JPWO2012120594A1 - 半導体モジュール、および半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

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Abstract

半導体モジュール３００ａは、枠部３０４Ａ３と該枠部３０４Ａ３を挟むように対向配置された一対の壁部３０４Ａ１，３０４Ａ２とで形成される収納空間を有するケースを備えており、壁部３０４Ａ１は、放熱部３０７Ａ，３０７Ｂと、放熱部３０７Ａ，３０７Ｂを枠部３０４Ａ３に支持する支持壁３０４１とで構成され、壁部３０４Ａ２は、放熱部３０７Ｃと、放熱部３０７Ｃを枠部３０４Ａ３に支持する支持壁３０４３とで構成されている。そして、壁部３０４Ａ１に設けられた放熱部３０７Ａ，３０７Ｂは、複数の半導体素子ブロックの各々に対向配置して分離して設けられており、複数の放熱部３０７Ａ，３０７Ｂの周囲は支持壁３０４１によって囲まれ、 支持壁３０４１が、枠部３０４Ａ３から放熱部３０７Ａ，３０７Ｂにかけてケース内側に窪むように変形して複数枚の絶縁シート３３３の各々が複数のリードフレーム３１８，３１９および複数の放熱部３０７Ａ，３０７Ｂとそれぞれ密着接合している。

Description

本発明は、半導体素子の表裏両面から冷却を行う両面冷却型の半導体モジュール、および半導体モジュールの製造方法に関する。
近年、省エネルギーの観点から、モーターで駆動する電気自動車や、モーター駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカーが注目されている。これらの車両に搭載される大容量の車載用モーターは、バッテリーの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体チップのスイッチングを利用した電力変換装置が不可欠である。
電力変換装置に用いられるパワー半導体チップは通電により発熱するため、高い放熱能力が求められる。特許文献１に記載の技術では、ケースをＣＡＮ状とし、変形部を設けることで、正極側端子と負極側端子の積層体に厚さのばらつきがあっても、絶縁性のスペーサ厚さに合わせケースに収納できるパワー半導体装置が記載されている。
日本国特開２０１０−１１０１４３号公報
特許文献１に記載の構造では、前記ケース内に前記パワー半導体素子を搭載した導電板を複数並列にケース内に絶縁層を介して内蔵すると、部材間の平行度のばらつきにより前記絶縁層の厚さがばらついたり、あるいは、未接着部が形成されたりして、絶縁性能や耐熱サイクル性能が低下するという問題があった。
本発明の第１の態様によると、半導体モジュールは、枠部と該枠部を挟むように対向配置された一対の壁部とで形成される収納空間を有し、一対の壁部が放熱部と該放熱部を枠部に支持する支持壁とで構成されているケースと、壁部に面して収納空間に並列して複数配置され、半導体素子の表裏両面に形成された電極面のそれぞれに導体板が接合されている半導体素子ブロックと、それぞれの導体板と壁部の内周面との間にそれぞれが介在されて両者を絶縁する複数枚の絶縁性シート部材と、収納空間に充填されて、複数の半導体素子ブロックを封止する樹脂組成部材と、を備え、壁部の少なくとも一方に設けられた放熱部は、複数の半導体素子ブロックの各々に対向配置する複数の分離放熱部を含み、複数の分離放熱部の周囲は支持壁によって囲まれ、 支持壁が、枠部から分離放熱部にかけてケース内側に窪むように変形して複数枚の絶縁性シート部材の各々が複数の導体板および複数の分離放熱部とそれぞれ密着接合している。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の半導体モジュールにおいて、導体板は、半導体素子側に屈曲するように形成されて、並列配置された他の半導体素子ブロックの導体板と接続される連結部を備えるようにしても良い。
本発明の第３の態様によると、第１または２の態様の半導体モジュールにおいて、導体板は、絶縁性シート部材と接する面の端部に傾斜面または段差面が形成されており、樹脂組成部材が傾斜面または段差面と絶縁性シート部材との隙間に充填されている。
本発明の第４の態様によると、第１乃至３のいずれか一の態様の半導体モジュールにおいて、絶縁性シート部材の熱伝導率が樹脂組成部材の熱伝導率よりも高いのが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第１乃至４のいずれか一の態様の半導体モジュールにおいて、半導体素子ブロック、絶縁性シート部材およびケース内周面と樹脂組成部材との間に、ポリアミド樹脂層を形成するのが好ましい。
本発明の第６の態様によると、第１乃至５のいずれか一の態様の半導体モジュールにおいて、収納空間における複数の半導体素子ブロックの位置を位置決めする、位置決め部を備えるのが好ましい。
本発明の第７の態様によると、第１の態様の半導体モジュールを製造するための製造方法であって、半導体素子ブロックに設けられた導体板に絶縁性シート部材を固着し、絶縁性シート部材が固着された複数の半導体素子ブロックを、絶縁性シート部材が対応する分離放熱部と対向するように収納空間に並列に配置し、分離放熱部のそれぞれをケース内側方向に押圧して支持壁を変形して、該分離放熱部を絶縁性シート部材に密着接合し、収納空間に樹脂組成部材を充填して複数の半導体素子ブロックを封止するものである。
本発明の第８の態様によると、第７の態様の半導体モジュールの製造方法において、支持壁を変形して、該分離放熱部を絶縁性シート部材に密着接合した後に、収納空間に収納された複数の半導体素子ブロックおよびケースの内周面にポリアミド樹脂を付着させて、ポリアミド樹脂層を形成し、その後、収納空間に樹脂組成部材を充填して複数の半導体素子ブロックを封止するものである。
本発明は、半導体モジュールの絶縁性能および放熱性能の向上を図ることができる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 電力変換装置２００の回路図である。 電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図である。 電力変換装置２００の分解斜視図である。 冷却ジャケット１２の下面図である。 コンデンサモジュール５００の分解斜視図である。 冷却ジャケット１２にパワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュールを組み付けた外観を示す図である。 冷却ジャケット１２とバスバーモジュール８００の分解斜視図である。 保持部材８０３を除いたバスバーモジュール８００の外観斜視図である。 パワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュール８００と補機用パワーモジュール３５０を組み付けた冷却ジャケット１２の外観斜視図である。 制御回路基板２０と金属ベース板１１を分離した電力変換装置２００の分割斜視図である。 電力変換装置２００をＣ方向から見た断面図である。 パワーモジュール３００ａの外観を示す斜視図である。 図１３のＡ−Ａ断面図である。 図１３のＢ−Ｂ断面図である。 上下アーム直列回路１５０を示す図である。 半導体素子ユニット３０００の外観斜視図である。 半導体素子ユニット３０００の分解斜視図である。 絶縁シート３３３が設けられた半導体素子ユニット３０００の外観斜視図である。 ケース３０４内に挿入された半導体素子ユニット３０００を示す断面図である。 低インダクタンス化を説明する図である。 低インダクタンス化を説明する図である。 変形例１を説明する図である。 変形例２を説明する図である。 リードフレーム端部の拡大図である。 ケース３０４の内周面形状を説明する図である。 変形例３を説明する図である。 ３つの半導体素子ブロックを有するパワーモジュールを説明する回路図である。 パワーモジュール３００ｄの断面図である。 パワーモジュール３００ｅの断面図である。 ６つの半導体素子ブロックを有するパワーモジュールを説明する回路図である。 パワーモジュール３００ｆの断面図である。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。本実施形態に係る半導体モジュールは、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電力変換装置、電車や船舶、航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に適用可能である。以下では、ハイブリッド自動車の電力変換装置に適用した場合を例に説明する。
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側にはトランスミッション１１８の出力軸が機械的に接続されている。トランスミッション１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。
インバータ部１４０，１４２は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と電気的に接続される。バッテリ１３６とインバータ部１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。バッテリ１３６からインバータ部４３に直流電力が供給され、インバータ部４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。インバータ部４３は、インバータ部１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ部４３の最大変換電力がインバータ部１４０や１４２より小さいが、インバータ部４３の回路構成は基本的にインバータ部１４０や１４２の回路構成と同じである。なお、電力変換装置２００は、インバータ部１４０、インバータ部１４２、インバータ部４３に供給される直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。
図２を用いてインバータ部１４０やインバータ部１４２あるいはインバータ部４３の電気回路構成を説明する。なお、図２では、代表例としてインバータ部１４０の説明を行う。
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ１５５及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ１５７及びダイオード１５８と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極３２９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
上アームのＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１６７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に、下アームのＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１６８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ１５５やＩＧＢＴ１５７は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、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。この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
