パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置
【課題】本発明の課題は、信頼性を向上させたパワーモジュールを提供することにある。
【解決手段】本発明の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する導体板と、前記パワー半導体素子と前記導体板とを封止するための封止材と、を備え、前記導体板の放熱面は前記封止材から露出され、かつ当該封止材から露出された当該導体板の放熱面が熱硬化性の熱伝導シートで覆われるように構成される。
【解決手段】本発明の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する導体板と、前記パワー半導体素子と前記導体板とを封止するための封止材と、を備え、前記導体板の放熱面は前記封止材から露出され、かつ当該封止材から露出された当該導体板の放熱面が熱硬化性の熱伝導シートで覆われるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーの観点から、自動車には高燃費化が求められ、モータで駆動する電気自動車や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカーが注目されている。自動車に用いる大容量の車載用モータはバッテリの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体のスイッチングを利用した電力変換装置が不可欠である。また、パワー半導体は通電により発熱するため冷却構造が重要である。
【０００３】
両面から冷却可能な半導体装置として、特許文献１が開示されている。
【０００４】
特許文献１に示されるように、発熱素子の両面から放熱するための一対の放熱板を備え、装置のほぼ全体を樹脂モールドし、一対の放熱板の各面を露出させるように半導体装置を構成し、一対の放熱板の各面に、圧縮変形可能な材質の絶縁シートを貼り付けた状態でトランスファーモールド金型３７１にクランプしてモールドする事で、部材の寸法誤差を吸収して、素子破壊や放熱面への樹脂回り込みを防止した半導体装置が知られている。
【０００５】
しかしながら、絶縁耐圧の確保または熱応力の緩和の観点から、信頼性の確保が不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２４８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、信頼性を向上させたパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する導体板と、前記パワー半導体素子と前記導体板とを封止するための封止材と、を備え、前記導体板の放熱面は前記封止材から露出され、かつ当該封止材から露出された当該導体板の放熱面が熱硬化性の熱伝導シートで覆われるように構成される。
【０００９】
これにより、パワー半導体素子と導体板の傾きを熱硬化性の熱伝導シートにより吸収できるので、高い放熱性を維持しながら、導体板の絶縁のための信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成図と回路構成図である。
【図３】本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。
【図４】本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
【図５】流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
【図６】（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。
【図７】（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。（ｂ）は、内部斜視図である。
【図８】（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。
【図９（ａ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｂ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｃ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｄ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｅ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｆ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図１０】第２実施例に係るパワーモジュール３００の断面模式図である。
【図１１】比較例に係るパワーモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例及び比較例を示して、本発明に係る実施形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施形態に係る電力変換装置２００は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１４】
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置では、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１５】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
【００１６】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側にはトランスミッション１１８の出力軸が機械的に接続されている。トランスミッション１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。
【００１７】
インバータ部１４０，１４２は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と電気的に接続される。バッテリ１３６とインバータ部１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００１８】
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。バッテリ１３６からインバータ部４３に直流電力が供給され、インバータ部４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。インバータ部４３は、インバータ部１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ部４３の最大変換電力がインバータ部１４０や１４２より小さいが、インバータ部４３の回路構成は基本的にインバータ部１４０や１４２の回路構成と同じである。なお、電力変換装置２００は、インバータ部１４０，インバータ部１４２，インバータ部４３に供給される直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。
次に、図２を用いてインバータ部１４０やインバータ部１４２あるいはインバータ部４３の電気回路構成を説明する。なお、図２では、代表例としてインバータ部１４０の説明を行う。
【００１９】
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２０】
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
【００２１】
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えてる。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えてる。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２２】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。
【００２３】
また、制御部１７０は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極１５５及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
【００２４】
図３は、本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。
本実施形態に係る電力変換装置２００は、トランスミッション１１８を収納するためのアルミニウム製の筐体１１９に固定される。電力変換装置２００は、底面及び上面の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。冷却ジャケット１２は、後述するパワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によって冷却する。また、冷却ジャケット１２は、筐体１１９に固定され、かつ筐体１１９との対向面に入口配管１３と出口配管１４が形成されている。入口配管１３と出口配管１４が筐体１１９に形成された配管と接続されることにより、トランスミッション１１８を冷却するための冷却媒体が、冷却ジャケット１２に流入及び流出する。
ケース１０は、電力変換装置２００を覆って、かつ筐体１１９側に固定される。ケース１０の底は、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０と対向するように構成される。またケース１０は、ケース１０の底から外部に繋がる第１開口２０２と第２開口２０４を、ケース１０の底面に形成する。コネクタ２１は、制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を当該制御回路基板２０に伝送する。バッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。
コネクタ２１とバッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、ケース１０の底面に向かって延ばされ、コネクタ２１は第１開口２０２から突出し、かつバッテリ負極側接続端子部５１０及びバッテリ正極側接続端子部５１２は第２開口２０４から突出する。ケース１０には、その内壁の第１開口２０２及び第２開口２０４の周りにシール部材（不図示）が設けられる。
コネクタ２１等の端子の勘合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から勘合面を上向きにして出すことが好ましい。特に、本実施形態のように、電力変換装置２００が、トランスミッション１１８の上方に配置される場合には、トランスミッション１１８の配置側とは反対側に向かって突出させることにより、作業性が向上する。また、コネクタ２１は外部の雰囲気からシールする必要があるが、コネクタ２１に対してケース１０を上方向から組付ける構成となることで、ケース１０が筐体１１９に組付けられたときに、ケース１０と接触するシール部材がコネクタ２１を押し付けることができ、気密性が向上する。
【００２５】
図４は、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
