パワー半導体モジュールおよびパワーモジュール
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一面に前記半導体素子が搭載された導体板と、
前記導体板の側面部を覆い、前記一面に対向する他面の少なくとも一部を露出する樹脂封止部と、
前記樹脂封止部の下面および前記導体板の前記樹脂封止部から露出した前記他面の一部に設けられた溶射膜と、を備え、
前記樹脂封止部の下面に凹部が形成され、前記凹部の平面サイズは、前記溶射膜を構成する各扁平体の平面サイズより大き く形成され、前記凹部の前記導体板側の端部が、前記導体板の前記露出した他面の一部と前記樹脂封止部との境界面から所定の長さ離間した位置に設けられていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
Ｘ＝ｔε｛（Ｖ ｉ /Ｕ ｉ ）−１｝ 式（Ｉ）
但し、ｔは放電が最も発生し易い空隙の大きさ、εは封止樹脂の誘電率、Ｕ ｉは空隙の放電開始電圧、Ｖ ｉは部分放電開始電圧である。
本発明は、放熱性および信頼性に優れたパワー半導体モジュールおよびパワーモジュールに関する。
省エネルギーの観点から、自動車には高燃費化が求められ、モータで駆動する電気自動車や、モータ駆動とエンジン駆動を組み合わせたハイブリッドカーが注目されている。 自動車に用いる大容量の車載用モータは、バッテリの直流電圧では駆動や制御が困難であり、昇圧し交流制御するためパワー半導体素子のスイッチングを利用した電力変換装置が不可欠である。 また、パワー半導体素子は通電により発熱するため、パワー半導体素子を搭載するパワー半導体モジュールには、高い放熱能力を持つ絶縁層が求められる。
例えば、このようなパワー半導体モジュールとしては、パワー半導体素子とパワー半導体素子が搭載された導体板とを樹脂により封止して一体化し、導体部および樹脂部の下面に溶射によりセラミックス絶縁層を形成した構造体としたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 セラミック絶縁層は熱伝導率が良好であるため、このセラミック絶縁層に冷却用のヒートシンクを積層することにより、放熱性の良いパワー半導体モジュールを安価に作製することが可能となる。
上述したパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子が搭載された導体板および封止樹脂に溶射膜を形成するだけであるため、封止樹脂と溶射膜との密着力が小さい。 このため、導体板と封止樹脂との熱膨張係数の差に起因した熱応力により溶射膜が樹脂封止部から剥離し、信頼性を確保することができない。
本発明のパワー半導体モジュールは、半導体素子と、一面に半導体素子が搭載された導体板と、導体板の側面部を覆い、一面に対向する他面の少なくとも一部を露出する樹脂封止部と、樹脂封止部の下面および導体板の樹脂封止部から露出した他面の一部に設けられた溶射膜と、を備え、樹脂封止部の下面に凹部が形成され、凹部の平面サイズは、溶射膜を構成する各扁平体の平面サイズより大きく形成され、凹部の導体板側の端部が、導体板の露出した他面の一部と樹脂封止部との境界面から所定の長さ離間した位置に設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、樹脂封止部に凹部を設けたことにより、溶射膜と樹脂封止部の密着強度が増大するので、溶射膜の樹脂封止部からの剥離が防止され、信頼性を向上することができる。
以下、図を参照して、本発明に係るパワー半導体モジュールおよびパワーモジュールの適切な実施形態を説明する。
−実施形態１−
［パワーモジュール全体構造］
図１〜１５は、本発明によるパワー半導体モジュールの第１の実施の形態を示す図である。 図１はパワー半導体モジュールを有するパワーモジュールの外観斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
パワーモジュール３００は、スイッチング素子を含みトランスファーモールドされたパワー半導体モジュールを、モジュールケース３０４内に収納したものである。 パワーモジュール３００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される電力変換装置に用いられる。
図２に示すように、パワーモジュール３００は、図３に示すパワー半導体モジュール３０２をＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース（放熱用部材）３０４の内部に収納したものである。 ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６（図２参照）と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。 モジュールケース３０４は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。 また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより、つなぎ目の無い状態でケース状に一体成型されている。
モジュールケース３０４は、一側部に設けられた挿入口３０６以外に開口を設けない扁平状のケースであり、扁平状ケースの挿入口３０６にはフランジ３０４Ｂが設けられている。 扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部３０７Ａが設けられ、他方の面には放熱部３０７Ｂが設けられている。 放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂはモジュールケース３０４の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数のフィン３０５が均一に形成されている。 放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂを囲む周囲の面は、厚さが極端に薄く容易に塑性変形可能な薄肉部３０４Ａとなっている。 薄肉部３０４Ａを極端に薄くすることで、放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂをケース内側方向に加圧した際に、容易に変形することができる。 なお、モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要がなく、図１に示すように角が曲面を形成していても良い。
図３（ａ）は、パワーモジュール３００のモジュールケース３０４を取り外した斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩＩｂ-ＩＩＩｂ断面図である。
モジュールケース３０４内には一次封止体であるパワー半導体モジュール３０２が収容されており、パワー半導体モジュール３０２には、補助パワーモジュール６００が接続部３７０で接続されて、一体化されている。 接続部３７０における金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。 補助パワーモジュール６００に設けられた配線絶縁部６０８を、図１に示すようにネジ３０９によってモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂに固定することにより、モジュールケース３０４内においてパワー半導体モジュール３０２が位置決めされる。
［パワー半導体モジュール］
次に、図４〜１０を用いて、パワー半導体モジュール３０２の構成を説明する。 図４は、パワーモジュール３００の回路図である。 図５〜１０は、パワー半導体モジュール３０２の製造工程を示す図である。 パワーモジュール３００は、上アーム用ＩＧＢＴ３２８と下アーム用ＩＧＢＴ３３０とを直列したものであり、半導体素子としては、ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６を備えている。 これらの半導体素子は、図５に示すようにフラットパッケージ構造を有し、パッケージの表裏面に電極が形成されている。
上アーム用ＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム用ダイオード１５６のカソード電極は導体板３１５に接続され、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とダイオード１５６のアノード電極は導体板３１８に接続されている。 下アーム用ＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム用ダイオード１６６のカソード電極は導体板３２０に接続され、ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とダイオード１６６のアノード電極は導体板３１９に接続されている。 導体板３１８と導体板３２０とは、中間電極３２９を介して接続されている。 中間電極３２９により上アーム回路と下アーム回路とが電気的に接続され、図４に示すような上下アーム直列回路が形成される。 なお、導体板３１５、３２０、３１８、３１９としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属、それらの合金、複合体が用いられる。
図５に示すように、直流正極側の導体板３１５および交流出力側の導体板３２０と、上アーム用信号接続端子３２７Ｕおよび下アーム用信号接続端子３２７Ｌとは、共通のタイバー３７２に繋がれた状態で、これらが略同一平面状の配置となるように一体的に加工される。 上アーム用信号接続端子３２７Ｕには、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａがボンディングワイヤ３７１（図７参照）により接続される。 下アーム用信号接続端子３２７Ｌには、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａがボンディングワイヤ３７１（図７参照）により接続される。 導体板３１５、３２０の半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）が接合される部分には凸状の素子固着部３２２がそれぞれ形成されている。 各半導体素子は、それらの素子固着部３２２の上に金属接合材１６０によって接合される。 金属接合材１６０には、例えば、はんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等が用いられる。 金属接合材１６０には錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペースト等を用いることもできる。
ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６の上には、金属接合材１６０を介して導体板３１８と導体板３１９が略同一平面状に配置され、金属接合される。 図４に示すように、導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が接合される。 導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が接合される。 導体板３１５には直流正極接続端子３１５Ｄが形成されている。 導体板３２０には交流接続端子３２０Ｄが形成されている。 導体板３１９には直流負極接続端子３１９Ｄが形成されている。
上述したように、導体板３１５と導体板３１８の間にＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を挟み込むと共に、導体板３２０と導体板３１９の間にＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を挟み込み、導体板３２０と導体板３１８とを中間電極３２９により接続すると、図６に示す状態となる。 さらに、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａと信号接続端子３２７Ｕとをボンディングワイヤ３７１により接続すると共に、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａと信号接続端子３２７Ｌとをボンディングワイヤ３７１により接続すると、図７に示す状態となる。
図７に示す状態に組み立てた後、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）およびボンディングワイヤ３７１を含む部分を樹脂封止部３４８により封止する。 この封止はトランスファーモールドにより行われる。 図８に示すように、タイバー３７２の内側における符号３７３ａ、３７３ｂで示す部分（金型押圧面）を上下からトランスファーモールド用金型３７４で押さえ、金型押圧面３７３ａ-３７３ｂ間の領域内に封止用の樹脂を充填して樹脂封止部３４８を形成する。 樹脂封止部３４８は、表面側においては導体板３１８、３１９が露出されるように形成され、裏面側においては導体板３１５、３２０の一面が露出されるように形成される。 樹脂封止部３４８の表面には、図８に図示されるように、タイバー３７２と平行な方向に延出される複数の溝状の凹部３４８Ｃが形成されている。 詳細は後述するが、すべての凹部３４８Ｃの端部は、樹脂封止部３４８から露出された導体板３１８、３１９の端部から離間して位置している。 なお、後述するが、樹脂封止部３４８の裏面には、凹部３４８Ｃと同様な凹部３４８Ｄが形成されており、この凹部３４８Ｄの端部は、樹脂封止部３４８から露出された導体板３１５、３２０の端部から離間して位置している。
図９（ａ）、（ｂ）は、封止樹脂を形成するトランスファーモールド工程を説明する図であり、図９（ａ）は型締め前、図９（ｂ）は型締め後の断面図である。 図９（ａ）に示すように、図７に図示された封止前のパワー半導体モジュール３０２は、上側金型３７４Ａと下側金型３７４Ｂの間に設置される。 上側金型３７４Ａおよび下側金型３７４Ｂがパワー半導体モジュール３０２を上下から金型押圧面３７３ａ、３７３ｂにおいて挟み込んで型締めすることで、図９（ｂ）に示すように金型空間３７５が金型内に形成される。 この金型空間３７５に封止樹脂を充填して成型し、一次封止体であるパワー半導体モジュール３０２を作製する。 パワー半導体モジュール３０２は、図５を参照して理解される如く、導体板３１８、３１５の内面に、ＩＧＢＴ３２８、ダイオード１５６の表裏両面が密着し、導体板３１９、３２０の内面に、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１６６の表裏両面が密着された状態で、導体板３１８、３１５、３１９、３２０の周側面を樹脂封止されて一体化されている。
図９（ａ）に図示されるように、上側金型３７４Ａの内面には、封止樹脂が充填される領域に凸部３７４Ｃが、また、下側金型３７４Ｂの内面には、封止用の樹脂が充填される領域に凸部３７４Ｄが形成されている。
図９（ｂ）に図示されるように、樹脂封止前のパワー半導体モジュール３０２は、導体板３１８および３１９の表面（上面）が上側金型３７４Ａの内面に密着し、導体板３１５および３２０の表面（下面）が下側金型３７４Ｂの内面に密着した状態で成型される。
