(57)【要約】【課題】  小型化と、放熱性の向上とをともに実現することができるパワーモジュールを提供する。【解決手段】  チップ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃと、筐体３０外に露出するヒートシンク８０と、高さ位置の異なる並行する２本の端子板４０Ｈ，４０Ｌと、低い位置の端子板４０Ｈとは下方ギャップを、高い位置の端子板４０Ｌとは上方ギャップをそれぞれ持つ交差部を形成して並行する複数本のバスバー１１ｕ〜１１ｗとを備え、チップは交差部に１つずつ、バスバーと端子板に挟持され、ヒートシンクは、端子板およびバスバーの少なくとも１本と、交差部の少なくとも１つにおいて、熱伝導性絶縁層７１を介在させて熱的に接触することを特徴とする。【選択図】  図３
2009032997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に位置する複数のパワースイッチング素子と、
前記筐体内から筐体外に露出する、１つまたは２つ以上のヒートシンクと、
前記筐体に挿入されて並行して延在する、前記筐体の第１面からの距離である高さ位置に高低のある２本の直流電源用導体と、
同じ高さ位置をすべて有し、前記２本の直流電源用導体の高さ位置の中間の高さ位置を、前記低い位置の直流電源用導体とは下方ギャップを、また前記高い位置の直流電源用導体とは上方ギャップを、それぞれ持つ交差部を形成しながら、互いに並行して前記筐体を通り抜ける複数本の交流電力供給用導体とを備え、
前記複数のパワースイッチング素子は、前記交差部に１つずつ、前記直流電源用導体と前記交流電源用導体とに挟持されるように位置し、
前記１つまたは２つ以上のヒートシンクは、前記２本の直流電源用導体および複数本の交流電力供給用導体の少なくとも１本と、前記交差部の少なくとも１つにおいて、熱伝導性絶縁層を介在させて熱的に接触することを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項２】
前記パワースイッチング素子はいずれも、一方の面に第１の通電電極を、また該一方の面と表裏関係をなす他方の面に第２の通電電極を有しており、前記下方ギャップを持つ交差部においては、前記第１の通電電極は、前記低い位置の直流電源用導体に導電性固着材で固定され、前記第２の通電電極は、交流電力供給用導体に電気的に接続されており、また前記上方ギャップを持つ交差部においては、前記第１の通電電極は、交流電力供給用導体に導電性固着材で固定され、前記高い位置の直流電源用導体に電気的に接続されており、前記ヒートシンクは、前記パワースイッチング素子が固定された、低い位置の直流電源用導体または交流電力供給用導体に、前記第１面側から前記熱伝導性絶縁層を介在させて熱的に接触す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】
前記ヒートシンクは第１および第２のヒートシンクから構成され、前記第１のヒートシンクは、前記低い位置の直流電源用導体よりも第１面近くに位置し、平面的に見て、前記パワースイッチング素子に重なるように前記低い位置の直流電源用導体に沿い、かつ前記複数の交流電力交流用導体のすべてに交差するように延在して、前記第１面の側から前記低い位置の直流電源用導体に熱的に接触し、前記第２のヒートシンクは、前記交流電力供給用導体よりも第１面近くに位置し、平面的に見て、前記高い位置の直流電源用導体に沿い、かつ前記複数の交流電力交流用導体のすべてに交差しながら前記パワースイッチング素子に重なるように延在して、前記第１面の側から前記交流電力供給用導体のすべてに熱的に接触することを特徴とする、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記熱伝導性絶縁層が、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記ヒートシンクはフィンを有し、該フィンが前記筐体外に出ていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッドカー（ＨＥＶ:  Hybrid  Electric  Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：  Electric  Vehicle）等の電機モータを駆動するために用いられる、放熱性を高めたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのＣＯ2排出量の規制などを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）が注目を集めている。ＨＥＶにおいては、複数のパワースイッチング素子を備えるインバータ回路を用いて直流電力をスイッチングすることにより、電機モータを交流駆動する。パワースイッチング素子のオンオフは、制御回路によって制御される。
【０００３】
従来のパワーモジュールの構成例として、制御回路、インバータ回路および電機モータが一体化されたパワーモジュールが開示されている（特許文献１）。このパワーモジュールでは、モータハウジングの周壁外周面にプリント基板が固定され、プリント基板上に制御回路とインバータ回路とが実装されている。
