JP2015103670A - 電力変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の接合部の剥離、熱抵抗の増大を防止し、信頼性の向上した電力変換装置、およびその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電力変換装置は、受熱面１８ａを有する冷却器１２と、複数の接続端子２４を支持し、受熱面上で冷却器に取り付けられた支持フレーム１４と、接続端子に接続される電力端子４６ａ、４６ｂおよび半導体素子を含み、冷却器の受熱面上に設置された半導体装置１６と、半導体装置と受熱面との間の隙間、および半導体装置と支持フレームとの間の隙間に充填され、半導体装置と受熱面および支持フレームとを接合する接着性、絶縁性および熱伝導性を有する高熱伝導樹脂５５と、を備えている。【選択図】図７

Description

この発明の実施形態は、ハイブリッド自動車または電気自動車用の電力変換装置および電力変換装置の製造方法に関する。

近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモーターを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モーターだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。これら自動車を実現するためには、電池とモーター間に、直流電力から交流電力への変換および交流電力から直流電力への変換を行なう電力変換装置が必要となる。

このような電力変換装置には、ＩＧＢＴ素子を用いた半導体モジュールが使用されている。半導体モジュールは、電流を通電している時に発熱を生じるため、冷却器に伝熱材を介して固定することが良く知られている。半導体モジュールの冷却器への固定方法としては、半導体モジュールに貫通穴を設置し、ボルトで固定する方法が知られている。

また、ボルトにより直接固定する構造ではなく、樹脂を用いて半導体素子を接着して冷却器に固定する構造が提案されている。
近年では、低コストで高い熱性能を持ち、かつ小型な電力変換装置が求められている。

特開平７−２２１１２５号公報

しかしながら、従来使用されているボルト固定方法では、半導体モジュールにボルト挿通用の貫通孔を設置する必要があり、冷却器にもメネジを設ける必要があるなど、複雑な構造となり、小型化への障害となる。

樹脂を用いて接着する構成では、半導体素子と接着樹脂との間、および接着樹脂と冷却器との間、で線膨張率差が異なる。そのため、周囲温度の上下により、接着部の端部から剥離が生じ、熱抵抗の増加による出力の制限を受け、あるいは、過度の加熱による半導体素子の破損を生じる場合がある。

また、主回路バスバーの支持剛性が低い場合、あるいは、冷却器との固定部から半導体素子接合部への距離が長い場合、振動によってバスバーの荷重が接続部に印加され金属疲労による半導体素子の破損の原因となる事があった。

この発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、半導体素子の接合部の剥離、熱抵抗の増大を防止し、信頼性の向上した電力変換装置、およびその製造方法を提供することにある。

実施形態によれば、電力変換装置は、受熱面を有する冷却器と、複数の接続端子を支持し、受熱面上で前記冷却器に取り付けられた支持フレームと、前記接続端子に接続される電力端子および半導体素子を含み、前記冷却器の受熱面上に設置された半導体装置と、前記半導体装置と受熱面との間に隙間、および前記半導体装置と支持フレームとの間の隙間に充填され、前記半導体装置と受熱面および支持フレームとを接合する接着性、絶縁性および熱伝導性を有する熱伝導樹脂と、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る半導体電力変換装置を、制御回路基板を取り外して示す斜視図。 図２は、前記半導体電力変換装置の支持フレームおよび冷却器を示す斜視図。 図３は、制御回路基板を含む半導体電力変換装置全体を示す斜視図。 図４は、前記半導体電力変換装置の半導体モジュールを示す斜視図。 図５は、前記半導体モジュールを底面側から見た斜視図。 図６は、前記半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図。 図７は、冷却器上に設置され接続端子に接続された状態の前記半導体モジュールを示す断面図。 図８は、第２の実施形態に係る電力変換装置において、半導体モジュールを冷却器の受熱面上に設置した状態を示す断面図。 図９は、第３の実施形態に係る電力変換装置において、半導体モジュールを冷却器の受熱面上に設置した状態を示す断面図。 図１０は、第４の実施形態に係る電力変換装置において、半導体モジュールを冷却器の受熱面上に設置した状態を示す断面図。

