JP5186449B2 - パワー半導体モジュールを有する装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体モジュールとヒートシンクとを有している装置に関する。このパワー半導体モジュールは、少なくとも１つのパワー半導体素子を有している基板と、ハウジングとを備え、ヒートシンクは、少なくとも１つのパワー半導体素子からの余熱を放散させるために備えられている。ハウジングは、上記基板を保持するために、ハウジングの下面に配されているカットアウト部を有しており、このカットアウト部はヒートシンクに対向している。本発明は、このような装置の製造方法にも関する。

最初に述べたタイプの装置は、例えば特許文献１から周知である。この文献はベースプレートを有さないパワー半導体モジュールについて述べており、装置をヒートシンクにプレスすることによって基板の下面がプレスされる。このヒートシンクを介してパワー半導体モジュールが作動している間に熱の形態で発生する熱損失が放散される。

基板からヒートシンクへの熱伝達を改良するためには、基板の下面を熱伝導層でコーティングすることが有利であることが明らかになった。例えば、熱伝導ペーストは基板の下面にプリントされることが可能である。

このようなコーティングされたベースプレートを有さないパワー半導体モジュールは、ヒートシンクから取り除かれる際に大変慎重に対応すべきである。基板は取り除かれるときに、熱伝導ペーストの強力な粘着力を通じてハウジングから取り外され得る。

ＤＥ１０１４９８８６Ａ１

本発明の１つの課題は、最初に述べたタイプの装置を改良して製造することである。さらなる本発明の課題は、このような改良された装置の製造方法を提供することである。

少なくとも１つのパワー半導体素子を有している基板とハウジングとを備えているパワー半導体モジュールと、少なくとも１つのパワー半導体素子から余熱を放散させるためのヒートシンクとを有し、ハウジングが、基板を保持するためにヒートシンクに対向しているハウジングの下面に配されたカットアウト部を有している装置に対して、課題は、パワー半導体モジュールが、少なくとも１つの保持要素に付設し且つハウジングの下面の凹部に噛合している少なくとも１つの保持要素を有し、基板の動きをハウジングの下面の方向に制限するように形成することで達成される。

パワー半導体素子を有している基板は、ヒートシンクから取り除かれるときにハウジングから取り外されることが不可能であるという利点を、このような装置は有している。保持要素は、ハウジングが取り除かれる間ハウジングに基板を保持している。保持要素は、ハウジングと共に基板をヒートシンクから取り外すことを可能にする。

保持要素はハウジングに形成されず且つハウジングと一体で形成されず、別個の自立型コンポーネントであり、装置の個々の要素がまとめて接合されるときにハウジングに取り付けられる。保持要素はどのような所望する材料からも形成されることができ、プラスチック或いは金属から形成されることが好ましい。

このような装置を製造するための方法に対して、課題は以下のステップによって達成される。
− 少なくとも１つのパワー半導体素子を有している基板を備えるステップと、
− ヒートシンクに対向しているハウジングの下面に配された、ハウジングのカットアウト部に基板を挿入するステップと、
− 少なくとも１つの保持要素を付設している、ハウジングの下面の凹部に少なくとも１つの保持要素を取り入れて、基板の動きをハウジングの下面の方向に制限するステップと、
− ハウジングの下面が配されたヒートシンクにハウジングを取り付けるステップ。

このような方法は迅速且つ容易に実行され得る結果、ハウジングがヒートシンクから取り除かれているときに、上述したような利点が生じる。

本発明の好適な改良は以下に述べられる。

少なくとも１つの保持要素のための装置は、ハウジングがヒートシンクに取り付けられるとき、ハウジングをヒートシンクに位置決めするために、ヒートシンクの対応する凹部に噛合するよう形成されると有利であることが明らかにされた。これによって、ハウジングと、従って基板も、ヒートシンクにセンタリングされることができる。基板は、アセンブリする間に保持要素を用いて予めセンタリングされ、アセンブリする間に基板の動きを阻止する。

