WO2008142892A1 - パワーモジュールの冷却器及びパワーモジュール - Google Patents

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power module
plate
cooling
top plate
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Youichiro Baba
Hideo Nakamura
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a power module cooler and a power module.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 2-7 8 3 5 6
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 00 1-7 7 2 60
  • the cooler when the cooler is made of a metal / ceramic composite material, it becomes a very expensive cooler due to the special characteristics of the material, for example, compared to the case where the cooler is made of a single metal such as aluminum. There is a risk that the price will be about 10 to 20 times.
  • the processing method is a casting method such as gravity forging, which limits the degree of freedom in shape and provides a large number of minute cooling and cooling fins. It is also difficult to adopt an excellent shape.
  • the method of inserting a stress buffer plate between the cooler and the insulating substrate while using a normal metal such as copper or aluminum for the cooler itself can suppress an increase in production cost, but Another problem will occur in the process.
  • a stress buffer plate made of molybdenum When using solder or other brazing material to join the cooler, the entire workpiece needs to be heated to 300 ° C or higher, and the heating is based on the difference in linear expansion coefficient between the stress buffer plate and the cooler.
  • the cooler will be warped.
  • the occurrence of warpage of the cooler means that stress remains on the joint surface, and there is a concern about future cracks.
  • the warpage of the cooler may interfere with the installation of other parts to the cooler.
  • the problem of warpage and cracks due to the difference in linear expansion coefficient between the stress buffer plate and the cooler should be avoided as long as there is a difference in linear expansion coefficient between the two regardless of the material used for the stress buffer plate. It is difficult.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to avoid the rise in the cost of manufacturing the cooler and to cause the difference in the linear expansion coefficient between the cooler and the insulating substrate of the power module. This is to prevent the deformation of the cooler and the occurrence of cracks at the joint between the two.
  • the power module cooler according to the present invention increases the material cost by forming a casing having a cooling water channel inside by combining a plurality of aluminum materials. This makes it possible to adopt a complicated uneven shape with excellent heat dissipation.
  • a stress relaxation structure to relieve stress generated on the joint surface between the aluminum material and the insulating substrate in the casing structure, the difference in linear expansion coefficient between the aluminum material and the insulating substrate is filled. is there.
  • the power module of the present invention is a highly durable power module having low cost and high heat dissipation by fixing an insulating substrate mounted with a power semiconductor element to the cooler. .
  • a power module cooler in which a casing with a cooling water channel is formed by combining multiple aluminum materials.
  • the cooler of the single module described in this section is a combination of a plurality of aluminum materials, so that a casing with a cooling water channel is formed inside, so that the material cost is kept low, and each Since the workability of the aluminum material is also good, it is possible to configure a cooling water channel with high heat dissipation by adopting a complex concave and convex shape with excellent heat dissipation.
  • the cooler for the power module described in this section is configured by deliberately configuring the relatively thin-walled top plate while ensuring the rigidity required for the casing by the relatively thick-walled bottom plate.
  • the stress generated on the joint surface between the vessel and the insulating substrate is alleviated by positive deformation of the top plate.
  • the power module cooler described in this section has a high-purity aluminum block fixed to the top plate, and an insulating substrate is fixed to the aluminum block. This relieves stress generated on the joint surface between the high-purity aluminum block and the high-purity aluminum block.
  • the aluminum purity is desirably 99.99% or more.
  • the thickness ratio of the top plate of the casing to the aluminum block is 1: 5 to It is formed to be 1 0.
  • the cooler of the power module described in this section concentrates stress on the frame-shaped protrusions or depressions that are formed around the high-purity aluminum block, and the frame-shaped protrusions or depressions are actively deformed. By doing so, the stress generated on the joint surface between the cooler and the insulating substrate is relieved.
  • the water channel is divided into a plurality of parallel flow paths by a plurality of cooling fins extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the insulating substrate of the power module. Module cooler.
  • the power module cooler described in this section uses a plurality of cooling fins provided in the water channel to increase the contact area with the cooling water and improve the cooling efficiency.
  • the multiple cooling fins are also installed so as to extend in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the power module's insulating substrate, so that the amount of deformation caused by thermal stress is large in the longitudinal direction of the insulating substrate.
  • the reinforcing effect due to the rigidity of the cooling fin does not occur, and the stress generated on the joint surface between the cooler and the insulating substrate is absorbed and relaxed by the deformation in the width direction of the parallel flow paths divided by the cooling fin. is there.
  • a casing with a cooling water channel is formed, and the ratio of the thickness of the top and bottom plates of the casing is 1: 5 to 10
  • a high-purity aluminum block for fixing a power module is fixed to the top plate, and a frame-shaped protrusion or depression is formed at a position of the top plate surrounding the high-purity aluminum block,
  • the cooler of the power module described in this section can reduce the material cost by combining a plurality of aluminum materials to form a casing with a cooling water channel inside. Therefore, it is possible to construct a cooling water channel with high heat dissipation by adopting a complex concave / convex shape with excellent heat dissipation.
  • the rigidity required for the casing is secured by the relatively thick bottom plate, the rigidity of the relatively thin top plate is intentionally reduced, resulting in the joint surface between the cooler and the insulating substrate. Stress is relieved by the positive deformation of the top board.
  • the high purity aluminum block is fixed to the top plate, and the insulating substrate is fixed to the aluminum block, so that the low yield stress property of the high purity aluminum block is generated at the joint surface between the cooler and the insulating substrate.
  • Stress is relieved by positive deformation of high-purity aluminum blocks.
  • stress concentrates on the frame-shaped protrusions or depressions that are formed around the high-purity ano-remi block.
  • the frame-like projections or depressions are positively deformed to relieve stress generated on the joint surface between the cooler and the insulating substrate.
  • multiple cooling fins provided in the water channel increase the contact area with the cooling water and improve the cooling efficiency.
  • the multiple cooling fins are installed so as to extend in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the insulating substrate of the power module, so that the amount of deformation due to thermal stress is large, and the longitudinal direction of the insulating substrate
  • the cooling fin does not have a reinforcing effect due to the rigidity of the cooling fin, and the stress generated on the joint surface between the cooler and the insulating substrate is absorbed and alleviated by the deformation in the width direction of the parallel flow paths divided by the cooling fin.
  • the water channel is divided into two or more upper and lower layers, and each layer is divided into a plurality of parallel flow channels by the cooling fins.
  • Power module cooler (Claim 2).
  • the water channel is divided into two or more layers by sandwiching the middle plate between the top plate and the bottom plate. Then, by providing cooling fins for each layer whose thickness in the height direction is reduced, the total surface area of the cooling fins is increased, and the cross-sectional shape of a plurality of parallel cooling water channels in each layer is increased. It becomes possible to eliminate the narrow part where the flow of the cooling water is stagnant. Therefore, the area of the part that actually contributes to heat dissipation increases, so-called fin efficiency is improved, and a high heat dissipation effect is exhibited.
  • the water channel is formed as a flow channel in which the flow direction of the cooling water is turned back once or more by being assembled in a state where a plurality of middle plates are combined.
  • One module cooler (Claim 3).