ＩＧＢＴ１５５は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５１と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ１５７は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、ＩＧＢＴ１５５と電気的に並列に接続されている。また、ダイオード１５８が、ＩＧＢＴ１５７と電気的に並列に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１５８は不要となる。コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ１５５及びＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ１５７のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ１５５のゲート電極にそれぞれ出力する。
また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極１５１及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ１５５とＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ１５５，ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ１５５，ＩＧＢＴ１５７を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及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ＩＧＢＴ１５５，ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させる。
図３は、電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。電力変換装置２００は、トランスミッション１１８を収納するためのＡｌまたはＡｌ合金製の筐体１１９に固定される。電力変換装置２００は、底面及び上面の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易いという効果がある。冷却ジャケット１２は、後述するパワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によって冷却する。また、冷却ジャケット１２は、筐体１１９に固定され、かつ筐体１１９との対向面に入口配管１３と出口配管１４が形成されている。入口配管１３と出口配管１４が筐体１１９に形成された配管と接続されることにより、トランスミッション１１８を冷却するための冷却媒体が、冷却ジャケット１２に流入及び流出する。
ケース１０は、電力変換装置２００を覆って、かつ筐体１１９側に固定される。ケース１０の底は、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０と対向するように構成される。またケース１０は、ケース１０の底から外部に繋がる第１開口２０２と第２開口２０４を、ケース１０の底面に形成する。コネクタ２１は、制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を当該制御回路基板２０に伝送する。バッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。
コネクタ２１とバッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、ケース１０の底面に向かって延ばされ、コネクタ２１は第１開口２０２から突出し、かつバッテリ負極側接続端子部５１０及びバッテリ正極側接続端子部５１２は第２開口２０４から突出する。ケース１０には、その内壁の第１開口２０２及び第２開口２０４の周りにシール部材（不図示）が設けられる。
コネクタ２１等の端子の勘合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から勘合面を上向きにして出すことが好ましい。特に、本実施形態のように、電力変換装置２００が、トランスミッション１１８の上方に配置される場合には、トランスミッション１１８の配置側とは反対側に向かって突出させることにより、作業性が向上する。また、コネクタ２１は外部の雰囲気からシールする必要があるが、コネクタ２１に対してケース１０を上方向から組付ける構成となることで、ケース１０が筐体１１９に組付けられたときに、ケース１０と接触するシール部材がコネクタ２１を押し付けることができ、気密性が向上する。
図４は、電力変換装置２００の分解斜視図である。冷却ジャケット１２には、流路１９が設けられ、該流路１９の上面には、開口部４００a〜４００ｃが冷媒の流れ方向４１８に沿って形成され、かつ開口部４０２a〜４０２ｃが冷媒の流れ方向４２２に沿って形成される。開口部４００a〜４００ｃがパワーモジュール３００a〜３００ｃによって塞がれるように、かつ開口部４０２a〜４０２ｃがパワーモジュール３０１a〜３０１ｃによって塞がれる。
また、冷却ジャケット１２には、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５が形成される。コンデンサモジュール５００は、収納空間４０５に収納されることにより、流路１９内に流れる冷媒によって冷却されることになる。コンデンサモジュール５００は、冷媒の流れ方向４１８を形成するための流路１９と、冷媒の流れ方向４２２を形成するための流路１９に挟まれるため、効率良く冷却することができる。
冷却ジャケット１２には、入口配管１３と出口配管１４と対向する位置に突出部４０７が形成される。突出部４０７は、冷却ジャケット１２と一体に形成される。補機用パワーモジュール３５０は、突出部４０７に固定され、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。補機用パワーモジュール３５０の側部には、バスバーモジュール８００が配置される。バスバーモジュール８００は、交流バスバー１８６や電流センサ１８０等により構成されるが、詳細は後述する。
このように冷却ジャケット１２の中央部にコンデンサモジュール５００の収納空間４０５を設け、その収納空間４０５を挟むように流路１９を設け、それぞれの流路１９に車両駆動用のパワーモジュール３００a〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１a〜３０１ｃを配置し、さらに冷却ジャケット１２の上面に補機用パワーモジュール３５０を配置することで、小さい空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また冷却ジャケット１２の流路１９の主構造を冷却ジャケット１２と一体にＡｌまたはＡｌ合金材の鋳造で作ることにより、流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またＡｌ鋳造で作ることで冷却ジャケット１２と流路１９とが一体構造となり、熱伝達が良くなり冷却効率が向上する。
なお、パワーモジュール３００a〜３００ｃとパワーモジュール３０１a〜３０１ｃを流路１９に固定することで流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次にコンデンサモジュール５００や補機用パワーモジュール３５０や基板を取り付ける作業を行うことができる。このように、電力変換装置２００の底部に冷却ジャケット１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００、補機用パワーモジュール３５０、バスバーモジュール８００、基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
ドライバ回路基板２２は、補機用パワーモジュール３５０及びバスバーモジュール８００の上方に配置される。また、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
図５は、流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。冷却ジャケット１２と当該冷却ジャケット１２の内部に設けられた流路１９は、一体に鋳造されている。冷却ジャケット１２に下面には、１つに繋がった開口部４０４が形成されている。開口部４０４は、中央部に開口を有する下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と冷却ジャケット１２の間には、シール部材４０９a及びシール部材４０９ｂが設けられ気密性を保っている。
下カバー４２０には、一方の端辺の近傍であって当該端辺に沿って、入口配管１３を挿入するための入口孔４０１と、出口配管１４を挿入するための出口孔４０３が形成される。また下カバー４２０には、トランスミッション１１８の配置方向に向かって突出する凸部４０６が形成される。凸部４０６は、パワーモジュール３００a〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１a〜３０１ｃ毎に設けられる。
冷媒は、流れ方向４１７のように、入口孔４０１を通って、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９aに向かって流れる。そして冷媒は、流れ方向４１８のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂを流れる。また冷媒は、流れ方向４２１のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは折り返し流路を形成する。また、冷媒は、流れ方向４２２のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第４流路部１９ｄを流れる。第４流路部１９ｄは、コンデンサモジュール５００を挟んで第２流路部１９ｂと対向する位置に設けられる。さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第５流路部１９ｅ及び出口孔４０３を通って出口配管１４に流出する。
第１流路部１９a、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃ、第４流路部１９ｄ及び第５流路部１９ｅは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。パワーモジュール３００a〜３００ｃが、冷却ジャケット１２の上面側に形成された開口部４００a〜４００ｃから挿入され（図４参照）、第２流路部１９ｂ内の収納空間に収納される。なお、パワーモジュール３００aの収納空間とパワーモジュール３００ｂの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ａが形成される。同様に、パワーモジュール３００ｂの収納空間とパワーモジュール３００ｃの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ｂが形成される。中間部材４０８ａ及び中間部材４０８ｂは、その主面が冷媒の流れ方向に沿うように形成される。第４流路部１９ｄも第２流路部１９ｂと同様にパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃの収納空間及び中間部材を形成する。また、冷却ジャケット１２は、開口部４０４と開口部４００a〜４００ｃ及び４０２a〜４０２ｃとが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
