(57)【要約】【課題】封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の高いパワーモジュール、電力変換装置、およびパワーモジュールの製造方法を得ることを目的とする。【解決手段】セラミック基板１０上に配置されたパワー半導体素子２１、２２と、パワー半導体素子２１とパワー半導体素子２２、パワー半導体素子２１とネジ止め電極６２１の内部パッド６２ａ、またはセラミック基板１０とネジ止め電極６２２の内部パッド６２ｂを接続するための２以上の接続部を有する板状のソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２と、ソース電極板６１１とドレイン電極板６１２の隣り合う接続部間の中央部分に、裏面側に凸型で傾斜が設けられセラミック基板１０に対して短手方向に棒状で設けられた樹脂成形部６０１、６０２と、接続部の周辺を封止する封止樹脂部７とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された半導体素子と、
前記半導体素子同士、前記半導体素子と外部端子、または前記基板と前記外部端子を接続するための２以上の接続部を有する板状の電極板と、
前記電極板の隣り合う前記接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部と、
前記接続部の周辺を封止する封止樹脂部と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記樹脂成形部は、前記基板に対して垂直方向の断面が、前記基板面側に凸型のＶ字型またはＵ字型であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記樹脂成形部は、前記半導体素子の主電極の前記電極板と、前記半導体素子の信号電極の前記電極板とに用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記樹脂成形部は、前記基板に対して短手方向に棒状に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記樹脂成形部は、複数の前記電極板を連接することを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記樹脂成形部は、前記基板に固定されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記基板に固定され、前記封止樹脂部を囲うケースをさらに備え、前記樹脂成形部は、前記ケースに固定されることを特徴とする請求項４または請求項５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。
【請求項９】
基板の上に半導体素子を搭載する工程と、
板状の電極板の接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部を形成し、前記半導体素子に前記電極板を接続する工程と、
前記半導体素子と前記電極板の接続部を封止する封止樹脂部を形成する工程とを含むことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、実装基板が封止樹脂により封止されるパワーモジュール、電力変換装置、およびパワーモジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールの絶縁封止として、金型が不要で高耐熱エポキシ封止が可能なダイレクトポッティング（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｐｏｔｔｉｎｇ、以下ＤＰと称する）封止技術が普及しつつある。一般的なシリコーンゲル封止材に比較して粘度が高いため、狭間隙への注入が難しく、絶縁特性および長期信頼性に影響するボイドが抜けにくいという問題を有する。
【０００３】
高信頼性を実現する電極板を直接パワー半導体素子に接続する構造のモジュールの場合、電極板の銅と、セラミック基板およびパワー半導体素子との膨張係数差による熱応力によって信頼性が損なわれる懸念があるため、接合部の厚さを確保してひずみを低減する必要があった。また、電極板が広い面積を有し、半導体素子が搭載された絶縁基板と平行平板構造となっているために狭間隙では特にボイドが抜けにくい。その対策として真空中での注入装置などが用いられているが、装置が大掛かりで、減圧および樹脂の広がりに時間を要するなど生産性の面で課題を残している。
【０００４】
これに対して、特許文献１においては、半導体素子との接合面よりも高い位置に段差を設けて間隙を大きくし、さらに開口部を形成することでＤＰ樹脂の注入性を改善し、ボイドの形成を抑制しようとするものである。また、特許文献２においては、ケースの側壁と実装基板の端部との間の樹脂充填スペースに傾斜部を設置し、この傾斜部を介してケース内へＤＰ樹脂を充填しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０２８８５号公報（段落００１５〜００２０、図１）
【特許文献２】特開２０１１−２１１１０７号公報（段落００１２〜００１６、図１）
