JP6302803B2 - パワー半導体モジュール及びその製造方法、電力変換装置 - Google Patents

パワー半導体モジュール及びその製造方法、電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明はパワー半導体モジュール及びこれを用いた電力変換装置に関する。
パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。また、パワー半導体素子は絶縁性のため樹脂又はゲルで封止される。
パワー半導体素子を流路形成した金属体に搭載して樹脂封止する構造として、特許文献１が開示されている。
特開２０１３−２３２６１４号公報
特許文献１に記載された半導体装置では、あらかじめ水密性能を確保した水路にパワー半導体素子をはんだ接続し、樹脂封止するため、製造過程で温度や圧力が加わり水密性能が低下する可能性があった。
本発明の目的は、バイパス流を抑制した放熱効率の高いパワー半導体モジュールの形成を容易とし、電力変換装置の信頼性向上を図るものである。
本発明の電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールが配置される流路形成体と、を備え、前記パワー半導体モジュールは、前記半導体チップと前記流路形成体に挟まれる位置に配置される高熱伝導体と、前記パワー半導体素子と前記高熱伝導体を封止する封止材とを有し、前記高熱伝導体は、前記流路形成体側に当該流路形成体に向かって突出するフィンを有し、前記フィンを囲む封止材の一部と前記フィン先端が概略同一平面にある事を特徴とする。
本発明によれば、パワー半導体モジュール及び流路の形成が容易でありながら、バイパス流を抑制し高放熱、効率的にフィンに水流が誘導でき、高放熱化できる。
実施例１のパワー半導体モジュールの斜視図。 本発明のコネクタ側リード組みの展開図。 本発明のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 本発明のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 本発明のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 本発明のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 本発明のパワー半導体モジュールの製造途中の斜視図。 実施例１のパワー半導体モジュールの断面図。 本発明のパワー半導体モジュールの回路図。 本発明の電力変換装置の回路図。 本発明の電力変換装置の斜視図。 本発明の実施形態１の電力変換装置の断面斜視図。 本発明の電力変換装置の断面図。 本発明の実施形態１のパワー半導体モジュールの変形例１。 本発明の実施形態１のパワー半導体モジュールの変形例１。 本発明の実施形態１のパワー半導体モジュールの変形例２。 本発明の実施形態１のパワー半導体モジュールの変形例２。 トランスファーモールドにおける充填距離と隙間の関係。 トランスファーモールドにおける充填距離と隙間の関係。 トランスファーモールド工程の断面図。 トランスファーモールド工程の断面図。 本発明の実施形態２の電力変換装置の断面斜視図。 本発明の実施形態３の電力変換装置の断面斜視図。 本発明の実施形態４の電力変換装置の断面斜視図。
以下、図面を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュール及び電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００の斜視図である。パワー半導体モジュール３００は、封止樹脂９００と、直流側の端子３１５Ｂ及び３１９Ｂと、交流側の端子３２０Ｂと、信号用の端子３２５Ｕ、３２５Ｌ、３２５Ｓを有する。封止樹脂９００は、リードフレームやセラミックス基板配線等の金属導体に搭載したパワー半導体素子を封止する。端子３１５Ｂ、３１９Ｂ、３２０Ｂは、パワー半導体モジュール３００の封止樹脂９００の一面から一列に突出している。これらの端子が突出する側の封止樹脂９００には、シール部９０１が形成される。後述するように、パワー半導体モジュール３００は、流路形成体１０００に固定される際に、シール部９０１に配置されたＯリング等の部材により、冷却冷媒の気密性を確保する。また、封止樹脂９００は、封止樹脂面９００Ａを有する。本実施例のパワー半導体モジュール３００の製造手順について、図２から図７を用いて説明する。
図２は、リードフレーム３１５及びリードフレーム３２０と、高熱伝導体９２０の配置関係を示す展開図である。リードフレーム３１５には、後述するパワー半導体素子である上アーム側ＩＧＢＴ１５５が接続される。リードフレーム３２０には、後述するパワー半導体素子である下アーム側ＩＧＢＴ１５７が接続される。リードフレーム３１５及びリードフレーム３２０は、導電性の金属部材、例えば銅により構成される。ここで、ＩＧＢＴとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の略である。
