JP7080365B1 - 半導体パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化と冷却性能の向上を実現する半導体パワーモジュールを提供する。【解決手段】ヒートシンク（１）の突出部（１ｄ）がジャケット（４）の貫通穴（４ａ１）に挿入され、突出部（１ｄ）の端面部と冷却フィン（２０）とは、流路（２２）の内部に露出し、冷却フィン（２２）の先端部は、流路（２２）の内壁面部（４ｂ１）に当接し、貫通穴（４ａ１）の内壁部と、この内壁部と対向するヒートシンク（１）の突出部（１ｄ）の側壁部との間に形成された溝部（２３）に、環状パッキン（２）が挿装着され、環状パッキン（２）は、貫通穴（４ａ１）の内壁部と突出部（１ｄ）の側壁部とにより径方向に圧縮され、冷却フィン（２０）の先端部は、バネ部材（３、３１、３２、３３、３４）により、流路（２２）の内壁面部（４ｂ１）に押圧されるように構成された半導体パワーモジュール。【選択図】図１

Description

本願は、半導体パワーモジュールに関するものである。
周知のように、ハイブリッド自動車、電気自動車などの車両に搭載される電力変換装置は、車両に搭載された回転電機を車両駆動用の電動機として動作させるときには、車載バッテリからの直流電力を交流電力に変換して回転電機に交流電力を供給するように動作し、前述の回転電機が回生動作により発電しているときには、回転電機が発電した交流電力を直流電力に変換して車載バッテリに供給するように動作する。
前述の電力変換装置は、たとえばブリッジ回路により構成されており、ブリッジ回路の直流側端子が車載バッテリに接続され、交流側端子が回転電機の固定子巻線に接続される。電力変換装置を構成するブリッジ回路の上アームと下アームには、それぞれ半導体スイッチング素子が接続されており、これらの半導体スイッチング素子のスイッチング動作が、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からの指令に基づいて制御されることで、電力変換装置による電力変換動作が制御される。
前述の半導体スイッチング素子は、たとえば、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー半導体素子により構成されるが、パワー半導体素子は、通常、半導体パワーモジュールに収納される。パワー半導体素子は、スイッチング動作により発熱するので、半導体パワーモジュールには、パワー半導体素子を冷却するヒートシンクなどの冷却手段が設けられる。
たとえば、特許文献１には、半導体パワーモジュールの金属ベースにフィンを設け、ウォータジャケットの流路内にフィンを露出させ、流路を流れる冷却水により、フィンを介して半導体パワーモジュールを冷却するようにした電力変換装置が開示されている。特許文献１に開示された電力変換装置に用いられる従来の半導体パワーモジュールは、ネジでウォータジャケットの筐体に固定されるように構成されており、半導体パワーモジュールとウォータジャケットの筐体との間に挿入された環状パッキンを、ネジによる締付方向に圧縮することにより、半導体パワーモジュールとウォータジャケットの流路との間の液密性を確保している。
特許第５６９８３１０号公報
従来の半導体パワーモジュールは、ウォータジャケットの筐体との間に挿入されるパッキンを、ネジの締付方向に圧縮して液密性を確保するように構成されているので、半導体パワーモジュールにネジを固定するためのブッシュ部材を設ける必要があり、半導体パワーモジュールの小型化の妨げとなる。また、従来の半導体パワーモジュールは、半導体パワーモジュールにおけるヒートシンクのベース面と、ウォータジャケットの筐体の表面と、の間にパッキンを挿入してウォータジャケットの筐体に装着されるので、半導体パワーモジュールのフィンの先端とウォータジャケットの流路の底面との間に空隙が生じ、冷却性能にバラつきが発生して冷却性能が低下する可能性がある。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、小型化と冷却性能の向上を実現する半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
本願に開示される半導体パワーモジュールは、
スイッチング回路を形成する半導体素子と、
前記半導体素子がダイボンドされた第１の電極と、
前記半導体素子に接続された第２の電極と、
表面部が絶縁部材を介して前記第２の電極に接合されたヒートシンクと、
前記半導体素子と、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記絶縁部材と、を埋設するトランスファー樹脂と、
を備え、
冷却流体が流通する流路を備えたジャケットの筐体の表面部に搭載され、前記冷却流体により冷却されるように構成された半導体パワーモジュールであって、
前記ヒートシンクは、前記トランスファー樹脂の裏面部の一部分から露出して突出する突出部と、前記突出部の端面部に固定された冷却フィンと、を備え、
前記ジャケットの筐体は、前記筐体の表面部と前記流路との間を貫通する貫通穴を備え、
前記半導体パワーモジュールが前記ジャケットの筐体に搭載されているときは、
前記ヒートシンクの前記突出部が前記筐体の前記貫通穴に挿入され、前記突出部の前記端面部と前記冷却フィンとは、前記流路の内部に露出し、
