(57)【要約】【課題】半導体素子が発熱した際の放熱性能に優れ、ポッティング材である封止樹脂体にクラックが生じ難いパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュール１００は、第１の冷却器１と、該第１の冷却器１の一側面に搭載され、複数の隔壁が格子状に交差して複数の収容空間１０を形成するハウジング２と、該収容空間１０内に収容された絶縁基板７１と半導体素子７２とからなる回路ユニット７と、該回路ユニット７と隔壁と第１の冷却器１との間に充填硬化された封止樹脂体３と、回路ユニット７のうち、第１の冷却器１側と反対側に設けられた第２の冷却器４と、から形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の冷却器と、
前記第１の冷却器の一側面に搭載され、複数の隔壁が交差して複数の収容空間を形成するハウジングと、
前記収容空間内に収容された絶縁基板と半導体素子とからなる回路ユニットと、
前記収容空間に充填硬化された封止樹脂体と、
前記回路ユニットのうち、第１の冷却器側と反対側に設けられた第２の冷却器と、からなる、パワーモジュール。
【請求項２】
前記回路ユニットと前記第２の冷却器との間に放熱材が介層されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第２の冷却器がその側方にフランジを備え、該フランジが前記封止樹脂体に埋設されている、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記隔壁のうち、第１の冷却器と当接する側と反対側の端面には凹溝が形成されており、
複数の前記隔壁の前記端面には対応する前記凹溝が形成され、複数の該凹溝に共通する板状の前記第２の冷却器が嵌め合いされている、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記収容空間の一部が前記第２の冷却器にて閉塞されない未閉塞領域となっており、該未閉塞領域は、格子状の隔壁と第２の冷却器との間の隙間領域、もしくは、第２の冷却器に穿孔された貫通孔、のいずれか一方である、請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記封止樹脂体は、高熱伝導性の樹脂素材もしくは樹脂とフィラーとの混合素材からなる、請求項１〜５のいずれか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、半導体素子を両面から冷却する構造を呈し、放熱性能およびクラック耐久性能に優れたハウジングタイプのパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。
【０００３】
ここで、パワーモジュールは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体からなる絶縁基板の一側面に半導体素子がはんだ付けされ、絶縁基板の他側面には半導体素子からの熱を絶縁基板を介して放熱するための冷却器がはんだ付けもしくは接着剤にて接合されている。なお、この冷却器は、板状のヒートシンクのほか、冷水等の冷媒を還流させる機能を備えたもの、さらにはそれらが組み合わされたものなど、多様な形態が存在する。より具体的には、これらがプラスチック等の樹脂素材のハウジング内に収容され、封止樹脂にてポッティングされてパワーモジュールが形成されている。  
【０００４】
ここで、従来のパワーモジュールには、半導体素子の片面のみに冷却器を備えた片面冷却ハウジングタイプと、半導体素子の両面に冷却器を備えて両面冷却するいわゆるパワーカードタイプが存在する。ハウジングタイプは、平面状の冷却器に全半導体素子を配し、その周囲をバスバー等の電気配線をインモールドしたハウジングで囲繞し、内部をゲル状の樹脂でポッティングするものである。一方、パワーモジュールタイプは、一つの半導体素子、この半導体素子の両面を冷却するためのチューブ、他のユニットとの電気的接続用のリードフレームを封止樹脂体で一体とし、一つの回路ユニットとするものである。
【０００５】
ところで、片面冷却ハウジングタイプのパワーモジュールは、その構造から両面冷却が困難であり、したがってパワーカードタイプに比して放熱性が劣る。その理由は、冷却器の反りに起因して各半導体素子の高さ寸法精度が悪くなり、各半導体素子の上側に設けた別途の冷却器との間に隙間が往々にして形成される結果、両面冷却構造としたにもかかわらずその効果が期待できないことにある。そこで、ゲル状の樹脂体の代わりに高熱伝導樹脂材でポッティングし、隙間の形成を防止しようとすると、今度は、この樹脂材の面的なサイズの大きさに起因して成形時の収縮や冷熱サイクルによる伸縮により、クラックの発生やボンディングワイヤの破断等が招来される。
