JP2005065379A - 自動車用インバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体モジュールと冷却部材との間の電気的絶縁性及び熱伝導性に優れた自動車用インバータを提供すること。
【解決手段】自動車の走行モーターを制御する自動車用インバータ１。自動車用インバータ１は、半導体モジュール２と、半導体モジュール２の両面に配置され、半導体モジュール２を両面から冷却する冷却部材３とを有している。半導体モジュール２と冷却部材３との間の熱抵抗は０．０４２K／Ｗ以下であり、かつ半導体モジュール２と冷却部材３との間の電気絶縁耐圧は２．６１１ｋＶ以上である。
【選択図】図１
【解決手段】自動車の走行モーターを制御する自動車用インバータ１。自動車用インバータ１は、半導体モジュール２と、半導体モジュール２の両面に配置され、半導体モジュール２を両面から冷却する冷却部材３とを有している。半導体モジュール２と冷却部材３との間の熱抵抗は０．０４２K／Ｗ以下であり、かつ半導体モジュール２と冷却部材３との間の電気絶縁耐圧は２．６１１ｋＶ以上である。
【選択図】図１
Description
本発明は，自動車の走行モーターを制御する自動車用インバータに関する。
自動車用インバータにおいては、小型化、高集積化、大電力化という市場要求があり、これに伴い、半導体モジュールの発熱量が大きくなる。そのため、半導体モジュールの冷却を効率よく行う必要性がより高くなっている。
この問題を解決すべく、図１１に示すごとく、半導体モジュールの両面に冷却チューブを配設して、発熱する半導体モジュールを冷却する構造が提案されている（特許文献１）。
具体的には、導通基板９２上にＩＧＢＴ等の半導体素子９３１をはんだ９３２により接合してなる半導体モジュール９３が発熱した熱を放熱するために、冷媒を循環させるアルミ製の冷却部材３を、導通基板９２に面して配設している。
具体的には、導通基板９２上にＩＧＢＴ等の半導体素子９３１をはんだ９３２により接合してなる半導体モジュール９３が発熱した熱を放熱するために、冷媒を循環させるアルミ製の冷却部材３を、導通基板９２に面して配設している。
しかし、導通基板９２と冷却部材３とを電気的に絶縁する必要がある。そこで、導通基板９２と冷却部材３の間に、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ等からなる高放熱絶縁板９１が挿入されている。また、高放熱絶縁板９１と導通基板９２あるいは冷却部材３との間に空隙が形成されることを防ぐために、導通基板９２と高放熱絶縁板９１との間、及び冷却部材３と高放熱絶縁板９１との間にグリス９５１、９５２をそれぞれ塗布している。
しかしながら、上記グリス９５１、９５２の層を、導通基板９２と冷却部材３との間に２層も設けると、導通基板９２と冷却部材３との間の熱伝導性が低下するという問題がある。そして、これにより、上記半導体素子９３１の冷却を充分に行うことが困難となるおそれがある。
特開２００１−３２０００５号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールと冷却部材との間の電気的絶縁性及び熱伝導性に優れた自動車用インバータを提供しようとするものである。
本発明は、自動車の走行モーターを制御する自動車用インバータにおいて、
該自動車用インバータは、半導体モジュールと、該半導体モジュールの両面に配置され、該半導体モジュールを両面から冷却する冷却部材とを有しており、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱抵抗は０．０４２K／Ｗ以下であり、かつ上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気絶縁耐圧は２．６１１ｋＶ以上であることを特徴とする自動車用インバータにある（請求項１）。
該自動車用インバータは、半導体モジュールと、該半導体モジュールの両面に配置され、該半導体モジュールを両面から冷却する冷却部材とを有しており、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱抵抗は０．０４２K／Ｗ以下であり、かつ上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気絶縁耐圧は２．６１１ｋＶ以上であることを特徴とする自動車用インバータにある（請求項１）。
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記自動車用インバータにおいては、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱抵抗が０．０４２K／Ｗ以下である。そのため、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱伝導性を充分に確保することができ、上記半導体モジュールの熱を上記冷却部材によって充分に吸収することができる。それ故、半導体モジュールの温度上昇を防ぐことができる。
