JP4720756B2 - 半導体電力変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体電力変換装置およびその製造方法に関し、より特定的には、バスバーおよび半導体素子を直接接合する構造の半導体電力変換装置およびその製造方法に関する。

モータ一体型のインバータ等の電力変換装置において、電力変換装置を構成する半導体素子の電極と他の回路要素とをバスバーによって電気的に接続する構造が、特開２００６−２６２６６４号公報（特許文献１）、特開２００４−３６４４２７号公報（特許文献２）、特開２００４−４０８７７号公報（特許文献３）、特開２００５−２６１０３号公報（特許文献４）および特開２００６−７４９１８号公報（特許文献５）等に開示されている。

特に、特許文献１には、ハイブリッド自動車のモータ駆動等に適した電力変換装置として、半導体装置とバスバーとで構成されたインバータ装置等の構造体に対して、上下両面から絶縁フィルムでラミネート処理することにより、複数の半導体装置や回路を一括して絶縁する構造が開示されている。特に、特許文献１に開示された構造では、半導体素子の電極およびバスバーは、ボンディングワイヤを介さずに直接的に接合される。また、特許文献２には、半導体素子の両面にバスバーを接合して電気的接続を確保する構造が開示されている。
特開２００６−２６２６６４号公報 特開２００４−３６４４２７号公報 特開２００４−４０８７７号公報 特開２００５−２６１０３５号公報 特開２００６−７４９１８号公報

しかしながら、特許文献１および２に開示されるように、半導体素子の電極とバスバーとを直接的に接合する構成では、電流通過や半導体素子からの受熱に伴う温度上昇によってバスバーが熱膨張することにより接合部位に熱応力が作用する。インバータ等では、バスバーは複数の半導体素子と接続されるため温度上昇が比較的大きくなること、および、車両搭載用途等に代表される高出力の電力変換装置に対する小型化要求を考慮すれば、温度上昇時にも半導体素子の電極およびバスバー間の電気的接合を安定的に確保できるような配線接続構造が求められる。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合するとともに、温度上昇時にも両者を安定的に接合可能な配線接続構造を有する半導体電力変換装置およびその製造方法を提供することである。

この発明による半導体電力変換装置は、電力変換を行なうための半導体素子と、半導体素子の電極と該半導体素子の外部の回路要素との間を電気的に接続するためのバスバーとを備える。バスバーは、電極との接合部材および電極との非接合部材が一体的に成型され、かつ、接合部材の一部分により構成される電極との接合部位に作用する熱応力を軽減するための熱応力軽減機構を有するように構成される。

上記半導体電力変換装置によれば、一体的に成形されたバスバーによって半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合するとともに、接合部位でのバスバーの熱膨張量を低減して該接合部位に作用する熱応力を緩和することができるので、温度上昇時にもバスバーおよび電極間を安定的に接合できる。

好ましくは、接合部材は、少なくとも接合部位の肉厚が非接合部材よりも薄くなるように構成される。

このような構成とすることにより、温度上昇時における電極との接合部位の熱膨張量を低減することによって、当該接合部位に作用する熱応力を軽減することができる。

また好ましくは、接合部材は、接合部位に作用する熱応力に応じて変位可能な形状に構成された部位を、電極との非接合部位の少なくとも一部に有する。

このような構成とすることにより、温度上昇時には接合部材の変位によって電極との接合部位に作用する熱応力を逃がすことが可能となるので、当該接合部位に作用する熱応力を軽減することができる。

あるいは好ましくは、接合部材は、非接合部材の肉厚よりも薄い形状を有し、かつ、接合部位に作用する熱応力に応じて変位可能な形状に構成された部位を電極との非接合部位の少なくとも一部に有する。

このような構成とすることにより、温度上昇時における電極との接合部位の熱膨張量を低減するとともに、接合部位の変位により電極との接合部位に作用する熱応力を逃がすことによって、当該接合部位に作用する熱応力を軽減することができる。

好ましくは、非接合部材は、回路要素との電気的接合部分を有し、接合部材は、非接合部材から分岐される形状で設けられる。

これにより、形状を複雑化させることなく上記バスバーを実現できる。
また好ましくは、半導体電力変換装置は、非接合部材を取付けるための固定支柱と、非接合部材を介して固定支柱に装着される回路基板とをさらに備える。固定支柱は、絶縁材料で形成される。非接合部材は、固定支柱との取付け面の裏面に、非接合部材と一体的に設けられた突出部を有する。回路基板は、突出部と嵌合される装着孔と、導電部とを有する。導電部は、装着孔に突出部を接合することによって、非接合部材と回路基板上の回路要素との間の電気的接続が確保されるように構成される。

上記半導体電力変換装置によれば、バスバー上に突出部を設けることにより、回路基板の装着作業時の位置合わせが容易となって作業性が向上する。この結果、単位時間当たりの処理個数を増加させることができるので製造コストの低減を図ることができる。

あるいは好ましくは、バスバーは、第１および第２の保護膜を含む。第１の保護膜は、電極との非接合部位の表面を絶縁材料により被覆してなる。第２の保護膜は、電極と接合された状態にて電極との接合部位の表面に皮膜化された絶縁材料の熱硬化処理によって形成される。

また好ましくは、バスバーは、電極と接合された状態にて接合部材および非接合部材の表面に皮膜化された絶縁材料の熱硬化処理により形成された保護膜をさらに含む。

上記半導体電力変換装置によれば、ワイヤボンディングの使用回避により半導体素子およびバスバーの接合部位について絶縁保護を要する容積が減少したことに伴い、使用される絶縁材料の量を減少させた上で該接合部位を適切に強度面および絶縁面の双方から保護することが可能となる。

