JP7378379B2 - パワー半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

本開示は、パワー半導体モジュール及び電力変換装置に関する。
特開平１１－３３０３２８号公報（特許文献１）は、チップ実装基板と、外囲ケースと、ＩＧＢＴチップからなる半導体素子と、ヒートシンクとを備える半導体モジュールを開示している。チップ実装基板は、セラミック基板と、セラミック基板に接合されている銅薄板とを含む。チップ実装基板は、熱伝導性グリースを介して、ヒートシンクに密着されている。外囲ケースは、側壁部と、側壁部の上端からチップ実装基板の上方に張り出した張り出し部とを含む。外囲ケースの側壁部は、ヒートシンクに取り付けられている。外囲ケースの張り出し部は、チップ実装基板の周縁部に接触している。
特開平１１－３３０３２８号公報
しかし、特許文献１に開示されたパワーモジュールでは、ヒートシンクをチップ実装基板及び外囲ケースに取り付ける際に、セラミック基板が破損することがあった。本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁基板の破損が防止され得るパワー半導体モジュール及び電力変換装置を提供することである。
本開示のパワー半導体モジュールは、パワー半導体アセンブリと、伝熱部材とを備える。パワー半導体アセンブリは、回路基板と、パワー半導体素子と、ケースとを含む。回路基板は、第１主面を有する絶縁基板と、絶縁基板の第１主面上に設けられている導電回路パターンとを含む。パワー半導体素子は、導電回路パターン上に搭載されている。ケースは、筒体と、張り出し部とを含む。筒体は、パワー半導体素子と、導電回路パターンとを収容する。張り出し部は、筒体から筒体の内側に向けて張り出しており、かつ、絶縁基板の第１主面または導電回路パターンに直接的または間接的に接触している。パワー半導体アセンブリは、ヒートシンクが取り付けられる第１取り付け面を有している。回路基板は、伝熱部材が取り付けられる第２取り付け面を有している。第１取り付け面と第２取り付け面とは、絶縁基板に対してパワー半導体素子から遠位する側にある。第２取り付け面は、導電回路パターン及び絶縁基板の積層方向において、第１取り付け面から奥まっている。第１取り付け面からの第２取り付け面の最大後退距離は、伝熱部材を押圧しないときの伝熱部材の原厚さより小さく、かつ、伝熱部材を伝熱部材の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材の下限厚さより大きい。
本開示の電力変換装置は、主変換回路と、制御回路とを備える。主変換回路は、本開示のパワー半導体モジュールを有し、かつ、入力される電力を変換して出力するように構成されている。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力するように構成されている。
本開示のパワー半導体モジュール及び電力変換装置では、第２取り付け面は、導電回路パターン及び絶縁基板の積層方向において、第１取り付け面から奥まっている。第１取り付け面からの第２取り付け面の最大後退距離は、伝熱部材を押圧しないときの伝熱部材の原厚さより小さく、かつ、伝熱部材を伝熱部材の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材の下限厚さより大きい。そのため、ヒートシンクを第１取り付け面に取り付けて伝熱部材が圧縮されても、伝熱部材から絶縁基板に過大な応力が印加されることが防止される。本開示のパワー半導体モジュール及び電力変換装置によれば、絶縁基板の破損が防止され得る。
実施の形態１のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 伝熱部材の概略図である。 実施の形態１の変形例のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの製造方法の第一の例の一工程を示す概略断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの製造方法の第二の例の一工程を示す概略断面図である。 実施の形態１のパワー半導体モジュールの製造方法の第二の例における、図５に示される工程の次工程を示す概略断面図である。 実施の形態２のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態２の変形例のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態３のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態４のパワー半導体モジュールの概略底面図である。 実施の形態４のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態４の変形例のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態５のパワー半導体モジュールの概略底面図である。 実施の形態５の変形例のパワー半導体モジュールの概略底面図である。 実施の形態６のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態６の変形例のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態７のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態７の変形例のパワー半導体モジュールの概略断面図である。 実施の形態８に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１及び図２を参照して、実施の形態１のパワー半導体モジュール１を説明する。パワー半導体モジュール１は、パワー半導体アセンブリ２と、伝熱部材４０とを備える。
パワー半導体アセンブリ２は、回路基板１０と、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂと、ケース２０とを主に含む。パワー半導体アセンブリ２は、封止部材３５をさらに含んでもよい。パワー半導体アセンブリ２は、ブッシュ２７をさらに含んでもよい。
回路基板１０は、絶縁基板１１と、導電回路パターン１２とを含む。回路基板１０は、導電板１３をさらに含んでもよい。
絶縁基板１１は、第１主面１１ａと、第１主面１１ａとは反対側の第２主面１１ｂと、第１主面１１ａと第２主面１１ｂとを接続する側面１１ｓとを有する。第１主面１１ａと第２主面１１ｂとは、各々、第１方向（ｘ方向）と、第１方向に垂直な第２方向（ｙ方向）とに延在している。第１主面１１ａと第２主面１１ｂとは、第１方向（ｘ方向）及び第２方向（ｙ方向）に垂直な第３方向（ｚ方向）において、互いに離間されている。側面１１ｓは、第２方向（ｙ方向）と、第３方向（ｚ方向）とに延在している。絶縁基板１１は、例えば、セラミックス基板である。具体的には、絶縁基板１１は、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ホウ素（ＢＮ）のような無機セラミックス材料で形成されている。
導電回路パターン１２は、絶縁基板１１の第１主面１１ａ上に設けられている。絶縁基板１１と導電回路パターン１２とは、第３方向（ｚ方向）において積層されている。導電板１３は、絶縁基板１１の第２主面１１ｂ上に設けられている。絶縁基板１１と導電板１３とは、第３方向（ｚ方向）において積層されている。導電回路パターン１２及び導電板１３は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）のような導電性金属材料で形成されている。
パワー半導体素子１８ａ，１８ｂは、導電回路パターン１２上に搭載されている。具体的には、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂは、はんだまたは金属微粒子焼結体のような導電接合部材１９ａ，１９ｂを用いて、導電回路パターン１２上に接合されている。パワー半導体素子１８ａ，１８ｂは、特に限定されないが、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）またはダイオードである。パワー半導体素子１８ａ，１８ｂは、例えば、シリコン（Ｓｉ）、または、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）もしくはダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体材料で主に形成されている。
