(57)【要約】【課題】冷却性能および絶縁性能を損なうことなく、低背化された電力変換装置を実現する。【解決手段】複数のパワー半導体および上記複数のパワー半導体間を接続する導体を有するとともに上面が樹脂で封止された半導体モジュールと、上記半導体モジュールの上面に面するとともに上記半導体モジュールを制御する制御基板と、上記半導体モジュールの下面に対面するとともに上記半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備え、上記半導体モジュールは、上記制御基板と上記冷却器の間に配置されるとともに、上記冷却器に直接半田で接合固定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体および上記複数のパワー半導体間を接続する導体を有するとともに上面が樹脂で封止された半導体モジュールと、
上記半導体モジュールの上面に面するとともに上記半導体モジュールを制御する制御基板と、
上記半導体モジュールの下面に対面するとともに上記半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備え、
上記半導体モジュールは、上記制御基板と上記冷却器の間に配置されるとともに、上記冷却器に直接半田で接合固定されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記半導体モジュールの上記冷却器と半田接合される領域は、少なくとも１つ以上の角部が曲線状になっていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記半導体モジュールの上記冷却器と半田接合される領域は、少なくとも２つ以上に分割されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記冷却器は、複数の部材がロウ付けによって接合されて構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記冷却器は、アルミニウムを主な成分とする金属で構成されており、
上記冷却器の上記半導体モジュールと近接する面が、銅またはニッケルを主な成分とするメッキによって覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記冷却器は、アルミニウムを主な成分とする金属で構成されており、
上記冷却器の上記半導体モジュールと近接する面の一部に、銅またはニッケルを主な成分とする金属層を溶射によって形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項７】
上記冷却器は、表面に複数の突起または凹みが設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
上記半導体モジュールは、上記半導体モジュールの上記冷却器と近接する面に、金属箔を配置したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
上記半導体モジュールの上記冷却器と近接する面に配置された上記金属箔は、表面に複数の突起または凹みが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
上記半導体モジュールの上記冷却器と近接する面に配置された上記金属箔は、上記制御基板の配線パターンの厚さと同等であることを特徴とする請求項８または９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
上記半導体モジュールは、上記冷却器と近接する面の一部にソルダーレジスト処理したことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１２】
上記半導体モジュールは、上記冷却器と近接する面と、上記パワー半導体との間に、樹脂を介することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１３】
上記半導体モジュールと上記冷却器間の接合に用いる半田材は、上記半導体モジュール内部の接合に用いる半田材よりも融点が低いことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１４】
上記半導体モジュールと上記冷却器間の接合に用いる半田材は、インジウムを含有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１５】
上記半導体モジュールは、上記冷却器と近接する面の少なくとも２つ以上の部分に突起を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１６】
上記半導体モジュールは、上記冷却器と近接する面の略中央付近を先端とする凸形状となっていることを特徴とする請求項１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
