(57)【要約】【課題】部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、放熱効率の向上が図れる電力変換装置を提供する。【解決手段】この電力変換装置１では、基台部材５に埋設されたセラミックス製の放熱部材１７の一部が、基台部材５の素子実装領域Ａに露出されて半導体素子３に配線材２５を介して接合されるとともに、放熱部材１７の他の部分が基台部材５の下側表面に露出されてその部分から放熱が行われる。放熱部材１７に放熱フィン１７ｂが一体成形されている。基台部材５の樹脂基材１６に冷媒流路が設けられている。配電用の配線材が樹脂基材１６内に埋め込まれている。【選択図】図３
2007159250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換用の半導体素子と、
前記半導体素子が実装される基台部材と、
を備える電力変換装置であって、
前記基台部材は、
セラミックスにより形成された放熱部材と、
樹脂材料により形成され、前記放熱部材を保持する樹脂基材と、
を備え、
前記放熱部材の一部分が、前記基台部材の一方側表面に露出され、配線材を介してあるいは配線材を介さずに前記半導体素子に接合され、
前記放熱部材の他の部分が、前記基台部材の他方側表面に露出され、冷媒と接触可能とされていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記冷媒を前記基台部材の前記他方側表面における前記放熱部材が露出されている部分に導くための流路が前記基台部材の前記樹脂基材に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、
前記基台部材の前記樹脂基材内に、配線材が埋設されていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。この種の従来の電力変換装置では、半導体素子の熱を伝達して放熱するための放熱手段が、複数の部材を重ね合わせて構成されている。例えば、少なくとも半導体素子側に貼着される板状の熱伝達部材、及びその熱伝達部材を介して半導体素子が配置されるヒートシンクによって放熱手段が構成されている。また、熱伝達部材とヒートシンクとの間には熱伝達用のグリースが介挿される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３４８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来技術では、放熱手段が複数の部材を重ね合わせて構成するため、部品点数の増大、装置構成の大型化、複雑化等の問題がある。また、熱の伝達経路にグリースが介在するため、熱抵抗が大きく、放熱効率が悪いという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明の解決すべき課題は、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、放熱効率の向上が図れる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１の発明では、電力変換用の半導体素子と、前記半導体素子が実装される基台部材とを備える電力変換装置であって、前記基台部材は、セラミックスにより形成された放熱部材と、樹脂材料により形成され、前記放熱部材を保持する樹脂基材とを備え、前記放熱部材の一部分が、前記基台部材の一方側表面に露出され、配線材を介してあるいは配線材を介さずに前記半導体素子に接合され、前記放熱部材の他の部分が、前記基台部材の他方側表面に露出され、冷媒と接触可能とさている。
【０００７】
また、請求項２の発明では、請求項１の発明に係る電力変換装置において、前記冷媒を前記基台部材の前記他方側表面における前記放熱部材が露出されている部分に導くための流路が前記基台部材の前記樹脂基材に形成されている。
【０００８】
また、請求項３の発明では、請求項１又は２の発明に係る電力変換装置において、前記基台部材の前記樹脂基材内に、配線材が埋設されている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、半導体素子が実装される基台部材の構成において、樹脂基材によって保持されたセラミック製の放熱部材の一部分が、基台部材の一方側表面に露出され、配線材を介してあるいは配線材を介さずに半導体素子に接合され、放熱部材の他の部分が、基台部材の他方側表面に露出され、冷媒と接触可能とされているため、半導体素子の放熱手段として主に機能するのは放熱部材のみである。このため、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、グリースを介挿しない構成であるため、放熱効率の向上が図れる。
【００１０】
