JP2003282821A - パワーモジュール - Google Patents

パワーモジュール

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JP2003282821A JP2002085960A JP2002085960A JP2003282821A JP 2003282821 A JP2003282821 A JP 2003282821A JP 2002085960 A JP2002085960 A JP 2002085960A JP 2002085960 A JP2002085960 A JP 2002085960A JP 2003282821 A JP2003282821 A JP 2003282821A
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亮 佐々木
Yasuhiko Kawanami
靖彦 川波
Yuji Ishida
雄二 石田
Saemitsu Hayashi
賛恵光 林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単位体積あたりの実装面積を大きくすること
ができ、その結果、製品の実装密度を向上することがで
き製品を小型化できるパワーモジュールを提供する。 【解決手段】 パワー半導体素子１１を取り付けた絶縁
回路基板１２をさらに取り付けて成る平面状熱伝導ベー
ス１３において、平面状熱伝導ベース１３の両端に傾斜
を付け、この平面状熱伝導ベースの３枚で断面コ字形状
に組み立てた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サーボアンプやイ
ンバータに用いられると共に、パワー変換回路を構成す
るパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】パワー半導体素子と絶縁回路基板と熱伝
導ベースからなる従来のパワーモジュール（以下、第１
のパワーモジュールと言う。）においては、回路の組易
さや実装のし易さの目的のために、銅やアルミの平板か
らなる熱伝導ベースに絶縁回路基板をはんだ付けし、そ
の上にパワー半導体素子をダイボンディングし、熱伝導
ベースの下にパワー半導体素子で発生する熱を放熱する
ヒートシンクを接続する構成となっていた。図４は従来
のパワーモジュール装置例を示すものである。１１はパ
ワー半導体素子で、１２は絶縁回路基板で、１３は熱伝
導ベースで、１４はパワーモジュールで、１５はヒート
シンクである。以上の構成において、パワー半導体素子
１１を絶縁回路基板１２にはんだ付け実装し、さらに熱
伝導ベース１３にはんだ付けしたパワーモジュール１４
を熱伝導コンパウンドを介しヒートシンク１５に面接触
させている。上記のようなパワーモジュールの構成にお
いて、パワー半導体素子を動作させたときに発生する熱
を絶縁回路基板から熱伝導ベースへ伝熱させ、さらにヒ
ートシンクから放熱することができるようになってい
る。
【０００３】また、パワーモジュール用制御ＩＣとこれ
を載置する回路基板からなるパワーモジュール（以下、
第２のパワーモジュールと言う）を複数個使用する場合
には、パワーモジュールをヒートシンクの上に二次元的
に並べ、その上に制御回路基板を重ねるようにのせ、直
接あるいはブスバーなどの配線を介してパワーモジュー
ルの制御端子や出力端子と電気的に接続していた。
【０００４】図１０は従来の第２のパワーモジュール装
置例を示すものである。１ａ，１ｂ，１ｃはそれぞれパ
ワーモジュールで、２２はアルミワイヤで、２３は制御
端子、２４は出力端子で、２５は制御回路基板、２８は
パワーモジュール用制御ＩＣ、２９はヒートシンクであ
る。以上の構成において、ヒートシンク２９の上に３台
のパワーモジュール１ａ、１ｂ、１ｃを二次元的に配置
して固定し、３台のパワーモジュールの上部に制御ＩＣ
２８を搭載した制御回路基板２５を配置し、パワーモジ
ュールの制御端子２３と出力端子２４を制御回路基板２
５と電気的に接続している。上記のようなパワーモジュ
ールの構成において、動作指令を制御ＩＣを介してパワ
ーモジュールに送り、パワーモジュールでスイッチング
動作させて出力端子からの指令負荷装置に送り負荷装置
を運転するようになっている。また、パワーモジュール
がスイッチング動作したときに発生する熱はヒートシン
クから放熱することができるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１のパワーモジュールにおいては、実装するパワー素子
