JP2003197860A - インテリジェントパワーモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 取り付け面積が小さく、部品点数が少ない安
価なインテリジェントパワーモジュールを提供する。 【解決手段】 インテリジェントパワーモジュール（Ｉ
ＰＭ）には、ＩＧＢＴ４、ダイオード５等からなる主回
路Ｃ２を搭載する金属基板Ｓ２と、ＩＣ１、抵抗２、コ
ンデンサ３等からなる制御回路Ｃ１を搭載するガラスエ
ポキシ基板Ｓ１とが設けられている。両基板Ｓ１、Ｓ２
は、その広がり面が互いに垂直となるようにして、両基
板Ｓ１、Ｓ２の縁部同士で結合されている。このため、
従来のＩＰＭに比べて、ＩＰＭの取り付け面積を縮小す
ることができ、金属基板Ｓ２上に主回路Ｃ１の部品又は
素子等を配設する上で何ら空間的な制約を受けず、部品
実装の自由度が大幅に高められる。また、制御回路Ｃ１
が安価なガラスエポキシ基板Ｓ１に搭載されているの
で、ＩＰＭのコストが低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＧＢＴやダイオ
ードなどの電気部品ないし素子を備えた主回路を搭載す
る主回路基板と、主回路を制御する電気部品ないし素子
を備えた制御回路を搭載する制御回路基板とを有するイ
ンテリジェントパワーモジュールの構造に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】パッケージ内に、ＩＧＢＴ（Insulated
Gate Bipolar Transistor）やダイオードなどのスイッ
チング素子を備えた主回路と、該主回路を駆動、保護な
いしは制御する制御回路とを内蔵しているインテリジェ
ントパワーモジュール（Intelligent Power Module：以
下、略して「ＩＰＭ」という。）は、異常事態に対する
耐性が高く、信頼性が高いことから、従来、パワーエレ
クトロニクス等の技術分野で広く用いられている。そし
て、かかるＩＰＭにおいては、各素子の発熱量が多いの
で、この熱を迅速かつ有効に外部に放出するため、主回
路及び制御回路は、通常、伝熱性が良好な金属基板の上
に搭載（配設）される。

【０００３】図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、かかる
構造を備えた従来のＩＰＭの平面図及び斜視図である。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、この従来のＩＰＭに
おいては、放熱（冷却）用の金属基板Ｍの上に、制御回
路Ａ１と主回路Ａ２とが搭載されている。ここで、制御
回路Ａ１は、ＩＣ１０１（Integrated Circuit）、抵抗
１０２、コンデンサ１０３等で構成され、制御回路端子
１０７を介して他のデバイスと電気的に接続されるよう
になっている。また、主回路Ａ２は、ＩＧＢＴ１０４、
ダイオード１０５等で構成され、主回路端子１０６を介
して他のデバイスと電気的に接続されるようになってい
る。なお、制御回路Ａ１と主回路Ａ２とは、銅パターン
１０８を介して互いに電気的に接続されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４
（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭでは、制御回路
Ａ１と主回路Ａ２とが同一平面上に搭載されているの
で、ＩＰＭの取り付け面積（設置面積）が大きくなり、
かさばるといった問題がある。また、金属基板Ｍが高価
なので、ＩＰＭのコストが高くなるといった問題もあ
る。さらには、ＩＰＭをシリーズ化する場合、例えば基
本的な仕様が同一で電流容量が異なる複数の品番のＩＰ
Ｍ（例えば、１０Ａ品、３０Ａ品、５０Ａ品等）を製造
する場合、主回路Ａ２は電流容量に応じてその大きさが
変わるので、各品番ごとに金属基板Ｍの大きさが異なる
ことになる。このため、金属基板Ｍを各品番で共通化す
ることができず、部品点数が多くなるといった問題もあ
る。

