電力変換装置
【課題】樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】本発明の電力変換装置は、絶縁基板（５）と、絶縁基板の一方の主面に形成された配線パターン（４）と、配線パターン上に接合されたパワー半導体チップ（１）と、絶縁基板の他方の主面側に設けられ、パワー半導体チップが発生する熱を冷却媒体（８）により持ち去るようにして該パワー半導体チップを冷却する樹脂製冷却器（７）と、絶縁基板の他方の主面と樹脂製冷却器との間に設けられ、パワー半導体チップの発熱により該パワー半導体チップに生じる熱応力を緩和する応力緩和層（６）と、を備える。
【解決手段】本発明の電力変換装置は、絶縁基板（５）と、絶縁基板の一方の主面に形成された配線パターン（４）と、配線パターン上に接合されたパワー半導体チップ（１）と、絶縁基板の他方の主面側に設けられ、パワー半導体チップが発生する熱を冷却媒体（８）により持ち去るようにして該パワー半導体チップを冷却する樹脂製冷却器（７）と、絶縁基板の他方の主面と樹脂製冷却器との間に設けられ、パワー半導体チップの発熱により該パワー半導体チップに生じる熱応力を緩和する応力緩和層（６）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、電力の形態（交流／直流、電圧及び周波数の大きさ）を変換する装置であり、インバータ（直流から交流に変換する装置）、コンバータ（交流から直流に変換する装置）、マトリクスコンバータ（交流から異なる交流に変換する装置）などの種類が挙げられる。図９は電力変換装置の適用例としてモータ駆動システムのインバータの回路構成を示した図である。図９に示すモータ駆動システムのインバータは、三相のモータ負荷２３に対し、平滑用キャパシタ２に充電された直流電源２２の直流電力を、パワー半導体チップであるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップＱ１〜Ｑ６、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップＤ１〜Ｄ６が実装されたパワー半導体モジュール２１によって３相の交流電力に変換して、それらを３相のモータ負荷２３に供するように構成されている。
【０００３】
図１０は従来の電力変換装置の断面構造を示した図である。従来の電力変換装置では、図１０に示すように、アルミニウムブロックや銅ブロックなどで構成された金属製のヒートシンク１８上に、パワー半導体モジュール２１が実装される構造が一般的に採用されている。パワー半導体モジュール２１は、絶縁基板５と、絶縁基板５の両面に形成された銅などを材料とする配線パターン４と、絶縁基板５の一方の主面に形成された配線パターン４上に半田接合部３を介して実装されたパワー半導体チップ１と、絶縁基板５の他方の主面に形成された配線パターン４を介して接合された、熱伝導率の高い銅などを材料としたヒートスプレッダ１５と、を備えている。さらに、図１０に示すように、ヒートシンク１８とパワー半導体モジュール２１の間に熱伝導グリース１６が設けられている。ＩＧＢＴチップやＦＷＤチップなどのパワー半導体チップ１は、モータ２３などの負荷に通電する際に生じる損失によって発熱するが、一般に、ＩＧＢＴ素子の許容温度は１５０℃〜１７５℃といわれている。このため、発熱するパワー半導体チップ１を効率良く冷却するために、熱伝導グリース１６が用いられている。
【０００４】
ヒートシンク１８は、例えば、アルミニウムブロックにパイプが挿通され、当該パイプを介して冷却媒体１７である水が当該アルミニウムブロック内を循環用ポンプにより循環され、ラジエータを介して空気側へと熱が運ばれるように構成されている。つまり、パワー半導体チップ１（特にＩＧＢＴ素子）で発生した熱は、パワー半導体モジュール２１及び熱伝導グリース１６を介してヒートシンク１８へと伝えられ、そしてヒートシンク１８内を循環する冷却媒体１７へと伝えられ、ラジエータを介して大気へ放出されるようになっている。なお、ヒートシンク１８の他の形態として、アルミニウムブロックに挿通されたパイプが所謂ヒートパイプを形成しており、水などの作用液が蒸発、凝縮を繰り返すことにより大気側へと熱が運ばれる形態も採用されている。
【０００５】
以上のとおり、パワー半導体モジュール２１が発生した熱を吸収する冷却器としては、熱伝導率の高いアルミニウムブロックや銅ブロックなどを材料とした金属製のヒートシンクを用いることが一般的である。但し、特許文献１では、配線用導体をインサート成形することにより部品点数や組立て工数の削減をねらった樹脂製の冷却ジャケットが提案されている。また、特許文献２では、ヒートシンクの表面に発熱体が配置されるとともに、当該ヒートシンクの裏面に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔が設けられることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１９７５６２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＩＧＢＴチップやＦＷＤチップなどの複数のパワー半導体チップ１、絶縁基板５、及びヒートスプレッダ１５は互いに半田により接合されている。複数のパワー半導体チップ１は、それぞれ発熱すると、温度が上昇するとともに熱膨張する。
【０００８】
パワー半導体チップ１の材料は、一般に、Ｓｉ（シリコン：熱膨張係数α＝３．０（ｐｐｍ／Ｋ））の場合が多く、この場合、絶縁基板５の材料にはＡｌＮ（窒化アルミニウム：α＝４．６（ｐｐｍ／Ｋ））などが用いられる。ヒートスプレッダ１５の材料は、熱を伝えやすくしたい場合は銅（α＝１６．５（ｐｐｍ／Ｋ））が用いられるが、パワー半導体チップ１及び絶縁基板５それぞれの熱膨張係数とできるだけ近い値にしたい場合には銅モリブデン（α＝７．０（ｐｐｍ／Ｋ））などが用いられる。熱伝導グリース１６は、Ｓｉ（シリコン：熱膨張係数α＝３．０（ｐｐｍ／Ｋ））を材料とするシリコングリースが用いられる。
【０００９】
一方、ヒートシンク１８がアルミニウムや銅などの金属製冷却器である場合、その熱膨張係数は金属で構成されるヒートスプレッダ１５の熱膨張係数と近い値となるが、特許文献１に開示されているようにヒートシンク１８が樹脂製冷却器である場合には、その熱膨張係数はヒートスプレッダ１５の熱膨張係数とは大きく異なる値となるため、熱応力が大きくなって、パワー半導体モジュール全体の破損を招くおそれが生じる。
【００１０】
また、ヒートシンク１８が樹脂製冷却器の場合、アルミニウムや銅に比べ熱伝導率が著しく小さいことが知られている。パワー半導体チップ１（特にＩＧＢＴチップ）で発生した熱は、絶縁基板５を通過し、次いでヒートシンク１８の樹脂ブロックへと伝えられ、最後に冷却媒体１７である水へと伝熱される。よって、パワー半導体チップ１で発生した熱は、熱伝導率が著しく小さいヒートシンク１８の樹脂ブロックを経由するので、冷却媒体１７である水に効率良く伝わらなくなる。そして、熱性能が悪くなり、冷却媒体１７の温度がある一定値に定められると、パワー半導体チップ１の温度が上昇してその許容値を越えてしまい、パワー半導体チップ１の破損を招くおそれがある。
【００１１】
特に、特許文献１の構造では、絶縁基板の裏面の金属箔と、樹脂製冷却器の樹脂（またはパッキン）とが接合されているため、熱による応力歪に対して弱く、その接合部の剥離やクラックが生じやすくなる。このとき、樹脂部分から水漏れが発生し、絶縁破壊などにより装置全体を損傷する可能性がある。
【００１２】
また、特許文献２の冷却方法では、ヒートシンク（冷却器）の材料についての開示や示唆がなく、樹脂製冷却器を想定していない。
【００１３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述した従来の課題を解決するために、本発明のある形態（ａｓｐｅｃｔ）に係る電力変換装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の主面に形成された配線パターンと、前記配線パターン上に接合されたパワー半導体チップと、前記絶縁基板の他方の主面側に設けられ、前記パワー半導体チップが発生する熱を冷却媒体により持ち去るようにして該パワー半導体チップを冷却する樹脂製冷却器と、前記絶縁基板の他方の主面と前記樹脂製冷却器との間に設けられ、前記パワー半導体チップの発熱により該パワー半導体チップに生じる熱応力を緩和する応力緩和層と、を備えるものである。