好ましくは、半導体素子は、制御電極の電位または電流に応じて、第１および第２の電流電極間の電流が制御されるように構成される。そして、バスバーは、制御電極を回路要素と電気的に接続する。あるいは、バスバーは、第１および第２の電流電極の一方を回路要素と電気的に接続する。

上記半導体電力変換装置によれば、半導体素子の制御電極（代表的にはゲート）および電流電極（代表的にはコレクタおよびエミッタ）のいずれについても、接合部位の熱応力を緩和して断線故障を防止した上で、ボンディングワイヤを介さずに半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合することができる。

好ましくは、バスバーは、複数個の半導体素子の電極と共通に電気的に接続される。
上記半導体電力変換装置によれば、複数個の半導体素子と接続されて温度上昇が発生し易いバスバーについても、接合部位の熱応力を緩和して断線故障を防止した上で、ボンディングワイヤを介さずに半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合することができる。

この発明による半導体電力変換装置の製造方法は、第１および第２のプロセスを備える。第１のプロセスでは、半導体素子の電極との接合部材および電極との非接合部材が一体的に成型され、かつ、接合部材が電極との接合部位に作用する熱応力を軽減するための熱応力軽減機構を有するように構成されたバスバーと、半導体素子の電極との間を電気的に接続する。第２のプロセスでは、少なくとも、第１のプロセスにより形成されたバスバーおよび電極の接合部位に対して絶縁保護膜を形成する。

上記半導体電力変換装置の製造方法によれば、一体的に成形されたバスバーによって半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合するとともに、接合部位でのバスバーの熱膨張量を低減して該接合部位に作用する熱応力を緩和することができる。この結果、半導体素子およびバスバー間の断線故障の発生を防止できる。

好ましくは、バスバーのうちの電極との非接合部位の表面には、前に絶縁材料により該表面を被覆してなる第１の保護膜が第１のプロセスよりも前の段階で設けられ、第２のプロセスは、電極と接合された状態での電極との接合部位の表面に絶縁材料を皮膜化する第１のサブプロセスと、第１のサブプロセスにより形成された皮膜を熱硬化処理して第２の保護膜を形成する第２のサブプロセスとを含む。さらに好ましくは、第１のサブプロセスは、ゾル状の絶縁樹脂をスプレーにて塗布することにより、接合部位の表面に絶縁材料を皮膜化する。

また好ましくは、第２のプロセスは、ゲル状の絶縁材料の充填により半導体素子およびバスバーを浸漬する第１のサブプロセスと、バスバーの接合部材および非接合部材の表面に絶縁材料の皮膜が残されるように、絶縁材料を排出して回収する第２のサブプロセスと、第２のサブプロセスにより形成された皮膜を熱硬化処理して保護膜を形成する第３のサブプロセスとを含む。

上記半導体電力変換装置の製造方法によれば、半導体素子およびバスバーの接合部位について絶縁保護を要する容積が減少したことに伴い、使用される絶縁材料の量を減少させた上で該接合部位を適切に強度面および絶縁面の双方から保護することが可能となる。

あるいは好ましくは、第１のプロセスにおいて、非接合部材は絶縁材料で形成された固定支柱に取付けられ、半導体電力変換装置の製造方法は、非接合部材を介して回路基板を固定支柱に装着する第３のプロセスをさらに備える。そして、第３のプロセスは、第１および第２のサブプロセスを含む。第１のサブプロセスは、非接合部材の固定支柱との取付け面の裏面に非接合部材と一体的に設けられた突出部と、回路基板に設けられた装着孔とを嵌合する。第２のサブプロセスは、装着孔の側面に設けられて回路基板上の回路要素と電気的に接続される導電部と突出部とを接合して、導電部および突出部の間を電気的に接続する。

上記半導体電力変換装置の製造方法によれば、回路基板装着時の位置合わせが容易となり第３のプロセスの作業性が向上する。この結果、単位時間当たりの処理個数を増加させることができるので製造コストの低減を図ることができる。

この発明による半導体電力変換装置およびその製造方法によれば、半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合するとともに、温度上昇時にも両者を安定的に接合することができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、この発明の実施の形態による半導体電力変換装置の構成例を説明する電気回路図である。

図１を参照して、この発明の実施の形態による半導体電力変換装置の代表例として示されるインバータ１００は、直流電源２０の直流電圧と、回転電機Ｍ１の各相の交流電圧との間で電力変換を行なう電力変換装置である。インバータ１００の直流電圧側には、直流電圧のリップル成分を除去するための平滑コンデンサ３０が接続される。

直流電源２０は、バッテリまたは電気二重層キャパシタ等の充電可能な蓄電装置により構成される。直流電源２０の正極は正側ケーブル２１と接続される。一方、直流電源２０の負極は接地配線に相当する負側ケーブル２２と接続される。

回転電機Ｍ１は、三相交流同期電動機もしくは三相誘導電動機等で構成され、インバータ１００から交流電力をそれぞれ受けて回転駆動力を発生する。また、回転電機Ｍ１は発電機としても使用され、減速時の発電（回生発電）による発電電力は、インバータ）１００によって直流電圧に変換され、平滑コンデンサ３０で平滑されて直流電源２０の充電に用いることができる。

インバータ１００は、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６によって構成される三相インバータである。本発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されるが、バイポーラトランジスタや、ＭＯＳトランジスタ等の他の電力用半導体スイッチング素子を用いることも可能である。以下では、電力用半導体スイッチング素子を単にトランジスタとも称する。

