JP7151638B2 - パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

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Description

この明細書における開示は、パワーモジュールおよびその製造方法に関する。
特許文献1は、半導体素子を含む半導体装置と冷却器との積層体を備えたパワーモジュールを開示する。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。
特開2017-93272号公報
特許文献1は、積層体の加圧構造を提供する。特許文献1では、板ばね、支持ピン、加圧部材、およびケースを備える。支持ピンは、ケースに固定されており、板ばねを積層体とは反対側から支持する。板ばねは、加圧部材を介して、ケースの壁面との間で積層体を加圧する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、パワーモジュールにはさらなる改良が求められている。
開示されるひとつの目的は、搭載性の高いパワーモジュールを提供することにある。
ここに開示されたパワーモジュールの製造方法は、
半導体素子(12H、12L)を含む半導体装置(10)と冷却器(40)とを積層して積層体(35)を形成し、
少なくとも一方がばね部(50b、51b)を有する一対の挟持部材(50、51)のひとつを、積層方向において積層体の一面側に配置し、他のひとつを一面とは反対の裏面側に配置して、積層体を挟持し、
挟持の状態を維持しつつばね部による積層体を積層方向に加圧する力を高めるように、ばね部を有する挟持部材の固定部位を積層方向と直交する一方向において積層体から遠ざかる側に変位させ、
変位させた状態の挟持部材を保持するように、一方向において積層体の両側で一対の挟持部材の固定部位同士を固定する。
開示されたパワーモジュールの製造方法によると、ばね部を有する挟持部材の固定部位を一方向に変位させることで、ばね部による加圧力を高めることができる。そして、変位状態の固定部位同士を一方向の両側で固定することで、加圧力を高めた状態を保持することができる。この結果、搭載性の高いパワーモジュールを提供することができる。
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。
第1実施形態に係るパワーモジュールの半導体装置が適用される電力変換装置の回路図である。 半導体装置の平面図である。 封止樹脂体の被覆部分の構造を示す平面図である。 図2のIV-IV線に沿う断面図である。 パワーモジュールを示す平面図である。 図5のVI-VI線に沿う断面図である。 パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 パワーモジュールの製造方法を示す断面図である。 変形例を示す図である。 第2実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。 電力変換装置を示す図である。 第3実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。
以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/または構造的に対応する部分および/または関連付けられる部分には同一の参照符号が付される場合がある。対応する部分および/または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
(第1実施形態)
先ず、図1に基づき、パワーモジュールの半導体装置が適用される電力変換装置について説明する。
<電力変換装置>
図1に示す電力変換装置1は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置1は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で電力変換を行う。
直流電源2は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能な二次電池である。モータジェネレータ3は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ3は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ3は、回生時に発電機として機能する。
