WO2022239154A1

WO2022239154A1 - パワーモジュールおよび電力変換装置

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Publication number: WO2022239154A1
Application number: PCT/JP2021/018070
Authority: WO
Inventors: 吉典横山; 晋一出尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2023-11-12
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Abstract

接合材を加圧する加圧部を備え、信頼性を向上させたパワーモジュールを得る。熱拡散部（８）と、熱拡散部（８）の上面上に接合材（６）で接合され、上面と下面との金属層（７ａ，７ｃ）を有する絶縁基板（７）と、絶縁基板（７）の上面上に接合材（６）で接合された半導体素子（５）と、半導体素子（５）の上方に配置され、半導体素子（５）と接続された接続配線部（９）と、絶縁基板（７）を囲み、熱拡散部（８）の外周領域に配置された枠体（３）と、枠体（３）の上面側に配置される蓋部（２）と、蓋部（２）と接続配線部（９）との間に配置され、接続配線部（９）を介して半導体素子（５）を加圧する加圧部（２ａ）と、蓋部（２）と枠体（３）とを熱拡散部（８）に締結する締結部材（４，１１）と、を備えたパワーモジュールである。

Description

パワーモジュールおよび電力変換装置

　本開示は、接合材を加圧する加圧部を備えたパワーモジュールおよび電力変換装置に関する。

　パワーモジュールに実装されるパワー半導体素子は、主電流を高速でスイッチングするために、高温状態または高温と低温の状態を行き来する温度サイクルに曝される。このような高温状態または温度サイクルに曝されると、パワーモジュールの各構成部材は、それぞれの線膨張係数の差により、各構成部材の接合部への高い応力負荷が発生する。特に、接合材としてはんだを用いたはんだ接合部には、クラックが入ったりし、劣化が発生しやすい。

　線膨張係数が大きく異なる部材同士である、例えば、シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ：Ｓｉ）のパワー半導体素子と銅基板とをはんだで接合する場合、はんだ接合部に高いせん断応力が発生し、はんだ外周部から中央部に向かって接合面とほぼ平行にクラックが進展していく、いわゆる「横割れ」が発生する。はんだ内部で横割れが発生し進展すると、はんだ接合部での接合面積が減少し、パワー半導体素子で発生した熱を外部に放出するための熱抵抗が大きくなり、パワー半導体素子などが破壊される。この問題を避けるためには、はんだ接合される被接合部材間の線膨張係数の差を小さくすることが好ましい。この結果、発生する熱応力が小さくなり、接合部の不良の発生は大幅に低減され、横割れを抑制することができる。

　ところが、被接合部材間の線膨張係数の差が小さくなったパワーモジュールに温度サイクルが印加されると、はんだ接合部の中央付近に、接合面に対して平行方向の等２軸の引張圧縮変形による連続動的再結晶によって形成される高Σ粒界でき裂が発生、進展することで、最終的にき裂のネットワークを形成する破壊が発生する。これは、き裂が発生する段階で、接合面に対して垂直方向にき裂が進展するので、いわゆる「縦割れ」と呼ばれている。

　このため、従来のパワーモジュールでは、チップ上に絶縁材料を挟んで、チップ面への圧力を加えるための押さえ板を配置し、縦割れを防ぐことではんだ中央部のクラック発生を抑制することが記載されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１７－１３５１８３号公報

　しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、ワイヤとパワー半導体素子の表面との間に押さえ板を配置し、押さえ板自体を加圧するための部材が別途必要であった。このため、はんだ接合部に十分な加圧力を発生させることができず、パワーモジュールの信頼性が劣化する場合があった。

　本開示は、上述のような問題を解決するためになされたもので、蓋と配線部材との間に加圧部を設けて接合部を加圧することで、信頼性の向上したパワーモジュールを得ることを目的としている。

　本開示に係るパワーモジュールは、熱拡散部と、熱拡散部の上面上に接合材で接合され、上面と下面との金属層を有する絶縁基板と、絶縁基板の上面上に接合材で接合された半導体素子と、半導体素子の上方に配置され、半導体素子と接続された接続配線部と、絶縁基板を囲み、熱拡散部の外周領域に配置された枠体と、枠体の上面側に配置される蓋部と、蓋部と接続配線部との間に配置され、接続配線部を介して半導体素子を加圧する加圧部と、蓋部と枠体とを熱拡散部に締結する締結部材と、を備えたパワーモジュールである。

　本開示によれば、枠体の上面側に配置される蓋部と、蓋部と接続配線部との間に配置され、接続配線部を介して半導体素子を加圧する加圧部と、蓋部と枠体とを熱拡散部に締結する締結部材とを設けたので、半導体素子と絶縁基板の上面の金属層とを接合する接合部を加圧することが可能となり、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。

実施の形態１におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態１における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態１における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。実施の形態２におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。実施の形態２におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態２におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態３におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態４におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。実施の形態４におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態５におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。実施の形態５におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。実施の形態６における電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

　はじめに、本開示のパワーモジュールの全体構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。各図には、第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）と第３方向（Ｚ方向）とを示している。

　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図２は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図３は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図４は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図５は、実施の形態１におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図６は、実施の形態１における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図２は、図１の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図である。図３は、図１の一点鎖線ＢＢにおける断面構造模式図である。図４は、図１の一点鎖線ＣＣにおける断面構造模式図である。図５は、パワーモジュール１００に冷却部１を取り付けた場合の図１の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図である。図６は、パワーモジュール１００に冷却部１を取り付けた場合の図１の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図で、封止部材１０の上面の高さが配線９の高さと同じ場合である。

　図において、パワーモジュール１００は、蓋部２と、加圧部２ａと、枠体３と、半導体素子であるパワー半導体素子５と、接合材（接合部）であるはんだ６と、絶縁基板７と、熱拡散部であるヒートスプレッダ８と、接続配線部である配線９と、締結部材であるボルト４，１１と、外部接続端子１０と、を備えている。

　図において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだ６を介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている。枠体３の上面には、蓋部２が配置される。蓋部２の下面と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部２ａが配置されている。ヒートスプレッダ８と枠体３とで囲まれた内部には、封止部材２０が配置（充填）される。

　図１は、パワーモジュール１００を上面側から蓋部２を透過して見た平面構造模式図である。透過した部材に関しては、点線にて表示している。

　図１において、最外周の実線は、蓋部２の外縁および枠体３の外縁（外壁）である。枠体３の外縁よりも内側には、枠体３の内縁（内壁）が配置されている。ヒートスプレッダ８の外縁は蓋部２の外縁（枠体３の外縁）と同じ位置に配置されている。枠体３の内縁よりも内側には、絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁が配置されている。絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁よりも内側には、絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂが配置されている。

　絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面の外縁の内側には、パワー半導体素子５と外部接続端子１０（実線）とが配置される。パワー半導体素子５の上面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂの外縁よりも内側には、配線９がそれぞれ配置されている。配線９は、絶縁基板７の上面側の金属層７ａと金属層７ｂとの外縁よりも内側で、金属層７ａと金属層７ｂとの外縁の対向する間の隙間部（離間部）を跨いで、金属層７ａと金属層７ｂとに配置されている。パワー半導体素子５の外縁よりも内側で、パワー半導体素子５の上方にある配線９には、加圧部２ａが配置されている。枠体３の外縁と内縁との間には、ボルト４，１１を配置するための締結用穴２ｂが配置されている。

　図２は、パワーモジュール１００の冷却部１と締結するための締結用穴２ｂに対応する部分の断面模式図である。図２において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだ６を介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂの上面とには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。

　ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている、枠体３の上面には、蓋部２が配置される。蓋部２の下面側と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部２ａが配置されている。枠体３の内部には、封止部材２０が配置される。枠体３と蓋部２とヒートスプレッダ８との対応する箇所には、ボルト４を挿入するための、締結用穴２ｂが配置されている。締結用穴２ｂは、蓋部２と枠体３とヒートスプレッダ８とを貫通して形成されている。外部接続端子１０は、蓋部２の所定の位置を貫通して蓋部２の外部へ突出している。

