The TRC News,2017709-01 (Septeember 2017)

環境対対応車向けパワーモジュールのの実装技
技術～大型モーールド樹脂の封止技術
術～

トヨタ自動動車株式会社
社 エレクトロニクス生技
技部 電子ユユニット計画
画室 主幹 門口 卓矢矢

要 旨 パワワーモジューールは、ハイブブリッド車やや電気自動車車といった環境境対応車向け
けパワーコントロールユ
ニット(PCUU)の主要な構構成部品である。本稿でははトヨタ自動動車の環境対応応車への取りり組みを示す
すと共に、パワーモジューールの実装構構造の変遷、大型モールド樹脂の封止止技術についいて紹介する（本稿は、2017 年 5 月
12 日に開催催された弊社主催「半導体体分析セミナ
ナー２０１７」」での、特別別講演を基にに構成したもののです）。
高容
容量バッテリーーを積み増す
す。FCV では HV
H のエンジ

1. トヨタのの環境対応車
車への取り組みみン，ガソリンタンンクを燃料電電池，水素タンンクに積み変ることで対応でできる。
える

自動車業界がが直面する課
課題に，CO2 排出量や大気汚排汚染

2015 年 11 月にに 4 代目プリウ
ウスを発売しし，燃費は 40.8の増加，石油油資源の枯渇渇といった環境境・エネルギーー問

た。燃費向上のの寄与度におkm//L (JC08 モード)を実現した

題が挙げられれる。この問問題に対応するるため，自動車
車メいてて，パワートレーンが約 660%を占めた。エンジン，ーカは，既存存の内燃機関
関の効率向上のの他に，ハイブ
ブリトラ
ランスアクスル
ル，モーターー，パワーコンントロールユッド自動車
車(HV)，プラ グインハイブ
ブリッド自動動車

ニッット(Power Co
ontrol Unit : 以以下 PCU)のハ
ハードの改良，，(PHV)，電気気自動車(EV)，燃料電池自動動車(FCV)など
どのおよよび各ユニットを最大限にに活かす制御開開発によって環境対応車のの開発に取り組んでいる。これらの環境境対燃費費向上を図った
た。本稿ではは，PCU の基幹幹部品である

応車は，電気気を有効活用することでエエネルギーの利利用

パワワーモジュールルについて紹紹介する。

効率を従来以以上に高めるることができるる。そして，CO2排出量を低減減するとともに，将来に向向けて再生可能能な電気や水素ななどの石油代代替エネルギーーへの転換を目指している。トヨタは，持持続可能な社会会に貢献するたためして「環境チチャレンジ 20550」を発表しした。の取組みとし
HV 技術を核核に，電動系環境対応車のの技術開発を推推進し， 2050 年年の新車ベース
スの CO2 排出量量を 2010 年比比で90%削減を目目標とする。
Fig. 1 に示示すように，エンジンとモモータで駆動すする
HV 技術は E
EV，PHV，FFCV のコア技技術であると考考え

Fig.. 1 Development of HV tecchnology forている。HVV で開発したシステムやユユニット技術はは，environmentally-friendlyy vehicles.

すべての電動動系環境対応応車に展開するることができる
る。
たとえば，EEV では HV のエンジンをおのおろし，充電器器，
1

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2.2 PCU 回路

2. パワーモジュール構
構造の変遷

Fig. 4 に，PCU 回路構成を示回示しており，ババッテリー，よび発電用と駆駆動用の二つつのモーターとと接続されておよ

2.1 PCU 構構成いる
る。PCU の機機能は，大きくく 2 つある。1
1 つは，バッFig. 2 に，PCCU 構成を示す
す。PCU は，バッテリー電電圧

テリ
リー電圧をリア
アクトルとパパワーモジューールを使っての昇圧，およよびモーター
ー，発電機の直直流から交流のの電昇圧圧する。もう 1 つは，三相相交流モーターーを駆動させ力変換を担うう。環境対応車
車向け PCU は，は 電力の低損損失るた
ため，パワーモモジュールのの半導体をスイイッチングさ化だけでなく
く，ラゲッジジスペースやユユーティリティ
ィ確せてて直流から交流流に電力変換換する。Fig. 4 中の黄色い保のために，さらなる小小型化が求めらられている。今今回

