WO2024024067A1 - 電力変換装置、電力変換装置の製造方法 - Google Patents

電力変換装置、電力変換装置の製造方法 Download PDF

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尚也 床尾
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    • H10W74/111—Encapsulations, e.g. protective coatings characterised by their shape or disposition the semiconductor body being completely enclosed

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device and a method for manufacturing the power conversion device.
  • a thermally conductive material such as TIM (Thermal Interface Material) is placed between the cooling water channel, which is a heat dissipating member.
  • TIM Thermally Conduct Material
  • the reliability of the device may be reduced depending on the contact situation with the plate).
  • power conversion devices are also required to reduce costs and improve productivity.
  • Patent Document 1 discloses a device having a structure in which heat generated in a semiconductor element is efficiently radiated to the outside by providing a heat transfer layer on the upper surface of the semiconductor element.
  • an object of the present invention is to provide a power conversion device and a method for manufacturing the power conversion device that realize cost reduction, productivity improvement, and reliability improvement.
  • the power conversion device includes a semiconductor element, a heat exchanger plate connected to the semiconductor element, a semiconductor module formed by molding the semiconductor element and the heat exchanger plate with resin, and a semiconductor module that is in contact with the heat exchanger plate, and
  • the semiconductor module includes a semi-solid thermally conductive material disposed to cover one surface of the semiconductor module, and a heat radiating member that radiates heat from the semiconductor module via the thermally conductive material. Further, as a method for manufacturing a power conversion device, a semiconductor module is formed by molding a heat transfer plate connected to a semiconductor element with resin, and a part of the mold resin on one side of the formed semiconductor module is removed.
  • a method is employed in which a semi-solid thermally conductive material arranged to cover the resin and a heat dissipating member that radiates heat from the semiconductor module via the thermally conductive material are assembled to the semiconductor module.
  • Circuit diagram of power converter Overall diagram of power converter A sectional view of a power conversion device according to an embodiment of the present invention A diagram illustrating a first manufacturing method of a power converter device. A diagram illustrating a second manufacturing method of a power conversion device Diagram explaining the positional relationship between the first thermally conductive material and the semiconductor module Diagram explaining the positional relationship between the second thermally conductive material and the semiconductor module
  • the plurality of circuit bodies 1 constituting the power conversion circuit are each constituted by a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • Two series-connected circuit bodies 1 and one capacitor 2 form a pair, each forming a power conversion circuit for one phase.
  • the three-phase power conversion circuit is connected to a positive electrode wiring 3 and a negative electrode wiring 4, respectively.
  • the circuit body 1 (semiconductor module 1) has a high voltage side terminal for the main circuit (collector terminal for IGBT, drain terminal for MOSFET) and a low voltage side terminal for the main circuit (emitter terminal for IGBT, emitter terminal for MOSFET). It has three terminals: a source terminal) and a control terminal (gate terminal).
  • the power conversion device 100 includes a plurality of circuit bodies 1 each having a plurality of power semiconductor elements, a plurality of positive electrode wirings 3 and a plurality of negative electrode wirings 4 which are electrically connected to the circuit body 1 and stacked on each other in the thickness direction. It includes a wiring board 6 (hereinafter referred to as board 6) provided, and a plurality of smoothing capacitors 2 provided corresponding to the plurality of circuit bodies 1, respectively.
  • the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4 are stacked on each other in the thickness direction of the substrate 6 (from the front to the back of the paper in FIG. 2), and connect the capacitors 2 of each phase to the circuit body 1 (see FIGS. 4 to 4 for details). (described later in Section 7).
  • circuit bodies 1 are arranged in parallel, and eight circuit bodies 1 are made into a one-phase circuit by arranging them so as to face each other with the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4 in between.
  • An example of a configuration is shown in which the device is provided on the substrate 6.
  • the circuit body 1 may be arranged in multiple parallel connections depending on the desired output current value.
  • multiple capacitors 2 may be connected in parallel to the substrate 6 in order to satisfy the capacitance determined according to the desired amount of input voltage fluctuation.
  • the substrate 6 has a plurality of conductor layers in the thickness direction, and each conductor layer is laminated with a resin layer interposed therebetween.
  • a positive electrode wiring 3, a negative electrode wiring 4, an output wiring 7, and a signal wiring 9 are formed on the conductor layer of the substrate 6.
  • the circuit body 1 and the capacitor 2 are connected to the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4 using a bonding material such as solder.
  • the circuit body 1 has a signal terminal 8 for connection to a signal wiring 9.
  • the positive electrode wiring 3, the negative electrode wiring 4, and the output wiring 7 are each formed to be thicker than the signal wiring 9 connected to the circuit body 1, and the current to be supplied to the load to which they are connected is larger than that of other wirings. It has a configuration compatible with electric current.
  • the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4 have through-vias 5 (hereinafter referred to as vias 5).
  • the via 5 is provided in a region where the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4 of each phase are not stacked on each other.
  • vias 5 are formed by penetrating the substrate 6 in the thickness direction, so that the wirings having the same potential are electrically connected to each other.
  • the first and second layers are connected to the positive electrode wiring 3, and the third and fourth layers are By using the negative electrode wiring 4, the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4 can be stacked without reducing the cross-sectional area of the positive electrode wiring 3 and the negative electrode wiring 4.