これにより、樹脂封止部３４８の表面は、それぞれ、導体板３１８、３１９の表面と、ほぼ同一面となり、導体板３１８、３１９の表面が樹脂封止部３４８から露出する。 また、樹脂封止部３４８の裏面は、それぞれ、導体板３１５、３２０の表面と、ほぼ同一面となり、導体板３１５、３２０の表面が樹脂封止部３４８から露出する。
また、上側金型３７４Ａの内面には凸部３７４Ｃが、下側金型３７４Ｂの内面には凸部３７４Ｄが形成されているため、上述した如く、樹脂封止部３４８の表裏両面には、図８に図示されるように、複数の溝状の凹部３４８Ｃが形成される。
図８において、凹部３４８Ｃは、平行な複数の溝形状として図示されているが、格子状に形成してもよい。 また、凹部３４８Ｃは、ドット状に形成して、直線状、あるいはマトリクス状に配列してもよい。 このことは、凹部３４８Ｄについても同様である。 凹部３４８Ｃ間の間隔に形成する凸部は、封止樹脂が折損しない強度を有するようにすればよく、特に、寸法に制限はないが、例えば、２００μｍ程度の幅を残すように形成すれば強度的にも十分である。
樹脂封止部３４８を形成する封止樹脂としては、例えば、ノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。 これらの樹脂に、ＳｉＯ ２、 Ａｌ ２ Ｏ ３、 ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどのフィラーを含有させ、熱膨張係数を導体板３１５、３２０、３１８、３１９に近づけて、導体板３１５、３２０、３１８、３１９との熱膨張係数の差を低減する。 このような樹脂を用いることにより、使用環境時の温度上昇に伴って発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュール３０２の寿命を延ばすことが可能となる。 セラミックスフィラーの最大粒径は、凹部３４８Ｃ、または３４８Ｄ同士の間隔の凸部の平面サイズ（面積）よりも小さいものを用いることが望ましい。 凹部３４８Ｃ、３４８Ｄ同士の間隔の凸部の平面サイズ（面積）よりも大きいフィラー粒径を用いた場合、封止樹脂３４８に未充填箇所が形成され、溶射膜７１０の接着強度が低下する。
なお、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、金型押圧面３７３ａ、３７３ｂでは、直流正極接続端子３１５Ｄ、直流負極接続端子３１９Ｄ、交流接続端子３２０Ｄ、信号接続端子３２７Ｕおよび信号接続端子３２７Ｌが一列に並べて配置されている。 こうした端子配置とすることで、上側金型３７４Ａおよび下側金型３７４Ｂを用いて、各端子と半導体素子との接続部において余分な応力を発生させずに、かつ、隙間なく型締めを行うことができる。 したがって、半導体素子との破損を招いたり、あるいは樹脂封止部３４８を構成する封止樹脂が金型の隙間から漏出したりすることなく、半導体素子との封止を行うことができる。
図９（ａ）、（ｂ）に示すように封止樹脂により封止した後、タイバー３７２を切除して、直流正極接続端子３１５Ｄ、交流接続端子３２０Ｄ、信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌをそれぞれ分離する。 そして、パワー半導体モジュール３０２の一辺側に一列に並べられている直流正極接続端子３１５Ｄ、直流負極接続端子３１９Ｄ、交流接続端子３２０Ｄ、信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌの各端部を、図１０に図示されるように、それぞれ、同一方向に折り曲げる。 これにより、接続部３７０においてパワー半導体モジュール３０２と補助パワーモジュール６００とを金属接合する際の作業を容易化して生産性を向上すると共に、金属接合の信頼性を向上することができる。
図１１（ａ）は補助パワーモジュール６００の斜視図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＸＩｂ−Ｘ１ｂ断面図である。
補助パワーモジュール６００は、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕ、３２４Ｌを備えている。 直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成型された配線絶縁部６０８によって、相互に絶縁された状態で一体に成型されている。 配線絶縁部６０８は各配線を支持するための支持部材としても作用し、配線絶縁部６０８に用いる樹脂材料には、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。 これにより、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号接続端子３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。
直流正極配線３１５Ａの上端には直流正極端子３１５Ｂが形成され、下端には、直流正極接続端子３１５Ｃが直角に折れ曲がるように形成されている。 直流負極配線３１９Ａの上端には直流負極端子３１９Ｂが形成され、下端には、直流負極接続端子３１９Ｃが直流正極接続端子３１５Ｃと同方向に折れ曲がるように形成されている。 交流配線３２０Ａの上端には交流端子３２０Ｂが形成され、下端には、交流接続端子３２０Ｃが直流正極接続端子３１５Ｃと同方向に折れ曲がるように形成されている。 信号配線３２４Ｕ、３２４Ｌの上端には、それぞれ信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌが形成されている。 一方、信号配線３２４Ｕ、３２４Ｌの下端には、信号接続端子３２６Ｕおよび信号接続端子３２６Ｌが直流正極接続端子３１５Ｃと同方向に折れ曲がるように形成されている。
このように、補助パワーモジュール６００側の接続部３７０を構成する直流正極接続端子３１５Ｃ、直流負極接続端子３１９Ｃ、交流接続端子３２０Ｃ、信号接続端子３２６Ｕおよび信号接続端子３２６Ｌは、図１１（ａ）に示すように一列に並べて配置されている。 そして、補助パワーモジュール６００側の接続部３７０（３２６Ｕ、３１５Ｃ、３１９Ｃ、３２６Ｌ、３２０Ｃ）は、図１０に示すように一列に並べて配置されているパワー半導体モジュール３０２側の接続部３７０（３２７Ｕ、３１５Ｄ、３１９Ｄ、３２７Ｌ、３２０Ｄ）と接続される。 接続には、例えば、ＴＩＧ溶接などを用いることができる。
［パワー半導体モジュールとモジュールケースの接合］
図２に図示されたパワーモジュール３００において、パワー半導体モジュール３０２は、絶縁層７００によりモジュールケース３０４に接着されている。
すなわち、パワー半導体モジュール３０２における導体板３１８、３１９とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａとの間、および導体板３１５、３２０とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ｂとの間には、それぞれ、絶縁層７００が介装されている。 導体板３１８、３１９と放熱部３０７Ａとの接着構造、および導体板３１５、３２０と放熱部３０７Ｂとの接着構造は同様であり、以下、両者を代表して導体板３１５、３２０と放熱部３０７Ｂとの接合構造について説明する。
図１２は、図２の領域ＸＩＩの拡大断面図である。
パワー半導体モジュール３０２と放熱部３０７Ｂの間には絶縁層７００が設けられている。
絶縁層７００は、絶縁性の酸化物やセラミックスの粉体を溶射して形成された溶射膜７１０の層と、溶射膜７１０に積層して設けられた樹脂性の絶縁膜７２０と、溶射膜７１０と絶縁膜７２０の積層体の周囲の側部に設けられた絶縁性の樹脂層７３０とを備えている。 溶射膜７１０は、パワー半導体モジュール３０２の導体板３１５、３２０の放熱面である表面３１５ａ、３２０ａ上および樹脂封止部３４８の表面上に形成されている。
上述した如く、パワー半導体モジュール３０２の樹脂封止部３４８の表面側には、複数の凹部３４８Ｄが設けられている。 凹部３４８Ｄは、その断面が、底面部が開口部よりも平面サイズ（面積）が大きい逆台形形状に形成されている。 換言すれば、底面部から開口部に向かって平面サイズが拡大する方向に傾斜する側面を有している。 溶射膜７１０は、この凹部３４８Ｄの深さよりも厚く形成され、各凹部３４８Ｄを充填して、樹脂封止部３４８の表面上に、切れ目の無いべた状に形成されている。
溶射膜７１０は、熱伝導率の良好な絶縁性の酸化物やセラミックス（以下、「セラミックス等」とする）により構成されている。 セラミックス等の粉末を、部分的あるいは完全溶融状態で導体板３１５、３２０および樹脂封止部３４８（以下、「基材」とする）に衝突させると、セラミックス等は基材表面に扁平形状で溶着する。 扁平形状に溶着して凝固した扁平体７１１の上にもセラミックス等の扁平体７１１がさらに溶着する。 このようにして、溶射膜７１０を構成する扁平体７１１は、溶射膜７１０内に三次元系な空孔７１２を形成しながら、基材および扁平体７１１同士で強固に接合される。
扁平体７１１の最大粒径は、凹部３４８Ｃ、または３４８Ｄにおける開口部の平面サイズ（面積）よりも小さいものを用いることが望ましい。 凹部３４８Ｃ、３４８Ｄにおける開口部の面積よりも大きいフィラー粒径を用いた場合、凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの内部にボイドが生じ、溶射膜７１０の接着強度が低下する。
溶射膜７１０の樹脂に対する接着強度は、アルミニウムや銅などの金属に対する接着強度に対して１/１００程度と小さい。 従って、本発明のように、パワー半導体モジュール３０２の金属部分と樹脂部分に溶射膜を形成する構造の場合、特に、樹脂部分において溶射膜の接着力が小さくなる。
これに対し、本発明の一実施の形態では、パワー半導体モジュール３０２の樹脂封止部３４８に複数の凹部３４８Ｄが形成されており、溶射膜７１０は、各凹部３４８Ｄの深さよりも厚く形成され、各凹部３４８Ｄを充填して、樹脂封止部３４８の表面上にべた状に形成されている。 このため、溶射膜７１０は、アンカー効果により、樹脂封止部３４８に強固に接合される。
溶射膜７１０に形成される空孔７１２には絶縁性の樹脂が含浸されている。 溶射膜７１０中に含浸される樹脂は、絶縁膜７２０の基材材料である樹脂と同一材料であってもよいし、異なる樹脂であってもよい。 絶縁膜７２０の基材材料である樹脂と同一とすると、後述する如く、作業能率を向上することが可能となる。
絶縁膜７２０は、溶射膜７１０に積層して形成されている。 絶縁膜７２０は、放熱部３０７Ｂを、溶射膜７１０を介してパワー半導体モジュール３０２の導体板３１５、３２０および樹脂封止部３４８に接着するものである。 このため、絶縁膜７２０には、高い熱伝導と強い接着力を有することが必要とされる。 従って、絶縁膜７２０は接着力が大きい樹脂材料が用いられる。 また、樹脂中に、セラミックス等が混入された樹脂を用いることにより、熱伝導率を一層向上することができる。
樹脂層７３０は、溶射膜７１０と絶縁膜７２０の積層体の周囲の側部に設けられている。
パワー半導体モジュール３０２は、図１２に示すように、金属の導体板３１５（３２０）、樹脂が含浸された溶射膜７１０、絶縁膜７２０および金属の放熱部３０７Ｂのように様々な熱膨張係数の部材を積層した構造を有している。 このように、様々な熱膨張係数の部材を接合や接着すると、応力が積層体の端部に集中し、端部から剥離が発生、進展していくことになる。 例えば、導体板３１５にＣｕを用いた場合にはその熱膨張係数αは１７程度となり、モジュールケース３０４にＡｌを用いた場合には放熱部３０７Ｂの熱膨張係数αは２３程度となる。 この熱膨張係数の違いにより、パワー半導体モジュール３０２全体の温度が上昇すると積層体に剥離や割れ等が発生しやすくなる。
樹脂層７３０は、このような積層体の端部に発生する応力集中を緩和する応力緩和用として形成されている。
［絶縁層の形成］
次に、図１３〜１５を参照して、絶縁層７００の形成方法を説明する。
図１３は、タイバー３７２が切り取られておらず、溶射膜７１０が形成される前のパワー半導体モジュール３０２の断面図である。 図１４（ａ）は、溶射膜が形成された状態のパワー半導体モジュールの断面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）における領域ＸＩＶｂの拡大図である。
上述したように、導体板３１５と導体板３２０、および導体板３１８と導体板３１９は、それぞれ、図１３の紙面に垂直な方向に並ぶように配置されている。 導体板３１５と導体板３１８に挟まれるようにＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６が配置され、導体板３２０と導体板３１９に挟まれるようにＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６が配置されている。 これらは樹脂封止部３４８によって封止されているが、導体板３１５、３２０、３１８、３１９の表面３１５ａ、３１８ａ、３１９ａ、３２０ａ（半導体素子が接合されている面と反対側の面）は樹脂封止部３４８から露出している。 また、表面３１５ａ、３１８ａ、３１９ａ、３２０ａと略同一平面にある樹脂封止部３４８には、凹部３４８Ｃ、３４８Ｄが形成されている。 図１３は、図３のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂと同一部分を切断した断面図であって、導体板３１５、３１８の部分の断面図である。
（溶射膜の形成）
図１２に示した絶縁層７００を形成するために、まず、図１４（ａ）に示すようにパワー半導体モジュール３０２の両面に溶射膜７１０を形成する。 図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の領域ＸＩＶｂの拡大図である。 溶射膜７１０は、表面３１５ａ、３１８ａ、３１９ａ、３２０ａの領域が含まれるように形成され、溶射膜７１０の周側縁は、略同一平面上の樹脂封止部３４８上に形成されている。 溶射膜７１０は絶縁体であり、酸化物やセラミックスの粉体を溶射して形成する。 本実施の形態ではプラズマ溶射法によりセラミックスの溶射膜７１０を形成しているが、他の溶射法、例えばアーク溶射法、高速フレーム溶射法等を用いても良い。 この時、図１４（ａ）に示すように、パワー半導体モジュール３０２は樹脂封止部３４８によって封止されているため、溶射処理時に半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６）やボンディングワイヤ３７１などへの物理的、化学的な影響を、樹脂封止部３４８によって防止することができる。 そのため、溶射のための複雑なマスキングを施す必要がなく、多数並べて一括で処理できるため生産性に優れる。
溶射による導体板３１５、３２０、３１８、３１９の温度上昇は、例えばろう材を用いて導体板３１５、３２０、３１８、３１９とセラミックス板を接合するよりもはるかに小さく、溶融、熱劣化、反りなどの熱変形も小さい。 例えば、溶射膜７１０をプラズマ溶射法により形成する場合には、パワー半導体モジュール３０２の温度上昇は１００〜１８０℃程度となる。 そのため、樹脂封止部３４８、金属接合材１６０、ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６の熱劣化を防止できる。 金属接合材１６０による半導体素子の接合は２２０〜３００℃程度の温度範囲でなされるので、この接合後に溶射膜７１０を形成しても金属接合部１６０の接合に影響が生じることはない。
