JP2019220648A - パワーモジュール、電力変換装置、及びパワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力によるひずみを低減するとともに、トランジスタ素子へのダメージを抑制するパワーモジュールを提供する。【解決手段】導体層を有する絶縁基板と、導体層上の導電部にそれぞれの裏面電極が接合されたダイオード素子及びトランジスタ素子と、ダイオード素子の表面電極上に形成された第１の接合部と、トランジスタ素子の表面電極上に形成され、第１の接合部よりも厚く形成された第２の接合部と、第１の接合部及び第２の接合部を介してダイオード素子及びトランジスタ素子と外部端子を接続するプレート電極と、プレート電極、ダイオード素子、トランジスタ素子を封止する封止樹脂部によりパワーモジュールを構成する。【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の半導体素子が基板に実装されたパワーモジュール、パワーモジュールを用いた電力変換装置、及びパワーモジュールの製造方法に関する。

産業機器から家電まであらゆる分野にパワーモジュールが普及し、小型軽量化、多品種適用、高信頼性、高生産性が求められている。従来のパワーモジュールは、例えばトランジスタ素子とダイオード素子が配線基板上に実装され、トランジスタ素子でスイッチ動作させるとともに、トランジスタ素子の動作をダイオード素子で制御する。これら複数の半導体素子を配線基板上に実装する技術として、プレート電極を用いて半導体素子の電極と外部端子とを接続させる技術がある。このような実装に用いる部材は、それぞれ熱膨張係数が異なるため、熱応力によるひずみが生じる。
この熱応力によるひずみを低減する半導体装置として、例えばプレート電極のハーフカット部に凸部を設け、凸部に半田を用いて半導体チップと接合する技術が提案されている。この技術においては、ハーフカット部の凸部側から突出するエンボス加工部を備え、エンボス加工部を半導体チップに当接させることによってエンボス加工部の高さだけ、接合材の厚みを確保する。そして、ハーフカット部及びエンボス加工部の高さによって、複数の半導体チップの接合材の厚みを均一に保ち、ヒートサイクル性を向上させる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−７４５４３号公報

しかしながら、このような半導体装置にあっては、エンボス加工部が、緻密な構造を有するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタ素子にダメージを与えるという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、熱応力によるひずみを低減するとともに、トランジスタ素子へのダメージを抑制するパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明にかかるパワーモジュールは、導体層を有する絶縁基板と、導体層上の導電部にそれぞれの裏面電極が接合されたダイオード素子及びトランジスタ素子と、ダイオード素子の表面電極上に形成された第１の接合部と、トランジスタ素子の表面電極上に形成され、第１の接合部よりも厚く形成された第２の接合部と、第１の接合部及び第２の接合部を介してダイオード素子及びトランジスタ素子と外部端子を接続するプレート電極と、プレート電極、ダイオード素子、トランジスタ素子を封止する封止樹脂部を備えたものである。

本発明によれば、トランジスタ素子上の接合部をダイオード素子上の接合部よりも厚くでき、トランジスタ素子上の接合部の厚みを確保できるため、複数の実装部材の熱膨張係数差によって生じる熱応力によるひずみを低減できる。

本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの概略構成図である。 本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの概略断面図である。 本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの製造工程を示す概略図である。 本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの概略断面図である。 本発明の実施の形態２にかかるパワーモジュールの概略断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるパワーモジュールの製造工程の一部を示す概略図である。 本発明の実施の形態５にかかるパワーモジュールを適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
発明者らは、鋭意検討により、基板実装する実装部材の横方向の熱膨張係数差による熱応力を、縦方向で緩和することを見出した。すなわち、複数の半導体素子と、プレート電極との接合において、接合部の厚みを十分確保すれば、熱膨張係数差による横方向の熱応力を、縦方向に緩和できる。そして、熱応力によるダメージが発生しやすい緻密な構造を有するトランジスタ素子の表面に、エンボス加工等による突起を設けることなく熱応力を低減できる。以下、図を用いて本発明を説明する。

パワーモジュール１００は、例えば図１に示すように、ケース５に固定された絶縁基板１１の導体層１３上に、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１が実装され、プレート電極６０を用いて外部端子であるドレイン端子６１、エミッタ端子６２及び信号端子６３と接続される。ケース５には、樹脂が充填され、封止される。

