JP5948106B2 - パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに交流電流を供給するパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。
近年、電力変換装置では、大電流を出力することができるものが求められている一方、小型化も要求されている。電力変換装置が大電流を出力しようとすると、パワー半導体モジュールに内蔵されるパワー半導体素子で発生する熱が大きくなり、パワー半導体モジュールや電力変換装置の熱容量を大きくしなければパワー半導体素子の耐熱温度に達してしまい、小型化の妨げとなる。そこでパワー半導体素子を両面から冷却することにより冷却効率を向上させる両面冷却型パワー半導体モジュールが開発されている。
上記両面冷却型パワー半導体モジュールは上記パワー半導体素子の両主面を板状導体であるリードフレームで挟み込み、パワー半導体素子の主面と対向する面と反対側のリードフレームの面が冷却媒体と熱的に接続され、冷却される。
特許文献１には、パワー半導体素子を一対の金属導体板で挟んだものをモールド樹脂で封止し、この一対の金属体をモールド樹脂から露出させ、この露出部をセラミック被膜で被覆して両面冷却型パワー半導体モジュールを構成するという発明が開示されている。特許文献２では、パワー半導体素子を搭載する金属導体板における素子搭載面と反対側の放熱面の端部にテーパ面を設け、放熱面からテーパ面までをセラミック被膜で被覆し、このテーパ面に被覆したセラミック被膜までモールド樹脂で封止し、放熱面のセラミック被膜を封止樹脂から露出させてパワー半導体モジュールを構成するという発明が開示されている。
特許第３８２６６６７号公報 特開２０１１−５４６０７号公報
電力変換装置の大電流化に向け、パワー半導体モジュールの電流密度を向上させるには、冷却性能の指標である熱抵抗を低減する必要がある。両面冷却型パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の両面の電極から伝熱することで、パワー半導体素子の面積を増やすことなく、効果的に熱抵抗の低減ができる。しかし、リードフレームと冷却器の間に絶縁材料を介在させ、高熱伝導に接合・密着させる技術に課題がある。
絶縁材料は、セラミック材と樹脂材の２つに大別できる。セラミック材は、熱伝導率は３０〜１５０Ｗ／mKと高いのだが、金属材料との接合には非常に高温度下でのろう付けを必要とするため生産性に課題があり、かつ、線膨張係数が金属材料の半分以下と低いためにリードフレームや冷却器といった他部品との接合界面には信頼性の課題がある。
一方、樹脂材は、０.１Ｗ／mK未満と非常に熱伝導率が低いが、セラミックのフィラーを混合することで、熱伝導率を１０Ｗ／mK程度まで向上でき、線膨張係数も金属材料に近い値に調節できる。しかし、フィラー量を増加させることで接着強度が劣化してしまうため、実際にはあまり高い熱伝導率で使うことができない。
そこで、セラミック粒子を溶融させて金属導体板に噴射し、セラミック被膜を形成する溶射技術を利用し、パワー半導体モジュールにセラミック材の絶縁層を形成する構造が前記特許文献１・２の様に考案されている。また、セラミック溶射膜に樹脂を含浸させることで、絶縁性能・熱伝導・耐食性が向上することが広く知られている。
セラミック溶射の技術は、被射体の金属に、短時間で絶縁層を強固に形成できるため、生産性の面で有利だが、セラミック材は低線膨張であるため、やはりリードフレームや冷却器といった他部品との接合界面の信頼性は課題である。
本発明の課題は、パワー半導体モジュールの信頼性向上である。
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュール及びそれを備えた電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換する第１パワー半導体素子と、前記第１パワー半導体素子とはんだ材を介して接続される第１導体と、金属製の第１放熱ベースと、前記第１放熱ベースと前記第１導体との間に配置されるとともに前記第１放熱ベース及び前記第１導体に接合される第１絶縁層と、を備え、前記第１絶縁層は、無機材料と有機材料により構成される第１領域と、前記第１領域よりも無機材料が少なくかつ前記第１領域よりも有機材料が多い第２領域と、を有し、前記第１絶縁層における前記第１導体との接合面の垂直方向から投影した場合に、前記第２領域は、当該第２領域の斜影部が前記第１導体の周縁部の斜影部と重なるように形成される。
本発明により、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 インバータ装置の回路図を示している。 （ａ）は、本実施形態に係る両面冷却型パワー半導体モジュール３００の斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る両面冷却型パワー半導体モジュール３００のＡ−Ａ断面図を示している。 （ａ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１の斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１の断面図を示している。 （ａ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１内部の分解図であり、（ｂ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１内部の組立て図を示している。（ｃ）は、パッケージ３０１に対応した回路図を示している。 本実施形態に係る両面冷却型パワー半導体モジュール３００の絶縁層３３３を拡大したＡ−Ａ断面図を示している。 前記図６に示した本実施形態に係る両面冷却型パワー半導体モジュール３００の絶縁層３３３を拡大したＡ−Ａ断面図におけるＣ部の拡大断面図を示している。 