(57)【要約】【課題】冷却効率を向上させることのできるパワーモジュールを提供する。【解決手段】冷却器Ｃ１と、該冷却器と一側面が接合される基板２０と、該基板の他側面に接合されるパワー半導体素子１５ａ、１５ｂとを備えるパワーモジュールＰＭ１であって、冷却器は、冷媒を流通させる冷却路２を有し、該冷却路の前記基板側には、基板と冷却器との間に形成される密閉空間Ｓに冷媒を導入する開口部５が設けられ、冷却路の底面と基板との間には、底面より立設され基板に密着される柱部が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器（Ｃ１）と、該冷却器と一側面が接合される基板（２０）と、該基板の他側面に接合されるパワー半導体素子（１５ａ、１５ｂ）とを備えるパワーモジュール（ＰＭ１）であって、
前記冷却器は、冷媒を流通させる冷却路（２）を有し、
該冷却路の前記基板側には、前記基板と前記冷却器との間に形成される密閉空間（Ｓ）に前記冷媒を導入する開口部（５）が設けられ、
前記冷却路の底面と前記基板との間には、前記底面より立設され前記基板に密着される柱部（３）が設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記開口部は前記冷却路の前記密閉空間に対応する天井部を切り欠いて形成されると共に、切り欠いた前記天井部の切片（６）が片持ち状態で前記冷却路内に露出されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記基板は、絶縁基板（１２）と、該絶縁基板の一側面側に形成される第１の接合層（１０）および第１の金属層（１１）と、該絶縁基板の他側面側に形成される第２の金属層（１３）および第２の接合層（１４ａ、１４ｂ）とから構成され、
前記柱部の端部は、前記第１の接合層を介して前記第１の金属層に接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２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関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置（インバータ）などとして用いられる。
【０００３】
パワーモジュールに関する技術は種々提案されている（例えば特許文献１等）。
【０００４】
特許文献１では、図７に示すように、セラミック基板５０１の一方の面にパワー半導体を、他方の面に金属層５０３を設け、放熱部５０４ａと両端部側にそれぞれ設けた突起部５０４ｄとを押し出し加工で同時成形して冷却器５０４を形成し、はんだシートを挟んだ状態で突起部間に金属層５０３を配置し、はんだシートを加熱溶融させてセラミック基板５０１を冷却器５０４に接合したパワー素子の実装構造の製造方法およびパワー素子の実装構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２４７３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来技術では、冷却器５０４は冷却水を流通させる冷却路５０４ｂ、５０４ｃを有し、この冷却器５０４上にパワーモジュール基板としてのセラミック基板５０１をはんだ層（はんだシートが溶融してできた層）を介して接合している。
【０００７】
このような構成では、セラミック基板５０１上に搭載されるパワー半導体と、冷却路５０４ｂ、５０４ｃを流通する冷却水との間の熱抵抗が比較的大きくなり、冷却効率が低いという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、冷却効率を向上させることのでき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】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るパワーモジュールは、冷却器と、該冷却器と一側面が接合される基板と、該基板の他側面に接合されるパワー半導体素子とを備えるパワーモジュールであって、前記冷却器は、冷媒を流通させる冷却路を有し、該冷却路の前記基板側には、前記基板と前記冷却器との間に形成される密閉空間に前記冷媒を導入する開口部が設けられ、前記冷却路の底面と前記基板との間には、前記底面より立設され前記基板に密着される柱部が設けられていることを要旨とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記開口部は前記冷却路の前記密閉空間に対応する天井部を切り欠いて形成されると共に、切り欠いた前記天井部の切片が片持ち状態で前記冷却路内に露出されていることを要旨とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、前記基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の一側面側に形成される第１の接合層および第１の金属層と、該絶縁基板の他側面側に形成される第２の金属層および第２の接合層とから構成され、前記柱部の端部は、前記第１の接合層を介して前記第１の金属層に接合されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係るパワーモジュールによれば、パワー半導体素子と冷媒との間の熱抵抗を低減することができ、冷却効率を向上させることができる。
