JP2020072102A - パワーユニット、パワーユニットの製造方法及びパワーユニットを有する電気装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】パワーモジュールをヒートシンクに組み付けたパワーユニットにおいて、放熱性を向上しつつ、製造精度を向上し、さらに熱応力負荷の軽減により信頼性を向上する。【解決手段】パワーユニット１は、パワーモジュール１０と、ヒートシンク２０とを備える。パワーモジュールは、封止樹脂１１と、封止樹脂に一面１２ａを露出させた金属板１２と、金属板の前記一面の反対面１２ｂ側に設置され、パワー半導体スイッチング素子１３を含み、封止樹脂に封止された回路部１４と、回路部の電極を外部に取り出し、内端部が封止樹脂に封止された電極端子１５とを有する。ヒートシンクは、凹部２１を有し、凹部の底面２１ａに金属板の前記一面が熱的及び機械的に接続され、金属板が露出する面に隣接する封止樹脂の側面は、ヒートシンクに対して間隙を介している。【選択図】図１
Description
本開示は、パワーユニット、パワーユニットの製造方法及びパワーユニットを有する電気装置に関する。
大電力の変換に用いられるパワーユニットでは、ヒートシンクが用いられることがある。パワーユニットの駆動時の発熱部品であるパワー半導体スイッチング素子からヒートシンクへの熱伝導性は良好である必要がある。特にヒートシンクのモジュール搭載面と逆側の放熱面への熱伝導性が良好であることが好ましい。
特許文献１に記載の発明にあっては、ヒートシンクのモジュール搭載面に凹部を設け、絶縁放熱シート又は放熱グリスを介して発熱部品であるパワー半導体スイッチング素子を当該凹部に配置する。
パワー半導体スイッチング素子の配置部に凹部が設けられることによって、半導体チップ（スイッチング素子）をヒートシンクの放熱面に近づけることができ、当該放熱面への熱伝導性が良好になる。
特許文献１に記載の発明にあっては、ヒートシンクのモジュール搭載面に凹部を設け、絶縁放熱シート又は放熱グリスを介して発熱部品であるパワー半導体スイッチング素子を当該凹部に配置する。
パワー半導体スイッチング素子の配置部に凹部が設けられることによって、半導体チップ（スイッチング素子）をヒートシンクの放熱面に近づけることができ、当該放熱面への熱伝導性が良好になる。
しかしながら、特許文献１にあっては、異なる凹部に配置されるパワー半導体スイッチング素子が共通の回路基板に実装されており、ヒートシンクの凹部の位置精度、回路基板上のスイッチング素子の位置精度が求められるほか、ヒートシンクと回路基板との間に大きな熱応力が発生し得る。
また一般に、ヒートシンクに設けた凹部に半導体チップやその実装基板を配置した場合、その後に半導体チップや電気回路の樹脂封止を行う必要がある。この場合、封止樹脂を硬化させるための熱処理により、ヒートシンクが加熱されることとなる。モジュール搭載用の凹部を設けることによって薄肉化したヒートシンクが加熱により変形するおそれがあり、製造精度が劣化するおそれがある。
ヒートシンクに設けた凹部に封止樹脂が充填され硬化するなどして、凹部と封止樹脂とが嵌合状態にあると、ヒートシンクと封止樹脂との熱膨張係数差に基づく熱応力が発生し、接合部が破壊されるおそれもあり好ましくない。
また一般に、ヒートシンクに設けた凹部に半導体チップやその実装基板を配置した場合、その後に半導体チップや電気回路の樹脂封止を行う必要がある。この場合、封止樹脂を硬化させるための熱処理により、ヒートシンクが加熱されることとなる。モジュール搭載用の凹部を設けることによって薄肉化したヒートシンクが加熱により変形するおそれがあり、製造精度が劣化するおそれがある。
ヒートシンクに設けた凹部に封止樹脂が充填され硬化するなどして、凹部と封止樹脂とが嵌合状態にあると、ヒートシンクと封止樹脂との熱膨張係数差に基づく熱応力が発生し、接合部が破壊されるおそれもあり好ましくない。
本開示は、パワーモジュールをヒートシンクに組み付けたパワーユニットにおいて、放熱性を向上しつつ、製造精度を向上し、さらに熱応力負荷の軽減により信頼性を向上する。