本実施形態に係る両面冷却型パワー半導体モジュール３００の絶縁層３３３を拡大したＢ−Ｂ断面図を示している。 前記図８に示した本実施形態に係る両面冷却型パワー半導体モジュール３００の絶縁層３３３を拡大したＢ−Ｂ断面図におけるＤ方向・Ｅ方向からの透過図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例２を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例３を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例４を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例５を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例６を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例７を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例８を説明する拡大断面図を示している。 本実施形態に係る、他の実施例９を説明する拡大断面図を示している。
本実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
本実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置では、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。
車両駆動用インバータ装置は、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機が発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶、航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２、１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２、１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。
インバータ装置１４０、１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０、１４２との相互において電力の授受が可能である。
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６からインバータ装置４３に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。
図２を用いてインバータ装置１４０やインバータ装置１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を説明する。なお、図２では、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１６７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１６８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５１と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、ＩＧＢＴ３２８と電気的に並列に接続されている。また、ダイオード１５８が、ＩＧＢＴ３３０と電気的に並列に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１５８は不要となる。コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ、ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ、ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ、ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ、ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ、ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。
また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極１５１及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８、３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８、３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング動作を停止させる。
なお、図２におけるゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５は、後述する図３の信号端子３２５Ｕに対応し、ゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５は図３の信号端子３２５Ｌに対応する。また、正極端子１５７は図３の直流正極端子３１５Ｂと同一のものであり、負極端子１５８は図３の直流負極端子３１９Ｂと同一のものである。また、交流端子１５９は、図３の交流端子３２０Ｂと同じものである。
図３乃至図９を用いて本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の第１の実施形態を説明する。
