JP5206330B2 - Power module - Google Patents
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Description
本発明は、熱応力緩和性能に優れたパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module excellent in thermal stress relaxation performance.
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。 In a power module equipped with a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), the heat generated from the element is efficiently radiated, and adjustment is made so that the temperature is lower than the reference temperature even when the heat is generated.
ここで、従来のパワーモジュールの実装構造を図９に基づいて説明すると、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体等からなる絶縁基板ｂ（ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）ともいう）の一側面に半導体素子ａがはんだ層ｃを介して固定されて回路ユニットｄを成し、絶縁基板ｂの他側面には半導体素子ａからの熱を絶縁基板ｂを介して放熱するための放熱板ｅ（ヒートシンク）、および冷却器ｆがはんだ付けもしくは接着剤にて接合されてパワーモジュールＰが形成されている。ここで、この冷却器ｆは、冷水等の冷媒を還流させる流路ｆ１を備え、流路ｆ１内を還流する冷媒によって放熱板ｅからの放熱とクーリングを図っている。 Here, a conventional power module mounting structure will be described with reference to FIG. 9. One of insulating substrates b (also referred to as DBA (Direct Brazed Aluminum)) made of an aluminum nitride (AlN) plate, a laminate of pure aluminum plates, or the like. A semiconductor element a is fixed to a side surface via a solder layer c to form a circuit unit d, and a heat radiating plate e for radiating heat from the semiconductor element a via the insulating substrate b to the other side surface of the insulating substrate b. The power module P is formed by joining the (heat sink) and the cooler f with soldering or an adhesive. Here, the cooler f is provided with a flow path f1 for recirculating a refrigerant such as cold water, and performs heat radiation and cooling from the heat radiating plate e by the refrigerant recirculating in the flow path f1.
上記のごとく、従来のパワーモジュールは各種構成部材の多層積層構造となっているが、たとえば半導体素子の熱膨張率が３ｐｐｍ／Ｋ程度、絶縁基板の熱膨張率が４〜５ｐｐｍ／Ｋ程度、ヒートシンクアルミ板の熱膨張率が２５ｐｐｍ／Ｋ程度と構成部材ごとに熱膨張率が非常に異なっている。 As described above, the conventional power module has a multilayer laminated structure of various components. For example, the thermal expansion coefficient of the semiconductor element is about 3 ppm / K, the thermal expansion coefficient of the insulating substrate is about 4 to 5 ppm / K, and the heat sink. The thermal expansion coefficient of the aluminum plate is about 25 ppm / K, and the thermal expansion coefficient is very different for each component.
ところで、上記するパワーモジュールがハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求される。しかし、上記のごとく構成部材ごとに熱膨張率が大きく異なっていることから、それぞれの部材を直付けした場合には、温度変化に起因する熱膨張差によって熱応力が構成部材間の接合部に生じ、たとえばはんだ層等の界面でクラックが生じ、これがパワーモジュールの耐久性を低下させる大きな要因となり得る。 By the way, when the above-described power module is mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle, it is required to ensure durability for a long-term cooling cycle with a very high temperature difference. However, since the coefficient of thermal expansion is greatly different for each component member as described above, when each member is directly attached, thermal stress is caused at the joint between the component members due to the difference in thermal expansion caused by the temperature change. For example, a crack is generated at the interface of the solder layer or the like, and this can be a major factor in reducing the durability of the power module.
特に、近時のパワーモジュールはその小型化が進んでおり、このパワーモジュールの小型化に伴って素子が発する熱もより大きなものとなり、かつ単位面積当りの熱量が増大していること、小型化に伴って構成部材の熱拡散面積が低下していること、冷却器による冷却性能には自ずと限界があること、などから、発熱を許容しながらも、回路ユニットに発熱に伴う変形や応力が作用し難い構造を有するパワーモジュールの開発が急務の課題となっている。 In particular, the recent power modules have been downsized, and the heat generated by the elements has increased with the downsizing of the power modules, and the amount of heat per unit area has increased. As a result, the heat diffusion area of the components has been reduced, and the cooling performance of the cooler is naturally limited.Therefore, deformation and stress due to heat generation are applied to the circuit unit while allowing heat generation. Development of a power module having a difficult structure is an urgent issue.