本開示の１つの態様のパワーユニットは、パワーモジュールと、ヒートシンクとを備えるパワーユニットであって、前記パワーモジュールは、封止樹脂と、前記封止樹脂に一面を露出させた金属板と、前記金属板の前記一面の反対面側に設置され、前記封止樹脂に封止された回路部とを有し、
前記ヒートシンクは、凹部を有し、前記凹部の底面に前記金属板の前記一面が熱的及び機械的に接続され、前記金属板が露出する面に隣接する前記封止樹脂の側面は、前記ヒートシンクに対して間隙又は緩衝材を介して配置されている。
前記ヒートシンクは、凹部を有し、前記凹部の底面に前記金属板の前記一面が熱的及び機械的に接続され、前記金属板が露出する面に隣接する前記封止樹脂の側面は、前記ヒートシンクに対して間隙又は緩衝材を介して配置されている。
本開示の１つの態様のパワーユニットの製造方法は、前記パワーモジュールの前記封止樹脂を硬化させるための熱処理を含めた樹脂封止工程を実施した後、前記ヒートシンクの前記凹部に前記パワーモジュールを配置し、前記凹部の底面に前記金属板の前記一面を接合するモジュール実装工程を実施する。
本開示のパワーユニットによれば、パワーモジュールの金属板による放熱面がヒートシンクの薄肉化した凹部に熱的に接続するので放熱性が向上し、また封止樹脂まで含めてモジュール化されているので、パワーモジュールの封止樹脂を硬化させるための熱処理工程による熱負荷をヒートシンクに与えることもなく、凹部による薄肉部を有するヒートシンクを樹脂封止工程の加熱により変形させることが避けられ、製造精度を向上することができる。
また、封止樹脂の側面とヒートシンクとの間の間隙（又は緩衝材）によって、ヒートシンクと封止樹脂との熱膨張係数差に基づく熱応力は発生せず、熱応力負荷の軽減によりパワーユニットの信頼性が向上する。
また、封止樹脂の側面とヒートシンクとの間の間隙（又は緩衝材）によって、ヒートシンクと封止樹脂との熱膨張係数差に基づく熱応力は発生せず、熱応力負荷の軽減によりパワーユニットの信頼性が向上する。
本開示のパワーユニットの製造方法によれば、凹部による薄肉部を有するヒートシンクを樹脂封止工程時の加熱により変形させることが避けられ、製造精度を向上することができる。
以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。
図１の断面図に本パワーユニットの概要を示す。
本パワーユニット１は、パワーモジュール１０と、ヒートシンク２０とを備える。
パワーモジュール１０は、樹脂封止型のパッケージでモジュール化されたものである。パワーモジュール１０の斜視図を図２、図３に示す。
パワーモジュール１０は、封止樹脂１１と、封止樹脂１１に一面である下面１２ａを露出させた金属板１２と、金属板１２の下面１２ａの反対面である上面１２ｂ側に設置され、パワー半導体スイッチング素子１３を含み、封止樹脂１１に封止された回路部１４と、回路部１４の電極を外部に取り出し、内端部が封止樹脂１１に封止された電極端子１５とを有する。
例えば、パワーモジュール１０は、導体パターンを表裏に有した回路基板の上面にパワー半導体スイッチング素子１３及び電極端子１５を実装し、必要な配線接続をボンディングワイヤ等で行って回路部１４を構成し、回路基板の下面の導体ベタパターンを金属板１２の上面１２ｂにはんだ等の熱伝導性接合剤３０により接合して構成される。金属板１２の上面１２ｂにセラミック等による絶縁層を形成し、その上にパワー半導体スイッチング素子１３等を接続する導体パターンを形成してもよい。
その後、封止樹脂１１による樹脂封止工程を実施する。
封止樹脂１１は、金属板１２の下面１２ａ以外の面、パワー半導体スイッチング素子１３を含む回路部１４、電極端子１５の内端部を覆い、封止する。
本パワーユニット１は、パワーモジュール１０と、ヒートシンク２０とを備える。
パワーモジュール１０は、樹脂封止型のパッケージでモジュール化されたものである。パワーモジュール１０の斜視図を図２、図３に示す。
パワーモジュール１０は、封止樹脂１１と、封止樹脂１１に一面である下面１２ａを露出させた金属板１２と、金属板１２の下面１２ａの反対面である上面１２ｂ側に設置され、パワー半導体スイッチング素子１３を含み、封止樹脂１１に封止された回路部１４と、回路部１４の電極を外部に取り出し、内端部が封止樹脂１１に封止された電極端子１５とを有する。
