JP7491707B2 - 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、半導体素子とヒートシンクとを封止しているモールド樹脂は、放熱面を囲う位置に凹部が設けられており、絶縁シートは、放熱面の全体を覆いつつ、端部が凹部内に接着されている電気回路体が開示されている。
特開２０１３－２５８３３４号公報
特許文献１に記載の装置の放熱面に冷却部材を密着した場合に、電気回路体に反りが生じると冷却部材との間の密着性が弱まり、放熱性が損なわれる。
本発明による電気回路体は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の一方の面に接続される第１導体板と、第１樹脂絶縁層を有し、前記第１導体板の表面を少なくとも覆う第１シート状部材と、前記パワー半導体素子、前記第１導体板、および前記第１シート状部材の端部を封止する封止材と、前記第１シート状部材に密着する第１冷却部材とを備え、前記第１シート状部材は、前記第１シート状部材の前記端部を含み前記封止材によって覆われた埋没部と、前記第１導体板と重なる領域であってその表面が前記封止材から露出した放熱面部と、前記埋没部と前記放熱面部との間の領域であってその表面が前記封止材から露出した余白部と、を有し、前記第１シート状部材の前記放熱面部および前記余白部は、前記埋没部を覆う前記封止材の表面よりそれぞれ突出しており、前記第１シート状部材の前記余白部は、前記埋没部を覆う前記封止材の表面からの突出高さが前記放熱面部よりも低い。
本発明による電気回路体の製造方法は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の一方の面に接続される第１導体板と、第１樹脂絶縁層を有し、前記第１導体板の表面を少なくとも覆う第１シート状部材とを封止材で封止してなる電気回路体の製造方法であって、前記第１シート状部材は、前記第１シート状部材の端部を含み前記封止材によって覆われる埋没部と、前記第１導体板と重なる領域であってその表面が前記封止材から露出する放熱面部と、前記埋没部と前記放熱面部との間の領域であってその表面が前記封止材から露出する余白部と、を有し、前記埋没部が前記封止材によって覆われ、前記放熱面部および前記余白部が前記埋没部を覆う前記封止材の表面よりそれぞれ突出するように、前記パワー半導体素子、前記第１導体板および前記第１シート状部材を前記封止材で封止する第１工程と、前記封止材を硬化収縮させ、前記余白部の前記埋没部を覆う前記封止材の表面からの突出高さが前記放熱面部よりも低くなるようにする第２工程と、冷却部材を前記第１シート状部材に密着する第３工程と、を含む。
本発明によれば、電気回路体に反りが生じても、冷却部材との間の密着性を確保し、放熱性が損なわれない。
電気回路体の平面図である。 電気回路体の図１に示すX－X線の断面図である。 電気回路体の図１に示すY－Y線の断面図である。 図１に示すX－X線におけるパワーモジュールの断面斜視図である。 （ａ）～（ｃ）電気回路体の製造方法を示す断面図である。 （ｄ）～（ｆ）電気回路体の製造方法を示す断面図である。 第１シート状部材の端部近傍を示す図である。 第１シート状部材の端部近傍の詳細を示す変形例１である。 第１シート状部材の端部近傍の詳細を示す変形例２である。 封止材の収縮量と温度の関係を示す図である。 （ａ）本実施形態における電気回路体の断面模式図、（ｂ）比較例１の断面模式図、（ｃ）比較例２の断面模式図である。 本実施形態におけるパワーモジュールの半透過平面図である。 本実施形態におけるパワーモジュールの回路図である。 電気回路体を用いた電力変換装置の回路図である。 電力変換装置の外観斜視図である。 図１５に示す電力変換装置のXV－XV線の断面斜視図である。
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よりなる。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と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。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。
