特許 7573818 冷却器フレームの一体化が向上した電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】冷却器フレームの一体化が向上した電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20241021BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241021BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20241021BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L25/04 C

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021551583

(86)(22)【出願日】2020-02-25

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-05-11

(86)【国際出願番号】 EP2020054828

(87)【国際公開番号】W WO2020173899

(87)【国際公開日】2020-09-03

【審査請求日】2022-12-02

(31)【優先権主張番号】19160101.2

(32)【優先日】2019-02-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】523380173

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】トラウブ，フェリクス

(72)【発明者】

【氏名】シュダーラー，ユルゲン

(72)【発明者】

【氏名】モーン，ファビアン

(72)【発明者】

【氏名】グラディンガー，トーマス

(72)【発明者】

【氏名】リウ，チュンレイ

(72)【発明者】

【氏名】トッレジン，ダニエレ

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１０１２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－４２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－３９６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８３０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１７４８５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－５０４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－３９２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２３５２９３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力変換装置であって、
第１のパワー半導体モジュール（１００）と、
閉じた冷却器のためのフレーム（２０）とを備え、
前記第１のパワー半導体モジュール（１００）は、
第１のベースプレート（３０）を含み、前記第１のベースプレート（３０）は、第１の主面（３２）と、前記第１の主面（３２）の反対側の第２の主面（３３）と、前記第１のベースプレート（３０）の周縁に沿って延びて前記第１の主面（３２）と前記第２の主面（３３）とを接続する側面（３４）とを有し、前記第１のパワー半導体モジュール（１００）はさらに、
前記第１のベースプレート（３０）の前記第１の主面（３２）上に位置する少なくとも１つの第１のダイ（４０）を含み、
前記フレーム（２０）は、前記第１のベースプレート（３０）の前記第２の主面（３３）に装着され、前記第１のベースプレート（３０）は、前記第１のベースプレート（３０）の前記周縁に沿って前記第２の主面（３３）上に第１の段差（３５Ａ）を有することにより、前記第１のベースプレート（３０）の前記周縁に沿って第１の凹部（３５）を形成し、この第１の凹部（３５）に前記フレーム（２０）の第１の部分（２１）が収容され、
前記第１のベースプレート（３０）は、アルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、または銅（Ｃｕ）とアルミニウム（Ａｌ）の組合せからなり、前記フレーム（２０）の前記第１の部分（２１）は溶接接続によって前記第１のベースプレート（３０）に固定され、前記溶接接続はレーザ溶接によって生成される突合せ溶接であることを特徴とする、電力変換装置。

【請求項2】

前記フレーム（２０）の前記第１の部分（２１）はフランジ部であり、前記フランジ部は、前記フランジ部の底面（２１Ａ）が前記第１の段差（３５Ａ）に隣接する前記第１のベースプレート（３０）の前記第２の主面（３３）と同一平面上にあるように前記第１の凹部（３５）に収容される、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１のベースプレート（３０）は、前記第１のベースプレート（３０）の中央領域における前記第１のベースプレート（３０）の第２の厚さ（ｄ２）と比較して、その周縁に沿って減少した第１の厚さ（ｄ１）を有し、この中央領域は前記第１の段差（３５Ａ）によって横方向から囲まれている、請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記第１のベースプレート（３０）の中央領域における前記第１のベースプレート（３０）の前記第２の主面（３３）から突き出る複数の冷却延長部（３７）を備え、この中央領域は前記第１の段差（３５Ａ）によって横方向から囲まれている、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記フレーム（２０）は、開口部（２３）を備えるプレート部（２２）を有し、前記開口部（２３）に直接隣接して前記開口部（２３）を囲む前記プレート部（２２）の縁部は、前記フレーム（２０）の前記第１の部分（２１）である、請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記プレート部（２２）は、前記第１のベースプレート（３０）の前記第１の凹部（３５）の深さと同じ第３の厚さ（ｄ３）を有する、請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

成形封止体（５０）を備え、前記封止体（５０）は、前記封止体（５０）の底面が前記第２の主面（３３）上の前記ベースプレート（３０）の前記周縁において前記第１のベースプレート（３０）と同一平面上にあるように、前記第１のベースプレート（３０）の前記第１の主面（３２）および前記側面（３４）を封止する、請求項１～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項8】

冷却器カバー（６０）を備え、前記冷却器カバー（６０）は、前記第１のベースプレート（３０）の反対側で前記フレーム（２０）に装着されることにより、前記閉じた冷却器内の流路（６５）の底壁部を形成する、請求項１～７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項9】