上記冷却器の両面に上記半導体モジュールを配置したことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１８】
上記半導体モジュールの略中央付近にて、上記半導体モジュールと上記冷却器がネジで固定されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュールを用いたインバータ装置等の電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車などの電力を用いて走行する電気自動車では、交流モータが用いられるため、直流電力と交流電力との間で電力を双方向変換するインバータ装置が採用されている。
インバータ装置はＩＧＢＴ、Ｄｉなどのパワー半導体を接続しモジュール化した半導体モジュール、半導体モジュールを冷却する冷却器、半導体モジュールを制御する制御基板などから構成されている。
【０００３】
一般的なインバータ装置では、半導体モジュールを上方から、バネ、または補強梁により冷却器に強固に押圧して固定することで、半導体モジュールと冷却器間の熱抵抗を低減している（例えば、特許文献１参照）。
また、冷却器上に半導体モジュール、制御基板などを重ねて配置しており、床面積をコンパクトにすることで電力変換装置の小形化を図っている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９１４２０９号公報
【特許文献２】特許第３６４１８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のインバータ装置では、半導体モジュールと冷却器間のサーマルコンパウンドをできるだけ薄くし、熱抵抗を低減しなければならないので、ネジ、バネ、または補強梁により半導体モジュールを冷却器に強固に押圧し固定する必要があり、このネジ、バネ、または補強梁によって装置全体の高さが高く、小形化が困難であるという課題がある。
【０００６】
また、半導体モジュール上に配置されたネジ、バネ、または補強梁の金属部材と、制御基板の回路との絶縁を確保するため、別の絶縁部材を用いない場合には、ネジ、バネ、または補強梁と制御基板間の距離を十分大きく取る必要があり、これによってさらに装置全体の高さが高く、小形化がさらに困難になるという課題もある。
【０００７】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、冷却性能および絶縁性能を損なうことなく、低背化された電力変換装置を実現することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る電力変換装置は、複数のパワー半導体および上記複数のパワー半導体間を接続する導体を有するとともに上面が樹脂で封止された半導体モジュールと、上記半導体モジュールの上面に面するとともに上記半導体モジュールを制御する制御基板と、上記半導体モジュールの下面に対面するとともに上記半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備え、上記半導体モジュールは、上記制御基板と上記冷却器の間に配置されるとともに、上記冷却器に直接半田で接合固定される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器との間を、シリコーングリスなどの一般的なサーマルコンパウンドよりも熱伝導に優れた半田によって直接接合することにより、従来の電力変換装置にあったネジ、バネを廃止し、冷却性能を損なうことなく、装置の低背化を実現するという効果を奏する。
また、半導体モジュール上に配置された、ネジ、バネ、または補強梁の金属製部材を廃止すると同時に、半導体モジュールの上面を樹脂で封止することにより、制御基板と半導体モジュール間の絶縁確保に必要な距離を短縮することが可能であり、これによりさらに装置の低背化、装置の小形化を実現するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の断面構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る冷却器の断面構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの断面構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの裏面の平面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ断面での電力変換装置の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る小形化効果を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の断面構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る冷却器の表面処理を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る小形化効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明に係る電力変換装置は、複数のパワー半導体および複数のパワー半導体間を接続する導体を有するとともに上面が樹脂で封止された半導体モジュールと、半導体モジュールの上面に接するとともに半導体モジュールを制御する制御基板と、半導体モジュールの下面に対面するとともに半導体モジュールを冷却する冷却器と、を備え、半導体モジュールは、制御基板と冷却器の間に配置し、半導体モジュールと冷却器の間を、直接半田で接合固定する。
