JP2020141056A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置において、経年による放熱性能の劣化を抑制する。【解決手段】電力変換装置は、パワーモジュールと、冷却器とを備えている。パワーモジュールは、電力を制御する半導体素子が封止されており、表面に絶縁基板が露出している。冷却器は、パワーモジュールの表面に積層されている。冷却器は、金属接合層によってパワーモジュールの絶縁基板に接合されている。パワーモジュールと冷却器の間にグリスを挟むかわりにパワーモジュールと冷却器を金属接合層で接合しているので、グリス抜けが生じず、放熱性能の経年劣化を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本明細書は、電力変換装置に関する技術を開示する。

電力変換装置として、パワーモジュールに冷却器を積層した構造を備えるものが知られている。パワーモジュールには、電力を制御する半導体素子（パワーデバイス）が封止されているとともに、表面に放熱板が露出している。冷却器は、放熱板に対向するようにパワーモジュールに積層されている。放熱板は半導体素子の電極と導通しており、冷却器も導電性の金属で作られているため、放熱板と冷却器の間には絶縁板が挟まれている。特許文献１に開示されている電力変換装置では、パワーモジュールから冷却器への伝熱性を高めるため、パワーモジュールの表面（放熱板）と絶縁板の間、及び、絶縁板と冷却器の間にグリスが挟まれている。

特開２０１８−１８９４３号公報

特許文献１の電力変換装置では、半導体素子の発熱および冷却に伴う絶縁板の熱膨張および熱収縮の繰り返しによって、パワーモジュールの表面と冷却器との間に挟まれているグリスが外部に排出されるポンプアウト現象が発生するおそれがあった。パワーモジュールの表面と冷却器との間に挟まれているグリスの減少は、電力変換装置の放熱性能を劣化させる要因となる。

本明細書に開示する電力変換装置は、パワーモジュールと、冷却器を備えている。パワーモジュールは、電力を制御する半導体素子が封止されているとともに、表面に絶縁基板が露出している。冷却器は、パワーモジュールの表面に積層されている。冷却器は、金属接合層によってパワーモジュールの表面の絶縁基板に接合されている。

上記形態の電力変換装置によれば、半導体素子の発熱および冷却に伴って絶縁板の熱膨張および熱収縮が繰り返されたとしても、金属接合層によってパワーモジュールの表面と冷却器との間の接合を保持できるため、経年による放熱性能の劣化を抑制できる。

絶縁基板は、典型的には、絶縁板の両面に金属層が接合されている複合板であってよい。複合板の一方の金属層が前記パワーモジュールの表面に露出しているととともに、複合板の他方の金属層と半導体素子が導通している。そのような絶縁基板を採用することにより、封止されている半導体素子との絶縁を確保しつつ、パワーモジュールの表面に金属層を露出することができる。冷却器も金属製であり、パワーモジュールの表面の金属層と金属製の冷却器を金属接合層でしっかりと接合することができる。

実施例の電力変換装置の平面図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。

図１に電力変換装置１０の平面図を示す。電力変換装置１０は、各種の電気機器（例えば、電動機、発電機、二次電池など）の間において電力を変換するデバイスである。例えば電力変換装置１０は、車両に搭載され、高電圧バッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。

電力変換装置１０は、複数のパワーモジュール１００と、複数の冷却器２００を備えている。複数のパワーモジュール１００と複数の冷却器２００は、１個ずつ交互に積層されている。複数のパワーモジュール１００と複数の冷却器２００は、筐体１２に収容されている。筐体１２には、パワーモジュール１００と冷却器２００以外のデバイスも収容されているが、それらの図示は省略した。また、各パワーモジュール１００は他のデバイスと電気的に接続されているが、パワーモジュール１００が有する接続端子の図示も省略した。

複数のパワーモジュール１００と複数の冷却器２００の積層体は、その一端が筐体１２の壁２１に押し当てられ、他端に支柱２２に支持されている板バネ２３が押し当てられ、積層体が保持されている。

隣り合う一対の冷却器２００の間に、パワーモジュール１００が挟まれている。詳しくは後述するが、パワーモジュール１００と冷却器２００は金属接合層３００で接合されている。冷却器２００とパワーモジュール１００は金属接合層３００で接合されているので、板バネ２３の荷重がなくてもパワーモジュール１００から冷却器２００への高い伝熱効率が確保される。

