JP7171516B2 - Power semiconductor module, power converter, and method for manufacturing power semiconductor module - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体モジュール、電力変換装置およびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module, a power converter, and a method of manufacturing a power semiconductor module.
電力変換を行うスイッチング素子を有するパワー半導体モジュールは、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。このパワー半導体モジュールは通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。
従来、パワー半導体モジュールは、スイッチング素子を有する電気回路体の表裏面を、放熱フィンを有する放熱部材に熱結合し、放熱部材の両側面を接続部材により連結した、大略、ボックス形状を有している。放熱部材と電気回路体との熱結合は、放熱部材と電気回路体との間に樹脂部材を介装して行う。しかし、この構造では、放熱部材と接続部材との接続部に過大な残留応力が発生し、接続部においてクラックの発生や、接続界面での剥離が発生することがある。
2. Description of the Related Art A power semiconductor module having a switching element for power conversion has high conversion efficiency, so it is widely used for consumer use, vehicle use, railway use, substation equipment, and the like. Since this power semiconductor module generates heat when energized, high heat dissipation is required.
Conventionally, a power semiconductor module generally has a box shape in which front and back surfaces of an electric circuit body having switching elements are thermally coupled to a heat radiating member having heat radiating fins, and both side surfaces of the heat radiating member are connected by connecting members. there is Thermal coupling between the heat radiating member and the electric circuit is performed by inserting a resin member between the heat radiating member and the electric circuit. However, in this structure, excessive residual stress is generated in the connecting portion between the heat dissipating member and the connecting member, and cracks may occur in the connecting portion or peeling may occur at the connection interface.
このため、放熱部材と接続部材との連結部に、電気回路体側に向かって凸となるように湾曲させた中間部材を設けた構造としたパワー半導体モジュールが知られている。湾曲部を形成することにより、残留応力を低減することができる、とされている(例えば、特許文献1参照)。但し、放熱部材と電気回路体とを結合する樹脂部材は、中間部材には接続されていない。 For this reason, there is known a power semiconductor module having a structure in which an intermediate member that is curved so as to protrude toward the electric circuit body is provided at the joint between the heat radiating member and the connecting member. It is said that residual stress can be reduced by forming the curved portion (see, for example, Patent Document 1). However, the resin member that joins the heat radiating member and the electric circuit body is not connected to the intermediate member.
特許文献1に開示されたパワー半導体モジュールでは、放熱部材と電気回路体とを結合する樹脂部材は、中間部材には接続されていない。このため、温度変化により、放熱部材と電気回路体との熱膨張率の差に起因して放熱部材に反りが生じ、樹脂部材が剥離する可能性がある。 In the power semiconductor module disclosed in Patent Document 1, the resin member that joins the heat radiating member and the electric circuit body is not connected to the intermediate member. Therefore, due to a temperature change, the heat radiating member may warp due to the difference in coefficient of thermal expansion between the heat radiating member and the electric circuit body, and the resin member may peel off.
本発明の第1の態様によるパワー半導体モジュールは、半導体素子および導体を有する電気回路体と、放熱ベースおよび複数のフィンを有する放熱部と、前記放熱部を支持する支持部と、前記放熱ベースと前記支持部とを接続する中間部と、前記放熱ベースと前記導体との間に設けられ、前記放熱部と前記導体とを熱伝導可能に接続する介装部と、を備え、前記中間部は、前記放熱ベースとの接続部から前記電気回路体側に向けて突出する変形部を有し、前記介装部は、前記中間部の前記変形部に当接する延在部を有し、前記延在部は前記変形部に接着されている。
本発明の第2の態様によるパワー半導体モジュールの製造方法は、導体素子および導体を有する電気回路体を準備することと、複数のフィンおよび放熱ベースを有する放熱部と支持部とを中間部で接続することと、前記中間部に、前記放熱ベースとの接続部から前記電気回路体側に向けて突出する変形部を設けることと、前記放熱ベースと前記導体とを熱伝導可能な介装部により接続することと、を含み、前記放熱ベースと前記導体とを熱伝導可能な介装部により接続することは、前記介装部に、前記中間部の前記変形部が形成される領域に延在される延在部を設け、前記延在部を前記変形部に接着することを含む。
A power semiconductor module according to a first aspect of the present invention includes an electric circuit body having a semiconductor element and a conductor, a heat radiating section having a heat radiating base and a plurality of fins, a supporting section for supporting the heat radiating section, and the heat radiating base. an intermediate portion connecting the supporting portion; and an interposed portion provided between the heat radiating base and the conductor and connecting the heat radiating portion and the conductor so as to allow heat conduction, wherein the intermediate portion is a deformed portion protruding toward the electric circuit body from a connection portion with the heat dissipation base; A portion is adhered to the deformed portion.
A method for manufacturing a power semiconductor module according to a second aspect of the present invention comprises preparing an electric circuit body having conductor elements and conductors, and connecting a heat dissipating portion having a plurality of fins and a heat dissipating base to a supporting portion at an intermediate portion. providing the intermediate portion with a deformed portion that protrudes from a connection portion with the heat dissipation base toward the electric circuit body; and connecting the heat dissipation base and the conductor by an interposing portion capable of conducting heat. and connecting the heat dissipating base and the conductor by an interposing portion capable of conducting heat, wherein the interposing portion extends to a region where the deformed portion of the intermediate portion is formed. providing an extension to the deformed portion; and bonding the extension to the deformed portion.
本発明によれば、放熱部と導体とを接続する介装部の剥離を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress peeling of the interposed portion that connects the heat radiating portion and the conductor.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The following description and drawings are examples for explaining the present invention, and are appropriately omitted and simplified for clarity of explanation. The present invention can also be implemented in various other forms. Unless otherwise specified, each component may be singular or plural.