なお、上記するパワーモジュールの冷却器に関する従来技術として特許文献１に開示の技術を挙げることができるが、本発明者等は、パワーモジュール全体の構造もしくは形状を改良することにより、小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた応力緩和性能を発揮できるパワーモジュールの発案に至った。
In addition, although the technique disclosed in
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、パワーモジュール全体の構造もしくは形状を改良することにより、該パワーモジュールの小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた応力緩和性能を発揮できるパワーモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and by improving the structure or shape of the entire power module, it has excellent stress relaxation performance with respect to downsizing of the power module and accompanying increase in thermal stress. It aims at providing the power module which can demonstrate.
前記目的を達成すべく、本発明によるパワーモジュールは、相互に平行な２つの面材と、該面材同士を繋ぐ繋ぎ材と、が一体に形成された放熱部材と、前記面材と前記繋ぎ材とで画成された空間に配された冷却器と、絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、からなる回路ユニットと、を少なくとも備え、前記冷却器と前記面材の間の界面は、該冷却器と該面材が未接着状態で当接している形態と、双方の間に隙間が存在している形態と、のいずれか一方からなり、２つの回路ユニットの絶縁基板が、前記２つの面材のそれぞれに固定されているものである。 In order to achieve the above object, a power module according to the present invention includes a heat dissipating member in which two parallel face materials and a connecting material connecting the face materials are integrally formed, and the face material and the connecting member. At least a circuit unit comprising a cooler disposed in a space defined by the material, an insulating substrate, and a semiconductor element mounted on the insulating substrate, the cooler and the face material The interface between the cooler and the face material is in a non-adhered form or a form in which there is a gap between them. A substrate is fixed to each of the two face materials.
本発明のパワーモジュールは、熱源である半導体素子からの熱を冷却器に放熱させる放熱部材の形状に変更を加え、たとえば、該放熱部材を正面から見た際の形状をその中央を通る面（線）に対して面対象な形状とし、たとえば対象となる上下（もしくは左右）のそれぞれに、絶縁基板と該絶縁基板上に搭載された半導体素子とからなる回路ユニットを配した構造を呈するものである。 The power module of the present invention changes the shape of the heat radiating member that radiates heat from the semiconductor element as a heat source to the cooler. For example, the surface when the heat radiating member is viewed from the front surface passing through the center ( Line) and has a structure in which, for example, a circuit unit composed of an insulating substrate and a semiconductor element mounted on the insulating substrate is arranged on each of the target upper and lower (or left and right) sides. is there.
上記する放熱部材は、相互に平行な２つの面材と、該面材同士を繋ぐ繋ぎ材と、が一体に形成されたものであり、たとえば、アルミニウムやその合金などを型に流し込んで一体に成形する（たとえば、アルミダイキャストの一体成形品）ことができる。 The heat dissipating member described above is formed by integrally forming two face materials parallel to each other and a connecting material for connecting the face materials. For example, aluminum or an alloy thereof is poured into a mold and is integrally formed. It can be molded (for example, an aluminum die-cast integrally molded product).
また、上記放熱部材の好ましい実施の形態として、繋ぎ材の端部が該２つの面材の中央に位置して、放熱部材が正面視でＩ型を呈した形態を挙げることができる。 Further, as a preferred embodiment of the heat radiating member, there can be mentioned a form in which the end portion of the connecting member is located at the center of the two face members, and the heat radiating member has an I shape in a front view.
