(57)【要約】【課題】放熱性、生産性、および端子の接続信頼性に優れたパワー半導体モジュールの提供。【解決手段】パワー半導体モジュール３０は、ケース壁部３３Ａは、導体板１０４ａが絶縁部材１０２を介して圧着される放熱部３３１と、放熱部３３１の周囲を囲む枠部と、放熱部３３１の外周と枠部の内周とを連結するリング状連結部３３２と、を備え、リング状連結部３３２は、放熱部３３１に接続する第１の薄肉部３３２ａと、枠部３３５に接続する第２の薄肉部３３２ｃと、第１および第２の薄肉部３３２ａ，３３２ｃの間に設けられた厚肉部３３２ｂとを有している。そのため、放熱部３３１をケース内側方向に押圧することにより、連結部３３２に上述したような飛び移り座屈が発生し、放熱部３３１が封止体１０７に押し付けられる。第１の薄肉部３３２ａは第２の薄肉部３３２ｃよりもケース内側方向に位置するように傾斜しているので、連結部３３２の反力によって、放熱部３３１が封止体１０７に押圧される状態が維持される。【選択図】図６
2014045014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体板に金属接合されたパワー半導体素子を封止材で封止して成る封止体を、前記導体板がケース壁部と対向するようにケース内に収納したパワー半導体モジュールにおいて、
前記ケース壁部は、
前記導体板が絶縁部材を介して圧着される放熱部と、
前記放熱部の周囲を囲む枠部と、
前記放熱部の外周と前記枠部の内周とを連結するリング状連結部と、を備え、
前記リング状連結部は、前記放熱部に接続する第１の薄肉部と、前記枠部に接続する第２の薄肉部と、前記第１および第２の薄肉部の間に設けられた厚肉部とを有し、かつ、前記リング状連結部は、前記第１の薄肉部が前記第２の薄肉部よりもケース内側方向に位置するように傾斜していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記厚肉部は、前記放熱部の周囲を囲むようにリング状に形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記リング状連結部は矩形リング状を成し、該矩形リング状連結部の四隅を除く直線部分に前記厚肉部を形成したことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項２または３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記リング状連結部は、内表面の一部が突出するように前記厚肉部が形成され、外表面は均一な平面に形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記リング状連結部は、０．２％耐力または降伏応力が１００ＭＰａ以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記薄肉部の厚さｔ２と前記厚肉部の厚さｔ１との比ｔ２／ｔ１が、０.２以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記リング状連結部は、Al−Mg−Si系のアルミ材またはりん青銅であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項４に記載のパワー半導体モジュールを製造する方法であって、
鍛造または鋳造により、内表面の一部が突出するように前記厚肉部が形成され、かつ、外表面が均一な平面に形成された前記リング状連結部を有する、前記ケース壁部を形成し、
前記外表面を機械加工することにより比ｔ２／ｔ１が０.２以下とされることを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールを複数備えて、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
前記複数のパワー半導体モジュールに設けられた前記パワー半導体素子をスイッチング素子として構成されるインバータ回路と、
前記インバータ回路の直流入力ラインに設けられ、該インバータ回路に並列接続された平滑コンデンサと、
