JP5484429B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子をモールド樹脂で封止してなるパワーモジュールおよび半導体素子での発熱を放熱するヒートシンクを備えた電力変換装置に関するものである。

従来のパワーモジュールは、半導体素子が配線部材の搭載面に半田などにより接合されて搭載され、配線部材の搭載面と反対側の面が絶縁樹脂層によりヒートシンクに固着されて構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２４３８７７号公報

この種のパワーモジュールにおいては、半導体素子での発熱が配線部材からヒートシンクに伝達され、ヒートシンクから放熱されるとともに、半導体素子の動作中に電位が配線部材に発生するので、絶縁樹脂層には、電気絶縁性とともに、熱伝導性が要求される。しかし、絶縁樹脂層は、厚みが厚くなると、電気絶縁性が向上するが、熱伝導性が低下し、厚みが薄くなると、熱伝導性が向上するが、電気絶縁性が低下する。そこで、要求される電気絶縁性と熱伝導性を確保するには、絶縁樹脂層の厚みを高精度に管理する必要がある。

しかしながら、従来のパワーモジュールでは、配線部材とヒートシンクとの間に介装されている絶縁樹脂層の厚みを規制する部材がないので、絶縁樹脂層の厚みを高精度に管理することができず、要求される電気絶縁性と熱伝導性を安定して確保できなくなるという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、半導体素子が搭載された金属配線部材の露出面を取り囲むモールド樹脂の部位とヒートシンクとの間に厚み規制部を設けて、金属配線部材とヒートシンクとの間に介装される絶縁樹脂層の厚みを高精度に管理できるようにし、要求される電気絶縁性と熱伝導性を安定して確保することができる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明による電力変換装置は、金属配線部材、該金属配線部材の表面にろう付けされて搭載された半導体素子、該金属配線部材の裏面を露出させて、該金属配線部材および該半導体素子を埋設するモールド樹脂、および該モールド樹脂から延出する入出力端子を有するパワーモジュールと、上記金属配線部材の上記モールド樹脂からの露出面に対向して配設されるヒートシンクと、上記モールド樹脂の上記金属配線部材の露出面の外側部位と上記ヒートシンクとの間に挟持されて、該金属配線部材の露出面と該ヒートシンクとの間に所定の隙間を形成する樹脂厚み規制部材と、上記金属配線部材の露出面を覆うように上記パワーモジュールと上記ヒートシンクとの間に充填された絶縁樹脂層と、を備える。さらに、上記樹脂厚み規制部材は、上記金属配線部材の露出面を取り囲む枠状に形成されて上記モールド樹脂と上記ヒートシンクとの間に介装される枠状体、および上記枠状体に一体に形成されて、上記モールド樹脂の外側に配置される端子台を備える、電気絶縁性材料により単一な部材に作製され、上記絶縁樹脂層が、上記パワーモジュール、上記樹脂厚み規制部材、および上記ヒートシンクにより形成される空間内に充填され、上記入出力端子が、上記端子台に保持されている。

この発明によれば、樹脂厚み規制部材がモールド樹脂の金属配線部材の露出面の外側部位とヒートシンクとの間に挟持されて、金属配線部材の露出面とヒートシンクとの間に所定の隙間を形成されている。そこで、金属配線部材の露出面を覆うようにパワーモジュールとヒートシンクとの間に充填された絶縁樹脂層の厚みが、樹脂厚み規制部材により形成された所定の隙間に一致する。これにより、樹脂厚み規制部材の厚みを高精度に作製することで、パワーモジュールとヒートシンクとの間に充填された絶縁樹脂層の厚みを高精度に管理でき、絶縁樹脂層に要求される電気絶縁性と熱伝導性を安定して確保することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における伝熱経路を説明する断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す上面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の製造方法を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の製造方法を示す工程断面図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置における要部断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る電力変換装置における要部断面図である。 この発明の実施の形態５に係る電力変換装置における要部断面図である。 この発明の実施の形態６に係る電力変換装置における要部断面図である。 この発明の実施の形態７に係る電力変換装置の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態８に係る電力変換装置を示す要部断面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ矢視断面図である。 この発明の実施の形態９に係る電力変換装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における金属配線部材に抜きだれが発生した状態を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態９に係る電力変換装置における金属配線部材に抜きだれが発生した状態を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態１０に係る電力変換装置を示す断面図である。

以下、本発明の電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構造を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置における伝熱経路を説明する断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す上面図である。

図１において、電力変換装置１は、パワーモジュール２と、パワーモジュール２で発生する熱を放熱するヒートシンク１１と、パワーモジュール２とヒートシンク１１との間に介装され、両者を固着する絶縁樹脂層１２と、絶縁樹脂層１２の厚みを規制する樹脂厚み規制部材１３と、を備えている。

