(57)【要約】  放熱性に優れると共に、電力変換装置の小型化、及び低コストの前記要求に応えることが可能な電力変換装置を提供すること。放熱用のヒートシンク（６）上に設けられ、貫通孔（１１）を有すると共に配線を備えたプリント配線板（５）と、前記貫通孔（１１）に嵌め込まれる凹部（７）を有し、前記凹部（７）がセラミックス材料からなる放熱性絶縁層（４）を介して前記ヒートシンク（６）上に取り付けられた金属ケース（２）と、前記凹部内に実装され、前記プリント配線板（５）の配線と電気的に接続されたパワー半導体素子（３）と、を具備することを特徴とする。
2015151644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱用のヒートシンク上に設けられ、貫通孔を有すると共に配線を備えたプリント配線板と、
前記貫通孔に嵌め込まれる凹部を有し、前記凹部がセラミックス材料からなる放熱性絶縁層を介して前記ヒートシンク上に取り付けられた金属ケースと、
前記凹部内に実装され、前記プリント配線板の配線と電気的に接続されたパワー半導体素子と、
を具備することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記金属ケースは、底部と側壁部とに囲まれた前記凹部と、前記側壁部の上端に設けられ側壁部外方に向けて延出する鍔部とを有す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】
前記鍔部と前記プリント配線板の上面に設けられた金属箔パターンとが対向し、前記鍔部と前記金属箔パターンとがはんだ付けされていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記放熱性絶縁層は、熱伝導率が１〜３００Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが１０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記放熱性絶縁層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素のフィラー群から選択された１種類以上にて形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記放熱性絶縁層は、１種類以上のセラミックス粒子をプラズマ溶射法にて堆積して形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記絶縁層は、１種類以上のセラミックス粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積して形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし６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、インバータ、サーボコントローラ、ＵＰＳなど、パワー半導体素子を用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体などからなる電力変換装置は、家庭用エアコン、冷蔵庫などの民生機器から、インバータ、サーボコントローラなどの産業機器まで、広範囲に渡る分野で用いられている。【０００３】
パワー半導体は、消費電力の点から、金属ベース基板やセラミックス基板などの配線板に搭載される。この配線板にパワー半導体などの１又は複数の回路素子を搭載し、プラスチックケース枠を接着し、シリコーンゲルやエポキシ樹脂などで封止することによってパワー半導体モジュールを構成する。【０００４】
一方、製造コストを低減するために、トランスファー成形方式によるフルモールドパワー半導体モジュールもある（例えば、特許文献１を参照）。【０００５】
通常、電力変換装置は前記に記載したパワー半導体モジュールを主回路に用い、その他の電源回路や制御用の回路から構成されている。電源回路や制御用の回路は、ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品から構成されているが、通常、プリント配線板に実装される。【０００６】
図６は、従来の電力変換装置の構造の一例を示す断面図である。図６に示すように、パワー半導体モジュール３０は、ヒートシンク３１の上に放熱性を高めるために放熱グリスを介し搭載される。そして、電子回路部品が搭載されたプリント配線板３２及びプリント配線板３３が、パワー半導体モジュール３０の上方に配置され、各プリント配線板３２、３３が、ピン３４等で接合される。そして図６に示すように、プリント配線板３２の上方から各プリント配線板３２、３３及びパワー半導体モジュール３０の側方にかけてカバー３５で覆われている。【０００７】
図６に示すパワー半導体モジュール３０は、絶縁基板３６と、パワー半導体素子３７と、ワイヤ３８と、ケース本体３９と、蓋４０とを有して構成される。図６に示すようにパワー半導体素子３７は絶縁基板３６上に実装される。絶縁基板３６は、例えば、金属ベース４１の表面に絶縁層４２が形成され、絶縁層４２の表面に回路パターン４３が形成された構成である。絶縁層４２は、例えば無機フィラーを含有したエポキシ樹脂を固化して形成したものである。【０００８】
図６に示すように、パワー半導体素子３７はその裏面電極が、絶縁基板３６の回路パターン上に接合される。またパワー半導体素子３７は、その表面電極が回路パターン４３との間でワイヤ３８を介して電気的に接続されている。更に接続リード端子４５、４６が回路パターン４３にはんだ付け等により接合されている。【０００９】
そしてパワー半導体モジュール３０と各プリント配線板３２、３３とは、接続リード端子４５、４６を介して電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−１３９４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら図６に示す従来の電力変換装置の構造では、パワー半導体素子３７が発する熱を効率よくヒートシンク３１に逃がすことができない問題があった。【００１２】
すなわち図６に示すように、パワー半導体素子３７は絶縁基板３６に実装されており、ヒートシンク３１までに、多数の材料層が介在し、またパワー半導体素子３７とヒートシンク３１との間の距離も大きい。このため、パワー半導体素子３７とヒートシンク３１との間に無視できない大きさの一定の熱抵抗が存在してしまい、必ずしも冷却特性が十分ではなく、パワー半導体素子３７から発生する熱を十分に逃がすことができなかった。【００１３】
また、図６に示すように、パワー半導体モジュール３０は完成された一つの製品となっているため、パワー半導体モジュール３０を電力変換装置内に配置するためには一定の容積が必要となり小型化の妨げとなっていた。更に図６に示すように、パワー半導体モジュール３０の上方にプリント配線板３２、３３を積み上げる構造であるため、電力変換装置の低背化を実現することができなかった。【００１４】
