JP2022098581A - パワーモジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022098581000001
【課題】導体板が平坦ではなく反りや傾斜などがある場合に、トランスファーモールドによる圧力が加わっても、導体板とシート部材との密着性が損なわれ、放熱性が低下する。
【解決手段】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、前記導体板と前記シート部材とをトランスファーモールドにより封止する封止部材と、を備えたパワーモジュールであって、前記導体板は、前記一方面に前記パワー半導体素子が接合される第１領域と、前記一方面に前記封止部材と接する第２領域と、に区分され、前記第２領域に剛性が低い低剛性部を形成したパワーモジュール。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュールおよび電力変換装置に関する。
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。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。例えば、車載用においては、小型、軽量化のため水冷を用いた高効率な装置が採用されている。
パワー半導体素子には導体板が接合され、さらに、導体板とシート部材とをトランスファーモールドにより絶縁樹脂などの封止部材を封止している。そして、封止部材の注入時の圧力を用いて導体板とシート部材を接合させている。
特許文献１には、モールド金型のキャビティ内に絶縁シートを載置し、その上に電子部品を載置し、モールド金型のエアベント部から空気を抜きつつ、キャビティ内にモールド樹脂を注入して絶縁シート及び電子部品を樹脂封止する技術が開示されている。
特開２００８－１６５０６号公報
特許文献１の技術では、導体板が平坦ではなく反りや傾斜などがある場合に、トランスファーモールドによる圧力が加わっても、導体板とシート部材との密着性が損なわれ、放熱性が低下する。
本発明によるパワーモジュールは、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、前記導体板と前記シート部材とをトランスファーモールドにより封止する封止部材と、を備えたパワーモジュールであって、前記導体板は、前記一方面に前記パワー半導体素子が接合される第１領域と、前記一方面に前記封止部材と接する第２領域と、に区分され、前記第２領域に他の部分よりも剛性が低い低剛性部を形成した。
本発明によれば、導体板が平坦ではない場合であっても、導体板とシート部材とを密着することができ、放熱性に優れた装置を提供できる。
電気回路体の平面図である。 電気回路体のＸ－Ｘ線断面図である。 電気回路体のＹ－Ｙ線断面図である。 パワーモジュールの断面斜視図である。 （ａ）～（ｃ）電気回路体の製造方法を説明する断面図である。 （ｄ）～（ｆ）電気回路体の製造方法を説明する断面図である。 （ｇ）～（ｉ）電気回路体の製造方法を説明する断面図である。 （ａ）（ｂ）トランスファーモールドの詳細を示す図である。 （ａ）～（ｃ）モデルＡ、Ｂと各モデルの解析結果を示すグラフである。 放熱を説明する電気回路体のＹ－Ｙ線断面図である。 （ａ）～（ｃ）導体板の平面図である。 変形例における電気回路体のＹ－Ｙ線断面図である。 パワーモジュールの半透過平面図である。 パワーモジュールの回路図である。 パワーモジュールを用いた電力変換装置の回路図である。 電力変換装置の外観斜視図である。 電力変換装置のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。
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線断面図である。図３は、電気回路体４００の図１に示すＹ－Ｙ線断面図である。
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。
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１４参照)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。
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。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、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。なお、第１パワー半導体素子１５５、１５６、第２パワー半導体素子１５７、１５８を単にパワー半導体素子１５９と称する場合がある。
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。
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事で、各シート部材４４０、４４１の端部が封止部材３６０で被覆されることで製品の信頼性が向上する効果がある。
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。導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、詳細は後述するが、一方面にパワー半導体素子１５９が接合される第１領域と、当該一方面に封止部材と接する第２領域と、に区分され、第２領域に他の部分よりも剛性が低い低剛性部４６０(図２参照)を形成する。低剛性部４６０は、プレス加工により凹部を、または機械加工やレーザ加工による切削により板厚を薄く形成する。
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は放熱面である。第１シート部材４４０の放熱面上に冷却部材３４０を密着して、冷却部材３４０との間の密着性を確保し、放熱性が損なわれないようにする。
図５（ａ）～（ｃ）、図６（ｄ）～（ｆ）、図７（ｇ）～（ｉ）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５（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。
導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、低剛性部４６０を備える。また、導体板４３０、４３１、４３２、４３３には、反りがあってもよく、また、はんだ厚さのばらつきになどにより、はんだ接続後に傾斜が生じる場合がある。
