JP6634655B1 - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングに充填される封止材における気泡残留を防止し、パワー半導体素子の電気的絶縁を達成する。【解決手段】パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を冷却する冷却器５と、前記冷却器５に固定されると共に前記パワー半導体素子を収容するケーシング２と、前記パワー半導体素子を含む領域に設けられる封止材６とを備えるパワーモジュールであって、前記ケーシング２には、前記冷却器５と接着される面に形成されると共に前記封止材６が充填される接着溝と、前記接着溝に接続されると共に前記封止材６が流入する流入孔２ａとが形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、パワーモジュールに関するものである。

例えば、特許文献１には、放熱板（冷却器）に対してケース（ケーシング）が接着された電力用半導体装置が開示されている。特許文献１においては、ケースにおいて放熱板との接着面に突起を設け、この突起により生じた放熱板とケースとの間の間隙に接着剤が充填されることで、放熱板とケースとが接着されている。

特開２０１４−１０３８４６号公報

ところで、パワーモジュールにおいては、パワー半導体素子の電気的絶縁を目的として、パワー半導体素子をゲル状の封止材で覆う場合がある。このような場合において、上述のように冷却器とケーシングとを接着することが考えられる。パワー半導体素子は、通電時に高温となる。そのため、冷却器とケーシングとの間の間隙（接着溝）において、空気が残存した場合、パワー半導体素子の熱が封止材に伝達し、その熱によって空気が膨張し、ケーシング内の実装面の周囲に気泡が発生、パワー半導体素子の電気的絶縁を達成できない可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ケーシングに充填される封止材における気泡残留を防止し、パワー半導体素子の電気的絶縁を達成することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を冷却する冷却器と、前記冷却器に固定されると共に前記パワー半導体素子を収容するケーシングと、前記パワー半導体素子を封止する封止材とを備えるパワーモジュールであって、前記ケーシングには、前記冷却器と接着される面に形成されると共に前記封止材が充填される接着溝と、前記接着溝に接続されると共に前記封止材が流入する流入孔とが形成される、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、前記流入孔は、前記ケーシングを貫通するように設けられると共に前記パワー半導体素子のワイヤボンディングの位置決めに用いられる識別孔である、という構成を採用する。

第３の手段として、上記第１または２の手段において、前記ケーシングには、前記接着溝に接続される空気孔がさらに形成される、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第３の手段において、前記空気孔は、前記ケーシングを貫通するように設けられると共に一方の開口端が前記封止材から露出して設けられる、という構成を採用する。

第５の手段として、上記第３または４の手段において、前記空気孔は、前記接着溝と対向する側の開口端が拡径されている、という構成を採用する。

本発明によれば、接着溝と接続される流入孔より、接着溝へと封止材が充填されることとなる。したがって、ケーシング内に残留する空気を無くすことで、パワー半導体素子の高温時において気泡が発生しないため、パワー半導体素子の電気的絶縁を達成できる。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの模式断面図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュールが備えるケーシングにおける接着溝、識別孔及び空気孔の配置を示す模式図である。 （ａ）が図２のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）が図３のＢ−Ｂ断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの一実施形態について説明する。

本実施形態に係るパワーモジュール１は、モータ（負荷）への通電を制御するパワー半導体素子３を備える。このようなパワーモジュール１は、図１に示すように、ケーシング２と、パワー半導体素子３と、電極４と、冷却器５と、封止材６を備えている。また、パワーモジュール１は、不図示であるが、電極接続端子および信号端子を備えている。

ケーシング２は、パワー半導体素子３及び電極４を囲い、冷却器５上に実装面を形成する矩形方の樹脂製のケースである。また、ケーシング２の下面には、冷却器５が設けられている。ケーシング２は、図２及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、識別孔２ａ及び空気孔２ｂと、接着溝２ｃとが形成されている。また、ケーシング２には、不図示の信号端子が固定されている。

識別孔２ａは、図３（ａ）に示すように、ケーシング２において冷却器５と接触する面に向けて形成された貫通孔であり、パワー半導体素子３と信号端子とをワイヤボンディングにより接続する際、ワイヤボンディング装置の位置決め孔として用いられる。この識別孔２ａは、接着溝２ｃ上に形成されると共に、接着溝２ｃの形成された形成面と、上記形成面に対向する面とを貫通している。

空気孔２ｂは、図３（ｂ）に示すように、識別孔２ａと同様に、接着溝２ｃ上に形成されると共に、形成面と上記形成面に対向する面とを貫通している貫通孔である。また、空気孔２ｂは、形成面に対向する面における開口端側が拡径されており、残存空気が排出しやすい構造となっている。なお、形成面は、外周近縁を除く中央部に接着面が形成されており、上記接着面に接着剤が設けられ、冷却器５と接着されている。また、空気孔２ｂは、形成面と対向する面における開口位置が、封止材６充填時において識別孔２ａよりも鉛直方向に高い位置に形成されている。これにより、空気孔２ｂは、封止材６が形成された際に、形成面と対向する面における開口位置が、外部に露出した状態となる。

接着溝２ｃは、冷却器５と接触する面に形成され、図２に示すように、識別孔２ａ及び空気孔２ｂを含む範囲に、一方向に折れ曲がるように形成された溝である。接着溝２ｃには、余剰の接着剤Ｓの一部が流入すると共に、封止材６が流入している。また、接着溝２ｃにおいては、図３に示すように、識別孔２ａ及び空気孔２ｂとの接続部位においてテーパ処理が施されている。接着溝２ｃにテーパ処理が施されることにより、封止材６の充填空間の確保、及び残存空気の排出との両立を容易にしている。なお、接着溝２ｃは、パワー半導体素子３の実装面を取り囲むように形成されている。

