JP7011372B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールに関し、特に、四輪自動車等の車両に対して適用され得るパワーモジュールに関する。

近年、四輪自動車等の車両においては、駆動システムに内燃機関であるエンジンと電動モータとを協働して用いるハイブリッド自動車や駆動システムに電動モータを用いる電気自動車が普及してきている。

かかる車両においては、電動モータ稼働させる電子制御装置の構成要素の一つとして、パワーモジュールを含む電力変換装置が用いられている。このような電力変換装置は、相対的に大きな電力を入出力するものであるため、その動作時に発熱したパワーモジュールを冷却する冷却器を設ける必要がある。

かかる状況下で、特許文献１は、ヒートパイプ１及びヒートパイプ１を用いた熱交換装置６に関し、管状本体１１を樹脂材にて形成したヒートパイプ１の両端に、受熱体７及び放熱体８を設けた構成を開示する。

しかしながら、特許文献１の構成においては、冷媒として水やフロン等の液体を使用するため、熱源である電子部品の配置や傾斜により内部の冷媒の循環が想定通りに行われず熱伝導性能が十分に発揮されない場合も考えられ、また、ウィックを付加した構成も考えられるが、加工性が煩雑となってコストアップを招く要因ともなる。

そこで、電力変換装置の動作時に発熱し伝熱された熱を放熱するヒートシンクを備えた構成が実現されている。かかるヒートシンクは、電力変換の際にスイッチング動作を行いながら発熱する発熱部品である複数の半導体素子に熱的に接触して、発せられた熱を受けて伝熱しながら、複数の放熱フィンからヒートシンクの周囲の大気中に放熱するものである。

かかる状況下で、特許文献２は、回路基板１、３１、５１に関し、プリント基板１０、４０を貫通する貫通孔１３に設けられた熱伝導部材１５を介して、プリント基板１０、４０の表面に設けられた電子部品２１と、プリント基板１０、４０の裏面に設けられたヒートシンク２２と、を接続する構成を開示する。

特開２００４－１９８０９８号公報 特開２０１４－９９５４４号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献２の構成においては、確かに固体状の冷却部材であるヒートシンクを用いるものであって、動作時に発熱する電子部品の直下に熱伝導部材及びヒートシンクを配置するものではあるが、実機搭載時の周辺部品によって回路基板の厚さ方向に制約がある場合には、ヒートシンクを発熱部品の直下以外のそれから遠ざかった位置、例えば回路基板の側面に配置する必要性が生じることになる。

つまり、本発明者の検討によれば、熱輸送の機能を考慮すると、発熱部品が接続している回路基板の直下へヒートシンクを配置することが望ましいが、実機搭載時の周辺部品の制約によって回路基板の厚さ方向の設定が厳しい場合には、ヒートシンクを発熱部品より距離のある直下以外の位置、例えば回路基板の側面に配置する必要性に迫られるが、特許文献２は、かかる構成について何等具体的な開示や示唆をしていない。

本発明は、以上の検討を経てなされたものであり、回路基板の側面にヒートシンクが装着される場合に、回路基板のサイズが不要に増大することを抑制した態様で、回路基板の実装面に実装された発熱部品に対して所要の冷却機能を発揮することが可能パワーモジュールを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するべく、本発明は、第１の方向及び前記第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な実装面、前記実装面に対して前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向で対向すると共に前記実装面に平行な裏面、及び前記実装面及び前記裏面を接続する側面とを有する回路基板と、前記実装面に配設されると共に動作時に発熱する複数の発熱部品と、前記側面に配設されるヒートシンクと、前記複数の発熱部品及び前記ヒートシンク間を熱的に接続する複数の熱伝導部材と、を備えたパワーモジュールにおいて、前記複数の発熱部品は、第１の発熱部品、並びに前記第２の方向において前記第１の発熱部品及び前記ヒートシンクの間に配設された第２の発熱部品を含み、前記複数の熱伝導部材は、前記第１の発熱部品及び前記ヒートシンク間を熱的に接続する第１の熱伝導部材と、前記第２の発熱部品及び前記ヒートシンク間を熱的に接続する第２の熱伝導部材と、を含み、前記第１の熱伝導部材は、前記第１の発熱部品に当接すると共に、前記回路基板内で前記第３の方向に延在する第１の構成要素部と、前記第１の構成要素部及び前記ヒートシンク間を接続すると共に、前記回路基板内で前記第２の方向に延在する第２の構成要素部と、を含み、前記第２の熱伝導部材は、前記第２の発熱部品に当接すると共に、前記第３の方向において前記第２の構成要素部から離間し、かつ前記第３の方向に沿って見て前記第２の構成要素部と重なり、前記第１の方向において、前記第１の熱伝導部材の前記第２の構成要素部の幅は、前記第２の熱伝導部材の幅よりも広く設定されていることを第１の局面とする。