高熱伝導体９２０は、リードフレーム３１５又はリードフレーム３２０を挟んで、パワー半導体素子が接続される側とは反対側に配置される。高熱伝導体９２０は、各リードフレームに対応して、設けられる。図２には図示されないが、リードフレーム３１５と対向する領域にも、高熱伝導体９２０は配置される。
高熱伝導体９２０とリードフレーム３１５の間、及び高熱伝導体９２０とリードフレーム３２０の間には、絶縁層９４０が配置される。絶縁層９４０は、リードフレームと高熱伝導体との間の電気的な絶縁を目的として配置される部材である。絶縁層９４０としては、例えば、アルミナ粒子及び窒化ホウ素粒子を充填したエポキシ樹脂系の樹脂シートが用いられる。高熱伝導体９２０は、絶縁層９４０を介してリードフレームに接着される。絶縁層は、真空プレス機を用いて加熱圧着し、硬化させた。用いる条件は、例えば、真空度が１０００Ｐａ以下の減圧雰囲気下にて、１０ＭＰａの圧力で、２００℃、２時間の加熱圧着とする。
リードフレーム３１５とリードフレーム３２０とは、タイバー９１２により接続された状態で形成される。そのため、高熱伝導体９２０及び当該リードフレームは、絶縁層９４０を挟んで、一体のコレクタ側リード組み９３０として組み立てられる。
図３は、図２の状態から、パワー半導体素子をリードフレームに接続した状態を示す図である。インバータ回路の上アーム回路を構成するＩＧＢＴ１５５は、リードフレーム３１５に対して、はんだ接続される。インバータ回路の上アーム回路を構成するダイオード１５６は、リードフレーム３１５に対して、はんだ接続される。インバータ回路の下アーム回路を構成するＩＧＢＴ１５７は、リードフレーム３２０に対して、はんだ接続される。インバータ回路の下アームを構成するダイオード１５８は、リードフレーム３２０に対して、はんだ接続される。ＩＧＢＴ１５５及び１５７は、エミッタ電極が形成される側の面において、信号用電極が形成されている。当該信号電極は、パワー半導体モジュール３００の信号端子３２５Ｌ及び３２５Ｌと、アルミワイヤにより電気的に接続される。そのため、ＩＧＢＴ１５５及び１５７は、ダイオード１５６及び１５８よりも、信号端子に近い位置に配置される。
図４は、図３の状態から、パワー半導体素子のエミッタ側にリードフレーム及び高熱伝導体９２０を配置した状態を示す図である。手順としては、まず、図２においてコレクタ側リード組９３０を形成したのと同様にして、エミッタ側リード組み９３１を形成する。エミッタ側リード組み９３１は、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ側に接続されるリードフレーム３１８と、ＩＧＢＴ１５７のエミッタ側に接続されるリードフレーム３１９と、高熱伝導体９２０と、高熱伝導体とリードフレームの間に配置される絶縁層９４０と、により構成される。
また、温度センサ９４５がリードフレームに接着される。当該温度センサ９４５の端子は、コレクタ側リード組９３０の信号端子に溶接される。温度センサ９４５が設けられることで、機械加工によってフィンを形成する時の発熱をモニタし、規定値を超えた温度とならないように管理することができる。
このようにして、コレクタ側リード組み９３０と、エミッタ側リード組み９３１とを、パワー半導体素子を挟んで配置される。コレクタ側リード組み９３０とエミッタ側リード組みを組み立てたものを、リード組立体９５０とする。
図５は、リード組立体９５０をトランスファーモールドする工程を示す図である。リード組立体９５０は、トランスファーモールド金型９６０及び９６１にセットされ、封止樹脂９００が注入される。金型温度は１７５℃、成型圧力は１０ＭＰａとし、金型内で３分間、封止樹脂９００を硬化させた。
図６は、リード組立体９５０を封止樹脂９００でトランスファーモールドしたものを示す。高熱伝導体９２０は、封止樹脂９００で覆われている。封止樹脂９００は、高熱伝導体９２０を覆う領域を含め、概略同一面からなる封止樹脂面９００Ａを有する。ここで、概略同一面とは、同一面となるように作製した面を表す。具体的には、封止樹脂面９００Ａは、封止樹脂９００の硬化収縮、封止樹脂９００と高熱伝導体９２０等の内部構造との熱膨張差、または金型に形成した梨地表面などによって、１００μｍ以下の段差を有するが、概略同一面であると定義される。
端子同士を接続するタイバー９１２は、トランスファーモールド後に切断される。これにより、端子同士は、互いに電気的に分離される。
図７は、封止樹脂面９００Ａを研削してフィン９１０Ａを形成する工程を示す図である。封止樹脂面９００Ａは、マルチブレード１３００を高速回転させることによって、研削される。マルチブレード１３００は、先端に砥粒を付けた複数のブレードを束ねた構造である。マルチブレード１３００は、封止樹脂９００とともに、高熱伝導体９２０を研削する。研削された高熱伝導体９２０は、フィン９１０Ａを形成する。フィン間の溝深さは、約１．５ｍｍとなる。
