WO2023243167A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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resin
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順平 楠川
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    • H10W40/10—Arrangements for heating

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device.
  • the main components of power conversion equipment are power semiconductor devices (power modules) made of power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and SiC-MOSFETs (Silicon Carbide-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors). be.
  • Power semiconductor devices are electronic components that handle higher voltages and larger currents than normal electronic circuits. When increasing the current, the loss increases in proportion to the square of the current, and the amount of heat generated increases. In order to reduce this heat generation, it is necessary to increase the amount of conductors used in the power conversion device to lower the conductor resistance, and to cool the heat generated by the circuit components while mounting the circuit components on the printed circuit board.
  • Patent Document 1 discloses a configuration of a semiconductor device in which heat generated by electronic components is cooled by providing an opening in the housing and arranging a heat spreader in the opening of the housing.
  • the power conversion device includes a semiconductor device in which a semiconductor element and a heat spreader are sealed with an insulating resin, and has an external terminal protruding from the insulating resin, and a power wiring layer on which the semiconductor device is mounted and connected to the external terminal.
  • a wiring board the wiring board has a through hole, and the semiconductor device is connected to the external terminal and the power wiring layer on one side of the wiring board, and the semiconductor device has a through hole.
  • the heat spreader and a portion of the insulating resin are arranged so as to protrude through the through hole to the other surface of the wiring board, and the semiconductor device is arranged such that a portion of the heat spreader and the insulating resin protrude through the through hole to the other surface of the wiring board, a flange portion facing or contacting the one surface of the wiring board so as to cover the gap between the inner circumferential surface of the through hole and the insulating resin of the semiconductor device in the through hole;
  • at least one of the gaps between the one surface of the wiring board and the flange portion is filled with a first resin material, and the one surface of the wiring board is filled with the external terminal and the power wiring layer.
  • a second resin material is applied to cover at least the connection portion with the second resin material.
  • the power conversion device 100 is a device that converts the DC voltage of a battery into a pseudo AC voltage by switching the power semiconductor element 11, and drives a motor with high efficiency by this AC voltage.
  • the power semiconductor element 11 includes, for example, an IGBT.
  • the power module generates heat due to switching with a large current in the power semiconductor element 11, and the substrate 20, bus bar, and capacitor also generate heat due to the electrical resistance component of each material, which is proportional to the product of the square of the current flowing through each material. I get a fever.
  • a conventional power conversion device 100 has a power semiconductor device 10 (hereinafter referred to as semiconductor device 10) arranged on a substrate 20 provided with a through hole.
  • a gap 41 is formed between the semiconductor device 10 and the substrate 20.
  • the semiconductor device 10 has a power semiconductor element 11 and heat spreaders 12 and 13 sealed with an insulating resin 16, and has an external terminal 15 protruding from the insulating resin 16.
  • the semiconductor element 11 and the heat spreader 13 are bonded together using a bonding material 14 .
  • a resin frame 32 made of a non-flowing resin material is formed at both ends of the substrate 20 on which the semiconductor device 10 is mounted.
  • the substrate 20 has a power wiring layer 22 that is a circuit conductor connected to the external terminal 15, an insulating layer 21, and a through hole 23.
  • the semiconductor device 10 handles a current of several A for a small device to several 100 A for a large device, depending on its output capacity.
  • the width between the external terminals 15 increases from several mm to several tens of mm.
  • the insulation distance between the terminals 15 of the semiconductor device 10 is reduced, and the insulation distance between the wirings 22 of the substrate 20 is correspondingly reduced. There is a need.
  • the power converter 100C is a conventional power converter 100 in which a resin material 34 is applied to the substrate 20 and the external terminals 15 of the semiconductor device 10.
  • the resin material 34 had a viscosity of 0.5 Pa ⁇ s at 25° C., and was applied so as to cover the wiring layer 22 of the substrate 20 and the external terminals 15. Thereafter, the resin material 34 is cured under predetermined conditions, but when the resin material 34 is applied or cured, the resin material 34 flows down from the gap between the substrate 20 and the semiconductor device 10, causing resin material leakage 35. There is. In this way, when the viscosity of the resin material 34 is lower than the predetermined standard, a problem arises in that the external terminal 15 cannot be covered with the resin material 34.
  • the resin 34 A high electric field is applied to the void 26 due to the relationship between the dielectric constant of the void 26 and the dielectric constant of the void 26.
  • the electric field becomes high, partial discharge occurs in the voids 26, partial discharge deterioration progresses in the resin material 34, and dielectric breakdown may occur between the terminals 15 and between the terminals 15 and the wiring 22.
  • FIG. 4(a) is a sectional view of a power converter 100A according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4(b) is an upper plan view of the power converter 100A
  • FIG. 4(c) is a plan view seen from below. It is.
  • the following configuration is adopted in the power converter 100A of the present invention.
  • the external terminals 15 and the power wiring layer 22 are connected to one side of the substrate 20, and the heat spreader 13 and part of the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 are connected to the through hole 24 (FIG. 6). It is arranged so as to extend through the substrate 20 and protrude to the other surface of the substrate 20 .
  • the gap between the heat spreader 12 and the substrate 20 that is formed when the heat spreader 12 is inserted into the through hole 24 provided in the substrate 20 is created by making the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 slope.
  • the gap 41a closer to the surface not covered by the substrate 20 is wider, and the gap 41b closer to the substrate 20 is narrower.
  • the gap between the insulating resin 16 and the through hole 24 becomes wider in the direction in which the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 projects through the through hole 24 onto the other surface of the substrate 20 .
  • the semiconductor device 10 has a flange portion 16a that faces or contacts one surface of the substrate 20 so as to cover the opening edge of the through hole 24 on one surface of the substrate 20 (FIG. 5). At least one of the gap between the inner circumferential surface of the through hole 24 and the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 in the through hole 24, or the gap between one side of the substrate 20 and the flange portion 16a is provided with a first The resin material 31 is filled. Furthermore, a second resin material 33 is coated on one side of the substrate 20 to cover at least the connecting portion between the external terminal 15 and the power wiring layer 22 .
  • the second resin material 33 uses a resin material that has higher fluidity in a molten state than the first resin material 31.
  • the substrate 20 has a resin frame 32 formed at the end of the surface coated with the second resin material 33 (one side of the substrate 20), and the first resin material 31 and the second resin material 33 are , a resin with lower elasticity that is softer than the resin material used to form the resin frame 32 and the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 is used.
