(57)【要約】【課題】電力変換装置、パワードライブユニット用に大容量、大電流、絶縁、及び冷熱サイクルにおける高い導体接続信頼性を確保し、シンプルな構成で小型化、コスト低減を図ることができる電力変換モジュールを提供する。また、これら電力変換モジュール基板の量産に適した製造方法を提供する。【解決手段】金属構造体を導体に耐熱性樹脂を充填して構成され、正極端子及び負極端子から成る電極端子を各々有して複数のコンデンサ直列、及び並列に具備し、コンデンサは、各々の前記電極端子を同方向になるように近接させる事によって、大電流、大容量に適したシンプルで高密度な回路構成で小型化、及びコスト低減を図る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属構造体を導体に耐熱性樹脂を充填して構成され、この構造体に正極端子及び負極端子から成る電極端子を各々有して並置された複数のコンデンサを備え、前記複数のコンデンサの互いに隣接するコンデンサは、同方向に隣接させたことを特徴とする電力変換モジュール。
【請求項２】
前記構造体に、複数のコンデンサを互いに隣接するコンデンサにおいて、隣接する前記電極端子は、共通の配線部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換モジュール。
【請求項３】
前記構造体に、複数のコンデンサは、直方体状の外形を有する極性のあるコンデンサであり、互いに電気的に直列、及び並列に接続されることを特徴とする請求項１記載の電力変換モジュール。
【請求項４】
前記構造体に、複数のコンデンサは、直流電流を平滑化する平滑コンデンサとして機能することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換モジュール。
【請求項５】
請求項１，２記載の電力変換モジュールベース基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、電力変換装置、及びコンデンサモジュールに関し、コンデンサモジュールを構成する複数のコンデンサが直並列に接続、小型化されて配置された電力変換モジュール、及びコンデンサモジュールとそのモジュールベース基板製造に関する。
【背景技術】
【０００２】エンジンと電動機であるモータとを駆動力源として備える電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）が広く普及してきた。ＥＶ、及びＨＥＶ自動車などには、バッテリから供給される直流電力を交流電力流に変換してモータに供給すると共に、モータの回生動作によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリに蓄電するＰＤＵ（パワードライブユニット）が設けられている。【０００３】最近、高効率化とコンパクト化を追求したＰＣＵ（パワーコントロールユニット）を採用しており、これによって、走行状況に応じてモータの駆動と電気エネルギーへの回生を最適に制御している。バッテリやモータからの高電圧の直流電力を１２Ｖに変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、直流電力をモータ制御のために交流に変換する上記ＰＤＵ（パワードライブユニット）、およびモータＥＣＵ（エレクトリックコントロールユニット）をケースに格納している。【０００４】パワードライブユニットは、バッテリから供給される直流電流を平滑化するコンデンサモジュールと、これらコンデンサモジュールによって平滑化された直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールを備える。このようなパワードライブユニットでは、より大きな容量を有するコンデンサモジュールが必要になってきているため、複数のコンデンサでモジュールを構成することによって、モジュール容量を増加させる構成が提案されている。
バッテリとしては、モーターアシスト機構を作動させるために、高効率化を追求したＮｉ−ＭＨ（ニッケル水素）バッテリやリチウムイオンバッテリなどが使用されている。【０００５】また、パワー半導体素子（Ｓｉ、ＳｉＣ）を含んだモジュール用いた電力変換装置がさまざまな分野で使われはじめている。【０００６】電流を平滑化するこれらの電力変換モジュールは、小型化、大容量、大電流、高絶縁、及び高い導体接続信頼性の確保とコスト低減が求められている。【０００７】これまでの電力変換モジュールの一つであるコンデンサモジュールは、従来のガラスエポキシ樹脂によるプリント基板に、図１の断面図に示されるように銅コアの正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５を絶縁層介して積層し、さらに上下面は大電流用として３００μｍ厚程度の厚銅金属を積層して、構成されている例が多い。
正極端子４と負極端子５は表裏の厚銅配線回路２に複数個のＴＨ（スルーホールめっき）にて接続されている。しかし、このＴＨ（スルーホールめっき）による導体接続は、大電流、及び冷熱サイクル（低温、高温の繰り返し）に対しての接続信頼性が懸念されている。また、基板内部中間層に金属銅コアが入っている事から小型、軽量化が難しい構造となっている。
