特開 2024-154108 パワーモジュール、パワーモジュールの製造方法および電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024154108

(43)【公開日】2024-10-30

(54)【発明の名称】パワーモジュール、パワーモジュールの製造方法および電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20241023BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20241023BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241023BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/48 G

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023067745

(22)【出願日】2023-04-18

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】川添 智香

(72)【発明者】

【氏名】藤野 純司

(72)【発明者】

【氏名】小川 翔平

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA01

5H770DA03

5H770QA01

5H770QA05

5H770QA06

5H770QA08

(57)【要約】

【課題】製造コストの増加を抑制でき、ワイヤボンドの信頼性を向上したパワーモジュールを提供する。
【解決手段】基板と、基板とは反対側の上面に設けられた上面主電極および制御信号が供給される信号電極を有し、上面とは反対側の下面が基板に第１の接合材により接合されるスイッチングデバイスと、基板が第１の接合材により接合されるベース板と、スイッチングデバイスの主電流が流れる電極板と、スイッチングデバイスの制御信号が供給され、信号電極とワイヤを介して接続された信号端子と、基板を囲むように設けられ、ベース板の上に接合されたケースと、を備え、電極板は、一方端がスイッチングデバイスの上面主電極に第２の接合材により接合され、信号端子は、一方端がワイヤに接続され、スイッチングデバイスは、少なくとも上面主電極と信号電極との間に設けられ、信号電極の厚みよりも高い樹脂で構成された凸部を有している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板とは反対側の上面に設けられた上面主電極および制御信号が供給される信号電極を有し、前記上面とは反対側の下面が前記基板に第１の接合材により接合されるスイッチングデバイスと、
前記基板が前記第１の接合材により接合されるベース板と、
前記スイッチングデバイスの主電流が流れる電極板と、
前記スイッチングデバイスの前記制御信号が供給され、前記信号電極とワイヤを介して接続された信号端子と、
前記基板を囲むように設けられ、前記ベース板の上に接合されたケースと、を備え、
前記電極板は、
一方端が前記スイッチングデバイスの前記上面主電極に第２の接合材により接合され、他方端側が前記ケースの壁面内にインサートされ、
前記信号端子は、
一方端が前記ワイヤに接続され、他方端側が前記ケースの壁面内にインサートされ、
前記スイッチングデバイスは、
少なくとも前記上面主電極と前記信号電極との間に設けられ、前記信号電極の厚みよりも高い樹脂で構成された凸部を有する、パワーモジュール。

【請求項2】

前記凸部は、
前記信号電極の配設領域を囲むように設けられる、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項3】

前記凸部は、
前記信号電極の配設領域を多重で囲むように設けられる、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項4】

前記第１および第２の接合材は、ハンダで構成される、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項5】

請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
(ａ)前記ベース板、前記基板および前記スイッチングデバイスを、それぞれの間に溶融前の前記第１の接合材を介して積層し、積層体を加熱して前記第１の接合材を溶融させる工程と、
前記工程(ａ)の後、
(ｂ)少なくとも前記スイッチングデバイスの前記上面主電極と前記信号電極との間に樹脂材を配置する工程と、
前記工程(ｂ)の後、
(ｄ)前記電極板の前記一方端の下面が前記スイッチングデバイスの前記上面主電極との間に溶融前の前記第２の接合材を間に介して対向するように、前記ケースを接着剤を間に介して前記ベース板上に搭載する工程と、
前記工程(ｄ)の後、
(ｅ)前記樹脂材を硬化させて前記凸部を形成すると共に前記第２の接合材を溶融させるように加熱する工程と、
前記工程(ｅ)の後、
(ｆ)前記信号電極と前記信号端子との間に前記ワイヤを接続する工程と、を備える、パワーモジュールの製造方法。

【請求項6】

前記工程(ｂ)は、
前記信号電極の配設領域を囲むように前記樹脂材を配置する工程を含む、請求項５に記載のパワーモジュールの製造方法。

【請求項7】

前記工程(ｂ)は、
前記信号電極の配設領域を多重で囲むように前記樹脂材を配置する工程を含む、請求項５に記載のパワーモジュールの製造方法。

【請求項8】

前記工程(ｄ)と前記工程(ｅ)の間に、
(ｇ)前記樹脂材および前記信号電極を板状部材で覆う工程を備える、請求項５に記載のパワーモジュールの製造方法。

【請求項9】

前記工程(ｇ)は、
前記ベース板に対して垂直方向にバネ性を有するように前記板状部材を前記樹脂材に押し当てる工程を有する、請求項８に記載のパワーモジュールの製造方法。