少なくとも１つの第２のパワー半導体モジュール（２００）を備え、
前記第２のパワー半導体モジュール（２００）は、
第３の主面（３２′）と、前記第３の主面（３２′）の反対側の第４の主面（３３′）とを有する第２のベースプレート（３０′）と、
前記第２のベースプレート（３０′）の前記第３の主面（３２′）上に位置する少なくとも１つの第２のダイとを含み、
前記フレーム（２０）は、前記第２のベースプレート（３０′）の前記第４の主面（３３′）に装着され、
前記第２のベースプレート（３０′）は、前記第２のベースプレート（３０′）の周縁に沿って前記第４の主面（３３′）上に第２の段差を有することにより、前記第２のベースプレート（３０′）の前記周縁に沿って第２の凹部を形成し、この第２の凹部に前記フレーム（２０）の第２の部分（２１′）が収容される、請求項１～８のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか１項に記載の電力変換装置を製造する方法であって、前記方法は、
閉じた冷却器のためのフレーム（２０）を設けるステップと、
第１のパワー半導体モジュール（１００）を設けるステップとを備え、前記第１のパワー半導体モジュール（１００）は、アルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、または銅（Ｃｕ）とアルミニウム（Ａｌ）の組合せからなる第１のベースプレート（３０）を含み、前記第１のベースプレート（３０）は、第１の主面（３２）と、前記第１の主面（３２）の反対側の第２の主面（３３）と、前記第１のベースプレート（３０）の周縁に沿って延びて前記第１の主面（３２）と前記第２の主面（３３）とを接続する側面（３４）とを有し、前記第１のパワー半導体モジュール（１００）はさらに、前記第１のベースプレート（３０）の前記第１の主面（３２）上に位置する少なくとも１つの第１のダイ（４０）を含み、前記第１のベースプレート（３０）は、前記第１のベースプレート（３０）の前記周縁に沿って前記第２の主面（３３）上に第１の段差（３５Ａ）を有することにより、前記第１のベースプレート（３０）の前記周縁に沿って第１の凹部を形成し、前記方法はさらに、
前記フレーム（２０）の第１の部分（２１）が前記第１の凹部（３５）に収容されて前記第１のベースプレート（３０）に固定されるように、前記第１のパワー半導体モジュール（１００）を前記フレーム（２０）に装着するステップを備え、前記フレーム（２０）は、開口部（２３）を備えるプレート部（２２）を有し、前記開口部（２３）に直接隣接して前記開口部（２３）を囲む前記プレート部（２２）の縁部は、前記フレーム（２０）の前記第１の部分（２１）であり、前記第１のパワー半導体モジュール（１００）を前記フレーム（２０）に装着するステップにおいて、前記第１の部分（２１）はレーザ溶接によって前記第１のベースプレート（３０）に固定される、方法。

【請求項11】

前記第１のパワー半導体モジュール（１００）を設けるステップは封止体（５０）を成形するステップを備え、前記封止体（５０）は、前記封止体（５０）の底面が前記第１のベースプレート（３０）の前記周縁において前記第１のベースプレート（３０）と同一平面上にあるように、前記第１のベースプレート（３０）の前記第１の主面（３２）および周囲の前記側面（３４）を封止し、下型（７０）および上型（８０）が使用され、前記下型（７０）は、前記成形するステップ中に封着面として作用する前記第１の凹部（３５）の第２の平坦面と接触する第１の平坦面（７０Ａ）を有する、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

第２のパワー半導体モジュール（２００）を設けるステップを備え、前記第２のパワー半導体モジュール（２００）は第２のベースプレート（３０′）を含み、前記第２のベースプレート（３０′）は、第３の主面（３２′）と、前記第３の主面（３２′）の反対側の第４の主面（３３′）と、前記第２のベースプレート（３０′）の周縁に沿って延びて前記第３の主面（３２′）と前記第４の主面（３３′）とを接続する側面（３４）とを有し、前記第２のパワー半導体モジュール（２００）はさらに、前記第２のベースプレート（３０′）の前記第３の主面（３２′）上に位置する少なくとも１つの第２のダイを含み、前記第２のベースプレート（３０′）は、前記第２のベースプレート（３０′）の前記周縁に沿って前記第４の主面（３３′）上に第２の段差を有することにより、前記第２のベースプレート（３０′）の前記周縁に沿って第２の凹部（３５′）を形成し、さらに、
前記フレーム（２０）の第２の部分（２１′）が前記第２の凹部（３５′）に収容されて前記第２のベースプレート（３０′）に固定されるように、前記第２のパワー半導体モジュール（２００）を前記フレーム（２０）に装着するステップを備える、請求項１０または１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発明の背景
電力変換器に含まれるパワー半導体モジュールの直接的な水－グリコール冷却は、厳しい動作条件で使用されるのが一般的である。これは、直接冷却性能が優れているためである。直接冷却とは、パワー半導体モジュールのベースプレートが、冷却液と直接接触しており、典型的にピンの形態の表面延長部を含むことを意味する。

【0003】

公知の電気変換器では、１つ以上のパワー半導体装置の基板が共通のベースプレートに載置され、上部サイドフレームがベースプレートの上面側にねじ留めされて接着される。次いで、この１つ以上のパワー半導体装置を１つのパワー半導体モジュール内に封止するために、フレーム内に樹脂がポッティングされる。冷却水の漏れ問題を防止するために、かつ、ねじの大量使用を避けるために、開いたピンフィン型ベースプレート（ねじ留めされたＯリング接続によってベースプレートの底面側で封着しなければならない）アプローチを避けて、パワー半導体モジュールと一体化されている閉じた金属冷却器を選ぶ傾向もある。

【0004】

トランスファー成形および焼結されたパワーモジュールのパッケージは、上述のようなポッティングによってパワー半導体装置を封止する従来のアプローチに代わる興味深い代替案となりつつある。焼結および成形材料封止は、パワーモジュールのサイクル信頼性を大きく高めることができる。加えて、１つのステップでのモジュール焼結、およびトランスファー成形アプローチは、モジュールの製造コストおよび材料費を大きく削減することができる。

【0005】

電力半導体モジュールでは、ベースプレートおよびピンから冷却液への熱の伝達が、直接冷却性能にとって最も重要である。また、直接冷却を用いる電力変換器の公知の設計では、広いスペースが必要である。