パワーモジュール３００は、一方側に、直流回路のコンデンサモジュール５００(後述の図１４参照)に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂを備えている。正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂの他方側には、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４(後述の図１４参照)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、他方側には、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、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える。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１５５のボディダイオードを用いる場合は、ダイオード１５６を省略してもよい。能動素子１５５のコレクタ側およびダイオード１５６のカソード側は、第２導体板４３１に接合されている。能動素子１５５のエミッタ側およびダイオード１５６のアノード側には第１導体板４３０が接合されている。これらの接合には、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、第２導体板４３１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導体板４３０は、絶縁距離を確保するため第１パワー半導体素子１５５、１５６と接続する領域の外周に凹みを有する(詳細は後述の図４参照)。
第１導体板４３０には、第１シート状部材４４０、さらに熱伝導部材４５３を介して冷却部材３４０が密着される。第１シート状部材４４０は、第１樹脂絶縁層４４２と金属箔４４４とを積層して構成され、金属箔４４４側が熱伝導部材４５３に密着される。
第２導体板４３１には、第２シート状部材４４１、さらに熱伝導部材４５３を介して冷却部材３４０が密着される。第２シート状部材４４１は、第２樹脂絶縁層４４３と金属箔４４４とを積層して構成され、金属箔４４４側が熱伝導部材４５３に密着される。
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、能動素子１５７、ダイオード１５８（後述の図１２、図１３参照）を備える。なお、図３において、ダイオード１５８はＸ軸方向で能動素子１５７の奥側に配置されている。能動素子１５７のコレクタ側およびダイオード１５８のカソード側は、第４導体板４３３に接合されている。能動素子１５７のエミッタ側およびダイオード１５８のアノード側には第３導体板４３２が接合されている。
詳細は後述するが、図２に示すように、第１シート状部材４４０および第２シート状部材４４１は、封止材３６０によって覆われた埋没部Ｃと、第１導体板４３０、第２導体板４３１の表面と重なる領域である放熱面部Ａと、埋没部Ｃと放熱面部Ａとの間の領域である余白部Ｂと、を有し、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも電気回路体４００の内部（Ｚ軸方向）に後退し、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも電気回路体４００の内部（Ｚ軸方向）に後退している。
図３に示すように、第１導体板４３０、第２導体板４３１、第３導体板４３２、第４導体板４３３は、電流を通電する役割の他に、第１パワー半導体素子１５５、１５６、第２パワー半導体素子１５７、１５８が発する熱を冷却部材３４０に伝熱する伝熱部材としての役割を果たしている。各導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０とは電位が異なるため、図２に示すように、各導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０との間に第１樹脂絶縁層４４２を有する第１シート状部材４４０を介し、第２樹脂絶縁層４４３を有する第２シート状部材４４１を介する。各シート状部材４４０、４４１と冷却部材３４０との間には、接触熱抵抗を低減するため熱伝導部材４５３を有する。
熱伝導部材４５３は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂材料と組み合わせて用いることが好ましい。これは、熱伝導部材４５３と冷却部材３４０との間、熱伝導部材４５３と各シート状部材４４０、４４１との間を樹脂材料が補填し、接触熱抵抗が低減するためである。
第１パワー半導体素子１５５、１５６、第２パワー半導体素子１５７、１５８、各導体板４３０、４３１、４３２、４３３、各シート状部材４４０、４４１は、トランスファーモールド成型により封止材３６０で封止されている。各シート状部材４４０、４４１の第１樹脂絶縁層４４２、第２樹脂絶縁層４４３は、各導体板４３０、４３１、４３２、４３３との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。各シート状部材４４０、４４１は、樹脂絶縁層単体でもよいが、熱伝導部材４５３と接する側に金属箔４４４を設けることが望ましい。トランスファーモールド成型工程において、各シート状部材４４０、４４１を金型に搭載する際、金型への接着を防ぐため、各シート状部材４４０、４４１と金型との接触面には、離型シート又は、金属箔４４４を設ける。離型シートは、熱伝導率が悪いためトランスファーモールド後に剥離する工程が必要となるが、金属箔４４４の場合は、銅系や、アルミ系の熱伝導率の高い金属を選択することで、トランスファーモールド後に剥離することなく使用することができる。各シート状部材４４０、４４１を含めてトランスファーモールドする事で、各シート状部材４４０、４４１の端部が封止材３６０で被覆されることで製品の信頼性が向上する効果がある。