【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、上記のような従来技術を用いても、平行平板間に一旦閉じ込められた空気は動きにくく、間隙を大きくしたり開口部があっても空気が残り、十分にはボイドを抜くことができないという問題があった。
【０００７】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の高いパワーモジュール、電力変換装置、およびパワーモジュールの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示されるパワーモジュールは、基板上に配置された半導体素子と、前記半導体素子同士、前記半導体素子と外部端子、または前記基板と前記外部端子を接続するための２以上の接続部を有する板状の電極板と、前記電極板の隣り合う前記接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部と、前記接続部の周辺を封止する封止樹脂部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本願に開示されるパワーモジュールの製造方法は、基板の上に半導体素子を搭載する工程と、板状の電極板の接続部間の前記基板面側に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部を形成し、前記半導体素子に前記電極板を接続する工程と、前記半導体素子と前記電極板の接続部を封止する封止樹脂部を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本願によれば、板状の電極板の接続間の中央裏面に、凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部を備えたので、封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１によるパワーモジュールの製造方法を示す断面図である。
【図４】実施の形態１によるパワーモジュールの製造方法を示す斜視図である。
【図５】実施の形態１によるパワーモジュールの他の製造方法を示す断面図である。
【図６】実施の形態１によるパワーモジュールの他の構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態１によるパワーモジュールの他の構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態１によるパワーモジュールの他の構成を示す断面図である。
【図９】実施の形態２によるパワーモジュールの構成を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態２によるパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２によるパワーモジュールの製造方法を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態３によ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】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるパワーモジュール１０１の構成を示す斜視図でり、図２は、図１のＡＡ矢視断面図である。図１および図２に示すように、パワーモジュール１０１は、絶縁基板であるセラミック基板１０と、セラミック基板１０に配置されるパワー半導体素子２１、２２と、パワー半導体素子２１、２２の電極に電気的に接続される主端子としてのソース電極板６１１と、セラミック基板１０の銅導体層１３に電気的に接続される主端子としてのドレイン電極板６１２と、パワー半導体素子２２とワイヤ４を介して電気的に接続する信号端子６３０と、これらパワー半導体素子２１、２２とその接続する部分の周辺を封止する封止樹脂部７とから構成される。
【００１３】
セラミック基板１０は、ＡｌＮ製のセラミック基材１１（４０ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）の両面に、銅導体層１２、１３（パターン厚さ０．４ｍｍ）が設けられている。セラミック基板１０の表面には、銅導体層１３上に、パワー半導体素子２１、２２が配置されている。
【００１４】
パワー半導体素子２１、２２としては、それぞれダイオード２１（Ｄｉｏｄｅ、１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）と、ＩＧＢＴ２２（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）が、はんだダイボンド３によりセラミック基板１０の表面の銅導体層１３上に接合されている。
【００１５】