冷却ジャケット１２には、流路１９が設けられ、該流路１９の上面には、開口部４００ａ〜４００ｃが冷媒の流れ方向４１８に沿って形成され、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃが冷媒の流れ方向４２２に沿って形成される。開口部４００ａ〜４００ｃがパワーモジュール３００ａ〜３００ｃによって塞がれる様に、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃがパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃによって塞がれる。
また、冷却ジャケット１２には、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５が形成される。コンデンサモジュール５００は、収納空間４０５に収納されることにより、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。コンデンサモジュール５００は、冷媒の流れ方向４１８を形成するための流路１９と、冷媒の流れ方向４２２を形成するための流路１９に挟まれるため、効率良く冷却することができる。
冷却ジャケット１２には、入口配管１３と出口配管１４と対向する位置に突出部４０７が形成される。突出部４０７は、冷却ジャケット１２と一体に形成される。補機用パワーモジュール３５０は、突出部４０７に固定され、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。補機用パワーモジュール３５０の側部には、バスバーモジュール８００が配置される。バスバーモジュール８００は、交流バスバー１８６や電流センサ１８０等により構成されるが、詳細は後述する。
このように冷却ジャケット１２の中央部にコンデンサモジュール５００の収納空間４０５を設け、その収納空間４０５を挟むように流路１９を設け、それぞれの流路１９に車両駆動用のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを配置し、さらに冷却ジャケット１２の上面に補機用パワーモジュール３５０を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また冷却ジャケット１２の流路１９の主構造を冷却ジャケット１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで冷却ジャケット１２と流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
なお、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを流路１９に固定することで流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次にコンデンサモジュール５００や補機用パワーモジュール３５０や基板を取り付ける作業を行うことができる。このように、電力変換装置２００の底部に冷却ジャケット１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００，補機用パワーモジュール３５０，バスバーモジュール８００，基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
ドライバ回路基板２２は、補機用パワーモジュール３５０及びバスバーモジュール８００の上方に配置される。また、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
図５は、流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
冷却ジャケット１２と当該冷却ジャケット１２の内部に設けられた流路１９は、一体に鋳造されている。冷却ジャケット１２に下面には、１つに繋がった開口部４０４が形成されている。開口部４０４は、中央部に開口を有する下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と冷却ジャケット１２の間には、シール部材４０９ａ及びシール部材４０９ｂが設けられ気密性を保っている。
下カバー４２０には、一方の端辺の近傍であって当該端辺に沿って、入口配管１３を挿入するための入口孔４０１と、出口配管１４を挿入するための出口孔４０３が形成される。また下カバー４２０には、トランスミッション１１８の配置方向に向かって突出する凸部４０６が形成される。凸部４０６は、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃ毎に設けられる。
冷媒は、流れ方向４１７のように、入口孔４０１を通って、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａに向かって流れる。そして冷媒は、流れ方向４１８のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂを流れる。また冷媒は、流れ方向４２１のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは折り返し流路を形成する。また、冷媒は、流れ方向４２２のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第４流路部１９ｄを流れる。第４流路部１９ｄは、コンデンサモジュール５００を挟んで第２流路部１９ｂと対向する位置に設けられる。さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第５流路部１９ｅ及び出口孔４０３を通って出口配管１４に流出する。
第１流路部１９ａ，第２流路部１９ｂ，第３流路部１９ｃ，第４流路部１９ｄ及び第５流路部１９ｅは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。パワーモジュール３００ａ〜３００ｃが、冷却ジャケット１２の上面側に形成された開口部４００ａ〜４００ｃから挿入され（図４参照）、第２流路部１９ｂ内の収納空間に収納される。なお、パワーモジュール３００ａの収納空間とパワーモジュール３００ｂの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ａが形成される。同様に、パワーモジュール３００ｂの収納空間とパワーモジュール３００ｃの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ｂが形成される。中間部材４０８ａ及び中間部材４０８ｂは、その主面が冷媒の流れ方向に沿うように形成される。第４流路部１９ｄも第２流路部１９ｂと同様にパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃの収納空間及び中間部材を形成する。また、冷却ジャケット１２は、開口部４０４と開口部４００ａ〜４００ｃ及び４０２ａ〜４０２ｃとが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
下カバー４２０には、筐体１１９と当接し、電力変換装置２００を支持するための支持部４１０ａ及び支持部４１０ｂが設けられる。支持部４１０ａは下カバー４２０の一方の端辺に近づけて設けられ、支持部４１０ｂは下カバー４２０の他方の端辺に近づけて設けられる。これにより、電力変換装置２００を、トランスミッション１１８やモータジェネレータ１９２の円柱形状に合わせて形成された筐体１１９の側壁に強固に固定することができる。
また、支持部４１０ｂは、抵抗器４５０を支持するように構成されている。この抵抗器４５０は、乗員保護やメンテナンス時における安全面に配慮して、コンデンサセルに帯電した電荷を放電するためのものである。抵抗器４５０は、高電圧の電気を継続的に放電できるように構成されているが、万が一抵抗器もしくは放電機構に何らかの異常があった場合でも、車両に対するダメージを最小限にするように配慮した構成とする必要がある。つまり、抵抗器４５０がパワーモジュールやコンデンサモジュールやドライバ回路基板等の周辺に配置されている場合、万が一抵抗器４５０が発熱，発火等の不具合を発生した場合に主要部品近傍で延焼する可能性が考えられる。
そこで本実施形態では、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃやパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃやコンデンサモジュール５００は、冷却ジャケット１２を挟んで、トランスミッション１１８を収納した筐体１１９とは反対側に配置され、かつ抵抗器４５０は、冷却ジャケット１２と筐体１１９との間の空間に配置される。これにより、抵抗器４５０が金属で形成された冷却ジャケット１２及び筐体１１９で囲まれた閉空間に配置されることになる。なお、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに貯まった電荷は、図４に示されたドライバ回路基板２２に搭載されたスイッチング手段のスイッチング動作によって、冷却ジャケット１２の側部を通る配線を介して抵抗器４５０に放電制御される。本実施形態では、スイッチング手段によって高速に放電するように制御される。放電を制御するドライバ回路基板２２と抵抗器４５０の間に、冷却ジャケット１２が設けられているので、ドライバ回路基板２２を抵抗器４５０から保護することができる。また、抵抗器４５０は下カバー４２０に固定されているので、流路１９と熱的に非常に近い位置に設けられているので、抵抗器４５０の異常な発熱を抑制することができる。
【００２６】
図６乃至図８を用いてインバータ部１４０およびインバータ部１４２に使用されるパワーモジュール３００ａの詳細構成を説明する。図６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。図６（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。
上下アーム直列回路を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が、図７及び図８に示す如く、導体板３１５や導体板３１８によって、あるいは導体板３１６や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。これら導体板には、信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌである信号配線を一体成型して成る補助モールド体６００が組みつけられる。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、モジュールケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。
モジュールケース３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等から構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂよって、その外周を囲まれている。また、図６（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図６（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。
このような形状の金属性のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３０２が挿入された後の生産性が向上する。
【００２７】
モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１を充填される。また、図８に示されるように、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂが形成されている。モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と一体成形され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と一体成形され、交流配線３２０は導体板３１６と一体成形される。
