特開 2024-177699 電力変換装置および電力変換装置の製造方法

(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】P2024177699

(43)【公開日】2024-12-24

(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241217BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20241217BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241217BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H02M7/48 M

H01L23/36 D

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095979

(22)【出願日】2023-06-12

(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】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】深瀬 達也

(72)【発明者】

【氏名】石井 隆一

(72)【発明者】

【氏名】新 一貴

(72)【発明者】

【氏名】北尾 政義

【テーマコード（参考）】

5F136

5H770

【Ｆターム（参考）】

5F136BC03

5F136DA27

5F136FA03

5H770AA21

5H770AA22

5H770BA02

5H770DA03

5H770DA41

5H770PA22

5H770QA04

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA27

(57)【要約】

【課題】３相インバータ回路の電流経路のインダクタンスを低減しつつ、複数のパワー半導体チップの温度を均等化することが可能な電力変換装置を得ること。
【解決手段】３相インバータ回路を構成した電力変換装置であって、パワー半導体モジュールは、前記３相インバータ回路の上アームと下アームとに分けて配置されたパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップの下面電極に接合され、前記パワー半導体チップごとに個別に設けられたヒートスプレッダと、前記上アームの端に配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダと接続され、電源の正極側と接続されたＰリードと、前記上アームに複数配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダの間を接続している相間リードと、前記下アームに複数配置された前記パワー半導体チップの上面電極に接合され、電源の負極側と接続されたＮリードと、を備えた。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワー半導体モジュールとヒートシンクと制御基板を搭載して３相インバータ回路を構成した電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、
前記３相インバータ回路の上アームと下アームとに分けて配置されたパワー半導体チップと、
前記パワー半導体チップの下面電極に接合され、前記パワー半導体チップごとに個別に設けられたヒートスプレッダと、
前記上アームの端に配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダと接続され、電源の正極側と接続されたＰリードと、
前記上アームに複数配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダの間を接続している相間リードと、
前記下アームに複数配置された前記パワー半導体チップの上面電極に接合され、電源の負極側と接続されたＮリードと、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記パワー半導体チップはすべて同じ型式の同じ形状のものであり、前記パワー半導体チップと前記ヒートスプレッダは、共通の形状に組合されて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記パワー半導体チップは、前記パワー半導体モジュールの配置平面において、上下左右対称に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体チップまたは前記ヒートスプレッダに接続されたリードとして、前記Ｐリード、前記相間リードおよび前記Ｎリードに加え、各相において、前記下アームの前記パワー半導体チップの前記ヒートスプレッダから交流電力を出力するＡＣリードと、前記上アームの前記パワー半導体チップの上面電極に接合し同じ相の前記下アームの前記ヒートスプレッダと接続しているインナーリードとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記パワー半導体モジュールは、モールド樹脂によって封止されていること特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記Ｐリード、前記Ｎリードおよび前記ＡＣリードが前記モールド樹脂の外に端部を露出させていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記Ｐリードおよび前記Ｎリードは、前記パワー半導体モジュールの両側からモールド樹脂の外に端部を露出させ、どちら側でも電源と接続できる構造を有することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

上アームを構成する前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダは、両側に前記相間リードまたは前記Ｐリードを有することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記パワー半導体モジュールは、相ごとに分割された３つのパワー半導体モジュールで構成され、各相のパワー半導体モジュールの両側から露出した前記Ｐリードが他の相の前記Ｐリードと接合されて前記相間リードを成し、各相のパワー半導体モジュールの両側から露出した前記Ｎリードが他の相の前記Ｎリードと接合されて連結された前記Ｎリードを成すことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記パワー半導体モジュールの前記ヒートスプレッダは、セラミック基板上に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。

【請求項11】

前記ヒートスプレッダの厚さが前記リードの厚さと同じであることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。

【請求項12】

前記ヒートシンクの上に前記パワー半導体モジュールが搭載され、前記パワー半導体モジュールの上部に前記パワー半導体モジュールを制御する制御基板が配置され、前記制御基板には、前記パワー半導体モジュールの前記リードから放出される熱を外部に放出する放熱孔が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項13】

前記パワー半導体モジュールと前記制御基板を収納するケースを有し、前記ケースには、前記パワー半導体モジュールから露出した電流経路とならないリードに対し、熱を放出するケース側のバスバーが接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。

【請求項14】

パワー半導体モジュールとヒートシンクと制御基板を搭載して３相インバータ回路が構成された電力変換装置の製造方法であって、
パワー半導体チップをヒートスプレッダに接合する工程と、
接合された前記パワー半導体チップと前記ヒートスプレッダを配列して、
前記パワー半導体チップおよび前記ヒートスプレッダにリードを接合する工程と、
前記パワー半導体チップに回路上に信号配線を施す工程と、
前記パワー半導体チップと前記ヒートスプレッダと前記リードと前記信号配線とをトランスファー成形で樹脂モールドしてパワー半導体モジュールを製造する工程と、
前記パワー半導体モジュールのモールド樹脂から露出した前記リードの形状を成形する工程と、
前記パワー半導体モジュールにヒートシンクを接合する工程と、
前記パワー半導体モジュールと前記パワー半導体モジュールを制御する制御基板をケースに収納する工程と、
を含むことを特徴とする電力変換装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、電力変換装置および電力変換装置の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