また製品としてのパワー半導体モジュール３０を電力変換装置に組み込むため、コストの低減の妨げとなっており、更に図６の電力変換装置の構造では部品点数が多くなるため、ますますコスト高となる問題があった。また図６の電力変換装置の構造では組立が複雑化する問題もあった。【００１５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、放熱性に優れると共に、電力変換装置の小型化、及び低コストの前記要求に応えることが可能な電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では、パワー半導体素子とヒートシンクとの間の熱抵抗を従来よりも低減できるようにし、このように熱抵抗を低減できれば、電力変換装置の運転時におけるパワー半導体素子の温度を低くすることが可能であり、その結果、パワー半導体素子のチップサイズを小さくでき、コストの低減に繋げることができる。【００１７】
加えて本発明では、従来のように完成された製品としてのパワー半導体モジュールを用いず、パワー半導体素子を備えるユニットを、プリント配線板に嵌め込むことで、小型化、低背化及び低コスト化を効果的に促進できるようにした。具体的に本発明は以下のように示される。【００１８】
本発明に係る電力変換装置は、放熱用のヒートシンク上に設けられ、貫通孔を有すると共に配線を備えたプリント配線板と、前記貫通孔に嵌め込まれる凹部を有し、前記凹部がセラミックス材料からなる放熱性絶縁層を介して前記ヒートシンク上に取り付けられた金属ケースと、前記凹部内に実装され、前記プリント配線板の配線と電気的に接続されたパワー半導体素子と、を具備することを特徴とする。【００１９】
この発明によれば、熱容量が高く放熱性の高い金属ケースの凹部にパワー半導体素子を実装し、また金属ケースの凹部を、熱伝導性に優れるセラミックス材料からなる放熱性絶縁層を介してヒートシンク上に取り付けた。これにより、パワー半導体素子の下部の熱抵抗を小さくすることができ、放熱性を向上させることができる。したがって、パワー半導体素子として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子を採用することができる。【００２０】
また、本発明では、パワー半導体素子が実装された金属ケースを回路素子が実装されたプリント配線板の貫通孔に嵌め込んでヒートシンクに取り付ける構成であるので、従来のようにパワー半導体モジュールの主回路部だけを独立したケースに収納する必要はなく、プリント配線板に実装された回路素子との間の電気的接続も容易になる。そして電力変換装置の容積を従来に比べて効果的に低減できる。【００２１】
本発明では、パワー半導体素子の実装用部品として金属ケースを用いた。金属ケースであれば、プレスで抜けばよいため、絞り加工で形成することができ、金属ケースの製造を容易化できる。しかもケース状であるため金属ケースを、プリント配線板の上面側から貫通孔に簡単に嵌め込むことができ、嵌め込んだ状態で両者間を接着剤やはんだ付けにより接合して簡単且つ適切に一体化することができる。【００２２】
また、金属ケースの凹部にパワー半導体素子を実装するため、パワー半導体素子の周囲が金属ケースの側壁部で囲まれた状態となり、パワー半導体素子に対する保護機能を高めることができる。また、パワー半導体素子を金属ケースの凹部に実装して、金属ケースをプリント配線板の貫通孔に嵌め込むことで、パワー半導体素子をプリント配線板の板厚内に配置することができる。このためパワー半導体素子とヒートシンクとの間の距離を効果的に縮めることができる。【００２３】
以上により、本発明では、パワー半導体素子が実装された金属ケースが、セラミックス材料からなる放熱性絶縁層を介してヒートシンクに取り付けられているので、従来に比べて放熱性に優れた電力変換装置にできる。更に、本発明では、パワー半導体素子として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子を採用することができ、且つ金属ケースをプリント配線板の貫通孔に嵌め込んだこと、それに伴う電気的接続構造の簡略化などにより、小型化、低背化を実現できると共にコストの低減を図ることができる。【００２４】
上記の電力変換装置において、前記金属ケースは、底部と側壁部とに囲まれた前記凹部と、前記側壁部の上端に設けられ側壁部外方に向けて延出する鍔部とを有することが好ましい。本発明では、鍔部を、金属ケースを貫通孔に挿入した際のストッパとして機能させることができる。【００２５】
また上記の電力変換装置において、前記鍔部と前記プリント配線板の上面に設けられた金属箔パターンとが対向し、前記鍔部と前記金属箔パターンとがはんだ付けされていることが好ましい。これにより、簡単且つ確実に、金属ケースとプリント配線板とを一体にできる。【００２６】
また上記の電力変換装置において、前記放熱性絶縁層は、熱伝導率が１〜３００Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが１０〜５００μｍであることが好ましい。これにより、より効果的に、パワー半導体素子の下部の熱抵抗を小さくすることができ、放熱性を向上させることができる。【００２７】
また上記の電力変換装置において、前記放熱性絶縁層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素のフィラー群から選択された１種類以上にて形成されることが好ましい。これらはいずれも熱伝導性に優れたセラミックス材料であり、これらから選択されたセラミックス材料を放熱性絶縁層として用いることで、より効果的に、パワー半導体素子の下部の熱抵抗を小さくすることができ、放熱性を向上させることができる。【００２８】
また上記の電力変換装置において、前記放熱性絶縁層は、１種類以上のセラミックス粒子をプラズマ溶射法にて堆積して形成され、あるいは、前記絶縁層は、１種類以上のセラミックス粒子をエアロゾルデポジション法にて堆積して形成されたものであることが好ましい。これにより、より効果的に、絶縁耐圧の向上及び熱抵抗の低下を実現することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、パワー半導体素子が実装された金属ケースが、セラミックス材料からなる放熱性絶縁層を介してヒートシンクに取り付けられているので、従来に比べて放熱性に優れた電力変換装置にできる。更に、本発明では、パワー半導体素子として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子を採用することができ、且つ金属ケースをプリント配線板の貫通孔に嵌め込んだこと、それに伴う電気的接続構造の簡略化などにより、小型化、低背化を実現できると共にコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係る電力変換装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３は、図２の次に行われる第１の実施の形態に係る電力変換装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図５】図５は、第３の実施の形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図６】図６は、従来の電力変換装置の構造の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。
