特許 6559728 半導体装置及び電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6559728

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】半導体装置及び電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/48 20060101AFI20190805BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20190805BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20190805BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/48 K

   H01L25/04 C

   H01L23/48 G

   H02M7/48 Z

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-74822(P2017-74822)

(22)【出願日】2017年4月4日

(65)【公開番号】特開2018-181919(P2018-181919A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2018年6月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】西部 祐司

(72)【発明者】

【氏名】景山 恭行

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 康善

(72)【発明者】

【氏名】三浦 進一

(72)【発明者】

【氏名】柳生 泰秀

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２２３８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０９５５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０６６７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０５９１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０５７８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２２４２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０９１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６７７８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２３／２９

２３／３４ −２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４８

２３／５０

２５／００ −２５／０７

２５／１０ −２５／１１

２５／１６ −２５／１８

Ｈ０２Ｍ ７／４２ − ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子を封止する封止樹脂と、
各々が、前記パワー半導体素子に電気的に接続され且つ前記封止樹脂の表面から突出した突出部を有する複数の電気端子と、
を含み、
前記突出部は、突出方向における前記封止樹脂の側に設けられ、前記突出方向と交差する断面の形状が円形またはオーバル形状である第１の部分と、前記突出方向の先端側に設けられた平板状の第２の部分と、を含み、
前記第１の部分の前記突出方向と交差する断面の面積と、前記第２の部分の前記突出方向と交差する断面の面積とが同じである
半導体装置。

【請求項2】

少なくとも１つのパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子を封止する封止樹脂と、
各々が、前記パワー半導体素子に電気的に接続され且つ前記封止樹脂の表面から突出した突出部を有する複数の電気端子と、
を含み、
前記突出部は、突出方向における前記封止樹脂の側に設けられ、前記突出方向と交差する断面の形状が円形またはオーバル形状である第１の部分と、前記突出方向の先端側に設けられた平板状の第２の部分と、を含み、
前記第１の部分は、前記複数の電気端子が並ぶ端子配列方向における端面が、前記端子配列方向と交差する方向における長さの２分の１の逆数に相当する曲率を有する曲面である
半導体装置。

【請求項3】

第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを前記パワー半導体素子として含み、
前記複数の電気端子は、前記第１のトランジスタのコレクタに接続された第１の電気端子と、前記第２のトランジスタのエミッタに接続された第２の電気端子と、前記第１のトランジスタのエミッタに接続されるとともに前記第２のトランジスタのコレクタに接続された第３の電気端子と、を含む
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

複数の半導体装置が、冷却器を間に挟んで積層された電力変換装置であって、
前記複数の半導体装置の各々は、
少なくとも１つのパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子を封止する封止樹脂と、
各々が、前記パワー半導体素子に電気的に接続され且つ前記封止樹脂の表面から突出した突出部を有する複数の電気端子と、
を含み、
前記突出部は、突出方向における前記封止樹脂の側に設けられ、前記突出方向と交差する断面の形状が円形またはオーバル形状である第１の部分と、前記突出方向の先端側に設けられた平板状の第２の部分と、を含む
電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パワー半導体を備えたパワーモジュールに関する技術として、以下の技術が知られている。例えば特許文献１には、複数のパワーモジュールを含んで構成されるインバータにおいて、直列接続された２つのコンデンサの接続点を接地して構成されるＹコンデンサをノイズバイパス手段として用いることが記載されている。

【0003】

また、特許文献２には、上アームと下アームのスイッチング素子を備え、樹脂モールドされてモジュールが構成される電力変換装置に用いられる平板状のバスバーに関する技術が記載されている。このバスバーにおいて、Ｐ電極とＮ電極とが、絶縁層を挟んで、厚さ方向において、少なくとも一部が互いに重なるように配置されてなり、表面実装型の容量素子で構成されたスナバ回路が、Ｐ電極とＮ電極の間に電気接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−１０６５０３号公報

【特許文献2】特開２０１５−０９５９６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パワー半導体を備えたパワーモジュールにおいては、パワーデバイスの性能向上、実装技術及び冷却技術の進展により、電力密度が高まりつつあり、体格の低減が進展している。このような状況において、これまで熱設計上の理由による体格制限によりマスキングされていた絶縁性能確保のための沿面距離確保の影響が顕在化している。パワーモジュールにおいて、今後さらなる小型化を実現するためには、高圧を発生する電気端子間の絶縁距離を短くすることが必要と考えられる。

