JPWO2013172183A1 - Power module - Google Patents
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Abstract
制御基板に対してパワー半導体素子や他の制御基板からの入熱を減らし、制御基板の放熱性を向上させることで、制御基板の温度を低下させ、信頼性の高いパワーモジュールを得ることを目的とする。本発明のパワーモジュール(20)は、ベース板(2)に実装されたパワー半導体素子(1)とパワー半導体素子(1)を制御する一つもしくは複数の制御基板(6)とがケース(4)内に配置され、少なくとも一つの制御基板(6)は、ベース板(2)におけるパワー半導体素子(1)が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする。The purpose is to reduce the temperature of the control board by reducing heat input from the power semiconductor element and other control boards to the control board and improving the heat dissipation of the control board, and to obtain a highly reliable power module. And The power module (20) of the present invention includes a power semiconductor element (1) mounted on a base plate (2) and one or more control boards (6) for controlling the power semiconductor element (1). The at least one control board (6) is arranged substantially perpendicular to the mounting surface on which the power semiconductor element (1) is mounted on the base plate (2).
Description
本発明は、パワー半導体素子と制御基板を同一のパッケージ内に配置したパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module in which a power semiconductor element and a control board are arranged in the same package.
従来のパワー半導体素子と制御基板を同一パッケージ内に配置したパワーモジュールは、パワー半導体素子が高温となる。制御基板は、パワー半導体素子から入熱すること及びパワー半導体素子に対向した面からは放熱できないことにより、温度が著しく上昇し、制御基板自体もしくは制御基板に搭載された制御IC(Integrated Circuit)が破壊してしまう可能性がある。そのため、パワー半導体素子から制御基板内への入熱を減らすか、制御基板の放熱性の向上が必要となる。そこで、パワー半導体素子と制御基板の間に熱遮断部材を設けることで、パワー半導体素子から制御基板への熱を遮断する技術がある。(例えば特許文献1、特許文献2)。
In a power module in which a conventional power semiconductor element and a control board are arranged in the same package, the power semiconductor element becomes hot. Since the control board receives heat from the power semiconductor element and cannot radiate heat from the surface facing the power semiconductor element, the temperature rises remarkably, and the control board itself or a control IC (Integrated Circuit) mounted on the control board There is a possibility of destruction. Therefore, it is necessary to reduce heat input from the power semiconductor element into the control board or to improve the heat dissipation of the control board. Therefore, there is a technique for blocking heat from the power semiconductor element to the control board by providing a heat blocking member between the power semiconductor element and the control board. (For example,
特許文献1には、ベース板上にパワー半導体素子(特許文献1のパワーモジュール2)が実装されると共にこのパワー半導体素子と制御基板とがカバー内に配置され、パワー半導体素子と制御基板との間に第1の熱遮断部材、第2の熱遮断部材、断熱層を備えた半導体装置が記載されている。特許文献1の半導体装置は、パワー半導体素子と制御基板を同一のパッケージ内に配置したパワーモジュールに相当する。特許文献1の半導体装置は、ベース板上のパワー半導体素子を覆うように配置される第1の熱遮断部材と、第1の熱遮断部材の上面を覆うように配置される第2の熱遮断部材と、第1の熱遮断部材と第2の熱遮断部材の間に形成された断熱層を備え、第1の熱遮断部材及び第2の熱遮断部材のうち少なくとも一方を熱伝導性の優れた材料により形成してその下端部でベース板に接触させて固定すると共に、制御基板を第2の熱遮断部材の上に配置していた。このような構成により、パワー半導体素子から制御基板への伝熱を、第1の熱遮断部材、第2の熱遮断部材、断熱層によって遮断するようにしていた。
In
特許文献2には、放熱板上にパワー半導体素子(特許文献2の電力用半導体素子1)が実装されると共にこのパワー半導体素子と制御基板とがケース内に配置され、パワー半導体素子と制御基板との間に、パワー半導体素子の発熱をケース外部に伝達する面方向の熱抵抗が厚み方向のそれより低い熱遮断シート材を備えたパワーモジュールが記載されている。特許文献2のパワーモジュールは、熱遮蔽シート材の端部が放熱板の上部に接続され、ケース内にゲル状充填物が充填され、ゲル状充填物を伝導してきたパワー半導体素子の熱が熱遮蔽シート材の厚さ方向に配置された制御回路を温度上昇させる前に、その熱を面方向へ輸送するようにしていた。
In
パワー半導体素子から制御基板への空気を介した熱の移動には、熱伝導、対流、輻射がある。制御基板をパワー半導体素子に対して、平行に配置した従来の構造では、パワー半導体素子に対して、制御基板が対面する面積が大きいため、パワー半導体素子からの熱の移動量が非常に大きい。また、制御基板とパワー半導体素子との間に熱がこもり、パワー半導体素子近傍の空気温度が上昇し、パワー半導体素子の温度が上昇するといった課題があった。 Heat transfer via air from the power semiconductor element to the control board includes heat conduction, convection, and radiation. In the conventional structure in which the control board is arranged in parallel to the power semiconductor element, the area of the control board facing the power semiconductor element is large, and thus the amount of heat transferred from the power semiconductor element is very large. Further, there is a problem that heat is accumulated between the control board and the power semiconductor element, the air temperature in the vicinity of the power semiconductor element is increased, and the temperature of the power semiconductor element is increased.
