(57)【要約】【課題】パワーモジュール全体の構造もしくは形状を改良することにより、該パワーモジュールの小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた応力緩和性能を発揮できるパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュール１００は、相互に平行な２つの面材１１，１１と、該面材１１，１１同士を繋ぐ繋ぎ材１２と、が一体に形成された放熱部材１と、面材１１と繋ぎ材１２とで画成された空間に配された冷却器２，２と、絶縁基板３３と、該絶縁基板３３上に搭載された半導体素子３１と、からなる回路ユニット３と、を少なくとも備え、冷却器２と面材１１の間の界面は、該冷却器２と該面材１１が未接着状態で当接している形態と、双方の間に隙間Ｇが存在している形態と、のいずれか一方からなり、２つの回路ユニットの絶縁基板３３，３３が、２つの面材１１，１１のそれぞれに固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に平行な２つの面材と、該面材同士を繋ぐ繋ぎ材と、が一体に形成された放熱部材と、
前記面材と前記繋ぎ材とで画成された空間に配された冷却器と、
絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、からなる回路ユニットと、を少なくとも備え、
前記冷却器と前記面材の間の界面は、該冷却器と該面材が未接着状態で当接している形態と、双方の間に隙間が存在している形態と、のいずれか一方からなり、
２つの回路ユニットの絶縁基板が、前記２つの面材のそれぞれに固定されている、パワーモジュール。
【請求項２】
前記繋ぎ材の端部が前記２つの面材の中央に位置して放熱部材が正面視でＩ型を呈しており、該Ｉ型を構成する繋ぎ材の両側に冷却器が配されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記冷却器と前記面材の間の界面に隙間が存在する形態において、該隙間に放熱性のグリス層が介在している、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱応力緩和性能に優れたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。
【０００３】
ここで、従来のパワーモジュールの実装構造を図９に基づいて説明すると、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体等からなる絶縁基板ｂ（ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒａｚｅｄ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ）ともいう）の一側面に半導体素子ａがはんだ層ｃを介して固定されて回路ユニットｄを成し、絶縁基板ｂの他側面には半導体素子ａからの熱を絶縁基板ｂを介して放熱するための放熱板ｅ（ヒートシンク）、および冷却器ｆがはんだ付けもしくは接着剤にて接合されてパワーモジュールＰが形成されている。ここで、この冷却器ｆは、冷水等の冷媒を還流させる流路ｆ１を備え、流路ｆ１内を還流する冷媒によって放熱板ｅからの放熱とクーリングを図っている。  
【０００４】
上記のごとく、従来のパワーモジュールは各種構成部材の多層積層構造となっているが、たとえば半導体素子の熱膨張率が３ｐｐｍ／Ｋ程度、絶縁基板の熱膨張率が４〜５ｐｐｍ／Ｋ程度、ヒートシンクアルミ板の熱膨張率が２５ｐｐｍ／Ｋ程度と構成部材ごとに熱膨張率が非常に異なっている。
【０００５】
ところで、上記するパワーモジュールがハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求される。しかし、上記のごとく構成部材ごとに熱膨張率が大きく異なっていることから、それぞれの部材を直付けした場合には、温度変化に起因する熱膨張差によって熱応力が構成部材間の接合部に生じ、たとえばはんだ層等の界面でクラックが生じ、これがパワーモジュールの耐久性を低下させる大きな要因となり得る。
【０００６】
