(57)【要約】【課題】本明細書では、パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却板との間の間隙に充填されているグリスの抜けやすさを推定する方法を開示する。【解決手段】  パワーカードは、伝熱板の一面が露出する状態で、半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆ったものである。伝熱板の露出面等には、半導体素子を取り囲む環状溝が設けられている。グリスは、少なくとも環状溝の外周より内側に位置する間隙に充填されている。使用時には、半導体素子が発熱して伝熱板の厚みが膨張して間隙が減少した状態と、半導体素子が冷却されて伝熱板の厚みが収縮して間隙が増大した状態が交互に生じる。これにより、グリス抜けが生じる可能性がある。グリスの抜けやすさは、冷却時における環状溝の外周より内側に位置する間隙の体積と、発熱時における環状溝の外周より内側に位置する間隙の体積との間の変化率に比例することが確認された。【選択図】図１
2020068324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却板との間の間隙に充填されているグリスの抜けやすさを推定する方法であり、
前記パワーカードは、伝熱板の一面が露出する状態で、半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆ったものであり、
前記伝熱板の露出面と前記冷却板の対向面の少なくとも一方には、前記対向面に直交する方向から見たときに、前記半導体素子を取り囲む環状溝が設けられており、
前記グリスは、少なくとも前記環状溝の外周より内側に位置する間隙に充填されており、
前記半導体素子が発熱して前記伝熱板の厚みが膨張して前記伝熱板と前記冷却板の間の距離が減少した状態と、前記半導体素子が冷却されて前記伝熱板の厚みが収縮して前記伝熱板と前記冷却板の間の距離が増大した状態が交互に生じる熱サイクルによって前記グリスが前記環状溝外に残留するグリス抜けが生じる可能性があり、
そのグリスの抜けやすさを、冷却時における前記環状溝の外周より内側に位置する前記間隙の体積と、発熱時における前記環状溝の外周より内側に位置する前記間隙の体積との間の変化率に比例する値とする推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ハイブリット自動車や電気自動車などのモータに加える電力を制御するために、車載用電力制御装置が開発されている。その電力制御装置は、伝熱板の一面が露出する状態で半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆ったパワーカードを備えており、その伝熱板に対向するように冷却板を配置してパワーカードを冷却する。伝熱板と冷却板の間の熱抵抗を下げるために、伝熱板と冷却板との間の間隙にグリスを充填する技術が開発されている。本明細書では、パワーカードと冷却板がグリスを介して対向している電力制御装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御装置を運転すると、半導体素子が発熱し、伝熱板が膨張して厚みを増し、伝熱板と冷却板の間の距離が減少し、グリスが押し出される。電力制御装置が運転を停止すると、半導体素子が冷却され、伝熱板が収縮して厚みが減り、伝熱板と冷却板の間の距離が増大し、グリスが元に戻される。実際には、前記距離が増大する際に、グリスの一部が戻りきらない現象が生じる。これが繰り返されることによって、グリスが抜け、伝熱板と冷却板の間に気泡が入り込む現象が生じる。これを本明細書ではグリス抜けという。
【０００３】
グリス抜けの発生を防止する技術が、特許文献１に開示されている。この技術では、冷却板の対向面に、半導体素子と重なる領域を取り囲む環状溝を設けている。この技術では、その環状溝をグリス溜まりとすることで、グリス抜けを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−０５４１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術の場合、前記環状溝を大きくするとグリス抜けを抑制することができるが、前記環状溝が小さすぎるとグリス抜けを抑制する効果が不十分となってしまう。現状では、設計段階で、グリス抜けを抑制するのに必要な環状溝の体積を知ることができず、設計作業の障害となっている。
本明細書では、最初にグリス抜けが発生しやすい程度を推定する方法を開示する。続いて、その推定技術を用いて、環状溝に必要な体積を計算する方法を開示する。
【０００６】
発明者らは、通常は粘性流体として扱うグリスを粘弾性体と扱うことによって、上記問題に対処できることに想到した。粘弾性体は、粘性流体とは異なり、粘性と弾性の両方の性質を持つ。詳細は後述するが、発明者らは、このグリスの弾性が、パワーカードと冷却板の間の隙間の体積が元に戻るときにグリスを環状溝の内側に戻す要因であることを確認し、グリスの弾性が高ければグリスがよく戻ることを確認した。別言すれば、グリスの弾性が高くて粘性が低ければグリスは抜けにくく、逆にグリスの弾性が低くて粘性が高ければグリスが抜けやすいことを確認した。
【０００７】
