JP4428372B2

JP4428372B2 - パワーモジュールおよび空気調和機

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Publication number: JP4428372B2
Application number: JP2006258065A
Authority: JP
Inventors: 潤一寺木; 三博田中
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: JP2007043188A

Description

本発明は、電力変換を行うパワーモジュールに関する。また、本発明は、パワーモジュールを搭載する空気調和機にも関する。

一般に、パワーモジュールは、主に、パワー半導体等の比較的発熱の大きなチップを実装したパワー半導体実装基板と、マイクロコンピュータ等の比較的発熱の小さなＩＣチップを実装した非パワー半導体実装基板と、主にパワー半導体を冷却するための冷却部（例えば、放熱フィン等）とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１１６１９号公報

ところで、通常、パワー半導体実装基板としては、パワー半導体から生じる多量の熱を系外に放出する必要があるため、高い熱伝導性を有するアルミニウム製のものやセラミック製のもの等が採用される。一方、非パワー半導体実装基板としては、パワー半導体のように発熱量の大きい半導体を実装しないので、ガラス繊維強化エポキシ樹脂のような樹脂製のもの等が採用される。通常、アルミニウム製やセラミック製などの実装基板は樹脂製の実装基板よりも高価であり、これがパワーモジュールのコスト増を招いている大きな原因となっている。また、このような二種類の実装基板にパワー半導体と非パワー半導体とを分けて実装することはパワーモジュール製造時の人件費や設備費の増加を招いている。

本発明の課題は、製造コストを低く抑えることができるパワーモジュールを提供することにある。

第１発明に係るパワーモジュールは、パワー半導体、非パワー半導体、１枚の樹脂基板、および冷却ジャケットを備える。なお、ここにいう「パワー半導体」とは、例えば、ダイオードおよびパワートランジスタ等である。また、ここにいう「非パワー半導体」とは、例えば、マイコンやＲＯＭ（Read Only Memory）等である。また、ここにいう「樹脂基板」とは、例えば、樹脂のみで製造された基板、繊維強化プラスチックで製造された基板、その他粉体等が分散された樹脂から製造された基板などであって少なくとも片面あるいは内部に回路パターンが形成されている基板である。ちなみに、このような樹脂基板の中でも、両面に回路パターンが形成されている両面樹脂基板や、板厚方向に複数の回路が絶縁層（樹脂層）と交互に積層されている積層樹脂基板などが特に好ましい。パワー半導体および非パワー半導体は、電力変換を行うための電源回路を構成する。樹脂基板には、パワー半導体と非パワー半導体との両者が実装される。冷却ジャケットは、第１板部および第２板部を有する。第２板部は、樹脂基板のうち少なくともパワー半導体の実装面の裏側面に接触するように第１板部の板厚方向に沿って第１板部よりも樹脂基板側に突出し内部に冷却流体通路が設けられる。

そして、パワー半導体と冷却流体通路との間の最短距離は、非パワー半導体と冷却流体通路との間の最短距離よりも短い。

パワー半導体から生じる熱を放熱フィンにより排出するタイプのパワーモジュールでは、通常、気温あるいはそれよりも数十℃高い温度の風が放熱フィンに供給されることによりパワー半導体から生じる熱がパワーモジュールの系外に排出されている。このような放熱方法を採用する場合、パワーモジュールでは、十分な放熱性を確保するため、パワー半導体が実装される基板としてアルミニウム基板やセラミック基板などの高熱伝導性を有する基板が必要とされている。

しかし、本発明に係るパワーモジュールの冷却手段において例えば通常よりも低温の冷却媒体（気体であっても液体であってもよい）等を利用すれば、パワー半導体の実装基板として低熱伝導性の樹脂基板を採用してもパワー半導体から生じる熱を十分にパワーモジュールから排出することができる。もちろん、このときの冷却媒体の温度は、パワー半導体から生じる熱の量や樹脂基板の厚みによって適宜変更される必要はある。このような前提において、このパワーモジュールでは、パワー半導体と非パワー半導体とを１枚の樹脂基板に実装することが可能となる。したがって、このパワーモジュールでは、パワー半導体を実装する基板として高コストなアルミニウム基板やセラミック基板などを採用する必要がない。この結果、このパワーモジュールの製造において、基材の原料コスト、人件費、および設備費などを削減することができる。このため、このパワーモジュールは、低い製造コストで製造されることができる。また、このパワーモジュールでは、第１板部と樹脂基板との間に空間が形成される。このため、このパワーモジュールでは、その空間に非パワー半導体を配置することができる。したがって、このパワーモジュールは、コンパクト化されることができる。

