(57)【要約】【課題】パワーモジュールに液体冷媒を流して冷却するときに、液体冷媒から受ける抵抗力が低減するパワーモジュールを提供する。【解決手段】基板３と、基板上に配設される半導体チップ７および第２の基板上回路層９と、これらの半導体チップ７および第２の基板上回路層９を接続する板状のビームリード１１とを備えたパワーモジュール１である。ビームリード１１は、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７と、これらを結合する立壁面１９と、を有する。ビームリード１１の立壁面１９は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒の流れ方向ＦＬに沿って延在し、立壁面１９における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部２１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料で構成される基板（３）と、該基板上に配設される複数の電気的素子（５，７，９）と、これら複数の電気的素子を接続する板状のビームリード（１１，１１１，２１１，３１１）と、を備え、前記ビームリードは、前記電気的素子のそれぞれに接合される接合部（１５，１７）と、これらの接合部同士を結合する連結部（１９，１１９，１２０，１２２，２１９，２２０，２２２）と、を有するパワーモジュール（１）であって、
前記ビームリードにおける連結部は、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向に沿って延在すると共に、
前記連結部における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部（２１，１２１，２２１，３２１）を設けたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記連結部に設けた延長部（３２１）に、液体冷媒の流れ方向下流側に向けて延びる切り込み部（３２３）を形成したことを特徴とする請求項１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、パワーモジュールに係り、特に車両に搭載するのに好適なパワーモジュールを液体冷媒によって冷却する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載されるパワーモジュールの開発が進められている（例えば、特許文献１等参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載されたパワーモジュールにおいては、絶縁基板上に設けられた半導体チップと基板上回路層とを、ビームリードを介して接続している。
【０００４】
前記ビームリードは、銅やアルミニウム等からなる長尺状の金属板を折り曲げて成形される。具体的には、ビームリードにおける長手方向の両端にチップ側接合部および回路側接合部を設け、これらのチップ側接合部および回路側接合部同士を立ち上がり部および渡り部を介して一体に結合している。前記チップ側接合部を半導体チップ上にはんだを介して接合すると共に、前記回路側接合部を基板上回路層上にはんだを介して接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−５０３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されるパワーモジュールに対して横方向から絶縁性の液体冷媒を流して冷却しようとすると、ビームリードの立ち上がり部等に液体冷媒が当たってビームリードに荷重（抵抗力）がかかり、チップ側接合部や回路側接合部のはんだ部分が損傷するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、パワーモジュールに液体冷媒を流して冷却するときに、液体冷媒から受ける抵抗力が低減す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】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係るパワーモジュールの第１の態様では、絶縁材料で構成される基板と、該基板上に配設される複数の電気的素子と、これら複数の電気的素子を接続する板状のビームリードと、を備え、前記ビームリードは、前記電気的素子のそれぞれに接合される接合部と、これらの接合部同士を結合する連結部と、を有する。前記ビームリードにおける連結部は、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向に沿って延在すると共に、前記連結部における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部を設けている。
【０００９】
本発明に係るパワーモジュールの第２の態様では、前記連結部の延長部に、液体冷媒の流れ方向下流側に向けて延びる切り込み部を形成している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【００１１】