【０００４】
また、３相の薄型ＤＣブラシレスモータのステータに配電を行うための円環状バスバーの製造歩留まりを向上させる構造についての提案（特許文献２）や、防水性、絶縁耐性に優れた絶縁樹脂被覆を有する筐体付きバスバーのインサート成形方法の提案（特許文献３）がなされている。
【０００５】
上記のバスバーによれば、ＨＥＶ等に搭載される電機モータに、上記のように安価かつ確実な電気的接続を実現するバスバーを用いて交流電力を供給することができる。しかし、パワーモジュールの小型化または空間利用効率の向上についての提案はなされていない。また、上記のパワーモジュールに配置されたパワースイッチング素子には大電流が流れて、多量の熱を発生するが、上記の先行文献は、熱問題については示唆等をしていない。
【０００６】
一般的に、半導体チップからの熱を効率よく放散する放熱部品については、フィン付き放熱部品があり、これらフィン付き放熱部品について多くの提案がなされてきた。たとえば、コンピュータの半導体素子の実装基板間の間隙を冷媒の空気路とする冷却構造において、空冷路の入口側の半導体素子と、空冷路の出口側の半導体素子の温度を同じに揃えるために、複数の実装基板の入口側の間隔を、出口側の間隔よりも大きく配置する構造の提案がなされている（特許文献４参照）。この冷却構造によれば、空気流の流速を出口側で大きくできるので、空気温度は出口側で高いものの、流速向上による放熱量の向上により、出口側の半導体素子の温度を入口側の半導体素子と同じに揃えることができる。また、コンピュータの半導体素子を水冷する構造においても、水路の入口側の幅を出口側の幅よりも広くする冷却構造が提案されている（特許文献５参照）。この場合も、出口側の冷却水の流速を入口側より上昇させることにより、出口側における水温上昇にもかかわらず、流速上昇による放熱量向上により、半導体素子の温度を均一に揃えることができる。
【特許文献１】特開２００３−３２４９０３号公報
【特許文献２】特開２００３−１３４７２８号公報
【特許文献３】特開２００３−１３４７５６号公報
【特許文献４】特開平０３−０８５７９６号公報
【特許文献５】国際公開ＷＯ００／１６３９７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようなバスバーを用いたパワーモジュールの小型化と、放熱性の向上とは、両者をともに満たすことは難しい課題であるが、小型化のみ実現できても放熱性の向上が得られなければ電流容量の小さいシステムでしか使用できない。このため、パワーモジュールにとって、小型化および放熱性の両方ともの向上は重要であり、またＨＥＶ等の燃費向上を通じて地球温暖化の防止に寄与するものとなる。本発明は、小型化と、放熱性の向上とをともに実現することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のパワーモジュールは、筐体内に位置する複数のパワースイッチング素子と、筐体内から筐体外に露出する、１つまたは２つ以上のヒートシンクとを備える。また、筐体に挿入されて並行して延在する、筐体の第１面からの距離である高さ位置に高低のある２本の直流電源用導体を備え、さらに、同じ高さ位置をすべて有し、２本の直流電源用導体の高さ位置の中間の高さ位置を、低い位置の直流電源用導体とは下方ギャップを、また高い位置の直流電源用導体とは上方ギャップを、それぞれ持つ交差部を形成しながら、互いに並行して筐体を通り抜ける複数本の交流電力供給用導体とを備える。上記の複数のパワースイッチング素子は、交差部に１つずつ、直流電源用導体と前記交流電源用導体とに挟持されるように位置する。そして、１つまたは２つ以上のヒートシンクは、２本の直流電源用導体および複数本の交流電力供給用導体の少なくとも１本と、交差部の少なくとも１つにおいて、熱伝導性絶縁層を介在させて熱的に接触することを特徴とする。なお、上記の下方ギャップまたは上方ギャップは、中間高さ位置の交流電力供給用導体から見て、第１面と逆側に位置するギャップを上方ギャップと呼び、第１面側に位置するギャップは下方ギャップと呼ぶことになる。また、熱的に接触するとは、上記の直流電源用導体または交流電力供給用導体と熱伝導性絶縁層を介して、上記の導体からヒートシンクへと熱伝導がある状態をいう。熱伝導性絶縁層は、電気絶縁性を持ちながら、上記の熱の伝導をできるだけ妨げない態様（熱伝導率、厚みなど）で用いられる。
【０００９】
上記の構成により、制御部を別体として、プリント基板を用いることなくインバータ回路を形成して、大幅な小型化を実現することができる。このため、電機モータの外面の部材間隙に、空間利用効率を高めた形態で配置することが容易となる。また、パワースイッチング素子にて発生する熱が伝わる直流電源用導体または交流電源用導体と、ヒートシンクとを、そのパワースイッチング素子が位置する領域で、電気絶縁を確保しながら熱的に接触させるので、放熱性を高めることができる。
【００１０】