上述のように導体板３１５等を絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４の内壁に熱圧着することにより、導体板とモジュールケース３０４の内壁の間の空隙を少なくすることができ、パワー半導体素子の発生熱を効率良くフィン３０５へ伝達できる。さらに絶縁シート３３３にある程度の厚みと柔軟性を持たせることにより、熱応力の発生を絶縁シート３３３で吸収することができ、温度変化の激しい車両用の電力変換装置に使用するのに良好となる。
【００２８】
図７（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。図７（ｂ）は、内部斜視図である。図８（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。図８（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。
【００２９】
まず、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）と導体板の配置を、図８（ｂ）に示された電気回路と関連付けて説明する。図７（ｂ）に示されるように、直流正極側の導体板３１５と交流出力側の導体板３１６は、略同一平面状に配置される。導体板３１５には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極が固着される。導体板３１６には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極が固着される。同様に、交流導体板３１８と導体板３１９は、略同一平面状に配置される。交流導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が固着される。各パワー半導体素子は、各導体板に設けられた素子固着部３２２に、金属接合材１６０を介してそれぞれ固着される。金属接合材１６０は、例えばはんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、等である。
各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、当該パワー半導体素子の各電極は表裏面に形成されている。図７（ａ）に示されるように、パワー半導体素子の各電極は、導体板３１５と導体板３１８、または導体板３１６と導体板３１９によって挟まれる。つまり、導体板３１５と導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を介して略平行に対向した積層配置となる。同様に、導体板３１６と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。また、導体板３１６と導体板３１８は中間電極３２９を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。
【００３０】
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、樹脂材料で成形された補助モールド体６００を介して対向した状態で略平行に延びる形状を成している。信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、かつ直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。補助モールド体６００に用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと信号端子３２５Ｕと信号端子３２５Ｌとの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことにより、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。
図９はパワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【００３１】
図９（ａ）に示されるように、ＩＧＢＴ１５５のコレクタ側に配置される導体板３１５は、台３７０の上に配置される。そして、導体板３１５の上に、はんだシート等の金属接合材１６０，ＩＧＢＴ１５５又はダイオード１５６，金属接合材１６０，導体板３１８の順に配置される。次に、これらが一括リフローされることで、電気的及び機械的に接続される。この時、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ側の導体板３１８は台３７０の上に固定されていないので、導体板３１５の平行面に対して約１００μｍ傾くおそれがある。
【００３２】
図９（ｂ）に示されるように、信号端子３２５Ｌをインサート成型しており熱可塑性樹脂からなる補助モールド体６００が、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に挿入され、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを保持する。そして、信号端子３２５ＬとＩＧＢＴ１５５のゲート端子とがワイヤボンディング３２７により接続される。
【００３３】
図９（ｃ）に示されるように、導体板３１８の上面に熱伝導シート３８０が配置される。この熱伝導シート３８０は、導体板３１８の上面の外周よりも３mm程度大きく加工され、かつその厚さは１００μｍ程度である。また熱伝導シート３８０は、熱硬化性であり、かつ高熱伝導性である。また、熱伝導シート３８０は、当該熱伝導シート３８０の上面側で、耐熱シート３８１によって支持される。この耐熱シート３８１は、厚さが５０μｍ程度であり、熱伝導シート３８０に対して離型性を有する。離型性の耐熱シート３８１で支持されているため、熱硬化性の高熱伝導シートの取り扱いが容易になり生産性が向上する。そして、金型３７１によって補助モールド体６００，導体板３１５，導体板３１８等が挟み込みこまれ、１７５℃で１８０秒間、１０ＭＰａの成形条件でトランスファーモールドされる。この時、熱硬化性の熱伝導シート３８０が金型３７１内で流動し、耐熱シート３８１と導体板３１８との間に融けた熱伝導シート３８０が充填される。つまり、熱伝導シート３８０の導体板３１８側は当該導体板３１８の傾きに応じて変形し、熱伝導シート３８０の金型３７１側は当該金型３７１の形状に応じて平坦になる。その結果、熱硬化性の熱伝導シート３８０の最も薄い部分３８２（図９ｃ参照）が数μｍ程度になることもあれば、熱伝導シート３８０の厚さが０μｍとなって導体板３１８の端部が熱伝導シート３８０から露出することもある。しかしながら、導体板３１８の端部は、離型性の耐熱性シート３８１に接することになり、製造上問題は発生しない。
【００３４】
また、熱硬化性の熱伝導シート３８０が金型３７１内で流動することで、熱伝導シート３８０の厚さが１００μｍとなることにより、導体板３１８傾きが１００μｍとなることに追従できることがわかった。このため、熱伝導シート３８０に薄いシートを用いる事が可能となり放熱性の向上に効果がある。
【００３５】
なお、図９（ｃ）において、熱伝導シート３８０は耐熱シート３８１によって支持されているが、上記成形条件において熱伝導シート３８０が一定以上の粘度を保つことができるならば、耐熱シート３８１は必要ない。これにより、金型３７１が熱伝導シート３８０に導体板３１８をクランプされると、熱伝導シート３８０中の熱硬化性樹脂成物が、金型３７１から伝達される温度によって流動され、前記金型３７１と導体板３１８と間の空間に充填され、熱伝導シート３８０は金型３７１の形状に応じて平坦になる。
【００３６】
次に、図９（ｄ）に示されるように、金型３７１が取り外され、離型性を有する耐熱シート３８１は粘着テープによって剥離される。
【００３７】
次に、図９（ｅ）に示されるように、モジュール一次封止体３０２の上面及び下面に絶縁部材で構成された絶縁シート３３３を配置した後、モジュール一次封止体３０２はモジュールケース３０４内に挿入される。
【００３８】
次に、図９（ｆ）に示されるように、１４０℃の真空室内で、モジュールケース３０４の第１放熱面３０７Ａを加圧して、薄肉に形成された湾曲部３０４Ａ及び湾曲部３０４Ｂを塑性変形させて、モジュールケース３０４の内壁と絶縁シート３３３とを接着させる。さらに、モジュールケース３０４とモジュール一次封止体３０２の隙間にポッティング用の第２封止樹脂を注入し、加熱硬化させる。
【００３９】
パワーモジュール３００のリードフレームに１００μｍの傾きが見られたが、熱硬化性の高熱伝導シートの露出面はトランスファーモールド金型３７１に追従して平坦になったため、２００μｍの絶縁シートを用いたが最小部でも１５０μｍの絶縁距離を確保する事ができた。
【００４０】
なお、図９（ｃ）に示されるように、補助モールド体６００が、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａを支持し、さらに金型３７１と密着することで、第１封止材３４８をトランスファーモールドすることが容易になり、かつ位置決めの容易になる。
【００４１】
また、図９（ｄ）に示されるように、モジュール一次封止体３０２には、導体板３１８の放熱面が配置された側の面に凹部３８３が形成される。導体板３１８の放熱面は凹部３８３の底部から露出され、かつ当該底部から露出された導体板３１８の放熱面が熱伝導シート３８０で覆われる。これにより、導体板３１８が傾いた場合でも、絶縁距離を十分に確保することができるようになる。
【００４２】
また、図９（ｄ）に示されるように、リード状に形成された制御用の信号端子３２５Ｌは、ワイヤボンディング３２７との接続面がＩＧＢＴ１５５のゲート電極が形成された面と同一方向を向くように配置される。これにより、ワイヤボンディング３２７を組み付ける作業の方向と、熱伝導シート３８０及び耐熱性シート３８１を配置する作業の方向が同一となって、組立作業性が向上する。
【００４３】
また、図９（ｄ）に示されるように、熱伝導シート３８０は、導体板３１８の放熱面と対向する第１部分３８４と、第１封止材３４８と対向する第２部分３８５とにより構成される。そして、この第２部分３８５と第１封止材３４８との界面には、熱流動によって熱伝導シート３８０と第１封止材３４８との混合部が形成される。これにより熱流動により第１封止材３４８と熱伝導シート３８０との密着力が向上する。
【００４４】
また、図９（ｆ）に示されるように、モジュールケース３０４は、第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂが一体となるように構成されている。これにより、絶縁シート３３３に掛かる熱応力が増大する傾向にある。そこで、絶縁シート３３３に軟質製のシート、例えば１〜６０（ＡｓｋｅｒＣ）を用いて、モジュールケース３０４からの熱応力を緩和することもできる。また、絶縁シート３３３は、絶縁距離や熱応力から５０μｍ〜３００μｍの厚さで使いたいため、熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以上、絶縁強度は１０ｋＶ／mm以上、体積低効率１０11Ω・cm以上が望ましい。
【００４５】
また、図９（ｆ）に示されるモジュールケース３０４が導電性の金属により構成され、かつ導体板３１８に大電流が流される場合には、モジュールケース３０４と導体板３１８との間には十分な絶縁距離を確保する必要がある。そこで、熱伝導シート３８０は、電気絶縁性の材料で構成することで、良好な絶縁状態を維持できる。特に、本実施形態のように、同一面上に電位の異なる複数の導体板３１８及び導体板３１９を並べた場合でも、一枚の熱伝導シート３８０で覆うことができるため生産性が向上する。