図２は、本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。図２において、パワーモジュール１００には大電流による発熱を効率よく排熱できる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁基板１１を用いる。絶縁基板１１は両面に導体層１２、１３を有し、導体層１３にトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の裏面電極がそれぞれ導電部３を介して接合される。トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１が実装された絶縁基板１１は、予め外部端子であるドレイン端子６１、エミッタ端子６２、信号端子６３が設置されたケース５に、例えば接着剤８によって固定される。

ドレイン端子６１は、リード６４と接続され、リード６４は導体層１３と接続される。絶縁基板１１は、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１と主端子であるプレート電極６０が接合される構成となっている。トランジスタ素子２２の表面電極２２１は、接合部３２を介し、ダイオード素子２１の表面電極２１１は、接合部３１を介し、接合部３２が接合部３１をよりも厚く形成されるように規制されて、プレート電極６０と接続される。エミッタ端子６２は、接合部３３を介し、プレート電極６０によって、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１と接続される。信号端子６３は、トランジスタ素子２２上の制御電極２２２とワイヤ４により接続される。これらによって、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１と各外部端子が接続される。

ケース５には封止樹脂が充填され、ドレイン端子６１、エミッタ端子６２、信号端子６３を露出させ、プレート電極６０、トランジスタ素子２２、ダイオード素子２１、接合部３１、３２、３３及びその周辺部分を覆う封止樹脂部７が形成される。

ここで、プレート電極６０には、トランジスタ素子２２側がダイオード素子２１側より高くなるように曲げ加工が施され、折曲部６００と緩衝部９が形成されている。折曲部６００は、接合部３２の厚さが接合部３１よりも大きくなるように規制する。緩衝部９は、熱応力によるひずみを吸収する役割を果たす。
接合部３１、３２、３３には、接合材として、例えばＡｇ焼結材が用いられる。例えば、保護膜が施されたＡｇ粒子を、溶媒を繋ぎとして接合部３１、３２、３３に供給する。これらをプレート電極６０で規制しながら焼成すると、溶媒、保護膜が飛ばされ、Ａｇ−Ａｇの新生面が互いに接することにより、固相接合される。焼成後、Ａｇ粒子が連なることにより、フレキシブルな状態で、厚みを確保でき、電気的に接続される。

そして、トランジスタ素子２２とプレート電極６０を接合する接合部３２の厚み、すなわちギャップを大きくすることができ、トランジスタ素子２２とプレート電極６０の熱膨張係数差によって生じる横方向のひずみを縦（厚み）方向に緩和でき、結果として熱応力によるひずみを低減できる。したがって、緻密な構造を有するトランジスタ素子２２のダメージを抑制できる。トランジスタ素子２２内にトレンチを有する場合は、特にこれに起因するダメージを防止できる。

本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの製造工程について図３に基づき説明する。図３は、本発明の実施の形態１にかかるパワーモジュールの製造工程を示す概略図である。

図３（ａ）に示すように、両面に導体層１２、１３が形成された絶縁基板１１の導体層１３上に、導電材としてはんだを用いて、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を接合する。例えば融点２２０度の導電部３となるシート状はんだ３０を配置し、シート状はんだ３０上にトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１をそれぞれ配置する。
さらに、シート状はんだ３０を加熱し、導体層１３とトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１のそれぞれの裏面電極とを接合して、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を実装した絶縁基板１１を形成する。
また、予め例えばインサート成型によって、外部端子となるドレイン端子６１、エミッタ端子６２、信号端子６３の一部を露出させ、埋め込んだケース５を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を実装した絶縁基板１１を、外部端子を有するケース５の底部に導体層１２を外部に露出させるように、シリコーン樹脂を接着剤８として用いて接着固定する。

次に、図３（ｃ）に示すように、トランジスタ素子２２上及びダイオード素子２１上に接合材を供給し、接合して接合部３１、３２を形成する。例えば、トランジスタ素子２２の表面電極２２１上にディスペンサを用いて接合部３２となるＡｇ焼結材３２２を供給し、また、ダイオード素子２１の表面電極２１１上にディスペンサを用いて接合部３１となるにＡｇ焼結材３１１を供給する。このとき、Ａｇ焼結材３２２は、Ａｇ焼結材３１１より供給量が多くなるようにする。さらに、エミッタ端子６２上にもディスペンサを用いて接合部３３を形成するためのＡｇ焼結材３３３を供給する。そして、Ａｇ焼結材３１１、３２２、３３３上に、トランジスタ素子２２上の接合部３２がダイオード素子２１上の接合部３１より厚くなるように折曲部６００及び緩衝部９が設けられたプレート電極６０を配置して、接合部３１、３２の厚さを規制しながらＡｇ焼結材３１１、３２２、３３３を焼成する。