また、本発明は、第１の局面に加えて、前記第１の熱伝導部材は、前記第２の構成要素部の一部に、前記第２の構成要素部とは別部材の前記第１の構成要素部が前記第３の方向に積層された積層体であることを第２の局面とする。

以上の本発明の第１の局面にかかるパワーモジュールによれば、第１の方向及び第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な実装面、実装面に対して第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向で対向すると共に実装面に平行な裏面、及び実装面及び裏面を接続する側面とを有する回路基板と、実装面に配設されると共に動作時に発熱する複数の発熱部品と、側面に配設されるヒートシンクと、複数の発熱部品及びヒートシンク間を熱的に接続する複数の熱伝導部材と、を備えた構成を前提として、複数の発熱部品が、第１の発熱部品、並びに第２の方向において第１の発熱部品及びヒートシンクの間に配設された第２の発熱部品を含み、複数の熱伝導部材が、第１の発熱部品及びヒートシンク間を熱的に接続する第１の熱伝導部材と、第２の発熱部品及びヒートシンク間を熱的に接続する第２の熱伝導部材と、を含み、第１の熱伝導部材が、第１の発熱部品に当接すると共に、回路基板内で第３の方向に延在する第１の構成要素部と、第１の構成要素部及びヒートシンク間を接続すると共に、回路基板内で第２の方向に延在する第２の構成要素部と、を含み、第２の熱伝導部材が、第２の発熱部品に当接すると共に、第３の方向において第２の構成要素部から離間し、かつ第３の方向に沿って見て第２の構成要素部と重なるものであるため、回路基板の側面にヒートシンクが装着される場合に、回路基板のサイズが不要に増大することを抑制した態様で、回路基板の実装面に実装された発熱部品に対して所要の冷却機能を発揮することができる。詳しくは、固体状の熱伝導部材を採用することにより、冷却水を使用した冷媒を必要としないことから、重力や傾斜の影響を受けることなく熱伝導性の効果を確保することができる。また、複数の発熱部品が個々に対応する熱伝導部材と接続していることで、他方の発熱部品から生ずる熱の影響が回避され、効率よくヒートシンクへ熱輸送を行うことができる。更に、回路基板内に複数の熱伝導部材を重ねて配置することにより、ヒートシンクに対する距離の異なった複数の発熱部品を並置させることができるので、回路基板のサイズダウンを図りつつも所要の冷却効果を発揮することができる。

また、本発明の第１の局面にかかるパワーモジュールによれば、第１の方向において、第１の熱伝導部材の第２の構成要素部の幅が、第２の熱伝導部材の幅よりも広く設定されているものであるため、これらの熱抵抗を同等な値に設定することができ、ヒートシンクから距離の遠い第１の発熱部品においても、ヒートシンクから距離の近い第２の発熱部品と同等に冷却することができる。

また、本発明の第２の局面にかかるパワーモジュールによれば、第１の熱伝導部材が、第２の構成要素部の一部に、第２の構成要素部とは別部材の第１の構成要素部が第３の方
向に積層された積層体であるため、第１の熱伝導部材及び第２の熱伝導部材の各々の熱抵抗を同等な値に設定することができ、回路基板内に複数の熱伝導部材を重ねて配置することが容易となり、ヒートシンクに対する距離の異なった複数の発熱部品を並置させることができるので、回路基板のサイズダウンを図りつつも所要の冷却効果を発揮することができる。

図１は、本発明の実施形態におけるパワーモジュールの構成を示す上面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ－Ｂ断面図である。 図４は、図１のＣ－Ｃ断面図である。