前記冷却フィンの先端部は、前記流路の内壁面部に当接し、
前記ジャケットの前記貫通穴の内壁部又は前記筐体の側壁部と、前記ヒートシンクの突出部の側壁部と、の間に形成された溝部に、環状パッキンが挿入され、
前記環状パッキンは、前記貫通穴の前記内壁部又は前記筐体の側壁部と、前記突出部の前記側壁部とにより、前記環状パッキンの径方向に圧縮され、
前記冷却フィンの前記先端部は、バネ部材の弾性力により、前記流路の前記内壁面部に押圧される、
ように構成されているものである。
本願に開示される半導体パワーモジュールによれば、パワーモジュールの小型化と冷却性能の向上を実現する半導体パワーモジュール装置が得られる。
実施の形態１による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態２による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態３による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態４による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態５による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態５による半導体パワーモジュールの製造段階の一工程を示す説明図である。 実施の形態６による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態７による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態８による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 実施の形態９による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。 電力変換装置の回路図である。
本願による半導体パワーモジュールは、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車などの電動車両に搭載される電力変換装置の構成要素として用いられる。電力変換装置とは、電力を制御するためのスイッチング回路を有する装置であり、ハイブリッド自動車および電気自動車などの電動車両に搭載されているモータ駆動用インバータ、高電圧から低電圧へ変換する降圧コンバータ、外部電源設備に接続して車載電池を充電する充電器、などの電動パワーコンポーネントが本願における電力変換装置に該当する。
以下、電動車両に搭載される電力変換装置に用いられる半導体パワーモジュールとして、本願の実施の形態による半導体パワーモジュールを説明するが、もちろん本願による半導体パワーモジュールは、電動車両に搭載される電力変換装置に用いられる電力変換装置に限定されるものではない。
まず、本願の実施の形態による半導体パワーモジュールが使用される、電力変換装置の回路構成について説明する。図１１は、電力変換装置の回路図であって、電動車両に搭載される回転電機（図示せず）と車載バッテリ（図示せず）との間の電力変換を行なう電力変換装置として構成されており、その主要部のみを示している。図１１において、電力変換装置１００は、三相ブリッジ回路を主体に構成されており、直流側の正極端子Ｐと負極端子Ｎは、車載バッテリの正極と負極にそれぞれ接続される。交流側のＵ相端子ＵとＶ相端子ＶとＷ相端子Ｗは、回転電機の三相電機子巻線のＵ相巻線端子とＶ相巻線端子とＷ相巻線端子（何れも図示せず）にそれぞれ接続される。
電力変換装置１００のＵ相上アーム１０１、Ｖ相上アーム１０３、Ｗ相上アーム１０５には、それぞれスイッチング回路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ５が接続され、Ｕ相下アーム１０２、Ｖ相下アーム１０４、Ｗ相下アーム１０６には、それぞれスイッチング回路Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６が接続されている。Ｕ相上アーム１０１とＵ相下アーム１０２とは直列接続されており、その直列接続部にはＵ相端子Ｕが接続されている。Ｖ相上アーム１０３とＶ相下アーム１０４とは直列接続されており、その直列接続部にはＶ相端子Ｖが接続されている。Ｗ相上アーム１０５とＷ相下アーム１０６とは直列接続されており、その直列接続部にはＷ相端子Ｗが接続されている。
スイッチング回路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６は、半導体素子で構成されており、たとえば、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に並列接続された逆流防止ダイモードと、を含んでいる。スイッチング回路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６の基材は、シリコンの他に、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどの次世代半導体などが使用されている。
