(57)【要約】【課題】本発明は、低コストで簡易な構造によりパワーモジュールのワイヤを冷却可能にすることを目的とする。【解決手段】パワーモジュールの冷却構造１０は、基板１２、基板１２に実装されたパワーモジュール１４、パワーモジュール１４における基板１２の反対側に取り付けられた放熱器１６、パワーモジュール１４の基板側に取り付けられた放熱板１８を備える。放熱板１８は伝熱部材２８を介してパワーモジュール１４に取り付けられる。放熱板１８がパワーモジュール１４の基板側に取り付けられており、ワイヤ２６から放熱板１８への距離が近いため、ワイヤ２６の熱を放熱しやすい構造になっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の板体の表面に導電性のパターンが形成された基板と、
前記パターンに電気接続されたリードフレーム、該リードフレームに対して少なくとも導電性のワイヤを使用して電気接続されたパワー半導体、および該ワイヤとパワー半導体を封止する樹脂を含むパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの基板の反対側に取り付けられた放熱器と、
前記パワーモジュールの基板側に伝熱部材を介して取り付けられた放熱板と、
を備えたパワーモジュールの冷却構造。
【請求項２】
前記伝熱部材が、伝熱グリス、伝熱シート、または熱伝導性の接着剤を含む請求項１のパワーモジュールの冷却構造。
【請求項３】
前記放熱器が、
冷媒の流れる配管と、
前記配管に接続され、パワーモジュールの熱を冷媒に伝熱する冷媒ジャケットと、
を備える請求項１または２のパワーモジュールの冷却構造。
【請求項４】
前記基板のパワーモジュール側に導電性のパターンが形成されており、
前記放熱板における基板側に絶縁部材を設けた
請求項１から３のいずれかのパワーモジュールの冷却構造。
【請求項５】
前記放熱板のパワーモジュールの反対面に放熱フィンを設けた請求項１から４のいずれかのパワーモジュールの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体などを実装したパワーモジュールの冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機などのモータを駆動させるためにインバータが使用されている。インバータで使用されるパワーモジュールは、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＦＷＤ（free wheeling diode）のパワー半導体が使用されている。パワー半導体２０はベアチップの状態でリードフレーム２４に実装される（図５）。パワー半導体２０同士やリードフレーム２４への電気接続のためにワイヤ２６が用いられる。パワーモジュール１４のリードフレーム２４が基板１２に実装される。パワー半導体２０の駆動時の発熱量が大きいため、パワーモジュール１４における基板１４の反対側に放熱器１６を取り付けて、冷却している。
【０００３】
空気調和機の冷媒が通過する配管と冷媒ジャケットを使用した放熱器１６による冷媒冷却が提案されている（下記特許文献１）。この冷媒冷却は、従来の空冷（ヒートシンク）に対し大幅に冷却性能が向上し、パワー半導体２０をより低温に冷却することができる。パワー半導体２０の電流が増加しても効率よく冷却をおこなうことができ、パワーモジュール１４の小型化も考えられる。この小型化によってパワーモジュール１４の低コスト化も可能となる。
【０００４】
しかし、上記冷媒冷却による冷却効果は、パワー半導体２０自体に対しては有効であるが、ワイヤ２６に対してはほとんど冷却効果が無いことが一般的に知られている。これは、（１）ワイヤ２６の径が細いためにワイヤ２６の長さ方向への熱伝導がほとんど期待できないこと、（２）一般的にパワー半導体２０のベアチップおよびワイヤ２６の周囲を電気絶縁や水分・塵埃などからの保護のために絶縁性の樹脂２２により封止されており、これら樹脂２２の熱伝導率は一般にその値が低く（数Ｗ／ｍ・Ｋ）、ワイヤ表面から樹脂２２への熱伝導も小さいためである。
【０００５】