インバータ１００は、正極バスバー１７０および負極バスバー１７１の間に並列接続されるＵ相アーム１０２、Ｖ相アーム１０４およびＷ相アーム１０６から構成される。Ｕ相アーム１０２は、正極バスバー１７０および負極バスバー１７１の間に直列接続されるトランジスタＱ１，Ｑ２から構成される。同様に、Ｖ相アーム１０４は、正極バスバー１７０および負極バスバー１７１の間に直列接続されるトランジスタＱ３，Ｑ４から構成され、Ｗ相アーム１０６は、正極バスバー１７０および負極バスバー１７１の間に直列接続されるトランジスタＱ５，Ｑ６から構成される。

正極バスバー１７０および負極バスバー１７１は、接続ターミナル６０により、正側ケーブル２１および負側ケーブル２２と電気的に接続される。

各相アームにおいて、直列接続された上側アームおよび下側アームのトランジスタ同士の接続点は、回転電機Ｍ１の各相コイルの各相端に電気的に接続される。具体的には、Ｕ相アーム１０２、Ｖ相アーム１０４およびＷ相アーム１０６の接続点は、出力バスバー１７４、１７６および１７８により、接続ターミナル７０を介して、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの一端とそれぞれ電気的に接続される。回転電機Ｍ１の各相コイルの他端は中性点Ｎ１にて互いに電気的に接続されている。

出力バスバー１７２，１７４，１７６によって、トランジスタＱ１〜Ｑ６の通過電流が各相電流として取出され、回転電機Ｍ１の各相コイルとの間で伝達される。出力バスバー１７２，１７４，１７６には、電流センサ１１８が設けられ、検出された各相電流は、制御回路４０へ送出される。

トランジスタＱ１〜Ｑ６のそれぞれに対応して駆動制御回路ＤＣ１〜ＤＣ６が設けられる。駆動制御回路ＤＣ１〜ＤＣ６は、信号生成回路５０によって生成されるスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ応答して、対応のトランジスタＱ１〜Ｑ６のオン・オフを制御する。さらに、トランジスタＱ１〜Ｑ６と並列に、逆方向電流を通過させるための逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ設けられる。

制御回路４０は、半導体電力変換装置（インバータ）１００の動作を制御する。具体的には、制御回路４０は、回転電機Ｍ１のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ１００への入力電圧（すなわち直流電源２０の出力電圧）を入力として、回転電機Ｍ１の各相コイルへの印加電圧を周知のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御等に基づいて演算し、その演算結果を信号生成回路５０へ出力する。

信号生成回路５０は、各相コイルの電圧演算結果を制御回路４０から受けて、トランジスタＱ１〜Ｑ６のオン・オフを制御するＰＷＭ制御信号である、スイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。スイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ６は、駆動制御回路ＤＣ１〜ＤＣ６へそれぞれ送出される。

なお、平滑コンデンサ３０よりも直流電源２０側に、直流電圧変換を行なうコンバータ（図示せず）をさらに配置してもよい。このような構成とすると、当該コンバータの動作を制御することにより、回転電機Ｍ１の運転領域に応じて、回転電機Ｍ１に印加される交流電圧振幅が最適レベルとなるように、インバータ１００の直流側電圧を可変に制御できる。具体的には、制御回路４０は、上述のトルク指令値およびモータ回転数を入力として、インバータ１００の直流側電圧（入力電圧）の最適値（目標値）を演算する。さらに、制御回路４０は、この入力電圧を実現するために必要なコンバータのスイッチング動作を指示するための制御信号を生成する。

図２は、各アームの半導体素子に対するバスバー接続を説明する電気回路図である。
図２を参照して、各アームには、代表的にはＩＧＢＴで構成されるトランジスタＱ（トランジスタＱ１〜Ｑ６、あるいは図示しないコンバータ中のトランジスタを総括的に表記するもの）および、ダイオードＤ（逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ６、あるいは図示しないコンバータ中のダイオードを総括的に表記するもの）が「半導体素子」として設けられる。

トランジスタＱは、電流電極（主電極）１５０，１５２および制御電極１５４を電極として有し、制御電極１５４の電位または電流に応じて電流電極１５０，１５２間の通過電流が制御されるように構成される。

制御電極１５４は、ＩＧＢＴおよびＭＯＳトランジスタではゲートに相当し、バイポーラトランジスタではベースに相当する。また、電流電極１５０，１５２は、ＩＧＢＴおよびバイポーラトランジスタではコレクタ，エミッタに相当し、ＭＯＳトランジスタではドレイン，ソースに対応する。ダイオードＤは、アノード（陽極）１６２およびカソード（陰極）１６４を電極として有する。

たとえば、トランジスタＱは、電流電極１５０，１５２が半導体チップの対向する１対の面（主電極面）にそれぞれ形成される縦型トランジスタ構造を有するものとする。そして、主電極面のいずれか一方面の面に制御電極１５４が形成される。制御電極１５４は、駆動制御回路ＤＣ（駆動制御回路ＤＣ１〜ＤＣ６を総括的に表記するもの）により電位または電流を駆動される。また、この駆動配線（図示せず）と並列に、駆動制御回路ＤＣおよびトランジスタに設けられた各種センサ・回路の間を電気的に接続する信号配線（図示せず）も設けられる。上記駆動配線および信号配線は、バスバー２００ｃにより構成される。

また、トランジスタＱの電流電極（以下、トランジスタ電極とも称する）１５０およびダイオードＤのカソード（以下、ダイオード電極とも称する）１６４は、バスバー２００ａと接続される。ダイオードＤのアノード１６２はトランジスタＱの電流電極１５２と共通の電極（以下、共通電極１５２とも称する）とされて、バスバー２００ｂと接続される。バスバー２００ａ，２００ｂの各々は、図１に示した、正極バスバー１７０、負極バスバー１７１および出力バスバー１７２，１７４，１７６のうちのいずれかに対応する。

