JP2024006808A - 電気回路体および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置より突出している端子に対して熱伝導部材の流出による絶縁性の低下等の対策は考慮されておらず、装置の信頼性が低下する。【解決手段】半導体素子を封止材で封止して内蔵し、少なくとも一方面に前記半導体素子の熱を放熱する放熱面が形成された半導体装置と、前記半導体装置の前記放熱面と対向して配置され、前記半導体素子を冷却する冷却部材と、前記半導体装置と前記冷却部材との間に配置された熱伝導部材とを備え、前記半導体装置の少なくとも一側面より前記半導体素子と接続される端子が突出し、前記端子が突出している前記半導体装置の前記一側面における前記封止材と前記冷却部材との間の第１間隔は、前記端子が突出していない前記半導体装置の他側面における前記封止材と前記冷却部材との間の第２間隔より狭い電気回路体。【選択図】図２

Description

本発明は、電気回路体および電力変換装置に関する。

半導体素子のスイッチング動作による電力変換装置は、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。半導体素子は通電により発熱する。このため、半導体素子を冷却する冷却部材が設けられ、さらに、半導体素子を内蔵した半導体装置と、半導体装置と対向して配置される冷却部材との間には、熱伝導部材が配置されている。この熱伝導部材は、半導体装置と冷却部材との間を密着することにより、半導体素子からの発熱を冷却部材へ伝導する。半導体装置の冷却は、特に、車載用途においては、放熱性を維持するための高い信頼性が求められる。

特許文献１には、金属放熱板を囲んで樹脂封止部の表面にグリス溜め部が形成され、半導体モジュールの厚さ方向の膨張収縮サイクルによりグリスが面方向に移動しても、外気が金属放熱板と絶縁シートとの間に侵入し難い半導体モジュール実装構造が開示されている。

特開２００５－３１０９８７号公報

特許文献１に記載された半導体装置は、半導体装置より突出している端子に対して熱伝導部材の流出による絶縁性の低下等の対策は考慮されておらず、装置の信頼性が低下する。

本発明による電気回路体は、半導体素子を封止材で封止して内蔵し、少なくとも一方面に前記半導体素子の熱を放熱する放熱面が形成された半導体装置と、前記半導体装置の前記放熱面と対向して配置され、前記半導体素子を冷却する冷却部材と、前記半導体装置と前記冷却部材との間に配置された熱伝導部材とを備え、前記半導体装置の少なくとも一側面より前記半導体素子と接続される端子が突出し、前記端子が突出している前記半導体装置の前記一側面における前記封止材と前記冷却部材との間の第１間隔は、前記端子が突出していない前記半導体装置の他側面における前記封止材と前記冷却部材との間の第２間隔より狭い。

本発明によれば、熱伝導部材の流出を抑制し、信頼性の高い装置を提供することができる。

実施形態にかかる電気回路体の平面図である。 電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。 電気回路体のＹ－Ｙ線における断面斜視図である。 電気回路体のＸ－Ｘ線における断面斜視図である。 電気回路体のＹ－Ｙ線における断面斜視図である。 半導体装置の半透過平面図である。 半導体装置の回路図である。 （ａ）～（ｃ）電気回路体の製造工程を説明するための断面図である。 （ｄ）～（ｆ）電気回路体の製造工程を説明するための断面図である。 比較例における電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。 変形例１における電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。 （ａ）（ｂ）変形例２における電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。 （ａ）（ｂ）変形例３における電気回路体の側面図である。 変形例４における電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。 変形例５における電気回路体のＹ－Ｙ線における断面図である。 変形例６における電気回路体のＹ－Ｙ線における断面図である。 半導体装置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、実施形態にかかる電気回路体４００の平面図である。
電気回路体４００は、半導体装置３００と冷却部材３４０からなる。図１に示す例では、電気回路体４００は、半導体装置３００を３個並列に設けてなる。

