JP7196047B2 - 電気回路体、電力変換装置、および電気回路体の製造方法 - Google Patents

電気回路体、電力変換装置、および電気回路体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気回路体、電力変換装置、および電気回路体の製造方法に関する。
パワー半導体素子のスイッチングを用いた電力変換装置は、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。例えば、車載用においては、小型、軽量化のため水冷を用いた高効率な装置が採用されている。特許文献１には、ＩＧＢＴやダイオードで発生した熱が、金属接合部、セラミックス基板、伝熱シートを介して冷却器に伝達されるパワーモジュールが開示されている。
特開２０１８－２６３７０号公報
特許文献１に記載されたパワーモジュールは、高価なセラミックス基板が必要であった。
本発明の第１の態様による電気回路体は、第１パワー半導体素子を有し、前記第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟まれた回路体と、前記回路体の両面に配置される冷却部材と、少なくとも前記第２導体板と接着され、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材と、前記シート状部材と前記冷却部材との間に、前記シート状部材および前記冷却部材と接触して設けられる金属系熱伝導部材とを備え、前記回路体は、第２パワー半導体素子と、前記第２パワー半導体素子の一方の面と他方の面とを挟む第３導体板および第４導体板とを含み、前記シート状部材は、少なくとも前記第２導体板と前記第４導体板とを覆うように前記第２導体板と前記第４導体板に接着され、前記金属系熱伝導部材は、前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子との配置方向に沿って厚みが異なる領域を有する。
本発明の第２の態様による電気回路体は、第１パワー半導体素子を有し、前記第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟まれた回路体と、前記回路体の両面に配置される冷却部材と、少なくとも前記第２導体板と接着され、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材と、前記シート状部材と前記冷却部材との間に、前記シート状部材および前記冷却部材と接触して設けられる金属系熱伝導部材とを備え、前記回路体は、第２パワー半導体素子と、前記第２パワー半導体素子の一方の面と他方の面とを挟む第３導体板および第４導体板とを含み、前記シート状部材は、前記第２導体板と接着される第１のシート状部材と、前記第４導体板と接着される第２のシート状部材とを含み、前記金属系熱伝導部材は、前記第１のシート状部材と接触する部分と、前記第２のシート状部材と接触する部分とが、互いに分離して設けられ、前記金属系熱伝導部材は、前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子との配置方向に沿って厚みが異なる領域を有する。
本発明の第３の態様による電気回路体は、第１パワー半導体素子を有し、前記第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟まれた回路体と、前記回路体の両面に配置される冷却部材と、少なくとも前記第２導体板と接着され、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材と、前記シート状部材と前記冷却部材との間に、前記シート状部材および前記冷却部材と接触して設けられる金属系熱伝導部材とを備え、前記シート状部材は、前記樹脂絶縁層と金属箔からなり、前記金属箔は前記金属系熱伝導部材と接触している。
本発明による電気回路体の製造方法は、第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟み、第２パワー半導体素子の一方の面を第３導体板によって、他方の面を第４導体板によって挟み、少なくとも前記第２導体板と前記第４導体板とを覆うように、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材を前記第２導体板と前記第４導体板に接着し、前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子との配置方向に沿って、厚みが異なる領域を有する金属系熱伝導部材を前記シート状部材に接着し、前記金属系熱伝導部材に冷却部材を密着する。
本発明によれば、セラミックス基板を用いることなく、放熱性を向上できる。
