WO2014024622A1 - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

　金属製ケースとパワー半導体モジュールとの封止力を向上する。　パワー半導体モジュール３は、パワー半導体素子３１Ｕ、３１Ｌおよび導体板３３～３６の外周側面を第１封止樹脂６により覆われて一体化されている。金属製ケース４０の内面には酸化層（粗面層）４６が形成されている。金属製ケース４０に設けられた酸化層４６とパワー半導体モジュール３０との空間Ｓに流動性を有する樹脂材が注入され、第２封止樹脂５２が形成される。第２封止樹脂５２は、酸化層４６の窪みに食い込むため、封止力が向上する。

Description

パワーモジュール

　本発明は、パワー半導体モジュールが金属製ケース内に収容されたパワーモジュールに関する。

　ハイブリッド自動車や電気自動車には、モータを駆動する電力変換装置が搭載されている。
　電力変換装置は、電池から供給された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動し、また、逆にモータで回生した交流電力を直流電力に変換し蓄電装置に蓄電する。
　電力変換装置は、半導体素子を有するパワー半導体モジュールを金属製ケース内に収容したパワーモジュールを備える。パワー半導体モジュールは、半導体素子と、この半導体素子を支持する放熱用の導体板を備え、半導体素子と導体板の周側面とを樹脂材で覆って一体化した構造を有している。金属製ケースは、導体板に密着した状態でパワー半導体モジュールを収容している。

　このような構造において、金属製ケースの内面とパワー半導体モジュールの導体板外面との間に、接着性のある絶縁層を形成し、絶縁性の向上と熱伝導性の改善を図った構造としたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－１１０１４３号公報

　上記パワーモジュールでは、金属製ケースの内面とパワー半導体モジュールの外周面との間に水分が付着することがある。

　本発明のパワーモジュールは、電力変換装置に用いられ、直流電力と交流電力を相互に変換するパワーモジュールであって、一対の導体板と、導体板間に配置された半導体素子と、一対の導体板の側面を覆う第１封止樹脂とにより構成され、第１封止樹脂により一体化されたパワー半導体モジュールと、外側側面に放熱部が形成され、パワー半導体モジュールを収納する収納部を有する金属製ケースと、金属製ケース内に収納されたパワー半導体モジュールの第１封止樹脂の側部の外周に設けられ、側面が金属製ケースの内面に接着された第２封止樹脂と、を備え、金属製ケースの内面のうち、少なくとも、第２封止樹脂の側面と対向する領域に、第２封止樹脂との密着力を向上するための粗面層を備え、第２封止樹脂は、粗面層の窪みに食い込んでいることを特徴とする。

　本発明によれば、第２封止樹脂が金属製ケース内面の粗面層に食い込んで密着されているため、封止力を向上することができる。

本発明のパワーモジュールの一実施の形態としての外観斜視図。 図１の縦断面図。 パワー半導体モジュールの表面側の外観斜視図。 パワー半導体モジュールの裏面側の外観斜視図。 図４における第１封止樹脂を除去した状態の斜視図。 図５における表面側の導体板を除去した状態の斜視図。 図２における領域ＶＩＩの拡大図。 本実施形態の製造方法を説明するための所定の工程におけるパワー半導体モジュールの断面図。 図８に続く工程を説明するための断面図。 図９に続く工程を説明するための断面図。 （Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明のパワーモジュールの変形例を示す図。 本発明のパワーモジュールにより構成される電力変換装置におけるインバータ１相分の回路構成の一例を示す図。 本発明に係るパワーモジュールの実施形態２を示す外観斜視図。 図１３に図示された金属製ケースの分解斜視図。 本発明に係るパワーモジュールの実施形態３を示す外観斜視図。 図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線断面図。 本発明のパワーモジュールにより構成される電力変換装置の一例を示す図。

　以下、図を参照して、本発明に係るパワーモジュールの一実施の形態を説明する。
--実施形態１--
［パワーモジュール全体構造］
　図１は、本発明に係るパワーモジュールの一実施の形態を示す外観斜視図であり、図２は、図１に図示されたパワーモジュールの縦断面図である。
　パワーモジュール１００は、スイッチング素子を含みトランスファーモールドされたパワー半導体モジュール３０（図３、４参照）を、ＣＡＮ冷却器である金属製ケース４０内に収納したものである。パワーモジュール１００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される電力変換装置に用いられる。
　ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口１７を、他面に底部を有する筒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。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型されている。

