JP6286543B2 - パワーモジュール装置、電力変換装置およびパワーモジュール装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，パワーモジュール装置、電力変換装置およびパワーモジュール装置の製造方法に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車，鉄道，電力機器など様々な製品において，ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheel Diode）などのパワー半導体素子を搭載した電力変換装置が用いられる。これらのパワー半導体素子は動作時に発熱するため、パワー半導体素子を適切に冷却することが求められる。そのために、水を循環させる水冷、或いは、フィンを利用した風冷等の冷却器を設け、この冷却器と熱交換することでパワー半導体素子を冷却する。

ここで、一般の電力変換装置等では複数の半導体素子が必要であり、さらに、この複数の半導体素子の実装密度を密にすることが要求されている。それらを効率良く冷却するために、半導体部品（半導体素子が格納されている）を両面から冷却する構造が開発されている。このように半導体素子の発熱を効率良く冷却するには，半導体素子を内蔵する半導体部品と冷却装置を交互に配置することが有効である。例えば，半導体部品と，冷却のための冷却チューブとを交互に配置して積層する技術が知られている。このような技術は、例えば、特開２０１１−１８１６８７号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２０１１−１８１６８７号公報

上記の従来技術では、半導体部品と冷却装置を交互に配置することで半導体素子の高効率の冷却を実現しているものの、その半導体素子や回路間の絶縁に関しては、半導体部品の上方向或いは下方向に空間を空けて基板を設けているところ、その間を端子で接続する構成となっている。すなわち、上記の従来技術では、単に空間で絶縁を確保しているので、半導体部品と冷却装置を交互に配置することで配置密度が高くなる傾向にあるところ、必ずしも耐圧の確保が十分ではなかった。また、大電圧を扱う電力変換装置等では，装置内部の半導体素子や回路間の耐圧を確保しようとすると、絶縁のための空間を大きくすることとなり、装置が大型になっていた。
本発明の目的は、冷却効率を維持しつつ、なお高圧化に適するパワーモジュール装置、電力変換装置およびパワーモジュール装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、複数の窪部を有するケースと、複数の半導体部品とを有し、前記ケースは、窪部側である一方側と、前記一方側と反対側である他方側を有し、前記ケースは前記他方側から前記一方側に向けて延長される縁部を有し、前記複数の半導体部品の各々は前記ケースを介して冷却装置に両側から挟み込まれるように前記窪部の各々に配置され、前記ケースの一方側に配された封止材を有し、前記ケースは少なくとも前記縁部の一部まで前記封止材を前記一方側に保持可能なように一体的な構造をするように構成した。

あるいは、ケースと、半導体部品とを有し、前記半導体部品は前記ケースを介して冷却装置に両側から挟み込まれるように前記ケースの窪部に配置され、前記ケースは、前記半導体部品の一部をなす端子部、あるいは、前記半導体部品に接続される端子の少なくとも一部を封止材で封止可能な構成とする。

あるいは、少なくとも縁部の一部まで流体が漏れないよう保持可能なように成型されたケースの複数の窪部の各々に半導体部品を配置すると共に、他方側に前記半導体部品を両側から挟み込むように冷却装置を配置し、前記窪部側に封止材を封入するように構成する。

本発明によれば、冷却効率を維持しつつ、なお高圧化に適することが可能となる。

図1は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の外観図である。 図２は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の側面図および断面図である。 図３は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品である半導体素子を内蔵する半導体部品の外観図および断面図である。 図４ａは本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品であるヒートシンクの外観図および断面図である。 図４ｂは本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品であって押し出し加工を利用したものに係るヒートシンクの外観図および断面図である。 図５は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品である加圧用板の外観図である。 図６は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品である端子ブロックの断面図である。 図７は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品である端子ブロック支持部材の断面図である。 図８は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品であるケースの外観図および断面図である。 図９は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する部品であるケースの製造方法を説明する図である。 図１０は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第１の図である。 図１１は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第２の図である。 図１２は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第３の図である。 図１３は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第４の図である。 図１４は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第５の図である。 図１５は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第６の図である。 図１６は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第６の図の上面図である。 図１７は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第７の図である。 図１８は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第８の図である。 図１９は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する加圧用板のたわみの効果を示す第１の図である。 図１９は本発明を備えた第1の実施例である電力変換装置を構成する加圧用板のたわみの効果を示す第２の図である。 図２１は本発明を備えた第２の実施例である電力変換装置を構成する部品であるケースの製造方法を説明する図である。 図２２は本発明を備えた第２の実施例である電力変換装置の製造方法を示す図である。 図２３は本発明を備えた第３の実施例である電力変換装置を示す図である。 図２４は本発明を備えた第４の実施例である電力変換装置を示す外観図および断面図である。 図２５は本発明を備えた第４の実施例である電力変換装置を構成する部品であるケースの製造方法を説明する図である。 図２６は本発明を備えた第４の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第１の図である。 図２７は本発明を備えた第４の実施例である電力変換装置の製造方法を示す第２の図である。 図２８は本発明を備えた第５の実施例である電力変換装置の外観図である。 図２９は本発明を備えた第５の実施例である電力変換装置を構成するヒートシンクを示す図である。 図３０は本発明を備えた第５の実施例である電力変換装置を構成するヒートシンクと，ヒートシンクを連結するパイプを示す図である。 図３１は本発明を備えた第６の実施例である電力変換装置の外観図である。 図３２は本発明を備えた第６の実施例である電力変換装置を構成するヒートパイプの外観図である。 図３３は本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置の全体回路である。

以下，図面を用いて実施例を説明する。

図３３に本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置の回路図を示す。半導体モジュールとして、ケース１には、半導体部品２７-１、半導体部品２７-２及び半導体部品２７-３が格納される。この例では、２組のケース１と、コンデンサ１０１、コンデンサ１０２で電力変換装置が形成される。