  • the positive electrode wiring 3 is connected to the positive terminal of a DC voltage source such as a battery (not shown), and the negative electrode wiring 4 is connected to the negative terminal of a DC voltage source such as a battery (not shown).
  • a DC voltage source such as a battery (not shown)
  • the negative electrode wiring 4 is connected to the negative terminal of a DC voltage source such as a battery (not shown).
  • the capacitors 2 are connected in line along the substrate 6 in order to satisfy the capacitance determined according to the desired amount of input voltage fluctuation. It has a positive terminal 10 and a negative terminal 11 as terminals.
  • the positive electrode terminal 10 of the capacitor 2 is electrically connected to the main circuit high voltage side terminal of the circuit body 1 on the high side (upper arm) side by being connected to the positive electrode wiring 3. Further, the positive electrode wiring 3 is connected to the positive electrode terminal 10 of the capacitor 2 of the other phase and the high voltage side terminal for the main circuit of the circuit body 1 on the high side side of the other phase.
  • the negative electrode terminal 11 of the capacitor 2 is connected to the negative electrode wiring 4 and thereby connected to the main circuit low voltage side terminal of the circuit body 1 on the low side (lower arm) side.
  • the negative electrode wiring 4 is connected to the negative electrode terminal 11 of the capacitor 2 of the other phase and the main circuit low voltage side terminal 12 of the low side circuit body 1 of the other phase.
  • the main circuit low voltage side terminal of the circuit body 1 on the high side side is connected to the main circuit high voltage side terminal of the circuit body 1 on the low side side by the output wiring 7 of each phase.
  • the output wiring 7 of each phase is connected to a load such as a motor (not shown).
  • the control terminal of the circuit body 1 is connected to a control circuit (not shown), and is turned on or off based on a signal input from a higher-level control device such as a microcomputer, thereby outputting an alternating current voltage to a load such as a motor. do.
  • a control circuit not shown
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the circuit body 1 (hereinafter referred to as semiconductor module 1).
  • the semiconductor module 1 includes a semiconductor element 23 and a heat exchanger plate 20 (lead frame 20).
  • the semiconductor element 23 and the heat exchanger plate 20 are molded with resin 24 (resin).
  • the semiconductor element 23 is connected to the heat exchanger plate 20 via solder on both surfaces of the chip. Note that the connection between the semiconductor element 23 and the heat exchanger plate 20 is not limited to solder, and a sintered material, a hybrid material of metal and resin, or the like may be used.
  • a gate pad (not shown) on the top surface of the chip of the semiconductor element 23 and the lead terminal 12 are connected by wire bonding 13.
  • the lead terminals 12 protruding outward from the heat exchanger plate 20 are connected to the substrate 6 by solder.
  • the heat exchanger plate 20 has a first heat exchanger plate 20a on the upper side in FIG. 3 (source side) and a second heat exchanger plate 20b on the lower side.
  • the thermally conductive materials 21a and 21b are, for example, TIM.
  • the thermally conductive materials 21a and 21b are semi-solid thermally conductive materials that are placed in contact with the first heat exchanger plate 20a and so as to cover one surface of the semiconductor module 1.
  • the semi-solid thermally conductive material refers to a thermally conductive material that is made of a material such as filler or grease, and whose shape changes when it is pressed.
  • the thermally conductive materials 21a and 21b are in contact with the insulating sheet 22 on the surface (the surface of the second thermally conductive material 21b) opposite to the surface that contacts the heat exchanger plate 20a (the surface of the first thermally conductive material 21a). There is.
  • the insulating sheet 22 is in contact with the first cooling water channel 26a on the surface opposite to the surface in contact with the second thermally conductive material 21b.
  • this semiconductor module 1 has a stepped portion 24a formed to surround the first thermally conductive material 21a on one surface (upper surface side) that contacts the thermally conductive materials 21a and 21b.
  • the step portion 24a is formed by processing a part of the mold resin 24 at the end of the upper surface of the semiconductor module 1.
  • the step portion 24a has two convex shapes in the cross-sectional view of FIG.
  • the first thermally conductive material 21a is disposed inside the stepped portion 24a, so that the first thermally conductive material 21a is surrounded by the stepped portion 24a.
  • the second thermally conductive material 21b has a larger area than the first thermally conductive material 21a.
  • the draft angle of the die is 3 degrees or more.
  • the height of the semiconductor module 1 including the heat transfer plate 20 to which the chips of the semiconductor elements 23 are soldered was found to vary within a range of less than 100 ⁇ m when prototyped and studied. Therefore, from the viewpoint of thermal resistance and material cost, it is desirable that the thickness of the first thermally conductive material 21a is 100 ⁇ m or less. Further, from the viewpoint of pump-out, the second thermally conductive material 21b can be made as thin as possible to lower the thermal resistance, but at the same time, it is necessary to absorb variations in the height of the upper surface of the stepped portion 24a of the semiconductor module 1 mounted on the substrate 6. There is also. Therefore, it is desirable that the thickness of the second thermally conductive material 21b is 100 ⁇ m or less.
