特開 2024-94121 電気回路体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】P2024094121

(43)【公開日】2024-07-09

(54)【発明の名称】電気回路体および電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20240702BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

H01L23/40 D

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022210892

(22)【出願日】2022-12-27

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井上 亮

(72)【発明者】

【氏名】露野 円丈

(72)【発明者】

【氏名】井出 英一

(72)【発明者】

【氏名】志村 隆弘

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136CB06

5F136DA07

5F136DA27

5F136EA38

(57)【要約】

【課題】半導体装置と冷却部材との固定および端子の接続がそれぞれ必要になり、生産性が低下する課題があった。
【解決手段】半導体素子を封止材により封止してなり、前記半導体素子からの端子が導出された半導体装置と、前記端子が接続される配線を備えた基板と、前記半導体装置と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記冷却部材を前記半導体装置に固定する固定部材と、前記冷却部材が前記半導体装置に密着する方向に前記固定部材を加圧する加圧部材と、を備え、前記固定部材は、前記加圧部材より伝達された加圧力により前記端子と前記配線との接続を支持する支持部を含む電気回路体。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子を封止材により封止してなり、前記半導体素子からの端子が導出された半導体装置と、
前記端子が接続される配線を備えた基板と、
前記半導体装置と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、
前記冷却部材を前記半導体装置に固定する固定部材と、
前記冷却部材が前記半導体装置に密着する方向に前記固定部材を加圧する加圧部材と、を備え、
前記固定部材は、前記加圧部材より伝達された加圧力により前記端子と前記配線との接続を支持する支持部を含む電気回路体。

【請求項2】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記支持部は、前記端子を前記基板の前記配線へ押圧する電気回路体。

【請求項3】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記支持部は、前記端子と前記配線とを接続する接続ピンを支持する電気回路体。

【請求項4】

請求項２に記載の電気回路体において、
前記端子は、弾性力を有する屈曲形状であり、前記支持部は、前記屈曲形状の前記端子を前記配線へ押圧する電気回路体。

【請求項5】

請求項２に記載の電気回路体において、
前記支持部は、弾性部材を含み、前記弾性部材により前記端子を前記基板の前記配線へ押圧する電気回路体。

【請求項6】

請求項２に記載の電気回路体において、
前記支持部は、弾性部材を含み、前記弾性部材により前記基板を前記端子へ押圧する電気回路体。

【請求項7】

請求項２に記載の電気回路体において、
前記基板は、前記端子を挟持する挟持部を備える電気回路体。

【請求項8】

請求項２に記載の電気回路体において、
前記基板は、前記端子を受ける凹部を備える電気回路体。

【請求項9】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記冷却部材と前記固定部材とは、接着または係合により一体的に構成される電気回路体。

【請求項10】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記半導体装置と前記冷却部材との間に配置される熱伝導部材を備える電気回路体。

【請求項11】

請求項１０に記載の電気回路体において、
前記熱伝導部材の熱伝導率は、５～８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である電気回路体。

【請求項12】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記半導体装置の前記端子には、Ａｕめっき、Ａｇめっき、Ｓｎめっき、Ｎｉめっきのいずれかが施され、
前記基板上には、シリコン系コーティング剤、フッ素系コーティング剤のいずれかが塗布された電気回路体。

【請求項13】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記加圧部材の取り外しにより、前記冷却部材と一体的に構成された前記固定部材の前記半導体装置への押圧、および前記端子と前記配線との接続が解除される電気回路体。

【請求項14】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記半導体装置は、前記半導体素子の両面に導体板および熱伝導部材が形成され、
前記冷却部材は、前記導体板および前記熱伝導部材を介して前記半導体装置の両面に配置される電気回路体。

【請求項15】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気回路体を備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気回路体および電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子のスイッチング動作による電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。半導体素子はスイッチング動作により発熱する。このため、半導体素子を内蔵した半導体装置には、半導体素子からの発熱を冷却する冷却部材が、半導体装置と対向して密着して配置される。また、半導体装置は、半導体素子より導出された端子を基板の配線に接続している。

【0003】

特許文献１には、パワー半導体に放熱部材を実装してなる電気回路モジュールであって、パワー半導体を収納する固定治具をネジにより放熱部材に固定し、固定治具の端子台に配線をネジにより接続する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－１８３６４４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に記載の技術は、半導体装置と冷却部材との固定および端子の接続がそれぞれ必要になり、生産性が低下する課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による電気回路体は、半導体素子を封止材により封止してなり、前記半導体素子からの端子が導出された半導体装置と、前記端子が接続される配線を備えた基板と、前記半導体装置と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記冷却部材を前記半導体装置に固定する固定部材と、前記冷却部材が前記半導体装置に密着する方向に前記固定部材を加圧する加圧部材と、を備え、前記固定部材は、前記加圧部材より伝達された加圧力により前記端子と前記配線との接続を支持する支持部を含む。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、生産性に優れた電気回路体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、固定部材を含む実施形態における電気回路体の平面図である。