【００４６】
また、図９（ｆ）に示される導体板３１８が、対向する導体板３１５よりも薄く形成されるために、電流バランスや熱バランスが不均衡になってしまう場合には、熱伝導シート３８０は導電性の材料で構成することができる。
【００４７】
また、図９（ｆ）に示される導体板３１８やモジュールケース３０４が銅材またはアルミニウム材により構成される場合には、熱伝導シート３８０は熱膨張率が１２ppm／℃以上４０ppm／℃以下であることが好ましい。これにより、銅材またはアルミニウム材の熱膨張率に近いため温度サイクル信頼性を向上させることができる。
【００４８】
また、図９（ｆ）に示される熱伝導シート３８０に、熱ガラス転移温度が１５０℃以上である熱硬化性の素材を用いることにより、ＩＧＢＴ１５５の最大温度近くでも、シート物性に優れるガラス状態となるため信頼性が向上する。
【００４９】
また、熱伝導シート３８０は、トランスファーモールドの前において、ゲル分率が５０％未満の熱硬化性樹脂成分かつ熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上からなる熱硬化性樹脂組成物で構成され、かつ当該熱硬化性樹脂成分が加熱によってゲル分率が５０％以上になるまで熱硬化するように構成する。これにより、トランスファーモールド時に流動しリードフレームや金型３７１に追従した後、硬化反応の進行によって熱伝導シート３８０を第１封止材３４８や導体板３１８にしっかりと固定できる効果がある。
【００５０】
なお、本実施形態の金属接合体１６０は、錫を主成分としたはんだを用いる事が望ましいが、金，銀，銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペーストを用いる事もできる。
【００５１】
また、本実施形態の熱硬化性の熱伝導シート３８０は、少なくとも熱硬化性樹脂成分と熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の充填材成分からなるものを用いることが好ましい。また、熱硬化性樹脂成分は、一般的なトランスファーモールド温度である１６０℃以上２００℃以下の温度域で一旦流動し、一般的なモールド時間である６０秒〜１８０秒の間に硬化反応が進行して流動しなくなるものを用いることが好ましい。
【００５２】
また、充填材成分には、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であれば、絶縁性の無機充填材や導電性の金属充填材を用いる事ができる。単層シートで用いる事もできるが、複数のシートを貼り合わせ複層にしても良い。複層にする場合、少なくとももっとも厚いシートが熱伝導率１Ｗ／ｍＫ以上となる必要がある。
【００５３】
なお、本実施形態では、同一平面状に複数の導体板３１８及び導体板３１９を設けるように構成されているが、一つのパワーモジュール３００内に１アーム回路分のみを搭載して、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ側とコレクタ側にそれぞれ１枚のみ導体板であっても、本実施形態に係る熱伝導シート３８０を用いることができる。
【００５４】
本実施形態の効果を説明するために、図１１に比較例に係るパワーモジュールの断面図を示す。本実施形態の熱伝導シート３８０の代わりにシリコーンゴムシート３９０を用いトランスファーモールドまで同様に製造した。トランスファーモールド時に導体板３１８及び導体板３１９の傾き１００μｍを吸収するために３３０μｍのシリコーンゴムシート３９０が必要であった。シリコーンゴムシート３９０が厚いためパワーモジュールの放熱性が悪化した。また、パワーモジュールを金属製筺体３９１に厚さ１０μｍの接着シートで貼り合わせた後、溶接材３９２により金属製筺体３９１のシールを行った。シリコーンゴムシート３９０の熱膨張率が３００ppm／℃と大きかったので、温度サイクルで接着シートの接着層に剥離が生じ絶縁耐圧が低下した。
【実施例２】
【００５５】
図１０は、本実施例に係るパワーモジュール３００の断面模式図である。実施例１と異なる点は、放熱シート３８０の上面に金属シート３８６を配置した点である。これにより、熱伝導シート３８０の取り扱い性が良くなり、生産性を向上できるだけでなく、金属シート３８６により放熱性が良くなる効果がある。また、熱伝導シート３８０が導電性を有する場合は、電気的な接続が必要な場所に用いる事ができる効果がある。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーの観点から、自動車には高燃費化が求められ、モータで駆動する電気自動車や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカーが注目されている。自動車に用いる大容量の車載用モータはバッテリの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体のスイッチングを利用した電力変換装置が不可欠である。また、パワー半導体は通電により発熱するため冷却構造が重要である。
【０００３】
両面から冷却可能な半導体装置として、特許文献１が開示されている。
【０００４】
特許文献１に示されるように、発熱素子の両面から放熱するための一対の放熱板を備え、装置のほぼ全体を樹脂モールドし、一対の放熱板の各面を露出させるように半導体装置を構成し、一対の放熱板の各面に、圧縮変形可能な材質の絶縁シートを貼り付けた状態でトランスファーモールド金型３７１にクランプしてモールドする事で、部材の寸法誤差を吸収して、素子破壊や放熱面への樹脂回り込みを防止した半導体装置が知られている。
【０００５】
しかしながら、絶縁耐圧の確保または熱応力の緩和の観点から、信頼性の確保が不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２４８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、信頼性を向上させたパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する導体板と、前記パワー半導体素子と前記導体板とを封止するための封止材と、を備え、前記導体板の放熱面は前記封止材から露出され、かつ当該封止材から露出された当該導体板の放熱面が熱硬化性の熱伝導シートで覆われるように構成される。
【０００９】
これにより、パワー半導体素子と導体板の傾きを熱硬化性の熱伝導シートにより吸収できるので、高い放熱性を維持しながら、導体板の絶縁のための信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成図と回路構成図である。
【図３】本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。
【図４】本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
【図５】流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
【図６】（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。
【図７】（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。（ｂ）は、内部斜視図である。
【図８】（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。
【図９（ａ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｂ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｃ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｄ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｅ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図９（ｆ）】パワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【図１０】第２実施例に係るパワーモジュール３００の断面模式図である。
【図１１】比較例に係るパワーモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例及び比較例を示して、本発明に係る実施形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施形態に係る電力変換装置２００は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１４】
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置では、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１５】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
【００１６】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側にはトランスミッション１１８の出力軸が機械的に接続されている。トランスミッション１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。
【００１７】
インバータ部１４０，１４２は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と電気的に接続される。バッテリ１３６とインバータ部１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００１８】
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。バッテリ１３６からインバータ部４３に直流電力が供給され、インバータ部４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。インバータ部４３は、インバータ部１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ部４３の最大変換電力がインバータ部１４０や１４２より小さいが、インバータ部４３の回路構成は基本的にインバータ部１４０や１４２の回路構成と同じである。なお、電力変換装置２００は、インバータ部１４０，インバータ部１４２，インバータ部４３に供給される直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。
次に、図２を用いてインバータ部１４０やインバータ部１４２あるいはインバータ部４３の電気回路構成を説明する。なお、図２では、代表例としてインバータ部１４０の説明を行う。
【００１９】
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２０】
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
【００２１】
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えてる。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えてる。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２２】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。
