JP6633935B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関する。

鉄道車両の駆動用モータの制御装置として、パワー半導体素子を用いて電車線電圧を交流から直流に変換する装置（コンバータ）、あるいは直流から交流に変換する装置（インバータ）がある。パワー半導体素子は変換時損失に起因して発熱するため、パワー半導体素子を適切に冷却して温度上昇を低減する必要がある。その冷却方法は、高速車両運行や通勤車両運行などの負荷の違いに応じて選択され、負荷の大きい高速車両では効率良く冷却できる水冷装置を用いる場合がある。

パワー半導体素子を複数搭載するパワー半導体モジュールの従来水冷技術は、パワー半導体モジュールに、例えば熱伝導グリースを介して放熱フィン付きのヒートシンクが取り付けられ、その放熱フィンが冷却水流路の中に浸漬されて放熱する方式（間接水冷方式）である。ところが、熱伝導グリースは、金属に比べて熱伝導率が低いことから熱抵抗が大きく、温度上昇低減の妨げとなっている。

これに対して、より高い冷却能力を確保するために、熱伝導グリースを介さずにパワー半導体素子から冷却水へと熱伝達する方式（直接水冷方式）を適用したパワー半導体モジュールが知られている。その直接水冷方式のパワー半導体モジュールによれば、ベース板の一方の面に絶縁層を介してパワー半導体素子が搭載され、他方の面に放熱フィンが設けられている。そのパワー半導体モジュールは、ボルトやビス等を用いて水路形成体に固定され、水路形成体の開口部がベース板の放熱フィン形成面によって覆い塞がれる構造であるので、放熱フィン形成面を冷却水で直接冷やすことになり、パワー半導体素子の発熱を効率良く放熱できる利点を有する。

ところで、システム電圧の高い鉄道の高耐圧インバータを高出力化するために、パワー半導体モジュールの多並列使用が重要となっている。パワー半導体モジュールの多並列使用は、パワー半導体モジュール一つあたりの電流負荷を小さくし、パワー半導体素子の温度上昇を低減する効果がある。しかし、パワー半導体モジュールの搭載数に応じて冷却水流路を設計することになり、搭載数が多くなるほど冷却水流路の流動抵抗が増加する。その流動抵抗の大きさに適した冷却水流量を確保するために水冷装置のポンプを大型化すると、直接水冷方式のパワー半導体モジュールのベース板にかかる水圧が大きくなる。ベース板にかかる水圧が大きくなると、ベース板の変形量が大きくなり、ベース板と水路形成体との間で液漏れが生じやすくなる。

特許文献１には、金属ベース板と冷却ジャケットとの間に挟持され、開口からの冷媒の漏れを封止するシール部材と、を備えた電力変換装置であって、前記金属ベース板は、前記半導体素子が実装される実装領域と、前記シール部材を押圧して前記冷却ジャケットに固定する固定領域とを有し、前記実装領域の厚さを、前記半導体素子から発生する熱を前記冷媒に放熱するための放熱量に応じて定め、前記固定領域の剛性を前記実装領域の剛性よりも大きく設定した電力変換装置が記載されている。特許文献１に記載の電力変換装置は、固定領域を実装領域よりも肉厚化することによって、固定領域の剛性を高めてシール部材を押圧している。

特許文献２には、金属支持板上に絶縁板を有し、該絶縁板上に半導体素子が搭載された半導体装置において、前記金属支持板は、剛性金属板内の前記半導体素子の直下またはその近傍に位置する個所に高熱伝導性材料が押圧接合された複合金属支持板からなる半導体装置が記載されている。特許文献２に記載の半導体装置は、半導体素子の周辺における金属支持板の材料剛性を高くして、温度上昇の大きい半導体素子直下の冷却性能を向上している。

高耐圧のパワー半導体モジュールのベース板には、アルミニウム（Ａｌ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ：Silicon Carbide）の複合材ＡｌＳｉＣが適用されることも多い。ＡｌＳｉＣは、銅に比べて低熱膨張かつ高剛性であることに加えて、アルミニウムに近い熱伝導率を有するため、絶縁基板とベース板との接合信頼性と冷却能力の向上に寄与する。高剛性を有する点は、ベース板の曲げ剛性を高めることにつながり、水圧による変形の抑制に貢献する。一方、銅やアルミニウムに比べて高価なＳｉＣを使用するため、部材コストが上昇してしまう問題がある。

特開２０１０−１７８５８１号公報 特開平０９−０８２８５８号公報

特許文献１に記載の電力変換装置では、固定領域を部分的に肉厚化するためには、金属ベース板の切削加工や鍛造加工などが必要となる。ベース板材としてよく用いられる銅やアルミニウムは、加工性の良さから肉厚化しやすいが、高熱膨張材料であることから、絶縁基板とベース板との接合信頼性が問題となる。低熱膨張材料であるＡｌＳｉＣは、高い耐摩耗性を有することから、特許文献１で図示される形状への加工が難しい。また、銅やアルミニウムに比べて高価なＡｌＳｉＣを使って肉厚化すると、単純平板形状のベース板に比べて製造コストが著しく上がる。

また、特許文献２に記載の半導体装置では、ＡｌＳｉＣをベース板に適用する場合、穴加工することの難しさに加えて、金属支持板における面内熱拡散が小さいという問題が生じる。剛性金属板と高熱伝導性材料との間には、熱伝導率の小さい空気が表面粗さに起因して介在するため、高熱伝導性材料から剛性金属板への熱伝導が妨げられる。空気が介在しないように剛性金属板と高熱伝導性材料との間に新生面を形成するには、押圧接合と同時に高温処理を必要とするため、製造工程が増えてしまう。

