JPWO2017119286A1 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することにある。
本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記パワー半導体素子及び前記導体板を封止する封止樹脂と、を有する回路体と、絶縁部材を挟んで前記回路体と向き合う放熱部材と、を備え、前記導体板は、当該導体板の一部が前記封止樹脂から露出して前記絶縁部材と接触する接触部を有し、前記放熱部材は、前記接触部の外縁と対向する部分が他の部分よりも薄くなる薄肉部を有する。

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に車両駆動用のモータを制御する電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールに関する。

近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急務である。ハイブリッド自動車や電気自動車においては搭載される部品の小型化や低コスト化が重要視され、電力変換装置も、小型化や低コスト化が求められている。

その結果、発熱密度が高くなるため、電力変換装置を構成する電子部品の中で発熱量が大きいパワー半導体モジュールにおいても、冷却性能を向上させる必要がある。パワー半導体モジュールの冷却方式としては、例えば、両面直接冷却方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のパワー半導体モジュールは、パワー半導体チップの表裏両面を導電板に半田付けし、導体板を露出した状態で樹脂により封止される。この封止体が第１および第２の放熱部材を有する金属製ケースに収納され、第１および第２の放熱部材のそれぞれと導体板との間は熱伝導性の絶縁接着剤(絶縁部材)により接着されている。

特開２０１２−２５７３６９号公報

このようなパワー半導体モジュールにおいては、導通動作時にパワー半導体チップで発生する熱を、放熱部材を介して外部へ逃がす必要がある。そのため、発熱部と放熱部材の結合部分には発熱部から放熱部材への熱伝達を良好に行うため、熱伝導性の絶縁性樹脂を介在させ、熱圧着させている。この絶縁性樹脂による結合部に離間が生じると放熱性が悪化することが懸念される。

今後パワー半導体モジュールがさらに小型化し、パワー密度が向上した場合、熱サイクルが負荷される使用環境下で、絶縁性樹脂に発生する応力は高くなることが懸念され、その場合発熱部と放熱部材の結合部分で離間することが懸念される。

そこで、本発明の目的は、熱サイクルが負荷される使用環境下でも、絶縁性樹脂に高い応力を発生させることなく、放熱部が導体板から離間するのを抑制し、信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記パワー半導体素子及び前記導体板を封止する封止樹脂と、を有する回路体と、絶縁部材を挟んで前記回路体と向き合う放熱部材と、を備え、前記導体板は、当該導体板の一部が前記封止樹脂から露出して前記絶縁部材と接触する接触部を有し、前記放熱部材は、前記接触部の外縁と対向する部分が他の部分よりも薄くなる薄肉部を有する。

本発明によれば、パワー半導体素子が繰り返し発熱した場合の絶縁部材に発生する応力を低減することができ、パワー半導体モジュールの電極板と絶縁部材との離間を抑制することができるため、パワー半導体モジュールの放熱性能が向上し，信頼性の高い電力変換装置が実現できる。

本実施形態の電力変換装置２００の一実施の形態としての外観斜視図である。 図１に図示された電力変換装置２００の分解斜視図である。 本実施形態のパワー半導体モジュール１００の一実施の形態としての外観平面図である。 図３に図示されたパワー半導体モジュール１００のＡ−Ａ´線縦断面図である。 金属製ケース４０の断面図である。 回路体３０の断面図である。 図６に図示された回路体３０の外観平面図である。 本発明の実施形態２を示すパワー半導体モジュールの断面図である。 本実施形態の効果を示す図である。 従来構造の絶縁部材界面応力の分布を説明する図である 放熱部材４１表面の凹み部４５の幅寸法を説明する図である。

（実施形態１）
［電力変換装置２００］
以下、図を参照して、本実施形態に係る電力変換装置２００の一実施の形態を説明する。

図１は、本実施形態の電力変換装置２００の一実施の形態としての外観斜視図である。図２は、図１に図示された電力変換装置２００の分解斜視図である。

電力変換装置２００は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源装置として用いられる。図示はしないが、電力変換装置２００は、モータジェネレータに接続されたインバータ回路を内蔵し、また、外部のバッテリに接続された昇圧回路および全体を制御する制御回路を備えている。