  • the resin material with high fluidity used as the second resin material 33 is silicone, epoxy, or the like. By doing so, cracks formed between the resin materials 31, 33 and the substrate 20 and between the resin materials 31, 33 and the insulating resin 16 of the semiconductor device can be suppressed.
  • the resin material (second resin material 33) can be cured as it is without leakage 35 of the resin material from the gap 41 between the semiconductor device 10 and the substrate 20, and the external terminal 15 can be provided with a power conversion device 100A that can cover the second resin material 33.
  • the first resin material 31 and the second resin material 33 may be cured by leaving them to cure at room temperature (room temperature curing resin material), or by heating them at 120° C. to cure them.
  • a method using a heat-curable resin material may also be used.
  • the first resin material 31 is formed only in the gap between one side of the substrate 20 and the flange portion 16a (see FIG. 5) of the semiconductor device 10, and the remaining The second resin material 33 is used to apply the resin material to the substrate 20 . Even if the application distribution of the first resin material 31 and the second resin material 33 to the substrate 20 is changed in this manner, resin leakage 35 and the formation of voids 36 can be prevented.
  • FIGS. 8(a) to 8(e) A method for creating the power conversion device 100A will be explained using FIGS. 8(a) to 8(e). First, a method for manufacturing the semiconductor device 10 and substrate 20 required for the power conversion device 100A will be described. Note that figures explaining each process are omitted, and FIGS. 5 and 6 are referred to for explanation of the mounted parts.
  • the power semiconductor element 11 is bonded onto the heat spreader 12 via the bonding material (solder) 14, and a wire (not shown in the figure) is connected between the gate electrode of the power semiconductor element 11 and the external terminal 15. (not shown) for electrical connection.
  • the heat spreader 13 is bonded to the surface of the power semiconductor element 11 opposite to the surface bonded to the heat spreader 12 via the bonding material 14.
  • the power semiconductor element 11 and the heat spreaders 12, 13 are each coated with an insulating resin 16 by transfer molding, with the surfaces of the heat spreaders 12 and 13 exposed that are opposite to the surfaces joined to the power semiconductor element 11. sealed.
  • the external terminals 15 are bent to complete the semiconductor device 10.
  • the heat spreader 12 and the external terminals 15 are integrally molded with a lead frame.
  • a multilayer printed wiring board 20 having four wiring layers is prepared. Note that since the current handled by the power converter 100A is several hundred A, copper foil of 200 ⁇ m (thicker than the copper foil commonly used in electronic devices) was used for the wiring layer 22 of the board 20.
  • the insulating layer 21 of the substrate 20 uses a glass fiber reinforced epoxy resin base material.
  • Each wiring layer 22 of the substrate 20 has copper foil etched in advance so as to form a circuit of the power converter 100.
  • a through hole 24 where the semiconductor device 10 is placed and a through hole 23 for inserting the external terminal 15 are formed in the substrate 20, and the substrate 20 is completed.
  • FIG. 8A the semiconductor device 10 is placed in the through hole 24 of the substrate 20 so that the heat spreader 12 side is on the insertion side (lower side).
  • the external terminals 15 of the semiconductor device 10 were inserted into the through holes 23 of the substrate 20.
  • FIG. 8(b) molten solder 30 was poured into the through hole using a flow soldering device to electrically connect the through hole 23 and the external terminal 15.
  • FIG. 8C the semiconductor device 10 and the substrate 20 are turned over, a first resin material 31 having a viscosity of 30 Pa ⁇ s at 25° C.
  • the first resin material 31 was applied so as to cover the wiring layer 22, and the first resin material 31 was cured under predetermined conditions.
  • the surface (first surface 12a) of the heat spreader 12 of the semiconductor device 10 protruding from the other surface of the substrate 20 is placed outside the other surface of the substrate 20 so as not to be covered with the first resin material 31. will be placed in By doing so, the first resin material 31 or the second resin material 33 is not formed on the first surface 12a.
  • the semiconductor device 10 and the substrate 20 are turned over and placed in the same state as in FIG. 8(b), and a non-fluid
  • the resin frame 32 is made of a synthetic resin material.
  • a second resin material 33 having a viscosity of 0.5 Pa ⁇ s at 25° C. is applied to a height that covers the wiring layer 22 of the substrate 20, and the resin material 33 is applied under predetermined curing conditions. It was cured to complete a power converter device 100A. Note that by including fillers with different contents in the first resin material 31 and the second resin material 33, a similar production method can be performed using the same resin material.
  • the filler content of the first resin material 31 is equal to the filler content of the second resin material 33. More than quantity.
  • the filler is, for example, a powder component such as aluminum or silica, and the higher the content, the higher the viscosity.
  • FIG. 9A A method for creating the power conversion device 100B will be described using FIGS. 9(a) to 9(h). Note that for the power conversion device 100B, the method of manufacturing the semiconductor device 10 and the substrate 20 is the same as that of the power conversion device 100A described with reference to FIG.
  • a first resin material 31 having a viscosity of 100 Pa ⁇ s at 25° C. was applied to the surface of the semiconductor device 10 facing the flange portion 16a around the through hole 24 of the substrate 20.
  • the semiconductor device 10 is placed in the through hole 24 of the substrate 20 with the lower heat spreader 12 side facing downward, and the external terminal 15 of the semiconductor device 10 is inserted into the through hole 24 of the substrate 20.
  • molten solder 30 was poured into the through hole 23 using a flow soldering device to electrically connect the through hole 23 and the external terminal 15.
  • a non-flowing resin material is attached to the end of one surface of the substrate 20 (the surface on which the first resin material 31 is formed and in contact with the flange portion 16a of the semiconductor device 10).
  • a resin frame 32 was formed.
  • a second resin material 33 having a viscosity of 0.5 Pa ⁇ s at 25° C. is applied to a height that covers the wiring layer 22 of the board 20, and the resin material 33 is cured under predetermined curing conditions. Ta.
  • FIG. 9(e) a non-flowing resin material is attached to the end of one surface of the substrate 20 (the surface on which the first resin material 31 is formed and in contact with the flange portion 16a of the semiconductor device 10).
  • a resin frame 32 was formed.
  • a second resin material 33 having a viscosity of 0.5 Pa ⁇ s at 25° C. is applied to a height that covers
  • the semiconductor device 10 and the substrate 20 were reversed, and a resin frame 32 was also formed at the end of the other surface of the substrate 20 using a non-flowable resin material.
  • a second resin material 33 having a viscosity of 0.5 Pa ⁇ s at 25° C. is applied to a height that covers the wiring layer 22 of the board 20, and the resin material 33 is cured under predetermined curing conditions. Ta.