車載用のモーターを駆動する電力変換装置は、スイッチング可能なパワー半導体チップを組み合わせて構成される電力変換回路となるパワー半導体モジュール、電力変換回路を制御する制御回路、放熱用のヒートシンクなどから構成される。
電力変換装置は、バッテリー等の直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して、回転電機に供給することで、回転電機を駆動している。制御回路は、電力変換回路へパワー半導体チップをスイッチングするための制御信号を送出し、パワー半導体チップをオン・オフさせて回転電機を駆動する電力を制御する。パワー半導体チップは、パワー半導体モジュール内部にリードに接合された状態で実装され、絶縁性の部材を介して放熱用のヒートシンクなどに接続される。

【0003】

自動車に搭載される電力変換装置は、自動車の環境規制などを背景とした燃費効率の向上の要求が厳しく高出力化と小型、軽量化が求められる。その中でも、パワー半導体モジュールは、そのサイズによって金属を多量に使用するヒートシンクおよびバスバー配線などのサイズが決まるため、電力変換装置全体のサイズおよび重量に大きく影響する。そのため、パワー半導体モジュールには常に小型化が求められる。

【0004】

一方、パワー半導体チップに電力が印加されて動作する際に、パワー半導体チップの表面近くのジャンクション部で発熱が生じ、パワー半導体チップの温度が上昇する。パワー半導体チップで生じた熱は、パワー半導体モジュールの配線部材および絶縁層などを通して、ヒートシンクに放出される。パワー半導体チップの温度が過度に上昇すると、パワー半導体チップの故障、およびパワー半導体チップに電力を伝達する配線部材との接合部の劣化等の原因となるため、パワー半導体チップは設計段階で決められた許容温度以下で動作させる必要がある。

【0005】

また、パワー半導体モジュールの面積を小さくしつつ温度を抑える方法としては、パワー半導体チップで生じる発熱量を小さくすることが考えられる。パワー半導体チップの発熱は、導通損失とスイッチング損失に分けられる。導通損失はパワー半導体チップの性能と通電する電流の大きさによって主に決定される。一方、スイッチング損失はパワー半導体チップをオン・オフさせるときの電流と電圧の変化のさせ方で主に決まる損失であり、この損失にはパワー半導体チップのスイッチング速度が大きく影響する。スイッチング速度を早くするためには、パワー半導体チップをオン・オフさせるときに生じるサージ電圧を小さくする必要がある。また、このサージ電圧は、パワー半導体チップによって構成される電流の配線経路のインダクタンスが小さいほど小さくできる。結果として、パワー半導体モジュールの温度を抑えるためには、パワー半導体チップおよび接続される配線経路のインダクタンスを小さくすることが重要となる。

【0006】

これらの理由から、小型、軽量、高出力の電力変換装置を得るためには、パワー半導体チップに発生する発熱量を小さくするように電流経路のインダクタンスを低減する必要がある。また、高い温度を示すパワー半導体チップが一部に集中しないように、電力変換回路を構成する複数のパワー半導体チップの温度を均等化する必要がある。
電力変換装置の小型、軽量化に向けて３相インバータ回路を搭載する構造について様々な検討がされている。３相インバータ回路を一つのパワー半導体モジュールに搭載することで、配線基板上に３相インバータ回路を実装して構成する場合に比べて、小型化が容易となる（例えば、特許文献１参照）。

【0007】

この特許文献１に記載のパワー半導体モジュールは、一つのパワー半導体モジュールの中に６個のスイッチング可能なパワー半導体チップが搭載され、パワー半導体チップはパワー半導体モジュールの内部に設けられた４個のヒートスプレッダの上面に搭載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１２－８９７９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献１に示されるパワー半導体モジュールは、電気回路上の制約等によって、放熱部材として使用されるヒートスプレッダの形状が決定されており、３相インバータ回路の上アーム側の３個のパワー半導体チップが連結された１個のヒートスプレッダに搭載され、下アーム側の３個のパワー半導体チップが３個のヒートスプレッダにそれぞれ搭載されている。ヒートスプレッダの伝熱面積が異なるため、上アームと下アームでパワー半導体チップの温度がばらつく原因となっている。また、外部出力用のリードの配置などの制約で、パワー半導体モジュール内部のパワー半導体チップの配置は、上下左右に非対称であり、搭載位置に偏りがある構成となっている。この結果、温度がばらついた中で最も高い温度を示すパワー半導体チップを保護するために、電力変換装置の出力を制限することになり、所定の出力に対応しようとすると、パワー半導体チップおよびパワー半導体モジュールが大型化する原因になっている。