半導体装置３００は、後述する半導体素子１５５、１５７を封止材３６０により封止して内蔵している。半導体素子１５５、１５７と接続されている端子が半導体装置３００の側面の封止材３６０より導出されている。これらの端子は、直流回路のコンデンサモジュール５００（図１７参照）に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４（図１７参照）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である。また、半導体装置３００の側面の封止材３６０より導出される端子は、下アームゲート端子３２５Ｌ、コレクタセンス端子３２５Ｃ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、上アームゲート端子３２５Ｕなどの端子である。半導体装置３００を３個並列に設けた電気回路体４００は、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作により直流電流と交流電流を変換する電力変換装置として機能する。なお、電気回路体４００が有する半導体装置３００の個数は３個に限らず、電気回路体４００の種々の形態に合わせて任意に設定される。

冷却部材３４０は、半導体装置３００の放熱面３０１（図２参照）と対向して配置され、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作による発熱を冷却する。具体的には、冷却部材３４０は、内部に冷媒が流通する流路が形成され、流路を流通する冷媒により半導体装置３００の発熱を冷却する。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ことができる。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。押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。

図２は、図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図、図３は、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面斜視図である。
電気回路体４００は、半導体装置３００の両面に設けられた冷却部材３４０を両面から挟んで加圧する加圧機構を備えている。加圧機構は、図示を省略するが、例えば、両面の冷却部材３４０を互いにビス等で連結して半導体装置３００側に加圧する機構である。

図２に示すように、電力変換装置の上アーム回路を形成する第１半導体素子として、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える（後述の図６、図７参照）。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。第１半導体素子１５５のコレクタ側は、第２導体板４３１に接合されている。この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。第１半導体素子１５５のエミッタ側には第１導体板４３０が接合されている。

図３に示すように、下アーム回路を形成する第２半導体素子として、能動素子１５７、ダイオード１５８を備える（後述の図６、図７参照）。第２半導体素子１５７のコレクタ側は、第４導体板４３３に接合されている。第２半導体素子１５７のエミッタ側には第３導体板４３２が接合されている。

なお、能動素子１５５、１５７としては、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子１５５、１５７は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）などのパワー半導体素子である。能動素子１５５、１５７としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、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。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３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。

図２、図３に示すように、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電流を通電する役割の他に、半導体素子１５５、１５６、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はたしている。導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、この間に絶縁シート４４０、４４１を用いることが望ましい。半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８、導体板４３０、４３１、４３２、４３３、絶縁シート４４０、４４１は、トランスファーモールド成型により封止材３６０で封止され、半導体装置３００を構成する。半導体装置３００と冷却部材３４０との間の接触熱抵抗を低減するために、半導体装置３００と冷却部材３４０との間には熱伝導部材４５３が配置される。

絶縁シート４４０、４４１の樹脂絶縁層４４２、４４３は、放熱板と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の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。絶縁シート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、絶縁シート４４０、４４１を金型に搭載する際、金型への接着を防ぐため、絶縁シート４４０、４４１の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。絶縁シート４４０、４４１を含めてトランスファーモールドする事で、絶縁シート４４０、４４１の端部が封止材３６０で被覆されることで信頼性が向上する効果がある。

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、高熱伝導材料と高熱伝導材料の間、高熱伝導材料と冷却部材３４０の間、高熱伝導部材と絶縁シート４４０、４４１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。樹脂材料は特に制限されない。例えば、シリコーン系の樹脂を主成分とする電気的な絶縁性が良好な材料が好ましい。

熱伝導部材４５３の熱伝導率は５～８Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。熱伝導率の測定方法は、特に限定されない。例えば、熱伝導部材４５３の密度と比重と熱拡散率を測定し、密度×比重×熱拡散率で求められる。

電気回路体４００は、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作に応じて発熱と冷却を繰り返す、所謂、冷熱サイクルが掛かる。この冷熱サイクルにより、半導体装置３００と冷却部材３４０の熱膨張係数が異なるため、熱伝導部材４５３が圧縮されて半導体装置３００の外に流出する傾向にある。