前記パワー半導体素子のオンオフを制御する制御部と、を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子をケース内に収納したパワー半導体モジュール、そのパワー半導体モジュールを備える電力変換装置、およびパワー半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高耐圧・大電流用の半導体チップは、使用時の発熱が大きいため、チップからの放熱性を向上させるための構成が必要になる。この構成の一例として、チップの両面に一対の導体板を接合する構成が考えられており、チップを一対の導体板で挟持した状態のものを封止材で封止し、それを、金属ケースに収納する構成が知られている（例えば、特許文献１，特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１７５４６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３３６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のパワー半導体モジュールでは、ケース放熱部の周囲の中間部を薄くして塑性変形しやすく構成し、放熱板を絶縁材を介して導体板に押圧して圧着する方法が採用されている。この場合、絶縁材の接着力によりケース放熱部が導体板側に固着しているが、パワー半導体モジュールに振動等が繰り返し加わった場合に、絶縁材の部分が剥がれて、伝熱性能が低下してしまうという問題がある。
【０００５】
一方、特許文献２に記載のパワー半導体モジュールでは、ケース放熱部の周囲の中間部を弾性変形させ、その弾性力によって放熱板を封止体に押圧するような構成が採用されている。しかしながら、弾性力を利用する場合、封止材で封止された封止体をモジュールケース内に挿入する際に、対向する一対の放熱板の距離が封止体の厚さよりも大きくなるように、治具をケース内に挿入する必要がある。そして、封止体を一対の放熱板の間に挿入した後に、治具をケースから引き抜くという作業が必要になる。そのため、作業性が悪く、また、封止体からケース開口方向に延在する端子に干渉するおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、導体板に金属接合されたパワー半導体素子を封止材で封止して成る封止体を、導体板がケース壁部と対向するようにケース内に収納したパワー半導体モジュールにおいて、ケース壁部は、導体板が絶縁部材を介して圧着される放熱部と、放熱部の周囲を囲む枠部と、放熱部の外周と枠部の内周とを連結するリング状連結部と、を備え、リング状連結部は、放熱部に接続する第１の薄肉部と、枠部に接続する第２の薄肉部と、第１および第２の薄肉部の間に設けられた厚肉部とを有し、かつ、リング状連結部は、第１の薄肉部が第２の薄肉部よりもケース内側方向に位置するように傾斜していることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項４に記載のパワー半導体モジュールを製造する方法であって、鍛造または鋳造により、内表面の一部が突出するように厚肉部が形成され、かつ、外表面が均一な平面に形成されたリング状連結部を有する、ケース壁部を形成し、外表面を機械加工することにより比ｔ２／ｔ１が０.２以下とされることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１に記載のパワー半導体モジュールを複数備えて、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、複数のパワー半導体モジュールに設けられたパワー半導体素子をスイッチング素子として構成されるインバータ回路と、インバータ回路の直流入力ラインに設けられ、該インバータ回路に並列接続された平滑コンデンサと、パワー半導体素子のオンオフを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、パワー半導体モジュールにおける、放熱性、生産性、および端子の接続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】図１は、パワー半導体モジュール３０の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、パワー半導体モジュール３０の横断面を示す図である。
【図３】図３は、パワー半導体モジュール３０の縦断面を示す図である。
【図４】図４は、封止体１０７を収納する前のモジュールケース３３を示す図である。