ケース２０は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂと、導電回路パターン１２とを収容する。ケース２０は、絶縁基板１１をさらに収容してもよく、絶縁基板１１の側面１１ｓはケース２０に接触してもよい。ケース２０は、導電板１３をさらに収容してもよい。ケース２０は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはアクリル樹脂のような絶縁樹脂で形成されている。
具体的には、ケース２０は、筒体２１と、フランジ２２と、張り出し部２３とを含む。筒体２１は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂと、導電回路パターン１２とを収容する。筒体２１は、導電板１３をさらに収容してもよい。筒体２１は、伝熱部材４０の少なくとも一部をさらに収容してもよい。
フランジ２２は、伝熱部材４０に近位する筒体２１の一方端に接続されている。フランジ２２は、筒体２１の一方端から筒体２１の外側に向けて延在している。パワー半導体アセンブリ２には、ねじまたはボルトのような締結部材５２（図３を参照）が挿入されかつ第１取り付け面２５に達する孔２９が設けられている。孔２９の少なくとも一部は、ケース２０に設けられている。具体的には、ケース２０（フランジ２２）には、貫通孔２８が設けられている。本実施の形態では、孔２９は、貫通孔２８である。
パワー半導体アセンブリ２は、締結部材５２（図３を参照）を用いてヒートシンク５０（図３を参照）が取り付けられる第１取り付け面２５を有している。第１取り付け面２５は、絶縁基板１１に対してパワー半導体素子１８ａ，１８ｂとは反対側にある。具体的には、ケース２０（フランジ２２）は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において絶縁基板１１から遠位する裏面２４を有する。本実施の形態では、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４が、第１取り付け面２５である。
張り出し部２３は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂに近位する筒体２１の他方端に接続されている。張り出し部２３は、筒体２１の他方端から筒体２１の内側に向けて張り出している。張り出し部２３は、第１主面１１ａの平面視において、絶縁基板１１の第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２に対向している。
張り出し部２３は、絶縁基板１１の第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２に直接的または間接的に接触している。本明細書において、張り出し部２３が絶縁基板１１の第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２に間接的に接触していることは、張り出し部２３と絶縁基板１１の第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２との間に、張り出し部２３と絶縁基板１１の第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２とに接触する部材（例えば、接着剤３０）が介在していることを意味する。例えば、張り出し部２３は、接着剤３０を介して、絶縁基板１１の第１主面１１ａに接触している。絶縁接着剤のような接着剤３０を用いて、回路基板１０（例えば、絶縁基板１１）に固定されている。
ブッシュ２７は、ケース２０（フランジ２２）の貫通孔２８に取り付けられてもよい。ブッシュ２７は、中空の形状を有している。ブッシュ２７は、例えば、黄銅のような金属材料で形成されている。ブッシュ２７には、ねじまたはボルトのような締結部材５２（図３を参照）が挿入される。ブッシュ２７は、締結部材５２を用いて、ヒートシンク５０（図３を参照）をケース２０（フランジ２２）により強く締結することを可能にする。
封止部材３５は、ケース２０（筒体２１）の内側空間に設けられている。封止部材３５は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂを封止している。封止部材３５は、導電回路パターン１２をさらに封止してもよい。封止部材３５は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはアクリル樹脂のような絶縁樹脂で形成されている。
伝熱部材４０は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂで発生した熱を、より低い熱抵抗で、ヒートシンク５０（図３）に伝達する。伝熱部材４０の熱伝導率は、例えば、１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。伝熱部材４０の熱伝導率は、３．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよく、５．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよく、１０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってもよい。
伝熱部材４０は、例えば、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）である。ＴＩＭは、シートまたはゲルのような非流動体であってもよいし、グリースのような流動体であってもよい。伝熱部材４０は、例えば、グラファイトシート、または、エポキシ樹脂もしくはシリコーン樹脂のような樹脂と、当該樹脂に分散されている熱伝導性フィラー（例えば、シリカフィラー、アルミナフィラーもしくは窒化アルミニウムフィラー）とを含む熱伝導シートであってもよい。伝熱部材４０は、電気絶縁性を有してもよいし、導電性を有してもよい。
伝熱部材４０は、押圧されることによって変形可能である。図２を参照して、伝熱部材４０の原厚さｔ1は、伝熱部材４０を押圧しないときの伝熱部材４０の厚さである。伝熱部材４０の下限厚さｔ2は、伝熱部材４０を伝熱部材４０の厚さ方向（第３方向（ｚ方向））に押圧した時の伝熱部材４０の最小厚さである。例えば、伝熱部材４０がフィラーを含む場合、伝熱部材４０の下限厚さｔ2は、フィラーの直径によって与えられる。伝熱部材４０がフィラーを含まない場合、伝熱部材４０の下限厚さｔ2は、伝熱部材４０の原厚さｔ1と、伝熱部材４０の原厚さｔ1に伝熱部材４０の許容圧縮率を掛けることによって得られる厚さとの間の差によって与えられる。伝熱部材４０の許容圧縮率は、伝熱部材４０の原厚さｔ1に対する、伝熱部材４０の厚さ方向に０．１ＭＰａの押圧力を印加したときの伝熱部材４０の減少厚さの割合として定義される。
回路基板１０は、伝熱部材４０が取り付けられる第２取り付け面１５を有している。第２取り付け面１５は、絶縁基板１１に対してパワー半導体素子１８ａ，１８ｂとは反対側にある。具体的には、導電板１３は、第２取り付け面１５を有している。第２取り付け面１５は、絶縁基板１１から遠位する導電板１３の裏面である。本実施の形態では、第２取り付け面１５は、平坦な面である。
