功率模块

技术领域

本公开涉及功率模块。

本申请基于2021年4月6日在日本申请的特愿2021-064917号而主张优先权，将其内容援引于此。

背景技术

在用于驱动马达的逆变器等电力转换装置中，根据在功率模块等中流动的电流的大小而产生发热。因此，需要保护半导体元件、电容器等部件免受这样的发热。例如，在专利文献1中，提出了如下技术：通过将连接开关元件与电容器的连接部经由电绝缘材料及传热材料而与冷却器连接，从而抑制从开关元件向电容器的传热，对电容器进行过温度保护。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-188998号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述那样的电力转换装置的功率模块中，为了监视输出电流，有时在输出汇流条等输出导体设置电流传感器。若流过功率模块的电流增大，则这样的输出导体的温度有可能超过电流传感器的使用温度范围的上限限制。

另一方面，在如上述专利文献1那样的冷却结构中，在想要冷却功率模块的输出导体的情况下，需要设置与功率模块用的冷却器不同的冷却结构，存在电力转换装置肥大化的课题。

本公开解决上述课题而完成的，其目的在于，提供一种能够在抑制电力转换装置的肥大化的同时冷却输出导体的功率模块。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本公开的功率模块具备：输入导体；功率半导体元件，其对从所述输入导体输入的电流进行转换；基板，其安装有所述功率半导体元件；以及输出导体，其输出由所述功率半导体元件转换后的所述电流，所述基板具有：电路图案部，其形成有与所述功率半导体元件电连接的电路图案；以及非电路图案部，其与所述电路图案部电绝缘，所述输出导体具有：基部；第一连接部，其以从所述基部到达所述电路图案部的方式延伸，并且与所述电路图案部电连接；以及第二连接部，其以从所述基部到达所述非电路图案部的方式延伸，并且能够热传导地连接于所述非电路图案部。

发明效果

根据本公开，能够提供能够在抑制电力转换装置的肥大化的同时冷却输出端子的功率模块。

附图说明

图1是本公开的第一实施方式的功率模块的立体图。

图2是本公开的第二实施方式的功率模块的立体图。

图3是从斜上方观察图2的III-III线方向的截面的图。

具体实施方式

[第一实施方式]

(功率模块)

以下，参照附图，对本公开的第一实施方式的功率模块进行说明。

本实施方式的功率模块例如构成逆变器、转换器等电力转换装置所具备的电力转换电路的一部分。需要说明的是，作为本实施方式中的功率模块，以构成将输入的直流电流转换为交流电流并输出的逆变器的情况为例进行说明。

图1是第一实施方式的功率模块的立体图。

如图1所示，本实施方式的功率模块1具备底板10、输入导体20、功率半导体元件12、冷却器40、输出导体30、散热片S、电流传感器60、以及壳体50。

(底板)

底板10具有底板主体11、以及基板15。

底板主体11是呈平板状的构件。本实施方式的底板主体11例如由铜等金属形成。底板主体11具有第一面11a以及位于第一面11a的背侧的第二面11b。即，底板主体11的第一面11a与第二面11b背对背。在以下的说明中，将底板主体11延伸的方向称为面内方向。

基板15具有基板主体16、电路图案部A、以及非电路图案部B。

基板主体16是呈平板状的构件。基板主体16例如由陶瓷等绝缘材料形成。基板主体16具有表面以及位于该表面的背侧的背面，基板主体16的背面经由接合材料等(省略图示)而与底板主体11的第一面11a接合。需要说明的是，作为形成基板主体16的绝缘材料，也可以采用酚醛树脂纸、环氧树脂纸、玻璃复合材料、玻璃环氧树脂、玻璃聚酰亚胺树脂、氟树脂等。

电路图案部A是基板主体16中的、设置有电路图案C的区域。电路图案C形成于基板主体16的表面等。更详细而言，电路图案C由铜箔等金属形成，且在基板主体16的表面等与基板主体16一体地形成。

形成于电路图案部A的电路图案C具有输入电路图案(省略图示)、输出电路图案(省略图示)、以及控制电路图案(省略图示)。输入电路图案是为了向后述的功率半导体元件12输入电流而设置的电路图案。输出电路图案是为了输出功率半导体元件12转换后的电流而设置的电路图案。控制电路图案是为了连接生成用于控制功率半导体元件12的控制信号的控制部(省略图示)而设置的电路图案。

