(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成してなるインバータ装置において、
前記３相インバータ主回路の１アームを、サイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップを複数個並列接続して構成すると共に当該複数の半導体チップは厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体に接合され、当該導体はセラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着されてなることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記セラミックスを含有した絶縁樹脂シートは、厚みが０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下又は厚みが０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下で、かつ熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上４Ｗ／ｍＫ以下のものであることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記導体を、前記半導体チップが接合された面にはメッキ処理を行い、前記冷却器とセラミックスを含有した絶縁樹脂シートで接着する面にはメッキ処理を行わないことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記複数の半導体チップと、厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体を接合する半田の厚みを、７５μｍ以上３００μｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項５】
前記冷却器の厚みを、前記厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体の３.３倍以上１０倍以下としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記３相インバータ主回路の上側アームを構成する複数の並列接続された半導体チップを、前記導体を構成する第１導体に１列に配置し、前記３相インバータ主回路の下側アームを構成する複数の並列接続された半導体チップを、前記導体を構成する第２導体に１列に配置すると共に、前記第１導体及び第２導体との問に、前記第１導体上の複数の半導体チップと３相出力電極を接続する第３導体と、前記第２導体上の複数の半導体チップと負極側電極を接続する第４導体とを配置し且つ前記第１導体及び第２導体に配置され並列接続された複数の半導体チップの電流経路を均等にしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを、前記３相インバータ主回路の各相毎に分割し、各絶縁樹脂シートを一定距離はなし、各絶縁樹脂シート間には前記複数の半導体チップを駆動するための配線及び前記複数の半導体チップを制御するための配線の入出力端子を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項８】
前記冷却器として液冷式冷却器を用い、当該液冷式冷却器の冷媒が通る流路には拡大伝熱面を設け、前記拡大伝熱面を前記複数の半導体チップが接合される導体と平行に設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項９】
前記冷却器として上下２段構成の液冷式冷却器を用い、当該上下２段構成の液冷式冷却器の上段は前記複数の半導体チップを冷却する冷媒が通る冷却器として機能させ、下段は周囲に開放され冷媒が通らない冷却器として機能させ、前記上段における冷媒が通る流路には第１拡大伝熱面を設け、この第１前記拡大伝熱面を前記複数の半導体チップが接合される導体と平行に設け、前記下段には前記第１拡大伝熱面と直交する方向に第２拡大伝熱面を設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項１０】
前記導体の端部を薄板構造とし、該薄板部に電気的に配線するためのワイヤボンディングを接合することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項１１】
前記複数の半導体チップが接合された前記導体に、チップとチップの間にスリットを設け、スリットが設けられた面を、前記冷却器と、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートとで接着することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項記載のインバータ装置。
【請求項１２】
複数のアームを有する３相インバータ主回路を、複数の半導体チップで構成してなるインバータ装置において、
前記半導体チップを厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体に半田接合する工程と、