以下、図１から図４を適宜参照して、本発明の実施形態におけるパワーモジュールにつき、詳細に説明する。なお、図中、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、３軸直交座標系を成し、ｚ軸の方向は、上下方向に相当するものとし、ｘ－ｙ平面を水平面とする。

図１は、本実施形態におけるパワーモジュールの構成を示す上面図である。また、図２、図３及び図４は、対応して、図１のＡ－Ａ断面図、図１のＢ－Ｂ断面図及び図１のＣ－Ｃ断面図である。

図１から図４に示すように、パワーモジュール１は、典型的には図示を省略する電力変換装置の構成要素であり、回路基板１０と、回路基板１０に実装される複数の発熱素子としての半導体素子２１、２５、３１及び３５と、回路基板１０に装着されるヒートシンク４０と、回路基板１０に互いに離間して独立に配設される熱伝導部材５０、６０、７０及び８０と、を備える。電力変換装置は、典型的には、いずれも図示を省略するが、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に装着されるもので、車両搭載の２次電池であるバッテリから車両駆動用の電動モータに供給する直流電流を交流電流（３相電流）に変換するＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）／ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）変換機能を有する。なお、電力変換装置は、必要に応じ、かかる電動モータ又は図示を省略する回生機構からバッテリに供給する交流電流を直流電流に変換するＡＣ／ＤＣ変換機能を有していてもよい。

回路基板１０は、典型的には、ｘ－ｙ平面に平行に配設されると共に、矩形平板状（直方体状）のＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）等の回路基板であり、図示を省略する金属製の筐体等に装着される。

ここで、回路基板１０は、ｘ－ｙ平面に平行な実装面１２と、実装面１２の下方でそれに上下方向（厚さ方向）で対向すると共にｘ－ｙ平面に平行な裏面１３と、実装面１２及び裏面１３間を接続する側面１５から１８と、を有する。実装面１２には、半導体素子２１、２５、３１及び３５が実装される。側面１５は、ｙ軸の正方向側に位置してｘ－ｚ平面に平行な面であって、ヒートシンク４０の装着面となる。側面１６は、ｙ軸の負方向側に位置して側面１５にｙ軸の方向で対向すると共にｘ－ｚ平面に平行な面である。また、側面１７は、ｘ軸の負方向側で側面１５及び側面１６を接続すると共にｙ－ｚ平面に平行な面であり、側面１８は、ｘ軸の正方向側で側面１５及び側面１６を接続すると共に側面１７にｘ軸の方向で対向してｙ－ｚ平面に平行な面である。

半導体素子２１、２５、３１及び３５は、典型的には、動作時に発熱するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力変換用のパワー半導体素子である。半導体素子２１、２５、３１及び３５は、かかる半導体素子の個数が４個である場合を例示し、典型的には、これらは、同種同仕様の半導体素子であって、直方体状の筐体である樹脂製等のパッケージ２２、２６、３２及び３６を有し、ｘ軸の方向に平行な複数の列を成して互いに離間しながら整列して実装面１２に実装される。半導体素子２１は、ｘ軸の正方向側かつｙ軸の負方向側に配設されて実装面１２に実装される一方で、半導体素子２５は、ｘ軸の負方向側かつｙ軸の負方向側に配設されると共に、半導体素子２１に対してｘ軸の負方向側に隣接して実装面１２に実装され、半導体素子２１及び２５は、ｙ軸の負方向側でｘ軸に平行な方向に延在する第１のｘ列を成す。半導体素子３１は、ｘ軸の正方向側かつｙ軸の正方向側に配設されて実装面１２に実装される一方で、半導体素子３５は、ｘ軸の負方向側かつｙ軸の正方向側に配設されると共に、半導体素子３１に対してｘ軸の負方向側に隣接して実装面１２に実装され、半導体素子３１及び３５は、ｙ軸の正方向側でｘ軸に平行な方向に延在する第２のｘ列を成す。