半導体装置３００は、図２に示すように、半導体装置３００の両側面より半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と接続される端子３１５Ｂ、３２５Ｃが突出している。端子３１５Ｂ、３２５Ｃが突出している半導体装置３００の両側面における封止材３６０には、半導体装置３００の放熱面３０１の面よりも突出している凸部４５４、４５５が形成されている。エミッタ側の凸部４５４の頂部と冷却部材３４０との間隔は、第１間隔ｈ１である。同様に、コレクタ側の凸部４５５の頂部と冷却部材３４０の間隔は、第１間隔ｈ１である。

熱伝導部材４５３の厚さｄは、エミッタ側では、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向における厚さであり、コレクタ側では、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向における厚さである。熱伝導部材４５３は、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向における導体板４３０、４３２の投影領域４５０（図４、図５参照）を含む放熱面３０１に配置されるが、熱伝導部材４５３の厚さｄは、少なくともこの放熱面３０１に配置された部分の厚さである。

また、図３に示すように、端子３１５Ｂ、３２５Ｃが突出していない半導体装置３００の両側面における封止材３６０には、半導体装置３００の放熱面３０１の面よりも窪んでいる凹部４５６、４５７が形成されている。エミッタ側の凹部４５６の底部と冷却部材３４０との間隔は、第２間隔ｈ２である。同様に、コレクタ側の凹部４５７の底部と冷却部材３４０の間隔は、第２間隔ｈ２である。

エミッタ側の凸部４５４の頂部と冷却部材３４０の間の第１間隔ｈ１、または、コレクタ側の凸部４５５の頂部と冷却部材３４０の間の第１間隔ｈ１は、熱伝導部材４５３の厚さｄ以下である。ここで、端子３１５Ｂ、３２５Ｃが突出していない半導体装置３００の側面における封止材３６０と冷却部材３４０との第２間隔ｈ２が厚さｄより広い場合は、第１間隔ｈ１と熱伝導部材４５３の厚さｄは等しくてもよい。

エミッタ側の凹部４５６の底部と冷却部材３４０の間の第２間隔ｈ２、または、コレクタ側の凹部４５７の底部と冷却部材３４０の間の第２間隔ｈ２は、熱伝導部材４５３の厚さｄ以上である。ここで、第１間隔ｈ１が熱伝導部材４５３の厚さｄより狭い場合は、第２間隔ｈ２と熱伝導部材４５３の厚さｄは等しくてもよい。

このように、電気回路体４００は、端子が突出している半導体装置３００の一側面における封止材３６０と冷却部材３４０との間の第１間隔ｈ１は、端子が突出していない半導体装置３００の他側面における封止材３６０と冷却部材３４０との間の第２間隔ｈ２より狭い。これにより、冷熱サイクルにより、半導体装置３００が膨張収縮を繰り返しても、熱伝導部材４５３は端子が突出していない側にはみ出しやすく、端子が突出している側にはみ出し難い。そのため、冷熱サイクルを繰り返す際に、熱伝導部材４５３は端子が突出していない側にはみ出しやすく、この場合は隣接する半導体装置３００の間の隙間を埋め、半導体装置３００をより固定する効果がある。そして、熱伝導部材４５３は、端子が突出している側にはみ出し難いので、仮に、はみ出した熱伝導部材４５３が端子に付着して、マイグレーション現象等により端子間の絶縁性が低下するのを防止できる。

図４は、図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面斜視図、図５は、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面斜視図である。これらの断面斜視図は、電気回路体４００から冷却部材３４０と熱伝導部材４５３を取り除いた状態で、かつ半導体装置３００のエミッタ側を示す。

熱伝導部材４５３は、図４に示す、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向における導体板４３０、４３２の投影領域４５０を含む放熱面３０１を覆うように配置される。半導体装置３００の放熱面３０１は、少なくとも投影領域４５０を含む面である。図４に示すように、端子３１５Ｂ、３２５Ｃ側における半導体装置３００の側面における封止材３６０には、放熱面３０１の範囲外において、半導体装置３００の放熱面３０１の面よりも突出している凸部４５４が形成されている。後述する製造工程において、封止材３６０を形成する際に金型に凹みを設けることで、凸部４５４を形成する。凸部４５４の形状は、特に限定されない。例えば、下の辺が長い台形が製造しやすい。また、絶縁距離を確保するために、投影領域４５０側における凸部４５４の沿線と絶縁シート４４０、４４１の外周の間に１ｍｍ以上の沿面距離を有することが望ましい。