【００３２】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る電力変換装置１は、放熱用のヒートシンク６上に設けられ、貫通孔１１を有すると共に配線を備えたプリント配線板５と、貫通孔１１に嵌め込まれる凹部７を有し、凹部７がセラミックス材料からなる放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６上に取り付けられた金属ケース２と、凹部７内に実装され、プリント配線板５の配線と電気的に接続されたパワー半導体素子３と、を具備する。以下、各部材を詳しく説明する。
【００３３】
図１に示すように、金属ケース２は、上面２ａ及び下面２ｂを有し、上面２ａに下方向に凹む凹部７が設けられた構成である。凹部７は、底部７ａと、その周囲を囲む側壁部７ｂとで構成される有底空間である。また金属ケース２には凹部７の側壁部７ｂの上端から側壁部外方に延出する鍔部８が設けられている。鍔部８は、側壁部７ｂの全周に渡って形成されていてもよいし一部にのみ形成されていてもよい。
【００３４】
図１に示す金属ケース２は、底部７ａから側壁部７ｂ及び鍔部８に至るまで略一定の板厚で形成されている。板厚は、例えば、０．５〜２．０ｍｍ程度であるが特に板厚を限定するものでない。また金属ケース２を、銅板、銅合金板、アルミニウム板、アルミニウム合金板等により形成することができる。
【００３５】
本実施の形態では、プレス加工により中心部に下方向に凹む凹部７を有する金属ケース２を成形することができる。凹部７の平面形状（真上から見た形状）は正方形、長方形、円形等、特に形状を限定するものでない。ここでは正方形の凹部７とした例を示す。
【００３６】
このように金属ケース２を、導電性及び熱伝導性のよい金属材料で形成すると共に、その厚さを、０．５〜２．０ｍｍ程度と薄くすることで、熱容量が高く放熱性に優れた構成にすることができる。
【００３７】
図１に示すように、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、パワートランジスタなどのパワー半導体素子３が金属ケース２の底部７ａの上面に実装されている。例えばパワー半導体素子３を金属ケース２に、はんだ付けにて接合することができる。また実装されるパワー半導体素子３の数は２個以上であってもよい。
【００３８】
図１に示すように、金属ケース２の下面２ｂに放熱性絶縁層４が直接形成されている。図１に示すように放熱性絶縁層４は、凹部７の底部７ａの下面（裏面）から側壁部７ｂの外側面及び鍔部８の下面（裏面）の一部にかけて連続して（一体として）形成されている。
【００３９】
放熱性絶縁層４は、熱伝導率に優れるセラミックス材料により形成される。すなわち例えば、無機フィラーを樹脂により固化してなる絶縁層などに比べて、セラミックス材料により放熱性絶縁層４を形成することで、効果的に放熱性を向上させることができる。
【００４０】
放熱性絶縁層４は、金属ケース２の下面（裏面）２ｂ全体に形成されていてもよい。また、放熱性絶縁層４は、少なくとも金属ケース２の凹部７の底部７ａの下面（裏面）にのみ形成されてもよい。
【００４１】
放熱性絶縁層４の厚さは、１０〜５００μｍ程度であることが好ましい。これにより放熱性絶縁層４の絶縁耐圧を向上させることができると共に、熱抵抗を低く抑えることが可能である。
【００４２】
放熱性絶縁層４は、熱伝導率が１〜３００Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが１０〜５００μｍであることが好ましい。これにより図１の電力変換装置１においてパワー半導体素子３の下部の熱抵抗を効果的に小さくすることができる。
【００４３】
また放熱性絶縁層４は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素のフィラー群から選択された１種類以上にて形成されることが好ましい。これらはいずれも熱伝導性に優れたセラミックス材料である。したがってこれらのフィラー群から選択された１種類以上のセラミックス材料を放熱性絶縁層４として用いることで、より効果的に、パワー半導体素子３の下部の熱抵抗を小さくすることができる。
【００４４】
プリント配線板５は、例えばガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の基板本体９に例えば銅箔からなる回路パターン１０が形成された構成である。
【００４５】
図１に示すように、プリント配線板５には上面５ａから下面５ｂにかけて貫通する貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１の大きさ及び形状は、金属ケース２の側壁部７ｂの外形状に合わせて決められる。
【００４６】
図１に示すように、金属ケース２は、プリント配線板５に設けられた貫通孔１１に嵌め込まれる。
【００４７】
図１では、金属ケース２の底部７ａの下面から鍔部８の下面までの高さＨ１は、プリント配線板５の厚さＨ２とほぼ一致している。これにより金属ケース２の凹部７を貫通孔１１内に挿入すると、金属ケース２の底部７ａの下面（実際には放熱性絶縁層４が存在するので、放熱性絶縁層４の下面）とプリント配線板５の下面とをほぼ同一平面にて一致させることができる。また図１に示すように金属ケース２には鍔部８が設けられているが、この鍔部８を、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に挿入した際のストッパとして機能させることができる。すなわち鍔部８がプリント配線板５の上面と当接したら、金属ケース２の貫通孔１１内への挿入停止と判断でき、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１内に適切に嵌め込むことができる。
【００４８】