以上のように構成された電力変換装置１００は、電動車両に搭載されたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）（図示せず）によりスイッチング回路Ｑ1、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６がスイッチング制御され、車載バッテリからの直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給するインバータとして動作し、あるいは、回転電機が発生する交流電力を直流電力に変化に車載バッテリに供給するコンバータとして動作する。
本願による半導体パワーモジュールは、たとえば、電力変換装置１００の各相ごとに上アームと下アームとからなるアーム単位で個別に構成される。すなわち、Ｕ相上アーム１０１のスイッチング回路Ｑ１と、Ｕ相下アーム１０２のスイッチング回路Ｑ２と、を収納したＵ相半導体パワーモジュールと、Ｖ相上アーム１０３のスイッチング回路Ｑ３と、Ｖ相下アーム１０４のスイッチング回路Ｑ４と、を収納したＶ相半導体パワーモジュールと、Ｗ相上アーム１０５のスイッチング回路Ｑ５と、Ｗ相下アーム１０６のスイッチング回路Ｑ６と、を収納したＷ相半導体パワーモジュールと、がそれぞれ個別の半導体パワーモジュールとして構成される。なお、本願による半導体パワーモジュールは、上記の構成に限られるものではなく、１個のスイッチング回路ごとに構成してもよく、あるいは全てのスイッチング回路を収納した構成であってもよい。
前述のＵ相半導体パワーモジュールと、Ｖ相半導体パワーモジュールと、Ｗ相半導体パワーモジュールとは、同一の構成であり、以下の説明では、単に、半導体パワーモジュールとして説明する。
スイッチング回路は、スイッチング動作により発熱するので、本願による半導体パワーモジュールは、スイッチング回路を構成する半導体素子を冷却するヒートシンクと一体に構成される。ヒートシンクの端面には複数の冷却フィンが設けられており、半導体パワーモジュールが、内部に冷却流体を流通させる流路を有するジャケットの筐体に搭載されたとき、ヒートシンクの端面と冷却フィンとがジャケットの流路内に露出される。以下の説明では、半導体パワーモジュールは、冷却流体として水を用いたウォータジャケットの筐体に搭載される場合について説明するが、冷却流体は水に限定されるものではない。
以下、実施の形態１から実施の形態９による半導体パワーモジュールについて、図に基づいて詳細に説明する。各図において、同一符号は同一又は相当部分を示している。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図１において、半導体パワーモジュール２１は、前述のように三相の各相ごとにアーム単位で構成されており、スイッチング回路を構成する半導体素子７と、第１の電極８と、第２の電極６と、バスバー６１と、ヒートシンク１とが、トランスファー樹脂５に埋設されて一体に固定されている。なお、第２の電極６と、バスバー６１と、ヒートシンク１とは、後述するように、トランスファー樹脂５から一部分が露出している。
半導体素子７の裏面部は、たとえば半田である第２の接合材１３により、第１の電極８にダイボンドされている。半導体素子７の表面部は、たとえば半田である第１の接合材１４により、第２の電極６に接合されている。なお、第１の接合材１４に代えて、ワイヤボンディングを用いて、半導体素子７の表面部と第２の電極６とを接続するようにしてもよい。
第２の電極６は、一部分がトランスファー樹脂５の内部に埋設されており、その埋設された一部分以外の部分は、半導体パワーモジュール２１の第１の側面部２１ａから外部に導出されている。バスバー６１は、一部分がトランスファー樹脂５の内部に埋設されており、その埋設された一部分以外の部分は、半導体パワーモジュール２１の第２の側面部２１ｂから外部に導出されている。半導体パワーモジュール２１の第１の側面部２１ａと第２の側面部２１ｂとは、相対向する位置に存在しており、第２の電極６とバスバー６１とは、半導体パワーモジュール２１から互いに相反する方向に導出されている。
第１の電極８は、ヒートシンク１の表面部１ａに、絶縁部材としての絶縁シート９により接合されている。絶縁シート９は、絶縁性を有する樹脂にセラミックのフィラーを含有させて構成されている。ヒートシンク１は、トランスファー樹脂５の裏面部の一部分から露出して突出する突出部１ｄを備えている。ヒートシンク１の突出部１ｄは、ヒートシンク１に形成された環状の段部１ｂから突出するように構成されている。
ヒートシンク１の突出部１ｄの端面部１ｃには、複数の冷却フィン２０が固定されており、これらの冷却フィン２０は、ヒートシンク１の端面部１ｃから突出して図の下方へ延びるように構成されている。
ヒートシンク１は、その段部１ｂと、突出部１ｄがトランスファー樹脂５の裏面部から露出するように、トランスファー樹脂５に埋設されている。ヒートシンク１の段部１ｂは、トランスファー樹脂５の底面部と同一平面を成すように形成されている。以上のように構成された実施の形態１による半導体パワーモジュール２１は、冷却手段のジャケットとしてのウォータジャケット４に搭載される。