  • FIG. 9(h) after curing the resin material 33, the semiconductor device 10 and the substrate 20 were again turned over by 180 degrees to complete the power conversion device 100B.
  • an AC voltage is applied between the external terminals 15 of the semiconductor device 10 using a partial discharge measurement device, and when the AC voltage is gradually increased from 0 V, a partial discharge occurs in each sample.
  • the voltage (partial discharge inception voltage) was measured. Note that since the external terminals 15 of the semiconductor device 10 are inserted into the through holes 23 of the substrate 20 and joined with solder, a voltage is also applied to the wiring 22 of the substrate 20. Note that the threshold value for determining that a partial discharge has occurred was set to 10 pC, and the test voltage for partial discharge was set to a maximum of 2.5 kVrms.
  • FIG. 10(a) shows the test results for the power conversion device 100A.
  • the test results showed that the second resin material 33 could be filled in the upper part of the external terminal 15 of the semiconductor device 10 and the gap between the external terminal 15 and the substrate 20 without any voids 36, so that no partial discharge occurred. Further, even at the maximum test voltage of 2.5 kVrms, no partial discharge occurred, and no dielectric breakdown occurred.
  • FIG. 10(b) shows the test results for the power conversion device 100B.
  • the test results show that, similarly to the power conversion device 100A, the second resin material 33 could be filled in the upper part of the external terminal 15 of the semiconductor device 10 and in the gap between the external terminal 15 and the substrate 20 without any voids 36. No discharge occurred. Further, even at the maximum test voltage of 2.5 kVrms, no partial discharge occurred, and no dielectric breakdown occurred.
  • FIG. 10(c) shows the test results for the power conversion device 100C.
  • discharge with a charge amount of 1000 pC or more was detected at an applied voltage exceeding 1.7 kVrms.
  • dielectric breakdown flashover occurred between the external terminals 15. This is because the external terminals 15 are exposed due to leakage of the resin material 34 from the gap between the semiconductor device 10 and the substrate 20, and creeping discharge occurs between the external terminals 15, resulting in dielectric breakdown. This is thought to be the cause.
  • FIG. 10(d) shows the test results for the power conversion device 100D.
  • partial discharge began to occur at an applied voltage exceeding 1.7 kVrms, and exceeded the threshold for partial discharge occurrence of 10 pC at 1.8 kVrms. Thereafter, the voltage was increased to 2.0 kVrms, and the amount of discharged charge became about 40 pC, and even at the maximum test voltage of 2.5 kVrms, the amount of discharged charge remained at about 40 pC, and no dielectric breakdown occurred. This did not result in dielectric breakdown between the external terminals 15 because the upper parts of the external terminals 15 were covered with a resin material, but because a void 36 was formed under the external terminals 15, partial discharge occurred.
  • the power converters 100A and 100B of the present invention have better insulation reliability than the conventional power converters 100C and 100D.
  • the power conversion devices 100A and 100B can further reduce the insulation distance between the external terminals 15 and the insulation distance between the wiring 22 of the substrate 20 and the wiring. This can contribute to reducing main circuit inductance and downsizing.
  • the power semiconductor element 11 having a high breakdown voltage may be applied to the semiconductor device 10 and the power conversion devices 100A and 100B.
  • Coolers 51 were provided on both sides of the power converter 100A of the present invention, and an electrically insulating heat sink 52 was provided between the power converter 100A and the cooler 51.
  • the power conversion device 100A of the present invention can be mounted on a vehicle such as an EV or HEV.
  • the power conversion device 100A includes a semiconductor element 11 and heat spreaders 12 and 13 sealed with an insulating resin 16, a semiconductor device 10 having an external terminal 15 protruding from the insulating resin 16, a semiconductor device 10 mounted, and an external A wiring board 20 having a power wiring layer 22 connected to the terminal 15 is provided.
  • the wiring board 20 has a through hole 24
  • the semiconductor device 10 has an external terminal 15 and a power wiring layer 22 connected to each other on one side of the wiring board 20 , and a heat spreader 12 and an insulating resin 16 of the semiconductor device 10 . is arranged so as to protrude to the other surface of the wiring board 20 through the through hole 24 .
  • the semiconductor device 10 has a flange portion 16 a that faces or contacts one side of the wiring board 20 so as to cover the opening edge of the through hole 24 on one side of the wiring board 20 .
  • At least one of the gap 41 between the inner peripheral surface of the through hole 24 and the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 in the through hole 24, or the gap between one side of the wiring board 20 and the flange portion 16a includes: The first resin material 31 is filled.
  • a second resin material 33 is applied to one side of the wiring board 20 to cover at least the connection portion between the external terminal 15 and the power wiring layer 22.
  • the second resin material 33 is a resin material that has higher fluidity in a molten state than the first resin material 31. By doing this, resin leakage does not occur from the gap between the substrate 20 and the flange portion 16a of the semiconductor device 10.
  • the first surface 12a protruding from the other surface of the wiring board 20 is arranged outside the other surface of the wiring board 20, and the first resin material 31 or the second resin material 33 is , are not formed on the first surface 12a. This prevents the resin material from forming on the heat spreader surface 12a.
  • the first resin material 31 and the second resin material 33 contain filler, and the content of the filler in the first resin material 31 is greater than the content of the filler in the second resin material 33. . By doing this, even if the same resin material is used for the first resin material 31 and the second resin material 33, the viscosity can be differentiated depending on the filler content.
  • the wiring board 20 forms a resin frame 32 at the end of the surface coated with the second resin material 33, and the first resin material 31 and the second resin material 33 This resin has lower elasticity than the resin material used for forming the semiconductor device 10 and the insulating resin 16 of the semiconductor device 10 . By doing so, cracks formed between the resin materials 31, 33 and the substrate 20 or between the resin materials 31, 33 and the insulating resin 16 of the semiconductor device can be suppressed.