ここで、半導体素子２１及び２５が成す第１のｘ列と、回路基板１０の側面１５と、の距離をＬ１とし、半導体素子３１及び３５が成す第２のｘ列と、回路基板１０の側面１５と、の距離をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２の関係にある。この際、便宜上、距離Ｌ１としては、上面視における半導体素子２１のパッケージ２２及び半導体素子２５のパッケージ２６の各々の中心を通りｘ軸に平行な直線と、回路基板１０の側面１５と、の距離を用い、距離Ｌ２としては、上面視における半導体素子３１のパッケージ３２及び半導体素子３５のパッケージ３６の各々の中心を通りｘ軸に平行な直線と、回路基板１０の側面１５と、の距離を用いた。また、上面視において、半導体素子２１のパッケージ２２及び半導体素子２５のパッケージ２６の各々の中心間の距離と、半導体素子３１のパッケージ３２及び半導体素子３５のパッケージ３６の各々の中心間の距離と、は等しく設定されている。なお、上面視において、半導体素子２１のパッケージ２２及び半導体素子３１のパッケージ３２の各々の中心を通る直線は、ｙ軸に平行であって、半導体素子２１及び半導体素子３１は、ｙ軸に平行な方向に延在する第１のｙ列を成す。また、上面視において、半導体素子２５のパッケージ２６及び半導体素子３５のパッケージ３６の各々の中心を通る直線は、ｙ軸に平行であって、半導体素子２５及び半導体素子３５は、ｙ軸に平行な方向に延在する第２のｙ列を成す。

ヒートシンク４０は、典型的には、高熱伝導率を呈するアルミ材や銅材等の金属製の鋳造品であり、回路基板１０の側面１５に当接して装着される本体部４１と、本体部４１からｙ軸の正方向に向けて突設される複数のフィン４２と、を有する。なお、必要に応じて、ヒートシンク４０の代わりに、熱交換器等を有する冷却器を適用して、冷却器の冷却部を回路基板１０の側面１５に装着してもよい。

熱伝導部材５０は、半導体素子２１及びヒートシンク４０間の熱伝導経路となる部材であり、典型的には、ｘ軸の正方向側に向かって見る側面視で逆Ｌ字状（ｘ軸の負正方向側に向かって見る側面視ではＬ字状）の形状を有すると共に、高熱伝導率を呈する銅材等の金属製やカーボン等の炭素材製の熱伝導部材である。

ここで、熱伝導部材５０は、半導体素子２１の下方で回路基板１０に埋設された第１の構成要素部５１と、第１の構成要素部６１の下方で回路基板１０に埋設された第２の構成要素部５５と、を有する。第１の構成要素部５１及び第２の構成要素部５５は、別部材として例示するが、必要に応じて同一部材であってもよい。また、それらが別部材である場合には、互いに異なった材料を用いることにより、互いの熱伝導率を異ならせることも可能である。

第１の構成要素部５１は、典型的には、第２の構成要素部５５の上下方向の厚さよりも厚さが厚く、上下方向に延在する直方体状の形状を有して、回路基板１０の実装面１２から露出すると共に、半導体素子２１のパッケージ２２の下面２３に当接される上面５２と、上面５２の下方でそれに上下方向で対向する下面５３と、を有する。第１の構成要素部５１の上面５２及び下面５３、並びに半導体素子２１のパッケージ２２の下面２３は、典型的には、ｘ－ｙ平面に平行な面である。典型的には、第１の構成要素部５１の上面５２において、半導体素子２１のパッケージ２２の下面２３に接触する部分にはメタライズ処理が施され、このメタライズ処理された部分と、半導体素子２１のパッケージ２２の下面２３とは、はんだ接合又はシンター接合で接合される。また、典型的には、第１の構成要素部５１の熱抵抗を低減する観点からは、第１の構成要素部５１を水平面で切った断面の断面積（横断面積）は、半導体素子２１のパッケージ２２に当接する上面５２の面積よりも大きく設定されていることが好ましい。

第２の構成要素部５５は、典型的には、第１の構成要素部５１よりも上下方向の厚さが薄く、ｙ軸の方向に延在する横長の直方体状であり、第１の構成要素部５１の下面５３の下方から部分的にそれに当接される上面５６と、回路基板１０の側面１５から露出すると共に、ヒートシンク４０の本体部４１におけるｙ軸の負方向側の装着面４３の一部に当接する側面５７と、を有する。第２の構成要素部５５では、第１の構成要素部５１の下面５３に当接される上面５６の部分に対して、第１の構成要素部５１が上下方向において積層されており、熱伝導部材５０は、第２の構成要素部５５の一部の上に第１の構成要素部５１が積層された積層体を成している。第２の構成要素部５５の上面５６は、典型的には、ｘ－ｙ平面に平行な面であり、第２の構成要素部５５の側面５７及びヒートシンク４０の本体部４１におけるｙ軸の負方向側の装着面４３は、典型的には、ｘ－ｚ平面に平行な面である。