ウォータジャケット４は、第１の筐体４ａと第２の筐体４ｂとの間に、冷却流体としての冷却水を流通させる流路２２を備えている。第１の筐体４ａには、第１の筐体４ａの表面部と流路２２との間を貫通する貫通穴４ａ１が設けられている。貫通穴４ａ１には、環状の段部４ａ２が設けられている。ウォータジャケット４の第１の筐体４ａと第２の筐体４ｂとは、同一の金属材料もしくは樹脂等の絶縁物により一体に構成されていてもよく、あるいは別々に構成されたものが一体に結合されていてもよい。
半導体パワーモジュール２１は、ウォータジャケット４の第１の筐体４ａの表面に搭載されたとき、ヒートシンク１の段部１ｂが、ウォータジャケット４の第１の筐体４ａの表面部に対向し、かつ、ヒートシンク１の突出部１ｄの端面部１ｃと複数の冷却フィン２０とが、ウォータジャケット４の流路２２の内部に露出するように配置される。このとき、ヒートシンク１の複数の冷却フィン２０の先端部は、ウォータジャケット４の流路２２の内壁面部４ｂ１に当接するが、半導体パワーモジュール２１の裏面部およびヒートシンク１の段部１ｂと、ウォータジャケット４の第１の筐体４ａの表面部との間には間隙が形成されたままであり、半導体パワーモジュール２１は、その間隙の距離だけウォータジャケット４の第１の筐体４aの方向に移動可能である。
後述するように、バネ部材３により、半導体パワーモジュール２１はウォータジャケット４の方向に押圧されるので、冷却フィン２０の高さ寸法に製造公差などによりばらつきがあっても、流路２２の内壁面部４ｂ１に確実に冷却フィン２０の先端部を当接させることができる。
ウォータジャケット４の第１の筐体４ａに設けられた貫通穴４ａ１の内壁部と、ヒートシンクの突出部１ｄの側壁部とにより形成された溝部２３には、環状パッキン２が装着されている。より具体的に述べれば、ヒートシンク１の段部１ｂと、ウォータジャケット４の第１の筐体４ａの段部４ａ２とにより囲まれて形成された溝部２３の内部には、環状パッキン２が装着されている。なお、環状パッキン２は、円形、楕円形、方形の何れであってもよい。
環状パッキン２は、貫通穴４ａ１の内壁部と、ヒートシンク１の突出部１ｄの側壁部とにより、環状パッキン２の径方向に圧縮されることで、ヒートシンク１とウォータジャケット４の第１の筐体４ａとの間の液密性が確保される。ここで、環状パッキン２の径方向とは、環状パッキンの径方向の内側から外側に向かう方向と、環状パッキン２の外側から内側に向かう方向とのうちの少なくとも一方を意味する。
環状パッキン２は、断面が丸形状、もしくはＨ形状に形成されており、ヒートシンク１の段部１ｂとウォータジャケット４の第１の筐体４ａの段部４ａ２とにより、環状パッキン２の径方向に押圧されて圧縮されることで、前述の液密性が確保される。
流路２２に冷却水を流通させると、冷却水の水圧により、ヒートシンク１に反流路側に浮き上がる力が加えられる。そこで、ヒートシンク１の浮き上がりを防ぐために、板バネで構成されたバネ部材３が設けられている。バネ部材３は、半導体パワーモジュール２１のトランスファー樹脂５の表面部２１ｃと支持部材１０の裏面部との間に装着されており、支持部材１０によりウォータジャケット４の方向に押圧されることでバネ部材３が変形し、バネ部材３の変形による弾性力により、半導体パワーモジュール２１がウォータジャケット４の方向に常に押圧される。なお、バネ部材３は、板バネに代えて、皿バネ、あるいはスパイラル状に形成されたスプリング、などにより構成されていてもよい。
支持部材１０は、制御基板１２の耐振性を向上させるために、制御基板１２をネジ１１により固定する機能を有するが、前述のように、バネ部材３を半導体パワーモジュール２１に押圧させる機能も有している。制御基板１２には、半導体パワーモジュール２１のスイッチング回路を制御する制御回路などが搭載されている。支持部材１０とウォータジャケット４とは、固定部材（図示せず）などにより互いに固定されている。
以上のように構成された実施の形態1による半導体パワーモジュールによれば、以下に述べる効果を奏することができる。
従来の半導体パワーモジュールをウォータジャケットの筐体に搭載するときは、ウォータジャケットの表面部と、半導体パワーモジュールの裏面部と、の間に環状パッキンを挿入し、ネジにより、半導体パワーモジュールをウォータジャケットの筐体に締め付けて固定する。このとき、環状パッキンは、ネジの締め付け方向に圧縮されることで、半導体パワーモジュールとウォータジャケットとの間の液密性が確保される。したがって、従来の半導体パワーモジュールは、ネジを装着するためのブッシュ部材が必要となり、半導体パワーモジュールが大型化する。
このような従来の半導体パワーモジュールに対して、本願の実施の形態１による半導体パワーモジュールによれば、ヒートシンク１とウォータジャケット４とで構成する溝部２３により環状パッキン２を装着し、ウォータジャケット４の貫通穴４ａ１の内壁部と突出部１ｄの側壁部とにより、環状パッキンをその径方向に圧縮することで、ウォータジャケット４と半導体パワーモジュール２１との間の液密性を確保し、かつ半導体パワーモジュール２１をバネ部材３でウォータジャケットの方向に押圧することで、水圧による半導体パワーモジュール２１の浮き上がりを防ぐことが可能となり、ネジを装着するためのブッシュ部材が不要となる。したがって、半導体パワーモジュールの小型化を実現することができる。