【0010】

本願は、上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、パワー半導体モジュールにおける３相インバータ回路の電流経路のインダクタンスを低減してパワー半導体チップで生じる発熱を低減し、かつ、パワー半導体モジュールをパワー半導体チップの温度を均等化するように構成することより、小型軽量でありながら高出力化を実現する電力変換装置を得ることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願に係わる電力変換装置は、パワー半導体モジュールとヒートシンクと制御基板を搭載して３相インバータ回路を構成した電力変換装置であって、前記パワー半導体モジュールは、前記３相インバータ回路の上アームと下アームとに分けて配置されたパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップの下面電極に接合され、前記パワー半導体チップごとに個別に設けられたヒートスプレッダと、前記上アームの端に配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダと接続され、電源の正極側と接続されたＰリードと、前記上アームに複数配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダの間を接続している相間リードと、前記下アームに複数配置された前記パワー半導体チップの上面電極に接合され、電源の負極側と接続されたＮリードと、を備えたものである。

【発明の効果】

【0012】

本願によれば、パワー半導体モジュールにおける３相インバータ回路の電流経路のループが小さくなるリード配置にしてインダクタンスを低減することができるので、パワー半導体チップで生じるスイッチング損失による発熱を低減することが可能となる。また、パワー半導体チップごとにヒートスプレッダを設けた構造としたことで、パワー半導体チップごとの放熱経路の熱抵抗の違いを減らし、それよってパワー半導体チップごとの温度差を低減することが可能となる。これらの効果により、小型、軽量でありながら高出力の電力変換装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１に係わる電力変換装置の３相インバータ回路の構成を示す模式図である。

【図2】実施の形態１に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの構成を示す模式図である。

【図3】実施の形態１に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの電流経路を示す模式図である。

【図4】実施の形態１に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの図２におけるＡＡ断面を示す断面模式図である。

【図5】実施の形態１に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの図２におけるＢＢ断面を示す断面模式図である。

【図6】実施の形態１に係わる電力変換装置の製造方法の流れを示す図である。

【図7】実施の形態２に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの構成を示す模式図である。

【図8】実施の形態２に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの図７におけるＣＣ断面を示す断面模式図である。

【図9】実施の形態３に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの構成を示す模式図である。

【図10】実施の形態３に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールの図９におけるＤＤ断面を示す断面模式図である。

【図11】実施の形態４に係わる電力変換装置のパワー半導体モジュールにヒートシンク、制御基板およびケースを実装した断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

実施の形態１．
実施の形態１に係わる電力変換装置は、耐震性能、耐久性能、絶縁性能などの高い信頼性への要求に対応するため、パワー半導体チップを実装したヒートスプレッダの実装面およびリードをモールド樹脂で封止するトランスファーモールド型のパワー半導体モジュールおよびヒートシンクを有している。
また、電力変換装置は、スイッチング可能なパワー半導体チップを組み合わせて構成される電力変換回路、電力変換回路を制御する制御回路、電流検知用の電流センサーなどから構成される。電力変換装置は、バッテリー等の直流電源から供給される直流電力を所望の交流電力に変換して、回転電機に供給することで、回転電機を駆動している。制御回路は、電力変換回路へパワー半導体チップをスイッチングするための制御信号を送出し、パワー半導体チップをオン・オフさせて回転電機を駆動する電力を制御する。パワー半導体チップは、電力が印加されて動作する際に、パワー半導体チップの表面近くのジャンクション部で発熱が生じ、パワー半導体チップの温度が上昇する。パワー半導体チップで生じた熱は、ヒートスプレッダおよびリードなどの配線部材および絶縁層などを通して、ヒートシンクに放出される。

【0015】

パワー半導体チップの温度が過度に上昇すると、パワー半導体チップの故障、およびパワー半導体チップに電力を伝達する配線部材との接合部の劣化等の原因となるため、パワー半導体チップは設計段階で決められた許容温度以下で動作させる必要がある。このため、電力変換装置のパワー半導体チップからの放熱性を向上させることが小型、軽量化、高出力化、故障回避の観点で重要となる。伝熱工学の観点から考えると、パワー半導体チップおよび熱伝導部材のサイズなど、伝熱面積を大きくすれば、放熱性は向上するが、小型、軽量化さらにはコスト低減の要求に相反するため、パワー半導体チップの面積を小さくしつつ、パワー半導体チップの温度を抑えることが必要である。

【0016】

ハイブリッド自動車または電気自動車用などの高い信頼性が求められるパワー半導体チップでは、チップの温度を常に許容温度以下で動作させるために、パワー半導体チップの表面に温度センサーを備えるもの、または温度を推定する根拠となる電流センサーを備えるものがある。電力変換装置は、これらのセンサーを利用してモーターを駆動させるための電力変換回路を構成する複数のパワー半導体チップの中で最も温度が高い温度検出値をもとに温度保護として出力制限する機能を備えている。

