CN102414816A - 功率模块及电力转换装置 - Google Patents

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斋藤隆一
佐藤俊也
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Abstract

本发明提供一种功率模块及电力转换装置。本发明涉及的功率模块具备：通过开关动作将直流电流转换成交流电流的半导体元件；与半导体元件电连接，且在一个主面上配置半导体元件的电配线板；配置在电配线板的另一个主面侧的树脂绝缘层；配置在隔着树脂绝缘层而与电配线板相反的一侧，且与树脂绝缘层接合的第一绝缘层；配置在隔着第一绝缘层而与树脂绝缘层相反的一侧，确保半导体元件的电绝缘的第二绝缘层；配置在隔着第二绝缘层而与第一绝缘层相反的一侧，将半导体元件产生的热量经由电配线板、树脂绝缘层、第一绝缘层及第二绝缘层散出的金属制散热构件。

Description

功率模块及电力转换装置
技术领域
本发明涉及内置逆变器电路的功率模块、及具备该功率模块的电力转换装置。
背景技术
专利文献1至3公开了现有的两面冷却型功率模块的结构，其中，在内置的功率半导体元件的形成有电极的一个主面上配置电配线、绝缘层和冷却器，在另一个主面上也同样配置电配线、绝缘层和冷却器。另外，在上述冷却器中，在与功率半导体元件的配置面相反侧的面上形成有散热基体和散热片，冷却器在内部空间被树脂材料料密封的状态下被插入及浸渍在形成有冷却水路的水路框体中，从而使冷却介质与该散热片直接接触，将功率半导体的产生热从上述的两主面经由冷却器散出，由此提高冷却性能和生产率。
专利文献1公开了如下述的功率模块，其中，在功率半导体的一个主面上配置电配线、绝缘层和冷却器而从单面散热的单面冷却型功率模块中，电配线与冷却器通过绝缘性粘接剂粘接，且在绝缘性粘接剂与冷却器的界面处形成无机绝缘层，通过绝缘性粘接剂和无机绝缘层这两种绝缘材料来提高绝缘性能。
在现有的电力转换装置中，安装在功率模块的冷却器上部的功率半导体发热，因此需要构成为在冷却器上设置散热基体及散热片部，直接使冷却介质向散热片部流动来进行冷却的结构。然而，随着电动机动车等的普及，需要进一步的高输出化和电力转换装置的小形化。为了实现高输出化和小形化，需要提高冷却性能，使用大的功率半导体来扩大冷却面且降低热阻。功率半导体的大型化能够增大散热面积且降低对冷却介质的热阻，但随着功率半导体的大型化，电力转换装置变得大型化，同时生产率也恶化。作为提高生产率的方法，已知有将绝缘材料从目前使用的陶瓷变更成粘接性的树脂绝缘材料而省略钎焊工序的方式。然而，就树脂绝缘材料来说，这种原材料自身的绝缘性能比陶瓷差，与冷却器的粘接性或来自外界的冷却介质或水分的浸透对绝缘性能产生影响，因此在要求高可靠性的车载领域中成为课题。
在专利文献1至3所公开的结构中，各绝缘层通过以树脂材料料为代表的有机系的绝缘材料而形成电配线与冷却器之间，存在因与使用环境的温度变化相比的机械应力和其它复合应力所引起的绝缘劣化的课题。
在专利文献4所公开的结构中，功率半导体的散热面仅为一面，存在冷却性能低的课题。另外，也没有关于内部电子部件相对于冷却介质的密封的记载。若冷却介质浸透，则绝缘性粘接剂的粘接力或绝缘性粘接剂及无机绝缘层自身的绝缘性能劣化，其结果是，无法维持绝缘基板的绝缘性能。这在要求高可靠性的车载领域中成为课题。绝缘性粘接剂对于以树脂为代表的有机材料来说尤为重要。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-57212号公报
专利文献2：日本特开2007-53295号公报
专利文献3：日本特开2008-193867号公报
专利文献4：日本特开2005-159048号公报
发明内容
本发明所要解决的课题在于，提高功率模块及具备该功率模块的电力转换装置的绝缘可靠性。
本发明的第一方面涉及的功率模块具备：通过开关动作将直流电流转换成交流电流的半导体元件；与半导体元件电连接，且在一个主面上配置半导体元件的电配线板；配置在电配线板的另一个主面侧的树脂绝缘层；配置在隔着树脂绝缘层而与电配线板相反的一侧，且与树脂绝缘层接合的第一绝缘层；配置在隔着第一绝缘层而与树脂绝缘层相反的一侧，确保半导体元件的电绝缘的第二绝缘层；配置在隔着第二绝缘层而与第一绝缘层相反的一侧，将半导体元件产生的热量经由电配线板、树脂绝缘层、第一绝缘层及第二绝缘层散出的金属制散热构件。
本发明的第二方面以第一方面的功率模块为基础，优选第二绝缘层的膜厚形成得比第一绝缘层的膜厚大。
本发明的第三方面以第一方面或第二方面的功率模块为基础，优选金属制散热构件由铝合金形成，第一绝缘层通过对金属制散热构件实施无机酸系的氧化铝处理而形成在金属制散热构件上，第二绝缘层通过对金属制散热构件实施有机酸系的氧化铝处理而形成在金属制散热构件上。
本发明的第四方面以第二方面或第三方面的功率模块为基础，优选对第二绝缘层实施的氧化铝处理为磷酸或草酸氧化铝处理。
本发明的第五方面涉及的功率模块具备：通过开关动作将直流电流转换成交流电流的半导体元件；与位于半导体元件的一侧的主电极对置配置，且与半导体元件电连接的第一电配线板；与位于半导体元件的另一侧的主电极对置配置，且与半导体元件电连接的第二电配线板；隔着第一电配线板或第二电配线板分别配置在半导体元件的两侧的树脂绝缘层；隔着树脂绝缘层而实施了用于与树脂绝缘层接合的氧化铝处理的第一绝缘层；隔着第一绝缘层而用于确保半导体元件的电绝缘的第二绝缘层；分别配置在半导体元件的两侧，将半导体元件产生的热量经由第一电配线板或第二电配线板、树脂绝缘层、第一绝缘层、及第二绝缘层散出的金属制散热构件。
本发明的第六方面以第五方面的功率模块为基础，优选金属制散热构件由铝合金形成，第一绝缘层通过对金属制散热构件实施无机酸系的氧化铝处理而形成在金属制散热构件上，第二绝缘层通过对金属制散热构件实施有机酸系的氧化铝处理而形成在金属制散热构件上。
本发明的第七方面涉及的功率模块具备：通过开关动作将直流电流转换成交流电流的半导体元件；与位于半导体元件的一侧的主电极对置配置，且与半导体元件电连接的第一电配线板；与位于半导体元件的另一侧的主电极对置配置，且与半导体元件电连接的第二电配线板；以使第一电配线板及第二电配线板的不与半导体元件对置的面的一部分露出的方式将半导体元件、第一电配线板和第二电配线板密封的树脂密封材料；具有供由树脂密封材料密封了的半导体元件、第一电配线板和第二电配线板插入的开口的金属制壳体；插入到第一电配线板及第二电配线板的露出面与金属制壳体的内壁之间的绝缘片，金属制壳体在绝缘片与金属制壳体的对置面上形成用于与绝缘片接合的第一绝缘层，且在隔着第一绝缘层而与绝缘片相反的一侧形成第二绝缘层。
本发明的第八方面以第七方面的功率模块为基础，优选金属制壳体由铝合金形成，第一绝缘层通过对金属制壳体实施无机酸系的氧化铝处理而形成在金属制壳体上，第二绝缘层通过对金属制壳体实施有机酸系的氧化铝处理而形成在金属制壳体上。
本发明的第九方面以第一方面的功率模块为基础，优选电配线板由Cu合金形成，与树脂绝缘层对置的主面被实施粗化处理或黑化处理等氧化处理。
本发明的第十方面以第五方面的功率模块为基础，优选第一电配线板及第二电配线板由Cu合金形成，与树脂绝缘层对置的主面被实施粗化处理或黑化处理等氧化处理。