【図５】図５は、壁部３３Ａの内周面形状を示したものであり、図４（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図６は、モジュールケース３３に封止体１０７を収納する工程を説明する図である。
【図７】図７は、飛び移り座屈を説明する図である。
【図８】図８は、モジュールケース３３の第１の変形例を示す図である。
【図９】図９は、モジュールケース３３の第２の変形例を示す図である。
【図１０】図１０は、連結部３３２の形状の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、側壁部３３Ｄと、ケース壁部３３Ａ，３３Ｂとを別体で形成する場合のモジュールケース３３を示す図である。
【図１２】図１２は、連結部３３２の平面部を機械加工する場合を説明する図である。
【図１３】図１３は、車載用電力変換装置の一例を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、電力変換装置２００の外観斜視図である。
【図１５】図１５は電力変換装置２００の分解斜視図である。
【図１６】図１６は、ケース壁部３３Ａ，３３Ｂの両方に連結部３３２を設ける場合の、モジュールケース３３を示す図である。
【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。図１は、パワー半導体モジュール３０の外観を示す斜視図である。パワー半導体モジュール３０は、スイッチング素子等のインバータ回路部品をモジュールケース３３内に封入したものである。モジュールケース３３は冷媒中に配置される冷却容器であって、ケース壁部３３Ａに設けられた放熱部３３１には放熱フィン３３３が設けられている。放熱部３３１の周囲にはリング形状の連結部３３２が形成されている。連結部３３２の詳細については後述する。なお、モジュールケース３３の反対側のケース壁部にも放熱部３３１と同様の放熱部が形成されている。
【００１０】
このパワー半導体モジュール３０は電力変換装置に用いられるものであって、インバータ回路を構成するスイッチング素子等をモジュールケース３３内に収めたものである。まず、パワー半導体モジュール３０が用いられている電力変換装置について、図１３を参照して説明する。図１３は、ハイブリッド自動車や電気自動車の走行用回転電機に電力を供給する車載用電力変換装置の一例を示すブロック図である。電力変換装置２００は、インバータ回路１４０、制御回路１７２およびドライバ回路１７４を有する制御部１７０、コンデンサモジュール５００を備えている。インバータ回路１４０は、バッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０との相互において電力の授受が行われる。
【００１１】
インバータ回路１４０は３相ブリッジ回路により構成されており、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した３つの上下アーム直列回路１５０（１５０Ｕ〜１５０Ｗ）を備えている。上下アーム直列回路１５０Ｕ，１５０Ｖ，１５０Ｗは、それぞれバッテリ１３６の正極側と負極側に並列に接続されている。各上下アーム直列回路１５０は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６とを有している。それぞれの上下アーム直列回路１５０の交流端子１５９には、モータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６が接続されている。各上下アーム直列回路１５０Ｕ〜１５０Ｗの正極端子１５７はコンデンサモジュール５００の正極側に接続され、負極端子１５８はコンデンサモジュール５００の負極側に接続されている。
【００１２】
制御回路１７２は、電流センサモジュール１８０等からの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０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、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する。コンデンサモジュール５００は、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
【００１３】