前記半導体チップが接合された前記導体と冷却器との間に、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介在させて加圧及び加熱接着する工程とを具備したことを特徴とするインバータ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記セラミックスを含有した絶縁樹脂シートは、厚みが０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下又は厚みが０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下で、かつ熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以上４Ｗ／ｍＫ以下のものであることを特徴とする請求項１２記載のインバータ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記導体上の複数の半導体チップが接合されていない場所を加圧することを特徴とする請求項１３記載のインバータ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成すると共に駆動回路及び制御回路を有するインバータ装置に係り、特に電気自動用として小型で冷却効率が良く、信頼性の高いインバータ装置及び製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車では、インバータ装置の小型化、高信頼性が要求されている。インバータ装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良いインバータ装置が必要となる。
【０００３】
以下、従来のインバータ装置の構造を、図１６〜図１８を参照して説明する。図１６は従来のインバータ装置の平面断面図、図１７は同側面断面図、図１８は同内部部分断面図である。
【０００４】
図１６及び図１７において、インバータ装置は、取付けねじ３によりインバータ装置筐体１の底面に取付けられ、３相インバータ主回路を構成する半導体チップを実装してなる電力用半導体素子部２、固定台５に固定されている電源平滑用コンデンサであるアルミ電解コンデンサ４、３相出力導体９１〜９３の電流を検出する電流検出器１０１〜１０２、制御ユニット１１により構成されている。
【０００５】
電力用半導体素子部２とアルミ電解コンデンサ４は、正極側導体７及び負極側導体８と接続ねじ６により電気的に接続されている。また、インバータ装置筐体１の底面には、冷媒１４の入口１２、出口１３及び流路１５が設けられており、入口１２から入り流路１５内部を流れる冷媒１４により電力用半導体素子部２は冷却され、該冷媒１４は出口１３から出る。冷媒１４は、例えば不凍液などである。
【０００６】
また電力用半導体素子部２は、図１８に示すように、放熱用金属板１６の上部に絶縁基板１７、絶縁基板１７の上部に金属電極１８、金属電極１８の上部に、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１が積層され且つ接合され、ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１、金属電極１８、絶縁基板１７が絶縁性を有する樹脂製パッケージに収納され、さらに放熱用金属板１６と樹脂製パッケージは端部で接着されている。樹脂製パッケージの内部には、絶縁性のゲルが封入されている。
【０００７】
さらに、電力用半導体素子部２は、放熱用金属板１６の裏面に、接触熱抵抗を低減する目的で熱伝導グリース２１が塗布され、流路１５が設けられたインバータ装置筐体１の底面に、取付けねじ３により取付けられている。
【０００８】
このように構成された電力用半導体素子部２においては、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１が通電されたときに損失が発生する。ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１の上部には断熱材である絶縁性のゲルが封入されているので、ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１で発生した損失の大部分は、下部の金属電極１８に熱伝導する。金属電極１８に熱伝導した損失は、絶縁基板１７を伝わり放熱用金属板１６に熱伝導する。放熱用金属板１６は、図１７〜図１８に示すように取付けねじ３によりインバータ装置筐体１の底面に加圧接触され、損失が冷媒１４により放熱される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のインバータ装置では、以下のような問題点がある。
【００１０】
第１の問題点として、放熱用金属板１６の裏面に接触熱抵抗を低減するための熱伝導グリース２１を塗布し、電力用半導体素子部２の周囲にある取付けねじ３により放熱用金属板１６を、流路１５が構成されているインバータ装置筐体１の底面に加圧接触させているので、加圧力が放熱用金属板１６全体に均等にかからない。そのため、放熱用金属板１６とインバータ装置筐体１との間の接触熱抵抗は、電力用半導体素子部２の内部の熱抵抗とほぼ同等と非常に大きくなり冷却効率が悪い。
【００１１】
第２の問題点として、第１の問題点に加え、放熱用金属板１６の裏面に塗布される熱伝導グリース２１は長期的な劣化も考えられ信頼性が低下する。
【００１２】
これらは、結局、インバータ装置の通電容量の向上に対応できなく、また、冷却器などが大型化しインバータ装置も大型化し、さらに、インバータ装置の長期使用を前提とした信頼性を確保することが難しくなる、という問題点になる。
【００１３】
本発明の目的は、インバータ主回路における冷却効率を高めることで通電容量を向上させ且つ小型化に寄与し、また高い信頼性を発揮し得るインバータ装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係るインバータ装置は、複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成してなるインバータ装置において、