【００１５】
この構成によれば、絶縁基板の他方の主面と樹脂製冷却器との間に応力緩和層が介在するので、パワー半導体チップが発熱した場合、当該パワー半導体チップに生じる熱応力が緩和されて当該パワー半導体チップが破損することが防止される。これにより、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
【００１６】
前記電力変換装置において、前記樹脂製冷却器は、上面が開放され、且つ前記冷却媒体の入口及び出口が設けられた容器状に形成され、前記応力緩和層は、前記樹脂製冷却器の開放された上面を塞ぐように設けられ、且つ前記樹脂製冷却器の内部空間には、前記応力緩和層に向けて前記冷却媒体を噴出する噴出孔が設けられ、当該噴出孔は、前記パワー半導体チップの下方に配置されている、としてもよい。
【００１７】
この構成によれば、冷却媒体の流速を噴出孔を介して局所的に高めることで樹脂製冷却器の内部を乱流状態とし、パワー半導体チップから冷却媒体への熱抵抗を下げることができ、樹脂の欠点である熱伝導率の低さを克服できる。また、パワー半導体チップの下方に噴出孔が配設されることによって、絶縁基板上で主に発熱する箇所であるパワー半導体チップを局所的に冷却できるので、絶縁基板の水平方向の面の温度分布が平坦となり、絶縁基板の熱応力の歪を少なくすることができる。
【００１８】
前記電力変換装置において、前記樹脂製冷却器の噴出孔の位置に対応した前記応力緩和層の位置に貫通孔が形成されている、としてもよい。
【００１９】
この構成によれば、応力緩和層の貫通孔を介して絶縁基板に対して冷却媒体を直接的に衝突させることが可能となり、発熱源であるパワー半導体チップの直下を効率良く冷却することができる。
【００２０】
前記電力変換装置において、前記応力緩和層の熱膨張係数は、前記絶縁基板の熱膨張係数と、前記樹脂製冷却器の熱膨張係数との間の中間の値である、としてもよい。
【００２１】
この構成によれば、パワー半導体チップが、自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に生じる熱応力を適切に緩和させることができる。
【００２２】
前記電力変換装置において、前記応力緩和層の弾性率は、前記絶縁基板の弾性率と、前記樹脂製冷却器の弾性率との間の中間の値である、としてもよい。
【００２３】
この構成によれば、パワー半導体チップが、自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に生じる熱応力を適切に緩和させることができる。
【００２４】
前記電力変換装置において、前記絶縁基板上に接合されたキャパシタを更に備える、としてもよい。
【００２５】
この構成によれば、キャパシタが、自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に生じる熱応力を適切に緩和させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態３における樹脂製冷却器の水平方向の断面図の一例を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態３における応力緩和層の水平方向の断面図の一例を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態３における応力緩和層の水平方向の断面図のその他の一例を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図９】一般的な電力変換装置の適用例としてモータ駆動システムのインバータの回路構成を示した図である。
【図１０】従来の電力変換装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２９】
また、説明の簡素化のために、以下の全ての実施の形態を通して、電力変換装置は図９に示したモータ駆動システムのインバータであるとする。しかしながら、電力変換装置の負荷は、三相の交流モータに何ら限定されるものではない。つまり電力変換装置は、モータ駆動システム以外の負荷駆動システムに用いられてもよい。また、電力変換装置はインバータの形態の他に、コンバータやマトリクスコンバータなどの形態であってもよい。さらに、以下に示す実施の形態や変形例は、単なる好適例に過ぎず、これらに限定されず、適宜好適に組み合わせることも可能である。さらに、以下の説明の中で参照される各図は、本発明が理解できる程度に構成要素の配置関係を概略的に示したに過ぎず、従って、本発明は各図に示された例に限定されるものではない。また、図を分かり易くするために、各図において周知な事項として一部省略した部分がある。また、以下の図では、説明の便宜上、図の上下方向を電力変換装置の上下方向としたが、電力変換装置自体には方向性はない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【００３０】
図１に示す電力変換装置は、絶縁基板５と、絶縁基板５の一方の主面（表面）に形成された銅などを材料とする配線パターン４と、配線パターン４上に半田接合部３を介して実装されたパワー半導体チップ１と、絶縁基板５の他方の主面（裏面）側に設けられ、パワー半導体チップ１の発熱を冷却媒体８を介して持ち去って（吸収して）パワー半導体チップ１を冷却させる樹脂製冷却器７と、絶縁基板５の他方の主面と樹脂製冷却器７との間に設けられ、パワー半導体チップ１の発熱により生じた熱応力を緩和させる応力緩和層６と、を備える。樹脂製冷却器７は、冷却媒体８の入口及び出口が設けられた閉じた容器状となるように樹脂材料で形成されている。そして、樹脂製冷却器７の上面に接触して応力緩和層６が形成されている。つまり、応力緩和層６を除けば、パワー半導体チップ１が実装された絶縁基板５を含むパワー半導体モジュールの底面に冷却器が一体成形されており、当該パワー半導体モジュールの熱を冷却媒体の流れに直接接触させるようにした、所謂直接冷却型パワーモジュールの構造を呈している。冷却媒体８は、特に限定されないが、例えば水や圧縮空気が例示される。なお、冷却媒体８が水の場合には、所謂直接水冷型の構造となるように樹脂製冷却器７に対して水冷部材（ラジエータ、循環用ポンプ、冷却水タンク等）が具備される。一方、冷却媒体８が圧縮空気の場合には、所謂強制空冷型の構造となるように樹脂製冷却器７に対して空冷部材（圧縮機、ファン等）が具備される。
【００３１】
樹脂製冷却器７の内部には、例えば、図１の矢印に沿った一方向に冷却媒体８が流れ続ける層流の経路が形成されており、モータ負荷駆動時のスイッチング動作によって発生するパワー半導体チップ１の熱を持ち去って（吸収して）当該パワー半導体チップ１を冷却することができる。例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などでは、パワー半導体チップ１を冷却するため、電動ウォーターポンプにより冷却媒体８を循環させ、冷却媒体８に吸収された熱をラジエータにより大気に放熱するような動作が繰り返し行われる。
【００３２】
以上の構造によれば、従来のアルミニウムや銅などを材料とする金属製冷却器と比べると、樹脂製冷却器７を採用したことに伴って電力変換装置の軽量化や小型化が可能となっている。但し、金属の熱伝導率（アルミニウム：２２２（Ｗ／ｍＫ）、銅：３９４（Ｗ／ｍＫ））に比べると、樹脂の熱伝導率は１（Ｗ／ｍＫ）以下と低く、パワー半導体チップ１から冷却媒体８までの熱抵抗が極端に高くなるため、図１０に示すような従来の構造においてヒートシンク１８を樹脂製冷却器７に単に置き換えただけでは、パワー半導体チップ１を効率良く冷却することはできない。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、パワー半導体チップ１から冷却媒体８への熱抵抗の低減化を図るために、図１０に示すような銅を材料とするヒートスプレッダ１５やシリコンを材料とする熱伝導グリース１６を省略している。詳述すると、本実施の形態では、絶縁基板５の裏面に通常接合される、図１０に示すような配線パターン４、半田接合部、ヒートスプレッダ１５、熱伝導グリース１６を省略している。その代わりに、絶縁基板５の裏面には、パワー半導体チップ１の発熱や使用環境の温度変化により生じた熱応力を緩和させる応力緩和層６が直接的に接合されている。これにより、パワー半導体チップ１から冷却媒体８への熱抵抗の低減化が図られ、冷却効率を向上することができる。
【００３４】
