(57)【要約】【課題】両面冷却型のパワーモジュールを備え、これを冷却する機能を有する構造体において、冷却機能の耐久性を高めること。【解決手段】本発明の構造体６０は、両面冷却型のモジュール４０と、モジュール４０の有するヒートスプレッダ５０の上面５１に接する樹脂シート２０と、樹脂シート２０の上面２１に接する放熱部材１０と、モジュール４０の有するヒートスプレッダ５５の下面５７に接着されている樹脂シート２５と、樹脂シート２５の下面２７に接する放熱部材３０と、を備える。モジュール４０は、素子４１、素子４１の上方に位置するスペーサ４６、スペーサ４６の上方に位置するヒートスプレッダ５０、素子４１の下方に位置するヒートスプレッダ５５を有する。構造体６０は、樹脂シート２０の下面２２が、ヒートスプレッダ５０の上面２１に接着されていないことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面冷却型のパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの有する上方ヒートスプレッダの上面に接する上方樹脂シートと、
前記上方樹脂シートの上面に接する上方放熱部材と、
前記パワーモジュールの有する下方ヒートスプレッダの下面に接着されている下方樹脂シートと、
前記下方樹脂シートの下面に接する下方放熱部材と、を備え、
前記パワーモジュールは、
半導体素子、
前記半導体素子の上方に位置するスペーサ、
前記スペーサの上方に位置する前記上方ヒートスプレッダ、及び
前記半導体素子の下方に位置する前記下方ヒートスプレッダを有する、
構造体であって、
前記上方樹脂シートの下面は、前記上方ヒートスプレッダの前記上面に接着されていないことを特徴とする、パワーモジュール及び外部放熱部材を有する構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は両面冷却型のパワーモジュールを冷却するための構造体に関し、特にパワーモジュールとパワーモジュール外部の放熱部材との間に樹脂シートが設けられた構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２に両面冷却型のパワーモジュールの両面を、パワーモジュールの外部の放熱部材で冷却する冷却ユニットが開示されている。放熱部材は、パワーモジュールから伝わる熱をパワーモジュールの外部に逃がしている。特許文献１では放熱部材として冷却チューブを採用している。特許文献２では、放熱部材として導体部材を採用している。
【０００３】
特許文献１，２において、放熱部材と、パワーモジュールとの間には樹脂シートが設けられている。また放熱部材が導体からなる場合、放熱部材とパワーモジュールとの間の電気的な絶縁性の確保が必要である。樹脂シートはかかる絶縁性の確保に必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０９３５９３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０５８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は本発明の課題にかかる構造体５９の断面図である。構造体５９はモジュール４０を備える。モジュール４０は両面冷却型のパワーモジュールである。モジュール４０は、素子４１、スペーサ４６、ヒートスプレッダ５０，５５を備える。素子４１は半導体素子を表す。ヒートスプレッダ５０は素子４１に対するエミッタ側２３に位置する。ヒートスプレッダ５５は素子４１に対するコレクタ側２８に位置する。
【０００６】
図１に示すようにモジュール４０の上面及び下面は、それぞれヒートスプレッダ５０の上面５１及びヒートスプレッダ５５の下面５７で構成されている。エミッタ側２３の樹脂シート１９がモジュール４０の上面に接着されている。またコレクタ側２８の樹脂シート２５がモジュール４０の上面に接着されている。
【０００７】
図１に示す樹脂シート１９，２５はさらにエミッタ側２３の放熱部材１０及びコレクタ側２８の放熱部材３０とそれぞれ接着されている。具体的には樹脂シート１９，２５はエポキシ基材からなる接着型樹脂シートになっている。このため、樹脂シート１９，２５はそれ自身の物性により、モジュール４０及び放熱部材１０，３０にそれぞれ接着されている。
【０００８】
図１に示すモジュール４０は、モジュール４０と放熱部材１０，３０との間に挟まれた樹脂シート１９，２５を介して、放熱部材１０，３０と密接に繋がっている。このため、モジュール４０が発熱すると、熱は樹脂シート１９，２５を通って、モジュール４０から放熱部材１０，３０に伝わる。放熱部材１０，３０は、かかる熱を外部に逃がす。このようにしてモジュール４０に対する冷却が行われる。