また、従来の半導体パワーモジュールによれば、環状パッキンの圧縮は、半導体パワーモジュールの裏面部に露出しているヒートシンクの裏面部と、ウォータジャケットの筐体の表面部と、により行われる。その結果、ヒートシンクの裏面部に固定されている冷却フィンの高さ寸法の製造公差などに起因するばらつきにより、ヒートシンク１の冷却フィン２０の先端部とウォータジャケット４の流路の内壁面部との間に間隙が生じ、その間隙内に冷却水が流入するため、冷却性能が大幅に悪化する。また、冷却性能を上げるために複数の冷却フィン間のピッチを小さくすると、冷却フィンによる流体抵抗が増大し、冷却フィンの先端部と流路の内壁面部との間の間隙に多くの冷却水が流れてしまうため、冷却フィンによる冷却性能の高性能化が困難になる。
これに対して本願の実施の形態１による半導体パワーモジュールによれば、半導体パワーモジュール２１の裏面部およびその裏面部から露出するヒートシンク１の段部１ｂと、ウォータジャケット４の第１の筐体４ａの表面部との間には間隙が形成されており、半導体パワーモジュール２１は、バネ部材３による弾性力により上記間隙の距離の分だけウォータジャケット４の方向に移動可能である。したがって、冷却フィン２０の高さ寸法に製造公差などによるばらつきがあっても、流路２２の内壁面部４ｂ１に確実に冷却フィン２０の先端部を当接させることができる。その結果、冷却フィン２０の先端部とウォータジャケット４の流路２２の内壁面部４ｂ１との間隙がなくなり、冷却性能の悪化を防止し、かつ、複数の冷却フィン２０の間のピッチを小さくして冷却性能を向上させることが可能となる。
実施の形態２．
図２は、実施の形態２による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図２において、ヒートシンク１は、側壁部に環状の凹溝により構成された溝部２３を備えている。環状パッキン２は、溝部２３に装着される。ウォータジャケット４に半導体パワーモジュール２１を搭載し、環状パッキン２を、ウォータジャケット４の第１の筐体４ａに形成された貫通穴４ａ１の内壁部と、溝部２３の内壁部であるヒートシンク１の突出部１ｄの側壁部と、により径方向に圧縮することで、液密性すなわちシール性を確保するように構成されている。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態２による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様の効果の他、環状パッキン２の位置決めが容易であり、作業性に優れているという効果を奏することができる。
実施の形態３．
図３は、実施の形態３による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図３において、ヒートシンク１の突出部１ｄは、トランスファー樹脂５の裏面部からウォータジャケット４の方向に向かって、漸次に外径寸法が減少するように形成された傾斜面部１eを備えている。環状パッキン２は、ヒートシンク１の突出部１ｄの傾斜面部１ｅと、ウォータジャケット４の貫通穴４ａ１の内壁部と、により形成された溝部２３に装着されている。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態３による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様の効果を奏することができる。
実施の形態４．
図４は、実施の形態４による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図４において、ヒートシンク１は、表面部から内方に向かって陥没する陥没部１５を備えている。半導体素子７、第１の電極８、絶縁シート９は、ヒートシンク１の陥没部１５に載置されている。なお、図示していないが、陥没部１５の内部にもトランスファー樹脂５が充填される。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態４による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様の効果の他、半導体素子７からヒートシンク１の冷却フィン２０までの熱輸送距離を縮小することができるので放熱性を向上させることができる。
実施の形態５．
図５は、実施の形態５による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図５において、ヒートシンク１は、側面部に、第１の段部１６と、第２の段部１７と、第３の段部１８とを備えている。第２の段部１７は第１の段部１６よりヒートシンク１の内径側に形成され、第３の段部１８は第２の段部よりヒートシンク１の内径側に形成されている。
第１の段部１６は、トランスファー樹脂５に埋設され、第２の段部１７と第３の段部１８とは、トランスファー樹脂５の裏面部から露出している。トランスファー樹脂５によりヒートシンク１の第１の段部１６をモールドすることで、トランスファー樹脂５とヒートシンク１との密着性を向上させることが可能となる。第３の段部１８は、第１の筐体４ａに形成された貫通穴４a１の段部とにより、環状パッキン２を装着するための溝部２３を形成する。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