また、特許文献１および特許文献２のいずれの装置であってもＡｌＳｉＣを用いた場合、銅やアルミニウムに比べて高価なＳｉＣを使用するため、部材コストが上昇してしまう課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷却性能に優れ信頼性を向上させたパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子および絶縁基板と、前記パワー半導体素子の発熱を液体冷媒へ放熱するベース板と、を備え、前記ベース板は、強化材料と当該強化材料を支持する母材との複合材からなり、前記絶縁基板が実装されるパワー半導体素子実装領域と、前記パワー半導体素子実装領域以外の領域である周辺領域とから構成され、前記周辺領域は、前記パワー半導体素子実装領域より前記強化材料の配合が高められたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却性能に優れ信頼性を向上させたパワー半導体モジュールを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールを備える鉄道車両の主電力変換装置の回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールを備える主電力変換装置を構成するコンバータの回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールを備える主電力変換装置を構成するインバータの回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールを備える主電力変換装置を構成するコンバータとインバータを構成する冷却装置の冷却系統図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールを備える主電力変換装置を構成するパワーユニットの外観図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの外観図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの側面図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールのパワーユニットの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの水路形成体における冷却水の流れ方向を示す図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの分解図である。 本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールのＡｌＳｉＣでベース板を製造する場合の工程概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るパワー半導体モジュールの分解図である。 本発明の第３の実施形態に係るパワー半導体モジュールの分解図である。 本発明の第４の実施形態に係るパワー半導体モジュールの分解図である。 第１の実形態ないし第４の実施形態に係るパワー半導体モジュールのベース板の変形量の比較図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールを備える鉄道車両の主電力変換装置１０の回路図である。本実施形態のパワー半導体モジュールは、電力変換装置に搭載される直接水冷方式のパワー半導体モジュールに適用した例である。
図１に示すように、電車線１から供給された交流電力は、整流回路であるコンバータ４によって直流電力へ変換される。主電力変換装置１０を構成するコンバータ４での整流後、平滑コンデンサ３によって平滑化された直流電力がインバータ５へ印加され、所望の電圧と周波数の交流電力へと逆変換される。逆変換後、インバータ５が出力する三相交流電力は交流電動機６への出力となり、所望の回転速度で交流電動機６を駆動する。

図２は、主電力変換装置１０を構成するコンバータ４の回路図である。
図２に示すように、コンバータ４は、電車線１からの交流電力を直流電力に変換させるものである。入力となる交流電力を、コンバータ４の交流配線４０ｒ、４０ｓに供給し、各相に備えられた上アームのスイッチング素子３１および整流素子３３と、下アームのスイッチング素子３２および整流素子３４と、を用いて整流させる。本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、整流素子としてダイオードを用いているが、これらに限らず、他の種類の素子を適用することも可能である。コンバータ４のスイッチング素子３１、３３は、制御回路２００からの駆動信号２１０によって駆動される。

図３は、主電力変換装置１０を構成するインバータ５の回路図である。
図３に示すように、インバータ５は、平滑コンデンサ３で平滑化された直流電力を三相交流電力に変換させるものである。コンバータ４により変換された直流電力を、各相に備えられた上アームのスイッチング素子３１および整流素子３３と、下アームのスイッチング素子３２および整流素子３４と、を用いて三相交流電力に変換させ、交流配線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗに出力する。インバータ５のスイッチング素子３１、３２は、制御回路２０１からの駆動信号２１１によって駆動される。

コンバータ４とインバータ５において、スイッチング素子３１、３２および整流素子３３、３４を搭載するパワー半導体モジュールは、その電力変換動作に際して熱が発生し、温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、パワー半導体モジュールには冷却装置が取り付けられて冷却される。

図４は、コンバータ４とインバータ５を構成する冷却装置２０の冷却系統図である。
本実施形態の冷却装置２０の冷却系統は、循環する冷却水がパワー半導体モジュール１００の発熱を取り去ることによって、主電力変換装置１０を安定的に動作させる。冷却水には、水やエチレングリコール水溶液がよく使用されるが、他の液体であってもよい。
本実施形態では、４並列のパワー半導体モジュール１００から成るパワーユニット５３を３並列として冷却する構成を示す。定格出力に応じて、パワー半導体モジュール１００の並列数、あるいはパワーユニット５３の並列数を変えてもよい。また、並列・直列は任意に設定される。

図４に示すように、ポンプ５０から吐き出される低温冷却水５１（液体冷媒）は、低温側分配管５２によって、各パワーユニット５３へ分配される。分配された低温冷却水５１は、各パワーユニット５３上のパワー半導体モジュール１００の発熱を取り去り、水温が上昇した高温冷却水５４となる。高温冷却水５４は、パワーユニット５３から排出された後に高温側分配管５５によって集約され、ラジエータ５６へと送水される。ラジエータ５６内を通る高温冷却水５４は、ファン５７によって導入される冷却風５８と熱交換し、水温が下降した低温冷却水５１となる。冷却系統内の温度変化により生じる冷却水の体積変化は、膨張タンク５９によって吸収される。ラジエータ５６から排出された低温冷却水５１は、ポンプ５０で送水されて、冷却系統内を循環する。