The position, size, shape, range, etc. of each component shown in the drawings may not represent the actual position, size, shape, range, etc., in order to facilitate understanding of the invention. As such, the present invention is not necessarily limited to the locations, sizes, shapes, extents, etc., disclosed in the drawings.
図1は、本発明によるパワー半導体モジュールの一実施形態の外観斜視図であり、図2(a)は、図1に図示されたパワー半導体モジュールのIIa-IIa線断面図であり、図2(b)は、図2(a)領域IIbの拡大図である。
図1に図示されるように、パワー半導体モジュール300は、内部に放熱部330および電気回路体400を収容する、扁平ボックス状のケース310を有する。ケース310
の上部には、鍔形状の水路シール部335が形成されている。水路シール部335は、環状の溝部を有し、パワー半導体モジュール300を不図示の流路形成体に挿入すると、水路シール部335は流路形成体の内面と水密に嵌合される。
電気回路体400は、ケース310内に収容された電気回路実装部と、ケース310か突出した端子実装部とを有している。
FIG. 1 is an external perspective view of an embodiment of a power semiconductor module according to the present invention, FIG. 2(a) is a sectional view taken along line IIa-IIa of the power semiconductor module shown in FIG. b) is an enlarged view of region IIb of FIG. 2(a).
As illustrated in FIG. 1 ,
A brim-shaped
The
電気回路体400の端子実装部には、大電流を入出力する複数のパワー端子、信号を入出力する複数の信号端子が設けられている。パワー端子として、正極側端子315Bおよび負極側端子319B、交流側端子320Bを有する。信号端子として、上アームゲート端子325U、下アームゲート端子325L,ミラーエミッタ信号端子325M、ケルビンエミッタ信号端子325K、温度センス信号端子325S、ミラーエミッタ信号端子325M、ケルビンエミッタ信号端子325Kを有する。複数のパワー端子および複数の信号端子が一方向から突出していることで、水路シール部335を形成しやすい特徴がある。正極側端子315Bと負極側端子319Bとは、それぞれ、2つ分岐して、交互に隣接して配置されている。これにより入出力の電流を近接させると共にインダクタンスを低減する効果を得ている。
A plurality of power terminals for inputting/outputting a large current and a plurality of signal terminals for inputting/outputting a signal are provided in the terminal mounting portion of the
図2(a)に図示されるように、ケース310は、上下一対の放熱部330と、上下一対の放熱部330を接続する左右一対の支持部334と、放熱部330と支持部334とを接続する中間部333とを有する。中間部333は、放熱部330と支持部334が交差する4つのコーナー部近傍に設けられ、4つのコーナー部近傍において、それぞれ、放熱部330と支持部334とを接続する。ケース310は、電気回路体400の電気回路実装部を収容する、大略、ボックス状の収容部を構成する。
As shown in FIG. 2A, the
放熱部330は、複数のピン状のフィン331と放熱ベース332を有する。
電気回路体400の電気回路実装部は、複数の半導体素子150と、コレクタ側導体431と、エミッタ側導体430と、封止樹脂360を有する。
The
The electric circuit mounting portion of the
上方側の放熱部330とエミッタ側導体430との間、および下方側の放熱部330とコレクタ側導体431との間には、それぞれ、介装部440が介装されている。各介装部440は、放熱部330の放熱ベース332とエミッタ側導体430に、または放熱部330の放熱ベース332とコレクタ側導体431に接着されている。
Interposed
半導体素子150とエミッタ側導体430、および半導体素子150とコレクタ側導体431とは、はんだや焼結金属などの接合材51により接合されている。
The
半導体素子150をコレクタ側導体431とエミッタ側導体430で挟む構成とすることで半導体素子150の両面からの放熱を促進することができる。半導体素子150を構成する材料としては、Siが良く用いられるが、SiC、GaN、GaO等を用いることもできる。コレクタ側導体431およびエミッタ側導体430は、電気伝導性および熱伝導性に優れる材料であれば特に制限されないが、電気伝導性、熱伝導性及びコストの点から銅系の材料が好ましい。封止樹脂360は、絶縁材料であれば特に限定されないが、トランスファーモールドで形成した樹脂が、生産性に優れるため好ましい。
By sandwiching the
図2(b)に図示されるように、中間部333は、半導体素子150側に向けて突出するV字状の変形部381を有する。変形部381は、放熱ベース332に接続される側の内側傾斜部381aおよび支持部334に接続される側の外側傾斜部381bを有する。中間部333は、放熱ベース332および支持部334よりも小さい剛性を有する。
As shown in FIG. 2B, the
また、介装部440は、図2(b)に図示されるように、エミッタ側導体430の両端からさらに延びる延在部440aを有する。延在部440aは、放熱ベース332の下面と平行に延在され、中間部333の変形部381の内側傾斜部381aに当接し、さらに内側傾斜部381aに沿って折れ曲がっている。延在部440aは、変形部381の内側傾斜部381aに接着されている。封止樹脂360、中間部333および支持部334に囲まれる領域は、空間領域である。すなわち、本実施形態の構造によれば、この空間領域に樹脂等を充填しなくても、放熱部330と導体430、431とを接続する介装部440の剥離を抑制することができる。このことについては、後述する。
In addition, the interposed
図3は、図2に図示されたパワー半導体モジュールの回路の一例を示す回路図である。
パワー半導体モジュール300は、能動素子155やダイオード156からなるスイッチング機能を有する上アーム回路305aと、能動素子157やダイオード158からなるスイッチング機能を有する下アーム回路305bを備えている。能動素子155、157として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のトランジスタが用いられる。ダイオード156、158として、SBD(Schottky Diode)、FRD(Fast Recovery Diode)等が用いられる。
3 is a circuit diagram showing an example of a circuit of the power semiconductor module shown in FIG. 2. FIG.