【0017】

また、パワー半導体チップの面積を小さくしつつ温度を抑えるためには、パワー半導体チップで生じる発熱量を小さくすることが考えられる。パワー半導体チップのスイッチング損失による発熱を抑制するため、パワー半導体モジュールおよび接続される配線経路のインダクタンスをいかに小さくするかが重要となる。
小型、軽量、高出力な電力変換装置を得るためには、パワー半導体チップに発生する損失を小さくするための電流経路のインダクタンスを低減しつつ、電力変換回路を構成する複数のパワー半導体チップの温度を均等化する必要がある。

【0018】

図１は、実施の形態１による電力変換装置の電力変換回路となる３相インバータ回路の構成を示す模式図である。また、図２は、実施の形態１による電力変換装置のパワー半導体モジュールの構成を示す模式図である。電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１は、スイッチング可能なパワー半導体チップ２と、パワー半導体チップ２を搭載するヒートスプレッダ３と、パワー半導体チップ２に電力を供給するリード４とを、モールド樹脂５で封止したトランスファーモールド型の構造を備える。

【0019】

また、パワー半導体モジュール１は直流電源７を３相交流電力に変換する３相インバータ回路１０を構成し、負荷となるモーター８を駆動する。３相インバータ回路１０はパワー半導体チップ２を上アーム１１の３個と下アーム１２の３個に分離して相ごとに配置して構成される。上アーム１１のパワー半導体チップ２と下アーム１２のパワー半導体チップ２は相ごとに接続され、その間から交流電力が出力される。

【0020】

本願の電力変換装置１００におけるパワー半導体モジュール１は、絶縁性、耐震性、長期信頼性などの高い信頼性要求に答えるため、パワー半導体チップ２の実装面をモールド樹脂５で封止している。また、高い出力性能に対応するためパワー半導体チップ２は、パワー半導体チップ２で生じた熱を拡散するためのヒートスプレッダ３の上に接合部材を介して接続されている。パワー半導体モジュール１の内部に、複数個のパワー半導体チップ２が搭載されている。
また、トランスファーモールド型のパワー半導体モジュール１の製造過程は、ヒートスプレッダ３上に、パワー半導体チップ２を実装し、すべてのリード４がつながっており同電位になっているリードフレームを接続することで配線経路を接続し、モールド樹脂５で封止して一体化した後に、リードフレームの不要な部分を切り落とすことでリード４を個別に切離し、パワー半導体モジュール１の内部の回路を構成している。

【0021】

パワー半導体チップ２は、上面と下面にそれぞれ上面電極と下面電極を備える。実施の形態１のパワー半導体チップ２には、ＭＯＳＦＥＴ、ＲＣ－ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）またはＩＧＢＴが適用可能である。ＭＯＳＦＥＴおよびＲＣ－ＩＧＢＴは、スイッチング可能なパワー半導体チップであるとともに、ＭＯＳＦＥＴであれば内部に寄生ダイオードを備え、ＲＣ－ＩＧＢＴであればダイオード領域を備えるため、パワー半導体チップに別途並列接続するフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）が不要である。また、パワー半導体チップ２は、チップ上面にチップ上面電極とは別の、ゲート部とゲート電極を備える。

【0022】

パワー半導体チップ２の材料としては、Ｓｉのみならず、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどの化合物半導体も使用可能である。またパワー半導体チップ２の上面電極は、リード４により接続されており、はんだなどの導電性部材で接合するためのめっき層など、はんだ付けできる仕様を備える。また、パワー半導体モジュール１に搭載する複数のスイッチング可能なパワー半導体チップ２は、すべて型式、サイズが同一の仕様のものを搭載する。パワー半導体チップ２を共通化することで、発熱量のばらつきを抑えてチップ間の温度を均等化するとともに、製造時の搭載ミスを防止して生産性が良くなる。また、パワー半導体チップ２の上面電極には温度センサーが搭載されている。この温度センサーは、パワー半導体チップ２の微細構造が形成される半導体プロセスにおいて形成される微小なサイズのダイオードである。このダイオードに一定の電流を通電した場合、ダイオードの温度が上昇するのに従ってダイオードの入出力間で生じる電圧が低下する。この温度と電圧の関係を利用して、パワー半導体チップ２の温度を検出する。

【0023】

リード４は、銅またはアルミを基材にした合金の板材を配線パターン形状に成形したリードフレームから構成される。このリードフレームはモールド樹脂５で封止される工程の後に、不要な部分を切り落とされることで、パワー半導体モジュール１内の配線経路を形成するリード４となる。リード４は、電力と熱を伝達する経路となっており、要求性能に合わせて電気伝導率と熱伝導率が高い材料を使用する。

