JP5899962B2 - 半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents
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Description
半導体モジュールは、半導体素子に発生した熱を外部に放散させるために、例えば、半導体素子と該半導体素子に対して熱的に接続された放熱板とを該放熱板を露出させた状態で樹脂等からなる封止部によって封止した構造を有する。
例えば、特許文献1には、半導体素子に発生した熱を効率よく放散させるために、半導体モジュールから露出した放熱板が放熱グリスを介してヒートシンクに熱的に接続された構造が開示されている。
また、放熱板を直接的に冷却する構造とする場合には、例えば、放熱板との間に冷媒流路を形成する冷媒流路形成部を設け、放熱板に対して冷媒を直接接触させる構造が考えられる。この場合、半導体モジュールは、半導体素子及び放熱板を封止部によって封止した後、封止部に対して冷媒流路形成部を直接成形して接合したり、予め成形した冷媒流路形成部を接合したりして製造される。ところが、封止部には、硬化後に他の材料(例えば金属、樹脂等)に対して親和性の低いエポキシ樹脂等を用いるため、封止部と冷媒流路形成部との界面における密着性を十分に確保できず、冷媒の漏れ等の問題が生じる。
該本体部の上記放熱板の上記放熱面との間に空間を設けて冷媒流路を形成する冷媒流路形成部と、
該冷媒流路形成部が接合される被接合部とを備え、
上記放熱板は、上記本体部の少なくとも一方の主面に配置されていると共に、該主面に上記放熱面を露出させており、
上記被接合部は、上記放熱板とは別体で設けられ、かつ、上記本体部の上記封止部と異なる材料であって、上記冷媒流路形成部を構成する材料との親和性が、上記封止部を構成する材料よりも高い材料からなると共に、上記放熱板の上記放熱面を露出させた上記本体部の上記主面に露出した状態で上記封止部と一体的に成形されていることを特徴とする半導体モジュールにある(請求項1)。
また、上記被接合部を構成する材料としては、上記封止部と異なる材料であって上記冷媒流路形成部を容易に接合させることができる材料が好ましく、例えば、アルミニウムや銅等の金属、ナイロン樹脂等を用いることができる。
また、上記冷媒流路形成部を構成する材料としては、例えば、アルミニウムや銅等の金属、ナイロン樹脂等を用いることができる。
また、上記被接合部と上記冷媒流路形成部とは、同種の材料であるほうが両者を接合する上で好ましい。
この場合には、封止部と被接合部とを一体的に成形することが容易となる。また、被接合部を本体部における所望の位置に精度良く設けることができる。
この場合には、本体部の両方の主面において、放熱板を直接的に冷却する構造とすることができる。これにより、放熱性をより一層高めることができる。
この場合には、封止部と被接合部とを一体的に成形することが容易となる。また、被接合部を本体部における所望の位置に精度良く設けることができる。また、冷媒流路形成部を本体部の被接合部に接合することが容易となる。
この場合には、複数の半導体モジュールを1つにモジュール化することができ、取扱いが容易となる。また、各半導体モジュールに形成した冷媒流路を容易に連結することができる。
半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例の半導体モジュール1は、図1〜図9に示すごとく、半導体素子21と、半導体素子21に熱的に接続された放熱板22と、放熱板22の放熱面221を露出させた状態で半導体素子21及び放熱板22を封止する封止部23とを有する板状の本体部2と、本体部2の放熱板22の放熱面221との間に空間を設けて冷媒流路32を形成する冷媒流路形成部3と、冷媒流路形成部3が接合される被接合部4とを備えている。
以下、これを詳説する。
電力変換装置8は、図9に示す電力変換回路を構成しており、直流電源(バッテリ)81と交流回転電機(モータジェネレータ)82との間で電力の変換を行うものである。電力変換装置8は、3つの半導体モジュール1を備えており、これらによってインバータを構成している。また、電力変換装置8には、平滑コンデンサ83が設けられている。
図9に示すごとく、各半導体素子21は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等からなるスイッチング素子21aと、スイッチング素子21aに逆並列接続されたFWD(フリーホイールダイオード)等のダイオード21bとを有する。
本例では、図3に示すごとく、本体部2の一方の主面201に2枚の小型の放熱板22が露出している。また、図4に示すごとく、本体部2の他方の主面202に1枚の大型の放熱板22が露出している。
また、被接合部4は、本体部2の封止部23と異なる材料であって、冷媒流路形成部3を容易に接合させることができるアルミニウムからなる。
複数のパワー端子25には、直流電源81(図9)の正極側に接続される正極側パワー端子25aと、直流電源81(図9)の負極側に接続される負極側パワー端子25bと、交流回転電機82(図9)に接続される交流パワー端子25cとがある。交流パワー端子25cは、本体部2の幅方向Yの一方側に突出している。また、正極側パワー端子25a及び負極側パワー端子25bは、本体部2の幅方向Yの他方側に突出している。また、正極側パワー端子25a及び負極側パワー端子25bが突出している側には、平滑コンデンサ83(図9)が配置されている。