図１に示すように、プリント配線板５の上面５ａには、鍔部８と対向する部分に銅箔パターン１０ａが設けられている。したがって金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込むことで、鍔部８と銅箔パターン１０ａとを当接させることができる。そして、鍔部８と銅箔パターン１０ａとをはんだ付けすることで、金属ケース２とプリント配線板５とを簡単且つ適切に一体化することが可能である。なお、この実施の形態では金属箔パターンとして銅箔パターンを用いたが銅箔以外の金属箔パターンであってもよい。
【００４９】
またプリント配線板５の上面５ａには、鍔部８と対向する位置に銅箔パターン１０ａが形成されていなくてもよい。係る場合、鍔部８とプリント配線板５とを接着剤等で接合することができる。また金属ケース２の凹部７の底部７ａとプリント配線板５との間を接着剤等で接合することもできる。ただし上記のように金属ケース２と銅箔パターン１０ａの間のはんだ付けにより簡単且つ確実に金属ケース２とプリント配線板５とを一体化することができる。
【００５０】
図１に示すようにプリント配線板５の回路パターン１０上には複数の回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃが実装されている。回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、ＩＣ、ＬＳＩ、抵抗、コンデンサ、リアクトルなどの各種部品である。
【００５１】
図１に示すパワー半導体素子３が主回路を構成し、回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃが電源回路や制御用の回路を構成している。
【００５２】
そして図１に示すように、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０とで回路を形成するために、パワー半導体素子３と回路パターン１０との間がアルミワイヤ１３により接続され、これにより、パワー半導体素子３と各回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃとを電気的に接続することができる。アルミワイヤ１３はリードフレームなどであってもよい。
【００５３】
図１に示すように、金属ケース２とプリント配線板５とがヒートシンク６の上面６ａに直接取り付けられている。「直接取り付けられる」とは、接着剤等の接合部材以外の部材が介在しないことを指す。
【００５４】
ヒートシンク６は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等で形成されるが特に材質を限定するものでない。
【００５５】
図１に示すように、ヒートシンク６は、上面６ａが略平面状で形成されており、下面側（裏面側）に複数の突起形状からなる冷却フィン６ｂが形成されている。
【００５６】
図１に示す構成により、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２の凹部７の底部７ａ下面が、ヒートシンク６の上面６ａに、放熱性絶縁層４を介して当接した状態とされている。「当接」とは直接接することを指すが、放熱性絶縁層４とヒートシンク６との間に放熱グリス（接合部材）が介在する形態も、「当接」に該当する。すなわちヒートシンク６の上面６ａから放熱グリス、放熱性絶縁層４、及び金属ケース２の順に重ねられた構成は、金属ケース２が放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６に当接した形態とされる。
【００５７】
放熱性絶縁層４が金属ケース２とヒートシンク６との間に介在することで、金属ケース２とヒートシンク６との間の電気的絶縁性を確保することができる。
【００５８】
図１に示すように、電力変換装置１には、ヒートシンク６の上面６ａ側にカバー１４が取り付けられる。これにより、パワー半導体素子３の上方及びプリント配線板５の上方及び側方がカバー１４にて覆われた状態とされる。
【００５９】
図１に示すように、熱容量が高く放熱性の高い金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面にパワー半導体素子３を実装し、また金属ケース２の下面（裏面）を熱伝導性に優れるセラミックス材料からなる放熱性絶縁層４で覆った。そして、金属ケース２とプリント配線板５とをヒートシンク６に直接取り付けた。これにより、パワー半導体素子３とヒートシンク６との間には、熱伝導性の高い薄い板厚の金属ケース２の底部７ａと、同じく熱伝導性が高く薄い膜厚の放熱性絶縁層４とが重ねられて介在するだけであり、パワー半導体素子３の下部の熱抵抗を小さくすることができ、放熱性を向上させることができる。したがって、パワー半導体素子３として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子３を採用することができる。
【００６０】
また図１に示すように、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２を回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃが実装されたプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んでヒートシンク６に取り付ける構成であるので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子３からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０とをアルミワイヤ１３などにより直接的に接続することができ、これにより、電力変換装置１としての容積を従来に比べて効果的に低減できる。
【００６１】
本実施の形態では、パワー半導体素子３の実装用部品として金属ケース２を用いた。金属ケース２であれば、プレスで抜けばよいため、絞り加工で形成することができ、金属ケース２の製造を容易化できる。しかもケース状であるため金属ケース２を、プリント配線板５の上面側から貫通孔１１に簡単に嵌め込むことができ、嵌め込んだ状態で両者間を接着剤やはんだ付けにより接合して簡単且つ適切に一体化することができる。
【００６２】
また、金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面にパワー半導体素子３を実装するため、パワー半導体素子３の周囲が金属ケース２の側壁部７ｂで囲まれた状態となり、パワー半導体素子３に対する保護機能を高めることができる。また、パワー半導体素子３を金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面に実装することで、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込むことで、パワー半導体素子３をプリント配線板５の板厚内に配置することもできる。