The
図3に図示されるように、正極側端子315Bは、コレクタ側導体431aに接続される。上アーム回路のスイッチング素子を構成する能動素子155のコレクタ電極とダイオード156のカソード電極は、コレクタ側導体431aにより電気的に接続される。能動素子155のエミッタ電極とダイオード156のアノード電極は、エミッタ側導体430aにより電気的に接続される。
As illustrated in FIG. 3, the
負極側端子319Bは、エミッタ側導体430bに電気的に接続される。下アーム回路のスイッチング素子を構成する能動素子157のエミッタ電極とダイオード158のアノード電極は、エミッタ側導体430bにより電気的に接続される。能動素子157のコレクタ電極とダイオード158のカソード電極は、コレクタ側導体431bにより電気的に接続される。コレクタ側導体431bとエミッタ側導体430aは、中間電極414(図2(a)には図示されず)を介して電気的に接続される。交流側端子320Bは、コレクタ側導体431bに電気的に接続される。ケルビンエミッタ信号端子325Kは、上アーム回路および下アーム回路それぞれの、エミッタ電極に接続される。上アーム回路のコレクタセンス信号端子325Cは、コレクタ側導体431aに電気的に接続され、下アーム回路のコレクタセンス信号端子325Cは、コレクタ側導体431bに接続される。
なお、以下において、能動素子155、157、ダイオード156、158は、半導体素子150と呼称する。また、エミッタ側導体430a、430bおよびコレクタ側導体431a、431bは、それぞれ、導体430、431と呼称する。
The
図2に図示されるパワー半導体モジュール300は、上アーム回路305aおよび下アーム回路305bを1つずつ有する。従って、図2に図示されるパワー半導体モジュール300は、2in1パッケージとして例示されている。
The
図2(a)に図示されるように、放熱部330は、介装部440により導体430、431に熱伝導可能に結合、換言すれば、熱結合されている。従って、半導体素子150が発する熱は、導体430または導体431、および介装部440を介して、効率よく放熱部330から放熱される。中間部333は、放熱ベース332および支持部334より剛性が小さい部材により形成されている。このため、熱などにより、放熱ベース332に反りなどの変形が生じると、放熱ベース332の変形と共に変形し、応力の発生を抑制する。
また、本実施形態では、放熱ベース332と導体430、431との熱膨張率の差に起因して介装部440が剥離するのを抑制する介装部剥離抑制構造を備えている。
以下、介装部剥離抑制構造について説明する。
As shown in FIG. 2A, the
In addition, in this embodiment, there is provided an interposed portion peeling suppression structure that suppresses exfoliation of the interposed
The structure for suppressing peeling of the interposed portion will be described below.
図9は、介装部が剥離する要因を説明するための模式図である。
図9は、導体430rと、放熱ベース332rとが、介装部440rにより接着されている構造を示す。導体430r、放熱ベース332r、介装部440rは、一面側が封止樹脂360rにより封止されている。導体430rは、電気抵抗が小さく、熱伝導性が良好な、例えば、銅により形成されている、放熱ベース332rは、例えば、アルミニウムなどの銅よりも熱膨張率が大きい材料により形成されている。半導体素子150が駆動され熱が発生すると、電気回路体400の温度が上昇する。このため、銅よりも熱膨張率が大きいアルミニウムにより形成された放熱ベース332rは、両側縁部が、中央部に対して上方に、換言すれば、導体430r側の反対側(図示z方向)に突出するように反る。このため、導体430rと放熱ベース332とを接着する介装部440rには、剥離方向の熱応力が作用し、介装部440rが剥離する可能性がある。
9A and 9B are schematic diagrams for explaining the factors of peeling of the interposed portion. FIG.
FIG. 9 shows a structure in which a
本実施形態では、上述したように、介装部440は、中間部333の変形部381の内側傾斜部381aに当接する延在部440aを有し、延在部440aの両端部は、放熱ベース332の変形に伴い変形する中間部333の変形部381に接着されている。変形部381の変形により、放熱ベース332と中間部333を接着する介装部440に作用する熱応力が緩和され、介装部440の剥離が抑制される。
In this embodiment, as described above, the interposing
介装部440は、高熱伝導率のフィラーを絶縁性の樹脂に高密度に混錬したものであり、硬化反応により接着性を発現する材料である。あらかじめシート状に形成したもの用いてもよいし、ペースト状のものを電気回路体400上に塗布してもよい。放熱性の点から、介装部440の熱伝導率は5W/mmk以上が必要であり、10W/mk以上であることが好ましい。介装部440は、高熱伝導率フィラーを高密度に充填するため、硬化前は常温で脆く変形を加えると割れ易いため、取り扱いに注意を要する。このことについては、パワー半導体モジュールの製造方法において説明する。
The interposed
放熱ベース332およびフィン331は、熱伝導性の高い材料であれば特に限定されないが、銅系やアルミ系の金属材料が好ましい。銅系の材料を用いる場合は、耐水性を向上するためNi等のめっきを施すことが好ましい。
The
支持部334は剛性が大きい材料であれば特に限定されない。銅系、アルミ系や鉄系の金属材料、フィラーで補強した樹脂材料等を用いることができる。耐水性を向上するためNiめっき等の被覆を施してもよい。
The supporting
中間部333は、剛性の小さい材料であれば特に限定されないが、介装部440との密着性に優れた材料が好ましい。銅系やアルミ系の金属材料やPPS(Poly Phenylene Sulfide)、PBT(Polybutylene terephthalate)、PA(polyamide)、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂の樹脂材料等を用いることができる。耐水性を向上するためNiめっき等の被覆を施してもよい。
The
放熱ベース332と、支持部334と、中間部333は、同一材料により形成してもよく、異なる材料により形成してもよい。中間部333は、放熱ベース332および支持部334より剛性を小さくすることが好ましく、同一材料により形成する場合は、放熱ベース332および支持部334より薄く形成する。
次に、パワー半導体モジュール300の製造方法の一例を説明する。
The
Next, an example of a method for manufacturing the
図4(a)~図4(c)は、図1に図示されたパワー半導体モジュールの製造方法を説明するための断面図であり、図5は、図4(a)~図4(c)に続くパワー半導体モジュールの製造方法を説明するための断面図である。
コレクタ側導体431と半導体素子150とを接合材51により接合し、半導体素子150とエミッタ側導体430とを接合材51により接合する。そして、コレクタ側導体431、エミッタ側導体430および半導体素子150の周囲を封止樹脂360により封止して、図4(a)に示す2 in 1パッケージの電気回路体400を作製する。電気回路体400の上面400aおよび下面400bは、封止樹脂360により覆われない構造とする。
4(a) to 4(c) are cross-sectional views for explaining the method of manufacturing the power semiconductor module shown in FIG. 1, and FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of a power semiconductor module which follows.