非电路图案部B与电路图案部A电绝缘且独立地设置。该非电路图案部B是基板主体16中的、未形成电路图案部A的区域。即，在非电路图案部B未设置上述电路图案C。非电路图案部B具有设置于基板主体16的表面的连接图案部N。该连接图案部N与形成于电路图案部A的电路图案C电绝缘。

本实施方式的连接图案部N是由铜等金属箔形成的长方形的图案。更详细而言，连接图案部N形成于基板主体16的表面，并且与基板主体16形成为一体。在此，本实施方式的非电路图案部B在基板主体16的表面沿面内方向分离地设置有两个。以下，将这些两个非电路图案部B分别称为第一非电路图案部B1和第二非电路图案部B2。

(输入导体)

输入导体20是接受从设置于功率模块1的外部的电流供给源(省略图示)经由电容器等(省略图示)而输入的电流的导体。输入导体20具有输入端子21和输入连接部22。

输入端子21是俯视呈矩形状的平板状的构件。在输入端子21的中央部形成有紧固孔34。本实施方式中，并排配置有两个输入端子21。在这两个输入端子21分别螺栓紧固有作为电流输入用导体的输入汇流条(省略图示)的端部，由此，输入端子21与输入汇流条电连接。

输入连接部22将输入端子21与电路图案C电连接。即，输入连接部22将流入输入导体20的电流向电路图案C引导。向该电路图案C流入的电流被分配到设置于电路图案C上的多个功率半导体元件12。本实施方式中的输入端子21及输入连接部22例如由包含铜等的金属形成，且从输入端子21朝向电路图案部A延伸。

(功率半导体元件)

功率半导体元件12例如是IGBT或MOSFET、FWD等，且安装于基板主体16的电路图案C上。在本实施方式中，例示了六个功率半导体元件12安装于底板10的第一面11a侧的情况。功率半导体元件12具有输入用端子(省略图示)、输出用端子(省略图示)以及控制用端子(省略图示)。

输入用端子(省略图示)经由接合材料等而与电路图案C的输入电路电连接。在输出用端子(省略图示)例如与作为导线的引线帧(省略图示)的一端电连接。引线帧(省略图示)的另一端与电路图案C的输出电路图案(省略图示)电连接。向控制用端子(省略图示)输入由与电路图案C的控制电路连接的控制部生成的控制信号。功率半导体元件12按照经由该控制用端子(省略图示)而输入的控制信号进行开关。

(冷却器)

冷却器40对电路图案部A和非电路图案部B进行冷却。冷却器40经由接合材料等而固定于底板主体11的第二面11b。冷却器40具有冷却器壳体41、制冷剂入口部42、以及制冷剂出口部43。

需要说明的是，虽然省略图示，但本实施方式的冷却器40例如还具备冷却器基部以及散热片。冷却器基部例如呈平板状，且具有经由接合材料等而与基板主体16的第二面11b接合的接合面、以及与该接合面背对背且设置有散热片的翅片面。散热片以从冷却器基部的翅片面延伸的方式设置有多个。功率半导体元件12的热量经由电路图案C、基板主体16、以及冷却器基部(省略图示)而传导至散热片(省略图示)。

冷却器壳体41经由接合材料等而接合于底板10的第二面11b。本实施方式的冷却器壳体41覆盖上述冷却器基部(省略图示)以及散热片(省略图示)。

制冷剂入口部42设置于冷却器壳体41，且供从设置于功率模块1外部的制冷剂供给装置(省略图示)供给的制冷剂W流入。

制冷剂出口部43设置于冷却器壳体41，且供从制冷剂入口部42流入的制冷剂W流出，返回至例如制冷剂供给装置。在本实施方式中，制冷剂W例如采用水。需要说明的是，制冷剂W也可以采用水以外的液体。

上述的冷却器40的散热片(省略图示)由冷却器壳体41和底板10划分而浸渍于制冷剂W流动的制冷剂流路(省略图示)。散热片(省略图示)与在制冷剂流路(省略图示)内流动的制冷剂W始终进行热交换。由此，经由电路图案C、基板主体16、冷却器基部(省略图示)而传导至散热片(省略图示)的功率半导体元件12的热量向制冷剂W扩散。

