＡ３００３を想定した。これにより以下の結果が得られた。
実施例１： ４．５Ｎ／ｍｍ２
実施例２： ３．７Ｎ／ｍｍ２
比較例： ５．８Ｎ／ｍｍ２
さらに寿命も予測したところ、実施例２は比較例に対して約４倍の寿命を得ることが可能であるという結果が得られた。
図８は、他の補強部１８１の例の部分拡大斜視図である。本例の補強部１８１は、３つの六角柱部１８５が連結した、いわゆるハニカム構造を有する。最も外側に延在している六角柱部１８５の平面部１７７には貫通孔１７３が設けられている。他の２つの六角柱部１８５には底面があってもなくてもよい。
補強部１８１も補強部１７１−１と同様に、天板２０の締結部８１−１の上面に接して当該上面全体を覆っている。補強部１８１は締結部８１−１と接着剤で固定されてもよい。付言すれば、上面視において補強部１８１は締結部８１−１と相似形にはなっていない。
さらに、図６および図８の例に限られず、補強部は四角柱などの他の多角柱や円柱やそれらの組み合わせで構成されてもよい。補強部におけるそれぞれの柱状体は中空でも中実でもよく、中空の場合に底面があってもなくてもよい。柱状体は、その側面がz軸と平行になるよう配置されてよい。
図６の補強部１７１−１および図８の補強部１８１は天板２０の締結部８１−１の上面に接して当該上面全体を覆っている。さらに図１に示すように、補強部１７１−１等の外側に下方に延在する側面部１７２が配されており、この側面部１７２は、締結部８１−１の側面の全体を覆う。これに代えて、側面部１７２は、締結部８１−１の側面の一部のみを覆ってもよい。さらに、側面部１７２は、冷却装置１０の側面の一部または全部を覆ってもよい。より詳しくは、側面部１７２は天板２０の側端面および枠部６２の側端面の一部または全部を覆ってもよい。これらにより、パワー半導体モジュール使用時に接続されるバスバー、冷却装置１０、冷却装置１０の下面に配されるコンデンサの端子の間の電気的な絶縁性を高めることができる。なお、側面部１７２が設けられなくてもよい。
さらに、補強部１７１−１等は締結部８１−１の上面全体を覆うことに代えて、上面の一部を覆っていてもよい。すなわち、上面視において締結部８１−１の一部が露出してもよい。この場合に、補強部１７１−１等は上面視において少なくとも貫通孔８２の周囲を覆うように延在することが好ましい。
なお、補強部１７１とケース本体１７０との接続部１８０は図１の断面図において略直角であるが、接続の態様はこれに限られない。例えば、接続部１８０が滑らかな曲面を有してもよい。具体的には、補強部１７１は、ケース本体１７０から漸次高さが低くなる滑らかな曲面でケース本体１７０と接続してもよい。さらに、補強部１７１は、ケース本体１７０から漸次幅が狭くなる滑らかな曲面でケース本体１７０と接続してもよい。補強部１７１とケース本体１７０とが滑らかな曲線で接続されることにより、接続部１８０に応力が集中するのを避けることができる。
なお、締結部８０において、天板２０およびケース部４０は、同一の厚みを有してよい。天板２０およびケース部４０は、締結部８０以外の領域においても同一の厚みを有してよい。
また、ケース部４０は、枠部６２および側壁６３が一体に設けられていてよい。枠部６２および側壁６３は、一枚の板状の金属を鍛造加工することで形成してよい。また、底板６４は、側壁６３と一体に設けられてよく、側壁６３にロウ付けされていてもよい。底板６４、枠部６２および側壁６３は、同一の厚みを有してよい。一例として、天板２０の下面２４の中心と対向する位置における底板６４の厚みと、締結部８０における枠部６２の厚みとが同一であってよい。それぞれの部材が同一の厚みを有することで、共通の金属ロール材を用いて冷却装置１０を製造できる。
図９は、他のパワー半導体モジュール１０２の例を示す模式的な断面図である。図９において図１から図８と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。パワー半導体モジュール１０２は、ケース部４０の枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４との間に補強材３０が設けられている点で、図１のパワー半導体モジュール１００と異なる。
補強材３０は、締結部８０における天板２０およびケース部４０の間に配されている。天板２０および補強材３０、ならびに、補強材３０およびケース部４０は互いに密着して配置されている。本例では、これらの部材間は、ロウ付けされている。なお、貫通孔７９は、補強材３０も貫通して設けられる。