すると、半導体モジュールと冷却器との間を、シリコーングリスなどの一般的なサーマルコンパウンドよりも熱伝導に優れた半田によって直接接合することにより、従来の電力変換装置にあったネジ、バネを廃止し、冷却性能を損なうことなく、装置の低背化を実現している。
また、半導体モジュール上に配置された、ネジ、バネ、または補強梁の金属製部材を廃止すると同時に、半導体モジュールの上面を樹脂で封止することにより、制御基板と半導体モジュール間の絶縁確保に必要な距離を短縮することが可能であり、これによりさらに装置の低背化、装置の小形化を実現している。
【００１２】
この発明に係る電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器間の半田接合している領域の少なくとも１つ以上の角を、曲線状とする。
半導体モジュールと冷却器とは異種材で構成されていることが多いため、半導体モジュールと冷却器間を直接接合すると、それぞれの線膨張係数の差によって半導体モジュールと冷却器間の半田に熱応力が発生する。
しかし、この発明に係る電力変換装置のように半導体モジュールと冷却器間の半田接合される領域の角部が曲線状になっていれば、切欠き係数が低減され半田にかかる熱応力の集中を防ぐことが可能になり、半田に生じるクラック、割れなどの接合信頼性低下と、これによる冷却性能、耐振性低下を防ぐことが可能になる。
【００１３】
この発明に係る電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器間の半田接合される領域を、少なくとも２つ以上に分割する。
このように、半田接合される領域を複数に分割すれば、半導体モジュールや冷却器の反り影響が軽減できるほか、分割された半田間の空間により、半田の変形が容易となるため、半田にかかる熱応力を軽減することが可能になる。
また、万が一半田にクラック、割れが発生しても、クラックや割れの進展を抑制することが可能となり、分割数を増し、細分化すれば、万が一半田にクラック、割れが発生した場合でも機能の低下を最小限とすることができる。
【００１４】
この発明に係る電力変換装置では、冷却器は、放熱フィンと、半導体モジュール搭載用の天板部を別部材とし、ロウ付けによってそれぞれ接合する。
このように、複数の部材をロウ付けによって接合した冷却器を用いているので、ロウ付け以外の代表的な冷却器の製造手法として、鋳造、押し出し成型があるが、冷却性能の優れた放熱面積の大きい放熱フィンを構成するには、鋳造や押し出し成型では鋳造時の湯流れや、押し出しに用いる金型の強度制約などにより、放熱フィンや、半導体モジュール搭載用の天板部などを厚肉とする必要があり、結果として熱容量の大きい冷却器となっていた。
【００１５】
半田によって半導体モジュールと冷却器とを接合する場合、半田を溶融し接合するため、冷却器も加熱する必要がある。生産性を高めるためには、半田付け前の加熱時間や、半田付け後の冷却時間は可能な限り短いほうが望ましく、冷却器の熱容量は小さいほうが良い。
ロウ付け接合による冷却器であれば、放熱フィンと、半導体モジュール搭載用の天板部をそれぞれ最適な製法を用いることができるため、放熱フィンや半導体モジュール搭載部を薄肉部材で構成することが可能であり、熱容量の小さい冷却器とすることができる。よって、ロウ付けによる冷却器を用いたほうが、半導体モジュールと冷却器間の半田接合の生産性が高く、ロウ付けによる冷却器を用いることが望ましい。
【００１６】
この発明に係る電力変換装置では、冷却器は、アルミニウムを主な成分とする金属で形成し、冷却器の表面に銅やニッケルなど、半田付け性の良い材質をメッキする。
このように、アルミニウムを主な成分とする金属で冷却器を構成しているため、冷媒に対する耐腐食性、加工性が良いほか、軽量である。しかし、アルミニウムは半田付け性が良くないため、冷却器表面に銅やニッケルなどの金属層を設けることによって半田付け性を確保しているが、この金属層の形成手段に金属溶射（コールドスプレー）を用いることによって、冷却器の表面に半田付け性が良い部分と、半田付け性が良くない部分を効率よく分けて形成することができる。
半田付け性が良い部分と良くない部分を分けて形成すれば、上述のような半田部の接合信頼性低下対策のための形状工夫を容易に実施することができる。
【００１７】
この発明に係る電力変換装置では、冷却器は、アルミニウムを主な成分とする金属で形成し、冷却器の表面に銅やニッケルなど、半田付け性の良い金属層を金属溶射によって部分的に設ける。