たとえば、上記するＩ型を呈した放熱部材を取り上げると、中央の繋ぎ材（もしくはウエブ材）と、その両端で該繋ぎ材に直交する方向に延びる２つの面材（もしくはフランジ材）と、からなる構成において、繋ぎ材と２つの面材との間には大きく２つの空間が画成されることとなるが、これらの空間に、他のパワーモジュール構成部材に比して高剛性な冷却器を配することができる。なお、この冷却器も、アルミニウムやその合金などから成形することができ、その内部には、たとえば冷水等の冷媒を還流させる流路が形成されている。 For example, when the heat dissipation member having the above-described I-type is taken up, from the central connecting material (or web material), and two face materials (or flange materials) extending in the direction perpendicular to the connecting material at both ends thereof, In this structure, two large spaces will be defined between the connecting material and the two face materials. In these spaces, a highly rigid cooler compared to other power module components. Can be arranged. Note that this cooler can also be formed from aluminum or an alloy thereof, and a flow path for circulating a coolant such as cold water is formed therein.
ここで、この冷却器と面材の間の界面、すなわち、それぞれの対向する面の間には、隙間が介在していてもよいし、双方が未接着状態で単に当接していてもよい。いずれの形態であっても、冷却水と面材の間の界面において双方を縁切りすることができる。そのため、熱が作用した際に生じる冷却器の膨張収縮に起因する反りや変形がパワーモジュールの他の構成部材、特に、面材上に搭載された回路ユニットに作用することが効果的に抑止される。 Here, a gap may be interposed between the interface between the cooler and the face material, that is, between the opposing surfaces, or both may simply be in contact with each other in an unbonded state. Even if it is any form, both can be cut off in the interface between a cooling water and a face material. Therefore, warpage and deformation caused by expansion and contraction of the cooler that occurs when heat acts are effectively suppressed from acting on other components of the power module, in particular, the circuit unit mounted on the face material. The
なお、冷却器と面材とは固定されないが、冷却器と繋ぎ材とは、たとえばろう付け等で固定できる。上記する正面視Ｉ型の放熱部材と２つの冷却器とからなる形態に関して言えば、冷却器の熱による膨張収縮に起因する変形等は、面材には十分に作用しない一方で、それが固定された繋ぎ材には作用する。しかし、繋ぎ材の両側に位置する２つの冷却器から同様の変形力が作用し、冷却器が膨張した際には同程度の圧縮力が、冷却器が収縮した際には同程度の引張力がそれぞれ繋ぎ材に作用する。繋ぎ材に圧縮力、引張力のいずれが作用する場合でも、繋ぎ材にはたとえば左右方向からの逆方向で同程度の力が作用することから、これらの作用力はキャンセルされる。また、これらの力が繋ぎ材に作用したとしても、面材上に搭載された回路ユニットには何等の影響も無く、したがって、たとえば絶縁基板と半導体素子を繋ぐはんだ層に対して、従来構造のごときクラックを生じさせるような外力は作用し得ない。 Although the cooler and the face material are not fixed, the cooler and the connecting material can be fixed by brazing, for example. Speaking of the form consisting of the above-mentioned front view I-type heat radiation member and two coolers, deformation caused by expansion and contraction due to the heat of the cooler does not sufficiently act on the face material, but it is fixed It acts on the tie that is made. However, the same deformation force acts from the two coolers located on both sides of the connecting material, and the same compressive force is applied when the cooler is expanded, and the same tensile force is applied when the cooler is contracted. Each acts on the connecting material. Regardless of whether compressive force or tensile force is applied to the connecting material, since the same force is applied to the connecting material in the opposite direction from the left-right direction, these acting forces are cancelled. Further, even if these forces act on the connecting material, there is no influence on the circuit unit mounted on the face material. Therefore, for example, the solder layer connecting the insulating substrate and the semiconductor element has a conventional structure. External forces that cause cracks cannot act.