　金属製ケース４０は、一側部に設けられた挿入口１７以外に開口を設けない扁平状のケースであり、扁平状ケースの挿入口１７にはフランジ４３が設けられている。扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部４１ａが設けられ、他方の面には放熱部４１ｂ（図２参照）が設けられている。放熱部４１ａおよび放熱部４１ｂは金属製ケース４０の放熱壁として機能するものであり、それらの外側の側面には複数の放熱用フィン４２がマトリクス状に配列されて形成されている。放熱部４１ａおよび放熱部４１ｂを囲む周囲の面は、厚さが薄く容易に塑性変形可能な薄肉部４４となっている。薄肉部４４を薄くすることで、パワーモジュール１００の製造工程で放熱部４１ａおよび放熱部４１ｂをケース内側方向に加圧した際に、容易に変形することができる。なお、金属製ケース４０の形状は、正確な直方体である必要がなく、角部が曲面に形成されていても良い。
　金属製ケース４０内には一次封止体であるパワー半導体モジュール３０（図３、４参照）が収容されている。

　［パワー半導体モジュール］
　図３は、パワー半導体モジュールの表面側の外観斜視図であり、図４は、パワー半導体モジュールの裏面側の外観斜視図であり、図５は、図４における第１封止樹脂を除去した状態の斜視図であり、図６は、図５における表面側の導体板を除去した状態の斜視図である。
　パワー半導体モジュール３０の表面側には、図３に図示されるように、直流正極側の導体板３５と交流出力側の導体板３６とが同一平面上に配置されている。パワー半導体モジュール３０の裏面側に形成された第１封止樹脂６は、図３に図示されるように、導体板３５の上面３５ｂと導体板３６の上面３６ｂを露出して、導体板３５および３６の周囲全体を被覆している。
　第１封止樹脂６の表面側の上面６ｊは、導体板３５の上面３５ｂおよび導体板３６の上面３６ｂと面一となっている。

　同様に、パワー半導体モジュール３０の裏面側には、図４に図示されるように、交流出力側の導体板３３と直流負極側の導体板３４とが同一平面上に配置されている。パワー半導体モジュール３０の表面側に形成された第１封止樹脂６は、図４に図示されるように、導体板３３の上面３３ｂと導体板３４の上面３４ｂを露出して、導体板３３および３４の周囲全体を被覆している。第１封止樹脂６の裏面側の上面６ｋは、導体板３３の上面３３ｂおよび導体板３４の上面３４ｂと面一となっている。

　直流正極側の導体板３５には、直流正極端子３５ａが形成され、交流出力側の導体板３６には、交流出力端子３６ａが形成される。また、直流正極側の導体板３５には半導体素子３１Ｕおよびダイオード３２Ｕがボンディングされ上アーム回路を構成しており、半導体素子３１Ｕの入出力部は、複数の信号端子２４Ｕとワイヤ２６Ｕにより接続されている。
　また、交流出力側の導体板３６には、半導体素子３１Ｌおよびダイオード３２Ｌがボンディングされ下アーム回路を構成しており、半導体素子３１Ｌの入出力部は、複数の信号端子２４Ｌがワイヤ２６Ｌにより接続されている。
　また、図５に図示されるように、導体板３３にはリード３８が形成されており、このリード３８の先端が導体板３５に接続されている。

　半導体素子３１Ｕとダイオード３２Ｕの一面側は、導体板３５に、半導体素子３１Ｌとダイオード３２Ｌの一面側は、導体板３６に、金属接合材６１（図２参照）を介してそれぞれボンディングでされる。金属接合材としては、例えば、半田材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等を用いる。また、半導体素子３１Ｕとダイオード３２Ｕの他面側は、導体板３３に、半導体素子３１Ｌとダイオード３２Ｌの他面側は、導体板３４に、金属接合材６１（図２参照）を介してそれぞれボンディングでされる。このように、半導体素子３１Ｕ、３１Ｌとダイオード３２Ｕ、３２Ｌは、それぞれ、金属接合材６１を介して、一対の導体板３３～３６に挟まれた構造とされる。