電力変換装置1は、平滑コンデンサ4と、電力変換器であるインバータ5を備えている。平滑コンデンサ4の正極側端子は、直流電源2の高電位側の電極である正極に接続され、負極側端子は、直流電源2の低電位側の電極である負極に接続されている。インバータ5は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータジェネレータ3に出力する。インバータ5は、モータジェネレータ3により発電された交流電力を、直流電力に変換する。インバータ5は、DC-AC変換部である。
インバータ5は、三相分の上下アーム回路6を備えて構成されている。各相の上下アーム回路6は、正極側の電源ラインである高電位電源ライン7と、負極側の電源ラインである低電位電源ライン8の間で、2つのアーム6H、6Lが直列に接続されてなる。各相の上下アーム回路6において、上アーム6Hと下アーム6Lの接続点は、モータジェネレータ3への出力ライン9に接続されている。
本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、nチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ6i(以下、IGBT6iと示す)を採用している。IGBT6iのそれぞれには、還流用のダイオードであるFWD6dが逆並列に接続されている。一相分の上下アーム回路6は、2つのIGBT6iを有して構成されている。上アーム6Hにおいて、IGBT6iのコレクタ電極が、高電位電源ライン7に接続されている。下アーム6Lにおいて、IGBT6iのエミッタ電極が、低電位電源ライン8に接続されている。そして、上アーム6HにおけるIGBT6iのエミッタ電極と、下アーム6LにおけるIGBT6iのコレクタ電極が相互に接続されている。
電力変換装置1は、上記した平滑コンデンサ4およびインバータ5に加えて、インバータ5とは別の電力変換器であるコンバータ、インバータ5やコンバータを構成するスイッチング素子の駆動回路などを備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するDC-DC変換部である。
<半導体装置>
次に、図2、図3、および図4に基づき、半導体装置について説明する。図3では、封止樹脂体に覆われた部分を示すために、図2に対して封止樹脂体を除去した構造を示している。以下において、半導体素子の厚み方向をZ方向、Z方向に直交する一方向をX方向と示す。また、Z方向およびX方向の両方向に直交する方向をY方向と示す。特に断わりのない限り、上記したX方向およびY方向により規定されるXY面に沿う形状を平面形状とする。
図2~図4に示すように、半導体装置10は、封止樹脂体11と、半導体素子12H、12Lと、ヒートシンク14H、14Lと、ターミナル16H、16Lと、ヒートシンク18H、18Lを備えている。さらに半導体装置10は、上アーム6Hと下アーム6Lとをつなぐ継手部29a~29cと、外部接続端子である主端子21~23および信号端子25を備えている。半導体装置10を構成する要素の一部について、符号末尾に上アーム6H側を示す「H」を付与し、下アーム6L側を示す「L」を付与している。
封止樹脂体11は、半導体装置10を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止樹脂体11の外に露出している。封止樹脂体11は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。封止樹脂体11は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。本実施形態の封止樹脂体11は、平面略矩形状をなしている。封止樹脂体11は、Z方向において、一面11aと、一面11aと反対の裏面11bを有している。一面11aおよび裏面11bは、たとえば平坦面となっている。
半導体素子12H、12Lは、封止樹脂体11により封止されている。半導体素子12H、12Lは、一相分の上下アーム回路6を構成する。半導体素子12Hの半導体基板には、上アーム6Hを構成するIGBT6iおよびFWD6dが形成されている。半導体素子12Lを構成する半導体基板には、下アーム6Lを構成するIGBT6iおよびFWD6dが形成されている。このように、半導体素子12H、12Lとして、RC(Reverse Conducting)-IGBTを採用している。半導体素子12H、12Lは、図示しないゲート電極を有している。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。
