DE112015004571T5 - Leistungsmodul und leistungsumwandlungsgerät - Google Patents

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Toshiyuki Kobayashi
Takuro Kanazawa
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungsmodul bereitzustellen, das einen Wärmeableitungsweg sicherstellt und eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist. Zu einem Leistungsmodul der vorliegenden Erfindung zählen ein erster Schaltungskörper, der ein erstes Halbleiterelement 302a und einen ersten Leiterabschnitt aufweist, ein zweiter Schaltungskörper, der ein zweites Halbleiterelement 302b und einen zweiten Leiterabschnitt aufweist, sowie ein Harz-Abdichtungsmaterial 304 zum Abdichten des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers und ein Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303, der entlang einer Array-Richtung des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers ausgebildet ist und derart ausgebildet ist, dass er eine größere Steifigkeit aufweist als ein Abdichtungsabschnitt des Harz-Abdichtungsmaterials, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 aus demselben Material ausgebildet ist wie ein Harzelement des Harz-Abdichtungsmaterials und derart ausgebildet ist, dass er dicker als der Abdichtungsabschnitt des Harz-Abdichtungsmaterials ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul und ein Leistungsumwandlungsgerät und insbesondere diejenigen zur Verwendung in einer elektrischen Servolenkvorrichtung.
  • Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
  • Herkömmlicherweise weist ein Leistungsmodul zur Verwendung auf verschiedenen Gebieten häufig zum Zweck einer erhöhten Zuverlässigkeit einer elektronischen Komponente oder einer besseren Herstellbarkeit eines Moduls eine mit Harz abgedichtete Struktur auf. Die Wärmeerzeugungsmenge eines Leistungsmoduls hat eine Tendenz, entsprechend einer Multifunktionalisierung, einer erhöhten Leistungsabgabe und eines hochdichten Packens eines Leistungsmoduls zuzunehmen. Das Leistungsmodul mit einer derartigen mit Harz abgedichteten Struktur bedeckt einen mit einem Schaltelement ausgestatteten Leiterabschnitt mit Harz und lässt eine Wärmeableitungsschicht auf der Rückseite frei, um die Wärmeableitungseigenschaft zu verbessern. Darüber hinaus wird ein Oberflächenkontakt mit einem externen Modulbefestigungsabschnitt durch Fett, Isolierfolie oder dergleichen bereitgestellt, sodass ein Wärmeableitungsweg zum Ableiten von durch das interne Schaltelement erzeugter Wärme zu der Außenseite sichergestellt ist. Wenn eine derartige Struktur angewendet wird, bei der die Zuverlässigkeit aufrechterhalten wird und der Wärmeableitungsweg sichergestellt werden kann, wird die von dem Schaltelement erzeugte Wärme mithilfe der Wärmeableitungsschicht thermisch diffundiert, und die Wärme kann wirksam über einen großen Bereich zu dem Modulbefestigungsabschnitt abgeleitet werden.
  • Wenn die Wärmeableitungsschicht der Rückseite nicht freiliegt, sondern mit Harz überspritzt ist, und Harz mit einer hervorragenden Wärmeleitungseigenschaft verwendet wird, kann die Verwendung von Fett, Isolierfolie oder dergleichen, wobei es sich um ein Isolierelement handelt, verringert werden. Des Weiteren kann zum Beispiel, wie in der PTL 1 offenbart, wenn die Wärme nicht nur von einer Oberfläche des Leistungsmoduls, sondern von beiden Oberflächen zu der Außenseite abgeleitet wird, die Wärmeableitungsleistung erhöht und die Größe verringert werden.
  • Liste der Anführungen
  • Patentliteratur
    • PTL 1 JP 2003-31765 A
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die abgedichtete Struktur eines herkömmlichen Leistungsmoduls ist eine Struktur, bei der nur eine mit einem Schaltelement ausgestattete Oberfläche mit Harz abgedichtet ist, und die Rückseite, die eine Wärmeableitungsschicht ist, freiliegt. Es ist daher bekannt, dass im Allgemeinen in dem Leistungsmodul keine geringe Verwerfung aufgrund von Aushärtungsschrumpfung durch Harzaushärtung während einer Herstellung, Harzschrumpfung während eines Abkühlens, Ausdehnung und Schrumpfung bei Umgebungstemperaturen bei einer praktischen Verwendung oder dergleichen auftritt. Wenn bei dem Leistungsmodul Verwerfung auftritt, die einen zulässigen Bereich überschreitet, wird ein Abstand zwischen dem Leistungsmodul und einem Befestigungskörper (Wärmesenke), an dem das Leistungsmodul befestigt ist, vergrößert und stört einen thermischen Kontakt, sodass die in dem Halbleiterelement erzeugte Wärme nicht wirksam diffundiert werden kann.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungsmodul bereitzustellen, bei dem die Zuverlässigkeit und die Herstellbarkeit aufrechterhalten werden können, und einen Wärmeableitungsweg sicherzustellen, und ein Leistungsumwandlungsgerät bereitzustellen.
