WO2021261136A1 - パワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

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円丈 露野
隆宏 荒木
高志 平尾
健 徳山
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株式会社日立製作所
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    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the present invention relates to a power module and a power conversion device using the power module.
  • Power conversion devices that switch power semiconductor devices have high conversion efficiency, so they are widely used in consumer, in-vehicle, railway, and substation equipment. Along with this, the development technology of small and thin power converters with excellent productivity is also developing day by day.
  • Patent Document 1 discloses a technique for sealing a circuit board including a semiconductor element with a mold resin.
  • the semiconductor device described in Patent Document 1 has a structure in which dummy wiring is provided on the surface layer of an insulating base material, and the protective resin covering the dummy wiring is crushed by a mold during the molding process to prevent resin leakage from the transfer mold. Met.
  • the present invention further prevents the resin leakage of the transfer mold due to the variation in the thickness of the substrate during manufacturing and the breakage of the surface layer wiring of the substrate caused by the strong mold clamping.
  • the challenge is to provide a power conversion device that realizes miniaturization and improves the yield.
  • the power module has a power semiconductor element that converts DC power into AC power and outputs the AC power to a motor, a conductor that is electrically connected to the power semiconductor element, and a substrate wiring that is connected to the conductor.
  • the substrate is provided with a power semiconductor element, a conductor, and a resin encapsulant for encapsulating the substrate, and the substrate is located on the surface of the substrate wiring at a position in contact with an end portion of the resin encapsulant. Has a recess formed in a continuous curved shape.
  • Circuit diagram and semi-transmissive plan view of the power module according to the present invention. The cross-sectional view explaining the manufacturing method of the circuit body by this invention.
  • Sectional drawing of the power module which shows the modification of one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a plan view of an embodiment of a power module according to the present invention
  • FIG. 2A is a circuit diagram of a motor drive system including the power module according to the present invention
  • FIG. 2B is FIG. It is a semi-transmissive plan view.
  • the power module 300 includes a wiring board 160 (hereinafter referred to as a board 160), a first wiring layer 161 installed on the surface of the board 160, and a circuit body 310.
  • the circuit body 310 is an electric circuit, and is composed of a three-phase power semiconductor element and a conductor plate.
  • the power semiconductor element includes a first power semiconductor element (upper arm circuit active element) 155, a first power semiconductor element (upper arm circuit diode) 156, a second power semiconductor element (lower arm circuit active element) 157, and a second power semiconductor. It is composed of an element (lower arm circuit diode) 158 and forms a switching element group in the power module 300. A part of the switching element group and the substrate 160 is transferred and protected by a resin encapsulant 360 (hereinafter referred to as encapsulant 360).
  • the conductor plates are the first conductor plate (upper arm circuit emitter side) 430, the second conductor plate (upper arm circuit collector side) 431, the third conductor plate (lower arm circuit emitter side) 432, and the fourth conductor plate (lower arm). Circuit collector side) It is composed of 433.
  • the R-shaped recess 606 is formed on the first wiring layer 161 on the entire circumference of the sealing material 360.
  • the R-shaped recess 606 is formed by the R-shaped mold protrusion of the transfer molding apparatus 600 described later, and the sealing material 360 is a part of the switching element group and the substrate 160 due to the R-shaped recess 606. Can be accurately enclosed without sticking out of the predetermined sealing range. Details will be described later.
  • the switching element group for three phases (power semiconductor elements 155 to 158) has an upper arm circuit and a lower arm circuit, respectively.
  • the power semiconductor elements 155 to 158 of this switching element group convert the DC power of the battery 30 into AC power for outputting and driving the vehicle traveling motor 192 (hereinafter referred to as motor 192).
  • motor 192 the vehicle traveling motor 192
  • a first conductor plate 430 and a third conductor plate 432 are provided on the emitter side (front side of the paper surface in FIG. 2B) of the upper arm circuit and the lower arm circuit, respectively, and the collector side of the upper arm circuit and the lower arm circuit (the collector side of the lower arm circuit and the lower arm circuit).
  • a second conductor plate 431 and a fourth conductor plate 433 are provided on the back side of the paper surface in FIG. 2B, respectively.
  • the surfaces of the first conductor plate 430 and the third conductor plate 432 are exposed from the resin encapsulant 360, respectively.
  • the second conductor plate 431 and the fourth conductor plate 433 are similar to the first conductor plate 430 and the third conductor plate 432.
  • the surface of each is exposed from the resin encapsulant 360.
  • a cooling member is installed on the exposed surface of these conductor plates 430 to 433 as described later.
  • the conductor plates 430 and 431, the power semiconductor element 155, and the diode 156 are electrically connected on the upper arm side by the solder connection described later. Similarly, on the lower arm side, the conductor plates 432 and 433, the power semiconductor element 157, and the diode 158 are electrically connected.
  • the first power semiconductor element 155 or the second power semiconductor element 157 is, for example, an IGBT, a MOSFET, or the like. In the case of MOSFET, the first diode 156 or the second diode 158 is unnecessary by using the body diode.
  • the semiconductor material constituting the power semiconductor device 155 for example, Si, SiC, GaN, GaO, C or the like can be used.
  • the positive electrode wiring 315 is connected between the collector side of the upper arm circuit and the positive electrode of the battery 30 and the capacitor 500.
  • the positive electrode wiring 315 passes through the second conductor plate 431 from an input terminal (not shown) connected to the positive electrode side of the battery 30 and the capacitor 500 via the fourth wiring 164 described later formed on the surface layer of the substrate 160. It represents a positive electrode wiring path connected to the power semiconductor element of the upper arm circuit via.
  • the upper arm gate signal terminal 325U is output from the gate electrode of the first power semiconductor element 155 of the upper arm circuit.
  • the negative electrode wiring 319 is connected between the emitter side of the lower arm circuit and the negative electrode of the battery 30 and the capacitor 500.
  • the negative electrode wiring 319 is from an input terminal (not shown) connected to the negative electrode side of the battery 30 and the capacitor 500, via the first wiring 161 formed on the surface layer of the substrate 160, and via the third conductor plate 432. It represents the negative electrode wiring path connected to the power semiconductor element of the lower arm circuit.
  • the negative electrode wiring 319 may be connected to the GND of the power module 300 and the motor 192.
  • the lower arm gate signal terminal 325L is output from the gate electrode of the second power semiconductor element 157 of the lower arm circuit.
  • the collector side of the first power semiconductor element 155 and the cathode side of the first diode 156 are bonded to the second conductor plate 431.
  • a first conductor plate 430 is electrically bonded to the emitter side of the first power semiconductor element 155 and the anode side of the first diode 156.
  • the collector side of the second power semiconductor element 157 and the cathode side of the second diode 158 are bonded to the fourth conductor plate 433.