パワーモジュール２は、半導体素子３と、半導体素子３が表面、すなわち素子搭載面に搭載される金属配線部材４と、金属配線部材４の裏面を露出するように、半導体素子３および金属配線部材４を埋設するモールド樹脂５と、を備えている。

半導体素子３は金属配線部材４の素子搭載面に半田を用いてろう付け（以下、半田付けとする）され、入出力端子７の一端が半導体素子３の上面に半田付けされている。これにより、半導体素子３の下面に形成された導電パターン（図示せず）が半田層６を介して金属配線部材４に電気的に接続され、半導体素子３の上面に形成された導電パターン（図示せず）が半田層８を介して入出力端子７に電気的に接続されている。入出力端子９の一端が半田層１０を介して金属配線部材４に電気的に接続されている。そして、入出力端子７，９の他端側がモールド樹脂５から延出されている。なお、半導体素子３は、例えばインバータやコンバータなどの電力変換素子を構成するように接続されている。

半導体素子３には、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、Ｄｉｏｄｅなどのパワー半導体素子が用いられる。
モールド樹脂５は、例えば、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられ、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの無機充填剤が添加され、金属配線部材４の熱膨張係数に略一致するように構成されている。

パワーモジュール２は、半導体素子３が金属配線部材４に搭載され、入出力端子７，９が接続された状態で、インサートモールド成形されて作製される。

半導体素子３で発生した熱は、図２に矢印で示されるように、半田層６から金属配線部材４に伝達され、金属配線部材４内を厚さ方向に伝わるとともに、平面方向に拡散する。この平面方向の熱の拡散により、金属配線部材４の裏面側ほど、より広い面積で熱を伝えることができるので、金属配線部材４は、熱を拡散することができる面積および厚みが必要であることがわかる。また、金属配線部材４は、半導体素子３に通電する電極としても機能する。そこで、金属配線部材４は、良熱伝導性、かつ良電気伝導性を有する金属であればよく、例えば銅、アルミニウムなどが用いられる。なお、金属配線部材４としてアルミニウムを用いる場合には、半田付け性を考慮してニッケルメッキを施すことが好ましい。

ヒートシンク１１は、パワーモジュール２より大形の所定厚みを有する矩形平板状の基部１１ａと、それぞれ薄肉の矩形平板状に形成され、基部１１ａの裏面に直角に立設されて所定ピッチで平行に配列された複数の放熱フィン１１ｂと、を備えている。ヒートシンク１１は、良熱伝導性を有する金属であればよく、例えば銅、アルミニウムなどが用いられる。ヒートシンク１１は、押し出し成形や鍛造により作製される。なお、金属配線部材４とヒートシンク１１が異なる金属材料で作製された場合には、両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が発生し、絶縁樹脂層１２が剥離しやすくなることから、同じ金属材料で作製することが好ましい。

樹脂厚み規制部材１３は、図１および図３に示されるように、外形がモールド樹脂５より大形であり、内形がモールド樹脂５より小形であって、金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面を取り囲む所定厚みＨを有する枠状体に形成され、ヒートシンク１１の基部１１ａの表面に配設されている。樹脂厚み規制部材１３は、絶縁性樹脂やセラミックスなどの電気絶縁性材料を用いて作製される。樹脂厚み規制部材１３の厚みＨは、絶縁樹脂層１２に要求される電気絶縁性と熱伝導性とを実現できるように設定される。

絶縁樹脂層１２は、例えば、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられ、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの無機充填物が添加されている。絶縁樹脂層１２は、金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面を内包するように配設された樹脂厚み規制部材１３と、パワーモジュール２と、基部１１ａとにより構成される空間内に充填、硬化され、金属配線部材４およびモールド樹脂５、すなわちパワーモジュール２をヒートシンク１１の基部１１ａに固着している。

このように構成された電力変換装置１では、入出力端子７，９の一方から給電された電力が所定の電力に変換されて入出力端子７，９の他方から出力されるように動作する。

この実施の形態１によれば、樹脂厚み規制部材１３が、金属配線部材４の露出面を取り囲むように、モールド樹脂５とヒートシンク１１の基部１１ａとの間に介装されているので、絶縁樹脂層１２を樹脂厚み規制部材１３とパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間内に充填することで、絶縁樹脂層１２の厚みが樹脂厚み規制部材１３の厚みとなる。そこで、樹脂厚み規制部材１３の厚みを高精度に管理するだけで、絶縁樹脂層１２の厚みを安定して高精度に管理できるので、要求される電気絶縁性と熱伝導性を安定して確保できる。これにより、半導体素子３が許容温度を超えるような事態や絶縁樹脂層１２が絶縁破壊するような事態が未然に回避され、優れた絶縁性能が得られる。