  • Lösung des Problems
  • Zu einem üblichen Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung zählen: ein erster Schaltungskörper der ein erstes Halbleiterelement und einen ersten Leiterabschnitt aufweist; ein zweiter Schaltungskörper, der ein zweites Halbleiterelement und einen zweiten Leiterabschnitt aufweist; ein Harz-Abdichtungsmaterial zum Abdichten des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers und ein Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt, der entlang einer Array-Richtung des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers ausgebildet ist, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt derart ausgebildet ist, dass er eine größere Steifigkeit aufweist als ein Abdichtungsabschnitt des Harz-Abdichtungsmaterials.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Leistungsmodul bereitgestellt werden, das eine vorteilhafte Wärmeableitungseigenschaft in Bezug auf eine Wärmesenke sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist, da ein Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt ausgebildet wird, und eine Verwerfungsverformung unterdrückt werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Außenansicht eines Leistungsmoduls des Beispiels 1.
  • 2 ist eine Vorderansicht des Leistungsmoduls des Beispiels 1.
  • 3(a) ist eine Schnittansicht des Leistungsmoduls des Beispiels 1.
  • 3(b) ist eine Schnittansicht des Leistungsmoduls des Beispiels 1.
  • 4 ist ein internes Schaltschema des in einem Leistungsumwandlungsgerät des Beispiels 1 bereitgestellten Leistungsmoduls.
  • 5(a) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul des Beispiels 1 an Wärmesenken befestigt ist.
  • 5(b) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul des Beispiels 1 an den Wärmesenken befestigt ist.
  • 6 ist eine Schnittansicht des Leistungsumwandlungsgeräts des Beispiels 1.
  • 7(a) ist eine Schnittansicht, wo ein Leistungsmodul aus Beispiel 2 an Wärmesenken befestigt ist.
  • 7(b) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul aus Beispiel 2 an den Wärmesenken befestigt ist.
  • 8(a) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul aus Beispiel 2 an den Wärmesenken befestigt ist.
  • 8(b) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul des Beispiels 2 an den Wärmesenken befestigt ist.
  • 9 ist eine Vorderansicht eines Leistungsmoduls des Beispiels 3.
  • 10(a) ist eine Schnittansicht des Leistungsmoduls des Beispiels 3.
  • 10(b) ist eine Schnittansicht des Leistungsmoduls des Beispiels 3.
  • 11 ist eine Vorderansicht eines Leistungsmoduls des Beispiels 4.
  • 12 ist eine Vorderansicht des Leistungsmoduls des Beispiels 4.
  • 13 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls des Beispiels 5.
  • 14 ist ein internes Schaltschema eines in dem Leistungsumwandlungsgerät eines Leistungsmoduls des Beispiels 1 bereitgestellten Leistungsmoduls.
  • 15 ist eine Vorderansicht eines Leistungsmoduls aus Beispiel 6.
  • 16 ist eine Schnittansicht eines Leistungsumwandlungsgeräts des Beispiels 6.
  • 17 ist eine Vorderansicht eines Leistungsmoduls des vergleichenden Beispiels 1.
  • 18(a) ist eine Schnittansicht des Leistungsmoduls des vergleichenden Beispiels 1.
  • 18(b) ist eine Schnittansicht des Leistungsmoduls des vergleichenden Beispiels 1.
  • 19(a) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul des vergleichenden Beispiels 1 an Wärmesenken befestigt ist.
  • 19(b) ist eine Schnittansicht, wo das Leistungsmodul des vergleichenden Beispiels 1 an den Wärmesenken befestigt ist.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Leistungsmoduls und eines Leistungsumwandlungsgeräts unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und die doppelte Beschreibung entfällt.
  • Beispiel 1
  • 1 ist eine perspektivische Außenansicht, die schematisch eine Ausgestaltung eines Leistungsmoduls 301 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Zu dem Leistungsmodul 301 zählen Abdichtungsharz 304 zum Abdichten eines Halbleiterelements 302, ein Anschluss 331 einer positiven Elektrode, ein Anschluss 332 einer negativen Elektrode, ein Phasenausgangsanschluss 333 sowie Gate-Anschlüsse 334 und 335. Eine Struktur des Leistungsmoduls 301 wird nachfolgend in Verbindung mit 2 bis 4 beschrieben.
  • 2 ist eine Vorderansicht des Leistungsmoduls 301 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die gestrichelten Linien in der Zeichnung zeigen die Anordnungspositionen der Halbleiterelemente 302.
  • 3(a) veranschaulicht eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 2. 3(b) veranschaulicht eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2. Das Leistungsmodul 301 des vorliegenden Beispiels ist derart ausgestaltet, dass zwei Halbleiterelemente 302a und 302b zum kontrollierten Ansteuern eines externen Motors, der nicht veranschaulicht ist, Leiterrahmen (metallische Anschlüsse) 331 bis 335, ein Substrat 341 sowie ein Abstandhalter 342 mit dem Abdichtungsharz 304 abgedichtet werden.