さらに発明者らは、粘弾性体の特性の一つである損失正接に着目した。ここで、損失正接とは、粘弾性体の変形時における粘性と弾性の関係を表す指標である。グリスの貯蔵弾性率をＧ１、損失弾性率Ｇ２とすると、グリスの損失正接は、Ｇ２／Ｇ１で定義される。グリスの損失正接は、例えば動的粘弾性測定法により測定可能である。
【０００８】
損失正接が低ければグリスは弾性が高い。また、グリスの損失正接が高ければグリスは粘性が高い。すなわち、損失正接が低ければ、グリスは抜けにくく、損失正接が高ければ、グリスは抜けやすい。別言すれば、グリスの損失正接は、グリス抜けやすさと相関関係を持つ。
【０００９】
また、詳細は後述するが、この損失正接は、グリスの存在空間の体積が変化した割合に略比例することが見出された。発明者らは、これらグリスの損失正接と、グリスの存在空間の体積変化の関係から、グリスの抜けやすさを推定する方法を見出した。本明細書では、この関係を用いて、電力制御装置におけるグリスの抜けやすさを推定する方法
を提示する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書では、パワーカードと、そのパワーカードに対向している冷却板との間の間隙に充填されているグリスの抜けやすさを推定する方法を開示する。
パワーカードは、伝熱板の一面が露出する状態で、半導体素子と伝熱板を樹脂パッケージで覆ったものである。伝熱板の露出面と冷却板の対向面の少なくとも一方には、対向面に直交する方向から見たときに、半導体素子を取り囲む環状溝が設けられている。グリスは、少なくとも環状溝の外周より内側に位置する間隙に充填されている。
使用時には、半導体素子が発熱して伝熱板の厚みが膨張して伝熱板と冷却板の間の距離が減少した状態と、半導体素子が冷却されて伝熱板の厚みが収縮して伝熱板と冷却板の間の距離が増大した状態が交互に生じる。その熱サイクルによって、グリスが環状溝外に残留するグリス抜けが生じる可能性がある。
本発明者らの検討によって、そのグリスの抜けやすさは、冷却時における環状溝の外周より内側に位置する間隙の体積と、発熱時における環状溝の外周より内側に位置する間隙の体積との間の変化率に比例することが確認された。
【００１１】
環状溝の外周より内側の空間（以下、内側空間という）には、グリスが充填されている。すなわち、上述した内側空間の体積の変化した割合とは、伝熱板の変形によるグリスの歪量である。ここでいうグリスの歪みは、伝熱板の熱サイクルによる変形で、グリスが環状溝の外周の内側から外側への移動することにより生じる。グリスの歪量は、全体のグリスの体積において、移動したグリスの体積が占める割合を百分率で表したものである。すなわち、グリスの歪量は、移動したグリスの体積を全体のグリスの体積で除し、１００倍することにより求められる。例えば、変形前の内側空間の体積をＶ１、変形後の空間の体積をＶ２とすると、移動したグリスの体積はＶ１−Ｖ２となるため、
グリスの歪量ε＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１×１００（％）・・・式（１）となる。
【００１２】
Ｖ１−Ｖ２は、伝熱板が熱サイクルにより変形した体積である。従って、伝熱板の変形する面積をＳｇ、変形する量をδｄとすると、変形した体積はＳｇδｄとなるため、
Ｖ１−Ｖ２＝Ｓｇδｄ・・・式（２）となる。
さらに変形前の内側空間の体積Ｖ１は、伝熱板に設けられた環状溝の体積Ｖｎと、環状溝以外の体積Ｖｐに分けられる。従って、
Ｖ１＝Ｖｐ＋Ｖｎ・・・式（３）となる。
上記式（１）に、上記式（２）、（３）を代入することで、
グリスの歪量ε＝Ｓｇδｄ／（Ｖｐ＋Ｖｎ）×１００（％）・・・式（４）となる。
【００１３】
グリスの損失正接をｔａｎδとする。この損失正接ｔａｎδと、グリス歪量εは比例することが発明した。そこで式（５）が成立する。
ｔａｎδ＝Ａε・・・式（５）。
ここで、Ａは比例定数を示す。先に述べたように、損失正接ｔａｎδは、動的粘弾性測定法により測定することができる。例えば、代表的なグリスについて、パワーカードを使用する最高温度における歪量εと損失正接ｔａｎδの関係を図８に示す。図８のグラフを用いると、比例定数Ａは約０．２６３となる。すなわち、Ａはグリスの種類や使用温度等により決定される定数である。
【００１４】
上記式（５）に式（４）を代入すると、損失正接は、
ｔａｎδ＝ＡＳｇδｄ／（Ｖｐ＋Ｖｎ）×１００・・・式（６）となる。
【００１５】
ここで、損失正接ｔａｎδが小さくなるとグリスは抜けにくく、大きくなるとグリスは抜けやすい。別言すれば、損失正接ｔａｎδはグリス抜けやすさと相関関係にある。上記式（６）の右辺を計算することによって、グリスの抜けやすさを推定することが可能となる。推定できれば、その推定値に関する目標値Ｔ０を設定することができる。グリスの抜けやすさがＴ０のときの環状溝の体積をＶ０とすると、上記式（６）を利用して、下記の式（７）のように表すことができる。
Ｔ０＝ＡＳｇδｄ／（Ｖｐ＋Ｖ０）×１００・・・式（７）
【００１６】
上述のように、本明細書が開示するグリスの抜けやすさを推定する方法を利用すると、電力変換装置の環状溝の体積とグリスの抜けやすさの相関関係を求めることができる。具体的には、環状溝の体積をＶ０とした場合の、グリス抜けやすさＴ０を算出することができる。先に述べたように、グリス抜けやすさＴ０が大きければグリスは抜けやすい。また、グリス抜けやすさＴ０が小さければグリスは抜けにくい。設けた環状溝の体積Ｖ０に対するグリス抜けやすさＴ０を算出することで、環状溝の体積Ｖ０を有する電力変換装置のグリス抜けやすさを事前に推定することができる。逆に、必要な抜けやすさＴ０以下に押さえるのに必要な環状溝の体積Ｖ０の最小値を計算することができる。電力制御装置の設計段階において、過不足なく環状溝を設けることができる。