すなわち、半導体素子（トランジスタＱおよびダイオードＤ）の各電極は、銅、アルミニウム等の導体で構成されたバスバー２００ａ，２００ｂ，２００ｃにより、半導体素子外部の回路要素である、正側ケーブル２１（直流電源の正極）、負側ケーブル２２（直流電源の負極）、回転電機Ｍ１の各相コイル巻線、駆動制御回路ＤＣ等と電気的に接続される。なお、以下では、電力変換に伴う電流が通過するバスバー２００ａ，２００ｂと区別するために、バスバー２００ｃについては「信号線バスバー」とも称することとする。

図３は、半導体素子およびバスバーの接続構造を説明する平面図である。図３は、冷却板３００上に搭載されたインバータ１００の上視図に相当する。

図３を参照して、冷却板３００上に整列配置された半導体チップ３０２の各々には、図２に示したトランジスタＱおよびダイオードＤが形成されている。

トランジスタ電極１５０およびダイオード電極１６４は、素子上面側電極として設けられて、バスバー２００ａと電気的に接続される。バスバー２００ａは、バスバー部２０５ａおよびリード部２１０ａを含む。バスバー２００ａのうち、バスバー部２０５ａは、本発明では「電極との非接合部材」に対応し、リード部２１０ａは本発明では「電極との接合部材」に対応する。バスバー部２０５ａは、紙面上下方向に延在されて、絶縁材で形成された固定支柱３１０によって支持される。

図３のＩＶ−ＩＶ断面図である図４を参照して、バスバー部２０５ａ（肉厚ｔ１）は、固定支柱３１０によって支持され、かつ、固定支柱３１０上において、図１に示した接続ターミナル６０または７０に対応する接続部材３２０によって、上述した半導体素子外部の回路要素と電気的に接続される。なお、図示を省略しているが、固定支柱３１０は、ボルトなどの締結材やあるいは接着等によって冷却板３００に固定されている。

再び図３を参照して、リード部２１０ａは、バスバー部２０５ａと一体的に成形され、紙面左右方向に延在する方向にバスバー部２０５ａから分岐するように設けられる。リード部２１０ａの一部には、トランジスタ電極１５０およびダイオード電極１６４との接合部位２１５ａが設けられる。バスバー部２０５ａおよびリード部２１０ａのうちの接合部位２１５ａを除く部位、すなわち、バスバー２００ａのうちの図３上で斜線の網掛けを施した部位には、表面に絶縁フィルム等の絶縁材料を被覆してなる絶縁膜が形成される。

図３のＶ−Ｖ断面図である図５を参照して、接合部位２１５ａを含むリード部２１０ａの肉厚ｔ２がバスバー部２０５ａの肉厚ｔ１（ｔ２＜ｔ１）よりも薄くなり、かつ、リード部２１０ａがバスバー部２０５ａより分岐される形状にて、銅、アルミニウム等の金属を一体化プレス成形することにより、リード部２１０ａおよびバスバー部２０５ａを有するバスバー２００ａが成形される。

さらに、リード部２１０ａは、接合部位２１５ａがトランジスタ電極１５０およびダイオード電極１６４に相対し、かつ、それ以外の部位が半導体素子から離間されるように適宜折り曲げられた形状にプレス成形される。接合部位２１５ａは、はんだ等の接合材１６０により、ボンディングワイヤを用いることなく、トランジスタ電極１５０およびダイオード電極１６４と直接的に電気的に接合される。

接合部位２１５ａを含むリード部２１０ａの肉厚ｔ２は、通過電流量を考慮して通電により断線しない肉厚限界と、プレス成形時の成形限界とで決められる。たとえば、肉厚ｔ２は０．１ｍｍオーダ程度まで薄肉化される。

このように、バスバー２００ａのうちの少なくとも、半導体素子（トランジスタＱあるいはダイオードＤ）の電極との接合部位２１５ａを薄肉化することによって、一体的に成形されたバスバー２００ａによってボンディングワイヤを介さずに半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合する構造としても、温度上昇時における当該接合部位の熱膨張量を低減して作用する熱応力を緩和できる。すなわち、リード部２１０のうちの少なくとも接合部位２１５ａを薄肉化することによって、本発明での「熱応力軽減機構」が構成できる。

再び図３を参照して、共通電極１５２は、素子下面側電極として設けられて、バスバー２００ｂと電気的に接続される。バスバー２００ｂは、バスバー２００ａと同様に構成されて、バスバー部２０５ｂおよびリード部２１０ｂを含む。バスバー部２０５ｂは、バスバー部２０５ａと同様に、紙面上下方向に延在されて絶縁材で形成された固定支柱３１０によって支持される。そして、バスバー部２０５ｂについても、固定支柱３１０上において、図１に示した接続ターミナル６０または７０に対応する接続部材３２０によって上述した半導体素子外部の回路要素と電気的に接続される。

図３のＶＩ−ＶＩ断面図である図６を参照して、バスバー２００ｂについても、バスバー２００ａと同様に、接合部位２１５ｂを含むリード部２１０ｂの肉厚ｔ２がバスバー部２０５ｂの肉厚ｔ１（ｔ２＜ｔ１）よりも薄くなり、かつ、リード部２１０ｂがバスバー部２０５ｂより分岐される形状にて設けられる。バスバー２００ｂについても、バスバー２００ａと同様に、銅、アルミニウム等の金属を一体化プレス成形することにより作製することができる。

リード部２１０ｂは、接合部位２１５ｂが共通電極１５２に相対し、かつ、それ以外の部位が半導体素子から離間されるように適宜折り曲げられた形状にプレス成形される。接合部位２１５ｂは、はんだ等の接合材１６０により、ボンディングワイヤを用いることなく、共通電極１５２と直接的に電気的に接合される。