【0006】

高速で動作するパワーデバイスの場合には、配線の寄生インダクタンスにより大きなサージ電圧が発生して絶縁設計がより困難となる。パワーモジュールにおける絶縁性能は、沿面放電が決定していることから、電気端子間の絶縁距離を確保することが必要となる。しかしながら、その場合には、パワーモジュールの体格が大きくなる。

【0007】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、電気端子間における沿面放電の発生を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る半導体装置は、少なくとも１つのパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を封止する封止樹脂と、各々が、前記パワー半導体素子に電気的に接続され且つ前記封止樹脂の表面から突出した突出部を有する複数の電気端子と、を含む。前記突出部は、突出方向における前記封止樹脂の側に設けられ、前記突出方向と交差する断面の形状が円形またはオーバル形状である第１の部分と、前記突出方向の先端側に設けられた平板状の第２の部分と、を含む。

【0009】

本発明に係る半導体装置において、前記第１の部分の前記突出方向と交差する断面の面積と、前記第２の部分の前記突出方向と交差する断面の面積とが同じであることが好ましい。

【0010】

前記第１の部分は、前記複数の電気端子が並ぶ端子配列方向における端面が、前記端子配列方向と交差する方向における長さの２分の１の逆数に相当する曲率を有する曲面であってもよい。

【0011】

本発明に係る半導体装置は、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを前記パワー半導体素子として含み得る。この場合、前記複数の電気端子は、前記第１のトランジスタのコレクタに接続された第１の電気端子と、前記第２のトランジスタのエミッタに接続された第２の電気端子と、前記第１のトランジスタのエミッタに接続されるとともに前記第２のトランジスタのコレクタに接続された第３の電気端子と、を含んでいてもよい。

【0012】

本発明に係る電力変換装置は、複数の半導体装置が、冷却器を間に挟んで積層された電力変換装置であって、前記複数の半導体装置の各々は、少なくとも１つのパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を封止する封止樹脂と、各々が、前記パワー半導体素子に電気的に接続され且つ前記封止樹脂の表面から突出した突出部を有する複数の電気端子と、を含む。前記突出部は、突出方向における前記封止樹脂の側に設けられ、前記突出方向と交差する断面の形状が円形またはオーバル形状である第１の部分と、前記突出方向の先端側に設けられた平板状の第２の部分と、を含む。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電気端子間における沿面放電の発生を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの平面図である。

【図3A】図２における３Ａ−３Ａ線に沿った断面図である。

【図3B】図２における３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図である。

【図4A】図２における４Ａ−４Ａ線に沿った断面図である。

【図4B】図２における４Ｂ−４Ｂ線に沿った断面図である。

【図5】本発明のパワーモジュールの構成を示す等価回路図である。

【図6】本発明の実施形態に係るインバータの構成を示す回路図である。

【図7】本発明の実施形態に係るインバータの断面図である。

【図8】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの電気端子間に発生する電圧サージ波形を示す図である。

【図9A】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの電気端子間に発生する電圧サージ波形における各時点において電気端子間に生じる現象を示す図である。

【図9B】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの電気端子間に発生する電圧サージ波形における各時点において電気端子間に生じる現象を示す図である。

【図9C】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの電気端子間に発生する電圧サージ波形における各時点において電気端子間に生じる現象を示す図である。

【図10】比較例に係るパワーモジュールの構成を示す斜視図である。

【図11】比較例に係るパワーモジュールを含んで構成されるインバータの断面図である。

【図12A】本発明の実施形態に係る電気端子の突出部の第１の部分の断面形状の他の例を示す断面図である。

【図12B】本発明の実施形態に係る電気端子の突出部の第１の部分の断面形状の他の例を示す断面図である。

【図13】本発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す斜視図である。

【図14】図１３における１４−１４線に沿った断面図である。

【図15】本発明の実施形態に係るパワーモジュール及び比較例に係るパワーモジュールにおける電気端子間の電界分布を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。

【0016】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置としてのパワーモジュール１０の構成を示す斜視図である。図２は、パワーモジュール１０の平面図である。図３Ａは、図２における３Ａ−３Ａ線に沿った断面図、図３Ｂは、図２における３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図である。図４Ａは、図２における４Ａ−４Ａ線に沿った断面図、図４Ｂは、図２における４Ｂ−４Ｂ線に沿った断面図である。図５は、パワーモジュール１０の等価回路図である。