【００１７】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法を用いる電力変換装置の斜視図である。
【図２】図１の電力変換装置のパワーカードの平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ―ＩＩＩにおけるパワーカードの部分断面図である。
【図４】図３のＩＶにおける部分を示す拡大図である。
【図５】発熱時のグリスの動きを示す図４と同様の範囲の拡大図である。
【図６】冷却時のグリスに働く力を示す図４と同様の範囲の拡大図である。
【図７】内側空間の寸法を示す図４と同様の範囲の拡大図である。
【図８】グリスの歪量とグリスの損失正接の関係を示すグラフである。
【図９】グリス抜けやすさＴ０と気泡率の関係を表すグラフである。
【図１０】実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法を用いるパワーカードの第１変形例の平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ―ＸＩにおけるパワーカードの部分断面図である。
【図１２】実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法を用いるパワーカードの第２変形の平面図である。
【図１３】図１２のＸＩＩＩ―ＸＩＩＩにおけるパワーカードの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図面を参照して、実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法について説明する。まず、実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法が用いられる電力変換装置２について、図１を用いて説明する。図１は、電力変換装置２の斜視図である。電力変換装置２は、複数のパワーカード２０と複数の冷却器８が積層されたユニットである。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号２０を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却器だけに符号８を付し、他の冷却器には符号を省略している。また、電力変換装置２の全体が見えるように、電力変換装置２を収容するケース１６は仮想線で描いてある。１個のパワーカード２０は、２個の冷却器８に挟まれる。パワーカード２０と一方の冷却器８との間には絶縁板２２が挟まれており、パワーカード２０と他方の冷却器８との間には絶縁板４４が挟まれている。パワーカード２０と、パワーカード２０に対向している絶縁板２２、４４の間の間隙には、グリス（図１では不図示）が充填されている。絶縁板２２、４４と冷却器８の間の間隙にはグリスが充填されている。また、図１は、理解し易いように、１個のパワーカード２０と絶縁板２２、４４を電力変換装置２から抜き出して描いてある。
【００２０】
パワーカード２０と冷却器８は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面（幅広面）が対向するように積層されている。パワーカード２０と冷却器８は交互に積層されており、電力変換装置２の積層方向の両端には冷却器８が位置している。冷却器８は、内部を冷媒が通る流路である。複数の冷却器８は、連結パイプ１０、１２で連結されている。電力変換装置２の積層方向の一端に位置する冷却器８には、冷媒供給管４と冷媒排出管６が連結されている。冷媒供給管４を通じて供給される冷媒は、連結パイプ１０を通じて全ての冷却器８に分配される。冷媒は各冷却器８を通る間に隣接するパワーカード２０から熱を吸収する。各冷却器８を通った冷媒は連結パイプ１２を通り、冷媒排出管６から排出される。冷媒は液体であり、具体的には、水、あるいは、不凍液である。
【００２１】
電力変換装置２は積層方向の一端に板バネ１４を伴ってケース１６に収容される。板バネ１４により、パワーカード２０と絶縁板２２、４４と冷却器８が積層された電力変換装置２は、積層方向の両側から加圧される。積層方向の加圧により、パワーカード２０と絶縁板２２、４４と冷却器８の間の間隙を小さくすることができ、冷却効率が高まる。
【００２２】
パワーカード２０について説明する。パワーカード２０は、樹脂製のパッケージ３４内に半導体素子２４、２６が封止されたデバイスである。半導体素子２４、２６は、電力変換用のスイッチング素子であり、具体的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。絶縁板２２と対向する一方の幅広面３２には、伝熱板２８、３０が露出している。伝熱板２８、３０の露出面は矩形であり、外周に沿って凹部が設けられている。すなわち、伝熱板２８、３０は環状溝２８ａ、３０ａを有している。幅広面３２とは反対側の幅広面５２（図１では不図示、図３参照）には、別の伝熱板４８、５０が露出している。伝熱板２８、３０同様に、伝熱板４８、５０も矩形であり、外周に環状溝４８ａ、５０ａを有している。半導体素子２４は、伝熱板２８、４８で挟まれており、半導体素子２６は、伝熱板３０、５０で挟まれている。なお、伝熱板２８、３０、４８、５０は銅により構成されている。