  • a third conductor plate 432 is electrically bonded to the emitter side of the second power semiconductor element 157 and the anode side of the second diode 158.
  • solder may be used or sintered metal may be used for this joining.
  • the conductor plates 430 to 433 are not particularly limited as long as they are materials having high electrical conductivity and thermal conductivity, but copper-based or aluminum-based materials are desirable. These may be used alone, but may be plated with Ni, Ag, or the like in order to improve the bondability with solder or sintered metal.
  • the terminal group 325 is a collection of terminals such as a Kelvin emitter signal terminal 325K, a lower arm gate signal terminal 325L, a mirror emitter signal terminal, and an upper arm gate signal terminal 325U.
  • the AC electrode 320 is electrically connected to the first conductor plate 430 connected to the emitter side of the upper arm circuit and the third conductor plate 432 connected to the collector side of the lower arm circuit, and is connected to the motor 192.
  • the lower arm circuit is connected to the negative electrode side of the capacitor 500 instead of GND.
  • the power module 300 converts the DC power input from the battery 30 into AC power and outputs it to the motor 192 via the AC electrode 320.
  • the power module 300 of the present embodiment has a 6in1 structure in which three sets of two arm circuits, an upper arm circuit and a lower arm circuit, are integrated.
  • a 2in1 structure may be used, which is a structure in which two arm circuits are integrated into one power module.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a circuit body according to the present invention.
  • the cross sections of FIGS. 3 (a) to 3 (e) are cross sections of the power module 300 when the cross section positions of XX of FIG. 2 (b) are viewed from the arrow S direction of FIG. 2 (b).
  • FIG. 3A is a solder connection step of the power semiconductor element 157 and the diode 158 to the fourth conductor plate 433.
  • the fourth conductor plate 433 is connected to the collector side of the second power semiconductor element 157 and the cathode side of the second diode 158 via the solder 150.
  • the second conductor plate 431 is also connected to the collector side of the first power semiconductor element 155 and the cathode side of the first diode 156 via the solder 150.
  • FIG. 3B is a connection process of the substrate 160.
  • the substrate 160 is provided with a hollow region 166, and a conductor plate 433 (431) to which a power semiconductor element 157 (155) and a diode 158 (156) are solder-connected is incorporated.
  • the fourth wiring layer 164 and the fourth conductor plate 433 formed on the lower surface layer of the substrate 160 on the side where the AC electrode 320 is solder-connected (on the left side of the paper surface) with the hollow region 166 as a boundary are via the solder 150. Be connected.
  • the second conductor plate 431 is formed on the fourth wiring layer 164 formed on the lower surface layer of the substrate 160 on the side opposite to the side where the AC electrode 320 is solder-connected (on the right side of the paper surface), and the solder 150 is attached. Connected via.
  • FIG. 3C is a wire bonding process.
  • the gate electrode of the power semiconductor device 157 (155) is connected to the wiring board 160 through the wire 151.
  • FIG. 3D is a solder connection process for the conductor plate 432 and the AC electrode 320.
  • the emitter side of the power semiconductor element 157 and the anode side of the second diode 158 are connected to the third conductor plate 432 via the solder 150, and the third conductor plate 432 is on the side opposite to the side to which the AC electrode 320 is soldered. It is connected to the first wiring layer 161 formed on the upper surface layer of the substrate 160 (on the right side of the paper) via the solder 150.
  • the first conductor plate 430 is connected to the emitter side of the first power semiconductor element 155 and the anode side of the first diode 156 via the solder 150 in the same manner as the third conductor plate 432.
  • the AC electrode 320 is connected to the first wiring layer 161 formed on the upper surface layer of the substrate 160 on the side where the AC electrode 320 is solder-connected (on the left side of the paper) via the solder 150. Further, the AC electrode 320 is connected to the substrate 160 to which the first conductor plate 430 and the fourth conductor plate 433 are solder-connected via the solder 150. This gives the circuit body 310 ready for transfer molding.
  • FIG. 3 (e) is a schematic cross-sectional view of the circuit body 310 before transfer molding.
  • the substrate 160 has four or more wiring layers. Further, as shown in the figure, it is desirable to use thick copper wiring of 0.2 mm or more for the first wiring layer 161 and the fourth wiring layer 164 which are surface layers.
  • Thick copper wiring is an effective material because it can suppress heat generation due to wiring resistance when a large current is applied. For example, by securing a cross-sectional area of 40 mm or more in width with a wiring having a thickness of 0.2 mm, a current of 350 Arms class can be energized.
  • the second wiring layer 162 and the third wiring layer 163, which are the inner layers use wiring having a thickness of 0.1 mm or less.
  • the unevenness of the pattern of the inner layer substrate is large when the substrate 160 is manufactured, the unevenness is not filled when the substrate prepreg which is the source of the surface layer substrate is crimped. Therefore, the pattern of the inner layer substrate is formed by etching, and then the substrate prepreg is crimped.
  • the substrate can be manufactured using thick copper wiring.
  • the current of 350 Arms class can be energized by securing the cross-sectional area of each layer width of 60 mm or more after energizing by using two inner layers together.
  • the first wiring layer 161 in addition to the negative electrode wiring 319 connected to the battery 30 and the capacitor 500, an electrode connected to the gate electrodes 325L and 325U of the power semiconductor elements 155 to 158, an electrode to be an output of the AC electrode 320, and the like. , An electrode connected to the first conductor plate 430 and the like are provided.
  • the second wiring layer 162 and the third wiring layer 163 have a gate wiring and an AC wiring connecting between the first wiring layer 161 and the fourth wiring layer 164 on the connection side (left side of the paper) of the AC electrode 320. Be prepared. In this AC wiring, the cross-sectional area is doubled and the necessary cross-sectional area is secured by energizing the second wiring layer 162 and the third wiring layer 163 in combination.
  • the fourth wiring layer 164 includes a positive electrode wiring 315 connected to the battery 30 and the capacitor 500, an electrode connected to the fourth conductor plate 433, and the like.
  • the first wiring layer 161 and the fourth wiring layer 164 are metal surface portions that later form an interface with the substrate 160 on the outer periphery of the transfer mold resin and serve as a resin stopper in contact with the end portion of the sealing material 360. be. As will be described later, a continuous curved surface-shaped recess 606 is formed on these metal surface portions so as to surround the entire circumference of the sealing material 360 at a position in contact with the end portion of the sealing material 360.
  • the substrate size can be reduced by connecting one surface of the first wiring layer 161 and the fourth wiring layer 164 to the positive electrode of the capacitor 500 and the other surface to the negative electrode, and outputting the inner layer to the gate circuit and the AC circuit. This also contributes to increasing the power density of the power module 300.
  • the wiring layers 161, 164 connected to the conductor plates 430 to 433 are printed on the surface, but a step is generated in the portion where the wiring layers 161 and 164 are printed and the portion where the wiring layers 161 and 164 are not printed.
