JP2022092545A - 電気回路体、電力変換装置、および電気回路体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱伝導部材がはみ出すのを防止して、絶縁性を確保し、装置の信頼性を向上させる。【解決手段】電気回路体400において、第1導体板430の一方面に接合される第1パワー半導体素子155、156と、第1導体板430の他方面に接合される第1樹脂絶縁層442を含んだ第1シート部材440と、第1シート部材440の導体板と接合される面とは反対の面が露出した状態で第1シート部材440と第1導体板430と第1パワー半導体素子155、156とを封止部材360で一体的に封止するパワーモジュール300と、第1シート部材440の反対の面と熱伝導部材453を介して接着される冷却部材340と、を備える。第1シート部材440が露出する封止部材360の表面には、シート部材440よりも外周側に、第1シート部材440の外縁に沿って凹部454が形成される。【選択図】図2
Description
本発明は、電気回路体、電力変換装置、および電気回路体の製造方法に関する。
パワー半導体素子のスイッチングを用いた電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。パワー半導体素子は通電により発熱するため、パワー半導体素子を内蔵した装置は、熱伝導部材を介して冷却部材が設けられている。熱伝導部材は接触熱抵抗を低減する流動性の材料であり、冷却部材との間の接触熱抵抗を低減するが、熱伝導部材には絶縁性の低い材料が含まれている。例えば、車載用においては、小型、軽量化した装置が採用され、絶縁性に高い信頼性が求められる。
特許文献1には、半導体素子に導電体を接続し、さらに電気絶縁性の絶縁層と導電性の導体層が積層されたシート部材を接続したものをモールド樹脂により封止し、粘性体の熱伝導部材を介して冷却手段に接触する半導体装置が開示されている。
特許文献1に記載の装置では、熱伝導部材がはみ出した場合に、絶縁性を確保できず、装置の信頼性が低下する。
本発明による電気回路体は、導体板の一方面に接合されるパワー半導体素子と、前記導体板の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材と、前記シート部材の前記導体板と接合される面とは反対の面が露出した状態で前記シート部材と前記導体板と前記パワー半導体素子とを一体的に封止する封止部材と、前記シート部材の前記反対の面と熱伝導部材を介して接着される冷却部材と、を備えた電気回路体であって、前記シート部材が露出する前記封止部材の表面には、前記シート部材よりも外周側に、前記シート部材の外縁に沿って凹部が形成される。
本発明による電気回路体の製造方法は、導体板の一方面に接合されるパワー半導体素子と、前記導体板の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材と、前記シート部材の前記導体板と接合される面とは反対の面が露出した状態で前記シート部材と前記導体板と前記パワー半導体素子とを一体的に封止する封止部材と、前記シート部材の前記反対の面と熱伝導部材を介して接着される冷却部材と、を備えた電気回路体の製造方法であって、前記シート部材の外周側に対応して凸部が形成された金型により前記シート部材を保持する工程と、前記金型を加圧して、前記シート部材を前記導体板の他方面に接合し、前記封止部材で封止し、前記金型の前記凸部に対応して前記封止部材に凹部を形成する工程とを備える。
本発明による電気回路体の製造方法は、導体板の一方面に接合されるパワー半導体素子と、前記導体板の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材と、前記シート部材の前記導体板と接合される面とは反対の面が露出した状態で前記シート部材と前記導体板と前記パワー半導体素子とを一体的に封止する封止部材と、前記シート部材の前記反対の面と熱伝導部材を介して接着される冷却部材と、を備えた電気回路体の製造方法であって、前記シート部材の外周側に対応して凸部が形成された金型により前記シート部材を保持する工程と、前記金型を加圧して、前記シート部材を前記導体板の他方面に接合し、前記封止部材で封止し、前記金型の前記凸部に対応して前記封止部材に凹部を形成する工程とを備える。
本発明によれば、熱伝導部材がはみ出すのを防止して、絶縁性を確保し、装置の信頼性が向上する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
図1は、電気回路体400の平面図、図2は、電気回路体400の図1に示すX-X線の断面図である。図3は、電気回路体400の図1に示すY-Y線の断面図である。
図1に示すように、電気回路体400は、3個のパワーモジュール300と冷却部材340よりなる。パワーモジュール300は、パワー半導体素子を用い直流電流と交流電流とを変換する機能があり、通電により発熱する。このため、冷却部材340の中に冷媒を流通して冷却する構造としている。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。なお、冷却部材340は、ピン状のフィンが冷却部材340のベース板に立設された構成であってもよい。冷却部材340は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。冷却部材340は、押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。
図1に示すように、電気回路体400は、3個のパワーモジュール300と冷却部材340よりなる。パワーモジュール300は、パワー半導体素子を用い直流電流と交流電流とを変換する機能があり、通電により発熱する。このため、冷却部材340の中に冷媒を流通して冷却する構造としている。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。なお、冷却部材340は、ピン状のフィンが冷却部材340のベース板に立設された構成であってもよい。冷却部材340は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。冷却部材340は、押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。
