WO2018131301A1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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WO2018131301A1
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power semiconductor
semiconductor device
connection portion
circuit body
metal case
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ひろみ 島津
晃 松下
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device used in a power conversion device that controls a motor for driving a vehicle.
  • a sealing body in which both the front and back surfaces of a power semiconductor chip are soldered to a conductive plate and sealed with resin in a state where the conductive plate is exposed is a cylinder having a heat dissipation member on both surfaces.
  • the structure is housed in a metal case of the mold.
  • the inside of the metal case (heat dissipating member) and the conductor plate are bonded with a heat conductive insulating adhesive (insulating member), and the heat generated by the power semiconductor chip is transferred to both sides of the conductor plate and the heat conductive insulating bond. Heat is radiated to the outside through the agent (insulating member) and the heat radiating member.
  • the inner heat radiating member of the metal case and the heat conductive insulating resin are in close contact with each other without being peeled off. For this reason, it is set as the structure which bonded the inner side (heat radiating member), the heat conductive insulating resin, and the sealing body of the metal case by pressing from the outside of the metal case and crushing the metal case.
  • the rigidity of the flange decreases.
  • an increase in the spring back of the case near the opening has become apparent.
  • the increase in the springback leads to an increase in the peeling force between the inner heat radiating member of the metal case and the heat conductive insulating resin. Therefore, the spring back is easily peeled off at the interface, and there is a concern that the heat radiation performance of the power semiconductor device may deteriorate.
  • an object of the present invention is to provide a highly reliable power semiconductor device that prevents peeling of an insulating resin in a deformation process of a metal case, prevents deterioration of heat dissipation performance.
  • a power semiconductor device includes a circuit body having a power semiconductor element, and a case that houses the circuit body, and the case includes a first base portion and a second base portion that sandwich the circuit body, A frame that forms an opening connected to the storage space of the case, and a connection that connects the frame and the first base or the second base, and is formed thinner than the first base and the second base.
  • the connection portion has a first connection portion on the side of the frame portion near the opening portion, and a second connection portion on the side of the frame portion on the far side of the opening portion, The first connection portion is formed to have a smaller rigidity than the second connection portion.
  • the amount of spring back of the metal case near the opening can be reduced, and the insulating member can be prevented from peeling from the inside of the case (heat dissipating member).
  • a high-performance power semiconductor device can be realized.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power conversion device 200 illustrated in FIG. 1. It is an external appearance top view as one embodiment of power module 100 of the present invention.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the power module 100 shown in FIG. It is sectional drawing of the metal case of the power module 100 which concerns on this embodiment. It is sectional drawing of the circuit body 30 of the power module 100 which concerns on this embodiment. It is a conceptual sectional view showing a part of the manufacturing process of the power module 100 as a comparative example, the upper figure is a state before the metal case 40 is deformed, and the center figure shows a load applied to the metal case 40.
  • the figure below shows a state in which the load is unloaded from the metal case 40. It is a conceptual sectional view of power module 100 in this embodiment. It is a graph which shows the effect of this embodiment. It is a top view of the power module 101 which shows 2nd Embodiment.
  • Embodiment 1 [Power converter]
  • an embodiment of a power conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is an external perspective view as an embodiment of the power conversion device 200 of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power conversion apparatus 200 illustrated in FIG.
  • the power conversion device 200 is used as a power supply device for an electric vehicle or a hybrid vehicle. Although not shown, the power conversion device 200 includes an inverter circuit connected to the motor generator, and includes a booster circuit connected to an external battery and a control circuit for controlling the whole.
  • the power conversion device 200 includes a housing main body 201 formed of an aluminum-based metal such as aluminum or an aluminum alloy, and a bottom lid 202 fastened to the housing main body 201 by a fastening member (not shown).
  • the housing body 201 and the bottom lid 202 can also be formed by integral molding.
  • An upper lid (not shown) is fastened by a fastening member on the upper portion of the housing body 201 to form a sealed container.
  • a peripheral wall 211 for forming a cooling flow path is formed inside the housing body 201, and a cooling chamber 210 is formed by the peripheral wall 211 and the bottom lid 202.
  • a support member 220 having a plurality of (four in FIG. 2) side walls 221 and a plurality (three in FIG. 2) of power modules 100 disposed between the side walls 221 are housed. Details of the power module 100 will be described later.