一方、導体板３１５に溶射膜７１０を形成してから半導体素子を接合するような逆の手順で行なった場合には、半導体素子の接合温度が２２０〜３００℃程度と溶射膜形成時の温度上昇より高いため、熱膨張係数の小さい溶射膜７１０と熱膨張係数の大きな導体板３１５、３２０、３１８、３１９との積層部に発生する熱応力が溶射時よりも大きくなる。 すなわち、半導体素子を接合してから溶射膜７１０を形成する手順の方が、熱応力は低減される。
また、導体板３１５、３２０、３１８、３１９の溶射膜７１０が形成される表面３１５ａ、３１８ａ、３１９ａ、３２０ａを、エッチングにより化学粗化することによって、導体板３１５、３２０、３１８、３１９と溶射膜７１０との間の接合強度を向上させることができる。 この時も、図１４（ａ）に示すように、パワー半導体モジュール３０２は樹脂封止部３４８によって封止されているため、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６）やボンディングワイヤ３７１などへの物理的、化学的な影響を、樹脂封止部３４８によって防止することができ生産性に優れる。
溶射膜７１０を形成するための粉末としては、アルミナ、シリカ、マグネシア、ベリリアなどの酸化物、窒化アルミ、窒化珪素、窒化硼素などの窒化物、シリコンカーバイドなどの炭化物といった高熱伝導なセラミックスの粉体から選ぶのが好ましい。 また、これら単体組成に限らず、単体組成や酸化物と窒化物あるいは炭化物との複合組成、あるいは混合粉末を用いても良い。
酸化物からなる粉末は、表面の酸化層がバインダーとしての機能を果たし、溶射材である扁平体７１１相互間の接合力を大きいものとなる。 窒化物などからなる粉末は、溶融状態で溶射する際に、表面に酸化物が形成され、この酸化物により、扁平体７１１相互間の接合力が大きなものとなる。
導体板３１５、３２０、３１８、３１９および樹脂封止部３４８上に形成される溶射膜７１０は、図１４（ｂ）に示すように、上述のセラミックスが凝固し形成された扁平体７１１の集合体状になっており、扁平体７１１が層を成すように堆積している。 このように、プラズマ溶射法などにより、セラミックスの粉末を部分的あるいは完全溶融状態で基材に衝突させると、セラミックスは基材表面に扁平形状で溶着し、溶着して凝固した扁平体７１１の上にもさらに溶着することになる。
扁平体７１１同士の界面、扁平体７１１と導体板３１５、３２０、３１８、３１９との界面、および扁平体７１１と凹部３４８Ｃ、３４８Ｄが形成された樹脂封止部３４８との界面は、三次元的に溶着面を形成し強固に接合している。 そのため、パワー半導体モジュール３０２に溶射膜７１０を形成した後に、前述のように接続部３７０においてパワー半導体モジュール３０２と補助パワーモジュール６００とをＴＩＧ溶接等により金属接合する際に（図３参照）、溶射膜７１０に剥離や欠けなどが生じにくくなる。
溶射膜７１０を構成する各扁平体７１１の平面サイズ（面積）は、溶射時に、扁平体７１１により樹脂封止部３４８の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄとの間に空隙が発生するのを防止して、溶射膜７１０と樹脂封止部３４８との接合力を大きくするために、図１２に図示されるように、凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの平面サイズより小さくする必要がある。 換言すれば、樹脂封止部３４８の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの平面サイズを、溶射膜７１０を構成する各扁平体７１１の平面サイズより大きくすることが望ましい。
なお、マスキングをすれば部分的に溶射膜７１０を形成できるので、パワー半導体モジュール３０２と補助パワーモジュール６００とを金属接合した後に、溶射膜７１０を形成するようにしても良い。 しかし、使用中に発生する熱応力により剥離しないよう、この場合も溶射膜７１０が形成される樹脂封止部３４８の表面には凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを設け、溶射膜７１０の接着強度を増加した方がよい。 また、図１４（ｂ）に示すように、溶射プロセスにおいて溶射物である扁平体７１１の付着率が高く、扁平体７１１の第一層に欠陥が生じないようにするには、溶射膜の被着面の傾斜角度が４５°より大きく１３５°より小さい角度とする必要がある。 このため、凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの被着面に対する傾斜角度θは０°より大きく４５°より小さく（または１３５°より大きく１８０°より小さく）した方がよい。 さらに、凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの深さとしては、付与する溶射膜７１０よりも浅くすることで、樹脂封止部３４８の凹凸部での溶射膜７１０の割れを防止することができる。
（絶縁膜および樹脂層の形成）
次に、絶縁層を構成する絶縁膜７２０および樹脂層７３０の形成方法について説明する。
図１５（ａ）は溶射膜の形成工程を説明するための図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に続く工程を説明するための図である。
図１４に示すようにパワー半導体モジュール３０２の両面に溶射膜７１０を形成した後、図１２に示すように、その溶射膜７１０の上に絶縁膜７２０を形成し、溶射膜７１０の内部に樹脂を含浸し、さらに外周部に樹脂層７３０を形成する。 これらの層の形成は、一度のプロセスで行うことができる。 その方法を以下に示す。
パワー半導体モジュール３０２の両面に溶射膜７１０を形成し、次に、図１５（ａ）に示すように、溶射膜７１０の上に絶縁シート７２０Ａを配置する。 絶縁シート７２０Ａは、樹脂基材内にセラミックス等のフィラーが混入されたシート状の部材であり、この絶縁シート７２０Ａの量は、形成する絶縁膜７２０の量よりも多く設定される。 つまり、絶縁シート７２０Ａは、絶縁膜７２０よりも厚く形成される。 絶縁シート７２０Ａが形成されたパワー半導体モジュール３０２は、モジュールケース３０４内に挿入される。 パワー半導体モジュール３０２をモジュールケース３０４に挿入する場合、接続部３７０でパワー半導体モジュール３０２が接合された補助パワーモジュール６００の配線絶縁部６０８（図３参照）をモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂに固定すると位置合わせできる。
次いで、図１５（ｂ）の矢印で示すように、放熱部３０７Ａ、３０７ＢをＺ方向に加圧して、薄肉部３０４Ａをケース内側に変形させ、放熱部３０７Ａ、３０７Ｂをパワー半導体モジュール３０２に密着させる。 この時、絶縁シート７２０Ａは、パワー半導体モジュール３０２に圧着され絶縁膜７２０が形成される。 この圧着の際に、絶縁シート７２０Ａは絶縁膜７２０の厚さまで加圧されるため、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分は溶射膜７１０の空孔７１２に含浸されるとともに、溶射膜７１０の周側部に溢れ出る。 溶射膜７１０の周側部に溢れ出た絶縁シート７２０Ａの樹脂成分により樹脂層７３０が形成される。
例えば、絶縁シート７２０Ａはフィラーの混入量が２０ｖｏｌ． ％であるとする。 そして、フィラーの大きさは、溶射膜７１０の表面凹部の大きさよりも小さく、溶射膜７１０内の空孔７１２よりも大きく設定されている。 絶縁シート７２０Ａの樹脂成分が溶射膜７１０内の空孔７１２に含浸されるとともに、周囲の側部に樹脂が流れ出るように加圧し、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分が半分に減ったとする。 この場合、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分のみが周側部に流れ出るものとすると、樹脂層７３０内部にはフィラーは混入されておらず、絶縁膜７２０のフィラー混入率は約４０ｖｏｌ． ％程度まで増加することになる。 また、絶縁シート７２０Ａの樹脂成分と共に絶縁シート７２０Ａに含有されているフィラーの一部が周方向端部に流れ出るものとすると、樹脂層７３０にもフィラーが混入されることになる。
なお、樹脂層７３０の形成は、絶縁シート７２０Ａを用いる方法でなく、フィラーが混入した樹脂を塗布またはディップ等の方法により溶射膜７１０上に被着させる方法とすることもできる。
絶縁膜７２０を構成する樹脂には、接着性のあるフェノール系、アクリル系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、エポキシ系、シリコン系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエッセル系を基にした樹脂等が用いられる。 特に、接着性が高いビスマレイミドトリアジン系、ポリアミドイミド系、ポリイミド系、シアネートエッセル系、エポキシ系、フェノール系を基にした樹脂を用いるのが好ましく、接着後に剥離し難くパワー半導体モジュール３０２の寿命が高まる。
また、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６）から発生する熱をモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂに効率良く伝えるため、絶縁膜７２０には高い熱伝導率が要求される。 そのため、上記樹脂に熱伝導性向上のための良熱伝導性のフィラーを混入したものが、絶縁膜７２０に用いられる。 絶縁膜７２０に混入させるフィラーは絶縁性を有したものが良く、アルミナ、シリカ、マグネシア、ベリリアなどの酸化物、窒化アルミ、窒化珪素、窒化硼素などの窒化物、シリコンカーバイドなど炭化物などの高熱伝導なセラミックスのフィラーがより好ましい。 しかし、樹脂を含浸した絶縁シート３２０Ａが絶縁膜として機能するため、銀や銅やはんだやカーボンなど電気伝導性を有するフィラーも用いることが可能である。
絶縁膜７２０の形成範囲については、導体板３１５、３１８の表面３１５ａ、３１８ａの面積（図１４参照）よりも広い範囲で行うと、放熱性を最も高くできる。 ただし、樹脂封止部３４８の熱伝導率が導体板３１５、３２０、３１８、３１９の熱伝導率よりも十分小さいため、熱伝導率が高い絶縁膜７２０の形成範囲は、図１５（ａ）に示すように導体板３１５、３２０、３１８、３１９よりもやや広い範囲で十分である。
次に、溶射膜７１０内への樹脂含浸について説明する。 溶射膜７１０は、セラミックス充填率で最大９５％程度まで充填することができる。 しかし、図１２に示すように三次元的な空孔７１２が形成されているため、樹脂が含浸される前の溶射膜７１０の絶縁特性や熱伝導率は空孔７１２の影響によって大幅に低下する。 そこで、絶縁性の材料を用いて封孔処理を行う必要がある。 また、溶射膜７１０内に三次元的な貫通孔が形成されているため、そのままでは温度昇降に伴う熱応力での割れ感受性が高いという問題がある。 そこで、空気よりも熱伝導率が高く、溶射膜７１０を構成するセラミックスよりも熱膨張係数が大きい樹脂を含浸することで、これらの問題を解決することができる。
溶射膜７１０内の空孔７１２に樹脂を含浸することで、絶縁、放熱および熱サイクル耐性を向上できる。 ここで、含浸用の樹脂は、絶縁膜７２０に用いられる樹脂と同一にする方が、硬化時の親和性が高く接着性を高めることができるので好ましい。 また、含浸を行う際には、溶射膜７１０の空孔７１２とそこに含浸する樹脂との密着性を高めるために、空孔７１２にエッチング処理やカップリング処理を施すことが好ましい。
上述した如く、樹脂層７３０は、積層膜構造を有する絶縁層７００、導体板３１５および放熱部３０７Ｂからなる積層体の応力緩和機能を有する。
図１２に示す例では、樹脂層７３０は、絶縁膜７２０および溶射膜７１０の端部を覆うとともに、それらの外周方向に延在している。 本実施の形態では、樹脂層７３０は、絶縁膜７２０と同一の樹脂が用いられている。 しかし、絶縁膜７２０よりもフィラーの含有率を低くすることで、樹脂が含浸された溶射膜７１０およびフィラーを含む絶縁膜７２０に比べて熱伝導率が低く、弾性係数が小さいか、または接着強度が高いものとしている。
なお、樹脂層７３０は、樹脂封止部３４８と放熱部３０７Ｂの周側部との間に配置されるものであるため、絶縁層７００における樹脂層７３０の熱伝導率が低くても、パワー半導体モジュール３０２の放熱性に対する影響はほとんど無い。 樹脂封止部３４８に凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを設け、その凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの凹凸形状を反映する形で溶射膜７１０が形成させることで、樹脂層７３０との接着面積を大きくすることができる。 また、樹脂層７３０の厚さを大きくすることで応力緩和効果を高めることができる。
絶縁層７００を形成後、モジュールケース３０４内に封止樹脂３５１（図２参照）を充填して封止することで、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができる。 封止樹脂３５１としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。 また、エポキシ樹脂に対してはＳｉＯ ２ 、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数をモジュールケース３０４や導体板３１５、３２０、３１８、３１９に近づける。 これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワーモジュール３００の寿命をのばすことが可能となる。
次に、樹脂封止部３４８に形成された凹部３４８Ｃ、３４８Ｄと、最も電界集中する導体板３１５、３２０、３１８、３１９の端部との距離Ｘについて述べる。
図１６は、実施例１でのパワーモジュールの導体板３１５、３２０、３１８、３１９の端部と樹脂封止部３４８の拡大断面図である。 凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの側面３４８Ｅの溶射膜の被着面の傾斜角度θは、溶射膜７１０の未接着を防止するために、０°より大きく４５°よりも小さい範囲とする必要があることを説明した。 しかし、溶射膜７１０と樹脂封止部３４８の接着強度をさらに増加するには、図１７に示すように側面３４８Ｅの溶射膜の被着面の傾斜角度θを４５°よりも大きくした方がよい。 これにより、樹脂封止部３４８の単位面積あたりの凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの数を増加したり、より強いアンカー効果によって、剥離進展を抑制可能なせん断強度を上昇したりできる。 しかし、上述した如く、側面３４８Ｅと溶射膜７１０との間に未接着によるボイドが形成する可能性が高まる。