パワーモジュール300は、一方側に、直流回路のコンデンサモジュール500(後述の図15参照)に連結する正極側端子315Bおよび負極側端子319Bを備えている。正極側端子315Bおよび負極側端子319Bの他方側には、交流回路のモータジェネレータ192、194(後述の図15参照)に連結する交流側端子320B等の大電流が流れるパワー端子を備えている。また、他方側には、下アームゲート信号端子325L、ミラーエミッタ信号端子325M、ケルビンエミッタ信号端子325K、上アームゲート信号端子325U等のパワーモジュール300の制御に用いる信号端子等を備えている。
図2に示すように、上アーム回路を形成する第1パワー半導体素子として、能動素子155、ダイオード156を備える。能動素子155を構成する半導体材料としては、例えばSi、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子155のボディダイオードを用いる場合は、ダイオード156を省略してもよい。能動素子155のコレクタ側およびダイオード156のカソード側は、第2導体板431に接合されている。能動素子155のエミッタ側およびダイオード156のアノード側には第1導体板430が接合されている。これらの接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。また、第1導体板430、第2導体板431は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためNiやAg等のめっきを施してもよい。
第1導体板430には、第1シート部材440、さらに熱伝導部材453を介して冷却部材340が密着される。第1シート部材440は、第1樹脂絶縁層442と金属箔444とを積層して構成され、金属箔444側が熱伝導部材453に密着される。
第2導体板431には、第2シート部材441、さらに熱伝導部材453を介して冷却部材340が密着される。第2シート部材441は、第2樹脂絶縁層443と金属箔444とを積層して構成され、金属箔444側が熱伝導部材453に密着される。なお、放熱性の観点から、冷却部材340の幅はシート部材440、441の幅より広いことが望ましい。
図3に示すように、下アーム回路を形成する第2パワー半導体素子として、能動素子157、ダイオード158(後述の図13、図14参照)を備える。なお、図3において、ダイオード158はX軸方向で能動素子157の奥側に配置されている。能動素子157のコレクタ側およびダイオード158のカソード側は、第4導体板433に接合されている。能動素子157のエミッタ側およびダイオード158のアノード側には第3導体板432が接合されている。
図3に示すように、第1導体板430、第2導体板431、第3導体板432、第4導体板433は、電流を通電する役割の他に、第1パワー半導体素子155、156、第2パワー半導体素子157、158が発する熱を冷却部材340に伝熱する伝熱部材としての役割を果たしている。導体板430、431、432、433は、電気伝導性が高く、熱伝導率が高い材料が望ましく、銅やアルミ等の金属系材料や、金属系材料と高熱伝導率のダイヤモンド、カーボンやセラミック等の複合材料等を用いることもできる。各導体板430、431、432、433と冷却部材340とは電位が異なるため、図2に示すように、各導体板430、431、432、433と冷却部材340との間に第1樹脂絶縁層442を有する第1シート部材440を介し、また第2樹脂絶縁層443を有する第2シート部材441を介する。各シート部材440、441と冷却部材340との間には、接触熱抵抗を低減するため熱伝導部材453を有する。
熱伝導部材453は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂材料と組み合わせて用いることが好ましい。これは、熱伝導部材453と冷却部材340との間、熱伝導部材453と各シート部材440、441との間を樹脂材料が補填し、接触熱抵抗が低減するためである。また、熱伝導部材453の流動性を抑えるために、熱伝導部材453の粘度は50Pa・s以上であることが望ましい。
第1パワー半導体素子155、156、第2パワー半導体素子157、158、各導体板430、431、432、433、各シート部材440、441は、トランスファーモールド成型により封止部材360で封止されている。各シート部材440、441の第1樹脂絶縁層442、第2樹脂絶縁層443は、各導体板430、431、432、433との接着性を有するものであれば特に限定されないが、粉末状の無機充填剤を分散したエポキシ樹脂系樹脂絶縁層が望ましい。これは、接着性と放熱性のバランスが良いためである。各シート部材440、441は、樹脂絶縁層単体でもよいが、熱伝導部材453と接する側に金属箔444を設けることが望ましい。
トランスファーモールド成型工程において、各シート部材440、441を金型に搭載する際、金型への接着を防ぐため、各シート部材440、441と金型との接触面には、離型シート又は、金属箔444を設ける。離型シートは、熱伝導率が悪いためトランスファーモールド後に剥離する工程が必要となるが、金属箔444の場合は、銅系や、アルミ系の熱伝導率の高い金属を選択することで、トランスファーモールド後に剥離することなく使用することができる。各シート部材440、441を含めてトランスファーモールドすることにより、各シート部材440、441の端部が封止部材360で被覆され、製品の信頼性が向上する効果がある。
図2、図3に示すように、熱伝導部材453と冷却部材340とを接合する前において、シート部材440、441が露出する封止部材360の表面には、シート部材440、441よりも外周側に、シート部材440、441の外縁に沿って凹部454が形成されている。そして、その後、熱伝導部材453は、封止部材360の表面から露出しているシート部材440、441を少なくとも覆うとともに、封止部材360の凹部454の中に一部が溜まる。