前記３相インバータ主回路の１アームを、サイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップを複数個並列接続して構成すると共に当該複数の半導体チップは厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体に接合され、当該導体はセラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着されてなることを特徴とする。
【００１５】
また、上記の目的を達成するために本発明に係るインバータ装置の製造方法は、  複数のアームを有する３相インバータ主回路を、複数の半導体チップで構成してなるインバータ装置において、前記半導体チップを厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体に半田接合する工程と、  前記半導体チップが接合された前記導体と冷却器との間にセラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介在させて加圧及び加熱接着する工程とを具備したことを特徴とする。
【００１６】
本発明のインバータ装置によれば、チップサイズを□１０ｍｍ以下とし且つチップを並列接続することにより、半田の非線形ひずみの値は小さく、電気自動車用として必要とする数１０ｋＷの通電容量を確保することができる。
【００１７】
また、半導体チップは冷却器に絶縁樹脂シートを用いて直接接着されているので熱抵抗が低減し、高い信頼性を確保することができる。
【００１８】
本発明のインバータ装置の製造方法によれば、半導体チップを導体に半田接合した後に前記導体と前記冷却器との間に前記エポキシ樹脂シートを介在させて加圧及び加熱接着しているので、エポキシ樹脂シートの特性を劣化させることがない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２０】
(第１の実施形態：請求項１，２に対応)
まず、本発明の第１の実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態のインバータ装置の特に電力用半導体素子部の内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図である。
【００２２】
図２は、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの半田の非線形ひずみの最大値と半導体チップサイズの相関の解析結果を示す図である。
【００２３】
図３は、本発明の第１の実施形態のインバータ装置通電時の半導体チップの温度の解析結果を示す図である。
【００２４】
図４は、本発明の第１の実施形態のインバータ装置起動時の半導体チップの温度と導体厚みの相関の解析結果を示す図である。
【００２５】
図１において、インバータ装置の電力用半導体素子部は、３相インバータ主回路の１アームを、サイズが□１０ｍｍ以下の半導体チップであるＩＧＢＴ１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃを並列接続して構成している。
【００２６】
図１においては、ＩＧＢＴが４並列、ダイオードが３並列の場合の実施形態である。さらに、厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体２２に、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃが導体２２の厚みの２倍以上の距離を以て分散配置され、Ｓｎ／Ｐｂなどの低融点又はＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点半田２３で接合されている。さらに、導体２２は、銅やアルミニウム製の冷却器２４に、セラミックスを含有した絶縁樹脂シート２５で接着されている。
【００２７】
絶縁樹脂シート２５は、例えばエポキシ樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラーを充填したものであり、熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０.１〜０.１５ｍｍ程度である。
【００２８】
さらに、導体２２は、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃを接合した面にはメッキ処理２６を行い、冷却器２４とセラミックスを含有した絶縁樹脂シート２５で接着する反対面にはメッキ処理を行っていない。
【００２９】
図１において、インバータ装置は、厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体２２に、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃが、Ｓｎ／Ｐｂなどの低融点又はＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点半田２３で接合されている。
【００３０】
ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１は材質がＳｉで、導体２２は材質が銅であるので、ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１と導体２２の線膨張係数の違いにより、温度サイクルが負荷されたときに、半田２３にせん断応力が発生し、非線形ひずみが発生する。非線形ひずみの値が大きくなると、温度サイクルが負荷されたときに半田にクラックなどが発生する。非線形ひずみの値は、小さいほど信頼性・耐久性が向上する。