  • Power semiconductor device 11 Power semiconductor element 12: Heat spreader (Collector side of IGBT) 12a: First surface 13: Heat spreader (emitter side of IGBT) 14: Bonding material 15: External terminal 16: Insulating resin 16a: Flange portion 20: Printed wiring board 21: Insulating layer of printed wiring board 22: Circuit conductor of printed wiring board (power wiring layer) 23: Through hole 24: Through hole in printed wiring board 30: Bonding material (solder) 31: First resin material 32: Resin frame 33: Second resin material 34: Resin material (conventional) 35: Leakage of resin material 36: Unfilled part of resin (void) 41: Gap between power semiconductor device and printed wiring board 41a: Gap near the first surface 41b: Gap near the board 51: Cooler 52: Electrically insulating heat dissipating material 100: Conventional power converter 100A: Power of the present invention Conversion device 100B: Power conversion device 100C of modified example: Power conversion device with first problem 100D: Power conversion device with second problem

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Abstract

電力変換装置は、半導体装置と、配線基板と、を備え、前記配線基板は貫通孔を有し、前記半導体装置のヒートスプレッダおよび前記絶縁樹脂の一部が、前記貫通孔を通って前記配線基板の他方面に突出するように配置され、前記半導体装置は、フランジ部を有し、前記貫通孔の内周面と前記貫通孔内の前記半導体装置の前記絶縁樹脂との間の隙間、または、前記配線基板の前記一方面と前記フランジ部との間の隙間の少なくとも一方には、第１の樹脂材が充填され、前記配線基板の一方面には、前記外部端子と前記電力配線層との接続部を少なくとも覆う第２の樹脂材が塗布されている。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置に関する。
　近年において資源の有効活用、省エネルギー化の推進、地球温暖化ガスの排出を抑制する観点から、パワー半導体素子を用いた電力変換装置が民生用、自動車用、鉄道用、産業用、インフラ用などの各分野で幅広く利用されている。例えば、自動車用であれば、電気自動車（ＥＶ）や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカー（ＨＥＶ）などが代表的である。エンジンの駆動力にモータの駆動力を補助して走行するＨＥＶに対し、ＥＶでは純粋に電気の力であるモータの駆動力のみで走行する。そのため、ＥＶ普及のためには、より大きな電力を扱うことができる電力変換装置が必要になる。
　ＥＶで使用される電力変換装置は、例えば航続距離の拡大が課題であり、搭載するバッテリーの容量を大きくする必要がある。この容量を大きくすると、バッテリーのサイズが拡大して重量が増大するため、バッテリーの技術開発としては、高エネルギー密度化による小型軽量での大容量化が進められている。また、バッテリーに限らず、電力変換装置の体積と重量が大きくなると、自動車の電費性能（一定の電力に対する走行可能距離）と、走る、曲がる、止まるといった自動車の基本性能である走行性能が低下する。そのため、駆動システム全体、主にモータ、電力変換装置での小型軽量化も求められている。
　電力変換装置で主要となる部品は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Silicon Carbide－Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のパワー半導体素子からなるパワー半導体装置（パワーモジュール）である。パワー半導体装置は、通常の電子回路に比較し、高電圧及び大電流を扱う電子部品となる。電流を大きくする場合は、電流の二乗に比例することで損失が増加し、発熱量が増大する。この発熱を低減するためには、電力変換装置に使用される導体量を増やして導体抵抗を下げ、回路部品をプリント基板に実装しつつ、回路部品の発熱を冷却する必要がある。
　例えば、特許文献１では、筐体に開口部を設け、筐体の開口部にヒートスプレッダを配置させることによって、電子部品の発熱を冷却している半導体装置の構成が開示されている。
特許第５８９８５７５号公報
　従来の技術では、プリント基板の開口部に実装するパワーモジュールの端子間について、樹脂コーティングで絶縁する構造を採用する場合、基板と端子間の隙間への樹脂充填の際に樹脂漏れやボイドが形成されることで、絶縁信頼性の確保が課題になっていた。これを鑑みて本発明では、絶縁信頼性の確保と放熱性の向上と小型化を並立させた電力変換装置を提供することを目的とする。
　電力変換装置は、半導体素子およびヒートスプレッダが絶縁樹脂で封止され、前記絶縁樹脂から突出する外部端子を有する半導体装置と、前記半導体装置が実装され、前記外部端子と接続される電力配線層を有する配線基板と、を備え、前記配線基板は、貫通孔を有し、前記半導体装置は、前記配線基板の一方面において、前記外部端子と前記電力配線層とが接続されるとともに、前記半導体装置の前記ヒートスプレッダおよび前記絶縁樹脂の一部が、前記貫通孔を通って前記配線基板の他方面に突出するように配置され、前記半導体装置は、前記配線基板の前記一方面における前記貫通孔の開口縁を覆うようにして、前記配線基板の前記一方面と対向または接触するフランジ部を有し、前記貫通孔の内周面と前記貫通孔内の前記半導体装置の前記絶縁樹脂との間の隙間、または、前記配線基板の前記一方面と前記フランジ部との間の隙間の少なくとも一方には、第１の樹脂材が充填され、前記配線基板の一方面には、前記外部端子と前記電力配線層との接続部を少なくとも覆う第２の樹脂材が塗布されている。
