(57)【要約】【課題】  パワーモジュールの冷却構造において、放熱部材の流出を低減させるという課題を解決する。【解決手段】  放熱部材を介してパワーモジュールを筐体に搭載した半導体装置において、前記パワーモジュールおよび前記筐体の各々に設けられた複数の固定用穴を用いて、前記パワーモジュールを前記筐体に固定する固定用部材と、前記筐体に、前記パワーモジュールおよび前記筐体との間に充填される前記放熱部材を保持するための放熱部材保持部とを備え、前記放熱部材保持部の面積が前記パワーモジュールの前記筐体に搭載された面の面積の４０％以上８０％以下であることを特徴とする半導体装置。【選択図】図２
2009246063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱部材を介してパワーモジュールを筐体に搭載した半導体装置において、
前記パワーモジュールおよび前記筐体の各々に設けられた複数の固定用穴を用いて、前記パワーモジュールを前記筐体に固定する固定用部材と、
前記筐体に、前記パワーモジュールおよび前記筐体との間に充填される前記放熱部材を保持するための放熱部材保持部とを備え、
前記放熱部材保持部の面積が前記パワーモジュールの前記筐体に搭載された面の面積の４０％以上８０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、前記放熱部材保持部の内側面と前記放熱部材保持部の底面とのなす角度が、９０度以上１２０度以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、前記パワーモジュールの筐体搭載面から前記放熱部材保持部以外の前記筐体までの長さが、前記パワーモジュールの筐体搭載面から前記放熱部材保持部の底面まで長さの５０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、前記放熱部材が、高分子材料と無機質充填材の混合物で構成され、２５℃における前記放熱部材の粘度が１００Ｐａ・Ｓ以上で、電気絶縁性を有すること特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、前記放熱部材は熱伝導率が０.２Ｗ／ｍＫ以上、体積抵抗率が１×１０10Ωcm以上の熱伝導性グリスであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
金属板上の絶縁層に配線金属が形成された金属ベース基板と、前記金属ベース基板に実装されたパワー半導体素子を備えたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを搭載する筐体と、
前記パワーモジュールと筐体とを固定するための固定部材と、
前記パワーモジュールと筐体との間に充填された放熱部材とを有する半導体装置において、
前記筐体は、前記放熱部材を保持するための凹型の放熱部材保持部を有し、
前記放熱部材が、高分子材料と無機質充填材の混合物で構成され、２５℃における前記放熱部材の粘度が１００Ｐａ・Ｓ以上で、電気絶縁性を有すること特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、前記放熱部材保持部の内側面と前記放熱部材保持部の底面とのなす角度が、９０度以上１２０度以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体装置において、前記パワーモジュールの筐体搭載面から前記放熱部材保持部以外の前記筐体までの長さが、前記パワーモジュールの筐体搭載面から前記放熱部材保持部の底面まで長さの５０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項６に記載の半導体装置において、前記放熱部材保持部の面積が前記パワーモジュールの前記筐体に搭載された面の面積の４０％以上８０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の半導体装置において、前記放熱部材は熱伝導率が０.２Ｗ／ｍＫ以上、体積抵抗率が１×１０10Ωcm以上の熱伝導性グリスであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタを駆動させるためのインジェクタ駆動回路と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータとを備えたエンジン制御装置において、
前記昇圧回路を構成する昇圧用コイルと蓄電用電解コンデンサとが実装されたＬＣモジュールと、前記昇圧回路及び前記インジェクタ駆動回路をそれぞれ構成する整流素子とスイッチング素子とが実装されたパワーモジュールと、前記マイクロコンピュータと、エンジン制御装置外部とのインターフェースであるコネクタとが実装された制御基板とが、積層配置され、
前記パワーモジュールは放熱部材を介して筐体に固定され、
前記筐体に前記パワーモジュールおよび前記筐体との間に充填される前記放熱部材を保持するための放熱部材保持部を有し、
