(57)【要約】【課題】  半導体への高温の悪影響が及ばず、また熱応力差を安価に吸収可能なパワー・モジュール装置を提供する。【解決手段】  パワー・モジュール装置は、基板1と、基板1の一方の面に設けた金属層2にはんだ付けしたパワー半導体3と、複数の冷却通路7b、7cを有し、基板1の他方の面に設けた金属層5にはんだ付けした冷却器7と、を備える。冷却器7には、冷却通路7b、7cに沿って少なくとも１本の窪み7aを形成して、この窪み7aにより冷却通路7b、7cを複数の領域に分割した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の一方の面に設けた金属層にはんだ付けしたパワー半導体と、
複数の冷却通路を有し、前記基板の他方の面に設けた金属層にはんだ付けした冷却器と、
を備えたパワー・モジュール装置において、
前記冷却器は、前記冷却通路に沿って少なくとも１本の窪みを形成して、該窪みにより前記複数の冷却通路を複数の領域にそれぞれ分割した、
ことを特徴とするパワー・モジュール装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー・モジュール装置において、
前記窪みは、前記冷却器の両端部より手前で終わるようにした、
ことを特徴とするパワー・モジュール装置。
【請求項３】
請求項２に記載のパワー・モジュール装置において、
前記基板の他方の面に設けた前記金属層の、前記窪みに対応する部分に、はんだレジストを付けた、
ことを特徴とするパワー・モジュール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気自動車等の駆動用モータへ供給する電力を制御するための半導体素子等を備え、かつこの半導体等を冷却可能なパワー・モジュール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー・モジュール装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この従来のパワー・モジュール装置では、セラミック製絶縁基板の上面にアルミニウムや銅などの金属で回路層が形成されて、この上に半導体素子がはんだ付けされ、またセラミック製絶縁基板の下面にアルミニウムや銅等の金属で金属層が形成されて、これらによりパワー・モジュール用基板が構成される。
上記金属層には、複数の貫通孔が設けられ、高熱伝導性材料であるアルミニウム板からなる応力緩和部材がろう付けされている。
応力緩和部材の下面には、液体または気体を流す複数の冷却流体通路が並列状に設けられた扁平中空状のアルミニウムにより形成されたヒート・シンクがろう付けされている。
なお、別の実施態様にあっては、セラミック製絶縁基板の下面には金属層を形成せずに、応力緩和部材を直接ろう付けしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のパワー・モジュール装置には以下に説明するような問題がある。
すなわち、半導体の発熱量は大きく、これらは高温になるので、これらを冷却するため、セラミック製絶縁基板の半導体とは反対側面には、ヒート・シンクを設けて半導体等を液体または気体で冷却するようにしている。
この場合、これら間での温度差は非常に大きく、熱応力差が生じるので、上記従来のパワー・モジュール装置では、セラミック製絶縁基板とヒート・シンクとの間にアルミニウム製の応力緩和部材を介在させて熱応力差を吸収するようにしている。
【０００５】
しかしながら、応力緩和部材を用いることは、部品点数や固着工数が増えるので、コスト高につながる。
また、応力緩和部材をセラミック製絶縁基板の金属層に、あるいは直接、ろう付けをする場合、セラミック製基板に割れないまでも残留応力が発生することがある。
また、セラミック製基板の下面に設けた金属層に応力緩和部材をろう付けする場合には、そのろう材には、ぬれ性や反応性をよくするため、ろう材にチタニウムなどのセラミックに対し活性な元素をろう材に添加して反応不足や過剰反応が生じないようにする必要があり、さらに、ろう付けの炉内におけるコンタミネ−ションの管理が難しく、この場合もコスト高を避けることができない。
【０００６】
そこで、ろう材に代えてはんだを用いることで接合温度をより低く抑えるなど、上記ろう材に起因する課題を解消することが考えられる。