【００３１】
図２は、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験を行ったときの、半田２３の非線形ひずみの最大値とチップサイズの相関を示す解析結果である。
【００３２】
図２によると、チップサイズが□１０ｍｍより大きくなると、半田の非線形ひずみが増大することが分かる。従って、チップサイズを□１０ｍｍ以下とすると、インバータ装置の信頼性・耐久性を確保することが可能となることが分かる。
【００３３】
一方、本実施形態のようにチップサイズを□１０ｍｍ以下とすると１チップ当りの通電容量が小さくなる。この場合、チップの並列接続を行うことにより、電気自動車用として数１０ｋＷの通電容量を確保することができる。
【００３４】
さらに、図１のように構成されたインバータ装置においては、導体２２に接合されたＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃが、冷却器２４に絶縁樹脂シート２５を用い直接接着されているので、図２４に示した従来の電力用半導体素子部のような冷却器との接触部の接触熱抵抗が無くなり、熱抵抗が低減する。
【００３５】
さらに、従来の電力用半導体素子部の内部に用いられている絶縁基板１７である例えばアルミナ基板(熱伝導率２１Ｗ／ｍＫ、厚み０.３２ｍｍ)などに比べ、熱伝導率が低い絶縁樹脂シート２５の上部の導体２２を、熱伝導率の良い銅製とし厚みを１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下としＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃを分散配置しているので、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃで発生した熱損失を導体２２の熱伝導により拡散し、さらに熱容量により吸収することができるので、さらに熱抵抗が低減する。
【００３６】
図３は、導体２２の厚みが３ｍｍのときの、インバータ通電時のＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１の温度変化の解析結果である。インバータ起動時には、ＩＧＢＴ及びダイオードの損失が大きくなり、ＩＧＢＴ及びダイオードとも温度上昇が特に高くなる。
【００３７】
ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１の信頼性の向上、並列数の低減、電力用半導体素子部及びインバータ装置の小型化には、特にインバータ起動時の温度上昇を低減することが重要となる。
【００３８】
図４は、導体２２の厚みをパラメータにした、インバータ起動時のＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１の温度変化である。導体２２の厚みが１.５ｍｍ以下になると、ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１の温度が特に高くなる。また、導体２２の厚みを５ｍｍより大きくしても、ＩＧＢＴ及びダイオードの温度は大きくは低減しない。導体２２の厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の場合に、導体２２の熱容量の効果により、ＩＧＢＴ及びダイオードのインバータ起動時の温度が低くなる。
【００３９】
ＩＧＢＴのチップサイズが□７.８ｍｍのとき、導体２２の厚みが３ｍｍの本発明の電力用半導体素子部のＩＧＢＴチップ当りの定常熱抵抗は０．４６Ｋ／Ｗであり、従来の電力用半導体素子部のＩＧＢＴチップ当りの定常熱抵抗１.１１Ｋ／Ｗに比べ、約半減する。
【００４０】
また、絶縁樹脂シート２５は、例えばＮｉメッキなど行った不活性な面より、銅などのより活性の強い面との接着力の方が強くなる。一方、ＩＧＢＴやダイオードの電気的な配線であるワイヤボンディングは、メッキ処理した面との接合力が強くなる。
【００４１】
故に、導体２２は、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃを接合した面にはメッキ処理２６を行っているので、ワイヤボンディングと導体２２の接合力が向上し、冷却器２４とセラミックスを含有した絶縁樹脂シート２５で接着する反対面にはメッキ処理２６を行っていないので、導体２２と絶縁樹脂シート２５の接着力が向上する。
【００４２】
以上のように図１〜図４で示したインバータ装置においては、電力用半導体素子部２の内部のＩＧＢＴ及びダイオードによる半導体チップの熱抵抗が半減し、冷却効率が向上し、インバータ装置の信頼性向上、小型化が図れる。さらに、長期的な劣化なども考えられる熱伝導グリースを使用しないので、信頼性・耐久性が向上する。
【００４３】
(第２の実施形態：請求項３に対応)
次に、本発明の第２の実施形態を図１及び図５を参照して説明する。
【００４４】
第２の実施形態は、第１の実施形態の電力用半導体素子部における半田の厚みを規定している。
【００４５】
図５は、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの、半田の非線形ひずみの最大値と半田厚みの相関の解析結果である。
【００４６】
図１において、インバータ装置は、厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅製の導体２２に、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃが、Ｓｎ／Ｐｂなどの低融点又はＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点半田２３で接合されている。
