JP2009094164A - インバータ装置における電力用半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外力に対し信頼性が高いインバータ装置における電力用半導体素子を提供する。
【解決手段】本発明は、半導体チップと、当該半導体チップの発熱を放熱する放熱板と、当該半導体チップの電気接続及び熱拡散のための内部配線導体と、当該内部配線導体に接続した外部配線用端子と、電気絶縁性のケースとで構成したインバータ装置における電力用半導体素子１０であって、ケースを、両側それぞれに端子保持部材嵌合穴の形成されている外枠部材５２と、外部配線端子を保持し、かつ、外枠部材の両側それぞれの端子保持部材嵌合穴に挿嵌される端子保持部材，５３５４とで構成した構造を特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ装置における電力用半導体素子に関する。

一般的に、例えば電気自動車では、電力用半導体素子及びそれを用いたインバータ装置の小型化、高信頼性化及び冷却効率の向上が要求されている。

そこで、特開２００３−１５３５５４号公報（特許文献１）に記載されているように、半導体チップであるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)及びダイオードを平面形状とし、これらの半導体チップを導体に接合し、この導体を冷却器に、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介在させて加圧及び加熱接着することで、冷却効率を高めたインバータ装置が知られている。また、特開２００４−２８８７５５号公報（特許文献２）に記載されているように、複数の半導体チップを導体の一方の面に接合し、導体の他方の面にセラミックを含有した絶縁樹脂シートで放熱用金属板を接着し、この放熱用金属板を熱伝導グリースを介して冷却器に加圧接触させることで、冷却効率を高めたインバータ装置も知られている。

しかしながら、上述した従来のインバータ装置では、実装時における外力に対する対策が十分ではない。例えば、電気自動車等にこのインバータ装置を搭載する場合には、走行時における振動などの外力によりＩＧＢＴ、ダイオード及びこれらを接合した接合部にダメージを継続的に受ける可能性がある。特に、外部の機器等と配線などにより接続されている端子部分はこの外力を直接的に受け、さらにインバータ装置全体にこの外力を伝える部分となる。そのため、このような外力によりインバータ装置及びこれらに実装されている素子等の寿命を短くする恐れがあった。

従来例をより詳しく説明する。図１４を参照して、インバータ装置の回路構成について説明する。パワー変換部は破線領域に示した電力用半導体素子１０を３個組み合わせて構成されている。各電力用半導体素子１０は、ＩＧＢＴ１７１，１７２と、ダイオード１８１，１８２とから成り、交流出力の１つの相を構成している。ＩＧＢＴ１７１及びダイオード１８１は、１つの相の上アームを構成している。ＩＧＢＴ１７２及びダイオード１８２は、１つの相の下アームを構成している。各電力用半導体素子１０には、直流電源１から供給される直流電力の正極及び負極がそれぞれ正極端子３７及び負極端子３８に印加されていて、ＩＧＢＴ１７１，１７２それぞれのゲートを制御することによって直流電力を交流電力に変換し、出力端子４１を経て出力部２に出力する。コンデンサ４は、直流電源１から供給される電圧をより平滑な電圧にするための要素であり、アルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサが常用される。

以上により、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置を構成されている。また、電力用半導体素子１０を２個を使用し、図１４に示す構成のうち１つの電力用半導体素子１０を削除した構成とすることにより、直流電力を単相交流電力に変換するインバータ装置とすることもできる。

従来のインバータ装置における電力用半導体素子の組立構造について、図９〜図１３を用いて説明する。電力用半導体素子１０は、放熱板２２と電気絶縁性を有するケース５０とで外囲器を構成し、外囲器内に半導体チップの配線導体３３，３５，３７と端子３９，４０，４１を収容した構成である。図１２に詳しいように、半導体チップすなわちＩＧＢＴ１７１Ａ〜１７１Ｃ，１７２Ａ〜１７２Ｃないしダイオード１８１Ａ，１８１Ｂ，１８２Ａ，１８２Ｂが、配線導体すなわち第１の導体３３、第２の導体３５、第３の導体３７、熱干渉板３４を用いて配線されている。第１の導体３３には正側入力端子３９が接続され、第２の導体３５には出力端子４１が接続され、第３の導体３７には負側入力端子４０が各々接続されている。