　図３は、パワーモジュール１００のヒートスプレッダ８との締結のための締結用穴２ｂに対応する部分の断面模式図である。図３において、図２との違いは、締結部材４を挿入する締結用穴２ｂの形状である。図３においては、締結用穴２ｂの底部は、ヒートスプレッダ８を貫通しておらず、ヒートスプレッダ８の内部で止まった形状である。

　図４は、パワーモジュール１００のパワー半導体素子５を加圧部２ａで加圧する領域に対応する部分の断面模式図である。図４において、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面には、接合材であるはんだ６を介してパワー半導体素子５の裏面が接合されている。パワー半導体素子５の表面には電極（図示せず）が形成されており、はんだ６を介して配線９の下面とパワー半導体素子５の電極が接合されている。パワー半導体素子５の上方であり、配線９の上面には、加圧部２ａが配置されている。加圧部２ａは、下面が配線９の上面に接し、上面が蓋部２の下面と接して配置される。このように、パワー半導体素子５と配線９と加圧部２ａと蓋部２とが直線的（直列）に配置されることで、蓋部２をヒートスプレッダ８にボルト１１を用いて締結することでパワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができる。

　図５は、パワーモジュール１００に冷却部１を取り付けた断面構造模式図である。図５において、ヒートスプレッダ８の下面と接するように冷却部１の上面が配置される。冷却部１は、ボルト４によりパワーモジュール１００と締結される。ボルト１１での締結ではんだ６への加圧力が足りない場合は、ボルト４での締結時に加圧力を増加させることができる。

　ヒートスプレッダ８は、板状であり、絶縁基板７等を内包するパワーモジュール１００の底面部（底板）である。ヒートスプレッダ８は、第１方向と第２方向とに延在している。ヒートスプレッダ８は、パワーモジュール１００の内部で発生した熱をパワーモジュール１００の外部へ放熱するための熱拡散部材として機能する。ヒートスプレッダ８は、ヒートスプレッダ８の上面が絶縁基板７の下面側の金属層７ｃの下面と、接合材であるはんだ６を介して（用いて）接合されている。ヒートスプレッダ８の材料としては、銅合金またはアルミニウム合金などを用いることができる。ヒートスプレッダ８の上面ではんだ６との接合領域の外側には、封止部材２０の下面が接している。ヒートスプレッダ８の材料としては、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性のよい金属またはグラファイト素材などの材料を用いることができる。

　絶縁基板７は、第１方向と第２方向とに延在している。絶縁基板７は、板状の部材である。絶縁基板７は、上面層と中間層と下面層とを有している。絶縁基板７の下面側の金属層７ｃは、ヒートスプレッダ８の上面に対向している。絶縁基板７は、中間層として絶縁層７ｄ、上面層として絶縁層７ｄの上面側に金属層７ａと、下面層として絶縁層７ｄの下面側に金属層７ｃと、を有している。絶縁層７ｄの下面側の金属層７ｃは、はんだ６によりヒートスプレッダ８の上面と接合されている。絶縁基板７は板状であり、板状の絶縁基板７を平面（上面）方向から見た場合において、絶縁層７ｄの上面側の金属層７ａの大きさは、絶縁層７ｄの大きさよりも小さくなっている。絶縁層７ｄの下面側の金属層７ｃの大きさは、絶縁層７ｄの大きさよりも小さくなっている。絶縁層７ｄの端部は、絶縁層７ｄの上面側の金属層７ａおよび絶縁層７ｄの下面側の金属層７ｃの端部よりも外側へ突出している。この構成は、絶縁層７ｄを挟んで、絶縁層７ｄの上面側の金属層７ａが、絶縁層７ｄの下面側の金属層７ｃおよびヒートスプレッダ８との間で沿面放電を抑制（沿面距離を確保）するためである。

　また、絶縁層７ｄの上面側の金属層７ａは、目的に応じて複数に分割され、回路パターンを形成してもよい。図１においては、金属層７ａには、パワー半導体素子５と外部接続端子１０とが配置されている。金属層７ｂには、配線の一旦と外部接続端子１０とが配置されている。絶縁基板７の絶縁層７ｄの材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのセラミック基板が用いることができる。絶縁層７ｄの上面には、ロウ付けまたは直接接合などの方法を用いて、金属層（回路パターン板）７ａと金属層（中継板）７ｂとが接合されている。また、絶縁層７ｄの下面には、ロウ付けまたは直接接合などの方法を用いて、金属層（放熱用板）７ｃが接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａおよび下面側の金属層７ｃの材料としては、ＣｕまたはＡｌ等の電気の良導体であればなんでも使用することができる。また、ＣｕとＡｌとを積層して２層構造になった材料を、それぞれ金属層７ａ、金属層７ｂ、金属層７ｃとして使用してもよい。２層構造の絶縁基板７を用いる場合、Ａｌは、Ｃｕと絶縁基板７との接合の応力緩和層となるため、絶縁層７ｄに近い側がＡｌ層、遠い側はＣｕ層である。なお、絶縁基板７の上面側は、絶縁層７ｄの上面側、絶縁基板７の下面側は、絶縁層７ｄの下面側と同義である。

　パワー半導体素子５は、パワー半導体素子５の表面に電極（図示せず）が配置された構造である。パワー半導体素子５は、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面に接合部であるはんだ６を介して接合されている。　パワー半導体素子５の材料としては、例えば、珪素（Ｓｉ：Ｓｉｌｉｃｏｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｂｉｄｅ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ）を用いることができる。また、パワー半導体素子５は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌ　Ｄｉｏｄｅ）、およびＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ＩＧＢＴ）などのパワーデバイスである。

　配線９は、板状の金属部材である。配線９は、一端が絶縁基板７の上面側の金属層７ａのパワー半導体素子５の電極と電気的に接続している。また、配線９は、他端が金属層７ｂの所定の位置と電気的に接続している。配線９は、パワー半導体素子５の電極とはんだ６を介して接続されている。また、配線９は、金属層７ｂとはんだ６を介して接続されている。配線９は、十分な剛性のある良導体の金属でできており、例えば、銅板が使用可能である。また、配線９の材料として、Ａｌを用いた場合には、Ａｌの表面にニッケル（Ｎｉ）めっきなどのはんだ接合ができるような構成にすれば使用可能である。さらに、配線９は、両端ともはんだ６で接合しているが、超音波接合などで接合されてもよい。また、配線９は、十分な剛性の得られるＣｕリボン材、Ａｌリボン材などを使用することができる。配線９は、パワー半導体素子５または金属層７ｂと超音波接合を用いて接合してもよい。

　外部接続端子１０は、一端が金属層７ａの所定の位置と金属層７ｂの所定の位置とを超音波接合を用いて接合されている。また、外部接続端子１０は、他端が枠体３の側面部に設けられた貫通孔から外部に取り出されている（突出している）。外部接続端子１０は、枠体３の側面部と図示しない絶縁ブッシュを挿入して沿面絶縁距離を長く確保する構造とすることも可能である。外部接続端子１０は、図２では枠体３の側面部に設けられた貫通孔からパワーモジュール１００の外部へ突出している。例えば、後述する図１４のような枠体３の側面部に貫通孔または切り欠きを設けてパワーモジュール１００の外部へ取り出してもよい。外部接続端子１０は、金属層７ａまたは金属層７ｂと超音波接合を用いて接合しているが、はんだを用いて接合してもよい。

　枠体３および蓋部２は、ＰＰＳ樹脂（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｒｅｓｉｎ）などの高い剛性のある樹脂などを使用することができる。また、枠体３および蓋部２は、剛性を高めるたにＣｕ、Ａｌおよびステンレスなどの剛性の高い金属を使用してもよい。枠体３および蓋部２として金属材を使用する場合は、枠体３および蓋部２の表面を樹脂でコーティングして絶縁を確保する必要がある。本実施の形態では、蓋部２は、蓋部２のパワーモジュール１００の内部側（配線９の上面側）に突起した加圧部２ａを有している。