以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、制御回路基板を取り外して示す第１の実施形態に係る半導体電力変換装置の斜視図、図２は、半導体電力変換装置の支持フレームおよび冷却器を示す斜視図、図３は、制御回路基板を含む半導体電力変換装置全体を示す斜視図である。
図１ないし図３に示すように、半導体電力変換装置１０は、冷却器１２、冷却器１２上に固定された支持フレーム１４、および、冷却器１２上に載置され、支持フレームにより支持された複数の半導体モジュール（半導体装置）１６を備えている。冷却器１２は、平坦な矩形状の受熱面（冷却面）１８ａを有する扁平な直方体形状の冷却ブロック１８を有している。冷却ブロック１８は、例えば、アルミニウムで形成されている。また、冷却ブロック１８内には、水等の冷却媒体を流す冷媒流路２０が形成されている。

支持フレーム１４は、受熱面１８ａに対応する大きさの矩形状の外枠と、外枠間を延びる互いに平行な複数の連結梁とを一体に有し、これら外枠および連結梁により例えば、４列に並んだ、それぞれ矩形状の設置空間部２２を形成している。また、支持フレーム１４には、後述する半導体モジュール１６に電気的に接続される複数の接続端子２４を有する複数の主回路バスバー（主回路導体）２６、複数の入力端子２８、および２組の３相の出力端子３０が設けられている。主回路バスバー２６の接続端子２４は、各設置空間部２２の各側縁に沿って、複数個ずつ間隔を置いて並んで配置されている。また、各接続端子２４は、受熱面１８ａに対してほぼ垂直に延びている。接続端子２４は、例えば、無酸素銅で形成される。支持フレーム１４は、例えば、インサートモールドにより、主回路バスバー２６および複数の端子と一体に樹脂、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等、により成形されている。また、支持フレーム１４の外枠は、例えば、複数のねじにより冷却ブロック１８にねじ止めされ、受熱面１８ａ上に固定されている。これにより、支持フレーム１４の外枠および連結梁は、受熱面１８ａに密に、あるいは、僅かな隙間をおいて、当接している。

図１に示すように、半導体モジュール１６は、例えば、６個ずつ、４列に並んで支持フレーム１４に設置されている。各列において、６個の半導体モジュール１６は、支持フレーム１４の設置空間部２２内に配置され、各半導体モジュールの底面は、後述する高熱伝導材料（絶縁材料）を介して冷却器１２の受熱面１８ａ上に設置されている。各半導体モジュール１６の電力端子は、バスバー２６の接続端子２４に接触し、主回路バスバー２６に電気的に接続されている。また、各半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、上方へ突出している。

図３に示すように、半導体電力変換装置１０は、半導体モジュール１６および装置全体の入出力および動作を制御する制御回路基板３２を備えている。制御回路基板３２は、支持フレーム１４とほぼ等しい大きさの矩形状に形成されている。制御回路基板３２は、半導体モジュール１６上に重ねて設置され、図示しない固定ねじ等により支持フレーム１４に取り付けられている。各半導体モジュール１６の信号端子５０は、制御回路基板３２に電気的に接続されている。

次に、半導体電力変換装置を構成する半導体モジュール（半導体装置）１６について詳細に説明する。
図４および図５は、半導体モジュールを示す斜視図、図６は、半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図である。

図４ないし図６に示すように、半導体モジュール１６は、いわゆる両面放熱型および垂直実装型の電力変換装置として構成されている。すなわち、半導体モジュール１６は、例えば、銅により形成された角柱形状の第１導電体（コレクタ）３４と、同じく、銅により形成された角柱形状の第２導電体（エミッタ）３６と、これら第１および第２導電体間に挟まれてこれらの導電体に接合された第１半導体素子３８および第２半導体素子４０と、を備えている。