  • a pair of through holes are provided on one side of the housing body 201, one of the through holes is provided with an inlet pipe 203a, and the other of the through holes is provided with an outlet pipe 203b. .
  • a cooling medium such as cooling water flows into the cooling chamber 210 from the inlet pipe 203a, flows through the cooling path between the side wall 221 of the support member 220 and each power module 100, and flows out from the outlet pipe 203b. .
  • the cooling medium flowing out from the outlet pipe 203b is cooled by a cooling device such as a radiator (not shown), and circulates again so as to flow into the cooling chamber 210 from the inlet pipe 203a.
  • a cooling device such as a radiator (not shown)
  • the cooling chamber 210 is sealed by a cover member 240 with a seal member 231 interposed.
  • the cover member 240 forms an opening 241 through which the terminal of the power module 100 is inserted.
  • the peripheral edge of the cover member 240 is fixed to the upper part of the peripheral wall 211 forming the cooling chamber 210 by a fastening member (not shown).
  • a capacitor module 250 including a plurality of capacitor elements 251 for smoothing DC power supplied to the inverter circuit is housed in an outer region of the cooling chamber 210 of the housing body 201.
  • a DC bus bar assembly 261 is disposed on the capacitor module 250 and the power module 100.
  • DC side bus bar assembly 261 transmits DC power between capacitor module 250 and power module 100.
  • a control circuit board assembly 262 including a driver circuit unit for controlling the inverter circuit is disposed above the DC side bus bar assembly 261 and the cover member 240.
  • the AC bus bar assembly 263 is connected to the power module 100 and transmits AC power.
  • AC bus bar assembly 263 includes a current sensor.
  • FIG. 3 is an external plan view as an embodiment of the power module 100 of the present invention.
  • 4 is a vertical cross-sectional view of the power module 100 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the metal case of the power module 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the circuit body 30 of the power module 100 according to the present embodiment.
  • the power module 100 has a metal case 40, and the circuit body 30 shown in FIG. 6 is accommodated in the metal case 40 shown in FIG.
  • the insulating layer 51 conducts heat generated from the circuit body 30 to the heat radiating member 41, and is formed of a material having high thermal conductivity and high withstand voltage.
  • a thin film such as aluminum oxide (alumina) or aluminum nitride, or an insulating sheet or adhesive containing these fine powders can be used.
  • conductor plates 33 and 34 to which the power semiconductor element 31 is joined by soldering or the like are exposed on both the front and back surfaces of the circuit body 30, and the insulating layer 51 includes the conductor plate 33, 34 and the heat radiating member 41 are coupled so as to be able to conduct heat.
  • the gap between the circuit body 30 is filled with the second sealing resin 49.
  • the metal case 40 includes a pair of heat radiating members 41 having a plurality of heat radiating fins 42 and a frame body 43.
  • the metal case 40 is a cooler having a flat cylindrical shape having, for example, the insertion port 17 on one surface and the bottom on the other surface.
  • the metal case 40 is formed of a member having electrical conductivity, for example, a composite material such as Cu, Cu alloy, Cu—C, or Cu—CuO, or a composite material such as Al, Al alloy, AlSiC, or Al—C. ing.
  • the power module 100 shown in FIGS. 3 to 5 has a structure in which no opening is provided except for the insertion port 17, and the insertion port 17 is surrounded by the seal portion 11.
  • the pair of heat radiation members 41 are joined to the frame body 43.
  • As the joining for example, FSW (friction stir welding), laser welding, brazing or the like can be applied.
  • heat radiating member 41 and the frame 43 are shown as separate members, but the heat radiating member 41 and the frame 43 may be the same member or may be integrated.
  • connection portion 44 and the connection portion 45 have a structure that is thinner than the heat dissipation member 41 and the frame body 43.
  • the circuit body 30 is inserted into the metal case 40, and the inner wall 41a of the heat radiating member 41 and the front and back surfaces of the circuit body 30 are connected via the insulating layer 51. For this reason, the total thickness of the thickness 30 a of the circuit body 30 and the thickness of the insulating layer 51 is smaller than the distance 41 b between the inner walls 41 a of the heat dissipation member 41 of the power module 100.