　絶縁信頼性の確保と放熱性の向上と小型化を並立させた電力変換装置を提供できる。
従来技術を用いた電力変換装置の一例を示す平面図と断面図である。 従来技術を用いた電力変換装置についての第１の課題を示す図である。 従来技術を用いた電力変換装置についての第２の課題を示す図である。 本発明の一実施形態を表す、電力変換装置の図である。 本発明の電力変換装置に使用されるパワー半導体装置の断面図である。 本発明の電力変換装置に使用されるプリント配線基板の断面図である。 本発明の変形例を示す図である。 本発明の電力変換装置の製造工程を示す図である。 本発明の変形例の電力変換装置の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態、変形例、図２および図３に示した従来技術例、それぞれの電力変換装置について、部分放電試験結果を示す図である。 本発明の電力変換装置の上下に冷却器を備えた構成を示す断面図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
（本発明の一実施形態と装置の全体構成）
（図１）
　図１（ａ）は従来の電力変換装置の断面図、図１（ｂ）は従来の電力変換装置の上方視点からの平面図である。電力変換装置１００は、パワー半導体装置１０（パワーモジュール）、プリント配線基板２０（以下基板２０）、バスバ、キャパシタ等で構成される。なお、基板２０の内層の配線層は省略し図示はしていない。
　電力変換装置１００は、バッテリーの直流電圧をパワー半導体素子１１のスイッチングにより擬似的な交流電圧に変換し、この交流電圧によってモータを高効率に駆動する装置である。パワー半導体素子１１は、例えばＩＧＢＴ等を含む。パワー半導体素子１１での大電流によるスイッチングによってパワーモジュールは発熱し、また、基板２０、バスバ、キャパシタも、各材料の電気的な抵抗成分による損失でそれぞれに流れる電流の二乗の積に比例して発熱する。
　従来の電力変換装置１００は、貫通孔を設けた基板２０に、パワー半導体装置１０（以下半導体装置１０）を配置している。半導体装置１０と基板２０との間には隙間４１が形成されている。半導体装置１０は、パワー半導体素子１１およびヒートスプレッダ１２，１３が絶縁樹脂１６で封止されており、また、絶縁樹脂１６から突出する外部端子１５を有している。半導体素子１１とヒートスプレッダ１３とは、接合材１４によって接合されている。半導体装置１０が実装される基板２０の両端部には、非流動性の樹脂材によって樹脂枠３２が形成される。基板２０は、外部端子１５と接続される回路導体である電力配線層２２と絶縁層２１とスルーホール２３を有する。外部端子１５は、基板２０に形成されているスルーホール２３に挿入され、溶融されているはんだ等の接合材３０がスルーホール２３内に充填されることによって、スルーホール２３内に接合固定される。これにより、基板２０の電力配線層２２と半導体装置１０は、外部端子１５を介して電気的に接続される。
　半導体装置１０は、その出力容量にもよるが、小さいもので数Ａから大きいもので数１００Ａの電流を扱う。特に、数１００Ａの大電流を扱う半導体装置１０の場合、外部端子１５間の幅は、数ｍｍから数１０ｍｍ広くなる。このような電力変換装置１００と半導体装置１０の小型化を図るには、半導体装置１０の端子１５間の絶縁距離の縮小と、それに対応して、基板２０の配線２２間の絶縁距離を小さくする必要がある。なお、絶縁距離に関しては、ＩＥＣ６０６６４－１等の規格があり、樹脂封止されていない外部端子１５間および配線２２間は、この規格に沿った空間距離と沿面距離が必要になる。絶縁距離をこれよりもさらに小さくするには、外部端子１５及び配線２２に樹脂封止が必要となる。
（図２）
　従来の半導体装置１００に樹脂封止を行った場合の課題点をあげる。電力変換装置１００Ｃは、従来の電力変換装置１００において、基板２０と半導体装置１０の外部端子１５に樹脂材３４を塗布したものである。なお、樹脂材３４は、２５℃での粘度が０．５Ｐａ・ｓのものを採用し、基板２０の配線層２２および外部端子１５を覆うように塗布した。その後、所定の条件で樹脂材３４を硬化させているが、樹脂材３４の塗布時または硬化時に、基板２０と半導体装置１０の隙間から樹脂材３４が流れ落ち、樹脂材の漏れ３５が発生している。このように所定の基準よりも樹脂材３４の粘度が低い場合には、外部端子１５を樹脂材３４で覆うことができないという課題が発生する。
（図３）
　また、従来の電力変換装置１００に樹脂封止を行った場合の別の課題点をあげる。電力変換装置１００Ｄは、従来の電力変換装置１００において、基板２０と半導体装置１０の外部端子１５に樹脂材３４を塗布したものであるが、樹脂材３４は図２よりも粘度が高い２５℃での粘度が３０Ｐａ・ｓのものを採用した。その後、所定の条件で樹脂材３４を硬化させているが、図２とは異なり、基板２０と半導体装置１０の隙間からの樹脂漏れは防止できているものの、外部端子１５と基板２０との隙間に樹脂３４が充填されない空間（ボイド）３６が形成されている。
　このように、所定の基準よりも樹脂材３４の粘度が高い場合にボイド３６が形成されると、端子１５間および端子１５と配線２２との間において、高電圧が印加された時、樹脂３４とボイド２６の比誘電率の関係からボイド２６に高い電界がかかる。電界が高くなるとボイド２６で部分放電が発生し、かつ樹脂材３４においては部分放電劣化が進行し、端子１５間および端子１５と配線２２との間で絶縁破壊が生じる可能性がある。
（図４、図５、図６）
　図４（ａ）が本発明の一実施形態に係る、電力変換装置１００Ａの断面図、図４（ｂ）が電力変換装置１００Ａの上方平面図、図４（ｃ）が下方から見た平面図である。従来の電力変換装置１００Ｃ、１００Ｄで生じた課題を解消するため、本発明の電力変換装置１００Ａにおいて、下記の構成を採用する。
　半導体装置１０は、基板２０の一方面において、外部端子１５と電力配線層２２とが接続されるとともに、半導体装置１０のヒートスプレッダ１３および絶縁樹脂１６の一部が、貫通孔２４（図６）を通って基板２０の他方面に突出するように配置されている。基板２０に設けられた貫通孔２４に挿入された際に形成されるヒートスプレッダ１２と基板２０の隙間は、半導体装置１０の絶縁樹脂１６に傾斜を持たせることで、ヒートスプレッダ１２の表面（樹脂材３１に覆われていない面）に近い隙間４１ａほど広く、基板２０に近い隙間４１ｂほど狭くなっている。つまり、貫通孔２４を通って基板２０の他方面に半導体装置１０の絶縁樹脂１６が突出する方向に従って、絶縁樹脂１６と貫通孔２４との隙間は広くなっている。このようにすることで、第１の樹脂材３１を充填しやすくなり、基板２０に近い方を狭くすることで樹脂の充填性を高める。