このパワーモジュールでは、パワー半導体と冷却流体通路との間の最短距離が、非パワー半導体と冷却流体通路との間の最短距離よりも短い。このため、このパワーモジュールでは、非パワー半導体から生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュールの系外に排出することができる。

第２発明に係るパワーモジュールは、第１発明に係るパワーモジュールであって、膨張弁、温度検知手段および温度制御手段をさらに備える。膨張弁は、冷却流体通路の出入口付近に設けられる。温度検知手段は、パワー半導体またはその近傍の温度を検知する。温度制御手段は、温度検知手段において検知される温度が所定の温度になるように冷却流体の温度を制御する。

このパワーモジュールでは、温度検知手段が、パワー半導体またはその近傍の温度を検知する。そして、温度制御手段が、温度検知手段において検知される温度が所定の温度になるように冷却流体の温度を制御する。このため、このパワーモジュールでは、冷却流体の温度を適切に維持することができる。そして、より確実にパワー半導体を保護することができる。

第３発明に係るパワーモジュールは、第１発明または第２発明に係るパワーモジュールであって、樹脂基板のうちパワー半導体を実装する部分の厚みは、非パワー半導体を実装する部分の厚みよりも薄い。

このパワーモジュールでは、樹脂基板のうちパワー半導体を実装する部分の厚みが、非パワー半導体を実装する部分の厚みよりも薄い。このため、このパワーモジュールでは、非パワー半導体に比べパワー半導体の方が冷却流体通路に近くなる。したがって、このパワーモジュールでは、非パワー半導体から生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュールの系外に排出することができる。また、非パワー半導体は、パワー半導体と段違いで配置されることとなるため、パワー半導体から生じる熱の影響を受けにくくなる。

第４発明に係るパワーモジュールは、第３発明に係るパワーモジュールであって、樹脂基板は、板厚方向に積層される複数の積層単位体から構成されている。また、パワー半導体を実装する部分の厚みおよび非パワー半導体を実装する部分の厚みは、積層単位体それぞれの形状により調節される。

このパワーモジュールでは、樹脂基板が、板厚方向に積層される複数の積層単位体から構成されている。また、パワー半導体を実装する部分の厚みおよび非パワー半導体を実装する部分の厚みが、積層単位体それぞれの形状により調節される。このため、このパワーモジュールでは、複雑な機械加工を行うことなく複雑な形状の樹脂基板を製造することができる。

第５発明に係るパワーモジュールは、第１発明から第４発明のいずれかに係るパワーモジュールであって、熱拡散部をさらに備える。熱拡散部は、少なくともパワー半導体から生じる熱を拡散させるためのものである。なお、ここにいう「熱拡散部」とは、例えば、ヒートスプレッダや、サーマルビア、熱伝導性フィラー、熱伝導性シート等である。

このパワーモジュールでは、熱拡散部がさらに備えられる。このため、パワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第６発明に係るパワーモジュールは、第５発明に係るパワーモジュールであって、電気絶縁層をさらに備える。電気絶縁層は、熱拡散部と冷却流体通路との間に配置される。なお、ここにいう「電気絶縁層」は、電気絶縁シートであってもよいし接着剤などであってもよいし多層樹脂基板の樹脂層の一部であってもよい。

このパワーモジュールでは、電気絶縁層が、熱拡散部と冷却流体通路との間に配置される。このため、このパワーモジュールでは、放電を有効に防止することができる。

第７発明に係るパワーモジュールは、第５発明または第６発明に係るパワーモジュールであって、熱拡散部には、ヒートスプレッダが含まれる。ヒートスプレッダは、パワー半導体と樹脂基板の実装面との間に配置される。

このパワーモジュールでは、ヒートスプレッダが、パワー半導体と樹脂基板の実装面との間に配置される。このため、このパワーモジュールでは、パワー半導体から生じる熱を効率よく処理することができる。

第８発明に係るパワーモジュールは、第５発明から第７発明のいずれかに係るパワーモジュールであって、熱拡散部には、サーマルビアが含まれる。サーマルビアは、樹脂基板の板面に交差する方向に沿って樹脂基板の内部に設けられる。また、このサーマルビアは、樹脂基板の板面に直交する方向に設けられるのが好ましい。

