JP5542646B2 - パワーモジュールの製造方法、パワーモジュールの設計方法 - Google Patents
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Description
これらHEVやEVは、電力変換装置を搭載し、車両の駆動時には2次電池からの直流電力を交流電力に変換しモータを駆動し、減速時には制動エネルギーをモータで回生した交流電力から直流電力に変換して2次電池を充電している。電力変換装置には、パワー半導体素子を備えたパワーモジュールが内蔵され、このパワー半導体素子のオンオフ動作によって直流電力と交流電力とが相互に変換される。HEVやEVに搭載される電力変換装置は、限られた搭載スペースに搭載されるため、この小形化、高効率化が求められている。
パワーモジュールは稼働中のパワー半導体素子の熱発生による高温と停止状態の低温を繰り返すので、絶縁層は剥離しやすい。絶縁層が剥離すると、剥離により生じた間隙で放電しやすくなる。剥離を生じても絶縁性を確保するには、絶縁層を充分厚くしておく必要があるが、絶縁層が厚いほど熱抵抗が増加する。
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr
を満足するようにdi、εrを設定し、設定されたdi、εrを有する絶縁シートを第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
(2)請求項2に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr/p
を満足するようにdi、εrを設定し、設定されたdi、εrを有する絶縁シートを第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
(3)請求項3に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、絶縁シートと第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)としたときに、
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr+db
を満足するようにdi、εrを設定し、設定されたdi、εrを有する絶縁シートを第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
(4)請求項4に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、絶縁シートと第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)、パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>((1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr+db)/p
を満足するようにdi、εrを設定し、設定されたdi、εrを有する絶縁シートを第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
(5)請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のパワーモジュールの製造方法において、絶縁シートの絶縁耐圧をVbd(V/mm)、第1および第2導電性部材間に要求される耐電圧をViso(V)としたとき、
di>Viso/Vbd
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とする。
(6)請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のパワーモジュールの製造方法において、パワーモジュールの熱抵抗をRt(K/W)、絶縁シートの熱伝導率をλi(W/mK)、絶縁シートの面積をSi(m2)としたとき、
di≦Rt×0.3×λi×Si×1000
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とする。
(7)請求項7に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、絶縁シートは第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)としたときに、Vtに対して、
di>(1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
(8)請求項8に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、絶縁シートは第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>(1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr/p
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
(9)請求項9に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、絶縁シートは第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、絶縁シートと第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)としたときに、
di>(1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr+db
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
(10)請求項10に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、絶縁シートは第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、絶縁シートと第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)、パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>((1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr+db)/p
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
(11)請求項11に記載の発明は、請求項7乃至10のいずれか1項に記載のパワーモジュールの設計方法において、絶縁シートの絶縁耐圧をVbd(V/mm)、第1および第2導電性部材間に要求される耐電圧をViso(V)としたとき、