このとき、接合部３２と接するプレート電極６０の裏面を接合面６０２、接合部３１と接するプレート電極６０の裏面を接合面６０１とする。
ここで、例えば接合面６０１は、ダイオード素子２１と０．２ｍｍ程度のギャップを有し、接合面６０２は、トランジスタ素子２２と０．５ｍｍ程度のギャップを有した状態とする。２００℃のオーブンで１時間加熱し、表面電極２１１、２２１及びエミッタ端子６２上のＡｇ焼結材を焼成することにより、プレート電極６０を介して、エミッタ端子６２は、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１と接続される。また、ドレイン端子６１及び導体層１３もリード６４を介してトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１と接続される。
また、プレート電極６０の接合部３１、３２とのコンタクト部には、余剰のＡｇ焼結材３１１、３２２が逃げる逃げ穴６５を設けると好ましい。また、この逃げ穴６５は、Ａｇ焼結材３１１、３２２を逃がす役割の他、検査時の覗き窓ともなる。

次に、図３（ｄ）に示すように、外部端子を露出させ、プレート電極６０、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を封止するように、ケース５内に封止樹脂を例えば６０℃で充填し、真空脱泡した後、封止樹脂を加熱硬化させ、封止樹脂部７を形成して、パワーモジュール１００が作製される。ここで、加熱硬化は、例えば封止樹脂を１００℃、１．５時間の加熱した後、１４０℃、１．５時間加熱することにより行う。封止樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。シリコーンゲルを用いてもよい。
このように、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を、ダイオード素子２１側の接合部３１（第１の接合部）より厚いトランジスタ素子２２側の接合部３２（第２の接合部）を介してプレート電極６０と接合できる。

絶縁基板１１は、例えば外形寸法４０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板を用いることができ、絶縁基板１１の表面及び裏面には、例えばパターン厚さ０．４ｍｍのＣｕの導体層１２、１３が設けられる。導電部３には、例えば厚さ０．１５ｍｍのはんだを用いる。

トランジスタ素子２２としては、例えば外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのＳｉ基板を用いたＩＧＢＴを用いることができ、ダイオード素子２１としては、外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの整流ダイオードを用いることができる。環流ダイオード、サージ保護用ダイオードを用いてもよい。

また、トランジスタ素子２２の裏面電極の導電部３の厚さを、接合部３１、３２よりも薄くすることによって、トランジスタ素子２２との膨張係数差が絶縁基板１１より大きなプレート電極６０との熱応力を低減でき、さらに好ましい。

外部端子であるドレイン端子６１、エミッタ端子６２、信号端子６３は、さらに他のデバイスと接続される。例えば、図３に示すようにネジ穴６２２を形成して、ネジ止めすればよい。

ケース５は、例えばＰＰＳ（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂で形成でき、例えば外形寸法４８ｍｍ×２８ｍｍ×高さ１２ｍｍとすればよい。
ケース５に固定された信号端子６３は、トランジスタ素子２２の表面に設けられた制御電極２２２と例えば径０．１５ｍｍのＡｌのワイヤ４を介してゲート電極や温度センサ電極等と接続される。

ここで、例えばＣｕのプレート電極６０の熱膨張係数が約１７ｐｐｍ／Ｋであるのに対して、接合するトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の熱膨張係数は３〜３．５ｐｐｍ／Ｋであり、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を搭載するＡｌＮの絶縁基板１１は両面の導体層１２、１３を含めて熱膨張係数は全体で約１０ｐｐｍ／Ｋとなる。
接合するプレート電極６０とトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の熱膨張係数の差は特に大きい。トランジスタ素子２２は応力に対する感受性が高いため、ひずみに伴う変形によって特性変動を起こしたり、ヒートサイクル試験によって繰り返し起こる熱変形によりクラックが生じたりする等の懸念があったところ、プレート電極６０の高さを規制してトランジスタ素子２２側の接合部３２を厚く構成することにより熱応力を低減でき、信頼性を高めることができる。

なお、本発明の実施の形態１では、プレート電極６０に折曲部６００を設けた例を示したが、トランジスタ素子２２の厚み、絶縁基板１１の厚みを変えることにより接合部３１、３２の厚みを規制できれば、折曲部６００はなくてもよい。また、緩衝部９で熱応力を緩和する例を示したが、省略してもよい。

