JP6044703B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、横型スイッチ素子を備えた電力変換装置に関する。
従来、横型スイッチ素子を備えた電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、たとえば、特開２０１２−２２２３６１号公報に開示されている。
上記特開２０１２−２２２３６１号公報には、ＩＩＩ−Ｖ族トランジスタ（横型スイッチ素子）と、ＩＩＩ−Ｖ族トランジスタに接続され、ＩＩＩ−Ｖ族トランジスタの駆動を制御するＩＶ族縦型トランジスタ（制御用スイッチ素子）とを備えた電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、ＩＩＩ−Ｖ族トランジスタの電極とＩＶ族縦型トランジスタの電極とが直接接触するように接続されている。
特開２０１２−２２２３６１号公報
しかしながら、上記特開２０１２−２２２３６１号公報に開示された電力変換装置では、ＩＩＩ−Ｖ族（たとえば、ＧａＮ）トランジスタ（横型スイッチ素子）の電極とＩＶ族（たとえば、Ｓｉ）縦型トランジスタ（制御用スイッチ素子）の電極とが直接接触するように接続されているため、比較的耐熱性が高いＩＩＩ−Ｖ族トランジスタから発生する熱が比較的耐熱性が低いＩＶ族縦型トランジスタに伝わることに起因して、ＩＶ族縦型トランジスタの電気的特性が低下し、その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、横型スイッチ素子を備える電力変換装置において、電力変換機能が低下することを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
一の局面による電力変換装置は、横型スイッチ素子と、横型スイッチ素子に接続され、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子と、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子との間に配置され、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材と、横型スイッチ素子に対して制御用スイッチ素子とは反対側に配置され、熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い熱伝導部材とを備え、横型スイッチ素子は、電極が配置された発熱面と、熱伝導抑制部材側に配置され、発熱面とは反対側の面とを含み、横型スイッチ素子の発熱面は、熱伝導部材側に配置され、熱伝導部材に取り囲まれている。

一の局面による電力変換装置では、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子との間に配置され、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材を設けることによって、横型スイッチ素子から発生する熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下することを抑制することができる。
上記電力変換装置によれば、電力変換装置の機能が低下することを抑制することができる。
第１実施形態によるパワーモジュールを含む３相インバータ装置の回路図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの上面図である。 図２の２００−２００線に沿った断面図である。 図２の３００−３００線に沿った断面図である。 図２の４００−４００線に沿った断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板の上面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板の下面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板に熱伝導抑制部材が配置された状態の下面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板の上面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板に各部品が配置された状態の上面図である。 第１実施形態による横型スイッチ素子を、ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極が設けられた表面側から見た平面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板に制御用スイッチ素子を搭載した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板に各部品を搭載した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板に熱伝導部材を充填した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板、第２基板および熱伝導抑制部材を接合した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの制御用スイッチ素子をワイヤ配線した状態を示す断面図である。 第２実施形態によるパワーモジュールの第１基板に熱伝導抑制部材が配置された状態の下面図である。 図１７の５００−５００線に沿った断面図である。
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
まず、図１を参照して、第１実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃを含む３相インバータ装置１００の構成について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ〜１０１ｃおよび３相インバータ装置１００は、「電力変換装置」の一例である。
図１に示すように、３相インバータ装置１００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電力変換をそれぞれ行う３個のパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃが電気的に並列に接続されることにより構成されている。
パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、直流電源（図示せず）から入力端子ＰおよびＮを介して入力される直流電力を３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の交流電力に変換するように構成されている。そして、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、上記のように変換したＵ相、Ｖ相およびＷ相の交流電力を、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを介して外部に出力するように構成されている。なお、出力端子Ｕ、ＶおよびＷは、モータ（図示せず）などに接続されている。
パワーモジュール１０１ａは、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の横型スイッチ素子の各々に接続された２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、スナバコンデンサ１５とを含む。なお、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａは、共に、ノーマリオン型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ１ａおよびＧ２ａに印加される電圧が０Ｖのときにドレイン電極Ｄ１ａおよびＤ２ａとソース電極Ｓ１ａおよびＳ２ａとの間で電流が流れるように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、共に、ノーマリオフ型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ３ａおよびＧ４ａに印加される電圧が０Ｖのときにドレイン電極Ｄ３ａとソース電極Ｓ３ａとの間、および、ドレイン電極Ｄ４ａとソース電極Ｓ４ａとの間で電流が流れないように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａにカスコード接続される。
