(57)【要約】  液密性に優れ端子接続部の信頼性が高い小型電力変換装置を提供する。  本発明に係る電力変換装置は、パワー半導体を収納するケースと、前記ケースの外面との間で流路を形成する流路形成体と、前記流路に流れる冷媒に接触する第1固定材と、前記第1固定材及び前記流路形成体に接し、前記第1固定材の前記ケースの水圧による変位方向を覆う第2固定材とを備える。
2017195283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体を収納するとともに流路形成体に固定されるケースと、
冷媒に接触する第1固定材と、
前記第1固定材及び前記流路形成体に接しかつ前記第1固定材の前記ケースの水圧による変位方向を覆う第2固定材と、を備え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であって、
前記第1固定材の弾性率が前記第2固定材より低いパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材が樹脂であるパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材が樹脂硬化物であるパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第２固定材が樹脂硬化物であるパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材の弾性率が０．１ＭＰａ以上１ＧＰａ以下であり、前記第２固定材の弾性率が4ＧＰａ以上であるパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材は120℃2気圧の飽和水蒸気に168時間暴露した後の重量減少率が10％以下であるパワー半導体モジュール。 
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材はチキソ性が１．５以上の樹脂の硬化物であるパワー半導体モジュール。 
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材は傾斜材料の低弾性率部であり、第２固定材は、前記傾斜材料の高弾性率部であるパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材はシリコーン樹脂であるパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第１固定材はウレタン樹脂であるパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第２固定材は紫外線硬化型樹脂であるパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のパワー半導体モジュールを備える電力変換装置であって、
前記ケースの外面との間で流路を形成する流路形成体と、を備える電力変換装置。
【請求項１４】
パワー半導体を収納するケースを流路形成体の流路に収納する第１工程と、
前記流路に流れる冷媒に接触するように第1固定材を配置する第２工程と、
前記第1固定材及び前記流路形成体に接しかつ前記第1固定材の前記ケースの水圧による変位方向を覆うように第３工程と、を備え、
前記第１固定材又は前記第２固定材もしくは前記第１固定材及び前記第２固定材は、液状樹脂を硬化することにより形成する電力変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワー半導体モジュール、それを用いた電力変換装置及び電力変換装置の製造方法に関し、特にパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められ、空気や液体を用いて冷却される。特に発熱が大きいパワー半導体モジュールは液体による冷却方式が用いられるため、パワー半導体モジュールを搭載した冷媒流路の液密性を確保するシールが重要である。パワー半導体モジュールを冷媒流路に搭載してシールする構造として、特許文献１が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５０９１８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に記載された半導体装置では、Ｏリングを用いてシールしている。このため液密性確保のためにはＯリングを所定量圧縮する必要があり、半導体装置側及び流路側の両方に高い剛性が必要であった。このためシール構造が大きくなり、またＯリングを圧縮する素材は金属材料に限定される課題があった。【０００５】
