JP6228888B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関し、より詳細には、インバータ回路等に好適なパワー半導体モジュールに関する。
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと記載する）等のスイッチング素子を有するパワー半導体モジュールでは、スイッチング素子が発する熱による熱破壊を保護するための過温度保護機能が採用されている。過温度保護機能は、スイッチング素子の温度を検出して、その温度が一定以上に上昇するとスイッチング素子の駆動を制御する機能である。
スイッチング素子の温度を検出する温度センサを、スイッチン素子が形成された半導体基板の外部に付設すると、スイッチング素子のリアル温度と温度センサにより検出する検出温度との間に時間的なずれが生じるため、好ましくない。
そこで、スイッチング素子が形成された半導体基板に温度センサを設けるようにした半導体装置がある。温度センサによる半導体基板の温度検出は、半導体基板における最も温度の高い領域の温度を検出する必要がある。このため、このような半導体装置の一例として、半導体基板に形成したスイッチング素子の中央部に空き領域を設け、この空き領域に温度センサを設けた構造とすることが知られている。この構造では、スイッチング素子を構成するＩＧＢＴのエミッタ領域を環状形状の一部が切り欠かれたＣ字形状に形成し、このＣ字形状の中央部の空き領域に温度検出用ダイオードのアノード領域とカソード領域を設けている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３４２８７６号公報
特許文献１に記載された半導体装置では、半導体基板の中央部に設けたアノード電極とカソード電極それぞれを、半導体基板の周縁部に設けた接続端子に接続する接続配線が長くなる。接続配線を形成した領域には、放熱用の導体板を配置することが困難となり、その分、放熱面積が小さくなる。必要な放熱量を確保するためには、半導体基板の面積を小さくすることができず、小型化を図るうえでの支障となっていた。
（１）本発明の一態様によるパワー半導体モジュールは、エミッタ電極、コレクタ電極およびゲート電極を有する絶縁ゲート型トランジスタと、温度検知素子および温度検知素子に接続されるセンサ用電極パッドとを備え、エミッタ電極、ゲート電極パッドおよびセンサ用電極パッドが一面に形成され、コレクタ電極が他面に形成された素子基板と、一面にアノード電極が形成され、他面にカソード電極が形成されたダイオードと、絶縁ゲート型トランジスタのエミッタ電極およびダイオードのアノード電極に電気的に接続された第１導体部材と、絶縁ゲート型トランジスタのコレクタ電極およびダイオードのカソード電極に電気的に接続された第２導体部材とを備える。そして、温度検知素子およびセンサ用電極パッドは、素子基板の一側辺に沿う所定領域に配設されている。第２導体部材は、素子基板の他面およびダイオードの他面に熱伝導可能に接合されている。第１導体部材は、絶縁ゲート型トランジスタの一面に熱伝導可能に接合されている。第１導体部材は、温度検知素子の少なくとも一部およびセンサ用電極パッドと重ならないように、少なくとも素子基板の所定領域に対応する領域の側辺部が素子基板の一側辺よりも内側に配設されている。第１導体部材およびエミッタ電極は多角形状を有しており、素子基板の所定領域に対応する第１導体部材の領域の側辺部は、エミッタ電極の対応する側辺部に対して面一またはそれよりも外側に突出して形成され、その突出長さは、他の側辺において第１導体部材の側辺部がエミッタ電極の側辺部から突出する突出長さのいずれよりも小さく形成されている。
（２）本発明の他の一態様によるパワー半導体モジュールは、エミッタ電極、コレクタ電極およびゲート電極を有する絶縁ゲート型トランジスタと、温度検知素子および温度検知素子に接続されるセンサ用電極パッドとを備え、エミッタ電極、ゲート電極パッドおよびセンサ用電極パッドが一面に形成され、コレクタ電極が他面に形成された素子基板と、一面にアノード電極が形成され、他面にカソード電極が形成されたダイオードと、絶縁ゲート型トランジスタのエミッタ電極およびダイオードのアノード電極に電気的に接続された第１導体部材と、絶縁ゲート型トランジスタのコレクタ電極およびダイオードのカソード電極に電気的に接続された第２導体部材とを備える。そして、温度検知素子およびセンサ用電極パッドは、素子基板の一側辺に沿う所定領域に配設されている。第２導体部材は、素子基板の他面およびダイオードの他面に熱伝導可能に接合されている。第１導体部材は、絶縁ゲート型トランジスタの一面に熱伝導可能に接合されている。第１導体部材は、温度検知素子の少なくとも一部およびセンサ用電極パッドと重ならないように、少なくとも素子基板の所定領域に対応する領域の側辺部が素子基板の一側辺よりも内側に配設されている。素子基板には、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されている。温度検知素子は、素子基板に不純物を注入して形成されたアノード領域とカソード領域とを有するダイオードである。センサ用電極パッドは、アノード領域に接続されたアノード電極パッドとカソード領域に接続されたカソード電極パッドとを含む。素子基板の少なくともアノード電極パッドとカソード電極パッドの一方の下方に、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子の一部が形成されている。温度検知素子のカソード電極パッドは、絶縁ゲート型トランジスタのエミッタ電極と一体に形成されている。
本発明によれば、温度検知素子およびセンサ用電極パッドを接続する配線の長さが短くなり、配線周囲の面積を小さくすることができる。これにより、素子基板の面積を小さくすることが可能となり、延いては、パワー半導体モジュールの小型化を図ることができる。
本実施形態によるパワー半導体モジュールを実装した車両の制御ブロック図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの電力変換回路である。 図３（Ａ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの断面図であり、図３（Ｂ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの外観斜視図である。 図４（Ａ）は、図３（Ａ）に図示されたパワー半導体モジュールにおけるモールド材を除いた断面図であり、図４（Ｂ）は、図３（Ｂ）に図示されたパワー半導体モジュールにおけるモールド材を除いた斜視図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に図示されたパワー半導体モジュールの分解斜視図であり、図４（Ｄ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路の一例を示す回路図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの電流経路の説明図である。 図６（Ａ）は、図４（Ａ）〜（Ｃ）に図示されたパワー半導体モジュールの補助モールド体の斜視図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に図示された補助モールド体の側面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）におけるＶＩｃ−ＶＩｃ線断面図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ｂ）における補助モールド体の内部透視図である。 図７（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの成型方法を説明するための断面図である。 図８（Ａ）は、複数個のパワー半導体素子と導体板で上下アーム直列回路を構成する図４（Ｂ）を第一封止樹脂３５０で一次封止したモジュール一次封止体３００Ａの斜視図であり、図８（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の断面分解図である。 図９（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの組み立て方法を説明するための断面図である。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、本発明によるパワー半導体モジュールに水路を組み付ける方法を説明するための模式的断面図である。 上・下アームＩＧＢＴ１５５、１５７の電極および複数種類の電極パッドを有する素子基板のレイアウト図である。 図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 素子基板の一面および他面に導体板が固着された素子基板ブロックのレイアウト図である。 図１３に図示された素子基板ブロックのシミュレーションによる温度分布図である。 素子基板の最高温度領域を説明するための模式的断面図である。 本発明のパワー半導体モジュールの実施形態２としての素子基板の電極および電極パッドのレイアウト図である。 図１６に図示された素子基板を有する素子基板ブロックのレイアウト図である。 本発明のパワー半導体モジュールの実施形態３としての素子基板の電極および電極パッドのレイアウト図である。 本発明のパワー半導体モジュールの実施形態４としての素子基板の電極および電極パッドのレイアウト図である。
−実施形態１−
［パワー半導体モジュールを備えるハイブリッド自動車のシステムの一例］
本発明のパワー半導体モジュールについて、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係るパワー半導体モジュールは、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車用の電力変換装置として適用可能である。先ず、本発明のパワー半導体モジュールをハイブリッド自動車の電力変換装置に適用した場合の、制御構成と電力変換装置の回路構成の代表例について、図１と図２を用いて説明する。
本発明の実施形態に係るパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置は、自動車に搭載される回転電機駆動システムの車載用電力変換装置に特に用いて好適である。以下では特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置に対しても適用可能である。例えば、電車や船舶、航空機などの電力変換装置や、工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、あるいは、家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする、家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す。ハイブリッド自動車（以下、ＨＥＶと記述する）１１０は２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジン駆動システムである。もう１つは、モータジェネレータ１９２や１９４を動力源とする回転電機駆動システムである。回転電機駆動システムでは、モータジェネレータ１９２や１９４を駆動源として備えており、モータジェネレータ１９２や１９４としては同期機あるいは誘導機が使用され、モータジェネレータ１９２や１９４は制御によりモータとしても、あるいは発電機としても動作する。これらの機能に基づき、この明細書ではモータジェネレータと記すが、これらは代表的な使用例であり、モータジェネレータ１９２あるいは１９４をモータのみあるいは発電機のみとして使用しても良く、以下に説明するインバータ回路１４０や１４２によりモータジェネレータ１９２あるいは１９４が制御され、この制御においてモータとして動作したり発電機として動作したりする。