　さらに、半導体装置１０は、基板２０の一方面における貫通孔２４の開口縁を覆うようにして、基板２０の一方面と対向または接触するフランジ部１６ａを有している（図５）。貫通孔２４の内周面と貫通孔２４内の半導体装置１０の絶縁樹脂１６との間の隙間、または、基板２０の一方面とフランジ部１６ａとの間の隙間の少なくとも一方には、第１の樹脂材３１が充填される。また、基板２０の一方面には、外部端子１５と電力配線層２２との接続部を少なくとも覆う第２の樹脂材３３が塗布されている。
　第２の樹脂材３３は、第１の樹脂材３１よりも溶融状態での流動性が高い樹脂材を用いる。また、基板２０は、第２の樹脂材３３が塗布されている面（基板２０の一方面）の端部に樹脂枠３２を形成し、第１の樹脂材３１および第２の樹脂材３３は、樹脂枠３２の形成に用いられる樹脂材および半導体装置１０の絶縁樹脂１６よりもやわらかい低弾性の樹脂を用いる。第２の樹脂材３３で用いられる流動性が高い樹脂材とはシリコーン、エポキシなどである。このようにすることで、樹脂材３１，３３と基板２０との間、樹脂材３１，３３と半導体装置の絶縁樹脂１６との間に形成されるクラックを抑制できる。
　以上のような構成にすることによって、半導体装置１０と基板２０との隙間４１からの樹脂材の漏れ３５は発生せずに、そのまま樹脂材（第２の樹脂材３３）を硬化でき、外部端子１５に第２の樹脂材３３を覆うことができる電力変換装置１００Ａを提供できる。なお、第１の樹脂材３１や第２の樹脂材３３の硬化は、そのまま室温にて放置硬化させる方法（室温硬化型の樹脂材）を用いてもよいし、１２０℃の熱をかけて硬化させる方法（加熱硬化型の樹脂材）を用いてもよい。
　また、第２の樹脂材３３に第１の樹脂材３１よりも低い粘度の樹脂材を用いることで、幅広く設けられた外部端子１５と基板２０との隙間にも、ボイド３６を発生させることなく、樹脂を充填できるようになる。これにより、高電圧印加においても部分放電の発生を防止でき、絶縁信頼性が確保できる。このようにして、絶縁信頼性が高くなれば、絶縁距離をさらに小さくすることができ、電力変換装置１００Ａの小型化が可能となる。
（変形例）
（図７）
　本発明の変形例である電力変換装置１００Ｂは、基板２０の一方面と半導体装置１０のフランジ部１６ａ（図５参照）との間の隙間部分のみに第１の樹脂材３１が形成され、残りの基板２０に対しての樹脂材の塗布は、第２の樹脂材３３が用いられる。このように基板２０に対しての第１の樹脂材３１と第２の樹脂材３３の塗布配分を変えても、樹脂漏れ３５やボイド３６の形成を防ぐことができる。
（電力変換装置の作成方法）
（図８）
　図８（ａ）～図８（ｅ）を用いて電力変換装置１００Ａの作成方法を説明する。まず、電力変換装置１００Ａに必要な半導体装置１０と基板２０の作成方法について述べる。なお、それぞれ工程を説明する図は省略し、搭載部品の説明は図５、図６を参照する。
　まず、半導体装置１０は、ヒートスプレッダ１２上に接合材（はんだ）１４を介してパワー半導体素子１１を接合し、パワー半導体素子１１のゲート電極と外部端子１５との間を、ワイヤー（図では省略し図示せず）を用いて電気的に接合している。次に、パワー半導体素子１１のヒートスプレッダ１２と接合した面の反対側の面に、接合材１４を介してヒートスプレッダ１３を接合する。その後、ヒートスプレッダ１２，１３は、パワー半導体素子１１と接合されている面とは反対側の面をそれぞれ露出させた状態で、パワー半導体素子１１とヒートスプレッダ１２，１３はトランスファーモールドによってそれぞれ絶縁樹脂１６で封止される。最後に外部端子１５を折り曲げて半導体装置１０を完成させている。ヒートスプレッダ１２と外部端子１５はリードフレームで一体成型されている。
　つづいて、配線層を４層有する多層プリント配線基板２０を準備する。なお、電力変換装置１００Ａで取り扱う電流は数１００Ａであるため、基板２０の配線層２２には銅箔２００μｍ（一般的で電子機器で使用されている銅箔よりも厚いもの）を採用した。基板２０の絶縁層２１には、ガラス繊維強化エポキシ樹脂基材が使用されている。基板２０の各配線層２２は、電力変換装置１００の回路となるように予め銅箔がエッチングされている。基板２０には、半導体装置１０が配置される箇所として貫通孔２４と、外部端子１５を挿入するためのスルーホール２３が形成され、基板２０を完成させた。
　完成した半導体装置１０と基板２０を踏まえて、電力変換装置１００Ａの作成方法を説明する。図８（ａ）では、基板２０の貫通孔２４に半導体装置１０のヒートスプレッダ１２側が挿入側（下側）になるように配置する。半導体装置１０の外部端子１５を基板２０のスルーホール２３に挿入した。次に図８（ｂ）において、フローはんだ装置でスルーホール内に溶融したはんだ３０を流し込み、スルーホール２３と外部端子１５を電気的に接合した。次に図８（ｃ）において、半導体装置１０と基板２０を裏返し、２５℃での粘度が３０Ｐａ・ｓの第１の樹脂材３１を半導体装置１０と基板２０との隙間に充填させ、基板２０の配線層２２を覆うように第１の樹脂材３１を塗布して、所定の条件で第１の樹脂材３１を硬化させた。ここで、基板２０の他方面に突出している半導体装置１０のヒートスプレッダ１２の表面（第１の面１２ａ）は、第１の樹脂材３１に覆われないように、基板２０の他方面よりも外側に配置される。このようにすることで、第１の樹脂材３１または第２の樹脂材３３は、第１の面１２ａには形成されない。
　次に、図８（ｄ）において、半導体装置１０と基板２０を反転して図８（ｂ）と同じ状態にして、樹脂材３１を塗布していない基板２０の面の端部に、非流動性の樹脂材で樹脂枠３２を形成した。そして、図８（ｅ）において、２５℃での粘度が０．５Ｐａ・ｓの第２の樹脂材３３で基板２０の配線層２２を覆う高さまで塗布し、所定の硬化条件で樹脂材３３を硬化させ、電力変換装置１００Ａを完成させた。なお、第１の樹脂材３１および第２の樹脂材３３には、含有量の異なるフィラーを含ませることで、同じ樹脂材を用いて同様の作成方法を実施することができる。このとき、第１の樹脂材３１は第２の樹脂材３３よりも粘度を高くする必要があるため、第１の樹脂材３１のフィラーの含有量は、第２の樹脂材３３のフィラーの含有量よりも多い。フィラーは例えば、アルミ、シリカなどの粉成分であり、含有量が多いほど粘度が高くなる。
（変形例の電力変換装置の製造方法）
（図９）
　図９（ａ）～図９（ｈ）を用いて電力変換装置１００Ｂの作成方法を説明する。なお、電力変換装置１００Ｂについて、半導体装置１０と基板２０の製造方法は、図８で説明した電力変換装置１００Ａと同様である。図９（ａ）において、基板２０の貫通孔２４周囲において半導体装置１０のフランジ部１６ａと対向する表面に、２５℃での粘度が１００Ｐａ・ｓの第１の樹脂材３１を塗布した。続いて、図９（ｂ）において、基板２０の貫通孔２４に半導体装置１０の下部のヒートスプレッダ１２側を下側になるように配置するとともに、半導体装置１０の外部端子１５を基板２０のスルーホール２３に挿入し、第１の樹脂材３１を所定の条件で硬化することで、半導体装置１０と基板２０を固定し、かつ半導体装置１０の基板２０の隙間を塞いだ。