封止部材360の凹部454は、詳細は後述するが、シート部材440、441の外周側に対応して凸部が形成された金型を用いたトランスファーモールドにより形成される。凹部454の形状は、その底面幅が開口幅より短いことが望ましい。これは、金型に形成する凸部の側面が斜めになるため、凸部を設けやすく、その後の加工などが必要ではないためである。また、図2に示すように、凹部454におけるシート部材440、441側の高さh1は、封止部材360の端部側の高さh2より高いことが望ましい。これは、冷却部材340の幅を放熱性の向上のために長くする場合や、製品の動作時に封止部材360の端部が冷却部材340の方向に反る場合に、封止部材360の端部が冷却部材340とぶつからず、信頼性が高い構造になるためである。
図4は、図1に示すX-X線におけるパワーモジュール300の断面斜視図であり、電気回路体400から冷却部材340を取り除いた状態を示す。図4に示すように、第1シート部材440の端部は、封止部材360によって覆われている。第1導体板430の表面と重なる第1シート部材440は放熱面となる。第1シート部材440の放熱面上に冷却部材340を密着し、放熱性が損なわれないようにする。
図5は、図2に示すZ-Z線におけるパワーモジュール300の平断面図である。図2に示す電気回路体400から、冷却部材340と熱伝導部材453とを取り除いた状態を示す。
図5に示すように、第1導体板430と第3導体板432とを覆うように第1シート部材440が設けられ、封止部材360で封止されている。封止部材360の表面には、第1シート部材440よりも外周側に、第1シート部材440の外縁に沿って凹部454が一周形成される。第1シート部材440は封止部材360の凹部454と導体板430、432との間に位置している。第1シート部材440の横幅と縦幅のいずれも、第1導体板430と第3導体板432が含まれる導体板領域434の横幅と縦幅より広くすることが望ましい。具体的には、第1シート部材440の端部と第1導体板430、第3導体板432の端部との間の絶縁距離は2mm以上であることが望ましい。
このように、本実施形態では、第1シート部材440の端部と第1導体板430、第3導体板432の端部との間の絶縁距離を担保する、換言すれば、第1シート部材440を第1導体板430、第3導体板432より広くする。これにより、第1シート部材440の端部が剥離しても第1導体板430、第3導体板432との距離を離すことができ、絶縁性を向上させる効果がある。
仮に、第1シート部材440の端部と第1導体板430、第3導体板432の端部との間の絶縁距離を確保せずに、第1シート部材440の端部と第1導体板430、第3導体板432の端部とが重なる場合を考察する。この場合は、製造時の摩擦力や製品として動作時の熱応力などにより、封止部材360との接着性が弱くなり、第1シート部材440に剥離が生じやすくなる。第1シート部材440に剥離が生じると、第1シート部材440の端部と第1導体板430、第3導体板432の端部とが重なっているので、第1シート部材440を覆っている熱伝導部材453が第1導体板430、第3導体板432の端部に接触する確率が高くなる。熱伝導部材453には絶縁性の低い材料が含まれているので、熱伝導部材453が第1導体板430、第3導体板432の端部に垂れると絶縁性が低下する。
さらに、本実施形態では、図2に示したように、熱伝導部材453は、封止部材360の表面から露出している第1シート部材440を少なくとも覆うとともに、封止部材360の凹部454の中に一部が溜まる。これにより、熱伝導部材453のはみ出しを防止して、装置の絶縁性を確保し、信頼性を向上できる。
図6(a)~(d)、図7(e)~(g)は、電気回路体400の製造方法を示す断面図である。各図の左側に図1に示すX-X線における1パワーモジュール分の断面図を、右側に図1に示すY-Y線における1パワーモジュール分の断面図を示す。
図6(a)は、はんだ接続工程及びワイヤボンディング工程を示す図である。第2導体板431に、第1パワー半導体素子である能動素子155のコレクタ側およびダイオード156のカソード側を接続し、能動素子155のゲート電極をワイヤボンディングで接続する。第1導体板430に能動素子155のエミッタ側およびダイオード156のアノード側を接続する。同様に、第4導体板433に、第2パワー半導体素子である能動素子157のコレクタ側およびダイオード158のカソード側を接続し、能動素子157のゲート電極をワイヤボンディングで接続する。第3導体板432に能動素子157のエミッタ側およびダイオード158のアノード側を接続する。このようにして、回路体310を形成する。
図6(b)は、金型設置工程を示す図である。トランスファーモールド装置601内の金型に、回路体310およびシート部材440、441を設置する。すなわち、シート部材440、441の外周側に対応して凸部603が形成された金型によりシート部材440、441を保持する。
ここで、金型に凸部603を設けることで、シート部材440、441の位置合わせをしやすい効果がある。シート部材440、441の端部は凸部603と接触してもよいが、モールド時にシート部材440、441の端部に剥離が発生しないように、金型に設けた両端の凸部603の間の距離がシート部材440、441の位置決めに支障がない範囲でシート部材440、441の幅より広いことが望ましい。このように、シート部材440、441は金型の凸部603で位置合わせされているので、シート部材440、441がずれることによって生じる導体板430、431、432、433と熱伝導部材453との絶縁性の低下を防止できる。すなわち、シート部材440、441が導体板430、431、432、433に対して位置ずれするのを防止でき、信頼性が向上する。
図6(c)は、トランスファーモールド工程を示す図である。トランスファーモールド装置601は、スプリング602とシート部材440、441を金型に真空吸着する機構及び、真空脱気機構を備える。トランスファーモールド装置601は、予め175℃の恒温状態に加熱した金型内に、金型の凸部603で位置合わせされたシート部材440、441を真空吸着にて保持する。シート部材440、441の周端部は、金型の形状に合わせて回路体310が設置されている方向に若干折れ曲がる。そして、予め175℃に予熱した回路体310をシート部材440、441から離れた位置に配置する。次に、シート部材440、441と回路体310が接しない位置で、上下の金型を近接し、図示していない上下金型に設置したパッキンのみ接触させる。