【００２３】
また、制御部１７０は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極１５５及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
【００２４】
図３は、本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。
本実施形態に係る電力変換装置２００は、トランスミッション１１８を収納するためのアルミニウム製の筐体１１９に固定される。電力変換装置２００は、底面及び上面の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。冷却ジャケット１２は、後述するパワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によって冷却する。また、冷却ジャケット１２は、筐体１１９に固定され、かつ筐体１１９との対向面に入口配管１３と出口配管１４が形成されている。入口配管１３と出口配管１４が筐体１１９に形成された配管と接続されることにより、トランスミッション１１８を冷却するための冷却媒体が、冷却ジャケット１２に流入及び流出する。
ケース１０は、電力変換装置２００を覆って、かつ筐体１１９側に固定される。ケース１０の底は、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０と対向するように構成される。またケース１０は、ケース１０の底から外部に繋がる第１開口２０２と第２開口２０４を、ケース１０の底面に形成する。コネクタ２１は、制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を当該制御回路基板２０に伝送する。バッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。
コネクタ２１とバッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、ケース１０の底面に向かって延ばされ、コネクタ２１は第１開口２０２から突出し、かつバッテリ負極側接続端子部５１０及びバッテリ正極側接続端子部５１２は第２開口２０４から突出する。ケース１０には、その内壁の第１開口２０２及び第２開口２０４の周りにシール部材（不図示）が設けられる。
コネクタ２１等の端子の勘合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から勘合面を上向きにして出すことが好ましい。特に、本実施形態のように、電力変換装置２００が、トランスミッション１１８の上方に配置される場合には、トランスミッション１１８の配置側とは反対側に向かって突出させることにより、作業性が向上する。また、コネクタ２１は外部の雰囲気からシールする必要があるが、コネクタ２１に対してケース１０を上方向から組付ける構成となることで、ケース１０が筐体１１９に組付けられたときに、ケース１０と接触するシール部材がコネクタ２１を押し付けることができ、気密性が向上する。
【００２５】
図４は、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
冷却ジャケット１２には、流路１９が設けられ、該流路１９の上面には、開口部４００ａ〜４００ｃが冷媒の流れ方向４１８に沿って形成され、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃが冷媒の流れ方向４２２に沿って形成される。開口部４００ａ〜４００ｃがパワーモジュール３００ａ〜３００ｃによって塞がれる様に、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃがパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃによって塞がれる。
また、冷却ジャケット１２には、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５が形成される。コンデンサモジュール５００は、収納空間４０５に収納されることにより、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。コンデンサモジュール５００は、冷媒の流れ方向４１８を形成するための流路１９と、冷媒の流れ方向４２２を形成するための流路１９に挟まれるため、効率良く冷却することができる。
冷却ジャケット１２には、入口配管１３と出口配管１４と対向する位置に突出部４０７が形成される。突出部４０７は、冷却ジャケット１２と一体に形成される。補機用パワーモジュール３５０は、突出部４０７に固定され、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。補機用パワーモジュール３５０の側部には、バスバーモジュール８００が配置される。バスバーモジュール８００は、交流バスバー１８６や電流センサ１８０等により構成されるが、詳細は後述する。
このように冷却ジャケット１２の中央部にコンデンサモジュール５００の収納空間４０５を設け、その収納空間４０５を挟むように流路１９を設け、それぞれの流路１９に車両駆動用のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを配置し、さらに冷却ジャケット１２の上面に補機用パワーモジュール３５０を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また冷却ジャケット１２の流路１９の主構造を冷却ジャケット１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで冷却ジャケット１２と流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
なお、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを流路１９に固定することで流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次にコンデンサモジュール５００や補機用パワーモジュール３５０や基板を取り付ける作業を行うことができる。このように、電力変換装置２００の底部に冷却ジャケット１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００，補機用パワーモジュール３５０，バスバーモジュール８００，基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
ドライバ回路基板２２は、補機用パワーモジュール３５０及びバスバーモジュール８００の上方に配置される。また、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
図５は、流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
冷却ジャケット１２と当該冷却ジャケット１２の内部に設けられた流路１９は、一体に鋳造されている。冷却ジャケット１２に下面には、１つに繋がった開口部４０４が形成されている。開口部４０４は、中央部に開口を有する下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と冷却ジャケット１２の間には、シール部材４０９ａ及びシール部材４０９ｂが設けられ気密性を保っている。
下カバー４２０には、一方の端辺の近傍であって当該端辺に沿って、入口配管１３を挿入するための入口孔４０１と、出口配管１４を挿入するための出口孔４０３が形成される。また下カバー４２０には、トランスミッション１１８の配置方向に向かって突出する凸部４０６が形成される。凸部４０６は、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃ毎に設けられる。
冷媒は、流れ方向４１７のように、入口孔４０１を通って、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａに向かって流れる。そして冷媒は、流れ方向４１８のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂを流れる。また冷媒は、流れ方向４２１のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは折り返し流路を形成する。また、冷媒は、流れ方向４２２のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第４流路部１９ｄを流れる。第４流路部１９ｄは、コンデンサモジュール５００を挟んで第２流路部１９ｂと対向する位置に設けられる。さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第５流路部１９ｅ及び出口孔４０３を通って出口配管１４に流出する。
第１流路部１９ａ，第２流路部１９ｂ，第３流路部１９ｃ，第４流路部１９ｄ及び第５流路部１９ｅは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。パワーモジュール３００ａ〜３００ｃが、冷却ジャケット１２の上面側に形成された開口部４００ａ〜４００ｃから挿入され（図４参照）、第２流路部１９ｂ内の収納空間に収納される。なお、パワーモジュール３００ａの収納空間とパワーモジュール３００ｂの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ａが形成される。同様に、パワーモジュール３００ｂの収納空間とパワーモジュール３００ｃの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ｂが形成される。中間部材４０８ａ及び中間部材４０８ｂは、その主面が冷媒の流れ方向に沿うように形成される。第４流路部１９ｄも第２流路部１９ｂと同様にパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃの収納空間及び中間部材を形成する。また、冷却ジャケット１２は、開口部４０４と開口部４００ａ〜４００ｃ及び４０２ａ〜４０２ｃとが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
下カバー４２０には、筐体１１９と当接し、電力変換装置２００を支持するための支持部４１０ａ及び支持部４１０ｂが設けられる。支持部４１０ａは下カバー４２０の一方の端辺に近づけて設けられ、支持部４１０ｂは下カバー４２０の他方の端辺に近づけて設けられる。これにより、電力変換装置２００を、トランスミッション１１８やモータジェネレータ１９２の円柱形状に合わせて形成された筐体１１９の側壁に強固に固定することができる。
また、支持部４１０ｂは、抵抗器４５０を支持するように構成されている。この抵抗器４５０は、乗員保護やメンテナンス時における安全面に配慮して、コンデンサセルに帯電した電荷を放電するためのものである。抵抗器４５０は、高電圧の電気を継続的に放電できるように構成されているが、万が一抵抗器もしくは放電機構に何らかの異常があった場合でも、車両に対するダメージを最小限にするように配慮した構成とする必要がある。つまり、抵抗器４５０がパワーモジュールやコンデンサモジュールやドライバ回路基板等の周辺に配置されている場合、万が一抵抗器４５０が発熱，発火等の不具合を発生した場合に主要部品近傍で延焼する可能性が考えられる。