　加圧部２ａは、加圧部２ａの下面が配線９と接触するので、より絶縁を高めるためには、加圧部２ａの材料である樹脂材のコーティング量を増やす、またはセラミックなどの絶縁体を加圧部２ａの先端（下面）に配置するとよい。また、加圧部２ａとして金属材を使用している場合には、ボルト４，１１を挿入する締結用穴２ｂの内面にも樹脂を厚くコーティングする、または、絶縁ブッシュ材を挿入して、沿面絶縁距離を長く確保するとよい。

　枠体３は、絶縁基板７を取り囲む枠体である。加圧部２ａは、蓋部２と一体として形成されていてもよく、蓋部２と別体として形成されていてもよい。蓋部２の下面側の形状としては、枠体３の上面と接する同一平面であればよい。また、蓋部２の下面側の形状としては、枠体３の内縁よりも内側でヒートスプレッダ８方向へ突出していてもよい。このような形状であれば、蓋部２の下面が加圧部２ａの上面と接することができるので、パワー半導体素子５を接合するはんだ６を確実に加圧することが可能である。蓋部２および枠体３に設けている締結用穴２ｂは、締結に用いるボルト４，１１の大きさ（太さ）に合わせて適宜形成されていればよい。蓋部２と枠体３とヒートスプレッダ８と冷却部１とを締結でき、加圧部２ａに必要な加圧力を加えることができれば、大きさは特に限定されない。

　ボルト４は、ヒートスプレッダ８を貫通して、蓋部２と枠体３とを冷却部１に締結する。また、ボルト１１は、蓋部２と枠体３とをヒートスプレッダ８に締結する。ボルト４，１１は、蓋部２および枠体３に設けられた締結用穴２ｂを通して（挿入して）、蓋部２および枠体３をヒートスプレッダ８または冷却部１に適切な締め付け力で締結する。このとき、ヒートスプレッダ８と冷却部１との間には、図示しない熱伝導グリースまたはグラファイトシートなどを間に介して、熱抵抗を下げている。ここで、ボルト４の頭部は、蓋部２の中に埋め込まれた構造になっているが、図１３に示すような蓋部２の外側に頭部を出している構造になっていてもよい。ボルト４，１１としては、一般的なボルトを使用することができる。

　接合材６は、ヒートスプレッダ８と絶縁基板７と、絶縁基板７とパワー半導体素子５とおよび絶縁基板７と配線９とを接合する。接合材であるはんだ６は、錫（Ｓｎ）系のはんだを使用することができる。また、このようなＳｎ系はんだには、応力緩和性、耐熱性および耐疲労強度を持たせるため、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）およびＣｕなどを添加し、任意の組成とすることができる。はんだ６は、被接合部材と一緒にリフローすることで、被接合部材と被接合部材とを接合する。ダイボンディング用の接合材としては、一般的なはんだを例に説明したが、はんだの他に、ＴＬＰ接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ：遷移的液相焼結法）、ＡｇまたはＣｕなどのナノ粒子を利用した焼結型の接合材もあり、本開示にも適用できるが、低コスト化およびプロセスの安定性からは、はんだ材が最も適している。

　封止部材２０は、枠体３内部に充填されている。封止部材２０は、絶縁基板７とパワー半導体素子５とを封止する。封止部材２０の材料としては、シリコーンゲルまたはシリカなどのフィラを含むエポキシ樹脂を使用することができる。特に、封止部材２０の材料としてシリコーンゲルを用いた場合は、加圧部２ａでの加圧効果が十分に発揮される。封止部材２０の上面は、配線９の上面と同じ高さ（図６）から蓋部２の下面に接する高さ（図５）までの範囲で枠体３の内部に充填することができる。封止部材２０の上面の高さが配線９の上面よりも高い場合、予め加圧部２ａが配置される領域に、ダミーとなる部材を配置してから封止部材２０を充填することで、加圧部２ａの配置領域を確保することができる。この場合、配線９は、加圧部２ａの配置位置以外は、封止部材２０で封止される。また、封止部材２０の上面は、配線９の上面と同じ高さの場合は、外部接続端子１０との距離を確保しておくことが望ましい。配線９と外部接続端子１０との距離の確保が難しい場合は、封止部材２０の上面の高さは、配線９の上面を覆う高さとするほうがよい。この場合、使用するパワーモジュールの電圧にもよるが、配線９の上面を覆う封止部材２０の厚さとしては、少なくとも１００μｍは必要である。なお、配線９の上面を覆う封止部材２０の厚さは、１００μｍ以上の範囲で使用するパワーモジュールの電圧に応じて適宜選択可能である。

　冷却部１は、平板状の金属部材である。冷却部１の材料としては、ＣｕまたはＡｌ等を使用することができる。冷却部１の形態としては、平板だけではなく、ウォータージャケットまたはヒートシンクなどを用いてもよい。図５に図示した冷却部１は、ウォータージャケットまたはヒートシンクの天板を摸擬して表示しており、冷却部１の天板以外の構成はどのような構成でもよい。冷却部１として、ヒートシンクを用いる場合には、冷却の方法として空冷だけでなく、水冷または液冷を用いてもよい。

　なお、本開示では、パワー半導体素子５を接合するはんだ６へのせん断応力を低減するために、パワー半導体素子５と絶縁基板７との間の線膨張係数の差は小さく、望ましくは５ｐｐｍ／Ｋ以下として、はんだ６の内部を水平方向に進展するクラックの横割れを抑制する対策を実施している。

　このようなはんだ６の横割れ対策を施して、線膨張係数差の小さい構造にした場合においても、各構成部材に温度ストレスが繰り返し加わることで、各構成部材は膨張と収縮を繰り返し、応力負荷を発生させ、はんだ６などの接合部を劣化させる。この劣化は、はんだ接合部の中央付近に、接合面に対して平行方向の等２軸の引張圧縮変形により連続動的再結晶によって形成される高Σ粒界で、き裂が発生・進展して、網目状に周辺部へ拡大し、最終的にき裂のネットワークを形成する破壊が発生する。これは、き裂が発生する段階で、接合面に対して垂直方向にき裂が進展するので、いわゆる「縦割れ」と呼ばれている。このような縦割れが発生すると、熱抵抗または電気抵抗を上昇される要因となり、最終的には、パワーモジュールの故障へとつながる。

　そして、はんだ６の縦割れが発生すると、はんだ６の厚さが接合した初期の厚さと比較し、増加していることが確認されている。

　しかしながら、本実施の形態１では、等２軸の引張圧縮変形によるき裂の発生を抑制するために、蓋部２の下面側の加圧部２ａで配線９を介してはんだ６を加圧している。このように、はんだ６を加圧することにより、等２軸の引張圧縮変形ではなくなるので、はんだ６の縦割れを抑制できる。

　このように、加圧部２ａを用いてパワーモジュール１００を構成したので、パワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６の縦割れの発生を抑制することができ、パワー半導体素子５の動作時の放熱を遮ることないため、パワーモジュール１００の信頼性が向上できる。また、パワーモジュール１００の寿命を長寿命化できる。

　また、外部接続端子１０は、パワーモジュール１００の上面となる蓋部２からパワーモジュール１００の外部へ突出しているので、パワーモジュールの小型化が可能となる。

　図７は、実施の形態１における他のパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図７は、冷却部１にボルト４でヒートスプレッダ８を取り付けた断面図である。図７において、パワーモジュール１００と異なりパワーモジュール１０１は、ヒートスプレッダ８が、枠体３の外縁まで伸びておらず、ヒートスプレッダ８の外側面と枠体３の内側面とが接する枠体３の角部３ｃが形成されている。枠体３の角部３ｃは、枠体３とヒートスプレッダ８とを嵌合する嵌合部である。枠体３の角部３ｃを設けることで、枠体３とヒートスプレッダ８との位置決めを容易に行うことができる。