図6(d)は、加圧工程を示す図である。この工程では、金型を加圧して、シート部材440、441を導体板430、431、432、433の他方面(導体板430、431、432、433の一方面にはパワー半導体素子が接合される)に接合し、封止部材360を封止し、金型の凸部603に対応して封止部材360に凹部454を形成する。
まず、シート部材440、441と回路体310とが離間した状態から、上下の金型を近接し、図示していない上下金型の周囲に設置したパッキンのみ接触させる。次に、金型キャビティを真空排気する。所定の気圧以下になるよう真空排気が完了すると、パッキンをさらに押しつぶし、上下の金型を完全にクランプする。この時、シート部材440、441と回路体310は接触する。真空状態で、シート部材440、441と回路体310が接触し、スプリング602による加圧力で密着するため、ボイドを巻き込まず密着することができる。そして、封止部材360を金型キャビティに注入する。金型には凸部603が設けられているので、封止部材360に凹部454が形成される。
図7(e)は、硬化工程を示す図である。トランスファーモールド装置601から封止部材360で封止したパワーモジュール300を取り出し、常温で冷却し、2時間以上の硬化を行う。
図7(f)は、冷却部材340の設置工程を示す図である。この工程で、熱伝導部材453で封止部材360の表面から露出しているシート部材440、441を覆い、熱伝導部材453に冷却部材340を接着する。
熱伝導部材453に冷却部材340を接着する際に、熱伝導部材453が押圧されて封止部材360に形成された凹部454に熱伝導部材453の一部が溜められる。そして、冷却部材340は、熱伝導部材453を介して第1シート部材440、第2シート部材441に密着される。
熱伝導部材453に冷却部材340を接着する際に、熱伝導部材453が押圧されて封止部材360に形成された凹部454に熱伝導部材453の一部が溜められる。そして、冷却部材340は、熱伝導部材453を介して第1シート部材440、第2シート部材441に密着される。
図7(g)は、以上の工程により製造された電気回路体400を示す図である。熱伝導部材453は押圧され横方向にはみ出した分は凹部454に溜まる。このようにして、パワーモジュール300の両面に冷却部材340が設置されて電気回路体400が製造される。
図8(a)は、電気回路体400の図1に示すX-X線の要部断面図であり、図8(b)は、比較例における要部断面図である。いずれも、第1導体板430側の熱伝導部材453の状態を図示した。
図8(a)に示すように、本実施形態では、封止部材360の端部に凹部454を有する。冷却部材340はパワーモジュール300を挟んでネジで両側から締め付けて固定する機構が用いられる。ネジに一定のトルク数で締め付けることにより、冷却部材340とパワーモジュール300の間に介在する熱伝導部材453は一定の面圧を受けることになる。この面圧により、熱伝導部材453は圧縮され、また放熱性をよくする観点で、熱伝導部材453が薄く圧縮されるほど電気回路体400全体の熱抵抗が低くなる。圧縮された熱伝導部材453は横方向にはみ出すことになり、はみ出した分の熱伝導部材453は封止部材360の凹部454に溜まることで、電気回路体400の外側に流出しにくくなり、端子315B、325Mに垂れることを防げる。これにより、熱伝導部材453のはみ出しを防止して、絶縁性を確保し、装置の信頼性が向上する。
一方、本実施形態を適用しない図8(b)に示す比較例では、封止部材360に凹部がない構成である。この場合、冷却部材340とパワーモジュール300とを固定する際に、熱伝導部材453が横方向にはみ出して封止部材360に沿って流出する虞がある。熱伝導部材453には絶縁性の低い材料が含まれているので、熱伝導部材453が端子315B、325Mに垂れると絶縁性が確保できず、装置の信頼性が低下する。
図9は、変形例1における電気回路体400の図1に示すX-X線の断面図である。
本変形例1では、封止部材360の凹部455は、その底面がシート部材440よりも外周側に深くなる段差形状である。そして、凹部455の底面の浅い部分には、シート部材440の端部が装填され、凹部455の底面の深い部分には、熱伝導部材453が溜まる。この封止部材360の製造方法は省略するが、金型には突起部の内側にもう一段の段差を設け、この突起部の段差にシート部材440を仮置きしてシート部材440の位置合わせをする。熱伝導部材453は、シート部材440の横幅と縦幅のいずれもより広くする。これにより、導体板430、431との絶縁距離を担保できる効果がある。また、シート部材440の端部が封止部材360の凹部455に装填されることで、熱伝導部材453がシート部材440に接するので、電気回路体400全体の放熱性がよくなる効果がある。
本変形例1では、封止部材360の凹部455は、その底面がシート部材440よりも外周側に深くなる段差形状である。そして、凹部455の底面の浅い部分には、シート部材440の端部が装填され、凹部455の底面の深い部分には、熱伝導部材453が溜まる。この封止部材360の製造方法は省略するが、金型には突起部の内側にもう一段の段差を設け、この突起部の段差にシート部材440を仮置きしてシート部材440の位置合わせをする。熱伝導部材453は、シート部材440の横幅と縦幅のいずれもより広くする。これにより、導体板430、431との絶縁距離を担保できる効果がある。また、シート部材440の端部が封止部材360の凹部455に装填されることで、熱伝導部材453がシート部材440に接するので、電気回路体400全体の放熱性がよくなる効果がある。
図10は、変形例2における電気回路体400の図1に示すX-X線の断面図である。