本発明は、図１に示すＨＥＶに使用できることは当然であるが、エンジン駆動システムを使用しない純粋な電気自動車にも適用できることは当然である。ＨＥＶの回転電機駆動システムも純粋な電気自動車の駆動システムも本発明の関係する部分は、基本的な動作や構成が共通しており、煩雑さを避けるために、以下代表してＨＥＶの例で説明する。
車体のフロント部には一対の前輪１１２が設けられた前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。実施形態1では、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
前輪車軸１１４には、デファレンシャルギア（以下ＤＥＦと記す）１１６が設けられ、前輪車軸１１４は、ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機１１８の出力軸が機械的に接続され、前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されたトルクを受け、左右の前輪車軸１１４に分配する。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側あるいはモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ１９２、１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
モータジェネレータ１９２および１９４は、誘導機でも良いが、実施形態1ではより効率向上に優れている、回転子に永久磁石を備えた同期機が使用されている。誘導機や同期機の固定子が有する固定子巻線に供給される交流電力がインバータ回路１４０、１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２、１９４のモータあるいは発電機としての動作やその特性が制御される。インバータ回路１４０、１４２にはバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０、１４２との間において電力の授受が可能である。
実施形態1では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ回路１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ回路１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
また、実施形態1では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては、たとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがあり、バッテリ１３６から補機用の変換機４３に供給された直流電力は補機用の変換機４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用の変換機４３はインバータ回路１４０、１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用の変換機４３の制御機能は、インバータ回路１４０、１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２、１９４の容量より小さいので、補機用の変換機４３の最大変換電力はインバータ回路１４０、１４２より小さいが、補機用の変換機４３の回路構成は基本的にインバータ回路１４０、１４２の回路構成と同じである。
図１の実施の形態では、定電圧電源を省略している。各制御回路や各種センサは図示していない定電圧電源からの電力で動作する。この定電圧電源は例えば１４ボルト系の電源であり、鉛バッテリなどの１４ボルト系、場合によっては２４ボルト系のバッテリを備え、正極あるいは負極の一方が車体と接続されており、車体が定電圧電源の電力供給用導体として使用される。
インバータ回路１４０、１４２および補機用の変換機４３とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置２００は、インバータ回路１４０、１４２および補機用の変換機４３とコンデンサモジュール５００とを電力変換装置２００の筐体内に内蔵している。この構成により小型化が可能となる。さらにハーネスの数を低減できる、あるいは放射ノイズなどを低減できるなどの効果がある。この効果は小型化にもつながり、あるいは信頼性の向上にもつながる。また生産性の向上にもつながる。また、コンデンサモジュール５００とインバータ回路１４０、１４２および補機用の変換機４３との接続回路が短くなり、あるいは以下に説明する構造が可能となり、インダクタンスを低減でき、その結果としてスパイク電圧を低減できる。さらに以下に説明する構造により、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
〔電力変換装置の構成〕
図２を用いて電力変換装置２００の回路構成について説明する。図１に示したように、電力変換装置２００は、インバータ回路１４０や１４２と、補機用の変換機４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。補機用の変換機４３は、車が備える補機類を駆動するための補機用駆動モータを制御するインバータ装置である。補機用の変換機４３は、例えば、図１のバッテリ１３６の供給電圧を更に昇圧するあるいは高い電圧からバッテリ１３６の供給電圧に降圧する、昇圧あるいは降圧回路である、ＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。
インバータ回路１４０、１４２は両面冷却構造を有するパワー半導体モジュール３００を複数台、この実施の形態では３個、備えており、このパワー半導体モジュール３００を接続することにより３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、更にパワー半導体モジュール３００を並列接続し、これら並列接続を３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。また以下で説明の如くパワー半導体モジュール３００に内蔵している半導体素子を並列接続することにより、パワー半導体モジュール３００を並列接続しなくても、パワーの増大に対応できる。
後述するように、各パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子とその接続配線を、図３に示すモジュールケース３０４の内部に収納している。実施形態1では、図３に示すモジュールケース３０４は、開口が形成された開口部を有する缶状の放熱金属のベース等を備えている。このモジュールケース３０４は、対向した放熱ベース３０７を有し、この実施の形態では、開口部を有する面以外の５つの面を覆っている。上記５つの面が覆われるように、最も広い面積を有する両放熱ベース３０７と連続して、上記両面の間を繋ぐようにして、繋ぎ目の無い同一材質で構成した外壁を持っている。直方体に近い形状を成す上記缶状のモジュールケース３０４の一方の面に開口が形成され、開口からパワー半導体素子が内部に挿入され、内部に保持される。
各インバータ回路１４０や１４２は、制御部に設けられた２つのドライバ回路によってそれぞれ駆動制御される。なお、図２では２つのドライバ回路を合わせてドライバ回路１７４として表示している。各ドライバ回路は制御回路１７２により制御され、制御回路１７２は、パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。
インバータ回路１４０とインバータ回路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り、代表してインバータ回路１４０を例に説明する。
インバータ回路１４０は３相ブリッジ回路を基本構成として備えており、具体的には、Ｕ相（符号Ｕ１で示す）やＶ相（符号Ｖ１で示す）やＷ相（符号Ｗ１で示す）として動作するそれぞれのアーム回路が、直流電力を送電する正極側および負極側の導体にそれぞれ並列に接続されている。なお、インバータ回路１４２のＵ相とＶ相とＷ相として動作するそれぞれのアーム回路を、インバータ回路１４０に対応させ、Ｕ２とＶ２とＷ２として示す。
各相のアーム回路は上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続された上下アーム直列回路で構成され、各相の上アーム回路は正極側の導体にそれぞれ接続され、各相の下アーム回路は負極側の導体にそれぞれ接続される。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パワー半導体モジュール３００の交流端子３２１に接続され、各相の各パワー半導体モジュール３００の交流端子３２１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あるいは１９４の固定子巻線に供給される。各相の各パワー半導体モジュール３００は基本的に同じ構造であり、動作も基本的に同じであるので、代表してＵ相のパワー半導体モジュール３００であるパワーモジュールＵ１について説明する。
上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子としてこの実施の形態では、上アームＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１５５と上アームダイオード１５６とを備えている。また下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子としてこの実施の形態では、下アームＩＧＢＴ１５７と下アームダイオード１５８とを備えている。各上下アーム直列回路の直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂと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、交流端子３２１に発生した交流電力はモータジェネレータ１９２あるいは１９４に電気的に供給される。
ＩＧＢＴ１５５や１５７は、ドライバ回路１７４を構成するドライバ回路のうちの一方あるいは他方のドライバ回路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。変換された電力はモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、Ｖ相およびＷ相については、Ｕ相と略同じ回路構成となるので、符号１５５、１５７、１５６、１５８の表示を省略した。
インバータ回路１４２のパワー半導体モジュール３００は、インバータ回路１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用の変換機４３はインバータ回路１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
実施形態1では、スイッチング用のパワー半導体素子として上アームＩＧＢＴ１５５、および下アームＩＧＢＴ１５７を用いて例示している。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極（エミッタ電極パッド）、ゲート電極（ゲート電極パッド）を備えている。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極とエミッタ電極との間には上アームダイオード１５６や下アームダイオード１６６が図示するように電気的に接続されている。上アームダイオード１５６や下アームダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えており、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極が上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極に、アノード電極が上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい、この場合は上アームダイオード１５６、下アームダイオード１５８は不要となる。
