(57)【要約】【課題】本明細書は、パワーカードが絶縁部材を挟んで冷却部材に接しているパワーカード積層ユニットにおいて、パワーカードに対する絶縁部材の相対的な位置ずれを防止する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示するパワーカード積層ユニット２は、半導体素子を封止したパワーカード４と冷却部材３０とが絶縁部材２０を挟んで積層されている。パワーカード積層ユニット２の絶縁部材２０は、パワーカード４に対する相対位置を規定するための位置決め要素を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を封止したパワーカードと冷却部材とが絶縁部材を挟んで積層されているパワーカード積層ユニットであって、
前記絶縁部材は、前記パワーカードに対する相対位置を規定するための位置決め要素を備えていることを特徴とするパワーカード積層ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、パワーカード積層ユニットに関する。特に、半導体素子を封止したパワーカードが絶縁部材を挟んで冷却部材に接しているパワーカード積層ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を冷却する構造として、両面冷却構造がある（特許文献１）。特許文献１には、半導体素子を封止したパワーカードと、パワーカードの両側面に絶縁部材を介して配置された冷却部材とが、互いに加圧密着された冷却構造を備えるパワーカード積層ユニットが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１６５６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のタイプのパワーカード積層ユニットは、まず、パワーカードの両面に絶縁部材が組み付けられ、その後、この組み付け体に対して冷却部材が加圧密着されて製造される。パワーカードに絶縁部材を組み付ける際には、パワーカードに対する絶縁部材の位置を決めるための位置決め治具が用いられる。しかし、この組み付け体に冷却部材を加圧密着する際には、パワーカードに対する絶縁部材の位置決め治具をそのまま保持しておくことは、構造上不可能であった。
【０００５】
冷却部材の組み付け時において絶縁部材がパワーカードに対して位置決めされていないと、冷却部材を加圧密着させる際に、パワーカードに対する絶縁部材の位置がずれてしまうおそれがあった。また、パワーカード、絶縁部材及び冷却部材が加圧密着された後においても、パワーカードに対する絶縁部材の位置がずれてしまうおそれがあった。
【０００６】
また、現状では、パワーカードに対する絶縁部材の位置ずれによる絶縁性能の低下を回避するために、位置ずれ量を見込んでパワーカード、絶縁部材及び冷却部材等を設計する必要があった。
【０００７】
本明細書は、パワーカードが絶縁部材を挟んで冷却部材に接しているパワーカード積層ユニットにおいて、パワーカードに対する絶縁部材の相対的な位置ずれを防止する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書は、半導体素子を封止したパワーカードと冷却部材とが絶縁部材を挟んで積層されているパワーカード積層ユニットを開示する。このパワーカード積層ユニットの絶縁部材は、パワーカードに対する相対位置を規定するための位置決め要素を備える。この構成によると、絶縁部材のパワーカードに対する相対位置が絶縁部材自体によって規定されるため、パワーカードに対する絶縁部材の相対位置はずれることがなく、パワーカード及び絶縁部材の組み付け体に冷却部材を加圧密着する際においても、前記相対位置がずれることが回避される。
【０００９】
また、上記構成によれば、パワーカード、絶縁部材及び冷却部材の加圧密着後においても、パワーカードに対する絶縁部材の相対位置は維持される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施例のパワーカード積層ユニットの斜視図である。