また、例えば接合部３２が接合部３１よりも厚くなるように、Ａｇ焼結材３２２の供給量を多くした例を示したが、接合部３２を厚くすることができれば、必ずしもＡｇ焼結材３２２の供給量をＡｇ焼結材３１１より多くしなくてもよい。

また、接合部３１、３２、３３には、Ａｇ焼結材を用いた例を示したが、Ｃｕ焼結材など、他の金属焼結材を用いてもよい。

また、プレート電極６０の接合箇所に円形の逃げ穴６５をあける例を示したが、円形に限らず、四角形でも多角形でもよい。また、逃げ穴６５を設けなくてもよい。

また、信号端子６３とトランジスタ素子２２の表面の制御電極２２２との接続を、ワイヤ４で接続する例を示したが、図４に示すように、板状電極４０を用いる構成でもよい。このとき、信号端子６３と制御電極２２２上にＡｇ焼結材を供給し、接合部３４、３５を形成する。この構成により、プレート電極６０の接続と同様に、Ａｇ焼結材を用いることで、２００℃を超える動作温度に対する信頼性の向上できる。

導電部３を形成する導電材としてシート状はんだ３０を用いた例を示したが、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤を用いてもよい。Ａｇ焼結材又はＣｕ焼結材でもよい。

また、パワーモジュール１００は、１対のトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を用いる１ｉｎ１としたが、２対の２ｉｎ１や、６対の６ｉｎ１であってもよい。

また、絶縁基板１１には、セラミック基板であるＡｌＮを用いた例を示したが、絶縁性が得られ、導体層１２、１３が形成できれば、例えば、アルミナや炭化ケイ素、窒化ケイ素等を用いてもよい。ガラスエポキシ基板又は金属ベース基板でもよい。

また、導体層１２、１３には、Ｃｕを用いた例を示したが、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等の金属を用いてもよい。

また、接合部３１、３２にＡｇ焼結材を用いる場合、表面電極２１１、２２１は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を用いればよく、導電部３にはんだを用いる場合、それぞれの裏面電極は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等を用いればよい。

また、ワイヤ４には、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｌ被覆Ｃｕ、Ａｕ等を用いることができる。ワイヤ４をリボンボンド、バスバーにしてもよい。

また、トランジスタ素子２２としてＩＧＢＴを用いた例を示したが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてもよい。

ケース５の材料として、ＰＰＳ樹脂を用いた例を示したが、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ、液晶ポリマー）樹脂を用いてもよい。

また、封止樹脂部７の形成においては、封止樹脂を充填する例を示したが、モールド樹脂を用いてトランスファーモールドしてもよい。

このように、本実施の形態のパワーモジュールは、トランジスタ素子２２上の接合部３２（第２の接合部）がダイオード素子２１上の接合部３１（第１の接合部）よりも厚く形成されているため、接合部３２の厚みを確保でき、実装部材の熱膨張係数差によって生じる熱応力によるひずみを低減できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかるパワーモジュールを示す概略断面図である。図６において、図２と同じ符号を付けたものは、同一又は対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、プレート電極６０に規制部１０を備えた構成が相違している。

プレート電極６０と絶縁基板１１又は導体層１３との間に、例えば耐熱性を有する樹脂を用いた規制部１０を形成する。この規制部１０は、一端をプレート電極６０の裏面に、他端を絶縁基板１１又は導体層１３に接するように、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の間に配置される。

このように、本実施の形態のパワーモジュールのプレート電極６０は規制部１０により支持されるため、より精度よく接合部３２（第２の接合部）の厚みを接合部３１（第１の接合部）よりも厚くなるように規制することができ、実装部材の熱膨張係数差によって生じる熱応力によるひずみを低減できる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかるパワーモジュールの製造工程の一部を示す概略図である。図６において、図３と同じ符号を付けたものは、同一又は対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、ケース５とプレート電極６０を予め一体化した構成が相違している。

本実施の形態の製造方法を以下に示す。
両面に導体層１２、１３が形成された絶縁基板１１の導体層１３上に、導電部３を形成する導電材として例えばシート状はんだ３０を配置し、シート状はんだ３０上にトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１をそれぞれ配置する。さらに、シート状はんだ３０を加熱し、導体層１３とトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１のそれぞれの裏面電極とを接合し、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１が実装された実装基板１０１を作製する。
実装基板１０１のトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１上に、接合材としてＡｇ焼結材３２２、３１１を配置する。