  • the semiconductor module 1 is in contact with the third thermally conductive material 21c via the heat transfer plate 20b on the surface below the substrate 6 (lower side in FIG. 3).
  • the substrate 6 is in contact with the heat dissipation sheet 25 on the lower surface of FIG.
  • the heat dissipation sheet 25 is in contact with the second cooling water channel 26b on the surface opposite to the surface that contacts the substrate 6.
  • the two thermally conductive materials may be integrated and arranged as one thermally conductive material 21 on one surface of the semiconductor module 1. .
  • FIG. 4(a) is a diagram showing an example of the first manufacturing method
  • FIG. 4(b) is a diagram after the resin mold is poured into the mold of FIG. 4(a) and cured.
  • a semiconductor element 23 is connected to the first heat exchanger plate 20a by soldering, and wire bonding 13 is applied to the semiconductor element 23 and the lead terminal 12.
  • a semi-solid first heat conductive material 21a is arranged between the frame of the mold 28 and the first heat exchange plate 20a so as to be in contact with the first heat exchange plate 20a.
  • transfer molding is performed using the resin 24. Thereby, it is possible to form the semiconductor module 1 which has the stepped portion 24a on one surface and in which the surface of the first heat exchanger plate 20a is exposed.
  • the first heat conductive material 21a is placed in the mold 28 before resin molding, no gap is created between the first heat transfer plate 20a and the mold 28. In addition, overmolding, which increases thermal resistance, can be prevented. Furthermore, the grinding and cleaning steps that are performed before resin molding to eliminate overmolding that occurs when the first thermally conductive material 21a is not placed are simplified. Furthermore, metal pieces and residues remain after cleaning, which can prevent deterioration in insulation and peeling of the first thermally conductive material 21a. In this way, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to provide the semiconductor module 1 in which one electrode surface of the heat exchanger plate 20 is exposed at the stage when resin molding is completed.
  • the semiconductor module 1 produced by this manufacturing method is mounted on the substrate 6, and the upper surface (one surface) of the semiconductor module 1 is further brought into contact with the second heat conductive material 21b, and the lower surface (the other surface) is contacted with the third heat conductive material 21b.
  • the materials 21c are brought into contact with each other, an insulating sheet 22 is pasted on each, and finally the cooling channels 26a and 26b are sandwiched from above and below. Thereby, the power conversion device 100 is completed.
  • the thermal resistance increases due to pump-out or void formation.
  • the first thermally conductive material 21a is sandwiched between the stepped portions 24a and the second thermally conductive material 21b is disposed on the upper surface of the first thermally conductive material 21a. Pump-out can be suppressed.
  • FIGS. 5(a) to 5(c) are diagrams illustrating the second manufacturing method.
  • the semiconductor element 23 and the lead terminal 12 connected to the first heat exchanger plate 20a and the second heat exchanger plate 20b, respectively, are mounted on the mold 28.
  • a gap 28a is created between the heat exchanger plate 20a and the mold 28 due to variations in solder thickness, inclination of the first heat exchanger plate 20a, and the like.
  • FIG. 5(b) the resin 24 is poured into the mold 28 and transfer molding is performed. As a result, the resin flows into the gap 28a above the first heat exchanger plate 20a shown in FIG. 5(a), and the semiconductor module 1 in which the overmolded portion 24b is formed is completed.
  • FIG. 5(c) only the resin 24, which is a part of the molded resin 24 on one side of the semiconductor module 1 and is overmolded 24b on the upper side of the heat exchanger plate 20a, is removed by, for example, a laser decapper 27. do. By carrying out this step, it is possible to provide the semiconductor module 1 in which the stepped portion 24a surrounding the heat exchanger plate 20a is formed and one electrode surface of the heat exchanger plate 20a is exposed.
  • Semi-solid heat conductive materials 21a and 21b are placed in contact with the exposed surface of the heat transfer plate 20a of the semiconductor module 1 and cover the mold resin 24 on one surface, and
  • the cooling channels 26a and 26b, which are heat radiating members for radiating heat from the semiconductor module 1, are assembled to the semiconductor module 1 manufactured above. By doing so, the power conversion device 100 of the present invention can be provided.
  • the width of the stepped portion 24a in the direction where the lead terminal 12 is located is the width a1, a2 from the left in FIG. 6, and the width of the stepped portion 24a in the direction where the lead terminal 12 is not located is the width b1, b2 from the top in FIG.
  • the second thermally conductive material 21b had a problem in which a portion of the pumped-out thermally conductive material 21 fell between the lead terminals 12, resulting in a decrease in insulation properties.
  • the invention makes it difficult for the thermally conductive material 21 to pump out and increases the resistance of the cooling channel 26. Furthermore, even if the heat conductive material 21b pumps out and falls down, it falls preferentially to the side where the lead terminal 12 is not present, so the insulation properties do not deteriorate.
  • the semiconductor module 1 is formed so as to surround a portion of the thermally conductive material 21a, 21b (first thermally conductive material 21a) on one surface that contacts the semi-solid thermally conductive material 21a, 21b. It has a stepped portion 24a. By doing so, it is possible to suppress pump-out and provide the semiconductor module 1 in which one electrode surface of the heat exchanger plate 20a is exposed.