熱伝導部材６０は、熱伝導部材５０に対してそれと当接することなくｙ軸の負方向側に離間して配設されると共に、半導体素子２５及びヒートシンク４０間の熱伝導経路となる部材であること以外は、熱伝導部材５０の構成と同様である。図中では、熱伝導部材５０における第１の構成要素部５１、上面５２、下面５３、第２の構成要素部５５、上面５６及び側面５７に対応して、熱伝導部材６０における第１の構成要素部６１、上面６２、下面６３、第２の構成要素部６５、上面６６及び側面６７を便宜上示している。なお、第１の構成要素部６１の上面６２は、回路基板１０の実装面１２から露出して、半導体素子２５のパッケージ２６の下面２７に当接している。

熱伝導部材７０は、熱伝導部材５０に対してそれと当接することなくｙ軸の正方向側に離間して配設されると共に、半導体素子３１及びヒートシンク４０間の熱伝導経路となる部材である。熱伝導部材７０は、典型的には、熱伝導部材５０の第２の構成要素部５５と同程度の上下方向の厚さを有して、第２の構成要素部５５と上下方向で離間して並置されながらｙ軸の方向に延在する横長の直方体状の形状を有すると共に、高熱伝導率を呈する銅材等の金属製やカーボン等の炭素材製の熱伝導部材である。熱伝導部材７０は、回路基板１０の実装面１２から露出すると共に、半導体素子３１のパッケージ３２の下面３３に当接される上面７２と、上面７２の下方でそれに上下方向で対向する下面７３と、回路基板１０の側面１５から露出すると共に、ヒートシンク４０の本体部４１におけるｙ軸の負方向側の装着面４３の一部に当接する側面７７と、を有する。典型的には、半導体素子３１のパッケージ３２の下面３３、並びに熱伝導部材７０の上面７２及び下面７３は、ｘ－ｙ平面に平行な平面であり、熱伝導部材７０の側面７７は、ｘ－ｚ平面に平行な平面である。なお、熱伝導部材７０は、その構成が複雑になって上下方向のサイズが大きくなることが許容される場合には、熱伝導部材５０と同様に上下方向に延在する第１の構成要素部及びｙ軸の方向延在する第２の構成要素部を有するものであってもよい。

熱伝導部材８０は、熱伝導部材７０に対してそれと当接することなくｘ軸の負方向側に離間して配設されると共に、半導体素子３５及びヒートシンク４０間の熱伝導経路となる部材であること以外は、熱伝導部材７０の構成と同様である。図中では、熱伝導部材７０における上面７２及び下面７３に対応して、熱伝導部材８０における上面８２及び下面８３を便宜上示している。なお、上面８２は、回路基板１０の実装面１２から露出して、半導体素子３５のパッケージ３６の下面３７に当接している。

ここで、熱伝導部材５０及び７０に関しては、熱伝導部材５０における第１の構成要素部５１と熱伝導部材７０とは、ｙ軸の方向に所定の距離で離間して並置されると共に、熱伝導部材５０における第１の構成要素部５１の下面５３及び第２の構成要素部５５の上面５６の上下方向の位置は、熱伝導部材７０の下面７３の上下方向の位置よりも下方（ｚ軸の負方向側）に設定される。第２の構成要素部５５は、熱伝導部材７０に対して上面視で重複しながら、熱伝導部材７０の下面７３の下方を回路基板１０の側面１５に向かって延在する。このように第２の構成要素部５５が熱伝導部材７０に対して上面視で重複して延在する部分で、熱伝導部材５０における第２の構成要素部５５と熱伝導部材７０とは、第２の構成要素部５５の上面５６が熱伝導部材７０の下面７３に対して当接することのないように上下方向の所定の距離でもって離間することにより、並置される。また、熱伝導部材５０のｘ軸の方向における幅をＷ１とし、熱伝導部材７０のｘ軸の方向における幅をＷ２とすると、互いの熱抵抗を所要な値に設定する観点からはＷ１＞Ｗ２の関係にあることが好ましい。なお、熱伝導部材５０においては、典型的には、第１の構成要素部５１及び第２の構成要素部５５は、互いのｘ軸の方向の両端部を対応して面一になるように一致させて位置整合しており、これらのｘ軸の方向における幅はＷ１である。また、典型的には、第２の構成要素部５５及び熱伝導部材７０は、ｘ軸の方向の中央を通ってｘ軸に平行な方向に延在する互いの中心軸を一致させている。