エリリアは，パワワーモジューールの回路 図を示す。

ジュールに，両面冷却型「パワーカード」のパワーモジIGB
BT(Insulated GateG Bipolar Traansistor)と Dioode の逆並列を採用した。また，高圧圧系，低圧系配配線の接続構造
造をペア
アを上下直列にに接続していいる。今回開発発した「パワ世代比 33%の小小型化を実現した。
その結果
果，
見直し，
旧世ーカ
カード」は，上上下アーム回回路を 1 パッケケージ化した

Fig. 3 に示す
すように，PCCU をトランススアクスル直上上に2in11 構造である。
。これにより，従来の 1in11 構造の技術搭載でき，ススペースを確確保することがができた。そのの空を活活用でき，同等等の出力性能能を実現した場場合と比較しいたスペース
スに，ガソリンエンジン車車同様に補機ババッて，パワースタッック部の体格をを 22%小型化化した。
また，テリーを搭載載できるようになった。ままた，パワー半半導V や高出力モーターを搭載載した車両におおいても，パPHV体を新開発しし，定常損失--スイッチング
グ損失トレードオ

ワー
ーカード枚数をを増やすこととで，迅速に車車種展開する

フの 16%改善
善などにより，PCU の全体体損失を旧世代代比こととができる。

20%低減したた。

U circuit.
Fig. 4 PCU
2.3 パワーモジ
ジュール構造プリウスに搭搭載されたパワワーモジュー
Fig. 5 に，歴代プ構造を示す。第第 2 世代のパパワーモジューール構造は，
ル構
thAlN
N 基板と Al 電極をロウ付け電けした DBA(DDirect Brazed

Fig. 2 P
PCU compone
ents mounted
d in 4 Prius.

Alumminum)にパワワー半導体を はんだ付けししている。その DBA
Dを CuMo ヒートシンンクにはんだ付付けし，グリスをを介して Al 冷却器に放熱し冷している。半半導体表面は，Al ワイヤによりワ導通しているる。
第 3 世代の構造
造は，DBA とと冷却器の間ににパンチング
メタタルを介してロロウ付けしてている。このパパンチングメ
タル
ルは，冷却器かから DBA にに加わる応力をを緩和している。また，グリススを介さないいため「直冷構構造」と呼んおり，熱抵抗はは第 2 世代比比で約 30%向向上している。
でお半導導体表面は，AAl リボンによより導通しておおり，第 2 世Fig. 3 PCU layoout in Enginee room.
2

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代に比べ，打打点数を低減減している。

トレングス（強強度）設計がが必要となる。たとえば，
スト第 4 世代のの構造は，パパワー半導体のの表裏面に Cuu ヒ

Fig. 6 に示すように，ストレレス×ストレンングスの余裕ートシンクををはんだ付けけしている。そそのため，両面面のが不足すると，耐久後のスストレス増加，あるいはス度がヒートシンククから冷却すすることができきる。パワーモモジ

トレ
レングス低下ににより故障がが発生する。ここのように，ュール動作時時，半導体素素子とヒートシシンクの線膨張張係

耐久
久後のストレスス，ストレンングスの変動量量を掌握し，数差により，各材料間にに熱応力が発生生するが，モーール

ストトレス < スト
トレングスの 関係を維持でできる初期品

膨張係数を適適切な範囲にすすることにより，ド樹脂の線膨質設設計が重要とななる。

各はんだ接合合部の歪振幅幅を制御するこことができる。
。このように，世世代毎に低熱熱抵抗化が進みみ，パワーモジ
ジュジュール劣化モモード
3.2 パワーモジールの小型化化が進化している。

ーモジュール
ル外観、断面構構造を示す。
Fig. 7 に，パワーワーモジュール
ルを評価するるにあたり，劣劣化モードにパワ応じじた加速試験をを選択する必必要がある。構構造部位ごとに劣劣化モード例をを挙げると，一つ目が“内内部接続部”でああり，はんだやや Al ワイヤのの接合部であるる。二つ目は“外外部接続部”でである。たととえば，信号端端子のプリント基基板接続，およよびパワー端子
子のバスバーー溶接により，それれぞれ拘束条件件が異なり端端子にストレススが加わる。
三つつ目が本稿で取取り上げる ““モールド樹脂脂封止”に関Fig. 5 Comp
parison of pow
wer modules mounted in

する
るものであり，さらに 3 つつの劣化モードドが挙げられPrius.