ソース電極板６１１とドレイン電極板６１２は、それぞれ銅製の板状電極（厚さ０．３ｍｍ、ソース電極板：幅８ｍｍ、ドレイン電極板：幅４ｍｍ）であり、インサートモールド工法により形成された、樹脂成形部６０１で連接され、樹脂成形部６０１によりケース５に固定されている。ソース電極板６１１は、ダイオード２１とＩＧＢＴ２２との間にも、樹脂成形部６０２が形成され、樹脂成形部６０２によりケース５に固定されている。ソース電極板６１１は、一端がダイオード２１およびＩＧＢＴ２２のパワー半導体素子の大電流が流れる電極であるソース電極２１１、２２１と、はんだ接合部３２ａ、３２ｂによって電気的に接続され、他端が外部端子としてのケース５外周部に形成されている銅製のネジ止め電極６２１（厚さ０．８ｍｍ、幅５ｍｍ）にはんだ接合部３３ａにより電気的に接続されている。一方、ドレイン電極板６１２は、一端がセラミック基板１０の銅導体層１３とはんだ接合部により電気的に接続され、他端がネジ止め電極６２２にはんだ接合部により電気的に接続されている。ケース５に形成された信号端子６３０（６３１、６３２、６３３）は、信号端子６３０（６３１、６３２、６３３）の内部パッド６３（６３ａ、６３ｂ、６３ｃ）と、ＩＧＢＴ２２のゲート電極２２２ａ、２２２ｂおよび温度センサー電極２２２ｃとが、アルミ製のワイヤ（φ０．１５ｍｍ）４でそれぞれ電気的に接続されている。
【００１６】
ケース５は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ  Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂製（４８ｍｍ×２８ｍｍ×高さ１２ｍｍ）で、枠状に形成されており、シリコーン製の接着剤８を用いてセラミック基板１０の縁部に固定されている。ケース５は、封止樹脂部７を囲い、接着剤８は、ケース５とセラミック基板１０との間の隙間を埋めることで、ダイレクトポッティングを用いて封止樹脂部７を形成する際の樹脂の漏れを防止している。
【００１７】
樹脂成形部６０１、６０２は、ＰＰＳ樹脂製であり、矩形のセラミック基板１０に対して長手方向の垂直断面が、セラミック基板面側に凸型のＶ字型に傾斜が形成されている。樹脂成形部６０１は、ネジ止め電極６２１の内部パッド６２ａとダイオード２１を跨ぐソース電極板６１１の中央部分に、およびネジ止め電極６２２の内部パッド６２ｂとセラミック基板１０上の銅導体層１３とを跨ぐドレイン電極板６１２の中央部分を連接するように、セラミック基板１０の短手方向に棒状で設けられている。また、樹脂成形部６０２は、ダイオード２１とＩＧＢＴ２２とを跨ぐソース電極板６１１の中央部分に、セラミック基板１０の短手方向に棒状で設けられている。樹脂成形部６０１、６０２のそれぞれの両端６０１ａ、６０１ｂ、および６０２ａ、６０２ｂは、矩形のケース５の長手方向の側面上部に設けられた凹部５１ａ、５１ｂ、および５２ａ、５２ｂにそれぞれはめ込み、固定され、ソース電極板６１１とドレイン電極板６１２は、位置決めされる。なお、樹脂成形部６０１、６０２は、セラミック基板面側に凸型のＶ字型としたが、これに限るものではない。セラミック基板面側に凸型に傾斜が形成されていればよく、例えばセラミック基板面側に凸型のＵ字型でもよい。また、セラミック基板１０に対して長手方向の垂直断面をセラミック基板面側に凸型のＶ字型としたが、これに限るものではない。例えば、セラミック基板１０に対して短手方向の垂直断面をセラミック基板面側に凸型のＶ字型としてもよい。
【００１８】
実施の形態１のパワーモジュール１０１においては、樹脂成形部６０１、６０２の底面が凸型のＶ字断面を有することで、セラミック基板１０との間の空間は、短手方向の端部に向かうほど厚さが大きくなる構造となる。そのため、樹脂成形部６０１、６０２では、製造の際に下面に入り込んだ気泡は、その場にとどまることなく端部に向かって移動し、樹脂成形部６０１、６０２の外部に排出されて液面から外部に解放されることになる。また、樹脂成形部６０１、６０２は、ケース５に対して位置決めすることでソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２と、セラミック基板１０およびパワー半導体素子（ダイオード２１、ＩＧＢＴ２２）との間隔を一定の距離に保持することで、熱応力の軽減を図り、封止樹脂の注入性を向上させることができる。
【００１９】
次に、実施の形態１によるパワーモジュール１０１の製造方法について、図３に基づき説明する。図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態１によるパワーモジュール１０１の製造工程を示す断面図である。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、セラミック基板１０に対して、板状のはんだ３１ａ、３１ｂを用いて、それぞれダイオード２１およびＩＧＢＴ２２と重ねて位置決め搭載し、リフロー炉を用いてはんだ３１ａ、３１ｂを加熱溶融させて、はんだダイボンディングを行う。
【００２１】
続いて、図３（ｂ）に示すように、ケース５の内周部にシリコーン製の接着剤８を塗布し、セラミック基板１０を位置決め搭載し、５０℃〜１５０℃のオーブンで３０分加熱して接着剤８を硬化させる。
【００２２】
次いで、図３（ｃ）に示すように、ダイオード２１とＩＧＢＴ２２のそれぞれのソース電極２１１、２２１および銅導体層１３の図示しないドレイン電極板６１２を接続する位置に、それぞれクリーム状のはんだ３２ａ、３２ｂ、３２ｃをディスペンス供給し、ネジ止め電極６２１、６２２の内部パッド６２ａ、６２ｂにクリーム状のはんだ３３ａ、３３ｂをディスペンス供給する。