上記の複数のパワースイッチング素子はいずれも、一方の面に第１の通電電極を、また該一方の面と表裏関係をなす他方の面に第２の通電電極を有している。上記の下方ギャップを持つ交差部においては、第１の通電電極は、低い位置の直流電源用導体に導電性固着材で固定され、第２の通電電極は、交流電力供給用導体に電気的に接続されており、また上方ギャップを持つ交差部においては、第１の通電電極は、交流電力供給用導体に導電性固着材で固定され、高い位置の直流電源用導体に電気的に接続されている。そして、ヒートシンクは、パワースイッチング素子が固定された、低い位置の直流電源用導体または交流電力供給用導体に、第１面側から熱伝導性絶縁層を介在させて熱的に接触することができる。この構成によって、ヒートシンクは、パワースイッチング素子の熱がより多く伝導するほうの導体に熱的に接触するので、効率よく、上記の熱を放熱することができる。また第１面側にのみヒートシンクを配置するので、空間利用効率を損なわない。
【００１１】
上記のヒートシンクは第１および第２のヒートシンクから構成され、第１のヒートシンクは、低い位置の直流電源用導体よりも第１面近くに位置し、平面的に見て、パワースイッチング素子に重なるように低い位置の直流電源用導体に沿い、かつ複数の交流電力交流用導体のすべてに交差するように延在して、第１面の側から低い位置の直流電源用導体に熱的に接触する。また、第２のヒートシンクは、交流電力供給用導体よりも第１面近くに位置し、平面的に見て、高い位置の直流電源用導体に沿い、かつ複数の交流電力交流用導体のすべてに交差しながらパワースイッチング素子に重なるように延在して、第１面の側から交流電力供給用導体のすべてに熱的に接触することができる。これによって、パワースイッチング素子が固定され、高さ位置が異なる、第１の直流電源用導体および交流電源供給用導体に対して、ともに筐体の第１面からヒートシンクを熱的に接触させ、筐体の一方の面から熱を放散することができる。このため、パワーモジュールに配置されたすべてのパワースイッチング素子からの熱を、全体的に効率よく外部に放散することができる。また、たとえば上記の第１面と表裏関係にある対向面側を電機モータに近い面としてパワーモジュールを配設することにより、空間利用効率を損なわないようにできる。なお、上記の第1面側は、筐体の底板側でも、上面または上蓋側であってもよい。
【００１２】
上記の熱伝導性絶縁層は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することができる。これにより、電気絶縁性を確保しながら、より多くの熱をヒートシンクに導き、放熱することができる。
【００１３】
上記のヒートシンクはフィンを有し、該フィンが筐体外に出ている配置にすることができる。これによって、ヒートシンクからの熱の外部への放散をより多くすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のパワーモジュールによれば、小型化と放熱性の向上とを、ともに実現することができる。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、異なる図面において同一または相応する符号を付した要素は、同一または相応する要素を示すものとする。
【００１７】
図１は、本発明の三相交流モータ用のパワーモジュール５０を示す平面図である。図２は、図１に示すパワーモジュール５０の上蓋を除いた状態の平面図である。なお、三相交流モータに電力を供給する導体であるバスリングまたはバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは、図１に示すように、バスバー筐体１９の溝に嵌め込まれ、図示しない電機モータの周縁に沿うように円環状であるが、直線状としても本発明の説明に支障がないので、複雑化を避けるため、直線状に図示する。この後の図面において直線状の図示がされている場合も、上記のように解することとする。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。本実施の形態では、図３に示すように、ヒートシンク８０Ａ，８０Ｂが用いられる点に、一つの特徴がある。ヒートシンク８０Ａ，８０Ｂはいずれも、パワーモジュールの筐体３０の底板３０ｂのヒートシンク挿入孔３９から露出しており、とくにヒートシンク８０のフィン部８３は筐体３０の外に突き出ている。図３に示すように、ヒートシンク８０Ａは、底板３０ｂに最も近い導体である直流電源用導体のプラス側端子板４０Ｈと、熱伝導率の高い熱伝導性絶縁層８１を介在させて熱的に接触している。またヒートシンク８０Ｂは、三相交流電力供給用のバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗと、同じく熱伝導率の高い熱伝導性絶縁層８１を介在させて熱的に接触している。ヒートシンク８０は、ともにアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成した、基部８１とフィン部８３とで構成されるが、図３では、フィン部８３は筐体３０の外部に位置し、筐体３０内は基部８１が占めている。しかし、基部８１が過度に厚いと、たとえ熱伝導率が高いアルミニウム等で形成されていても放熱性が阻害されるため、フィン部８３が筐体３０の内部に入り込んだ構造としてもよい。また、フィン部８３の先端が、ヒートシンク８０Ａと８０Ｂとで同一平面上にある必要はなく、段差がついていてもよい。たとえばヒートシンク８０Ｂのフィン部８３の先端は、ヒートシンク８０Ａより筐体３０に近い位置にあるように、段差がついていてもよい。また、図１には、電機モータは図示していないが、ヒートシンク８０の位置は電気モータから遠いほうに位置するのが空間利用効率を高める上で、好ましい。したがって、図１の紙面より手前に電機モータが位置する配置にするのがよい。