上記自動車用インバータにおいては、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱抵抗が０．０４２K／Ｗ以下である。そのため、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱伝導性を充分に確保することができ、上記半導体モジュールの熱を上記冷却部材によって充分に吸収することができる。それ故、半導体モジュールの温度上昇を防ぐことができる。
また、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気絶縁耐圧が２．６１１ｋＶ以上であるため、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁性を充分に確保することができる。これにより、上記半導体モジュールにおける電極間の短絡等の不具合を確実に防止することができる。
このように、半導体モジュールと冷却部材との間に充分な熱伝導性及び電気的絶縁性を確保することができるため、大電流を流す自動車用インバータとして充分な性能を確保することができる。
以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールと冷却部材との間の電気的絶縁性及び熱伝導性に優れた自動車用インバータを提供することができる。
本発明において、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱抵抗が０．０４２K／Ｗ以上である場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱伝導性を充分に確保することが困難となり、半導体モジュールの温度上昇を防ぐことが困難となるおそれがある。
また、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気絶縁耐圧が２．６１１ｋＶ以下である場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁性を充分に確保することが困難となるおそれがある。
また、上記熱抵抗及び上記電気絶縁耐圧は、例えば、後述する実験例に示す測定方法により測定することができる。
また、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気絶縁耐圧が２．６１１ｋＶ以下である場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁性を充分に確保することが困難となるおそれがある。
また、上記熱抵抗及び上記電気絶縁耐圧は、例えば、後述する実験例に示す測定方法により測定することができる。
また、上記絶縁耐圧は３．５ｋＶ以上であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁性を一層向上させることができ、より大電力に対応することができる自動車用インバータを得ることができる。
この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁性を一層向上させることができ、より大電力に対応することができる自動車用インバータを得ることができる。
また、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の厚みは、１００μｍ以下であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱伝導性を確保することができ、半導体モジュールを充分に冷却することができる。
上記厚みが１００μｍを超える場合には、上記半導体モジュールを充分に冷却することが困難となるおそれがある。
また、上記厚みは１０μｍ以上であることが好ましい。上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁を確保するためである。
この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱伝導性を確保することができ、半導体モジュールを充分に冷却することができる。
上記厚みが１００μｍを超える場合には、上記半導体モジュールを充分に冷却することが困難となるおそれがある。
また、上記厚みは１０μｍ以上であることが好ましい。上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁を確保するためである。
また、上記半導体モジュール及び上記冷却部材のいずれか一方に、無機系材料によって形成される第一保護層と、少なくとも該第一保護層に生じた欠陥部を被覆するように形成された第二保護層とを有してなる複合皮膜を配設することができる（請求項４）。
上記複合皮膜は、無機系材料からなる第一保護層を有するため、電気的絶縁性を確保しつつ高い熱伝導性を有する。また、上記第一保護層には欠陥部が生ずることがあるが、該欠陥部は第二保護層によって被覆されているため、電気的絶縁不良が生ずることを防ぐことができる。
それ故、上記第一保護層と上記第二保護層とを有する上記複合皮膜を、上記半導体モジュール及び上記冷却部材のいずれか一方に形成することによって、両者の間の電気的絶縁性及び高熱伝導性を確保することができる。
それ故、上記第一保護層と上記第二保護層とを有する上記複合皮膜を、上記半導体モジュール及び上記冷却部材のいずれか一方に形成することによって、両者の間の電気的絶縁性及び高熱伝導性を確保することができる。