横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）は、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）に接続されている。これにより、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の駆動（スイッチング）の制御を行うように構成されている。その結果、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とからなるスイッチ回路は、全体として、ノーマリオフ型として制御されるように構成されている。
また、上記パワーモジュール１０１ａと同様に、パワーモジュール１０１ｂも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｂおよび１２ｂと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｂおよび１４ｂと、スナバコンデンサ１６とを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）は、ゲート電極Ｇ３ｂ（Ｇ４ｂ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
また、上記パワーモジュール１０１ａおよび１０１ｂと同様に、パワーモジュール１０１ｃも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｃおよび１２ｃと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｃおよび１４ｃと、スナバコンデンサ１７とを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）は、ゲート電極Ｇ３ｃ（Ｇ４ｃ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
次に、図２〜図１１を参照して、第１実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃの具体的な構成（構造）について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ略同様の構成を有するので、以下では、Ｕ相の電力変換を行うパワーモジュール１０１ａについてのみ説明する。
図２〜図４に示すように、パワーモジュール１０１ａは、第１基板１と、第２基板２と、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、１個のスナバコンデンサ１５と、２個の熱伝導抑制部材１８ａおよび１８ｂと、２個の熱伝導部材１９ａおよび１９ｂと、封止樹脂２０とを備える。
また、第２基板２、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）、第１基板１および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が、この順番で下（Ｚ１方向）から積層されている。
第１基板１は、約０．５〜約１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、第２基板２は、約５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。熱伝導抑制部材１８ａおよび１８ｂは、約０．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、熱伝導部材１９ａおよび１９ｂは、約１〜約５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。封止樹脂２０は、約０．１〜約０．５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
図３に示すように、第１基板１と第２基板２とは、互いに対向するように、上下方向（Ｚ方向）に所定の間隔を隔てて配置されている。具体的には、第１基板１が上方（Ｚ２方向側）に配置されているとともに、第２基板２が下方（Ｚ１方向側）に配置されている。また、横型スイッチ素子１１ａ、横型スイッチ素子１２ａおよびスナバコンデンサ１５（図４参照）は、第１基板１の下面（Ｚ１方向側の面）と、第２基板２の上面（Ｚ２方向側の面）との間に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ、制御用スイッチ素子１４ａは、第１基板１の上面に配置されている。また、第１基板１の下面と第２基板２の上面との間には、封止樹脂２０が充填されている。
図４および図６に示すように、第１基板１は、第１基板１の上下方向（Ｚ方向）に貫通するように形成された貫通穴２１ａ、２２ａおよび２３ａが設けられている。また、図６に示すように、第１基板１の上方（Ｚ２方向）の表面には、導電パターン２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａ、３０ａおよび３１ａが設けられている。また、図７に示すように、第１基板１の下方（Ｚ１方向）の表面には、導電パターン２４ｄ、２５ｃ、２８ｄ、２９ｃ、３２および３３が設けられている。
また、図６および図７に示すように、導電パターン２４ａおよび２４ｄは、第１基板１の内部を貫通する電極２４ｂにより接続されている。導電パターン２４ａおよび３２は、第１基板１の内部を貫通する電極２４ｃにより接続されている。導電パターン２５ａおよび２５ｃは、第１基板１の内部を貫通する電極２５ｂにより接続されている。導電パターン２８ａおよび２８ｄは、第１基板１の内部を貫通する電極２８ｂにより接続されている。導電パターン２８ａおよび３３は、第１基板１の内部を貫通する電極２８ｃにより接続されている。導電パターン２９ａおよび２９ｃは、第１基板１の内部を貫通する電極２９ｂにより接続されている。なお、電極２４ｂおよび２８ｂは、「貫通電極」の一例である。
図３に示すように、電極２４ｂ（２８ｂ）は、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを接続するように構成されている。また、図２および図３に示すように、電極２４ｂ（２８ｂ）は、平面視において（Ｚ方向に見て）、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に対してずれた位置に配置されている。
また、第１基板１は、主に、熱伝導率が約０．５〜約１Ｗ／ｍＫの材料により形成されている。つまり、第１基板１は、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）（熱伝導率約１〜約５Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が低い。
図９に示すように、第２基板２の上方（Ｚ２方向）の表面には、導電パターン３４、３５、３６、３７、３８、３９および４０が設けられている。また、図３〜図５に示すように、第２基板２の下方（Ｚ１方向）の表面には、導電パターン４１が設けられている。また、第２基板２は、主に、熱伝導率が約５０Ｗ／ｍＫの材料により形成されている。つまり、第２基板２は、主に、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）（熱伝導率約１〜約５Ｗ／ｍＫ）および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）（熱伝導率約０．１Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が高い。
図２および図４に示すように、第１基板１の貫通穴２１ａ、２２ａおよび２３ａを介して、それぞれ、柱状導体２１、２２および２３が配置されている。柱状導体２１は、一方が入力端子Ｐに接続され、他方が第２基板２の導電パターン３４に接続されている。柱状導体２２は、一方が入力端子Ｎに接続され、他方が第２基板２の導電パターン４０に接続されている。柱状導体２３は、一方が出力端子Ｕに接続され、他方が第２基板２の導電パターン３７に接続されている。
図５に示すように、第１基板１の上方（Ｚ２方向）の表面の導電パターン２６ａには、柱状電極２６ｂが接続されている。柱状電極２６ｂは、外部の電極（図示せず）に接続されている。導電パターン２７ａには、柱状電極２７ｂが接続されている。柱状電極２７ｂは、制御用スイッチ素子１３ａのゲート電極Ｇ３ａを制御する制御信号を発生させる回路（図示せず）に接続されている。導電パターン３０ａには、柱状電極３０ｂが接続されている。柱状電極３０ｂは、外部の電極（図示せず）に接続されている。導電パターン３１ａには、柱状電極３１ｂが接続されている。柱状電極３１ｂは、制御用スイッチ素子１４ａのゲート電極Ｇ４ａを制御する制御信号を発生させる回路（図示せず）に接続されている。