また、別途折曲部６００により、トランジスタ素子２２側がダイオード素子２１側より高くなるように高低差を設けたプレート電極６０のエミッタ端子６２、信号端子６３側を、ケース５と一体化させ、プレート電極付ケース１０２を作製する。
そして、プレート電極６０の低い部位をダイオード素子２１上のＡｇ焼結材３１１上に配置し、プレート電極６０の高い部位をトランジスタ素子２２上のＡｇ焼結材３２２上に配置する。トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１が実装された実装基板１０１上のＡｇ焼結材３１１、３２２をプレート電極付ケース１０２で規制しながら、Ａｇ焼結材３１１、３２２、３５５を加熱して接合し、接合部３１及び接合部３１より厚い接合部３２を形成する。

そして、実装基板１０１とプレート電極付ケース１０２を接合させた後、内部に封止樹脂を例えば６０℃で充填する。真空脱泡した後、封止樹脂を加熱硬化させ、パワーモジュール１００を作製する。

このように、ケース５に高低差を設けたプレート電極６０を固定し、プレート電極６０の低い部位をＡｇ焼結材３１１上に、プレート電極６０の高い部位をＡｇ焼結材３２２上に接合させて、厚みの異なる接合部３１、３２を形成することにより、ダイオード素子２１上及びトランジスタ素子２２上のＡｇ焼結材３１１、３２２の厚みの規制が容易となる。すなわち、パワーモジュール１００の製造工程を簡略化することができる。

このように作製されたパワーモジュール１００は、トランジスタ素子２２上の接合部３２（第２の接合部）の厚みをダイオード素子２１上の接合部３１（第１の接合部）の厚みよりも厚く形成できるため、実装部材の熱膨張係数差によって生じる熱応力によるひずみを低減できる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、トランジスタ素子２２はＳｉ基板に形成されたＩＧＢＴの例を示したが、トランジスタ素子２２又はダイオード素子２１を、Ｓｉ基板に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体基板によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体基板の材料としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド等を用いることができる。

このようなワイドバンドギャップ半導体基板に形成されたトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の小型化が可能であり、これら小型化されたトランジスタ素子２２及びダイオード素子２１を用いることにより、これらの素子を組み込んだパワーモジュールの小型化が可能となる。

また耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化及び水冷部の空冷化が可能であるので、パワーモジュールの一層の小型化が可能になる。

更に電力損失が低いため、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の高効率化が可能であり、延いてはパワーモジュールの高効率化が可能になる。

なお、トランジスタ素子２２及びダイオード素子２１の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよい。

実施の形態５．
本実施の形態は、実施の形態１〜４にかかるパワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。

図７は、本実施の形態にかかるパワーモジュールを適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

図７に示す電力変換システムは、電源７００、電力変換装置７１０、負荷７２０から構成される。電源７００は、直流電源であり、電力変換装置７１０に直流電力を供給する。電源７００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができる。交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源７００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。

電力変換装置７１０は、電源７００と負荷７２０の間に接続された三相のインバータであり、電源７００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷７２０に交流電力を供給する。電力変換装置７１０は、図７に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路７１１と、主変換回路７１１を制御する制御信号を主変換回路７１１に出力する制御回路７１３とを備えている。

負荷７２０は、電力変換装置７１０から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷７２０は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。

以下、電力変換装置７１０の詳細を説明する。主変換回路７１１は、トランジスタ素子とダイオード素子を備えており（図示せず）、トランジスタ素子がスイッチングすることによって、電源７００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷７２０に供給する。主変換回路７１１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路７１１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのトランジスタ素子とそれぞれのトランジスタ素子に逆並列された６つのダイオード素子から構成することができる。主変換回路７１１は、実施の形態１〜４のいずれかのトランジスタ素子、ダイオード素子を備えたパワーモジュール７１２によって構成される。６つのトランジスタ素子は２つのトランジスタ素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路７１１の３つの出力端子は、負荷７２０に接続される。

また、主変換回路７１１は、各トランジスタ素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えているが、駆動回路はパワーモジュール７１２に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール７１２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路７１１のトランジスタ素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路７１１のトランジスタ素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路７１３からの制御信号に従い、トランジスタ素子をオン状態にする駆動信号とトランジスタ素子をオフ状態にする駆動信号とを各トランジスタ素子の制御電極に出力する。トランジスタ素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はトランジスタ素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、トランジスタ素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はトランジスタ素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

制御回路７１３は、負荷７２０に所望の電力が供給されるよう主変換回路７１１のトランジスタ素子を制御する。具体的には、負荷７２０に供給すべき電力に基づいて主変換回路７１１の各トランジスタ素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてトランジスタ素子のオン時間を変調するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって主変換回路７１１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきトランジスタ素子にはオン信号を、オフ状態となるべきトランジスタ素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路７１１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各トランジスタ素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。