パワー半導体チップ１がモータ負荷駆動時に自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に、パワー半導体チップ１に熱応力が発生し、その熱応力により電力変換装置の各材料が疲労し、やがて電力変換装置の各接合部の剥離、クラック発生、又は素子の破壊などが起こり得る。このため、電力変換装置の各接合部の熱膨張係数は互いにできるだけ近い値に設計される必要があるが、樹脂製冷却器７を採用した場合には、その熱膨張係数が金属の熱膨張係数とは大きく異なるため、パワー半導体チップ１において生じた熱応力がさらに大きくなり、装置全体の破損を招く恐れが生じる。
【００３５】
そこで、絶縁基板５と樹脂製冷却器７との間に設けられる応力緩和層６の熱膨張係数は、絶縁基板５の熱膨張係数と、樹脂製冷却器７の熱膨張係数との中間の値に設計されている。これにより、パワー半導体チップ１において生じた熱応力を適切に緩和することができ、電力変換装置の信頼性を高め、その寿命を長くすることができる。
【００３６】
また、応力緩和層６に求められる条件としては、熱膨張係数の他に、弾性率を挙げることができる。具体的には、応力緩和層６の弾性率は、絶縁基板５の弾性率と、樹脂製冷却器７の弾性率との間の中間の値に設計されている。これにより、上記の熱膨張係数の設計と同様に、熱応力を適切に緩和することが可能となる。なお、応力緩和層６の弾性率は、他の絶縁基板５や樹脂製冷却器７の弾性率よりも大きくしても、パワー半導体チップ１において生じた熱応力を緩和できる場合がある。
【００３７】
上記のような熱膨張係数並びに弾性率の関係を実現するような、樹脂製冷却器７の樹脂材料、応力緩和層６の樹脂材料、及び絶縁基板５の材料の例を以下に挙げる。
【００３８】
（ａ）樹脂製冷却器７の樹脂材料の例
・ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ；Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）
熱伝導率：０．２９（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３．９６（ＧＰａ）
熱膨張係数：５０．４（ｐｐｍ／Ｋ）
・ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ；Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）
熱伝導率：０．２７（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：２．４（ＧＰａ）
熱膨張係数：１４５（ｐｐｍ／Ｋ）
・エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）樹脂
熱伝導率：０．２１（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３．０（ＧＰａ）
熱膨張係数：６０（ｐｐｍ／Ｋ）（参考値）
（ｂ）応力緩和層６の樹脂材料の例
・ＰＰＳ＋ガラス繊維（ＧＦ；Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ）＋無機フィラー（酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素）。「＋」とは混合を意味する。
【００３９】
弾性率：１８．５（ＧＰａ）
熱膨張係数：１８（ｐｐｍ／Ｋ）
・ＰＰＳ＋ＧＦ
弾性率：１２（ＧＰａ）
熱膨張係数：３０（ｐｐｍ／Ｋ）
・エポキシ樹脂＋ＧＦ
熱膨張係数：１１−３５（ｐｐｍ／Ｋ）（参考値）
（ｃ）絶縁基板５の材料の例
・酸化アルミニウム
熱伝導率：２０．９（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３６０（ＧＰａ）
熱膨張係数：７．１（ｐｐｍ／Ｋ）
・窒化アルミニウム
熱伝導率：１７０（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３１０（ＧＰａ）
熱膨張係数：４．６（ｐｐｍ／Ｋ）
・窒化珪素
熱伝導率：７０（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３１０（ＧＰａ）
熱膨張係数：３．４（ｐｐｍ／Ｋ）
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【００４０】
実施の形態２では、応力緩和層６から冷却媒体８への熱抵抗を下げるため、図２の矢印に沿う一方向に冷却媒体８を強制的に流す所謂強制対流方式のみならず、樹脂製冷却器７からパワー半導体チップ１に向かう垂直方向の噴流として、冷却媒体８を応力緩和層６に向けて直接的に噴出させる所謂衝突噴流方式を採用している。具体的には、樹脂製冷却器７は、上面が開放され、且つ冷却媒体の入口及び出口が設けられた容器状に形成されている。そして、この樹脂製冷却器７の開放された上面を塞ぐようにそして応力緩和層６が設けられている。
【００４１】
樹脂製冷却器７の内部空間には、当該樹脂製冷却器７の高さ方向の中央部に仕切り部７０が設けられ、仕切り部７０において冷却媒体８を噴出するための噴出孔７１が複数設けられている。なお、噴出孔７１は、パワー半導体チップ１の下方に配置されるようにしている。これにより、冷却媒体８の流速を局所的に高めることで樹脂製冷却器７の内部を乱流状態とし、パワー半導体チップ１から冷却媒体８への熱抵抗を下げている。一般的に、層流よりも熱を拡散しやすい乱流的な流れの方が冷却効率が高いからである。この結果、樹脂の欠点である熱伝導率の低さを克服することが可能となる。
【００４２】
また、図２の矢印に沿う一方向に冷却媒体８を流す強制対流方式だけでは、応力緩和層６上の絶縁基板５の面が均一に冷却されるので、絶縁基板５上で主に発熱する箇所であるパワー半導体チップ１の下方を集中的に冷却することができない。したがって、絶縁基板５の水平方向の面の温度分布が平坦とならず、絶縁基板５の熱応力による歪が生じ易くなる。これに対し、パワー半導体チップ１の下方（実装面側）に噴出孔７１が配設されることによって、絶縁基板５上で主に発熱する個所であるパワー半導体チップ１の下方が局所的に冷却できるので、絶縁基板５の水平方向の温度分布が平坦となり、絶縁基板５の熱応力の歪を少なくすることができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。応力緩和層６に貫通孔６１が設けられている以外は、図２に示す断面構造と同じである。ここで、図３における噴出孔７１付近の樹脂製冷却器７の水平方向のＡ−Ａ’線断面図の一例を図４に示す。また、図３における応力緩和層６の水平方向のＢ−Ｂ’線断面図の一例を図５に示す。
【００４３】
まず、図４に示す樹脂製冷却器７のＡ−Ａ’線断面図において、ＩＧＢＴチップの位置（投影図）を１０と表し、ＦＷＤチップの位置（投影図）を１１と表すものとする。ここで、図４は３相インバータの場合におけるチップレイアウトを表している。３相インバータの場合、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップがそれぞれ少なくとも６個必要であり、図４のチップレイアウトによれば、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップのペアが２×３の配列となるように配置されている。また、図４のチップレイアウトによれば、冷却媒体８を噴出するため噴出孔７１は、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップの直下に設けられており、また、チップ１個あたり計４個の噴出孔７１が設けられている。つまり、噴出孔７１の個数は計４８個である。
【００４４】
つぎに、図５に示す応力緩和層６のＢ−Ｂ’線の断面図において、図４と同様に、ＩＧＢＴチップの位置（投影図）を１０と表し、ＦＷＤチップの位置（投影図）を１１と表すものとする。図５のチップレイアウトによれば、樹脂製冷却器７の噴出孔７１の位置に対応した応力緩和層６の位置に貫通孔６１が形成されている。つまり、樹脂製冷却器７の噴出孔７１と応力緩和層６の貫通孔６１とは一対一に対応付られており、貫通孔６１の個数は計４８個である。
【００４５】