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ＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７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ＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。
制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路からモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。目標トルク値は、図示していない、上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても良い。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄやｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸やｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸やｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸やｑ軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたｄ軸やｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
また、制御部は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路を保護している。このため、制御部にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子からは上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応するドライバ回路１７４に入力されている。これにより、ドライバ回路１７４は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応する上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、対応する上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７を過電流から保護する。
上下アーム直列回路に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路の温度の情報がマイコンに入力されている。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ている。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ＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７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。
インバータ回路１４０の上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６、１５８を含む回路を流れる。なお、実施形態1の電力変換装置２００では、インバータ回路１４０の各相に１つの上下アーム直列回路を設けたが、上述の通り、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
各インバータ回路１４０や１４２に設けられた直流コネクタ１３８（図１参照）は、正極導体板と負極導体板からなる積層導体板７００（図２、図１４参照）に接続されている。
積層導体板７００は、パワーモジュールの配列方向に幅広な導電性板材から成る正極側導体板７０２と負極側導体板７０４とで絶縁シート（不図示）を挟持した、３層構造の積層配線板を構成している。積層導体板７００の正極側導体板７０２および負極側導体板７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１が有する正極導体板５０７および負極導体板５０５にそれぞれ接続されている。正極導体板５０７および負極導体板５０５もパワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シート（不図示）を挟持した３層構造の積層配線板を構成している。
コンデンサモジュール５００には複数個のコンデンサセル５１４が並列接続されており、コンデンサセル５１４の正極側が正極導体板５０７に接続され、コンデンサセル５１４の負極側が負極導体板５０５に接続されている。コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。
コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００の直流コネクタ１３８に接続された入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用の変換機４３にあるインバータ装置も接続されている。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、ノイズフィルタが設けられている。ノイズフィルタには、筐体１２の接地端子と各直流電力ラインとを接続する２つコンデンサを備えていて、コモンモードノイズ対策用のＹコンデンサを構成している。
図２に示す電力変換装置の構成において、コンデンサモジュール５００は、直流電源１３６から直流電力を受けるために直流コネクタ１３８に接続される端子（符号省略）と、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２に接続される端子とを別々に有するので、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２が発生するノイズが直流電源１３６の方に及ぼす悪影響を低減できる。この構成はしいては平滑作用の効果を高めることとなる。
また、コンデンサモジュール５００と各パワー半導体モジュール３００との接続に上述のように積層状態の導体板を使用しているので、各パワー半導体モジュール３００の上下アーム直列回路を流れる電流に対するインダクタンスを低減でき、上記電流の急変に伴う跳ね上がる電圧を低減できる。
〔パワー半導体モジュール３００の説明〕
図３乃至図１０を用いてインバータ回路１４０およびインバータ回路１４２に使用されるパワー半導体モジュール３００の詳細構成を説明する。図３（Ａ）は、実施形態1のパワー半導体モジュール３００の断面図であり、図３（Ｂ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００の斜視図である。なお、以下の説明では、直流正極端子、直流負極端子、
上下アーム直列回路を構成するパワー半導体素子が図４（Ｂ）や図４（Ｃ）あるいは図５（Ｂ）に示す如く、導体板３１５や３１８で、あるいは導体板３１６や３１９で、両面から挟んで固着され、信号配線を一体成型して成る補助モールド体６００を導体板に組みつける。これらを導体板の放熱面を露出させて第一封止樹脂３５０（図３（Ａ）参照）で封止し、そこに絶縁シート３３３を熱圧着する。全体をモジュールケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３とＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面とを熱圧着する。モジュールケース３０４の内部に残存する空隙に第二封止樹脂３５１（図３（Ａ）参照）を充填する。また、コンデンサモジュール５００と接続するための直流バスバーとして直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂが形成されている。モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流バスバーとして交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。この実施の形態では、これらの各配線３１５Ａおよび３１９Ａや３２０が、各導体板３１５や３１９、３１６に設けられて、一体成形されており、ドライバ回路１７４との接続する外部信号端子３２５Ｕや３２５Ｌが、補助モールド体６００にインサート成形されている。
上述のように絶縁シート３３３を利用して素子を支持している導体板とモジュールケース３０４の内側とを固着する構造とすることにより、図面を使用して後述する製造方法が可能となり、生産性が向上する。またパワー半導体素子が発生する熱を効率良くフィン３０５へ伝達でき、パワー半導体素子の冷却効果が向上する。さらにまた温度変化などによる熱応力の発生を抑えることができ、温度変化の激しい車両用のインバータに使用するのに良好である。
モジュールケース３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ等から構成され、かつ、つなぎ目の無い一体成形された、キャン型（以下ＣＡＮ型と記す）の形状を為す。ここで、ＣＡＮ型とは、所定の一面に挿入口３０６を備え、かつ有底の略直方体形状を指す。また、モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂに、その外周を囲まれている。
他の見方をすると、図３（Ｂ）に図示されるように、他の面より広い面を有する第１と第２の放熱面を対向した状態で配置し、上記対向する第１と第２の放熱面の３辺は上記放熱面より狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に開口が形成されている。上記構造は正確な直方体である必要が無く、角が図３に示す如く曲面成していても良い。このような形状の金属性のケースを有することで、モジュールケース３０４を水や油などの冷却媒体が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部及び端子部分に侵入するのを、簡易な構成にて防ぐことができる。また、モジュールケース３０４外壁には、対向した放熱ベース３０７にフィン３０５が均一に形成されており、その同一面の外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３００Ａ（図８（Ａ）、図９（Ａ）参照）が挿入された後の生産性が向上する。
パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子の動作時の発熱が、両面から導体板で拡散して絶縁シート３３３に伝わり、モジュールケース３０４に形成された放熱ベース３０７と放熱ベース３０７に設けられたフィン３０５から冷却媒体に放熱するため、高い冷却性能を実現できる。
図４（Ａ）は、図３（Ａ）に図示されたパワー半導体モジュールにおけるモールド材を除いた断面図であり、図４（Ｂ）は、図３（Ｂ）に図示されたパワー半導体モジュールにおけるモールド材を除いた斜視図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に図示されたパワー半導体モジュールの分解斜視図であり、図４（Ｄ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの電流経路の説明図である。
まず、パワー半導体素子と導体板の配置を、電気回路と関連付けて説明する。