【０００５】これに対して、図５に示すように、主回路
Ａ２のみを金属基板Ｍ上に搭載する一方、制御回路Ａ１
を安価なガラスエポキシ基板Ｇに搭載し、このガラスエ
ポキシ基板Ｇを金属基板Ｍの上方に（２段重ねで）配置
するといった対応が考えられる。しかしながら、このよ
うにした場合、金属基板Ｍが小さくてすみかつＩＰＭの
取り付け面積が小さくなるといった利点はあるものの、
金属基板Ｍ上に、主回路Ａ２を構成する各種部品を実装
する上で、空間的な制約が受けるといった問題が新たに
生じる。また、両基板Ｍ、Ｇを電気的に接続するための
つなぎ端子１０９を設けなければならず、組み付け性な
いしは作業性が悪くなるといった問題も生じる。

【０００６】また、図６に示すように、従来のＩＰＭで
は、絶縁層１１０の上面（表面）に抵抗１０２、コンデ
ンサ１０３等の部品ないし素子を実装し、下面（裏面）
に基準電位パターン１１１を配設した上で、銅パターン
１０８と基準電位パターン１１１とをコンタクトホール
１１２で接続するようにしている。このため、絶縁層１
１０の下面には部品ないし素子を実装することができ
ず、該部品ないし素子を実装することができるスペース
（面積）が小さくなるといった問題がある。

【０００７】本発明は、上記従来の問題を解決するため
になされたものであって、取り付け面積が小さく、部品
点数が少ない安価なＩＰＭを提供することを解決すべき
課題とする。また、各種素子を実装する上において空間
的な制約を受けず、つなぎ端子を必要としないＩＰＭを
提供することをも解決すべき課題とする。さらには、制
御用の素子を実装することができるスペース（面積）を
大きくすることができるＩＰＭを提供することをも解決
すべき課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
になされた本発明にかかるＩＰＭ（インテリジェントパ
ワーモジュール）は、（ｉ）主回路と、該主回路を制御
する制御回路とを備えたＩＰＭであって、（ii）主回路
を搭載する主回路基板と制御回路を搭載する制御回路基
板とが別体（別材料）で形成されていて、（iii）主回
路基板と制御回路基板とが、両基板の広がり面が互いに
垂直となるようにして、両基板の縁部（辺部）同士で結
合され、（iv）主回路と制御回路とが、両基板の結合部
近傍で互いに電気的に接続されていることを特徴とする
ものである。

【０００９】上記ＩＰＭにおいては、制御回路基板の表
裏両方の広がり面に、制御回路を構成する電気部品（素
子）が実装されているのが好ましい。また、上記ＩＰＭ
においては、主回路基板が金属基板（例えば、アルミニ
ウム基板等）であり、制御回路基板がガラスエポキシ基
板であるのが好ましい。さらに、上記ＩＰＭにおいて
は、主回路基板と制御回路基板とが、（ケース内で）充
填樹脂によって固定されているのが好ましい。

【００１０】なお、特開平８−１１１５７５号公報に
は、金属基板とマザーボードとが、これらの広がり面が
互いに垂直となるように接合された半導体装置が開示さ
れている。しかし、この半導体装置は、金属基板とマザ
ーボードとが縁部同士で結合されているものではなく、
したがって主回路基板と制御回路基板とが両基板の縁部
同士で結合されている本発明にかかるＩＰＭとは、明ら
かに異なる構成のものである。

【００１１】また、特開平４−３４６２６０号公報に
は、ＤＢＣ基板の銅パターンにパワートランジスタが半
田付けされ、ＤＢＣ基板とは別体のプリント基板に制御
回路を構成する部品が搭載された半導体装置が開示され
ている。しかし、この半導体装置は、ＤＢＣ基板とプリ
ント基板とがその広がり面が互いに垂直となるように結
合されているものではなく（互いに平行である）、した
がって本発明にかかるＩＰＭとは、明らかに異なる構成
のものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を具体
的に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発
明にかかるＩＰＭの平面図及び斜視図である。図１
（ａ）、（ｂ）に示すように、このＩＰＭにおいては、
制御回路Ｃ１はガラスエポキシ基板Ｓ１（制御回路基
板）上に搭載され、主回路Ｃ２は金属基板Ｓ２（主回路
基板）上に搭載されている。ここで、金属基板Ｓ２は、
伝熱性の良好な材料（例えば、アルミニウム、銅、銀
等）で形成され、主回路Ｃ２で発生した熱を、迅速かつ
有効に外部に放出する。