図９に示したように、組立完成状態では、各端子３９，４０，４１はケース５０の外表面に、外線端子取付部が部分的に露出する形態となっている。図１０に示したように、ケース５０の各端子の露出部にナット５１を設置することで、各端子に外部配線をボルトないしビスを用いて容易に結線できるように配慮している。

図９の形態になるように組立てるためには、図１３に示したように、正側入力端子３９、負側入力端子４０、出力端子４１を予め各々の端部が鉛直上方を向くような形態に形成しておく必要がある。そして組立時に、ケース５０に設けた端子貫通穴５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃに端子３９，４０，４１それぞれを貫通させた後、各端子３９，４０，４１がケース５０から突出した部分を９０度曲げることにより、初めて図９の組立完成状態にすることができる。

このような方法で構成した場合、各端子３９，４０，４１は予め最終的な形態に形成しておくことができず、組立工程において曲げ加工をしなければならない。そのため、各端子に適切な曲げ半径を付与したり、曲げ位置や曲げ高さの精度を十分確保したりすることが困難である。このため、従来では、外部の機器等と配線などにより接続されている端子部分が外力を直接的に受け、さらにインバータ装置全体にこの外力を伝える部分となっているため、このような外力によりインバータ装置及びこれらに実装されている素子等の寿命を短くする恐れがあり、車載時の振動などによる大きな外力に対する機械強度面での不安要因となっていた。
特開２００３−１５３５５４号公報 特開２００４−２８８７５５号公報

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、外力に対する信頼性が高いインバータ装置における電力用半導体素子を提供することを目的とする。

本発明は、半導体チップと、当該半導体チップの発熱を放熱する放熱板と、当該半導体チップの電気接続及び熱拡散のための内部配線導体と、当該内部配線導体に接続した外部配線用端子と、電気絶縁性のケースとで構成したインバータ装置における電力用半導体素子であって、前記ケースを、両側それぞれに端子保持部材嵌合穴の形成されている外枠部材と、前記外部配線端子を保持し、かつ、前記外枠部材の両側それぞれの端子保持部材嵌合穴に挿嵌される端子保持部材とで構成したインバータ装置における電力用半導体素子を特徴とする。

本発明によれば、外力に対する信頼性が向上したインバータ装置における電力用半導体素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）まず、インバータ装置の回路構成は、従来例と同様に図１４に示したものである。そして本実施の形態のインバータ装置における電力半導体素子１０の組立構造を、図１〜図５を用いて説明する。尚、従来の構成と同一の要素には同一の符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。また、以下の各実施の形態でも同様にして重複した説明を省略する。

図１、図２に示すように、本実施の形態のインバータ装置における電力用半導体素子１０は、従来用いていたケース５０の部分を１個の外枠部材５２と入力側の端子保持部材５３と出力側の端子保持部材５４とで構成している。これらの外枠部材５２、端子保持部材５３、５４はいずれも電気絶縁性を有する材料で構成され、例えば熱可塑性樹脂を使用して射出成形法により成形される。

図２において下側の部材として示し、また図３の四面図に示したように、外枠部材５２を除き、放熱板２２上に半導体チップの配線導体３３，３５，３７と端子３９，４０，４１を設置し、入力側端子保持部材５３、出力側端子保持部材５４を一体に組付けて本体組体５５とし、組立の最後に外枠部材５２をこの本体組体５５に組付けることで、図１の組立完成状態になる。

図４、図５に示したように、外枠部材５２の組付け前に、入力側の端子保持部材５３を正側入力端子３９、負側入力端子４０と放熱板２２の間に挿入し、出力側の１個の端子保持部材５４を出力端子４１と放熱板２２の間に挿入する。入力端子３９，４０、また出力端子４１が直角に曲げられたままの状態で端子保持部材５３，５４に組み付けられるように、端子保持部材５３に端子挿入用切溝３９Ａ，４０Ａそれぞれが、また端子保持部材５４には端子挿入用切溝４１Ａがあらかじめ形成されている。