The collector-
次に、図4(b)に図示されるように、電気回路体400の上面400aおよび下面400bそれぞれに介装部440を仮固定する。仮固定には、材料自身の粘着性を利用してもよいし、未硬化の介装部440が完全硬化に達しない温度で熱圧着してもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, the interposed
一方、支持部334、放熱ベース332、中間部333が一体化され、内部に電気回路体400が収容される収容部が形成されたケース310を作製しておく。
そして、図4(c)に図示されるように、介装部440が仮固定された電気回路体400をケース310の収容部内に収容し、上下の介装部440を、それぞれ、上下の放熱ベース332に対向する位置に配置する。
On the other hand, the
Then, as shown in FIG. 4(c), the
次に、仮固定された介装部440を有する電気回路体400が収容されたケース310を、図5(a)に図示された真空圧着装置600内にセットする。
真空圧着装置600は、上下一対の圧着加工装置601を備えている。上下の圧着加工装置601は同一構造を有している。
圧着加工装置601は、複数の圧着治具603と、左右一対の変形治具604と、ベース部605と、ベース部605と、圧着治具603それぞれの間、および変形治具604それぞれの間に設けられた圧縮ばねなどの弾性部材602を備えている。
Next, the
The
The crimping
圧着治具603は、平板状部材であり、放熱部330のフィン331の上端面を、導体430、431に押し付ける。圧着治具603は、ベース部605側の反対側の端部に、突出部604aと、平坦部604bを有する。平坦部604bは、突出部604aの先端よりもベース部605側に設けられている。すなわち、平坦部604bは、突出部604aの根元に形成されており、平坦部604bと突出部604aの先端との間には、突出部604aの高さの段差がある。
The crimping
図5(a)に図示されるように、電気回路体400が収容されたケース310を真空圧着装置600内にセットした状態で、真空圧着装置600内を、介装部440の軟化温度以上、例えば、120℃以上に加熱する。
硬化前の介装部440は、常温では脆く変形すると損傷する虞があるが、軟化温度以上に加熱することで柔軟性を有するようになり、損傷することなく変形させることが可能となる。
As shown in FIG. 5( a ), in a state where the
The interposed
この後、図5(b)に図示されるように、真空圧着装置600を型締めする。真空圧着装置600の型締めにより、ベース部605が、電気回路体400が収容されたケース310側に移動(下降または上昇)する。これにより、各圧着治具603が、対向する領域に配列されたフィン331の上面を押圧し、介装部440を放熱ベース332と導体430、431間に熱圧着する。このため、放熱ベース332と導体430、431が介装部440により接着され、熱結合する。
After that, as shown in FIG. 5(b), the
また、ベース部605の移動により、中間部333が、変形治具604の突出部604aにより押圧されて半導体素子150側に突出し、変形部381が形成される。変形治具604は、平坦部604bが、放熱ベース332の周縁部上面に当接することにより、半導体素子150側への移動が規制される。
Further, due to the movement of the
放熱ベース332および中間部333を、圧着治具603および変形治具604により介装部440の軟化温度以上の温度で熱圧着することにより、介装部440の一部が延在部440aにも流動し、変形部381の内側傾斜部381aに当接する。
真空圧着装置600内を、例えば、180℃程度に昇温して介装部440の硬化反応を進行させ、接着力が発現した後、冷却し、介装部440を硬化させる。
By thermally compressing the
The inside of the vacuum
この後、真空圧着装置600を型開きして、図5(c)に図示されるように、ケース310内に、電気回路体400が一体的に接合されたパワー半導体モジュール300を取り出せば、図2に図示される完成したパワー半導体モジュール300を得ることができる。
After that, the mold of the vacuum
真空圧着装置600の圧着治具603は、放熱ベース332の全領域に設けられたフィン331を、複数の領域に分割して、それぞれ、1つの分割領域に設けられたフィン331に対向する構造としている。このため、フィン331に高さのばらつきがある場合や、放熱ベース332の反りに起因してフィン331の高さ位置にばらつきが生じた場合でも、フィン331を介して介装部440に必要な面圧を加えることが可能である。
The crimping
また、変形治具604は、中間部333に一定の圧力を加える突出部604aと、中間部333の放熱ベース332との接続部に近い部分を圧着する平坦部604bとを有している。変形治具604の半導体素子150側への移動は、平坦部604bが放熱ベース332の周縁部上面に当接することにより停止する。このため、中間部333に形成される変形部381の突出量を一定に制御することができ、過度の変形による損傷を防止することができる。
Further, the
また、中間部333の放熱ベース332との接続部に近い部分を圧着するため、反りにより、放熱ベース332が介装部440から剥離するのを抑制する効果を向上することができる。
Moreover, since the portion of the
[実施例]
図6(a)に図示される構造のパワー半導体モジュール300を作製した。パワー半導体モジュール300の構造は、図2(a)、図2(b)に図示された構造と同一である。放熱ベース332と支持部334を接続する中間部333は、放熱ベース332および支持部334より薄く形成され、変形部381を有する。放熱ベース332、支持部334および中間部333は、純アルミニウムにより形成した。導体430、431は純銅により形成した。封止樹脂360および介装部440は、純銅と同じ熱膨張率を有するフィラー含有樹脂により形成した。封止樹脂360のヤング率は14GPa、介装部440のヤング率は18GPaである。また、封止樹脂360のガラス転移温度Tgは175℃であり、介装部440のガラス転移温度Tgは150℃である。