また、冷却器と面材の間に隙間が介在している形態では、繋ぎ材を介して冷却器に半導体素子からの熱が放熱されるし、冷却器と面材が未接着状態で単に当接している形態では、繋ぎ材と面材の双方を介して冷却器に熱が放熱される。 Further, in the form in which a gap is interposed between the cooler and the face material, heat from the semiconductor element is radiated to the cooler via the connecting material, and the cooler and the face material are simply applied in an unbonded state. In the form of contact, heat is radiated to the cooler through both the connecting material and the face material.
また、本発明によるパワーモジュールの好ましい実施の形態は、前記冷却器と前記面材の間の界面に隙間が存在する形態において、該隙間に放熱性のグリス層が介在しているものである。 In a preferred embodiment of the power module according to the present invention, a gap exists at the interface between the cooler and the face material, and a heat-dissipating grease layer is interposed in the gap.
放熱性のグリス層とは、たとえばシリコングリスからなる層、セラミックグリスからなる層などのほか、熱伝導接着剤からなる層なども包含される。 The heat-dissipating grease layer includes, for example, a layer made of silicon grease, a layer made of ceramic grease, and a layer made of a heat conductive adhesive.
面材と冷却器の間の隙間に上記する放熱性のグリス層が介在することにより、冷却器の熱膨張収縮による変形等は該グリス層の可撓性（変形吸収性）によって吸収もしくは緩和され、面材には十分に伝達されない。さらには、放熱性のグリス層によって、面材から冷却器への放熱効果が期待できる。 Since the above-described heat-dissipating grease layer is interposed in the gap between the face material and the cooler, deformation due to the thermal expansion and contraction of the cooler is absorbed or alleviated by the flexibility (deformation absorbability) of the grease layer. The surface material is not transmitted sufficiently. Furthermore, the heat dissipation effect from the face material to the cooler can be expected by the heat dissipation grease layer.
本発明のパワーモジュールは、上記のごとく、冷却器の熱膨張収縮による変形や反りが回路ユニットに伝達し難く、もって回路ユニット構成部材であるはんだ層や半導体素子にクラック等が生じることを効果的に抑止できる。さらには、面材と冷却器の間に放熱性のグリス層を介在させることで、放熱性能をより一層高めることもできる。これらのことから、本発明のパワーモジュールは、高耐久性や高放熱性が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等に好適である。 As described above, the power module of the present invention is difficult to transmit the deformation and warpage due to the thermal expansion and contraction of the cooler to the circuit unit, so that it is effective that cracks and the like occur in the solder layer and the semiconductor element which are the circuit unit constituent members. Can be suppressed. Furthermore, heat dissipation performance can be further improved by interposing a heat-dissipating grease layer between the face material and the cooler. For these reasons, the power module of the present invention is suitable for an inverter mounted on a recent hybrid vehicle or electric vehicle that requires high durability and high heat dissipation.
以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、冷却器が熱膨張収縮した際の反りや変形等の外力が回路ユニットに作用することを効果的に抑止することができるため、該反りや変形等に起因するはんだ層や半導体素子に生じ得るクラック等の損傷を抑止でき、もって高耐久なパワーモジュールを提供することができる。 As can be understood from the above description, according to the power module of the present invention, it is possible to effectively suppress external forces such as warpage and deformation when the cooler is thermally expanded and contracted from acting on the circuit unit. Further, it is possible to suppress damages such as cracks that may occur in the solder layer and the semiconductor element due to the warp or deformation, and thus it is possible to provide a highly durable power module.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例以外にも、冷却器と面材が未接着状態で当接した形態であってもよい。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition to the illustrated example, the cooler and the face material may be in contact with each other in an unbonded state.