  • the cooler of the power module described in this section is a flow path in which the flow direction of the cooling water is folded once or more by being assembled between the top plate and the bottom plate in a state where a plurality of middle plates are combined. Because it is formed as, regardless of whether the surface area of the cooler (the area of the insulating substrate fixed to the cooler) is wide or narrow, the flow of cooling water over the entire cooler is smoothed and exhibits a high heat dissipation effect It is. (9) In the power module, the top plate, the bottom plate, the plurality of middle plates, the cooling fins, the insulating substrate, and pipes serving as an inlet and an outlet of the cooling water are brazed with aluminum. Cooler.
  • the top plate, bottom plate, multiple middle plates, cooling fins, insulating substrate, and pipe are fixed together by using aluminum solder. Is.
  • the cooling fin has a corrugated shape formed by bending an aluminum plate, and the apex angle of each bent portion is formed to be 40 ° or more.
  • the cooling fin has a corrugated shape formed by bending an aluminum plate, so that the cooling fin having a plurality of concavities and convexities has an integrated structure. Since the bent portion has an apex angle of 40 ° or more, bubble defects (voids) in the solder, which is a bonding material when the power semiconductor element is mounted on the upper surface of the insulating substrate, are transmitted by X-ray transmission. ) Is not covered by the shadow of the void and the shadow of the cooling fin.
  • the apex angle of the bent part of the cooling fin is 40 ° or more, the thickness of the cooling fin in the direction intersecting the X-ray decreases, and the apex of the bent part of the cooling fin becomes a shadow, thereby This avoids the problem that the shadow of the void is hidden.
  • the cooling fins are fixed to the top plate, the bottom plate, or the middle plate in a state where the bent portions of the cooling fins are offset without overlapping each layer of the water channel.
  • the overlapping of the aluminum fillet shadows at the contact points between the bent parts of the steel plate and the top plate, the bottom plate and the middle plate is avoided, and the aluminum braze fillet appears as a clear shadow, and the shadow of the void appears. You can avoid problems such as being hidden.
  • the cooler of the power module, wherein the plurality of intermediate plates are formed with recesses that engage the bent portions of the cooling fins (Claim 6).
  • the concave portion that engages each bent portion of the cooling fin is formed on the middle plate, so that each bent portion is accurately positioned with respect to the middle plate, It is possible to reliably obtain a state in which the bent portions of the cooling fins are offset without overlapping each layer of the water channel.
  • the bent portions of the cooling fins and the concave strips are engaged, the contact area between the cooling fins and the intermediate plate is increased, and the reliability and the bonding strength of the two are improved. is there.
  • a power module in which an insulating substrate on which a power semiconductor element is mounted is fixed to the high-purity aluminum block (Claim 7).
  • the power module described in this section has a low cost and high heat dissipation capability by fixing the insulating substrate on which the power semiconductor element is mounted to the cooler described in (1) to (1 2) above. It is equipped with a highly durable power module.
  • the present invention is configured as described above, the deformation of the cooler due to the difference in the linear expansion coefficient between the cooler and the insulating substrate of the power module and the joining of the both are avoided while avoiding an increase in the manufacturing cost of the cooler. It is possible to prevent the occurrence of cracks in the part.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a power module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a specific example of the power module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing the power module shown in FIG. 2 with the structure located above the top plate removed.
  • FIG. 4 A single view of one of the middle plates of the power module shown in Fig. 2, (a) is a back view, (b) is a left side view, (c) is a plan view, and (d) is a plan view. It is a right view.
  • FIG. 5 Single unit view of the other middle plate of the power module shown in Fig. 2.
  • (a) is a left side view
  • (b) is a plan view
  • (c) is a right side view
  • (d) Is a front view.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an inspection device for solder quality of aluminum solder in the power module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 Obtained by the inspection apparatus of FIG. 6 is a graph showing the relationship between the apex angle of the bent portion of the cooling fin and the X-ray transmittance.
  • a power module 10 has a basic configuration shown in FIG. First, I GBT 12 and diode 14 are fixed to insulating substrate 18 via solder 16.
  • the insulating substrate 18 has a three-layer structure in which the conductor wiring layer 20 is formed on the upper surface of the thin ceramic plate 22 and the bonding layer 24 is formed on the lower surface of the thin ceramic plate 22.
  • the conductor wiring layer 20 and the bonding layer 24 are both made of a thin aluminum plate, and the surface of the conductor wiring layer 20 is Ni plated.
  • the insulating substrate 18 is fixed to the cooler 28 via a high purity aluminum block 26. This high-purity aluminum block 26 desirably has an aluminum purity of 99.99% or more for the reasons described later.
  • an aluminum brazing material is used for the bonding material 30 between the insulating substrate 18, the high purity aluminum block 26, and the cooler 28.
  • the resin housing 34 provided with the bus bar 32 is fixed to the upper surface of the cooler 28 with a silicone adhesive so as to surround the insulating substrate 18 and the high-purity aluminum block 26.
  • the bus bar 32, IGBT 12, diode 14, and conductor wiring layer 20 are electrically connected to each other by an aluminum wire 36, and the internal space of the resin housing 34 is filled with silicon gel 38.
  • the cooler 28 is formed by combining a plurality of aluminum materials to form a casing 40 having a cooling water channel inside.
  • the components of the casing 40 are a top plate 42, a bottom plate 44, a middle plate 46, and cooling fins 48, 50. These constituent members are all made of aluminum, and in the example shown in the figure, all are press-formed products.
  • the thickness ratio of the top plate 4 2 and the bottom plate 44 is formed to be 1: 5 to 10.
  • the high purity aluminum block 26 is fixed to the top plate 42.
  • a frame-like protrusion or depression 52 is formed at a position surrounding the high-purity aluminum block 26 on the top plate 42.
  • the bottom plate 44 has an open box shape, and a seat portion 54 for mounting the top plate 42 and the middle plate 46 is formed on the outer peripheral portion.
  • the bottom plate 44 is fixed with pipes 56 serving as cooling water inlets and outlets, and the lower surface of the bottom plate 44 is fixed with heat generating components 58 (DC-DC inverter, reactor, etc.). It is a flat surface to be used as a surface.
  • the heat generating component 58 is fixed to the lower surface of the bottom plate 44 via grease.
  • the cooling fins 48, 50 have a corrugated shape formed by bending an aluminum plate, and each bent portion (ridge line) of the corrugated shape 4 8a, 50 0a force In the longitudinal direction of the insulating substrate 18
  • each bent part As cooling fins having a plurality of protrusions and depressions extending in a direction perpendicular to each other, they are integrally formed. If necessary, it is also possible to adopt a structure divided into multiple layers. Also, each bent part
  • the intermediate plate 4 6 has the bent portions 4 8 a, 4 8 a,
  • the concave strip 4 6 a with which 5 0 a is engaged is formed.
  • the bent portions 48 a and 50 a are shaped so that the apex angle ⁇ force is 40 ° or more. Also, the top plate 4 2, the bottom plate 4 4 or the middle plate with the bent portions 4 8 a and 50 0 a of the cooling fins 48 and 50 being offset without overlapping each layer of the water channel 4 Fixed to 6.
  • FIG. 2 is a plan view showing a specific example of the power module 10 according to the embodiment of the present invention.