【図2】図２は、固定部材を取り除いた実施形態における電気回路体の平面図である。

【図3】図３は、電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。

【図4】図４は、電気回路体のＹ－Ｙ線における断面斜視図である。

【図5】図５は、電気回路体のＸ－Ｘ線における断面斜視図である。

【図6】図６は、半導体装置の入れ替えを説明する断面図である。

【図7】図７は、半導体装置の半透過平面図である。

【図8】図８は、半導体装置の回路図である。

【図9】図９（ａ）～図９（ｄ）は、半導体装置の製造工程を説明する断面図である。

【図10】図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、電気回路体の製造工程を説明する断面図である。

【図11】図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、実施形態における固定部材の一体化の工程を説明する断面図である。

【図12】図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、変形例１における固定部材の一体化の工程を説明する断面図である。

【図13】図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、変形例２における固定部材の一体化の工程を説明する断面図である。

【図14】図１４（ａ）～図１４（ｅ）は、電気回路体の変形例３～変形例７を示す断面図である。

【図15】図１５は、電気回路体の変形例８を示す断面図である。

【図16】図１６は、比較例における電気回路体の平面図である。

【図17】図１７は、半導体装置を用いた電力変換装置の回路図である。

【図18】図１８は、図１７に示す電力変換装置の外観斜視図である。

【図19】図１９は、図１８に示す電力変換装置のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

【0010】

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

【0011】

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

【0012】

図１、図２は、実施形態における電気回路体４００の平面図である。図１は、固定部材３４４を含む電気回路体４００の平面図であり、図２は、固定部材３４４を取り除いた電気回路体４００の平面図である。

【0013】

電気回路体４００は、半導体装置３００、冷却部材３４０、固定部材３４４、基板３５０、加圧部材３４１等からなる。図１、図２に示す例では、電気回路体４００は、半導体装置３００を３個並列に設けてなる。

【0014】

半導体装置３００は、後述する半導体素子１５５、１５７を封止材３６０により封止して、これを内蔵している。半導体装置３００の両面は半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作による熱を放熱する。さらに、半導体装置３００は、半導体素子１５５、１５７と接続されている端子が半導体装置３００の側面の封止材３６０より導出される。これらの端子は、直流回路のコンデンサモジュール５００（図１７参照）に連結する正極側端子３２５Ｐおよび負極側端子３２５Ｍ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４（図１７参照）に連結する交流側端子３２５Ａ等の大電流が流れるパワー端子である。

【0015】

また、半導体装置３００の側面の封止材３６０より導出される端子は、下アームゲート端子３２５Ｌ、コレクタセンス端子３２５Ｃ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、上アームゲート端子３２５Ｕなどの端子である。半導体装置３００より導出されるこれらの端子は、基板３５０の配線パターンなどの配線に接続される。半導体装置３００を３個並列に設けた電気回路体４００は、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作により直流電流と交流電流を変換する電力変換装置２００として機能する。なお、電気回路体４００が有する半導体装置３００の個数は３個に限らず、電気回路体４００の種々の形態に合わせて任意に設定される。

【0016】

冷却部材３４０は、半導体装置３００と対向して配置され、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作による発熱を冷却する。具体的には、冷却部材３４０は、内部に冷媒が流通する流路が形成され、流路を流通する冷媒により半導体素子１５５、１５７からの発熱を冷却する。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。冷却部材３４０は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。

【0017】

固定部材３４４は、冷却部材３４０に接着、溶着、勘合などにより一体的に構成される。そして、固定部材３４４は、加圧部材３４１により冷却部材３４０を半導体装置３００に固定する。加圧部材３４１は、冷却部材３４０が半導体装置３００に密着する方向に固定部材３４４を加圧する加圧力を継続して加えることのできる部材であればよい。例えば、本実施形態のようにネジであってもよく、固定部材３４４を半導体装置３００の両面から挟み込むコの字状の板バネなどを用いることができる。

【0018】

固定部材３４４は、加圧部材３４１より伝達された加圧力により、半導体装置３００の端子と基板３５０の配線との接続も行う。固定部材３４４、基板３５０、加圧部材３４１の構成については後述する。