　次に、本実施の形態に記載のパワーモジュール１００の製造方法について説明する。

　図８から図１３は、実施の形態１におけるパワーモジュールの製造工程を示す断面構造模式図である。

　本実施の形態１の主要な製造工程は、大きく分けて５つ工程である。第一工程としては、絶縁基板７上にパワー半導体素子５等を接合する（絶縁基板への実装工程）。第二工程としては、パワー半導体素子５等を接合した絶縁基板７と枠体３とをヒートスプレッダ８上に接合する（ヒートスプレッダへの実装工程）。第三工程としては、ヒートスプレッダ８と枠体３とで囲まれた領域内に封止部材２０を充填する（枠体内樹脂充填工程）。第四工程としては、封止部材２０が充填された枠体３に蓋部２を配置する（蓋部締結工程）。第五工程としては、ヒートスプレッダ８と冷却部１とを締結する（冷却部締結工程）。これらの工程を経ることで、冷却部１を備えたパワーモジュール１００が製造できる。

　はじめに、図８に示すように、絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂ上の所定の位置に、パワー半導体素子５と配線９と外部接続端子１０とを接合（配置）する（絶縁基板への実装工程）。パワー半導体素子５、配線９の接合には、接合材としてはんだ６が用いられる。外部接続端子１０の絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂへの接合は、はんだ６または超音波接合で行うことができる。

　次に、図９に示すように、パワー半導体素子５等が配置された絶縁基板７をヒートスプレッダ８の上面に接合（配置）する。また、ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、枠体３が絶縁基板７を囲んで配置される（ヒートスプレッダへの実装工程）。絶縁基板７の接合には、通常、はんだが用いられる。また、枠体３の接着（接合）には、通常、接着剤が用いられる。

　次に、図１０に示すように、絶縁基板７が配置され、枠体３とヒートスプレッダ８とで囲まれた領域内に封止部材２０を充填する。封止部材２０の上面のヒートスプレッダ８の上面からの高さは、配線９の上面から枠体３の上面、言い換えると、蓋部２の下面と接する高さまでの範囲で充填することができる。配線９の上面よりも高い位置まで封止部材２０を充填する場合、加圧部２ａが蓋部２と一体で形成されていれば、予め加圧部２ａを配置する領域を確保するために、ダミー部材を配置しておくほうがよい（枠体内の樹脂充填工程）。加圧部２ａが蓋部２と別体で形成されていれば、加圧部２ａを予め配線９の上面の所定の位置に配置してから、封止部材２０を充填してもよい。なお、封止部材２０の上面が蓋部２の下面と接していない場合の一例として、図６に示したように、配線９の上面と同じ高さとする場合は、配線９の上面と同じ高さになるように、封止部材２０を充填する。また、必要に応じて、封止部材２０の高さは、配線９の上面から蓋部２の下面までの範囲で適宜選択可能である。

　次に、図１１に示すように、封止部材２０が充填された枠体３の上面上に蓋部２を配置し、ボルト１１を用いて蓋部２と枠体３とをヒートスプレッダ８に締結する。本実施の形態１では、加圧部２ａは蓋部２の下面から突出して配置されている。このように、ボルト１１を用いて蓋部２を締結することで、矢印で示す方向に配線９を介して加圧部２ａからパワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６に圧力が加わることとなる（蓋部締結工程）。ここで、図１１は、便宜上、断面位置として図１における断面ＡＡ（図２）と断面ＢＢ（図３）とを合わせた表示となっている。なお、図１２には、冷却部１と締結するためのボルト４を挿入する締結用穴２ｂでの断面形状である。

　次に、図１３に示すように、必要に応じて、ヒートスプレッダ８の下面と冷却部１の上面とを接続するヒートスプレッダ８と冷却部１との接続は、ボルト４を用いて行う（冷却部締結工程）。このように、ボルト４を用いて締結する場合でも、矢印で示した方向（Ｚ方向で加圧部２ａから絶縁基板７へ向かう方向）に圧力を加えることができる。なお、ヒートスプレッダ８と冷却部１との間には、熱伝導性をよくするために、図示していない熱伝導性材料ＴＩＭ(Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ)やグラファイトシートなど挟んで効率よく放熱してもよい。

　これらの工程を経ることで、冷却部１を備えたパワーモジュール１００を製造することができる。

　以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、蓋部２の下面と配線９の上面との間に加圧部２ａを設けたので、パワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れの発生を抑制することが可能となる。その結果、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。また、パワーモジュールの寿命を長寿命化ができる。

　さらに、蓋部２の下面と配線９の上面との間に加圧部２ａを設けたので、容易にパワーモジュールを製造することができる。

　また、蓋部２の下面と配線９の上面との間に加圧部２ａを設けたので、はんだ６の縦割れの発生を抑制でき、パワーモジュールの抵抗の増加を抑制することができる。

　実施の形態２
　本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた外部接続端子１０を枠体３の側面側からパワーモジュール外部へと露出（突出）させた点、加圧部２ａを加圧部１４として配線９のみでなく外部接続端子１０のとも接するように配置した点、およびヒートスプレッダ８はヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３とを有する点が異なる。このように、外部接続端子１０が、枠体３の側面側から外部へ露出した場合においても、加圧部１４を配線９の上面と外部接続端子１０の上面とに接するように配置したので、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れを抑制することができる。

　また、熱的にヒートスプレッダ８に接続するヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３とを加圧部１４を介して外部接続端子１０の上面と配線９の上面とに接するように設けたので、パワー半導体素子５または外部接続端子１０からの発熱をヒートスプレッダ上面部１２、ヒートスプレッダ側面部１３を介してヒートスプレッダ８、冷却部１へと放熱することができ、パワー半導体素子５および外部接続端子１０での発熱を効率的に放熱し冷却能力を向上させることができる。その結果、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６の縦割れの発生を抑制でき、パワーモジュール２００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

　図１４は、実施の形態２におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図１５は、実施の形態２におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図１６は、実施の形態２におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図１５は、図１４の一点鎖線ＤＤにおける断面構造模式図である。図１６は、図１４の一点鎖線ＥＥにおける断面構造模式図である。

　図において、パワーモジュール２００は、蓋部２と、加圧部１４と、枠体３と、パワー半導体素子５と、接合材であるはんだ６と、絶縁基板７と、熱拡散部であるヒートスプレッダ８と、熱拡散部の上面部であるヒートスプレッダ上面部１２、熱拡散部の側面部であるヒートスプレッダ側面部１３と、接続配線部である配線９と、締結部材であるボルト４，１１と、外部接続端子１０と、を備えている。

　図において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだを介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだを介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだを介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている。枠体３の上面には、蓋部２が配置される。蓋部２の下面は、ヒートスプレッダ上面部の上面と接している。ヒートスプレッダ上面部の下面と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４が配置されている。ヒートスプレッダ８と枠体３とで囲まれた内部には、封止部材２０が配置（充填）される。

　図１４は、パワーモジュール２００を上面側から蓋部２を透過して見た平面構造模式図である。透過した部材に関しては、点線にて表示している。

　図１４において、最外周の実線は、蓋部２の外縁および枠体３の外縁（外壁）である。枠体３の外縁よりも内側には、枠体３の内縁（内壁）が配置されている。ヒートスプレッダ８の外縁は蓋部２の外縁（枠体の外縁）と同じ位置に配置されている。枠体３の内縁よりも内側には、絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁が配置されている。絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁よりも内側には、絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂが配置されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面の外縁の内側には、パワー半導体素子５と外部接続端子１０（実線）とが配置される。パワー半導体素子５の上面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂの外縁よりも内側には、配線９がそれぞれ配置されている。

　配線９は、絶縁基板７の上面側の金属層７ａと金属層７ｂとの外縁よりも内側で、金属層７ａと金属層７ｂとの外縁の対向する間の隙間部（離間部）を跨いで、金属層７ａと金属層７ｂとに配置されている。対向する辺側から外部へ突出した外部接続端子１０の枠体３の内縁よりも内側と配線９の上面には、加圧部１４が配置されている。枠体３の外縁と内縁との間には、ボルト４，１１を配置するための締結用穴２ｂが配置されている。ヒートスプレッダ上面部１２は、枠体３の内縁全面を覆うように配置されている。ヒートスプレッダ側面部１３は、第１方向であって枠体３の対向する辺部に沿って両側にそれぞれ配置されている。

