JP4464806B2

JP4464806B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4464806B2
Application number: JP2004354824A
Authority: JP
Inventors: 享木村; 浩史山渕
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: JP2006166604A

Description

本発明は、水冷式電力変換装置に関するものである。

冷却液を利用する冷却装置を備える電力変換装置において、ＩＧＢＴチップのジャンクション温度の上昇を低減してインバータの信頼性や寿命を向上するためには、ＩＧＢＴチップジャンクションから冷却液への熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を低減しなければならない。

特許文献１には、アルミニウム板に絶縁樹脂層を介して銅箔パターンを圧着した、いわゆるメタルコアプリント回路基板（以下、メタルコア基板と記す。）に、主電流駆動素子であるＩＧＢＴ、ＦＷＤを封止したＦＷＤ内蔵ＩＧＢＴパッケージ（以下、パッケージと記す。）を複数実装し、このメタルコア基板でインバータケース底面全体を覆って筐体の底板とし、メタルコア基板裏面を水路カバーで覆って冷却用水路を形成する発明が記載されている。

特許文献１に記載されている電力変換装置は、パッケージをメタルコア基板に実装している。そうすると、パッケージとメタルコア基板を接合する共晶はんだ、及びメタルコア基板（特に絶縁樹脂層）が、パッケージと冷却液の間に介在することになる。そのために、共晶はんだとメタルコア基板が熱抵抗部材となって熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）の低減を阻害してしまうという問題点がある。

なお、特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、放熱面にセラミックまたは電気的に絶縁された金属を露出させた樹脂封止型のパワー半導体モジュールが記載されている。
特開２００４−１２８０９９公報特開２００１−１５６２５３公報特開２００２−０７６２０４公報特開２００４−１６５２８１公報

本発明は、冷却液を利用する冷却装置を備えた電力変換装置において、ＩＧＢＴチップジャンクションから冷却液への熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を低減することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る電力変換装置は、下面の一部又は全部に内部と電気的に絶縁された放熱面が露出するパワー半導体モジュールと、
冷却液の入口、冷却液の出口、及び開口部を備えた水路カバーとを有する電力変換装置である。そのような電力変換装置において、
前記開口部が前記パワー半導体モジュールの下面を覆い、前記水路カバーと前記パワー半導体モジュールの下面とが封止され、
入口から出口に流れる冷却液が前記放熱面に接触し、
前記パワー半導体モジュールの下面と前記水路カバーが前記開口部の縁の全周でシール材によりシールされ、
前記シール材が、前記パワー半導体モジュールの下面の周縁部から放熱面の領域までを密閉しており、
前記シール材が液状の接着剤を硬化させたものであり、
前記水路カバーの開口部の縁の内側全周に、前記パワー半導体モジュールの方向への突出部を設けたこと特徴とする。

本発明に係る水冷式電力変換装置ではパワー半導体モジュールと冷却液の間に直接介在するものがないため、熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）がより低減され得る。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置５０の断面図である。電力変換装置５０は、パワー半導体モジュール３０と水路カバー１０とから構成される。

図１０に、パワー半導体モジュール３０の断面図を示す。パワー半導体モジュール３０は、リードフレーム１Ａ、１Ｂ、パワー半導体チップ２、はんだ層３、アルミワイヤ４、モールド樹脂５、絶縁樹脂層６、金属層７及び金属板８から構成されている。

本発明で利用されるパワー半導体モジュール３０は、例えば、特許文献２、特許文献３若しくは特許文献４に記載されているような、放熱層の部材としてセラミック若しくは金属を利用しそれらセラミック層の下面若しくは金属層の下面を放熱面として露出させた樹脂封止型のパワー半導体モジュールである。

図１０に示されるパワー半導体モジュール３０では、金属板８にはんだ層３を介してパワー半導体チップ２が接合されている。リードフレーム１Ａ、１Ｂは、直接パワー半導体チップ２及び金属板８に接合されるか、アルミワイヤ４を介してパワー半導体チップ２に接続される。金属板８の下面には絶縁樹脂層６及び金属層７が接し、金属板８の下面を覆っている。電気的に絶縁性の樹脂材料からなるモールド樹脂５は、リードフレーム１Ａ、１Ｂを突出させた状態で、パワー半導体チップ２及び金属板８の上部と、金属板８、絶縁樹脂層６及び金属層７の周囲に成型されている。金属層７には電気絶縁性の備わるセラミック層が用いられてもよい。

