JP6710163B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体装置に関し、特に車両駆動用のモータを制御する電力変換装置に用いられるパワー半導体装置に関する。

近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急務である。ハイブリッド自動車や電気自動車においては搭載される部品の小型化や低コスト化が重要視され、電力変換装置も例外ではなく、小型化や低コスト化が求められている。

電力変換装置の小型化に伴い発熱密度が高くなるため、電力変換装置を構成する電子部品の中で発熱量が大きいパワー半導体装置においては、冷却性能を向上させる必要があり、例えば特許文献１に示すように、両面直接冷却方式のパワー半導体装置が開示されている。

特許文献１に記載のパワー半導体装置においては、パワー半導体チップの表裏両面を導電板に半田付けし、導体板を露出した状態で樹脂により封止した封止体を、両面に放熱部材を有する筒型の金属ケース内に、収納された構造となっている。金属ケースの内側（放熱部材）と導体板との間は熱伝導性の絶縁接着剤（絶縁部材）により接着されており、パワー半導体チップの発熱を、両面の導体板、熱伝導性の絶縁接着剤（絶縁部材）、放熱部材を介して、外部に放熱している。

チップ発熱部から放熱部材への熱伝達を良好に行うためには、金属ケースの内側放熱部材と熱伝導性の絶縁性樹脂とは、はく離することなく密着した構造であることが好ましい。このため、金属ケースの外側から加圧し、金属ケースを潰すことにより金属ケースの内側（放熱部材）と熱伝導性の絶縁性樹脂、封止体とを接着させた構造としている。

特開２０１３−２１１９４２号公報

しかし、パワー半導体装置の小型化のため、金属ケースの開口部（フランジ）を小型化すると、フランジの剛性が低下する。これにより、ケースを潰す工程において、開口部付近のケースのスプリングバックの増加が顕在化してきた。スプリングバックの増加は、金属ケースの内側放熱部材と熱伝導性の絶縁性樹脂の引き剥がし力の増加につながるため、界面ではく離しやすくなり、パワー半導体装置の放熱性能の劣化が懸念される。

そこで、本発明の課題は、金属製ケースの変形工程における絶縁性樹脂のはく離を防止し、放熱性能の劣化を防止し、信頼性の高いパワー半導体装置を提供することにある。

本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体素子を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、を備え、前記ケースは、前記回路体を挟む第１ベース部及び第２ベース部と、当該ケースの収納空間に繋がる開口部を形成する枠部と、当該枠部と当該第１ベース又は当該第２ベースを接続するとともに、当該第１ベース及び当該第２ベースよりも薄く形成される接続部と、を有し、前記接続部は、前記枠部の前記開口部の近い側の第１接続部と、前記枠部の前記開口部の遠い側の第２接続部と、を有し、前記第１接続部は、前記第２接続部よりも剛性を小さくするように形成された。

本発明によれば、開口部付近の金属製ケースのスプリングバック量を低減でき、絶縁部材がケース内側（放熱部材）からのはく離を防止できるため、回路体の放熱性能の劣化を防止し，信頼性の高いパワー半導体装置が実現できる。

本発明の電力変換装置２００の一実施の形態としての外観斜視図である。 図１に図示された電力変換装置２００の分解斜視図である。 本発明のパワーモジュール１００の一実施の形態としての外観平面図である。 図３に図示されたパワーモジュール１００のＡ−Ａ´線縦断面図である。 本実施形態に係るパワーモジュール１００の金属ケースの断面図である。 本実施形態に係るパワーモジュール１００の回路体３０の断面図である。 比較例となるパワーモジュール１００の製造工程の一部を示す概念断面図であり、上図は金属製ケース４０を変形させる前の状態であり、中央図は金属製ケース４０に荷重を負荷している状態であり、下図は金属製ケース４０から荷重を除荷の状態である。 本実施形態におけるパワーモジュール１００の概念断面図である。 本実施形態の効果を示すグラフである。 第２実施形態を示すパワーモジュール１０１の平面図である。

≪実施形態１≫
［電力変換装置］
以下、図を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を説明する。

図１は、本発明の電力変換装置２００の一実施の形態としての外観斜視図である。図２は、図１に図示された電力変換装置２００の分解斜視図である。

電力変換装置２００は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源装置として用いられる。図示はしないが、電力変換装置２００は、モータジェネレータに接続されたインバータ回路を内蔵し、また、外部のバッテリに接続された昇圧回路および全体を制御する制御回路を備えている。