図５に示すように、端子３１５Ｂ、３２５Ｃが突出していない半導体装置３００の側面における封止材３６０には、半導体装置３００の放熱面３０１の面よりも窪んでいる凹部４５６が形成されている。後述する製造工程において、封止材３６０を形成する際に金型に凸部を設けることで、凹部４５６を形成する。凹部４５６の形状は、特に限定されない。例えば、下の辺が短い台形が製造しやすい。また、絶縁距離を確保するために、投影領域４５０側における凹部４５６の沿線と絶縁シート４４０、４４１の外周の間に１ｍｍ以上の沿面距離を有することが望ましい。

図６は、半導体装置３００の半透過平面図である。図７は、半導体装置３００の回路図である。
図６、図７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。上アームゲート端子３２５Ｕは、上アーム回路の能動素子１５５のゲートから出力している。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。下アームゲート端子３２５Ｌは、下アーム回路の能動素子１５７のゲートから出力している。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。

上アームのエミッタセンス端子３２５Ｅは、上アーム回路の能動素子１５５のエミッタから、下アームのエミッタセンス端子３２５Ｅは、下アーム回路の能動素子１５７のエミッタから出力される。上アームのコレクタセンス端子３２５Ｃは、上アーム回路の能動素子１５５のコレクタから、下アームのコレクタセンス端子３２５Ｃは、下アーム回路の能動素子１５７のコレクタから出力される。

また、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の上下に導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。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の上下に導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。

本実施形態の半導体装置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、半導体装置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８（ａ）～図８（ｃ）、図９（ｄ）～９（ｆ）は、電気回路体４００の製造工程を説明するための断面図である。各図の左側にＸ-Ｘ線の断面図を、右側にＹ－Ｙ線の半導体装置３００の１個分の断面図を示す。

図８（ａ）は、はんだ接続工程及びワイヤボンディング工程である。第２導体板４３１に半導体素子１５５のコレクタ側と半導体素子１５６のカソード側を接続し、半導体素子１５５のゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極をワイヤボンディングで上アームのゲート端子３２５Ｕ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、コレクタセンス端子３２５Ｃにそれぞれ接続する。さらに、半導体素子１５５のエミッタ側と半導体素子１５６のアノード側を第１導体板４３０に接続して、上アーム側の回路体３１０を作製する。同様に、第４導体板４３３に半導体素子１５７のコレクタ側と半導体素子１５８のカソード側を接続し、半導体素子１５７のゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極をワイヤボンディングで下アームのゲート端子３２５Ｌ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、コレクタセンス端子３２５Ｃにそれぞれ接続する。さらに、半導体素子１５７のエミッタ側と半導体素子１５８のアノード側を第３導体板４３２に接続して、下アーム側の回路体３１０を作製する。ただし図８（ａ）では、上アーム側の回路体３１０のみを図示し、下アーム側の回路体３１０については図示していない。

図８（ｂ）～図８（ｃ）は、トランスファーモールド工程である。
トランスファーモールド工程において、トランスファーモールド装置６０１は、スプリング６０２、金型６０３を備え、さらに、絶縁シート４４０、４４１を真空吸着する機構及び、真空脱気機構を備える。図８（ｂ）に示すように、あらかじめ１７５℃の恒温状態に加熱した金型６０３内に、絶縁シート４４０、４４１を仮置きし、絶縁シート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を絶縁シート４４０、４４１から離れた位置に金型６０３内にセットする。