di>Viso/Vbd
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とする。
(12)請求項12に記載の発明は、請求項7乃至11のいずれか1項に記載のパワーモジュールの設計方法において、パワーモジュールの熱抵抗をRt(K/W)、絶縁シートの熱伝導率をλi(W/mK)、絶縁シートの面積をSi(m 2 )としたとき、
di≦Rt×0.3×λi×Si×1000
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とする。
モータジェネレータMG1は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータMG1を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。
エンジンEGNの出力側の出力トルクは動力分配機構TSMを介してモータジェネレータMG1に伝達され、動力分配機構TSMからの回転トルクあるいはモータジェネレータMG1が発生する回転トルクは、トランスミッションTMおよびデファレンシャルギアDIFを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータMG1に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置200により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ136を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。
図2は、図1に示すHEVに用いられる電力変換装置200の回路ブロック図を示し、図3は、図2に示す3相インバータ回路140の1相分の直列回路150、すなわち本発明の実施形態におけるパワーモジュール1個の回路の構成を詳細に示すと共に、図4〜8に示すパワーモジュールの機械構造図に示す各部品の参照番号との対応を示す。
以下に本発明によるパワーモジュールの構造を図3〜図7を参照して説明する。なお、図4から図7の順は実際のパワーモジュール組み立ての順序と逆の順序で示している。図4から図7に示すパワーモジュールは、図3で示すように、3相インバータ回路140の1相分の直列回路150に相当する部分である。例えば図2に示すインバータ回路140において、最も左側の直列回路150が3相(U、V、W)の内の1相分(U)の直列回路150に相当し、図3に示すようにパワーモジュール300Uの回路となっている。
パワーモジュールの構造の説明に続いて、実際に作製されたパワーモジュールにおける絶縁特性の評価結果について説明する。
気泡が圧着部にあると、特に気圧の低い高地で電力変換装置が使用された場合、この気泡が膨張して放電しやすくなるので、上記の通り、気泡の分だけ絶縁層を充分厚くしておく必要がある。また膨張することにより接着部が剥離しやすくなり、剥離した場合は熱伝導が劣化するので、冷却能力が減少する。したがって、上記のように真空中で熱を加えて圧着する、真空熱圧着により導体板318、315、319、320と絶縁シート333とモジュールケース304の圧着を行うことで、熱伝導特性を実現することができる。
モジュール1次封止体302と補助モールド体600が金属接合により接続されている接続部370は、第2封止樹脂351によりモジュールケース304内で封止される。これにより、接続部370とモジュールケース304との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワーモジュール300Uの小型化が実現できる。
一方、モジュール1次封止体302側において、素子側直流正極接続端子315D、素子側直流負極接続端子319D、素子側交流接続端子320Dは、導体板315、319、320にそれぞれ形成されている。また、素子側信号接続端子327U、327Lは、ボンディングワイヤ371によりIGBT328、330とそれぞれ接続されている。
本発明によるパワーモジュールは、特許文献1に示されたパワーモジュールと同様の構造である。
図8(a)のパワーモジュール300Uで、パワー半導体素子IGBT328または330を含む部分を拡大し、模式的に示したものを図8(b)に示す。ダイオード156、166を含む部分も同様の構造となっている。
パワー半導体素子の両面にははんだ層(160)を介して導体板(315、318、319、320)が接合されている。図6に示されているように、導体板の外側の面は露出した状態で第1封止樹脂に封止されている。さらに、半導体回路部をモジュールケース(第1放熱面307A、第2放熱面307B)内に収容し、樹脂製の絶縁性部材(絶縁シート333)を介してモジュールケース304の内壁に挟まれ支持されている。図5で説明したように、パワー半導体素子と放熱板とを密着させるために、フィン305の外側から加圧してモジュールケース304の湾曲部304Aを弾性変形させた後、絶縁性部材は加熱硬化され、この絶縁性部材には、良好な放熱性を得るために、熱伝導性が良好な無機フィラーが充填されている。
なお、モジュールケース304の第1放熱面307A、第2放熱面307Bおよびフィン305を併せて放熱板として機能する。
したがって、この絶縁性部材の厚さを、放電が発生せずかつ充分な放熱性能を持つような厚さにすることが重要である。この設計方法に関して以下に説明する。
ここで本発明による絶縁層の構造について説明する。
図9は、空気中で放電を起こす電極間電圧と気圧に対する依存性を示すパッシェン曲線である(電気工学ハンドブック(第6版):電気学会編:p. 523、図88(2001))。図9で示す曲線は、横軸に気圧p(atm)と空間距離d(m)との積、縦軸に放電電圧Vd(V)をプロットしたものであり、この曲線の形状は以下の式(1)で表される。
Vd=A×p×d/(log(p×d)+B) ・・・(1)
ここで、A、Bは、定数。
例えば、図9に示すように、p=1atmでは、空間距離d=0.00002m=20μmのとき、約440Vで放電する。
なお、図10(b)は、図8に示すパワーモジュール構造について、パワー半導体素子より外側の部分(ここでは図の一部を概略的に示したものであり、図8(b)のパワー半導体素子より右側の部分)に示す導体板、絶縁性部材、ギャップ、放熱板の厚さは誇張されたものである。したがって、図10の電極(導体板)、絶縁性部材、電極(放熱板)は、それぞれ導体板(318、319、315、320)、絶縁シート(333)、放熱面(307A、307B)に相当する。またギャップは、実際の条件では、図4(b)または図8(a)に示すようなパワーモジュール(300U)が長時間動作して発生するものであるので、図4(b)および図8(a)にはギャップは示されていない。
Vg=Vt×Ci/(Ci+Cg) ・・・(2)
C=ε×S/d ・・・(3)
ここで、εは誘電率(F/m)、Sは平行平板の面積(m2)、dは平行平板の間隙(m)。