電界集中する導体板３１５、３２０、３１８、３１９周辺でのボイドの形成は、稼動中の電圧による部分放電を発生させ、部分放電により樹脂封止部３４８が劣化し絶縁破壊を生じるため、これを防止する必要がある。 ここで、導体板３１５、３２０、３１８、３１９から側面３４８Ｅまでの距離、すなわち導体板３１５、３２０、３１８、３１９の端部から凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの端部までの距離をＸとする。
図１８は、最も安全な距離（長さ）Ｘを見積もるための部分放電開始モデルである。 パワーモジュール３００に付与される最大電圧（最大定格）をＶとし、導体板３１５、３２０、３１８、３１９の端部から最も近い凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの端部の距離Ｘに大きさｔの空隙が形成し、絶縁層７００の厚さが０の時（いずれの絶縁層厚でも放電しない）が、部分放電開始構造としてワーストケースである。 封止樹脂の誘電率をε、空隙の放電開始電圧Ｕｉとすると、発生する部分放電開始電圧Ｖｉは、次の式（１）で表される。
Ｖｉ＝Ｕｉ（１＋Ｘ/ｔε） 式（１）
式（１）を変形して式（２）が得られる。
Ｘ＝ｔε｛（Ｖ ｉ /-Ｕ ｉ ）―１｝ 式（２）
Ｕ ｉは気圧と温度により変化するため、車両動作環境で最も放電しやすい環境を想定すると、０．６８５気圧、１２５℃である。 図１９はこの条件下で、樹脂封止部３４８の誘電率εを３．８、空隙に存在する気体を空気とした際、導体板３１５、３１８、３１９、（以下、代表して「３１８」を用いる）端部から樹脂封止部３４８の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの端部（導体板３１８に最寄りの端部）との距離Ｘ毎のパッシェンカーブである。 図１９の横軸は、空隙の大きさｔであり、縦軸が部分放電開始電圧となる。 距離Ｘ毎に放電しやすいｔの大きさは異なるが、Ｘを増加することで部分放電開始電圧が上昇することがわかる。 この関係を用い、いずれの空隙の大きさ、絶縁層７００の層厚でも放電しない距離Ｘとモジュール最大電圧の関係を導出することができる。 図２０に樹脂封止部３４８の誘電率εを２．０、３．８、６．０、８．０とした場合を示す。 図２０に示すように、一例として樹脂封止部３４８の誘電率εを３．８とした場合、５００Ｖの電圧が想定される場合は、Ｘを５０μｍ以上、８００Ｖの場合は１５０μｍ以上にすることで、絶縁劣化しないで接着強度を上昇させ寿命を向上できるパワーモジュール３００にすることができる。
図２０において、樹脂封止部３４８の誘電率が３．８よりも小さい場合には、相関曲線が点線で示す下方側に移動し、距離Ｘが小さくなる。 一方、樹脂封止部３４８の誘電率εが３．８よりも大きい場合には、相関曲線が二点鎖線で示す上方側に移動し、距離Ｘが大きくなる。 従って、誘電率εが３．８より小さい樹脂を用いることにより、距離Ｘを、上記一例の場合より小さくすることができる。
また、より高い絶縁特性、放熱性、熱サイクル耐性が必要なパワー半導体モジュール３０２の場合、溶射膜７１０の形成時に側面３４８Ｅが剥離していると、その後の樹脂含浸で補修されるが、含浸前に接着していて含浸後に剥離するとコロナ放電劣化が生じるので、樹脂含浸する場合でも、図２０に示す距離Ｘを適用することで信頼性が向上する。
本発明によるパワー半導体モジュールの一実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）半導体素子が搭載された導体板３１５、３２０、３１８、３１９の周囲を封止する樹脂封止部３４８に、複数の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを設け、この凹部３４８Ｃ、３４８Ｄ内を含め、樹脂封止部３４８の表面に溶射膜７１０を形成した。 このため、溶射膜７１０と樹脂封止部３４８との接着強度を向上することができる。
（２）樹脂封止部３４８に形成される凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの平面サイズを、溶射膜７１０を構成する各扁平体７１１の平面サイズよりも大きくした。 このため、溶射時に、扁平体７１１が部分的あるいは全面的に凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを塞ぐことにより、樹脂封止部３４８との間に大きな空隙が発生するのを防止して、溶射膜７１０と樹脂封止部３４８との接合力を、一層、向上することができる。
（３）樹脂封止部３４８に形成される凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを、断面形状が底部側よりも開口部側の平面サイズが大きい逆台形形状とした。 これによって、溶射時に、扁平体７１１と樹脂封止部３４８との間にボイドが発生する確率を低減することができる。
（４）溶射膜７１０上に、セラミックス等の含有率が小さい絶縁膜７２０を形成したので、パワー半導体モジュール３０２とモジュールケース３０４の放熱部３０７Ａ、３０７Ｂ間の熱伝達率を大きいものとすることができる。 また、絶縁膜７２０として接着力の大きい樹脂基材を用いるので、放熱部３０７Ａ、３０７Ｂとの接着強度を大きいものとすることができる。
（５）セラミックス等を含有する絶縁シート７２０Ａを圧着し、絶縁シート７２０Ａから溢れ出る樹脂成分を溶射膜７１０の空孔７１２に含浸させた。 これにより、溶射膜７１０の絶縁性および熱伝導性を向上することができる。 また、溶射膜７１０のクラック等に対する強度を向上することができる。 また、絶縁シート７２０Ａを圧着して絶縁膜７２０を形成するので、溶射膜７１０の空孔７１２の含浸および絶縁膜７２０を形成する際の作業効率が向上する。
（６）絶縁膜７２０および溶射膜７１０の周側部にフィラーを含有しないか、あるいはごく少量含有する樹脂層７３０を形成したため、絶縁層７００、導体板３１５および放熱部３０７Ｂからなる積層体に発生する応力を緩和することができる。 この場合、樹脂封止部３４８に凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを設け、その凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの凹凸形状を反映する形で溶射膜７１０が形成させることで、樹脂層７３０との接着面積を大きくすることができる。 また、樹脂層７３０の厚さを大きくすることで応力緩和効果が高まる。
（７）樹脂封止部３４８に形成される凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを導体板３１５、３２０、３１８、３１９の端部から所定距離だけ離間した。 このため、樹脂封止部３４８の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄ内にボイドが生じた場合でも、部分放電の発生を抑止することができる。
特に、導体板３１８の端部から凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの端部までの長さを式（２）により算出される距離Ｘより大きくすることにより、部分放電条件に最悪なサイズのボイドが形成されている場合であっても、部分放電を確実に抑止することができる。
（８）樹脂封止部３４８に形成される凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの側面３４８Ｅの溶射膜の被着面の傾斜角度θを４５°よりも大きくし、単位面積あたりの凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの数を増加させ、これにより、溶射膜７１０の接着強度を一層大きくすることができる。
なお、本発明によるパワー半導体モジュール３０２は、上記一実施の形態以外の形態とすることが可能である。
以下に、本発明の他の実施形態を示す。
-実施形態２-
図２１（ａ）は、樹脂封止部中に混在するフィラーが凹部から露出しない構造の断面図であり、図２１（ｂ）は、本発明の実施形態２に係り、樹脂封止部中に混在するフィラーが凹部から露出した構造の断面図である。
図２１（ａ）に示すように、樹脂封止部３４８は、半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６）、導体板３１５、３２０、３１８、３１９、モジュールケース３０４などの熱膨張係数が異なる材料が接続されることで発生する熱応力を緩和するために、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂３４８Ｇに、ＳｉＯ ２ 、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスフィラー３４８Ｆを含有させ、熱膨張係数を制御する。 樹脂封止部３４８には、最表面や導体板３１５、３２０、３１８、３１９との界面に、スキン層と呼ばれる樹脂３４８Ｇが存在する。
樹脂３４８Ｇの表面に、溶射膜７１０を形成する際、溶射膜７１０と樹脂封止部３４８との界面は、スキン層である樹脂３４８Ｇとなるため、接着強度は樹脂３４８Ｇと溶射膜７１０との接着強度を反映する。 これに対し、ブラスト処理を行うと樹脂３４８Ｇが優先的に除去され、図２１（ｂ）に示すように、最表面にＳｉＯ ２ 、Ａｌ ２ Ｏ ３ 、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスフィラー３４８Ｆが露出する。 これにより、フィラー３４８Ｆと溶射膜７１０との接着面積が増加し、樹脂封止部３４８との接着強度が上昇する。 一般的に、溶射膜７１０のセラミックスに対する接着強度は、樹脂に対する接着強度に対して１０〜２０倍の強度を有しており、セラミックスフィラー３４８Ｆが露出されることによりこの両者間の接着強度が反映される。
一方、上述したように、溶射プロセスにて付着率が高く溶射物である扁平体７１１の第一層に欠陥が生じないようにするには、側面３４８Ｅの溶射膜の被着面の傾斜角度θは０°より大きく４５°にした方がよい。 しかし、図２１（ｂ）に示すように、ブラスト処理により凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの側壁面３４８Ｈ部において０°より大きく４５°を外れる領域が発生する。 側壁面３４８Ｈ部では、接着強度が上昇するが、ボイドが形成しやすくなる。 そこで、図２０に示す所定の距離Ｘを設けることで絶縁特性の劣化が防止できる。 また、ブラスト条件によっては、導体板３１５、３２０、３１８、３１９よりも封止樹脂３４８の方が削れやすく段差ができる場合があるが、この場合は封止樹脂３４８の凹み量をその後形成する溶射膜７１０の厚さよりも小さくすることで段差による割れを防止することができる。 さらに、導体板３１５、３２０、３１８、３１９の角をテーパー、曲面にすると割れや電界集中を防止できるので好ましい。
-実施形態３-
図２２は、本発明の実施形態３を示す図であり、パワー半導体モジュールの要部を示す拡大断面図である。
図２２は、実施形態１における図１２に対応するパワー半導体モジュール３０２の部分を示しており、実施形態１との相違は、導体板３１５、３２０の表面３１５ａ、３２０ａおよび樹脂封止部３４８の表面３４８Ｊに微細な凹凸が形成されている点である。
微細な凹凸は、溶射膜７１０を構成する扁平体７１１の平面サイズよりも小さい平面サイズに形成されている。 このことは、微細な凹凸は、溶射膜７１０に形成された凹部３４８Ｃ、３４８Ｄよりも平面サイズが小さいことを意味する。 このような微細な凹凸は、ブラスト処理、ＣＶＤ装置を用いたドライエッチング、あるいはエッチング液によるウエットエッチング等により形成される。 導体板３１８、３１９の発熱面となる表面３１８ａ、３１９ａおよび樹脂封止部３４８の表面３４８Ｊに微細な凹凸を形成することにより、溶射膜７１０との接着強度を増大することができる。 また、トランスファーモールド等により樹脂封止部３４８を形成した後の樹脂のバリ等を除去することができる。
なお、上記において、微細な凹凸を、導体板３１５、３２０の表面３１５ａ、３２０ａおよび樹脂封止部３４８の表面３４８Ｊに設けた構造として例示した。 しかし、微細な凹凸を、導体板３１５、３２０の表面３１５ａ、３２０ａまたは樹脂封止部３４８の表面３４８Ｊのどちらか一方のみに設けるようにしてもよい。
-実施形態４-
図２３は、本発明の実施形態４を示す図であり、モジュールケース３０４内にパワー半導体モジュール３０２が収容された状態の断面図である。
図２３は、実施形態１における図１５（ｂ）に対応する状態の図である。
実施形態４における特徴は、モジュールケース３０４が、ケース本体（連接部）３６１と、ケース本体３６１とは別体に形成された多数のフィン３０５を有する放熱部３６２Ａ、３６２Ｂとにより構成されている点である。
モジュールケース３０４のケース本体３６１には、正面および背面に放熱部３６２Ａ、３６２Ｂを嵌合する大きさの開口部３６３ａ、３６３ｂが形成されている。 放熱部３６２Ａ、３６２Ｂは、超音波溶接あるいはＴＩＧ溶接などにより、開口部３６３ａ、３６３ｂ周縁のケース本体３６１に接合される。
他の構造は実施形態１と同様であり、対応する部材、部位に同一の符号を付して説明を省略する。
-実施形態５-
上述した各実施の形態では、ＣＡＮ型のモジュールケース３０４内にパワー半導体モジュール３０２が挿入されたパワーモジュール３００について説明した。 実施形態５では、その他の構造のパワーモジュールに対して、本発明のパワー半導体モジュールを適用した場合を示す。
図２４、２５を用いて片面冷却パワーモジュール３００の構成を説明する。 図２４は、図４の回路を実現する半導体素子と導体板の配置を示している。 この配置では、導体板３１８、３２０が同電位となり一枚の導体板で形成できる。 ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６の表面主電極は、複数の金属ワイヤあるいは金属リボンにより接続され、さらに導体板３１８、３１９に接続される。 ワイヤやリボンの材質は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金の単体および複合材である。 ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６の裏面電極は、金属接合材（図示せず）により導体板３１５に金属接合される。 導体板３１５、３１８と放熱部３０７は、絶縁層７００により接合される。 ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６の裏面電極は、金属接合材（図示せず）により導体板３１８に金属接合される。 導体板３１５、３１８、３１９と放熱部３０７とは、絶縁層７００により接合される。
図２５（ａ）、（ｂ）は、図２４の破線で示した部分の断面図である。 半導体素子から発熱した熱が導体板３１５、絶縁層７００、放熱部３０７を通り効率良く外部に放熱される。
樹脂封止部３４８には、凹部３４８Ｄが形成されている。 凹部３４８Ｄを含み、樹脂封止部３４８、および導体板３１５、３１８、３１９の表面に溶射膜７１０が形成されている。
溶射膜７１０上面に、高熱伝導なフィラーを分散した絶縁膜７２０が形成されている。
溶射膜７１０の空孔（図示せず）には、絶縁膜７２０の樹脂成分が含浸されている。 ここでも、積層体の周方向端部に樹脂層７３０が形成されるように樹脂の含浸を行う。 放熱部３０７の上面には、樹脂層７３０の流動を阻止する枠部３６４が形成されている。 含浸後、図２５（ａ）に示すように、圧着して一体化する。