【０００９】
上記発熱と冷却に従い、図１に示すモジュール４０及び樹脂シート１９，２５では高温状態と低温状態とが繰り返される。このため、樹脂シート２５がヒートスプレッダ５５に接着されているにも関わらず、樹脂シート２５がモジュール４０より剥離することがある。
【００１０】
図２は樹脂シートの剥離状態を表す側面図である。樹脂シート２５の剥離により、図１に示す樹脂シート２５と下面５７との接触が損なわれる。このとき、放熱部材３０とモジュール４０との間の密接な繋がりが損なわれる。また、モジュール４０と樹脂シート２５との間に、気泡が発生する場合もある。
【００１１】
上記により、図１に示すモジュール４０と樹脂シート２５の間で熱の伝導が効率良く行われなくなる。このためモジュール４０が発熱しても、モジュール４０は効率的に冷却されなくなる。
【００１２】
図１に示すように、放熱部材３０は放熱部材１０よりも素子４１に近い。このため、図２に示す樹脂シート２５の剥離により、図１に示す素子４１から発せられる熱の、素子４１から放熱部材３０への伝導が悪くなる。したがって、素子４１の冷却が充分にできないため、滞留した熱が素子４１の動作に影響を及ぼすことがある。
【００１３】
本発明は、パワーモジュールと放熱部材との間に樹脂シートを設けて両面冷却型のパワーモジュールを冷却する技術において、樹脂シートのパワーモジュールからの剥離を抑制することを課題とする。本発明は両面冷却型のパワーモジュールを備え、これを冷却する機能を有する構造体において、冷却機能の耐久性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の構造体は、両面冷却型のパワーモジュールと、前記パワーモジュールの有する上方ヒートスプレッダの上面に接する上方樹脂シートと、前記上方樹脂シートの上面に接する上方放熱部材と、前記パワーモジュールの有する下方ヒートスプレッダの下面に接着されている下方樹脂シートと、前記下方樹脂シートの下面に接する下方放熱部材と、を備える。
【００１５】
前記パワーモジュールは、半導体素子、前記半導体素子の上方に位置するスペーサ、前記スペーサの上方に位置する前記上方ヒートスプレッダ、及び前記半導体素子の下方に位置する前記下方ヒートスプレッダを有する。
【００１６】
本発明の構造体は、前記上方樹脂シートの下面が、前記上方ヒートスプレッダの上面に接着されていないという特徴を有する。したがって、前記上方樹脂シートは、前記パワーモジュールが、前記下方樹脂シートの変形に追従して変形することを妨げない。ここで前記下方樹脂シートは下方ヒートスプレッダの下面に接着されていることに留意する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、パワーモジュールと放熱部材との間に樹脂シートを設けて両面冷却型のパワーモジュールを冷却する技術において、樹脂シートのパワーモジュールからの剥離を抑制することができる。本発明により、両面冷却型のパワーモジュールを備え、これを冷却する機能を有する構造体において、冷却機能の耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】課題にかかる構造体の断面図である。
【図２】課題にかかる、樹脂シートの剥離状態を表す側面図である。
【図３】実施形態にかかる構造体の断面図である。
【図４】実施形態にかかるパワーモジュールの断面図である。
【図５】実施形態にかかる樹脂シートの密着状態を表す側面図である。
【図６】実施形態の変形にかかる構造体の断面図である。
【図７】実施例にかかる応力の解析結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。説明に際しては、課題で用いた図面を一部援用する。また同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【００２０】
本願において上方若しくは下方又は上面若しくは下面等の上下方向の位置関係に係る用語を用いている。しかしながら、かかる用語は、本願発明にかかる鉛直方向やその他の特定の上下方向の位置関係を限定するものではない。すなわち、かかる用語は、発明を説明する際の便宜として用いられるものである。
【００２１】
図３は実施形態にかかる構造体６０の断面図である。構造体６０は、モジュール４０、樹脂シート２０，２５、放熱部材１０，３０を備える。モジュール４０は両面冷却型のパワーモジュールである。モジュール４０は、素子４１、スペーサ４６、ヒートスプレッダ５０，５５を備える。次に図４を用いてモジュール４０の構成を説明する。
【００２２】