本発明の課題は、信頼性を確保しながら小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力変換装置は、パワー半導体を収納するケースと、前記ケースの外面との間で流路を形成する流路形成体と、前記流路に流れる冷媒に接触する第1固定材と、前記第1固定材及び前記流路形成体に接し、前記第1固定材の前記ケースの水圧による変位方向を覆う第2固定材とを備え、第１固定材及び第２固定材のいずれか一方又は両方が接着性を有する事を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、信頼性を確保しながら小型化を図ることである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係るパワー半導体モジュール３００の斜視図である。
【図２】本実施形態に係るコネクタ側リード組み９３０の展開斜視図である。
【図３】本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の製造途中の斜視図である。
【図４】本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の製造途中の斜視図である。
【図５】本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の製造途中の断面図である。
【図６】本実施形態に係る封止樹脂９００を設けたパワー半導体モジュール３００の製造途中の斜視図である。
【図７】本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００のフィン９１０Ａの作成途中の斜視図である。
【図８】実施例１のパワー半導体モジュール３００の断面図である。
【図９】本実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路図である。
【図１０】本実施形態に係る電力変換装置２００の斜視図である。
【図１１】本実施形態に係る電力変換装置２００の断面斜視図である。
【図１２】本実施形態に係る解析モデル図である。
【図１３】本実施形態に係る解析結果図である。
【図１４】本実施形態に係る電力変換装置２００の断面図である。
【図１５】実施例１の電力変換装置の変形例１である。
【図１６】実施形態３の電力変換装置２００の断面斜視図である。
【図１７】本発明の実施形態３の電力変換装置２００の変形例２である。
【図１８】本発明の実施形態４の電力変換装置２００の断面斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態５の電力変換装置２００の断面斜視図である。
【図２０】本発明の比較形態１の電力変換装置の断面図である。
【図２１】本発明の比較形態２の電力変換装置の断面図である。
【図２２】本実施形態に係る第１固定材９０１及び第２固定材９０２の対応表１である。
【図２３】本実施形態に係る第１固定材９０１及び第２固定材９０２の対応表２である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュール及び電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００の斜視図である。パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体を収納するケースとしての封止樹脂９００と、直流側の端子３１５Ｂ及び３１９Ｂと、交流側の端子３２０Ｂと、信号用の端子３２５Ｕ、３２５Ｌ、３２５Ｓを有する。【００１１】
封止樹脂９００は、後述されるリードフレーム３１５やセラミックス基板配線等の金属導体に搭載したパワー半導体素子を封止する。端子３１５Ｂと端子３１９Ｂと端子３２０Ｂは、封止樹脂９００の一面から突出し、隣り合う端子の側面が対向するように一列に並べられる。これらの端子が突出する側の封止樹脂９００には、シール部９００Ｂにシール構造を形成するための段差が形成される。【００１２】