すなわち、第１の態様に係るパワーモジュールでは、ビームリードにおける連結部は、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向に沿って延在している。従って、絶縁性の液体冷媒を流した場合に、ビームリードの連結部が液体冷媒から受ける抵抗力が低減される。また、液体冷媒を流す冷却装置に設けられたポンプの負荷も低減される。このように、液体冷媒から受けるビームリードの抵抗力や冷却装置のポンプの負荷を増大させることなく、パワーモジュールの冷却効率を向上させることができる。
【００１２】
また、連結部における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部を設けている。従って、ビームリードを冷却する面積が増大し、パワーモジュールの冷却効率をさらに向上させることができる。なお、延長部を上流側に設けると、流れる液体冷媒によって延長部がねじれてしまい、ビームリードにねじれ力が作用するため、流れ方向下流側の端部に延長部を形成することが好ましい。
【００１３】
次に、第２の態様に係るパワーモジュールでは、連結部に設けた延長部に、液体冷媒の流れ方向下流側に向けて延びる切り込み部を形成している。
【００１４】
ビームリードの連結部に延長部を設けると、延長部の分だけ、ビームリード全体の熱による収縮応力が増大してしまう。従って、延長部に切り込み部を形成すれば、熱による収縮応力が低減される。さらに、延長部に切り込み部を形成すれば、切り込み部が液体冷媒に接触する表面積が増大するため、ビームリードの冷却効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。
【図２】図１におけるビームリードを示す斜視図である。
【図３】図２のビームリードを示しており、（ａ）はビームリードの平面図、（ｂ）は側面図、および、（ｃ）は後面図である。
【図４】第２の実施形態に係るビームリードを示す斜視図である。
【図５】図４のビームリードを示しており、（ａ）はビームリードの平面図、（ｂ）は側面図、および、（ｃ）は後面図である。
【図６】第３の実施形態に係るビームリードを示す斜視図である。
【図７】図６のビームリードを示しており、（ａ）はビームリードの平面図、（ｂ）は側面図、および、（ｃ）は後面図である。
【図８】第４の実施形態に係るビームリードを示す斜視図である。
【図９】図８のビームリードを示しており、（ａ）はビームリードの平面図、（ｂ）は側面図、および、（ｃ）は後面図である。
【図１０】第５の実施形態に係るビームリードを示す斜視図である。
【図１１】図１０のビームリードを示しており、（ａ）はビームリードの平面図、（ｂ）は側面図、および、（ｃ）は後面図である。
【図１２】第６の実施形態に係るビームリードを示す斜視図である。
【図１３】図１２のビームリードを示しており、（ａ）はビームリードの平面図、（ｂ）は側面図、および、（ｃ）は後面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一例としての実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の図において、構成を判りやすく説明するために、便宜上、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向をＦＬ、流れ方向の下流側をＲＲ、流れ方向の上流側をＦＲ、上流側に向かって右手側をＲＨ、左手側をＬＨ、上側をＵＰＲ、下側をＬＷＲとする。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１〜図３を参照して、第１の実施形態に係るパワーモジュールおよびビームリードについて説明する。
【００１８】
図１に示すように、第１の実施形態に係るパワーモジュール１は、絶縁材料で構成される基板３と、該基板３上に配設される複数（図１では２つ）の第１および第２の基板上回路層５，９（電気的素子）と、第１の基板上回路層５上に接合される半導体チップ７（電気的素子）と、該半導体チップ７および第２の基板上回路層９の上面同士７ａ，９ａを接続する板状のビームリード１１と、を備えている。なお、図１では、半導体チップ７、第１の基板上回路層５、第２の基板上回路層９、および、ビームリード１１を１つずつしか記載していないが、これらを複数設けてもよい。前記半導体チップ７は、チップ下はんだ１３を介して第１の基板上回路層５の上面５ａに接合されている。また、「電気的素子」として、第１の実施形態では、半導体チップ７および第１および第２の基板上回路層５，９を例示するが、電気的素子は、これらに限定されない。
【００１９】
次いで、図２，３を用いて、第１の実施形態に係るビームリード１１について説明する。
【００２０】
このビームリード１１は、下側に配置されて絶縁性の液体冷媒の流れ方向ＦＬに沿って前後方向に所定間隔をおいて配置されたチップ側接合面１５（接合部）および回路層側接合面１７（接合部）と、これらのチップ側接合面１５および回路層側接合面１７における右側端１５ａ，１７ａから屈曲して上側に延びる立壁面１９（連結部）と、該立壁面１９における流れ方向ＦＬの下流側の端部に形成された延長部２１と、から一体に構成されている。従って、ビームリード１１を後方から見ると、図３（ｃ）に示すように、Ｌ字状になっている。また、前記チップ側接合面１５は、図１における半導体チップ７の上面７ａにリード下はんだ２３を介して接合され、回路層側接合面１７は、図１における第２の基板上回路層９の上面９ａにリード下はんだ２５を介して接合される。図２，３に示すように、延長部２１は、便宜上、点ハッチングで示している。また、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７は、立壁面１９を介して連結されている。なお、ビームリード１１の材質は、銅やアルミニウム等が好ましい。
