JP5861846B2 - Power converter and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、インバータ、サーボコントローラ、ＵＰＳなど、パワー半導体素子を用いた電力変換器に関する。   The present invention relates to a power converter using a power semiconductor element such as an inverter, a servo controller, or a UPS.

パワー半導体素子などからなる電力変換器は、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡る分野で用いられている。   Power converters composed of power semiconductor elements and the like are used in a wide range of fields from consumer equipment such as home air conditioners and refrigerators to industrial equipment such as inverters and servo controllers.

パワー半導体素子は、消費電力の点から、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。この配線板にパワー半導体素子などの１つまたは複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによってパワー半導体モジュールを構成する。   The power semiconductor element is mounted on a wiring board such as a metal base substrate or a ceramic substrate from the viewpoint of power consumption. One or a plurality of circuit elements such as a power semiconductor element are mounted on the wiring board, a plastic case frame is bonded, and the power semiconductor module is configured by sealing with a silicone gel or an epoxy resin.

一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモードパワー半導体モジュールもある（例えば、特許文献１参照）。   On the other hand, in order to reduce the manufacturing cost, there is a full mode power semiconductor module using a transfer molding method (see, for example, Patent Document 1).

通常、電力変換器は、上記のパワー半導体モジュールを主回路に用い、この主回路とその他の電源回路や制御用の回路から構成されている。電源回路や制御用の回路は、ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品から構成されているが、通常、プリント配線板に実装される。   Usually, a power converter uses the power semiconductor module described above as a main circuit, and is composed of the main circuit and other power supply circuits and control circuits. The power supply circuit and the control circuit are composed of various parts such as an IC, an LSI, a resistor, a capacitor, and a reactor, but are usually mounted on a printed wiring board.

図１７に従来の電力変換器の構造の一例を示す。パワー半導体モジュール１０は、ヒートシンク７の上に放熱性を高めるために放熱グリスを介し搭載される。そして、電子回路部品が搭載されたプリント配線板９ａ、プリント配線板９ｂを上部に配置し、ピン等で接合される。そして、ケース８で覆われて、電力変換器２００が構成されている。   FIG. 17 shows an example of the structure of a conventional power converter. The power semiconductor module 10 is mounted on the heat sink 7 via heat dissipation grease in order to enhance heat dissipation. Then, the printed wiring board 9a and the printed wiring board 9b on which electronic circuit components are mounted are arranged on the upper part, and are joined by pins or the like. And it is covered with case 8, and the power converter 200 is comprised.

図１７において、パワー半導体モジュール１０は、絶縁基板１１、接続リード端子１８，１８Ａ、絶縁樹脂１９、パワー半導体素子４、アルミワイヤ１２、ケース本体２０および蓋２１を備えている。絶縁基板１１は、金属ベース１５の表面に絶縁層１６が形成され、絶縁層１６の表面に回路パターン１７が形成されたものである。金属ベース１５は、例えばアルミニウム板、アルミニウム合金による板、銅板、銅合金による板などである。絶縁層１６は、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂を固化して形成した絶縁層である。回路パターン１７は、例えば銅の薄膜を形成したパターンである。   In FIG. 17, the power semiconductor module 10 includes an insulating substrate 11, connection lead terminals 18 and 18 </ b> A, an insulating resin 19, a power semiconductor element 4, an aluminum wire 12, a case body 20, and a lid 21. The insulating substrate 11 is obtained by forming an insulating layer 16 on the surface of the metal base 15 and forming a circuit pattern 17 on the surface of the insulating layer 16. The metal base 15 is, for example, an aluminum plate, a plate made of an aluminum alloy, a copper plate, a plate made of a copper alloy, or the like. The insulating layer 16 is an insulating layer formed by solidifying an epoxy resin containing an inorganic filler such as silicon oxide, aluminum oxide, or aluminum nitride. The circuit pattern 17 is a pattern in which, for example, a copper thin film is formed.

絶縁基板１１上には樹脂（エポキシ、ＰＰＳ、ＰＢＴなど）製のケース本体２０が固着されて収容空間が形成される。絶縁基板１１の回路パターン１７にはパワー半導体素子４の裏面電極や接続リード端子１８，１８Ａがはんだ付けにより接合（接続・固定）され、パワー半導体素子４の表面電極と回路パターン１７とはアルミワイヤ１２により接続される。そして、ケース本体２０で形成される収容空間内に、熱伝導性が高いシリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁樹脂１９が充填されてパワー回路を封止し、ケース本体２０の開口部をケース本体２０と同じ樹脂製の蓋２１で覆っており、蓋２１を接続リード端子１８，１８Ａが貫通している。   A case body 20 made of resin (epoxy, PPS, PBT, etc.) is fixed on the insulating substrate 11 to form an accommodation space. The back electrode of the power semiconductor element 4 and the connection lead terminals 18 and 18A are joined (connected / fixed) to the circuit pattern 17 of the insulating substrate 11 by soldering. The front electrode of the power semiconductor element 4 and the circuit pattern 17 are made of aluminum wire. 12 is connected. Then, the housing space formed by the case main body 20 is filled with an insulating resin 19 such as silicone gel or epoxy resin having high thermal conductivity to seal the power circuit, and the opening of the case main body 20 is connected to the case main body 20. Are covered with the same resin lid 21, and the connection lead terminals 18, 18 </ b> A penetrate the lid 21.

プリント配線板９ａ，９ｂは、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３ａ，２３ｂにそれぞれ例えば銅箔からなる回路パターン２４ａ，２４ｂが形成されたものである。プリント配線板９ａには表面実装型の電子回路部品６ｃ，６ｄ，６ｅがはんだ付けで実装されており、プリント配線板９ｂには穴挿入実装型の電子回路部品６ｆ，６ｇがはんだ付けで実装されている。プリント配線板９ａ，９ｂは支柱２５，２５Ａを介してヒートシンク７に支持固定される。   For the printed wiring boards 9a and 9b, circuit patterns 24a and 24b made of, for example, copper foil are formed on electrically insulating substrate bodies 23a and 23b made of, for example, glass epoxy (epoxy resin reinforced with glass fiber). Is. Surface-mounted electronic circuit components 6c, 6d, and 6e are mounted on the printed wiring board 9a by soldering, and hole insertion mounting type electronic circuit components 6f and 6g are mounted on the printed wiring board 9b by soldering. ing. The printed wiring boards 9a and 9b are supported and fixed to the heat sink 7 via support columns 25 and 25A.

パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体モジュール１０の上部に配置されるプリント配線板９ａ，９ｂと接続リード端子１８，１８Ａを介して接続される。図１７では、接続リード端子１８がプリント配線板９ｂの回路パターン２４ｂと配線２６で接続されるとともに、接続リード端子１８Ａがプリント配線板９ａの回路パターン２４ａに直接接続される構成が示されている。   The power semiconductor module 10 is connected to printed wiring boards 9a and 9b disposed on the power semiconductor module 10 via connection lead terminals 18 and 18A. FIG. 17 shows a configuration in which the connection lead terminal 18 is connected to the circuit pattern 24b of the printed wiring board 9b by the wiring 26, and the connection lead terminal 18A is directly connected to the circuit pattern 24a of the printed wiring board 9a. .

特開平９−１３９４６１号公報JP-A-9-139461

しかしながら、パワー半導体モジュールは、絶縁基板にパワー半導体素子を実装しており、ヒートシンクまでに、多数の材料が介在するため、一定の熱抵抗があり、必ずしも冷却特性が十分ではなく、パワー半導体から発生する熱を十分に逃がすことができなかった。   However, a power semiconductor module has a power semiconductor element mounted on an insulating substrate, and a large number of materials intervene up to the heat sink. Therefore, there is a certain thermal resistance, and the cooling characteristics are not always sufficient. I couldn't release enough heat.

ここで熱抵抗が低減できるほど、運転時のパワー半導体素子の温度は低くすることが可能であり、その結果、パワー半導体素子のチップサイズが小さくでき、コストの低減に繋げられる。   Here, as the thermal resistance can be reduced, the temperature of the power semiconductor element during operation can be lowered. As a result, the chip size of the power semiconductor element can be reduced, leading to cost reduction.

また、パワー半導体モジュールは、ひとつの製品となっており、電力変換器の内部に配置するためには一定の容積が必要なため、小形化の妨げとなるとともに、電力変換器のコストの低減の妨げとなっていた。   In addition, the power semiconductor module is a single product that requires a certain volume to be placed inside the power converter, which hinders downsizing and reduces the cost of the power converter. It was a hindrance.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、放熱性に優れ、小形化が可能であって、低コスト化の要求に応える優れた電力変換器を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and its object is to provide an excellent power converter that is excellent in heat dissipation, can be miniaturized, and meets the demand for cost reduction. Is to provide.

本発明は、このような目的を達成するために、上面および下面を有する金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、前記金属ブロックを収めることが可能な孔が明けられたプリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットと、冷却用ヒートシンクとを備え、前記金属ブロックが前記孔にはめ込まれるようにして前記パワー半導体ユニットと前記プリント配線板ユニットとが一体とされた電力変換回路組立体が構成されているとともに、前記金属ブロックの下面と前記金属ブロックの側面の少なくとも一部とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層として形成されてなり、前記下面の放熱用絶縁層と前記側面の放熱用絶縁層とはつながるように設けられ、前記金属ブロックの下面が前記放熱用絶縁層を介して前記冷却用ヒートシンクの上面に当接するようにして前記電力変換回路組立体が前記冷却用ヒートシンクに取付けられた構成とする（請求項１の発明）。 In order to achieve such an object, the present invention includes a power semiconductor unit in which a first circuit element made of a power semiconductor element is mounted on an upper surface of a metal block having an upper surface and a lower surface, and the metal block. The power semiconductor includes a printed wiring board unit in which a second circuit element is mounted on a printed wiring board in which a hole capable of being formed is mounted and a heat sink for cooling, and the metal block is fitted in the hole. A power conversion circuit assembly in which the unit and the printed wiring board unit are integrated is configured, and a ceramic material is directly applied to the lower surface of the metal block and at least a part of the side surface of the metal block. is formed becomes as provided so as to connect the heat radiation insulating layer of the side and the lower surface of the heat radiating insulating layer The lower surface of the metal block is said to through the heat radiating insulating layer so as to contact with the upper surface of the cooling heat sink power conversion circuit assembly is configured to attached to the cooling heat sink (the invention of claim 1 ).

この発明によれば、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックがセラミックス材料からなる放熱用絶縁層を介して冷却用ヒートシンクと直接接することから、パワー半導体素子からなる第１の回路素子の下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性を向上させることができる。したがって、パワー半導体素子として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体チップを採用することが可能となる。   According to the present invention, since the metal block having a high heat capacity and excellent heat dissipation is in direct contact with the cooling heat sink via the heat dissipation insulating layer made of the ceramic material, the lower part of the first circuit element made of the power semiconductor element is formed. Since heat resistance can be reduced, heat dissipation can be improved. Therefore, it is possible to employ a power semiconductor chip with lower cost and smaller area as the power semiconductor element.

また、金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、プリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットとが、金属ブロックがプリント配線板の孔にはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体が構成されていることにより、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がないため、上記ケースに設けた接続リード端子を介して他の電子回路部品が搭載されたプリント配線板と接続する必要がなく、電力変換器の容積を低減することが可能となる。   Further, a power semiconductor unit in which a first circuit element made of a power semiconductor element is mounted on an upper surface of the metal block, and a printed wiring board unit in which a second circuit element is mounted on a printed wiring board include a metal block. Is integrated into the hole of the printed wiring board, and the power conversion circuit assembly is configured, so that only the main circuit portion consisting of power semiconductor elements is independent as in the case of conventional power semiconductor modules. Therefore, it is not necessary to connect to the printed wiring board on which other electronic circuit components are mounted via the connection lead terminals provided in the case, and the volume of the power converter can be reduced. Become.

さらに、専用のパワー半導体モジュールを用いる必要がないので、電力変換器のコスト低減に繋がる。   Furthermore, since it is not necessary to use a dedicated power semiconductor module, the cost of the power converter is reduced.

金属ブロックと冷却用ヒートシンクとの間での放電経路となり得る金属ブロックの側面の少なくとも一部にも放熱用絶縁層が下面の放熱用絶縁層とつながるように設けられることにより、絶縁性をより高めることができる。   Insulation is further improved by providing a heat-dissipating insulating layer connected to the heat-dissipating insulating layer on the lower surface on at least a part of the side surface of the metal block that can be a discharge path between the metal block and the cooling heat sink. be able to.

また、前記金属ブロックの下面と前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなる構成とすることができる（請求項２の発明）。 Further, a ceramic material can be directly formed as the heat-dissipating insulating layer on the lower surface of the metal block and the peripheral area of the metal block on the lower surface of the printed wiring board (Invention of Claim 2 ). .

また、前記孔は、導体層からなるスルーホール部の開口部であって、前記金属ブロックは、前記スルーホール部にはんだ付で固定されているとともに、前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域は、前記スルーホール部のランド面である構成とすることができる（請求項３の発明）。 The hole is an opening of a through hole portion made of a conductor layer, and the metal block is fixed to the through hole portion by soldering, and the metal block on the lower surface of the printed wiring board The peripheral region may be configured to be a land surface of the through-hole portion (invention of claim 3 ).

また、前記パワー半導体ユニットは、前記金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、前記第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続した構成とすることができる（請求項４の発明）。 The power semiconductor unit is formed by laminating a ceramic material directly on a part of the upper surface of the metal block and laminating a metal material on the upper surface of the relay electrode insulating layer. A relay wire, a bonding wire or a lead frame from the first circuit element is bonded to the relay electrode, and the relay electrode and a circuit pattern portion on the upper surface side of the printed wiring board are connected to each other. (Invention of claim 4 ).

この構成によれば、第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合するとともに、中継電極とプリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続していることにより、第１の回路素子とプリント配線板の上面側の回路パターン部とは上記中継電極を介して接続されている。   According to this configuration, the bonding wire or the lead frame from the first circuit element is bonded to the relay electrode, and the relay electrode and the circuit pattern portion on the upper surface side of the printed wiring board are connected to each other. The circuit element and the circuit pattern portion on the upper surface side of the printed wiring board are connected via the relay electrode.