特に、近時のパワーモジュールはその小型化が進んでおり、このパワーモジュールの小型化に伴って素子が発する熱もより大きなものとなり、かつ単位面積当りの熱量が増大していること、小型化に伴って構成部材の熱拡散面積が低下していること、冷却器による冷却性能には自ずと限界があること、などから、発熱を許容しながらも、回路ユニットに発熱に伴う変形や応力が作用し難い構造を有するパワーモジュールの開発が急務の課題となっている。
【０００７】
なお、上記するパワーモジュールの冷却器に関する従来技術として特許文献１に開示の技術を挙げることができるが、本発明者等は、パワーモジュール全体の構造もしくは形状を改良することにより、小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた応力緩和性能を発揮できるパワーモジュールの発案に至った。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２５８３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、パワーモジュール全体の構造もしくは形状を改良することにより、該パワーモジュールの小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた応力緩和性能を発揮できるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールは、相互に平行な２つの面材と、該面材同士を繋ぐ繋ぎ材と、が一体に形成された放熱部材と、前記面材と前記繋ぎ材とで画成された空間に配された冷却器と、絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、からなる回路ユニットと、を少なくとも備え、前記冷却器と前記面材の間の界面は、該冷却器と該面材が未接着状態で当接している形態と、双方の間に隙間が存在している形態と、のいずれか一方からなり、２つの回路ユニットの絶縁基板が、前記２つの面材のそれぞれに固定されているものである。
【００１１】
本発明のパワーモジュールは、熱源である半導体素子からの熱を冷却器に放熱させる放熱部材の形状に変更を加え、たとえば、該放熱部材を正面から見た際の形状をその中央を通る面（線）に対して面対象な形状とし、たとえば対象となる上下（もしくは左右）のそれぞれに、絶縁基板と該絶縁基板上に搭載された半導体素子とからなる回路ユニットを配した構造を呈するものである。
【００１２】
上記する放熱部材は、相互に平行な２つの面材と、該面材同士を繋ぐ繋ぎ材と、が一体に形成されたものであり、たとえば、アルミニウムやその合金などを型に流し込んで一体に成形する（たとえば、アルミダイキャストの一体成形品）ことができる。
【００１３】
また、上記放熱部材の好ましい実施の形態として、繋ぎ材の端部が該２つの面材の中央に位置して、放熱部材が正面視でＩ型を呈した形態を挙げることができる。
【００１４】
たとえば、上記するＩ型を呈した放熱部材を取り上げると、中央の繋ぎ材（もしくはウエブ材）と、その両端で該繋ぎ材に直交する方向に延びる２つの面材（もしくはフランジ材）と、からなる構成において、繋ぎ材と２つの面材との間には大きく２つの空間が画成されることとなるが、これらの空間に、他のパワーモジュール構成部材に比して高剛性な冷却器を配することができる。なお、この冷却器も、アルミニウムやその合金などから成形することができ、その内部には、たとえば冷水等の冷媒を還流させる流路が形成されている。
【００１５】
ここで、この冷却器と面材の間の界面、すなわち、それぞれの対向する面の間には、隙間が介在していてもよいし、双方が未接着状態で単に当接していてもよい。いずれの形態であっても、冷却水と面材の間の界面において双方を縁切りすることができる。そのため、熱が作用した際に生じる冷却器の膨張収縮に起因する反りや変形がパワーモジュールの他の構成部材、特に、面材上に搭載された回路ユニットに作用することが効果的に抑止される。
【００１６】
