WO2014147720A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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heat
horizontal
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小熊　清典
祐 氏田
山口　芳文
友和 本田
佐々木　亮
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株式会社安川電機
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device including a horizontal switch element.
  • a power conversion device including a horizontal switch element is known.
  • Such a power converter is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-222361.
  • JP-A-2012-222361 discloses a group III-V transistor (horizontal switch element) and a group IV vertical transistor connected to the group III-V transistor and controlling the driving of the group III-V transistor (for control).
  • a power conversion device including a switch element) is disclosed.
  • the electrodes of the group III-V transistor and the electrode of the group IV vertical transistor are connected so as to be in direct contact with each other.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to suppress a decrease in power conversion function in a power conversion device including a lateral switch element. It is to provide a possible power conversion device.
  • a power conversion device is disposed between a horizontal switch element, a control switch element connected to the horizontal switch element and controlling driving of the horizontal switch element, and the horizontal switch element and the control switch element.
  • a heat conduction suppressing member for suppressing heat generated from the horizontal switch element from being transmitted to the control switch element.
  • a heat conduction suppression member is provided that is disposed between the horizontal switch element and the control switch element and suppresses heat generated from the horizontal switch element from being transmitted to the control switch element.
  • the power conversion device it is possible to suppress a decrease in the function of the power conversion device.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a three-phase inverter device including a power module according to a first embodiment.
  • FIG. It is a top view of the power module by a 1st embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 200-200 in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 300-300 in FIG.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line 400-400 in FIG. It is a top view of the 1st board
  • FIG. 20 is a cross-sectional view taken along line 500-500 in FIG.
  • the three-phase inverter device 100 is configured by electrically connecting three power modules 101a, 101b, and 101c that respectively perform U-phase, V-phase, and W-phase power conversion. Has been.
  • Each of the power modules 101a, 101b, and 101c converts DC power input from a DC power source (not shown) through input terminals P and N into AC power of three phases (U phase, V phase, and W phase). Is configured to do.
  • the power modules 101a, 101b, and 101c are configured to output the U-phase, V-phase, and W-phase AC power converted as described above to the outside via the output terminals U, V, and W, respectively. ing.
  • the output terminals U, V, and W are connected to a motor (not shown).
  • the power module 101a includes two horizontal switch elements 11a and 12a, two control switch elements 13a and 14a connected to each of the two horizontal switch elements, and a snubber capacitor 15.
  • the lateral switch elements 11a and 12a are both normally-on switch elements (currents between the drain electrodes D1a and D2a and the source electrodes S1a and S2a when the voltage applied to the gate electrodes G1a and G2a is 0 V). Switch element configured to flow.
  • the control switch elements 13a and 14a are both normally-off switch elements (between the drain electrode D3a and the source electrode S3a when the voltage applied to the gate electrodes G3a and G4a is 0 V, and the drain electrode D4a). Switch element configured so that no current flows between the source electrode S4a and the source electrode S4a.
  • Control switch elements 13a and 14a are cascode-connected to horizontal switch elements 11a and 12a.
  • the gate electrode G1a (G2a) of the horizontal switch element 11a (12a) is connected to the source electrode S3a (S4a) of the control switch element 13a (14a).
  • the control switch element 13a (14a) controls the drive (switching) of the horizontal switch element 11a (12a) by performing switching based on the control signal input to the gate electrode G3a (G4a). It is configured as follows.
  • the switch circuit including the normally-on lateral switch element 11a (12a) and the normally-off control switch element 13a (14a) is configured to be controlled as a normally-off type as a whole.
  • the power module 101b also includes two normally-on lateral switch elements 11b and 12b and two normally-off control elements that are cascode-connected to each of the two lateral switch elements. Switch elements 13b and 14b and a snubber capacitor 16 are included.
  • the normally-on horizontal switch element 11b (12b) and the normally-off control switch element 13b (14b) constitute a normally-off switch circuit.
  • the control switch element 13b (14b) is configured to control the switching of the horizontal switch element 11b (12b) by performing switching based on a control signal input to the gate electrode G3b (G4b). ing.
  • the power module 101c includes two normally-on type horizontal switching elements 11c and 12c and two normally-off type cascode-connected to each of the two horizontal switching elements.
  • the normally-on lateral switch element 11c (12c) and the normally-off control switch element 13c (14c) constitute a normally-off switch circuit.
  • the control switch element 13c (14c) is configured to control the switching of the horizontal switch element 11c (12c) by performing switching based on a control signal input to the gate electrode G3c (G4c). ing.
  • the power module 101a includes a first substrate 1, a second substrate 2, two horizontal switch elements 11a and 12a, two control switch elements 13a and 14a, One snubber capacitor 15, two heat conduction suppression members 18 a and 18 b, two heat conduction members 19 a and 19 b, and a sealing resin 20 are provided.
  • the second substrate 2, the horizontal switch element 11a (12a), the heat conduction suppressing member 18a (18b), the first substrate 1 and the control switch element 13a (14a) are stacked in this order from the bottom (Z1 direction). ing.
  • the first substrate 1 has a thermal conductivity of about 0.5 to about 1 W / mK
  • the second substrate 2 has a thermal conductivity of about 50 W / mK
  • the heat conduction suppressing members 18a and 18b have a thermal conductivity of about 0.1 W / mK
  • the heat conduction members 19a and 19b have a thermal conductivity of about 1 to about 5 W / mK
  • the sealing resin 20 has a thermal conductivity of about 0.1 to about 0.5 W / mK.
  • the first substrate 1 and the second substrate 2 are arranged at a predetermined interval in the vertical direction (Z direction) so as to face each other.
  • the first substrate 1 is disposed on the upper side (Z2 direction side)
  • the second substrate 2 is disposed on the lower side (Z1 direction side).
  • the horizontal switch element 11a, the horizontal switch element 12a, and the snubber capacitor 15 are composed of a lower surface of the first substrate 1 (surface on the Z1 direction side) and an upper surface of the second substrate 2 (surface on the Z2 direction side). It is arranged between.
  • the control switch element 13 a and the control switch element 14 a are disposed on the upper surface of the first substrate 1.
  • a sealing resin 20 is filled between the lower surface of the first substrate 1 and the upper surface of the second substrate 2.
  • the first substrate 1 is provided with through holes 21 a, 22 a, and 23 a formed so as to penetrate in the vertical direction (Z direction) of the first substrate 1.
  • conductive patterns 24a, 25a, 26a, 27a, 28a, 29a, 30a, and 31a are provided on the upper surface (Z2 direction) of the first substrate 1.