  • This step becomes significantly large when thick copper wiring that conducts a large current is used.
  • the thickness variation of the substrate due to the printing of the wiring at the time of manufacturing becomes large, and it becomes difficult to accurately align the thickness direction. Therefore, when the transfer mold is sealed including the substrate 160, it is crimped by a sealing material injection device to form a boundary.
  • the crimping is performed. Resin leakage occurs from the gaps in the unfinished parts.
  • the first wiring layer 161 and the fourth wiring layer 164 which are the surface wiring of the substrate 160, are connected to the electrodes of the battery 30 and the capacitor 500 as the positive electrode wiring 315 and the negative electrode wiring 319. This facilitates the use of laminated wiring on the positive electrode wiring 315 side and the negative electrode wiring 319 side, which has the effect of reducing wiring inductance.
  • the power semiconductor element projection unit does not have a wiring board.
  • the wiring board used in the present invention may be provided with a thin film resin such as a solder resist that covers the surface layer wiring.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the process of transfer molding according to the present invention.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of the transfer molding apparatus 600 that performs the transfer molding process.
  • the transfer mold device 600 includes an upper die 601 and a medium die 602, and a lower die 603 with a spring 604 and a plunger 605.
  • the circuit body 310 is set in the transfer mold device 600.
  • the R-shaped mold protrusion 610 is provided on the middle mold 602 and the lower mold 603 of the transfer mold device 600, respectively.
  • the R-shaped mold protrusion 610 provided around the entire region where the sealing material 360 is injected causes the surface layer wiring 161 to form an R-shaped recess 606 (described later) at the time of pressurization.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram of the transfer molding process.
  • the wiring board 160 of the circuit body 310 is pressurized by the medium mold 602 and the lower mold 603 as shown in the enlarged view of A, the wiring board 160 has an R shape due to the R-shaped mold protrusion 610 of the medium mold 602 and the lower mold 603. A dent 606 is created.
  • the sealing material 360 is injected. As a result, an R-shaped recess 606 is formed on the entire circumference of the sealing material 360.
  • the substrate 160 has a recess 606 formed by denting the surfaces of the substrate wirings 161 and 164 in a continuous curved surface at a position in contact with the end portion of the sealing material 360. Since the R-shaped recess 606 becomes larger than the thickness variation of the wirings 161 and 164 on the substrate 160 described above, the thickness variation of the substrate can be absorbed by the depth of the recess. That is, forming a recess having the same depth in the outer peripheral portion to be clamped at the time of transfer molding leads to prevention of resin leakage.
  • FIG. 4C is a schematic cross-sectional view after the transfer mold. As shown not only in the enlarged view A but also in the enlarged view B, the R-shaped recess 606 is formed around both sides of the hollow 166 in which the semiconductor element is embedded, that is, in the first wiring layer 161 and the fourth wiring layer 164. , Formed to be recesses of the same depth.
  • the upper and lower arm circuits and a part of the substrate 160 are sealed with the sealing material 360 by transfer mold molding.
  • the sealing material 360 By doing so, it is possible to cover with high dimensional accuracy, so that there is an effect that the cooling water channel provided here can be easily installed and efficiently installed. Further, covering the power semiconductor element with the sealing material 360 has an effect of improving reliability.
  • the encapsulant 360 When the encapsulant 360 is formed by the transfer mold, resin leakage occurs when a step of 20 ⁇ m or more is generated. Therefore, even if the wiring board 160 is provided with a wiring layer that is continuously in contact with the end portion of the encapsulant on the surface layer, the thickness variation of 20 ⁇ m or more occurs due to the influence of the layout of the inner layer wiring, and the resin is used during transfer molding. Leakage occurs. Therefore, the depth of the R-shaped recess needs to be set to 20 ⁇ m or more.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view comparing the prior art and the present invention.
  • 5 (a) is an explanatory view of the prior art
  • FIG. 5 (b) is a cross-sectional view showing the effect of the present invention.
  • the substrate 160 is pressed against the medium mold 602 of the transfer mold device by the square mold protrusion 607. Since the substrate 160 is pressurized with this square shape, stress is concentrated on the edges and cracks 608 occur in the wiring on the substrate 160. As described above, in the substrate pressurizing method shown in the comparative example, the risk of wiring disconnection is high, and dummy wiring has been used for the surface layer wiring.
  • the substrate 160 is pressurized by the R-shaped mold protrusion 610, the surface wiring of the substrate 160 is recessed, and the sealing material 360 leaks during transfer molding. It has a structure to prevent it. Therefore, by applying pressure in the R shape, there is an effect that local stress concentration does not occur, and cracks can be prevented while reducing substrate damage. As a result, it has become possible to use energized wiring instead of dummy wiring for the surface layer wiring, effectively secure the wiring cross-sectional area required for passing a large current, and improve the efficiency of the board layout.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a power module according to the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram showing a connection process of the capacitor 500.
  • the electrode terminals of the capacitor 500 are connected to the transfer-molded circuit body 310 via the through holes 165 of the substrate 160.
  • a robot solder connection device or the like is used to inject and connect the solder 150.
  • the power module 300 is obtained.
  • the life of the capacitor can be extended by performing the transfer molding step of heating the capacitor 500 having low heat resistance to 175 ° C.
  • FIG. 6B is a diagram showing a mounting process of the cooling member 340.
  • An insulating layer 442 is provided on the surface in contact with the third conductor plate 432, the fourth conductor plate 433, and the sealing material 360.
  • the cooling member 340 is brought into close contact with the insulating layer 442 and installed.
  • the cooling member 340 is similarly adhered to the first conductor plate 430 and the second conductor plate 431 via the insulating layer 442.
  • a power module 400 with a cooler hereinafter referred to as a power module 400
  • the insulating layer 442 can be thinly formed and high heat dissipation can be achieved. Further, by using a material having high thermal conductivity for the insulating layer 442, the heat generated by the second power semiconductor element 157 and 158 can be efficiently dissipated to the cooling member 340. By installing the cooling member 340 on both sides of the power semiconductor elements 155 to 158, higher heat dissipation can be achieved.
  • FIG. 7 is a cross-sectional perspective view of the power conversion device according to the present invention.
  • the power conversion device 200 is composed of a lower case 11 and an upper case 10, and contains a power module 400 and the like. From one side surface of the lower case 11, a cooling water inflow pipe 13 and a cooling water outflow pipe 14 communicating with a cooling flow path conducting inside the cases 10 and 11 are provided to cool the power module 400 with cooling water or the like. It stands out.
  • the upper case 10 and the lower case 11 are formed of an aluminum alloy or the like, and the power module 400 is sealed and fixed inside.
  • the upper case 10 and the lower case 11 may be integrally configured.