したがって、バスバー２００ｂについても、少なくとも接合部位２１５ｂを薄肉化することによって、ボンディングワイヤを介さずに半導体素子の電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合する構造としても、温度上昇時における当該接合部位の熱膨張量を低減して作用する熱応力を緩和できる。

再び図３を参照して、制御電極１５４は、信号線バスバー２００ｃと電気的に接続される。信号線バスバー２００ｃは、バスバー２００ａ，２００ｂと同様に、銅、アルミニウム等の金属を一体化プレス成形することにより作製され、一体的に成形されたバスバー部２０５ｃおよびリード部２１０ｃを含む。バスバー部２０５ｃは、紙面上下方向に延在されて絶縁材で形成された固定支柱３３０に装着されて固定される。リード部２１０ｃは、バスバー部２０５ｂより分岐される形状にて設けられる。リード部２１０ｃの一部は、制御電極１５４と直接接合される接合部位２１５ｃを形成する。

上述のように、信号線バスバー２００ｃは、制御電極１５４の駆動配線やセンサ出力等を伝達する信号配線として設けられるので、複数の信号線バスバー２００ｃが並列に配置される構成となる。これら独立した複数の信号線バスバー２００ｃのそれぞれのバスバー部２０５ｃは、絶縁フィルム等によって互いに電気的に絶縁されて積層配置されている。また、リード部２１０ｃのうちの接合部位２１５ｃを除く部位には、表面に絶縁フィルム等の絶縁材料を被覆してなる絶縁膜が形成される。

図７に示すように、駆動制御回路ＤＣ等の回路要素を搭載した回路基板４００が、固定支柱３３０を用いてインバータ１００の本体に装着される。回路基板４００は、信号線バスバー２００ｃを介して固定支柱３３０に取付けられる。そして、回路基板４００上に搭載された駆動制御回路ＤＣ等の回路要素は、各信号線バスバー２００ｃにより半導体素子と電気的に接続される。

回路基板４００には、装着用の装着孔４１０が設けられている。さらに、回路基板４００の回路要素および装着孔４１０の間には、配線パターンの形成等により導電経路４２０が形成される。すなわち、装着孔４１０は、上記回路要素を外部と接続するための端子としての機能を兼ね備えている。

図５のＶＩＩ領域には、回路基板４００が装着された状態での図３のＶ−Ｖ断面図が示される。

信号線バスバー２００ｃのバスバー部２０５ｃを支持する固定支柱３３０は、ボルトなどの締結材３０５やあるいは接着等によって冷却板３００に固定されている。バスバー部２０５ｃの固定支柱３３０への取付け面の裏面には、回路基板４００の装着孔４１０と嵌合するための突起部２２０が設けられる。突起部２２０は、バスバー部２０５ｃと一体的に形成された導体部分である。すなわち、突起部２２０についても、プレス成形によって作製することができる。

回路基板４００の装着孔４１０の側面には、導電経路４２０（図７）と電気的に連続する導電接合部４１５が形成される。したがって、信号線バスバー２００ｃの突起部２２０と、回路基板４００の装着孔４１０を嵌合して、抵抗圧接あるいは超音波・レーザ等による接合を行なうことによって、突起部２２０および導電接合部４１５の間に電気的コンタクトを構成することによって回路基板４００上の駆動制御回路ＤＣ等の回路要素と、信号線バスバー２００ｃとの間を電気的に接続することが可能となる。

信号線バスバー２００ｃについても、バスバー２００ａ，２００ｂと同様に、接合部位２１５ｃを含むリード部２１０ｃの肉厚がバスバー部２０５ｂの肉厚よりも薄くなり、かつ、リード部２１０ｂがバスバー部２０５ｂより分岐される形状にて設けられる。

したがって、信号線バスバー２００ｃについても、少なくとも接合部位２１５ｃを薄肉化することによって、ボンディングワイヤを介さずに半導体素子の制御電極およびバスバー間を電気的に直接的に接合する構造としても、温度上昇時における当該接合部位の熱膨張量を低減して作用する熱応力を緩和できる。

したがって、制御電極１５４の接合部位２１５ｃについても、トランジスタ電極１５０、共通電極１５２、ダイオード電極１６４と同様のバスバー接続構造により、他の回路素子からの受熱等による温度上昇時に接合部位に作用する熱応力を緩和できる。

上記のように、バスバー２００ａ，２００ｂおよび信号線バスバー２００ｃの各バスバーについて、バスバー部２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃおよび、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃを含むリード部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃを一体的に成形するとともに、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃを接合材１６０により直接半導体素子の電極と接続するので、ワイヤボンディングが不要となり製造コストを削減することができる。

さらに、少なくとも接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃが薄肉化されるようにリード部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃを薄肉化する構造としているので、温度上昇時における接合部位の熱膨張量を低減して作用する熱応力を緩和することにより、温度上昇時にも両者を安定的に接合可能な配線接続構造を実現できる。この結果、車両搭載用途等に代表される高出力かつ小型化された電力変換装置において、バスバーおよび電極間をボンディングワイヤを介さずに直接的に接合する構造としても、温度上昇時における両者の接合を安定化させて断線を防止することが可能となる。

図８には、本発明の実施の形態による半導体電力変換装置の製造工程、より詳細にはその組立工程が示される。

図８を参照して、本実施の形態による半導体電力変換装置では、プロセスＰ１００によって、冷却板３００上の各半導体チップ３０２に形成された半導体素子と、上述のバスバー２００ａ〜２００ｃとが電気的に接続される。

そして、プロセスＰ１００でのバスバー接続作業が終了すると、プロセスＰ２００によって、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃの絶縁を確保するための絶縁保護膜形成作業が行なわれる。