下カバー４２０には、筐体１１９と当接し、電力変換装置２００を支持するための支持部４１０a及び支持部４１０ｂが設けられる。支持部４１０aは下カバー４２０の一方の端辺に近づけて設けられ、支持部４１０ｂは下カバー４２０の他方の端辺に近づけて設けられる。これにより、電力変換装置２００を、トランスミッション１１８やモータジェネレータ１９２の円柱形状に合わせて形成された筐体１１９の側壁に強固に固定することができる。
また、支持部４１０ｂは、抵抗器４５０を支持するように構成されている。この抵抗器４５０は、乗員保護やメンテナンス時における安全面に配慮して、コンデンサセルに帯電した電荷を放電するためのものである。抵抗器４５０は、高電圧の電気を継続的に放電できるように構成されているが、万が一抵抗器もしくは放電機構に何らかの異常があった場合でも、車両に対するダメージを最小限にするように配慮した構成とする必要がある。つまり、抵抗器４５０がパワーモジュールやコンデンサモジュールやドライバ回路基板等の周辺に配置されている場合、万が一抵抗器４５０が発熱、発火等の不具合を発生した場合に主要部品近傍で延焼する可能性が考えられる。
そこで本実施形態では、パワーモジュール３００a〜３００ｃやパワーモジュール３０１a〜３０１ｃやコンデンサモジュール５００は、冷却ジャケット１２を挟んで、トランスミッション１１８を収納した筐体１１９とは反対側に配置され、かつ抵抗器４５０は、冷却ジャケット１２と筐体１１９との間の空間に配置される。これにより、抵抗器４５０が金属で形成された冷却ジャケット１２及び筐体１１９で囲まれた閉空間に配置されることになる。なお、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに貯まった電荷は、図４に示されたドライバ回路基板２２に搭載されたスイッチング手段のスイッチング動作によって、冷却ジャケット１２の側部を通る配線を介して抵抗器４５０に放電制御される。本実施形態では、スイッチング手段によって高速に放電するように制御される。放電を制御するドライバ回路基板２２と抵抗器４５０の間に、冷却ジャケット１２が設けられているので、ドライバ回路基板２２を抵抗器４５０から保護することができる。また、抵抗器４５０は下カバー４２０に固定されているので、流路１９と熱的に非常に近い位置に設けられているので、抵抗器４５０の異常な発熱を抑制することができる。
図６は、コンデンサモジュール５００の分解斜視図である。積層導体板５０１は、薄板状の幅広導体で形成された負極導体板５０５及び正極導体板５０７、さらに負極導体板５０５と正極導体板５０７に挟まれた絶縁シート５１７により構成されているので、低インダクタンス化が図られている。積層導体板５０１は、略長方形形状を成す。バッテリ負極側端子５０８及びバッテリ負極側端子５０９は、積層導体板５０１の短手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。
コンデンサ端子５０３a〜５０３ｃは、積層導体板５０１の長手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。また、コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の長手方向の他方の辺から立ち上げられた状態で形成される。なお、コンデンサ端子５０３a〜５０３ｆは、積層導体板５０１の主面を横切る方向に立ち上げられている。コンデンサ端子５０３a〜５０３ｃは、パワーモジュール３００a〜３００ｃとそれぞれ接続される。コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、パワーモジュール３０１a〜３０１ｃとそれぞれ接続される。コンデンサ端子５０３aを構成する負極側コンデンサ端子５０４aと正極側コンデンサ端子５０６aとの間には、絶縁シート５１７の一部が設けられ、絶縁が確保されている。他のコンデンサ端子５０３ｂ〜５０３ｆも同様である。なお、本実施形態では、負極導体板５０５、正極導体板５０７、バッテリ負極側端子５０８、バッテリ負極側端子５０９、コンデンサ端子５０３a〜５０３ｆは、一体に成形された金属製板で構成され、インダクタンス低減及び生産性の向上を図っている。
コンデンサセル５１４は、積層導体板５０１の下方に複数個設けられる。本実施形態では、８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べられ、かつさらに別の８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べられ、合計１６個のコンデンサセルが設けられる。積層導体板５０１の長手方向のそれぞれの辺に沿って並べられたコンデンサセル５１４は、図６に示される破線部AAを境に対称に並べられる。これにより、コンデンサセル５１４によって平滑化された直流電流をパワーモジュール３００a〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１a〜３０１ｃに供給する場合に、コンデンサ端子５０３a〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化され、積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができる。また、電流が積層導体板５０１にて局所的に流れることを防止できるので、熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
また、バッテリ負極側端子５０８とバッテリ負極側端子５０９も、図６に示される点線AAを境にて対称に並べられる。同様に、コンデンサ端子５０３a〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化されて積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができ、かつ熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
本実施形態のコンデンサセル５１４は、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であり、片面にＡｌなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属の各々を正極、負極としたフィルムコンデンサを用いる。コンデンサセル５１４の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極、負極電極となり、Ｓｎなどの導電体を吹き付けて製造される。セル端子５１６及びセル端子５１８は、正極電極及び負極電極に接続され、かつ積層導体板５０１の開口部を通ってコンデンサセル５１４配置側とは反対側まで延ばされ、正極導体板５０７及び負極導体板５０５とはんだあるいは溶接により接続される。
コンデンサケース５０２は、コンデンサセル５１４を収納するための収納部５１１を備え、当該収納部５１１は上面及び下面が略長方形状を成す。収納部５１１の長手方向の一方の辺にはフランジ部５１５aが設けられ、他方の辺にはフランジ部５１５ｂが設けられる。フランジ部５１５aには、モジュールケース３０４の挿入口３０６から延びる各端子を貫通させるための貫通孔５１９a〜５１９ｃが設けられる。同様に、フランジ部５１５ｂには、貫通孔５１９ｄ〜５１９ｆが設けられる。また、貫通孔５１９a〜５１９ｆのそれぞれの側部には、コンデンサモジュール５００を冷却ジャケット１２に固定する固定手段を貫通させるための孔５２０a〜５２０ｈが設けられる。パワーモジュールとの間に、孔５２０ｂ、孔５２０ｃ、孔５２０ｆ、孔５２０ｇが設けられることで、パワーモジュールと流路１９との気密性を向上させている。フランジ部５１５a及びフランジ部５１５ｂは、コンデンサケース５０２の軽量化と冷却ジャケット１２への固定強度を向上させるために、ハニカム構造を成している。
収納部５１１の底面部５１３は、円筒形のコンデンサセル５１４の表面形状に合わせるように、なめらかな凹凸形状若しくは波形形状を成している。これにより、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４が接続されたモジュールをコンデンサケース５０２に位置決めさることが容易になる。また、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４がコンデンサケース５０２に収納された後に、コンデンサ端子５０３a〜５０３ｆとバッテリ負極側端子５０８及びバッテリ負極側端子５０９を除いて、積層導体板５０１が覆われるようにコンデンサケース５０２内に充填材（図示せず）が充填される。底面部５１３がコンデンサセル５１４の形状に合わせて波形形状となっていることにより、充填材がコンデンサケース５０２内に充填される際に、コンデンサセル５１４が所定位置からずれることを防止できる。
また、コンデンサセル５１４は、スイッチング時のリップル電流により、内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜、内部導体の電気抵抗により発熱する。そこで、コンデンサセル５１４の熱をコンデンサケース５０２に逃がし易くするために、コンデンサセル５１４を充填材でモールドする。さらに樹脂製の充填材を用いることにより、コンデンサセル５１４の耐湿も向上させることができる。
さらに、本実施形態では、コンデンサモジュール５００は、収納部５１１の長手方向の辺を形成する側壁が流路１９に挟まれように配置されているので、コンデンサモジュール５００を効率良く冷やすことができる。また、コンデンサセル５１４は、当該コンデンサセル５１４の電極面の一方が収納部５１１の長手方向の辺を形成する内壁と対向するように配置されている。これにより、フィルムの巻回軸の方向に熱が伝達し易いので、熱がコンデンサセル５１４の電極面を介してコンデンサケース５０２に逃げやすくなっている。
図７（ａ）は、冷却ジャケット１２にパワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュールを組み付けた外観斜視図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の破線囲み部の拡大図である。
図７（ｂ）に示されるように、直流負極端子３１５B、直流正極端子３１９ｂ、交流端子３２１及び第２封止部６０１ｂは、コンデンサケース５０２の貫通孔５１９を通って、フランジ部５１５ａの上方まで延びている。直流負極端子３１５ｂ及び直流正極端子３１９ｂの電流経路の面積は、積層導体板５０１の電流経路の面積より非常に小さい。そのため、電流が積層導体板５０１から直流負極端子３１５ｂ及び直流正極端子３１９ｂに流れる際には、電流経路の面積が大きく変化することになる。つまり、電流が直流負極端子３１５ｂ及び直流正極端子３１９ｂに集中することになる。また、直流負極端子３１５ｂ及び直流正極端子３１９ｂが積層導体板５０１を横切る方向に突出する場合、言い換えると、直流負極端子３１５ｂ及び直流正極端子３１９ｂが積層導体板５０１とねじれの関係にある場合、新たな接続用導体が必要になり生産性低下やコスト増大の問題が生じる。