【００２３】
図４は、図３（ｃ）に対応する斜視図であるが、はんだ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３３ａ、３３ｂをディスペンス供給した後、ソース電極板６１１とドレイン電極板６１２に設けられた、樹脂成形部６０１、６０２の両端６０１ａ、６０１ｂ、および６０２ａ、６０２ｂをそれぞれ、図４に示すケース５の凹部５１ａ、５１ｂ、および５２ａ、５２ｂにはめ込むことで位置決めして、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２のそれぞれのソース電極２１１、２２１と、ネジ止め電極６２１、６２２の内部パッド６２ａ、６２ｂに搭載し、はんだを加熱溶融させることで、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２とネジ止め電極６２１、およびセラミック基板１０上の銅導体層１３とネジ止め電極６２２とを電気的に接続して回路を形成する。
【００２４】
最後に、ワイヤ４（４ａ、４ｂ、４ｃ）を用いてＩＧＢＴ２２のゲート電極２２２ａ、２２２ｂおよび温度センサー電極２２２ｃと、ケース５の信号端子６３０（６３１、６３２、６３３）の内部パッド６３（６３ａ、６３ｂ、６３ｃ）をワイヤボンドによってそれぞれ接続する。その後、ダイレクトポッティング封止樹脂を４０℃〜９０℃に加熱した状態で流し込み、真空脱泡して加熱（５０℃〜２００℃に所定の時間保持）して硬化させて封止樹脂部７を形成し、図２に示すパワーモジュール１０１が完成する。
【００２５】
封止に用いるダイレクトポッティング封止樹脂（粘度：５Ｐａ・Ｓ〜３０Ｐａ・Ｓ）は、シリコーンゲル（粘度：０．２Ｐａ・Ｓ〜２Ｐａ・Ｓ）に比較して粘度が高いため、空気を噛みこみやすく、抜けにくいという特徴がある。ソース電極板およびドレイン電極板の下面に取り込まれた気泡は、重力の影響（浮力）によって液面に浮上しようとするが、ソース電極板およびドレイン電極板が平板である場合、ソース電極板およびドレイン電極板の下面にとどまる可能性が懸念される。
【００２６】
これに対し、実施の形態１のパワーモジュール１０１においては、樹脂成形部６０１、６０２の底面が凸型のＶ字断面を有することで、セラミック基板１０との間の空間は、樹脂成形部６０１、６０２の短手方向の端部に向かうほど封止樹脂部分の厚さが大きくなる構造となる。そのため、樹脂成形部６０１、６０２では、製造の際に下面に入り込んだ気泡は、その場にとどまることなく端部に向かって移動し、樹脂成形部６０１、６０２の外部に排出されて液面から外部に解放されることになる。さらに、ダイレクトポッティング封止樹脂は高温になるほど粘度が下がる傾向を有するため、注入後にプレート型のヒータまたはオーブンを用いて加熱することで気泡が動きやすくなり、抜けやすくなる効果が得られる。また、例えば、ケース５に電動式のバイブレータ上に置いた状態で振動および衝撃を与えたりすることでも気泡の動きを活発にしたり、真空デシケータ中に投入して減圧によって気泡の体積が増大することによって、よりダイレクトポッティング封止樹脂の厚さが大きい方へ移動しやすくすることにより、気泡はさらに抜けやすくなる。
【００２７】
なお、実施の形態１では、複数の電極板をインサートモールド工法で樹脂成形部６０１、６０２を形成するが、これに限るものではない。図５に示すように絶縁性の接着剤６９１、６９２で形成するなどして、樹脂成形部６０１、６０２を構成しても同様の効果が得られる。
【００２８】
また、樹脂成形部６０１、６０２の一部（端部）を、ケース５の凹部５１ａ、５１ｂ、および５２ａ、５２ｂに対してはめ込み、固定したがこれに限るものではない。図６に示すように、樹脂成形部６０１、６０２の一部を、セラミック基板１０の銅導体層１３のパターンにはめ込んだりして、セラミック基板１０に固定することにより、ソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２は、ダイオード２１、ＩＧＢＴ２２、およびセラミック基板１０に対して一定の間隔を保持することが可能となり、ダイオード２１とＩＧＢＴ２２の表面電極へのソース電極板６１１の接触によるダメージを解消し、位置ズレおよび傾きの発生が抑制され、供給したはんだ３２、３３の量が一定であればはみ出しおよびオープン不良にはなりにくく、封止樹脂も注入されやすくなる。なお、この場合、セラミック基板１０の長手方向の垂直断面が、セラミック基板面側に凸型のＵ字型に傾斜を形成するものであるが、これに限るものではない。例えば、セラミック基板１０の短手方向の垂直断面が、セラミック基板面側に凸型のＵ字型に傾斜を形成することも可能である。また、図７に示すように、セラミック基板の絶縁部に搭載したり、図８に示すように、電極板単独でケースに対してアウトサート（挿入固定）しても、同様の効果が得られる。
【００２９】
樹脂成形部６０１、６０２の素材としては、ＰＰＳを用いたが、これは封止樹脂に比較すると安価であるため、封止樹脂の減量によるコスト低減にも効果がある。
【００３０】