半導体部品２７-１（上側）（Ｓ１）、２７-２（上側）（Ｓ２）、２７-２（下側）（Ｓ３）、２７-１（下側）（Ｓ４）が直流端子＋Ｅ及びーＥの間で直列に、各々のケース１の外部端子３−２を介して接続される（半導体部品２７-１、２７-２、２７-３を総称して半導体部品２７と記する。他の構成部品についても同様に「-１」「-２」…と記することで総称部品の一部をなすことを意味する。）。ここで、半導体部品２７-１、２７-２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子と還流ダイオード（逆接続）の並列回路から構成される。直流端子＋Ｅ及びーＥの間には、半導体部品２７の直列回路と並列に、コンデンサ１０１及び１０２が直列に接続さる。コンデンサ１０１及び１０２の接続点は中性極性として中性端子Ｎが構成される。中性端子Ｎと、半導体部品２７-１（上側）と２７-２（上側）の接続点は、各々のケース１に配される外部端子３−３を介して、半導体部品２７-３（上側）により接続される。同様に、半導体部品２７-１（下側）と２７-２（下側）の接続点は半導体部品２７-３（下側）により接続される。

半導体部品２７-１は内部端子２８―１−１及び内部端子２８―１−２を介して各々外部端子３−１及び半導体部品２７-２の内部端子２８―２−１に接続される。半導体部品２７-２は内部端子２８―２−２及び内部端子２８―２−２を介して各々半導体部品２７-２の内部端子２８―２−１及び外部端子３−２に接続される。半導体部品２７-３は内部端子２８―３−１及び内部端子２８―３−２を介して各々半導体部品２７-１の内部端子２８―1−２と半導体部品２７-２の内部端子２８―２−１の接続点、及び外部端子３−３及びに接続される。

半導体部品２７-３はダイオードとして構成される。このような構成において、半導体部品２７-１、２７-２のオン/オフを制御することで、直流電圧＋Ｅ、中性電圧Ｎ、直流電圧ーＥのいずれかを選択的に半導体部品２７-２（上側）と２７-２（下側）の間に出力するか、あるいは、半導体部品２７-２（上側）と２７-２（下側）の間に印加された交流を直流として直流端子＋Ｅ、直流端子ーＥに出力、すなわち、電力変換するのである。

図１に本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置の外観図，図２に側面図および断面図を示す。ケース１の下部に４個のヒートシンク５が，ケース１の上部に端子ブロック４が配置されており，端子ブロック４の側面には外部端子３が突出している。この外部端子３によって外部との電気的導通をとることで，電力変換装置として機能する。ヒートシンク5の両側面には，加圧用板6が配置され，加圧用板6の角部近傍4箇所に設けられた穴を加圧用ボルト7が貫通して加圧用ナット8と連結することで加圧している。また，端子ブロック４は，加圧用ボルト7が貫通する端子ブロック支持部材９によって固定されている。

図２に示す断面図を用いて，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置の内部構造を説明する。ケース１は，薄い金属板によって構成されており，ケース１の断面形状は，両側面が封止材２より高く，中央部に３箇所の窪みを持つ形状である。本実施例では，ケース１に曲げ加工した厚さ約０．１ｍｍのアルミ板を用いた。このケース１の窪みそれぞれに，半導体素子を内蔵する半導体部品２７が配置されており，半導体素子を内蔵する半導体部品２７を合計で３個備えている。それぞれの半導体素子を内蔵する半導体部品２７は，内部に半導体素子２１，金属回路２２，絶縁材２３，放熱部材２４が積層され，これらの部材がモールド樹脂２５で封止されている。また，金属回路２２との電気的導通がとられた端子２６がモールド樹脂２５から突出し，端子ブロック４から突出する内部端子２８と接続されている，内部端子２８は，端子ブロック４の内部において外部端子３と接続され，半導体素子２１と外部との電気的導通がとられる。本実施例において，半導体素子を内蔵する半導体部品２７のモールド樹脂２５から突出する端子２６と端子ブロック４から突出する内部端子２８は，溶接によって強固に接合されている。また，モールド樹脂２５から突出する端子２６と端子ブロック４から突出する内部端子２８は，封止材２で封止されている。本実施例では，封止材２にシリコーンゲルを用いており，高耐圧な半導体素子を用いる場合であっても，十分な耐圧を確保できる。ケース１の外側，すなわち図２の断面図に示すケース１より下側には，ケース１を介して半導体素子を内蔵する半導体部品２７を挟む様に４個のヒートシンク５が配置されている。この様にヒートシンクを配置することで，いずれの半導体素子を内蔵する半導体部品２７も両面から冷却できる。これらの半導体素子を内蔵する半導体部品２７とヒートシンク５を，加圧用板６で加圧することで，半導体素子を内蔵する半導体部品２７とヒートシンク５の間の熱抵抗を低減できる。

本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置では，半導体素子を内蔵する半導体部品２７全ての両面にヒートシンク５が配置されて加圧されているので，半導体素子を内蔵する半導体部品２７内部での発熱を効率良く冷却できる。このとき，半導体素子を内蔵する半導体部品２７とヒートシンク５は，薄い金属性のケース１を介して面しており，熱抵抗の大きい部材を介さないことから，半導体素子を内蔵する半導体部品２７とヒートシンク５の間の熱抵抗を小さくできる。なお，図示はしていないが，半導体素子を内蔵する半導体部品２７とケース１の間や，ケース１とヒートシンク５の間に，熱伝導率の高い低弾性体やグリースを設けることで，接触抵抗をより低減できる。半導体素子２１，半導体素子を内蔵する半導体部品２７，端子２６，内部端子２８は，全てモールド樹脂２５あるいは封止材２で封止されており，高電圧を扱う電力変換装置に用いた場合であっても，十分な耐圧性を確保できる。さらに，半導体素子を内蔵する半導体部品２７やヒートシンク５が薄く，隣接する半導体素子を内蔵する半導体部品２７の端子２６の間隔が短い場合であっても，シリコーンゲルによって十分な耐圧性を確保できることから，電力変換装置をより小型省スペース化することができる。