【請求項10】

請求項１から請求項４の何れか１項に記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、を備えた電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はパワーモジュールに関し、特に、ワイヤボンドの信頼性を向上したパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

パワーモジュールは、環境問題の高まりと共に、電気エネルギーの発電、送電および回生のあらゆる場面で普及しつつある。電気自動車など輸送機器に用いられるパワーモジュールは特に高い信頼性が求められるため、従来のワイヤボンドではなく、銅製のリードフレームを用いて半導体素子の主回路をハンダで接合する構造が普及しつつある。半導体素子の主端子とリードとの接合にハンダを用いる一方で、スイッチング素子のゲート電極などは、流れる電流が少ないので、ワイヤボンディングによるワイヤを用いる場合が多い。そのためリード接合部からのハンダ飛びまたは、ハンダボールが、ゲート電極に付着し、ワイヤボンディングを阻害し、信頼性の低下を引き起こす可能性があった。

【0003】

特許文献１では、半導体素子の主端子にハンダ付けするリードの先端を曲げて凸部を形成し、ハンダ飛びを抑制する方法が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６６１９１２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の方法では、リードの先端を曲げる工程が必要となって製造コストが増えると共に、凸部を設けることによる絶縁性能の低下および封止樹脂の注入の阻害要因となる可能性があった。

【0006】

本開示は上記のような問題を解決するためになされたものであり、製造コストの増加を抑制できると共に、パワーモジュールの性能を低下させず、パワーモジュール製造の阻害要因とならずにワイヤボンドの信頼性を向上した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】

【0007】

本開示に係るパワーモジュールは、基板と、前記基板とは反対側の上面に設けられた上面主電極および制御信号が供給される信号電極を有し、前記上面とは反対側の下面が前記基板に第１の接合材により接合されるスイッチングデバイスと、前記基板が前記第１の接合材により接合されるベース板と、前記スイッチングデバイスの主電流が流れる電極板と、前記スイッチングデバイスの前記制御信号が供給され、前記信号電極とワイヤを介して接続された信号端子と、前記基板を囲むように設けられ、前記ベース板の上に接合されたケースと、を備え、前記電極板は、一方端が前記スイッチングデバイスの前記上面主電極に第２の接合材により接合され、他方端側が前記ケースの壁面内にインサートされ、前記信号端子は、一方端が前記ワイヤに接続され、他方端側が前記ケースの壁面内にインサートされ、前記スイッチングデバイスは、少なくとも前記上面主電極と前記信号電極との間に設けられ、前記信号電極の厚みよりも高い樹脂で構成された凸部を有している。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係るパワーモジュールによれば、スイッチングデバイスの上面主電極と信号電極との間に信号電極の厚みよりも高い樹脂で構成された凸部を有しているので、電極板とスイッチングデバイスの上面主電極との接合時に、溶融した第２の接合材の飛沫がスイッチングデバイス上を転がってくる場合でも、飛沫を遮断することができ、飛沫の信号電極への付着を防いで、信号電極へのワイヤボンドの信頼性を向上したパワーモジュールを得ることができる。また、凸部は樹脂で構成され局所的に設けられるので、製造コストの増加を抑制できると共に、パワーモジュールの性能を低下させず、パワーモジュール製造の阻害要因にもならない。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの構成を示す平面図である。

【図2】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの構成を示す断面図である。

【図3】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図4】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図5】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図6】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図7】本開示に係る実施の形態１のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図8】本開示に係る実施の形態１の変形例１のパワーモジュールの構成を示す平面図である。

【図9】本開示に係る実施の形態１の変形例２のパワーモジュールの構成を示す平面図である。

【図10】本開示に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図11】本開示に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図12】本開示に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造工程を示す平面図である。

