(57)【要約】【課題】パワーモジュールの信頼性と放熱性の向上を図ることが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】パワーモジュール２０２は、谷部９を有する凹状のベース板１と、ベース板１の谷部９に配置された少なくとも１つの絶縁基板４と、少なくとも１つの絶縁基板４上に搭載された少なくとも１つの半導体チップ５と、ベース板１の谷部９側の面、少なくとも１つの絶縁基板４および少なくとも１つの半導体チップ５を封止する封止樹脂７とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
谷部を有する凹状のベース板と、
前記ベース板の前記谷部に配置された少なくとも１つの絶縁基板と、
少なくとも１つの前記絶縁基板上に搭載された少なくとも１つの半導体チップと、
前記ベース板の前記谷部側の面、少なくとも１つの前記絶縁基板および少なくとも１つの前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
を備えた、パワーモジュール。
【請求項２】
前記ベース板の前記谷部は、少なくとも１つの前記絶縁基板の厚みの半分以上、かつ、前記ベース板の厚みの１／４以上の深さを有する、請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記ベース板の外周部に形成された溝をさらに備えた、請求項１または請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記ベース板の前記谷部は底面と側面とを備え、
前記谷部の前記側面は、上端側が外周側に傾斜するテーパー状である、請求項１または請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項５】
少なくとも１つの前記絶縁基板は複数の前記絶縁基板を備え、
少なくとも１つの前記半導体チップは複数の前記半導体チップを備え、
複数の前記半導体チップは複数の前記絶縁基板上にそれぞれ搭載され、
隣接する各前記絶縁基板の間に配置された壁部をさらに備え、
前記壁部の上端の高さ位置は、各前記絶縁基板の上端の高さ位置と同じまたは各前記絶縁基板の上端の高さ位置より低い、請求項１または請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記ベース板の材質は銅である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記封止樹脂の線膨張係数は１３×１０-6/℃以上である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
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、パワーモジュールの放熱性を向上させると共に、応力の低減により信頼性を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両用パワーモジュールのベース板として、機械特性的にＡｌＳｉＣが多く用いられている。このパワーモジュールの構造として、絶縁基板とベース板をはんだ接合したものが主となっている。
【０００３】
パワーモジュールの放熱性を劇的に向上させるためには、パワーモジュールに使用される部材を変更する必要がある。鉄道車両用パワーモジュールの構造として、絶縁基板とベース板をはんだ接合した構造が採用されているため、ベース板の反りを制御することが重要となっている。これは、ベース板の材質をＡｌＳｉＣから銅またはアルミニウムなどの金属材料へ変更した場合、ベース板の線膨張係数が７×１０-6／℃から１５×１０-6／℃以上、すなわち２倍以上になり、ベース板と封止樹脂の線膨張係数の差異に起因して発生する応力が大きくなるためである。応力が大きくなると、ベース板が凹状に反り、この反り量が大きくなるため、パワーモジュールの信頼性と放熱性が低下するという問題があった。
【０００４】
このような応力を低減する技術として、例えば特許文献１には、ベース板における絶縁基板が配置される位置の外周部に溝を設けた構成が開示されている。これにより、絶縁基板の端部に加わる応力を分散させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１９５２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ベース板における絶縁基板が配置される位置の外周部に溝を設けているものの、絶縁基板はベース板の台座形状となる部分に配置されており、またベース板全体としては平板状である。そのため、ベース板は凹状に反り、この反り量が大きくなることから、パワーモジュールの信頼性と放熱性が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、パワーモジュールの信頼性と放熱性の向上を図ることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るパワーモジュールは、谷部を有する凹状のベース板と、前記ベース板の前記谷部に配置された少なくとも１つの絶縁基板と、少なくとも１つの前記絶縁基板上に搭載された少なくとも１つの半導体チップと、前記ベース板の前記谷部側の面、少なくとも１つの前記絶縁基板および少なくとも１つの前記半導体チップを封止する封止樹脂とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ベース板の反りを凸状に改善できるため、反り量が大きくなりにくくなる。これにより、パワーモジュールの信頼性と放熱性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。
【図２】実施の形態１の変形例に係るパワーモジュールの断面図である。
【図３】実施の形態２に係るパワーモジュールの断面図である。
【図４】実施の形態３に係るパワーモジュールの断面図である。
【図５】実施の形態４に係るパワーモジュールの断面図である。
【図６】実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係るパワーモジュール２０２の断面図である。図２は、実施の形態１の変形例に係るパワーモジュール２０２Ａの断面図である。
【００１２】
図１に示すように、パワーモジュール２０２は、例えば鉄道車両用の半導体装置である。パワーモジュール２０２は、ベース板１、絶縁基板４、半導体チップ５、および封止樹脂７を備えている。