図３から８を用いて，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成する各部材を詳細に説明する。

図３ａに，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成する半導体素子を内蔵する半導体部品２７の外観図を示す。本実施例で用いる半導体素子を内蔵する半導体部品２７は，主面の中央部に放熱部材２４が露出し，上部から端子２６ａ，２６ｂが突出し，これらをモールド樹脂２５で封止する構造である。放熱部材２４はケース１と面で接して半導体素子を内蔵する半導体部品２７内部の熱をヒートシンク５に伝える役割を持つ。本実施例では，平面度の高い銅製の部材を用いた。銅は熱伝導率が高く，半導体部品２７とヒートシンク５の間の熱抵抗をより小さくできる。端子２６ａ，２６ｂにおいて，大電流を流す端子２６ａの断面積を大きくすることで電流密度が小さくなって通電時のジュール熱を低減できる。一方，大電流を流さない制御用の端子２６ｂの断面積を小さくすることで導体部品２７を小型化できる。図３ｂに，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成する半導体素子を内蔵する半導体部品２７の断面図を示す。半導体部品２７は，少なくとも１つ以上の半導体素子１を内蔵し，半導体素子１の両面に金属回路２２が配置され，その一部は端子２６となっている。本実施例では，半導体素子１と金属回路２２をはんだで接合している。半導体素子１の両面に配置される金属回路２２のうち少なくとも片側は，半導体素子１と接する箇所の厚みが他の箇所よりも大きい。これによって，半導体素子１の両面に配置される金属回路２２の回路間距離を確保できるので，高電圧を扱う場合でも十分な信頼性を確保できる。金属回路２２において，半導体素子２１と面する側と反対側の面には，それぞれ絶縁材２３が配置され，半導体素子２１や金属回路２２を，ケース１などから絶縁し，回路の信頼性を確保する。絶縁材２３の厚さは，使用する電圧に応じて選定することができる。本実施例では，絶縁材２３に厚さ約０．６４ｍｍの窒化珪素を用いた。必要な耐圧や熱抵抗に応じて，他のセラミック材料や絶縁性を持つ樹脂シートなどを用いることも可能である。用いる絶縁材の熱伝導率が大きく，厚さが薄いほど熱抵抗を小さくできる。絶縁材２３において，金属回路２２を面する側と反対側の面には，放熱部材２４が配置されている。本実施例では，半導体素子２１から放熱部材２４の間は，銅と窒化珪素とはんだのみが配置されており，いずれも熱伝導率が高く薄い部材であることから，半導体素子２１と放熱部材２４の間の熱抵抗を小さくできる。なお，本実施例では金属回路２２や放熱部材２４に銅を用いたが，アルミや他の金属材料を用いることも可能である。アルミを用いた場合，銅と比較して熱伝導率が小さいため熱抵抗は増加する一方，軽量や加工し易さといった特徴がある。用途に応じて使い分けることができる。半導体素子２１，金属回路２２，絶縁材２３，放熱部材２４，端子２６は，放熱部材と端子２６の一部を除き，モールドレジン２５で封止されている。モールドレジン２５で封止することで，電気的な短絡を防止し，耐圧性を確保すると共に，動作時に生じる各部材の熱変形差を低減し，強度的信頼性を確保することができる。

図４(a)に，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成するヒートシンク５の外観図および断面図を示す。ヒートシンク５は，主面である２面がケースと接して半導体部材２７を冷却する役割を持つ。ヒートシンク５の内部は，主面に略直交する方向にフィンを設けることで，水路４１が形成されている。ヒートシンク５の主面である２面には，それぞれ連結用部材４２，４４が設けられている。このうち，連結用部材４２にはＯリング用溝４３が設けられており，この溝にＯリングを配置して，他のヒートシンク５の連結用部材４４と連結することで水路を構成できる。連結用部材４２の外径と連結用部材４４の内径は，これらを連結したときにＯリングが適切に潰れて水漏れを防止できる様に定める。本実施例では，連結時にＯリングが約２割潰れるように定めた。本実施例では，ヒートシンクの材料に銅を用いた。熱伝導率の高い銅を用いることで，熱抵抗を低減できる。なお，冷却媒体の種類や必要な放熱性能に応じて，アルミなど異なる材料を用いることも可能である。アルミを用いた場合，銅と比較して熱伝導率が小さいため熱抵抗は増加する一方，軽量や加工し易さといった特徴がある。用途に応じて使い分けることができる。
図４(a)では，複数の部材を組み合わせてフィンを構成したが，図４(b)に示す様に，押し出し加工を施した部材を用いることで1つの部材でフィンを構成することもできる。押し出し加工によって内部に水路を持つ押し出し部材４６と，連結用部材４２や４３と一体化されるヒートシンク端部部材４７を接合することで，１つのヒートシンク５を構成することができる。このとき，押し出し部材４６とヒートシンク端部部材４７は，ろう付けや接着などによって接合することができる。本ヒートシンク構造では，１つの部材でフィンを構成することから，低コストで信頼性に優れたフィンを提供できる。その一方，フィンの形状が押し出し加工の加工性によって制約を受けるため，より詳細なフィン形状が求められる場合には，図４(a)の様に複数の部材を組み合わせてフィンを構成する構造を用いることが有効である。

図５に，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成する加圧用板６の外観図を示す。本実施例では，加圧用板６は厚さ約5ｍｍのステンレス製の板材を用いた。加圧用板６の角部近傍には，加圧用ボルト７が貫通するための穴５１が設けられている。また，ヒートシンク５の連結部材のための穴５２も設けられている。加圧用板６は，図示するように長手方向に面外方向にたわみを持つ。たわみの効果については後述する。

図６に，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成する端子ブロック４の外観図を示す。本実施例において，端子ブロック４はエポキシ系の樹脂で構成されており，外側に銅製の外部端子３，内側に銅製の内部端子２８が突出し，端子ブロック４の内部で外部端子３と内部端子２８が結合している。なお，図示はしないが，端子ブロック４の下面には，端子ブロック支持部材９の上面に設けられた端子ブロック位置決め用凸部７２と対になって端子ブロック４の位置決めをする凹部が設けられている。