  • the power conversion device 200 since the power conversion device 200 has a simple rectangular parallelepiped shape, it can be easily attached to a vehicle or the like, and can be easily manufactured.
  • a connector 188 is attached to one side surface (longitudinal direction) of the lower case 11, and an AC terminal 18 is connected to this connector 188.
  • the AC electrode 320 of the power module 300 penetrates the current sensor 180 and is connected to the connector 188.
  • a control circuit 172 and a driver circuit 174 are arranged above the power module 400, and a capacitor 500 is housed on the DC terminal side of the power module 400.
  • the capacitor 500 By arranging the capacitor 500 at the same height as the power module 400, the entire power conversion device 200 can be made thinner, so that the degree of freedom in installing the power conversion device 200 in the vehicle is improved.
  • FIG. 8 is a plan view showing a modified example of the embodiment of the present invention.
  • the modified example is characterized in that the substrate 160A of the power module 300A is not on the entire circumference of the encapsulant 360, but only on the DC electrode side.
  • the first wiring layer 161A is also configured to be present only on one side of the sealing material 360.
  • the AC electrode 320A has a configuration in which it directly protrudes from the sealing material 360.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a transfer molding process showing a modified example of the embodiment of the present invention.
  • the one with the substrate 160A clamps the substrate 160A with the mold of the transfer mold device 600A, and the one without the substrate 160A directly clamps the AC electrode 320A with the upper mold 601A. is doing.
  • the R-shaped recess formed by the R-shaped mold protrusion 610A is formed only on the side where the DC power, which is a part around the sealing material 360, flows in the substrate 160A, and the AC electrode 320A side is the R-shaped. No dents are formed.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a modified example of the embodiment of the present invention.
  • the cross-sectional view of the power module 400A shown in FIG. 10 is a view of the YY cross-sectional position of FIG. 8 as viewed from the T direction.
  • the AC electrode 320A is connected to the fourth conductor plate 433 and the first conductor plate 430 via the solder 150. .. That is, the modified example is a configuration in which the AC electrode 320A and the conductor plates 430 and 433 are directly connected without interposing the substrate 160A. As a result, since there is no substrate 160A on the AC electrode 320A side, there is no need to consider resin leakage of the transfer mold on one side, which simplifies the configuration of the transfer mold device and the configuration of the substrate 160A, and simplifies the assembly. be able to.
  • the power module 300 includes power semiconductor elements 155 to 158 that convert DC power into AC power and output AC power to the motor 192, and conductors 430 to 433 that are electrically connected to the power semiconductor elements 155 to 158.
  • the substrate 160 includes a substrate 160 having a substrate wiring connected to conductors 430 to 433 on the surface, power semiconductor elements 155 to 158, conductors 430 to 433, and a resin encapsulant 360 for sealing the substrate 160. At a position in contact with the end of the resin encapsulant 360, the surface of the substrate wiring has a recess formed by being recessed on a continuous curved surface. Since this is done, it is possible to provide a power conversion device that achieves both miniaturization and improved yield.