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を取り除いた状態を示す。図４に示すように、第１シート状部材４４０は、封止材３６０によって覆われた埋没部Ｃと、第１導体板４３０の表面と重なる領域である放熱面部Ａと、埋没部Ｃと放熱面部Ａとの間の領域である余白部Ｂと、を有し、余白部Ｂは放熱面部Ａよりもパワーモジュール３００の内部に後退し、埋没部Ｃは余白部Ｂよりもパワーモジュール３００の内部に後退している。これにより、第１シート状部材４４０上に冷却部材３４０を密着した場合に、電気回路体４００に反りが生じても、冷却部材３４０との間の密着性を確保し、放熱性が損なわれない。
図５（ａ）～（ｃ）、図６（ｄ）～（ｆ）は、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線における１パワーモジュール分の断面図を、右側に図１に示すY－Y線における１パワーモジュール分の断面図を示す。
図５（ａ）は、はんだ接続工程及びワイヤボンディング工程を示す図である。第２導体板４３１に、第１パワー半導体素子である能動素子１５５のコレクタ側およびダイオード１５６のカソード側を接続し、能動素子１５５のゲート電極をワイヤボンディングで接続する。第１導体板４３０に能動素子１５５のエミッタ側およびダイオード１５６のアノード側を接続する。同様に、第４導体板４３３に、第２パワー半導体素子である能動素子１５７のコレクタ側およびダイオード１５８のカソード側を接続し、能動素子１５７のゲート電極をワイヤボンディングで接続する。第３導体板４３２に能動素子１５７のエミッタ側およびダイオード１５８のアノード側を接続する。
図５（ｂ）は、金型設置工程を示す図である。トランスファーモールド装置６０１は、スプリング６０２とシート状部材４４０、４４１を金型に真空吸着する。シート状部材４４０、４４１を金型に真空吸着するための真空脱気機構等は図示省略している。予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型内に、治具を用い位置合わせしたシート状部材４４０、４４１を真空吸着にて保持する。そこに、あらかじめ１７５℃に予熱した回路体３１０をシート状部材４４０、４４１から離間した状態の金型内に設置する。
図５（ｃ）は、トランスファーモールド工程を示す図である。シート状部材４４０、４４１と回路体３１０とが離間した状態から、上下の金型を近接し、図示していない上下金型の周囲に設置したパッキンのみ接触させる。次に、金型のキャビティ内を真空排気する。所定の気圧以下になるよう真空排気が完了すると、パッキンを更に押しつぶすように、上下の金型を完全に締め付ける。この時、シート状部材４４０、４４１と回路体３１０は接触する。真空状態で、シート状部材４４０、４４１と回路体３１０とが接触し、スプリング６０２による加圧力で密着するため、ボイドを巻き込まず密着することができる。
次に、封止材３６０を金型のキャビティ内に注入する。トランスファーモールドに用いる金型は、放熱面部Ａおよび余白部Ｂは同一面であり内部に後退しておらず、埋没部Ｃは放熱面部Ａおよび余白部Ｂよりも内部に後退する形状である。すなわち、この工程において、埋没部Ｃは、放熱面部Ａおよび余白部Ｂよりも内部に後退して、封止材３６０で封止する。換言すれば、放熱面部Ａおよび余白部Ｂは同一面であり内部に後退しておらず、埋没部Ｃが内部に後退して封止する。
図６（ｄ）は、硬化工程を示す図である。トランスファーモールド装置６０１から封止材３６０で封止したパワーモジュール３００を取り出し、常温で冷却し、２時間以上の硬化を行う。これにより、封止材３６０の硬化収縮及び冷却収縮によって余白部Ｂは放熱面部Ａよりパワーモジュール３００の内部に後退する。埋没部Ｃは余白部Ｂよりパワーモジュール３００の内部に後退している。特に、パワーモジュール３００は、Ｘ軸方向の一方側に、コンデンサモジュール５００(後述の図１４参照)に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂを備え、他方側には、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４(後述の図１４参照)に連結する交流側端子３２０Ｂ等のパワー端子を備えている。このため、パワーモジュール３００のＸ軸方向の両端において封止材３６０の量が多くなり、封止材３６０の硬化収縮及び冷却収縮によって余白部Ｂを放熱面部Ａよりパワーモジュール３００の内部に後退させる効果がより顕著である。