本发明的第十一方面以第七方面的功率模块为基础，优选第一电配线板及第二电配线板由Cu合金形成，与树脂绝缘层对置的主面被实施粗化处理或黑化处理等氧化处理。
发明效果
根据本发明，能够提高功率模块及具备该功率模块的电力转换装置的绝缘可靠性。
附图说明
图1是表示混合动力机动车的控制块的图。
图2是说明电力转换装置200的电路结构的图。
图3(a)是本发明的实施方式涉及的功率模块300的剖视图，(b)是本发明的实施方式涉及的功率模块300的外观立体图。
图4(a)是本发明的实施方式涉及的功率模块300的分解剖视图。
图4(b)是本发明的实施方式涉及的功率模块300的分解立体图。
图4(c)是说明本发明的实施方式涉及的功率模块300的开关元件的配置及电流的流动的分解立体图。
图4(d)是本发明的实施方式涉及的功率模块300中内置的上下臂串联电路的简图。
图5(a)是本发明的实施方式涉及的功率模块300的分解剖视图，(b)是(a)的部分B的放大图，是包括绝缘片333与各电配线板的粘接界面、及绝缘片333与罐型冷却器304的内部平面308的粘接界面的详细剖视图，(c)是(b)的部分C的放大图，是包括绝缘片333与各电配线板的粘接界面、及绝缘片333与罐型冷却器304的内部平面308的粘接界面的详细剖视图。
图6是表示有机酸系氧化铝层601B的厚度与绝缘耐压的关系的实测数据的图。
图7是表示从绝缘片333至有机酸系氧化铝层601B为止的绝缘耐压的实测数据的图。
图8是说明将具备绝缘片333的模块一次密封体300A与罐型冷却器304粘接的热压接工序的图。
图9是详细说明图8(3)所示的、真空高温下的绝缘片333与罐型冷却器304的内部平面308的粘接工序的图。
图10是说明将功率模块300向框体12组装的工序的图。
图11(a)是其它实施例涉及的功率模块300的剖视图，(b)是其它实施例涉及的功率模块300的分解剖视图。
图12(a)至(d)是功率模块300中的铝绝缘板340与各电配线板及罐型冷却器304的粘接界面的详细剖视图。
图13是表示本发明的实施方式涉及的电力转换装置200的外观立体图。
图14是本发明的实施方式涉及的电力转换装置的剖视图。
图15是在具有冷却套19A的框体12的铝铸件上安装有冷却水入口配管和出口配管的剖视立体图。
图16(a)是其它实施例涉及的功率模块300的剖视图，(b)是其它实施例涉及的功率模块300的组装时的剖视图。
图17(a)是其它实施例涉及的功率模块300的剖视图，(b)是其它实施例涉及的功率模块300的组装时的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式涉及的两面冷却型功率模块和使用了该两面冷却型功率模块的电力转换装置详细地进行说明。本发明的实施方式涉及的电力转换装置能够适用于混合动力用的机动车或纯粹的电动机动车。
这里，使用图1和图2，对作为代表例的将本发明的实施方式涉及的电力转换装置适用于混合动力机动车的情况下的控制结构和电力转换装置的电路结构进行说明。
在本发明的实施方式涉及的两面冷却型功率模块和使用了该两面冷却型功率模块的电力转换装置中，例举了搭载在机动车中的车载电机系统的车载用电力转换装置、尤其是用于车辆驱动用电机系统中的搭载环境或动作环境等非常严格的车辆驱动用逆变器装置来进行说明。车辆驱动用逆变器装置作为控制车辆驱动用电动机的驱动的控制装置而配置在车辆驱动用电机系统中，将从构成车载电源的车载蓄电池或车载发电装置供给的直流电转换成规定的交流电，并将获得的交流电向车辆驱动用电动机供给来控制车辆驱动用电动机的驱动。另外，车辆驱动用电动机还具有作为发电机的功能，因此车辆驱动用逆变器装置还具有根据运转模式而将车辆驱动用电动机所产生的交流电转换成直流电的功能。转换后的直流电被向车载蓄电池供给。
需要说明的是，本实施方式的结构最适用作机动车或卡车等的车辆驱动用电力转换装置，但对这以外的电力转换装置也可以适用。例如，可以适用作电车或船舶、飞机等的电力转换装置、或者作为驱动工厂的设备的电动机的控制装置而使用的工业用电力转换装置、或者家庭的太阳能发电系统或驱动家庭的电气化制品的电动机的控制装置中使用的家庭用电力转换装置。
实施例1
图1是表示混合动力机动车的控制块的图。在图1中，混合动力电动机动车(以下记为“HEV”)110为一个电动车辆，具备两个车辆驱动用系统。其中一个驱动用系统是以作为内燃机的发动机120为动力源的发动机系统。发动机系统主要用作HEV110的驱动源。另一个驱动用系统是以电动发电机MG1 192、MG2 194为动力源的车载电机系统。车载电机系统主要用作HEV110的驱动源及HEV110的电力产生源。电动发电机MG1192、MG2 194例如为同步机或感应机，根据运转方法不同而作为电动机或发电机动作，因此在这里记为电动发电机。
前轮车轴114能够旋转地轴支承在车体的前部。在前轮车轴114的两端设有一对前轮112。后轮车轴(图示省略)能够旋转地轴支承在车体的后部。在后轮车轴的两端设有一对后轮。在本实施方式的HEV中，采用以由动力驱动的主轮为前轮112、且以连带旋转的从轮为后轮的所谓的前轮驱动方式，但反之也可以采用后轮驱动方式。
在前轮车轴114的中央部设有前轮侧差速齿轮(以下记作“前轮侧DEF”)116。前轮车轴114与前轮侧DEF116的输出侧机械地连接。在前轮侧DEF116的输入侧机械地连接变速器118的输出轴。前轮侧DEF116是将被变速器118变速而传递来的旋转驱动力向左右的前轮车轴114分配的差动式动力分配机构。在变速器118的输入侧机械地连接电动发电机192的输出侧。在电动发电机192的输入侧经由动力分配机构122而机械地连接发动机120的输出侧及电动发电机194的输出侧。需要说明的是，电动发电机192、194及动力分配机构122收纳在变速器118的框体的内部。
电动发电机192、194为在转子上配置有永磁铁的同步机，通过逆变器电路部140、142控制向定子的电枢绕组供给的交流电，由此控制电动发电机192、194的驱动。在逆变器电路部140、142连接有蓄电池136，在蓄电池136与逆变器电路部140、142之间能够进行电力的授受。
在本实施方式中，HEV110具备由电动发电机192及逆变器电路部140构成的第一电动发电单元、和由电动发电机194及逆变器电路部142构成的第二电动发电单元这两个电动发电单元，根据运转状态而将它们分开使用。即，在通过来自发动机120的动力来驱动车辆的状沉下，若对车辆的驱动转矩进行辅助，则第二电动发电单元作为发电单元而在发动机120的动力下进行动作来发电，第二电动发电单元发电所获得的电力使第一电动发电单元作为电动单元而动作。另外，在同样的状沉下，若对车辆的车速进行辅助，则第一电动发电单元作为发电单元而在发动机120的动力下进行动作来发电，第一电动发电单元发电所获得的电力使第二电动发电单元作为电动单元而动作。
另外，在本实施方式中，通过蓄电池136的电力来使第一电动发电单元作为电动单元动作，从而能够仅在电动发电机192的动力下进行车辆的驱动。并且，在本实施方式中，第一电动发电单元或第二电动发电单元作为发电单元而在发动机120的动力或来自车轮的动力下进行动作来发电，由此能够进行蓄电池136的充电。