図１は、電気回路体の平面図である。 図２は、電気回路体のX-X線断面図である。 図３は、電気回路体のY-Y線断面図である。 図４は、X-X線におけるパワーモジュールの断面斜視図である。 図５（ａ）～図５（ｅ）は、電気回路体の製造方法を示す断面図である。 図６（ｆ）～図６（ｈ）は、電気回路体の製造方法を示す断面図である。 図７（ｉ）～図７（ｊ）は、電気回路体の製造方法の変形例１を示す断面図である。 図８（ｋ）～図８（ｎ）は、電気回路体の製造方法の変形例２を示す断面図である。 図９は、パワーモジュールの半透過平面図である。 図１０は、パワーモジュールの回路の一例を示す回路図である。 図１１は、パワーモジュールを用いた電力変換装置の回路図である。 図１２は、電力変換装置の一例を示す外観斜視図である。 図１３は、電力変換装置のXV-XV線断面斜視図である。
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。
図１は、本実施形態による電気回路体４００の平面図、図２は、電気回路体４００の図１に示すX－X線の断面図である。図３は、電気回路体４００の図１に示すY－Y線の断面図である。
図１に示すように、電気回路体４００は、３個のパワーモジュール３００と冷却部材３４０からなる。パワーモジュール３００は、半導体素子を用い直流電流と交流電流を変換する機能があり、通電により発熱する。このため、冷却部材３４０の中に冷媒を流通して冷却する構造としている。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。なお、冷却部材３４０は、ピン状のフィンが冷却部材３４０のベース板に立設された構成であってもよい。また、冷却部材３４０は、後述の金属系熱伝導部材４５０との接触面に凹凸を設け、金属系熱伝導部材４５０に食い込ませるようにしてもよい。
パワーモジュール３００は、直流回路のコンデンサモジュール５００(後述の図１１参照)に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４(後述の図１１参照)に連結する交流側端子３２０Ｂ等の大電流が流れるパワー端子を備えている。また、下アームゲート信号端子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、上アームゲート信号端子３２５Ｕ、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等のパワーモジュールの制御に用いる信号端子等を備えている。
図２に示すように、上アーム回路を形成する第１パワー半導体素子として、第１能動素子１５５、第１ダイオード１５６を備える。第１能動素子１５５は、例えばIGBT、MOSFETなどであり、MOSFETの場合は第１ダイオード１５６は不要である。第１能動素子１５５を構成する半導体材料としては、例えば、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子のボディダイオードを用いる場合は、第１ダイオード１５６を省略してもよい。後述の第２能動素子１５７を構成する半導体材料も同様である。
第１能動素子１５５のコレクタ側および第１ダイオード１５６のカソード側は、第１導体板４３０に接合されている。この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。また、第１導体板４３０は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためNiやAg等のめっきを施してもよい。
第１能動素子１５５のエミッタ側および第１ダイオード１５６のアノード側には第２導体板４３１が接合されている。すなわち、第１能動素子１５５は、その一方の面を第１導体板４３０に、他方の面を第２導体板４３１によって挟まれて回路体３１０を構成する。
図４は、図１に示すX-X線におけるパワーモジュール３００の断面斜視図であり、電気回路体４００から冷却部材３４０および金属系熱伝導部材４５０を取り除いた状態を示す。図４に示すように、第２導体板４３１は、絶縁距離を確保するため第１能動素子１５５および第１ダイオード１５６と接続する領域の外周に凹みを有する。この凹みは、低コスト化のためプレス加工で形成することが望ましい。プレス加工で凹みを設けると、その裏面にこれに対応した変形が生じる。このため、図２に示すように、第２導体板４３１は冷却部材３４０と接する側に所定の反り量、例えば40μmの反りを持つ。