【0019】

固定部材３４４は、絶縁性の材料であれば幅広く用いることが可能である。熱硬化性樹脂や、熱可塑性樹脂、シリコン樹脂などの樹脂部材や、セラミックなどの無機部材を用いることができる。樹脂部材を用いると、複雑な構造の形成が容易となる。熱可塑性樹脂を用いることで、射出成型により冷却部材３４０と一体成型することもでき、生産性を高めることができる。固定部材３４４に樹脂部材を用いる場合、ガラス繊維やガラス粒子、セラミック粒子などの無機充填剤を添加することで機械的物性を向上できる。また、セラミック板やセラミック製の構造体を、固定部材３４４の一部に用いることで、機械的物性を向上したり、絶縁性を向上したりできる。また、金属部材であっても、その表面や、電気的絶縁性が必要な部位に絶縁性の被覆を設けることで、固定部材３４４として用いることができる。

【0020】

図３は、図１および図２に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図である。図４は、図１および図２に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線における断面斜視図である。図５は、図１および図２に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面斜視図である。

【0021】

図３に示すように、電力変換装置の上アーム回路を形成する第１半導体素子として、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える（後述の図７、図８参照）。能動素子としては、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子１５５のボディダイオードを用いる場合は、別付けのダイオードを省略してもよい。第１半導体素子１５５のコレクタ側は、第２導体板４３１に接合されている。この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。第１半導体素子１５５のエミッタ側には第１導体板４３０が接合されている。

【0022】

図４に示すように、下アーム回路を形成する第２半導体素子として、能動素子１５７、ダイオード１５８を備える（後述の図７、図８参照）。図４に示すように、第２半導体素子１５７のコレクタ側は、第４導体板４３３に接合されている。第２半導体素子１５７のエミッタ側には第３導体板４３２が接合されている。
冷却部材３４０は、半導体装置３００の両面に配置されているが、内部の冷媒は流路連結部３４６を通り、両面に配置された冷却部材３４０の一方から他方へ流通する。

【0023】

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料等の金属系材料や、金属系材料と高熱伝導率のダイヤモンド、カーボンやセラミック等の複合材料等を用いることが望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためＮｉやＡｇ等のめっきを施してもよい。

【0024】

図３、図４、図５に示すように、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電流を通電する役割の他に、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が発する熱を冷却部材３４０に伝熱する伝熱部材としての役割をはたしている。半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と接合されている面と反対側の面が導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面となる。導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、放熱面との間に絶縁シート４４０を配置する。

【0025】

絶縁シート４４０は、樹脂絶縁層４４３、表面導体層４４４を積層して構成される。樹脂絶縁層４４３は、一方面において導体板４３０、４３１、４３２、４３３を覆って導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面に接着される。表面導体層４４４は、樹脂絶縁層４４３の他方面に接着されるとともに半導体装置３００の表面に露出する。

【0026】

絶縁シート４４０の樹脂絶縁層４４３は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と接着性を有するものであれば特に限定されないが、粉末状の無機充填剤を分散したエポキシ樹脂系樹脂絶縁層が望ましい。これは、接着性と放熱性のバランスが良いためである。絶縁シート４４０は、後述の熱伝導部材４５３と接する側に金属箔などの表面導体層４４４を設ける。

【0027】

絶縁シート４４０は、トランスファーモールド工程で封止材３６０と同時に硬化される。トランスファーモールド成型工程において、絶縁シート４４０を金型に搭載する際、金型への接着を防ぐため、絶縁シート４４０と金型との接触面には、離型シート又は、表面導体層４４４を設ける。離型シートは、熱伝導率が悪いためトランスファーモールド後に剥離する工程が必要となるが、金属箔などの表面導体層４４４を用いた場合は、銅系や、アルミ系の熱伝導率の高い金属を選択することで、トランスファーモールド後に剥離することなく使用することができる。

【0028】

半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８、導体板４３０、４３１、４３２、４３３、絶縁シート４４０は、トランスファーモールド成型により封止材３６０で封止され、半導体装置３００を構成する。

【0029】

熱伝導部材４５３は、半導体装置３００と冷却部材３４０との間に、接触熱抵抗を低減するために配置される。熱伝導部材４５３は、グリースや、ゲルグリース、フェーズチェンジシートなど常温又は高温で流動性のあるものを用いることができるが、作業性と長期信頼性を確保のため、未硬化では流動性を有し、硬化後に流動性が無くなる硬化型の熱伝導材料が望ましい。硬化型の熱伝導部材４５３は、塗布時は、粘度が低く作業性に優れ、硬化することで、機械物性を向上することができる利点がある。硬化は熱硬化、湿気硬化、紫外線硬化などを利用することができるが、深部まで硬化するには熱硬化が望ましい。