【００１３】
また、柱部自体が放熱フィンの役目を果たすため、放熱性を向上させることができる。
【００１４】
また、基板を柱部で支持することができ、パワーモジュール自体の強度を高めることができる。
【００１５】
請求項２に係るパワーモジュールによれば、切り欠いた天井部の切片が片持ち状態で冷却路内に露出されているので、冷却路を流通する冷媒の流速を上げることができ、熱交換性能を向上させることができる。
【００１６】
請求項３に係るパワーモジュールによれば、柱部の端部は、第１の接合層を介して第１の金属層に接合されているので、絶縁基板を柱部で確実に支持することができ、パワーモジュール自体の強度を高めると共に、放熱性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態に係るパワーモジュールに適用される冷却器の構成例を示す図であり、（ａ）その冷却器の概略構成を示す一部透視平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ａ−Ａ線断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るパワーモジュールの構成例を示す図であり、（ａ）そのパワーモジュールの概略構成を示す一部透視平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線断面図である。
【図３】第２の実施の形態に係るパワーモジュールに適用される冷却器の構成例を示す図であり、（ａ）その冷却器の概略構成を示す一部透視平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係るパワーモジュールの構成例を示す図であり、（ａ）そのパワーモジュールの概略構成を示す一部透視平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｅ−Ｅ線断面図、（ｄ）Ｆ−Ｆ線断面図である。
【図５】第３の実施の形態に係るパワーモジュールに適用される冷却器の構成例を示す図であり、（ａ）その冷却器の概略構成を示す一部透視平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｇ−Ｇ線断面図、（ｄ）Ｈ−Ｈ線断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係るパワーモジュールの構成例を示す図であり、（ａ）そのパワーモジュールの概略構成を示す一部透視平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｉ−Ｉ線断面図、（ｄ）Ｊ−Ｊ線断面図である。
【図７】従来技術に係るパワーモジュールの構成例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００１９】
［第１の実施の形態に係るパワーモジュール］
図１および図２を参照して、第１の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ１および冷却器Ｃ１の構成例について説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ１に適用される冷却器Ｃ１の構成例を示す図であり、図１（ａ）は冷却器Ｃ１の概略構成を示す一部透視平面図、図１（ｂ）はその側面図、図１（ｃ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【００２１】
図２は、第１の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ１の構成例を示す図であり、図１（ａ）はパワーモジュールＰＭ１の概略構成を示す一部透視平面図、図１（ｂ）はその側面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【００２２】
冷却器Ｃ１は、銅やアルミニウム等の金属の押出成形などにより液冷ジャケットとして構成される。
【００２３】
冷却器Ｃ１には、図１等に示すように、冷却水等の冷媒（図示せず）を流通させる冷却路２を有している。
【００２４】
冷却路２の底面と後述する第１の金属層との間には、冷媒の流通方向と平行に冷却路２を仕切る壁状の柱部３が設けられている。
【００２５】