図３に示したように、本体組体５５の組付け後は、端子保持部材５３，５４のナット５１が装着されている面と正側入力端子３９、負側入力端子４０及び出力端子４１の各々の丸穴が形成されている面とが密着することになる。また、端子保持部材５３，５４のナット５１が装着されている面の反対面とベース２２の表面とが密着することになる。

本実施の形態のインバータ装置における電力用半導体素子１０によれば、正側入力端子３９、負側入力端子４０、出力端子４１は部品製造段階から予め組立完了後の最終的な形態、つまり、直角に曲げた状態にしておくことが可能になる。したがって、組立工程の最後に曲げ加工処理を施す工程が不要になる。このため、正側入力端子３９、負側入力端子４０、出力端子４１はいずれも曲げ半径、曲げ位置及び曲げ高さについて十分な製造品質管理の下に製造ばらつきの小さい高精度な部品とすることができる。

また、そのように製造することで、外力に対する強度確保に必要な曲げ半径を安定的に付与することができる。さらに、曲げ位置及び曲げ高さの精度管理により、端子保持部材５３のナット５１が装着されている面と、正側入力端子３９及び負側入力端子４０の各々丸穴が形成されている面との間隙を十分小さくして密着させることができる。端子保持部材５４の側も同様である。

以上の結果として、端子３９，４０，４１が曲部に適切な曲げ半径を有し、かつ端子保持部材５３，５４に密着していることにより、車載時の振動などによる大きな外力に対応して発生する端子曲部の応力を抑制することができ、従来の構成と比較して、外力に対する信頼性を高くすることができる。

（第２の実施の形態）第１の実施の形態の電力用半導体素子１０において、入力側端子保持部材５３、出力側端子保持部材５４を、例えばセラミックスのような熱伝導性が良好で、かつ電気絶縁性を有する材料で構成することができる。

このように、端子保持部材５３，５４を熱伝導性が良好で、かつ電気絶縁性を有する材料で構成することで、正側入力端子３９、負側入力端子４０、出力端子４１に蓄積された発熱を端子保持部材５３、５４を経由して放熱板２２に効果的に伝達し、放熱板２２から外部へ放出させることができ、この結果、正側入力端子３９、負側入力端子４０、出力端子４１の温度上昇を抑制することができる。さらにこの結果として、各端子の外部配線締結部に温度変化によるゆるみが生じる恐れが少なくなり、締結部の信頼性を高くすることができる。

（第３の実施の形態）第１の実施の形態の電力用半導体素子１０において、入力側端子保持部材５３、出力側端子保持部材５４を、各導体３３、３５、３７、及び各端子３９、４０、４１と線膨張係数が同等の材料で構成することができる。

電力用半導体素子１０の温度変化により構成部材には熱変形が生じる。入力端子側に着目すると、第１の導体３３、第３の導体３７、及び正側入力端子３９、負側入力端子４０には、それらの線膨張係数と温度変化量で定まる形状変化が生じる。同様に端子保持部材５３にもその線膨張係数と温度変化量で定まる形状変化が生じる。そこで、各導体３３，３７及び各端子３９，４０と端子保持部材５３とを線膨張係数が同等の材料で構成することで、形状変化量が同程度にすることができる。このように構成すれば、温度変化に対する各導体及び各端子と端子保持部材との形状変化量の差がなくなり、形状変化量の差に起因して端子に生じる応力を十分小さくすることができる。出力端子４１、端子保持部材５４の側も同様に、端子に生じる応力を十分小さくすることができる。これにより、温度変化に起因して端子に生じる応力を十分小さくし、端子曲部に働く応力も抑制することができ、その結果として、従来構成と比較して、機械強度面での信頼性を高くすることが可能になる。

（第４の実施の形態）図６、図７を参照して第４の実施の形態の電力用半導体素子について説明する。端子保持部材５３（端子保持部材５４についても同様であるが図示せず）の上面にナット装着用凹部５６が形成してあり、このナット装着用凹部５６にナット５１を装着して固定してある。このナット装着用凹部５６は、多角形の、若しくは円柱形以外の異形であり、このナット装着用凹部５６に多角形の、若しくは円柱形以外の異形のナット５１を収納した構成を特徴としている。尚、このナット装着用凹部５６とそれに嵌合するナット５１の構成要素以外については第１〜第３の実施の形態と共通であり、図１〜図５に示した構成である。