【0030】

熱伝導部材４５３は、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂と混ぜ合わせた材料である。樹脂は、－４０℃付近から２００℃付近まで弾性率の変化が小さいシリコン樹脂が最も望ましい。また、熱伝導部材４５３は、絶縁性材料が好まれる。これは、端子近傍に熱伝導部材４５３の材料が付着することで絶縁性が低下することを防止するためである。熱伝導部材４５３の熱伝導率は、５～８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

【0031】

基板３５０は、低コストのプリント基板や、絶縁性や耐熱性にすぐれるセラミック基板、厚さが薄く柔軟性にすぐれるフレキシブル基板などである。また、パターンを形成して打ち抜いたリードフレームなどの金属板や、それに類似する金属板単体でも、必要な電気的接続をとることができるため、基板３５０として用いてもよい。

【0032】

基板３５０の導体層は、配線として１層以上あれば問題ないが、２層以上とすることで、配線レイアウトの自由度を高めることができる。基板３５０の表面にレジストなどの絶縁性皮膜を形成することで、隣接する端子や配線との絶縁性を向上できる。レジストは、フォトレジストなどを用いることで、電気的接続が必要な部分のレジストを除去することが容易となる。基板３５０上には、シリコン系コーティング剤、フッ素系コーティング剤のいずれかを塗布する。

【0033】

半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８より導出されている端子３２５は、基板３５０の配線に接続される。具体的には、図３、図５に示すように、第１半導体素子１５５より、上アームゲート端子３２５Ｕが導出され、基板３５０の配線に接続される。さらに、第１半導体素子１５５、第２半導体素子１５６より、第２導体板４３１と一体に形成された正極側端子３２５Ｐが導出され、基板３５０の配線に接続される。その他、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８より導出されている端子３２５は、図３、図５に示すように、Ｘ－Ｘ線における断面でＶ字状に形成されている。Ｖ字状に形成された端子３２５のＶ字頂点部分は基板３５０の配線に当接している。Ｖ字状に形成された端子３２５の端部は、固定部材３４４の支持部３４５に当接している。加圧部材３４１による加圧力は、固定部材３４４に伝達され、これにより固定部材３４４の支持部３４５は、端子３２５を基板３５０の配線へ押圧し、端子３２５と基板３５０の配線との接続を強固にする。

【0034】

端子３２５は、断面がＶ字状の例で説明したが、その他の屈曲形状でもよい。また、端子３２５は、弾性力を有する屈曲形状であり、固定部材３４４の支持部３４５は、屈曲形状の端子３２５を配線へ容易に押圧できる。このように、半導体装置３００の端子３２５は、Ｖ字状などの屈曲形状が施されているので、端子３２５と配線との接続位置のばらつきを吸収する、所謂、公差吸収機構を形成しており、生産性に優れる。端子３２５には、Ａｕめっき、Ａｇめっき、Ｓｎめっき、Ｎｉめっきのいずれかを施す。

【0035】

本実施形態によれば、加圧部材３４１により、冷却部材３４０の固定および配線の接続を行うので、冷却部材３４０の固定と配線の接続とをそれぞれ行う場合と比較して、生産性に優れた電気回路体４００を提供できる。また、冷却部材３４０の固定と配線の接続とをそれぞれ個別に行う必要がないので、電気回路体４００の構造を簡略化でき、小型化できる。また、配線の接続は、加圧部材３４１の加圧力により接続をするため、はんだや溶接などによる接続と比較して、電気回路体４００の製造時の二酸化炭素の排出を軽減できる。そして、加圧部材３４１を取り外すことで、半導体装置３００等を交換するなどの電気回路体４００の修理・修復などが容易になるので、製品の環境負荷を軽減できる。

【0036】

図６は、半導体装置３００等の入れ替えを説明する断面図である。図３と同様に、図１および図２に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図で示す。
図６に示すように、加圧部材３４１を取り外すことにより、冷却部材３４０が一体的に構成されている固定部材３４４を半導体装置３００から分離することが出来る。この時、半導体装置３００の端子３２５と基板３５０の配線との接続も同時に解除される。すなわち、加圧部材３４１の取り外しにより、冷却部材３４０と一体的に構成された固定部材３４４の半導体装置３００への押圧、および端子３２５と配線との接続が解除される。これにより、例えば、古い半導体装置３００を新しい半導体装置３００へ、または、古い冷却部材３４０を新しい冷却部材３４０へ交換できる。