  • the recesses formed in the metal surface portions 161 and 164 of the power module 300 are R-shaped 606 having a constant depth. Since this is done, it is possible to prevent resin leakage during transfer molding regardless of the degree of variation in the thickness of the substrate 160.
  • the recess 606 of the power conversion device 200 is formed on the entire circumference of the resin encapsulant 360. Since this is done, it is possible to prevent leakage of the sealing material 360 when forming the transfer mold.
  • the recesses 606 of the power conversion device 200 are formed on both sides of the substrate 160. Since this is done, it is possible to prevent leakage of the sealing material 360 when forming the transfer mold.
  • the recess 606 of the power conversion device 200 is formed in a part around the resin encapsulant 360. Since this is done, it is not necessary to provide the substrate 160 on the AC electrode side.
  • the power conversion device 200 includes a power module 300, and the power module 300 is hermetically fixed by the cases 10 and 11, and inside the cases 10 and 11, a cooling flow path 13 for cooling the power module 300 is provided. 14 is made conductive. Therefore, it is possible to provide a power conversion device 200 that can prevent resin leakage and achieve both miniaturization and improvement in yield.

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Abstract

パワーモジュールは、直流電力を交流電力に変換し前記交流電力をモータに出力するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体と、前記導体と接続される基板配線を面上に有する基板と、前記パワー半導体素子と前記導体と前記基板を封止する樹脂封止材と、を備え、前記基板は、前記樹脂封止材の端部と接する位置に、前記基板配線の表面が連続した曲面状に凹んで形成された凹部を有する。

Description

パワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置
　本発明は、パワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置に関する。
　パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電用の設備等に幅広く利用されている。それに伴い、生産性に優れた小型薄型の電力変換装置の開発技術も、日々発展している。
　本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、半導体素子を含む回路基板をモールド樹脂で封止する技術が開示されている。
特開２０１６－１７１２０３号公報
　特許文献１に記載された半導体装置は、絶縁基材の表層にダミー配線を設け、このダミー配線を覆う保護樹脂をモールド工程時に金型によって押し潰すことで、トランスファーモールドの樹脂漏れを防止する構造であった。
　これを踏まえて、本発明は、さらに製造時の基板の厚さばらつきによるトランスファーモールドの樹脂漏れと、強力な型締めをすることで生じる基板の表層配線の破断とを防止することで、配線基板の小型化を実現させ、歩留まりを向上させた電力変換装置を提供することが課題である。
　パワーモジュールは、直流電力を交流電力に変換し前記交流電力をモータに出力するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体と、前記導体と接続される基板配線を面上に有する基板と、前記パワー半導体素子と前記導体と前記基板を封止する樹脂封止材と、を備え、前記基板は、前記樹脂封止材の端部と接する位置に、前記基板配線の表面が連続した曲面状に凹んで形成された凹部を有する。
　小型化と歩留まり向上を両立させた電力変換装置を提供できる。
本発明によるパワーモジュールの一実施形態の平面図。 本発明によるパワーモジュールの回路図と半透過平面図。 本発明による回路体の製造方法を説明する断面図。 本発明によるトランスファーモールドの工程を説明する断面図。 従来技術と本発明を比較する断面図。 本発明によるパワーモジュールの製造方法を説明する断面図。 本発明による電力変換装置の断面斜視図。 本発明の一実施形態の変形例を示す平面図。 本発明の一実施形態の変形例を示すトランスファーモールドの工程を説明する断面図。 本発明の一実施形態の変形例を示すパワーモジュールの断面図。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
（本発明の一実施形態とその構成）
　図１および図２（ａ）、図２（ｂ）を用いて本発明によるパワーモジュールの一実施形態の構成を示す。図１は、本発明によるパワーモジュールの一実施形態の平面図であり、図２（ａ）は、本発明によるパワーモジュールを含むモータ駆動システムの回路図、図２（ｂ）は、図１の半透過平面図である。
　パワーモジュール３００は、配線基板１６０（以下基板１６０）、基板１６０の表面に設置されている第１配線層１６１、および回路体３１０を備えている。回路体３１０は電気回路であり、３相のパワー半導体素子および導体板で構成されている。
　パワー半導体素子は、第１パワー半導体素子（上アーム回路能動素子）１５５、第１パワー半導体素子（上アーム回路ダイオード）１５６、第２パワー半導体素子（下アーム回路能動素子）１５７、第２パワー半導体素子（下アーム回路ダイオード）１５８で構成されており、パワーモジュール３００におけるスイッチング素子群を形成している。このスイッチング素子群および基板１６０の一部は、樹脂封止材３６０（以下封止材３６０）でトランスファーモールド封止され保護されている。
　導体板は、第１導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、第２導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１、第３導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、第４導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３で構成されている。
　Ｒ形状の凹み６０６は、第１配線層１６１上において、封止材３６０の全周に形成されている。このＲ形状の凹み６０６は、後述するトランスファーモールド装置６００のＲ形状の金型突起によって形成されるものであり、このＲ形状の凹み６０６によって封止材３６０がスイッチング素子群および基板１６０の一部だけを、所定の封止範囲からはみ出すことなく正確に囲うことができる。詳細は後述する。
　パワーモジュール３００において、３相分のスイッチング素子群（パワー半導体素子１５５～１５８）は、上アーム回路および下アーム回路をそれぞれ有している。このスイッチング素子群のパワー半導体素子１５５～１５８は、バッテリ３０の直流電力を、車両走行用モータ１９２（以下モータ１９２）に出力し駆動させるための交流電力に変換している。この三相のうち１相分を例にとって構成を説明する。
