(57)【要約】【課題】二階建て構造のパワー半導体モジュール装置においてパワー半導体モジュールから制御回路基板への熱放射の低減を簡素な構造にて実現可能な半導体モジュール装置を提供すること。【解決手段】小さい熱伝導率を有する遮熱板３がヒートシンク板１に固定されてIPM２とプリント回路基板５との間に延在する。遮熱板３はIPM２をヒートシンク板１に押しつけて固定する機能ももつ。ヒートシンク板１に対するIPM２の横方向への相対変位は、ヒートシンク板１のストッパ突起１３、１４とIPM2の凹溝２１、２２との嵌合により良好に規制される。【選択図】図１
2007234753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールと、前記半導体モジュールの一主面が熱伝導良好に密着する受熱面をもつヒートシンク板とを備える半導体モジュール装置において、
前記ヒートシンク板に固定されるともに、前記ヒートシンク板と平行配置された回路基板と前記半導体モジュールとの間に延在して前記半導体モジュールの前記回路基板側の他主面に密着する良断熱性の遮熱板を有することを特徴とする半導体モジュール装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体モジュール装置において、
前記遮熱板は、前記半導体モジュールを前記ヒートシンク板に押圧する半導体モジュール装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体モジュール装置において、
前記遮熱板は、
前記ヒートシンク板に締結されて前記半導体モジュールを前記ヒートシンク板に押圧するモジュール押圧板部と、
前記モジュール押圧板部の主面に密着する良断熱性の遮熱板部と、
を有する半導体モジュール装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体モジュール装置において、
前記遮熱板部は、
電気絶縁性を有して前記モジュール押圧板の前記回路基板側の主面に密着する半導体モジュール装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体モジュール装置において、
前記回路基板は、前記半導体モジュールに向けて突出して前記半導体モジュールの表面に接する温度検出素子を有し、
前記遮熱板は、前記温度検出素子の脚部が貫通する温度検出素子貫通孔を有する半導体モジュール装置。
【請求項６】
半導体モジュールと、前記半導体モジュールの主面が熱伝導良好に密着する受熱面をもつヒートシンク板とを備える半導体モジュール装置において、
前記ヒートシンク板に固定されて前記半導体モジュールを前記ヒートシンク板に押圧するモジュール押圧板を有し、
前記半導体モジュールおよび前記ヒートシンク板は、前記ヒートシンク板の面方向への前記半導体モジュールの相対変位を規制する凹凸部を有することを特徴とする半導体モジュール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子が内蔵された半導体モジュールを含む半導体モジュール装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子を内蔵するパワー半導体モジュール（以下、単に半導体モジュールとも言う）は大電流を高周波数でスイッチングするのが通常であるため電力損失すなわち発熱量が大きいという問題があった。このため、半導体モジュールの一主面をヒートシンク板に密着させてその冷却を図るのが普通である。また、制御回路ＩＣなどの熱に敏感な回路部品をこの半導体モジュールからできるだけ離して配置していた。たとえばこれら制御回路ＩＣなどの電子部品を、パワー半導体モジュールとは別に設けられた制御回路用プリント回路基板に実装するのが通常であった。ただし、制御回路用プリント回路基板とパワー半導体モジュールとを別に配置すると、装置面積が増大するため、半導体モジュールの上方にプリント回路基板を配置する装置構造がいわゆる二階建て方式としてたとえば下記の特許文献１、特許文献２などに記載されている。
【０００３】
ただし、この二階建て方式のパワー半導体モジュール装置においても、実装密度向上のためにパワー半導体モジュールとプリント回路基板とを接近させると、高温のパワー半導体モジュールからプリント回路基板への熱放射量が大きくなり、プリント回路基板に実装した回路素子に悪影響が生じる可能性が生じた。
【０００４】
この問題を改善するべく、下記の特許文献３は、パワー半導体モジュールと制御基板との間に吸熱・伝熱板を配置することを提案している。
【特許文献１】特開２００１−１５６２５２号公報
【特許文献２】特開２００４−１９０５４７号公報