後述するように、パワー半導体モジュール３００は、流路形成体１０００に固定される際に、シール部９００Ｂに配置された第１固定材９０１及び第２固定材９０２により、冷却冷媒の液密性を確保する。また、封止樹脂９００は、封止樹脂面９００Ａを有する。本実施例のパワー半導体モジュール３００の製造手順について、図２から図７を用いて説明する。【００１３】
図２は、リードフレーム３１５及びリードフレーム３２０と、高熱伝導体９２０の配置関係を示す展開図である。リードフレーム３１５には、後述するパワー半導体素子である上アーム側ＩＧＢＴ１５５が接続される。リードフレーム３２０には、後述するパワー半導体素子である下アーム側ＩＧＢＴ１５７が接続される。リードフレーム３１５及びリードフレーム３２０は、導電性の金属部材、例えば銅やアルミ等により構成される。ここで、ＩＧＢＴとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の略である。【００１４】
高熱伝導体９２０は、リードフレーム３１５又はリードフレーム３２０を挟んで、パワー半導体素子が接続される側とは反対側に配置される。高熱伝導体９２０は、各リードフレームに対応して、設けられる。図２には図示されないが、リードフレーム３１５と対向する領域にも、高熱伝導体９２０は配置される。【００１５】
高熱伝導体９２０とリードフレーム３１５の間、及び高熱伝導体９２０とリードフレーム３２０の間には、絶縁層９４０が配置される。絶縁層９４０は、リードフレーム３２０と高熱伝導体９２０との間の電気的な絶縁を目的として配置される部材である。絶縁層９４０としては、例えば、アルミナ粒子及び窒化ホウ素粒子を充填したエポキシ樹脂系の樹脂シート又は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等の絶縁性セラミックス板が用いられる。高熱伝導体９２０は、絶縁層９４０を介してリードフレーム３２０に接着される。絶縁層９４０は、樹脂シートを用いる場合は、真空プレス機を用いて加熱圧着し、硬化させた。セラミックス板を用いる場合は、溶融した金属を鋳型に流し込む溶湯により作製される。【００１６】
リードフレーム３１５とリードフレーム３２０とは、タイバー９１２により接続された状態で形成される。そのため、高熱伝導体９２０及び当該リードフレーム３２０は、絶縁層９４０を挟んで、一体のコレクタ側リード組み９３０として組み立てられる。【００１７】
図３は、図２の状態から、パワー半導体をリードフレーム３１５や３２０に接続した状態を示す図である。インバータ回路の上アーム回路を構成する上アーム用ＩＧＢＴ１５５は、リードフレーム３１５に対して、はんだ接続される。インバータ回路の上アーム回路を構成するダイオード１５６は、リードフレーム３１５に対して、はんだ接続される。インバータ回路の下アーム回路を構成する下アーム用ＩＧＢＴ１５７は、リードフレーム３２０に対して、はんだ接続される。インバータ回路の下アームを構成するダイオード１５８は、リードフレーム３２０に対して、はんだ接続される。ＩＧＢＴ１５５及び１５７は、エミッタ電極が形成される側の面において、信号用電極が形成されている。当該信号電極は、パワー半導体モジュール３００の信号用の端子３２５Ｌ及び３２５Ｌと、アルミワイヤにより電気的に接続される。そのため、ＩＧＢＴ１５５及び１５７は、ダイオード１５６及び１５８よりも、信号端子に近い位置に配置される。【００１８】
図４は、図３の状態から、パワー半導体素子のエミッタ電極側にリードフレーム及び高熱伝導体９２０を配置した状態を示す図である。手順としては、まず、図２においてコレクタ側リード組９３０を形成したのと同様にして、エミッタ側リード組み９３１を形成する。エミッタ側リード組み９３１は、ＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極側に接続されるリードフレーム３１８又はＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極側に接続されるリードフレーム３１９と、高熱伝導体９２０と、絶縁層９４０と、により構成される。【００１９】
また、温度センサ９４５がリードフレーム３１８又は３２０に接着される。当該温度センサ９４５の端子は、コレクタ側リード組９３０の信号端子に溶接される。温度センサ９４５が設けられることで、図７にて後述されるように、機械加工によってフィン９１０Ａを形成する時の発熱をモニタし、規定値を超えた温度とならないように管理することができる。【００２０】