【００１３】制御回路Ｃ１は、ＩＣ１、抵抗２、コンデ
ンサ３等で構成され、制御回路端子７を介して他のデバ
イスと電気的に接続されるようになっている。なお、制
御回路Ｃ１は、主回路Ｃ２を駆動し、保護しあるいは制
御する。また、主回路Ｃ２は、ＩＧＢＴ４、ダイオード
５等で構成され、主回路端子６を介して他のデバイスと
電気的に接続されるようになっている。ここで、金属基
板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１とは、両基板Ｓ１、Ｓ
２の広がり面が互いに垂直となるようにして、両基板Ｓ
１、Ｓ２の縁部（辺部）同士で、半田付け等により結合
されている。そして、主回路Ｃ２と制御回路Ｃ１とは、
両基板Ｓ１、Ｓ２の結合部近傍で、金属端子９を介して
互いに電気的に接続されている

【００１４】本発明にかかるＩＰＭにおいては、主回路
Ｃ２を搭載する金属基板Ｓ２と制御回路Ｃ１を搭載する
ガラスエポキシ基板Ｓ１とが、２つの別体の基板に分け
て形成され、かつ両基板Ｓ１、Ｓ２の広がり面が互いに
垂直となるようにして、縁部同士で結合されているの
で、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰ
Ｍに比べて、ＩＰＭの取り付け面積を小さくすることが
できる。

【００１５】これに対して、例えば図４（ａ）、（ｂ）
に示された従来のＩＰＭでは、前記のとおり、ＩＧＢＴ
１０４やダイオード１０５を備えた主回路Ａ２と、ＩＣ
１０１や抵抗１０２やコンデンサ１０３を備えた制御回
路Ａ１とが、同一の金属基板Ｍ上に搭載されているの
で、その取り付け面積が大きくなる。

【００１６】また、本発明にかかるＩＰＭにおいては、
両基板Ｓ１、Ｓ２が互いに垂直となるようにして縁部同
士で結合されているので、金属基板Ｓ２の上方には、実
質的には、制御回路Ｃ１を構成する抵抗２、コンデンサ
３等の部品ないし素子は配置されない。つまり、ガラス
エポキシ基板Ｓ１ないしはこれに搭載される部品又は素
子は、金属基板Ｓ２の直上を避けた位置に、金属基板Ｓ
２とは垂直な方向にのびるように配置されるので、金属
基板Ｓ２上に主回路Ｃ２の部品又は素子等を配設する上
で、何ら空間的な制約を受けない。したがって、部品実
装の自由度が大幅に高められる。なお、両基板Ｓ１、Ｓ
２は、半田付けで接合ないしは接続されるので、接合作
業の作業性もよい。また、制御回路Ｃ１と主回路Ｃ２と
が、両基板Ｓ１、Ｓ２の接合部付近で接近しているの
で、両回路Ｃ１、Ｃ２の接続は、金属端子９を用いて、
極めて容易に行うことができる。

【００１７】これに対して、例えば図５に示された従来
のＩＰＭでは、前記のとおり、ガラスエポキシ基板Ｇが
金属基板Ｍの上方に２段重ねで配置されているので、金
属基板Ｍ上に、主回路Ａ２を構成する各種部品を実装す
る上で、強い空間的な制約を受けることになる。また、
両基板Ｍ、Ｇを電気的に接続するためのつなぎ端子１０
９を設けなければならないので、組み付け性ないし作業
性が悪くなっていた。なお、図４（ａ）、（ｂ）に示す
ＩＰＭでも、制御回路Ａ１と主回路Ａ２との電気的接続
には銅パターン１０８を設けなければならないので、該
配線接続の作業性が悪くなっていた。