  • connection portion 44 a of the connection portion 44 that connects the frame body 43 near the insertion port 17 and the heat dissipation member 41 is the length of the connection portion 45 that connects the frame body 43 other than the insertion port 17 and the heat dissipation member 41. It is longer than 45a and has the same thickness.
  • the insertion port 17 formed in the metal case 40 functions as an opening for inserting the circuit body 30, but may be an opening other than the insertion of the circuit body 30.
  • each electrode of the power semiconductor element 31 is sandwiched between a conductor plate 33 and a conductor plate 34 arranged to face the respective electrode surfaces.
  • the semiconductor element is bonded to the conductor plate 33 and the conductor plate 34 by a bonding material 32.
  • the circuit body 30 is formed by sealing them with the first sealing resin 6.
  • the first sealing resin 6 covers the entire periphery of the conductor plates 33 and 34 by exposing the upper surface 33 a of the conductor plate 33 and the upper surface 34 a of the conductor plate 34 on the surface side of the circuit body 30.
  • the surface of the first sealing resin 6 is flush with the upper surface 33 a of the conductor plate 33 and the upper surface 34 a of the conductor plate 34.
  • the conductor plate 33 and the conductor plate 34 are made of, for example, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, or the like.
  • the length 44 a of the connecting portion 44 that connects the frame body 34 a on the side close to the insertion port 17 of the metal case 40 and the heat radiating member 41 is the frame body 43 b other than the insertion port 17. It is longer than the length 45a of the connection part 45 which connects the heat radiating member 41, and it is formed so that board thickness may become the same.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing a part of the manufacturing process of the power module 100 in the present embodiment, the upper diagram is a state before the metal case 40 is deformed, and the center diagram is a load on the metal case 40.
  • the figure below shows a state where a load is applied, and the figure below shows a state where the load is removed from the metal case 40.
  • the insulating layer 51 is omitted.
  • FIG. 7 shows a deformation process of the metal case 40 for connecting the circuit body 30 and the inner wall 41a of the heat radiation member 41 of the metal case 40, as shown in the upper diagram of FIG. Before the metal case 40 shown in the upper part of FIG. 7 is deformed, there is a gap between the inner wall 41 a and the circuit body 30.
  • the connecting portion 44 and the connecting portion 45 are plastically deformed by applying a load to the metal case 40 from the outside.
  • the spring back of the insertion port 17 is smaller in rigidity of the insertion port 17 than the bottom surface or side surface of the metal case 40 other than the insertion port 17. This is for elastic deformation in the direction. As a result, the amount of spring back in the vicinity of the insertion opening 17 is increased, and a gap is generated between the inner wall 41 a of the heat radiating member 41 and the surface of the circuit body 30.
  • the length 44a of the connecting portion 44 that connects the frame body 43 near the insertion port 17 of the metal case 40 and the heat radiating member 41 is the same as the frame body 43b other than the opening portion 100a. It is longer than the length 45a of the connection part 45 connecting the heat radiating member 41, and is formed so that the plate thickness is the same.
  • the rigidity of the connecting portion 44 on the insertion port 17 side smaller than the rigidity of the bottom surface or side surface connecting portion 45 other than the insertion port 17, the opening portion at the time of load loading shown in the central view of FIG. Elastic deformation in the load direction can be suppressed. Therefore, as shown in FIG. 8, the amount of spring back after unloading can be suppressed, and the generation of a gap between the inner wall 41 a of the heat radiating member 41 and the surface of the circuit body 30 can be suppressed.
  • FIG. 9 is a graph showing the effect of this embodiment. It is the result of performing an analysis simulating the crushing process of the metal case shown in FIG. 7 by finite element analysis and evaluating the amount of springback after unloading.
  • the ratio of the length of the connecting portion 44 on the insertion port 17 side to the length of the connecting portion 45 on the side far from the opening is used as a parameter.
  • the change in the back amount is shown.
  • the vertical axis indicates the ratio with respect to the amount of springback when the lengths of the connecting portion 44 and the connecting portion 45 are the same. As the ratio of the length of the connecting portion 44 / the length of the connecting portion 45 increases, the amount of springback decreases, and when the ratio of the length of the connecting portion 44 / the length of the connecting portion 45 is 1.1 or more, the spring It was found that the back was suppressed.