研削される部分は、研削時に摩擦熱によって発熱するため、冷却水を噴射して冷却する。また、パワー半導体モジュール内部に設けた温度センサ９４５等を用いて内部温度をモニタし、内部温度が１５０℃を超えないように、研削速度を調整する。これにより、摩擦熱によるはんだの再溶融を防ぐことができる。また、マルチブレードで研削することにより、容易にフィン９１０Ａを作製することができる。
図８は、パワー半導体モジュール３００の断面図である。図８図示されるように、図７の手順でマルチブレード１３００によって研削される部分は、高熱伝導体９２０が配置される部分と対応する。本実施例のパワー半導体モジュールにおいては、パワー半導体素子の両面側において、フィン９１０Ａが形成される。
図８は、インバータ回路の下アーム側のＩＧＢＴ１５７及びダイオード１５８を挟んで、リードフレーム３１９及び３２０が配置されている。リードフレーム３１９を挟んで、パワー半導体素子が配置される側とは反対側には、高熱伝導体９２０が配置される。同様に、リードフレーム３２０を挟んで、パワー半導体素子が配置される側とは反対側に、高熱伝導体９２０が配置される。高熱伝導体９２０と、リードフレームの間には、絶縁層９４０が配置される。
高熱伝導体９２０は、封止樹脂９００とともに研削された結果、フィン９１０Ａを形成している。フィン９１０Ａは、図８の点線で示されるように、当該フィンの先端が封止樹脂面９００Ａと概略同一面上となるように、形成されている。言い換えれば、フィン９１０Ａは、封止樹脂面９００Ａに対して凹となるように形成された放熱面から、パワー半導体素子が配置される側とは反対側に向かって形成されている。
また、フィン９１０Ａは、図７に示されるように形成されるため、当該フィン９１０Ａの先端には、符号９１０Ｂで示されるように封止樹脂９００が配置されている。このように、フィン先端は、もともと封止樹脂９００として図６に示されるように、封止樹脂面９１０Ａと概略同一面上となるように形成されている。
以上説明した本実施形態のパワー半導体モジュール３００は、高熱伝導体９２０を封止した樹脂封止部を研削することで、フィン形状に加工される。なお、本実施例では、図７に示されるような研削による方法によって放熱部９１０を形成したが、他の機械加工でこれを実現しても良い。高熱伝導体９２０は、その周囲が封止樹脂９００によって封止されているため、温度変化が加わっても剥離されにくい。また、樹脂封止した後にフィン９１０Ａの形成加工をするため、製造の過程において、封止樹脂９００がフィン部に漏れ出すことがなく、歩留まりが向上する。
高熱伝導体９２０の材料としては、熱伝導率の高い金属材料や、カーボン含有材料を用いる事ができる。例えば、銅、アルミ、銅カーボン、アルミカーボン、グラフェン等を用いることができる。アルミ系材料やカーボン含有材料を用いた場合、切削加工しやすく生産性が向上する効果がある。
封止樹脂９００の材料としては、特に限定されないが、トランスファーモールド樹脂、ポッティング樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。トランスファーモールド樹脂を用いた場合、生産性が高く、外形精度が高い効果がある。
図９は、本実施形態のパワー半導体モジュールの回路図である。端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリー又はコンデンサの正極側に接続される。端子３２５Ｕは、上アーム回路のＩＧＢＴ１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリー若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。端子３２５Ｌは、下アーム回路のＩＧＢＴ１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。
本実施例のパワー半導体モジュールは、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。２ｉｎ１構造の他にも、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造、６ｉｎ１構造等を用いた場合、パワー半導体モジュールからの出力端子の数を低減し小型化することができる。
図１０は、本実施例のパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００と、を備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、パワーモジュール３００を複数備えており、それらを接続することにより３相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール３００を並列接続し、これら並列接続を３相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワーモジュール３００に内蔵しているパワー半導体素子を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。ここでは代表してインバータ回路部１４０を例に説明する。インバータ回路部１４０は、３相ブリッジ回路を基本構成として備えている。具体的には、Ｕ相（符号Ｕ１で示す）やＶ相（符号Ｖ１で示す）やＷ相（符号Ｗ１で示す）として動作するそれぞれのアーム回路が、直流電力を送電する正極側および負極側の導体にそれぞれ並列に接続されている。なお、インバータ回路部１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相として動作するそれぞれのアーム回路を、インバータ回路部１４０の場合と同様に、符号Ｕ２、Ｖ２およびＷ２で示す。