電力変換装置２００は、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成された筐体本体２０１および筐体本体２０１に締結部材（不図示）により締結される底蓋２０２を有する。筐体本体２０１と底蓋２０２とは、一体成型により形成することもできる。

筐体本体２０１の上部には、不図示の上蓋が締結部材により締結され、密閉状の容器が形成される。

筐体本体２０１の内部には、冷却流路を形成するための周壁２１１が形成され、周壁２１１と底蓋２０２とにより冷却用室２１０が形成されている。

冷却用室２１０内には、複数（図２では４つ）の側壁２２１を有する支持部材２２０および各側壁２２１間に配置される複数（図２では３つ）のパワーモジュール１００が収納される。パワーモジュール１００の詳細は後述する。

筐体本体２０１の一側部には、一対の貫通孔が設けられ、貫通孔の一方には、入口用配管２０３ａが設けられ、貫通孔の他方には、出口用配管２０３ｂが設けられている。

冷却水などの冷却媒体は、入口用配管２０３ａから冷却用室２１０内に流入し、支持部材２２０の側壁２２１と各パワーモジュール１００との間の冷却路を流通して出口用配管２０３ｂから流出する。

出口用配管２０３ｂから流出した冷却媒体は、不図示のラジエータ等の冷却装置によって冷却されて、再び、入口用配管２０３ａから冷却用室２１０内に流入するように循環する。

冷却用室２１０は、シール部材２３１を介在して、カバー部材２４０により密封される。カバー部材２４０は、パワーモジュール１００の端子が挿通される開口部２４１を形成する。カバー部材２４０の周縁部は、冷却用室２１０を形成する周壁２１１の上部に、不図示の締結部材により固定される。

筐体本体２０１の冷却用室２１０の外側領域には、インバータ回路に供給される直流電力を平滑化するための複数のコンデンサ素子２５１を備えるコンデンサモジュール２５０が収納される。

コンデンサモジュール２５０とパワーモジュール１００の上部に、直流側バスバーアセンブリ２６１が配置される。直流側バスバーアセンブリ２６１は、コンデンサモジュール２５０とパワーモジュール１００の間に直流電力を伝達する。

直流側バスバーアセンブリ２６１およびカバー部材２４０の上方には、インバータ回路を制御するドライバ回路部を含んだ制御回路基板アセンブリ２６２が配置されている。

交流側バスバーアセンブリ２６３は、パワーモジュール１００と接続され、交流電力を伝達する。また、交流側バスバーアセンブリ２６３は、電流センサを有する。

［パワーモジュール１００］
図３ないし図６を参照してパワーモジュール１００について説明する。

図３は、本発明のパワーモジュール１００の一実施の形態としての外観平面図である。図４は、図３に図示されたパワーモジュール１００のＡ−Ａ´線縦断面図である。図５は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の金属ケースの断面図である。図６は、本実施形態に係るパワーモジュール１００の回路体３０の断面図である。

図３及び図４に示されるように、パワーモジュール１００は、金属製ケース４０を有し、図５に示される金属製ケース４０内に、図６に示される回路体３０が収納されている。

回路体３０と一対の放熱部材４１との間には、図４に図示されるように、熱伝導性の絶縁層５１が介在している。絶縁層５１は、回路体３０から発生する熱を放熱部材４１に熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム等の薄膜、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いることができる。

図６に示されるように、回路体３０の表裏両面には、パワー半導体素子３１を例えば半田付けなどで接合される導体板３３、３４が表出しており、絶縁層５１は、導体板３３、３４と放熱部材４１とを熱伝導可能に結合している。

また、金属製ケース４０と絶縁層５１は、回路体３０との隙間は第２封止樹脂４９により、埋められている。

図５に示すように、金属製ケース４０は、複数の放熱フィン４２を有する一対の放熱部材４１と、枠体４３と、から構成されている。金属製ケース４０は、例えば一面に挿入口１７を、他面に底部を有する扁平状の筒型形状をした冷却器である。

金属製ケース４０は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。図３ないし図５で示したパワーモジュール１００では、挿入口１７以外には開口を設けない構造であり、挿入口１７はシール部１１によって、その外周を囲まれている。

一対の放熱部材４１は、枠体４３に接合されている。接合としては、例えば、ＦＳＷ（摩擦攪拌接合）、レーザ溶接、ろう付等を適用することができる。このような形状の金属製ケース４０を用いることで、パワーモジュール１００を水や油、有機物などの冷媒が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体がパワーモジュール１００の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。