図６（ｅ）は、冷却部材３４０の設置工程を示す図である。パワーモジュール３００の両面に熱伝導部材４５３を介して冷却部材３４０を押し当てる。これにより、冷却部材３４０は、熱伝導部材４５３を介して第１シート状部材４４０、第２シート状部材４４１に密着される。
図６（ｆ）は、以上の工程により製造された電気回路体４００を示す図である。このようにして、パワーモジュール３００の両面に冷却部材３４０が設置されて電気回路体４００が製造される。
図７は、図５（ｃ）に示したトランスファーモールド工程における第１シート状部材４４０の端部近傍を示す図である。図７において、第１シート状部材４４０は破線で示した。第１シート状部材４４０は第１導体板４３０上でトランスファーモールド装置６０１によって押圧されている。そして、封止材３６０で封止される。
シート状部材４４０の埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退しているので、埋没部Ｃにおいてシート状部材４４０の端部が封止材３６０に被覆される。そして、埋没部Ｃにおいてシート状部材４４０と金型との間に封止材３６０や封止材３６０の樹脂成分からなる樹脂バリが余白部Ｂに流入していくのを止める。
シート状部材４４０はトランスファーモールド装置６０１の金型に真空吸着しているが、その吸着力は、封止材３６０を注入する成型圧力Ｐａに比べると遥かに小さい。また、封止材３６０を注入する金型内部が真空成型のため排気されると、吸着力がさらに弱くなる。このため、シート状部材４４０とトランスファーモールド装置６０１の金型の間には、封止材３６０や、封止材３６０中の樹脂成分からなる樹脂バリがシート状部材４４０の外周部（端部）４４０－１から流入する。この時、シート状部材４４０の外周部（端部）４４０－１より少し内側に、凸部６０１－１が生じるよう金型が加工されていると、この凸部６０１－１で封止材３６０や樹脂バリがストップする。
凸部６０１－１で封止材３６０や樹脂バリがストップする原理について述べる。図７に示すように、封止材３６０が金型に流入する過程において、まず、流動する封止材３６０により生じる成型圧力Ｐａがシート状部材４４０を金型に押し付け、その後、金型内部がほぼ封止材３６０で充填された後、これまでより一段大きい最終的な成型圧力Ｐａが封止材３６０に静水圧として加わる。この時、微小な隙間にも封止材３６０が流入し、シート状部材４４０の外周部（端部）４４０－１からシート状部材４４０と金型の狭い隙間に封止材３６０や樹脂バリが流入する。しかし、隙間は狭いので封止材３６０が流入する圧力Ｐｂに損失が生じる。シート状部材４４０と金型の隙間に封止材３６０が流入した先に、凸部６０１－１があると、シート状部材４４０と金型の狭い隙間に封止材３６０が流入しようとする圧力Ｐｂが、シート状部材４４０を金型に押し付けようとする成型圧力Ｐａと対抗する方向に作用する。この時、シート状部材４４０を金型に押し付けようとする成型圧力Ｐａの方が、狭い隙間を流動するため圧力Ｐｂより高いため、凸部６０１－１でシート状部材４４０と金型との間に流入する封止材３６０がストップする。特に直角に近い凸部６０１－１がごく一部でもあると、シート状部材４４０を金型に押し付けようとする成型圧力Ｐａがシート状部材４４０と金型の狭い隙間に封止材３６０が流入しようとする圧力Ｐｂと完全に拮抗するため、封止材３６０や樹脂バリをストップする上で極めて効果的に作用する。このようにして、埋没部Ｃではシート状部材４４０の外周部（端部）４４０－１が封止材３６０や樹脂バリにより被覆される。
そして、図６（ｄ）に示した硬化工程により、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退し、また、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退しているので、詳細は後述するように電気回路体４００に反りが生じても高い面圧で放熱面部Ａを冷却部材３４０に押し付けることができる。
図８は、変形例１であり、第１シート状部材４４０の端部近傍の詳細を示す図である。図８において、第１シート状部材４４０は破線で示した。第１シート状部材４４０は第１導体板４３０と冷却部材３４０の間に配置されている。そして、図６（ｄ）に示した硬化工程により、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退し、また、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退している。この変形例１では、硬化工程により余白部Ｂが放熱面部Ａより急激に内部に後退した例を示すが、このような形状であってもよい。