図７に，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成する端子ブロック支持部材９の外観図を示す。端子ブロック支持部材９の側面には加圧用ボルト７が貫通するための穴７１が設けられ，上面には端子ブロック位置決め用凸部７２が設けられている。端子ブロック支持部材９の厚みは，半導体素子を内蔵する半導体部品２７の厚みよりも小さい。本実施例において，端子ブロック支持部材９の材料にはエポキシ系樹脂を用いた。端子ブロックの位置決めに必要な剛性を確保できれば，他の材料を用いることもできる。

図８に，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置を構成するケース１の外観図および断面図を示す。本実施例において，ケース１は厚さ０．１ｍｍのアルミ板を折り曲げ加工することで構成されている。半導体素子を内蔵する半導体部品２７を挿入する窪みが３箇所設けられていると共に，端部が略同一平面上に配置される様に折り曲げ加工されていることから，液状のシリコーンゲルを注入しても漏れることがなく，シリコーンゲルによる封止が可能である。さらに，半導体素子を内蔵する半導体部品２７やヒートシンク５と面して放熱経路となる箇所は平面であり，熱抵抗低減に有効な形状となっている，また，半導体部品２７やヒートシンク５と面して放熱経路となる面に垂直な方向，すなわち部品などを搭載した後に接触熱抵抗低減のために加圧する方向に対して，ケース１はバネに類似した形状となっており，非常に低剛性である。そのため，加圧する際に，ケース１の剛性が妨げとなることはない。なお，本実施例では，ケース１の材料にアルミを用いたが，銅など他の材料や，アルミや銅の合金などを用いることもできる。ケース１に銅を用いる場合，熱伝導率がアルミよりも大きいので熱抵抗をより小さくできる。一方，剛性がアルミよりも大きくなる。これらを鑑みて，選択することができる。

図９から１８を用いて，本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置の製造方法を説明する。

はじめに，図９を用いてケース１の製造方法を説明する。ケース１は，略四角形の薄板７１を曲げ加工して製造される。図中に示す点線箇所を谷折し，一点鎖線箇所を山折りすると，ケース１が形成できる。本実施例ではケース１の材料に厚さ０．１ｍｍのアルミ板を用いている。加工性に優れたアルミを用いることで，加工時の破断を防止しながら曲げ加工ができるので，完成したケース１にはシリコーンゲルが漏れる穴や破断箇所は発生しない。薄板９１において，寸法Ｌ１〜Ｌ７は折り曲げ加工後にそれぞれ，Ｌ１は半導体部品２７搭載位置の窪みの幅，Ｌ２は半導体部品２７搭載位置の窪みの深さ，Ｌ３はヒートシンク５設置位置の幅，Ｌ４はケース１端部のヒートシンク５設置位置の幅，Ｌ５はケース１縁の高さ，Ｌ６は半導体部品２７搭載位置の窪みの長さ，Ｌ７は半導体部品２７を搭載する際の長手方向のケース１寸法となる。薄板９１の寸法や折り曲げ箇所を搭載する半導体部品２７やヒートシンクの寸法や搭載数に応じて決めることで，任意の部品数や部品寸法に対応するケースを製造できる。

次に，図１０に示す様に，４個のヒートシンク５を連結して水路を構成する。このとき，連結部材４２，４４の位置が左右で対称なヒートシンク５aとヒートシンク５bの2種類を用意し，それぞれを順に連結させることで水路が構成される。このとき，連結部材４２のＯリング用溝４３にはＯリングを設けており，連結部での冷却水漏れを防止できる。また，連結部は，加圧方向，すなわち連結されている方向に自由に寸法を変化できるので，加圧時に連結部の剛性が加圧の妨げにならない。

次に，図１１に示す様に，４個の連結されたヒートシンク５の間にケース１を設置することで，ケース１の窪み部分の両側にヒートシンク５が配置される。

次に，図１２ａに示す様に，ケース１の３箇所の窪みに，それぞれ半導体素子を内蔵する半導体部品２７を設置する。このとき，半導体部品２７の主面であり放熱部材２４が露出している面を，ヒートシンク５の主面と面しているケース１の面と接する様に配置することで，半導体部品２７の両面にヒートシンク５を配置できる。なお，本実施例では，ヒートシンク５の上部にケース１を設置した後にケース１の窪みに半導体部品２７を設置したが，ケース１の窪みに半導体部品２７を設置した後にヒートシンク５の上部にケース１を設置しても良い。

次に，図１３に示す様に，半導体素子を内蔵する半導体部品２７の側部に端子ブロック支持部材９を合計6個配置する。このとき，端子ブロック支持部材９条面の端子ブロック位置決め用凸部７２が，ケース１の縁よりも高い位置となる。

次に，図１４に示す様に，ヒートシンク５の両側面に，2枚の加圧用板６を配置する。このとき，加圧用板６のたわみが凸となる方向がヒートシンク５と面する様に配置する。加圧用板６には，連結部材のための穴５２が設けられているので，ヒートシンク５の接続部材４２や４４と加圧用板６が接触することはない。

次に，図１５に示す様に，加圧用ボルト７を加圧用板６に設けられた加圧用ボルトが貫通するための穴５１，水路モジュール５に設けられた加圧用ボルトが貫通するための穴４５，端子ブロック支持部材９に設けられた加圧用ボルトが貫通するための穴７１を貫通させ，加圧用ナット８と結合することで全体を加圧する。加圧用板６，水路モジュール５，端子ブロック支持部材９は，加圧用ボルト７が貫通して加圧することで位置が固定される。このとき，図１６に示す上面図の様に，端子ブロック支持部材９の加圧方向の幅は半導体部品２７の幅より小さいため，加圧用ボルト７の軸力によって発生する加圧力は，端子ブロック支持部材９には作用せず，半導体部品２７が面で加圧力を受ける。したがって，加圧によって半導体部品２７を適切に加圧できる。