補強材３０は、ｘｙ面において、貫通孔７９が設けられた領域から、ケース部４０の側壁６３と対向する位置まで設けられてよい。これにより、側壁６３と対向する位置において枠部６２が変形することを防ぎ、側壁６３と枠部６２との接続部分に応力が集中することを防ぐことができる。これにより、側壁６３を保護できる。側壁６３と、補強材３０の内側面１３とは面一に配置されてよい。
図１０は、上面視（ｘｙ面）における補強材３０の形状の一例を示す図である。本例の補強材３０は、図９に示した空洞９２を囲むように設けられている。本例の補強材３０のｘｙ面における外形は、天板２０の外形と同一である。図１０においては、天板２０の外周８８を、補強材３０の形状に重ねて示している。
補強材３０は、ｘｙ面において、ケース部４０の枠部６２と同一の形状を有してよい。補強材３０は、枠部６２の上面１６と、天板２０の下面２４との間に配置される。補強材３０は、空洞９２側の内側面３４と、内側面３４とは逆側の外側面３６とを有する。補強材３０の内側面３４は、ケース部４０の枠部６２の内側面１３と面一に配置されてよい。補強材３０の外側面３６は、ケース部４０の枠部６２の外側面１１と面一に配置されてよい。
また、補強材３０も天板２０と同様に、ｘｙ面における角部２９を有する。補強材３０のそれぞれの角部２９にも、天板２０と同様に締結部８３が設けられている。また、補強材３０のいずれかの辺にも、締結部８３が設けられてよい。本例では、それぞれの締結部８３のｘｙ面における形状は、対向する締結部８１の形状と同一である。それぞれの締結部８３には、貫通孔８４が設けられている。貫通孔８４は、図２Ａに示した貫通孔８２と重なる位置に設けられる。
補強部１７１に加えて補強材３０を設けることにより、締結部８０の強度をさらに向上できる。補強材３０は、天板２０およびケース部４０より耐力が高い材料で形成されていてもよい。このような材料の一例として、５０ＭＰａ以上の耐力を有するアルミニウム合金、望ましくは５０〜６５ＭＰａの耐力を有するアルミニウム合金が挙げられる。これにより、締結部８０の強度をより向上できる。
図１１は、本発明の一つの実施形態に係る車両２００の概要を示す図である。車両２００は、少なくとも一部の推進力を、電力を用いて発生する車両である。一例として車両２００は、全ての推進力をモーター等の電力駆動機器で発生させる電気自動車、または、モーター等の電力駆動機器と、ガソリン等の燃料で駆動する内燃機関とを併用するハイブリッド車である。
車両２００は、モーター等の電力駆動機器を制御する制御装置２１０（外部装置）を備える。制御装置２１０には、パワー半導体モジュール１００が設けられている。パワー半導体モジュール１００は、電力駆動機器に供給する電力を制御してよい。パワー半導体モジュール１００は、締結部８０等に挿入される締結部材によって制御装置２１０に固定されてよい。パワー半導体モジュール１００の冷却装置１０は、開口部４２にパイプ９０を介して接続された、制御装置２１０の冷却系から冷媒が供給されてよい。パワー半導体モジュール１００に代えてパワー半導体モジュール１０２が用いられてもよい。
図１２は、本発明の一つの実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の主回路図である。パワー半導体モジュール１００は、車両のモーターを駆動する車載用ユニットの一部であってよい。パワー半導体モジュール１００は、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを有する三相交流インバータ回路として機能してよい。
半導体チップ７８‐１、７８‐２および７８‐３はパワー半導体モジュール１００における下アームを、複数の半導体チップ７８‐４、７８‐５および７８‐６はパワー半導体モジュール１００における上アームを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐１、７８−４はレグを構成してよい。一組の半導体チップ７８‐２、７８−５、一組の半導体チップ７８‐３、７８−６も同様にレグを構成してよい。半導体チップ７８‐１においては、エミッタ電極が入力端子Ｎ１に、コレクタ電極が出力端子Ｕに、それぞれ電気的に接続してよい。半導体チップ７８‐４においては、エミッタ電極が出力端子Ｕに、コレクタ電極が入力端子Ｐ１に、それぞれ電気的に接続してよい。同様に、半導体チップ７８‐２、７８−３においては、エミッタ電極がそれぞれ入力端子Ｎ２、Ｎ３に、コレクタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、電気的に接続してよい。さらに、半導体チップ７８‐５、７８‐６においては、エミッタ電極がそれぞれ出力端子Ｖ、Ｗに、コレクタ電極がそれぞれ入力端子Ｐ２、Ｐ３に、電気的に接続してよい。