  • the specific example in Fig. 2 is one in which six insulating substrates 1 8 (element blocks) on which IGBT 12 and diode 14 are mounted are mounted. This configuration is a motor drive circuit generally called 6 in 1 is there.
  • FIG. 3 shows a state where the structure located above the top plate 4 2 (see FIG. 1) of the power module 10 shown in FIG. 2 is removed. Pipes 5 6 (5 6 A) serving as cooling water inlets and pipes 5 6 (5 6 B) serving as outlets are provided at opposite ends of the bottom plate 44 4 through cylindrical flanges 60. It is fixed.
  • the middle plate 4 6 is assembled between the top plate 4 2 and the bottom plate 4 4 in a state where the two middle plates 4 6 A and 4 6 B shown in FIGS. 4 and 5 are combined.
  • the water channel is formed as a channel in which the flow direction of the cooling water is turned back at least once.
  • FIGS. 4 to 6 two layers of flow paths are formed on the upper and lower sides by the portions indicated by reference numerals 4 6 1, 4 6 2, 4 6 4 and 4 6 5.
  • the single layer flow path in the center does not directly contribute to the cooling of each element block, but is provided to turn back the cooling water flow.
  • the two middle plates 4 6 A and 4 6 B have the same shape and are used in combination so as to be opposite to each other.
  • the cooling fin 48 is divided into six element blocks in plan view.
  • a plurality of parallel flow paths formed by the cooling fins 4 8 A, 4 8 B, 4 8 C, 4 8 D, 4 8 E, and 4 8 F of each block are aligned with each other in adjacent blocks. Without disposing (in a staggered pattern), the flow of other parallel flow paths can be ensured even if clogging occurs in a part of each line. It has been devised.
  • the path of the cooling water flowing inside the cooler 28 first flows from the pipe 5 6 A into the cooler 28, and the cooling fins 4 8 A, 4 8 B, 4
  • the part indicated by 8 C flows from the right to the left in Fig. 3 (in this case, the cooling water flows in the upper and lower two layers), and then from the left to the right in Fig. 3 by the central channel 4 6 3
  • the part indicated by IN 4 8 D, 4 8 E, and 4 8 F flows from the right to the left in Fig. 3 (in this case, cooling water flows in the upper and lower two layers) and is discharged from pipe 5 6 B It will be a thing.
  • the cooler 10 of the power module according to the embodiment of the present invention includes a cooling water channel inside by combining a plurality of aluminum materials 4 2, 4 4, 4 6, 4 8, and 50.
  • the casing 40 is formed, and the material cost can be kept low.
  • the workability of each aluminum material is also good, it is possible to configure a cooling water channel with high heat dissipation inside the casing 40 by adopting a complicated uneven shape with excellent heat dissipation. .
  • the cooling efficiency is also improved by increasing the contact area with the cooling water by the plurality of cooling fins 48, 50 provided in the water channel.
  • the rigidity of the relatively thin top plate 4 2 is intentionally configured to be low.
  • the stress generated on the joint surface with the insulating substrate 1 8 can be relaxed by the positive deformation of the top plate 4 2.
  • the high purity aluminum block 26 is fixed to the top plate 42, and the insulating substrate 18 is fixed to the aluminum block 26, so that the low yield stress property of the high purity aluminum block 26
  • the stress generated on the joint surface between the chamber 28 and the insulating substrate 18 can be alleviated by the positive deformation of the high-purity aluminum block 26. Therefore, the higher the aluminum purity of the aluminum block 26, the lower the yield stress can be expected.
  • the plurality of cooling fins 48, 50 are installed so as to extend in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the insulating substrate 18 of the power module 10, the amount of deformation caused by thermal stress is reduced.
  • the longitudinal direction of the large insulating substrate 18 there is no reinforcing effect due to the rigidity of the cooling fins 48, 50, and conversely, the stress generated on the joint surface between the cooler 28 and the insulating substrate 18 is cooled. Absorption and relaxation can be achieved by deformation in the width direction of the parallel flow paths divided by the fins 48, 50.
  • each stress relaxation effect obtained by each said component, and each cooling efficiency improvement effect By synergistic effects, it is possible to exhibit a high heat dissipation effect while avoiding deformation of the cooler 28 and cracking at the joint between the cooler 28 and the insulating substrate 18. Since the cooler 28 according to the embodiment of the present invention has no fear of deformation, the lower surface of the bottom plate 44 is used as a fixing surface for the heat generating component 58 (DC-DC inverter, reactor, etc.). Is possible.
  • the water channel is divided into two or more layers by the middle plate 46 being sandwiched between the top plate 42 and the bottom plate 44.
  • the thickness in the height direction is thin, and cooling fins 48, 50 are provided for each layer. Therefore, while increasing the total surface area of the cooling fins 48, 50, it is possible to eliminate the narrow portion where the cooling water flow is stagnant from the cross-sectional shape of the plurality of parallel cooling water flow paths in each layer (Fig. 1).
  • each channel is close to an equilateral triangle.
  • the cooler 28 of the power module according to the embodiment of the present invention is assembled between the top plate 4 2 and the bottom plate 4 4 in a state where the two middle plates 4 6 A and 4 6 B are combined.
  • the water channel is formed as a flow channel in which the flow direction of the cooling water is folded back in a Z shape in plan view (see Fig. 3). Therefore, like the cooler for the motor drive circuit called 6 in 1 shown in Fig. 2, the surface area of the cooler 2 8 (insulating substrate 1 fixed to the cooler 1) Even if the surface area of (8) increases, the flow of cooling water across the entire cooler 28 can be smoothed regardless of the surface area. It is.
  • the power module cooler 28 has a corrugated plate shape formed by bending an aluminum plate, so that cooling fins having a plurality of protrusions and recesses are 48, 50. It is molded into. And, since the apex angle 0 of the bent portions 48a and 50a is formed to be 40 ° or more, solder that is a bonding material when the power semiconductor element is mounted on the upper surface of the insulating substrate by transmitted X-rays When inspecting internal bubble defects (voids), they can be prevented from being hidden by the shadows of the voids and cooling fins.
  • the inspection of the solder quality (void) of the power module is as shown in Fig. 7.
  • the X-ray generator 70 and the imager 72 are arranged so as to sandwich the semi-finished power module 10 0 ′ where the joining of the cooler 28 and the insulating substrate 18 is completed. Then, X-rays are irradiated in a direction orthogonal to the insulating substrate 18 to obtain a transmission image of the void. Therefore, the closer the walls of the cooling fins 48, 50 to the X-ray irradiation direction are in parallel, the clearer the tops of the bent portions 4 8a, 50a of the cooling fins 48, 50 are.
  • FIG. 8 shows the results verified by the present inventors. The relationship between the apex angle 0 of the bent part of the cooling fin and the X-ray transmittance T in the module 10 0 'is shown.
  • the cooler 28 of the power module has the bent portions 4 8 a and 50 a of the cooling fins 48 and 50, and is offset without overlapping each layer of the water channel, By being fixed to the top plate 4 2, the bottom plate 4 4 or the middle plate 4 6, the bent portions 4 8 a and 5 0 a of the cooling fins 4 8 and 50, the top plate 4 2, the bottom plate 4 4 and Overlapping shadows of the aluminum braze fillet at the contact with the middle plate 4 6 are avoided. Therefore, it is possible to avoid the problem that the aluminum braze fillet appears as a clear shadow and the shadow of the void is hidden.