図５（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。シート部材４４０、４４１を金型に真空吸着するための真空脱気機構等は図示省略している。予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型内に、治具を用い位置合わせしたシート部材４４０、４４１を真空吸着にて保持する。そこに、あらかじめ１７５℃に予熱した回路体３１０をシート部材４４０、４４１から離間した状態の金型内に設置する。
図５（ｃ）は、加圧工程を示す図である。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、金型のキャビティ内を真空排気する。所定の気圧以下になるよう真空排気が完了すると、パッキンを更に押しつぶすように、上下の金型を加圧し完全に締め付ける。この時、シート部材４４０、４４１と回路体３１０は接触する。
導体板４３０、４３１、４３２、４３３のパワー半導体素子１５９が接合される第１領域に反りや傾斜がある場合、スプリング６０２による圧力でシート部材４４０、４４１と導体板４３０、４３１、４３２、４３３は密着する。一方、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の封止部材と接する第２領域に反りや傾斜がある場合、スプリング６０２による圧力が及ばず、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１の密着性が不足し、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１との間に隙間が発生する可能性がある。しかし、本実施形態では、以下に説明するようにして導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１との密着性を高めることが可能になる。
図６（ｄ）～図６（ｆ）は、トランスファーモールドにより封止部材３６０を注入する注入工程を示す図である。図６（ｄ）に示すように、図示省略した注入口より封止部材３６０を金型内に注入する。図６（ｅ）の矢印で示すように、封止部材３６０の注入による成型圧力は静水圧として、金型内部に均等に加わる。この時、図６（ｆ）の矢印で示すように、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の第２領域には低剛性部４６０が形成されているので、成型圧力により、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の第２領域がシート部材４４０、４４１に押し付けられる。これにより、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に反りや傾斜があっても導体板４３０、４３１、４３２、４３３の端部までシート部材４４０、４４１と密着させることができる。導体板４３０、４３１、４３２、４３３の第２領域に低剛性部４６０を形成していない場合は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の第２領域に反りや傾斜があれば、第２領域の曲げ剛性が高いままとなり、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の曲げ反力により、導体板４３０、４３１、４３２、４３３をシート部材４４０、４４１に押し付けることができない。しかし、本実施形態では、低剛性部４６０を設けているため、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の曲げ反力が低減し、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１との密着性を向上できる。
図７（ｇ）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（ｈ）は、冷却部材３４０の設置工程を示す図である。パワーモジュール３００の両面に熱伝導部材４５３を介して冷却部材３４０を押し当てる。これにより、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（ｉ）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。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）、図８（ｂ）は、トランスファーモールドの詳細を示す図である。これらの図を参照して、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１との密着について説明する。いずれも、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例に説明する。
図８（ａ）は、金型を閉じてスプリング６０２により圧力４６１が加わっている状態である。導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、一方面にパワー半導体素子１５９が接合される第１領域Ｄ１と、当該一方面に封止部材３６０と接する第２領域Ｄ２に区分される。導体板４３０、４３１、４３２、４３３の第１領域Ｄ１は、パワー半導体素子１５９に向けて形成された凸部の上面でパワー半導体素子１５９と接合している。第１領域Ｄ１には、スプリング６０２による圧力が加わる。この圧力は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の凸部の底面端部ｄからシート部材４４０、４４１へ向けて導体板４３０、４３１、４３２、４３３内を４５°の角度で広がる。以降、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の凸部の底面端部からシート部材４４０、４４１へ向けて導体板４３０、４３１、４３２、４３３内を広がる圧力の外郭線を加圧外郭線ｐと称する。本実施形態では、加圧外郭線ｐは、底面端部ｄから４５°の角度で広がる例を示すが、必ずしも４５°でなくてもよい。低剛性部４６０は、加圧外郭線ｐより外側に形成される。したがって、スプリング６０２による圧力４６１が加わった場合でも、低剛性部４６０に過度な圧力が掛かることを低減できる。
図８（ａ）では、スプリング６０２による圧力により、導体板４３０、４３１、４３２、４３３にかかる圧力が高い領域４６２を、シート部材４４０、４４１に縦罫線を付して示す。また、スプリング６０２による圧力により、導体板４３０、４３１、４３２、４３３にかかる圧力が低い領域４６３は縦罫線を付していない。導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１の接着には接着力の発現に必要な面圧が必要となるため、領域４６２で接着しても、領域４６３では剥離する場合が生じる。