図３に示すように下アーム回路を形成する第２パワー半導体素子として、第２能動素子１５７、第２ダイオード１５８(後述の図９、図１０参照)を備える。なお、第２ダイオード１５８は図３に示す第２能動素子１５７の奥側に配置される。第２能動素子１５７のコレクタ側および第２ダイオード１５８のカソード側は、第３導体板４３２に接合されている。第２能動素子１５７のエミッタ側および第２ダイオード１５８のアノード側には第４導体板４３３が接合されている。第４導体板４３３は、第２導体板４３１と同様に冷却部材３４０と接する側に反りを持つ。また、第２導体板４３１と第４導体板４３３は、独立した導体板のためパワー半導体素子との接合時に異なる傾斜を持つ。このように、第２導体板４３１と第４導体板４３３は、単体として冷却部材３４０と接する側に所定の反り量（例えば40μm）の反りを持つだけでなく、図３に示すように、第１パワー半導体素子（第１能動素子１５５)から第２パワー半導体素子（第２能動素子１５７)の配列方向にみると、第２導体板４３１と第４導体板４３３では冷却部材３４０と接する側に段差を持ち、最大の高さばらつきは例えば120μmである。
一般に、第２導体板４３１、第４導体板４３３を絶縁層のみを介して冷却部材３４０と接する場合、絶縁性が確保できる絶縁層の厚さを120μmとすると、段差や反りにより生じた120μmの高さのばらつきを吸収するには、絶縁層の厚さを240μmに厚くする必要がある。絶縁層は、金属に比べ熱伝導率が低いため、絶縁層を厚くすると熱抵抗が大きくなり放熱性が著しく低下する。
これに対し、本実施形態では、図２に示すように、樹脂絶縁層４４１と金属箔４４２を有するシート状部材４４０を用いる。シート状部材４４０が、第２導体板４３１、第４導体板４３３の反りや段差に追従し変形することで、樹脂絶縁層４４１の厚さを絶縁性が確保できる例えば120μmの一定厚さにできる。シート状部材４４０と、冷却部材３４０の間に、例えば厚さ120μmの金属系熱伝導部材４５０を介在させ塑性変形させることで、金属系熱伝導部材４５０の厚さを変化させて、第２導体板４３１、第４導体板４３３に生じた反りや段差を吸収する。これにより、導体板を絶縁層のみを介して冷却部材３４０と接する場合に比べ、放熱性が著しく向上した。シート状部材４４０の樹脂絶縁層４４１は、第２導体板４３１、第４導体板４３３と接着性を有するものであれば特に限定されないが、粉末状の無機充填剤を分散したエポキシ樹脂系樹脂絶縁層が望ましい。これは、接着性と放熱性のバランスが良いためである。
回路体３１０は、第１能動素子１５５の一方の面を第１導体板４３０によって、他方の面を第２導体板４３１によって挟まれて構成されるが、さらに、この回路体３１０の両面をシート状部材４４０によって挟んでパワーモジュール３００を形成する。
シート状部材４４０は、樹脂絶縁層４４１単体でもよいが、金属系熱伝導部材４５０と接する側に金属箔４４２を設けることが望ましい。金属箔４４２は金属系熱伝導部材４５０と金属接合する。金属箔４４２を設けることで、シート状部材４４０が、第２導体板４３１、第４導体板４３３の反りや段差に追従し変形する際、硬化前の樹脂絶縁層４４１が割れるのを防止できる効果がある。金属箔４４２の種類は特に限定されないがアルミ系又は銅系が望ましい。特に銅系は金属系熱伝導部材４５０と合金層を形成して接触熱抵抗を低減できる効果がある。冷却部材３４０は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。冷却部材３４０は、押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。
金属系熱伝導部材４５０は、200℃以下の降伏点が、冷却部材３４０より低い材料であれば特に限定されないが、冷却部材３４０よりヤング率が低い材料がより好ましい。降伏点が明確でない場合、0.2％耐力点で比較してもよい。これは、冷却部材３４０を介して金属系熱伝導部材４５０を加熱、加圧することで、金属系熱伝導部材４５０を塑性変形させるためである。塑性変形された金属系熱伝導部材４５０は、第１能動素子１５５と第１ダイオード１５６、および第２能動素子１５７と第２ダイオード１５８との配置方向（図４の左右方向）に沿って、前述の第２導体板４３１や第４導体板４３３の反り量に応じてその厚みが異なる領域を有する。また、第１能動素子１５５と第２能動素子１５７、および第２能動素子１５７と第２ダイオード１５８との配置方向（図２の奥行き方向）に沿って、前述の第２導体板４３１と第４導体板４３３との段差に応じてその厚みが異なる領域を有する。
金属系熱伝導部材４５０としては、アルミ系合金、スズ系合金、マグネシウム系合金、インジウム系合金、銀系合金、金系合金またはこれらの純金属を用いることができる。これらの中でインジウムは、高価であるが、ヤング率、降伏点の両方が低く好ましい。一方、スズ系合金は、インジウムに比べ、ヤング率、降伏点は高いものの、アルミ系冷却部材に比べヤング率、降伏点が低く最も好ましい。
