JP2024072609A - 電気回路体および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁シートの絶縁信頼性が低下する。【解決手段】半導体素子と、前記半導体素子が接合された導体板と、前記導体板の放熱面に接着された絶縁シートと、を一体的に封止材により封止してなる半導体装置と、前記半導体装置と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記絶縁シート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、前記絶縁シートは、一方面において前記導体板を覆って前記導体板の前記放熱面に接着されている樹脂絶縁層と、前記樹脂絶縁層の他方面に接着されるとともに前記半導体装置の表面に露出する表面導体層と、を有し、前記表面導体層の投影領域内であって前記導体板と前記樹脂絶縁層の接着領域の外周側の領域において、前記表面導体層および前記冷却部材とを互いに電気的に接続する導電性接続部を形成した電気回路体。【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、絶縁シートが配置されている。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、一端側がモールド樹脂の内部にて導体層に電気的に接続され、他端側がモールド樹脂より突出して冷却手段に電気的に接続された端子部材が設けられ、この端子部材を介して、導体層と冷却手段とを電気的接続した半導体装置が開示されている。

特開２０１２－０３３８７２号公報

特許文献１に記載された半導体装置は、絶縁シートの絶縁信頼性が低下する。

本発明による電気回路体は、半導体素子と、前記半導体素子が接合された導体板と、前記導体板の放熱面に接着された絶縁シートと、を一体的に封止材により封止してなる半導体装置と、前記半導体装置と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記絶縁シート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、前記絶縁シートは、一方面において前記導体板を覆って前記導体板の前記放熱面に接着されている樹脂絶縁層と、前記樹脂絶縁層の他方面に接着されるとともに前記半導体装置の表面に露出する表面導体層と、を有し、前記表面導体層の投影領域内であって前記導体板と前記樹脂絶縁層の接着領域の外周側の領域において、前記表面導体層および前記冷却部材とを互いに電気的に接続する導電性接続部を形成した。

本発明によれば、絶縁シートの絶縁信頼性を向上させることができる。

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。 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）～（ｄ）半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 （ａ）（ｂ）電気回路体の製造工程を説明する断面図である。 （ａ）（ｂ）比較例１、比較例２の要部拡大断面図である。 （ａ）（ｂ）変形例１のＸ－Ｘ線、Ｙ－Ｙ線の断面図である。 （ａ）（ｂ）変形例２のＸ－Ｘ線、Ｙ－Ｙ線の断面図である。 （ａ）～（ｄ）変形例３～６の半透過平面図である。 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。

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、これを内蔵している。半導体装置３００の両面は半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作による熱を放熱する。さらに、半導体装置３００は、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１３参照）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１３参照）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２００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からの発熱を冷却する。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。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。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であるが、電気回路体４００から冷却部材３４０および熱伝導部材４５３を取り除いた半導体装置３００を示す。

図２に示すように、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３４１を備えている。加圧機構３４１は、図示を簡略化しているが、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５、図６参照）。能動素子としては、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子１５５のボディダイオードを用いる場合は、別付けのダイオードを省略してもよい。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５、図６参照）。図３に示すように、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。

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、図４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。半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と接合されている面と反対側の面が導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面となる。導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、放熱面との間に絶縁シート４４０、４４１を用いる。

絶縁シート４４０、４４１は、樹脂絶縁層４４３、表面導体層４４４、中間導体層４４５を積層して構成される。樹脂絶縁層４４３は、一方面において導体板４３０、４３１、４３２、４３３を覆って導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面に接着される。表面導体層４４４は、樹脂絶縁層４４３の他方面に接着されるとともに半導体装置３００の表面に露出する。中間導体層４４５は、導電性の材料で構成され、樹脂絶縁層４４３にその厚さ方向の略中間位置に内蔵される。

絶縁シート４４０、４４１の樹脂絶縁層４４３は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３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、後述の熱伝導部材４５３と接する側に金属箔などの表面導体層４４４を設ける。また、絶縁シート４４０、４４１の樹脂絶縁層４４３に内蔵された中間導体層４４５の平面サイズは、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の投影位置に対して同等かわずかに大きい。樹脂絶縁層４４３に中間導体層４４５を内蔵した場合に、電圧分担を利用して絶縁シート４４０、４４１を高耐電圧化できる。なお、中間導体層４４５は、高耐電圧化の程度・必要性等に応じて適宜設ける。