また、放熱部材を成形型内に装填した状態で樹脂基材の樹脂成形（インモールド成形）を行うことができるため、低コストで基台部材を作製することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、基台部材の樹脂基材に冷媒流路が設けられるため、別部材により冷媒流路を設ける必要がないとともに、樹脂基材の樹脂成形の際に冷媒流路を同時に形成することができ、装置構成の小型化及び低コスト化が図れる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、基台部材の樹脂基材内に配線材を埋設することにより、装置組立時における配線材の配索工程の簡略化が図れるとともに、装置構成の小型化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置の要部の構成を示す斜視図であり、図２は図１の電力変換装置の裏面側の構成を示す図であり、図３は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図１では、便宜上半導体素子３と放熱部材１７との間に介挿される配線材２５が省略されている。
【００１４】
この電力変換装置１は、図１ないし図３に示すように、電力変換用の複数（例えば、６つ）の半導体素子３と、その半導体素子３が実装される基台部材５とを備えている。この電力変換装置１の用途としては、例えば、車両に搭載されたモータ７（図５参照）と直流電源９（図５参照）との間に介在される車載用インバータが挙げられる。この場合、電力変換装置１は、直流電源９から供給される直流電流を交流電流（例えば、３相交流電流）に変換してモータ７に供給する一方、モータ７から与えられる回生電流を直流に変換して直流電源９に与えるようになっている。また、電力変換装置１の他の用途として、電動フォークリフトに搭載されたモータを駆動するためのインバータなどが挙げられる。
【００１５】
半導体素子３は、例えばＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴ等であり、制御回路１１（図５参照）によりオンオフ制御される。本実施形態では、半導体素子３は例えば縦型のＩＧＢＴである。
【００１６】
基台部材５の上側表面（一方側表面）には、半導体素子３が実装される半導体素子３と同数の素子実装領域Ｂが設けられている。基台部材５の下側表面（他方側表面）には、冷却水、空気等の冷媒が導かれ、半導体素子３の熱が冷媒中に放熱されるようになっている。
【００１７】
基台部材５の構成要素としては、樹脂により形成される樹脂基材１６と、その樹脂基材１６の各素子実装領域Ｂに埋め込まれた放熱部材１７とを備えている。放熱部材１７は、セラミックス（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ−ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等）により一体成形されており、図４に示すように、配線材２５を介して半導体素子３と接合される略板状の接合部１７ａと、その接合部１７ａから断面略櫛状に突設された複数の放熱フィン１７ｂとを備えている。放熱フィン１７ａの間の溝状の隙間は、冷媒が流れる流路１９となっている。
【００１８】
このような放熱部材１７は、接合部１７ａの上面が素子実装領域Ｂに露出され、放熱フィン１７ｂが基台部材５の下側表面に露出されるようにして樹脂基材１６の対応する部分に埋設されている。
【００１９】
樹脂基材１６の下側表面には、冷媒を放熱部材１７の放熱フィン１７ａに導くための溝状の流路２１が形成されており、その流路２１が各放熱部材１７の放熱フィン１７ｂによって形成される流路１９に連通するようになっている。なお、図３に示すように、封止材２３によって流路１９，２１を形成する溝の開口部を封止し、流路１９，２１を管状の構成にしてもよい。
【００２０】
このような基台部材５は、放熱部材１７を成形型内に装填した状態で樹脂基材１６の成形を行うインモールド成形により形成される。
【００２１】
半導体素子３と基台部材５との接合構造は、次のようになっている。本実施形態では、半導体素子３として縦型のＩＧＢＴが用いられているため、半導体素子３の下面側の電極に略板状の配線材２５が電気接合材（銀ペースト、ハンダ等）２７により接合され、その配線材２５を介して半導体素子３が放熱部材１７の接合部１７ａの上面に接合されるようになっている。配線材２５と放熱部材１７との接合は、ハンダ、ろう材、樹脂接着剤等の接合材２９により行われ、グリースは使用されない。なお、接合材２９に樹脂接着剤を用いた場合には、半導体素子３側と放熱部材１７側との間の絶縁を確保するのに都合がよいという利点がある。なお、本実施形態では、放熱部材１７を配線材２５を介して半導体素子３に接合するようにしたが、下面側には電極を設けない構成の半導体素子３については、配線材２５を介さずに放熱部材１７が半導体素子３に直接接合される。
【００２２】
このような構成により、半導体素子３から発せられた熱は、配線材２５を介して放熱部材１７に伝達され、放熱部材１７の放熱フィン１７ｂにて冷媒中に放熱されるようになっている。
【００２３】