  • the thermally conductive material 21 is in contact with the first thermally conductive material 21a arranged so as to be surrounded by the stepped portion 24a, and is larger than the first thermally conductive material 21a.
  • the first thermally conductive material 21a and the second thermally conductive material 21b are integrally arranged on one surface of the semiconductor module 1. By doing so, the connectivity between the first thermally conductive material 21a and the second thermally conductive material 21b is improved, contributing to the heat dissipation of the semiconductor module 1.
  • the surface of the thermally conductive material 21a is exposed, and the other surface of the semiconductor module 1 is in contact with a third thermally conductive material 21c different from the thermally conductive material 21a, and a third thermally conductive material 21c is exposed.
  • the conductive material 21c contacts a second heat radiating member 26b different from the heat radiating member 26a on a surface opposite to the surface contacting the semiconductor module 1.
  • the semiconductor module 1 is formed by molding the heat exchanger plates 20a and 20b connected to the semiconductor element 23 with the resin 24, and one of the semiconductor modules 1 thus formed is By removing a portion of the molded resin 24 on the surface, the surface of the heat exchanger plate 20a is exposed, and a stepped portion is formed to surround the surface of the heat exchanger plate, and a step portion is formed on the exposed surface of the heat exchanger plate 20a.
  • a semi-solid thermally conductive material 21a disposed so as to be in contact with and cover the mold resin 24 on one side, and a heat dissipating member 26 that radiates heat from the semiconductor module 1 via the thermally conductive material 21a are attached to the semiconductor module 1. Assemble. By doing so, it is possible to manufacture the power conversion device 100 that achieves cost reduction, productivity improvement, and reliability improvement.

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Abstract

電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子と接続する伝熱板と、前記半導体素子および前記伝熱板が樹脂によってモールドされて形成される半導体モジュールと、前記伝熱板に接触し、かつ前記半導体モジュールの一方の面を覆うように配置される半固体状の熱伝導材と、前記熱伝導材を介して前記半導体モジュールを放熱する放熱部材と、を備える。

Description

電力変換装置、電力変換装置の製造方法
　本発明は、電力変換装置、電力変換装置の製造方法
に関する。
　両面冷却構造を有する電力変換装置は、放熱部材である冷却水路との間にＴＩＭ（Thermal Interface Material）等の熱伝導材を配置するが、この熱伝導材と半導体モジュールが備えるリードフレーム（伝熱板）との接触状況により、装置の信頼性が低下する可能性がある。また、電力変換装置にはコスト低減や生産性の向上も併せて求められている。