【００４７】
ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１は材質がＳｉで、導体２２は材質が銅であるので、ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１と導体２２の線膨張係数の違いにより、温度サイクルが負荷されたときに、半田２３にせん断応力が発生し、非線形ひずみが発生する。非線形ひずみの値は、小さいほど信頼性・耐久性が向上する。
【００４８】
図５は、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの、半田２３の非線形ひずみの最大値と半田厚みの相関の解析結果である。
【００４９】
半田２３の厚みが７５μｍより小さくなると、非線形ひずみが増大する。半田２３の厚みが７５μｍ以上になると、半田２３の厚みを増すことにより半田の熱応力を分散させ応力集中が減少するので、非線形ひずみが低減する。一方、半田２３の厚みを３００μｍ以上としても、非線形ひずみは大きくは低減しない。
【００５０】
以上のように本実施形態においては、ＩＧＢＴ１９１及びダイオード２０１と、厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体２２を接合する半田２３の厚みを、７５μｍ以上３００μｍ以下とすることにより、半田２３の非線形ひずみを低減でき、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部及びインバータ装置の信頼性・耐久性を、一層向上させることができる。
【００５１】
(第３の実施形態：請求項４に対応)
次に、本発明の第３の実施形態を、図１及び図６を参照して説明する。
【００５２】
第３の実施形態は、第１の実施形態の電力用半導体素子部における冷却器２４の厚みを規定している。
【００５３】
図６は、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの、絶縁樹脂シート２５の最大せん断応力と冷却器の厚み/導体の厚みの相関の解析結果である。
【００５４】
図１において、銅製の導体２２は、銅やアルミニウム製の冷却器２４に、セラミックスを含有した絶縁樹脂シート２５で接着されている。冷却器２４の材質としては、銅やアルミニウムなどが考えられるが、製造性・加工性や重量などを考えればアルミニウムが望ましい。
【００５５】
特に冷却器２４の材質をアルミニウムとした場合には、材質が銅である導体２２と材質がアルミニウムである冷却器２４の線膨張係数の違いにより、温度サイクルが負荷されたときに、絶縁樹脂シート２５にせん断応力が発生する。せん断応力の値が大きくなると、絶縁樹脂シート２５が剥離する。せん断応力の値は、小さいほど信頼性一耐久性が向上する。
【００５６】
図６は、冷却器２４の材質をアルミニウムとし、本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの、絶縁樹脂シート２５の最大せん断応力と冷却器の厚み/導体の厚みの相関を示す解析結果である。
【００５７】
冷却器２４の厚み／導体２２の厚みが３.３倍より小さくなると、絶縁樹脂シート２５の最大せん断応力は増大する。冷却器２４の厚み/導体２２の厚みが３.３倍以上になると、導体２２に比べ冷却器２４の剛性の方が十分大きくなり冷却器２４の変形が抑制され、それにより絶縁樹脂シート２５の変形も抑制されるので、絶縁樹脂シート２５の最大せん断応力が低減する。冷却器２４の厚み/導体２２の厚みを１０倍以上としても、最大せん断応力はほとんど低減しない。
【００５８】
以上のように本実施形態によれば、冷却器２４の厚みを、厚みが１.５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体の３.３倍以上１０倍以下とすることにより、絶縁樹脂シート２５の最大せん断応力を低減でき、本発明の第１〜第２の実施形態の電力用半導体素子部及びインバータ装置の信頼性・耐久性を、一層向上させることができる。
【００５９】
(第４の実施形態：請求項５，６に対応)
次に、本発明の第４の実施形態を、図７〜図１０を参照して説明する。
【００６０】
図７は、本発明の第４の実施形態のインバータ装置における、電力用半導体素子部の部分斜視図である。１アームあたり、ＩＧＢＴは４並列、ダイオードは２並列の実施形態である。
【００６１】
図８は、本発明の第４の実施形態のインバータ装置における、電力用半導体素子部の内部構造が分かる斜視図である。１アームあたり、ＩＧＢＴは４並列、ダイオードは２並列の実施形態である。
【００６２】
図９は、本発明の第４の実施形態のインバータ装置における、電力用半導体素子部を示し、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ方向に見た断面図及び図９（ｃ）は図９（ａ）のＣ−Ｃ方向に見た断面図である。１アームあたり、ＩＧＢＴは４並列、ダイオードは３並列の実施形態である。
【００６３】
図１０は、本発明の第４の実施形態の、インバータ装置の回路図である。
【００６４】
図７において、電力用半導体素子部は、図１０に示す３相インバータ主回路のＷ相の上側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及び２並列接続されたダイオード２０１Ａ〜２０１Ｂを、３相インバータ主回路の上側アームを構成する上側アーム導体２７に１列に配置し、同様に３相インバータ主回路のＷ相の下側アームを構成する４並列接続されたＩＧＢＴ１９２Ａ〜１９２Ｄ及び２並列接続されたダイオード２０２Ａ〜２０２Ｂを、３相インバータ主回路の下側アームを構成する下側アーム導体２８に１列に配置している。