そこで、本実施形態では、負極側コンデンサ端子５０４ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立ち上がり部５４０と、当該立ち上がり部５４０と接続されかつU字状に屈曲した折返し部５４１と、当該折返し部５４１と接続されかつ立ち上がり部５４０とは反対側の面が直流負極端子３１９ｂの主面と対向する接続部５４２とにより構成される。また、正極側コンデンサ端子５０６ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立ち上がり部５４３と、折返し部５４４と、当該折返し部５４４と接続されかつ立ち上がり部５４３とは反対側の面が直流正極端子３１５ｂの主面と対向する接続部５４５と、により構成される。特に、折返し部５４４は、立ち上がり部５４３と略直角に接続されかつ負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１５ｂと直流正極端子３１９ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、立ち上がり部５４０の主面と立ち上がり部５４３の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。同様に、折返し部５４１の主面と折返し部５４４の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。
これにより、コンデンサ端子５０３ａが接続部５４２の直前まで絶縁シート５１７を介した積層構造を成すため、電流が集中する当該コンデンサ端子５０３ａの配線インダクタンスを低減することができる。また、折返し部５４４が負極側コンデンサ端子５０４aと直流負極端子３１５ｂと直流正極端子３１９ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、直流正極端子３１９ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流負極端子３１５ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。
これにより、直流正極端子３１９ｂ及び直流負極端子３１５ｂの溶接接続するための作業方向と折返し部５４４とが干渉することがなくなるので、低インダクタンスを図りながら生産性を向上させることができる。
また、交流端子３２１の先端は交流バスバー８０２ａの先端とは溶接により接続される。溶接をするための生産設備において、溶接機械を溶接対象に対して複数方向に可動出来るように作ることは、生産設備を複雑化させることにつながり生産性及びコスト的な観点から好ましくない。そこで、本実施形態では、交流端子３２１の溶接箇所と直流正極端子３１９ｂの溶接箇所は、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。これにより、溶接機械を一方向に可動する間に、複数の溶接を行うことができ、生産性が向上する。
さらに、図４及び図７（ａ）に示されるように、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃは、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。これにより、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃを溶接する際に、更に生産性を向上させることができる。
図８は、パワーモジュールとコンデンサモジュールを組み付けた冷却ジャケット１２とバスバーモジュール８００の分解斜視図である。図９は、保持部材８０３を除いたバスバーモジュール８００の外観斜視図である。
図８及び図９に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの設置箇所まで、当該第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。また、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａの貫通孔又は電流センサ１８０ｂの貫通孔の直前で略直角に折り曲げられる。これにより、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂを貫通する第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの部分は、その主面が積層導体板５０１の主面と略平行になる。そして、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの端部には、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆと接続する為の接続部８０５ａ〜８０５ｆが形成される（接続部８０５ｄ〜８０５ｆは図示せず）。
第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、接続部８０５ａ〜８０５ｆの近傍で、コンデンサモジュール５００側に向かって略直角に折り曲げられる。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。さらに第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの近傍から、図９に示された冷却ジャケット１２の短手方向の一方の辺１２ａに向かって延ばされ、当該辺１２ａを横切るように形成される。つまり、複数の第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面が向かい合った状態で、当該第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが辺１２ａを横切るように形成される。
これにより、装置全体を大型化させることなく、冷却ジャケット１２の短い辺側から複数の板状交流バスバーを外部に突出させることができる。そして、冷却ジャケット１２の一面側から複数の交流バスバーを突出させることで、電力変換装置２００の外部での配線の取り回しが容易になり、生産性が向上する。
図８に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆ、電流センサ１８０ａ〜１８０ｂ及び第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、樹脂で構成された保持部材８０３によって、保持及び絶縁されている。この保持部材８０３により、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが金属製の冷却ジャケット１２及び筐体１１９との間の絶縁性を向上させる。また保持部材８０３が冷却ジャケット１２に熱的に接触又は直接接触することにより、トランスミッション１１８側から第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆに伝わる熱を、冷却ジャケット１２に逃がすことができるので、電流センサ１８０ａ〜１８０ｂの信頼性を向上させることができる。
図８に示されるように、保持部材８０３は、図２に示されたドライバ回路基板２２を支持するための支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂを設ける。支持部材８０７ａは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べて形成される。また、支持部材８０７ｂは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べて形成される。支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂの先端部には、ドライバ回路基板２２を固定するための螺子穴が形成されている。
さらに、保持部材８０３は、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂが配置された箇所から上方に向かって延びる突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂを設ける。突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂは、それぞれ電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂを貫通するように構成される。図８に示されるように、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、ドライバ回路基板２２の配置方向に向かって延びる信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂを設ける。信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂは、ドライバ回路基板２２の配線パターンとはんだによって接合される。本実施形態では、保持部材８０３、支持部材８０７ａ〜８０７ｂ及び突起部８０６ａ〜８０６ｂは、樹脂で一体に形成される。
これにより、保持部材８０３が電流センサ１８０とドライバ回路基板２２との位置決め機能を備えることになるので、信号線１８２ａとドライバ回路基板２２との間の組み付け及びはんだ接続作業が容易になる。また、電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を保持する機構を保持部材８０３に設けることで、電力変換装置全体としての部品点数を削減できる。
本実施形態における電力変換装置２００はトランスミッション１１８を収納した筐体１１９に固定されるので、トランスミッション１１８からの振動の影響を大きく受ける。そこで、保持部材８０３は、ドライバ回路基板２２の中央部の近傍を指示するための支持部材８０８を設けて、ドライバ回路基板２２に加わる振動の影響を低減している。なお、保持部材８０３は、冷却ジャケット１２に螺子により固定される。
また、保持部材８０３は、補機用パワーモジュール３５０の一方の端部を固定するためのブラケット８０９を設ける。また図４に示されるように、補機用パワーモジュール３５０は突出部４０７に配置されることにより、当該補機用パワーモジュール３５０の他方の端部が当該突出部４０７に固定される。これにより、補機用パワーモジュール３５０に加わる振動の影響を低減するとともに、固定用の部品点数を削減することができる。
図１０は、パワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュール８００と補機用パワーモジュール３５０を組み付けた冷却ジャケット１２の外観斜視図である。電流センサ１８０は、約１００℃の耐熱温度以上に熱せられると破壊するおそれがある。特に車載用の電力変換装置では、使用される環境の温度が非常に高温になるため、電流センサ１８０を熱から保護することが重要になる。特に、本実施形態に係る電力変換装置２００はトランスミッション１１８に搭載されるので、当該トランスミッション１１８から発せられる熱から保護することが重要になる。