　下記の特許文献１では、半導体素子の上面に伝熱層を設けることで、半導体素子で発生した熱を外部に効率的に放熱する構造を有する装置について開示されている。
特許第５７４０９９５号公報
　特許文献１に記載の構造では、伝熱層（熱伝導材）であるＴＩＭがポンプアウトする可能性があり、これにより熱抵抗が上昇したり絶縁性が低下したりする課題が生じる。これを鑑みて本発明は、コスト低減、生産性の向上、信頼性の向上を実現する電力変換装置および電力変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
　電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子と接続する伝熱板と、前記半導体素子および前記伝熱板が樹脂によってモールドされて形成される半導体モジュールと、前記伝熱板に接触し、かつ前記半導体モジュールの一方の面を覆うように配置される半固体状の熱伝導材と、前記熱伝導材を介して前記半導体モジュールを放熱する放熱部材と、を備える。
　また、電力変換装置の製造方法として、半導体素子と接続する伝熱板を樹脂によってモールドすることで半導体モジュールを形成し、形成した前記半導体モジュールの一方の面のモールド樹脂の一部を除去することで、前記伝熱板の面を露出し、かつ前記伝熱板の面を囲うように形成する段差部を形成し、前記伝熱板の露出面に接触し、かつ前記一方の面の前記モールド樹脂を覆うように配置した半固体状の熱伝導材と、前記熱伝導材を介して前記半導体モジュールを放熱する放熱部材と、を前記半導体モジュールに組み付ける方法を採用する。
　コスト低減、生産性の向上、信頼性の向上を実現する電力変換装置および電力変換装置の製造方法を提供できる。
電力変換装置の回路図 電力変換装置の全体図 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の断面図 電力変換装置の第１の製造方法を説明する図 電力変換装置の第２の製造方法を説明する図 第１熱伝導材と半導体モジュールとの位置関係を説明する図 第２熱伝導材と半導体モジュールとの位置関係を説明する図
　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全体構成）
（図１）
　電力変換装置１００において、電力変換回路を構成する複数の回路体１は、それぞれＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体素子によって構成される。直列接続された２つの回路体１と１つのキャパシタ２が対になることでそれぞれ１相分の電力変換回路になっている。３相の電力変換回路は、それぞれ正極配線３および負極配線４と接続されている。
　回路体１（半導体モジュール１）は、主回路用高圧側端子(ＩＧＢＴであればコレクタ端子、ＭＯＳＦＥＴであればドレイン端子)と、主回路用低圧側端子(ＩＧＢＴであればエミッタ端子、ＭＯＳＦＥＴであればソース端子)と、制御用端子(ゲート端子)の３つの端子を有している。
（図２）
　電力変換装置１００は、複数のパワー半導体素子をそれぞれ有する複数の回路体１と、回路体１に電気的に接続され、厚さ方向に複数の正極配線３および負極配線４がそれぞれ互いに積層されて設けられている配線基板６（以下基板６）と、複数の回路体１にそれぞれ対応して設けられる複数の平滑キャパシタ２と、を備えている。正極配線３および負極配線４は、基板６の厚さ方向（図２の紙面手前－奥方向）に互いに積層され、かつ各相のキャパシタ２と回路体１を接続する（詳細は図４～図７で後述）。
　図２は、回路体１を４つずつ並列配置し、正極配線３および負極配線４を間に挟んで対向するように配置することで８つの回路体１を１相の回路として、３相分を基板６上に備えた構成例を示している。このように、回路体１は、所望の出力電流値に応じて多並列接続する配置にしてもよい。同様に、所望の入力電圧変動量に応じて定まるキャパシタ容量を満足させるために、キャパシタ２は基板６に多並列接続してもよい。
　基板６は、厚さ方向に複数の導体層を有し、それぞれの導体層は樹脂層を介して積層されている。基板６の導体層には、正極配線３と、負極配線４と、出力配線７と、信号配線９が形成されている。正極配線３および負極配線４には、回路体１やキャパシタ２が、はんだなどの接合材によって接続される。回路体１は、信号配線９と接続するための信号端子８を有している。正極配線３と負極配線４と出力配線７は、回路体１に接続される信号配線９よりもそれぞれが太く形成されており、接続先の負荷へ供給するための電流が他の配線よりも大きい電流であることに対応した構成を有している。
　正極配線３および負極配線４は、貫通ビア５（以下ビア５）を有している。ビア５は、各相の正極配線３および負極配線４が互いに積層されていない領域に設けられる。複数の正極配線３または負極配線４は、それぞれが基板６の厚さ方向に貫通してビア５が形成されることによって、同電位の配線同士が互いに電気的に導通されている。これにより、ビア５が設けられていない領域は、正極配線３および負極配線４の断面積低下を抑制し、ビア５を設けている領域は、正極配線３および負極配線４が分断されることを抑制している。
　なお、ビア５にブラインドビアを用いる場合、４層で形成される基板６の上面（図２の手前の面）から１層目と２層目を正極配線３、３層目と４層目を負極配線４とすることで、正極配線３および負極配線４の断面積を低下させずに正極配線３と負極配線４を積層させることができる。
　正極配線３は図示されていないバッテリなどの直流電圧源の正極端子に接続され、負極配線４は図示されていないバッテリなど直流電圧源の負極端子に接続される。これにより、各相の回路には直流電圧が供給される。