なお、図１に示す構成例では、計５つの柱部３が立設され、各柱部３および左右の側壁によって６本の冷却路２が形成されているが、これには限定されず、柱部３の設置数は任意の数とすることができる。また、柱部３の設置数により冷却路２の本数や、各冷却路２の幅サイズ等も変わることは勿論である。
【００２６】
また、柱部３は、本実施の形態に示すように一連の壁状とする場合に限らず、途中に区切りを設けたブロック状などとするようにしてもよい。
【００２７】
図２に示すように、本実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ１は、図１に示す冷却器Ｃ１と、この冷却器Ｃ１に第１の接合層（例えば、ハンダ層）１０および第１の金属層（例えば、銅などで構成される）１１を介して一側面１２ａに接合される絶縁基板（例えば、セラミック製の絶縁基板等）１２と、絶縁基板１２の他側面１２ｂに第２の金属層（例えば、銅などで構成される配線パターン等）１３および第２の接合層（例えば、ハンダ層）１４ａ、１４ｂを介して接合されるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子１５ａ、１５ｂとを備える。
【００２８】
なお、本実施の形態において、絶縁基板１２と、第１の接合層１０および第１の金属層と、第２の金属層１３および第２の接合層１４ａ、１４ｂとで、基板２０が形成されているものとする。
【００２９】
本実施の形態において、絶縁基板１２は、この絶縁基板１２の一側面１２ａの周縁に沿って設けられる所定高さの環状部２５を介して冷却器Ｃ１の表面に接合されている。なお、環状部２５と冷却器Ｃ１との接合は、ハンダで行うこともできるが、水密信頼性を向上させるために、ろう付けや、銀シンタ（銀焼結物）接合等を行うことが好ましい。
【００３０】
また、環状部２５を省略して、絶縁基板１２の全面を冷却器Ｃ１の表面に接合するようにしてもよい。
【００３１】
そして、冷却路２には、絶縁基板１２の一側面１２ａと冷却器Ｃ１との間に形成される密閉空間Ｓ（図２（ｃ）参照）に冷媒を導入する開口部５が設けられている。
【００３２】
本実施の形態において、冷媒が導入される密閉空間Ｓは、絶縁基板１２の一側面１２ａと、環状部２５の内壁と、冷却器Ｃ１とで形成される。
【００３３】
これにより、密閉空間Ｓにおいて、導入される冷媒が絶縁基板１２の一側面１２ａに直に接触するので、冷却効率を一層向上させることができる。
【００３４】
また、本実施の形態において、柱部３の端部は、第１の接合層１０ａを介して第１の金属層１１ａに接合されている（図２（ｃ）参照）。
【００３５】
これにより、絶縁基板１２を柱部３でより確実に支持することができ、パワーモジュールＰＭ１自体の強度を高めることができると共に、放熱性を向上させることができる。
【００３６】
また、環状部２５は、絶縁基板１２の一側面１２ａと冷却器Ｃ１との間に設けられる第１の金属層１１ａおよび第１の接合層１０ａによって形成されるようにできる。この場合には、他の第１の金属層１１および第１の接合層１０ａを形成する際に環状部２５も形成することができ、工程を簡易化してパワーモジュールＰＭ１の製造コストを低減することができる。
【００３７】
［第２の実施の形態に係るパワーモジュール］
図３および図４を参照して、第２の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ２および冷却器Ｃ２の構成例について説明する。
【００３８】
図３は、第２の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ２に適用される冷却器Ｃ２の構成例を示す図であり、図３（ａ）は冷却器Ｃ２の概略構成を示す一部透視平面図、図３（ｂ）はその側面図、図３（ｃ）はそのＣ−Ｃ線断面図、図３（ｄ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。
【００３９】
図４は、第２の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ２の構成例を示す図であり、図４（ａ）はパワーモジュールＰＭ２の概略構成を示す一部透視平面図、図４（ｂ）はその側面図、図４（ｃ）はＥ−Ｅ線断面図、図４（ｄ）はＦ−Ｆ線断面図である。
【００４０】
なお、第２の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ２および冷却器Ｃ２について、第１の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ１および冷却器Ｃ１と同様の構成については同一符号を付して重複した説明は省略する。
【００４１】
第２の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ２および冷却器Ｃ２では、冷却路２に設けられる開口部５は、この冷却路２の密閉空間Ｓに対応する天井部を切り欠いて形成されると共に、切り欠いた天井部の切片６が支持部６ａにより片持ち状態で保持され、その切片６が冷却路２内に露出されている（図３（ｄ）、図４（ｄ）等参照）。