【００６５】
また、上側アーム導体２７及び下側アーム導体２８の間に、上側アーム導体１２７上に配置されたＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｂと３相出力端子４０を接続する３相出力導体２９を配置している。
【００６６】
図７〜図１０の実施形態では、下側アーム導体２８と、３相出力導体２９が同一の導体で構成されている。さらに、上側アーム導体２７及び下側アーム導体２８の間に、下側アーム導体２８上に配置されたＩＧＢＴ１９２Ａ〜１９２Ｄ及びダイオード２０２Ａ〜２０２Ｂと負極端子３９を接続する負極導体３０を配置している。ＩＧＢＴ及びダイオードと各導体間は、ワイヤボンディング３１により電気的に接続されている。
【００６７】
このように構成によれば、正極端子３８から並列接続された個々のＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄを通り３相出力端子４０に至る個々の電流経路が均等となる。同様に、３相出力端子４０から並列接続された個々のＩＧＢＴ１９２Ａ〜１９２Ｄを通り負極端子３９に至る個々の電流経路が均等となる。同様に、３相出力端子４０から並列接続された個々のダイオード２０１Ａ〜２０１Ｂを通り正極端子３８に至る個々の電流経路が均等となる。同様に、負極端子３９から並列接続された個々のダイオード２０２Ａ〜２０２Ｂを通り３相出力端子４０に至る個々の電流経路が均等となる。その他の構成は、第１〜第３の実施形態と同様である。
【００６８】
一方、図８〜図９において、電力用半導体素子部は、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを３相インバータ主回路の各相毎に分割し、Ｗ相絶縁樹脂シート３２、Ｖ相絶縁樹脂シート３３、Ｕ相絶縁樹脂シート３４を一定距離はなし、Ｕ〜Ｗ各絶縁樹脂シート間には、並列接続されたＩＧＢＴを制御するための制御配線３５及び制御入出力端子３６が設けられている。
【００６９】
また、ＩＧＢＴ及びダイオード、各導体、各絶縁樹脂シートは、周囲が冷却器２４と接着されており、正極端子３８及び負極端子３９及び３相出力端子４０及び制御入出力端子３６を備えた樹脂パッケージ３７の内部に、絶縁性のゲルと共に封入されている。その他の構成は、図７と同様である。
【００７０】
本実施形態のインバータ装置の電力用半導体素子部においては、第１〜第３の実施形態の効果に加え、並列接続された各ＩＧＢＴから制御配線３５を主回路の電流の流れと直角に最短で引出すことができ、制御のノイズによる誤動作などがなく信頼性が向上する。
【００７１】
また本実施形態においては、上側又は下側アームの一相当たりに用いる半導体チップを、複数の半導体チップを並列接続することにより、並列接続された各ＩＧＢＴ及びダイオードの電流経路がすべて均等に分配されるようになっているので、各ＩＧＢＴ及びダイオードの電流分担が均等となり、並列接続されたＩＧＢＴ及びダイオードチップの局部過熱などは発生しない。
【００７２】
さらに本実施形態においては、絶縁樹脂シートが各相毎に分割されているので、絶縁樹脂シートのせん断応力も低減し、信頼性・耐久性も向上する。
【００７３】
(第５の実施形態：請求項７に対応)
次に、本発明の第５の実施形態を図１１を参照して説明する。
【００７４】
図１１（ａ）は、本発明の第５の実施形態のインバータ装置における、電力用半導体素子部の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ方向に見た断面図及び図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ方向に見た断面図である。１アームあたり、ＩＧＢＴは４並列、ダイオードは３並列の実施形態である。
【００７５】
図１１において、電力用半導体素子部は、冷却器２４を液冷式冷却器とし、液冷式冷却器の冷媒１４が通る流路１５には拡大伝熱面４１を設け、拡大伝熱面４１をＩＧＢＴ及びダイオードが接合される上側アーム導体２７、下側アーム導体２８、及び３相出力導体２９、負極導体３０と平行に設ける。その他の構成は、第１〜第４の実施形態と同様である。
【００７６】
本実施形態によれば、第１〜第４の実施形態の効果に加え、拡大伝熱面４１が導体と平行に設けられているので、インバータ通電時の温度サイクルによる導体の長手方向の冷却器２４の熱変形を抑制することができ、絶縁樹脂シートに発生するせん断応力の値を小さくすることができ、絶縁樹脂シートの信頼性・耐久性を向上させることができる。
【００７７】
(第６の実施形態：請求項８に対応)
次に、本発明の第６の実施形態を、図１２を参照して説明する。
【００７８】
図１２（ａ）は、本発明の第６の実施形態のインバータ装置における、電力用半導体素子部の平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ方向に見た断面図及び図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＣ−Ｃ方向に見た断面図である。１アームあたり、ＩＧＢＴは４並列、ダイオードは３並列の実施形態である。
【００７９】
図１２において、電力用半導体素子部は、冷却器２４を液冷式冷却器とし、冷却器２４の外形は第５の実施形態と同様とし、さらに上下２段構成とする。上段においては、液冷式冷却器の冷媒１４が通る流路１５に拡大伝熱面４１を設け、拡大伝熱面４１をＩＧＢＴ及びダイオードが接合される上側アーム導体２７、下側アーム導体２８、及び３相出力導体２９、負極導体３０の長手方向と平行に設ける。下段においても、拡大伝熱面４１と直行する方向に拡大伝熱面４２を設け、周囲に開放され冷媒が通らない冷却器とする。拡大伝熱面４２の枚数は、拡大伝熱面４１の枚数より少なくなっている。