  • the cooler 28 of the power module includes a concave strip in which the bent portions 4 8 a and 50 a of the cooling fins 48 and 50 are engaged with the middle plate 46.
  • each bent portion 4 8 a, 50 0 a is positioned relative to the middle plate 46, and each bent portion 4 8 a, 5 ⁇ of cooling fins 48, 5 It is possible to reliably obtain an offset state that does not overlap each layer of the water channel.
  • the bent portions 4 8 a and 50 0 a of the cooling fins 48 and 50 are engaged with the concave strips 4 6 a so that the cooling fins 48 and 50 contact the intermediate plate 4 6. The area is increased, and the reliability and strength of joining can be improved.
  • the power module 10 is a highly durable power module having low cost and high heat dissipation.

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Abstract

パワーモジュールの冷却器１０は、複数のアルミ材４２、４４、４６、４８、５０を組み合わせることより、内部に冷却水の水路を備えるケーシング４０が形成されるものであり、材料コストを低く抑えることができる。しかも、各アルミ材の加工性も良好であることから、放熱性に優れた複雑な凹凸形状を採用して、放熱性の高い冷却水の水路を、ケーシング４０の内部に構成することができる。又、比較的厚肉の底板４４によってケーシング２８に要求される剛性を確保しつつ、比較的薄肉の天板４２の剛性が意図的に低く構成されることで、冷却器２８と絶縁基板１８との接合面に生ずる応力を、天板４２が積極的に変形することで緩和することができる。

Description

明細書
パヮーモジュールの冷却器及びパヮーモジュール
技術分野
本発明は、 パヮーモジュールの冷却器及びパヮーモジュールに関するものである。 背景技術
I G B T等のパヮ一半導体素子を備えるパワーモジュールは、 通電により発生する 熱によって性能低下を来たすことから、 従来からパワー半導体素子が実装された絶縁 基板 （セラミック系） を放熱板や冷却器等に固定し、 これらの冷却手段によって放熱 を行っている。
ところで、 従来は、 冷却器に絶縁基板を直付けしていることから、 冷却器と絶縁基 板との線膨張率差による応力が発生し、 冷却器の変形や接合界面にクラックを生じる 恐れがある。 そこで、 冷却器に、 金属，セラミック複合材等、 絶縁基板と線膨張率の 近い材質のものを使用し、 若しくは、 冷却器と絶縁基板との間に、 モリブデン等両者 の中間の線膨張率を持つ応力緩衝板を挿入する等の対策を施している （例えば、 特許 文献 2参照） 。
特許文献 1 ：特開 2 0 0 2— 7 8 3 5 6号公報
特許文献 2 ：特開 2 0 0 1— 7 7 2 6 0号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
しかしながら、 冷却器を金属 ·セラミック複合材にて製作した場合には、 材料の特 殊性から非常に高価な冷却器となり、 例えば、 アルミ等の単一金属で冷却器を製作し た場合に比べ、 1 0〜2 0倍程度の価格になってしまう虞がある。 又、 金属'セラミ ック複合材を用いる場合には、 加工法が重力铸造等の注型方式となることから、 形状 の自由度が制限され、 微小な冷却冷却フィンを多数設ける等、 放熱性に優れた形状を 採用することも困難となる。
一方、 冷却器自体には銅やアルミ等の通常の金属を用いつつ、 冷却器と絶縁基板と の間に応力緩衝板を揷入する手法によれば、 製作コストの上昇は抑えられるが、 製作 過程において別の問題が発生することとなる。 例えば、 モリブデン製の応力緩衝板を 冷却器に接合するために、 はんだ等のロウ材を用いる場合には、 ワーク全体を 3 0 0 °C以上に加熱する必要があり、 応力緩衝板と冷却器との線膨張率差から、 加熱後の冷 却時に、 冷却器に反りを生じてしまうことになる。 冷却器の反りの発生は、 すなわち 接合面に応力が残留することとなり、 将来的なクラックの発生が懸念されるものであ る。 又、 冷却器の反りは、 冷却器への別部品の取り付けに支障を来たすことにもなる。 このような、 応力緩衝板と冷却器との線膨張率差に起因する反りやクラックの問題は、 応力緩衝板に如何なる材料を用いようとも、 両者に線膨張率差が存在する限り回避す ることは困難である。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、 その目的とするところは、 冷却器 の製作コス卜の高騰を回避しつつ、 冷却器とパワーモジュールの絶縁基板との線膨張 率差に起因する、 冷却器の変形や、 両者の接合部におけるクラックの発生を防止する ことにある。
課題を解決するための手段
上記課題を解決するために、 本発明のパワーモジュールの冷却器は、 複数のアルミ 材を組み合わせることより、 内部に冷却水の水路を備えるケ一シングが形成されるこ とで、 材料コストの上昇を防ぎ、 かつ、 放熱性に優れた複雑な凹凸形状の採用を可能 とするものである。 又、 ケーシングの構造に、 アルミ材と絶縁基板との接合面に生ず る応力を緩和するための応力緩和構造を採用することで、 アルミ材と絶縁基板との線 膨張率差を埋めるものである。
又、 本発明のパワーモジュールは、 上記冷却器に、 パワー半導体素子が実装された 絶縁基板が固定されてなることによって、 低コストかつ高放熱性を備え、 耐久性の高 いパヮ一モジュールとなる。
発明の態様
以下の発明の態様は、 本発明の構成を例示するものであり、 本発明の多様な構成の 理解を容易にするために、 項別けして説明するものである。 各項は、 本発明の技術的 範囲を限定するものではなく、 発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、 各項 の構成要素の一部を置換し、 削除し、 又は、 更に他の構成要素を付加したものについ ても、 本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。 ( 1 ) 複数のアルミ材を組み合わせることより、 内部に冷却水の水路を備えるケー シングが形成されているパワーモジュールの冷却器。
本項に記載のパヮ一モジュールの冷却器は、 複数のアルミ材を組み合わせることよ り、 内部に冷却水の水路を備えるケーシングが形成されることから、 材料コス トを低 く抑え、 かつ、 各アルミ材の加工性も良好であることから、 放熱性に優れた複雑な凹 凸形状を採用して、 放熱性の高い冷却水の水路を、 内部に構成することができる。
( 2 ) 上記 （1 ) 項において、 前記ケーシングの天板と底板との厚みの比率が 1 ： 5〜 1 0となるように形成されているパヮ一モジュールの冷却器。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 比較的厚肉の底板によってケーシング に要求される剛性を確保しつつ、 比較的薄肉の天板の剛性が意図的に低く構成される ことで、 冷却器と絶縁基板との接合面に生ずる応力を、 天板が積極的に変形すること で緩和するものである。
