JPWO2013065316A1 - 電力変換器 - Google Patents

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Abstract

金属ブロック１の上面１ｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１と、金属ブロック１を収めることが可能な孔１４が明けられたプリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２と、冷却用ヒートシンク７とを備え、金属ブロック１が孔１４にはめ込まれるようにしてパワー半導体ユニット５１とプリント配線板ユニット５２とが一体とされた電力変換回路組立体５３が構成されているとともに、金属ブロック１の下面１ａ側に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２として形成されてなり、金属ブロック１の下面１ａが放熱用絶縁層２を介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして電力変換回路組立体５３が冷却用ヒートシンク７に取付けられた構成とする。

Description

本発明は、インバータ、サーボコントローラ、ＵＰＳなど、パワー半導体素子を用いた電力変換器に関する。
パワー半導体素子などからなる電力変換器は、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡る分野で用いられている。
パワー半導体素子は、消費電力の点から、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。この配線板にパワー半導体素子などの１つまたは複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによってパワー半導体モジュールを構成する。
一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモードパワー半導体モジュールもある（例えば、特許文献１参照）。
通常、電力変換器は、上記のパワー半導体モジュールを主回路に用い、この主回路とその他の電源回路や制御用の回路から構成されている。電源回路や制御用の回路は、ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品から構成されているが、通常、プリント配線板に実装される。
図１７に従来の電力変換器の構造の一例を示す。パワー半導体モジュール１０は、ヒートシンク７の上に放熱性を高めるために放熱グリスを介し搭載される。そして、電子回路部品が搭載されたプリント配線板９ａ、プリント配線板９ｂを上部に配置し、ピン等で接合される。そして、ケース８で覆われて、電力変換器２００が構成されている。
図１７において、パワー半導体モジュール１０は、絶縁基板１１、接続リード端子１８，１８Ａ、絶縁樹脂１９、パワー半導体素子４、アルミワイヤ１２、ケース本体２０および蓋２１を備えている。絶縁基板１１は、金属ベース１５の表面に絶縁層１６が形成され、絶縁層１６の表面に回路パターン１７が形成されたものである。金属ベース１５は、例えばアルミニウム板、アルミニウム合金による板、銅板、銅合金による板などである。絶縁層１６は、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂を固化して形成した絶縁層である。回路パターン１７は、例えば銅の薄膜を形成したパターンである。
絶縁基板１１上には樹脂（エポキシ、ＰＰＳ、ＰＢＴなど）製のケース本体２０が固着されて収容空間が形成される。絶縁基板１１の回路パターン１７にはパワー半導体素子４の裏面電極や接続リード端子１８，１８Ａがはんだ付けにより接合（接続・固定）され、パワー半導体素子４の表面電極と回路パターン１７とはアルミワイヤ１２により接続される。そして、ケース本体２０で形成される収容空間内に、熱伝導性が高いシリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁樹脂１９が充填されてパワー回路を封止し、ケース本体２０の開口部をケース本体２０と同じ樹脂製の蓋２１で覆っており、蓋２１を接続リード端子１８，１８Ａが貫通している。
プリント配線板９ａ，９ｂは、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３ａ，２３ｂにそれぞれ例えば銅箔からなる回路パターン２４ａ，２４ｂが形成されたものである。プリント配線板９ａには表面実装型の電子回路部品６ｃ，６ｄ，６ｅがはんだ付けで実装されており、プリント配線板９ｂには穴挿入実装型の電子回路部品６ｆ，６ｇがはんだ付けで実装されている。プリント配線板９ａ，９ｂは支柱２５，２５Ａを介してヒートシンク７に支持固定される。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体モジュール１０の上部に配置されるプリント配線板９ａ，９ｂと接続リード端子１８，１８Ａを介して接続される。図１７では、接続リード端子１８がプリント配線板９ｂの回路パターン２４ｂと配線２６で接続されるとともに、接続リード端子１８Ａがプリント配線板９ａの回路パターン２４ａに直接接続される構成が示されている。
特開平９−１３９４６１号公報
しかしながら、パワー半導体モジュールは、絶縁基板にパワー半導体素子を実装しており、ヒートシンクまでに、多数の材料が介在するため、一定の熱抵抗があり、必ずしも冷却特性が十分ではなく、パワー半導体から発生する熱を十分に逃がすことができなかった。
ここで熱抵抗が低減できるほど、運転時のパワー半導体素子の温度は低くすることが可能であり、その結果、パワー半導体素子のチップサイズが小さくでき、コストの低減に繋げられる。
また、パワー半導体モジュールは、ひとつの製品となっており、電力変換器の内部に配置するためには一定の容積が必要なため、小形化の妨げとなるとともに、電力変換器のコストの低減の妨げとなっていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、放熱性に優れ、小形化が可能であって、低コスト化の要求に応える優れた電力変換器を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、上面および下面を有する金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、前記金属ブロックを収めることが可能な孔が明けられたプリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットと、冷却用ヒートシンクとを備え、前記金属ブロックが前記孔にはめ込まれるようにして前記パワー半導体ユニットと前記プリント配線板ユニットとが一体とされた電力変換回路組立体が構成されているとともに、前記金属ブロックの下面に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層として形成されてなり、前記金属ブロックの下面が前記放熱用絶縁層を介して前記冷却用ヒートシンクの上面に当接するようにして前記電力変換回路組立体が前記冷却用ヒートシンクに取付けられた構成とする（請求項１の発明）。
この発明によれば、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックがセラミックス材料からなる放熱用絶縁層を介して冷却用ヒートシンクと直接接することから、パワー半導体素子からなる第１の回路素子の下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性を向上させることができる。したがって、パワー半導体素子として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体チップを採用することが可能となる。
また、金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、プリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットとが、金属ブロックがプリント配線板の孔にはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体が構成されていることにより、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がないため、上記ケースに設けた接続リード端子を介して他の電子回路部品が搭載されたプリント配線板と接続する必要がなく、電力変換器の容積を低減することが可能となる。
さらに、専用のパワー半導体モジュールを用いる必要がないので、電力変換器のコスト低減に繋がる。
そして、前記金属ブロックの下面と前記金属ブロックの側面の少なくとも一部とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなり、前記下面の放熱用絶縁層と前記側面の放熱用絶縁層とはつながるように設けられている構成とすることができる（請求項２の発明）。
金属ブロックと冷却用ヒートシンクとの間での放電経路となり得る金属ブロックの側面の少なくとも一部にも放熱用絶縁層が下面の放熱用絶縁層とつながるように設けられることにより、絶縁性をより高めることができる。
また、前記金属ブロックの下面と前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなる構成とすることができる（請求項３の発明）。
また、前記孔は、導体層からなるスルーホール部の開口部であって、前記金属ブロックは、前記スルーホール部にはんだ付で固定されているとともに、前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域は、前記スルーホール部のランド面である構成とすることができる（請求項４の発明）。
また、前記パワー半導体ユニットは、前記金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、前記第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続した構成とすることができる（請求項５の発明）。
この構成によれば、第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合するとともに、中継電極とプリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続していることにより、第１の回路素子とプリント配線板の上面側の回路パターン部とは上記中継電極を介して接続されている。
このため、パワー半導体素子からなる第１の回路素子が動作時に発生し、第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極およびセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わり、プリント配線板の上面側の回路パターン部の方に伝わる熱量が十分に小さく抑制されるので、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
また、前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成した構成とすることができる（請求項６の発明）。
また、前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続した構成とすることができる（請求項７の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍである構成とすることができる（請求項８の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなる構成とすることができ（請求項９の発明）、さらに、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させることにより形成した構成とすること（請求項１０の発明）や、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成した構成とすることもできる（請求項１１の発明）。
本発明によれば、放熱性に優れ、小形化が可能であって、低コスト化の要求に応える優れた電力変換器を提供することができる。
本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器における電力変換器の熱の流れを模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 従来の電力変換器の構造の一例を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。図１において、上面１ｂおよび下面１ａを有する金属ブロック１の上面１ｂに例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１と、金属ブロック１を収めることが可能な孔１４が明けられたプリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２とが、金属ブロック１が孔１４にはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３が構成されている。なお、以下では、金属ブロック１の上面１ｂおよび下面１ａをそれぞれ「表面１ｂ」および「裏面１ａ」とも称する。
金属ブロック１は、その下面１ａ側に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２として形成されて、絶縁金属ブロック３を構成している。放熱用絶縁層２として具体的には、金属ブロック１の下面１ａに下面部放熱用絶縁層２ａが形成されているとともに、金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部放熱用絶縁層２ｂが形成されている。側面部放熱用絶縁層２ｂは下面部放熱用絶縁層２ａにつながるように形成されている。
プリント配線板５は、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４が形成されたものである。また、上記の孔１４は、金属ブロック１の例えば正方形、長方形などの形状に合わせて、プリント配線板５に形成される貫通孔である。なお、以下では、基板本体２３の上面５０１および下面５０２をそれぞれ「表面５０１」及び「裏面５０２」とも称する。また、基板本体２３の上面５０１が部品実装面となっている。
電力変換回路組立体５３は、金属ブロック１の下面１ａが放熱用絶縁層２（下面部放熱用絶縁層２ａ）を介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３を上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００が構成されている。
電力変換器１００では、金属ブロック１の上面１ｂに実装されたパワー半導体素子４により主回路が構成されるとともに、プリント配線板５に実装された電子回路部品６ａ，６ｂにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品６ａ，６ｂとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。
電力変換器１００では、図１に示されるように、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続している。
このように、電力変換器１００では、金属ブロック１の上面１ｂにパワー半導体素子４が実装されたパワー半導体ユニット５１と、プリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２とが、金属ブロック１がプリント配線板５の孔１４にはめ込まれるようにして一体とされているので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とをアルミワイヤ１２などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換器としての容積を従来よりも低減することが可能となっている。
また、電力変換器１００では、金属ブロック１を、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、電力変換器１００では、後述のように、金属ブロック１の下面１ａ側に形成される放熱用絶縁層２を例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、電力変換器１００では、パワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１の下面１ａが、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２（下面部放熱用絶縁層２ａ）を介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えている。
また、電力変換器１００では、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間での放電経路となり得る金属ブロック１の側面１ｃの一部にも側面部放熱用絶縁層２ｂが下面部放熱用絶縁層２ａとつながるようにして配置されるため、良好な絶縁性が実現され得る。
なお、図１では金属ブロック１にパワー半導体素子４が２個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１に実装されるパワー半導体素子４の個数は、１個でもよく、また、３個以上であってもよい。
また、金属ブロック１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、冷却用ヒートシンク７を形成する金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが適用可能である。
続いて、この電力変換器１００の製造方法について図２および図３を参照して説明する。図２および図３は、本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
まず、絶縁金属ブロック３の製作方法について説明する。最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１を製作する（図２（ａ））。
次に、マスク３０をして、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末を積層することにより、金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を形成する。放熱用絶縁層２としては、金属ブロック１の下面１ａに下面部放熱用絶縁層２ａを形成するとともに金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。側面部放熱用絶縁層２ｂは下面部放熱用絶縁層２ａにつながるように形成する（図２（ｂ）〜図２（ｃ））。
溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク３０を介して金属ブロック１に溶射を行い、放熱用絶縁層２を堆積させて絶縁金属ブロック３を形成する。