図６は、実施の形態５による半導体パワーモジュールの製造段階の一工程を示す説明図であって、トランスファー樹脂によりモールド成形する工程を示している。図６に示すように、ヒートシンク１の第２の段部１７は、ヒートシンク１をトランスファー樹脂５でモールドする成形工程において、成形金型１９の内側段部１９ａに当接して載置される。その結果、液状のトランスファー樹脂が成形金型１９の空間部１９ｂに充填されたときに、ヒートシンク１の突出部１ｄの周辺と、冷却フィン２０の周辺と、にトランスファー樹脂が流入することが阻止される。
実施の形態５による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールの効果のほかに、第１の段部１６により、トランスファー樹脂５とヒートシンク１との密着性が向上し、温度サイクルなどに対する耐久性が向上する効果がある。加えて、第２の段部１７とトランスファー樹脂５とからなる半導体パワーモジュール２１の裏面部に対して、第３の段部１８が、第３の段部１８の高さの距離だけ引き離されるので、溝部２３に挿入される環状パッキン２によるシール部から、冷却水がトランスファー樹脂５とヒートシンク１との境界面に侵入することを抑制することができ、半導体パワーモジュール２１の高寿命化を実現することができる。
実施の形態６．
図７は、実施の形態６による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図7において、環状パッキン２を装着する溝部２３は、ヒートシンク１の冷却フィン２０の側部に対応する位置に配置されている。すなわち、ヒートシンク１の突出部１ｄに形成された段部１ｆは、トランスファー樹脂５の裏面部から突出部１ｄの先端部側に引き離されて冷却フィン２０の側部に対応する位置に配置されている。ウォータジャケット４の筐体は、ヒートシンク１の突出部１ｄの側壁部と対向する側壁部４ｂ２を備えている。環状パッキン２を装着する溝部２３は、ウォータジャケット４の側壁部４ｂ２と、ヒートシンク1の突出部１ｄの側壁部と、により構成され、冷却フィン２０の側部に対応する位置に配置されている。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態６による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールの効果のほかに、環状パッキン２が冷却フィン２０の側部に対応する位置に位置されるので、ヒートシンク１の小型化、ひいては半導体パワーモジュール２１のさらなる小型化が可能となる効果を有する。
実施の形態７，
図８は、実施の形態７による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図８において、第２の電極６とバスバー６１は、表面部が半導体パワーモジュール２１の表面部２１ｃから露出するようにトランスファー樹脂５に埋設されている。また、導電部材６２、６３は、それぞれ一部分が露出するように支持部材１０の内部に埋設されて配線されている。
金属製のバネ部材３１は、第２の電極６の露出部と導電部材６２の露出部に接触しており、通電経路の一部分を形成している。金属製のバネ部材３２は、バスバー６１の露出部と導電部材６３の露出部に接触しており、通電経路の一部分を形成している。また、バネ部材３１、３２は、半導体パワーモジュール２１をウォータジャケット４に押圧する機能を有する。バネ部材３１、３２は、板バネ、皿バネ、スプリング形状のバネの何れであってもよい。支持部材１０は、成形樹脂で構成されている。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態７による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールの効果のほかに、半導体パワーモジュール２１の第２の電極６とバスバー６１とが、半導体パワーモジュール２１の表面部２１ｃから導出されるので、従来のように側面部から第２の電極を導出する構造に比べて、半導体パワーモジュール２１の平面形状の面積が小さくなり、半導体パワーモジュール２１のさらなる型化が可能となる。
実施の形態８．
実施の形態８による半導体パワーモジュールにおいて、バネ部材は、ウォータジャケットの筐体と制御基板を支持する支持部材との間に配置され、トランスファー樹脂は、支持部材に当接し、冷却フィンの先端部は、支持部材を介してバネ部材により流路の内壁面部に押圧されるように構成されている。
図９は、実施の形態８による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図９において、引っ張りバネにより構成されたバネ部材３３は、支持部材１０とウォータジャケット４の第１の筐体４ａとの間に装着されている。バネ部材３３は、たとえばスプリング形状の引っ張りバネが使用される。半導体パワーモジュール２１の表面部は、支持部材１０に当接している。
半導体パワーモジュール２１とウォータジャケット４とは、バネ部材３３の引っ張り荷重により、互いに接近する方向に付勢されている。したがって、ヒートシンク１の冷却フィン２０の先端部は、バネ部材３３の引っ張り荷重により、ウォータジャケット４の流路２２の内壁面部４ｂ１に押圧される。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態８による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様の効果を奏することができる。