また、正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５部分は、ガラスエポキシ樹脂部分のざぐり工程などによって、樹脂部分を削って導体部分を露出させることが必要となり、そのための追加プロセスを実施する事になり、さらなる工程も増加する。
【先行技術文献】
【０００８】
【特許文献】
【特許文献】特開２００１−２４５４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】特許文献においては、複数のコンデンサが、隣接する端子の組が正極端子と負極端子との同極端子の組になるように配置されている。【００１０】具体的には、先行技術特許文献の構成では、文献に記載されているように、正極端子と負極端子との向きを揃えて複数のコンデンサを配置している。また、各端子が対応して接続される導体３種は、各々が絶縁された状態で積層される必要がある。【００１１】このため、このような構成では、コンデンサ間のクリアランスを考慮して複数のコンデンサを配置する必要があるために、複数のコンデンサの配置密度を上げて小型化を図ることが困難な傾向がある。また、各端子が対応して接続される導体部間には、絶縁部材を配する必要も生じて、構成が煩雑になる傾向にある。【００１２】近年では本発明の図１の断面図に示されるように、銅コア（厚銅金属）の正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５を絶縁層介し積層し、さらに上下面は厚銅金属板を積層して、構成されている例が多い。
正極端子４と負極端子５は表裏の厚銅配線回路２に複数個のＴＨ（スルーホールめっき）にて導体接続されている。しかし、このＴＨ（スルーホールめっき）による接続は冷熱サイクル（低温、高温の繰り返し）に対しての導体間の接続信頼性が懸念される。また、基板内部の中間層に銅コアが入っている事から小型、軽量化が難しい構造となっている。
また、正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５部分はガラスエポキシ樹脂部分のざぐり工程などによって、樹脂部分を削って導体部分を露出させることが必須であり、そのための追加プロセスを実施する事が必要になる。【００１３】本発明は、これらの課題から導体配線間の絶縁材充填にて絶縁、及び絶縁耐圧を維持し、大容量、大電流、及び高い導体接続信頼性の確保した構成で小型化とコスト低減が可能な電力変換、及びコンデンサモジュールを提供することを目的とする。
上記のような複雑な構造を持つことなく、シンプルな工程で軽量化とコスト低減を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】以上のような目的を達成するため、本発明は、シンプルな電力変換モジュールベース基板を提供する事により、正極端子及び負極端子から成る電極端子を各々有して直列、及び並列された複数のコンデンサを具備し、前記複数のコンデンサに隣接するコンデンサは、各々の前記電極端子を同方向になるように隣接させたことを特徴とする電力変換、及びコンデンサモジュールである。【００１５】また、これらのモジュールベース基板は、シンプルな構造と工法によって製造され、小型化、大容量、大電流、絶縁、及び高い導体接続信頼性を確保し、コスト低減を可能とする。【００１６】前記複数のコンデンサは、直方体状の外形を有する極性のあるコンデンサであり、互いに電気的に直列、及び並列に接続される。【００１７】また、本発明の前記複数のコンデンサは、直流電流を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。
【発明の効果】
【００１８】本発明の電力変換モジュールにおいては、複数のコンデンサに接するコンデンサが、各々の電極端子を隣接させ、かつ隣接させた電極端子が同方向で隣接での接続になる為、コンデンサ間のクリアランスを小さくして複数のコンデンサの配置密度を上げ、図２に示すようなシンプルな断面構造での電力変換、コンデンサモジュール構成でもって小型化、軽量化することができる。【００１９】電力変換、コンデンサモジュールとして大電流の導体回路、高い導体接続信頼性、絶縁性、高耐熱性などを兼ね備え、従来よりプロセスを簡潔にする事により、一方でコスト低減、材料低減を実現することができる。
従来モジュール基板に比較すると、▲１▼積層プロセス削減、▲２▼スルーホールめっき削減、▲３▼導体部を露出させるためのザグリの「プロセス削減」により、コスト低減可能となり、材料面での無駄もなく、導体接続信頼性、高絶縁、高耐熱性と小型化を図る事が出来る。【００２０】本発明のコンデンサモジュールにおいては、複数のコンデンサが、直方体状の外形を有する極性のあるコンデンサであり、互いに電気的に直列、及び並列に接続されることにより、よりコンデンサモジュールの大容量化を図りながら、コンデンサモジュールの構成を小型化することができる。