このため、パワー半導体素子からなる第１の回路素子が動作時に発生し、第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極およびセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わり、プリント配線板の上面側の回路パターン部の方に伝わる熱量が十分に小さく抑制されるので、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。   For this reason, the first circuit element made of the power semiconductor element is generated during operation, and the heat transferred along the bonding wire or the lead frame from the first circuit element is mainly made of the relay electrode and the ceramic material. Since it is transmitted to the metal block with high heat capacity and excellent heat dissipation through the insulating layer for electrodes, the amount of heat transmitted to the circuit pattern part on the upper surface side of the printed wiring board is suppressed sufficiently small, so in the power converter The heat dissipation can be further improved.

また、前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成した構成とすることができる（請求項８の発明）。 The relay electrode may be formed by spraying copper particles as a metal material (invention of claim 8 ).

また、前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続した構成とすることができる（請求項５の発明）。 Further, it can be configured that is connected via the relay electrode and the upper surface side of the circuit pattern portion and a bonding wire or lead frame of the printed circuit board (invention of claim 5).

また、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍである構成とすることができる（請求項６の発明）。 The heat dissipation insulating layer and / or the relay electrode insulating layer may have a thermal conductivity of 1 to 200 W / m · K and a thickness of 10 to 500 μm. 6 invention).

また、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなる構成とすることができ（請求項７の発明）、さらに、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させることにより形成した構成とすること（請求項９の発明）や、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成した構成とすることもできる（請求項１０の発明）。
Further, the heat dissipation insulating layer and / or the relay electrode insulating layer can be made of at least one filler group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. Item 7 ), and further, the heat dissipation insulating layer and / or the relay electrode insulating layer is formed by depositing ceramic fine particles of at least one of the filler groups by plasma spraying. (Invention of Claim 9 ), The heat dissipation insulating layer and / or the relay electrode insulating layer is formed by depositing ceramic fine particles of at least one kind of the filler group by an aerosol deposition method. (Invention of claim 10 ).

本発明によれば、放熱性に優れ、小形化が可能であって、低コスト化の要求に応える優れた電力変換器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is excellent in heat dissipation, can be reduced in size, and can provide the outstanding power converter which responds to the request | requirement of cost reduction.

本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power converter concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a different structure of the power converter concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power converter concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a different structure of the power converter concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power converter concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器における電力変換器の熱の流れを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the heat flow of the power converter in the power converter concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power converter concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the power converter concerning the 4th Embodiment of this invention. 従来の電力変換器の構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the structure of the conventional power converter.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。図１において、上面１ｂおよび下面１ａを有する金属ブロック１の上面１ｂに例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１と、金属ブロック１を収めることが可能な孔１４が明けられたプリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２とが、金属ブロック１が孔１４にはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３が構成されている。なお、以下では、金属ブロック１の上面１ｂおよび下面１ａをそれぞれ「表面１ｂ」および「裏面１ａ」とも称する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, In the range which does not change the summary, it can implement suitably. In the following description, common parts or elements are denoted by common reference symbols throughout the drawings unless otherwise specified.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a power converter according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a power semiconductor unit 51 in which a power semiconductor element 4 such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is mounted on a top surface 1b of a metal block 1 having a top surface 1b and a bottom surface 1a, and the metal block 1 can be accommodated. The printed wiring board unit 52 in which the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5 in which the possible holes 14 are formed is integrated so that the metal block 1 is fitted in the holes 14, and power conversion is performed. A circuit assembly 53 is configured. Hereinafter, the upper surface 1b and the lower surface 1a of the metal block 1 are also referred to as “front surface 1b” and “back surface 1a”, respectively.

金属ブロック１は、その下面１ａ側に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２として形成されて、絶縁金属ブロック３を構成している。放熱用絶縁層２として具体的には、金属ブロック１の下面１ａに下面部放熱用絶縁層２ａが形成されているとともに、金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部放熱用絶縁層２ｂが形成されている。側面部放熱用絶縁層２ｂは下面部放熱用絶縁層２ａにつながるように形成されている。   The metal block 1 forms an insulating metal block 3 by directly forming a ceramic material as a heat-dissipating insulating layer 2 on the lower surface 1a side. Specifically, the heat radiation insulating layer 2 includes a lower surface heat radiation insulating layer 2 a formed on the lower surface 1 a of the metal block 1, and a side surface heat radiation insulating layer 2 b formed on a part of the side surface 1 c of the metal block 1. Is formed. The side surface heat radiation insulating layer 2b is formed so as to be connected to the lower surface heat radiation insulating layer 2a.

プリント配線板５は、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４が形成されたものである。また、上記の孔１４は、金属ブロック１の例えば正方形、長方形などの形状に合わせて、プリント配線板５に形成される貫通孔である。なお、以下では、基板本体２３の上面５０１および下面５０２をそれぞれ「表面５０１」及び「裏面５０２」とも称する。また、基板本体２３の上面５０１が部品実装面となっている。   The printed wiring board 5 is obtained by forming a circuit pattern 24 made of, for example, copper foil on an electrically insulating substrate body 23 made of, for example, glass epoxy (epoxy resin reinforced with glass fiber). Moreover, said hole 14 is a through-hole formed in the printed wiring board 5 according to shapes, such as a square and a rectangle, of the metal block 1, for example. Hereinafter, the upper surface 501 and the lower surface 502 of the substrate body 23 are also referred to as “front surface 501” and “rear surface 502”, respectively. Further, the upper surface 501 of the board body 23 is a component mounting surface.

電力変換回路組立体５３は、金属ブロック１の下面１ａが放熱用絶縁層２（下面部放熱用絶縁層２ａ）を介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３を上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００が構成されている。   The power conversion circuit assembly 53 is attached to the cooling heat sink 7 such that the lower surface 1a of the metal block 1 is in contact with the upper surface 7a of the cooling heat sink 7 via the heat dissipation insulating layer 2 (lower surface heat dissipation insulating layer 2a). Installed. Further, a case 8 that covers the power conversion circuit assembly 53 from the upper side is attached to the cooling heat sink 7 to constitute a power converter 100.

電力変換器１００では、金属ブロック１の上面１ｂに実装されたパワー半導体素子４により主回路が構成されるとともに、プリント配線板５に実装された電子回路部品６ａ，６ｂにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品６ａ，６ｂとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。   In the power converter 100, a main circuit is configured by the power semiconductor element 4 mounted on the upper surface 1 b of the metal block 1, and other power supply circuits or circuits are formed by the electronic circuit components 6 a and 6 b mounted on the printed wiring board 5. A control circuit is configured. As the electronic circuit components 6a and 6b, for example, various components such as an IC, an LSI, a resistor, a capacitor, and a reactor are used.

電力変換器１００では、図１に示されるように、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続している。   In the power converter 100, as shown in FIG. 1, the power semiconductor element 4 and the circuit pattern 24 of the printed wiring board 5 are connected to each other by an aluminum wire 12 in order to form a circuit.

このように、電力変換器１００では、金属ブロック１の上面１ｂにパワー半導体素子４が実装されたパワー半導体ユニット５１と、プリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２とが、金属ブロック１がプリント配線板５の孔１４にはめ込まれるようにして一体とされているので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とをアルミワイヤ１２などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換器としての容積を従来よりも低減することが可能となっている。   Thus, in the power converter 100, the power semiconductor unit 51 in which the power semiconductor element 4 is mounted on the upper surface 1b of the metal block 1, and the printed wiring board unit in which the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5. 52 is integrated so that the metal block 1 is fitted into the hole 14 of the printed wiring board 5, so that only the main circuit portion made of the power semiconductor element is made into an independent case like the conventional power semiconductor module. There is no need to house the power semiconductor element 4 and the circuit pattern 24 of the printed wiring board 5 can be directly connected by the aluminum wire 12 or the like, thereby reducing the volume of the power converter as compared with the conventional case. It is possible.

また、電力変換器１００では、金属ブロック１を、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。   Further, in the power converter 100, the metal block 1 is made of copper, which is a metal material having good conductivity and heat conductivity, and the thickness thereof is set to about 1.0 to 5.0 mm so that the heat capacity is high and the heat dissipation is achieved. It is excellent.

そして、電力変換器１００では、後述のように、金属ブロック１の下面１ａ側に形成される放熱用絶縁層２を例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。   In the power converter 100, as described later, the heat dissipation insulating layer 2 formed on the lower surface 1a side of the metal block 1 is made of ceramic having excellent thermal conductivity such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. It is made of material. In addition, in the heat dissipation insulating layer 2, the thermal conductivity is preferably 1 to 200 W / m · K, and the thickness is preferably 10 to 500 μm.

このように、電力変換器１００では、パワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１の下面１ａが、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２（下面部放熱用絶縁層２ａ）を介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えている。   As described above, in the power converter 100, the lower surface 1a of the metal block 1 on which the power semiconductor element 4 is mounted and which has a high heat capacity and excellent heat dissipation is provided with a heat dissipation insulating layer 2 made of a ceramic material having excellent heat conductivity. Since it is configured so as to be in direct contact with the cooling heat sink 7 via the (lower surface heat radiation insulating layer 2a), the thermal resistance under the power semiconductor element 4 can be sufficiently reduced, and excellent heat dissipation is achieved. I have.

また、電力変換器１００では、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間での放電経路となり得る金属ブロック１の側面１ｃの一部にも側面部放熱用絶縁層２ｂが下面部放熱用絶縁層２ａとつながるようにして配置されるため、良好な絶縁性が実現され得る。   Further, in the power converter 100, the side surface heat radiation insulating layer 2b is also provided on a part of the side surface 1c of the metal block 1 that can serve as a discharge path between the metal block 1 and the cooling heat sink 7. Since it arrange | positions so that it may connect with 2a, favorable insulation can be implement | achieved.

なお、図１では金属ブロック１にパワー半導体素子４が２個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１に実装されるパワー半導体素子４の個数は、１個でもよく、また、３個以上であってもよい。   1 shows a configuration example in which two power semiconductor elements 4 are mounted on the metal block 1, the number of power semiconductor elements 4 mounted on the metal block 1 may be one, or 3 It may be more than one.

また、金属ブロック１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。   Further, the metal material forming the metal block 1 is not limited to copper, and for example, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like is also applicable.

また、冷却用ヒートシンク７を形成する金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが適用可能である。   Moreover, as a metal material which forms the heat sink 7 for cooling, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy etc. are applicable, for example.

続いて、この電力変換器１００の製造方法について図２および図３を参照して説明する。図２および図３は、本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。   Then, the manufacturing method of this power converter 100 is demonstrated with reference to FIG. 2 and FIG. 2 and 3 are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the power converter according to the first embodiment of the present invention.

まず、絶縁金属ブロック３の製作方法について説明する。最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１を製作する（図２（ａ））。   First, a method for manufacturing the insulating metal block 3 will be described. First, a metal block 1 is manufactured by punching a copper plate having a thickness of about 1.0 to 5.0 mm into a square or a rectangle by pressing (FIG. 2A).

次に、マスク３０をして、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末を積層することにより、金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を形成する。放熱用絶縁層２としては、金属ブロック１の下面１ａに下面部放熱用絶縁層２ａを形成するとともに金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。側面部放熱用絶縁層２ｂは下面部放熱用絶縁層２ａにつながるように形成する（図２（ｂ）〜図２（ｃ））。   Next, the insulating layer 2 for heat radiation is formed on one side (lower surface 1a) side of the metal block 1 by using the mask 30 and laminating ceramic powders by a thermal spraying method or an aerosol deposition method. As the heat dissipating insulating layer 2, the lower surface heat dissipating insulating layer 2 a is formed on the lower surface 1 a of the metal block 1, and the side surface heat dissipating insulating layer 2 b is formed on a part of the side surface 1 c of the metal block 1. The side surface heat radiation insulating layer 2b is formed so as to be connected to the lower surface heat radiation insulating layer 2a (FIGS. 2B to 2C).

溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク３０を介して金属ブロック１に溶射を行い、放熱用絶縁層２を堆積させて絶縁金属ブロック３を形成する。   Among the thermal spraying methods, for example, when the heat radiation insulating layer 2 is formed on one side (lower surface 1a) side of the metal block 1 by plasma spraying method, the ceramic powder is silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride. One or more types consisting of As the atmosphere, thermal spraying is performed on the metal block 1 through the mask 30 under atmospheric pressure or reduced pressure, and the insulating layer 2 for heat dissipation is deposited to form the insulating metal block 3.

なお、プラスマ溶射法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として下面部放熱用絶縁層２ａに加えて側面部放熱用絶縁層２ｂも形成するため、例えば図２（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク３０から露出させた状態で、セラミックス粉末を原料粉末３１Ａ及び３１Ｂとして溶射する。この際、（図示されない）溶射ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の下面１ａに正対する原料粉末３１Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末３１Ｂも利用することによって、金属ブロック１上に、下面１ａの下面部放熱用絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも下面部放熱用絶縁層２ａとつながる側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部放熱用絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。   In addition to the lower surface heat radiation insulating layer 2a, the side surface heat radiation insulating layer 2b is also formed on the metal block 1 as a heat radiation insulating layer 2 by the plasma spraying method. For example, as shown in FIG. With part of the side surface 1c of the block 1 exposed from the mask 30, the ceramic powder is sprayed as the raw material powders 31A and 31B. At this time, by adjusting the direction of the thermal spray nozzle (not shown) and using the raw material powder 31B in the oblique direction in addition to the direction of the raw material powder 31A facing the lower surface 1a of the metal block 1, In addition to the lower surface heat radiation insulating layer 2a of the lower surface 1a, the side surface heat radiation insulating layer 2b connected to the lower surface heat radiation insulating layer 2a is also formed on a part of the side surface 1c. Of the side surface 1c of the metal block 1, the range covered by the side surface heat radiation insulating layer 2b is determined in consideration of insulation conditions such as a potential difference that may occur between the metal block 1 and the cooling heat sink 7. .

放熱用絶縁層２の厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱用絶縁層２の厚みは１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。   The thickness of the insulating layer 2 for heat dissipation can be adjusted by controlling the spraying time. The thickness of the heat radiation insulating layer 2 is preferably 10 to 500 μm. The insulating layer 2 for heat dissipation formed as described above has, for example, a thickness of 200 μm and an AC breakdown voltage of 5 kV or more as an insulating property, and can also be used for a power element having a withstand voltage rating of 1200 V.