【０００６】
一方、パワーカードタイプの場合は片面ハウジングタイプに比して放熱性に優れるが、その一方で相対的に部品点数が多くなり、接続工程の増加や組み付け性が悪いといった課題が存在する。この理由は、パワーカード間の電気的接続のために各パワーカードにはリードフレームが搭載されること、その外部にバスバー等の外部電気配線が必要であること、パワーカード間を冷却接続するために、外部に別体の冷却チューブを備え、かつ、これをパワーカードとの間に締結する必要があること、などがその原因である。そこで、パワーカード内に冷却チューブをインモールドせず、パワーカードの両面に冷却チューブを配することが考えられるが、この場合、パワーカードと冷却チューブの間に放熱グリスを塗布等する必要が生じ、この作業は組み付け性を極めて悪化させることになる。
【０００７】
なお、従来のパワーモジュールに関する技術として特許文献１を挙げることができる。このパワーモジュールは、半導体素子の上下面に冷却用の金属基板を設け、この基盤の間に樹脂をポッティングしたものであるが、このパワーモジュールでは、冷熱サイクルにおける金属基板の反りに起因して、封止樹脂体にクラックが発生する可能性が高いという課題が考えられる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１３０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子が発熱した際の放熱性能に優れ、ポッティング材である封止樹脂体にクラックが生じ難い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】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールは、第１の冷却器と、前記第１の冷却器の一側面に搭載され、複数の隔壁が交差して複数の収容空間を形成するハウジングと、前記収容空間内に収容された絶縁基板と半導体素子とからなる回路ユニットと、前記収容空間に充填硬化された封止樹脂体と、前記回路ユニットのうち、第１の冷却器側と反対側に設けられた第２の冷却器と、からなるものである。
【００１１】
本発明のパワーモジュールは、まず、回路ユニットで生じる熱の放熱性を高めるために、該回路ユニットを高放熱性の樹脂にてモールドすること、複数の回路ユニットを面的に広がる第１の冷却器上に載置してこれらを樹脂にて一体モールドしたものに関し、モールド時の樹脂の成形収縮や冷熱サイクルによって冷却器が反った場合でも、この反りや樹脂の成形収縮によってモールド樹脂のクラックやボンディングワイヤの破断の発生を効果的に抑止でき、もって放熱性に優れたパワーモジュールである。
【００１２】
そのための基本構成として、冷却器の一側面に搭載されるハウジングの内部を複数の隔壁が交差して収容空間を形成する態様とし、各収容空間内に絶縁基板と半導体素子とからなる回路ユニットを収容するとともに、この収容空間内に封止樹脂体を形成するものである。なお、冷却器は、既述するように、板状のヒートシンク、冷水や冷風等を還流させる機器等、いずれの形態であってもよい。
【００１３】
封止樹脂体がたとえば格子状の隔壁で分割されていることにより、面的に広がることが抑止される結果、パワーモジュール全体が熱によって面外に沿った場合でも、分割された各封止樹脂体にはクラックが生じ難くなる。
【００１４】
ここで、使用される樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などの樹脂を使用することができ、その放熱性をより高めるためには、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのフィラーを所定の含有割合で混合するのがよい。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、その放熱性をさらに高めるための方策として、その下方にある第１の冷却器に加えて、その上方に別途の冷却器（第２の冷却器）を具備するものである。具体的には、回路ユニットの上面と直接的、もしくは間接的に接触する第２の冷却器（この冷却器も第１の冷却器と同様に、板状のヒートシンク、冷水や冷風等を還流させる機器などからなる）が設けられ、たとえば、この第２の冷却器が封止樹脂体にその一部を埋め込ませることによってパワーモジュールに一体に形成される。
【００１６】