そこで本実施形態では、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃやパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃやコンデンサモジュール５００は、冷却ジャケット１２を挟んで、トランスミッション１１８を収納した筐体１１９とは反対側に配置され、かつ抵抗器４５０は、冷却ジャケット１２と筐体１１９との間の空間に配置される。これにより、抵抗器４５０が金属で形成された冷却ジャケット１２及び筐体１１９で囲まれた閉空間に配置されることになる。なお、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに貯まった電荷は、図４に示されたドライバ回路基板２２に搭載されたスイッチング手段のスイッチング動作によって、冷却ジャケット１２の側部を通る配線を介して抵抗器４５０に放電制御される。本実施形態では、スイッチング手段によって高速に放電するように制御される。放電を制御するドライバ回路基板２２と抵抗器４５０の間に、冷却ジャケット１２が設けられているので、ドライバ回路基板２２を抵抗器４５０から保護することができる。また、抵抗器４５０は下カバー４２０に固定されているので、流路１９と熱的に非常に近い位置に設けられているので、抵抗器４５０の異常な発熱を抑制することができる。
【００２６】
図６乃至図８を用いてインバータ部１４０およびインバータ部１４２に使用されるパワーモジュール３００ａの詳細構成を説明する。図６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。図６（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。
上下アーム直列回路を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が、図７及び図８に示す如く、導体板３１５や導体板３１８によって、あるいは導体板３１６や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。これら導体板には、信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌである信号配線を一体成型して成る補助モールド体６００が組みつけられる。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、モジュールケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。
モジュールケース３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等から構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂよって、その外周を囲まれている。また、図６（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図６（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。
このような形状の金属性のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３０２が挿入された後の生産性が向上する。
【００２７】
モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１を充填される。また、図８に示されるように、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂが形成されている。モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と一体成形され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と一体成形され、交流配線３２０は導体板３１６と一体成形される。
上述のように導体板３１５等を絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４の内壁に熱圧着することにより、導体板とモジュールケース３０４の内壁の間の空隙を少なくすることができ、パワー半導体素子の発生熱を効率良くフィン３０５へ伝達できる。さらに絶縁シート３３３にある程度の厚みと柔軟性を持たせることにより、熱応力の発生を絶縁シート３３３で吸収することができ、温度変化の激しい車両用の電力変換装置に使用するのに良好となる。
【００２８】
図７（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。図７（ｂ）は、内部斜視図である。図８（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。図８（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。
【００２９】
まず、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）と導体板の配置を、図８（ｂ）に示された電気回路と関連付けて説明する。図７（ｂ）に示されるように、直流正極側の導体板３１５と交流出力側の導体板３１６は、略同一平面状に配置される。導体板３１５には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極が固着される。導体板３１６には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極が固着される。同様に、交流導体板３１８と導体板３１９は、略同一平面状に配置される。交流導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が固着される。各パワー半導体素子は、各導体板に設けられた素子固着部３２２に、金属接合材１６０を介してそれぞれ固着される。金属接合材１６０は、例えばはんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、等である。
各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、当該パワー半導体素子の各電極は表裏面に形成されている。図７（ａ）に示されるように、パワー半導体素子の各電極は、導体板３１５と導体板３１８、または導体板３１６と導体板３１９によって挟まれる。つまり、導体板３１５と導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を介して略平行に対向した積層配置となる。同様に、導体板３１６と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。また、導体板３１６と導体板３１８は中間電極３２９を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。
【００３０】
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、樹脂材料で成形された補助モールド体６００を介して対向した状態で略平行に延びる形状を成している。信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、かつ直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。補助モールド体６００に用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと信号端子３２５Ｕと信号端子３２５Ｌとの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことにより、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。
図９はパワーモジュール３００の製造工程を示す図である。
【００３１】
図９（ａ）に示されるように、ＩＧＢＴ１５５のコレクタ側に配置される導体板３１５は、台３７０の上に配置される。そして、導体板３１５の上に、はんだシート等の金属接合材１６０，ＩＧＢＴ１５５又はダイオード１５６，金属接合材１６０，導体板３１８の順に配置される。次に、これらが一括リフローされることで、電気的及び機械的に接続される。この時、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ側の導体板３１８は台３７０の上に固定されていないので、導体板３１５の平行面に対して約１００μｍ傾くおそれがある。
【００３２】
図９（ｂ）に示されるように、信号端子３２５Ｌをインサート成型しており熱可塑性樹脂からなる補助モールド体６００が、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に挿入され、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを保持する。そして、信号端子３２５ＬとＩＧＢＴ１５５のゲート端子とがワイヤボンディング３２７により接続される。
【００３３】
図９（ｃ）に示されるように、導体板３１８の上面に熱伝導シート３８０が配置される。この熱伝導シート３８０は、導体板３１８の上面の外周よりも３mm程度大きく加工され、かつその厚さは１００μｍ程度である。また熱伝導シート３８０は、熱硬化性であり、かつ高熱伝導性である。また、熱伝導シート３８０は、当該熱伝導シート３８０の上面側で、耐熱シート３８１によって支持される。この耐熱シート３８１は、厚さが５０μｍ程度であり、熱伝導シート３８０に対して離型性を有する。離型性の耐熱シート３８１で支持されているため、熱硬化性の高熱伝導シートの取り扱いが容易になり生産性が向上する。そして、金型３７１によって補助モールド体６００，導体板３１５，導体板３１８等が挟み込みこまれ、１７５℃で１８０秒間、１０ＭＰａの成形条件でトランスファーモールドされる。この時、熱硬化性の熱伝導シート３８０が金型３７１内で流動し、耐熱シート３８１と導体板３１８との間に融けた熱伝導シート３８０が充填される。つまり、熱伝導シート３８０の導体板３１８側は当該導体板３１８の傾きに応じて変形し、熱伝導シート３８０の金型３７１側は当該金型３７１の形状に応じて平坦になる。その結果、熱硬化性の熱伝導シート３８０の最も薄い部分３８２（図９ｃ参照）が数μｍ程度になることもあれば、熱伝導シート３８０の厚さが０μｍとなって導体板３１８の端部が熱伝導シート３８０から露出することもある。しかしながら、導体板３１８の端部は、離型性の耐熱性シート３８１に接することになり、製造上問題は発生しない。
【００３４】
また、熱硬化性の熱伝導シート３８０が金型３７１内で流動することで、熱伝導シート３８０の厚さが１００μｍとなることにより、導体板３１８傾きが１００μｍとなることに追従できることがわかった。このため、熱伝導シート３８０に薄いシートを用いる事が可能となり放熱性の向上に効果がある。
【００３５】
なお、図９（ｃ）において、熱伝導シート３８０は耐熱シート３８１によって支持されているが、上記成形条件において熱伝導シート３８０が一定以上の粘度を保つことができるならば、耐熱シート３８１は必要ない。これにより、金型３７１が熱伝導シート３８０に導体板３１８をクランプされると、熱伝導シート３８０中の熱硬化性樹脂成物が、金型３７１から伝達される温度によって流動され、前記金型３７１と導体板３１８と間の空間に充填され、熱伝導シート３８０は金型３７１の形状に応じて平坦になる。
【００３６】
次に、図９（ｄ）に示されるように、金型３７１が取り外され、離型性を有する耐熱シート３８１は粘着テープによって剥離される。
【００３７】
次に、図９（ｅ）に示されるように、モジュール一次封止体３０２の上面及び下面に絶縁部材で構成された絶縁シート３３３を配置した後、モジュール一次封止体３０２はモジュールケース３０４内に挿入される。
【００３８】