　パワー半導体モジュール３０における第１封止樹脂６は、導体板３３～３６の保持を目的とし、製造過程での取り扱い性が容易になり、生産性を向上することができる。第１封止樹脂６は、例えば、エポキシ樹脂を用いて、トランスファーモールドにより、導体板３３～３６の上面３３ｂ～３６ｂを露出し、かつ、信号端子２４Ｕ、２４Ｌの先端側を露出した状態で、導体板３３～３６の外周側面および半導体素子３１Ｕ、３１Ｌとダイオード３２Ｕ、３２Ｌの外周側面を覆って形成される。

［パワー半導体モジュールと金属製ケースの封止構造］
　図２に図示されるように、パワー半導体モジュール３０の表裏面は、絶縁性樹脂膜５１により、金属製ケース４０の内面に密着されている。絶縁性樹脂膜５１は、金属製ケース４０の放熱部４１ａ、４１ｂに形成された放熱用フィン４２が形成された領域全体を覆う面積を有する。すなわち、パワー半導体モジュール３０は、導体板３３～３６と、それらの導体板間に配置された半導体素子３１Ｕ、３１Ｌ、ダイオード３２Ｕ、３２Ｌと、半導体３３と３４の間および３５と３６の側面を覆う封止樹脂６とを有する。

　絶縁性樹脂膜５１の外周には、第２封止樹脂５２が形成されている。金属製ケース４０の内面には、図２において点線で図示されるように、酸化（粗面）層４６が形成されている。第２封止樹脂５２は酸化層４６に密着して形成されている。
　図７は、図２における領域ＶＩＩの拡大図である。
　金属製ケース４０は、例えば、アルミニウムまたは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ている。酸化層４６は、このようなアルミニウム系金属にアルマイト処理を行って形成される。アルマイト処理は、硫酸、蓚酸、燐酸等を処理浴に用いて、アルミニウムを陽極として電気分解することにより、アルミニウムの表面を電気化学的に酸化させ、酸化アルミニウム膜（陽極酸化層）を形成する処理である。特に、硫酸アルマイト処理は好ましい方法である。
　アルマイト処理により形成される酸化層４６は、大気中の暴露することにより形成される厚さが数ｎｍの酸化膜よりも厚く、１μｍ以上の安定した皮膜に形成することができる。但し、酸化層４６の厚さは０．５μｍ以上であれば、十分な接着力を得ることができる。酸化層４６は、通常、厚すぎるということはないが、作業の効率を考慮すると、厚さの最大値は、３０μｍ程度とすることが好ましい。

　第２封止樹脂５２は、絶縁性樹脂膜５１の外周に形成されており、第２封止樹脂５２における絶縁性樹脂膜５１の外周に対応する内周側部は、絶縁性樹脂膜５１の外周側部に重なることなく、密着している。また、第２封止樹脂５２の内周面は、第１封止樹脂６の表裏両面および第１封止樹脂６の外周側面に密着している。また、第２封止樹脂５２の外周面側の表裏両側面は、酸化層４６に密着している。

　アルマイト処理によって形成した酸化層４６表面は、緻密な多孔質構造となっている。第２封止樹脂５２は、酸化層４６の多孔質構造の小孔（窪み）内に食い込んでアンカー効果をもたらす。また、酸化層４６は、酸化層４６を形成しないアルミニウム系金属よりも、樹脂材料との化学な結合力が大きい。このため、第２封止樹脂５２と酸化層４６との密着力は、酸化層が形成されていない場合に比し、大幅に向上させることができる。

［パワーモジュールの製造方法］
　図８～１０を参照してパワー半導体モジュール３０からパワーモジュール１００を作製する方法を説明する。
　図８に図示されるように、それぞれ、半導体素子３１Ｕ、３１Ｌおよびダイオード３２Ｕ、３２Ｌを挟持する導体板３３～３６の外周側面に、トランスファーモールド等により第１封止樹脂６を形成し、パワー半導体モジュール３０を作製する。
　パワー半導体モジュール３０の表裏面に絶縁性樹脂膜５１を形成する。絶縁性樹脂膜５１は、シート状に形成した部材をパワー半導体モジュール３０に接着する方法が好ましいが、流動性の樹脂を、印刷または塗布する方法によってもよい。