　図１５は、パワーモジュール２００の外部接続端子１０に対応する部分の断面模式図である。図１５において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだ６を介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。外部接続端子１０は、対向する枠体３の側面側からパワーモジュール２００の外部へ突出している。外部接続端子１０が外部へ突出する枠体３の領域には、外部接続端子１０が外部へ突出するための、孔または切り欠きが設けられている。枠体３に切り欠きが設けられた場合は、蓋部２の対応する領域に、外部接続端子１０を挟み枠体３の切り欠きと勘合する形状としてもよい。

　ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている、枠体３の上面には、蓋部２の下面が配置される。蓋部２の下面と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４がヒートスプレッダ上面部１２を介して配置されている。枠体３の内部には、封止部材２０が配置される。枠体３に対応する蓋部２とヒートスプレッダ８とには、ボルト４を挿入するための、締結用穴２ｂが配置されている。締結用穴２ｂは、蓋部２と枠体３とヒートスプレッダ８とを貫通して形成されている。外部接続端子１０は、蓋部２の所定の位置を貫通して蓋部２の外部へ突出している。加圧部１４とヒートスプレッダ上面部１２とは、第１方向に延在している。

　図１６は、パワーモジュール２００のパワー半導体素子５を加圧部１４で加圧する領域に対応する部分の断面模式図である。図１６において、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面には、接合材であるはんだ６を介してパワー半導体素子５の裏面が接合されている。パワー半導体素子５の表面には電極（図示せず）が形成されており、はんだ６を介して配線９の下面とパワー半導体素子５の電極が接合されている。パワー半導体素子５の上方であり、配線９の上面には、加圧部１４が配置されている。加圧部１４は、下面が配線９の上面に接し、上面がヒートスプレッダ上面部１２の下面と接して配置される。

　このように、パワー半導体素子５と配線９と加圧部１４とヒートスプレッダ上面部１２と蓋部２とが直線的に配置されることで、蓋部２をヒートスプレッダ８にボルト１１を用いて締結することでパワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができる。

　また、ヒートスプレッダ８は、枠体３の内壁よりも内側において、絶縁基板７を囲むヒートスプレッダ側面部１３とヒートスプレッダ上面部１２とを有している。ヒートスプレッダ上面部１２の上面は、蓋部２の下面と接している。ヒートスプレッダ上面部１２の下面は、加圧部１４の上面と接している。ヒートスプレッダ上面部１２は、ヒートスプレッダ側面部１３で支持されている。ヒートスプレッダ側面部１３は枠体３の第２方向で対向し、第１方向で枠体３の辺部に沿ってそれぞれ配置されている。対向して配置されたヒートスプレッダ側面部１３によって、絶縁基板７は挟まれる位置に配置される。ヒートスプレッダ上面部１２は、対向する位置に配置された２つのヒートスプレッダ側面部１３で支持されている。ヒートスプレッダ側面部１３は、対向する両辺にヒートスプレッダ上面部１２を支持できるように、複数に分割されて配置されていてもよい。

　外部接続端子１０は、枠体３の側面部からパワーモジュール２００の外部へ突出する突出領域に、図示しない絶縁ブッシュを挿入して沿面絶縁距離を長く確保してもよい。

　加圧部１４は、配線９の上面に接触しているだけでなく、外部接続端子１０の上面とも接触している。配線９の上面および外部接続端子１０の上面との接触領域に関して、図示していないが、接触性を高めて熱伝導をよくするために、サーマルグリースまたはグラファイトシートなどを配線９の上面および外部接続端子１０の上面と加圧部１４の下面と間に挿入してもよい。

　ヒートスプレッダ８は、ヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３を有している。ヒートスプレッダ上面部１２は、複数のヒートスプレッダ側面部１３で支持されている。パワー半導体素子５の上面側と接するヒートスプレッダ上面部１２は、ヒートスプレッダ側面部１３を介して、ヒートスプレッダ８または冷却部１と熱的に接続している。このため、パワー半導体素子５での発熱は、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃ側から放熱するだけでなく、パワー半導体素子５の上面側のヒートスプレッダ上面部１２側からも放熱することができるので、パワー半導体素子５の発熱をより効果的に冷却することができる。

　ヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３の材料としては、ヒートスプレッダ８と同様に、ＣｕまたはＡｌなどの熱伝導性のよい金属、グラファイト素材などを用いることができる。

　加圧部１４は、配線９と外部接続端子１０とに接触するので、絶縁基板７同様の絶縁体で構成されている。加圧部１４の材質としては、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）などのセラミック基板および樹脂材などで構成することができる。

　このように、蓋部２が枠体３を介してヒートスプレッダ８に、ボルト４で締め付けられるときの加圧力を利用して、ヒートスプレッダ上面部１２と加圧部１４と配線９とを介して、パワー半導体素子５の上面側および下面側のはんだ６を加圧したので、はんだ６の縦割れを抑制でき、パワーモジュール２００を長寿命化することができる。

　また、本実施の形態２では、ヒートスプレッダ上面部１２は、ヒートスプレッダ側面部１３を介して冷却部１またはヒートスプレッダ８と接続しているので、配線９または外部接続端子１０を介して、パワー半導体素子５の発熱を放熱（冷却）することができ、はんだ６を加圧することだけでなく、さらに熱抵抗を下げる構造になっているので、さらなるパワーモジュール２００を長寿命化することができる。

　さらに、加圧部１４を配線９の上面全面と接するように配置したので、配線９の上面全体を加圧でき、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６に対して十分な圧力を発生させることができる。

　次に、本実施の形態に記載のパワーモジュール２００の製造方法について説明する。

　一部の工程で、本実施の形態２特有の構造を配置する処理を行うことで、基本的には、実施の形態１で示した製造方法で製造することができる。

　図９に示したパワー半導体素子５等が配置された絶縁基板７をヒートスプレッダ８の上面に接合（配置）した後に、外部接続端子１０の延在する方向と同じ方向にヒートスプレッダ側面部１３をそれぞれ対向させて配置する。このとき、外部接続端子１０は、枠体３に側面側から外部へ突出させて配置する。

　図１１に示した封止部材２０が充填された枠体３の上面上に蓋部２を配置する前に、配線９の上面と外部接続端子１０の上面とに接するように、加圧部１４を配置する。加圧部１４を配置後、ヒートスプレッダ上面部１２は、対向して配置されたヒートスプレッダ側面部１３のそれぞれの上面で支持され、加圧部１４の上面と蓋部２の下面と接して配置される。

　これらの工程を経ることで、冷却部１を備えたパワーモジュール２００を製造することができる。

　以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、ヒートスプレッダ上面部１２の下面と配線９の上面および外部接続端子１０の上面との間に加圧部１４を設けたので、パワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れの発生を抑制することが可能となる。その結果、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。また、パワーモジュールの寿命を長寿命化ができる。

　さらに、蓋部２の下面と加圧部１４の上面との間にヒートスプレッダ上面部１２を設けて、ヒートスプレッダ側面部１３を介してヒートスプレッダ８と接続したので、パワー半導体素子５の上面側からもパワー半導体素子５または外部接続端子１０での発熱を放熱することができ、パワーモジュールの放熱性を向上することができる。

　また、加圧部１４を配線９の上面全面と接するように配置したので、配線９の上面全体を加圧でき、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６に対して十分な圧力を発生させることができる。

　実施の形態３
　本実施の形態３においては、実施の形態１で用いた加圧部１４を配線９の上面全体と接するように配置した点およびヒートスプレッダ８はヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３とを有する点が異なる。このように、加圧部１４を配線９の上面全面と接するように配置したので、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れを抑制することができる。

　また、ヒートスプレッダ８に接続するヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３とを加圧部１４を介して外部接続端子１０の上面と配線９の上面とに接するように設けたので、パワー半導体素子５または外部接続端子１０からの発熱をヒートスプレッダ上面部１２、ヒートスプレッダ側面部１３を介してヒートスプレッダ８、冷却部１へと放熱することができ、パワー半導体素子５および外部接続端子１０での発熱を効率的に放熱し冷却能力を向上させることができる。その結果、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６の縦割れの発生を抑制でき、パワーモジュール３００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