このため、冷媒冷却などの高性能冷却方式を採用によって電流を増加させても、ワイヤ温度が電流の二乗で上昇し、ワイヤ周囲の樹脂２２の熱分解やワイヤ自身の溶断など、最悪の場合パワーモジュール１４が破壊に至る。ワイヤ温度がボトルネックとなって、パワーモジュール１４の小容量化・低コスト化を阻害する。
【０００６】
ワイヤ温度を低下させる方法として、ワイヤ本数を増やす、ワイヤ径を太くする、ワイヤ材料を銅など低抵抗材料に変える等々が考えられるが、いずれも材料費増や工程増など高コストとなる。特にトランスファーモールドタイプのパワーモジュール１４は、大量に生産することで低コストを実現しており、前記のような仕様変更は特別仕様となって、製造コストを大幅にアップさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−７５４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、低コストで簡易な構造によりパワーモジュールのワイヤを冷却可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、リードフレームに対して少なくとも導電性のワイヤを使用してパワー半導体を電気接続し、樹脂でワイヤおよびパワー半導体を封止したパワーモジュールの冷却構造である。絶縁性の板体の表面に導電性のパターンが形成された基板に対して、リードフレームが実装される。実装は、リードフレームを基板のパターンに電気接続することによりおこなう。パワーモジュールの駆動時に冷却するために、パワーモジュールに放熱器と放熱板が取り付けられる。放熱器はパワーモジュールにおける基板の反対側に取り付けられる。放熱板は、パワーモジュールにおける基板側に取り付けられる。
【００１０】
パワーモジュールと基板との間にはパワーモジュールの熱を伝熱板に効率よく伝導するための伝熱部材が配置される。伝熱部材は、伝熱グリス、伝熱シート、または熱伝導性の接着剤を含む。
【００１１】
パワーモジュールに取り付けられる放熱器には、冷媒冷却をおこなえる放熱器が含まれる。その放熱器は、冷媒の流れる配管と、配管に接続され、パワーモジュールの熱を冷媒に伝熱する冷媒ジャケットとを備える。
【００１２】
基板におけるパワーモジュール側の面に導電性のパターンが形成される場合がある。その場合、導電性のパターンと放熱板との絶縁性を確保するために、放熱板における基板側に絶縁部材が設けられる。
【００１３】
放熱板において、パワーモジュールの反対面に放熱フィンを設けられる。放熱フィンによって放熱面積を増やす。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ワイヤに近い位置に放熱板を設けているため、ワイヤの熱が放熱板に拡散しやすく、ワイヤ周囲の樹脂の熱分解やワイヤ自身の溶断などを防止できる。パワーモジュールのワイヤ本数を増やことなどによるコストアップはなく、放熱板による単純な構造である。放熱性能が高められるため、パワーモジュールの小型化や電流容量の増加をおこないやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のパワーモジュールの冷却構造を示す断面図である。
【図２】放熱板の固定方法を示す図であり、（ａ）は基板側からネジ止めする図であり、（ｂ）は放熱器側からネジ止めする図である。
【図３】放熱板に放熱フィンを設けた図である。
【図４】放熱板に絶縁層を設けた図である。
【図５】従来のパワーモジュールの冷却構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のパワーモジュールの冷却構造について図面を用いて説明する。
【００１７】
図１に示すパワーモジュールの冷却構造１０は、基板１２、基板１２に実装されたパワーモジュール１４、パワーモジュール１４の基板１２の反対側に取り付けられた放熱器１６、およびパワーモジュール１４の基板側に取り付けられた放熱板１８を備える。
【００１８】
基板１２は、絶縁性の板体の表面に導電性のパターン（図示せず）が設けられている。絶縁性の板体は、樹脂またはセラミック（アルミナ）である。樹脂であれば、例えばガラスクロス含浸エポキシ樹脂などが挙げられる。導電性のパターンは、銅や銅合金などの薄膜導体である。パターンによって、回路配線や電子部品を接続するためのパッドが構成されている。