Vg=Vt/(1+εg×di/(εi×dg)) ・・・(4)
Vg=Vt/(1+di/(εr×dg)) ・・・(5)
式(1)を用いてA、Bを非線形最小二乗法により求めようとしたが、実際は以下の式(6)で示すように、補正項C、Dを加えた式(6)で良好に近似できることが分かった。
Vd=A×(p×d)C/(log(p×d)+B)D ・・・(6)
Vd=A×dgC/(log(dg)+B)D ・・・(7)
なお、非線形最小二乗法は、ニュートン法、マルカート法などの一般的な方法を用いることができる。
di=(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr
・・・(8)
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr
・・・(9)
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr+db
・・・(10)
di×(1+0.3)>
(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr
・・・(11)
なお、上記の検討は、部分放電に関して行ったものである。絶縁性部材の絶縁信頼性には、他に耐電圧について検討する必要がある。すなわち、絶縁性部材の絶縁耐圧(絶縁破壊電圧)と電力変換装置に要求される耐電圧を考慮する必要がある。
di>Viso/Vbd ・・・(12)
よって、式9または式(10)ならびに式(12)が成り立つように、絶縁性部材の厚さを決めればよく、更に絶縁信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。なお、絶縁性部材の絶縁耐圧Vbdと電力変換装置に要求される耐電圧Visoとは、実効値またはピーク値に統一させる必要がある。
h=(p0/p)(1/5.257)−1×(Ta+273.15)/0.0065
・・・(13)
ここでPを左辺に変形すると、式14が得られる。
p=p0/((h×0.0065/(Ta+273.15)+1)5.257)
・・・(14)
したがって、気圧pが低くなった分だけ絶縁性部材を厚くすればよく、式(9)に気圧p(atm)の項を追加した式(15)を用いればよい。
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr/p
・・・(15)
または、式10に気圧p(atm)の項を追加した式16を用いればよい。
di>((1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr+db)/p ・・・(16)
なお、気圧p(atm)は、電力変換装置が曝される環境で最も低い気圧である。
また、気圧は、(Torr)、(kPa)、(hPa)、(mmHg)など様々な単位が用いられるが、いずれも単位換算して用いることができる。
〔実施例1〕
本実施例は、図4に示すようなパワーモジュールを、比誘電率εr=6、厚さd1=0.07mmの絶縁性部材(放熱シート)を用いて、製作したものである。
このパワーモジュールを3個水冷冷却器に搭載し、図13に示すような電力変換装置を製作した。
なお、パワーモジュールは流路形成体12の下側に少し突出するようになっており、このため流路形成体の下側には、更にこの突出部分をシールするための下側カバーが設けられているが、図13では省略されている。また、本電力変換装置を車両に搭載する際は、実際にはコンデンサモジュール500、バスバーアッセンブリ800の上部に更にドライバ回路を実装した基板、制御回路が実装された基板および上側カバーが設けられるが、ここでは省略されている。
このとき、サージ電圧Vt=620Vであったため、本実施例のパワーモジュールの式(9)を満足する放熱シートの厚さdi>0.068mmであり、式(9)を満足する。この電力変換装置の初期の状態で部分放電試験を実施したところ、部分放電電圧が1kV以上であった。
なお、温度サイクル後のパワーモジュールの断面を観察したところ、放熱シートと放熱板との界面の一部に約20μmの厚さのギャップがあった。
本実施例は、比誘電率εr=9、厚さd2=0.08mmの放熱シートを用いて、実施例1と同じ方法でパワーモジュールを製作した。
実施例1と同様に、この実施例2の3つのパワーモジュールを冷却器に搭載し、電力変換装置を製作した。この電力変換装置に冷媒を循環しながら、電源電圧=420V、モータ電流=300Aで3相交流モータを駆動させた。
このとき、サージ電圧Vt=620Vであったため、実施例2のパワーモジュールの式9を満足する放熱シートの厚さはdi>0.102(mm)であるため、式(9)を満足しない。
この実施例2では、部分放電電圧がサージ電圧より低いため、電力変換装置の稼動中に繰り返し印加されるサージ電圧で部分放電が発生し、短時間に絶縁破壊する恐れがある。
すなわち、パワー半導体素子(IGBT328、330、ダイオード156、166)、導体板315、318、319、320、はんだ層160および第1放熱面307A、第2放熱面307Bの熱伝導率は、数十〜数百(W/mK)あるのに対して、絶縁性部材(絶縁シート333)の熱伝導率は、せいぜい数〜10(W/mK)と1〜2桁悪い。すなわち、樹脂製の絶縁性部材(絶縁シート333)で絶縁し両面から放熱させる図4に示すようなパワーモジュールでは、絶縁性部材の熱抵抗がパワーモジュール全体の熱抵抗に占める割合が高く、導体板315、318、319、320および第1放熱面307A、第2放熱面307Bが銅、アルミなどからなる部材の場合は、パワー半導体素子(IGBT328、330、ダイオード156、166)、導体板315、318、319、320、第1放熱面307A、第2放熱面307Bのサイズが変わってもほぼ30(%)を占めている。したがって、むやみに絶縁性部材(絶縁シート333)の厚さを厚くすることはできない。
di≦Rt×0.3×λi×Si×1000 ・・・(17)
すなわち、2つの導電性部材を樹脂製の絶縁性部材(絶縁シート333)を介して絶縁する絶縁構造において、ボイドがあっても部分放電させない絶縁性部材(絶縁シート333)の厚さを最小化することができる。
例えば、上記の説明では、各パワーモジュールには1相分の直列回路150、すなわちIGBT328、330およびダイオード156、166を1個ずつ設けるとして説明したが、1個のパワーモジュールに3相分の直列回路を設けたパワーモジュールにおいても同様に適用することができる。
12:流路形成体、13:入口配管、14:出口配管、21:コネクタ、