図１は、本発明のパワーモジュールの一実施の形態を示した斜視図であり、図２は、図１のII方向の矢視図である。このパワーモジュール１００は、相互に平行な２つの面材１１，１１と、該面材１１，１１同士を繋ぐ繋ぎ材１２と、が一体に形成された放熱部材１と、面材１１と繋ぎ材１２とで画成された空間に配された２つの冷却器２，２と、絶縁基板３３、該絶縁基板３３上にはんだ層３２を介して搭載された半導体素子３１（ＩＧＢＴチップ）からなる回路ユニット３と、から構成されており、特に図２で明らかなように、２つの面材１１，１１の双方に回路ユニット３，３が取付けされた構造を呈している。
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a power module of the present invention, and FIG. 2 is a view in the direction of arrow II in FIG. The
放熱部材１や冷却器２は、アルミニウムやその合金などを型に流し込んで一体に成形されたものであり(アルミダイキャスト成形品）、冷却器２では、その内部に冷媒を還流させるための隔壁２１が形成されている。なお、絶縁基板３３も同様に、アルミニウムやその合金から成形されている。
このパワーモジュール１００では、冷却器２と放熱部材１の面材１１の間に隙間Ｇが存在し、冷却器２の一側面と繋ぎ材１２とはろう付けされている。
The
In this
図からも明らかなように、放熱部材１は、繋ぎ材１２の中央を通り、かつ、面材１１と平行な平面に対して面対象となっており、それぞれの面材１１，１１の同位置に回路ユニット３，３が取付けられるとともに、繋ぎ材１２の両側に同形状および同寸法の冷却器２，２が取り付けられていることから、パワーモジュール全体として前記する平行な平面に対して完全に面対象となっている（図２を参照すれば、線対象である）。
As is clear from the figure, the
図示するパワーモジュール１００によれば、面材１１と冷却器２との間に隙間Ｇが介在することで、冷却器２に回路ユニット３からの熱が作用した際に生じ得る面材１１方向への膨張収縮変形が、該面材１１に伝達されることが抑止される。
According to the illustrated
一方、繋ぎ材１２には、両側の冷却器２，２からの膨張収縮変形が作用することとなるが、面材１１，１１は面対象（線対象）であること、双方の同位置には同一の回路ユニット３，３が取り付けられていることから、双方の冷却器２，２の変形は同程度であって、しかも、繋ぎ材１２に作用する力の方向が逆方向となり易い。
On the other hand, expansion and contraction deformation from the
すなわち、一方の冷却器２が膨張する際には他方も膨張するし、一方が収縮する際には他方も収縮する傾向にある。そのため、冷却器２，２が膨張収縮する際には、繋ぎ材１２には逆方向の力が作用し、繋ぎ材１２を介して双方の力がキャンセルされ、少なくとも面材１１には伝達され難い。
That is, when one
冷却器２の熱変形が面材１１に伝達され難いことから、従来構造のパワーモジュールで問題となっていた、他部材に比して高剛性の冷却器の熱変形や反りによって、回路ユニットのはんだ層等にクラックが生じ易いといった問題が効果的に解消される。
Since the thermal deformation of the
図３は、本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した斜視図であり、図４は、図３のIV方向の矢視図である。
図３，４で示すパワーモジュール１００Ａがパワーモジュール１００と相違する構成は、パワーモジュール１００Ａでは、パワーモジュール１００の隙間Ｇに放熱性のグリス層４が介層されている点である。
このグリス層４は、放熱性の高いシリコングリス、セラミックグリス、熱伝導接着剤などから形成される。
FIG. 3 is a perspective view showing another embodiment of the power module of the present invention, and FIG. 4 is an arrow view in the direction of IV in FIG.