このようにして、コレクタ側リード組み９３０とエミッタ側リード組み９３１は、パワー半導体を挟むように対向して配置される。コレクタ側リード組み９３０とエミッタ側リード組み９３１を組み立てたものを、リード組立体９５０とする。【００２１】
図５は、リード組立体９５０をトランスファーモールドする工程を示す図である。リード組立体９５０は、トランスファーモールド金型９６０及び９６１にセットされ、封止樹脂９００がプランジャー９６５により注入される。金型温度は１７５℃、成型圧力は１０ＭＰａとし、金型内で３分間、封止樹脂９００を硬化させた。【００２２】
図６は、リード組立体９５０を封止樹脂９００でトランスファーモールドしたものを示す。高熱伝導体９２０は、封止樹脂９００で覆われている。封止樹脂９００は、高熱伝導体９２０を覆う領域を含め、概略同一面からなる封止樹脂面９００Ａを有する。【００２３】
端子同士を接続するタイバー９１２は、トランスファーモールド後に切断される。これにより、端子同士は、互いに電気的に分離される。【００２４】
図７は、封止樹脂面９００Ａを研削してフィン９１０Ａを形成する工程を示す図である。封止樹脂面９００Ａは、マルチブレード１３００を高速回転させることによって、研削される。マルチブレード１３００は、先端に砥粒を付けた複数のブレードを束ねた構造である。マルチブレード１３００は、封止樹脂９００とともに、高熱伝導体９２０を研削する。研削された高熱伝導体９２０は、フィン９１０Ａを形成する。フィン９１０Ａ間の溝深さは、約１．５ｍｍとなる。フィン９１０Ａが形成された部分が、放熱部９１０として機能する。【００２５】
研削される部分は、研削時に摩擦熱によって発熱するため、冷却水を噴射して冷却する。また、パワー半導体モジュール３００内部に設けた温度センサ９４５等を用いて内部温度をモニタし、内部温度が１５０℃を超えないように、研削速度を調整する。これにより、摩擦熱によるはんだの再溶融を防ぐことができる。また、マルチブレード１３００で研削することにより、容易にフィン９１０Ａを作製することができる。【００２６】
図８は、パワー半導体モジュール３００の断面図である。図８に図示されるように、図７の手順でマルチブレード１３００によって研削される部分は、高熱伝導体９２０が配置される部分と対応する。つまり高熱伝導体９２０の一部が削り取られることになる。本実施例のパワー半導体モジュール３００においては、パワー半導体の両面側において、フィン９１０Ａが形成される。【００２７】
図８は、下アーム側ＩＧＢＴ１５７及びダイオード１５８を挟んで、リードフレーム３１９及び３２０が配置されている。リードフレーム３１９を挟んで、下アーム側ＩＧＢＴ１５７が配置される側とは反対側には、高熱伝導体９２０が配置される。同様に、リードフレーム３２０を挟んで、パワー下アーム側ＩＧＢＴ１５７が配置される側とは反対側に、高熱伝導体９２０が配置される。高熱伝導体９２０と、リードフレーム３１９又は３２０の間には、絶縁層９４０が配置される。【００２８】
フィン９１０Ａは、図８の点線で示されるように、当該フィン９１０Ａの先端が封止樹脂面９００Ａと概略同一面上となるように、形成されている。言い換えれば、フィン９１０Ａは、封止樹脂面９００Ａに対して凹となるように形成された放熱面９１０Ｃから、パワー半導体素子が配置される側とは反対側に向かって形成されている。【００２９】
また、フィン９１０Ａは、図７に示されるように形成されるため、当該フィン９１０Ａの先端には、封止樹脂片９１０Ｂが配置されている。このように、フィン９１０Ａの先端は、もともと封止樹脂９００として図６に示されるように、封止樹脂面９１０Ａと概略同一面上となるように形成されている。【００３０】
以上説明した本実施形態のパワー半導体モジュール３００は、高熱伝導体９２０を封止した樹脂封止部を研削することで、フィン形状に加工される。なお、本実施例では、図７に示されるような研削による方法によって放熱部９１０を形成したが、他の機械加工でこれを実現しても良い。高熱伝導体９２０は、その周囲が封止樹脂９００によって封止されているため、温度変化が加わっても剥離されにくい。また、樹脂封止した後にフィン９１０Ａの形成加工をするため、製造の過程において、封止樹脂９００がフィン部に漏れ出すことがなく、歩留まりが向上する。【００３１】
高熱伝導体９２０の材料としては、熱伝導率の高い金属材料や、カーボン含有材料を用いる事ができる。例えば、銅、アルミ、銅カーボン、アルミカーボン、グラフェン等を用いることができる。アルミ系材料やカーボン含有材料を用いた場合、切削加工しやすく生産性が向上する効果がある。【００３２】