実施の形態９．
実施の形態９による半導体パワーモジュールにおいて、ウォータジャケットは、相対的に移動し得るように構成された第１の筐体と第２の筐体とを備え、流路は、第１の筐体と第２の筐体との間に設けられ、バネ部材は、ウォータジャケットの第１の筐体と第２の筐体との間に配置され、貫通穴は、第１の筐体に設けられ、第１の筐体は、制御基板を支持する支持部材に固定され、トランスファー樹脂は、支持部材に当接し、冷却フィンの先端部は、第２の筐体を介して、バネ部材により流路の内壁面部に押圧されるように構成されている。
図１０は、実施の形態９による半導体パワーモジュールを、ウォータジャケットに搭載された状態で示す断面図である。図１０において、引っ張りバネにより構成されたバネ部材３４は、ウォータジャケット４の内部で、第１の筐体４ａと第２の筐体４ｂとの間に装着されている。バネ部材３４は、たとえばスプリング形状の引っ張りバネが使用される。半導体パワーモジュール２１の表面部は、支持部材１０に当接している。
半導体パワーモジュール２１とウォータジャケット４の第２の筐体４ｂとは、バネ部材３４の引っ張り荷重により、互いに接近する方向に付勢されている。したがって、ヒートシンク１の冷却フィン２０の先端部は、バネ部材３３の引っ張り荷重により、ウォータジャケット４の流路２２の内壁面部４ｂ１に押圧される。その他の構成は、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様である。
実施の形態９による半導体パワーモジュールによれば、実施の形態１による半導体パワーモジュールと同様の効果を奏することができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つ、又は複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、又はさまざまな組み合わせで実施の形態に適用可能である。したがって、本願に記載されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ ヒートシンク、１ａ 表面部、１ｂ、１ｆ 段部、１ｃ 端面部、１ｄ 突出部、１ｅ 傾斜面部、２ 環状パッキン、３、３１、３２、３３、３４ バネ部材、４ ウォータジャケット、４ａ 第１の筐体、４ａ１ 貫通穴、４ａ２ 段部、４ｂ 第２の筐体、４ｂ１ 内壁面部、４ｂ２ 側壁部、５ トランスファー樹脂、６ 第２の電極、６１ バスバー、６２、６３ 導電部材、７ 半導体素子、８ 第１の電極、９ 絶縁シート、１０ 支持部材、１１ ネジ、１２ 制御基板、１３ 第２の接合材、１４ 第１の接合材、１５：陥没部、１６ 第１の段部、１７ 第２の段部、１８ 第３の段部、１９ 成形金型、１９ａ 内側段部、２０ 冷却フィン、２１：半導体パワーモジュール、２１ａ 第1の側面部、２１ｂ 第２の側面部、２１ｃ 表面部、２２ 流路、２３ 溝部、１００ 電力変換装置、１０１ Ｕ相上アーム、１０２ Ｕ相下アーム、１０３ Ｖ相上アーム、１０４ Ｖ相下アーム、１０５ Ｗ相上アーム、１０６ Ｗ相下アーム、Ｐ 正極端子、Ｎ 負極端子、Ｕ Ｕ相端子、Ｖ Ｖ相端子、Ｗ Ｗ相端子、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６ スイッチング回路

Claims (14)

  1. スイッチング回路を形成する半導体素子と、
    前記半導体素子がダイボンドされた第１の電極と、
    前記半導体素子に接続された第２の電極と、
    表面部が絶縁部材を介して前記第２の電極に接合されたヒートシンクと、
    前記半導体素子と、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記絶縁部材と、を埋設するトランスファー樹脂と、
    を備え、
    冷却流体が流通する流路を備えたジャケットの筐体の表面部に搭載され、前記冷却流体により冷却されるように構成された半導体パワーモジュールであって、
    前記ヒートシンクは、前記トランスファー樹脂の裏面部の一部分から露出して突出する突出部と、前記突出部の端面部に固定された冷却フィンと、を備え、
    前記ジャケットの筐体は、前記筐体の表面部と前記流路との間を貫通する貫通穴を備え、
    前記半導体パワーモジュールが前記ジャケットの筐体に搭載されているときは、
    前記ヒートシンクの前記突出部が前記筐体の前記貫通穴に挿入され、前記突出部の前記端面部と前記冷却フィンとは、前記流路の内部に露出し、
    前記冷却フィンの先端部は、前記流路の内壁面部に当接し、
    前記ジャケットの前記貫通穴の内壁部又は前記筐体の側壁部と、前記ヒートシンクの突出部の側壁部と、の間に形成された溝部に、環状パッキンが挿入され、
    前記環状パッキンは、前記貫通穴の前記内壁部又は前記筐体の側壁部と、前記突出部の前記側壁部とにより、前記環状パッキンの径方向に圧縮され、
    前記冷却フィンの前記先端部は、バネ部材の弾性力により、前記流路の前記内壁面部に押圧される、