【００８０】
このような構成においては、冷却器２４の外形は第５の実施と同様なので、拡大伝熱面１の放熱面積は、第５の実施形態の半分となっているが、液冷式冷却器の場合は第５の実施形態の拡大伝熱面１のフィン効率は０.５位であり、第６の実施形態の拡大伝熱面１のフィン効率は１位なので、冷却能力は第５の実施形態とほぼ同等である。その他の構成は、第１〜第５の実施形態と同様である。
【００８１】
本実施形態によれば、第１〜第５の実施形態の効果に加え、拡大伝熱面１４１及び拡大伝熱面４２が直交しているので冷却器の剛性が向上し、インバータ通電時の温度サイクルによる導体の長手方向の冷却器２４の熱変形を第５の実施形態以上に抑制することができ、絶縁樹脂シートに発生するせん断応力の値を小さくすることができ、絶縁樹脂シートの信頼性・耐久性を向上させることができる。
【００８２】
(第７の実施形態：請求項９に対応)
次に、本発明の第７の実施形態を、図１３を参照して説明する。
【００８３】
図１３は、本発明の第７の実施形態のインバータ装置の特に電力用半導体素子部の内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図である。
【００８４】
図１３において、電力用半導体素子部は、導体２２の端部を薄板部４３とし、薄板部４３に正極端子３８や負極端子３９や３相出力端子４０と電気的に配線するためのワイヤボンディング３１を接合する。その他の構成は、第１〜第６の実施と同様である。
【００８５】
図１３のように構成された電力用半導体素子部においては、インバータ通電時の温度サイクルにより、導体２２と冷却器２４を接着している絶縁樹脂シート２５にせん断応力が発生する。せん断応力は、導体２２の端部で最大となる。
【００８６】
また、導体２２の端部が薄板部４３となっているので導体２２の端部の剛性を低減することができ、インバータ通電時の温度サイクルにより導体２２の端部で発生するエポキシ樹脂シートの最大せん断応力を低減することができる。導体２２の厚みが３ｍｍのとき、薄板部４３の厚みを０.５ｍｍとすると、エポキシ樹脂シートの最大せん断応力は約２８％低減する。
【００８７】
本実施形態によれば、第１〜第６の実施形態の効果に加え、絶縁樹脂シートの信頼性・耐久性をさらに向上させることができる。
【００８８】
(第８の実施形態：請求項１０に対応)
次に、本発明の第８の実施形態を図１４を参照して説明する。
【００８９】
図１４は、本発明の第８の実施形態のインバータ装置の特に電力用半導体素子部の内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図である。
【００９０】
図１４において、電力用半導体素子部は、導体２２に、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄとダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃの間にスリット４４を設け、スリット４４が設けられた面を冷却器２４と、セラミックスを含有した絶縁樹脂シート２５で接着する。その他の構成は、第１〜第７の実施形態と同様である。
【００９１】
図１４のように構成された電力用半導体素子部においては、インバータ通電時の温度サイクルにより、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄとダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃと導体２２とを接合している低融点又は高融点半田２３にせん断応力が発生する。
【００９２】
本実施形態では、導体２２にスリット４４が設けられているため、温度サイクルにより、導体２２の長手方向に直行する垂直方向に変形しやすくなる分、導体２２の長手方向の熱膨張を抑制することができ、低融点又は高融点半田２３のせん断応力を低減することができる。導体２２の厚みが３ｍｍのとき、スリット４４の高さを２.５ｍｍとすると、低融点又は高融点半田２３のせん断応力は約１６％低減する。
【００９３】
以上の本実施形態によれば、第１〜第７の実施形態の効果に加え、低融点又は高融点半田の信頼性。耐久性をさらに向上させることができる。
【００９４】
(第９の実施形態：請求項１１〜１３に対応)
次に、本発明の第９の実施形態を図１５を参照して説明する。
【００９５】
図１５は本発明の第９の実施形態のインバータ装置の製造方法を示す図である。
【００９６】
図１５において、電力用半導体素子部は、図１５の(ａ)に示すようにまず、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄとダイオード２０１Ａ〜２０１ＣをＳｎ／Ｐｂなどの低融点又はＳｎ／Ａｇ／Ｃｕなどの高融点半田２３で導体２２に接合する。次に、図１５の(ｂ)に示すように、絶縁樹脂シート２５を冷却器２４に仮接着する。最後に、図１５の(ｃ)に示すように、導体２２を、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄとダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃが接合されていない場所に、加圧力を均一化するために例えばシリコンゴムなどの弾性体４５を配置し、加圧板４６を介し加圧して、導体２２と冷却器２４を絶縁樹脂シート２５で加圧、加熱接着する。加圧温度は、例えば１６０℃〜１７０℃、加圧力は約２０〜３０ｋｇｆ／ｃｍ2である。
【００９７】