この際、一般に、熱伝導部材の熱抵抗Ｒは、熱伝導部材の熱伝達率をｋ、発熱素子等の発熱部品とヒートシンク等の冷却器の接合面との距離をＬ、及び熱伝導部材の断面積をＡとすると、Ｒ＝Ｌ／ｋＡで規定され、距離Ｌに対し比例して増大する。よって、距離Ｌが長い発熱部品までの熱伝導性能を距離Ｌが短い発熱部品までの熱伝導性能と等しく確保するには、距離Ｌが長い発熱部品用の熱伝導部材の断面積Ａをより大きく設定する必要があることが分かる。かかる観点では、熱伝導部材５０の第２の構成要素部５５の幅Ｗ１は、熱伝導部材７０の幅Ｗ２よりも広く（大きく）設定されており、それらの上下方向の厚さは、典型的には同程度に設定されているため、第２の構成要素部５５をｘ－ｚ平面で切った断面の断面積（縦断面積）は、熱伝導部材７０をｘ－ｚ平面で切った断面の断面積（縦断面積）よりも大きくすることが可能となり、この結果、ヒートシンク４０の本体部４１が当接する回路基板１０の側面１５までの距離が距離Ｌ２よりも長い距離Ｌ１を呈する半導体素子２１に対応して設けられた第２の構成要素部５５の熱抵抗を、ヒートシンク４０の本体部４１が当接する回路基板１０の側面１５までの距離が距離Ｌ１よりも短い距離Ｌ２を呈する半導体素子３１に対応して設けられた熱伝導部材７０の熱抵抗と同等にする、又は第１の構成要素部５１及び第２の構成要素部５５の各々の熱抵抗の和が熱伝導部材７０の熱抵抗と同等になるように、熱伝導部材７０の熱抵抗より小さくすることが可能となる。この際、上面視で、熱伝導部材７０は、そのｘ軸の方向の両端部及びｙ軸の方向の両端部が第２の構成要素部５５からはみ出すことなくその範囲内に収まることが可能となるコンパクトな構成が実現される。また、併せて、熱伝導部材５０においては、第１の構成要素部５１を水平面で切った断面の断面積（横断面積）を、第２の構成要素部５５の縦断面積以上に設定することにより、第１の構成要素部５１の熱抵抗を第２の構成要素部５５の熱抵抗よりも小さくすることも可能であり、かかる場合には、発熱素子２１に加えて第１の構成要素部５１の部分までを含んで発熱部品として取り扱うことも可能となる。なお、熱伝導部材５０の第２の構成要素部５５の上下方向の厚さが熱伝導部材７０の上下方向の厚さよりも厚い場合には、第２の構成要素部５５の幅Ｗ１を狭く（小さく）することができて、熱伝導部材５０を埋設する回路基板１０のｘ軸の方向の幅を狭くすることが可能となる。一方で、熱伝導部材５０の第２の構成要素部５５の上下方向の厚さが熱伝導部材７０の上下方向の厚さよりも薄い場合には、第２の構成要素部５５の幅Ｗ１は広くなるが、熱伝導部材５０を埋設する回路基板１０の上下方向の厚さを薄くすることが可能となる。

かかる熱伝導部材５０及び７０の関係は、熱伝導部材８０及び９０に対しても同様である。また、複数の半導体素子が成す列がｘ軸やｙ軸に平行な方向に３列以上となった場合にも、かかる熱伝導部材５０及び７０の関係を順次適用して拡張することが可能である。