図８（ｂ）は、封止部材３６０を注入口６０３より注入している状態である。封止部材３６０は一旦液状になるため、成型圧力が静水圧として封止部材３６０全体に加わる。この圧力が導体板４３０、４３１、４３２、４３３の第２領域Ｄ２にも加わる。第２領域Ｄ２には、低剛性部４６０を設けているため、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の曲げ反力が低減している。したがって、圧力４６４により導体板４３０、４３１、４３２、４３３はシート部材４４０、４４１に押し付けられる。これにより、スプリング６０２の圧力による圧力が低い領域４６３も面圧を向上でき、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１との密着性を向上できる。
図９（ａ）は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３のモデルＡを、図９（ｂ）は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３のモデルＢを、図９（ｃ）は、各モデルの解析結果を示すグラフである。
モデルＡは、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に低剛性部４６０として凹部を、モデルＢは、低剛性部４６０として板厚を薄くしたものである。いずれも、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、板厚Ｔ０であり、低剛性部４６０は、板厚Ｔ１（Ｔ０＞Ｔ１）である。また、低剛性化した領域の導体板４３０、４３１、４３２、４３３の長さＬは、低剛性化していない領域の導体板４３０、４３１、４３２、４３３の長さＯより４倍以上長い。導体板４３０、４３１、４３２、４３３の左端部を固定し、上方より圧力Ｐを加える。
図９（ｃ）の横軸は厚さ比であり、低剛性化した部分の板厚Ｔ１を低剛性化していない部分の板厚Ｔ０で除した値、縦軸は変形率であり、低剛性部４６０を設けたときの右端部の変形量を、低剛性部４６０を設けなかった場合の右端部の変形量で除した値を示す。図９（ｃ）に示すように、モデルＡ、モデルＢともに、低剛性化していない厚さ比１に比べ、低剛性化することで変形率は指数関数的に増加する。これは、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の曲げ剛性が低剛性化により大幅に低下することを示している。このように導体板４３０、４３１、４３２、４３３の曲げ剛性を低下することで、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の反力が低下する。このため、前述のように、封止部材３６０の成型圧力により導体板４３０、４３１、４３２、４３３はシート部材４４０、４４１に押し付けられ、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１と密着時の面圧を向上できる。このように密着時の面圧を向上することで、４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１を接着し絶縁性を向上することができる。
図１０は、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である。
図１０を用いて、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の低剛性部４６０と放熱経路を説明する。図８（ａ）を参照して説明したように、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、一方面にパワー半導体素子１５９が接合される第１領域Ｄ１と、当該一方面に封止部材と接する第２領域Ｄ２に区分される。パワー半導体素子１５９の熱は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の凸部の底面端部ｄからシート部材４４０、４４１へ向けて導体板４３０、４３１、４３２、４３３内を４５°の角度で広がる。その後、パワー半導体素子１５９の熱は、シート部材４４０、４４１及び熱伝導部材４５３を介して冷却部材３４０に伝わる。このように、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の板厚に対しおよそ４５度の角度、すなわち加圧外郭線ｐが、主たる熱伝導経路となるため、加圧外郭線ｐより内側に凹部などの低剛性部４６０があると放熱性が著しく低下する。このため、低剛性部４６０を設ける場合は、加圧外郭線ｐの外側に設けることが望ましい。なお、低剛性部４６０は、第１導体板４３０と第２導体板４３１の一方、および、第３導体板４３２と第４導体板４３３の一方にのみそれぞれ設けても良く、その場合は、少なくとも第２導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１、第４導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３、すなわち、パワー半導体素子１５９のコレクタ電極に接続される導体板４３１、４３３に設けるのが望ましい。その理由は、パワー半導体素子１５９のコレクタ電極に大電流が流れて高温となるため、コレクタ電極に接続される導体板４３１、４３３とシート部材４４０、４４１との密着性をより高めて放熱性を向上させる必要があるからである。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）は、第２導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１の平面図である。図１１（ａ）は、本実施形態の平面図を、図１１（ｂ）は、変形例１を、図１１（ｃ）は、変形例２を示す。各図において、平面図はパワー半導体素子１５５、１５６が接合される面を示す。
図１１（ａ）に示す本実施形態では、導体板４３１にパワー半導体素子１５５、１５６を囲む位置に低剛性部４６０を設けている。したがって、パワー半導体素子１５５、１５６の周囲において、導体板４３１とシート部材４４０、４４１との密着性を高めることができる。また、導体板４３１が広いため放熱性に優れる効果がある。
図１１（ｂ）に示す変形例１では、導体板４３１のＸ方向の長さを縮小し、加圧外郭線ｐの内側に導体板４３１が収まるようにした。これにより低剛性部４６０をパワー半導体素子１５５、１５６に対しＹ軸方向のみ設けている。低剛性部４６０を省略することで加工コストを低減できる。