　上アーム回路と下アーム回路のエミッタ側（図２（ｂ）の紙面手前側）には第１導体板４３０と第３導体板４３２がそれぞれ設けられ、上アーム回路と下アーム回路のコレクタ側（図２（ｂ）の紙面奥側）には第２導体板４３１と第４導体板４３３がそれぞれ設けられている。図１に示すように、パワーモジュール３００の上側（紙面手前側）において、第１導体板４３０と第３導体板４３２は、その表面が樹脂封止材３６０からそれぞれ露出している。なお、図１には示していないが、パワーモジュール３００の下側（紙面手前側）では、第１導体板４３０および第３導体板４３２と同様に、第２導体板４３１と第４導体板４３３の表面が樹脂封止材３６０からそれぞれ露出している。これらの導体板４３０～４３３の露出面には、後述するように冷却部材が設置される。
　後述のはんだ接続により、上アーム側で導体板４３０，４３１とパワー半導体素子１５５とダイオード１５６とが電気的に接続される。同様に下アーム側で、導体板４３２，４３３とパワー半導体素子１５７とダイオード１５８とが電気的に接続される。
　第１パワー半導体素子１５５または第２パワー半導体素子１５７は、例えばIGBT、MOSFETなどである。MOSFETの場合は、ボディダイオードを用いることで、第１ダイオード１５６または第２ダイオード１５８は不要である。
　パワー半導体素子１５５（１５７）を構成する半導体材料としては、例えば、Si、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。
　図２（ａ）において、上アーム回路のコレクタ側とバッテリ３０及びコンデンサ５００の正極との間を正極配線３１５が接続している。正極配線３１５は、バッテリ３０及びコンデンサ５００の正極側に接続されている不図示の入力端子から、基板１６０の表層に形成されている後述の第４配線１６４を経由し、第２導体板４３１を介して上アーム回路のパワー半導体素子に接続される、正極配線経路を表している。上アームゲート信号端子３２５Ｕは、上アーム回路の第１パワー半導体素子１５５のゲート電極から出力されている。
　また図２（ａ）において、下アーム回路のエミッタ側とバッテリ３０及びコンデンサ５００の負極との間を負極配線３１９が接続している。負極配線３１９は、バッテリ３０及びコンデンサ５００の負極側に接続されている不図示の入力端子から、基板１６０の表層に形成されている第１配線１６１を経由し、第３導体板４３２を介して下アーム回路のパワー半導体素子に接続される、負極配線経路を表している。なお、負極配線３１９は、パワーモジュール３００及びモータ１９２のＧＮＤに接続されてもよい。下アームゲート信号端子３２５Ｌは、下アーム回路の第２パワー半導体素子１５７のゲート電極から出力されている。
　第１パワー半導体素子１５５のコレクタ側および第１ダイオード１５６のカソード側は、第２導体板４３１に接合されている。第１パワー半導体素子１５５のエミッタ側および第１ダイオード１５６のアノード側には、第１導体板４３０が電気的に接合されている。
　第２パワー半導体素子１５７のコレクタ側および第２ダイオード１５８のカソード側は、第４導体板４３３に接合されている。第２パワー半導体素子１５７のエミッタ側および第２ダイオード１５８のアノード側には第３導体板４３２が電気的に接合されている。
　この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。また、導体板４３０～４３３は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるため、NiやAg等のめっきを施してもよい。
　端子群３２５は、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、下アームゲート信号端子３２５Ｌ、ミラーエミッタ信号端子、上アームゲート信号端子３２５Ｕなどの端子の集まりである。
　交流電極３２０は、上アーム回路のエミッタ側に接続された第１導体板４３０および下アーム回路のコレクタ側に接続された第３導体板４３２と電気的に接続されており、モータ１９２に接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサ５００の負極側に接続する。パワーモジュール３００は、バッテリ３０から入力される直流電力を交流電力に変換し、交流電極３２０を介してモータ１９２に出力している。
　なお、本実施形態のパワーモジュール３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、３組一体化した構造である６ｉｎ１構造である。６ｉｎ１構造の他にも、２つのアーム回路を１つのパワーモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造であってもよい。６ｉｎ１構造を用いた場合、３つのパワーモジュールを連結する端子が不要となり、パワーモジュールからの出力端子の数を低減させ小型化させることができる。
　図３は本発明による回路体の製造方法を説明する断面図である。なおこの図３（ａ）～（ｅ）の断面は、図２（ｂ）のＸ―Ｘの断面位置を図２（ｂ）の矢印Ｓ方向から見たパワーモジュール３００の断面である。
　図３（ａ）は、パワー半導体素子１５７およびダイオード１５８の第４導体板４３３へのはんだ接続工程である。第４導体板４３３は、第２パワー半導体素子１５７のコレクタ側および第２ダイオード１５８のカソード側に、はんだ１５０を介して接続される。また、図示していないが同様に第２導体板４３１も、第１パワー半導体素子１５５のコレクタ側および第１ダイオード１５６のカソード側に、はんだ１５０を介して接続される。
　図３（ｂ）は基板１６０の接続工程である。基板１６０は、中抜き領域１６６が設けられており、パワー半導体素子１５７（１５５）とダイオード１５８（１５６）がはんだ接続された導体板４３３（４３１）が、組み込まれる。中抜き領域１６６を境にして、交流電極３２０をはんだ接続する側（紙面左側）の基板１６０の下側表層に形成された第４配線層１６４と第４導体板４３３が、はんだ１５０を介して接続される。一方、図示していないが第２導体板４３１は、交流電極３２０をはんだ接続する側とは反対側（紙面右側）の基板１６０の下側表層に形成された第４配線層１６４に、はんだ１５０を介して接続される。
　図３（ｃ）は、ワイヤボンディング工程である。パワー半導体素子１５７（１５５）のゲート電極は、ワイヤ１５１を通して配線基板１６０に接続される。
　図３（ｄ）は、導体板４３２、交流電極３２０のはんだ接続工程である。パワー半導体素子１５７のエミッタ側および第２ダイオード１５８のアノード側は、はんだ１５０を介して第３導体板４３２に接続され、第３導体板４３２は、交流電極３２０をはんだ接続する側とは反対側（紙面右側）の基板１６０の上側表層に形成された第１配線層１６１に、はんだ１５０を介して接続される。一方、図示していないが第１導体板４３０は、第３導体板４３２と同様に第１パワー半導体素子１５５のエミッタ側および第１ダイオード１５６のアノード側にはんだ１５０を介して接続されるとともに、交流電極３２０をはんだ接続する側（紙面左側）の基板１６０の上側表層に形成された第１配線層１６１に、はんだ１５０を介して接続される。また、第１導体板４３０及び第４導体板４３３がはんだ接続された基板１６０には、交流電極３２０がはんだ１５０を介して接続される。これによりトランスファーモールドの準備ができた回路体３１０を得る。
　図３（ｅ）は、トランスファーモールドする前の回路体３１０の断面模式図である。
　回路体３１０において基板１６０は、４層以上の配線層を有するものが望ましい。また、図示するように表層となる第１配線層１６１及び第４配線層１６４は０．２ｍｍ以上の厚銅配線を用いることが望ましい。
　厚銅配線は、大電流を通電したときに、配線抵抗による発熱を抑制できるため有効な材料である。例えば０．２ｍｍ厚さの配線で幅４０ｍｍ以上の断面積を確保することで、３５０Ａｒｍｓクラスの電流を通電できる。
　また、内層となる第２配線層１６２及び第３配線層１６３は、０．１ｍｍ以内の厚さの配線を用いることが望ましい。基板１６０を作製する際に、内層基板のパターンの凹凸が大きい場合は、表層基板のもととなる基板プリプレグを圧着した際に凹凸が埋まらない。そのため、内層基板のパターンはエッチングにより形成され、そのあと基板プリプレグが圧着される。
　一方、表層の配線は、エッチングによって形成された後、基板プリプレグを圧着する必要がないので、厚銅配線を用い基板を作製することができる。例えば０．０７ｍｍの内層配線を用いる場合、内層２層を併用し通電することとした上で、各層幅６０ｍｍ以上の断面積を確保することで３５０Ａｒｍｓクラスの電流を通電できる。
　第１配線層１６１は、バッテリ３０やコンデンサ５００と接続される負極配線３１９に加えて、パワー半導体素子１５５～１５８のゲート電極３２５Ｌ、３２５Ｕ等と接続する電極や、交流電極３２０の出力となる電極、第１導体板４３０と接続される電極などを備える。第２配線層１６２と第３配線層１６３は、ゲート配線と、交流電極３２０の接続側（紙面左側）において第１配線層１６１と第４配線層１６４の間を接続している交流配線とを備える。この交流配線は、第２配線層１６２と第３配線層１６３を併用して通電することで、断面積を２倍に増やし必要な断面積を確保している。第４配線層１６４は、バッテリ３０やコンデンサ５００と接続される正極配線３１５や、第４導体板４３３と接続される電極などを備える。