直流正極導体板３１５と第一交流導体板３１６は略同一の平面内に配置されており、直流正極導体板３１５には、上アームＩＧＢＴ１５５の一面に形成されたコレクタ電極と上アームダイオード１５６の一面に形成されたカソード電極が半田等の金属接合材１６０を介して固着され、第一交流導体板３１６には、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極と下アームダイオード１５８のカソード電極が半田等の金属接合材１６０を介して固着される。
第二交流導体板３１８と直流負極導体板３１９とは略同一の平面内に配置されており、第二交流導体板３１８に上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極と上アームダイオード１５６のアノード電極が半田等の金属接合材１６０を介して固着され、直流負極導体板３１９に下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極と下アームダイオード１５８のアノード電極が半田等の金属接合材１６０を介して固着される。
各パワー半導体素子は、上記各導体板に設けられた素子固着部にそれぞれ固着される。各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、各電極は表裏面に形成されているため、図４（Ｂ）のように、直流正極導体板３１５と第二交流導体板３１８、および第一交流導体板３１６と直流負極導体板３１９は、各ＩＧＢＴ及びダイオードを介して、すなわちパワー半導体素子を挟むようにして略平行に対向した配置となり、上記パワー半導体素子を挟む積層配置となっている。第一交流導体板３１６と第二交流導体板３１８とは中間電極１５９（図４（Ｄ）参照）を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。
図４によりさらに詳細にパワー半導体モジュールについて説明する。
この実施形態１のパワー半導体モジュールは、図４に示すＩＧＢＴ１５５およびダイオード１５６でそれぞれが構成される２つの上アームと、ＩＧＢＴ１５７およびダイオード１５８でそれぞれが構成される２つの下アームとを備えている。図４（Ｂ）に示すように、２つの上アームＩＧＢＴ１５５はそれぞれ素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２に形成され、２つの下アームＩＧＢＴ１５５はそれぞれ素子基板４０１Ｌ１、４０１Ｌ２に形成されている。２つの上アームダイオード１５６は素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２とは別の基板に形成され、２つの下アームダイオード１５８は素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２とは別の基板に形成されている。
本発明は、上アームと下アームが一つでもよく、アームの数に限定されない。
上アーム用の素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２の他面、すなわち図４（Ｂ）の奥側の面には上アームＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極が形成され、素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２のそれぞれのコレクト電極には１枚の直流正極導体板３１５が半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。
上アーム用の素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２の一面、すなわち図４（Ｂ）の手前の面には上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極がそれぞれ形成され、素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２のそれぞれのエミッタ電極には１枚の第二交流導体板３１８が半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。
下アーム用の素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２の他面、すなわち図４（Ｂ）の奥側の面には下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極が形成され、素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２のそれぞれのコレクト電極には１枚の第一交流導体板３１６が半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。
下アーム用の素子基板４０Ｌ１，４０１Ｌ２の一面、すなわち図４（Ｂ）の手前の面にはエミッタ電極がそれぞれ形成され、素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２のそれぞれのエミッタ電極には１枚の直流負極導体板３１９が半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。
なお、２つの上アームＩＧＢＴ１５５と対をなす２つの上アームダイオード１５６のカソード電極は、上アームＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極が接合される１枚の直流正極導体板３１５に半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。２つの下アームＩＧＢＴ１５７と対をなす２つの下アームダイオード１５８のカソード電極は、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極が接合される１枚の第１交流導体板３１６に半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。
また、２つの上アームＩＧＢＴ１５５と対をなす２つの上アームダイオード１５６のアノード電極は、上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極が接合される１枚の第２交流導体板３１８に半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。２つの下アームＩＧＢＴ１５７と対をなす２つの下アームダイオード１５８のアノード電極は、下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極が接合される１枚の直流負極導体板３１９に半田等の金属接合材１６０を介して固着されている。
各電極と関係する各導体板との固着は、はんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等の金属接合材料３３７（図８参照）を用いて、電気的にかつ熱的に接合する。各配線と端子においては、直流正極配線３１５Ａは直流正極導体板３１５に一体で形成され、その先端に直流正極端子３１５Ｂが形成されている。直流負極配線３１９Ａも基本的構造は同じで、直流負極導体板３１９に一体で形成され、その先端に直流負極端子３１９Ｂが形成されている。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間には、樹脂材料で成形された補助モールド体６００が介在しており、上記直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、対向した状態で略平行に、パワー半導体の位置に対して反対方向に延びる形状を成している。また外部信号端子３２５Ｌや３２５Ｕは、補助モールド体６００に一体に成形されて、上記直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと同様の方向であるモジュールの外に向かって延びている。
補助モールド体６００に用いる樹脂材料には、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。信号用配線を上記補助モールド体６００にインサート成形している。このような構造により、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａ間の絶縁性と信号用配線と各配線板との絶縁性を確保できる。この構造により高密度配線が可能となる。
さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流を、対向するように配置された上記直流正極配線３１５Ａと上記直流負極配線３１９Ａに逆方向に流れる構造とし、互いに逆方向に流れる電流によりこれら電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。低インダクタンス化が起こる作用について図５（Ａ）を用いて説明する。図５（Ａ）において下アームダイオード１５８が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アームＩＧＢＴ１５５がＯＮ状態になると、下アームダイオード１５８が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。このとき、各導体板３１５、３１６、３１８、３１９には図５（Ｂ）に示すリカバリ電流１００が流れる。上記リカバリ電流１００は先ず点線で示すとおり、直流負極端子３１９Ｂと並列に配置された直流正極端子３１５Ｂを通り、続いた各導体板３１５、３１６、３１８、３１９により形成されるループ形状の経路を流れ、再び直流負極端子３１９Ｂと並列に配置された直流正極端子３１５Ｂを介して実線に示すように流れる。上記ループ形状経路を電流が流れることによって、放熱ベース３０７に渦電流１０１が流れる。この渦電流１０１による磁界相殺効果によってループ形状経路における配線インダクタンス１０２が低減する。なお、電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。この実施の形態では、ループ形状の電流経路は点線で示す如く、導体板３１５の端子側に近い経路を流れ、半導体素子内を通り、実線で示す如く導体板３１８の端子側より遠い経路を流れ、その後、点線で示す如く導体板３１６の端子側より遠い経路を流れ、再び半導体素子内を通り、実線で示す如く導体板３１９の端子側に近い経路を流れる。このように直流正極端子３１５Ｂや直流負極端子３１９Ｂに対して、近い側や遠い側の経路を通ることでループ形状の回路が形成され、このループ形状の回路を流れるリカバリ電流１００により、放熱ベース３０７に渦電流１０１が流れる。この渦電流１０１の磁界とリカバリ電流１００の磁界とによる相殺によってリラクタンスが低減される。
〔補助モールド体６００の説明〕
図６（Ａ）は、図４（Ａ）〜（Ｃ）に図示されたパワー半導体モジュールの補助モールド体の斜視図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に図示された補助モールド体の側面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）におけるＶＩｃ−ＶＩｃ線断面図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ｂ）における補助モールド体の内部透視図である。
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００の成型方法を説明するための図であり、パワー半導体モジュール３００の一次封止金型に補助モールド体６００を設置し、樹脂を充填する状態を示す断面図である。