この好適な改良は、装置をアセンブリする間にハウジングが予めセンタリングされない場合に生じる欠点を回避する。これは、熱伝導ペーストの粘着の結果、予めセンタリングされないと、続けて実行されるヒートシンクのハウジングの位置修正の間に、基板が、ハウジングに関して動かされ、ハウジングエッジの下に突出する危険が生じ、これによって、基板が損傷を受ける可能性があるためである。

方法に対しては、少なくとも１つの保持要素がハウジングの凹部に取り入れられる前に、熱伝導ペーストから形成される熱伝導層がヒートシンクに対向する基板の面に用いられることが明白になった。従って、従来のように、熱伝導ペーストは、１つのコーティング或いはプリントプロセスの際に、保持要素の妨げになることなく、基板に容易に塗布されることができる。一度コーティング或いはプリントプロセスが完了されると、保持要素はこのためにハウジングに設けられた凹部に取り入れられる。

従って、本発明に従う方法のこの好適な改良は欠点を回避し、これらの欠点は、ハウジングを製造する間に、ハウジングにセンタリング要素が形成、例えば成型されるとき、ハウジングのセンタリングを可能にするために生じる。ハウジングにセンタリング要素を形成するプロセスは、以前から周知の方法で実行されてきたように、特に、ハウジングに位置する基板に熱伝導ペーストのプリントを行うことを不可能或いは少なくとも困難にする。従来技術に対して、本発明に従う保持要素は基板のコーティング後にハウジングに配されることができる。

さらに、少なくとも１つの保持要素を付設しているヒートシンクの凹部と、ヒートシンクに対向し且つ保持要素のこの凹部に噛合している部分とが、互いに対応する形状を有することは、装置にとって有利であることもまた明らかになった。ヒートシンクの凹部及び保持要素のこの凹部に噛合している部分の形状が互いに適合していればいるほど、より精密にハウジングはヒートシンクに予めセンタリングされ得る。１つの好適な改良では、ヒートシンクの凹部及び保持要素のこの凹部に噛合している部分の形状は、保持要素が、実際に、ヒートシンクの凹部で、ヒートシンクとハウジングとの接触面に対して平行方向に動くことができないように互いに適合される。このことは、ハウジングがヒートシンクの精密且つ予め定義された位置を占めることを、保持要素が確実にすることを可能にする。

保持要素のヒートシンクに対向している部分が円柱状であることは特に好ましい。保持要素のヒートシンクに対向している部分の１つの好適な形状は、面取りをしてある、すなわちヒートシンクに対向しているエッジに傾斜がある円柱形状である。保持要素が中空であること、例えば長手軸に沿って、連続した、好ましくは円柱状のカットアウト部を有することもまた好ましい。

少なくとも１つの保持要素は突起部を有していると好ましく、この突起部は、基板を保持するためにカットアウト部に突出し且つ基板の動きをハウジングの下面の方向に制限する。保持要素の突起部は容易に製造されることができ、機械的に信頼性のある保持装置を形成する。

ハウジングが周りを囲むハウジングフレームを有することもまた好ましく、このハウジングフレームには、保持要素が噛合している凹部が配されている。

ハウジングの下面の凹部がめくら穴の形成であることが特に実証され、このめくら穴はハウジングの下面の方に開いていて且つこのめくら穴と少なくとも１つの保持要素がハウジングの下面から噛合している。

特に、少なくとも１つの保持要素が固定・センタリング・保持器の形成であることが実証された。パワーモジュールは、アセンブリする間に、一体にされた固定・センタリング・保持器のために予めセンタリングされ、同時にアセンブリする間に基板の動きが防止される。同時に、基板は取り除かれる間に固定・センタリング・保持器によってハウジングに保持される。従って、基板はヒートシンクから取り外されることができる。

少なくとも１つの保持要素は取り外し可能な接続部を用いてハウジングに対して接続されるのが好ましい。特に、この関係で、取り外し可能な接続部がねじ接続部の形成であることが実証された。すなわち、ハウジング凹部に噛合している部分では、保持要素はおねじを有し、ハウジング凹部はこのおねじと対応するめねじを有している。ハウジング凹部に噛合している部分では、保持要素は少なくとも１つの弾性的な固定フィンガーを有し、ハウジング凹部はこの固定フィンガーと対応する固定くぼみを有することもまた可能である。