第２取り付け面１５は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、絶縁基板１１に向かって第１取り付け面２５から奥まっている。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、伝熱部材４０を押圧しないときの伝熱部材４０の原厚さｔ1より小さい。すなわち、伝熱部材４０を押圧しないとき、絶縁基板１１から遠位する伝熱部材４０の表面４０ａは、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、第１取り付け面２５から出っ張っている。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、伝熱部材４０を伝熱部材４０の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きい。本実施の形態では、第１取り付け面２５及び第２取り付け面１５は、ともに、平坦な面であるから、第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の後退距離によって与えられる。
図３を参照して、パワー半導体モジュール１は、ヒートシンク５０をさらに備えてもよい。ヒートシンク５０は、絶縁基板１１に近位する主面５１を有している。ヒートシンク５０は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂで発生した熱を、パワー半導体モジュール１の外部に放散させる。ヒートシンク５０は、例えば、アルミニウムのような金属材料で形成されている。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられる。具体的には、ヒートシンク５０は、ねじまたはボルトのような締結部材５２を用いて、第１取り付け面２５に取り付けられる。本実施の形態では、ヒートシンク５０は、締結部材５２を用いて、ケース２０（フランジ２２）に締結される。締結部材５２は、ブッシュ２７に挿入される。
ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際、ヒートシンク５０は伝熱部材４０に接触して、伝熱部材４０はヒートシンク５０によって押圧される。具体的には、ヒートシンク５０の主面５１は、伝熱部材４０の表面４０ａに接触する。伝熱部材４０は圧縮されて、伝熱部材４０の厚さは減少する。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、伝熱部材４０を押圧しないときの伝熱部材４０の原厚さｔ1より小さく、かつ、伝熱部材４０を伝熱部材４０の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きい。そのため、伝熱部材４０の少なくとも一部の厚さは、伝熱部材４０の下限厚さｔ2まで減少しない。特定的には、伝熱部材４０の全ての厚さは、伝熱部材４０の下限厚さｔ2まで減少しない。そのため、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち、張り出し部２３、締結部材５２及び孔２９（貫通孔２８）に近い領域、すなわち、絶縁基板１１のうち側面１１ｓに近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。
ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に接触してもよい。具体的には、ヒートシンク５０の主面５１は、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４に接触してもよい。
図１及び図４を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法の第一の例を説明する。第一の例では、伝熱部材４０は、シートまたはゲルのような非流動体である。
図４を参照して、パワー半導体アセンブリ２を準備する。具体的には、回路基板１０を準備する。回路基板１０は、絶縁基板１１と、導電回路パターン１２とを含む。回路基板１０は、導電板１３をさらに含んでもよい。導電接合部材１９ａ，１９ｂを用いて、導電回路パターン１２上にパワー半導体素子１８ａ，１８ｂを接合する。接着剤３０を用いて、ケース２０を回路基板１０に接着する。封止部材３５を用いて、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂを封止する。こうして、パワー半導体アセンブリ２が得られる。パワー半導体アセンブリ２は、第１取り付け面２５を有している。具体的には、第１取り付け面２５は、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４である。回路基板１０は、第２取り付け面１５を有している。具体的には、第２取り付け面１５は、絶縁基板１１から遠位する導電板１３の裏面である。
図４を参照して、伝熱部材４０を、回路基板１０の第２取り付け面１５に取り付ける。伝熱部材４０は、例えば、ケース２０と第２取り付け面１５とによって形成される凹部に嵌合されてもよい。伝熱部材４０は、例えば、熱伝導接着剤を用いて、第２取り付け面１５に接着されてもよい。こうして、図１に示されるパワー半導体モジュール１が得られる。
さらに、図３を参照して、ねじまたはボルトのような締結部材５２を用いて、ヒートシンク５０を、パワー半導体アセンブリ２の第１取り付け面２５に取り付けてもよい。締結部材５２は、孔２９に挿入される。本実施の形態では、孔２９は、貫通孔２８である。ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際、ヒートシンク５０は伝熱部材４０に接触して、伝熱部材４０はヒートシンク５０によって押圧される。具体的には、ヒートシンク５０の主面５１は、伝熱部材４０の表面４０ａに接触する。伝熱部材４０は圧縮されて、伝熱部材４０の厚さは減少する。こうして、図３に示されるパワー半導体モジュール１が得られる。
図１、図５及び図６を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法の第二の例を説明する。第二の例では、伝熱部材４０は、グリースのような流動体である。
図５を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１の製造方法の第一の例と同様に、パワー半導体アセンブリ２を準備する。それから、パワー半導体アセンブリ２の第１取り付け面２５上にマスク５６を配置する。
図６を参照して、グリースのような流動物質４０ｐを、回路基板１０の第２取り付け面１５上に塗布する。マスク５６は、流動物質４０ｐが第１取り付け面２５に付着することを防止する。それから、マスク５６を取り外す。こうして、こうして、図１に示されるパワー半導体モジュール１が得られる。
さらに、図３を参照して、ねじまたはボルトのような締結部材５２を用いて、ヒートシンク５０を、パワー半導体アセンブリ２の第１取り付け面２５に取り付けてもよい。こうして、図３に示されるパワー半導体モジュール１が得られる。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１の効果を説明する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、パワー半導体アセンブリ２と、伝熱部材４０とを備える。パワー半導体アセンブリ２は、回路基板１０と、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂと、ケース２０とを含む。回路基板１０は、第１主面１１ａを有する絶縁基板１１と、絶縁基板１１の第１主面１１ａ上に設けられている導電回路パターン１２とを含む。パワー半導体素子１８ａ，１８ｂは、導電回路パターン１２上に搭載されている。ケース２０は、筒体２１と、筒体２１から筒体２１の内側に向けて張り出している張り出し部２３とを含む。筒体２１は、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂと、導電回路パターン１２とを収容する。張り出し部２３は、絶縁基板１１の第１主面１１ａの平面視において第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２に対向しており、かつ、絶縁基板１１の第１主面１１ａまたは導電回路パターン１２に直接的または間接的に接触している。パワー半導体アセンブリ２は、ヒートシンク５０が取り付けられる第１取り付け面２５を有している。回路基板１０は、伝熱部材４０が取り付けられる第２取り付け面１５を有している。第１取り付け面２５と第２取り付け面１５とは、絶縁基板１１に対してパワー半導体素子１８ａ，１８ｂとは反対側にある。