例えば、パワーモジュール１０は、導体パターンを表裏に有した回路基板の上面にパワー半導体スイッチング素子１３及び電極端子１５を実装し、必要な配線接続をボンディングワイヤ等で行って回路部１４を構成し、回路基板の下面の導体ベタパターンを金属板１２の上面１２ｂにはんだ等の熱伝導性接合剤３０により接合して構成される。金属板１２の上面１２ｂにセラミック等による絶縁層を形成し、その上にパワー半導体スイッチング素子１３等を接続する導体パターンを形成してもよい。
その後、封止樹脂１１による樹脂封止工程を実施する。
封止樹脂１１は、金属板１２の下面１２ａ以外の面、パワー半導体スイッチング素子１３を含む回路部１４、電極端子１５の内端部を覆い、封止する。
ヒートシンク２０は、凹部２１を有する。凹部２１を設けられた面を上面とする。ヒートシンク２０の下面には放熱突起２２が形成されている。
凹部２１の底面２１ａに金属板１２の下面１２ａがはんだ等の熱伝導性接合剤３０により接合されることで、熱的及び機械的に接続されている。
以上により、パワー半導体スイッチング素子１３からの熱が金属板１２を介してヒートシンク２０に伝導するようにされている。
凹部２１の底面２１ａに金属板１２の下面１２ａがはんだ等の熱伝導性接合剤３０により接合されることで、熱的及び機械的に接続されている。
以上により、パワー半導体スイッチング素子１３からの熱が金属板１２を介してヒートシンク２０に伝導するようにされている。
図１に示すように、金属板１２が露出する下面に隣接する封止樹脂１１の側面１１ｓの下端部は凹部２１内に配置されている。この封止樹脂１１の側面１１ｓが、ヒートシンク２０の凹部２１の側面に対して間隙ＧＡを介して配置されている。すなわち、封止樹脂１１がヒートシンク２０に被着接合しておらず、離間しており、その間に間隙ＧＡが設けられている。したがって、凹部２１と封止樹脂１１とが嵌合状態にないので、ヒートシンク２０と封止樹脂１１との熱膨張係数差に基づく熱応力は発生せず、熱応力に起因して熱伝導性接合剤３０による接合部が破壊されるなどの不具合の発生は回避される。このような熱応力負荷の軽減によりパワーユニット１の信頼性が向上する。
図１に示すように封止樹脂１１の側面１１ｓとヒートシンク２０との間の間隙ＧＡは、Ｘ方向の両側、及びＹ方向の両側に設けることが好ましい。封止樹脂１１の側面１１ｓが片側だけヒートシンク２０（凹部２１の側面）に接触していても、熱応力が発生するからである。図７にヒートシンク２０に対する封止樹脂１１の外形位置（電極端子１５を除くパッケージ外形位置）を示す。図７に示すように間隙ＧＡは、封止樹脂１１の全周に設けられている。したがって、ヒートシンク２０が温度変化により膨張、収縮しても、封止樹脂１１の側面１１ｓが凹部２１の側面によって拘束されることはなく熱応力が発生しない。
なお、同様の効果が得られる変形特性を有する緩衝材で間隙ＧＡを埋めてもよいことはもちろんである。緩衝材は、オイル、ゲル、多孔質等、形質、化学物質の種類は問わない。
図１に示すように封止樹脂１１の側面１１ｓとヒートシンク２０との間の間隙ＧＡは、Ｘ方向の両側、及びＹ方向の両側に設けることが好ましい。封止樹脂１１の側面１１ｓが片側だけヒートシンク２０（凹部２１の側面）に接触していても、熱応力が発生するからである。図７にヒートシンク２０に対する封止樹脂１１の外形位置（電極端子１５を除くパッケージ外形位置）を示す。図７に示すように間隙ＧＡは、封止樹脂１１の全周に設けられている。したがって、ヒートシンク２０が温度変化により膨張、収縮しても、封止樹脂１１の側面１１ｓが凹部２１の側面によって拘束されることはなく熱応力が発生しない。
なお、同様の効果が得られる変形特性を有する緩衝材で間隙ＧＡを埋めてもよいことはもちろんである。緩衝材は、オイル、ゲル、多孔質等、形質、化学物質の種類は問わない。
図４は、３つのパワーモジュール１０を搭載し、液冷式に構成したパワーユニット１の断面図である。ヒートシンク２０の斜視図を図５、図６に、上面図を図７に示す。
図４に示すようにパワーユニット１は、パワーモジュール１０を複数備え、ヒートシンク２０には、凹部２１が複数設けられる。本実施形態ではパワーモジュール１０及び凹部２１が３ずつである。パワーユニット１は、一の凹部２１に対して一のパワーモジュール１０がそれぞれ、図１に示した接合構造で配設されたものである。