【0006】

電力変換器の中には、複数のパワー半導体装置を必要とするものもある。たとえば、電気自動車用の２レベル３相のトラクションインバータでは、６個の機能半導体スイッチが必要である。ここで、６個の機能半導体スイッチには、少なくとも６個の半導体装置（チップ）が必要であるが、機能半導体スイッチごとに数個（典型的に３～１０個）の装置が並列接続されるので、さらに多くの半導体装置が必要な場合もある。

【0007】

単一の共通のベースプレート上の１つの成形焼結モジュールの中に複数のパワー半導体装置を一体化するには大きな難点がある。大面積にわたる成形は困難である。なぜなら、成形材料の移動時のエポキシ材料の硬化によって成形流路の可能な長さが制限され、市販の設備における成形材料の充填体積が制限され、大面積の成形材料と冷却器またはベースプレートとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不一致によって反りおよび応力が生じる場合があり、これが機械的完全性に影響を及ぼして成形材料の剥離を引き起こし得るからである。さらに、複数のパワー半導体装置を備えるパワー半導体モジュールを１つのステップで焼結することは、組立て前に当該複数のパワー半導体装置を試験することができないので、大きな経済的リスクを伴う。基板は、その後の基板はんだ付けのために送り出される際にワイヤボンドで完全に組立てることができるが、焼結用の基板は焼結前にワイヤボンディングして試験することができない。なぜなら、焼結アプローチでは、基板に対する強い圧力（典型的にゴムスタンプで機械的に加えられる）が必要であり、これがワイヤボンディングを破壊することになるからである。

【0008】

したがって、複数のパワー半導体装置を備える公知の電力変換器では、コンパクトな構成の複数の成形または焼結されたパワーモジュール内の当該複数のパワー半導体装置を、単一の閉じた冷却器と一体化することが好ましい場合がある。しかしながら、複数の成形または焼結されたパワーモジュールをコンパクトな構成にして閉じた冷却器と一体化するには、各パワーモジュールのベースプレートのピンの周りに流路（または密閉体）を作成すること、および当該流路を流体接続することが必要である。この接続は頑強かつ緊密でなければならないので、これは難題である。また、上述のように、設計は省スペースかつ安価であるべきである。

【0009】

ＤＥ １０ ２００９ ０４５ ０６３ Ａ１から、パワー半導体モジュールと追加ヒートシンク素子とを備えるパワー半導体モジュールシステムが知られている。このパワー半導体モジュールは、基板と、基板の表面上の半導体ダイと、基板の裏面に成形される樹脂製のヒートシンクとを含む。追加ヒートシンク素子は、冷却液の流路が形成されるようにパワー半導体モジュールに装着され、流路内の冷却液はヒートシンクと直接接触する。ねじ継手によってまたはボンディングによって追加ヒートシンク素子をパワー半導体モジュールに装着することが記載されている。封着するために、ヒートシンクまたは追加ヒートシンク素子の溝に設けられたＯリングを用いることが記載されている。この先行技術のパワー半導体モジュールシステムでは、冷却液の圧力降下が比較的大きい。

【0010】

ＪＰ ５６５９９３５ Ｂ２から、１つの冷却器に複数のパワーモジュールをはんだ接合する電力変換器が知られている。この設計では広いスペースが必要であり、冷却効率は比較的低い。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

発明の概要
先行技術の上記短所に鑑みて、本発明の目的は、先行技術の上記短所を克服する電力変換装置を提供することである。特に、本発明の目的は、冷却器のためのフレーム（すなわち冷却器フレーム）を、省スペースで、かつ冷却効率を向上させることができるように一体化する電力変換器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

この目的は、請求項１に記載の電力変換装置によって達成される。本発明のさらなる展開は従属請求項に規定されている。

【0013】

本発明の電力変換装置は、第１のパワー半導体モジュールと、閉じた冷却器のためのフレームとを備える。第１のパワー半導体モジュールは、第１のベースプレートと、少なくとも１つの第１のダイとを含む。第１のベースプレートは、第１の主面と、第１の主面の反対側の第２の主面と、第１のベースプレートの周縁に沿って延びて第１および第２の主面を接続する側面とを有する。少なくとも１つの第１のダイは、第１のベースプレートの第１の主面上に位置する。フレームは、第１のベースプレートの第２の主面に装着される。第１のベースプレートは、第１のベースプレートの周縁に沿って第２の主面上に第１の段差を有することにより、第１のベースプレートの周縁に沿って第１の凹部を形成し、この第１の凹部にフレームの第１の部分が収容される。

【0014】

第１のベースプレートの周縁に沿って第１の凹部があり、この第１の凹部にフレームの第１の部分が収容されるため、フレームの第１の部分は電力変換装置の全体の厚さに加算されないので、閉じた冷却器のためのフレームをベースプレートに省スペースで装着することができる。さらに、フレームの第１の部分が収容される凹部を設けることによって、電力変換器の動作時に冷却液が沿って流れる、フレームの第１の部分の下側と、第１のベースプレートの第２の主面のその部分とを、第１のベースプレートの第２の主面に垂直な方向において互いに近づけることができるので、冷却液は、フレームの第１の部分の下側に沿って、およびベースプレートの第２の主面に沿って、よりスムーズに流れることができる。この結果、冷却液の圧力降下が小さくなり、それによって冷却効率が向上する。