以上の構成において、半導体素子２１が動作して発熱すると、その発生した熱の一部は回路基板１０の上側領域でパッケージ２２の外部に放熱するが、その残余は、パッケージ２２、熱伝導部材５０及びヒートシンク４０の温度勾配に応じて、パッケージ２２、熱伝導部材５０における第１の構成要素部５１及び第２の構成要素部５５を順に介した熱伝導経路で、ヒートシンク４０に伝熱して、主としてそのフィン４２から外部に放熱される。一方で、半導体素子３１が動作して発熱すると、その発生した熱の一部は回路基板１０の上側領域でパッケージ２６の外部に放熱するが、その残余は、パッケージ３２、熱伝導部材７０及びヒートシンク４０の温度勾配に応じて、パッケージ３２及び熱伝導部材７０を順に介した熱伝導経路で、ヒートシンク４０に伝熱して、主としてそのフィン４２から外部に放熱される。この際、半導体素子２１及び３１の発熱量が同等（実質同じ）であるとすると、熱伝導部材５０及び７０の熱抵抗、詳しくは、熱伝導部材５０の第１の構成要素部５１が相対的に小さいとすれば、熱伝導部材５０の第２の構成要素部５５の熱抵抗及び熱伝導部材７０の熱抵抗を同等（実質同じ）に設定することができるため、熱伝導部材５０及び７０を対応して介してヒートシンク４０に伝熱する熱量は同等（実質同じ）なものとすることが可能となると共に、これらの熱伝導経路が回路基板１０内で離間されているため、これらの間の不要な熱干渉を抑制することも可能となる。また、かかる事情は、半導体素子２５及び３５、並びに熱伝導部材６０及び８０の組み合わせにおいても同様である。

以上の説明から明らかなように、本実施形態におけるパワーモジュール１においては、第１の方向及び第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な実装面１２、実装面１２に対して第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向で対向すると共に実装面１２に平行な裏面１３、及び実装面１２及び裏面１３を接続する側面１５、１６、１７、１８とを有する回路基板１０と、実装面１２に配設されると共に動作時に発熱する複数の発熱部品２１、２５、３１、３５と、側面１５に配設されるヒートシンク４０と、複数の発熱部品２１、２５、３１、３５及びヒートシンク４０間を熱的に接続する複数の熱伝導部材５０、６０、７０、８０と、を備えた構成を前提として、複数の発熱部２１、２５、３１、３５品が、第１の発熱部品２１、２５並びに第２の方向において第１の発熱部品２１、２５及びヒートシンク４０の間に配設された第２の発熱部品３１、３５を含み、複数の熱伝導部材５０、６０、７０、８０が、第１の発熱部品２１、２５及びヒートシンク４０間を熱的に接続する第１の熱伝導部材５０、６０と、第２の発熱部品３１、３５及びヒートシンク４０間を熱的に接続する第２の熱伝導部材７０、８０と、を含み、第１の熱伝導部材５０、６０が、第１の発熱部品２１、２５に当接すると共に、回路基板１０内で第３の方向に延在する第１の構成要素部５１、６１と、第１の構成要素部５１、６１及びヒートシンク４０間を接続すると共に、回路基板１０内で第２の方向に延在する第２の構成要素部５５、６５と、を含み、第２の熱伝導部材７０、８０が、回路基板１０内で第２の方向において第１の構成要素部５１、６１から離間しながら第２の発熱部品３１、３５に当接すると共に、第３の方向において第２の構成要素部５５、６５から離間し、かつ第３の方向に沿って見て第２の構成要素部５５、６５と重なるものであるため、回路基板１０の側面１５にヒートシンクが装着される場合に、回路基板１０のサイズが不要に増大することを抑制した態様で、回路基板１０の実装面１２に実装された発熱部品２１、２５、３１、３５に対して所要の冷却機能を発揮することができる。詳しくは、固体状の熱伝導部材５０、６０、７０、８０を採用することにより、冷却水を使用した冷媒を必要としないことから、重力や傾斜の影響を受けることなく熱伝導性の効果を確保することができる。また、複数の発熱部品２１、２５、３１、３５が個々に対応する熱伝導部材５０、６０、７０、８０と接続していることで、他方の発熱部品（２５、３１、３５）、（２１、３１、３５）、（２１、２５、３１）、（２１、２５、３５）から生ずる熱の影響が回避され、効率よくヒートシンク４０へ熱輸送を行うことができる。更に、回路基板１０内に複数の熱伝導部材（２１、３１）、（２５、３５）を重ねて配置することにより、ヒートシンク４０に対する距離の異なった複数の発熱部品（２１、３１）、（２５、３５）を並置させることができるので、回路基板１０のサイズダウンを図りつつも所要の冷却効果を発揮することができる。