  • conductive patterns 24d, 25c, 28d, 29c, 32, and 33 are provided on the lower surface (Z1 direction) of the first substrate 1.
  • the conductive patterns 24a and 24d are connected by an electrode 24b penetrating the inside of the first substrate 1.
  • the conductive patterns 24 a and 32 are connected by an electrode 24 c that penetrates the inside of the first substrate 1.
  • the conductive patterns 25 a and 25 c are connected by an electrode 25 b that penetrates the inside of the first substrate 1.
  • the conductive patterns 28 a and 28 d are connected by an electrode 28 b that penetrates the inside of the first substrate 1.
  • the conductive patterns 28 a and 33 are connected by an electrode 28 c that penetrates the inside of the first substrate 1.
  • the conductive patterns 29 a and 29 c are connected by an electrode 29 b that penetrates the inside of the first substrate 1.
  • the electrodes 24b and 28b are examples of “through electrodes”.
  • the electrode 24b (28b) is configured to connect the heat conduction suppressing member 18a (18b) and the control switch element 13a (14a). As shown in FIGS. 2 and 3, the electrode 24b (28b) is disposed at a position shifted from the control switch element 13a (14a) in plan view (as viewed in the Z direction).
  • the first substrate 1 is mainly formed of a material having a thermal conductivity of about 0.5 to about 1 W / mK. That is, the first substrate 1 has a thermal conductivity lower than that of the thermal conductive member 19a (19b) (thermal conductivity of about 1 to about 5 W / mK).
  • conductive patterns 34, 35, 36, 37, 38, 39 and 40 are provided on the upper surface (Z2 direction) of the second substrate 2. Also, as shown in FIGS. 3 to 5, a conductive pattern 41 is provided on the lower surface (Z1 direction) of the second substrate 2.
  • the second substrate 2 is mainly made of a material having a thermal conductivity of about 50 W / mK. That is, the second substrate 2 mainly includes the heat conduction member 19a (19b) (heat conductivity of about 1 to about 5 W / mK) and the heat conduction suppression member 18a (18b) (heat conductivity of about 0.1 W / mK). Higher thermal conductivity than
  • columnar conductors 21, 22 and 23 are disposed through the through holes 21a, 22a and 23a of the first substrate 1, respectively.
  • One of the columnar conductors 21 is connected to the input terminal P, and the other is connected to the conductive pattern 34 of the second substrate 2.
  • One of the columnar conductors 22 is connected to the input terminal N, and the other is connected to the conductive pattern 40 of the second substrate 2.
  • One of the columnar conductors 23 is connected to the output terminal U, and the other is connected to the conductive pattern 37 of the second substrate 2.
  • a columnar electrode 26b is connected to the conductive pattern 26a on the surface above the first substrate 1 (Z2 direction).
  • the columnar electrode 26b is connected to an external electrode (not shown).
  • a columnar electrode 27b is connected to the conductive pattern 27a.
  • the columnar electrode 27b is connected to a circuit (not shown) that generates a control signal for controlling the gate electrode G3a of the control switch element 13a.
  • a columnar electrode 30b is connected to the conductive pattern 30a.
  • the columnar electrode 30b is connected to an external electrode (not shown).
  • a columnar electrode 31b is connected to the conductive pattern 31a.
  • the columnar electrode 31b is connected to a circuit (not shown) that generates a control signal for controlling the gate electrode G4a of the control switch element 14a.
  • the conductive pattern 25c of the first substrate 1 and the conductive pattern 36 of the second substrate 2 are connected by a columnar electrode 36a.
  • the conductive pattern 29c of the first substrate 1 and the conductive pattern 39 of the second substrate 2 are connected by a columnar electrode 39a.
  • the conductive pattern 24d of the first substrate 1 and the conductive pattern 35 of the second substrate 2 are connected by a columnar electrode 35a.
  • the conductive pattern 28d of the first substrate 1 and the conductive pattern 38 of the second substrate 2 are connected by a columnar electrode 38a.
  • the conductive pattern 24d of the first substrate 1 and the conductive pattern 37 of the second substrate 2 are connected by a columnar electrode 37a.
  • the conductive pattern 28d of the first substrate 1 and the conductive pattern 40 of the second substrate 2 are connected by a columnar electrode 40a.
  • the gate electrode G1a (G2a), the source electrode S1a (S2a), and the drain electrode D1a (D2a) are provided on the same side (surface). It is configured to be. That is, when the horizontal switch element 11a (12a) is driven, a current mainly flows through one surface where each electrode is provided, and therefore heat is generated mainly from the surface where each electrode is provided. In other words, in the horizontal switch element 11a (12a), the surface on which each electrode is provided becomes a heat generating surface.
  • the lateral switch element 11a (12a) is made of a semiconductor material containing GaN (gallium nitride). Further, the horizontal switch element 11a (12a) has heat resistance at a temperature of about 200 ° C.
  • the drain electrode D1a (D2a) is connected to the conductive pattern 34 (37) of the second substrate 2 as shown in FIGS.
  • the source electrode S1a (S2a) is connected to the conductive pattern 36 (39) of the second substrate 2.
  • the gate electrode G1a (G2a) is connected to the conductive pattern 35 (38) of the second substrate 2.
  • the horizontal switch element 11a (12a) includes a gate electrode G1a (G2a), a source electrode S1a (S2a), and a drain electrode D1a (D2a) provided below (Z1 direction).
  • G2a gate electrode
  • S1a source electrode
  • D1a drain electrode
  • Two substrates 2 are joined to each conductive pattern via a joining layer made of solder or the like. That is, the horizontal switch element 11a (12a) is bonded to the second substrate 2 with the heat generating surface facing the second substrate 2 side.
  • the control switch element 13a (14a) is constituted by a vertical device having a gate electrode G3a (G4a), a source electrode S3a (S4a), and a drain electrode D3a (D4a). Specifically, in the control switch element 13a (14a), the gate electrode G3a (G4a) and the source electrode S3a (S4a) are disposed on the upper side (Z2 direction), and the drain electrode D3a (D4a) is disposed on the lower side (Z1 direction). ) Is located on the side.
  • the control switch element 13a (14a) is made of a semiconductor material containing silicon (Si).
  • the control switch element 13a (14a) has heat resistance at a temperature of about 150 ° C.
  • control switch element 13a (14a) is disposed on the upper surface (Z2 direction) of the first substrate 1. Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the control switch element 13a (14a) has a drain electrode D3a (D4a) bonded to the conductive pattern 25a (29a) of the first substrate 1 made of solder or the like. Connected through layers. Further, the control switch element 13a (14a) includes a source electrode S3a (S4a), a conductive pattern 24a and 26a (28a and 30a) of the first substrate 1, and a wire 131 made of a metal such as aluminum or copper, respectively. 132 (141 and 142).