【００１８】
パワースイッチング素子である半導体チップ１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃは、バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗと、低い高さ位置のプラス側端子板４０Ｈとが形成する３個の下方ギャップの各交差部、およびバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗと、高い高さ位置のマイナス側端子板４０Ｌとが形成する３個の上方ギャップの各交差部、にそれぞれ１個ずつ、計６個が配置されている（図２参照）。半導体チップ１ａ〜１ｃは、低い高さ位置のプラス端子板４０Ｈにはんだ付けやろう付けで固定され、半導体チップ２ａ〜２ｃは、バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに同じように固定されている。ヒートシンク８０Ａ，８０Ｂは、ともに半導体チップ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが固定されたほうの導体に熱的に接触している。半導体チップ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃで発生した熱は、ヒートシンク８０の基部８１を経てフィン部８３で外部に放散される。図３の場合は、フィン部８３で熱交換して熱を運ぶ熱媒体は水などの液体である。しかし、熱媒体は、液体に限定されず、図４に示すように空気であってもよい。熱媒体が液体の場合は、液密な構造の流路が必要であるが、大気の場合は流路は不要である。２つのヒートシンク８０Ａ，８０Ｂに対して、流路は直列接続の構成でも、並列接続の構成でもよい。
【００１９】
図２に示すように、本実施の形態におけるパワーモジュール５０において、直流電源用導体または端子板４０Ｈ，４０Ｌと、バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗとの交差部は、筐体３０内にあり、各交差部にある下方ギャップまたは上方ギャップに、パワースイッチング素子が配置されている。筐体３０は直方体であり、底板３０ｂおよび側板３０ｓと、図示していない上蓋（図１３参照）とを備える。直流電源用導体４０Ｈ，４０Ｌおよびバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが、筐体３０の側板３０ｓを通り抜けるために設ける構造については、後で詳しく説明する。なお、図２では、ヒートシンク８０Ａ，８０Ｂの表示について、破線で示すべき輪郭線は、図面の複雑化を避けるために省略した。
【００２０】
図５は、本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構成を示す回路図である。図２および図５には、パワースイッチング素子として、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた例が示されている。本実施の形態に係るパワーモジュールは、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電機モータ４と、電機モータ４を駆動するためのインバータ回路８と、インバータ回路８が有するパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃを制御するための制御回路７とを備えている（図３参照）。なお、本発明の本質に影響しないので図示は省略しているが、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃのそれぞれのデバイス内には、ドレイン‐ソース間に寄生ダイオードがあり、転流時の電流がこの寄生ダイオードに流れる。
【００２１】
図５に示すように、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ，２ａは、正の直流電源電圧ＶＨの端子板４０Ｈと、負の直流電源電圧ＶＬの端子板４０Ｌとの間で、ノード６ｕを介して直列に接続されている。具体的に、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａのドレイン電極は、正の直流電源電圧ＶＨの端子板４０Ｈに接続され、ソース電極はノード６ｕに接続されている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ２ａのドレイン電極はノード６ｕに接続され、ソース電極は負の直流電源電圧ＶＬの端子板４０Ｌに接続されている。同様に、パワーＭＯＳＦＥＴ１ｂ，２ｂは、正の直流電源電圧ＶＨの端子板４０Ｈと、負の電源電圧ＶＬの端子板４０Ｌとの間でノード６ｖを介して直列に接続されている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ１ｃ，２ｃは、正の直流電源電圧ＶＨの端子板４０Ｈと、負の直流電源電圧ＶＬの端子板４０Ｌとの間でノード６ｗを介して直列に接続されている。