そこで、本実施形態では、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、冷却ジャケット１２を挟んでトランスミッション１１８とは反対側に配置される。これにより、トランスミッション１１８が発する熱が電流センサに伝達し難くなり、電流センサの温度上昇を抑えられる。さらに、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、図５に示された第３流路１９ｃを流れる冷媒の流れ方向８１０を横切るように形成される。そして、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、第３流路部１９ｃを横切る第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの部分よりもパワーモジュールの交流端子３２１に近い側に配置される。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが冷媒によって間接的に冷却され、交流バスバーから電流センサ、更にはパワーモジュール内の半導体チップに伝わる熱を和らげることができるため、信頼性が向上する。
図１０に示される流れ方向８１１は、図５にて示された第４流路１９ｄを流れる冷媒の流れ方向を示す。同様に、流れ方向８１２は、図５にて示された第２流路１９ｂを流れる冷媒の流れ方向を示す。本実施形態に係る電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、電力変換装置２００の上方から投影したときに、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂの投影部が流路１９の投影部に囲まれるように配置される。これにより電流センサをトランスミッション１１８からの熱から更に保護することができる。
図１１は、制御回路基板２０と金属ベース板１１を分離した電力変換装置２００の分割斜視図である。図１０にて示されたように、電流センサ１８０は、コンデンサモジュール５００の上方に配置される。ドライバ回路基板２２は、電流センサ１８０の上方に配置され、かつ図８に示されたバスバーモジュール８００に設けられる支持部材８０７ａ及び８０７ｂによって支持される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２の上方に配置され、かつ冷却ジャケット１２から立設された複数の支持部材１５によって支持される。制御回路基板２０は、金属ベース板１１の上方に配置され、かつ金属ベース板１１に固定される。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２と制御回路基板２０が高さ方向に一列に階層的に配置され、かつ制御回路基板２０が強電系のパワーモジュール３００及び３０１から最も遠い場所に配置されるので、スイッチングノイズ等が混入することを抑制することができる。さらに、金属ベース板１１は、グランドに電気的に接続された冷却ジャケット１２に電気的に接続されている。この金属ベース板１１によって、ドライバ回路基板２２から制御回路基板２０に混入するノイズを低減している。
本実施形態においては、流路１９に流れる冷媒の冷却対象が主に駆動用のパワーモジュール３００及び３０１であるので、当該パワーモジュール３００及び３０１は流路１９内に収納されて直接と冷媒と接触して冷却される。一方、補機用パワーモジュール３５０も、駆動用パワーモジュールほどではないが冷却することが求められる。
そこで、本実施形態では、補機用パワーモジュール３５０の金属ベースで形成された放熱面が、流路１９を介して、入口配管１３及び出口配管１４と対向するように形成される。特に、補機用パワーモジュール３５０を固定する突出部４０７が入口配管１３の上方に形成されているので、下方から流入する冷媒が突出部４０７の内壁に衝突して、効率良く補機用パワーモジュール３５０から熱を奪うことができる。さらに、突出部４０７の内部には、流路１９と繋がる空間を形成している。この突出部４０７内部の空間によって、入口配管１３及び出口配管１４近傍の流路１９の深さが大きくなっており、突出部４０７内部の空間に液溜りが生じることになる。この液溜りにより効率良く補機用パワーモジュール３５０を冷却することができる。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を電気的に繋ぐ際に、配線コネクタを用いると接続工程の増大や、接続ミスの危険性を招くことになる。
そこで、図１１に示されるように、本実施形態のドライバ回路基板２２には、当該ドライバ回路基板２２を貫通する第１孔２４及び第２孔２６が形成される。また第１孔２４にはパワーモジュール３００の信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌが挿入され、信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌはドライバ回路基板２２の配線パターンと半田により接合される。さらに第２孔２６には電流センサ１８０の信号線１８２が挿入され、信号線１８２はドライバ回路基板２２の配線パターンとはんだにより接合される。なお、冷却ジャケット１２との対向面とは反対側のドライバ回路基板２２の面側からはんだ接合が行われる。
これにより、配線コネクタを用いることなく信号線が接続できるので生産性を向上させることができる。また、パワーモジュール３００の信号端子３２５と電流センサ１８０の信号線１８２を、同一方向からはんだにより接合されることにより、生産性を更に向上させることができる。また、ドライバ回路基板２２に、信号端子３２５を貫通させるための第１孔２４や、信号線１８２を貫通させるための第２孔２６をそれぞれ設けることにより接続ミスの危険性を少なくすることができる。
また、ドライバ回路基板２２は、冷却ジャケット１２と対向する面側に、ドライバＩＣチップ等の駆動回路（図示せず）を実装している。これにより、はんだ接合の熱がドライバＩＣチップ等に伝わることを抑制して、はんだ接合によるドライバＩＣチップ等の損傷を防止している。また、ドライバ回路基板２２に搭載されているトランスのような高背部品が、コンデンサモジュール５００とドライバ回路基板２２との間の空間に配置されるので、電力変換装置２００全体を低背化することが可能となる。
図１２は、図１１のＢ面で切り取った電力変換装置２００をＣ方向から見た断面図である。モジュールケース３０４に設けられたフランジ３０４Ｂは、コンデンサケース５０２に設けれたフランジ５１５ａ又はフランジ５１５ｂによって冷却ジャケット１２に押し付けられる。つまり、コンデンサセル５１４を収納したコンデンサケース５０２の自重を利用して、冷却ジャケット１２にモジュールケース３０４を押しつけることにより、流路１９の気密性を向上させることができる。
パワーモジュール３００の冷却効率を向上させるために、流路１９内の冷媒をフィン３０５が形成された領域に流すようにする必要がある。モジュールケース３０４は薄肉部３０４Ａならびに３０４Ａ’のスペースを確保するために、モジュールケース３０４の下部にはフィン３０５が形成されていない。そこで下カバー４２０は、モジュールケース３０４の下部が、当該下カバー４２０に形成された凹部４３０に勘合されるように形成される。これにより、冷却フィンが形成されていない空間に冷媒が流れ込むことを防止することができる。
図１２に示されるように、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とパワーモジュール３０１の配列方向は、制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とトランスミッション１１８の配列方向を横切るように並べて配置されている。特に、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とパワーモジュール３０１は、電力変換装置２００の中では、最下層に並べて配置されている。これにより、電力変換装置２００全体の低背化が可能となるとともに、トランスミッション１１８からの振動の影響を低減することができる。
［パワーモジュールの構造］
図１３は、図４に示したパワーモジュール３００ａの外観を示す斜視図である。図１４は、図１３のＡ−Ａ断面図である。図１５は、図１３のＢ−Ｂ断面図である。以下では、パワーモジュール３００ａを例に説明するが、他のパワーモジュール３００ｂ〜３００ｃ，３０１ａ〜３０１ｃについてもパワーモジュール３００ａと同様の構造を有している。パワーモジュール３００ａは、図１６に示した一組の上下アーム直列回路１５０を含む半導体素子ユニットを、放熱器としての機能を有するモジュールケース３０４に収納したものである。
図１６に示す上下アーム直列回路１５０は、図２に示した電力変換装置２００の回路図に示した３組の上下アーム直列回路１５０の内の一つを示したものである。図２では回路素子を主に示しているが、図１５では、回路素子に加えてパワーモジュール３００ａを構成する部材（例えば、リードフレームなど）も示している。
パワーモジュール３００ａは、図１３に示すように、半導体素子ユニットが収納されたモジュールケース３０４の開口部から上部に突出するように、端子類（直流正極端子３１５Ｂ、直流負極端子３１９Ｂ、信号端子３２５Ｕ、信号端子３２５Ｌ）が配置されている。信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、樹脂材料から成る補助モールド体６００によって一体に成形されている。
モジュールケース３０４は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから構成される。また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などによりつなぎ目の無い状態で、ケース状に一体成形されている。モジュールケース３０４は、半導体素子ユニットを挿入する挿入口３０６以外に開口を設けていない扁平な缶構造をしている。挿入口３０６には、開口を囲むような形状のフランジ３０４Ｂが形成されている。
扁平状のモジュールケース３０４は、図１４に示すように枠部３０４Ａ３と、枠部３０４Ａ３を挟むように対向配置された一対の壁部３０４Ａ１，３０４Ａ２を備えている。壁部３０４Ａ１には、分離した２つの厚肉放熱部３０７Ａ，３０７Ｂと、それらの周囲を囲むように形成され、厚肉放熱部３０７Ａ，３０７を枠部３０４Ａ３に支持する支持壁３０４１が形成されている。後述するように、支持壁３０４１は変形されるため、変形が容易となるように薄肉構造となっている。図１４は変形後の状態を示しており、支持壁３０４１は、枠部３０４Ａ３から厚肉放熱部３０７Ａ，３０７にかけてケース内側に窪むように変形している。
一方、反対側の壁部３０４Ａ２には、図１４に示すように、一つの大きな厚肉放熱部３０７Ｃが支持壁３０４３によって枠部３０４Ａ３に支持されている。厚肉放熱部３０７Ａ，３０７Ｂ，３０７Ｃの外周面には複数のフィン３０５が均一に形成されている。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要はなく、角が曲面を成していても良い。
図１２に示したように、このフランジ３０４Ｂと流路が形成された冷却ジャケット１２との間にはシール１２００によってシールされる。このような形状の金属性のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる流路内に挿入しても、フランジ３０４Ｂの下面に設けられたシール１２００により冷媒が封止されるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。