る。
一つ目は，樹脂一脂封止によるる応力や樹脂中中のイオン性不純純物による半導導体素子耐圧圧の低下，特性性変動である。

3. 大型モールドの封止止技術

二つつ目は，樹脂絶絶縁劣化によよる端子間短絡絡である。体3.1 安全性性・信頼性設計
計の考え方

積抵
抵抗率や絶縁破破壊電圧，トラッキング指指数(CTI)とい製品設計するる上で，最も重重要なことは安安全設計であある。

ったた樹脂の物性値値が，端子間間短絡に影響すする因子とな万が一，故障障が発生したたとしてもお客客様の安全を確確保る。三つ目は，樹樹脂剥離やククラックによるる保護機能のする思想であある。次に，信頼性設計でであり，第一寿寿命下である。たとえば，樹脂
脂とヒートシンンクの接着界低下部位を定義すする。その際際，安全設計をを考慮した部位
位を面がが剥がれると，外から不純純物イオンが侵侵入し，半導選定する必要要がある。また，劣化モーードとメカニズズム

体デデバイスに影響響を及ぼす。本稿では，樹樹脂密着性をを掌握し，同同時に加速試試験，および加加速係数を測定定す

確保保する上で必要要となる樹脂
脂界面に加わるる応力についる。そして，信頼性試験
験を実施し，統統計的に推定，，検て説説明する。

定する。その次に，初期品品質設計である
る。
定を行い判定部品，材料，工工程バラツキ
キを考慮したス
ストレス（応力力），

Concept of saffety and reliability design.
Fig. 6 CFig.
F 7 Schema
atic of 2in1 poower module structure.
3

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3.3 樹脂内
内部応力の把握握フターキュア温
温度を基準ととしたとき，常常温時にかかアフ化することはは難しく，特ににパッケージ内内部応力を可視化るせせん断歪は 0.221%であった
た。Eq. (1)，(22)より，せんにかかる応力力を直接把握握する手法は限限られているがが，断応応力は 3.2 MPa と見積もることができるる。Fig. 10 に，せん断歪み γ を測定することにより，Eq. (1)，(2)をを用

今回回の実験構造ののせん断応力
力の FEM 解析
析結果を示す。

いて，せん断断応力 τ を計算算することがができる。

歪ゲ
ゲージが位置すする部位のせせん断応力は 3.5
3 MPa であτ=G×γ

Eq. (1)

り，今回実測と計計算による値値に対して，+110%以内の誤G = E / 2(1+ν)

Eq. (2)であることを確確認した。
差で

τ : せん断応応力，G : 横弾性性係数，γ : せん断歪み，
せE: ヤング率，ν : ポアソン比 である。

る樹脂界面の応応力変化
3.4 構造による示すように，光ファイバーー歪ゲージ，熱熱電
Fig. 8 に示

ワーカードは，樹脂成形時時に上下の Cuu ヒートシン
パワ

対を使用してて，モールドド樹脂成形中ののせん断歪，温温度

クにに樹脂が挟まれれた状態で，樹脂は硬化収収縮，およびを測定した。Fig. 9 は，モールド成形形，およびアフフタ

熱収収縮する。そののため，素子子間の樹脂界面面には大きなおける温度，およびせん断断歪結果を示すす。
ーキュアにお引張張応力が加わり，樹脂剥離離が発生しやすすい。素子間の樹樹脂界面にかかかる応力を低低減するには，以下のような手手段が挙げられれる。
(aa) 樹脂の熱収収縮率低減(bb) 構造，材料料変更によるる応力緩和(a)のの樹脂の熱収縮縮率低減の手手段として，高 Tg（ガラス転移移点）の樹脂材材が挙げられれる。モールド
ド成形温度以上のの Tg にするこことで，常温温戻しの過程でで熱収縮率を下げげる効果があるる。(b)の構造
造，材料変更にによる応力緩asurement method
mof shhear strain andFig. 8 Mea

和のの手段として，両端固定支支点はりの計算算式より，ヒtemperature in moldding process..

ートトシンクの低弾弾性材化，薄板板化，および固定距離（素子間間距離）の延長長などが挙げげられる。ヒーートシンクの材料料変更や薄板化化は熱抵抗へへの影響が大ききいため，素子間間距離の延長をを検討した。
Fig. 11 に，素子子間 4 mm，おおよび 6 mm におけるモーにド樹脂成形後かから常温戻しし過程を模擬しした FEM 解ルド
析結結果を示す。素
素子間距離がが大きくなるとと，樹脂界面にかかかる引張応力
力は 10 MPa から 4.7 MPaa と小さくな

Fig. 9 Sheaar strain and temperature. (a) Molding,, (b)ったた。ヒートシンンクが変形ししやすくなり，樹脂密着界Mold ppost cure.