　次に図９（ｃ）において、フローはんだ装置でスルーホール２３内に溶融したはんだ３０を流し込み、スルーホール２３と外部端子１５を電気的に接合した。次に図９（ｄ）において、基板２０の一方の面（第１の樹脂材３１が形成されており、半導体装置１０のフランジ部１６ａが接する面）の端部に非流動性の樹脂材で樹脂枠３２を形成した。図９（ｅ）において、２５℃での粘度が０．５Ｐａ・ｓの第２の樹脂材３３で基板２０の配線層２２を覆う高さまで塗布し、所定の硬化条件で樹脂材３３を硬化させた。図９（ｆ）において、半導体装置１０と基板２０を反転させ、基板２０の他方の面の端部にも非流動性の樹脂材で樹脂枠３２を形成した。図８（ｇ）において、２５℃での粘度が０．５Ｐａ・ｓの第２の樹脂材３３で基板２０の配線層２２を覆う高さまで塗布し、所定の硬化条件で樹脂材３３を硬化させた。図９（ｈ）において、樹脂材３３を硬化後、半導体装置１０と基板２０を再び１８０度反転させて、電力変換装置１００Ｂを完成させた。
（図１０）
　本発明による電力変換装置１００Ａ、変形例の電力変換装置１００Ｂ、従来の電力変換装置１００Ｃ、１００Ｄ、それぞれについての絶縁信頼性の効果を検証するため、部分放電試験を実施した結果を、以下で説明する。
　部分放電試験は、部分放電測定装置を用いて、半導体装置１０の外部端子１５間に交流電圧を印加し、交流電圧を０Ｖから徐々に上昇させたときに、それぞれのサンプルにおいて部分放電が発生する電圧（部分放電開始電圧）を測定した。なお、半導体装置１０の外部端子１５は、基板２０のスルーホール２３に挿入されてはんだで接合されているので、基板２０の配線２２にも電圧が印加されることになる。なお、部分放電が発生したと判断する閾値は１０ｐＣとし、部分放電の試験電圧は最大２．５ｋＶｒｍｓとした。
　図１０（ａ）は、電力変換装置１００Ａについての試験結果である。試験結果では、半導体装置１０の外部端子１５の上部、外部端子１５と基板２０の隙間にもボイド３６なく第２の樹脂材３３を充填することができたため、部分放電は発生しなかった。また、試験電圧の最大の２．５ｋＶｒｍｓにおいても部分放電の発生は無く、また絶縁破壊もなかった。
　図１０（ｂ）は、電力変換装置１００Ｂについての試験結果である。試験結果では、電力変換装置１００Ａと同様に、半導体装置１０の外部端子１５の上部、外部端子１５と基板２０の隙間にもボイド３６なく第２の樹脂材３３を充填することができたため、部分放電は発生しなかった。また、試験電圧の最大の２．５ｋＶｒｍｓにおいても部分放電の発生は無く、また絶縁破壊もなかった。
　図１０（ｃ）は、電力変換装置１００Ｃについての試験結果である。試験結果では、印加電圧１．７ｋＶｒｍｓを超えた電圧で電荷量１０００ｐＣ以上の放電が検知された。また、外部端子１５間が絶縁破壊（フラッシオーバー）した。これは、半導体装置１０と基板２０との隙間から樹脂材３４が漏れたことで外部端子１５が露出された状態であるために、外部端子１５間で沿面放電が発生し、絶縁破壊したことが原因であると考えられる。
　図１０（ｄ）は、電力変換装置１００Ｄについての試験結果である。試験結果では、印加電圧１．７ｋＶｒｍｓを超えた電圧で部分放電が発生し始め、１．８ｋＶｒｍｓで部分放電発生の閾値１０ｐＣを超えた。その後、電圧を上昇させ２．０ｋＶｒｍｓで放電電荷量は約４０ｐＣとなり、試験電圧の最大の２．５ｋＶｒｍｓでも放電電荷量は約４０ｐＣを維持して、絶縁破壊は発生しなかった。これは、外部端子１５の上部が樹脂材で覆われていることから、外部端子１５間の絶縁破壊にはならなかったが、外部端子１５下にボイド３６が形成されていたために、部分放電が発生したものと考える。たしかに、短時間の絶縁試験では絶縁破壊することはないが、実際の使用において高電圧が長期に亘って印加されると、樹脂材または基板２０の絶縁層２１が部分放電劣化を受けて、最悪の場合は絶縁破壊へと至る可能性が考えられる。
　上記のように、従来の電力変換装置１００Ｃ、１００Ｄに比べて、本発明の電力変換装置１００Ａ、１００Ｂは、絶縁信頼性に優れている。このように、本発明によって、電力変換装置１００Ａ、１００Ｂは、外部端子１５間の絶縁距離、基板２０の配線２２と配線間の絶縁距離をより小さくすることができる。これにより、主回路インダクタンスの低減と小型化に貢献できる。なお、耐圧の高いパワー半導体素子１１を半導体装置１０、電力変換装置１００Ａ、１００Ｂに適用してもよい。
（図１１）
　本発明の電力変換装置１００Ａの両面に冷却器５１を設け、電力変換装置１００Ａと冷却器５１との間には、電気絶縁性放熱剤５２を設けた。このようにすることで、本発明の電力変換装置１００Ａを、ＥＶやＨＥＶ等の車両へ搭載できる。
　以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）電力変換装置１００Ａは、半導体素子１１およびヒートスプレッダ１２，１３が絶縁樹脂１６で封止され、絶縁樹脂１６から突出する外部端子１５を有する半導体装置１０と、半導体装置１０が実装され、外部端子１５と接続される電力配線層２２を有する配線基板２０と、を備えている。配線基板２０は、貫通孔２４を有し、半導体装置１０は、配線基板２０の一方面において、外部端子１５と電力配線層２２とが接続されるとともに、半導体装置１０のヒートスプレッダ１２および絶縁樹脂１６の一部が、貫通孔２４を通って配線基板２０の他方面に突出するように配置されている。半導体装置１０は、配線基板２０の一方面における貫通孔２４の開口縁を覆うようにして、配線基板２０の一方面と対向または接触するフランジ部１６ａを有している。貫通孔２４の内周面と貫通孔２４内の半導体装置１０の絶縁樹脂１６との間の隙間４１、または、配線基板２０の一方面とフランジ部１６ａとの間の隙間の少なくとも一方には、第１の樹脂材３１が充填される。配線基板２０の一方面には、外部端子１５と電力配線層２２との接続部を少なくとも覆う第２の樹脂材３３が塗布されている。このようにしたことで、絶縁信頼性の確保と放熱性の向上と小型化を並立させた電力変換装置１００Ａを提供できる。
（２）第２の樹脂材３３は、第１の樹脂材３１よりも溶融状態での流動性が高い樹脂材である。このようにしたことで、基板２０と半導体装置１０のフランジ部１６ａの隙間から樹脂漏れが発生しない。
（３）貫通孔２４を通って配線基板２０の他方面に絶縁樹脂１６が突出する方向に従って、絶縁樹脂１６と貫通孔２４との隙間が広くなる。このようにしたことで、基板２０と半導体装置１０のフランジ部１６ａの隙間から樹脂漏れが発生しない。
（４）ヒートスプレッダ１２は、配線基板２０の他方面に突出する第１の面１２ａが、配線基板２０の他方面よりも外側に配置され、第１の樹脂材３１または第２の樹脂材３３は、第１の面１２ａには形成されない。このようにしたことで、ヒートスプレッダ表面１２ａへの樹脂材の形成を防止する。