  • the gate electrode G3a (G4a) is connected to the conductive pattern 27a (31a) of the first substrate 1 through a wire 133 (143) made of metal such as aluminum or copper.
  • the control switch element 13a (14a) is disposed on the opposite side (Z2 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a) via the heat conduction suppressing member 18a (18b).
  • the snubber capacitor 15 is arranged so as to connect the conductive pattern 40 of the second substrate 2 and the conductive pattern 34 as shown in FIG.
  • the heat conduction suppressing member 18a (18b) is provided between the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a). It arrange
  • the heat conduction suppressing member 18a (18b) is located above the horizontal switch element 11a (12a) so as to cover the entire surface opposite to the heat generation surface (Z2 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a). They are arranged in the (Z2 direction).
  • Thermal conduction suppressing member 18a (18b) includes an insulating member (for example, nanoporous silica) and a metallized layer formed on the surface of the insulating member.
  • the metallized layer of the heat conduction suppressing member 18a (18b) is electrically connected to the source electrode S3a (S4a) of the control switch element 13a (14a).
  • the upper surface (Z2 direction) side of the metallization layer of the heat conduction suppressing member 18a (18b) is made of solder or the like on the conductive pattern 24d (28d) of the first substrate 1. They are connected via a bonding layer.
  • the surface on the lower side (Z1 direction) of the metallization layer of the heat conduction suppressing member 18a (18b) is the surface on the opposite side (Z2 direction side) to the surface on which each electrode of the horizontal switch element 11a (12a) is disposed. Are connected through a bonding layer made of solder or the like.
  • the heat conduction member 19a (19b) having a higher heat conductivity than the heat conduction suppressing member 18a (18b) has a control switch element 13a (14a) with respect to the horizontal switch element 11a (12a). It is arrange
  • the heat conducting member 19a (19b) is made of an insulating member.
  • the heat conductive member 19a (19b) is made of a polyimide resin in which a filler made of ceramic (for example, BN (boron nitride)) is dispersed.
  • the heat conducting member 19a (19b) is disposed on the heat generating surface side (Z1 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a). That is, the heat conducting member 19a (19b) is filled between the horizontal switch element 11a (12a) and the second substrate 2. Thereby, the heat generated from the heat generating surface (surface on the Z1 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a) is transferred to the second substrate 2 side (Z1 direction side) via the heat conducting member 19a (19b). It is comprised so that.
  • the sealing resin 20 is filled between the lower surface (the surface on the Z1 direction side) of the first substrate 1 and the upper surface (the surface on the Z2 direction side) of the second substrate 2. That is, the horizontal switch element 11a (12a), the heat conduction suppressing member 18a (18b), and the heat conduction member 19a (19b) are sealed with the sealing resin 20. Moreover, the sealing resin 20 has a lower thermal conductivity than the thermal conductive member 19a (19b). Moreover, the sealing resin 20 has high heat resistance.
  • the sealing resin 20 is made of, for example, an epoxy resin.
  • the method of assembling the power module 101a includes a step of mounting the control switch element 13a (14a) on the first substrate 1, a step of mounting each component on the second substrate 2, and a heat conducting member 19a ( 19b), a step of bonding the first substrate 1, the second substrate 2 and the heat conduction suppressing member 18a (18b), a step of wire-wiring the control switch element 13a (14a), and a sealing resin And a step of sealing at 20.
  • the control switch element 13a (14a) In the process of mounting the control switch element 13a (14a) on the first substrate 1, the control switch element 13a (14a) is different from the horizontal switch element 11a (12a) of the first substrate 1 as shown in FIG. It arrange
  • the lateral switch elements 11a and 12a, the snubber capacitor 15, the columnar conductor are formed on the surface above the second substrate 2 (Z2 direction). 21, 22, 23, and columnar electrodes 35a, 36a, 37a, 38a, 39a, and 40a are mounted (arranged).
  • the heat conducting member 19a (19b) is interposed between the horizontal switch element 11a (12a) and the second substrate 2 as shown in FIG. Filled.
  • the second substrate 2 In the step of joining the first substrate 1, the second substrate 2, and the heat conduction suppressing member 18a (18b), as shown in FIG. 15, the second substrate 2, the heat conduction suppressing member 18a (18b), the first substrate from the bottom.
  • the layers are stacked in the order of 1 and are bonded to each other through a bonding layer.
  • the source electrode S3a (S4a) of the control switch element 13a (14a) is connected to the conductive pattern 24a of the first substrate 1 as shown in FIGS. And 26a (28a and 30a) via wires 131 and 132 (141 and 142) made of metal such as aluminum or copper, respectively, and the gate electrode G3a (G4a) of the control switch element 13a (14a) ) Is connected to the conductive pattern 27a (31a) of the first substrate 1 via a wire 133 (143) made of a metal such as aluminum or copper.
  • the sealing resin 20 includes the lower surface of the first substrate 1 (the surface on the Z1 direction side) and the upper surface of the second substrate 2 (the surface on the Z2 direction side). ) And are sealed.
  • the power module 101a is completed.
  • the power modules 101b and 101c are assembled in the same manner. Further, the power modules 101a to 101c may be integrally assembled from the same first substrate and second substrate.
  • the heat is generated between the horizontal switch element 11a (12a) and the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a).
  • the heat conduction suppressing member 18a (18b) for suppressing the transmission to 13a (14a)
  • the heat conducting member 19a (19b) is formed of an insulating member, thereby preventing a short circuit between the electrodes of the lateral switch element 11a (12a).
  • the heat generated from the horizontal switch element 11a (12a) can be transmitted in the opposite direction to the control switch element 13a (14a).
  • the heat conduction member 19a (19b) is disposed on the heat generating surface side (Z1 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a), thereby the horizontal switch element 11a (12a). ) Can be efficiently transmitted by the heat conduction member 19a (19b).
  • control switch element 13a (14a) is placed on the side opposite to the heat generating surface of the horizontal switch element 11a (12a) (on the Z2 direction side) 18a (18b). ), The heat generated from the heat generating surface of the horizontal switch element 11a (12a) can be more effectively suppressed from being transmitted to the control switch element 13a (14a).
  • the heat conduction suppressing member 18a (18b) is disposed so as to cover the entire surface opposite to the heat generation surface (Z2 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a). By doing so, it is possible to more effectively suppress the heat generated from the heat generating surface of the horizontal switch element 11a (12a) from being transmitted to the control switch element 13a (14a).