上記図面を参照して、補助モールド体６００の構造について説明する。補助モールド体６００は信号導体３２４をインサート成形にて一体化しており、信号導体３２４は、補助モールド体６００の封止部６０１の一方からパワー半導体素子に対して反対方向に延びており、パワー半導体素子を制御するドライバ回路１７４等と接続するための外部信号端子３２５Ｕや３２５Ｌを形成する。信号導体３２４の反対側に、内部信号端子３２６Ｕや３２６Ｌを形成する。内部信号端子３２６Ｕや３２６Ｌは、後述するように、パワー半導体素子の表面に設けられた電極や、電極パッド（図１１等参照）に、例えばワイヤ等の接続配線で接続される。封止部６０１は、直流正極配線３１５Ａや直流負極配線３１９Ａあるいは交流配線３２０の形状の長軸に対してこれを横切る方向、この実施の形態では略直交する向きで伸びている形状を成している。補助モールド体６００は、図４（Ｂ）や図４（Ｃ）、図５（Ｂ）に示す如く、導体板３１５、３１６、３１８、３１９と同様に上記配線３１５Ａや３１９Ａ、３２０の長手方向の軸を横切る方向に伸びており、その長さは、横に並べられた導体板３１５と３１６との全体の長さ、あるいは横に並べられた導体板３１９と３２０との全体の長さより長く、上記横に並べられた導体板３１５と３１６あるいは横に並べられた導体板３１９と３２０が、補助モールド体６００の横方向の長さの範囲内に入っている。
補助モールド体６００にインナーモールドされた信号導体３２４の外部信号端子３２５Ｕおよび３２５Ｌは、それぞれ、５つの外部信号端子から構成されている。５つの外部信号端子は、エミッタ外部信号端子３２５Ｕ1、３２５Ｌ1、ミラーＩＧＢＴ外部信号端子３２５Ｕ2、３２５Ｌ2、ゲート外部信号端子３２５Ｕ3、３２５Ｌ3、アノード外部信号端子３２５Ｕ4、３２５Ｌ4、カソード外部信号端子３２５Ｕ5、３２５Ｌ5（図４（Ｂ）、図６（Ａ）参照）である。
図５（Ｂ）や図６（Ａ）、（Ｂ）に示す様に、各配線３１５Ａ、３１９Ａ、３２０を固定するための補助モールド体６００の配線嵌合部６０２Ａ〜６０２Ｃにそれぞれ各配線３１５Ａ、３１９Ａ、３２０であるバスバーと嵌合するための窪みが形成されている。この各窪みに各配線が挿入されることにより、各配線が位置決めされる。これにより、各配線３１５Ａ、３１９Ａ、３２０を嵌合して組み付けることが可能となり、量産性が向上すると共に、配線絶縁部６０８が直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に介在して絶縁性を確保して、確実に平行に対向配置できる。この対向配置は、ズレがあると磁界相殺効果が効果的に発現しないため、低インダクタンス化の妨げとなる。また、封止部６０１には金型押圧面６０４が形成しており、そこには樹脂漏れ防止突起６０５が長手方向の外周を一周して複数本形成されている。配線絶縁部６０８は、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間の絶縁距離を十分確保するために板形状となっている。
また、図３（Ａ）や図８（Ｂ）、に示す如く、第一封止樹脂３５０にて、パワー半導体モジュール３００の各パワー半導体素子及び各導体板を封止するのが望ましく、この封止工程では、図７に示す如く、先ず各配線３１５Ａや３１９Ａや３２０および信号導体３２４が支持された補助モールド体６００を、１５０〜１８０℃程度に余熱された金型９００に図７（Ａ）の様に挿入する。実施形態1では各導体板３１５や３１６や３１８や３１９と、各配線３１５Ａや３１９Ａや３２０とが、それぞれ強固につながっているため、補助モールド体６００を所定の位置に設置することで主要回路およびパワー半導体素子が所定の位置に設置される。従って生産性が向上すると共に、信頼性が向上する。
次に、図７（Ｂ）に示す如く、第一封止樹脂素材９１０がゲート９０４から加圧注入されて、上記各配線３１５Ａや３１９Ａや３２０や、パワー半導体素子、さらには各導体板３１５や３１６や３１８や３１９との間に充填され、下型９０１と上型９０２および補助モールド体６００により塞がれ空間が第一封止樹脂素材９１０により満たされる。すなわち、ランナー９０５からキャビティ９０３へと第一封止樹脂素材９１０が注入されときに、補助モールド体６００の樹脂漏れ防止突起６０５が下型９０１と上型９０２の型締め力により上下の型に密着すると共に、樹脂漏れ防止突起６０５の先端部が潰され、金型９００とより綿密に密着し、封止部６０１とともに、第一封止樹脂素材９１０が各端子部に漏れるのを防止することができる。補助モールド体６００にこのように金型面に向かって突出する突起６０５を設ける構造とすることでより樹脂漏れを防止でき、量産性を向上することができる。突起６０５の断面形状は図６（Ｃ）に図示されている。この図のように配線絶縁部６０８により、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとの間の絶縁を維持すると共に略平行にこれら配線３１５Ａと３１９Ａを維持するので、第一封止樹脂素材９１０を注入した後、好ましい配置関係で保持できる。またこれら配線３１５Ａと３１９Ａとの間にも突起が設けられているので、配線３１５Ａと３１９Ａの周囲から樹脂剤が漏れるのも防止できる。
ここで、封止部６０１の材料としては、１５０〜１８０℃程度の金型９００に設置されることを考えると、高耐熱性が期待できる熱可塑性樹脂の液晶ポリマーやポリブチレンテレクタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）が望ましい。
その他、補助モールド体６００の短手方向のパワー半導体チップ側には、図６（Ｂ）に示す貫通孔６０６が長手方向に複数設けられており、封止後には、ここに第一封止樹脂３５０が流入して硬化することにより、アンカー効果が発現して、補助モールド体６００は第一封止樹脂３５０に強固に保持され、温度変化や機械的振動によって応力がかかっても両者は剥離しない。貫通孔の変わりに凸凹の形状としても剥離しがたくなる。また、補助モールド体６００にポリイミド系のコート剤を塗布するか、あるいは表面を粗化することでもある程度の効果が得られる。
〔パワー半導体モジュール３００の組み立て〕
図８（Ａ）は、複数個のパワー半導体素子と導体板で上下アーム直列回路を構成する図４（Ｂ）を第一封止樹脂３５０で一次封止したモジュール一次封止体３００Ａの斜視図であり、図８（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の断面分解図である。モジュール一次封止体３００Ａは図７に示す方法で作ることができ、モジュール一次封止体３００Ａの各導体板は、パワー半導体素子の素子固着部３２２（図４（Ａ）や図４（Ｃ）参照）と反対面に伝熱面（図４（Ｂ）参照）があり、第一封止樹脂３５０で封止した後、図８（Ａ）に示すように、モジュール一次封止体３００Ａ表面から露出している。各導体板は、第一封止樹脂表面３３７（図８（Ａ）参照）と共に、絶縁シート圧着面３３８を形成する。絶縁シート圧着面３３８は、モジュール一次封止体３００Ａの両面に形成される。これにより、パワー半導体素子の発熱によって発生する熱流は、第一封止樹脂３５０に阻害されること無く絶縁シート３３３に拡散して到達するため、パワー半導体素子から絶縁シート３３３までの熱抵抗を低くできる。
図９は、絶縁シート３３３を備えたモジュール一次封止体３００Ａをモジュールケース３０４に接着する熱圧着工程を説明するための断面図である。
図９（Ａ）に示すように、絶縁シート圧着面３３８を半硬化状態で、真空環境下にて絶縁シート圧着面３３８に仮圧着し、ボイドレスで密着保持する。
次に、図９（Ｂ）に示すように、モジュール一次封止体３００Ａは、モジュールケース３０４に挿入口３０６から挿入され、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８を対向するように配置される。
次に、図９（Ｃ）に示すように、真空高温下において、モジュールケース３０４は、フィン３０５が形成された側からモジュールケース３０４に挿入されたモジュール一次封止体３００Ａ側に向かって加圧される。この加圧力により、湾曲部３０４Ａが僅かに変形して、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８とが接触する。上述のようにモジュールケース３０４は、真空高温下に置かれているので、絶縁シート３３３と内部平面３０８との接触界面において接着力が発生することになる。なお、実施形態1では、上述の如く、モジュールケース３０４はＣＡＮ型の形状のＣＡＮ型冷却器である。
次に、図９（Ｄ）に示すように、モジュールケース３０４内のモジュール一次封止体３００Ａと絶縁シート３３３によって占有されなかった残りの空間は、第二封止樹脂３５１により充填される。第二封止樹脂３５１により充填は、図３（Ｂ）に示す如く、補助モールド体６００の長手方向の端部とモジュールケース３０４の開口の横方向端部との間の空隙から行われる。これにより、補助モールド体６００の側部とモジュールケース３０４の開口の側部、および開口部につながるモジュールケース３０４の収納室の両脇の空間および底の空間が第二封止樹脂３５１により埋められる。
〔パワー半導体モジュール３００の水路への組み付け〕
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００を電力変換装置の筺体１２へ組み付ける工程を説明するための図である。筺体１２は、冷却媒体が流れる流路１９が形成される冷却部である、冷却ジャケット１９Ａを備える。冷却ジャケット１９Ａは、その上部に開口が形成され、かつ、この開口と対向する側に開口が形成される。上記開口からパワー半導体モジュール３００が挿入され、シール８００及び８０１とモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂにより冷媒の漏れが防止される。冷媒としては例えば水が使用され、上記冷媒は上アーム回路と下アーム回路が配置されている軸方向に、すなわちパワー半導体モジュール３００の挿入方向に対してこれを横切る方向に流れる。
上記の構造では、導体板３１５と３１８とに挟まれた上アーム回路と、導体板３１６と３１９とに挟まれた下アーム回路とが、冷媒の流れの方向に沿って並べて配置されており、モジュールのより小型化が実現できる。また厚みにおいて薄くなり、冷媒の流れに対する流体抵抗が抑えられる。
さらに、上アーム回路あるいは下アーム回路が、図５（Ｂ）に記載の如く、それぞれ並列接続された２つのパワー半導体素子で作られており、上記並列接続された２つのパワー半導体素子は、上記導体板３１５と３１８との間に、あるいは上記導体板３１６と３１９との間に、冷媒の流れに沿った方向に並べて配置されており、この構造によりモジュール全体がより小型となる。
上述した一実施の形態のパワー半導体モジュール３００は、上下アーム回路を内蔵したモジュール一次封止体３００Ａと樹脂絶縁層３３３を、つなぎ目の無い全閉のモジュールケース３０４に収納することで、内蔵される上下アーム回路と樹脂絶縁層３３３を冷却媒体の浸透から守ることができる。
また、パワー半導体素子の動作時の発熱を、両面から導体板で拡散して絶縁シート３３３に伝え、モジュールケース３０４の放熱ベース３０７とフィン３０５から放熱するため、高い冷却性能を実現で、高信頼性でかつ高電流密度が可能な構造である。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間には、絶縁性樹脂材料からなる補助モールド体６００が介在して両者を嵌合しており、絶縁性を確保しつつ直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとを高い信頼性の基に略平行に対向配置できる。このため、絶縁信頼性を確保して低インダクタンス化ができ、電力変換装置の高速スイッチング動作に対応可能となって制御自由度が増すと共に、良好な電流バランスが得られるため、パワー半導体モジュール３００の並列接続が可能となり、電流容量増設性を備えた電力変換装置の実現が可能となる。
また、補助モールド体６００には、樹脂漏れ防止突起６０５と貫通孔６０６が設けられており、封止時の樹脂漏れを防止して量産性を向上し、第一封止樹脂が補助モールド体６００を強固に保持して構造信頼性を確保している。
［パワー半導体モジュールの過温保護構造の説明］