【００２２】
パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極は、図２に示すように、信号線６１によってコネクタ６０の端子に接続され、さらに外部に位置する制御回路に接続される。制御回路７は、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に電圧パルスを印加することにより、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃをそれぞれ駆動する（図５参照）。
【００２３】
ノード６ｕ，６ｖ，６ｗは、電機モータ４の各相の電極５ｕ，５ｖ，５ｗにそれぞれ接続されている。制御回路７によってパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃおよびパワーＭＯＳＦＥＴ２ａ〜２ｃのいずれを駆動するかによって、電機モータ４が備える電磁コイル３に流れる電流の向きを制御することができる。また、制御回路７からパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に印加される電圧パルスのパルス幅によって、電磁コイル３に流れる電流の大きさを制御することができる。
【００２４】
なお、図５には、パワースイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた例が示されているが、パワーＭＯＳＦＥＴの代わりにＩＧＢＴ等の他のパワースイッチング素子を用いてもよい。なお、ＩＧＢＴでは寄生ダイオードがないので、転流ダイオードを逆並列に接続しておく必要がある。あるいは、ＳｉＣ，ＧａＮ，Ｃ等のワイドバンドギャップ半導体を用いた、大電力制御可能かつ高温動作可能なトランジスタを使用してもよい。ワイドバンドギャップデバイスを用いた場合には、電機モータ４と同様に高温環境で動作可能なインバータ回路を実現することができる。
【００２５】
また、図５には、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のハイサイド及びローサイドに各1個のパワーＭＯＳＦＥＴのみが用いられた例が示されているが、電流容量に応じて、それぞれ複数個のパワーＭＯＳＦＥＴを用いて構成してもよい。
【００２６】
図６は、本実施の形態に係るパワーモジュールが備える三相交流電力供給用導体のバスバー１１の構造の一部を示す上面図である。電機モータ４の外周に沿って、リング状のバスバー１１が配設されている。バスバー１１は、電機モータ４のＵ相に対応するバスバー１１ｕと，Ｖ相に対応するバスバー１１ｖと、Ｗ相に対応するバスバー１１ｗとに分離されている。バスバー１１ｕは図５に示したノード６ｕと電極５ｕとの間を接続し、バスバー１１ｖはノード６ｖと電極５ｖとの間を接続し、バスバー１１ｗはノード６ｗと電極５ｗとの間を接続する。バスバー１１ｕ〜１１ｗは、打ち抜き加工された銅板の表面にスズまたはニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。
【００２７】
バスバー１１ｕ〜１１ｗは、バスバー筐体１９内に収納されている。バスバー筐体１９は、ＰＰＳ(polyphenylene  sulfide)等の耐熱性樹脂によって構成されている。ただし、バスバー筐体１９は、強度を高めるために、金属部材によって強化されていてもよい。バスバー筐体１９の内部には、内壁によって規定される溝が形成されており、その溝部分にバスバー１１ｕ〜１１ｗが嵌め込まれている。また、バスバー筐体１９が形成されていない領域１８が部分的に設けられており、この領域１８においてはバスバー１１ｕ〜１１ｗが露出している。この領域１８が、図２に示すように、パワーモジュール５０の筐体３０内において、直流電源用導体４０Ｈ，４０Ｌと交差する部分を構成する。
【００２８】
図７は、領域１８におけるバスバー１１ｕ〜１１ｗの構造を具体的に示す斜視図である。図７では、リング状のバスバー１１ｕ〜１１ｗを直線状に図示している。バスバー１１ｕの表面上には、図２〜図５に示したパワーＭＯＳＦＥＴ２ａの半導体チップ(以下、パワーＭＯＳＦＥＴと同一の符号を用いる)２ａが実装されている。バスバー１１ｕの表面上の所定の箇所に、チップを実装すべき位置を示すマーキングを刻印しておくことにより、その所定の箇所に半導体チップ２ａを実装することができる。同様に、バスバー１１ｖ，１１ｗの表面上の所定の箇所には、パワーＭＯＳＦＥＴ２ｂ，２ｃの半導体チップ２ｂ，２ｃがそれぞれ実装されている。また、バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗには、それぞれ所定の箇所に、位置決め用の切り欠き２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが形成されている。図７に示すバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ上に位置する半導体チップ２ａ〜２ｃは、いずれも上方ギャップを持つ交差部に配置されることになる。
【００２９】
