(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
板状導電性部材で形成され、該板状導電性部材の表裏面の一方の面に、前記パワー半導体素子の電極面が金属接合される接合面が形成されるとともに、前記表裏面の他方の面に放熱面が形成されている電極リードフレームと、
前記放熱面の少なくとも一部が露出するように前記パワー半導体素子をモールドするモールド材と、を備え、絶縁シートを介して前記放熱面を放熱部材に熱接触させることにより、前記パワー半導体素子の熱を前記放熱部材へ放熱するパワー半導体ユニットであって、
前記放熱面の露出領域と該露出領域に隣接する前記モールド材の表面とは、いずれか一方が突出した凹凸段差を成し、
前記凹凸段差の凸側の面と凹側の面との間に形成された段差側面は、前記凸側の面との間の角度および前記凹側の面との間の角度がそれぞれ鈍角となるような傾斜面で構成されていることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体ユニットにおいて、
前記凹凸段差は、前記放熱面の一部が前記モールド材の表面よりも窪んでおり、
前記傾斜面は、前記放熱面の周囲を囲むように突出した前記モールド材の縁に形成された傾斜加工面から成ることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項３】
請求項１に記載のパワー半導体ユニットにおいて、
前記凹凸段差は、前記放熱面の全体が前記モールド材の表面よりも突出しており、
前記傾斜面は、前記モールド材の表面から突出した前記放熱面の縁に形成された面取り加工面から成ることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載のパワー半導体ユニットにおいて、
前記傾斜面の前記角度は１１０度以上１８０度未満であることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載のパワー半導体ユニットにおいて、
前記パワー半導体素子は前記電極を表裏両面に有し、
前記電極リードフレームは、前記パワー半導体素子の裏面側の電極面が接合される第１の電極リードフレームと、前記パワー半導体素子の表面側の電極面が接合される第２の電極リードフレームとを有し、
前記第１および第２の電極リードフレームの少なくとも一方の電極リードフレームに対して、前記傾斜面を成す段差側面が形成された凹凸段差を有することを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載のパワー半導体ユニットにおいて、
前記第１および第２の電極リードフレームの少なくとも一方に形成され、前記放熱面から前記接合面に貫通する貫通孔と、
溶融状態で前記貫通孔から前記電極面と前記接合面との隙間に注入され、凝固することにより電極面と接合面とを金属接合する金属接合体と、
前記貫通孔が形成された電極リードフレームの放熱面に形成され、該電極リードフレームの端部から前記貫通孔に連通する溝と、を備え、
前記貫通孔および溝は、前記モールド材によって覆われていることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載のパワー半導体ユニットにおいて、
前記貫通孔は、前記接合面の縁領域を貫通するように形成されていることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項に記載のパワー半導体ユニットと、
外周面に放熱フィンが形成された対向する第１および第２の放熱壁を有し、前記第１の放熱壁の内周面と前記第１の電極リードフレームの放熱面とが対向し、かつ、前記第２の放熱壁の内周面と前記第２の電極リードフレームの放熱面とが対向するように前記パワー半導体ユニットが内挿される有底の金属筒と、
前記第１の放熱壁の内周面と前記第１の電極リードフレームの放熱面との間に密着して配置される第１の熱伝導性絶縁シートと、
前記第２の放熱壁の内周面と前記第２の電極リードフレームの放熱面との間に密着して配置される第２の熱伝導性絶縁シートと、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項９】
請求項８に記載のパワーモジュールにおいて、
前記金属筒は、前記第１の放熱壁の周囲に形成されて該放熱壁よりも肉厚の薄い第１の薄肉部と、前記第２の放熱壁の周囲に形成されて該放熱壁よりも肉厚の薄い第２の薄肉部とを有し、
前記第１および第２の薄肉部は、前記第１および第２の放熱壁によって前記パワー半導体ユニットが挟持されるように塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１および第２の熱伝導性絶縁シートは、
熱硬化性樹脂に熱伝導率が５Ｗ/mＫ以上の絶縁性無機材料を体積分率５０％以上９０％以下充填した高熱伝導層と、
前記高熱伝導層の表裏両面に形成されて、前記熱硬化性樹脂から成る高密着化層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載のパワーモジュールにおいて、
前記高密着化層は、前記熱硬化性樹脂としてエポキシ変性ポリアミドイミド樹脂を体積分率５０％よりも多く含み、マトリクス樹脂としての前記エポキシ変性ポリアミドイミド樹脂に平均粒径５μm以下のシリコーン樹脂がミクロ相分離された構造を有することを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１２】
請求項２に記載のパワー半導体ユニットの製造方法であって、
前記放熱面の周囲を囲むように突出した前記モールド材の縁領域をレーザー加工することにより、前記傾斜面を形成することを特徴とするパワー半導体ユニットの製造方法。
【請求項１３】
請求項３に記載のパワー半導体ユニットの製造方法であって、
前記放熱面の縁に面取り加工面が形成された前記電極リードフレームの前記接合面に、前記パワー半導体素子の電極面を金属接合する第１の工程と、
前記パワー半導体素子が金属接合された前記電極リードフレームの前記放熱面とトランスファーモールド金型との間に柔軟性離型シートを配置する第２の工程と、
前記トランスファーモールド金型を前記電極リードフレームの前記放熱面に押圧して、前記放熱面を前記柔軟性離型シートに沈み込ませた状態でトランスファーモールドを行う第３の工程と、を有することを特徴とするパワー半導体ユニットの製造方法。
【請求項１４】
請求項１０または１１に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
温度１４０℃以下、加圧力２ＭＰa以下、気圧１０ｋＰa以下および圧着時間１５分以内という圧着条件で、前記パワー半導体ユニットの前記第１および第２の電極リードフレームの放熱面への前記第１および第２の熱伝導性絶縁シートの圧着を行う第１の圧着工程と、
温度１３０℃以上、加圧力５ＭＰa以下、気圧１０ｋＰa以下およびの圧着時間５分以上という圧着条件で、前記パワー半導体ユニットに圧着された前記第１および第２の熱伝導性絶縁シートへの前記第１および第２の放熱壁の各内周面の圧着を行う第２の圧着工程と、を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用電力変換装置等に用いられるパワー半導体ユニット、そのパワー半導体ユニットを有するパワーモジュール、およびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーの観点から、自動車には高燃費化が求められており、モータで駆動する電気自動車や、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自動車が注目されている。このような車両で用いられる大容量の車載用モータは、バッテリの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体のスイッチグを利用した電力変換装置が不可欠である。また、パワー半導体は通電により発熱するため冷却構造が重要である。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の半導体装置では、半導体素子を挟持するように一対の放熱板電極を設け、モールド樹脂で封止する構造とされている。この、電極を兼ねた放熱板を例えば、冷却器の冷却面に取り付けることにより半導体素子を効率よく冷却することができる。冷却面と放熱電極との間には、電気的絶縁性を確保するために、熱伝導性の良い絶縁シート等が配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０３８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、モールド樹脂でモールドした際に、放熱板電極の放熱面とモールド樹脂との間に段差が形成されると、絶縁シートを放熱面に密着させた際に段差部分にボイド（微細な空洞）が発生しやすい。このようなボイドは放熱性能の低下を招き、また、最大電圧が３００Ｖを超えるような使用環境においては、ボイドを原因とする部分放電を招き易いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、パワー半導体素子と、板状導電性部材で形成され、該板状導電性部材の表裏面の一方の面に、パワー半導体素子の電極面が金属接合される接合面が形成されるとともに、表裏面の他方の面に放熱面が形成されている電極リードフレームと、放熱面の少なくとも一部が露出するようにパワー半導体素子をモールドするモールド材と、を備え、絶縁シートを介して放熱面を放熱部材に熱接触させることにより、パワー半導体素子の熱を放熱部材へ放熱するパワー半導体ユニットであって、放熱面の露出領域と該露出領域に隣接するモールド材の表面とは、いずれか一方が突出した凹凸段差を成し、凹凸段差の凸側の面と凹側の面との間に形成された段差側面は、凸側の面との間の角度および凹側の面との間の角度がそれぞれ鈍角となるような傾斜面で構成されていることを特徴とする。
なお、放熱面の一部がモールド材の表面よりも窪んでいる凹凸段差の場合には、傾斜面は、放熱面の周囲を囲むように突出したモールド材の縁に形成された傾斜加工面とされ、放熱面の全体がモールド材の表面よりも突出している凹凸段差の場合には、傾斜面は、モールド材の表面から突出した放熱面の縁に形成された面取り加工面とされる。
傾斜面の角度は１１０度以上１８０度未満であることが好ましい。