（５）第１の樹脂材３１および第２の樹脂材３３にはフィラーが含まれ、第１の樹脂材３１のフィラーの含有量は、第２の樹脂材３３のフィラーの含有量よりも多い。このようにしたことで、第１の樹脂材３１および第２の樹脂材３３に同じ樹脂の材料を使っていても、フィラーの含有量で粘度を分けることができる。
（６）配線基板２０は、第２の樹脂材３３が塗布されている面の端部に樹脂枠３２を形成し、第１の樹脂材３１および第２の樹脂材３３は、樹脂枠３２の形成に用いられる樹脂材および半導体装置１０の絶縁樹脂１６よりも低弾性の樹脂である。このようにしたことで、樹脂材３１，３３と基板２０との間、あるいは樹脂材３１，３３と半導体装置の絶縁樹脂１６との間に形成されるクラックを抑制できる。
　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
１０：パワー半導体装置
１１：パワー半導体素子
１２：ヒートスプレッダ（ＩＧＢＴのコレクタ側）
　１２ａ：第１の面
１３：ヒートスプレッダ（ＩＧＢＴのエミッタ側）
１４：接合材
１５：外部端子
１６：絶縁樹脂
　１６ａ：フランジ部
２０：プリント配線基板
２１：プリント配線基板の絶縁層
２２：プリント配線基板の回路導体（電力配線層）
２３：スルーホール
２４：プリント配線基板の貫通孔
３０：接合材（はんだ）
３１：第１の樹脂材
３２：樹脂枠
３３：第２の樹脂材
３４：樹脂材（従来）
３５：樹脂材の漏れ
３６：樹脂の未充填部（ボイド）
４１：パワー半導体装置とプリント配線基板の隙間
　４１ａ：第１の面に近い隙間
　４１ｂ：基板に近い隙間
５１：冷却器
５２：電気絶縁性放熱材
１００：従来の電力変換装置
１００Ａ：本発明の電力変換装置
１００Ｂ：変形例の電力変換装置
１００Ｃ：第１の課題を抱える電力変換装置
１００Ｄ：第２の課題を抱える電力変換装置

Claims (6)

  1. 　半導体素子およびヒートスプレッダが絶縁樹脂で封止され、前記絶縁樹脂から突出する外部端子を有する半導体装置と、
    　前記半導体装置が実装され、前記外部端子と接続される電力配線層を有する配線基板と、を備え、
    　前記配線基板は、貫通孔を有し、
    　前記半導体装置は、前記配線基板の一方面において、前記外部端子と前記電力配線層とが接続されるとともに、前記半導体装置の前記ヒートスプレッダおよび前記絶縁樹脂の一部が、前記貫通孔を通って前記配線基板の他方面に突出するように配置され、
    　前記半導体装置は、前記配線基板の前記一方面における前記貫通孔の開口縁を覆うようにして、前記配線基板の前記一方面と対向または接触するフランジ部を有し、
    　前記貫通孔の内周面と前記貫通孔内の前記半導体装置の前記絶縁樹脂との間の隙間、または、前記配線基板の前記一方面と前記フランジ部との間の隙間の少なくとも一方には、第１の樹脂材が充填され、
    　前記配線基板の一方面には、前記外部端子と前記電力配線層との接続部を少なくとも覆う第２の樹脂材が塗布されている
    　電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第２の樹脂材は、前記第１の樹脂材よりも溶融状態での流動性が高い樹脂材である
    　電力変換装置。
  3. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記貫通孔を通って前記配線基板の他方面に前記絶縁樹脂が突出する方向に従って、前記絶縁樹脂と前記貫通孔との隙間が広くなる
    　電力変換装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記ヒートスプレッダは、前記配線基板の他方面に突出する第１の面が、前記配線基板の他方面よりも外側に配置され、
    　第１の樹脂材または第２の樹脂材は、前記第１の面には形成されない
    　電力変換装置。
  5. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１の樹脂材および前記第２の樹脂材にはフィラーが含まれ、前記第１の樹脂材の前記フィラーの含有量は、前記第２の樹脂材の前記フィラーの含有量よりも多い
    　電力変換装置。
  6. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
    　前記配線基板は、前記第２の樹脂材が塗布されている面の端部に樹脂枠を形成し、
    　前記第１の樹脂材および前記第２の樹脂材は、前記樹脂枠の形成に用いられる樹脂材および前記半導体装置の前記絶縁樹脂よりも低弾性の樹脂である
    　電力変換装置。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009081246A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Daikin Ind Ltd 半導体実装基板及びその製造方法
JP2012043875A (ja) * 2010-08-17 2012-03-01 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
WO2013065316A1 (ja) * 2011-11-02 2013-05-10 富士電機株式会社 電力変換器
WO2014175062A1 (ja) * 2013-04-24 2014-10-30 富士電機株式会社 パワー半導体モジュールおよびその製造方法、電力変換器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11784105B2 (en) * 2018-03-07 2023-10-10 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device and power converter
JP7580233B2 (ja) * 2020-10-01 2024-11-11 株式会社日立製作所 半導体装置およびホイール内蔵システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009081246A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Daikin Ind Ltd 半導体実装基板及びその製造方法
JP2012043875A (ja) * 2010-08-17 2012-03-01 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
WO2013065316A1 (ja) * 2011-11-02 2013-05-10 富士電機株式会社 電力変換器
WO2014175062A1 (ja) * 2013-04-24 2014-10-30 富士電機株式会社 パワー半導体モジュールおよびその製造方法、電力変換器

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