電力変換装置２００は、アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成された筐体２０１および筐体２０１に締結部材（不図示）により締結される底蓋２０２を有する。筐体２０１と底蓋２０２とは、一体成型により形成することもできる。筐体２０１の上部には、不図示の上蓋が締結部材により締結され、密閉状の容器が形成される。

筐体２０１の内部には、冷却流路を形成するための周壁２１１が形成され、周壁２１１と底蓋２０２とにより冷却用室２１０が形成されている。

冷却用室２１０内には、複数（図２では４つ）の側壁２２１を有する支持部材２２０および各側壁２２１間に配置される複数（図２では３つ）のパワー半導体モジュール１００が収納される。パワー半導体モジュール１００の詳細は後述する。

筐体２０１の一側部には、一対の貫通孔が設けられ、貫通孔の一方には、入口用配管２０３ａが設けられ、貫通孔の他方には、出口用配管２０３ｂが設けられている。冷却水などの冷却媒体は、入口用配管２０３ａから冷却用室２１０内に流入し、支持部材２２０の側壁２２１と各パワー半導体モジュール１００との間の冷却路を流通して出口用配管２０３ｂから流出する。出口用配管２０３ｂから流出した冷却媒体は、不図示のラジエータ等の冷却装置によって冷却されて、再び、入口用配管２０３ａから冷却用室２１０内に流入するように循環する。

冷却用室２１０は、シール部材２３１を介在して、カバー部材２４０により密封される。カバー部材２４０は、パワー半導体モジュール１００に内蔵されたパワー半導体素子の直流正極端子３５aが挿通される開口部２４１を有する。カバー部材２４０の周縁部は冷却用室２１０を形成する周壁２１１の上部に、不図示の締結部材により固定される。

筐体２０１の冷却用室２１０の外側領域には、インバータ回路に供給される直流電力を平滑化するための複数のコンデンサ素子２５１を備えるコンデンサモジュール２５０が収納される。

コンデンサモジュール２５０とパワー半導体モジュール１００の上部に、直流側バスバーアセンブリ２６１が配置される。直流側バスバーアセンブリ２６１は、コンデンサモジュール２５０とパワー半導体モジュール１００の間に直流電力を伝達する。

直流側バスバーアセンブリ２６１およびカバー部材２４０の上方には、インバータ回路を制御するドライバ回路部を含む制御回路基板アセンブリ２６２が配置されている。

交流側バスバーアセンブリ２６３は、パワー半導体モジュール１００と接続され、交流電力を伝達する。また、交流側バスバーアセンブリ２６３は、電流センサを有する。

［パワー半導体モジュール１００］
図３ないし図４を参照してパワー半導体モジュール１００について説明する。

図３は、本実施形態のパワー半導体モジュール１００の一実施の形態としての外観平面図である。図４は、図３に図示されたパワー半導体モジュール１００のＡ−Ａ´線縦断面図である。

図３及び図４に示されるように、パワー半導体モジュール１００は、金属製ケース４０を有し、この金属製ケース４０内に、回路体３０が収納されている。

図５は、金属製ケース４０の断面図である。図５に示される金属製ケース４０内に、図６に示されるパワー半導体モジュールが収納されており、回路体３０と一対の放熱部材４１との間には、図４に図示されるように、熱伝導性の絶縁層５１が介装されている。絶縁層５１は、回路体３０から発生する熱を放熱部材４１に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、絶縁層５１は、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム等の薄膜、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いることができる。

後述するが、図６及び図７に示されるように、回路体３０の表裏両面には、パワー半導体素子３１を例えば半田付けなどで接合される導体板３３、３４が表出しており、絶縁層５１は、導体板３３及び３４と放熱部材４１とを熱伝導可能に結合している。

また、金属製ケース４０と絶縁層５１は、回路体３０との隙間は第２封止樹脂４９により、埋められている。

金属製ケース４０は、複数の放熱フィン４２を有する一対の放熱部材４１と枠体４３とから構成されている。放熱部材４１の表面には、図３及び図４に示されるように、凹み部４４が形成されている。この凹み部４４は、図４に示すように、放熱部材４１であって、第１封止樹脂６から一部露出している導体板３３及び３４の外周端部と対向する部分の放熱部材に設けられている。