【特許文献３】特開２００１−１４５３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３が提案する半導体モジュールとプリント回路基板との間に吸熱・伝熱板を介在させる構造は、この吸熱・伝熱板から冷却フィンへの伝熱により放熱する構成であるため、吸熱・伝熱板が金属製となり、吸熱・伝熱板とプリント回路基板やパワー半導体モジュールの端子などと間の電気絶縁の確保が問題となる。更に、吸熱・伝熱板からプリント回路基板への熱放射を低減するためには吸熱・伝熱板の温度を低下する必要があるが、吸熱・伝熱板の温度低下のためには、吸熱・伝熱板から冷却フィンへの伝熱量を増大させることが必要となり、装置体格の増大が生じた。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、二階建て構造のパワー半導体モジュール装置においてパワー半導体モジュールから制御回路基板への熱放射の低減を簡素な構造にて実現可能な半導体モジュール装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する第一発明の半導体モジュール装置は、半導体モジュールと、前記半導体モジュールの一主面が熱伝導良好に密着する受熱面をもつヒートシンク板とを備える半導体モジュール装置において、
前記ヒートシンク板に固定されるともに、前記ヒートシンク板と平行配置された回路基板と前記半導体モジュールとの間に延在して前記半導体モジュールの前記回路基板側の他主面に密着する良断熱性の遮熱板を有することを特徴としている。
【０００８】
すなわち、この発明は、小さい熱伝導率を有する遮熱板がヒートシンク板に固定されて半導体モジュール装置と回路基板との間に延在するため、半導体モジュールが発生した熱は遮熱板により反射、遮蔽、熱絶縁されて回路基板に到達せず、回路基板の温度上昇を良好に防止することができる。また、遮熱板は、車両振動などにより半導体モジュールがヒートシンク板から離れる方向へ変位するのを機械的に防止することもできる。更に、遮熱板はヒートシンク板に固定されるため、ヒートシンク板、半導体モジュールおよび遮熱板があらかじめ一体に製造することができ、装置への組み付け作業が容易となる。更に、本発明によれば、半導体モジュールと回路基板との間の間隔を減らすことができるため、装置の実装密度を向上することができる。
【０００９】
遮熱板としては、樹脂板を採用することができるがセラミック板としてもよい。遮熱板を多孔性とすることにより遮熱性能を向上してもよい。
【００１０】
遮熱板は、平板状としてもよく、門形としてもよく、あるいは底付き角筒状としても良い。ただし、平板状とする場合には、遮熱板を半導体モジュールに略等しい厚さのスペーサを介してヒートシンク板に締結してもよく、又は、ヒートシンク板からこのスペーサに相当する高さの突壁部を設けても良い。
【００１１】
好適な態様において、前記遮熱板は、前記半導体モジュールを前記ヒートシンク板に押圧する。このようにすれば、上記効果に加えて、車両振動などにより半導体モジュールがヒートシンク板から離れるのを防止できるとともに、半導体モジュールがヒートシンク板の主面方向へずれるのも抑止することができる。
【００１２】
好適な態様において、前記遮熱板は、前記ヒートシンク板に締結されて前記半導体モジュールを前記ヒートシンク板に押圧するモジュール押圧板部と、前記モジュール押圧板部の主面に密着する良断熱性の遮熱板部とを有する。このようにすれば、半導体モジュールをヒートシンク板に押さえる機能を果たすモジュール押圧板部に機械的特性に優れた良熱伝導性の金属板を用いたとしても、半導体モジュールやモジュール押圧板部から回路基板への放熱を遮熱板部により良好に低減することができる。
【００１３】
好適な態様において、前記遮熱板部は、電気絶縁性を有して前記モジュール押圧板の前記回路基板側の主面に密着する。このようにすれば、遮熱板部が、金属製のモジュール押圧板部を回路基板から良好に電気絶縁できる効果も併せて奏することができる。
【００１４】
好適な態様において、前記回路基板は、前記半導体モジュールに向けて突出して前記半導体モジュールの表面に接する温度検出素子を有し、前記遮熱板は、前記温度検出素子の脚部が貫通する温度検出素子貫通孔を有する。このようにすれば、遮熱板の存在にもかかわらず半導体モジュールの温度を簡単に回路基板側にて検出することができる。更に、遮熱板が無い場合に比べて半導体モジュールの表面温度がその内部温度に近似するため、より正確な半導体モジュール温度を検出することができる。
【００１５】
上記課題を解決する第二発明の半導体モジュール装置は、半導体モジュールと、前記半導体モジュールの主面が熱伝導良好に密着する受熱面をもつヒートシンク板とを備える半導体モジュール装置において、
前記ヒートシンク板に固定されて前記半導体モジュールを前記ヒートシンク板に押圧するモジュール押圧板を有し、前記半導体モジュールおよび前記ヒートシンク板は、前記ヒートシンク板の面方向への前記半導体モジュールの相対変位を規制する凹凸部を有することを特徴としている。
【００１６】