  • the horizontal switch element 11a (12a) is sealed with the sealing resin 20 having a lower thermal conductivity than that of the heat conductive member 19a (19b). It is possible to suppress the heat generated from the horizontal switch element 11a (12a) from being transmitted to the control switch element 13a (14a) while suppressing the entry of foreign matter into the 11a (12a).
  • the first substrate 1 is provided by providing the first substrate 1 disposed between the heat conduction suppressing member 18a (18b) and the control switch element 13a (14a). In addition, the first substrate 1 can also suppress the heat from being transmitted to the control switch element 13a (14a).
  • the first substrate 1 is formed of a material having a lower thermal conductivity than the heat conductive member 19a (19b), so that the heat conduction suppressing member 18a (18b) and the first substrate 1 are formed.
  • the heat transfer to the control switch element 13a (14a) can be effectively suppressed by both the one substrate 1.
  • control switch element 13a (14a) is disposed on the surface of the first substrate 1 opposite to the lateral switch element 11a (12a) (Z2 direction side).
  • control switch element 13a (14a) is disposed on the surface of the first substrate 1 opposite to the lateral switch element 11a (12a) (Z2 direction side).
  • the heat conduction suppressing member 18a (18b) and the control switch element 13a (14a) are connected to the first substrate 1 so as to penetrate the first substrate 1.
  • An electrode 24b (28b) made of a conductive member is provided, and the electrode 24b (28b) is arranged at a position shifted from the control switch element 13a (14a) in plan view (as viewed in the Z direction). Thereby, it can suppress that the heat which generate
  • the metallization layer of the heat conduction suppressing member 18a (18b) is electrically connected to the control switch element 13a (14a), whereby the heat conduction suppressing member 18a (18b) is electrically connected.
  • the surface opposite to the electrode of the horizontal switch element 11a (12a) (Z2 direction side) are connected to the opposite side of the electrode of the horizontal switch element 11a (12a) (Z2 direction side). The surface potential can be fixed and stabilized.
  • the heat conduction member 19a (19b) is disposed on the opposite side (Z1 direction side) from the horizontal switch element 11a (12a), and the horizontal switch element 11a (12a). Is provided on the second substrate 2 while suppressing the heat generated from the lateral switch element 11a (12a) from being transmitted to the control switch element 13a (14a) side. 11a (12a) can be easily arranged.
  • the heat conduction member 19a (19b) is filled between the horizontal switch element 11a (12a) and the second substrate 2 to thereby form the horizontal switch element 11a (12a). Heat can be satisfactorily transmitted to the second substrate 2 via the heat conducting member 19a (19b), so that it is possible to easily suppress the heat from being transmitted to the control switch element 13a (14a) side. it can.
  • the second substrate 2 is formed of a material having a higher thermal conductivity than the heat conduction member 19a (19b) and the heat conduction suppression member 18a (18b), thereby forming a horizontal type. Heat generated from the switch element 11a (12a) can be easily dissipated from the second substrate 2 side opposite to the control switch element 13a (14a).
  • the second substrate 2 the horizontal switch element 11 a (12 a), the heat conduction suppressing member 18 a (18 b), the first substrate 1, and the control switch element 13 a (14 a)
  • the power module 101a three-phase inverter device 100
  • control switch element 13a (14a) is cascode-connected to the horizontal switch element 11a (12a), so that the gate electrode G3a ( By performing switching based on the control signal input to G4a), the switching of the horizontal switch element 11b (12b) can be easily controlled.
  • the control switch element 13a (14a) includes a vertical device. Thereby, it can suppress that the power conversion function of the power module 101a (three-phase inverter apparatus 100) using the control switch element 13a (14a) of a vertical device falls.
  • the power module 102a by 2nd Embodiment is demonstrated.
  • the horizontal switch elements 11a and 12a are covered with the heat conduction suppressing members 18a and 18b, respectively, the horizontal switch elements 11a and 12a are replaced with a common heat conduction suppressing member.
  • the example of the structure covered with 18c is demonstrated.
  • the power module 102a is an example of a “power converter”.
  • the configuration of the power module 102a according to the second embodiment will be described.
  • This power module 102a performs U-phase power conversion in a three-phase inverter device. That is, also in the second embodiment, as in the first embodiment, two power modules (power modules that perform V-phase and W-phase power conversion) having substantially the same configuration as the power module 102a are power modules. It is provided separately from 102a.
  • the power module 102a that performs U-phase power conversion will be described for the sake of simplicity.
  • one heat conduction suppressing member 18 c is arranged so as to cover the lower (Z1 direction) side surface of the first substrate 1. Further, the heat conduction suppressing member 18c is provided with a cut or a through hole so as to expose the conductive patterns 24d, 25c, 28d, 29c, 32 and 33 of the first substrate 1. As shown in FIG. 18, one heat conduction suppressing member 18c is arranged so as to cover both the horizontal switch elements 11a and 12a.
  • the heat conduction suppressing member 18c transmits heat generated from the horizontal switch element 11a (12a) to the control switch element 13a (14a) between the horizontal switch elements 11a and 12a and the control switch elements 13a and 14a. It is arranged to suppress this. Specifically, as shown in FIG. 18, the heat conduction suppressing member 18 c has the horizontal switch elements 11 a and 12 a so as to cover the entire surface opposite to the heat generating surface of the horizontal switch elements 11 a and 12 a (Z2 direction side). Is arranged above (Z2 direction). Further, the heat conduction suppressing member 18c has a heat conductivity of about 0.1 W / mK.
  • one heat conduction suppressing member 18c is disposed so as to cover the entire surface on the opposite side (Z2 direction side) to the heat generating surfaces of the two horizontal switch elements 11a and 12a. Therefore, it is possible to suppress heat transfer in a wide range while reducing the number of parts.
  • the three-phase inverter device is shown as an example of the power converter, but a power converter other than the three-phase inverter device may be used.
  • the lateral switch element is made of a semiconductor material containing GaN (gallium nitride).
  • the lateral switch element is a group III-V group other than GaN. It may be made of a material or a group IV material such as C (diamond).
  • the heat conduction suppression member showed the example arrange
  • the horizontal switch element may be disposed so as to cover a part thereof.
  • the heat conduction suppressing member includes an insulating member and a metallized layer.
  • heat generated from the horizontal switch element is transmitted to the control switch element.
  • the heat conduction suppressing member may have a configuration other than an insulating member and a metallized layer.