請求項８の発明に係るパワーモジュールは、パワー半導体ユニットと、外周面に放熱フィンが形成された対向する第１および第２の放熱壁を有し、第１の放熱壁の内周面と第１の電極リードフレームの放熱面とが対向し、かつ、第２の放熱壁の内周面と第２の電極リードフレームの放熱面とが対向するようにパワー半導体ユニットが内挿される有底の金属筒と、第１の放熱壁の内周面と第１の電極リードフレームの放熱面との間に密着して配置される第１の熱伝導性絶縁シートと、第２の放熱壁の内周面と第２の電極リードフレームの放熱面との間に密着して配置される第２の熱伝導性絶縁シートと、を備えたことを特徴とする。
請求項１２の発明に係るパワー半導体ユニットの製造方法では、放熱面の周囲を囲むように突出したモールド材の縁領域をレーザー加工することにより、傾斜面を形成することを特徴とする。
請求項１３の発明に係るパワー半導体ユニットの製造方法では、放熱面の縁に面取り加工面が形成された電極リードフレームの接合面に、パワー半導体素子の電極面を金属接合する第１の工程と、パワー半導体素子が金属接合された電極リードフレームの放熱面とトランスファーモールド金型との間に柔軟性離型シートを配置する第２の工程と、トランスファーモールド金型を電極リードフレームの放熱面に押圧して、放熱面を柔軟性離型シートに沈み込ませた状態でトランスファーモールドを行う第３の工程と、を有することを特徴とする。
請求項１４の発明に係るパワーモジュールの製造方法では、温度１４０℃以下、加圧力２ＭＰa以下、気圧１０ｋＰa以下および圧着時間１５分以内という圧着条件で、パワー半導体ユニットの第１および第２の電極リードフレームの放熱面への第１および第２の熱伝導性絶縁シートの圧着を行う第１の圧着工程と、温度１３０℃以上、加圧力５ＭＰa以下、気圧１０ｋＰa以下およびの圧着時間５分以上という圧着条件で、パワー半導体ユニットに圧着された第１および第２の熱伝導性絶縁シートへの第１および第２の放熱壁の各内周面の圧着を行う第２の圧着工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ボイドの発生を防止することができ、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明によるパワーモジュールの外観を示す図。
【図２】パワー半導体ユニットの分解斜視図。
【図３】パワー半導体ユニットの回路図。
【図４】低インダクタンス化の作用を説明する図。
【図５】パワーモジュール３００を備えたインバータを搭載したハイブリッド自動車の、制御ブロック図。
【図６】電力変換装置２００の回路図。
【図７】電力変換装置２００の外観を示す斜視図。
【図８】図７のＡ−Ａ断面図。
【図９】電力変換装置２００の斜視図。
【図１０】図８のＢ−Ｂ断面図。
【図１１】水路内に配置されたパワーモジュール３００の断面図。
【図１２】パワーモジュール３００を模式的に示した断面図。
【図１３】図１２の符号Ｃ１，Ｃ２で示す領域の拡大図。
【図１４】パワー半導体ユニットの製造方法を示す図。
【図１５】封止材１３の段差部分のレーザー加工を説明する図。
【図１６】傾斜面形成後のパワー半導体ユニット６の平面図。
【図１７】傾斜面加工を施した場合の領域Ｄ１、Ｄ２の拡大図。
【図１８】平面状の傾斜面ＰＱを形成した場合の効果を説明する図。
【図１９】比較例を示す図。
【図２０】絶縁シート１０の一例を示す図。
【図２１】パワーモジュール３００の製造方法を説明する図。
【図２２】第２実施形態におけるパワーモジュール３００を模式的に示した断面図。
【図２３】パワー半導体ユニット６の製造工程を示す図。
【図２４】パワー半導体ユニット６の平面図。
【図２５】パワーモジュール３００の製造工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明によるパワーモジュールの外観を示す図である。パワーモジュール３００は、スイッチング素子を含みトランスファーモールドされたパワー半導体ユニットを、金属筒１内に収納したものである。パワーモジュール３００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される電力変換装置に用いられる。
【００１０】
金属筒１の側面は、複数の放熱フィン３０５が立設された厚肉部３０１と、その周囲に設けられた薄肉部３０２とが設けられている。後述するように、薄肉部３０２を塑性変形させることで、内部に収納されたパワー半導体ユニットの放熱面と厚肉部３０１の内周面とを密着させている。金属筒１の一面からは、パワー半導体ユニットに設けられた大電流端子３と信号端子４とが突出している。
【００１１】
図２はパワー半導体ユニット６の分解斜視図であり、図３はパワー半導体ユニット６の回路図である。なお、図２では、トランスファーモールドの図示を省略した。本実施形態では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１５５，１５７とダイオード１５６，１５８とが設けられている。図２に示す例では、ＩＧＢＴ１５５，１５７およびダイオード１５６，１５８がそれぞれ並列に２つ設けられているが、図３の回路図では、説明を簡単にするために、それらの一方のみを示した。パワー半導体素子を挟んで一方の側に直流正極電極リードフレーム３１５と第一交流電極リードフレーム３１６とが略同一平面状に配置されており、他方の側には第二交流電極リードフレーム３１８と直流負極電極リードフレーム３１９とが略同一平面状に配置されている。
【００１２】
各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、各電極は表裏面に形成されている。直流正極電極リードフレーム３１５の素子固着部３２２には、上アーム用ＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極と上アーム用ダイオード１５６のカソード電極とが金属接合体であるハンダ１６０により固着されている。一方、第一交流電極リードフレーム３１６の素子固着部３２２には、下アーム用ＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極と下アーム用ダイオード１５８のカソード電極とが、金属接合体であるハンダ１６０により固着されている。金属接合体は、錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペーストを用いることもできる。
【００１３】
第二交流電極リードフレーム３１８の素子固着部３２２には、上アーム用ＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極と上アーム用ダイオード１５６のアノード電極とが金属接合体であるハンダ１６０により固着されている。一方、直流負極電極リードフレーム３１９の素子固着部３２２には、下アーム用ＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極と下アームダイオード１５８のアノード電極とが金属接合体であるハンダ１６０により固着されている。なお、金属接合体には、ハンダの他に銀シートや微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等が用いられ、各パワー半導体素子とリードフレームとは電気的にかつ熱的に接合される。
【００１４】
図２に示すように、直流正極電極リードフレーム３１５と第二交流電極リードフレーム３１８とは、パワー半導体素子である各ＩＧＢＴ１５５及びダイオード１５６を挟むようにして略平行に対向している。同様に、第一交流電極リードフレーム３１６と直流負極電極リードフレーム３１９とは、パワー半導体素子である各ＩＧＢＴ１５７及びダイオード１５８を挟むようにして略平行に対向している。図３に示すように、第一交流電極リードフレーム３１６と第二交流電極リードフレーム３１８とは、中間電極１５９を介して接続されている。中間電極１５９で接続することにより、上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、図３に示すような上下アーム直列回路が形成される。
【００１５】
直流正極配線３１５Ａは直流正極電極リードフレーム３１５に一体で形成され、直流正極配線３１５Ａの先端には直流正極端子３１５Ｂが形成されている。同様に、直流負極配線３１９Ａは直流負極電極リードフレーム３１９に一体で形成され、直流負極配線３１９Ａの先端には直流負極端子３１９Ｂが形成されている。また、第一交流電極リードフレーム３１６には交流配線３２０が一体で形成されており、交流配線３２０の先端には交流端子３２１が形成されている。
【００１６】
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間には、熱可塑性樹脂端子ブロック６００が介在するように設けられている。直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、略平行に対向した状態で金属筒１から突出するように延在している。また、信号端子４Ｌ，４Ｕは、熱可塑性樹脂端子ブロック６００に一体成型されており、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａと同様の方向に、金属筒１から突出するように延在している。そのため、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａ間の絶縁性と信号用配線と各配線板との絶縁性が確保でき、高密度配線が可能となる。
【００１７】
熱可塑性樹脂端子ブロック６００に用いる樹脂材料には、トランスファーモールドの金型温度以上（例えば、１８０℃以上）の耐熱性と絶縁性とを有する熱可塑性樹脂が適しており、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）などが用いられる。
【００１８】
ところで、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとを略平行に対向するように配置したことで、以下のような作用効果を奏する。すなわち、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流を、対向するように配置された直流正極配線３１５Ａと上記直流負極配線３１９Ａとにおいて逆方向に流れる構造としたことで、これら電流が作る磁界が互いに相殺されるようにした。それにより、低インダクタンス化が可能となる。
【００１９】