半導体素子12H、12Lは、主電流が流れる主電極を、自身の厚み方向、すなわちZ方向の両面に有している。半導体素子12H、12Lは、主電極として、一面側にコレクタ電極12c、一面とは反対の面である裏面側にエミッタ電極12eをそれぞれ有している。コレクタ電極12cはFWD6dのカソード電極を兼ね、エミッタ電極12eはアノード電極を兼ねている。コレクタ電極12cは、一面のほぼ全域に形成されている。エミッタ電極12eは、裏面の一部に形成されている。図示を省略するが、裏面には、信号用の電極であるパッドも形成されている。半導体素子12H、12Lは、たとえばゲート電極用のパッドを含んでいる。
ヒートシンク14Hは、はんだ13Hを介して、半導体素子12Hのコレクタ電極12cに接続されている。ヒートシンク14Lは、はんだ13Lを介して、半導体素子12Lのコレクタ電極12cに接続されている。ヒートシンク14H、14Lは、対応する半導体素子12H、12Lの熱を外部に放熱する放熱部材である。ヒートシンク14H、14Lは、対応する半導体素子12H、12Lのコレクタ電極12cに電気的に接続された配線部材である。ヒートシンク14H、14Lとしては、たとえばCuなどを材料とする金属板、DBC(Direct Bonded Copper)基板などを採用することができる。
ヒートシンク14H、14Lは、Z方向からの平面視において、対応する半導体素子12H、12Lを内包している。ヒートシンク14H、14Lにおいて、それぞれの放熱面14aは、封止樹脂体11から露出している。放熱面14aは、半導体素子12H、12Lの実装面とは反対の面である。放熱面14aは、封止樹脂体11の一面11aと略面一となっている。ヒートシンク14H、14Lの放熱面14aは、封止樹脂体11の一面11aから露出されるとともに、互いにX方向に並んでいる。
ターミナル16Hは、はんだ15Hを介して、半導体素子12Hのエミッタ電極12eに接続されている。ターミナル16Lは、はんだ15Lを介して、半導体素子12Lのエミッタ電極12eに接続されている。ターミナル16H、16Lは、対応する半導体素子12H、12Lとヒートシンク18H,18Lとの熱伝導、電気伝導経路の途中に位置する。ターミナル16H、16Lは、Cuなどの金属材料を用いて形成されている。
ヒートシンク18Hは、はんだ17Hを介して、ターミナル16Hに接続されている。ヒートシンク18Lは、はんだ17Lを介して、ターミナル16Lに接続されている。ヒートシンク18H、18Lは、対応する半導体素子12H、12Lの熱を外部に放熱する放熱部材である。ヒートシンク18H、18Lは、対応する半導体素子12H、12Lのエミッタ電極12eに電気的に接続された配線部材である。ヒートシンク18H、18Lとしては、ヒートシンク14H、14L同様、金属板、DBC基板などを採用することができる。
ヒートシンク18H、18Lは、Z方向からの平面視において、対応する半導体素子12H、12Lを内包している。ヒートシンク18H、18Lにおいて、それぞれの放熱面18aは、封止樹脂体11から露出している。放熱面18aは、ターミナル16H、16Lの実装面とは反対の面である。放熱面18aは、封止樹脂体11の裏面11bと略面一となっている。ヒートシンク18H、18Lの放熱面18aは、封止樹脂体11の裏面11bから露出されるとともに、互いにX方向に並んでいる。本実施形態では、ヒートシンク18H、18Lを共通部材としており、ヒートシンク18H、18Lの配置はZ軸を回転軸とする2回対称となっている。
継手部19aは、ヒートシンク14Lに連なっている。継手部19bは、ヒートシンク18Hに連なっている。継手部19aは、はんだ20を介して継手部19bに接続されている。継手部19a、19bは、ヒートシンク14L、18Hを電気的に接続する配線部である。継手部19cは、ヒートシンク18Lに連なっている。継手部19a、19cは、X方向において半導体素子12H側に延びている。継手部19bは、X方向において半導体素子12L側に延びている。