( 3 ) 上記 （1 ) 項において、 前記ケ一シングの天板に、 パヮ一モジュールを固定 するための高純度アルミプロックが固定されているパワーモジュールの冷却器。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 天板に高純度のアルミブロックが固定 され、 アルミブロックに絶縁基板が固定されることで、 高純度のアルミブロックの低 降伏応力性により、 冷却器と絶縁基板との接合面に生ずる応力を、 高純度のアルミブ ロックが積極的に変形することで緩和するものである。
なお、 アルミブロックの降伏応力を下げるために、 アルミ純度は 9 9 . 9 9 %以上 であることが望ましい。 又、 アルミブロックの応力緩和効果を十分に発揮するために、 その厚みも十分に確保することが望ましく、 例えば、 ケ一シングの天板とアルミプロ ックとの厚みの比率が 1 ： 5〜 1 0となるように形成されている。
( 4 ) 上記 （1 ) 項において、 前記天板の、 前記高純度アルミブロックを取り囲む 位置に、 枠状の突起ないし窪みが形成されているパワーモジュールの冷却器。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 高純度アルミプロックを取り囲む位置 に形成された、 枠状の突起ないし窪みに応力が集中して、 かかる枠状の突起ないし窪 みが積極的に変形することで、 冷却器と絶縁基板との接合面に生ずる応力を緩和する ものである。 ( 5 ) 上記 （1 ) 項において、 前記水路が、 前記パワーモジュールの絶縁基板の長 手方向と直交する方向に延びる複数条の冷却フィンによって、 複数の平行な流路に分 割されているパワーモジュールの冷却器。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 水路に設けられた複数条の冷却フィン によって、 冷却水との接触面積を増大させ、 冷却効率を向上させている。 し力 も、 複 数条の冷却フィンは、 パワーモジュールの絶縁基板の長手方向と直交する方向に延び るように設置されていることから、 熱応力に起因する変形量が大きい絶縁基板の長手 方向には、 冷却フィンの剛性による補強効果は生じず、 冷却器と絶縁基板との接合面 に生ずる応力を、 冷却フィンによって分割された平行な流路の幅方向の変形によって 吸収、 緩和するものである。
( 6 ) 複数のアルミ材を組み合わせることより、 内部に冷却水の水路を備えるケー シングが形成され、 該ケーシングの天板と底板との厚みの比率が 1 ： 5〜1 0となる ように形成され、 前記天板に、 パワーモジュールを固定するための高純度アルミプロ ックが固定され、 前記天板の、 前記高純度アルミブロックを取り囲む位置に、 枠状の 突起ないし窪みが形成され、 前記水路が、 前記パワーモジュールの絶縁基板の長手方 向と直交する方向に延びる複数条の冷却フィンによって、 複数の平行な流路に分割さ れているパワーモジュールの冷却器 （請求項 1 ) 。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 複数のアルミ材を組み合わせることよ り、 内部に冷却水の水路を備えるケーシングが形成されることから、 材料コストを低 く抑え、 かつ、 各アルミ材の加工性も良好であることから、 放熱性に優れた複雑な凹 凸形状を採用して、 放熱性の高い冷却水の水路を、 内部に構成することができる。 又、 比較的厚肉の底板によってケーシングに要求される剛性を確保しつつ、 比較的薄肉の 天板の剛性が意図的に低く構成されることで、 冷却器と絶縁基板との接合面に生ずる 応力を、 天板が積極的に変形することで緩和するものである。 又、 天板に高純度のァ ルミブロックが固定され、 アルミブロックに絶縁基板が固定されることで、 高純度の アルミプロックの低降伏応力性により、 冷却器と絶縁基板との接合面に生ずる応力を、 高純度のアルミブロックが積極的に変形することで緩和するものである。 又、 高純度 ァノレミプロックを取り囲む位置に形成された、 枠状の突起ないし窪みに応力が集中し て、 かかる枠状の突起ないし窪みが積極的に変形することで、 冷却器と絶縁基板との 接合面に生ずる応力を緩和するものである。 又、 水路に設けられた複数条の冷却フィ ンによって、 冷却水との接触面積を増大させ、 冷却効率を向上させている。 しかも、 複数条の冷却フィンは、 パワーモジュールの絶縁基板の長手方向と直交する方向に延 びるように設置されていることから、 熱応力に起因する変形量が大きレ、絶縁基板の長 手方向には、 冷却フィンの剛性による補強効果は生じず、 冷却器と絶縁基板との接合 面に生ずる応力を、 冷却フィンによって分割された平行な流路の幅方向の変形によつ て吸収、 緩和するものである。
そして、 各構成要素によって得られる各応力緩和効果と、 各冷却効率向上効果との 相乗効果により、 冷却器の変形や、 冷却器と絶縁基板との接合部におけるクラックの 発生を回避しつつ、 高い放熱効果を発揮するものである。
( 7 ) 前記天板及び前記底板の間に、 中板が挟み込まれることによって、 前記水路 は上下二層以上に区分され、 各層毎に、 前記冷却フィンによって複数の平行な流路に 分割されているパワーモジュールの冷却器 （請求項 2 ) 。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 天板及び底板の間に中板が挟み込まれ ることによって、 水路が上下二層以上に区分される。 そして、 高さ方向の厚みが薄く なった各層毎に、 冷却フィンが設けられていることにより、 冷却フィンの全表面積を 増やしつつ、 各層の、 複数の平行な冷却水の流路の断面形状から、 冷却水の流れが滞 る狭小部分を無くすことが可能となる。 よって、 実際に放熱に寄与する部分の面積が 広がることで、 いわゆるフィン効率が向上し、 高い放熱効果を発揮するものである。
( 8 ) 前記天板及び前記底板の間に、 複数の中板が組み合わされた状態で組み込ま れることによって、 前記水路は冷却水の流れ方向が一回以上折り返される流路として 形成されているパヮ一モジュールの冷却器 （請求項 3 ) 。
本項に記載のパヮーモジュールの冷却器は、 複数の中板が組み合わされた状態で、 天板及び底板の間に組み込まれることによって、 水路は冷却水の流れ方向が一回以上 折り返される流路として形成されていることから、 冷却器の表面積 （冷却器に固定さ れる絶縁基板の面積） の広狭を問わず、 冷却器の全体に渡る冷却水の流れを円滑にし 高い放熱効果を発揮するものである。 ( 9 ) 前記天板と、 前記底板と、 前記複数の中板と、 前記冷却フィンと、 絶縁基板 と、 冷却水の流入口及び流出口となるパイプとが、 アルミロウ付けされているパワー モジュールの冷却器。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 天板と、 底板と、 複数の中板と、 冷却 フィンと、 絶縁基板と、 パイプとが、 アルミロウを用いることによって、 一括して固 定されるものである。