図３、図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２５ｃと、第２基板２の導電パターン３６とは、柱状電極３６ａにより接続されている。また、第１基板１の導電パターン２９ｃと、第２基板２の導電パターン３９とは、柱状電極３９ａにより接続されている。
図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２４ｄと、第２基板２の導電パターン３５とは、柱状電極３５ａにより接続されている。また、第１基板１の導電パターン２８ｄと、第２基板２の導電パターン３８とは、柱状電極３８ａにより接続されている。
図５、図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２４ｄと、第２基板２の導電パターン３７とは、柱状電極３７ａにより接続されている。図４、図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２８ｄと、第２基板２の導電パターン４０とは、柱状電極４０ａにより接続されている。
図１１に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）と、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）と、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）とがそれぞれ同じ側の面（表面）に設けられるように構成されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、駆動する際に、各電極が設けられた片側の面側を主に電流が流れるため、各電極が設けられた側の面から主に発熱する。言い換えると、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、各電極が設けられた側の面が発熱面となる。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、約２００℃の温度の耐熱性を有する。
また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、図３および図１０に示すように、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）が、第２基板２の導電パターン３４（３７）に接続されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）が、第２基板２の導電パターン３６（３９）に接続されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）が、第２基板２の導電パターン３５（３８）に接続されている。
図３に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、下方（Ｚ１方向）に設けられたゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）およびドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）が、下方の第２基板２の各導電パターンに半田などからなる接合層を介して接合されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、発熱面を第２基板２側に向けて、第２基板２に接合されている。
制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）と、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）と、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）とを有する縦型デバイスにより構成されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）およびソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が上方（Ｚ２方向）側に配置され、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が下方（Ｚ１方向）側に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ケイ素（Ｓｉ）を含む半導体材料により構成されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、約１５０℃の温度の耐熱性を有する。
また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、第１基板１の上方（Ｚ２方向）の表面に配置されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、図２および図３に示すように、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２５ａ（２９ａ）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２４ａおよび２６ａ（２８ａおよび３０ａ）に、それぞれ、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３１および１３２（１４１および１４２）を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２７ａ（３１ａ）に、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３３（１４３）を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）に熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を介して配置されている。
スナバコンデンサ１５は、図１０に示すように、第２基板２の導電パターン４０と、導電パターン３４とを接続するように配置されている。
ここで、第１実施形態では、図３に示すように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との間に、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生した熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制するように配置されている。具体的には、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上方（Ｚ２方向）に配置されている。また、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）は、絶縁性部材（たとえば、ナノポーラスシリカ）と、絶縁性部材の表面に形成されたメタライズ層とを含む。
また、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層は、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）と電気的に接続されている。具体的には、図８に示すように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層の上方（Ｚ２方向）側の表面は、第１基板１の導電パターン２４ｄ（２８ｄ）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層の下方（Ｚ１方向）側の表面は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の各電極が配置されている表面と反対側（Ｚ２方向側）の表面と半田などからなる接合層を介して接続されている。
また、第１実施形態では、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）よりも熱伝導率の高い熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に対して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側（Ｚ１方向側）に配置されている。また、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、絶縁性の部材により構成されている。具体的には、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、セラミック製（たとえば、ＢＮ（窒化ホウ素））のフィラーが分散されたポリイミド系の樹脂により構成されている。