  • connection portion 44 on the side of the insertion port 17 longer than the length of the connection portion 45 on the side far from the insertion port 17, the amount of spring back of the heat dissipation member 41 can be suppressed, and the heat dissipation member A gap can be suppressed between the inner wall 41 a of the circuit 41 and the surface of the circuit body 30.
  • connection portion 44 In the present embodiment, the case where the bending rigidity is lowered by making the length of the connection portion 44 longer than the length of the connection portion 45 has been described. However, the rigidity of the connection portion 44 is greater than the rigidity of the connection portion 45. The same effect can be obtained by reducing the size of the film.
  • the thickness of the connection portion 44 may be smaller than the thickness of the connection portion 45.
  • the connecting portion 44 and the connecting portion 45 may be made of different materials, and the Young's modulus of the material of the connecting portion 44 may be smaller than the Young's modulus of the material of the connecting portion 45.
  • connecting portion 44 and the connecting portion 45 may be made of different materials, and the yield stress of the material of the connecting portion 44 may be smaller than the yield stress of the material of the connecting portion 45. Thereby, the same effect can be obtained.
  • Embodiment 2 >> In the embodiment described above, the example of the power module 100 in which the opening corresponding to the insertion port 17 has only one direction is shown, but the present invention is also applicable to the power module 100 in two directions in which the opening is opposed as shown in FIG. Is possible.
  • the opening 101a of the metal case is provided in two opposing directions, and the conductor plate 33 and the conductor plate 34 of the circuit body 30 are made of metal from both sides. It has a structure that goes out of the case.
  • the length 44a of the connection portion 44 on the side close to the opening portion 101a of the metal case 40 is formed to be longer than the length 45a of the connection portion 45 other than the opening portion.
  • the plate thickness is the same. Thereby, the effect similar to Embodiment 1 is acquired.
  • the shape of the heat radiation fin 42 of the heat radiation member 41 is a pin fin, but other shapes such as a straight fin or a corrugated fin may be used.
  • the in-vehicle power conversion device mounted on the electric vehicle or the hybrid vehicle has been described as an example.
  • the power conversion device has a cooling structure in which the power module is immersed in the cooling medium
  • the present invention can be applied as well.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be applied within the scope of the gist of the present invention.