第１導電体３４は、１つの主面（側面）が矩形状の接合面（第１接合面）３４ａを構成し、更に、この接合面３４ａと直交する底面（第１底面）３４ｂが放熱面を構成している。第２導電体３６は、長さが第１導電体３４とほぼ等しく、厚さ（幅）が第１導電体３４よりも小さく、例えば、約３分の１程度に形成され、更に、高さが、第１導電体３４の高さよりも低く形成されている。第２導電体３６は、１つの主面（側面）が矩形状の接合面（第２接合面）３６ａを構成し、更に、この接合面と直交する底面（第２底面）３６ｂが放熱面を構成している。第２導電体３６は、その接合面３６ａが第１導電体３４の接合面３４ａと平行に対向し、かつ、底面３６ｂが第１導電体３４の底面３４ｂと同一平面上に位置するように配置されている。なお、第１および第２導電体３４、３６において、接合面と底面とは直交するように、すなわち、互いに垂直に形成されているが、これに限らず、直角以外の異なる角度で交差するように形成することも可能である。

第１半導体素子３８は、パワー半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)であり、第２半導体素子４０は、ダイオードを用いている。第１半導体素子３８は、矩形板状に形成され、表面および裏面に異なる電極を構成している。また、第１半導体素子３８の一方の表面に、複数、例えば、４つの接続端子が形成されている。そして、第１半導体素子３８の表面および裏面は、電極部分および接続端子部分を除いて、絶縁膜、例えば、ポリイミドのフィルムで覆われている。

第２半導体素子４０は、矩形板状に形成され、表面および裏面に異なる電極を構成している。第２半導体素子３８の表面および裏面は、矩形状の電極部分を除いて、絶縁膜、例えば、ポリイミドのフィルムで覆われている。

第１半導体素子３８は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に配置され、一方の電極が、例えば、矩形状の半田シートにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。第２半導体素子４０は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に配置され、更に、第１導電体３４の長手方向に隙間を置いて第１半導体素子３８と並んで配置されている。第２半導体素子４０は、一方の電極が、例えば、矩形状の半田シートにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。

このように、第１半導体素子３８および第２半導体素子４０は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に、かつ、第１導電体の底面３４ｂに対して垂直に配置されている。
第１半導体素子３８の他方の電極は、図示しない凸型導電体を介して、第２導電体３６の接合面３６ａに電気的に接合されている。同様に、第２半導体素子４０の他方の電極は、図示しない凸型導電体を介して、第２導電体３６の接合面３６ａに電気的に接合されている。

図４ないし図６に示すように、半導体モジュール１６は、導電性金属板でそれぞれ構成された第１電力端子４６ａ、第２電力端子４６ｂ、および、複数、例えば、５本の信号端子５０を備えている。第１電力端子４６ａは、独立して形成され、その基端部が半田シートにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。第２電力端子４６ｂは、その基端部が第２導電体３６に連結されている。

信号端子５０は、モジュールから上方に突出し、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に延びている。４本の信号端子５０の基端は、ボンディングワイヤ５３により、第１半導体素子３８の接続端子に接続されている。

図４ないし図６に示すように、半導体モジュール１６は、上述した構成部材を被覆した絶縁材、例えば、モールド樹脂体（絶縁体）５２を備えている。モールド樹脂は、例えば、シリカを混合したエポキシ樹脂を用いることができる。モールド樹脂体５２は、ほぼ直方体形状に形成されている。モールド樹脂体５２は、第１および第２半導体素子３８、４０対して垂直に延びているとともに第１導電体３４の底面３４ｂおよび第２導電体３６の底面３６ｂが露出した平坦な底面５２ｃと、底面５２ｃに対して垂直に延びる平坦な第１側面５２ａと、底面５２ｃに対して垂直に延びているとともに第１側面５２ａと平行に対向する第２側面５２ｂと、第１側面および第２側面間に位置し底面５２ｃと対向する天井面５２ｄと、底面５２ｃおよび第１、第２側面の一端と交差して延びる第１端面５２ｅと、底面５２ｃおよび第１、第２側面の他端と交差して延びる第２端面５２ｅと、を有している。本実施形態において、第１および第２側面５２ａ、５２ｂは、第１および第２導電体３４、３６の接合面２３ａ、３６ａと平行に位置している。