【図13】本開示に係る実施の形態２のパワーモジュールの製造工程を示す断面図である。

【図14】本開示に係る実施の形態１および実施の形態２の効果を評価した結果を示す図である。

【図15】本開示に係る実施の形態３の電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜実施の形態１＞
＜装置構成＞
図１は、本開示に係る実施の形態１のパワーモジュール２０２の構成を示す平面図である。図１においては、パワーモジュール２０２の内部の封止樹脂を便宜的に省略して示しており、パワーモジュール２０２を上面側から見た図である。図２は、図１のＡ－Ａ線での矢示方向断面図である。

【0011】

図２に示されるように、パワーモジュール２０２は、ベース板１０の上面にセラミック基板１１がハンダ３０（第１の接合材）により接合され、セラミック基板１１の上面にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチングデバイス２０およびダイオード２１が、ハンダ３０により接合されている。

【0012】

ベース板１０は、上面側および底面側が開口部となったＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）樹脂のケース５の底面側の開口部を覆うように、ケース５の側壁底面に接着剤７２により接着されている。

【0013】

セラミック基板１１は、デバイスを搭載する上面に表面導体層１１１が設けられ、上面とは反対側の下面に裏面導体層１１２が設けられており、裏面導体層１１２がハンダ３０によりベース板１０と接合されている。また、表面導体層１１１がハンダ３０によりスイッチングデバイス２０およびダイオード２１の図示されない下面主電極と接合されている。

【0014】

スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２およびダイオード２１の上面主電極２１１は、ハンダ３１（第２の接合材）により電極板６５と共通に接合されている。電極板６５は、ケース５にインサート成形されており、電極板６５のケース５の外部に突出した部分が主端子６２となっている。

【0015】

スイッチングデバイス２０の上面には、上面主電極２１２の近傍にスイッチングデバイス２０に制御信号を供給する信号電極２１３が設けられ、信号電極２１３は、ケース５にインサート成形された信号端子６１の一端にアルミ製のワイヤ４０によって接続されている。信号端子６１の他端は、ケース５の外部に突出している。

【0016】

スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２および信号電極２１３の厚みは０．０１ｍｍ、ダイオード２１の上面主電極２１１の厚みは０．０１ｍｍとなっている。

【0017】

図１に示すように、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の配設領域を囲むように凸部７１が設けられており、図２に示すように凸部７１の高さは、信号電極２１３の厚みを超える高さに形成されている。

【0018】

また、図１に示すように、ケース５には電極板６６がインサート成形されており、電極板６６の一端が表面導体層１１１にハンダ（図示せず）により接合され、電極板６６のケース５の外部に突出した部分が主端子６３となっている。

【0019】

図１および図２においては、ケース５内にスイッチングデバイス２０およびダイオード２１が１つずつ収納された１ｉｎ１の構成を示したが、これは、インバータの１つ分のアームに相当する構成に本開示を適用した例に過ぎず、本開示の適用はこれに限定されるものではない。インバータの１相分のスイッチングデバイス２０およびダイオード２１が収納された２ｉｎ１の構成でも、インバータの３相分のスイッチングデバイス２０およびダイオード２１が収納された６ｉｎ１の構成でも、本開示は適用可能である。

【0020】

次に、パワーモジュール２０２の各部材の材質について説明する。セラミック基板１１は、４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ２ｍｍの窒化アルミ（ＡｌＮ）製基材に、１７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの２枚の銅製の導体層が部分的に接続された表面導体層１１１および３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの銅製の裏面導体層１１２が設けられている。表面導体層１１１および裏面導体層１１２は、セラミック基板１１をメタライズして形成することができる。

【0021】

スイッチングデバイス２０は、シリコン製で１３ｍｍ×１３ｍｍ×厚さ０．２ｍｍであり、ダイオード２１はシリコン製で１３ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍである。ハンダ３０の成分は、スズ９６．５％、銀３％、銅０．５％であり、融点は２１７℃である。

【0022】

ケース５にインサート成形された電極板６５、６６および信号端子６１は、厚さ０．６４ｍｍの銅製である。

【0023】

スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の周囲に設けられる凸部７１は、ポリイミド等の樹脂製であり、幅１．０ｍｍで高さ１．０ｍｍとなっている。スイッチングデバイス２０の信号電極２１３と、銅製の厚さ０．６４ｍｍの信号端子６１とを接続するアルミ製ワイヤ４０は、太さ０．１５ｍｍの純アルミ製である。