( 1 0 ) 前記冷却フィンは、 アルミ板を折り曲げて成形された波板状をなし、 かつ、 各折り曲げ部の頂角が 4 0 ° 以上に成形されているパワーモジュールの冷却器 （請求 項 4 ) 。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 冷却フィンが、 アルミ板を折り曲げて 成形された波板状をなすことによって、 複数条の凹凸を有する冷却フィンが一体構造 となっている。 そして、 折り曲げ部の頂角が 4 0 ° 以上に成形されていることで、 透 過 X線により、 絶縁基板上面にパワー半導体素子を実装する際の接合材であるはんだ 中の気泡欠陥 （ボイ ド） を検査する際に、 ボイ ドの影と、 冷却フィンの影によって隠 されることを防ぐものである。 すなわち、 X線の照射方向に対し、 冷却フィンの壁が 平行に近いほど、 冷却フィンの折り曲げ部の頂部が明確な影となって現れ、 ボイ ドの 影とはんだ中の気泡欠陥とが重畳することによるボイ ドの検出漏れを生じ易くなる。 一方、 冷却フィンの折り曲げ部の頂角が 4 0 ° 以上であれば、 X線と交差する方向の 冷却フィンの肉厚が減少し、 冷却フィンの折り曲げ部の頂部が影となり、 それによつ てボイ ドの影が隠される不具合を回避することができる。
( 1 1 ) 前記冷却フィンの各折り曲げ部が、 前記水路の各層毎に重複せずオフセッ トした状態で、 前記天板、 前記底板又は前記中板に固定されているパワーモジュール の冷却器 （請求項 5 ) 。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 冷却フィンの各折り曲げ部が、 水路の 各層毎に重複せずオフセットした状態で、 天板、 底板又は中板に固定されていること により、 冷却フィンの各折り曲げ部と、 天板、 底板及び中板との接触部におけるアル ミロゥ材フィレッ トの影の重複が回避され、 かかる、 アルミロウ材フィレットが明確 な影となって現れ、 ボイ ドの影が隠されるといった不具合を、 回避することができる。 (12) 前記複数の中板には、 前記冷却フィンの各折り曲げ部が係合する凹条が成 形されているパワーモジュールの冷却器 （請求項 6) 。
本項に記載のパワーモジュールの冷却器は、 中板に、 冷却フィンの各折り曲げ部が 係合する凹条が成形されていることにより、 中板に対する各折り曲げ部の位置決めが 正確に行われ、 冷却フィンの各折り曲げ部が、 水路の各層毎に重複せずオフセッ トし た状態を、 確実に得ることができる。 又、 冷却フィンの各折り曲げ部と各凹条とが係 合することで、 冷却フィンと中板との接触面積が増大し、 両者の接合の確実性と、 接 合強度とを向上させるものである。
(1 3) 前記高純度アルミブロックに、 パワー半導体素子が実装された絶縁基板が 固定されてなるパワーモジュール （請求項 7) 。
本項に記載のパワーモジュールは、 上記 （1) から （1 2) 項に記載の冷却器に、 パヮー半導体素子が実装された絶縁基板が固定されてなることによって、 低コストか つ高放熱性を備え、 耐久性の高いパワーモジュールが構成されるものである。
発明の効果
本発明はこのように構成したので、 冷却器の製作コス トの高騰を回避しつつ、 冷却 器とパワーモジュールの絶縁基板との線膨張率差に起因する、 冷却器の変形や、 両者 の接合部におけるクラックの発生を防止することが可能となる。
図面の簡単な説明
[図 1 ] 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの基本構成を概略的に示す断面図 である。
[図 2] 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの具体例を示す平面図である。
[図 3] 図 2に示されるパワーモジュールの、 天板よりも上方に位置する構造物を取り 去った状態を示す平面図である。
[図 4] 図 2に示されるパワーモジュールの、 一方の中板の単体図であり、 （a) は裏 面図、 （b) は左側面図、 （c) は平面図、 （d) は右側面図である。
[図 5] 図 2に示されるパワーモジュールの、 もう一方の中板の単体図であり、 （a) は左側面図、 （b) は平面図、 （c) は右側面図、 （d) は正面図である。
[図 6] 図 2の A— A断面図である。 [図 7] 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの、 アルミロウのはんだ品質の検 査装置の概略構成図である。
[図 8] 図 7の検査装置によって得られる。 冷却フィンの折り曲げ部の頂角と、 X線透 過率との関係を示すグラフである。
符号の説明
10 ：パワーモジュール、 1 2 ： I GBT、 14 :ダイォ一ド、 1 6 :はんだ、 1 8 ：絶縁基板、 26 ：高純度アルミプロック、 28 :冷却器、 30 ：接合材、 40 ： ケーシング、 42 ：天板、 44 ：底板、 46、 46 A、 46 B ：中板、 48、 5 0 :冷却フィン、 52 ：枠状の突起ないし窪み、 56 :パイプ
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。 なお、 従来技術と同一部分、 若しくは相当する部分には同一符号を付し、 詳しい説明を省略 する。
本発明の実施の形態に係るパワーモジュール 10は、 図 1に示される基本構成を有 している。 まず、 I GBT 1 2及びダイオード 14がはんだ 1 6を介して絶縁基板 1 8に固定されている。 絶縁基板 1 8は、 薄セラミック板 22の上面に導体配線層 20 が、 薄セラミック板 22の下面に接合層 24が形成された三層構造を有している。 な お、 導体配線層 20及び接合層 24は、 何れも薄アルミ板からなるものであり、 導体 配線層 20の表面には、 N iめっきが施されている。 そして、 絶縁基板 18は、 高純 度アルミブロック 26を介して、 冷却器 28に固定されている。 この高純度アルミブ ロック 26は、 後述する理由から、 アルミ純度が 99. 99%以上であることが望ま しい。 又、 絶縁基板 1 8と、 高純度アルミブロック 26と、 冷却器 28との接合材 3 0には、 アルミロウ材が用いられている。 そして、 バスバー 32を備える樹脂ハウジ ング 34力、 絶縁基板 18及び高純度アルミブロック 26を囲むようにして、 冷却器 28の上面に対しシリコーン系接着剤で固定されている。 更に、 バスバー 32、 I G BT 1 2、 ダイオード 14及び導体配線層 20は、 夫々、 アルミワイヤ 36によって 電機的に接続され、 樹脂ハウジング 34の内部空間には、 シリコンゲル 38が充填さ れている。 冷却器 2 8は、 複数のアルミ材を組み合わせることより、 内部に冷却水の水路を備 えるケーシング 4 0が形成されている。 ケーシング 4 0の構成部材は、 天板 4 2と、 底板 4 4と、 中板 4 6と、 冷却フィン 4 8、 5 0である。 これらの構成部材は、 全て アルミ製であり、 図示の例では、 何れもプレス成形品となっている。
天板 4 2と底板 4 4との厚みの比率は、 1 ： 5〜 1 0となるように形成されている。 又、 高純度アルミブロック 2 6は、 天板 4 2に固定されている。 そして、 天板 4 2の、 高純度アルミプロック 2 6を取り囲む位置には、 枠状の突起ないし窪み 5 2が形成さ れている。 又、 底板 4 4は、 無蓋箱状をなし、 外周部には天板 4 2及び中板 4 6を载 置するための座部 5 4が形成されている。 又、 底板 4 4には、 冷却水の流入口及び流 出口となるパイプ 5 6が固定され、 かつ、 底板 4 4の下面は、 発熱部品 5 8 (D C— D Cインバータ、 リアク トル等） の固定面として利用されるように、 平面となってい る。 そして、 発熱部品 5 8は、 グリスを介して底板 4 4の下面に固定される。 なお、 ケ一シング 4 0の、 各構成部品の厚みの比率は、 一例として、 冷却フィン 4 8、 5 0 の厚み t 4 8 , 5。= 1としたとき、 中板 4 6の厚み t 4 6 = 4、 天板 4 2の厚み t 4 2 = 8、 底板 4 4の厚み t 4 4 = 8 0、 ァノレミブロック 2 6の厚み t 2 6 = 8 0となっている。 又、 天板 4 2及び底板 4 4の間に中板 4 6が挟み込まれることによって、 冷却水の 水路は上下二層に区分され、 各層毎に冷却フィン 4 8、 5 0が設けられている。 冷却 フィン 4 8、 5 0は、 アルミ板を折り曲げて成形された波板状をなしており、 波形状 の各折り曲げ部 （稜線） 4 8 a、 5 0 a力 絶縁基板 1 8の長手方向と直交する方向 に延びる複数条の凹凸を有する冷却フィンとして、 一体に構成されている。 なお、 必 要に応じ、 更に多層に区分した構造を採用することも可能である。 又、 各折り曲げ部