【００２１】
ここで、前記ビームリード１１における立壁面１９は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向ＦＬ（前後方向）に沿って長方形状に延在している。さらに、前記立壁面１９には、液体冷媒の流れ方向下流側の端部に下流側に向けて延在する延長部２１が形成されている。この延長部２１は矩形状に形成されている。なお、立壁面１９における流れ方向中央部の下端には、矩形状の切欠き２７が形成されている。また、第１の実施形態では、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７を「接合部」とし、立壁面１９を「連結部」としている。
【００２２】
以下に、第１の実施形態による作用効果を説明する。
（１）ビームリード１１は、チップ側接合面１５（接合部）および回路層側接合面１７（接合部）と、これらのチップ側接合面１５と回路層側接合面１７とを結合する立壁面１９（連結部）と、を有する。前記ビームリード１１における立壁面１９は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向ＦＬに沿って延在すると共に、前記立壁面１９における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部２１を設けている。
【００２３】
このように、立壁面１９は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒の流れ方向ＦＬに沿って延在しているため、ビームリード１１の立壁面１９が液体冷媒から受ける抵抗力が低減される。また、液体冷媒を流す図外の冷却装置に設けられたポンプの負荷も低減される。このように、液体冷媒からビームリード１１が受ける抵抗力や冷却装置のポンプの負荷を増大させることなく、パワーモジュール１の冷却効率を向上させることができる。
【００２４】
また、立壁面１９における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部２１を設けている。従って、ビームリード１１を冷却する面積が増大し、パワーモジュール１の冷却効率をさらに向上させることができる。なお、延長部２１を上流側に設けると、流れる液体冷媒によって延長部２１がねじれてしまい、ビームリード１１にねじれ力が作用するため、流れ方向下流側の端部に延長部２１を形成している。
【００２５】
［第２の実施形態］
次いで、第２の実施形態について説明するが、第１の実施形態と同一部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
【００２６】
図４，５に示すように、このビームリード１１１は、下側に配置されて液体冷媒の流れ方向ＦＬに沿って所定間隔をおいて配置されたチップ側接合面１５および回路層側接合面１７（接合部）と、これらのチップ側接合面１５および回路層側接合面１７における右側端１５ａ，１７ａから屈曲して上側に延びる一対の立壁面１１９，１２０（連結部）と、該立壁面１１９，１２０における上端１１９ａ，１２０ａから屈曲して左側に延在する橋渡し面１２２（連結部）と、該橋渡し面１２２における流れ方向ＦＬの下流側の端部に形成された延長部１２１と、から一体に構成されている。従って、ビームリード１１１を後方から見ると、図５（ｃ）に示すように、コ字状になっている。また、一対の立壁面１１９，１２０は、橋渡し面１２２を介して連結されている。
【００２７】
ここで、前記ビームリード１１１における立壁面１１９，１２０および橋渡し面１２２は、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向ＦＬに沿って延在している。さらに、前記橋渡し面１２２には、液体冷媒の流れ方向下流側の端部に下流側に向けて延在する延長部１２１が形成されている。この延長部１２１は矩形状に形成されている。また、第２の実施形態では、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７を「接合部」とし、立壁面１１９，１２０と橋渡し面１２２とを「連結部」としている。
【００２８】
以下に、第２の実施形態による作用効果を説明する。
（１）ビームリード１１１は、チップ側接合面１５（接合部）および回路層側接合面１７（接合部）と、これらから延びる一対の立壁面１１９，１２０（連結部）と、一対の立壁面１１９，１２０同士を結ぶ橋渡し面１２２（連結部）と、を有する。前記ビームリード１１における立壁面１１９，１２０および橋渡し面１２２は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向ＦＬに沿って延在すると共に、前記橋渡し面１２２における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部１２１を設けている。
【００２９】