底板主体11与基板主体16的接合、功率半导体元件12与电路图案C的接合、基板主体16与冷却器基部的接合以及底板主体11与冷却器壳体41的接合所使用的接合材料例如能够采用焊料。需要说明的是，作为焊料以外的接合材料，例如能够例示烧结材料(金属、陶瓷等粉末)、粘合剂等。

上述的冷却器基部(省略图示)、散热片(省略图示)、冷却器壳体41、制冷剂入口部42、以及制冷剂出口部43例如能够采用铝来作为材料。需要说明的是，作为构成冷却器基部(省略图示)、散热片(省略图示)、冷却器壳体41、制冷剂入口部42、以及制冷剂出口部43的铝以外的材料，能够例示铁、铜、陶瓷等。

(输出导体)

输出导体30是输出由功率半导体元件12转换后的电流的导体。输出导体30具有基部31、第一连接部32、以及第二连接部33。

基部31从与设置于底板10的第一面11a的基板15对置的位置朝向底板10的外部延伸。作为本实施方式的输出导体30，使用电流输出用的汇流条。在该输出导体30的基部31中的、外侧端部形成有紧固孔34。在该基部31的外侧端部，例如能够通过螺栓等紧固电流输出用的输出布线(省略图示)。

第一连接部32从基部31延伸至电路图案部A。本实施方式的第一连接部32以从基部31中的、与上述外侧端部相反一侧的内侧端部到达电路图案部A的方式延伸。该第一连接部32将基部31与电路图案部A的电路图案C电连接。

第二连接部33以从基部31到达非电路图案部B的方式延伸。本实施方式的第二连接部33以从基部31中的、上述内侧端部到达非电路图案部B的连接图案N的方式延伸。该第二连接部33将基部31与非电路图案部B的连接图案部N之间以能够热传导的方式连接。而且，本实施方式的第二连接部33与两个非电路图案部B中的、第一非电路图案部B1连接。需要说明的是，第二连接部33也可以与第二非电路图案部B2连接。

上述的基部31、第一连接部32以及第二连接部33例如能够由铜等金属一体地形成。需要说明的是，形成基部31、第一连接部32以及第二连接部33的材料并不限定于铜等金属。例如，只要能够通电且能够热传导，也可以使用金属以外的材料来形成这些基部31、第一连接部32以及第二连接部33。

(散热片)

散热片S以覆盖输出导体30的基部31以及第二连接部33的表面的方式设置。散热片S例如经由粘合剂等而粘贴于基部31及第二连接部33的表面。散热片S由具有比输出导体30的热传导率高的热传导率的材料形成。散热片S能够从温度较高的部位朝向较低的部位积极地进行热传导。

作为该散热片S，例如能够采用作为热传导材料的石墨片。通过设置这样的散热片S，能够使在基部31产生的热不是向第一连接部32而是向第二连接部33传导，并积极地向第一非电路图案部B1传导。

(电流传感器)

电流传感器60是检测在输出导体30流动的电流值的传感器。该电流传感器60以包围输出导体30的基部31的一部分的外表面的方式设置。换言之，电流传感器60是能够与输出导体30以非接触状态测定电流互感器等在输出导体30的基部31流动的电流值的贯通型电流传感器。

(壳体)

壳体50至少从外侧包围基板15、第一连接部32以及第二连接部33。换言之，壳体50以包围基板15的方式沿着基板15的外缘部形成。壳体50以从底板主体11的第一面11a突出的方式配置。该壳体50经由粘合剂等而固定于底板主体11的第一面11a。该壳体50例如能够由作为合成树脂的PPS(聚苯硫醚)等绝缘材料而形成。需要说明的是，形成壳体50的材料并不限定于绝缘材料。

(作用效果)

上述第一实施方式的功率模块1具备：输入导体20；功率半导体元件12，其对从输入导体20输入的电流进行转换；底板10，其安装有功率半导体元件12；以及输出导体30，其输出由功率半导体元件12转换后的电流，底板10具有：电路图案部A，其形成有与功率半导体元件12电连接的电路图案C；以及非电路图案部B，其与电路图案部A电绝缘，输出导体30具有：基部31；第一连接部32，其以从基部31到电路图案部A的方式延伸，并且与电路图案部A电连接；以及第二连接部33，其以从基部31到非电路图案部B的方式延伸，并且能够热传导地与非电路图案部B连接。