なお、プラスマ溶射法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として下面部放熱用絶縁層２ａに加えて側面部放熱用絶縁層２ｂも形成するため、例えば図２（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク３０から露出させた状態で、セラミックス粉末を原料粉末３１Ａ及び３１Ｂとして溶射する。この際、（図示されない）溶射ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の下面１ａに正対する原料粉末３１Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末３１Ｂも利用することによって、金属ブロック１上に、下面１ａの下面部放熱用絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも下面部放熱用絶縁層２ａとつながる側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部放熱用絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。
放熱用絶縁層２の厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱用絶縁層２の厚みは１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を堆積させる場合について説明する。エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。
そして、放熱用絶縁層２を膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。
エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク３０を用い微粒子を吹き付け、図２（ｃ）に示す放熱用絶縁層２を形成する。
なお、エアロゾルデポジション法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として下面部放熱用絶縁層２ａに加えて側面部放熱用絶縁層２ｂも形成するため、上述のプラスマ溶射法の場合と同様に、例えば図２（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク３０から露出させた状態で、セラミックス微粒子を原料粉末３１Ａ及び３１Ｂとして吹き付ける。この際、（図示されない）ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の下面１ａに正対する原料粉末３１Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末３１Ｂも利用することによって、金属ブロック１上に、下面１ａの下面部放熱用絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも下面部放熱用絶縁層２ａとつながる側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部放熱用絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。
ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した絶縁層が形成できる。
放熱用絶縁層２の厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、絶縁金属ブロック３における金属ブロック１の上面１ｂに、パワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により接合する（図２（ｄ））。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行なうと良い。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ブロック１の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料には例えば、ＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。
パワー半導体素子４と金属ブロック１と間のはんだ層２８ａにボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子４から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。
そして、予め、絶縁金属ブロック３を収めることが可能な孔１４が形成されたプリント配線板５に絶縁金属ブロック１をはめ込む。この時、絶縁金属ブロック３がプリント配線板５と一体となるよう接着剤２９などで固定する（図２（ｅ））。
次に、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続する（図３（ａ））。アルミワイヤ１２は、線径が１２５〜５００μｍのアルミワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、お互いの接合には、リードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、プリント配線板５に各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する。実装は通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う（図３（ｂ））。これにより、パワー半導体ユニット５１とプリント配線板ユニット５２とが一体化された電力変換回路組立体５３が構成される。
最後に、電力変換回路組立体５３を、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００を構成する（図３（ｃ））。
上述のように、本実施形態の電力変換器における金属ブロック１の下面１ａ（裏面）側に形成される放熱用絶縁層２には、エアロゾルデポジション法またはプラズマ溶射法によるセラミックス材の絶縁層を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧の向上
エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗の低下
熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ 、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、放熱用絶縁層２を薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。
上述の点により、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。
このように、本実施形態の電力変換器は、パワー半導体素子４が実装される金属ブロック１の下面１ａ（裏面）が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２を介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとなっている。
また、本実施形態の電力変換器は、上述の図１の構成に限定されるものではなく、例えば図４のような構成とすることもできる。図４は本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。図４（ｂ）に示す電力変換器１００Ａにおいて、金属ブロック１Ａの上面１Ａｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ａと、金属ブロック１Ａを収めることが可能な孔１４Ａが明けられたプリント配線板５Ａに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ａとが、金属ブロック１Ａが孔１４Ａにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ａが構成されている。電力変換回路組立体５３Ａは、金属ブロック１Ａの下面１Ａａが放熱用絶縁層２Ａを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ａを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ａが構成されている。
この図４の構成例では、図１の構成例における絶縁金属ブロック３の代わりに、図４（ａ）に示す、金属ブロック１Ａの下面１Ａａ側に放熱用絶縁層２Ａが形成された絶縁金属ブロック３Ａを用いる。厚さｄ１の金属ブロック１Ａの側面部における上面１Ａｂ側の部分には切り欠き部１３が形成されている。金属ブロック１Ａの厚さ方向における切り欠き部１３の長さｄ２はプリント配線板５Ａの厚さ寸法に合わせておく。図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示した製造方法と同様にして、金属ブロック１Ａに、マスク３０をし、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミクッス粉末を積層することにより放熱用絶縁層２Ａを形成することによって、絶縁金属ブロック３Ａを構成することができる。
ここで、金属ブロック１Ａ上の放熱用絶縁層２Ａとして具体的には、金属ブロック１Ａの下面１Ａａに下面部放熱用絶縁層２Ａａが形成されているとともに、金属ブロック１の側面部における下面１Ａａ側の部分の側面１Ａｃに側面部放熱用絶縁層２Ａｂが形成されている。側面部放熱用絶縁層２Ａｂは下面部放熱用絶縁層２Ａａにつながるように形成されている。
そして、図２（ｄ）〜図３（ｃ）に示した製造方法と同様にして、図４（ｂ）に示す電力変換器１００Ａを構成することができる。
なお、プリント配線板５Ａには、切り欠き部１３を備えた金属ブロック１Ａを収めることが可能な孔１４Ａが形成されており、プリント配線板５Ａの孔１４Ａに絶縁金属ブロック３Ａがプリント配線板５Ａの下面５０２側からはめ込まれ、絶縁金属ブロック３Ａがプリント配線板５Ａと一体となるように接着剤２９などで固定される。
＜第２の実施形態＞
図５は本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。図５において、上面１Ｂｂおよび下面１Ｂａを有する金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂに例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ｂと、金属ブロック１Ｂを収めることが可能な孔２７ｄを有するスルーホール部２７が形成されたプリント配線板５Ｂに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ｂとが、金属ブロック１Ｂが孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ｂが構成されている。なお、以下では、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂおよび下面１Ｂａをそれぞれ「表面１Ｂｂ」および「裏面１Ｂａ」とも称する。
プリント配線板５Ｂは、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４が形成されたものである。基板本体２３には貫通孔が設けられているとともに、この貫通孔の内周面と、基板本体２３の上面５０１および下面５０２における上記貫通孔の周縁部とに例えば銅箔からなる導体層が一体的に設けられ、これによりスルーホール部２７の導体部が形成されている。ここで、上記貫通孔の内周面に設けられる導体層部分を貫通導体部２７ａとし、基板本体２３の上面５０１および下面５０２における上記貫通孔の周縁部に設けられる各導体層部分をそれぞれ上面ランド導体部２７ｂおよび下面ランド導体部２７ｃとする。貫通導体部２７ａは、金属ブロック１Ｂの例えば正方形、長方形などの形状に合わせた孔２７ｄを有している。なお、以下では、基板本体２３の上面５０１および下面５０２をそれぞれ「表面５０１」及び「裏面５０２」とも称する。また、基板本体２３の上面５０１が部品実装面となっている。
金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域、すなわち金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａとプリント配線板５Ｂの下面５０２側における金属ブロック１Ｂの周辺領域とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２Ｂとして形成されている。ここで、図５の構成では、放熱用絶縁層２Ｂが形成される、プリント配線板５Ｂの下面５０２側における金属ブロック１Ｂの周辺領域をスルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面としている。
電力変換回路組立体５３Ｂは、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａが放熱用絶縁層２Ｂを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ｂを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ｂが構成されている。
電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂに実装されたパワー半導体素子４により主回路が構成されるとともに、プリント配線板５Ｂに実装された電子回路部品６ａ，６ｂにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品６ａ，６ｂとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。
電力変換器１００Ｂでは、図５に示されるように、パワー半導体素子４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続している。
このように、電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂにパワー半導体素子４が実装されたパワー半導体ユニット５１Ｂと、プリント配線板５Ｂに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｂとが、金属ブロック１Ｂがプリント配線板５Ｂの孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされているので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とをアルミワイヤ１２などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換器としての容積を従来よりも低減することが可能となっている。
また、電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、電力変換器１００Ｂでは、後述のように、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域における放熱用絶縁層２Ｂを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｂでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、電力変換器１００Ｂでは、パワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｂを介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えている。
なお、図５では金属ブロック１Ｂにパワー半導体素子４が２個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｂに実装されるパワー半導体４の個数は、１個でもよく、また、３個以上であってもよい。
また、金属ブロック１Ｂを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、冷却用ヒートシンク７を形成する金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが適用可能である。
続いて、この電力変換器１００Ｂの製造方法について図５を参照して説明する。図６および図７は、本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
まず、最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｂを製作する（図６（ａ））。
次に、例えばガラスエポキシで構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４を形成するとともに、それぞれ例えば銅箔からなる貫通導体部２７ａ、上面ランド導体部２７ｂおよび下面ランド導体部２７ｃを備えたスルーホール部２７を形成することにより、プリント配線板５Ｂを構成する（図６（ｂ））。スルーホール部２７の孔２７ｄは、金属ブロック１Ｂを収めることが可能な形状としておく。
次に、プリント配線板５Ｂのスルーホール部２７の孔２７ｄに金属ブロック１Ｂを挿入し、はんだ２８ｂでの接合により固定する（図６（ｃ））。この時、プリント配線板５Ｂと金属ブロック１Ｂとの接合力をより高めるため、接着剤なども併用して固定しても良い。
次に、金属ブロック１Ｂにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により実装するとともに、プリント配線板５Ｂには各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する（図６（ｄ））。これらの実装は、通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う。はんだ材料には例えばＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだなどを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。パワー半導体素子４と金属ブロック１Ｂとを接合するはんだ層２８ａにボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子４から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。
また、パワー半導体４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続する。アルミワイヤ１２は、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、お互いの接合にはリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、マスク３０Ａをして、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを形成する（図６（ｅ）〜図７（ａ））。
溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク３０Ａを介して金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に溶射を行い、放熱用絶縁層２Ｂを堆積させる。放熱用絶縁層２Ｂの厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱用絶縁層２Ｂの厚みは１０〜５００μｍが好ましい。
