(57)【要約】【課題】インバータ主回路における冷却効率を高めることで通電容量を向上させ且つ小型化に寄与し、また高い信頼性を発揮し得るインバータ装置の提供。【解決手段】複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成してなるインバータ装置において、３相インバータの主回路を、ＩＧＢＴ４１〜４６、ダイオード４７〜５２を導体２７等に接合したうえセラミックを含有した絶縁樹脂シート３２〜３４を介して冷却器２６に接着し、さらにＩＧＢＴ４１〜４６、ダイオード４７〜５２を供給する端子と信号を供給する端子とを具備した樹脂パッケージ３７を冷却器２６に搭載してなり、導体２７等と樹脂パッケージ３７を一体で構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成してなるインバータ装置において、
前記３相インバータの主回路を、複数の電力用半導体チップを導体に接合したうえセラミックを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着し、さらに当該チップへ電力を供給する端子と信号を供給する端子とを具備した樹脂パッケージを前記冷却器に搭載してなり、前記導体と前記樹脂パッケージを一体で構成したことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記樹脂パッケージを一相毎に構成し、当該樹脂パッケージと一体にした３組の導体を前記冷却器に接着したことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記冷却器を一相毎に構成し、当該冷却器に前記樹脂パッケージと一体にした導体を接着したことを特徴とする請求項２記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記導体を、前記樹脂パッケージの電力を供給する端子と一体で構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成すると共に駆動回路及び制御回路を有するインバータ装置に係り、特に電気自動用として小型で冷却効率が良く、信頼性の高いインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車では、インバータ装置の小型化、高信頼性が要求されている。インバータ装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良いインバータ装置が必要となる。
【０００３】
以下、従来のインバータ装置の構造を、図５〜図７を参照して説明する。図５は従来のインバータ装置の平面断面図、図６は同側面断面図、図７は同内部部分断面図である。
【０００４】
図５及び図６において、インバータ装置は、取付けねじ１によりインバータ装置筐体２の底面に取付けられ、３相インバータ主回路を構成する半導体チップを実装してなる電力用半導体素子部３、固定台４に固定されている電源平滑用コンデンサであるアルミ電解コンデンサ５、３相出力導体６〜８の電流を検出する電流検出器９，１０、制御ユニット１１により構成されている。
【０００５】
電力用半導体素子部３とアルミ電解コンデンサ５は、正極側導体１２及び負極側導体１３と接続ねじ１４により電気的に接続されている。また、インバータ装置筐体２の底面には、冷媒１５の入口１６、出口１７及び流路１８が設けられており、入口１６から入り流路１８内部を流れる冷媒１５により電力用半導体素子部３は冷却され、該冷媒１５は出口１７から出る。冷媒１５は、例えば不凍液などである。
【０００６】
また電力用半導体素子部３は、図７に示すように、放熱用金属板１９の上部に絶縁基板２０、絶縁基板２０の上部に金属電極２１、金属電極２１の上部に、半導体チップであるＩＧＢＴ２２及びダイオード２３が積層され且つ接合され、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２３、金属電極２１、絶縁基板２０が絶縁性を有する樹脂製パッケージに収納され、さらに放熱用金属板１９と樹脂製パッケージは端部で接着されている。樹脂製パッケージの内部には、絶縁性のゲルが封入されている。
【０００７】
さらに、電力用半導体素子部３は、放熱用金属板１９の裏面に、接触熱抵抗を低減する目的で熱伝導グリース２４が塗布され、流路１８が設けられたインバータ装置筐体２の底面に、取付けねじ１により取付けられている。
【０００８】
このように構成された電力用半導体素子部３においては、半導体チップであるＩＧＢＴ２２及びダイオード２３が通電されたときに損失が発生する。ＩＧＢＴ２２及びダイオード２３の上部には断熱材である絶縁性のゲルが封入されているので、ＩＧＢＴ２２及びダイオード２３で発生した損失の大部分は、下部の金属電極２１に熱伝導する。金属電極２１に熱伝導した損失は、絶縁基板２０を伝わり放熱用金属板１９に熱伝導する。放熱用金属板１９は、図６〜図７に示すように取付けねじ１によりインバータ装置筐体２の底面に加圧接触され、損失が冷媒１５により放熱される。
【０００９】
また、熱伝導率を向上させるために、熱伝導グリースの内部に熱伝導率の高い金属箔を挿入することもなされている（特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−３０８２３３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のインバータ装置では、以下のような問題点がある。
【００１２】
第１の問題点として、放熱用金属板１９の裏面に接触熱抵抗を低減するための熱伝導グリース２４を塗布し、電力用半導体素子部３の周囲にある取付けねじ１により放熱用金属板１９を、流路１８が構成されているインバータ装置筐体２の底面に加圧接触させているので、加圧力が放熱用金属板１９全体に均等にかからない。そのため、放熱用金属板１９とインバータ装置筐体２との間の接触熱抵抗は、電力用半導体素子部３の内部の熱抵抗とほぼ同等と非常に大きくなり冷却効率が悪い。