面のの応力を緩和している。
Fig. 12 に，素子子間距離におおける樹脂界面面の引張応力示す。樹脂界面面への引張応応力は，モールルド成形，あを示
るい
いはポストキュュアから常温温戻し過程で発発生する。そのたため，成形，アアフターキュュア温度(180 °C° 相当)の密着強強度で設計成立立させる必要要がある。素子
子間 4 mm に
おいいて，密着強度度の余裕度はは不足していた
たが，素子間を 6 mm に広げるることで引張張応力は 50%以以上低減した。
。
そのの結果，密着強強度のバラツツキ下限値に対対しても，十分なな余裕度を確保保することがができた。
old resin of poower
Fig. 10 Analyysis of shear stress on momodule
e by FEM.
4

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硬化性プラスチック一般試
試験方法（JISFig. 14 に，熱硬911）と使用上上の注意点を示示す。簡略化化した立方体
K69モデ
デルで説明するる。常温時のの金型寸法を a，アフターaキュ
ュア後の樹脂寸寸法を c とししたとき，JIS 規格の成型収規
縮率率は，(a-c) / a と定義されるる。成形温度度基準で樹脂収縮縮率を定義する
る場合，成形形温度におけるる金型膨張分の樹
樹脂体積が見込込まれていなない。また，JIIS 規格の成形収収縮率は，樹脂脂反応によるる硬化収縮分とと線膨張係数によよる熱収縮分のの合算値とななっているためめ，目的に応Fig. 11 Ana
alysis of tenssile stress onn resin/heat sink

じてて分ける必要ががある。

interfacce between IGBT and diodde by FEM.

Fig. 15 に，成形形温度基準ででの樹脂収縮率率を補正する
算例を示す。成成形温度基準
準に収縮率を補補正するため計算に，金型の膨張分分を加える必必要がある。金金型の α を 12ppmm/K としたとき，温度差(ΔΔT)を乗じて金金型膨張分をJIS 測定値に加算算する。熱収収縮分と硬化収収縮分に分け必要がある場合
合，熱収縮分分は，樹脂の Tg，および線Tる必膨張張係数(α1，α22)を用いて図図中の計算手順
順で見積もることとができる。全全体収縮率（（JIS 測定値とと金型膨張分の補補正値の合計））から熱収縮縮分を差し引いいた値が，硬omparison off tensile stre
ess by dista
ance
Fig. 12 Co

化収収縮分となる。
。

betweeen IGBT and diode in moldding process..
界面応力見積ももり時の注意点
点
3.5 樹脂界Fig. 13 に，モ
モールド樹脂のの成形収縮のイイメージを示示す。
成形温度を基基準温度としし，樹脂注入後後常温に戻す過過程の応力見積ももり方法につついて説明する
る。最初に，成成形温度を 175 °°C で応力フリリーと定義する
る。樹脂は金型型に充填されていいる間に硬化化収縮が始まる
る。また，常温温に戻す過程で，線膨張係数数(α1，α2)により熱収縮する
る。
ーキュアをすすると，さらに α1，その後，180 °C でアフター硬化収縮する
る。アフターキ
キュアにより Tg
α2 を経て，硬Fig. 14 Attentio
on points on mmolding shrin
nkage ratio.

は上昇する。Tg が，アフターキュア温温度以上になっった
温戻しの過程程で α2 の影響は受けず α1 分
分の場合は，常温み熱収縮するる。そのため，アフターキキュア後の収縮縮率は，成形後にに比べて小さくなる。

Fig.. 15 Reference correctionn at molding temperatureof resin shrrinkage rate.
hrinkage of ep
poxy resin.
Fig. 13 Molding sh5

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JIS 規格の常常温基準(23 °C)での収縮率率は 0.25%でああっの角度，すなわわちウェルドド会合角を示す
す。ウェルド位のたが，成形温温度基準(175 °C)では 0.43%%（うち硬化収収縮部はは空気を巻き込込みやすく，樹脂ボイドがが発生しやす分 0.08%，熱熱収縮分 0.35%%）となる。

い。実機でのショートショッットにより，樹樹脂合流部を認したところ，流動解析のの合流部とよくく一致した。
確認

縮率の線膨張係数換算
3.6 樹脂収縮

こののように，ゲーート位置を適適切な位置に設設計すること

熱応力 CAE
E を使って，硬化収縮分ののみ応力計算ししたで，ウェルド部をを制御し，エエアーベント周周辺に近づけい場合，樹脂脂収縮率を線膨膨張係数へ換算算する事例をを Fig.