　図９に図示されるように、表裏面に絶縁性樹脂膜５１が形成されたパワー半導体モジュール３０を、金属製ケース４０の挿入口１７から金属製ケース４０内に挿入する。金属製ケース４０は、この時点では、薄肉部４４がフランジ４３に対して直角、換言すれば、放熱部４１ａ、４１ｂと平行に形成されている。また、金属製ケース４０の内面には、酸化層４６が形成されている。

　図１０の矢印で示すように、放熱部４１ａ、４１ｂをＺ方向に加圧して、薄肉部４４をケース内側に変形させ、各放熱部４１ａ、４１ｂの内面をパワー半導体モジュール３０に密着させる。パワー半導体モジュール３０の厚さが、金属製ケース４０の内面とほぼ同じかそれ以上であり、パワー半導体モジュール３０が金属製ケース４０の内面により圧接されている場合には、この工程は不要である。
　図１０に図示されるように、金属製ケース４０の外周側面とパワー半導体モジュール３０の外周側面との間には、全周に亘って空間Ｓが形成されている。

　図１０に図示された状態で、金属製ケース４０の挿入口１７から流動性を有する樹脂材を注入して空間Ｓ内に充填する。冷却により樹脂材を硬化させることにより、図２に図示される空間Ｓ内に第２封止樹脂５２が充填されたパワーモジュール１００を得ることができる。

　上記一実施の形態に示すパワーモジュールの製造方法によれば、金属製ケース４０とパワー半導体モジュール３０との間に形成された空間Ｓ内に樹脂材を注入して、第２封止樹脂５２を形成する。空間Ｓ内に注入された樹脂は、流動性を有しているため、金属製ケース４０の内面に形成された酸化層４６の多孔質構造の小孔に食い込んでいく。このため、第２封止樹脂５２と金属製ケース４０とはアンカー効果により密着力を向上することができる。

［変形例］
　図１１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、一実施の形態の変形例を示し、金属製ケース４０の挿入口１７付近の拡大断面図である。
　図１１（Ａ）は、金属製ケース４０の挿入口１７に面取り部１７ａを設けたものである。図１１（Ａ）は、断面図を示しているが、面取り部１７ａは全周に亘り形成するのが好ましい。
　図１１（Ｂ）は、金属製ケース４０の挿入口１７を、放熱部４１ａ、４１ｂの間隙よりも幅広の段部１７ｂとしたものである。図１１（Ｂ）は、断面図を示しているが、段部１７ｂは、挿入口１７の全周に亘り形成するのが好ましい。

　第２封止樹脂５２は、金属製ケース４０とパワー半導体モジュール３０との間に流動性を有する樹脂材を注入して空間Ｓ内に充填される。
　空間Ｓ内に充填する樹脂材の量がばらつくことにより、封止樹脂５２の上面の位置が変動する。図１１（Ａ）に示すように、挿入口１７に面取り部１７ａを設けたり、図１１（Ｂ）に図示されるように挿入口１７を幅広の段部１７ｂとしたりすることにより、挿入口１７側の面積を大きくすると、樹脂材の量がばらつきによる第２封止樹脂５２の上面位置の変動を小さくすることができる。このため、樹脂材の注入量の制御が容易となり、生産性を向上することができる。

　上記一実施の形態では、金属製ケース４０の内面全面に、酸化層４６を形成した構造として例示した。しかし、第２封止樹脂５２は、第１封止樹脂６の外周側面全体に亘り形成されており、挿入口１７から侵入する水分を遮断するので、酸化層４６を、金属製ケース４０における第２封止樹脂５２が密着する領域のみに設けるようにしてもよい。
　また、生産効率向上のため、金属製ケース４０の外表面にも、酸化層４６を形成するようにしてもよい。