【0015】

例示的な実施形態では、フレームの第１の部分はフランジ部であり、フランジ部は、フランジ部の底面が第１の段差に隣接する第１のベースプレートの第２の主面と同一平面上にあるように第１の凹部に収容される。この例示的な実施形態では、フランジ部の底面と第１の段差に隣接する第２の主面とを含む表面は、段差を有さず、段差のない滑らかな表面を提供するので、この表面に沿って流れる冷却液の流れに対する抵抗を最小限にすることができる。この結果、冷却液の圧力降下が小さくなり、それによって冷却効率が向上する。

【0016】

例示的な実施形態では、フレームの第１の部分は、溶接接続によって第１のベースプレートに固定される。

【0017】

例示的な実施形態では、第１のベースプレートは、第１のベースプレートの中央領域における第１のベースプレートの第２の厚さと比較して、その周縁に沿って減少した第１の厚さを有し、この中央領域は第１の段差によって横方向から囲まれている。第２の主面上の第１の段差によって周縁に沿ってより小さい第１の厚さを有するベースプレートの利点は、ベースプレートの鍛造時に第１の段差が直接形作られる場合はベースプレートに使用する材料を減らすことができる（この結果として重量およびコストが低減する）ことである。ベースプレートは、少なくとも１つのダイの下の領域においてのみ厚くてもよい。この領域では、熱拡散のために比較的大きい第２の厚さが必要である。さらに周辺の領域では、ダイが存在しない場合があり、したがって損失がはるかに小さいので、熱拡散の重要性ははるかに低い。第１のベースプレートの第１の厚さは、第１の段差によって当該周辺領域において減少する。

【0018】

例示的な実施形態では、電力変換装置は、第１のベースプレートの中央領域における第１のベースプレートの第２の主面から突き出る複数の冷却延長部を備え、この中央領域は第１の段差によって横方向から囲まれている。この例示的な実施形態では、冷却効率を向上させることができる。第１の凹部によって、フレームに近い冷却延長部は、凹部を有さないベースプレートに第１の部分が装着される場合と比較して、より効率的に冷却される。冷却延長部は、鍛造によって１つの製造ステップで第１の凹部と共に製造することができる。

【0019】

例示的な実施形態では、フレームは、開口部を備えるプレート部を有し、開口部に直接隣接して開口部を囲むプレート部の縁端は、フレームの第１の部分である。この例示的な実施形態では、プレート部は、閉じた冷却器内の流路の平坦な壁部を形成する。

【0020】

例示的な実施形態では、プレート部は、第１のベースプレートの第１の凹部の深さと同じ第３の厚さを有する。そのような例示的な実施形態では、プレート部の下側は、第１のベースプレートの第２の主面と同一平面上にある。

【0021】

例示的な実施形態では、電力変換装置は成形封止体を備え、封止体は、封止体の底面が第２の主面上の第１のベースプレートの周縁において第１のベースプレートと同一平面上にあるように、第１のベースプレートの第１の主面および側面を封止する。この例示的な実施形態では、封止体の方および第１の凹部の方を向くフレームの表面を平坦面とすることができるので、フレームの一体化が容易になる。さらに、第１の凹部内の第２の主面を、成形によって封止体を形成するための金型の当接面または封着面として用いることができるので、封止体の形成が容易になる。

【0022】

例示的な実施形態では、第１のベースプレートは、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、またはアルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、または銅（Ｃｕ）とアルミニウム（Ａｌ）の組合せからなる。そのような材料は、高熱伝導性と、装置の動作中の厳しい条件および冷却液との直接接触に耐える高耐久性とを有する。

【0023】

例示的な実施形態では、電力変換装置は冷却器カバーを備え、冷却器カバーは、第１のベースプレートの反対側でフレームに装着されることにより、閉じた冷却器内の流路の底壁部を形成する。

【0024】

例示的な実施形態では、電力変換装置は少なくとも１つの第２のパワー半導体モジュールを備え、第２のパワー半導体モジュールは、第３の主面と、第３の主面の反対側の第４の主面とを有する第２のベースプレートと、第２のベースプレートの第３の主面上に位置する少なくとも１つの第２のダイとを含み、フレームは、第２のベースプレートの第４の主面に装着され、第２のベースプレートは、第２のベースプレートの周縁に沿って第４の主面上に第２の段差を有することにより、第２のベースプレートの周縁に沿って第２の凹部を形成し、この第２の凹部にフレームの第２の部分が収容される。この例示的な実施形態では、第１および第２のパワー半導体モジュールを１つの閉じた冷却器と一体化することが容易になる。流路（または密閉体）が第１および第２のベースプレートに形成され、流路は頑強かつ緊密に流体接続される。また、この設計では、複数のパワー半導体モジュールを省スペースでかつ比較的安価に一体化することができる。第２の半導体パワーモジュールは、第１のパワー半導体モジュールについて上述したのと同じ特徴を有してもよく、同じようにフレームと一体化されてもよく、すなわち、複数の半導体パワーモジュールは、第１のパワー半導体モジュールについて上述したのと同じ特徴を有してもよく、同じようにフレームに装着されてもよい。

【0025】

例示的な実施形態において、本発明の電力変換装置は以下のステップを備える方法によって製造されてもよく、上記ステップは、閉じた冷却器のためのフレームを設けるステップと、第１のパワー半導体モジュールを設けるステップとを含み、第１のパワー半導体モジュールは第１のベースプレートを含み、第１のベースプレートは、第１の主面と、第１の主面の反対側の第２の主面と、第１のベースプレートの周縁に沿って延びて第１および第２の主面を接続する側面とを有し、第１のパワー半導体モジュールはさらに、第１のベースプレートの第１の主面上に位置する少なくとも１つの第１のダイを含み、第１のベースプレートは、第１のベースプレートの周縁に沿って第２の主面上に第１の段差を有することにより、第１のベースプレートの周縁に沿って第１の凹部を形成し、上記ステップはさらに、フレームの第１の部分が第１の凹部に収容されて第１のベースプレートに固定されるように、第１のパワー半導体モジュールをフレームに装着するステップ含む。