また、上記複合皮膜を上記半導体モジュール及び上記冷却部材のいずれか一方に形成することにより、従来のように、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間に絶縁板を配設する必要がなく、更には該絶縁板の両面にグリスを配設する必要がない。そのため、上記基材と他の部材との間の絶縁構造を簡略化することができる。また、上記絶縁板と基材の一方の面におけるグリスを省略することができるため、熱伝導性を向上させることができる。
また、上記第一保護層は、例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｂ4Ｃ、ＳｉＯ2など熱伝導性の高い絶縁体からなり、例えば０．１〜１００μｍの厚さで形成される。
また、上記第二保護層は、例えば、エポキシ系、ポリイミド系、ポリブタジエン系などの絶縁材料からなる。
また、上記第二保護層は、例えば、エポキシ系、ポリイミド系、ポリブタジエン系などの絶縁材料からなる。
また、上記第一保護層は０．１〜１００μｍの厚みを有し、上記欠陥部は直径１ｍｍ以下であり、上記第二保護層は、面積比において上記欠陥部の９０％以上を被覆していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記半導体モジュールと冷却部材との間に、充分な電気的絶縁性を得ることができる。
この場合には、上記半導体モジュールと冷却部材との間に、充分な電気的絶縁性を得ることができる。
上記第一保護層の厚みが０．１μｍ未満である場合には、電気的絶縁性を充分確保することが困難となるおそれがある。一方、上記厚みが１００μｍを超える場合には、熱伝導性を充分高くすることが困難となるおそれがある。
また、上記欠陥部の直径が１ｍｍを超えると、熱伝導性を充分高くすることが困難となるおそれがあり、上記第二保護層による上記欠陥部の被覆が、該欠陥部の９０％未満の場合には、複合皮膜の電気的絶縁性が不充分となるおそれがある。
また、上記欠陥部の直径が１ｍｍを超えると、熱伝導性を充分高くすることが困難となるおそれがあり、上記第二保護層による上記欠陥部の被覆が、該欠陥部の９０％未満の場合には、複合皮膜の電気的絶縁性が不充分となるおそれがある。
また、上記第一保護層は、熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗ以下であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、充分に高い熱伝導性を有する複合皮膜を形成することができる。
上記熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗを超える場合には、上記複合皮膜の熱伝導性が不充分となるおそれがある。
この場合には、充分に高い熱伝導性を有する複合皮膜を形成することができる。
上記熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗを超える場合には、上記複合皮膜の熱伝導性が不充分となるおそれがある。
また、上記第二保護層は、電着法により析出可能な絶縁材料からなることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記半導体モジュール又は冷却部材の表面露出部である上記欠陥部に優先的に上記第二保護層が析出するため、高い熱伝導性を損なうことなく確実な電気的絶縁を容易に得ることができる。
この場合には、上記半導体モジュール又は冷却部材の表面露出部である上記欠陥部に優先的に上記第二保護層が析出するため、高い熱伝導性を損なうことなく確実な電気的絶縁を容易に得ることができる。
また、上記第二保護層は、上記第一保護層の表面全面を覆っていてもよい（請求項８）。
この場合には、さらに、電気的絶縁性が高くなるという利点がある。
また、上記第二保護層は、第一保護層の表面から例えば３〜５μｍの厚みに形成することができる。
この場合には、さらに、電気的絶縁性が高くなるという利点がある。
また、上記第二保護層は、第一保護層の表面から例えば３〜５μｍの厚みに形成することができる。
（実施例１）
本発明の実施例にかかる自動車用インバータにつき、図１〜図４を用いて説明する。なお、図４は、後述する冷却部材３の冷媒流路３１に直交する方向の断面と冷媒流路３１に沿った断面を並べて表した説明図である。図５、図１１についても同様である。
本発明の実施例にかかる自動車用インバータにつき、図１〜図４を用いて説明する。なお、図４は、後述する冷却部材３の冷媒流路３１に直交する方向の断面と冷媒流路３１に沿った断面を並べて表した説明図である。図５、図１１についても同様である。
上記自動車用インバータ１は、自動車の走行モーターを制御するインバータである。
該自動車用インバータ１は、図１〜図３に示すごとく、半導体モジュール２と、該半導体モジュール２の両面に配置され、該半導体モジュール２を両面から冷却する冷却部材３とを有している。
該自動車用インバータ１は、図１〜図３に示すごとく、半導体モジュール２と、該半導体モジュール２の両面に配置され、該半導体モジュール２を両面から冷却する冷却部材３とを有している。