図８は、半導体チップ２ａの構造を示す上面図であり、図９は、図８に示したラインＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。図６および図７を参照して、半導体チップ２ａは、いわゆる縦型パワーＭＯＳチップであり、半導体チップ２ａの表面にはゲート電極（制御電極）Ｇおよびソース電極（電流流出電極）Ｓが形成されており、裏面にはドレイン電極（電流流入電極）Ｄが形成されている。ソース電極Ｓ上には、弾性導体１０が接合されている。この弾性導体１０は、半田付けまたはロウ付けによってこのソース電極Ｓ上に接合される。また、弾性導体１０は、リン青銅を用いその表面にはスズまたはニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。また、図示されている弾性導体１０は、コ字状の板バネであるが、弦巻バネなどであってもよい。
【００３０】
半導体チップ２ｂ，２ｃは、半導体チップ２ａと同様の構造を有している。つまり、半導体チップ２ｂ，２ｃの各表面にはゲート電極Ｇ及びソース電極Ｓがそれぞれ形成されており、各裏面にはドレイン電極Ｄがそれぞれ形成されている。半導体チップ２ａ〜２ｃのソース電極Ｓには弾性導体１０のバネが接合され、各ドレイン電極Ｄは、導電性固着材である半田付けまたはロウ付けによって、バスバー１１ｕ〜１１ｗの各表面にそれぞれ直接的に接合されている。
【００３１】
図１０は、本実施の形態に係るパワーモジュールが備える筐体３０の構造を示す斜視図である。筐体３０は、ＰＰＳ等の耐熱性樹脂によって構成されている。筐体３０の底板３０ｂには、ヒートシンク８０Ａ，８０Ｂを装着するためのヒートシンク挿入孔３９が設けられている。また、筐体３０の側板３０ｓには、位置決め構造として複数の矩形切り欠きである溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ，３２Ｈ，３２Ｌが形成されている。各溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ，３２Ｈ，３２Ｌの底辺Ｋｂは、バスバー１１ｕ〜１１ｗおよび端子板４０Ｈ，４０Ｌに当接して、これら導体のそれぞれの筐体の底板３０ｂからの距離である高さ位置を決めることになる。溝３２Ｈは溝３１ｕ〜３１ｗよりも深く形成されており、したがって溝３２Ｈの底辺Ｋｂは溝３１ｕ〜３１ｗの底辺Ｋｂより、筐体の底板３０ｂに近い位置にある。また、溝３２Ｌは溝３１ｕ〜３１ｗよりも浅く形成されており、したがって溝３２Ｌの底辺Ｋｂは溝３１ｕ〜３１ｗの底辺Ｋｂより、筐体の底板３０ｂから遠い位置にある。各溝は、矩形の切り欠きなので、２つの相対向する壁辺Ｋｓは平行であり、底辺Ｋｂに直交する。また、溝３２Ｈと溝３２Ｌとの間には、コネクタを挿入するための開口部３３が形成されている。
【００３２】
図７および図１０を参照して、互いに隣接する溝３１ｕ〜３１ｗ同士の間隔は、切り欠き２０ｕ〜２０ｗが形成されている箇所における、互いに隣接するバスバー１１ｕ〜１１ｗ同士の間隔を決め、両間隔は等しい。また、溝３１ｕ〜３１ｗが形成されている相対向する側板３０ｓ同士の間隔は、バスバー１１ｕ〜１１ｗが延在する方向において互いに隣接する切り欠き２０ｕ同士の間隔に等しい。図７に示す各バスバーの位置決め切り欠き２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、図１０の溝３１ｕ，３１ｖ，３１ｗに係合するように嵌め合わされて、各バスバーとも溝の底辺Ｋｂで支持される。
【００３３】
図１１および図１２は、本実施の形態に係るパワーモジュールの組立工程を順に示す斜視図である。まず、図１１を参照して、図１０に示した筐体３０の溝３２Ｈ内に、直流電源用導体としての端子板４０Ｈを嵌め込む。端子板４０Ｈは、ヒートシンク挿入孔３９の一つの上に沿う形で、筐体の溝３２Ｈに嵌め込まれる。端子板４０Ｈは、図５に示した正の直流電源電圧ＶＨを供給するためのものであり、銅板の表面にスズまたはニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。端子板４０Ｈには、バスバー１１ｕ〜１１ｗと同様に、所定の箇所に切り欠き２０Ｈが形成されており、この切り欠き２０Ｈを溝３２Ｈの壁辺Ｋｓに嵌合させることによって、筐体３０と端子板４０Ｈとの位置決めがなされる。また、その高さ位置（筐体の底板３０ｂとの間の距離）は、溝３２Ｈの底辺Ｋｂによって決められる。
【００３４】
端子板４０Ｈの表面上の所定の箇所には、図５に示したパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃの半導体チップ１ａ〜１ｃが予め実装されている。端子板４０Ｈの表面上の所定の箇所に、チップを実装すべき位置を示すマーキングを刻印しておくことにより、その所定の箇所に半導体チップ１ａ〜１ｃを実装することができる。
【００３５】
半導体チップ１ａ〜１ｃは、図８および図９に示した半導体チップ２ａ〜２ｃと同様の構造を有している。つまり、半導体チップ１ａ〜１ｃの各表面にはゲート電極Ｇおよびソース電極Ｓがそれぞれ形成されており、各裏面にはドレイン電極Ｄがそれぞれ形成されている。半導体チップ１ａ〜１ｃのソース電極Ｓには弾性導体１０が半田付けまたはロウ付けによって接合され、また、半導体チップ１ａ〜１ｃの各ドレイン電極Ｄは、半田付けまたはロウ付けによって、端子板４０Ｈの表面にそれぞれ直接的に接合されている。図１１に示す半導体チップ１ａ〜１ｃは、いずれも下方ギャップを持つ交差部に配置される。