しかしながら、はんだの場合、その機械的強度はろう材を使用した場合よりも小さく、上記従来のパワー・モジュール装置では上記熱膨張差が非常に大きいので、はんだに作用する熱応力も大きく、はんだの寿命が短くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、基板上の一方の面に設けた緩衝材にパワー半導体をはんだ付けし、その他方の面に設けた緩衝材に冷却器をはんだ付けしたパワー・モジュール装置にあって、熱応力差を安価に吸収することができるようにしたパワー・モジュール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的のため、請求項１に記載の本発明によるパワー・モジュール装置は、
基板と、
基板の一方の面に設けた金属層にはんだ付けしたパワー半導体と、
複数の冷却通路を有し、基板の他方の面に設けた金属層にはんだ付けした冷却器と、
を備えたパワー・モジュール装置において、
冷却器には、冷却通路に沿って少なくとも１本の窪みを形成して、この窪みにより複数の冷却通路を複数の領域にそれぞれ分割した、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明のパワー・モジュール装置は、
請求項１に記載のパワー・モジュール装置において、
窪みが、冷却器の両端部より手前で終わるようにした、
ことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明のパワー・モジュール装置は、
請求項２に記載のパワー・モジュール装置において、
基板の他方の面に設けた金属層の、窪みに対応する部分に、はんだレジストを付けた、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の本発明のパワー・モジュール装置にあっては、基板の他方の面に設けた金属層に冷却器をはんだ付けするので、その際パワー半導体に伝わる熱の温度をろう材の場合より小さく抑えることができる。
さらに、冷却器に冷却通路に沿った窪みが少なくとも１本形成してあるので、高温のパワー半導体と低温の冷却器との間で温度差が大きくなっても、窪みにより熱膨張の力が分割されるようになるので、熱応力が小さくなる。この結果、はんだの寿命を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の本発明のパワー・モジュール装置にあっては、冷却器の端部およびこの近傍には窪みが形成されないので、冷却器の外部の冷却ホース等に接続するようにしても、この接続部から水や空気などの冷却媒体が漏れるのを防止することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明のパワー・モジュール装置にあっては、基板の他方の面に設けた金属層の、窪みに対応する部分に、はんだレジストを付けたので、はんだ付け時に、窪みにはんだが入り込みにくくして、窪みの効果を悪化させる抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１のパワー・モジュール装置の、図２におけるS1−S1線に沿って切断してみた横断面側面図である。
【図２】実施例１のパワー・モジュール装置の平面図である。
【図３】実施例１のパワー・モジュール装置と外部ホース側との接続するジャケット部の拡大斜視図である。
【図４】実施例１のパワー・モジュール装置の冷却器にジャケット部を取り付けた状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
まず、実施例１のパワー・モジュール装置の全体構成を説明する。
この実施例１のパワー・モジュール装置は、本実施例では、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用モータに供給する電力を制御するのに用いられる。
【００１７】
実施例１のパワー・モジュール装置は、図１および図２に示すように、基板１は、セラミック製の絶縁板1aと、この上面に固着される、回路が形成された金属層2と、絶縁板1aの下面に固着された金属層5と、を有する。
金属層2には、駆動用モータへ供給する電力を制御する絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（IGBT）等からなる半導体3がはんだ4によりはんだ付けされている。
一方、金属層5には、はんだ6で冷却器7が、この上面にはんだ付けされている。
【００１８】
冷却器7は、上下両方向から中央側へ向けて凹んだ窪み8が形成されて、この窪み8によりその主要部である第１冷却器部分7Aと第２冷却器部分7Bとの２つの領域に分割されている。これらの第１冷却器部分7Aと第２冷却器部分7Bとは、窪み8の底部を形成する薄厚の接続部分7aで互いに接続されている。
