(57)【要約】【課題】異物の残留を抑制すると共に冷却性能の低下を抑制する。【解決手段】パワーカード２８と絶縁板３４ａ，３４ｂとの間に冷却グリス２９ａ，２９ｂが塗布された電力変換装置において、絶縁板３４ａ，３４ｂのパワーカード２８側の面３４ｃのパワー素子２２と対向する位置に、金属粉末を蒸着することによってメタライズ部３８ａ，３８ｂを形成した。これにより、異物が残留することを抑制すると共に冷却グリス２９ａ，２９ｂの抜けを抑制することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子が封止されたパワーカードと、前記パワーカードを冷却する冷却器と、前記パワーカードと前記冷却器との間に配置された絶縁板と、を備え、前記パワーカードと前記絶縁板との間に冷却グリスが塗布された電力変換装置であって、
前記絶縁板の前記パワーカード側の面の前記パワー素子と対向する位置に、金属材料を蒸着することによって形成されたメタライズ部
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、詳しくは、パワー素子が封止されたパワーカードと、パワーカードを冷却する冷却器と、パワーカードと冷却器との間に配置された絶縁板と、を備え、パワーカードと絶縁板との間に冷却グリスが塗布された電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電力変換装置としては、半導体チップが封入された樹脂筐体と、樹脂筐体を冷却するヒートシンクと、樹脂筐体とヒートシンクとの間に配置された絶縁基板と、を備え、絶縁基板とヒートシンクとの間にサーマルグリスが塗布されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、絶縁基板のヒートシンク側の面に複数の凹部を形成し、サーマルグリスに混入していたボイドを複数の凹部で分割して捕獲する。これにより、表面積の大きいボイドの発生を抑制し、絶縁基板からヒートシンクへの熱の放熱性の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２０８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の電力変換装置では、使用によりパワー素子が発熱すると、ヒートシンクや絶縁基板に熱膨張が生じて、サーマルグリスが押し出されて抜けてしまう場合がある。サーマルグリスが抜けると、ヒートシンクや絶縁基板が元の形状に戻ったときに、ヒートシンクと絶縁基板との間に空隙が生じて冷却性能が低下してしまう。こうしたサーマルグリスの抜けを抑制する手法として、絶縁基板のヒートシンク側の面に溝加工により狭ピッチで凹部を形成して面の粗さを高めて、絶縁基板のヒートシンク側の面でサーマルグリスを保持する手法がある。しかしながら、絶縁基板への凹部の形成時に、異物が残留する場合がある。
【０００５】
本発明の電力変換装置は、異物の残留を抑制すると共に冷却性能の低下を抑制することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力変換装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の電力変換装置は、
パワー素子が封止されたパワーカードと、前記パワーカードを冷却する冷却器と、前記パワーカードと前記冷却器との間に配置された絶縁板と、を備え、前記パワーカードと前記絶縁板との間に冷却グリスが塗布された電力変換装置であって、
前記絶縁板の前記パワーカード側の面の前記パワー素子と対向する位置に、金属材料を蒸着することによって形成されたメタライズ部
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この本発明の電力変換装置では、パワーカードと絶縁板との間に冷却グリスが塗布されており、絶縁板のパワーカード側の面のパワー素子と対向する位置に、金属材料を蒸着することによって形成されたメタライズ部を備える。メタライズ部は、絶縁板に金属材料を蒸着して形成されるから、絶縁板に溝加工で凹部を形成するものと比較すると、異物が残留することを抑制することができる。また、メタライズ部は、絶縁板のパワーカード側の面より表面の粗さが高くなるから、メタライズ部で冷却グリスを保持しやすくなる。これにより、使用による冷却グリスの抜けを抑制することができる。さらに、メタライズ部は、熱が発生するパワー素子と対向する位置に形成されており、メタライズ部で冷却グリスを保持しやくなるから、パワー素子からの熱を良好に絶縁板に伝搬させることができる。この結果、異物の残留を抑制すると共に冷却性能の低下を抑制することができる。
【０００９】