放熱用絶縁層２Ｂは、その形成範囲として、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ側の露出面全体が被覆されるように形成する。また、スルーホール部２７は銅からなるため、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面にも放熱用絶縁層２Ｂを形成して被覆し、金属ブロック１Ｂとスルーホール部２７とが、後工程で取り付けられる冷却用ヒートシンク７から電気的に絶縁されるようにする。なお、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ側の露出面に形成される放熱用絶縁層２Ｂと、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面に形成される放熱用絶縁層２Ｂとは、互いに連続した絶縁層となるように形成する。また、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃの側面端部には放熱用絶縁層２Ｂが形成されず、この側面端部が露出面となるが、この部分には図示されない樹脂コーテイングを施すことにより絶縁被覆を施す。
上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｂは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを堆積させる場合について説明する。上述の第１の実施形態で説明したように、エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。
そして、放熱用絶縁層２Ｂを膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。
エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク３０を用い微粒子を吹き付け、図６（ｅ）〜図７（ａ）に示すように絶縁層２Ｂを形成する。
ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した放熱用絶縁層２Ｂが形成できる。
放熱用絶縁層２Ｂの厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｂは例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
最後に、パワー半導体ユニット５１Ｂとプリント配線板ユニット５２Ｂとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂが形成された電力変換回路ユニット５３Ｂを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｂを構成する（図７（ｂ））。
上述のように、本実施形態の電力変換器における金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ（裏面）およびその周辺領域に形成される放熱用絶縁層２Ｂには、エアロゾルデポジション法またはプラズマ溶射法によるセラミックス材の絶縁層を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧の向上
エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗の低下
熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、絶縁層２Ｂを薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。
上述の点により、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。
このように、本実施形態の電力変換器は、パワー半導体素子４が実装される金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ（裏面）およびその周辺領域が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｂを介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、上述した第１の実施形態の電力変換器と同様に、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとなっている。
また、本実施形態の電力変換器は、上述の図５の構成に限定されるものではなく、例えば図８のような構成とすることもできる。図８は本発明の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。図８（ｂ）に示す電力変換器１００Ｃおいて、金属ブロック１Ｃの上面１Ｃｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ｃと、金属ブロック１Ｃを収めることが可能な孔２７ｄを有するスルーホール部２７が形成されたプリント配線板５Ｃに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ｃとが、金属ブロック１Ｃが孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ｃが構成されている。電力変換回路組立体５３Ｃは、金属ブロック１Ｃの下面１Ｃａが放熱用絶縁層２Ｃを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ｃを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ｃが構成されている。
この図８の構成例では、図５の構成例における金属ブロック１Ｂの代わりに、図８（ａ）に示す金属ブロック１Ｃを用いる。厚さｄ１の金属ブロック１Ｃの側面部における上面１Ｃｂ側の部分には切り欠き部１３が形成されている。金属ブロック１Ｃの厚さ方向における切り欠き部１３の長さｄ２は、スルーホール部２７におけるプリント配線板５Ｃの厚さ寸法に合わせておく。また、プリント配線板５Ｃのスルーホール部２７における孔２７ｄは、金属ブロック１Ｃにおける上面１Ｃｂ側の長さｄ２の部分を収めることが可能な形状としておく。
上記のように構成した金属ブロック１Ｃおよびプリント配線板５Ｃを用いることにより、図６（ｃ）〜図７（ｂ）に示した製造方法と同様にして、図８（ｂ）に示す電力変換器１００Ｃを構成することができる。
＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図であり、図９（ａ）〜図９（ｂ）に２通りの構成例を示している。
第３の実施形態にかかる電力変換器は、上述の第１の実施形態にかかる電力変換器において、特に、上面および下面を有する金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁膜と、この中継電極用絶縁膜の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、上記金属ブロックの上面に実装されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤなどを上記中継電極に接合するとともに、上記中継電極とプリント配線板の回路パターンとをボンディングワイヤなどを介して接続するようにしたものであり、それ以外の点では第１の実施形態にかかる電力変換器と同様である。
図９（ａ）に示す電力変換器１００Ｄにおいて、パワー半導体ユニット５１Ｄは、上面１Ｄａおよび下面１Ｄｂを有する金属ブロック１Ｄと、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａおよびこれに連接する側面１Ｄｃの一部を覆うように形成された放熱用絶縁層２Ｄと、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４２と、中継電極用絶縁層４２の上面に形成された中継電極４１と、金属ブロック１の上面１Ｄｂにはんだ２８ａにより接合されたパワー半導体素子４とを備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合している。そして、パワー半導体ユニット５１Ｄの中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とをボンディングワイヤ４３ｂで接続している。なお、図９（ａ）では、説明の便宜上、パワー半導体素子４と中継電極４１とを接続するボンディングワイヤを４３ａとし、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とを接続するボンディングワイヤを４３ｂとしている。なお、以下では、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂおよび下面１Ｄａをそれぞれ「表面１Ｄｂ」および「裏面１Ｄａ」とも称する。
電力変換器１００Ｄにおいても、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとを一体として、電力変換回路組立体５３Ｄを構成しているが、プリント配線板５Ｄに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５Ｄの構成は上述の電力変換器１００におけるプリント配線板ユニット５２と同様である。
パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に形成される放熱用絶縁層２Ｄを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｄでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、上面１Ｄｂ側にパワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｄを形成しているので、この放熱用絶縁層２Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に直接接することにより、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。
なお、図９（ａ）では金属ブロック１Ｄにパワー半導体素子４が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｄに実装されるパワー半導体素子４の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１Ｄを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂ側に形成される中継電極用絶縁層４２も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
そして、中継電極用絶縁層４２の上面に形成される中継電極４１は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極４１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
次に、図９（ｂ）に示す電力変換器１００Ｅは、上述の図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄに対して、パワー半導体素子４と中継電極４１とをリードフレーム４４ａで接続するとともに、中継電極４１とプリント配線板５Ｅの上面５０１側の回路パターン２４とをリードフレーム４４ｂで接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。以下では、主に、図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄについて説明する。
図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器における熱の流れを模式的に示す図であって、上述の図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄの一部分の断面構造を示すものである。図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄは冷却用ヒートシンク７の上面７ｃに放熱用絶縁層２Ｄが当接するようにして搭載されるとともに、中継電極４１がボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４と接続されている。
図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４として例えばＩＧＢＴを実装した構成では、ＩＧＢＴの裏面のコレクタ電極が金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂに接合され、ＩＧＢＴの表面に形成されているエミッタ電極とゲート電極とがそれぞれボンディングワイヤ４３ａにより中継電極４１に接続される。
図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４が動作時に発熱した場合の熱の流れを白抜き矢印ｈ１〜ｈ４により模式的に示している。白抜き矢印ｈ１〜ｈ４の幅は流れる熱量の大小を定性的に示している。なお、図１０では、パワー半導体素子４から左側のボンディングワイヤ４３ａに沿って流れる熱の流れのみを示している。
図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４が動作時に発生する熱は、パワー半導体素子４からはんだ層２８ａ、金属ブロック１Ｄおよび放熱用絶縁層２Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に伝達されるとともに、パワー半導体素子４からボンディングワイヤ４３ａを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４側にも伝達される。しかしながら、電力変換器１００Ｄでは、金属ブロック１Ｄ上に中継電極用絶縁層４２を介して形成された中継電極４１を備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合した上で、中継電極４１から別のボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４に接続している。このため、電力変換器１００Ｄでは、パワー半導体素子４からボンディングワイヤ４３ａを経由して流れてくる熱は大部分が中継電極４１、熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層４２および金属ブロック１Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に伝達され、中継電極４１からボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの回路パターン２４側に伝達される熱量は十分に小さく抑制されたものとなる。これにより、プリント配線板部５２Ｄ側に伝わる熱量を抑制することができ、プリント配線板部５２Ｄを形成するプリント配線板５Ｄ、電子回路部品６ａなどに対する加熱を効果的に抑制することができる。
また、上述のような電力変換器１００Ｄは、図１０に示されるように、パワー半導体素子４が動作時に発生する熱を、パワー半導体素子４→はんだ層２８ａ→金属ブロック１Ｄという第１の伝熱経路と、パワー半導体素子４→ボンディングワイヤ４３ａ→中継電極４１→中継電極用絶縁層４２→金属ブロック１Ｄという第２伝熱経路との２つの伝熱経路で効率良く金属ブロック１Ｄに伝達できるので、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｄの機能をより有効に生かしたものとなっている。
このように、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットのパワー半導体素子が動作時に発生する熱のうち、パワー半導体ユニットに接続されたプリント配線板ユニット側に伝わる熱量を抑制し、プリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
続いて、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法について図１１ないし図１３を参照して説明する。図１１ないし図１３は、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１を製作する（図１１（ａ））。
次に、マスク３０をあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末を積層することにより、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に放熱用絶縁層２Ｄを形成する。放熱用絶縁層２Ｄとしては、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａに下面部放熱用絶縁層２Ｄａを形成するとともに金属ブロック１Ｄの側面１Ｄｃの一部に側面部放熱用絶縁層２Ｄｂを形成する。側面部放熱用絶縁層２Ｄｂは下面部放熱用絶縁層２Ｄａにつながるように形成する（図１１（ｂ）〜図１１（ｃ））。放熱用絶縁層２Ｄの形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図２（ｂ）〜図２（ｃ）で説明した放熱用絶縁層２と同様である。
放熱用絶縁層２Ｄの厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｄは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにもマスク３０Ｂをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂ側に中継電極用絶縁層４２を形成する（図１１（ｄ）〜図１２（ａ））。この中継電極用絶縁層４２は金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにおける全面ではなく一部分に形成する。中継電極用絶縁層４２の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の放熱用絶縁層２Ｄと同様である。
中継電極用絶縁層４２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。
次に、中継電極用絶縁層４２の上に銅製の中継電極４１を積層する。銅を堆積させる方法は、放熱用絶縁層２Ｄと同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂに形成されている中継電極用絶縁層４２にマスク３０Ｃをあてて、銅粒子３２を溶射し、中継電極４１を形成する（図１２（ｂ）〜（ｃ））。
これにより、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に放熱用絶縁層２Ｄが形成されるとともに、上面１Ｄｂの一部には中継電極４１が中継電極用絶縁層４２を介して形成された絶縁金属ブロック３Ｄが完成する（図１２（ｄ））。
次に、絶縁金属ブロック３Ｄにおける金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により接合する（図１２（ｅ））。このはんだ２８ａによる実装は、上述の図２（ｄ）で説明した実装方法と同様にして行なう。
次に、予め、絶縁金属ブロック３Ｄを収めることが可能な孔１４が形成されたプリント配線板５に絶縁金属ブロック３Ｄをはめ込む。この時、絶縁金属ブロック３Ｄがプリント配線板５と一体となるよう接着剤２９などで固定する（図３（ａ））。
次に、ボンディングワイヤ４３ａによりパワー半導体素子４と中継電極４１との接続を行なう（図１３（ｂ））。ボンディングワイヤ４３ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子４と中継電極４１との接続には、ボンディングワイヤ４３ａの代わりに例えばリードフレームを使用しても良い。