主端子21は、平滑コンデンサ4の正極端子と電気的に接続される。主端子22は、平滑コンデンサ4の負極端子と電気的に接続される。このため、主端子21はP端子、主端子22はN端子と称されることがある。主端子21は、ヒートシンク14Hに連なっている。主端子21は、ヒートシンク14HにおけるY方向の一端に連なっている。主端子21は、Y方向に延設され、封止樹脂体11の側面11cから外部に突出している。主端子22は、図示しないはんだを介して、継手部19cに接続されている。主端子22は、Y方向に延設されて、主端子21と同じ側面11cから外部に突出している。
主端子23は、上アーム6Hと下アーム6Lとの接続点に接続されている。主端子23は、モータジェネレータ3の対応する相のコイルと電気的に接続される。主端子23は、O端子、交流端子とも称される。主端子23は、ヒートシンク14Lに連なっている。主端子23は、Y方向に延設され、主端子21、22と同じ側面11cから外部に突出している。なお、主端子21、22、23の側面11cからの突出長さは、図示しないバスバーなどとの接続構造、配線インダクタンスなどを考慮して、適宜設定されている。
信号端子25は、対応する半導体素子12H、12Lのパッドに、ボンディングワイヤ24を介して電気的に接続されている。信号端子25は、Y方向に延設されており、封止樹脂体11において側面11dから外部に突出している。側面11dは、Y方向において側面11cとは反対の面である。本実施形態では、半導体素子12H、12Lに対して信号端子25が5本ずつ設けられている。なお、符号26は、吊りリードを示している。ヒートシンク14H、14Lと、継手部19aと、主端子21、22、23と、信号端子25は、同一の金属板であるリードフレームに構成されている。信号端子25は、タイバーを介して吊りリード26接続されている。タイバーなど、リードフレームの不要部分は、封止樹脂体11の成形後に除去されている。
上記したように、半導体装置10では、封止樹脂体11によって一相分の上下アーム回路6を構成する2つの半導体素子12H、12Lが封止されている。このため、半導体装置10は、2in1パッケージとも称される。封止樹脂体11は、半導体素子12H、12L、ヒートシンク14H、14L、18H、18Lそれぞれの一部、ターミナル16H、16L、継手部19a~19c、主端子21~23および信号端子25それぞれの一部を、一体的に封止している。
Z方向において、半導体素子12Hの両側に、ヒートシンク14H、18Hが配置されている。半導体素子12Lの両側にヒートシンク14L、18Lが配置されている。これにより、半導体素子12H、12Lの熱を、Z方向において両側に放熱することができる。半導体装置10は、両面放熱構造をなしている。ヒートシンク14H、14Lそれぞれの放熱面14aは、封止樹脂体11の一面11aと略面一となっている。ヒートシンク18H、18Lそれぞれの放熱面18aは、封止樹脂体11の裏面11bと略面一となっている。放熱面14a、18aが露出面であるため、効果的に放熱することができる。
<パワーモジュール>
次に、図5および図6に基づき、パワーモジュールについて説明する。図5および図6に示すように、パワーモジュール30は、上記した半導体装置10と、冷却器40と、一対の挟持部材50、51と、複数の固定部52を備えている。このパワーモジュール30は、ひとつの半導体装置10を備えている。パワーモジュール30は、半導体装置10の冷却構造を提供する。
冷却器40は、半導体装置10に対してZ方向に積層され、半導体装置10とともに積層体35を形成している。Z方向が、積層方向に相当する。冷却器40は、半導体装置10のヒートシンク14H、14L側と、ヒートシンク18H、18L側に、それぞれ配置されている。冷却器40により、半導体装置10が挟まれている。冷却器40は、熱交換部と称されることがある。冷却器40の内部には、冷媒が流通する流路が形成されている。
冷却器40には、導入管41および排出管42が接続されている。導入管41および排出管42は、その内部に流路が形成された筒状の部材である。導入管41および排出管42は、Z方向に延設されている。導入管41および排出管42は、Z方向に伸縮可能に設けられたベローズである。冷却器40のそれぞれにおいて、X方向の一端側に導入管41が接続され、他端側に排出管42が接続されている。冷却器40の流路と、導入管41および排出管42の流路は、一体的に連なっている。