図５は、パワーユニット５３の外観図である。
図５に示すように、パワーユニット５３は、４並列のパワー半導体モジュール１００と、水路形成体７０とから構成される。

図６は、本実施形態で用いられるパワー半導体モジュール１００の回路図である。
図６に示すように、パワー半導体モジュール１００には、絶縁基板上にマウントされたスイッチング素子３１、３２と整流素子３３、３４とが含まれる。各々のパワー半導体素子間は、図２、図３に示されるレグ３５を構成するように接続される。また、絶縁基板には、正極直流端子１１０ｐ、負極直流端子１１０ｎ、交流端子１１０ａｃ、スイッチング素子のオンとオフとを制御するゲート端子１１０ｇが取り付けられる。

図７は、本実施形態で用いられるパワー半導体モジュール１００の外観図である。
図７に示すように、パワー半導体モジュール１００の外郭は、パワー半導体素子１０１の発熱を冷却水へ放熱するベース板１３０と、パワー半導体素子１０１と絶縁基板１０２（後記図１２（ａ）参照）とを保護する筐体１１３で構成される。

パワー半導体モジュール１００は、図１２（ａ）で後記するように、複数のパワー半導体素子１０１と絶縁基板１０２および単一のベース板１２０を備える。パワー半導体モジュール１００は、絶縁基板１０２の一方の面にはパワー半導体素子１０１を搭載し、絶縁基板１０２の他方の面はベース板１３０の表面に接合されている。ベース板１３０の他方の面は、パワー半導体モジュール１００の底面を成し、当該底面を直接低温冷却水５１（液体冷媒）に接触させて冷却する構造となっている。

ベース板１３０は、強化材料と当該強化材料を支持する母材との複合材からなる。本実施形態では、強化材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、母材は、アルミニウム（Ａｌ）の複合材ＡｌＳｉＣを基材として用いる。ＳｉＣは、アルミニウムよりもヤング率が大きい。また、ＳｉＣは、アルミニウムよりも線膨張率が小さい特徴がある。本実施形態では、ＳｉＣを用いているが、ＳｉＣ以外のセラミックスまたはセラミックス粒子であってもよい。また、複合材の母材は、アルミニウムのほか、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）またはこれらを少なくとも１種含む合金であってもよい。

ベース板１３０は、絶縁基板１０２が実装されるパワー半導体素子実装領域（後記図１２（ｂ）の領域１４０）と、パワー半導体素子実装領域以外の領域である周辺領域（後記図１２（ｂ）の周辺領域１３３）とから構成され、周辺領域は、パワー半導体素子実装領域よりＳｉＣの配合が高められている。ここで、パワー半導体素子実装領域は、絶縁基板１０２（後記図１２（ａ）参照）の枚数および／または絶縁基板１０２の平面形状に応じて形成されている。
ベース板１３０は、水路形成体７０に固定するための固定用通し穴１１４を備える。

筐体１１３は、ポリフェニレンサルファイド樹脂などの樹脂材料で形成される。筐体１１３は、金属などの他の材料であってもよい。パワー半導体モジュール１００の片方の辺には、正極直流端子１１０ｐと負極直流端子１１０ｎを設け、直流端子１１０ｐ、１１０ｎが配置される辺とは反対の辺に交流端子１１０ａｃを設け、強電系の端子（直流端子１１０ｐ、１１０ｎおよび交流端子１１０ａｃ）とは別に、弱電系の端子（ゲート端子１１０ｇおよび弱電系電極１１１）が設けられている。

図８は、パワー半導体モジュール１００の側面図であり、図８（ａ）は、図７のＢ−Ｂ方向の側面図、図８（ｂ）は、Ｃ−Ｃ方向の側面図である。
図８に示すように、ベース板１３０が水路形成体７０に当接する面１３５には、微小円柱状の突起であるピンフィン１３１（放熱フィン）が、多数（例えば、合計約２００以上）突出している。ピンフィン１３１は、図８に示すようなピン形状の他にも平板形状など、面１３５から突出させてなる凸部であればよい。また、図８では、ピンフィン１３１をパワー半導体素子１０１の直下の領域だけに配置しており、直流端子１１０ｐ、１１０ｎ側と、交流端子１１０ａｃ側との二つの群に分けて形成したが、分けずに一つの群として形成してもよい。

図９は、図５のパワーユニット５３の分解斜視図である。
図９に示すように、パワーユニット５３は、水路形成体７０の上面に位置する開口部７５を塞ぐように、Ｏリング７３を介して、パワー半導体モジュール固定用ボルト穴７６にボルトを通し、パワー半導体モジュール１００を設けることによって構成される。本実施形態では、封止部材としてＯリング７３を用いたが、他のシール材であってもよい。上面から、Ｏリング７３とパワー半導体モジュール１００を取り付けることにより、組み付け時にＯリング７３がＯリング用溝７４から外れることがないため、組立性が向上する。

図１０は、水路形成体７０における冷却水の流れ方向を示す図である。
図１０に示すように、低温冷却水５１は、低温側冷却水継手７１から水路形成体７０に流入する。水路形成体内の冷却水６０（液体冷媒）は、開口部７５と、ベース板１３０のピンフィン１３１とで形成される空間を流れ、ベース板１３０を直接冷却する。冷却水６０は、ピンフィン１３１と熱交換することによって水温上昇し、高温側冷却水継手７２から排出される高温冷却水５４となる。