さらに、ボンディングワイヤ４３ｂにより中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４との接続を行なう（図１３（ｂ））。ボンディングワイヤ４３ｂは、上述のボンディングワイヤ４３ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４との接続には、ボンディングワイヤ４３ｂの代わりにリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、プリント配線板５に各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する。実装は通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う（図１３（ｃ））。これにより、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとが一体化された電力変換回路組立体５３Ｄが構成される。
最後に、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａに放熱用絶縁層２Ｄが形成された電力変換回路組立体５３Ｄを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｄを構成する（図１３（ｄ））。
上述のように、第３の実施形態にかかる電力変換器では、特に、金属ブロックの上面（表面）に接合されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極とプリント配線板の回路パターンとを接続していることにより、パワー半導体素子が動作時に発生し、パワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、プリント配線板の回路パターンの方に伝わる熱量は十分に小さく抑制することができる。
これにより、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットからプリント配線板部ユニットに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、プリント配線板部ユニットにおけるプリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
＜第４の実施形態＞
図１４は本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図であり、図１４（ａ）〜図１４（ｂ）に２通りの構成例を示している。
本発明の第４の実施形態に係る電力変換器は、上述の第２の実施形態の電力変換器において、特に、上面および下面を有する金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、この中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、上記金属ブロックの上面に実装されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤなどを上記中継電極に接合するとともに、上記中継電極とプリント配線板の回路パターンとをボンディングワイヤなどを介して接続するようにしたものであり、それ以外の点では第２の実施形態にかかる電力変換器と同様である。
図１４（ａ）に示す電力変換器１００Ｆにおいて、パワー半導体ユニット５１Ｆは、上面１Ｆｂおよび下面１Ｆａを有する金属ブロック１Ｆと、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４２と、中継電極用絶縁層４２の上面に形成された中継電極４１と、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにはんだ２８ａにより接合されたパワー半導体素子４とを備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合している。そして、パワー半導体ユニット５１Ｆの中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４とをボンディングワイヤ４３ｂで接続している。なお、図１４（ａ）では、説明の便宜上、パワー半導体素子４と中継電極４１とを接続するボンディングワイヤを４３ａとし、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とを接続するボンディングワイヤを４３ｂとしている。なお、以下では、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂおよび下面１Ｆａをそれぞれ「表面１Ｆｂ」および「裏面１Ｆａ」とも称する。
電力変換器１００Ｆにおいても、パワー半導体ユニット５１Ｆとプリント配線板ユニット５２Ｆとを一体として、電力変換回路組立体５３Ｆを構成しているが、プリント配線板５Ｆに電子回路部品６ａが実装されたプリント配線板ユニット５Ｆの構成は上述の電力変換器１００Ｂにおけるプリント配線板ユニット５２Ｂと同様である。
パワー半導体ユニット５１Ｆでは、金属ブロック１Ｆを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
また、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域、すなわち金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２Ｆとして形成されている。ここで、図１４の構成では、放熱用絶縁層２Ｆが形成される、プリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域をスルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面としている。
そして、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域に形成される放熱用絶縁層２Ｆを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｆでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、電力変換器１００Ｆでは、上面１Ｆｂ側にパワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｆを形成しているので、パワー半導体ユニット５１Ｆにおける金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａが放熱用絶縁層２Ｆを介して冷却用ヒートシンク７に直接接することにより、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。
なお、図１４（ａ）では金属ブロック１Ｆにパワー半導体素子４が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｆに実装されるパワー半導体素子４の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１Ｆを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、パワー半導体ユニット５１Ｆでは、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂ側に形成される中継電極用絶縁層４２も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
そして、中継電極用絶縁層４２の上面に形成される中継電極４１は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極４１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
次に、図１４（ｂ）に示す電力変換器１００Ｇは、上述の図１４（ａ）に示した電力変換器１００Ｆに対して、パワー半導体素子４と中継電極４１とをリードフレーム４４ａで接続するとともに、中継電極４１とプリント配線板５Ｇの上面５０１側の回路パターン２４とをリードフレーム４４ｂで接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。以下では、主に、図１４（ａ）に示した電力変換器１００Ｆについて説明する。
続いて、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法について図１５および図１６を参照して説明する。図１５および図１６は、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｆを製作する（図１５（ａ））。
次に、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにマスク３０Ｂをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂ側に中継電極用絶縁層４２を形成する（図１５（ｂ）〜図１５（ｃ））。中継電極用絶縁層４２は金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにおける全面ではなく一部分に形成する。中継電極用絶縁層４２の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図６（ｅ）〜図７（ａ）で説明した放熱用絶縁層２Ｂと同様である。
中継電極用絶縁層４２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。
次に、中継電極用絶縁層４２の上に銅製の中継電極４１を積層する。銅を堆積させる方法は、放熱用絶縁層と同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂに形成されている中継電極用絶縁層４２にマスク３０Ｃをあてて、銅粒子３２を溶射し、中継電極４１を形成する（図１５（ｄ）〜図１５（ｅ））。
これにより、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂの一部に中継電極４１が中継電極用絶縁層４２を介して形成された中継電極付き金属ブロック１０３Ｆが完成する（図１５（ｆ））。
次に、上述の図６（ｃ）と同様に、プリント配線板５Ｆのスルーホール部２７の孔２７ｄに金属ブロック１Ｆを挿入し、はんだ２８ｂでの接合により固定する（図１５（ｇ））。この時、プリント配線板５Ｆと金属ブロック１Ｆとの接合力をより高めるため、接着剤なども併用して固定しても良い。
次に、金属ブロック１Ｆにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により実装するとともに、プリント配線板５Ｆには各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する（図１６（ａ））。これらのはんだ２８ａによる実装は、上述の図６（ｄ）で説明した実装方法と同様にして行なう。
次に、ボンディングワイヤ４３ａによりパワー半導体素子４と中継電極４１との接続を行なう（図１６（ａ））。ボンディングワイヤ４３ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子４と中継電極４１との接続には、ボンディングワイヤ４３ａの代わりに例えばリードフレームを使用しても良い。
さらに、ボンディングワイヤ４３ｂにより中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４との接続を行なう（図１６（ａ））。ボンディングワイヤ４３ｂは、上述のボンディングワイヤ４３ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４との接続には、ボンディングワイヤ４３ｂの代わりにリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、マスク３０Ａをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｆを形成する（図１６（ｂ）〜図１６（ｃ））。放熱用絶縁層２Ｆの形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図６（ｅ）〜図７（ａ）で説明した絶縁層２Ｂと同様である。
放熱用絶縁層２Ｆの厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｆは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
最後に、パワー半導体ユニット５１Ｆとプリント配線板ユニット５２Ｆとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｆが形成された電力変換回路組立体５３Ｆを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｆを構成する（図１６（ｄ））。
以上説明した第４の実施形態にかかる電力変換器では、上述の第３の実施形態にかかる電力変換器と同様に、特に、金属ブロックの上面（表面）に接合されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極とプリント配線板の回路パターンとを接続していることにより、パワー半導体素子が動作時に発生し、パワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、プリント配線板の回路パターンの方に伝わる熱量は十分に小さく抑制することができる。
これにより、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットからプリント配線板部ユニットに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、プリント配線板部ユニットにおけるプリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ：金属ブロック
１ａ，１Ａａ，１Ｂａ，１Ｃａ，１Ｄａ，１Ｆａ:下面（裏面）
１ｂ，１Ａｂ，１Ｂｂ，１Ｃｂ，１Ｄｂ，１Ｆｂ：上面（表面）
１ｃ，１Ａｃ，１Ｂｃ，１Ｃｃ，１Ｄｃ，１Ｆｃ：側面
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ：放熱用絶縁層
２ａ，２Ａａ，２Ｄａ：下面部放熱用絶縁層
２ｂ，２Ａｂ，２Ｄｂ：側面部放熱用絶縁層
３，３Ａ，３Ｄ，３Ｅ：絶縁金属ブロック
４：パワー半導体素子（第１の回路素子）
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ，５Ｇ：プリント配線板
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ：電子回路部品（第２の回路素子）
７：冷却用ヒートシンク
７ａ：上面
８：ケース
９ａ，９ｂ：プリント配線板
１０：パワー半導体モジュール
１１：絶縁基板
１２：アルミワイヤ
１３：切り欠き部
１４，１４Ａ：孔
１５：金属ベース
１６：絶縁層
１７：回路パターン
１８，１８Ａ：接続リード端子
１９：絶縁樹脂
２０：ケース本体
２１：蓋
２３，２３ａ，２３ｂ：基板本体
２４，２４ａ，２４ｂ：回路パターン
２５，２５Ａ：支柱
２６：配線
２７：スルーホール部
２７ａ：貫通導体部
２７ｂ：上面ランド導体部
２７ｃ：下面ランド導体部
２７ｄ：孔
２８ａ，２８ｂ：はんだ
２９：接着剤
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ：マスク
３１，３１Ａ，３１Ｂ：原料粉末（セラミックス粉末）
３２：銅粒子
４１：中継電極
４２：中継電極用絶縁膜
４３ａ，４３ｂ：ボンディングワイヤ
４４ａ，４４ｂ：リードフレーム
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ，５１Ｇ：パワー半導体ユニット
５２，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ，５２Ｇ：プリント配線板部ユニット
５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇ：電力変換回路組立体
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，２００：電力変換器
１０３Ｆ：中継電極付き金属ブロック
５０１：上面（表面）
５０２：下面（裏面）
ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４：熱の流れ
本発明は、インバータ、サーボコントローラ、ＵＰＳなど、パワー半導体素子を用いた電力変換器に関する。
パワー半導体素子などからなる電力変換器は、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡る分野で用いられている。
パワー半導体素子は、消費電力の点から、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。この配線板にパワー半導体素子などの１つまたは複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによってパワー半導体モジュールを構成する。
一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモードパワー半導体モジュールもある（例えば、特許文献１参照）。
通常、電力変換器は、上記のパワー半導体モジュールを主回路に用い、この主回路とその他の電源回路や制御用の回路から構成されている。電源回路や制御用の回路は、ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品から構成されているが、通常、プリント配線板に実装される。
図１７に従来の電力変換器の構造の一例を示す。パワー半導体モジュール１０は、ヒートシンク７の上に放熱性を高めるために放熱グリスを介し搭載される。そして、電子回路部品が搭載されたプリント配線板９ａ、プリント配線板９ｂを上部に配置し、ピン等で接合される。そして、ケース８で覆われて、電力変換器２００が構成されている。
図１７において、パワー半導体モジュール１０は、絶縁基板１１、接続リード端子１８，１８Ａ、絶縁樹脂１９、パワー半導体素子４、アルミワイヤ１２、ケース本体２０および蓋２１を備えている。絶縁基板１１は、金属ベース１５の表面に絶縁層１６が形成され、絶縁層１６の表面に回路パターン１７が形成されたものである。金属ベース１５は、例えばアルミニウム板、アルミニウム合金による板、銅板、銅合金による板などである。絶縁層１６は、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの無機フィラーを含有したエポキシ樹脂を固化して形成した絶縁層である。回路パターン１７は、例えば銅の薄膜を形成したパターンである。
絶縁基板１１上には樹脂（エポキシ、ＰＰＳ、ＰＢＴなど）製のケース本体２０が固着されて収容空間が形成される。絶縁基板１１の回路パターン１７にはパワー半導体素子４の裏面電極や接続リード端子１８，１８Ａがはんだ付けにより接合（接続・固定）され、パワー半導体素子４の表面電極と回路パターン１７とはアルミワイヤ１２により接続される。そして、ケース本体２０で形成される収容空間内に、熱伝導性が高いシリコーンゲルやエポキシ樹脂などの絶縁樹脂１９が充填されてパワー回路を封止し、ケース本体２０の開口部をケース本体２０と同じ樹脂製の蓋２１で覆っており、蓋２１を接続リード端子１８，１８Ａが貫通している。