図１では金属接合層３００をグレーで示してある。すべての冷却器２００とパワーモジュール１００は金属接合層３００で接合されているが、図１では、最も下方の一対の金属接合層３００のみに符号を付し、残りの金属層への符号は省略した。

隣り合う冷却器２００は、一対の連結管１４、１６で連結されている。冷却器２００の内部は冷媒が流れる流路になっており、一対の連結管１４、１６は、隣り合う冷却器２００の流路を連通する。総ての隣り合う冷却器２００の組が一対の連結管１４、１６で連結されているが、図１では最も下方の一対の連結管１４、１６のみに符号を付し、残りの連結管への符号は省略した。

複数のパワーモジュール１００と複数の冷却器２００の積層方向の一端の冷却器２００には、冷媒供給口２４と冷媒排出口２６が備えられている。冷媒供給口２４と冷媒排出口２６には、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒循環装置から送られる冷媒は冷媒供給口２４と複数の連結管１４を通じて総ての冷却器２００に分配される。冷媒は冷却器２００の内部の流路を通過する間に隣り合うパワーモジュール１００の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は複数の連結管１６と冷媒排出口２６を通じて冷媒循環装置へと戻される。

図１に示した一対の冷却器２００とパワーモジュール１００で構成される積層構造部１８の断面図を図２に示す。図２は、図１のII−II線に沿った断面（図中のＸＺ平面で積層構造部１８をカットした断面）を示している。

以下、積層構造部１８を説明するが、複数のパワーモジュール１００と複数の冷却器２００の積層体において、隣り合う冷却器２００とそれらに挟まれているパワーモジュール１００の関係は、どの組み合わせであっても同じである。

パワーモジュール１００は、扁平形状を有しており、２つの幅広面（表面１０２、１０４）を有している。パワーモジュール１００は、パワーカードとも呼ばれる。２つの表面１０２、１０４は、相互に表裏の関係にある。パワーモジュール１００は、封止樹脂１１０と、半導体素子１２０と、２つの絶縁基板１４０とを備えている。

パワーモジュール１００の封止樹脂１１０は、２つの絶縁基板１４０の間に挟まれた半導体素子１２０の周囲に射出成形されている。封止樹脂１１０は、電気絶縁性を有する。封止樹脂１１０は、半導体素子１２０を内部に封止する。

パワーモジュール１００の半導体素子１２０は、電力を制御するパワーデバイスである。半導体素子１２０は、矩形板状を成す。板状の半導体素子１２０の両面に電極が露出している。半導体素子１２０は、２つの絶縁基板１４０の間に挟まれている。半導体素子１２０は、接合材１３０を介して絶縁基板１４０に接合されている。接合材は、典型的にはハンダである。

パワーモジュール１００の絶縁基板１４０は、電気絶縁性を有し、半導体素子１２０と冷却器２００との間を電気的に絶縁する。絶縁基板１４０は、半導体素子１２０で発生する熱を冷却器２００へと放熱する。絶縁基板１４０は、半導体素子１２０より大きな矩形板状を成す。

絶縁基板１４０は、中央の絶縁板１４２とその両側の銅層１４４、１４６の三層構造を有している複合板である。絶縁板１４２は、アルミナを主成分とするセラミックスで作られている。銅層１４４は、セラミックス製の絶縁板１４２の一方の表面に焼結され、銅層１４６は、絶縁板１４２の他方の表面に焼結されている。

あるいは、絶縁基板１４０は、表面を酸化処理した絶縁性の窒化アルミニウム基板（絶縁板１４２）の両面に銅層１４４、１４６が銅−酸素共晶層で接合された三層構造を有している複合板であってもよい。

絶縁板１４２は、その表裏の一方の銅層１４４と多方の銅層１４６の間を絶縁する。表面の銅層１４４と裏面の銅層１４６は導電性を有している。

パワーモジュール１００において、一方の表面１０２には一方の絶縁基板１４０が設けられ、他方の表面１０４には他方の絶縁基板１４０が設けられている。絶縁基板１４０の銅層１４４は、接合材１３０を介して半導体素子１２０に接合されている。先に述べたように、半導体素子１２０の表面１０２、１０４には電極が露出しており、それぞれの電極は、対向している絶縁基板１４０の銅層１４４に接合されているとともに導通している。図２では図示を省略しているが、封止樹脂１１０の内側から外側へ向かって端子が延びており、その端子が銅層１４４を介して半導体素子１２０の電極と導通する。