封止樹脂９００の材料としては、特に限定されないが、トランスファーモールド樹脂、ポッティング樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。トランスファーモールド樹脂を用いた場合、生産性が高く、外形精度が高い効果がある。【００３３】
図９は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００の回路図である。端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリー又はコンデンサの正極側に接続される。端子３２５Ｕは、上アーム回路のＩＧＢＴ１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリー若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。端子３２５Ｌは、下アーム回路のＩＧＢＴ１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。【００３４】
本実施例のパワー半導体モジュール３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。２ｉｎ１構造の他にも、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造、６ｉｎ１構造等を用いた場合、パワー半導体モジュールからの出力端子の数を低減し小型化することができる。【００３５】
図１０は、電力変換装置２００の外観を示す斜視図である。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。ケーブル１８は、交流電流を当該モータに伝達する。コネクタ１７は、ケーブル１８と接続されかつ筐体１２の一側面に接続される。直流電源コネクタ５１０及び５１２は、パワー半導体モジュール３００に直流電流を伝達しかつコネクタ１７が接続された筐体１２の一側面に接続される。【００３６】
信号用コネクタ２１は、パワー半導体モジュール３００等を駆動するための信号を伝達する。信号用コネクタ２１は、コネクタ１７及び直流電源コネクタ５１０及び５１２が接続された筐体１２の一側面とは異なる側面に接続される。冷却水入口１３及び冷却水出口１４は、信号用コネクタ２１が接続された筐体１２の一側面に接続される。【００３７】
図１１は、電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。パワー半導体モジュール３００は、流路形成体１０００に設置される。流路形成体１０００は、パワー半導体モジュール３００を冷却する冷媒を流す冷媒流路を形成する。流路形成体１０００は、壁面１００１を有する。壁面１００１は、パワー半導体モジュール３００の放熱部９１０と当該壁面１００１との間に、冷媒が流れる流路を形成する。壁面１００１は、パワー半導体モジュール３００の封止樹脂面９００Ａと当該壁面１００１との間に冷媒が流れないように、平面構造部１００１Ａを有する。流路形成体１０００は、互いに対向する壁面１００１同士の距離と、パワー半導体モジュール３００の一方側の封止樹脂面９００Ａと他方側の封止樹脂面９００Ａの間の距離とが、ほぼ等しくなるように、形成される。【００３８】
パワー半導体モジュール３００のシール部９００Ｂには、第１固定材９０１及び第２固定材９０２を有する。第１固定材９０１は、少なくともパワー半導体を収納するケースとしての封止樹脂で形成された封止樹脂面９００Ａと壁面１００１の０．５ｍｍ程度の隙間を接着しシールしている。第２固定材９０２は、第１固定材９０１及び壁面１００１に接し、少なくともパワー半導体を収納するケースの水圧による変位方向を覆っている。【００３９】
第１固定材９０１は、封止樹脂面９００Ａと壁面１００１の０．５ｍｍ程度の狭い隙間をシールするため低弾性率の材料である事が望ましい。これは、封止樹脂面９００Ａと壁面１００１の水圧、振動、熱による変位差がこのシール部に加わるため、弾性率の高い材料の場合、この変位差に追従出来ず、液漏れが生じやすいためである。本実施形態における低弾性率の材料とは、動的粘弾性試験で求めた貯蔵弾性率０．１ＭＰａ以上１ＧＰａの材料を意味する。弾性率が０．１ＭＰａ未満では、水圧による変形量が大きく長期にわたり液密性を確保するのが難しく、弾性率が１ＧＰａより大きいと、封止樹脂面９００Ａと壁面１００１の水圧、振動、熱による変位差に追従出来ず液密性の信頼性が低いためである。【００４０】