次に、ケーシング３０４内に収納される半導体素子ユニットについて、図１６，１７，１８，１９を用いて説明する。図１７は、図１６に示した上下アーム直列回路１５０を含む半導体素子ユニット３０００の外観を示す斜視図である。図１８は、半導体素子ユニット３０００の分解斜視図である。前述したように、上下アーム直列回路１５０は、上アーム３０３ａを構成するＩＧＢＴ１５５およびダイオード１５６と、下アームを構成するＩＧＢＴ１５７とダイオード１５８とを有している。ＩＧＢＴ１５５，１５７もダイオード１５６，１５８も、チップの表裏両面に電極が形成されている。
図１８に示すように、ＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極とダイオード１５６のカソード電極は、金属接合材１６０によりリードフレーム（直流正極導体板）３１５に電気的に接続されている。一方、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極とダイオード１５６のアノード電極は、金属接合材１６０によりリードフレーム（第二交流導体板）３１８に電気的に接続されている。このように、略平行に配置されたリードフレーム３１５とリードフレーム３１８との間にＩＧＢＴ１５５およびダイオード１５６を配置し、ＩＧＢＴ１５５およびダイオード１５６の表裏両面に形成された電極を金属接合材１６０によりリードフレーム３１５，３１８に接合することにより、上アーム３０３ａを構成する半導体素子ブロック３０００Ａが形成される。
同様に、リードフレーム（第一交流導体板）３１６とリードフレーム（直流負極導体板）３１９とを略平行に配置する。そして、一方のリードフレーム３１６にＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極およびダイオード１５８のカソード電極を金属接合材１６０により電気的に接続し、他方のリードフレーム３１９にＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極およびダイオード１５８のアノード電極を金属接合材１６０により電気的に接続することで、下アーム３０３ｂを構成する半導体素子ブロック３０００Ｂが形成される。その後、ＩＧＢＴ１５５、ＩＧＢＴ１５７の制御電極と信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、金属ワイヤ３２７（図１５参照）により電気的に接続される。
上アーム３０３ａのリードフレーム３１８および下アーム３０３ｂのリードフレーム３１６には、側方に突出した中間電極３２９がそれぞれ形成されている。リードフレーム３１８の中間電極３２９とリードフレーム３１６の中間電極３２９とを金属接合材１６０により接続することで、上下アーム直列回路１５０が形成される。すなわち、各中間電極３２９の接続することにより、半導体素子ブロック３０００Ａと半導体素子ブロック３０００Ｂとが図１７のように並列配置された状態で接続された一体の半導体素子ユニット３０００が形成される。
リードフレーム３１５には上方に延びる直流正極配線３１５Ａが一体に形成され、直流正極配線３１５Ａの先端には直流正極端子３１５Ｂが形成されている。同様に、リードフレーム３１９には上方に延びる直流負極配線３１９Ａが一体に形成され、直流負極配線３１９Ａの先端には直流負極端子３１９Ｂが形成されている。また、第一交流電極リードフレーム３１６には上方に延びる交流配線３２０が一体で形成されており、交流配線３２０の先端には交流端子３２１が形成されている。
リードフレーム材には、熱伝導率の高いＣｕ、Ｃｕ合金やＡｌ、Ａｌ合金等が用いられる。金属接合材１６０には、例えば、はんだ材、微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、微細金属粒子を含んだ導電性接着剤等が用いられる。
なお、図１７では図示を省略したが、図１５のパワーモジュール断面図に示すように、ＩＧＢＴ１５５，ＩＧＢＴ１５７の制御電極と信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、金属ワイヤ３２７（例えば、ＡｌやＡｕ等の金属ワイヤ）により電気的に接続される。また、リードフレーム３１８,３１９は、ＩＧＢＴおよびダイオードと対向する面に突起部３２２が形成されており、その突起部３２２の上にＩＧＢＴおよびダイオードは接合される。そのため、その後の工程で樹脂材料により封止された際に、図１５に示すように、ＩＧＢＴの制御電極やワイヤ３２７とエミッタ電極との間に樹脂材料が回り込み、それらの絶縁性が確保される。
信号端子３２５Ｕおよび信号端子３２５Ｌは、樹脂材料から成る補助モールド体６００によって一体に成形されている。交流配線３２０の一部も補助モールド体６００によりモールドされており、それによって、信号端子３２５Ｕおよび信号端子３２５Ｌと交流配線３２０とは一体となっている。また、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとは、樹脂材料で成形された補助モールド体６００を挟むような形で対向しており、略平行状態で上方に延びている。補助モールド体６００に用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと信号端子３２５Ｕと信号端子３２５Ｌとの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。
さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとを略平行に対向するように配置したことにより、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流から発生する磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。
ここで、低インダクタンス化が起こる作用について、図２１，２２を用いて説明する。図２１において、下アーム側のダイオード１５８が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アーム側ＩＧＢＴ１５５がＯＮ状態になると、下アーム側のダイオード１５８が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。この時、各導体板（リードフレーム）３１５，３１６，３１８，３１９には、図２２の破線で示すようなリカバリ電流３６０が流れる。このリカバリ電流は直流負極配線３１９Ａと対向に配置された直流正極配線３１５Ａを通り、続いて各リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９により形成されるループ形状の経路を流れ、再び直流正極配線３１５Ａと対向に配置された直流負極配線３１９Ａを介して実線に示すように流れる。
ループ形状経路を電流が流れることによって、リードフレーム３１８，３１９が対向する壁部３０４Ａ１およびリードフレーム３１５，３１６が対向する壁部３０４Ａ２の内周面に渦電流３６１が流れる。この渦電流３６１の電流経路に等価回路３６２が発生する磁界相殺効果によって、ループ形状経路における配線インダクタンス３６３が低減する。なお、リカバリ電流３６０の電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。本実施形態では、ループ形状の電流経路は点線で示す如く、リードフレーム３１５の直流正極端子３１５Ｂ側に近い経路を流れ、ＩＧＢＴ１５５およびダイオード１５６内を通る。そしてループ形状の電流経路は実線で示す如く、リードフレーム３１８の直流正極端子３１５Ｂ側より遠い経路を流れ、その後、点線で示す如くリードフレーム３１６の直流正極端子３１５Ｂ側より遠い経路を流れ、ＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８内を通る。さらにループ形状の電流経路は実線で示す如く、リードフレーム３１９の直流負極配線３１９Ａ側に近い経路を流れる。このようにループ形状の電流経路が、直流正極端子３１５Ｂや直流負極端子３１９Ｂに対して、近い側や遠い側の経路を通ることで、よりループ形状に近い電流経路が形成される。
図１７に示す半導体素子ユニット３０００は、ケース３０４に収納する前に、リードフレーム３１６，３１７，３１８，３１９の表面に図１９に示すように絶縁シート３３３がそれぞれ接着される。その後、半導体素子ユニット３０００をケース３０４の挿入口３０６に対して矢印の方向に挿入する。なお、図１５に示すように、ケース３０４のフランジ３０４Ｂおよび補助モールド体６００にはねじ固定用のねじ穴および貫通穴が形成されている。そのため、ビス３０９により補助モールド体６００をフランジ３０４Ｂに固定することで、半導体素子ユニット３０００をケース３０４内の所定位置に位置決めすることができ、組み立て性が向上を図ることができる。ここでは、ビス３０９により両者を固定するようにしたが、簡易的に位置決めできれば良いので、一方に凹部を形成し、その凹部に係合する凸部を他方に形成するようにしても良い。
図２０（ａ）は、ケース３０４内に挿入された半導体素子ユニット３０００を示す図であり、図１３のＡ−Ａ断面を示したものである。なお、図２０では、厚肉変形部３０７Ａ〜３０７Ｃの外周面に形成されているフィン３０５の図示を省略した。上アーム３０３ａを構成する半導体素子ブロック３０００Ａと下アーム３０３ｂを構成する半導体素子ブロック３０００Ｂとは、ケース３０４の収納空間３０４２内に並列配置される。半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂの図示下側のリードフレームは、絶縁シート３３３を介して壁部３０４Ａ２に形成された厚肉放熱部３０７Ｃの内周面とそれぞれ対向している。
一方、半導体素子ブロック３０００Ａの図示上側のリードフレームは、絶縁シート３３３を介して壁部３０４Ａ１に形成された厚肉放熱部３０７Ａの内周面と対向し、半導体素子ブロック３０００Ｂの図示上側のリードフレームは、絶縁シート３３３を介して壁部３０４Ａ１に形成された厚肉放熱部３０７Ｂの内周面と対向している。収納空間３０４２の厚さ方向寸法は、半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂの厚さ寸法よりも大きく設定されており、図２０（ａ）に示す状態では、半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂと壁部３０４Ａ１の内周面との間には隙間が形成されている。
図２０（ａ）のように半導体素子ユニット３０００（半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂ）をケース３０４内に収納したならば、図２０（ｂ）に示すように、厚肉放熱部３０７Ａ，３０７Ｂをケース内側方向に加圧することにより、薄肉構造の支持壁３０４１を変形させて、厚肉放熱部３０７Ａ，３０７Ｂの内周面を、対向する半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂの絶縁シート３３３に接着させる。