第２取り付け面１５は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、第１取り付け面２５から奥まっている。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、伝熱部材４０を押圧しないときの伝熱部材４０の原厚さｔ1より小さく、かつ、伝熱部材４０を伝熱部材４０の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きい。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けて伝熱部材４０が圧縮されても、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３に近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。また、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けた場合に、伝熱部材４０は圧縮される。伝熱部材４０は、より強く、ヒートシンク５０及び第１取り付け面２５に密着する。そのため、パワー半導体素子１８ａ，１８ｂで発生した熱は、より低い熱抵抗でヒートシンク５０に伝達され得る。パワー半導体モジュール１の放熱性が向上され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、絶縁基板１１は、第１主面１１ａとは反対側の第２主面１１ｂと、第１主面１１ａと第２主面１１ｂとを接続する側面１１ｓとをさらに有している。回路基板１０は、絶縁基板１１の第２主面１１ｂ上に設けられている導電板１３をさらに含む。ケース２０は、第１取り付け面２５を有している。導電板１３は、第２取り付け面１５を有している。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けて伝熱部材４０が圧縮されても、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３に近い領域、すなわち、絶縁基板１１のうち側面１１ｓに近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、パワー半導体アセンブリ２は、締結部材５２を用いてヒートシンク５０が取り付けられる第１取り付け面２５を有している。パワー半導体アセンブリ２には、締結部材５２が挿入されかつ第１取り付け面２５に達する孔２９が設けられている。孔２９の少なくとも一部は、ケース２０に設けられている。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けて伝熱部材４０が圧縮されても、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３、締結部材５２及び孔２９に近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１は、ヒートシンク５０をさらに備える。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられ、かつ、伝熱部材４０に接触している。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けて伝熱部材４０が圧縮されても、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。パワー半導体モジュール１の放熱性が向上され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１では、ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に接触している。そのため、パワー半導体モジュール１の放熱性が向上され得る。
実施の形態２．
図７を参照して、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１及びパワー半導体アセンブリ２と同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態１のパワー半導体モジュール１及びパワー半導体アセンブリ２と異なっている。
パワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂでは、第２取り付け面１５は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において絶縁基板１１から遠位する側に膨らんでいる。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、絶縁基板１１の側面１１ｓに接続される第２取り付け面１５の縁の、第１取り付け面２５からの後退距離によって与えられる。最大後退距離Ｌ1は、伝熱部材４０を押圧しないときの伝熱部材４０の原厚さｔ1より小さく、かつ、伝熱部材４０を伝熱部材４０の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きい。第２取り付け面１５の頂部１３ｔは、第１取り付け面２５の平面視において、絶縁基板１１の側面１１ｓよりも、張り出し部２３、締結部材５２及び孔２９（貫通孔２８）から離れている。特定的には、第２取り付け面１５の頂部１３ｔは、第２取り付け面１５の中央に位置している。
図８を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂは、ヒートシンク５０をさらに備えてもよい。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられ、かつ、伝熱部材４０に接触している。
図７を参照して、第２取り付け面１５の頂部１３ｔは、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、ケース２０の第１取り付け面２５から奥まっている。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの後退距離Ｌ2は、伝熱部材４０を押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きくてもよい。そのため、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３、締結部材５２及び孔２９（貫通孔２８）に近い領域、すなわち、絶縁基板１１のうち側面１１ｓに近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。
第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの後退距離Ｌ2は、伝熱部材４０を押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より小さくてもよい。たとえ後退距離Ｌ2が伝熱部材４０の下限厚さｔ2より小さくても、最大後退距離Ｌ1は伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きいため、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３、締結部材５２及び孔２９（貫通孔２８）に近い領域、すなわち、絶縁基板１１のうち側面１１ｓに近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂでは、第２取り付け面１５は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において絶縁基板１１から遠位する側に膨らんでいる。第２取り付け面１５の頂部１３ｔは、第１取り付け面２５の平面視において絶縁基板１１の側面１１ｓよりも張り出し部２３から離れており、かつ、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において第１取り付け面２５から奥まっている。