4 8 a、 5 0 aは、 天板 4 2、 底板 4 4又は中板 4 6と接触して固定されることによ り、 冷却水の水路は、 複数の平行な流路に分割されている。 しかも、 図 1に一部拡大 図示されているように、 中板 4 6には、 冷却フィン 4 8、 5 0の各折り曲げ部 4 8 a、
5 0 aが係合する凹条 4 6 aが成形されている。
なお、 後述する理由から、 各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aの頂角 Θ力;、 4 0 ° 以上と なるように成形されている。 又、 冷却フィン 4 8、 5 0の各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aが、 水路の各層毎に重複せずオフセッ トした状態で、 天板 4 2、 底板 4 4又は中板 4 6に固定されている。
図 2には、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュール 1 0の具体例が、 平面図で 示されている。 図 2の具体例は、 I G B T 1 2及びダイオード 1 4が実装された絶縁 基板 1 8 (素子ブロック） が 6つ搭載されたものであり、 この構成は、 一般に 6 i n 1と呼ばれるモータ駆動回路である。 又、 図 2に示されるパワーモジュール 1 0の、 天板 4 2 (図 1参照） よりも上方に位置する構造物を取り去った状態が、 図 3に示さ れている。 底板 4 4の対向する両端部には、 円筒状のフランジ 6 0を介して、 冷却水 の流入口となるパイプ 5 6 ( 5 6 A) 及び流出口となるパイプ 5 6 ( 5 6 B ) が固定 されている。 中板 4 6は、 図 4、 図 5に示される二枚の中板 4 6 A、 4 6 Bを組み合 わせた状態で、 天板 4 2及び底板 4 4の間に組み込まれることによって、 水路は冷却 水の流れ方向が一回以上折り返される流路として形成されている。
具体的には、 図 4、 図 5に符号 4 6 3で示される部分が上下に重ねあわされること で、 図 6に示されるように、 中央部に一層の流路が形成され、 その両側には、 図 4〜 図 6に符号 4 6 1、 4 6 2、 4 6 4、 4 6 5で示される部分によって、 上下に二層の 流路が形成される。 中央部の一層の流路は、 各素子ブロックの冷却に直接的に寄与す るものではなく、 冷却水の流れを折り返すために設けられている。 なお、 本実施の形 態では、 二枚の中板 4 6 A、 4 6 Bは、 同一形状のものであり、 互いに逆向きとなる ように組み合わせて用いられる。
又、 図 3に示されるように、 冷却フィン 4 8は、 平面視で、 6つの素子ブロック毎 に分割されている。 そして、 各ブロックの冷却フィン 4 8 A, 4 8 B、 4 8 C、 4 8 D、 4 8 E、 4 8 Fによって形成される複数の平行な流路が、 隣接するブロック同士 で一直線に揃うことなく、 ずれを生じるように （千鳥状に） 配置されることで、 各条 の一部に目詰まりが生じた場合であっても、 他の平行な流路の流れが確保されるよう に工夫されている。
図 2の具体例に係る冷却器 2 8内部を流れる冷却水の経路は、 図 3において、 まず パイプ 5 6 Aから冷却器 2 8の内部に流入し、 冷却フィン 4 8 A、 4 8 B、 4 8 Cで 示される部分を図 3の右から左へと流れ （この際、 上下二層に冷却水が流れる。 ） 、 続いて、 中央流路 4 6 3によって図 3の左から右へと流れを折り返し、 更に 冷却フ イン 4 8 D、 4 8 E、 4 8 Fで示される部分を図 3の右から左へと流れ （この際、 上 下二層に冷却水が流れる。 ） 、 パイプ 5 6 Bから排出されるものとなる。
さて、 上記構成をなす、 本発明の実施の形態により得られる作用効果は、 以下の通 りである。 まず、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの冷却器 1 0は、 複数 のアルミ材 4 2、 4 4、 4 6、 4 8、 5 0を組み合わせることより、 内部に冷却水の 水路を備えるケーシング 4 0が形成されるものであり、 材料コストを低く抑えること ができる。 しかも、 各アルミ材の加工性も良好であることから、 放熱性に優れた複雑 な凹凸形状を採用して、 放熱性の高い冷却水の水路を、 ケーシング 4 0の内部に構成 することができる。 なお、 水路に設けられた複数条の冷却フィン 4 8、 5 0により、 冷却水との接触面積を増大させることによつても、 冷却効率を向上させている。
又、 比較的厚肉の底板 4 4によってケーシング 2 8に要求される剛性を確保しつつ、 比較的薄肉の天板 4 2の剛性が意図的に低く構成されることで、 冷却器 2 8と絶縁基 板 1 8との接合面に生ずる応力を、 天板 4 2が積極的に変形することで緩和すること ができる。
又、 天板 4 2に高純度のアルミブロック 2 6が固定され、 アルミブロック 2 6に絶 縁基板 1 8が固定されることで、 高純度のアルミブロック 2 6の低降伏応力性により、 冷却器 2 8と絶縁基板 1 8との接合面に生ずる応力を、 高純度のアルミプロック 2 6 が積極的に変形することで緩和することができる。 従って、 アルミブロック 2 6のァ ルミ純度が高純度である程、 低降伏応力性を期待することができる。 又、 高純度アル ミブロック 2 6を取り囲む位置に形成された、 枠状の突起ないし窪み 5 2に応力が集 中して、 枠状の突起ないし窪み 5 2が積極的に変形することで、 冷却器 2 8と絶縁基 板 1 8との接合面に生ずる応力を緩和することができる。 しかも、 複数条の冷却フィ ン 4 8、 5 0は、 パワーモジュール 1 0の絶縁基板 1 8の長手方向と直交する方向に 延びるように設置されていることから、 熱応力に起因する変形量が大きい絶縁基板 1 8の長手方向には、 冷却フィン 4 8、 5 0の剛性による補強効果は生じず、 逆に、 冷 却器 2 8と絶縁基板 1 8との接合面に生ずる応力を、 冷却フィン 4 8、 5 0によって 分割された平行な流路の幅方向の変形によって吸収、 緩和することが可能である。 そして、 上記各構成要素によって得られる各応力緩和効果と、 各冷却効率向上効果 との相乗効果により、 冷却器 2 8の変形や、 冷却器 2 8と絶縁基板 1 8との接合部に おけるクラックの発生を回避しつつ、 高い放熱効果を発揮することが可能である。 なお、 本発明の実施の形態に係る冷却器 2 8は、 変形の虞が無いことから、 底板 4 4の下面を、 発熱部品 5 8 (D C— D Cインバータ、 リアク トル等） の固定面として 利用することが可能である。
又、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの冷却器 2 8は、 天板 4 2及び底 板 4 4の間に中板 4 6が挟み込まれることによって、 水路が上下二層以上に区分され、 高さ方向の厚みが薄くなつて、 各層毎に、 冷却フィン 4 8、 5 0が設けられている。 従って、 冷却フィン 4 8、 5 0の全表面積を増やしつつ、 各層の、 複数の平行な冷却 水の流路の断面形状から、 冷却水の流れが滞る狭小部分を無くすことが可能となり (図 1の例では、 各流路の断面形状が正三角形に近くなる。 ） 、 実際に放熱に寄与す る部分の面積が広がることで、 いわゆるフィン効率が向上し、 高い放熱効果を発揮す ることが可能となる。