【００６３】
以上により、第１の実施の形態では、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２の凹部７の下面（底部７ａの下面）が、セラミックス材料からなる放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６に取り付けられているので、従来に比べて放熱性に優れた電力変換装置１にできる。更に、パワー半導体素子３として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子３を採用することができ、且つ金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んだこと、それに伴う電気的接続構造の簡略化などにより、小型化、低背化を実現できると共にコストの低減を図ることができる。
【００６４】
図２は、第１の実施の形態に係る電力変換装置の製造方法を示す断面図である。まず、溶射金属ケースの製作方法について説明する。なお図１と同じ部材については図１と同じ符号を付して説明する。
【００６５】
図２Ａの工程では、０．５〜２．０ｍｍ程度の銅板を、プレス加工により、中心部を下方向に凹状に成形した金属ケース２を形成する。凹部７の形状は上面からみて正方形、長方形もしくは円形とする。ここでは正方形の凹部７とした例を示す。
【００６６】
図２Ａに示すように、金属ケース２の凹部７の底部７ａは平坦な上面を有しており、この底部７ａ上面がパワー半導体素子３に対する実装面である。よって、底部７ａ上面はパワー半導体素子３が適切且つ容易に実装可能な大きさで形成されている。また図２Ａに示すように、凹部７の側壁部７ｂの上端から側壁部外方に向けて延出する鍔部８を形成している。鍔部８の形成は必須でないが、製造工程では、金属ケース２を鍔部８の部分を持つことで運搬しやすく、また金属ケース２を後工程でプリント配線板５の貫通孔１１に挿入する際に、鍔部８にて金属ケース２を保持しながら貫通孔１１にスムースに挿入することが可能になる。よって金属ケース２に鍔部８を形成することが好ましい。
【００６７】
また凹部７の深さＨ３（≒底部７ａの下面から鍔部８の下面までの高さＨ１）を、プリント配線板５の厚みに合わせて規制することで、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に挿入したとき、鍔部８がプリント配線板５の上面に当接した際、金属ケース２の底部７ａの下面とプリント配線板５の下面とを略平坦面にて一致させることができる。
【００６８】
次に図２Ｂの工程では、マスク１５を用意する。マスク１５の中央には開口部１５ａが設けられており、開口部１５ａと金属ケース２の下面２ｂとが対向した状態とされている。開口部１５ａを大きくすれば、それだけ金属ケース２の下面２ｂの広い領域に放熱性絶縁層４を形成することができる。少なくとも開口部１５ａを、金属ケース２の凹部７の底部７ａ下面全体と対向可能な大きさにて形成する。
【００６９】
図２Ｂに示すように、金属ケース２の下面２ｂ側にマスク１５を対向させた状態で、溶射法もしくはエアロゾルデポジション法によりセラミックス粉末を積層して放熱性絶縁層４を形成する。図２Ｂの矢印方向は溶射方向を示しているが、後述するように溶射方向を一方向に固定せず順次向きを変えることで、立体的な金属ケース２の下面２ｂの傾きの異なる各面に放熱性絶縁層４を精度よく且つ簡単に形成することが可能になる。
【００７０】
溶射法のうち、例えばプラズマ溶射方法を用いて金属ケース２の下面２ｂに放熱性絶縁層４を形成する場合は、セラミックス粉末には酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素からなる１種類以上を用いる。雰囲気としては大気圧もしくは減圧下でマスク１５を介して金属ケース２に溶射を行い、放熱性絶縁層４を金属ケース２の下面２ｂに堆積させ絶縁金属ケース１６を形成する（図２Ｃ参照）。
【００７１】
なお、溶射方向と平行となる面には積層することはできないので、凹部７の側壁部７ｂの外側面に放熱性絶縁層４を形成するには、金属ケース２の横方向から溶射を行う。放熱性絶縁層４の厚みは、溶射時間をコントロールすることにより調整できる。放熱性絶縁層４の厚みは５０〜５００μｍ程度とすることが好ましい。例えば放熱性絶縁層４の厚みが５００μｍであると１０ｋＶ以上の交流破壊電圧を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
【００７２】
図２Ｃに示すように、本実施の形態では、金属ケース２の凹部７の底部７ａ下面から側壁部７ｂの外側面及び鍔部８の下面の一部にかけて連続して放熱性絶縁層４を形成することができる。
【００７３】
次にエアロゾルデポジション法で金属ケース２の下面２ｂに放熱性絶縁層４を堆積させる場合について説明する。エアロゾルデポジション法とは、微粒子あるいは超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルを通して基板に皮膜を形成する技術である。ガスにはヘリウムもしくは空気が用いられる。装置はエアロゾル化チャンバーと成膜チャンバーから構成されている。成膜チャンバーは真空ポンプで５０〜１ｋＰａ前後に減圧する。原料である微粒子あるいは超微粒子材料は乾燥された状態にてエアロゾル化チャンバー内でガスと攪拌・混合してエアロゾル化され、両チャンバーの圧力差により生じるガスの流れにより成膜チャンバーに搬送され、スリット上のノズルを通過することで加速され、金属ケース２の下面２ｂに噴射される。原料微粒子には、機械的に粒径０．１〜２μｍに粉砕したセラミックス粉末を用いる。ガス搬送された超微粒子は、減圧されたチャンバー内の微少開口のノズルを通すことで数百ｍ／ｓｅｃまで加速される。成膜速度や成膜体の密度は使用されるセラミックス微粒子の粒径や凝集状態、乾燥状態などに大きく依存するため、エアロゾル化室と成膜チャンバーの間に凝集粒子の解砕器や分級装置を用いている。
【００７４】
そして、放熱性絶縁層４を膜として形成するためには、粒径０．１〜２μｍの微粒子のセラミックスを高速で基板上に吹付け、その時の衝突エネルギーにて１０〜３０ｎｍ前後の微結晶粒子に破砕され、新生面が形成されて表面が活性化され、粒子同士が結合されることで、ち密なナノ結晶組織のセラミックス膜が形成される。また、特に温度をかけることなく常温で形成可能である。
【００７５】
エアロゾルデポジションの微粒子には、粒子径が０．１〜２μｍ程度の酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかを用いることが好ましい。必要な膜厚を得るため、所定の時間、マスク１５を用い微粒子を吹き付け、図２Ｃに示す放熱性絶縁層４を形成する。
【００７６】