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Abstract

本発明の課題は、金属製ケースの変形工程における絶縁性樹脂のはく離を防止し、放熱性能の劣化を防止し、信頼性の高いパワー半導体装置を提供することにある。　本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、を備え、前記ケースは、前記回路体を挟む第１ベース部及び第２ベース部と、当該ケースの収納空間に繋がる開口部を形成する枠部と、当該枠部と当該第１ベース又は当該第２ベースを接続するとともに、当該第１ベース及び当該第２ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、前記接続部は、前記枠部の前記開口部の近い側の第１接続部と、前記枠部の前記開口部の遠い側の第２接続部と、を有し、前記第１接続部は、前記第２接続部よりも剛性を小さくするように形成された。

Description

パワー半導体装置
　本発明は、パワー半導体装置に関し、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装置に関する。
　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、電力変換装置も例外ではなく、小型化や低コスト化が求められている。
　電力変換装置の小型化に伴い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装置においては、冷却性能を向上させる必要があり、例えば特許文献１に示すように、両面直接冷却方式のパワー半導体装置が開示されている。
　特許文献１に記載のパワー半導体装置においては、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した封止体を、両面に放熱部材を有する筒型の金属ケース内に、収納された構造となっている。金属ケースの内側（放熱部材）と導体板との間は熱伝導性の絶縁接着剤（絶縁部材）により接着されており、パワー半導体チップの発熱を、両面の導体板、熱伝導性の絶縁接着剤（絶縁部材）、放熱部材を介して、外部に放熱している。
　チップ発熱部から放熱部材への熱伝達を良好に行うためには、金属ケースの内側放熱部材と熱伝導性の絶縁性樹脂とは、はく離することなく密着した構造であることが好ましい。このため、金属ケースの外側から加圧し、金属ケースを潰すことにより金属ケースの内側（放熱部材）と熱伝導性の絶縁性樹脂、封止体とを接着させた構造としている。
特開２０１３－２１１９４２号公報
　しかし、パワー半導体装置の小型化のため、金属ケースの開口部（フランジ）を小型化すると、フランジの剛性が低下する。これにより、ケースを潰す工程において、開口部付近のケースのスプリングバックの増加が顕在化してきた。スプリングバックの増加は、金属ケースの内側放熱部材と熱伝導性の絶縁性樹脂の引き剥がし力の増加につながるため、界面ではく離しやすくなり、パワー半導体装置の放熱性能の劣化が懸念される。
　そこで、本発明の課題は、金属製ケースの変形工程における絶縁性樹脂のはく離を防止し、放熱性能の劣化を防止し、信頼性の高いパワー半導体装置を提供することにある。
　本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、を備え、前記ケースは、前記回路体を挟む第１ベース部及び第２ベース部と、当該ケースの収納空間に繋がる開口部を形成する枠部と、当該枠部と当該第１ベース又は当該第２ベースを接続するとともに、当該第１ベース及び当該第２ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、前記接続部は、前記枠部の前記開口部の近い側の第１接続部と、前記枠部の前記開口部の遠い側の第２接続部と、を有し、前記第１接続部は、前記第２接続部よりも剛性を小さくするように形成された。
　本発明によれば、開口部付近の金属製ケースのスプリングバック量を低減でき、絶縁部材がケース内側（放熱部材）からのはく離を防止できるため、回路体の放熱性能の劣化を防止し，信頼性の高いパワー半導体装置が実現できる。
本発明の電力変換装置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。 本発明のパワーモジュール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モジュール１００のＡ－Ａ´線縦断面図である。 本実施形態に係るパワーモジュール１００の金属ケースの断面図である。 本実施形態に係るパワーモジュール１００の回路体３０の断面図である。 比較例となるパワーモジュール１００の製造工程の一部を示す概念断面図であり、上図は金属製ケース４０を変形させる前の状態であり、中央図は金属製ケース４０に荷重を負荷している状態であり、下図は金属製ケース４０から荷重を除荷の状態である。 本実施形態におけるパワーモジュール１００の概念断面図である。 本実施形態の効果を示すグラフである。 第２実施形態を示すパワーモジュール１０１の平面図である。
≪実施形態１≫
［電力変換装置］
　以下、図を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を説明する。
　図１は、本発明の電力変換装置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、アルミニウムや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本体２０１および筐体本体２０１に締結部材（不図示）により締結される底蓋２０２を有する。筐体本体２０１と底蓋２０２とは、一体成型により形成することもできる。
　筐体本体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。
　筐体本体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）のパワーモジュール１００が収納される。パワーモジュール１００の詳細は後述する。
　筐体本体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、パワーモジュール１００の端子が挿通される開口部２４１を形成する。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。