パワー半導体モジュール３０に含まれるパワー半導体チップ２で発生する熱は、はんだ層３を介して金属板８、絶縁樹脂層６及び金属層７へと伝わり、金属層７の下面からパワー半導体モジュール３０の外部へと放熱される。以下でも説明するように、金属層７下面に冷却液が直接当たるのであるが、特許文献１に記載されている電力変換装置と比較すると、本発明で利用されるパワー半導体モジュールは、メタルコア基板が備わらずそれが熱抵抗部材となることがない。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置５０を構成する水路カバー１０の斜視図である。図２に示す水路カバー１０が、パワー半導体モジュール３０の下面及び側面下方を封止して覆う。水路カバー１０には冷却液の入口１１および出口１２と開口部１３が設けられており、この開口部１３をパワー半導体モジュール３０の下面で塞ぐことで水路カバー１０内部に水路が形成される。冷却液は、入口１１から流入し、パワー半導体モジュール３０の放熱面たる金属層７の下面に直接当たって熱を奪い、そして出口１２から流出する。冷却液としては、通常、水が用いられ、凍結防止剤や腐食防止剤を含む水が好ましく用いられる。なお、冷却液として、水以外の冷媒を用いてもよい。従って、本明細書における「水冷式」、「水路」という用語は、水を用いるものに限定されず、水以外の冷媒を用いるものも含むものである。

パワー半導体モジュール３０の下面の外周部と水路カバー１０の開口部１３の縁の全周との間には、Ｏリングやパッキン、液状ガスケットなどの、柔軟性のある合成樹脂部材からなるシール材９が配置されている。パワー半導体モジュール３０と水路カバー１０とでシール材９が挟み込まれ、更に加圧されることで冷却液の漏れが防止される（加圧構造については図示しない。）。

図１に示すように、実施の形態１に係る電力変換装置５０においては、シール材９が、パワー半導体モジュール３０の下面のうち、モールド樹脂５の露出する周縁部から金属層７の絶縁性ある下面の領域内までを密閉することが必要である。以下にその理由を示す。

図３は、図１０に示されるパワー半導体モジュール３０の底面図である。図３に示すように、金属層７は周囲をモールド樹脂５で囲われている。このようなパワー半導体モジュール３０に対して、シール材９がモールド樹脂５の領域しか密閉しないのであれば、冷却液が金属層７とモールド樹脂５との境界部分からパワー半導体モジュール３０の内部に侵入するおそれが生じる。冷却液が内部に侵入すると、金属板８と金属層７との間の電気的な絶縁性が低下して、パワー半導体モジュール３０内部の電気絶縁性が低下してしまう。また、モールド樹脂５の材料として一般的にエポキシ樹脂が利用されることが多いが、エポキシ樹脂は吸湿性が高い。モールド樹脂５が冷却液に浸りモールド樹脂５の材料であるエポキシ樹脂の吸湿量が多くなると、モールド樹脂５全体の電気絶縁性が低下するおそれがある。

したがって、実施の形態１に係る電力変換装置５０においては、金属層７とモールド樹脂５の境界部分、及びモールド樹脂５が、冷却液に接触しないように構成する必要がある。このため、シール材９が、パワー半導体モジュール３０の下面のうち、モールド樹脂５の露出する周縁部から金属層７の電気絶縁性のある下面の領域内までを密閉することが必要となる。

実施の形態１に係る電力変換装置５０では、図１に示すように、シール材９が、パワー半導体モジュール３０の下面のうち、モールド樹脂５で形成される周縁部から金属層７の下面の相当部分までを密閉している。このようにすることにより、冷却液は金属層７の下面の吸湿性のない部分にのみ接触し、吸湿のおそれのある金属層７とモールド樹脂５との境界部分、及びモールド樹脂５に接触しない。従って、パワー半導体モジュール３０全体の電気絶縁性が低下するおそれを排除することができ、装置全体の信頼性を向上させることができる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置５０では、パワー半導体チップ２で発生した熱が金属板８に伝わるが、そのときに伝熱面積が拡大する。熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）は伝熱面積に反比例するので、このような構成は熱抵抗低減に効果がある。更に、実施の形態１に係る電力変換装置５０では、この伝熱面積の拡大効果をより良く活かすため、金属層７の平面寸法を金属板８の下面よりも大きくし、金属板８の直下にはシール材９を設けないようにしている。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置５０の断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１に係る電力変換装置と略同一のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、両者の差異を中心に説明する。