パワー半導体素子裏面の導体板への接合とワイヤやリボンを用いた表面電極への接合した後に、樹脂封止部３４８により封止することで、導体板と放熱部接着時の加圧力による機械的な損傷を防止することができる。
このように、片面冷却パワーモジュール３００においても、樹脂封止部３４８に凹部３４８Ｄを形成し、凹部３４８Ｄを含め樹脂封止部３４８の表面に溶射膜７１０を形成することにより、アンカー効果により、溶射膜７１０の樹脂封止部３４８に対する接着強度を増大することができる。 導体板と放熱部３０７との間に配置される絶縁層７００の構成を、樹脂が含浸された溶射膜７１０とフィラーが混入された絶縁膜７２０との積層体としたことにより、パワー半導体素子から放熱部３０７への放熱性能の向上を図ることができる。 さらに、積層体の周方向端部に樹脂層７３０を設けたので、積層体端部における応力を緩和することができる。
-実施形態６-
上記各実施形態では、パワー半導体モジュール３０２を多数のフィン３０５を有する放熱部３０７Ａ、３０７Ｂにより冷却する構造であった。 しかし、他の冷却器により冷却するようにすることもできる。
図２６は、本発明の実施形態６を説明するための図であり、冷却器を備えたパワーモジュール３００の断面図である。
パワー半導体モジュール３０２は、樹脂層７３０の流動を阻止する枠部３６４を備えていない点を除けば、実施形態５に示した構造と同一である。 絶縁層７００の絶縁膜７２０には、冷却器３８０が密着して配置されている。 冷却器３８０内には、冷媒流路３８１が形成されていて、ここを冷媒が流れることにより、パワー半導体モジュール３０２が冷却される。
他の構成は、実施形態５と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して説明を省略する。
なお、図２６では、パワー半導体モジュール３０２の片面のみに冷却器３８０を配置した構造として例示した。 しかし、冷却器３８０は、パワー半導体モジュール３０２の両面に配置する構造とすることもできる。
また、実施形態１〜５に示したパワーモジュール３００においても、パワー半導体モジュール３０２を冷却する放熱部３０７Ａ、３０７Ｂに代えて、図２６に図示された冷却器３８０を用いることもできる。
[絶縁層の絶縁性能]
図２７と図２８を用いて本発明に用いられる絶縁層７００の絶縁性能を説明する。 図２７の横軸は基材に溶射膜７１０を形成した際の膜厚であり、縦軸は１００μｍ厚の溶射膜単体の絶縁破壊電圧を１とした場合の規格化絶縁破壊電圧である。 図２８の横軸は基材に溶射膜７１０を形成した際の膜厚であり、縦軸は１００μｍ厚の溶射膜単体のコロナ放電開始電圧を１とした場合の規格化部分放電開始電圧である。 部分放電開始電圧は、部分放電測定システムを用いて、Ａｌ板に溶射膜単体あるいは樹脂を含浸した溶射膜７１０上にＡｌ電極を設けて、交流電圧を０Ｖから印加し、電圧を１００Ｖ/ｓの速度で上昇させ、部分放電が開始する電圧を測定した。 ここで、部分電圧開始の閾値は２ｐｃとした。
図２７、２８に示すように、溶射膜単体では膜中に空孔を有しているため絶縁性能に劣るが、樹脂が含浸されることで絶縁破壊電圧とコロナ放電開始電圧が向上する。 特に、コロナ放電開始電圧は著しく向上する。 このように、樹脂を含浸した溶射膜７１０とフィラーを混入させた絶縁膜７２０との積層体から成る絶縁層７００は、溶射膜単体よりも絶縁性能に優れており、それをパワーモジュールに適用する際に、絶縁に必要な厚さを薄くできる。 絶縁層７００の厚さを薄くできることで、絶縁層７００の熱抵抗が低下し、パワーモジュールの放熱性を向上できる。
（比較例１）
図２９は絶縁層の構成に関する比較例である。 ここでは、厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板を、アルミナを用いてサンドブラスト処理した後、粒径１０〜３０μｍのアルミナ粒子を出力４０ｋWにてプラズマ溶射して溶射膜を形成した。 この時、Ａｌ板に形成する溶射膜の気孔率を抑制し、冷却時の溶射膜の割れを防止するために、溶射されるＡｌ板は１８０℃に予熱した。
比較する絶縁層の構成は、樹脂含浸無しのアルミナ溶射膜単体（比較例Ａ）と、空孔内にエポキシ樹脂を含浸したアルミナ溶射膜（比較例Ｂ）である。 作製した溶射膜は気孔率が１０％のもので厚さが１ｍｍである。 比較例Ａおよび比較例Ｂに対して、Ａｌ板をエッチングで除去しアルミナ溶射膜単体とした。 密度計による密度の測定、レーザフラッシュ法による熱拡散率の測定、示差走査熱量測定による比熱容量の測定をそれぞれ行い、アルミナ溶射膜単体の熱伝導率を算出した。
比較例Ａ、Ｂとは別に、以下のようにして比較例Ｃを作成した。 アルミナを用いてサンドブラスト処理した厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板を１８０℃に予熱し、粒径１０〜３０μｍのアルミナ粒子を用いてプラズマ溶射し、１００μｍの溶射膜を形成した。 次に、アルミナ溶射膜へのエポキシ樹脂を含浸し、それを厚さ２ｍｍ、１００ｍｍ角のＡｌへ接着した。
一方、比較例Ｄは、厚さ２ｍｍ、１００ｍｍ角のＡｌへの接着を、アルミナフィラーを混合したエポキシ樹脂層を用いて行った点が比較例Ｃと異なり、その他の構成は比較例Ｃと同じである。 ここで、比較例Ｄでは、アルミナ溶射膜の凹部にフィラーが入らないように、フィラー粒径を溶射膜の凹凸よりも大きくして作製した。
なお、比較例Ｃ、Ｄのいずれの場合も、接着樹脂の厚さが２５μｍとなるように、スペーサを挿入して接着を行った。 接着後に、超音波探傷にて樹脂接着層にボイドや未接合部がない１０ｍｍ角の領域を選定し、その領域を切り出して熱抵抗を測定した。 また、実際のＡｌ板、絶縁層内の溶射膜、接着樹脂層の厚さは、測定後に絶縁層に対し垂直方向に切り出した断面を走査型電子顕微鏡で観察し、測長して確認した。 これにより接合体全体の熱抵抗値から絶縁層自体の熱伝導率を算出した。 図３０の縦軸は、樹脂含浸無しの溶射膜単体の熱伝導率（Ｗ/ｍ・Ｋ）を１と規格化した熱伝導率であり、溶射膜の気孔率は１０％である。
図３０を参照して、本実施の形態の絶縁層７００の放熱特性を説明する。 上述した比較例の場合と同様に、厚さ２ｍｍの１５０ｍｍ角のＡｌ板を、アルミナを用いてサンドブラスト処理した後、粒径１０〜３０μｍのアルミナ粒子をプラズマ溶射し１００μｍの溶射膜を形成した。 その後、アルミナフィラー４０vol%を混入した３０μｍ厚のエポキシ絶縁シートを１１０℃、加圧２ＭＰａ、１分で仮付けした。 その後、減圧下でエポキシ樹脂をアルミナ溶射膜中に含浸させた。 次に、スペーサを挿入して厚さ２ｍｍ、１００ｍｍ角のＡｌ板を接着した。 なお、フィラーの粒径を１〜５μｍとして溶射膜の凹部にもフィラーが配置できるようにした。 さらに、接着時に加圧し樹脂層厚が２５μmとなるようにした。
接着後に、超音波探傷にて樹脂接着層にボイドや未接合部がない１０ｍｍ角の領域を選定し、その領域を切り出して熱抵抗を測定した。 また、実際のＡｌ板、絶縁層内の溶射膜、接着樹脂層の厚さは、測定後に絶縁層に対し垂直方向に切り出した断面を走査型電子顕微鏡で観察し、測長して確認した。 これにより接合体全体の熱抵抗値から絶縁層自体の熱伝導率を算出した。
図３０に示すように、比較例Ａ、Ｂを比べると、溶射膜単体に樹脂を含浸することで５倍以上熱伝導率が向上することがわかった。 これは、溶射膜孔内に存在する空気よりも含浸したエポキシ樹脂の方が、熱伝導率が大きいためである。 しかし、比較例Ｃに示すように、フィラーがない樹脂層が層状に複合化されると、絶縁層の熱伝導率が大きく低下することがわかる。 さらに、比較例Ｄに示すように、溶射膜凹部にもフィラーを設置しないと樹脂濃縮層が島状に形成しても熱伝導率が低下することがわかった。 このように、樹脂含浸した溶射膜を接合する際には接着する樹脂領域を減少することが重要となる。
これに対し、溶射膜凹部にフィラーを配置した場合は、樹脂領域を減少することができ比較例Ｃ、Ｄを上回る熱伝導率を発現することがわかった。 なお、比較しやすいように絶縁膜７２０の厚さを２５μｍとしたが、スペーサを挿入しないで接合することで混入する最大フィラー径近くまで薄くすることが可能である。 また、溶射膜の組成として、アルミナよりも熱伝導率が高い窒化アルミなどを溶射原料粉末に混合すれば、樹脂含浸後の溶射膜の熱伝導率をより高めることができる。 同様に、樹脂接着層に混在するフィラーについても、アルミナよりも熱伝導率が高いセラミックスを用いれば絶縁層７００の熱伝導率を向上させることが可能となる。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。 例えば、絶縁膜７２０の代わりに高熱伝導なグリスを用いてもよいし、接着性のない弾性シートを用いてもよい。 溶射膜７１０に樹脂を含浸させる代わりに、ガラスを含浸させるようにしてもよい。 また、以上の説明で用いた弾性係数とは、硬化後のヤング率のことを意味しており、動的粘弾性試験にて周波数１０Ｈｚ、昇温速度が３℃/minで測定した貯蔵弾性率のことである。 接着力は、ＪＩＳＫ６８５０で測定した値である。
［車載電気システムへの適用］
上述したパワーモジュールは、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電力変換装置、電車や船舶、航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に適用可能である。 以下では、図３１〜４２を用いてハイブリッド自動車の電力変換装置に適用した場合を例に説明する。
（制御ブロック）
図３１は、ハイブリッド電気自動車の制御ブロックを示す図である。 図３１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。 その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。 エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。 もう１つは、モータジェネレータ１９２、１９４を動力源とした車載電機システムである。 車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。 モータジェネレータ１９２、１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。 車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。 本実施形態のＨＥＶでは、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。 前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。 前輪側ＤＥＦ１１６の入力側にはトランスミッション１１８の出力軸が機械的に接続されている。 トランスミッション１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。 モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。
インバータ部１４０、１４２は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と電気的に接続される。 バッテリ１３６とインバータ部１４０、１４２との相互において電力の授受が可能である。 本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。 なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。 さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。 補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。 バッテリ１３６からインバータ部４３に直流電力が供給され、インバータ部４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。 インバータ部４３は、インバータ部１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。 モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ部４３の最大変換電力がインバータ部１４０や１４２より小さいが、インバータ部４３の回路構成は基本的にインバータ部１４０や１４２の回路構成と同じである。 なお、電力変換装置２００は、インバータ部１４０、インバータ部１４２、インバータ部４３に供給される直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。
（電力変換装置の制御回路）
図３２を用いてインバータ部１４０やインバータ部１４２あるいはインバータ部４３の電気回路構成を説明する。 なお、図３２では、代表例としてインバータ部１４０の説明を行う。
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分を設けている。 それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極３２９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１６７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサの電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１６８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。 ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。 この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５１と、ゲート電極１５４を備えている。 また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。 ダイオード１５６が、ＩＧＢＴ３２８と電気的に並列に接続されている。 また、ダイオード１５８が、ＩＧＢＴ３３０と電気的に並列に接続されている。 スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１５８は不要となる。 コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。 なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。 マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。 目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。 電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。 磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。 本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ、ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ、ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ、ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ、ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ、ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。 そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。 また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。