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Abstract

　この電力変換装置（１００、１０１ａ～１０１ｃ）は、横型スイッチ素子（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ）と、横型スイッチ素子に接続され、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子（１３ａ～１３ｃ、１４ａ～１４ｃ）と、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子との間に配置され、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材（１８ａ、１８ｂ）とを備える。

Description

電力変換装置
　この発明は、電力変換装置に関し、特に、横型スイッチ素子を備えた電力変換装置に関する。
　従来、横型スイッチ素子を備えた電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、たとえば、特開２０１２－２２２３６１号公報に開示されている。
　上記特開２０１２－２２２３６１号公報には、ＩＩＩ－Ｖ族トランジスタ（横型スイッチ素子）と、ＩＩＩ－Ｖ族トランジスタに接続され、ＩＩＩ－Ｖ族トランジスタの駆動を制御するＩＶ族縦型トランジスタ（制御用スイッチ素子）とを備えた電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、ＩＩＩ－Ｖ族トランジスタの電極とＩＶ族縦型トランジスタの電極とが直接接触するように接続されている。
特開２０１２－２２２３６１号公報
　しかしながら、上記特開２０１２－２２２３６１号公報に開示された電力変換装置では、ＩＩＩ－Ｖ族（たとえば、ＧａＮ）トランジスタ（横型スイッチ素子）の電極とＩＶ族（たとえば、Ｓｉ）縦型トランジスタ（制御用スイッチ素子）の電極とが直接接触するように接続されているため、比較的耐熱性が高いＩＩＩ－Ｖ族トランジスタから発生する熱が比較的耐熱性が低いＩＶ族縦型トランジスタに伝わることに起因して、ＩＶ族縦型トランジスタの電気的特性が低下し、その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下するという問題点がある。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、横型スイッチ素子を備える電力変換装置において、電力変換機能が低下することを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
　一の局面による電力変換装置は、横型スイッチ素子と、横型スイッチ素子に接続され、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子と、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子との間に配置され、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材とを備える。
　一の局面による電力変換装置では、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子との間に配置され、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材を設けることによって、横型スイッチ素子から発生する熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下することを抑制することができる。
　上記電力変換装置によれば、電力変換装置の機能が低下することを抑制することができる。
第１実施形態によるパワーモジュールを含む３相インバータ装置の回路図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの上面図である。 図２の２００－２００線に沿った断面図である。 図２の３００－３００線に沿った断面図である。 図２の４００－４００線に沿った断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板の上面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板の下面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板に熱伝導抑制部材が配置された状態の下面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板の上面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板に各部品が配置された状態の上面図である。 第１実施形態による横型スイッチ素子を、ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極が設けられた表面側から見た平面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板に制御用スイッチ素子を搭載した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板に各部品を搭載した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第２基板に熱伝導部材を充填した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの第１基板、第２基板および熱伝導抑制部材を接合した状態を示す断面図である。 第１実施形態によるパワーモジュールの制御用スイッチ素子をワイヤ配線した状態を示す断面図である。 第２実施形態によるパワーモジュールの第１基板に熱伝導抑制部材が配置された状態の下面図である。 図１７の５００－５００線に沿った断面図である。
　以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
　（第１実施形態）
　まず、図１を参照して、第１実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃを含む３相インバータ装置１００の構成について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ～１０１ｃおよび３相インバータ装置１００は、「電力変換装置」の一例である。
　図１に示すように、３相インバータ装置１００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電力変換をそれぞれ行う３個のパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃが電気的に並列に接続されることにより構成されている。
　パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、直流電源（図示せず）から入力端子ＰおよびＮを介して入力される直流電力を３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の交流電力に変換するように構成されている。そして、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、上記のように変換したＵ相、Ｖ相およびＷ相の交流電力を、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを介して外部に出力するように構成されている。なお、出力端子Ｕ、ＶおよびＷは、モータ（図示せず）などに接続されている。
　パワーモジュール１０１ａは、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の横型スイッチ素子の各々に接続された２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、スナバコンデンサ１５とを含む。なお、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａは、共に、ノーマリオン型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ１ａおよびＧ２ａに印加される電圧が０Ｖのときにドレイン電極Ｄ１ａおよびＤ２ａとソース電極Ｓ１ａおよびＳ２ａとの間で電流が流れるように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、共に、ノーマリオフ型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ３ａおよびＧ４ａに印加される電圧が０Ｖのときにドレイン電極Ｄ３ａとソース電極Ｓ３ａとの間、および、ドレイン電極Ｄ４ａとソース電極Ｓ４ａとの間で電流が流れないように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａにカスコード接続される。
　横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）は、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）に接続されている。これにより、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の駆動（スイッチング）の制御を行うように構成されている。その結果、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とからなるスイッチ回路は、全体として、ノーマリオフ型として制御されるように構成されている。
　また、上記パワーモジュール１０１ａと同様に、パワーモジュール１０１ｂも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｂおよび１２ｂと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｂおよび１４ｂと、スナバコンデンサ１６とを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）は、ゲート電極Ｇ３ｂ（Ｇ４ｂ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
　また、上記パワーモジュール１０１ａおよび１０１ｂと同様に、パワーモジュール１０１ｃも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｃおよび１２ｃと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｃおよび１４ｃと、スナバコンデンサ１７とを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）は、ゲート電極Ｇ３ｃ（Ｇ４ｃ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
　次に、図２～図１１を参照して、第１実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃの具体的な構成（構造）について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ略同様の構成を有するので、以下では、Ｕ相の電力変換を行うパワーモジュール１０１ａについてのみ説明する。
　図２～図４に示すように、パワーモジュール１０１ａは、第１基板１と、第２基板２と、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、１個のスナバコンデンサ１５と、２個の熱伝導抑制部材１８ａおよび１８ｂと、２個の熱伝導部材１９ａおよび１９ｂと、封止樹脂２０とを備える。
　また、第２基板２、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）、第１基板１および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が、この順番で下（Ｚ１方向）から積層されている。
　第１基板１は、約０．５～約１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、第２基板２は、約５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。熱伝導抑制部材１８ａおよび１８ｂは、約０．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、熱伝導部材１９ａおよび１９ｂは、約１～約５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。封止樹脂２０は、約０．１～約０．５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