【0017】

図３Ａ及び図５に示すように、パワーモジュール１０は、直列接続された２つのパワー半導体素子１１Ａ及び１１Ｂを含んで構成されている。パワー半導体素子１１Ａ及び１１Ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワーデバイスである。なお、パワー半導体素子１１Ａ及び１１Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Efect Transistor）またはバイポーラトランジスタ等のＩＧＢＴ以外の他のパワーデバイスであってもよい。図５に示すように、パワーモジュール１０は、パワー半導体素子１１Ａのコレクタに接続されたＰ端子２０Ｐ、パワー半導体素子１１Ｂのエミッタに接続されたＮ端子２０Ｎ、パワー半導体素子１１Ａのエミッタに接続されるとともにパワー半導体素子１１Ｂのコレクタに接続されたＯ端子２０Ｏを有する。パワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂのエミッタ−コレクタ間には、ダイオード４０Ａ及び４０Ｂが接続されている。

【0018】

図３Ａに示すように、パワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂの一方の面には、それぞれ、半田１２を介して放熱板１３Ａ、１３Ｂが接合されている。パワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂの他方の面には、それぞれ、スペーサ１４を介して、放熱板１５Ａ、１５Ｂが接合されている。放熱板１３Ａ、１３Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ及びスペーサ１４は、それぞれ、Ｃｕなどの熱伝導率の比較的高い材料で構成されている。このように、本実施形態に係るパワーモジュール１０は、パワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂの両面に放熱経路を有する、両面冷却型のパワーモジュールである。

【0019】

パワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂ、放熱板１３Ａ、１３Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ及びスペーサ１４は、モールド樹脂１６によって封止され、モールド樹脂１６の内部に埋設されている。モールド樹脂１６は、例えばエポキシ樹脂であってもよい。放熱板１５Ａ、１５Ｂの表面は、モールド樹脂１６の表面Ｓ１の表面から露出している。同様に、放熱板１３Ａ、１３Ｂの表面は、モールド樹脂１６の表面Ｓ２の表面から露出している。なお、本実施形態において放熱板１５Ａは、Ｏ端子２０Ｏに電気的に接続され、放熱板１５Ｂは、Ｎ端子２０Ｎに電気的に接続され、放熱板１３Ａは、Ｐ端子２０Ｐに電気的に接続され、放熱板１３Ｂは、Ｏ端子２０Ｏに電気的に接続されている。

【0020】

パワーモジュール１０は、パワー半導体素子１１Ａ及び１１Ｂの少なくとも一方に電気的に接続された電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏを有する。電気端子３０Ｐは、Ｐ端子２０Ｐを構成し、電気端子３０Ｎは、Ｎ端子２０Ｎを構成し、電気端子３０Ｏは、Ｏ端子２０Ｏを構成する。

【0021】

図１、図２及び図３Ｂに示すように、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏは、それぞれ、モールド樹脂１６内に埋設された部分３１及びモールド樹脂１６の表面Ｓ３から突出した突出部３２を有している。電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏは、突出部３２の突出方向（Ｙ方向）に対して直交する方向（Ｘ方向）に沿って、互いに離間して設けられている。

【0022】

電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２は、それぞれ、モールド樹脂１６の側（根元側）に設けられた第１の部分３２ａと、突出部３２の突出方向（Ｙ方向）の先端側に設けられた第２の部分３２ｂを有する。突出部３２の第１の部分３２ａと第２の部分３２ｂは、互いに異なる形状を有する。本実施形態において、突出部３２の第１の部分３２ａの形状は円柱形状である。すなわち、突出部３２の第１の部分３２ａの突出方向（Ｙ方向）と直交する断面（Ｘ−Ｚ面と平行な断面）の形状は、図４Ａに示すように円形である。一方、突出部３２の第２の部分３２ｂの形状は、Ｘ−Ｙ面と平行な平坦面を有する平板形状であり、突出部３２の第２の部分３２ｂの突出方向（Ｙ方向）と直交する断面（Ｘ−Ｚ面と平行な断面）の形状は、図４Ｂに示すように矩形である。なお、本実施形態において、突出部３２の第２の部分３２ｂのＸ−Ｙ平面における平面形状は、図２に示すように矩形形状とされているが、この態様に限定されず、任意の形状とすることができる。また、突出部３２の第２の部分３２ｂにおける平坦面の向きは、突出部３２の突出方向と平行な軸（Ｙ軸）を回転軸として任意の角度だけ回転させて構成することも可能である。