絶縁シート４４０、４４１は、トランスファーモールド工程で封止材３６０と同時に硬化される。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と金型との接触面には、離型シート又は、表面導体層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、金属箔などの表面導体層４４４を用いた場合は、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。

また、トランスファーモールド成型工程において、硬化前の封止材３６０が所定の圧力で金型に注入されるが、この成型圧力が加わることで、金型に設けた凹部に絶縁シート４４０、４４１が変形し追従し、冷却部材３４０へ向けた凸部が形成される。この凸部が、絶縁シート４４０、４４１の表面導体層４４４を冷却部材３４０へ電気的に接続する導電性接続部４６０となる。導電性接続部４６０の詳細は後述する。

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。

熱伝導部材４５３は、半導体装置３００と冷却部材３４０との間に、接触熱抵抗を低減するために配置される。熱伝導部材４５３は、グリースや、ゲルグリース、フェーズチェンジシートなど常温又は高温で流動性のあるものを用いることができるが、作業性と長期信頼性を確保のため、未硬化では流動性を有し、硬化後に流動性が無くなる硬化型の熱伝導材料が望ましい。硬化型の熱伝導部材４５３は、塗布時は、粘度が低く作業性に優れ、硬化することで、機械物性を向上することができる利点がある。硬化は熱硬化、湿気硬化、紫外線硬化などを利用することができるが、深部まで硬化するには熱硬化が望ましい。

熱伝導部材４５３は、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂と混ぜ合わせた材料である。樹脂は、－４０℃付近から２００℃付近まで弾性率の変化が小さいシリコーン樹脂が最も望ましい。また、熱伝導部材４５３は、絶縁性材料が好まれる。これは、端子近傍に熱伝導部材４５３の材料が付着することで絶縁性が低下することを防止するためである。

熱伝導部材４５３を絶縁性材料で構成した場合、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０との電位差は、絶縁シート４４０、４４１に分担されるだけでなく熱伝導部材４５３にも分担されることとなる。絶縁シート４４０、４４１は、ボイドなどの空気層が含まれないように真空プロセスで製造しているが、熱伝導部材４５３は大気圧で塗布される。熱伝導部材４５３の塗布を真空プロセス等で行うには設備が大型になるためである。大気圧で熱伝導部材４５３を塗布すると、熱伝導部材４５３は、絶縁シート４４０、４４１に比べ、ボイドなどの空気層が含まれ易い。空気層が含まれた熱伝導部材４４０、４４１に高電圧が加わると、ボイドなどの空気層で部分放電が生じる場合がある。部分放電が生じると、ノイズが発生したり、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を低下させる。詳細は図９（ａ）を参照して後述する。

導電性接続部４６０により、半導体装置３００の絶縁シート４４０、４４１の表面導体層４４４と冷却部材３４０とを電気的に接続することで、予め表面導体層４４４と冷却部材３４０とを同電位とすることができる。これにより、熱伝導部材４５３の部分放電を防止し、熱伝導部材４５３の一部が絶縁破壊することによる電位変動を防止することができる。また、中間導体層４４５を内蔵した絶縁シート４４０、４４１を用いて、電圧分担により高電圧化しても、ノイズの発生を抑制し、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を維持できる。

導電性接続部４６０は、図２に示すように、表面導体層４４４の投影領域４６２内であって導体板４３０、４３１、４３２、４３３と樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１の外周側の領域において、表面導体層４４４および冷却部材３４０とを互いに電気的に接続する。熱伝導部材４５３は、少なくとも樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１をカバーする領域であって、表面導体層４４４および冷却部材３４０との間に配置される。

導電性接続部４６０を接着部の投影領域４６１の外側に配置することで、絶縁シート４４０の剥離等による絶縁シート４４０の絶縁性の低下を防止する。詳細は図９（ｂ）を参照して後述する。さらに、導電性接続部４６０を接着部の投影領域４６１の外側に配置しているので、導電性接続部４６０における樹脂絶縁層４４３が劣化しても、絶縁性や放熱性に影響しない。また、表面導体層４４４の投影領域４６２に導電性接続部４６０を設けることで、別途端子などを設けて冷却部材３４０と接続する必要がなく、装置の生産性に優れる利点がある。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３と樹脂絶縁層４４３の接着部は、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８の直上又は直下に接合される導体板４３０、４３１、４３２、４３３と絶縁シート４４０、４４１とが接着される部分であり、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８からの放熱と、絶縁の両方を担っている。半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８の直上又は直下に接合されていないダミーとして設けられた導体板４３０、４３１、４３２、４３３と絶縁シート４４０、４４１との接着部は、本実施形態の投影領域４６１には該当しない。したがって、表面導体層４４４の投影領域４６２内であって樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１の外周側の領域において、ダミーに相当する接着部の領域に導電性接続部４６０を設けてもよい。