ここで、第２の冷却器が回路ユニットの上面と間接的に接触する形態に関し、回路ユニットとこの第２の冷却器との間に放熱材を介層した形態などがある。この放熱材は、予め第２の冷却器にはんだ付け等され、もしくは回路ユニットの上面にはんだ付け等されればよい。この放熱材は、第２の冷却器と接触する面材とこの面材を支持する脚部とから構成することができ、この脚部が回路ユニットに接続されるとともに該脚部の高さを調整することにより、効果的に回路ユニットからの熱を第２の冷却器に伝熱することが可能となる。なお、この放熱材も、第１、第２の冷却器と同じ熱伝導素材の金属から成形されるのがよい。
【００１７】
また、第２の冷却器に関し、封止樹脂体との接続強度を一層高める方策として、第２の冷却器がその側方にフランジを備え、該フランジを封止樹脂体に埋設させる形態がある。
【００１８】
さらに、前記ハウジングに関し、その隔壁のうち、第１の冷却器と当接する側と反対側の端面に凹溝を形成しておき、たとえば、複数の隔壁の該端面に対応する凹溝を形成しておき、複数の該凹溝に共通する板状の第２の冷却器を嵌め合いする形態もある。
【００１９】
たとえば、格子状の隔壁によって２列×４行の８つの収容空間が形成されている場合であって、各列にそれぞれ、４つの収容空間の上方に共通の板状の第２の冷却器を設ける場合において、板状の第２の冷却器を収容するように、各隔壁の端部に凹溝を形成しておき、この凹溝に板状の第２の冷却器を嵌め込むことにより、可及的に少ない冷却器にてパワーモジュールの上方からの放熱性能を高めることが可能となる。
【００２０】
また、上記する板状の第２の冷却器を嵌め込む形態において、該第２の冷却器を上記する凹溝内に嵌め込んだ後に収容空間内に樹脂を充填するために、この収容空間の一部が第２の冷却器にて閉塞されない未閉塞領域を形成しておき、この未閉塞領域を介して樹脂を収容空間内に充填するのがよい。ここで、この未閉塞領域の形態としては、格子状の隔壁で形成された面積よりも狭小な面積の第２の冷却器を設けること、もしくは、第２の冷却器に貫通孔を穿孔しておくこと、などの形態がある。
【００２１】
上記する本発明のパワーモジュールによれば、その上下に設けた冷却器と収容空間内に充填硬化された高伝熱素材の封止樹脂体とにより、その上下方向から高伝熱で放熱することによって従来のパワーモジュールに比してその放熱性能を格段に高めることができる。さらに、格子状の隔壁によって封止樹脂体を可及的に小面積（小体積）に分割することにより、パワーモジュールが熱によって伸縮する場合でも封止樹脂体へのクラックの発生を効果的に抑止することができ、もってそのクラック耐久性を高めることができる。
【００２２】
このパワーモジュールは、近時その生産が拡大しており、駆動源等の高発熱に対する放熱性と耐久性を急務の課題としている、ハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等に好適である。
【発明の効果】
【００２３】
以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、放熱性能とクラック耐久性の双方に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のパワーモジュールの平面図であり、図２は図１のII−II矢視図であり、図３は図１のIII−III矢視図であり、図４は図１のIV−IV矢視図である。なお、格子状の隔壁で画成された収容空間の基数は図示する実施の形態に限定されるものではなく、パワーモジュール上方に搭載される第２の冷却器は図示する形態以外にも、各収容空間を完全に塞ぐとともに各収容空間に対応する位置に樹脂充填部を備えた形態などであってもよい。
【００２５】
図示するパワーモジュール１００は、平板状の第１の冷却器１の上方にハウジング２が搭載され、このハウジング２はその内部が格子状の隔壁にて画成されて複数の収容空間１０を形成している。図３で示すように、収容空間１０内にはそれぞれ、絶縁基板７１上に半導体素子７２が載置されてなる回路ユニット７が収容され、具体的には、この絶縁基板７１が第１の冷却器１上に接着されており、たとえば、一つの収容空間１０内に２つの回路ユニット７，７が互いに金属細線８２で接続され、収容空間１０内の側方でパワーモジュール上に突出したリード端子８１にさらに接続されている。
【００２６】
一つの収容空間１０内に収容された２つの回路ユニット７，７には、正面視が門型の放熱材６の脚部がはんだ付けされており、この放熱材６と接触するように、もしくは間隔を置いて第２の冷却器４が設けられている。
【００２７】
図示を省略するが、第１、第２の冷却器１，４内には、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる流路が形成されており、不図示の冷媒源から提供された冷媒は、第１の冷却器１を通ってパワーモジュール１００の下方に冷熱を提供後、第１、第２の冷却器１，４を繋ぐ接続管５を介して第２の冷却器４に提供され、パワーモジュール１００の上方に冷熱を提供するようになっており、この冷媒の作用によってパワーモジュール１００の上下方向からの放熱性能が高められる。