蓄电池136进而还作为用于驱动辅机用的电动机195的电源而使用。作为辅机，已知有例如用于驱动空气调节器的压缩机的电动机、或驱动控制用的液压泵的电动机，从蓄电池136向电力转换装置200供给的直流电被辅机用的变换器43转换成交流的电力，而向电动机195供给。辅机用的变换器43具有与逆变器电路部140、142同样的功能，控制向电动机195供给的交流的相位、频率或电力。例如，通过供给相对于电动机195的转子的旋转超前相位的交流电，由此电动机195产生转矩。另一方面，通过产生滞后相位的交流电，由此电动机195作为发电机而起作用，电动机195成为再生制动状态的运转。这样的辅机用的变换器43的控制功能与逆变器电路部140、142的控制功能同样。电动机195的容量比电动发电机192、194的容量小，因此辅机用的变换器43的最大转换电力比逆变器电路部140、142小，但辅机用的变换器43的电路结构基本上与逆变器电路部140、142的电路结构相同。
逆变器电路部140、142及43与电容器模块500为电密接的关系。并且，需要应对发热这一点是共通的。另外，期望装置的体积尽可能小地制作。基于上述点而在以下详细叙述的电力转换装置200将逆变器电路部140、142及43和电容器模块500内置在电力转换装置200的框体内。通过该结构，可以实现能够减少线束的数目且降低放射噪声等、同时小型且可靠性高的电力转换装置。
另外，通过将逆变器电路部140、142及43和电容器模块500内置在一个框体中，由此在配线的简化或噪声应对中具有效果。另外，能够降低电容器模块500与逆变器电路部140、142及43的连接电路的电感，降低峰值电压，且能够实现发热的降低或散热效率的提高。
接下来，使用图2对电力转换装置200的电路结构进行说明。如图1所示，电力转换装置200具备逆变器电路部140、142、辅机用的转换装置43、电容器模块500。
逆变器电路部140、142通过将两面冷却型的功率模块300多台连接而成，从而构成三相桥式电路。如后所述，各功率模块具备开关用功率半导体元件及其连接配线、或如图3的304那样的具有开口部且除开口面外围成罐状形状的散热基体304(以下称作“罐型冷却器”等。该罐型冷却器304具有与两散热基体连续而由无接缝的同一材质构成的外壁来覆盖对置的散热基体的周围，在外壁的一部分设置开口部，在开口部中收纳功率半导体元件。另外，辅机用的变换器43构成逆变器装置或升压及降压电路。
各逆变器电路部140、142分别被设置在控制部中的两个驱动电路控制驱动。在图2中，将两个驱动电路合起来表示为驱动电路174。各驱动电路被控制电路172控制。控制电路172生成用于控制开关用功率半导体元件的开关时机的开关信号。
逆变器电路部140由三相桥式电路构成，相对于U相(用符号U1表示)、V相(用符号V1表示)、W相(用符号W1表示)分别配置与正极侧连接的上臂电路、与负极侧连接的下臂电路。由上臂电路和下臂电路构成上下臂串联电路。上臂电路具备作为开关用的功率半导体元件的上臂IGBT328(绝缘栅双极型晶体管)和上臂二极管156。下臂电路具备下臂IGBT330和下臂二极管166。各上下臂串联电路通过直流正极端子315、直流负极端子317和交流端子706而与电容器模块500及电动发电机192、194电连接。
IGBT328、330接受从驱动电路174中的一方的驱动电路174A输出的驱动信号而动作，将从蓄电池136供给的直流电转换成三相交流电。该转换后的电力被向电动发电机192的电枢绕组供给。需要说明的是，对于V相及W相而言，省略了符号328、330、156、166的表示。逆变器电路部142的功率模块300与逆变器电路部140的功率模块的结构相同，另外，辅机用的变换器43具有与逆变器电路部142同样的结构，在此省略说明。
在本实施方式中，例示了使用上臂IGBT328、下臂IGBT330作为开关用的功率半导体元件的例子。上臂IGBT328、下臂IGBT330具备集电极、发射电极(信号用发射电极端子)、栅极电极(栅极电极端子)。如图所示，在上臂IGBT328、下臂IGBT330的集电极与发射电极之间电连接有上臂二极管156、下臂二极管166。上臂二极管156、下臂二极管166具备阴极电极及阳极电极这两个电极，阴极电极与上臂IGBT328、下臂IGBT330的集电极电连接，且阳极电极与上臂IGBT328、下臂IGBT330的发射电极电连接，从而使上臂IGBT328、下臂IGBT330的从发射电极朝向集电极的方向成为正向。作为功率半导体元件，也可以使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)，这种情况下不需要上臂二极管156、下臂二极管166。
控制电路172根据来自车辆侧的控制装置或传感器(例如，电流传感器180)等的输入信息而生产用于控制上臂IGBT328、下臂IGBT330的开关时机的时机信号。驱动电路174根据从控制电路172输出的时机信号而生成用于使上臂IGBT328、下臂IGBT330进行开关动作的驱动信号。
控制电路172具备用于对上臂IGBT328、下臂IGBT330的开关时机进行运算处理的微型计算机(以下记为“微机”)。对电动发电机192要求的目标转矩值、从上下臂串联电路向电动发电机192的电枢绕组供给的电流值、及电动发电机192的转子的磁极位置作为输入信息而向微机输入。目标转矩值是基于从未图示的上位的控制装置输出的指令信号的值。电流值是基于从电流传感器180输出的检测信号而检测出的值。磁极位置是基于从设置在电动发电机192上的旋转磁极传感器(未图示)输出的检测信号而检测出的值。在本实施方式中，例举检测三相的电流值的情况来进行说明，但也可以检测二相的电流值。
控制电路172内的微机根据目标转矩值来运算电动发电机192的d、q轴的电流指令值，并根据该运算出的d、q轴的电流指令值与检测出的d、q轴的电流值的差分来运算d、q轴的电压指令值。并且，微机根据检测出的磁极位置将该运算出的d、q轴的电压指令值转换成U相、V相、W相的电压指令值。并且，微机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基本波(正弦波)与载波(三角波)的比较而生成脉冲状的调制波，并将该生成的调制波作为PWM(脉冲宽度调制)信号而向驱动电路174输出。
在驱动下臂时，驱动电路174增大PWM信号，并将增大后的PWM信号作为驱动信号而向对应的下臂IGBT330的栅极电极输出。另一方面，在驱动上臂时，驱动电路174将PWM信号的基准电位的电平移动至上臂的基准电位的电平后增大PWM信号，并将该信号作为驱动信号而分别向对应的上臂IGBT328的栅极电极输出。由此，上臂IGBT328、下臂IGBT330根据输入的驱动信号而进行开关动作。
另外，控制部进行异常检测(过电流、过电压、过温度等)，来保护上下臂串联电路。因此，向控制部输入传感信息。例如，将从各臂的信号用发射电极端子向上臂IGBT328、下臂IGBT330的发射电极流动的电流的信息向对应的驱动电路174输入。由此，驱动电路174进行过电流检测，在检测到过电流时，停止对应的上臂IGBT328、下臂IGBT330的开关动作，保护对应的上臂IGBT328、下臂IGBT330以免受过电流的影响。上下臂串联电路的温度的信息被从设置在上下臂串联电路上的温度传感器(未图示)向微机输入。另外，向微机输入上下臂串联电路的直流正极侧的电压信息。微机根据这些信息来进行过温度检测及过电压检测，在检测到过温度或过电压时停止全部的上臂IGBT328、下臂IGBT330的开关动作，保护上下臂串联电路以免受过温度或过电压的影响。