このように、アルミニウムを主な成分とする金属で冷却器を構成しているため、冷媒に対する耐腐食性、加工性がよいほか、軽量である。しかし、アルミニウムは半田付け性が良くないため、冷却器表面の銅やニッケルメッキによって半田付け性を確保している。
【００１８】
この発明に係る電力変換装置では、冷却器は、直接または、冷却器表面に形成された金属層の形状工夫により、冷却器表面に複数の突起または凹みを設ける。この突起または凹みが連続して形成され、溝となっていても良い。
このように、冷却器表面の突起または凹みによって、冷却器および半田の変形が容易となり、半田にかかる熱応力の軽減が可能となる。また、突起または凹みを連続させることで溝を形成すれば半田の不必要な広がりを抑制することが可能となり、上述に記載されているような半田部の接合信頼性低下対策のための形状工夫を容易に実施することができる。
【００１９】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールは、冷却器と近接する面に銅箔またはニッケルメッキされたアルミニウム箔など、金属箔を冷却器と近接する面に配置する。
このように、半導体モジュールの冷却器と近接する面に半田付け性が良い金属箔が設けられるので、半導体モジュールと冷却器間の半田付けが容易となる。
【００２０】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールの冷却器と近接する面に設けられた金属箔の表面に複数の突起または凹みを設ける。
このように、半導体モジュールの冷却器と近接する面に設けられた金属箔表面の突起または凹みにより、金属箔と半田の変形が容易となり、半田にかかる熱応力の軽減が可能となる。
【００２１】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールの冷却器と近接する面に設けられた金属箔は、制御基板の配線パターンと同等の厚さとする。
このように、半導体モジュールの冷却器と近接する面に設けられた金属箔が制御基板の配線パターンを構成する金属箔と同等の厚さであるため、制御基板の半田付けに用いる設備の半田付け条件が流用可能であり、生産性を高めることができる。
なお、この金属箔の厚さは、半導体モジュールを制御する制御基板の配線パターンの厚さと必ずしも同じでなくてはならないわけではなく、一般的な制御基板の半田付けに用いる設備で対応可能な、一般的な制御基板の配線パターンの厚みであれば問題ない。
【００２２】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールの冷却器と近接する面に設けられた金属箔は、一部にソルダーレジスト処理を行う。
このように、ソルダーレジスト処理によって、金属箔の半導体モジュールの冷却器に近接する面に半田付け性が良い部分と、半田付け性が良くない部分を分けて形成することが可能となる。半田付け性が良い部分と良くない部分を分けて形成すれば、上述のような半田部の接合信頼性低下対策のための形状工夫を容易に実施することができる。
【００２３】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールは、パワー半導体と、冷却器に近接する面との間に樹脂を配置する。
このように、パワー半導体と冷却器に近接する面との間に樹脂を介在させることにより、冷却器を加熱した際の半導体モジュール内部への伝熱が抑制され、半導体モジュールと冷却器間の半田接合によるパワー半導体への影響を小さくすることができる。
【００２４】
この発明に係る電力変換装置では、複数のパワー半導体や導体を半導体モジュール内部に有しており、これらを半田によって接合しているが、半導体モジュールと冷却器間の半田接合に用いる半田材の融点は、半導体モジュール内部の接合に用いる半田材よりも融点を低くする。
このように、半導体モジュールと冷却器との半田接合温度が半導体モジュール内部の接合に用いている半田材よりも融点が低いため、半導体モジュールと冷却器との半田接合による加熱で、半導体モジュール内部の半田が再溶融し劣化する恐れがない。
【００２５】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールと冷却器間の半田材にはインジウムを含有する。
このように、インジウムを含有することにより通常の半田材よりも融点を低くすることが可能であり、半導体モジュールと冷却器間の半田接合による半導体モジュール内部の半田への影響を小さくすることができる。
【００２６】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールの冷却器と接する面に少なくとも２つ以上の突起を設けられている。
このように、半導体モジュールの冷却器と接する面に少なくとも２つ以上の突起があり、半導体モジュールと、冷却器間の最低半田厚さを確保することが可能である。半田を厚くすることによって半田にかかる熱応力の緩和が可能であり、接合信頼性を高めることができる。