図４はモジュール４０の断面図である。素子４１は半導体素子である。素子４１は上面４２を有する。上面４２は素子４１に対するエミッタ側２３に位置する。素子４１は下面４３を有する。下面４３は素子４１に対するコレクタ側２８に位置する。
【００２３】
図４に示すスペーサ４６は素子４１の上方に位置する。スペーサ４６は上面４７と下面４８とを有する。素子４１とスペーサ４６との間には、はんだ４４が位置する。はんだ４４は素子４１の上面４２とスペーサ４６の下面４８とに接する。
【００２４】
図４に示すヒートスプレッダ５０は、スペーサ４６の上方、すなわちエミッタ側２３に位置する上方ヒートスプレッダである。ヒートスプレッダ５０は上面５１と下面５２とを有する。スペーサ４６とヒートスプレッダ５０との間には、はんだ４９が位置する。はんだ４９はスペーサ４６の上面４７とヒートスプレッダ５０の下面５２とに接する。
【００２５】
図４に示すヒートスプレッダ５５は、素子４１の下方、すなわちコレクタ側２８に位置する下方ヒートスプレッダである。ヒートスプレッダ５５は上面５６と下面５７とを有する。素子４１とヒートスプレッダ５５との間には、はんだ４５が位置する。はんだ４５は素子４１の下面４３とヒートスプレッダ５５の上面５６とに接する。
【００２６】
図４に示すようにモジュール４０の上面及び下面は、それぞれヒートスプレッダ５０の上面５１及びヒートスプレッダ５５の下面５７で構成されている。ヒートスプレッダ５０，５５の一例は銅からなる放熱板である。
【００２７】
図３に戻り、構造体６０について説明する。モジュール４０の側面は全周にわたってモールド６５で覆われている。モジュール４０の上面及び下面は、モールド６５で覆われていない。すなわちヒートスプレッダ５０の上面５１及びヒートスプレッダ５５の下面５７は樹脂シート２０，２５と接触するために、モールド６５で覆われていない。モールド６５は絶縁性を有する。
【００２８】
図３に示す樹脂シート２０はモジュール４０の外部に位置する。樹脂シート２０は、ヒートスプレッダ５０に接する上方樹脂シートである。樹脂シート２０は上面２１と下面２２とを有する。樹脂シート２０はヒートスプレッダ５０に接する。具体的には下面２２と上面５１とが接する。
【００２９】
図３に示す樹脂シート２０はシリコーン系基材又はその他の材料からなる非接着型樹脂シートである。したがって上面２１及び下面２２は接着力を有さない。このため樹脂シート２０はモジュール４０に接着されることがない。
【００３０】
より具体的には図３にしめす樹脂シート２０はヒートスプレッダ５０に接着されていない。さらに具体的には下面２２と上面５１とは接着されない。また任意の接着剤が下面２２と上面５１との間に位置することがない。
【００３１】
図３に示す樹脂シート２０は絶縁性を有する。したがって放熱部材１０とモジュール４０との間の電気的な絶縁性の確保することができる。このため放熱部材１０が導電性を有する場合に、モジュール４０から放熱部材１０への漏電を防止することができる。絶縁性を高めるため樹脂シート２０は全周にわたってモールド６５と接することが好ましい。
【００３２】
図３に示す樹脂シート２５はモジュール４０の外部に位置する。樹脂シート２５は、ヒートスプレッダ５５に接する下方樹脂シートである。樹脂シート２５は上面２６と下面２７とを有する。樹脂シート２５はヒートスプレッダ５５に接する。具体的には上面２６と下面５７とが接する。
【００３３】
図３に示す樹脂シート２５はエポキシ基材又はその他の材料からなる接着型樹脂シートである。したがって上面２６及び下面２７は接着力を有する。樹脂シート２５は、上面２６の接着力によって、ヒートスプレッダ５５と接着されている。具体的には上面２６と下面５７とが接着されている。
【００３４】
樹脂シート２５は絶縁性を有する。したがって放熱部材３０とモジュール４０との間の電気的な絶縁性の確保することができる。このため放熱部材３０が導電性を有する場合に、モジュール４０から放熱部材３０への漏電を防止することができる。絶縁性を高めるため樹脂シート２５は全周にわたってモールド６５と接することが好ましい。
【００３５】
図３に示す放熱部材１０はモジュール４０の外部に位置する。放熱部材１０は、上面２１に接する上方放熱部材である。放熱部材１０は基板１１とフィン１６とを有する。基板１１は上面１２と下面１３とを有する。下面１３は上面２１に接する。
【００３６】
図３に示す放熱部材１０はいわゆるエミッタ側２３のヒートシンクである。フィン１６は上面１２上に配置されている。基板１１とフィン１６とは一体に成形されていてもよい。放熱部材１０はアルミニウムからなる冷却板でもよい。
【００３７】
図３に示す樹脂シート２０は放熱部材１０と接している。ただし上述の通り、樹脂シート２０は接着力を有しない。このため樹脂シート２０は放熱部材１０に接着されていない。具体的には上面２１と下面１３とは接着されていない。