　キャパシタ２は、所望の入力電圧変動量に応じて定まるキャパシタ容量を満足させるため、基板６に沿って並んで接続されており、また、基板６の正極配線３および負極配線４に接続するための端子として、正極端子１０および負極端子１１を有している。
　キャパシタ２の正極端子１０は、正極配線３に接続されることで、ハイサイド（上アーム）側の回路体１の主回路用高圧側端子に電気的に接続される。また、正極配線３は、他相のキャパシタ２の正極端子１０および他相のハイサイド側の回路体１の主回路用高圧側端子に接続される。キャパシタ２の負極端子１１は、負極配線４に接続されることで、ローサイド（下アーム）側の回路体１の主回路低圧側端子に接続される。負極配線４は、他相のキャパシタ２の負極端子１１および他相のローサイド側回路体１の主回路用低圧側端子１２に接続される。ハイサイド側の回路体１の主回路低圧側端子は、各相の出力配線７によってローサイド側の回路体１の主回路高圧側端子に接続される。各相の出力配線７は、図示されていないモータなどの負荷に接続される。
　回路体１の制御用端子は図示されていない制御回路に接続され、マイコンなど上位の制御装置より入力される信号に基づいてオンまたはオフされることにより、モータなどの負荷へ交流の電圧を出力する。
（図３）
　図３は回路体１（以下半導体モジュール１）の構成を示す断面図である。半導体モジュール１は、半導体素子２３、伝熱板２０（リードフレーム２０）を備えている。半導体素子２３および伝熱板２０は、樹脂２４（レジン）によってモールドされている。半導体素子２３は、そのチップ両面においてはんだを介して伝熱板２０と接続している。なお、半導体素子２３と伝熱板２０との接続は、はんだに限定されず、焼結材、金属と樹脂のハイブリッド材などを使用してもよい。半導体素子２３のチップ上面のゲートパッド（図示せず）とリード端子１２は、ワイヤボンディング１３で接続される。
　伝熱板２０から外部に突出するリード端子１２は、基板６とはんだで接続される。伝熱板２０は、図３上側の伝熱板２０（ソース側）を第１伝熱板２０ａ、下側を第２伝熱板２０ｂとする。
　第１伝熱板２０ａの上面には、２つの熱伝導材２１ａ，２１ｂが配置されている。熱伝導材２１ａ，２１ｂは、例えばＴＩＭである。熱伝導材２１ａ，２１ｂは、第１伝熱板２０ａに接触し、かつ半導体モジュール１の一方の面を覆うように配置される半固体状の熱伝導材である。なお、半固体状の熱伝導材とは、フィラーやグリスなどの材料で構成され、押されることで形が変形する熱伝導材を指す。
　熱伝導材２１ａ，２１ｂは、伝熱板２０ａと接触する面（第１熱伝導材２１ａの面）とは反対側の面（第２熱伝導材２１ｂの面）で絶縁シート２２と接触している。絶縁シート２２は、第２熱伝導材２１ｂと接触する面とは反対側の面で第１冷却水路２６ａと接触している。このような構造であるため、半導体モジュール１から発生する熱は、熱伝導材２１ａ，２１ｂを介して、放熱部材である第１冷却水路２６ａによって、放熱される。
　また、この半導体モジュール１は、熱伝導材２１ａ，２１ｂと接触する一方の面（上面側）において、第１熱伝導材２１ａの周囲を囲うように形成される段差部２４ａを有している。段差部２４ａは、半導体モジュール１の上面端部においてモールド樹脂２４の一部を加工することで形成される。段差部２４ａは、図３の断面図上では２つの凸形状になっている。熱伝導材２１ａ，２１ｂのうち、第１熱伝導材２１ａは、段差部２４ａの内部側に配置されることで、段差部２４ａに周囲が囲われるように配置される。一方で、第２熱伝導材２１ｂは、第１熱伝導材２１ａよりも大きい面積を有する。なお、離型性の観点から段差部２４ａの凸部を型抜きで形成する場合、型の抜き勾配は３度以上であることが望ましい。
　半導体素子２３のチップをはんだ付けした伝熱板２０を含んだ半導体モジュール１の高さは、試作・検討したところ、１００μｍ未満の範囲でばらつきを有していた。よって、熱抵抗や材料コストの観点から、第１熱伝導材２１ａの厚さは１００μｍ以下であることが望ましい。また、第２熱伝導材２１ｂは、ポンプアウトの観点からできるだけ薄い方が熱抵抗を下げられるが、同時に基板６に搭載した半導体モジュール１の段差部２４ａの上面の高さのばらつきを吸収する必要もある。そのため第２熱伝導材２１ｂの厚さは１００μｍ以下であることが望ましい。
　半導体モジュール１は、基板６よりも下側（図３下側）の面において、伝熱板２０ｂを介して第３熱伝導材２１ｃと接触している。基板６は、図３の下面において放熱シート２５と接触している。放熱シート２５は、基板６と接触する面とは反対側の面で第２冷却水路２６ｂと接触している。このような構造であるため、半導体モジュール１の両面が熱伝導材２１ａ，２１ｂ，２１ｃによって覆われ、かつ半導体モジュール１および基板６から発生する熱は、半導体モジュール１を両面から挟み込んで配置される冷却水路２６ａ，２６ｂによって放熱される。
　なお、２つの熱伝導材である第１熱伝導材２１ａと第２熱伝導材２１ｂは、一体化して１つの熱伝導材２１として半導体モジュール１の一方の面に配置されるようにしてもよい。
（電力変換装置の第１の製造方法）
（図４）
　図４（ａ）は第１の製造方法の一例を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）の金型に樹脂モールド流入して硬化させた後の図である。第１伝熱板２０ａには半導体素子２３がはんだ付けで接続されており、半導体素子２３とリード端子１２はワイヤボンディング１３が施されている。さらに、金型２８の枠と第１伝熱板２０ａとの間に、第１伝熱板２０ａに接触するように半固体状の第１熱伝導材２１ａが配置されている。上記のように、伝熱板２０ａ，２０ｂ、半導体素子２３、第１熱伝導材２１ａを、金型２８内にセットしたら、樹脂２４によってトランスファーモールドを実施する。これにより、一方の面において段差部２４ａを備え、かつ第１伝熱板２０ａの面が露出した半導体モジュール１が形成できる。