図９は、変形例２であり、第１シート状部材４４０の端部近傍の詳細を示す図である。図９において、第１シート状部材４４０は破線で示した。第１シート状部材４４０は第１導体板４３０と冷却部材３４０の間に配置されている。そして、図６（ｄ）に示した硬化工程により、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退し、また、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退している。この変形例２では、硬化工程により余白部Ｂが放熱面部Ａから離れるに従って徐々に内部に後退した例を示すが、このような形状であってもよい。
また、変形例１、変形例２の他に、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退し、また、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退していればよく、例えば、図示省略するが、余白部Ｂに溝を形成してもよい。
図１０は、封止材３６０の収縮量と温度の関係を示す図である。横軸に温度を、縦軸に収縮量を示す。
例えば温度が１７５℃のTmoldにおいてトランスファーモールド装置６０１の金型内に封止材３６０を注入する。注入直後の寸法を基準にパワーモジュール３００の構成部材のＺ軸方向の収縮に注目する。パワーモジュール３００の能動素子１５５、１５７のエミッタ側からコレクタ側に向かって構成部材を見ていくと、第１シート状部材４４０、第１導体板４３０および第３導体板４３２、はんだ、第１パワー半導体素子１５５、１５６および第２パワー半導体素子１５７、１５８、はんだ、第２導体板４３１および第４導体板４３３、第２シート状部材４４１となる。各シート状部材４４０、４４１は、厚さ100umから500umの樹脂絶縁層と、厚さ30umから200umの金属箔とを積層して構成される。各導体板４３０、４３１は厚さ1mmから5mmの銅系材料から構成される。はんだは厚さ50umから200umのスズ系材料から構成される。第１パワー半導体素子１５５、１５６および第２パワー半導体素子１５７、１５８は厚さ80umから200umのシリコン系材料から構成される。
様々な材料から構成されているが、本実施形態では、これらの各構成部材のＺ軸方向の収縮量を、最も厚い構成材料である銅系材料を代表し、純銅の熱収縮量で近似して説明する。封止材３６０は、トランスファーモールド装置６０１の金型内に注入された後、硬化反応の進行により硬化収縮する。硬化収縮量は、封止材３６０の組成によって変化する。硬化反応するエポキシ樹脂成分の割合と、硬化反応しないその他の充填剤の割合により変化し、エポキシ樹脂成分の割合が多い程、硬化収縮量は大きくなる。エポキシ樹脂成分の割合が同じでも、エポキシ樹脂成分中に占める反応性成分であるエポキシ基の割合が大きい程硬化収縮量は大きくなる。トランスファーモールド装置６０１の金型から取り出されたパワーモジュール３００は、常温に冷却される。
図１０に示す封止材α、γのように、夫々、ガラス転移温度αｔ、γｔがTmoldより低い場合は、ガラス転移温度αｔ、γｔまでは大きな収縮量で収縮し、ガラス転移温度αｔ、γｔより温度が低くなるとこれより小さい収縮量で収縮する。
図１０に示す封止材βのように、ガラス転移温度がTmoldより高い場合は、一定の収縮量で収縮する。T1はパワーモジュール３００の使用環境温度の最小値、T2は使用環境温度の最大値で、例えばT1は－４０℃、T2は125℃となる。この温度域において、収縮量が銅Cuより大きい場合、つまり、封止材３６０の収縮量が図１０に示すハッチング領域Ｈに入っている場合、使用温度域T1－T2で、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退する。封止材β、γがこれに該当し、本実施形態で用いる封止材３６０となる。封止材βは、例えば、多官能エポキシ樹脂（シリカフィラ６６体積％）である。封止材γは、例えば、ノボラック型エポキシ樹脂（シリカフィラ６６体積％）である。封止材αは、放熱面部Ａが余白部Ｂより内部に後退するため本実施形態で用いる封止材３６０に該当しない。
封止材３６０とCuの収縮量の差は、Ｚ軸方向では電気回路体４００の内部に後退する。すなわち、封止材３６０は、第１導体板４３０、第２導体板４３１、第３導体板４３２および第４導体板４３３より温度に対する収縮量が大きい。このため、通常の使用温度域で、余白部Ｂ、埋没部Ｃは放熱面部Ａよりも電気回路体４００の内部に後退する。
また、封止材３６０とCuの収縮量の差は、X-Y方向では反りとなる。一般に、電気回路体４００は、通常コレクタ側の第２導体板４３１および第４導体板４３３の方が、エミッタ側の第１導体板４３０および第３導体板４３２よりも体積が大きくなる。封止材３６０の収縮量がCuより大きい場合、Cuより封止材３６０の方がより収縮する。コレクタ側とエミッタ側で比較すると、封止材３６０の占める割合が大きいエミッタ側がコレクタ側より収縮するため、エミッタ側が凹となる反りが発生する。