冷却器40のひとつである第1冷却器には、図示しない冷媒導入口および冷媒排出口が設けられている。冷媒導入口から導入された冷媒は、第1冷却器内の流路を流れ、冷媒排出口から外部へ排出される。冷媒導入口から導入された冷媒は、導入管41を通じて冷却器40の他のひとつである第2冷却器に供給され、第2冷却器内の流路を流れる。冷媒は、第2冷却器の流路から、排出管42および冷媒排出口を通じて外部へ排出される。たとえば、Y方向から冷媒導入口に冷媒を導入、および/または、冷媒導入口から冷媒を排出してもよい。また、挟持部材50、51の少なくとも一方に設けた貫通部を通じて、冷媒導入口に冷媒を導入、および/または、冷媒導入口から冷媒を排出してもよい。貫通部とは、貫通孔や切り欠きである。
なお、冷媒としては、水やアンモニアなどの相変化する冷媒や、エチレングリコール系などの相変化しない冷媒を用いることができる。冷却器40は、主として半導体装置10を冷却するものである。しかしながら、冷却機能に加えて、環境温度が低い場合に温める機能を持たせてもよい。この場合、冷却器40は温度調節器と称される。また、冷媒は熱媒体と称される。
半導体装置10と冷却器40との間には、放熱ゲル43が介在している。放熱ゲル43に代えて、放熱グリスや放熱シートを用いてもよい。電気絶縁性を高めたい場合、放熱ゲル43などとともにセラミクス板を用いてもよい。
挟持部材50、51は、基部50a、51aと、湾曲部50b、51bと、延設部50c、51cと、被挿通部50d、51dを有している。積層体35に対し、Z方向の一端側に基部50aが配置され、他端側に基部51aが配置されている。湾曲部50b、51bは、基部50a、51aに対して局所的に設けられた凸部であり、積層体35側に突出している。湾曲部50b、51bは、ZX平面においてR形状(曲面形状)をなしている。湾曲部50b、51bは、Y方向において基部50a、51aの一端から他端にわたって設けられた凸条である。
挟持部材50は、湾曲部50bにおいて積層体35の一面35aに接触している。挟持部材51は、湾曲部51bにおいて一面35aとは反対の裏面35bに接触している。湾曲部50b、51bは、積層体35に対し、弾性変形による反力を付与している。基部50aには、2つの湾曲部50bが、X方向に並んで設けられている。基部51aには、2つの湾曲部51bが、X方向に並んで設けられている。湾曲部50b、51bは基部50a、51aの間に設けられている。基部50a、51aと湾曲部50b、51bとは、X方向において交互に設けられている。湾曲部50b、51bを2つずつ有することで、上アーム6H側と、下アーム6L側をそれぞれ加圧することができる。
延設部50c、51cは、基部50a、51aに連なっている。延設部50cは、基部50aのX方向両端にそれぞれ設けられている。延設部51cは、基部51aのX方向両端にそれぞれ設けられている。延設部50c、51cは、基部50a、51aに対して屈曲し、Z方向に延設されている。被挿通部50d、51dは、延設部50c、51cの先端に連なっている。被挿通部50d、51dは、固定ピン52aを挿通可能なように、延設部50c、51cに対して曲げ加工されている。被挿通部50d、51dは、片側に3箇所ずつ所定ピッチで設けられている。被挿通部50dが第1被挿通部に相当し、被挿通部51dが第2被挿通部に相当する。
固定部52は、X方向において積層体35の両側で、挟持部材50、51同士を固定している。X方向において、固定部52の間に積層体35が位置している。X方向が、積層方向に直交する一方向に相当する。固定部52は、固定により、挟持部材50、51による積層体35の加圧状態を保持している。本実施形態では、固定部52が、固定ピン52aを含んで構成されている。パワーモジュール30は、2本の固定ピン52aを有している。
加圧状態で、被挿通部50d、51dは、Y方向に並んで配置される。換言すれば、被挿通部50d、51dは、同軸上に配置される。本実施形態では、被挿通部50d、51dが交互に配置される。固定ピン52aは、Y方向に並んで配置された被挿通部50d、51dを挿通している。1つの固定ピン52aは、3つの被挿通部50dと3つの被挿通部51dを挿通している。固定ピン52aは、積層体35の一面35aと裏面35bとの間に位置に設けられている。固定ピン52aは、Z方向において積層体35の中央付近に設けられている。固定ピン52aの挿通により、Z方向およびX方向において挟持部材50、51が位置決めされている。
<パワーモジュールの製造方法>
次に、図7、図8、および図9に基づき、パワーモジュール30の製造方法の一例について説明する。図7~図9は、図6に対応している。
先ず、積層体35を形成する。図7に示すように、半導体装置10と冷却器40とをZ方向に積層して、積層体35を形成する。このとき、冷却器40と半導体装置10との間に、放熱ゲル43を配置する。