次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を堆積させる場合について説明する。エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。   Next, a case where the heat radiation insulating layer 2 is deposited on one side (lower surface 1a) side of the metal block 1 by the aerosol deposition method will be described. The aerosol deposition method is a technique in which fine particles or ultrafine particles are mixed with gas to form an aerosol, and a film is formed on a substrate through a nozzle. Helium or air is used as the gas. The apparatus can be composed of an aerosolization chamber and a film formation chamber (not shown). The film forming chamber is depressurized by a vacuum pump to around 50 Pa to 1 kPa. The raw fine or ultrafine particle material is dried to be aerosolized by stirring and mixing with gas in the aerosol chamber and transported to the film formation chamber by the gas flow generated by the pressure difference between the two chambers. The nozzle is accelerated by passing through the nozzle, and sprayed to one side (lower surface 1a) side of the metal block 1 that is a film formation target. As the raw material fine particles, ceramic powder mechanically pulverized to a particle size of 0.1 to 2 μm is used. The ultrafine particles transported by the gas are accelerated up to several hundreds m / sec by passing through a nozzle having a minute opening in a decompressed chamber. The film formation speed and the density of the film are largely dependent on the particle size, aggregated state, and dry state of the ceramic fine particles used, so the aggregated particle crusher and classification between the aerosolization chamber and the film formation chamber The device is used.

そして、放熱用絶縁層２を膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。   And, in order to form the insulating layer 2 for heat dissipation as a film, fine ceramic particles having a particle size of 0.1 to 2 μm are sprayed on the substrate at a high speed, and the impact energy at that time makes fine crystal particles of about 10 to 30 nm. By crushing, forming a new surface, activating the surface, and bonding the particles together, a ceramic film having a dense nanocrystalline structure is formed. Further, it can be formed at normal temperature without applying any temperature.

エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク３０を用い微粒子を吹き付け、図２（ｃ）に示す放熱用絶縁層２を形成する。   It is preferable to use any one of aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride having a particle size of about 0.1 to 2 μm for the aerosol deposition fine particles. In order to obtain a required film thickness, fine particles are sprayed using a mask 30 for a predetermined time to form a heat radiation insulating layer 2 shown in FIG.

なお、エアロゾルデポジション法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として下面部放熱用絶縁層２ａに加えて側面部放熱用絶縁層２ｂも形成するため、上述のプラスマ溶射法の場合と同様に、例えば図２（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク３０から露出させた状態で、セラミックス微粒子を原料粉末３１Ａ及び３１Ｂとして吹き付ける。この際、（図示されない）ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の下面１ａに正対する原料粉末３１Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末３１Ｂも利用することによって、金属ブロック１上に、下面１ａの下面部放熱用絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも下面部放熱用絶縁層２ａとつながる側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部放熱用絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。   In addition, in addition to the lower surface heat radiation insulating layer 2a as the heat radiation insulating layer 2 on the metal block 1, the side surface heat radiation insulating layer 2b is also formed on the metal block 1 by the aerosol deposition method. For example, as shown in FIG. 2B, ceramic fine particles are sprayed as the raw material powders 31A and 31B in a state where a part of the side surface 1c of the metal block 1 is exposed from the mask 30. At this time, by adjusting the direction of the nozzle (not shown) and using the raw material powder 31B in the oblique direction in addition to the direction of the raw material powder 31A facing the lower surface 1a of the metal block 1, In addition to the lower surface heat radiation insulating layer 2a of the lower surface 1a, a side surface heat radiation insulating layer 2b connected to the lower surface heat radiation insulating layer 2a is also formed on a part of the side surface 1c. Of the side surface 1c of the metal block 1, the range covered by the side surface heat radiation insulating layer 2b is determined in consideration of insulation conditions such as a potential difference that may occur between the metal block 1 and the cooling heat sink 7. .

ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した絶縁層が形成できる。   Here, the fine particles are formed by forming a film of aluminum oxide on a filler of silicon nitride, aluminum nitride, or boron nitride, or formed a film of silicon oxide on a filler of silicon nitride, aluminum nitride, or boron nitride. Things are also applicable. If these fine particles are used, an insulating layer composed of two or more kinds of ceramics can be formed.

放熱用絶縁層２の厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。   The thickness of the heat radiation insulating layer 2 is preferably 10 to 500 μm, which is the same as that of the thermal spraying method. The insulating layer 2 for heat dissipation formed as described above has, for example, a thickness of 200 μm and an AC breakdown voltage of 5 kV or more as an insulating property, and can also be used for a power element having a withstand voltage rating of 1200 V.

次に、絶縁金属ブロック３における金属ブロック１の上面１ｂに、パワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により接合する（図２（ｄ））。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行なうと良い。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ブロック１の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料には例えば、ＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。   Next, the power semiconductor element 4 is bonded to the upper surface 1b of the metal block 1 in the insulating metal block 3 by bonding with the solder 28a (FIG. 2D). Soldering is preferably performed in a furnace capable of hydrogen reduction using pelletized solder. The reason why a furnace capable of hydrogen reduction is used is to improve the wettability with the solder by removing and activating the oxide film on the surface of the metal block 1 by hydrogen reduction. As the solder material, for example, high-temperature solder made of SnPbAg or lead-free solder made of SnAgCu is used. The soldering temperature is set according to the melting point of the solder.

パワー半導体素子４と金属ブロック１と間のはんだ層２８ａにボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子４から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。   If voids remain in the solder layer 28 a between the power semiconductor element 4 and the metal block 1, the thermal resistance increases and heat generated from the power semiconductor element 4 cannot be efficiently radiated. Therefore, vacuuming of 1.3 kPa (10 Torr) or less is performed in a state where the solder is melted so as not to generate voids.

そして、予め、絶縁金属ブロック３を収めることが可能な孔１４が形成されたプリント配線板５に絶縁金属ブロック１をはめ込む。この時、絶縁金属ブロック３がプリント配線板５と一体となるよう接着剤２９などで固定する（図２（ｅ））。   Then, the insulating metal block 1 is fitted in the printed wiring board 5 in which the hole 14 in which the insulating metal block 3 can be accommodated is formed in advance. At this time, the insulating metal block 3 is fixed with an adhesive 29 or the like so as to be integrated with the printed wiring board 5 (FIG. 2E).

次に、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続する（図３（ａ））。アルミワイヤ１２は、線径が１２５〜５００μｍのアルミワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、お互いの接合には、リードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。   Next, in order to form a circuit with the power semiconductor element 4 and the circuit pattern 24 of the printed wiring board 5, they are connected to each other by the aluminum wire 12 (FIG. 3A). The aluminum wire 12 is an aluminum wire having a wire diameter of 125 to 500 μm, and the bonding is performed by ultrasonic bonding. Note that a lead frame or ribbon-like aluminum may be used for bonding to each other.

次に、プリント配線板５に各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する。実装は通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う（図３（ｂ））。これにより、パワー半導体ユニット５１とプリント配線板ユニット５２とが一体化された電力変換回路組立体５３が構成される。   Next, various electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5 by joining with solder 28a. Mounting is usually performed in a reflow furnace using cream solder (FIG. 3B). Thus, a power conversion circuit assembly 53 in which the power semiconductor unit 51 and the printed wiring board unit 52 are integrated is configured.

最後に、電力変換回路組立体５３を、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００を構成する（図３（ｃ））。   Finally, the power conversion circuit assembly 53 is mounted on the cooling heat sink 7 via heat radiation grease, and the case 8 is covered to constitute the power converter 100 (FIG. 3C).

上述のように、本実施形態の電力変換器における金属ブロック１の下面１ａ（裏面）側に形成される放熱用絶縁層２には、エアロゾルデポジション法またはプラズマ溶射法によるセラミックス材の絶縁層を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧の向上
エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗の低下
熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ 、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、放熱用絶縁層２を薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。 As described above, the insulating layer 2 for heat dissipation formed on the lower surface 1a (back surface) side of the metal block 1 in the power converter according to the present embodiment is provided with an insulating layer made of a ceramic material by an aerosol deposition method or a plasma spraying method. The adoption has the following advantages.
(1) Improvement of dielectric strength With the aerosol deposition method, film formation is possible at room temperature (room temperature), and submicron-order ceramic fine particles collide with the substrate at the speed of sound speed, exposing an active new surface. Ceramic fine particles are bonded. The same applies to the plasma spraying method. In any method, it is possible to form a ceramic fine particle layer which is a very dense electrical insulating film, and since no voids are contained in the film, ceramics formed by a conventional sintering method The breakdown voltage per unit length is improved about 10 times compared with the plate.
(2) Decrease in thermal resistance The thermal conductivity is equivalent to that of bulk, and the thermal conductivity is about 20 W / m · K for aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and about 160 to 180 W / m for aluminum nitride (AlN), for example. • About 80 W / m · K can be secured with K and silicon nitride (Si 3 N 4 ). In addition, since the breakdown voltage per unit length is improved, the heat-dissipating insulating layer 2 can be formed thin, and the overall thermal resistance is lowered.

上述の点により、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。   With the above points, it is possible to ensure both high insulation and low thermal resistance.

このように、本実施形態の電力変換器は、パワー半導体素子４が実装される金属ブロック１の下面１ａ（裏面）が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２を介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとなっている。   As described above, in the power converter according to the present embodiment, the lower surface 1a (back surface) of the metal block 1 on which the power semiconductor element 4 is mounted is interposed through the heat dissipation insulating layer 2 made of a ceramic material having excellent thermal conductivity. Since it is configured so as to be in direct contact with the heat sink 7 for cooling, the thermal resistance at the lower part of the power semiconductor element 4 can be sufficiently reduced, and it has excellent heat dissipation.

また、本実施形態の電力変換器は、上述の図１の構成に限定されるものではなく、例えば図４のような構成とすることもできる。図４は本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。図４（ｂ）に示す電力変換器１００Ａにおいて、金属ブロック１Ａの上面１Ａｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ａと、金属ブロック１Ａを収めることが可能な孔１４Ａが明けられたプリント配線板５Ａに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ａとが、金属ブロック１Ａが孔１４Ａにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ａが構成されている。電力変換回路組立体５３Ａは、金属ブロック１Ａの下面１Ａａが放熱用絶縁層２Ａを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ａを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ａが構成されている。   Further, the power converter according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 1 described above, and may be configured as shown in FIG. 4, for example. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a different configuration of the power converter according to the first embodiment of the present invention. In the power converter 100A shown in FIG. 4B, a power semiconductor unit 51A in which the power semiconductor element 4 is mounted on the upper surface 1Ab of the metal block 1A and a hole 14A in which the metal block 1A can be accommodated are opened. A printed wiring board unit 52A in which the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5A is integrated so that the metal block 1A is fitted in the hole 14A, thereby forming a power conversion circuit assembly 53A. Yes. The power conversion circuit assembly 53A is attached to the cooling heat sink 7 so that the lower surface 1Aa of the metal block 1A is in contact with the upper surface 7a of the cooling heat sink 7 through the heat insulating layer 2A. Furthermore, a case 8 that covers the power conversion circuit assembly 53A from the upper side is attached to the cooling heat sink 7 to constitute a power converter 100A.

この図４の構成例では、図１の構成例における絶縁金属ブロック３の代わりに、図４（ａ）に示す、金属ブロック１Ａの下面１Ａａ側に放熱用絶縁層２Ａが形成された絶縁金属ブロック３Ａを用いる。厚さｄ１の金属ブロック１Ａの側面部における上面１Ａｂ側の部分には切り欠き部１３が形成されている。金属ブロック１Ａの厚さ方向における切り欠き部１３の長さｄ２はプリント配線板５Ａの厚さ寸法に合わせておく。図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示した製造方法と同様にして、金属ブロック１Ａに、マスク３０をし、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミクッス粉末を積層することにより放熱用絶縁層２Ａを形成することによって、絶縁金属ブロック３Ａを構成することができる。   In the configuration example of FIG. 4, instead of the insulating metal block 3 in the configuration example of FIG. 1, the insulating metal block shown in FIG. 4A in which a heat insulating layer 2 </ b> A is formed on the lower surface 1 </ b> Aa side of the metal block 1 </ b> A. 3A is used. A cutout portion 13 is formed in a portion of the side surface portion of the metal block 1A having the thickness d1 on the upper surface 1Ab side. The length d2 of the notch 13 in the thickness direction of the metal block 1A is matched with the thickness dimension of the printed wiring board 5A. In the same manner as the manufacturing method shown in FIGS. 2B to 2C, a heat dissipation insulating layer is obtained by applying a mask 30 to the metal block 1A and laminating ceramic powder by a thermal spraying method or an aerosol deposition method. By forming 2A, the insulating metal block 3A can be configured.

ここで、金属ブロック１Ａ上の放熱用絶縁層２Ａとして具体的には、金属ブロック１Ａの下面１Ａａに下面部放熱用絶縁層２Ａａが形成されているとともに、金属ブロック１の側面部における下面１Ａａ側の部分の側面１Ａｃに側面部放熱用絶縁層２Ａｂが形成されている。側面部放熱用絶縁層２Ａｂは下面部放熱用絶縁層２Ａａにつながるように形成されている。   Here, as the heat dissipation insulating layer 2A on the metal block 1A, specifically, the lower surface heat dissipation insulating layer 2Aa is formed on the lower surface 1Aa of the metal block 1A, and the lower surface 1Aa side of the side surface of the metal block 1 Side surface heat radiation insulating layer 2Ab is formed on side surface 1Ac of this part. The side surface heat radiation insulating layer 2Ab is formed so as to be connected to the lower surface heat radiation insulating layer 2Aa.

そして、図２（ｄ）〜図３（ｃ）に示した製造方法と同様にして、図４（ｂ）に示す電力変換器１００Ａを構成することができる。   And the power converter 100A shown to FIG. 4B can be comprised like the manufacturing method shown to FIG.2 (d)-FIG.3 (c).

