JP6928129B2

JP6928129B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6928129B2
Application number: JP2020005665A
Authority: JP
Inventors: 省吾三木; 瑛一田代
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: JP2021114511A

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

従来の制御基板およびヒートシンクに取り付けられたパワーモジュールとして、回路パターンが一方面に形成された絶縁基板と、絶縁基板の回路パターンに一端部が接合されたリード線と、リード線の他端部が制御基板に接合可能となるようにリード線の他端部を突出させるとともに絶縁基板の他方面がヒートシンクに熱的に接触可能となるように絶縁基板の他方面を露出させた状態で、絶縁基板を内部に収納する樹脂ケースと、制御基板に固定可能な一端部およびヒートシンクに固定可能な他端部が樹脂ケースから突出するように、樹脂ケースに埋め込まれた一つまたは複数の固定部材とを備え、固定部材の他端部は、ヒートシンクと接触している技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第６０９４１９７号公報

しかしながら、上記特許文献１に示された技術は、ボンディングワイヤで回路パターンとパワー半導体素子を接続する構成を採用しているので、製造工程が別途必要であり、またボンディングワイヤのループ高さによって回路パターンと制御基板との距離が制限されるため、小型化ができないという問題点がある。さらに、制御基板に負荷される外部振動力が、リード線を介して直接的にリード線と回路パターンとの半田付け接合部に印加される構造であり、耐振動性が不足し、パワーモジュールの故障発生の要因となるという問題点がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、小型化が可能となり、かつ、機械的強度を向上できる電力変換装置の提供を目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、第一基板上に搭載された第一電気部品の第一電極が、前記第一基板に設けられた第一パターン配線に接続されているとともに、前記第一パターン配線には第一端子の一方端、および第二端子の一方端が接続されており、前記第一基板の外周辺に所定の高さを有する樹脂枠が設けられ、前記樹脂枠の上部には第二基板が設けられており、前記第二基板上に搭載された第二電気部品の第二電極が、前記第二基板に設けられた第二パターン配線に接続されているとともに、前記第二パターン配線にはスルーホールを介して第三端子の一方端が接続されており、前記第一基板に接続された前記一方端から他端に延伸する前記第一端子および前記第二端子と、前記第二基板に接続された前記一方端から他端に延伸する前記第三端子とが、前記樹脂枠に一体化成形されているものである。

本願に開示される電力変換装置は、上記のような構成を採用しているので、
小型化が可能となり、かつ、機械的強度を向上できる。

実施の形態１による電力変換装置の概略斜視図である。実施の形態１による図１のＡ−Ａ断面を示す電力変換装置である。実施の形態１の実施例１による電力変換装置である。実施の形態１の実施例２による電力変換装置である。実施の形態２の実施例１による電力変換装置である。実施の形態２の実施例２による電力変換装置である。実施の形態３による電力変換装置である。実施の形態４の実施例１による電力変換装置である。実施の形態４の実施例１による電力変換装置である。実施の形態４の実施例２による電力変換装置である。実施の形態４の実施例３による電力変換装置である。実施の形態４の実施例４による電力変換装置である。

実施の形態１．
実施の形態１による電力変換装置１００を図に基づいて説明する。図１は電力変換装置１００の概略斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１、図２に示すように電力変換装置１００は大別して、第一電気部品１を搭載する第一基板６を主体とした第一変換部５０と、第一基板６上で外周辺を取り囲んで設けられた樹脂枠１６と、樹脂枠１６の上部に設けられた第二電気部品２を搭載する第二基板９を主体とした第二変換部６０と、第一基板６の第一パターン配線５に接続された第一端子１３、第二端子１４、および第二基板９の第二パターン配線１０に接続された第三端子１５が設けられているとともに、第一基板６と前記第二基板９と樹脂枠１６が囲む領域には、樹脂充填部１２が設けられた構成を有するものである。ここで、前記第一変換部５０は後に詳述する第一電気部品１、第一基板６、接続部材７、第一電極８、第一端子１３、第二端子１４で構成されるものを称呼することとし、前記第二変換部６０は、第二電気部品２、接続部材７、第二パターン配線１０、第二電極１１、第三端子１５、スルーホール１７で構成されたものを称呼することにする。尚、スルーホール１７と第二パターン配線１０は電気的に接続されている。