各相のアーム回路は、上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続した上下アーム直列回路で構成されている。各相の上アーム回路は正極側の導体にそれぞれ接続され、各相の下アーム回路は負極側の導体にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部には、それぞれ交流電力が発生する。各上下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は、各パワーモジュール３００の交流端子３２０Ｂに接続されている。各パワーモジュール３００の交流端子３２０Ｂはそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２あるいは１９４の固定子巻線に供給される。各相の各パワーモジュール３００は基本的に同じ構造であり、動作も基本的に同じであるので、代表してパワーモジュール３００のＵ相（Ｕ１）について説明する。
上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用ＩＧＢＴ１５５と上アーム用ダイオード１５６とを備えている。また、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用ＩＧＢＴ１５７と下アーム用ダイオード１５８とを備えている。各上下アーム直列回路の直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂは、コンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用直流端子にそれぞれ接続される。交流端子３２０Ｂから出力される交流電力は、モータジェネレータ１９２、１９４に供給される。
ＩＧＢＴ１５５及び１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリー１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された電力は、モータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、Ｖ相およびＷ相については、Ｕ相と略同じ回路構成となるので、符号１５５、１５６、１５７、１５８の表示を省略している。インバータ回路部１４２のパワーモジュール３００は、インバータ回路部１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用のインバータ回路部４３はインバータ回路部１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
スイッチング用のパワー半導体素子について、上アーム用ＩＧＢＴ１５５および下アーム用ＩＧＢＴ１５７を用いて説明する。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子）、ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１５８が図示のように電気的に接続されている。
上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、ダイオード１５６、１５８のカソード電極がＩＧＢＴ１５５、１５７のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ１５５、１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、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）を用いても良く、この場合は上アーム用ダイオード１５６、下アーム用ダイオード１５８は不要となる。
上下アーム直列回路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の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知およ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上アーム用ＩＧＢＴ１５５、下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