【0024】

図２に示すように、リード４は、パワー半導体チップ２の上面電極もしくはヒートスプレッダ３と接続するか、端部となる一端もしくは両端をモールド樹脂５から外に露出させるかして、パワー半導体モジュール１の通電経路を形成している。パワー半導体モジュール１は、リード４の種類として、Ｐリード４１、Ｎリード４２、ＡＣリード４３、相間リード４１１、インナーリード４４を備える。Ｐリード４１が電源の正極側、Ｎリードが電源の負極側に、電力変換装置１００の構成部品であるインバータ側バスバー等を介して接続される。ＡＣリード４３は、モーター８の３相交流回路の巻き線コイルと配線部材を介して接続される。Ｐリード４１とＮリード４２は、直流電源７と接続する部分を、パワー半導体モジュール１のモールド樹脂５の外周の同一の面から端部を外に露出している。

【0025】

モールド樹脂５は、パワー半導体チップ２、ヒートスプレッダ３、リード４、絶縁層９などを内部に包み込むように配置される。モールド樹脂５は、リードフレーム上に部品を実装した後に、トランスファー成形により設置される。前述のとおり、モールド樹脂５でパワー半導体チップ２、ヒートスプレッダ３、リードフレーム、絶縁層９を一体化した後に、リードフレームの不要な部分が切り落とされてリード４が形成され、リード４のモールド樹脂５からの延出部を曲げることによってパワー半導体モジュール１が構成される。モールド樹脂５は、絶縁性の放熱フィラーを含んでおり、パワー半導体チップ２で生じた熱がモールド樹脂５のフィラーへ拡散することで、温度を低減させる作用を備えている。

【0026】

絶縁層９は、主に絶縁性のフィラーと接着剤で構成される。フィラーにはセラミックから構成される微細な粒子を使用する。接着剤にはエポキシ樹脂などの熱硬化性の樹脂を使用する。絶縁層９の厚さは、要求される絶縁性能と放熱性能をもとに選択した１００ｕｍ～数百ｕｍに設定される。絶縁層９は、銅箔９ａの上に塗工した状態でトランスファー成形工程に持ち込まれる。

【0027】

図３は、実施の形態１によるパワー半導体モジュール１の電流経路Ｉを示す模式図である。モールド樹脂５の外周の同一の面から外に露出したＰリード４１とＮリード４２を始点と終点として、３相インバータ回路１０の上アーム１１のパワー半導体チップ２と、下アーム１２のパワー半導体チップ２が、それぞれ一列に並ぶように配置されている。また、上アーム１１と下アーム１２のパワー半導体チップ２がパワー半導体モジュール１の上下及び左右に対しそれぞれ線対称の位置に搭載されている。さらに、下アーム１２を構成するパワー半導体チップ２の上面電極に連結された１個のＮリード４２が接続されている。
このように構成したことにより、図中の破線で示す電流経路Ｉのループを小さくでき、配線のインダクタンスが小さくなる。この結果、パワー半導体モジュール１は、搭載するパワー半導体チップ２で生じるスイッチング損失を小さくすることができ、パワー半導体チップ２の発熱による温度上昇を小さくできる。

【0028】

図４は、実施の形態１における電力変換装置１００によるパワー半導体モジュール１の図２におけるＡＡ断面を示す断面模式図である。また図５は、実施の形態１によるパワー半導体モジュール１の図２におけるＢＢ断面を示す断面模式図である。３相インバータ回路１０を構成するパワー半導体チップ２がそれぞれ１つのヒートスプレッダ３の上に搭載されている。また、上アームを構成するパワー半導体チップ２を搭載するヒートスプレッダ３が、他の相の上アーム１１のヒートスプレッダ３と相間リード４１１で接続されている。相間リード４１１で上アーム１１のヒートスプレッダ３同士を接続することで、上アーム１１のヒートスプレッダ３を個々のパワー半導体チップ２ごとに設けることができる。下アーム１２と同様に、パワー半導体チップ２ごと別々のヒートスプレッダ３として形成しつつ、パワー半導体モジュール１の電源の正極側の接続部となるＰリード４１を１カ所に集約することができる。このように集約した構成にしたことにより、パワー半導体モジュール１は、上アーム１１のヒートスプレッダ３ごとに電源の正極側接続部となるＰリード４１を設置するように構成した場合に比べて小型化が容易になる。

【0029】

また、本実施の形態によるパワー半導体モジュール１は、ヒートスプレッダ３の１個に搭載されるパワー半導体チップ２が１相分の片側アーム分のチップのみとなるため、上下アームでパワー半導体チップ２とヒートスプレッダ３の構成が同一にできる。これにより、パワー半導体モジュール１はパワー半導体チップ２の放熱性を均一にできるため、チップ間の温度ばらつきが低減できる。また、パワー半導体モジュール１は、ヒートスプレッダ３の形状を共通にできるため部品の種類が削減できるとともに、構造の共通化により生産性が向上する。
ヒートスプレッダ３は、銅もしくは、銅を主材とした合金で構成されている。ヒートスプレッダ３は、片側の面にパワー半導体チップ２が接合部材を介して搭載されている。ヒートスプレッダ３は３相インバータ回路１０の配線経路としての機能も兼ねているが、相間リード４１１が上アーム１１のヒートスプレッダ３と接続するため、パワー半導体モジュール１のパワー半導体チップ２とヒートスプレッダ３の組合せは、上アーム１１、下アーム１２ともにパワー半導体チップ２ごとに同じ構成にすることができる。