そして、プロセスＰ２００での絶縁保護膜形成作業が終了すると、プロセスＰ３００により、図７に示した回路基板４００の装着作業が行なわれる。

図９に示すように、プロセスＰ３００は、サブプロセスＰ３１０およびＰ３２０を含む。サブプロセスＰ３１０では、図５に示したように、信号線バスバー２００ｃの突起部２２０と、回路基板４００の装着孔４１０とが嵌合される。サブプロセスＰ３２０では、サブプロセスＰ３１０で嵌合された凹凸側面にて圧接またはレーザ，超音波等による接合を行なうことにより、信号線バスバー２００ｃと、駆動制御回路ＤＣ等の回路要素の端子を兼ねる装着孔４１０との間で電気的コンタクトを確保することができる。

このように、信号線バスバー２００ｃに突起部２２０を設けて回路基板４００を装着することにより、回路基板４００の装着作業時における位置合わせが容易となり作業性が向上する。これにより、回路基板装着作業（プロセスＰ３００）の単位時間当たりの処理個数を増加させることができるので、半導体電力変換装置の製造コストの低減を図ることができる。

次に、プロセスＰ２００での絶縁保護膜形成作業について詳細に説明する。
図１０には、絶縁保護膜形成工程の第１の例が示される。

図１０を参照して、絶縁保護膜形成のためのプロセスＰ２００は、サブプロセスＰ２１０およびＰ２２０を含む。

図１１に示されるように、各バスバー２００ａ，２００ｂ，２００ｃの接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃは、絶縁フィルム等による絶縁膜が未形成であるため、絶縁を確保する必要がある。サブプロセスＰ２１０では、各接合部位について絶縁材料５００を皮膜化する。たとえば、ゾル状の絶縁材料（代表的には、シリコン等の熱硬化樹脂）をスプレーにより塗布することにより、絶縁確保が必要な部分に局所的に絶縁材料５００を皮膜化することができる。

再び図１０を参照して、サブプロセスＰ２２０では、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃの表面に皮膜化された絶縁材料に対して炉等により熱処理を行なう。これにより、図１２に示すように、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃの表面には、絶縁材料が硬化処理された絶縁保護膜５１０が形成される。

この結果、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃの絶縁が確保されるとともに、硬化処理により、バスバーおよび電極間の機械的接合強度を向上することができる。

図１３には、絶縁保護膜形成工程の第２の例が示される。
図１３を参照して、絶縁保護膜形成のためのプロセスＰ２００は、サブプロセスＰ２５０〜Ｐ２８０を含む。

サブプロセスＰ２５０では、図１４に示すように、バスバーと接続された半導体素子部分の周囲を囲うようにゲル溜め容器６１０が装着される。ゲル溜め容器６１０には、ゲル注入口６２０およびゲル排出口６２５が設けられる。

サブプロセスＰ２６０では、ポンプ６３０により、フィルタ６４０を介して吸入したゲル状の絶縁材料（代表的には、熱硬化樹脂）６００を、ゲル注入口６２０からゲル溜め容器６１０内へ供給される。これにより、半導体素子およびバスバーの全体がゲル状絶縁材料６００に浸漬される。

続くサブプロセスＰ２７０では、ゲル溜め容器６１０内のゲル状絶縁材料６００がゲル排出口６２５から排出される。排出されたゲル状絶縁材料６００は、回収して再利用される。ゲル状絶縁材料６００の排出後には、バスバーおよび半導体素子の表面部にゲル状絶縁材料６００による皮膜が付着した状態となる。

さらに、サブプロセスＰ２８０では、皮膜状のゲル状絶縁材料６００を炉等により熱硬化処理する。これにより、図１５に示すように、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃの表面を含む、半導体素子およびバスバー全体の表面に、絶縁材料が硬化処理された絶縁保護膜６５０が形成される。また、硬化処理により、絶縁確保とともに、バスバーおよび電極間の機械的接合強度についても向上することができる。

図１３に示した第２の例の絶縁保護膜形成工程によれば、バスバー接続工程（プロセスＰ１００）に先立って、バスバー２００ａ，２００ｂ，２００ｃの接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ以外の部分について、絶縁フィルム等により絶縁膜を形成する必要がない。すなわち、一体的に成形されるバスバー２００ａ，２００ｂ，２００ｃについては、絶縁処理を施さない銅、アルミ、真鍮等の無垢材のまま作製した上で、バスバー接続工程（プロセスＰ１００）完了後の絶縁保護膜形成工程（Ｐ２５０〜Ｐ２８０）により、接合部位２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃを含めてバスバー２００ａ，２００ｂ，２００ｃ全体を絶縁保護することが可能となる。このため、バスバーの製造コストを低減できる。さらに、半導体素子およびバスバーの表面に付着した以外のゲル状絶縁材料６００については、ゲルを回収して再利用することが可能となるので、絶縁材料のコストも低減できる。

特に、本実施の形態による半導体電力変換装置では、ワイヤボンディングを用いることなくバスバー接続構造を実現できるので、絶縁保護が可能な接合部位の体積（空間的広がり）を大幅に減少できる。このため、上述したように、接合部位についてその表面部分のみに局所的に絶縁膜を形成することで、絶縁材料の使用量を削減しても絶縁を確保することが可能となる。さらに、硬化処理により絶縁保護膜を形成することにより、機械的な接合強度についても確保できる。

なお、ワイヤボンディングを介してバスバーおよび半導体素子を電気的に接続する構造では、ボンディングワイヤ全体を周囲から絶縁する必要があるため、半導体素子およびバスバーを囲うようにハウジングを設け、当該ハウジング内にゲル状絶縁材を充填して広い体積部分に対して絶縁を確保する構造が一般的に採用される。これに対して、本実施の形態による半導体電力変換装置では、バスバー接続構造の改良により、使用される絶縁材料量を大幅に削減して製造コストの削減を図ることが可能となる。