導電性接続部４６０は、半導体装置３００と冷却部材３４０との間であって、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向におけるエミッタ側とコレクタ側において、対称位置にそれぞれ配置される。換言すれば、エミッタ側に配置された導電性接続部４６０と、コレクタ側に配置された導電性接続部４６０とは、半導体装置３００と冷却部材３４０の積層方向において重なる位置にある。これにより、加圧機構３４１で加圧した場合に、導電性接続部４６０に両面から対向して均等に力が加わり、導電性接続部４６０がエミッタ側とコレクタ側で重ならない位置に配置された場合と比較して、絶縁シート４４０、４４１に曲げ応力による反りが生じるのを防止することができる。

図５は、半導体装置３００の半透過平面図である。図６は、半導体装置３００の回路図である。
図５、図６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。

図５に示す例では、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に対応する樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１と、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に対応する樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１を１枚の絶縁シートでカバーしている。そして、半導体装置３００には凸部である導電性接続部４６０が形成されている。導電性接続部４６０は、この例では、１枚の絶縁シートでカバーされる表面導体層４４４の投影領域４６２内であって樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１の外周側の領域において、４個設けている。各導電性接続部４６０は、半導体装置３００と冷却部材２４０の積層方向と交差する平面方向において、樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１を挟んで対称位置にそれぞれ配置される。これにより、加圧機構３４１で加圧した場合に、平面方向に対称位置に配置された導電性接続部４６０に均等に力が加わり、導電性接続部４６０が平面方向に対称位置に配置されない場合と比較して、絶縁シート４４０、４４１に曲げ応力による反りが生じるのを防止することができる。

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７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）は、半導体装置３００の製造工程を説明する断面図である。図２と同様に、１モジュール分のＸ-Ｘ線の断面図で示す。

図７（ａ）は、仮着け工程である。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、エミッタセンス電極、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、エミッタセンス電極、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７（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。その後、導体板４３０～４３３に絶縁シート４４０、４４１を仮着けする。仮着けとは、この後のトランスファーモールド工程で絶縁シート４４０、４４１が硬化し接着する余地を残した条件で、絶縁シート４４０、４４１の密着力を使用して一時的に貼り付けることである。

図７（ｂ）～図７（ｄ）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装置６０１は、スプリング６０２を金型６０３に備えている。このスプリング６０２により、回路体３１０の高さがばらついても、半導体素子１５５～１５８に過度の圧力を加えることなく、スプリング６０２の力により所定の荷重を加えることができる。また、トランスファーモールド装置６０１は、図示していない真空脱気機構を備える。真空脱気することで、樹脂等よりなる封止材３６０等がボイドを巻き込んでもボイドを小さく圧縮し、絶縁性を向上できる。また、図示していない離型フィルムで回路体３１０を覆うことで、スプリング駆動部等に樹脂バリが侵入するのを保護できる。

図７（ｂ）に示すように、予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型６０３内に、絶縁シート４４０、４４１を仮着した回路体３１０をセットする。金型６０３には、凹部６０４が設けられている。この凹部６０４は、導電性接続部４６０となる突起を形成するためのものである。次に、図７（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４３０～４３３は加圧され密着する。

この後、図７（ｄ）に示すように、封止材３６０を金型６０３内に注入する。封止材３６０の注入による成型圧力４５６が加わることで、金型６０３に設けた凹部６０４に絶縁シート４４０、４４１が変形し追従し、絶縁シート４４０、４４１に導電性接続部４６０となる凸部が形成される。このように、トランスファーモールド金型に凹部６０４を設けることで、封止材３６０に導電性接続部４６０となる突起を容易に形成できる。その後、トランスファーモールド装置６０１から樹脂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８（ａ）、図８（ｂ）は、電気回路体４００の製造工程を説明する断面図である。この工程は、図７（ｄ）に示した工程により製造された半導体装置３００を用いて行う。
図８（ａ）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。熱伝導部材４５３の塗布位置は導電性接続部４６０と重ならない位置とすることで、熱伝導部材４５３の濡れ広がり時に、熱伝導部材４５３が導電性接続部４６０を被覆することを防止する。