【００２７】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールの冷却器と接する面の略中央付近を先端とする凸形状とする。
このように、半導体モジュールの冷却器と接する面に少なくとも２つ以上設けられた突起により半田クラックや割れなどの基点となる部分の半田厚を確保することによって接合信頼性を確保しつつ、半導体モジュールの冷却器と接する面が略中央付近を先端とする凸形状とすることで、熱抵抗に影響の大きい半導体モジュールの略中央付近は、半田厚みを薄くすることで冷却性能の悪化を防ぐことができる。
【００２８】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールを冷却器の両面に配置する。
このように、半導体モジュールを冷却器の両面に配置すると床面積を半減することが可能であり、装置の大幅な小形化が可能になる。高さの低減よりも床面積の低減による小型化が望まれる場合や、複数の半導体モジュールを用いて大容量な電力変換装置を構成する場合に特に有効である。
【００２９】
この発明に係る電力変換装置では、半導体モジュールの略中央をネジによって冷却器と固定する。
このように、半導体モジュールの略中央をネジによって冷却器と固定しているが、半導体モジュールと冷却器間は半田によっても接合されているから、従来のネジに比べ小さなネジを採用したり、ネジを絶縁可能な樹脂製のものとすることで装置を小型化することができる。これら簡素なネジによって半導体モジュールの略中央付近にて半導体モジュールと冷却器間を固定すれば、熱抵抗に影響の大きい半導体モジュールの略中央付近は、半田厚みを薄くすることによって冷却性能を確保することができるほか、半田付けまでの半導体モジュール仮固定に必要な治具が不要となる。
【００３０】
以下、本発明の電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、図１に示すように、複数のパワー半導体１１と、複数のパワー半導体１１に接続される導体１２と、パワー半導体１１および端部を除く導体１２を外部から封止する樹脂１３と、から構成される半導体モジュール１０を有する。
この半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０を制御する制御基板４０と接続されている。
また、半導体モジュール１０は、半田３０によって冷却器２０に接合固定されており、パワー半導体１１で生じた熱を冷却器２０によって冷却している。
【００３１】
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、半導体モジュール１０を冷却器２０に押圧固定するためのバネ、ネジが不要であるほか、制御基板４０の直下に金属部材がなく、絶縁距離を確保する必要が無いので、装置の高さを低くすることが可能となる。
また、半導体モジュール１０と冷却器２０を接合する部材として、サーマルコンパウンドよりも熱伝導性の高い半田３０を用いているため、冷却性能の悪化は生じない。
【００３２】
次に、この発明の実施の形態１に係る冷却器２０の詳細を図２を参照して説明する。
この発明の実施の形態１に係る冷却器２０は、それぞれ薄いアルミニウムを主材とする天板２１、底板２３およびフィン２２を有し、ロウ付けによって接合されている。
【００３３】
この発明の実施の形態１に係る冷却器２０は、全体が薄い板によって構成されているため、半導体モジュール１０と冷却器２０との間の半田付けの際の予熱、冷却時間を短縮することが可能であり、新たな半田付け工程追加による生産性の悪化を軽減することができる。
また、冷却器２０の材質をアルミニウムとすることにより、誘導加熱によって冷却器２０を加熱し、半導体モジュール１０と冷却器２０間の半田付けを行うことが可能であり、電力変換装置全体を加熱する必要が無く、熱ストレスの軽減、生産設備の簡素化が可能となる。
【００３４】
次に、この発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１０の内部構造を図３を参照して詳細に説明する。
この発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１０では、パワー半導体１１が導体１２に内部半田１８で接合されている。
導体１２のうち冷却器２０側に配置される導体１２の冷却器２０に対向する面が熱伝導率５Ｗ／ｍＫの樹脂からなる絶縁シート１４により被覆される。
絶縁シート１４の冷却器２０側の面がニッケルメッキが施された厚さ０．１ｍｍの銅箔１５からなる金属箔により被覆される。
【００３５】
この発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０の冷却器２０に近接する面に設けられた銅箔１５によって高い半田付け性を有するが、熱容量の大きな金属ベース板（一般的な半導体モジュールでは３〜５ｍｍの厚みを有するものが多い）が無いため、半導体モジュール１０と冷却器２０との間の半田付けの際の予熱、冷却時間を短縮することが可能であり、生産性を高めることができる。
【００３６】