逆变器电路部140的上臂IGBT328、下臂IGBT330的导通及切断动作按一定的顺序切换，在该切换时产生在电动发电机192的定子绕组中的电流在包括二极管156、166的电路中流动。需要说明的是，在本实施方式的电力转换装置200中，在逆变器电路部140的各相设有一个上下臂串联电路，但也可以是具有在各相将两个上下臂串联电路并联连接而成的电路结构作为产生向电动发电机输出的三相交流的各相的输出的电路的电力转换装置。
设置在各逆变器电路部140、142的直流端子315，317(参照图2及图3)与共同的层叠导体板700连接。层叠导体板700构成通过由功率模块排列方向上宽幅的导电性板材构成的正极侧导体板702与负极侧导体板704夹持绝缘片(未图示)而成的三层结构的层叠配线板。层叠导体板700的正极侧导体板702及负极侧导体板704分别与设置在电容器模块500中的层叠配线板501的正极导体板507及负极导体板505连接。正极导体板507及负极导体板505也由功率模块排列方向上宽幅的导电性板材构成，正极导体板507与负极导体板505夹持绝缘片517(未图示)而构成三层结构的层叠配线板。
在电容器模块500上并联连接多个电容器单元514，电容器单元514的正极侧与正极导体板507连接，负极侧与负极导体板505连接。电容器模块500构成用于控制由上臂IGBT328、下臂IGBT330的开关动作而产生的直流电压的变动的平滑电路。
电容器模块500的层叠配线板501与连接到电力转换装置200的直流连接器上的输入层叠配线板230连接。在输入层叠配线板230上还连接有作为逆变器装置的辅机用的变换器43。在输入层叠配线板230与层叠配线板501之间设有噪声滤波器。在噪声滤波器上配置连接框体12的接地端子与各直流电线的两个电容器(未图示)，从而构成应对共态噪声用的Y电容器。
使用图3至图10对构成逆变器电路部140、142的功率模块300的详细结构进行说明。
图3(a)是本实施方式的功率模块300的剖视图，图3(b)是本实施方式的功率模块300的立体图。图4(a)是功率模块300的分解剖视图，图4(b)是功率模块300的分解立体图。图4(c)是说明功率模块300的开关元件的配置及电流的流动的分解立体图。图4(d)是内置在功率模块3002的上下臂串联电路的简图。
罐型冷却器304由铝合金材料、例如Al、AlSi、AlSiC、Al-C等构成，且形成为无接缝的罐型的形状。这里，罐型是指在规定的一面上配置插入口306且有底的长方体形状。
如图4(a)所示，模块一次密封体300A中内置有上下臂电路，且通过第一密封树脂350密封该上下臂电路。绝缘片333插入到模块一次密封体300A的表背面与罐型冷却器304之间。直流正极端子315与直流负极端子317以其主面相互对置的方式设置，且与电容器模块500侧电连接。信号端子320U传递用于驱动上臂IGBT328的信号。信号端子320L传递用于驱动下臂IGBT330的信号。由于上臂IGBT328与下臂IGBT330在模块一次密封体300A内分开配置，因此信号端子320U、320L与该IGBT的配置相应而分开配置。交流端子706与电动发电机192、194侧电连接，且配置在信号端子320U与直流正极端子315之间。直流正极端子315、直流负极端子317、信号端子320U、320L从罐型冷却器304内部经由插入口306向罐型冷却器304外部突出。罐型冷却器304具有凸缘304B。在该凸缘304B上形成插入口306。
罐型冷却器304为除插入口306以外不设有开口的结构。由此，即使将罐型冷却器304向冷却介质所流动的流路内插入，也能够使端子从开口突出，且以简单的结构防止冷却介质向罐型冷却器304内部的侵入。
在罐型冷却器304所具备的对置的散热基体307的外壁上形成散热片305。另外，罐型冷却器304具有用于将对置的散热基体307相连的弯曲部304A。弯曲部304A由无接缝的同一材质构成而与散热基体307连续设置，且形成为包围散热基体307的外周的形态。例如，为了提高生产率，罐型冷却器304通过将散热基体307与弯曲部304A一体成型而成。另外，散热基体307与弯曲部304A可以通过焊接而接合或通过粘接剂而粘接。需要说明的是，由于构成为弯曲部304A的厚度比散热基体307的厚度小，弯曲部304A自身容易变形的结构，因此插入模块一次密封体300A后的生产率得以提高。
图4(c)所示的直流正极配线板314与上臂IGBT328的集电侧及上臂二极管156的阴极侧通过金属接合材料337固接。图4(c)所示的第一交流配线板705A与上臂IGBT328的发射侧及上臂二极管156的阳极侧通过金属接合材料337固接。需要说明的是，在本实施方式中，金属接合材料337使用焊料或含有银片及微细金属粒子的低温烧结接合材料。直流正极配线板314与第一交流配线板705A夹持上臂IGBT328及上臂二极管156而大致平行地对置配置。
图4(c)所示的第二交流配线板705B与下臂IGBT330的集电侧及下臂二极管166的阴极侧通过金属接合材料337固接。图4(c)所示的直流负极配线板316与下臂IGBT330的发射侧及下臂二极管166的阳极侧通过金属接合材料337固接。第二交流配线板705B与负极配线板316夹持下臂IGBT330及下臂二极管166而大致平行地对置配置。
第一交流配线板705A具有不与直流正极配线板314对置且向下臂IGBT330侧延伸的局部配线板705A1。同样地，第二交流配线板705B具有不与直流负极配线板316对置且向上臂IGBT328侧延伸的局部配线板705B1。局部配线板705A1与局部配线板705B1构成为相互对置，且经由中间金属板370而通过金属接合材料337固接。设置在上臂IGBT328及下臂IGBT330上的信号电极通过引线接合(未图示)而与信号配线板320U、320L电连接。
接下来，使用图4(c)及图4(d)对与本实施方式有关的功率模块300的配线电感降低化进行说明。由于过渡性的电压上升或半导体芯片的大量发热在构成逆变器电路的上臂或下臂的开关动作时产生，因此尤其期望降低开关动作时的电感。由于在过渡时产生二极管的恢复电流390，因此基于该恢复电流，以下臂的二极管166的恢复电流为一例来说明电感降低的作用。
二极管166的恢复电流是指在反偏压下仍在二极管166中流动的电流，通常由在二极管166的正向状态下填充在二极管166内的载流子所引起。通过按规定的顺序进行构成逆变器电路的上臂或下臂的导通动作或切断动作，由此在逆变器电路的交流端子706中产生三相交流电。若现在将作为上臂而动作的上臂IGBT328从导通状态切换成切断状态，则回流电流经由下臂的二极管166向维持电动发电机192及194(参照图2)的定子绕组的电流的方向流动。该回流电流为二极管166的正向电流，二极管内部被载流子填充。接下来，若再将上臂IGBT328从切断状态切换成导通状态，则因上述的载流子而引起的恢复电流在下臂的二极管166中流动。在正常的动作下上下臂串联电路的中的某一方必然处于切断状态，不会在上下臂中流过短路电流，但过渡状态的电流、例如二极管的恢复电流在由上下臂构成的串联电路中流动。
在图4(c)及图4(d)中上下臂串联电路的上臂IGBT328从切断变化成导通时，二极管166的恢复电流从直流正极端子315通过上臂IGBT328、二极管166而向直流负极端子317流动(图中箭头所示)。需要说明的是，此时，下臂IGBT330处于切断状态。观察该恢复电流的流动可知，如图4(c)所示，在从直流正极端子315、上臂IGBT328和二极管166而到达直流负极端子317的路径中，导体板沿上下方向平行配置，且流过反向的同一电流。这样，在导体板之间的空间中电流彼此产生的磁场相互抵消，其结果是，电流路径的电感降低。