上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の熱抵抗は０．０４２K／Ｗ以下である。また、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の電気絶縁耐圧は２．６１１ｋＶ以上である。
上記熱抵抗及び上記電気絶縁耐圧は、後述する実験例に示す測定方法により測定することができる。
上記熱抵抗及び上記電気絶縁耐圧は、後述する実験例に示す測定方法により測定することができる。
上記のような熱抵抗を確保しつつ、上記のような電気絶縁耐圧を得るべく、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間に、図３に示すような複合皮膜４を配設する。即ち、該複合皮膜４は、上記半導体モジュール２に、無機系材料によって形成される第一保護層４１と、少なくとも該第一保護層４１に生じた欠陥部４１１を被覆するように形成された第二保護層４２とからなる。
上記複合皮膜４は、図４に示すごとく、上記半導体モジュール２の両面に形成されており、その外側に冷却部材３が配設される。
また、上記半導体モジュール２は、半導体素子２１と、その両面側にはんだ２２によって接合された導通基板２３とを有する。
また、上記半導体モジュール２は、半導体素子２１と、その両面側にはんだ２２によって接合された導通基板２３とを有する。
また、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の厚みは、１００μｍ以下である。即ち、上記上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間に配された上記複合皮膜４の厚みが１００μｍ以下であり、具体的には、１０〜３０μｍ程度である。
また、上記第一保護層４１は、例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ、Ｂ4Ｃ、ＳｉＯ2など熱伝導性の高い絶縁体からなり、熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗ以下である。
上記第一保護層４１は０．１〜１００μｍの厚みを有し、上記欠陥部４１１は直径１ｍｍ以下であり、上記第二保護層４２は、面積比において上記欠陥部４１１の９０％以上を被覆している。
上記第一保護層４１は０．１〜１００μｍの厚みを有し、上記欠陥部４１１は直径１ｍｍ以下であり、上記第二保護層４２は、面積比において上記欠陥部４１１の９０％以上を被覆している。
また、上記第二保護層４２は、例えば、エポキシ系、ポリイミド系、ポリブタジエン系などの絶縁材料からなる。
また、上記第二保護層４２は、電着法により析出可能な絶縁材料からなるため、上記半導体モジュール４１の表面露出部である上記欠陥部４１１に優先的に上記第二保護層４２が析出するため、高い熱伝導性を損なうことなく確実な電気的絶縁を容易に得ることができる。
また、上記第二保護層４２は、図３に示すごとく、上記第一保護層４１の表面全面を覆っており、第一保護層４１の表面から例えば３〜５μｍに形成することができる。
また、上記第二保護層４２は、電着法により析出可能な絶縁材料からなるため、上記半導体モジュール４１の表面露出部である上記欠陥部４１１に優先的に上記第二保護層４２が析出するため、高い熱伝導性を損なうことなく確実な電気的絶縁を容易に得ることができる。
また、上記第二保護層４２は、図３に示すごとく、上記第一保護層４１の表面全面を覆っており、第一保護層４１の表面から例えば３〜５μｍに形成することができる。
上記冷却部材３は、冷媒を流通させる冷媒流路３１を複数設けてなり、例えばアルミニウムの押出成形品からなる冷却チューブである。また、上記冷却部材３には、上記複合皮膜４との界面において、空隙を介在させないようにするためのグリス５が塗布されている。
次に、本例の複合皮膜４を製造するに当っては、まず、上記半導体モジュール２上に上記第一保護層４１を、スパッタリングによって均一に形成する。
次いで、該第一保護層４１に生じた欠陥部４１１を少なくとも被覆するように第二保護層４２を電着法により形成する。
次いで、該第一保護層４１に生じた欠陥部４１１を少なくとも被覆するように第二保護層４２を電着法により形成する。
上記第一保護層４１のスパッタリングは、例えば以下のように行う。
スパッタリング装置のチャンバー内において回転可能な回転治具に半導体モジュール２を取付ける。該半導体モジュール２は、上記第一保護層４１を形成する部分以外には、マスキングをしておく。
また、上記チャンバー内には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉのうち１種類以上のターゲットと、１個以上のＣターゲットとを共に取付ける。
スパッタリング装置のチャンバー内において回転可能な回転治具に半導体モジュール２を取付ける。該半導体モジュール２は、上記第一保護層４１を形成する部分以外には、マスキングをしておく。
また、上記チャンバー内には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉのうち１種類以上のターゲットと、１個以上のＣターゲットとを共に取付ける。
上記チャンバーを閉じて、上記半導体モジュール２を取付けた回転治具を０．１ｒｐｍ以上の速度で回転させ、真空排気、予熱、被処理面のエッチングを順次行う。