次に，図１７に示す様に，ケース１の上部に端子ブロック４を配置し，半導体部品２７の端子２６と端子ブロックの内部端子２８とを溶接で接合する。このとき，端子ブロック４の下面にある凹部と，端子ブロック支持部材９の上面にある凸部を接着材で接着することで，端子ブロックを位置決めすることができる。

次に，図１８に示す様に，ケース１の内側で半導体部品２７が搭載されている位置に，硬化前の液状のシリコーンゲルを封止材２として注入する。液状のシリコーンゲルは，その液面が導体部品２７の端子２６や端子ブロックの内部端子２８よりも上になる様に注入することで，半導体部品２７や導体部品２７の端子２６や端子ブロックの内部端子２８を封止できる。このとき，ケース１は一枚のアルミ板の端部が略同一平面上に配置される様に折り曲げ加工されていることから，液面が端部の平面より下に位置すれば液状のシリコーンゲルが漏れることはない。シリコーンゲル注入後，ゲルを硬化させることで封止が完了し，電力変換装置が完成する。

図１から１８を用いて，構造および製造方法を説明した本発明を備えた第１の実施例である電力変換装置は，半導体素子を内蔵する半導体部品２７全ての両側にヒートシンク５が配置されて加圧されることで，半導体素子２１を両面から効率的に冷却できる。また，加圧方向において，ケース１や水路の剛性が小さいので，加圧して熱抵抗を低減する場合に，ケース１の剛性が妨げになることが無い。端子ブロック支持部材９の幅が半導体部品２７よりも薄いので，端子ブロック支持部材９が加圧の妨げになることも防止できる。さらに，薄板の折り曲げ加工によって薄板の外形を構成する辺全てが略同一面上に配置されるケース形状を実現し，その窪みとなる位置に導体素子を内蔵する半導体部品２７を配置していることで，半導体素子２１を内蔵する半導体部品２７をシリコーンゲル封止するために液状のシリコーンゲルを注入しても漏れることがなく，適切に封止できる。これらのことから，冷却性や耐圧性に優れた電力変換装置を提供できる。

なお，前述の様に，加圧用板６にはあらかじめたわみを設けている。この効果を図１９で説明する。図１９に，たわみを設けない加圧用板６で半導体部品２７を加圧した場合の変形を示す。加圧力は，加圧用ボルト７の位置，すなわち加圧用板６の角部近傍で発生する。半導体部品２７の寸法は，加圧力が発生する距離よりも小さいので，加圧用板１９にたわみがない場合には，図１９bに示す様に半導体部品２７の端部を支点とした４点曲げ変形が生じる。この結果，半導体部品２７の中央部近傍の面圧が低下する。一方，図２０に示す様に加圧用板６にたわみがある場合，半導体部品２７の中央部を支点とした3点曲げ変形が生じる。この結果，半導体部品２７の中央部近傍の面圧が増加する。適切なたわみ量を設けることで，図１９に示す４点曲げ変形のモードと図２０に示す３点曲げ変形のモードの中間の変形をさせることができ，半導体部品２７の中央部と端部のいずれの位置も適切に加圧できる。加圧用板６に極端に大きなたわみを設けると，半導体部品２７の中央部近傍の面圧が大きくなる一方で半導体部品２７の端部近傍の面圧が低下するので，適切なたわみ量を設けることが望ましい。

なお，図１９，２０では，加圧板と半導体部品２７のみを示したが，実際にはその間にヒートシンク５が配置される。そのため，加圧用板６の角部近傍に作用する加圧力は，ヒートシンク５によって平均化されるので，半導体部品２７に作用する面圧をより均一化することができる。このとき，加圧板６の曲げ剛性がヒートシンク５の曲げ剛性よりも小さいと，加圧板６にたわみを設けた効果が低減する。そのため，加圧板６の材料および板厚は，曲げ剛性がヒートシンク５よりも大きくなる様に定めることが望ましい。

図２１に，本発明を備えた第２の実施例である電力変換装置を構成するケース２１１およびその展開図２１２を示す。実施例１で用いたケース１との相違点は，実施例１で用いたケース１には半導体素子を内蔵する半導体部品２７を配置する窪みが３箇所あったのに対して，本実施例で用いるケース２１１には２箇所である点である。そのため，図９で示したケース１の展開図と比較して，ケース２１１の展開図２１２は折り曲げ前のアルミ板の長手方向寸法が短く，折り曲げ箇所が少ない。この様に，本発明を供えた電力変換装置に用いるケースは，用いるアルミ板の寸法や折り曲げ箇所を選択することで，設置する半導体部品２７の数や寸法に応じた形状とすることができる点が，本発明の大きな特徴である。

図２２を用いて，本発明を備えた第２の実施例である電力変換装置の製造方法を説明する。３個のヒートシンク５を並べ，その間にケース２１２を設置する。このとき，実施例１と同様に，各ヒートシンク５は連結部４２，４４でＯリングによって連結されているので，連結部の長さは連結方向には自由に変化できる。次に，ケース２１１の２箇所の窪みに，それぞれ半導体素子を内蔵する半導体部品２７を設置する。このとき，半導体部品２７の主面であり放熱部材２４が露出している面を，ヒートシンク５の主面と面しているケース２１１の面と接する様に配置することで，半導体部品２７の両面にヒートシンク５を配置できる。以降の製造方法は実施例１と同様である。

実施例１では，電力変換装置の内部に３個の半導体部品２７を備えるのに対して，本実施例では電力変換装置の内部に２個の半導体部品２７を備えており，電力変換装置として使用する電圧や電流の条件が実施例１とは異なる。この様に，本発明を備えた電力変換装置では，同じ半導体部品２７とヒートシンク５を用意して，使用する数を自由に変更することで，使用目的に適した電力変換装置を構成できる。そのため，同じ半導体部品２７を用いて，様々な使用目的に対応する幅広いラインナップを構築することができる。