The configuration in which the
The
パワーモジュール１００の場合には、回路ユニット３からの熱は繋ぎ材１２を介して冷却器２に放熱されるが、面材１１と冷却器２の間に放熱性のグリス層４が介在しているパワーモジュール１００Ａでは、この繋ぎ材１２に加えて、面材１１およびグリス層４を介して冷却器２に放熱されることとなり、放熱性能が一層向上する。
In the case of the
次に、図５を参照して、パワーモジュール１００Ａにおける、回路ユニット３から冷却器２への熱の流れと、冷却器２の熱膨張収縮の態様を説明する。
上下の面材１１，１１のそれぞれに取り付けられた回路ユニット３，３が発熱し、これが面材１１，１１に伝熱されると、双方の面材１１，１１には、たとえば図示する曲げモーメントＭ，Ｍが生じる。なお、図示例とは逆方向の曲げモーメントが生じる場合があることは言うまでもない。
Next, the flow of heat from the
When the
パワーモジュール１００Ａが、繋ぎ材１２の中心を通る面（線）で面対象であることから、上下で作用する曲げモーメントＭ，Ｍは逆方向となり、したがって、パワーモジュール１００Ａ全体としては、曲げモーメントがキャンセルされる。したがって、仮に図示するパワーモジュール１００Ａが不図示のハウジングや他部材に固定される場合には、これらの被固定部材に偏心曲げを作用させないという効果を奏する。
Since the
また、既述するように、回路ユニット３からの熱は、繋ぎ材１２およびグリス層４を介して冷却器２に放熱される（図中のＹ２の熱流れ、Ｙ１の熱流れ）。
さらに、双方の冷却器２，２に熱が作用した際には、繋ぎ材１２に対しては双方の冷却器２，２の膨張収縮変形（図中のＸ２方向）がともに逆方向に作用し易いことから、繋ぎ材１２には圧縮力や引張力が作用するが、図からも明らかなように、これらの変形力が面材１１に伝達される可能性は極めて低い。
Further, as described above, the heat from the
Furthermore, when heat is applied to both
一方、冷却器２の面材１１方向への膨張収縮変形（図中のＸ１方向）は、グリス層４の変形吸収性能にて効果的に吸収され、これも面材１１に伝達され難い。
On the other hand, the expansion and contraction deformation (X1 direction in the drawing) of the
したがって、回路ユニット３からの伝熱によって冷却器２が変形した場合でも、この変形や反りが回路ユニット３に作用することが抑止されるため、回路ユニット３の構成部材の中でも相対的に強度的弱部であるはんだ層３２に、クラック等が生じることはない。
Therefore, even when the
[従来構造のパワーモジュール（比較例）と、図３で示す本発明のパワーモジュール（実施例）を対象とした伝熱解析および熱応力解析と、それらの結果]
本発明者等は、図３で示す構造のパワーモジュールであって、その全体寸法が、２３ｍｍ×３５ｍｍ×高さ１０ｍｍの解析モデル（実施例）と、該実施例から繋ぎ材が取り除かれ、かつ、一方の面材のみに回路ユニットが搭載されて実施例と同寸法の従来構造の解析モデル（比較例）をコンピュータ内で作成し、公知の伝熱解析および熱応力解析ソフト（ＡＢＡＱＵＳ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｖ６．６）を使用して、双方のモデルの伝熱解析と熱応力解析を実施した。
[Heat transfer analysis and thermal stress analysis for the power module of the conventional structure (comparative example) and the power module of the present invention (example) shown in FIG. 3 and their results]
The inventors of the present invention have a power module having the structure shown in FIG. 3, the overall dimensions of which are 23 mm × 35 mm × height 10 mm, an analysis model (example), and the binder is removed from the example, and An analysis model (comparative example) of a conventional structure having a circuit unit mounted on only one face material and having the same dimensions as the embodiment is created in a computer, and known heat transfer analysis and thermal stress analysis software (ABAQUS Standard V6. 6) was used to conduct heat transfer analysis and thermal stress analysis for both models.
なお、伝熱解析では、回路ユニットにおける発熱量を４００Ｗ、パワーモジュール全体の熱伝達係数を２５０００（Ｗ／ｍ２Ｋ）に条件設定し、熱応力解析では、均一温度分布にて−４０℃と１０５℃の冷熱サイクルを負荷した。 In the heat transfer analysis, the heat generation amount in the circuit unit is set to 400 W, and the heat transfer coefficient of the entire power module is set to 25000 (W / m 2 K). In the thermal stress analysis, the uniform temperature distribution is −40 ° C. A 105 ° C. cold cycle was applied.