この低インダクタンス化が起こる作用について、図４を用いて説明する。図４（ａ）において、下アーム用ダイオード１５８が、順方向バイアス状態で導通している状態を考える。この状態で、上アーム用ＩＧＢＴ１５５がＯＮ状態になると下アーム用ダイオード１５８が逆方向バイアスとなり、キャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。このとき、各電極リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９には、図４（ｂ）に示すリカバリ電流１００が流れる。
【００２０】
リカバリ電流１００は点線で示すように、直流負極端子３１９Ｂと並列に配置された直流正極端子３１５Ｂを通り、その後、各電極リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９により形成されるループ形状の経路を流れ、再び直流負極端子３１９Ｂと並列に配置された直流正極端子３１５Ｂを介して実線に示すように流れる。このようなループ形状経路を電流が流れることによって、放熱ベース３０７に渦電流１０１が流れる。この渦電流１０１による磁界相殺効果によってループ形状経路における配線インダクタンス１０２が低減される。なお、電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。
【００２１】
本実施の形態では、ループ形状の電流経路は点線で示す如く、電極リードフレーム３１５の端子側に近い経路を流れ、半導体素子内を通り、実線で示す如く電極リードフレーム３１８の端子側より遠い経路を流れる。その後、点線で示す如く電極リードフレーム３１６の端子側より遠い経路を流れ、再び半導体素子内を通り、実線で示す如く電極リードフレーム３１９の端子側に近い経路を流れる。このように、直流正極端子３１５Ｂや直流負極端子３１９Ｂに対して近い側や遠い側の経路を通ることで、ループ形状の回路が形成され、このループ形状の回路を流れるリカバリ電流１００により放熱ベース３０７に渦電流１０１が流れる。この渦電流１０１の磁界とリカバリ電流１００の磁界とによる相殺によって、リラクタンスが低減される効果がある。
【００２２】
図５は、図１に示したパワーモジュール３００を備えるインバータを搭載したハイブリッド自動車の、制御ブロック図である。ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）１１０は２つの車両駆動用システムを備えている。１つはエンジン１２０を動力源としたエンジン駆動システムで、もう１つはモータジェネレータ１９２，１９４を動力源とする回転電機駆動システムである。ここで、モータジェネレータとは、制御によりモータとして機能したり、発電機として機能したりするモータのことである。
【００２３】
車体のフロント部には一対の前輪１１２があり、これに連結する前輪車軸１１４がデファレンシャルギア（ＤＥＦ）１１６の出力側に連結している。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機（Ｔ/Ｍ）１１８が連結している。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ（ＭＧ１）１９２の出力側が連結している。モータジェネレータ１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン（ＥＮＧ）１２０の出力側あるいはモータジェネレータ（ＭＧ２）１９４の出力側が連結している。なお、モータジェネレータ１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００２４】
モータジェネレータ１９２、１９４には誘導機又は同期機が用いられるが、本実施では効率が良い、回転子に永久磁石を備えた同期機を使用した。誘導機や同期機の固定子が有する固定子巻線に供給される交流電力がインバータ回路部１４０，１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２，１９４のモータあるいは発電機としての動作やその特性が制御される。インバータ回路部１４０，１４２にはバッテリ１３６が繋がっておりインバータ回路部１４０，１４２との間で電力の授受ができる。
【００２５】
ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ回路部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ回路部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００２６】
また、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２７】
バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては、例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがあり、バッテリ１３６からインバータ回路部４３に供給された直流電力は補機用のインバータ回路部４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用のインバータ回路部４３はインバータ回路部１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。
【００２８】
このような補機用のインバータ回路部４３の制御機能は、インバータ回路部１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、補機用のインバータ回路部４３の最大変換電力はインバータ回路部１４０，１４２より小さいが、補機用のインバータ回路部４３の回路構成は基本的にインバータ回路部１４０，１４２の回路構成と同じである。
【００２９】
図５では、定電圧電源を省略している。各制御回路や各種センサは図示していない定電圧電源からの電力で動作する。この定電圧電源は例えば１４ボルト系の電源であり、鉛バッテリなどの１４ボルト系、場合によっては２４ボルト系のバッテリを備える。定電圧電源は、正極あるいは負極の一方が車体と接続しており、車体を定電圧電源の電力供給用導体として使用している。
【００３０】
インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から、以下で詳述する電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とを電力変換装置２００の筐体内に内蔵している。この構成により小型化が可能となるとともに、ハーネスの数を低減できる効果化や、放射ノイズなどを低減できるなどの効果がある。この効果は小型化にもつながり、あるいは信頼性の向上にもつながる。また生産性の向上にもつながる。また、コンデンサモジュール５００とインバータ回路部１４０，１４２および４３との接続回路が短くなり、あるいは以下に説明する構造が可能となり、インダクタンスを低減でき、その結果としてスパイク電圧を低減できる。さらに以下に説明する構造により、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
【００３１】
図６は電力変換装置２００の回路図である。電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０，１４２、補機用のインバータ回路部４３およびコンデンサモジュール５００を備えている。インバータ回路部１４０，１４２は両面冷却構造を有するパワーモジュール３００を複数備えており、それらを接続することにより３相ブリッジ回路を構成している。図６に示す例では、パワーモジュール３００を３個備えている。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール３００を並列接続し、これら並列接続を３相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワーモジュール３００に内蔵している半導体素子を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
【００３２】
各インバータ回路部１４０や１４２は、制御部に設けられた２つのドライバ回路によってそれぞれ駆動制御している。なお、図６では２つのドライバ回路を合わせてドライバ回路１７４として表示している。各ドライバ回路は制御回路１７２により制御される。制御回路１７２は、パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。
【００３３】
インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じであり、ここでは代表してインバータ回路部１４０を例に説明する。インバータ回路部１４０は３相ブリッジ回路を基本構成として備えており、具体的には、Ｕ相（符号Ｕ１で示す）やＶ相（符号Ｖ１で示す）やＷ相（符号Ｗ１で示す）として動作するそれぞれのアーム回路が、直流電力を送電する正極側および負極側の導体にそれぞれ並列に接続されている。なお、インバータ回路部１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相として動作するそれぞれのアーム回路を、インバータ回路部１４０の場合と同様に、符号Ｕ２、Ｖ２およびＷ２で示す。
【００３４】
各相のアーム回路は、上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続した上下アーム直列回路で構成されている。各相の上アーム回路は正極側の導体にそれぞれ接続され、各相の下アーム回路は負極側の導体にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部には、それぞれ交流電力が発生する。各上下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は、各パワーモジュール３００の交流端子３２１に接続されている。各パワーモジュール３００の交流端子３２１はそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２あるいは１９４の固定子巻線に供給される。各相の各パワーモジュール３００は基本的に同じ構造であり、動作も基本的に同じであるので、代表してＵ相のパワーモジュール３００であるパワーモジュールＵ１について説明する。
【００３５】