特許文献1のパワーモジュールは、ベース板が高温となった場合に、第2の熱遮断部材はベース板から熱が伝わり、温度が上昇する。また、特許文献2のパワーモジュールも、同様に放熱板が高温となった場合に、熱遮蔽シート材は放熱板から熱が伝わり、温度が上昇する。したがって、従来のパワーモジュールは、熱遮断部材や熱遮蔽シート材から制御基板に入熱する可能性があった。さらに、熱遮断部材や熱遮蔽シート材を用いることで、構造が複雑になり、コストや工数が増えるという問題点もあった。
In the power module of
また、制御基板を複数搭載したパワーモジュールも考えられる。従来のパワーモジュールは、複数の制御基板間の熱遮断と放熱性の向上については考慮されていない。例えば、パワー半導体素子に対して複数の制御基板を平行に配置した場合、制御基板に搭載された制御IC等の発熱により制御基板の温度が上昇し、さらに他の制御基板から入熱することで、制御基板の放熱が十分にできない問題点があった。 A power module having a plurality of control boards can also be considered. The conventional power module does not consider the heat insulation between a plurality of control boards and the improvement of heat dissipation. For example, when a plurality of control boards are arranged in parallel to the power semiconductor element, the temperature of the control board rises due to heat generated by a control IC or the like mounted on the control board, and heat is input from another control board. There was a problem that the heat radiation of the control board could not be sufficiently performed.
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、制御基板に対してパワー半導体素子や他の制御基板からの入熱を減らし、制御基板の放熱性を向上させることで、制御基板の温度を低下させ、信頼性の高いパワーモジュールを得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and reduces heat input from the power semiconductor element and other control boards to the control board, thereby improving the heat dissipation of the control board. Thus, the object is to reduce the temperature of the control board and obtain a highly reliable power module.
本発明のパワーモジュールは、ベース板に実装されたパワー半導体素子とパワー半導体素子を制御する一つもしくは複数の制御基板とがケース内に配置され、少なくとも一つの制御基板は、ベース板におけるパワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする。 In the power module of the present invention, a power semiconductor element mounted on a base plate and one or a plurality of control boards for controlling the power semiconductor elements are arranged in a case, and at least one control board is a power semiconductor in the base board. It is characterized by being arranged substantially perpendicular to the mounting surface on which the element is mounted.