【0026】

第１のベースプレートの周縁に沿って第１の凹部があり、この第１の凹部にフレームの第１の部分が収容されるため、上述のように、閉じた冷却器のためのフレームをベースプレートに省スペースで装着することができ、冷却液の圧力降下が小さくなり、冷却効率を向上させることができる。

【0027】

第１のパワー半導体モジュールを設けるステップは封止体を成形するステップを備えてもよく、封止体は、封止体の底面が第１のベースプレートの周縁において第１のベースプレートと同一平面上にあるように、第１のベースプレートの第１の主面および周囲側面を封止し、下型および上型が使用され、下型は、成形するステップ中に封着面として作用する第１の凹部の第２の平坦面と接触する第１の平坦面を有する。第１の凹部の第２の平坦面を封着面として用いる結果、金型が確実に封着されて、封着面において成形材料がはみ出したり流れ出たりすることなく封止体が確実に形成される。

【0028】

例示的な実施形態では、フレームは、開口部を備えるプレート部を有し、開口部に直接隣接して開口部を囲むプレート部の縁部は、フレームの第１の部分であり、第１のパワー半導体モジュールをフレームに装着するステップにおいて、第１の部分は溶接またはボンディングによって第１のベースプレートに固定される。フレームの第１の部分が第１の凹部に収容されるように、第１の半導体モジュールが挿入される開口部を有するプレート部をフレームに設けることにより、第１の半導体モジュールとフレームとの一体化が容易になる。

【0029】

例示的な実施形態は、第２のパワー半導体モジュールを設ける追加ステップを備え、第２のパワー半導体モジュールは第２のベースプレートを含み、第２のベースプレートは、第３の主面と、第３の主面の反対側の第４の主面と、第２のベースプレートの周縁に沿って延びて第３および第４の主面を接続する側面とを有し、第２のパワー半導体モジュールはさらに、第２のベースプレートの第３の主面上に位置する少なくとも１つの第２のダイを含み、第２のベースプレートは、第２のベースプレートの周縁に沿って第４の主面上に第２の段差を有することにより、第２のベースプレートの周縁に沿って第２の凹部を形成し、上記例示的な実施形態はさらに、フレームの第２の部分が第２の凹部に収容されて第２のベースプレートに固定されるように、第２のパワー半導体モジュールをフレームに装着する追加ステップを備える。この例示的な実施形態では、複数のパワー半導体モジュールを単一のフレームに効率よく確実に一体化することができる。第１および第２のパワー半導体モジュールを別々の部品として設けることによって、これらのパワー半導体モジュールを、単一のフレームと一体化する前に試験することができる。この結果、電力変換器の製造歩留まりが向上する。

【0030】

添付の図面を参照して本発明の詳細な実施形態を以下に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1A】図１Ｄの線Ａ－Ａ′に沿った一実施形態に係る電力変換装置の断面図である。

【図1B】図１Ｄの線Ｃ－Ｃ′に沿った図１Ａの電力変換装置の断面図である。

【図1C】図１Ｄの線Ｂ－Ｂ′に沿った図１Ａの電力変換装置の断面図である。

【図1D】図１Ａの電力変換装置の上面図である。

【図2】図１Ａに示される断面の拡大部分図である。

【図3】図１Ａの電力変換装置の製造方法におけるパワー半導体モジュールを設けるステップを示す、パワー半導体モジュールの断面拡大部分図である。

【図4】図１Ａの電力変換装置の製造方法における封止体を形成するステップを示す、パワー半導体モジュールの断面拡大部分図である。

【図5A】図１Ａの電力変換装置の製造方法におけるフレームをパワー半導体モジュールに装着するステップを示す、電力変換装置の断面拡大部分図である。

【図5B】変更された実施形態に係る図１Ａの電力変換装置の製造方法におけるフレームをパワー半導体モジュールに装着するステップを示す、電力変換装置の断面拡大部分図である。

【図5C】別の変更された実施形態に係る図１Ａの電力変換装置の製造方法におけるフレームをパワー半導体モジュールに装着するステップを示す、電力変換装置の断面拡大部分図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

例示的な形態の詳細な説明
図面で使用される参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストにまとめている。一般に、明細書全体を通して同様の要素は同じ参照符号を有する。記載された実施形態は、例として意図されており、本発明の範囲を限定するものではない。

【0033】

以下、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄおよび図２を参照して、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１について説明する。図１Ｄは、電力変換装置１の上面図を示す。図１Ａは、図１Ｄの線Ａ－Ａ′に沿った電力変換装置１の断面図を示し、図１Ｂは、図１Ｄの線Ｃ－Ｃ′に沿った電力変換装置１の断面図を示し、図１Ｃは、図１Ｄの線Ｂ－Ｂ′に沿った電力変換装置１の断面図を示す。図２は、図１Ａに示される部分Ｓの断面拡大部分図を示す。