次に、図８（ｃ）に示すように、上下の金型６０３をクランプする。このとき、スプリング６０２により、絶縁シート４４０、４４１と導体板４３０、４３１は加圧され密着する。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６０３を完全にクランプする。この時、絶縁シート４４０、４４１と回路体３１０は接触する。真空状態で、絶縁シート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、封止材３６０を金型キャビティ内に注入する。なお、絶縁シート４４０、４４１の周囲の端部は、封止材３６０に埋没させる。

ここで、金型６０３は、Ｘ-Ｘ線の断面図に示すように、凹部６０４、６０５が、さらにＹ－Ｙ線の断面図に示すように、凸部６０６、６０７を備える。凹部６０４、６０５は、図２を参照して説明したように、半導体装置３００の放熱面３０１の面よりも突出している凸部４５４、４５５を形成する。凸部６０６、６０７は、図３を参照して説明したように、半導体装置３００の放熱面３０１の面よりも窪んでいる凹部４５６、４５７を形成する。その後、トランスファーモールド装置６０１から封止材３６０を封止した半導体装置３００を取り出し、１７５℃にて２時間以上の後硬化を行う。

図９（ｄ）は、トランスファーモールド装置６０１から取り出された半導体装置３００を示す。半導体装置３００には、端子が突出している半導体装置３００の側面に放熱面３０１よりも突出している凸部４５４、４５５が形成されている。さらに、端子が突出していない側面に放熱面３０１の面よりも窪んでいる凹部４５６、４５７が形成されている。
図９（ｅ）は、塗布工程である。冷却部材３４０に熱伝導部材４５３を塗布する。

図９（ｆ）は、密着・硬化工程である。熱伝導部材４５３が塗布された冷却部材３４０を半導体装置３００に密着する。そして、熱伝導部材４５３を介して冷却部材３４０を半導体装置３００に押し当て、熱伝導部材４５３を硬化することで電気回路体４００を作製する。これにより、凸部４５４、４５５と冷却部材３４０の間隔、および凹部４５６、４５７と冷却部材３４０の間隔は、図２、図３を参照して説明した間隔に設定される。

図１０は、比較例における電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図である。この比較例は、本実施形態と比較するために本実施形態を適用しない場合の一例を示す。
図１０に示すように、半導体装置３００の側面における半導体装置３００の封止材３６０と冷却部材３４０との間の間隔は、半導体装置３００の放熱面３０１と冷却部材３４０との間の間隔と同じである。このため、冷熱サイクルにより、熱伝導部材４５３が圧縮されて熱伝導部材４５３が半導体装置３００の側面から外部へ流出する可能性がある。熱伝導部材４５３が、端子が突出している側にはみ出した場合は、はみ出した熱伝導部材４５３が端子に付着して、マイグレーション現象等により端子間の絶縁性を低下させる。

本実施形態では、図２、図３を参照して説明したように、端子が突出している半導体装置３００の一側面における封止材３６０と冷却部材３４０との間の第１間隔ｈ１は、端子が突出していない半導体装置３００の他側面における封止材３６０と冷却部材３４０との間の第２間隔ｈ２より狭い。これにより、熱伝導部材４５３は端子が突出している側にはみ出すのを抑制する。

図１１は、変形例１における電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図である。なお、電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面図は図３と同様である。
図２に示す実施形態では、端子が突出している半導体装置３００の一側面における封止材３６０に凸部４５４、４５５を形成した。変形例１では、図１１に示すように、放熱面３０１の外側における冷却部材３４０の端部に、封止材３６０と対向する凸部４５８、４５９を形成する。凸部４５８、４５９の頂部と封止材３６０と間隔である第１間隔ｈ１は熱伝導部材４５３の厚さｄより狭い。絶縁性を確保するために、冷却部材３４０の凸部４５８、４５９の内側の沿線は絶縁シート４４０、４４１の外周と１ｍｍ以上離すことが望ましい。変形例１に示す構成でも実施形態と同様の効果がある。さらに、トランスファーモールド工程で金型６０３の凹部６０４、６０５を形成する必要がなく、金型６０３の製造性が向上する。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、変形例２における電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図である。図１２（ａ）は、全体図、図１２（ｂ）は、部分拡大図である。なお、電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面図は図３と同様である。