パワーモジュール３００は、回路体３１０の両面をシート状部材４４０で挟んで形成されるが、さらに、シート状部材４４０に金属系熱伝導部材４５０を接着し、金属系熱伝導部材４５０に冷却部材３４０を密着して電気回路体４００が形成される。
図２から図４に示すように、各パワー半導体素子及び第１導体板４３０～第４導体板４３３の一部はトランスファーモールド成型により封止樹脂３６０で被覆し保護している。シート状部材４４０を含めてトランスファーモールドしても良いし、トランスファーモールド後、シート状部材４４０を接着してもよい。シート状部材４４０を含めてトランスファーモールドした方が、シート状部材４４０の端部が封止樹脂３６０で被覆されることで信頼性が向上する効果がある。
図２、図３に示すように、金属系熱伝導部材４５０の外周は、接着部材４６０でシールしてもよい。これにより、金属系熱伝導部材４５０を冷却部材３４０に密着した状態で保持できる。また、接着部材４６０でシールすることで金属系熱伝導部材４５０の一部が周囲に飛散するのを防止できる。封止樹脂３６０の外周部に段差を設けることで、接着部材４６０が、金属系熱伝導部材４５０の間に侵入するのを防止することができる。接着部材４６０は、接着性を有する絶縁材料であれば特に限定されないが、塗布面からの流出が少ないよう、ずり速度比1（1/s)の粘度をずり速度比10（1/s）の粘度で除し求めたチキソ性が1.5以上の材料が望ましい。なかでも、シリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂が望ましい。とくにシリコーン系樹脂は弾性率が低いため熱応力が低く望ましい。
図５（ａ）～（ｅ）、図６（ｆ）～（ｈ）は、本実施形態の電気回路体４００の製造方法を示す断面図である。各図の左側に図１に示すX-X断面を、各図の右側に図１に示すY-Y断面の１パワーモジュール分を示す。
図５（ａ）は、第１導体板４３０、第３導体板４３２へのはんだ接続工程である。第１導体板４３０に第１能動素子１５５のコレクタ側および第１ダイオード１５６のカソード側を接続する。また、第３導体板４３２に第２能動素子１５７のコレクタ側および第２ダイオード１５８のカソード側を接続する。なお、第２ダイオード１５８は第２能動素子１５７の奥側に配置される。
図５（ｂ）は、ワイヤボンディング工程である。第１能動素子１５５、第２能動素子１５７のゲート電極を接続する。
図５（ｃ）は、第２導体板４３１、第４導体板４３３のはんだ接続工程である。第１能動素子１５５のエミッタ側および第１ダイオード１５６のアノード側を第２導体板４３１に接続する。第２能動素子１５７のエミッタ側および第２ダイオード１５８のアノード側を第４導体板４３３に接続する。これにより回路体３１０が形成される。
図５（ｄ）は、シート状部材４４０の圧着工程である。第１導体板４３０および第３導体板４３２と、第２導体板４３１および第４導体板４３３とを両側から挟むようにシート状部材４４０を各導体板に接着する。なお、シート状部材４４０は、第２導体板４３１および第４導体板４３３を覆う１枚のシート状部材４４０としたが、第２導体板４３１と第４導体板４３３との各々を別々のシート状部材４４０で覆う構成にしてもよい。
図５（ｅ）は、トランスファーモールド工程である。スプリング６０２とクッションシート６０３を備えたトランスファーモールド装置６０１で、第２導体板４３１および第４導体板４３３を覆うシート状部材４４０は、トランスファーモールド工程で一体成型する。また、トランスファーモールド工程において、シート状部材４４０の表面に封止樹脂３６０が回り込まないよう加圧して、封止樹脂３６０を注入する。
図６（ｆ）は、タイバーカット工程である。トランスファーモールド装置６０１から取り出し、図示していないタイバーを切断し、各端子を形成する。これにより、端子が形成され、樹脂絶縁層４４１と金属箔４４２よりなるシート状部材４４０を備えたパワーモジュール３００が形成される。
図６（ｇ）は金属系熱伝導部材４５０の設置及び接着部材４６０の塗布工程である。シート状部材４４０に金属系熱伝導部材４５０を設置し、加熱、加圧することで金属系熱伝導部材４５０と金属箔４４２界面に合金層を形成し、この後、接着部材４６０を塗布する。金属箔４４２界面に合金層を形成することで金属系熱伝導部材４５０との接触熱抵抗が低減できる。金属系熱伝導部材４５０はその断面形状において中央部が太く、両端が細く形成されている。金属系熱伝導部材４５０の両端は接着部材４６０と接触する。