なお、以上の説明では、バスバー２００ａ，２００ｂ，２００ｃのリード部２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃを薄肉化する構造を例示したが、変形例として、リード部を図１６に示すような構造とすることによって、電極およびバスバーの接合部位の熱応力を緩和することも可能である。

図１６と図５との比較から理解されるように、変形例に従うバスバーでは、バスバー２００ａ，２００ｃのリード部２１０ａ，２１０ｃのうちの電極との非接合部位に、弛緩部位２５０が適宜設けられている。弛緩部位２５０は、折り曲げ、プレス加工により形成することができる。弛緩部位２５０を設けることにより、リード部２１０ａを薄肉化することなく、バスバー全体を均一な肉厚としても、接合部位２１５ａ，２１５ｃに作用する熱応力に応じてリード部２１０ａの延在方向に変位可能な形状の部位を確保して、電極およびバスバーの接合部位の熱応力を軽減することができる。すなわち、このような弛緩部位２５０を設けることによっても、本発明での「熱応力軽減機構」が構成される。

また、図１７に示されるように、図５および図１６の構造を組合せて、薄肉化されたリード部２１０ａ，２１０ｃに弛緩部位２５０を設けることも可能である。このようにすると、熱応力の軽減効果を高めることができる。なお、図１６および図１７では、図示を省略したが、バスバー２００ｂについても、同様の変形例を適用可能である点について、確認的に記載する。また、図１６，図１７において、弛緩部位２５０とは異なる形態によって、接合部位に作用する熱応力に応じて変位可能な形状の部位をリード部に確保するバスバー構造とすることも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

この発明の実施の形態による半導体電力変換装置の構成例を説明する電気回路図である。 各アームの半導体素子に対するバスバー接続を説明する電気回路図である。 本実施の形態による半導体電力変換装置における半導体素子およびバスバーの接続構造を説明する平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図３のＶ−Ｖ断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ断面図である。 半導体電力変換装置への回路基板の装着を説明する概念図である。 本発明の実施の形態による半導体電力変換装置の製造工程を説明するフローチャートである。 信号回路基板装着プロセスの詳細を説明するフローチャートである。 絶縁保護膜形成工程の第１の例を説明するフローチャートである。 絶縁保護膜形成工程の第１の例における絶縁材料の塗布作業を説明する概念図である。 図１１の作業により形成された絶縁保護膜を示す図である。 絶縁保護膜形成工程の第２の例を説明するフローチャートである。 絶縁保護膜形成工程の第２の例を説明する概念図である。 図１４の作業により形成された絶縁保護膜を示す図である。 本実施の形態による半導体電力変換装置におけるバスバー形状の変形例を説明する第１の図である。 本実施の形態による半導体電力変換装置におけるバスバー形状の変形例を説明する第２の図である。

符号の説明

２０ 直流電源、２１ 正側ケーブル、２２ 負側ケーブル、３０ 平滑コンデンサ、４０ 制御回路、５０ 信号生成回路、６０，７０ 接続ターミナル、１００ 半導体電力変換装置（インバータ）、１０２，１０４，１０６ 各相アーム、１１８ 電流センサ、１５０ トランジスタ電極（コレクタ）、１５２ 共通電極（エミッタ）、１５４ 制御電極（ゲート）、１６０ 接合材、１６２ アノード電極、１６４ ダイオード電極（カソード）、１７０ 正極バスバー、１７１ 負極バスバー、１７２，１７４，１７６ 出力バスバー、２００ａ，２００ｂ，２００ｃ バスバー、２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ バスバー部（非接合部材）、２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ リード部（接合部材）、２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ 接合部位、２２０ 突起部、２５０ 弛緩部位、３００ 冷却板、３０２ 半導体チップ、３０５ 締結材、３１０，３３０ 固定支柱、３２０ 接続部材、４００ 回路基板、４１０ 装着孔、４１５ 導電接合部、４２０ 導電経路、５００ 絶縁材料（ゾル状）、５１０ 絶縁保護膜、６００ 絶縁材料（ゲル状）、６１０ ゲル容器、６２０ ゲル注入口、６２５ ゲル排出口、６３０ ポンプ、６４０ フィルタ、６５０ 絶縁保護膜、Ｄ，Ｄ１〜Ｄ６ 逆並列ダイオード（ダイオード）、ＤＣ，ＤＣ１〜ＤＣ６ 駆動制御回路、Ｍ１ 回転電機、Ｎ１ 中性点、Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６ 電力用半導体スイッチング素子（トランジスタ）、Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング制御信号、ｔ１，ｔ２ 肉厚（バスバー）。

Claims (16)