【００２３】
半導体素子２４、２６は、一方の表面にコレクタ電極が露出しており、他方の電極にエミッタ電極が露出している。伝熱板２８、３０、４８、５０は、パッケージ３４の内部で半導体素子２４、２６のいずれかの電極と導通している。
【００２４】
図１に示すように、パワーカード２０のパッケージ３４の一つの幅狭面から３個の端子３８、４０、４２が延びており、反対側の幅狭面からは制御端子３６が延びている。パッケージ３４の内部で２個の半導体素子２４、２６は、直列に接続されており、正極端子４２は、パッケージ３４の内部で、２個の半導体素子２４、２６の直列接続の正極側と導通している。負極端子４０は、前記直列接続の負局側と導通している。中点端子３８は、パッケージ３４の内部で、前記直列接続の中点と導通している。端子３８、４０、４２は、伝熱板２８、３０、４８、５０のいずれかを介して、半導体素子２４、２６の電極と導通している。半導体素子２４、２６と端子３８、４０、４２の間の導電経路については説明を省略する。制御端子３６は、半導体素子２４、２６のゲート電極、センスエミッタ電極、温度センサの端子などに接続されている。パッケージ３４の内部における制御端子３６の配線も図示と説明を省略する。
【００２５】
図２を参照してパワーカード２０の表面の形状について説明する。図２は、パワーカードの平面視である。パワーカード２０は、図２に示す平面視の方向に絶縁板２２を介して冷却器８や別のパワーカードと積層される。すなわち、図２は、絶縁板２２の対向面に直交する方向から見たときのパワーカード２０の表面の形状を示している。伝熱板２８、３０は、平面視したときに周囲を樹脂製のパッケージ３４に囲まれている。また、図２では、半導体素子２４、２６は破線で描かれており、伝熱板２８の紙面奥側に半導体素子２４が、伝熱板３０の紙面奥側に半導体素子２６が設けられている。すなわち、パワーカード２０は、伝熱板２８、３０の一面が露出する状態で、半導体素子２４、２６と伝熱板２８、３０を樹脂製のパッケージ３４で覆ったものである。
【００２６】
環状溝２８ａ、３０ａについて説明する。先に述べたように、環状溝２８ａ、３０ａは、伝熱板２８、３０の露出面の外周に設けられた凹部である。ここでは環状溝２８ａについて説明する。図２では、環状溝２８ａが設けられている領域を斜線で表している。環状溝２８ａが設けられている伝熱板２８は、外形の縦の長さがＬｄ２、横の長さがＬｄ１の矩形である。環状溝２８ａは、伝熱板２８の露出面の中央部に縦の長さがＬｇ２、横の長さがＬｇ１の略正方形を囲むように伝熱板２８に設けられている。図２に示すように、伝熱板２８の外周のＺ軸方向の辺に設けられた環状溝２８ａの幅は、伝熱板２８の外周のＹ軸方向の辺に設けられた環状溝２８ａの幅の略２倍である。環状溝２８ａが設けられている領域を示す斜線の内側に半導体素子２４が配置されている。すなわち、絶縁板２２の対向面に直交する方向から見たときに、環状溝２８ａは半導体素子２４を取り囲んでいる。なお、環状溝３０ａも環状溝２８ａと同様の形状であり、半導体素子２６との関係も同様であるため、説明は省略する。
【００２７】
図２では、絶縁板２２が一点鎖線で描かれている。伝熱板２８、３０は、平面視したときにその全体が絶縁板２２と重なっている。先に述べたように、パワーカード２０と絶縁板２２の間の間隙には、グリスが塗布される。さらに、図２では、グリスが塗布されている領域が二点鎖線Ｇで描かれている。すなわち、少なくとも環状溝２８ａ、３０ａの外周より内側に位置する間隙にはグリスが充填されている。本実施例では、二点鎖線Ｇに示すように、環状溝２８ａ、３０ａの外周より外側にまでグリスが塗布されているが、外周より内側にあったグリスが内側に戻りきらず、内側に気泡が入ることをグリス抜けという。グリス本来の機能からいうと、内側範囲にグリスが充填されていればよい。
【００２８】
また、パワーカード２０の裏面についても、伝熱板４８、５０（図３参照）と、パッケージ３４、絶縁板４４（図３参照）の関係は同様である。また、伝熱板４８、５０の環状溝４８ａ、５０ａと半導体素子２４、２６の関係は同様である。さらに、パワーカード２−の裏面である幅広面５２（図３参照）にも、表側の幅広面３２と同様に絶縁板４４との間の間隙にグリスが塗布されている。
【００２９】
図３を参照してパワーカード２０と冷却器８との間の構造について説明する。図３は、図２のＩＩＩ―ＩＩＩにおけるパワーカード２０の部分断面図である。先に述べたように、半導体素子２４は、一対の伝熱板２８、４８で挟まれている。半導体素子２４は平坦なチップであり、Ｘ軸方向正側の幅広面にコレクタ電極が露出しており、他方の幅広面にエミッタ電極が露出している。伝熱板２８は、半導体素子２４のＸ軸方向正側の幅広面に露出しているコレクタ電極と、ハンダ５４により接合しているとともに導通している。伝熱板４８は、半導体素子２４のＸ軸方向負側の幅広面に露出しているエミッタ電極と、ハンダ５４により接合しているとともに導通している。また、半導体素子２６も半導体素子２４と同様に、一対の伝熱板３０、５０で挟まれている。さらに、半導体素子２６も、ハンダ５４により伝熱板３０及び５０と接合しているとともに導通している。先に述べたように、伝熱板２８、３０、４８、５０は、夫々の外周に環状溝２８ａ、３０ａ、４８ａ、５０ａを有している。例えば環状溝２８ａは、伝熱板２８の外周から一定の区間においてパワーカード２０の幅広面３２から一定の深さで形成される凹部である。環状溝２８ａの深さは、伝熱板２８の板厚の半分程度に設定されている。環状溝２８ａの溝幅は、溝の深さと略同じである。環状溝２８ａには、グリス４６が充填されている。他の伝熱板に設けられた環状溝も環状溝２８ａと同様の形状であるため、説明は省略する。