図３（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ断面の矢印方向から見た本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の断面図である。図４は、図３に示す状態からさらにモジュールケース３０４を取り除いたパワー半導体モジュール３００を示す図である。図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面Ｃで切断して矢印方向から見たときの断面図である。図５（ａ）は、パワー半導体素子の周辺の分解斜視図である。図５（ｂ）は、パワー半導体素子の周辺の構成図である。図５（ｃ）は、１つのパワー半導体モジュール３００の回路構成図である。
図３（ａ）に示すように、パワー半導体モジュール３００は、図４に示されるパッケージ３０１をＣＡＮ型のモジュールケース３０４の内部に収納したものである。ここで、ＣＡＮ型の冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース３０４は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより、つなぎ目の無い状態でケース状に一体成形されている。
モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない扁平状のケースであり、扁平状ケースの挿入口３０６にはフランジ３０４Ｂが設けられている。扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部３０７Ａが設けられ、他方の面には放熱部３０７Ｂが設けられている。放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂはモジュールケース３０４の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数のフィン３０５が均一に形成されている。
図３（ｂ）に示すように、放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂを囲む周囲の面には、厚さが極端に薄く容易に塑性変形可能な薄肉部３０４Ａが形成される。一方の絶縁材料３３３は放熱部３０７Ａとパッケージ３０１との間に配置され、他方の絶縁材料３３３は、放熱部３０７Ｂとパッケージ３０１との間に配置される。放熱部３０７Ａは、一方の絶縁材料３３３との対向面に絶縁層接合面３０７Ｃを有する。また放熱部３０７Ｂは、他方の絶縁材料３３３との対向面に絶縁層接合面３０７Ｄを有する。薄肉部３０４Ａを極端に薄くすることで、放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂをケース内側方向に加圧した際に、容易に変形することができるとともに、絶縁層接合面３０７Ｃが一方の絶縁材料３３３に密着され、絶縁層接合面３０７Ｄが他方の絶縁材料３３３に密着される。パッケージ３０１は、図４に示されるように、第１封止樹脂３４８から露出する導体板３１５、導体板３１８、導体板３１９及び導体板３２０を有する。絶縁層接合面３０７Ｃ及び絶縁層接合面３０７Ｄと絶縁材料３３３を介して密着させることで、パワー半導体（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）の発熱を、絶縁部材３３３を介して、放熱部３０７Ａ及び放熱部３０７Ｂに伝熱することができ、高い冷却性能を実現できる。
なお、モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要がなく、図３に示すように角が曲面を形成していても良い。パッケージ３０１は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０とダイオード１５６及びダイオード１６６や導体板３１５、導体板３２０、導体板３１８、導体板３１９を第１封止樹脂３４８により封止されるように構成される。またパッケージ３０１がモジュールケース３０４の中に挿入される。モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第２封止樹脂３５１が充填される。
図５（ａ）ないし図５（ｃ）に示されるように、上アーム用のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム用のダイオード１５６のカソード電極は導体板３１５に接続され、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とダイオード１５６のアノード電極は導体板３１８に接続されている。下アーム用のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム用のダイオード１６６のカソード電極は導体板３２０に接続され、ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とダイオード１６６のアノード電極は導体板３１９に接続されている。導体板３１８と導体板３２０とは、中間電極３２９を介して接続されている。中間電極３２９により上アーム回路と下アーム回路とが電気的に接続され、図５（ｃ）に示すような上下アーム直列回路が形成される。なお、導体板３１５、導体板３１８、導体板３１９及び導体板３２０としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属、それらの合金、複合体が用いられる。
直流正極側の導体板３１５および交流出力側の導体板３２０と、上アーム用信号接続端子３２７Ｕおよび下アーム用信号接続端子３２７Ｌとは、共通のタイバー３７２に繋がれた状態で、これらが略同一平面状の配置となるように一体的に加工される。
上アーム用信号接続端子３２７Ｕは、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａとボンディングワイヤ（不図示）を介して接続される。下アーム用信号接続端子３２７Ｌは、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａがボンディングワイヤ（不図示）を介して接続される。