このパワーモジュールでは、サーマルビアが、樹脂基板の板面に交差する方向に沿って樹脂基板の内部に設けられる。このため、このパワーモジュールでは、樹脂基板内部の熱伝導性を高めることができる。したがって、このパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第９発明に係るパワーモジュールは、第５発明から第８発明のいずれかに係るパワーモジュールであって、熱拡散部には、熱伝導性フィラーが含まれる。熱伝導性フィラーは、樹脂基板の樹脂部に分散配合される。なお、ここにいう「熱伝導性フィラー」とは、例えば、絶縁性を有するセラミック粉体などである。

このパワーモジュールでは、熱伝導性フィラーが、樹脂基板の樹脂部に分散配合される。このため、このパワーモジュールでは、樹脂基板内部の熱伝導性を高めることができる。したがって、このパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第１０発明に係るパワーモジュールは、第５発明または第６発明に係るパワーモジュールであって、熱拡散部には、熱伝導性シートが含まれる。熱伝導性シートは、樹脂基板の樹脂部に埋設される。なお、ここにいう「熱伝導性シート」とは、例えば、絶縁性を有するセラミックプレートなどである。

このパワーモジュールでは、熱伝導性シートが、樹脂基板の樹脂部に埋設される。このため、このパワーモジュールでは、樹脂基板内部の熱伝導性を高めることができる。したがって、このパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第１１発明に係る空気調和機は、冷媒回路およびパワーモジュールを備える。パワーモジュールは、パワー半導体、非パワー半導体、１枚の樹脂基板、および冷却ジャケットを有する。パワー半導体および非パワー半導体は、電力変換を行うための電源回路を構成する。樹脂基板には、パワー半導体と非パワー半導体との両者が実装される。冷却ジャケットは、第１板部および第２板部を有する。第２板部は、樹脂基板のうち少なくともパワー半導体の実装面の裏側面に接触するように第１板部の板厚方向に沿って第１板部よりも樹脂基板側に突出する。そして、冷却ジャケットは、内部に、冷媒回路に流れる冷媒を通過させるための冷却流体通路が設けられる。

通常、空気調和機にはパワー半導体から生じる熱を放熱フィンにより排出するタイプのパワーモジュールが採用されており、そのようなパワーモジュールでは、一般に、気温あるいはそれよりも数十℃高い温度の風が放熱フィンに供給されることによりパワー半導体から生じる熱がパワーモジュールの系外に排出されている。このような放熱方法を採用する場合、パワーモジュールでは、十分な放熱性を確保するため、パワー半導体が実装される基板としてアルミニウム基板やセラミック基板などの高熱伝導性を有する基板が必要とされている。

しかし、空気調和機の冷媒回路では冷媒温度が十分に低温となる箇所があり、このような冷媒をパワーモジュールの冷媒通路に流すことができれば、パワー半導体の実装基板として低熱伝導性の樹脂基板を採用してもパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールから十分に排出することができる。もちろん、このときの冷却媒体の温度は、パワー半導体から生じる熱の量や樹脂基板の厚みに依存する。この前提において、この空気調和機のパワーモジュールでは、パワー半導体と非パワー半導体とを１枚の樹脂基板に実装することが可能となる。したがって、この空気調和機のパワーモジュールでは、パワー半導体を実装する基板として高コストなアルミニウム基板やセラミック基板などを採用する必要がない。この結果、このパワーモジュールの製造において、基材の原料コスト、人件費、および設備費などを削減することができる。このため、このパワーモジュールは、低い製造コストで製造されることができる。引いては、空気調和機の製造コストも低減することができる。また、このパワーモジュールでは、第１板部と樹脂基板との間に空間が形成される。このため、このパワーモジュールでは、その空間に非パワー半導体を配置することができる。したがって、このパワーモジュールは、コンパクト化されることができる。

この空気調和機では、パワー半導体と冷却流体通路との間の最短距離が、非パワー半導体と冷却流体通路との間の最短距離よりも短い。このため、このパワーモジュールでは、非パワー半導体から生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュールの系外に排出することができる。