上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用ＩＧＢＴ１５５と上アーム用ダイオード１５６とを備えている。また、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用ＩＧＢＴ１５７と下アーム用ダイオード１５８とを備えている。各上下アーム直列回路の直流正極端子３１５および直流負極端子３１９はコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用直流端子にそれぞれ接続され、交流端子３２１に発生した交流電力はモータジェネレータ１９２，１９４に供給される。
【００３６】
ＩＧＢＴ１５５，１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された電力は、モータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、Ｖ相およびＷ相については、Ｕ相と略同じ回路構成となるので、符号１５５，１５７，１５６，１５８の表示を省略した。インバータ回路部１４２のパワーモジュール３００は、インバータ回路部１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用のインバータ回路部４３はインバータ回路部１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
【００３７】
スイッチング用のパワー半導体素子について、上アーム用ＩＧＢＴ１５５および下アーム用ＩＧＢＴ１５７を用いて説明する。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７は、コレクタ電極，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子），ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１６６が図示のように電気的に接続されている。
【００３８】
上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、ダイオード１５６，１５８のカソード電極がＩＧＢＴ１５５，１５７のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ１５５，１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いても良く、この場合は上アーム用ダイオード１５６，下アーム用ダイオード１５８は不要となる。
【００３９】
制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アーム用ＩＧＢＴ１５５，下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用ＩＧＢＴ１５５および下アーム用ＩＧＢＴ１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。
【００４０】
制御回路１７２は、上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求する目標トルク値，上下アーム直列回路からモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給する電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。
【００４１】
目標トルク値は、図示していない上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０が出力した検出信号に基づいて検出したものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）が出力した検出信号に基づいて検出したものである。本実施の形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても良い。
【００４２】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ軸やｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸やｑ軸の電流指令値と、検出したｄ軸やｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸やｑ軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたｄ軸やｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００４３】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アーム用ＩＧＢＴ１５７のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アーム用ＩＧＢＴ１５５のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アーム用ＩＧＢＴ１５５及び下アーム用ＩＧＢＴ１５７は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００４４】
また、制御部は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路を保護している。このため、制御部にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子からは上アーム用ＩＧＢＴ１５５，下アーム用ＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応するドライバ回路１７４に入力されている。これにより、ドライバ回路１７４は過電流検知を行い、過電流を検知した場合には対応する上アーム用ＩＧＢＴ１５５，下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、対応する上アーム用ＩＧＢＴ１５５，下アーム用ＩＧＢＴ１５７を過電流から保護する。
【００４５】
上下アーム直列回路に設けられた温度センサ（不図示）からは、上下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用ＩＧＢＴ１５５，下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
【００４６】
インバータ回路部１４０の上アーム用ＩＧＢＴ１５５や下アーム用ＩＧＢＴ１５７の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６，１５８を含む回路を流れる。なお、本実施の形態の電力変換装置２００では、インバータ回路部１４０の各相に１つの上下アーム直列回路を設けたが、上述の通り、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
【００４７】
各インバータ回路部１４０，１４２に設けられた直流端子１３８（図５参照）は、正極電極リードフレームと負極電極リードフレームからなる積層電極リードフレーム７００に接続されている。積層電極リードフレーム７００は、パワーモジュール３００の配列方向に幅広な導電性板材から成る正極側電極リードフレーム７０２と負極側電極リードフレーム７０４とで絶縁シート（不図示）を挟持した、３層構造の積層配線板を構成している。積層電極リードフレーム７００の正極側電極リードフレーム７０２および負極側電極リードフレーム７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１が有する正極電極リードフレーム５０７および負極電極リードフレーム５０５にそれぞれ接続されている。正極電極リードフレーム５０７および負極電極リードフレーム５０５もパワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シート５１７（不図示）を挟持した３層構造の積層配線板を構成している。
【００４８】
コンデンサモジュール５００は複数のコンデンサセル５１４を並列接続したものであり、コンデンサセル５１４の正極側が正極電極リードフレーム５０７に接続され、コンデンサセル５１４の負極側が負極電極リードフレーム５０５に接続されている。コンデンサモジュール５００は、上アーム用ＩＧＢＴ１５５，下アーム用ＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。
【００４９】
コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００の直流コネクタ１３８に接続した入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用のインバータ回路部４３にあるインバータ装置も接続される。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、ノイズフィルタが設けられている。ノイズフィルタは、筐体１２の接地端子と各直流電力ラインとを接続する２つコンデンサを備え、コモンモードノイズ対策用のＹコンデンサを構成している。
【００５０】
コンデンサモジュール５００は、直流電源１３６から直流電力を受けるための直流コネクタ１３８に接続される端子（符号省略）と、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２に接続される端子とを別々に備えている。それにより、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２が発生するノイズが直流電源１３６の方に及ぼす悪影響を低減している。この構成は、平滑作用の効果を高めている。
【００５１】
また、コンデンサモジュール５００と各パワーモジュール３００との接続に上述のような積層状態の電極リードフレームを使用することで、各パワーモジュール３００の上下アーム直列回路を流れる電流に対するインダクタンスを低減し、電流の急変に伴う跳ね上がる電圧を低減している。
【００５２】