前記放熱部材保持部の面積が前記パワーモジュールの前記筐体に搭載された面の面積の４０％以上８０％以下であることを特徴とするエンジン制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のエンジン制御装置において、前記パワーモジュールの筐体搭載面から前記放熱部材保持部以外の前記筐体までの長さが、前記パワーモジュールの筐体搭載面から前記放熱部材保持部の底面まで長さの５０％以下であることを特徴とするエンジン制御装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載のエンジン制御装置において、前記放熱部材が、高分子材料と無機質充填材の混合物で構成され、２５℃における前記放熱部材の粘度が１００Ｐａ・Ｓ以上で、電気絶縁性を有すること特徴とするエンジン制御装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載のエンジン制御装置において、積層配置された前記パワーモジュールと前記制御基板とを電気的に接続するための接続端子を備え、前記接続端子に接続部に発生する応力を緩和するための段差部が設けられていることを特徴とするエンジン制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱部材を介して筐体にパワーモジュールが固定された半導体装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどに代表されるパワー半導体素子のような発熱部品を配線基板上に実装し、モジュール化したパワーモジュールが、車載用や産業用の半導体装置として一般的に用いられている。パワーモジュールでは、主にパワー半導体素子が実装された面と反対側の面より、パワーモジュールが固定された筐体などの冷却板へ熱を伝導することで、排熱が行われる構成になっている。冷却板と対向するパワーモジュールの面に放熱部材が塗布され、この放熱部材を介して冷却板にボルト等の固定部材で固定される。
【０００３】
上記の構造では、パワーモジュールと筐体間に空気層が入ると、放熱部材の放熱性が低下し、パワー半導体素子の誤作動などが起こる。空気層が入る原因としては、パワーモジュール固定用ボルトが経時的に緩むことや、振動，熱などによる放熱部材の流出が挙げられる。
【０００４】
放熱部材として放熱グリスを用い、放熱グリスを介して冷却体にパワーモジュールを固定する実装構造において、放熱部材であるグリスがボルト部で潤滑材として作用し、パワーモジュール固定用ボルトが緩むことを防止する構造として、冷却体にグリス拡散防止部（溝部）を設けることにより、固定用ボルト部にグリスが流入することを防止することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１６８７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
放熱部材を介して筐体にパワーモジュールが固定された半導体装置の放熱部材流出の原因には、パワーモジュール自体の熱変形も挙げられる。パワーモジュール自体の熱変形に起因して放熱部材が流出し、これにより放熱性が悪化することになる。
【０００７】
特許文献１では、パワーモジュールの変形により、放熱部材であるグリスが流出し、放熱性が悪化することについては十分な検討がなされていなかった。
【０００８】
本発明は、上述の問題を鑑み、パワーモジュールの熱変形に起因する、経時的な放熱部材流出を低減し、放熱性の悪化を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、放熱部材を介してパワーモジュールを筐体に搭載した半導体装置において、前記パワーモジュールおよび前記筐体の各々に設けられた複数の固定用穴を用いて、前記パワーモジュールを前記筐体に固定する固定用部材と、前記筐体に、前記パワーモジュールおよび前記筐体との間に充填される前記放熱部材を保持するための放熱部材保持部とを備え、前記放熱部材保持部の面積が前記パワーモジュールの前記筐体に搭載された面の面積の４０％以上８０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、パワーモジュールの熱変形に起因する経時的な放熱部材流出を低減し、放熱性の悪化を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図１，図２を用いて説明する。本発明の半導体装置は、放熱部材５を介してパワーモジュール２が筐体３に搭載された構成を有する。パワーモジュール２と筐体３には複数の固定用穴４が設けられており、固定用穴４と固定用部材６によってパワーモジュール２と筐体３とが固定されている。パワーモジュールと筐体との間には充填された放熱部材５を保持するため、筐体３には放熱部材保持部１が設けられている。図１に示したように、放熱部材保持部１の面積は、点線で示したパワーモジュールの筐体に搭載される面の面積よりも小さくしている。