パワー半導体モジュール300について、環境温度を常温から175℃に変化させ、解析点Yの発生応力を弾塑性解析した。
[Example]
A
About the
[比較例]
図6(b)に図示される構造を有する比較例のパワー半導体モジュール300Rを作製した。比較例のパワー半導体モジュール300Rは、放熱ベース332と支持部334を接続する中間部333rは平坦に形成され、実施例のパワー半導体モジュール300の変形部381を有していない。比較例のパワー半導体モジュール300Rも、中間部333rは、放熱ベース332および支持部334よりも薄く形成されている。上記以外は、すべて、実施例のパワー半導体モジュール300と同じである。
比較例のパワー半導体モジュール300Rについても、環境温度を常温から175℃に変化させ、解析点Yの発生応力を弾塑性解析した。
[Comparative example]
A
Also for the
図7は、弾塑性解析による比較例と実施例の発生応力の比較図である。図7は、比較例のパワー半導体モジュール300Rの解析点Yの最大主応力の値を100%とし、実施例のパワー半導体モジュール300の解析点Yの最大主応力の値を、その相対値で示したものである。
図7に示されるように、解析点Yに発生する最大主応力は、実施例のパワー半導体モジュール300では、比較例のパワー半導体モジュール300Rの30%程度に低減している。
このことから、実施例における中間部333における発生応力の低減の要因は、介装部440の延在部440aが、中間部333の変形部381の内側傾斜部381aに接着されていることであることが確認された。
FIG. 7 is a comparison diagram of generated stresses in comparative examples and examples by elastic-plastic analysis. FIG. 7 shows the value of the maximum principal stress at the analysis point Y of the
As shown in FIG. 7, the maximum principal stress generated at the analysis point Y in the
Therefore, the reason for reducing the stress generated in the
図8は、図2(b)の拡大図であり、介装部と中間部との接着を説明するための図である。
介装部440の延在部440aは、放熱ベース332の下面と平行に延在されている。延在部440aは、変形部381の内側傾斜部381aに当接して接着される。従って、
介装部440の延在部440aが変形部381の内側傾斜部381aに接着されるz方向の厚さwは、介装部440の延在部440aの、中間部333の放熱ベース332との接合部vに対応する位置でのz方向の厚さxと同一もしくはそれ以上(w≧x)であることが好ましい。
換言すれば、図8に図示されるように、介装部440の延在部440aが変形部381の内側傾斜部381aに接着されるz方向の厚さwは、介装部440の延在部440aの、中間部333の放熱ベース332との接合部vに対応する位置でのz方向の厚さxを、介装部440の延在方向に平行な投影光により変形部381に投影した射影のz方向の厚さwと同一かそれ以上であることが好ましい。これにより、介装部440の延在部440aと変形部381との接着を能率的かつ確実に行うことが可能となる。
FIG. 8 is an enlarged view of FIG. 2(b), and is a view for explaining the bonding between the interposing portion and the intermediate portion.
An extending
The z-direction thickness w at which the extending
In other words, as shown in FIG. 8, the z-direction thickness w at which the extending
上記実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)パワー半導体モジュール300は、半導体素子150および導体430、431有する電気回路体400と、放熱ベース332および複数のフィン331を有する放熱部330と、放熱部330を支持する支持部334と、放熱ベース332と導体430、431との間に設けられ、放熱部330と導体430、431とを熱伝導可能に接続する介装部440と、放熱ベース332と支持部334とを接続する中間部333とを備える。中間部333は、放熱ベース332との接続部から電気回路体400側に向けて突出する変形部381を有し、介装部440は、中間部333の変形部381に当接する延在部440aを有し、延在部440aは変形部381に接着されている。
また、パワー半導体モジュールの製造方法は、半導体素子150および導体430、431を有する電気回路体400を準備することと、複数のフィン331および放熱ベース332を有する放熱部330と支持部334とを中間部333で接続することと、中間部333に、放熱ベース332との接続部から電気回路体400側に向けて突出する変形部381を設けることと、放熱ベース332と導体430、431とを熱伝導可能な介装部440により接続することと、を含み、放熱ベース332と導体430、431とを熱伝導可能な介装部440により接続することは、介装部440に、中間部333の変形部381が形成される領域に延在される延在部440aを設け、延在部440aを変形部381に接着することを含む。このため、放熱部330と導体430、431とを接続する介装部440の剥離を抑制することができる。
According to the above embodiment, the following effects are obtained.