電気絶縁性を有する絶縁樹脂層１２が金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面を覆うようにパワーモジュール２とヒートシンク１１との間に介装されている。そこで、金属配線部材４とヒートシンク１１との間の沿面距離は、図１に示されるように、金属配線部材４の外側に延在する絶縁樹脂層１２の部分の距離Ｌと絶縁樹脂層１２の厚みＨとの総和となる。一方、特許文献１に記載の従来のパワーモジュールでは、絶縁樹脂層が配線部材と同じ形状となっており、配線部材とヒートシンクとの間の沿面距離は絶縁樹脂層の厚みのみとなる。したがって、実施の形態１によれば、金属配線部材４とヒートシンク１１との間の沿面距離が従来のパワーモジュールに比べて長くなり、金属配線部材４とヒートシンク１１との電気的な短絡が確実に阻止される。

絶縁樹脂層１２が樹脂厚み規制部材１３とパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間内に充填硬化されているので、絶縁樹脂層１２と外部雰囲気との接触が抑えられる。そこで、熱硬化性樹脂を用いた絶縁樹脂層１２の吸湿に起因する絶縁性の低下が抑制され、絶縁樹脂層１２による電気絶縁性を長期的に確保することができる。

つぎに、電力変換装置１の製造方法について図４および図５を参照しつつ説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の製造方法を示すフロー図、図５はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、図４では、ステップ１００〜ステップ１０６をＳ１００〜Ｓ１０６としている。

まず、パワーモジュール２を周知の製法により作製する（ステップ１００）。また、ヒートシンク１１および樹脂厚み規制部材１３を周知の製法により作製する（ステップ１０１）。さらに、未硬化の絶縁樹脂材１２ａを周知の製法により作製する（ステップ１０２）。この未硬化の絶縁樹脂材１２ａは、樹脂厚み規制部材１３の枠内の容積と同等の容積を有し、厚みが樹脂厚み規制部材１３の厚みより厚く、外形が樹脂厚み規制部材１３の内形と同等もしくは小さい平板状に作製される。
ついで、ヒートシンク１１の表面に樹脂厚み規制部材１３を配設し（ステップ１０３）、未硬化の絶縁樹脂材１２ａを樹脂厚み規制部材１３内に配置する（ステップ１０４）。

ついで、図５の（ａ）に示されるように、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが樹脂厚み規制部材１３内に配置されたヒートシンク１１にパワーモジュール２を重ねて真空式ヒータプレス装置１００の容器１０１内にセットする（ステップ１０５）。このとき、パワーモジュール２は、金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面が樹脂厚み規制部材１３内に位置するように、金属配線部材４の露出面を絶縁樹脂層１２に向けて配置される。

ついで、真空ポンプ１０２を用いて容器１０１内を減圧する。そして、図５の（ｂ）に示されるように、減圧下、ヒータ１０３により加熱しつつ、加圧治具１０４によりパワーモジュール２を加圧してヒートシンク１１に押し付ける（ステップ１０６）。これにより、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが軟化して押し潰され、パワーモジュール２のモールド樹脂５が樹脂厚み規制部材１３に当接する。未硬化の絶縁樹脂材１２ａは、樹脂厚み規制部材１３とパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間内に充填される。その後、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが硬化し、パワーモジュール２がヒートシンク１１に固着される。未硬化の絶縁樹脂材１２ａの硬化完了後、減圧、加熱および加圧をやめ、電力変換装置１が得られる。

この実施の形態１によれば、ヒートシンク１１の基部１１ａの表面に樹脂厚み規制部材１３および未硬化の絶縁樹脂材１２ａを配設し、加熱しつつパワーモジュール２により未硬化の絶縁樹脂材１２ａを基部１１ａ側に加圧することで、未硬化の絶縁樹脂材１２ａは軟化して押し潰され、樹脂厚み規制部材１３とパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間内に充填される。そして、パワーモジュール２は、樹脂厚み規制部材１３に当接して、それ以上の基部１１ａ側の移動が阻止されるので、当該空間内に充填された硬化した絶縁樹脂層１２の厚みは樹脂厚み規制部材１３の厚みとなる。したがって、硬化した絶縁樹脂層１２の厚みを高精度に管理でき、要求される電気絶縁性と熱伝導性を安定して確保することができる。

未硬化の絶縁樹脂材１２ａは、樹脂厚み規制部材１３内に配置され、硬化前の軟化した状態で加圧されるので、高圧が未硬化の絶縁樹脂材１２ａに印加され、未硬化の絶縁樹脂材１２ａ内のボイドが押し潰されて小さくなる。このように、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが硬化して得られる絶縁樹脂層１２内のボイドサイズを小さくできるので、パッショエンの法則からわかるように、高い絶縁性能を実現できる。