【0037】

図７は、半導体装置３００の半透過平面図である。図８は、半導体装置３００の回路図である。

【0038】

図７、図８に示すように、正極側端子３２５Ｐは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。上アームゲート端子３２５Ｕは、上アーム回路の能動素子１５５のゲートから出力している。負極側端子３２５Ｍは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。下アームゲート端子３２５Ｌは、下アーム回路の能動素子１５７のゲートから出力している。交流側端子３２５Ａは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。

【0039】

上アームのエミッタセンス端子３２５Ｅは、上アーム回路の能動素子１５５のエミッタから、下アームのエミッタセンス端子３２５Ｅは、下アーム回路の能動素子１５７のエミッタから出力される。上アームのコレクタセンス端子３２５Ｃは、上アーム回路の能動素子１５５のコレクタから、下アームのコレクタセンス端子３２５Ｃは、下アーム回路の能動素子１５７のコレクタから出力される。

【0040】

また、半導体素子（上アーム回路）の能動素子１５５およびダイオード１５６の上下に導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。半導体素子（下アーム回路）の能動素子１５７およびダイオード１５８の上下に導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。

【0041】

本実施形態の半導体装置３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。この他に、複数の上アーム回路及び下アーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造を用いてもよい。この場合は、半導体装置３００からの出力端子の数を低減し小型化することができる。

【0042】

図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）、図９（ｄ）は、半導体装置３００の製造工程を説明する断面図である。図３と同様に、１モジュール分のＸ-Ｘ線の断面図で示す。

【0043】

図９（ａ）は、仮着け工程である。第２導体板４３１に半導体素子１５５のコレクタ側と半導体素子１５６のカソード側を接続し、半導体素子１５５のゲート電極、エミッタセンス電極、コレクタ電極をワイヤボンディングで上アームのゲート端子３２５Ｕ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、コレクタセンス端子３２５Ｃにそれぞれ接続する。さらに、半導体素子１５５のエミッタ側と半導体素子１５６のアノード側を第１導体板４３０に接続して、上アーム側の回路体３１０を作製する。同様に、第４導体板４３３に半導体素子１５７のコレクタ側と半導体素子１５８のカソード側を接続し、半導体素子１５７のゲート電極、エミッタセンス電極、コレクタ電極をワイヤボンディングで下アームのゲート端子３２５Ｌ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、コレクタセンス端子３２５Ｃにそれぞれ接続する。

【0044】

さらに、半導体素子１５７のエミッタ側と半導体素子１５８のアノード側を第３導体板４３２に接続して、下アーム側の回路体３１０を作製する。ただし図９（ａ）では、上アーム側の回路体３１０のみを図示し、下アーム側の回路体３１０については図示していない。その後、導体板４３０～４３３に絶縁シート４４０を仮着けする。仮着けとは、この後のトランスファーモールド工程で絶縁シート４４０が硬化し接着する余地を残した条件で、絶縁シート４４０の密着力を使用して一時的に貼り付けることである。

【0045】

図９（ｂ）～図９（ｄ）は、トランスファーモールド工程である。トランスファーモールド装置６０１は、スプリング６０２を金型６０３に備えている。このスプリング６０２により、回路体３１０の高さがばらついても、半導体素子１５５～１５８に過度の圧力を加えることなく、スプリング６０２の力により所定の荷重を加えることができる。また、トランスファーモールド装置６０１は、図示していない真空脱気機構を備える。真空脱気することで、樹脂等よりなる封止材３６０等がボイドを巻き込んでもボイドを小さく圧縮し、絶縁性を向上できる。また、図示していない離型フィルムで回路体３１０を覆うことで、スプリング駆動部等に樹脂バリが侵入するのを保護できる。

【0046】

図９（ｂ）に示すように、予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型６０３内に、絶縁シート４４０を仮着した回路体３１０をセットする。次に、図９（ｃ）に示すように、上下の金型６０３をクランプする。このとき、スプリング６０２により、絶縁シート４４０と導体板４３０～４３３は加圧され密着する。

【0047】

この後、図９（ｄ）に示すように、封止材３６０を金型６０３内に注入する。その後、トランスファーモールド装置６０１から樹脂封止した半導体装置３００を取り出し、１７５℃にて２時間以上の後硬化を行う。

【0048】

図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、電気回路体４００の製造工程を説明する断面図である。
まず、図９（ｄ）に示した工程に続けて、上アームゲート端子３２５Ｕ、正極側端子３２５Ｐなどの半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８より導出されている端子３２５をＶ字状などの屈曲形状に成形する。この成形は、金型等を用いて行うことができる。