次いで、Ａｒ等のキャリアガスとＣＨ4等の反応ガスとを炉内に導入し、炉内圧力を０．０１〜１０Ｐａとする。この際のＡｒとＣＨ4との流量比は、（１００：１）〜（１００：１００）とする。
上記キャリアガスを用いてＣターゲットからＣ原子を飛ばし、上記半導体モジュール２上で上記反応ガスと反応させることによりＤＬＣを成膜する。この際、上記半導体モジュール２の被処理面には、１Ｖ以上の負の電圧（バイアス電圧）を印加する。
次いで、Ａｒ等のキャリアガスとＣＨ4等の反応ガスとを炉内に導入し、炉内圧力を０．０１〜１０Ｐａとする。この際のＡｒとＣＨ4との流量比は、（１００：１）〜（１００：１００）とする。
上記キャリアガスを用いてＣターゲットからＣ原子を飛ばし、上記半導体モジュール２上で上記反応ガスと反応させることによりＤＬＣを成膜する。この際、上記半導体モジュール２の被処理面には、１Ｖ以上の負の電圧（バイアス電圧）を印加する。
次に、上記第二保護層４２の電着は、例えば以下のように行う。
まず、絶縁材料の溶液からなる処理液を用意する。該処理液は、絶縁材料固形分濃度１０〜２０％、ｐＨ６．２〜６．８、電気伝導度１０００〜１５００μＳ／ｃｍ、液温２５〜３０℃とする。
この処理液に、上記第一保護層４１が形成された上記半導体モジュール２を浸漬し、１５０〜３００Ｖの電圧を１分間以上かける。その後、１００℃以上の熱で乾燥させることにより、上記第二保護層４２を形成する。
以上により、上記複合皮膜４を半導体モジュール２上に形成する。
まず、絶縁材料の溶液からなる処理液を用意する。該処理液は、絶縁材料固形分濃度１０〜２０％、ｐＨ６．２〜６．８、電気伝導度１０００〜１５００μＳ／ｃｍ、液温２５〜３０℃とする。
この処理液に、上記第一保護層４１が形成された上記半導体モジュール２を浸漬し、１５０〜３００Ｖの電圧を１分間以上かける。その後、１００℃以上の熱で乾燥させることにより、上記第二保護層４２を形成する。
以上により、上記複合皮膜４を半導体モジュール２上に形成する。
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記自動車用インバータ１においては、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の熱抵抗が０．０４２K／Ｗ以下である。そのため、半導体モジュール２と冷却部材３との間の熱伝導性を充分に確保することができ、半導体モジュール２の熱を冷却部材３によって充分に吸収することができる。それ故、半導体モジュール２の温度上昇を防ぐことができる。
上記自動車用インバータ１においては、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の熱抵抗が０．０４２K／Ｗ以下である。そのため、半導体モジュール２と冷却部材３との間の熱伝導性を充分に確保することができ、半導体モジュール２の熱を冷却部材３によって充分に吸収することができる。それ故、半導体モジュール２の温度上昇を防ぐことができる。
また、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の電気絶縁耐圧が２．６１１ｋＶ以上であるため、半導体モジュール２と冷却部材３との間の電気的絶縁性を充分に確保することができる。これにより、半導体モジュール２における電極間の短絡等の不具合を確実に防止することができる。
このように、半導体モジュール２と冷却部材３との間に充分な熱伝導性及び電気的絶縁性を確保することができるため、大電流を流す自動車用インバータ１として充分な性能を確保することができる。
また、上記半導体モジュール２と冷却部材３との間の厚みが１００μｍ以下であるため、半導体モジュール２と冷却部材３との間の電気的絶縁性を一層向上させることができ、より大電力に対応することができる自動車用インバータ１を得ることができる。
また、上記複合皮膜４は、無機系材料からなる第一保護層４１を有するため、電気的絶縁性を確保しつつ高い熱伝導性を有する。また、上記第一保護層４１には欠陥部４１１が生ずることがあるが、該欠陥部４１１は第二保護層４２によって被覆されているため、電気的絶縁不良が生ずることを防ぐことができる。
それ故、上記第一保護層４１と上記第二保護層４２とを有する上記複合皮膜４を、上記半導体モジュール２に形成することによって、該半導体モジュール２と冷却部材３との間の電気的絶縁性及び高熱伝導性を確保することができる。
それ故、上記第一保護層４１と上記第二保護層４２とを有する上記複合皮膜４を、上記半導体モジュール２に形成することによって、該半導体モジュール２と冷却部材３との間の電気的絶縁性及び高熱伝導性を確保することができる。
また、上記複合皮膜４を上記半導体モジュール２に形成することにより、従来のように、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間に絶縁板（図１１の符号９１参照）を配設する必要がなく、更には該絶縁板と基材との間にグリス（図１１の符号９５１参照）を配設する必要がない。そのため、上記半導体モジュール２と冷却部材３との間の絶縁構造を簡略化することができる。また、上記絶縁板と半導体モジュール２との間のグリスを省略することができるため、熱伝導性を向上させることができる。