第１固定材９０１としては弾性率2ＭＰａの湿気硬化型のシリコーン樹脂硬化物を用いた。シリコーン樹脂のため耐水性に優れる。また、湿気硬化型のシリコーン樹脂は、空気中の水分を吸収して1〜数日で硬化するもので加熱工程が不要のため生産時のエネルギーが低い長所がある。なお、本実施形態における耐水性優れる基準は、120℃2気圧の飽和水蒸気環境で168時間後の重量減少率が10％以下のものをいう。長期信頼性を満足するには冷媒に接する第１固定材９０１は耐水性に優れることが望ましい。また、第１固定材９０１は、隙間を充填しつつも、隙間からフィン９１０Ａへ液だれしてはいけない。このため、1.5以上のチキソ性を有する事が望ましい。本実施形態におけるチキソ性は剪断速度1（1/ｓ）の粘度を剪断速度１０（1/ｓ）の粘度で除した値である。チキソ性を１．５以上とする事で、塗工時の粘度は低く保ちつつ、液だれを防止できるため生産性に優れる効果がある。液だれを防止するため局所的に隙間を狭くする構造をケース側又は壁側に付与する事も効果がある。【００４１】
第２固定材９０２は、パワー半導体を収納するケースに直接接し又は第１固定材９０１を介しケースに接して、ケースが水圧により変形するのを抑性する。このため、高弾性率の材料である事が望ましい。本実施形態における高弾性率の材料とは、動的粘弾性試験で求めた貯蔵弾性率が４ＧＰａ以上の材料を意味する。弾性率が４ＧＰａ未満では、水圧による変形を抑制するのに要する厚みが大きくＯリング構造に比べサイズ低減のメリットが出ないためである。【００４２】
第２固定材９０２としては弾性率１５ＧＰａの加熱硬化型エポキシ樹脂硬化物を用いた。硬化条件は１２０℃３時間で、加熱硬化が必要なため、生産時にエネルギーを要するが、硬化時間が短く生産性に優れる長所がある。また、エポキシ樹脂は弾性率が高く接着性に優れるため、パワー半導体を収納したケースと水路形成体と接着し、第１固定材の変形を抑制し、パワー半導体モジュール端子の接続信頼性を向上する効果がある。電力変換装置２００は、積層配線板５０１及びプレート１２００とを有する。【００４３】
パワー半導体モジュール３００を流路形成体１０００に挿入した後、大電流が流れる端子３１９Ｂや図示していない端子３１５Ｂ、端子３２０Ｂはバスバー配線を多層積層したプレート１２００から突出した端子と溶接する。さらに、実装部品を搭載した積層配線板５０１を組み付け、信号端子３２５Ｕ及び３２５Ｓや、図示していない３２５Ｌと積層配線板５０１をはんだ等により電気的に接続する。積層配線板５０１とプレート１２００を立体積層することができるため、電力変換装置を小型化することができる。【００４４】
パワー半導体モジュール３００は、封止樹脂面９００Ａが流路形成体１０００の壁面１００１と接するように、流路形成体１０００に対して挿入される。これにより、パワー半導体モジュール３００は、封止樹脂面９００Ａと概略同一面となるように形成された放熱部９１０のフィン９１０Ａの先端が流路形成体１０００の壁面１００１と当接するように、配置される。したがって、放熱部９１０と壁面１００１の間に流れる冷媒は、封止樹脂面９００Ａと壁面１００１の間や、フィン９１０Ａの先端と壁面１００１の間などにバイパス流として流れることが抑制される。放熱部９１０は、高い熱伝導率である高熱伝導体９２０で構成されるため、効率的にパワー半導体の熱を冷却することができる。したがって、本実施形態のパワー半導体モジュール３００は、信頼性に優れる。【００４５】
また、冷媒が流れる流路は、パワー半導体モジュール３００側に形成されたフィン９１０Ａの構造と、流路形成体１０００側に形成された平面上に壁面１００１との組合せによって、構成される。このように構造を簡略化することで、電力変換装置２００の製造が容易になる。【００４６】
流路形成体１０００は、水密構造を有するものであれば特に限定されないが、アルミ、アルミダイキャスト等の金属や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミト、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いて作製することができる。ＰＰＳ等の樹脂製の流路形成体は、アルミ製にくらべ軽量で、複雑な形状にできる長所があるが、剛性が低くなる短所がある。このため、Ｏリングのように所定量を圧縮してシールするシール構造では、剛性を確保するためサイズが大きくなる欠点がある。しかし、本実施形態のように接着によりシールするシール構造では、半導体を収納するケース及び流路形成体１０００の剛性が低くても液密性を確保できる効果がある。【００４７】