    ように構成されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  2. 前記溝部は、前記ヒートシンクに設けられた段部と、前記ジャケットの筐体に設けられた前記貫通穴の前記内壁部に形成された段部と、により構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
  3. 前記溝部は、前記突出部の前記側壁部に形成された凹溝により構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
  4. 環状パッキンを装着する溝部は、前記ヒートシンクの突出部に形成された傾斜面部と、前記ジャケットの筐体に設けられた前記貫通穴の前記内壁部と、により構成される、
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体パワーモジュール。
  5. 前記ヒートシンクは表面部から陥没する陥没部を備え、
    前記第２の電極は、前記絶縁部材を介して前記陥没部の底面部に接合されている、
    ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  6. 前記冷却フィンの先端部が前記流路の内壁面部に当接することにより、前記半導体パワーモジュールの高さ方向の位置が決定される、
    ことを特徴とする請求項１から５のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  7. 前記ヒートシンクは、前記トランスファー樹脂に埋設される第１の段部と、前記トランスファー樹脂の裏面部と同一平面となるように刑された第２の段部と、前記環状パッキンを装着する前記溝部を形成する第３の段部と、を備えている、
    ことを特徴とする請求項１、２，５、６のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  8. 前記環状パッキンを装着する溝部は、前記冷却フィンの側部に対応する位置に設けられている、
    ことを特徴とする請求項１から７のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  9. 前記環状パッキンは、断面が丸形状に形成されている、
    ことを特徴とする請求項１から８のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  10. 前記環状パッキンは、断面がＨ形状に形成されている、
    ことを特徴とする請求項１から８のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  11. 前記バネ部材は、前記トランスファー樹脂の表面部と、前記スイッチング回路を制御する制御回路を搭載した制御基板を支持する支持部材と、の間に配置され、
    前記支持部材と前記ジャケットとは、直接的または間接的に固定されている、
    ことを特徴とする請求項１から１０のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  12. 前記第１の電極と、前記第２の電極に接続されたバスバーとは、前記トランスファー樹脂の表面部に露出する露出部を備え、
    前記支持部材は、少なくとも一部分が露出する複数の導電部材を備え、
    前記バネ部材は、金属製の複数のバネ部材により構成され、
    前記金属製のバネ部材のうちの一つは、前記第１の電極の前記露出部と、前記複数の導電部材のうちの一つと、に接触して電気的に接続され、
    前記金属製のバネ部材のうちの別の一つは、前記バスバーの前記露出部と、前記複数の導電部材のうちの一つと、に接触して電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体パワーモジュール。
  13. 前記バネ部材は、前記ジャケットの筐体と、前記スイッチング回路を制御する制御回路を搭載した制御基板を支持する支持部材と、の間に配置され、
    前記トランスファー樹脂は、前記支持部材に当接し、
    前記冷却フィンの先端部は、前記支持部材を介して前記バネ部材により前記流路の内壁面部に押圧されるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１０のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
  14. 前記ジャケットは、相対的に移動し得るように構成された第１の筐体と第２の筐体とを備え、
    前記流路は、前記第１の筐体と前記第２の筐体との間に設けられ、
    前記バネ部材は、前記ジャケットの第１の筐体と前記第２の筐体との間に配置され、
    前記貫通穴は、前記第１の筐体に設けられ、
    前記第１の筐体は、制御基板を支持する支持部材に固定され、
    前記トランスファー樹脂は、前記支持部材に当接し、
    前記冷却フィンの先端部は、前記第２の筐体を介して、前記バネ部材により前記流路の内壁面部に押圧されるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１０のうちの何れか一項に記載の半導体パワーモジュール。
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