本変形例2では、封止部材360の凹部455は、シート部材440よりも外周側に第1凹部456、第2凹部457よりなる複数個の凹部を備える。図10の例では凹部455が2個の例を示す。そして、第1凹部456、第2凹部457には、熱伝導部材453が溜まる。この封止部材360の製造方法は省略するが、金型には複数個の突起部を設け、最も内周側の突起部にシート部材440を仮置きしてシート部材440の位置合わせをする。なお、第1凹部456に、変形例1に示したように、シート部材440の端部が装填され、且つ熱伝導部材453が溜まる構成にしてもよい。
本変形例2では、封止部材360の凹部455は、シート部材440よりも外周側に第1凹部456、第2凹部457よりなる複数個の凹部を備える。図10の例では凹部455が2個の例を示す。そして、第1凹部456、第2凹部457には、熱伝導部材453が溜まる。この封止部材360の製造方法は省略するが、金型には複数個の突起部を設け、最も内周側の突起部にシート部材440を仮置きしてシート部材440の位置合わせをする。なお、第1凹部456に、変形例1に示したように、シート部材440の端部が装填され、且つ熱伝導部材453が溜まる構成にしてもよい。
本変形例2によれば、熱伝導部材453がはみ出す時に、第1凹部456を全部埋めてから次に第2凹部457を埋めるので、はみ出しを防ぐ効果が増加する。また、電気回路体400において、三つのパワーモジュール300が並んでおり(図1参照)、パワーモジュール300の並ぶ方向(X方向)にはみ出す熱伝導部材453を受け入れられる空間が少ないため、熱伝導部材453は端子方向(Y方向)にはみ出しやすい。変形例2に示すように、封止部材360に複数個の凹部を設けることで、Y方向に増えた熱伝導部材453の分をY方向の複数個の凹部で受け入れられ、熱伝導部材453を電気回路体400の外側に流出させない効果がある。
図11は、変形例3における図2に示すZ-Z線のパワーモジュール300の平断面図に相当する図である。図2に示す電気回路体400から、冷却部材340と熱伝導部材453とを取り除いた状態を示す。
図11に示すように、第1導体板430と第3導体板432を覆うように第1シート部材440が設けられ、封止部材360で封止されている。封止部材360の表面には、第1シート部材440よりも外周側に、第1シート部材440の外縁に沿って凹部454が一周形成される。第1シート部材440は封止部材360の凹部454と導体板430、432との間に位置している。第1シート部材440の横幅と縦幅のいずれも、第1導体板430と第3導体板432が含まれる導体板領域434の横幅と縦幅より広くすることが望ましい。
変形例3では、第1シート部材440の外縁に沿って形成された凹部454の隅には熱伝導部材453が溜まる溜り領域458が形成される。溜り領域458の容量は、溜り領域458を形成しなかった場合の凹部454の隅の容量に比べて大きい。溜り領域458の形状は、円形状、四角形状などその形状を問わない。図11に示す例では、溜り領域458は円形状であり、凹部454の四隅に設けられ、凹部454の外周より外側にはみ出す構造である。
変形例3によれば、熱伝導部材453がはみ出す場合に、熱伝導部材453を受け入れる容量が大きくなり、熱伝導部材453のはみ出しを防ぐ効果が増加する。また、変形例2で言及したように、パワーモジュール300の並ぶ方向にはみ出す熱伝導部材453は、端子方向にさらにはみ出す場合には、凹部454の隅に集中する傾向があるために、凹部454の隅の容量を増やすことで、はみ出しの防ぐ効果が増加する。
図12は、変形例4における電気回路体400の図1に示すX-X線の断面図に相当する図である。図2に示す断面図と同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
変形例4では、冷却部材340は、シート部材440、441よりも外周側に、シート部材440、441の外縁に沿って凹部459が形成される。凹部459は、封止部材360に形成された凹部454と対向している。そして、凹部459には、はみ出した熱伝導部材453が溜まる。冷却部材340に形成された凹部459の隅に熱伝導部材453が溜まる溜り領域を形成してもよい。
変形例4では、冷却部材340は、シート部材440、441よりも外周側に、シート部材440、441の外縁に沿って凹部459が形成される。凹部459は、封止部材360に形成された凹部454と対向している。そして、凹部459には、はみ出した熱伝導部材453が溜まる。冷却部材340に形成された凹部459の隅に熱伝導部材453が溜まる溜り領域を形成してもよい。
本変形例4によれば、熱伝導部材453がはみ出す場合に、凹部454および凹部459に溜まるので熱伝導部材453を受け入れる容量が大きくなり、はみだしを防ぐ効果が増加する。
図13は、本実施形態におけるパワーモジュール300の半透過平面図である。図14は、本実施形態におけるパワーモジュール300の回路図である。
図13、図14に示すように、正極側端子315Bは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。上アームゲート信号端子325Uは、上アーム回路の能動素子155のゲート及びエミッタセンスから出力している。負極側端子319Bは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はGNDに接続される。下アームゲート信号端子325Lは、下アーム回路の能動素子157のゲート及びエミッタセンスから出力している。交流側端子320Bは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、GNDでなくコンデンサの負極側に接続する。
また、第1パワー半導体素子(上アーム回路)の能動素子155およびダイオード156の上下に第1導体板(上アーム回路エミッタ側)430、第2導体板(上アーム回路コレクタ側)431が配置される。第2パワー半導体素子(下アーム回路)の能動素子157およびダイオード158の上下に第3導体板(下アーム回路エミッタ側)432、第4導体板(下アーム回路コレクタ側)433が配置される。
封止部材360の表面には、図示省略した第1シート部材440よりも外周側に、第1シート部材440の外縁に沿って凹部454が一周形成されている。