なおエアロゾルデポジション法の場合も、上記した溶射法に準じて、ノズルの方向を調整することで、図２Ｃのように、金属ケース２の凹部７の底部７ａ下面から側壁部７ｂの外側面及び鍔部８の下面の一部にかけて連続して放熱性絶縁層４を形成することができる。
【００７７】
ここで微粒子には、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかのフィラーに酸化アルミニウムの皮膜を形成したもの、もしくは、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれかのフィラーに酸化ケイ素の皮膜を形成したものでも適用可能である。これらの微粒子を用いれば、２種類以上のセラミックス材料を複合した放熱性絶縁層４を形成することができる。
【００７８】
放熱性絶縁層４の厚みは溶射法と同様で５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。例えば、放熱性絶縁層４の厚みが５００μｍであると、１０ｋＶ以上の交流破壊電圧を有しており、耐電圧定格が１２００Ｖのパワー素子にも用いることができる。
【００７９】
次に図２Ｄの工程では、金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面に、パワー半導体素子３をはんだ付けにより接合する。はんだ付けは、ペレット状のはんだを利用し、水素還元が可能な炉において行う。水素還元が可能な炉を使うのは、金属ケース２の表面の酸化膜を水素還元により除去し、活性化させることにより、はんだとの濡れ性を向上させるためである。はんだ材料には例えば、ＳｎＰｂＡｇからなる高温はんだ、ＳｎＡｇＣｕ系からなる鉛フリーはんだを用いる。はんだ付けの温度は、はんだの融点に応じて設定される。
【００８０】
パワー半導体素子３と金属ケース２との間のはんだ層にボイドが残留すると、熱抵抗が高くなり、パワー半導体素子３から生じる熱を効率よく放熱することができない。そこで、ボイドを発生しないように、はんだが溶融している状態で、１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）以下の真空引きを行う。
【００８１】
次に、上面５ａから下面５ｂにかけて貫通孔１１が形成されたプリント配線板５を用意する。プリント配線板５は、電気絶縁性の基板本体９に例えば銅箔からなる回路パターン１０が形成された構成である。貫通孔１１は、金属ケース２を挿入可能な大きさで形成されている。すなわち、金属ケース２の凹部７の側壁部７ｂの外形が貫通孔１１の内形と略一致している。
【００８２】
そして図２Ｅの工程では、プリント配線板５の上面５ａ側から金属ケース２を嵌め込む。このとき、金属ケース２がプリント配線板５と一体となるように（例えば逆さまにしても金属ケース２がプリント配線板５から落ちないように）接着剤などで両者を固定する。
【００８３】
また図２Ｅに示すように、金属ケース２の鍔部８と、プリント配線板５の上面５ａに設けられた銅箔パターン１０ａとが対向しており、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込むことで鍔部８と銅箔パターン１０ａとを当接させることができる。そして鍔部８と銅箔パターン１０ａとの間をはんだ付けすることで、金属ケース２とプリント配線板５とを適切且つ簡単に一体化することが可能である。
【００８４】
図３は、図２の次に行われる第１の実施の形態に係る電力変換装置の製造方法を示す断面図である。
【００８５】
図３Ａの工程では、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０との間を、アルミワイヤ１３により接続する。これにより、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０との間に回路を形成することができる。アルミワイヤ１３は、線径が１２５〜５００μｍのＡｌワイヤで、接合は超音波接合にて行う。なお、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０との間の接合には、リードフレームやリボン状のアルミニウムを用いても良い。
【００８６】
次に、図３Ｂの工程では、プリント配線板５の回路パターン１０上に各種の回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃを実装する。各回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃの実装には通常、クリームはんだを用い、リフロー炉で行う。これにより、金属ケース２がプリント配線板５と一体となり、パワー半導体素子３と各回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃとが電気的に接続されてなる電力変換素子１７が完成する。
【００８７】
最後に、図３Ｂにて得られた電力変換素子１７を、ヒートシンク６に放熱グリスを介して取り付ける。そしてカバー１４を被せることで、電力変換装置１が完成する（図３Ｃ参照）。
【００８８】
上記したように、金属ケース２の下面（裏面）２ｂに形成される放熱性絶縁層４を、エアロゾルデポジション法あるいはプラズマ溶射法にて形成している。これにより以下のような利点がある。
【００８９】
まず、第一に絶縁耐圧を向上することができる。エアロゾルデポジション法では、室温（常温）で成膜が可能であり、かつ音速レベルのスピードでサブミクロンオーダーのセラミックス微粒子を基板に衝突させるため、活性な新生面が露出したセラミックス微粒子が結合する。また、プラズマ溶射法によっても同様である。いずれの方法においても、非常にち密な電気絶縁膜であるセラミックス微粒子層を形成することが可能であり、膜内に空孔（ボイド）が含まれないため、従来の焼結法により形成されたセラミックス板よりも単位長さ当たりの破壊電圧を１０倍程度向上させることができる。
【００９０】
第二に熱抵抗を低下させることができる。熱伝導率はバルクと同等であり、熱伝導率は例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で約２０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で約１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で約８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度確保できる。これに加えて単位長さ当たりの破壊電圧が向上するため、放熱性絶縁層４を薄く形成することができ、このため全体の熱抵抗を低くすることができる。
【００９１】
以上により、金属ケース２の下面２ｂに形成される放熱性絶縁層４を、エアロゾルデポジション法あるいはプラズマ溶射法にて形成することで、高絶縁と低熱抵抗とを共に確保することができる。