また、冷媒流路形成部3は、本体部2の厚み方向Zにおいて、本体部2から離れる方向に凹んだ凹部31を有する。そして、冷媒流路形成部3は、その凹部31と本体部2の主面201、202に露出した放熱板22の放熱面221との間に空間を設け、その空間に冷媒を流通させる冷媒流路32を本体部2の長手方向Xに形成している。また、冷媒流路形成部3は、アルミニウムからなる。
そして、図8に示すごとく、3つの半導体モジュール1を1つにモジュール化することにより、電力変換装置8を構成している。
そして、冷却部30の冷媒導入部(図示略)から冷媒流路32内に導入された冷媒は、各半導体モジュール1の本体部2の主面201、202に露出した放熱板22の放熱面221に接触しながら、本体部2の長手方向Xに向かって冷媒流路32内を通過する。ここで、各半導体モジュール1の半導体素子21と熱交換した冷媒は、冷却部30の冷媒排出部(図示略)から排出される。
まず、図10に示すごとく、本体部2を成形する成形型20を準備する。次いで、成形型20内に、はんだ(図示略)により接合された2つの半導体素子21、3枚の放熱板22及び2つの銅ブロック24を配置する。また、成形型20内に、2つの被接合部4を配置する。このとき、被接合部4は、成形型20によって支持されている。
次いで、図7に示すごとく、本体部2の両方の主面201、202側のそれぞれにおいて、3つの冷媒流路形成部3を連結一体化してなる冷却部30をすでに連結された3つの本体部2の被接合部4に対して溶接により接合する。
以上により、図1、図2に示すごとく、各半導体モジュール1を得ると共に、図8に示すごとく、3つの半導体モジュール1によって構成された電力変換装置8を得る。
本例の半導体モジュール1は、半導体素子21と放熱板22と封止部23とを有する本体部2と、本体部2の主面201、202に露出させた放熱板2の放熱面201、202との間に空間を設けて冷媒流路32を形成する冷媒流路形成部3と、冷媒流路形成部3が接合される被接合部4とを備えている。そのため、半導体素子21に熱的に接続された放熱板22の放熱面221に、冷媒流路32を流通する冷媒を直接接触させることができる。つまり、放熱板22を直接的に冷却する構造とすることができる。これにより、放熱板22を間接的に冷却する構造に比べて、半導体素子21に発生した熱を効率よく放散させ、放熱性を高めることができる。
本例は、図15に示すごとく、半導体モジュール1の構成を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、本体部2の各放熱板22の放熱面221上に、それぞれ冷却フィン29が設けられている。冷却フィン29は、本体部2の長手方向Xから見た場合に、放熱板22の放熱面221との間に三角形状の空間を形成する一対の空間形成部291と放熱板22の放熱面221に面接触する接触部292とを交互に配置した波型形状を呈している。なお、図13は、冷媒流路形成部3の図示を省略している。
その他は、実施例1と同様の構成である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
2 本体部
201、202 主面
21 半導体素子
22 放熱板
221 放熱面
23 封止部
3 冷媒流路形成部
4 被接合部
Claims (6)
- 半導体素子と、該半導体素子に熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部とを有する板状の本体部と、
該本体部の上記放熱板の上記放熱面との間に空間を設けて冷媒流路を形成する冷媒流路形成部と、
該冷媒流路形成部が接合される被接合部とを備え、
上記放熱板は、上記本体部の少なくとも一方の主面に配置されていると共に、該主面に上記放熱面を露出させており、
上記被接合部は、上記放熱板とは別体で設けられ、かつ、上記本体部の上記封止部と異なる材料であって、上記冷媒流路形成部を構成する材料との親和性が、上記封止部を構成する材料よりも高い材料からなると共に、上記放熱板の上記放熱面を露出させた上記本体部の上記主面に露出した状態で上記封止部と一体的に成形されていることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1に記載の半導体モジュールにおいて、上記被接合部は、上記封止部に対してインサート成形されていることを特徴とする半導体モジュール。
- 請求項1又は2に記載の半導体モジュールにおいて、上記放熱板は、上記本体部の両方の主面にそれぞれ配置されていると共に、該両方の主面にそれぞれ上記放熱面を露出させており、上記被接合部は、上記本体部の上記両方の主面に露出していることを特徴とする半導体モジュール。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体モジュールにおいて、上記被接合部は、上記本体部の上記主面の外周部に露出していることを特徴とする半導体モジュール。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体モジュールを備えていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項5に記載の電力変換装置において、該電力変換装置は、複数の上記半導体モジュールが上記本体部の両方の主面を互いに同じ方向に向けた状態で並んで配置されており、隣接する該半導体モジュールは、上記本体部の同じ側の主面において、上記被接合部同士が連結されており、さらに該被接合部に接合された上記冷媒流路形成部同士も連結されていることを特徴とする電力変換装置。
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