封止部材360の表面には、図示省略した第1シート部材440よりも外周側に、第1シート部材440の外縁に沿って凹部454が一周形成されている。
本実施形態のパワーモジュール300は、上アーム回路及び下アーム回路の2つのアーム回路を、1つのモジュールに一体化した構造である2in1構造である。この他に、複数の上アーム回路及び下アーム回路を、1つのモジュールに一体化した構造を用いてもよい。この場合は、パワーモジュール300からの出力端子の数を低減し小型化することができる。
図15は、電気回路体400を用いた電力変換装置200の回路図である。
電力変換装置200は、インバータ回路140、142と、補機用のインバータ回路43と、コンデンサモジュール500とを備えている。インバータ回路140及び142は、パワーモジュール300を複数個備えた電気回路体400(図示省略)により構成されており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール300を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワーモジュール300に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子155、157やダイオード156、158を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
電力変換装置200は、インバータ回路140、142と、補機用のインバータ回路43と、コンデンサモジュール500とを備えている。インバータ回路140及び142は、パワーモジュール300を複数個備えた電気回路体400(図示省略)により構成されており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール300を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワーモジュール300に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子155、157やダイオード156、158を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
インバータ回路140とインバータ回路142とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路140等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
上述のように、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用の能動素子155と上アーム用のダイオード156とを備えており、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用の能動素子157と下アーム用のダイオード158とを備えている。能動素子155、157は、ドライバ回路174を構成する2つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。
上述したように、上アーム用の能動素子155および下アーム用の能動素子157は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム用のダイオード156および下アーム用のダイオード158は、カソード電極およびアノード電極の2つの電極を備えている。図13に示すように、ダイオード156、158のカソード電極が能動素子155、157のコレクタ電極に、アノード電極が能動素子155、157のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、上アーム用の能動素子155および下アーム用の能動素子157のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう電流の流れが順方向となっている。
なお、能動素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いても良く、この場合は、上アーム用のダイオード156、下アーム用のダイオード158は不要となる。
各上・下アーム直列回路の正極側端子315Bと負極側端子319Bとはコンデンサモジュール500のコンデンサ接続用の直流端子362A、362Bにそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、各上・下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は各パワーモジュール300の交流側端子320Bに接続されている。各相の各パワーモジュール300の交流側端子320Bはそれぞれ電力変換装置200の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ192または194の固定子巻線に供給される。
制御回路172は、車両側の制御装置やセンサ(例えば、電流センサ180)などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子155、下アームの能動素子157のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路174は、制御回路172から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子155、下アーム用の能動素子157をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。なお、181、182、188はコネクタである。
