JP6519870B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

従来、半導体チップを有する半導体装置を備えた電力変換装置として、直流電力を交流電力に変換するインバータなどが知られている。このような電力変換装置においては、電力が大きくなるにつれて半導体チップからの放熱量が多くなり、高温（６０〜１５０℃）になる。そのため、半導体装置に冷却器を取り付けて冷却する必要がある。また、半導体装置と冷却器との間には、電気絶縁性を確保するために、樹脂やゴムなどの絶縁材を設けている。

これに対して、本出願人は、簡易な構成で小型化し得る半導体装置を提案している。この半導体装置は、非絶縁型半導体モジュールと冷却器との間に配設される絶縁層を、ポリマー及びポリマーよりも熱伝導率の高い充填材を含有したものを用いて、冷却器に直接形成したものである（特許文献１参照。）。

特開２００９−１５８９１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された半導体装置においては、冷却器のみに絶縁層を直接形成しているので、非絶縁型半導体モジュールに冷却器を取り付けるためには、ボルトによりさらに締結することが必要である。また、特許文献１に記載された半導体装置においては、ボルトの締結部位を非絶縁型半導体モジュール及び冷却器に確保することがさらに必要である。そのため、半導体装置を備えた電力変換装置におけるさらなる小型化への要求に対しては、十分なものとなっておらず、改善の余地があった。さらに、特許文献１に記載された半導体装置においては、非絶縁型半導体モジュールと絶縁層との間に存在する空隙に起因する熱抵抗を低減するために高価なグリースを塗布する必要があり、この点に関しても、改善の余地があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、簡易な構成で小型化し得る電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた。その結果、所定の半導体装置及び所定の冷却器を接着材により形成される絶縁性接着層によって直接接着固定することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の電力変換装置は、チップ電極と、該チップ電極とはんだで接合されたバスバーとを有する非絶縁型半導体装置と、半導体装置を冷却する冷却器と、半導体装置と冷却器との間に配設された、半導体装置及び冷却器を直接接着固定する絶縁性接着層と、を備え、バスバーがアルミニウム又はアルミニウム合金からなるバスバー本体とバスバー本体に形成されたメッキ膜とからなり、メッキ膜が銅、スズ又はニッケルを含むメッキ膜であり、かつ、冷却器全体がメッキ膜を形成する材料と同じ材料で形成されたものである。

本発明によれば、電力変換装置を、所定の半導体装置と、半導体装置を冷却する所定の冷却器と、半導体装置と冷却器との間に配設された、半導体装置及び冷却器を直接接着固定する絶縁性接着層とを備えたものとした。そのため、簡易な構成で小型化し得る電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す概略断面図である。 第２の形態に係る電力変換装置の要部を示す概略断面図である。 従来の電力変換装置の要部を示す概略断面図である。

以下、本発明の一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詳細に説明する。なお、以下の実施形態における図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１は、半導体装置１０と、半導体装置１０を冷却する冷却器２０と、半導体装置１０と冷却器２０との間に配設された、半導体装置１０及び冷却器２０を接着固定する接着層３０とを備えたものである。なお、本実施形態における半導体装置１０は、非絶縁型半導体装置であり、半導体チップ１１と、バスバー１３とを有している。また、半導体チップ１１は、バズバー１３と図示しないチップ電極で、はんだ１５を介して接合されている。さらに、半導体チップ１１は、図示しないパッケージの内部に配設されている。

半導体装置と冷却器とが接着材により形成された接着層によって直接接着されて固定された構成とすることにより、ボルトによりこれらを締結する必要がなくなり、また、ボルト穴などのボルトの締結部位を半導体装置及び冷却器に確保する必要がなくなり、さらに高価なグリースを用いる必要もなくなる。そのため、簡易な構成で十分な小型化を図ることができる。なお、簡易な構成で十分な小型化が図れることは、図１に示す電力変換装置と、詳しくは後述する図３に示す電力変換装置とを比較することによって理解できる。なお、図１及び図３においては、小型化が図れることが視覚的に理解しやすいように、冷却器のサイズを同じサイズで示しているが、冷却器のサイズを半導体装置に合わせて小型化してもよいことは言うまでもない。