本発明の１つの好適な改良では、少なくとも１つの保持要素は対応するハウジング凹部に粘着性接続部を用いて固定される。

パワー半導体モジュールが少なくとも２つの保持要素を有することもまた実証された。本発明の１つの特に好適な改良では、パワー半導体モジュールは少なくとも３つの保持要素を有する。少なくとも２つの保持要素を付設している凹部は、ハウジングの下面に、好ましくはハウジングの反対側の面に、特に対角線の反対側に配されている。少なくとも２つ或いは少なくとも３つの保持要素の装置は、基板がハウジングの凹部に堅固に保持される利点を有する。その上、少なくとも２つ或いは少なくとも３つの保持要素がヒートシンクの複数の方向にハウジングを良好に予めセンタリングすることを可能にする利点がある。

特に、装置が熱伝導層を有することが実証され、この熱伝導層は基板とヒートシンクとの間に熱伝導ペーストから形成される。これによって、基板に位置しているパワー半導体素子から余熱を放散させるヒートシンクまでの余熱の熱伝達を決定的に改善することが可能になる。

装置を製造するための方法にとって、少なくとも１つの保持要素がヒートシンクの付設されている凹部に噛合するように、ハウジングがヒートシンクに位置していると有利であることが明らかになった。これによって、ハウジングがヒートシンクにセンタリングされることが可能になる。

本発明は、例として図１から図６ｄまでを参照しながら以下に説明する。

ハウジングの下面の透視図である。 図１の詳細図である。 ハウジング凹部に取り入れられた、保持要素の断面図である。 ハウジング凹部に取り入れられた、保持要素の断面図である。 本発明に従う装置の横断面図である。 ハウジングフレームに保持要素を貫通させている透視断面図である。 保持要素の図である。 保持要素の図である。 保持要素の図である。 保持要素の図である。

図１はハウジング４の下面４０を示しており、このハウジング４は２つの基板２を保持するためのカットアウト部４１を有している。これらの基板２は例えばＤＣＢ基板の形成であってもよい（ＤＣＢ＝Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｅｄ）。ハウジング４には固定穴４５が位置しており、この固定穴４５を介してねじを通すことが可能であり、この固定穴４５が（図示されていない）ヒートシンクにハウジング４を取り付けるために用いられる。ハウジング４は、この下面４０に、周りを囲んでいるフレーム４３を有しており、このハウジング４に、保持要素５を保持するための凹部４２が配されている。

図２は、図１に示されているハウジング４の右側部分の拡大図である。

図３ａは、図２で示されている断面線ＩＩＩａに沿った、図２に示されている保持要素５の断面図である。保持要素５はハウジング４の凹部４２に噛合している。保持要素５は突起部５４を有しており、この突起部５４はハウジング４の下面４０に適合する。保持要素の突起部５４は、基板２の方向に周りを囲んでいるハウジング４のフレーム４３から突出している。突起部５４は、基板２のためのストッパとして用いられ、ハウジング４の下面４０の方向に基板２の動きを制限する。つまり、保持要素５は基板を固定し、カットアウト部４１の外側へ落下することから基板２を保護する。

図３ｂは、図２で示されている断面線ＩＩＩｂに沿った保持要素５の断面図である。保持要素５のヒートシンク３に対向している部分５１は、カップ型の輪郭を有している。保持要素５のハウジング凹部４２に噛合している部分５２は、２つの固定フィンガー５３を有しており、これらの固定フィンガー５３は、凹部４２の対応する固定くぼみ４４に噛合しているのでスナップ作用の固定接続部が生じる。