136:高電圧用バッテリ、140:インバータ回路、138:直流コネクタ、150インバータの1相分の直列回路、156、166:ダイオード、169:中間電極、188:交流コネクタ、153、163:コレクタ電極、154、164:ゲート電極、155、165:信号用エミッタ電極、172:制御回路、174:ドライバ回路、180:電流センサ、200:電力変換装置、300U、300V、300W:パワーモジュール、302:モジュール1次封止体、309:ネジ、305:冷却フィン、304A:湾曲部、304:モジュールケース、306:挿入口、307A:第1放熱面、307B:第2放熱面、315、318、319、320:導体板、315A:直流正極配線、315B(157):直流正極端子、315C:補助モールド体側直流正極接続端子、315D:素子側直流正極接続端子、319A:直流負極配線、319B(158):直流負極端子、319C:補助モールド体側直流負極接続端子、319D:素子側直流負極接続端子、320A:交流配線、320B(159):交流端子、320C:補助モールド体側交流接続端子、320D:素子側交流接続端子、324U、324L:信号配線、325U(154,155)、325L(164,165):信号端子、326U、326L:補助モールド体側信号接続端子、327U、327L:素子側信号接続端子、328、330:IGBT、333:絶縁シート、348:第1封止樹脂、351:第2封止樹脂、370:接続部、371:ボンディングワイヤ、402a、402b、402c:開口部、500:コンデンサモジュール、504:負極側のコンデンサ端子、506:正極側のコンデンサ端子、508:負極側の電源端子、509:正極側の電源端子、600:補助モールド体、608:配線絶縁部、800:バスバーアッセンブリ、802:交流バスバー
Claims (12)
- パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)としたときに、Vtに対して、
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr
を満足するようにdi、εrを設定し、
前記設定されたdi、εrを有する前記絶縁シートを前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr/p
を満足するようにdi、εrを設定し、
前記設定されたdi、εrを有する前記絶縁シートを前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、前記絶縁シートと前記第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)としたときに、
di>(1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr+db
を満足するようにdi、εrを設定し、
前記設定されたdi、εrを有する前記絶縁シートを前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、前記絶縁シートと前記第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>((1.36×10−8×Vt2+3.4×10−5×Vt−0.015)×εr+db)/p
を満足するようにdi、εrを設定し、
前記設定されたdi、εrを有する前記絶縁シートを前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記絶縁シートの絶縁耐圧をVbd(V/mm)、前記第1および第2導電性部材間に要求される耐電圧をViso(V)としたとき、
di>Viso/Vbd
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記パワーモジュールの熱抵抗をRt(K/W)、前記絶縁シートの熱伝導率をλi(W/mK)、前記絶縁シートの面積をSi(m2)としたとき、
di≦Rt×0.3×λi×Si×1000
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)としたときに、Vtに対して、
di>(1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>(1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr/p
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、前記絶縁シートと前記第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)としたときに、
di>(1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr+db
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。 - パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第1導電性部材と、
前記第1導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第2導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第1および第2導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第1および第2導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをdi(mm)、比誘電率をεr、前記第1および第2導電性部材間に発生するサージ電圧をVt(V)、前記絶縁シートと前記第1または第2導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをdb(mm)、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をp(atm)としたときに、
di>((1.36×10 −8 ×Vt 2 +3.4×10 −5 ×Vt−0.015)×εr+db)/p
を満足するようにdi、εrを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。 - 請求項7乃至10のいずれか1項に記載のパワーモジュールの設計方法において、
前記絶縁シートの絶縁耐圧をVbd(V/mm)、前記第1および第2導電性部材間に要求される耐電圧をViso(V)としたとき、
di>Viso/Vbd
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。 - 請求項7乃至11のいずれか1項に記載のパワーモジュールの設計方法において、
前記パワーモジュールの熱抵抗をRt(K/W)、前記絶縁シートの熱伝導率をλi(W/mK)、前記絶縁シートの面積をSi(m 2 )としたとき、
di≦Rt×0.3×λi×Si×1000
が更に成り立つようにdiを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
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