【００３０】
パッケージ３４は、樹脂の射出成形により形成され、伝熱板２８、３０、４８、５０の一面が露出する状態で、夫々の伝熱板を半導体素子２４及び２６とともに封止する。すなわち、パッケージ３４は、各伝熱板及び各半導体素子を覆っている。パッケージ３４を形成する樹脂を射出する際、各環状溝を形成する部位に、射出成形型の凸部を設けることで、射出成型後に各環状溝を形成する部位に樹脂が充填されず、環状溝を形成することができる。なお、半導体素子２４と伝熱板２８又は伝熱板４８の間と、半導体素子２６と伝熱板３０又は伝熱板５０の間には、必要に応じて銅などの導体で構成されるスペーサを設けてもよい。
【００３１】
伝熱板２８、３０、４８、５０は、半導体素子２４、２６の熱を冷却器８に伝える役割と、半導体素子２４、２６の電極と端子３８、４０、４２（図１参照）をつなぐ導電経路の役割を担う。伝熱板２８、３０、４８、５０は半導体素子２４、２６と導通している。また、冷却器８も、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムで作られており、導電性を有している。伝熱板２８、３０、４８、５０と冷却器８の間の短絡を防止するため、パワーカード２０とＸ軸正側の冷却器８の間には絶縁板２２が挟まれている。一方、パワーカード２０とＸ軸負側の冷却器８の間には絶縁板４４が挟まれている。先に述べたように、パワーカード２０と絶縁板２２、４４の間の間隙、及び、絶縁板２２、４４と冷却器８の間の間隙にはグリス４６が塗布されている。グリス４６は、熱の伝達効率を高めるために塗布されている。図３に示すように、パワーカード２０の幅広面３２、５２の略全面における絶縁板２２、４４との間の間隙にグリス４６は塗布されている。すなわち、グリス４６は少なくとも環状溝２８ａ、３０ａ、４８ａ、５０ａの内側に位置する間隙に充填されている。
【００３２】
半導体素子２４、２６を挟んでいる一対の冷却器８は、夫々、半導体素子２４、２６の両方の幅広面と対向している。先に述べたように、伝熱板２８、４８はパッケージ３４の幅広面３２、５２の夫々に露出しており、幅広面３２、５２の略全面には、グリス４６が塗布されている。幅広面３２、５２と冷却器８の間には、夫々に絶縁板２２、４４が挟まれている。絶縁板２２、４４と冷却器８の間にも、グリス４６が塗布されている。半導体素子２４の熱は、この伝熱板２８、４８、グリス４６及び絶縁板２２、４４を通じて冷却器８に吸収される。同様に、半導体素子２６の熱は、伝熱板３０、５０、グリス４６及び絶縁板２２、４４を通じて冷却器８に吸収される。グリス４６は空気よりも高い熱伝導率を有する。すなわち、半導体素子２４、２６と冷却器８の間にグリス抜けが発生すると、半導体素子２４、２６の熱が冷却器８に伝わりづらくなる。別言すれば、半導体素子２４、２６の冷却器８による冷却効率が悪化する。なお、冷却器８は、内部が空洞であり、その空洞が、冷媒の流路となっている。図２では冷媒はＹ軸正側の方向に流れる。即ち、半導体素子２４から半導体素子２６の方向に冷媒が流れる。
【００３３】
ここで、図４〜６を参照して、半導体素子２４が発熱し冷却される熱サイクル発生時の伝熱板２８及びグリスの動きについて説明する。図４〜６は、図３の二点鎖線ＩＶ内の範囲を示す拡大図である。図４〜６では、環状溝２８ａから内側に位置する間隙を内側空間Ｉで表している。先に述べたように、半導体素子２４の熱は伝熱板２８を介して冷却器８へ伝わる。すなわち、冷却器８による冷却効率を悪化させないためには、この内側空間Ｉに、グリス４６が充填されていることが重要である。以下、グリスがこの内側空間Ｉから外側に移動し、元の位置に戻らないことをグリス抜けと表現する。
【００３４】
図４では、半導体素子２４が発熱する前の伝熱板２８とグリス４６の状態を示している。以降、図４〜６を用いて内側空間Ｉの紙面左側の境界部周辺のグリス４６ａの動きについて説明する。グリス４６ａは、内側空間Ｉに存在するグリスである。すなわち、半導体素子２４の熱を伝熱板２８に伝えることができるグリスである。
【００３５】
図５を用いて、半導体素子が発熱して伝熱板の厚みが膨張して伝熱板と冷却板の間の距離が減少した状態について説明する。半導体素子２４の熱により伝熱板２８は、図５に示すように露出面側の厚みが膨張する。このとき、伝熱板２８は、中央部を頂点とする弧を描く断面形状となる。この頂点において伝熱板２８と絶縁板２２の距離は最も減少する。別言すれば、この頂点において伝熱板２８の厚みは最も膨張する。図５に示すように、伝熱板２８の厚みの最大膨張量をδｄとする。
【００３６】
伝熱板２８の厚みの膨張量は、伝熱板２８の中央部において最大となる。すなわち、内側空間Ｉに存在するグリス４６は、中央部において最も薄くなる。従って、内側空間Ｉに存在するグリス４６は、内側空間Ｉの中央部から、外周部へ押し出される。内側空間Ｉの中央部のグリスが外周部へ押し出されることにより、内側空間Ｉの境界部周辺のグリス４６ａ（図４参照）をさらに外側へ押し出す力ｆ１が発生する。図５に示すように、半導体素子が発熱して伝熱板の厚みが膨張して伝熱板と冷却板の間の距離が減少すると、外側へ押し出す力ｆ１により、グリス４６ｂは内側空間Ｉの外に押し出される。