導体板３１５、３２０における半導体チップが接合される部分には凸状のチップ固着部３２２がそれぞれ形成されている。各半導体チップは、それらのチップ固着部３２２の上に金属接合材１６０によって接合される。金属接合材１６０には、例えば、はんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等が用いられる。また、金属接合材１６０には錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペースト等を用いることもできる。
導体板３１５には直流正極接続端子３１５Ｄが形成されている。導体板３２０には交流接続端子３２０Ｄが形成されている。導体板３１９には直流負極接続端子３１９Ｄが形成されている。
図５（ｂ）に示す状態に組み立てた後、半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）およびボンディングワイヤを含む部分を第１封止樹脂３４８により封止する。この封止はトランスファーモールドにより行われる。その後タイバー３７２が除去され、前述の図２（ａ）に示した様に、第１封止樹脂３４８の一方の表面には導体板３１８、３１９の表面（これらの表面は放熱面として機能する）が露出し、反対側の面には、導体板３１５、３２０の表面（これらの表面は放熱面として機能する）が露出した一次封止体３０２の形状となる。
第１封止樹脂３４８としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数を導体板３１５、３２０、３１８、３１９に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュールの寿命をのばすことが可能となる。
一次封止体３０２の一辺側に一列に並べられている直流正極接続端子３１５Ｄ、直流負極接続端子３１９Ｄ、交流接続端子３２０Ｄ、信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌの各端部を、図４（ｂ）の様にそれぞれ同一方向に折り曲げ、接続部３７０において一次封止体３０２と補助モールド体６００とを金属接合し、前述の図４（ａ）に示したパッケージの構造となる。接続部３７０における金属接合には、例えば、ＴＩＧ溶接などを用いることができる。また、補助モールド体６００内部の各配線化を絶縁して一体成型している配線絶縁部６０８の成型材には、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）といった高耐熱な熱可塑性樹脂が適している。配線絶縁部６０８は、モジュールケース３０４にネジ３０９により固定される。
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示されるように、モジュールケース３０４の外には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂがそれぞれ形成されている。また、モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端に交流端子３２０Ｂが形成されている。本実施形態では、図５に示す如く、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。
モジュールケース３０４の外にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕと信号端子３２５Ｌがそれぞれ形成されている。本実施形態では、図１５に示す如く、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２４ＬはＩＧＢＴ３３０と接続される。
図６は、図３のＡ−Ａ断面の絶縁層３３３内部を拡大した図である。図６を用いて絶縁層３３３の内部構造を説明する。
絶縁層３３３は、セラミックスの粒子を溶射して形成されたセラミック被膜３３５と、絶縁性の樹脂部３３４とを備えている。本実施形態においては、セラミック被膜３３５は、セラミックス粒子を例として挙げたが、他の無機材料を用いても良い。また樹脂部３３４は、有機材料により構成される。
セラミック被膜３３５は、絶縁層接合面３０７Ｃ及び絶縁層接合面３０７Ｄにそれぞれ溶射によって、溶解されたセラミック粒子３０８を射出することで被膜状に形成されている。セラミック被膜３３５は、半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８等）や導体板３１５等とは平行で、かつ、絶縁層接合面３０７Ｃ及び絶縁層接合面３０７Ｄとは垂直な方向（面方向）に、厚みの異なる領域を有しており、それぞれ応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７に分けられる。高伝熱領域３３７は、応力緩和領域３３６よりもセラミック粒子３３８を多く溶射され、応力緩和領域３３６よりも被膜の厚みを厚くなっている。一方、応力緩和領域３３６は、高伝熱領域３３７よりもセラミック粒子３３８を少なく溶射して、高伝熱領域３３７よりも被膜の厚みが薄くなっている。
図７は、図６におけるＣ部の拡大断面図である。図７を用いて、高伝熱領域３３７と応力緩和領域３３６について詳しく説明する。
絶縁層３３３の内部において、高伝熱領域３３７と応力緩和領域３３６は、セラミック被膜３３５の厚みが異なるため、厚みの薄い応力緩和領域３３６に段差部３３５Ａが形成される。さらに、段差部３３５Ａには、高接着な樹脂材料（不図示）を含侵して段差部３３５Ａを埋めて樹脂部３３４を形成しており、一次封止体３０２との隙間をほぼ無くし、均一に密着している。一方、高伝熱領域３３７では、セラミック被膜３３５内部の気孔に、高接着な樹脂材料（不図示）を含浸して、隙間（気孔）を埋めている。