これにより、リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９とケース３０４との絶縁性が確保される。さらに、収納空間３０４２の残りの空間は絶縁性の封止樹脂３３４よって封止され、各電極間ならびにケース３０４との絶縁性が確保される。絶縁シート３３３と封止樹脂３３４の厚さは、リードフレーム３１５とリードフレーム３１８間、およびリードフレーム３１６とリードフレーム３１９間にかかる電圧と封止樹脂の絶縁破壊電圧値から、耐電圧を確保するために必要な最小の距離が決まり、それによって決定される。
なお、封止樹脂３３４を注入する方法としては、ポッティング法やトランスファーモールド法がある。封止樹脂３３４としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂やシリコーン樹脂を用いることができ、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮなどのセラミクスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数をケース３０４とリードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワーモジュールの寿命をのばすことが可能となる。
一方、絶縁シート３３３を樹脂製とし、他の絶縁性材料であるセラミクスやガラスよりも柔軟性の高い層をとし、さらにリードフレームを封止樹脂３３４とともに覆うことにより、熱応力の発生を樹脂で吸収することができ、温度変化の激しい車両用の電力変換装置に使用するにあたって信頼性が向上する。
半導体素子（チップ）に導通した際に発生する熱は、チップ表面側からは、金属接合材１６０、リードフレーム３１８，３１９を伝わり絶縁シート３３３を介してケース３０４から放出され、チップ裏面側からは、金属接合材１６０、リードフレーム３１５，３１６を伝わり、絶縁シート３３３を介してケース３０４から放出される。絶縁シート３３３は樹脂成分であり、金属接合部１６０、リードフレーム３１５，３１６、モジュールケース３０４に比較して熱伝導率が低いために、パワーモジュール３００の冷却性能は絶縁シート３３３の熱抵抗に大きく依存する。熱抵抗の大きさは、熱伝導率が低い材料の場合、１０ミクロンメートルの厚さ変化でも大幅に変化するので、絶縁シート３３３の厚さ制御が最も重要となる。
このように、本実施の形態では、複数の半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂに対応して独立した複数の厚肉放熱部３０２Ａ，３０７Ｂを設け、それらの周囲に可撓性の支持壁３０４１を形成した。それにより、各厚肉放熱部３０２Ａ，３０７Ｂを加圧して支持壁３０４１を形成させることで、厚肉放熱部３０２Ａと半導体素子ブロック３０００Ａの絶縁シート３３３、厚肉放熱部３０２Ｂと半導体素子ブロック３０００Ｂの絶縁シート３３３とを、個別に確実に接着させることができる。
例えば、特許文献１に記載の技術では、ケースに設けられた一対の壁部のいずれにも、図２０（ｃ）に示す厚肉放熱部３０７Ｃと同様の厚肉部が形成されている。そのため、半導体素子ブロック３０００Ａと半導体素子ブロック３０００Ｂの厚さ平行度が異なっていた場合、加圧時に絶縁シート３３３を変形させて、厚さばらつきや平行度の違いを吸収する必要がある。
ところで、絶縁シート３３３の伝熱性能や絶縁性は、絶縁シート３３３の厚さにも依存する。そのため、複数の半導体素子ブロックの寸法ばらつきや平行度ばらつきを絶縁シート３３３の変形で吸収した場合、複数の半導体素子ブロックの間で絶縁シート３３３の伝熱性能や絶縁性がばらついてしまうことになる。また、寸法ばらつきや平行度ばらつきは半導体素子ブロック毎に異なるので、それに対処するためには絶縁シート３３３の厚さを余裕を持たせた寸法とする必要があり、熱伝導性や絶縁性のコントロールが難しくなる。
また、従来の構造では、封止樹脂の（ガラス転移温度）Ｔｇよりも高い温度で絶縁シートを接着すると、封止樹脂とリードフレームとの熱膨張率の差により、レジンとリードフレームとの間に段差が生じたり剥離が生じたりという問題が生じるおそれがある。このような段差や剥離が生じると、絶縁性能の劣化を引き起こす。
一方、本実施の形態では、各半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂのそれぞれに対応して、周囲を薄肉構造の支持壁３０４１で囲まれた厚肉放熱部３０７Ａ，Ｂを分離して設けたので、半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂの厚さや平行度が異なっていても、絶縁シート３３３の厚さに合わせて厚肉放熱部３０７Ａ，Ｂを各絶縁シート３３３に接着することが可能となる。その結果、各半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂの絶縁シート３３３の厚さを設計値通りに均一にすることができ、絶縁シート３３３の厚さを耐電圧が確保できる最小の厚さに設計できるとともに、容易に熱抵抗を低く抑えることができる。
また、本実施の形態では、リードフレームおよびケース３０４に絶縁シート３３３を接着した後に、封止樹脂３３４を充填するようにしているので、上述したような絶縁シート接着時の温度影響を防止することができる。
なお、図１３に示す例では、壁部３０４Ａ１に厚肉放熱部３０７Ａ，３０７Ｂおよび支持壁３０４１を形成したが、反対側の壁部３０４Ａ２にこれらを形成してもよい。さらに、壁部３０４Ａ１，３０４Ａ２の両方に厚肉放熱部３０７Ａ，３０７Ｂおよび薄肉構造の支持壁３０４１を形成するようにしても良い。
［変形例１］
図２３は、上述した実施形態のリードフレームと絶縁シートと封止樹脂の構造に関する変形例を示したものである。図２３は上述した図１４と同様の断面図であるが、図２３では、中間電極３２９の部分を通る部分の断面を示したものである。図２３に示すように、中間電極３２９は、上アーム３０１ａを構成するリードフレーム３１６と下アーム３０１ｂを構成するリードフレーム３１８の連結部に相当する。この領域には発熱源であるチップ（半導体素子）が搭載されていないため、高放熱な絶縁シート３３３で接着する必要はなく、封止樹脂３３４で絶縁を確保すればよい。
そこで、壁部３０４Ａ１，３０４Ａ２から遠ざかるように中間電極３２９を屈曲させ、絶縁シート３３３が設けられていない中間電極３２９と壁部３０４Ａ１，３０４Ａ２との隙間に、封止樹脂３３４が充填されやすい形態とした。その結果、ボイドが形成され難くなり、使用する封止樹脂３３４の種類やプロセス条件の自由度を増すことができる。さらに、絶縁シート３３３の形状を図１９に示すような形状から矩形に変更することができ、組み立て性が向上する。
なお、ここでは中間電極３２９を例に説明したが、例えばバスバーなど、チップ搭載面以外のリードフレームにも適用することができる。それらの箇所に曲げ、プレス加工などを施すことにより、ケース３０４との距離を増加させて絶縁シート３３３と接触しないようにすることで、封止樹脂３３４が充填しやすくなり組み立て性が向上する。
［変形例２］
リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９の端部では、電界集中が生じやすく、その他の領域に比較して高い絶縁特性が必要である。変形例２では、そのような電界集中を抑制する構造について説明する。図２４に示す例では、リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９の端部に加工（例えば、プレスやテーパーや曲げや切削加工など）を施すことにより、リードフレーム端部とケース３０４の内周面との距離を増加させ、沿面距離の増加による絶縁信頼性の向上を図るようにした。
図２５（ａ）はリードフレーム３１９の端部の形状を説明する図である。左から順に３種類の形状を示した。破線は従来の形状を示したものであり、この破線で示す部分を切削加工やプレス加工によって加工することで、実線で示すようテーパ３１９０や段形状３１９１を有する形状としている。右側に示す形状では、テーパ３１９０と段形状とを組み合わせたものである。図２４は、封止樹脂３３４を注入する前の状態を示しているが、リードフレーム端部の部分できた大きな隙間には封止樹脂３３４が充填される。リードフレーム端部では、その他の領域に比較して大きな熱応力が付与されるが、このような端部加工によって封止樹脂３３４との接触面積が増え、リードフレーム端部における封止樹脂３３４の剥離に対する耐性を向上させることができる。
図２６に示す例では、リードフレーム端部にテーパ３１９０を形成するとともに、リードフレーム端部とケース内周面との間における封止樹脂３３４の充填体積が増加するように、ケース３０４の内周面形状を変更している。図２５（ｂ）は、図２６のリードフレーム３１６の端部の部分の拡大図である。ケース３０４の壁部３０４Ａ２の内周面は、リードフレーム３１６に対向する領域が突出し、その突出部３０４４の端部にはテーパ３１９２が形成されている。このような形状とすることにより、リードフレーム端部とケース内周面との間における封止樹脂３３４の充填体積をさらに増加させることが可能となるとともに、封止樹脂３３４が充填しやすくなることで組み立て性の向上を図ることができる。
また、本実施の形態の構造においては、チップ搭載前に、絶縁シート３３３とリードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９との接着面の信頼性を向上する処理を行うことが可能である。その方法としては、例えば、サンドブラストなどの物理粗化、酸やアルカリ溶液を用いた化学エッチング法、陽極酸化法などがある。
［変形例３］
本実施の形態では、ケース３０４は水密構造となっているため、液状の表面処理を行うことが容易である。例えば、ヤング率の低いポリアミド樹脂を塗布することで、リードフレーム内面や側面、チップや金属接合部１６０との密着強度を向上できる。この際、ポリアミド樹脂がリードフレームの絶縁樹脂の接着面に付着すると、熱抵抗が大幅に増加するという問題があるが、本実施の形態では、絶縁シート３３３を接着した後にポリアミド樹脂３３５を注入しケース３０４を振動させることで、上記問題は解決し容易に処理することが可能となった。
また、袋小路となっているモジュールケース３０４の底部では、他の部分に比較して封止される体積が大きく、封止樹脂３３４の硬化収縮により剥離応力が発生しやすい。そこで、ポリアミド樹脂３３５を注入しケース３０４を振動させた後、図２７に示すようにケース３０４を垂直に保ってケース３０４の底部のポリアミド樹脂３３５を厚く形成し、ポリアミド樹脂３３５を乾燥させた後に、封止樹脂３３４を注入し硬化させる。ポリアミド樹脂３３５を注入した後にケース３０４を振動させることで、底部だけでなく、側面を含む全体にポリアミド樹脂３３５が付着する。このようにヤング率の低いポリアミド樹脂３３５を底部に配置することで、封止樹脂３３４の硬化収縮による応力を吸収することが可能となる。
上述した実施の形態では、ケース３０４に一組の上下アーム３０３ａ，３０３ｂを収納する、すなわち、ケース３０４内に２つの半導体素子ブロック３０００Ａ，３０００Ｂを収納する場合について説明した。しかしながら、ケース３０４内に収納する半導体素子ブロックの数は２つに限らない。
図２８〜３０は、ケース３０４に３つの半導体素子ブロックを挿入する場合を示している。この場合、図２８の回路図に示すように、３つの上アームを並列に接続した構成のパワーモジュール３００ｄと３つの下アームを並列に接続した構成のパワーモジュール３００ｅとで、図２のインバータ回路１４４が構成される。