なお、金属系熱伝導部材４５０は、第２導体板４３１および第４導体板４３３を覆う１枚の部材を例に説明したが、第２導体板４３１と第４導体板４３３との各々を覆う部材で構成してもよい。その場合は前述のように、第２導体板４３１と第４導体板４３３とを別々のシート状部材４４０で覆う構成とすることが好ましい。すなわち、金属系熱伝導部材４５０は、第２導体板４３１と接着されるシート状部材４４０と接触する部分と、第４導体板４３３と接着されるシート状部材４４０と接触する部分とを、互いに分離して設けるようにしてもよい。このようにしても、金属系熱伝導部材４５０がそれぞれ塑性変形されることで、第２導体板４３１、第４導体板４３３に生じた反りや段差を吸収し、放熱性の向上を図ることができる。
図６（ｈ）は、冷却部材３４０の密着工程である。冷却部材３４０を金属系熱伝導部材４５０及び接着部材４６０に密着させる。この時、加熱加圧することで、冷却部材３４０と金属系熱伝導部材４５０の接触熱抵抗を低減し、また接着部材４６０を硬化させる。これにより、電気回路体４００が形成される。
図７（ｉ）～（ｊ）は、本実施形態の電気回路体４００の製造方法の変形例１を示す断面図である。各図の左側に図１に示すX-X断面を、各図の右側に図１に示すY-Y断面の１パワーモジュール分を示す。
変形例１の製造方法においても、既に述べた図６（ｆ）までは同様であり、その説明を省略する。
図７（ｉ）は、金属系熱伝導部材４５０の設置工程である。シート状部材４４０に金属系熱伝導部材４５０を設置する。変形例１では接着部材４６０を用いない。金属系熱伝導部材４５０は断面が直方体形状である。
図７（ｊ）は、冷却部材３４０の密着工程である。冷却部材３４０を金属系熱伝導部材４５０に密着させる。この時、加熱加圧することで、冷却部材３４０と金属系熱伝導部材４５０の接触熱抵抗を低減させる。これにより、電気回路体４００が形成される。
図８（ｋ）～（ｎ）は、本実施形態の電気回路体の製造方法の変形例２を示す断面図である。各図の左側に図１に示すX-X断面を、各図の右側に図１に示すY-Y断面の１パワーモジュール分を示す。
変形例２の製造方法においても、既に述べた図６（ｆ）までは同様であり、その説明を省略する。
図８（ｋ）は金属系熱伝導部材４５０の塗布工程である。シート状部材４４０に溶融した金属系熱伝導部材４５０を塗布する。溶融した金属系熱伝導部材４５０を塗布することで金属箔４４２と合金層を形成し接触熱抵抗を低減できる。また、溶融した金属系熱伝導部材４５０を塗布することで、シート状で設置するより低コスト化できる。
図８（ｌ）は、金属系熱伝導部材４５０の平坦化工程である。加熱した変形治具６０４を用い、塗布した金属系熱伝導部材４５０を溶融状態で平坦化する。
図８（ｍ）に、平坦化された後の金属系熱伝導部材４５０の断面を示す。
図８（ｎ）は、冷却部材３４０の密着工程である。冷却部材３４０を金属系熱伝導部材４５０に密着させる。この時、加熱加圧することで、冷却部材３４０と金属系熱伝導部材４５０の接触熱抵抗を低減させる。これにより、電気回路体４００が形成される。
図９は、パワーモジュール３００の半透過平面図である。図１では３個のパワーモジュール３００を図示したが、図９は１個のパワーモジュール３００を例に示す。図１０は、１個のパワーモジュール３００の回路図である。
図９、図１０に示すように、上アーム回路は、上アーム回路の第１能動素子１５５と第１ダイオード１５６とを有する。下アーム回路は、下アーム回路の第２能動素子１５７と第２ダイオード１５８とを有する。第１能動素子１５５、第２能動素子１５７は、例えばＩＧＢＴである。
図９、図１０に示すように、正極側端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、正極側端子３１５Ｂは、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。上アームゲート信号端子３２５Ｕは、上アーム回路の第１能動素子１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。負極側端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、負極側端子３１９Ｂは、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。下アームゲート信号端子３２５Ｌは、下アーム回路の第２能動素子１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。交流側端子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。
図９に示すように、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、下アームゲート信号端子３２５Ｌ、ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、上アームゲート信号端子３２５Ｕなどの端子が設けられている。また、上アーム回路コレクタ側には第１導体板４３０、上アーム回路エミッタ側には第２導体板４３１、下アーム回路コレクタ側には第３導体板４３２、下アーム回路エミッタ側には第４導体板４３３が設けられ、封止樹脂３６０で封止されている。