このように、立壁面１１９，１２０および橋渡し面１２２は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒の流れ方向ＦＬに沿って延在しているため、ビームリード１１１の立壁面１１９，１２０および橋渡し面１２２が液体冷媒から受ける抵抗力が低減される。また、液体冷媒を流す冷却装置に設けられたポンプの負荷も低減される。このように、液体冷媒からビームリード１１１が受ける抵抗力や冷却装置のポンプの負荷を増大させることなく、パワーモジュール１の冷却効率を向上させることができる。
【００３０】
また、延長部１２１によって、ビームリード１１１を冷却する面積が増大し、パワーモジュール１の冷却効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
［第３の実施形態］
次いで、第３の実施形態について説明するが、第１および第２の実施形態と同一部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
【００３２】
図６，７に示すように、このビームリード２１１は、下側に配置されて液体冷媒の流れ方向ＦＬに直交する左右方向に沿って所定間隔をおいて配置されたチップ側接合面１５（接合部）および回路層側接合面１７（接合部）と、これらのチップ側接合面１５および回路層側接合面１７の左右方向の端部から上方に向けて屈曲して延びる一対の立壁面２１９，２２０（連結部）と、これらの立壁面２１９，２２０の上端同士２１９ａ，２２０ａを連結するように左右方向に沿って延在する橋渡し面２２２（連結部）と、から一体に構成されている。従って、ビームリード２１１を前後方向から見ると、図７（ｃ）に示すように、ハット状になっている。
【００３３】
ここで、前記ビームリード２１１における立壁面２１９，２２０および橋渡し面２２２は、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向ＦＬに沿って延在している。さらに、前記橋渡し面２２２には、液体冷媒の流れ方向下流側の端部に下流側に向けて延在する延長部２２１が形成されている。この延長部２２１は矩形状に形成されている。また、第３の実施形態では、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７を「接合部」とし、立壁面２１９，２２０と橋渡し面２２２とを「連結部」としている。
【００３４】
以下に、第３の実施形態による作用効果を説明する。
（１）ビームリード２１１は、チップ側接合面１５（接合部）および回路層側接合面１７（接合部）と、これらから延びる一対の立壁面２１９，２２０（連結部）と、一対の立壁面２１９，２２０同士を結ぶ橋渡し面２２２（連結部）と、を有する。前記ビームリード２１１における立壁面２１９，２２０および橋渡し面２２２は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向ＦＬに沿って延在すると共に、前記橋渡し面２２２における液体冷媒の流れ方向下流側の端部に、下流側に向けて延びる延長部２２１を設けている。
【００３５】
このように、立壁面２１９，２２０および橋渡し面２２２は、パワーモジュール１を冷却する液体冷媒の流れ方向ＦＬに沿って延在しているため、ビームリード２１１の立壁面２１９，２２０および橋渡し面２２２が液体冷媒から受ける抵抗力が低減される。また、液体冷媒を流す冷却装置に設けられたポンプの負荷も低減される。このように、液体冷媒からビームリード２１１が受ける抵抗力や冷却装置のポンプの負荷を増大させることなく、パワーモジュール１の冷却効率を向上させることができる。
【００３６】
また、延長部２２１によって、ビームリード２１１を冷却する面積が増大し、パワーモジュール１の冷却効率をさらに向上させることができる。
【００３７】
［第４の実施形態］
次いで、第４の実施形態について説明するが、第１〜第３の実施形態と同一部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
【００３８】
図８，９に示すように、このビームリード３１１は、下側に配置されて液体冷媒の流れ方向ＦＬに直交する左右方向に沿って所定間隔をおいて配置されたチップ側接合面１５（接合部）および回路層側接合面１７（接合部）と、これらのチップ側接合面１５および回路層側接合面１７の左右方向の端部から上方に向けて屈曲して延びる一対の立壁面２１９，２２０（連結部）と、これらの立壁面２１９，２２０の上端同士２１９ａ，２２０ａを連結するように左右方向に沿って延在する橋渡し面２２２（連結部）と、から一体に構成されている。従って、ビームリード３１１を前後方向から見ると、図９（ｃ）に示すように、ハット状になっている。
【００３９】
ここで、前記ビームリード３１１における立壁面および橋渡し面は、パワーモジュールを冷却する液体冷媒を流した場合の流れ方向に沿って延在している。さらに、前記橋渡し面２２２には、液体冷媒の流れ方向下流側の端部に下流側に向けて延在する延長部３２１が形成されている。この延長部３２１は矩形状に形成されている。さらに、本実施形態では、延長部３２１に、液体冷媒の流れ方向下流側に向けて延びる切り込み部３２３を形成している。本実施形態では、４本の切り込み部３２３を形成しているが、本数は限定されない。また、第４の実施形態では、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７を「接合部」とし、立壁面２１９，２２０と橋渡し面２２２とを「連結部」としている。