第一電気部品１、第二電気部品２は、例えば表面実装型半導体パッケージに搭載されたトランジスタ、ダイオード、チップ抵抗、コンデンサ、ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）チップに相当するものであり、第一電気部品１、第二電気部品２は共に、複数個の上記部品を含むものである。第一基板６は、金属製のベース３上に設けられた絶縁層４および第一パターン配線５で構成されている。前記ベース３は、電力変換装置１００の機械的強度と発熱を放散させる機能を備えており、例えばアルミが用いられている。第一電気部品１が具備する第一電極８は接続部材７を介して第一パターン配線５に接続されており、接続部材７は例えば錫、銀、銅の合金製の半田であり、リフロー工程で溶融することで形成されている。また、第一パターン配線５には接続部材７を介して第一端子１３、第二端子１４が接続されているとともに、前記第一端子１３、第二端子１４は樹脂枠１６と一体化して成形されている。尚、第一端子１３は図示省略した外部回路に接続され、第二端子１４は後に詳述する第二基板９の第二パターン配線１０に接続されている。

第一基板６上の外周辺を取り囲んで設けられた樹脂枠１６は、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂が用いられて成形されており、この樹脂枠１６の上面には第二基板９が設けられている。前記樹脂枠１６の成形は、第一端子１３、第二端子１４、第三端子１５を保持するようになされる。また、第一基板６と第二基板９と樹脂枠１６とによって形成される領域はポッティング樹脂材を用いて第一基板６の第一パターン配線５、第一電気部品１、第一電極８および第一端子１３、第二端子１４、第三端子１５を密封するよう所定の深さＤを有するよう樹脂充填部１２が形成されている。尚、前記樹脂充填部１２の深さＤは、第一電気部品１の上面と面一とするか、または第一電気部品１の上面をわずかに越えるΔＤを有する値としている。また、ポッティング樹脂材としてはシリコンゲル、エポキシ樹脂などが用いられ、充填後の加熱処理で封止性能を向上させるとともに絶縁特性、放熱特性、耐湿特性、耐ヒートサイクル特性、耐ヒートショック特性も向上させている。尚、図２では第一基板６と樹脂枠１６とは、外周面が面一となるように設けられているが、必ずしも面一に設けなくてもよい。さらに樹脂充填部１２は第一パターン配線５上を密封するものであってもよい。

第二基板９は、素材を例えばガラスエポキシ板が用いられているとともに、第二パターン配線１０と、第二電気部品２が設けられており、第二電気部品２が具備する第二電極１１は接続部材７を介して第二パターン配線１０に接続されている。また、図２に示すように第一基板６に接続された第二端子１４の他端は、第二基板９に設けられたスルーホール１７を介して半田を用いて前記第二パターン配線１０に接続され、さらに同じくスルーホール１７から突出する第二基板９に接続された第三端子１５の他端は、図示省略した電力変換装置１００の外部回路に接続されている。ここで、第二基板９は樹脂枠１６に図示省略した接着剤または固定具によって固定されており、さらに第二基板９は第一基板６と樹脂充填部１２を蓋する構成であるので、異物侵入による損傷防止材、防塵材としての保護カバーの機能も有している。

以上、述べたように、この実施の形態１による電力変換装置１００は、第一変換部５０の第一電気部品１が具備する第一電極８が、第一基板６の第一パターン配線５に接続されるとともに、一方端が前記第一パターン配線５に接続され、他端が外部回路につながる第一端子１３と、同様に第一パターン配線５に一方端が接続され、他端が第二変換部６０の第二基板９の第二パターン配線１０に接続される第二端子１４と、第二パターン配線１０に一方端が接続され、他端が外部回路につながる第三端子１５とを備え、前記第一端子１３、第二端子１４、第三端子１５が樹脂枠１６と一体化成形、樹脂充填部１２で密封されているので、第一端子１３〜第三端子１５に対して外部からの振動、応力に対して耐性を向上させている。さらに、ボンディングワイヤを備えていない構成であるので、第一変換部５０と第二変換部６０との距離を小さくする構成を採用することが可能となり、電力変換装置１００が小型化され、軽量化が図れる。加えて、樹脂充填部１２に充填されるポッティング樹脂材の使用量が削減できる。また、樹脂充填部１２によって第一変換部５０が密封された構成であるので強固なものとなり、第一端子１３〜第三端子１５の機械的耐性が向上し、また第一変換部５０内の各構成体の絶縁性、放熱性、耐湿性、耐ヒートサイクル性、耐ヒートショック性を向上させている。尚、第二基板９をガラスエポキシ基材としたが、ガラスエポキシに代わる絶縁性基材であってもよい。さらに、第一基板６のベース３をアルミとしたが、アルミ合金あるいは銅、または銅合金とし、絶縁層４をセラミック材としてもよい。さらに加えて、樹脂枠１６によって第一基板６と第二基板９との位置決めを行うので、製作時の専用工具部品費用の削減が可能となる。