図１１は、電力変換装置２００の外観を示す斜視図である。本実施の形態に係る電力変化装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース１０と、筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。筐体１２の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取付けが容易となり、また生産しやすい。
図１２は、電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。パワー半導体モジュール３００は、流路形成体１０００に設置される。流路形成体１０００は、パワー半導体モジュール３００を冷却する冷媒を流す冷媒流路を形成する。流路形成体１０００は、壁面１００１を有する。壁面１００１は、パワー半導体モジュール３００の放熱部９１０と当該壁面１００１との間に、冷媒が流れる流路を形成する。壁面１００１は、パワー半導体モジュール３００の封止樹脂面９００Ａと当該壁面１００１との間に冷媒が流れないように、平面構造を有する。流路形成体１０００は、互いに対向する壁面１００１同士の距離と、パワー半導体モジュール３００の一方側の封止樹脂面９００Ａと他方側の封止樹脂面９００Ａの間の距離とが、ほぼ等しくなるように、形成される。パワー半導体モジュール３００のシール部９０１には、Ｏリング等の弾性体が設けられる。
電力変換装置２００は、積層配線板５０１及びプレート１２００とを有する。
パワー半導体モジュール３００を流路形成体に挿入した後、実装部品を搭載した積層配線板５０１を組み付け、信号端子と積層配線板５０１を電気的に接続する。さらに、大電流が流れる端子３２０Ｂ、３１５Ｂ、３２０Ｂはバスバー配線を多層積層したプレート１２００から突出した端子と溶接する。積層配線板５０１とプレートを立体積層することができるため、電力変換装置を小型化することができる。
パワー半導体モジュール３００は、封止樹脂面９００Ａが流路形成体１０００の壁面１００１と接するように、流路形成体１０００に対して挿入される。これにより、パワー半導体モジュール３００は、封止樹脂面９００Ａと概略同一面となるように形成された放熱部９１０のフィン先端が流路形成体１０００の壁面１００１と当接するように、配置される。したがって、放熱部９１０と壁面１００１の間に流れる冷媒は、封止樹脂面９００Ａと壁面１００１の間や、フィン先端と壁面１００１の間などにバイパス流として流れることが抑制される。放熱部９１０は、高い熱伝導率である高熱伝導体９２０で構成されるため、効率的にパワー半導体素子の熱を冷却することができる。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール３００は、信頼性に優れる。
また、冷媒が流れる流路は、パワー半導体モジュール３００側に形成されたフィン構造と、流路形成体１０００側に形成された平面上に壁面１００１との組合せによって、構成される。このように構造を簡略化することで、電力変換装置の製造が容易になる。
また、前述したように、本実施形態における概略同一面とは、同一面となるべく作製した事を意味している。樹脂の硬化収縮や部材間の熱膨張差により生じた段差及び表面粗さ等の１００μｍを越えない段差は、バイバス流を抑制する上で影響が少ないため、概略同一面に含まれるものとする。
流路形成体１０００は、水密構造を有するものであれば特に限定されないが、アルミ、アルミダイキャスト等の金属や、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミト、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いて作製することができる。
図１３は、図１１の断面Ａにおける断面図である。筐体１２は、流路形成体１０００を形成する。冷却水入口１３から水路１９内に流入した冷媒は、水路１９を矢印で示すように流れ、冷却水出口１４から排出される。本実施形態においては、水路１９内に、６つのパワー半導体装置３００が冷却水の流れに沿って配置されている。
図１４（ａ）は、パワー半導体モジュール３００の第１の変形例を示す斜視図である。図１のパワー半導体モジュールにおいては、フィン９１０Ａの形状は、冷媒の流れる方向に対して平行なストレートフィン形状に形成されていたが、本実施例のフィン９１０Ａの形状は、ひし形形状である。
また、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のパワー半導体モジュール３００の放熱部９１０の構成を示す平面図である。本実施例では、パワー半導体モジュール３００の封止樹脂面９００Ａを研削するときに、図７とは異なり、図１４（ｂ）の方向Ａで研削し、さらに方向Ｂで研削する。これにより、ひし形形状のピンフィンを形成することができる。本実施形態の放熱部９１０のように、フィンの形状をピンフィンにすることで、図１のストレートフィンに比較して、放熱性が向上することができる。
図１５（ａ）は、パワー半導体モジュール３００の第２の変形例を示す斜視図である。図１のパワー半導体モジュールにおいては、フィン９１０Ａの形状は、冷媒の流れる方向に対して平行なストレートフィン形状に形成されていたが、本実施例のフィン９１０Ａの形状は、四角形形状である。