そのため、第２取り付け面１５とヒートシンク５０との間の距離が減少する。パワー半導体モジュール１ｂの放熱性が向上され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｂでは、第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの後退距離Ｌ2は、伝熱部材４０を押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より小さい。
たとえ後退距離Ｌ2が伝熱部材４０の下限厚さｔ2より小さくても、最大後退距離Ｌ1は伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きいため、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３に近い領域、すなわち、絶縁基板１１のうち側面１１ｓに近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
実施の形態３．
図９を参照して、実施の形態３のパワー半導体モジュール１ｃ及びパワー半導体アセンブリ２ｃを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃ及びパワー半導体アセンブリ２ｃは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂと同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂと異なっている。
パワー半導体モジュール１ｃ及びパワー半導体アセンブリ２ｃでは、第２取り付け面１５の頂部１３ｔは、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、ケース２０の第１取り付け面２５から出っ張っている。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの出っ張り高さＬ3は、伝熱部材４０の原厚さｔ1と、最大後退距離Ｌ1及び下限厚さｔ2の和との間の差以下である。すなわち、第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの出っ張り高さＬ3は、以下の式（１）を満たす。
Ｌ3≦ｔ1－（Ｌ1＋ｔ2） （１）
パワー半導体モジュール１ｃは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂ（図８を参照）と同様に、ヒートシンク５０をさらに備えてもよい。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられ、かつ、伝熱部材４０に接触している。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂの効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｃでは、第２取り付け面１５は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において絶縁基板１１とは反対側に膨らんでいる。第２取り付け面１５の頂部１３ｔは、第１取り付け面２５の平面視において絶縁基板１１の側面１１ｓよりも張り出し部２３から離れており、かつ、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において第１取り付け面２５から出っ張っている。第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの出っ張り高さＬ3は、伝熱部材４０の原厚さｔ1と、最大後退距離Ｌ1及び下限厚さｔ2の和との間の差以下である。
そのため、第２取り付け面１５とヒートシンク５０との間の距離が減少する。パワー半導体モジュール１ｃの放熱性がさらに向上され得る。また、たとえ第２取り付け面１５の頂部１３ｔが、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、ケース２０の第１取り付け面２５から出っ張っていても、第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の頂部１３ｔの出っ張り高さＬ3は、伝熱部材４０の原厚さｔ1と、最大後退距離Ｌ1及び下限厚さｔ2の和との間の差以下であるため、伝熱部材４０から絶縁基板１１（特に、絶縁基板１１のうち張り出し部２３に近い領域、すなわち、絶縁基板１１のうち側面１１ｓに近い領域）に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
実施の形態４．
図１０及び図１１を参照して、実施の形態４のパワー半導体モジュール１ｄ及びパワー半導体アセンブリ２ｄを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｄ及びパワー半導体アセンブリ２ｄは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂと同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂ及びパワー半導体アセンブリ２ｂと異なっている。
パワー半導体モジュール１ｄ及びパワー半導体アセンブリ２ｄでは、伝熱部材４０は、流動性を有する第１伝熱部分層４１と、非流動性を有する第２伝熱部分層４２とを含む。第１伝熱部分層４１は、絶縁基板１１から遠位する表面４１ａを有している。第２伝熱部分層４２は、絶縁基板１１から遠位する表面４２ａを有している。伝熱部材４０の表面４０ａは、第１伝熱部分層４１の表面４１ａと第２伝熱部分層４２の表面４２ａとを含む。伝熱部材４０を押圧しないとき、第１伝熱部分層４１の表面４１ａ及び第２伝熱部分層４２の表面４２ａは、各々、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、第１取り付け面２５から出っ張っている。第２取り付け面１５の平面視において、第２伝熱部分層４２は、第１伝熱部分層４１を包囲している。第２伝熱部分層４２は、伝熱フレームであり、第１伝熱部分層４１に対して堰として機能している。
第１伝熱部分層４１の第１最小厚さｔ3は、第１伝熱部分層４１を第１伝熱部分層４１の厚さ方向（第３方向（ｚ方向））に押圧した時の第１伝熱部分層４１の下限厚さより大きい。第１伝熱部分層４１の下限厚さは、伝熱部材４０の下限厚さと同様に定義される。
本実施の形態では、第２伝熱部分層４２は一定の厚さｔ4を有しており、第２伝熱部分層４２の第２最小厚さ及び第２伝熱部分層４２の第２最大厚さは、各々、第２伝熱部分層４２の厚さｔ4に等しい。本実施の形態では、第２伝熱部分層４２の厚さｔ4は、伝熱部材４０の原厚さｔ1を規定する。第２伝熱部分層４２の第２最小厚さは、第２伝熱部分層４２を第２伝熱部分層４２の厚さ方向（第３方向（ｚ方向））に押圧した時の第２伝熱部分層４２の下限厚さより大きい。第２伝熱部分層４２の下限厚さは、伝熱部材４０の下限厚さと同様に定義される。
第１取り付け面２５からの第２取り付け面１５の最大後退距離Ｌ1は、伝熱部材４０を押圧しないときの伝熱部材４０の原厚さｔ1より小さく、かつ、伝熱部材４０を伝熱部材４０の厚さ方向に押圧した時の伝熱部材４０の下限厚さｔ2より大きい。本実施の形態では、伝熱部材４０の原厚さｔ1は、第２伝熱部分層４２の厚さｔ4によって与えられる。伝熱部材４０の下限厚さｔ2は、第１伝熱部分層４１の下限厚さと第２伝熱部分層４２の下限厚さのうち大きい方によって与えられる。
第１伝熱部分層４１の第１最小厚さｔ3は、第２伝熱部分層４２の第２最小厚さより小さい。第１伝熱部分層４１の第１最大厚さは、第２伝熱部分層４２の第２最大厚さ以下である。第１伝熱部分層４１の表面４１ａは、第２伝熱部分層４２の表面４２ａと面一であってもよい。導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、第２伝熱部分層４２の表面４２ａは、第１伝熱部分層４１の表面４１ａよりも、第１取り付け面２５から出っ張ってもよい。導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、第１伝熱部分層４１の表面４１ａは、第２伝熱部分層４２の表面４２ａよりも、第１取り付け面２５から出っ張ってもよい。