1. 電力変換を行なうための半導体素子と、
   前記半導体素子の電極と該半導体素子の外部の回路要素との間を電気的に接続するためのバスバーとを備え、
   前記バスバーは、前記電極との接合部材および前記電極との非接合部材が一体的に成型され、かつ、前記接合部材の一部分により構成される、前記電極と相対した状態で前記電極とボンディングワイヤを介さずに電気的に接続される接合部位に作用する熱応力を軽減するための熱応力軽減機構を有するように構成され、
   前記接合部位は、その肉厚が前記非接合部材よりも薄くなるように形成されて前記熱応力軽減機構を構成し、
   前記非接合部材は、複数個の前記半導体素子に共通に、第１の方向に延在して配置され、
   前記接合部材は、各前記半導体素子に対応して、前記非接合部材から分岐して前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、かつ、少なくとも一部の肉厚が前記非接合部材より薄くなるような形状で設けられる、半導体電力変換装置。
2. 前記接合部材は、前記接合部位に加えて、前記接合部位を除く部分のうちの少なくとも一部分の肉厚が前記非接合部材よりも薄くなるように形成されることにより前記熱応力軽減機構を構成する、請求項１記載の半導体電力変換装置。
3. 前記接合部材は、前記接合部位に作用する熱応力に応じて変位可能な形状に構成された部位を、前記熱応力軽減機構として、前記電極との非接合部位の少なくとも一部に有する、請求項１記載の半導体電力変換装置。
4. 前記接合部材は、前記非接合部材の肉厚よりも薄い形状を有し、かつ、前記接合部位に作用する熱応力に応じて変位可能な形状に構成された部位を前記電極との非接合部位の少なくとも一部に有する、請求項１記載の半導体電力変換装置。
5. 前記非接合部材は、前記回路要素との電気的接合部分を有し、
   前記接合部材は、前記非接合部材から分岐され、かつ、前記非接合部材よりも肉厚が薄い形状で設けられる、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
6. 前記非接合部材を取付けるための、絶縁材料で形成された固定支柱と、
   前記非接合部材を介して前記固定支柱に装着される回路基板とをさらに備え、
   前記非接合部材は、前記固定支柱との取付け面の裏面に、前記非接合部材と一体的に設けられた突出部を有し、
   前記回路基板は、
   前記突出部と嵌合される装着孔と、
   前記装着孔に前記突出部を接合することによって、前記非接合部材と前記回路基板上の回路要素との間の電気的接続が確保されるように構成された導電部とを有する、請求項１記載の半導体電力変換装置。
7. 前記バスバーは、
   前記電極との非接合部位の表面を絶縁材料により被覆してなる第１の保護膜と、
   前記電極と接合された状態にて前記電極との接合部位の表面に皮膜化された絶縁材料の熱硬化処理によって形成された第２の保護膜とをさらに含む、請求項１記載の半導体電力変換装置。
8. 前記バスバーは、
   前記電極と接合された状態にて前記接合部材および前記非接合部材の表面に皮膜化された絶縁材料の熱硬化処理により形成された保護膜をさらに含む、請求項１記載の半導体電力変換装置。
9. 前記半導体素子は、制御電極の電位または電流に応じて、第１および第２の電流電極間の電流が制御されるように構成され、
   前記バスバーは、前記制御電極を前記回路要素と電気的に接続する、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
10. 前記半導体素子は、制御電極の電位または電流に応じて、第１および第２の電流電極間の電流が制御されるように構成され、
    前記バスバーは、前記第１および第２の電流電極の一方を前記回路要素と電気的に接続する、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
11. 前記バスバーは、複数個の前記半導体素子の電極と共通に電気的に接続される、請求項請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
12. 半導体素子の電極との接合部材および前記電極との非接合部材が一体的に成型され、かつ、前記接合部材が、前記電極と相対した状態で前記電極とボンディングワイヤを介さずに電気的に接続される前記電極との接合部位に作用する熱応力を軽減するための、熱応力軽減機構を有するように構成されたバスバーと、前記半導体素子の電極との間を電気的に接続する第１のプロセスと、
    少なくとも、前記第１のプロセスにより形成された前記バスバーおよび前記電極の接合部位に対して絶縁保護膜を形成するための第２のプロセスとを備え、
    前記接合部位は、その肉厚が前記非接合部材よりも薄くなるように形成されて前記熱応力軽減機構を構成し、
    前記非接合部材は、複数個の前記半導体素子に共通に、第１の方向に延在して配置され、
    前記接合部材は、各前記半導体素子に対応して、前記非接合部材から分岐して前記第１の方向と交差する第２の方向に延在しかつ、少なくとも一部の肉厚が前記非接合部材より薄くなるような形状で設けられる、半導体電力変換装置の製造方法。
13. 前記バスバーのうちの前記電極との非接合部位の表面には、前に絶縁材料により該表面を被覆してなる第１の保護膜が前記第１のプロセスよりも前の段階で設けられ、
    前記第２のプロセスは、
    前記電極と接合された状態での前記電極との接合部位の表面に絶縁材料を皮膜化する第１のサブプロセスと、
    前記第１のサブプロセスにより形成された皮膜を熱硬化処理して第２の保護膜を形成する第２のサブプロセスとを含む、請求項１２記載の半導体電力変換装置の製造方法。
14. 前記第１のサブプロセスは、ゾル状の絶縁樹脂をスプレーにて塗布することにより、前記接合部位の表面に絶縁材料を皮膜化する、請求項１３記載の半導体電力変換装置の製造方法。
15. 前記第２のプロセスは、
    ゲル状の絶縁材料の充填により前記半導体素子および前記バスバーを浸漬する第１のサブプロセスと、
    前記バスバーの前記接合部材および前記非接合部材の表面に絶縁材料の皮膜が残されるように、前記絶縁材料を排出して回収する第２のサブプロセスと、
    前記第２のサブプロセスにより形成された皮膜を熱硬化処理して保護膜を形成する第３のサブプロセスとを含む、請求項１３記載の半導体電力変換装置の製造方法。
16. 前記第１のプロセスにおいて、前記非接合部材は絶縁材料で形成された固定支柱に取付けられ、
    前記製造方法は、
    前記非接合部材を介して回路基板を前記固定支柱に装着する第３のプロセスをさらに備え、
    前記第３のプロセスは、
    前記非接合部材の前記固定支柱との取付け面の裏面に前記非接合部材と一体的に設けられた突出部と、前記回路基板に設けられた装着孔とを嵌合する第１のサブプロセスと、
    前記装着孔の側面に設けられて前記回路基板上の回路要素と電気的に接続される導電部と前記突出部とを接合して、前記導電部および前記突出部の間を電気的に接続する第２のサブプロセスとを含む、請求項１２記載の半導体電力変換装置の製造方法。

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