すなわち、本発明によれば、半導体モジュールとヒートシンク板とを凹凸嵌合させ、更にモジュール押圧板により半導体モジュールをヒートシンク板に押しつけているため、半導体モジュールがヒートシンク板からその厚さ方向へ抜けることがなく、更に、半導体モジュールがヒートシンク板に対して半導体モジュールの主面方向へ相対変位することもなく、車両振動などにより、半導体モジュールがずれるという問題を解決することができる。また、半導体モジュールをヒートシンク板に組み付ける際の半導体モジュールの位置決めにも便利となる。更に、半導体モジュール自体をヒートシンク板に締結しないため、高温サイクルに曝される半導体モジュールの締結部分に強い応力が掛かって熱劣化が生じることもない。
【００１７】
モジュール押圧板としては、樹脂板を採用することができるが金属板としてもよい。モジュール押圧板は、平板状としてもよく、門形としてもよく、あるいは底付き角筒状としても良い。ただし、平板状とする場合には、モジュール押圧板を半導体モジュールに略等しい厚さのスペーサを介してヒートシンク板に締結してもよく、又は、ヒートシンク板からこのスペーサに相当する高さの突壁部を設けても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
既述した本発明の半導体モジュール装置の好適な実施形態を以下に説明する。ただし、本発明はこの実施形態に限定解釈されるべきではなく、本発明の技術思想をその他の技術の組み合わせにより実現してもよいことはもちろんである。
【００１９】
（構造）
実施形態の半導体モジュール装置の構造を図１及び図２を参照して説明する。図１はこの半導体モジュール装置の要部垂直断面図、図２は図１の模式平面図である。
【００２０】
この半導体モジュール装置は、良熱伝導性の金属部材であるヒートシンク板１と、ＩＰＭ２と、遮熱板３とを備えている。４は、制御回路装置であって、多数の電子回路部品が実装されたプリント回路基板５を有している。６は、プリント回路基板５から裏面側に突出しているサーミスタである。
【００２１】
ヒートシンク板１は、ＩＰＭ２の左右両側に位置してほぼＩＰＭ２と等しい高さまで立設された壁板部１１、１２を有している。また、ヒートシンク板１は、ＩＰＭ２の底面に向けて突出するストッパ突部１３、１４を有している。
【００２２】
ＩＰＭ２は、内部にＩＧＢＴおよびその必要な周辺回路が内蔵されたインテリジェントパワーモジュールであって、その内部構造自体は通常のＩＰＭと同じであるため、説明を省略する。このＩＰＭ２の底面すなわちヒートシンク板１側の主面には、放熱用金属プレート（図示せず）が露出している。この放熱用金属プレートの露出面とヒートシンク板１の受熱面１５との間には電気絶縁用の熱伝導シートが介設されているが、その図示は省略されている。ＩＰＭ２の底面には、上記した放熱用金属プレートの周囲に位置して凹溝２１、２２が形成されており、ヒートシンク板１のストッパ突部１３、１４はこの凹溝２１、２２に嵌入している。なお、上記の代わりに、ヒートシンク板１に凹溝を設け、ＩＰＭ２にストッパ突部を設けても良いことは当然である。
【００２３】
遮熱板３は、ＩＰＭ２を押さえつけるための金属平板状のモジュール押圧板部３１と、このモジュール押圧板部３１の表面（ＩＰＭ２と反対側の主面）に接着された樹脂板製の遮熱板部３２とからなる。遮熱板３には、厚さ方向に貫通するサーミスタ孔３３が貫孔されており、サーミスタ孔３３にはプリント回路基板５から垂下するサーミスタ６の本体部分が存在している。６１、６２はサーミスタ６の端子をなす一対の脚部であり、プリント回路基板５の裏面に半田付けされている。モジュール押圧板部３１の左右両端部にはねじ７が挿入される孔が形成されており、ヒートシンク板１の壁板部１１、１２の上端にはねじ孔が形成されている。ねじ７によりモジュール押圧板部３１を壁板部１１、１２に締結することにより、モジュール押圧板部３１はＩＰＭ２をヒートシンク板１に向けて押圧している。なお、この実施形態では、ＩＰＭ２の上面とモジュール押圧板部３１の下面との間に電気絶縁シート８が介設されているが、この介設は必須事項ではない。
【００２４】
プリント回路基板５には、実際にはヒートシンク板１上に所定個数設置された所定個数のＩＰＭ２を制御するための制御回路が実装されており、ヒートシンク板１およびプリント回路基板５は、図示しないケースに固定されている。なお、ヒートシンク板１がこのケースの一部をなしてよい。プリント回路基板５としては、市販の種々のものを採用することができる。また、場合によってはプリント回路基板５は両面実装形式としてもよく、遮熱板３側すなわち下面側にすべての部品を実装してもよい。
【００２５】
（効果）
上記説明した半導体モジュール装置の作用効果を以下に説明する。
【００２６】