【００１３】
ベース板１は、谷部９を有する凹状である。谷部９は、底面１aと、底面１aを囲む側面１ｂとを備えている。凹状のベース板１は、例えば銅を材質とする直方体状のベース板を切削加工、または金型などを用いたプレス加工を実施することで形成されている。
【００１４】
絶縁基板４は、ベース板１の谷部９にはんだ８を介して配置されている。絶縁基板４は、セラミック基板２、およびセラミック基板２の上面と下面にそれぞれ形成された金属パターン３ａ，３ｂを備えている。セラミック基板２は、セラミック以外の絶縁性材料からなる基板であってもよい。また、金属パターン３ａ，３ｂは回路パターンを構成してもよい。
【００１５】
なお、図２に示すように、パワーモジュール２０２Ａは、ケース１０をさらに備えていてもよい。ケース１０は、ベース板１の外周部の上端に嵌合などの方法により固定されている。
【００１６】
半導体チップ５は、絶縁基板４の上面に搭載されている。より具体的には、半導体チップ５は金属パターン３ａの上面にはんだ５ａを介して搭載されている。半導体チップ５と金属パターン３ａはワイヤ６を介して接続されている。
【００１７】
封止樹脂７は、エポキシ樹脂であり、ベース板１の谷部９側の面、絶縁基板４、および半導体チップ５を封止している。封止樹脂７の線膨張係数は、１３×１０-6/℃以上である。
【００１８】
ベース板１の谷部９は、絶縁基板４の厚みの半分以上、かつ、ベース板１の厚みの１／４以上の深さを有している。絶縁基板４の側方がベース板１の外周部により囲まれることで、絶縁基板４の側方に存在する封止樹脂７が少なくなるため、絶縁基板４およびはんだ８への応力を低減できる。ここで、ベース板１の厚みとは、ベース板１の外周部の上端から下端までの厚みである。なお、ベース板１の谷部９の深さは１ｍｍ以上を有することが望ましい。
【００１９】
次に、パワーモジュール２０２の作用効果について、通常使用される平板状のベース板を採用した場合と比較しながら説明する。
【００２０】
封止樹脂７による封止を行うために、治具などで封止樹脂７の形状決めを行う。治具による形状決めの手法としてはトランスファーモールド等によるプロセスを想定している。平板状のベース板と絶縁基板４をはんだ付けして封止樹脂７による封止を行った場合、ベース板の反りが凹状となりこの反り量も大きくなることから、製品として成り立たない。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
本願の発明者は、シミュレーションによる解析を行ったところ、表１に示すように、平板状のベース板の反りは−０．８１ｍｍ、すなわち、ベース板は凹状となる方向に０．８１ｍｍ反る。この場合のセラミック部の応力が４３０Ｍｐａ、はんだ接合部の応力が５００Ｍｐａであった。表１は、シミュレーションによる解析結果である。なお、セラミック部とは絶縁基板４であり、はんだ接合部とははんだ８である。
【００２３】
そこで、谷部９を有する凹状のベース板１を採用することで、封止樹脂７による封止を行った際にベース板１の変動を大きくすることができ、ベース板１の底部の反りを凸状に改善することができる。表１に示すように、凹状のベース板１の反りは＋０．０８ｍｍ、すなわち、ベース板１は凸状となる方向に０．０８ｍｍ反る。この場合のセラミック部の応力が２０４Ｍｐａ、はんだ接合部の応力が２２４Ｍｐａであった。このように、凹状のベース板１を採用した場合は、平板状のベース板を採用した場合と比べて、ベース板１は凸状の反りとなり、この反り量が小さくなり、セラミック部とはんだ接合部の応力が共に低減することが分かる。
【００２４】
ベース板１の谷部９に絶縁基板４が配置された状態で、絶縁基板４の上面がベース板１の上面の高さ以下である場合、絶縁基板４の側方に存在する封止樹脂７が少なくなり、絶縁基板４およびはんだ８への応力を低減できる。またベース板１の底部から絶縁基板４までの高さ位置が低くなるため、パワーモジュール２０２の組立後の高さ位置も低くできるため、パワーモジュール２０２の小型化に貢献できる。
【００２５】
一般的にエポキシ樹脂である封止樹脂７は高温で硬化が行われる。硬化後に常温に戻す際、封止樹脂７が冷えた時の線膨張差によりベース板１の反りが凸側へ変動する。そのため、封止樹脂７の線膨張係数が大きいほどベース板１の反りを戻す力が大きくなり、ベース板１の厚みおよび谷部９の深さに合わせて封止樹脂７の線膨張係数を調整することで、ベース板１の反りの制御が可能となる。
【００２６】
以上のように、実施の形態１に係るパワーモジュール２０２は、谷部９を有する凹状のベース板１と、ベース板１の谷部９に配置された絶縁基板４と、絶縁基板４上に搭載された半導体チップ５と、ベース板１の谷部９側の面、絶縁基板４および半導体チップ５を封止する封止樹脂７とを備えた。
【００２７】
したがって、ベース板１の反りを凸状に改善できるため、反り量が大きくなりにくくなる。これにより、パワーモジュール２０２の信頼性と放熱性の向上を図ることができる。
【００２８】
ベース板１の谷部９は、絶縁基板４の厚みの半分以上、かつ、ベース板１の厚みの１／４以上の深さを有するため、絶縁基板４の側方に存在する封止樹脂７の量が低減する。これにより、絶縁基板４およびはんだ８への応力を低減できる。
【００２９】
ベース板１の材質は銅であるため、パワーモジュール２０２の放熱特性を改善することができる。
【００３０】
封止樹脂７の線膨張係数は１３×１０-6/℃以上であるため、封止樹脂７の硬化後に常温に戻す際、ベース板１の反りを凸状となる方向に戻す力が大きくなり、ベース板１の反りを凸状に改善できる。また封止樹脂７の線膨張係数が大きいほどベース板１の反りを凸状に改善する効果が大きくなる。
【００３１】
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係るパワーモジュール２０２Ｂについて説明する。図３は、実施の形態２に係るパワーモジュール２０２Ｂの断面図である。である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００３２】
図３に示すように、パワーモジュール２０２Ｂは、ベース板１の外周部に形成された溝１１をさらに備えている。溝１１は、ベース板１の上端部、かつ、外周部全体に渡って形成されている。すなわち、溝１１は、ベース板１における絶縁基板４が配置される位置とは別の位置に形成されている。
【００３３】