根据这样的结构，通过转换为功率半导体元件12的输出电流流过输出导体30，在输出导体30的基部31产生与电流的大小相应的热量。但是，该热量在输出导体30传导的过程中从基部31传导至第二连接部33。并且，传导至第二连接部33的热量从第二连接部33传导至非电路图案部B。即，能够将在基部31产生的热量向非电路图案部B释放，因此，能够间接地冷却基部31。因此，不需要在输出导体30追加设置例如冷却器等。即，能够在抑制电力转换装置的肥大化的同时冷却输出导体30。

另外，通过上述结构，由于能够抑制基部31的温度上升，因此例如在以包围基部31的一部分的外表面的方式设置有电流传感器60的情况下，能够将电流传感器60的温度保持在电流传感器60的使用温度范围内。

另外，上述第一实施方式的功率模块1还具备以覆盖基部31以及第二连接部33的表面的方式设置的散热片S。

根据这样的结构，能够使在输出导体30的基部31产生的热量积极地向第二连接部33传导。而且，第二连接部33的热量也能够积极地传导到非电路图案部B。因此，能够将在基部31产生的热量有效地向非电路图案部B释放。另外，散热片S覆盖基部31的表面，从而发挥从散热片S的内侧到外侧不易扩散热量的隔热效果。由此，散热片S能够将从基部31的表面扩散的热量主要留在散热片S与基部31之间即内侧。因此，例如，在电流传感器60的设置部位，能够减小向比散热片S靠外侧扩散的热的量。

另外，上述第一实施方式的功率模块1还具备至少从外侧包围基板15、第一连接部32、以及第二连接部33的壳体50。

根据这样的结构，由于在壳体50的内侧收容有第一连接部32以及第二连接部33这两方，因此无需在壳体50的外部另外设置用于冷却基部31的冷却结构，能够经由第二连接部33对基部31进行冷却。

另外，上述第一实施方式的功率模块1还具备对电路图案部A、非电路图案部B进行冷却的冷却器40。

根据这样的结构，通过对电路图案部A进行冷却的冷却器40，能够对非电路图案部B进行冷却。因此，不需要另外设置用于冷却非电路图案部B的冷却结构。并且，通过利用冷却器40对非电路图案部B进行冷却，能够对与非电路图案部B连接的第二连接部33进行冷却。因此，与仅具有第一连接部32的情况相比，能够抑制基部31的温度上升。

另外，在上述第一实施方式的功率模块1中，底板10还具有形成于非电路图案部B的连接图案部N，第二连接部33连接于连接图案部N。

根据这样的结构，例如，能够使用作为接合材料的焊料，将第二连接部33容易地热传导地连接至非电路图案部B。

[第二实施方式]

以下，参照图2及图3对本公开的第二实施方式的功率模块进行说明。在第二实施方式中，第一实施方式的功率模块1所具备的输出导体30的结构一部分不同，第二实施方式的功率模块是不具备在第一实施方式中说明的散热片S的结构。对与第一实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记并省略详细的说明。

图2是第二实施方式的功率模块的立体图。如图2所示，本实施方式的功率模块1的输出导体30具有多个第二连接部33。在本实施方式中，第二连接部33设置于两个基部31。图3是从斜上方观察图2的III-III线方向的截面的图。

(输出导体)

输出导体30是输出由功率半导体元件12转换后的电流的导体。输出导体30与第一实施方式同样地具有基部31、第一连接部32、以及第二连接部33。

基部31从与设置于底板10的第一面11a的基板15对置的位置朝向底板10的外部延伸。基部31具有基部主体31a、隔热层31b、以及热传导层31c。

基部主体31a是导体，且由铜等金属形成。

隔热层31b以层状设置于基部主体31a的外表面。作为隔热层31b，能够采用作为合成树脂的PPS(聚苯硫醚)等绝缘材料。需要说明的是，也可以将PPS以外的绝缘材料采用于隔热层31b。