なお、冷却器と面材とは固定されないが、冷却器と繋ぎ材とは、たとえばろう付け等で固定できる。上記する正面視Ｉ型の放熱部材と２つの冷却器とからなる形態に関して言えば、冷却器の熱による膨張収縮に起因する変形等は、面材には十分に作用しない一方で、それが固定された繋ぎ材には作用する。しかし、繋ぎ材の両側に位置する２つの冷却器から同様の変形力が作用し、冷却器が膨張した際には同程度の圧縮力が、冷却器が収縮した際には同程度の引張力がそれぞれ繋ぎ材に作用する。繋ぎ材に圧縮力、引張力のいずれが作用する場合でも、繋ぎ材にはたとえば左右方向からの逆方向で同程度の力が作用することから、これらの作用力はキャンセルされる。また、これらの力が繋ぎ材に作用したとしても、面材上に搭載された回路ユニットには何等の影響も無く、したがって、たとえば絶縁基板と半導体素子を繋ぐはんだ層に対して、従来構造のごときクラックを生じさせるような外力は作用し得ない。
【００１７】
また、冷却器と面材の間に隙間が介在している形態では、繋ぎ材を介して冷却器に半導体素子からの熱が放熱されるし、冷却器と面材が未接着状態で単に当接している形態では、繋ぎ材と面材の双方を介して冷却器に熱が放熱される。
【００１８】
また、本発明によるパワーモジュールの好ましい実施の形態は、前記冷却器と前記面材の間の界面に隙間が存在する形態において、該隙間に放熱性のグリス層が介在しているものである。
【００１９】
放熱性のグリス層とは、たとえばシリコングリスからなる層、セラミックグリスからなる層などのほか、熱伝導接着剤からなる層なども包含される。
【００２０】
面材と冷却器の間の隙間に上記する放熱性のグリス層が介在することにより、冷却器の熱膨張収縮による変形等は該グリス層の可撓性（変形吸収性）によって吸収もしくは緩和され、面材には十分に伝達されない。さらには、放熱性のグリス層によって、面材から冷却器への放熱効果が期待できる。
【００２１】
本発明のパワーモジュールは、上記のごとく、冷却器の熱膨張収縮による変形や反りが回路ユニットに伝達し難く、もって回路ユニット構成部材であるはんだ層や半導体素子にクラック等が生じることを効果的に抑止できる。さらには、面材と冷却器の間に放熱性のグリス層を介在させることで、放熱性能をより一層高めることもできる。これらのことから、本発明のパワーモジュールは、高耐久性や高放熱性が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等に好適である。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、冷却器が熱膨張収縮した際の反りや変形等の外力が回路ユニットに作用することを効果的に抑止することができるため、該反りや変形等に起因するはんだ層や半導体素子に生じ得るクラック等の損傷を抑止でき、もって高耐久なパワーモジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例以外にも、冷却器と面材が未接着状態で当接した形態であってもよい。
【００２４】
図１は、本発明のパワーモジュールの一実施の形態を示した斜視図であり、図２は、図１のII方向の矢視図である。このパワーモジュール１００は、相互に平行な２つの面材１１，１１と、該面材１１，１１同士を繋ぐ繋ぎ材１２と、が一体に形成された放熱部材１と、面材１１と繋ぎ材１２とで画成された空間に配された２つの冷却器２，２と、絶縁基板３３、該絶縁基板３３上にはんだ層３２を介して搭載された半導体素子３１（ＩＧＢＴチップ）からなる回路ユニット３と、から構成されており、特に図２で明らかなように、２つの面材１１，１１の双方に回路ユニット３，３が取付けされた構造を呈している。
【００２５】
放熱部材１や冷却器２は、アルミニウムやその合金などを型に流し込んで一体に成形されたものであり(アルミダイキャスト成形品）、冷却器２では、その内部に冷媒を還流させるための隔壁２１が形成されている。なお、絶縁基板３３も同様に、アルミニウムやその合金から成形されている。
このパワーモジュール１００では、冷却器２と放熱部材１の面材１１の間に隙間Ｇが存在し、冷却器２の一側面と繋ぎ材１２とはろう付けされている。
【００２６】
図からも明らかなように、放熱部材１は、繋ぎ材１２の中央を通り、かつ、面材１１と平行な平面に対して面対象となっており、それぞれの面材１１，１１の同位置に回路ユニット３，３が取付けられるとともに、繋ぎ材１２の両側に同形状および同寸法の冷却器２，２が取り付けられていることから、パワーモジュール全体として前記する平行な平面に対して完全に面対象となっている（図２を参照すれば、線対象である）。