こうした本発明の電力変換装置において、前記パワーカードは、前記パワー素子の両面に形成されたヒートシンクと合成樹脂材料により形成された樹脂部とで前記パワー素子を封止しており、前記ヒートシンクは、前記絶縁板側の面において、前記樹脂部に対して凹部となっており、前記メタライズ部は、前記絶縁板のパワーカード側の面に前記パワーカードの前記凹部に対応する形状の凸部として形成されているものとすることもできる。こうすれば、パワーカードの凹部と凸部（メタライズ部）とで、振動を受けたときの絶縁板のずれを抑制することができると共に、パワーカードの凹部と凸部（メタライズ部）との間で冷却グリスを保持することができ、経年使用による冷却グリスの抜けを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例の電力変換装置２０が搭載されたパワーコントロールユニット１０の構成の概略を示す分解斜視図である。
【図２】電力変換装置２０の構成の概略を示す説明図である。
【図３】電力変換装置２０の要部の断面を示す説明図である。
【図４】絶縁板３４ａの構成の概略を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本実施例の電力変換装置２０が搭載されたパワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）１０の構成の概略を示す分解斜視図であり、図２は、電力変換装置２０の構成の概略を示す説明図であり、図３は、電力変換装置２０の要部の断面を示す説明図であり、図４は、絶縁板３４ａの構成の概略を示す説明図である。ＰＣＵ１０は、図１，図３に示すように、昇圧コンバータ，インバータなど電力を変換するための回路を構成するダイオードやＩＧＢＴなどの複数のパワー素子２２が内蔵された電力変換装置２０と、電力変換装置２０に内蔵された昇圧コンバータやインバータを制御するための制御回路を構成する各種電子部品が搭載された電子基板４０と、を備えている。なお、電力変換装置用ケース５０は、電子基板用ケース５２の底面側から嵌め込まれて固定されており、電子基板用ケース５２の上面は蓋部材５４で塞がれており、電子基板用ケース５２の底面は底面部材５６で塞がれている。
【００１３】
電力変換装置２０は、図２〜図４に示すように、複数のパワー素子２２が内蔵された複数のパワーカード２８と、各パワーカード２８を冷却する複数の冷却器３０ａ，３０ｂと、各パワーカード２８と各冷却器３０ａとの間に配置された複数の絶縁板３４ａと、各パワーカード２８と各冷却器３０ｂとの間に配置された複数の絶縁板３４ｂと、を備え、各パワーカード２８と各絶縁板３４ａ，３４ｂとの間には冷却グリス２９ａ，２９ｂが塗布されており、各絶縁板３４ａと各冷却器３０ａとの間および各絶縁板３４ｂと各冷却器３０ｂとの間にそれぞれ冷却グリス３１ａ，３１ｂが塗布されている。電力変換装置２０は、図１に示すように、電力変換装置用ケース５０の内部に取り付けられており、電力変換装置用ケース５０に取り付けられた図示しない一対の押圧部材により図２における右方向から荷重がかけられている。
【００１４】
パワーカード２８は、図２，図３に示すように、表面および裏面に熱伝導性の良好な材料（例えば、銅（Ｃｕ）など）により形成されたヒートシンク２４ａ，２４ｂと、エポキシ樹脂等の合成樹脂材料により形成された樹脂部２６と、によりパワー素子２２を内部に封止している。パワーカード２８は、絶縁板３４ａ，３４ｂ側の面では、樹脂部２６に対してヒートシンク２４ａ，２４ｂが深さＤｈ（例えば、０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍなど）の凹部２８ａとなっている。凹部２８ａは、切削工法を用いてヒートシンク２４ａ，２４ｂと樹脂部２６との境界を平坦化する際に、ヒートシンク２４ａ，２４ｂと樹脂部２６とはドリルとの摩擦熱によって熱膨張した状態で表面が切削され、その後、冷えたときに樹脂部２６よりヒートシンク２４ａ，２４ｂのほうが大きく熱収縮することにより形成される。
【００１５】
絶縁板３４ａ，３４ｂは、図２〜図４に示すように、熱伝導性が良好な絶縁材料（例えば、セラミックなど）により略矩形形状に形成されている。
【００１６】
冷却器３０ａ，３０ｂは、熱伝導性の良好な材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）など）により形成され、内部に冷却水が流通している。冷却器３０ａ，３０ｂは、発熱したパワー素子２２を、冷却グリス３１ａ，３１ｂ，絶縁板３４ａ，３４ｂ，冷却グリス２９ａ，２９ｂ，パワーカード２８のヒートシンク２４ａ，２４ｂを介して冷却することにより、パワー素子２２が高温に至ることを抑制している。
【００１７】