次に、図９（ｆ）に示されるように、１４０℃の真空室内で、モジュールケース３０４の第１放熱面３０７Ａを加圧して、薄肉に形成された湾曲部３０４Ａ及び湾曲部３０４Ｂを塑性変形させて、モジュールケース３０４の内壁と絶縁シート３３３とを接着させる。さらに、モジュールケース３０４とモジュール一次封止体３０２の隙間にポッティング用の第２封止樹脂を注入し、加熱硬化させる。
【００３９】
パワーモジュール３００のリードフレームに１００μｍの傾きが見られたが、熱硬化性の高熱伝導シートの露出面はトランスファーモールド金型３７１に追従して平坦になったため、２００μｍの絶縁シートを用いたが最小部でも１５０μｍの絶縁距離を確保する事ができた。
【００４０】
なお、図９（ｃ）に示されるように、補助モールド体６００が、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａを支持し、さらに金型３７１と密着することで、第１封止材３４８をトランスファーモールドすることが容易になり、かつ位置決めの容易になる。
【００４１】
また、図９（ｄ）に示されるように、モジュール一次封止体３０２には、導体板３１８の放熱面が配置された側の面に凹部３８３が形成される。導体板３１８の放熱面は凹部３８３の底部から露出され、かつ当該底部から露出された導体板３１８の放熱面が熱伝導シート３８０で覆われる。これにより、導体板３１８が傾いた場合でも、絶縁距離を十分に確保することができるようになる。
【００４２】
また、図９（ｄ）に示されるように、リード状に形成された制御用の信号端子３２５Ｌは、ワイヤボンディング３２７との接続面がＩＧＢＴ１５５のゲート電極が形成された面と同一方向を向くように配置される。これにより、ワイヤボンディング３２７を組み付ける作業の方向と、熱伝導シート３８０及び耐熱性シート３８１を配置する作業の方向が同一となって、組立作業性が向上する。
【００４３】
また、図９（ｄ）に示されるように、熱伝導シート３８０は、導体板３１８の放熱面と対向する第１部分３８４と、第１封止材３４８と対向する第２部分３８５とにより構成される。そして、この第２部分３８５と第１封止材３４８との界面には、熱流動によって熱伝導シート３８０と第１封止材３４８との混合部が形成される。これにより熱流動により第１封止材３４８と熱伝導シート３８０との密着力が向上する。
【００４４】
また、図９（ｆ）に示されるように、モジュールケース３０４は、第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂが一体となるように構成されている。これにより、絶縁シート３３３に掛かる熱応力が増大する傾向にある。そこで、絶縁シート３３３に軟質製のシート、例えば１〜６０（ＡｓｋｅｒＣ）を用いて、モジュールケース３０４からの熱応力を緩和することもできる。また、絶縁シート３３３は、絶縁距離や熱応力から５０μｍ〜３００μｍの厚さで使いたいため、熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以上、絶縁強度は１０ｋＶ／mm以上、体積低効率１０11Ω・cm以上が望ましい。
【００４５】
また、図９（ｆ）に示されるモジュールケース３０４が導電性の金属により構成され、かつ導体板３１８に大電流が流される場合には、モジュールケース３０４と導体板３１８との間には十分な絶縁距離を確保する必要がある。そこで、熱伝導シート３８０は、電気絶縁性の材料で構成することで、良好な絶縁状態を維持できる。特に、本実施形態のように、同一面上に電位の異なる複数の導体板３１８及び導体板３１９を並べた場合でも、一枚の熱伝導シート３８０で覆うことができるため生産性が向上する。
【００４６】
また、図９（ｆ）に示される導体板３１８が、対向する導体板３１５よりも薄く形成されるために、電流バランスや熱バランスが不均衡になってしまう場合には、熱伝導シート３８０は導電性の材料で構成することができる。
【００４７】
また、図９（ｆ）に示される導体板３１８やモジュールケース３０４が銅材またはアルミニウム材により構成される場合には、熱伝導シート３８０は熱膨張率が１２ppm／℃以上４０ppm／℃以下であることが好ましい。これにより、銅材またはアルミニウム材の熱膨張率に近いため温度サイクル信頼性を向上させることができる。
【００４８】
また、図９（ｆ）に示される熱伝導シート３８０に、熱ガラス転移温度が１５０℃以上である熱硬化性の素材を用いることにより、ＩＧＢＴ１５５の最大温度近くでも、シート物性に優れるガラス状態となるため信頼性が向上する。
【００４９】
また、熱伝導シート３８０は、トランスファーモールドの前において、ゲル分率が５０％未満の熱硬化性樹脂成分かつ熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上からなる熱硬化性樹脂組成物で構成され、かつ当該熱硬化性樹脂成分が加熱によってゲル分率が５０％以上になるまで熱硬化するように構成する。これにより、トランスファーモールド時に流動しリードフレームや金型３７１に追従した後、硬化反応の進行によって熱伝導シート３８０を第１封止材３４８や導体板３１８にしっかりと固定できる効果がある。
【００５０】
なお、本実施形態の金属接合体１６０は、錫を主成分としたはんだを用いる事が望ましいが、金，銀，銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペーストを用いる事もできる。
【００５１】
また、本実施形態の熱硬化性の熱伝導シート３８０は、少なくとも熱硬化性樹脂成分と熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の充填材成分からなるものを用いることが好ましい。また、熱硬化性樹脂成分は、一般的なトランスファーモールド温度である１６０℃以上２００℃以下の温度域で一旦流動し、一般的なモールド時間である６０秒〜１８０秒の間に硬化反応が進行して流動しなくなるものを用いることが好ましい。
【００５２】
また、充填材成分には、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であれば、絶縁性の無機充填材や導電性の金属充填材を用いる事ができる。単層シートで用いる事もできるが、複数のシートを貼り合わせ複層にしても良い。複層にする場合、少なくとももっとも厚いシートが熱伝導率１Ｗ／ｍＫ以上となる必要がある。
【００５３】
なお、本実施形態では、同一平面状に複数の導体板３１８及び導体板３１９を設けるように構成されているが、一つのパワーモジュール３００内に１アーム回路分のみを搭載して、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ側とコレクタ側にそれぞれ１枚のみ導体板であっても、本実施形態に係る熱伝導シート３８０を用いることができる。
【００５４】
本実施形態の効果を説明するために、図１１に比較例に係るパワーモジュールの断面図を示す。本実施形態の熱伝導シート３８０の代わりにシリコーンゴムシート３９０を用いトランスファーモールドまで同様に製造した。トランスファーモールド時に導体板３１８及び導体板３１９の傾き１００μｍを吸収するために３３０μｍのシリコーンゴムシート３９０が必要であった。シリコーンゴムシート３９０が厚いためパワーモジュールの放熱性が悪化した。また、パワーモジュールを金属製筺体３９１に厚さ１０μｍの接着シートで貼り合わせた後、溶接材３９２により金属製筺体３９１のシールを行った。シリコーンゴムシート３９０の熱膨張率が３００ppm／℃と大きかったので、温度サイクルで接着シートの接着層に剥離が生じ絶縁耐圧が低下した。
【実施例２】
【００５５】
図１０は、本実施例に係るパワーモジュール３００の断面模式図である。実施例１と異なる点は、放熱シート３８０の上面に金属シート３８６を配置した点である。これにより、熱伝導シート３８０の取り扱い性が良くなり、生産性を向上できるだけでなく、金属シート３８６により放熱性が良くなる効果がある。また、熱伝導シート３８０が導電性を有する場合は、電気的な接続が必要な場所に用いる事ができる効果がある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第１導体板と、
前記パワー半導体素子の他方の電極面とはんだを介して接続する接合面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第２導体板と、
前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板を封止するための封止材と、を備え、
前記第１導体板の放熱面は前記封止材から露出され、
前記第２導体板の放熱面は前記封止材から露出され、かつ当該封止材から露出された当該第２導体板の放熱面が熱硬化性の熱伝導シートで覆われるパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記封止材は、前記第２導体板の放熱面が配置された側の面に凹部を形成し、
前記第２導体板の放熱面は前記封止材の凹部の底部から露出され、かつ当該封止材の凹部の底部から露出された当該第２導体板の放熱面が前記熱伝導シートで覆われるパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記パワー半導体素子のゲート電極にゲート信号を伝達するための制御用導体と、
前記ゲート電極と前記制御用導体とを電気的に接続するためのワイヤボンディング材と、を備え、
前記パワー半導体素子の一方の電極面には、エミッタ電極が形成され、
前記パワー半導体素子の他方の電極面には、コレクタ電極と前記ゲート電極が形成され、
前記制御用導体は、前記ワイヤボンディング材との接続面が前記パワー半導体素子の前記ゲート電極が形成された面と同一方向を向くように配置されるパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記第１導体板と一体に形成され、かつ端部に直流端子を形成する第１配線導体と、
前記第２導体板と一体に形成され、かつ端部に直流端子を形成する第２配線導体と、
前記第１配線導体と前記第２配線導体を支持し、かつ前記封止材とは異なる融点である補助封止材と、を備えるパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、前記第２導体板の放熱面と対向する第１部分と、前記封止材と対向する第２部分とにより構成され、
前記熱伝導シートの第２部分と前記封止材との界面には、熱流動により当該熱伝導シートと当該封止材との混合部を形成するパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
第１絶縁部材を介して前記第１導体板の放熱面と対向して配置される第１放熱部材と、
第２絶縁部材を介して前記第２導体板の放熱面と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、
前記第２絶縁部材は、前記熱伝導シートと接触して、当該熱伝導シートから伝達される熱を前記第２放熱部材に伝達するパワーモジュール。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記第１放熱部材と前記第２放熱部材を接続することにより構成され、かつ前記封止材を収納するためのパワーモジュールケースを備え、
前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、所定以上の弾性を有する樹脂製シートで構成されるパワーモジュール。
【請求項８】
請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記第１放熱部材と前記第２放熱部材を接続することにより構成され、かつ前記封止材を収納するためのパワーモジュールケースと、
前記封止材と前記パワーモジュールケース内壁との隙間を封止するためのポッティング樹脂を備えるパワーモジュール。