このように構成した場合、ナット５１には、端子保持部材５３の材質にかかわらず外部配線の締結のために最適な材料、たとえば鋼材や黄銅合金などを使用することができる。端子保持部材５３に直接メネジを形成した場合と比較して、ネジ部に十分な強度を付与することができ、外線端子締結部の信頼性を高くすることができる。

（第５の実施の形態）第５の実施の形態は、第１〜第３の実施の形態の電力用半導体素子において、端子保持部５３，５４にナット５１を一体で形成した構成である。たとえば、射出成形法を用いれば、ナット５１が金属で形成されていても、樹脂成形の工夫により一体形成することは容易にできる。

このように構成した場合、ナット５１は端子保持部材５３，５４により強固に固定されることになる。一体形成されていない場合、ナット５１と凹部５５との間に微小な間隙が存在する。間隙があると振動などが付加された場合、ナットにも微小な振動が発生する場合があり、このような振動は共振により増幅し無視できない影響が生じる場合がある。

本実施の形態では、ナット５１と端子保持部材５３，５４とが一体で形成されており、間隙はない。そのため、振動などが負荷されてもナットに微小振動が生じなくなる。その結果、端子接続部の信頼性を高くすることができる。

（第６の実施の形態）第６の実施の形態は、第１〜第５の実施の形態の電力用半導体素子において、外枠部材５２の１つ以上の内表面と、端子保持部材５３，５４の一つ以上の外表面とが、互いに密着するように構成したものである。

このように構成した場合、端子保持部材５３は、正側入力端子３９、負側入力端子４０及び放熱板２２と、複数の面で接するのに加え、外枠部材５２の内面とも接することになり、他の部材との接触面積が増大する。その結果、外線締結時に、強固な締め付けトルクが負荷されても、端子保持部材５３のねじれ発生量はより小さいものとなる。そのため、端子締結部の信頼性を高くすることができる。

（第７の実施の形態）図８を参照して本発明の第７の実施の形態の電力用半導体素子について説明する。図８は、電力用半導体素子の正面図であり、内部の部材を破線で示している。外枠部材５２及び端子保持部と放熱板２２とで形成する空間であり、かつ該空間内に設置された各配線導体及び各外線接続端子の外側の空間部分に電気絶縁性の充填樹脂５６を充填した構成である。

第１〜第６の実施の形態において、端子保持部材５３，５４は、各端子３９，４０，４１の大部分を保持固定しているものの、各端子３９，４０，４１と各導体３３，３５，３７との接続部付近は、構造上の制約により保持固定できない。

本実施の形態では、端子保持部材５３，５４で保持固定できない各導体との接続部付近を、充填樹脂５６で覆うことができる。このように構成した場合、各端子３９，４０，４１は、端子保持部材５３，５４で保持されるとともに、各導体との接合部付近は充填樹脂５６で補強される形態となる。この結果、各端子は端子保持部材とともに充填樹脂５６で保持固定されることになり、締め付けトルクや振動により生じる外力に対する信頼性を高くすることができる。

（第８の実施の形態）第８の実施の形態は、第７の実施の形態の電力用半導体素子において、充填樹脂５６を、各導体３３，３５，３７及び各端子３９，４０，４１と線膨張係数が同等の材料とした構成である。

電力用半導体素子の温度変化によって生じる構成部材の変形量を考えると、各導体３３、３５，３７及び各端子３９、４０，４１と、充填樹脂５６とは線膨張係数が同等であるため、各導体、各端子と充填樹脂５６との形状変化量の差がなくなる。

形状変化量の差が大きいと、各導体、各端子と樹脂との境界で剥離が生じたり、樹脂内に亀裂が生じたりする場合がある。本実施の形態においては、そのような剥離や亀裂が生じる可能性がなくなる。そのため、電力用半導体素子の信頼性を高くすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