【００２７】
図示するパワーモジュール１００によれば、面材１１と冷却器２との間に隙間Ｇが介在することで、冷却器２に回路ユニット３からの熱が作用した際に生じ得る面材１１方向への膨張収縮変形が、該面材１１に伝達されることが抑止される。
【００２８】
一方、繋ぎ材１２には、両側の冷却器２，２からの膨張収縮変形が作用することとなるが、面材１１，１１は面対象（線対象）であること、双方の同位置には同一の回路ユニット３，３が取り付けられていることから、双方の冷却器２，２の変形は同程度であって、しかも、繋ぎ材１２に作用する力の方向が逆方向となり易い。
【００２９】
すなわち、一方の冷却器２が膨張する際には他方も膨張するし、一方が収縮する際には他方も収縮する傾向にある。そのため、冷却器２，２が膨張収縮する際には、繋ぎ材１２には逆方向の力が作用し、繋ぎ材１２を介して双方の力がキャンセルされ、少なくとも面材１１には伝達され難い。
【００３０】
冷却器２の熱変形が面材１１に伝達され難いことから、従来構造のパワーモジュールで問題となっていた、他部材に比して高剛性の冷却器の熱変形や反りによって、回路ユニットのはんだ層等にクラックが生じ易いといった問題が効果的に解消される。
【００３１】
図３は、本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した斜視図であり、図４は、図３のIV方向の矢視図である。
図３，４で示すパワーモジュール１００Ａがパワーモジュール１００と相違する構成は、パワーモジュール１００Ａでは、パワーモジュール１００の隙間Ｇに放熱性のグリス層４が介層されている点である。
このグリス層４は、放熱性の高いシリコングリス、セラミックグリス、熱伝導接着剤などから形成される。
【００３２】
パワーモジュール１００の場合には、回路ユニット３からの熱は繋ぎ材１２を介して冷却器２に放熱されるが、面材１１と冷却器２の間に放熱性のグリス層４が介在しているパワーモジュール１００Ａでは、この繋ぎ材１２に加えて、面材１１およびグリス層４を介して冷却器２に放熱されることとなり、放熱性能が一層向上する。
【００３３】
次に、図５を参照して、パワーモジュール１００Ａにおける、回路ユニット３から冷却器２への熱の流れと、冷却器２の熱膨張収縮の態様を説明する。
上下の面材１１，１１のそれぞれに取り付けられた回路ユニット３，３が発熱し、これが面材１１，１１に伝熱されると、双方の面材１１，１１には、たとえば図示する曲げモーメントＭ，Ｍが生じる。なお、図示例とは逆方向の曲げモーメントが生じる場合があることは言うまでもない。
【００３４】
パワーモジュール１００Ａが、繋ぎ材１２の中心を通る面（線）で面対象であることから、上下で作用する曲げモーメントＭ，Ｍは逆方向となり、したがって、パワーモジュール１００Ａ全体としては、曲げモーメントがキャンセルされる。したがって、仮に図示するパワーモジュール１００Ａが不図示のハウジングや他部材に固定される場合には、これらの被固定部材に偏心曲げを作用させないという効果を奏する。
【００３５】
また、既述するように、回路ユニット３からの熱は、繋ぎ材１２およびグリス層４を介して冷却器２に放熱される（図中のＹ２の熱流れ、Ｙ１の熱流れ）。
さらに、双方の冷却器２，２に熱が作用した際には、繋ぎ材１２に対しては双方の冷却器２，２の膨張収縮変形（図中のＸ２方向）がともに逆方向に作用し易いことから、繋ぎ材１２には圧縮力や引張力が作用するが、図からも明らかなように、これらの変形力が面材１１に伝達される可能性は極めて低い。
【００３６】
一方、冷却器２の面材１１方向への膨張収縮変形（図中のＸ１方向）は、グリス層４の変形吸収性能にて効果的に吸収され、これも面材１１に伝達され難い。
【００３７】
したがって、回路ユニット３からの伝熱によって冷却器２が変形した場合でも、この変形や反りが回路ユニット３に作用することが抑止されるため、回路ユニット３の構成部材の中でも相対的に強度的弱部であるはんだ層３２に、クラック等が生じることはない。
【００３８】