図１２を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｄは、ヒートシンク５０をさらに備えてもよい。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられ、かつ、伝熱部材４０に接触している。具体的には、ヒートシンク５０の主面５１は、第１伝熱部分層４１の表面４１ａと第２伝熱部分層４２の表面４２ａとに接触している。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｄは、実施の形態２のパワー半導体モジュール１ｂの効果に加えて、以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｄでは、伝熱部材４０は、流動性を有する第１伝熱部分層４１と、非流動性を有する第２伝熱部分層４２とを含む。
パワー半導体モジュール１ｄの温度が変化すると、絶縁基板１１の熱膨張係数と導電回路パターン１２の熱膨張係数との間の熱膨張計数の差に起因して、回路基板１０は反る。流動性を有する第１伝熱部分層４１は、回路基板１０の反りを吸収することができる。伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が印加されることが防止される。また、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、非流動性を有する第２伝熱部分層４２は、流動性を有する第１伝熱部分層４１の厚さの均一性を向上させる。ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が局所的に印加されることが防止される。こうして、絶縁基板１１の破損が防止され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｄでは、第１伝熱部分層４１の第１最小厚さｔ3は、第２伝熱部分層４２の第２最小厚さ（例えば、厚さｔ4）より小さい。
そのため、第１伝熱部分層４１は、回路基板１０の反りをさらに吸収することができる。伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｄでは、第２取り付け面１５の平面視において、第２伝熱部分層４２は、第１伝熱部分層４１を包囲している。
ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、非流動性を有する第２伝熱部分層４２は、流動性を有する第１伝熱部分層４１の厚さの均一性をさらに向上させる。ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が局所的に印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。また、回路基板１０が反っても、第２取り付け面１５の平面視において、流動性を有する第１伝熱部分層４１が回路基板１０の外縁からはみ出すことが防止され得る。
実施の形態５．
図１３及び図１４を参照して、実施の形態５のパワー半導体モジュール１ｅを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｅは、実施の形態４のパワー半導体モジュール１ｄと同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態４のパワー半導体モジュール１ｄと異なっている。
パワー半導体モジュール１ｅでは、第２伝熱部分層４２は、複数の伝熱片４２ｅを含む。複数の伝熱片４２ｅは、第２取り付け面１５の複数の角部に配置されている。複数の伝熱片４２ｅは、図１３に示されるように、第２取り付け面１５の長手方向（第１方向（ｘ方向））に沿って配置されてもよい。複数の伝熱片４２ｅは、図１４に示されるように、第２取り付け面１５の長手方向と短手方向（第２方向（ｙ方向））とに対して斜めに配置されてもよい。複数の伝熱片４２ｅの各々は、第２取り付け面１５の二つ対角線の各々に交差するように配置されてもよい。複数の伝熱片４２ｅは、複数の角部のうちの少なくとも二つに配置されてもよい。特定的には、複数の伝熱片４２ｅは、複数の角部の全てに配置されてもよい。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｅは、実施の形態４のパワー半導体モジュール１ｄの効果と同様の以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｅでは、第２伝熱部分層４２は、複数の伝熱片４２ｅを含む。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、複数の伝熱片４２ｅは、流動性を有する第１伝熱部分層４１の厚さの均一性を向上させる。ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が局所的に印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｅでは、第２取り付け面１５の複数の角部に配置されている。
パワー半導体モジュール１ｄの温度が変化すると、絶縁基板１１の熱膨張係数と導電回路パターン１２の熱膨張係数との間の熱膨張計数の差に起因して、回路基板１０は反る。回路基板１０の反り量が最も大きな回路基板１０の中央部は、流動性を有する第１伝熱部分層４１に接触している。そのため、回路基板１０の反りは、流動性を有する第１伝熱部分層４１によって吸収され得る。伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。また、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、複数の伝熱片４２ｅは、流動性を有する第１伝熱部分層４１の厚さの均一性を向上させる。ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付ける際に、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が局所的に印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
実施の形態６．
図１５を参照して、実施の形態６のパワー半導体モジュール１ｆ及びパワー半導体アセンブリ２ｆを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｆ及びパワー半導体アセンブリ２ｆは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１及びパワー半導体アセンブリ２と同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態１のパワー半導体モジュール１及びパワー半導体アセンブリ２と異なっている。
パワー半導体モジュール１ｆ及びパワー半導体アセンブリ２ｆでは、導電板１３は、絶縁基板１１だけでなく、ケース２０のフランジ２２にも接触している。具体的には、導電板１３は、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４に接触している。導電板１３は、第１取り付け面２５と、第２取り付け面１５とを有している。第１取り付け面２５は、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４に面する導電板１３のおもて面とは反対側の導電板１３の裏面１３ｂである。本実施の形態では、導電板１３の裏面１３ｂは、第１取り付け面２５である。導電板１３には、貫通孔２８に連通する貫通孔１７が設けられている。貫通孔１７は、導電板１３の裏面１３ｂに達している。本実施の形態では、締結部材５２（図１６参照）が挿入される孔２９は、ケース２０（フランジ２２）に設けられている貫通孔２８と、導電板１３に設けられている貫通孔１７とによって形成されている。