また、図１５（ｂ）は、図１４（ａ）のパワー半導体モジュール３００の放熱部９１０の構成を示す平面図である。本実施例では、パワー半導体モジュール３００の封止樹脂面９００Ａを研削するときに、図７とは異なり、図１５（ｂ）の方向Ａで研削し、さらに方向Ｂで研削する。これにより、四角形形状のピンフィンを形成することができる。本実施形態の放熱部９１０のように、フィンの形状をピンフィンにすることで、図１のストレートフィンに比較して、放熱性が向上することができる。
また、本実施例に限らず、上述の実施形態のパワー半導体モジュールは、シール部以下の冷却水が接する表面に無電解銅めっきを施した後、無電解ニッケルめっきを施される。これにより、封止樹脂が直接冷却水に接するのを防ぎ、封止樹脂の吸水によるチップ絶縁性能の低下を抑制することができる。
次に、封止樹脂の充填距離Ｌと隙間Ｈとの関係について説明する。図１６（ａ）は、封止樹脂の充填距離Ｌと隙間Ｈの関係を模式図である。また、図１６（ｂ）は、厚さＨの隙間に対し、封止樹脂を隙間の端部から注入した際の充填距離Ｌを示すグラフである。
図１６（ｂ）に示されるように、隙間Ｈが大きくなるほど、充填距離Ｌが大きくなる傾向が見られる。また、隙間Ｈが５０μｍ以下の場合においては、充填距離Ｌは数ｍｍ程度となった。これより、隙間Ｈが５０μｍ以下の場合は、封止樹脂をほとんど充填することができないことが分かる。
図１７は、トランスファーモールド成型時におけるパワー半導体モジュール３００の断面図を示す。パワー半導体モジュール３００の封止樹脂９００は、リード組立体９５０をトランスファーモールド金型９６０及び９６１内にセットし、トランスファーモールドにより成型される。その際、金型９６１側に配置されるリード組立体９５０の高熱伝導体９２０Ｂは、金型９６１に押し付けられている。
図１７においては、金型９６０側に配置されるリード組立体９５０の高熱伝導体９２０Ａは、金型９６０との間に５０μｍの隙間Ｈを隔てて配置される。リード組立体９５０と金型９６０の間の隙間を５０μｍとした場合、リード組立体９５０の高熱伝導体９２０Ａと金型９６０との間には、封止樹脂９００は充填されなかった。また、リード組立体９５０の高熱伝導体９２０Ｂと金型９６１との間にも、封止樹脂９００は充填されなかった。この結果、パワー半導体モジュールの両面側において、高熱伝導体９２０Ａ及び９２０Ｂは、封止樹脂９００から露出した状態で成型することができた。
しかしながら、このようにして作製したパワー半導体モジュール３００は、トランスファーモールド時の成型圧力により、チップのメタライズに剥離応力が加わるため、チップが破損するなど信頼性を向上させることが難しい。このような剥離応力は、トランスファーモールド時の成型圧力が樹脂硬化前の段階では静水圧として作用し、図中に示される矢印９７０のように、リード組立体９５０を押し上げる応力として生じる。このようにして、チップに強力な剥離応力が加わったことにより、チップのメタライズが剥離するおそれが生じる。
続いて、図１８に、リード組立体９５０と金型９６０との間の隙間Ｈを１００μｍに設定した場合を示す。リード組立体９５０と金型の間の隙間Ｈを１００μｍとすることで、高熱伝導体９２０Ａと金型９６０の間には、樹脂が回り込み、充填される結果となった。
このとき、リード組立体９５０には、図１７と同様に、矢印９７０のように金型９６０に向かって押し上げる応力が作用するが、同時に、高熱伝導体９２０Ａと金型９６０の隙間に充填された封止樹脂により、矢印９７１のように下向きの応力も作用する。このように、リード組立体９５０の一方の面側において、封止樹脂を回り込ませて充填させることで、封止樹脂による静水圧が釣り合うため、図１７に示すように過度の剥離応力がチップに加わることが抑制される。これにより、トランスファーモールド成型時におけるチップの破損を抑制し、パワー半導体モジュールを高い信頼性をもって作製することができる。パワー半導体モジュールは、その後、図７に示すように、切削加工を施すことにより、フィンが形成される。
図１９は、第２の実施形態に係る電力変換装置の断面斜視図を示す。第１の実施形態との変化点は、水路形成体１０００がテーパ形状となっており、これに対応してパワー半導体モジュールもテーパ形状になっている点である。テーパ形状となっている事で、パワー半導体モジュールの挿入が容易となる。
図２０は、第３の実施形態に係る電力変換装置の断面斜視図を示す。第１の実施形態との変化点は、パワー半導体モジュールの絶縁層９４０にセラミックスを用いている点である。絶縁層がセラミックスの基板を用いる事で、樹脂シートに比べて絶縁性が向上することができる。
図２１は、第４の実施形態に係る電力変換装置の断面斜視図を示す。第１の実施形態との変化点は、水路形成体１０００が樹脂製である点、パワー半導体モジュールのリードフレーム９１１が放熱部となり絶縁層９４０が無い点、及び冷却媒体が絶縁性油である点である。絶縁性油を冷却媒体に用いているため、パワー半導体モジュール内部に絶縁層が不要であり、電力変換装置を小型化することができる。