本実施形態のパワーモジュールは、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つのパワー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、３つのアーム回路を１つのパワーモジュールに一体化した構造である３ｉｎ１構造、４つのアーム回路を１つのパワーモジュールに一体化した構造である４ｉｎ１構造、６つのアーム回路を１つのパワーモジュールに一体化した構造である６ｉｎ１構造等であってもよい。これらの構造を用いた場合、パワー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。
また、本実施形態では、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つのパワーモジュールに一体化した構造で説明したが、本実施形態を上アーム回路もしくは下アーム回路を、１つのパワーモジュールに一体化した構造に適用してもよい。すなわち、少なくとも１つのパワー半導体素子を有し、パワー半導体素子の両面にそれぞれ配置された導体板によってパワー半導体素子が挟まれたパワーモジュールと冷却部材とを接合する際に、本実施形態で説明したシート状部材４４０と金属系熱伝導部材４５０を用いることで、冷却部材との接合面における導体板の反りや段差を吸収することができる。これにより、従来の構造と比べて、放熱性を向上した電気回路体を構成することができる。
図１１は、パワーモジュールを用いた電力変換装置２００の回路図である。
図１１に示すように、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を複数個備えており、それらを接続することにより三相インバータ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。
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し、モータジェネレータ１９２、１９４を駆動する。
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のカソード電極が能動素子（ＩＧＢＴ）１５５、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。
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３６２Ａ、３６２Ｂ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。
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。
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制御回路１７２に入力される。また、制御回路１７２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。制御回路１７２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。
図１２は、図１１に示す電力変換装置の一例を示す外観斜視図であり、図１３は、図１２に示す電力変換装置のXV-XV線断面図である。
図１２に示すように、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。図１２に示すように、下部ケース１１は、上部側（Ｚ方向）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、製造も容易になる。
図１２に示すように、筐体１２の長手方向の一側面に、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。
図１３に示すように、筐体１２内には、電気回路体４００が収容されている。電気回路体４００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、電気回路体４００の直流端子側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。コンデンサモジュールを電気回路体４００と同一高さに配置することで、電力変換装置２００を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体４００の交流側端子３２０Ｂは、電流センサ１８０を貫通してコネクタ１８８に接続されている。