図１１（ｃ）に示す変形例２では、導体板４３１のＸ方向の長さを縮小し、加圧外郭線ｐの内側に導体板４３１が収まるようにし、且つ低剛性部４６０を断続的に設けている。具体的には、凹部などの低剛性部４６０を所定間隔で導体板４３１のＸ方向に沿って配置する。低剛性部４６０を省略することで加工コストを低減できる他に、低剛性部４６０を断続的に設けているので導体板４３１に熱が広がりやすく放熱性に優れる。
図１２は、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であり、導体板４３１の変形例を示す。
図１２に示すように、第１導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０の低剛性部４６０として、図９（ｂ）で示したモデルＢを適用したものである。
モデルＢでは、モデルＡと比較すると導体板４３０の断面積が小さくなるが、導体板４３０をプレス加工で作製しやすい効果がある。なお、放熱性の点では、導体板４３０の断面積が大きいモデルＡが優れる。
上述した本実施形態によれば、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に反りがあっても、また、はんだ接続後に傾斜が生じても、トランスファーモールド工程において、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の反りや傾斜を矯正し、シート部材４４０、４４１と導体板４３０、４３１、４３２、４３３を端部まで接着することができ、絶縁性、放熱性に優れる効果がある。
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。なお、各導体板４３０、４３１、４３２、４３３に形成されている低剛性部４６０は、図示を省略している。
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。
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。
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）パワーモジュール３００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１５９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、導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１とをトランスファーモールドにより封止する封止部材３６０と、を備え、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、一方面にパワー半導体素子１５９が接合される第１領域Ｄ１と、一方面に封止部材３６０と接する第２領域Ｄ２と、に区分され、第２領域Ｄ２に剛性が低い低剛性部４６０を形成した。これにより、導体板が平坦ではない場合であっても、導体板とシート部材とを密着することができ、放熱性に優れた装置を提供できる。
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。
１０・・・上部ケース、１１・・・下部ケース、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）、１５９・・・パワー半導体素子、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、４６０・・・低剛性部、４６１・・・スプリングによる圧力、４６２・・・スプリングによる加圧で面圧が高い領域、４６３・・・スプリングによる加圧で面圧が低い領域、４６４・・・成型圧力による圧力、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、Ｄ１・・・第１領域、Ｄ２・・・第２領域、ｐ・・・加圧外郭線。

Claims (8)

  1. 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、前記導体板と前記シート部材とをトランスファーモールドにより封止する封止部材と、を備えたパワーモジュールであって、
    前記導体板は、前記一方面に前記パワー半導体素子が接合される第１領域と、前記一方面に前記封止部材と接する第２領域と、に区分され、前記第２領域に他の部分よりも剛性が低い低剛性部を形成したパワーモジュール。
  2. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記導体板の板厚を薄くすることにより前記低剛性部を形成したパワーモジュール。
  3. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記導体板に凹部を設けることにより前記低剛性部を形成したパワーモジュール。
  4. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記導体板の前記第１領域は、前記パワー半導体素子に向けて形成された凸部の上面部で前記パワー半導体素子と接合し、
    前記低剛性部は、前記導体板の前記凸部の底面端部から前記シート部材へ向けて広がる圧力の加圧外郭線より外側に形成されるパワーモジュール。
  5. 請求項４に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記加圧外郭線は、前記凸部の底面端部から前記シート部材へ向けて４５°の角度で広がるパワーモジュール。
  6. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低剛性部を形成した前記導体板は、前記パワー半導体素子のコレクタ電極に接続されるパワーモジュール。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のパワーモジュールにおいて、
    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接合されるパワーモジュール。
  8. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールと熱伝導部材を介して接着される冷却部材と、を備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。
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