　図１７は、実施の形態３におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図１８は、実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図１９は、実施の形態３におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図１８は、図１７の一点鎖線ＦＦにおける断面構造模式図である。図１９は、図１７の一点鎖線ＧＧにおける断面構造模式図である。

　図において、パワーモジュール３００は、蓋部２と、加圧部１４と、枠体３と、パワー半導体素子５と、接合材であるはんだ６と、絶縁基板７と、熱拡散部であるヒートスプレッダ８と、熱拡散部の上面部であるヒートスプレッダ上面部１２、熱拡散部の側面部であるヒートスプレッダ側面部１３と、接続配線部である配線９と、締結部材であるボルト４，１１と、外部接続端子１０と、を備えている。

　図において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだを介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている。枠体３の上面には、蓋部２が配置される。蓋部２の下面は、ヒートスプレッダ上面部１２の上面と接している。ヒートスプレッダ上面部１２の下面と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４が配置されている。ヒートスプレッダ８と枠体３とで囲まれた内部には、封止部材２０が配置（充填）される。

　図１７は、パワーモジュール２００を上面側から蓋部２を透過して見た平面構造模式図である。透過した部材に関しては、点線にて表示している。

　図１７において、最外周の実線は、蓋部２の外縁および枠体３の外縁（外壁）である。枠体３の外縁よりも内側には、枠体３の内縁（内壁）が配置されている。ヒートスプレッダ８の外縁は蓋部２の外縁（枠体の外縁）と同じ位置に配置されている。枠体３の内縁よりも内側には、絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁が配置されている。絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁よりも内側には、絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂが配置されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面の外縁の内側には、パワー半導体素子５と外部接続端子１０（実線）とが配置される。パワー半導体素子５の上面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂの外縁よりも内側には、配線９がそれぞれ配置されている。

　配線９は、絶縁基板７の上面側の金属層７ａと金属層７ｂとの外縁よりも内側で、金属層７ａと金属層７ｂとの外縁の対向する間の隙間部（離間部）を跨いで、金属層７ａと金属層７ｂとに配置されている。蓋部２から外部へ突出した外部接続端子１０の間には、加圧部１４が配置されている。また、外部接続端子１０に挟まれた領域には、ヒートスプレッダ上面部１２が配置されている。枠体３の外縁と内縁との間には、ボルト４，１１を配置するための締結用穴２ｂが配置されている。ヒートスプレッダ上面部１２は、枠体３の第１方向に延在する辺側から対向する辺側へ向かって少なくともパワー半導体素子５を覆うように配置されている。ヒートスプレッダ側面部１３は、第１方向であって枠体３の対向する辺部に沿って一方の辺側に配置されている。

　図１８は、パワーモジュール３００の外部接続端子１０に対応する部分の断面模式図である。図１８において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだ６を介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。外部接続端子１０は、蓋部２に設けられた貫通孔を通しパワーモジュール３００の上面から外部へ突出している。ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている、枠体３の上面には、蓋部２の下面が配置される。

　蓋部２の下面側と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４がヒートスプレッダ上面部１２を介して配置されている。枠体３の内部には、封止部材２０が配置（充填）される。枠体３に対応する蓋部２とヒートスプレッダ８とには、ボルト４を挿入するための、締結用穴２ｂが配置されている。締結用穴２ｂは、蓋部２と枠体３とヒートスプレッダ８とを貫通して形成されている。外部接続端子１０は、蓋部２の所定の位置を貫通して蓋部２の外部へ突出している。加圧部１４とヒートスプレッダ上面部１２とは、外部接続端子１０にはさまれて第１方向に延在している。

　図１９は、パワーモジュール３００のパワー半導体素子５を加圧部１４で加圧する領域に対応する部分の断面模式図である。図１９において、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面には、接合材であるはんだ６を介してパワー半導体素子５の裏面が接合されている。パワー半導体素子５の表面には電極（図示せず）が形成されており、はんだ６を介して配線９の下面とパワー半導体素子５の電極が接合されている。パワー半導体素子５の上方であり、配線９の上面には、加圧部１４が配置されている。加圧部１４は、下面が配線９の上面に接し、上面がヒートスプレッダ上面部１２の下面と接して配置される。

　本実施の形態３では、ヒートスプレッダ側面部１３が片側だけにしかない。このため、ヒートスプレッダ上面部１２は、１つのヒートスプレッダ側面部１３で支持される片持ち梁形状になっているので、冷却の効果としては実施の形態２よりも経路が減る分、減少する。しかしながら、ヒートスプレッダが片持ち梁形状になっているので、パワー半導体素子５を接合しているはんだ６に対する加圧力（押圧力）が実施の形態２の場合よりも増加し、よりはんだ６への加圧力を増加させることができる。第１方向に延在して配置されるヒートスプレッダ側面部１３は、第１方向において、複数に分割されていてもよい。

　ヒートスプレッダ８と枠体３と蓋部２とで形成される筐体内部には、放電を防ぐためのシリコーンゲルまたは樹脂材などの封止部材２０を充填して封止された構造となっている。例えば、ダイレクトポッティングの樹脂材のように、硬化後、硬い樹脂の場合には、配線９を加圧しても硬化した樹脂に阻まれて、はんだ６を加圧する効果が減少してしまう場合にこの片持ち梁形状を適用することで、はんだ６の縦割れ抑制を効率よく抑制できるので、パワーモジュールの長寿命化の効果を高めることができる。

　また、ヒートスプレッダ上面部１２は、一つのヒートスプレッダ側面部１３で支持されている。ヒートスプレッダ側面部１３は、第２方向においては、枠体３のいずれかの辺部沿って配置される。さらに、第１方向においては、枠体３の辺部に沿って配置されている。ヒートスプレッダ上面部１２が、ヒートスプレッダ側面部１３を介して冷却部１またはヒートスプレッダ８と接続しているので、配線９または外部接続端子１０を介して、パワー半導体素子５の発熱を放熱（冷却）することができ、はんだ６を加圧することだけでなく、さらに熱抵抗を下げる構造になっているので、さらなるパワーモジュール３００を長寿命化することができる。

　また、外部接続端子１０は、パワーモジュール３００の上面となる蓋部２からパワーモジュール１００の外部へ突出しているので、パワーモジュールの小型化が可能となる。

　実施の形態４．
　本実施の形態４においては、実施の形態２で用いたヒートスプレッダ上面部１２とヒートスプレッダ側面部１３をなくして、蓋部２および枠体３を冷却部１と同じ材料（材質）で形成した蓋部１５および枠体１６とした点が異なる。このように、加圧部１４を配線９の上面全面と接するように配置したので、パワー半導体素子５と絶縁基板７の上面側の金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れを抑制することができる。

　また、冷却部１と同じ材料で形成した蓋部１５および枠体１６を設けたので、パワー半導体素子５または外部接続端子１０からの発熱を冷却部１と枠体１６と蓋部１５とで外部へ放熱することができ、パワー半導体素子５および外部接続端子１０での発熱を効率的に放熱し冷却能力を向上させることができる。なお、その他の点については、実施の形態２と同様であるので、詳しい説明は省略する。

　図２０は、実施の形態４におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図２１は、実施の形態４におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図２１は、図２０の一点鎖線ＨＨにおける断面構造模式図である。

　図において、パワーモジュール４００は、蓋部１５と、加圧部１４と、枠体１６と、パワー半導体素子５と、接合材であるはんだ６と、絶縁基板７と、熱拡散部であるヒートスプレッダ８と、接続配線部である配線９と、締結部材であるボルト４，１１と、外部接続端子１０と、を備えている。

　図において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだを介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。ヒートスプレッダ８の外周側面には、絶縁基板７を囲む枠体１６の内側面が接している。枠体１６の下面は、冷却部１の外周領域の上面と接合されている。枠体１６の上面には、蓋部１５が配置される。蓋部１５の下面は、枠体１６の上面と接している。ヒートスプレッダ８の外縁は、枠体１６の外縁よりも内側に配置されている。蓋部１５の下面と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４が配置されている。ヒートスプレッダ８と枠体１６とで囲まれた内部には、封止部材２０が配置（充填）される。