  • Als das Halbleiterelement 302 wird zum Beispiel ein MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder ein IGBT (insulated gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) verwendet. Das Halbleiterelement 302 ist ein Nacktchip, bei dem ein Si-Chip in einem freiliegenden Zustand angebracht ist. Die obere Oberfläche und die untere Oberfläche des Halbleiterelements 302 sind mit den Leiterrahmen mithilfe von Lötmittel verbunden. Jedes Halbleiterelement 302, das in dem Leistungsmodul 301 eingebettet ist, ist mit den Leiterrahmen verbunden, um einen Schaltungskörper zu bilden.
  • Die Leiterrahmen 331 bis 335 und das mit den Halbleiterelementen verbundene Substrat 341 sind derart ausgebildet, dass Oberflächen entgegengesetzt zu den Oberflächen, auf denen die Halbleiterelemente angebracht sind, Wärmeableitungsoberflächen sind. Bei dem Leistungsmodul 331 des vorliegenden Beispiels sind derartige Wärmeableitungsoberflächen mit dem isolierenden Abdichtungsharz 304 bedeckt. Eine Dicke 305 (siehe 3(a)) des Abdichtungsharzes, das die Wärmeableitungsflächen bedeckt, beträgt unter dem Gesichtspunkt der Wärmeableitungseigenschaft bevorzugt 0,5 [mm] oder weniger, besser noch 0,3 [mm] oder weniger. Wenn die Dicke 305 des Wärmeableitungsharzes 304 auf die vorerwähnte Weise ausgebildet ist, kann die Isolierungseigenschaft sichergestellt werden, ohne die Wärmeableitungseigenschaft zu beeinträchtigen. Wenn das Halbleiterelement 302 mit dem Harz bedeckt ist, kann eine Beanspruchung eines Verbindungselements (z. B. Lötmittel) abgemildert werden, die aufgrund eines Unterschieds eines linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 302 und den metallischen Leiterrahmen auftritt.
  • Zu Beispielen eines Verfahrens zum Abdichten eines Halbleiterelements mit Isolierharz zählen Transferformen, Spritzgießen, Potting. Transferformen ist in Bezug auf Massenproduktivität und Zuverlässigkeit wünschenswert. Zu Beispielen des Harzmaterials zählt Harz auf Epoxidbasis.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des Harzmaterials beträgt bevorzugt 1 [W/(m·K)] oder mehr, besser noch 3 [W/(m·K)] oder mehr. Die Wärmeleitfähigkeit des Harzmaterials ist entsprechend dem Typ oder der Additivmenge von Füllstoff anpassbar. Als der Füllstoff kann ein allgemein bekanntes Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, Bornitrid und Siliciumoxid verwendet werden, aber der Füllstoff ist nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann, wenn ein Harzmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2 [W/(m·K)] oder mehr verwendet wird, selbst wenn „Wärmeableitungsfett” (heat dissipation grease) oder Isolierfolie verringert werden, eine sehr gute Wärmeableitungseigenschaft von dem Leistungsmodul zu einer Wärmesenke erreicht werden.
  • Das Abdichtungsharz 304 weist tatsächlich einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 20 [ppm/°C] oder weniger auf, welches ein Wert nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Anschlusses auf Kupferbasis ist, weist bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 6 bis 20 [ppm/°C] auf.
  • Das Halbleiter-Leistungsmodul 301 des vorliegenden Beispiels weist einen Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 auf. Der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 ist auf einem Umfangsrandabschnitt des Abdichtungsharzes 304 ausgebildet, das das Halbleiterelement und dergleichen abdichtet. In 3(a) wird der auf den kurzen Seiten des Leistungsmoduls 301 ausgebildete Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt veranschaulicht. In 3(b) wird der auf den langen Seiten des Leistungsmoduls 301 ausgebildete Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 veranschaulicht. Die lange Seite des Leistungsmoduls 301 ist hier eine Seite entlang der Längsrichtung, welches eine Richtung parallel zu einer Array-Richtung der Halbleiterelemente 302a und 302b ist.
  • Der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 des vorliegenden Beispiels ist aus demselben Material wie das Abdichtungsharz 304 zum Abdichten des Halbleiterelements 302 ausgebildet und mit dem Abdichtungsharz 304 einstückig ausgebildet. Des Weiteren ist der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 derart ausgebildet, dass die Dicke des Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitts 303 in einer Richtung normal zu einer Hauptoberfläche des Halbleiterelements 302 größer als die Dicke des Abdichtungsharzes 304 in derselben Richtung ist. Anders ausgedrückt: Der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 ist derart ausgebildet, dass der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 in Bezug auf die Hauptoberfläche vorspringt, die von dem Abdichtungsharz 304 gebildet wird, das die Wärmeableitungsflächen der Leiterrahmen bedeckt. Die hier beschriebene Hauptoberfläche des Abdichtungsharzes 304 ist bei der vorliegenden Ausführungsform sowohl auf einer Seite als auch der anderen Seite des Halbeleiterelements 302 ausgebildet.