【００９２】
このように、本実施の形態の電力変換装置１では、パワー半導体素子３が実装される金属ケース２の下面が、熱伝導性に優れたセラミックス材からなる放熱性絶縁層４を介して、ヒートシンク６に直接取り付けられるので、パワー半導体素子３下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を得ることができる。加えて本実施の形態では、金属ケース２を用い、凹部７内にパワー半導体素子３を実装することで、パワー半導体素子３とヒートシンク６との間の距離を効果的に縮めることができ、パワー半導体素子３から発生する熱をヒートシンク６へ効率よく逃がすことが可能になっている。
【００９３】
図４は、第２の実施の形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。図４において図１と同じ部材については図１と同じ符号を付して説明する。
【００９４】
図４に示す実施の形態では、金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面にパワー半導体素子３と中継電極１８とを備える。図４に示すように中継電極１８は、中継電極用絶縁層１９を介して底部７ａ上面に配置されている。中継電極用絶縁層１９は、放熱性絶縁層４と同様に熱伝導性に優れたセラミックス材で形成されることが好ましい。すなわち中継電極用絶縁層１９は、熱伝導率が１〜３００Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが１０〜５００μｍであることが好ましく、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、及び窒化ホウ素のフィラー群から選択された１種類以上にて形成されることが好ましい。
【００９５】
図４に示すように、パワー半導体素子３と中継電極１８とがボンディングワイヤ２０で接続され、中継電極１８とプリント配線板５の回路パターン１０とがボンディングワイヤ２１で接続されている。あるいはボンディングワイヤ２０、２１はリードフレームとしてもよい。
【００９６】
図４の実施の形態においても、金属ケース２は、プリント配線板５に形成された貫通孔１１に嵌め込まれており、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んでヒートシンク６の上面に直接、取り付けられている。
【００９７】
また図４に示すように、金属ケース２の下面２ｂにはセラミックス材からなる放熱性絶縁層４が直接形成されている。
【００９８】
このため、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２の凹部７の下面（底部７ａの下面）は、熱伝導性に優れた放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６の上面に当接した状態となっている。以上により図４の実施の形態において、パワー半導体素子３の下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えた構成とすることができる。したがって、パワー半導体素子３として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子３を採用することができる。
【００９９】
また図４に示すように、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２を回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃが実装されたプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んでヒートシンク６に直接取り付ける構成であるので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子３からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０との間をボンディングワイヤ２０、２１により接続することができ、これにより、電力変換装置１としての容積を従来に比べて効果的に低減できる。
【０１００】
本実施の形態では、パワー半導体素子３の実装用部品として金属ケース２を用いた。金属ケース２であれば、プレスで抜けばよいため、絞り加工で形成することができ、金属ケース２の製造を容易化できる。しかもケース状であるため金属ケース２を、プリント配線板５の上面側から貫通孔１１に簡単に嵌め込むことができ、嵌め込んだ状態で両者間を接着剤やはんだ付けにより接合して簡単且つ適切に一体化することができる。
【０１０１】
また、金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面にパワー半導体素子３を実装するため、パワー半導体素子３の周囲が金属ケース２の側壁部７ｂで囲まれた状態となり、パワー半導体素子３に対する保護機能を高めることができる。また、パワー半導体素子３を金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面に実装することで、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んだ状態では、パワー半導体素子３をプリント配線板５の板厚内に配置することもでき、パワー半導体素子３とヒートシンク６との間を距離的に縮めることができ、より効果的に放熱性を高めることができる。
【０１０２】
以上により、第２の実施の形態では、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２が、セラミックス材料からなる放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６に取り付けられているので、従来に比べて放熱性に優れた電力変換装置にできる。更に、パワー半導体素子３として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子３を採用することができ、且つ金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んだこと、それに伴う両者間の電気的接続構造の簡略化などにより、小型化、低背化を実現できると共にコストの低減を図ることができる。
【０１０３】
加えて第２の実施の形態では、中継電極１８を設けたことで、より効果的に放熱性を高めることができ、特にプリント配線板５側に伝わる熱量を抑制することが可能である。
【０１０４】