【0049】

図１０（ａ）は、塗布工程である。冷却部材３４０は、固定部材３４４と一体的に構成されているが、この冷却部材３４０に熱伝導部材４５３を塗布する。

【0050】

図１０（ｂ）は、密着・硬化工程である。熱伝導部材４５３が塗布された冷却部材３４０を加圧部材３４１で半導体装置３００に密着する。この際に、Ｖ字状に形成された端子３２５の端部は、固定部材３４４の支持部３４５により押圧され、端子３２５と基板３５０の配線とが接続される。すなわち、加圧部材３４１により、冷却部材３４０の固定と端子３２５の接続が行われる。そして、熱伝導部材４５３を硬化することで電気回路体４００を作製する。

【0051】

図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、固定部材３４４と冷却部材３４０との一体化の工程を説明する断面図である。
図１１（ａ）に示すように、固定部材３４４の内側には、冷却部材３４０が嵌合する凹部が形成されている。冷却部材３４０を接着する場合は、その凹部に接着剤を塗布する。

【0052】

次に、図１１（ｂ）に示すように、固定部材３４４の凹部に冷却部材３４０を嵌合して、接着し、固定部材３４４と冷却部材３４０を一体的に構成する。固定部材３４４は、冷却部材３４０と別体に作製し、その後、冷却部材３４０を接着により固定した。別体で作製することで、構造を簡略化し低コスト化できる。

【0053】

図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、変形例１における固定部材３４４と冷却部材３４０との一体化の工程を説明する断面図である。
図１２（ａ）に示すように、固定部材３４４の中央部は、空洞３４７が形成されている。空洞３４７の周囲の内側には、冷却部材３４０が嵌合する凹部が形成されている。冷却部材３４０を接着する場合は、その凹部に接着剤を塗布する。

【0054】

次に、図１２（ｂ）に示すように、固定部材３４４の凹部に冷却部材３４０を嵌合して、接着し、固定部材３４４と冷却部材３４０を一体的に構成する。この変形例１では、固定部材３４４の材料を低減できる。

【0055】

図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、変形例２における固定部材３４４と冷却部材３４０との一体化の工程を説明する断面図である。
図１３（ａ）に示すように、固定部材３４４の中央部は、空洞３４７が形成されている。空洞３４７の周囲の内側には、冷却部材３４０が嵌合する凹部が形成され、さらに、空洞３４７の周囲の内側には、周囲所定箇所に係合突起３４９が形成されている。冷却部材３４０には、係合突起３４９の位置に対応して、係合穴３４２が形成されている。

【0056】

次に、図１３（ｂ）に示すように、固定部材３４４の係合突起３４９を冷却部材３４０の係合穴３４２に係合することにより、固定部材３４４と冷却部材３４０を一体的に構成する。なお、固定部材３４４に係合穴を、冷却部材３４０に係合突起を形成し、これを係合することにより、固定部材３４４と冷却部材３４０を一体的に構成してもよい。この変形例２では、接着剤を用いることなく固定部材３４４と冷却部材３４０を一体的に構成でき、係合を解除することにより、固定部材３４４もしくは冷却部材３４０の交換が可能になる。

【0057】

図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）、図１４（ｄ）、図１４（ｅ）は、それぞれ電気回路体４００の変形例３、変形例４、変形例５、変形例６、変形例７を示す断面図である。図３と同様に、１モジュール分のＸ-Ｘ線の断面図で示す。図３と同一箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。

【0058】

図１４（ａ）に示す変形例３は、端子３２５と基板３５０の配線とを接続する接続ピン３４８を備え、固定部材３４４の支持部３４５は、接続ピン３４８を支持する。具体的には、接続ピン３４８の両端は、半導体装置３００の両面に配置された固定部材３４４の支持部３４５で保持され、その間の接続ピン３４８に端子３２５と基板３５０の配線が電気的に接続される。接続ピン３４８は、例えば、プレスフィットなどの弾性コンタクトであり、端子３２５および基板３５０に形成されたスルーホールに圧入する。接続ピン３４８は、スルーホールの径より大きく、端子３２５や基板３５０の厚さより長い拡大加工部が形成され、部品寸法がばらついても、その公差を吸収できる。また、接続ピン３４８の挿入方向に合わせて、挿入方向に近い側のスルーホールの径および拡大加工部の径を大きくすることにより、接続ピン３４８をスムーズに挿入することができる。