実施例１．
図１のＡ−Ａ断面として図２のような第一端子１３を示したが、実施例１としてＡ−Ａ断面とは異なる他の位置において、図３に示すような第一端子１３Ａの構造であってもよい。尚、第一端子１３Ａ以外の符号は適宜省略している。

実施例２．
前述した実施の形態１の図２では、第二電気部品２の第二電極１１が接続部材７を介して第二パターン配線１０と接続する構成を示したが、これに代替して図４に示すように第二電極１１Ａがスルーホール１７に半田を用いて接続される構成を採用してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、第三端子１５の構造に係るもので、以下各実施例について述べる。
実施例１．
この実施例１は、前述した実施の形態１の図２に示す電力変換装置１００の第三端子１５の構造を、図５の第三端子１５Ａとするとともに、前記第三端子１５Ａを外部からの振動などの外力に対して第二基板９を介して対向するための保持部材１８を設けたものであり、それ以外は図２と同様であり、従って同様の各構成体の符号記入を適宜省略している。第三端子１５Ａは一方端がスルーホール１７に挿入され、他端が第二基板９の上方に鉛直に延伸するとともに、保持部材１８で第二基板９に保持されるよう設けられたものである。尚、第三端子１５Ａはスルーホール１７を介して第二パターン配線１０と電気的に接続されている。このような保持部材１８を有する第三端子１５Ａが設けられた電力変換装置１００も、外部からの振動に対して剛な構造となる。

実施例２．
また、図５に代替して図６に示すような第三端子１５Ａの構造を採用してもよい。図６に示すように、樹脂枠１６に一体化成形されためネジ部１９を設けるとともに、樹脂材で第三端子１５Ａと一体成形された保持部材１８Ａを設け、この保持部材１８Ａを、前記樹脂枠１６のめネジ部１９にボルト２０によって樹脂枠１６に締め付けている。このような電力変換装置１００も上記と同様に第三端子１５Ａに印加される外力に対して耐力が向上する。尚、めネジ部１９は、樹脂枠１６の周囲において設置空間が許容可能な箇所に設けられ、第二基板９Ａを強固に固定するものである。尚、前記実施例１、２に示した図５、図６の第三端子１５Ａは、スルーホール１７を介しているが、この構成に代替して、図示省略した接続部材を介して第二パターン配線１０に接続される構成であってもよい。尚、前記第三端子１５Ａは別部品として形成し、保持部材１８Ａに挿入される構成であってもよい。

実施の形態３．
実施の形態３による電力変換装置１００を、図７に示す。図７は前述した実施の形態１の図２に示した樹脂枠１６の下部と、第一基板６の絶縁層４との間に、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着部２１を設けたものである。尚、この図７は概念的に示す拡大図である。接着剤は、接続部材７である半田のリフロー工程時に硬化させることで接着部２１が形成される。従って、ポッティング樹脂を用いて樹脂充填部１２を形成する際に、ポッティング樹脂の流出を防止し、ポッティング樹脂の無駄をなくした構造となり、また第一基板６と樹脂枠１６とがより一体的に強固化された電力変換装置１００が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４による電力変換装置１００は、第二基板９Ａを樹脂枠１６に取り付ける構造に関するものであり、その取り付け位置は樹脂枠１６の周囲の任意の箇所でよい。
実施例１．
実施の形態４の実施例１を図８に示す。樹脂枠１６には上部に突出部１６Ａが設けられているとともに、第二基板９Ａには樹脂枠１６に機械的に固定する固定用スルーホール１７Ａが設けられたものであり、それ以外は図２と同一である。突出部１６Ａは銅、銅合金、またはアルミあるいはアルミ合金が用いられ固定用スルーホール１７Ａに半田付けされている。このような構成を採用することで耐振動性を向上させることが可能となる。尚、固定用スルーホール１７Ａに代替し、前述した電気的接続用のスルーホール１７であってもよい。尚、図８に代替して図９に示すように、樹脂枠１６の上部に突出部１６Ｃが一体化成形されて設けられているとともに、第二基板９Ａの挿入孔１７Ｂに突出部１６Ｃが挿入されて固定する構成でもよい。固定方法としては樹脂枠１６に接着剤もしくは圧入して固定してもよい。また、突出部１６Ｃは樹脂枠１６とは別部品であってもよい。また、突出部１６Ｃをスナップフィット形状として挿入孔１７Ｂに挿入、固定してもよい。