図１１は、図５のＡ−Ａ断面図である。
図１１に示すように、筐体１１３と、ベース板１３０との間に据え込まれる押さえ部材１１５は、ベース板１３０と共締めされて、筐体１１３の強度を高めるとともに、ベース板１３０の変形を抑制する。ピンフィン１３１が形成する間隙では、流路断面積が小さいことに起因して、冷却水６０の流動抵抗が増加する。ポンプ５０の送水能力は、冷却系統の全流動抵抗を鑑みて決定されるため、パワー半導体モジュール１００の並列数が多くなるほど、大流量の冷却水６０が必要となる。ベース板１３０の領域１３２にかかる水圧は、冷却水６０の流量に応じて変化し、方向２３０の向きを凸にしてベース板１３０が変形する。ベース板１３０が変形すると、ベース板１３０によって圧潰されるＯリング７３のつぶし率が減少する。

図１２は、パワー半導体モジュール１００の分解図であり、図１２（ａ）は、図８（ｂ）分解図、図１２（ｂ）は、ベース板１３０の放熱フィン形成面の平面図である。
図１２（ａ）に示すように、パワー半導体素子１０１を搭載した絶縁基板１０２は、ベース板１３０と接合材（図示省略）を介して接合される。ここで、絶縁基板１０２の平面形状は、パワー半導体素子実装領域の形状と略等しい。
本発明者らは、ベース板１３０全体のＳｉＣ配合率を高めると部材コストが上昇してしまうことに着目した。ただし、ベース板１３０の基材として、ＡｌＳｉＣは優れた特徴を有する。すなわち、ＡｌＳｉＣは、低熱膨張かつ高剛性であることに加えて、アルミニウムに近い熱伝導率を有するため、絶縁基板１０２とベース板１３０との接合信頼性と冷却能力の向上に寄与する。

そこで、本実施形態では、ベース板１３０の基材には、ＡｌＳｉＣ（複合材）を用いるものの、パワー半導体素子実装領域とそれ以外の周辺領域とでＳｉＣ配合率を変える。具体的には、ベース板１３０は、絶縁基板１０２が位置する領域１４０（パワー半導体素子実装領域；本実施形態では、絶縁基板直下領域）内をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２で構成するとともに、領域１４０外の周辺領域１３３をＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１で構成する。例えば、領域１４０内を４０％ＳｉＣの配合（ＡｌＳｉＣ基材１００％に対するＳｉＣの配合率４０％ 以下同様）で構成し、周辺領域１３３を６０％ＳｉＣの配合（ＡｌＳｉＣ基材１００％に対するＳｉＣの配合率６０％ 以下同様）で構成する。この配合率は、一例であり、周辺領域１３３が領域１４０よりＳｉＣ配合率の高いものであればよく、他の配合率の組み合わせであってもよい。
ＳｉＣ（強化材料）のヤング率はアルミニウム（母材）の約６倍である。また、ＳｉＣはアルミニウムよりも線膨張率が小さい。

本実施形態では、ベース板１３０の周辺領域１３３は中央部より変形量が大きい。そこで、ベース板１３０の周辺領域１３３のＳｉＣの配合率を高めることによって、ベース板１３０の周辺領域１３３の剛性が高くなるようにする。ベース板１３０の高剛性化は、水圧によるベース板１３０の変形量を小さくし、Ｏリング７３のつぶし率減少を抑制するため、液漏れ信頼性を向上させる。

このように、本実施形態では、ベース板１３０のＳｉＣ配合率を部分的に高めており、ベース板１３０全体のＳｉＣ配合率を高める場合よりもＳｉＣの必要量が少ないため、部材コストが安くなる。また、ＳｉＣ高配合部３０１とＳｉＣ低配合部３０２の熱伝導率が同等であるため、パワー半導体モジュール１００の冷却性能に影響しない。

次に、パワー半導体モジュール１００のベース板１３０の作製方法について説明する。
図１３は、ＡｌＳｉＣでベース板１３０を製造する場合の工程概略図である。
<第１工程>
第１工程では、コロイド状のＳｉＣ溶液を２種類作製し、それぞれのＳｉＣの配合率を設定する。ＳｉＣの配合率の低い（４０％ＳｉＣの配合）ＳｉＣ溶液Ａと、ＳｉＣの配合率の高い（６０％ＳｉＣの配合）ＳｉＣ溶液Ｂとを作製する。

<第２工程>
第２工程では、ベース板１３０の型となる２つの金型Ａ，Ｂを用いる。金型Ａは、パワー半導体素子実装領域に対応する形状の金型であり、上面視して、図１２（ｂ）の領域１４０の平面形状と同一形状である。金型Ｂは、パワー半導体素子実装領域以外の周辺領域に対応する形状の金型であり、上面視して、図１２（ｂ）の周辺領域１３３のフレーム形状と同一形状である。
金型Ａに対して、第１工程で配合したＳｉＣの配合率の低いコロイド状ＳｉＣ溶液Ａの冷間射出成形を行い、ベース板１３０のうち、パワー半導体素子実装領域に対応する形状を模した成形物を作製する。
金型Ｂに対して、第１工程で配合したＳｉＣの配合率の高いコロイド状ＳｉＣ溶液Ｂの冷間射出成形を行い、ベース板１３０のうち、周辺領域に対応するフレーム形状を模した成形物を作製する。