図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、この実施形態１のパワー半導体モジュールは、２つの上アームＩＧＢＴ１５５がそれぞれ形成された２枚の素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２と、下アームＩＧＢＴ１５７がそれぞれ形成された２枚の素子基板４０１Ｌ１、４０１Ｌ２とを有する。素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２，４０１Ｌ１，４０１Ｌ２の各々は矩形形状を有し、実質的に同一であり、以下では、上アームＩＧＢＴ１５５が形成された素子基板に代表符号４０１を付して説明するが、下アームＩＧＢＴ１５７が形成された素子基板も同様の構成である。ただし、上アームＩＧＢＴ１５５が形成された素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２は、裏面に配置された直流正極導体板３１５と表面に配置された第２交流導体板３１８に挟まれ、下アームＩＧＢＴ１５７が形成された素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２は裏面に配置された第２交流導体板３１６と表面に配置された直流負極導体板３１９に挟まれている点が異なっている。
図１１は、１枚の素子基板４０１に設けられる上アームＩＧＢＴ１５５の電極および複数種類の電極パッドのレイアウト図であり、図１２は、図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
素子基板４０１は、薄い平板状部材であり、半導体基板で構成されている。素子基板４０１にはＩＧＢＴ１５５とその温度検知素子温度であるセンスダイオード４０８が設けられている。
ＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極４０５は、素子基板４０１のほぼ中央部で第１のエミッタ電極４０５Ａと、第２のエミッタ電極４０５Ｂとに分離されている。第２のエミッタ電極４０５Ｂは矩形の平面形状であるが、第１のエミッタ電極４０５Ａは矩形形状ではなく、矩形領域４１３Ａと、矩形領域４１３Ａの一側辺４１２から素子基板４０１の一側辺４０１ａ側に突出する突出領域４１３Ｂを有している。
素子基板４０１の一面４２８にはまた、第１のエミッタ電極４０５Ａの矩形領域４１３Ａの一側辺４１２と、素子基板４０１の一側辺４０１ａとの間の領域４１１に電極パッド群４１０が設けられている。この領域４１１は、第１のエミッタ電極４０５Ａの矩形領域４１３Ａの一側辺４１２を通過する線分により素子基板４０１を上下に分割した上部の細長い帯状の領域である。換言すると、領域４１１は、素子基板４０１の一側辺４０１ａから所定長だけ内側に設定した矩形領域である。
なお、第１のエミッタ電極４０５Ａは領域４１１に突出する突出領域４１３Ｂを有するが、第２のエミッタ電極４０５Ｂも領域４１１に配設された領域がある。この領域４１１の第２のエミッタ電極４０５Ｂをとくに突出領域４１４と呼ぶ。
電極パッド群４１０は、ケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、ゲート電極パッド４０３、温度センスダイオード４０８のアノード電極パッド、すなわちセンサ用電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７により構成されている。各電極パッド４０５Ｃ、４０４、４０３、４０６、４０７は、素子基板４０１の一側辺４０１ａに沿って直線状に配列され、また、各電極の表面には、Ｎｉめっき層およびＡｕめっき層が形成されている。
なお、電極パッド群４１０のそれぞれの電極パッドは、モジュール外部へ突出する外部信号端子３２５Ｕに接続される。
温度センスダイオード４０８は、平面視でアノード電極パッド４０６とカソード電極パッド４０７との間に設けられている。上記電極パッド群４１０および温度センスダイオード４０８は、平面視でＩＧＢＴ１５５の第１のエミッタ電極４０５Ａとは重ならない位置に設けられており、第１のエミッタ電極４０５Ａの矩形領域４１３Ａの上辺４１２は、素子基板４０１の一側辺４０１ａより内側に、該一側辺４０１ａとほぼ平行に設けられている。
ケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、温度センスダイオード４０８のアノード電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７は、それぞれ、図６（Ａ）に図示された、対応する内部信号端子３２６Ｕ、３２６Ｌに、アルミニウム等のボンディングワイヤにより接続される。ケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃは、ゲート信号の基準電位をドライバ回路１７４に送るためのものである。ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４は、エミッタ電極４０５に流れる電流を測定するためのものである。
素子基板４０１の一面４２８には、上記の領域４１１の電極パット群４１０以外の領域と、第１のエミッタ電極４０５Ａおよび第２のエミッタ電極４０５Ｂの外縁と素子基板４０１の外縁との間の領域と、第１のエミッタ電極４０５Ａと第２のエミッタ電極４０５Ｂとの間の領域に、有機保護膜４１５が形成されている。すなわち、図１１にハッチングで示した電極領域以外の素子基板４０１の一面４２８に有機保護膜４１５が形成されている。
図１２は、図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線で切断した温度センスダイオード４０８の模式的断面図である。
温度センスダイオード４０８は、素子基板４０１の一面４２８側に設けられている。すなわち、温度センスダイオード４０８は、多結晶シリコン等の半導体層中にイオン不純物を注入して形成されたアノード領域４２３とカソード領域４２４を有する。アノード領域４２３およびカソード領域４２４上には、層間絶縁膜４３１が形成され、層間絶縁膜４３１上には、アノード領域４２３に接続されるアノード電極４２５およびカソード領域４２４に接続されるカソード電極４２６が形成されている。
アノード電極４２５およびカソード電極４２６は、それぞれ、素子基板４０１の一面４２８上に形成された接続配線４４１、４４２によりアノード電極パッド４０６、カソード電極パッド４０７に接続されている。図１１に図示されているように、温度センスダイオード４０８、アノード電極パッド４０６、カソード電極パッド４０７は、素子基板４０１の一側縁の領域４１１内において、相互に隣接して配列されているので、アノード電極パッド４０６とアノード電極４２５とを接続する接続配線４４１、およびカソード電極パッド４０７とカソード電極４２６とを接続する接続配線４４２の長さを短くすることができる。
なお、図示はしないがＩＧＢＴ１５５の概略構造を説明する。素子基板４０１の一面４２８には、イオン不純物を注入して形成された不図示のゲート領域および不図示のエミッタ領域が複数対形成されている。各ゲート領域および各エミッタ領域上には、不図示の層間絶縁膜の開口を介してゲート領域に接続される不図示のゲート電極体および各エミッタ領域に接続される不図示のエミッタ電極体が形成されている。素子基板４０１の一面４２８とエミッタ電極４０５Ａ、４０５Ｂとの間の層間絶縁膜は複数層、形成されており、すべてのエミッタ電極体は、層間絶縁膜の開口を介してエミッタ電極４０５Ａ、４０５Ｂの一方に接続されている。また、すべてのゲート電極体は、層間絶縁膜間を引き回されるゲート配線によりゲート電極パッド４０３に接続されている。
このようにして、素子基板４０１中に、複数個の素子から構成される絶縁ゲート型トランジスタ１５５と１個の温度センスダイオード４０８が形成されている。
図１３は、図４相当のモジュール中間製品である素子基板ブロック３００Ｂのレイアウト図である。すなわち、上アームＩＧＢＴ１５５（下アームＩＧＢＴ１５７）が形成された素子基板４０１の一面４２８（図１２参照）と上アームダイオード１５６（下アームダイオード１５８）が形成された基板の一面に第２交流導体板３１８（直流負極導体板３１９）が固着され、上アームＩＧＢＴ１５５（下アームＩＧＢＴ１５７）が形成された素子基板４０１の他面４２９（図１２参照）と上アームダイオード１５６（下アームダイオード１５８）が形成された基板の他面に直流正極導体板３１５（第１交流導体板３１６）が固着されている。
なお、以下の説明では、上アームＩＧＢＴ１５５と上アームダイオード１５６の素子基板ブロック３００Ｂについて説明するが、下アームＩＧＢＴ１５７と下アームダイオード１５８についても同様である。また、以下では、特に区別する箇所以外は、直流正極導体板３１５、第１交流導体板３１６、第２交流導体板３１８、直流負極導体板３１９を単に導体板と呼ぶ。
図１３に図示されるように、導体板３１８は、上アームＩＧＢＴ１５５と上アームダイオード１５６の一面に接合される。上アームダイオード１５６は、上アームＩＧＢＴ１５５の素子基板４０１とほぼ同じ厚さの平板状の基板に設けられ、一面にはアノード電極（図示せず）が形成され、他面にはカソード電極（図示せず）が形成されている。ダイオード１５６に形成されたアノード電極は、半田等の金属接合材１６０（図４（Ａ）参照）を介して導体板３１８に固着されている。ダイオード１５６の裏面に形成されたカソード電極は、半田等の金属接合材１６０（図４（Ａ）参照）を介して導体板３１５に固着されている。
図１３において、上アームＩＧＢＴ１５５および温度センスダイオード４０８が設けられた素子基板４０１には、その一面４２８側に金属接合材１６０を介して導体板３１８が固着され、他面４２９側に金属接合材１６０を介して導体板３１５が固着される。素子基板４０１の一面４２８側においては、一側縁の領域４１１に配列された電極パッド群４１０は、導体板３１８の一側辺３１８ａの外側に配置されている。
導体板３１８の一側辺３１８ａは、素子基板４０１の一側辺４０１ａおよびエミッタ電極４０５Ａの一側辺４１２とほぼ平行に直線状に延在されている。素子基板４０１の一側辺４０１ａ以外の他の３つの側辺は、導体板３１８の対応する各側辺の内側に配置されている。すなわち、導体板３１８は、素子基板４０１の一側縁の領域４１１以外の領域において、エミッタ電極４０５Ａ、４０５Ｂおよびダイオード１５６のアノード電極に固着されている。
導体板３１８の一側辺３１８ａは、素子基板４０１に形成されたエミッタ電極４０５Ａの一側辺４１２から突出長さａだけ突出している。突出長さａは、導体板３１８の他の３つの側辺がエミッタ電極４０５の対応する側辺から突き出すそれぞれの突出長さｂ、ｃ、ｄのいずれよりも小さい。
なお、導体板３１８の一側辺３１８ａがエミッタ電極４０５Ａの一側辺４１２から突き出す突出長さａは、「０」、換言すれば、導体板３１８の一側辺３１８ａとエミッタ電極４０５Ａの一側辺４１２とは面一あってもよい。
以上説明したように、素子基板４０１の一側辺４０１ａに対応する導体板３１８の一側辺３１８ａは、素子基板４０１の一側辺４０１ａの内側に配置されている。これにより、温度センスダイオード４０８が設けられている素子基板４０１の領域４１１が平面視で導体板３１８から露出する。換言すると、少なくとも第１導体板３１８は、平面視で温度検知素子４０８が設けられた素子基板４０１の素子形成領域４１１と重ならない輪郭形状である。
図１４は、図１３に図示された素子基板ブロック３００Ｂのシミュレーションによる温度分布図である。
図１４において、領域Ｒ１内が最も温度が高い領域であり、領域Ｒ１からＲ６に向かって順に温度が低くなっている。
ＩＧＢＴ１５５がスイッチング動作をする際、エミッタ領域に主電流が流れる。素子基板４０１には、ＩＧＢＴ１５５を構成する多数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されている。素子基板４０１の一側縁の領域４１１のうち、電極パッド群４１０が形成された領域４１１Ａには絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されていない。絶縁ゲート型トランジスタ素子から発生する熱は領域４１１Ａに伝熱されるが、領域４１１Ａは導体板３１８から露出しているため、導体板３１８により冷却されにくい。このため、導体板３１８の一側辺３１８ａ付近が最も温度が高い領域となる。電極パッド群４１０のケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、ゲート電極パッド４０３が配置された領域が最高温度より低くなっているのは、この領域には、絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されていないからである。