【0024】

セラミック基板１１は、絶縁性が得られ、Ｃｕのようにハンダが濡れる導体層が形成できるのであればＡｌＮ基板に限るものではなく、基材としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、などの絶縁基板基材を用いることもできる。

【0025】

また、表面導体層１１１および裏面導体層１１２は、ハンダが濡れるものであればよく、Ｃｕに限らず最表面がＳｎ、Ａｕ、Ａｇなどの金属となっていればよい。また、スイッチングデバイス２０およびダイオード２１の表面電極および裏面電極は、ハンダが濡れる金属であればよく、最表面がＳｎ、Ａｕ、Ａｇなどの金属となっていればよい。

【0026】

パワー半導体素子としてＩＧＢＴおよびダイオードを用いたが、他に、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いることもでき、ＩＣ（Integrated Circuit）を搭載することもできる。

【0027】

スイッチングデバイス２０およびダイオード２１については、シリコン製以外にも、シリコンカーバイドまたは窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体を用いることもできる。

【0028】

電極板６５、６６および信号端子６１の素材としては、銅以外に銅合金または表面をニッケルめっきしたアルミニウムとすることもできる。

【0029】

ハンダ３０およびハンダ３１については、スズ９９．３％、銅０．７％、融点２２４℃などのハンダ材を用いることもできる。

【0030】

比較的融点が低く扱いやすいハンダ３０およびハンダ３１を接合材として用いることで、製造コストを下げることができる。

【0031】

なお、スイッチングデバイス２０およびダイオード２１に接する接合材であるハンダ３０およびハンダ３１を、ハンダよりも耐熱性に優れた銀焼結材またはろう付け材などの接合材に置き換えることもできる。また、銀（Ａｇ）フィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤またはナノ粒子を低温焼成させるＡｇナノパウダまたはＣｕナノパウダなどの接合材を用いることもできる。

【0032】

ワイヤ４０はアルミ製以外に、鉄などの添加剤を微量含んだアルミ合金製または銅製のワイヤ、またはアルミ被覆銅ワイヤ、または金ワイヤを用いることもできる。また、リボンボンドを用いることもできる。

【0033】

ケース５の材料としては、ＰＰＳ樹脂以外にＬＣＰ（液晶ポリマー：Liquid Crystal Polymer）樹脂を用いることもできる。どちらも、フィラーを分散させることで、耐熱温度を高めることができる。

【0034】

封止樹脂７３としては、シリカフィラーを分散させたエポキシ樹脂を用いるが、アルミナ、窒化ボロン（ＢＮ）などのフィラーを用いることもでき、エポキシ樹脂にシリコーン樹脂を混合させた樹脂を用いることもできる。

【0035】

＜製造方法＞
次に、実施の形態１の製造方法として、製造工程を順に示す断面図である図３～図７を用いて、パワーモジュール２０２の製造方法を説明する。

【0036】

図３に示すように、まず、ベース板１０とセラミック基板１１を、間に溶融前の板状のハンダ３０を介して積層し、セラミック基板１１上に間に板状のハンダ３０を介してスイッチングデバイス２０およびダイオード２１を積層し、これらの積層体を加熱することで板状のハンダ３０を溶融させる。これにより、セラミック基板１１の裏面導体層１１２とベース板１０、セラミック基板１１の表面導体層１１１とスイッチングデバイス２０およびダイオード２１を同時に接合する。ハンダ３０による接合は、リフロー炉を用いて積層体を２８０℃程度まで加熱してハンダ３０を溶融させて接合する。

【0037】

次に、図４に示す工程において、液状の樹脂材を供給するディスペンサ（図示せず）の先端に設けられたニードル７５を用いて、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の周囲に、液状の樹脂材７１０を描画形成する。この際、樹脂材７１０の高さは、硬化後に高さ１．０ｍｍの凸部７１となるように、硬化による縮みを計算して設定する。