伝熱解析結果であって、回路ユニットにおける最高温度を示した結果を図６に、熱応力解析結果であって、パワーモジュール全体の反り量を図７に、回路ユニットのはんだ層における塑性ひずみエネルギーを図８に、それぞれ示している。 FIG. 6 shows the result of the heat transfer analysis showing the maximum temperature in the circuit unit, FIG. 7 shows the result of the thermal stress analysis, and FIG. 7 shows the amount of warpage of the entire power module, and the plastic strain energy in the solder layer of the circuit unit. Are shown in FIG.
伝熱解析結果を示した図６より、回路ユニットにおける最高温度は、比較例で２７０℃を超えたが、実施例では２４０℃程度に留まり、３０℃以上もの放熱効果が期待できることが特定された。 From FIG. 6 showing the heat transfer analysis results, it was specified that the maximum temperature in the circuit unit exceeded 270 ° C. in the comparative example, but remained at about 240 ° C. in the example, and a heat dissipation effect of 30 ° C. or more could be expected. .
熱応力解析のうち、パワーモジュールの反り量の結果を示した図７より、比較例では０．２ｍｍもの反り量となったのに対して、実施例では０．０３ｍｍ程度に留まり、実施例では、パワーモジュール全体の変形量を格段に低減できることが特定された。 In the thermal stress analysis, from FIG. 7 showing the result of the warpage amount of the power module, the warpage amount was 0.2 mm in the comparative example, whereas it was about 0.03 mm in the embodiment. It has been determined that the amount of deformation of the entire power module can be significantly reduced.
さらに、熱応力解析のうち、はんだ層における塑性ひずみエネルギーの結果を示した図８より、比較例では０．６３３（ＭＪ／ｍ３）のひずみエネルギーが蓄積されるのに対して、実施例では０．６２９（ＭＪ／ｍ３）に留まることが特定された。ここで、実施例では、はんだ層に生じるクラックを大幅に低減できることが特定された。 Further, in the thermal stress analysis, from FIG. 8 showing the result of the plastic strain energy in the solder layer, 0.633 (MJ / m 3 ) strain energy is accumulated in the comparative example, whereas in the example, It was determined to remain at 0.629 (MJ / m 3 ). Here, in an Example, it was specified that the crack which arises in a solder layer can be reduced significantly.
このように高品質で高性能、高耐久なパワーモジュールは、搭載機器に高放熱性、高耐久性を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。 These high-quality, high-performance, and high-endurance power modules are ideal for applications such as inverters installed in modern hybrid vehicles and electric vehicles that require high heat dissipation and high durability for on-board equipment. is there.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
１…放熱部材、１１…面材、１２…繋ぎ材、２…冷却器、２１…隔壁、３…回路ユニット、３１…半導体素子、３２…はんだ層、３３…絶縁基板、４…グリス層、１００，１００Ａ…パワーモジュール、Ｇ…隙間
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記面材と前記繋ぎ材とで画成された空間に配された冷却器と、
絶縁基板と、該絶縁基板上に搭載された半導体素子と、からなる回路ユニットと、を少なくとも備え、
前記冷却器と前記面材の間の界面は、該冷却器と該面材が未接着状態で当接している形態と、双方の間に隙間が存在している形態と、のいずれか一方からなり、
２つの回路ユニットの絶縁基板が、前記２つの面材のそれぞれに固定されている、パワーモジュール。 Two face materials parallel to each other and a connecting material for connecting the face materials are integrally formed, and an end portion of the connecting material is located at the center of the two face materials so that the I-type is viewed from the front. Presenting heat dissipation member;
A cooler disposed in a space defined by the face material and the connecting material;
A circuit unit comprising at least an insulating substrate and a semiconductor element mounted on the insulating substrate;
The interface between the cooler and the face material is either from a form in which the cooler and the face material are in contact with each other in an unbonded state, or a form in which a gap exists between the two. Become
A power module in which insulating substrates of two circuit units are fixed to each of the two face members.
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