図１５は、素子基板４０１の最高温度領域を説明するための模式的断面図である。
図１５に図示されるように、導体板３１８の一側辺３１８ａは、素子固着部３２３の一側辺３２３ａと面一とされ、温度センスダイオード４０８の上方を覆う部分、換言すれば、平面視で、温度センスダイオード４０８に重なる部分を有していない。このような構造では、絶縁ゲート型トランジスタが発生する熱は、温度センスダイオード４０８の周縁部において導体板３１８に伝導され難く、二点鎖線で示す領域Ｒ１が、最高の温度領域となる。
ここで、温度センスダイオード４０８の周縁部付近を最高温度とするうえで、導体板３１８に温度センスダイオード４０８の上方を覆う部分を形成しない構造とする必要がある。
例えば、導体板３１８の一側辺３１８ａを、素子固着部３２３の一側辺３２３ａと面一とした場合であっても、この一側辺３１８ａを厚さ方向に階段状に延在して庇状部分を形成し、この庇状部分により温度センスダイオード４０８の上方を覆う構造とすることもできる。しかし、このように、導体板３１８に温度センスダイオード４０８の上方を覆う庇状部分を形成すると、素子基板４０１の最も温度が高くなる領域Ｒ１は、素子基板４０１の内方側に移り、素子基板４０１の周縁部が最も温度が高い領域でなくなる。
従って、ＩＧＢＴ１５５（１５７）における発熱による温度が最高となる領域をＩＧＢＴ１５５（１５７）の側縁部に設定するには、導体板３１８（３１９）を、ＩＧＢＴ１５５（１５７）の側縁部を露出してＩＧＢＴ１５５（１５７）に固着すると共に、導体板３１８（３１９）の一部が、その側縁部の上方に延在されない構成にする必要がある。
なお、図１４を参照すると、素子基板４０１の温度が最高となる領域Ｒ１は、温度センスダイオード４０８付近では、導体板３１８の一側辺３１８ａの内側に延在されている。従って、温度センスダイオード４０８は、その一部が、導体板３１８の一側辺３１８ａの内側に配置されていてもよく、全体を、導体板３１８の一側辺３１８ａの外側に配置する必要はない。
以上説明した通り、上記実施形態1によれば、下記の効果を奏する。
（１）実施形態1のパワー半導体モジュール３００は、２つの上アームＩＧＢＴ１５５を有する素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２と、２つの下アームＩＧＢＴ１５７を有する素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２とを備えている。上アームＩＧＢＴ１５５の素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２の一面４２８に導体板３１８が接合され、他面４２９に導体板３１５が接合されている。下アームＩＧＢＴ１５７の素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２の一面４２８に導体板３１９が接合され、他面４２９に導体板３１６が接合されている。
各素子基板４０１の一側辺４０１ａ側の領域４１１には温度検知素子、すなわち温度センスダイオード４０８が設けられている。素子基板４０１の一側辺４０１ａに対応する導体板３１８の一側辺３１８ａは、素子基板４０１の一側辺４０１ａの内側に配置されている。換言すると、導体板３１８は、温度センスダイオード４０８が設けられた素子基板４０１の素子形成領域４１１と平面視で重ならない輪郭形状である。
この結果、温度センスダイオード４０８が設けられている素子基板４０１の領域４１１が導体板３１８から露出する。領域４１１内には、温度センスダイオード４０８のアノード電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７も配設されている。
このような構成を採用するため、温度センスダイオード４０８が設けられている素子基板４０１の領域４１１の温度は、ＩＧＢＴ１５５が発生する熱により温度が最高となる領域となる。
これにより、温度センスダイオード４０８を素子基板４０１の一側縁の領域４１１に設けても、ＩＧＢＴ１５５の最高温度を検出することができる。従って、温度センスダイオード４０８と共にアノード電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７を素子基板４０１の一側縁の領域４１１に配置して、アノード電極４２５とアノード電極パッド４０６とを接続する接続配線４４１、およびカソード電極４２６とカソード電極パッド４０７とを接続する接続配線４４２の長さを短くすることができる。
接続配線４４１、４４２の長さが短くなるため、接続配線４４１、４４２周囲の面積を小さくすることができ、素子基板４０１の面積を小さくすることが可能となるので、パワー半導体モジュール３００の小型化を図ることができる。
（２）接続配線４４１、４４２の長さおよび面積が小さくなることにより、素子基板４０１に形成するＩＧＢＴ１５５のレイアウトが容易となり、開発の効率化を図ることができる。
（３）接続配線４４１、４４２が一側縁の領域４１１の領域に形成することができ、素子基板４０１の中央部まで引き回す必要がなくなるため、エミッタ電極４０５Ａ、４０５Ｂの形状が簡単となり、エミッタ電極４０５Ａ、４０５Ｂに固着する導体板３１８、３１９の取付けが容易となるため、生産性が向上する。
以上では、上アームＩＧＢＴ１５５が設けられた素子基板４０１Ｕ１，４０１Ｕ２の一面に接合される導体板３１８および他面に接合される導体板３１５を備える素子基板ブロッック３００Ｂについて説明した。しかしながら、下アームＩＧＢＴ１５７が設けられた素子基板４０１Ｌ１，４０１Ｌ２の一面に接合される導体板３１９および他面に接合される導体板３１６を備える素子基板ブロッック３００Ｂにも本発明は適用できる。
−実施形態２−
図１６は、本発明によるパワー半導体モジュールの実施形態２としての素子基板の電極および電極パッドのレイアウト図であり、図１７は、図１６に図示された素子基板を有する素子基板ブロック３００Ｂのレイアウト図である。
実施形態２の素子基板４０１では、エミッタ電極４０５Ａの突出領域４１３Ｂおよびエミッタ電極４０５Ｂの突出領域４１４が、有機保護膜４１５から露出している。
エミッタ電極４０５Ａ、４０５Ｂおよびダイオード１５６の一面に固着される導体板３１８は、突出領域４１３Ｂおよび４１４を覆って形成されている。すなわち、導体板３１８の一側辺３１８ａは、エミッタ電極４０５Ａの側辺部４１２ａの外側に延在する側辺部３１８ａ1と、側辺部３１８ａ1から突出領域４１３Ｂの側辺に沿って段状に突出して突出領域４１３Ｂおよび４１４の外側に延在する側辺部３１８ａ2とを有する。
導体板３１８の側辺部３１８ａ1は、素子基板４０１に形成されたエミッタ電極４０５Ａの側辺部４１２ａから突出長さａ1だけ外側に突出している。導体板３１８の側辺部３１８ａ2は、素子基板４０１に形成されたエミッタ電極４０５Ｂの側辺部４１２ｂから突出長さａ2だけ外側に突出している。
突出長さａ1およびａ2は、それぞれ、導体板３１８の他の３つの側辺がエミッタ電極４０５の対応する側辺から突き出すそれぞれの突出長さｂ、ｃ、ｄのいずれよりも小さい。突出長さａ1およびａ2は、同一の長さであってもよいし、異なる長さであってもよい。突出長さａ1およびａ2は、一方あるいは、共に「０」であってもよい。
ＩＧＢＴ１５７が設けられた素子基板４０１側においても、導体板３１９を導体板３１８と同様な構造とすることができる。
実施形態２のパワー半導体モジュール３００においても、実施形態１と同様の効果を奏する。特に、実施形態２においては、導体板３１８、３１９が、エミッタ電極４０５Ａの突出領域４１３Ｂおよびエミッタ電極４０５Ｂの突出領域４１４を覆っているので、その分、導体板３１８、３１９による冷却能力を大きくすることができる。
−実施形態３−
図１８は、本発明によるパワー半導体モジュールの実施形態３としての素子基板の電極および電極パッドのレイアウト図である。
図１８においては、素子基板４０１のエミッタ電極４０５Ａの突出領域４１３Ｂと、温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７との間の二点鎖線で示す領域４５１に、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子（図示せず）が形成されている。エミッタ電極４０５Ａには、この領域４５１に、カソード電極パッド４０７側に向けって張り出す張出部分４０５ｄが形成されている。つまり、素子基板４０１のエミッタ電極４０５Ａの張出部分４０５ｄの裏側には、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されている。エミッタ電極４０５Ａの張出部分４０５ｄには、各絶縁ゲート型トランジスタ素子のエミッタ電極体（図示せず）が接続される
このように、温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７と素子基板４０１のエミッタ電極４０５Ａとの間に、主電流が流れることによって高温に発熱する複数の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されているので、温度センスダイオード４０８が形成された周辺の温度を高める効果を助長することができる。
このため、素子基板４０１の過温度保護の精度を一層向上することができる。
なお、上記実施形態では、素子基板４０１のエミッタ電極４０５Ａに、温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７側に張り出す張出部分４０５ｄを設けた構造として例示した。しかし、温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７とエミッタ電極４０５Ａとの間に絶縁ゲート型トランジスタが形成された構造とされていれば、エミッタ電極４０５Ａに張出部分４０５ｄを設けなくてもよく、例えば、図１１、図１３に図示されたエミッタ電極４０５Ａと同様な形状としてもよい。
−実施形態４−
図１９は、本発明のパワー半導体モジュールの実施形態４としての素子基板の電極および電極パッドのレイアウト図である。
図１９においては、温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７は、素子基板４０１のエミッタ電極４０５Ａと共用化されている。
つまり、実施形態１〜３に図示されている温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７は、実施形態４では、エミッタ電極４０５Ａに、突出領域４１３Ｂにおいて一体化されている。
導体板３１８、３１９は、図１７と同様に、突出領域４１３Ｂを含むエミッタ電極４０５Ａの全面、およびエミッタ電極４０５Ｂの全面を覆って配置される。
従って、実施形態４では、エミッタ電極４０５Ａと温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７との間に隙間が無い分、導体板３１８、３１９の面積が大きくなり、導体板３１８、３１９による冷却性能を向上することができる。
なお、本発明のパワー半導体モジュールは以下のように変形して実施することもできる。
（１）上記各実施形態では、素子基板４０１のケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、ゲート電極パッド４０３、温度センスダイオード４０８のアノード電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７が導体板３１８に重ならない構造として例示した。
しかし、温度センスダイオード４０８の少なくとも一部、アノード電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７が、導体板３１８に重ならないようにすればよい。
ケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、ゲート電極パッド４０３は、導体板３１８の庇部３１８ｂを設けるなどして、導体板３１８と重なるようにしてもよい。上記において、実施形態４（図１９）のように、温度センスダイオード４０８のカソード電極パッド４０７を、素子基板４０１のエミッタ電極４０５Ｂと一体に形成する構成では、温度センスダイオード４０８の少なくとも一部とアノード電極パッド４０６とが導体板３１８に重ならない構成とすればよい。
（２）上記各実施形態では、ケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、ゲート電極パッド４０３、温度センスダイオード４０８のアノード電極パッド４０６およびカソード電極パッド４０７を素子基板４０１の一側縁の領域４１１に配列した構成として例示した。しかし、ケルビンエミッタ電極パッド４０５Ｃ、ミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４、ゲート電極パッド４０３は、すべて、またはいずれかを、一側縁の領域４１１以外の側縁に配列してもよい。また、本発明は、ケルビンエミッタ電極パッド４０５ＣやミラーＩＧＢＴ電極パッド４０４を有していないパワー半導体モジュールに適用することができる。
（３）上記各実施形態では、素子基板４０１に、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されている構成として例示したが、素子基板４０１に１個の絶縁ゲート型トランジスタ素子からなるＩＧＢＴ１５５、１５７を形成してもよい。
（４）上記各実施形態では、上アームＩＧＢＴ１５５を２つの基板素子４０１Ｕ１，４０１Ｕ２に設け、下アームＩＧＢＴ１５７を２つの基板素子４０１Ｌ１，４０１Ｌ２に設けた。しかし、１つの素子基板４０１Ｕに上アームＩＧＢＴ１５５を設け、１つの素子基板４０１Ｌに下アームＩＧＢＴ１５７を設けてもパワー半導体モジュールにも本発明を適用できる。
（５）上記各実施形態では、素子基板４０１に形成するエミッタ電極４０５を４０５Ａと４０５Ｂとに分離した構成として例示した。しかし、エミッタ電極４０５は、１個としてもよいし、３個以上に分離して形成してもよい。
（６）上記各実施形態では、温度検知素子を、温度センスダイオード４０８として例示したが、温度検知素子として、温度検出用トランジスタ等他の温度検知素子を用いてもよい。
（７）上記各実施形態では、導体板３１５、３１６、３１８、３１９と素子基板４０１とを、半田等の金属接合材１６０により固着する構造として例示した。しかし、各導体板３１５、３１６、３１８、３１８と素子基板４０１とは、熱伝導性の良い接着剤や樹脂等により固着してもよく、要は、熱伝導可能に接合される構造であればよい。
（８）上記各実施形態では、導体板３１５、３１６、３１８、３１９と素子基板４０１の主たる領域は、おおむね矩形形状とした。すなわち、導体板と素子基板は全て輪郭線を直線とした多角形である。しかしながら、これらの部材の外形形状となる輪郭線は必ずしも直線である必要はない。
（９）上記実施形態では、パワー半導体モジュール３００は、冷却水等の冷却材が流れる冷却ジャケット内に挿入されて冷却される構成として例示したが、本発明は、空気等の冷却気体により冷却されるパワー半導体モジュールにも適用することができる。
（１０）本発明は以下のようなパワー半導体モジュールも含む。すなわち、入力信号用の第1電極、たとえばコレクタ電極４２１と出力信号用の第２電極、たとえばエミッタ電極４０５と制御信号用の第３電極、たとえばゲート電極４０３とを有し、第３電極４０３に印加される制御信号に基づいて第１電極４２１の入力信号を変換し、第２電極４０５から出力信号を出力するスイッチング素子、たとえばＩＧＢＴ１５５と；スイッチング素子１５５が形成される素子基板４０１と；素子基板４０１の一面４２８側に露出する第1電極４０５に接合される第1導体板３１８と；素子基板４０１の他面４２９側に露出する第２電極４２１に接合される第２導体板３１５と；素子基板４０１の周縁に設けられ、スイッチング素子１５５の温度を検出する温度検知素子、たとえば温度センスダイオード４０８と；素子基板４０１の一面に設けられ、温度検知素子用の電極パッド、たとえば温度センスダイオード４０８のアノード電極４０６とカソード電極４０７と；素子基板４０１の一面に設けられ、第３電極用の電極パッド４０３とを有するパワー半導体モジュールであって、少なくとも第１導体板３１８は、平面視で温度検知素子４０８が設けられた素子基板４０１の素子形成領域４１１と重ならない輪郭形状である。
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。
１５５、１５７ ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型トランジスタ）
１５６、１５８ ダイオード
３００ パワー半導体モジュール
３００Ｂ 素子基板ブロック
３１５ 直流正極導体板（第２導体部材）
３１６ 第一交流導体板（第２導体部材）
３１８ 第二交流導体板（第１導体部材）
３１８ａ 一側辺
３１８ａ1、３１８ａ2 導体板３１８の側辺部
３１８ｂ 庇部
３１９ 直流負極導体板（第１導体部材）
４０１ 素子基板
４０１ａ 一側辺
４０２ａ エミッタ電極４０５Ａの側辺部
４０２ｂ エミッタ電極４０５Ｂの側辺部
４０３ ゲート電極パッド
４０４ ミラーＩＧＢＴ電極パッド
４０５、４０５Ａ、４０５Ｂ エミッタ電極
４０５Ｃ ケルビンエミッタ電極パッド
４０５ｄ エミッタ電極の張出部分
４０６ アノード電極パッド（センサ用電極パッド）
４０７ カソード電極パッド
４０８ 温度センスダイオード（温度検知素子）
４１０ 電極パッド群
４１１ 素子基板４０１の一側縁
４１２ エミッタ電極４０５Ａの一側辺
４１３Ａ 矩形領域
４１３Ｂ、４１４ 突出領域
４１５ 有機保護膜
４２１ コレクタ電極
４２５ アノード電極
４２６ カソード電極
４２８ 一面
４２９ 他面
ａ、ａ1、ａ2 、ｂ〜ｄ 導体板の突出長さ

Claims (7)

  1. エミッタ電極、コレクタ電極およびゲート電極パッドを有する絶縁ゲート型トランジスタと、温度検知素子および前記温度検知素子に接続されるセンサ用電極パッドとを備え、前記エミッタ電極、前記ゲート電極パッドおよび前記センサ用電極パッドが一面に形成され、前記コレクタ電極が他面に形成された素子基板と、
    一面にアノード電極が形成され、他面にカソード電極が形成されたダイオードと、
    前記絶縁ゲート型トランジスタの前記エミッタ電極および前記ダイオードの前記アノード電極に電気的に接続された第１導体部材と、
    前記絶縁ゲート型トランジスタの前記コレクタ電極および前記ダイオードの前記カソード電極に電気的に接続された第２導体部材と、を備え、
    前記温度検知素子および前記センサ用電極パッドは、前記素子基板の一側辺に沿う所定領域に配設されており、
    前記第２導体部材は、前記素子基板の前記他面および前記ダイオードの前記他面に熱伝導可能に接合され、
    前記第１導体部材は、前記絶縁ゲート型トランジスタの前記一面に熱伝導可能に接合され、前記第１導体部材は、前記温度検知素子の少なくとも一部および前記センサ用電極パッドと重ならないように、少なくとも前記素子基板の前記所定領域に対応する領域の側辺部が前記素子基板の前記一側辺よりも内側に配設されており、
    前記第１導体部材および前記エミッタ電極は多角形状を有しており、前記素子基板の前記所定領域に対応する前記第１導体部材の領域の側辺部は、前記エミッタ電極の対応する側辺部に対して面一またはそれよりも外側に突出して形成され、その突出長さは、他の側辺において前記第１導体部材の側辺部が前記エミッタ電極の側辺部から突出する突出長さのいずれよりも小さく形成されている、パワー半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記第１導体部材は、前記素子基板の前記所定領域外に、前記側辺部が前記エミッタ電極の対応する側辺部から突出する突出長さよりも大きい突出長さとされた領域を有する、パワー半導体モジュール。
  3. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記素子基板の前記所定領域に、前記絶縁ゲート型トランジスタの前記ゲート電極パッドが設けられている、パワー半導体モジュール。
  4. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記素子基板における前記第１導体部材の前記側辺部の外側に、少なくとも前記センサ用電極パッドを露出する有機絶縁膜が形成されている、パワー半導体モジュール。
  5. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記素子基板には、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されており、
    前記温度検知素子は、前記素子基板に不純物を注入して形成されたアノード領域とカソード領域とを有するダイオードであり、
    前記センサ用電極パッドは、前記アノード領域に接続されたアノード電極パッドと前記カソード領域に接続されたカソード電極パッドとを含み、
    前記素子基板の少なくとも前記アノード電極パッドと前記カソード電極パッドの一方の下方に、複数個の前記絶縁ゲート型トランジスタ素子の一部が形成されている、パワー半導体モジュール。
  6. 請求項５に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記温度検知素子の前記カソード電極パッドは、前記絶縁ゲート型トランジスタの前記エミッタ電極と一体に形成されている、パワー半導体モジュール。
  7. エミッタ電極、コレクタ電極およびゲート電極パッドを有する絶縁ゲート型トランジスタと、温度検知素子および前記温度検知素子に接続されるセンサ用電極パッドとを備え、前記エミッタ電極、前記ゲート電極パッドおよび前記センサ用電極パッドが一面に形成され、前記コレクタ電極が他面に形成された素子基板と、
    一面にアノード電極が形成され、他面にカソード電極が形成されたダイオードと、
    前記絶縁ゲート型トランジスタの前記エミッタ電極および前記ダイオードの前記アノード電極に電気的に接続された第１導体部材と、
    前記絶縁ゲート型トランジスタの前記コレクタ電極および前記ダイオードの前記カソード電極に電気的に接続された第２導体部材と、を備え、
    前記温度検知素子および前記センサ用電極パッドは、前記素子基板の一側辺に沿う所定領域に配設されており、
    前記第２導体部材は、前記素子基板の前記他面および前記ダイオードの前記他面に熱伝導可能に接合され、
    前記第１導体部材は、前記絶縁ゲート型トランジスタの前記一面に熱伝導可能に接合され、前記第１導体部材は、前記温度検知素子の少なくとも一部および前記センサ用電極パッドと重ならないように、少なくとも前記素子基板の前記所定領域に対応する領域の側辺部が前記素子基板の前記一側辺よりも内側に配設されており、
    前記素子基板には、複数個の絶縁ゲート型トランジスタ素子が形成されており、
    前記温度検知素子は、前記素子基板に不純物を注入して形成されたアノード領域とカソード領域とを有するダイオードであり、
    前記センサ用電極パッドは、前記アノード領域に接続されたアノード電極パッドと前記カソード領域に接続されたカソード電極パッドとを含み、
    前記素子基板の少なくとも前記アノード電極パッドと前記カソード電極パッドの一方の下方に、複数個の前記絶縁ゲート型トランジスタ素子の一部が形成されており、
    前記温度検知素子の前記カソード電極パッドは、前記絶縁ゲート型トランジスタの前記エミッタ電極と一体に形成されている、パワー半導体モジュール。
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