ソース電極板６１１は、銅製で、膨張係数が１７ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対し、ダイオード２１、ＩＧＢＴ２２、およびセラミック基板１０は３〜７ｐｐｍ／Ｋと小さいため、はんだ接合のための加熱後の冷却時および実使用環境での温度サイクルによって熱応力が発生する。そのため、ソース電極板６１１は、使用する電流容量の範囲でなるべく薄くすることが望ましい。一方で、ネジ止め電極６２１は、ネジの締結力に耐える必要があるためある程度の厚さが必要である。また、ソース電極板６１１は、はんだ付け性に優れたニッケルおよび銀などの表面メタライズが望ましいが、ネジ止め電極６２０（６２１、６２２）は耐候性に優れた銅のままの方が好ましい。場所によって厚さを変えた異厚銅板、および場所によってメタライズを変えた部分めっき銅板も存在するが高価で入手性が悪い場合が多いため、ソース電極板６１１とネジ止め電極６２０が別部材であることのメリットは多い。
【００３１】
この膨張係数差に伴う熱応力の軽減に関しては、樹脂成形部６０１、６０２を、ケース５の凹部５１ａ、５１ｂ、および５２ａ、５２ｂに対して、はめ込み、固定することにより、ソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２は、ダイオード２１、ＩＧＢＴ２２、およびセラミック基板１０との間隔を一定の距離に保持することで、熱応力の軽減を図り、封止樹脂の注入性を向上させることができる。
【００３２】
また、搭載するダイオード２１とＩＧＢＴ２２の容量および形状によっては、ソース電極板６１１またはドレイン電極板６１２のパターンが変わる場合があり、ワイヤボンドによって置き換えることも可能で、この面でもソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２と、ネジ止め電極６２０とが別部材であることが有効である。
【００３３】
はんだ３２ａ、３２ｂの供給方法としては、クリーム状のはんだを用いたが、板状のはんだを挟み込んでリフローする方法を取ることも可能である。また、ソース電極板６１１の、ダイオード２１とＩＧＢＴ２２のソース電極２１１、２２１に対応した部分にあけた開口部６５ａ、６５ｂから溶融したはんだを流し込むことによっても同様の効果が得られる。
【００３４】
セラミック基板１０の基材としては、ＡｌＮを用いたが、アルミナおよびＳｉＮなどのセラミック材料でも同様の効果が得られる。さらに放熱性の必要があまりない場合には、金属ベース基板またはガラスエポキシ基板などを用いることも可能である。また、ケース５の材料としてＰＰＳを用いたが、より耐熱性の高いＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｐｏｌｙｍｅｒ、液晶ポリマー）を用いても同様の効果が得られる。
【００３５】
また、ソース電極板６１１の材料として銅板を用いたが、銅めっきしたアルミ板とすることで軽量化が可能となり、銅とインバーを重ね合わせたＣＩＣ（Ｃｏｐｐｅｒ  Ｉｎｖａｒ  Ｃｏｐｐｅｒ）板を用いることでセラミック基板１０との膨張係数差を抑制して熱応力を低減し、信頼性を向上させることも可能となる。
【００３６】
モジュール構成としては、ダイオード２１とＩＧＢＴ２２が１対の１ｉｎ１を用いたが、２対の２ｉｎ１または６対の６ｉｎ１であっても同様の効果が得られる。また、ここではアルミ製のワイヤ４を用いたが、銅製ワイヤまたはアルミ被服銅ワイヤ、または金ワイヤを用いても同様の効果が得られる。また、ダイレクトポッティング封止樹脂については、流し込んで常温硬化させる種類のものでも同様の効果が得られる。また、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２とセラミック基板１０との接続、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２とソース電極板６１１、およびセラミック基板１０とドレイン電極板６１２との接続にはんだを用いたが、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤、またはナノ粒子を低温焼成させるＡｇナノパウダまたはＣｕナノパウダなどを用いても同様の効果が得られる。また、ケース５を用いずに金型を用いてトランスファモールド封止樹脂によって封止するトランスファモールドパッケージにおいても同様の効果が得られる。
【００３７】
以上のように、実施の形態１によるパワーモジュール１０１によれば、セラミック基板１０上に配置されたパワー半導体素子（ダイオード２１、ＩＧＢＴ２２）と、パワー半導体素子（ダイオード）２１とパワー半導体素子（ＩＧＢＴ）２２、パワー半導体素子（ダイオード）２１とネジ止め電極６２１の内部パッド６２ａ、またはセラミック基板１０とネジ止め電極６２２の内部パッド６２ｂを接続するための２以上の接続部を有する板状のソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２と、ソース電極板６１１およびドレイン電極板６１２の隣り合う接続部間の中央部分に、裏面側に凸型で傾斜が設けられセラミック基板１０に対して短手方向に棒状で設けられた樹脂成形部６０１、６０２と、接続部の周辺を封止する封止樹脂部７とを備えるようにしたので、封止樹脂の注入性を向上させることによりボイドレスを実現し、信頼性の向上を図ることができる。また、６０１、６０２は、セラミック基板１０に固定されるか、セラミック基板１０に固定されたケース５に固定されるようにしたので、セラミック基板およびパワー半導体素子との間隔を一定の距離に保持することで、熱応力の軽減を図ることができる。