図１に戻って、パワー半導体モジュール３０には、図１３の上下アーム直列回路１５０を構成する回路部品が設けられている。すなわち、図１３に示す電力変換装置の場合、３つの上下アーム直列回路１５０Ｕ〜１５０Ｗに対応した３つのパワー半導体モジュール３０が用いられる。モジュールケース３３のフランジ部３３Ｃの開口部からは交流端子１５９，正極端子１５７，負極端子１５８および信号端子３４Ｕ，３４Ｌが突出している。信号端子３４Ｕは、図１３に示す上アームのＩＧＢＴ３２８に関する信号端子で、ゲート信号端子を含んでいる。同様に、信号端子３４Ｌは下アームのＩＧＢＴ３３０に関する信号端子である。６０は、これらの端子を保持するとともに相互の絶縁を図っている絶縁部材である。
【００１４】
図１４は、電力変換装置２００の外観斜視図である。８は蓋、１０はハウジング、１２は流路形成体、１３は冷却媒体の入口配管、１４は出口配管、４２０は下カバーである。コネクタ２１は、外部との接続のために設けられた信号用のコネクタである。ハウジング１０の下部に固定される流路形成体１２は、パワー半導体モジュール３０及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によってこれらを冷却する。入口配管１３および出口配管１４は流路形成体１２の一側面に設けられ、入口配管１３から供給された冷却水は流路形成体１２内の流路に流入し、出口配管１４から排出される。ハウジング１０の側面には、交流コネクタ１８７および直流コネクタ１３８が設けられている。１８７ａは交流配線、１３８ａは直流配線である。蓋８には、信号用のコネクタ２１が設けられている。なお、電力変換装置２００内の制御回路を動作させる低電圧の直流電力は、コネクタ２１から供給される。
【００１５】
図１５は電力変換装置２００の分解斜視図である。蓋８の内側の、すなわちハウジング１０の上部収納空間には、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０が配置されている。流路形成体１２には、入口配管１３から流入した冷却水が流れる流路が形成されている。流路は、流路形成体１２の３つの側面に沿って流れるようなコの字形状の流路を形成している。入口配管１３から流入した冷却水はコの字形状流路の一端から流路内に流入し、流路内を流れた後に、流路の他端に接続されている出口配管１４から流出される。
【００１６】
流路の上面には３つの開口部４０２ａ〜４０２ｃが形成されており、直列回路１５０（図１３参照）を内蔵したパワー半導体モジュール３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗがそれらの開口部４０２ａ〜４０２ｃから流路内に挿入される。パワー半導体モジュール３０ＵにはＵ相の直列回路１５０が内蔵され、パワー半導体モジュール３０ＶにはＶ相の直列回路１５０が内蔵され、パワー半導体モジュール３０ＷにはＷ相の直列回路１５０が内蔵されている。これらパワー半導体モジュール３０Ｕ〜３０Ｗは同一構成になっており、外観形状も同一形状である。開口部４０２ａ〜４０２ｃは、挿入されたパワー半導体モジュール３０Ｕ〜３０Ｗのフランジ部によって塞がれる。
【００１７】
流路形成体１２には、コの字形状の流路によって囲まれるように、電装部品を収納するための収納空間４０５が形成されている。収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納されている。コンデンサモジュール５００の上方には、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗが装着されたバスバーアッセンブリ８００が配置される。バスバーアッセンブリ８００には、電流センサモジュール１８０が固定されている。ドライバ回路基板２２は、バスバーアッセンブリ８００に設けられた支持部材８０７ａに固定されることにより、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置される。
【００１８】
図２および図３は、パワー半導体モジュール３０の断面を模式的に示したものである。図２はパワー半導体モジュール３０の横断面を示したものであり、図３はパワー半導体モジュール３０の縦断面を示したものである。モジュールケース３３内に収納される上述した回路部品は、絶縁性の第１封止材１０５で封止されることにより、一体の封止体１０７とされている。
【００１９】