【0030】

また、本実施の形態では、例として１つのパワー半導体モジュール１の内部は３相インバータ回路１０を構成する例を示したが、少なくとも３相インバータ回路１０の１相分を構成するパワー半導体チップ２を搭載し、図２に示したように、パワー半導体モジュール１は、パワー半導体モジュール１の配置平面の中心に対して、パワー半導体チップ２が上下左右対称な位置に配置されていることを特徴とする。これにより、パワー半導体チップ２の間の距離が同じになり、接続部材などを含めて、規則的な配置になり放熱性が均一化され、パワー半導体チップ２の間の温度差が縮小する効果がある。すなわち、３相インバータ回路１０を複数個のパワー半導体モジュール１で構成する場合において、パワー半導体モジュール１は、電流経路のインダクタンスを低減するとともに、回路を構成する複数のパワー半導体チップ２のそれぞれに対し、放熱性を均等化することが可能である。

【0031】

３相インバータ回路１０の上アーム１１用のヒートスプレッダ３に搭載する相間リード４１１またはＰリード４１が、すべての上アーム１１用のヒートスプレッダ３の両側に配置されおり、片側をヒートスプレッダ３と接続しない相間リード４１１がＰリード４１として機能する。パワー半導体モジュール１は、相間リード４１１またはＰリード４１がヒートスプレッダ３の両側に設置されていることで、ヒートスプレッダ３の両側の方向での放熱性のばらつきが低減され、チップ内温度分布、およびチップ間温度分布を小さくできる。

【0032】

３相インバータ回路１０の下アーム１２用のヒートスプレッダ３に搭載されるパワー半導体チップ２の上面電極に接続されるＮリード４２の両側が、パワー半導体チップ２のモールド樹脂５の対向する側面からそれぞれ外に突き出すように形成されており、突き出したリードの一端が、電源の負極側に接続するために使用される。パワー半導体モジュール１は、下アーム１２のパワー半導体チップ２の上に接続されるＮリード４２の両側がモールド樹脂５の外に突き出すように配置されていることで、左右方向での放熱性のばらつきが低減され、チップ内温度分布、およびチップ間温度分布を小さくできる。

【0033】

図２のパワー半導体モジュール１の構成においても示されているように、パワー半導体モジュール１の両側にモールド樹脂５から露出したＰリード４１とＮリード４２が設けられる。その一端に電源が接続されるが、反対側にも電源を接続することが可能である。また、電源が接続されない側も同じ構造を持たせることで、パワー半導体モジュール１は回路を構成するパワー半導体チップ２の放熱性を均等化することができる。

【0034】

図６は、実施の形態１による電力変換装置１００の製造方法の主な流れを示す図である。まず、ステップＳ１でパワー半導体チップ２の下面電極にヒートスプレッダ３を接合した組合せを必要数作成する。つぎにステップＳ２で、組合されたパワー半導体チップ２とヒートスプレッダ３を３相インバータ回路１０の形に配列して、Ｐリード４１、Ｎリード４２、相間リード４１１、ＡＣリード４３、インナーリード４４を備えるリードフレームによって、これらのリード４をリードフレームに繋げたままでパワー半導体チップ２およびヒートスプレッダ３と接合する。ステップＳ３で制御用信号およびセンサー信号など回路上必要な信号配線をし、ステップＳ４でパワー半導体チップ２とヒートスプレッダ３とリード４と信号配線とをトランスファー成形により樹脂モールドしてパワー半導体モジュール１を製造する。つぎにステップＳ５にて、パワー半導体モジュール１から露出しているリード４の形状を成形し、リードフレームの不要な接続部分を切り落とす。ステップＳ６でパワー半導体モジュール１にヒートシンクを接合する。最後にステップＳ７にてパワー半導体モジュール１に制御基板を接続し、ケースに収納して完成する。

【0035】

本実施の形態１による電力変換装置によるパワー半導体モジュール１は、各種のリード４がリードフレームで一体化されており、リードフレームの不要な部分が切り落とされることでリード４が形成されるため、生産性がよい。また、形状が高精度に形成されているリードフレームでリード４を形成することで、製造工程での部品のばらつきが小さくなり、それによる使用時の温度のばらつきが低減できる。

【0036】

実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置１００は、実施の形態１における電力変換装置１００の３相インバータ回路１０を、１相分の回路を内部に搭載するパワー半導体モジュール１を３相分組合せて構成するものである。図７は、実施の形態２による電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１の構成を示す模式図である。また、図８は、実施の形態２による電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１の図７におけるＣＣ断面を示す断面模式図である。なお、実施の形態１の構成機器と対応する部分は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0037】