図２に示す実施形態では、封止材３６０に形成した凸部４５４、４５５は、その頂部が冷却部材３４０に到達しない高さに形成したが、変形例２では、図１２（ａ）に示すように、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向において、放熱面３０１よりも冷却部材３４０の方向に高く、冷却部材３４０の端部を外側から覆う高さの凸部４６０、４６１を形成する。図１２（ｂ）に示すように、冷却部材３４０の端部において、封止材３６０の凸部４６０と冷却部材３４０との間隔は、第１間隔ｈ１である。封止材３６０の端部に設けた凸部４６０、４６１の内側の沿線と冷却部材３４０の外側の沿線との第１間隔ｈ１は熱伝導部材４５３の厚さｄより狭い。変形例２に示す構成でも実施形態と同様の効果がある。さらに、熱伝導部材４５３が外部に流出しにくくなるため、熱伝導部材４５３の厚さｄを薄くすることができ、熱抵抗が良くなり、放熱性に優れる。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、変形例３における電気回路体４００の側面図である。図１３（ａ）は、図４の右側に相当する一方の端子側から見た側面図、図１３（ｂ）は、図４の左側に相当する他方の端子側から見た側面図である。なお、電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面図は図３と同様である。

図４に示す実施形態では、半導体装置３００の端子側の側面に沿って均一の高さの凸部４５４を形成した。変形例３では、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように、半導体装置３００の一側面である端子側に設けられた複数個の端子の位置に対応して複数個の凸部４５４を形成する。複数の凸部４５４は、端子の投影面に位置することにより、仮に、熱伝導部材４５３が凸部４５４と凸部４５４との間から半導体装置３００の外に流出しても端子に付着することを防ぐことができる。変形例３に示す構成でも実施形態と同様の効果がある。なお、半導体装置３００の片面（エミッタ側）のみを図示して説明したが、他の面（コレクタ側）においても同様に各端子の位置に対応してそれぞれ凸部を形成してもよい。

また、変形例１、変形例２に、変形例３で示した構成を適用してもよい。すなわち、端子が突出している半導体装置３００の一側面における冷却部材３４０の端部に封止材３６０と対向して形成する凸部４５８、４５９は、各端子の位置に対応してそれぞれ凸部を形成してもよい。さらに、端子が突出している半導体装置３００の一側面における封止材３６０に、冷却部材３４０の端部を外側から覆う高さに形成した凸部４６０、４６１は、各端子の位置に対応してそれぞれ凸部を形成してもよい。

図１４は、変形例４における電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図である。なお、電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面図は図３と同様である。
図２に示す実施形態では、封止材３６０に凸部４５４、４５５を形成したが、変形例４では、図１４に示すように、封止材３６０に凸部４６２、４６３を形成し、さらにこの凸部４６２、４６３と放熱面３０１との間の封止材３６０に凹部４６４、４６５を形成する。そして、凸部４６２、４６３と冷却部材３４０との間隔を第１間隔ｈ１とする。第１間隔ｈ１は熱伝導部材４５３の厚さｄより狭い。変形例４に示す構成でも実施形態と同様の効果がある。さらに、冷熱サイクルにより熱伝導部材４５３が外部に流出する前に熱伝導部材４５３が封止材３６０の凹部４６４、４６５に溜まり、その結果、熱伝導部材４５３が外部に流出しにくいため、熱伝導部材４５３が端子に付着するのを効果的に防止できる。

この変形例４に、変形例３で示した構成を適用してもよい。すなわち、端子が突出している半導体装置３００の一側面における封止材３６０に形成する凸部４６２、４６３および凹部４６４、４６５は、各端子の位置に対応してそれぞれ形成してもよい。

図１５は、変形例５における電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面図である。なお、電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図は図２と同様であってもよく、その他、変形例１～変形例４を適用してもよい。