本実施の形態にかかる電力変換装置では、主変換回路７１１に実施の形態１〜４のいずれかにかかるパワーモジュールを適用するため、熱応力を低減でき、信頼性を向上できる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わない。単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。

また、本発明の電力変換装置の負荷７２０は電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

３ 導電部、４ ワイヤ、５ ケース、７ 樹脂封止部、８ 接着剤、９ 緩衝部、
１０ 規制部、１１ 絶縁基板、１２、１３ 導体層、２１ ダイオード素子、
２２ トランジスタ素子、３０ シート状はんだ、３１、３２、３３、３４、３５ 接合部、４０ 板状電極、６０ プレート電極、６１ ドレイン端子、６２ エミッタ端子、
６３ 信号端子、６４ リード、６５ 逃げ穴、１００、７１２ パワーモジュール、
１０１ 実装基板、１０２ プレート電極付ケース、２１１、２２１ 表面電極、
２２２ 制御電極、３１１、３２２、３３３、３５５ Ａｇ焼結材、６００ 折曲部、
６０１、６０２ 接合面、６２２ ネジ穴、７００ 電源、７１０ 電力変換装置、
７１１ 主変換回路、７１３ 制御回路、７２０ 負荷。

Claims (11)

1. 導体層を有する絶縁基板と、
   前記導体層上の導電部にそれぞれの裏面電極が接合されたダイオード素子及びトランジスタ素子と、
   前記ダイオード素子の表面電極上に形成された第１の接合部と、
   前記トランジスタ素子の表面電極上に形成され、前記第１の接合部よりも厚く形成された第２の接合部と、
   前記第１の接合部及び前記第２の接合部を介して前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子と外部端子を接続するプレート電極と、
   前記プレート電極、前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子を封止する封止樹脂部と
   を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
2. トランジスタ素子上のプレート電極の裏面が、ダイオード素子上の前記プレート電極の裏面よりも高くなるように、前記プレート電極に折曲部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. プレート電極の、第１の接合部と第２の接合部の間とを繋ぐ部位に緩衝部が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
4. ダイオード素子とトランジスタ素子との間の絶縁基板又は導体層上に一端が接し、他端がプレート電極の裏面に接するように配置され、前記プレート電極の高さを規制する規制部が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
5. 導電部にはんだ、第１の接合部及び第２の接合部に金属焼結材が用いられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
6. 導電部、第１の接合部、及び第２の接合部に金属焼結材が用いられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
7. ダイオード素子及びトランジスタ素子の少なくともいずれかはワイドバンドギャップ半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
8. ワイドバンドギャップ半導体基板は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドのいずれかを材料とすることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
   前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
   を備えた電力変換装置。
10. 絶縁基板の導体層上に配置された導電材上にダイオード素子及びトランジスタ素子を配置する工程と、
    前記導電材を加熱して前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子のそれぞれの裏面電極を前記導体層と接合する工程と、
    前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子のそれぞれの表面電極上に接合材を配置する工程と、
    前記ダイオード素子上及び前記トランジスタ素子上に、前記トランジスタ素子上のプレート電極の裏面の高さが前記ダイオード素子上の前記プレート電極の裏面の高さより高くなるように前記プレート電極を配置し、前記接合材を加熱することにより前記プレート電極と前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子をそれぞれ接合する工程と、
    前記プレート電極、前記トランジスタ素子、及び前記ダイオード素子を封止する工程と
    を備えたパワーモジュールの製造方法。
11. 絶縁基板の導体層上に配置された導電材上にダイオード素子及びトランジスタ素子を配置する工程と、
    前記導電材を加熱して前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子のそれぞれの裏面電極を前記導体層と接合して実装基板を作製する工程と、
    前記実装基板の前記ダイオード素子及び前記トランジスタ素子のそれぞれの表面電極上に接合材を配置する工程と、
    高低差を設けたプレート電極をケースに固定したプレート電極付ケースを作製する工程と、
    前記プレート電極付ケースの前記プレート電極の低い部位を前記ダイオード素子上の前記接合材上に、前記プレート電極の高い部位を前記トランジスタ素子上の前記接合材上に配置し、前記接合材を加熱して接合する工程と、
    接合された前記実装基板と前記プレート電極付ケースを樹脂で封止する工程と
    を備えたパワーモジュールの製造方法。

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