【００１９】
パワーモジュール１４は、パワー半導体２０を絶縁性の樹脂２２で封止したものである。パワー半導体２０はベアチップである。リードフレーム２４にパワー半導体２０が実装されている。パワー半導体２０は、駆動時に高発熱になる電子部品である。パワー半導体２０として、インバータに用いられるＩＧＢＴやＦＷＤなどが挙げられる。パワー半導体２０の数は１つに限られず、複数であっても良い。
【００２０】
リードフレーム２４は線状および板状の導電性の金属である。リードフレーム２４は、基板１２に平行する部分２４ｘと基板１２に対して垂直になる部分２４ｙとがある。また、回路を構成するためにリードフレーム２４は複数に分割されている。パワー半導体２０は基板１２に平行する部分２４ｘの基板側に半田などの電気接続材料で直接実装される。パワー半導体２０の熱の一部は、リードフレーム２４に伝わり、樹脂２２を介して放熱器１６に伝導される。
【００２１】
さらに、パワー半導体２０の端子からリードフレーム２４まで導電性のワイヤ２６によって電気接続される。ワイヤ２６はボンディング装置を使用して接続する。リードフレーム２４とワイヤ２６がパワー半導体２０への電流経路になる。ワイヤ２６はリードフレーム２４の基板側に配置される。放熱器１６よりも放熱板１８の方がワイヤ２６に近いため、ワイヤ２６の熱は樹脂２２を介して放熱板１８に伝導されやすい。
【００２２】
樹脂２２がパワー半導体２０およびワイヤ２６を封止して、それらを防塵・防水する。また、リードフレーム２４の基板に平行する部分２４ｘも封止する。少なくともリードフレーム２４の基板１２に対して垂直な部分２４ｙの先端は封止されず、その先端が基板１２を貫き、基板表面のパターンに半田などで電気接続される。樹脂２２としては、熱硬化性のエポキシ系樹脂などが挙げられる。樹脂２２によって、パワーモジュール１４の形状がほぼ直方体になる。
【００２３】
放熱器１６は、パワーモジュール１４の基板１２の反対側に取り付けられる。放熱器１６として、冷媒冷却をおこなう放熱器を使用する。放熱器１６は、冷媒が通る配管およびその配管に接続された冷媒ジャケットから構成される。冷媒は空気調和機に使用されるものである。冷媒ジャケットは板状になっている。冷媒ジャケットがパワーモジュール１４に接続される。配管や冷媒ジャケットはアルミニウムなどの熱伝導性が良く軽量な材料から成ることが好ましい。配管が冷媒ジャケットに接するようにしても良いし、配管が冷媒ジャケットの中に埋め込まれるようにしても良い。パワーモジュール１４の熱が、冷媒ジャケットおよび配管を介して冷媒に伝導される。
【００２４】
放熱板１８は、パワーモジュール１４の基板側に取り付けられる。放熱板１８は、アルミニウム、銅、または熱伝導性の樹脂など、樹脂２２より高熱伝導材料からなる板体である。放熱板１８の厚みは、例えば約１ｍｍである。パワーモジュール１４の表面に凹凸がある場合、その凹凸に嵌めあわされる凹凸を放熱板１８の表面に設けても良い。放熱板１８がリードフレーム２４に短絡しないために、放熱板１８は、パワーモジュール１４のリードフレーム２４に接触しない大きさである。パワーモジュール１４は、少なくともワイヤ２６の配置されている位置の表面に放熱板１８が配置される。放熱板１８は基板１２のパターンに対して絶縁が保たれるように、基板１２に対して非接触になるのが好ましい。
【００２５】
ワイヤ２６は基板１２に向けて放物線を描くように形成されており、その頂点やその付近は、放熱器１６よりも放熱板１８へ近くなっている。すなわち、従来ワイヤ２６の冷却されにくかった部分が冷却されやすくなっている。
【００２６】
放熱板１８は伝熱部材２８を介してパワーモジュール１４に取り付けられる。伝熱部材２８は、シリコーン系樹脂などの絶縁性樹脂に銀、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属、またはアルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、グラファイトなどの熱伝導率の高いセラミックスをフィラーとして添加されたものである。これらの伝熱部材２８としては、伝熱グリス、伝熱シート、または熱伝導性の接着剤である。伝熱部材２８によってパワーモジュール１４と放熱板１８との隙間を塞ぎ、パワーモジュール１４から放熱板１８に効率よく熱を伝導させる。ワイヤ２６の熱が放熱板１８で拡散され、冷却される。なお、パワーモジュール１４と放熱器１６の間にも、同様の伝熱部材２８を配置することが好ましい。