  • Daher wird, wenn der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 derart ausgebildet ist, dass er dicker als das Abdichtungsharz 304 ist, der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 mit einer größeren Steifigkeit als das Abdichtungsharz 304 ausgebildet. Ein derartiger Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 mit einer größeren Steifigkeit ist entlang der Array-Richtung der Halbleiterelemente 302a und 302b (d. h. der Längsrichtung des in 2 veranschaulichten Leistungsmoduls) ausgebildet.
  • Überdies kann, wenn der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 aus demselben Material wie das Abdichtungsharz 304 und mit dem Abdichtungsharz 304 einstückig ausgebildet wird, der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 bei einem Prozess eines Abdichtens des Halbleiterelements 302 zur gleichen Zeit ausgebildet werden. Daher ist im Vergleich zu Fällen, bei denen das Verwerfungsunterdrückungs-Element 303 separat ausgebildet und anschließend montiert wird, die Anzahl von Komponenten oder die der Arbeitsprozesse verringert.
  • Wie aus einem Vergleich zwischen 3(a) und 3(b) ersichtlich wird, ist der Abdichtungsharzabschnitt des Leistungsmoduls 301 in Längsrichtung in einer Richtung ausgebildet, in der die Mehrzahl von Halbleiterelementen 304 angeordnet ist. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass die Verwerfung in dem Leistungsmodul 301 in der Array-Richtung der Halbleiterelemente auftritt, die eine Längsrichtung ist, anstatt in einer Querrichtung. Die Verwerfung in dem Leistungsmodul tritt aufgrund von Aushärtungsschrumpfung durch Harzaushärtung während einer Herstellung, Harzschrumpfung während eines Abkühlens, Ausdehnung und Schrumpfung bei Umgebungstemperaturen bei einer praktischen Verwendung oder dergleichen auf.
  • Hier wird als ein vergleichendes Beispiel ein in 17 bis 19(a) und 19(b) veranschaulichtes Leistungsmodul beschrieben. Anders als das Leistungsmodul des vorliegenden Beispiels weist ein in 17 und 18(a) und 18(b) veranschaulichtes Leistungsmodul den Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 nicht auf. Des Weiteren sind 19(a) und 19(b) Ansichten, die einen Zustand veranschaulichen, bei dem ein Leistungsmodul 301 des vergleichenden Beispiels an Wärmesenken 401 befestigt ist. Die Wärmesenken 401 bilden Wärmeableitungswege für thermischen Kontakt mit dem Leistungsmodul 301 in Gebieten, wo die Wärmesenken 401 Metallanschlüssen (Leiterrahmen) zugewandt sind, die mit Halbleiterelementen des Leistungsmoduls 301 verbunden sind.
  • Wenn in dem Leistungsmodul eine Verwerfung auftritt, die einen zulässigen Bereich überschreitet, wird ein Abstand zwischen dem Leistungsmodul und den Wärmesenken vergrößert. Daher wird ein thermischer Kontakt zwischen dem Leistungsmodul und den Wärmesenken durch Störungen beeinträchtigt, was verhindert, dass die von den Halbleiterelementen erzeugte Wärme wirksam abgeleitet wird. Überdies tritt in einigen Fällen in einer Phase, in der das Leistungsmodul mithilfe einer Schraube oder dergleichen an einem Befestigungskörper befestigt wird, ein Bruch der Halbleiterelemente in dem Leistungsmodul aufgrund des Anzugsdrehmoments auf. Des Weiteren weist das Auftreten der Verwerfung in dem Leistungsmodul darauf hin, dass eine Beanspruchung auf das Substrat selbst einwirkt. Daher kann die Anwendung einer Temperaturzyklusbehandlung, wobei es sich um einen Haltbarkeitstest handelt, in dem vorerwähnten Zustand einen Bruch des Leistungsmoduls aufgrund einer Änderung einer Beanspruchung durch Temperatur zur Folge haben, was zu einer verringerten Zuverlässigkeit führt. Selbst bei der Struktur, bei der das Leistungsmodul eine Wärmeableitungsoberfläche auf beiden Oberflächen aufweist, tritt eine nicht geringe Verformung auf. Daher kann eine derartige Verschlechterung einer Wärmeableitungseigenschaft oder eine derartige Verringerung einer Zuverlässigkeit auftreten.
  • Bei dem Leistungsmodul des vorliegenden Beispiels wird eine Verwerfung in der Längsrichtung des Leistungsmoduls unterdrückt. Daher kann ein vorteilhafter thermischer Kontakt mit den Wärmesenken erreicht werden, was ein Aufrechterhalten der Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls ermöglicht.