１０ 上部ケース
１２ 筺体
１３ 冷却水入口
１４ 冷却水出口
１６ 下部ケース
１８ 交流ターミナル
１９ 流路
２２ 駆動回路基板
４３ インバータ回路
１１０ ハイブリッド自動車
１１２ 前輪
１１４ 前輪車軸
１１６ デファレンシャルギア
１１８ 変速機
１２０ エンジン
１２２ 動力配分機構
１３６ バッテリ
１３８ 直流コネクタ
１４０ インバータ回路
１４２ インバータ回路
１５５ 上アーム用ＩＧＢＴ
１５６ ダイオード
１５７ 下アーム用ＩＧＢＴ
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１８０ 電流センサ
１９２ モータジェネレータ
１９４ モータジェネレータ
１９５ モータ
２００ 電力変換装置
２３０ 入力積層配線板
３００ パワー半導体装置
３２１ 交流端子
５００ コンデンサモジュール
５０１ 積層配線板
５０５ 負極電極リードフレーム
５０７ 正極電極リードフレーム
５１４ コンデンサセル
７０２ 正極側電極リードフレーム
７０４ 負極側電極リードフレーム
９００ 封止樹脂
９００Ａ 封止樹脂面
９０１ シール部
９１０ 放熱部
９１９Ａ フィン
９１１ リードフレーム
９１２ タイバー
９２０ 高熱伝導体
９２０Ａ 高熱伝導体
９２０Ｂ 高熱伝導体
９３０ コレクタ側リード組み
９３１ エミッタ側リード組み
９４０ 絶縁層
９４５ 温度センサ
９５０ リード組立体
９６０ トランスファーモールド金型
９６１ トランスファーモールド金型
９６５ プランジャー
１０００ 流路形成体
１００１ 壁面
１２００ プレート

Claims (10)

  1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と対向する高熱伝導体と、がトランスファーモールド樹脂で封止されているパワー半導体モジュールであって、
    前記トランスファーモールド樹脂の前記高熱伝導体側の封止樹脂面から凹となるように形成された放熱フィンを備え、
    前記フィンは、前記トランスファーモールド樹脂と、前記高熱伝導体により形成されていて、
    前記フィン先端部には、前記トランスファーモールド樹脂が設けられていて、
    前記凹の底面は前記高熱伝導体の切削面であり、
    前記フィンを形成する前記トランスファーモールド樹脂と、前記トランスファーモールド樹脂の前記高熱伝導体側の封止樹脂面の少なくとも一部は、概略同一平面上にあるパワー半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記フィンは、前記高熱伝導体を封止する前記トランスファーモールド樹脂と前記高熱伝導体を溝状に研削することにより、形成されるパワー半導体モジュール。
  3. 請求項１または２に記載のパワー半導体モジュールであって、
    シール部材を配置するためのシール部を有するパワー半導体モジュール。
  4. 請求項１乃至３の何れかに記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記フィンは、ピンフィン形状に形成されるパワー半導体モジュール
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記高熱伝導体は、カーボン含有材料により形成されるパワー半導体モジュール。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記トランスファーモールド樹脂は、表面がめっきされているパワー半導体モジュール。
  7. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と熱的に接続される高熱伝導体と、を、前記高熱伝導体の表面に樹脂が回り込むように金型と高熱伝導体との間に隙間が形成されるように金型にセットし、金型内にトランスファーモールド樹脂を注入するトランスファーモールド工程と、
    前記高熱伝導体の表面に形成された樹脂と前記高熱伝導体とを切削加工して溝を形成することで、フィンを形成する切削工程と、を備えるパワー半導体モジュールの製造方法。
  8. 請求項７に記載のパワー半導体モジュールの製造方法であって、
    前記トランスファーモールド工程において、前記トランスファーモールド樹脂は、前記高熱伝導体の前記パワー半導体素子が配置される側とは反対側の面を覆って封止されるパワー半導体モジュールの製造方法。
  9. 前記隙間は、１００μｍである請求項８に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
  10. 請求項１乃至６のいずれかに記載のパワー半導体モジュールと、
    前記パワー半導体モジュールが配置される流路形成体と、を備え、
    前記フィンは、前記流路形成体の流路に向かって突出する電力変換装置。
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