【0023】

突出部３２の第１の部分３２ａの突出方向と直交する断面（Ｘ−Ｚ面と平行な断面）の面積と、突出部３２の第２の部分３２ｂの突出方向と直交する断面（Ｘ−Ｚ面と平行な断面）の面積とが同じである。すなわち、図４Ａに示す円形の直径をＤとし、図４Ｂに示す矩形の幅及び高さをそれぞれ、Ｗ及びＨとすると、下記の（１）式が成立する。
π×（Ｄ／２）^２＝Ｗ×Ｈ ・・・（１）
断面積を同じとするのは大電流を流して損失を低減させるために必要最小限となる断面積で規定するものである。これを大きくすると重量増、体格増となり問題となる。

【0024】

図６は、３つのパワーモジュール１０を組み合せて構成される、本発明の実施形態に係る電力変換装置としてのインバータ１００の構成を示す回路図である。インバータ１００は、直流電力を、三相交流電力に変化し、モータ５０を駆動する。インバータ１００を構成する３つのパワーモジュール１０は、それぞれ、三相交流電力の、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相に対応する。各パワーモジュール１０のパワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、各相の上アーム用のスイッチ及び下アーム用のスイッチとして機能する。各相のパワー半導体素子１１Ａ、１１Ｂが、所定のタイミングでオンオフすることによりモータ５０が駆動される。

【0025】

図７は、３つのパワーモジュール１０を含んで構成されるインバータ１００の断面図である。３つのパワーモジュール１０は、冷却器６０を間に挟んで積層されている。すなわち、冷却器６０とパワーモジュール１０とが交互に積層されており、各パワーモジュール１０の両面に、冷却器６０が接合されている。冷却器６０は、例えばＡｌ等の金属で構成されている。冷却器６０の冷却方式は、空冷方式及び水冷方式のいずれであってもよい。冷却器６０とパワーモジュール１０との間には、ＳｉＮ等のセラミックで構成された絶縁板６１が設けられており、モールド樹脂１６の表面から露出している放熱板１３Ａ、１３Ｂ、１５Ａ、１５Ｂと冷却器６０との間で絶縁がとられている。

【0026】

以下に、パワーモジュールにおいて、電気端子間で、モールド樹脂の表面に沿った放電、すなわち沿面放電が起こるメカニズムについて説明する。複数のパワーモジュールを用いて、図６に示すインバータを構成し、各パワーモジュールを動作させた場合、パワーモジュールの電気端子間には、図８に示す波形のサージ電圧が発生する。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、図８に示す各時点において電気端子間に生じる現象を示した図である。なお、図９Ａ〜図９Ｃには、電気端子３０のモールド樹脂１６から突出した突出部の形状を円柱としたモデルケースが例示されている。

【0027】

サージ電圧波形のピーク電圧Ｖｐが電気端子３０間に発生するタイミングｔ１において、電気端子３０の表面近傍の電界が最も大きくなり、電気端子３０の表面近傍において部分放電が発生する（初期電荷の発生）（図９Ａ）。

【0028】

ピーク電圧Ｖｐ発生後の、電圧レベルが一定である保持電圧Ｖｈが発生するタイミングｔ２において、部分放電により発生した放電電荷が移動して、放電電荷が対向する電気端子３０の近傍にまで到達する。この電荷は、ヘテロ電荷と呼ばれている。ヘテロ電荷は、対向する電気端子３０の近傍に存在し、電気端子３０の極性とは逆極性の電荷である。ヘテロ電荷と電気端子３０との間で電界集中が発生する（図９Ｂ）。

【0029】

その後、サージ電圧波形の次のピーク電圧Ｖｐが電気端子３０間に発生するタイミングｔ３において、さらなる電界集中が発生して、なだれ的な放電が発生して絶縁破壊に至る（図９Ｃ）。

【0030】

この沿面放電の発生メカニズムによると、部分放電が絶縁破壊に至る火花放電の起点であることが分かる。したがって、部分放電の発生を抑制すれば、沿面放電の発生を抑制でき、電気端子間の絶縁性能が向上する。