第１２発明に係る空気調和機は、第１２発明に係る空気調和機であって、膨張弁、温度検知手段および温度制御手段をさらに備える。膨張弁は、冷却流体通路の出入口付近に設けられる。温度検知手段は、パワー半導体またはその近傍の温度を検知する。温度制御手段は、温度検知手段において検知される温度が所定の温度になるように冷却流体の温度を制御する。

この空気調和機では、温度検知手段が、パワー半導体またはその近傍の温度を検知する。そして、温度制御手段が、温度検知手段において検知される温度が所定の温度になるように冷却流体の温度を制御する。このため、この空気調和機では、冷却流体の温度を適切に維持することができる。そして、より確実にパワー半導体を保護することができる。

第１発明に係るパワーモジュールは、低い製造コストで製造されることができる。また、このパワーモジュールでは、第１板部と樹脂基板との間に空間が形成される。このため、このパワーモジュールでは、その空間に非パワー半導体を配置することができる。したがって、このパワーモジュールは、コンパクト化されることができる。そして、非パワー半導体から生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュールの系外に排出することができる。

第２発明に係るパワーモジュールでは、冷却流体の温度を適切に維持することができる。

第３発明に係るパワーモジュールでは、非パワー半導体から生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュールの系外に排出することができる。また、非パワー半導体は、パワー半導体と段違いで配置されることとなるため、パワー半導体から生じる熱の影響を受けにくくなる。

第４発明に係るパワーモジュールでは、複雑な機械加工を行うことなく複雑な形状の樹脂基板を製造することができる。

第５発明に係るパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第６発明に係るパワーモジュールでは、放電を有効に防止することができる。

第７発明に係るパワーモジュールでは、パワー半導体から生じる熱を効率よく処理することができる。

第８発明に係るパワーモジュールでは、樹脂基板内部の熱伝導性を高めることができる。したがって、このパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第９発明に係るパワーモジュールでは、樹脂基板内部の熱伝導性を高めることができる。したがって、このパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第１０発明に係るパワーモジュールでは、樹脂基板内部の熱伝導性を高めることができる。したがって、このパワーモジュールでは、さらに効率よくパワー半導体から生じる熱をパワーモジュールの系外に排出することができる。

第１１発明に係る空気調和機は、低い製造コストで製造されることができる。また、このパワーモジュールでは、第１板部と樹脂基板との間に空間が形成される。このため、このパワーモジュールでは、その空間に非パワー半導体を配置することができる。したがって、このパワーモジュールは、コンパクト化されることができる。そして、非パワー半導体から生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュールの系外に排出することができる。

第１２発明に係る空気調和機では、冷却流体の温度を適切に維持することができる。

〔空気調和機の全体構成〕
図１には、本実施の形態に係る空気調和機１の外観斜視図を示す。

この空気調和機１は、室内の壁面に取り付けられる壁掛け型の室内機２と、室外に設置される室外機３とを備える。

室内機２内には室内熱交換器が収納され、室外機３内には室外熱交換器が収納されており、各熱交換器が冷媒配管４により接続されることにより冷媒回路を構成している。

〔空気調和機の冷媒回路の構成概略〕
空気調和機１の冷媒回路の構成を図２に示す。この冷媒回路は、主として室内熱交換器２０、アキュムレータ３１、圧縮機３２、四路切換弁３３、室外熱交換器３０、および電動膨張弁３４で構成される。

室内機２に設けられている室内熱交換器２０は、接触する空気との間で熱交換を行う。また、室内機２には、室内空気を吸い込んで室内熱交換器２０に通し熱交換が行われた後の空気を室内に排出するためのクロスフローファン２１が設けられている。クロスフローファン２１は、円筒形状に構成され、周面には回転軸方向に羽根が設けられているものであり、回転軸と交わる方向に空気流を生成する。このクロスフローファン２１は、室内機２内に設けられる室内ファンモータ２２によって回転駆動される。

室外機３には、圧縮機３２と、圧縮機３２の吐出側に接続される四路切換弁３３と、圧縮機３２の吸入側に接続されるアキュムレータ３１と、四路切換弁３３に接続された室外熱交換器３０と、室外熱交換器３０に接続された電動膨張弁３４とが設けられている。電動膨張弁３４は、フィルタ３５および液閉鎖弁３６を介して配管４１に接続されており、この配管４１を介して室内熱交換器２０の一端と接続される。また、四路切換弁３３は、ガス閉鎖弁３７を介して配管４２に接続されており、この配管４２を介して室内熱交換器２０の他端と接続されている。この配管４１，４２は、図１の冷媒配管４に相当する。また、室外機３には、室外熱交換器３０での熱交換後の空気を外部に排出するためのプロペラファン３８が設けられている。このプロペラファン３８は、ファンモータ３９によって回転駆動される。なお、この冷媒回路には、圧縮機３２、ファンモータ３９、および電動膨張弁３４等の電力変換を行うパワーモジュール５（後述）に設けられる冷却ジャケット５８（図３参照）も接続される。