【００３７】
半導体素子２４の発熱が終了すると、半導体素子２４は冷却されて伝熱板２８の厚みが収縮する。これにより、伝熱板２８と絶縁板２２の距離は増大する（図６参照）。すなわち、内側空間Ｉが増大する。これにより、伝熱板２８の厚みが膨張して伝熱板２８と絶縁板２２の間の距離が減少したことで薄く延ばされていたグリス４６の厚みが元に戻る。グリス４６の厚みが元に戻る際、内側空間Ｉの境界部のグリス４６ｃには、グリスの弾性による元の位置に戻ろうとする力ｆ２と、粘性による内側空間Ｉの外側に残留しようとする力ｆ３が働く。グリスの弾性が高くて粘性が低ければ元の位置に戻ろうとする力ｆ２が大きくなり、グリスは抜けにくくなる。逆にグリスの弾性が低くて粘性が高ければ内側空間Ｉの外側に残留しようとする力ｆ３が大きくなり、グリスが抜けやすくなる。
【００３８】
上述したグリスの粘性と弾性との関係を明確にするために、発明者らは、グリスを粘弾性流体として捉え、粘弾性体の特性の一つである損失正接に着目した。ここで、損失正接とは、粘弾性体の変形時における粘性と弾性の関係を表す指標である。グリスの貯蔵弾性率（変位に対する復元のしやすさ）をＧ１、損失弾性率（変位に対する損失のしやすさ）をＧ２とすると、グリスの損失正接は、Ｇ２／Ｇ１で定義される。損失正接が低ければグリスは弾性が高い。また、損失正接が高ければグリスは粘性が高い。損失正接が低ければ、元の位置に戻ろうとする力ｆ２が大きくなる。すなわちグリス抜けが生じにくい。損失正接が高ければ、内側空間Ｉの外側に残留しようとする力ｆ３が大きくなる。すなわちグリス抜けが生じやすい。塗布されるグリスの損失正接とグリスの抜けやすさには相関関係がある。別言すれば、塗布されるグリスの損失正接の値が閾値より高い場合には、半導体素子２４、２６の発熱と冷却を交互に生じる熱サイクルによってグリス抜けが生じる可能性がある。
【００３９】
以下、実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法について説明する。上述した通り、グリスの抜けやすさは、塗布されるグリスの損失正接ｔａｎδと相関関係にある。ここで、図８を用いて、損失正接ｔａｎδと代表的なグリスの歪量の関係を説明する。図８は、横軸がグリスの歪量ε（％）を表し、縦軸が損失正接ｔａｎδを表すグラフである。縦軸の損失正接ｔａｎδは、代表的なグリスについて、電力変換装置２を使用する最高温度における損失正接ｔａｎδを動的粘弾性測定法により求めている。歪量εに対する損失正接ｔａｎδの値をプロットしたものを破線で示している。図８に示すように、歪量εが大きくなるほど、損失正接ｔａｎδも大きくなる。損失正接ｔａｎδの値をプロットした破線は、右方上がりの略直線を示す。すなわち、損失正接ｔａｎδと歪量εは略比例する。例えば歪量εが１０％の損失正接ｔａｎδを用いた場合の比例直線を実線で示す。この比例直線の傾き、すなわち比例定数Ａは０．２６３となる。この比例定数Ａの値は、塗布されるグリスの種類や、使用温度等により決定される定数である。
【００４０】
ここで、電力変換装置２のパワーカード２０に塗布されたグリスの歪量εの算出方法について説明する。グリスの歪みは、伝熱板の熱サイクルによる変形で、グリスが環状溝の外周の内側から外側への移動することにより生じる。グリスの歪量εは、内側空間Ｉの全体のグリスの体積における内側空間Ｉの外へ移動したグリスの体積が占める割合を百分率で表したものである。グリスの移動は、半導体素子の発熱による伝熱板の板厚の膨張により発生する。すなわち、グリスの歪量は、冷却時における環状溝の外周より内側に位置する間隙の体積と、発熱時における環状溝の外周より内側に位置する間隙の体積との間の変化率である。
【００４１】
ここで、損失正接ｔａｎδが大きくなるとグリスは抜けやすく、小さくなるとグリスは抜けにくい。別言すれば、損失正接ｔａｎδはグリス抜けやすさと相関関係にある。従って、設計時に損失正接ｔａｎδに関するグリス抜けやすさＴ０を設定することができる。このグリス抜けやすさＴ０は、グリスの歪量εに比例する。すなわち、上述した比例定数Ａを用いて、グリス抜けやすさＴ０は、
Ｔ０＝Ａε・・・式（８）となる。
式（８）に、上述した式（１）を代入すると、グリス抜けやすさＴ０は、
Ｔ０＝Ａ（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１×１００・・・式（９）となる。
先に述べたように、体積Ｖ１は、変形前の内側空間Ｉの体積を表し、体積Ｖ２は変形後の内側空間Ｉの体積を表す。
【００４２】
上述したように、本明細書に開示するグリスの抜けやすさを推定する方法を用いることで、内側体積Ｉの変化率に比例するグリス抜けやすさＴ０を用いて、グリス抜けが発生しやすい程度を推定することができる。
【００４３】