また、複数のコンデンサが、直流電流を平滑化する平滑コンデンサとして機能するため、かかる複数のコンデンサを含むモジュールに、直流電力と交流電力とを変換自在なパワーモジュールを組み合わせて、パワードライブユニットなどを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の電力変換、コンデンサモジュールの断面図
【図２】本実施形態における電力変換、コンデンサモジュールの実装断面図
【図３】本実施形態における電力変換、コンデンサモジュールの平面図
【図４】電力変換モジュールが適用される制御装置の構成（ブロック図）
【符号の説明】
【００２２】  １：コンデンサ部品（実装）
２：厚銅（配線）回路
３：絶縁層（耐熱性樹脂）
４：正極端子（正極バスバー）
５：負極端子（負極バスバー）
６：スルーホールめっき
１１：モータ
１２：ＰＤＵ（パワードライブユニット）
１３：バッテリ
１４：ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）
【発明を実施するための形態】
【００２３】以下、本発明の実施形態における電力変換モジュールにつき、詳細に説明する。
図４は、電力変換モジュールが適用される制御装置の構成（ブロック図）である。
本実施形態における電力変換モジュールは、パワードライブユニットの構成から順次、例を挙げて説明する。
図４に示すように、電力変換モジュールはＰＤＵ（パワードライブユニット）１２の構成部品である。
本実施形態において、自動車等の車両に搭載されるモータ１１は、ＰＤＵ（パワードライブユニット）１２を介し、バッテリ１３に連絡される。
【００２４】バッテリ１３は、ニッケル水素系やリチウムイオン系の２次電池であり、モータ１１やその他の補機に必要な電力を供給すると共に、モータ１１等を介して回収される回生電力や、モータ１１や別途設けられた図示を省略する発電機等からの発電電力を蓄電することが可能である。
【００２５】ＰＤＵ１２は、モータ１１及びバッテリ１３を総合的に制御するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）１４の下位コントローラであり、３相交流を用いる場合には、バッテリ１３からの直流電流を３相の交流電流に安定的に変換してモータ１１に供給するＤＣ／ＡＣコンバータの機能、及びモータ１０からの回生交流電流等を直流電流に安定的に変換してバッテリ１３に供給するＡＣ／ＤＣコンバータの機能を併せ持つ。
【００２６】図１は、従来の電力変換（コンデンサ）モジュールの断面図である。
従来は、断面図に示されるように銅コア（厚銅金属）の正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５は絶縁層を介し積層し、さらに上下面は厚銅金属板を積層して、構成されている例が多い。
正極端子４と負極端子５は表裏の厚銅配線回路２に複数個のＴＨ（スルーホールめっき）にて導体接続されている。しかし、このＴＨ（スルーホールめっき）による接続は冷熱サイクル（低温、高温の繰り返し）に対しての導体間の接続信頼性が懸念される。また、基板内部の中間層に銅コアが入っている事から小型、軽量化が難しい構造となっている。
また、正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５部分はガラスエポキシ樹脂部分のざぐり工程などによって、導体部分を露出させることが必須であり、そのための追加プロセスを実施する形態となっている。
【００２７】図２は、本実施形態の電力変換、コンデンサモジュールの実装断面図である。
複数のコンデンサ１が各々の電極端子を隣接させ接続され、かつ隣接させた電極端子が同方向であるため、コンデンサ間のクリアランスを小さくして複数のコンデンサ１の配置密度を上げ、図２に示すようなシンプルな断面構造での電力変換、コンデンサモジュール構成でもって小型化、軽量化することができる。
【００２８】電力変換、コンデンサモジュールとして大電流の導体回路、高い導体接続信頼性、高絶縁性、高耐熱性などを兼ね備え、プロセスを簡潔にする事により、一方でコスト低減を実現することができる。
従来モジュール基板に比較すると、▲１▼積層プロセス削減、▲２▼スルーホールめっき削減、▲３▼導体部を露出させるためのザグリの「プロセス削減」により、コスト低減可能となり、材料面での無駄を無くし、導体接続信頼性、高絶縁、高耐熱性と小型化を図る事が出来る。
【００２９】複数のコンデンサ１が、直方体状の外形を有する極性のあるコンデンサであり、互いに電気的に直列、及び並列に接続されることにより、よりコンデンサモジュールの大容量化を図りながら、コンデンサモジュールの構成を小型化することができる。
また、複数のコンデンサ１が、直流電流を平滑化する平滑コンデンサとして機能するため、かかる複数のコンデンサを含むモジュールに、直流電力と交流電力とを変換自在なパワーモジュールを組み合わせて、パワードライブユニットなどを構成することができる。