热传导层31c由铜等金属形成，且以覆盖隔热层31b的方式设置成层状。

第一连接部32以从基部31的基部主体31a到达电路图案部A的方式延伸。第一连接部32将基部主体31a与电路图案部A的电路图案C电连接。

第二连接部33以从基部31的热传导层31c到达非电路图案部B的方式延伸。第二连接部33将热传导层31c与非电路图案部B以能够热传导的方式连接。更详细而言，第二连接部33与非电路图案部B的连接图案部N连接。

在本实施方式中，两个第二连接部33从热传导层31c延伸。这两个第二连接部33分别与第一非电路图案部B1的连接图案部N、第二非电路图案部B2的连接图案部N连接。两个第二连接部33将基部主体31a以及隔热层31b夹在中间，一方(在图3的截面中为上侧的热传导层31c)与第一非电路图案部B1连接，另一方(在图3的截面中为下侧的热传导层31c)与第二非电路图案部B2连接。

在本实施方式中，基部主体31a、热传导层31c、第一连接部32、以及第二连接部33例如能够采用铜等金属。

(作用效果)

在上述第二实施方式的功率模块1中，基部31具有基部主体31a、设置于基部主体31a的外表面的隔热层31b、以及覆盖隔热层31b的热传导层31c，第二连接部33从热传导层31c延伸。

根据这样的结构，通过将隔热层31b设置于基部主体31a的表面，从而隔热层31b能够主要将从基部主体31a的表面扩散的热量留在隔热层31b与基部主体31a之间即内侧。因此，能够减少向比隔热层31b靠外侧扩散的热的量。并且，热传导层31c使经由隔热层31b从基部主体31a传导的热向第二连接部33传导。传导至第二连接部33的热量最终传导至非电路图案部B。即，能够将基部主体31a的热量释放到非电路图案部B，对基部主体31a进行冷却。

另外，在上述第二实施方式的功率模块1中，多个第二连接部33从基部31延伸。

根据这样的结构，能够将在基部31产生的热量更有效地释放到非电路图案部B。

[其他实施方式]

以上，参照附图详细叙述了本公开的实施方式及变形例，但具体的结构并不限于各实施方式的结构，能够进行不脱离本公开的主旨的范围内的结构的附加、省略、置换以及其他变更。另外，本公开不由实施方式限定。

在上述第一实施方式中，第二连接部33是与第一非电路图案部B1或第二非电路图案部B2连接的结构，但也可以是与两方的非电路图案部B连接的结构。由此，能够将在基部31产生的热量更多地释放到非电路图案部B。

另外，在上述实施方式中，功率模块1用于逆变器的电力转换电路，但并不限定于逆变器的电力转换电路。半导体装置也可以构成将交流电流作为输入且将直流电流作为输出的转换器的电力转换电路、变更直流电流的电压的大小的调节器的升压电路等的一部分。

[附注]

上述实施方式所记载的功率模块例如以下那样掌握。

(1)第一方式的功率模块1具备：输入导体20；功率半导体元件12，其对从所述输入导体20输入的电流进行转换；基板15，其安装有所述功率半导体元件12；以及输出导体30，其输出由所述功率半导体元件12转换后的所述电流，所述基板15具有：电路图案部A，其形成有与所述功率半导体元件12电连接的电路图案C；以及非电路图案部B，其与所述电路图案部A电绝缘，所述输出导体30具有：基部31；第一连接部32，其以从所述基部31的端部到达所述电路图案部A的方式延伸，并且与所述电路图案部A电连接；以及第二连接部33，其以从所述基部31到达所述非电路图案部的方式延伸，并且能够热传导地连接于所述非电路图案部B。

根据这样的结构，通过在功率半导体元件12转换后的输出电流流过输出导体30，在输出导体30的基部31产生与电流的大小相应的热量。但是，该热量在输出导体30传导的过程中从基部31传导至第二连接部33。并且，传导至第二连接部33的热量从第二连接部33传导至非电路图案部B。即，能够将在基部31产生的热量向非电路图案部B释放，且对基部31进行冷却。因此，不需要在输出导体30追加设置例如冷却器等。即，能够在抑制电力转换装置的肥大化的同时冷却输出导体30。另外，根据上述结构，能够抑制基部31的温度上升，因此例如在以包围基部31的一部分的外表面的方式设置有电流传感器60的情况，能够将电流传感器60的温度保持在电流传感器60的使用温度范围内。