未硬化の絶縁樹脂材１２ａが減圧雰囲気中で加圧されるので、未硬化の絶縁樹脂材１２ａは押し潰されて平面方向に延ばされる。そこで、未硬化の絶縁樹脂材１２ａ内のボイドは平面方向に樹脂厚み規制部材１３側に移動し、減圧雰囲気中に放出される。これにより、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが硬化して得られる絶縁樹脂層１２内のボイドが少なくなり、高い絶縁性能を実現できる。

なお、上記実施の形態１では、樹脂厚み規制部材１３が金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面を取り囲むように配設されているものとしているが、樹脂厚み規制部材を枠状体に作製する必要はなく、例えば、所定厚みの島状体を、金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面の外側に、当該露出面を取り囲むように、複数箇所に配設してもよい。この場合、パワーモジュール２とヒートシンク１１との間に配置される未硬化の絶縁樹脂材１２ａの容積を管理すれば、絶縁樹脂材１２ａをパワーモジュール２とヒートシンク１１との間に隙間なく充填できるとともに、加圧による絶縁樹脂材１２ａのはみ出しを抑制できる。

また、上記実施の形態１では、樹脂厚み規制部材１３を電気絶縁性材料により作製するものとしているが、樹脂厚み規制部材は、電気絶縁性材料に限定されず、例えばヒートシンク１１と同じ金属材料で作製してもよい。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置における要部断面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。

図６および図７において、樹脂厚み規制部材１３Ａは、枠状体の一辺の上面に枠状体の内外を連通する連通溝１４が凹設され、下面を基部１１ａの表面に向けて配設されている。そして、電力変換装置１Ａでは、連通溝１４の上部開口がモールド樹脂５により塞口され、樹脂厚み規制部材１３Ａとパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間と外部とを連通する貫通穴が形成され、当該空間に充填された絶縁樹脂層１２の余剰分がその貫通穴内に入り込んでいる。
なお、実施の形態２における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２においても、電力変換装置１Ａは、上記実施の形態１と同様に製造される。そこで、加熱しつつ加圧する未硬化の絶縁樹脂材１２ａの硬化工程中に発生するパワーモジュール２およびヒートシンク１１の圧力の面内分布により、樹脂厚み規制部材１３Ａとパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間内におけるパワーモジュール２と基部１１ａとの隙間が増減する。これにより、当該空間の容積が増減する。

電力変換装置１Ａでは、軟化して押し潰されて当該空間内に充填された未硬化の絶縁樹脂材１２ａは、当該空間の容積の増減に伴い、当該空間から貫通穴（連通溝１４）内に入り込み、あるいは貫通穴から当該空間内に戻される。このように、この貫通穴が絶縁樹脂層体積増減吸収部として機能し、未硬化の絶縁樹脂材１２ａの硬化工程における当該空間の容積の増減に起因して発生する絶縁樹脂層１２の厚みの増加や不足を防止できる。

樹脂厚み規制部材１３内に配置される未硬化の絶縁樹脂材１２ａを当該空間の容積より僅かに大きい容積に作製すれば、未硬化の絶縁樹脂材１２ａの余剰分が貫通穴内に入り込み、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが当該空間内に隙間なく充填される。したがって、未硬化の絶縁樹脂材１２ａが硬化して得られる絶縁樹脂層１２は、当該空間内に隙間なく充填され、優れた電気絶縁性と熱伝導性が得られる。また、絶縁樹脂層１２と外部雰囲気との接触も最小限に抑えることができ、絶縁樹脂層１２の吸湿に起因する絶縁性の低下を抑えることができる。

連通溝１４が樹脂厚み規制部材１３Ａの上面、すなわちパワーモジュール２側に形成されているので、未硬化の絶縁樹脂材１２ａの連通溝１４へのはみ出し量が少なくなり、未硬化の絶縁樹脂材１２ａを樹脂厚み規制部材１３Ａとパワーモジュール２と基部１１ａとにより構成される空間に隙間なく充填できる。つまり、軟化した絶縁樹脂材１２ａは、押し潰されて樹脂厚み規制部材１３Ａ側に拡散する。このとき、絶縁樹脂材１２ａは、ヒートシンク１１の基部１１ａの表面側が金属配線部材４側に先行して平面方向に拡散するので、樹脂厚み規制部材１３Ａに到達した絶縁樹脂材１２ａは樹脂厚み規制部材１３Ａの基部１１ａ側からモールド樹脂５側に盛り上がり、当該空間内に隙間なく充填され、絶縁樹脂材１２ａの余剰分が連通溝１４にはみ出す。