また、上記第一保護層４１は０．１〜１００μｍの厚みを有し、上記欠陥部４１１は直径１ｍｍ以下であり、上記第二保護層４２は、面積比において上記欠陥部４１１の９０％以上を被覆している。そのため、上記半導体モジュール２と冷却部材３との間に、充分な電気的絶縁性を得ることができる。
また、上記第一保護層４１は、熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗ以下であるため、充分に高い熱伝導性を有する複合皮膜４を形成することができる。
また、上記第一保護層４１は、熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗ以下であるため、充分に高い熱伝導性を有する複合皮膜４を形成することができる。
また、上記第二保護層４２は、電着法により析出可能な絶縁材料からなるため、上記半導体モジュール２の表面露出部である上記欠陥部４１１に優先的に上記第二保護層４２が析出する。これにより、高い熱伝導性を損なうことなく確実な電気的絶縁を容易に得ることができる。
また、上記第二保護層４２は、図３に示すごとく、上記第一保護層４１の表面全面を覆っているため、さらに、電気的絶縁性が高くなるという利点がある。
また、上記第二保護層４２は、図３に示すごとく、上記第一保護層４１の表面全面を覆っているため、さらに、電気的絶縁性が高くなるという利点がある。
以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールと冷却部材との間の電気的絶縁性及び熱伝導性に優れた自動車用インバータを提供することができる。
（実施例２）
本例は、半導体モジュール２と冷却部材３との間の絶縁耐圧を３．５ｋＶ以上とした例である。その手段としては、例えば、第一保護層４１としてＤＬＣを３０μｍ形成し、第二保護層４２としてエポキシ樹脂で欠陥部４１１を被覆する手段がある。
その他は、実施例１と同様である。
本例は、半導体モジュール２と冷却部材３との間の絶縁耐圧を３．５ｋＶ以上とした例である。その手段としては、例えば、第一保護層４１としてＤＬＣを３０μｍ形成し、第二保護層４２としてエポキシ樹脂で欠陥部４１１を被覆する手段がある。
その他は、実施例１と同様である。
この場合には、上記半導体モジュール２と上記冷却部材３との間の電気的絶縁性を一層向上させることができ、より大電力に対応することができる自動車用インバータ１を得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を奏する。
その他、実施例１と同様の作用効果を奏する。
（実施例３）
本例は、図５に示すごとく、冷却部材３に複合皮膜４を形成した例である。
即ち、上記冷却部材３に、第１保護層４１及び第２保護層４２を順次形成してある。そして、複合皮膜４の上面にグリス５を介して導通基板２３を配設し、該導通基板２３に半導体素子２１がはんだ２２によって接合してある。
本例は、図５に示すごとく、冷却部材３に複合皮膜４を形成した例である。
即ち、上記冷却部材３に、第１保護層４１及び第２保護層４２を順次形成してある。そして、複合皮膜４の上面にグリス５を介して導通基板２３を配設し、該導通基板２３に半導体素子２１がはんだ２２によって接合してある。
実施例１が複合皮膜４を半導体モジュール２側に形成した例であるのに対し、本例は、複合皮膜４を冷却部材３側に形成した例である。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。
（実施例４）
本例は、図６に示すごとく、第一保護層４１の表面からの第二保護層４２の厚みを小さくした例である。
上記第二保護層４２の厚みは、０．１〜１μｍである。
また、第二保護層４２が第一保護層４１の欠陥部４１１を被覆している点については、実施例１と同様である。
その他は、実施例１と同様である。
本例は、図６に示すごとく、第一保護層４１の表面からの第二保護層４２の厚みを小さくした例である。
上記第二保護層４２の厚みは、０．１〜１μｍである。
また、第二保護層４２が第一保護層４１の欠陥部４１１を被覆している点については、実施例１と同様である。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、上記第二保護層４２の厚みを小さくすることにより、一層熱伝導性の高い複合皮膜４を得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
（実施例５）
本例は、図７に示すごとく、第二保護層４２が第一保護層４１の表面を覆わないように複合皮膜４を形成した例である。
即ち、上記第二保護層４２を、上記第一保護層４１の欠陥部４１１に充填し、上記第一保護層４１の表面には形成しない。
その他は、実施例１と同様である。
本例は、図７に示すごとく、第二保護層４２が第一保護層４１の表面を覆わないように複合皮膜４を形成した例である。
即ち、上記第二保護層４２を、上記第一保護層４１の欠陥部４１１に充填し、上記第一保護層４１の表面には形成しない。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、一層熱伝導性の高い複合皮膜４を得ることができる。また、上記欠陥部４１１にのみ第二保護層４２を形成すればよいため、製造が容易であると共に、製造コストを低減することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