図２，３において、導体板１０４ａ，１０４ｂによって挟まれたパワー半導体素子１０３は、図１３に示したＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６に対応する半導体チップである。パワー半導体素子１０３と導体板１０４ａ，１０４ｂとは、ハンダ付け等によって接合されている。図３に示すように導体板１０４ａの一端（図示左側端部）は、正極端子１５７としてフランジ部３３Ｃの開口からケース外へと突出している。なお、導体板１０４ｂに設けられた負極端子１５８については図示を省略している。
【００２０】
封止体１０７の表裏両面には、導体板１０４ａ，１０４ｂの一部が、放熱部として第１封止材１０５から露出している。シート状の絶縁部材１０２は、その露出部を覆うように封止体１０７の表裏両面に配置されている。導体板１０４ａ，１０４ｂは、パワー半導体素子１０３に大電力を供給する役割と、パワー半導体素子１０３で発生する熱を効率的にモジュールケース３３に伝える役割がある。モジュールケース３３には、銅やアルミなど、熱伝導率が大きく、電気抵抗が小さい材料を用いる。
【００２１】
封止体１０７は、封止体１０７の導体板露出面がモジュールケース３３の放熱部３３１，３３４と対向するように、モジュールケース３３内に収納される。モジュールケース３３内に収納された封止体１０７は、上述した絶縁部材１０２を介して放熱部３３１，３３４の間に挟持される。封止体１０７が収納されたモジュールケース３３内の隙間空間には第２封止材１０６が充填され、封止体１０７は第２封止材１０６によって封止される。
【００２２】
絶縁部材１０２は、パワー半導体素子１０３を含む電気回路を外部と絶縁する役割がある。一方で、パワー半導体素子１０３で発生した熱を効率的にモジュールケース３３に伝える役割もあるため、絶縁部材１０２には、熱伝導率が大きく、かつ絶縁耐圧の大きい材料が用いられる。例えば、酸化アルミ（アルミナ）、窒化アルミ、窒化珪素などのセラミック部材や、樹脂絶縁シートが絶縁部材１０２の材料に用いられる。
【００２３】
第１封止材１０５は、パワー半導体素子１０３および導体板１０４ａ，１０４ｂを外力から保護するために用いられている。第１封止材１０５は、絶縁部材１０２と同様に絶縁性能が必要なため、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂によりトランスファモールディング法によって形成される。第１封止材１０５の線膨脹係数がパワー半導体素子１０３や導体板１０４ａ，１０４ｂの線膨脹係数と大きく異なる場合、温度変化によって発生する熱応力が大きくなりやすい。そのため、第１封止材１０５の線膨脹係数を周辺部材の線膨脹係数と近づけるために、エポキシ樹脂内にフィラーを混錬している。
【００２４】
パワー半導体素子１０３で発生した熱は、絶縁部材１０２を介して放熱部３３１，３３４に伝達され、放熱部３３１，３３４から周囲の冷媒へと放熱される。そのため、モジュールケース３３には、パワー半導体素子１０３で発生した熱を周囲の冷媒に効果的に放熱する役割がある。そのため、モジュールケース３３は、アルミ系または銅系の材料で形成されるのが一般的である。
【００２５】
図４は、封止体１０７を収納する前のモジュールケース３３を示す図である。図４（ａ）はモジュールケース３３の横断面図であり、図４（ｂ）はモジュールケース３３の縦断面図である。モジュールケース３３は、放熱フィン３３３が形成されている放熱用のケース壁部３３Ａ，３３Ｂと、フランジ部３３Ｃと、肉厚の側壁部３３Ｄとで構成されている。図示下側のケース壁部３３Ｂは全体的に厚肉部となっており、主に放熱フィン３３３が形成された領域が、封止体１０７の導体板露出面と対向する放熱部３３４として機能している。
【００２６】
一方、図示上側の壁部３３Ａは、封止体１０７の導体板露出面と対向する放熱部３３１と、放熱部の周囲を囲む肉厚の枠部３３５と、放熱部３３１と枠部３３５とを連結する連結部３３２とから成る。図４はモジュールケース３３内に封止体１０７を収納する前の状態を示したものであり、放熱部３３１は枠部３３５に対してケース外側方向に突出している。すなわち、連結部３３２は、その内周側が外周側よりもケース外側に突出するように傾斜している。また、連結部３３２は、放熱部３３１と接続される薄肉部３３２ａと、枠部３３５と接続される薄肉部３３２ｃと、それらの中間に配置された厚肉部３３２ｂとで構成されている。
【００２７】