一方、連通溝１４が樹脂厚み規制部材１３Ａの下面、すなわち基部１１ａ側に形成されていると、樹脂厚み規制部材１３Ａに到達した絶縁樹脂材１２ａは、連通溝１４からはみ出るとともに、樹脂厚み規制部材１３Ａの基部１１ａ側からモールド樹脂５側に盛り上がることになる。したがって、この連通溝１４からのはみ出る量を考慮して、樹脂厚み規制部材１３Ａ内に配置される未硬化の絶縁樹脂材１２ａの容積を大きくする必要がある。このように、樹脂厚み規制部材１３Ａ内に配置される未硬化の絶縁樹脂材１２ａの使用量を削減する観点から、連通溝１４は樹脂厚み規制部材１３Ａの上面に形成することが好ましい。もちろん、連通溝１４からのはみ出る量を考慮して、樹脂厚み規制部材１３Ａ内に配置される未硬化の絶縁樹脂材１２ａの容積を大きくできるのであれば、樹脂厚み規制部材１３Ａの上面や上下面間に連通溝１４を形成してもかまわない。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す断面図である。

図８において、樹脂厚み規制部材１３Ｂは、外形がモールド樹脂５より大形であり、内形がモールド樹脂５より小形であって、金属配線部材４のモールド樹脂５からの露出面を取り囲む所定厚みを有する枠状体１３ａと、枠状体１３ａの相対する二辺の上面のモールド樹脂５の外側の部位に立設された端子台１３ｂと、を備えている。そして、入出力端子７，９は、端子台１３ｂにより外部端子１５ａ，１５ｂに電気的に接続されている。
なお、実施の形態３における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３による電力変換装置１Ｂでは、端子台１３ｂが樹脂厚み規制部材１３Ｂに一体に形成されているので、入出力端子７，９を外部端子１５ａ，１５ｂに接続する端子台を新たに用意する必要がなく、部品点数が削減でき、組立性が向上できるとともに、低コスト化が図られる。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４に係る電力変換装置における要部断面図である。

図９において、モールド樹脂５Ａは、金属配線部材４の露出面側の面の外周縁部に所定高さの枠状に延出する突起部１６を備えている。この突起部１６は半導体素子３が搭載された金属配線部材４をインサートモールド成形する際に、モールド樹脂５Ａに一体に成形される。すなわち、パワーモジュール２Ａの成形時に、突起部１６が同時に成形される。
なお、実施の形態４における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態４における電力変換装置１Ｃでは、絶縁樹脂層１２がモールド樹脂５Ａ、金属配線部材４、およびヒートシンク１１により構成される空間内に充填硬化されている。そして、当該空間における金属配線部材４とヒートシンク１１との間の間隔は突起部１６の延出高さにより規定される。すなわち、突起部１６が樹脂厚み規制部材として機能する。

そこで、この実施の形態４においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
この実施の形態４によれば、樹脂厚み規制部材として機能する突起部１６がモールド樹脂５Ａに一体に形成されているので、樹脂厚み規制部材を新たに用意する必要がなく、部品点数が削減でき、組立性が向上できるとともに、低コスト化が図られる。

実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５に係る電力変換装置における要部断面図である。

図１０において、ヒートシンク１１Ａは、基部１１ａの表面に外周縁部を枠状に残して所定深さで凹設された凹部１７を備えている。凹部１７は、例えば、押し出し成形により作製されたヒートシンクの基部１１ａの表面に切削加工などを施して形成される。
なお、実施の形態５における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態５における電力変換装置１Ｄでは、絶縁樹脂層１２がモールド樹脂５、金属配線部材４、およびヒートシンク１１Ａにより構成される空間内に充填硬化されている。そして、当該空間における金属配線部材４とヒートシンク１１Ａの凹部１７の底面との間の間隔は凹部１７の深さにより規定される。すなわち、基部１１ａの表面の外周縁部に枠状に残った枠状部が樹脂厚み規制部材として機能する。なお、基部１１ａに凹部１７を凹設することは、樹脂厚み規制部材を基部１１ａの表面の外周縁部に枠状に突設することを意味する。

そこで、この実施の形態５においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
この実施の形態５によれば、樹脂厚み規制部材として機能する枠状体がヒートシンク１１Ａの基部１１ａの表面の外周縁部に一体に形成されているので、樹脂厚み規制部材を新たに用意する必要がなく、部品点数が削減でき、組立性が向上できるとともに、低コスト化が図られる。