本発明のパワーモジュールによれば、少なくとも一つの制御基板がベース板の実装面に対して略垂直に配置されたので、制御基板におけるパワー半導体素子に対面する面積が減少でき、パワー半導体素子からの熱伝導と輻射による熱の移動が減少することができる。また、本発明のパワーモジュールによれば、パワー半導体素子の上方の空間が広くできるため、熱がこもりにくくなり、パワー半導体素子近傍の空気温度の上昇が抑制されるので、パワー半導体素子の温度が低下でき、パワー半導体素子から制御基板への入熱量がさらに減少し、制御基板の温度を低下させることができ、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。 According to the power module of the present invention, since at least one control board is disposed substantially perpendicular to the mounting surface of the base plate, the area facing the power semiconductor element on the control board can be reduced, and Heat transfer due to heat conduction and radiation can be reduced. Further, according to the power module of the present invention, since the space above the power semiconductor element can be widened, it is difficult for heat to be trapped, and an increase in the air temperature in the vicinity of the power semiconductor element is suppressed. The amount of heat input from the power semiconductor element to the control board can be further reduced, the temperature of the control board can be lowered, and the reliability of the power module can be improved.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるパワーモジュールの断面図である。パワーモジュール20は、シリコン(Si)やシリコンカーバイト(SiC)等のワイドバンドギャップ半導体材料を基材としたパワー半導体素子1が、ベース板2の上に配置されたセラミックなどからなる絶縁基板(図示せず)の上に、半田により実装されている。パワーモジュール20は、パワー半導体素子1と、ベース板2と、主端子3と、ケース4と、制御IC9が実装された制御基板6と、パワー半導体素子1を封止する封止材5を備える。図1では、パワー半導体素子1が3つあり、主端子3が2つあり、制御IC9が3つある例を示した。パワー半導体素子の符号は、総括的に1を用い、区別して説明する場合に1a、1b、1cを用いる。主端子の符号は、総括的に3を用い、区別して説明する場合に3a、3bを用いる。制御ICの符号は、総括的に9を用い、区別して説明する場合に9a、9b、9cを用いる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a power module according to
ベース板2は、通常銅板等の熱伝導率の高い金属により作成されるが、絶縁基板とパワー半導体素子1との接合部である半田部がヒートサイクルにより破壊されることを抑制するため、熱膨張率が銅板に比べ小さい、アルミニウム・シリコンカーバイト(AlSiC)や銅モリブデン(CuMo)などを用いることもできる。
The
パワー半導体素子1は、ゲル状の封止材5により封止されており、パワー半導体素子1の上方には、パワー半導体素子1を制御するための制御IC9が実装された制御基板6が配置されている。パワー半導体素子1と制御基板6は、ケース4により一つのパッケージとして収納されている。ケース4は、例えば、枠体31とフタ32から構成されている。ケース4は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等の絶縁と耐熱性を有した樹脂で構成されることが多い。
The
ケース4に固定された主端子3a、3bは、アルミ製のボンディングワイヤ10と中継端子(図示せず)を介してパワー半導体素子1a、1b、1cと電気的に接続されており、大電流が流れる。アルミ製のボンディングワイヤ10の代わりに、銅やアルミなど導電性の高い金属からなるリードフレームを用いてもよい。パワー半導体素子1bは、パワー半導体素子1a、1cとアルミ製のボンディングワイヤ10を介して電気的に接続されている。また、パワー半導体素子1は、主端子3とボンディングワイヤ10と中継端子を介して制御基板6に電気的に接続されており、制御基板6上にある制御IC9a、9b、9cによりそれぞれパワー半導体素子1a、1b、1cのスイッチング動作を制御している。
The
図1では、パワー半導体素子1の上方に搭載された一枚の制御基板6が、ベース板2の表面、すなわちベース板2におけるパワー半導体素子1が実装された実装面と略垂直に配置されている。このような構成とすれば、複雑な構成の熱遮断部材を用いることなく、パワー半導体素子1から制御基板6への入熱面積を大幅に減少させることが可能となる。したがって、パワー半導体素子1から制御基板6への入熱を極力減少させるとともに、制御基板6の広い面はパワー半導体素子1と対向しないことにより制御基板6の両面から放熱が促されるので、制御基板6の放熱性が悪化するということがなくなる。制御基板6をベース板2の実装面に対して略垂直になるように配置することにより、制御基板6の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。
In FIG. 1, a