図２３に，本発明を備えた第３の実施例である電力変換装置を説明する図を示す。本実施例と第１の実施例との相違点は，図２３ａに示す様にケース１に３個の半導体部品２７を搭載し，図２３ｂに示す様に端子ブロック（図示せず）を設置してシリコーンゲル（輪郭を図示）で封止してゲルが硬化した後，図２３ｃに示す様にケース長手両端部の台形形状の領域を切断する点である。ケース長手両端部の台形形状の領域は，液状のシリコーンゲルを注入する場合には漏れ防止の役割をする。ただし，シリコーンゲルが硬化した後には，この領域を切断しても漏れは発生しない。この領域を切断することで，使用時のケースを小型化できると共に，ヒートシンクの小型化も可能になるため，電力変換装置全体を小型化できる。その一方，ケースと硬化後のシリコーンゲルを切断する工程が必要になるため，小型化と工程短縮の目的に応じて実施例１と使い分けることができる。

図２４に，本発明を備えた第４の実施例である電力変換装置の外観図および断面図を示す。外観図は，実施例１と同様である。実施例１との相違点は，断面図において，半導体素子を内蔵する半導体部品２７のモールド樹脂２５が無く，シリコーンゲルである封止材２のみで全ての封止を行う点である。本実施例では，半導体素子を内蔵する半導体部品２７を製造する際に，樹脂でモールドする必要がないので，製造工程を簡略化できる。また，モールド樹脂が無い分，半導体部品２７の外寸を小さくできるので，電力変換装置全体の小型化に有効である。本実施例において，絶縁部材２３の外寸を金属回路２２より大きくすることで，モールド樹脂２５が無くてもケース１に半導体部品２７を設置する際にケース１と金属回路２２は接触せず，電気的な短絡を防止できる。さらに，シリコーンゲル注入後は，十分な耐圧性を確保できる。ただし，半導体素子２１や金属回路２２などをモールド樹脂２５で封止しないため，動作時の温度上昇に各部材の熱変形差に起因する熱応力を低減することに注意を払う必要がある。各部材の熱変形差を低減する方法として，金属回路２２の少なくとも一部に，半導体素子２１と線膨張係数差が小さい材料である，モリブデン，タングステンなどを用いることが有効である。また，カーボンやカーボンを含む複合材料を金属回路２２の一部に用いることも，熱応力低減に有効である。

図２５から２７を用いて，本発明を備えた第４の実施例である電力変換装置の製造方法を示す。図２５に示すケース１の製造方法は実施例１と同様である。ただし，半導体部品２７の外寸が小さくなるため，ケース１を小型化することができる。次に，図２６に示す様に，ケース１をヒートシンク５に設置する。半導体部品２７の外寸が小さくなるため，ヒートシンク５も小型化することができる。次に，図２７に示す様に，モールドされていない半導体部品２４１をケース１に設置する。このとき，半導体部品２４１はモールドされておらず，金属回路２２や半導体素子２１が露出しているため，扱いには注意が必要である。次に，図２８に示す様に，加圧用板６と加圧用ボルト７と加圧用ナット８で加圧し，ケース１の上部に端子ブロック４を設置し，端子２６と２８を接続する。次に，ケース１に液状のシリコーンゲルを注入し，ゲルを硬化させることで半導体素子２１や金属回路２２や端子２６などを全て封止することで，電力変換装置が完成する。

図２８に，本発明を備えた第５の実施例である電力変換装置の外観図を示す。第１の実施例との相違点は，複数のヒートシンク２８１をＯリングではなく，低弾性のパイプ２８２で連結する点である。低弾性のパイプ２８２で連結する場合，実施例１の様にＯリングで連結する場合の様に連結部の長さを自由に変化させることはできない。ただし，加圧方向の荷重に対して低弾性のパイプ２８２の曲げ変形するので，パイプ２８２の材料や寸法を適切に選択すれば，加圧方向の剛性を小さくすることができる。その結果，隣接するヒートシンクとの加圧方向の距離を自由に変化させることができるので半導体部品２７の加圧を妨げることはない。

図２９に，本実施例で用いるヒートシンク２８１の外観図と断面図を示す。ヒートシンク２８１の両端部にパイプ差込口２９１が設けられている。また，内部には，冷却フィンが設けられ，効率的な冷却を可能にしている。

図３０に，本実施例で用いるヒートシンク２８１とパイプ２８２の連結状態を示す。隣接するヒートシンク２８１のパイプ差込口２９１がパイプ２８２によって連結され，１つの水路が構成されている。本実施例では，隣接するヒートシンク２８１の形状は同じで良い。そのため，実施例１で示したように左右対称の形状を２種類用意する必要がなく，1種類のヒートシンク２８１を用意すればよい。なお，本実施例では両端部に１つずつパイプ差込口２９１を持つヒートシンク２８１を用いており，水路は直列となる。複数のヒートシンク２８１に冷却水を並列に流す場合，両端部に２つずつパイプ差込口２９１を持つヒートシンク２８１を用いればよい。冷却方法や冷却水の量によって使い分けることができる。また，本実施例では加圧用ボルト７の外側にパイプ２８２を設けたが，加圧用ボルト７の内側に設けることも可能である。この場合，電力返還装置の外寸を小さくできるので，小型化に有効である。その一方，ヒートシンク２８１の長さを短くする必要があることと，パイプ２８２を引き回す空間が規定されるので使用できるパイプ径の自由度が小さくなる。これらを鑑み，パイプ位置を選択できる。

図３１に，本発明を備えた第６の実施例である電力変換装置の外観図を示す。第１の実施例との相違点は，水冷のヒートシンク５ではなく，ヒートパイプ３１１を用いて冷却する点である。図３２に，本実施例で用いるヒートパイプ３１１を示す。ヒートパイプのケースとの接触部３２１から内部に液体の入ったパイプ部３２２が突出し，突出部分には冷却フィン３２３が接続されている。図３１の電力変換装置において，４個のヒートパイプ３１１がヒートパイプのケースとの接触部３２１がケース１を介して半導体部品２７の両側に配置され，半導体部品２７を両面から冷却する。なお，図ではヒートパイプ３１１が電力変換装置の下に配置されているが，動作時にはヒートパイプの方が上に配置される。その結果，パイプ部３２２の内部の液体は半導体部品２７の近傍に配置され，半導体部品２７の発熱によって気化し，冷却フィン３２３の近傍に移動し，冷却されて液化して再び半導体部品２７の近傍に移動する。このサイクルを繰り返すことで，半導体部品２７を冷却する。なお，本実施例では，４個のヒートパイプ３１１を用いたが，これらのヒートパイプ３１１が冷却フィン３２３の位置で連結されていても良い。この場合，取り付け作業などの取り扱いは容易になる一方，剛性が大きくなって加圧の妨げにならない様に，冷却フィン３２３の形状などを注意する必要がある。