図７は電力変換装置２００の外観を示す斜視図であり、図８は図７のＡ−Ａ断面図、図９は図７に示す電力変換装置２００から上部ケース１０、ＡＣコネクタを外した場合の斜視図、図１０は図８のＢ−Ｂ断面図である。本実施の形態に係る電力変化装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース１０と、筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。筐体１２の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取付が容易となり、また生産しやすいという効果がある。
【００５３】
電力変化装置２００の長辺側の外周には、交流ターミナル１８が設けられた交流ターミナルケース１７が設けられている。交流ターミナル１８は、パワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２，１９４とを電気的に接続して、パワーモジュール３００から出力される交流電流をモータジェネレータ１９２，１９４へ伝達するものである。コネクタ２１は筐体１２に内蔵された制御回路基板２０（図８参照）に接続されており、外部からの各種信号を制御回路基板２０に伝送する。直流負極側接続端子５１０と直流正極側接続端子５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。
【００５４】
図８に示すように、筐体１２の中段には水路が形成された冷却ジャケット１９Ａが形成されている。冷却ジャケット１９Ａの上方空間には、制御回路１７２が搭載された制御回路基板２０、ドライバ回路１７４が搭載された駆動回路基板２２がそれぞれ配置されている。一方、冷却ジャケット１９Ａの下方空間には、コンデンサモジュール５００が配置されている。コンデンサモジュール５００には複数のコンデンサセル５０４が設けられている。
【００５５】
冷却ジャケット１９Ａには冷却水が流れる水路１９が形成されており、その水路上には、図９に示すように、パワーモジュール３００を水路内に挿入配置するための開口４００，４０２が複数形成されている。パワーモジュール３００はこれらの開口４００，４０２から水路内に挿入され筐体１２に固定される。図１に示す金属筒１の放熱フィン３０５が形成された面は冷却水内に浸かり、パワーモジュール３００が冷却水によって冷却される。
【００５６】
図１０は図８のＢ−Ｂ断面図であり、筐体１２の、水路１９が形成された冷却ジャケット１９Ａの部分を示したものである。冷却水入口１３から水路１９内に流入した冷却水は、蛇行する水路１９を矢印４２１で示すように流れ、冷却水出口１４から排出される。水路１９内には、６つのパワーモジュール３００が、冷却水の流れに沿って配置されている。
【００５７】
図１１は、水路内に配置されたパワーモジュール３００を示す断面図である。前述したように、筐体１２の内部には、冷却水の水路１９を有する冷却ジャケット１９Ａが形成されている。冷却ジャケット１９Ａの底面側には水路１９の底面側を覆うための裏蓋４２０が取り付けられている。冷却ジャケット１９Ａに固定されたパワーモジュール３００は、金属筒１の下端部分が冷却ジャケット１９Ａの水路１９から下方に突出し、裏蓋４２０に形成された凹部４２０ａ内に収納されている。裏蓋４２０と冷却ジャケット１９Ａとの隙間、および、パワーモジュール３００のフランジ３０４Ｂと冷却ジャケット１９Ａとの隙間は、シール８００，８０１によって封止されている。
【００５８】
図１２は、本実施の形態におけるパワーモジュール３００を説明するための断面模式図である。図１２はパワー半導体素子５が設けられている部分の断面を示したものであり、例えば、図２のＩＧＢＴ１５５が設けられている部分の断面を示す。なお、図２では、ＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６とが電極リードフレームの延在方向に並置されているが、図１２ではダイオードの図示を省略し、ＩＧＢＴ１５５をパワー半導体素子５として図示した。また、７，８は電極リードフレームである。３は電極リードフレームに一体に形成されている大電流端子であって、図２の直流正極端子３１５Ｂ，直流負極端子３１９Ｂ，交流端子３２１が対応する。信号端子４は、図２の信号端子４Ｌ，４Ｕが対応している。電極リードフレームは高熱伝導および高強度であることが要求されるので、銅を主成分としたものが望ましいが、アルミを主成分としたものも用いることもできる。
【００５９】
パワーモジュール３００は前述したパワー半導体ユニット６を金属筒１内に収納したものであり、パワー半導体ユニット６と金属筒１との隙間にはポッティング樹脂２が充填されている。パワー半導体ユニット６はパワー半導体素子５や電極リードフレーム７，８等を封止材１３でトランスファーモールドしたものであり、金属筒１内の厚肉部３０１の部分に納められている。パワー半導体素子５はチップ表裏面に電極が形成されており、パワー半導体素子５の裏面側には電極リードフレーム７が接合され、パワー半導体素子５の表面側には電極リードフレーム８が接合されている。
【００６０】
パワー半導体素子５の表面側に設けられている制御用電極（ＩＧＢＴのゲート電極）は、アルミワイヤボンディング１１により信号端子４に接続されている。信号端子４は端子ブロック６００にインサート成形されている。端子ブロック６００は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのような熱可塑性樹脂から成る。２つの大電流端子３の間には、この端子ブロック６００が挿入されている。
【００６１】
電極リードフレーム７，８はプレスの打ち抜き加工で形成され、金属筒１に面する側の端面は面取り加工が施されている。金属筒１と電極リードフレーム７，８との間には、電気的絶縁を保つための絶縁シート１０が配設されている。詳細は後述するが、絶縁シート１０には熱硬化性の樹脂が用いられ、硬化前の絶縁シート１０を電極リードフレーム７，８の放熱面側に圧着することで、絶縁シート１０と放熱面との間にボイド（微細な空洞）が形成されるのを防止している。
【００６２】
図１２の符号Ｃ１，Ｃ２で示す領域はボイドが発生しやすい箇所であり、図１３の（ａ），（ｂ）に、符号Ｃ１，Ｃ２で示す領域の拡大図を示した。トランスファーモールドの際に、電極リードフレーム７，８の放熱面と封止材表面１３ｂとの間に段差が形成されやすく、その段差部分でボイドが発生しやすい。そのため、本実施の形態では、図１３（ａ）に示すように放熱面７ｂが封止材表面１３ｂよりも突出する場合には、電極リードフレーム７の端部には面取り加工により傾斜面７ａを形成するようにした。逆に、図１３（ｂ）のように放熱面８ｂが封止材表面１３ｂよりも窪んでいる場合には、封止材１３の方に傾斜面１３ａを形成するようにした。このような構成とすることにより、電極リードフレーム７，８の放熱面と封止材１３の表面との段差部分にボイドが形成されるのを防止している。
【００６３】
図１４はトランスファーモールドによるパワー半導体ユニットの製造方法を示す図である。ここでは、図２のＩＧＢＴ１５７、ダイオード１５８、電極リードフレーム３１６、３１９の部分を例に示した。ＩＧＢＴ１５７は、図示上側（チップ表面側）にエミッタ電極およびゲート電極が形成されており、図示下側（チップ裏面側）にコレクタ電極が形成されている。
【００６４】
まず、図１４（ａ）に示す工程では、コレクタ側の電極リードフレーム３１６の素子固着部３２２の上にハンダシート１６０ａを置き、そのハンダシート１６０ａの上にＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８を載置する。さらに、ＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８の上にハンダシート１６０ａをそれぞれ置き、それらの上にエミッタ側の電極リードフレーム３１９載置する。
【００６５】
次いで、図１４（ｂ）に示す工程では、これらを一括リフローしてＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８と電極リードフレーム３１６，３１９とをハンダ１６０により固着し、電気的に接続する。その際、ハンダ付けの寸法バラツキにより、接合体の高さ寸法がばらついたり、上側の電極リードフレーム３１９が傾いたりする。ここでは、電極リードフレーム３１９が傾き、その先端部分が他の部分よりも約７５μｍ高くなった場合を仮定して説明する。
【００６６】
信号端子４をインサート成型した熱可塑性樹脂からなる端子ブロック６００を、コレクタ側及びエミッタ側電極リードフレーム３１６，３１９から延在している端子（図１２の大電流端子３）間に挿入する。そして、ＩＧＢＴ１５７のゲート電極と信号端子４とをアルミワイヤボンディング１１で電気的に接続する。
【００６７】
図１４（ｃ）に示す工程では、トランスファーモールド金型２６ａ，２６ｂの下型２６ｂに柔軟な離型シート２７を配置し、その離型シート２７の上に図４（ｂ）の工程で作成したリードフレーム構造体を載置する。その際、コレクタ側の電極リードフレーム３１６が離型シート２７側となるように配置する。その後、金型の上型２６ａと下型２６ｂとをクランプして、金型温度１７５℃および圧力１０ＭＰａの加圧条件でトランスファーモールドを行う。
【００６８】
このトランスファーモールドにおいては、金型をクランプした際に電極リードフレーム３１６が離型シート２７に沈みこむように、金型寸法および離型シート２７の厚さ寸法が設定されている。すなわち、リードフレーム構造体を形成する際の高さ寸法バラツキを考慮して金型寸法を設定するとともに、電極リードフレーム３１６が離型シート２７に沈みこみが所定量（例えば、２５μｍ程度）となるように離型シート２７の厚さ寸法を選定する。
【００６９】
その結果、符号Ｄ２で示すように、電極リードフレーム３１６が離型シート２７に沈みこみ、図１４（ｄ）のように、電極リードフレーム３１６の放熱面３１６ｓが、封止材１３の表面から突出することになる。図１４（ｄ）は、図１４（ｃ）の状態からトランスファーモールド金型２６ａ，２６ｂを外し、離型シート２７を除去した後の、パワー半導体ユニット６を示す図である。
【００７０】
一方、エミッタ側の電極リードフレーム３１９については、図１４（ｃ）に示すように高さ寸法が最も大きい電極リードフレーム先端部が上型２６ａに接触し、その他の領域では上型２６ａとの間に隙間が生じている。その結果、図１４（ｃ）の符号Ｄ１で示すように、電極リードフレーム３１９の放熱面３１９ｓに封止材１３が回り込むことになる。封止材１３が回り込んだ部分の封止材縁部の形状は、表面張力等の関係から電極リードフレーム３１９の放熱面３１９ｓに対して逆テーパー状となる傾向がある。
【００７１】