図９に、グリス抜けやすさＴ０に対する気泡率の測定結果を示す。図９は、グリス抜けやすさＴ０を４と設定した場合と、０．５と設定した場合について、半導体素子の熱サイクル後の内側空間Ｉにおける気泡率を表している。グリスが内側空間Ｉから抜けると、そこに気泡が発生する。すなわち、気泡が多ければ大量のグリスが抜けたこととなる。グリス抜けやすさＴ０が４の場合は気泡発生率が５０％であるのに対し、グリス抜けやすさＴ０を０．５とした場合は気泡率が２０％となっている。すなわち、グリス抜けやすさが大きいほど、気泡率が高い。グリス抜けやすさが大きいほど、大量のグリス抜けが発生している。この結果により、グリス抜けやすさＴ０と熱サイクル後の内側空間における気泡率は相関関係をもつことが確認できる。このような実験結果を用いて、電力変換装置２に求められるグリス抜けやすさＴ０を設定することができる。また、設定されたグリス抜けやすさＴ０に対して許容されるグリスの歪量εを算出することができる。
【００４４】
続いて、上述したグリスの抜けやすさを推定する方法を用いて、パワーカード２０の伝熱板２８における環状溝の必要な体積を計算する方法について説明する。伝熱板２８の露出面の環状溝２８ａの面積をＳｄ、露出面の環状溝２８ａに囲まれた面積をＳｇとする。図５に示すように、半導体素子２４の熱により、伝熱板２８の板厚が膨張する最大膨張量をδｄとする。先に述べたように、伝熱板２８は中央部を頂点とする弧を描くように変形するが、この弧は最大膨張量δｄに対し非常に大きな径を有するため、伝熱板２８の変形する体積は、変形部の断面形状を矩形とみなした体積Ｓｇδｄで近似することができる。また、環状溝２８ａの変形量は、体積Ｓｇδｄに対して極めて小さいため考慮しない。従って、伝熱板２８の板厚が膨張したことにより移動したグリスの体積はＳｇδｄとすることができる。また、図７に示すように、伝熱板２８の露出面と絶縁板２２の間の距離をｄとすると、変形前の内側空間Ｉの体積は、伝熱板に設けられた環状溝の体積Ｖｎと、環状溝以外の体積（Ｓｇ＋Ｓｄ）ｄに分けられる。従って、内側空間Ｉの体積Ｖ１は、
Ｖ１＝（Ｓｇ＋Ｓｄ）ｄ＋Ｖｎ・・・式（１０）となる。
先に述べたように、グリスの歪量εは、半導体素子２４の発熱による内側空間Ｉの体積の変化率であるため、グリス抜けやすさＴ０を満たす環状溝の体積をＶ０とすると、
グリスの歪量ε＝Ｓｇδｄ／｛（Ｓｇ＋Ｓｄ）ｄ＋Ｖ０｝×１００（％）・・・式（１１）となる。
【００４５】
上述した式（８）に、式（１１）を代入し、Ｖ０について表すと、
Ｖ０＝１００ＡＳｇδｄ／Ｔ０−（Ｓｇ＋Ｓｄ）ｄ・・・式（１２）となる。
このように、グリス抜けやすさＴ０を用いて環状溝の体積Ｖ０を求めることができる。すなわち、必要な抜けやすさＴ０以下に押さえるのに必要な環状溝の体積Ｖ０の最小値を計算することができる。電力制御装置の設計段階において、過不足なく環状溝を設けることができる。
【００４６】
図面を参照して、パワーカード２０の伝熱板２８に設ける環状溝の深さを算出する方法について説明する。図２に示す寸法から、環状溝２８ａの面積Ｓｄは、
Ｓｄ＝Ｌｄ１Ｌｄ２−Ｌｇ１Ｌｇ２・・・式（１３）となる。
さらに、露出面の環状溝２８ａに囲まれた面積Ｓｇは、
Ｓｇ＝Ｌｇ１Ｌｇ２・・・式（１４）となる。
環状溝の深さを、図７に示すようにｄｄとすると、上述した式（１２）に、式（１３）、（１４）を代入して、環状溝の深さｄｄについて表すと、
ｄｄ＝｛１００Ａ／Ｔ０×δｄ×Ｌｇ１Ｌｇ２−ｄＬｄ１Ｌｄ２｝／（Ｌｄ１Ｌｄ２−Ｌｇ１Ｌｇ２）・・・式（１５）となる。
このように、必要な抜けやすさＴ０以下に押さえるのに必要な環状溝の深さの最小値を計算することができる。電力制御装置の設計段階において、過不足なく環状溝を設けることができる。
【００４７】
以下、実施例のグリスの抜けやすさを推定する方法を用いることができるパワーカードの変形例について図面を参照して説明する。図１０は、上述したパワーカード２０の変形例のパワーカード２０ａの平面図を示す。パワーカード２０ａでは、凹部が伝熱板２８ではなく、パッケージ３４に設けられている。伝熱板２８、３０はパワーカード２０ａの幅広面３２に露出している。この伝熱板２８、３０の露出面の外周に沿ってパッケージ３４に環状溝３４ａが設けられている。パワーカード２０ａは、伝熱板２８、３０の一面が露出する状態で、伝熱板２８、３０を樹脂製のパッケージ３４で覆ったものである。図１０において破線で表されている半導体素子２４、２６も、伝熱板２８、３０の紙面奥側に配置され、パッケージ３４で覆われている。パワーカード２０ａは、環状溝以外の部位については、上述したパワーカード２０と同様である。そのため、説明は省略する。
【００４８】
図１０では、環状溝３４ａが設けられている領域を斜線で示している。図２のパワーカード２０同様に、環状溝３４ａが設けられている領域を示す２つの斜線の内側に半導体素子２４、２６が夫々に配置されている。すなわち、絶縁板２２の対向面に直交する方向から見たときに、環状溝３４ａは半導体素子２４、２６を取り囲んでいる。また、図１０においても、図２同様に、絶縁板２２が一点鎖線で描かれている。図２同様に、図１０においても、グリスが塗布されている領域が二点鎖線Ｇで描かれている。すなわち、少なくとも環状溝３４ａの外周より内側に位置する絶縁板２２との間の間隙にはグリスが充填されている。
【００４９】
図１１を用いて、環状溝３４ａの断面について説明する。図１１は、図２のＸＩ―ＸＩにおけるパワーカード２０ａの部分断面図である。図１１に示すように、環状溝３４ａの内側の立壁は、伝熱板２８、３０の露出面の幅狭面で形成されている。また、環状溝３４ａの底面と、外側の立壁は、パッケージ３４により形成されている。このように、一部が伝熱板の露出面で形成されている環状溝についても、本明細書では、伝熱板の露出面に設けられた環状溝と表現している。