　このように、樹脂モールド前に、第１熱伝導材２１ａが配置された状態で金型２８にセットされていることで、第１伝熱板２０ａと金型２８との間にすき間が生じずに、熱抵抗が大きくなるオーバーモールドを防止できる。また、樹脂モールド前に、第１熱伝導材２１ａが配置されない状態によって発生するオーバーモールドを解消するために行われる、研削や洗浄の工程が簡略化される。また、洗浄後に金属片や残渣が残り、絶縁性の低下や第１熱伝導材２１ａの剥離を防止できる。このように、本発明の製造方法により、樹脂モールドが完了した段階で、伝熱板２０の一方の電極面が露出している状態の半導体モジュール１を提供できる。
　この製造方法によって作成した半導体モジュール１を基板６に実装し、半導体モジュール１の上面（一方の面）にさらに第２熱伝導材２１ｂを接触させ、また下面（他方の面）に第３熱伝導材２１ｃを接触させ、それぞれに絶縁シート２２を張り付け、最後に冷却水路２６ａ，２６ｂで上下から挟み込む。これにより、電力変換装置１００が完成する。
　従来においては、樹脂モールド後に段差部２４ａを有しない半導体モジュール１ができた場合、ポンプアウトが生じたりボイドができたりすることで、熱抵抗が上昇する課題が生じていた。しかしながら、本発明の製造方法によって半導体モジュール１を組み立てることで、段差部２４ａで第１熱伝導材２１ａを挟み込み、その上面に第２熱伝導材２１ｂを配置するため、第２熱伝導材２１ｂのポンプアウトを抑制できる。
（電力変換装置の第２の製造方法）
（図５）
　図５（ａ）～図５（ｃ）は、第２の製造方法を説明する図である。まず図５（ａ）で、第１伝熱板２０ａ，第２伝熱板２０ｂとそれぞれ接続した半導体素子２３、リード端子１２を金型２８に実装する。このとき、伝熱板２０ａと金型２８との間には、はんだ厚さのばらつきや第１伝熱板２０ａの傾き等が原因で、隙間２８ａが生じている。
　つづいて図５（ｂ）では、金型２８に樹脂２４を流し込みトランスファーモールドを実施する。これにより、図５（ａ）で示された第１伝熱板２０ａの上の隙間２８ａに樹脂が流入し、オーバーモールド２４ｂされている部分が形成された半導体モジュール１ができる。そして、図５（ｃ）では、半導体モジュール１の一方の面のモールド樹脂２４の一部であり、伝熱板２０ａの上側のオーバーモールド２４ｂされた樹脂２４だけを、例えばレーザーデキャッパー２７で除去する。この工程を実施することにより、伝熱板２０ａを囲うように設けられる段差部２４ａが形成され、伝熱板２０ａの一方の電極面が露出している状態の半導体モジュール１を提供できる。
　この半導体モジュール１の伝熱板２０ａの露出面に接触し、かつ一方の面のモールド樹脂２４を覆うように配置した半固体状の熱伝導材２１ａ，２１ｂと、熱伝導材２１ａ，２１ｂを介して半導体モジュール１を放熱する放熱部材である冷却水路２６ａ，２６ｂと、を前述で製造した半導体モジュール１に組み付ける。このようにすることで、本発明の電力変換装置１００を提供できる。
（図６）
　半導体モジュール１の樹脂２４において、段差部２４ａと第１熱伝導材２１ａとの関係には以下の関係が成り立つ。リード端子１２がある方向の段差部２４ａの幅を図６の左から幅ａ１，ａ２、リード端子１２がない方向の段差部２４ａの幅を図６の上から幅ｂ１，ｂ２とする。この時、ａ１＞ｂ１、または、ａ１＞ｂ２である。また、ａ２＞ｂ１，または、ａ２＞ｂ２である。これにより、従来では、第２熱伝導材２１ｂは、ポンプアウトした熱伝導材２１の一部がリード端子１２間に落ちたりすることで絶縁性の低下が生じる課題が発生していたが、本発明により熱伝導材２１がポンプアウトしづらくなり、かつ冷却水路２６の抵抗が大きくなる。また、熱伝導材２１ｂがポンプアウトして下に落ちるとしても、リード端子１２がない方に優先的に落ちることになるため、絶縁性は低下しない。
（図７）
　半導体モジュール１の上面で接触する第２熱伝導材２１ｂについて、半導体モジュール１の段差部２４ａから飛び出た第２熱伝導材２１ｂの長さについて、次の関係が成り立つ。リード端子１２がある方向に段差部２４ａより第２熱伝導材２１ｂが飛び出た距離を、図７の左からｃ１，ｃ２、リード端子１２がない方向に段差部２４ａより第２熱伝導材２１ｂが飛び出た距離を、図７の上からｄ１，ｄ２とする。このとき、０＜ｃ１＜ｄ１、または、０＜ｃ１＜ｄ２である。また、０＜ｃ２＜ｄ１、または、０＜ｃ２＜ｄ２である。これにより、第２熱伝導材２１ｂがポンプアウトして下に落ちるとしても、リード端子１２がない方に優先的に落ちることになるため、リード端子１２の絶縁性は低下しない。
　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）半導体素子２３と、半導体素子２３と接続する伝熱板２０ａ，２０ｂと、半導体素子２３および伝熱板２０ａ，２０ｂが樹脂２４によってモールドされて形成される半導体モジュール１と、伝熱板２０ａ，２０ｂに接触し、かつ半導体モジュール１の一方の面を覆うように配置される半固体状の熱伝導材２１ａ，２１ｂと、熱伝導材２１ａ，２１ｂを介して半導体モジュールを放熱する放熱部材２６と、を備える。このようにしたことで、コスト低減、生産性の向上、信頼性の向上を実現する電力変換装置１００を提供できる。
（２）半導体モジュール１は、半固体状の熱伝導材２１ａ，２１ｂと接触する一方の面において、熱伝導材２１ａ，２１ｂの一部（第１熱伝導材２１ａ）の周囲を囲うように形成される段差部２４ａを有する。このようにしたことで、ポンプアウトを抑制し、伝熱板２０ａの一方の電極面が露出している状態の半導体モジュール１を提供できる。