【００１８】さらに、本発明にかかるＩＰＭでは、発熱
量が多い主回路Ｃ２のみが高価な金属基板Ｓ２に搭載さ
れ、発熱量がさほど多くない制御回路Ｃ１は冷却の必要
がほとんどないので、伝熱性は劣るものの安価なガラス
エポキシ基板Ｓ１に搭載されている。このため、ＩＰＭ
のコストが低減される。これに対して、例えば図４
（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭでは、冷却がほ
とんど不要な発熱の小さい制御回路Ａ１も金属基板Ｍ上
に搭載されているので、金属基板Ｍの面積が大きくな
り、ＩＰＭのコストが高くなる。

【００１９】ところで、一般に、ＩＰＭにおいて、主回
路の大きさは該ＩＰＭの電流容量に応じて変化するが、
制御回路の大きさは該電流容量には依存しない。そし
て、本発明にかかるＩＰＭでは、制御回路Ｃ１を搭載す
るガラスエポキシ基板Ｓ１が、主回路Ｃ２を搭載する金
属基板Ｓ２とは別体とされているので、ＩＰＭをシリー
ズ化した場合でも、ガラスエポキシ基板Ｓ１の大きさを
ＩＰＭの品番（例えば、電流容量が１０Ａ、３０Ａ、５
０Ａのもの）ごとに変える必要はない。このため、制御
回路Ｃ１を搭載するガラスエポキシ基板Ｓ１を、全シリ
ーズで共通化することができ、部品点数を低減すること
ができる。

【００２０】本発明にかかるＩＰＭでは、制御回路Ｃ１
はガラスエポキシ基板Ｓ１に搭載されているので、ガラ
スエポキシ基板Ｓ１を、その広がり面が鉛直方向ないし
は上下方向にのびるようにすれば、ガラスエポキシ基板
Ｓ１の表裏両方の広がり面に、制御回路Ｃ１を構成する
抵抗２、コンデンサ３等の電気部品（素子）を実装する
ことができる。

【００２１】すなわち、図２に示すように、この場合
は、ガラスエポキシ基板Ｓ１が、その広がり面が鉛直方
向に伸びるように配置され、２つの絶縁層１０の間に、
基準電位パターン１１がはさみ込まれる。そして、ガラ
スエポキシ基板Ｓ１の表側（便宜上、図２中では左側と
する。）の銅パターン８と、裏側（便宜上、図２中では
右側とする。）の銅パターン８とが、スルーホール１２
を介して電気的に接続される。これにより、ガラスエポ
キシ基板Ｓ１の表裏両面に、抵抗２、コンデンサ３等の
部品ないしは素子を実装することができ、該ガラスエポ
キシ基板Ｓ１のスペース（面積）を有効に利用すること
ができる。したがって、ガラスエポキシ基板Ｓ１ひいて
は該ＩＰＭをコンパクト化することができる。

【００２２】これに対して、図４（ａ）、（ｂ）に示さ
れた従来のＩＰＭでは、図６に示すように、制御回路Ａ
１を搭載する基板の絶縁層１１０の上面にしか、抵抗１
０２、コンデンサ１０３等の部品ないしは素子を実装す
ることができないので、制御回路Ａ１を搭載する基板ひ
いてはＩＰＭは比較的大きくなっていた。

【００２３】また、図３に示すように、本発明にかかる
ＩＰＭでは、金属基板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１と
がケース１３内に配置され、両基板Ｓ１、Ｓ２は、ケー
ス１３内に充填された樹脂１４によって固定されてい
る。なお、主回路端子６の先端部及び制御回路端子７の
先端部は、樹脂１４の外に露出し、その他のデバイスと
電気的に接続できるようになっている。前記のとおり、
金属基板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１とは半田付けで
結合（接続）されているので、その結合強度はさほど強
くない。そこで、このように金属基板Ｓ２とガラスエポ
キシ基板Ｓ１とを樹脂１４で固めることにより、ガラス
エポキシ基板Ｓ１を金属基板Ｓ２に対して安定して固定
できるようにしている。

