(57)【要約】【課題】他の部品との組み付けや他の部品との熱伝達につき支障の無い、薄板を使用した冷却構造を実現すること。【解決手段】パワー半導体素子を含むパワーモジュールに設けられる冷却構造１、半導体素子を冷却する冷却ケース９と、冷却ケース９に対してパワー半導体素子とは反対側にろう付けされる底板１１とを備える。底板１１には、冷却ケース９とは反対側に凸となる多数の凸部１４が設けられる。各凸部１４の先端高さは、底板１１を冷却ケース９へろう付けした後に略同一平面上に位置するように定められる。底板１１は、打抜きプレス加工により形成される。その打ち抜きプレス加工時には、多数の凸部１４が同時に形成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を含むパワーモジュールに設けられるパワーモジュール用冷却構造において、
前記半導体素子を冷却する冷却ケースと、前記冷却ケースに対して前記半導体素子とは反対側にろう付けされる底板とを備え、前記底板には、前記冷却ケースとは反対側に凸となる多数の凸部が設けられ、前記各凸部の先端高さが、前記底板を前記冷却ケースへろう付けした後に略同一平面上に位置するように定められたことを特徴とするパワーモジュール用冷却構造。
【請求項２】
前記底板は、打抜きプレス加工により形成され、その打ち抜きプレス加工時に前記多数の凸部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用冷却構造。
【請求項３】
半導体素子を含むパワーモジュールに設けられるパワーモジュール用冷却構造において、
前記半導体素子を冷却する冷却ケースと、前記冷却ケースに対して前記半導体素子とは反対側にろう付けされる底板とを備え、前記底板には、前記冷却ケースとは反対側に凸となる格子状のリブが設けられ、前記リブの先端高さが、予め同一平面上に位置するように略均一に定められたことを特徴とするパワーモジュール用冷却構造。
【請求項４】
前記底板は、打抜きプレス加工により形成され、その打ち抜きプレス加工時に前記格子状のリブが形成されたことを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子を含むパワーモジュールに設けられるパワーモジュール用冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１〜６に記載される技術が知られている。特に、特許文献１には、半導体素子を冷却するために半導体素子を搭載する放熱基板において、半導体素子を搭載する側とは反対側の面にディンプル加工が施され、熱膨張差などによる反りを防止することが記載されている。この反りは、基板に半導体素子をろう付け（ろう材で接合）する際に熱膨張差やハーメチックシール条件の違いにより起きるものであり、放熱基板に生じる凸反りや凹反りである。放熱基板が反りにより変形すると、半導体素子の組み付けや熱伝達の不具合が問題となる。特許文献１に記載の技術では、放熱基板の反りをなくすためにディップル加工が施されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３０７０２５号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７０６０号公報
【特許文献３】特開２００６−３３２０８４号公報
【特許文献４】特開平２−７７１４３号公報
【特許文献５】特開２００６−２９４６９９号公報
【特許文献６】特開２００７−１９２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の技術では、放熱基板の板厚の範囲内でディンプル加工が施されることから、反りを防止できる剛性を得るために、板厚の大きい放熱基板を使う必要があった。このため、この技術を、薄板を使用した冷却構造に適用することが困難であった。放熱基板の板厚が大きいと、小型化や加工性の点で問題がある。一方、放熱基板の反りが問題となるのは、他の部品との組み付けにおける不具合と、他の部品との熱伝達における不具合であり、これらの不具合が解消できるものであれば、反りを解消することばかりではなく、反りを許容することも可能であると考えられる。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、他の部品との組み付けや他の部品との熱伝達について支障の無い、薄板を使用した冷却構造を実現したパワーモジュール用冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体素子を含むパワーモジュールに設けられるパワーモジュール用冷却構造において、半導体素子を冷却する冷却ケースと、冷却ケースに対して半導体素子とは反対側に配置され、ろう付けされる底板とを備え、底板には、冷却ケースとは反対側に凸となる多数の凸部が設けられ、各凸部の先端高さが、底板を冷却ケースへろう付けした後に略同一平面上に位置するように定められたことを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、底板を薄板としても、底板に多数の凸部が設けられるので、底板の反りは許容されるものの、底板の剛性は上がる。