次いで、積層体35に対して挟持部材50、51を配置する。図7に示すように、積層体35の一面35a側に挟持部材50を配置し、裏面35b側に挟持部材51を配置する。この時点で、湾曲部50b、51bの先端が積層体35に接触し、挟持部材50、51により積層体35が挟持される。
次いで、挟持状態を維持しつつ、外力の印加により挟持部材50、51を弾性変形させて、積層体35への加圧力を高める。外力の印加により、湾曲部50b、51bが弾性変形し、図8に示すように曲面のRが大きくなる。したがって、弾性変形の反力(図8中の白抜き矢印)により、積層体35をZ方向に加圧することができる。また、Rが大きくなることで、圧力のばらつきを抑制することができる。図8に示す破線は、外力を印加する前の状態、すなわち図7に示す状態の挟持部材50、51の位置を示している。湾曲部50b、51bのRが大きくなると、湾曲部50b、51bのX方向に沿う長さが長くなる。よって、外力印加前の状態に対し、被挿通部50d、51dがX方向において積層体35から遠ざかり、被挿通部50d、51dの対向距離が長くなる。
したがって、挟持部材50、51の固定部位である被挿通部50d、51dを積層体35から遠ざかる方向に変位させることで、積層体35に対する加圧力を高めることができる。加圧力を高めることで、放熱ゲル43は、半導体装置10と冷却器40との間で圧縮され、厚みが薄くなる。これにより、半導体装置10と冷却器40との間の熱抵抗が小さくなる。湾曲部50b、51bのRが大きくなると、被挿通部50d、51dは、Z方向において互いに近づく。本実施形態では、被挿通部50d、51dがY方向において並ぶ位置、すなわちY方向からの平面視において被挿通部50d、51dが互いに重なる位置まで変位させる。
上記したように被挿通部50d、51dを変位させるには、たとえば図8に実線矢印で示すようにX方向に外力を印加し、X方向の両側に挟持部材50、51を引っ張るとよい。また、Z方向に外力を印加して湾曲部50b、51bを積層体35に押し付け、これにより湾曲部50b、51bのRを大きくして、被挿通部50d、51dを変位させてもよい。
次いで、被挿通部50d、51dを変位させた状態で、挟持部材50、51同士を固定する。両サイドの被挿通部50d、51dに対して、Y方向の一端側から固定ピン52aをそれぞれ通す。固定ピン52aが、Y方向に並ぶ被挿通部50d、51dを挿通することで、挟持部材50、51のZ方向およびX方向の位置が保持される。よって、被挿通部50d、51dの変位状態、すなわち湾曲部50b、51bの弾性変形による加圧状態が保持される。このようにして、図9に示すように、挟持部材50、51の固定部52が形成される。なお、必要に応じて、かしめ、接合などを行い、Y方向において被挿通部50d、51dから固定ピン52aが抜けるのを防ぐようにしてもよい。
<第1実施形態のまとめ>
この実施形態によると、一対の挟持部材50、51の少なくとも一方にばね部を設け、挟持部材50、51により積層体35を積層方向(Z方向)に加圧する。このため、積層体35の加圧に、電力変換装置(たとえばインバータ5)を構成するケースの壁部を用いなくてもよい。よって、Z方向の体格を小型化することができる。たとえばケース内にパワーモジュール30を配置する構成において、配置自由度を向上できる。
また、挟持部材50、51による加圧状態は、Z方向ではなく、X方向において積層体35の両サイドに設けた固定部52により保持される。よって、固定部をZ方向に設ける構成に較べて、Z方向の体格を小型化できる。たとえばケース内での配置スペースを小さくすることができる。挟持部材50、51同士を固定するため、配置自由度を向上することができる。
以上より、搭載性の高いパワーモジュール30を提供することができる。なお、ばね部を、挟持部材50、51の一方のみに設けてもよい。たとえば、挟持部材51のみに湾曲部51bを設け、挟持部材50において湾曲部50bを排除した構成としてもよい。本実施形態では、ばね部として、挟持部材50、51に湾曲部50b、51bを設けている。ばね機能を2つの挟持部材50、51に分散させるため、一方のみにばね部を設ける構成に較べて、積層体35に対する挟持部材50、51の組み付けが容易である。また、Z方向の体格増大を抑制することが可能である。