図３に示す実施形態では、封止材３６０に凹部４５６、４５７を形成したが、変形例５では、図１５に示すように、凹部４５６、４５７の外側であって封止材３６０に凸部４６６、４６７を形成する。換言すれば、封止材３６０に凸部４６６、４６７を形成し、さらにこの凸部４６６、４６７と放熱面３０１との間に凹部４５６、４５７を形成する。凹部４５６、４５７の底部と冷却部材３４０との間隔を第２間隔ｈ２にする。第２間隔ｈ２は熱伝導部材４５３の厚さｄより広い。凸部４６６、４６７の頂部と冷却部材３４０との間隔は第２間隔ｈ２より狭い。この変形例５に示す構成でも実施形態と同様の効果がある。さらに、冷熱サイクルにより熱伝導部材４５３が流出する前に封止材３６０の凹部４５６、４５７に溜まり、粘度が低い熱伝導部材４５３であってもこれが外部に流出することを防ぐ効果がある。

図１６は、変形例６における電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面図である。なお、電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図は図２と同様であってもよく、その他、変形例１～変形例４を適用してもよい。

図３に示す実施形態では、封止材３６０に凹部４５６、４５７を形成したが、変形例６では、図１６に示すように、冷却部材３４０の端部に凹部４７０、４７１を形成する。凹部４７０、４７１の底部と封止材３６０との間隔を第２間隔ｈ２にする。第２間隔ｈ２は熱伝導部材４５３の厚さｄより広い。変形例６に示す構成でも実施形態と同様の効果がある。さらに、冷熱サイクルにより熱伝導部材４５３が流出する前に、冷却部材３４０の凹部４７０、４７１と封止材３６０との間に溜まり、粘度が低い熱伝導部材４５３であってもこれが外部に流出することを防ぐ効果がある。

図１７は、半導体装置３００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、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、半導体装置３００を複数個備えており、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、更に半導体装置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、半導体装置３００に内蔵している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。

インバータ回路部１４０とインバータ回路部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。インバータ回路部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７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。能動素子１５５、１５７は、例えばＩＧＢＴである。

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半導体装置３００の交流側端子３２０Ｂに接続されている。各相の各半導体装置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、下アーム用の能動素子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マイコンに入力される。また、マイコンには上・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。マイコンは、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１８は、図１７に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１９は、図１８に示す電力変換装置２００のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。

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は冷却部材３４０へ流れる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、生産もし易い。

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１９に図示されるように、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を貫通してコネクタ１８８に接続されている。また、半導体装置３００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、半導体素子１５５、１５７を封止材３６０で封止して内蔵し、少なくとも一方面に半導体素子１５５、１５７の熱を放熱する放熱面３０１が形成された半導体装置３００と、半導体装置３００の放熱面３０１と対向して配置され、半導体素子１５５、１５７を冷却する冷却部材３４０と、半導体装置３００と冷却部材３４０との間に配置された熱伝導部材４５３とを備え、半導体装置３００の少なくとも一側面より半導体素子１５５、１５７と接続される端子が突出し、端子が突出している半導体装置３００の一側面における封止材３６０と冷却部材３４０との間の第１間隔ｈ１は、端子が突出していない半導体装置３００の他側面における封止材３６０と冷却部材３４０との間の第２間隔ｈ２より狭い。これにより、熱伝導部材の流出を抑制し、信頼性の高い装置を提供することができる。

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、２１、１８１、１８２、１８８・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、４３、１４０、１４２・・・インバータ回路部、１５５・・・第１半導体素子（上アーム回路能動素子）、１５６・・・第１半導体素子（上アーム回路ダイオード）、１５７・・・第２半導体素子（下アーム回路能動素子）、１５８・・・第２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、１９２、１９４・・・モータジェネレータ、２００・・・電力変換装置、３００・・・半導体装置、３０１・・・放熱面、３１５Ｂ・・・正極側端子、３１９Ｂ・・・負極側端子、３２０Ｂ・・・交流側端子、３２５Ｅ・・・エミッタセンス端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｃ・・・コレクタセンス端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子、３４０・・・冷却部材、３６０・・・封止材、４００・・・電気回路体、４２０・・・導体板、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絶縁シート（エミッタ側）、４４１・・・第２絶縁シート（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、４５０・・・導体板の投影領域、４５３・・・熱伝導部材、４５４、４６０、４６２、４６６・・・エミッタ側の封止材の凸部、４５５、４６１、４６３、４６７・・・コレクタ側の封止材の凸部、４５６、４６４・・・エミッタ側の封止材の凹部、
４５７、４６５・・・コレクタ側の封止材の凹部、４５８・・・エミッタ側の冷却部材の凸部、４５９・・・コレクタ側の冷却部材の凸部、４７０・・・エミッタ側の冷却部材の凹部、４７１・・・コレクタ側の冷却部材の凹部、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。