図８（ｂ）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を加圧機構３４１で半導体装置３００に密着する。これにより、導電性接続部４６０は冷却部材３４０に当接し、絶縁シート４４０、４４１の表面導体層４４４と冷却部材３４０とは互いに電気的に接続される。そして、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。

図９（ａ）は比較例１、図９（ｂ）は比較例２であり、電気回路体４００’のＸ－Ｘ線における要部拡大断面図である。この比較例１、比較例２は、本発明を理解するために、本発明を適用しない場合の例を示す。

図９（ａ）に示す比較例１では、図２に示す本実施形態と比較して、導電性接続部４６０を設けていない。冷却部材３４０と表面導体層４４４の間の静電容量をC_tim、表面導体層４４４と中間導体層４４５の間の静電容量をC_sheet1、中間導体層４４５と導体板４２０との間の静電容量をC_sheet2とする。冷却部材３４０は接地されており、冷却部材３４０と導体板４２０の間に電位が加わるが、この電位は各静電容量に応じて、V_tim、V_sheet1、V_sheet2の電位に分担される。

熱伝導部材４５３にボイド４５７などの空気層があると、電位V_timが高い場合に、ボイド４５７で部分放電が生じることがある。この部分放電によりノイズが発生する場合がある。また部分放電を繰り返すことで、熱伝導部材４５３の一部が絶縁破壊し、冷却部材３４０と表面導体層４４４が同電位となる電位変動が生じる。この結果、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を低下させる。

さらに、中間導体層４４５を用いて、C_sheet1とC_sheet2を同等にすることで、電位V_sheet1、電位V_sheet2を同等にし、高耐電圧化した場合を考察する。熱伝導部材４５３内のボイド４５７で部分放電が生じると、熱伝導部材４５３の一部が絶縁破壊して、熱伝導部材４５３にかかる電位V_timが短絡した際に、一時的に表面導体層４４４と中間導体層４４５の間にかかる電位V_sheet1に、過大な電圧が加わり、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を低下させる。また部分放電を繰り返すことで、電位変動が生じて、冷却部材３４０と表面導体層４４４と中間導体層４４５の間の電圧分担を乱すことから、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を低下させる。

一方、本実施形態によれば、導電性接続部４６０を設けて、予め表面導体層４４４と冷却部材３４０とを同電位にすることにより、熱伝導部材４５３の部分放電を防止し、ノイズの発生を抑制すると共に、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を維持できる。

図９（ｂ）に示す比較例２では、図２に示す本実施形態と比較して、導体板４２０と樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１内において、冷却部材３４０に凸部３４３を設けた例を示す。

図９（ｂ）に示すように、冷却部材３４０に設けた凸部３４３は、絶縁シート４４０の表面導体層４４４に電気的に接続されている。しかし、凸部３４３は、絶縁シート４４０を挟んで導体板４２０と対向する位置にあるので、加圧機構３４１の加圧力が冷却部材３４０の凸部３４３を介して絶縁シート４４０に部分的に集中する。絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４３は、図９（ｂ）の部分拡大断面図Ｂに示すように、高熱伝導フィラ４４７と樹脂バインダ４４８から構成されているが、樹脂絶縁層４４３に過度の応力が部分的に加わると、高熱伝導フィラ４４７と樹脂バインダ４４８に剥離４４８が生じる。この剥離４４８により導体板４２０との絶縁が不可欠な絶縁シート４４０の絶縁性が低下する。

一方、本実施形態によれば、導電性接続部４６０を接着部の投影領域４６１の外側に配置することにより、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を維持できる。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）は本実施形態の変形例１であり、図１０（ａ）は図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線に相当する断面図、図１０（ｂ）は図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線に相当する断面図である。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、冷却部材３４０には、半導体装置３００側へ向けた凸部が、表面導体層４４４の投影領域４６２内であって導体板４３０、４３１と樹脂絶縁層４４３の投影領域４６１の外周側の領域に形成されている。導電性接続部４６０は、この凸部により冷却部材３４０を絶縁シート４４０、４４１の表面導体層４４４へ電気的に接続する。