なお、プリント配線板５Ａには、切り欠き部１３を備えた金属ブロック１Ａを収めることが可能な孔１４Ａが形成されており、プリント配線板５Ａの孔１４Ａに絶縁金属ブロック３Ａがプリント配線板５Ａの下面５０２側からはめ込まれ、絶縁金属ブロック３Ａがプリント配線板５Ａと一体となるように接着剤２９などで固定される。
＜第２の実施形態＞
図５は本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。図５において、上面１Ｂｂおよび下面１Ｂａを有する金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂに例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ｂと、金属ブロック１Ｂを収めることが可能な孔２７ｄを有するスルーホール部２７が形成されたプリント配線板５Ｂに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ｂとが、金属ブロック１Ｂが孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ｂが構成されている。なお、以下では、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂおよび下面１Ｂａをそれぞれ「表面１Ｂｂ」および「裏面１Ｂａ」とも称する。 The printed wiring board 5A has a hole 14A in which the metal block 1A having the notch 13 can be accommodated, and the insulating metal block 3A is inserted into the hole 14A of the printed wiring board 5A. The insulating metal block 3A is fixed with an adhesive 29 or the like so as to be integrated with the printed wiring board 5A.
<Second Embodiment>
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a power converter according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, a power semiconductor unit 51B in which a power semiconductor element 4 such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is mounted on the upper surface 1Bb of the metal block 1B having the upper surface 1Bb and the lower surface 1Ba, and the metal block 1B can be accommodated. A printed wiring board unit 52B in which electronic circuit components 6a and 6b are mounted on a printed wiring board 5B in which a through-hole portion 27 having a possible hole 27d is formed, so that the metal block 1B is fitted in the hole 27d. A power conversion circuit assembly 53B is formed as a single unit. Hereinafter, the upper surface 1Bb and the lower surface 1Ba of the metal block 1B are also referred to as “front surface 1Bb” and “back surface 1Ba”, respectively.

プリント配線板５Ｂは、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４が形成されたものである。基板本体２３には貫通孔が設けられているとともに、この貫通孔の内周面と、基板本体２３の上面５０１および下面５０２における上記貫通孔の周縁部とに例えば銅箔からなる導体層が一体的に設けられ、これによりスルーホール部２７の導体部が形成されている。ここで、上記貫通孔の内周面に設けられる導体層部分を貫通導体部２７ａとし、基板本体２３の上面５０１および下面５０２における上記貫通孔の周縁部に設けられる各導体層部分をそれぞれ上面ランド導体部２７ｂおよび下面ランド導体部２７ｃとする。貫通導体部２７ａは、金属ブロック１Ｂの例えば正方形、長方形などの形状に合わせた孔２７ｄを有している。なお、以下では、基板本体２３の上面５０１および下面５０２をそれぞれ「表面５０１」及び「裏面５０２」とも称する。また、基板本体２３の上面５０１が部品実装面となっている。   The printed wiring board 5B is obtained by forming a circuit pattern 24 made of, for example, copper foil on an electrically insulating substrate body 23 made of, for example, glass epoxy (epoxy resin reinforced with glass fiber). The substrate body 23 is provided with a through hole, and a conductor layer made of, for example, copper foil is integrally formed on the inner peripheral surface of the through hole and the peripheral portion of the through hole on the upper surface 501 and the lower surface 502 of the substrate body 23. Thus, the conductor portion of the through-hole portion 27 is formed. Here, the conductor layer portion provided on the inner peripheral surface of the through hole is defined as a through conductor portion 27a, and each conductor layer portion provided on the peripheral portion of the through hole on the upper surface 501 and the lower surface 502 of the substrate body 23 is defined as an upper surface land. The conductor portion 27b and the lower surface land conductor portion 27c are used. The through conductor portion 27a has a hole 27d that matches the shape of the metal block 1B such as a square or a rectangle. Hereinafter, the upper surface 501 and the lower surface 502 of the substrate body 23 are also referred to as “front surface 501” and “rear surface 502”, respectively. Further, the upper surface 501 of the board body 23 is a component mounting surface.

金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域、すなわち金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａとプリント配線板５Ｂの下面５０２側における金属ブロック１Ｂの周辺領域とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２Ｂとして形成されている。ここで、図５の構成では、放熱用絶縁層２Ｂが形成される、プリント配線板５Ｂの下面５０２側における金属ブロック１Ｂの周辺領域をスルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面としている。   A ceramic material is directly formed as a heat-insulating insulating layer 2B on the lower surface 1Ba of the metal block 1B and its peripheral region, that is, the lower surface 1Ba of the metal block 1B and the peripheral region of the metal block 1B on the lower surface 502 side of the printed wiring board 5B. . Here, in the configuration of FIG. 5, the peripheral area of the metal block 1B on the lower surface 502 side of the printed wiring board 5B where the heat-dissipating insulating layer 2B is formed is the land surface of the lower surface land conductor portion 27c of the through-hole portion 27. .

電力変換回路組立体５３Ｂは、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａが放熱用絶縁層２Ｂを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ｂを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ｂが構成されている。   The power conversion circuit assembly 53B is attached to the cooling heat sink 7 such that the lower surface 1Ba of the metal block 1B is in contact with the upper surface 7a of the cooling heat sink 7 via the heat insulating layer 2B. Further, a case 8 that covers the power conversion circuit assembly 53B from the upper side is attached to the cooling heat sink 7 to constitute a power converter 100B.

電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂに実装されたパワー半導体素子４により主回路が構成されるとともに、プリント配線板５Ｂに実装された電子回路部品６ａ，６ｂにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品６ａ，６ｂとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。   In the power converter 100B, a main circuit is configured by the power semiconductor element 4 mounted on the upper surface 1Bb of the metal block 1B, and other power supply circuits and electronic circuit components 6a and 6b mounted on the printed wiring board 5B are used. A control circuit is configured. As the electronic circuit components 6a and 6b, for example, various components such as an IC, an LSI, a resistor, a capacitor, and a reactor are used.

電力変換器１００Ｂでは、図５に示されるように、パワー半導体素子４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続している。   In the power converter 100B, as shown in FIG. 5, the power semiconductor element 4 and the circuit pattern 24 of the printed wiring board 5B are connected to each other by the aluminum wire 12 in order to form a circuit.

このように、電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂにパワー半導体素子４が実装されたパワー半導体ユニット５１Ｂと、プリント配線板５Ｂに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｂとが、金属ブロック１Ｂがプリント配線板５Ｂの孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされているので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とをアルミワイヤ１２などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換器としての容積を従来よりも低減することが可能となっている。   Thus, in the power converter 100B, the power semiconductor unit 51B in which the power semiconductor element 4 is mounted on the upper surface 1Bb of the metal block 1B, and the printed wiring board unit in which the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5B. 52B is integrated so that the metal block 1B is fitted in the hole 27d of the printed wiring board 5B, so that only the main circuit portion made of the power semiconductor element is made into an independent case like the conventional power semiconductor module. The power semiconductor element 4 and the circuit pattern 24 of the printed wiring board 5B can be directly connected by the aluminum wire 12 and the like, thereby reducing the volume as a power converter as compared with the prior art. It is possible.

また、電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。   In the power converter 100B, the metal block 1B is made of copper, which is a metal material having good conductivity and thermal conductivity, and its thickness is set to about 1.0 to 5.0 mm so that the heat capacity is high and the heat dissipation is achieved. It is excellent.

そして、電力変換器１００Ｂでは、後述のように、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域における放熱用絶縁層２Ｂを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｂでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。   In the power converter 100B, as will be described later, the heat radiation insulating layer 2B in the lower surface 1Ba of the metal block 1B and the peripheral region thereof is made of ceramics having excellent thermal conductivity such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride. It is made of material. In the heat radiation insulating layer 2B, the thermal conductivity is preferably 1 to 200 W / m · K, and the thickness is preferably 10 to 500 μm.

このように、電力変換器１００Ｂでは、パワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｂを介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えている。   As described above, in the power converter 100B, the lower surface 1Ba of the metal block 1B on which the power semiconductor element 4 is mounted, which has a high heat capacity and excellent heat dissipation, and its peripheral region are radiated from a ceramic material having excellent heat conductivity. Since it is configured so as to be in direct contact with the cooling heat sink 7 through the insulating layer 2B, the thermal resistance of the lower portion of the power semiconductor element 4 can be sufficiently reduced, and excellent heat dissipation is provided.

なお、図５では金属ブロック１Ｂにパワー半導体素子４が２個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｂに実装されるパワー半導体４の個数は、１個でもよく、また、３個以上であってもよい。   FIG. 5 shows a configuration example in which two power semiconductor elements 4 are mounted on the metal block 1B, but the number of power semiconductors 4 mounted on the metal block 1B may be one or three. It may be the above.

また、金属ブロック１Ｂを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。   Further, the metal material forming the metal block 1B is not limited to copper, and for example, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like is also applicable.

また、冷却用ヒートシンク７を形成する金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが適用可能である。   Moreover, as a metal material which forms the heat sink 7 for cooling, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy etc. are applicable, for example.

続いて、この電力変換器１００Ｂの製造方法について図５を参照して説明する。図６および図７は、本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。   Then, the manufacturing method of this power converter 100B is demonstrated with reference to FIG. 6 and 7 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a power converter according to the second embodiment of the present invention.

まず、最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｂを製作する（図６（ａ））。   First, a copper block having a thickness of about 1.0 to 5.0 mm is punched into a square or a rectangle by pressing to produce a metal block 1B (FIG. 6A).

次に、例えばガラスエポキシで構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４を形成するとともに、それぞれ例えば銅箔からなる貫通導体部２７ａ、上面ランド導体部２７ｂおよび下面ランド導体部２７ｃを備えたスルーホール部２７を形成することにより、プリント配線板５Ｂを構成する（図６（ｂ））。スルーホール部２７の孔２７ｄは、金属ブロック１Ｂを収めることが可能な形状としておく。   Next, a circuit pattern 24 made of, for example, copper foil is formed on an electrically insulating substrate body 23 made of, for example, glass epoxy, and a through conductor portion 27a, an upper surface land conductor portion 27b, and a lower surface land are made of, for example, copper foil. The printed wiring board 5B is configured by forming the through hole portion 27 including the conductor portion 27c (FIG. 6B). The hole 27d of the through hole portion 27 has a shape capable of accommodating the metal block 1B.

次に、プリント配線板５Ｂのスルーホール部２７の孔２７ｄに金属ブロック１Ｂを挿入し、はんだ２８ｂでの接合により固定する（図６（ｃ））。この時、プリント配線板５Ｂと金属ブロック１Ｂとの接合力をより高めるため、接着剤なども併用して固定しても良い。   Next, the metal block 1B is inserted into the hole 27d of the through-hole portion 27 of the printed wiring board 5B and fixed by joining with the solder 28b (FIG. 6C). At this time, in order to further increase the bonding force between the printed wiring board 5B and the metal block 1B, an adhesive may be used in combination.

次に、金属ブロック１Ｂにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により実装するとともに、プリント配線板５Ｂには各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する（図６（ｄ））。これらの実装は、通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う。はんだ材料には例えばＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだなどを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。パワー半導体素子４と金属ブロック１Ｂとを接合するはんだ層２８ａにボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子４から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。   Next, the power semiconductor element 4 is mounted on the metal block 1B by bonding with solder 28a, and various electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5B by bonding with solder 28a (FIG. 6D). )). These mountings are usually performed in a reflow furnace using cream solder. As the solder material, for example, high-temperature solder made of SnPbAg, lead-free solder made of SnAgCu, or the like is used. The soldering temperature is set according to the melting point of the solder. If voids remain in the solder layer 28a that joins the power semiconductor element 4 and the metal block 1B, the thermal resistance increases, and heat generated from the power semiconductor element 4 cannot be efficiently radiated. Therefore, vacuuming of 1.3 kPa (10 Torr) or less is performed in a state where the solder is melted so as not to generate voids.

また、パワー半導体４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続する。アルミワイヤ１２は、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、お互いの接合にはリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。   Further, in order to form a circuit with the power semiconductor 4 and the circuit pattern 24 of the printed wiring board 5B, the aluminum wires 12 are connected to each other. The aluminum wire 12 is an Al wire having a wire diameter of 125 to 500 μm, and bonding is performed by ultrasonic bonding. Note that a lead frame or ribbon-like aluminum may be used for bonding to each other.

次に、マスク３０Ａをして、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを形成する（図６（ｅ）〜図７（ａ））。   Next, the mask 30A is formed and the ceramic powder 31 is laminated by a thermal spraying method or an aerosol deposition method, thereby forming a heat radiation insulating layer 2B on the lower surface 1Ba of the metal block 1B and its peripheral region (FIG. 6 (e)). ) To FIG. 7 (a)).

溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク３０Ａを介して金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に溶射を行い、放熱用絶縁層２Ｂを堆積させる。放熱用絶縁層２Ｂの厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱用絶縁層２Ｂの厚みは１０〜５００μｍが好ましい。   Among the thermal spraying methods, for example, when the heat-dissipation insulating layer 2B is formed on the lower surface 1Ba of the metal block 1B and its peripheral region by the plasma spraying method, the ceramic powder is made of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride. One or more types consisting of As the atmosphere, thermal spraying is performed on the lower surface 1Ba of the metal block 1B and its peripheral region through the mask 30A under atmospheric pressure or reduced pressure, thereby depositing the heat insulating layer 2B. The thickness of the heat radiation insulating layer 2B can be adjusted by controlling the spraying time. The thickness of the heat radiation insulating layer 2B is preferably 10 to 500 μm.

放熱用絶縁層２Ｂは、その形成範囲として、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ側の露出面全体が被覆されるように形成する。また、スルーホール部２７は銅からなるため、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面にも放熱用絶縁層２Ｂを形成して被覆し、金属ブロック１Ｂとスルーホール部２７とが、後工程で取り付けられる冷却用ヒートシンク７から電気的に絶縁されるようにする。なお、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ側の露出面に形成される放熱用絶縁層２Ｂと、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面に形成される放熱用絶縁層２Ｂとは、互いに連続した絶縁層となるように形成する。また、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃの側面端部には放熱用絶縁層２Ｂが形成されず、この側面端部が露出面となるが、この部分には図示されない樹脂コーテイングを施すことにより絶縁被覆を施す。   The heat radiation insulating layer 2B is formed so as to cover the entire exposed surface on the lower surface 1Ba side of the metal block 1B. Further, since the through hole portion 27 is made of copper, the insulating layer 2B for heat dissipation is formed on the land surface of the lower surface land conductor portion 27c of the through hole portion 27 to cover the metal block 1B and the through hole portion 27. It is electrically insulated from the cooling heat sink 7 attached in a later process. The heat dissipating insulating layer 2B formed on the exposed surface on the lower surface 1Ba side of the metal block 1B and the heat dissipating insulating layer 2B formed on the land surface of the lower surface land conductor portion 27c of the through hole 27 are continuous with each other. The insulating layer is formed. Further, the heat radiation insulating layer 2B is not formed on the side surface end portion of the lower surface land conductor portion 27c of the through hole portion 27, and this side surface end portion becomes an exposed surface, but this portion is subjected to resin coating (not shown). Apply the insulation coating.