本実施形態では、固定部52を、積層方向において積層体35の一面35aと裏面35bとの間の位置に設けている。固定部52が、Z方向において積層体35よりも外側に飛び出していない。よって、Z方向の体格をさらに小型化できる。すなわち、搭載性をより高めることができる。
本実施形態では、固定ピン52aが挟持部材50、51の被挿通部50d、51dを挿通することで固定部52が形成され、挟持部材50、51による加圧状態が保持される。よって、短時間で固定部52を形成することができる。すなわち、所定の加圧状態を形成すると、形成した加圧状態を直ちに保持することができる。また、かしめや接合などによって固定ピン52aを固定しない場合、固定ピン52aを被挿通部50d、51dから引き抜くことで、パワーモジュール30を分解することができる。よって、リペア性を向上することができる。
上記したパワーモジュール30は、挟持部材50、51の固定部位(被挿通部50d、51d)をX方向に変位させ、この変位状態で挟持部材50、51同士を固定することで形成することができる。挟持部材50、51の固定部位をX方向において積層体35から遠ざかる側に変位させると、ばね部(湾曲部50b、51b)が弾性変形し、積層体35に対する加圧力を高めることができる。そして、上記のように変位させた固定部位同士をX方向の両サイドでそれぞれ固定することで、加圧力を高めた状態を保持することができる。
固定ピン52aにより固定部52を形成する例を示したが、これに限定されない。たとえば締結によって固定部52を形成してもよい。図10に示す変形例では、ボルト52bおよびナット52cによって固定部52が形成されている。ボルト52bが、挟持部材50、51の貫通孔50e、51eを挿通した状態で、締結されている。リベットなどを用いてもよい。固定ピン52a、ボルト52bおよびナット52cなどの固定部材を用いてもよいし、かしめなどにより、固定部材を用いずに固定部52を形成してもよい。接合により固定部52を形成してもよい。
(第2実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。
この実施形態では、パワーモジュール30が、複数の半導体装置10を備えている。すなわち、半導体装置10が多層に配置されている。その一例を図11に示す。図11に示すパワーモジュール30は、三相分の上下アーム回路6を構成する3つの半導体装置10を備えている。よって、ひとつのパワーモジュール30により、インバータ5が構成される。複数の半導体装置10と複数の冷却器40は、積層方向であるZ方向において交互に配置されている。半導体装置10のそれぞれは、冷却器40によって挟まれている。
<第2実施形態のまとめ>
この実施形態によると、複数の半導体装置10と複数の冷却器40を積層してなる積層体35を、一対の挟持部材50、51により加圧することができる。よって、Z方向の体格をさらに小型化し、搭載性のより高いパワーモジュール30を提供することができる。
図12は、電力変換装置1の一例を示している。ケース80内に、図11に示したパワーモジュール30、平滑コンデンサ4などが収容されている。先行実施形態や本実施形態に示した構成によれば、ケース80におけるパワーモジュール30の配置自由度が高い。また、パワーモジュール30の配置スペースが小さい。よって、パワーモジュール30は、高い搭載性を有している。
(第3実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。
図13に示すように、この実施形態のパワーモジュール30は、封止材60をさらに備えている。封止材60は、挟持部材50、51の対向領域に配置されている。封止材60は、挟持部材50、51によって囲まれた領域内に充填されている。封止材60は、積層体35を構成する要素を一体的に封止している。封止材60としては、たとえばエポキシ樹脂を用いることができる。封止材60は、挟持部材50、51のY方向の一方の開口を型により閉塞した状態で、ポッティング等により形成される。それ以外の構成は、図11と同じである。
<第3実施形態のまとめ>
この実施形態によると、ケース80内に収容しなくても、積層体35を構成する要素が保護される。換言すれば、挟持部材50、51および封止材60が、積層体35を保護するケースとして機能する。よって、ケースを別途設けなくてもよいため、構成を簡素化することができる。なお、封止材60を適用できる構成は、図11に示した例に限定されない。たとえば図6に示した構成にも適用できる。
(他の実施形態)