以上のような構成を採用することで、樹脂製冷却器７の高さ方向で下方位置に設けられたパイプ（入口）から冷却媒体８が樹脂製冷却器７の内部に流れ込み、計４８個の噴出孔７１を通過した後、応力緩和層６に設けられた計４８個の貫通孔６１へと流れ込むこととなる。この結果、絶縁基板５に対して冷却媒体８を直接的に衝突させることが可能となり、絶縁基板５上で主に発熱する箇所であるＩＧＢＴチップやＦＷＤチップを局所的に冷却できるため、絶縁基板５の水平方向の温度分布が平坦となり、絶縁基板５の熱応力の歪が少なくなる。
【００４６】
また、応力緩和層６において局所的に貫通孔６１が設けられることで、パワー半導体チップ１から樹脂製冷却器７までの熱抵抗が下げられて、装置全体の放熱性能を向上させることができる。
【００４７】
また、応力緩和層６において貫通孔６１が設けられることで、弾性率の条件を緩和することが可能となり、応力緩和層６の応力設計の自由度が向上する。
【００４８】
また、応力緩和層６が設けられない従来の構成と比較して、応力緩和層６の材料設計と形状の最適化によって、熱性能は維持しつつ、はがれ発生の危険性を低下させるとともに、電力変換装置の信頼性の要件を満たすことが可能となる。
【００４９】
また、窒化アルミニウムなどの絶縁基板５としては、一般的に、低コスト化かつ熱抵抗を下げる目的のため、１ｍｍ以下の薄い基板が使用されている。そこで、薄い絶縁基板５の裏面に応力緩和層６を接合させることで、絶縁基板５の強度を上げることができる。
【００５０】
図６は、図３における応力緩和層６の水平方向のＢ−Ｂ’線断面図のその他の一例を示した図である。図５のチップレイアウトと相違する点は、応力緩和層６におけるＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップの位置に対応する個所に、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップの数に相当する数だけ貫通孔６２が設けられている点である。つまり、図５のチップレイアウトのように、樹脂製冷却器７の噴出孔７１と応力緩和層６の貫通孔６２とが一対一に対応付られるのではなく、応力緩和層６の貫通孔６２とＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップとが一対一に対応付られており、この場合、貫通孔６２の個数は計１２個である。以上の構成によっても、図５のチップレイアウトと同様の効果を奏することとなる。
【００５１】
また、図５では応力緩和層６に円形状の貫通孔６１が形成され、図６では応力緩和層６に四角形状の貫通孔６２が形成されているが、応力緩和層６に設けられる貫通孔の形状は、応力緩和層６の材料設計と形状最適化によって、熱性能を維持しつつ、はがれ発生の危険性を低下させて、信頼性の要件を満たすことが可能であれば、これらの形状に限定されない。
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。図７に示す電力変換装置は、図２の電力変換装置の構造における絶縁基板５上に平滑用キャパシタ２を実装したものである。
【００５２】
モータ負荷駆動時のインバータのスイッチング動作によって、平滑用キャパシタ２に電流が流れ、平滑用キャパシタ２の持つ抵抗成分において発熱が生じる。平滑用キャパシタ２は自らが発する熱による温度変化あるいは使用環境の温度変化に曝される度に、平滑用キャパシタ２には熱応力が発生し、その熱応力により各材料が疲労し、ひいては各接合部の剥離、クラック発生、又は素子の破壊などが起こり得る。
【００５３】
なお、平滑用キャパシタ２を冷却する方式としては、電力変換装置内部の空気を利用した自然空冷が一般的である。但し、電力変換装置に占める平滑用キャパシタ２の体積割合が高いため、上記の実施の形態を採用することで冷却効率を上げ、これにより平滑用キャパシタ２の小型化を図るようにした。
【００５４】
具体的には、図２の電力変換装置の構造における絶縁基板５上に平滑用キャパシタ２が実装される。したがって、パワー半導体チップ１と同様に、平滑用キャパシタ２が発熱することにより生じる熱応力を、絶縁基板５と樹脂製冷却器７との間に設けられた応力緩和層６によって緩和できる。なお、応力緩和層６の熱膨張係数や弾性率の条件は上記のとおりである。
【００５５】
さらに、平滑用キャパシタ２の下方に樹脂製冷却器７の噴出孔７１が配置されることで、絶縁基板５上でパワー半導体チップ１とともに主に発熱する箇所である平滑用キャパシタ２を局所的に冷却できるため、絶縁基板５の水平方向の面の温度分布が平坦となるため、絶縁基板５の熱応力の歪を少なくすることができる。
【００５６】
なお、図７に示す電力変換装置の構造の他に、図３に示す電力変換装置の構造と同様に、平滑用キャパシタ２の下方であり、かつ樹脂製冷却器７の噴出孔７１の位置に対応した応力緩和層６の位置に貫通孔６１が形成されてもよい。これにより、絶縁基板５に対して冷却媒体８を直接的に衝突させることが可能となり、パワー半導体チップ１とともに絶縁基板５上の主な発熱箇所である平滑用キャパシタ２の直下を効率良く冷却することができる。また、図５に示す円形状の貫通孔６１の他に、図６に示す四角形状の貫通孔６２を採用してもよい。
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の断面構成の一例を示した図である。図７の電力変換装置の構造と相違する点は、平滑用キャパシタ２を樹脂製冷却器７と同じ樹脂材料の樹脂で被覆された状態で実装した点と、絶縁基板５と樹脂製冷却器７とを接合させる部分のみに応力緩和層６が設けられた点とである。このような構造によっても、パワー半導体チップ１及び平滑用キャパシタ２において生じる熱応力が和らぎ、電力変換装置の信頼性を高め、その寿命を長くすることができる。
【００５７】
また、パワー半導体チップ１内に集積化されたパワー半導体素子が高速のスイッチング動作を繰り返しているため、パワー半導体素子が電気的に繋がっている高電位側電源部とグランドとの間の浮遊容量を介して、ノイズ電流が流れる。金属製冷却器を採用した場合は、通常、金属製冷却器の電位はグランド電位と同電位となるため、高電位側電源部と金属製冷却器との間の浮遊容量を介してノイズ電流が流れる。一方、樹脂製冷却器を採用した場合は、高電位側電源部とグランドに相当する電位と間を物理的に離したことと同じ意味となるため、浮遊容量が低減されてノイズ電流が減り、電力変換装置の信頼性をさらに高める効果も奏する。
【００５８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置として有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・パワー半導体チップ
２・・・平滑用キャパシタ
３・・・半田接合部
４・・・配線パターン
５・・・絶縁基板
６・・・応力緩和層
６１・・・貫通孔
７・・・樹脂製冷却器
７０・・・仕切り部
７１・・・噴出孔
８，１７・・・冷却媒体
１０・・・ＩＧＢＴチップ
１１・・・ＦＷＤチップ
１８・・・ヒートシンク
２１・・・パワー半導体モジュール
２２・・・直流電源
２３・・・モータ負荷
Ｑ１〜Ｑ６・・・ＩＧＢＴチップ
Ｄ１〜Ｄ６・・・ＦＷＤチップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、電力の形態（交流／直流、電圧及び周波数の大きさ）を変換する装置であり、インバータ（直流から交流に変換する装置）、コンバータ（交流から直流に変換する装置）、マトリクスコンバータ（交流から異なる交流に変換する装置）などの種類が挙げられる。図９は電力変換装置の適用例としてモータ駆動システムのインバータの回路構成を示した図である。図９に示すモータ駆動システムのインバータは、三相のモータ負荷２３に対し、平滑用キャパシタ２に充電された直流電源２２の直流電力を、パワー半導体チップであるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップＱ１〜Ｑ６、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップＤ１〜Ｄ６が実装されたパワー半導体モジュール２１によって３相の交流電力に変換して、それらを３相のモータ負荷２３に供するように構成されている。
【０００３】