図１は、本発明の第１〜第８の実施の形態に係る電力用半導体素子の斜視図。 図２は、本発明の第１〜第８の実施の形態に係る電力用半導体素子の分解斜視図。 図３は、本発明の第１〜第８の実施の形態に係る電力用半導体素子の三面図。 図４は、本発明の第１〜第８の実施の形態に係る電力用半導体素子の部分分解状態の斜視図。 図５は、本発明の第１〜第８の実施の形態に係る電力用半導体素子の部分分解状態の正面図。 図６は、本発明の第５〜第６の実施の形態に係る電力用半導体素子の一部の部品を抽出し、表示した斜視図。 図７は、本発明の第５〜第６の実施の形態に係る電力用半導体素子の一部の部品を抽出し、表示した分解斜視図。 図８は、本発明に第７〜第８の実施の形態に係る電力用半導体素子の正面図。 図９は、従来例の電力用半導体素子の実装構造を示す斜視図。 図１０は、従来例の電力用半導体素子の実装構造を示す部分分解状態の斜視図。 図１１は、従来例の電力用半導体素子の実装構造を示す斜視図。 図１２は、従来例の電力用半導体素子の実装構造を示す分解斜視図。 図１３は、従来例の電力用半導体素子の実装構造を示す部分分解状態の斜視図。 図１４は、一般的なインバータ装置の回路図。

符号の説明

１…直流電源、２…出力部、４…コンデンサ、１０…電力用半導体素子、１７…ＩＧＢＴ、１８…ＩＧＢＴ、２２…放熱板、３３…第１の導体、３４…熱緩衝板、３５…第２の導体、３６…絶縁樹脂シート、３７…第３の導体、３９…正側入力極端子、３９Ａ…端子挿入用切溝、４０…負側入力端子、４０Ａ…端子挿入用切溝、４１…出力端子、４１Ａ…端子挿入用切溝、５０…ケース、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…端子貫通穴、５１…ナット、５２…外枠部材、５３…入力側端子保持部材、５４…出力側端子保持部材、５５…本体組体、５６…凹部、５７…充填樹脂、１７１Ａ〜１７１Ｃ，１７２Ａ〜１７２Ｃ…ＩＧＢＴ、１８１Ａ，１８１Ｂ，１８２Ａ，１８２Ｂ…ダイオード。

Claims (8)

1. 半導体チップと、当該半導体チップの発熱を放熱する放熱板と、当該半導体チップの電気接続及び熱拡散のための内部配線導体と、当該内部配線導体に接続した外部配線用端子と、電気絶縁性のケースとで構成したインバータ装置における電力用半導体素子において、
   前記ケースを、両側それぞれに端子保持部材嵌合穴の形成されている外枠部材と、前記外部配線端子を保持し、かつ、前記外枠部材の両側それぞれの端子保持部材嵌合穴に挿嵌される端子保持部材とで構成したことを特徴とするインバータ装置における電力用半導体素子。
2. 前記端子保持部材を、熱伝導性が良好で、かつ電気絶縁性を有する材料で構成したことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置における電力用半導体素子。
3. 前記端子保持部材を、前記内部配線導体及び前記外部配線端子と線膨張係数が同等の材料で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置における電力用半導体素子。
4. 前記端子保持部材に、多角形の、若しくは円柱形以外の異形の凹部を設け、前記凹部に嵌合するような多角形の又は円柱形以外の異形のナットを収納したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置における電力用半導体素子。
5. 前記端子保持部材に、ナットを一体で形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置における電力用半導体素子。
6. 前記外枠部材の内表面と前記端子保持部材の外表面とが密着するようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のインバータ装置における電力用半導体素子。
7. 前記外枠部材及び前記端子保持部材と前記放熱板とで形成する空間であり、かつ該空間内に設置された前記配線導体及び前記外線接続端子の外側の空間部分に電気絶縁性の樹脂を充填したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のインバータ装置における電力用半導体素子。
8. 前記電気絶縁性樹脂を、前記配線導体及び前記外線接続端子と線膨張係数が同等の材料で構成したことを特徴とする請求項７に記載のインバータ装置における電力用半導体素子。

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