本実施形態によれば、第２導体板４３１、第４導体板４３３に反りや傾斜があっても、熱伝導率の低い樹脂絶縁層４４１を含むシート状部材４４０は、一定厚さで第２導体板４３１、第４導体板４３３の反りや傾斜に追従し、かつ接着し、一方、熱伝導率の高い金属系熱伝導部材４５０は、その厚さが変化することで冷却部材３４０と密着し、放熱性が向上する。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電気回路体４００は、第１パワー半導体素子(第１能動素子１５５)を有し、第１パワー半導体素子(第１能動素子１５５)の一方の面を第１導体板４３０によって、他方の面を第２導体板４３１によって挟まれた回路体３１０と、回路体３１０の両面に配置される冷却部材３４０と、少なくとも第２導体板４３１と接着され、少なくとも樹脂絶縁層４４１を有するシート状部材４４０と、シート状部材４４０と冷却部材３４０との間に、シート状部材４４０および冷却部材３４０と接触して設けられる金属系熱伝導部材４５０とを備えた。これにより、セラミックス基板を用いることなく、放熱性を向上できる。
（２）電気回路体４００の製造方法は、第１パワー半導体素子(第１能動素子１５５)の一方の面を第１導体板４３０によって、他方の面を第２導体板４３１によって挟み、第２パワー半導体素子(第２能動素子１５７)の一方の面を第３導体板４３２によって、他方の面を第４導体板４３３によって挟み、少なくとも第２導体板４３１と第４導体板４３３とを覆うように、少なくとも樹脂絶縁層４４１を有するシート状部材４４０を第２導体板４３１と第４導体板４３３に接着し、第１パワー半導体素子(第１能動素子１５５)と第２パワー半導体素子(第２能動素子１５７)との配置方向に沿って、厚みが異なる領域を有する金属系熱伝導部材４５０をシート状部材４４０に接着し、金属系熱伝導部材４５０に冷却部材３４０を密着する。これにより、セラミックス基板を用いることなく、放熱性を向上できる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
１０ 上部ケース
１１ 下部ケース
１３ 冷却水流入管
１４ 冷却水流出管
１７、２１、１８１、１８２、１８８ コネクタ
１８ 交流ターミナル
４３、１４０、１４２ インバータ回路部
１５５ 第１能動素子
１５６ 第１ダイオード
１５７ 第２能動素子
１５８ 第２ダイオード
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１８０ 電流センサ
１９２、１９４ モータジェネレータ
２００ 電力変換装置
３００ パワーモジュール
３１０ 回路体
３１５Ｂ 正極側端子
３１９Ｂ 負極側端子
３２０Ｂ 交流側端子
３２５ 信号端子
３２５Ｋ ケルビンエミッタ信号端子
３２５Ｌ 下アームゲート信号端子
３２５Ｍ ミラーエミッタ信号端子
３２５Ｕ 上アームゲート信号端子
３４０ 冷却部材
３６０ 封止樹脂
４００ 電気回路体
４３０ 第１導体板（上アーム回路コレクタ側）
４３１ 第２導体板（上アーム回路エミッタ側）
４３２ 第３導体板（下アーム回路コレクタ側）
４３３ 第４導体板（下アーム回路エミッタ側）
４４０ シート状部材
４４１ 樹脂絶縁層
４４２ 金属箔
４５０ 金属系熱伝導部材
４６０ 接着部材
５００ コンデンサモジュール
６０１ トランスファーモールド装置
６０２ スプリング
６０３ クッションシート
６０４ 変形治具

Claims (14)

  1. 第１パワー半導体素子を有し、前記第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟まれた回路体と、
    前記回路体の両面に配置される冷却部材と、
    少なくとも前記第２導体板と接着され、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材と、
    前記シート状部材と前記冷却部材との間に、前記シート状部材および前記冷却部材と接触して設けられる金属系熱伝導部材とを備え、
    前記回路体は、第２パワー半導体素子と、前記第２パワー半導体素子の一方の面と他方の面とを挟む第３導体板および第４導体板とを含み、
    前記シート状部材は、少なくとも前記第２導体板と前記第４導体板とを覆うように前記第２導体板と前記第４導体板に接着され、
    前記金属系熱伝導部材は、前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子との配置方向に沿って厚みが異なる領域を有する電気回路体。
  2. 第１パワー半導体素子を有し、前記第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟まれた回路体と、
    前記回路体の両面に配置される冷却部材と、
    少なくとも前記第２導体板と接着され、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材と、
    前記シート状部材と前記冷却部材との間に、前記シート状部材および前記冷却部材と接触して設けられる金属系熱伝導部材とを備え、
    前記回路体は、第２パワー半導体素子と、前記第２パワー半導体素子の一方の面と他方の面とを挟む第３導体板および第４導体板とを含み、
    前記シート状部材は、前記第２導体板と接着される第１のシート状部材と、前記第４導体板と接着される第２のシート状部材とを含み、
    前記金属系熱伝導部材は、前記第１のシート状部材と接触する部分と、前記第２のシート状部材と接触する部分とが、互いに分離して設けられ、
    前記金属系熱伝導部材は、前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子との配置方向に沿って厚みが異なる領域を有する電気回路体。
  3. 請求項１または請求項２に記載の電気回路体において、
    前記金属系熱伝導部材は、前記冷却部材より降伏点が低い電気回路体。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電気回路体において、
    前記金属系熱伝導部材の外周に接着部材を有する電気回路体。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電気回路体において、
    前記シート状部材は、前記樹脂絶縁層と金属箔からなり、前記金属箔は前記金属系熱伝導部材と接触している電気回路体。
  6. 第１パワー半導体素子を有し、前記第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟まれた回路体と、
    前記回路体の両面に配置される冷却部材と、
    少なくとも前記第２導体板と接着され、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材と、
    前記シート状部材と前記冷却部材との間に、前記シート状部材および前記冷却部材と接触して設けられる金属系熱伝導部材とを備え、
    前記シート状部材は、前記樹脂絶縁層と金属箔からなり、前記金属箔は前記金属系熱伝導部材と接触している電気回路体。
  7. 請求項５または６に記載の電気回路体において、
    前記金属箔は前記金属系熱伝導部材と金属接合している電気回路体。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電気回路体と、
    前記電気回路体を組み合わせて構成されたインバータ回路部と、
    を備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。
  9. 第１パワー半導体素子の一方の面を第１導体板によって、他方の面を第２導体板によって挟み、第２パワー半導体素子の一方の面を第３導体板によって、他方の面を第４導体板によって挟み、
    少なくとも前記第２導体板と前記第４導体板とを覆うように、少なくとも樹脂絶縁層を有するシート状部材を前記第２導体板と前記第４導体板に接着し、
    前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子との配置方向に沿って、厚みが異なる領域を有する金属系熱伝導部材を前記シート状部材に接着し、
    前記金属系熱伝導部材に冷却部材を密着する電気回路体の製造方法。
  10. 請求項９に記載の電気回路体の製造方法において、
    前記金属系熱伝導部材の外周に接着部材を塗布する電気回路体の製造方法。
  11. 請求項９に記載の電気回路体の製造方法において、
    前記シート状部材は、前記樹脂絶縁層と金属箔からなり、前記金属箔は前記金属系熱伝導部材と接触する電気回路体の製造方法。
  12. 請求項１１に記載の電気回路体の製造方法において、
    前記金属箔は前記金属系熱伝導部材と金属接合する電気回路体の製造方法。
  13. 請求項９に記載の電気回路体の製造方法において、
    前記第２導体板側および前記第４導体板側の前記シート状部材は、トランスファーモールドにより一体成型する電気回路体の製造方法。
  14. 請求項１１に記載の電気回路体の製造方法において、
    前記金属系熱伝導部材を溶融して前記金属箔に接合し、前記金属系熱伝導部材の表面を平坦化処理した後、前記冷却部材を密着する電気回路体の製造方法。
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