図１０は従来の電力変換装置の断面構造を示した図である。従来の電力変換装置では、図１０に示すように、アルミニウムブロックや銅ブロックなどで構成された金属製のヒートシンク１８上に、パワー半導体モジュール２１が実装される構造が一般的に採用されている。パワー半導体モジュール２１は、絶縁基板５と、絶縁基板５の両面に形成された銅などを材料とする配線パターン４と、絶縁基板５の一方の主面に形成された配線パターン４上に半田接合部３を介して実装されたパワー半導体チップ１と、絶縁基板５の他方の主面に形成された配線パターン４を介して接合された、熱伝導率の高い銅などを材料としたヒートスプレッダ１５と、を備えている。さらに、図１０に示すように、ヒートシンク１８とパワー半導体モジュール２１の間に熱伝導グリース１６が設けられている。ＩＧＢＴチップやＦＷＤチップなどのパワー半導体チップ１は、モータ２３などの負荷に通電する際に生じる損失によって発熱するが、一般に、ＩＧＢＴ素子の許容温度は１５０℃〜１７５℃といわれている。このため、発熱するパワー半導体チップ１を効率良く冷却するために、熱伝導グリース１６が用いられている。
【０００４】
ヒートシンク１８は、例えば、アルミニウムブロックにパイプが挿通され、当該パイプを介して冷却媒体１７である水が当該アルミニウムブロック内を循環用ポンプにより循環され、ラジエータを介して空気側へと熱が運ばれるように構成されている。つまり、パワー半導体チップ１（特にＩＧＢＴ素子）で発生した熱は、パワー半導体モジュール２１及び熱伝導グリース１６を介してヒートシンク１８へと伝えられ、そしてヒートシンク１８内を循環する冷却媒体１７へと伝えられ、ラジエータを介して大気へ放出されるようになっている。なお、ヒートシンク１８の他の形態として、アルミニウムブロックに挿通されたパイプが所謂ヒートパイプを形成しており、水などの作用液が蒸発、凝縮を繰り返すことにより大気側へと熱が運ばれる形態も採用されている。
【０００５】
以上のとおり、パワー半導体モジュール２１が発生した熱を吸収する冷却器としては、熱伝導率の高いアルミニウムブロックや銅ブロックなどを材料とした金属製のヒートシンクを用いることが一般的である。但し、特許文献１では、配線用導体をインサート成形することにより部品点数や組立て工数の削減をねらった樹脂製の冷却ジャケットが提案されている。また、特許文献２では、ヒートシンクの表面に発熱体が配置されるとともに、当該ヒートシンクの裏面に向けて冷却媒体を噴出する複数の孔が設けられることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１９７５６２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＩＧＢＴチップやＦＷＤチップなどの複数のパワー半導体チップ１、絶縁基板５、及びヒートスプレッダ１５は互いに半田により接合されている。複数のパワー半導体チップ１は、それぞれ発熱すると、温度が上昇するとともに熱膨張する。
【０００８】
パワー半導体チップ１の材料は、一般に、Ｓｉ（シリコン：熱膨張係数α＝３．０（ｐｐｍ／Ｋ））の場合が多く、この場合、絶縁基板５の材料にはＡｌＮ（窒化アルミニウム：α＝４．６（ｐｐｍ／Ｋ））などが用いられる。ヒートスプレッダ１５の材料は、熱を伝えやすくしたい場合は銅（α＝１６．５（ｐｐｍ／Ｋ））が用いられるが、パワー半導体チップ１及び絶縁基板５それぞれの熱膨張係数とできるだけ近い値にしたい場合には銅モリブデン（α＝７．０（ｐｐｍ／Ｋ））などが用いられる。熱伝導グリース１６は、Ｓｉ（シリコン：熱膨張係数α＝３．０（ｐｐｍ／Ｋ））を材料とするシリコングリースが用いられる。
【０００９】
一方、ヒートシンク１８がアルミニウムや銅などの金属製冷却器である場合、その熱膨張係数は金属で構成されるヒートスプレッダ１５の熱膨張係数と近い値となるが、特許文献１に開示されているようにヒートシンク１８が樹脂製冷却器である場合には、その熱膨張係数はヒートスプレッダ１５の熱膨張係数とは大きく異なる値となるため、熱応力が大きくなって、パワー半導体モジュール全体の破損を招くおそれが生じる。
【００１０】
また、ヒートシンク１８が樹脂製冷却器の場合、アルミニウムや銅に比べ熱伝導率が著しく小さいことが知られている。パワー半導体チップ１（特にＩＧＢＴチップ）で発生した熱は、絶縁基板５を通過し、次いでヒートシンク１８の樹脂ブロックへと伝えられ、最後に冷却媒体１７である水へと伝熱される。よって、パワー半導体チップ１で発生した熱は、熱伝導率が著しく小さいヒートシンク１８の樹脂ブロックを経由するので、冷却媒体１７である水に効率良く伝わらなくなる。そして、熱性能が悪くなり、冷却媒体１７の温度がある一定値に定められると、パワー半導体チップ１の温度が上昇してその許容値を越えてしまい、パワー半導体チップ１の破損を招くおそれがある。
【００１１】
特に、特許文献１の構造では、絶縁基板の裏面の金属箔と、樹脂製冷却器の樹脂（またはパッキン）とが接合されているため、熱による応力歪に対して弱く、その接合部の剥離やクラックが生じやすくなる。このとき、樹脂部分から水漏れが発生し、絶縁破壊などにより装置全体を損傷する可能性がある。
【００１２】
また、特許文献２の冷却方法では、ヒートシンク（冷却器）の材料についての開示や示唆がなく、樹脂製冷却器を想定していない。
【００１３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述した従来の課題を解決するために、本発明のある形態（ａｓｐｅｃｔ）に係る電力変換装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の主面に形成された配線パターンと、前記配線パターン上に接合されたパワー半導体チップと、前記絶縁基板の他方の主面側に設けられ、前記パワー半導体チップが発生する熱を冷却媒体により持ち去るようにして該パワー半導体チップを冷却する樹脂製冷却器と、前記絶縁基板の他方の主面と前記樹脂製冷却器との間に設けられ、前記パワー半導体チップの発熱により該パワー半導体チップに生じる熱応力を緩和する応力緩和層と、を備えるものである。
【００１５】
この構成によれば、絶縁基板の他方の主面と樹脂製冷却器との間に応力緩和層が介在するので、パワー半導体チップが発熱した場合、当該パワー半導体チップに生じる熱応力が緩和されて当該パワー半導体チップが破損することが防止される。これにより、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
【００１６】
前記電力変換装置において、前記樹脂製冷却器は、上面が開放され、且つ前記冷却媒体の入口及び出口が設けられた容器状に形成され、前記応力緩和層は、前記樹脂製冷却器の開放された上面を塞ぐように設けられ、且つ前記樹脂製冷却器の内部空間には、前記応力緩和層に向けて前記冷却媒体を噴出する噴出孔が設けられ、当該噴出孔は、前記パワー半導体チップの下方に配置されている、としてもよい。
【００１７】
この構成によれば、冷却媒体の流速を噴出孔を介して局所的に高めることで樹脂製冷却器の内部を乱流状態とし、パワー半導体チップから冷却媒体への熱抵抗を下げることができ、樹脂の欠点である熱伝導率の低さを克服できる。また、パワー半導体チップの下方に噴出孔が配設されることによって、絶縁基板上で主に発熱する箇所であるパワー半導体チップを局所的に冷却できるので、絶縁基板の水平方向の面の温度分布が平坦となり、絶縁基板の熱応力の歪を少なくすることができる。
【００１８】
前記電力変換装置において、前記樹脂製冷却器の噴出孔の位置に対応した前記応力緩和層の位置に貫通孔が形成されている、としてもよい。
【００１９】
この構成によれば、応力緩和層の貫通孔を介して絶縁基板に対して冷却媒体を直接的に衝突させることが可能となり、発熱源であるパワー半導体チップの直下を効率良く冷却することができる。
【００２０】
前記電力変換装置において、前記応力緩和層の熱膨張係数は、前記絶縁基板の熱膨張係数と、前記樹脂製冷却器の熱膨張係数との間の中間の値である、としてもよい。
【００２１】
この構成によれば、パワー半導体チップが、自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に生じる熱応力を適切に緩和させることができる。
【００２２】
前記電力変換装置において、前記応力緩和層の弾性率は、前記絶縁基板の弾性率と、前記樹脂製冷却器の弾性率との間の中間の値である、としてもよい。
【００２３】
この構成によれば、パワー半導体チップが、自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に生じる熱応力を適切に緩和させることができる。
【００２４】
前記電力変換装置において、前記絶縁基板上に接合されたキャパシタを更に備える、としてもよい。
【００２５】