【0034】

図１Ｃから最もよく理解できるように、本実施形態に係る電力変換装置１は、第１のパワー半導体モジュール１００と、第２のパワー半導体モジュール２００と、閉じた冷却器のためのフレーム２０と、冷却器カバー６０とを備える。図１Ａに示される断面および図２における部分Ｓの拡大部分図により詳細に示されている第１のパワー半導体モジュール１００は、第１のベースプレート３０と、少なくとも１つの第１のダイ４０とを含む。ベースプレート３０は、第１の主面３２と、第１の主面３２の反対側の第２の主面３３と、第１のベースプレート３０の周縁に沿って延びて第１の主面３２と第２の主面３３とを接続する側面３４とを有する。少なくとも１つのダイ４０は、第１のベースプレート３０の第１の主面３２上に位置する。

【0035】

第１のベースプレート３０は、第１のベースプレート３０の周縁に沿って第２の主面３３上に第１の段差３５Ａを有することにより、第１のベースプレート３０の周縁に沿って第１の凹部３５を形成する。本実施形態では、第１のベースプレート３０は、第１のベースプレート３０の中央領域における第１のベースプレート３０の第２の厚さｄ２と比較して、その周縁に沿って減少した第１の厚さｄ１を有し、この中央領域は第１の段差３５Ａによって横方向から囲まれている。したがって、本実施形態では、第１の段差３５Ａの高さは、第２の厚さｄ２と第１の厚さｄ１との差ｄ２－ｄ１によって与えられる。

【0036】

フレーム２０は、プレート部２２と、プレート部２２の周縁から第１の主面３２に直交する鉛直方向に延びる側壁部２４とを有する。図１Ｄに示されるように、プレート部２２は第１の開口部２３および第２の開口部２３′を備える。第１の開口部２３に直接隣接して第１の開口部２３を囲むプレート部２２の縁部は、フレーム２０の第１の部分２１であり、第１の部分２１は、以下により詳細に説明するように、第１のパワー半導体モジュール１００の第１のベースプレート３０に装着される。同様に、第２の開口部２３′に直接隣接して第２の開口部２３′を囲むプレート部２２の縁部は、フレーム２０の第２の部分２１′であり、第２の部分２１′は、以下により詳細に説明するように、第２のパワー半導体モジュール２００の第２のベースプレート３０に装着される。

【0037】

第１の主面３２に垂直な方向におけるプレート部２２の第１の部分２１の厚さｄ３は、第１の段差３５Ａの高さｄ２－ｄ１によって画定される第１の凹部３５の深さと実質的に同じである。フランジ部であるフレーム２０の第１の部分２１は、第１の部分２１の底面２１Ａが第１の段差３５Ａに隣接する第１のベースプレート３０の第２の主面３３と実質的に同一平面上にあるように、第１の凹部３５に収容される。例示的な実施形態では、プレート部２２全体が一定の厚さｄ３を有してもよい。

【0038】

フレーム２０は、フレーム２０の第１の部分２１が、たとえば溶接接続によって、ボンディング接続によって、またはその他の好適な接続によって、第１のベースプレート３０に固定されることにより、第１のベースプレート３０の第２の主面３３に装着される。

【0039】

第１のベースプレート３０の中央領域における第１のベースプレート３０の第２の主面３３から複数の冷却延長部３７が突き出ており、この中央領域は第１の段差３５Ａによって横方向から囲まれている。ここで、横方向とは、第１の主面３２に平行な任意の方向である。

【0040】

第１のベースプレート３０および冷却延長部３７は、高熱伝導率を有する任意の好適な材料からなる。例として、第１のベースプレート３０は、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウム（Ａｌ）、またはアルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、または銅とアルミニウムの組合せからなってもよい。たとえば、第１のベースプレート３０は、Ｃｕからなる上層とＡｌからなる下層とを有する２層のベースプレートであってもよい。下層から延びる冷却延長部も、Ａｌからなってもよい。

【0041】

図２に示される拡大部分図に示されるように、第１のパワー半導体モジュール１００は、少なくとも１つのダイ４０と共に基板４２上に位置するリードフレーム４３を含む。リードフレーム４３と少なくとも１つのダイ４０との間の電気的接続は、たとえば、少なくとも１つのボンディングワイヤ４４によって提供されてもよい。基板は、直接結合銅（direct bonded copper）（ＤＢＣ）基板であってもよい。

【0042】

成形封止体５０が、第１のベースプレート３０の第１の主面３２および側面３４を封止する。その結果、少なくとも１つの第１のダイ４０、基板４２、および少なくとも１つのボンディングワイヤ４４が封止体５０によって封止される。パワー半導体モジュール１００の端子となるリードフレーム４３の一部が、封止体５０の側面から突き出ている。封止体５０の底面は、第２の主面３３上のベースプレート３０の周縁において第１のベースプレート３０と実質的に同一平面上にある。

【0043】

冷却器カバー６０は、第１のベースプレート３０の反対側でフレーム２０に装着されることにより、閉じた冷却器内の流路６５の底壁部を形成する。電力変換装置１の動作中、流路６５を通る冷却液Ｆの流れは、図１Ｃの矢印によって示されるように起こる。

【0044】

図１Ｄの線Ｃ－Ｃ′に沿った第２のパワー半導体モジュール２００の第１の断面を図１Ｂに示し、図１Ｄの線Ｂ－Ｂ′に沿った第２のパワー半導体モジュール２００の第２の断面を図１Ｃに示す。本実施形態では、第２のパワー半導体モジュール２００は、基本的に第１のパワー半導体モジュール１００と同一である。したがって、詳細については、第１のパワー半導体モジュール１００の上記記述が参照される。第１のパワー半導体モジュール１００と同様に、第２のパワー半導体モジュール２００は第２のベースプレート３０′を含み、第２のベースプレート３０′は、第３の主面３２′と、第３の主面３２′の反対側の第４の主面３３′と、第２のベースプレート（３０′）の第３の主面（３２′）上に位置する少なくとも１つの第２のダイ（図示せず）とを有する。