実施の形態２に係る電力変換装置５０では、
（１）シール材９として接着剤を用いる点、
（２）パワー半導体モジュール３０と水路カバー１０を（図５に示すような）水路カバー１０の開口部１３の縁に設けた３箇所の突起１４で接触させている点、及び、
（３）水路カバー１０の開口部１３の縁の内側全周に突出部１５を設けた点で、
実施の形態１に係る電力変換装置と異なる。

まず、シール材９として接着剤を用いる点について説明する。例えばシール材９としてＯリングやゴムパッキンを使用する場合、これらの成形品はその柔軟性のため形状を一定に維持することが難しい。電力変換装置５０の組み立ての自動化を想定すると、組み立てロボットがこれらの柔らかい成型品を適切にハンドリングすることは困難である。特に、Ｏリングを取り付け溝に組み込む作業を自動化することは非常に困難である。また、Ｏリングやゴムパッキンは接着性がなく、シール性を確保するためにはこれらの成型品を挟み込んで加圧する機構が不可欠である。そのため、部品点数が増加することや組み立てが煩雑になることが避けられない。

これに対し、実施の形態２に係る電力変換装置５０のようにシール材９として接着剤を用いるならば、液状である接着剤が所望の部分に塗布され硬化することでシール性及び接着性が確保される。更に、液状物を自動的に塗布するための塗布ロボットは商業的に入手可能であり、接着剤の塗布作業の自動化は容易である。

次に、パワー半導体モジュール３０と水路カバー１０を、開口部１３の縁に設けた３箇所の突起１４で接触させている点について説明する。本発明に用いる樹脂封止型のパワー半導体モジュール３０では、モールド樹脂５には例えばエポキシ樹脂が使用される。エポキシ樹脂による封止には、一般的にトランスファーモールドと呼ばれる加工方法が用いられる。この方法は、架橋反応前のエポキシ樹脂を加熱・溶融させて金型内に高圧で流し込み、さらに加熱してエポキシ樹脂の架橋反応を促進して硬化させる加工方法である。ところで、エポキシ樹脂は硬化時に収縮する性質がある。このためモールド樹脂５としてエポキシ樹脂を用いた樹脂封止型のパワー半導体モジュールでは、モールド樹脂５の収縮により図６に示すような僅かな反りが発生することは不可避ともいえる。

反りが発生したパワー半導体モジュール３０を使用し、シール材９に接着剤を用いて実施の形態１のような電力変換装置５０を構成した場合、図７に示すように、パワー半導体モジュール３０自体の反りによってパワー半導体モジュール３０が傾き、シール材９の厚さがばらつきやすくなる。シール材９に接着剤を用いる場合、シール材９の厚さが厚いほど水圧を受けるシール材表面の面積が大きくなる。そうすると、接着面に作用する剪断力が増加し接着面の剥離が起こりやすくなるため、密着性が低下していく。したがって、安定した密着性を確保するためには、反りによるパワー半導体モジュール３０の傾きを抑制する必要がある。

そこで実施の形態２に係る電力変換装置５０では、パワー半導体モジュール３０と水路カバー１０を、開口部１３の縁に設けた３箇所の突起１４で接触させる構成としている。このようにすることにより、パワー半導体モジュール３０に反りが生じたとしても、パワー半導体モジュール３０の傾きを抑制することができ、シール材９の厚さのばらつきを抑制して安定したシール性を確保することができる。これらの３つの突起１４は略同一の形状であることが好ましい。

なお、図４及び図５に示される電力変換装置５０では、突起１４を水路カバー１０の開口部１３の縁側に設けているが、パワー半導体モジュール３０の底面に設けても略同一の効果を実現できる。要するに、パワー半導体モジュール３０の底面と水路カバー１０の開口部１３の縁とが、少なくとも３点における支持を生じさせる支持体を介して接するようにすれば、略同一の効果を実現できる。