モールド樹脂体５２は、成形型を型抜きする際に形成されるパーティングライン５４を有している。このパーティングライン５４は、モールド樹脂体５２の第１端面５２ｅ、天井面５２ｄ、第２端面５２ｅに亘って形成され、第１および第２側面５２ａ、５２ｂと平行に延びている。また、パーティングライン５４は、第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂの基端部（本体）を含む平面内に位置している。

図４ないし図６に示すように、第１電力端子４６ａは、パーティングライン５４の位置でモールド樹脂体５２の一方の端面５２ｅからモールド樹脂体の長手方向外方に突出し、第１側面５２ａと平行に位置する本体と、本体から延出する平坦な矩形板状の接触部４７ａと、を一体に有している。接触部４７ａは、本体に対して第１側面５２ａ側へ所定角度、例えば、直角に折曲げられ、モールド樹脂体５２の第１端面５２ｅと隙間をおいて対向している。すなわち、接触部４７ａは、モールド樹脂体５２の底面５２ｃに対して（冷却器１２の受熱面１８ａに対して）ほぼ垂直方向に延びている。

第２電力端子４６ｂは、パーティングライン５４の位置でモールド樹脂体５２の第２端面５２ｅからモールド樹脂体の長手方向外方に突出し、第１側面５２ａと平行に位置する本体と、本体から延出する平坦な矩形板状の接触部４７ｂと、を一体に有している。接触部４７ｂは、本体に対して第１側面５２ａ側へ角度、例えば、直角に第１側面５２ａ側に折曲げられ、モールド樹脂体５２の第２端面５２ｅと隙間をおいて対向している。すなわち、接触部４７ｂは、モールド樹脂体５２の底面５２ｃに対して（冷却器１２の受熱面１８ａに対して）ほぼ垂直に延びている。
第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂは、導電性に優れた材料、例えば無酸素銅で構成される。

５本の信号端子５０は、細長い棒状に形成され、パーティングライン５４の位置でモールド樹脂体５２の天井面５２ｄから上方に突出している。５本の信号端子５０は、互いに平行に延びている。各信号端子５０は、天井面５２ｄ上においてパーティングライン５４の位置から第１側面５２ａと平行に延出する基端部と、基端部に対して長手方向に離間した２箇所で折曲げられ折曲げ部と、折曲げ部から延出する接続端部５０ａとを有している。信号端子５０の少なくとも接続端部５０ａの外面に、図示しない導電膜が形成されている。

図７は、半導体モジュール１６を冷却器１２の受熱面１８ａ上に設置した状態を示す断面図である。以上のように構成された半導体モジュール１６は、図１、図２および図７に示すように、支持フレーム１４の設置空間部２２内に配置され、半導体モジュール１６の底面５２ｃは、接着性を有する高熱伝導樹脂（絶縁材料）５５を介して冷却器１２の受熱面１８ａ上に接着されている。これにより、第１および第２導電体３４、３６は、冷却器１２に熱的に接続され、第１および第２半導体素子３８、４０で発生した熱を第１および第２導電体３４、３６を介して冷却器１２に放熱することができる。高熱伝導樹脂５５は、例えば、アルミナフィラーを含有するエポキシ樹脂等を用いることができる。

本実施形態において、図７に示すように、支持フレーム１４の連結梁および外枠は、半導体モジュール１６の電力端子４６ａ、４６ｂと冷却器１２との間に延出するオーバーハング部（突出部）２３を一体に有している。これらのオーバーハング部２３は、それぞれ半導体モジュール１６の端面５２ｅと隙間、例えば、０．２〜０．３ｍｍ程度、をおいて対向している。更に、各オーバーハング部は、冷却器１２の受熱面１８ａと所定の隙間、例えば、０．２〜０．３ｍｍ程度、を置いて対向している。同様に、半導体モジュール１６の底面５２ｃと冷却器１２の受熱面１８ａとの隙間は、例えば、０．２〜０．３ｍｍ程度に設定されている。