又、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの冷却器 2 8は、 二枚の中板 4 6 A、 4 6 Bが組み合わされた状態で、 天板 4 2及び底板 4 4の間に組み込まれること によって、 水路は、 冷却水の流れ方向が平面視で Z字状に折り返される流路として形 成されている （図 3参照） 。 従って、 図 2に示される 6 i n 1 と呼ばれるモータ駆動 回路のための冷却器のように、 複数の素子ブロックが組み込まれることで、 冷却器 2 8の表面積 （冷却器に固定される絶縁基板 1 8の面積） が増大するような場合であつ ても、 表面積の広狭を問わず、 冷却器 2 8の全体に渡る冷却水の流れを円滑にして、 高レ、放熱効果を発揮することが可能である。
本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの冷却器 2 8は、 アルミ板を折り曲げ て成形された波板状をなすことによって、 複数条の凹凸を有する冷却フィンが 4 8、 5 0がー体に成形されている。 そして、 折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aの頂角 0が 4 0 ° 以上に成形されていることで、 透過 X線により、 絶縁基板上面にパワー半導体素子を 実装する際の接合材であるはんだ中の気泡欠陥 （ボイ ド） を検査する際に、 ボイ ドの 影と、 冷却フィンの影によって隠されることを防ぐことができる。
ここで、 パワーモジュールのはんだ品質 （ボイ ド） の検査は、 図 7に示されるよう に、 冷却器 2 8と絶縁基板 1 8との接合が完了した、 半完成状態のパワーモジュール 1 0 ' を挟むようにして、 X線発生器 7 0と撮像器 7 2とを配置する。 そして、 絶縁 基板 1 8と直交する方向に X線を照射して、 ボイ ドの透過画像を得るものである。 従 つて、 X線の照射方向に対し、 冷却フィン 4 8、 5 0の壁が平行に近いほど、 冷却フ イン 4 8、 5 0の折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aの頂部が明確な影となって現れ、 ボイ ド の影と重畳することによるボイ ドの検出漏れを生じ易くなる。 一方、 本発明の実施の 形態のごとく、 冷却フィン 4 8、 5 0の折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aの頂角 0が 4 0 ° 以上であれば、 X線と交差する方向の冷却フィン 4 8、 5 0の肉厚が減少し、 上述の ごとく、 ボイ ドの影が隠される不具合を回避することができる。 図 8には、 本発明者 らによって検証された、 ノ、。ヮーモジュール 1 0 ' における、 冷却フィンの折り曲げ部 の頂角 0と、 X線透過率 Tとの関係が示されている。 この図からわかるように頂角 0 が 4 0 ° 以下では、 X線透過率 Tが急速に下降してしまうことが明らかとなっている。 又、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの冷却器 2 8は、 冷却フィン 4 8、 5 0の折り曲げ部 4 8 a、 5 0 a力 水路の各層毎に重複せずオフセットした状態で、 天板 4 2、 底板 4 4又は中板 4 6に固定されていることにより、 冷却フィン 4 8、 5 0の各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aと、 天板 4 2、 底板 4 4及び中板 4 6との接触部に おけるアルミロウ材フィレッ トの影の重複が回避される。 よって、 アルミロウ材フィ レットが明確な影となって現れ、 ボイ ドの影が隠されるといった不具合を、 回避する ことができる。
又、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの冷却器 2 8は、 中板 4 6に、 冷 却フィン 4 8、 5 0の各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aが係合する凹条 4 6 aが正確に成 形されていることにより、 中板 4 6に対する各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aの位置決め が行われ、 冷却フィン 4 8、 5◦の各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 a力;、 水路の各層毎に 重複せずオフセッ トした状態を、 確実に得ることができる。 又、 冷却フィン 4 8、 5 0の各折り曲げ部 4 8 a、 5 0 aと各凹条 4 6 aとが係合することで、 冷却フィン 4 8、 5 0と中板 4 6との接触面積が増大し、 両者の接合の確実性と、 接合強度とを向 上させることができる。
従って、 冷却器 2 8に、 パワー半導体素子 1 2が実装された絶縁基板 1 8が固定さ れてなることによって、 本発明の実施の形態に係るパワーモジュール 1 0は、 低コス トかつ高放熱性を備え、 耐久性の高いパワーモジュールとなる。

Claims

請求の範囲
[1] 複数のアルミ材を組み合わせることより、 内部に冷却水の水路を備えるケーシン グが形成され、
該ケ一シングの天板と底板との厚みの比率が 1 ： 5〜 1 0となるように形成され、 前記天板に、 パワーモジュールを固定するための高純度アルミブロックが固定され、 前記天板の、 前記高純度アルミブロックを取り囲む位置に、 枠状の突起ないし窪み が形成され、
前記水路が、 前記パワーモジュールの絶縁基板の長手方向と直交する方向に延びる 複数条の冷却フィンによって、 複数の平行な流路に分割されていることを特徴とする パヮーモジュールの冷却器。
[2] 前記天板及び前記底板の間に、 中板が挟み込まれることによって、 前記水路は上 下二層以上に区分され、 各層毎に、 前記冷却フィンによって複数の平行な流路に分割 されていることを特徴とする請求項 1記載のパワーモジュールの冷却器。
[3] 前記天板及び前記底板の間に、 複数の中板が組み合わされた状態で組み込まれる ことによって、 前記水路は冷却水の流れ方向が一回以上折り返される流路として形成 されていることを特徴とする請求項 1又は 2記載のパヮ一モジュールの冷却器。
[4] 前記冷却フィンは、 アルミ板を折り曲げて成形された波板状をなし、 かつ、 各折 り曲げ部の頂角が 4 0 ° 以上に成形されていることを特徴とする請求項 1から 3のい ずれか 1項記載のパワーモジュールの冷却器。
[5] 前記冷却フィンの各折り曲げ部が、 前記水路の各層毎に重複せずオフセッ トした 状態で、 前記天板、 前記底板又は前記中板に固定されていることを特徴とする請求項 4記載のパヮーモジュ一ルの冷却器。
[6] 前記複数の中板には、 前記冷却フィンの各折り曲げ部が係合する凹条が成形され ていることを特徴とする請求項 4又は 5項記載のパワーモジュールの冷却器。
[7] 前記高純度アルミブロックに、 パワー半導体素子が実装された絶縁基板が固定さ れてなることを特徴とするパワーモジュール。
PCT/JP2008/053711 2007-05-21 2008-02-25 パワーモジュールの冷却器及びパワーモジュール WO2008142892A1 (ja)

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