【0038】

次に、図５に示す工程において、ケース５と接着するための接着剤７２をベース板１０端縁部に塗布する。

【0039】

次に、図６に示す工程において、ケース５を接着剤７２を介してベース板１０上に搭載する。このとき、電極板６５の下面がスイッチングデバイス２０の上面主電極２１２およびダイオード２１の上面主電極２１１と溶融前の板状のハンダ３１を介して対向するように配置される。

【0040】

そして、接着剤７２加熱してケース５とベース板１０を接着固定すると同時に、樹脂材７１０も硬化させ、スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２とダイオード２１の上面主電極２１１をハンダ３１を用いて電極板６５を接合する。また、同時に、図示されない電極板６６も表面導体層１１１に、ハンダにより接合する。

【0041】

接着固定には、リフロー炉を用いて２８０℃程度まで接着剤７２およびハンダ３１を加熱して硬化させる。なお、ハンダ３０および３１は板状としたが、クリームハンダを用いることもできる。

【0042】

次に、図７に示す工程において、ケース５にインサート成形された信号端子６１と、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３をワイヤ４０を用いてワイヤボンディングにより接続する。

【0043】

最後に、ダイレクトポッティング封止樹脂を６０℃に加熱した状態でケース５内に流し込み、真空脱泡して加熱して硬化させることで、図２に示したように封止樹脂７３でケース５内を封止したパワーモジュール２０２が完成する。封止樹脂７３の硬化には、１００℃で１．５時間の加熱の後、１４０℃で１．５時間の加熱を行う。なお、ベース板１０とケース５の隙間を接着剤７２が埋めているので、ケース５内にダイレクトポッティング封止樹脂を流し込んだ際に、封止樹脂が漏れることを防止できる。

【0044】

スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２とダイオード２１の上面主電極２１１に板状のハンダ３１を用いて電極板６５を接合する際に、接合部のハンダ３１から、ハンダ飛びまたは、ハンダボールが発生する。このようなハンダの飛沫が転がってスイッチングデバイス２０の信号電極２１３に付着すると、ワイヤボンドを阻害したり、信頼性を損ねたりする可能性がある。

【0045】

そこで、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の周囲に樹脂製の凸部７１を形成することで、転がってくるハンダの信号電極２１３への付着を防ぐ効果があり、パワーモジュール製造の阻害要因とならずにワイヤボンドの信頼性を向上したパワーモジュール２０２を得ることができる。

【0046】

また、凸部７１は樹脂で構成され、信号電極２１３の周囲に局所的に設けられるので、製造コストの増加を抑制できると共に、凸部７１を設けることによる絶縁性能の低下を招くこともなく、封止樹脂７３の注入時の阻害要因ともならないので、パワーモジュール２０２の性能を低下させず、パワーモジュール２０２の製造の阻害要因にもならない。

【0047】

凸部７１は、スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２とダイオード２１の上面主電極２１１に電極板６５を接合した後に、薬剤によるエッチングまたはレーザー照射により除去することもできる。

【0048】

＜変形例１＞
図８は実施の形態１の変形例１のパワーモジュール２０２１の構成を示す平面図である。図８においては、図１に示したパワーモジュール２０２と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0049】

図８に示すように、パワーモジュール２０２１においては、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の前後に凸部７１１が設けられている。すなわち、凸部７１１は、ハンダ３１を用いて電極板６５を接合する際に、接合部のハンダ３１から、ハンダが転がってくる方向を塞ぐように信号電極２１３の配列の前後のみに設けられており、このような構成でも、ハンダの信号電極２１３への付着を防ぐ効果が得られる。

【0050】

なお、凸部７１１は、スイッチングデバイス２０と信号電極２１３との間、すなわち、信号電極２１３の手前だけに設けることもできる。このような構成とすることで、凸部７１１の形成領域が限定され、効率的にハンダの信号電極２１３への付着を防ぐことができる。

【0051】

＜変形例２＞
図９は実施の形態１の変形例２のパワーモジュール２０２２の構成を示す平面図である。図９においては、図１に示したパワーモジュール２０２と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0052】