各半導体チップ７８‐１から７８‐６は、半導体チップ７８の制御電極パッドに入力される信号により交互にスイッチングされてよい。本例において、各半導体チップ７８はスイッチング時に発熱してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は外部電源の正極に、入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３は負極に、出力端子Ｕ、Ｖ，およびＷは負荷にそれぞれ接続してよい。入力端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は互いに電気的に接続されてよく、また、他の入力端子Ｎ１、Ｎ２およびＮ３も互いに電気的に接続されてよい。
パワー半導体モジュール１００において、複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＲＣ‐ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）半導体チップであってよい。ＲＣ‐ＩＧＢＴ半導体チップにおいて、ＩＧＢＴおよび還流ダイオード（ＦＷＤ）は一体形成され、且つ、ＩＧＢＴおよびＦＷＤは逆並列に接続されてよい。複数の半導体チップ７８‐１から７８‐６は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタとダイオードとの組み合わせを含んでよい。トランジスタおよびダイオードのチップ基板は、シリコン基板、炭化けい素基板や窒化ガリウム基板であってよい。なお、パワー半導体モジュール１０２の主回路もパワー半導体モジュール１００の主回路と同じであってよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０・・・冷却装置、１１・・・外側面、１３・・・内側面、１６・・・上面、１９・・・角部、２０・・・天板、２２・・・上面、２４・・・下面、２６・・・短辺、２８・・・長辺、２９・・・角部、３０・・・補強材、３４・・・内側面、３６・・・外側面、４０・・・ケース部、４２・・・開口部、６２・・・枠部、６３・・・側壁、６４・・・底板、７０・・・パワー半導体装置、７２・・・端子ケース、７４・・・封止部、７６・・・回路基板、７８・・・半導体チップ、７９・・・貫通孔、８０・・・締結部、８１・・・締結部、８２・・・貫通孔、８３・・・締結部、８４・・・貫通孔、８５・・・締結部、８６・・・貫通孔、８８・・・外周、９０・・・パイプ、９２・・・空洞（冷媒流通部）、９４・・・冷却フィン、９５・・・頂点、９６・・・位置、１００・・・パワー半導体モジュール、１０２・・・パワー半導体モジュール、１７０・・・ケース本体、１７１・・・補強部、１７３・・・貫通孔、１７５・・・三角柱部、１７６・・・円筒部、１７７・・・平面部、１７８・・・筒状部、１７９・・・角部、１８０・・・接続部、１８１・・・補強部、１８５・・・六角柱部、２００・・・車両、２１０・・・制御装置

Claims (16)

  1. 冷却装置と、前記冷却装置に搭載されたパワー半導体装置とを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
    前記冷却装置は、下面を有する天板と、冷媒流通部および前記冷媒流通部を囲む外縁部を含み、前記冷媒流通部が前記天板の下面側に配置され、且つ、前記外縁部において前記天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、前記冷媒流通部に配置された冷却フィンとを有し、
    前記天板および前記ケース部は、前記天板および前記外縁部が重なって配置され、且つ、前記天板および前記ケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、
    前記パワー半導体装置は、回路基板と端子ケースとを有し、
    前記締結部は、前記天板の外周よりも外側に突出し、
    前記端子ケースは、前記回路基板の周囲に配置されたケース本体と、前記締結部の上面側に延在する補強部とを有し、
    前記補強部は、前記締結部の側面を覆う側面部を有するパワー半導体モジュール。
  2. 前記天板は、上面視において１組の長辺および１組の短辺と、４つの角部とを有しており、
    前記締結部は、
    全体が前記天板の外周より外側に配置された貫通孔を有して、前記天板の前記長辺と平行な方向に突出する第１の締結部と、