パワーモジュール２０２Ｂは、ベース板１の外周部に形成された溝１１をさらに備えたため、ベース板１と封止樹脂７の接着面積が増加することから、接着強度の向上を図ることが可能となる。また、溝１１を設けることで外部から半導体チップ５までの水分および腐食ガスなどの侵入経路が長くなり、パワーモジュール２０２Ｂの信頼性の向上が期待できる。また、溝１１を深くするほど侵入経路が一層長くなるため、パワーモジュール２０２Ｂは水分および腐食ガスなどに一層強くなる。
【００３４】
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係るパワーモジュール２０２Ｃについて説明する。図４は、実施の形態３に係るパワーモジュール２０２Ｃの断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００３５】
図４に示すように、パワーモジュール２０２Ｃでは、谷部９の側面１ｂは、上端側が外周側に傾斜するテーパー状である。すなわち、ベース板１の外周部は上端側が先細りのテーパー状である。実施の形態３では、ベース板１の製造に関して、金型などを用いたプレス加工を実施することを想定している。
【００３６】
谷部９の側面１ｂを上端側が外周側に傾斜するテーパー状にすることで、プレス加工後にベース板１を金型から抜く際の抜け性が向上するため、ベース板１の生産性を向上させることができ、ひいてはパワーモジュール２０２Ｃの生産性を向上させることができる。また、封止樹脂７による封止の際、封止樹脂７の粘度が高い場合であっても、封止樹脂７が谷部９の側面１ｂに到達したときに、気泡が発生しにくいという効果も得られる。
【００３７】
＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係るパワーモジュール２０２Ｄについて説明する。図５は、実施の形態４に係るパワーモジュール２０２Ｄの断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１〜３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００３８】
図５に示すように、パワーモジュール２０２Ｄは、２つの絶縁基板４、２つの半導体チップ５、および凸状の壁部１２を備えている。なお、絶縁基板４および半導体チップ５は共に複数であればよく、３つ以上備えていてもよい。
【００３９】
壁部１２は、例えばベース板１と同じ銅製であり、谷部９の底面１ａにおける隣接する絶縁基板４の間に配置されている。壁部１２の上端の高さ位置は、各絶縁基板４の上端の高さ位置と同じまたは各絶縁基板４の上端の高さ位置より低い。
【００４０】
これは、絶縁基板４同士でワイヤ６による配線を行う際に、ワイヤ６とベース板１との間の絶縁距離を確保するためである。本実施の形態４では壁部１２を設けることで隣接する絶縁基板４間に存在する封止樹脂７の量を減らすことができるため、絶縁基板４およびはんだ８に対する応力をさらに低減できる。
【００４１】
＜実施の形態５＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１に係るパワーモジュール２０２を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００４２】
図６は、実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００４３】
図６に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００４４】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図６に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００４５】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、および空調機器向けの電動機として用いられる。
【００４６】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示省略）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜４のいずれかに相当するパワーモジュールによって構成する。なお、ここでは実施の形態１に係るパワーモジュール２０２によって構成した場合について説明する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００４７】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示省略）を備えているが、駆動回路はパワーモジュール２０２に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００４８】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。
【００４９】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１に係るパワーモジュール２０２を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００５０】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００５１】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器、および非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムおよび蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００５２】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  ベース板、１a  底面、１ｂ  側面、４  絶縁基板、５  半導体チップ、７  封止樹脂、９  谷部、１１  溝、１２  壁部、２０１  主変換回路、２０２，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ，２０２Ｄ  パワーモジュール、２０３  制御回路。
【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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