実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６に係る電力変換装置における要部断面図である。

図１１において、ヒートシンク１１Ｂは、基部１１ａの表面の外周縁部に所定高さの枠状に延出する突起部１８を備えている。突起部１８は、例えば、押し出し成形により作製されたヒートシンクの基部１１ａの表面に切削加工などを施して形成される。
なお、実施の形態６における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態６における電力変換装置１Ｅでは、絶縁樹脂層１２がモールド樹脂５、金属配線部材４、およびヒートシンク１１Ｂにより構成される空間内に充填硬化されている。そして、当該空間における金属配線部材４とヒートシンク１１Ｂの基部１１ａとの間の間隔は突起部１８の延出高さにより規定される。すなわち、突起部１８が樹脂厚み規制部材として機能する。

そこで、この実施の形態６においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
この実施の形態６によれば、樹脂厚み規制部材として機能する突起部１８がヒートシンク１１Ａの基部１１ａの表面の外周縁部に一体に形成されているので、樹脂厚み規制部材を新たに用意する必要がなく、部品点数が削減でき、組立性が向上できるとともに、低コスト化が図られる。

なお、上記実施の形態５，６では、ヒートシンク１１Ａ，１１Ｂを押し出し成形により作製した後、基部１１ａの表面に切削加工を施して凹部１７や突起部１８を形成するものとしているが、ヒートシンク１１Ａ，１１Ｂは鍛造により作製してもよい。この場合、凹部１７や突起部１８が鍛造により同時に形成されるので、基部１１ａの表面への切削加工が不要となり、低コスト化が図られる。

実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７に係る電力変換装置の構成を説明する図であり、図１２の（ａ）は要部断面図、図１２の（ｂ）は要部背面図である。

図１２において、ヒートシンク１１Ｃは、矩形平板状の基部１１ａと、それぞれ円柱状に作製され、基部１１ａの裏面に直角に延設されて格子状に配列された放熱フィン１１ｃと、基部１１ａに表面に凹設された凹部１７と、を備えている。
なお、実施の形態７における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態７における電力変換装置１Ｆでは、絶縁樹脂層１２がモールド樹脂５、金属配線部材４、およびヒートシンク１１Ｃにより構成される空間内に充填硬化されている。そして、当該空間における金属配線部材４とヒートシンク１１Ｃの基部１１ａとの間の間隔は凹部１７の深さにより規定される。すなわち、基部１１ａの表面の外周縁部に枠状に残った枠状部が樹脂厚み規制部材として機能する。

そこで、この実施の形態７においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
ここで、ヒートシンク１１Ｃを鍛造により作製すれば、凹部１７が鍛造により同時に形成されるので、基部１１ａの表面への切削加工が不要となり、低コスト化が図られる。

実施の形態８．
図１３はこの発明の実施の形態８に係る電力変換装置を示す要部断面図、図１４は図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ矢視断面図である。

図１３および図１４において、ヒートシンク１１Ｄは、所定の厚肉の矩形平板状に作製され、凹部１７が表面に凹設された基部２０と、それぞれ薄肉の矩形平板状に作製され、所定の間隔を確保して厚み方向に多層に積層され、互いにろう付けされて一体化され、積層方向を基部２０の裏面と直交するように基部２０の裏面にろう付けされている複数の放熱フィン２１と、を備えている。放熱フィン２１間および放熱フィン２１と基部２０との間のろう付け部２２は、図１４に示されるように、格子状に配列されている。
なお、実施の形態８における他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態８における電力変換装置１Ｇでは、絶縁樹脂層１２がモールド樹脂５、金属配線部材４、およびヒートシンク１１Ｃにより構成される空間内に充填硬化されている。そして、当該空間における金属配線部材４とヒートシンク１１Ｄの基部２０との間の間隔は凹部１７の深さにより規定される。すなわち、基部２０の表面の外周縁部に枠状に残った枠状部が樹脂厚み規制部材として機能する。

そこで、この実施の形態８においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
この実施の形態８によれば、薄肉の矩形平板状の放熱フィン２１が、厚み方向に多層に重ねられ、ろう付けされて一体化され、積層方向を基部２０の裏面と直交するように基部２０の裏面に接合されている。そこで、絶縁樹脂層１２の硬化工程において、パワーモジュール２を介してヒートシンク１１Ｄに作用する荷重は、放熱フィン２１の積層方向に作用するので、絶縁樹脂層１２の硬化工程中に、放熱フィン２１が曲がるような事態が回避される。
ヒートシンク１１Ｄが基部２０と放熱フィン２１とを接合して作製されているので、基部２０と放熱フィン２１とのそれぞれを最適な方法で製造することができ、基部２０と放熱フィン２１の寸法精度を高めることができる。

実施の形態９．
図１５はこの発明の実施の形態９に係る電力変換装置を示す断面図、図１６はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置における金属配線部材に抜きだれが発生した状態を示す要部断面図、図１７はこの発明の実施の形態９に係る電力変換装置における金属配線部材に抜きだれが発生した状態を示す要部断面図である。