このように、放熱部材保持部１の面積をパワーモジュールの筐体搭載面の面積よりも小さくすることにより、パワーモジュールと前記筐体が重なる部位が放熱部材の流出を妨げる役割を果たし、従来例の冷却構造に比べて放熱部材の流出量を低減できることを確認した。ここで、放熱部材保持部の面積としては、パワーモジュールの筐体搭載面の面積に対して４０％よりも小さいと放熱部材保持部での放熱部材の保持機能が低くなり、８０％を超えるとパワーモジュールと筐体が重なる部位が小さくなり、この部位で放熱部材の流出を妨げる機能が不十分となる。したがって、放熱部材保持部の面積は、パワーモジュールの筐体搭載面の面積の４０％以上８０％以下とすることが好ましい。これにより、スリット状や溝状の放熱部材保持部を複数設ける場合よりも、放熱部材のパワーモジュールに対する吸着力が高くなり、パワーモジュールや筐体の熱変形時に空気が進入しにくい冷却構造となり、放熱性が低下しにくい冷却構造とすることができる。
【００１２】
放熱部材とは、高分子材料と無機質充填材の化合物で、熱伝導率０.２Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは０.８Ｗ／ｍＫ以上で、且つ電気絶縁性を有していればよい。無機質充填材には、ＳｉＯ2（シリカ），Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム），ＭｇＯ（酸化マグネシウム）のような酸化物や、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素），ＢＮ（窒化ホウ素），ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のような窒化物、ＡｌＳｉＣ（アルミニウムシリコンカーバイト）等が用いられる。無機質充填材の粒子形状としては、球，角，燐片状のどの形状でもよい。電気絶縁性としては、２５℃の体積抵抗率が１×１０10Ω・cm以上であればよい。
【００１３】
パワーモジュールとは、金属ベース基板にパワー半導体素子などの発熱部品が実装され、モジュール化されたものである。金属ベース基板とは、金属板（金属ベース）と絶縁層と配線からなるものであればよい。絶縁層は、厚さ１.０mm以下、好ましくは０.１mm以下の樹脂や無機物が添加された樹脂、又は厚さ１.０mm以下、好ましくは０.５mm以下のセラミクスであればよい。セラミクスとしては、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム），Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素），ＡｌＮ（窒化アルミニウム），ＡｌＳｉＣ（アルミニウムシリコンカーバイト）などを用いることができる。
【００１４】
パワー半導体素子とは、交流を直流に変換したり、電圧を降圧するなどによりモータを駆動したり、バッテリを充電したり、マイコンやＬＳＩを動作させるなど、電源あるいは電力の制御や供給を行う半導体素子を指す。
【００１５】
上記実施形態において、放熱部材保持部の内側面と前記放熱部材保持部の底面とのなす角度は、９０度以上１２０度以下であることが好ましい。放熱部材保持部の内側面と前記放熱部材保持部の底面とのなす角度を９０度以上とすることにより、従来例に比べ、前記放熱部材保持部の加工性を向上することができる。また、放熱部材保持部の内側面と放熱部材保持部の底面とのなす角度を１２０°以下とすることにより、放熱部材が押し出される際の、放熱部材の流速を低減させ、放熱部材の流出量を低減することができる。
【００１６】
また、パワーモジュールの筐体搭載面から放熱部材保持部以外の筐体までの長さを、パワーモジュールの筐体搭載面から放熱部材保持部の底面まで長さの５０％以下とすることが好ましい。これにより、急縮小損失係数が０.５以上となり、放熱部材の流出を低減することができる。
【００１７】
また、放熱部材としては、高分子材料と無機質充填材の混合物であり、２５℃における前記放熱部材の粘度が１００Ｐａ・Ｓ以上で、電気絶縁性を有する材料とすることで、放熱部材保持部より前記放熱部材が流出をより低減することができる。また、熱伝導率が０.２Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは０.８Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性グリスを用いれば、放熱部材保持部に保持される放熱部材厚さが、放熱部材保持部以外に塗布された放熱部材厚さより厚くなる場合でも、放熱性の低下を抑制することができる。また、体積抵抗率が１×１０10Ωcm以上の熱伝導性グリスであることにより、放熱部材が流失した場合でも短絡不良の原因とならない。また、放熱部材として、２５℃の弾性率が１００Ｐａ以上であり、熱や湿気により弾性率が１０倍以上変化しない放熱部材を用いることにより、パワーモジュールの熱変形に起因する放熱部材の割れを防止でき、且つ放熱部材保持部より放熱部材が流出しにくい冷却構造とすることができる。