<第３工程>
第３工程では、２つの冷間射出成形物をそれぞれ凍結乾燥し、コロイド状ＳｉＣ溶液の溶媒である液体を昇華させる。凍結乾燥後の冷間射出成形物は、ＳｉＣだけで構成される多孔質体となる。ＳｉＣの密度の低いＳｉＣ多孔質体ＡとＳｉＣの密度の高いＳｉＣ多孔質体Ｂとが作製される。

<第４工程>
第４工程では、２つのＳｉＣ多孔質体をそれぞれ焼結して固める。焼結によりＳｉＣの密度の低い焼結ＳｉＣ多孔質体ＡとＳｉＣの密度の高い焼結ＳｉＣ多孔質体Ｂとが作製される。

<第５工程>
第５工程では、ＳｉＣの密度の高い焼結ＳｉＣ多孔質体Ｂに、ＳｉＣの密度の低い焼結ＳｉＣ多孔質体Ａを嵌め込み、一体化させる。すなわち、焼結ＳｉＣ多孔質体Ａの外周部に、周辺領域に対応する形状の焼結ＳｉＣ多孔質体Ｂが取り囲むように一体化させる。

<第６工程>
第６工程では、一体化したＳｉＣ多孔質体のＳｉＣ粒子間をアルミニウムで固結するために、アルミニウムの溶湯に含浸した後に凝固成形する。

<第７工程>
第７工程では、ベース板１３０に仕上げ処理（例えば，所定寸法に合わせるための加工や防食を目的としたニッケルめっき等）を施す。

<第８工程>
第８工程では、一体成形のベース板１３０の完成に至る。
完成したベース板１３０は、図１２（ｂ）に示すように、絶縁基板１０２が位置する領域１４０はＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２で形成され、その周辺領域１３３はＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１で形成されている。

なお、本実施形態では、ＡｌＳｉＣをベース板１３０の製造に適用する例を示したが、アルミニウムの代わりにマグネシウム（Ｍｇ）を用いて、ＭｇとＳｉＣの複合材ＭｇＳｉＣをベース板１３０の製造に適用してもよい。ＭｇＳｉＣをベース板１３０の製造に適用する場合、図１３の製造工程における第１工程から第４工程までの一部を省略できる。具体的には、コロイド状ＳｉＣ溶液からＳｉＣ多孔質体を凍結乾燥によって作製する必要がなく、粉末状のＳｉＣを金型へ充填してＭｇを溶浸させた後に凝固成形される。

以上説明したように、本実施形態に係るパワー半導体モジュール１００は、パワー半導体素子１０１および絶縁基板１０２と、パワー半導体素子１０１の発熱を液体冷媒へ直接放熱するベース板１３０と、を備える。ベース板１３０は、ＳｉＣ（強化材料）とＡｌ（母材）とのＡｌＳｉＣ（複合材）を基材として用いるとともに、絶縁基板１０２が位置する領域１４０（絶縁基板直下領域）内をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２で構成するとともに、領域１４０外の周辺領域１３３をＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１で構成する。すなわち、周辺領域１３３は、絶縁基板１０２が位置する領域１４０よりＳｉＣの配合が高められている。

この構成により、ベース板１３０の中央部より変形量が大きくなる周辺領域１３３のＳｉＣの配合率を高めることで、ベース板１３０の周辺領域１３３の剛性を高くすることができる。ベース板１３０の高剛性化は、水圧によるベース板１３０の変形量を小さくし、Ｏリング７３のつぶし率減少を抑制するため、液漏れ信頼性を向上させることができる。

特に、本実施形態では、ベース板１３０のＳｉＣ配合率を部分的に高めており、ベース板１３０全体のＳｉＣ配合率を高める場合よりもＳｉＣの必要量が少ないため、部材コストが安くなる。また、ＳｉＣ高配合部３０１とＳｉＣ低配合部３０２の熱伝導率が同等であるため、パワー半導体モジュール１００の冷却性能に影響しない。
このように、パワー半導体モジュール１００の冷却性能と絶縁基板とベース板１３０との接合信頼性に影響しない範囲で直接水冷方式のパワー半導体モジュール１００と水路形成体７０（図５参照）との間の液漏れ信頼性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図１４は、本発明の第２の実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の分解図であり、図１４（ａ）は、その分解図、図１４（ｂ）は、ベース板１３０Ａの放熱フィン形成面の平面図である。図１２と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
図１４（ａ）に示すように、パワー半導体素子１０１を搭載した絶縁基板１０２Ａは、ベース板１３０Ａと接合材（図示省略）を介して接合される。ここで、絶縁基板１０２Ａは、パワー半導体素子実装領域を覆うように配置された４枚の基板である。

図１４（ｂ）に示すように、ベース板１３０Ａは、４枚の絶縁基板１０２Ａの配置に応じて、領域１４５（パワー半導体素子実装領域；本実施形態では、４枚絶縁基板直下領域）を４ヵ所に分割して設ける。ベース板１３０Ａは、４枚の絶縁基板１０２Ａが位置する４ヵ所の領域１４５内をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２Ａで構成するとともに、４ヵ所の領域１４５外の周辺領域１３３ＡをＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ａで構成する。本実施形態では、４ヵ所の領域１４５内を４０％ＳｉＣの配合で形成し、周辺領域１３３Ａを６０％ＳｉＣの配合で形成する。
この構成により、領域１４５の周囲は、ＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ａで囲まれることになる。特に、ベース板１３０Ａの中央部Ｐとこの中央部Ｐに縦横に交差する部分においても周辺領域１３３Ａが形成され、この周辺領域１３３ＡはＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ａで構成される。