本実施形態においては、放熱部材４１と枠体４３が別部材のばあいについて示したが、放熱部材４１と枠体４３は同一部材であってもよく、一体化されていてもよい。

放熱部材４１と枠体４３とは、接続部４４や接続部４５を介して接続されている。接続部４４や接続部４５は、放熱部材４１と枠体４３よりも板厚が薄い構造となっている。

図３に示す挿入口１７に近い側の枠体４３と放熱部材４１とは、接続部４４を介して接続されている。また、挿入口１７以外の枠体４３と放熱部材４１とは、接続部４５を介して接続されている。

前述の通り、パワーモジュール１００は、金属製ケース４０の中に回路体３０を挿入し、絶縁層５１を介して、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表裏両面とが接続される。このため、回路体３０の厚さ３０ａと絶縁層５１の厚さの総厚は、パワーモジュール１００の放熱部材４１の内壁４１ａ間の距離４１ｂより小さい。

金属製ケース４０内に回路体３０と絶縁層５１を挿入後、金属製ケース４０に外側から荷重を負荷することにより、接続部４４及び接続部４５を塑性変形させ、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表裏両面を接続させる。

挿入口１７に近い側の枠体４３と放熱部材４１とを接続する接続部４４の長さ４４ａは、挿入口１７以外の枠体４３と放熱部材４１とを接続する、接続部４５の長さ４５ａよりも長く、板厚は同じとなるように形成されている。

図２ないし図４では、金属製ケース４０の挿入口１７側にはシール部１１としてフランジを有した構造を示したが、フランジはなくてもよい。金属製ケース４０に形成された挿入口１７は、回路体３０の挿入するための開口部として機能しているが、回路体３０の挿入する以外の開口部であってもよい。

［回路体３０］
図６に示されるように、パワー半導体素子３１の各電極はそれぞれの電極面に対向して配置される導体板３３と導体板３４によって挟まれる。この半導体素子と導体板３３及び導体板３４とは接合材３２によって接合されている。

回路体３０は、これらを第１封止樹脂６で封止されたものである。第１封止樹脂６は、回路体３０の表面側において、導体板３３の上面３３ａと導体板３４の上面３４ａを露出して、導体板３３および３４の周囲全体を被覆している。第１封止樹脂６の表面は、導体板３３の上面３３ａおよび導体板３４の上面３４ａと面一となっている。導体板３３及び導体板３４は、例えば、銅、銅合金、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金などにより形成されている。

［本実施形態の効果］
本実施形態におけるパワーモジュール１００においては、金属製ケース４０の挿入口１７に近い側の枠体３４ａと放熱部材４１とを接続する接続部４４の長さ４４ａは、挿入口１７以外の枠体４３ｂと放熱部材４１とを接続する接続部４５の長さ４５ａよりも長く、板厚は同じとなるように形成されている。

図７は、本実施形態におけるパワーモジュール１００の製造工程の一部を示す概念図であり、上図は金属製ケース４０を変形させる前の状態であり、中央図は金属製ケース４０に荷重を負荷している状態であり、下図は金属製ケース４０から荷重を除荷の状態である。図７では、絶縁層５１は省略している。

図７の上図に示すように、回路体３０と金属製ケース４０の放熱部材４１の内壁４１ａを接続するための金属製ケース４０の変形工程を示す。図７の上図の金属製ケース４０の変形前は内壁４１ａと回路体３０との間に隙間があいている。

図７の中央図の荷重負荷工程において、金属製ケース４０に外側から荷重を負荷することにより、接続部４４及び接続部４５を塑性変形させる。

その後、図７の下図に示すように荷重をすると、放熱部材４１の挿入口１７側では、挿入口１７と遠い側に比べスプリングバック量が大きくなる。これにより、回路体３０と放熱部材４１の間に隙間が生じ、放熱性能の劣化が懸念される。

この挿入口１７のスプリングバックは、挿入口１７の剛性が、金属製ケース４０の挿入口１７以外の底面や側面に比べて小さく、図７の中央図の荷重負荷工程において、挿入口１７側が荷重方向に弾性変形するためである。これにより、挿入口１７付近のスプリングバック量が大きくなり、放熱部材４１の内壁４１ａが回路体３０の表面との間に隙間が生じる。

本実施形態のパワーモジュール１００では、金属製ケース４０の挿入口１７に近い側の枠体４３と放熱部材４１とを接続する接続部４４の長さ４４ａは、開口部１００ａ以外の枠体４３ｂと放熱部材４１とを接続する接続部４５の長さ４５ａよりも長く、板厚は同じとなるように形成している。