[従来構造のパワーモジュール（比較例）と、図３で示す本発明のパワーモジュール（実施例）を対象とした伝熱解析および熱応力解析と、それらの結果]
本発明者等は、図３で示す構造のパワーモジュールであって、その全体寸法が、２３ｍｍ×３５ｍｍ×高さ１０ｍｍの解析モデル（実施例）と、該実施例から繋ぎ材が取り除かれ、かつ、一方の面材のみに回路ユニットが搭載されて実施例と同寸法の従来構造の解析モデル（比較例）をコンピュータ内で作成し、公知の伝熱解析および熱応力解析ソフト（ＡＢＡＱＵＳ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｖ６．６）を使用して、双方のモデルの伝熱解析と熱応力解析を実施した。
【００３９】
なお、伝熱解析では、回路ユニットにおける発熱量を４００Ｗ、パワーモジュール全体の熱伝達係数を２５０００（Ｗ／ｍ２Ｋ）に条件設定し、熱応力解析では、均一温度分布にて−４０℃と１０５℃の冷熱サイクルを負荷した。
【００４０】
伝熱解析結果であって、回路ユニットにおける最高温度を示した結果を図６に、熱応力解析結果であって、パワーモジュール全体の反り量を図７に、回路ユニットのはんだ層における塑性ひずみエネルギーを図８に、それぞれ示している。
【００４１】
伝熱解析結果を示した図６より、回路ユニットにおける最高温度は、比較例で２７０℃を超えたが、実施例では２４０℃程度に留まり、３０℃以上もの放熱効果が期待できることが特定された。
【００４２】
熱応力解析のうち、パワーモジュールの反り量の結果を示した図７より、比較例では０．２ｍｍもの反り量となったのに対して、実施例では０．０３ｍｍ程度に留まり、実施例では、パワーモジュール全体の変形量を格段に低減できることが特定された。
【００４３】
さらに、熱応力解析のうち、はんだ層における塑性ひずみエネルギーの結果を示した図８より、比較例では０．６３３（ＭＪ／ｍ３）のひずみエネルギーが蓄積されるのに対して、実施例では０．６２９（ＭＪ／ｍ３）に留まることが特定された。ここで、実施例では、はんだ層に生じるクラックを大幅に低減できることが特定された。
【００４４】
このように高品質で高性能、高耐久なパワーモジュールは、搭載機器に高放熱性、高耐久性を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のパワーモジュールの一実施の形態を示した斜視図である。
【図２】図１のII方向の矢視図である。
【図３】本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した斜視図である。
【図４】図３のIV方向の矢視図である。
【図５】図４を使用して、回路ユニットから冷却器への熱の流れと、冷却器の熱膨張収縮を説明した図である。
【図６】従来構造のパワーモジュール（比較例）と、図３で示す本発明のパワーモジュール（実施例）を対象とした伝熱解析の結果に関するグラフである。
【図７】従来構造のパワーモジュール（比較例）と、図３で示す本発明のパワーモジュール（実施例）を対象とした熱応力解析の結果のうち、はんだ層における塑性ひずみエネルギーに関する解析結果である。
【図８】従来構造のパワーモジュール（比較例）と、図３で示す本発明のパワーモジュール（実施例）を対象とした熱応力解析の結果のうち、パワーモジュールの反りに関するグラフである。
【図９】従来構造のパワーモジュールを説明した模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…放熱部材、１１…面材、１２…繋ぎ材、２…冷却器、２１…隔壁、３…回路ユニット、３１…半導体素子、３２…はんだ層、３３…絶縁基板、４…グリス層、１００，１００Ａ…パワーモジュール、Ｇ…隙間
【図１】
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【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】
2010114129.tif 000009
【図８】
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【図９】
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