プリント配線板９ａ，９ｂは、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３ａ，２３ｂにそれぞれ例えば銅箔からなる回路パターン２４ａ，２４ｂが形成されたものである。プリント配線板９ａには表面実装型の電子回路部品６ｃ，６ｄ，６ｅがはんだ付けで実装されており、プリント配線板９ｂには穴挿入実装型の電子回路部品６ｆ，６ｇがはんだ付けで実装されている。プリント配線板９ａ，９ｂは支柱２５，２５Ａを介してヒートシンク７に支持固定される。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体モジュール１０の上部に配置されるプリント配線板９ａ，９ｂと接続リード端子１８，１８Ａを介して接続される。図１７では、接続リード端子１８がプリント配線板９ｂの回路パターン２４ｂと配線２６で接続されるとともに、接続リード端子１８Ａがプリント配線板９ａの回路パターン２４ａに直接接続される構成が示されている。
特開平９−１３９４６１号公報
しかしながら、パワー半導体モジュールは、絶縁基板にパワー半導体素子を実装しており、ヒートシンクまでに、多数の材料が介在するため、一定の熱抵抗があり、必ずしも冷却特性が十分ではなく、パワー半導体から発生する熱を十分に逃がすことができなかった。
ここで熱抵抗が低減できるほど、運転時のパワー半導体素子の温度は低くすることが可能であり、その結果、パワー半導体素子のチップサイズが小さくでき、コストの低減に繋げられる。
また、パワー半導体モジュールは、ひとつの製品となっており、電力変換器の内部に配置するためには一定の容積が必要なため、小形化の妨げとなるとともに、電力変換器のコストの低減の妨げとなっていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、放熱性に優れ、小形化が可能であって、低コスト化の要求に応える優れた電力変換器を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、上面および下面を有する金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、前記金属ブロックを収めることが可能な孔が明けられたプリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットと、冷却用ヒートシンクとを備え、前記金属ブロックが前記孔にはめ込まれるようにして前記パワー半導体ユニットと前記プリント配線板ユニットとが一体とされた電力変換回路組立体が構成されているとともに、前記金属ブロックの下面に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層として形成されてなり、前記金属ブロックの下面が前記放熱用絶縁層を介して前記冷却用ヒートシンクの上面に当接するようにして前記電力変換回路組立体が前記冷却用ヒートシンクに取付けられた構成とする（請求項１の発明）。
この発明によれば、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックがセラミックス材料からなる放熱用絶縁層を介して冷却用ヒートシンクと直接接することから、パワー半導体素子からなる第１の回路素子の下部の熱抵抗を小さくすることができるので、放熱性を向上させることができる。したがって、パワー半導体素子として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体チップを採用することが可能となる。
また、金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、プリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットとが、金属ブロックがプリント配線板の孔にはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体が構成されていることにより、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がないため、上記ケースに設けた接続リード端子を介して他の電子回路部品が搭載されたプリント配線板と接続する必要がなく、電力変換器の容積を低減することが可能となる。
さらに、専用のパワー半導体モジュールを用いる必要がないので、電力変換器のコスト低減に繋がる。
そして、前記金属ブロックの下面と前記金属ブロックの側面の少なくとも一部とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなり、前記下面の放熱用絶縁層と前記側面の放熱用絶縁層とはつながるように設けられている構成とすることができる（請求項２の発明）。
金属ブロックと冷却用ヒートシンクとの間での放電経路となり得る金属ブロックの側面の少なくとも一部にも放熱用絶縁層が下面の放熱用絶縁層とつながるように設けられることにより、絶縁性をより高めることができる。
また、前記金属ブロックの下面と前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなる構成とすることができる（請求項３の発明）。
また、前記孔は、導体層からなるスルーホール部の開口部であって、前記金属ブロックは、前記スルーホール部にはんだ付で固定されているとともに、前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域は、前記スルーホール部のランド面である構成とすることができる（請求項４の発明）。
また、前記パワー半導体ユニットは、前記金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、前記第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続した構成とすることができる（請求項５の発明）。
この構成によれば、第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合するとともに、中継電極とプリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続していることにより、第１の回路素子とプリント配線板の上面側の回路パターン部とは上記中継電極を介して接続されている。
このため、パワー半導体素子からなる第１の回路素子が動作時に発生し、第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極およびセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わり、プリント配線板の上面側の回路パターン部の方に伝わる熱量が十分に小さく抑制されるので、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
また、前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成した構成とすることができる（請求項６の発明）。
また、前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続した構成とすることができる（請求項７の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍである構成とすることができる（請求項８の発明）。
また、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなる構成とすることができ（請求項９の発明）、さらに、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させることにより形成した構成とすること（請求項１０の発明）や、前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成した構成とすることもできる（請求項１１の発明）。
本発明によれば、放熱性に優れ、小形化が可能であって、低コスト化の要求に応える優れた電力変換器を提供することができる。
本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器における電力変換器の熱の流れを模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。 従来の電力変換器の構造の一例を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。また、以下の説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。図１において、上面１ｂおよび下面１ａを有する金属ブロック１の上面１ｂに例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１と、金属ブロック１を収めることが可能な孔１４が明けられたプリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２とが、金属ブロック１が孔１４にはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３が構成されている。なお、以下では、金属ブロック１の上面１ｂおよび下面１ａをそれぞれ「表面１ｂ」および「裏面１ａ」とも称する。
金属ブロック１は、その下面１ａ側に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２として形成されて、絶縁金属ブロック３を構成している。放熱用絶縁層２として具体的には、金属ブロック１の下面１ａに下面部放熱用絶縁層２ａが形成されているとともに、金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部放熱用絶縁層２ｂが形成されている。側面部放熱用絶縁層２ｂは下面部放熱用絶縁層２ａにつながるように形成されている。
プリント配線板５は、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４が形成されたものである。また、上記の孔１４は、金属ブロック１の例えば正方形、長方形などの形状に合わせて、プリント配線板５に形成される貫通孔である。なお、以下では、基板本体２３の上面５０１および下面５０２をそれぞれ「表面５０１」及び「裏面５０２」とも称する。また、基板本体２３の上面５０１が部品実装面となっている。
電力変換回路組立体５３は、金属ブロック１の下面１ａが放熱用絶縁層２（下面部放熱用絶縁層２ａ）を介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３を上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００が構成されている。
電力変換器１００では、金属ブロック１の上面１ｂに実装されたパワー半導体素子４により主回路が構成されるとともに、プリント配線板５に実装された電子回路部品６ａ，６ｂにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品６ａ，６ｂとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。
電力変換器１００では、図１に示されるように、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続している。
このように、電力変換器１００では、金属ブロック１の上面１ｂにパワー半導体素子４が実装されたパワー半導体ユニット５１と、プリント配線板５に電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２とが、金属ブロック１がプリント配線板５の孔１４にはめ込まれるようにして一体とされているので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とをアルミワイヤ１２などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換器としての容積を従来よりも低減することが可能となっている。
また、電力変換器１００では、金属ブロック１を、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、電力変換器１００では、後述のように、金属ブロック１の下面１ａ側に形成される放熱用絶縁層２を例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、電力変換器１００では、パワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１の下面１ａが、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２（下面部放熱用絶縁層２ａ）を介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えている。
また、電力変換器１００では、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間での放電経路となり得る金属ブロック１の側面１ｃの一部にも側面部放熱用絶縁層２ｂが下面部放熱用絶縁層２ａとつながるようにして配置されるため、良好な絶縁性が実現され得る。
なお、図１では金属ブロック１にパワー半導体素子４が２個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１に実装されるパワー半導体素子４の個数は、１個でもよく、また、３個以上であってもよい。
また、金属ブロック１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、冷却用ヒートシンク７を形成する金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが適用可能である。
続いて、この電力変換器１００の製造方法について図２および図３を参照して説明する。図２および図３は、本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
まず、絶縁金属ブロック３の製作方法について説明する。最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１を製作する（図２（ａ））。
次に、マスク３０をして、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末を積層することにより、金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を形成する。放熱用絶縁層２としては、金属ブロック１の下面１ａに下面部放熱用絶縁層２ａを形成するとともに金属ブロック１の側面１ｃの一部に側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。側面部放熱用絶縁層２ｂは下面部放熱用絶縁層２ａにつながるように形成する（図２（ｂ）〜図２（ｃ））。
溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク３０を介して金属ブロック１に溶射を行い、放熱用絶縁層２を堆積させて絶縁金属ブロック３を形成する。
なお、プラスマ溶射法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として下面部放熱用絶縁層２ａに加えて側面部放熱用絶縁層２ｂも形成するため、例えば図２（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク３０から露出させた状態で、セラミックス粉末を原料粉末３１Ａ及び３１Ｂとして溶射する。この際、（図示されない）溶射ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の下面１ａに正対する原料粉末３１Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末３１Ｂも利用することによって、金属ブロック１上に、下面１ａの下面部放熱用絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも下面部放熱用絶縁層２ａとつながる側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部放熱用絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。
放熱用絶縁層２の厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱用絶縁層２の厚みは１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に放熱用絶縁層２を堆積させる場合について説明する。エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１の片面（下面１ａ）側に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。
そして、放熱用絶縁層２を膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。
エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク３０を用い微粒子を吹き付け、図２（ｃ）に示す放熱用絶縁層２を形成する。
なお、エアロゾルデポジション法により金属ブロック１上に放熱用絶縁層２として下面部放熱用絶縁層２ａに加えて側面部放熱用絶縁層２ｂも形成するため、上述のプラスマ溶射法の場合と同様に、例えば図２（ｂ）に示すように金属ブロック１の側面１ｃの一部をマスク３０から露出させた状態で、セラミックス微粒子を原料粉末３１Ａ及び３１Ｂとして吹き付ける。この際、（図示されない）ノズルの方向を調整して、金属ブロック１の下面１ａに正対する原料粉末３１Ａの方向に加えて斜め方向の原料粉末３１Ｂも利用することによって、金属ブロック１上に、下面１ａの下面部放熱用絶縁層２ａに加えて、側面１ｃの一部にも下面部放熱用絶縁層２ａとつながる側面部放熱用絶縁層２ｂを形成する。金属ブロック１の側面１ｃのうち、側面部放熱用絶縁層２ｂによって覆う範囲は、金属ブロック１と冷却用ヒートシンク７との間に生じ得る電位差など、絶縁のための条件を勘案して決定される。
ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した絶縁層が形成できる。
放熱用絶縁層２の厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２は、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、絶縁金属ブロック３における金属ブロック１の上面１ｂに、パワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により接合する（図２（ｄ））。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行なうと良い。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ブロック１の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料には例えば、ＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。
パワー半導体素子４と金属ブロック１と間のはんだ層２８ａにボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子４から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。
そして、予め、絶縁金属ブロック３を収めることが可能な孔１４が形成されたプリント配線板５に絶縁金属ブロック１をはめ込む。この時、絶縁金属ブロック３がプリント配線板５と一体となるよう接着剤２９などで固定する（図２（ｅ））。