図９に示すように、パワーモジュール２０２２においては、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の配列の周囲を２重に囲むように、凸部７１２および凸部７１３が設けられている。すなわち、信号電極２１３の配列の直近を囲むように凸部７１３が設けられ、凸部７１３を囲むように凸部７１２が設けられている。信号電極２１３の配列の周囲を凸部７１２および凸部７１３で２重に囲むことで、ハンダ３１を用いて電極板６５を接合する際に、接合部のハンダ３１から転がってくるハンダに対してより高い付着防止効果が得られる。なお、２重に限らず、３重、４重など多重に信号電極２１３の配列を囲む構成とすることもできる。

【0053】

＜実施の形態２＞
以下、実施の形態２の製造方法として、図１０～図１３を用いて、パワーモジュール２０２の製造方法を説明する。図３～図５を用いて説明した、セラミック基板１１の裏面導体層１１２をベース板１０に接合すると同時に、セラミック基板１１の表面導体層１１１２に、スイッチングデバイス２０およびダイオード２１を接合する工程と、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の周囲に樹脂製の凸部７１を描画形成する工程と、接着剤７２をベース板１０に塗布する工程までは、実施の形態１の製造方法と同じであるので、説明は省略する。

【0054】

図１０に示す工程において、ケース５とベース板１０を接着剤７２を用いて接着固定すると同時に、スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２とダイオード２１の上面主電極２１１に電極板６５を接合する際に、バネ部９１を有するステンレス等の金属製のカバー治具９０をケース５の開口部ＯＰの上部から被せるように配置する。カバー治具９０のバネ部９１は、カバー治具９０の下面から垂直に突出し、その先端が水平に折れ曲がった形状を有し、水平に折れ曲がった部分は平坦な板状部材９１１となっており、カバー治具９０を開口部ＯＰに被せると、板状部材９１１が、信号電極２１３の周囲に設けた凸部７１に押し当てられ、信号電極２１３および凸部７１を覆うこととなる。図１１は、この状態を示す断面図である。なお、ここではステンレス製のカバー治具９０を用いたが、ハンダにぬれずにバネ性を有する耐熱性素材であればよく、チタン合金、炭素鋼あるいはクロムめっきしたニッケル合金などを用いることで、長期的な耐久性を確保することが可能となる。

【0055】

図１１の状態でのパワーモジュール２０２を上面側から見た平面図を図１２に示す。図１２に示すようにカバー治具９０は、ケース５の開口部ＯＰを完全に覆うのではなく、スイッチングデバイス２０およびダイオード２１の上方、電極板６５の上方、信号電極２１３の配列の上方および信号端子６１の配列の上方を覆い、ケース５の縁で固定できる長さおよび形状に形成されている。

【0056】

図１１に示すように、バネ部９１の板状部材９１１が凸部７１に押し付けられた状態で、ケース５とベース板１０の接着固定、凸部７１の硬化およびスイッチングデバイス２０の上面主電極２１２とダイオード２１の上面主電極２１１への電極板６５の接合を同時に行う。この際、リフロー炉を用いて２８０℃程度まで加熱することは、実施の形態１と同じである。

【0057】

その後、カバー治具９０を除去し、図１３に示す工程において、ケース５にインサート成形された信号端子６１と、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３をワイヤ４０を用いて接続し、最後にダイレクトポッティング封止樹脂を６０℃に加熱した状態でケース５内に流し込み、真空脱泡して加熱して硬化させることで、図２に示したように封止樹脂７３でケース５内を封止したパワーモジュール２０２が完成する。

【0058】

実施の形態１において説明したように、スイッチングデバイス２０の上面主電極２１２とダイオード２１の上面主電極２１１に板状のハンダ３１を用いて電極板６５を接合する際に、接合部のハンダ３１から、ハンダ飛びまたは、ハンダボールが発生した場合、このようなハンダが転がってスイッチングデバイス２０の信号電極２１３に付着することを、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３の周囲に樹脂製の凸部７１を形成することで、防ぐ効果がある。

【0059】

一方、ハンダが溶ける際に巻き込まれた空気がはじけるなどして、ハンダが飛ぶ場合がある。実施の形態２の製造方法では、カバー治具９０のバネ部９１により信号電極２１３および凸部７１を覆うので、転がってくるハンダだけでなく、飛んでくるハンダの信号電極２１３への付着も抑制することが可能である。