　筐体本体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んだ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。
　［パワーモジュール１００］
　図３ないし図６を参照してパワーモジュール１００について説明する。
　図３は、本発明のパワーモジュール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モジュール１００のＡ－Ａ´線縦断面図である。図５は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の金属ケースの断面図である。図６は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の回路体３０の断面図である。
　図３及び図４に示されるように、パワーモジュール１００は、金属製ケース４０を有し、図５に示される金属製ケース４０内に、図６に示される回路体３０が収納されている。
　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が介在している。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、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。
　図６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、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。
　図５に示すように、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。金属製ケース４０は、例えば一面に挿入口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３ないし図５で示したパワーモジュール１００では、挿入口１７以外には開口を設けない構造であり、挿入口１７はシール部１１によって、その外周を囲まれている。
　一対の放熱部材４１は、枠体４３に接合されている。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。このような形状の金属製ケース４０を用いることで、パワーモジュール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。
　放熱部材４１と枠体４３とは、接続部４４や接続部４５を介して接続されている。接続部４４や接続部４５は、放熱部材４１と枠体４３よりも板厚が薄い構造となっている。
　図３に示す挿入口１７に近い側の枠体４３と放熱部材４１とは、接続部４４を介して接続されている。また、挿入口１７以外の枠体４３と放熱部材４１とは、接続部４５を介して接続されている。
　前述の通り、パワーモジュール１００は、金属製ケース４０の中に回路体３０を挿入し、絶縁層５１を介して、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表裏両面とが接続される。このため、回路体３０の厚さ３０ａと絶縁層５１の厚さの総厚は、パワーモジュール１００の放熱部材４１の内壁４１ａ間の距離４１ｂより小さい。
　金属製ケース４０内に回路体３０と絶縁層５１を挿入後、金属製ケース４０に外側から荷重を負荷することにより、接続部４４及び接続部４５を塑性変形させ、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表裏両面を接続させる。
　挿入口１７に近い側の枠体４３と放熱部材４１とを接続する接続部４４の長さ４４ａは、挿入口１７以外の枠体４３と放熱部材４１とを接続する、接続部４５の長さ４５ａよりも長く、板厚は同じとなるように形成されている。
　図２ないし図４では、金属製ケース４０の挿入口１７側にはシール部１１としてフランジを有した構造を示したが、フランジはなくてもよい。金属製ケース４０に形成された挿入口１７は、回路体３０の挿入するための開口部として機能しているが、回路体３０の挿入する以外の開口部であってもよい。
　［回路体３０］
　図６に示されるように、パワー半導体素子３１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によって挟まれる。この半導体素子と導体板３３及び導体板３４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の上面３３ａと導体板３４の上面３４ａ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の表面は、導体板３３の上面３３ａおよび導体板３４の上面３４ａと面一となっている。導体板３３及び導体板３４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。
　［本実施形態の効果］
　本実施形態におけるパワーモジュール１００においては、金属製ケース４０の挿入口１７に近い側の枠体３４ａと放熱部材４１とを接続する接続部４４の長さ４４ａは、挿入口１７以外の枠体４３ｂと放熱部材４１とを接続する接続部４５の長さ４５ａよりも長く、板厚は同じとなるように形成されている。
　図７は、本実施形態におけるパワーモジュール１００の製造工程の一部を示す概念図であり、上図は金属製ケース４０を変形させる前の状態であり、中央図は金属製ケース４０に荷重を負荷している状態であり、下図は金属製ケース４０から荷重を除荷の状態である。図７では、絶縁層５１は省略している。
　図７の上図に示すように、回路体３０と金属製ケース４０の放熱部材４１の内壁４１ａを接続するための金属製ケース４０の変形工程を示す。図７の上図の金属製ケース４０の変形前は内壁４１ａと回路体３０との間に隙間があいている。
　図７の中央図の荷重負荷工程において、金属製ケース４０に外側から荷重を負荷することにより、接続部４４及び接続部４５を塑性変形させる。
　その後、図７の下図に示すように荷重をすると、放熱部材４１の挿入口１７側では、挿入口１７と遠い側に比べスプリングバック量が大きくなる。これにより、回路体３０と放熱部材４１の間に隙間が生じ、放熱性能の劣化が懸念される。
　この挿入口１７のスプリングバックは、挿入口１７の剛性が、金属製ケース４０の挿入口１７以外の底面や側面に比べて小さく、図７の中央図の荷重負荷工程において、挿入口１７側が荷重方向に弾性変形するためである。これにより、挿入口１７付近のスプリングバック量が大きくなり、放熱部材４１の内壁４１ａが回路体３０の表面との間に隙間が生じる。