上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｂは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。   The heat-dissipating insulating layer 2B formed as described above has, for example, a thickness of 200 μm and an AC breakdown voltage of 5 kV or more as an insulating property, and can also be used for a power element having a withstand voltage rating of 1200 V.

次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを堆積させる場合について説明する。上述の第１の実施形態で説明したように、エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。   Next, the case where the heat-dissipating insulating layer 2B is deposited on the lower surface 1Ba of the metal block 1B and its peripheral region by the aerosol deposition method will be described. As described in the first embodiment, the aerosol deposition method is a technique in which fine particles or ultrafine particle raw materials are mixed with gas to form an aerosol, and a film is formed on a substrate through a nozzle. Helium or air is used as the gas. The apparatus can be composed of an aerosolization chamber and a film formation chamber (not shown). The film forming chamber is depressurized by a vacuum pump to around 50 Pa to 1 kPa. The raw fine or ultrafine particle material is dried to be aerosolized by stirring and mixing with gas in the aerosol chamber and transported to the film formation chamber by the gas flow generated by the pressure difference between the two chambers. , And is sprayed onto the lower surface 1Ba of the metal block 1B to be deposited and its peripheral region. As the raw material fine particles, ceramic powder mechanically pulverized to a particle size of 0.1 to 2 μm is used. The ultrafine particles transported by the gas are accelerated up to several hundreds m / sec by passing through a nozzle having a minute opening in a decompressed chamber. The film formation speed and the density of the film are largely dependent on the particle size, aggregated state, and dry state of the ceramic fine particles used, so the aggregated particle crusher and classification between the aerosolization chamber and the film formation chamber The device is used.

そして、放熱用絶縁層２Ｂを膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。   Then, in order to form the heat-insulating insulating layer 2B as a film, fine ceramic particles having a particle size of 0.1 to 2 μm are sprayed on the substrate at a high speed, and the impact energy at that time makes fine crystal particles of about 10 to 30 nm. By crushing, forming a new surface, activating the surface, and bonding the particles together, a ceramic film having a dense nanocrystalline structure is formed. Further, it can be formed at normal temperature without applying any temperature.

エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク３０を用い微粒子を吹き付け、図６（ｅ）〜図７（ａ）に示すように絶縁層２Ｂを形成する。   It is preferable to use any one of aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride having a particle size of about 0.1 to 2 μm for the aerosol deposition fine particles. In order to obtain a required film thickness, fine particles are sprayed using a mask 30 for a predetermined time, and an insulating layer 2B is formed as shown in FIGS. 6 (e) to 7 (a).

ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した放熱用絶縁層２Ｂが形成できる。   Here, the fine particles are formed by forming a film of aluminum oxide on a filler of silicon nitride, aluminum nitride, or boron nitride, or formed a film of silicon oxide on a filler of silicon nitride, aluminum nitride, or boron nitride. Things are also applicable. If these fine particles are used, a heat radiation insulating layer 2B in which two or more kinds of ceramics are combined can be formed.

放熱用絶縁層２Ｂの厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｂは例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。   The thickness of the heat-dissipating insulating layer 2B is preferably 10 to 500 μm as in the thermal spraying method. The heat radiation insulating layer 2B formed as described above has, for example, a thickness of 200 μm and an AC breakdown voltage of 5 kV or more, and can also be used for a power element having a withstand voltage rating of 1200 V.

最後に、パワー半導体ユニット５１Ｂとプリント配線板ユニット５２Ｂとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂが形成された電力変換回路ユニット５３Ｂを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｂを構成する（図７（ｂ））。   Finally, a power conversion circuit unit 53B in which the power semiconductor unit 51B and the printed wiring board unit 52B are integrated and the heat radiation insulating layer 2B is formed in the lower surface 1Ba of the metal block 1B and its peripheral region is replaced with a cooling heat sink. 7 is mounted via heat dissipating grease and covered with a case 8 to constitute a power converter 100B (FIG. 7B).

上述のように、本実施形態の電力変換器における金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ（裏面）およびその周辺領域に形成される放熱用絶縁層２Ｂには、エアロゾルデポジション法またはプラズマ溶射法によるセラミックス材の絶縁層を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧の向上
エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗の低下
熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、絶縁層２Ｂを薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。 As described above, the heat radiation insulating layer 2B formed on the lower surface 1Ba (back surface) of the metal block 1B and the peripheral region thereof in the power converter of the present embodiment is made of ceramic material by the aerosol deposition method or the plasma spraying method. The use of an insulating layer has the following advantages.
(1) Improvement of dielectric strength With the aerosol deposition method, film formation is possible at room temperature (room temperature), and submicron-order ceramic fine particles collide with the substrate at the speed of sound speed, exposing an active new surface. Ceramic fine particles are bonded. The same applies to the plasma spraying method. In any method, it is possible to form a ceramic fine particle layer which is a very dense electrical insulating film, and since no voids are contained in the film, ceramics formed by a conventional sintering method The breakdown voltage per unit length is improved about 10 times compared with the plate.
(2) Decrease in thermal resistance The thermal conductivity is equivalent to that of bulk, and the thermal conductivity is about 20 W / m · K for aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and about 160 to 180 W / m for aluminum nitride (AlN), for example. • About 80 W / m · K can be secured with K and silicon nitride (Si 3 N 4 ). In addition, since the breakdown voltage per unit length is improved, the insulating layer 2B can be thinly formed, and thus the overall thermal resistance is lowered.

上述の点により、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。   With the above points, it is possible to ensure both high insulation and low thermal resistance.

このように、本実施形態の電力変換器は、パワー半導体素子４が実装される金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ（裏面）およびその周辺領域が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｂを介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、上述した第１の実施形態の電力変換器と同様に、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとなっている。   As described above, the power converter according to the present embodiment includes the insulating layer for heat dissipation in which the lower surface 1Ba (back surface) of the metal block 1B on which the power semiconductor element 4 is mounted and its peripheral region are made of a ceramic material having excellent thermal conductivity. Since it is configured so as to be in direct contact with the cooling heat sink 7 via 2B, the thermal resistance at the lower portion of the power semiconductor element 4 can be made sufficiently small as in the power converter of the first embodiment described above. It has a good heat dissipation.

また、本実施形態の電力変換器は、上述の図５の構成に限定されるものではなく、例えば図８のような構成とすることもできる。図８は本発明の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。図８（ｂ）に示す電力変換器１００Ｃおいて、金属ブロック１Ｃの上面１Ｃｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ｃと、金属ブロック１Ｃを収めることが可能な孔２７ｄを有するスルーホール部２７が形成されたプリント配線板５Ｃに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ｃとが、金属ブロック１Ｃが孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ｃが構成されている。電力変換回路組立体５３Ｃは、金属ブロック１Ｃの下面１Ｃａが放熱用絶縁層２Ｃを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ｃを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ｃが構成されている。   Further, the power converter of the present embodiment is not limited to the configuration of FIG. 5 described above, and may be configured as shown in FIG. 8, for example. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a different configuration of the power converter according to the embodiment of the present invention. In the power converter 100C shown in FIG. 8B, a power semiconductor unit 51C in which the power semiconductor element 4 is mounted on the upper surface 1Cb of the metal block 1C, and a through hole 27d in which the metal block 1C can be accommodated. A printed wiring board unit 52C in which the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5C in which the hole portion 27 is formed is integrated so that the metal block 1C is fitted in the hole 27d, and the power conversion circuit An assembly 53C is configured. The power conversion circuit assembly 53C is attached to the cooling heat sink 7 so that the lower surface 1Ca of the metal block 1C is in contact with the upper surface 7a of the cooling heat sink 7 through the heat insulating layer 2C. Further, a case 8 that covers the power conversion circuit assembly 53C from the upper side is attached to the cooling heat sink 7 to constitute a power converter 100C.

この図８の構成例では、図５の構成例における金属ブロック１Ｂの代わりに、図８（ａ）に示す金属ブロック１Ｃを用いる。厚さｄ１の金属ブロック１Ｃの側面部における上面１Ｃｂ側の部分には切り欠き部１３が形成されている。金属ブロック１Ｃの厚さ方向における切り欠き部１３の長さｄ２は、スルーホール部２７におけるプリント配線板５Ｃの厚さ寸法に合わせておく。また、プリント配線板５Ｃのスルーホール部２７における孔２７ｄは、金属ブロック１Ｃにおける上面１Ｃｂ側の長さｄ２の部分を収めることが可能な形状としておく。   In the configuration example of FIG. 8, a metal block 1C shown in FIG. 8A is used instead of the metal block 1B in the configuration example of FIG. A cutout portion 13 is formed in a portion of the side surface of the metal block 1C having the thickness d1 on the upper surface 1Cb side. The length d2 of the notch 13 in the thickness direction of the metal block 1C is matched with the thickness dimension of the printed wiring board 5C in the through hole 27. Further, the hole 27d in the through hole portion 27 of the printed wiring board 5C is formed in a shape capable of accommodating a portion having a length d2 on the upper surface 1Cb side in the metal block 1C.

上記のように構成した金属ブロック１Ｃおよびプリント配線板５Ｃを用いることにより、図６（ｃ）〜図７（ｂ）に示した製造方法と同様にして、図８（ｂ）に示す電力変換器１００Ｃを構成することができる。
＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図であり、図９（ａ）〜図９（ｂ）に２通りの構成例を示している。 By using the metal block 1C and the printed wiring board 5C configured as described above, the power converter shown in FIG. 8B is obtained in the same manner as the manufacturing method shown in FIGS. 6C to 7B. 100C can be configured.
<Third Embodiment>
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a power converter according to a third embodiment of the present invention, and two configuration examples are shown in FIGS. 9 (a) to 9 (b).

第３の実施形態にかかる電力変換器は、上述の第１の実施形態にかかる電力変換器において、特に、上面および下面を有する金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁膜と、この中継電極用絶縁膜の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、上記金属ブロックの上面に実装されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤなどを上記中継電極に接合するとともに、上記中継電極とプリント配線板の回路パターンとをボンディングワイヤなどを介して接続するようにしたものであり、それ以外の点では第１の実施形態にかかる電力変換器と同様である。   The power converter according to the third embodiment is formed by laminating a ceramic material directly on a part of the upper surface of a metal block having an upper surface and a lower surface in the power converter according to the first embodiment described above. A relay electrode insulating film, and a relay electrode formed by laminating a metal material on the upper surface of the relay electrode insulating film, and bonding wires from a power semiconductor element mounted on the upper surface of the metal block In addition to joining to the relay electrode, the relay electrode and the circuit pattern of the printed wiring board are connected via a bonding wire or the like, and otherwise the power converter according to the first embodiment and It is the same.

図９（ａ）に示す電力変換器１００Ｄにおいて、パワー半導体ユニット５１Ｄは、上面１Ｄｂおよび下面１Ｄａを有する金属ブロック１Ｄと、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａおよびこれに連接する側面１Ｄｃの一部を覆うように形成された放熱用絶縁層２Ｄと、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４２と、中継電極用絶縁層４２の上面に形成された中継電極４１と、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにはんだ２８ａにより接合されたパワー半導体素子４とを備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合している。そして、パワー半導体ユニット５１Ｄの中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とをボンディングワイヤ４３ｂで接続している。なお、図９（ａ）では、説明の便宜上、パワー半導体素子４と中継電極４１とを接続するボンディングワイヤを４３ａとし、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とを接続するボンディングワイヤを４３ｂとしている。なお、以下では、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂおよび下面１Ｄａをそれぞれ「表面１Ｄｂ」および「裏面１Ｄａ」とも称する。   In the power converter 100D shown in FIG. 9A, the power semiconductor unit 51D covers the metal block 1D having the upper surface 1Db and the lower surface 1Da, and the lower surface 1Da of the metal block 1D and a part of the side surface 1Dc connected thereto. The insulating layer for heat dissipation 2D formed on the relay electrode, the insulating layer for relay electrode 42 formed on a part of the upper surface 1Db of the metal block 1D, the relay electrode 41 formed on the upper surface of the insulating layer for relay electrode 42, and the metal block The power semiconductor element 4 joined to the upper surface 1Db of 1D by the solder 28a is provided, and the bonding wire 43a from the power semiconductor element 4 is joined to the relay electrode 41. The relay electrode 41 of the power semiconductor unit 51D and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D are connected by a bonding wire 43b. In FIG. 9A, for convenience of explanation, the bonding wire for connecting the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41 is 43a, and the relay electrode 41 is connected to the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D. The bonding wire to be used is 43b. Hereinafter, the upper surface 1Db and the lower surface 1Da of the metal block 1D are also referred to as “front surface 1Db” and “back surface 1Da”, respectively.

電力変換器１００Ｄにおいても、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとを一体として、電力変換回路組立体５３Ｄを構成しているが、プリント配線板５Ｄに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｄの構成は上述の電力変換器１００におけるプリント配線板ユニット５２と同様である。   Also in the power converter 100D, the power semiconductor unit 51D and the printed wiring board unit 52D are integrated to form a power conversion circuit assembly 53D. However, the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5D. The configuration of the printed wiring board unit 52D is the same as that of the printed wiring board unit 52 in the power converter 100 described above.

パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。   In the power semiconductor unit 51D, the metal block 1D is made of copper, which is a metal material having good conductivity and thermal conductivity, and its thickness is set to about 1.0 to 5.0 mm so that the heat capacity is high and the heat dissipation is excellent. It is supposed to be.

そして、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に形成される放熱用絶縁層２Ｄを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｄでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。   In the power semiconductor unit 51D, the heat radiation insulating layer 2D formed on the lower surface 1Da side of the metal block 1D is formed of a ceramic material having excellent thermal conductivity, such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, or boron nitride. I have to. In the heat radiation insulating layer 2D, the thermal conductivity is preferably 1 to 200 W / m · K, and the thickness is preferably 10 to 500 μm.