　図３に示すように、第１基板１と第２基板２とは、互いに対向するように、上下方向（Ｚ方向）に所定の間隔を隔てて配置されている。具体的には、第１基板１が上方（Ｚ２方向側）に配置されているとともに、第２基板２が下方（Ｚ１方向側）に配置されている。また、横型スイッチ素子１１ａ、横型スイッチ素子１２ａおよびスナバコンデンサ１５（図４参照）は、第１基板１の下面（Ｚ１方向側の面）と、第２基板２の上面（Ｚ２方向側の面）との間に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ、制御用スイッチ素子１４ａは、第１基板１の上面に配置されている。また、第１基板１の下面と第２基板２の上面との間には、封止樹脂２０が充填されている。
　図４および図６に示すように、第１基板１は、第１基板１の上下方向（Ｚ方向）に貫通するように形成された貫通穴２１ａ、２２ａおよび２３ａが設けられている。また、図６に示すように、第１基板１の上方（Ｚ２方向）の表面には、導電パターン２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａ、３０ａおよび３１ａが設けられている。また、図７に示すように、第１基板１の下方（Ｚ１方向）の表面には、導電パターン２４ｄ、２５ｃ、２８ｄ、２９ｃ、３２および３３が設けられている。
　また、図６および図７に示すように、導電パターン２４ａおよび２４ｄは、第１基板１の内部を貫通する電極２４ｂにより接続されている。導電パターン２４ａおよび３２は、第１基板１の内部を貫通する電極２４ｃにより接続されている。導電パターン２５ａおよび２５ｃは、第１基板１の内部を貫通する電極２５ｂにより接続されている。導電パターン２８ａおよび２８ｄは、第１基板１の内部を貫通する電極２８ｂにより接続されている。導電パターン２８ａおよび３３は、第１基板１の内部を貫通する電極２８ｃにより接続されている。導電パターン２９ａおよび２９ｃは、第１基板１の内部を貫通する電極２９ｂにより接続されている。なお、電極２４ｂおよび２８ｂは、「貫通電極」の一例である。
　図３に示すように、電極２４ｂ（２８ｂ）は、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを接続するように構成されている。また、図２および図３に示すように、電極２４ｂ（２８ｂ）は、平面視において（Ｚ方向に見て）、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に対してずれた位置に配置されている。
　また、第１基板１は、主に、熱伝導率が約０．５～約１Ｗ／ｍＫの材料により形成されている。つまり、第１基板１は、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）（熱伝導率約１～約５Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が低い。
　図９に示すように、第２基板２の上方（Ｚ２方向）の表面には、導電パターン３４、３５、３６、３７、３８、３９および４０が設けられている。また、図３～図５に示すように、第２基板２の下方（Ｚ１方向）の表面には、導電パターン４１が設けられている。また、第２基板２は、主に、熱伝導率が約５０Ｗ／ｍＫの材料により形成されている。つまり、第２基板２は、主に、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）（熱伝導率約１～約５Ｗ／ｍＫ）および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）（熱伝導率約０．１Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が高い。
　図２および図４に示すように、第１基板１の貫通穴２１ａ、２２ａおよび２３ａを介して、それぞれ、柱状導体２１、２２および２３が配置されている。柱状導体２１は、一方が入力端子Ｐに接続され、他方が第２基板２の導電パターン３４に接続されている。柱状導体２２は、一方が入力端子Ｎに接続され、他方が第２基板２の導電パターン４０に接続されている。柱状導体２３は、一方が出力端子Ｕに接続され、他方が第２基板２の導電パターン３７に接続されている。
　図５に示すように、第１基板１の上方（Ｚ２方向）の表面の導電パターン２６ａには、柱状電極２６ｂが接続されている。柱状電極２６ｂは、外部の電極（図示せず）に接続されている。導電パターン２７ａには、柱状電極２７ｂが接続されている。柱状電極２７ｂは、制御用スイッチ素子１３ａのゲート電極Ｇ３ａを制御する制御信号を発生させる回路（図示せず）に接続されている。導電パターン３０ａには、柱状電極３０ｂが接続されている。柱状電極３０ｂは、外部の電極（図示せず）に接続されている。導電パターン３１ａには、柱状電極３１ｂが接続されている。柱状電極３１ｂは、制御用スイッチ素子１４ａのゲート電極Ｇ４ａを制御する制御信号を発生させる回路（図示せず）に接続されている。
　図３、図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２５ｃと、第２基板２の導電パターン３６とは、柱状電極３６ａにより接続されている。また、第１基板１の導電パターン２９ｃと、第２基板２の導電パターン３９とは、柱状電極３９ａにより接続されている。
　図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２４ｄと、第２基板２の導電パターン３５とは、柱状電極３５ａにより接続されている。また、第１基板１の導電パターン２８ｄと、第２基板２の導電パターン３８とは、柱状電極３８ａにより接続されている。
　図５、図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２４ｄと、第２基板２の導電パターン３７とは、柱状電極３７ａにより接続されている。図４、図７および図１０に示すように、第１基板１の導電パターン２８ｄと、第２基板２の導電パターン４０とは、柱状電極４０ａにより接続されている。
　図１１に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）と、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）と、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）とがそれぞれ同じ側の面（表面）に設けられるように構成されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、駆動する際に、各電極が設けられた片側の面側を主に電流が流れるため、各電極が設けられた側の面から主に発熱する。言い換えると、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、各電極が設けられた側の面が発熱面となる。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、約２００℃の温度の耐熱性を有する。
　また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、図３および図１０に示すように、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）が、第２基板２の導電パターン３４（３７）に接続されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）が、第２基板２の導電パターン３６（３９）に接続されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）が、第２基板２の導電パターン３５（３８）に接続されている。
　図３に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、下方（Ｚ１方向）に設けられたゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）およびドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）が、下方の第２基板２の各導電パターンに半田などからなる接合層を介して接合されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、発熱面を第２基板２側に向けて、第２基板２に接合されている。
　制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）と、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）と、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）とを有する縦型デバイスにより構成されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）およびソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が上方（Ｚ２方向）側に配置され、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が下方（Ｚ１方向）側に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ケイ素（Ｓｉ）を含む半導体材料により構成されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、約１５０℃の温度の耐熱性を有する。
　また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、第１基板１の上方（Ｚ２方向）の表面に配置されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、図２および図３に示すように、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２５ａ（２９ａ）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２４ａおよび２６ａ（２８ａおよび３０ａ）に、それぞれ、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３１および１３２（１４１および１４２）を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２７ａ（３１ａ）に、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３３（１４３）を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）に熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を介して配置されている。
　スナバコンデンサ１５は、図１０に示すように、第２基板２の導電パターン４０と、導電パターン３４とを接続するように配置されている。
　ここで、第１実施形態では、図３に示すように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との間に、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生した熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制するように配置されている。具体的には、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上方（Ｚ２方向）に配置されている。また、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）は、絶縁性部材（たとえば、ナノポーラスシリカ）と、絶縁性部材の表面に形成されたメタライズ層とを含む。
　また、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層は、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）と電気的に接続されている。具体的には、図８に示すように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層の上方（Ｚ２方向）側の表面は、第１基板１の導電パターン２４ｄ（２８ｄ）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層の下方（Ｚ１方向）側の表面は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の各電極が配置されている表面と反対側（Ｚ２方向側）の表面と半田などからなる接合層を介して接続されている。
　また、第１実施形態では、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）よりも熱伝導率の高い熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に対して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側（Ｚ１方向側）に配置されている。また、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、絶縁性の部材により構成されている。具体的には、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、セラミック製（たとえば、ＢＮ（窒化ホウ素））のフィラーが分散されたポリイミド系の樹脂により構成されている。