【0045】

フレーム２０が第１のベースプレート３０の第２の主面３３に装着されるのと基本的に同様に、フレーム２０が第２のベースプレート３０′の第４の主面３３′に装着される。特に、第２のベースプレート３０′は、第２のベースプレート３０′の周縁に沿って第４の主面３３′上に第２の段差を有することにより、第２のベースプレート３０′の周縁に沿って第２の凹部３５′を形成し、たとえば図１Ｂに示されるように、この第２の凹部３５′にフレーム２０の第２の部分２１′が収容される。第２の凹部３５′は、第１のパワー半導体モジュール１００の第１のベースプレート３０における第１の凹部３５の深さｄ２－ｄ１と同じ深さを有してもよい。

【0046】

例示的な実施形態では、上記パワー半導体モジュール１００，２００はハーフブリッジモジュールであってもよい。電力変換装置は、たとえば電気自動車用のトラクションインバータであってもよい。

【0047】

次に、図１Ａ～図２に示した上記実施形態に係る電力変換装置の製造方法について説明する。この方法は概して、
（ａ） 閉じた冷却器のためのフレーム２０を設けるステップと、
（ｂ） 第１のパワー半導体モジュール１００を設けるステップと、
（ｃ） 第２のパワー半導体モジュール２００を設けるステップと、
（ｄ） 第１のパワー半導体モジュール１００をフレーム２０に装着するステップと、
（ｅ） 第２のパワー半導体モジュール２００をフレーム２０に装着するステップと、
（ｆ） 冷却器カバー６０をフレーム２０に装着するステップとを備える。

【0048】

閉じた冷却器のためのフレーム２０を設けるステップ（ａ）では、図１Ｄおよび図２を参照して上に説明したフレーム２０が設けられる。したがって、その説明は繰返さず、フレーム２０の上記説明が参照される。

【0049】

第１のパワー半導体モジュール１００を設けるステップ（ｂ）は、図３に示されるように、事前の第１のパワー半導体モジュール１００′を設けることを備える。事前の第１のパワー半導体モジュール１００′は、図２を参照して上に説明したような第１のパワー半導体モジュール１００のすべての特徴を含む。特に、それは、第１のベースプレート３０と、第１のベースプレート３０の第２の主面３３から突き出る冷却延長部３７と、ベースプレート３０の第１の主面上に位置する基板４２と、基板４２上に位置する少なくとも１つの第１のダイ４０およびリードフレーム４３と、少なくとも１つのダイ４０をリードフレーム４３に接続する少なくとも１つのボンディングワイヤ４４とを含む。第１のベースプレート３０は、第１のベースプレート３０の周縁に沿って第２の主面３３上に第１の段差３５Ａを有することにより、第１のベースプレート３０の周縁に沿って第１の凹部３５を形成する。

【0050】

上記ステップ（ｂ）において、第１の段差３５Ａおよび第１の凹部３５は、鍛造によって冷却突出部３７と共に同じ製造ステップで形成されてもよい。この場合、第１のベースプレート３０に第１の段差３５Ａおよび凹部３５を形成するための追加の製造ステップは不要である。

【0051】

さらに、第１のパワー半導体モジュール１００を設けるステップ（ｂ）は、封止体５０を成形するステップを備え、封止体５０は、封止体５０の底面が第１のベースプレート３０の周縁において第１のベースプレート３０と同一平面上にあるように、第１のベースプレート３０の第１の主面３２および周囲側面３４を封止する。成形中、下型７０および上型８０が使用され、下型８０は、成形ステップ中に封着面として作用する第１の凹部３５の第２の平坦面と接触する第１の平坦面７０Ａを有する。第２の主面３３における凹部３５内に平坦な封着面を設けることによって、成形材料が冷却突出部３７上に形成されないことが保証されるが、図５Ａ～図５Ｃに示されるように第１のベースプレート３０の周りに成形材料の縁が生じる。リードフレーム４３の端子は、図４に示されるように、上型８０と下型７０との間の分割面内に設けられる。例として、トランスファー成形または当業者に公知のその他の好適な成形もしくは鋳造技術が、封止体５０を成形または鋳造するための成形または鋳造技術として用いられてもよい。

【0052】

第２の半導体モジュール２００を設けるステップ（ｃ）は、上記ステップ（ｂ）と同様の方法ステップおよび特徴を備える。したがって、その説明は繰返さず、ステップ（ｂ）の上記説明が参照される。