このように、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、上面１Ｄｂ側にパワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｄを形成しているので、この放熱用絶縁層２Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に直接接することにより、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。   Thus, in the power semiconductor unit 51D, the power semiconductor element 4 is mounted on the upper surface 1Db side, and the lower surface 1Da side of the metal block 1D having high heat capacity and excellent heat dissipation is made of a ceramic material having excellent heat conductivity. Since the heat dissipating insulating layer 2D is formed, by directly contacting the cooling heat sink 7 through the heat dissipating insulating layer 2D, the thermal resistance at the lower part of the power semiconductor element 4 can be sufficiently reduced, and the heat insulating layer 2D is excellent. It can be provided with heat dissipation.

なお、図９（ａ）では金属ブロック１Ｄにパワー半導体素子４が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｄに実装されるパワー半導体素子４の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１Ｄを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。   9A shows a configuration example in which one power semiconductor element 4 is mounted on the metal block 1D, the number of power semiconductor elements 4 mounted on the metal block 1D may be two. Moreover, three or more may be sufficient. Further, the metal material forming the metal block 1D is not limited to copper, and for example, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like is also applicable.

また、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂ側に形成される中継電極用絶縁層４２も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。   In the power semiconductor unit 51D, the relay electrode insulating layer 42 formed on the upper surface 1Db side of the metal block 1D is also formed of a ceramic material having excellent thermal conductivity, such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, or boron nitride. I am doing so. In addition, in the insulating layer for relay electrodes 42, the thermal conductivity is preferably 1 to 200 W / m · K, and the thickness is preferably 10 to 500 μm.

そして、中継電極用絶縁層４２の上面に形成される中継電極４１は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極４１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。   The relay electrode 41 formed on the upper surface of the relay electrode insulating layer 42 is formed of a metal material having excellent thermal conductivity such as copper. In addition, the metal material which forms the relay electrode 41 is not restricted to copper, For example, a copper alloy, aluminum, aluminum alloy etc. are applicable.

次に、図９（ｂ）に示す電力変換器１００Ｅは、上述の図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄに対して、パワー半導体素子４と中継電極４１とをリードフレーム４４ａで接続するとともに、中継電極４１とプリント配線板５Ｅの上面５０１側の回路パターン２４とをリードフレーム４４ｂで接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。以下では、主に、図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄについて説明する。   Next, the power converter 100E shown in FIG. 9B connects the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41 with the lead frame 44a to the power converter 100D shown in FIG. 9A. In addition, the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5E are connected by the lead frame 44b, and the other points are the same. Hereinafter, the power converter 100D illustrated in FIG. 9A will be mainly described.

図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器における熱の流れを模式的に示す図であって、上述の図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄの一部分の断面構造を示すものである。図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄは冷却用ヒートシンク７の上面７ａに放熱用絶縁層２Ｄが当接するようにして搭載されるとともに、中継電極４１がボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４と接続されている。   FIG. 10 is a diagram schematically showing a heat flow in the power converter according to the third embodiment of the present invention, and is a partial cross-sectional structure of the power converter 100D shown in FIG. 9A. Is shown. In FIG. 10, the power semiconductor unit 51D is mounted so that the heat dissipation insulating layer 2D is in contact with the upper surface 7a of the cooling heat sink 7, and the relay electrode 41 is connected to the upper surface 501 of the printed wiring board 5D via the bonding wires 43b. The circuit pattern 24 on the side is connected.

図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４として例えばＩＧＢＴを実装した構成では、ＩＧＢＴの裏面のコレクタ電極が金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂに接合され、ＩＧＢＴの表面に形成されているエミッタ電極とゲート電極とがそれぞれボンディングワイヤ４３ａにより中継電極４１に接続される。   In FIG. 10, in the configuration in which, for example, an IGBT is mounted as the power semiconductor element 4 in the power semiconductor unit 51D, the collector electrode on the back surface of the IGBT is joined to the upper surface 1Db of the metal block 1D, and the emitter electrode formed on the surface of the IGBT The gate electrode is connected to the relay electrode 41 by a bonding wire 43a.

図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４が動作時に発熱した場合の熱の流れを白抜き矢印ｈ１〜ｈ４により模式的に示している。白抜き矢印ｈ１〜ｈ４の幅は流れる熱量の大小を定性的に示している。なお、図１０では、パワー半導体素子４から左側のボンディングワイヤ４３ａに沿って流れる熱の流れのみを示している。   In FIG. 10, the flow of heat when the power semiconductor element 4 in the power semiconductor unit 51D generates heat during operation is schematically shown by white arrows h1 to h4. The widths of the white arrows h1 to h4 qualitatively indicate the amount of heat flowing. In FIG. 10, only the flow of heat flowing from the power semiconductor element 4 along the left bonding wire 43 a is shown.

図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４が動作時に発生する熱は、パワー半導体素子４からはんだ層２８ａ、金属ブロック１Ｄおよび放熱用絶縁層２Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に伝達されるとともに、パワー半導体素子４からボンディングワイヤ４３ａを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４側にも伝達される。しかしながら、電力変換器１００Ｄでは、金属ブロック１Ｄ上に中継電極用絶縁層４２を介して形成された中継電極４１を備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合した上で、中継電極４１から別のボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４に接続している。このため、電力変換器１００Ｄでは、パワー半導体素子４からボンディングワイヤ４３ａを経由して流れてくる熱は大部分が中継電極４１、熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層４２および金属ブロック１Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に伝達され、中継電極４１からボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの回路パターン２４側に伝達される熱量は十分に小さく抑制されたものとなる。これにより、プリント配線板部５２Ｄ側に伝わる熱量を抑制することができ、プリント配線板部５２Ｄを形成するプリント配線板５Ｄ、電子回路部品６ａなどに対する加熱を効果的に抑制することができる。   In FIG. 10, heat generated during operation of the power semiconductor element 4 in the power semiconductor unit 51D is transferred from the power semiconductor element 4 to the cooling heat sink 7 via the solder layer 28a, the metal block 1D, and the heat dissipation insulating layer 2D. At the same time, it is also transmitted from the power semiconductor element 4 to the circuit pattern 24 side on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D through the bonding wire 43a. However, the power converter 100D includes the relay electrode 41 formed on the metal block 1D via the relay electrode insulating layer 42, and after bonding the bonding wire 43a from the power semiconductor element 4 to the relay electrode 41, The relay electrode 41 is connected to the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D through another bonding wire 43b. Therefore, in the power converter 100D, most of the heat flowing from the power semiconductor element 4 via the bonding wire 43a is the relay electrode 41, the relay electrode insulating layer 42 made of a ceramic material having excellent thermal conductivity, and The amount of heat transmitted to the cooling heat sink 7 via the metal block 1D and transmitted from the relay electrode 41 to the circuit pattern 24 side of the printed wiring board 5D via the bonding wire 43b is suppressed to be sufficiently small. Thereby, the amount of heat transmitted to the printed wiring board portion 52D side can be suppressed, and heating to the printed wiring board 5D, the electronic circuit component 6a and the like forming the printed wiring board portion 52D can be effectively suppressed.

また、上述のような電力変換器１００Ｄは、図１０に示されるように、パワー半導体素子４が動作時に発生する熱を、パワー半導体素子４→はんだ層２８ａ→金属ブロック１Ｄという第１の伝熱経路と、パワー半導体素子４→ボンディングワイヤ４３ａ→中継電極４１→中継電極用絶縁層４２→金属ブロック１Ｄという第２伝熱経路との２つの伝熱経路で効率良く金属ブロック１Ｄに伝達できるので、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｄの機能をより有効に生かしたものとなっている。   Further, as shown in FIG. 10, the power converter 100D as described above generates heat generated by the power semiconductor element 4 during operation as a first heat transfer of the power semiconductor element 4 → the solder layer 28a → the metal block 1D. Since it can be efficiently transmitted to the metal block 1D through the two heat transfer paths of the path and the power semiconductor element 4 → the bonding wire 43a → the relay electrode 41 → the relay electrode insulating layer 42 → the second heat transfer path of the metal block 1D. The function of the metal block 1D having a high heat capacity and excellent heat dissipation is utilized more effectively.

このように、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットのパワー半導体素子が動作時に発生する熱のうち、パワー半導体ユニットに接続されたプリント配線板ユニット側に伝わる熱量を抑制し、プリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。   Thus, in the power converter according to the third embodiment of the present invention, the amount of heat transferred to the printed wiring board unit connected to the power semiconductor unit among the heat generated by the power semiconductor element of the power semiconductor unit during operation. It is possible to suppress the heating to the printed wiring board and the like, and to further improve the heat dissipation in the power converter.

続いて、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法について図１１ないし図１３を参照して説明する。図１１ないし図１３は、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。   Then, the manufacturing method of the power converter concerning the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG. 11 thru | or FIG. 11 to 13 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a power converter according to the third embodiment of the present invention.

最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｄを製作する（図１１（ａ））。   First, a metal block 1D is manufactured by punching a copper plate having a thickness of about 1.0 to 5.0 mm into a square or a rectangle by pressing (FIG. 11A).

次に、マスク３０をあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末を積層することにより、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に放熱用絶縁層２Ｄを形成する。放熱用絶縁層２Ｄとしては、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａに下面部放熱用絶縁層２Ｄａを形成するとともに金属ブロック１Ｄの側面１Ｄｃの一部に側面部放熱用絶縁層２Ｄｂを形成する。側面部放熱用絶縁層２Ｄｂは下面部放熱用絶縁層２Ｄａにつながるように形成する（図１１（ｂ）〜図１１（ｃ））。放熱用絶縁層２Ｄの形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図２（ｂ）〜図２（ｃ）で説明した放熱用絶縁層２と同様である。   Next, by applying a mask 30 and laminating ceramic powder such as aluminum oxide powder by a thermal spraying method or an aerosol deposition method, a heat radiation insulating layer 2D is formed on the lower surface 1Da side of the metal block 1D. As the heat radiation insulating layer 2D, the lower surface heat radiation insulating layer 2Da is formed on the lower surface 1Da of the metal block 1D, and the side surface heat radiation insulating layer 2Db is formed on a part of the side surface 1Dc of the metal block 1D. The side surface heat radiation insulating layer 2Db is formed so as to be connected to the lower surface heat radiation insulating layer 2Da (FIGS. 11B to 11C). The material of the ceramic fine particles used for the formation of the heat dissipation insulating layer 2D and the method of forming the insulating layer are both the thermal spraying method and the aerosol deposition method described above with reference to FIGS. 2B to 2C. Same as 2.

放熱用絶縁層２Ｄの厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｄは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。   The thickness of the heat radiation insulating layer 2D is preferably 10 to 500 μm as described above, regardless of whether it is formed by either the thermal spraying method or the aerosol deposition method. The insulating layer 2D for heat dissipation formed as described above has an insulation characteristic of, for example, a thickness of 200 μm and an AC breakdown voltage of 5 kV or more, and can also be used for a power element having a withstand voltage rating of 1200V.

次に、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにもマスク３０Ｂをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂ側に中継電極用絶縁層４２を形成する（図１１（ｄ）〜図１２（ａ））。この中継電極用絶縁層４２は金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにおける全面ではなく一部分に形成する。中継電極用絶縁層４２の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の放熱用絶縁層２Ｄと同様である。   Next, a mask 30B is also applied to the upper surface 1Db of the metal block 1D, and a ceramic powder 31 such as aluminum oxide powder is laminated by a spraying method or an aerosol deposition method, whereby a relay electrode is formed on the upper surface 1Db side of the metal block 1D. The insulating layer 42 is formed (FIGS. 11D to 12A). The relay electrode insulating layer 42 is formed on a part of the upper surface 1Db of the metal block 1D, not on the entire surface. The material of the ceramic fine particles used for forming the insulating layer for relay electrode 42 and the forming method of the insulating layer are the same as those of the insulating layer 2D for heat dissipation, both in the thermal spraying method and the aerosol deposition method.

中継電極用絶縁層４２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。   As described above, the thickness of the relay electrode insulating layer 42 is preferably 10 to 500 μm, regardless of whether it is formed by either a thermal spraying method or an aerosol deposition method.

次に、中継電極用絶縁層４２の上に銅製の中継電極４１を積層する。銅を堆積させる方法は、放熱用絶縁層２Ｄと同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂに形成されている中継電極用絶縁層４２にマスク３０Ｃをあてて、銅粒子３２を溶射し、中継電極４１を形成する（図１２（ｂ）〜（ｃ））。   Next, the copper relay electrode 41 is laminated on the relay electrode insulating layer 42. As a method for depositing copper, a plasma spraying method is used in the same manner as the heat-dissipating insulating layer 2D. That is, the relay electrode 41 is formed by spraying the copper particles 32 by applying the mask 30C to the relay electrode insulating layer 42 formed on the upper surface 1Db of the metal block 1D (FIGS. 12B to 12C). .

これにより、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に放熱用絶縁層２Ｄが形成されるとともに、上面１Ｄｂの一部には中継電極４１が中継電極用絶縁層４２を介して形成された絶縁金属ブロック３Ｄが完成する（図１２（ｄ））。   As a result, the heat insulating layer 2D is formed on the lower surface 1Da side of the metal block 1D, and the insulating metal block 3D in which the relay electrode 41 is formed on the upper surface 1Db via the relay electrode insulating layer 42 is formed. Completed (FIG. 12D).

次に、絶縁金属ブロック３Ｄにおける金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により接合する（図１２（ｅ））。このはんだ２８ａによる実装は、上述の図２（ｄ）で説明した実装方法と同様にして行なう。   Next, the power semiconductor element 4 is joined to the upper surface 1Db of the metal block 1D in the insulating metal block 3D by joining with the solder 28a (FIG. 12E). The mounting by the solder 28a is performed in the same manner as the mounting method described with reference to FIG.

次に、予め、絶縁金属ブロック３Ｄを収めることが可能な孔１４が形成されたプリント配線板５Ｄに絶縁金属ブロック３Ｄをはめ込む。この時、絶縁金属ブロック３Ｄがプリント配線板５Ｄと一体となるよう接着剤２９などで固定する（図１３（ａ））。   Next, the insulating metal block 3D is fitted into the printed wiring board 5D in which the hole 14 in which the insulating metal block 3D can be accommodated is formed in advance. At this time, the insulating metal block 3D is fixed with an adhesive 29 or the like so as to be integrated with the printed wiring board 5D (FIG. 13A).