即，直流正极端子315与直流负极端子317处于接近而对置配置成的层压状态，由此产生电感的降低作用。
并且，观察图4(c)所示的恢复电流的路径可知，接着与反向且平行的电流路径而产生环形状的路径。电流在该环形状路径中流动，由此在散热基体307中流过涡电流392，在该涡电流所产生的磁场抵消效果下产生环形状路径中的电感的降低作用。需要说明的是，恢复电流的路径越接近于环形状，该电感降低作用越大。在本实施方式中，由于直流正极端子315与直流负极端子317为层压状态，因此电流的流动的始点与终点一致。另外，上臂IGBT328配置得比中间金属板370和二极管166靠上部。由此，恢复电流的路径能够接近于环形状，能够增大电感降低作用。
如以上所述，通过与本实施方式相关的功率模块的电路结构的配置，即通过层压配置所产生的效果和涡电流所产生的效果能够降低电感。重要的是降低开关动作时的电感，在本实施方式的功率模块中，将上臂和下臂的串联电路收纳在半导体模块内。因此，对在上下臂串联电路中流动的二极管的恢复电流能够实现低电感化，过渡状态下的电感降低效果大。
电感降低的话，在功率模块中产生的感应电压变小，能够获得低损耗的电路结构，另外，电感小的话能够有助于开关速度的提高。
图4(b)所示的传热面334形成在直流正极配线板314、直流负极配线板316、第一交流配线板705A及第二交流配线板705B的与功率半导体元件的固接面相反侧的面上。图4(b)所示的第一密封树脂的平坦部338与上述的传热面334成为大致同一面。压接面339由传热面334和平坦部338构成，绝缘片333通过热压接来粘接。这样使传热面334与平坦部338成为大致同一面的结构，不会降低第一密封树脂350与绝缘片333的粘接力，且能够抑制传热阻的增大。压接面339形成在模块一次密封体300A的表面和背面这两面上。
需要说明的是，以下将直流正极配线板314、直流负极配线板316、第一交流配线板705A及第二交流配线板705B总称为电配线板。
具备绝缘片333的模块一次密封体300A中，绝缘片333与罐型冷却器304的内部平面308对置配置。需要说明的是，对罐型冷却器304的内部平面308的至少与绝缘片333对置的面实施了氧化铝处理。这里，绝缘片333是通过在环氧树脂中混合有导热性的填料而成的具有粘接性的薄绝缘片。另外，绝缘片333也可以通过将填料量不同的多个绝缘片组合而成。
并且，按压罐型冷却器304的对置的散热基体307来夹持模块一次密封体300A。在绝缘片333与氧化铝处理后的内部平面308接触的状态下，将功率模块300置于真空下，将绝缘片333与内部平面308通过热压接来粘接。由此，绝缘片333作为树脂绝缘层而发挥功能。另外，在作为发热源的功率半导体元件与散热基体307之间仅夹有金属接合材料337、直流正极配线板314或直流负极配线板316、绝缘片333，不夹有作为高热阻的润滑油等。因此，能够大幅地提高功率半导体元件的散热性，从而能够在元件中流过大电流，并且能够抑制元件的大型化。由此能够促进功率模块300及电力转换装置的小型化。
图5(a)至(c)是绝缘片333与各电配线板的粘接界面、及绝缘片333与罐型冷却器304的内部平面308的粘接界面的详细剖视图。
图5(b)是放大图5(a)的B部而得到的详细剖视图。图4(b)所示的各电配线板的传热面334中形成有粗化处理层600。因此，传热面334与绝缘片333的粘接界面的粘接力增大。需要说明的是，在直流正极配线板314、直流负极配线板316、第一交流配线板705A、第二交流配线板705B由Cu合金构成时，粗化处理层600适合采用通常的粗化处理或黑化处理等氧化处理而形成。
另一方面，在直流正极配线板314、直流负极配线板316、第一交流配线板705A、第二交流配线板705B由Al合金构成时，适合采用通常的粗化处理或无机酸系氧化铝处理等氧化处理而形成孔径大的粗化处理层600。由此，在对绝缘片333进行热压接时，熔出的绝缘片333的原材料流动进入粗化处理层600的粗化部中，因此各电配线板与绝缘片333的粘接力得以提高。另外，绝缘片333的原材料流动进入粗化处理层600的粗化部中，由此产生化学结合的复合力，因此，各电配线板与绝缘片333的粘接力进一步提高。
如上所述，罐型冷却器304的内部平面308中形成有氧化铝层601。由于该氧化铝层601与绝缘片333接合，因此罐型冷却器304与绝缘片333的粘接力得以提高。
图5(c)是放大图5(b)的C部而得到的详细剖视图。氧化铝层601包括形成在接近绝缘片333侧的第一绝缘层即无机酸系氧化铝层601A、形成在隔着该无机酸系氧化铝层601A而与绝缘片333相反的一侧的第二绝缘层即有机酸系氧化铝层601B。另外，由于氧化铝层601没有进行封孔处理，因此无机酸系氧化铝层601A的孔径为左右，而有机酸系氧化铝层601B的孔径为
Figure BDA0000103202270000172
左右。
由于无机酸系氧化铝层601A的孔径比有机酸系氧化铝层601B的孔径大，因此在无机酸系氧化铝层601A与绝缘片333的粘接界面处，绝缘片333的原材料容易通过热压接而进入无机酸系氧化铝层601A的孔中。由此，在无机酸系氧化铝层601A与绝缘片333的粘接界面处，产生固定效果和化学结合的复合力，能够提高粘接力。需要说明的是，在无机酸系氧化铝层601A及有机酸系氧化铝层601B具有上述的孔径的情况下，无机酸系氧化铝层601A与绝缘片333的粘接界面的平均抗剪切粘接强度为20Mpa以上。
另外，如图5(c)所示，有机酸系氧化铝层601B的厚度比无机酸系氧化铝层601A的厚度大。由此，提高基于有机酸系氧化铝层601B的绝缘耐压性。另外，由于绝缘片333与有机酸系氧化铝层601B隔着无机酸系氧化铝层601A而形成两层绝缘层，因此即使施加功率半导体元件的高电压也能够维持绝缘性能。
图6是表示有机酸系氧化铝层601B的厚度与绝缘耐压的关系的实测数据的图。横轴表示有机酸系氧化铝层601B的厚度，纵轴表示有机酸系氧化铝层601B间的绝缘耐压。
如图6所示，当有机酸系氧化铝层601B的厚度变大时，绝缘耐压得以提高，另一方面，绝缘耐压的偏差也变大。另外，将有机酸系氧化铝层601B形成于罐型冷却器304时的处理时间也变长。
考虑到对本实施方式涉及的功率模块300施加的最大电压，需要500V以上的绝缘耐压。另外，由于需要像本实施方式的电力转换装置那样设置三个功率模块以生成三相电动机的交流电流，因此需要提高功率模块的生产率。另外，为了提高绝缘耐压的可靠性，期望绝缘耐压的偏差小。因此，优选有机酸系氧化铝层601B的厚度为膜厚50μm。
图7是表示从绝缘片333至有机酸系氧化铝层601B为止的绝缘耐压的实测数据的图。本实测数据的测定条件如下：无机酸系氧化铝层601A的厚度大约为0.5μm，有机酸系氧化铝层601B的厚度大约为50μm，绝缘片333的厚度大约为120μm。需要说明的是，绝缘片333与无机酸系氧化铝层601A之间通过热压接来粘接。