ここで、各構成についてさらに詳細に説明する。

（半導体装置）
上記半導体装置１０としては、半導体チップ１１を有し、従来公知の電力変換装置に適用し得るものであれば、特に限定されるものではない。例えば、絶縁型半導体装置や非絶縁型半導体装置を適用することができる。これらのうち、簡易な構成で小型化を図るという観点から、非絶縁型半導体装置を適用することが好ましい。

半導体チップ１１としては、好ましくは少なくとも１つのパワー半導体と呼ばれるものを含み、従来公知の電力変換装置に適用し得るものであれば、特に限定されるものではない。パワー半導体としては、例えば、パワーダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタパワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタ、サイリスタなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは１種を単独で又は複数種を組み合わせて用いることができる。

非絶縁型半導体装置におけるバスバー１３としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを好適例として挙げることができるが、これらに限定されるものではない。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金に、銅やスズ、ニッケルなどのメッキを施したものを適用することも可能である。

はんだ１５としては、従来公知の電力変換装置に適用し得るものであれば、特に限定されるものではない。

（冷却器）
上記冷却器２０としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金のような熱伝導性が良好な材料から構成されるものを好適例として挙げることができるが、これらに限定されるものではない。これらは１種を単独で又は複数種を組み合わせて用いることができる。また、放熱面積を大きくするために、空気などの気体や水などの液体が流通する流路が形成されている。

（接着層）
上記接着層３０としては、特に限定されるものではないが、半導体装置が非絶縁型半導体装置である場合には、絶縁性を有する接着層であることが必須である。このような接着層としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びゴムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む接着材を含み、必要に応じて含まれる、硬化剤、充填剤などの添加剤を含むものを挙げることができる。なお、このような接着材としては、例えば、不定形状のものやシート形状のものを適用することができるが、シート形状のものを適用することが、厚みが均一な接着層を形成できるという観点から好ましい。直接接触する半導体装置及び冷却器への密着性の観点からは、熱硬化性樹脂を適用することが好ましい。

上記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、アリル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂及びシリコーン樹脂からなる群より選ばれた少なくとも１種を適用することができる。

上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、フッ素樹脂、ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミド及び熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれた少なくとも１種を適用することができる。

上記ゴムとしては、例えば、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、エチレンアクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、シリコーンゴム及びフッ素ゴムからなる群より選ばれた少なくとも１種を適用することができる。

また、本実施形態の電力変換装置においては、半導体装置１０の接着層３０と接する位置に配設された半導体装置接着面部材であるバスバー１３の線膨張係数が、冷却器２０の接着層３０と接する位置に配設された冷却器接着面部材、本実施形態においては冷却器２０自体の線膨張係数と同等であることが好ましい。このような構成とすることにより、簡易な構成で十分な小型化を図ることができるだけでなく、接着層界面に発生する熱応力がより小さくなるため、接着材の選択肢の自由度が広がる。これにより、より安価な接着材を適用することも可能となる。

ここで、本発明において、「半導体装置接着面部材の線膨張係数と冷却器接着面部材の線膨張係数が同等」とは、これらの線膨張係数の差が−１０ｐｐｍ／℃以上１０ｐｐｍ／℃以下であることをいう。なお、各部材の線膨張係数は、例えば、ＡＳＴＭＤ６９６に準拠して測定したものを適用することができる。

さらに、本実施形態の電力変換装置においては、半導体装置１０の接着層３０と接する位置に配設された半導体装置接着面部材であるバスバー１３の構成材料が、冷却器２０の接着層３０と接する位置に配設された冷却器接着面部材、本実施形態においては冷却器２０自体の構成材料と同じであることが好ましい。このような構成とすることにより、簡易な構成で十分な小型化を図ることができるだけでなく、接着層界面に発生する熱応力がより小さくなるため、接着材の選択肢の自由度が広がる。これにより、より安価な接着材を適用することも可能となる。例えば、バスバーが銅や銅合金である場合には、冷却器が銅や銅合金であることが好ましく、バスバーがアルミニウムやアルミニウム合金である場合には、冷却器がアルミニウムやアルミニウム合金であることが好ましい。