次に、パワー半導体素子４とプリント配線板５の回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続する（図３（ａ））。アルミワイヤ１２は、線径が１２５〜５００μｍのアルミワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、お互いの接合には、リードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、プリント配線板５に各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する。実装は通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う（図３（ｂ））。これにより、パワー半導体ユニット５１とプリント配線板ユニット５２とが一体化された電力変換回路組立体５３が構成される。
最後に、電力変換回路組立体５３を、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００を構成する（図３（ｃ））。
上述のように、本実施形態の電力変換器における金属ブロック１の下面１ａ（裏面）側に形成される放熱用絶縁層２には、エアロゾルデポジション法またはプラズマ溶射法によるセラミックス材の絶縁層を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧の向上
エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗の低下
熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ 、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、放熱用絶縁層２を薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。
上述の点により、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。
このように、本実施形態の電力変換器は、パワー半導体素子４が実装される金属ブロック１の下面１ａ（裏面）が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２を介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとなっている。
また、本実施形態の電力変換器は、上述の図１の構成に限定されるものではなく、例えば図４のような構成とすることもできる。図４は本発明の第１の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。図４（ｂ）に示す電力変換器１００Ａにおいて、金属ブロック１Ａの上面１Ａｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ａと、金属ブロック１Ａを収めることが可能な孔１４Ａが明けられたプリント配線板５Ａに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ａとが、金属ブロック１Ａが孔１４Ａにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ａが構成されている。電力変換回路組立体５３Ａは、金属ブロック１Ａの下面１Ａａが放熱用絶縁層２Ａを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ａを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ａが構成されている。
この図４の構成例では、図１の構成例における絶縁金属ブロック３の代わりに、図４（ａ）に示す、金属ブロック１Ａの下面１Ａａ側に放熱用絶縁層２Ａが形成された絶縁金属ブロック３Ａを用いる。厚さｄ１の金属ブロック１Ａの側面部における上面１Ａｂ側の部分には切り欠き部１３が形成されている。金属ブロック１Ａの厚さ方向における切り欠き部１３の長さｄ２はプリント配線板５Ａの厚さ寸法に合わせておく。図２（ｂ）〜図２（ｃ）に示した製造方法と同様にして、金属ブロック１Ａに、マスク３０をし、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミクッス粉末を積層することにより放熱用絶縁層２Ａを形成することによって、絶縁金属ブロック３Ａを構成することができる。
ここで、金属ブロック１Ａ上の放熱用絶縁層２Ａとして具体的には、金属ブロック１Ａの下面１Ａａに下面部放熱用絶縁層２Ａａが形成されているとともに、金属ブロック１の側面部における下面１Ａａ側の部分の側面１Ａｃに側面部放熱用絶縁層２Ａｂが形成されている。側面部放熱用絶縁層２Ａｂは下面部放熱用絶縁層２Ａａにつながるように形成されている。
そして、図２（ｄ）〜図３（ｃ）に示した製造方法と同様にして、図４（ｂ）に示す電力変換器１００Ａを構成することができる。
なお、プリント配線板５Ａには、切り欠き部１３を備えた金属ブロック１Ａを収めることが可能な孔１４Ａが形成されており、プリント配線板５Ａの孔１４Ａに絶縁金属ブロック３Ａがプリント配線板５Ａの下面５０２側からはめ込まれ、絶縁金属ブロック３Ａがプリント配線板５Ａと一体となるように接着剤２９などで固定される。
＜第２の実施形態＞
図５は本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図である。図５において、上面１Ｂｂおよび下面１Ｂａを有する金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂに例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ｂと、金属ブロック１Ｂを収めることが可能な孔２７ｄを有するスルーホール部２７が形成されたプリント配線板５Ｂに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ｂとが、金属ブロック１Ｂが孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ｂが構成されている。なお、以下では、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂおよび下面１Ｂａをそれぞれ「表面１Ｂｂ」および「裏面１Ｂａ」とも称する。
プリント配線板５Ｂは、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４が形成されたものである。基板本体２３には貫通孔が設けられているとともに、この貫通孔の内周面と、基板本体２３の上面５０１および下面５０２における上記貫通孔の周縁部とに例えば銅箔からなる導体層が一体的に設けられ、これによりスルーホール部２７の導体部が形成されている。ここで、上記貫通孔の内周面に設けられる導体層部分を貫通導体部２７ａとし、基板本体２３の上面５０１および下面５０２における上記貫通孔の周縁部に設けられる各導体層部分をそれぞれ上面ランド導体部２７ｂおよび下面ランド導体部２７ｃとする。貫通導体部２７ａは、金属ブロック１Ｂの例えば正方形、長方形などの形状に合わせた孔２７ｄを有している。なお、以下では、基板本体２３の上面５０１および下面５０２をそれぞれ「表面５０１」及び「裏面５０２」とも称する。また、基板本体２３の上面５０１が部品実装面となっている。
金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域、すなわち金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａとプリント配線板５Ｂの下面５０２側における金属ブロック１Ｂの周辺領域とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２Ｂとして形成されている。ここで、図５の構成では、放熱用絶縁層２Ｂが形成される、プリント配線板５Ｂの下面５０２側における金属ブロック１Ｂの周辺領域をスルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面としている。
電力変換回路組立体５３Ｂは、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａが放熱用絶縁層２Ｂを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ｂを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ｂが構成されている。
電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂに実装されたパワー半導体素子４により主回路が構成されるとともに、プリント配線板５Ｂに実装された電子回路部品６ａ，６ｂにより、その他の電源回路や制御用の回路が構成されている。電子回路部品６ａ，６ｂとしては例えばＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品が用いられる。
電力変換器１００Ｂでは、図５に示されるように、パワー半導体素子４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続している。
このように、電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂの上面１Ｂｂにパワー半導体素子４が実装されたパワー半導体ユニット５１Ｂと、プリント配線板５Ｂに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｂとが、金属ブロック１Ｂがプリント配線板５Ｂの孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされているので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とをアルミワイヤ１２などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換器としての容積を従来よりも低減することが可能となっている。
また、電力変換器１００Ｂでは、金属ブロック１Ｂを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、電力変換器１００Ｂでは、後述のように、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域における放熱用絶縁層２Ｂを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｂでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、電力変換器１００Ｂでは、パワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｂを介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えている。
なお、図５では金属ブロック１Ｂにパワー半導体素子４が２個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｂに実装されるパワー半導体４の個数は、１個でもよく、また、３個以上であってもよい。
また、金属ブロック１Ｂを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、冷却用ヒートシンク７を形成する金属材料としては、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが適用可能である。
続いて、この電力変換器１００Ｂの製造方法について図５を参照して説明する。図６および図７は、本発明の第２の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
まず、最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｂを製作する（図６（ａ））。
次に、例えばガラスエポキシで構成される電気絶縁性の基板本体２３に例えば銅箔からなる回路パターン２４を形成するとともに、それぞれ例えば銅箔からなる貫通導体部２７ａ、上面ランド導体部２７ｂおよび下面ランド導体部２７ｃを備えたスルーホール部２７を形成することにより、プリント配線板５Ｂを構成する（図６（ｂ））。スルーホール部２７の孔２７ｄは、金属ブロック１Ｂを収めることが可能な形状としておく。
次に、プリント配線板５Ｂのスルーホール部２７の孔２７ｄに金属ブロック１Ｂを挿入し、はんだ２８ｂでの接合により固定する（図６（ｃ））。この時、プリント配線板５Ｂと金属ブロック１Ｂとの接合力をより高めるため、接着剤なども併用して固定しても良い。
次に、金属ブロック１Ｂにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により実装するとともに、プリント配線板５Ｂには各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する（図６（ｄ））。これらの実装は、通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う。はんだ材料には例えばＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだなどを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。パワー半導体素子４と金属ブロック１Ｂとを接合するはんだ層２８ａにボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子４から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の真空引きを行なう。
また、パワー半導体４とプリント配線板５Ｂの回路パターン２４とで回路を形成するために、アルミワイヤ１２によりお互いを接続する。アルミワイヤ１２は、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、お互いの接合にはリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、マスク３０Ａをして、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを形成する（図６（ｅ）〜図７（ａ））。
溶射法のうち、例えばプラスマ溶射法で金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを形成する場合は、セラミックス粉末には酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク３０Ａを介して金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に溶射を行い、放熱用絶縁層２Ｂを堆積させる。放熱用絶縁層２Ｂの厚みは溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱用絶縁層２Ｂの厚みは１０〜５００μｍが好ましい。
放熱用絶縁層２Ｂは、その形成範囲として、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ側の露出面全体が被覆されるように形成する。また、スルーホール部２７は銅からなるため、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面にも放熱用絶縁層２Ｂを形成して被覆し、金属ブロック１Ｂとスルーホール部２７とが、後工程で取り付けられる冷却用ヒートシンク７から電気的に絶縁されるようにする。なお、金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ側の露出面に形成される放熱用絶縁層２Ｂと、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面に形成される放熱用絶縁層２Ｂとは、互いに連続した絶縁層となるように形成する。また、スルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃの側面端部には放熱用絶縁層２Ｂが形成されず、この側面端部が露出面となるが、この部分には図示されない樹脂コーテイングを施すことにより絶縁被覆を施す。
上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｂは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、エアロゾルデポジション法で金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂを堆積させる場合について説明する。上述の第１の実施形態で説明したように、エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置は、図示しないエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成することができる。成膜チャンバーは、真空ポンプで５０Ｐａ〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子または超微粒子材料は乾燥された状態でエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット状のノズルを通過することで加速され、成膜対象である金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微小開口のノズルを通すことで数百ｍ／secまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーとの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。
そして、放熱用絶縁層２Ｂを膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹き付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。
エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク３０を用い微粒子を吹き付け、図６（ｅ）〜図７（ａ）に示すように絶縁層２Ｂを形成する。
ここで、微粒子には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素いずれかのフィラーに酸化珪素の皮膜を形成したものも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックスを複合した放熱用絶縁層２Ｂが形成できる。
放熱用絶縁層２Ｂの厚みは、溶射法と同様の１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｂは例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
最後に、パワー半導体ユニット５１Ｂとプリント配線板ユニット５２Ｂとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｂが形成された電力変換回路ユニット５３Ｂを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｂを構成する（図７（ｂ））。