　なお、この第１配線層１６１および第４配線層１６４は、後にトランスファーモールド樹脂の外周に基板１６０との界面を形成し、封止材３６０の端部と接する樹脂止め部となる金属表面部である。これらの金属表面部には、後述するように、封止材３６０の端部と接する位置において封止材３６０の全周を囲うように、連続した曲面状の凹み６０６が形成される。第１配線層１６１および第４配線層１６４の一面をコンデンサ５００の正極、他面を負極にそれぞれ接続し、内層をゲート回路、交流回路に出力することで、基板サイズを低減することができる。また、これにより、パワーモジュール３００の高パワー密度化にも貢献できる。
　基板１６０は、導体板４３０～４３３と接続される配線層１６１，１６４が表面上にプリントされているが、配線層１６１および１６４がプリントされている部分とされていない部分で段差が生じる。この段差は、大電流を通電する厚銅配線が使われる場合に、顕著に大きくなる。これに伴い、製造時の配線のプリントによる基板の厚さばらつきが大きくなるため、精密に厚さ方向を位置合わせすることが困難になる。このため、基板１６０を含めてトランスファーモールド封止をする際、密閉するために封止材注入装置によって圧着させて境目を形成するが、前述した基板にプリントされた配線の厚さばらつきによって、圧着しきれていない部分の隙間から樹脂漏れが生じる。またこれを防ぐために強力に型締めする対応策があるが、これによって配線の破断が生じる懸念がある。
　また、このように大電流を通電する場合、配線断面積の確保が重要となる。本発明では、基板１６０の表層配線である第１配線層１６１及び第４配線層１６４は、正極配線３１５及び負極配線３１９として、バッテリ３０及びコンデンサ５００の電極に接続される。これにより、正極配線３１５側及び負極配線３１９側をラミネート配線とすることが容易となり配線インダクタンス低減の効果がある。
　また、パワー半導体素子を搭載する位置を基板１６０の配線よりも厚い導体板とすることで狭い投影面積で有効な断面を確保し、小型化させている。また、導体板の上下から効率よく冷却するためにパワー半導体素子投影部には、配線基板が無い構成としている。本発明で使用する配線基板に、表層配線を覆うソルダーレジスト等の薄膜樹脂を設けてもよい。
　図４は、本発明によるトランスファーモールドの工程を説明する断面図である。
　図４（ａ）は、トランスファーモールド工程を行うトランスファーモールド装置６００の説明図である。トランスファーモールド装置６００は、上型６０１、中型６０２、及びスプリング６０４とプランジャ６０５を備えた下型６０３を備えている。このトランスファーモールド装置６００に、回路体３１０がセットされる。
　Ｒ形状の金型突起６１０は、トランスファーモールド装置６００の中型６０２と下型６０３にそれぞれ設けられている。封止材３６０が注入される領域の全周辺に設けられたＲ形状の金型突起６１０は、加圧時に表層配線１６１にＲ形状の凹み６０６（後述）を形成させる。
　図４（ｂ）は、トランスファーモールド工程の説明図である。回路体３１０の配線基板１６０は、Ａの拡大図に示すように中型６０２及び下型６０３により加圧されるときに、中型６０２および下型６０３のＲ形状の金型突起６１０により、Ｒ形状の凹み６０６が生じる。この後に封止材３６０を注入する。これにより、封止材３６０の全周にＲ形状の凹み６０６が形成される。
　これにより、基板１６０は、封止材３６０の端部と接する位置に、基板配線１６１および１６４の表面が連続した曲面状に凹んで形成された凹部６０６を有するようになる。このＲ形状の凹み６０６が、前述した基板１６０上の配線１６１、１６４の厚さばらつきよりも大きくなることで、基板の厚さばらつきを凹みの深さで吸収することができる。つまり、トランスファーモールド時にクランプする外周部が同一の深さとなる凹部を形成することが、樹脂漏れ防止につながっている。
　図４（ｃ）は、トランスファーモールド後の断面模式図である。前述したＡ拡大図部分だけでなく、Ｂ拡大図でも示すように、Ｒ形状の凹み６０６は、半導体素子を埋め込む中抜き１６６の両面の周囲、つまり第１配線層１６１および第４配線層１６４に、同一の深さの凹みになるように形成される。
　これにより、上下のアーム回路及び基板１６０の一部は、トランスファーモールド成型により封止材３６０で封止されている。こうすることで、寸法精度よく被覆できるため、ここに備える冷却水路を設置しやすくまた効率的に設置できる効果がある。また封止材３６０でパワー半導体素子を覆うことで信頼性が向上する効果がある。
　なお、トランスファーモールドで封止材３６０を形成する場合、２０μｍ以上の段差が生じると樹脂漏れが発生する。このため、配線基板１６０は、表層に封止材の端部と連続して接する配線層を設けても、内層配線のレイアウトの影響で、２０μｍ以上の厚さばらつきが発生し、トランスファーモールド時に樹脂漏れが生じる。そのためＲ形状の凹部の深さは２０μｍ以上に設定される必要がある。
　図５は、従来技術と本発明を比較する断面図である。図５（ａ）は従来技術の説明図、図５（ｂ）は、本発明の効果を示す断面図である。
　図５(ａ)の従来技術では、トランスファーモールド装置の中型６０２に角形状の金型突起６０７で基板１６０を加圧している。この角形状で基板１６０が加圧されるため、エッジに応力集中し基板１６０上の配線にクラック６０８が生じる。このように、比較例に示す基板加圧方法では、配線の断線リスクが高く、表層配線にはダミー配線が用いられてきた。
　一方で、図５（ｂ）のように本発明では、Ｒ形状の金型突起６１０により基板１６０が加圧され、基板１６０の表層配線を凹ませてトランスファーモールド時に封止材３６０の漏れ出しを防ぐ構造になっている。そのため、Ｒ形状で加圧することで局所的な応力集中とならない効果があり、基板ダメージを低減しつつクラックを防止できた。またこれにより、表層配線はダミー配線ではなく通電する配線を使用できるようになり、大電流を流すのに必要な配線断面積を有効に確保し、基板レイアウトの効率化ができるようになった。
　図６は、本発明によるパワーモジュールの製造方法を説明する断面図である。
　図６（ａ）は、コンデンサ５００の接続工程を示す図である。トランスファーモールドした回路体３１０に、コンデンサ５００の電極端子が、基板１６０のスルーホール１６５を介して接続される。この接続には、ロボットはんだ接続装置等を用い、はんだ１５０を注入して接続する。これにより、パワーモジュール３００が得られる。このように、耐熱性の低いコンデンサ５００を１７５℃に加熱するトランスファーモールド工程の後にすることで、コンデンサ寿命を延ばせる。また、トランスファーモールド時にコンデンサ等の突出した部品が無いことで、金型でクランプしやすくなっている。
　図６（ｂ）は、冷却部材３４０の搭載工程を示す図である。第３導体板４３２、第４導体板４３３、封止材３６０と接する面に絶縁層４４２を設ける。その絶縁層４４２に冷却部材３４０を密着させ設置する。なお、図示していないが第１導体板４３０と第２導体板４３１についても同様に、絶縁層４４２を介して冷却部材３４０が密着される。これにより冷却器付パワーモジュール４００（以下パワーモジュール４００）が得られる。
　また、樹脂もれしないトランスファーモールドで封止材３６０が形成されることで、絶縁層４４２を薄く形成することができ高放熱化できる。また、絶縁層４４２は高熱伝導の材料を用いることで第２パワー半導体素子１５７、１５８の発熱を効率よく冷却部材３４０に放熱することができる。冷却部材３４０はパワー半導体素子１５５～１５８の両面に設置されることで、より高放熱化できる。
　図７は、本発明による電力変換装置の断面斜視図である。
　電力変換装置２００は、下部ケース１１および上部ケース１０により構成され内部には、パワーモジュール４００等が収容されている。下部ケース１１の一側面からは、パワーモジュール４００を冷却水等により冷却するため、ケース１０および１１の内部に導通している冷却流路に連通する、冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が突出している。
　上部ケース１０と下部ケース１１とは、アルミニウム合金等により形成され、パワーモジュール４００を内部に密封して固定する。上部ケース１０と下部ケース１１とは、一体化して構成されてもよい。これにより、電力変換装置２００を単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、製造も容易になる。