【００４０】
以下に、第４の実施形態による作用効果を説明する。
（１）前記橋渡し面２２２（連結部）の延長部３２１に、液体冷媒の流れ方向下流側に向けて延びる切り込み部３２３を形成している。
【００４１】
ビームリード３１１の橋渡し面２２２に延長部３２１を設けると、延長部３２１の分だけ、熱による収縮応力が増大してしまう。従って、延長部３２１に切り込み部３２３を形成すれば、熱による収縮応力が低減される。さらに、延長部３２１に切り込み部３２３を形成すれば、切り込み部３２３における液体冷媒が接触する表面積が増大するため、ビームリード３１１の冷却効率が向上する。
【００４２】
［第５の実施形態］
次いで、第５の実施形態について説明するが、第１〜第４の実施形態と同一部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
【００４３】
図１０，１１に示すように、本実施形態に係るビームリード４１１においては、第３の実施形態に係るビームリード２１１に対して橋渡し面を波板に形成している。
【００４４】
具体的には、本実施形態によるビームリード４１１の橋渡し面４２２は、液体冷媒の流れ方向ＦＬに直交する方向である左右方向に行くに従って上下に起伏（凹凸）を繰り返す波状に形成されている。即ち、図１０および図１１（ｃ）に示すように、前後方向から見ると、上方に突出する逆Ｖ字状の凸部４２３，４２５が左右に２つ並列されている。また、前記橋渡し面４２２には、液体冷媒の流れ方向下流側の端部に下流側に向けて延在する延長部４２１が形成されている。この延長部４２１も、橋渡し面４２２と同一形状の波状に形成されている。また、第５の実施形態では、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７を「接合部」とし、立壁面２１９，２２０と橋渡し面４２２とを「連結部」としている。
【００４５】
以下に、第５の実施形態による作用効果を説明する。
（１）前記橋渡し面４２２は、液体冷媒の流れ方向ＦＬに直交する方向である左右方向に行くに従って上下に起伏（凹凸）を繰り返す波状に形成されている。
【００４６】
従って、橋渡し面を平坦にした場合（図６参照）と第５の実施形態に係る波状の橋渡し面４２２とについて、左右方向の幅寸法を同一にした場合、第５の実施形態の橋渡し面４２２の方が液体冷媒に接触する面積が大きくなるため、冷却効率も向上する。
【００４７】
さらに、波状に屈曲させることによって、橋渡し面４２２の剛性が向上する。
【００４８】
［第６の実施形態］
次いで、第６の実施形態について説明するが、第１〜第５の実施形態と同一部位には、同一符号を付けて説明を省略する。
【００４９】
図１２，１３に示すように、本実施形態に係るビームリード５１１においては、第１の実施形態に係るビームリード１１に対して立壁面を波板に形成している。
【００５０】
具体的には、本実施形態によるビームリード５１１の立壁面５１９は、上下方向に行くに従って左右に起伏（凹凸）を繰り返す波状に形成されている。即ち、図１２および図１３（ｃ）に示すように、前後方向から見ると、Ｚ字状に屈曲している。また、前記立壁面５１９には、液体冷媒の流れ方向下流側の端部に下流側に向けて延在する延長部５２１が形成されている。この延長部５２１も、立壁面５１９と同一形状の波状に形成されている。また、第６の実施形態では、チップ側接合面１５および回路層側接合面１７を「接合部」とし、立壁面５１９を「連結部」としている。
【００５１】
以下に、第６の実施形態による作用効果を説明する。
（１）前記立壁面５１９は、上下方向に行くに従って左右に起伏（凹凸）を繰り返す波状に形成されている。
【００５２】
従って、立壁面を平坦にした場合（図２参照）と第６の実施形態に係る波状の立壁面５１９とについて、上下方向の高さ寸法を同一にした場合、第６の実施形態の方が液体冷媒に接触する面積が大きくなるため、冷却効率も向上する。
【００５３】
さらに、波状に屈曲させることによって、立壁面５１９の剛性が向上する。
【００５４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５５】
例えば、前述した実施形態において、ビームリード１１は、半導体チップ７と第２の基板上回路層９とを接続しているが、２つの基板上回路層同士を接続するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１  パワーモジュール
３  基板
５  第１の基板上回路層（電気的素子）
７  半導体チップ（電気的素子）
９  第２の基板上回路層（電気的素子）
１１，１１１，２１１，３１１  ビームリード
１５  チップ側接合面（接合部）
１７  回路側接合面（接合部）
１９，１１９，１２０  立壁面（連結部）
１２２  橋渡し面（連結部）
２１９，２２０  立壁面（連結部）
２２２  橋渡し面（連結部）
２１，１２１，２２１，３２１  延長部
３２３  切り込み部
【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】
2015146405.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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