ヒートシンク２０の下面にジャケット３１が、放熱突起２２を内部に収めるようにパッキン３３で周囲を水密されて取り付けられ、冷媒液が流通する流路空間３２が形成される。図７に示すように、ヒートシンク２０は、ジャケット３１との間でパッキン３３を圧着状態で固定するボルトを挿通する複数の取付孔２３、及びパッキン３３の取付部３３Ｇを有する。複数の取付孔２３とパッキン３３の取付部３３Ｇは、凹部２１の周囲の厚みのある部分とされ、パッキン３３、ジャケット３１の取り付けによるヒートシンク２０の変形は避けられる。
図４に示すようにパワーユニット１は、パワーモジュール１０を複数備え、ヒートシンク２０には、凹部２１が複数設けられる。本実施形態ではパワーモジュール１０及び凹部２１が３ずつである。パワーユニット１は、一の凹部２１に対して一のパワーモジュール１０がそれぞれ、図１に示した接合構造で配設されたものである。
ヒートシンク２０の下面にジャケット３１が、放熱突起２２を内部に収めるようにパッキン３３で周囲を水密されて取り付けられ、冷媒液が流通する流路空間３２が形成される。図７に示すように、ヒートシンク２０は、ジャケット３１との間でパッキン３３を圧着状態で固定するボルトを挿通する複数の取付孔２３、及びパッキン３３の取付部３３Ｇを有する。複数の取付孔２３とパッキン３３の取付部３３Ｇは、凹部２１の周囲の厚みのある部分とされ、パッキン３３、ジャケット３１の取り付けによるヒートシンク２０の変形は避けられる。
３つのパワーモジュール１０，１０，１０は、個々に独立してモジュール化されており、共通の回路基板等で一体化されていない。したがって、ヒートシンク２０の凹部２１，２１，２１の位置精度は厳しく求められず、ヒートシンク２０と３つのパワーモジュール１０，１０，１０との間に大きな熱応力の発生は避けられる。
次に、改めて本パワーユニットの製造方法につき説明する。
パワーモジュール１０の製造工程を実施しパワーモジュール１０を完成させる。そのパワーモジュール１０の製造工程の中に、樹脂封止工程が含まれる。樹脂封止工程では、パワーモジュール１０のうち封止樹脂１１以外の構成による組立体を成形型に設置し、成形型に樹脂を充填するなどの方法により同組立体の封止箇所を樹脂で覆うとともに、成形型の成形面で封止樹脂１１の外面を成形し、封止樹脂１１を硬化させるための熱処理を実行する。
上記のような凹部２１を有したヒートシンク２０を別途、準備しておく。
以上のように樹脂封止工程を実施した後、ヒートシンク２０の凹部２１にパワーモジュール１０を配置し、凹部２１の底面２１ａに金属板１２の下面１２ａを接合するモジュール実装工程を実施する。
パワーモジュール１０の製造工程を実施しパワーモジュール１０を完成させる。そのパワーモジュール１０の製造工程の中に、樹脂封止工程が含まれる。樹脂封止工程では、パワーモジュール１０のうち封止樹脂１１以外の構成による組立体を成形型に設置し、成形型に樹脂を充填するなどの方法により同組立体の封止箇所を樹脂で覆うとともに、成形型の成形面で封止樹脂１１の外面を成形し、封止樹脂１１を硬化させるための熱処理を実行する。
上記のような凹部２１を有したヒートシンク２０を別途、準備しておく。
以上のように樹脂封止工程を実施した後、ヒートシンク２０の凹部２１にパワーモジュール１０を配置し、凹部２１の底面２１ａに金属板１２の下面１２ａを接合するモジュール実装工程を実施する。
以上の実施形態のパワーユニット１によれば、パワーモジュール１０の金属板１２の下面１２ａがヒートシンク２０の薄肉化した凹部２１に熱的に接続するので放熱性が向上する。また封止樹脂１１まで含めてモジュール化されているので、パワーモジュール１０の封止樹脂１１を硬化させるための熱処理工程による熱負荷をヒートシンク２０に与えることがない。凹部２１による薄肉部を有するヒートシンク２０が樹脂封止工程の加熱により変形すること避けられ、製造精度を向上することができる。ヒートシンク２０に変形（歪み）が生じていないから、パッキン３３、ジャケット３１の取り付け後の水冷構造の水密性が向上する。
また、封止樹脂１１の側面１１ｓとヒートシンク２０との間の間隙ＧＡによって、ヒートシンク２０と封止樹脂１１との熱膨張係数差に基づく熱応力は発生せず、熱応力負荷の軽減によりパワーユニット１の信頼性が向上する。