底板を冷却ケースにろう付けした後、ろう付けの熱膨張差により底板に反りが生じても、各凸部の先端高さが、底板を冷却ケースへろう付けした後に略同一平面上に位置するように定められる。従って、底板を薄板としても、その反りが許容された状態で、各凸部が同一平面に対してほぼ均等に接触可能となる。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、底板は、打抜きプレス加工により形成され、その打ち抜きプレス加工時に多数の凸部が形成されたことを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、底板が打ち抜きプレス加工されると同時に多数の凸部が形成されるので、各凸部を別途加工する必要がない。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、半導体素子を含むパワーモジュールに設けられるパワーモジュール用冷却構造において、半導体素子を冷却する冷却ケースと、冷却ケースに対して半導体素子とは反対側に配置され、ろう付けされる底板とを備え、底板には、冷却ケースとは反対側に凸となる格子状のリブが設けられ、リブの先端高さが、予め同一平面上に位置するように略均一に定められたことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、底板を薄板としても、底板に格子状のリブが設けられるので、底板の反りが抑えられると共に、底板の剛性が上がる。底板の剛性が上がる分だけ、冷却ケースの剛性も上がる。底板を冷却ケースにろう付けした後でも、底板の反りが抑えられるので、リブの先端高さが、予め同一平面上に位置するように保たれる。従って、底板を薄板としても、格子状のリブが同一平面に対してほぼ均等に接触可能となる。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、底板は、打抜きプレス加工により形成され、その打ち抜きプレス加工時に格子状のリブが形成されたことを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、底板が打ち抜きプレス加工されると同時に格子状のリブが形成されるので、格子状のリブを別途加工する必要がない。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、他の部品との組み付けや他の部品との熱伝達について何ら支障がなく、底板や冷却ケースに薄板を使用した冷却構造を実現することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、多数の凸部を有する底板の製造を容易にすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、他の部品との組み付けや他の部品との熱伝達について何ら支障がなく、底板や冷却ケースに薄板を使用した冷却構造を実現することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加え、格子状のリブを有する底板の製造を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明のパワーモジュール用冷却構造を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１に、この実施形態のパワーモジュール用冷却構造（以下、単に「冷却構造」と言う。）１を模式的に断面図により示す。図２に、図１の分解断面図を示す。この冷却構造１は、後述するパワーモジュールに組み付けられて使用される。図１，２に示すように、この冷却構造１は、冷却器２と、冷却器２の上に応力緩和材３を介して設けられた基板４とを備える。
【００２０】
基板４は、セラミック絶縁基板５と、その上下両面に設けられた高純度アルミ６，７とから構成される。応力緩和材３は、パンチングアルミ等より構成される。基板４は、応力緩和材３に対してろう付けされ、応力緩和材３は、冷却器２に対してろう付けされる。
【００２１】
冷却器２は、内部にフィン８を収容して冷媒を流す水路ケース９と、水路ケース９の上側面にろう付けされた天板１０と、水路ケース９の下側面にろう付けされた底板１１とを備える。この実施形態では、天板１０及び底板１１は、例えば、それぞれ板厚が「１〜３  ｍｍ」程度の薄板から構成される。上記した応力緩和材３は、冷却器２の天板１０に対してろう付けされる。水路ケース９は、本発明の冷却ケースに相当し、内部に冷媒としての冷却水を流すように構成される。水路ケース９は、上ケース１２と下ケース１３とをろう付けすることで構成される。フィン８は、上ケース１２と下ケース１３の内面にそれぞれろう付けされる。上記したように各部材３，４，９〜１１を互いにろう付けする工程では、各部材３，４，９〜１１に熱が加わるが、セラミック絶縁基板５（線膨張：４．５  ｐｐｍ）と冷却器２（線膨張：２３  ｐｐｍ）には線膨張差があることから、ろう付け後の冷却器２の全体には、図１に示すように、熱変形により下側に凹となる反りが生じる。ここで、底板１１に掛かる線膨張歪みも増大するため、その底板１１にも変形により反りが生じる。ろう付けは、例えば、「６００  ℃」付近の温度で加工が行われる。その後、常温まで冷やす過程で、温度による収縮率の違いにより底板１１にも反りが生じる。