また、本実施形態におけるパワーモジュール１においては、第１の方向において、第１の熱伝導部材５０、６０の第２の構成要素部５５、６５の幅Ｗ１が、第２の熱伝導部材７０、８０の幅Ｗ２よりも広く設定されているものであるため、これらの熱抵抗を同等な値に設定することができ、ヒートシンク４０から距離の遠い第１の発熱部品２１、２５においても、ヒートシンクから距離の近い第２の発熱部品３１、３５と同等に冷却することができる。

また、本実施形態におけるパワーモジュール１においては、第１の熱伝導部材５０、６０が、第２の構成要素部５５、６５の一部に、第２の構成要素部５５、６５とは別部材の第１の構成要素部５１、６１が第３の方向に積層された積層体であるため、第１の熱伝導部材５０、６０及び第２の熱伝導部材７０、８０の各々の熱抵抗を同等な値に設定することができ、回路基板１０内に複数の熱伝導部材５０、６０、７０、８０を重ねて配置することが容易となり、ヒートシンク４０に対する距離の異なった複数の発熱部品２１、２５、３１、３５を並置させることができるので、回路基板１０のサイズダウンを図りつつも所要の冷却効果を発揮することができる。

なお、本発明は、部材の種類、形状、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

以上のように、本発明は、回路基板の側面にヒートシンクが装着される場合に、回路基板のサイズが不要に増大することを抑制した態様で、回路基板の実装面に実装された発熱部品に対して所要の冷却機能を発揮することが可能パワーモジュールを提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格からハイブリッド自動車等の車両用の電力変換装置に広く適用され得るものと期待される。

１…パワーモジュール
１０…回路基板
１２…実装面
１３…裏面
１５、１６、１７、１８…側面
２１、２５、３１、３５…半導体素子
２２、２６、３２、３６…パッケージ
２３、２７、３３、３７…下面
４０…ヒートシンク
４１…本体部
４２…フィン
４３…装着面
５０、６０…熱伝導部材
５１、６１…第１の構成要素部
５２、６２…上面
５３、６３…下面
５５、６５…第２の構成要素部
５６、６６…上面
５７、６７…側面
７０、８０…熱伝導部材
７２、８２…上面
７３、８３…下面
７７、８７…側面

Claims (2)

1. 第１の方向及び前記第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な実装面、前記実装面に対して前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向で対向すると共に前記実装面に平行な裏面、及び前記実装面及び前記裏面を接続する側面とを有する回路基板と、
   前記実装面に配設されると共に動作時に発熱する複数の発熱部品と、
   前記側面に配設されるヒートシンクと、
   前記複数の発熱部品及び前記ヒートシンク間を熱的に接続する複数の熱伝導部材と、
   を備えたパワーモジュールにおいて、
   前記複数の発熱部品は、第１の発熱部品、並びに前記第２の方向において前記第１の発熱部品及び前記ヒートシンクの間に配設された第２の発熱部品を含み、
   前記複数の熱伝導部材は、前記第１の発熱部品及び前記ヒートシンク間を熱的に接続する第１の熱伝導部材と、前記第２の発熱部品及び前記ヒートシンク間を熱的に接続する第２の熱伝導部材と、を含み、
   前記第１の熱伝導部材は、前記第１の発熱部品に当接すると共に、前記回路基板内で前記第３の方向に延在する第１の構成要素部と、前記第１の構成要素部及び前記ヒートシンク間を接続すると共に、前記回路基板内で前記第２の方向に延在する第２の構成要素部と、を含み、
   前記第２の熱伝導部材は、前記第２の発熱部品に当接すると共に、前記第３の方向において前記第２の構成要素部から離間し、かつ前記第３の方向に沿って見て前記第２の構成要素部と重なり、
   前記第１の方向において、前記第１の熱伝導部材の前記第２の構成要素部の幅は、前記第２の熱伝導部材の幅よりも広く設定されていることを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記第１の熱伝導部材は、前記第２の構成要素部の一部に、前記第２の構成要素部とは別部材の前記第１の構成要素部が前記第３の方向に積層された積層体であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。

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