【0053】

第１のパワー半導体モジュール１００をフレーム２０に装着するステップ（ｄ）では、図５Ａ～図５Ｃのいずれか１つに示されるようにプレート部２２の第１の部分２１が第１の凹部３５に収容されるように、ステップ（ｂ）で設けられた第１のパワー半導体モジュール１００がその冷却延長部３７および第１のベースプレート３０の一部とともに第１の開口部２３に挿入される。次いで、第１の部分２１が、溶接、または接着もしくははんだ付けなどの別のボンディング技術によって、第１のベースプレート３０に固定される。第１のベースプレート３０がＡｌＳｉＣからなる場合は、溶接接続が形成される第１のベースプレート３０にアルミニウム富化部分（例として５ｍｍの厚さを有する）が組込まれてもよい。図５Ａに示される実施形態では、第１の部分２１はレーザ溶接によって第１のベースプレート３０に固定される。レーザ溶接に用いられるレーザビーム９０が図５Ａに矢印として示されている。特に、レーザビーム９０は、段差３５Ａと第１の部分２１の横方向の縁部との間の隙間における領域に方向付けられることにより、第１の部分２１と第１のベースプレート３０との間の突合せ溶接接続を形成する。突合せ溶接接続によって第１の部分２１を第１のベースプレートに固定することは、段差３５Ａと第１の部分２１の横方向の縁端との間の隙間を埋めて冷却流路６５の壁のための滑らかな表面を提供するという利点がある。なお、第１のベースプレート３０の周りに成形材料の縁部があるため、突合せ溶接は凹部３５がなければ不可能であり、第１の部分２１が第１の凹部３５に収容されるからこそ可能となる。これに代えて、第１の部分２１は、段差３５Ａと第１の部分２１の横方向の縁端との間の隙間以外の領域における溶接によって、第１のプレート３０に固定されてもよい。たとえば、そのような溶接は、第１の部分２１を介したレーザ溶接によって、または摩擦撹拌溶接装置９２を示す図５Ｂに示される摩擦撹拌溶接技術によっても行うことができる。これに代えて、第１の部分は、ボンディング層９４を示す図５Ｃに示されるようなボンディング技術によって第１のプレート部に固定されてもよい。ボンディング層９４は、たとえば、はんだまたは接着剤からなってもよい。

【0054】

ステップ（ｅ）における第２のパワー半導体モジュール２００のフレーム２０への装着は、ステップ（ｄ）における第１のパワー半導体モジュール１００のフレーム２０への装着と同様に行われる。したがって、その説明は繰返さず、図５Ａ～図５Ｂを参照したステップ（ｄ）の上記説明が参照される。

【0055】

冷却器カバー６０をフレーム２０に装着することによって、流路６５の底壁は、図１Ｃに示されるように流路６５を閉じるように形成される。

【0056】

添付の請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく上記実施形態の変更が可能であることが当業者には明白であろう。

【0057】

上記実施形態では、電力変換装置１は２つのパワー半導体モジュール１００および２００を有するものとして説明した。しかしながら、電力変換装置は、これに代えてパワー半導体モジュールのみを１つだけ含んでもよいし、またはこれに代えてパワー半導体モジュールを３つ以上含んでもよい。たとえば、本発明は、６つのパワー半導体モジュールとして実現される６つの機能パワー半導体スイッチを備える電気自動車用の２レベルのトラクションインバータに適用できる。そのような２レベルのトラクションインバータは、例として、各々が２つの機能スイッチを含む３つのパワー半導体モジュールを含んでもよい。

【0058】

また、上記実施形態では、第１および第２のパワー半導体モジュールは実質的に同一であるとして説明した。しかしながら、電力変換器が複数のパワー半導体モジュールを含む場合は、これらのパワー半導体モジュールは必ずしも同一である必要はなく、互いに異なってもよい。特に、これらの複数のパワー半導体モジュールは異なる寸法を有してもよい。

【0059】

上記実施形態では、側壁部２４はフレーム２０の一部として説明した。しかしながら、側壁部２４は冷却器カバー６０の一部であってもよい。

【0060】

電力変換装置１の上記実施形態では、第１の部分２１の底面２１Ａは、第１の段差３５Ａに隣接する第１のベースプレート３０の第２の主面３３と同一平面上にある。しかしながら、第１の部分２１の底面２１Ａは、第１の段差３５Ａに隣接する第１のベースプレート３０の第２の主面３３と必ずしも同一平面上にあるとは限らない。同様に、第１の段差３５Ａの深さは、フレーム２０の第１の部分２１の厚さと必ずしも同じであるとは限らない。

【0061】

本発明の電力変換装置を製造するための上記実施形態では、第１および第２のパワー半導体モジュール１００，２００をフレーム２０に装着する前に、封止体５０の成形または鋳造をパワー半導体モジュールごとに個別に行った。これは、パワー半導体モジュールを、フレーム２０と一体化する前に試験することができるという利点がある。しかしながら、パワー半導体モジュール（複数可）をフレーム２０に装着した後でのみ封止体を形成することも可能であろう。

【0062】

なお、「備える（comprising）」という語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」または「an」は、複数を排除するものではない。また、異なる実施形態に関連して説明した要素を組合せてもよい。

【符号の説明】

【0063】

参照符号のリスト
１ 電力変換装置
１００ 第１のパワー半導体モジュール
１００′ 事前の第１のパワー半導体モジュール
２０，２０′ フレーム
２００ 第２のパワー半導体モジュール
２１Ａ 底面
２１ 第１の部分
２１′ 第２の部分
２２ プレート部
２３ 第１の開口部
２３′ 第２の開口部
２４ 側壁部
３０ 第１のベースプレート
３０′ 第２のベースプレート
３２ 第１の主面
３２′ 第３の主面
３３ 第２の主面
３３′ 第４の主面
３４，３４′ 側面
３５ 第１の凹部
３５′ 第２の凹部
３５Ａ 第１の段差
３７ 冷却延長部
４０ 第１のダイ
４２ 基板
４４ ボンディングワイヤ
５０ 封止体
６０ 冷却器カバー
６５ 流路
７０ 下型
７０Ａ 第１の平坦面
８０ 上型
ｄ１ 第１の厚さ
ｄ２ 第２の厚さ
ｄ３ 第３の厚さ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】