次に、水路カバー１０の開口部１３の縁の内側全周に突出部１５を設けた点について説明する。シール材９として接着剤を用いる場合、液状の接着剤を開口部１３の縁の平坦部分に塗布し、パワー半導体モジュール３０を開口部１３に搭載して、液状の接着剤を押し広げて薄い接着剤層を形成し、接着剤を硬化させてシール材９とする。しかし、図７のように開口部１３の縁の平坦部分がそのまま内側垂直面に続くのであれば、液状の接着剤が押し広げられる際に接着剤が水路側にはみ出てしまい、結局、接着剤のはみ出し部９Ａが形成されてしまう。このはみ出し部９Ａは、パワー半導体モジュール３０の放熱面の面積を減少させ結局熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を増加させてしまう。

これに対し、実施の形態２に係る電力変換装置５０では、図４及び図５に示すように水路カバー１０の開口部１３の縁の内側全周に、パワー半導体モジュール３０方向への突出部１５を設ける。この突出部１５の外周に接着剤が塗布されると、パワー半導体モジュール３０の搭載時に押し広げられる接着剤は突出部１５で堰き止められ、水路側へのはみ出しが抑制される。したがって、接着剤の水路へのはみ出しによる放熱面の面積の減少、及び熱抵抗Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）の増加を抑制することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置５０の断面図である。実施の形態３に係る電力変換装置５０は、実施の形態２に係る電力変換装置５０と略同一のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略し、両者の差異を中心に説明する。

実施の形態１および実施の形態２に係る電力変換装置５０では、シール材９によって冷却液の漏れを防止している。しかし、長期の使用期間や過酷な使用環境によりシール材９の劣化が生じ、冷却液の漏れが生じやすくなることは否定できない。そこで、実施の形態３に係る電力変換装置５０では、冷却液が漏れた場合にこれを検出できるようにしている。

実施の形態３に係る電力変換装置５０では、
（１）水路カバー１０を電気絶縁物としている点、
（２）冷却液が導電性の物質を含んでいる点、
（３）水路カバー１０の開口部１３の縁の接着剤（シール材）の塗布部位に、パワー半導体モジュール３０を制御する制御回路２０に接続している２つの電極１６、１７を設けている点、及び、
（４）接着剤（シール材９）として、パワー半導体モジュール３０（特に金属層７）に対する接着力が、水路カバー１０に対する接着力よりも強い接着剤を用いている点が、
実施の形態２に係る電力変換装置と異なる。

シール材９として接着剤を用いる場合、冷却液漏れの原因となるのは、主として接着界面の剥離である。当然のことながら、接着界面の剥離は、接着力の弱い部分で発生する。実施の形態３に係る電力変換装置５０において、パワー半導体モジュール３０（特に金属層７）に対する接着力が、水路カバー１０に対する接着力よりも強い接着剤を用いるようにすれば、剥離（つまり冷却液漏れ）が発生する個所を、シール材９と水路カバー１０の接着界面に限定することができる。ここでの接着剤として、シリコーン系の接着剤が利用されるのが好ましい。

更に、水路カバー１０の開口部１３の縁のシール材９との接着部（塗布部位）には、水路カバー１０の開口部１３の内側垂直面を取り巻くように、パワー半導体モジュール３０を制御する制御回路２０に接続している２つの電極１６、１７を設けている。水路カバー１０は、電気絶縁物である（例えば）ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファド）の射出成形品であり、２つの電極１６、１７は互いに電気的に絶縁されている。また、電極１７の方が電極１６よりも水路カバー１０の開口部１３の内側垂直面から遠い位置に配置されている。加えて、パワー半導体モジュール３０を制御する制御回路２０が、電極１６と電極１７との間の絶縁抵抗をモニターしている。

ここで、水路カバー１０とシール材９の接着界面に剥離が発生すると、電極１６と電極１７の位置関係から先ず電極１６に冷却液が接触する。この時点では両電極間の絶縁抵抗に未だ変化はない。更に剥離が進み電極１７にまで冷却液が接触すると、導電性の物質を含む冷却液が電極１６と電極１７の両方に接触することになり両電極間の絶縁抵抗が低下する。このように、両電極間の絶縁抵抗の低下を、パワー半導体モジュール３０を制御する制御回路２０が検出することによって、冷却液が金属層７とモールド樹脂５の境界部分にまで浸透する前に冷却液の漏れを検出することができる。なお、電極１６と電極１７との間の絶縁抵抗を専らモニターするために専用の電気抵抗モニター回路が別途設けられてもよい。