(1) The
In addition, the method of manufacturing a power semiconductor module includes preparing an
(2)放熱ベース332の熱膨張率は、導体430、431の熱膨張率よりも大きい。このため、半導体素子150が発する熱により電気回路体400の温度が上昇し、放熱ベース332の中間部333との接続部側が、導体430、431から離間するように放熱ベース332に反りが生じた場合でも、放熱部330と導体430、431とを接続する介装部440の剥離を抑制することができる。
(2) the coefficient of thermal expansion of the
(3)中間部333の変形部381は、放熱ベース332から支持部334に向かって延在される内側傾斜部381aと、内側傾斜部381aの端部から支持部334に向かって延在される外側傾斜部381bとを有する。換言すると、中間部333は、V字形状の断面形状を有する。このため、放熱ベース332に発生した残留応力を低減することができる。
(3) The
(4)介装部440の延在部440aが変形部381の内側傾斜部381aに接着されるz方向の厚さwは、介装部440の延在部440aの、中間部333の放熱ベース332との接合部vに対応する位置でのz方向の厚さxと同一もしくはそれ以上(w≧x)である。このため、介装部440の延在部440aと介装部440との接着の厚さ、換言すれば、接着強度を大きくすることができる。
(4) The z-direction thickness w at which the extending
(5)さらに、電気回路体400の放熱部330に対向する側に設けられ、支持部334に接続された対向放熱部330を有し、電気回路体400は、半導体素子150および導体430、431を封止する封止樹脂360を有し、中間部333と、支持部334と、封止樹脂360とにより囲まれる領域は、空間領域である。このように、中間部333と、支持部334と、封止樹脂360とにより囲まれる領域内に樹脂等の充填物を充填せず空間のままとしても、放熱部330と導体430、431とを接続する介装部440の剥離を抑制することができる。このため、空間領域に樹脂等を充填する工程を省略することができ、生産性の効率化を図ることが可能となる。
(5) Furthermore, the
図10(a)は、図1に図示されたパワー半導体モジュールを有するパワー半導体装置の外観斜視図であり、図10(b)は、図10(a)のパワー半導体装置を、Xb-Xb線で切断した斜視図である。
パワー半導体装置700は、図1に図示されたパワー半導体モジュール300を3つ、一体化したものである。パワー半導体装置700は、ケース310Aを、パワー半導体モジュール300の配列方向に延在して、3つの電気回路体400および各電気回路体400を挟む一対の放熱部330を収容する、3つのパワー半導体モジュール300の共有ケースとしている。水路シール部335Aは、3つのパワー半導体モジュール300の共有ケースであるケース310A全体の外周に、環状に形成されている。
FIG. 10(a) is an external perspective view of a power semiconductor device having the power semiconductor module shown in FIG. 1, and FIG. 10(b) shows the power semiconductor device of FIG. It is a perspective view cut at .
A
図10(b)に図示されるように、隣接するパワー半導体モジュール300間に設けられた支持部334Aには、両側のパワー半導体モジュール300の放熱ベース332に接続される2つの中間部333が形成されている。中間部333のそれぞれには、変形部381が設けられている。また、各パワー半導体モジュール300は、放熱ベース332と導体430、431を熱結合する介装部440を有する介装部剥離抑制構造を備えている。つまり、図2(a)、図2(b)に図示されるように、介装部440の延在部440aが、中間部333の変形部381に接着されている。このため、パワー半導体装置700を構成する3つのパワー半導体モジュール300は、それぞれ、実施形態の効果(1)~(5)を有する。
As shown in FIG. 10(b), two
パワー半導体装置700を構成する3つのパワー半導体モジュール300から、それぞれ、U相、V相、W相の三相交流電力が出力されるように制御する制御部(図示せず)を設けることにより、パワー半導体装置700を、例えば、モータジェネレータ等の負荷に三相交流電力を供給する電力変換装置とすることができる。
パワー半導体装置700は、3つのパワー半導体モジュール300を一体化しているので、3つのパワー半導体モジュール300を用いてモータジェネレータを駆動する場合に比し、生産性を向上することができる。
By providing a control unit (not shown) for controlling the three
Since
図11(a)は、流路形成部を有するパワー半導体装置の外観斜視図であり、図11(b)は、図11(a)のパワー半導体装置を、XIb-X1b線で切断した斜視図であり、図11(c)は、図11(b)のパワー半導体装置の流路形成部を除去した斜視図である。
パワー半導体装置700Aは、図10(a)に図示されるパワー半導体装置700に流路形成部710を設けたものである。流路形成部710は、ケース体711(図11(b)参照)と、上カバー712と下カバー713とを有する。
11(a) is an external perspective view of a power semiconductor device having a flow path forming portion, and FIG. 11(b) is a perspective view of the power semiconductor device of FIG. 11(a) cut along line XIb-X1b. , and FIG. 11C is a perspective view of the power semiconductor device of FIG.
The
上カバー712は、3つのパワー半導体モジュール300の上部側の放熱部330のフィン331を覆って設けられている。上カバー712と上部側の放熱部330との間には、冷却液が流れる上部流路721が設けられている。上カバー712の周縁部は、ケース体711にレーザ溶接等の溶接により接合されている。
下カバー713は、3つのパワー半導体モジュール300の下部側の放熱部330のフィン331を覆って設けられている。下カバー713と下部側の放熱部330との間には、冷却液が流れる下部流路722が設けられている。下カバー713の周縁部は、ケース体711にレーザ溶接等の溶接により接合されている。
The
The
ケース体711の、パワー半導体モジュール300の配列方向の両端側の支持部334それぞれの外側に、外側壁711aを有する。外側壁711aと支持部334との間には、上下連通流路723が形成されている。
The
下カバーの長手方向の一端には冷却液の流入口713aが設けられ、下カバーの長手方向の他端には冷却液の流出口713bが設けられている。流入口713aから下部流路722内に流入した冷却液は、下部側の放熱部330のフィン331間を流れ、電気回路体400の電気回路実装部を冷却する。また、下部流路722内に流入した冷却液は、上下連通流路723を介して上部流路721内に流入し、上部側の放熱部330のフィン331間を流れ、電気回路体400の電気回路実装部を冷却する。
上記実施形態の流路形成部710は、上カバー712と下カバー713を、それぞれ、ケース体711にレーザ溶接等により溶接するだけで水密な構造とすることができる。このため、流路形成部710を有するパワー半導体装置700Aの生産性を向上することができる。
A
The flow
図12は、本発明による電気回路装置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、パワー半導体モジュール300を複数個備えており、それらを接続することにより三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、更にパワー半導体モジュール300を並列接続し、これら並列接続を三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、パワー半導体モジュール300に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子155、157やダイオード156、158を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
FIG. 12 is a circuit diagram of a power converter using the electric circuit device according to the present invention.