　下部ケース１１の一側面（長手方向）に、コネクタ１８８が取り付けられており、このコネクタ１８８には、交流ターミナル１８が接続されている。パワーモジュール３００の交流電極３２０は、電流センサ１８０を貫通してコネクタ１８８に接続されている。
　パワーモジュール４００の上方には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、パワーモジュール４００の直流端子側には、コンデンサ５００が収容されている。コンデンサ５００をパワーモジュール４００と同一の高さに配置することで、電力変換装置２００全体を薄型化することができるため、電力変換装置２００の車両への設置自由度が向上する。
　図８は、本発明の一実施形態の変形例を示す平面図である。
　変形例は、パワーモジュール３００Ａの基板１６０Ａが、封止材３６０の全周ではなく、直流電極側にだけあることが特徴である。これに伴い、第１配線層１６１Ａも封止材３６０の片側にだけある構成になっている。交流電極３２０Ａは、図１とは違い封止材３６０から直接出ている構成になっている。
　図９は、本発明の一実施形態の変形例を示すトランスファーモールドの工程を説明する断面図である。
　図９において、パワー半導体素子の位置を境に、基板１６０Ａのある方はトランスファーモールド装置６００Ａの金型で基板１６０Ａをクランプし、基板１６０Ａのない方は、交流電極３２０Ａを上型６０１Ａで直接クランプしている。これにより、Ｒ形状の金型突起６１０ＡによってできるＲ形状の凹みは、基板１６０Ａにおいて、封止材３６０の周囲の一部分である直流電力が流れる側だけに形成され、交流電極３２０Ａ側は、Ｒ形状の凹みは形成されない。
　図１０は、本発明の一実施形態の変形例を示す断面図である。なお、図１０に示すパワーモジュール４００Ａの断面図は、図８のＹ－Ｙ断面位置をＴ方向から見た図である。
　Ｒ形状の凹み６０６Ａによって、封止材３６０で一部がモールドされているパワーモジュール４００Ａにおいて、交流電極３２０Ａは、はんだ１５０を介して第４導体板４３３及び第１導体板４３０と接続されている。つまり、変形例は基板１６０Ａを間に介さないで交流電極３２０Ａと導体板４３０，４３３を直接接続する構成である。これにより、交流電極３２０Ａ側に基板１６０Ａがないことで、一方側のトランスファーモールドの樹脂もれを考える必要がなく、トランスファーモールド装置の構成や基板１６０Ａの構成を簡易化させ、組立を簡素化させることができる。
　以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）パワーモジュール３００は直流電力を交流電力に変換し交流電力をモータ１９２に出力するパワー半導体素子１５５～１５８と、パワー半導体素子１５５～１５８と電気的に接続される導体４３０～４３３と、導体４３０～４３３と接続される基板配線を面上に有する基板１６０と、パワー半導体素子１５５～１５８と導体４３０～４３３と基板１６０を封止する樹脂封止材３６０と、を備え、基板１６０は、樹脂封止材３６０の端部と接する位置に、基板配線の表面が連続した曲面上に凹んで形成された凹部を有する。このようにしたので、小型化と歩留まり向上を両立させた電力変換装置を提供できる。
（２）パワーモジュール３００の金属表面部１６１，１６４に形成される凹部は、深さが一定のＲ形状６０６である。このようにしたので、基板１６０の厚さのばらつき具合に関わらずトランスファーモールド時の樹脂漏れを防ぐことができる。
（３）電力変換装置２００の凹部６０６は、樹脂封止材３６０の全周に形成される。このようにしたので、トランスファーモールド形成時に封止材３６０の漏れを防ぐことができる。
（４）電力変換装置２００の凹部６０６は、基板１６０の両面に形成されている。このようにしたので、トランスファーモールド形成時に封止材３６０の漏れを防ぐことができる。
（５）電力変換装置２００の凹部６０６は、樹脂封止材３６０の周囲の一部分に形成される。このようにしたので、基板１６０を交流電極側に設ける必要がなくなる。
（６）電力変換装置２００はパワーモジュール３００を備え、パワーモジュール３００は、ケース１０，１１によって密閉固定され、ケース１０、１１の内部には、パワーモジュール３００を冷却するための冷却流路１３，１４を導通させている。このようにしたので、樹脂漏れ防止を可能にし、小型化と歩留まり向上を両立させた電力変換装置２００を提供できる。
　なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。また、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。さらに、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
１０　　　上部ケース
１１　　　下部ケース
１３　　　冷却水流入管
１４　　　冷却水流出管
１８　　　交流ターミナル
３０　　　バッテリ
１５０　　　はんだ
１５１　　　ワイヤ
１５５　　　第１パワー半導体素子（上アーム回路能動素子）
１５６　　　第１パワー半導体素子（上アーム回路ダイオード）
１５７　　　第２パワー半導体素子（下アーム回路能動素子）
１５８　　　第２パワー半導体素子（下アーム回路ダイオード）
１６０，１６０Ａ　　　配線基板
１６１，１６１Ａ　　　第１配線層
１６２　　　第２配線層
１６３　　　第３配線層
１６４　　　第４配線層
１６５　　　貫通スルーホール
１６６　　　配線基板の中抜き領域
１７２　　　制御回路
１７４　　　ドライバ回路
１７５　　　基板間接続
１８０　　　電流センサ
１８８　　　コネクタ
１９２　　　車両走行用モータ
２００　　　電力変換装置
３００、３００Ａ　　　パワーモジュール
３１０　　　回路体
３１５　　　正極配線
３１９　　　負極配線
３２０、３２０Ａ　　　交流電極
３２５　　　端子群
３２５Ｋ　　ケルビンエミッタ信号端子
３２５Ｌ　　下アームゲート信号端子
３２５Ｕ　　上アームゲート信号端子
３４０　　　冷却部材
３６０　　　樹脂封止材
４００、４００Ａ　　　冷却器付パワーモジュール
４３０　　　第１導体板（上アーム回路エミッタ側）
４３１　　　第２導体板（上アーム回路コレクタ側）
４３２　　　第３導体板（下アーム回路エミッタ側）
４３３　　　第４導体板（下アーム回路コレクタ側）
４４２　　　絶縁層
５００　　　コンデンサ
６００、６００Ａ　　　トランスファーモールド装置
６０１　　　上型
６０２、６０２Ａ　　　中型
６０３　　　下型
６０４　　　スプリング
６０５　　　プランジャ
６０６、６０６Ａ　　　Ｒ形状の凹み
６０７　　　角形状の金型突起
６０８　　　クラック
６１０、６１０Ａ　　　Ｒ形状の金型突起

Claims (6)

  1. 　直流電力を交流電力に変換し前記交流電力をモータに出力するパワー半導体素子と、
    　前記パワー半導体素子と電気的に接続される導体と、
    　前記導体と接続される基板配線を面上に有する基板と、
    　前記パワー半導体素子と前記導体と前記基板を封止する樹脂封止材と、を備え、
    　前記基板は、前記樹脂封止材の端部と接する位置に、前記基板配線の表面が連続した曲面状に凹んで形成された凹部を有する
    　パワーモジュール。
  2. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    　前記凹部は、深さが一定のＲ形状である
    　パワーモジュール。
  3. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    　前記凹部は、前記樹脂封止材の全周に形成される
    　パワーモジュール。
  4. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    　前記凹部は、前記基板の両面に形成されている
    　パワーモジュール。
  5. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    　前記凹部は、前記樹脂封止材の周囲の一部分に形成される
    　パワーモジュール。
  6. 　請求項１に記載のパワーモジュールを備え、
    　前記パワーモジュールは、ケースによって密閉固定され、
    　前記ケースの内部には、前記パワーモジュールを冷却するための冷却流路を導通させている
    　電力変換装置。
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CN116847534A (zh) * 2022-05-19 2023-10-03 上海沛塬电子有限公司 一种电源变换器、内埋集成器件单元、高散热高频功率模组及其制作方法

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