【0059】

図１４（ｂ）に示す変形例４は、端子３２５をコの字状に屈曲し、固定部材３４４の支持部３４５は、端子３２５を基板３５０の配線へ押圧する。コの字状に屈曲された端子３２５の先端部分が基板３５０の配線へ電気的に接続される。端子３２５は、弾性力を有する屈曲形状であり、固定部材３４４の支持部３４５は、屈曲形状の端子３２５を配線へ容易に押圧できる。

【0060】

図１４（ｃ）に示す変形例５では、固定部材３４４の支持部３４５は、弾性部材を含み、弾性部材により基板３５０を端子３２５へ押圧する。具体的には、コの字状に屈曲された端子３２５の先端部分が基板３５０の配線へ電気的に接続され、この基板３５０の反対側は、固定部材３４４の支持部３４５に保持されたバネなどの弾性部材３４３で押圧される。端子３２５を挟んだ基板３５０の反対側は封止材３６０で端子３２５が保持されている。これにより、基板３５０が端子３２５側へ撓み、端子３２５と基板３５０の配線との接続が強固になり、また、部品寸法がばらついても、弾性部材３４３により、その公差を吸収できる。

【0061】

図１４（ｄ）に示す変形例６では、固定部材３４４の支持部３４５は、弾性部材３４３を含み、弾性部材３４３により端子３２５を基板３５０の配線へ押圧する。具体的には、端子３２５の先端部分が基板３５０の配線へ電気的に接続され、端子３２５の先端部分は、固定部材３４４の支持部３４５に保持されたバネなどの弾性部材３４３で基板３５０側へ押圧される。これにより、端子３２５が基板３５０側へ押圧され、端子３２５と基板３５０の配線との接続が強固になり、また、部品寸法がばらついても、弾性部材３４３により、その公差を吸収できる。

【0062】

図１４（ｅ）に示す変形例７では、基板３５０は、端子３２５を挟持する平行板よりなる挟持部３５１を備える。具体的には、端子３２５の先端部分が基板３５０に設けられた挟持部３５１の平行板の間に挿入される。平行板は導電性であってもよく、平行板の間に挟持された端子３２５は配線へ電気的に接続される。挿入される端子の位置が平行板と平行な方向にばらついても、その公差を吸収できる。

【0063】

図１５は、電気回路体４００の変形例８を示す断面図である。図３と同様に、１モジュール分のＸ-Ｘ線の断面図で示す。図３と同一箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。

【0064】

図１５に示すように、基板３５０には、端子３２５を受ける凹部３５２を形成している。具体的には、端子３２５と基板３５０の配線とが接触する部分に、配線が施された凹部３５２を形成し、この凹部３５２に端子３２５の接触部分を位置させる。これにより、固定部材３４４の支持部３４５により押圧された端子３２５と配線との接触位置のずれを防止でき、また、部品寸法がばらついても、その公差を吸収できる。

【0065】

図１６は、比較例における電気回路体４００の平面図である。この比較例は、本実施形態を適用しない例であり、本実施形態と比較するための図である。図１と同様に電気回路体４００の平面図であり、図１と同一箇所には同一の符号を付して説明を簡略に行う。

【0066】

比較例では、図１６に示すように、冷却部材３４０が一体的に構成された固定部材３４４を固定するネジ部３５５と、半導体装置３００の端子を電気的に接続するネジ部３５６がある。このため、冷却部材３４０の固定および配線の接続をそれぞれ行う必要があるので、電気回路体４００の生産性が低下する。加えて、冷却部材３４０の固定および配線の接続を行うそれぞれの構成が必要になり、電気回路体４００の構造が大型化する。また、配線の接続をはんだや溶接などにより接続した場合には、製造時の二酸化炭素の排出が増加し、古い半導体装置３００を新しい半導体装置３００に入れ替えることが出来ず、電気回路体４００の修理・修復が困難になり、製品の環境負荷が大きくなる。

【0067】

図１７は、半導体装置３００を用いた電力変換装置２００の回路図である。
電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、半導体装置３００を複数個備えており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更に半導体装置３００を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、半導体装置３００に内蔵している半導体素子である能動素子１５５、１５７やダイオード１５６、１５８を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。

【0068】

インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路部１４０等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0069】

上アーム回路は、スイッチング用の半導体素子として上アーム用の能動素子１５５と上アーム用のダイオード１５６とを備えており、下アーム回路は、スイッチング用の半導体素子として下アーム用の能動素子１５７と下アーム用のダイオード１５８とを備えている。能動素子１５５、１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。