【００１８】
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００１９】
以下に本発明を具体化した、第一の実施例を図面に従って説明する。図１は、本実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の一例を模式的に示した上面図である。
【００２０】
図１に示すように、凹型の放熱部材保持部１の面積は、点線にて示したパワーモジュール２の面積より小さい面積となるように、筐体３に設けられている。本実施例では、放熱部材保持部の面積をパワーモジュールの筐体搭載面の面積の４０％となるように設けた。
【００２１】
パワーモジュール２を筐体３に固定するための穴４（図示せず）は、前記パワーモジュール２と、前記放熱部材保持部１との間に設けられている。
【００２２】
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。図２に示すとおり、パワーモジュール２は、放熱部材５を介して、筐体３に固定されている。固定には、４本の固定用部材６が用いられている。
【００２３】
一方、図３は比較例１のパワーモジュールの冷却構造を示す。溝型の放熱部材保持部１の面積は、点線にて示したパワーモジュール２の面積より小さい面積となるように、筐体３に設けられている。比較例１の放熱部材保持部の面積は、パワーモジュールの筐体搭載面の面積の２０％としている。パワーモジュール２を筐体３に固定するための穴４（図示せず）は、前記パワーモジュール２と、前記放熱部材保持部１との間に設けられている。
【００２４】
図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面を示している。図４に示すとおり、パワーモジュール２は、放熱部材５を介して、筐体３に固定されている。固定には、４本の固定用部材６が用いられている。
【００２５】
図５は、実施例１のパワーモジュール冷却構造部、及び比較例１を用いたパワーモジュールの冷却構造の要部拡大図を示した。比較例１，実施例１とも、下記の通りにした。まず、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θを９０°とした。次に、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の５０％とした。
【００２６】
また、試験は−４０℃と１３０℃の間を３０分ごとに昇温，降温を繰り返した。つまり、１時間で１サイクルとした。本試験を温度サイクル試験と定義する。
【００２７】
図６は、図１と図２に示した、本実施の形態であるパワーモジュールの冷却構造、および図３と図４に示した、比較例１の形態であるパワーモジュールの冷却構造を用いた場合の、放熱部材充填部のボイド面積率変化である。放熱部材は、粘度の異なる３種類の放熱部材を用いた。なお、放熱部材Ａ，放熱部材Ｂ，放熱部材Ｃの２５℃での粘度はそれぞれ９０Ｐａ・Ｓ，３４０Ｐａ・Ｓ，５４０Ｐａ・Ｓである。
【００２８】
ボイド面積率とは、放熱部材を充填した領域中で空隙となった領域の面積率である。ボイド面積率の測定は、超音波探傷装置やＸ線装置を用いればよい。
【００２９】
図６に示す通り、放熱部材Ａを用いた場合、僅かながらボイド面積率は減少した。一方、放熱部材Ｂ、および放熱部材Ｃでは、実施例１が比較例１に比べて、ボイド面積率が５０％以上低くなった。つまり、放熱部材の流出が抑制された。
【００３０】
以上のごとく、放熱部材を介してパワーモジュールを筐体に取り付けるパワーモジュールの冷却構造において、固定用部材によって前記パワーモジュールを前記筐体に固定するために、前記パワーモジュールおよび前記筐体の各々に設けられた複数の固定用穴と、前記パワーモジュールおよび前記筐体との間に充填される前記放熱部材を保持するため、前記筐体に放熱部材保持部とを備え、前記放熱部材保持部は、前記パワーモジュールの前記筐体に対向する面積より小さいパワーモジュールの冷却構造を提供することにより、前記パワーモジュールと前記筐体が重なる部位が、前記放熱部材の流出を妨げる役割を果たすため、従来例の冷却構造に比べ、放熱部材の流出量を低減できる効果を見出した。また、使用する放熱部材としては、２５℃の粘度が概略１００Ｐａ・Ｓ以上であることが好ましいということを見出した。
【００３１】
本実施例では、前記放熱部材保持部の紙面上方向からの断面を長方形としたが、本実施例に限らず、図７に示すごとく、前記放熱部材保持部の紙面上方からの断面において、４つの角を丸くしてもよい。角を丸くすると、工作機械で、前記放熱部材保持部を作製する場合の作業性が工業できる。更に、図８に示すごとく、前記パワーモジュール固定穴から前記放熱部材保持部の内壁面端部までの距離が、前記放熱部材保持部１を長辺の１０％以上とする。かかる結果、流出しようとする前記放熱部材５に摩擦抵抗を与え、流出量を低減できる。