The
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。インバータ回路部140等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
上述のように、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の能動素子155と上アーム用のダイオード156とを備えており、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の能動素子157と下アーム用のダイオード158とを備えている。能動素子155、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136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。
The
As described above, the upper arm circuit includes the upper arm
上述したように、上アーム用の能動素子155および下アーム用の能動素子157は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム用のダイオード156および下アーム用のダイオード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。図3に示すように、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、アノード電極が能動素子155、157のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、上アーム用の能動素子155および下アーム用の能動素子157のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう電流の流れが順方向となっている。
なお、能動素子としては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、上アーム用のダイオード156、下アーム用のダイオード158は不要となる。
As described above, the upper arm
A MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) may be used as the active element, and in this case, the
各上・下アーム直列回路の正極側端子315Bと負極側端子319Bとはコンデンサモジュール500のコンデンサ接続用の直流端子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し、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半導体モジュール300の交流側端子320Bに接続されている。各相の各パワー半導体モジュール300の交流側端子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または194の固定子巻線に供給される。
The
制御回路172は、車両側の制御装置やセンサ(例えば、電流センサ180)などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子155、下アームの能動素子157のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路174は、制御回路172から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子155、下アーム用の能動素子157をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。
なお、181、182、188はコネクタである。
The
181, 182 and 188 are connectors.
上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、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の能動素子155、下アーム用の能動素子157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。
The upper/lower arm series circuit includes a temperature sensor (not shown), and temperature information of the upper/lower arm series circuit is input to the microcomputer. Also, voltage information on the DC positive side of the upper and lower arm series circuits is input to the microcomputer. Based on this information, the microcomputer detects overtemperature and overvoltage, and when overtemperature or overvoltage is detected, switches all the
図13は、図12に示す電力変換装置の一例を示す外観斜視図であり、図14は、図13に示す電力変換装置のXIV-XIV線断面図である。
電力変換装置200は、下部ケース11および上部ケース10により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体12を備えている。筐体12の内部には、電気回路体400、コンデンサモジュール500(図12参照)等が収容されている。電気回路体400は冷却流路を有しており、筐体12の一側面からは、冷却流路に連通する冷却水流入管13および冷却水流出管14が突出している。
13 is an external perspective view showing an example of the power converter shown in FIG. 12, and FIG. 14 is a cross-sectional view of the power converter shown in FIG. 13 taken along line XIV-XIV.
The
図13に図示されるように、下部ケース11は、上部側が開口され、上部ケース10は、下部ケース11の開口を塞いで下部ケース11に取り付けられている。上部ケース10と下部ケース11とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース10と下部ケース11とを一体化して構成してもよい。筐体12を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産もし易い。
As shown in FIG. 13, the
筐体12の一側面に、コネクタ17が取り付けられており、このコネクタ17には、交流ターミナル18が接続されている。また、冷却水流入管13および冷却水流出管14が導出された面には、コネクタ21が設けられている。
A
図14に図示されるように、筐体12内には、パワー半導体装置700が収容されている。
パワー半導体装置700の上方には、制御回路172およびドライバ回路174が配置され、パワー半導体装置700の下方には、コンデンサモジュール500が収容されている。パワー半導体モジュール300の交流側端子320Bは、電流センサ180を貫通してバスバー361に接合されている。また、パワー半導体モジュール300の直流端子である、正極側端子315Bおよび負極側端子319Bは、それぞれ、コンデンサモジュール500の正・負極端子362A、362Bに接合される。
なお、図1に示されたパワー半導体モジュール300では、交流側端子320Bは、屈曲されておらず、ストレートに延出されている。また、正極側端子315B、負極側端子319Bは、根元側においてカットされた短い形状を有する。
As illustrated in FIG. 14 , a
A
In addition, in the
上記実施形態では、中間部333の変形部381を、内側傾斜部381aおよび外側傾斜部381bを有する断面V字状の部材として例示した。しかし、中間部333の変形部381は、内側および外側の断面がU字形状に湾曲する部材としてもよい。断面V字状の場合、内側傾斜部381aと外側傾斜部381bの傾斜角度は、同一でも良いし、異なっていてもよい。断面U字状の場合、湾曲の曲率は、同一でもよいし、異なっていてもよい。また、内側および外側が、それぞれ、平坦部と湾曲部とを有する構造であってもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、ケース310は、変形部381が形成された中間部333を、電気回路体400を挟む上下に形成した構造として例示した。しかし、本発明は、電気回路体400の一つ側面に放熱ベース332が熱結合される構造に対して幅広く適用することが可能である。
In the above-described embodiment, the
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。上述した種々の実施の形態および変形例を組み合わせたり、適宜、変更を加えたりしてもよく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. The various embodiments and modifications described above may be combined or modified as appropriate, and other aspects conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention.