  • Der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt, der auf einem Umfangsrandabschnitt des Abdichtungsabschnitts des Leistungsmoduls ausgebildet ist, ist in Bezug auf die Modul-Hauptoberfläche, die mit den Wärmesenken thermisch in Kontakt steht, auf einem anderen Niveau ausgebildet. Auf diese Weise wird die Steifigkeit des Umfangsrandabschnitts des Abdichtungsharzes des Leistungsmoduls erhöht. Das Niveau des Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitts in Bezug auf die Hauptoberfläche des Moduls ist im Hinblick auf den Bereich zum Lösen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt, beträgt aber bevorzugt 0,5 [mm] oder mehr, besser noch 1 [mm] oder mehr. Des Weiteren ist bei dem vorliegenden Beispiel der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt nicht nur entlang der Längsrichtung, sondern auch entlang der Querrichtung ausgebildet. Daher ist die Wirkung eines Unterdrückens von Verwerfungsverformung größer.
  • Überdies weist das Abdichtungsharz 304, das bei dem Leistungsmodul des vorliegenden Beispiels verwendet wird, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (18 [ppm/°C]) auf, bei dem es sich um einen Wert handelt, der im Wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (17 [ppm/°C]) von Kupfer ist, welches die Leiterrahmen 331 bis 335 bildet. Daher kann eine Verwerfung in dem Leistungsmodul aufgrund eines Unterschieds eines Wärmeausdehnungskoeffizienten unterdrückt werden, was eine weitere Unterdrückung einer Verwerfung in dem Leistungsmodul ermöglicht.
  • 4(a) ist ein Schaltungs-Konfigurationsschema des Leistungsmoduls 301 der vorliegenden Erfindung.
  • 5(a) und 5(b) sind Schnittansichten, die einen Zustand veranschaulichen, bei dem das Leistungsmodul 301 der vorliegenden Erfindung an den Wärmesenken 401 befestigt ist. 5(a) ist eine Schnittansicht, die 3(a) entspricht. 5(b) ist eine Schnittansicht, die 3(b) entspricht.
  • Die Wärmesenken 401 weisen Vorsprünge auf, damit sie zu der Form der Hauptoberflächen passen, die die Wärmeableitungsoberflächen des Leistungsmoduls 301 bilden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Leistungsmodul 301 an die Wärmesenken 401 montiert, ohne Wärmeableitungsfett oder Isolierfolie zwischen dem Leistungsmodul 301 und den Wärmesenken 401 anzuordnen. Die Wärmesenken 401 sind bevorzugt aus Metall oder dergleichen mit einer vorteilhaften Wärmeableitungseigenschaft ausgebildet. Überdies ist es unter dem Gesichtspunkt einer Wärmeableitungseigenschaft mehr zu bevorzugen, dass die Wärmesenken 401 mit dem Gehäuse einer Steuervorrichtung oder dem Gehäuse eines Motors einstückig geformt sind. Bei dem vorliegenden Beispiel sind, wie nachfolgend beschrieben, die Wärmesenken 401 mit einem steuervorrichtungsseitigen Metallgehäuse verbunden.
  • Im Vergleich zu dem Leistungsmodul des vergleichenden Beispiels (17 bis 19(a) und 19(b)), ist eine Verwerfungsverformung in dem Leistungsmodul des vorliegenden Beispiels geringer. Daher kann die Nutzung eines Wärmeableitungselements bei. gleichzeitigem Aufrechterhalten der Wärmeableitungseigenschaft verringert werden. Als ein Ergebnis ist zu erwarten, dass die Wirkung einer Gewichtsverringerung des Leistungsumwandlungsgeräts, eine Verringerung von Kosten der Elemente oder dergleichen erreicht wird.
  • Den Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 des Leistungsmoduls 301 betreffend, bilden überdies der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 und die Wärmeableitungsoberflächen des Leistungsmoduls Aussparungen, die mit den Vorsprüngen der Wärmesenken 401 zusammenpassen. Daher wird durch die Gestaltung des Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitts 303 auch die Montageposition des Leistungsmoduls 301 in Bezug auf die Wärmesenken 401 festgelegt. Insbesondere dient der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 des Leistungsmoduls 301 auch als ein Positionierungselement in Bezug auf die Vorsprünge der Wärmesenken 401. Zum Beispiel definiert in 5(a) der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 die Anordnungsposition des Leistungsmoduls 301 in der Array-Richtung der Halbleiterelemente 302a und 302b. Auf diese Weise wird die Montierbarkeit des Leistungsmoduls und der Wärmesenken erhöht.
  • 6 ist eine axiale Schnittansicht, die einen Montagezustand eines Leistungsumwandlungsgeräts 100 veranschaulicht, bei dem das Leistungsmodul 301 des vorliegenden Beispiels montiert ist.
  • Das Leistungsumwandlungsgerät 100 weist drei Leistungsmodule 301 (nur eines wird veranschaulicht), was einem Dreiphasenausgang entspricht, einen Motor 200 und eine Steuervorrichtung 300 auf, die eine Motor-Treiberschaltung aufweist.