【００２８】
図示する実施例では、格子状の隔壁にて２列で各列に７個の収容空間１０が形成されており、列ごとに７つの収容空間１０に跨る共通の第２の冷却器４が設けられている。
【００２９】
ここで、各格子壁には、図４で示すように、第２の冷却器４が嵌め合いされる凹溝２１が形成されており、第２の冷却器４はこの凹溝２１内で接着固定されることにより、パワーモジュール１００の上方に一体に固着される。
【００３０】
図１において、収容空間１０と第２の冷却器４との間に形成された隙間を介して樹脂が該収容空間１０内に充填される。なお、図示を省略するが、第２の冷却器４が平面的に収容空間１０を完全に塞ぐとともに、該冷却器４の各収容空間１０に対応する位置に貫通孔が形成されていて、この貫通孔を介して樹脂を各収容空間１０内に充填する形態であってもよい。
【００３１】
収容空間１０内には、樹脂とフィラーの混合材料が充填硬化されて封止樹脂体３を形成し、この封止樹脂体３により、回路ユニット７の封止は勿論のこと、回路ユニット７から第１、第２の冷却器１，４への放熱効果が高められている。
【００３２】
ここで、この混合材料を形成する樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などの中からいずれか一種の樹脂を使用でき、フィラーとしては、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどの中からいずれか一種のフィラーを使用することができる。また、混合材料におけるフィラーの含有率を６０〜７０ｖｏｌ％程度に調整することにより、熱伝導率が１〜５Ｗ／ｍＫという高熱伝導な封止樹脂体３を形成することができ、格子状の隔壁によって小面積（小体積）となったことと相俟って、そのクラック耐久性を一層高めることができる。
【００３３】
さらに、上記範囲のフィラー含有率の混合材料から形成することにより、熱膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ程度と高靭性な封止樹脂体を形成することができる。
【００３４】
なお、図４で示す凹溝２１に関し、この凹溝２１の寸法を、常温雰囲気では第２の冷却器４との間に隙間があり、封止樹脂の充填時には予熱による熱膨張差によって該冷却器４との間に隙間が無くなるような寸法に設定しておくのが好ましい。
【００３５】
また、図５は、図３と同様に図１のIII−III矢視図であり、第２の冷却器の他の実施の形態を説明した図である。
【００３６】
この第２の冷却器４Ａは、その下方に外側へ突出するフランジ４１を備えており、このフランジ４１が封止樹脂体３内に埋め込まれることにより、第２の冷却器４Ａと封止樹脂体３の結合強度を高めることができるものである。なお、このフランジ４１は、第２の冷却器４Ａにおいて、収容空間１０に対応する位置にのみ設けられ、格子状の隔壁端部の凹溝２１に対応する部分には設けられていない。
【００３７】
上記するパワーモジュール１００によれば、ハウジング内に形成された格子状の隔壁にて封止樹脂体が小面積（小体積）に分割されることにより、該封止樹脂体のクラック耐久性を高めることができる。さらには、パワーモジュール１００の上下方向に冷却器１，４を配設したこと、さらには、複数の収容空間１０内に高放熱素材の樹脂（とフィラーの混合材料）からなる封止樹脂体が形成されたこと、により、パワーモジュール１００の放熱性能が格段に高められている。この高耐久で放熱性に優れたパワーモジュールは、その搭載機器に高性能化、高耐久化、高放熱性を要求している近時のハイブリッド車や電気自動車等への適用に最適である。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のパワーモジュールの平面図である。
【図２】図１のII−II矢視図である。
【図３】図１のIII−III矢視図である。
【図４】図１のIV−IV矢視図である。
【図５】図１のIII−III矢視図であって、第２の冷却器の他の実施の形態を説明した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…第１の冷却器、２…ハウジング（隔壁）、３…封止樹脂体、４，４Ａ…第２の冷却器、４１…フランジ、５…接続管、６…放熱材、７…回路ユニット、７１…絶縁基板、７２…半導体素子、８１…リード端子、８２…金属細線、１０…収容空間、１００…パワーモジュール
【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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