メタライズ部３８ａ，３８ｂは、図３，図４に示すように、絶縁板３４ａのパワーカード２８側の面３４ｃのパワー素子２２と対向する位置に、パワーカード２８の凹部２８ａに対応する形状（凹部２８ａより一回り小さい形状）の凸部となるよう、銀および銅の金属粉末からなるろう材を蒸着することによって形成されており、面３４ｃからの高さＨｍが凹部２８ａの深さＤｈと同一または若干低くなるよう調整されている。メタライズ部３８ａ，３８ｂは、図示していないが、絶縁板３４ｂにも形成されている。メタライズ部３８ａ，３８ｂは、絶縁板３４ａ，３４ｂに蒸着により形成されるから、ヒートシンク２４ａ，２４ｂや絶縁板３４ａ，３４ｂに溝加工で凹部を形成するものと比較すると、加工時に生じる異物（特に、ヒートシンク２４ａ，２４ｂに溝加工で凹部を形成する場合には銅（Ｃｕ）の導電性の異物）の残留を抑制することができると共に、ヒートシンク２４ａ，２４ｂや絶縁板３４ａ，３４ｂの強度の低下を抑制（特に、絶縁板３４ａ，３４ｂに溝加工で凹部を形成する場合には割れを抑制）することができる。
【００１８】
また、メタライズ部３８ａ，３８ｂは、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）の金属粉末からなるろう材を蒸着することによって形成されるから、絶縁板３４ａ，３４ｂのパワーカード２８側の面より表面の粗さが高くなっている。したがって、メタライズ部３８ａ，３８ｂで冷却グリス２９ａ，２９ｂを保持しやすくなり、経年使用による冷却グリス２９ａ，２９ｂの抜けを抑制することができる。
【００１９】
さらに、メタライズ部３８ａ，３８ｂは、絶縁板３４ａ，３４ｂのパワーカード２８側の面にパワーカード２８の凹部２８ａに対応する形状の凸部として形成されているから、パワーカード２８の凹部２８ａと凸部との間に冷却グリス２９ａ，２９ｂを保持することができ、冷却グリス２９ａ，２９ｂの抜けを抑制することができると共に、パワーカード２８の凹部２８ａと凸部（メタライズ部３８ａ，３８ｂ）により振動を受けたときに絶縁板３４ａ，３４ｂのずれを抑制することができる。
【００２０】
そして、メタライズ部３８ａ，３８ｂは、熱が発生するパワー素子２２と対向する位置に形成されており、メタライズ部３８ａ，３８ｂで冷却グリス２９ａ，２９ｂを保持しやくなるから、パワー素子２２からの熱を良好に絶縁板３４ａ，３４ｂに伝搬することができる。
【００２１】
このように、冷却グリス２９ａ，２９ｂの抜けが抑制されると共にパワー素子２２からの熱を良好に伝搬することができるから、経年使用による冷却性能の低下を抑制することができる。なお、メタライズ部３８ａ，３８ｂは、絶縁板３４ａ，３４ｂに形成されているから、メタライズ部３８ａ，３８ｂを絶縁板３４ａ，３４ｂより表面が滑らかなヒートシンク２４ａ，２４ｂに形成する場合と比較すると、密着性よく形成することができる。
【００２２】
以上説明した実施例のＰＣＵ１０によれば、パワーカード２８と絶縁板３４ａ，３４ｂとの間に冷却グリス２９ａ，２９ｂが塗布されており、絶縁板３４ａ，３４ｂのパワーカード２８側の面のパワー素子と対向する位置に、金属粉末を蒸着することによって形成されたメタライズ部３８ａ，３８ｂを備えるから、異物が残留することを抑制すると共に経年使用による冷却性能の低下を抑制することができる。
【００２３】
実施例のＰＣＵ１０では、メタライズ部３８ａ，３８ｂを、パワーカード２８の凹部２８ａに対応する形状の凸部として形成するものとしたが、メタライズ部３８ａ，３８ｂの形状は凹部２８ａに対応する形状に限定されるものではなく、メタライズ部３８ａ，３８ｂの形状は冷却グリス２９ａ，２９ｂを残したい位置に応じて適宜定めるものとすればよい。
【００２４】
実施例の電力変換装置２０では、パワーカード２８を、表面および裏面にヒートシンク２４ａ，２４ｂを有するものとしたが、表面および裏面のうちの一方のみにヒートシンクを有するものと、表面および裏面のうちの他方を樹脂で封止するものとしてもよい。
【００２５】
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、パワーカード２８が「パワーカード」に相当し、冷却器３０ａが「冷却器」に相当し、絶縁板３４ａが「絶縁板」に相当し、冷却グリス２９ａが「冷却グリス」に相当し、メタライズ部３８ａ，３８ｂが「メタライズ部」に相当する。
【００２６】
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００２７】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、電力変換装置の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  パワーコントロールユニット(ＰＣＵ）、２０  電力変換装置、２２  パワー素子、２４ａ，２４ｂ  ヒートシンク、２６  樹脂部、２８  パワーカード、２８ａ  凹部、２９ａ，２９ｂ，３１ａ，３１ｂ  冷却グリス、３０ａ，３０ｂ  冷却器、３４ａ，３４ｂ  絶縁板、３４ｃ  面、３８ａ，３８ｂ  メタライズ部、４０  電子基板、５０  電力変換装置用ケース、５２  電子基板用ケース、５４  蓋部材、５６  底面部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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