ことができる。
。
るこ

16 で紹介すする。成形温度度 175 °C のととき，応力フリーを 175.01 °C とする。と硬化収収縮分 0.08%をを温の開始温度を度差 0.01 °CC で除した値をを線膨張係数数(80000 ppm/KK)に置き換える。この際，応力力フリー温度をを 175 °C よりりも，定すると，他他の部材（たととえば，銅）のの収高い値に設定
縮の影響を受受けやすくなるため注意がが必要である。
。また，常温に戻戻す場合の応応力解析も同同様に，全収縮縮率0.43%を温度度差 150 °C で除した値をでを線膨張係数((28.7ppm/K)に置きき換えて計算算する。
aoutput oof 3D TIMON
N ~ReactiveFig.. 17 Input andこのようにに，樹脂収縮縮率を線膨張係係数に置き換ええるmold~.

ことで，簡便便に応力解析
析ができる。Fiig. 10 のせん断断応
力の CAE 結
結果は，これれらの樹脂収縮縮率を線膨張係係数に補正したもものである。

e in molding
Fig.. 18 Time distribution andd weld angle
flow by 3D TIMON.
near
Fig. 16 Convversion of ressin shrinkage to thermal lin
大主応力と体体積収縮率の解解析事例であFig. 19 は，最大expanssion coefficient.

動画で表示すすることができきる。最大主る。こちらも，動MON～Reacttive Mold～のの活用事例
3.7 3D TIM

力の赤色表示が 30 MPa 程
程度，緑からら青色表示が応力

Fig. 17 に示示すように，モールド流動動解析ソフト 3D5~10 MPa 程度でであるため，Figig. 11 で示したた数値と良くTIMON （東東レエンジニア
アリング（株株））は，樹脂成成形致していた。ままた，体積収収縮率についてても面内分布一致時の様々な動動的な挙動を可視化し，解解析することががでとしして表示するこことができ，他のソルバーーとの連成解きる。その活活用の一例として，ウェル
ルド会合角，最最大析もも可能である。
。
今後の流動解析今析ソフトへのの期待は，成形形，およびア主応力と体積積収縮率の解解析事例を紹介介する。
Fig. 18 左側側は，樹脂流流動解析の結果果を示す。スケケー

フタ
ターキュア時のの応力分布ののさらなる精度度向上である。
。

ルバーは時間間を示す。実実際は，動画でで表示することとがまたた，設計者が使使い慣れた応応力解析専用ソソルバーと簡できる。こののように，樹樹脂の充填経路路を可視化する
るこ

便にに連成解析でききると，過去去の知見を活用用することもとができるた
ため，樹脂のゲート位置をを設計する際，，有でききる。ただし，ユーザ側ににおいては，金金型内で起き効なツールととなる。Fig. 18
1 右側に，樹樹脂が合流する
る部ていいる挙動を実機機検証する技技術が求められれる。
6

The TRC News, 2017009-01 (Septeember 2017))

5. 謝辞
第 4 世代 PCU は，株式会社は社デンソーとのの共同開発の成果果である。
このの場をお借りしして感謝の意意を表します。

門口口 卓矢（かかどぐち たくや）
トヨヨタ自動車株式式会社
パワワートレーンカカンパニー
エレレクトロニクス
ス生技部 電電子ユニット計計画室

Fig. 19 MMaximum priincipal stresss and voluume

主幹
幹shrinka
age ratio by 3D
3 TIMON.

4. まとめパワーエレククトロニクス技術は，環境境対応車に共通通のキーテクノロロジーである。その中でもも，主要部品でであるパワーモジ
ジュールは，低損失，小型型，低コスト化化が求められていいる。
モールド樹
樹脂封止は，Cu
C 放熱板実装
装の信頼性を確確保する上で必須須の技術であり，モールドド内部で起こっっている事象を可可視化することが重要であある。CAE ににて，成形，アフタターキュア過過程の動的（過過渡的）な応力力分布を把握でききると，設計計力の向上につつながり，試作作・評価工数を大大幅に削減でできる。
次世代環境境対応車の性性能向上を加速速させるには，，デバイス性能をを最大限に引き出す「実装装技術」がキーーテ
クノロジーでであり，今後後も高信頼性をを確保した魅力力ある製品開発をを進めていく。

0 Summary.
Fig. 207