【００３８】
実施の形態２．
実施の形態１では、主端子としてのソース電極板６１１とドレイン電極板６１２に樹脂成形部を用いたが、実施の形態２では、信号端子にも、樹脂成形部を用いる場合について説明する。
【００３９】
図９は、実施の形態２におけるパワーモジュール１０２の構成を示す斜視図であり、図１０は、図９のＢＢ矢視断面図である。図９および図１０に示すように、実施の形態２では、パワーモジュール１０２は、ＩＧＢＴ２２と信号端子６３０との接続に、ワイヤではなく、銅製の板状の信号電極板（厚さ０．１５ｍｍ、幅０．３ｍｍ）６１３を用いる。
【００４０】
信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）は、中央部分に、樹脂成形部６０３ｃが形成されている。信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）は、一端がＩＧＢＴ２２のパワー半導体素子のゲート電極２２２ａ、２２２ｂおよび温度センサー電極とそれぞれ、はんだ接合部３４ａ、３４ｂ、３４ｃによって電気的に接続され、他端は信号端子６３０（６３１、６３２、６３３）の内部パッド６３（６３ａ、６３ｂ、６３ｃ）にそれぞれ、はんだ接合部３５ａ、３５ｂ、３５ｃにより電気的に接続されている。
【００４１】
樹脂成形部６０３ｃは、ＰＰＳ樹脂製であり、信号端子６３０（６３１、６３２、６３３）の内部パッド６３（６３ａ、６３ｂ、６３ｃ）とＩＧＢＴ２２を跨ぐ信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）の中央部分を連接するように、インサートモールド工法により形成され、底部が凸型のＶ字型で傾斜が設けられている。また、樹脂成形部６０３ｃは、ソース電極板のダイオード２１とＩＧＢＴ２２との間の中央部分に形成される樹脂成形部６０３と一体成型により連結して設けられており、樹脂成形部６０３ｃは、樹脂成形部６０３の両端６０３ａ、６０３ｂによりケース５の凹部５２ａ、５２ｂに固定され、信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）は、位置決めされる。
【００４２】
図１１は、実施の形態２によるパワーモジュール１０２の製造方法について説明する図であり、図４に対応する斜視図であるが、図３（ｃ）の工程と同様に、はんだ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３３ａ、３３ｂ、および３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３５ａ、３５ｂ、３５ｃをディスペンス供給した後、図１１に示すように、ソース電極板６１１、ドレイン電極板６１２、および信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）に設けられた、樹脂成形部６０１、６０３（６０３ｃ）の両端６０１ａ、６０１ｂ、および６０３ａ、６０３ｂをそれぞれ、ケース５の凹部５１ａ、５１ｂ、および５２ａ、５２ｂにはめ込むことで位置決めして、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２のそれぞれのソース電極２１１、２２１と、ネジ止め電極６２１、６２２の内部パッド６２ａ、６２ｂに搭載し、はんだを加熱溶融させることで、ダイオード２１およびＩＧＢＴ２２とネジ止め電極６２１、セラミック基板１０上の銅導体層１３とネジ止め電極６２２、およびＩＧＢＴ２２と信号端子６３０（６３１、６３２、６３３）とを電気的に接続して回路を形成する。実施の形態２によるパワーモジュール１０２のその他の構成および製造方法については、実施の形態１のパワーモジュール１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
これにより、信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）を用いることにより、ワイヤボンドを行わずにパワーモジュールの組立が可能となるだけでなく、ワイヤボンドを行う場合に、ＩＧＢＴのゲート電極などの直下のはんだ接合部にボイドがあると、ワイヤボンドの衝撃でＩＧＢＴにクラックを発生させる懸念があるため、Ｘ線検査などによってボイドがないことを確認する必要があったが、信号電極板をはんだ接続する場合には衝撃が加わらないため、ボイド観察を省略することが可能となる。
【００４４】
以上のように、実施の形態２によるパワーモジュール１０２によれば、主端子としてのソース電極板６１１とドレイン電極板６１２だけでなく、ＩＧＢＴ２２と信号端子６３０との接続に信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）を用い、信号電極板６１３（６１３ａ、６１３ｂ、６１３ｃ）にも接続部間の裏面側に凸型で傾斜が設けられた樹脂成形部６０３ｃを備えるようにしたので、実施の形態１における効果でけでなく、製造が容易となるとともに、さらに信頼性の向上を図ることができる。