【００２７】
放熱板１８の取り付け方法は、ネジ止めが挙げられる。基板側または放熱器側からネジ止めをおこなう（図２）。なお、図２においてパワーモジュール１４の内部は省略している。基板側からネジ止めする場合、基板１２にネジ３０を通過させる穴３２を設ける（図２（ａ））。放熱器側からネジ止めする場合、ネジ３０を通過させる穴３２を設ける必要が無く、基板１２を有効に利用できる（図２（ｂ））。また、放熱板１８、パワーモジュール１４、および放熱器１６にねじ穴３４の加工を施しておく。パワーモジュール１４、放熱器１６、放熱板１８を１本のネジ３０で止め、一体化させることができる。伝熱部材２８が伝熱シートである場合、伝熱シートにネジ３０の通過する穴を設ける。ネジ止めをおこなう前に、放熱板１８とパワーモジュール１４の間に伝熱部材２８を配置してからネジ止めをおこなう。
【００２８】
なお、放熱板１８、パワーモジュール１４、および放熱器１６を挟み込んで固定する治具を使用するなど、ネジ止め以外の方法で放熱板１８を取り付けても良い。
【００２９】
放熱板１８がパワーモジュール１４の基板側に取り付けられており、ワイヤ２６から放熱板１８への距離が近いため、ワイヤ２６の熱を放熱しやすい構造になっている。ワイヤ２６の大きさに比べて放熱板１８が大きく、ワイヤ２６の熱が拡散しやすい。従来、ワイヤ２６と放熱器１６との距離が離れていたが、ワイヤ２６の熱は放熱板１８に伝導し易くなっている。ワイヤ２６に流れる電流が増加しても、放熱板１８によってワイヤ２６を溶断することを防止できる。放熱性能が向上するため、パワーモジュール１４の動作を安定させやすい。パワーモジュール１４が小型化されても、十分に放熱可能である。
【００３０】
以上、本発明について一実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、放熱板１８の形状は単純な板体に限定されず、図３の放熱構造１０ｂのように、基板１２との対向面に複数の放熱フィン３６を設けた放熱板１８ｂであっても良い。放熱フィン３６の形状は、板状や棒状（突起）など限定されない。
【００３１】
基板表面の導電性のパターンは、放熱板１８との対向面にも設けられる場合がある。放熱板１８との絶縁性を保つために、図４の放熱構造１０ｃのように、放熱板１８の基板１２との対向面に絶縁層３８を設ける。絶縁層３８は、絶縁シートを積層したり、絶縁物を塗布等したりすることによって形成する。絶縁層３８によって絶縁性が保たれれば、絶縁層３８が基板１２のパターンに接触しても良い。
【００３２】
放熱器１６は冷媒冷却をおこなえる物に限定されず、ファンを用いた空冷をおこなう放熱器や、多数の放熱フィンで空冷をおこなう放熱器であっても良い。
【００３３】
本発明のパワーモジュールの冷却構造１０は、空気調和機の室外電装品のインバータに使用することができる。
【００３４】
１枚の基板１２に実装されるパワーモジュール１４の数は１個に限定されず、複数のパワーモジュール１４を実装しても良い。放熱板１８はパワーモジュール１４ごとに設けられても良いし、１つの放熱板１８が複数のパワーモジュール１４を冷却するように設けられても良い。放熱器１６はパワーモジュール１４ごとに設けられても良いし、１つの放熱器１６が複数のパワーモジュール１４を冷却するように設けられても良い。
【００３５】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【符号の説明】
【００３６】
１０、１０ｂ、１０ｃ：パワーモジュールの冷却構造
１２：基板
１４：パワーモジュール
１６：放熱器
１８：放熱板
２０：パワー半導体
２２：樹脂
２４：リードフレーム
２６：ワイヤ
２８：伝熱部材
３０：ネジ
３２：穴
３４：ねじ穴
３６：放熱フィン
３８：絶縁層
【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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