また、半導体モジュール１０の半田付け面とパワー半導体１１、内部半田１８との間に樹脂による絶縁シート１４（一般的な半導体モジュールでは熱伝導率が２５〜１５０Ｗ／ｍＫのセラミック絶縁基板を用いる）を介しているため、半導体モジュール１０と冷却器２０との間の半田付けを冷却器２０側からの加熱によって行った際に、パワー半導体１１や内部半田１８への熱伝導を抑制することができ、パワー半導体１１や内部半田１８への熱ストレスの軽減が可能となる。
【００３７】
また、半導体モジュール１０と冷却器２０との間の半田３０を、インジウムを含む半田によって、半導体モジュール１０の内部半田１８より融点が低い半田材とすることで、半導体モジュール１０の内部半田１８の再溶融を防ぐことが可能であり、他の対策と合わせ、さらに熱ストレスの軽減が可能となる。
【００３８】
また、この発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１０では、半導体モジュール１０の冷却器２０に近接する面が、その面の中心を凸とする曲面となっている。また、半導体モジュール１０の冷却器２０に近接する面の四隅には、その面の中心の凸より大きい突起１６が冷却器２０側に向けて設けられている。
【００３９】
主に銅によって構成された半導体モジュール１０と、主にアルミニウムによって構成された冷却器２０間を接合する半田３０には熱応力がかかるため、半田の厚さが薄いと半田３０にクラック、割れが生じ、パワー半導体１１から冷却器２０への伝熱経路が阻害され、製品の使用に伴い、熱抵抗が著しく大きくなる問題がある。
しかし、この発明の実施の形態１によれば、最もクラックや割れが生じやすい半導体モジュール１０の四隅において、突起１６によって半田３０の最低厚みを確保できるため、製品の使用による半田３０の劣化、および半田３０の劣化による熱抵抗の著しい増加を抑制することが可能となる。
【００４０】
一方、半田３０を厚くすると初期の熱抵抗が大きくなる。しかし、この発明の実施の形態１によれば、熱伝導に大きく寄与する半導体モジュール１０の中央付近１７が凸形状となっており、この部分の半田が薄いため、初期の熱抵抗の増加は抑制しつつ、製品の使用による半田３０の劣化と熱抵抗の著しい増加を抑制することが可能となる。
【００４１】
次に、この発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１０の裏面処理を図４を参照して詳細に説明する。
この発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１０では、半導体モジュール１０の冷却器２０に近接する面に設けられた銅箔１５の一部にソルダーレジスト処理が行われている。銅箔１５のパワー半導体１１を半導体モジュールの厚さ方向にパワー半導体１１の形を銅箔１５上に投影した領域を内包する４つの領域１５ａにはソルダーレジストを被覆せず、銅箔１５の残りの領域１５ｂにソルダーレジストを被覆する。領域１５ａの外形は１つの隅が円弧になった略四角形である。
【００４２】
この発明の実施の形態１によれば、ソルダーレジストが被覆された領域１５ｂの銅箔１５には半田３０が付着しないため、半導体モジュール１０と冷却器２０間の半田３０の層は、図５に示すように、４つの領域１５ａにだけ付着して４つに分割される。そして、半田３０の層が４つに分割されることで、半導体モジュール１０や冷却器２０の反りの影響が軽減されるほか、半田３０がない部分に向かって半田３０が自由に変形できるため、半田３０の熱応力が緩和される。
【００４３】
また、この半田３０の層には熱応力が加わるが、半田３０の層の角部に応力が集中することから、角部よりクラックが生じることが多いため、角部が曲線状となっていれば応力集中が緩和され、クラックの発生、進展を抑制することが可能となる。
【００４４】
なお、この領域分割はソルダーレジストのみで実施しても良いが、銅箔１５の表面に突起や凹みを設け、ソルダーレジストと併用すれば、半田３０のみならず銅箔１５の変形も可能となるからさらに効果は高まる。これら半田３０の領域分割、角部の曲線状処理は、半導体モジュール１０側のソルダーレジストによって形成されるため、冷却器２０側では半田領域の形状形成のための工夫は必ずしも必要ではない。よって、半田付け性改善のために実施するニッケルメッキ処理においてマスキングは実施しなくても良い。
【００４５】
上述のように、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、高い生産性を確保しながら、熱抵抗の増大や、半導体モジュール１０と冷却器２０を接合する半田３０、半導体モジュール１０の内部構造の劣化を抑制しつつ、図６に示す従来の電力変換装置に必要な押さえバネ５４、補強梁５３、ネジ５２、絶縁に必要な空間５１、雌ネジ５７を設けるために必要な冷却器天板の厚さを廃止することで電力変換装置を低背化、小形化することが可能である。
【００４６】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置の断面構成図である。