図４は、本発明に従う装置の横断面図である。この装置は、パワー半導体モジュール１と、パワー半導体素子２０からの余熱を放散させるためのヒートシンク３とを有し、このモジュール１は、２つのパワー半導体素子２０を有している基板２と、ハウジング４とを備えている。ハウジング４は、ヒートシンク３に対向している、ハウジング４の下面４０に配され、基板２を保持するためのカットアウト部４１を有している。さらに、パワー半導体モジュール１は２つの保持要素５を有しており、これらの保持要素５は、これらの保持要素５に付設されている、ハウジング４の下面４０のハウジング凹部４２に噛合しており、ハウジングの下面４０の方向に基板２が動くことを制限する。熱伝導ペーストから形成されている熱伝導層６は、基板２とヒートシンク３との間に位置している。ハウジング凹部４２は固定くぼみ４４を有している。これらの固定くぼみ４４に、保持要素５の、対応する固定フィンガー５３は噛合している。固定フィンガー５３と固定くぼみ４４とによって形成されている固定スナップ作用接続部を用いて、保持要素５はハウジング４内に或いはハウジング４に接して固定されている。ヒートシンク３は２つの凹部３０を有しており、これらの凹部３０に保持要素５は噛合している。保持要素５の凹部３０に噛合している部分５２の形状は、ヒートシンク３の凹部３０の形状に適合されている結果、ハウジング４は、ヒートシンク３０の所望され且つ定義される位置にのみ位置決めされることができる。

図５は保持要素５の断面図であり、この保持要素５は、ハウジング４の対応する凹部４２に噛合している。保持要素５は、ハウジング４の下面４０から凹部４２に取り入れられている。保持要素５は２つの固定フィンガー５３を有しており、これらの固定フィンガー５３は、凹部４２の対応する固定くぼみ４４に固定されている。ハウジング４の上面４６から適切な工具を用いることによって、弾性的な固定フィンガー５３は互いの方へ動かすことが可能になる結果、固定スナップ作用接続部は取り外され、保持要素５は破損せずにハウジング４から取り除かれることができる。

図６ａ〜図６ｄは、パワー半導体モジュール１を備えた本発明に従う装置が有しているような保持要素５の様々な図面である。

図６ａは、保持要素５の下からの斜視図である。保持要素５は上部部分５１を有しており、この上部部分５１はヒートシンク３の凹部３０に噛合している。同様に、下部部分５２も備えており、この下部部分５２はハウジング４のハウジング凹部４２に噛合している。下部部分５２は２つの弾性的な固定フィンガー５３を有しており、これらの固定フィンガー５３は、ハウジング４の付設する凹部４２と共に固定スナップ作用接続部を形成している。

図６ｂは、図６ａに示されている保持要素５の下面図である。

図６ｃは、図６ａに示されている保持要素５の側面図である。

図６ｄは、図６ａに示されている保持要素５の第２側面図である。

１ パワー半導体モジュール
２ 基板
２０ パワー半導体素子
３ ヒートシンク
３０ ヒートシンク３の凹部
４ ハウジング
４０ ハウジング４の下面
４１ 基板２を保持するための、ハウジング４のカットアウト部
４２ ハウジング４の凹部
４３ ハウジング４のフレーム
４４ 固定くぼみ
４５ 固定穴
４６ ハウジング４の上面
５ 保持要素
５１ 保持要素５のヒートシンク３に対向している部分
５２ 保持要素５の凹部４２に噛合している部分
５３ 保持要素５の固定フィンガー
５４ 保持要素５の突起部
６ 熱伝導層

Claims (17)