【0060】

また、カバー治具９０のバネ部９１が垂直方向にバネ性を有するので、凸部７１の高さが多少異なってもカバーすることが可能である。

【0061】

図１４は、実施の形態１および実施の形態２の効果を評価した結果を示す図である。この評価においては、クリームハンダを溶融させた状態で水を垂らし、意図的にハンダを飛散させ、金属板の１ｍｍ^２あたりのハンダの飛散数を計測することで評価した。すなわち、金属板に凸部７１を設けない場合、金属板に凸部７１を設けた場合および金属板に凸部７１を設けてカバー治具９０で凸部７１を覆った場合の３つの態様で金属板の１ｍｍ^２あたりのハンダの飛散数を計測した。

【0062】

図１４では、凸部７１を設けず、カバー治具９０も配置しない態様での結果を左のグラフで示し、凸部７１は設け、カバー治具９０は配置しない態様での結果を中央のグラフで示し、凸部７１を設け、カバー治具９０を配置した態様での結果を右のグラフで示している。なお、金属板とクリームハンダとの位置関係は、信号電極２１３と板状ハンダ５１との位置関係と同じにするなど、検証装置の状態はパワーモジュール２０２と同じ状態として検証を行った。

【0063】

図１４より、凸部なしカバー治具なしの態様より、凸部ありカバー治具なしの態様にすることで、ハンダの飛散数が１／４程度まで減少した。さらに、凸部ありカバー治具なしの態様から、凸部ありカバー治具の態様にすることで、ハンダの飛散数が１／３以下に減少した。この評価結果から実施の形態１および実施の形態２の製造方法は、スイッチングデバイス２０の信号電極２１３へのハンダ付着を抑制する効果があることが確認できた。

【0064】

なお、カバー治具９０のバネ部９１にはバネ性を持たせたが、バネ性を持たせない構成とすることもできる。

【0065】

＜実施の形態３＞
本実施の形態は、上述した実施の形態１に係るパワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。以下、実施の形態３として、三相のインバータに実施の形態１を適用した場合について説明する。なお、電力変換装置は、三相のインバータに限定されるものではない。

【0066】

図１５は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図１５に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００で構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は、特に限定されないが、例えば、直流系統、太陽電池または蓄電池で構成することができ、また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。

【0067】

電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１５に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

【0068】

負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は、特に限定されないが、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。

【0069】

以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチングデバイス（図示せず）と還流ダイオード（図示せず）を備えており、スイッチングデバイスがスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチングデバイスとそれぞれのスイッチングデバイスに逆並列された６つの還流ダイオードで構成することができる。主変換回路２０１のパワーモジュールには、上述した実施の形態１のパワーモジュール２０２をインバータの３相分のスイッチングデバイス２０およびダイオード２１が収納された６ｉｎ１の構成に適用したものとする。

【0070】

６つのスイッチングデバイスは２つのスイッチングデバイスごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

【0071】

また、主変換回路２０１は、各スイッチングデバイスを駆動する駆動回路（図示せず）を備えているが、駆動回路はパワーモジュール２０２内に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチングデバイスを駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチングデバイスの制御電極に供給する。

【0072】

具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチングデバイスをオン状態にする駆動信号とスイッチングデバイスをオフ状態にする駆動信号とを各スイッチングデバイスの制御電極に出力する。スイッチングデバイスをオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチングデバイスの閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチングデバイスをオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチングデバイスの閾値電圧未満の電圧信号（オフ信号）となる。

【0073】

制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチングデバイスを制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチングデバイスがオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチングデバイスのオン時間を変調するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチングデバイスにはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチングデバイスにはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチングデバイスの制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。

【0074】

本実施の形態に係る電力変換装置２００では、主変換回路２０１に含まれるパワーモジュール２０２として、実施の形態１に係るパワーモジュール２０２が適用される。そのため、本実施の形態に係る電力変換装置２００は、パワーモジュール製造においてワイヤボンドの信頼性が向上してパワーモジュール２０２の信頼性が向上し、ひいては、電力変換装置の信頼性が向上する。

【0075】

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わない。電力変換装置が単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、電力変換装置が直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。