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、図７に示すように、冷却器２０Ｂと、冷却器２０Ｂの両面に半田３０により接合固定される２つの半導体モジュール１０と、２つの半導体モジュール１０をそれぞれ制御する２つの制御基板４０と、冷却器２０Ｂ、半導体モジュール１０および制御基板４０を固定するネジ５２およびナット５８と、を有する。
冷却器２０Ｂ、半導体モジュール１０、制御基板４０のそれぞれ中央にはネジ５２が貫通する貫通穴５５が設けられている。
各半導体モジュール１０は、４つのパワー半導体１１と、４つのパワー半導体１１に接続される導体１２と、パワー半導体１１および端部を除く導体１２を外部から封止する樹脂１３と、から構成される。
また、各半導体モジュール１０は、半導体モジュール１０を制御する制御基板４０と接続されている。
また、半導体モジュール１０は、半田３０によって冷却器２０Ｂに接合固定されており、パワー半導体１１で生じた熱を冷却器２０Ｂによって冷却している。
【００４７】
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、２つの半導体モジュール１０を冷却器２０Ｂの両面に配置することにより、床面積を半減することが可能となり、装置の小形化が可能になる。
また、半導体モジュール１０の略中央を固定することにより、冷却性能に影響の大きい半導体モジュール１０の中央付近の半導体モジュール１０と冷却器２０Ｂ間の半田厚を薄くし熱抵抗の低減が可能となる。
【００４８】
次に、この発明の実施の形態２に係る冷却器２０Ｂの表面処理を図８を参照して詳細に説明する。図８（ａ）は、冷却器２０Ｂの天板２１Ｂの平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の断面Ｄ−Ｄでの断面図である。
この発明の実施の形態２に係る冷却器２０Ｂは、それぞれ薄いアルミニウムを主材とする２つの天板２１Ｂおよびフィン２２を有し、ロウ付けによって接合されている。
この発明の実施の形態２に係る天板２１Ｂは、天板２１Ｂの４つのパワー半導体１１の外形を半導体モジュール１０の厚さ方向に天板２１Ｂ上に投影した領域Ａに凹み２４および領域Ａを内包する４つの領域Ｂの境に溝２５がプレス処理により設けられている。
【００４９】
また、半導体モジュール１０との半田接合のため、４つの領域Ｂに銅を主材とする半田付け処理層２６が形成されている。この半田付け処理層２６の形成には金属溶射（コールドスプレー）を用いている。溶射の際にマスキングすることで、半田付け処理層２６を分割し、半導体モジュール１０との半田付け領域を複数に分割している。
【００５０】
この発明の実施の形態２によれば、天板２１Ｂの表面の４つの凹み２４と溝２５によって不要部への半田付けを回避することができる。
また、冷却器２０Ｂの表面および半田３０の変形が容易になり、半導体モジュール１０と冷却器２０Ｂ間の半田３０に加わる応力を低減し、接合信頼性を確保することができる。
また、天板２１Ｂ上に４つの半田付け処理層２６を形成することにより天板２１Ｂに付着する半田３０が４つに分割しており、これによっても半田３０の応力を低減しているが、半田付け領域の分割を溶射のマスキングによって半田付け処理層２６を分割することで実現しており、これにより半導体モジュール１０側へのソルダーレジスト塗布のような対策はかならずしも必要ではない。
【００５１】
上述のように、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、複数の半導体モジュール１０によって構成される電力変換装置においても、高い生産性を確保しながら、熱抵抗の増大や、半導体モジュール１０と冷却器２０Ｂを接合する半田３０、半導体モジュール１０の内部構造の劣化を抑制しつつ、図９に示す従来の電力変換装置に必要な押さえバネ５４、補強梁５３、絶縁に必要な空間５１を廃止すること、さらに床面積を半減することによって電力変換装置を低背化、小形化することが可能である。
【００５２】
なお、実施の形態１、実施の形態２にそれぞれ記載の半導体モジュール裏面工夫、冷却器表面工夫は、それぞれ単独でも効果があるが、それぞれ組み合わせて使用することでより効果を高めることも可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  半導体モジュール、１１  パワー半導体、１２  導体、１３  樹脂、１４  絶縁シート、１５  銅箔、１６  突起、１７  （半導体モジュールの）中央付近、１８  内部半田、２０、２０Ｂ  冷却器、２１、２１Ｂ  天板、２２  フィン、２３  底板、２４  凹み、２５  溝、２６  半田付け処理層、３０ａ  内部半田、３０  半田、４０  制御基板、５１  絶縁に必要な空間、５２  ネジ、５３  補強梁、５４  押さえバネ、５５貫通穴、５７  雌ネジ、５８  ナット。
【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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