【００１３】
第２の問題点として、第１の問題点に加え、放熱用金属板１９の裏面に塗布される熱伝導グリース２４は長期的な劣化も考えられ信頼性が低下する。
【００１４】
これらは、結局、インバータ装置の通電容量の向上に対応できなく、また、冷却器などが大型化しインバータ装置も大型化し、さらに、インバータ装置の長期使用を前提とした信頼性を確保することが難しくなる、という問題点になる。
【００１５】
本発明の目的は、インバータ主回路における冷却効率を高めることで通電容量を向上させ且つ小型化に寄与し、また高い信頼性を発揮し得るインバータ装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係るインバータ装置では、複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成してなるインバータ装置において、
前記３相インバータの主回路を、複数の電力用半導体チップを導体に接合したうえセラミックを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着し、さらに当該チップへ電力を供給する端子と信号を供給する端子とを具備した樹脂パッケージを前記冷却器に搭載してなり、前記導体と前記樹脂パッケージを一体で構成したことを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、複数の電力用半導体チップを導体に接合したうえセラミックを含有した絶縁樹脂シートを介して冷却器に接着していることから、冷却器との接触部の接触熱抵抗が無くなり、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上し、インバータ装置の信頼性向上、小型化が図れる。
【００１８】
また、本発明によれば、ボンディングワイヤによる接続作業後に特性検査を実施して、ボンディングによる製造不良が発生した半製品を選別し、冷却器に接着する前に除去することができるため、電力半導体素子部全体として、製造歩留まりが向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のインバータ装置の電力半導体素子部の断面図である。
【００２０】
本実施形態は、複数のアームを有する３相インバータ主回路を複数の電力用半導体チップで構成してなるインバータ装置において、３相インバータの主回路を、複数の電力用半導体チップを導体に接合したうえ、エポキシ樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラー等のセラミックを含有した絶縁樹脂シートを介して、銅やアルミニウムで作られた冷却器に接着し、さらに当該チップへ電力を供給する端子と信号を供給する端子とを具備した樹脂パッケージを前記冷却器に搭載した構造を採用すると共に、さらに、前記導体と前記樹脂パッケージを一体で構成したものであり、具体的には、図１に示すように、上側アーム導体２７、三相出力導体と一体の下側アーム導体２８、負極導体３０は、すべて樹脂パッケージ３７と一体で構成している。
【００２１】
このような構成のインバータ装置においては、電力半導体素子部の製造工程は次のようになる。
【００２２】
ＩＧＢＴ４１、４２およびダイオード４７、４８を、樹脂パッケージ３７と一体になった上側アーム導体２７および下側アーム導体２８にハンダ接合する。
【００２３】
なお、Ｗ相と同時にＵ相、Ｖ相についても、そのＩＧＢＴ、ダイオードをハンダ接合する。
【００２４】
次にＩＧＢＴ４１、４２およびダーオード４７、４８と三相出力導体２９、負極導体３０との間を、ボンディングワイヤ３１で電気的に接続する。また、ＩＧＢＴ４１、４２と制御入出力端子３６との間を制御配線３５で接続する。なお、各導体と各端子との間もボンディングワイヤ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃで接続する。同じく、Ｗ相と同時にＵ相、Ｖ相もワイヤボンディング接続する。
【００２５】
その後、樹脂パッケージ３７と一体になった、上側アーム導体２７、三相出力導体と一体の下側アーム導体２８、負極導体３０を、各相の絶縁樹脂シート３２、３３、３４で、冷却器２６に接着する。
【００２６】
以上のように構成された本実施形態のインバータ装置によれば、ＩＧＢＴ４１、４２等およびダイオード４７、４８等は、樹脂パッケージ３７と一体になった上側アーム導体２７および下側アーム導体２８に各相の絶縁樹脂シート３２、３３、３４を介してハンダ接合していることから、冷却器２６との接触部の接触熱抵抗が無くなり、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上し、インバータ装置の信頼性向上、小型化が図れる。
【００２７】
また、電力半導体素子部に関し、上側アーム導体２７、三相出力導体と一体の下側アーム導体２８、負極導体３０は、すべて樹脂パッケージ３７と一体で構成していることから、ボンディングワイヤによる接続作業後に特性検査を実施して、ボンディングによる製造不良が発生した半製品を選別し、冷却器２６に接着する前に除去することができる。そのため、電力半導体素子部全体として、製造歩留まりが向上する。
【００２８】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態のインバータ装置の電力半導体素子部の断面図である。
【００２９】
図２において、第１の実施例で示した樹脂パッケージ３７を３個に分割して、一相ごとに上側アーム導体２７、三相出力導体２９および下側アーム導体２８、負極導体３０を樹脂パッケージ３７と一体にする。そしてＩＧＢＴ、ダイオードをハンダ接合したうえ、ワイヤボンディング接続した半製品３組を冷却器２６に接着する。