図１５において、金属配線部材４Ａは、その裏面の周縁部をＨ’だけ凹ませて半導体素子３の搭載領域の下部を取り囲むように形成された枠状の薄肉部４ａを有している。パワーモジュール２Ｂは、金属配線部材４Ａの裏面を露出するようにインサートモールド成形されている。樹脂厚み規制部材１３Ｃは、金属配線部材４Ａとヒートシンク１１との間に介装される絶縁樹脂層１２に要求される厚みＨと金属配線部材４Ａの周縁部の凹み量Ｈ’との総和（Ｈ＋Ｈ’）の厚みを有する枠状体に作製されている。絶縁樹脂層１２は、パワーモジュール２Ｂ、樹脂厚み規制部材１３Ｃおよびヒートシンク１１により構成された空間内に充填硬化されている。

この実施の形態９における電力変換装置１Ｈでは、絶縁樹脂層１２が、パワーモジュール２Ｂ、樹脂厚み規制部材１３Ｃおよびヒートシンク１１により構成された空間内に充填硬化され、金属配線部材４Ａとヒートシンク１１との間の絶縁樹脂層１２の厚みが樹脂厚み規制部材１３Ｃにより規定される。
したがって、この実施の形態９においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態９によれば、金属配線部材４Ａとヒートシンク１１との間の沿面距離は、金属配線部材４Ａの外側に延在する絶縁樹脂層１２の部分の距離Ｌと樹脂厚み規制部材１３Ｃの厚み（Ｈ＋Ｈ’）との総和となり、金属配線部材４とヒートシンク１１との間の電気的絶縁性、すなわち絶縁性能が一層高められる。

この実施の形態９では、薄肉部４ａが金属配線部材４Ａの周縁部に形成されているので、放熱性に寄与する半導体素子３の搭載領域下部の金属配線部材４Ａの部分の厚みが十分に確保されている。そこで、薄肉部４ａを形成することに起因する金属配線部材４Ａの放熱性の悪化が抑えられる。

ここで、この実施の形態９による絶縁樹脂層１２の剥離抑制効果を実施の形態１と対比して説明する。

実施の形態１，９では、ヒートシンク１１が放熱フィン１１ｂを備えており、空気により冷却する方式となっているが、ヒートシンク１１に冷媒流路を形成し、冷媒により冷却する方式としてもよい。この場合、冷媒に対する耐腐食性を確保するために、ヒートシンク１１にはアルミニウムが用いられるのが一般的である。一方、金属配線部材４，４Ａには、熱伝導性および電気伝導性の観点から、銅が用いられるのが一般的である。このように、金属配線部材４，４Ａとヒートシンク１１とが異なる金属材料で作製されている場合には、両者の熱膨張係数差による熱応力が絶縁樹脂層１２に作用する。そして、熱応力により絶縁樹脂層１２に発生する歪みは、絶縁樹脂層１２の周縁ほど大きくなる。

実施の形態１では、絶縁樹脂層１２が均一、かつ薄い厚さとなっているので、絶縁樹脂層１２が熱応力を吸収しきれず、最悪の場合には、絶縁樹脂層１２の周縁部が剥離する。この絶縁樹脂層１２の剥離が周縁部から伸展して金属配線部材４に到達すると、金属配線部材４とヒートシンク１１との間で放電する可能性がある。

また、図１６に示されるように、金属配線部材４がプレスで打ち抜かれて作製された場合、その抜きだれＡが金属配線部材４の周縁部に形成されると、パワーモジュール２の成形時に、モールド樹脂５が抜きだれＡの部位に染み込み、薄いモールド樹脂層が形成される。このような抜きだれＡの部位に薄いモールド樹脂層が形成されたパワーモジュール２を用いて電力変換装置１を作製した場合には、上述の熱応力により、抜きだれＡの部位の薄いモールド樹脂層から剥離し、そこから絶縁樹脂層１２の剥離が伸展する。

この実施の形態９では、薄肉部４ａが金属配線部材４Ａの周縁部に形成されているので、熱応力による歪みの影響が最も大きな絶縁樹脂層１２の周縁部が厚くなっている。そこで、絶縁樹脂層１２の周縁部が熱応力を効果的に吸収し、歪みの発生が抑えられる。これにより、熱応力に起因する絶縁樹脂層１２の周縁部の剥離の発生が抑制される。また、図１７に示されるように、抜きだれＡが薄肉部４ａに形成されていても、熱応力に起因する抜きだれＡの部位の薄いモールド樹脂層の剥離の発生が抑制される。