絶縁基板１４０の一方の銅層１４４（半導体素子１２０と対向している銅層）は半導体素子１２０と導通するが、他方の銅層１４６（封止樹脂１１０から露出している銅層）は半導体素子１２０から絶縁されている。

絶縁基板１４０の銅層１４６は、封止樹脂１１０から露出している。言い換えると、一方の絶縁基板１４０における銅層１４６は、表面１０２の一部を構成し、他方の絶縁基板１４０における銅層１４６は、表面１０４の一部を構成する。パワーモジュール１００における２つの表面１０２、１０４には、少なくとも冷却器２００と接合する部位に電解銀めっきが施されている。

電力変換装置１０の冷却器２００は、パワーモジュール１００を冷却する。冷却器２００は、冷媒を流す流路２１０が内部に形成された機器である。冷却器２００の流路２１０は、連結管１４、１６に接続されている。冷却器２００は、金属製（例えば、アルミニウム製）である。冷却器２００の表面には、少なくともパワーモジュール１００と接合する部位に電解銀めっきが施されている。

パワーモジュール１００は、２つの冷却器２００の間に挟まれている。一方の冷却器２００は、パワーモジュール１００の表面１０２に積層され、他方の冷却器２００は、パワーモジュール１００の表面１０４に積層されている。

一方の冷却器２００は、金属接合層３００によってパワーモジュール１００の表面１０２に接合されている。他方の冷却器２００は、金属接合層３００によってパワーモジュール１００の表面１０４に接合されている。金属接合層３００の融点は、絶縁基板１４０および冷却器２００に使用されている材質の融点より低いことが好ましい。

金属接合層３００は、金属粒子を含むペーストを冷却器２００（あるいはパワーモジュール１００）の表面に塗布した後に冷却器２００とパワーモジュール１００を対向させ、冷却して固化したものである。使用する接合材は、金属粒子を含むものであって、絶縁基板１４０、封止樹脂１１０、冷却器２００の融点よりも低い温度でペースト状となる材料である。そのような材料を用いることで、絶縁基板１４０、封止樹脂１１０、冷却器２００を傷めることなく、パワーモジュール１００と冷却器２００を金属で接合することができる。金属接合層３００の主成分は、銀（Ａｇ）粒子であってもよいし、銅（Ｃｕ）粒子であってもよい。

以上説明した実施形態の電力変換装置１０によれば、半導体素子１２０の発熱および冷却に伴って絶縁基板１４０の熱膨張および熱収縮が繰り返されたとしても、金属接合層３００によってパワーモジュール１００の表面１０２、１０４と冷却器２００との間の接合を保持できるため、経年による放熱性能の低下を抑制できる。

特に、パワーモジュール１００は、封止されている半導体素子１２０から絶縁されている金属層（銅層１４６）を封止樹脂１１０の表面に露出させている。冷却器２００も金属製である。接合する対象の両方（銅層１４６と冷却器２００）が金属製であるため、金属接合層３００でしっかりと接合することができる。さらに、銅層１４６と冷却器２００の両方（あるいは片方）に電解銀めっきを施すことで、接合性が向上する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。パワーモジュールに封止される半導体素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＲＣチップ（Reverse-Conducing Chip）、その他、いかなるデバイスであってもよい。また、封止樹脂に封止される素子の個数もいくつであってもよい。

以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：電力変換装置
１２：筐体
１４、１６：連結管
１８：積層構造部
１００：パワーモジュール
１０２、１０４：表面
１１０：封止樹脂
１２０：半導体素子
１３０：接合材
１４０：絶縁基板
１４２：絶縁板
１４４、１４６：銅層
２００：冷却器
２１０：流路
３００：金属接合層

Claims (3)

1. 電力変換装置であって、
   電力を制御する半導体素子が封止されており、表面に絶縁基板が露出しているパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールの前記表面に積層されている冷却器と、
   を備えており、
   前記冷却器は、金属接合層によって前記パワーモジュールの前記絶縁基板に接合されている、電力変換装置。
2. 前記絶縁基板は、絶縁板の両面に金属層が接合されている複合板であり、前記複合板の一方の前記金属層が前記パワーモジュールの表面に露出しているととともに、前記複合板の他方の前記金属層と前記半導体素子が導通している、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記金属接合層は、金属微粒子を含むペーストを塗布して固化したものである、請求項１または２に記載の電力変換装置。

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