150 半導体素子
172 制御回路
174 ドライバ回路
200 電力変換装置
300 パワー半導体モジュール
310,310A ケース
330 放熱部
331 フィン
332 放熱ベース
333 中間部
334、334A 支持部
360 封止樹脂
381 変形部
381a 内側傾斜部
381b 外側傾斜部
400 電気回路体
430、430a、430b エミッタ側導体
431、431a、431b コレクタ側導体
440 介装部
440a 延在部
500 コンデンサモジュール
700、700A パワー半導体装置
710 流路形成部
711 ケース体
150
Claims (9)
放熱ベースおよび複数のフィンを有する放熱部と、
前記放熱部を支持する支持部と、
前記放熱ベースと前記支持部とを接続する中間部と、
前記放熱ベースと前記導体との間に設けられ、前記放熱部と前記導体とを熱伝導可能に接続する介装部と、を備え、
前記中間部は、前記放熱ベースとの接続部から前記電気回路体側に向けて突出する変形部を有し、
前記介装部は、前記中間部の前記変形部に当接する延在部を有し、前記延在部は前記変形部に接着されているパワー半導体モジュール。 an electrical circuit body having a semiconductor element and a conductor;
a heat dissipation part having a heat dissipation base and a plurality of fins;
a supporting portion that supports the heat radiating portion;
an intermediate portion that connects the heat dissipation base and the support portion;
an interposed portion provided between the heat dissipation base and the conductor, and connecting the heat dissipation portion and the conductor in a heat conductive manner;
the intermediate portion has a deformed portion protruding from a connection portion with the heat dissipation base toward the electric circuit body;
In the power semiconductor module, the interposing portion has an extending portion that abuts on the deforming portion of the intermediate portion, and the extending portion is adhered to the deforming portion.
前記放熱ベースの熱膨張率は、前記導体の熱膨張率よりも大きいパワー半導体モジュール。 In the power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the coefficient of thermal expansion of the heat dissipation base is greater than the coefficient of thermal expansion of the conductor.
前記中間部の前記変形部は、前記放熱ベースから前記支持部に向かって延在される内側傾斜部と、前記内側傾斜部の端部から前記支持部に向かって延在される外側傾斜部とを有するパワー半導体モジュール。 In the power semiconductor module according to claim 1,
The deformed portion of the intermediate portion includes an inner slope portion extending from the heat dissipation base toward the support portion and an outer slope portion extending from an end of the inner slope portion toward the support portion. A power semiconductor module having
前記介装部の前記延在部が変形部の内側傾斜部に接着される厚さは、前記介装部の前記延在部の、前記中間部の前記放熱ベースとの接合部に対応する位置での厚さと同一もしくはそれ以上であるパワー半導体モジュール。 In the power semiconductor module according to claim 1,
The thickness at which the extending portion of the interposing portion is bonded to the inner inclined portion of the deforming portion is at a position corresponding to the joint portion of the extending portion of the interposing portion with the heat dissipation base of the intermediate portion. power semiconductor modules whose thickness is equal to or greater than the thickness of
さらに、前記電気回路体の前記放熱部に対向する側に設けられ、前記支持部に接続された対向放熱部を有し、
前記電気回路体は、前記半導体素子および前記導体を封止する封止樹脂を有し、
前記中間部と、前記支持部と、前記封止樹脂とにより囲まれる領域は、空間領域であるパワー半導体モジュール。 In the power semiconductor module according to claim 1,
further comprising a facing heat radiating portion provided on a side facing the heat radiating portion of the electric circuit body and connected to the supporting portion;
The electric circuit body has a sealing resin that seals the semiconductor element and the conductor,
A power semiconductor module in which a region surrounded by the intermediate portion, the support portion, and the sealing resin is a spatial region.
前記中間部は、前記放熱ベースおよび前記支持部より剛性が小さいパワー半導体モジュール。 In the power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the intermediate portion has lower rigidity than the heat radiation base and the support portion.
前記パワー半導体モジュールの前記半導体素子を制御して電力変換を行う制御部とを備える電力変換装置。 a power semiconductor module according to any one of claims 1 to 6;
and a control unit that controls the semiconductor element of the power semiconductor module to perform power conversion.
複数のフィンおよび放熱ベースを有する放熱部と支持部とを中間部で接続することと、
前記中間部に、前記放熱ベースとの接続部から前記電気回路体側に向けて突出する変形部を設けることと、
前記放熱ベースと前記導体とを熱伝導可能な介装部により接続することと、を含み、
前記放熱ベースと前記導体とを熱伝導可能な介装部により接続することは、前記介装部に、前記中間部の前記変形部が形成される領域に延在される延在部を設け、前記延在部を前記変形部に接着することを含むパワー半導体モジュールの製造方法。 providing an electrical circuit having semiconductor elements and conductors;
connecting a heat dissipating portion having a plurality of fins and a heat dissipating base and a supporting portion at an intermediate portion;
providing the intermediate portion with a deformed portion projecting from a connection portion with the heat dissipation base toward the electric circuit body;
connecting the heat dissipating base and the conductor with an interposed portion capable of conducting heat;
Connecting the heat dissipating base and the conductor by means of an interposed portion capable of conducting heat includes providing the interposed portion with an extension portion extending to a region where the deformed portion of the intermediate portion is formed, A method of manufacturing a power semiconductor module, including bonding the extension portion to the deformation portion.
前記複数のフィンおよび放熱ベースを有する放熱部と支持部とを中間部で接続することは、前記放熱ベースと前記支持部とが前記中間部により接続されて一体化されたケースを形成することを含むパワー半導体モジュールの製造方法。 In the method for manufacturing a power semiconductor module according to claim 8,
Connecting the heat dissipating portion having the plurality of fins and the heat dissipating base and the supporting portion at the intermediate portion means forming a case in which the heat dissipating base and the supporting portion are connected and integrated by the intermediate portion. A method of manufacturing a power semiconductor module comprising:
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