〔パワーモジュールの構成〕
図３（ａ）には、本実施の形態に係るパワーモジュール５の縦断面図を示す。

本実施の形態に係るパワーモジュール５は、主に、ケーシング５０、第１電子部品５３ａ、第２電子部品５３ｂ、実装基板５１、および冷却ジャケット５８から構成される。

ケーシング５０は、実装基板５１の側縁から電子部品５３ａ，５３ｂの実装面側に立設される側壁５０ａと、側壁５０ａの上端から電子部品５３ａ，５３ｂの上部を覆うように設けられる蓋５０ｂとから構成される。

第１電子部品５３ａは、通電時に多量の熱を発生する、いわゆるパワー半導体である（ベアチップ等を含む）。本実施の形態において、パワー半導体とは、例えば、ダイオードおよびパワートランジスタ等をいう。

第２電子部品５３ｂは、いわゆる非パワー半導体やその他の電子部品（コンデンサや抵抗などの表面実装部品）である。本実施の形態において、非パワー半導体とは、例えば、マイコンやＲＯＭ等をいう（ベアチップ等を含む）。

実装基板５１は、主に、第１電子部品５３ａが実装されるエリア（以下、第１実装エリアという）と、第２電子部品５３ｂが実装されるエリア（以下、第２実装エリアという）とから成る。第１実装エリアは、１プライのシート状のガラス繊維強化エポキシ樹脂（以下、ガラスエポキシシートという）５１ａから形成されており、その厚みは約１００μｍ前後である。ちなみに、この厚みは、第１電子部品５３ａからの発熱量を４０Ｗ、発熱面積を４ｃｍ²として、第１電子部品５３ａを１００℃以下に保つことを考慮して算出された値である（図４参照）。この第１実装エリアでは、第１電子部品５３ａが、ヒートスプレッダ５４および導電体を介して１プライのガラスエポキシシート５１ａに実装され、さらにシリコーンゲル５６などの封止剤により封止されている。一方、第２実装エリアは、導電体パターン５２とガラスエポキシシート５１ａとが交互に積層された積層型樹脂基板から形成されている。この第２実装エリアでは第２電子部品５３ｂが積層型樹脂基板に実装されており、第２電子部品５３ｂは、ガラスエポキシシート５１ａの間に配置されている導電体パターン５２と接続され３次元形状の複雑な制御回路を形成している。なお、この導電体パターン５２には第１電子部品５３ａもワイヤー５５を介して接続されており、電源回路の一部が形成されている。リード５７は、外部回路への接続に用いられる。ちなみに、本実施の形態に係る実装基板５１を形成するためには、（ｉ）均一な板状の積層型実装基板を調製した後に機械加工によって実装基板５１の第１実装エリアの厚みを薄くする方法（回路パターンは機械加工を考慮して形成する必要がある）、あるいは（ｉｉ）実装基板が予め設計した形状になるようにガラス繊維織物１枚１枚を形作っておき、ｎ段目のガラス繊維織物にエポキシ樹脂原液を含浸した後にそれらを加熱・圧縮などし、さらにその後にその両面あるいは片面に回路パターンを形成し（以下、このガラス繊維強化エポキシ樹脂を回路パターン保持ガラスエポキシシートという）、さらにその後に、エポキシ樹脂原液を含浸した（ｎ＋１）段目のガラス繊維織物を回路パターン保持ガラスエポキシシートに挟み込み再度加熱・圧縮する方法などが考えられる。なお、後者の場合、設計形状に沿った金型が必要になる。