【請求項９】
請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記第２放熱部材は、導電性の金属により構成され、
前記熱伝導シートは、電気絶縁性の材料で構成されるパワーモジュール。
【請求項１０】
請求項１または６に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、導電性の材料で構成され、かつ前記第２導体板との間で電流が流入及び流出するパワーモジュール。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記第２導体板は、銅材またはアルミニウム材により構成され、
前記熱伝導シートは、当該熱伝導シートの熱膨張率が１２ppm／℃以上４０ppm／℃以下であるパワーモジュール。
【請求項１２】
請求項１ないし１１に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、当該熱伝導シートのガラス転移温度が１５０℃以上であるパワーモジュール。
【請求項１３】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、前記封止材によるトランスファーモールドの前において、ゲル分率が５０％未満の熱硬化性樹脂成分かつ熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上からなる熱硬化性樹脂組成物であり、
前記熱硬化性樹脂成分は、前記トランスファーモールド中の温度上昇により流動し、かつ流動後の加熱によってゲル分率が５０％以上になるまで熱硬化するパワーモジュール。
【請求項１４】
パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第１導体板と、前記パワー半導体素子の他方の電極面とはんだを介して接続する接合面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第２導体板と、前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板を封止するための封止材と、を備えるパワーモジュールの製造方法であって、
当該トランスファーモールドに用いられる金型と前記封止材から露出された前記第２導体板の放熱面との間に、熱硬化性の熱伝導シートが配置される第１工程と、
前記封止材をトランスファーモールドする際に、前記金型が前記熱伝導シート及び前記第２導体板をクランプし、かつ当該熱伝導シート中の熱硬化性樹脂成物が前記金型から伝達される温度によって流動することにより、前記金型と前記第２導体板と間の空間に充填する第２工程と、
前記封止材の硬化反応の進行とともに、前記熱伝導シートの硬化反応が進行する第３工程と、を有するパワーモジュールの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
前記第１工程は、前記熱伝導シートと前記金型との間に配置されかつ離型性を有する耐熱性シートを当該熱伝導シートの上面に配置することで、当該熱伝導シートを固定することを含み、
前記耐熱性シートは、前記第３工程終了後に、粘着性を有するテープによって剥離されるパワーモジュールの製造方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
前記第１工程は、前記熱伝導シートと前記金型との間に配置される金属製シートを当該熱伝導シートの上面に配置することで、当該熱伝導シートを固定することを含むパワーモジュールの製造方法。
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第１導体板と、
前記パワー半導体素子の他方の電極面とはんだを介して接続する接合面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第２導体板と、
前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板を封止するための封止材と、を備え、
前記第１導体板の放熱面は前記封止材から露出され、
前記第２導体板の放熱面は前記封止材から露出され、かつ当該封止材から露出された当該第２導体板の放熱面が熱硬化性の熱伝導シートで覆われるパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記封止材は、前記第２導体板の放熱面が配置された側の面に凹部を形成し、
前記第２導体板の放熱面は前記封止材の凹部の底部から露出され、かつ当該封止材の凹部の底部から露出された当該第２導体板の放熱面が前記熱伝導シートで覆われるパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記パワー半導体素子のゲート電極にゲート信号を伝達するための制御用導体と、
前記ゲート電極と前記制御用導体とを電気的に接続するためのワイヤボンディング材と、を備え、
前記パワー半導体素子の一方の電極面には、エミッタ電極が形成され、
前記パワー半導体素子の他方の電極面には、コレクタ電極と前記ゲート電極が形成され、
前記制御用導体は、前記ワイヤボンディング材との接続面が前記パワー半導体素子の前記ゲート電極が形成された面と同一方向を向くように配置されるパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記第１導体板と一体に形成され、かつ端部に直流端子を形成する第１配線導体と、
前記第２導体板と一体に形成され、かつ端部に直流端子を形成する第２配線導体と、
前記第１配線導体と前記第２配線導体を支持し、かつ前記封止材とは異なる融点である補助封止材と、を備えるパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、前記第２導体板の放熱面と対向する第１部分と、前記封止材と対向する第２部分とにより構成され、
前記熱伝導シートの第２部分と前記封止材との界面には、熱流動により当該熱伝導シートと当該封止材との混合部を形成するパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
第１絶縁部材を介して前記第１導体板の放熱面と対向して配置される第１放熱部材と、
第２絶縁部材を介して前記第２導体板の放熱面と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、
前記第２絶縁部材は、前記熱伝導シートと接触して、当該熱伝導シートから伝達される熱を前記第２放熱部材に伝達するパワーモジュール。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記第１放熱部材と前記第２放熱部材を接続することにより構成され、かつ前記封止材を収納するためのパワーモジュールケースを備え、
前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、所定以上の弾性を有する樹脂製シートで構成されるパワーモジュール。
【請求項８】
請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記第１放熱部材と前記第２放熱部材を接続することにより構成され、かつ前記封止材を収納するためのパワーモジュールケースと、
前記封止材と前記パワーモジュールケース内壁との隙間を封止するためのポッティング樹脂を備えるパワーモジュール。
【請求項９】
請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記第２放熱部材は、導電性の金属により構成され、
前記熱伝導シートは、電気絶縁性の材料で構成されるパワーモジュール。
【請求項１０】
請求項１または６に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、導電性の材料で構成され、かつ前記第２導体板との間で電流が流入及び流出するパワーモジュール。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記第２導体板は、銅材またはアルミニウム材により構成され、
前記熱伝導シートは、当該熱伝導シートの熱膨張率が１２ppm／℃以上４０ppm／℃以下であるパワーモジュール。
【請求項１２】
請求項１ないし１１に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、当該熱伝導シートのガラス転移温度が１５０℃以上であるパワーモジュール。
【請求項１３】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記熱伝導シートは、前記封止材によるトランスファーモールドの前において、ゲル分率が５０％未満の熱硬化性樹脂成分かつ熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上からなる熱硬化性樹脂組成物であり、
前記熱硬化性樹脂成分は、前記トランスファーモールド中の温度上昇により流動し、かつ流動後の加熱によってゲル分率が５０％以上になるまで熱硬化するパワーモジュール。
【請求項１４】
パワー半導体素子の一方の電極面とはんだを介して接続する接続面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第１導体板と、前記パワー半導体素子の他方の電極面とはんだを介して接続する接合面を形成し、かつ当該接続面とは反対側の面が放熱面を形成する第２導体板と、前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板を封止するための封止材と、を備えるパワーモジュールの製造方法であって、
当該トランスファーモールドに用いられる金型と前記封止材から露出された前記第２導体板の放熱面との間に、熱硬化性の熱伝導シートが配置される第１工程と、
前記封止材をトランスファーモールドする際に、前記金型が前記熱伝導シート及び前記第２導体板をクランプし、かつ当該熱伝導シート中の熱硬化性樹脂成物が前記金型から伝達される温度によって流動することにより、前記金型と前記第２導体板と間の空間に充填する第２工程と、
前記封止材の硬化反応の進行とともに、前記熱伝導シートの硬化反応が進行する第３工程と、を有するパワーモジュールの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
前記第１工程は、前記熱伝導シートと前記金型との間に配置されかつ離型性を有する耐熱性シートを当該熱伝導シートの上面に配置することで、当該熱伝導シートを固定することを含み、
前記耐熱性シートは、前記第３工程終了後に、粘着性を有するテープによって剥離されるパワーモジュールの製造方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
前記第１工程は、前記熱伝導シートと前記金型との間に配置される金属製シートを当該熱伝導シートの上面に配置することで、当該熱伝導シートを固定することを含むパワーモジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図９（ｄ）】
【図９（ｅ）】
【図９（ｆ）】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図９（ｄ）】
【図９（ｅ）】
【図９（ｆ）】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２１７５４６（Ｐ２０１１−２１７５４６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８４７６８（Ｐ２０１０−８４７６８）
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]