图7所示的总绝缘层的厚度为120μm的绝缘耐压表示厚度为120μm的绝缘片333单体的绝缘耐压范围。相对于此，图7中绘制的空心圆表示追加了厚度为50μm的有机酸系氧化铝层601B的情况下的绝缘耐压。由此，即使绝缘片333的厚度为120μm，绝缘耐压范围也提高至大约6200～7000V左右，比绝缘片333单体的情况提高了500V以上。
这样，能够在维持高的绝缘耐压的同时减小绝缘片333的厚度，因此能够降低与绝缘片333的量相应的热阻。由此，由于将从功率半导体元件至散热片305为止整体的热阻抑制得较低，因此能够将在功率半导体元件中产生的热量有效地传递至散热片305。另外，通过减小绝缘片333的厚度，也能够提高上述的涡电流所带来的低电感化的效果。
图8是说明将具备绝缘片333的模块一次密封体300A与罐型冷却器304粘接的热压接工序的图。
如图8(1)所示，两个绝缘片333通过热压接分别粘接到模块一次密封体300A的两面上。
接下来，如图8(2)所示，将模块一次密封体300A从插入口306插入到罐型冷却器304中，使绝缘片333与氧化铝处理后的内部平面308对置配置。
接下来，如图8(3)所示，在真空高温下，罐型冷却器304被从形成有散热片305的一侧朝向插入罐型冷却器304中的模块一次密封体300A侧加压。在该加压力的作用下，弯曲部304A稍微变形，绝缘片333与氧化铝处理后的内部平面308接触。如上所述，由于罐型冷却器304置于真空高温下，因此在绝缘片333与内部平面308的接触界面处产生粘接力。
接下来，如图8(4)所示，使用第二密封树脂351来填充罐型冷却器304内的没有被模块一次密封体300A和绝缘片333占据的空间。
图9是详细说明图8(3)所示的、真空高温下的绝缘片333与罐型冷却器304的内部平面308的粘接工序的图。冲压机360在内部内置有加热器361。罐型冷却器304被该冲压机360加压，弯曲部304A发生微小变形，从而使绝缘片333与氧化铝处理后的内部平面308接触。加热器361在该状态下发热，由此该加热器361的产生热被向绝缘片333与氧化铝处理后的内部平面308传递。由于连续地进行罐型冷却器304的加压工序与绝缘片333的热压接工序，因此生产率大幅地提高。
以上，通过将模块一次密封体300A和绝缘片333收纳在由铝合金材料或铜合金材料构成的无接缝的罐型冷却器304而构成本实施方式涉及的功率模块300，由此能够保护模块一次密封体300A、绝缘片333、及在它们的粘接界面处存在的粗化处理层600和氧化铝层601以防冷却介质的浸透。由此，能够防止粘接界面的剥离或透湿所引起的绝缘性的劣化，能够确保绝缘可靠性。
此外，对密封内置有上下臂电路的模块一次密封体300A进行收纳，使用多个功率模块300而以上下臂电路为单位来增加逆变器装置141、142的电流容量，由此逆变器装置141、142小型且具备电流容量增设性。从而能够与混合动力机动车的车种相应地增设电流容量，能够提高生产率。
图10是说明将功率模块300向框体12组装的工序的图。框体12具备形成供冷却介质流动的流路19的冷却套19A。冷却套19A在其上部和下部形成对置的开口。上部开口形成为一对的开口部400及402，以用于功率模块300向冷却套19A的安装。下部开口用开口部404表示。
功率模块300从上部开口插入而使功率模块300的形成有散热片305的部分收纳在流路19中。密封材料800被凸缘304B与冷却套19A夹持，提高流路19的密封性。
另外，开口404经由密封材料而被流路里盖420闭塞。流路里盖420中形成与功率模块300的弯曲部304A嵌合的模块嵌合部19B。通过形成为与弯曲部304A嵌合的模块嵌合部19B，使得在流路19内流动的冷却介质不易向模块嵌合部19B流动，冷却介质容易向散热片305侧流动。由此，能够提高功率模块300的冷却效率。
另外，模块一次密封体300A中内置有构成上下臂电路的上臂IGBT328、下臂IGBT330和上臂二极管156、下臂二极管166。并且，上述功率半导体元件的两方的主电极面被直流正极配线板314、直流负极配线板316、第一交流配线板705A、第二交流配线板705B夹持。这些配线板在与配置有该功率半导体元件这一侧相反侧的面上形成传热面334。该传热面334从第一密封树脂350露出。由此，功率半导体元件的产生热能够从功率半导体元件的两方的主电极面散出。另一方面，由于在传热面334上粘贴有绝缘片333，因此能够确保传热面334与罐型冷却器304的绝缘性，且能够从罐型冷却器304的散热片305向冷却介质散热。
由此，功率模块300的热阻降低而能够由小面积的功率半导体元件来驱动电动发电机192、194，因此功率模块300变得小型。
使用图13至图15对使用了功率模块300的电力转换装置进行说明。
在图13至图15中，200表示电力转换装置，10表示上部壳体，11表示金属基体板，12表示框体，13表示冷却水入口配管，14表示冷却水出口配管，420表示流路里盖，16表示下部壳体，17表示交流接线端壳体，18表示交流输出配线，19表示冷却水流路、20表示控制电路基板。21表示用于与外部连接的连接器，22表示驱动电路基板，用来保持驱动电路174。这样，由控制电路基板20、控制电路172、驱动电路基板22及驱动电路174构成控制部。300表示功率模块(两面电极模块)，在各逆变器电路部中设有三个，由一方的功率模块300构成逆变器电路部142，由另一方的功率模块300构成逆变器电路部140。700表示层叠导体板，800表示密封材料，304表示罐状散热基体，314表示直流正极配线板，316表示直流负极配线板，500表示电容器模块，504表示正极侧电容器端子，506表示负极侧电容器端子，514表示电容器单元。
图13表示本发明的实施方式涉及的电力转换装置200的外观立体图。电力转换装置200的外观部件具备上表面或底面为大致长方形的框体12、设置在框体12的短边侧的外周之一的冷却水入口配管13及冷却水出口配管14、用于闭塞框体12的上部开口的上部壳体10、用于闭塞所述框体12的下部开口的下部壳体16。通过将框体12的底面侧或上表面侧的形状形成为大致长方形，由此具有能够容易地向车辆安装，且容易制造、尤其是容易批量生产的效果。
在电力转换装置200的长边侧的外周设有用于与各电动发电机192、194连接的交流接线端壳体17。交流输出配线18将功率模块300与电动发电机192、194电连接。
连接器21与内置在框体12中的控制电路基板20连接。来自外部的各种信号经由连接器21向控制电路基板20传递。直流负极侧连接端子部510与直流正极侧连接端子部512将蓄电池136与电容器模块500电连接。这里，在本实施方式中，连接器21设置在框体12的短边侧的外周面的一侧。另一方面，直流负极侧连接端子部510和直流正极侧连接端子部512设置在与设有连接器21的面相反侧的短边侧的外周面上。即，连接器21与直流负极侧连接端子部510分开配置。由此，能够降低从直流负极侧连接端子部510及/或直流正极侧连接端子部512向框体12侵入、进而传播至连接器21的噪声，能够提高基于控制电路基板20的电动机的控制性。图2的直流连接器138与上述直流负极侧连接端子部510和直流正极侧连接端子部512对应。
图14是本发明的实施方式涉及的电力转换装置的剖视图。在框体12的中央设有在内部形成流路19的冷却套19A，在冷却套19A的上部形成三列沿流动的方向排列的一对的开口部400及402，从而构成六个开口部。各功率模块300经由密封材料800固定在冷却套19A的上表面。各功率模块300的散热片305分别与在冷却套19A的流路19中流动的冷却介质直接接触。