実施の形態1のパワーモジュール20は、制御基板6をベース板2の実装面に対し略垂直に取付けたことにより、パワー半導体素子1による熱が制御基板6に伝わりにくくなることと、制御基板6の両面からの放熱が可能となり、放熱面積の増加により放熱性を向上させることで、制御基板6の温度上昇を大幅に低減できる。
In the
パワー半導体素子1は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においてはシリコンカーバイト(SiC)や窒化ガリウム(GaN)系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)のようなスイッチング素子、やダイオードのような整流素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子や整流素子として機能するパワー半導体素子1に、シリコンカーバイト(SiC)や窒化ガリウム(GaN)系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン(Si)で形成された素子よりも電力損失が低いため、パワーモジュール20の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワーモジュール20の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、放熱フィンを備えたパワーモジュール20の一層の小型化が可能になる。
The
図2は、本発明の制御基板の角度と輻射量の関係図である。制御基板6は、パワー半導体素子1が搭載されるベース板2の表面に対して垂直とすることが好ましいが、輻射の影響について考慮すると、ベース板2の表面に垂直な垂直面に対して±30°(図2において60°〜120°)以内の角度に傾けることで、輻射の熱の移動量が半分以下にできる。このように、パワー半導体素子1が搭載されるベース板2の実装面に対して略垂直とすれば、ベース板2の実装面に対して平行に制御基板を配置する場合(図2において0°又は180°)に比べて、制御基板の温度上昇を低減させる効果を得ることができる。また、制御基板6がパワー半導体素子1に垂直な面に対して、±30°以上の場合においても、平行にならないように、傾斜を持たせることで、制御基板6におけるパワー半導体素子1に対面する面積が減少し、制御基板6の温度上昇の低減に効果がある。なお、ベース板2と制御基板との配置角度は、他の実施の形態においても同様である。
FIG. 2 is a relationship diagram between the angle of the control board and the radiation amount of the present invention. The
図3は、本発明の実施の形態1による制御基板の支持方法の一例を示す図である。実施の形態1のパワーモジュール20は、ケース4の枠体31に制御基板6を支持するための溝19を設けており、制御基板6を溝19に挿入することで制御基板6を支持している。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a control board support method according to the first embodiment of the present invention. The
制御基板6とパワー半導体素子1とを電気的に接続する方法を説明する。図4は、本発明の実施の形態1によるコネクタを示す図である。図4では、ケース4の枠体31に設けられた溝19と接する部分の制御基板端部にコネクタ14を設け、同様にケース4の側にもコネクタ15を設けることで、制御基板6と外部機器との導通をとる。制御基板6のコネクタ14は、制御IC9とボンディングワイヤ10で接続されている。ケース4の側のコネクタ15は、パワー部(パワー半導体素子1)と導通するように、アルミボンディング(ボンディングワイヤ10)もしくは、フレームなどで、パワー部(パワー半導体素子1)と接続する。また、端子等をケース4の中もしくは、ケース4の外部に取り付け、パワー半導体素子1からケース4の溝19まで電気的に接続しても良い。それにより、制御基板6とパワー半導体素子1とを電気的に接続することが可能となる。
A method for electrically connecting the
制御基板6とパワー半導体素子1とを電気的に接続する方法は、他の方法も考えられる。図5は、本発明の実施の形態1による他のコネクタを示す図である。図5は、制御基板6に対して略垂直となる向きにコネクタ16を設け、パワー半導体素子1と電気的に接続している中継端子17にコネクタ16を電気的に接続する例である。制御基板6のコネクタ16は、制御IC9とボンディングワイヤ10で接続されている。制御基板6と電気的に接続されているコネクタ16と、パワー半導体素子1と電気的に接続している中継端子17を電気的に接続することで、制御基板6とパワー半導体素子1を電気的に接続させることが可能となる。
Other methods are conceivable for electrically connecting the
なお、図4、図5では、制御IC9とコネクタ14、16との接続をボンディングワイヤ10で行った例を示したが、制御基板6に形成されたパターンによる接続などでも良い。また、制御基板6とパワー半導体素子1との接続方法は、上記の方法以外にも、制御基板6とパワー半導体素子1とを、ボンディングワイヤ、導電性のよいフレーム、中継端子などによる接続でも良い。パワー半導体素子1と制御基板6との接続方法は、他の実施の形態においても同様であり、適宜、組み合わせて用いて良い。
4 and 5 show an example in which the
以上のように実施の形態1のパワーモジュール20によれば、ベース板2に実装されたパワー半導体素子1とパワー半導体素子1を制御する一つもしくは複数の制御基板6とがケース4内に配置され、少なくとも一つの制御基板6は、ベース板2におけるパワー半導体素子1が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とするので、放熱性が向上し、制御基板の温度を低下させることができ、パワーモジュール20の信頼性を向上することができる。
As described above, according to the