窪み8は、図２に示すように、冷却器7の短手方向中央位置でその長手方向に沿ってその両端部手前まで延在する。すなわち、窪み8は、冷却器7の長手方向の両端部およびこれらの近傍では存在せず、したがって、冷却器7の第１冷却器部分7Aと第２冷却器部分7Bとは、端部同士は厚さが変わることなくそのまま連続して接続しており、端部の間では、厚さが薄くされた窪み8によって段差を介して接続されるように形成されている。
【００１９】
冷却器7は、たとえばアルミニウムで押し出し形成され、第１冷却器部分７Aと第２冷却器部分7Bとには、これらの内部に、たとえば水などの冷却媒体を流す複数の並列した冷却通路7b、7cがそれぞれ設けられている。なお、冷却器7は、図１に示すように、長手方向の両端部およびこれらの近傍にあっては、これらの中間部分を除き、断面は、両側面が円弧状でそれら間が並行に接続された、角が丸められた略長方形の形状となっている。
これらの冷却通路7b、7cは、短手方向に複数本に区切られてそれぞれ長手方向に延び、長手方向の両端はいずれも開口される。第１冷却器部分7Aと第２冷却器部分7bとの一方端部側の開口が、それぞれ外部の冷却水供給用パイプに接続され、それらの他方の開口は冷却水排出用パイプに接続されている。
【００２０】
すなわち、図３（分解状態を示す）および図４（取り付け状態を示す）に示すように、冷却器7の長手方向側両端部の一方には、冷却水供給用パイプに接続する第１ジャケット10が、また他方には、冷却水排出用パイプに接続する第２ジャケット11がそれぞれ取り付けられる。
【００２１】
第１ジャケット10は、冷却器側取付部材12と、ホース接続側取付部材13と、シール部材14と、を有する。
冷却器側取付部材12は、窪み7aが形成されていない、冷却器7の一方の端部に、この外周側を覆うようにして取り付けられる。この冷却器側取付部材12の上下面の中央位置部分からは、冷却通路7b、7cを延長し冷却器7から遠ざかる方向に突出部12aがそれぞれ一体で設けられている。これらの突出部12aには、四角形状の貫通した係止孔12bがそれぞれ形成されている。
【００２２】
一方、ホース接続側取付部材13は、冷却器7とは反対側の面に２本の冷却水供給部13aがパイプ状に形成されて突出されている。これらの冷却水供給部13aは、図示しない外部の冷却水供給ホースにそれぞれ連結される。この冷却水供給ホースは、１本のホースの途中から先端部が二股に分かれるものでも、２本のホースでもよい。
【００２３】
ホース接続側取付部材13の上下面の中央位置には、それぞれ上下方向へ突出する係止部13bが一体で形成される。これらの係止部13bに係止孔12bを係止させることで、冷却器側取付部材12とホース接続側取付部材13とを接続することができる。
【００２４】
なお、この接続にあっては、冷却器側取付部材12とホース接続側取付部材13との間で、かつこれらの内部に、断面U字状のOリングからなるシール部材14が配設された状態で、冷却器側取付部材12とホース接続側取付部材13が組み付けられる。
このとき、シール部材14は、丸い略長方形をした、冷却器7の端部の外周にその一部が接触する。また、それとは反対方向の部分は、ホース接続側取付部材13の図示しない角が丸い略長方形の突起に嵌合され、冷却水が接続部分から外部に漏れるのを防止する。
【００２５】
また、ホース接続側取付部材13の内部空間は、図示しない隔壁部にて第１冷却器部分7Aと第２冷却器部分7Bとに、それぞれ対応する供給側空間と排出側空間とが分離形成される。これらの供給側空間は、それぞれ対応する２個の冷却水供給部13aに連通する。
なお、隔壁部は必ずしも必要ではない。
【００２６】
他方、第２ジャケット11も、第１ジャケット10と同様に、冷却器側取付部材と、ホース接続側取付部材と、シール部材と、で構成され、形状も同じである。ただし、ホース接続側取付部材には、冷却水供給部に代えて冷却水排出部が一体に形成されている。
これらの冷却水排出部は、図示しない外部の冷却水排出ホースに接続される。
【００２７】
なお、実施例１のパワー・モジュール装置にあっては、通常の製造方法にて製造するが、セラミック製の絶縁板1aの下面に設けた金属層5の、冷却器7の窪み7aに対応する部分5aには、はんだレジスト9を塗布しておき、はんだ付け時にはんだが冷却器7の窪み7aに入り込むのを抑制するようにしている。
【００２８】
次に、上記のように構成された実施例１のパワー・モジュール装置の作用について、説明する。
電源がONになると、パワー・モジュール装置にも電流が流れ、半導体3等で駆動用モータへ供給する電力を制御する。このとき、パワー・モジュールは発熱するが、この発熱量は相当大きい。
【００２９】
図示しない外部の冷却系から冷却水供給ホースを介して冷却器7の第１ジャケット10に設けた２つの冷却水供給部13aへ冷却水が流れ込む。冷却水は、冷却器7の第１冷却器部分7Aの冷却通路7bおよび第２冷却器部分7Bの冷却通路7cを流れ、第２ジャケット11へと向かう。