そこで、本実施形態では、図１５のように電極リードフレーム３１９上に回り込んだ封止材１３の段差部分の一部（ハッチングを施した部分）を除去することにより、段差部分に緩やかな傾斜面１３ａに形成した。封止材１３の除去は機械加工で行っても良いし、レーザー加工により除去しても良い。例えば、炭酸ガスレーザーを照射して除去を行う場合、レーザー照射範囲Ｓ１は、図１５に示すように電極リードフレーム３１９の外周の縁よりも内側となるように設定される。その理由は、レーザー光が電極リードフレーム３１９の外周縁よりも外側に入射されると、封止材１３が深く削られることになり、その部分に急激な段差が生じてしまうからである。そして、レーザーの照射強度を変えることで、回り込んだ封止材１３の縁部分が図１５に示すような傾斜面１３ａとなるようにした。
【００７２】
図１６は、傾斜面形成後のパワー半導体ユニット６の平面図である。封止材１３によってモールドされた電極リードフレーム１３８，１３９は、放熱面３１８ｓ、３１９ｓの周囲に封止材１３が回り込み、中央部分が封止材１３から露出している。露出領域３１８Ａ，３１９Ａの周囲に接する封止材１３の縁部分は、図１４（ｄ）に示すように段差形状となるが、上述したレーザー照射等による傾斜面形成により、傾斜面１３ａが露出領域３１８Ａ，３１９Ａを囲むように形成されている。
【００７３】
図１２に示したように、図１６に示したパワー半導体ユニット６を金属筒１内に収めることによってパワーモジュール３００とされる。その際に、パワー半導体ユニット６の表裏両面と金属筒１の内周面との間には、絶縁シート１０が配置される。この絶縁シート１０は、後述するようにパワー半導体ユニット６の表裏両面に圧着される。その際に、図１４（ｃ）の符号Ｄ１，Ｄ２で示した領域においてボイドが発生しやすい。
【００７４】
本実施の形態では、領域Ｄ１，Ｄ２でのボイド発生を防止するために、領域Ｄ１においては封止材縁部に上述した傾斜面１３ａを形成するようにした。また、領域Ｄ２においては、電極リードフレーム３１６の端部に面取り加工を施し傾斜面３１６ｃ（図１３の電極リードフレーム７の傾斜面７ａに相当する）を形成するとともに、図１４（ｃ）に示すように、電極リードフレーム３１６を離型シート２７に沈み込ませた状態でトランスファーモールドを行うようにした。
【００７５】
図１７は、上述した傾斜面加工を施した場合の領域Ｄ１、Ｄ２の拡大図であり、放熱面と封止材１３との段差部に形成された傾斜面１３ａ，３１６ｃの一例を示したものである。放熱面と封止材１３の表面１３ｂとの突出関係を見ると、図１７（ａ）のように領域Ｄ１では封止材表面１３ｂの方が突出しており、逆に、図１７（ｂ）の領域Ｄ２においては電極リードフレーム３１６の放熱面３１６ｓの方が突出している。領域Ｄ２の場合には、図１４（ｃ）のように面取り加工による傾斜面３１６ｃの一部が離型シート２７に沈み込んでいるため、封止材１３は、その一部が傾斜面３１６ｃに乗り上げるような形状になっている。
【００７６】
しかしながら、段差の斜面形状はどちらの場合も同じような形状をしている。突出している方の面と傾斜面との交点をＱ、傾斜面と窪んでいる方の面との交点をＰとすると、点Ｐ，Ｑを通る直線Ｌ１の傾きθは、傾斜面ＰＱの平均的な傾きを示しているといえる。ここで、傾斜面ＰＱとは点Ｐから点Ｑまでの湾曲した面を指し、段差構造の実質的な傾斜面である。
【００７７】
なお、領域Ｄ２における傾斜面は、電極リードフレーム３１６を離型シート２７に沈み込ませたときの、離型シート２７の面と電極リードフレーム３１６の面取り部分（図１３（ａ）の傾斜面７ａ）とによって決まるので、段差構造の傾斜面を直線Ｌ１で示すような平面とすることは厳密にはできない。一方、図１７（ａ）に示す封止材１３の傾斜面１３ａの場合には、直線Ｌ１で示すような平面状の傾斜面とすることも可能である。
【００７８】
図１８は、平面状の傾斜面ＰＱを形成した場合の効果を説明する図である。パワー半導体ユニット６の表裏両面には絶縁シート１０が圧着されるが、上述したように、その圧着の際にボイドが発生しやすい。詳細は後述するが、圧着の際には、絶縁シート１０は柔軟性および流動性を有している。そのため、図示上方から加圧すると、絶縁シート１０の一部が、パワー半導体ユニット６の面形状に倣って隙間無く変形する。
【００７９】
図１９は、比較例として、封止材１３の段差部分に傾斜面を形成しなかった場合を示したものである。電極リードフレーム３１９の放熱面上に回り込んだ封止材１３の縁部分（符号Ｃで示す部分）には、ポケット状の空間が形成されているため、加圧圧着を行っても絶縁シート１０がその空間まで隙間なく入るのは非常に困難となり、その部分にボイドが発生することになる。
【００８０】
一方、本実施の形態では緩やかな傾斜面ＰＱとなっているため、ボイドの発生を防止できる。変形可能な絶縁シート１０は加圧によって傾斜面ＰＱに押し付けられるが、その圧力Ｐ１は傾斜面ＰＱの角度θに依存する。圧力Ｐ１の大きさは、加えられた圧力Ｐ０の傾斜面ＰＱに垂直な成分と考えることができ、角度θが小さいほど大きくなる。この圧力Ｐ１はボイドを圧縮するように作用するので、大きい方が好ましい。後述するように、加圧力Ｐ０は１ＭＰａ程度であり、ボイド発生抑制のためには、圧力Ｐ１としてその１／３以上の圧力が傾斜面ＰＱの加圧力として作用するのが好ましい。すなわち、傾斜面ＰＱの角度θを７０deg以下に設定するのが好ましい。言い換えると、傾斜面ＰＱと隣接する放熱面または封止剤表面との角度を鈍角となるようにし、さらに、その鈍角が１１０度以上１８０度未満に設定するのが好ましい。
【００８１】
図１７（ａ），（ｂ）に示す例では、傾斜面ＰＱは湾曲しており、その傾き角度は、点Ｐ１の近傍では角度θ１で、点Ｑ１の近傍では角度θ２（＞θ１）となっている。図１８では平面状の傾斜面ＰＱにより説明したが、図１７に示すような角度θ１，θ２を有する湾曲した傾斜面とするのがより好ましい。このような形状とすると、電極リードフレーム３１９の放熱面３１９ｓに垂直に加えた加圧力で絶縁シート１０が流動し、放熱面３１９ｓのボイドを脇に流出する効果が大きい。
【００８２】
実際上、封止材１３の段差部分が図１９に示すような逆テーパーでなければ、絶縁シート１０を圧着する際の加圧力を大きくすることでボイドを圧縮することができる。しかし、半導体素子に大きな加圧力が加わると素子を破壊する恐れがあるので、小さい加圧力で絶縁性能に影響が無い約７．５μm以下のボイドに圧縮できることが望ましい。そのためには、上述したように傾斜面の角度を７０deg以下にするのが好ましい。
【００８３】
図２０は絶縁シート１０の一例を示す図であり、図２０（ａ）では絶縁シート１０は３層構造の例を示している。中央部の高熱伝導層３７は樹脂成分に、熱伝導率が5W/mK以上の絶縁性無機材料であるアルミナフィラーを体積分率５０％以上〜９０％以下で充填したものである。熱伝導率が5W/mK以上の絶縁性無機材料としては、アルミナフィラーの他に窒化アルミ、窒化ホウ素等を使用することができる。一方、高熱伝導層３７の表裏両面側に設けられた高密着化層３８は、樹脂成分を体積分率で50％より多くしたものである。ここでは、樹脂成分としてエポキシ変性ポリアミドイミド樹脂を用いたが、例えばエポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を使用しても良い。また、ここでは３層構造の例を示しているが、高熱伝導層を複数の層で形成しても良いし、高密着化層を複数の層で形成しても良い。この様に複数の層で形成する事で、各層にボイド等の欠陥があっても貫通ボイドになり絶縁性が低下する事を防ぐ効果がある。また、絶縁シートを圧着する金属筒の側をアルマイト処理や粗化処理する事で密着性を改善し、金属筒側に高熱伝導層を直接接着する構成にしても良い。このように金属筒側に高熱伝導層を直接接着する事で、高熱伝導化できる効果がある。
【００８４】
図２０（ｂ）は、高密着化層３８の一例を拡大して示した模式図である。高密着化層３８は、樹脂成分を体積分率で50％より多くする事で密着性を高めているが、さらに、エポキシ変性ポリアミドイミド樹脂等のマトリクス樹脂３５に、平均粒径１μmほどのシリコーン樹脂等の島３６をミクロ相分離し形成する事で接着力を向上する効果がある。
【００８５】
図１２に示すように、パワー半導体ユニット６と金属筒１との間に配置される絶縁シート１０は、熱伝導率が３Ｗ/mＫ以上、絶縁破壊電圧２０ｋＶ/mm以上であり、封止材、リードフレーム、金属筒１に対して１０ＭＰa以上の接着強度を持つ材料である事が望ましい。熱伝導率が３Ｗ/mＫ以上であれば、絶縁信頼性を確保するために絶縁シート１０の厚さを１００μm以上とした場合でも、十分な放熱性を得ることができる。また、金属筒１に対する接着強度が１０ＭＰa以上であれば、温度サイクルでの発生応力よりも接着力を高くすることができ、接着の信頼性が高くなる。
【００８６】
本実施の形態では、絶縁シート１０の高熱伝導率化を図るために、高熱伝導層３７においては、絶縁性で高熱伝導率の無機材料であるアルミナフィラーが体積分率で５０％以上含まれるようにした。ただし、このような構成としたことにより、高熱伝導層３７は接着強度が低下する。そこで、高熱伝導層３７と樹脂成分が体積分率で５０％より多い高密着化層３８とを多層化し、金属筒１およびパワー半導体ユニット６と接する側に高密着化層３８を配置するようにした。すなわち、図２０に示すような多層構造とした。その結果、３Ｗ/mＫ以上の高熱伝導率（本実施の形態では熱伝導率５Ｗ/mＫ）と、１０ＭＰa以上の高接着力を両立させることが可能となった。
【００８７】
また、上述した高熱伝導層３７としてセラミックス板を用いても良く、絶縁信頼性のさらなる向上が図れる。ただし、高熱伝導層３７として高熱伝導率の無機材料を体積分率で５０％以上充填した樹脂組成物を用いた場合には、高熱伝導層３７が柔軟なため、パワー半導体６や金属筒１の表面形状に対する追従性の点で優れている。
【００８８】
ところで、未硬化のトランスファーモールド封止材には、ポリエチレンやステアリン酸等の離型剤が含まれている。この離型剤は、室温では固形でべたつかないが、９０℃以上では液状となる。液状となった離型剤は、封止材のベース樹脂であるエポキシ樹脂に比べ溶解度パラメータが低いため封止材硬化時に表面に浮き出てトランスファーモールド金型と封止材の型離れを良くする働きをしている。そのため、トランスファーモールドしたままの封止材に対する接着剤の接着性は、浮き出た離型剤のため一般的に接着性が悪い。通常は、ＵＶ洗浄、プラズマ洗浄、レーザー照射、研磨等によりこの離型剤を除去する事により、接着剤の密着性を向上させるようにしている。
【００８９】