図５は、図１の電力変換装置１の回路図である。この図５に示す回路構成は一般的なものであり、直流電源９に接続される正負の電源線３１ａ，３１ｂ間に３つのブリッジ回路が接続されている。各ブリッジ回路には２つの半導体素子３が直列に介挿され、その各半導体素子３にブリッジダイオード３３が並列接続されている。そして、各ブリッジ回路の中点が電源線３４ａ〜３５ｃによりモータ７の対応する各相の接続端子に接続されている。また、各半導体素子３には、制御回路１１からの制御信号を入力するための信号線３７が接続されている。
【００２４】
本実施形態では、これらの電源線３１ａ，３１ｂ，３５ａ〜３５ｃのうちの一部又は全部が、基台部材５の樹脂基材１６中に埋め込まれて配索されている。その埋め込みは、例えば図６に示すように、電源線３１ａ，３１ｂ，３５ａ〜３５ｃを構成するバスバー状の配線材３９を樹脂基材１６中にインモールド成形により埋め込むことにより行われる。配線材３９と半導体素子３との接続は、例えば、素子実装領域Ｂの周辺部にて、配線材３９の接続部３９ａを樹脂基材１６中から露出させておき、その接続部３９ａと、半導体素子３の電極又は電極に接続された配線材２５とを接続することにより行われる。なお、信号線３７についても樹脂基材１６中に埋め込んで配索してもよい。
【００２５】
また、基台部材５における放熱部材１７と樹脂基材１６との境界部に対する防水対策として、次のような構成が採用可能である。第１の対策例として、図７に示すように、放熱部材１７（例えば、接合部１７ａ）の外周部に周方向に連なる凸部１７ｃを設ける構成が採用可能である（凸部１７ｃの代わりに凹部を設けてもよい）。第２の対策例として、図８に示すように、基台部材５の半導体素子３が実装される面の放熱部材１７と樹脂基材１６との境界部に、液状シール材４１を付与する構成が採用可能である。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、半導体素子３が実装される基台部材５の構成において、樹脂基材１６によって保持されたセラミック製の放熱部材１７の一部分が、基台部材５の一方側表面に露出され、配線材２５を介して（あるいは配線材を介さずに）半導体素子３に接合されるとともに、放熱部材１７の他の部分が、基台部材５の他方側表面に露出され、冷媒と接触可能とされているため、半導体素子３の放熱手段として主に機能するのは放熱部材１７のみである。このため、部品点数の削減、装置構成の小型化及び簡略化等が図れるとともに、グリースを介挿しない構成であるため、放熱効率の向上が図れる。
【００２７】
また、放熱部材１７を成形型内に装填した状態で樹脂基材１６の樹脂成形（インモールド成形）を行うことができるため、低コストで基台部材５を作製することができる。
【００２８】
また、放熱部材１７に放熱フィン１７ｂを設けることにより、放熱性能を高めることができるとともに、放熱部材１７に放熱フィン１７ｂを一体に形成することにより、放熱フィン１７ｂへの熱伝導効率を高めることができる。
【００２９】
また、基台部材５の樹脂基材１６に冷媒流路２１が設けられるため、別部材により冷媒流路２１を設ける必要がないとともに、樹脂基材１６の樹脂成形の際に冷媒流路２１を同時に形成することができ、装置構成の小型化及び低コスト化が図れる。
【００３０】
また、電源線３１ａ，３１ｂ，３５ａ〜３５ｃを構成するバスバー状の配線材３９を樹脂基材１６内に埋め込むことにより、装置組立時における配線材３９の配索工程の簡略化が図れるとともに、装置構成の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の要部の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の電力変換装置の下面側から見た構成を示す図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】放熱部材の斜視図である。
【図５】図１の電力変換装置の回路図である。
【図６】配線材を基台部材内に埋め込んだ構成を示す図である。
【図７】放熱部材の外周に防水用の凸部を設けた構成を示す図である。
【図８】放熱部材と樹脂基材との境界部にシール材を付与した構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  電力変換装置
３  半導体素子
５  基台部材
７  モータ
９  直流電源
１１  制御回路
１６  樹脂基材
１７  放熱部材
１７ａ  接合部
１７ｂ  放熱フィン
１９，２１  流路
２３  封止材
２５  配線材
２９  電気接合材
２９  接合材
３９  配線材
Ｂ  素子実装領域
【図１】
2007159250.tif 000003
【図２】
2007159250.tif 000004
【図３】
2007159250.tif 000005
【図４】
2007159250.tif 000006
【図５】
2007159250.tif 000007
【図６】
2007159250.tif 000008
【図７】
2007159250.tif 000009
【図８】
2007159250.tif 000010