冷却部材３４０が片面にある片面冷却構造の電気回路体４００の場合、エミッタ側が凹となっても、コレクタ側から放熱するため問題が生じる可能性は少ない。冷却部材３４０が両面にある両面冷却構造の電気回路体４００の場合、エミッタ側が凹となる反りが発生することで、エミッタ側において放熱面部Ａと冷却部材３４０が接する距離が大きくなり放熱性が低下する虞がある。
図１１（ａ）は、本実施形態における電気回路体４００の断面模式図、図１１（ｂ）は、比較例１の断面模式図、図１１（ｃ）は、比較例２の断面模式図である。いずれも、エミッタ側が凹となる反りＱが発生した場合を示している。
図１１（ａ）に示すように、本実施形態では、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退し、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退しているので、電気回路体４００に反りＱが生じても、封止材３６０の端部が冷却部材３４０に当接することなく、放熱面部Ａは、冷却部材３４０に密着している。このため放熱性に優れる効果がある。特に、電気回路体４００の反りＱは、電気回路体４００のＸ軸方向において顕著であるが、電気回路体４００のＸ軸方向の両端において封止材３６０の量が多くなり、封止材３６０の硬化収縮及び冷却収縮によって余白部Ｂを放熱面部Ａよりパワーモジュール３００の内部に後退させる効果がある。
一方、図１１（ｂ）に示すように、比較例１では、余白部Ｂ、埋没部Ｃは、放熱面部Ａよりも内部に後退していない。このため、電気回路体４００に反りＱが生じた場合に、封止材３６０の端部が冷却部材３４０に当接し、このため、冷却部材３４０と放熱面部Ａとの距離が離されて放熱性が悪くなる。
また、図１１（ｃ）に示すように、比較例２では、埋没部Ｃは、余白部Ｂよりも内部に後退しているが、余白部Ｂは、放熱面部Ａよりも内部に後退していない。このため、電気回路体４００に反りＱが生じた場合に、余白部Ｂの端部付近の封止材３６０が冷却部材３４０に当接し、このため、冷却部材３４０と放熱面部Ａとの間に隙間が生じ放熱性が悪くなる。
図１２は、本実施形態におけるパワーモジュール３００の半透過平面図である。図１３は、本実施形態におけるパワーモジュール３００の回路図である。
図１２、図１３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、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、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。
また、第１パワー半導体素子（上アーム回路）の能動素子１５５およびダイオード１５６の上下に第１導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、第２導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。第２パワー半導体素子（下アーム回路）の能動素子１５７およびダイオード１５８の上下に第３導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、第４導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。
本実施形態のパワーモジュール３００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つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。この他に、複数の上アーム回路及び下アーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造を用いてもよい。この場合は、パワーモジュール３００からの出力端子の数を低減し小型化することができる。
図１４は、電気回路体４００を用いた電力変換装置２００の回路図である。
電力変換装置２００は、インバータ回路１４０、１４２と、補機用のインバータ回路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１４０及び１４２は、パワーモジュール３００を複数個備えた電気回路体４００（図示省略）により構成されており、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１４０とインバータ回路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。
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１３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１５は、図１４に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１６は、図１５に示す電力変換装置２００のXV－XV線の断面斜視図である。