【００２２】
上記した天板１０は、平板状をなす。これに対し、底板１１には、水路ケース９とは反対側に凸となる多数の凸部１４が設けられる。図３に、底板１１の下面を平面図により示す。図３に示すように、多数の凸部１４は、それぞれ平面視で円形をなし、全体として平面視で縦横に整列配置される。図３において、多数の凸部１４のうち、縦方向の並びを「行」とし、横方向の並びを「列」とすると、各行を構成する複数の凸部１４は、中央に近付くほど外径が大きく、両端はほど外径が小さくなっている。同様に、各列を構成する複数の凸部１４は、中央に近付くほど外径が大きく、両端ほど外径が小さくなっている。また、図３に示すように、平面視では、底板１１の中央部分に位置する凸部１４ほど外径が相対的に大きくなっている。従って、図２に示すように、ろう付け前の底板１１は、各凸部１４の先端高さが、中央部ほど高くなっている。各凸部１４の先端高さの違いは、図１に示すように、底板１１を水路ケース９にろう付けした後に略同一平面上に位置するように定められる。すなわち、各凸部１４の先端高さは、ろう付け後の底板１１の反り形状を見込んで予め定められる。つまり、反り量が大きく見込める部位は凸部１４を大きくし、反り量が小さい部位は凸部１４を小さくしている。この凸部１４の先端高さは、例えば「５０〜５００  μｍ」の範囲で決定される。この実施形態で、底板１１は打抜きプレス加工により形成される。多数の凸部１１は、この打ち抜きプレス加工時に同時に形成される。
【００２３】
図４に、上記した冷却構造１を含むパワーモジュール２１を模式的に断面図により示す。このパワーモジュール２１は、上記した冷却構造１の他に、冷却構造１を搭載するアルミ製のダイキャストケース２２と、そのダイキャストケース２２に設けられた、発熱体であるリアクトル２３及びパワー半導体素子２４と、冷却構造１の冷却器２の上に設けられた樹脂ハウジング２５と、基板４の高純度アルミ６の上に設けられたパワー半導体素子２６とを備える。下側のパワー半導体素子２４は、ボルト２７によりダイキャストケース２２の下面に固定される。冷却構造１は、複数のボルト２８によりダイキャストケース２２の上面に固定される。冷却器２の底板１１とダイキャストケース２２との間には、放熱グリス２９が介在する。樹脂ハウジング２５は、シリコン接着剤３０を介して、冷却器２の天板１０の上に接着される。上側のパワー半導体素子２６は、ハンダ３１を介して、基板４の高純度アルミ６の上に接合される。上側のパワー半導体素子２６は、樹脂ハウジング２５に設けられた端子３２に対しリード３３，３４を介して電気的に接続される。
【００２４】
上記したパワーモジュール２１において、冷却器２の上側に設けられたパワー半導体素子２６からの発熱量は比較的多いことから、冷却器２の上側は放熱効率の高い構造となっている。すなわち、このパワー半導体素子２６の発熱を効率良く冷却器２の冷媒に伝達するために、セラミック絶縁基板５を含む基板４と冷却器２が応力緩和材３を介してろう付けされる。また、水路ケース９の中のフィン８も同様に上ケース１２及び下ケース１３にそれぞれろう付けされる。これにより、上側のパワー半導体素子２６からの発熱が冷却器２の中の冷媒（冷却水）に伝わり易くなっている。加えて、このパワーモジュール２１において、ダイキャストケース２２の下側にも発熱体である、リアクトル２３とパワー半導体素子２４が設けられることから、これら部品２３，２４からの発熱も効率良く冷却器２の冷媒（冷却水）に伝達する必要がある。そのために、冷却器２の底板１１と、ダイキャストケース２２の上面との間に放熱グリス２９が介在する。
【００２５】
上記した放熱グリス２９を設けるために、この実施形態では、例えば、スクリーン印刷法が適用される。図５に、このスクリーン印刷法を断面図により示す。放熱グリル２９は、上記した冷却構造１に対して設けられる。すなわち、冷却器２の底板１１の上に印刷版４１を載せ、その印刷版４１の上からスキージ４２により放熱グリス２９を刷り込む。このとき、底板１１の各凸部１４の先端に放熱グリス２９が塗り付けられると共に、各凸部１４の隙間にも放熱グリス２９が入り込む。
【００２６】
その後、底板１１をダイキャストケース２２に取り付ける。図６に、冷却構造１をダイキャストケース２２に取り付けた態を断面図により示す。すなわち、図６に示すように、冷却器２の底板１１を下にして冷却構造１をボルト２８によりダイキャストケース２２に固定する。このとき、底板１１の各凸部１４の先端は、略同一平面上に位置することから、各凸部１４の先端が、ダイキャストケース２２の上面に当たる「メタルタッチ」に近い状態（厳密には放熱グリス２９の膜が介在する。）が得られる。