この変形例１においても、熱伝導部材４５３の部分放電を防止し、ノイズの発生を抑制すると共に、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を維持でき、導電性接続部４６０における樹脂絶縁層４４３が劣化しても、絶縁性や放熱性に影響しない。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）は本実施形態の変形例２であり、図１１（ａ）は図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線に相当する断面図、図１１（ｂ）は図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線に相当する断面図である。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、半導体装置３００と冷却部材３４０との間には、表面導体層４４４の投影領域４６２内であって導体板４３０、４３１と樹脂絶縁層４４３の投影領域４６１の外周側の領域に導電性部材を設ける。導電性接続部４６０は、この導電性部材を介して冷却部材３４０と絶縁シート４４０、４４１の表面導体層４４４とを電気的に接続して構成される。導電性部材は、例えば、アルミニウム、銅、銀などの材料を含有した導電性の接着剤である。

この変形例２においても、熱伝導部材４５３の部分放電を防止し、ノイズの発生を抑制すると共に、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を維持でき、導電性接続部４６０における樹脂絶縁層４４３が劣化しても、絶縁性や放熱性に影響しない。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）は、本実施形態の変形例３～６を示す半導体装置３００の半透過平面図である。図１２（ａ）は変形例３を、図１２（ｂ）は変形例４を、図１２（ｃ）は変形例５を、図１２（ｄ）は変形例６を示す。いずれも図５に示す半透過平面図を簡略化した図であり、同一箇所には同一の符号を付してその説明を簡略に行う。

図１２（ａ）に示す変形例３では、導電性接続部４６０を５個設けている。４個の導電性接続部４６０は、図５に示したと同様に、１枚の絶縁シートでカバーされる表面導体層４４４の投影領域４６２内であって樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１の外周側の領域において、４個設けている。ここで、樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１を点線で、熱伝導部材４５３をグレイ塗りつぶしで示す。残りの１個の導電性接続部４６０は、樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１に挟まれた中央部であって、樹脂絶縁層４４３の接着部の投影領域４６１の外側に設ける。導電性接続部４６０は、変形例１、変形例２で示した例を含む。

この変形例３においても、加圧機構３４１で加圧した場合に、導電性接続部４６０に均等に力が加わり、熱伝導部材４５３の部分放電を防止し、ノイズの発生を抑制すると共に、絶縁シート４４０、４４１の絶縁信頼性を維持でき、導電性接続部４６０における樹脂絶縁層４４３が劣化しても、絶縁性や放熱性に影響しない。

図１２（ｂ）に示す変形例４では、半導体装置３００の少なくとも一側面より半導体素子と接続される端子３２５Ｅ等が導出されているが、導電性接続部４６０と端子３２５Ｅとの最短距離上に熱伝導部材４５３を設けた。この熱伝導部材４５３は、図８（ａ）に示した塗布工程で同時に塗布することができる。変形例１、変形例２で示した例を含む導電性接続部４６０は、繰り返される熱サイクルにより接続箇所で摩擦による異物（削られた粉体）が生じる可能性がある。変形例４によれば、生じた異物が端子近傍に付着して短絡するのを防止できる。

図１２（ｃ）に示す変形例５では、導電性接続部４６０と端子３２５Ｅとの最短距離上に樹脂部材４５４を設けた。樹脂部材４５４は、熱伝導部材４５３とは別の樹脂材料である。また、樹脂材料に限らず、導電性接続部４６０と端子３２５Ｅとを遮蔽する遮蔽部材を用いてもよい。遮蔽部材の材料種別は問わない。変形例５によれば、導電性接続部４６０の接続箇所で生じた異物が端子近傍に付着して短絡するのを防止できる。
図１２（ｄ）に示す変形例６では、導電性接続部４６０を除く領域であって、導電性接続部４６０と端子３２５Ｅとの最短距離上を含む領域に熱伝導部材４５３を設けている。図８（ａ）に示した塗布工程で、導電性接続部４６０に熱伝導部材４５３が付着しないように、導電性接続部４６０の近傍には、熱伝導部材４５３を塗布しない。変形例６によれば、生じた異物が端子近傍に付着して短絡するのを防止できる。