半導体モジュール１６を冷却器１２の受熱面１８ａに接着する際、（要望される樹脂の厚さ）×（半導体モジュールの底面積）以上となる体積の、絶縁性、高熱導電性を有する樹脂５５を受熱面１８ａ上に充填した後、樹脂５５の上に半導体モジュール１６を載置する。そして、半導体モジュール１６の自重により、あるいは、外部から印加する圧力により、半導体モジュール１６の底面５２ｃで樹脂５５を所定の厚さに押し潰す。これにより、樹脂５５の一部は周囲に押出され、オーバーハング部２３と受熱面１８ａとの隙間、および、支持フレーム１４と半導体モジュール１６との間の隙間、すなわち、オーバーハング部２３と半導体モジュール１６の端面５２ｅとの間の隙間に充填される。

この時、高熱伝導樹脂５５の厚さは、所定の温度下における粘弾性、流動性等の物性値と圧力とによって制御し、あるいは、フィラーとして混合されるソーダ石灰ガラス、アルミナ、窒化ホウ素の粒径で制御してもよい。

また、高熱伝導樹脂材５５は、液状に限らず、加熱硬化前に固形やゲル状のシートの形態であってもよい。この場合、高熱伝導樹脂材５５を溶融させるため、加熱させながら、半導体モジュール１６を自重あるいは外部からの荷重によって高熱伝導樹脂材５５を加圧し接着する。

これにより、半導体モジュール１６は、高熱伝導樹脂材５５によって受熱面１８ａおよび支持フレーム１４のオーバーハング部２３に接合される。同時に、オーバーハング部２３は、高熱伝導樹脂材５５により、冷却器１２の受熱面１８ａに接着固定される。

図７に示すように、半導体モジュール１６の第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂの接触部４７ａ、４７ｂは、それぞれ主回路バスバー２６の接続端子２４に面接触し、更に、各電力端子の先端および接続端子の先端の接合部６０が溶接により互いに接合されている。これにより、半導体モジュール１６は、第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂおよび接続端子２４を介して主回路バスバー２６に電気的に接続されている。前記溶接には、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接が用いられる。

図１に示すように、一列に並んだ複数の半導体モジュール１６において、隣合う２つの半導体モジュールは、モールド樹脂体５２の側面同志が隣接対向して、あるいは、互いに当接した状態で配置されている。隣合う２つの半導体モジュール１６の内、一方は、他方に対して１８０度反転した向きで配置してもよい。いずれの向きで配置した場合でも、半導体モジュールの第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂは、主回路バスバー２６の接続端子２４に確実に係合する。また、各半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、上方へ突出している。

いずれの向きで配置した場合でも、半導体モジュール１６の信号端子５０は、モールド樹脂体５２の厚さ方向中央部に位置し、制御回路基板３２に対して所定位置に配置される。図３に示すように、制御回路基板３２を半導体モジュール１６上に設置することにより、各半導体モジュール１６の信号端子５０の端部は、制御回路基板３２に形成されたスルーホールに挿通され、図示しない半田等により制御回路基板に電気的に接続される。

以上のように構成された半導体電力変換装置によれば、特に、振動によって生じる変位が問題となる半導体モジュール１６近傍において、主回路バスバーを保持している支持フレーム１４と冷却器１２との間に高熱伝導樹脂５５を充填することにより、この高熱伝導樹脂５５の接着力と剛性によって支持フレームおよびバスバーの変位を抑えることができる。これにより、接続端子（バスバー）と半導体モジュールの電力端子との接合部に作用し疲労破壊の原因となる応力を低減することができる。また、高熱伝導樹脂５５は、半導体モジュール１６の底面５２ｃの端縁から半導体モジュールの端面５２ｅまで回り込んで充填され、底面５２ｃの端縁を覆っている。そのため、半導体モジュール１６の底面５２ｃと高熱伝導樹脂５５との界面での剥離が生じにくく、半導体モジュールの固定状態を安定して維持することが可能となる。これにより、半導体モジュール１６と冷却器１２との熱抵抗を低減し、半導体モジュールの冷却性能を向上する。