図１５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。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、生産性も向上する。
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１６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を貫通してバスバーに接合されている。また、電気回路体４００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（図１３の直流端子３６２Ａ、３６２Ｂ）に接合される。
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、パワー半導体素子１５５と、パワー半導体素子１５５の一方の面に接続される第１導体板４３０と、第１樹脂絶縁層４４２を有し、第１導体板４３０の表面を少なくとも覆う第１シート状部材４４０と、パワー半導体素子１５５、第１導体板４３０、および第１シート状部材４４０の端部を封止する封止材３６０と、第１シート状部材４４０に密着する第１冷却部材３４０とを備え、第１シート状部材４４０は、第１シート状部材４４０の端部が封止材３６０によって覆われた埋没部Ｃと、第１導体板４３０の表面と重なる領域である放熱面部Ａと、埋没部Ｃと放熱面部Ａとの間の領域である余白部Ｂと、を有し、余白部Ｂは放熱面部Ａよりも内部に後退し、埋没部Ｃは余白部Ｂよりも内部に後退している。これにより、電気回路体に反りが生じても、冷却部材との間の密着性を確保し、放熱性が損なわれない。
（２）電気回路体４００の製造方法は、パワー半導体素子１５５と、パワー半導体素子１５５の一方の面に接続される第１導体板４３０と、第１樹脂絶縁層４４２を有し、第１導体板４３０の表面を少なくとも覆う第１シート状部材４４０とを封止材３６０で封止する工程であって、第１シート状部材４４０は、第１シート状部材４４０の端部が封止材３６０によって覆われる埋没部Ｃと、第１導体板４３０の表面と重なる領域である放熱面部Ａと、埋没部Ｃと放熱面部Ａとの間の領域である余白部Ｂと、を有し、埋没部Ｃを、放熱面部Ａおよび余白部Ｂよりも内部に後退して、封止材３６０で封止する第１工程と、封止材３６０を硬化収縮させ、余白部Ｂを放熱面部Ａより内部に後退させる第２工程と、冷却部材３４０を第１シート状部材４４０に密着する第３工程と、よりなる。これにより、電気回路体に反りが生じても、冷却部材との間の密着性を確保し、放熱性が損なわれない。
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。
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・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、２１・・・コネクタ、４３、１４０、１４２・・・インバータ回路、１５５・・・第１パワー半導体素子（上アーム回路能動素子）、１５６・・・第１パワー半導体素子（上アーム回路ダイオード）、１５７・・・第２パワー半導体素子（下アーム回路能動素子）、１５８・・・第２パワー半導体素子（下アーム回路ダイオード）、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、１８１、１８２、１８８・・・コネクタ、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、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・・・封止材、４００・・・電気回路体、４３０・・・第１導体板（上アーム回路エミッタ側）、４３１・・・第２導体板（上アーム回路コレクタ側）、４３２・・・第３導体板（下アーム回路エミッタ側）、４３３・・・第４導体板（下アーム回路コレクタ側）、４４０・・・第１シート状部材（エミッタ側）、４４１・・・第２シート状部材（コレクタ側）、４４２・・・第１樹脂絶縁層（エミッタ側）、４４３・・・第２樹脂絶縁層（コレクタ側）、４４４・・・金属箔、４５３・・・熱伝導部材、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、Ａ・・・放熱面部、Ｂ・・・余白部、Ｃ・・・埋没部。

Claims (12)

  1. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の一方の面に接続される第１導体板と、第１樹脂絶縁層を有し、前記第１導体板の表面を少なくとも覆う第１シート状部材と、前記パワー半導体素子、前記第１導体板、および前記第１シート状部材の端部を封止する封止材と、前記第１シート状部材に密着する第１冷却部材とを備え、