なお、図９に示すように、水路カバー１０のシール材９との接着部（塗布部位）に設けられる電極が１つ（電極１６）であっても、金属板１８（金属部材）が水路の底に設けられ電極１６と金属板１８との絶縁抵抗が適切な回路によりモニターされるのであれば、図８の構成と同様に、電極１６と金属板１８との間の絶縁抵抗の低下によって冷却液漏れを検出できる。また金属板１８は、水路の底だけでなく、水路カバー１０の内側の冷却液に常時接触する位置に設けられればよい。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置に使用される水路カバーを示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置に使用されるパワー半導体モジュールを示す下面図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置に使用される水路カバーを示す上面図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置に使用されるパワー半導体モジュールを示す断面図である。本発明の実施の形態２を利用しない場合の電力変換装置の問題点を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の一例を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の他の例を示す断面図である。本発明で利用するパワー半導体モジュールの断面図である。

符号の説明

１Ａ・１Ｂリードフレーム、２パワー半導体チップ、３はんだ層、４アルミワイヤ、５モールド樹脂、６絶縁樹脂層、７金属層、８金属板、９シール材、１０水路カバー、１１冷却液入口、１２冷却液出口、１３開口部、１４突起、１５突出部、１６・１７電極、１８金属板。

Claims

下面の一部又は全部に内部と電気的に絶縁された放熱面が露出するパワー半導体モジュールと、
冷却液の入口、冷却液の出口、及び開口部を備えた水路カバーとを有する電力変換装置において、
前記開口部が前記パワー半導体モジュールの下面を覆い、前記水路カバーと前記パワー半導体モジュールの下面とが封止され、
入口から出口に流れる冷却液が前記放熱面に接触し、
前記パワー半導体モジュールの下面と前記水路カバーが前記開口部の縁の全周でシール材によりシールされ、
前記シール材が、前記パワー半導体モジュールの下面の周縁部から放熱面の領域までを密閉しており、
前記シール材が液状の接着剤を硬化させたものであり、
前記水路カバーの開口部の縁の内側全周に、前記パワー半導体モジュールの方向への突出部を設けたこと特徴とする電力変換装置。
下面の一部又は全部に内部と電気的に絶縁された放熱面が露出するパワー半導体モジュールと、
冷却液の入口、冷却液の出口、及び開口部を備えた水路カバーとを有する電力変換装置において、
前記開口部が前記パワー半導体モジュールの下面を覆い、前記水路カバーと前記パワー半導体モジュールの下面とが封止され、
入口から出口に流れる冷却液が前記放熱面に接触し、
前記パワー半導体モジュールの下面と前記水路カバーが前記開口部の縁の全周でシール材によりシールされ、
前記シール材が、前記パワー半導体モジュールの下面の周縁部から放熱面の領域までを密閉しており、
前記シール材が液状の接着剤を硬化させたものであり、
前記水路カバーが電気絶縁物で形成され、
前記接着剤は前記パワー半導体モジュールに対する接着力が、前記水路カバーに対する接着力よりも強いものであり、
前記水路カバーの開口部の縁の前記接着剤との接着部に、第１の電極と、前記水路カバーの開口部の縁の前記接着剤との接着界面に剥離が生じるときに前記第１の電極よりも後の時期に冷却液と接触をする第２の電極とが、設けられ、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気抵抗がモニターされることを特徴とする電力変換装置。
下面の一部又は全部に内部と電気的に絶縁された放熱面が露出するパワー半導体モジュールと、
冷却液の入口、冷却液の出口、及び開口部を備えた水路カバーとを有する電力変換装置において、
前記開口部が前記パワー半導体モジュールの下面を覆い、前記水路カバーと前記パワー半導体モジュールの下面とが封止され、
入口から出口に流れる冷却液が前記放熱面に接触し、
前記パワー半導体モジュールの下面と前記水路カバーが前記開口部の縁の全周でシール材によりシールされ、
前記シール材が、前記パワー半導体モジュールの下面の周縁部から放熱面の領域までを密閉しており、
前記シール材が液状の接着剤を硬化させたものであり、
前記水路カバーが電気絶縁物で形成され、
前記接着剤は前記パワー半導体モジュールに対する接着力が、前記水路カバーに対する接着力よりも強いものであり、
前記水路カバーの内側の冷却液に常時接触する位置に金属部材が設けられ、
前記水路カバーの開口部の縁の前記接着剤との接着部に電極が設けられ、
前記金属部材と前記電極との間の電気抵抗がモニターされることを特徴とする電力変換装置。