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば開示は、実施形態において示された部品および/または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および/または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および/または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
半導体装置10をインバータ5に適用する例を示したが、これに限定されない。たとえばコンバータに適用することもできる。また、インバータ5およびコンバータの両方に適用することもできる。冷却器40は、上記した例に限定されない。すなわち、内部の流路に冷媒が流れることで、半導体装置10を冷却できるものに限定されない。金属板などを冷却器としてもよい。
半導体素子12H、12Lに、IGBT6iとFWD6dが形成される例を示したが、これに限定されない。同一アームを構成するIGBT6iとFWD6dとを、別チップとしてもよい。スイッチング素子としてIGBT6iの例を示したが、これに限定されない。たとえばMOSFETを採用することもできる。
放熱面14a、18aが、封止樹脂体11から露出される例を示したが、これに限定されない。放熱面14a、18aの少なくとも一方が、封止樹脂体11によって覆われた構成としてもよい。放熱面14a、18aが、封止樹脂体11とは別の図示しない絶縁部材によって覆われた構成としてもよい。半導体装置10が、ターミナル16H、16Lを備える例を示したが、これに限定されない。ターミナル16H、16Lに代えて、ヒートシンク18H、18Lに凸部を設けてもよい。
半導体装置10が、一相分の上下アーム回路6を構成する2つの半導体素子12H、12Lを備える例を示したが、これに限定されない。ひとつのアームを構成する半導体素子のみを備えてもよい。また、三相分の上下アーム回路6を構成する半導体素子を備えてもよい。
両面放熱構造の半導体装置10の例を示したが、これに限定されない。半導体素子に対してZ方向の一方の側のみにヒートシンクが配置された片面放熱構造の半導体装置にも適用できる。積層体35において、半導体装置10の両側に冷却器40を配置する例を示したが、これに限定されない。片側のみに冷却器40を配置してもよい。
1…電力変換装置、2…直流電源、3…モータジェネレータ、4…平滑コンデンサ、5…インバータ、6…上下アーム回路、6H…上アーム、6L…下アーム、7…高電位電源ライン、8…低電位電源ライン、9…出力ライン、10…半導体装置、11…封止樹脂体、11a…一面、11b…裏面、11c、11d…側面、12H、12L…半導体素子、12c…コレクタ電極、12e…エミッタ電極、13H、13L…はんだ、14H、14L…ヒートシンク、14a…放熱面、15H、15L…はんだ、16…ターミナル、17H、17L…はんだ、18H、18L…ヒートシンク、19a、19b、19c…継手部、20…はんだ、21、22、23…主端子、24…ボンディングワイヤ、25…信号端子、26…吊りリード、30…パワーモジュール、35…積層体、35a…一面、35b…裏面、40…冷却器、41…導入管、42…排出管、43…放熱ゲル、50、51…挟持部材、50a、51a…基部、50b、51b…湾曲部、50c、51c…延設部、50d、51d…被挿通部、50e、51e…貫通孔、52…固定部、52a…固定ピン、52b…ボルト、52c…ナット、60…封止材、80…ケース

Claims (1)

  1. 半導体素子(12H、12L)を含む半導体装置(10)と冷却器(40)とを積層して積層体(35)を形成し、
    少なくとも一方がばね部(50b、51b)を有する一対の挟持部材(50、51)のひとつを、積層方向において前記積層体の一面側に配置し、他のひとつを前記一面とは反対の裏面側に配置して、前記積層体を挟持し、
    前記挟持の状態を維持しつつ前記ばね部による前記積層体を前記積層方向に加圧する力を高めるように、前記ばね部を有する前記挟持部材の固定部位を前記積層方向と直交する一方向において前記積層体から遠ざかる側に変位させ、
    変位させた状態の前記挟持部材を保持するように、前記一方向において前記積層体の両側で一対の前記挟持部材の固定部位同士を固定する、
    パワーモジュールの製造方法。
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