実施例２．
実施例２を図１０に示す。図１０に示すように樹脂枠１６の上部には突出部１６Ｂが樹脂枠１６と一体化成形して設けられているとともに、第二基板９Ａには固定用スルーホール１７Ａが設けられている。突出部１６Ｂは銅、銅合金あるいはアルミ、アルミ合金で樹脂枠１６に設けた固定用スルーホール１７Ａに挿入された後、図１０に示すように先端部が折り曲げられて第二基板９Ａを樹脂枠１６に固定している。このような構成により、耐振動性を向上させることが可能となる。尚、第二基板９Ａは樹脂枠１６に接着剤で固定されてもよい。

実施例３．
実施例３による電力変換装置１００は図１１に示すように、樹脂枠１６から突出する第二端子１４において、第二基板９Ａに設けたスルーホール１７と樹脂枠１６との間に支持部１４Ａを設けたものである。支持部１４Ａは第二端子１４と一体的に形成された構成、または銅、銅合金またはアルミ、アルミ合金よりなる別部品としてもよい。この支持部１４Ａを介して第二基板９Ａを支持することで、ヒートショック性を向上させている。

実施例４．
実施例４による電力変換装置１００を図１２に示す。樹脂枠１６の上部にはめネジ部１９が設けられているとともに、第二基板９Ａはボルト２０を介して樹脂枠１６に固定されている。このような構成によっても耐振動特性を向上させている。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１第一電気部品、２第二電気部品、５第一パターン配線、６第一基板、
７接続部材、８第一電極、９第二基板、１０第二パターン配線、
１１第二電極、１２樹脂充填部、１３第一端子、１４第二端子、
１５第三端子、１６樹脂枠、１７スルーホール、５０第一変換部、
６０第二変換部、１６Ａ突出部、１００電力変換装置。

Claims

第一基板上に搭載された第一電気部品の第一電極が、前記第一基板に設けられた第一パターン配線に接続されているとともに、前記第一パターン配線には第一端子の一方端、および第二端子の一方端が接続されており、前記第一基板の外周辺に所定の高さを有する樹脂枠が設けられ、前記樹脂枠の上部には第二基板が設けられており、前記第二基板上に搭載された第二電気部品の第二電極が、前記第二基板に設けられた第二パターン配線に接続されているとともに、前記第二パターン配線にはスルーホールを介して第三端子の一方端が接続されており、前記第一基板に接続された前記一方端から他端に延伸する前記第一端子および前記第二端子と、前記第二基板に接続された前記一方端から他端に延伸する前記第三端子とが、前記樹脂枠に一体化成形されている電力変換装置。
前記樹脂枠に囲まれ前記第一基板と前記第二基板との間に形成される領域には、所定の深さを有する樹脂充填部が設けられ、前記第一電気部品、前記第一パターン配線、前記第一端子、前記第二端子が密封されている請求項１に記載の電力変換装置。
前記第一端子の前記他端は外部回路に接続され、前記第二端子の前記他端は、前記第二基板に設けられた前記スルーホールを介して前記第二パターン配線に接続され、前記第三端子の前記他端は外部回路に接続されている請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記第一電極は前記第一パターン配線に接続部材を介して接続されているとともに、前記第二電極は前記第二パターン配線の前記スルーホールに接続されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第三端子は、前記第二基板から上方に鉛直に延伸するよう設けられ、かつ保持部材で前記第二基板に保持されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記保持部材は前記樹脂枠のめネジ部にボルトで締め付けられている請求項５に記載の電力変換装置。
前記樹脂枠と前記第一基板上の絶縁層とは接着部で接着剤によって固定されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記樹脂枠の上部は突出部が設けられるとともに、前記突出部は前記第二基板に設けられた固定用スルーホールまたは挿入孔に挿入されて前記樹脂枠と前記第二基板に固定されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記突出部は前記樹脂枠と一体的に成形して設けられているとともに、前記突出部と前記第二基板が固定されている請求項８に記載の電力変換装置。
前記樹脂枠の上部には突出部が設けられており、前記突出部は前記第二基板に挿入されるとともに前記突出部の先端が折り曲げられて前記第二基板を前記樹脂枠に固定している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第二基板は前記樹脂枠のめネジ部にボルトで締め付けられて固定されている請求項１から請求項３、請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第二基板は、前記他端に延伸する前記第二端子の、前記第二基板と前記樹脂枠との間に設けられた支持部で支持される請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第一パターン配線上はポッティング樹脂材で密封されている請求項１に記載の電力変換装置。