　また、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面側（Ｚ１方向側）に配置されている。つまり、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と第２基板２との間に充填されている。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面（Ｚ１方向側の表面）から発生する熱は、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を介して、第２基板２側（Ｚ１方向側）に伝達されるように構成されている。
　封止樹脂２０は、第１基板１の下面（Ｚ１方向側の面）と第２基板２の上面（Ｚ２方向側の面）との間に充填されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）および熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）は、封止樹脂２０により封止されている。また、封止樹脂２０は、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）よりも低い熱伝導率を有する。また、封止樹脂２０は、高耐熱性を有する。また、封止樹脂２０は、たとえば、エポキシ系の樹脂により構成されている。
　次に、図３および図１２～図１６を参照して、第１実施形態によるパワーモジュール１０１ａの組立方法について説明する。
　パワーモジュール１０１ａの組立方法は、第１基板１に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を搭載する工程と、第２基板２に各部品を搭載する工程と、第２基板２に熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を充填する工程と、第１基板１、第２基板２および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を接合する工程と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）をワイヤ配線する工程と、封止樹脂２０で封止する工程とを備えている。
　第１基板１に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を搭載する工程では、図１２に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が、第１基板１の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とは反対側（Ｚ２方向側）の表面に配置される。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２５ａ（２９ａ）に半田などからなる接合層を介して接続される。
　第２基板２に各部品を搭載する工程では、図１０および図１３に示すように、第２基板２の上方（Ｚ２方向）の表面に、横型スイッチ素子１１ａ、１２ａ、スナバコンデンサ１５、柱状導体２１、２２、２３、柱状電極３５ａ、３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａおよび４０ａが搭載（配置）される。
　第２基板２に熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を充填する工程では、図１４に示すように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）が、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と第２基板２との間に充填される。
　第１基板１、第２基板２および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を接合する工程では、図１５に示すように、下から第２基板２、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）、第１基板１の順に積層されて、接合層を介して互いに接合される。
　制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）をワイヤ配線する工程では、図２および図１６に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２４ａおよび２６ａ（２８ａおよび３０ａ）に、それぞれ、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３１および１３２（１４１および１４２）を介して接続されるとともに、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）が、第１基板１の導電パターン２７ａ（３１ａ）にアルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤ１３３（１４３）を介して接続される。
　封止樹脂２０で封止する工程では、図３に示すように、封止樹脂２０が、第１基板１の下面（Ｚ１方向側の面）と第２基板２の上面（Ｚ２方向側の面）との間に充填されて封止される。これにより、パワーモジュール１０１ａが完成する。なお、パワーモジュール１０１ａ単体の組立方法について説明したが、パワーモジュール１０１ｂ、１０１ｃも同様にして組み立てられる。また、パワーモジュール１０１ａ～１０１ｃを同一の第１基板および第２基板により一体的に組み立ててもよい。
　第１実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との間に配置され、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生した熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を設けることによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、パワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）の電力変換機能が低下することを抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に対して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側（Ｚ１方向側）に配置され、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）よりも熱伝導率の高い熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を設けることによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側に良好に伝達されるので、熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを効果的に抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を、絶縁性の部材により構成することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の各電極間が短絡するのを防止しつつ、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対方向に伝達することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面側（Ｚ１方向側）に配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）により効率よく伝達することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）に熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を介して配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのをより効果的に抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の発熱面から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのをさらに効果的に抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）を、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）よりも熱伝導率の低い封止樹脂２０により封止することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に異物が侵入するのを抑制しつつ、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との間に配置された第１基板１を設けることによって、第１基板１により配線を行うとともに、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に熱が伝わるのを第１基板１によっても抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、第１基板１を、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）よりも熱伝導率の低い材料により形成することによって、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）および第１基板１の両方により、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に熱が伝わるのを効果的に抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、第１基板１の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とは反対側（Ｚ２方向側）の表面に配置することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制しつつ、第１基板１に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を容易に配置することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、第１基板１に、第１基板１を貫通するように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを接続する導電部材からなる電極２４ｂ（２８ｂ）を設け、電極２４ｂ（２８ｂ）を、平面視において（Ｚ方向に見て）、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に対してずれた位置に配置する。