冷却ジャケット５８は、直方体の金属の箱体であって、実装基板５１の電子部品５３ａ，５３ｂの実装面の反対側に、実装基板５１の実装面と反対の面に接するように設けられている。そして、この冷却ジャケット５８の内部には、第１実装エリアに対応する部分に複数本のヘアピン形状の通路（以下、冷媒通路という）５９が形成されている（図３（ｂ）参照）。この冷媒通路５９は、図２に示されるように、電動膨張弁３４を挟み込むように冷媒回路に接続されている。このため、この冷媒通路５９には冷媒回路から液冷媒が流入するようになっており、主に第１電子部品５３ａから生じる熱がその液冷媒によりパワーモジュール５から排出されるようになっている。なお、通常、冷媒通路に流入する液冷媒の温度は、３０〜６０℃程度である。

〔パワーモジュールの製造方法〕
ここでは、図５を用いて本発明の実施の形態に係るパワーモジュール５の製造方法について説明する。

図５において、ステップＳ１では、第１電子部品５３ａとヒートスプレッダ５４とがボンディングされる。ステップＳ２では、ステップＳ１で得られた第１電子部品５３ａとヒートスプレッダ５４とのボンディング品が実装基板５１の第１実装エリアへボンディングされる。なお、このとき、上記ボンディング品は、ヒートスプレッダ５４が実装基板５１に密接するようにボンディングされる。ステップＳ３では、第１電子部品５３ａと実装基板５１の導電体パターン５２とがワイヤーを介してボンディングされる。ステップＳ４では、第２電子部品５３ｂが導電体パターン５２の規定の位置に置かれた状態で所定温度に加熱され、第２電子部品５３ｂが導電体パターン５２にリフロー方式によりハンダ付けされる。なお、この導電体パターン５２上には、あらかじめリフロー可能な材質（クリームハンダ等）が印刷あるいは塗布されている。ステップＳ５では、リード部品５３ｃ（第２電子部品５３ｂに含まれる）が導電体パターン５２にフロー方式によりハンダ付けされる。

〔パワーモジュールの特徴〕
（１）
本実施の形態に係るパワーモジュール５では、第１電子部品５３ａと第２電子部品５３ｂとの両方が、ガラス繊維強化エポキシ樹脂から成る同一の実装基板５１に実装されている。このため、このパワーモジュール５は、第１電子部品５３ａ用の実装基板と第２電子部品５３ｂ用の実装基板とを分けて製造していた従来のパワーモジュールよりも低コストで製造されることができる。

（２）
本実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１の第１実装エリアの厚みが十分に薄く、第１電子部品５３ａが、ほぼ５０℃の冷媒により有効に冷却される。このため、このパワーモジュール５は、第１電子部品５３ａ実装用としてアルミニウム基板やセラミック基板などを採用していた従来のパワーモジュールよりも低コストで製造されることができる。また、このパワーモジュール５では、実装基板５１がガラス繊維強化エポキシ樹脂から成るので、上記のような従来のパワーモジュールよりも加工性に優れる。また、このパワーモジュール５では、実装基板５１がガラス繊維強化エポキシ樹脂から成るので、上記のような従来のパワーモジュールよりも第１電子部品５３ａの実装信頼性に優れる。

（３）
本実施の形態に係るパワーモジュール５では、第１電子部品５３ａと冷媒通路５９との最短距離が、第２電子部品５３ｂと冷媒通路５９との最短距離よりも短い。このため、このパワーモジュール５では、第２電子部品５３ｂから生じる熱よりもパワー半導体から生じる熱を効率的にパワーモジュール５の系外に排出することができる。

〔変形例〕
（Ａ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、冷却ジャケット５８が、実装基板５１の電子部品５３ａ，５３ｂの実装面の反対側に、実装基板５１の実装面と反対の面に接するように設けられており、さらにその冷却ジャケット５８の内部に冷媒通路５９が形成されていた。しかし、図６に示されるように、冷媒通路５９Ａが実装基板５１Ａの内部に形成されてもかまわない。このようにすれば、第１電子部品５３ａと冷媒通路５９Ａとの距離をさらに短くすることができる。

（Ｂ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１の第１実装エリアの厚みが第２実装エリアの厚みよりも薄かったが、第１実装エリアの厚みが第２実装エリアの厚みと同じであってもかまわない。この場合、図４の表に示されるとおり、第１電子部品５３ａから生じる熱がパワーモジュール５から十分に排出されない懸念があるため、図７に示されるように、第１電子部品５３ａの周囲の実装基板５１Ｂ内部にサーマルビア５４Ｂを設けるのが好ましい。さらには、冷却ジャケット５８と実装基板５１Ｂとの間に接触伝熱層５７Ｂを設けてもかまわない。また、さらに、第１電子部品５３ａと実装基板５１Ａとの間にヒートスプレッダを挿入してもかまわない。