まず、小さい熱伝導率を有する遮熱板３がヒートシンク板１に固定されてＩＰＭ２とプリント回路基板５との間に延在するため、ＩＰＭ２が発生した熱によりプリント回路基板５やそれに実装された回路素子が過熱するのを防止することができる。また、ＩＰＭ２とプリント回路基板５との間の間隔を減らすことができるため、装置の実装密度を向上することができる。次に、遮熱板３は、ＩＰＭ２をヒートシンク板１に押し付けるため車両振動などによりＩＰＭ２がヒートシンク板１からずれるのを良好に防止することができる。更に、遮熱板３は、樹脂製の遮熱板部３２が金属製のモジュール押圧板部３１の表面に配置されるため、安価に必要な曲げ力を確保できるとともに、モジュール押圧板部３１とプリント回路基板５との間の電気絶縁性を向上することもできる。
【００２７】
更にそのうえ、この実施形態では、遮熱板３のモジュール押圧板部３１および遮熱板部３２は、ＩＰＭ２の温度検出素子としてプリント回路基板５から垂下してＩＰＭ２に密着するサーミスタ６が貫通ためのサーミスタ孔３３を有しているため、遮熱板３の設置にもかかわらずＩＰＭ２の温度を良好にプリント回路基板５側にて良好に検出することができる。特に、遮熱板３の遮熱板部３２が存在しない場合、ＩＰＭ２の上面温度はその大きな熱放射などにより低下するため、正確なＩＰＭ２の温度検出が困難となるが、遮熱板部３２を設置することにより、この熱放射を大幅に低減できるため、プリント回路基板５から垂下するサーミスタ６によりＩＰＭ２温度のより正確な検出が可能となる。
【００２８】
更に、この実施形態では、ヒートシンク板１のストッパ突部１３、１４とＩＰＭ２の凹溝２１、２２とを嵌合させているため、ＩＰＭ２が車両振動などにより、ヒートシンク板１の受熱面１５に沿いつつ変位するのをきわめて良好に防止することができる。また、この嵌合により、ＩＰＭ２をヒートシンク板１に正確に位置決めすることができる。
【００２９】
（変形態様）
種々の変形態様を以下に説明する。
【００３０】
上記実施形態では、遮熱板３は、金属製のモジュール押圧板部３１と樹脂製の遮熱板部３２とを貼り合わせて構成したが、必要な熱遮断性および曲げ強度を持つ材料であれば、１種の素材で構成してもよい。
【００３１】
上記実施形態では、図１に示すように、モジュール押圧板部３１の左右両端は、ねじ締結のため遮熱板部３２から左右に突設されているが、図３に示すように遮熱板部３２をねじの上に位置して左右に突設させれば、遮熱板部３２の遮熱性能を更に改善することができる。逆に、プリント回路基板５のうち特定の領域だけを遮熱すればよいのであれば、遮熱板部３２をモジュール押圧板部３１の所定領域にのみ接着してもよい。その他、遮熱板部３２とモジュール押圧板部３１とを貫通してねじ７を壁板部１１、１２に締結してもよい。
【００３２】
モジュール押圧板部３１の他の変形態様を図３に示す。この変形態様では、モジュール押圧板部３１は、略コ字形形状をもち、ヒートシンク板１の受熱面１５に直接締結される。このようにすれば、ヒートシンク板１の形状を簡素化することができる。
【００３３】
モジュール押圧板部３１の他の変形態様を図４に示す。この変形態様では、モジュール押圧板部３１は、略コ字形形状をもち、ヒートシンク板１の受熱面１５に直接締結される。このようにすれば、ヒートシンク板１の形状を簡素化することができる。モジュール押圧板部３１の左右両脚部３１１、３１２の高さをＩＰＭ２の高さより多少短くすることにより、モジュール押圧板部３１の左右両端板部３１３、３１４が曲げられた際の曲げ応力がＩＰＭ２をヒートシンク板１に押しつける力となる。
【００３４】
モジュール押圧板部３１の他の変形態様を図５に示す。この変形態様では、モジュール押圧板部３１の左右側端面３１５、３１６は斜めに形成されている。ねじ７は、ヒートシンク板１の壁板部１１、１２を横方向に螺入され、ねじ７の先端は、モジュール押圧板部３１の斜めの左右側端面３１５、３１６に摺接する斜面となっている。このようにすれば、ねじ７の螺入により、モジュール押圧板部３１がＩＰＭ２をヒートシンク板１に向けて押圧する力を良好に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態の半導体モジュール装置の要部垂直断面図である。
【図２】図１の模式平面図である。
【図３】変形態様の半導体モジュール装置の要部垂直断面図である。
【図４】変形態様の半導体モジュール装置の要部垂直断面図である。
【図５】変形態様の半導体モジュール装置の要部垂直断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      ヒートシンク板
２      IPM（半導体モジュール）
３      遮熱板
５      プリント回路基板
６      サーミスタ
７      ねじ
８      電気絶縁シート
１１、１２    壁板部
１３、１４    ストッパ突部
１５          受熱面
２１、２２    凹溝
３１      モジュール押圧板部
３２      遮熱板部
３３      サーミスタ孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007234753.tif 000006
【図５】
2007234753.tif 000007