【００３８】
図３に示す放熱部材３０はモジュール４０の外部に位置する。放熱部材３０は、下面２７に接する下方放熱部材である。放熱部材３０は基板３１とフィン３６とを有する。基板３１は上面３２と下面３３とを有する。上面３２は下面２７に接する。
【００３９】
図３に示す放熱部材３０はいわゆるコレクタ側２８のヒートシンクである。フィン３６は下面３３上に配置されている。基板３１とフィン３６とは一体に成形されていてもよい。放熱部材３０はアルミニウムからなる冷却板でもよい。
【００４０】
図３に示す樹脂シート２５は放熱部材３０と接している。上述の通り、樹脂シート２５は接着力を有する下面２７を備える。かかる接着力を利用して樹脂シート２５は放熱部材３０に接着されている。具体的には下面２７と上面３２とが接着されている。
【００４１】
図３に示すモジュール４０は、モジュール４０と放熱部材１０，３０との間に挟まれた樹脂シート２０，２５が介在するものの、放熱部材１０，３０と密に接している。このため、モジュール４０が発熱すると、熱は樹脂シート２０，２５を通って、モジュール４０から放熱部材１０，３０に伝わる。放熱部材１０，３０は、かかる熱を外部に逃がす。このようにしてモジュール４０に対する冷却が行われる。
【００４２】
本実施形態の効果を説明するため、図１に戻り、接着型の上方樹脂シートの生ずる問題点を明らかにする。構造体５９において、樹脂シート１９は、図３に示す樹脂シート２０と異なり、接着型である。上記発熱と冷却に従い、図１に示すモジュール４０及び樹脂シート１９，２５では高温状態と低温状態とが繰り返される。
【００４３】
図１に示すモジュール４０は樹脂シート１９の変形に追従して変形する場合がある。これはモジュール４０と樹脂シート１９間に熱膨張率に差があり、かつ樹脂シート１９がモジュール４０に接着されているからである。
【００４４】
図２に示すようにモジュール４０が変形すると、樹脂シート２５がモジュール４０に接着されているにも関わらず、樹脂シート２５が剥離する場合がある。剥離は図１に示す下面５７と上面２６とが接している界面で発生する。
【００４５】
図２に示すモジュール４０及び樹脂シート２５の膨張又は変形により生じた応力が、上面２６の接着力を上回ることにより、剥離が発生する。モジュール４０と樹脂シート２５との間にも熱膨張率に差があることが、応力をさらに助長する。
【００４６】
図３に戻り、非接着型の上方樹脂シートによる問題点の解決方法を説明する。構造体６０において、樹脂シート２０は、ヒートスプレッダ５０に接着されていない。すなわち樹脂シートはモジュール４０の片側の面のみに接着されている。
【００４７】
図５は樹脂シート２５の密着状態を表す側面図である。樹脂シート２０は、モジュール４０が、樹脂シート２５の変形に追従して変形することを妨げない。なぜなら、図３に示す上面５１及び下面２２とは、それらの位置関係を互いにずらすことができるからである。これは図５に示すように樹脂シート２０とモジュール４０とは互いに接しつつも、互いに接着されていないことに由来する。
【００４８】
一方で図５に示す樹脂シート２５はモジュール４０に接着されている。このため、モジュール４０は、樹脂シート２５の変形に追従して変形する。接着型樹脂シートと非接着型樹脂シートを組み合わせることでかかる作用が生じる。かかる作用により上述の応力を緩和することができる。
【００４９】
上述の応力を緩和する作用により、図５に示すように樹脂シート２５のモジュール４０からの剥離を抑制する効果が得られる。すなわち図３に示す上面２６と下面５７との接触が損なわれることを抑制する効果が得られる。またモジュール４０と樹脂シート２５との間に、気泡が発生することを抑制する効果が得られる。
【００５０】
上記作用により、図３に示す放熱部材３０とモジュール４０との間の密接な繋がりが損なわれることを抑制することができる。したがって、モジュール４０と樹脂シート２５の間で行われる熱の伝導を維持することができる。
【００５１】
上記効果により、図３に示す構造体６０は、モジュール４０が発熱したときに、モジュール４０を効率的に冷却する機能を維持することができる。すなわち構造体６０の備える冷却機能の耐久性を高めることができる。
【００５２】
上述の通り、本実施形態では、素子４１（図３）の発熱によりモジュール４０が熱を有しても、樹脂シート２５は剥離しにくい（図５）。したがって、特に素子４１から発せられる熱の、素子４１から放熱部材３０への伝導を維持することができる。このため、素子４１の冷却が充分に行われるので、滞留した熱が素子４１の動作に影響を及ぼすことが少ない。
【００５３】
図３に示すように、放熱部材３０は放熱部材１０よりも素子４１に近い。これは、エミッタ側２３にスペーサ４６が配置されていることによる。モジュール４０中の熱の発生源は素子４１である。すなわち放熱部材３０は放熱部材１０よりも熱の発生源に近い。