开口部404沿着流路19而形成在冷却套19A的下表面，开口404被流路里盖420闭塞。另外，在冷却套19A的下表面安装辅机用的变换器43，该辅机用的变换器43通过上述冷却介质来冷却。辅机用的变换器43以内置的功率模块等(未图示)的散热金属面与冷却套19A的下表面对置的方式固定在流路里盖420的下表面。在本实施方式中，密封采用了液体密封，但也可取代液体密封而采用树脂材料、橡胶制O-环或垫圈等进行密封，尤其在使用液体密封的情况下能够提高电力转换装置200的组装性。
并且，在冷却套19A的下方设有下部壳体16，在下部壳体16设有电容器模块500。电容器模块500以其金属制壳体的散热面与下部壳体16的底板内表面相接的方式固定在下部壳体16的底板内表面。通过该结构，能够利用冷却套19A的上表面和下表面，从而有效地冷却功率模块300及辅机用的变换器43，有助于电力转换装置整体的小型化。
并且，通过对设有冷却套19A的框体12进行冷却，由此对设置在框体12的下部的下部壳体16进行冷却。其结果是，电容器模块500的热量经由下部壳体16及框体12向冷却水导热，电容器模块500得以冷却。
在功率模块300的上方配置用于将功率模块300与电容器模块500电连接的层叠导体板700。该层叠导体板700跨到各功率模块300的输入端子315、317上而将各功率模块300并联连接。并且，层叠导体板700由与电容器模块500的正极导体板507连接的正极侧导体板702、与电容器模块500的负极导体板505连接的负极侧导体板704、配置在导体板702、704间的绝缘片7000构成。该导体板505、507配置成在冷却套19A的流路19蜿蜒而成的水路隔壁内贯通，由此能够缩短配线长，因此能够实现从各功率模块300至电容器模块500为止的寄生电感的降低。
在层叠导体板700的上方配置有控制电路基板20和驱动电路基板22。在驱动电路基板22上搭载有图2所示的驱动电路174，在控制电路基板20上搭载有图2所示的具有CPU的控制电路172。另外，在驱动电路基板22与控制电路基板20之间配置有金属基体板11。金属基体板11对搭载在两基板22、20上的电路组起到电磁屏蔽的功能，并且具有将在驱动电路基板22和控制电路基板20上产生的热量散出而进行冷却的作用。
通过这样在框体12的中央部设置冷却套19A，在该冷却套19A的一侧配置电动发电机192、194驱动用的功率模块300，且在该冷却套19A的另一侧配置辅机用的逆变器装置(功率模块)43，由此能够以小空间效率良好地进行冷却，实现电力转换装置整体的小型化。通过将冷却套19A与框体12一体地通过铝铸造而制成，由此对冷却套19A来说，除冷却效果外，还具有增强机械强度的效果。另外，通过铝铸造来将框体12和冷却套19A制成一体成形结构，因此导热良好，对位于远离冷却套19A的位置处的驱动电路基板22、控制电路基板20及电容器模块500的冷却效率得以提高。
在驱动电路基板22和控制电路基板20上设有穿过金属基体板11而进行各电路基板20、22的电路组的连接的柔性配线23。该柔性配线23可以是预先层叠在配线基板中的结构、通过焊料等接合材料固接在配线基板的上部的配线图案上的结构、使柔性配线23的电极穿过预先设置在配线基板上的通孔并通过焊料等接合材料进行固接的结构，逆变器电路的开关时机信号从控制电路基板20经由柔性配线23向驱动电路基板22传递，驱动电路基板22产生栅极驱动信号而施加到功率模块各自的栅极电极上。这样，通过使用柔性配线23，由此不需要目前使用的连接器的接头，能够改善配线基板的安装效率且削减部件件数，从而实现逆变器的小型化。另外，在控制电路基板20上连接与外部进行电连接的连接器21。利用连接器21来进行控制电路基板20与设置在电力转换装置的外部的车载蓄电池136、即锂电池模块之间的信号传递。将表示电池的状态的信号或锂电池的充电状态等信号从锂电池模块向控制电路基板20发送。
在框体12的上端部和下端部形成有开口。这些开口分别通过将上部壳体10和下部壳体16利用例如螺钉或螺栓等紧固部件固定在框体12上来闭塞。在框体12的高度方向的大致中央形成有在内部设置流路19的冷却套19A。通过将冷却套19A的上表面开口用各功率模块300覆盖，且将下表面开口用流路里盖420覆盖，由此在冷却套19A的内部形成流路19。在组装途中进行流路19的漏水试验。然后，在漏水试验合格后，进行从框体12的上部和下部的开口安装基板或电容器模块500的作业。这样，通过采用在框体12的中央配置冷却套19A、接着能够进行从框体12的上端部和下端部的开口固定必要的部件的作业的结构，由此生产率得以提高。另外，能够最先完成流路19，且在漏水试验后安装其它部件，从而生产率和可靠性这两方都得以提高。
图15是在具有冷却套19A的框体12的铝铸件上安装冷却水入口配管和出口配管的剖视立体图。在图15中，从冷却水入口配管13流入到流路19中的冷却水沿着箭头418的方向即长方形的长边而分成两支流动，在长方形的短边的另一侧的侧面的跟前附近的角部19C如箭头421a所示那样折回，再次沿着长方形的长边而向箭头422的方向分成两支流动，进而沿着长方形的长边而如流动箭头421b所示那样折回，向设置在下冷却水路盖420上的出口配管流入并折回，而从出口孔向冷却水入口配管14流出。
在冷却套19A的上表面设有三列一对的开口400及402，从而形成六个开口部。各功率模块300从各自的开口向冷却介质的流动中突出，通过配置在罐型冷却器304上的弯曲部304A及分流边界部19B而顺畅地形成供冷却水流动的流路的分支点，因此能够降低压力损失。通过将罐型冷却器304的弯曲部304A形成为曲面，由此能够将冷却介质分成两支且降低压力损失，因此即使流路呈S字状蜿蜒，也能够降低压力损失的增加而改善冷却效率。
实施例2
图11(a)是其它实施例涉及的功率模块300的剖视图，图11(b)是其它实施例涉及的功率模块300的分解剖视图。以下，对与第一实施例不同的部分进行说明，与第一实施例标注了同一符号的结构具有同样的功能。
在本实施方式中，取代第一实施例涉及的绝缘片333而配置铝绝缘板340。在铝绝缘板340的两主面上形成有具有粘接性的薄树脂绝缘层342。氧化铝板341被两个树脂绝缘层342夹持，且整体被氧化铝处理而在表背面上形成有氧化铝层601。氧化铝板341与两个树脂绝缘层342通过热压接而粘接。
模块一次密封体300A与铝绝缘板340通过形成在铝绝缘板340上的树脂绝缘层342而牢固地粘接。同样地，罐型冷却器304的氧化铝处理后的内部平面308与铝绝缘板340通过形成在铝绝缘板340上的树脂绝缘层342而牢固地粘接。
图12(a)至(d)是功率模块300中的铝绝缘板340与各电配线板(直流正极配线板314、直流负极配线板316、第一交流配线板705A1、第二交流配线板705B)及罐型冷却器304的粘接界面的详细剖视图。图12(b)是放大图12(a)的B部而得到的详细剖视图，图12(c)是放大图12(b)的C部而得到的详细剖视图，图12(d)是放大图12(b)的D部而得到的详细剖视图。
如图12(b)所示，在氧化铝板341的两主面上形成氧化铝层601及602。如图12(c)所示，在氧化铝板341的接近功率半导体元件侧的氧化铝层601中形成无机酸系氧化铝层601A和有机酸系氧化铝层601B这两方。无机酸系氧化铝层601A形成在接近树脂绝缘层342的一侧。