本実施の形態２のパワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュール１が３相インバータ回路１０の１相分を内部に搭載するように構成され、パワー半導体モジュール１のモールド樹脂５の対向する面から外に突き出したＰリード４１同士、Ｎリード４２同士を溶接部４ａで接合することで３相インバータ回路１０が構成されていることを特徴とする。組合されたパワー半導体モジュール１は、相ごとに分割された３つのパワー半導体モジュール１で構成され、各相のパワー半導体モジュール１の両側から露出したＰリード４１が他の相のＰリード４１と接合されて相間リード４１１を構成し、各相のパワー半導体モジュール１の両側から露出したＮリード４２が他の相のＮリード４２と接合されて連結されたＮリード４２を構成する。このようにつなぎ合わせることで、実施の形態１で示したパワー半導体モジュール１と同等の機能が実現される。

【0038】

３相インバータ回路１０を１つのパワー半導体モジュール１に内蔵する構造では、３相インバータ回路１０の一部を内蔵する構造に比べて、パワー半導体モジュール１が大型化する。モールド封止型のパワー半導体モジュール１では、モールド樹脂５と配線部材のリード４およびヒートスプレッダ３の線膨張係数の差から反りが生じ、反りが大きい場合、接続するヒートシンクとの間の熱抵抗が大きくなる。反りによりヒートシンクから位置が離れる部分に搭載されたパワー半導体チップ２は冷却性が悪くなるため、温度が高くなり高出力化のさらなる制約となる。また、パワー半導体モジュール１が大型化することにより、３相インバータ回路１０を構成するパワー半導体チップ２の内、１つでも特性不良のパワー半導体チップ２があれば、パワー半導体モジュール１を廃却することになるなど、生産プロセスでの損失が増大する可能性がある。

【0039】

本実施の形態２の電力変換装置１００におけるパワー半導体モジュール１は、パワー半導体モジュール１を複数個に分けて形成し、Ｐリード４１とＮリード４２で連結する構成とすることで、パワー半導体モジュール１の１個当たりのサイズが小さくできる。また、モジュールの構成部材間の線膨張係数の差によって生じるモジュールの反りを低減することが可能となり、ヒートシンクとの接続部の接触熱抵抗等が増加するのを回避できる。また、Ｐリード４１とＮリード４２が、パワー半導体モジュール１の両側から突き出ている形状の同一のパワー半導体モジュール１を複数個並べることで、リード４同士を容易に接続することができ、簡便に３相インバータ回路１０が構成可能である。

【0040】

実施の形態３．
本実施の形態３の電力変換装置１００は、実施の形態２における電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１のヒートスプレッダ３と絶縁層９と銅箔９ａをセラミック基板に置き換えたものである。図９は、実施の形態３による電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１の構成を示す模式図である。また、図１０は、実施の形態３による電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１の図９におけるＤＤ断面を示す断面模式図である。なお、実施の形態１および実施の形態２の構成機器と対応する部分は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0041】

セラミック基板２０は、セラミック板２１の両側に銅合金またはアルミ合金の板を接続し１相分の上アーム１１と下アーム１２とを一体化したものである。なお、セラミック基板２０のセラミック板２１は、パワー半導体チップ２ごとに分離していてもよい。
本実施の形態３におけるパワー半導体モジュール１は、セラミック板が非常に高い信頼性を備えた絶縁性部材であるため、パワー半導体チップ２と外部との高い絶縁性を確保できる。また、セラミック板２１が熱伝導率の高い部材で構成されているため、パワー半導体チップ２からヒートシンクまでの放熱経路の熱抵抗を小さくする構成が実現できる。

【0042】

本実施の形態３におけるパワー半導体モジュール１は、パワー半導体モジュール１の内部にセラミック基板２０を配置し、ヒートスプレッダ３をセラミック板２１の片側の面に金属パターンで形成する。また、その裏面側に銅板２１ａを形成することができる。これにより、高い絶縁性能の確保と、放熱性の向上を計ることができる。また、セラミック基板２０で構成しても、実施の形態１および実施の形態２のような、ヒートスプレッダ３を３相インバータ回路１０の１相分の上アームもしくは、１相分の下アームごとに別々に設置する構成を設けることができる。また、電流経路のインダクタンスを縮小するための各種リードの配置を実現可能であり、パワー半導体チップ２の間の温度差の縮小化が図れる。また、インダクタンスの低減によるパワー半導体チップ２の発熱量の低減ができる。さらに、電源と接続するＰリード４１、Ｎリード４２のモールド樹脂５の同一側面からの露出によるパワー半導体モジュール１の小型化が実現できる。