（実施例６）
本例は、第一保護層４１の形成に当り、ＡｌＮのアークイオンプレーティングを使用した例である。
アークイオンプレーティングの条件は、例えば以下のように設定する。
即ち、アーク電流は１５０Ａ、バイアス電圧は５０Ｖ、炉内ガス圧は２．６７Ｐａとする。また、炉内ガスとしてはＮ2を用いる。
その他は、実施例１と同様である。
本例によれば、熱伝導性の高い絶縁膜を均一に形成できるという利点がある。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
本例は、第一保護層４１の形成に当り、ＡｌＮのアークイオンプレーティングを使用した例である。
アークイオンプレーティングの条件は、例えば以下のように設定する。
即ち、アーク電流は１５０Ａ、バイアス電圧は５０Ｖ、炉内ガス圧は２．６７Ｐａとする。また、炉内ガスとしてはＮ2を用いる。
その他は、実施例１と同様である。
本例によれば、熱伝導性の高い絶縁膜を均一に形成できるという利点がある。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
（実験例）
本例は、図８〜図１０、及び表１に示すごとく、本発明の複合皮膜の電気的絶縁性及び熱伝導性の評価を行った例である。
上記電気的絶縁性の評価は、以下に説明する絶縁破壊試験（図８、図９）によって行った。また、上記熱伝導性の評価は、以下に説明する熱抵抗測定（図１０）によって行った。
本例は、図８〜図１０、及び表１に示すごとく、本発明の複合皮膜の電気的絶縁性及び熱伝導性の評価を行った例である。
上記電気的絶縁性の評価は、以下に説明する絶縁破壊試験（図８、図９）によって行った。また、上記熱伝導性の評価は、以下に説明する熱抵抗測定（図１０）によって行った。
絶縁破壊試験にあたっては、まず、基材上に複合皮膜４（図１）を形成したテストピース６を用意する。該テストピース６は、１００×１００ｍｍの正方形状を有する。上記基材は、Ａ３００３、Ｃｕ１１００のいずれかからなる。
また、下記の表１に示すごとく、複合皮膜４における第一保護層４１としてＡｌＮを２０μｍ、第二保護層４２としてエポキシ樹脂を５μｍ形成したものを試料１とした。
また、複合皮膜４における第一保護層４１としてＡｌＮを４０μｍ、第二保護層４２としてエポキシ樹脂を１μｍ形成したものを試料２とした。
また、複合皮膜４における第一保護層４１としてＡｌＮを４０μｍ、第二保護層４２としてエポキシ樹脂を１μｍ形成したものを試料２とした。
また、複合皮膜４における第一保護層４１としてＡｌＮを４０μｍ形成し、第二保護層４２を形成しないものを比較試料１とした。
また、複合皮膜４における第一保護層４１を形成せず、基材上に第二保護層４２としてエポキシ樹脂を１５μｍ形成したものを比較試料２とした。
また、厚み３００μｍのＡｌＮ板を比較試料３とし、厚み３００μｍのＳｉＮ板を比較試料４とした。
また、複合皮膜４における第一保護層４１を形成せず、基材上に第二保護層４２としてエポキシ樹脂を１５μｍ形成したものを比較試料２とした。
また、厚み３００μｍのＡｌＮ板を比較試料３とし、厚み３００μｍのＳｉＮ板を比較試料４とした。
そして、それぞれのテストピース６を、図８に示すごとく、２つの電極７１、７２の間に配置する。即ち、一方の電極７１を基材に当て、他方の電極７２を複合皮膜４に当てる。これらの電極７１、７２、及びテストピース６は、試験用油槽７３に満たしたシリコーンオイル７４に浸漬してある。
この状態において、両電極７１、７２の間に電圧をかけ、その電圧を徐々に大きくしていく。すると、ある電圧に達したとき、上記２つの電極７１、７２の間の電気的絶縁が破壊されて電流が流れる。このときの電圧を絶縁破壊電圧として検出する。
また、上記電極７２を当てる測定ポイントＰ１〜Ｐ５は、図９に示すごとく、テストピース６上の５箇所であり、これらの測定ポイントにおける検出値を平均したものを測定値とする。
また、上記電極７２を当てる測定ポイントＰ１〜Ｐ５は、図９に示すごとく、テストピース６上の５箇所であり、これらの測定ポイントにおける検出値を平均したものを測定値とする。
次に、熱抵抗の測定方法につき説明する。
まず、上記絶縁破壊試験に用いたものと同様のテストピース６を用意する。ただし、該テストピース６は、６０×４０ｍｍの長方形状を有する。
そして、それぞれのテストピース６を用いて、図１０に示す冷却構造を組み立てる。
即ち、断熱材８３、発熱体８２であるモールドＭＯＳ、グリス８５、テストピース６、グリス８５、絶縁材８１、グリス８５の順に積層したものを、２つの冷却チューブ８４１，８４２によって挟持する。そして、加圧装置によって積層方向に加圧する（矢印Ｆ）。
また、上記発熱体８２と、該発熱体８２に対して上記テストピース６の反対側の冷却チューブ８４２とに、測温センサを埋め込む。
まず、上記絶縁破壊試験に用いたものと同様のテストピース６を用意する。ただし、該テストピース６は、６０×４０ｍｍの長方形状を有する。
そして、それぞれのテストピース６を用いて、図１０に示す冷却構造を組み立てる。
即ち、断熱材８３、発熱体８２であるモールドＭＯＳ、グリス８５、テストピース６、グリス８５、絶縁材８１、グリス８５の順に積層したものを、２つの冷却チューブ８４１，８４２によって挟持する。そして、加圧装置によって積層方向に加圧する（矢印Ｆ）。