上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、上・下アーム直列回路の温度情報が制御回路172に入力される。また、制御回路172には上・下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。制御回路172は、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用の能動素子155、下アーム用の能動素子157のスイッチング動作を停止させ、上・下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
図16は、図15に示す電力変換装置200の外観斜視図であり、図17は、図16に示す電力変換装置200のXV-XV線の断面斜視図である。
図16に示すように、電力変換装置200は、下部ケース11および上部ケース10により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体12を備えている。筐体12の内部には、電気回路体400、コンデンサモジュール500等が収容されている。電気回路体400は冷却流路を有しており、筐体12の一側面からは、冷却流路に連通する冷却水流入管13および冷却水流出管14が突出している。下部ケース11は、上部側(Z方向)が開口され、上部ケース10は、下部ケース11の開口を塞いで下部ケース11に取り付けられている。上部ケース10と下部ケース11とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース10と下部ケース11とを一体化して構成してもよい。筐体12を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産性も向上する。
図16に示すように、電力変換装置200は、下部ケース11および上部ケース10により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体12を備えている。筐体12の内部には、電気回路体400、コンデンサモジュール500等が収容されている。電気回路体400は冷却流路を有しており、筐体12の一側面からは、冷却流路に連通する冷却水流入管13および冷却水流出管14が突出している。下部ケース11は、上部側(Z方向)が開口され、上部ケース10は、下部ケース11の開口を塞いで下部ケース11に取り付けられている。上部ケース10と下部ケース11とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース10と下部ケース11とを一体化して構成してもよい。筐体12を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産性も向上する。
筐体12の長手方向の一側面に、コネクタ17が取り付けられており、このコネクタ17には、交流ターミナル18が接続されている。また、冷却水流入管13および冷却水流出管14が導出された面には、コネクタ21が設けられている。
図17に示すように、筐体12内には、電気回路体400が収容されている。電気回路体400の上方には、制御回路172およびドライバ回路174が配置され、電気回路体400の直流端子側には、コンデンサモジュール500が収容されている。コンデンサモジュールを電気回路体400と同一高さに配置することで、電力変換装置200を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体400の交流側端子320Bは、電流センサ180を貫通してバスバーに接合されている。また、電気回路体400の直流端子である正極側端子315Bおよび負極側端子319Bは、それぞれ、コンデンサモジュール500の正・負極端子(図13の直流端子362A、362B)に接合される。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)電気回路体400は、導体板430、431、432、433の一方面に接合されるパワー半導体素子155、156、157、158と、導体板430、431、432、433の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材440、441と、シート部材440、441の導体板430、431、432、433と接合される面とは反対の面が露出した状態でシート部材440、441と導体板430、431、432、433とパワー半導体素子155、156、157、158とを一体的に封止する封止部材360と、シート部材440、441の反対の面と熱伝導部材453を介して接着される冷却部材340と、を備えた電気回路体400であって、シート部材440、441が露出する封止部材360の表面には、シート部材440、441よりも外周側に、シート部材440、441の外縁に沿って凹部454、455が形成される。これにより、熱伝導部材がはみ出すのを防止して、絶縁性を確保し、装置の信頼性が向上する。
(1)電気回路体400は、導体板430、431、432、433の一方面に接合されるパワー半導体素子155、156、157、158と、導体板430、431、432、433の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材440、441と、シート部材440、441の導体板430、431、432、433と接合される面とは反対の面が露出した状態でシート部材440、441と導体板430、431、432、433とパワー半導体素子155、156、157、158とを一体的に封止する封止部材360と、シート部材440、441の反対の面と熱伝導部材453を介して接着される冷却部材340と、を備えた電気回路体400であって、シート部材440、441が露出する封止部材360の表面には、シート部材440、441よりも外周側に、シート部材440、441の外縁に沿って凹部454、455が形成される。これにより、熱伝導部材がはみ出すのを防止して、絶縁性を確保し、装置の信頼性が向上する。