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2によるパワーモジュールの断面図である。実施の形態2のパワーモジュール20は、複数の制御基板6、7を搭載する点で、実施の形態1と異なる。図6では、制御基板6に制御IC9aが搭載され、制御基板7に制御IC9bが搭載された例を示した。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a power module according to
実施の形態2では、複数ある制御基板6、7を全てベース板2の実装面に対して略垂直に配置しており、さらに制御基板6と、制御基板7とを平行に配置している。このような構成とすれば、実施の形態1で説明したように、パワー半導体素子1から制御基板6への入熱面積を大幅に減少させることが可能となるので、制御基板6、7に対して、パワー半導体素子1からの入熱を極力減少させることができる。また、制御基板6は、パワー半導体素子1や他の制御基板7に隣接した状態で挟まれることがなく、両面放熱が可能となるため、放熱性が悪化するということがなくなる。複数の制御基板6、7を全てベース板2の実装面に対して略垂直に配置することにより、複数の制御基板6、7をパワーモジュール20に搭載した場合に、制御基板6、7の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。
In the second embodiment, the plurality of
図7は、本発明の実施の形態2による制御基板の支持方法の一例を示す図である。実施の形態2のパワーモジュール20は、複数の制御基板を搭載しており、搭載する基板枚数分だけ、ケース4に制御基板を支持するための溝19を設けて、制御基板を溝19に挿入することで制御基板を支持している。図6では2枚の制御基板6、7を平行に配置する例を示したが、図7では3枚の制御基板6、7、8を平行に配置する例を示している。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a control board support method according to the second embodiment of the present invention. The
図8は、本発明の実施の形態2による他のパワーモジュールの断面図である。図9は、図8のパワーモジュールの平面図であり、ケース4のフタ32を外した平面図である。図8、図9では、複数の制御基板6、7を全てベース板2の実装面に対して略垂直に配置した状態に加え、少なくとも一枚の制御基板6を他の制御基板7に対して略垂直に配置している。図8、図9では、制御基板6に制御IC9a、9bが搭載され、制御基板7に制御IC9cが搭載された例を示した。図9には、3つの主端子3a、3b、3cがある例を示した。図8では、主端子3cが主端子3aの背後(図8において紙面の奥側)に重なっている例を示した。
FIG. 8 is a cross-sectional view of another power module according to
図10は、本発明の実施の形態2による制御基板の支持方法の一例を示す図であり、図8、図9に示したパワーモジュール20における制御基板6、7の支持方法を示したものである。制御基板6の下部に、溝33を設けた支持部材18をベース板2もしくはケース4の枠体31などに固定し、溝33に制御基板6を挟むことで、制御基板6を支持する。図8、図9では、支持部材18をケース4の枠体31に固定した例を示した。制御基板6の支持方法として、支持部材18の一点のみだけでなく、上部のケース4のフタ32に制御基板6が入る溝34を設けて、制御基板6を複数個箇所で支持する例を示した。なお、制御基板6の支持方法として、支持部材18の一点のみだけで支持してもよいし、支持部材18を複数設けることで、制御基板6を複数個箇所で支持してもよい。なお、制御基板7の支持方法は、図7に示した方法を適用した。図7で示した制御基板6、7、8の支持方法や、図10で示した制御基板6、7の支持方法は他の実施の形態においても同様であり、適宜、組み合わせて用いて良い。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a method of supporting the control board according to the second embodiment of the present invention, and shows a method of supporting the
図8、図9のような構成とすれば、パワー半導体素子1から制御基板6への入熱面積を大幅に減少させることが可能となり、また、他の制御基板7からの入熱面積も大幅に減少させることが可能となるので、一方の制御基板6に対して、パワー半導体素子1や他方の制御基板7からの入熱を極力減少させることができる。また、制御基板6は、パワー半導体素子1や他の制御基板7に隣接した状態で挟まれることがなく、両面放熱が可能となるため、放熱性が悪化するということがなくなる。複数の制御基板6、7を全てベース板2の実装面に対して略垂直に配置することにより、複数の制御基板6、7を搭載した場合に、制御基板6、7の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。
8 and 9, the heat input area from the
なお、図6〜図10では、制御基板を複数搭載する場合に、制御基板6、7又は制御基板6、7、8の全てがベース板2の実装面に対して略垂直に配置した例を示したが、少なくとも一枚の制御基板6をベース板2の実装面に対して略垂直に配置することでもよい。例えば、複数の制御基板のうち、最も消費電力の大きい制御基板6をベース板2の実装面に対して略垂直に配置することで、制御基板6の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。また、制御基板6よりも消費電力の小さい制御基板7は、パワー半導体素子1からの入熱の少ない位置や、制御基板6からの入熱の少ない位置に配置すればよい。
6 to 10, when a plurality of control boards are mounted, an example in which all of the
実施の形態3.