パワーモジュール１は、パワー半導体素子３を含む電力変換回路である。このようなパワーモジュール１は、パワー半導体素子３がケーシング２の外縁に設けられた不図示の信号端子と、ワイヤボンディング（不図示）により電気的に接続されている。パワーモジュール１は、モータＥＣＵ等の上位制御装置と接続されており、上位制御装置から入力される制御指令に基づいて車両に搭載される昇降圧コンバータ、インバータ等を制御する。

電極４は、パワー半導体素子３とはんだ等により電気的に接続された状態で、ケーシング２内に実装され固定されている。電極４は、例えばセラミック層と銅層とからなるＤＣＢ基板である。不図示のリードフレーム、バスバーなどを介して、不図示のバッテリとモータとを接続している。

冷却器５は、冷媒入口及び冷媒出口を有する扁平な容器状とされ、内部に冷媒が流通している。冷却器５は、一面において電極４及びケーシング２と接触した状態で固定されている。冷却器５は、パワー半導体素子３等において発生した熱を冷媒へと伝達することにより、パワー半導体素子３等を冷却している。

封止材６は、ケーシング２の一部及びケーシング２内に実装されたパワー半導体素子３を覆うように設けられる半透明のシリコン軟質層（ゲル層）である。また、封止材６は、識別孔２ａより接着溝２ｃに充填される。

このような本実施形態に係るパワーモジュール１は、ケーシング２にパワー半導体素子３及び電極４が実装された後に、識別孔２ａより封止材６が充填される。識別孔２ａより流入した封止材６は、接着溝２ｃを介して空気孔２ｂへと流入する。そして、封止材６は、空気孔２ｂにおける形成面と対向する面における開口端を露出した状態で固化する。

このような本実施形態に係るパワーモジュール１によれば、識別孔２ａより、接着溝２ｃへと封止材６を充填している。これにより、ケーシング２と冷却器５との間隙を封止材６により満たすことができ、ケーシング２内に残留する空気を無くし、気泡の発生を防止することができる。

このような本実施形態に係るパワーモジュール１によれば、接着溝２ｃに接続される空気孔２ｂを有している。これにより、パワーモジュール１は、接着溝２ｃに流入した封止材６において、残存する気泡を、空気孔２ｂより外部へと排出することが可能である。したがって、封止材６の充填時に接着溝２ｃに気泡が残留することを防止することができる。

また、本実施形態に係るパワーモジュール１によれば、空気孔２ｂの形成面に対向する面における開口端が封止材６から露出した状態とされる。すなわち、封止材６の充填時において、空気孔２ｂから封止材６が流入することがなく、識別孔２ａより封止材６が流入する。したがって、空気孔２ｂから気泡を排出しやすくなる。

また、本実施形態に係るパワーモジュール１によれば、空気孔２ｂは、形成面に対向する面における開口端側が拡径されている。これにより、空気孔２ｂから気泡を排出しやすくなる。

また、本実施形態に係るパワーモジュール１によれば、接着溝２ｃにおいて、識別孔２ａ及び空気孔２ｂとの接続部位にテーパ処理が施されている。これにより、識別孔２ａから接着溝２ｃへの封止材６の流入時における抵抗を低減し、識別孔２ａからの封止材６の流入を容易としている。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、識別孔２ａの他に空気孔２ｂを形成することとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、識別孔２ａのみが接着溝２ｃと接続されるものとしてもよい。この場合には、接着溝２ｃにおいて残存する気泡は、識別孔２ａから外部へと排出される。

また、本実施形態においては、識別孔２ａから接着溝２ｃへと封止材６を充填するものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、識別孔２ａの他に、接着溝２ｃと接続される貫通孔（流入孔）を形成することで、接着溝２ｃへと封止材６を流入するものとしてもよい。

また、上記実施形態において簡易化のため図示していないが、識別孔２ａは、ケーシング２において複数形成されている。複数の識別孔２ａのうち、接着溝２ｃに接続されるのは、一部のみとしてもよい。

１……パワーモジュール
２……ケーシング
２ａ……識別孔
２ｂ……空気孔
２ｃ……接着溝
３……パワー半導体素子
５……冷却器
６……封止材
Ｓ……接着剤

Claims (4)

1. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を冷却する冷却器と、前記冷却器に固定されると共に前記パワー半導体素子を収容するケーシングと、前記パワー半導体素子を封止する封止材とを備えるパワーモジュールであって、
   前記ケーシングには、前記冷却器と接着される面に形成されると共に前記封止材が充填される接着溝と、前記接着溝に接続されると共に前記封止材が流入する流入孔とが形成され、
   前記流入孔は、前記ケーシングを貫通するように設けられると共に前記パワー半導体素子のワイヤボンディングに用いられる識別孔である
   ことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記ケーシングには、前記接着溝に接続される空気孔がさらに形成されることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記空気孔は、前記ケーシングを貫通するように設けられると共に一方の開口端が前記封止材から露出して設けられることを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。
4. 前記空気孔は、前記接着溝と対向する側の開口端が拡径されていることを特徴とする請求項２または３記載のパワーモジュール。

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