另一方面，如图12(d)所示，在罐型冷却器304的内部平面308上仅形成无机酸系氧化铝层601A，该无机酸系氧化铝层601A与铝绝缘板340的树脂绝缘层342粘接。
需要说明的是，对任一氧化铝层601均未进行封孔处理，因此在粘接界面处，薄的树脂绝缘层342在热压接的作用下进入无机酸系氧化铝层601A的孔中，由此产生固定效果和化学结合的复合力，从而牢固地粘接。
另外，设置在无机酸系氧化铝层601A下的有机酸系氧化铝层601B的厚度比无机酸系氧化铝层601A的厚度大，因此绝缘耐压优越。并且，通过树脂绝缘层342和有机酸系氧化铝层601B这两层来形成绝缘层，且这两层绝缘层形成在铝绝缘板340的两面上。
以上，根据本实施方式，在铝绝缘板340上配置两层量的有机酸系氧化铝层601B，因此能够大幅地提高绝缘耐压。另外，通过有机酸系氧化铝层601B提高了绝缘耐压，相应地能够减薄树脂绝缘层342，因此能够在维持绝缘可靠性的同时大幅地降低热阻。另外，不需要在罐型冷却器304的内部平面308上形成有机酸系氧化铝层601B。即，由于能够在罐型冷却器304不同体的铝绝缘板340上形成有机酸系氧化铝层601B，因此能够大幅地提高生产率。
实施例3
图16(a)是其它实施例涉及的功率模块300的剖视图，图16(b)是其它实施例涉及的功率模块300的组装时的剖视图。以下，对与第一实施例不同的部分进行说明，与第一实施例标注了同一符号的结构具有同样的功能。
在本实施方式中，取代第一及第二实施例涉及的罐型冷却器304而使用在内部形成有流路381的流路形成体380A及380B。如图16(b)所示，对流路形成体380A及380B的与绝缘片333接触的面382A及382B实施了实施例1所说明的氧化铝处理。
由此，不需要像第一实施例所示那样在罐型冷却器304的内部平面308上形成有机酸系氧化铝层601B。即，能够在与罐型冷却器304不同体的流路形成体380A及380B上形成有机酸系氧化铝层601B，因此能够在不降低冷却性能的情况下大幅地提高生产率。
实施例4
图17(a)是其它实施例涉及的功率模块300的剖视图，图17(b)是其它实施例涉及的功率模块300的组装时的剖视图。
在本实施方式中，取代第三实施例涉及的绝缘片333而使用在第二实施例中说明的铝绝缘板340。如第二实施例所说明的那样，在铝绝缘板340上设有两层有机酸系氧化铝层，因此在流路形成体380A侧的面382A及382B上仅形成无机酸系氧化铝层。由此，仅将有机酸系氧化铝层形成在铝绝缘板340上即可，因此能够大幅地提高生产率。
以上说明了各种实施方式及变形例，但本发明并不限定于上述内容。在本发明的技术思想的范围内考虑到的其它方式也包含在本发明的范围内。
将如下优先权基础申请的公开内容作为引用文而引入到本发明中。
日本专利申请2009年第108653号(2009年4月28日申请)。

Claims (11)

1.一种功率模块，其中，具备：
半导体元件，其通过开关动作将直流电流转换成交流电流；
电配线板，其与所述半导体元件电连接，且在一个主面上配置所述半导体元件；
树脂绝缘层，其配置在所述电配线板的另一个主面侧；
第一绝缘层，其隔着所述树脂绝缘层配置在与所述电配线板相反的一侧，且与所述树脂绝缘层接合；
第二绝缘层，其隔着所述第一绝缘层配置在与所述树脂绝缘层相反的一侧，确保所述半导体元件的电绝缘；
金属制散热构件，其隔着所述第二绝缘层配置在与所述第一绝缘层相反的一侧，将所述半导体元件产生的热量经由所述电配线板、所述树脂绝缘层、所述第一绝缘层及所述第二绝缘层散出。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
所述第二绝缘层的膜厚形成得比所述第一绝缘层的膜厚大。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，
所述金属制散热构件由铝合金形成，
所述第一绝缘层通过对所述金属制散热构件实施无机酸系的氧化铝处理而形成在所述金属制散热构件上，
所述第二绝缘层通过对所述金属制散热构件实施有机酸系的氧化铝处理而形成在所述金属制散热构件上。
4.根据权利要求2或3所述的功率模块，其中，
对所述第二绝缘层实施的氧化铝处理为磷酸或草酸氧化铝处理。
5.一种功率模块，其中，具备：
半导体元件，其通过开关动作将直流电流转换成交流电流；
第一电配线板，其与位于所述半导体元件的一侧的主电极对置配置，且与所述半导体元件电连接；
第二电配线板，其与位于所述半导体元件的另一侧的主电极对置配置，且与所述半导体元件电连接；
树脂绝缘层，其分别隔着所述第一电配线板或所述第二电配线板配置在所述半导体元件的两侧；
第一绝缘层，其隔着所述树脂绝缘层而实施了用于与所述树脂绝缘层接合的氧化铝处理；
第二绝缘层，其隔着所述第一绝缘层而用于确保所述半导体元件的电绝缘；
金属制散热构件，其用于将所述半导体元件产生的热量经由所述第一电配线板或所述第二电配线板、所述树脂绝缘层、所述第一绝缘层及所述第二绝缘层散出到所述半导体元件的两侧。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其中，
所述金属制散热构件由铝合金形成，
所述第一绝缘层通过对所述金属制散热构件实施无机酸系的氧化铝处理而形成在所述金属制散热构件上，
所述第二绝缘层通过对所述金属制散热构件实施有机酸系的氧化铝处理而形成在所述金属制散热构件上。
7.一种功率模块，其中，
具备：半导体元件，其通过开关动作将直流电流转换成交流电流；
第一电配线板，其与位于所述半导体元件的一侧的主电极对置配置，且与所述半导体元件电连接；
第二电配线板，其与位于所述半导体元件的另一侧的主电极对置配置，且与所述半导体元件电连接；
树脂密封材料，其以使所述第一电配线板及所述第二电配线板的不与所述半导体元件对置的面的一部分露出的方式将所述半导体元件、所述第一电配线板和所述第二电配线板密封；
金属制壳体，其具有开口，该开口用于插入被所述树脂密封材料密封后的所述半导体元件、所述第一电配线板和所述第二电配线板；
绝缘片，其插入到所述第一电配线板及所述第二电配线板的露出面与所述金属制壳体的内壁之间，
所述金属制壳体在所述绝缘片与所述金属制壳体的对置面上形成用于与所述绝缘片接合的第一绝缘层，且在隔着所述第一绝缘层而与所述绝缘片相反的一侧形成第二绝缘层。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其中，
所述金属制壳体由铝合金形成，
所述第一绝缘层通过对所述金属制壳体实施无机酸系的氧化铝处理而形成在所述金属制壳体上，
所述第二绝缘层通过对所述金属制壳体实施有机酸系的氧化铝处理而形成在所述金属制壳体上。
9.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
所述电配线板由Cu合金形成，与所述树脂绝缘层对置的主面被实施粗化处理或黑化处理等氧化处理。
10.根据权利要求5所述的功率模块，其中，
所述第一电配线板及所述第二电配线板由Cu合金形成，与所述树脂绝缘层对置的主面被实施粗化处理或黑化处理等氧化处理。
11.根据权利要求7所述的功率模块，其中，
所述第一电配线板及所述第二电配线板由Cu合金形成，与所述树脂绝缘层对置的主面被实施粗化处理或黑化处理等氧化处理。
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