  • Der Motor 200 weist einen Stator 202 und einen Rotor 204 auf. Die Statorwicklung des Stators 202 ist aus einer dreiphasigen Wicklung mit einer U-, V- und W-Phase ausgebildet. Zur Verdrahtung ist die Statorwicklung elektrisch mit einer Anschlussstromschiene 210 verbunden, die mit Isolierharz vergossen ist. Der Rotor 204 ist aus einer Welle 205 und einem an deren Außenumfang befestigten Permanentmagneten ausgebildet. Der Rotor 204 wird mithilfe eines sich drehenden magnetischen Feldes, das erzeugt wird, während Strom an die Statorwicklung angelegt wird, und mithilfe eines Lagers gedreht. Zu Beispielen für das Material des Permanentmagneten zählen Neodym und Ferrit. Die Komponenten, aus denen der Motor 200 besteht, sind in einem motorseitigen Metallgehäuse 201 untergebracht.
  • Das Leistungsmodul 301 ist an den Wärmesenken 401 befestigt, die thermisch mit einem inverterseitigen Metallgehäuse 313 verbunden sind. Bei dem vorliegenden Beispiel sind die Wärmesenken 401 an beiden Hauptoberflächen des Leistungsmoduls 301 befestigt. Über dies ist ein Leistungsanschluss des Leistungsmoduls 301 mit einem Leistungssubstrat 308 verbunden, und ein Steueranschluss ist mit einem Steuersubstrat 309 verbunden.
  • Ein Kondensator 310 ist auf dem Leistungssubstrat 308 angebracht. Ein Positionserkennungsmagnet 212, eine elektronische Komponente 213, ein Mikrocomputer 214 und dergleichen sind auf dem Steuersubstrat 309 angebracht. Das Steuersubstrat 309 ist in Bezug auf das Leistungsmodul 301 auf einer Seite angeordnet, wo der Motor 200 angeordnet ist. Das Leistungssubstrat 308 ist in Bezug auf das Leistungsmodul 301 auf einer Seite entgegengesetzt zu der Seite angeordnet, wo der Motor 200 angeordnet ist. Des Weiteren sind Anschlusseinheiten 307 auf einem Deckel 312 bereitgestellt. Zu den Anschlusseinheiten 307 zählen eine mit dem Leistungssubstrat 308 verbundene und eine mit dem Steuersubstrat 309 verbundene.
  • Bei dem Leistungsumwandlungsgerät 100 der vorliegenden Ausführungsform wird die von dem Leistungsmodul 301 erzeugte Wärme von dem inverterseitigen Metallgehäuse 313 zu dem motorseitigen Metallgehäuse 201 abgeleitet. Überdies wird die von dem Leistungsmodul 301 erzeugte Wärme gleichzeitig auch von den Wärmesenken 401 aus abgeleitet. Leistungsmodule, die Wärme von beiden Seiten eines Halbleiterelements aus ableiten, benötigen wirksame Wege von Wärmeableitung über bzw. zu Wärmeableitungsrouten, die auf beiden Oberflächenseiten bereitgestellt werden.
  • Bei dem Leistungsumwandlungsgerät der vorliegenden Ausführungsform wird das Leistungsmodul 301 verwendet, bei dem eine Verwerfungsverformung gering ist, und das eine wirksame Wärmeableitung zu den Wärmesenken ermöglicht, die auf beiden Oberflächenseiten des Leistungsmoduls 301 angeordnet sind. Aufgrund dessen kann ein zusätzliches Element zur Isolierung oder Wärmeableitung verkleinert werden, oder die Größe, als axiale Größe, des Leistungsumwandlungsgeräts kann verringert werden.
  • Wie bisher beschrieben, weist das Leistungsmodul des vorliegenden Beispiels den Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt auf und ist in der Lage, eine Verwerfungsverformung zu unterdrücken. Daher kann das Leistungsmodul mit einer vorteilhaften Wärmeableitungseigenschaft in Bezug auf die Wärmesenken und einer hohen Zuverlässigkeit bereitgestellt werden. Des Weiteren kann die Verwendung von Wärmeableitungsfett oder Isolierfolie verringert werden, was zu einer Verringerung von Kosten führt. Überdies wird der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt von den Hauptoberflächen des Leistungsmoduls aus auf einem vorgegebenen Niveau ausgebildet, und eine Isolationsstrecke (Kriechstrecke) zwischen den Wärmesenken und den Leiterrahmen wird verlängert, was zu einer Erhöhung der Isolierungszuverlässigkeit führt. Wenn das Leistungsmodul der vorliegenden Erfindung in dem Leistungsumwandlungsgerät montiert ist, gibt es einen Vorteil, dass ein Positionieren in Bezug auf die Vorsprünge der Wärmesenken einfach wird, und die Positionsgenauigkeit erhöht wird.
  • Überdies steht bei dem Leistungsumwandlungsgerät des vorliegenden Beispiels eine auf dem Inverter platzierte Oberfläche des Leistungsmoduls in Kontakt mit dem Metallgehäuse der Steuervorrichtung oder des Motors, und die andere Oberfläche steht zur Wärmeableitung mit der Metallplatte in Kontakt. Daher kann die von dem Leistungsmodul erzeugte Wärme von beiden Oberflächen aus freigesetzt werden, was eine Realisierung des Leistungsumwandlungsgeräts ermöglicht, die eine sehr gute Wärmeableitungseigenschaft aufweist. Aufgrund dessen kann die Größe des Leistungsumwandlungsgeräts verringert werden.