【００４５】
実施の形態３．
実施の形態３は、上述した実施の形態１〜２にかかるパワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。本願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３として、三相のインバータに本願を適用した場合について説明する。
【００４６】
図１２は、実施の形態３によ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。
【００４７】
図１２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。
【００４８】
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１２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。
【００４９】
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または電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００５０】
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（図示せず）、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、実施の形態４にかかる主変換回路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および各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜２のいずれかに相当するパワーモジュール（ここではパワーモジュール１０１で説明する）によって構成する。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。
【００５１】
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（図示なし）を備えているが、駆動回路はパワーモジュール１０１に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール１０１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。
【００５２】
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又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００５３】
実施の形態３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１〜２にかかるパワーモジュールを適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００５４】
実施の形態３では、２レベルの三相インバータに本願を適用する例を説明したが、本願は、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。実施の形態３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願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コンバータに本願を適用することも可能である。
【００５５】
また、本願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、放電加工機またはレーザー加工機、又は誘導加熱調理器または非接触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または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。
【００５６】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５７】
７  封止樹脂部、１０  セラミック基板、２１  ダイオード（パワー半導体素子）、２２  ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）、２１１、２２１  ソース電極、６０１、６０２、６０３、６０３ｃ  樹脂成形部、６１１  ソース電極板、６１２  ドレイン電極板、６１３  信号電極板、１０１  パワーモジュール、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０３  制御回路、３００  負荷。
【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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