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、電極２４ｂ（２８ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝達されるのを抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層を、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と電気的に接続することによって、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）のメタライズ層と横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の電極とは反対側（Ｚ２方向側）の面とを接続して、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の電極とは反対側（Ｚ２方向側）の面の電位を固定して安定させることができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）に対して横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とは反対側（Ｚ１方向側）に配置され、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）が配置される第２基板２を設けることによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側に伝わるのを抑制しつつ、第２基板２に横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）を容易に配置することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と第２基板２との間に充填することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）を介して第２基板２に良好に伝達することができるので、熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側に伝わるのを容易に抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、第２基板２を、熱伝導部材１９ａ（１９ｂ）および熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）よりも熱伝導率の高い材料により形成することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱を制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは反対側の第２基板２側から容易に放熱することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、第２基板２、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）、熱伝導抑制部材１８ａ（１８ｂ）、第１基板１および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、この順番で積層することによって、電力変換機能の低下を抑制することが可能なパワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）を容易に組み立てることができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）にカスコード接続することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）のスイッチングの制御を容易に行うことができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、縦型デバイスを含む。これにより、縦型デバイスの制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を用いたパワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）の電力変換機能が低下することを抑制することができる。
　（第２実施形態）
　次に、図１７および図１８を参照して、第２実施形態によるパワーモジュール１０２ａについて説明する。この第２実施形態では、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａを、それぞれ、熱伝導抑制部材１８ａおよび１８ｂにより覆う構成の上記第１実施形態と異なり、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａを、共通の熱伝導抑制部材１８ｃにより覆う構成の例について説明する。なお、パワーモジュール１０２ａは、「電力変換装置」の一例である。
　第２実施形態によるパワーモジュール１０２ａの構成について説明する。なお、このパワーモジュール１０２ａは、３相インバータ装置においてＵ相の電力変換を行うものとする。すなわち、この第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、パワーモジュール１０２ａと略同様の構成を有する２つのパワーモジュール（Ｖ相およびＷ相の電力変換を行うパワーモジュール）がパワーモジュール１０２ａとは別個に設けられている。以下では、簡単化のため、Ｕ相の電力変換を行うパワーモジュール１０２ａについてのみ説明する。
　ここで、第２実施形態では、図１７に示すように、熱伝導抑制部材１８ｃは、第１基板１の下方（Ｚ１方向）側の面を覆うように１つ配置されている。また、熱伝導抑制部材１８ｃは、第１基板１の導電パターン２４ｄ、２５ｃ、２８ｄ、２９ｃ、３２および３３を露出するように切り込みまたは貫通孔が設けられている。また、図１８に示すように、熱伝導抑制部材１８ｃは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの両方を覆うように１つ配置されている。
　また、熱伝導抑制部材１８ｃは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａとの間に、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生した熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制するように配置されている。具体的には、図１８に示すように、熱伝導抑制部材１８ｃは、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの上方（Ｚ２方向）に配置されている。また、熱伝導抑制部材１８ｃは、約０．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
　なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
　第２実施形態では、上記のように、熱伝導抑制部材１８ｃを、２つの横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａの発熱面とは反対側（Ｚ２方向側）の面全体を覆うように１つ配置することによって、部品点数を減少させつつ、広い範囲で熱の伝わりを抑制することができる。
　なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
　なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
　たとえば、上記第１および第２実施形態では、電力変換装置の一例として３相インバータ装置を示したが、３相インバータ装置以外の電力変換装置であってもよい。
　また、上記第１および第２実施形態では、ノーマリオン型の横型スイッチ素子を用いる例を示したが、ノーマリオフ型の横型スイッチ素子を用いてもよい。
　また、上記第１および第２実施形態では、横型スイッチ素子は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている例を示したが、横型スイッチ素子は、ＧａＮ以外のＩＩＩ－Ｖ族の材料や、Ｃ（ダイヤモンド）などのＩＶ族の材料により構成されていてもよい。
　また、上記第１および第２実施形態では、熱伝導抑制部材が、横型スイッチ素子の発熱面とは反対側の面全体を覆うように配置されている例を示したが、熱伝導抑制部材が、横型スイッチ素子の一部を覆うように配置されていてもよい。
　また、上記第１および第２実施形態では、熱伝導抑制部材が、絶縁性部材と、メタライズ層とを含む例を示したが、横型スイッチ素子から発生した熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制することができれば、熱伝導抑制部材は、絶縁性部材と、メタライズ層とからなる構成以外であってもよい。
　１　第１基板
　２　第２基板
　１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ　横型スイッチ素子
　１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ　制御用スイッチ素子
　１８ａ、１８ｂ、１８ｃ　熱伝導抑制部材
　１９ａ、１９ｂ　熱伝導部材
　２０　封止樹脂
　２４ｂ、２８ｂ　電極（貫通電極）
　１００　３相インバータ装置（電力変換装置）
　１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０２ａ　パワーモジュール（電力変換装置）

Claims (19)

  1. 　横型スイッチ素子（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ）と、
    　前記横型スイッチ素子に接続され、前記横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子（１３ａ～１３ｃ、１４ａ～１４ｃ）と、
    　前記横型スイッチ素子と前記制御用スイッチ素子との間に配置され、前記横型スイッチ素子から発生した熱が前記制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制するための熱伝導抑制部材（１８ａ～１８ｃ）とを備える、電力変換装置。
  2. 　前記横型スイッチ素子に対して前記制御用スイッチ素子とは反対側に配置され、前記熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い熱伝導部材（１９ａ、１９ｂ）をさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記熱伝導部材は、絶縁性の部材により構成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記横型スイッチ素子は、発熱面を含み、
    　前記熱伝導部材は、前記横型スイッチ素子の前記発熱面側に配置されている、請求項２または３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子の前記発熱面とは反対側に前記熱伝導抑制部材を介して配置されている、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 　前記熱伝導抑制部材は、前記横型スイッチ素子の発熱面とは反対側の面全体を覆うように配置されている、請求項４または５に記載の電力変換装置。
  7. 　前記横型スイッチ素子は、前記熱伝導部材よりも熱伝導率の低い封止樹脂（２０）により封止されている、請求項２～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 　前記熱伝導抑制部材と前記制御用スイッチ素子との間に配置された第１基板（１）をさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  9. 　前記第１基板は、前記熱伝導部材よりも熱伝導率の低い材料により形成されている、請求項８に記載の電力変換装置。
  10. 　前記制御用スイッチ素子は、前記第１基板の前記横型スイッチ素子とは反対側の表面に配置されている、請求項８または９に記載の電力変換装置。
  11. 　前記第１基板は、前記第１基板を貫通するように設けられ、前記熱伝導抑制部材と前記制御用スイッチ素子とを接続する導電部材からなる貫通電極（２４ｂ、２８ｂ）を含み、
    　前記貫通電極は、平面視において、前記制御用スイッチ素子に対してずれた位置に配置されている、請求項８～１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  12. 　前記熱伝導抑制部材は、絶縁性部材と、前記絶縁性部材の表面に形成されたメタライズ層とを含み、
    　前記熱伝導抑制部材のメタライズ層は、前記制御用スイッチ素子と電気的に接続されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  13. 　前記熱伝導部材に対して前記横型スイッチ素子とは反対側に配置され、前記横型スイッチ素子が配置される第２基板（２）をさらに備える、請求項２に記載の電力変換装置。
  14. 　前記熱伝導部材は、前記横型スイッチ素子と前記第２基板との間に充填されている、請求項１３に記載の電力変換装置。
  15. 　前記第２基板は、前記熱伝導部材および前記熱伝導抑制部材よりも熱伝導率の高い材料により形成されている、請求項１３または１４に記載の電力変換装置。
  16. 　前記第２基板、前記横型スイッチ素子、前記熱伝導抑制部材および前記制御用スイッチ素子は、この順番で積層されている、請求項１３～１５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  17. 　前記制御用スイッチ素子が配置された第１基板（１）をさらに備え、
    　前記第２基板、前記横型スイッチ素子、前記熱伝導抑制部材、前記第１基板および前記制御用スイッチ素子は、この順番で積層されている、請求項１６に記載の電力変換装置。
  18. 　前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子にカスコード接続されている、請求項１～１７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  19. 　前記制御用スイッチ素子は、縦型デバイスを含む、請求項１～１８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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