［パワー半導体モジュールの回路構成］
　図１２は、本発明のパワーモジュールに内蔵される回路構成の一例を示す図である。
　図１２に図示された回路は、インバータ回路の１相分の回路１２１を示す。
　パワー半導体モジュール３０の半導体素子３１Ｕおよび３１Ｌとしては、ＩＢＧＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるパワートランジスタが用いられる。
　導体板３５には、上アーム側の半導体素子３１Ｕのコレクタ電極と上アーム側のダイオード３２Ｕのカソード電極が接続される。導体板３６には、下アーム側の半導体素子３１Ｌのコレクタ電極と下アーム側のダイオード３２Ｌのカソード電極が接続される。

--実施形態２--
　図１３は、本発明に係るパワーモジュールの実施形態２を示す外観斜視図であり、図１４は、図１３に図示された金属製ケースの分解斜視図である。
　実施形態２のパワーモジュール１００Ａが実施形態１のパワーモジュール１００と相違する点は、金属製ケース４０Ａが、フレーム４１Ａと放熱用フィン４２が形成された一対のフィンプレート４１Ｂにより構成されている点である。
　フレーム４１Ａはフランジ４３を有し、表裏両面にはフィンプレート４１Ｂが嵌合される開口部４１ｄが形成されている。フィンプレート４１Ｂをフレーム４１Ａの開口部４１ｄに嵌合し、フィンプレート４１Ｂの外周縁とフレーム４１Ａの開口部４１ｄ周縁部が、溶接等により接合部４１ｅで接合されている。溶接として、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。

　フレーム４１Ａおよびフィンプレート４１Ｂの内面には、実施形態１と同様に、アルマイト処理等の方法により酸化層が形成されている。酸化層は、フレーム４１Ａの内面のみに形成し、フィンプレート４１Ｂの内面には形成しなくてもよい。
　上述した、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂの接合部４１ｅの外側の表面に酸化層を形成すると、耐腐食性を向上することができ、パワーモジュール１００Ａを冷却用液体中に浸漬して用いる場合には、特に、好ましい。酸化層は、内面側と同様、アルマイト処理により形成することができる。
　酸化層形成の作業性を向上するために、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂの外表面全面に、酸化層を形成してもよい。
　その他は、実施形態１と同様であり、同様な効果を奏する。

--実施形態３--
　図１５は、本発明に係るパワーモジュールの実施形態３を示す外観斜視図であり、図１６は、図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線断面図である。
　実施形態３として示すパワーモジュール１００Ｂでは、実施形態２と同様に、金属製ケース４０Ｂは、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂとが接合部４１ｅで接合されて構成されている。
　しかし、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂとの内面には、酸化層は形成されておらず、微細な凹凸が形成されている。すなわち、実施形態３においては、凹凸層４６Ａにより、窪みを有する粗面層が形成されている。

　凹凸層４６Ａは、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂとを接合する前に、ブラスト処理により形成することができる。また、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂとを接合する前または接合した後に、ドライエッチングまたはウエットエッチングにより形成することができる。実施形態１、２で説明したように、フレーム４１Ａのみに凹凸層４６Ａを設けてもよい。凹凸層４６Ａの表面粗さは、密着性の観点では、粗い方がよいが、生産性を考慮して、０．５μｍ～３０μｍ程度とすることが好ましい。

　金属製ケース４０Ｂを、フレーム４１Ａと一対のフィンプレート４１Ｂにより構成する場合、それぞれを、機能に適した材料により形成することができるというメリットを得ることもできる。例えば、フレーム４１Ａをダイカスト用のＡＤＣにより形成し、フィンプレート４１Ｂを放熱性に優れるＡ１０５０等により形成する。

　実施形態３においても、実施形態２と同様に、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂを接合した後に、接合部４１ｅの外表面、またはフレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂの外表面全面に酸化層を形成することもできる。図１５に図示されるように、金属製ケース４０Ｂに接地用端子部７１を設けて接地用リード７２を接続するようにしてもよい。図１７では、フレーム４１Ａのフランジ４３に接地用端子部７１設け、この接地用端子部７１に接地用リード７２を接続した構造として例示している。この場合、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂの中、接地用端子部７１を形成する方の部材を、酸化膜の厚さが薄くなるような材料とすれば、接地用端子部７１を形成する際の酸化膜の除去が容易となる。
　上記以外は、実施形態２と同様であり、実施形態３においても実施形態２と同様な効果を奏する。