また、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面側（Ｚ１方向側）に配置されている。つまり、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と第２基板２との間に充填されている。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面（Ｚ１方向側の表面）から発生する熱は、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を介して、第２基板２側（Ｚ１方向側）に伝達されるように構成されている。
封止樹脂２０は、第１基板１の下面（Ｚ１方向側の面）と第２基板２の上面（Ｚ２方向側の面）との間に充填されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）および熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、封止樹脂２０により封止されている。また、封止樹脂２０は、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）よりも低い熱伝導率を有する。また、封止樹脂２０は、高耐熱性を有する。また、封止樹脂２０は、たとえば、エポキシ系の樹脂により構成されている。
次に、図３および図１２〜図１６を参照して、第１実施形態によるパワーモジュール１０１ａの組立方法について説明する。
パワーモジュール１０１ａの組立方法は、第１基板１に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を搭載する工程と、第２基板２に各部品を搭載する工程と、第２基板２に熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を充填する工程と、第１基板１、第２基板２および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を接合する工程と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）をワイヤ配線する工程と、封止樹脂２０で封止する工程とを備えている。
第１基板１に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を搭載する工程では、図１２に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が、第１基板１の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とは反対側（Ｚ２方向側）の表面に配置される。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２５ａ（２９ａ）に半田などからなる接合層を介して接続される。
第２基板２に各部品を搭載する工程では、図１０および図１３に示すように、第２基板２の上方（Ｚ２方向）の表面に、横型スイッチ素子１１ａ、１２ａ、スナバコンデンサ１５、柱状導体２１、２２、２３、柱状電極３５ａ、３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａおよび４０ａが搭載（配置）される。
第２基板２に熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を充填する工程では、図１４に示すように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）が、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と第２基板２との間に充填される。
第１基板１、第２基板２および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を接合する工程では、図１５に示すように、下から第２基板２、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）、第１基板１の順に積層されて、接合層を介して互いに接合される。
制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）をワイヤ配線する工程では、図２および図１６に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２４ａおよび２６ａ（２８ａおよび３０ａ）に、それぞれ、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３１および１３２（１４１および１４２）を介して接続されるとともに、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２７ａ（３１ａ）にアルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３３（１４３）を介して接続される。
封止樹脂２０で封止する工程では、図３に示すように、封止樹脂２０が、第１基板１の下面（Ｚ１方向側の面）と第２基板２の上面（Ｚ２方向側の面）との間に充填されて封止される。これにより、パワーモジュール１０１ａが完成する。なお、パワーモジュール１０１ａ単体の組立方法について説明したが、パワーモジュール１０１ｂ、１０１ｃも同様にして組み立てられる。また、パワーモジュール１０１ａ〜１０１ｃを同一の第１基板および第２基板により一体的に組み立ててもよい。
第１実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との間に配置され、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生した熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を設けることによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、パワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）の電力変換機能が低下することを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に対して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側（Ｚ１方向側）に配置され、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）よりも熱伝導率の高い熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を設けることによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側に良好に伝達されるので、熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを効果的に抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を、絶縁性の部材により構成することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の各電極間が短絡するのを防止しつつ、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対方向に伝達することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面側（Ｚ１方向側）に配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）により効率よく伝達することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）に熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を介して配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのをより効果的に抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのをさらに効果的に抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）を、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）よりも熱伝導率の低い封止樹脂２０により封止することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に異物が侵入するのを抑制しつつ、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との間に配置された第１基板１を設けることによって、第１基板１により配線を行うとともに、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に熱が伝わるのを第１基板１によっても抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、第１基板１を、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）よりも熱伝導率の低い材料により形成することによって、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）および第１基板１の両方により、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に熱が伝わるのを効果的に抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、第１基板１の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とは反対側（Ｚ２方向側）の表面に配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制しつつ、第１基板１に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を容易に配置することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、第１基板１に、第１基板１を貫通するように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを接続する導電部材からなる電極２４ｂ（２８ｂ）を設け、電極２４ｂ（２８ｂ）を、平面視において（Ｚ方向に見て）、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に対してずれた位置に配置する。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、電極２４ｂ（２８ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝達されるのを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層を、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と電気的に接続することによって、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層と横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の電極とは反対側（Ｚ２方向側）の面とを接続して、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の電極とは反対側（Ｚ２方向側）の面の電位を固定して安定させることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）に対して横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とは反対側（Ｚ１方向側）に配置され、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）が配置される第２基板２を設けることによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側に伝わるのを抑制しつつ、第２基板２に横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）を容易に配置することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と第２基板２との間に充填することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を介して第２基板２に良好に伝達することができるので、熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側に伝わるのを容易に抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、第２基板２を、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）よりも熱伝導率の高い材料により形成することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側の第２基板２側から容易に放熱することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、第２基板２、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）、第１基板１および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、この順番で積層することによって、電力変換機能の低下を抑制することが可能なパワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）を容易に組み立てることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）にカスコード接続することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）のスイッチングの制御を容易に行うことができる。
また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、縦型デバイスを含む。これにより、縦型デバイスの制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を用いたパワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）の電力変換機能が低下することを抑制することができる。
（第２実施形態）
次に、図１７および図１８を参照して、第２実施形態によるパワーモジュール１０２ａについて説明する。この第２実施形態では、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａを、それぞれ、熱伝導抑制部材１８ａおよび１８ｂにより覆う構成の上記第１実施形態と異なり、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａを、共通の熱伝導抑制部材１８ｃにより覆う構成の例について説明する。なお、パワーモジュール１０２ａは、「電力変換装置」の一例である。
第２実施形態によるパワーモジュール１０２ａの構成について説明する。なお、このパワーモジュール１０２ａは、３相インバータ装置においてＵ相の電力変換を行うものとする。すなわち、この第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、パワーモジュール１０２ａと略同様の構成を有する２つのパワーモジュール（Ｖ相およびＷ相の電力変換を行うパワーモジュール）がパワーモジュール１０２ａとは別個に設けられている。以下では、簡単化のため、Ｕ相の電力変換を行うパワーモジュール１０２ａについてのみ説明する。
ここで、第２実施形態では、図１７に示すように、熱伝導抑制部材１８ｃは、第１基板１の下方（Ｚ１方向）側の面を覆うように１つ配置されている。また、熱伝導抑制部材１８ｃは、第１基板１の導電パターン２４ｄ、２５ｃ、２８ｄ、２９ｃ、３２および３３を露出するように切り込みまたは貫通孔が設けられている。また、図１８に示すように、熱伝導抑制部材１８ｃは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの両方を覆うように１つ配置されている。