図１６を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｆは、ヒートシンク５０をさらに備えてもよい。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられ、かつ、伝熱部材４０に接触している。ヒートシンク５０の主面５１は、導電板１３の裏面１３ｂに接触してもよい。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｆは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の効果と同様の以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｆでは、絶縁基板１１は、第１主面１１ａとは反対側の第２主面１１ｂをさらに有している。回路基板１０は、絶縁基板１１の第２主面１１ｂ上に設けられている導電板１３をさらに含む。導電板１３は、第１取り付け面２５と、第２取り付け面１５とを有している。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けて伝熱部材４０が圧縮されても、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。
実施の形態７．
図１７を参照して、実施の形態７のパワー半導体モジュール１ｇ及びパワー半導体アセンブリ２ｇを説明する。本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｇ及びパワー半導体アセンブリ２ｇは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１及びパワー半導体アセンブリ２と同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態１のパワー半導体モジュール１及びパワー半導体アセンブリ２と異なっている。
パワー半導体アセンブリ２ｇは、スペーサ６０をさらに含む。スペーサ６０は、銅またはアルミニウムのような金属材料で形成されている。スペーサ６０は、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４上に設けられている。第１取り付け面２５は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において、ケース２０（フランジ２２）の裏面２４から遠位するスペーサ６０の裏面６１である。本実施の形態では、スペーサ６０の裏面６１は、第１取り付け面２５である。スペーサ６０に、貫通孔２８に連通する貫通孔６２が設けられている。貫通孔６２は、スペーサ６０の裏面６１に達している。本実施の形態では、締結部材５２（図１８参照）が挿入される孔２９は、貫通孔２８と貫通孔６２とによって形成されている。
図１８を参照して、本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｇは、ヒートシンク５０をさらに備えてもよい。ヒートシンク５０は、第１取り付け面２５に取り付けられ、かつ、伝熱部材４０に接触している。ヒートシンク５０の主面５１は、スペーサ６０の裏面６１に接触してもよい。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｇは、実施の形態１のパワー半導体モジュール１の効果と同様の以下の効果を奏する。
本実施の形態のパワー半導体モジュール１ｇでは、パワー半導体アセンブリ２は、スペーサ６０をさらに含む。ケース２０は、導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において絶縁基板１１から遠位する第１面（裏面２４）を含む。スペーサ６０は、第１面（裏面２４）上に設けられている。導電回路パターン１２及び絶縁基板１１の積層方向（第３方向（ｚ方向））において第１面から遠位するスペーサ６０の第２面（裏面６１）は、第１取り付け面２５である。
そのため、ヒートシンク５０を第１取り付け面２５に取り付けて伝熱部材４０が圧縮されても、伝熱部材４０から絶縁基板１１に過大な応力が印加されることが防止される。絶縁基板１１の破損が防止され得る。スペーサ６０は、ケース２０の設計の自由度を増加させることができる。
実施の形態８．
本実施の形態は、実施の形態１から実施の形態７のいずれかに係るパワー半導体モジュール１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇを電力変換装置に適用したものである。本実施の形態の電力変換装置２００は、特に限定されるものではないが、三相のインバータである場合について以下説明する。
図１９に示される電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００及び負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は、特に限定されないが、例えば、直流系統、太陽電池または蓄電池で構成されてもよいし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成されてもよい。電源１００は、直流系統から出力される直流電力を別の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成されてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１９に示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は、特に限定されるものではないが、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子（図示せず）と還流ダイオード（図示せず）を備えている。スイッチング素子が電源１００から供給される電圧をスイッチングすることによって、主変換回路２０１は、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードとから構成され得る。主変換回路２０１の各スイッチング素子及び各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１から実施の形態７のいずれかのパワー半導体モジュール１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇが適用され得る。主変換回路２０１を構成するパワー半導体モジュール２０２として、上述した実施の形態１から実施の形態７のいずれかのパワー半導体モジュール１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇが適用され得る。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えている。駆動回路は、パワー半導体モジュール２０２に内蔵されてもよいし、パワー半導体モジュール２０２の外部に設けられてもよい。駆動回路は、主変換回路２０１に含まれるスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に駆動信号を供給する。具体的には、制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置２００では、主変換回路２０１に含まれるパワー半導体モジュール２０２として、実施の形態１から実施の形態７のいずれかに係るパワー半導体モジュール１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇが適用される。そのため、本実施の形態に係る電力変換装置２００は、向上された信頼性を有する。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では２レベルの電力変換装置としたが、３レベルの電力変換装置であってもよいし、マルチレベルの電力変換装置であってもよい。電力変換装置が単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本開示が適用されてもよい。電力変換装置が直流負荷等に電力を供給する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本開示が適用されてもよい。
本開示が適用された電力変換装置は、負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機もしくはレーザー加工機の電源装置、または、誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置に組み込まれ得る。本開示が適用された電力変換装置は、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いられ得る。