なお、上記実施の形態９では、薄肉部４ａが金属配線部材４Ａの周縁部に枠状に形成されているものとしているが、熱応力に起因する絶縁樹脂層１２の剥離を抑制する観点からは、薄肉部を金属配線部材の周縁部に枠状に形成する必要はなく、熱応力による歪みの影響が大きい金属配線部材の四隅に形成すればよい。この場合、熱応力を効果的に吸収できるとともに、薄肉部を形成することに起因する金属配線部材の放熱性の悪化を最小限に抑えることができる。

実施の形態１０．
図１８はこの発明の実施の形態１０に係る電力変換装置を示す断面図である。

図１８において、沿面距離増大用溝１９が、モールド樹脂５Ｂの裏面に、樹脂厚み規制部材１３の内側で、かつ金属配線部材４の露出面を取り囲むように枠状に所定深さに凹設されている。この沿面距離増大用溝１９は、パワーモジュール２Ｃの成形時に、モールド樹脂５Ｂに同時に成形される。絶縁樹脂層１２は、パワーモジュール２Ｃ、樹脂厚み規制部材１３およびヒートシンク１１により構成された空間内に充填硬化されている。

この実施の形態１０における電力変換装置１Ｉでは、絶縁樹脂層１２が、パワーモジュール２Ｃ、樹脂厚み規制部材１３およびヒートシンク１１により構成された空間内に充填硬化され、金属配線部材４とヒートシンク１１との間の絶縁樹脂層１２の厚みが樹脂厚み規制部材１３により規定される。
したがって、この実施の形態１０においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態１０では、絶縁樹脂層１２が金属配線部材４の露出面を取り囲む沿面距離増大用溝１９内に充填されているので、金属配線部材４とヒートシンク１１との間の沿面距離が増大し、小型、かつ優れた絶縁性能の電力変換装置１Ｉが得られる。

２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ パワーモジュール、３ 半導体素子、４，４Ａ 金属配線部材、５，５Ａ，５Ｂ モールド樹脂、７，９ 入出力端子、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ ヒートシンク、１２ 絶縁樹脂層、１２ａ 未硬化の絶縁樹脂材、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１６，１８ 樹脂厚み規制部材、１４ 連通溝（連通穴）、１９ 沿面距離増大用溝、２０ 基部、２１ 放熱フィン。

Claims (8)

1. 金属配線部材、該金属配線部材の表面にろう付けされて搭載された半導体素子、該金属配線部材の裏面を露出させて、該金属配線部材および該半導体素子を埋設するモールド樹脂、および該モールド樹脂から延出する入出力端子を有するパワーモジュールと、
   上記金属配線部材の上記モールド樹脂からの露出面に対向して配設されるヒートシンクと、
   上記モールド樹脂の上記金属配線部材の露出面の外側部位と上記ヒートシンクとの間に挟持されて、該金属配線部材の露出面と該ヒートシンクとの間に所定の隙間を形成する樹脂厚み規制部材と、
   上記金属配線部材の露出面を覆うように上記パワーモジュールと上記ヒートシンクとの間に充填された絶縁樹脂層と、を備え、
   上記樹脂厚み規制部材は、上記金属配線部材の露出面を取り囲む枠状に形成されて上記モールド樹脂と上記ヒートシンクとの間に介装される枠状体、および上記枠状体に一体に形成されて、上記モールド樹脂の外側に配置される端子台を備える、電気絶縁性材料により単一な部材に作製され、
   上記絶縁樹脂層が、上記パワーモジュール、上記樹脂厚み規制部材、および上記ヒートシンクにより形成される空間内に充填され、
   上記入出力端子が、上記端子台に保持されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 上記空間と外部とを連通する連通穴が上記樹脂厚み規制部材に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記金属配線部材の上記半導体素子の搭載領域の下部を取り囲む薄肉部が該金属配線部材の周縁部を全周にわたって表面側に凹ませて形成されていることを特徴とする請求項１又は至請求項２記載の電力変換装置。
4. 薄肉部が上記金属配線部材の周縁部の角部のみを表面側に凹ませて形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
5. 沿面距離増大用溝が、上記モールド樹脂の上記ヒートシンクと相対する面に、上記樹脂厚み規制部材の内側に、かつ上記金属配線部材の露出面を取り囲むように凹設され、
   上記絶縁樹脂層が、上記沿面距離増大用溝内に充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 上記ヒートシンクは、表面を上記金属配線部材の露出面に向けて配置される基部と、上記基部の裏面に接合された複数の放熱フィンと、から構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 上記複数の放熱フィンは、それぞれ平板状に作製され、所定の隙間を確保して厚み方向に積層され、互いにろう付けされて一体化され、その積層方向を上記基部の裏面と直交させるように該基部の裏面に接合されていることを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
8. 上記金属配線部材と上記ヒートシンクとが同じ金属材料により作製されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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