図11は、本発明の実施の形態3によるパワーモジュールの断面図である。実施の形態3のパワーモジュール20は、制御基板のうち少なくとも一枚と略平行に位置するケース4の側面にヒートシンクなどの放熱器11を取付けたものである。放熱器11は、制御基板7における厚さ方向の面が対向するケース4の外周面であって、制御基板7に近い側の外周面に取付けられている。図11では、複数の制御基板6、7を搭載し、制御基板6に実装された制御IC9aと制御基板7に実装された制御IC9bが対向するように配置された例である。なお、放熱器11はケース4の側面に複数配置していても良い。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a power module according to
このような構成とすれば、制御基板7と略平行に位置するケース4の側面の温度を低下させることが可能となるので、制御基板7の熱を低温となっているケース4に放熱させることが可能となり、放熱性が向上する。このように制御基板7と略平行に位置するケース4に放熱器11を搭載することで、制御基板7上の制御IC9b等の素子の発熱による基板温度上昇を、放熱性の向上により、極力減少させることが可能となる。制御基板7とケース4の側面とが略平行となる角度は、例えば30°以内の角度である。
With such a configuration, the temperature of the side surface of the
図12は、本発明の実施の形態3による他のパワーモジュールの断面図である。図12は、ベース板2の実装面に対して略垂直に配置した制御基板6、7の内少なくとも一枚、例えば制御基板7を、基板上で制御IC9b等が搭載されている高温側の面を他の制御基板6のある側と反対方向であるケース4の側に向けたものである。図12では、制御IC9b等が搭載されている高温側の面と対向するケース4の側面に放熱器11を取付けた例を示した。
FIG. 12 is a cross-sectional view of another power module according to
このような構成とすれば、制御基板7の低温側の面(制御IC9等が搭載されていない面)が他の制御基板6のある側に向いているため、他の制御基板6へ熱が移動することを抑えることが可能となる。さらに、全ての制御基板6、7の低温側を内側に向けることで、効果をより高めることが可能となる。ケース4に放熱器11が取付けてあれば、ケース4からの放熱性もさらに向上するため、尚良い。
With such a configuration, the low-temperature side surface (the surface on which the
実施の形態4.
図13は、実施の形態4によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態では、複数の制御基板6、7の間に熱遮断部材12を設けたパワーモジュール20を示す。図13の例は、熱遮断部材12をケース4の上部に対して略垂直に取付けたものであり、熱遮断部材12が複数の制御基板6、7の間に延伸して配置されている。熱遮断部材12は、ケース4と一体成型してもよい。熱遮断部材12は、パワーモジュール20に搭載される制御基板の数や配置により、一枚もしくは複数とする。図13では、2枚の制御基板6、7を平行に配置し、制御基板6、7の間に制御基板と略平行となるように熱遮断部材12を入れた例を示した。制御基板6と制御基板7とが略平行となる角度は、例えば30°以内の角度である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a power module according to the fourth embodiment. In the present embodiment, a
図13に示したように、複数の制御基板6、7を平行に配置した場合、制御基板が3枚以上であれば、制御基板間全てに制御基板と略平行となるように熱遮断部材12を入れるのが望ましい。なお、複数の制御基板6、7は完全な平行で配置した場合に限らず、略平行であってもよく、熱遮断部材12も複数の制御基板6、7の間にあればよい。また、熱遮断部材12は、制御基板間の熱遮断を目的とするため、制御基板6、7とほぼ同じかそれ以上の大きさを有していることが望ましい。
As shown in FIG. 13, when a plurality of
図13では、制御基板6における制御IC9a等が搭載されている高温側の面と、制御基板7における制御IC9b等が搭載されている高温側の面とを、熱遮断部材12を介して対向させた例を示した。この場合は、熱遮断部材12により、一方の制御基板から他方の制御基板への熱、例えば制御基板6から制御基板7への熱を遮断できるので、制御基板6、7の放熱性が向上し、制御基板6、7の温度を低下させることができ、パワーモジュール20の信頼性を向上することができる。なお、制御基板6における制御IC9a等が搭載されている高温側の面と、制御基板7における制御IC9b等が搭載されている高温側の面との配置は、図13の例に限らず、図6の配置例や図12の配置例でも構わない。
In FIG. 13, the high-temperature side surface on which the
以上のように、実施の形態4のパワーモジュール20は、複数の制御基板6、7をベース板2の実装面と略垂直になるように配置することにより、パワー半導体素子1からの入熱を極力減少させるとともに、制御基板6、7の広い面はパワー半導体素子1と対向しないことにより制御基板6、7の両面から放熱が促される。さらに、実施の形態4のパワーモジュール20は、複数の制御基板6、7の間に熱遮断部材12を設けたので、制御基板間の熱移動を遮断でき、熱遮断部材12がない場合よりも制御基板6、7の放熱性が向上し、制御基板6、7の温度を低下させることができ、パワーモジュール20の信頼性を向上させることができる。
As described above, the
実施の形態5.