今回開示された実施の形態１から実施の形態８はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１から実施の形態８の少なくとも二つを組み合わせてもよい。例えば、実施の形態１、実施の形態３及び実施の形態５から実施の形態７のパワー半導体モジュールの伝熱部材として、実施の形態４の伝熱部材が採用されてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ パワー半導体モジュール、２，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｆ，２ｇ パワー半導体アセンブリ、１０ 回路基板、１１ 絶縁基板、１１ａ 第１主面、１１ｂ 第２主面、１１ｓ 側面、１２ 導電回路パターン、１３ 導電板、１３ｂ 裏面、１３ｔ 頂部、１５ 第２取り付け面、１７ 貫通孔、１８ａ，１８ｂ パワー半導体素子、１９ａ，１９ｂ 導電接合部材、２０ ケース、２１ 筒体、２２ フランジ、２３ 張り出し部、２４ 裏面、２５ 第１取り付け面、２７ ブッシュ、２８ 貫通孔、２９ 孔、３０ 接着剤、３５ 封止部材、４０ 伝熱部材、４０ａ 表面、４０ｐ 流動物質、４１ 第１伝熱部分層、４１ａ 表面、４２ 第２伝熱部分層、４２ａ 表面、４２ｅ 伝熱片、５０ ヒートシンク、５１ 主面、５２ 締結部材、５６ マスク、６０ スペーサ、６１ 裏面、６２ 貫通孔、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ パワー半導体モジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷。

Claims (16)

  1. パワー半導体アセンブリと、
    伝熱部材とを備え、
    前記パワー半導体アセンブリは、
    第１主面を有する絶縁基板と、前記第１主面上に設けられている導電回路パターンとを含む回路基板と、
    前記導電回路パターン上に搭載されているパワー半導体素子と、
    筒体と、前記筒体から前記筒体の内側に向けて張り出している張り出し部とを含むケースとを含み、
    前記筒体は、前記パワー半導体素子と前記導電回路パターンとを収容しており、
    前記張り出し部は、前記第１主面の平面視において前記第１主面または前記導電回路パターンに対向しており、かつ、前記第１主面または前記導電回路パターンに直接的または間接的に接触しており、
    前記パワー半導体アセンブリは、ヒートシンクが取り付けられる第１取り付け面を有しており、
    前記回路基板は、前記伝熱部材が取り付けられる第２取り付け面を有しており、
    前記第１取り付け面と前記第２取り付け面とは、前記絶縁基板に対して前記パワー半導体素子とは反対側にあり、
    前記第２取り付け面は、前記導電回路パターン及び前記絶縁基板の積層方向において前記第１取り付け面から奥まっており、
    前記第１取り付け面からの前記第２取り付け面の最大後退距離は、前記伝熱部材を押圧しないときの前記伝熱部材の原厚さより小さく、かつ、前記伝熱部材を前記伝熱部材の厚さ方向に押圧した時の前記伝熱部材の下限厚さより大きい、パワー半導体モジュール。
  2. 前記絶縁基板は、前記第１主面とは反対側の第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを接続する側面とをさらに有し、
    前記回路基板は、前記第２主面上に設けられている導電板をさらに含み、
    前記ケースは、前記第１取り付け面を有しており、
    前記導電板は、前記第２取り付け面を有している、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記第２取り付け面は、前記積層方向において前記絶縁基板から遠位する側に膨らんでおり、
    前記第２取り付け面の頂部は、前記第１取り付け面の平面視において前記側面よりも前記張り出し部から離れており、かつ、前記積層方向において前記第１取り付け面から奥まっている、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記第１取り付け面からの前記第２取り付け面の前記頂部の後退距離は、前記伝熱部材を押圧した時の前記伝熱部材の前記下限厚さより小さい、請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記第２取り付け面は、前記積層方向において前記絶縁基板とは反対側に膨らんでおり、
    前記第２取り付け面の頂部は、前記第１取り付け面の平面視において前記側面よりも前記張り出し部から離れており、かつ、前記積層方向において前記第１取り付け面から出っ張っており、
    前記第１取り付け面からの前記第２取り付け面の前記頂部の出っ張り高さは、前記伝熱部材の前記原厚さと、前記最大後退距離及び前記下限厚さの和との間の差以下である、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記パワー半導体アセンブリは、スペーサをさらに含み、
    前記ケースは、前記積層方向において前記絶縁基板から遠位する第１面を含み、
    前記スペーサは、前記第１面上に設けられており、
    前記積層方向において前記第１面から遠位する前記スペーサの第２面は、前記第１取り付け面である、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記絶縁基板は、前記第１主面とは反対側の第２主面をさらに有し、
    前記回路基板は、前記第２主面上に設けられている導電板をさらに含み、
    前記導電板は、前記第１取り付け面と、前記第２取り付け面とを有している、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記伝熱部材は、流動性を有する第１伝熱部分層と、非流動性を有する第２伝熱部分層とを含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 前記第１伝熱部分層の第１最小厚さは、前記第２伝熱部分層の第２最小厚さより小さい、請求項８に記載のパワー半導体モジュール。
  10. 前記第２取り付け面の平面視において、前記第２伝熱部分層は、前記第１伝熱部分層を包囲している、請求項８または請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
  11. 前記第２伝熱部分層は、複数の伝熱片を含む、請求項８または請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
  12. 前記複数の伝熱片は、前記第２取り付け面の複数の角部に配置されている、請求項１１に記載のパワー半導体モジュール。
  13. 前記パワー半導体アセンブリは、締結部材を用いて前記ヒートシンクが取り付けられる前記第１取り付け面を有しており、
    前記パワー半導体アセンブリには、前記締結部材が挿入されかつ前記第１取り付け面に達する孔が設けられており、
    前記孔の少なくとも一部は前記ケースに設けられている、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  14. 前記ヒートシンクをさらに備え、
    前記ヒートシンクは、前記第１取り付け面に取り付けられ、かつ、前記伝熱部材に接触している、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  15. 前記ヒートシンクは、前記第１取り付け面に接触している、請求項１４に記載のパワー半導体モジュール。
  16. 請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の前記パワー半導体モジュールを有し、かつ、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備える、電力変換装置。
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