（Ｃ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、冷凍サイクルの流れにより冷媒通路５９に流入する冷媒の温度がほぼ決まっていた。しかし、第１電子部品５３ａの周辺に温度センサを設け、さらに冷媒通路５９の出入口付近に膨張弁を設けて、第１電子部品５３ａの周辺温度を一定に保つように、冷媒の蒸発温度を制御してもよい。このようにすれば、より確実に第１電子部品を保護することができる。なお、かかる場合、冷媒通路５９の出口を圧縮機３２の吸入配管に接続するようにしてもよい。

（Ｄ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１の第１実装エリアの厚みが１００μｍ前後とされていたが、冷媒通路５９に流入する温度によってはそれ以上の厚みであってもかまわない（図４参照）。また、これとは逆に実装基板５１の第１実装エリアの厚みを１００μｍ以下としてもかまわないが、この場合は、絶縁破壊強度に留意する必要がある。

（Ｅ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１の原料としてエポキシ樹脂が採用されたが、絶縁性を有するセラミック粒子などを配合したエポキシ樹脂が採用されてもかまわない。このようすれば、実装基板の熱伝導率を向上することができ、さらに効率よく第１電子部品５３ａから生じる熱をパワーモジュール５の系外に排出することができる。

（Ｆ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１として積層型樹脂基板が採用されたが、これに代えて、図８、図９、および図１０に示されるような、両面にのみ導電体パターンが設けられている両面樹脂基板５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅが採用されてもよい。このようなパワーモジュール５Ｃ，５Ｄ，５Ｅでは、第１電子部品５３ａから生じる熱を冷媒通路５９方向へ拡散させるために両面樹脂基板５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅの樹脂部にサーマルビア５４Ｃを設けたり、樹脂部に熱伝導性フィラー５４Ｄを分散させたり、樹脂部に熱伝導性シート５４Ｅを挿入したりするのが好ましい。また、第１電子部品５３ａから生じる熱を実装面に沿って拡散させるヒートスプレッダ５４を設ければ更に効果的である。また、かかる場合、両面樹脂基板５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅの絶縁性を確保するために両面樹脂基板５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅと冷却ジャケット５８との間に電気絶縁層５７Ｃ，５７Ｄ，５７Ｅを設けるのが好ましい。ただし、熱伝導性フィラー５４Ｄや熱伝導性シート５４Ｅがセラミック等であって電気絶縁性を有する場合、この電気絶縁層５７Ｃ，５７Ｄ，５７Ｅは省くことができる。

（Ｇ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１との接触面がフラットな形状の冷却ジャケット５８が採用されたが、これに代えて、図１１に示されるような段差付きの冷却ジャケット５８Ｆが採用されてもよい。このようにすれば、第１電子部品５３ａなどの実装面の反対側の面にのみ冷却ジャケット５８Ｆが接触し、他の部分では両面実装を行うことが可能となる。したがって、このようなパワーモジュール５Ｆでは、不必要な冷却（あるいは加熱）を防ぐことができると同時に更なるコンパクト化が可能となる。また、このようにすれば、実装面と反対側の面にリード線が出てしまうような場合でも対応可能となる。また、冷却ジャケット５８Ｆと実装基板５１Ｆとの間に電気絶縁層５７Ｆを設けてもよい。

（Ｈ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５の製造方法では、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５の順序で各処理が行われたが、この順序は入れ替えられてもよい。例えば、ステップＳ１→ステップＳ４→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ５の順序で各処理が行われてもよいし、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ４→ステップＳ３→ステップＳ５の順序で各処理が行われてもよいし、ステップＳ５→ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４の順序で各処理が行われてもよい。

（Ｉ）
先の実施の形態に係るパワーモジュール５では、実装基板５１の原料としてエポキシ樹脂が採用されたが、これ以外の樹脂（例えば、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂など）が採用されてもかまわない。

本発明に係るパワーモジュールは、従来のパワーモジュールよりも低い製造コストで製造されることができ、かつ、コンパクト化されることができるという特徴を有し、パワーモジュールの低コスト化およびコンパクト化に貢献することができる。