また、熱伝導抑制部材１８ｃは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａとの間に、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生した熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制するように配置されている。具体的には、図１８に示すように、熱伝導抑制部材１８ｃは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの上方（Ｚ２方向）に配置されている。また、熱伝導抑制部材１８ｃは、約０．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
第２実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ｃを、２つの横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように１つ配置することによって、部品点数を減少させつつ、広い範囲で熱の伝わりを抑制することができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１および第２実施形態では、電力変換装置の一例として３相インバータ装置を示したが、３相インバータ装置以外の電力変換装置であってもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、ノーマリオン型の横型スイッチ素子を用いる例を示したが、ノーマリオフ型の横型スイッチ素子を用いてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、横型スイッチ素子は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている例を示したが、横型スイッチ素子は、ＧａＮ以外のＩＩＩ−Ｖ族の材料や、Ｃ（ダイヤモンド）などのＩＶ族の材料により構成されていてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、熱伝導抑制部材が、横型スイッチ素子の発熱面とは反対側の面全体を覆うように配置されている例を示したが、熱伝導抑制部材が、横型スイッチ素子の一部を覆うように配置されていてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、熱伝導抑制部材が、絶縁性部材と、メタライズ層とを含む例を示したが、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制することができれば、熱伝導抑制部材は、絶縁性部材と、メタライズ層とからなる構成以外であってもよい。
１ 第１基板
２ 第２基板
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 横型スイッチ素子
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 制御用スイッチ素子
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 熱伝導抑制部材
１９ａ、１９ｂ 熱伝導部材
２０ 封止樹脂
２４ｂ、２８ｂ 電極（貫通電極）
１００ ３相インバータ装置（電力変換装置）
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０２ａ パワーモジュール（電力変換装置）

Claims (18)

  1. 横型スイッチ素子と、
    前記横型スイッチ素子に接続され、前記横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子と、
    前記横型スイッチ素子と前記制御用スイッチ素子との間に配置され、前記横型スイッチ素子から発生した熱が前記制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材と、
    前記横型スイッチ素子に対して前記制御用スイッチ素子とは反対側に配置され、前記熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い熱伝導部材とを備え、
    前記横型スイッチ素子は、電極が配置された発熱面と、前記熱伝導抑制部材側に配置され、前記発熱面とは反対側の面とを含み、前記横型スイッチ素子の前記発熱面は、前記熱伝導部材側に配置され、前記熱伝導部材に取り囲まれている、電力変換装置。
  2. 前記熱伝導部材は、絶縁性の部材により構成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記熱伝導部材は、前記横型スイッチ素子の前記発熱面側に配置されている、請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子の前記発熱面とは反対側に前記熱伝導抑制部材を介して配置されている、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記熱伝導抑制部材は、前記横型スイッチ素子の前記発熱面とは反対側の面全体を覆うように配置されている、請求項３または４に記載の電力変換装置。
  6. 前記横型スイッチ素子は、前記熱伝導部材よりも熱伝導率の低い封止樹脂により封止されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記熱伝導抑制部材と前記制御用スイッチ素子との間に配置された第１基板をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 前記第１基板は、前記熱伝導部材よりも熱伝導率の低い材料により形成されている、請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 前記制御用スイッチ素子は、前記第１基板の前記横型スイッチ素子とは反対側の表面に配置されている、請求項７または８に記載の電力変換装置。
  10. 前記第１基板は、前記第１基板を貫通するように設けられ、前記熱伝導抑制部材と前記制御用スイッチ素子とを接続する導電部材からなる貫通電極を含み、
    前記貫通電極は、平面視において、前記制御用スイッチ素子に対してずれた位置に配置されている、請求項７〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  11. 前記熱伝導抑制部材は、絶縁性部材と、前記絶縁性部材の表面に形成されたメタライズ層とを含み、
    前記熱伝導抑制部材のメタライズ層は、前記制御用スイッチ素子と電気的に接続されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  12. 前記熱伝導部材に対して前記横型スイッチ素子とは反対側に配置され、前記横型スイッチ素子が配置される第２基板をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  13. 前記熱伝導部材は、前記横型スイッチ素子と前記第２基板との間に充填されている、請求項１２に記載の電力変換装置。
  14. 前記第２基板は、前記熱伝導部材および前記熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い材料により形成されている、請求項１２または１３に記載の電力変換装置。
  15. 前記第２基板、前記横型スイッチ素子、前記熱伝導抑制部材および前記制御用スイッチ素子は、この順番で積層されている、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  16. 前記制御用スイッチ素子が配置された第１基板をさらに備え、
    前記第２基板、前記横型スイッチ素子、前記熱伝導抑制部材、前記第１基板および前記制御用スイッチ素子は、この順番で積層されている、請求項１５に記載の電力変換装置。
  17. 前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子にカスコード接続されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  18. 前記制御用スイッチ素子は、縦型デバイスを含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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