上述のように、本実施形態の電力変換器における金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ（裏面）およびその周辺領域に形成される放熱用絶縁層２Ｂには、エアロゾルデポジション法またはプラズマ溶射法によるセラミックス材の絶縁層を採用したため、以下のような利点がある。
（１）絶縁耐圧の向上
エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能となり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧が１０倍程度向上する。
（２）熱抵抗の低下
熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、絶縁層２Ｂを薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗が低くなる。
上述の点により、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することが可能となる。
このように、本実施形態の電力変換器は、パワー半導体素子４が実装される金属ブロック１Ｂの下面１Ｂａ（裏面）およびその周辺領域が、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｂを介して、冷却用ヒートシンク７に直接接するように構成しているので、上述した第１の実施形態の電力変換器と同様に、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとなっている。
また、本実施形態の電力変換器は、上述の図５の構成に限定されるものではなく、例えば図８のような構成とすることもできる。図８は本発明の実施形態にかかる電力変換器の異なる構成を示す断面図である。図８（ｂ）に示す電力変換器１００Ｃおいて、金属ブロック１Ｃの上面１Ｃｂにパワー半導体素子４が実装されてなるパワー半導体ユニット５１Ｃと、金属ブロック１Ｃを収めることが可能な孔２７ｄを有するスルーホール部２７が形成されたプリント配線板５Ｃに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されてなるプリント配線板ユニット５２Ｃとが、金属ブロック１Ｃが孔２７ｄにはめ込まれるようにして一体とされ、電力変換回路組立体５３Ｃが構成されている。電力変換回路組立体５３Ｃは、金属ブロック１Ｃの下面１Ｃａが放熱用絶縁層２Ｃを介して冷却用ヒートシンク７の上面７ａに当接するようにして冷却用ヒートシンク７に取付けられている。さらに、電力変換回路組立体５３Ｃを上方側から覆うケース８が冷却用ヒートシンク７に取付けられ、電力変換器１００Ｃが構成されている。
この図８の構成例では、図５の構成例における金属ブロック１Ｂの代わりに、図８（ａ）に示す金属ブロック１Ｃを用いる。厚さｄ１の金属ブロック１Ｃの側面部における上面１Ｃｂ側の部分には切り欠き部１３が形成されている。金属ブロック１Ｃの厚さ方向における切り欠き部１３の長さｄ２は、スルーホール部２７におけるプリント配線板５Ｃの厚さ寸法に合わせておく。また、プリント配線板５Ｃのスルーホール部２７における孔２７ｄは、金属ブロック１Ｃにおける上面１Ｃｂ側の長さｄ２の部分を収めることが可能な形状としておく。
上記のように構成した金属ブロック１Ｃおよびプリント配線板５Ｃを用いることにより、図６（ｃ）〜図７（ｂ）に示した製造方法と同様にして、図８（ｂ）に示す電力変換器１００Ｃを構成することができる。
＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図であり、図９（ａ）〜図９（ｂ）に２通りの構成例を示している。
第３の実施形態にかかる電力変換器は、上述の第１の実施形態にかかる電力変換器において、特に、上面および下面を有する金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁膜と、この中継電極用絶縁膜の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、上記金属ブロックの上面に実装されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤなどを上記中継電極に接合するとともに、上記中継電極とプリント配線板の回路パターンとをボンディングワイヤなどを介して接続するようにしたものであり、それ以外の点では第１の実施形態にかかる電力変換器と同様である。
図９（ａ）に示す電力変換器１００Ｄにおいて、パワー半導体ユニット５１Ｄは、上面１Ｄｂおよび下面１Ｄａを有する金属ブロック１Ｄと、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａおよびこれに連接する側面１Ｄｃの一部を覆うように形成された放熱用絶縁層２Ｄと、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４２と、中継電極用絶縁層４２の上面に形成された中継電極４１と、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにはんだ２８ａにより接合されたパワー半導体素子４とを備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合している。そして、パワー半導体ユニット５１Ｄの中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とをボンディングワイヤ４３ｂで接続している。なお、図９（ａ）では、説明の便宜上、パワー半導体素子４と中継電極４１とを接続するボンディングワイヤを４３ａとし、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とを接続するボンディングワイヤを４３ｂとしている。なお、以下では、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂおよび下面１Ｄａをそれぞれ「表面１Ｄｂ」および「裏面１Ｄａ」とも称する。
電力変換器１００Ｄにおいても、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとを一体として、電力変換回路組立体５３Ｄを構成しているが、プリント配線板５Ｄに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｄの構成は上述の電力変換器１００におけるプリント配線板ユニット５２と同様である。
パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
そして、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に形成される放熱用絶縁層２Ｄを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｄでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、上面１Ｄｂ側にパワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｄを形成しているので、この放熱用絶縁層２Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に直接接することにより、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。
なお、図９（ａ）では金属ブロック１Ｄにパワー半導体素子４が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｄに実装されるパワー半導体素子４の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１Ｄを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、パワー半導体ユニット５１Ｄでは、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂ側に形成される中継電極用絶縁層４２も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
そして、中継電極用絶縁層４２の上面に形成される中継電極４１は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極４１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
次に、図９（ｂ）に示す電力変換器１００Ｅは、上述の図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄに対して、パワー半導体素子４と中継電極４１とをリードフレーム４４ａで接続するとともに、中継電極４１とプリント配線板５Ｅの上面５０１側の回路パターン２４とをリードフレーム４４ｂで接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。以下では、主に、図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄについて説明する。
図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器における熱の流れを模式的に示す図であって、上述の図９（ａ）に示した電力変換器１００Ｄの一部分の断面構造を示すものである。図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄは冷却用ヒートシンク７の上面７ａに放熱用絶縁層２Ｄが当接するようにして搭載されるとともに、中継電極４１がボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４と接続されている。
図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４として例えばＩＧＢＴを実装した構成では、ＩＧＢＴの裏面のコレクタ電極が金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂに接合され、ＩＧＢＴの表面に形成されているエミッタ電極とゲート電極とがそれぞれボンディングワイヤ４３ａにより中継電極４１に接続される。
図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４が動作時に発熱した場合の熱の流れを白抜き矢印ｈ１〜ｈ４により模式的に示している。白抜き矢印ｈ１〜ｈ４の幅は流れる熱量の大小を定性的に示している。なお、図１０では、パワー半導体素子４から左側のボンディングワイヤ４３ａに沿って流れる熱の流れのみを示している。
図１０において、パワー半導体ユニット５１Ｄにおけるパワー半導体素子４が動作時に発生する熱は、パワー半導体素子４からはんだ層２８ａ、金属ブロック１Ｄおよび放熱用絶縁層２Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に伝達されるとともに、パワー半導体素子４からボンディングワイヤ４３ａを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４側にも伝達される。しかしながら、電力変換器１００Ｄでは、金属ブロック１Ｄ上に中継電極用絶縁層４２を介して形成された中継電極４１を備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合した上で、中継電極４１から別のボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４に接続している。このため、電力変換器１００Ｄでは、パワー半導体素子４からボンディングワイヤ４３ａを経由して流れてくる熱は大部分が中継電極４１、熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層４２および金属ブロック１Ｄを介して冷却用ヒートシンク７に伝達され、中継電極４１からボンディングワイヤ４３ｂを介してプリント配線板５Ｄの回路パターン２４側に伝達される熱量は十分に小さく抑制されたものとなる。これにより、プリント配線板部５２Ｄ側に伝わる熱量を抑制することができ、プリント配線板部５２Ｄを形成するプリント配線板５Ｄ、電子回路部品６ａなどに対する加熱を効果的に抑制することができる。
また、上述のような電力変換器１００Ｄは、図１０に示されるように、パワー半導体素子４が動作時に発生する熱を、パワー半導体素子４→はんだ層２８ａ→金属ブロック１Ｄという第１の伝熱経路と、パワー半導体素子４→ボンディングワイヤ４３ａ→中継電極４１→中継電極用絶縁層４２→金属ブロック１Ｄという第２伝熱経路との２つの伝熱経路で効率良く金属ブロック１Ｄに伝達できるので、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｄの機能をより有効に生かしたものとなっている。
このように、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットのパワー半導体素子が動作時に発生する熱のうち、パワー半導体ユニットに接続されたプリント配線板ユニット側に伝わる熱量を抑制し、プリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
続いて、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法について図１１ないし図１３を参照して説明する。図１１ないし図１３は、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｄを製作する（図１１（ａ））。
次に、マスク３０をあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末を積層することにより、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に放熱用絶縁層２Ｄを形成する。放熱用絶縁層２Ｄとしては、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａに下面部放熱用絶縁層２Ｄａを形成するとともに金属ブロック１Ｄの側面１Ｄｃの一部に側面部放熱用絶縁層２Ｄｂを形成する。側面部放熱用絶縁層２Ｄｂは下面部放熱用絶縁層２Ｄａにつながるように形成する（図１１（ｂ）〜図１１（ｃ））。放熱用絶縁層２Ｄの形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図２（ｂ）〜図２（ｃ）で説明した放熱用絶縁層２と同様である。
放熱用絶縁層２Ｄの厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｄは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
次に、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにもマスク３０Ｂをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂ側に中継電極用絶縁層４２を形成する（図１１（ｄ）〜図１２（ａ））。この中継電極用絶縁層４２は金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにおける全面ではなく一部分に形成する。中継電極用絶縁層４２の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の放熱用絶縁層２Ｄと同様である。
中継電極用絶縁層４２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。
次に、中継電極用絶縁層４２の上に銅製の中継電極４１を積層する。銅を堆積させる方法は、放熱用絶縁層２Ｄと同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂに形成されている中継電極用絶縁層４２にマスク３０Ｃをあてて、銅粒子３２を溶射し、中継電極４１を形成する（図１２（ｂ）〜（ｃ））。
これにより、金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａ側に放熱用絶縁層２Ｄが形成されるとともに、上面１Ｄｂの一部には中継電極４１が中継電極用絶縁層４２を介して形成された絶縁金属ブロック３Ｄが完成する（図１２（ｄ））。
次に、絶縁金属ブロック３Ｄにおける金属ブロック１Ｄの上面１Ｄｂにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により接合する（図１２（ｅ））。このはんだ２８ａによる実装は、上述の図２（ｄ）で説明した実装方法と同様にして行なう。
次に、予め、絶縁金属ブロック３Ｄを収めることが可能な孔１４が形成されたプリント配線板５Ｄに絶縁金属ブロック３Ｄをはめ込む。この時、絶縁金属ブロック３Ｄがプリント配線板５Ｄと一体となるよう接着剤２９などで固定する（図１３（ａ））。
次に、ボンディングワイヤ４３ａによりパワー半導体素子４と中継電極４１との接続を行なう（図１３（ｂ））。ボンディングワイヤ４３ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子４と中継電極４１との接続には、ボンディングワイヤ４３ａの代わりに例えばリードフレームを使用しても良い。
さらに、ボンディングワイヤ４３ｂにより中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４との接続を行なう（図１３（ｂ））。ボンディングワイヤ４３ｂは、上述のボンディングワイヤ４３ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４との接続には、ボンディングワイヤ４３ｂの代わりにリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、プリント配線板５Ｄに各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する。実装は通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う（図１３（ｃ））。これにより、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとが一体化された電力変換回路組立体５３Ｄが構成される。
最後に、パワー半導体ユニット５１Ｄとプリント配線板ユニット５２Ｄとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｄの下面１Ｄａに放熱用絶縁層２Ｄが形成された電力変換回路組立体５３Ｄを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｄを構成する（図１３（ｄ））。
上述のように、第３の実施形態にかかる電力変換器では、特に、金属ブロックの上面（表面）に接合されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極とプリント配線板の回路パターンとを接続していることにより、パワー半導体素子が動作時に発生し、パワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、プリント配線板の回路パターンの方に伝わる熱量は十分に小さく抑制することができる。
これにより、本発明の第３の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットからプリント配線板ユニットに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、プリント配線板ユニットにおけるプリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
＜第４の実施形態＞