次に、ボンディングワイヤ４３ａによりパワー半導体素子４と中継電極４１との接続を行なう（図１３（ｂ））。ボンディングワイヤ４３ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子４と中継電極４１との接続には、ボンディングワイヤ４３ａの代わりに例えばリードフレームを使用しても良い。   Next, the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41 are connected by the bonding wire 43a (FIG. 13B). The bonding wire 43a is ultrasonically bonded using an Al wire having a wire diameter of 125 to 500 μm. For connecting the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41, for example, a lead frame may be used instead of the bonding wire 43a.

さらに、ボンディングワイヤ４３ｂにより中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４との接続を行なう（図１３（ｂ））。ボンディングワイヤ４３ｂは、上述のボンディングワイヤ４３ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４との接続には、ボンディングワイヤ４３ｂの代わりにリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。   Further, the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D are connected by the bonding wire 43b (FIG. 13B). The bonding wire 43b is ultrasonically bonded using an Al wire having a wire diameter of 125 to 500 μm, similarly to the bonding wire 43a described above. For connecting the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D, a lead frame or ribbon-like aluminum may be used instead of the bonding wire 43b.

次に、プリント配線板５Ｄに各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する。実装は通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う（図１３（ｃ））。これにより、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとが一体化された電力変換回路組立体５３Ｄが構成される。   Next, various electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5D by joining with solder 28a. Mounting is usually performed in a reflow furnace using cream solder (FIG. 13C). Thus, a power conversion circuit assembly 53D in which the power semiconductor unit 51D and the printed wiring board unit 52D are integrated is configured.

最後に、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａに放熱用絶縁層２Ｄが形成された電力変換回路組立体５３Ｄを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｄを構成する（図１３（ｄ））。   Finally, the power conversion circuit assembly 53D in which the power semiconductor unit 51D and the printed wiring board unit 52D are integrated and the heat radiation insulating layer 2D is formed on the lower surface 1Da of the metal block 1D is radiated to the cooling heat sink 7. It is mounted via grease and covered with a case 8 to constitute a power converter 100D (FIG. 13 (d)).

上述のように、第３の実施形態にかかる電力変換器では、特に、金属ブロックの上面（表面）に接合されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極とプリント配線板の回路パターンとを接続していることにより、パワー半導体素子が動作時に発生し、パワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、プリント配線板の回路パターンの方に伝わる熱量は十分に小さく抑制することができる。   As described above, in the power converter according to the third embodiment, the bonding wire or the lead frame from the power semiconductor element bonded to the upper surface (surface) of the metal block is bonded to the relay electrode. By connecting the relay electrode and the circuit pattern of the printed wiring board, the power semiconductor element is generated during operation, and the heat transferred along the bonding wire or lead frame from the power semiconductor element is mainly used for the relay electrode. In addition, the amount of heat transferred to the circuit pattern on the printed wiring board is sufficiently small because it is transmitted to the metal block with high heat capacity and excellent heat dissipation through the insulating layer for relay electrodes made of ceramic material with excellent heat conductivity. Can be suppressed.

これにより、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットからプリント配線板ユニットに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、プリント配線板ユニットにおけるプリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
＜第４の実施形態＞
図１４は本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図であり、図１４（ａ）〜図１４（ｂ）に２通りの構成例を示している。 Thus, in the power converter according to the third embodiment of the present invention, the amount of heat flowing from the power semiconductor unit to the printed wiring board unit can be effectively suppressed. While heating can be suppressed effectively, the heat dissipation in a power converter can be improved more.
<Fourth Embodiment>
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a power converter according to the fourth embodiment of the present invention, and two configuration examples are shown in FIGS. 14 (a) to 14 (b).

本発明の第４の実施形態に係る電力変換器は、上述の第２の実施形態の電力変換器において、特に、上面および下面を有する金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、この中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、上記金属ブロックの上面に実装されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤなどを上記中継電極に接合するとともに、上記中継電極とプリント配線板の回路パターンとをボンディングワイヤなどを介して接続するようにしたものであり、それ以外の点では第２の実施形態にかかる電力変換器と同様である。   The power converter according to the fourth embodiment of the present invention is the power converter according to the second embodiment described above, in particular, by laminating a ceramic material directly on a part of the upper surface of a metal block having an upper surface and a lower surface. A relay electrode formed by laminating a metal material on the upper surface of the relay electrode insulating layer, and a bonding wire from a power semiconductor element mounted on the upper surface of the metal block. Is joined to the relay electrode, and the relay electrode and the circuit pattern of the printed wiring board are connected via a bonding wire or the like. Otherwise, the power conversion according to the second embodiment It is the same as the vessel.

図１４（ａ）に示す電力変換器１００Ｆにおいて、パワー半導体ユニット５１Ｆは、上面１Ｆｂおよび下面１Ｆａを有する金属ブロック１Ｆと、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４２と、中継電極用絶縁層４２の上面に形成された中継電極４１と、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにはんだ２８ａにより接合されたパワー半導体素子４とを備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合している。そして、パワー半導体ユニット５１Ｆの中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４とをボンディングワイヤ４３ｂで接続している。なお、図１４（ａ）では、説明の便宜上、パワー半導体素子４と中継電極４１とを接続するボンディングワイヤを４３ａとし、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とを接続するボンディングワイヤを４３ｂとしている。なお、以下では、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂおよび下面１Ｆａをそれぞれ「表面１Ｆｂ」および「裏面１Ｆａ」とも称する。   In the power converter 100F shown in FIG. 14A, the power semiconductor unit 51F includes a metal block 1F having an upper surface 1Fb and a lower surface 1Fa, and a relay electrode insulating layer 42 formed on a part of the upper surface 1Fb of the metal block 1F. The relay electrode 41 formed on the upper surface of the relay electrode insulating layer 42 and the power semiconductor element 4 joined to the upper surface 1Fb of the metal block 1F by the solder 28a are provided, and the bonding wire 43a from the power semiconductor element 4 is relayed. The electrode 41 is joined. The relay electrode 41 of the power semiconductor unit 51F and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5F are connected by a bonding wire 43b. In FIG. 14A, for convenience of explanation, the bonding wire for connecting the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41 is 43a, and the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5D are connected. The bonding wire to be used is 43b. Hereinafter, the upper surface 1Fb and the lower surface 1Fa of the metal block 1F are also referred to as “front surface 1Fb” and “back surface 1Fa”, respectively.

電力変換器１００Ｆにおいても、パワー半導体ユニット５１Ｆとプリント配線板ユニット５２Ｆとを一体として、電力変換回路組立体５３Ｆを構成しているが、プリント配線板５Ｆに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｆの構成は上述の電力変換器１００Ｂにおけるプリント配線板ユニット５２Ｂと同様である。   Also in the power converter 100F, the power semiconductor unit 51F and the printed wiring board unit 52F are integrated to form a power conversion circuit assembly 53F, but the electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5F. The configuration of the printed wiring board unit 52F is the same as the printed wiring board unit 52B in the above-described power converter 100B.

パワー半導体ユニット５１Ｆでは、金属ブロック１Ｆを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。   In the power semiconductor unit 51F, the metal block 1F is made of copper, which is a metal material having good conductivity and thermal conductivity, and its thickness is set to about 1.0 to 5.0 mm so that the heat capacity is high and the heat dissipation is excellent. It is supposed to be.

また、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域、すなわち金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２Ｆとして形成されている。ここで、図１４の構成では、放熱用絶縁層２Ｆが形成される、プリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域をスルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面としている。   Further, a ceramic material is directly formed as a heat-dissipating insulating layer 2F on the lower surface 1Fa of the metal block 1F and its peripheral region, that is, the lower surface 1Fa of the metal block 1F and the peripheral region of the metal block 1F on the lower surface 502 side of the printed wiring board 5F. ing. Here, in the configuration of FIG. 14, the peripheral area of the metal block 1F on the lower surface 502 side of the printed wiring board 5F where the heat-dissipating insulating layer 2F is formed is the land surface of the lower surface land conductor portion 27c of the through-hole portion 27. .

そして、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域に形成される放熱用絶縁層２Ｆを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｆでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。   The heat insulating layer 2F formed in the peripheral area of the metal block 1F on the lower surface 1Fa of the metal block 1F and the lower surface 502 side of the printed wiring board 5F is thermally conductive, such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride. It is made of an excellent ceramic material. In the heat radiation insulating layer 2F, the thermal conductivity is preferably 1 to 200 W / m · K, and the thickness is preferably 10 to 500 μm.

このように、電力変換器１００Ｆでは、上面１Ｆｂ側にパワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｆを形成しているので、パワー半導体ユニット５１Ｆにおける金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａが放熱用絶縁層２Ｆを介して冷却用ヒートシンク７に直接接することにより、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。   As described above, in the power converter 100F, the power semiconductor element 4 is mounted on the upper surface 1Fb side, the lower surface 1Fa of the metal block 1F having high heat capacity and excellent heat dissipation, and the metal block 1F on the lower surface 502 side of the printed wiring board 5F. Since the heat dissipation insulating layer 2F made of a ceramic material having excellent thermal conductivity is formed in the peripheral region of the metal, the lower surface 1Fa of the metal block 1F in the power semiconductor unit 51F is interposed between the heat dissipation insulating layer 2F and the cooling heat sink. By directly contacting 7, the thermal resistance of the lower part of the power semiconductor element 4 can be sufficiently reduced, and excellent heat dissipation can be provided.

なお、図１４（ａ）では金属ブロック１Ｆにパワー半導体素子４が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｆに実装されるパワー半導体素子４の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１Ｆを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。   FIG. 14A shows a configuration example in which one power semiconductor element 4 is mounted on the metal block 1F. However, the number of power semiconductor elements 4 mounted on the metal block 1F may be two. Moreover, three or more may be sufficient. In addition, the metal material forming the metal block 1F is not limited to copper, and for example, a copper alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like can be applied.

また、パワー半導体ユニット５１Ｆでは、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂ側に形成される中継電極用絶縁層４２も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。   In the power semiconductor unit 51F, the relay electrode insulating layer 42 formed on the upper surface 1Fb side of the metal block 1F is also formed of a ceramic material having excellent thermal conductivity such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride. I am doing so. In addition, in the insulating layer for relay electrodes 42, the thermal conductivity is preferably 1 to 200 W / m · K, and the thickness is preferably 10 to 500 μm.

そして、中継電極用絶縁層４２の上面に形成される中継電極４１は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極４１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。   The relay electrode 41 formed on the upper surface of the relay electrode insulating layer 42 is formed of a metal material having excellent thermal conductivity such as copper. In addition, the metal material which forms the relay electrode 41 is not restricted to copper, For example, a copper alloy, aluminum, aluminum alloy etc. are applicable.

次に、図１４（ｂ）に示す電力変換器１００Ｇは、上述の図１４（ａ）に示した電力変換器１００Ｆに対して、パワー半導体素子４と中継電極４１とをリードフレーム４４ａで接続するとともに、中継電極４１とプリント配線板５Ｇの上面５０１側の回路パターン２４とをリードフレーム４４ｂで接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。以下では、主に、図１４（ａ）に示した電力変換器１００Ｆについて説明する。   Next, the power converter 100G shown in FIG. 14B connects the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41 with the lead frame 44a to the power converter 100F shown in FIG. 14A. In addition, the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5G are connected by the lead frame 44b, and the other points are the same. Below, the power converter 100F shown to Fig.14 (a) is mainly demonstrated.

続いて、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法について図１５および図１６を参照して説明する。図１５および図１６は、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。   Then, the manufacturing method of the power converter concerning the 4th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG. 15 and FIG. 15 and 16 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a power converter according to the fourth embodiment of the present invention.

最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｆを製作する（図１５（ａ））。   First, a metal block 1F is manufactured by punching a copper plate having a thickness of about 1.0 to 5.0 mm into a square or a rectangle by pressing (FIG. 15A).

次に、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにマスク３０Ｂをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂ側に中継電極用絶縁層４２を形成する（図１５（ｂ）〜図１５（ｃ））。中継電極用絶縁層４２は金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにおける全面ではなく一部分に形成する。中継電極用絶縁層４２の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図６（ｅ）〜図７（ａ）で説明した放熱用絶縁層２Ｂと同様である。   Next, a mask 30B is applied to the upper surface 1Fb of the metal block 1F, and ceramic powder 31 such as aluminum oxide powder is laminated by a thermal spraying method or an aerosol deposition method, whereby a relay electrode electrode is formed on the upper surface 1Fb side of the metal block 1F. An insulating layer 42 is formed (FIGS. 15B to 15C). The relay electrode insulating layer 42 is formed not on the entire surface of the upper surface 1Fb of the metal block 1F but on a part thereof. The material of the ceramic fine particles used for forming the insulating layer 42 for the relay electrode, and the insulating layer forming method are both the thermal spraying method and the aerosol deposition method, as described above with reference to FIGS. 6 (e) to 7 (a). Similar to layer 2B.

中継電極用絶縁層４２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。   As described above, the thickness of the relay electrode insulating layer 42 is preferably 10 to 500 μm, regardless of whether it is formed by either a thermal spraying method or an aerosol deposition method.

次に、中継電極用絶縁層４２の上に銅製の中継電極４１を積層する。銅を堆積させる方法は、放熱用絶縁層と同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂに形成されている中継電極用絶縁層４２にマスク３０Ｃをあてて、銅粒子３２を溶射し、中継電極４１を形成する（図１５（ｄ）〜図１５（ｅ））。   Next, the copper relay electrode 41 is laminated on the relay electrode insulating layer 42. As a method for depositing copper, a plasma spraying method is used in the same manner as the heat-dissipating insulating layer. That is, the relay electrode 41 is formed by spraying the copper particles 32 by applying the mask 30C to the relay electrode insulating layer 42 formed on the upper surface 1Fb of the metal block 1F (FIGS. 15D to 15E). )).

これにより、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂの一部に中継電極４１が中継電極用絶縁層４２を介して形成された中継電極付き金属ブロック１０３Ｆが完成する（図１５（ｆ））。   Thereby, the metal block 103F with a relay electrode in which the relay electrode 41 is formed on a part of the upper surface 1Fb of the metal block 1F via the relay electrode insulating layer 42 is completed (FIG. 15F).

次に、上述の図６（ｃ）と同様に、プリント配線板５Ｆのスルーホール部２７の孔２７ｄに金属ブロック１Ｆを挿入し、はんだ２８ｂでの接合により固定する（図１５（ｇ））。この時、プリント配線板５Ｆと金属ブロック１Ｆとの接合力をより高めるため、接着剤なども併用して固定しても良い。   Next, similarly to the above-described FIG. 6C, the metal block 1F is inserted into the hole 27d of the through hole portion 27 of the printed wiring board 5F, and fixed by joining with the solder 28b (FIG. 15G). At this time, in order to further increase the bonding force between the printed wiring board 5F and the metal block 1F, an adhesive or the like may be used in combination.