以上より、応力緩和領域３３６では、セラミック被膜３３５を薄くして樹脂部３３４を設けることで、絶縁層３３３の機械物性を樹脂材料に近付けることができる。例えばヤング率を２０Ｇｐａ未満と低くし、線膨張係数を１７〜２４ｐｐｍと金属に近付けることができる。高伝熱領域３３７では、セラミック被膜３３５を厚くすることで、熱伝導率を３〜２０Ｗ／mKと高くすることができる。
そして、図６に示す様に、絶縁層３３３の接合面において、せん断応力の最も集中する導体板の露出端部３２１及び一次封止体端部３０２Ａに樹脂材料が多くて柔らかい材料特性の応力緩和領域３３６を配置することで、環境の温度変化と各部材の線膨張係数差とヤング率に伴って発生するせん断応力を低減することができ、パワー半導体モジュール３００の信頼性を向上できる。このとき、導体板の露出端部３２１は、導体板３１５等の側も一次封止樹脂３４８の側も応力の特異場となっているため、応力緩和領域３３６は導体板の露出端部３２１全体を覆うようにして配置する必要がある。つまり、応力緩和領域３３６は、導体板３１９との接合面側の樹脂材の量が放熱部３０７Ａとの接合面側の樹脂材の量よりも多くなるように形成される。また絶縁層接合面３０７Ｃの垂直方向から投影した場合に、応力緩和領域３３６は、この応力緩和領域３３６の斜影部が一次封止樹脂３４８の周縁部の斜影部と重なるように形成される。
図８は、応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７の配置を別の角度から見た断面図であり、図３のＢ−Ｂ断面の絶縁層３３３内部を拡大した図に相当する。図９（ａ）は、図８における矢印Ｅの方向から、透過して応力緩和領域と３３６と高伝熱領域３３７と導体板３１５、３２０と半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８等）との位置関係を示した図である。図９（ｂ）は、図８における矢印Ｅの方向から、透過して応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７と導体板３１５、３２０と半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８等）との位置関係を示した図である。図９において、斜線でハッチングして示した領域が高伝熱領域３３７であり、それ以外の領域が応力緩和領域と３３６を示している。
矢印Ｅの方向、つまり絶縁層接合面３０７Ｃの垂直方向から投影した場合に、樹脂部３３４は、この樹脂部３３４の斜影部が導体板３１９の周縁部の斜影部と重なるように形成される。これにより、導体板の露出端部３２１に加わる応力を低減することができる。
また高伝熱領域３３７は、この高伝熱領域３３７の斜影部が、ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０やダイオード１５６やダイオード１６６の斜影部と重なるように形成される。これにより、半導体チップ（ＩＧＢＴ３２８等）の発熱を効果的にフィン３０５に伝えることができ、両面冷却型パワー半導体モジュール３００の熱抵抗も低減できる。
ここで、樹脂部３３４に用いる樹脂材料は、高温下で軟化・溶融して、セラミック被膜３３５に含浸できる材料が好ましく、ポリアミドイミド・エポキシ等が適している。また、これらにフィラーを添加した材料でも良い。
これら樹脂材料は、セラミック被膜３３５に含浸されると、樹脂材料自体がセラミック粒子３３８との間に発現する化学結合と、アンカー効果によって強固に接着される。
図１０は、本発明に関わる第２の実施形態を示す拡大断面図を示す。図６乃至図９に示した第１の実施形態との違いは、応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７の境界が直角な段差で段差部３３５Ａを形成しているところである。この構造により、応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７の境界を明確にすることができ、パッケージ３０１とモジュールケース３０４との組立の際、応力緩和領域３３６と導体板の露出端部３２１との位置合わせが容易となり、量産性が向上する。
図１１は、本発明に関わる第３の実施形態を示す拡大断面図を示す。図６乃至図９に示した第１の実施形態との違いは、応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７の境界部が傾斜で段差部３３５Ａを形成しているところである。この構造により、応力が集中する導体板の露出端部３３９の近傍のみ応力を緩和し、導体板３１５等が半導体チップ（３２８等）の発熱を拡散する効果を最大限に引き出すことができる。
図１２は、本発明に関わる第４の実施形態を示す拡大断面図を示す。図６乃至図９に示した第１の実施形態との違いは、丈夫なセラミック粒子３３８と、セラミック粒子３３８よりも高熱伝導な第二のセラミック粒子３３８Ａを用い、高伝熱領域３３７に第二のセラミック被膜３３５Ｂを形成する。これにより、パワー半導体モジュール３００の熱抵抗を低減するとともに、セラミック粒子３３８で被覆して第二のセラミック被膜３３５Ｂの割れを防止することができる。
図１３は、本発明に関わる第５の実施形態を示す拡大断面図を示す。図６乃至図９に示した第１の実施形態との違いは、応力緩和領域３３６と高伝熱領域３３７のセラミック被膜３３５の厚みが等しく、セラミック被膜３３５の気孔率が高伝熱領域３３７よりも応力緩和領域３３６の方が高いところである。この構造により、セラミック被膜３３５の厚みを変えることなく、応力緩和領域３３６のセラミック粒子３３５の量を減らすことにより、応力緩和領域３３６のヤング率が低減され、線膨張係数差を低減することができる。よって一次封止体端部３０２Ａと導体板の露出端部３２１の応力を低減し、両面冷却型パワー半導体モジュール３００の信頼性を向上できる。
図１４は、本発明に関わる第６の実施形態を示す拡大断面図を示す。この構造は、図１１に示す第３の実施形態と図１３に示す第５の実施形態を合わせた構造であり、両者の特長を併せ持った構造である。