図４に示す矢印は、パワー半導体素子３が動作時に発熱した場合の熱の流れを示している。白抜き矢印の幅は流れる熱量の大小を定性的に示している。図４では、パワー半導体素子３の左側のボンディングワイヤに沿って流れる熱の流れのみを示している。
【０１０５】
図４に示すように、パワー半導体素子３の動作時に発生する熱は、パワー半導体素子３から、はんだ層（図示せず）、金属ケース２の底部７ａ及び放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６に伝達される（矢印ｈ１）。
【０１０６】
このとき、一部の熱は、ボンディングワイヤ２０を経由して中継電極１８に伝達される（矢印ｈ２）。中継電極１８に伝わった熱は、その下の熱伝導性に優れたセラミックス材からなる中継電極用絶縁層１９、金属ケース２の底部７ａ及び放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６に伝達される（矢印ｈ３）。
【０１０７】
したがって中継電極１８からボンディングワイヤ２１を経由してプリント配線板５側に伝達される熱量を十分に小さくすることが可能である（矢印ｈ４）。
【０１０８】
また図４に示す構成では、パワー半導体素子３が発生した熱をヒートシンク６まで逃がす伝熱経路をパワー半導体素子３から金属ケース２の底部７ａ及び放熱性絶縁層４を介して伝達する矢印ｈ１の経路と、中継電極１８から金属ケース２の底部７ａ及び放熱性絶縁層４を介して伝達する矢印ｈ３の経路との２経路あるため、図１に示す第１の実施の形態に比べて効率よく熱をヒートシンク６に逃がすことができ、より放熱性に優れた電力変換装置を得ることが可能になる。
【０１０９】
図５は、第３の実施の形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。図５において図１と同じ部材については図１と同じ符号を付して説明する。
【０１１０】
図５に示すように、プリント配線板５に設けられた貫通孔１１の内壁面に導体部２２が形成されている。導体部２２はプリント配線板５の上面５ａ及び下面５ｂにまで延出して上面ランド部２２ａ及び下面ランド部２２ｂを構成している。
【０１１１】
図５に示すように、放熱性絶縁層４が金属ケース２の底部７ａの下面から下面ランド部２２ｂの下面にかけて連続して形成されている。これにより金属ケース２とプリント配線板５とを一体としてヒートシンク６に直接取り付けた際に、金属ケース２及び下面ランド部２２ｂとヒートシンク６との間の電気的絶縁性を適切に確保することができる。
【０１１２】
図５に示す実施の形態においては、図２Ｂ、図２Ｃで示したように金属ケース２単独に放熱性絶縁層４を形成するのではなく、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んだ後、マスクを用いて、金属ケース２の下面からプリント配線板５の下面ランド部２２ｂの下面にかけて連続する放熱性絶縁層４を形成する。
【０１１３】
図５に示す実施の形態においても、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２の凹部７の底部７ａは、熱伝導性に優れた放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６の上面に当接した状態となっている。したがって、パワー半導体素子３の下部の熱抵抗を十分に小さくすることができ、優れた放熱性を備えた構成とすることができる。よって、パワー半導体素子３として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子３を採用することができる。
【０１１４】
また図５に示すように、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２を回路素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃが実装されたプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んでヒートシンク６に直接取り付ける構成であるので、従来のパワー半導体モジュールのようにパワー半導体素子３からなる主回路部だけを独立したケースに収納する必要がなく、パワー半導体素子３とプリント配線板５の回路パターン１０との間をアルミワイヤ１３により接続することができ、これにより、電力変換装置としての容積を従来に比べて効果的に低減できる。
【０１１５】
本実施の形態では、パワー半導体素子３の実装用部品として金属ケース２を用いた。金属ケース２であれば、プレスで抜けばよいため、絞り加工で形成することができ、金属ケース２の製造を容易化できる。しかもケース状であるため金属ケース２を、プリント配線板５の上面側から貫通孔１１に簡単に嵌め込むことができ、嵌め込んだ状態で両者間を接着剤やはんだ付けにより接合して簡単且つ適切に一体化することができる。
【０１１６】
また、金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面にパワー半導体素子３を実装するため、パワー半導体素子３の周囲が金属ケース２の側壁部７ｂで囲まれた状態となり、パワー半導体素子３に対する保護機能を高めることができる。また、パワー半導体素子３を金属ケース２の凹部７の底部７ａ上面に実装することで、金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１内に嵌め込んだ状態では、パワー半導体素子３をプリント配線板５の板厚内に配置することもでき、パワー半導体素子３とヒートシンク６との間を距離的に縮めることができ、より効果的に放熱性を高めることができる。
【０１１７】
以上により、第３の実施の形態では、パワー半導体素子３が実装された金属ケース２が、セラミックス材料からなる放熱性絶縁層４を介してヒートシンク６に取り付けられているので、従来に比べて放熱性に優れた電力変換装置にできる。更に、パワー半導体素子３として、よりコストが低く、より面積の小さいパワー半導体素子３を採用することができ、且つ金属ケース２をプリント配線板５の貫通孔１１に嵌め込んだこと、それに伴う電気的接続構造の簡略化により、小型化、低背化を実現できると共にコストの低減を図ることができる。
【０１１８】
本出願は、２０１４年３月３１日出願の特願２０１４−０７１９８２に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
2015151644.tif 000003
【図２】
2015151644.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015151644.tif 000008
【国際調査報告】
2015151644.tif 000009
2015151644.tif 000010
2015151644.tif 000011
2015151644.tif 000012