【0031】

図１０は、比較例に係るパワーモジュール１０Ｘの構成を示す斜視図である。比較例に係るパワーモジュール１０Ｘは、電気端子３０ＸＰ、３０ＸＮ及び３０ＸＯの形状が、本実施形態に係るパワーモジュール１０における電気端子と異なる。すなわち、比較例に係るパワーモジュール１０Ｘの電気端子３０ＸＰ、３０ＸＮ、３０ＸＯは、モールド樹脂１６の表面Ｓ３から突出した突出部３２の形状が、単純な直方体の平板状とされている。このように電気端子３０ＸＰ、３０ＸＮ、３０ＸＯの突出部３２の形状が、単純な直方体である場合、電気端子３０ＸＰ、３０ＸＮ、３０ＸＯの角部において電界集中が生じやすく、電気端子３０ＸＰと３０ＸＮとの間の領域Ｇ１、または、電気端子３０ＸＮと３０ＸＯとの間の領域Ｇ２で、モールド樹脂１６の表面に沿った沿面放電が起きやすい。

【0032】

図１１は、比較例に係るパワーモジュール１０Ｘと冷却器６０とを交互に積層して構成されるインバータ１００Ｘの断面図である。比較例に係るパワーモジュール１０Ｘによれば、電気端子間における沿面放電のみならず、電気端子３０ＸＰ、３０ＸＮ及び３０ＸＯと、冷却器６０との間の領域Ｇ３で、モールド樹脂１６及び絶縁板６１の表面に沿った沿面放電が起きやすい。

【0033】

一方、本発明の実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの、モールド樹脂１６から突出した突出部３２の、モールド樹脂１６側に配置された第１の部分３２ａの断面形状は、図４Ａに示すように円形である。このように、第１の部分３２ａの形状を、角部を有さない滑らかな曲面形状とすることで、電気端子３０Ｐと３０Ｎとの間、及び電気端子３０Ｎと３０Ｏとの間の沿面部における電界集中を緩和することができる。これにより、部分放電（放電の起点となる初期電子の発生）の発生が抑制され、その結果、沿面放電の発生が抑制される。すなわち、本発明の実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、電気端子間の絶縁性能を高めることができる。特に、突出部３２の第１の部分３２ａの断面形状を円形とすることで、不平等電界の発生が効率的に抑制され、絶縁性能を向上させる効果を促進できる。このように、本実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、電気端子間の絶縁性能を向上させることできるので、電気端子間の絶縁を確保するための端子間距離を従来よりも短くすることができる。従って、パワーモジュール１０の体格を従来よりも小さくすることができる。

【0034】

また、図７に示すように複数のパワーモジュール１０を、冷却器６０を間に挟んで積層した場合においても、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ及び３０Ｏと、冷却器６０との間で、モールド樹脂１６及び絶縁板６１の表面に沿った沿面放電の発生を抑制することができる。すなわち、本実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、電気端子間のみならず、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ及び３０Ｏと冷却器６０との間の絶縁性能をも向上させることができる。

【0035】

また、本実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの、突出部３２の先端側に配置された第２の部分３２ｂの形状が、平板状とされている。電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏには、平板状のバスバー（図示せず）を介してモータ等の外部装置に接続されることが想定されるところ、仮に、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２が、円柱形状の部分のみで構成されている場合、平板状のバスバーと、円柱形状の電気端子との接触面積を確保することができず、接触抵抗が高くなる。電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏには、大電流が流れるので、接触抵抗が高くなると、損失が大きくなる。そこで、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの、突出部３２の先端側に平板状の第２の部分３２ｂを設け、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏとバスバーとの接続を、第２の部分３２ｂにおいて行うことで、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏとバスバーとの接触面積を大きくすることができ、接触抵抗の増大を抑制することができる。

【0036】

このように、本実施形態に係るパワーモジュール１０においては、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２のモールド樹脂側（根元側）に配置される第１の部分３２ａの形状が、沿面放電（部分放電）の発生を抑制し得る滑らかな曲面形状とされ、沿面放電の発生に寄与しない突出部３２の先端側に配置される第２の部分３２ｂの形状が、バスバーとの電気接続に適した平板状とされている。

【0037】

また、本実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２の第１の部分３２ａの突出方向と直交する断面（図４Ａに示す断面）の面積と、突出部３２の第２の部分３２ｂの突出方向と直交する断面（図４Ｂに示す断面）の面積とが同じである。電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏには、大電流を流すために、各電気端子において、所定の大きさ以上の断面積を確保する必要がある。突出部３２の第１の部分３２ａ及び第２の部分３２ｂの断面積を揃えることで、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの全体に亘って、必要な断面積を確保することができる。