本実施の形態に係る空気調和機の外観斜視図。本実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路図。（ａ）本実施の形態に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの縦断面図、（ｂ）本実施の形態に係るパワーモジュールの冷却ジャケット部の上面透視図。本実施の形態に係る実装基板の厚みと放熱特性との関係を示す表。本実施の形態に係るパワーモジュールの製造工程を表すフローチャート。変形例（Ａ）に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの部分縦断面図。変形例（Ｂ）に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの部分縦断面図。変形例（Ｆ）に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの部分縦断面図。変形例（Ｆ）に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの部分縦断面図。変形例（Ｆ）に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの部分縦断面図。変形例（Ｇ）に係る空気調和機に搭載されるパワーモジュールの部分縦断面図。

１空気調和機
５Ｆパワーモジュール
５１Ｆ実装基板（樹脂基板）
５３ａ第１電子部品（パワー半導体）
５３ｂ第２電子部品（非パワー半導体）
５７Ｆ電気絶縁層
５８Ｆ冷却ジャケット
５９冷媒通路

Claims

電力変換を行うための電源回路を構成するパワー半導体（５３ａ）および非パワー半導体（５３ｂ）と、
前記パワー半導体と前記非パワー半導体との両者を実装する１枚の樹脂基板（５１Ｆ）と、
第１板部と、前記樹脂基板のうち少なくとも前記パワー半導体の実装面の裏側面に接触するように前記第１板部の板厚方向に沿って前記第１板部よりも前記樹脂基板側に突出し内部に冷却流体通路（５９）が設けられる第２板部とを有する冷却ジャケット（５８Ｆ）とを備え、
前記パワー半導体と前記冷却流体通路との間の最短距離は、前記非パワー半導体と前記冷却流体通路との間の最短距離よりも短い、パワーモジュール（５Ｆ）。
前記冷却流体通路の出入口付近に設けられる膨張弁と、
前記パワー半導体またはその近傍の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段において検知される温度が前記所定の温度になるように、前記膨張弁により前記冷却流体の温度を制御する温度制御手段と、
をさらに備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
前記樹脂基板のうち前記パワー半導体を実装する部分の厚みは、前記非パワー半導体を実装する部分の厚みよりも薄い、
請求項１または２に記載のパワーモジュール。
前記樹脂基板は、板厚方向に積層される複数の積層単位体から構成されており、
前記パワー半導体を実装する部分の厚みおよび前記非パワー半導体を実装する部分の厚みは、前記積層単位体それぞれの形状により調節される、
請求項３に記載のパワーモジュール。
少なくとも前記パワー半導体から生じる熱を拡散させるための熱拡散部をさらに備える、
請求項１から４のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部と前記冷却流体通路との間に配置される電気絶縁層（５７Ｆ）をさらに備える、
請求項５に記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部には、前記パワー半導体と前記樹脂基板の実装面との間に配置されるヒートスプレッダが含まれる、
請求項５または６に記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部には、前記樹脂基板の板面に交差する方向に沿って前記樹脂基板の内部に設けられるサーマルビアが含まれる、
請求項５から７のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部には、前記樹脂基板の樹脂部に分散配合される熱伝導性フィラーが含まれる、
請求項５から８のいずれかに記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部には、前記樹脂基板の樹脂部に埋設される熱伝導性シートが含まれる、
請求項５または６に記載のパワーモジュール。
冷媒回路と、
電力変換を行うための電源回路を構成するパワー半導体（５３ａ）および非パワー半導体（５３ｂ）と、前記パワー半導体と前記非パワー半導体との両者を実装する１枚の樹脂基板（５１Ｆ）と、第１板部、および、前記樹脂基板のうち少なくとも前記パワー半導体の実装面の裏側面に接触するように前記第１板部の板厚方向に沿って前記第１板部よりも前記樹脂基板側に突出し内部に、前記冷媒回路に流れる冷媒を通過させるための冷却流体通路（５９）が設けられる第２板部を有する冷却ジャケット（５８Ｆ）とを有するパワーモジュール（５Ｆ）とを備え、
前記パワー半導体と前記冷却流体通路との間の最短距離は、前記非パワー半導体と前記冷却流体通路との間の最短距離よりも短い、空気調和機（１）。
前記冷却流体通路の出入口付近に設けられる膨張弁と、
前記パワー半導体またはその近傍の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段において検知される温度が前記所定の温度になるように、前記膨張弁により前記冷却流体の温度を制御する温度制御手段と、
をさらに備える、請求項１１に記載の空気調和機。