図５は、壁部３３Ａの内周面形状を示したものであり、図４（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。放熱部３３１は略矩形状を成し、枠部３３５は放熱部３３１の周囲を囲むように設けられている。リング形状の連結部３３２は、放熱部３３１の周縁と枠部３３５とを連結している。図５に示す例では、厚肉部３３２ｂもリング形状をしている。厚肉部３３２ｂの内周側には薄肉部３３２ａが設けられ、厚肉部３３２ｂの外周側には薄肉部３３２ｃが設けられている。連結部３３２は、内周側の薄肉部３３２ａを介して放熱部３３１に接続しており、外周側の薄肉部３３２ｃを介して枠部３３５に接続している。
【００２８】
図６は、モジュールケース３３に封止体１０７を収納する工程を説明する図である。図６（ａ）に示す工程では、封止体１０７の表裏両面にシート状の絶縁部材１０２を仮圧着する。仮圧着は、フランジ開口を通しての封止体１０７および絶縁部材１０２の挿入が容易となるように絶縁部材１０２を封止体１０７に仮止めするためのものであり、絶縁部材１０２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。その後、絶縁部材１０２が仮圧着された封止体１０７をモジュールケース３３の空洞内に挿入する。その際、封止体１０７の導体板露出部が放熱部３３１，３３４と対向するように配置する。
【００２９】
次いで、図６（ｂ）に示す工程では、押圧治具４００を用いて放熱部３３１をケース内側方向（図示下方）に押圧する。詳細は後述するが、押圧治具４００で下方に押圧すると、連結部３３２は傾斜が小さくなるように変形し、押圧とは関係なく放熱部３３１がケース内側方向に変位する。そして、放熱部３３１がある位置まで移動すると、連結部３３２に矢印で示すように後述する飛び移り座屈が生じて、連結部３３２の傾斜が、図６（ａ）に示す場合とは逆に内側が低くなるような傾斜となる。
【００３０】
その後、絶縁部材１０２の最終的な加熱圧着を行う。その結果、封止体１０７は、絶縁部材１０２を介して放熱部３３１，３３４によって挟持された状態となる。図６（ｂ）に示した状態においては、押圧治具４００を外しても、放熱部３３１は連結部３３２の変形により下側に付勢されているので、圧着作業は、押圧治具４００を外した状態で行うことができる。
【００３１】
絶縁部材１０２の圧着作業が終了したならば、図６（ｃ）に示す工程において、第２封止材１０６を封止体１０７とモジュールケース３３との隙間に注入し硬化させる。その結果、モジュールケース３３内の空洞は第２封止材１０６によって封止され、外力や熱応力に対するパワー半導体モジュールの信頼性を高めることができる。第２封止材１０６は、作業性を考慮して、熱硬化性あるいは熱可塑性の樹脂によるポッティングレジンとするのが好ましい。
【００３２】
次に、図７を用いて、連結部３３２の飛び移り座屈について説明する。図７において、横軸は押圧前の放熱部３３１の位置を基準として、その位置からの放熱部３３１の変位量Ｘを表している。すなわち、図６（ａ）の状態では、変位量Ｘ＝０である。また縦軸は、連結部３３２から放熱部３３１に作用する図６の上下方向の力Ｆを表している。Ｆ＞０の場合には、放熱部３３１に対して図示上向きの力が作用する。逆に、Ｆ＜０の場合には、放熱部３３１に対して図示下向きの力が作用する。
【００３３】
図７に示すように、放熱部３３１が変位量Ｘ＝０の状態から下方に変位し始めるとＦ＞０となり、放熱部３３１には上向きの力が作用する。すなわち押圧治具４００の押圧力とは逆方向の反力が発生する。この反力は、連結部３３２が変形することにより発生するものであり、薄肉部３３２ａ，３３２ｂの曲げ反力と、連結部３３２全体を圧縮する際の反力と、の両方からなる。
【００３４】
力Ｆは、変位量Ｘの増加とともに増加し、Ｘ＝Ｘ１において極大となる。変位量Ｘをさらに増加させると、力Ｆは減少し、Ｘ＝Ｘ２においてＦ＝０となる。そして、さらに変位量Ｘを増加させると力ＦはＦ＜０となり、Ｘ＝Ｘ３で極小、Ｘ＝Ｘ４でＦ＝０となる。すなわち、放熱部３３１に作用する力Ｆの方向は、Ｘ＝Ｘ２を越えると上向きから下向きへと逆転する。
【００３５】
これは、変位開始時には、図６（ａ）に示すように放熱部３３１側が高くなるように連結部３３２が傾斜しているため、反力による力Ｆは、放熱部３３１を上方に持ち上げるように作用することになる。連結部３３２が水平になると反力による力Ｆはゼロとなる。放熱部３３１がさらに下がって、図６（ｂ）に示すように放熱部３３１側の方が低くなると、連結部３３２の傾斜が逆になることによって、反力による力Ｆの方向が下向きとなる。
【００３６】