［電力変換装置への適用］
　上述したパワーモジュールは、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。

（電力変換装置の制御回路）
　図１７は、本発明のパワーモジュールにより構成される電力変換装置の一例を示す図である。
　図１７に示すように、電力変換装置１００Ｍは、バッテリ１３６とモータジェネレータ１９２とに接続されて、バッテリ１３６から供給される直流電流を３相の交流電流に変換して、モータジェネレータ１９２へ供給する装置である。
　電力変換装置１００Ｍは、バッテリ１３６から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサモジュール５００と、直流電流から３相の交流電流を生成するためのインバータ部１４０を含んで構成される。また、インバータ部１４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を構成する上下アーム直列回路１２１と、それを制御する制御モジュール１３０と、を含んで構成されている。

　インバータ部１４０において、上下アーム直列回路１２１のそれぞれは、図１２を参照して説明した回路構成を有し、半導体素子３１とダイオード３２との並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。
　上下アーム直列回路１２１の上下端は、それぞれ、バッテリ１３６の正極および負極に直流コネクタ１３８を介して接続される。上側（正極側）に配置された半導体素子３１Ｕとダイオード３２Ｕとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作する。また、下側（負極側）に配置された半導体素子３１Ｌとダイオード３２Ｌとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。

　インバータ部１４０は、それぞれの上下アーム直列回路１２１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、３相の交流電流ｕ、ｖ、ｗが出力され、その出力された３相の交流電流ｕ、ｖ、ｗは、交流コネクタ１５０を介して、モータジェネレータ１９２へ供給される。

　また、制御モジュール１３０は、３組の上下アーム直列回路１２１を駆動制御するドライバ回路１３１と、ドライバ回路１３１へ制御信号を供給する制御回路１３２と、を含んで構成される。ここで、ドライバ回路１３１から出力される信号は、パワーモジュール１００の上アームおよび下アームの各半導体素子３１Ｕ、３１Ｌに供給され、そのスイッチング動作を制御して、各上下アーム直列回路１２１から出力される交流電流ｕ、ｖ、ｗの振幅や位相などを制御する。

　制御回路１３２は、３組の上下アーム直列回路１２１における各半導体素子３１Ｕ、３１Ｌ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を備えている。そのマイクロコンピュータには、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１２１からモータジェネレータ１９２へ供給する電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置などが入力される。

　これらの入力情報のうち、目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づく。また、電流値は、各上下アーム直列回路１２１から出力される交流電流の電流値を検出する電流センサ１５０の検出信号に基づく。また、磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた図示しない回転磁極センサの検出信号に基づく。

　また、制御モジュール１３０は、過電流、過電圧、過温度などの異常検知を行う機能を有し、上下アーム直列回路１２１を保護している。ちなみに、各アームの半導体素子３１Ｕ、３１Ｌのエミッタ電極は、ドライバ回路１３１に接続され、ドライバ回路１３１は、それぞれの半導体素子３１Ｕ、３１Ｌごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知された半導体素子３１Ｕ、３１Ｌについては、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。

　また、制御回路１３２には、上下アーム直列回路１２１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１２１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度、過電圧などの異常を検知する。そして、過温度、過電圧などの異常を検知した場合には、全ての半導体素子３１Ｕ、３１Ｌのスイッチング動作を停止させ、パワーモジュール１００全体を過温度、過電圧などの異常から保護する。

　なお、以上に示した電力変換装置１００Ｍにおいて、半導体素子３１Ｕ、３１Ｌおよびダイオード３２Ｕ、３２Ｌからなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。また、３組の上下アーム直列回路１２１は、２つの上下アーム直列回路を含んで構成され、２相の交流電流を出力するものとしてもよい。さらに、電力変換装置１００Ｍは、図１の回路構成とほとんど同様に構成される３相（２相）の交流電流を直流電流に変換する装置であってもよい。
　このような、電力変換装置１００Ｍは、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載電機システムの車両駆動用電機システムに用いることができる。