本発明者らは、離型剤と溶解度パラメータの近いシリコーン樹脂に注目し、図２０（ｂ）に示すようなシリコーン樹脂３６を含む高密着化層３８を形成することで、離型剤の除去プロセスなしでも高密着化できることを見出した。ただし、シリコーン樹脂は弾性率が低いため、接着強度が低くなるという問題点があった。そこで、弾性率の高いマトリクス樹脂中に微細なシリコーン樹脂が分散したミクロ相分離構造を持つ接着剤を用いる検討を行った。その結果、接着剤硬化後にエポキシ変性ポリアミドイミドのマトリクス樹脂中に平均粒径５μm以下の微細なシリコーン樹脂の相分離構造を形成する接着剤を、絶縁シート１０の高密着化層３８として用いれば、トランスファーモールド封止材の離型剤を除去することなく１０ＭＰa以上の高密着化が図れることがわかった。
【００９０】
上述のように、本実施の形態では、絶縁シート１０を高熱伝導層３７を高密着化層３８で挟んだ３層構造とすることにより、高熱伝導性でかつ接着性を有する絶縁シート１０とすることができた。そのため、絶縁シート硬化後は、特許文献１に記載のように挟圧を維持し続けなくとも絶縁シート１０の密着を保持できるようになった。
【００９１】
（パワーモジュールの製造工程）
図２１は、パワーモジュールの製造方法を説明する図である。まず、図２１（ａ）に示すように、トランスファーモールドによって形成されたパワー半導体ユニット６の表裏両面に、すなわち、電極リードフレーム３１６，３１９の放熱面３１６ｓ、３１９ｓおよび封止材１３の表面に、絶縁シート１０を圧着する。なお、図２０に示した絶縁シート１０の表裏両面には、作業性の観点から離型シートが貼られているが、圧着をする際には、絶縁シート１０の片面側（パワー半導体ユニット６に対向しない方の面）の離型シートは残したままとする。その状態で、真空プレス機を用いて、温度１３０℃、加圧力１ＭＰa、気圧１０ｋＰaの条件で１分間圧着する。
【００９２】
なお、絶縁シートの圧着作業は、図２１（ａ）に示す状態での圧着と、後述する図２１（ｃ）の状態で行う圧着の２段階で行われる。最初の圧着は、パワー半導体ユニット６および絶縁シート１０の金属筒１への挿入が容易となるように、絶縁シート１０をパワー半導体ユニット６の表裏両面に固定する仮圧着作業であり、絶縁シート１０に含まれる樹脂成分は未だ完全に固まった状態にはなっていない。具体的には、樹脂成分の硬化度が約８０％以下である状態とする。このような状態とするためには、図２１（ａ）の圧着作業においては、１４０℃以下の温度条件、２ＭＰa以下の加圧条件、かつ、１０ｋＰa以下の気圧条件で１５分以内の圧着を行うようにすれば良い。
【００９３】
次いで、絶縁シート１０に残った状態になっていた離型シートを除去した後に、表裏両面に絶縁シート１０が圧着されているパワー半導体ユニット６を金属筒１内に挿入する。その後、真空プレス機を使用して、金属筒１の厚肉部３０１を加圧することにより薄肉部３０２を塑性変形させ、絶縁シート１０と金属筒１との圧着を行う。このときの圧着作業の条件は、温度１３０℃、加圧力２ＭＰa、気圧１０ｋＰa、圧着時間１５分であった。なお、この２回目の圧着作業では、１３０℃以上の温度条件、５ＭＰa以下の加圧条件、１０ｋＰa以下の気圧条件で５分以上の圧着を行えば良い。この圧着作業により絶縁シート１０の樹脂成分の硬化度は約９０％以上となる。このように、絶縁シート１０と金属筒１の内周面との接着させるための圧着作業があるので、図２１（ａ）の最初の圧着作業では、完全に固まった状態まで硬化させてはいけない。
【００９４】
パワー半導体ユニット６は金属筒１の厚肉部３０１で挟まれた領域に配置され、薄肉部３０２で挟まれた領域は隙間となっている。図２１（ｃ）に示す工程では、この隙間領域にポッティング樹脂２を注入し加熱硬化させる。これら一連の作業によってパワーモジュール３１が形成される。なお、図１に示すように、薄肉部３０２は厚肉部３０１を囲むようにＵ字形状に形成されており、ポッティング樹脂２はこのＵ字形状の隙間空間に充填される。
【００９５】
このように、パワーモジュール３００では、継ぎ目のない金属筒１を用いているため本質的に水密構造にでき耐水性に優れる効果がある。また、金属筒１とパワー半導体ユニット６の隙間部をポッティング樹脂２で封止しているためポッティング樹脂２の接着力でパワー半導体ユニットと金属筒１との密着を補強し高信頼性化できる効果がある。
【００９６】
−第２の実施の形態−
図２２〜図２５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。図２２は、第２の実施の形態におけるパワーモジュール３００Ｂの断面を模式的に示した図である。パワーモジュール３００Ｂはと図１２に示したパワーモジュール３００との相違点は、電極リードフレーム７の形状が異なる点にある。以下では異なる点を中心に説明する。
【００９７】
第１の実施の形態と同様に、パワー半導体ユニット６は金属筒１内に収められ、パワー半導体ユニット６と金属筒１との間には節煙シート１０が配置されている。電極リードフレーム７には、電極リードフレーム７を貫通するハンダ注入孔４１が形成されている。パワー半導体ユニット６を製造する際に、この注入孔４１からハンダを注入することにより、パワー半導体素子５のコレクタ側の電極と電極リードフレーム７とが接続される。電極リードフレーム７の放熱面側には、封止材１３をハンダ注入口４１に導入するための溝４４が形成されている。そのため、トランスファーモールド時にこの溝４４を通ってハンダ注入口４１に封止材１３が回り込むように、溝４４の深さは１００μm以上に設定されている。
【００９８】
図２３はパワー半導体ユニット６の製造工程を示す図である。図２３においても、上述した図１４の場合と同様に、ＩＧＢＴ１５７、ダイオード１５８、電極リードフレーム３１６、３１９の部分を例に示した。ＩＧＢＴ１５７は、図示上側（チップ表面側）にエミッタ電極およびゲート電極が形成されており、図示下側（チップ裏面側）にコレクタ電極が形成されている。
【００９９】
まず、図２３（ａ）に示すように、エミッタ側の電極リードフレーム３１９の素子固着部３２２の上にハンダシート１６０ａをそれぞれ載置し、そのハンダシート１６０ａの上にＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８を載置する。図２３（ｂ）に示す工程では、これらを一括リフローしてＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８と電極リードフレーム３１９とをハンダ１６０により固着し、電気的に接続する。
【０１００】
次に、図２３（ｃ）に示すように、治具を用いてコレクタ側の電極リードフレーム３１６を所定の高さに保持し、電極リードフレーム３１６に形成されたハンダ注入口４１から溶融したハンダをディスペンスにより充填する。その充填の際、電極リードフレーム３１６の放熱面側にハンダが突出しないように、すなわち、図２３（ｃ）のようにハンダが放熱面３１６ｓよりも窪んでいるように充填量を調節する。その後、信号端子４をインサート成型した熱可塑性樹脂からなる端子ブロック６００を、コレクタ側及びエミッタ側電極リードフレーム３１６，３１９の端子間に挿入し、ＩＧＢＴ１５７のゲート電極と信号端子４とをアルミワイヤボンディング１１で電気的に接続する。
【０１０１】
次いで、図示は省略したが、トランスファーモールド用の金型を用いて、封止材１３によるトランスファーモールドを行う。図２３（ｄ）は、トランスファーモールドにより形成されたパワー半導体ユニット６を示す図である。リードフレーム構造体は封止材１３によりモールドされ、電極リードフレーム３１６，３１９の放熱面３１６ｓ、３１９ｓが表裏両面に露出している。ハンダ注入口４１内においては、ハンダは放熱面３１６ｓよりも窪んでおり、その窪みには封止材１３が充填されている。
【０１０２】
図２４はパワー半導体ユニット６の平面図である。電極リードフレーム３１５，３１６の放熱面３１５ｓ、３１６ｓが、封止材１３から露出している。ハンダ注入口４１は破線で示す素子固着部３２２毎に設けられており、電極リードフレーム３１５，３１６の素子固着部３２２が設けられた領域を貫通するように形成されている。溝４４は注入口４１から放熱面３１５ｓ、３１６ｓの縁まで形成されており、封止材１３は放熱面３１５ｓ、３１６ｓの縁から溝４４を通ってハンダ注入口４１内へと充填される。
【０１０３】
本実施の形態では、上述のように電極リードフレーム３１６の高さを治具により正確に位置決めしつつハンダ付け作業を行うことができるので、図２３（ｃ）に示すリードフレーム構造体の図示上下方向の寸法ばらつきを非常に小さくすることができる。なお、この寸法ばらつきを小さくするためには、ハンダ注入口４１に注入されたハンダ１６０が、放熱面よりも外側へと突出しないことが重要である。
【０１０４】
なお、ハンダ付け後の全体高さに関して検討したところ、ハンダ付け後の全体高さを金型キャビティ高さに対して０〜６０μmの範囲内に調整すれば、パワー半導体素子が破壊せずかつ、電極リードフレーム面への封止樹脂の回り込みを電極リードフレームの外周部から５mm以内に収められる事がわかった。
【０１０５】
このように、本実施の形態では、トランスファーモールドの際の封止材１３の放熱面３１６ｓ、３１９ｓへの回り込みを防止できる程度まで、電極リードフレーム３１６，３１９と金型との隙間を小さくできる。図１４（ｃ）に示した例では、リードフレーム構造体の高さ寸法ばらつきを吸収するために柔軟な離型シート２７を使用したが、本実施の形態では離型シート２７を省略することができる。
【０１０６】
図２５はパワーモジュール３００の製作工程を示したものである。図２５（ａ）に示す工程では、図２４（ｄ）に示したパワー半導体ユニット６の表裏両面に上述した絶縁シート１０を圧着する。そして、絶縁シート１０が圧着されたパワー半導体ユニット６を金属筒１内に収め、厚肉部３０１を加圧して薄肉部３０２を塑性変形させ、厚肉部３０１の内周面と絶縁シート１０との接着を行う。なお、図２５（ａ），（ｂ）の圧着工程は、上述した第１の実施の形態と同様の条件で行われる。その後、ポッティング樹脂２の注入および加熱硬化を行うことにより、図１に示すようなパワーモジュール３００が完成する。
【０１０７】