【００３０】図３は、電力変換、コンデンサモジュールの平面図である。
複数のコンデンサ１が、各々の電極端子を同方向で隣接させ、コンデンサ間のクリアランスを狭くして複数のコンデンサの配置密度を上げ、シンプルな構成で大電流、大容量のコンデンサモジュールの構成を導体接続信頼性高く小型化することができる。
正極端子（バスバー）４と負極端子（バスバー）５とは大電流を伴うため厚銅配線回路として、構成される。絶縁層３は高耐熱性樹脂を使用するため、大電流に伴う熱の発生があっても、対応できる。また、大電流用として導体厚は３００μｍ以上とシンプルな工程で容易に形成する事が出来る。モジュールの導体厚はスタンダードとしては、０．８〜１．０ｍｍ程度が多いがそれ以上の導体厚も確保することができる。
【００３１】また、複数のコンデンサが、直方体状の外形を有して、互いに電気的に直列、並列に接続されることにより、コンデンサモジュールの大容量化を図りながら、電力変換モジュールの構成を小型化することができる。
【００３２】複数のコンデンサが、直流電流を平滑化する平滑コンデンサとして機能するため、かかる複数のコンデンサを含むコンデンサモジュールに、直流電力と交流電力とを変換自在なパワーモジュールを組み合わせて、パワードライブユニットを構成することができる。
【００３３】モジュール基板の製造方法については、以下のようになる。
実施例の電力変換モジュール基板は金属体を使用し、高耐熱性の熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂を金属ベースの絶縁層として充填し、導体回路部は高い接続信頼性を持つモジュール基板である。
このモジュールは、大電流、放熱面等において優れ、コンデンサ部品搭載可能なコスト低減できる小型化で絶縁耐圧が確保できるモジュール基板として、広く有効に活用できる。
【００３４】本発明の金属ベース材として、金属板、リードフレーム材などを容易に使用することができ、エッチング、外形加工などで導体部分を形成し、耐熱性樹脂の充填により絶縁層を形成し、大電流に適した電力変換モジュールを提供する。
金属ベース材としては、銅を主体に無酸素銅（記号：Ｃ１０２０）、タフピッチ銅（記号：Ｃ１１００）とその他の銅合金、アルミ材など選択して使用できる。
実施例は、感光性ドライフィルムエッチングレジスト）の形成、露光、現像、エッチング工程を通してコアになる金属ベース部分と導体回路の配線をまず形成する。
【００３５】本発明は、金属体と耐熱絶縁樹脂を導体モジュール構造、仕様に応じカスタマイズし、成形、加工する製造プロセスによって最適化が可能である。
実施例として、金属体の間に充填する絶縁層は耐熱性樹脂で熱可塑性ＬＣＰ（液晶ポリマー）、熱硬化性樹脂でノボラック型、イミダゾール型エポキシ、シアネート樹脂などいろいろ選択でき、ボイド発生無きように積層熱プレス、または真空印刷などで充填し、金属構造体との密着性を高めることにより、電力変換モジュールを作成することができる。
【００３６】耐熱性樹脂としては、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂のどちらでも選択でき、耐熱性樹脂である上記エポキシ類を主体に、ＰＥＥＫ、フェノール、ＬＣＰ、ポリイミド、シアネート、スーパエンプラ系などからなる絶縁耐圧、機械強度高い樹脂などが使用できる。実施例ではエポキシ系樹脂に耐熱の熱硬化タイプ樹脂開発を行ない、それを使用して充填した。実施例の耐熱性樹脂の絶縁耐圧特性は８０ＫＶ／ｍｍ以上の樹脂を使用した。
絶縁するための樹脂は耐熱、絶縁性能、各種物性仕様とコストを考慮しながら最適化を図ることが好ましい。これにより、より高温、及び厳しい温度サイクル環境に耐え最適な導体接続信頼性が高い電力変換モジュールを提供することができる。
【００３７】導体コア部分の金属体を中心に先に構造体の導体部分を形成し、その形成された金属構造体層間には、耐熱性絶縁樹脂を充填して、電力変換モジュールを作成する。
主な概略プロセスは次の通りとなる。
１）金属構造体の導体部分を金属ベース材にて作成
コアになる金属構造体部分を最初に作成する。金属板、又はリードフレーム材など      に構造に応じて金型プレス、又はエッチング工程を実施し、配線導体部分を最初に      形成する。
２）金属構造体の上下表層部分は研磨、及び金属体部分を全面粗化実施
３）金属構造体に耐熱性樹脂を充填
４）ソルダーレジスト形成工程を実施
５）表面処理工程を実施
６）モジュールの外形加工など実施し、個片化
【産業上の利用可能性】
【００３８】以上のように、本発明においては、シンプルな構成で大電流、大容量、導体接続信頼性が高い、小型化が可能なコンデンサモジュールを提供することができ、その汎用普遍的性格からパワードライブユニット、電力変換装置等のパワーモジュールに広範に適用されるものと期待される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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