図１３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６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１４は、図１３に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１５は、図１４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１５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、１５６、１５７、１５８と、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が接合された導体板４３０、４３１、４３２、４３３と、導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面に接着された絶縁シート４４０、４４１と、を一体的に封止材３６０により封止してなる半導体装置３００と、半導体装置３００と対向して配置され、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８による発熱を冷却する冷却部材３４０と、絶縁シート４４０、４４１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、絶縁シート４０、４４１は、一方面において導体板４３０、４３１、４３２、４３３を覆って導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面に接着されている樹脂絶縁層４４３と、樹脂絶縁層４４３の他方面に接着されるとともに半導体装置３００の表面に露出する表面導体層４４４と、を有し、表面導体層４４４の投影領域内であって導体板４３０、４３１、４３２、４３３と樹脂絶縁層４４３の接着領域４６１の外周側の領域において、表面導体層４４４および冷却部材３４０とを互いに電気的に接続する導電性接続部４６０を形成した。これにより、絶縁シートの絶縁信頼性を向上させることができる。

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・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、４３、１４０、１４２・・・インバータ回路、１５５、１５６、１５７、１５８・・・半導体素子、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、２１、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・・・半導体装置、３１５Ｂ・・・正極側端子、３１９Ｂ・・・負極側端子、３２０Ｂ・・・交流側端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子３２５Ｕ、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｅ・・・エミッタセンス端子、３２５Ｃ・・・コレクタセンス端子、３４０・・・冷却部材、３４１・・・加圧機構、３６０・・・封止材、４００・・・電気回路体、４２０、４３０、４３１、４３２、４３３・・・導体板、４４０、４４１・・・絶縁シート、４４３・・・樹脂絶縁層、４４４・・・表面導体層、４４５・・・中間導体層、４５３・・・熱伝導部材、４５４・・・樹脂部材、４５７・・・ボイド、４６０・・・導電性接続部、４６１・・・樹脂絶縁層の接着部の投影領域、４６２・・・表面導体層の投影領域、４４７・・・高熱伝導フィラ、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 (9)

1. 半導体素子と、前記半導体素子が接合された導体板と、前記導体板の放熱面に接着された絶縁シートと、を一体的に封止材により封止してなる半導体装置と、
   前記半導体装置と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、
   前記絶縁シート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、
   前記絶縁シートは、一方面において前記導体板を覆って前記導体板の前記放熱面に接着されている樹脂絶縁層と、前記樹脂絶縁層の他方面に接着されるとともに前記半導体装置の表面に露出する表面導体層と、を有し、前記表面導体層の投影領域内であって前記導体板と前記樹脂絶縁層の接着領域の外周側の領域において、前記表面導体層および前記冷却部材とを互いに電気的に接続する導電性接続部を形成した電気回路体。
2. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記導電性接続部は、前記冷却部材側へ向けた凸部が前記封止材に設けられ、前記凸部により前記絶縁シートの前記表面導体層を前記冷却部材へ接続して構成される電気回路体。
3. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記導電性接続部は、前記半導体装置側へ向けた凸部が前記冷却部材に設けられ、前記凸部により前記冷却部材を前記絶縁シートの前記表面導体層へ接続して構成される電気回路体。
4. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記導電性接続部は、前記半導体装置と前記冷却部材との間に導電性部材が設けられ、前記導電性部材を介して前記冷却部材と前記絶縁シートの前記表面導体層とを接続して構成される電気回路体。
5. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記絶縁シートは、前記樹脂絶縁層に導電性の中間導体層を内蔵する電気回路体。
6. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記導電性接続部は、前記半導体装置と前記冷却部材の積層方向と交差する平面方向において、前記樹脂絶縁層の前記接着領域を挟んで対称位置にそれぞれ配置される電気回路体。
7. 請求項１から請求項６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導出され、
   前記導電性接続部と前記端子との最短距離上に遮断部材を設けた電気回路体。
8. 請求項１から請求項６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、前記半導体素子の両面に前記導体板および前記絶縁シートが形成され、
   前記冷却部材は、前記熱伝導部材を介して前記半導体装置の両面に配置され、
   前記導電性接続部は、前記半導体装置と前記冷却部材との間の両面であって、前記半導体装置と前記冷却部材の積層方向における対称位置にそれぞれ配置される電気回路体。
9. 請求項１から請求項６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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