ここで、本実施形態における代表的な組み合わせとしては、例えば、バスバー及び冷却器のそれぞれが銅で構成されたものや、バスバー及び冷却器のそれぞれがアルミニウムで構成されたものを挙げることができる。接着材としては、耐熱性の観点から、例えば、エポキシ樹脂を含むものを挙げることができる。しかしながら、本発明の作用効果を発現し得るものであれば、これに限定されるものではない。

（第２の形態）
図２は、第２の形態に係る電力変換装置の要部を示す概略図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、本形態の電力変換装置２は、冷却器２０が、冷却器接着面部材２１と、冷却器接着面部材２１の接着層３０と接する位置以外の位置に配設され、かつ、直接接合された他の冷却器部材２３と、を有し、冷却器接着面部材２１が、半導体装置１０の接着層３０と接する位置に配設された半導体装置接着面部材であるバスバー１３の構成材料と同じ構成材料により形成されている構成が、上述した実施形態と相違する。

このような構成とすることにより、簡易な構成で十分な小型化を図ることができるだけでなく、冷却器を構成する冷却器接着面部材と他の冷却器部材とを接着ないし接合するための他の部材が必要ない。これにより、より安価なものとなる。また、冷却器接着面部材と他の冷却器部材との界面に空隙が生じないようにできるため、熱抵抗を低減することができる。なお、簡易な構成で十分な小型化が図れることは、図２に示す電力変換装置と、詳しくは後述する図３に示す電力変換装置とを比較することによって理解できる。なお、図２及び図３においては、小型化が図れることが視覚的に理解しやすいように、冷却器のサイズを同じサイズで示しているが、冷却器のサイズを半導体装置に合わせて小型化してもよいことは言うまでもない。

ここで、冷却器についてさらに詳細に説明する。

（冷却器接着面部材）
上記冷却器接着面部材２１としては、上述したように、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金のような熱伝導性が良好な材料から構成されるものを好適例として挙げることができるが、バスバーの構成材料に応じて、適宜選択すればよい。例えば、バスバーが銅や銅合金である場合には、冷却器接着面部材が銅や銅合金であることが好ましく、バスバーがアルミニウムやアルミニウム合金である場合には、冷却器がアルミニウムやアルミニウム合金であることが好ましい。また、例えば、バスバーが、アルミニウムやアルミニウム合金に、銅やスズ、ニッケルなどのメッキを施したものである場合には、銅やスズ、ニッケルなどを適用することも可能である。

（他の冷却器部材）
上記他の冷却器部材２３としては、上述したように、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金のような熱伝導性が良好な材料から構成されるものを好適例として挙げることができる。特に限定されるものではないが、冷却器において大きな体積を占める他の冷却器部材は、軽量化の観点から、アルミニウムやアルミニウム合金を適用することが好ましい。

また、本形態の電力変換装置においては、冷却器接着面部材２１が、接着層３０より熱伝導率が高い熱拡散層であることが好ましく、他の冷却器部材２３より熱伝導率が高い熱拡散層であることがより好ましい。このような構成とすることにより、簡易な構成で十分な小型化を図ることができるだけでなく、熱拡散層がボトルネックとなりにくく、半導体装置、ひいては半導体チップの放熱を促進させることができる。その結果、半導体チップのサイズを小さくすることが可能となり、より安価なものとなる。特に限定されるものではないが、熱拡散層を構成する冷却器接着面部材としては、熱伝導率の観点から、銅や銅合金を適用することが好ましい。

さらに、本形態の電力変換装置においては、冷却器接着面部材が、コールドスプレーにより形成されたものであることが好ましい。このような構成とすることにより、簡易な構成で十分な小型化を図ることができるだけでなく、冷却器の形状が複雑であっても、所定の冷却器接着面部材を他の冷却器接着面部材に直接接合することができる。具体的には、例えば、基材としてのアルミニウムやアルミニウム合金からなる他の冷却器部材に、銅やスズ、ニッケルなどの粉末をコールドスプレーにより吹き付けることによって、層状の冷却器接着面部材を形成することができる。