1. 少なくとも１つのパワー半導体素子（２０）を有している基板（２）とハウジング（４）とを備えているパワー半導体モジュール（１）と、少なくとも１つのパワー半導体素子（２０）からの余熱を放散させるためのヒートシンクとを有している装置であって、ハウジング（４）が、基板（２）を保持するために、ヒートシンク（３）に対向しているハウジング（４）の下面（４０）に配されたカットアウト部（４１）を有している装置において、
   パワー半導体モジュール（１）が少なくとも１つの保持要素（５）を有し、この少なくとも１つの保持要素（５）に付設している、ハウジング（４）の下面（４０）の凹部（４２）に噛合している保持要素（５）がハウジング（４）の下面（４０）の方向に基板（２）の動きを制限するように形成されていることを特徴とする装置。
2. ハウジング（４）がヒートシンク（３）に取り付けられるときに、ハウジング（４）をヒートシンク（３）に位置決めするために、少なくとも１つの保持要素（５）がヒートシンク（３）に付設されている凹部（３０）に噛合するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも１つの保持要素（５）に付設されている、ヒートシンク（３）の凹部（３０）と、保持要素（５）の、ヒートシンク（３）に対向し且つ前記凹部（３０）に噛合している部分（５１）とが、互いに対応する形状を有していることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 少なくとも１つの保持要素（５）の、ヒートシンク（３）に対向している部分（５１）が、円柱状であることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項に記載の装置。
5. 少なくとも１つの保持要素（５）が、基板（２）を保持するためにカットアウト部（４１）に突出しており且つハウジング（４）の下面（４０）の方向に基板（２）の動きを制限している突起部（５４）を有していることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項に記載の装置。
6. ハウジング（４）が、保持要素（５）が噛合している凹部（４２）が配された、周りを囲んでいるハウジングフレーム（４３）を有していることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項に記載の装置。
7. ハウジング（４）の下面（４０）のハウジング凹部（４２）が、ハウジング（４）の下面（４０）の方へ開いていて且つハウジング（４）の下面（４０）からの少なくとも１つの保持要素（５）が噛合しているめくら穴の形成をしていることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項に記載の装置。
8. 少なくとも１つの保持要素（５）が固定・センタリング・保持器として形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項に記載の装置。
9. 少なくとも１つの保持要素（５）が、取り外し可能な接続部を用いてハウジング（４）に対して接続されていることを特徴とする、請求項１〜８のうちの１項に記載の装置。
10. ハウジング凹部（４２）に噛合している部分（５２）に保持要素（５）がおねじを有し、且つ、ハウジング凹部（４２）が前記おねじに対応しているめねじを有していることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. ハウジング凹部（４２）に噛合している部分（５２）に保持要素（５）が少なくとも１つの弾性的な固定フィンガー（５３）を有し、且つ、ハウジング凹部（４２）が固定フィンガー（５３）に付設されている固定くぼみ（４４）を有していることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
12. 少なくとも１つの保持要素（５）が粘着性をもった接続部を用い、付設されているハウジング凹部（４２）に固定されていることを特徴とする、請求項１〜１１のうちの１項に記載の装置。
13. パワー半導体モジュール（１）が、少なくとも２つの、好ましくは少なくとも３つの保持要素（５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜１２のうちの１項に記載の装置。
14. パワー半導体モジュール（１）が、基板（２）とヒートシンク（３）との間に熱伝導ペーストによって形成されている熱伝導層（６）を有していることを特徴とする、請求項１〜１０のうちの１項に記載の装置。
15. パワー半導体モジュール（１）を有する装置、特に請求項１〜１４のうちの１項に記載の装置の製造方法であって、
    少なくとも１つのパワー半導体素子（２０）を有している基板（２）を備えるステップと、
    ヒートシンク（３）に対向しているハウジング（４）の下面（４０）に配されたハウジング（４）のカットアウト部（４１）に基板（２）を挿入するステップと、
    ハウジング（４）の下面（４０）の方向に基板（２）の動きを制限するために、少なくとも１つの保持要素（５）に付設されている、ハウジング（４）の下面（４０）の凹部（４２）に、少なくとも１つの保持要素（５）を取り入れるステップと、
    ハウジング（４）の下面（４０）がヒートシンク（３）に配されているようにハウジング（４）をヒートシンク（３）に取り付けるステップと
    を含んでいる方法。
16. 少なくとも１つの保持要素（５）がヒートシンク（３）の付設されている凹部（３０）に噛合するように、ヒートシンク（３）にハウジング（４）を位置決めするステップをさらに含んでいる方法を特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つの保持要素（５）がハウジング（４）の凹部（４２）に取り入れられる前に、ヒートシンク（３）に対向している基板（２）の面に、熱伝導ペーストによって形成されている熱伝導層（６）を塗布するステップをさらに含んでいる方法を特徴とする、請求項１５又は１６のいずれか１項に記載の方法。
    

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