【００３６】
筐体３０から外部に突出している端子板４０Ｈの端部には、電力供給用の高圧ケーブルの一端が接続される。高圧ケーブルの他端は、バッテリまたは昇圧コンバータに接続される。
【００３７】
次に、図１２を参照して、筐体３０の溝３１ｕ〜３１ｗ内に、バスバー１１ｕ〜１１ｗをそれぞれ嵌め込む。具体的には、図１１に示した構造を図７に示したバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの下方に位置させた後、溝３１ｕ〜３１ｗと切り欠き２０ｕ〜２０ｗとをそれぞれ嵌合させながら、図１１に示した構造を上方に持ち上げる。これにより、図１２に示すように、半導体チップ１ａ〜１ｃの各ソース電極Ｓ上のコ字状弾性導体１０が、バスバー１１ｕ〜１１ｗの各裏面にそれぞれ接触する。
【００３８】
要は、半導体チップ１ａ〜１ｃは、端子板４０Ｈとバスバー１１ｕ〜１１ｗとが形成する高さギャップのある交差部に、１つずつ配置される。高さギャップが、コ字状弾性導体１０を含む半導体チップ１ａ〜１ｃの装着高さに対応する。その際、コ字状弾性導体の片端を固定されていないので、半導体チップ１ａ〜１ｃの各ソース電極Ｓ上に接合されている弾性導体１０は、バスバー１１ｕ〜１１ｗによって押し当てられ撓む。この押し当てられた撓みによって、バスバー１１ｕ〜１１ｗの各裏面と圧接され電気的接続状態になる。弾性導体１０を介在させることにより、各ソース電極Ｓとバスバー１１ｕ〜１１ｗの裏面とを半田付けまたはロウ付けするよりも簡便に接合することができる。図１２によれば、バスバー１１ｕ〜１１ｗの高さ位置を基準として、導体チップ１ａ〜１ｃが下方ギャップを持つ交差部に位置し、半導体チップ２ａ〜２ｃが上方ギャップを持つ交差部に位置することが明白である。
【００３９】
次に、筐体３０の溝３２Ｌ内に、直流電源用導体としての端子板４０Ｌを嵌め込む（図２および図１２参照）。端子板４０Ｌは、図３に示した負の直流電源電圧ＶＬを供給するためのものであり、銅板の表面にスズまたはニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。端子板４０Ｌには所定の箇所に切り欠き２０Ｌが形成されており、この切り欠き２０Ｌを溝３２Ｌの壁辺Ｋｓに嵌合させることによって、筐体３０と端子板４０Ｌとの位置決めがなされる。底板３０ｂから見て、端子板４０Ｈが低い高さ位置の端子板であり、端子板４０Ｌが高い高さ位置の端子板であることは言うまでもない。
【００４０】
これにより、半導体チップ２ａ〜２ｃの各ソース電極Ｓ上に接合されている弾性導体１０は、端子板４０Ｌによって押し当てられ撓む。この弾性導体１０の撓みによる圧接によって、半導体チップ２ａ〜２ｃの各ソース電極Ｓと端子板４０Ｌの裏面とが電気的に接続される。
【００４１】
筐体３０から外部に突出している端子板４０Ｌの端部には、電力供給用の高圧ケーブルの一端が接続される。高圧ケーブルの他端は、バッテリ又は昇圧コンバータに接続される。
【００４２】
次に、図２を参照して、筐体３０の開口部３３にコネクタ６０を嵌め込み、ネジ止め等によって固定する。コネクタ６０は、図示しない複数の端子を有しており、端子は筐体３０内に突出している。コネクタ６０には、端子に電気的に接続された信号線６１の一端が接続され、他端は各パワースイッチング素子のゲート電極Ｇに接続されている。コネクタの外部に出た信号線６１は、上述のように、図５に示した制御回路７に接続される。
【００４３】
図１３は、上蓋３０ｔを筐体３０に固定した後、筐体３０のヒートシンク挿入孔３９からヒートシンク８０Ａ，８０Ｂを装着した状態を示す図である。ヒートシンク８０Ａ，８０Ｂは、上蓋３０ｔ、バスバー１１ｕ〜１１ｗ、端子板４０Ｈ，４０Ｌ等を固定した後のほうが、上記の導体に熱的接触をとりながら固定する上で、好都合である。図３および図４を参照して、ヒートシンクは、その基部８１の上面が、熱伝導率の高い熱伝導性絶縁層７１を介して、端子板４０Ｈ、バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されている。熱伝導性絶縁層７１の両面に接着剤を塗布して用いる。上記の熱伝導性絶縁層７１の熱伝導率は、３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上あるのが、半導体チップで発生した熱をヒートシンク８０に効率よく伝達する上で好都合である。熱伝導性絶縁層８１にはエポキシ絶縁シート等を用いることができる。熱伝導性絶縁層７１の両面に塗布する接着剤には、各種市販されたものを用いることができる。この中でも、たとえば、主剤にエポキシ樹脂を、また硬化剤にアミン系樹脂を用いる接着剤が好適である。上記の放熱経路は非常に簡単な構造であり、小型化が可能となる。ヒートシンク８０は、樹脂性の筐体３０に圧入して固定することで、振動が加わった場合でもエポキシ樹脂シート７１界面が剥がれないようにできる。
【００４４】
上記本発明の実施の形態によれば、プリント基板を用いることなく、半導体チップの上下面に位置する通電電極と、バスバーおよび直流電源側の端子板とを、電気接続をとるために直接的に、他の導体を介在させずに機械的に接続するので、小型化を実現できる。また、上記半導体チップが接続された導体に、ヒートシンクを熱伝導性絶縁層を介在させて、熱接触することにより、半導体チップでの発熱問題を効果的に克服することができる。