また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。 このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。 例えば各アームの信号用エミッタ電極１５１及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。 これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。 上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。 また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。 マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
なお、図３２におけるゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５は図１の信号端子３２５Ｕに対応し、ゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５は図１の信号端子３２５Ｌに対応する。 また、正極端子１５７は図１の直流正極端子３１５Ｂと同一のものであり、負極端子１５８は図１の直流負極端子３１９Ｂと同一のものである。 また、交流端子１５９は、図１の交流端子３２０Ｂと同じものである。
（電力変換装置の設置構造）
図３３は、電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。 電力変換装置２００は、トランスミッション１１８を収納するためのＡｌまたはＡｌ合金製の筐体１１９に固定される。 電力変換装置２００は、底面及び上面の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易いという効果がある。 冷却ジャケット１２は、後述するパワーモジュール３００ａ〜３００ｆ及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によって冷却する。 また、冷却ジャケット１２は、筐体１１９に固定され、かつ筐体１１９との対向面に入口配管１３と出口配管１４が形成されている。 入口配管１３と出口配管１４が筐体１１９に形成された配管と接続されることにより、トランスミッション１１８を冷却するための冷却媒体が、冷却ジャケット１２に流入及び流出する。
ケース１０は、電力変換装置２００を覆って、かつ筐体１１９側に固定される。 ケース１０の底は、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０と対向するように構成される。 またケース１０は、ケース１０の底から外部に繋がる第１開口２０２と第２開口２０４を、ケース１０の底面に形成する。 コネクタ２１は、制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を当該制御回路基板２０に伝送する。 バッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。
コネクタ２１とバッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、ケース１０の底面に向かって延ばされ、コネクタ２１は第１開口２０２から突出し、かつバッテリ負極側接続端子部５１０及びバッテリ正極側接続端子部５１２は第２開口２０４から突出する。 ケース１０には、その内壁の第１開口２０２及び第２開口２０４の周りにシール部材（不図示）が設けられる。
コネクタ２１等の端子の勘合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から勘合面を上向きにして出すことが好ましい。 特に、本実施形態のように、電力変換装置２００が、トランスミッション１１８の上方に配置される場合には、トランスミッション１１８の配置側とは反対側に向かって突出させることにより、作業性が向上する。 また、コネクタ２１は外部の雰囲気からシールする必要があるが、コネクタ２１に対してケース１０を上方向から組付ける構成となることで、ケース１０が筐体１１９に組付けられたときに、ケース１０と接触するシール部材がコネクタ２１を押し付けることができ、気密性が向上する。
（電力変換装置の分解構造）
図３４は、電力変換装置２００の分解斜視図である。 冷却ジャケット１２には、流路１９が設けられ、該流路１９の上面には、開口部４００ａ〜４００ｃが冷媒の流れ方向４１８に沿って形成され、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃが冷媒の流れ方向４２２に沿って形成される。 開口部４００ａ〜４００ｃがパワーモジュール３００ａ〜３００ｃによって塞がれるように、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃがパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆによって塞がれる。
また、冷却ジャケット１２には、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５が形成される。 コンデンサモジュール５００は、収納空間４０５に収納されることにより、流路１９内に流れる冷媒によって冷却されることになる。 コンデンサモジュール５００は、冷媒の流れ方向４１８を形成するための流路１９と、冷媒の流れ方向４２２を形成するための流路１９に挟まれるため、効率良く冷却することができる。
冷却ジャケット１２には、入口配管１３と出口配管１４と対向する位置に突出部４０７が形成される。 突出部４０７は、冷却ジャケット１２と一体に形成される。 補機用パワー半導体モジュール３５０は、突出部４０７に固定され、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。 補機用パワー半導体モジュール３５０の側部には、バスバーモジュール８００が配置される。 バスバーモジュール８００は、交流バスバー１８６や電流センサ１８０等により構成される。
このように冷却ジャケット１２の中央部にコンデンサモジュール５００の収納空間４０５を設け、その収納空間４０５を挟むように流路１９を設け、それぞれの流路１９に車両駆動用のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆを配置し、さらに冷却ジャケット１２の上面に補機用パワー半導体モジュール３５０を配置することで、小さい空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。 また冷却ジャケット１２の流路１９の主構造を冷却ジャケット１２と一体にＡｌまたはＡｌ合金材の鋳造で作ることにより、流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。 またＡｌ鋳造で作ることで冷却ジャケット１２と流路１９とが一体構造となり、熱伝達が良くなり冷却効率が向上する。
なお、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆを流路１９に固定することで流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。 水漏れ試験に合格した場合に、次にコンデンサモジュール５００や補機用パワー半導体モジュール３５０や基板を取り付ける作業を行うことができる。 このように、電力変換装置２００の底部に冷却ジャケット１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００、補機用パワー半導体モジュール３５０、バスバーモジュール８００、基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
ドライバ回路基板２２は、補機用パワー半導体モジュール３５０及びバスバーモジュール８００の上方に配置される。 また、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。 金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
（冷却ジャケット）
図３５は、流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。 冷却ジャケット１２と当該冷却ジャケット１２の内部に設けられた流路１９は、一体に鋳造されている。 冷却ジャケット１２の下面には、１つに繋がった開口部４０４が形成されている。 開口部４０４は、中央部に開口を有する下カバー４２０によって塞がれる。 下カバー４２０と冷却ジャケット１２の間には、シール部材４０９a及びシール部材４０９ｂが設けられ気密性を保っている。
下カバー４２０には、一方の端辺の近傍であって当該端辺に沿って、入口配管１３を挿入するための入口孔４０１と、出口配管１４を挿入するための出口孔４０３が形成される。 また下カバー４２０には、トランスミッション１１８の配置方向に向かって突出する凸部４０６が形成される。 凸部４０６は、パワーモジュール３００a〜３００ｃ及びパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆ毎に設けられる。
冷媒は、流れ方向４１７のように、入口孔４０１を通って、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９aに向かって流れる。 そして冷媒は、流れ方向４１８のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂを流れる。 また冷媒は、流れ方向４２１のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃを流れる。 第３流路部１９ｃは折り返し流路を形成する。 また、冷媒は、流れ方向４２２のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第４流路部１９ｄを流れる。 第４流路部１９ｄは、コンデンサモジュール５００を挟んで第２流路部１９ｂと対向する位置に設けられる。 さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第５流路部１９ｅ及び出口孔４０３を通って出口配管１４に流出する。
第１流路部１９a、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃ、第４流路部１９ｄ及び第５流路部１９ｅは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。 パワーモジュール３００a〜３００ｃが、冷却ジャケット１２の上面側に形成された開口部４００a〜４００ｃから挿入され（図３４参照）、第２流路部１９ｂ内の収納空間に収納される。 なお、パワーモジュール３００aの収納空間とパワーモジュール３００ｂの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ａが形成される。 同様に、パワーモジュール３００ｂの収納空間とパワーモジュール３００ｃの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ｂが形成される。 中間部材４０８ａ及び中間部材４０８ｂは、その主面が冷媒の流れ方向に沿うように形成される。 第４流路部１９ｄも第２流路部１９ｂと同様にパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆの収納空間及び中間部材を形成する。 また、冷却ジャケット１２は、開口部４０４と開口部４００a〜４００ｃ及び４０２a〜４０２ｃとが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
下カバー４２０には、筐体１１９と当接し、電力変換装置２００を支持するための支持部４１０ａ及び支持部４１０ｂが設けられる。 支持部４１０ａは下カバー４２０の一方の端辺に近づけて設けられ、支持部４１０ｂは下カバー４２０の他方の端辺に近づけて設けられる。 これにより、電力変換装置２００を、トランスミッション１１８やモータジェネレータ１９２の円柱形状に合わせて形成された筐体１１９の側壁に強固に固定することができる。
また、支持部４１０ｂは、抵抗器４５０を支持するように構成されている。 この抵抗器４５０は、乗員保護やメンテナンス時における安全面に配慮して、コンデンサセルに帯電した電荷を放電するためのものである。 抵抗器４５０は、高電圧の電気を継続的に放電できるように構成されているが、万が一抵抗器もしくは放電機構に何らかの異常があった場合でも、車両に対するダメージを最小限にするように配慮した構成とする必要がある。 つまり、抵抗器４５０がパワーモジュールやコンデンサモジュールやドライバ回路基板等の周辺に配置されている場合、万が一抵抗器４５０が発熱、発火等の不具合を発生した場合に主要部品近傍で延焼する可能性が考えられる。
そこで、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃやパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆやコンデンサモジュール５００は、冷却ジャケット１２を挟んで、トランスミッション１１８を収納した筐体１１９とは反対側に配置され、かつ抵抗器４５０は、冷却ジャケット１２と筐体１１９との間の空間に配置される。 これにより、抵抗器４５０が金属で形成された冷却ジャケット１２及び筐体１１９で囲まれた閉空間に配置されることになる。 なお、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに貯まった電荷は、図３４に示されたドライバ回路基板２２に搭載されたスイッチング手段のスイッチング動作によって、冷却ジャケット１２の側部を通る配線を介して抵抗器４５０に放電制御される。 本実施形態では、スイッチング手段によって高速に放電するように制御される。 放電を制御するドライバ回路基板２２と抵抗器４５０の間に、冷却ジャケット１２が設けられているので、ドライバ回路基板２２を抵抗器４５０から保護することができる。 また、抵抗器４５０は下カバー４２０に固定されているので、流路１９と熱的に非常に近い位置に設けられているので、抵抗器４５０の異常な発熱を抑制することができる。