【００３０】
このとき、半導体3等で発熱した熱は、はんだ4、金属層2、セラミック基板1、金属層5、はんだ6を通って冷却器7の第１冷却器部分7Aおよび第２冷却器部分7Bの上面へ伝わり、冷却通路7b、7cを流れる冷却水に吸収される。これにより、半導体3等は冷却され、破損するのを免れる。
【００３１】
冷却器7やはんだ6等とは、熱膨張率が異なるので、これら間に熱応力差が発生する。しかしながら、冷却器7にはその中央位置に冷却通路7b、7cに沿って形成した窪み8があるため、ここで熱応力差の一部が吸収される。この結果、冷却器7やはんだ6等における熱応力差は小さくなり、はんだの寿命がその分延びることになる。
【００３２】
冷却水は、第２ジャケット11から流出してこれに接続された冷却水排出ホースを介して図示しない熱交換器に送られ、ここでたとえば熱交換器に流れ込む走行風によって冷却される。このようにして冷却された水は、図示しないポンプにより冷却水供給ホースを介して、冷却器7へ送られる。
【００３３】
以上の説明から分かるように、実施例１のパワー・モジュール装置にあっては、以下の効果を得ることができる。
冷却器7にこの冷却通路7b、7cに沿って窪み8を設けて、この窪み8により複数の冷却通路を２つの領域に属する冷却水路7b、7cに分割したので、パワー・モジュールでの発熱時に冷却器7を流れる冷却水でパワー・モジュールを冷却するとき、冷却器7とパワー・モジュール側、とりわけはんだ6との間で熱応力差が大きくなるのを、窪み8で吸収するようにしたので、はんだ8等の寿命劣化を抑制することが可能となる。
また、このとき、従来装置のように応力緩和部材を追加する必要もないので、安価にパワー・モジュール装置を製造することができる。
また、ろう付けでなくはんだ付けで行うので、この点でも製造コストを下げることが可能となる。
【００３４】
冷却器7に設ける窪み8は、冷却器7の両端部までは延長せずそれらの手前までで止めるようにしたので、外部のホース等を冷却器7に接続する際、シール部材14の形状を窪み8に関係なく単純な形状にすることができる。この結果、シール性の向上を図れるとともに、シール部材のコストを抑えることが可能となる。
【００３５】
セラミック製基板1の下面に設けた金属層5の、冷却器7の窪み8に対応する部分5aには、はんだレジスト9を塗布してから、はんだ付けを行うようにしたので、はんだが冷却器7の窪み8に入り込み、熱応力を吸収するのを低下させないようにすることが可能となる。
【００３６】
以上、本発明を上記実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
【００３７】
たとえば、本発明のパワー・モジュール装置は、実施例では窪み8を冷却器7の冷却通路7b、7cに沿って１本だけ設けたが、これに限られず、窪み8は複数本設けて、冷却水路を複数の領域に分割するようにしてもよい。
【００３８】
また、第１ジャケット10では、２本の冷却水供給部13aを設けたが、１本あるいは２本より多くてもよい。第２ジャケット11の冷却水排出部も同様である。  あるいは、第１ジャケット10と第２ジャケット11とのうちの一方に、冷却水供給部と冷却水排出部を設けて、これらを隔壁で分離した第１冷却器部分7Aの冷却通路7bおよび第２冷却器部分7Bの冷却通路7cにそれぞれ振り分けて互いに独立するように接続し、第１ジャケット10と第２ジャケット11とのうちの他方は冷却水が第１冷却器部分7Aと第２冷却器部分7Bとの間で１８０度方向を変えるようにしてもよい。
【００３９】
また、本発明のパワー・モジュール装置は、電気自動車やハイブリッド車に限られず、他のシステムに用いてもよい
【符号の説明】
【００４０】
1 基板
1a      セラミック製の絶縁板1a
2        金属層
3        半導体
4        はんだ
5        金属層
5a        部分
6        はんだ
7        冷却器
7A        第１冷却器部分
7B        第２冷却器部分
7a        接続部分
7b、7c    冷却通路
8          窪み
9      はんだレジスト
10      第１ジャケット
11      第２ジャケット
12      冷却器側取付部材
12a     突出部
12b     係止孔
13      ホース接続側取付部材
13a      冷却水供給部
13b      係止部
14       シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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