このように、挿入口１７側の接続部４４の剛性を、挿入口１７以外の底面や側面の接続部４５の剛性よりも小さくすることにより、図７の中央図に示す荷重負荷時における開口部の荷重方向への弾性変形を抑制することができる。したがって、図８に示すように、荷重除荷後のスプリングバック量を抑制することができ、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表面との間に隙間が生じることを抑制できる。

図９は、本実施形態の効果を示すグラフである。有限要素解析により、図７に示した金属ケースの潰し工程を模擬した解析を行い、除荷後のスプリングバック量を評価した結果である。

挿入口１７側の接続部４４の長さの開口部から遠い側の接続部４５の長さに対する比（接続部４４の長さ／接続部４５の長さ）をパラメータとし、放熱部材４１のスプリングバック量の変化を示している。

縦軸は、接続部４４と接続部４５の長さを同じにした場合のスプリングバック量に対する比で示している。接続部４４の長さ／接続部４５の長さの比が、増加するに従いスプリングバック量は減少し、接続部４４の長さ／接続部４５の長さの比が、１．１以上ではスプリングバックが抑制されることが分かった。

このように、挿入口１７側の接続部４４の長さを挿入口１７から遠い側の接続部４５の長さより長くすることにより、放熱部材４１のスプリングバック量を抑制することができ、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０の表面との間に隙間を抑制することができる。

これにより、図７及び図８では省略したが、放熱部材４１の内壁４１ａと回路体３０との界面に介在する絶縁層５１のはく離を抑制でき、放熱性の劣化を防止することができ，信頼性の高い電力変換装置が実現できる。

本実施形態においては、接続部４４の長さを接続部４５の長さよりも長くすることにより、曲げ剛性を低下させた場合について示したが、接続部４４の剛性が、接続部４５の剛性よりも小さくすることにより、同様の効果が得られる。

すなわち、接続部４４の厚みが接続部４５の厚みよりも小さくしてもよい。また、接続部４４と接続部４５を異なる材料とし、接続部４４の材料のヤング率が、接続部４５の材料のヤング率よりも小さくしてもよい。

また、接続部４４と接続部４５を異なる材料とし、接続部４４の材料の降伏応力が、接続部４５の材料の降伏応力よりも小さくしてもよい。これにより同様の効果が得られる。

≪実施形態２≫
上述した実施の形態では、挿入口１７に対応する開口部が１方向のみのパワーモジュール１００の例を示したが、図１０に示すような開口部が対向する２方向のパワーモジュール１００にも適用することが可能である。

図１０に示した第２実施形態におけるパワーモジュール１０１においては、金属製ケースの開口部１０１ａが対向する２方向に設けられており、回路体３０の導体板３３及び導体板３４が両側から金属製ケースの外に出ている構造となっている。

このパワーモジュール１０１において、金属製ケース４０の開口部１０１ａに近い側の接続部４４の長さ４４ａは、開口部以外の接続部４５の長さ４５ａよりも長く、形成されている。板厚は同じ厚さとしている。これにより、実施形態１と同様の効果が得られる。

上述した実施の形態では、放熱部材４１の放熱フィン４２の形状をピンフィンとしたが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。

また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用の電力変換装置を例に説明したが、パワーモジュールを冷却媒体中に浸す冷却構造の電力変換装置であれば、本発明を同様に適用することができる。 その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。

６…第１封止樹脂、１１…シール部、１７…挿入口、３０…回路体、３０a…厚さ、３１…パワー半導体素子、３２…接合材、３３…導体板、３３a…上面、３４…導体板、３４a…上面、４０…金属製ケース、４１…放熱部材、４１ａ…内壁、４１ｂ…距離、４２…放熱フィン、４３…枠体、４４…接続部、４４ａ…長さ、４５…接続部、４５ａ…長さ、４９…第２封止樹脂、５１…絶縁層、１００…パワーモジュール、１０１…パワーモジュール、１０１ａ…開口部、２００…電力変換装置、２０１…筐体本体、２０２…底蓋、２０３ａ…入口用配管、２０３ｂ…出口用配管、２１０…冷却用室、２１１…周壁、２２１…側壁、２２０…支持部材、２３１…シール部材、２４０…カバー部材、２４１…開口部、２５０…コンデンサモジュール、２５１…コンデンサ素子、２６１…直流側バスバーアセンブリ、２６２…制御回路基板アセンブリ、２６３…交流側バスバーアセンブリ

Claims (6)

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

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