【図２】第１実施例のパワーカード積層ユニットの分解斜視図である。
【図３】第１実施例のパワーカードに対する絶縁部材の位置決め構造を表す図である。（Ａ）はパワーカードの正面図であり、（Ｂ）は絶縁部材の背面図であり、（Ｃ）はパワーカードと絶縁部材との位置決め構造を示す位置決め要素との関係を示す部分拡大図である。
【図４】第２実施例のパワーカードに対する絶縁部材の位置決め構造を表す図である。（Ａ）はパワーカードの正面図であり、（Ｂ）は絶縁部材の背面図であり、（Ｃ）はパワーカードと絶縁部材との位置決め構造を示す位置決め要素との関係を示しており、（Ａ）のII−II線におけるパワーカードの断面及び（Ｂ）のIII−III線における絶縁部材の断面の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施例）
図面を参照して実施例のパワーカード積層ユニットを説明する。図１は、第１実施例のパワーカード積層ユニット２の斜視図である。図１に例示するパワーカード積層ユニット２は、複数のパワーカード４と複数の冷却部材３０とが積層された構造を備えている。なお、図１では、一つのパワーカードだけに符号４を付し、他のパワーカードには符号を省略している。同様に一つの冷却部材だけに符号３０を付し、他の冷却部材には符号を省略している。図２は、パワーカード積層ユニット２における、パワーカード４、絶縁部材２０及び冷却部材３０を示している。なお、図２では冷却部材３０は仮想線で示している。
【００１２】
図１に示すように、パワーカード積層ユニット２のパワーカード４と冷却部材３０は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面が対向するように積層されている。パワーカード４と冷却部材３０とは交互に積層されており、積層方向の両端には冷却部材３０が位置している。各パワーカード４は、積層方向の両面のそれぞれに、絶縁部材２０を挟んで冷却部材３０が対向している。
【００１３】
複数の冷却部材３０は、連結パイプ３６、３８で連結されている。積層方向の一端の冷却部材３０には、冷媒供給管３２と冷媒排出管３４が連結されている。冷媒供給管３２を通じて供給される冷媒は、連結パイプ３６を通じて全ての冷却部材３０に分配される。冷媒は各冷却部材３０を通る間に隣接するパワーカード４から熱を吸収するようになっている。各冷却部材３０を通った冷媒は連結パイプ３８を通り、冷媒排出管３４から排出されるようになっている。
【００１４】
以下、図２及び図３を参照して、パワーカード積層ユニット２を構成する、パワーカード４と、絶縁部材２０と、冷却部材３０とを備える単位構造について説明する。
【００１５】
図２及び図３に示すように、パワーカード４は、適数個の半導体素子（図示せず）と、放熱板６と、筐体８と、を備えている。半導体素子は、パワーカード４の筐体８内部に備えられている。半導体素子は、平坦なチップであり、その平坦面が筐体８の平坦面に平行になるように筐体８の内部に配置されている。半導体素子の上端からは３本の電極端子１０が延出されるとともに、その下端からは制御端子１２が延出されている。
【００１６】
放熱板６は、半導体素子で発生する熱を後述する絶縁部材２０及び冷却部材３０を介して放熱するように備えられている。放熱板６は、筐体８の内部の半導体素子の両側の平坦面に対してはんだを介して接合されている。また、放熱板６の半導体素子の当接面の反対面は、筐体８から露出されて絶縁部材２０と接している。放熱板６は、導電性と伝熱性に優れた、例えば銅などの材料で構成されている。
【００１７】
筐体８は、半導体素子を被覆するとともに、放熱板６における半導体素子との当接面の反対面、半導体素子の電極端子１０及び制御端子１２を露出させる略方形状の樹脂成形体である。筐体８の上端部であって絶縁部材２０が当接される両側には、電極端子１０の間に切り欠き部１４が形成されている。
【００１８】
切り欠き部１４は、筐体８の上端縁から延出する３つの電極端子１０間に介在するように形成されている。切り欠き部１４は、筐体８の上端面及び放熱板６の露出面から筐体８が欠損したように構成されている。すなわち、切り欠き部１４は、筐体８の厚み方向及び筐体８の上端縁から下端縁に向かう方向においてそれぞれ所定の寸法にわたる切り欠き状の凹部として形成されている。