【００２７】
以上説明したこの実施形態のパワーモジュール用冷却構造１によれば、底板１１は薄板から構成される。この底板１１には、多数の凸部１４が設けられるので、底板１１の反りは許容されるものの、底板１４の剛性は上がる。このため、底板１１の反りを、凸部１４を設けない底板に比べて、低減できる効果を見込むことができ、底板１１の耐久性を向上させることができる。
【００２８】
また、この実施形態では、底板１１の剛性が上がることで、底板１１を水路ケース９にろう付けした後の冷却器２の全体の反り剛性も上がる。この意味で、冷却器２の反りを、底板１１に凸部１４を設けない場合に比べて、低減できる効果を見込むことができ、冷却器２の耐久性を向上させることができる。加えて、冷却器２の剛性が上がった分だけ、セラミック絶縁基板５と冷却器２の線膨張差により生じる応力が基板４と応力緩和材３との接合界面又はセラミック絶縁基板５に集中することを抑制することができ、冷却器２の全体に応力分散することができる。このため、基板４と応力緩和材３との接合信頼性を向上させることができ、セラミック絶縁基板５の耐久性を向上させることができる効果を見込むことができる。
【００２９】
更に、この実施形態では、底板１１を水路ケース９にろう付けした後、ろう付けの熱膨張差により底板１１に反りが生じても、各凸部１４の先端高さは、底板１１を水路ケース９へろう付けした後に略同一平面上に位置するように定められる。従って、底板１１を薄板としても、その反りが許容された状態で、各凸部１４が同一平面に対してほぼ均等に接触可能となる。このため、底板１１の各凸部１４の先端に均一に放熱グリス２９を印刷することができる。ここでは、底板１１の各凸部１４の間の隙間に放熱グリス２９を満遍なく充填できないおそれがある。しかし、熱伝導経路については、放熱グリス２９の熱伝導率が「１〜２  Ｗ／ｍ・Ｋ」であるのに対し、冷却器２の材質であるアルミの熱伝導率は「２９０  Ｗ／ｍ・Ｋ」と１００倍以上である。このため、熱流のほとんどがアルミ材質で構成された底板１１を伝導することとなる。また、底板１１のほぼ全ての凸部１４の先端が、薄い放熱グリス２９を介してダイキャストケース２２の上面にほぼ均等に当接することとなり、底板１１の全域をダイキャストケース２２の上面にほぼ均等に接触させることができる。従って、底板１１の各凸部１４とダイキャストケース２２の上面との間には、「１００  μｍ程度」の放熱グリス２９が介在するだけで、従来の「７００  μｍ以上」の厚みの放熱グリスを介して熱伝導する構造に比べて、冷却器２の冷却性能を向上させることができる。この意味で、ダイキャストケース２２に対する冷却器２の取り付けに支障がなく、同ケース２２から冷却器２に対する熱伝導効率を向上させることができる。このため、冷却器２の天板１０、底板１１及び水路ケース９に薄板を使用しても、有効な冷却機能を発揮する冷却構造１を実現することができる。つまり、他の部品との組み付けや他の部品との熱伝達について何ら支障がなく、底板１１や冷却ケース９に薄板を使用した冷却構造１を実現することができる。
【００３０】
また、この実施形態では、少なくとも底板１１の各凸部１４の先端に放熱グリス２９が塗られれば、放熱グリス２９がその機能を発揮することになる。この意味で、放熱グリス２９の使用量を大幅に低減することができ、低コストを実現することができる。
【００３１】
更に、この実施形態では、底板１１が打ち抜きプレス加工されると同時に多数の凸部１４が同時に形成されるので、各凸部１４を別途加工する必要がない。この意味で、底板１１の製造を容易にすることができ、低コストを実現することができる。
【００３２】
［第２実施形態］
次に、本発明のパワーモジュール用冷却構造を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、前記第１実施形態と同じ構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
【００３３】
図７に、この実施形態の冷却構造５１を模式的に断面図により示す。図８に、この実施形態の底板５２の下面を平面図により示す。図９に、図８のＡ−Ａ線断面図を示す。この実施形態では、底板５２の構成の点で、第１実施形態と異なる。すなわち、この実施形態の底板５２には、図８，９に示すように、冷却ケース９とは反対側に凸となる格子状のリブ５３が設けられる。この格子状のリブ５３の先端高さは、予め同一平面上に位置するように略均一に定められる。また、この格子状のリブ５３は、図８に示すように、底板５２の四辺に対して斜めに配置される。その他の構成については、第１実施形態のそれと同じである。
【００３４】
従って、この実施形態のパワーモジュール用冷却構造５１によれば、底板５２を薄板としても、底板５２に格子状のリブ５３が設けられるので、底板５２の反りが抑えられると共に、底板５２の剛性が上がる。このため、底板５２の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