　図２０は、パワーモジュール４００を上面側から蓋部２を透過して見た平面構造模式図である。透過した部材に関しては、点線にて表示している。

　図２０において、最外周の実線は、蓋部１５の外縁および枠体１６の外縁（外壁）である。枠体１６の外縁よりも内側には、枠体１６の内縁（内壁）が配置されている。ヒートスプレッダ８の外縁は蓋部１５の外縁（枠体１６の外縁）よりも内側に配置されている。枠体１６の内縁よりも内側には、絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁が配置されている。絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁よりも内側には、絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂが配置されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面の外縁の内側には、パワー半導体素子５と外部接続端子１０（実線）とが配置される。パワー半導体素子５の上面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂの外縁よりも内側には、配線９がそれぞれ配置されている。配線９は、絶縁基板７の上面側の金属層７ａと金属層７ｂとの外縁よりも内側で、金属層７ａと金属層７ｂとの外縁の対向する間の隙間部（離間部）を跨いで、金属層７ａと金属層７ｂとに配置されている。対向する辺側から外部へ突出した外部接続端子１０の枠体３の内縁よりも内側と配線９の上面には、加圧部１４が配置されている。枠体１６の外縁と内縁との間には、ボルト４，１１を配置するための締結用穴２ｂが配置されている。

　図２１は、パワーモジュール４００の外部接続端子１０に対応する部分の断面模式図である。図２１において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだ６を介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。

　外部接続端子１０は、対向する枠体１６の側面側からパワーモジュール４００の外部へ突出している。外部接続端子１０が外部へ突出する枠体１６の領域には、外部接続端子１０が外部へ突出するための、孔または切り欠きが設けられている。枠体１６に切り欠きが設けられた場合は、蓋部１５の対応する領域に、外部接続端子１０を挟み枠体１６の切り欠きと勘合する形状としてもよい。ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体１６が配置される。枠体１６の下面は、冷却部１の上面と接合されている、枠体１６の上面には、蓋部１５の下面が配置される。蓋部１５の下面側と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４が配置されている。枠体１６の内部には、封止部材２０が配置される。加圧部１４は、第１方向に延在している。

　枠体１６は、枠体１６の内側面とヒートスプレッダ８の外側面と接して、冷却部１の外周領域に配置される。枠体１６には、ヒートスプレッダ８の上面と側面との交点を含んで枠体１６の角部３ｃが設けられている。枠体１６の角部３ｃは、枠体１６とヒートスプレッダ８とを勘合する勘合部である。枠体１６の角部３ｃを設けることで、枠体１６とヒートスプレッダ８との位置決めを容易に行うことができる。枠体１６とヒートスプレッダ８とは、冷却部の上面に配置されている。このため、蓋部１５と枠体１６とは、ボルト４，１１で冷却部１に締結されている。これにより、加圧部１４へ圧力を発生させている。なお、蓋部１５と枠体１６との冷却部1への締結において、必ずしもボルト４，１１の両方を用いる必要はなく、加圧に必要な圧力が得られれば、ボルト４のみでもよい。

　加圧部１４は、少なくとも、配線９の上面と接する側が絶縁部材で構成されている。加圧部１４の上面は、蓋部１５の下面と接する。冷却部１と同じ材料で形成された蓋部１５と接触する加圧部１４が、すべて金属部材で構成されていると、パワー半導体素子５から蓋部１５までが電気的に絶縁されていない状態となり、パワーモジュールとして機能しなくなる。このため、配線９と蓋部１５とを電気的に絶縁するために、加圧部１４の少なくとも配線９の上面と接する側には、絶縁部材を配置することで、電気的な絶縁を確保できる構造としている。

　このように、蓋部１５の下面と配線９の上面および外部接続端子１０の上面との間に加圧部１４を設けたので、パワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れの発生を抑制することが可能となる。その結果、パワーモジュール４００の信頼性を向上させることができる。また、パワーモジュール４００の寿命を長寿命化ができる。

　さらに、蓋部１５および枠体１６を冷却部１と同じ材質で構成したので、パワー半導体素子５の上面側からもパワー半導体素子５または外部接続端子１０での発熱を放熱することができ、パワーモジュール４００の放熱性を向上することができる。

　以上のように構成されたパワーモジュールにおいては、蓋部１５の下面と配線９の上面および外部接続端子１０の上面との間に加圧部１４を設けたので、パワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れの発生を抑制することが可能となる。その結果、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。また、パワーモジュールの寿命を長寿命化ができる。

　さらに、蓋部１５および枠体１６を冷却部１と同じ材質で構成したので、パワー半導体素子５の上面側からもパワー半導体素子５または外部接続端子１０での発熱を放熱することができ、パワーモジュールの放熱性を向上することができる。

　実施の形態５．
　本実施の形態５においては、実施の形態４で用いた枠体１６を締結部材の締結用穴２ｂで挟まれた領域の外壁領域（外面）に放熱部１７を配置した枠体３とした点が異なる。このように、枠体３の締結部材を配置する締結用穴２ｂに挟まれる領域の外壁領域に放熱部１７を配置したので、パワー半導体素子５または外部接続端子１０からの発熱を冷却部１と枠体１６と蓋部１５とで外部へ放熱することができ、パワー半導体素子５および外部接続端子１０での発熱を効率的に放熱し冷却能力を向上させることができる。なお、その他の点については、実施の形態４と同様であるので、詳しい説明は省略する。

　図２２は、実施の形態５におけるパワーモジュールを示す平面構造模式図である。図２３は、実施の形態５におけるパワーモジュールを示す断面構造模式図である。図２３は、図１の一点鎖線ＩＩにおける断面構造模式図である。

　図において、パワーモジュール５００は、蓋部１５と、加圧部１４と、外壁領域に放熱部１７を有する枠体３と、パワー半導体素子５と、接合材であるはんだ６と、絶縁基板７と、熱拡散部であるヒートスプレッダ８と、接続配線部である配線９と、締結部材であるボルト４，１１と、外部接続端子１０と、を備えている。

　図において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだを介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。ヒートスプレッダ８の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体１６の下面は、冷却部１の上面と接合されている。蓋部１５の下面は、枠体３の上面と接している。ヒートスプレッダ８の外縁は、枠体３の外縁よりも内側に配置されている。枠体３の上面には、蓋部１５が配置される。蓋部１５の下面は、枠体１６の上面と接している。蓋部１５の下面と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４が配置されている。枠体３の締結用穴２ｂに挟まれる外壁領域には、放熱部１７が配置されている。ヒートスプレッダ８と枠体３とで囲まれた内部には、封止部材２０が配置（充填）される。

　図２２は、パワーモジュール５００を上面側から蓋部１５を透過して見た平面構造模式図である。透過した部材に関しては、点線にて表示している。

　図２２において、最外周の実線は、蓋部１５の外縁および枠体３の外縁（外壁）である。枠体１６の外縁よりも内側には、枠体３の内縁（内壁）が配置されている。ヒートスプレッダ８の外縁は蓋部１５の外縁（枠体３の外縁）よりも内側に配置されている。枠体３の内縁よりも内側には、絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁が配置されている。絶縁基板７の絶縁層７ｄの外縁よりも内側には、絶縁基板７の上面側の金属層７ａ，７ｂが配置されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面の外縁の内側には、パワー半導体素子５と外部接続端子１０（実線）とが配置される。パワー半導体素子５の上面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂの外縁よりも内側には、配線９がそれぞれ配置されている。

　配線９は、絶縁基板７の上面側の金属層７ａと金属層７ｂとの外縁よりも内側で、金属層７ａと金属層７ｂとの外縁の対向する間の隙間部（離間部）を跨いで、金属層７ａと金属層７ｂとに配置されている。