（３）熱伝導材２１は、段差部２４ａに周囲が囲われるように配置される第１熱伝導材２１ａと、第１熱伝導材２１ａと接触し、かつ第１熱伝導材２１ａよりも大きい面積を有する第２熱伝導材２１ｂと、を備える。このようにしたことで、半導体モジュール１の両面が熱伝導材２１によって覆われ、かつ半導体モジュール１および基板６から発生する熱は、半導体モジュール１を両面から挟み込んで配置される冷却水路２６ａ，２６ｂによって放熱される。
（４）第１熱伝導材２１ａと第２熱伝導材２１ｂは、一体化して半導体モジュール１の一方の面に配置される。このようにしたことで、第１熱伝導材２１ａと第２熱伝導材２１ｂとの接続性が向上し、半導体モジュール１の放熱性に貢献する。
（５）半導体モジュール１の一方の面は熱伝導材２１ａの面が露出し、かつ半導体モジュール１の他方の面は熱伝導材２１ａとは異なる第３熱伝導材２１ｃと接触し、第３熱伝導材２１ｃは、半導体モジュール１と接触する面とは反対側の面で放熱部材２６ａとは異なる第２放熱部材２６ｂと接触する。このようにしたことで、半導体モジュール１を両面冷却した電力変換装置１００を提供できる。
（６）本発明の電力変換装置１００の製造方法として、半導体素子２３と接続する伝熱板２０ａ，２０ｂを樹脂２４によってモールドすることで半導体モジュール１を形成し、形成した半導体モジュール１の一方の面のモールド樹脂２４の一部を除去することで、伝熱板２０ａの面を露出し、かつ伝熱板の面を囲うように形成する段差部を形成し、伝熱板２０ａの露出面に接触し、かつ一方の面のモールド樹脂２４を覆うように配置した半固体状の熱伝導材２１ａと、熱伝導材２１ａを介して半導体モジュール１を放熱する放熱部材２６と、を半導体モジュール１に組み付ける。このようにしたことで、コスト低減、生産性の向上、信頼性の向上を実現する電力変換装置１００を製造できる。
　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。
１　回路体（半導体モジュール）
２　キャパシタ
３　正極配線
４　負極配線
５　ビア
６　配線基板
　６ａ　中心線
７　出力配線
８　信号端子
９　信号配線
１０　キャパシタ正極端子
１１　キャパシタ負極端子
１２　リード端子
１３　ワイヤボンディング
２０　伝熱板（リードフレーム）
　２０ａ　第１伝熱板
　２０ｂ　第２伝熱板
２１　熱伝導材（ＴＩＭ）
　２１ａ　第１熱伝導材
　２１ｂ　第２熱伝導材
　２１ｃ　第３熱伝導材
２２　絶縁シート
２３　半導体素子（チップ）
２４　モールド樹脂（モールドレジン）
　２４ａ　段差部（凸部）
　２４ｂ　オーバーモールド
２５　放熱シート
２６　冷却水路（放熱部材）
　２６ａ　第１冷却水路
　２６ｂ　第２冷却水路
２７　レーザーデキャッパー
２８　金型
　２８ａ　金型とリードフレームとの隙間
１００　電力変換装置
ａ１　リード端子がある方向の段差部の上面の幅
ｂ１　リード端子がない方向の段差部の上面の幅
ｃ１　リード端子がある方向に第２放熱部材が飛び出た距離
ｄ１　リード端子がない方向に第２放熱部材が飛び出た距離

Claims (6)

  1. 　半導体素子と、
    　前記半導体素子と接続する伝熱板と、
    　前記半導体素子および前記伝熱板が樹脂によってモールドされて形成される半導体モジュールと、
    　前記伝熱板に接触し、かつ前記半導体モジュールの一方の面を覆うように配置される半固体状の熱伝導材と、
    　前記熱伝導材を介して前記半導体モジュールを放熱する放熱部材と、を備える
    　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、
    　前記半導体モジュールは、前記半固体状の熱伝導材と接触する前記一方の面において、前記熱伝導材の一部の周囲を囲うように形成される段差部を有する
    　電力変換装置。
  3. 　請求項２に記載の電力変換装置であって、
    　前記熱伝導材は、前記段差部に周囲が囲われるように配置される第１熱伝導材と、前記第１熱伝導材と接触し、かつ前記第１熱伝導材よりも大きい面積を有する第２熱伝導材と、を備える
    　電力変換装置。
  4. 　請求項３に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１熱伝導材と前記第２熱伝導材は、一体化して前記半導体モジュールの前記一方の面に配置される
    　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、
    　前記半導体モジュールの一方の面は前記熱伝導材の面が露出し、かつ前記半導体モジュールの他方の面は前記熱伝導材とは異なる第３熱伝導材と接触し、
    　前記第３熱伝導材は、前記半導体モジュールと接触する面とは反対側の面で前記放熱部材とは異なる第２放熱部材と接触する
    　電力変換装置。
  6. 　半導体素子と接続する伝熱板を樹脂によってモールドすることで半導体モジュールを形成し、
    　形成した前記半導体モジュールの一方の面のモールド樹脂の一部を除去することで、前記伝熱板の面を露出し、かつ前記伝熱板の面を囲うように形成する段差部を形成し、
    　前記伝熱板の露出面に接触し、かつ前記一方の面の前記モールド樹脂を覆うように配置した半固体状の熱伝導材と、前記熱伝導材を介して前記半導体モジュールを放熱する放熱部材と、を前記半導体モジュールに組み付ける
    　電力変換装置の製造方法。
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