この構成によれば、キャパシタが、自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に生じる熱応力を適切に緩和させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態３における樹脂製冷却器の水平方向の断面図の一例を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態３における応力緩和層の水平方向の断面図の一例を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態３における応力緩和層の水平方向の断面図のその他の一例を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【図９】一般的な電力変換装置の適用例としてモータ駆動システムのインバータの回路構成を示した図である。
【図１０】従来の電力変換装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２９】
また、説明の簡素化のために、以下の全ての実施の形態を通して、電力変換装置は図９に示したモータ駆動システムのインバータであるとする。しかしながら、電力変換装置の負荷は、三相の交流モータに何ら限定されるものではない。つまり電力変換装置は、モータ駆動システム以外の負荷駆動システムに用いられてもよい。また、電力変換装置はインバータの形態の他に、コンバータやマトリクスコンバータなどの形態であってもよい。さらに、以下に示す実施の形態や変形例は、単なる好適例に過ぎず、これらに限定されず、適宜好適に組み合わせることも可能である。さらに、以下の説明の中で参照される各図は、本発明が理解できる程度に構成要素の配置関係を概略的に示したに過ぎず、従って、本発明は各図に示された例に限定されるものではない。また、図を分かり易くするために、各図において周知な事項として一部省略した部分がある。また、以下の図では、説明の便宜上、図の上下方向を電力変換装置の上下方向としたが、電力変換装置自体には方向性はない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【００３０】
図１に示す電力変換装置は、絶縁基板５と、絶縁基板５の一方の主面（表面）に形成された銅などを材料とする配線パターン４と、配線パターン４上に半田接合部３を介して実装されたパワー半導体チップ１と、絶縁基板５の他方の主面（裏面）側に設けられ、パワー半導体チップ１の発熱を冷却媒体８を介して持ち去って（吸収して）パワー半導体チップ１を冷却させる樹脂製冷却器７と、絶縁基板５の他方の主面と樹脂製冷却器７との間に設けられ、パワー半導体チップ１の発熱により生じた熱応力を緩和させる応力緩和層６と、を備える。樹脂製冷却器７は、冷却媒体８の入口及び出口が設けられた閉じた容器状となるように樹脂材料で形成されている。そして、樹脂製冷却器７の上面に接触して応力緩和層６が形成されている。つまり、応力緩和層６を除けば、パワー半導体チップ１が実装された絶縁基板５を含むパワー半導体モジュールの底面に冷却器が一体成形されており、当該パワー半導体モジュールの熱を冷却媒体の流れに直接接触させるようにした、所謂直接冷却型パワーモジュールの構造を呈している。冷却媒体８は、特に限定されないが、例えば水や圧縮空気が例示される。なお、冷却媒体８が水の場合には、所謂直接水冷型の構造となるように樹脂製冷却器７に対して水冷部材（ラジエータ、循環用ポンプ、冷却水タンク等）が具備される。一方、冷却媒体８が圧縮空気の場合には、所謂強制空冷型の構造となるように樹脂製冷却器７に対して空冷部材（圧縮機、ファン等）が具備される。
【００３１】
樹脂製冷却器７の内部には、例えば、図１の矢印に沿った一方向に冷却媒体８が流れ続ける層流の経路が形成されており、モータ負荷駆動時のスイッチング動作によって発生するパワー半導体チップ１の熱を持ち去って（吸収して）当該パワー半導体チップ１を冷却することができる。例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などでは、パワー半導体チップ１を冷却するため、電動ウォーターポンプにより冷却媒体８を循環させ、冷却媒体８に吸収された熱をラジエータにより大気に放熱するような動作が繰り返し行われる。
【００３２】
以上の構造によれば、従来のアルミニウムや銅などを材料とする金属製冷却器と比べると、樹脂製冷却器７を採用したことに伴って電力変換装置の軽量化や小型化が可能となっている。但し、金属の熱伝導率（アルミニウム：２２２（Ｗ／ｍＫ）、銅：３９４（Ｗ／ｍＫ））に比べると、樹脂の熱伝導率は１（Ｗ／ｍＫ）以下と低く、パワー半導体チップ１から冷却媒体８までの熱抵抗が極端に高くなるため、図１０に示すような従来の構造においてヒートシンク１８を樹脂製冷却器７に単に置き換えただけでは、パワー半導体チップ１を効率良く冷却することはできない。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、パワー半導体チップ１から冷却媒体８への熱抵抗の低減化を図るために、図１０に示すような銅を材料とするヒートスプレッダ１５やシリコンを材料とする熱伝導グリース１６を省略している。詳述すると、本実施の形態では、絶縁基板５の裏面に通常接合される、図１０に示すような配線パターン４、半田接合部、ヒートスプレッダ１５、熱伝導グリース１６を省略している。その代わりに、絶縁基板５の裏面には、パワー半導体チップ１の発熱や使用環境の温度変化により生じた熱応力を緩和させる応力緩和層６が直接的に接合されている。これにより、パワー半導体チップ１から冷却媒体８への熱抵抗の低減化が図られ、冷却効率を向上することができる。
【００３４】
パワー半導体チップ１がモータ負荷駆動時に自らが発する熱による温度変化や、使用環境の温度変化に曝される度に、パワー半導体チップ１に熱応力が発生し、その熱応力により電力変換装置の各材料が疲労し、やがて電力変換装置の各接合部の剥離、クラック発生、又は素子の破壊などが起こり得る。このため、電力変換装置の各接合部の熱膨張係数は互いにできるだけ近い値に設計される必要があるが、樹脂製冷却器７を採用した場合には、その熱膨張係数が金属の熱膨張係数とは大きく異なるため、パワー半導体チップ１において生じた熱応力がさらに大きくなり、装置全体の破損を招く恐れが生じる。
【００３５】
そこで、絶縁基板５と樹脂製冷却器７との間に設けられる応力緩和層６の熱膨張係数は、絶縁基板５の熱膨張係数と、樹脂製冷却器７の熱膨張係数との中間の値に設計されている。これにより、パワー半導体チップ１において生じた熱応力を適切に緩和することができ、電力変換装置の信頼性を高め、その寿命を長くすることができる。
【００３６】
また、応力緩和層６に求められる条件としては、熱膨張係数の他に、弾性率を挙げることができる。具体的には、応力緩和層６の弾性率は、絶縁基板５の弾性率と、樹脂製冷却器７の弾性率との間の中間の値に設計されている。これにより、上記の熱膨張係数の設計と同様に、熱応力を適切に緩和することが可能となる。なお、応力緩和層６の弾性率は、他の絶縁基板５や樹脂製冷却器７の弾性率よりも大きくしても、パワー半導体チップ１において生じた熱応力を緩和できる場合がある。
【００３７】
上記のような熱膨張係数並びに弾性率の関係を実現するような、樹脂製冷却器７の樹脂材料、応力緩和層６の樹脂材料、及び絶縁基板５の材料の例を以下に挙げる。
【００３８】
（ａ）樹脂製冷却器７の樹脂材料の例
・ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ；Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）
熱伝導率：０．２９（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３．９６（ＧＰａ）
熱膨張係数：５０．４（ｐｐｍ／Ｋ）
・ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ；Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）
熱伝導率：０．２７（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：２．４（ＧＰａ）
熱膨張係数：１４５（ｐｐｍ／Ｋ）
・エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）樹脂