【0043】

また、本実施の形態３におけるパワー半導体モジュール１は、セラミック基板２０の配線パターンで形成されるヒートスプレッダ３の厚さと、リード４の厚さを同一に構成する。パワー半導体チップ２の上面電極と接合するリード４の厚さとパワー半導体チップ２の下面電極と接合するヒートスプレッダ３の厚さを同じにすることで、配線を流れる電流による配線自体の単位体積当たりの発熱を均等化でき、上アーム、下アーム間のチップの温度差を縮小できる。

【0044】

実施の形態４．
実施の形態４の電力変換装置１００は、実施の形態２から３に示した電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１をヒートシンク、制御基板およびケースと接続したものである。図１１は、実施の形態４による電力変換装置１００のパワー半導体モジュール１にヒートシンク、制御基板およびケースを実装した断面模式図（図７のＣＣ断面に相当）である。なお、実施の形態１から実施の形態３の構成機器と対応する部分は同じ符号で示し、詳細な説明は省略する。

【0045】

本実施の形態４の電力変換装置１００は、パワー半導体モジュール１が３相インバータ回路１０の上アーム１１と下アーム１２とが一体化された１相分を内部に搭載するように構成され、パワー半導体モジュール１のモールド樹脂５の対向する面から外に突き出したＰリード４１同士、Ｎリード４２同士が溶接部４ａで接合され、パワー半導体モジュール１がヒートシンク３０上に搭載され、パワー半導体モジュール１の上部に制御基板３１が配置されている。また、パワー半導体モジュール１の周囲には、外部からの異物の侵入を防ぐとともに、パワー半導体モジュール１の外部のバスバー３３ａ、３３ｂなどを固定する機能を備えるケース３２が配置されている。

【0046】

制御基板３１には、パワー半導体モジュール１のリード４から放出された熱量を外部に放出するための放熱孔３１ａが備えられている。Ｐリード４１、Ｎリード４２のモールド樹脂５からの露出部からパワー半導体モジュール１の熱が、パワー半導体モジュール１の周囲に放出される。この時、パワー半導体モジュール１の下面には、パワー半導体モジュール１と比較して温度が低いヒートシンク３０が配置されているため、熱せられた空気は、パワー半導体モジュール１の上側の制御基板側に上昇していく。制御基板３１に放熱孔３１ａを設置しておくことで、熱せられた空気の外部への放出Ｗが促進され、パワー半導体モジュール１の温度上昇が抑制される。なお、放熱孔３１ａの設置位置は、図２、図７および図９から見て、Ｐリード４１、Ｎリード４２、インナーリード４４、相間リード４１１、ＡＣリード４３、またはヒートスプレッダ３に重なる位置にあるのが望ましいがその限りではない。また、放熱孔３１ａの形状は、図２、図７および図９から見て、円形状、楕円形状、多角形状でもよいし、制御基板３１の端面から切り欠かれた形状であってもよい。

【0047】

また、本実施の形態４の電力変換装置１００は、パワー半導体モジュール１が３相インバータ回路１０の１相分を内部に搭載するように構成され、パワー半導体モジュール１のモールド樹脂５の対向する面から外に突き出したＰリード４１同士、Ｎリード４２同士が接続されている。パワー半導体モジュール１のモールド樹脂５の外に露出したリード４の中で、他の部材との電流経路にないリード４が存在する。これらのリード４はパワー半導体モジュール１を搭載する部分の外周に配置されるケース３２に搭載されたケース側のバスバー３３ａ（図１１のケース側のバスバー３３ａ、及び図１１のケース側のバスバー３３ａと同じ左側のＰリードに接続された図示しないケース側のバスバー）と接続されている。

【0048】

このように構成することにより、本実施の形態４の電力変換装置１００は、パワー半導体モジュール１のリード４が３相インバータ回路１０の外部の構成部材等に接続されているかどうかで、パワー半導体チップ２で生じる熱の放熱経路が変化することを抑制できる。パワー半導体チップ２の温度の差が生じるのを回避するために、電流経路にならないリード４をケース側のバスバー３３ａに接続することで、３相インバータ回路１０の放熱性を均等化する。これにより、電力の入出力用のインバータ側のバスバー３３ｂに接続されたＰリード４１、Ｎリード４２側のパワー半導体チップ２と、反対側に設置されたパワー半導体チップ２の温度差が拡大するのを回避することができる。

【0049】

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0050】

１ パワー半導体モジュール、２ パワー半導体チップ、３ ヒートスプレッダ、４ リード、４ａ 溶接部、４１ Ｐリード、４１１ 相間リード、４２ Ｎリード、４３ ＡＣリード、４４ インナーリード、５ モールド樹脂、７ 直流電源、８ モーター、９ 絶縁層、９ａ 銅箔、１０ ３相インバータ回路、１１ 上アーム、１２ 下アーム、２０ セラミック基板、２１ セラミック板、２１ａ 銅板、３０ ヒートシンク、３１ 制御基板、３１ａ 放熱孔、３２ ケース、３３ａ，３３ｂ バスバー、１００ 電力変換装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】