図14は、実施の形態5によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態4のパワーモジュール20において、熱遮断部材12を、金属等の熱遮断部材12よりも熱伝導率が高い熱遮断部材13で挟んだ構造にしたものである。熱遮断部材12が熱伝導率の低い樹脂などの場合には、金属等の熱伝導率が高い熱遮断部材13で挟んだ構造であると良い。そのとき、熱伝導率の低い熱遮断部材12はケース4と同じ材質でもよく、一体成型しても問題はないが、できるだけ熱伝導率が低いものが望ましい。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a power module according to the fifth embodiment. In the
実施の形態5のパワーモジュール20は、熱伝導率が高い熱遮断部材13でケース4とつながっているため、ケース4の上部には熱が伝わりやすくなるものの、制御基板間には熱伝導率が小さい熱遮断部材12を挟んでいるため、熱の伝わりが抑制される。熱遮断部材13により、大半の熱はケース4の上部に伝わっていくため、制御基板間の輻射等により、制御基板6、7の基板温度が上昇することはほとんどない。
Since the
以上のように、実施の形態5のパワーモジュール20は、複数の制御基板6、7の間に熱伝導率が高い熱遮断部材13で挟んだ熱遮断部材12を設けたので、制御基板間の熱移動を遮断でき、実施の形態4よりも制御基板6、7の放熱性が向上し、制御基板6、7の温度を低下させることができ、パワーモジュール20の信頼性を向上させることができる。
As described above, the
実施の形態6.
図15は、実施の形態6によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態は、複数の制御基板6、7、8の配置を考慮して、複数の熱遮断部材12a、12bを用いた例である。その際、複数の熱遮断部材12a、12bは、制御基板間の入熱を抑制するように配置することが望ましい。図15では、3枚の制御基板6、7、8を平行に配置し、制御基板6、7、8の間に制御基板と略平行となるように熱遮断部材12a、12bを入れた例を示した。熱遮断部材の符号は、総括的に12を用い、区別して説明する場合に12a、12bを用いる。
FIG. 15 is a sectional view showing a power module according to the sixth embodiment. The present embodiment is an example in which a plurality of
この構成によれば、制御基板が3枚以上搭載された場合においても、制御基板間に熱遮断部材12が配置されているので、熱遮断部材12により、一方の制御基板は他方の制御基板と熱的に遮断されるため輻射により熱が伝わることがない。また、ケース4に配置された熱遮断部材12a、12bが低温となることで、熱遮断部材12a、12bに挟まれた制御基板7の両面から十分な放熱が可能となる。また、複数の制御基板6、7、8を平行に配置することで、パッケージ内のスペースを有効に活用することが可能となる。
According to this configuration, even when three or more control boards are mounted, the
実施の形態6のパワーモジュール20は、制御基板が3枚以上搭載された場合においても、複数の制御基板6、7、8をベース板2の実装面と略垂直になるように配置することにより、パワー半導体素子1からの入熱を極力減少させるとともに、制御基板6、7、8の広い面はパワー半導体素子1と対向しないことにより制御基板6、7、8の両面から放熱が促される。さらに、実施の形態6のパワーモジュール20は、複数の制御基板6、7、8の間に熱遮断部材12を設けたので、制御基板間の熱移動を遮断でき、熱遮断部材12がない場合よりも制御基板6、7、8の放熱性が向上し、制御基板6、7、8の温度を低下させることができ、パワーモジュール20の信頼性を向上させることができる。
In the
実施の形態7.
図16は、実施の形態7によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態は、熱遮断部材12が配置されたケース4の上部の外側に放熱器11を取付けた例である。図16では、実施の形態4のパワーモジュール20において、熱遮断部材12が配置されたケース4の上部に放熱器11を取付けた例を示した。このような構成とすることで、実施の形態7のパワーモジュール20は、実施の形態4よりも、さらに制御基板6、7の温度上昇を低減させることが可能となる。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a power module according to the seventh embodiment. The present embodiment is an example in which the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be modified or omitted as appropriate.