ここで、ベース板１３０Ａは、図１３の製造工程と略同様にして製造することができる。すなわち、図１３の第２工程で、ベース板１３０Ａの型となる２つの金型Ａ，Ｂを用いる場合、この金型Ａ，Ｂを、図１４（ｂ）の４ヵ所の領域１４５に対応する形状の金型Ａと、周辺領域１３３に対応する形状の金型Ｂと、を用いるようにすればよい。

このように、本実施形態では、ベース板１３０Ａは、４枚の絶縁基板１０２Ａの配置に応じて、領域１４５を４ヵ所に分割して設けるとともに、４枚の絶縁基板１０２Ａが位置する４ヵ所の領域１４５内をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２Ａで構成し、４ヵ所の領域１４５外の周辺領域１３３ＡをＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ａで構成する。この構成により、さらにパワー半導体素子実装領域の中央部Ｐ（ベース板１３０Ａの中央）のＳｉＣ配合率を高くする。これにより、ベース板１３０Ａ全体の線膨張率が小さくなるため、ベース板１３０Ａと絶縁基板１０２Ａとの接合信頼性をより向上させることができる。

また、ＳｉＣ高配合部３０１ＡとＳｉＣ低配合部３０２Ａの熱伝導率が同等であるため、パワー半導体モジュール１００の冷却性能に影響しない。また、ベース板１３０ＡのＳｉＣ配合率を部分的に高めることで、第１の実施形態と同様に、ベース板１３０Ａ全体のＳｉＣ配合率を高める場合よりもＳｉＣの必要量が少ないため、部材コストが安くなる効果がある。
なお、本実施形態では、領域１４５を４０％ＳｉＣの配合で形成し、周辺領域１３３Ａを６０％ＳｉＣの配合で構成しているが、他の配合率の組み合わせであってもよい。

（第３の実施形態）
図１５は、本発明の第３の実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の分解図であり、図１５（ａ）は、その分解図、図１５（ｂ）は、ベース板１３０Ｂの放熱フィン形成面の平面図である。図１４と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
図１５（ａ）に示すように、パワー半導体素子１０１を搭載した絶縁基板１０２Ａは、ベース板１３０Ｂと接合材（図示省略）を介して接合される。ここで、絶縁基板１０２Ａは、パワー半導体素子実装領域を覆うように配置された４枚の基板である。また、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、パワー半導体素子１０１の直下の領域１５０は、横方向（冷却水流路と直交方向）に配置した２枚の絶縁基板１０２Ａの略中央に配置されている。

図１５（ｂ）に示すように、ベース板１３０Ｂは、パワー半導体素子１０１の直下の領域１５０内をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２Ｂで構成するとともに、領域１５０外の周辺領域１３３ＢをＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ｂで構成する。本実施形態では、領域１５０内を４０％ＳｉＣの配合で形成し、周辺領域１３３Ｂを６０％ＳｉＣの配合で形成する。

この構成により、パワー半導体素子１０１の直下の領域１５０がＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２Ｂで形成され、その周辺領域１３３ＢがＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ｂで形成される。本実施形態のベース板１３０Ｂと図１４のベース板１３０Ａとを比較して分かるように、ベース板１３０Ｂは、ＳｉＣ高配合部３０１Ｂを有する周辺領域１３３Ｂがより大きく、特に、ベース板１３０Ｂの周辺部（端部）と中央部に、周辺領域１３３Ｂが拡大している。

ここで、ベース板１３０Ｂは、図１３の製造工程と略同様にして製造することができる。すなわち、図１３の第２工程で、ベース板１３０Ａの型となる２つの金型Ａ，Ｂを用いる場合、この金型Ａ，Ｂを、図１５（ｂ）の領域１５０に対応する形状の金型Ａと、周辺領域１３３Ｂに対応する形状の金型Ｂと、を用いるようにすればよい。

このように、本実施形態では、ベース板１３０Ｂは、パワー半導体素子１０１の直下の領域１５０と、直下の領域１５０以外の領域である周辺領域１３３Ｂとから構成され、周辺領域１３３Ｂは、直下の領域１５０よりＳｉＣの配合が高められている。

ここで、本実施形態のベース板１３０Ｂの周辺領域１３３Ｂと、図１４（ａ）のベース板１３０Ａの周辺領域Ａとを比較して分かるように、ＳｉＣの配合が高められている周辺領域は、本実施形態のベース板１３０Ｂの方が大きい。したがって、周辺領域１３３Ｂの線膨張率がより小さくなるため、ベース板１３０Ｂと絶縁基板１０２Ａとの接合信頼性をより一層向上させることができる。液漏れ信頼性に加えて、絶縁基板１０２Ａとベース板１３０Ｂとの接合信頼性を向上させることができる。また、ＳｉＣ高配合部３０１とＳｉＣ低配合部３０２の熱伝導率が同等であるため、パワー半導体モジュール１００の冷却性能に影響しない。さらに、ベース板１３０ＢのＳｉＣ配合率を部分的に高めており、ベース板１３０Ｂ全体のＳｉＣ配合率を高める場合よりもＳｉＣの必要量が少ないため、部材コストが安くなる。