図２９はパワーモジュール３００ｄを示したものであり、１つのリードフレーム３１５と３つのリードフレーム３１９、３１９’、３１９”とが略平行に配置されている。リードフレーム３１５には、ダイオード１５６、１５６’、１５６”のカソード電極がそれぞれ金属接合部１６０で電気的に接続されている。各リードフレーム３１９、３１９’、３１９”には、対応するダイオード１５６、１５６’、１５６”のアノード電極がそれぞれ金属接合部１６０で電気的に接続されている。
また、リードフレーム３１５には、ＩＧＢＴ１５５、１５５’、１５５”のコレクタ電極がそれぞれ金属接合部１６０で電気的に接続されている。各リードフレーム３１９、３１９’、３１９”には、ＩＧＢＴ１５５、１５５’、１５５”のエミッタ電極が金属接合部１６０により電気的に接続され（図示せず）、ＩＧＢＴ１５５、１５５’、１５５”の信号端子３２５Ｕ、３２５Ｕ’、３２５Ｕ”は金属ワイヤ３２７により電気的に接続されている（図示せず）。
リードフレーム３１５、３１９、３１９’、３１９”はそれぞれ絶縁シート３３３を介してケース３０４に接合される。この場合、各リード３１９、３１９’、３１９”を含むそれぞれのブロックが、それぞれ半導体素子ブロックを構成している。リードフレーム３１９、３１９’、３１９”が接合される壁部３０４Ａ１には、リードフレーム３１９、３１９’、３１９”に対応して３つの厚肉放熱部３０７１〜３０７３と、各厚肉放熱部３０７１〜３０７３の周囲を囲む支持壁３０４１とが形成されている。一方、リードフレーム３１５が接合される壁部３０４Ａ２には、リードフレーム３１５に対応して１つの厚肉放熱部３０７４が形成されている。
このように、厚肉放熱部３０７１〜３０７３の周囲を囲むように支持壁３０４１が形成されているので、各リードフレーム３１９、３１９’、３１９”の傾き角度や絶縁シート３３３の厚さに合わせて厚肉放熱部３０７１〜３０７３が接合可能となっている。リードフレーム３１５、３１９、３１９’、３１９”間を含む残りの隙間空間は、封止樹脂３３４により封止され各導電部材間の絶縁性が確保される。
図３０はパワーモジュール３００ｅを示したものであり、１つのリードフレーム３１８と３つのリードフレーム３１６、３１６’、３１６”とが略平行に配置されている。各リードフレーム３１６、３１６’、３１６”には、対応するダイオード１５８、１５８’、１５８”のカソード電極がそれぞれ金属接合部１６０で電気的に接続されている。リードフレーム３１８には、ダイオード１５８、１５８’、１５８”のアノード電極がそれぞれ金属接合部１６０で電気的に接続されている。
また、リードフレーム３１６、３１６’、３１６”には、ＩＧＢＴ１５７、１５７’、１５７”のコレクタ電極がそれぞれ金属接合部１６０で電気的に接続されている。リードフレーム３１８には、ＩＧＢＴ１５７、１５７’、１５７”のエミッタ電極が金属接合部１６０により電気的に接続されている（図示せず）。ＩＧＢＴ１５７、１５７’、１５７”の信号端子３２５Ｌ、３２５Ｌ’、３２５Ｌ”は、金属ワイヤ３２７により電気的に接続されている（図示せず）。
リードフレーム３１６、３１６’、３１６”、３１８はそれぞれ絶縁シート３３３を介してケース３０４に接合される。この場合、各リードフレーム３１６、３１６’、３１６”を含むそれぞれのブロックが、それぞれ半導体素子ブロックを構成している。リードフレーム３１６、３１６’、３１６”が接合される壁部３０４Ａ１には、リードフレーム３１６、３１６’、３１６”に対応して３つの厚肉放熱部３０７１〜３０７３と、各厚肉放熱部３０７１〜３０７３の周囲を囲む支持壁３０４１とが形成されている。一方、リードフレーム３１８が接合される壁部３０４Ａ２には、リードフレーム３１８に対応して１つの厚肉放熱部３０７４が形成されている。
そのため、各リードフレーム３１６、３１６’、３１６”の傾き角度や絶縁シート３３３の厚さに合わせて厚肉放熱部３０７１〜３０７３が接合可能となっている。リードフレーム３１６、３１６’、３１６”、３１８間を含む残りの隙間空間は、封止樹脂３３４により封止され各導電部材間の絶縁性が確保される。
パワーモジュール３００ｄでは、リードフレーム３１５、３１９、３１９’、３１９”が、モジュール３００ｅでは、リードフレーム３１８、３１６、３１６’、３１６”がそれぞれのケース３０４から端子として外部に取り出され、リードフレーム３１６と３１９、３１６’と３１９’、３１６”と３１９”は、ケース外にて電気的に接続される。この接続により上下アーム直列回路が形成される。この場合、リードフレーム３１５とリードフレーム３１８とが１枚の平面で形成できるため、チップを搭載することが容易となる。また、ケース３０４も２つと減らすことができる。
図３１，３２は、ケース３０４に６つの半導体素子ブロックを挿入する場合を示している。この場合には、図３１に示すように合計６つの上下アームが１つのケース３０４に収納することで、１つのパワーモジュール３００ｆを構成している。すなわち、上述した図１３〜１７に示した上下アーム直列回路１５０に対応する半導体素子ユニットを、ケース内に３つ並列に配置した構造となっている。言い換えると、３つの半導体素子ユニットを構成する合計６つの半導体素子ブロックを、ケース３０４内に並列配置したものである。
リードフレーム３１５と３１９間にＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６が、リードフレーム３１６と３１８間にＩＧＢＴ１５７とダイオード１５８が金属接合部１６０を介して電気的に接続される。また、リードフレーム３１６と３１９間は金属接合部１６０を介して電気的に接続（中間電極３２９）され、上下アーム直列回路が形成される。同様に、リードフレーム３１５’と３１９’間にＩＧＢＴ１５５’とダイオード１５６’が、リードフレーム３１６’と３１８’間にＩＧＢＴ１５７’とダイオード１５８’が金属接合部１６０を介して電気的に接続される。また、リードフレーム３１６’と３１９’間は金属接合部１６０を介して電気的に接続（中間電極３２９’）され、上下アーム直列回路が形成され、リードフレーム３１５”と３１９”間にＩＧＢＴ１５５”とダイオード１５６”が、リードフレーム３１６”と３１８”間にＩＧＢＴ１５７”とダイオード１５８”が金属接合部１６０を介して電気的に接続される。また、リードフレーム３１６”と３１９”間は金属接合部１６０を介して電気的に接続（中間電極３２９”）され、上下アーム直列回路が形成される。
ケース３０４には、リードフレーム３１８、３１９、３１８’、３１９’、３１８”、３１９”に対向して厚肉放熱部３０７１〜３０７６が形成され、リードフレーム３１６、３１５、３１６’、３１５’、３１６”、３１５”に対向して厚肉放熱部３０７７〜３０７９が形成されている。さらに、各厚肉放熱部３０７１〜３０７９の周囲を囲むように、支持壁３０４１が形成されている。そのため、各厚肉放熱部３０７１〜３０７９は、接合される絶縁シート３３３の傾き角度や厚さに合わせて接合可能となっている。また、それらの隙間空間は、封止樹脂３３４により封止され各導電部材間の絶縁性が確保される。
また、上下対称位置に支持壁３０４１が形成されている箇所があるので、封止樹脂３３４で封止する前に複数の厚肉放熱部が形成されている領域を全体的変形させることが可能であり、例えば、ケース３０４を略曲面状にすることができる。図３１，３２に示すパワーモジュールの場合には、ケース３０４を１つに減らすことができるとともに、上述のようにケース３０４がフレキシブルに折れ曲がることができるため、インバータの小型化を図ることができる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。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。

Claims (8)

  1. 枠部と該枠部を挟むように対向配置された一対の壁部とで形成される収納空間を有し、前記一対の壁部が放熱部と該放熱部を前記枠部に支持する支持壁とで構成されているケースと、
    前記壁部に面して前記収納空間に並列して複数配置され、半導体素子の表裏両面に形成された電極面のそれぞれに導体板が接合されている半導体素子ブロックと、
    前記それぞれの導体板と前記壁部の内周面との間にそれぞれが介在されて両者を絶縁する複数枚の絶縁性シート部材と、
    前記収納空間に充填されて、前記複数の半導体素子ブロックを封止する樹脂組成部材と、を備え、
    前記壁部の少なくとも一方に設けられた放熱部は、前記複数の半導体素子ブロックの各々に対向配置する複数の分離放熱部を含み、
    前記複数の分離放熱部の周囲は前記支持壁によって囲まれ、 前記支持壁が、前記枠部から前記分離放熱部にかけてケース内側に窪むように変形して前記複数枚の絶縁性シート部材の各々が前記複数の導体板および前記複数の分離放熱部とそれぞれ密着接合している半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載した半導体モジュールにおいて、
    前記導体板は、半導体素子側に屈曲するように形成されて、並列配置された他の前記半導体素子ブロックの導体板と接続される連結部を備えている半導体モジュール。
  3. 請求項１または２に記載した半導体モジュールにおいて、
    前記導体板は、前記絶縁性シート部材と接する面の端部に傾斜面または段差面が形成されており、
    前記樹脂組成部材が前記傾斜面または段差面と前記絶縁性シート部材との隙間に充填されている半導体モジュール。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載した半導体モジュールにおいて、
    前記絶縁性シート部材の熱伝導率が前記樹脂組成部材の熱伝導率よりも高い半導体モジュール。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載した半導体モジュールにおいて、
    前記半導体素子ブロック、前記絶縁性シート部材およびケース内周面と前記樹脂組成部材との間に、ポリアミド樹脂層を形成した半導体モジュール。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載した半導体モジュールにおいて、
    前記収納空間における前記複数の半導体素子ブロックの位置を位置決めする、位置決め部を備えた半導体モジュール。
  7. 請求項１に記載の半導体モジュールを製造するための製造方法であって、
    前記半導体素子ブロックに設けられた導体板に前記絶縁性シート部材を固着し、
    前記絶縁性シート部材が固着された複数の前記半導体素子ブロックを、前記絶縁性シート部材が対応する前記分離放熱部と対向するように前記収納空間に並列に配置し、
    前記分離放熱部のそれぞれをケース内側方向に押圧して前記支持壁を変形して、該分離放熱部を前記絶縁性シート部材に密着接合し、
    前記収納空間に前記樹脂組成部材を充填して前記複数の半導体素子ブロックを封止する半導体モジュールの製造方法。
  8. 請求項７に記載の半導体モジュールの製造方法において、
    前記支持壁を変形して、該分離放熱部を前記絶縁性シート部材に密着接合した後に、
    前記収納空間に収納された前記複数の半導体素子ブロックおよび前記ケースの内周面にポリアミド樹脂を付着させて、ポリアミド樹脂層を形成し、
    その後、前記収納空間に前記樹脂組成部材を充填して前記複数の半導体素子ブロックを封止する半導体モジュールの製造方法。
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