次に、金属ブロック１Ｆにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により実装するとともに、プリント配線板５Ｆには各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する（図１６（ａ））。これらのはんだ２８ａによる実装は、上述の図６（ｄ）で説明した実装方法と同様にして行なう。   Next, the power semiconductor element 4 is mounted on the metal block 1F by bonding with solder 28a, and various electronic circuit components 6a and 6b are mounted on the printed wiring board 5F by bonding with solder 28a (FIG. 16A). )). Mounting with these solders 28a is performed in the same manner as the mounting method described with reference to FIG.

次に、ボンディングワイヤ４３ａによりパワー半導体素子４と中継電極４１との接続を行なう（図１６（ａ））。ボンディングワイヤ４３ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子４と中継電極４１との接続には、ボンディングワイヤ４３ａの代わりに例えばリードフレームを使用しても良い。   Next, the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41 are connected by the bonding wire 43a (FIG. 16A). The bonding wire 43a is ultrasonically bonded using an Al wire having a wire diameter of 125 to 500 μm. For connecting the power semiconductor element 4 and the relay electrode 41, for example, a lead frame may be used instead of the bonding wire 43a.

さらに、ボンディングワイヤ４３ｂにより中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４との接続を行なう（図１６（ａ））。ボンディングワイヤ４３ｂは、上述のボンディングワイヤ４３ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４との接続には、ボンディングワイヤ４３ｂの代わりにリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。   Further, the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5F are connected by the bonding wire 43b (FIG. 16A). The bonding wire 43b is ultrasonically bonded using an Al wire having a wire diameter of 125 to 500 μm, similarly to the bonding wire 43a described above. For connecting the relay electrode 41 and the circuit pattern 24 on the upper surface 501 side of the printed wiring board 5F, a lead frame or ribbon-like aluminum may be used instead of the bonding wire 43b.

次に、マスク３０Ａをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｆを形成する（図１６（ｂ）〜図１６（ｃ））。放熱用絶縁層２Ｆの形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図６（ｅ）〜図７（ａ）で説明した絶縁層２Ｂと同様である。   Next, the insulating layer 2F for heat radiation is formed on the lower surface 1Fa of the metal block 1F and its peripheral region by applying a mask 30A and laminating ceramic powder 31 such as aluminum oxide powder by spraying or aerosol deposition. (FIG. 16B to FIG. 16C). The material of the ceramic fine particles used for the formation of the heat radiation insulating layer 2F and the method for forming the insulating layer are the same as the insulating layer 2B described in FIGS. 6 (e) to 7 (a) in both the thermal spraying method and the aerosol deposition method. It is the same.

放熱用絶縁層２Ｆの厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｆは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。   The thickness of the heat-dissipating insulating layer 2F is preferably 10 to 500 μm as described above, regardless of whether it is formed by thermal spraying or aerosol deposition. The heat radiation insulating layer 2F formed as described above has, for example, a thickness of 200 μm and an AC breakdown voltage of 5 kV or more as an insulating property, and can also be used for a power element having a withstand voltage rating of 1200 V.

最後に、パワー半導体ユニット５１Ｆとプリント配線板ユニット５２Ｆとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｆが形成された電力変換回路組立体５３Ｆを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｆを構成する（図１６（ｄ））。   Finally, the power conversion circuit assembly 53F in which the power semiconductor unit 51F and the printed wiring board unit 52F are integrated and the heat insulating layer 2F is formed in the lower surface 1Fa of the metal block 1F and its peripheral region is used for cooling. It mounts on the heat sink 7 via thermal radiation grease, covers the case 8, and constitutes the power converter 100F (FIG. 16 (d)).

以上説明した第４の実施形態にかかる電力変換器では、上述の第３の実施形態にかかる電力変換器と同様に、特に、金属ブロックの上面（表面）に接合されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極とプリント配線板の回路パターンとを接続していることにより、パワー半導体素子が動作時に発生し、パワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、プリント配線板の回路パターンの方に伝わる熱量は十分に小さく抑制することができる。   In the power converter according to the fourth embodiment described above, as in the case of the power converter according to the third embodiment described above, in particular, bonding from a power semiconductor element bonded to the upper surface (surface) of the metal block. By connecting the wire or lead frame to the relay electrode and connecting the relay electrode and the circuit pattern of the printed wiring board, the power semiconductor element is generated during operation, and the bonding wire or lead from the power semiconductor element is generated. The heat transferred along the frame is transferred to the metal block, which has high heat capacity and excellent heat dissipation, mainly through the relay electrode and the insulating layer for relay electrode made of ceramic material with excellent thermal conductivity. The amount of heat transmitted to the circuit pattern of the wiring board can be suppressed to be sufficiently small.

これにより、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットからプリント配線板ユニットに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、プリント配線板ユニットにおけるプリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。   Thus, in the power converter according to the fourth embodiment of the present invention, the amount of heat flowing from the power semiconductor unit to the printed wiring board unit can be effectively suppressed. While heating can be suppressed effectively, the heat dissipation in a power converter can be improved more.

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ：金属ブロック
１ａ，１Ａａ，１Ｂａ，１Ｃａ，１Ｄａ，１Ｆａ:下面（裏面）
１ｂ，１Ａｂ，１Ｂｂ，１Ｃｂ，１Ｄｂ，１Ｆｂ：上面（表面）
１ｃ，１Ａｃ，１Ｂｃ，１Ｃｃ，１Ｄｃ，１Ｆｃ：側面
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ：放熱用絶縁層
２ａ，２Ａａ，２Ｄａ：下面部放熱用絶縁層
２ｂ，２Ａｂ，２Ｄｂ：側面部放熱用絶縁層
３，３Ａ，３Ｄ，３Ｅ：絶縁金属ブロック
４：パワー半導体素子（第１の回路素子）
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ，５Ｇ：プリント配線板
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ：電子回路部品（第２の回路素子）
７：冷却用ヒートシンク
７ａ：上面
８：ケース
９ａ，９ｂ：プリント配線板
１０：パワー半導体モジュール
１１：絶縁基板
１２：アルミワイヤ
１３：切り欠き部
１４，１４Ａ：孔
１５：金属ベース
１６：絶縁層
１７：回路パターン
１８，１８Ａ：接続リード端子
１９：絶縁樹脂
２０：ケース本体
２１：蓋
２３，２３ａ，２３ｂ：基板本体
２４，２４ａ，２４ｂ：回路パターン
２５，２５Ａ：支柱
２６：配線
２７：スルーホール部
２７ａ：貫通導体部
２７ｂ：上面ランド導体部
２７ｃ：下面ランド導体部
２７ｄ：孔
２８ａ，２８ｂ：はんだ
２９：接着剤
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ：マスク
３１，３１Ａ，３１Ｂ：原料粉末（セラミックス粉末）
３２：銅粒子
４１：中継電極
４２：中継電極用絶縁層
４３ａ，４３ｂ：ボンディングワイヤ
４４ａ，４４ｂ：リードフレーム
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ，５１Ｇ：パワー半導体ユニット
５２，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ，５２Ｇ：プリント配線板ユニット
５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇ：電力変換回路組立体
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，２００：電力変換器
１０３Ｆ：中継電極付き金属ブロック
５０１：上面（表面）
５０２：下面（裏面）
ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４：熱の流れ 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G: Metal block 1a, 1Aa, 1Ba, 1Ca, 1Da, 1Fa: Lower surface (back surface)
1b, 1Ab, 1Bb, 1Cb, 1Db, 1Fb: upper surface (surface)
1c, 1Ac, 1Bc, 1Cc, 1Dc, 1Fc: Side surface 2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G: Heat radiation insulating layer 2a, 2Aa, 2Da: Bottom surface heat radiation insulating layer 2b, 2Ab, 2Db : Insulating layer for side surface heat radiation 3, 3A, 3D, 3E: Insulated metal block 4: Power semiconductor element (first circuit element)
5, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G: Printed wiring boards 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g: Electronic circuit components (second circuit elements)
7: Heat sink for cooling 7a: Upper surface 8: Case 9a, 9b: Printed wiring board 10: Power semiconductor module 11: Insulating substrate 12: Aluminum wire 13: Notch 14, 14A: Hole 15: Metal base 16: Insulating layer 17 : Circuit pattern 18, 18A: Connection lead terminal 19: Insulating resin 20: Case body 21: Lid 23, 23a, 23b: Board body 24, 24a, 24b: Circuit pattern 25, 25A: Post 26: Wiring 27: Through hole portion 27a: Through conductor portion 27b: Upper surface land conductor portion 27c: Lower surface land conductor portion 27d: Hole 28a, 28b: Solder 29: Adhesive 30, 30A, 30B, 30C: Mask 31, 31A, 31B: Raw material powder (ceramic powder)
32: Copper particles 41: Relay electrode 42: Insulating layer for relay electrode 43a, 43b: Bonding wire 44a, 44b: Lead frame 51, 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51F, 51G: Power semiconductor unit 52, 52A, 52B, 52C, 52D, 52E, 52F, 52G: Printed wiring board unit 53, 53A, 53B, 53C, 53D, 53E, 53F, 53G: Power conversion circuit assembly 100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F , 100G, 200: Power converter 103F: Metal block with relay electrode 501: Upper surface (surface)
502: Lower surface (back surface)
h1, h2, h3, h4: heat flow

Claims (10)

上面および下面を有する金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、
前記金属ブロックを収めることが可能な孔が明けられたプリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットと、
冷却用ヒートシンクとを備え、
前記金属ブロックが前記孔にはめ込まれるようにして前記パワー半導体ユニットと前記プリント配線板ユニットとが一体とされた電力変換回路組立体が構成されているとともに、
前記金属ブロックの下面と前記金属ブロックの側面の少なくとも一部とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層として形成されてなり、
前記下面の放熱用絶縁層と前記側面の放熱用絶縁層とはつながるように設けられ、
前記金属ブロックの下面が前記放熱用絶縁層を介して前記冷却用ヒートシンクの上面に当接するようにして前記電力変換回路組立体が前記冷却用ヒートシンクに取付けられた ことを特徴とする電力変換器。 A power semiconductor unit in which a first circuit element made of a power semiconductor element is mounted on an upper surface of a metal block having an upper surface and a lower surface;
A printed wiring board unit in which a second circuit element is mounted on a printed wiring board having a hole capable of accommodating the metal block;
With a heat sink for cooling,
A power conversion circuit assembly is configured in which the power semiconductor unit and the printed wiring board unit are integrated so that the metal block is fitted into the hole,
A ceramic material is directly formed as a heat dissipation insulating layer on the lower surface of the metal block and at least a part of the side surface of the metal block ,
The heat radiation insulating layer on the lower surface and the heat radiation insulating layer on the side surface are provided to be connected,
The power converter, wherein the power conversion circuit assembly is attached to the cooling heat sink such that the lower surface of the metal block is in contact with the upper surface of the cooling heat sink via the insulating layer for heat dissipation. 請求項１に記載の電力変換器において、
前記金属ブロックの下面と前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなることを特徴とする電力変換器。 The power converter according to claim 1, wherein
A power converter, wherein a ceramic material is directly formed as the insulating layer for heat dissipation on a lower surface of the metal block and a peripheral region of the metal block on a lower surface of the printed wiring board. 請求項２に記載の電力変換器において、
前記孔は、導体層からなるスルーホール部の開口部であって、
前記金属ブロックは、前記スルーホール部にはんだ付で固定されているとともに、
前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域は、前記スルーホール部のランド面であることを特徴とする電力変換器。 The power converter according to claim 2 , wherein
The hole is an opening of a through hole portion made of a conductor layer,
The metal block is fixed to the through hole portion by soldering,
The power converter, wherein a peripheral region of the metal block on a lower surface of the printed wiring board is a land surface of the through hole portion. 請求項１に記載の電力変換器において、
前記パワー半導体ユニットは、前記金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、
前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、
前記第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、
前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続したことを特徴とする電力変換器。 The power converter according to claim 1, wherein
The power semiconductor unit includes a relay electrode insulating layer formed by laminating a ceramic material directly on a part of the upper surface of the metal block;
A relay electrode formed by laminating a metal material on the upper surface of the insulating layer for the relay electrode,
Bonding a bonding wire or a lead frame from the first circuit element to the relay electrode;
A power converter, wherein the relay electrode and a circuit pattern portion on an upper surface side of the printed wiring board are connected. 請求項４に記載の電力変換器において、
前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続したことを特徴とする電力変換器。 The power converter according to claim 4 , wherein
A power converter, wherein the relay electrode and the circuit pattern portion on the upper surface side of the printed wiring board are connected via a bonding wire or a lead frame. 請求項１または４に記載の電力変換器において、
前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍであることを特徴とする電力変換器。 The power converter according to claim 1 or 4 ,
The heat dissipation insulating layer and / or the relay electrode insulating layer has a thermal conductivity of 1 to 200 W / m · K and a thickness of 10 to 500 μm. 請求項１または４に記載の電力変換器において、
前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなることを特徴とする電力変換器。 The power converter according to claim 1 or 4 ,
The heat dissipation insulating layer and / or the relay electrode insulating layer is made of at least one of a filler group made of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride. 請求項４に記載の電力変換器を製造する方法において、
前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成することを特徴とする電力変換器を製造する方法。 The method of manufacturing the power converter according to claim 4 ,
The method for manufacturing a power converter, wherein the relay electrode is formed by spraying copper particles as a metal material. 請求項７に記載の電力変換器を製造する方法において、
前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させることにより形成することを特徴とする電力変換器を製造する方法。 The method of manufacturing the power converter according to claim 7 ,
The method of manufacturing a power converter, wherein the insulating layer for heat dissipation and / or the insulating layer for a relay electrode is formed by depositing ceramic fine particles of at least one of the filler groups by a plasma spraying method. . 請求項７に記載の電力変換器を製造する方法において、
前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成することを特徴とする電力変換器を製造する方法。 The method of manufacturing the power converter according to claim 7 ,
The heat radiating insulating layer and / or the relay electrode insulating layer, to produce a power converter, characterized by formed by depositing the ceramic particles according to at least one of the filler group at the aerosol deposition method Way .
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