（１）上述したように、本実施の形態におけるパワー半導体ユニットは、図１２に示すように、板状導電性部材で形成され、該板状導電性部材の表裏面の一方の面に、パワー半導体素子５の電極面が金属接合される接合面が形成されるとともに、表裏面の他方の面に放熱面が形成されている電極リードフレーム７，８を有し、電極リードフレーム７，８の放熱面の少なくとも一部が露出するようにパワー半導体素子５を封止材１３でモールドしたものである。そして、放熱面を、絶縁シート１０を介して放熱部材（厚肉部３０１）に熱接触させることにより、パワー半導体素子５の熱を放熱部材へ放熱するようにしている。このようなパワー半導体ユニット６において、図１４に示すように、放熱面７ｂ，８ｂの露出領域と該露出領域に隣接する封止材１３の表面とは、いずれか一方が突出した凹凸段差を成し、凹凸段差の凸側の面と凹側の面との間に形成された段差側面は、凸側の面との間の角度および凹側の面との間の角度がそれぞれ鈍角となるような傾斜面７ａ，１３ａで構成されている。
【０１０８】
このように、放熱面７ｂ，８ｂの露出領域と隣接する封止材１３の表面とが段差になっていても、段差側面を上述したような鈍角の傾斜面７ａ，１３ａとしたので、絶縁シート１０を密着させたときのボイドの巻き込みを防止することができる。その結果、最大電圧が３００Ｖを超えるような使用環境でも、絶縁信頼性に優れている。また、電極リードフレーム端部が傾斜面７ａとされることで、電界集中による絶縁破壊を防止することができる。
【０１０９】
また、図２に示すように、電位の異なる複数の電極リードフレーム３１５，３１６を同一平面上に配置した場合でも、電極リードフレーム側面へのボイド巻き込みが無いためトリーが発生しにくく、マイグレーションによる短絡が発生し難いという効果がある。
【０１１０】
（２）なお、図１３（ｂ）に示すように、放熱面８ｂの一部が封止材１３の表面１３ｂよりも窪んでいる凹凸段差の場合には、傾斜面は、放熱面８ｂの周囲を囲むように突出した封止材１３の縁に形成された傾斜加工面１３ａとされる。
（３）一方、図１３（ａ）に示すように、放熱面７ｂの全体が封止材１３の表面よりも突出している凹凸段差の場合には、傾斜面は、封止材１３の表面１３ｂから突出した放熱面７ｂの縁に形成された面取り加工面７ａとされる。
【０１１１】
（４）また、傾斜面７ａ，１３ａの角度は、１１０度以上１８０度未満であることがより好ましい。
【０１１２】
（５）パワー半導体素子５が表裏両面に電極を有する場合には、図１２に示すように、パワー半導体素子５の裏面側の電極面が接合される第１の電極リードフレーム７と、パワー半導体素子５の表面側の電極面が接合される第２の電極リードフレーム８とを有し、第１および第２の電極リードフレーム７，８の少なくとも一方の電極リードフレームに対して、傾斜面を有する凹凸段差が形成されている。そのため、パワー半導体素子の両面から冷却でき、高放熱化できる効果がある。
【０１１３】
（６）図２２に示すように、電極リードフレームの少なくとも一方に、放熱面から接合面に貫通する貫通孔であるハンダ注入口４１を形成し、金属接合体であるハンダを溶融状態でハンダ注入口４１から電極面と接合面との隙間に注入し、電極面と接合面とを金属接合する。さらに、ハンダ注入口４１が形成された電極リードフレームの放熱面に、電極リードフレームの端部からハンダ注入口４１に連通する溝４４を形成する。そのため、トランスファーモールドの際に封止材１３が溝４４を通ってハンダ注入口４１に流入するので、ハンダ注入口４１および溝４４は封止材１３によって覆われる。
【０１１４】
このように、ハンダ注入口４１からハンダを注入して放熱面と接合面とを金属接合するようにしたので、治具を用いたハンダ付けを行うことにより、ハンダ付け時に生じる高さ方向の寸法ばらつきを低減できる。そのため、トランスファーモールド金型との隙間寸法を、封止材１３の回り込みを防止できる程度に小さくすることも可能となる。また、封止材１３の回り込みが発生したとしても、前述した傾斜面を形成することで、絶縁シートとの間にボイドが生じるのを防止することができる。ハンダ注入口４１は溝４４を通って導入された封止材１３によって覆われるので、ハンダ注入口４１と絶縁シートとの間にボイドが発生するのを防止することができる。
【０１１５】
（７）また、ハンダ注入口４１が、接合面の縁領域を貫通するように形成されていて、放熱面の中央から離れているので、ハンダ注入口４１を設けたことに起因する放熱効果の低下を抑えるができる。
【０１１６】
（８）本実施の形態のパワーモジュールは、図１２に示すように、有底の金属筒１は外周面に放熱フィン３０５が形成された対向する一対の厚肉部３０１（放熱壁）を有し、一方の厚肉部３０１の内周面と電極リードフレーム７の放熱面とが対向し、かつ、他方の厚肉部３０１の内周面と電極リードフレーム８の放熱面とが対向するようにパワー半導体ユニット６が内挿される。そして、電極リードフレーム７の放熱面と厚肉部３０１との間、および、電極リードフレーム８の放熱面と厚肉部３０１との間には、熱伝導性の絶縁シート１０がそれぞれ密着して配置される。
【０１１７】
よって、パワー半導体素子の両面から冷却できるため高放熱化できる効果がある。また、電極リードフレームと絶縁シートとの間にボイドが生じるのを防止することができる。さらに、また、放熱面の一部は封止材で被覆されているため、接着性を有する絶縁シートを介して電極リードフレームと金属筒の厚肉部内周面とを密着させる時に、電極リードフレームと金属製筺体が直接接触することを根本的に防止できる効果がある。
【０１１８】
（９）金属筒１は、厚肉部３０１の周囲に形成されて、その厚肉部３０１よりも肉厚の薄い薄肉部３０２を有し、厚肉部３０１によってパワー半導体ユニット６が挟持されるように薄肉部３０２を塑性変形させるようにしたので、金属筒１へのパワー半導体ユニット６の挿入作業が容易となるとともに、厚肉部３０１の内周面と絶縁シートとを確実に密着させることができる。そのため、放熱性の向上を図ることができる。薄肉部３０２を塑性変形させて、接着性を有する絶縁シート１０をパワー半導体ユニット６の放熱面に接着するので、金属筒１は塑性変形しやすい金属、例えば、アルミ製であることが望ましい。
【０１１９】
（１０）絶縁シート１０は、熱硬化性樹脂に熱伝導率が５Ｗ/mＫ以上の絶縁性無機材料を体積分率５０％以上９０％以下充填した高熱伝導層３７と、その表裏両面に設けられた熱硬化性樹脂から成る高密着化層３８と、を備える。高熱伝導層３７を備えたことにより、絶縁シート１０の熱伝導性能が向上する。また、厚肉部３０１および放熱面に対向する表裏両面に熱硬化性樹脂から成る高密着化層３８を設けたので、絶縁シート１０は放熱面および金属筒１の内周面に接着され、絶縁シート１０が硬化した後も挟圧し続けなくても、絶縁シート１０と放熱面および金属筒１との密着を保持できる。
【０１２０】
（１１）高密着化層３８は、熱硬化性樹脂としてエポキシ変性ポリアミドイミド樹脂を体積分率５０％より多く含み、マトリクス樹脂としてのエポキシ変性ポリアミドイミド樹脂に平均粒径５μm以下のシリコーン樹脂がミクロ相分離された構造を有する。このような構成としたことにより、絶縁シート１０と放熱面および金属筒１との高密着化を図ることができる。
【０１２１】
（１２）放熱面の周囲を囲むように突出した封止材１３の縁領域を傾斜面とする際に、レーザー加工を使用することにより、短時間で容易に傾斜面加工を行うことができる。
【０１２２】
（１３）本実施の形態のパワー半導体ユニットの製造方法では、図１４に示すように、放熱面の縁に面取り加工面が形成された電極リードフレーム３１６の接合面に、パワー半導体素子１５７の電極面を金属接合し、パワー半導体素子１５７が金属接合された電極リードフレーム３１６の放熱面とトランスファーモールド金型２６ｂとの間に柔軟性離型シート２７を配置し、トランスファーモールド金型２６ｂを電極リードフレーム３１６の放熱面に押圧して、その放熱面を柔軟性離型シート２７に沈み込ませた状態でトランスファーモールドを行うようにした。その結果、電極リードフレーム３１６の放熱面を封止材１３の表面より突出させることができ、放熱面上に封止材１３が回り込むのを防止することができる。
【０１２３】
（１４）本実施の形態のパワーモジュールの製造法では、温度１４０℃以下、加圧力２ＭＰa以下、気圧１０ｋＰa以下および圧着時間１５分以内という圧着条件で、パワー半導体ユニットの電極リードフレームの放熱面への絶縁シート１０の圧着を行い、その後、温度１３０℃以上、加圧力５ＭＰa以下、気圧１０ｋＰa以下およびの圧着時間５分以上という圧着条件で、パワー半導体ユニットに圧着された絶縁シート１０への厚肉部３０１の内周面の圧着を行うようにした。最初の圧着を行うことで、絶縁シート１０および半導体ユニット６の金属筒１への挿入作業が容易となり、２番目の圧着により絶縁シート１０と厚肉部３０１とが確実に密着化される。
【０１２４】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１２５】
１：金属筒、２：ポッティング樹脂、５：パワー半導体素子、６：パワー半導体ユニット、７，８，３１６，３１９：電極リードフレーム、７ａ，１３ａ：傾斜面、７ｂ，８ｂ，３１６ｓ，３１９ｓ：放熱面、１０：絶縁シート、１３：封止材、３５：エポキシ変性ポリアミドイミド樹脂、３６：シリコーン樹脂、３７：高熱伝導層、３８：高密着化層、４１：ハンダ注入口、４４：溝、１６０：ハンダ、３００：パワーモジュール、３０１：厚肉部、３０２：薄肉部、３０５：放熱フィン
【図１】
0005437943.tif 000002
【図２】
0005437943.tif 000003
【図３】
0005437943.tif 000004
【図４】
0005437943.tif 000005
【図５】
0005437943.tif 000006
【図６】
0005437943.tif 000007
【図７】
0005437943.tif 000008
【図８】
0005437943.tif 000009
【図９】
0005437943.tif 000010
【図１０】
0005437943.tif 000011
【図１１】
0005437943.tif 000012
【図１２】
0005437943.tif 000013
【図１３】
0005437943.tif 000014
【図１４】
0005437943.tif 000015
【図１５】
0005437943.tif 000016
【図１６】
0005437943.tif 000017
【図１７】
0005437943.tif 000018
【図１８】
0005437943.tif 000019
【図１９】
0005437943.tif 000020
【図２０】
0005437943.tif 000021
【図２１】
0005437943.tif 000022
【図２２】
0005437943.tif 000023
【図２３】
0005437943.tif 000024
【図２４】
0005437943.tif 000025
【図２５】
0005437943.tif 000026