万が一、半導体モジュールの底面に樹脂５５の全面剥離が生じた場合でも、半導体モジュールと支持フレーム１４との間に高熱伝導樹脂５５が介在することで、また、高熱伝導樹脂５５の凹凸によるアンカー効果により、半導体モジュール１６が支持フレーム１４に固定され、脱落を防止することができる。

更に、半導体モジュールの電力端子と冷却器の受熱面との間に、支持フレームのオーバーハング部を設けることにより、これらの間の電気的絶縁性を向上することができる。
以上のことから、半導体装置の接合部の剥離、熱抵抗の増大を防止し、信頼性の向上した電力変換装置が得られる。

次に、他の実施形態に係る電力変換装置について説明する。以下に述べる実施形態において、上述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る電力変換装置において、半導体モジュールを冷却器の受熱面上に設置した状態を示す断面図である。

本実施形態によれば、図８に示すように、半導体モジュール１６は、２種類の合成樹脂を用いて、冷却器１２の受熱面１８ａに接合されている。すなわち、半導体モジュール１６の底面５２ｃに、この底面とほぼ同等寸法の第１樹脂５５ａを塗布し、その後、受熱面１８ａ上に第２樹脂５５ｂを充填する。そして、第１樹脂５５ａが形成された半導体モジュール１６を第２樹脂５５ｂの上に載置する。半導体モジュール１６の自重により、あるいは、外部から印加する圧力により、半導体モジュール１６の底面５２ｃで第２樹脂５５ｂを所定の厚さに押し潰す。これにより、第２樹脂５５ｂの一部は周囲に押出され、オーバーハング部２３と受熱面１８ａとの隙間、および、支持フレーム１４と半導体モジュール１６との間の隙間、すなわち、オーバーハング部２３と半導体モジュール１６の端面５２ｅとの間の隙間に充填される。

これにより、半導体モジュール１６は、第１および第２樹脂５５ａ、５５ｂによって受熱面１８ａおよび支持フレーム１４のオーバーハング部２３に接合される。同時に、オーバーハング部２３は、第２樹脂５５ｂにより、冷却器１２の受熱面１８ａに接着固定される。

第１樹脂５５ａとしては、絶縁性および高熱伝導性を有する樹脂、例えば、アルミナフィラーを混合したエポキシ樹脂を用いることができる。第１樹脂５５ａは、第２樹脂よりも流動性が高く、充填時に気泡の発生が少なく、高い絶縁性を確保することができる。第２樹脂５５ｂとしては、絶縁性および高熱伝導性を有する樹脂、例えば、アルミナフィラーを混合したシリコン樹脂を用いることができる。

第１および第２樹脂は、液状に限らず、加熱硬化前に固形やゲル状のシートの形態であってもよい。この場合、高熱伝導樹脂材５５を溶融させるため、加熱させながら、半導体モジュール１６を自重あるいは外部からの荷重によって高熱伝導樹脂材５５を加圧し接着する。

以上のように構成された第２の実施形態においても、半導体装置の接合部の剥離、熱抵抗の増大を防止し、信頼性の向上した電力変換装置が得られる。また、２種類の樹脂を用いて半導体モジュールを固定することにより、半導体モジュールと冷却器との間の絶縁性を向上することが可能となる。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る電力変換装置において、半導体モジュールを冷却器の受熱面上に設置した状態を示す断面図である。