【0070】

上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム用のダイオード１５６および下アーム用のダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。図８に示すように、ダイオード１５６、１５８のカソード電極が能動素子１５５、１５７のコレクタ電極に、アノード電極が能動素子１５５、１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう電流の流れが順方向となっている。能動素子１５５、１５７は、例えばＩＧＢＴである。

【0071】

なお、能動素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いても良く、この場合は、上アーム用のダイオード１５６、下アーム用のダイオード１５８は不要となる。

【0072】

各上・下アーム直列回路の正極側端子３２５Ｐと負極側端子３２５Ｍはコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用の直流端子にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、各上・下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は各半導体装置３００の交流側端子３２５Ａに接続されている。各相の各半導体装置３００の交流側端子３２０Ｂはそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２または１９４の固定子巻線に供給される。

【0073】

制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。なお、１８１、１８８はコネクタである。

【0074】

上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、上・下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上・下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７のスイッチング動作を停止させ、上・下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。

【0075】

図１８は、図１７に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１９は、図１８に示す電力変換装置２００のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。

【0076】

電力変換装置２００は、下部ケース１１および上部ケース１０により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体１２を備えている。筐体１２の内部には、電気回路体４００、コンデンサモジュール５００等が収容されている。電気回路体４００は冷却部材３４０へ流れる冷却流路を有しており、筐体１２の一側面からは、冷却流路に連通する冷媒流入管１３および冷媒流出管１４が突出している。下部ケース１１は、上部側が開口され、上部ケース１０は、下部ケース１１の開口を塞いで下部ケース１１に取り付けられている。上部ケース１０と下部ケース１１とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース１０と下部ケース１１とを一体化して構成してもよい。筐体１２を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産もし易い。

【0077】

筐体１２の長手方向の一側面に、コネクタ１７が取り付けられており、このコネクタ１７には、交流ターミナル１８が接続されている。また、冷媒流入管１３および冷媒流出管１４が導出された面には、コネクタ２１が設けられている。

【0078】

図１９に図示されるように、筐体１２内には、電気回路体４００が収容されている。電気回路体４００には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、電気回路体４００の直流端子側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。コンデンサモジュールを電気回路体４００と同一高さに配置することで、電力変換装置２００を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体４００の交流側端子３２５Ａは、電流センサ１８０を貫通してコネクタ１８８に接続されている。また、半導体装置３００の直流端子である、正極側端子３２５Pおよび負極側端子３２５Ｍは、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子３６２Ａ、３６２Ｂに接合される。

【0079】

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電気回路体４００は、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８を封止材３６０により封止してなり、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８からの端子３２５が導出された半導体装置３００と、端子３２５が接続される配線を備えた基板３５０と、半導体装置３００と対向して配置され、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８による発熱を冷却する冷却部材３４０と、冷却部材３４０を半導体装置３００に固定する固定部材３４４と、冷却部材３４０が半導体装置３００に密着する方向に固定部材３４４を加圧する加圧部材３４１と、を備え、固定部材３４４は、加圧部材３４１より伝達された加圧力により端子３２５と配線との接続を支持する支持部３４５を含む。これにより、装置の生産性に優れた電気回路体を提供できる。

【0080】

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

【符号の説明】

【0081】

１０・・・上部ケース、１１・・・下部ケース、１３・・・冷媒流入管、１４・・・冷媒流出管、１７、２１、１８１、１８２、１８８・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、４３、１４０、１４２・・・インバータ回路、１５５、１５６、１５７、１５８・・・半導体素子、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、１９２、１９４・・・モータジェネレータ、２００・・・電力変換装置、３００・・・半導体装置、３１０・・・回路体、３２５Ｐ・・・正極側端子、３２５Ｍ・・・負極側端子、３２５Ａ・・・交流側端子、３２５Ｃ・・・コレクタセンス端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｅ・・・エミッタセンス端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子、３４０・・・冷却部材、３４１・・・加圧部材、３４２・・・係合穴、３４３・・・弾性部材、３４４・・・固定部材、３４５・・・支持部、３４７・・・空洞、３４８・・・接続ピン、３４９・・・係合突起、３５０・・・基板、３５１・・・挟持部、３５２・・・凹部、３５５、３５６・・・ネジ部、３６０・・・封止材、４００・・・電気回路体、４３０、４３１、４３２、４３３・・・導体板、４４０・・・絶縁シート、４４３・・・樹脂絶縁層、４４４・・・表面導体層、４５３・・・熱伝導部材、５００・・・コンデンサモジュール、６０１・・・トランスファーモールド装置、６０２・・・スプリング。

【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】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】