1、1a、1b、1c…パワー半導体素子、2…ベース板、
4…ケース、6…制御基板、7…制御基板、
8…制御基板、11…放熱器、12…熱遮断部材、
13…熱遮断部材、20…パワーモジュール。1, 1a, 1b, 1c ... power semiconductor element, 2 ... base plate,
4 ... Case, 6 ... Control board, 7 ... Control board,
8 ... Control board, 11 ... Radiator, 12 ... Heat insulation member,
13 ... heat shielding member, 20 ... power module.
本発明のパワーモジュールは、ベース板に実装されたパワー半導体素子とパワー半導体素子を制御する複数の制御基板とがケース内に配置されたパワーモジュールであって、ベース板におけるパワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置された複数の制御基板と、ケースの上部に設けられた熱遮断部材を備え、一の制御基板は、少なくとも一つの他の制御基板に対して略垂直に配置され、熱遮断部材は、一の制御基板と少なくとも一つの他の制御基板との間に延伸して配置されたことを特徴とする。 Power module of the present invention is a power module and the control board of the multiple is disposed within the case that controls the power semiconductor element and the power semiconductor element mounted on the base plate, the power in base over scan plate semiconductor A plurality of control boards arranged substantially perpendicular to the mounting surface on which the element is mounted, and a heat shielding member provided on the upper part of the case, one control board being at least one other control board The heat blocking member is arranged to extend between one control board and at least one other control board .
本発明のパワーモジュールによれば、複数の制御基板がベース板の実装面に対して略垂直に配置されたので、制御基板におけるパワー半導体素子に対面する面積が減少でき、パワー半導体素子からの熱伝導と輻射による熱の移動が減少することができる。また、本発明のパワーモジュールによれば、パワー半導体素子の上方の空間が広くできるため、熱がこもりにくくなり、パワー半導体素子近傍の空気温度の上昇が抑制されるので、パワー半導体素子の温度が低下でき、パワー半導体素子から制御基板への入熱量がさらに減少し、制御基板の温度を低下させることができ、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。 According to the power module of the present invention, since the plurality of control boards are arranged substantially perpendicular to the mounting surface of the base plate, the area of the control board facing the power semiconductor element can be reduced, and the heat from the power semiconductor element can be reduced. Heat transfer due to conduction and radiation can be reduced. Further, according to the power module of the present invention, since the space above the power semiconductor element can be widened, it is difficult for heat to be trapped, and an increase in the air temperature in the vicinity of the power semiconductor element is suppressed. The amount of heat input from the power semiconductor element to the control board can be further reduced, the temperature of the control board can be lowered, and the reliability of the power module can be improved.
Claims (10)
前記制御基板は、前記ベース板における前記パワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とするパワーモジュール。A power module in which a power semiconductor element mounted on a base plate and one or more control boards for controlling the power semiconductor element are arranged in a case,
The power module, wherein the control board is arranged substantially perpendicular to a mounting surface on which the power semiconductor element is mounted on the base plate.
一の前記制御基板は、少なくとも一つの他の前記制御基板に対して略垂直に配置されたことを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール。A plurality of the control boards disposed substantially perpendicular to the mounting surface;
The power module according to claim 1, wherein one of the control boards is disposed substantially perpendicular to at least one of the other control boards.
前記制御基板の少なくとも一つは、当該制御基板の高温側の面を前記ケースに向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。A plurality of the control boards disposed substantially perpendicular to the mounting surface;
The power module according to claim 1, wherein at least one of the control boards has a high-temperature side surface of the control board facing the case.
前記熱遮断部材は、一の前記制御基板と少なくとも一つの他の前記制御基板との間に延伸して配置されたことを特徴とする請求項2または3に記載のパワーモジュール。A plurality of the control boards disposed substantially perpendicular to the mounting surface; and a heat shielding member provided on an upper portion of the case.
4. The power module according to claim 2, wherein the heat blocking member is arranged to extend between one control board and at least one other control board. 5.
前記放熱器は、前記熱遮断部材が設けられた前記ケースの上部の外側に設けられたことを特徴とする請求項4乃至6のいずれか1項に記載のパワーモジュール。With a radiator,
The power module according to any one of claims 4 to 6, wherein the radiator is provided outside an upper portion of the case where the heat blocking member is provided.
放熱器が設けられたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のパワーモジュール。The outer peripheral surface of the case facing the surface in the thickness direction of at least one of the control boards arranged substantially perpendicular to the mounting surface, on the outer peripheral surface near the control board,
The power module according to any one of claims 1 to 7, further comprising a radiator.
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