【００５４】
図３に示すモジュール４０の特性として、エミッタ側２３の方が冷えやすく、コレクタ側２８の方が冷えにくい。したがって、コレクタ側２８に接着型の樹脂シート２５が配置されている。一方、エミッタ側２３に非接着型の樹脂シート２０が配置されている。
【００５５】
かかる配置により、図３に示すヒートスプレッダ５５と樹脂シート２５との密着を、ヒートスプレッダ５０と樹脂シート２０との密着に優先させることができる。すなわち、かかる配置により、コレクタ側２８に配置されたヒートスプレッダ５５からの放熱を、エミッタ側２３に配置されたヒートスプレッダ５０からの放熱よりも優先させることができる。
【００５６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。図６は実施形態の変形にかかる構造体６１の断面図である。構造体６１はモジュール４０に加えて、モジュール３９を有する。モジュール３９の構造はモジュール４０と同一である。すなわち、構造体６１は２ｉｎ１構造を有する。
【００５７】
図６に示すようにモジュール３９，４０はそれぞれヒートスプレッダ５０，５５を有する。一点鎖線で示すように、樹脂シート２０が各ヒートスプレッダ５０の上面に接するように、樹脂シート２０を各ヒートスプレッダ５０の上面に押し付ける。なお樹脂シート２０は、各ヒートスプレッダ５０の上面に接着されない。樹脂シート２５は各ヒートスプレッダ５５の下面に接着されている。
【００５８】
図６に示すようにモジュール４０とモジュール３９との間には高さの公差がある。すなわち複数のモジュール間においては、ヒートスプレッダ５０の上面が位置する高さに、ばらつきのあることが設計上許されている。
【００５９】
樹脂シート２０は形状自由度の高いシリコーン系樹脂で形成されている。したがって一点鎖線で示すように樹脂シート２０は変形する。具体的には、樹脂シート２０はモジュール３９よりも背の高いモジュール４０上でより多く凹み、かつモジュール４０よりも背の低いモジュール３９上でより少なく凹むか、又は実質的に凹まない。このため、構造体６１はモジュール間の公差を補償することができる。
【実施例】
【００６０】
実施例として、上記実施形態に準じて、図３に示す構造体６０を解析した。構造体６０ではモジュール４０の片面に対してのみ樹脂シートが接着されている。比較例として、課題で説明した態様に準じて、図１に示す構造体５９を解析した。構造体５９では、モジュール４０の両面に対して樹脂シート１９，２５が接着されている。
【００６１】
ＣＡＥ（computer aided engineering）解析によって、図２，５に示すモジュール４０と樹脂シート２５との間に生じる最大主応力を算出した。最大主応力とは、モジュール４０と樹脂シート２５との間の面上の数点において応力を計算し、そのうち最も大きな応力がかかった点における応力の大きさである。最も大きな応力がかかった点から樹脂シート２５が剥離すると想定されることから、最大主応力が大きいほど樹脂シート２５は剥離しやすくなると考えられる。図７は応力の解析結果を表すグラフである。
【００６２】
図７に示すように、比較例に対し、実施例では最大主応力が減少した。比較例に係る構造体５９では最大主応力が５５．５ＭＰａであったところ、実施例に係る構造体６０では最大主応力３３．５ＭＰａであった。このため、コレクタ側２８に接着型の樹脂シート２５を配置し、かつエミッタ側２３に非接着型の樹脂シート２０を配置することで、応力を緩和できることが分かった。
【符号の説明】
【００６３】
１０  放熱部材
１１  基板
１２  上面
１３  下面
１６  フィン
１９，２０  樹脂シート
２１  上面
２２  下面
２３  エミッタ側
２５  樹脂シート
２６  上面
２７  下面
２８  コレクタ側
３０  放熱部材
３１  基板
３２  上面
３３  下面
３６  フィン
３９，４０  モジュール
４１  素子
４２  上面
４３  下面
４４，４５  はんだ
４６  スペーサ
４７  上面
４８  下面
４９  はんだ
５０  ヒートスプレッダ
５１  上面
５２  下面
５５  ヒートスプレッダ
５６  上面
５７  下面
５９〜６１  構造体
６５  モールド
【図１】
2016058487.tif 000003
【図２】
2016058487.tif 000004
【図３】
2016058487.tif 000005
【図４】
2016058487.tif 000006
【図５】
2016058487.tif 000007
【図６】
2016058487.tif 000008
【図７】
2016058487.tif 000009