一対の放熱部材４１は、それぞれの側壁部４３において接合されている。接合としては、例えば、ＦＳＷ（摩擦攪拌接合）、レーザ溶接、ろう付等を適用することができる。回路体３０を収納する部材として、このような形状の金属製のケースを用いることで、パワー半導体モジュール１００を水や油、有機物などの冷媒が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体がパワー半導体モジュール１００の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。本実施形態においては、放熱部材４１と枠体４３が別部材のばあいについて示したが、放熱部材４１と枠体４３は同一部材であってもよく、一体化されていてもよい。

図５に示されるように、金属製ケース４０は、例えば一面に挿通口１７を、他面に底部を有する扁平状の筒型形状をした冷却器である。金属製ケース４０は、電気伝導性を有する部材、例えば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形成されている。

図５および図６では、フィン外周部に薄肉部４５が設けられた場合について示した。凹み部４４はこの薄肉部４５の内側に設けられている。

金属製ケース４０の挿入口１７側にはフランジ部１１を有し、図２に示した冷却用室２１０内に収納する際のシール部として使用することが可能である。ただし、フランジ部１１はなくてもよい。

［回路体３０］
図６及び図７に示されるように、パワー半導体素子３１ａないし３１ｄの各電極はそれぞれの電極面に対向して配置される導体板３３と導体板３４や導体板３５と導体板３６によって挟まれた構造をしている。このパワー半導体素子３１ａないし３１ｄと導体板３３ないし３６とは接合材３２によって接合されている。回路体３０は、これらを第１封止樹脂６で封止されたものである。第１封止樹脂６は、回路体３０の表面側において、導体板３３の面３３aと導体板３４の面３４ａと導体板３５の面３５ａと導体板３６の面３６ａを露出して、導体板３３ないし３６の周囲全体を被覆している。第１封止樹脂６の表面は、面３３ａないし面３６ｄと面一となっている。

導体板３３ないし３６は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。本実施形態は、パワー半導体素子３１ａないし３１ｄはＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴ等の他の構成であってもよい。

図６および７では省略しているが、実際には、導体板３３、３４には、必要に応じて、リード接続されているか、リードが一体に形成されている。また導体板３６の温度、すなわち、パワー半導体素子３１の温度を検出するための温度センサを備えていてもよい。

［効果］
図３及び図４に示されるように、本実施形態におけるパワー半導体モジュール１００においては、金属製ケース４０を構成する放熱部材４１の表面には、凹み部４４が形成されている。この凹み部４４は、図４に示すように、第１封止樹脂６から一部露出している導体板３３と３４の外周端部３３ｂと３４ｂと対向する部分の放熱部材に設けられている。

パワー半導体素子３１が繰り返し発熱時には、その熱は導体板３３ないし３６および、絶縁部材５１を介して放熱部材４１に熱伝導し、外部に放熱される。この時、この熱により各部材の温度は上昇し伸び変形が生じるが、導体板３３ないし３６と放熱部材４１の変形量の差により絶縁部材５１に応力発生し、絶縁部材５１のはく離の原因になる。有限要素シミュレーションの結果、図１０に示すように、絶縁部材５１の応力は、外周端部３４ｂが最大となり、端部から離れるに従い減少することを明らかにした。

そこで、放熱部材４１において、導体板３３と導体板３４の外周端部３３ｂと外周端部３４ｂと対向する部分であって、絶縁部材５１と接着している面とは反対側の面に、剛性を減少させるための、凹み部４５を設けることにより、局所的に放熱部材に薄肉部を設け、その部分の剛性を低下させている。

図９に示すように、本実施形態による構造では、凹み部４５は薄肉に形成され、変形しやすくなるため、導体板の変形に追従しやすくなり、絶縁部材５１の応力が最大となる外周端部３４ｂにおいて、チップ発熱時の導体板と放熱部材５１との変形量の差による絶縁部材の応力を低減することができる。

図１０に示されるように、少なくとも凹み部４５がない場合の絶縁部材５１の応力は、外周端部３４ｂからの距離が離れるに従い減少するが、0.5mm離れるとほぼ飽和していることが分かる。そこで図１１に示されるように、凹み部４５の幅（図１１中４５a）の寸法は、少なくとも0.5mm以上とすることにより、高い応力低減効果が得られる。