本実施形態によれば、上記各実施の形態と同様に、パワー半導体モジュール１００の冷却性能と絶縁基板とベース板１３０Ｂとの接合信頼性に影響しない範囲で直接水冷方式のパワー半導体モジュール１００と水路形成体７０（図５参照）との間の液漏れ信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態では、領域１５０を４０％ＳｉＣの配合で形成し、周辺領域１３３を６０％ＳｉＣの配合で構成しているが、他の配合率の組み合わせであってもよい。

（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係るパワー半導体モジュール１００の分解図であり、図１６（ａ）は、その分解図、図１６（ｂ）は、ベース板１３０Ｃの放熱フィン形成面の平面図である。図１２と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
図１６（ａ）に示すように、パワー半導体素子１０１を搭載した絶縁基板１０２は、ベース板１３０Ｃと接合材（図示省略）を介して接合される。ここで、絶縁基板１０２の形状は、パワー半導体素子実装領域の形状と略等しい。

図１６（ｂ）に示すように、絶縁基板１０２が位置する領域１４０は、その領域内にさらにピンフィン１３１が形成されるフィン形成領域１５５を有する。ベース板１３０Ｃは、絶縁基板１０２が位置する領域１４０内で、かつ、フィン形成領域１５５外の領域（ピンフィンを除く絶縁基板直下領域）１６０をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２Ｃで構成するとともに、フィン形成領域１５５内と領域１４０外の周辺領域１３３ＣをＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１で構成する。本実施形態では、領域１６０を４０％ＳｉＣの配合で形成し、フィン形成領域１５５内と領域１４０外の周辺領域１３３Ｃを６０％ＳｉＣの配合で形成する。

この構成により、フィン形成領域１５５内と領域１４０外の周辺領域１３３ＣがＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ｃで構成される。また、ピンフィン１３１は、アルミニウムで形成される。アルミニウムの熱伝導率は、ＡｌＳｉＣ（４０％ＳｉＣ）の約１．２倍であることから、熱伝導率が高いほどピンフィン１３１のフィン効率が向上し、ピンフィン１３１と冷却水６０との間の熱抵抗が小さくなる。

本実施形態では、絶縁基板１０２が位置する領域１４０内であっても、フィン形成領域１５５内についてはＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１Ｃで構成される。フィン形成領域１５５内がＳｉＣ高配合部３０１Ｃで構成されることで、ピンフィン１３１への熱伝導がより向上する。したがって、パワー半導体素子１０１から冷却水６０までの熱抵抗がより低減され、パワー半導体モジュール１００の冷却性能がより一層向上する。

このように、本実施形態では、ベース板１３０Ｃは、絶縁基板１０２が位置する領域１４０内で、かつ、フィン形成領域１５５外の領域１６０をＳｉＣ配合率の低いＳｉＣ低配合部３０２Ｃで構成し、フィン形成領域１５５内と領域１４０外の周辺領域１３３ＣをＳｉＣ配合率の高いＳｉＣ高配合部３０１で構成するので、パワー半導体素子１０１から冷却水６０までの熱抵抗がより低減され、パワー半導体モジュール１００の冷却性能がより一層向上する。
また、上記各実施の形態と同様に、パワー半導体モジュール１００の冷却性能と絶縁基板とベース板１３０Ｃとの接合信頼性に影響しない範囲で直接水冷方式のパワー半導体モジュール１００と水路形成体７０（図５参照）との間の液漏れ信頼性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、ＳｉＣ低配合部３０２Ｃを４０％ＳｉＣの配合で形成し、ＳｉＣ高配合部３０１Ｃを６０％ＳｉＣの配合で構成しているが、他の配合率の組み合わせであってもよい。
また、本実施形態では、フィン形成領域１５５内と領域１４０外の周辺領域１３３Ｃとを、同じ配合率のＳｉＣ高配合部３０１Ｃで構成しているが、配合率を変えてもよい。なお、配合率を変える場合、図１３の製造工程の第１工程で、コロイド状のＳｉＣ溶液を３種類作製し、それぞれのＳｉＣの配合率を設定する。そして、図１３の第２工程で、ベース板１３０Ｃの型となる２つの金型Ａ，Ｂ，Ｃ（図示省略）を用いる。以下、図１３の第２工程および第３工程を経て、第５工程で、ＳｉＣの密度の低い焼結ＳｉＣ多孔質体Ａと、ＳｉＣの密度の高い焼結ＳｉＣ多孔質体Ｂと、ＳｉＣの密度の高い焼結ＳｉＣ多孔質体Ｃと一体化させる。

図１７は、第１の実施形態ないし第４の実施形態のベース板１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの変形量の比較図である。縦軸は、４０％ＳｉＣ配合で一様に形成されたベース板の変形量を１とし、正規化した値（変形量比）を示している。
図１７は、ベース板１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの放熱フィン形成面から水圧を負荷する有限要素解析を行い、ベース板１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃの縁部での最大の変形量を比較したものである。
図１７に示すように、第１の実施形態ないし第４の実施形態のベース板１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃのいずれかを適用した場合であっても、４０％ＳｉＣ配合で一様に形成されたベース板に比べて、ベース板の縁部での最大の変形量は小さくなっており、水圧によるベース板の変形量を低減できることがわかる。ちなみに、当該変形量は、第３の実施形態のベース板１３０Ｂ（周辺部（端部）と中央部のＳｉＣ配合率を高くしたベース板）が最も小さく、中央部でのＳｉＣ高配合が変形量のさらなる低減に寄与していることが分かった。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
上記各実施形態では、ＳｉＣ（強化材料）とアルミニウム（母材）の複合材ＡｌＳｉＣを基材として用いるが、強化材料と当該強化材料を支持する母材との複合材からなるものであればよい。例えば、強化材料は、ＳｉＣ以外のセラミックスまたはセラミックス粒子であってもよく、母材は、マグネシウム、チタン、ベリリウムまたはこれらを少なくとも１種含む合金であってもよい。
また、上記各実施形態では、ＳｉＣ低配合部を４０％ＳｉＣの配合で形成し、ＳｉＣ高配合部を６０％ＳｉＣの配合で構成しているが、他の配合率の組み合わせであってもよい。