【実施例２】
【００３２】
以下に本発明を具体化した、第二の実施例を図面に従って説明する。図９は、本実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の要部縦断面図である。
【００３３】
図９において、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θを１２０°とした。次に、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の５０％とした。
【００３４】
図１０は、比較例２の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の要部縦断面図である。図１０において、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θを１５０°とした。次に、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の５０％とした。
【００３５】
図１１は、図９に示した本実施の形態であるパワーモジュールの冷却構造と、図１０に示した比較例２の形態であるパワーモジュールの冷却構造を用いた場合の、温度サイクル試験２２０サイクル後のボイド面積率である。なお、放熱部材の２５℃での粘度は３４０  Ｐａ・Ｓである。また温度サイクル試験は−４０℃から１３０℃を３０分ごとに昇温，降温を繰り返した。つまり、１時間で１サイクルとした。
【００３６】
図１１に示す通り、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θが１２０°の場合、θが９０°より僅かに増加した。１２０°程度であると、前記放熱部材保持部の内側面１ａでは、主流と逆向きの流速を持った放熱部材が存在するため、θが９０°の場合に比べ、前記放熱部材の流出量は、僅かな増加となった。一方、θが１５０°の場合、前記放熱部材が流出する際の流路変化が小さいため、前記放熱部材保持部の効果が小さくなり、かかる結果、従来例と同等のボイド面積率となった。
【００３７】
以上のごとく、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θが１２０°以下に設計しておくことで、前記放熱部材の流出量を低減できる。また、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θが９０°以上と設計することで、前記放熱部材保持部の加工性が向上する。
【実施例３】
【００３８】
以下に本発明を具体化した、第三の実施例を図面に従って説明する。
【００３９】
図１２は、本実施の形態におけるパワーモジュール冷却構造の要部縦断面図である。図１２において、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θを９０°とした。次に、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の５０％とした。
【００４０】
図１３は、比較例３の形態におけるパワーモジュール冷却構造の要部縦断面図である。図１３において、前記放熱部材保持部の内側面１ａと前記放熱部材保持部の底面１ｂとのなす角度θを９０°とした。次に、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の２０％とした。
【００４１】
図１４は、図１２に示した本実施の形態であるパワーモジュールの冷却構造と、図１３に示した比較例２の形態であるパワーモジュールの冷却構造を用いた場合の、温度サイクル試験２２０サイクル後のボイド面積率である。なお、放熱部材の２５℃での粘度は３４０Ｐａ・Ｓである。また温度サイクル試験は−４０℃から１３０℃を３０分ごとに昇温，降温を繰り返した。つまり、１時間で１サイクルとした。
【００４２】
図１４に示す通り、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の２０％の場合、急縮小損失係数が小さく、流路を縮小した効果が発揮されなかったため、比較例１の放熱部材Ｂのボイド面積率より僅かに増加した。一方、ｈ1の５０％の場合、つまり流路を半分に縮小すると、急縮小損失係数は０.５となり、ボイド面積は従来例の半分前後に低減した。
【００４３】
以上のごとく、前記パワーモジュール２の前記パワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部１以外の前記筐体３までの長さｈ2が、前記パワーモジュールのパワー半導体素子などの発熱部材７（図示せず）が搭載された面と反対側の面から前記放熱部材保持部の底面まで長さｈ1の５０％以上に設計しておくことで、前記放熱部材の流出量を低減できる。
【実施例４】
【００４４】
以下に本発明を具体化した、第四の実施例を図面に従って説明する。図１５は、本実施の形態におけるパワーモジュール冷却構造の一例の上面図を示したものである。