冷媒は、パワー半導体モジュール３００のフィン９１０Ａ及び底部を流れるため、この部分に水圧が加わる。フィン９１０Ａに加わる水圧は、対向する水圧がほぼ釣り合うため大きな変位は生じない。一方、パワー半導体モジュール３００底面に加わる水圧は、パワー半導体モジュール３００を押し上げる方向に変位が生じる。この変位は、大電流が流れる端子３１９Ｂ、３１５Ｂ、３２０Ｂとバスバー配線の接続部や、特に、信号端子３２５Ｕ、３２５Ｓ、３２５Ｌと積層配線板５０１とのはんだ接続部に応力として加わり、端子の接続寿命を低下する要因となる。本実施形態のように、シール部９００Ｂを第１固定材９０１及び第２固定材９０２として形成する事で、冷媒に対するシール性と水圧による変位の抑性の両方の効果を持たせる事ができる。【００４８】
図１２に水圧によるパワー半導体モジュール３００と水路形成体１０００の壁面をモデル化した解析モデルを示す。水圧としては、初期に冷媒を注入する最大水圧である０．２５ＭＰａを太矢印で示す向きに印加した。また、水路形成体１００００の壁面１００１は完全固定とした。第１固定材９０１には、材料１として、ヤング率２ＭＰａを、第２固定材９０２には材料２としてヤング率１５ＧＰａを用いた。材料１の厚さは３ｍｍとして、材料２の厚さを０〜１０ｍｍまで変化させ、パワー半導体モジュール３００の端子部を想定した変位算出位置の水圧による変位を求めた。【００４９】
図１３に変位と材料２の厚さの関係を示す。材料２が０ｍｍでは、７００μｍ近い変位が生じるが、材料２があると、変位は大きく低減し、材料２の厚さ１ｍｍ以上で２０μｍ未満に低減した。このように、第１固定材９０１に変位に対して追従性の高い低弾性率の材料を用いても、第２固定材９０２で高弾性率の材料を形成する事で、パワー半導体モジュールの端子接続部に加わる変位を抑制できる事がわかった。【００５０】
図１４は、図１０の断面Ａにおける断面図である。筐体１２は、流路形成体１０００を形成する。冷却水入口１３から水路１９内に流入した冷媒は、水路１９を矢印で示すように流れ、冷却水出口１４から排出される。本実施形態においては、流路１９内に、６つのパワー半導体装置３００が冷却水の流れに沿って配置されている。【００５１】
図１５は、電力変換装置２００の第１実施形態に係る変形例を示す概略図である。図１１との変化点は、流路形成体１０００の壁面１００１のうち、パワー半導体モジュール３００に挟まれた部分が第２固定材９０２に埋没している点である。隣接する第２固定材９０２を一括して注入できるため注入時のノズルの移動がすくなく生産性が向上できる効果がある。
【実施例２】
【００５２】
本発明の第２の実施例形態は、第１固定材９０１として弾性率２ＭＰａの熱硬化型シリコーン樹脂硬化物を用いている点が第１の実施形態と異なる。第１の実施形態で用いた湿気硬化型シリコーン樹脂は硬化に１〜数日を要し生産速度が低い。これに対して、熱硬化型シリコーン樹脂の硬化条件は、１００℃１時間と短く生産速度が高い。第２固定材９０２に用いる熱硬化型のエポキシ樹脂とシリコーン樹脂は溶解度パラ―メータが異なり相用しないため、お互いが未硬化の状態で塗布しても混合せず、２層状態の硬化物を得る事ができる。第１固定材９０１の熱硬化型シリコーン樹脂を塗布した後、未硬化の状態で、第２固定材９０２の熱硬化性エポキシ樹脂を塗布し、１２０℃３時間の硬化条件で、第１固定材９０１及び第２固定材９０２を一括硬化する事で生産時のエネルギーの増加なく、生産速度を向上できる効果がある。
【実施例３】
【００５３】
図１６は、第３の実施形態に係る電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。第１固定材９０１として弾性率２ＭＰａのウレタン樹脂硬化物を用い、第２固定材９０２として、流路形成体１０００に機械的に固定したＰＰＳからなる弾性率１８ＧＰａの樹脂板を用いている点が、第１の実施形態と異なる。ウレタン樹脂としては２液性の耐水性のウレタン樹脂を用いた。硬化条件は１００℃２時間である。第２固定材は機械的に固定するため生産速度が速い効果がある。また、ウレタン樹脂はエポキシ樹脂に比べ反応性に優れるため、効果に要するエネルギーを低減できる効果がある。第１固定材９０１であるウレタン樹脂は、第２固定材９０２の上から注入される。これにより、注入時のノズルの移動が少なく生産性が向上できる効果がある。【００５４】