【００２４】

【発明の効果】本発明にかかるＩＰＭにおいては、主回
路基板と制御回路基板とが、別体で形成され、かつ両基
板の広がり面が互いに垂直となるようにして、両基板の
縁部同士で結合されている。すなわち、主回路基板上を
避けた位置に制御回路基板が配置されている。このた
め、従来のＩＰＭに比べて、ＩＰＭの取り付け面積を小
さくすることができる。また、主回路基板上に主回路の
部品又は素子等を配設する上で何ら空間的な制約を受け
ない。したがって、部品実装の自由度が大幅に高められ
る。さらに、制御回路基板が、主回路基板と別体とされ
ているので、ＩＰＭをシリーズ化した場合でも、制御回
路基板の大きさをＩＰＭの品番ごとに変える必要はな
い。このため、制御回路基板を、全シリーズで共通化す
ることができ、部品点数を低減することができる。

【００２５】上記ＩＰＭにおいて、制御回路基板の表裏
両方の広がり面に、制御回路を構成する電気部品が実装
された場合は、制御回路基板のスペース（面積）を有効
に利用することができ、制御回路基板をコンパクト化す
ることができる。

【００２６】上記ＩＰＭにおいて、主回路基板が金属基
板であり、制御回路基板がガラスエポキシ基板である場
合は、発熱量が多い主回路のみが高価な金属基板に搭載
され、発熱量がさほど多くない制御回路は安価なガラス
エポキシ基板に搭載されるので、ＩＰＭのコストが低減
される。

【００２７】上記ＩＰＭにおいて、主回路基板と制御回
路基板とが充填樹脂によって固定されている場合は、制
御回路基板を主回路基板に対して安定して固定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は本発明にかかるＩＰＭの平面図であ
り、（ｂ）は（ａ）に示すＩＰＭの斜視図である。

【図２】 本発明にかかるＩＰＭのガラスエポキシ基板
（制御回路基板）の立面断面図である。

【図３】 ケース内に配置されて樹脂で固められたＩＰ
Ｍの立面断面図である。

【図４】 （ａ）は従来のＩＰＭの平面図であり、
（ｂ）は（ａ）に示す従来のＩＰＭの斜視図である。

【図５】 制御回路用の基板が金属基板の上方に配置さ
れている従来のＩＰＭの斜視図である。

【図６】 従来のＩＰＭの制御回路用の基板の立面断面
図である。

【符号の説明】

Ｓ１ ガラスエポキシ基板、 Ｓ２ 金属基板、 Ｃ１
制御回路、 Ｃ２主回路、 １ ＩＣ、 ２ 抵抗、
３ コンデンサ、 ４ ＩＧＢＴ、 ５ダイオード、
６ 主回路端子、 ７ 制御回路端子、 ８ 銅パタ
ーン、 ９金属端子、 １０ 絶縁層、 １１ 基準電
位パターン、 １２ スルーホール、 １３ ケース、
１４ 樹脂。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主回路と、該主回路を制御する制御回路
   とを備えたインテリジェントパワーモジュールであっ
   て、 上記主回路を搭載する主回路基板と上記制御回路を搭載
   する制御回路基板とが別体で形成されていて、 上記主回路基板と上記制御回路基板とが、該両基板の広
   がり面が互いに垂直となるようにして、該両基板の縁部
   同士で結合され、 上記主回路と上記制御回路とが、上記両基板の結合部近
   傍で互いに電気的に接続されていることを特徴とするイ
   ンテリジェントパワーモジュール。
2. 【請求項２】 上記制御回路基板の表裏両方の広がり面
   に、上記制御回路を構成する部品が実装されていること
   を特徴とする請求項１に記載のインテリジェントパワー
   モジュール。
3. 【請求項３】 上記主回路基板が金属基板であり、上記
   制御回路基板がガラスエポキシ基板であることを特徴と
   する請求項１又は２に記載のインテリジェントパワーモ
   ジュール。
4. 【請求項４】 上記主回路基板と上記制御回路基板と
   が、充填樹脂によって固定されていることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれか１つに記載のインテリジェント
   パワーモジュール。