本実施形態によれば、図９に示すように、半導体モジュール１６は、２種類の合成樹脂を用いて、冷却器１２の受熱面１８ａに接合されている。すなわち、冷却器１２の受熱面１８ａに、半導体モジュール１６の底面５２ｃよりも大きな寸法、例えば、オーバーハング部２３と受熱面１８ａとの隙間に入り込む大きさの第１樹脂５５ａを所定の厚さで塗布し、その後、第１樹脂５５ａ上に第２樹脂５５ｂを充填する。そして、半導体モジュール１６を第２樹脂５５ｂの上に載置し、半導体モジュール１６の自重により、あるいは、外部から印加する圧力により、半導体モジュール１６の底面５２ｃで第２樹脂５５ｂを所定の厚さに押し潰す。これにより、第２樹脂５５ｂの一部は周囲に押出され、オーバーハング部２３と受熱面１８ａとの隙間、および、支持フレーム１４と半導体モジュール１６との間の隙間、すなわち、オーバーハング部２３と半導体モジュール１６の端面５２ｅとの間の隙間に充填される。

これにより、半導体モジュール１６は、第１および第２樹脂５５ａ、５５ｂによって受熱面１８ａおよび支持フレーム１４のオーバーハング部２３に接合される。同時に、オーバーハング部２３は、第２樹脂５５ｂにより、冷却器１２の受熱面１８ａに接着固定される。

第１樹脂５５ａとしては、絶縁性および高熱伝導性を有する樹脂、例えば、アルミナフィラーを混合したエポキシ樹脂を用いることができる。第１樹脂５５ａは、第２樹脂よりも流動性が高く、充填時に気泡の発生が少なく、高い絶縁性を確保することができる。第２樹脂５５ｂとしては、絶縁性および高熱伝導性を有する樹脂、例えば、アルミナフィラーを混合したシリコン樹脂を用いることができる。

第１および第２樹脂は、液状に限らず、加熱硬化前に固形やゲル状のシートの形態であってもよい。この場合、高熱伝導樹脂材５５を溶融させるため、加熱させながら、半導体モジュール１６を自重あるいは外部からの荷重によって高熱伝導樹脂材５５を加圧し接着する。

以上のように構成された第３の実施形態においても、半導体装置の接合部の剥離、熱抵抗の増大を防止し、信頼性の向上した電力変換装置が得られる。また、２種類の樹脂を用いて半導体モジュールを固定することにより、半導体モジュールと冷却器との間の絶縁性を向上することが可能となる。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係る電力変換装置において、半導体モジュールを冷却器の受熱面上に設置した状態を示す断面図である。

本実施形態によれば、図１０に示すように、半導体モジュール１６を冷却器１２の受熱面１８ａに接着固定している高熱伝導樹脂５５内に、絶縁層あるは絶縁板５７が埋め込まれている。絶縁板５７は、半導体モジュール１６の底面５２ｃよりも大きな寸法、例えば、オーバーハング部２３と受熱面１８ａとの隙間に入り込む大きさに形成されている。絶縁板５７は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等を用いることができる。

半導体モジュール１６を設置する際、高熱伝導樹脂５５の一部を冷却器１２の受熱面１８ａ上に充填し、その上に、絶縁板５７を載置し、所定の加圧で高熱伝導樹脂５５を押し潰し、所定の厚さとする。次いで、絶縁板５７上に高熱伝導樹脂５５を充填した後、その上に、半導体モジュール１６を載置し、半導体モジュール１６の自重により、あるいは、外部から印加する圧力により、半導体モジュール１６の底面５２ｃで高熱伝導樹脂５５を所定の厚さに押し潰す。これにより、高熱伝導樹脂５５の一部は周囲に押出され、オーバーハング部２３と受熱面１８ａとの隙間、および、支持フレーム１４と半導体モジュール１６との間の隙間、すなわち、オーバーハング部２３と半導体モジュール１６の端面５２ｅとの間の隙間に充填される。

これにより、半導体モジュール１６は、高熱伝導樹脂５５によって受熱面１８ａおよび支持フレーム１４のオーバーハング部２３に接合される。同時に、オーバーハング部２３は、第２樹脂５５ｂにより、冷却器１２の受熱面１８ａに接着固定される。