【００１９】
絶縁部材２０は、パワーカード４と冷却部材３０との間を絶縁するとともに、半導体素子の熱を放熱板６を介して冷却部材３０に伝達するようになっている。絶縁部材２０は、パワーカード４と冷却部材３０とを絶縁可能な形状を備えており、パワーカード４の両側面に対して、例えば、グリス等を介して備えられている。絶縁部材２０は、パワーカード４の筐体８から露出された放熱板６に対してもグリス等を介して当接することになる。絶縁部材２０は、絶縁性が高く熱伝導性が優れる、例えば、熱伝導性セラミックスなどの材料で構成されている。グリスについては、後段で詳述する。
【００２０】
絶縁部材２０は、パワーカード４に対するそれ自身の位置決め要素として、凸部２２を備えている。凸部２２は、パワーカード４の筐体８の切り欠き部１４内に挿入可能な位置に備えられている。凸部２２は、切り欠き部１４に挿入可能な形状を備え、パワーカード４に対して自身の相対的な位置決めが可能な程度に筐体８に固定されるようになっている。
【００２１】
冷却部材３０は、パワーカード４を冷却するために絶縁部材２０に接して備えられている。冷却部材３０は、その内部に冷媒が通る構造を備え、例えば、アルミニウムなどの熱伝導性に優れる金属で構成されている。冷却部材３０の内部を通る冷媒は、典型的には水等の液体が用いられる。
【００２２】
冷却部材３０は、絶縁部材２０が放熱板６に対して備えられるのと同様、放熱板６に対してグリス等を介して備えられていてもよい。パワーカード４、絶縁部材２０及び冷却部材３０の表面には、それぞれの表面粗さに起因する微妙な凹凸が存在する。そのため、パワーカード４と絶縁部材２０との間、パワーカード４及び絶縁部材２０を直接的に接触させると、理想的な面接触とはならずに、多数の点接触となる。このような場合、放熱板６からの放熱にばらつきが生じて、絶縁部材２０が局所的に高温となってしまうおそれがある。グリスを用いることで、放熱板６からの均等な放熱を実現することができる。
【００２３】
次に、図２及び図３を参照して、パワーカード４に対する絶縁部材２０を組み付け、その後、さらに冷却部材３０を圧着固定する工程について説明する。
【００２４】
まず、パワーカード４に対して絶縁部材２０を組み付けする。このとき、パワーカード４の切り欠き部１４に対して絶縁部材２０の凸部２２を挿入して組み付けるようにする。こうすることで、パワーカード４に対する絶縁部材２０の位置決めが、位置決め治具を用いることなく実現される。この結果、パワーカード４に対して絶縁部材２０が位置決めされた組み付け体を取得できる。切り欠き部１４と凸部２２とによる位置決めは、パワーカード４と絶縁部材２０との両者との固着も実現する。このため、パワーカード４と絶縁部材２０との位置決め状態は、組み付け体において継続的に保持される。
【００２５】
ついで、こうした組み付け体に対して冷却部材３０を圧着する。このとき、組み付け体においては、パワーカード４と絶縁部材２０とが位置決め固定されているので、冷却部材３０の圧着時においても、これらの相対位置関係は維持される。このため、組み付け体に対して、これらの相対的位置関係ずれを考慮することなく冷却部材３０を圧着することができる。また、このため、従来のように、パワーカード４と絶縁部材２０との位置ずれ量を見込んでパワーカード４、絶縁部材２０及び冷却部材３０等を設計する必要がなくなる。
【００２６】
また、第１実施例で示しているパワーカード４と絶縁部材２０の位置決め構造は、パワーカード４の筐体８に設けた切り欠き部１４を利用している。この切り欠き部１４は、電極端子１０間における絶縁確保のための溝であり、本実施例では、当該溝を、位置決めのための切り欠き部として利用している。筐体８には、各種の目的、例えば、絶縁確保を目的とするほか、各種の意図で凹状部が形成されることがある。こうした切り欠き部１４など、他の目的等によってパワーカード４やその筐体８が備える要素を利用することで、パワーカード４に対して新たな構成要素を付与することなく、位置決め構造を実現することができる。