　本実施形態として示したパワーモジュール１００、１００Ａ、１００Ｂ（以下、代表して「１００」として示す）は上述した電力変換装置１００Ｍに対して、適用することができる。
　その場合、パワーモジュール１００は、電力変換装置内に設けられた冷却器ジャケット内に収容される。冷却器ジャケットには、冷却水流路が形成されており、パワーモジュール１００は、冷却水流路内に突き出して配置され、放熱部４１ａ、４１ｂ面に冷却水が、直接、接触する。パワーモジュール１００の下方にはコンデンサモジュールが配置され、パワーモジュール１００の上方には、制御回路が搭載された制御回路基板が積層される。パワーモジュール１００、コンデンサモジュールおよび制御回路基板を備えた電力変換装置の詳細は、例えば、特開２０１０－１１０１４３号公報に開示されている。

　以上説明した通り、上記各実施形態によれば下記の効果を奏する。
（１）金属製ケース４０の内面に酸化（粗面）層４６あるいは凹凸（粗面）層４６Ａが形成され、パワー半導体モジュール３０の周囲に形成した第２封止樹脂５２が粗面層４６あるいは４６Ａの窪みに食い込んで密着する構造を備える。このため、アンカー効果により第２封止樹脂５２と金属製ケース４０の内面との密着力を向上することができる。これにより、封止力が向上し、また、金属製ケース４０と第２封止樹脂５２との耐剥離性が向上する。
（２）金属製ケース４０とパワー半導体モジュール３０との空間Ｓに樹脂材を注入して第２封止樹脂５２を形成するので、樹脂材を金属製ケース４０の粗面層４６あるいは４６Ａの窪みに十分に食い込ませることができる。

（３）粗面層４６を、アルミニウム酸化膜で形成したので、第２封止樹脂５２との化学的な結合力がアルムニウムの場合よりも大きくなり、密着力が一層向上する。
（４）金属製ケース４０の挿入口１７の面積を、金属製ケース４０の放熱部４１ａ、４１ｂが対向する領域よりも大きく形成したので、樹脂材の注入量のばらつきに伴う第２封止樹脂５２の高さの変動量を小さくすることができる。これにより、樹脂材の注入量の制御が容易となり、生産性が向上する。

（５）金属製ケース４０Ａ、４０Ｂをフレームとフィンプレート４１Ｂとを接合して形成したので、粗面層４６あるいは４６Ａが厚く形成される材料とダイカストに好適な材料とを任意に選択することが可能となる。これにより、粗面層４６あるいは４６Ａの加工時間を短縮して生産性を向上することができる。
（６）金属製ケース４０Ａ，４０Ｂをフレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂとを接合して形成する場合、接合部４１ｅの外表面に酸化膜を設けることにより、接合部４１ｅの耐腐食性を向上することができる。

　フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂの外表面全体に酸化膜を形成し、接地用端子部７１を形成する場合、接地用端子部７１を形成する方を酸化膜の形成速度が遅い材料とすることにより、酸化膜の除去を短時間で行うことができる。

　なお、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。例えば、上記実施形態２において、金属製ケース４０Ａを、フレーム４１Ａと一対のフィンプレート４１Ｂより構成する構造として例示した。しかし、フィンプレート４１Ｂの一方をフレーム４１Ａと一体的に成型し、この成型体に、別体として形成した他方のフィンプレート４１Ｂを接合するようにしてもよい。

　また、上記各実施形態を組み合わせて適用することも可能である。例えば、実施形態２において、実施形態３と同様に、フレーム４１Ａとフィンプレート４１Ｂとを異なる材料により形成してもよい。また、実施形態１、２において、実施形態３と同様に、接地用端子部７１を形成してもよい。

　上記実施形態では、酸化層４６あるいは凹凸層４６Ａを金属製ケース４０の内面全面に形成した構成で例示した。しかし、酸化層４６あるいは凹凸層４６Ａは、金属製ケース４０のパワー半導体モジュール３０の上面６ｊ、６ｋと対向する内面のみに形成するようにしてもよい。

　要は、外周側面が第１封止樹脂により形成されたパワー半導体モジュールの外周側面に、金属製ケースの内面に形成された粗面層の窪みに食い込むように第２封止樹脂を形成したものであればよい。