高熱伝導樹脂５５は、液状に限らず、加熱硬化前に固形やゲル状のシートの形態であってもよい。この場合、高熱伝導樹脂材５５を溶融させるため、加熱させながら、半導体モジュール１６を自重あるいは外部からの荷重によって高熱伝導樹脂材５５を加圧し接着する。

以上のように構成された第４の実施形態においても、半導体装置の接合部の剥離、熱抵抗の増大を防止し、信頼性の向上した電力変換装置が得られる。また、絶縁板５７を介在させることにより、半導体モジュールと冷却器との間の絶縁性を向上することが可能となる。

この発明は上記実施形態および変形例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可能である。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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、半導体装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。

１０…半導体電力変換装置、１２…冷却器、１４…支持フレーム、
１６…半導体モジュール、１８…冷却ブロック、１８ａ…受熱面（冷却面）、
２３…オーバーハング部、２４…接続端子、２６…主回路バスバー、
３８…第１半導体素子、４０…第２半導体素子、４６ａ…第１電力端子、
４６ｂ…第２電力端子、４７ａ、４７ｂ…接触部、５２…モールド樹脂体、
５２ｃ…底面、５５…高熱伝導樹脂、５５ａ…第１樹脂、５５ｂ…第２樹脂、
５７…絶縁板

Claims (5)

1. 受熱面を有する冷却器と、
   複数の接続端子を支持し、受熱面上で前記冷却器に取り付けられた支持フレームと、
   前記接続端子に接続される電力端子および半導体素子を含み、前記冷却器の受熱面上に設置された半導体装置と、
   前記半導体装置と受熱面との間の隙間、および前記半導体装置と支持フレームとの間の隙間に充填され、前記半導体装置と受熱面および支持フレームとを接合する接着性、絶縁性および熱伝導性を有する熱伝導樹脂と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記熱導電樹脂は、特性の異なる第１樹脂および第２樹脂を含み、
   前記第１樹脂は、前記半導体装置の底面に形成され、前記第２樹脂は、前記受熱面上に充填され、前記第１樹脂および半導体装置により押圧されて、前記第１樹脂と受熱面との間に隙間、および前記半導体装置と支持フレームとの間の隙間に充填されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１樹脂は、前記受熱面上に充填され、前記半導体装置の底面よりも大きな寸法に形成され、前記第２樹脂は、前記第１樹脂に重ねて充填され、前記半導体装置の底面により押圧されて、前記第１樹脂と半導体装置との間に隙間、および前記半導体装置と支持フレームとの間の隙間に充填されている請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記支持フレームは、前記冷却器にねじ止めされた外枠と、前記半導体装置の電力端子と受熱面との間に突出し、前記半導体装置の端面と隙間を置いて対向しているとともに、前記受熱面と隙間を置いて対向するオーバーハング部と、を有し、
   前記熱導電樹脂は、前記半導体装置の端面とオーバーハング部との隙間、および前記オーバーハング部と受熱面との隙間に充填されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 電力変換装置の製造方法であって、
   複数の接続端子を支持する支持フレームを、冷却器の受熱面上に載置し、
   前記支持フレームの複数個所を前記冷却器にねじ止めし、
   前記受熱面上に接着性、絶縁性および熱伝導性を有する熱伝導樹脂を充填し、
   半導体素子および前記接続端子に接続される電力端子を有する半導体装置を、前記熱伝導樹脂上に載置し、
   前記半導体装置の自重あるいは印加荷重により、半導体装置により前記熱伝導樹脂を押し潰し、前記半導体装置の底面と受熱面との隙間、前記半導体装置の端面と前記支持フレームのオーバーハング部との間の隙間、および、前記オーバーハング部と受熱面との隙間に、前記熱伝導樹脂を充填し、この熱伝導樹脂により、半導体装置と受熱面、半導体装置とオーバーハング部、およびオーバーハング部と受熱面を接着する
   電力変換装置の製造方法。