熱伝導率：０．２１（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３．０（ＧＰａ）
熱膨張係数：６０（ｐｐｍ／Ｋ）（参考値）
（ｂ）応力緩和層６の樹脂材料の例
・ＰＰＳ＋ガラス繊維（ＧＦ；Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ）＋無機フィラー（酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素）。「＋」とは混合を意味する。
【００３９】
弾性率：１８．５（ＧＰａ）
熱膨張係数：１８（ｐｐｍ／Ｋ）
・ＰＰＳ＋ＧＦ
弾性率：１２（ＧＰａ）
熱膨張係数：３０（ｐｐｍ／Ｋ）
・エポキシ樹脂＋ＧＦ
熱膨張係数：１１−３５（ｐｐｍ／Ｋ）（参考値）
（ｃ）絶縁基板５の材料の例
・酸化アルミニウム
熱伝導率：２０．９（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３６０（ＧＰａ）
熱膨張係数：７．１（ｐｐｍ／Ｋ）
・窒化アルミニウム
熱伝導率：１７０（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３１０（ＧＰａ）
熱膨張係数：４．６（ｐｐｍ／Ｋ）
・窒化珪素
熱伝導率：７０（Ｗ／ｍＫ）
弾性率：３１０（ＧＰａ）
熱膨張係数：３．４（ｐｐｍ／Ｋ）
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。
【００４０】
実施の形態２では、応力緩和層６から冷却媒体８への熱抵抗を下げるため、図２の矢印に沿う一方向に冷却媒体８を強制的に流す所謂強制対流方式のみならず、樹脂製冷却器７からパワー半導体チップ１に向かう垂直方向の噴流として、冷却媒体８を応力緩和層６に向けて直接的に噴出させる所謂衝突噴流方式を採用している。具体的には、樹脂製冷却器７は、上面が開放され、且つ冷却媒体の入口及び出口が設けられた容器状に形成されている。そして、この樹脂製冷却器７の開放された上面を塞ぐようにそして応力緩和層６が設けられている。
【００４１】
樹脂製冷却器７の内部空間には、当該樹脂製冷却器７の高さ方向の中央部に仕切り部７０が設けられ、仕切り部７０において冷却媒体８を噴出するための噴出孔７１が複数設けられている。なお、噴出孔７１は、パワー半導体チップ１の下方に配置されるようにしている。これにより、冷却媒体８の流速を局所的に高めることで樹脂製冷却器７の内部を乱流状態とし、パワー半導体チップ１から冷却媒体８への熱抵抗を下げている。一般的に、層流よりも熱を拡散しやすい乱流的な流れの方が冷却効率が高いからである。この結果、樹脂の欠点である熱伝導率の低さを克服することが可能となる。
【００４２】
また、図２の矢印に沿う一方向に冷却媒体８を流す強制対流方式だけでは、応力緩和層６上の絶縁基板５の面が均一に冷却されるので、絶縁基板５上で主に発熱する箇所であるパワー半導体チップ１の下方を集中的に冷却することができない。したがって、絶縁基板５の水平方向の面の温度分布が平坦とならず、絶縁基板５の熱応力による歪が生じ易くなる。これに対し、パワー半導体チップ１の下方（実装面側）に噴出孔７１が配設されることによって、絶縁基板５上で主に発熱する個所であるパワー半導体チップ１の下方が局所的に冷却できるので、絶縁基板５の水平方向の温度分布が平坦となり、絶縁基板５の熱応力の歪を少なくすることができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。応力緩和層６に貫通孔６１が設けられている以外は、図２に示す断面構造と同じである。ここで、図３における噴出孔７１付近の樹脂製冷却器７の水平方向のＡ−Ａ’線断面図の一例を図４に示す。また、図３における応力緩和層６の水平方向のＢ−Ｂ’線断面図の一例を図５に示す。
【００４３】
まず、図４に示す樹脂製冷却器７のＡ−Ａ’線断面図において、ＩＧＢＴチップの位置（投影図）を１０と表し、ＦＷＤチップの位置（投影図）を１１と表すものとする。ここで、図４は３相インバータの場合におけるチップレイアウトを表している。３相インバータの場合、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップがそれぞれ少なくとも６個必要であり、図４のチップレイアウトによれば、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップのペアが２×３の配列となるように配置されている。また、図４のチップレイアウトによれば、冷却媒体８を噴出するため噴出孔７１は、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップの直下に設けられており、また、チップ１個あたり計４個の噴出孔７１が設けられている。つまり、噴出孔７１の個数は計４８個である。
【００４４】
つぎに、図５に示す応力緩和層６のＢ−Ｂ’線の断面図において、図４と同様に、ＩＧＢＴチップの位置（投影図）を１０と表し、ＦＷＤチップの位置（投影図）を１１と表すものとする。図５のチップレイアウトによれば、樹脂製冷却器７の噴出孔７１の位置に対応した応力緩和層６の位置に貫通孔６１が形成されている。つまり、樹脂製冷却器７の噴出孔７１と応力緩和層６の貫通孔６１とは一対一に対応付られており、貫通孔６１の個数は計４８個である。
【００４５】
以上のような構成を採用することで、樹脂製冷却器７の高さ方向で下方位置に設けられたパイプ（入口）から冷却媒体８が樹脂製冷却器７の内部に流れ込み、計４８個の噴出孔７１を通過した後、応力緩和層６に設けられた計４８個の貫通孔６１へと流れ込むこととなる。この結果、絶縁基板５に対して冷却媒体８を直接的に衝突させることが可能となり、絶縁基板５上で主に発熱する箇所であるＩＧＢＴチップやＦＷＤチップを局所的に冷却できるため、絶縁基板５の水平方向の温度分布が平坦となり、絶縁基板５の熱応力の歪が少なくなる。
【００４６】
また、応力緩和層６において局所的に貫通孔６１が設けられることで、パワー半導体チップ１から樹脂製冷却器７までの熱抵抗が下げられて、装置全体の放熱性能を向上させることができる。
【００４７】
また、応力緩和層６において貫通孔６１が設けられることで、弾性率の条件を緩和することが可能となり、応力緩和層６の応力設計の自由度が向上する。
【００４８】
また、応力緩和層６が設けられない従来の構成と比較して、応力緩和層６の材料設計と形状の最適化によって、熱性能は維持しつつ、はがれ発生の危険性を低下させるとともに、電力変換装置の信頼性の要件を満たすことが可能となる。
【００４９】
また、窒化アルミニウムなどの絶縁基板５としては、一般的に、低コスト化かつ熱抵抗を下げる目的のため、１ｍｍ以下の薄い基板が使用されている。そこで、薄い絶縁基板５の裏面に応力緩和層６を接合させることで、絶縁基板５の強度を上げることができる。
【００５０】
図６は、図３における応力緩和層６の水平方向のＢ−Ｂ’線断面図のその他の一例を示した図である。図５のチップレイアウトと相違する点は、応力緩和層６におけるＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップの位置に対応する個所に、ＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップの数に相当する数だけ貫通孔６２が設けられている点である。つまり、図５のチップレイアウトのように、樹脂製冷却器７の噴出孔７１と応力緩和層６の貫通孔６２とが一対一に対応付られるのではなく、応力緩和層６の貫通孔６２とＩＧＢＴチップ及びＦＷＤチップとが一対一に対応付られており、この場合、貫通孔６２の個数は計１２個である。以上の構成によっても、図５のチップレイアウトと同様の効果を奏することとなる。
【００５１】
また、図５では応力緩和層６に円形状の貫通孔６１が形成され、図６では応力緩和層６に四角形状の貫通孔６２が形成されているが、応力緩和層６に設けられる貫通孔の形状は、応力緩和層６の材料設計と形状最適化によって、熱性能を維持しつつ、はがれ発生の危険性を低下させて、信頼性の要件を満たすことが可能であれば、これらの形状に限定されない。
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の断面構造の一例を示した図である。図７に示す電力変換装置は、図２の電力変換装置の構造における絶縁基板５上に平滑用キャパシタ２を実装したものである。