ここで、本形態における代表的な組み合わせとしては、例えば、バスバー及び冷却器接着面部材のそれぞれが銅で構成され、他の冷却器部材がアルミニウムで構成されたものや、バスバー及び冷却器接着面部材のそれぞれがアルミニウムで構成され、他の冷却器部材が銅で構成されたもの、さらには、バスバーがアルミニウムやアルミニウム合金に、銅やスズ、ニッケルなどをメッキを施したもので構成され、冷却器接着面部材が銅やスズ、ニッケルなどで構成され、他の冷却器部材がアルミニウムやアルミニウム合金で構成されたものなどを挙げることができる。接着材としては、耐熱性の観点から、例えば、エポキシ樹脂を含むものを挙げることができる。しかしながら、本発明の作用効果を発現し得るものであれば、これに限定されるものではない。

また、上述した第１の実施形態又は第２の形態に係る電力変換装置を製造する方法について若干の例を挙げて説明するが、本発明の電力変換装置は、このような製造方法により得られたものに限定されるものではない。

第一例としては、シート形状の接着材を冷却器に設置し、さらに半導体装置を接着材上に設置して、冷却器の方向に加熱しながら、プレスする。これにより、半導体装置と冷却器とを接着材により形成された接着層によって接着固定することができる。

第二例としては、シート形状の接着材を冷却器に設置し、さらに半導体装置を接着材上に設置して、冷却器の方向にプレスし、プレス圧がかかった状態で加熱する。これにより、半導体装置と冷却器とを接着材により形成された接着層によって接着固定することができる。

第三例としては、接着材を冷却器に設置し、プレスして冷却器と接着材とを接着させた後に、さらに半導体装置を接着材上に設置して、冷却器の方向に加熱し、プレスする。これにより、半導体装置と冷却器とを接着材により形成された接着層によって接着固定することができる。

一方、図３は、従来の電力変換装置の要部を示す概略断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、従来の電力変換装置１００は、半導体装置１０と、半導体装置１０を冷却する冷却器２０と、半導体装置１０と冷却器２０との間に配設され、冷却器２０のみに直接形成された絶縁層４０とを備えたものである。なお、半導体装置１０は、非絶縁型半導体装置であり、半導体チップ１１と、バスバー１３とを有している。また、半導体チップ１１は、バズバー１３と図示しないチップ電極で、はんだ１５を介して接合されている。さらに、半導体チップ１１は、図示しないパッケージの内部に配設されている。また、半導体装置１０と冷却器２０とは、ボルト５０により締結されている。さらに、絶縁層４０とバスバー１３との間には、グリースが塗布されて形成されたグリース層６０が配設されている。

冷却器のみに絶縁層が直接形成された構成とすることにより、図３に示すように、ボルトにより半導体装置と冷却器とを締結することを要し、また、ボルト穴などのボルトの締結部位を半導体装置及び冷却器に確保することを要し、半導体装置と絶縁層との間に存在する空隙に起因する熱抵抗を低減するためにさらに高価なグリースを用いることを要する。そのため、簡易な構成で十分な小型化を図ることができない。

以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

１，２，１００ 電力変換装置
１０ 半導体装置
１１ 半導体チップ
１３ バスバー
１５ はんだ
２０ 冷却器
２１ 冷却器接着面部材
２３ 他の冷却器部材
３０ 接着層
４０ 絶縁層
５０ ボルト
６０ グリース層

Claims (1)

1. チップ電極と、該チップ電極とはんだで接合されたバスバーとを有する非絶縁型半導体装置と、
   上記半導体装置を冷却する冷却器と、
   上記半導体装置と上記冷却器との間に配設された、該半導体装置及び該冷却器を直接接着固定する絶縁性接着層と、を備え、
   上記バスバーが、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるバスバー本体と、該バスバー本体に形成されたメッキ膜とからなり、該メッキ膜が、銅、スズ又はニッケルを含むメッキ膜であり、
   上記冷却器全体が、上記メッキ膜を形成する材料と同じ材料で形成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。

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