上記各実施形態は鉄道車両向けの主電力変換装置を例に示したが、自動車やトラックなどの電力変換装置、船舶や航空機などの電力変換装置、工場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、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る家庭用電力変換装置に対しても適用することができる。

上記各実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電車線
２ 変圧器
３ 平滑コンデンサ
４ コンバータ
５ インバータ
６ 交流電動機
３１ 上アームスイッチング素子
３２ 下アームスイッチング素子
３３ 上アーム整流素子
３４ 下アーム整流素子
３５ レグ
５０ ポンプ
５１ 低温冷却水（液体冷媒）
５２ 低温側分配管
５３ パワーユニット
５４ 高温冷却水
５５ 高温側分配管
５６ ラジエータ
５７ ファン
５８ 冷却風
５９ 膨張タンク
６０ 水路形成体内冷却水（液体冷媒）
７０ 水路形成体
７１ 低温側冷却水継手
７２ 高温側冷却水継手
７３ Ｏリング
７４ Ｏリング溝
７５ 開口部
７６ パワー半導体モジュール固定用ボルト穴
１００ パワー半導体モジュール
１０１ パワー半導体素子
１０２，１０２Ａ 絶縁基板
１１０ｐ 正極直流端子
１１０ｎ 負極直流端子
１１０ａｃ 交流端子
１１０ｇ ゲート端子
１１１ 弱電系電極
１１２ ゲートドライブ基板固定用ネジ穴
１１３ 筐体
１１４ パワー半導体モジュール固定用通し穴
１１５ 押さえ部材
１１６ 筐体取付用通し穴
１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ ベース板
１３１ ピンフィン（放熱フィン）
１３２ 水圧がかかる領域
１３３，１３３Ａ 周辺領域
１３５ 水路形成体との当接面
１４０ 絶縁基板直下領域（パワー半導体素子実装領域）
１４５ ４枚絶縁基板直下領域（パワー半導体素子実装領域）
１５０ パワー半導体素子直下領域
１５５ ピンフィンを除く絶縁基板直下領域
１５５ フィン形成領域
１６０ 絶縁基板が位置する領域内で、かつ、フィン形成領域外の領域（ピンフィンを除く絶縁基板直下領域）
２００ コンバータ制御回路
２０１ インバータ制御回路
２３０ ベース板の反り方向
３０１，３０１Ａ，３０１Ｂ ＳｉＣ高配合部
３０２，３０２Ａ，３０２Ｂ ＳｉＣ低配合部
３０３ １００％Ａｌ配合部
Ｐ パワー半導体素子実装領域の中央部

Claims (13)

1. パワー半導体素子および絶縁基板と、前記パワー半導体素子の発熱を液体冷媒へ放熱するベース板と、を備え、
   前記ベース板は、
   強化材料と当該強化材料を支持する母材との複合材からなり、
   前記絶縁基板が実装されるパワー半導体素子実装領域と、
   前記パワー半導体素子実装領域以外の領域である周辺領域とから構成され、
   前記周辺領域は、
   前記パワー半導体素子実装領域より前記強化材料の配合が高められたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. パワー半導体素子および絶縁基板と、前記パワー半導体素子の発熱を液体冷媒へ放熱するベース板と、を備え、
   前記ベース板は、
   強化材料と当該強化材料を支持する母材との複合材からなり、
   前記ベース板は、
   前記パワー半導体素子の直下の領域と、前記直下の領域以外の領域である周辺領域とから構成され、
   前記周辺領域は、
   前記直下の領域より前記強化材料の配合が高められたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
3. 前記パワー半導体素子実装領域は、
   前記絶縁基板の枚数および／または前記絶縁基板の平面形状に応じて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記絶縁基板の直下に位置する前記パワー半導体素子実装領域の中央部が、前記強化材料の配合が高められた
   ことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記強化材料は、前記母材よりもヤング率が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記強化材料は、前記母材よりも線膨張率が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記周辺領域の前記強化材料の配合率が前記母材の配合率よりも高いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記強化材料は、炭化ケイ素を含むセラミックスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
9. 前記母材は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ベリリウムまたはこれらを少なくとも１種含む合金であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体
   モジュール。
10. 前記ベース板の前記絶縁基板が接合される面とは反対側の面に放熱フィンが形成され、
    前記放熱フィンが形成されたフィン形成領域は、前記強化材料の配合が高められたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記放熱フィンが、前記母材で構成されることを特徴とする請求項１０に記載のパワー半導体モジュール。
12. 前記ベース板は、前記パワー半導体素子実装領域の前記強化材料を４０体積％とし、前記周辺領域の前記強化材料を６０体積％とすることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
13. 前記パワー半導体素子を保護する筐体と、前記ベース板と前記筐体との間に据え込まれて該ベース板と共締めされる押さえ部材とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体モジュール。

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