また、この実施形態では、底板５２の剛性が上がる分だけ、底板５２を水路ケース９にろう付けした後の冷却器２の全体の剛性も上がる。この意味で、冷却器２の耐久性を向上させることができる。加えて、冷却器２の剛性が上がった分だけ、セラミック絶縁基板５と冷却器２の線膨張差により生じる応力が基板４と応力緩和材３との接合界面又はセラミック絶縁基板５に集中することを抑制することができ、冷却器２の全体に応力分散することができる。このため、基板４と応力緩和材３との接合信頼性を向上させることができ、セラミック絶縁基板５の耐久性を向上させることができる効果を見込むことができる。
【００３６】
更に、この実施形態では、底板５２を冷却ケース９にろう付けした後でも、底板５２の反りが抑えられるので、リブ５３の先端高さが、予め同一平面上に位置するように保たれる。従って、底板５２を薄板としても、格子状のリブ５３が同一平面に対してほぼ均等に接触可能となる。このため、底板５２のリブ５３の先端に均一に放熱グリス２９を印刷することができる。また、底板５２のリブ５３のほぼ全ての先端が、放熱グリス２９の膜を介してダイキャストケース２２の上面にほぼ均等に当接することとなり、底板５２の全域をダイキャストケース２２の上面にほぼ均等に接触させることができる。従って、底板５２のリブ５３とダイキャストケース２２の上面との間には、「１００  μｍ程度」の放熱グリス２９が介在することとなり、冷却器２の冷却性能を向上させることができる。この意味で、ダイキャストケース２２に対する冷却器２の取り付けに支障がなく、同ケース２２から冷却器２に対する熱伝導効率を向上させることができる。このため、冷却器２の天板１０、底板５２及び水路ケース９に薄板を使用しても、有効な冷却機能を発揮する冷却構造５１を実現することができる。つまり、他の部品との組み付けや他の部品との熱伝達について何ら支障がなく、底板５２や冷却ケース９に薄板を使用した冷却構造５１を実現することができる。
【００３７】
また、この実施形態では、少なくとも底板５２の格子状のリブ５３の先端に放熱グリス２９が塗られれば、放熱グリス２９がその機能を発揮することとなる。この意味で、放熱グリス２９の使用量を大幅に低減することができ、低コストを実現することができる。
【００３８】
更に、この実施形態では、底板５２が打ち抜きプレス加工されると同時に格子状のリブ５３が同時に形成されるので、リブ５３を別途加工する必要がない。この意味で、底板５２の製造を容易にすることができ、低コストを実現することができる。
【００３９】
なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して以下のように実施することもできる。
【００４０】
（１）前記第１実施形態では、底板１１の各凸部１４は、平面視で円形をなしているが、凸部の形状は円形に限られるものではなく、楕円形であってもよい。
【００４１】
（２）前記第２実施形態では、底板５２の格子状のリブ５３を、底板５２の四辺に対して斜めに配置したが、この格子状のリブを底板の四辺に対して平行に配置してもよい。
【００４２】
（３）前記各実施形態では、底板１１，５２が接するダイキャストケース２２にも発熱体であるリアクトル２３やパワー半導体素子２４が設けられたが、ダイキャストケースに発熱体であるパワー半導体素子等が設けられていなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態のパワーモジュール用冷却構造を模式的に示す断面図。
【図２】第１実施形態に係り、図１の冷却構造を示す分解断面図。
【図３】第１実施形態の底板の下面を示す平面図。
【図４】第１実施形態の冷却構造を含むパワーモジュールを模式的に示す断面図。
【図５】第１実施形態に係り、放熱グリスのスクリーン印刷法を示す断面図。
【図６】第１実施形態の冷却構造をダイキャストケースに取り付けた態を示す断面図。
【図７】第２実施形態の冷却構造を模式的に示す断面図。
【図８】第２実施形態の底板の下面を示す平面図。
【図９】第２実施形態に係り、図８の底板におけるＡ−Ａ線断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１    冷却構造
２    冷却器
９    水路ケース（冷却ケース）
１１    底板
１４    凸部
２１    パワーモジュール
２６    パワー半導体素子
５１    冷却構造
５２    底板
５３    リブ
【図１】
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【図２】
2009110982.tif 000004
【図３】
2009110982.tif 000005
【図４】
2009110982.tif 000006
【図５】
2009110982.tif 000007
【図６】
2009110982.tif 000008
【図７】
2009110982.tif 000009
【図８】
2009110982.tif 000010
【図９】
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