【００４５】
図１５に示すように、凹型の放熱部材保持部１の面積は、点線にて示したパワーモジュール２の面積より小さい面積となるように、筐体３に設けられている。パワーモジュール２を筐体３に固定するための穴４（図示せず）は、前記パワーモジュール２と、前記放熱部材保持部１との間に設けられている。
【００４６】
図１６は、比較例４の形態であるパワーモジュールの冷却構造の上面図を示したものである。
【００４７】
比較例４のごとく、スリット状の放熱部材保持部が複数設けられた場合、前記パワーモジュールと前記放熱部材の吸着力が低下する。かかる結果、比較例４のごとく、パワーモジュールの４隅を固定された場合、パワーモジュールが熱変形すると、前記パワーモジュールの中央付近で前記放熱部材と前記パワーモジュール間に空気層ができ、放熱性が低下する場合がある。
【００４８】
本実施例の形態は、図１５で示すように、放熱部材保持部１を２個に分割したが、前記放熱部材保持部同士の距離が、前記放熱部材保持部長さの１／３以下となる範囲であれば、分割個数はこれに限るものではない。
【実施例５】
【００４９】
以下に本発明を具体化した、第五の実施例を図面に従って用いて説明する。図１７は、本実施の形態におねるパワーモジュールの冷却構造を用いた半導体装置の要部縦断面図である。本半導体装置は、自動車用エンジン制御装置である。図１８に本実施例のエンジン制御装置の回路図を示す。
【００５０】
本実施例のエンジン制御装置は、自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源１００の電圧を昇圧するための昇圧回路１０２と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタ１０４を駆動させるためのインジェクタ駆動回路１０３と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータ１０とを備えている。昇圧回路１０２及びインジェクタ駆動回路１０３を構成する整流素子１０６，スイッチング素子１０７などの発熱部品７が実装されたパワーモジュール２と、マイクロコンピュータ１０と、エンジン制御装置外部とのインターフェースである外部接続用コネクタ１２とが実装された制御基板９とが、積層配置されている。
【００５１】
パワーモジュール２は放熱部材５を介して筐体３に一体成型されているフィン１４に、最短距離で熱的に接続されており、発熱量の多い発熱部品７の熱を効率的に放熱できる構造となっている。また、実施例１〜４と同様に筐体に放熱部材保持部を設けており、これにより、パワーモジュールの熱変形に起因する放熱部材５の流出を抑制している。
【００５２】
また、図示していないが、昇圧回路１０２の一部を構成する昇圧用コイル１０９と、蓄電用電解コンデンサ１０８とが実装されたＬＣモジュールが、パワーモジュール２とは別に筐体３側に配置，固定されている。
【００５３】
エンジン制御装置を閉塞するために、筐体３とカバー８、及び、外部接続用コネクタ１２は、それぞれ接着剤１３により接着されており、前記筐体３，カバー８，コネクタ１２で半導体装置の外脇を形成している。
【００５４】
本実施例のパワーモジュール２は、自動車用エンジンを制御する昇圧回路及びインジェクタ駆動回路を構成する複数の整流素子と、スイッチング素子が実装された電流回路配線部と、絶縁材料からなる絶縁層と、整流素子及びスイッチング素子の発熱を拡散して放熱する金属板を積層した構造をしている。
【００５５】
整流素子は、半導体ダイオード（Semiconductor-Diode）であり、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワー半導体素子である。
【００５６】
絶縁層としては、熱伝導性及び電気絶縁性の良い材料を用いる。例えば、熱伝導性の高い酸化アルミニウム紛を混入したエポキシ樹脂材、または、酸化アルミニウム材、窒化ケイ素材、窒化アルミニウム材等が用いられる。このように、熱伝導性及び電気絶縁性の良い材料を用いることにより、電流回路配線部と放熱層との電気絶縁性を確保しつつ、発熱素子の発熱を効率良く金属板へ拡散して放熱させることが可能となる。
【００５７】
金属板としては、例えば、他の金属材料に比べ、熱伝導性が高く比重の小さいアルミニウム合金や、熱伝導性がアルミニウム合金よりも高い材料である銅合金を用いることが好ましい。他にも、極低熱膨張率である銅−モリブデン合金材料，銅−タングステン合金材料、または、アルミシリコンカーバイト材料を用いることもできる。このような熱伝導性の高い材料を採用することで、発熱素子の発熱を効率良く拡散して放熱することが可能となる。
【００５８】
パワーモジュール２の電流回路配線部の上には、複数の整流素子及びスイッチング素子の他に複数本の接続端子１１を備えており、パワーモジュール２は、これら接続端子１１を用いて、制御基板９を貫通する構造にて制御基板９と電気的に接続している。このようにパワーモジュール２の電流回路配線部に接続端子１１を接続する際に一方向側から端子接続することで、端子接続の作業性が向上し、さらに、パワーモジュール２と制御基板９とを最短距離で接続させ、配線抵抗の低減が可能な構造としている。