【００３０】
以上のように構成された本実施形態のインバータ装置によれば、第１実施形態と同様に、ＩＧＢＴおよびダイオードは、樹脂パッケージ３７と一体になった上側アーム導体２７および下側アーム導体２８に各相の絶縁樹脂シート３２、３３、３４を介してハンダ接合していることから、冷却器２６との接触部の接触熱抵抗が無くなり、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上し、インバータ装置の信頼性向上、小型化が図れる。
【００３１】
また、電力半導体素子部に関し、ボンディングワイヤによる接続作業後に特性検査を実施して、ボンディングによる製造不良が発生した半製品を選別できる。また３組の半製品を製造して、その内の１組に製造不良が発生しても、残りの２組は使用することができる。そのため半製品としての製造歩留まりが向上し、電力半導体素子部全体としての製造歩留まりがさらに向上する。
【００３２】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態のインバータ装置の電力半導体素子部の断面図である。
【００３３】
図３において、第２の実施例で示した冷却器２６を３個に分割して、一相ごとに構成し、各相の冷却器２６に、上側アーム導体２７、三相出力導体２９および下側アーム導体２８、負極導体３０を樹脂パッケージ３７と一体にしたうえＩＧＢＴ、ダイオードをハンダ接合し、ワイヤボンディング接続した半製品を１組ずつ接着する。
【００３４】
以上のように構成された本実施形態のインバータ装置によれば、第１，第２実施形態と同様に、ＩＧＢＴおよびダイオードは、樹脂パッケージ３７と一体になった上側アーム導体２７および下側アーム導体２８に各相の絶縁樹脂シート３２、３３、３４を介してハンダ接合していることから、冷却器２６との接触部の接触熱抵抗が無くなり、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上し、インバータ装置の信頼性向上、小型化が図れる。
【００３５】
また、電力半導体素子部に関し、素子部は相単位で分割されているので、インバータ装置の製造工程で特性不良が発生した場合、不良の発生した相の素子部のみ良品と交換することで修復できる。また、装置使用中に異常が発生した場合にも同様に、異常が発生した素子部のみを良品と交換することで修復できるので、保守における作業性が向上する。
【００３６】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態のインバータ装置の電力半導体素子部の平面図である。
【００３７】
図４において、上側アーム導体２７と正極端子３８とを一体で構成し、負側導体３０と負極端子３９とを一体で構成し、三相出力導体２９および下側アーム導体２８と三相出力端子４０とを一体で構成し、同時に各導体および各端子を樹脂パッケージ３７と一体で構成する。
【００３８】
以上のように構成された本実施形態のインバータ装置によれば、第１〜第３実施形態と同様に、ＩＧＢＴおよびダイオードは、樹脂パッケージ３７と一体になった上側アーム導体２７および下側アーム導体２８に各相の絶縁樹脂シート３２、３３、３４を介してハンダ接合していることから、冷却器２６との接触部の接触熱抵抗が無くなり、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上し、インバータ装置の信頼性向上、小型化が図れる。
【００３９】
また、電力半導体素子部に関し、各導体と各端子との間を接続するボンディングワイヤ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが不要になるので、素子全体としてボンディングワイヤによる接続箇所を削減することができ、信頼性が向上する。
【００４０】
なお、図４では第３の実施形態のＷ相の部分を例示しており、Ｕ相、Ｖ相も同様に構成する。また、第１、第２の実施形態においても適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電力半導体素子部を、ボンディング工程で製造不良が発生しても部分的な修理を実施することが可能な構造とし、製造歩留まりを高くすることができる。また、保守の作業性が良く、信頼性が高いインバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のインバータ装置における電力変換素子部の内部構造を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態のインバータ装置における電力変換素子部の内部構造を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態のインバータ装置における電力変換素子部の内部構造を示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態のインバータ装置における電力変換素子部の平面図。
【図５】従来のインバータ装置の平面断面図。
【図６】従来のインバータ装置の側面断面図。
【図７】従来の電力用半導体素子部及びインバータ装置の内部部分断面図。
【符号の説明】
２６…冷却器、２７…上側アーム導体、２８…下側アーム導体、２９…三相出力導体、３０…負極導体、３１…ボンディングワイヤ、３２…Ｕ相絶縁シート、３３…Ｖ相絶縁シート、３４…Ｗ相絶縁シート、３５…制御配線、３６…制御入出力端子、３７…樹脂パッケージ、３８…正極端子、３９…負極端子、４０…三相出力端子、４１〜４６…ＩＧＢＴ、４７〜５２…ダイオード。
【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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