　本実施形態のパワーモジュール１００では、金属製ケース４０の挿入口１７に近い側の枠体４３と放熱部材４１とを接続する接続部４４の長さ４４ａは、開口部１００ａ以外の枠体４３ｂと放熱部材４１とを接続する接続部４５の長さ４５ａよりも長く、板厚は同じとなるように形成している。
　このように、挿入口１７側の接続部４４の剛性を、挿入口１７以外の底面や側面の接続部４５の剛性よりも小さくすることにより、図７の中央図に示す荷重負荷時における開口部の荷重方向への弾性変形を抑制することができる。したがって、図８に示すように、荷重除荷後のスプリングバック量を抑制することができ、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表面との間に隙間が生じることを抑制できる。
　図９は、本実施形態の効果を示すグラフである。有限要素解析により、図７に示した金属ケースの潰し工程を模擬した解析を行い、除荷後のスプリングバック量を評価した結果である。
　挿入口１７側の接続部４４の長さの開口部から遠い側の接続部４５の長さに対する比（接続部４４の長さ／接続部４５の長さ）をパラメータとし、放熱部材４１のスプリングバック量の変化を示している。
　縦軸は、接続部４４と接続部４５の長さを同じにした場合のスプリングバック量に対する比で示している。接続部４４の長さ／接続部４５の長さの比が、増加するに従いスプリングバック量は減少し、接続部４４の長さ／接続部４５の長さの比が、１．１以上ではスプリングバックが抑制されることが分かった。
　このように、挿入口１７側の接続部４４の長さを挿入口１７から遠い側の接続部４５の長さより長くすることにより、放熱部材４１のスプリングバック量を抑制することができ、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表面との間に隙間を抑制することができる。
　これにより、図７及び図８では省略したが、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０との界面に介在する絶縁層５１のはく離を抑制でき、放熱性の劣化を防止することができ，信頼性の高い電力変換装置が実現できる。
　本実施形態においては、接続部４４の長さを接続部４５の長さよりも長くすることにより、曲げ剛性を低下させた場合について示したが、接続部４４の剛性が、接続部４５の剛性よりも小さくすることにより、同様の効果が得られる。
　すなわち、接続部４４の厚みが接続部４５の厚みよりも小さくしてもよい。また、接続部４４と接続部４５を異なる材料とし、接続部４４の材料のヤング率が、接続部４５の材料のヤング率よりも小さくしてもよい。
　また、接続部４４と接続部４５を異なる材料とし、接続部４４の材料の降伏応力が、接続部４５の材料の降伏応力よりも小さくしてもよい。これにより同様の効果が得られる。
　≪実施形態２≫
　上述した実施の形態では、挿入口１７に対応する開口部が１方向のみのパワーモジュール１００の例を示したが、図１０に示すような開口部が対向する２方向のパワーモジュール１００にも適用することが可能である。
　図１０に示した第２実施形態におけるパワーモジュール１０１においては、金属製ケースの開口部１０１ａが対向する２方向に設けられており、回路体３０の導体板３３及び導体板３４が両側から金属製ケースの外に出ている構造となっている。
　このパワーモジュール１０１において、金属製ケース４０の開口部１０１ａに近い側の接続部４４の長さ４４ａは、開口部以外の接続部４５の長さ４５ａよりも長く、形成されている。板厚は同じ厚さとしている。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…挿入口、３０…回路体、３０a…厚さ、３１…パワー半導体素子、３２…接合材、３３…導体板、３３a…上面、３４…導体板、３４a…上面、４０…金属製ケース、４１…放熱部材、４１ａ…内壁、４１ｂ…距離、４２…放熱フィン、４３…枠体、４４…接続部、４４ａ…長さ、４５…接続部、４５ａ…長さ、４９…第２封止樹脂、５１…絶縁層、１００…パワーモジュール、１０１…パワーモジュール、１０１ａ…開口部、２００…電力変換装置、２０１…筐体本体、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、２４１…開口部、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 (6)

  1. 　パワー半導体素子を有する回路体と、
    　前記回路体を収納するケースと、を備え、
    　前記ケースは、前記回路体を挟む第１ベース部及び第２ベース部と、当該ケースの収納空間に繋がる開口部を形成する枠部と、当該枠部と当該第１ベース又は当該第２ベースを接続するとともに、当該第１ベース及び当該第２ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、
    　前記接続部は、前記枠部の前記開口部の近い側の第１接続部と、前記枠部の前記開口部の遠い側の第２接続部と、を有し、
    　前記第１接続部は、前記第２接続部よりも剛性を小さくするように形成されたパワー半導体装置。
  2. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記第１接続部の長さは、第２接続部の長さよりも大きいパワー半導体装置。
  3. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記第１接続部の長さは、前記第２接続部の長さの１．１倍以上であるパワー半導体装置。
  4. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記第１接続部の厚みが、前記第２接続部の厚みよりも小さいパワー半導体装置。
  5. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記第１接続部と前記第２接続部の材料が異なり、かつ前記第１接続部の材料のヤング率が、前記第２接続部の材料のヤング率よりも小さいパワー半導体装置。
  6. 　請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    　前記第１接続部と前記第２接続部の材料が異なり、かつ前記第１接続部の材料の降伏応力が、前記第２接続部の材料の降伏応力よりも小さいパワー半導体装置。
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