（コンデンサモジュール）
図３６は、コンデンサモジュール５００の分解斜視図である。 積層導体板５０１は、薄板状の幅広導体で形成された負極導体板５０５及び正極導体板５０７、さらに負極導体板５０５と正極導体板５０７に挟まれた絶縁シート５１７により構成されているので、低インダクタンス化が図られている。 積層導体板５０１は、略長方形形状を成す。 バッテリ負極側端子５０８及びバッテリ負極側端子５０９は、積層導体板５０１の短手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。
コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、積層導体板５０１の長手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。 また、コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の長手方向の他方の辺から立ち上げられた状態で形成される。 なお、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の主面を横切る方向に立ち上げられている。 コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとそれぞれ接続される。 コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、パワーモジュール３００ｄ〜３００ｆとそれぞれ接続される。 コンデンサ端子５０３ａを構成する負極側コンデンサ端子５０４ａと正極側コンデンサ端子５０６ａとの間には、絶縁シート５１７の一部が設けられ、絶縁が確保されている。 他のコンデンサ端子５０３ｂ〜５０３ｆも同様である。 なお、本実施形態では、負極導体板５０５、正極導体板５０７、バッテリ負極側端子５０８、バッテリ負極側端子５０９、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆは、一体に成型された金属製板で構成され、インダクタンス低減及び生産性の向上を図っている。
コンデンサセル５１４は、積層導体板５０１の下方に複数個設けられる。 本実施形態では、８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べられ、かつさらに別の８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べられ、合計１６個のコンデンサセルが設けられる。 積層導体板５０１の長手方向のそれぞれの辺に沿って並べられたコンデンサセル５１４は、図３６に示される破線部Ａ−Ａ'を境に対称に並べられる。 これにより、コンデンサセル５１４によって平滑化された直流電流をパワーモジュール３００a〜３００ｃ及びパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆに供給する場合に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化され、積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができる。 また、電流が積層導体板５０１にて局所的に流れることを防止できるので、熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
また、バッテリ負極側端子５０８とバッテリ負極側端子５０９も、図３６に示される点線Ａ−Ａ'を境にて対称に並べられる。 同様に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化されて積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができ、かつ熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
本実施形態のコンデンサセル５１４は、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であり、片面にＡｌなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属の各々を正極、負極としたフィルムコンデンサを用いる。 コンデンサセル５１４の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極、負極電極となり、Ｓｎなどの導電体を吹き付けて製造される。 セル端子５１６及びセル端子５１８は、正極電極及び負極電極に接続され、かつ積層導体板５０１の開口部を通ってコンデンサセル５１４配置側とは反対側まで延ばされ、正極導体板５０７及び負極導体板５０５とはんだあるいは溶接により接続される。
本実施形態のコンデンサセル５１４は、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であり、片面にＡｌなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属の各々を正極、負極としたフィルムコンデンサを用いる。 コンデンサセル５１４の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極、負極電極となり、Ｓｎなどの導電体を吹き付けて製造される。 セル端子５１６及びセル端子５１８は、正極電極及び負極電極に接続され、かつ積層導体板５０１の開口部を通ってコンデンサセル５１４配置側とは反対側まで延ばされ、正極導体板５０７及び負極導体板５０５とはんだあるいは溶接により接続される。
収納部５１１の底面部５１３は、円筒形のコンデンサセル５１４の表面形状に合わせるように、なめらかな凹凸形状若しくは波形形状を成している。 これにより、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４が接続されたモジュールをコンデンサケース５０２に位置決めさることが容易になる。 また、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４がコンデンサケース５０２に収納された後に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆとバッテリ負極側端子５０８及びバッテリ負極側端子５０９を除いて、積層導体板５０１が覆われるようにコンデンサケース５０２内に充填材（図示せず）が充填される。 底面部５１３がコンデンサセル５１４の形状に合わせて波形形状となっていることにより、充填材がコンデンサケース５０２内に充填される際に、コンデンサセル５１４が所定位置からずれることを防止できる。
また、コンデンサセル５１４は、スイッチング時のリップル電流により、内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜、内部導体の電気抵抗により発熱する。 そこで、コンデンサセル５１４の熱をコンデンサケース５０２に逃がし易くするために、コンデンサセル５１４を充填材でモールドする。 さらに樹脂製の充填材を用いることにより、コンデンサセル５１４の耐湿も向上させることができる。
さらに、本実施形態では、コンデンサモジュール５００は、収納部５１１の長手方向の辺を形成する側壁が流路１９に挟まれように配置されているので、コンデンサモジュール５００を効率良く冷やすことができる。 また、コンデンサセル５１４は、当該コンデンサセル５１４の電極面の一方が収納部５１１の長手方向の辺を形成する内壁と対向するように配置されている。 これにより、フィルムの巻回軸の方向に熱が伝達し易いので、熱がコンデンサセル５１４の電極面を介してコンデンサケース５０２に逃げやすくなっている。
（パワーモジュールの取付け構造）
図３７（ａ）は、冷却ジャケット１２内にパワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュールを組み付けた外観斜視図である。 図３７（ｂ）は、図３７（ａ）の矩形囲み部の拡大図である。
図３７（ｂ）に示されるように、直流負極端子３１５B、直流正極端子３１９ｂ、交流端子３２１及び第２封止部６０１ｂは、コンデンサケース５０２の貫通孔５１９を通って、フランジ５１５ａの上方まで延びている。 直流負極端子３１７ｂ及び直流正極端子３１９ｂの電流経路の面積は、積層導体板５０１の電流経路の面積より非常に小さい。 そのため、電流が積層導体板５０１から直流負極端子３１７ｂ及び直流正極端子３１９ｂに流れる際には、電流経路の面積が大きく変化することになる。 つまり、電流が直流負極端子３１７ｂ及び直流正極端子３１９ｂに集中することになる。 また、直流負極端子３１７ｂ及び直流正極端子３１９ｂが積層導体板５０１を横切る方向に突出する場合、言い換えると、直流負極端子３１７ｂ及び直流正極端子３１９ｂが積層導体板５０１とねじれの関係にある場合、新たな接続用導体が必要になり生産性低下やコスト増大の問題が生じる。
そこで、負極側コンデンサ端子５０４ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立ち上がり部５４０と、当該立ち上がり部５４０と接続されかつU字状に屈曲した折返し部５４１と、当該折返し部５４１と接続されかつ立ち上がり部５４０とは反対側の面が直流負極端子３１９ｂの主面と対向する接続部５４２とにより構成される。 また、正極側コンデンサ端子５０６ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立ち上がり部５４３と、折返し部５４４と、当該折返し部５４４と接続されかつ立ち上がり部５４３とは反対側の面が直流負極端子３１７ｂの主面と対向する接続部５４５と、により構成される。 特に、折返し部５４４は、立ち上がり部５４３と略直角に接続されかつ負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１７ｂと直流正極端子３１９ｂの側部を跨ぐように構成される。 さらに、立ち上がり部５４０の主面と立ち上がり部５４３の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。 同様に、折返し部５４１の主面と折返し部５４４の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。
これにより、コンデンサ端子５０３ａが接続部５４２の直前まで絶縁シート５１７を介した積層構造を成すため、電流が集中する当該コンデンサ端子５０３ａの配線インダクタンスを低減することができる。 また、折返し部５４４が負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１７ｂと直流正極端子３１９ｂの側部を跨ぐように構成される。 さらに、直流正極端子３１９ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流負極端子３１７ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。
これにより、直流正極端子３１９ｂ及び直流負極端子３１７ｂの溶接接続するための作業方向と折返し部５４４とが干渉することがなくなるので、低インダクタンスを図りながら生産性を向上させることができる。
また、交流端子３２１の先端は交流バスバー８０２ａの先端とは溶接により接続される。 溶接をするための生産設備において、溶接機械を溶接対象に対して複数方向に可動出来るように作ることは、生産設備を複雑化させることにつながり生産性及びコスト的な観点から好ましくない。 そこで、本実施形態では、交流端子３２１の溶接箇所と直流正極端子３１９ｂの溶接箇所は、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。 これにより、溶接機械を一方向に可動する間に、複数の溶接を行うことができ、生産性が向上する
さらに、図３４及び図３７（ａ）に示されるように、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃおよびパワーモジュール３００ｄ〜３００ｆは、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。 これにより、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃを溶接する際に、更に生産性を向上させることができる。
（バスバーモジュールと冷却ジャケットの組付け）
図３８は、パワーモジュールとコンデンサモジュールを組み付けた冷却ジャケット１２とバスバーモジュール８００の分解斜視図である。 図３９は、保持部材８０３を除いたバスバーモジュール８００の外観斜視図である。
図３８及び図３９に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの設置箇所まで、当該第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。 また、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａの貫通孔又は電流センサ１８０ｂの貫通孔の直前で略直角に折り曲げられる。 これにより、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂを貫通する第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの部分は、その主面が積層導体板５０１の主面と略平行になる。 そして、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの端部には、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆと接続する為の接続部８０５ａ〜８０５ｆが形成される（接続部８０５ｄ〜８０５ｆは図示せず）。
第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、接続部８０５ａ〜８０５ｆの近傍で、コンデンサモジュール５００側に向かって略直角に折り曲げられる。 これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。 さらに第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの近傍から、図３９に示された冷却ジャケット１２の短手方向の一方の辺１２ａに向かって延ばされ、当該辺１２ａを横切るように形成される。 つまり、複数の第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面が向かい合った状態で、当該第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが辺１２ａを横切るように形成される。
これにより、装置全体を大型化させることなく、冷却ジャケット１２の短い辺側から複数の板状交流バスバーを外部に突出させることができる。 そして、冷却ジャケット１２の一面側から複数の交流バスバーを突出させることで、電力変換装置２００の外部での配線の取り回しが容易になり、生産性が向上する。