図１７は、第３の実施形態に係る変形例である電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。第２固定材９０２として、あらかじめ流路形成体１０００にパワー半導体を収納するケースの一部を水圧により変形する方向に覆う突起を形成している。第２固定材９０２を流路形成体１０００にあらかじめ形成する事で、機械的な固定が不要で生産性に優れる効果がある。流路形成体１０００としてＰＰＳからなる弾性率１８ＧＰａの樹脂を用いた。流路形成体１０００を樹脂製にする事で、複雑な形状を形成しやすい効果がある。
【実施例４】
【００５５】
図１８は、第４の実施形態に係る電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。第１の実施形態との変化点は、第１固定材９０１及び第２固定材９０２が傾斜材料である点である。あらかじめ弾性率2ＭＰa のウレタン樹脂を塗布した後、未硬化の状態で、エポキシ樹脂を塗布した。ウレタン樹脂とエポキシ樹脂は界面近傍で一部相溶し傾斜材料となった。第１固定材９０１と第２固定材９０２が一部相溶しているため、第１固定材９０１と第２固定材９０２が密着性し、第２固定材９０２が第１固定材９０１の変位を抑制する効果が高い。
【実施例５】
【００５６】
図１９は、第５の実施形態に係る電力変換装置２００の断面構造を示す概略図である。第１の実施形態との変化点は、第１固定材９０１にポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）製のテープを用いている点、及び第２固定材９０２に紫外線（ＵＶ）硬化型樹脂硬化物を用いている点である。パワー半導体を収納するケースに耐水性のテープをまき、水路形成体１０００に挿入した後、第２固定材９０２として、ＵＶ硬化型樹脂を注入した。その後、紫外線を約1分間照射し、ＵＶ硬化樹脂を硬化した。ＵＶ硬化樹脂を用いる事で、樹脂近傍に限定してエネルギーを印加し硬化できるため、生産時エネルギーを低減できる効果がある。また、高強度紫外線を照射する事で、硬化時間を短縮し、生産速度を大きく向上できる効果がある。
【比較例１】
【００５７】
図２０は、第１の比較形態に係る電力変換装置の断面構造を示す概略図である。パワー半導体モジュール３００と水路形成体１０００の間をＯリング９０４で液密性を確保している。Ｏリング９０４を圧縮するための機械的固定構造やＯリングを圧縮するための剛性が必要となりサイズが大きくなった。
【比較例２】
【００５８】
図２１は、第２の比較形態に係る電力変換装置の断面構造を示す概略図である。パワー半導体モジュール３００と水路形成体１０００に弾性率１５ＧＰａのエポキシ樹脂硬化物を形成し液密性を確保している。水路形成体１０００とパワー半導体モジュール間の水圧、振動、熱による変位差でエポキシ樹脂硬化物にクラックが入り液密性が低下した。
【符号の説明】
【００５９】
１０…上部ケース、１２…筺体、１３…冷却水入口、１４…冷却水出口、１６…下部ケース、１７…コネクタ、１８…ケーブル、１９…流路、２１…信号用コネクタ、１５５…上アーム用ＩＧＢＴ、１５６…ダイオード、１５７…下アーム用ＩＧＢＴ、１５８…ダイオード、２００…電力変換装置、３００…パワー半導体モジュール、３１５…リードフレーム、３１５Ｂ…端子、３１８…リードフレーム、３１９…リードフレーム、３１９Ｂ…端子、３２０…リードフレーム、３２０Ｂ…端子、３２５Ｌ…端子、３２５Ｓ…端子、３２５Ｕ…端子、５０１…積層配線板、５１０…直流電源コネクタ、５１２…直流電源コネクタ、９００…封止樹脂、９００Ａ…封止樹脂面、９００Ｂ…シール部、９０１…第１固定材、９０２…第２固定材、９０４…Ｏリング、９１０…放熱部、９１０Ａ…フィン、９１０Ｂ…封止樹脂片、９１０Ｃ…放熱面、９１２…タイバー、９２０…高熱伝導体、９３０…コレクタ側リード組み、９３１…エミッタ側リード組み、９４０…絶縁層、９４５…温度センサ、９５０…リード組立体、９６０…トランスファーモールド金型、９６１…トランスファーモールド金型、９６５…プランジャー、１０００…流路形成体、１００１…壁面、１００１Ａ…平面構造部、１２００…プレート、１３００…マルチブレード
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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