(2)電気回路体400の製造方法は、電気回路体400は、導体板430、431、432、433の一方面に接合されるパワー半導体素子155、156、157、158と、導体板430、431、432、433の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材440、441と、シート部材440、441の導体板430、431、432、433と接合される面とは反対の面が露出した状態でシート部材440、441と導体板430、431、432、433とパワー半導体素子155、156、157、158とを一体的に封止する封止部材360と、シート部材440、441の反対の面と熱伝導部材453を介して接着される冷却部材340と、を備えた電気回路体400の製造方法であって、シート部材440、441の外周側に対応して凸部603が形成された金型によりシート部材440、441を保持する工程と、金型を加圧して、シート部材440、441を導体板430、431、432、433の他方面に接合し、封止部材360で封止し、金型の凸部603に対応して封止部材360に凹部454、455を形成する工程とを備える。これにより、熱伝導部材がはみ出すのを防止して、絶縁性を確保し、装置の信頼性が向上する。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
1・・・マイコン、10・・・上部ケース、11・・・下部ケース、12・・・筐体、13・・・冷却水流入管、14・・・冷却水流出管、17・・・コネクタ、18・・・交流ターミナル、21・・・コネクタ、43、140、142・・・インバータ回路、155・・・第1パワー半導体素子(上アーム回路能動素子)、156・・・第1パワー半導体素子(上アーム回路ダイオード)、157・・・第2パワー半導体素子(下アーム回路能動素子)、158・・・第2パワー半導体素子(下アーム回路ダイオード)、172・・・制御回路、174・・・ドライバ回路、180・・・電流センサ、181、182、188・・・コネクタ、192、194・・・モータジェネレータ、200・・・電力変換装置、300・・・パワーモジュール、310・・・回路体、315B・・・正極側端子、319B・・・負極側端子、320B・・・交流側端子、325・・・信号端子、325K・・・ケルビンエミッタ信号端子、325L・・・下アームゲート信号端子、325M・・・ミラーエミッタ信号端子、325U・・・上アームゲート信号端子、340・・・冷却部材、360・・・封止部材、400・・・電気回路体、430・・・第1導体板(上アーム回路エミッタ側)、431・・・第2導体板(上アーム回路コレクタ側)、432・・・第3導体板(下アーム回路エミッタ側)、433・・・第4導体板(下アーム回路コレクタ側)、440・・・第1シート部材(エミッタ側)、441・・・第2シート部材(コレクタ側)、442・・・第1樹脂絶縁層(エミッタ側)、443・・・第2樹脂絶縁層(コレクタ側)、444・・・金属箔、453・・・熱伝導部材、454、455・・・封止部材の凹部、458・・・溜り領域、459・・・冷却部材の凹部、500・・・コンデンサモジュール、601・・・トランスファーモールド装置、602・・・スプリング、603・・・金型の凸部。
Claims (11)
- 導体板の一方面に接合されるパワー半導体素子と、前記導体板の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材と、前記シート部材の前記導体板と接合される面とは反対の面が露出した状態で前記シート部材と前記導体板と前記パワー半導体素子とを一体的に封止する封止部材と、前記シート部材の前記反対の面と熱伝導部材を介して接着される冷却部材と、を備えた電気回路体であって、
前記シート部材が露出する前記封止部材の表面には、前記シート部材よりも外周側に、前記シート部材の外縁に沿って凹部が形成される電気回路体。 - 請求項1に記載の電気回路体において、
前記熱伝導部材は、前記封止部材の表面から露出している前記シート部材を少なくとも覆うとともに、前記封止部材の前記凹部の中に一部が溜まる電気回路体。 - 請求項1に記載の電気回路体において、
前記凹部は、その底面が段差形状である電気回路体。 - 請求項1に記載の電気回路体において、
前記凹部は、複数個の凹部よりなる電気回路体。 - 請求項1に記載の電気回路体において、
前記シート部材の端部が前記凹部に装填される電気回路体。 - 請求項1に記載の電気回路体において、
前記シート部材の外縁に沿って形成された前記凹部の隅には前記熱伝導部材が溜まる溜り領域が形成される電気回路体。 - 請求項1に記載の電気回路体において、
前記冷却部材は、前記シート部材よりも外周側に、前記シート部材の外縁に沿って凹部が形成される電気回路体。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記導体板は、前記パワー半導体素子の両面に配置されて、前記配置された前記各導体板の一方面は前記パワー半導体素子に接合され、
前記シート部材は、前記各導体板の他方面にそれぞれ接合され、
前記冷却部材は、前記各シート部材と前記熱伝導部材を介してそれぞれ接着される電気回路体。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の電気回路体を備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。
- 導体板の一方面に接合されるパワー半導体素子と、前記導体板の他方面に接合される絶縁層を含んだシート部材と、前記シート部材の前記導体板と接合される面とは反対の面が露出した状態で前記シート部材と前記導体板と前記パワー半導体素子とを一体的に封止する封止部材と、前記シート部材の前記反対の面と熱伝導部材を介して接着される冷却部材と、を備えた電気回路体の製造方法であって、
前記シート部材の外周側に対応して凸部が形成された金型により前記シート部材を保持する工程と、
前記金型を加圧して、前記シート部材を前記導体板の他方面に接合し、前記封止部材で封止し、前記金型の前記凸部に対応して前記封止部材に凹部を形成する工程と、
を備える電気回路体の製造方法。 - 請求項10に記載の電気回路体の製造方法において、
前記熱伝導部材で前記封止部材の表面から露出している前記シート部材を覆い、前記熱伝導部材に前記冷却部材を接着する工程をさらに備える電気回路体の製造方法。
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