【0076】

また、本実施の形態の電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機またはレーザー加工機、または誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムおよび蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

【0077】

なお、本開示は、その開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

【0078】

本開示の範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0079】

以上説明した本開示を付記としてまとめて記載する。

【0080】

（付記１）
基板と、
前記基板とは反対側の上面に設けられた上面主電極および制御信号が供給される信号電極を有し、前記上面とは反対側の下面が前記基板に第１の接合材により接合されるスイッチングデバイスと、
前記基板が前記第１の接合材により接合されるベース板と、
前記スイッチングデバイスの主電流が流れる電極板と、
前記スイッチングデバイスの前記制御信号が供給され、前記信号電極とワイヤを介して接続された信号端子と、
前記基板を囲むように設けられ、前記ベース板の上に接合されたケースと、を備え、
前記電極板は、
一方端が前記スイッチングデバイスの前記上面主電極に第２の接合材により接合され、他方端側が前記ケースの壁面内にインサートされ、
前記信号端子は、
一方端が前記ワイヤに接続され、他方端側が前記ケースの壁面内にインサートされ、
前記スイッチングデバイスは、
少なくとも前記上面主電極と前記信号電極との間に設けられ、前記信号電極の厚みよりも高い樹脂で構成された凸部を有する、パワーモジュール。

【0081】

（付記２）
前記凸部は、
前記信号電極の配設領域を囲むように設けられる、付記１に記載のパワーモジュール。

【0082】

（付記３）
前記凸部は、
前記信号電極の配設領域を多重で囲むように設けられる、付記１に記載のパワーモジュール。

【0083】

（付記４）
前記第１および第２の接合材は、ハンダで構成される、付記１に記載のパワーモジュール。

【0084】

（付記５）
付記１に記載のパワーモジュールの製造方法であって、
(ａ)前記ベース板、前記基板および前記スイッチングデバイスを、それぞれの間に溶融前の前記第１の接合材を介して積層し、積層体を加熱して前記第１の接合材を溶融させる工程と、
前記工程(ａ)の後、
(ｂ)少なくとも前記スイッチングデバイスの前記上面主電極と前記信号電極との間に樹脂材を配置する工程と、
前記工程(ｂ)の後、
(ｄ)前記電極板の前記一方端の下面が前記スイッチングデバイスの前記上面主電極との間に溶融前の前記第２の接合材を間に介して対向するように、前記ケースを接着剤を間に介して前記ベース板上に搭載する工程と、
前記工程(ｄ)の後、
(ｅ)前記樹脂材を硬化させて前記凸部を形成すると共に前記第２の接合材を溶融させるように加熱する工程と、
前記工程(ｅ)の後、
(ｆ)前記信号電極と前記信号端子との間に前記ワイヤを接続する工程と、を備える、パワーモジュールの製造方法。

【0085】

（付記６）
前記工程(ｂ)は、
前記信号電極の配設領域を囲むように前記樹脂材を配置する工程を含む、付記５に記載のパワーモジュールの製造方法。

【0086】

（付記７）
前記工程(ｂ)は、
前記信号電極の配設領域を多重で囲むように前記樹脂材を配置する工程を含む、付記５に記載のパワーモジュールの製造方法。

【0087】

（付記８）
前記工程(ｄ)と前記工程(ｅ)の間に、
(ｇ)前記樹脂材および前記信号電極を板状部材で覆う工程を備える、付記５に記載のパワーモジュールの製造方法。

【0088】

（付記９）
前記工程(ｇ)は、
前記ベース板に対して垂直方向にバネ性を有するように前記板状部材を前記樹脂材に押し当てる工程を有する、付記８に記載のパワーモジュールの製造方法。

【0089】

（付記１０）
付記１から付記４の何れか１つに記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、を備えた電力変換装置。

【符号の説明】

【0090】

５ ケース、１０ ベース板、１１ セラミック基板、２０ スイッチングデバイス、２１２ 上面主電極、２１３ 信号電極、２１ ダイオード、３０，３１ ハンダ、４０ ワイヤ、６１ 信号端子、６５ 電極板、７１ 凸部、７２ 接着剤、９１１ 板状部材、１００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ パワーモジュール、２０３ 制御回路、２１３ 信号電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】