図１４は本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の構成を示す断面図であり、図１４（ａ）〜図１４（ｂ）に２通りの構成例を示している。
本発明の第４の実施形態に係る電力変換器は、上述の第２の実施形態の電力変換器において、特に、上面および下面を有する金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、この中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、上記金属ブロックの上面に実装されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤなどを上記中継電極に接合するとともに、上記中継電極とプリント配線板の回路パターンとをボンディングワイヤなどを介して接続するようにしたものであり、それ以外の点では第２の実施形態にかかる電力変換器と同様である。
図１４（ａ）に示す電力変換器１００Ｆにおいて、パワー半導体ユニット５１Ｆは、上面１Ｆｂおよび下面１Ｆａを有する金属ブロック１Ｆと、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂの一部分に形成された中継電極用絶縁層４２と、中継電極用絶縁層４２の上面に形成された中継電極４１と、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにはんだ２８ａにより接合されたパワー半導体素子４とを備え、パワー半導体素子４からのボンディングワイヤ４３ａを中継電極４１に接合している。そして、パワー半導体ユニット５１Ｆの中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４とをボンディングワイヤ４３ｂで接続している。なお、図１４（ａ）では、説明の便宜上、パワー半導体素子４と中継電極４１とを接続するボンディングワイヤを４３ａとし、中継電極４１とプリント配線板５Ｄの上面５０１側の回路パターン２４とを接続するボンディングワイヤを４３ｂとしている。なお、以下では、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂおよび下面１Ｆａをそれぞれ「表面１Ｆｂ」および「裏面１Ｆａ」とも称する。
電力変換器１００Ｆにおいても、パワー半導体ユニット５１Ｆとプリント配線板ユニット５２Ｆとを一体として、電力変換回路組立体５３Ｆを構成しているが、プリント配線板５Ｆに電子回路部品６ａ，６ｂが実装されたプリント配線板ユニット５２Ｆの構成は上述の電力変換器１００Ｂにおけるプリント配線板ユニット５２Ｂと同様である。
パワー半導体ユニット５１Ｆでは、金属ブロック１Ｆを、導電性および熱伝導性のよい金属材料の銅で構成するとともに、その厚さを１．０〜５．０ｍｍ程度として、熱容量が高く放熱性に優れたものとしている。
また、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域、すなわち金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域とに直接セラミックス材料が放熱用絶縁層２Ｆとして形成されている。ここで、図１４の構成では、放熱用絶縁層２Ｆが形成される、プリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域をスルーホール部２７の下面ランド導体部２７ｃのランド面としている。
そして、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域に形成される放熱用絶縁層２Ｆを例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、放熱用絶縁層２Ｆでは、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
このように、電力変換器１００Ｆでは、上面１Ｆｂ側にパワー半導体素子４が実装された、熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａとプリント配線板５Ｆの下面５０２側における金属ブロック１Ｆの周辺領域に、熱伝導性に優れたセラミックス材よりなる放熱用絶縁層２Ｆを形成しているので、パワー半導体ユニット５１Ｆにおける金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａが放熱用絶縁層２Ｆを介して冷却用ヒートシンク７に直接接することにより、パワー半導体素子４下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えたものとすることができる。
なお、図１４（ａ）では金属ブロック１Ｆにパワー半導体素子４が１個実装された構成例を示しているが、金属ブロック１Ｆに実装されるパワー半導体素子４の個数は、２個でもよく、また、３個以上であってもよい。また、金属ブロック１Ｆを形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
また、パワー半導体ユニット５１Ｆでは、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂ側に形成される中継電極用絶縁層４２も例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素など熱伝導性に優れたセラミックス材により形成するようにしている。なお、中継電極用絶縁層４２では、熱伝導率は１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、また、厚さは１０〜５００μｍであることが好ましい。
そして、中継電極用絶縁層４２の上面に形成される中継電極４１は例えば銅などの熱伝導性に優れた金属材料により形成するようにしている。なお、中継電極４１を形成する金属材料は銅に限るものではなく、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金なども適用可能である。
次に、図１４（ｂ）に示す電力変換器１００Ｇは、上述の図１４（ａ）に示した電力変換器１００Ｆに対して、パワー半導体素子４と中継電極４１とをリードフレーム４４ａで接続するとともに、中継電極４１とプリント配線板５Ｇの上面５０１側の回路パターン２４とをリードフレーム４４ｂで接続するようにした点が異なるものであり、それ以外の点は同様である。以下では、主に、図１４（ａ）に示した電力変換器１００Ｆについて説明する。
続いて、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法について図１５および図１６を参照して説明する。図１５および図１６は、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器の製造方法を示す断面図である。
最初に、１．０〜５．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、正方形または長方形に打ち抜いて、金属ブロック１Ｆを製作する（図１５（ａ））。
次に、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにマスク３０Ｂをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂ側に中継電極用絶縁層４２を形成する（図１５（ｂ）〜図１５（ｃ））。中継電極用絶縁層４２は金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂにおける全面ではなく一部分に形成する。中継電極用絶縁層４２の形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図６（ｅ）〜図７（ａ）で説明した放熱用絶縁層２Ｂと同様である。
中継電極用絶縁層４２の厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。
次に、中継電極用絶縁層４２の上に銅製の中継電極４１を積層する。銅を堆積させる方法は、放熱用絶縁層と同様にプラズマ溶射法を用いる。すなわち、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂに形成されている中継電極用絶縁層４２にマスク３０Ｃをあてて、銅粒子３２を溶射し、中継電極４１を形成する（図１５（ｄ）〜図１５（ｅ））。
これにより、金属ブロック１Ｆの上面１Ｆｂの一部に中継電極４１が中継電極用絶縁層４２を介して形成された中継電極付き金属ブロック１０３Ｆが完成する（図１５（ｆ））。
次に、上述の図６（ｃ）と同様に、プリント配線板５Ｆのスルーホール部２７の孔２７ｄに金属ブロック１Ｆを挿入し、はんだ２８ｂでの接合により固定する（図１５（ｇ））。この時、プリント配線板５Ｆと金属ブロック１Ｆとの接合力をより高めるため、接着剤なども併用して固定しても良い。
次に、金属ブロック１Ｆにパワー半導体素子４をはんだ２８ａでの接合により実装するとともに、プリント配線板５Ｆには各種の電子回路部品６ａ，６ｂをはんだ２８ａでの接合により実装する（図１６（ａ））。これらのはんだ２８ａによる実装は、上述の図６（ｄ）で説明した実装方法と同様にして行なう。
次に、ボンディングワイヤ４３ａによりパワー半導体素子４と中継電極４１との接続を行なう（図１６（ａ））。ボンディングワイヤ４３ａは、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、パワー半導体素子４と中継電極４１との接続には、ボンディングワイヤ４３ａの代わりに例えばリードフレームを使用しても良い。
さらに、ボンディングワイヤ４３ｂにより中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４との接続を行なう（図１６（ａ））。ボンディングワイヤ４３ｂは、上述のボンディングワイヤ４３ａと同様に線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤを使用して超音波接合する。なお、中継電極４１とプリント配線板５Ｆの上面５０１側の回路パターン２４との接続には、ボンディングワイヤ４３ｂの代わりにリードフレームやリボン状のアルミを用いても良い。
次に、マスク３０Ａをあてて、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法により例えば酸化アルミニウム粉などのセラミックス粉末３１を積層することにより、金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｆを形成する（図１６（ｂ）〜図１６（ｃ））。放熱用絶縁層２Ｆの形成に用いるセラミックス微粒子の材料、および絶縁層の形成方法は、溶射法、エアロゾルデポジション法とも上述の図６（ｅ）〜図７（ａ）で説明した絶縁層２Ｂと同様である。
放熱用絶縁層２Ｆの厚みは、溶射法またはエアロゾルデポジション法のいずれで形成したものでも、上述のように１０〜５００μｍが好ましい。上記のようにして形成された放熱用絶縁層２Ｆは、絶縁特性として、例えば厚み２００μｍで交流破壊電圧５ｋＶ以上を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
最後に、パワー半導体ユニット５１Ｆとプリント配線板ユニット５２Ｆとが一体化されるとともに金属ブロック１Ｆの下面１Ｆａおよびその周辺領域に放熱用絶縁層２Ｆが形成された電力変換回路組立体５３Ｆを、冷却用ヒートシンク７に放熱グリスを介して搭載し、ケース８を被せ、電力変換器１００Ｆを構成する（図１６（ｄ））。
以上説明した第４の実施形態にかかる電力変換器では、上述の第３の実施形態にかかる電力変換器と同様に、特に、金属ブロックの上面（表面）に接合されたパワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを中継電極に接合した上で、この中継電極とプリント配線板の回路パターンとを接続していることにより、パワー半導体素子が動作時に発生し、パワー半導体素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームに沿って伝達される熱は、主に中継電極および熱伝導性に優れたセラミックス材料からなる中継電極用絶縁層を介して熱容量が高く放熱性に優れた金属ブロックの方に伝わるので、プリント配線板の回路パターンの方に伝わる熱量は十分に小さく抑制することができる。
これにより、本発明の第４の実施形態にかかる電力変換器では、パワー半導体ユニットからプリント配線板ユニットに流れ出す熱量を効果的に抑制することができるため、プリント配線板ユニットにおけるプリント配線板などに対する加熱を効果的に抑制することができるとともに、電力変換器における放熱性をより向上させることができる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ：金属ブロック
１ａ，１Ａａ，１Ｂａ，１Ｃａ，１Ｄａ，１Ｆａ:下面（裏面）
１ｂ，１Ａｂ，１Ｂｂ，１Ｃｂ，１Ｄｂ，１Ｆｂ：上面（表面）
１ｃ，１Ａｃ，１Ｂｃ，１Ｃｃ，１Ｄｃ，１Ｆｃ：側面
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ：放熱用絶縁層
２ａ，２Ａａ，２Ｄａ：下面部放熱用絶縁層
２ｂ，２Ａｂ，２Ｄｂ：側面部放熱用絶縁層
３，３Ａ，３Ｄ，３Ｅ：絶縁金属ブロック
４：パワー半導体素子（第１の回路素子）
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ，５Ｇ：プリント配線板
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ：電子回路部品（第２の回路素子）
７：冷却用ヒートシンク
７ａ：上面
８：ケース
９ａ，９ｂ：プリント配線板
１０：パワー半導体モジュール
１１：絶縁基板
１２：アルミワイヤ
１３：切り欠き部
１４，１４Ａ：孔
１５：金属ベース
１６：絶縁層
１７：回路パターン
１８，１８Ａ：接続リード端子
１９：絶縁樹脂
２０：ケース本体
２１：蓋
２３，２３ａ，２３ｂ：基板本体
２４，２４ａ，２４ｂ：回路パターン
２５，２５Ａ：支柱
２６：配線
２７：スルーホール部
２７ａ：貫通導体部
２７ｂ：上面ランド導体部
２７ｃ：下面ランド導体部
２７ｄ：孔
２８ａ，２８ｂ：はんだ
２９：接着剤
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ：マスク
３１，３１Ａ，３１Ｂ：原料粉末（セラミックス粉末）
３２：銅粒子
４１：中継電極
４２：中継電極用絶縁層
４３ａ，４３ｂ：ボンディングワイヤ
４４ａ，４４ｂ：リードフレーム
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ，５１Ｇ：パワー半導体ユニット
５２，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ，５２Ｇ：プリント配線板ユニット
５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇ：電力変換回路組立体
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ，２００：電力変換器
１０３Ｆ：中継電極付き金属ブロック
５０１：上面（表面）
５０２：下面（裏面）
ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４：熱の流れ

Claims (11)

  1. 上面および下面を有する金属ブロックの上面にパワー半導体素子からなる第１の回路素子が実装されてなるパワー半導体ユニットと、
    前記金属ブロックを収めることが可能な孔が明けられたプリント配線板に第２の回路素子が実装されてなるプリント配線板ユニットと、
    冷却用ヒートシンクとを備え、
    前記金属ブロックが前記孔にはめ込まれるようにして前記パワー半導体ユニットと前記プリント配線板ユニットとが一体とされた電力変換回路組立体が構成されているとともに、
    前記金属ブロックの下面に直接セラミックス材料が放熱用絶縁層として形成されてなり、
    前記金属ブロックの下面が前記放熱用絶縁層を介して前記冷却用ヒートシンクの上面に当接するようにして前記電力変換回路組立体が前記冷却用ヒートシンクに取付けられた
    ことを特徴とする電力変換器。
  2. 請求項１に記載の電力変換器において、
    前記金属ブロックの下面と前記金属ブロックの側面の少なくとも一部とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなり、
    前記下面の放熱用絶縁層と前記側面の放熱用絶縁層とはつながるように設けられていることを特徴とする電力変換器。
  3. 請求項１に記載の電力変換器において、
    前記金属ブロックの下面と前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域とに直接セラミックス材料が前記放熱用絶縁層として形成されてなることを特徴とする電力変換器。
  4. 請求項３に記載の電力変換器において、
    前記孔は、導体層からなるスルーホール部の開口部であって、
    前記金属ブロックは、前記スルーホール部にはんだ付で固定されているとともに、
    前記プリント配線板の下面における前記金属ブロックの周辺領域は、前記スルーホール部のランド面であることを特徴とする電力変換器。
  5. 請求項１に記載の電力変換器において、
    前記パワー半導体ユニットは、前記金属ブロックの上面の一部分に直接セラミックス材料を積層して形成された中継電極用絶縁層と、
    前記中継電極用絶縁層の上面に金属材料を積層して形成された中継電極とを備え、
    前記第１の回路素子からのボンディングワイヤまたはリードフレームを前記中継電極に接合するとともに、
    前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とを接続したことを特徴とする電力変換器。
  6. 請求項５に記載の電力変換器において、
    前記中継電極は、金属材料として銅粒子を溶射して形成したことを特徴とする電力変換器。
  7. 請求項５に記載の電力変換器において、
    前記中継電極と前記プリント配線板の上面側の回路パターン部とをボンディングワイヤまたはリードフレームを介して接続したことを特徴とする電力変換器。
  8. 請求項１または５に記載の電力変換器において、
    前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、熱伝導率が１〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、かつ厚さが１０〜５００μｍであることを特徴とする電力変換器。
  9. 請求項１または５に記載の電力変換器において、
    前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなるフィラー群の少なくとも１種類からなることを特徴とする電力変換器。
  10. 請求項９に記載の電力変換器において、
    前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をプラズマ溶射法にて堆積させることにより形成したことを特徴とする電力変換器。
  11. 請求項９に記載の電力変換器において、
    前記放熱用絶縁層および／または前記中継電極用絶縁層は、前記フィラー群の少なくとも１種によるセラミックス微粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積させることにより形成したことを特徴とする電力変換器。
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