本実施例では，ヒートパイプ３１１を電力変換装置の下に配置したが，ヒートパイプ３１１を電力変換装置の横に配置することも可能である。本発明を備えた電力変換装置では，ヒートパイプのケースとの接触部３２１の側面に空間があるため，ヒートパイプ３１１のパイプ部３２２を側面，すなわち２本の加圧用ボルト７の間を通すことで，ヒートパイプ３１１を電力変換装置の横に配置できる。

本発明を備えた電力変換装置では，半導体部品や配線と，冷却部分がケース１によって分離されているため，半導体部品や配線を変更することなく，異なる冷却方式を用いることができることが，大きな特徴である。本実施例では，ヒートパイプによる冷却方式を用いたが，必要な冷却能力によっては，空冷方式など他の冷却方式を用いることも可能である。いずれの冷却方式を用いる場合でも，半導体部品２７を両面から冷却することができる。

以上の実施例で説明したとおりに，略4角形の薄板を山折および谷折りすることで半導体素子を内蔵する半導体部品を搭載する数の窪みを持つ形状を形成すると同時に，上記折り曲げ方向と直交する方向の側辺を折り曲げることで，薄板の外形を構成する縁全てが略同一面上に配置されるケースを設け，そのケースの窪みとなる位置に半導体素子を内蔵する半導体部品を配置し，ケースを介して半導体素子を内蔵する半導体部品を挟む様に冷却装置を配置し，半導体素子を内蔵する半導体部品をシリコーンゲル封止することで解決できる。また，好ましくは，前記ケースは熱伝導率の高い金属で構成される。さらに望ましくは，前記ケースはアルミや銅またはこれらを主成分とする合金で構成される。

冷却装置は，半導体素子を内蔵する半導体部品の両側に複数の独立した冷却モジュールを配置し，それぞれの冷却モジュールを加圧方向に低剛性な連結部で連結する。さらに，端子ブロックを支持する部材を，半導体素子を内蔵する半導体部品の側部に配置して端子ブロックを支持する。このとき，端子ブロックを支持する部材の厚みを，半導体素子を内蔵する半導体部品よりも小さくする。

このような構成をとるので，半導体素子を内蔵する半導体部品と冷却装置を交互に配置できるため，半導体素子を両面から効率的に冷却できる。また，ケースの剛性は，半導体素子を内蔵する半導体部品と冷却装置が交互に配置される方向に小さいので，半導体素子を内蔵する半導体部品と冷却装置の間を加圧して熱抵抗を低減する場合に，ケースの剛性が妨げになることが無い。さらに，薄板の折り曲げ加工によって全ての縁が略同一面上に配置されるケース形状を実現でき，その窪みとなる位置に導体素子を内蔵する半導体部品を配置しているため，液状のシリコーンゲルなどの封止材を注入しても漏れることがなく，適切に封止できる。これらのことから，冷却性や耐圧性に優れた電力変換装置を提供できる。さらに，冷却装置や端子ブロックを支持する部材が，半導体素子を内蔵する半導体部品と冷却装置の加圧の妨げになることを防止でき，適切な加圧を実現できる。

以上，本発明を実施例に基づき具体的に説明したが，本発明は前記実施例に限定されるものではなく，その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

１ ・・・ケース
２ ・・・封止材
３ ・・・外部端子
４ ・・・端子ブロック
５ ・・・ヒートシンク
６ ・・・加圧用板
７ ・・・加圧用ボルト
８ ・・・加圧用ナット
９ ・・・端子ブロック支持部材
２１ ・・・半導体素子
２２ ・・・金属回路
２３ ・・・絶縁材
２４ ・・・放熱部材
２５ ・・・モールド樹脂
２６，２６ａ，２６ｂ ・・・半導体素子を内蔵する半導体部品の端子
２７ ・・・半導体素子を内蔵する半導体部品
２８ ・・・内部端子
４１ ・・・水路
４２ ・・・連結用部材
４３ ・・・Ｏリング用溝
４４ ・・・連結用部材
４５ ・・・位置決め用穴
４６ ・・・押し出しフィン部材
４７ ・・・ヒートシンク端部部材
５１ ・・・加圧用ボルト７が貫通するための穴
５２ ・・・ヒートシンク５の連結部材のための穴
７１ ・・・加圧用ボルト７が貫通するための穴
７２ ・・・端子ブロック位置決め用凸部
9１ ・・・ケース折り曲げ加工前の薄板
Ｌ１ ・・・薄板の折り曲げ寸法
Ｌ２ ・・・薄板の折り曲げ寸法
Ｌ３ ・・・薄板の折り曲げ寸法
Ｌ４ ・・・薄板の折り曲げ寸法
Ｌ５ ・・・薄板の折り曲げ寸法
Ｌ６ ・・・薄板の折り曲げ寸法
Ｌ７ ・・・薄板の折り曲げ寸法
２１１ ・・・実施例２のケース
２１２ ・・・実施例２のケース展開図
２４１ ・・・モールドされない半導体素子を内蔵する半導体部品
２８１ ・・・パイプで連結されるヒートシンク
２８２ ・・・パイプ
２９１ ・・・パイプ差込口
２９２ ・・・加圧用ボルト７が貫通するための穴
３１１ ・・・ヒートパイプ
３２１ ・・・ヒートパイプのケースとの接触部
３２２ ・・・ヒートパイプのパイプ部
３２３ ・・・ヒートパイプの冷却フィン部