　　　６　　　　第１封止樹脂
　　１７　　　　挿入口
　　１７ａ　　　面取り部
　　１７ｂ　　　段部
　　３０　　　　パワー半導体モジュール
　　３１Ｕ、３１Ｌ　　　半導体素子
　　３２Ｕ、３２Ｌ　　　ダイオード
　　３３～３６　　　　導体板
　　４０、４０Ａ、４０Ｂ　　　　金属製ケース
　　４１Ａ　　　フレーム
　　４１Ｂ　　　フィンプレート
　　４１ａ、４１ｂ　　　放熱部
　　４１ｄ　　　開口部
　　４１ｅ　　　接合部
　　４２　　　　放熱用フィン
　　４３　　　　フランジ
　　４４　　　　薄肉部
　　４６　　　　酸化（粗面）層
　　４６Ａ　　　凹凸（粗面）層
　　５１　　　　絶縁性樹脂膜
　　５２　　　　第２封止樹脂
　１００、１００Ａ、１００Ｂ　　　パワーモジュール
　　　Ｓ　　　　空間

Claims (12)

1. 　電力変換装置に用いられ、直流電力と交流電力を相互に変換するパワーモジュールであって、
   　一対の導体板と、前記導体板間に配置された半導体素子と、前記一対の導体板の側面を覆う第１封止樹脂とにより構成され、前記第１封止樹脂により一体化されたパワー半導体モジュールと、
   　外側側面に放熱部が形成され、前記パワー半導体モジュールを収納する収納部を有する金属製ケースと、
   　前記金属製ケース内に収納された前記パワー半導体モジュールの前記第１封止樹脂の側部の外周に設けられ、側面が前記金属製ケースの内面に接着された第２封止樹脂と、を備え、
   　前記金属製ケースの内面のうち、少なくとも、前記第２封止樹脂の前記側面と対向する領域に、前記第２封止樹脂との密着力を向上するための粗面層を備え、前記第２封止樹脂は、前記粗面層の窪みに食い込んでいることを特徴とするパワーモジュール。
2. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記第２封止樹脂は、流動性を有する樹脂材を注入して形成されたことを特徴とするパワーモジュール。
3. 　請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、前記粗面層は、酸化層であることを特徴とするパワーモジュール。
4. 　請求項３に記載のパワーモジュールにおいて、少なくとも、前記粗面層を備える領域がアルミニウム系金属により形成され、前記粗面層はアルミニウム系金属の陽極酸化層により形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
5. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記粗面層は、前記金属製ケースの内側の側面に形成された凹凸構造により形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、前記金属製ケースは、開口部を有するフレームと、前記フレームの前記開口部の周縁部に接合される放熱用フィンを有する放熱用フィンプレートとから構成され、少なくとも、前記フレームと前記放熱用フィンプレートとの接合部の外側表面に酸化層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
7. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、前記金属製ケースは、開口部を有するフレームと、前記フレームの前記開口部の周縁部に接合される放熱用フィンを有する放熱用フィンプレートとから構成され、前記フレームは、前記放熱用フィンプレートより鋳造性のよい材料により形成され、前記放熱用フィンプレートは前記フレームより放熱性のよい材料により形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
8. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、前記粗面層の厚さは、０．５～３０μｍであることを特徴とするパワーモジュール。
9. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、前記金属製ケースの外側の側面に酸化層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
10. 　請求項９に記載のパワーモジュールにおいて、前記酸化層は、陽極酸化層であることを特徴とするパワーモジュール。
11. 　請求項９に記載のパワーモジュールにおいて、前記金属製ケースは、開口部を有するフレームと、前記フレームとは異なる材料により形成され、前記フレームの前記開口部の周縁部に接合される放熱用フィンを有する放熱用フィンプレートとから構成され、前記酸化層は、前記フレームおよび前記放熱用フィンプレートの外側の側面に形成され、前記フレームの外側の側面に形成された酸化層の厚さと、前記放熱用フィンプレートの外側の側面に形成された酸化層の厚さとは異なることを特徴とするパワーモジュール。
12. 　請求項１１に記載のパワーモジュールにおいて、前記フレームの外側の側面に形成された酸化層と、前記放熱用フィンプレートの外側の側面に形成された酸化層の中、厚さが薄い方の酸化層は、その一部が除去され、接地電位接続部とされていることを特徴とするパワーモジュール。

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