Claims (15)

1. 半導体素子を封止材で封止して内蔵し、少なくとも一方面に前記半導体素子の熱を放熱する放熱面が形成された半導体装置と、
   前記半導体装置の前記放熱面と対向して配置され、前記半導体素子を冷却する冷却部材と、
   前記半導体装置と前記冷却部材との間に配置された熱伝導部材とを備え、
   前記半導体装置の少なくとも一側面より前記半導体素子と接続される端子が突出し、
   前記端子が突出している前記半導体装置の前記一側面における前記封止材と前記冷却部材との間の第１間隔は、前記端子が突出していない前記半導体装置の他側面における前記封止材と前記冷却部材との間の第２間隔より狭い電気回路体。
2. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記第１間隔は、前記熱伝導部材の厚さ以下であり、前記第２間隔が前記熱伝導部材の厚さより広い場合は、前記第１間隔と前記熱伝導部材の厚さは等しい電気回路体。
3. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記第２間隔は、前記熱伝導部材の厚さ以上であり、前記第１間隔が前記熱伝導部材の厚さより狭い場合は、前記第２間隔と前記熱伝導部材の厚さは等しい電気回路体。
4. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記端子が突出している前記半導体装置の前記一側面における前記封止材に、前記放熱面の面より突出している凸部を形成し、
   前記凸部と前記冷却部材との間隔は、前記第１間隔である電気回路体。
5. 請求項４に記載の電気回路体において、
   前記凸部は、前記冷却部材の端部を外側から覆う高さに形成した電気回路体。
6. 請求項５に記載の電気回路体において、
   前記凸部と前記放熱面との間の前記封止材に凹部を形成した電気回路体。
7. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記端子が突出している前記半導体装置の前記一側面における前記冷却部材の端部に、前記封止材と対向する凸部を形成し、
   前記凸部と前記冷却部材との間隔は、前記第１間隔である電気回路体。
8. 請求項４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、
   前記端子は複数個の端子を備え、
   前記凸部は、前記複数個の端子の位置に対応して複数個形成される電気回路体。
9. 請求項４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、
   前記端子が突出していない前記半導体装置の他側面における前記封止材に前記放熱面よりも窪んでいる凹部を形成し、
   前記凹部と前記冷却部材との間隔は、前記第２間隔である電気回路体。
10. 請求項９に記載の電気回路体において、
    前記凹部の外側であって、前記半導体装置の他側面における前記封止材に凸部を形成した電気回路体。
11. 請求項４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、
    前記端子が突出していない前記半導体装置の他側面における前記冷却部材の端部に凹部を形成し、
    前記凹部と前記封止材との間隔は、前記第２間隔である電気回路体。
12. 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、
    前記熱伝導部材の熱伝導率は、５～８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である電気回路体。
13. 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、
    前記半導体装置は、前記半導体素子と接合する導体板を備え、
    前記半導体装置は、前記導体板と前記熱伝導部材との間に絶縁シートを備える電気回路体。
14. 請求項９に記載の電気回路体において、
    前記半導体素子の両面に前記放熱面が形成され、
    前記冷却部材は、前記半導体装置の前記放熱面と対向して両面に配置され、
    前記熱伝導部材は、前記半導体装置と前記冷却部材との間であって両面に配置される電気回路体。
15. 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。

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