図１５は、本発明に関わる第７の実施形態を示す拡大断面図を示す。この構造は、図１２に示す第４の実施形態と図１３に示す第５の実施形態を合わせた構造であり、両者の特長を併せ持った構造である。
図１６は、本発明に関わる第８の実施形態を示す拡大断面図を示す。この構造は、図１１に示す第３の実施形態と図１３に示す第５の実施形態を合わせた構造であり、両者の特長を併せ持った構造である。
図１７は、本発明に関わる第９の実施形態を示すＢ−Ｂ断面図を示す。この構造は、絶縁層接合面３０７Ｃ、３０７Ｄに段差部３０７Ｅを設け、段差部３０７Ｅに樹脂部３３４を含浸して応力緩和領域３３６を形成した構造である。つまり放熱部３０７Ａや放熱部３０７Ｂは、導体板に向かって突出する凸部と、この凸部を囲む凹部と、を形成する。樹脂部３３４とセラミック被膜３３５は、凹部内に充填される。この構造は、図６乃至図１６に示した各実施形態と同等の効果を有する。
また、図１０乃至図１６の各実施構造と合わせた構造とすることも可能である。
１５６、１６６ ダイオード
３０２ 一次封止体
３０２Ａ 一次封止体端部
３０７Ａ、３０７Ｂ 放熱部
３０７Ｃ 絶縁層接合面
３０８ セラミック粒子
３１５、３１８、３１９、３２０ 導体板
３２１ 露出端部
３２８、３３０ ＩＧＢＴ
３３３ 絶縁層
３３４ 樹脂部
３３５ セラミック被膜
３３６ 応力緩和領域
３３７ 高伝熱領域
３４８ 第１封止樹脂

Claims (11)

  1. 直流電流を交流電流に変換する第１パワー半導体素子と、
    前記第１パワー半導体素子とはんだ材を介して接続される第１導体と、
    金属製の第１放熱ベースと、
    前記第１放熱ベースと前記第１導体との間に配置されるとともに前記第１放熱ベース及び前記第１導体に接合される第１絶縁層と、を備え、
    前記第１絶縁層は、無機材料と有機材料により構成される第１領域と、前記第１領域よりも無機材料が少なくかつ前記第１領域よりも有機材料が多い第２領域と、を有し、
    前記第１絶縁層における前記第１導体との接合面の垂直方向から投影した場合に、
    前記第２領域は、当該第２領域の斜影部が前記第１導体の周縁部の斜影部と重なるように形成されるパワー半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
    前記無機材料は、セラミック粒子を含んで構成されるパワー半導体モジュール。
  3. 請求項１又は２に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第１領域は、当該第１領域の斜影部が、前記第１パワー半導体素子の斜影部と重なるように形成されるパワー半導体モジュール。
  4. 請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第２領域は、前記第１導体との接合面側の前記樹脂材の量が前記第１放熱ベースとの接合面側の前記樹脂材の量よりも多くなるように形成されるパワー半導体モジュール。
  5. 請求項１ないし４に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第１パワー半導体素子と前記第１導体を封止する封止材と、を備え、
    前記第２領域は、当該第２領域の斜影部が、前記封止材の周縁部の斜影部と重なるように形成されるパワー半導体モジュール。
  6. 請求項１ないし５に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第１パワー半導体素子とはんだ材を介して接続されるとともに当該第１パワー半導体素子を挟んで前記第１導体と対向して配置される第２導体と、
    前記第１導体及び前記第２導体を挟んで前記第１放熱ベースと対向して配置される金属製の第２放熱ベースと、
    前記第２放熱ベースと前記第２導体との間に配置されるとともに前記第２放熱ベース及び前記第２導体に接合される第２絶縁層と、を備え、
    前記第２絶縁層は、セラミック粒子と樹脂材により構成される第３領域と、前記第３領域よりもセラミック粒子が少なくかつ樹脂材が多い第４領域と、を有し、
    前記第４領域は、当該第４領域の斜影部が、前記第２導体の周縁部の斜影部と重なるように形成されるパワー半導体モジュール。
  7. 請求項１ないし６に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第１領域は、直角な段差部を形成し、
    前記第２領域は、前記段差部に配置されるパワー半導体モジュール。
  8. 請求項１ないし６に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第１領域は、当該第１領域と前記第１導体との接合面に対して鈍角に形成された段差部を形成し、
    前記第２領域は、前記段差部に配置されるパワー半導体モジュール。
  9. 請求項２に記載されたパワー半導体モジュールであって、
    前記第１領域の一部に、当該第１領域を構成する前記セラミック粒子よりも熱伝導性が高いセラミック粒子に構成される熱伝導領域が設けられ、
    前記熱伝導領域は、セラミック被膜により覆われるパワー半導体モジュール。
  10. 請求項１ないし９に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
    前記第１放熱ベースは、前記第１導体に向かって突出する凸部と、前記凸部を囲む凹部と、を形成し、
    前記第１領域及び前記第２領域は、前記凹部内に充填されるパワー半導体モジュール。
  11. 請求項２に記載されたパワー半導体モジュールであって、
    前記第１領域と前記第２領域は、同じ厚さに形成され、
    前記第２領域は、セラミック粒子を含んで構成されるセラミック被膜の気孔率が前記第１領域の気孔率よりも大きく形成されるパワー半導体モジュール。
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