  • Beispiel 2
  • 7(a) und 7(b) veranschaulichen eine Montagestruktur des Leistungsmoduls und der Wärmesenken gemäß einer zweiten Ausführungsform. Ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht in der Form der Wärmesenken 401. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Bereiche der Enden der Vorsprünge der Wärmesenken 401 kleiner. Daher ist die Kriechstrecke verlängert, und ein Leistungsmodul mit höherer Isolierungszuverlässigkeit kann bereitgestellt werden. Überdies kann, wenn das Leistungsmodul des vorliegenden Beispiels in einem Leistungsumwandlungsgerät verwendet wird, ein Leistungsumwandlungsgerät bereitgestellt werden, das eine axial verringerte Größe aufweist.
  • Beispiel 3
  • 8(a) und 8(b) veranschaulichen eine Montagestruktur des Leistungsmoduls und der Wärmesenken gemäß einer dritten Ausführungsform. Ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht in der Form der Wärmesenken 401. Das Leistungsmodul der vorliegenden Ausführungsform steht nicht nur an den Wärmeableitungs-Hauptoberflächen des Moduls in Kontakt mit den Wärmesenken 401, sondern auch an dem Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303.
  • Beispiel 4
  • 9 und 10(a) sowie 10(b) veranschaulichen eine Ausgestaltung des Leistungsmoduls gemäß einer vierten Ausführungsform. 10(a) ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C aus 9. 10(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie D-D aus 9. Ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht in der Form des Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitts 303. Das Leistungsmodul der vorliegenden Ausführungsform weist eine breitere Form auf als der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 der ersten Ausführungsform. Daher kann der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 eine erhöhte Steifigkeit aufweisen. Aufgrund dessen wird ein Verwerfen über das Leistungsmodul 301 wirksamer unterdrückt, und ein Leistungsmodul mit hoher Zuverlässigkeit kann bereitgestellt werden. Überdies kann, wenn das Leistungsmodul der vorliegenden Ausführungsform in einem Leistungsumwandlungsgerät verwendet wird, ein Leistungsumwandlungsgerät bereitgestellt werden, das eine axial verringerte Größe aufweist.
  • Beispiel 5
  • 11 und 12 veranschaulichen eine Ausgestaltung des Leistungsmoduls gemäß einer fünften Ausführungsform. 12 ist eine Schnittansicht entlang der Linie E-E aus 11. Ein Unterschied zu der ersten Ausführungsform liegt in dem Punkt, dass der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 nicht nur auf einem Umfangsrandabschnitt der äußeren Umfangsseite, sondern auch an einem inneren Abschnitt bereitgestellt wird. Das Leistungsmodul 303 der vorliegenden Ausführungsform weist den Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 auf, der derart bereitgestellt wird, dass er im Wesentlichen durch die Mitte zwischen den zwei Halbleiterelementen 302a und 302b in einer Richtung senkrecht zu der Array-Richtung der Halbleiterelemente 302a und 302b verläuft. Wenn der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 zwischen den zwei Halbleiterelementen ausgebildet ist, kann ein Verwerfen über das Leistungsmodul wirksam unterdrückt werden, während gleichzeitig die Wärmeableitungswege von den Halbleiterelementen zu den Wärmesenken sichergestellt sind.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform muss die Form der Wärmesenken 401 geändert werden, um zu der Form des Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitts 303 zu passen. Allerdings kann eine axiale Größe eines Leistungsumwandlungsgeräts weiter verringert werden.
  • Beispiel 6
  • 13 und 14 veranschaulichen eine Ausgestaltung des Leistungsmoduls gemäß einer sechsten Ausführungsform. Bei dem vorliegenden Beispiel sind drei Halbleiterelemente 302a, 302b, 302c in einem einzigen Leistungsmodul 301 eingebettet. Eine Schaltungsausgestaltung des Leistungsmoduls der vorliegenden Ausführungsform wird in 14 veranschaulicht.
  • Selbst in Fällen, in denen drei oder mehr Halbleiterelemente vorhanden sind, wie bei dem Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform, kann die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls erhöht werden, wenn der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt 303 wie in dem Fall des Beispiels 1 bereitgestellt wird. Insbesondere sind in dem Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform die drei Halbleiterelemente in einer Reihe angeordnet. Daher ist die Länge in der Längsrichtung verglichen mit der des Beispiels 1 im Vergleich zu der Länge in der Querrichtung des Leistungsmoduls größer. Bei einem derartigen Modul wird das Problem mit Zuverlässigkeit aufgrund von Verwerfung in dem Modul wichtiger. Daher kann im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur, bei der der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt mit großer Steifigkeit nicht auf einem Umfangsrandabschnitt des Leistungsmoduls bereitgestellt wird, eine hohe Zuverlässigkeit sichergestellt werden.