また、図１１に示すように、パワーカード２０ａの環状溝３４ａの内側にも、グリス４６が充填されている。図１１に示すように、パワーカード２０ａの裏側の幅広面５２にも、環状溝３４ａが設けられている。
【００５０】
半導体素子２４、２６に上述した熱サイクルが発生した場合、塗布されるグリスの損失正接の値が閾値より高い場合にはパワーカード２０ａにおいてもグリス抜けが発生する可能性がある。先に述べたように、このグリスの抜けやすさは、グリスの歪量に比例する。従って、パワーカード２０と同様に式（９）を用いてグリスの抜けやすさを推定することができる。さらに、式（１２）を用いて環状溝３４ａの体積を求めることができる。また、図１０に示す寸法から、パワーカード２０ｂの環状溝３４ａに囲まれた面積はＬｇ１Ｌｇ２となる。従って、図２の環状溝２８ａに囲まれた面積と等しい。
また、環状溝３４ａの面積は、Ｌｄ１Ｌｄ２−Ｌｇ１Ｌｇ２となり、環状溝２８ａの面積と等しい。すなわち、パワーカード２０と同じグリス抜けやすさを設定した場合、環状溝３４ａの体積は、環状溝２８ａと同じ式で記述できる。従ってその場合は、図１１に示すように、環状溝３４ａの深さも、環状溝２８ａの深さと同様にｄｄとすることができる。このように、上述したグリスの推定方法を用いて、電力制御装置の設計段階において、過不足なく環状溝を設けることができる。
【００５１】
また、環状溝は複数設けられてもよい。図１２に、環状溝を伝熱板の露出面に複数設けた場合のパワーカード２０ｂの平面図を示す。パワーカード２０ｂは、例えば伝熱板２８の外周に、互いに並行する２本の環状溝２８ｂ、２８ｃを有している。図１２では、各環状溝が設けられている領域を斜線で示している。内側の環状溝２８ｃが設けられている領域を示す斜線の内側に、半導体素子２４が配置されている。すなわち、絶縁板２２の対向面に直交する方向から見たときに、環状溝２８ｃは半導体素子２４を取り囲んでいる。同様に、環状溝３０ｃも半導体素子２６を取り囲んでいる。また、図１２においても、図２同様に、絶縁板２２が一点鎖線で描かれている。図２同様に、図１２においても、グリスが塗布されている領域が二点鎖線Ｇで描かれている。すなわち、少なくとも外側の環状溝２８ｂ、３０ｂの外周より内側に位置する絶縁板２２との間の間隙にはグリスが充填されている。また、図１３に示すように、パワーカード２０ｂの環状溝２８ｂ、２８ｃ、３０ｂ、３０ｃの内側にも、グリス４６が充填されている。図１３に示すように、パワーカード２０ｂの裏側の幅広面５２に露出する伝熱板４８、５０にも、同様に環状溝４８ｂ、４８ｃ、５０ｂ、５０ｃが設けられている。パワーカード２０ｂは、環状溝以外の部位については、上述したパワーカード２０と同様である。そのため、説明は省略する。
【００５２】
半導体素子２４、２６に上述した熱サイクルが発生した場合、塗布されるグリスの損失正接の値が閾値より高い場合にはパワーカード２０ｂにおいてもグリス抜けが発生する可能性がある。先に述べたように、このグリスの抜けやすさは、グリスの歪量に比例する。従って、パワーカード２０と同様に式（９）を用いてグリスの抜けやすさを推定することができる。さらに、式（１２）を用いて環状溝２８ｂ、２８ｃの体積を求めることができる。パワーカード２０ｂでは式（１２）の環状溝の面積Ｓｄは環状溝２８ｂ、２８ｃの合計値（すなわち、図１２の斜線部の面積の合計値）となる。また、環状溝に囲まれた面積Ｓｇは、伝熱板の環状溝以外の部分の面積の合計値（すなわち、図１２の伝熱板の斜線部以外の面積の合計値）となる。また、同様に、パワーカード２０ｂでは式（１２）の環状溝の体積Ｖ０は、環状溝２８ｂ、２８ｃの体積の合計値となる。このように、上述したグリスの推定方法を用いて、電力制御装置の設計段階において、過不足なく複数の環状溝を設けることができる。
【００５３】
本明細書が開示するグリスの抜けやすさを推定する方法は、上述した電力変換装置に限定されない。環状溝は、絶縁板に設けられていてもよい。また、絶縁板が必要ない電力変換装置の場合は、冷却器の表面に環状溝を設けてもよい。
また、環状溝の断面形状は矩形に限定されない。例えば、断面形状が三角形の環状溝でもよい。
【００５４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５５】
２：電力変換装置
４：冷媒供給管
６：冷媒排出管
８：冷却器
１０、１２：連結パイプ
１４：板バネ
１６：ケース
２０、２０ａ、２０ｂ：パワーカード
２２、４４：絶縁板
２４、２６：半導体素子
２８、３０、４８、５０：伝熱板
２８ａ〜ｃ、３０ａ〜ｃ、４８ａ〜ｃ、５０ａ〜ｃ：環状溝
３２、５２：幅広面
３４：パッケージ
３４ａ：環状溝
３６：制御端子
３８、４０、４２：電極端子
４６、４６ａ〜ｃ：グリス
５４：ハンダ
Ｉ：内側空間
【図１】
2020068324.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020068324.tif 000009
【図８】
2020068324.tif 000010
【図９】
2020068324.tif 000011
【図１０】
2020068324.tif 000012
【図１１】
2020068324.tif 000013
【図１２】
2020068324.tif 000014
【図１３】
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