このように、Ｘ＜Ｘ２では押圧治具４００に対して放熱部３３１を上向きに押し付ける力Ｆが作用していたものが、Ｘ＞Ｘ２となった途端に放熱部３３１を押し下げるような力Ｆに変化するため、連結部３３２に飛び移り座屈が発生する。そのため、飛び移り座屈が発生し、図６（ｂ）の状態で、連結部３３２の反力によって放熱部３３１が封止体１０７に押し付けられるようにするためには、図６（ａ）の状態における絶縁部材１０２の上面と放熱部３３１との隙間寸法を、Ｘ２＜（隙間寸法）＜Ｘ４のように設定すれば良いことがわかる。このとき、放熱部３３１は封止体１０７に押し付けられた状態に保たれる。そのため、絶縁部材１０２には圧縮応力が発生し、封止体１０７と放熱部３３１との剥離を防ぎ、パワー半導体素子１０３の放熱性能や絶縁信頼性の低下を防ぐことができる。
【００３７】
なお、隙間寸法の設定が図７の領域Ｂ２である場合には、絶縁部材１０２に圧縮応力が発生するが、領域Ｂ１内である場合またはＸ＞Ｘ４である場合には、絶縁部材１０２に引張応力が発生する。
【００３８】
このような飛び移り座屈を効果的に発生させ、絶縁部材１０２に発生する圧縮応力の絶対値を大きくするためには、連結部３３２の曲げ反力を小さくするとともに、連結部３３２の圧縮応力を大きくすることが必要である。連結部３３２の曲げ反力を小さくするためには、連結部３３２の全体をできるだけ薄くするのが好ましい。しかし、連結部３３２の全体を薄くしてしまうと、押圧治具４００で放熱部３３１を押圧した時に容易に座屈してしまって、連結部３３２に圧縮応力を発生させることが困難になる。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、連結部３３２の内、放熱部３３１に接続する薄肉部３３２ａと、枠部３３５に接続する薄肉部３３２ｃを薄く形成し、それらの中間の厚肉部３３２ｂの厚さを大きくするような構成とした。このような構成とすることで、連結部３３２の曲げ反力を低減しつつ圧縮応力を増大させ、飛び移り座屈を容易に発生させることが可能となった。
【００４０】
図４に示す厚肉部３３２ｂおよび薄肉部３３２ａ，３３２ｃの寸法ｔ１，ｔ２，Ｌ，Ｌ２の一例を上げると、ｔ１＝５mm、ｔ２＝１mm、Ｌ＝２５mm、Ｌ２＝５mmのように設定したときに、飛び移り座屈を発生させることができた。なお、モジュールケース３３の材料はＡ１０５０である。飛び移り座屈を発生させるための厚肉部３３２ｂおよび薄肉部３３２ａ，３３２ｃの寸法設定としては、厚さの比ｔ２／ｔ１があり、上述した例ではｔ２／ｔ１＝０.２である。目安としては、ｔ２／ｔ１を０.２以下に設定すれば良い。
【００４１】
従来、モジュールケース３３の材料としては、熱伝導性能を優先して、純銅系の材料（Ｃ１０２０等）や純アルミ系の材料（Ａ１０５０）が一般的に用いられている。しかし、効果的に飛び移り座屈を発生させて、絶縁部材１０２に圧縮残留応力を発生させるためには、材料の耐力が大きいことが必要となり、Ｃ１０２０やＡ１０５０等では耐力が小さいため、上述したｔ２／ｔ１の設定範囲が狭くなり、モジュールケース３３の材料として適していない。
【００４２】
効果的に飛び移り座屈を発生させて、絶縁部材１０２に圧縮残留応力を発生させるための目安となる耐力は、０．２％耐力または降伏応力が１００ＭＰａ程度であり、１００ＭＰａ以上の金属材料であることが望まれる。熱伝導性能も考慮すると、モジュールケース３３に使用する金属材料としては、ＪＩＳ記号でＡ６０００番台（Al−Mg−Si系）のアルミ材（例えば、Ａ６０６１）や、Ｃ５０００番のりん青銅（例えば、Ｃ５２１０）等が好ましい。このような材料を用いることで、厚肉部３３２ｂおよび薄肉部３３２ａ，３３２ｃの寸法設定範囲に余裕がでる。
【００４３】
図５に示したモジュールケース３３では、厚肉部３３２ｂは放熱部３３１を囲むようにリング状に形成されていたが、厚肉部３３２ｂは、全周に亘って連続している必要はない。図８に示すモジュールケース３３の変形例では、連結部３３２に設けられた厚肉部３３２ｂが４つに分割されている。図５に示したモジュールケース３３では、厚肉部３３２ｂは放熱部３３１を囲むようにリング状に形成されていたが、図８に示す厚肉部３３２ｂは、放熱部３３１の各辺の直線部分に対向して直線状に形成されている。そのため、連結部３３２の四隅の部分は薄肉部３３２ａだけで形成されている。この構成の場合、飛び移り座屈は連結部３３２の直線部分において発生する。また、図９に示すように、図８に示した直線状の厚肉部３３２ｂを、さらに複数に分割しても良い。