【００５９】
また、これらの接続端子１１の断面形状は、電流回路配線部との接続部付近に段差部が設けられており、エンジン制御装置が、環境温度に応じて膨張収縮し、制御基板９とパワーモジュール２間の距離が増減しても、この段差部により柔軟に追従し、制御基板９との接続部及び電流回路配線部との接続部に発生する応力を緩和する構造としている。
【００６０】
また、本実施例の自動車用エンジン制御装置は、ＬＣモジュールと、パワーモジュール２と、制御基板９とをエンジン制御装置内部で積層した配置としたことで、従来、制御基板上に実装していた電子部品をＬＣモジュールと、パワーモジュールに分載して、制御基板の面積を低減し、エンジン制御装置全体の横方向のサイズを小さくすることができる。
【００６１】
本実施例では、筐体をアルミダイキャスト成型時に直線フィン１３を成型したが、フィン１３部のみを銅のほか、銅合金，アルミ，アルミ合金，銅とアルミからなる合金から成型し、筐体３に取り付けてもよい。フィン１３の形状としては、円柱や円錐，多角錐などの突起フィンを用いることもできる。また、同じ電流，電圧を負荷した場合でも、パワー半導体素子の種類や、近接する発熱体との距離等の環境条件の違いにより、パワー半導体素子の温度は異なる。パワー半導体装置の中で発熱量にばらつきが出る場合、特に放熱が必要な場所には、ヒートパイプを内蔵した放熱フィンを用いることもできる。ヒートパイプが内蔵された放熱フィンを用いる形態では、発熱量が高い場所の熱がヒートパイプを介して発熱量の少ない場所に熱を伝導され、前記放熱フィンを介して伝達される。
【００６２】
本実施例により、パワーモジュールの熱変形に起因する放熱部材の流出を低減でき、放熱性の向上ととも小型化が可能な自動車用エンジン制御装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第一の実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の一例を模式的に示した上面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った縦断面図。
【図３】比較例１におけるパワーモジュールの冷却構造の一例。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿った縦断面図。
【図５】実施例１のパワーモジュール冷却構造部、及び比較例１を用いたパワーモジュールの冷却構造の要部拡大図。
【図６】実施例１と比較例１のボイド面積率の変化。
【図７】第一の実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の別の例。
【図８】第一の実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の別の例。
【図９】第二の実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の要部縦断面図。
【図１０】比較例２の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の要部縦断面図。
【図１１】第二の実施の形態におけるパワーモジュールの冷却構造と、比較例２の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の温度サイクル試験２２０サイクル後のボイド面積率。
【図１２】第三の実施の形態におけるパワーモジュール冷却構造の要部縦断面図。
【図１３】比較例３の形態におけるパワーモジュール冷却構造の要部縦断面図。
【図１４】第三の実施の形態と比較例３の形態におけるパワーモジュールの冷却構造の、温度サイクル試験２２０サイクル後のボイド面積率。
【図１５】第四の実施の形態におけるパワーモジュール冷却構造の一例の上面図。
【図１６】比較例４の形態におけるパワーモジュール冷却構造の一例の上面図。
【図１７】第五の実施の形態におねるパワーモジュールの冷却構造を用いた半導体装置の要部縦断面図。
【図１８】第五の実施の形態におけるエンジン制御装置の回路図。
【符号の説明】
【００６４】
１  放熱部材保持部
１ａ  放熱部材保持部の内側面
１ｂ  放熱部材保持部の底面
２  パワーモジュール
３  筐体
４  パワーモジュール２を筐体３に固定するための穴
５  放熱部材
６  固定用部材
７  パワー半導体素子などの発熱部材
８  カバー
９  制御基板
１０  マイクロコンピュータ
１１  パワーモジュール２と制御基板９を電気的に接続する端子
１２  外部接続用コネクタ
１３  接着剤
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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