    前記第１シート状部材は、前記第１シート状部材の前記端部を含み前記封止材によって覆われた埋没部と、前記第１導体板と重なる領域であってその表面が前記封止材から露出した放熱面部と、前記埋没部と前記放熱面部との間の領域であってその表面が前記封止材から露出した余白部と、を有し、
    前記第１シート状部材の前記放熱面部および前記余白部は、前記埋没部を覆う前記封止材の表面よりそれぞれ突出しており、
    前記第１シート状部材の前記余白部は、前記埋没部を覆う前記封止材の表面からの突出高さが前記放熱面部よりも低い電気回路体。
  2. 請求項１に記載の電気回路体において、
    前記パワー半導体素子の他方の面に接続される第２導体板と、第２樹脂絶縁層を有し、
    前記第２導体板の表面を少なくとも覆う第２シート状部材と、前記第２シート状部材に密着する第２冷却部材とを備え、
    前記封止材は、前記第２導体板、および前記第２シート状部材の端部を封止し、
    前記第２シート状部材は、前記第２シート状部材の前記端部を含み前記封止材によって覆われた埋没部と、前記第２導体板と重なる領域であってその表面が前記封止材から露出した放熱面部と、前記埋没部と前記放熱面部との間の領域であってその表面が前記封止材から露出した余白部と、を有し、
    前記第２シート状部材の前記放熱面部および前記余白部は、前記埋没部を覆う前記封止材の表面よりそれぞれ突出しており、
    前記第２シート状部材の前記余白部は、前記埋没部を覆う前記封止材の表面からの突出高さが前記放熱面部よりも低い電気回路体。
  3. 請求項１に記載の電気回路体において、
    前記第１シート状部材は、前記第１樹脂絶縁層と、第１金属箔とを積層してなり、
    前記第１冷却部材は、前記第１金属箔を介して前記第１シート状部材の前記放熱面部と密着する電気回路体。
  4. 請求項２に記載の電気回路体において、
    前記第２シート状部材は、前記第２樹脂絶縁層と、第２金属箔とを積層してなり、
    前記第２冷却部材は、前記第２金属箔を介して前記第２シート状部材の前記放熱面部と密着する電気回路体。
  5. 請求項１に記載の電気回路体において、
    前記第１冷却部材は、熱伝導部材を介して前記第１シート状部材と密着する電気回路体。
  6. 請求項２に記載の電気回路体において、
    前記第２冷却部材は、熱伝導部材を介して前記第２シート状部材と密着する電気回路体。
  7. 請求項１または請求項３に記載の電気回路体において、
    前記封止材は、前記第１導体板より温度に対する収縮量が大きい電気回路体。
  8. 請求項２または請求項４に記載の電気回路体において、
    前記封止材は、前記第２導体板より温度に対する収縮量が大きい電気回路体。
  9. 請求項１または請求項２に記載の電気回路体において、
    前記パワー半導体素子より導出され、コンデンサに接続される第１端子と、
    前記第１端子とは反対側に前記パワー半導体素子より導出され、モータに接続される第２端子とを備えた電気回路体。
  10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の電気回路体により構成され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。
  11. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の一方の面に接続される第１導体板と、第１樹脂絶縁層を有し、前記第１導体板の表面を少なくとも覆う第１シート状部材とを封止材で封止してなる電気回路体の製造方法であって、
    前記第１シート状部材は、前記第１シート状部材の端部を含み前記封止材によって覆われる埋没部と、前記第１導体板と重なる領域であってその表面が前記封止材から露出する放熱面部と、前記埋没部と前記放熱面部との間の領域であってその表面が前記封止材から露出する余白部と、を有し、
    前記埋没部が前記封止材によって覆われ、前記放熱面部および前記余白部が前記埋没部を覆う前記封止材の表面よりそれぞれ突出するように、前記パワー半導体素子、前記第１導体板および前記第１シート状部材を前記封止材で封止する第１工程と、
    前記封止材を硬化収縮させ、前記余白部の前記埋没部を覆う前記封止材の表面からの突出高さが前記放熱面部よりも低くなるようにする第２工程と、
    冷却部材を前記第１シート状部材に密着する第３工程と、
    を含む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、
    前記第３工程は、熱伝導部材を介して前記冷却部材を前記第１シート状部材へ密着する工程を含む電気回路体の製造方法。
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