(2)第二方式的功率模块1在(1)的功率模块1的基础上，可以是，还具备以覆盖所述基部31及所述第二连接部33的表面的方式设置的散热片S。

根据这样的结构，能够使在输出导体30的基部31产生的热量积极地向第二连接部33传导。而且，第二连接部33的热量也能够积极地向非电路图案部B传导。因此，能够将在基部31产生的热量有效地向非电路图案部B释放。另外，散热片S覆盖基部31的表面，从而发挥从散热片S的内侧到外侧不易扩散热量的隔热效果。由此，散热片S能够将从基部31的表面扩散的热量主要留在散热片S与基部31之间即内侧。因此，能够减少向比散热片S靠外侧扩散的热的量。

(3)第三方式的功率模块1在(1)的功率模块1的基础上，可以是，所述基部31具有基部主体31a、设置于所述基部主体31a的外表面的隔热层31b、以及覆盖所述隔热层31b的热传导层31c，所述第二连接部33从所述热传导层31c延伸。

根据这样的结构，通过将隔热层31b设置于基部主体31a的表面，从而隔热层31b能够主要将从基部主体31a的表面扩散的热留在隔热层31b与基部主体31a之间即内侧。因此，能够减少向比隔热层31b靠外侧扩散的热的量。并且，热传导层31c使经由隔热层31b从基部主体31a传导的热向第二连接部33传导。传导至第二连接部33的热量最终传导至非电路图案部B。即，能够将基部主体31a的热量释放到非电路图案部B，对基部主体31a进行冷却。

(4)第四方式的功率模块1在(1)至(3)中任一项的功率模块1的基础上，可以是，多个所述第二连接部33从所述基部31延伸。

根据这样的结构，能够将在基部31产生的热量更有效地释放到非电路图案部B。

(5)第五方式的功率模块1在(1)至(4)中任一项的功率模块1的基础上，可以是，还具备至少从外侧包围所述基板15、所述第一连接部32以及所述第二连接部33的壳体50。

根据这样的结构，由于在壳体50的内侧收容有第一连接部32以及第二连接部33这两方，因此无需在壳体50的外部另外设置用于对基部31进行冷却的冷却结构，能够经由第二连接部33对基部31进行冷却。

(6)第六方式的功率模块1在(1)至(5)中任一项的功率模块1的基础上，可以是，还具备对所述电路图案部A和所述非电路图案部B进行冷却的冷却器40。

根据这样的结构，通过对电路图案部A进行冷却的冷却器40，能够对非电路图案部B进行冷却。因此，不需要另外设置用于冷却非电路图案部B的冷却结构。并且，通过利用冷却器40对非电路图案部B进行冷却，能够对与非电路图案部B连接的第二连接部33进行冷却。因此，与仅具有第一连接部32的情况相比，能够抑制基部31的温度上升。

(7)第七方式的功率模块1在(1)至(6)中任一项的功率模块1的基础上，可以是，所述基板15还具有形成于所述非电路图案部B的连接图案部N，所述第二连接部33与所述连接图案部N连接。

根据这样的结构，例如，能够使用作为接合材料的焊料，能够容易地将第二连接部33向非电路图案部B热传导地连接。

工业上的可利用性

根据本公开，能够提供能够在抑制电力转换装置的肥大化的同时冷却输出端子的功率模块。

附图标记说明：

1...功率模块；10...底板；11...底板主体；11a...第一面；11b...第二面；12...功率半导体元件；15...基板；16...基板主体；20...输入导体；21...输入端子；22...输入连接部；30...输出导体；31...基部；31a...基部主体；31b...隔热层；31c...热传导层；32...第一连接部；33...第二连接部；34...紧固孔；40...冷却器；41...冷却器壳体；42...制冷剂入口部；43...制冷剂出口部；50...壳体；60...电流传感器；A...电路图案部；B...非电路图案部；B1...第一非电路图案部；B2...第二非电路图案部；C...电路图案；G...散热片；N...连接图案部；W...制冷剂。