【００２７】
さらに、第１実施例では、パワーカード４と絶縁部材２０との間にグリスを使用している。グリスは、その粘性等により、グリスに対して当接する部材を相対移動させることがある。このため、パワーカード４、絶縁部材２０及び冷却部材３０を加圧密着させる際、さらに、加圧密着された後においても、パワーカード４に対する絶縁部材２０の位置がずれる場合がある。しかしながら、上記位置決め構造によれば、グリスを使用した場合であっても、パワーカード４に対する絶縁部材２０の位置ずれを回避することができる。
【００２８】
（第２実施例）
図４を参照して、第２実施例のパワーカード積層ユニット２について説明する。第２実施例のパワーカード積層ユニット２の構成は、パワーカード４に対する絶縁部材２０の位置決め構造以外の構成については、第１実施例と同じである。以下に、第２実施例のパワーカード４に対する絶縁部材２０の位置決め構造について説明する。
【００２９】
図４に示すように、本実施例のパワーカード積層ユニット２は、パワーカード４に対する絶縁部材２０の位置決め構造として、パワーカード４の筐体８に凸部１６を備えるとともに、絶縁部材２０に凹部２４を備えている。
【００３０】
図４（Ａ）に示すように、パワーカード４は、筐体８の一部に凸部１６を備えている。凸部１６は、筐体８の絶縁部材２０と対向する側面から絶縁部材２０側に突出する凸状に形成されている。凸部１６は、筐体８の上端縁の一方と下端縁の他方とに対角状に備えられている。すなわち、絶縁部材２０の対向側の上端縁に沿う一方の端部近傍と、その下端縁に沿う他方の端部近傍とに備えられている。
【００３１】
図４（Ｂ）に示すように、絶縁部材２０は、パワーカード４に対するそれ自身の位置決め要素として、凹部２４を備えている。凹部２４は、パワーカード４の筐体８に形成された凸部１６を挿入可能に、絶縁部材２０の所定の位置にその厚みを貫通する貫通孔として形成されている。
【００３２】
本実施例においても、パワーカード４に対する絶縁部材２０の組み付けの際、パワーカード４の凸部１６を、絶縁部材２０の凹部２４に挿入されるようにすることで、パワーカード４に対する絶縁部材２０の位置決めが、第１実施例と同様、位置決め治具を用いることなく実現される。また、パワーカード４と絶縁部材２０との両者との固着や位置決め状態の継続的維持も実現され、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。本開示による位置決め構造は、パワーカード４に対する絶縁部材２０の相対的位置を決めるものであればよい。したがって、凹部及び凸部の組合せに限定するものではなく、嵌合や係止等を利用した如何なる形態であってもよい。また、位置決め構造は、パワーカード４と絶縁部材２０とを完全に固定するものでなくてもよく、多少のずれが生じる程度の遊びがあってもよい。また、絶縁部材２０における位置決め要素の形成部位も特に限定するものはなく、絶縁機能や位置決め要素の機能を損なわない限り、絶縁部材２０のいずれかの箇所に設けてもよく、絶縁部材２０の外縁部等を利用するものであってもよい。
【００３４】
また、以上の実施例では、パワーカード４の筐体８等に設けた切り欠き部や凸部を、絶縁部材が備える位置決め要素に対応するものとして利用したが、これらに限定するものでもない。筐体８等のパワーカード４の一部に他の目的で設けた凸部や凹部を有効に利用し、当該凸部等に対して位置決め可能に絶縁部材２０に位置決め要素を備えるようにしてもよい。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３６】
２：パワーカード積層ユニット
４：パワーカード
６：放熱板
８：筐体
１０：電極端子
１２：制御端子
１４：切り欠き部
１６：凸部
２０：絶縁部材
２２：凸部
２４：凹部
３０：冷却部材
３２：冷媒供給管
３４：冷媒排出管
３６、３８：連結パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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