【００４４】
また、図４に示す例では、放熱部３３１に接続している薄肉部３３２ａと、枠部３３５に接続している薄肉部３３２ｃの厚さを同一の寸法ｔ２とした。しかし、図１０（ａ）に示すように薄肉部３３２ａの厚さｔ３と薄肉部３３２ｃの厚さｔ２とを異ならせるようにしても構わない。図１０（ａ）に示す例では、ｔ３＜ｔ２のように設定している。また、図４に示す例では、連結部３３２のケース内表面側を突出させて厚肉部３３２ｂを形成するようにしているが、図１０（ｂ）に示すように、外表面側を突出させて厚肉部３３２ｂを形成するようにしても良い。
【００４５】
ところで、モジュールケース３３は鋳造や鍛造により形成される。鍛造で形成する場合、モジュールケース３３を一体に形成するのは難しいので、図１１に示すように側壁部３３Ｄとケース壁部３３Ａ，３３Ｂとを別々に鍛造で形成して、それらを溶接等により接合しても良い。なお、連結部３３２の薄肉部３３２ａ，３３２ｃの厚さ寸法を鋳造や鍛造で出すのは難しいが、図１２に示すように、鋳造や鍛造で製造後に、連結部３３２の平面側の面を機械加工することで、容易に要求される寸法を出すことができる。図１２（ａ）は機械加工前の連結部３３２を示し、図１２（ｂ）は機械加工後の連結部３３２を示す。二点鎖線で示した部分が削除した部分である。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態のパワー半導体モジュール３０は、図４および図６（ｃ）に示すように、ケース壁部３３Ａは、導体板１０４ａが絶縁部材１０２を介して圧着される放熱部３３１と、放熱部３３１の周囲を囲む枠部３３５と、放熱部３３１の外周と枠部３３５の内周とを連結するリング状連結部３３２と、を備え、リング状連結部３３２は、放熱部３３１に接続する第１の薄肉部３３２ａと、枠部３３５に接続する第２の薄肉部３３２ｃと、第１および第２の薄肉部３３２ａ，３３２ｃの間に設けられた厚肉部３３２ｂとを有している。そのため、放熱部３３１をケース内側方向に押圧することにより、連結部３３２に上述したような飛び移り座屈が発生し、図６（ｃ）に示すように、放熱部３３１が封止体１０７に押し付けられる。
【００４７】
このとき、第１の薄肉部３３２ａが第２の薄肉部３３２ｃよりもケース内側方向に位置するように傾斜しているので、連結部３３２の反力によって、放熱部３３１が封止体１０７に押圧される状態が維持される。その結果、パワー半導体モジュール３０における放熱性の向上が図られ、パワー半導体素子１０３の信頼性が向上する。また、封止体１０７をモジュールケース３３の放熱部３３１，３３４によって挟持される状態にする際に、放熱部３３１を外側から押圧するだけで良いので、作業性に優れ、治具と端子部との干渉を避けることができる。
【００４８】
連結部３３２に形成される厚肉部３３２ｂは、図５に示すように放熱部３３１の全周を囲むような形状であっても良いし、図８に示すように、放熱部３３１の辺に沿って延在する直線状であっても良い。また、図４，８の厚肉部３３２ｂを、複数に分割しても良い。また、薄肉部３３２ａと薄肉部３３２ｃとの間で、厚肉部３３２ｂが重以上設けられていても構わない。
【００４９】
なお、上述した実施の形態では、放熱部３３１，３３４が設けられたケース壁部３３Ａ，３３Ｂの一方に関して、連結部３３２を設けるようにしたが、図１６に示すように、ケース壁部３３Ａ，３３Ｂの両方に連結部３３２を設けても良い。この場合、押圧治具４００を用いて、放熱部３３１，３３４を上下から押圧することになる。
【００５０】
なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【符号の説明】
【００５１】
３０：パワー半導体モジュール、３３：モジュールケース、３３Ａ，３３Ｂ：ケース壁部、３３Ｃ：フランジ部、３３Ｄ：側壁部、１０２：絶縁部材、１０３：パワー半導体素子、１０４ａ，１０４ｂ：導体板、１０５，１０６：封止材、１４０：インバータ回路、１５０：直列回路、１５６，１６６：ダイオード、１９２：モータジェネレータ、２００：電力変換装置、３２８，３３０：ＩＧＢＴ、３３１，３３４：放熱部、３３２：連結部、３３２ａ，３３２ｃ：薄肉部、３３２ｂ：厚肉部、３３５：枠部、４００：押圧治具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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