【００４５】
上記した本発明の実施の形態のパワーモジュールについて、次のような作用効果および他のパワーモジュール例に注意を払うべきである。
（１）本実施の形態では、底板側からヒートシンクを装着する形態を示したが、上蓋側からヒートシンクを装着する構造としてもよい。この構成の場合、半導体チップは、上方ギャップを持つ交差部では、高い位置の直流電源用導体にドレイン電極側を固定し、バスバーとソース電極との間に弾性導体を配置する。また、下方ギャップを持つ交差部では、半導体チップは、バスバーにドレイン電極側を固定し、低い高さ位置の直流電源用導体とソース電極との間に弾性導体を配置する。したがって第１面は、底板側でもよいし、上蓋側でもよい。
（２）上記実施の形態では、ヒートシンクを２つに分けた構成を示したが、基部に段差のある１つのヒートシンクで構成してもよい。また、フィン部は筐体外部にのみ位置するようにしたが、上述のように、放熱性を高めるために、筐体内部の範囲にフィン部を形成してもよい。
（３）パワーモジュールの厚みを小さくするために、たとえばヒートシンク基部８１をバスリング円周外側まで延びており、その延びた部分の上蓋側にフィン８３が立つような構造にしてもよい。この構造によって、パワーモジュールの厚みを低減することができる。この構造においても、水冷方式でも空冷方式でも対応可能である。
（４）上記実施の形態では、パワーモジュールの本体部を組み上げた後で、ヒートシンクをヒートシンク挿入孔から装着する製造方法を示したが、先に、パワーモジュール筐体にヒートシンクを装着しておいて、その後で端子板およびバスバーを組み込んでゆく製造方法であってもよい。上記（１）において上蓋側にヒートシンクを配置する場合にも、同様のことがいえる。
（５）ヒートシンクは、端子板またはバスバーに熱的に接触し、筐体外に露出する部分を持てば、どのようなものでもよく、個数、形状は問わない。
【００４６】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のパワーモジュールでは、ＨＥＶ、ＥＶなどの電機モータのパワーモジュールで重要度を増す、高度の空間利用効率性および熱問題を克服することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態におけるパワーモジュールを示す図である。
【図２】図１のパワーモジュールの上蓋を除いた状態の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である（熱媒体が液体の場合）。
【図４】図３に示すパワーモジュールの変形例を示す断面図である（熱媒体が空気の場合）。
【図５】図１〜図４のパワーモジュールの配線図である。
【図６】バスバーおよびバスバー筐体を示す図である。
【図７】バスバーおよびバスバーに搭載されたパワースイッチング素子を示す図である。
【図８】パワースイッチング素子を示す平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】パワーモジュールの筐体を示す図である。
【図１１】筐体の溝に直流電源用導体のプラス側端子板を嵌め込んだ状態を示す図である。
【図１２】筐体の溝にバスバーを嵌め込んだ状態を示す図である。
【図１３】パワーモジュールの筐体の上蓋を固定した後、ヒートシンクを装着した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃ  パワーＭＯＳＦＥＴ（半導体チップ）、３  電機モータのコイル、４  電機モータ、５ｕ〜５ｗ  電機モータの各相の電極、６ｕ〜６ｗ  ノード、７  制御回路、８  インバータ回路、１０  弾性導体、１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ  バスバー（交流電力供給用導体）、１８  バスバー露出領域、１９  バスバー筐体、２０Ｈ，２０Ｌ  端子板に設けた位置決め切り欠き、２０ｕ〜２０ｗ  バスバーに設けた位置決め切り欠き、３０  筐体、３０ｂ  筐体の底板、３０ｓ  筐体の側板、３０ｔ  上蓋、３１ｕ〜３１ｗ  筐体のバスバー用の溝（矩形切り欠き）、３２Ｈ，３２Ｌ  筐体の端子板用の溝（矩形切り欠き）、３３  開口部（コネクタ挿入口）、３９  ヒートシンク挿入孔、４０Ｈ  プラス側端子板（直流電源用導体）、４０Ｌ  マイナス側端子板（直流電源用導体）、５０  パワーモジュール、６０  コネクタ、６１  信号線、７１  熱伝導性絶縁層、８０，８０Ａ，８０Ｂ  ヒートシンク、８１  ヒートシンク基部、８３  フィン部、Ｋｂ  溝の底辺、Ｋｓ  溝の壁辺、Ｄ  ドレイン電極、Ｇ  ゲート電極、Ｓ  ソース電極。
【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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【図１３】
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