    前記天板の前記外周の内側または重なって配された貫通孔を有して、前記天板の前記長辺とは平行でない方向に突出する第２の締結部と
    を含む請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記天板は、上面視において２組の対向する辺と、４つの角部とを有しており、
    前記締結部は、少なくとも一つの前記角部において前記天板の外周よりも外側に突出して設けられており、
    前記ケース部には、前記冷媒流通部と外部とを接続する開口部が設けられており、
    前記開口部は、前記天板において前記締結部が設けられた前記角部と対向して配置されている請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記ケース部の前記開口部は、前記ケース部の底面を上下に貫通して設けられている請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 冷却装置と、前記冷却装置に搭載されたパワー半導体装置とを備えるパワー半導体モジュールにおいて、
    前記冷却装置は、下面を有する天板と、冷媒流通部、前記冷媒流通部を囲む外縁部、前記天板の下面との間に前記冷媒流通部を有する底板、および、前記外縁部と前記底板とを接続する側壁を含み、前記外縁部において前記天板の下面に直接または間接に密着して配置されたケース部と、前記冷媒流通部に配置された冷却フィンとを有し、
    前記天板および前記ケース部は、前記天板および前記外縁部が重なって配置され、且つ、前記天板および前記ケース部を外部装置に締結するための締結部を有し、
    前記パワー半導体装置は、回路基板と端子ケースとを有し、
    前記ケース部は、前記底板に、前記冷媒流通部と外部とを接続するための開口部が設けられており、
    前記締結部は、前記天板の外周よりも外側に突出し、
    前記端子ケースは、前記回路基板の周囲に配置されたケース本体と、前記締結部の上面側に延在する補強部とを有するパワー半導体モジュール。
  6. 前記締結部は、前記天板の外周において、前記底板および前記開口部とは逆側の外側へ突出して設けられている請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記補強部の高さは前記ケース本体の高さ以下である請求項１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記補強部と前記締結部とは接着剤により固定されている請求項１から７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 前記補強部は、前記ケース本体の外周よりも外側に突出している請求項１から８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  10. 前記補強部は、上下に貫通した貫通孔の周囲に配された平面部と、前記平面部を囲い、前記平面部よりも上下方向に厚い筒状部を有する請求項１から９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  11. 前記補強部は、前記ケース本体から漸次高さが低くなる滑らかな曲面で前記ケース本体と接続している請求項１から１０のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  12. 前記補強部は、前記ケース本体から漸次幅が狭くなる滑らかな曲面で前記ケース本体と接続している請求項１から１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  13. 前記ケース部は、前記天板の下面の中心と対向する位置における厚みと、前記締結部における厚みとが同一である
    請求項１から１２のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  14. 前記締結部において、前記天板および前記ケース部は同一の厚みである請求項１から１３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  15. 前記締結部において、前記天板と前記外縁部との間に設けられた補強材を更に備える請求項１から１４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールを備える車両。
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