Claims (18)

1. 複数の窪部を有し、熱伝導性を持つ加工された薄板を折り曲げ加工することで製造されるケースと、複数の半導体部品とを有し、前記ケースは、前記窪部の側である一方側と、前記一方側と反対側である他方側を有し、前記ケースは、前記一方側で前記窪部よりも延長される縁部を有し、前記複数の半導体部品の各々は前記ケースを介して冷却部品に両側から挟み込まれるように前記窪部の各々に配置され、前記ケースの一方側に配された封止材を有し、前記ケースは少なくとも前記縁部の一部まで前記封止材を前記一方側に保持可能なように一体的な構造をしていることを特徴とするパワーモジュール装置。
2. 請求項１において，前記ケースの縁部が略同一平面上に存在することを特徴とするパワーモジュール装置。
3. 請求項２において，前記ケースが１枚のアルミまたは銅を主成分とする金属板を折り曲げ加工することで製造されていることを特徴とするパワーモジュール装置。
4. 請求項１において，前記半導体部品が，内蔵する少なくとも１つの半導体素子の両主面に金属回路を備え，前記金属回路の半導体素子との反対側の面にそれぞれ絶縁材が配置され，さらに前記絶縁材の半導体素子との反対側の面にそれぞれ放熱部材が配置されることで，前記半導体部品の両主面の表面に放熱部材が配置されることを特徴とするパワーモジュール装置。
5. 請求項１において，前記冷却部品の数が前記半導体部品の数よりも１つ多く，それぞれの前記冷却部品が内部に冷媒が通る部材で連結されて１つの液路を構成し，前記半導体部品がケースを介して両面から液冷されることを特徴とするパワーモジュール装置。
6. 請求項５において，前記冷却部品が，加圧方向に長さが可変な連結部で連結されていることを特徴とするパワーモジュール装置。
7. 請求項６において，前記冷却部品の連結部が，Ｏリングを介して連結されていることを特徴とするパワーモジュール装置。
8. 請求項５において，前記冷却部品の連結部が，低弾性のパイプを介して連結されていることを特徴とするパワーモジュール装置。
9. 請求項１において，さらに、端子ブロックと，前記端子ブロックを支持する端子ブロック支持部材とを有し，前記半導体部品と，前記端子ブロック支持部材とが，加圧方向と直交する同一面上に配置され，前記端子ブロック支持部材の加圧方向の厚みが，前記半導体部品の加圧方向の厚みよりも小さいことを特徴とするパワーモジュール装置。
10. 請求項５において，並んで配置される前記冷却部品のうち，端に位置する２つの前記冷却部品の外側に前記冷却部品よりも曲げ剛性の大きい加圧用板を配置し，前記加圧用板によって前記冷却部品が加圧されていることを特徴とするパワーモジュール装置。
11. 請求項１０において，加圧板にあらかじめ撓みが設けられており，面が並んで配置される前記冷却部品のうち端に位置する２つの前記冷却部品の外側の面と加圧板の凸となる面が面することを特徴とするパワーモジュール装置。
12. 請求項１０において、加圧用板がボルトによって加圧され，さらに、端子ブロックと，前記端子ブロックを支持する端子ブロック支持部材とを有し，前記ボルトが，前記加圧用板と，前記冷却部品と，前記端子ブロック支持部材とを貫通することを特徴とするパワーモジュール装置。
13. 請求項２において，前記冷却部品がヒートパイプによって構成されることを特徴とするパワーモジュール装置。
14. 請求項１３において，前記封止材としてゲルを用い，前記ヒートパイプのパイプが前記ゲルの表面となる面と略水平方向，あるいは前記ゲルの表面となる面で分割される２つの空間の内の前記ゲルが存在する側の空間に前記ゲルの表面の略垂直方向に突出していることを特徴とするパワーモジュール装置。
15. 請求項２において，略同一の半導体素子を内蔵する前記半導体部品を搭載し，前記半導体部品の搭載数が異なり，前記搭載数の数だけケースの窪み部分が設けられて前記半導体部品がそれぞれ搭載されることで，複数のラインナップを構築することを特徴とするパワーモジュール装置。
16. 熱伝導性を持つ加工された薄板を折り曲げ加工することで製造されるケースと、半導体部品とを有し、前記半導体部品は前記ケースを介して冷却部品に両側から挟み込まれるように前記ケースの窪部に配置され、前記ケースは、前記半導体部品の一部をなす端子部、あるいは、前記半導体部品に接続される端子の少なくとも一部を封止材で封止可能な構造をしていることを特徴とするパワーモジュール装置。
17. 複数の窪部を有し、熱伝導性を持つ加工された薄板を折り曲げ加工することで製造されるるケースと、複数の半導体部品とを有し、前記ケースは、前記窪部の側である一方側と、前記一方側と反対側である他方側を有し、前記ケースは、前記一方側で前記窪部よりも延長される縁部を有し、前記複数の半導体部品の各々は前記ケースを介して冷却部品に両側から挟み込まれるように前記窪部の各々に配置され、前記ケースの一方側に配された封止材を有し、前記ケースは少なくとも前記縁部の一部まで前記封止材を前記一方側に保持可能なように一体的な構造をしており、複数の半導体部品の少なくとも一部はスイッチング素子を格納しており、前記スイッチング素子を制御することで電力変換することを特徴とする電力変換装置。
18. 少なくとも縁部の一部まで流体が漏れないよう保持可能なように成型された熱伝導性を持つ加工された薄板を折り曲げ加工することで製造されるケースの複数の窪部の各々に半導体部品を配置すると共に、他方側に前記半導体部品を両側から挟み込むように冷却部品を配置し、前記窪部側に封止材を封入するパワーモジュール装置の製造方法であって、前記窪部の側である一方側と、前記一方側と反対側である他方側を有し、前記ケースは、前記一方側で前記窪部よりも延長される縁部を有すことを特徴とするパワーモジュール装置の製造方法。

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