図３８に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆ、電流センサ１８０ａ〜１８０ｂ及び第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、樹脂で構成された保持部材８０３によって、保持及び絶縁されている。 この保持部材８０３により、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが金属製の冷却ジャケット１２及び筐体１１９との間の絶縁性を向上させる。 また保持部材８０３が冷却ジャケット１２に熱的に接触又は直接接触することにより、トランスミッション１１８側から第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆに伝わる熱を、冷却ジャケット１２に逃がすことができるので、電流センサ１８０ａ〜１８０ｂの信頼性を向上させることができる。
図３８に示されるように、保持部材８０３は、図３２に示されたドライバ回路基板２２を支持するための支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂを設ける。 支持部材８０７ａは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べて形成される。 また、支持部材８０７ｂは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べて形成される。 支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂの先端部には、ドライバ回路基板２２を固定するための螺子穴が形成されている。
さらに、保持部材８０３は、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂが配置された箇所から上方に向かって延びる突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂを設ける。 突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂは、それぞれ電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂを貫通するように構成される。 図３８に示されるように、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、ドライバ回路基板２２の配置方向に向かって延びる信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂを設ける。 信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂは、ドライバ回路基板２２の配線パターンとはんだによって接合される。 本実施形態では、保持部材８０３、支持部材８０７ａ〜８０７ｂ及び突起部８０６ａ〜８０６ｂは、樹脂で一体に形成される。
これにより、保持部材８０３が電流センサ１８０とドライバ回路基板２２との位置決め機能を備えることになるので、信号線１８２ａとドライバ回路基板２２との間の組み付け及びはんだ接続作業が容易になる。 また、電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を保持する機構を保持部材８０３に設けることで、電力変換装置全体としての部品点数を削減できる。
電力変換装置２００はトランスミッション１１８を収納した筐体１１９に固定されるので、トランスミッション１１８からの振動の影響を大きく受ける。 そこで、保持部材８０３は、ドライバ回路基板２２の中央部の近傍を指示するための支持部材８０８を設けて、ドライバ回路基板２２に加わる振動の影響を低減している。 なお、保持部材８０３は、冷却ジャケット１２に螺子により固定される。
また、保持部材８０３は、補機用パワー半導体モジュール３５０の一方の端部を固定するためのブラケット８０９を設ける。 また図３４に示されるように、補機用パワー半導体モジュール３５０は突出部４０７に配置されることにより、当該補機用パワー半導体モジュール３５０の他方の端部が当該突出部４０７に固定される。 これにより、補機用パワー半導体モジュール３５０に加わる振動の影響を低減するとともに、固定用の部品点数を削減することができる。
（電力変換装置の組付け構造）
図４０は、パワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュール８００と補機用パワー半導体モジュール３５０を組み付けた冷却ジャケット１２の外観斜視図である。 電流センサ１８０は、約１００℃の耐熱温度以上に熱せられると破壊するおそれがある。 特に車載用の電力変換装置では、使用される環境の温度が非常に高温になるため、電流センサ１８０を熱から保護することが重要になる。 特に、本実施形態に係る電力変換装置２００はトランスミッション１１８に搭載されるので、当該トランスミッション１１８から発せられる熱から保護することが重要になる。
そこで、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、冷却ジャケット１２を挟んでトランスミッション１１８とは反対側に配置される。 これにより、トランスミッション１１８が発する熱が電流センサに伝達し難くなり、電流センサの温度上昇を抑えられる。 さらに、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、図３５に示された第３流路１９ｃを流れる冷媒の流れ方向８１０を横切るように形成される。 そして、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、第３流路部１９ｃを横切る第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの部分よりもパワーモジュールの交流端子３２１に近い側に配置される。 これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが冷媒によって間接的に冷却され、交流バスバーから電流センサ、更にはパワーモジュール内の半導体素子に伝わる熱を和らげることができるため、信頼性が向上する。
図４０に示される流れ方向８１１は、図３５にて示された第４流路１９ｄを流れる冷媒の流れ方向を示す。 同様に、流れ方向８１２は、図３５にて示された第２流路１９ｂを流れる冷媒の流れ方向を示す。 本実施形態に係る電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、電力変換装置２００の上方から投影したときに、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂの投影部が流路１９の投影部に囲まれるように配置される。 これにより電流センサをトランスミッション１１８からの熱から更に保護することができる。
図４１は、制御回路基板２０と金属ベース板１１を分離した電力変換装置２００の分割斜視図である。 図４０にて示されたように、電流センサ１８０は、コンデンサモジュール５００の上方に配置される。 ドライバ回路基板２２は、電流センサ１８０の上方に配置され、かつ図８に示されたバスバーモジュール８００に設けられる支持部材８０７ａ及び８０７ｂによって支持される。 金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２の上方に配置され、かつ冷却ジャケット１２から立設された複数の支持部材１５によって支持される。 制御回路基板２０は、金属ベース板１１の上方に配置され、かつ金属ベース板１１に固定される。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２と制御回路基板２０が高さ方向に一列に階層的に配置され、かつ制御回路基板２０が強電系のパワーモジュール３００ａ〜ｆから最も遠い場所に配置されるので、スイッチングノイズ等が混入することを抑制することができる。 さらに、金属ベース板１１は、グランドに電気的に接続された冷却ジャケット１２に電気的に接続されている。 この金属ベース板１１によって、ドライバ回路基板２２から制御回路基板２０に混入するノイズを低減している。
流路１９に流れる冷媒の冷却対象が主に駆動用のパワーモジュール３００ａ〜ｆであるので、当該パワーモジュール３００ａ〜ｆは流路１９内に収納されて直接と冷媒と接触して冷却される。 一方、補機用パワー半導体モジュール３５０も、駆動用パワーモジュールほどではないが冷却することが求められる。
そこで、補機用パワー半導体モジュール３５０の金属ベースで形成された放熱面が、流路１９を介して、入口配管１３及び出口配管１４と対向するように形成される。 特に、補機用パワー半導体モジュール３５０を固定する突出部４０７が入口配管１３の上方に形成されているので、下方から流入する冷媒が突出部４０７の内壁に衝突して、効率良く補機用パワー半導体モジュール３５０から熱を奪うことができる。 さらに、突出部４０７の内部には、流路１９と繋がる空間を形成している。 この突出部４０７内部の空間によって、入口配管１３及び出口配管１４近傍の流路１９の深さが大きくなっており、突出部４０７内部の空間に液溜りが生じることになる。 この液溜りにより効率良く補機用パワー半導体モジュール３５０を冷却することができる。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を電気的に繋ぐ際に、配線コネクタを用いると接続工程の増大や、接続ミスの危険性を招くことになる。
そこで、図４１に示されるように、本実施形態のドライバ回路基板２２には、当該ドライバ回路基板２２を貫通する第１孔２４及び第２孔２６が形成される。 また第１孔２４にはパワーモジュール３００ａ〜３００ｆの各信号端子３２５Ｕ及び各信号端子３２５Ｌが挿入され、信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌはドライバ回路基板２２の配線パターンと半田により接合される。 さらに第２孔２６には電流センサ１８０の信号線１８２が挿入され、信号線１８２はドライバ回路基板２２の配線パターンとはんだにより接合される。 なお、冷却ジャケット１２との対向面とは反対側のドライバ回路基板２２の面側からはんだ接合が行われる。
これにより、配線コネクタを用いることなく信号線が接続できるので生産性を向上させることができる。 また、パワーモジュール３００ａ〜３００ｆの各信号端子３２５と電流センサ１８０の信号線１８２を、同一方向からはんだにより接合されることにより、生産性を更に向上させることができる。 また、ドライバ回路基板２２に、信号端子３２５を貫通させるための第１孔２４や、信号線１８２を貫通させるための第２孔２６をそれぞれ設けることにより接続ミスの危険性を少なくすることができる。
また、ドライバ回路基板２２は、冷却ジャケット１２と対向する面側に、ドライバＩＣチップ等の駆動回路（図示せず）を実装している。 これにより、はんだ接合の熱がドライバＩＣチップ等に伝わることを抑制して、はんだ接合によるドライバＩＣチップ等の損傷を防止している。 また、ドライバ回路基板２２に搭載されているトランスのような高背部品が、コンデンサモジュール５００とドライバ回路基板２２との間の空間に配置されるので、電力変換装置２００全体を低背化することが可能となる。
図４２は図４１に示された電力変換装置２００を、図４１における面Ｂで切り取った場合の、図４１のＣ方向から見た断面図である。
モジュールケース３０４に設けられたフランジ３０４Ｂは、コンデンサケース５０２に設けられたフランジ５１５ａ又はフランジ５１５ｂによって冷却ジャケット１２に押し付けられる。 つまり、コンデンサセル５１４を収納したコンデンサケース５０２の自重を利用して、冷却ジャケット１２にモジュールケース３０４を押しつけることにより、流路１９の気密性を向上させることができる。
パワーモジュール３００ａ〜３００ｆの冷却効率を向上させるために、流路１９内の冷媒をフィン３０５が形成された領域に流すようにする必要がある。 モジュールケース３０４は薄肉部３０４Ａのスペースを確保するために、モジュールケース３０４の下部にはフィン３０５が形成されていない。 そこで下カバー４２０は、モジュールケース３０４の下部が、当該下カバー４２０に形成された凹部４３０に勘合されるように形成される。 これにより、冷却フィンが形成されていない空間に冷媒が流れ込むことを防止することができる。
図４２に示されるように、パワーモジュール３００ａ〜３００ｆとコンデンサモジュール５００との配列方向は、制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とトランスミッション１１８の配列方向を横切るように並べて配置されている。 特に、パワーモジュール３００ａ〜ｆとコンデンサモジュール５００とは、電力変換装置２００の中では、最下層に並べて配置されている。 これにより、電力変換装置２００全体の低背化が可能となるとともに、トランスミッション１１８からの振動の影響を低減することができる。
以上の通り、本発明によるパワー半導体モジュールの各実施形態によれば、半導体素子が搭載された導体板３１８、３１９、３１５、３２０の周囲を封止する樹脂封止部３４８に、複数の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを設け、この凹部３４８Ｃ、３４８Ｄ内を含め、樹脂封止部３４８の表面に溶射膜７１０を形成した。 このため、溶射膜７１０と樹脂封止部３４８との接着強度を向上することができる、という効果を奏する。
なお、上記各実施形態において、樹脂封止部３４８の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄを金型に設けた凸部にて形成する方法で例示した。 しかし、樹脂封止部３４８の凹部３４８Ｃ、３４８Ｄの形成は他の方法により形成することが可能であり、例えば、レーザ加工によって行うことができる。 レーザ加工により樹脂封止部３４８に凹部３４８Ｃ、３４８Ｄ凹部を形成する場合、ブラスト処理等の場合と同様に、側壁面３４８Ｈ部において溶射膜の被着面の傾斜角度θが０°〜４５°の範囲を外れる領域が発生する。 これに対し、図２０に示す所定の距離Ｘを設けることで絶縁特性の劣化を防止することができる。
その他、本発明のパワー半導体モジュールは、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能である。
１５６、１６６ ダイオード ３００、３００ａ〜３００ｆ パワーモジュール ３０２ パワー半導体モジュール ３０４ モジュールケース（放熱用部材）
３０４Ａ 薄肉部 ３０７Ａ、３０７Ｂ、３６２Ａ、３６２Ｂ 放熱部 ３１５、３１８、３１９、３２０ 導体板 ３２８、３３０ ＩＧＢＴ
３４８ 樹脂封止部 ３４８Ｃ、３４８Ｄ 凹部 ３４８Ｅ 側面 ３４８Ｆ セラミックスフィラー ３４８Ｇ 樹脂 ３４８Ｈ 側壁面 ３６１ ケース本体（連接部）
３７４ トランスファーモールド用金型 ３８０ 冷却器 ３８１ 冷媒流路 ７００ 絶縁層 ７１０ 溶射膜 ７１１ 扁平体 ７１２ 空孔 ７２０ 絶縁膜 ７２０Ａ 絶縁シート ７３０ 樹脂層
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