【００５２】
モータ負荷駆動時のインバータのスイッチング動作によって、平滑用キャパシタ２に電流が流れ、平滑用キャパシタ２の持つ抵抗成分において発熱が生じる。平滑用キャパシタ２は自らが発する熱による温度変化あるいは使用環境の温度変化に曝される度に、平滑用キャパシタ２には熱応力が発生し、その熱応力により各材料が疲労し、ひいては各接合部の剥離、クラック発生、又は素子の破壊などが起こり得る。
【００５３】
なお、平滑用キャパシタ２を冷却する方式としては、電力変換装置内部の空気を利用した自然空冷が一般的である。但し、電力変換装置に占める平滑用キャパシタ２の体積割合が高いため、上記の実施の形態を採用することで冷却効率を上げ、これにより平滑用キャパシタ２の小型化を図るようにした。
【００５４】
具体的には、図２の電力変換装置の構造における絶縁基板５上に平滑用キャパシタ２が実装される。したがって、パワー半導体チップ１と同様に、平滑用キャパシタ２が発熱することにより生じる熱応力を、絶縁基板５と樹脂製冷却器７との間に設けられた応力緩和層６によって緩和できる。なお、応力緩和層６の熱膨張係数や弾性率の条件は上記のとおりである。
【００５５】
さらに、平滑用キャパシタ２の下方に樹脂製冷却器７の噴出孔７１が配置されることで、絶縁基板５上でパワー半導体チップ１とともに主に発熱する箇所である平滑用キャパシタ２を局所的に冷却できるため、絶縁基板５の水平方向の面の温度分布が平坦となるため、絶縁基板５の熱応力の歪を少なくすることができる。
【００５６】
なお、図７に示す電力変換装置の構造の他に、図３に示す電力変換装置の構造と同様に、平滑用キャパシタ２の下方であり、かつ樹脂製冷却器７の噴出孔７１の位置に対応した応力緩和層６の位置に貫通孔６１が形成されてもよい。これにより、絶縁基板５に対して冷却媒体８を直接的に衝突させることが可能となり、パワー半導体チップ１とともに絶縁基板５上の主な発熱箇所である平滑用キャパシタ２の直下を効率良く冷却することができる。また、図５に示す円形状の貫通孔６１の他に、図６に示す四角形状の貫通孔６２を採用してもよい。
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の断面構成の一例を示した図である。図７の電力変換装置の構造と相違する点は、平滑用キャパシタ２を樹脂製冷却器７と同じ樹脂材料の樹脂で被覆された状態で実装した点と、絶縁基板５と樹脂製冷却器７とを接合させる部分のみに応力緩和層６が設けられた点とである。このような構造によっても、パワー半導体チップ１及び平滑用キャパシタ２において生じる熱応力が和らぎ、電力変換装置の信頼性を高め、その寿命を長くすることができる。
【００５７】
また、パワー半導体チップ１内に集積化されたパワー半導体素子が高速のスイッチング動作を繰り返しているため、パワー半導体素子が電気的に繋がっている高電位側電源部とグランドとの間の浮遊容量を介して、ノイズ電流が流れる。金属製冷却器を採用した場合は、通常、金属製冷却器の電位はグランド電位と同電位となるため、高電位側電源部と金属製冷却器との間の浮遊容量を介してノイズ電流が流れる。一方、樹脂製冷却器を採用した場合は、高電位側電源部とグランドに相当する電位と間を物理的に離したことと同じ意味となるため、浮遊容量が低減されてノイズ電流が減り、電力変換装置の信頼性をさらに高める効果も奏する。
【００５８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、樹脂製冷却器を具備した電力変換装置として有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・パワー半導体チップ
２・・・平滑用キャパシタ
３・・・半田接合部
４・・・配線パターン
５・・・絶縁基板
６・・・応力緩和層
６１・・・貫通孔
７・・・樹脂製冷却器
７０・・・仕切り部
７１・・・噴出孔
８，１７・・・冷却媒体
１０・・・ＩＧＢＴチップ
１１・・・ＦＷＤチップ
１８・・・ヒートシンク
２１・・・パワー半導体モジュール
２２・・・直流電源
２３・・・モータ負荷
Ｑ１〜Ｑ６・・・ＩＧＢＴチップ
Ｄ１〜Ｄ６・・・ＦＷＤチップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の主面に形成された配線パターンと、
前記配線パターン上に接合されたパワー半導体チップと、
前記絶縁基板の他方の主面側に設けられ、前記パワー半導体チップが発生する熱を冷却媒体により持ち去るようにして該パワー半導体チップを冷却する樹脂製冷却器と、
前記絶縁基板の他方の主面と前記樹脂製冷却器との間に設けられ、前記パワー半導体チップの発熱により該パワー半導体チップに生じる熱応力を緩和する応力緩和層と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記樹脂製冷却器は、上面が開放され、且つ前記冷却媒体の入口及び出口が設けられた容器状に形成され、
前記応力緩和層は、前記樹脂製冷却器の開放された上面を塞ぐように設けられ、且つ
前記樹脂製冷却器の内部空間には、前記応力緩和層に向けて前記冷却媒体を噴出する噴出孔が設けられ、当該噴出孔は、前記パワー半導体チップの下方に配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記樹脂製冷却器の噴出孔の位置に対応した前記応力緩和層の位置に貫通孔が形成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記応力緩和層の熱膨張係数は、前記絶縁基板の熱膨張係数と、前記樹脂製冷却器の熱膨張係数との間の中間の値である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記応力緩和層の弾性率は、前記絶縁基板の弾性率と、前記樹脂製冷却器の弾性率との間の中間の値である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記絶縁基板上に接合されたキャパシタを更に備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の主面に形成された配線パターンと、
前記配線パターン上に接合されたパワー半導体チップと、
前記絶縁基板の他方の主面側に設けられ、前記パワー半導体チップが発生する熱を冷却媒体により持ち去るようにして該パワー半導体チップを冷却する樹脂製冷却器と、
前記絶縁基板の他方の主面と前記樹脂製冷却器との間に設けられ、前記パワー半導体チップの発熱により該パワー半導体チップに生じる熱応力を緩和する応力緩和層と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記樹脂製冷却器は、上面が開放され、且つ前記冷却媒体の入口及び出口が設けられた容器状に形成され、
前記応力緩和層は、前記樹脂製冷却器の開放された上面を塞ぐように設けられ、且つ
前記樹脂製冷却器の内部空間には、前記応力緩和層に向けて前記冷却媒体を噴出する噴出孔が設けられ、当該噴出孔は、前記パワー半導体チップの下方に配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記樹脂製冷却器の噴出孔の位置に対応した前記応力緩和層の位置に貫通孔が形成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記応力緩和層の熱膨張係数は、前記絶縁基板の熱膨張係数と、前記樹脂製冷却器の熱膨張係数との間の中間の値である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記応力緩和層の弾性率は、前記絶縁基板の弾性率と、前記樹脂製冷却器の弾性率との間の中間の値である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記絶縁基板上に接合されたキャパシタを更に備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−８４８００（Ｐ２０１３−８４８００Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４０３７（Ｐ２０１１−２２４０３７）
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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