また、上記発熱体８２と、該発熱体８２に対して上記テストピース６の反対側の冷却チューブ８４２とに、測温センサを埋め込む。
この状態で、上記発熱体８２に電流を流したときの発熱体８２の温度と冷却チューブ８４２の温度とを測定することにより、発熱体８２と冷却チューブ８４２との間の熱抵抗を、以下の計算式（１）によって算出する。
熱抵抗＝（発熱体８２の温度−冷却チューブ８４２の温度）／発熱量 ・・・（１）
上記の絶縁破壊試験及び熱抵抗測定の結果を表１に示す。
熱抵抗＝（発熱体８２の温度−冷却チューブ８４２の温度）／発熱量 ・・・（１）
上記の絶縁破壊試験及び熱抵抗測定の結果を表１に示す。
表１から分かるように、第一保護層としてＡｌＮを用いた試料１、２、比較試料１については、熱抵抗を大きく低減することができる。しかし、絶縁破壊電圧は、１５μｍのエポキシ樹脂からなる比較試料２に比べて小さい。特に、第二保護層（エポキシ樹脂）を設けていない比較試料１は、絶縁破壊電圧が極端に小さい。
このことから、第一保護層に２０μｍ又は４０μｍの厚みのＡｌＮを用いることにより、熱伝導性を高めることができ、これにより生ずる電気的絶縁性の大きな低下を、上記第二保護層を設けることにより抑制することができることが分かる。
そして、半導体モジュールと冷却部材との間に充分な熱伝導性及び電気的絶縁性を確保することができるため、大電流を流す自動車用インバータとして充分な性能を確保することができることが分かる。
また、厚み３００μｍのＡｌＮ板或いはＳｉＮ板からなる比較試料３、４については、絶縁破壊電圧は大きいが、熱抵抗が大きい。
そして、半導体モジュールと冷却部材との間に充分な熱伝導性及び電気的絶縁性を確保することができるため、大電流を流す自動車用インバータとして充分な性能を確保することができることが分かる。
また、厚み３００μｍのＡｌＮ板或いはＳｉＮ板からなる比較試料３、４については、絶縁破壊電圧は大きいが、熱抵抗が大きい。
以上により、上記複合皮膜は、電気的絶縁性及び熱伝導性に優れたものであり、本発明の自動車用インバータは、電気的絶縁性、冷却効率に優れていることが分かる。
１ 自動車用インバータ
２ 半導体モジュール
３ 冷却部材
４ 複合皮膜
４１ 第一保護層
４２ 第二保護層
５ グリス
２ 半導体モジュール
３ 冷却部材
４ 複合皮膜
４１ 第一保護層
４２ 第二保護層
５ グリス
Claims (8)
- 自動車の走行モーターを制御する自動車用インバータにおいて、
該自動車用インバータは、半導体モジュールと、該半導体モジュールの両面に配置され、該半導体モジュールを両面から冷却する冷却部材とを有しており、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の熱抵抗は０．０４２K／Ｗ以下であり、かつ上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気絶縁耐圧は２．６１１ｋＶ以上であることを特徴とする自動車用インバータ。 - 請求項１において、上記絶縁耐圧は３．５ｋＶ以上であることを特徴とする自動車用インバータ。
- 請求項１又は２において、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の厚みは、１００μｍ以下であることを特徴とする自動車用インバータ。
- 請求項１〜３のいずれか一項において、上記半導体モジュール及び上記冷却部材のいずれか一方に、無機系材料によって形成される第一保護層と、少なくとも該第一保護層に生じた欠陥部を被覆するように形成された第二保護層とを有してなる複合皮膜が配設されていることを特徴とする自動車用インバータ。
- 請求項４において、上記第一保護層は０．１〜１００μｍの厚みを有し、上記欠陥部は直径１ｍｍ以下であり、上記第二保護層は、面積比において上記欠陥部の９０％以上を被覆していることを特徴とする自動車用インバータ。
- 請求項４又は５において、上記第一保護層は、熱抵抗が０．０４２Ｋ／Ｗ以下であることを特徴とする自動車用インバータ。
- 請求項４〜６のいずれか一項において、上記第二保護層は、電着法により析出可能な絶縁材料からなることを特徴とする自動車用インバータ。
- 請求項４〜７のいずれか一項において、上記第二保護層は、上記第一保護層の表面全面を覆っていることを特徴とする自動車用インバータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003290152A JP2005065379A (ja) | 2003-08-08 | 2003-08-08 | 自動車用インバータ |
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009268165A (ja) * | 2008-04-22 | 2009-11-12 | Toyota Motor Corp | インバータモジュール |
-
2003
- 2003-08-08 JP JP2003290152A patent/JP2005065379A/ja active Pending
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