  • Beispiel 7
  • 15 und 16 veranschaulichen jeweils Ausgestaltungen des Leistungsmoduls und des Leistungsumwandlungsgeräts gemäß einer siebten Ausführungsform. In dem in 17 veranschaulichten Leistungsmodul der vorliegenden Ausführungsform sind neun Halbleiterelemente eingebettet. Ein Leistungsmodul der vorliegenden Ausführungsform steuert eine dreiphasige Statorwicklung an. 16 ist eine Ansicht, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem das Leistungsmodul der vorliegenden Ausführungsform in einem Leistungsumwandlungsgerät montiert ist. Das Leistungsumwandlungsgerät 100 der vorliegenden Erfindung weist zwei dreiphasige Statorwicklungen und zwei entsprechende Leistungsmodule 301 auf. Das erste und zweite Leistungsmodul steuern voneinander unabhängig die dreiphasigen Statorwicklungen an.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Leistungsumwandlungsgerät
    200
    Motor
    201
    motorseitiges Metallgehäuse
    202
    Stator
    204
    Rotor
    205
    Welle
    206
    Statorwicklungs-Ausgangsabschnitt
    210
    Anschlussstromschiene
    212
    Positionserkennungsmagnet
    213
    elektronische Komponente
    214
    Mikrocomputer
    300
    Steuervorrichtung
    301
    Leistungsmodul
    302a bis 302c
    Halbleiterelement
    303
    Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt
    304
    Abdichtungsharz
    305
    Harzdicke
    307
    Anschlusseinheit
    308
    Leistungssubstrat
    309
    Steuersubstrat
    310
    Kondensator
    312
    Deckel
    313
    steuervorrichtungsseitiges Metallgehäuse
    331
    Anschluss der positiven Elektrode
    332
    Anschluss der negativen Elektrode
    333
    Phasenausgangsanschluss
    334, 335, 336
    Gate-Anschluss
    337
    Steueranschluss
    341
    Substrat
    342
    Abstandhalter
    401
    Wärmesenke

Claims (10)

  1. Leistungsmodul, das umfasst: einen ersten Schaltungskörper, der ein erstes Halbleiterelement und einen ersten Leiterabschnitt aufweist; einen zweiten Schaltungskörper, der ein zweites Halbleiterelement und einen zweiten Leiterabschnitt aufweist; ein Harz-Abdichtungsmaterial zum Abdichten des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers und einen Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt, der entlang einer Array-Richtung des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers ausgebildet ist, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt derart ausgebildet ist, dass er eine größere Steifigkeit aufweist als ein Abdichtungsabschnitt des Harz-Abdichtungsmaterials.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt aus einem gleichen Material ausgebildet ist wie ein Harzelement des Harz-Abdichtungsmaterials und derart ausgebildet ist, dass er dicker als der Abdichtungsabschnitt des Harz-Abdichtungsmaterials ist.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt auf einem Umfangsrandabschnitt des Harz-Abdichtungsmaterials ausgebildet ist.
  4. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt derart ausgebildet ist, dass er einen Abschnitt aufweist, der entlang einer Richtung senkrecht zu einer Array-Richtung des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers ausgebildet ist.
  5. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Schaltungskörper einen dritten Leiterabschnitt aufweist, der gegenüber dem ersten Leiterabschnitt auf der anderen Seite des ersten Halbleiterelements angeordnet ist, und der zweite Schaltungskörper einen vierten Leiterabschnitt aufweist, der gegenüber dem zweiten Leiterabschnitt auf der anderen Seite des zweiten Halbleiterelements angeordnet ist.
  6. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das einen dritten Schaltungskörper umfasst, der ein drittes Halbleiterelement und einen dritten Leiterabschnitt aufweist, wobei der dritte Schaltungskörper entlang einer Array-Richtung des ersten Schaltungskörpers und des zweiten Schaltungskörpers angeordnet ist, und der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt entlang einer Array-Richtung des ersten Schaltungskörpers, des zweiten Schaltungskörpers und des dritten Schaltungskörpers ausgebildet ist.
  7. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Harz-Abdichtungsmaterial aus einem Material ausgebildet ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des ersten Leiterabschnitts und des zweiten Leiterabschnitts äquivalent ist.
  8. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Harz-Abdichtungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/(m·K) oder mehr aufweist.
  9. Leistungsumwandlungsgerät, das umfasst: das Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine Wärmesenke, die gegenüber dem ersten Leiterabschnitt und dem zweiten Leiterabschnitt angeordnet ist.
  10. Leistungsumwandlungsgerät nach Anspruch 9, wobei der Verwerfungsunterdrückungs-Abschnitt eine Anordnungsposition des Leistungsmoduls in Bezug auf die Wärmesenke in einer in der Ebene liegenden Richtung senkrecht zu einer Array-Richtung der Wärmesenke und des Leistungsmoduls definiert.
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