また、凹み部４５（薄肉部）は、導体板３４の変形に追従させやすくすることが目的であるので、凹み部４５の厚み４５Ｃは、導体板３４の厚み３４Ｃよりも小さくすることが好ましい。

また、凹み部４５４５は外周端部３４ｂよりも導体板３４の中央部側にある方が導体板３４の変形に追従しやすくなるので、凹み部４５の幅方向の中心４５ｂの位置は外周端部３４ｂと同じか、導体板３４側にある方がより高い効果が得られる。

これにより、パワー半導体モジュール１００の導体板３３ないし３６と絶縁部材５１との離間を抑制することができるため、パワー半導体モジュール１００の放熱性能の低下を抑制し，信頼性の高い電力変換装置が実現できる。

（実施形態２）
上述した実施の形態では、両面冷却のパワー半導体モジュールの例を示したが、図８に示すような片面冷却のパワー半導体モジュールにも適用することが可能である。図８は、図３および図４に示すパワー半導体モジュールの変形例を示す。
パワー半導体素子３１の各電極は導体板３５に接合材３２によって接合されている。これらを第１封止樹脂６で封止されている。第１封止樹脂６は、導体板３５の表面３５aを露出している。導体板３５は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。

導体板３５と放熱部材４６とは絶縁層５２を介して、熱伝導可能に結合している。

金放熱部材４６の表面、つまり絶縁部材５２と結合している面とは反対の面には、凹み部４７が形成されている。この凹み部４７は、第１封止樹脂６から露出している導体板３５の外周端部３５ｂと対向する部分の放熱部材４６に設けられている。これにより、実施形態１と同様の効果が得られる。

上述した実施の形態では、放熱部材４１の放熱フィン４２の形状をピンフィンとしたが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。

また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用の電力変換装置を例に説明したが、パワー半導体モジュールを冷却媒体中に浸す冷却構造の電力変換装置であれば、本発明を同様に適用することができる。

その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。

６…第１封止樹脂、１１…シール部、１７…挿通口、３０…回路体、３１…パワー半導体素子、３２…接合材、３３…導体板、３３a…面、３３ｂ…外周端部、３４…導体板、３４a…面、３４ｂ…外周端部、３５…導体板、３５ｂ…外周端部、４０…金属製ケース、４１…放熱部材、４２…放熱フィン、４３…枠体、４４…凹み部、４９…第２封止樹脂、５１…絶縁層、１００…パワー半導体モジュール、１２１…上下アーム直列回路、２００…電力変換装置、２０１…筐体、２０２…底蓋、２０３ａ…入口用配管、２０３ｂ…出口用配管、２１０…冷却用室、２１１…周壁、２２１…側壁、２２０…支持部材、２３１…シール部材、２４０…カバー部材、２５０…コンデンサモジュール、２５１…コンデンサ素子、２６１…直流側バスバーアセンブリ、２６２…制御回路基板アセンブリ、２６３…交流側バスバーアセンブリ

Claims (4)

1. パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体板と、前記パワー半導体素子及び前記導体板を封止する封止樹脂と、を有する回路体と、
   絶縁部材を挟んで前記回路体と向き合う放熱部材と、を備え、
   前記導体板は、当該導体板の一部が前記封止樹脂から露出して前記絶縁部材と接触する接触部を有し、
   前記放熱部材は、前記接触部の外縁と対向する部分が他の部分よりも薄くなる薄肉部を有するパワー半導体モジュール。
2. 請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
   前記絶縁部材は、前記薄肉部と前記放熱部材に接合されるパワー半導体モジュール。
3. 請求項１または２に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記薄肉部の幅方向の中心が、前記導体板において前記接触部の外縁より内側に位置するパワー半導体モジュール。
4. 請求項１または２に記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記導体板は、前記パワー半導体素子を挟んで互いに対向して配置される第１の導体板及び第２の導体板により構成され、
   前記第１の導体板及び前記第２の導体板は、前記パワー半導体素子が配置された側とは反対側の面に放熱面を有するパワー半導体モジュール。

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