以上の実施形態の製造方法によれば、凹部２１による薄肉部を有するヒートシンク２０を、パワーモジュール１０の樹脂封止工程時の加熱により変形させることが避けられ、パワーユニット１の製造精度を向上することができる。
また、封止樹脂１１の側面１１ｓとヒートシンク２０との間の間隙ＧＡによって、ヒートシンク２０と封止樹脂１１との熱膨張係数差に基づく熱応力は発生せず、熱応力負荷の軽減によりパワーユニット１の信頼性が向上する。
以上の実施形態の製造方法によれば、凹部２１による薄肉部を有するヒートシンク２０を、パワーモジュール１０の樹脂封止工程時の加熱により変形させることが避けられ、パワーユニット１の製造精度を向上することができる。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されるものでなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施してよいことは勿論である。
パワー半導体スイッチング素子１３は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタなどが適用されるがこれらに限定されるものではない。
３つのパワーモジュールを組み込んだ１つのパワーユニットを開示したが、１つのパワーユニットへのパワーモジュールの組込み数は、１つでもよいし、３つ以外の複数でもよい。
また、ヒートシンクに放熱突起を設けること、液冷式にすること等は任意である。
本開示に記載のパワーユニット１は、電気自動車等の種々の電気装置に用いられてもよい。
パワー半導体スイッチング素子１３は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタなどが適用されるがこれらに限定されるものではない。
３つのパワーモジュールを組み込んだ１つのパワーユニットを開示したが、１つのパワーユニットへのパワーモジュールの組込み数は、１つでもよいし、３つ以外の複数でもよい。
また、ヒートシンクに放熱突起を設けること、液冷式にすること等は任意である。
本開示に記載のパワーユニット１は、電気自動車等の種々の電気装置に用いられてもよい。
１ パワーユニット
１０ パワーモジュール
１１ 封止樹脂
１２ 金属板
１２ａ 下面
１３ パワー半導体スイッチング素子
１４ 回路部
１５ 電極端子
２０ ヒートシンク
２１ 凹部
１０ パワーモジュール
１１ 封止樹脂
１２ 金属板
１２ａ 下面
１３ パワー半導体スイッチング素子
１４ 回路部
１５ 電極端子
２０ ヒートシンク
２１ 凹部
Claims (5)
- パワーモジュールと、ヒートシンクとを備えるパワーユニットであって、
前記パワーモジュールは、
封止樹脂と、
前記封止樹脂に一面を露出させた金属板と、
前記金属板の前記一面の反対面側に設置され、前記封止樹脂に封止された回路部と、を有し、
前記ヒートシンクは、凹部を有し、
前記凹部の底面に前記金属板の前記一面が熱的及び機械的に接続され、
前記金属板が露出する面に隣接する前記封止樹脂の側面は、前記ヒートシンクに対して間隙又は緩衝材を介して配置されたパワーユニット。 - 前記間隙又は緩衝材は、前記封止樹脂の全周に設けられている請求項１に記載のパワーユニット。
- 前記パワーモジュールを複数備え、
前記ヒートシンクには、前記凹部が複数設けられ、
一の前記凹部に対して一の前記パワーモジュールが配設された請求項１又は請求項２に記載のパワーユニット。 - 請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワーユニットの製造方法であって、
前記パワーモジュールの前記封止樹脂を硬化させるための熱処理を含めた樹脂封止工程を実施した後、
前記ヒートシンクの前記凹部に前記パワーモジュールを配置し、前記凹部の底面に前記金属板の前記一面を接合するモジュール実装工程を実施するパワーユニットの製造方法。 - 請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワーユニットを有する、
電気装置。
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