【００４２】
実際には、切片６等は、冷却路２の密閉空間Ｓに対応する天井部にスリットを形成するスリット加工が施され、このスリット加工で形成される切片６を冷却路２側に折曲げる折曲げ加工が施されて作成される。
【００４３】
なお、図３（ｄ）および図４（ｄ）に示すように、各冷却路２において、冷媒は矢印Ｄ１→Ｄ２→Ｄ３→Ｄ４のように流通する。
【００４４】
これにより、各冷却路２内に露出された天井部の各切片６が放熱フィンの役目を果たし、放熱面積が増大することで、冷却効率を向上させることができる。
【００４５】
また、各切片６が各冷却路２内に露出されているので、各冷却路２における冷媒の流通可能域（流通面積）が狭められ、各冷却路２を流通する冷媒の流速を上げることができ、熱交換性能をより向上させることができる。
【００４６】
［第３の実施の形態に係るパワーモジュール］
図５および図６を参照して、第３の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ３および冷却器Ｃ３の構成例について説明する。
【００４７】
図５は、第３の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ３に適用される冷却器Ｃ３の構成例を示す図であり、図５（ａ）は冷却器Ｃ２の概略構成を示す一部透視平面図、図５（ｂ）はその側面図、図５（ｃ）はそのＧ−Ｇ線断面図、図５（ｄ）はそのＨ−Ｈ線断面図である。
【００４８】
図６は、第３の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ３の構成例を示す図であり、図６（ａ）はパワーモジュールＰＭ３の概略構成を示す一部透視平面図、図６（ｂ）はその側面図、図６（ｃ）はＩ−Ｉ線断面図、図６（ｄ）はＪ−Ｊ線断面図である。
【００４９】
なお、第３の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ３および冷却器Ｃ３について、第２の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ２および冷却器Ｃ２と同様の構成については同一符号を付して重複した説明は省略する。
【００５０】
第３の実施の形態に係るパワーモジュールＰＭ３および冷却器Ｃ３では、各冷却路２には一対の開口部５Ａ、５Ｂが形成されている。
【００５１】
各開口部５Ａ、５Ｂは、この冷却路２の密閉空間Ｓに対応する天井部を切り欠いて形成されると共に、切り欠いた天井部の切片６Ａ、６Ｂが支持部６Ａａ、６Ｂａにより片持ち状態で保持され、各切片６Ａ、６Ｂが冷却路２内に露出されている（図５（ｄ）、図６（ｄ）等参照）。
【００５２】
実際には、切片６Ａ、６Ｂ等は、冷却路２の密閉空間Ｓに対応する天井部にスリットを形成するスリット加工が施され、このスリット加工で形成される切片６Ａ、６Ｂを冷却路２側に折曲げる折曲げ加工が施されて作成される。
【００５３】
なお、図５、図６に示すように、切片６Ａは冷媒の流通方向Ｄ２０に対向する側に向けて設けられ、切片６Ｂは冷媒の流通方向Ｄ２４に沿う方向に向けて設けられている。
【００５４】
なお、図５（ｄ）および図６（ｄ）に示すように、各冷却路２において、冷媒は矢印Ｄ２０→Ｄ２１→Ｄ２２→Ｄ２３→Ｄ２４のように流通する。
【００５５】
これにより、各冷却路２内に露出された天井部の切片６Ａ、６Ｂが放熱フィンの役目を果たし、放熱面積が増大することで、冷却効率をより向上させることができる。
【００５６】
また、各切片６Ａ、６Ｂが各冷却路２内に露出されているので、各冷却路２における冷媒の流通可能域（流通面積）が狭められ、各冷却路２を流通する冷媒の流速をより上げることができ、熱交換性能を一層向上させることができる。
【００５７】
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、前記の実施の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。
【符号の説明】
【００５８】
ＰＭ１〜ＰＭ３…パワーモジュール
Ｃ１〜Ｃ３…冷却器
２…冷却路
３…柱部
５、５Ａ、５Ｂ…開口部
６、６Ａ、６Ｂ…切片
６ａ、６Ａａ、６Ｂａ…支持部
１０、１０ａ…第１の接合層
１１、１１ａ…第１の金属層
１２…絶縁基板
１２ａ…絶縁基板の一側面
１２ｂ…絶縁基板の他側面
１３…第２の金属層
１４ａ、１４ｂ…第２の接合層
１５ａ、１５ｂ…パワー半導体素子
２０…基板
２５…環状部
Ｓ…密閉空間
【図１】
2016129168.tif 000003
【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】
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