図１５の電力用半導体素子部においては、仮に最初に導体２２と冷却器２４を絶縁樹脂シートで接着したとすると、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄとダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃを半田付けするときに、絶縁樹脂シート２５のガラス転移温度(例えば１７０℃位)以上に長時間加熱する必要があり、絶縁樹脂シートの特性が劣化する。これに対し、本実施形態では、上述した製造方法を採用するため、絶縁樹脂シートの特性が劣化することはない。
【００９８】
また、半田も、例えばＰｂフリーの高融点半田であるＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ半田などを採用することが可能となる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インバータ主回路の冷却効率を向上して通電容量の向上に寄与し、装置の小型化を達成できる。また、インバータ主回路及びその半導体チップの信頼性を向上してインバータ装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のインバータ装置の特に電力用半導体素子部の内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの半田の非線形ひずみの最大値と半導体チップサイズの相関の解析結果を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態のインバータ装置通電時の半導体チップの温度の解析結果を示す図。
【図４】本発明の第１の実施形態のインバータ装置起動時の半導体チップの温度と導体厚みの相関の解析結果を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すものであって、第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの半田の非線形ひずみの最大値と半田厚みの相関の解析結果を示す図。
【図６】本発明の第３の実施形態を示すものであって、第１の実施形態の電力用半導体素子部を、−４０℃／１ｈ〜１２５℃／１ｈで保持をする温度サイクル試験をおこなったときの絶縁樹脂シート２５の最大せん断応力と冷却器の厚み/導体厚みの相関の解析結果を示す図。
【図７】本発明の第４の実施形態のインバータ装置における電力用半導体素子部の部分斜視図。
【図８】本発明の第４の実施形態のインバータ装置における電力用半導体素子部の内部構造が分かる斜視図。
【図９】本発明の第４の実施形態のインバータ装置における電力用半導体素子部を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施形態のインバータ装置の回路図。
【図１１】本発明の第５の実施形態のインバータ装置における電力用半導体素子部を示す図。
【図１２】本発明の第６の実施形態のインバータ装置における電力用半導体素子部を示す図。
【図１３】本発明の第７の実施形態のインバータ装置の特に電力用半導体素子部の内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図。
【図１４】本発明の第８の実施形態のインバータ装置の特に電力用半導体素子部の内部の半導体チップの実装構造を示す部分縦断面図。
【図１５】本発明の第９の実施形態のインバータ装置の製造方法を示す図。
【図１６】従来のインバータ装置の平面断面図。
【図１７】従来のインバータ装置の側面断面図。
【図１８】従来の電力用半導体素子部及びインバータ装置の内部部分断面図。
【符号の説明】
１:インバータ装置筐体
２:電力用半導体素子部
３:取付けねじ
４:アルミ電解コンデンサ
５:固定台
６:接続ねじ
７:正極側導体
８:負極側導体
９１〜９３:３相出力導体
１０１〜１０２:電流検出器
１１:制御ユニット
１２:入口
１３:出口
１４:冷媒
１５:流路
１６:放熱用金属板
１７:絶縁基板
１８:金属電極
１９１〜１９６:ＩＧＢＴ
２０１〜２０６:ダイオード
２１:熱伝導グリース
２２:導体
２３:低融点又は高融点半田
２４:冷却器
２５:絶縁樹脂シート
２６:メッキ
２７:上側アーム導体
２８:下側アーム導体
２９:３相出力導体
３０:負極導体
３１:ワイヤボンディング
３２:Ｗ相絶縁樹脂シート
３３:Ｖ相絶縁樹脂シート
３４:Ｕ相絶縁樹脂シート
３５:制御配線
３６:制御入出力端子
３７:樹脂パッケージ
３８:正極端子
３９:負極端子
４０:３相出力端子
４１:拡大伝熱面
１４２:拡大伝熱面
２４３:薄板部
４４:スリット
４５:弾性体
４６:加圧板
【図１】
0003641232.tif 000002
【図２】
0003641232.tif 000003
【図３】
0003641232.tif 000004
【図４】
0003641232.tif 000005
【図５】
0003641232.tif 000006
【図６】
0003641232.tif 000007
【図７】
0003641232.tif 000008
【図８】
0003641232.tif 000009
【図９】
0003641232.tif 000010
【図１０】
0003641232.tif 000011
【図１１】
0003641232.tif 000012
【図１２】
0003641232.tif 000013
【図１３】
0003641232.tif 000014
【図１４】
0003641232.tif 000015
【図１５】
0003641232.tif 000016
【図１６】
0003641232.tif 000017
【図１７】
0003641232.tif 000018
【図１８】
0003641232.tif 000019