　対向する辺側から外部へ突出した外部接続端子１０の枠体３の内縁よりも内側と配線９の上面には、加圧部１４が配置されている。枠体３の外縁と内縁との間には、ボルト４，１１を配置するための締結用穴２ｂが配置されている。枠体３の締結用穴２ｂに挟まれる外縁側の領域（外面）には、板状の放熱部１７が配置されている。放熱部１７は、両側に締結用穴２ｂが配置され、締結用穴２ｂで挟まれ、締結用穴２ｂと間隔を空けて放熱部１７が配置されている。放熱部１７は、外部接続端子１０が外部へ突出している辺側では、外部接続端子１０を避けて配置される。

　なお、図１においては、ボルト１１を用いて冷却部１と締結しているが、必ずしもボルト１１は必要ではなく、ボルト４のみで冷却部１と締結してもよい。この場合、第２方向に延在する放熱部１７は、第２方向に対向して配置されたボルト４に挟まれた領域に配置されればよい。

　図２３は、パワーモジュール５００の外部接続端子１０に対応する部分の断面模式図である。図２３において、ヒートスプレッダ８の上面には、絶縁基板７の下面側の金属層７ｃがはんだ６を介して接合されている。絶縁基板７の上面側の金属層７ａには、パワー半導体素子５の裏面がはんだ６を介し接合されている。パワー半導体素子５の表面と絶縁基板７の上面側の金属層７ｂとには、配線９がはんだ６を介して接合されている。また、絶縁基板７の上面側の金属層７ａの上面と金属層７ｂの上面とには、それぞれ外部接続端子１０が接合されている。

　外部接続端子１０は、対向する枠体３の側面側からパワーモジュール５００の外部へ突出している。外部接続端子１０が外部へ突出する枠体３の領域には、外部接続端子１０が外部へ突出するための、孔または切り欠きが設けられている。枠体３に切り欠きが設けられた場合は、蓋部１５の対応する領域に、外部接続端子１０を挟み枠体３の切り欠きと勘合する形状としてもよい。ヒートスプレッダ８の上面の外周領域には、絶縁基板７を囲む枠体３が配置される。枠体３の下面は、ヒートスプレッダ８の上面と接合されている、枠体３の上面には、蓋部１５の下面が配置される。蓋部１５の下面側と配線９の上面との間には、パワー半導体素子５と金属層７ａとを接合するはんだ６を加圧するための加圧部１４が配置されている。枠体３の内部には、封止部材２０が配置される。枠体３の外壁には、板状の放熱部１７が配置されている。放熱部１７は、上面が蓋部１５の下面と接し、下面がヒートスプレッダ８の上面と接している。加圧部１４は、第１方向に延在している。

　枠体３の角部３ｃは、枠体３とヒートスプレッダ８とを勘合する勘合部である。枠体３の角部３ｃを設けることで、枠体３とヒートスプレッダ８との位置決めを容易に行うことができる。枠体３とヒートスプレッダ８とは、冷却部の上面に配置されている。このため、蓋部１５と枠体３とは、ボルト４，１１で冷却部１に締結されている。これにより、加圧部１４へ圧力を発生させている。なお、蓋部１５と枠体３との冷却部1への締結において、必ずしもボルト４，１１の両方を用いる必要はなく、加圧に必要な圧力が得られれば、ボルト４のみでもよい。

　このように、蓋部１５の下面と配線９の上面および外部接続端子１０の上面との間に加圧部１４を設けたので、パワー半導体素子５を絶縁基板７の上面側の金属層７ａに接合しているはんだ６を加圧することができ、はんだ６の縦割れの発生を抑制することが可能となる。その結果、パワーモジュール５００の信頼性を向上させることができる。また、パワーモジュール４００の寿命を長寿命化ができる。

　さらに、枠体３の外壁領域に放熱部１７を配置したので、パワーモジュール５００の内部との絶縁を保ちながら、パワーモジュール５００の側面側からもパワー半導体素子５または外部接続端子１０での発熱を放熱することができ、パワーモジュール５００の放熱性を向上することができる。

　実施の形態６．
　ここでは、上述した実施の形態１～５において説明したパワーモジュールを適用した電力変換装置について説明する。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態６として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。

　図２４は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図２４に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００から構成される。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００は種々のもので構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータにより構成してもよい。また、電源１０００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。

　電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００との間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図２４に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２００１と、主変換回路２００１を制御する制御信号を主変換回路２００１に出力する制御回路２００３とを備えている。

　負荷３０００は、電力変換装置２０００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３０００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。

　以下、電力変換装置２０００の詳細について説明する。主変換回路２００１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えている（図示せず）。スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１０００から供給される直流電力が交流電力に変換されて、負荷３０００に供給される。主変換回路２００１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２００１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。

　主変換回路２００１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１～５の少なくともいずれかに係るパワーモジュールに相当するパワーモジュール２００２が有するスイッチング素子または還流ダイオードである。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続された上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち、主変換回路２００１の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。

　また、主変換回路２００１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えているが、駆動回路はパワーモジュール２００２に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール２００２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２００１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２００１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２００３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

　制御回路２００３は、負荷３０００に所望の電力が供給されるように、主変換回路２００１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２００１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。たとえば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２００１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２００１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。

　本実施の形態に係る電力変換装置２０００では、主変換回路２００１を構成するパワーモジュール２００２として実施の形態１～５に係るパワーモジュールを適用する。これにより、パワー半導体素子５を絶縁基板７に接合するはんだ６の縦割れを抑制できる。その結果、電力変換装置２０００の信頼性を向上させることができる。

　本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例について説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが、３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。

　また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

　なお、各実施の形態において説明したパワーモジュールについては、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

　今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　冷却部、２，１５　蓋部、２ａ，１４　加圧部、２ｂ　締結用穴、３，１６　枠体、３ｃ　枠体３の角部、４，１１　ボルト、５　パワー半導体素子、６　はんだ、７　絶縁基板、７ａ，７ｂ，７ｃ　金属層、７ｄ　絶縁層、８　ヒートスプレッダ、９　配線、１０　外部接続端子、１２　ヒートスプレッダ上面部、１３　ヒートスプレッダ側面部、１７　放熱部、２０　封止部材、１００，１０１，２００，３００，４００，５００，２００２　パワーモジュール、１０００　電源、２０００　電力変換装置、２００１　主変換回路、２００３　制御回路、３０００　負荷。

Claims

熱拡散部と、
前記熱拡散部の上面上に接合材で接合され、上面と下面とに金属層を有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の上面上に接合材で接合された半導体素子と、
前記半導体素子の上方に配置され、前記半導体素子と接続された接続配線部と、
前記絶縁基板を囲む枠体と、
前記枠体の上面側に配置される蓋部と、
前記蓋部と前記接続配線部との間に配置され、前記接続配線部を介して前記半導体素子を加圧する加圧部と、
前記蓋部と前記枠体とを前記熱拡散部に締結する締結部材と、
を備えたパワーモジュール。
前記加圧部は、前記蓋部の下面側から前記接続配線部側に突出している、請求項１に記載のパワーモジュール。
前記枠体の下面側には、前記熱拡散部の側面と接して前記熱拡散部と勘合する勘合部を備える、請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部は、前記枠体の内壁よりも内側において前記絶縁基板を囲む側面部と上面部とを有し、
前記上面部は、前記蓋部と前記接続配線部との間に配置される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記上面部は、一つの前記側面部で支持される、請求項４に記載のパワーモジュール。
前記上面部は、複数の前記側面部で支持される、請求項４に記載のパワーモジュール。
前記熱拡散部の下面側に配置される冷却部を備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記枠体は、前記熱拡散部の外周領域に配置される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
前記枠体は、前記冷却部の外周領域に配置される、請求項７に記載のパワーモジュール。
前記蓋部は、前記枠体の上面側に配置され、前記冷却部と同じ材料であり、
前記加圧部は、前記蓋部と前記接続配線部との間に配置され、少なくとも前記接続配線部と接する前記加圧部の下面側が絶縁部材である、請求項９に記載のパワーモジュール。
前記枠体は、前記冷却部と同じ材料である、請求項１０に記載のパワーモジュール。
前記枠体の外面で、対向する前記締結部材に挟まれた領域には、板状の放熱部が配置される、請求項１０に記載のパワーモジュール。
前記接続配線部は、板状の金属部材である、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた、電力変換装置。