【0038】

なお、本実施形態において、突出部３２の第１の部分３２ａの、突出方向と直交する断面の形状を円形とする場合を例示したが、この態様に限定されるものではない。突出部３２の第１の部分３２ａの、突出方向と直交する断面の形状は、例えば、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すような、オーバル形状であってもよい。オーバル形状には、図１２Ａに示すような楕円形、図１２Ｂに示すようないわゆる長円形及びこれらに類する形状が含まれる。なお、長円形とは、半径の等しい２つの半円を共通外接線でつないだ形状をいう。このように、突出部３２の第１の部分３２ａの、突出方向と直交する断面の形状をオーバル形状とする場合においても、電気端子間における沿面放電及び電気端子と冷却器との間における沿面放電の発生を抑制することができる。

【0039】

［第２の実施形態］
図１３は、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａの構成を示す斜視図である。図１４は、図１３における１４−１４線に沿った断面図である。パワーモジュール１０Ａは、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの形状が、第１の実施形態に係るパワーモジュール１０と異なる。すなわち、パワーモジュール１０Ａの電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２の、突出方向（Ｙ方向）と直交する断面（Ｘ−Ｚ面と平行な断面）の形状は、図１４に示すように長円形である。より具体的には、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２の、端子配列方向（Ｘ方向）における端面が、端子配列方向（Ｘ方向）と直交する板厚方向（Ｚ方向）における厚さＴの２分の１の逆数（２／Ｔ）に相当する曲率を有する曲面である。換言すれば、突出部３２は、図１４に示す断面における、突出部３２の端子配列方向（Ｘ方向）における端部の形状が、半径Ｔ／２の半円形である。これは、必要最小限の加工で対応できる形状である。

【0040】

電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの形状を、図１３及び図１４に示す形状とすることで、電気端子３０Ｐと３０Ｎとの間、及び電気端子３０Ｎと３０Ｏとの間の沿面部における電界集中を緩和することができる。これにより、電気端子間における沿面放電の発生が抑制され、電気端子間の絶縁性能を高めることができる。また、図７に示すように複数のパワーモジュール１０を、冷却器６０を間に挟んで積層した場合においても、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ及び３０Ｏと、冷却器６０との間での沿面放電の発生を抑制することができる。すなわち、本実施形態に係るパワーモジュール１０Ａによれば、第１の実施形態に係るパワーモジュール１０と同様、電気端子間のみならず、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ及び３０Ｏと冷却器６０との間の絶縁性能をも向上させることができる。

【0041】

図１５は、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａ及び比較例に係るパワーモジュール１０Ｘ（図１０参照）における電気端子間（図１０に示す領域Ｇ１及びＧ２に対応する領域）の電界分布を示すグラフである。図１５に示すグラフにおいて、縦軸は、電界強度を示し、横軸は、端子配列方向（Ｘ方向）における位置を示しており、電気端子３０Ｐの右端をＸ方向位置におけるゼロ点とする。図１５に示すグラフにおいて、実線が本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａに対応し、破線が比較例に係るパワーモジュール１０Ｘに対応する。

【0042】

図１５に示すように、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａによれば、電気端子の近傍における電界強度を、比較例に係るパワーモジュール１０Ｘよりも低くすることができる。すなわち、パワーモジュール１０Ａによれば、電気端子近傍における電界集中を緩和させ、部分放電の発生を抑制することができる。

【0043】

また、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａによれば、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏの突出部３２が平坦面を有するので、バスバーとの接触面積を確保することができる。従って、第１の実施形態に係るパワーモジュール１０のように、突出部３２の根元側と先端側とで形状を異ならせることを要しない。

【0044】

このように、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａによれば、電気端子３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏにおいて、端子配列方向（Ｘ方向）の端面の加工という最小限の加工を施すだけで、各電気端子間で形成される沿面部、及び各電気端子と冷却器との間の沿面部における電界集中を緩和することが可能となる。従って、電気端子間の絶縁を確保するために必要な端子間距離を、従来よりも短くすることができ、パワーモジュール１０の体格を従来よりも小さくすることができる。

【0045】

なお、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール１０Ａにおける電気端子の突出部３２の形状を、第１の実施形態に係るパワーモジュール１０における電気端子の突出部３２の第１の部分３２ａの形状として適用することも可能である。

【符号の説明】

【0046】

１０、１０Ａ パワーモジュール
１１Ａ、１１Ｂ パワー半導体素子
１６ モールド樹脂
３０Ｐ、３０Ｎ、３０Ｏ 電気端子
３２ 突出部
３２ａ 第１の部分
３２ｂ 第２の部分
６０ 冷却器
１００ インバータ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14】

【図15】