数を多くする際には、熱伝導ベースが平板であることか
ら、パワー半導体素子を同一平面上に並べなければなら
ず、熱伝導ベースの面積が大きくなり、製品の外形が大
きくなる問題があった。また、上記第２のパワーモジュ
ールにおいては、複数個のパワーモジュールを使用する
場合に、パワーモジュールを二次元的に配置しなければ
制御回路基板と電気的に接続することができないという
問題があった。さらに、パワーモジュールを二次元的に
配置することによって制御回路基板が大型化するという
問題もあった。したがって、本発明の目的は、投影面積
を増やさずに単位体積当たりの実装密度を大きくするこ
とができるるパワーモジュール構造を提供することにあ
る。また、本発明の目的はパワーモジュールを三次元的
に箱型に配置した場合に制御回路基板も箱型に配置し電
気的に接続できるパワーモジュールを提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、請求項１記載のパワーモジュールの発明はパワー半
導体素子を取り付けた絶縁回路基板をさらに熱伝導ベー
スに取り付けて成るパワーモジュールにおいて、前記熱
伝導ベースを断面コ字形状に形成し、該熱伝導ベース上
に前記絶縁回路基板を取り付けたことを特徴とする。上
記構成により、単位体積あたりの実装面積を大きくする
ことができ、したがって、この結果、製品の実装密度を
向上することができ製品を小型化できる。請求項２記載
の平面状熱伝導ベースの発明はパワー半導体素子を取り
付けた絶縁回路基板をさらに取り付けて成る平面状熱伝
導ベースにおいて、前記平面状熱伝導ベースの両端に傾
斜を付けたことを特徴とする。上記構成により、複数の
同じパワーモジュールを安定的に組み合わせることで中
空箱型のパワーモジュールを形成することが可能とな
る。このため、単位体積あたりの実装密度を大きくする
ことができる。この結果、製品を小型化することができ
る。請求項３記載のパワーモジュールの発明は請求項２
記載の平面状熱伝導ベースの３枚で断面コ字形状に組み
立てたことを特徴とする。上記構成により、単位体積あ
たりの実装面積を大きくすることができ、したがって、
この結果、製品の実装密度を向上することができ製品を
小型化できる。請求項４記載の発明は、パワーモジュー
ル用制御ＩＣを取り付けて成る制御回路基板において、
前記制御回路基板の少なくとも一端にコネクタを取り付
け可能としたことを特徴とする。上記構成により、複数
個の制御回路基板をコネクタにより非平面的に組み合わ
せることができる。請求項５記載の発明は、請求項４記
載のパワーモジュール用制御回路基板において、前記制
御回路基板のパワーモジュール対向面にバンプを設けた
ことを特徴とする。上記構成により、パワーモジュール
のパワー半導体素子と直接バンプで接続することができ
るため、接続間距離を短くでき、しかも制御端子が不要
になるため制御回路基板を含めたパワーモジュールを小
型化できる。また、配線のインダクタンスも低減でき
る。請求項６記載のパワーモジュール用制御回路基板の
発明は、請求項４又は５記載のパワーモジュール用制御
回路基板の３枚と前記コネクタとを用いて、前記制御回
路基板の３枚で断面コ字形状に組み立てたことを特徴と
する。上記構成により、断面コ字形状（箱型形状）で電
気的に接続することができる。また、三次元的な組み合
わせとなるためパワーモジュールを小型化できる。請求
項７記載のパワーモジュールの発明は、請求項１又は３
記載のパワーモジュールと、請求項６記載のパワーモジ
ュール用制御回路基板とを用いて、断面コ字形状又は中
空箱形に組み立てられたことを特徴とする。上記構成に
より、単位体積あたりの実装面積を大きくすることがで
き、したがって、この結果、製品の実装密度を向上する
ことができ製品を小型化できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】まず、本発明の第１の実施の形態
について図１に基づいて説明する。図１に示すパワーモ
ジュールの熱伝導ベース１３は銅製削りだしの厚さ４ｍ
ｍの中空箱型を使った。この熱伝導ベース１３の３面に
絶縁回路基板１２とパワー半導体素子１１をそれぞれ実
装した。残り３面は、対向する２面を通風口として開
け、１面をアンプへの取り付け面とした。パワー半導体
素子１１を実装する面にはそれぞれ絶縁回路基板１２を
はんだ付けし、さらに絶縁回路基板１２の上にパワー半
導体素子１１を６個ダイボンディングした。このため実
装する３面で合計１８個のパワー半導体素子１１を実装
したパワーモジュール１４とした。また、パワー半導体
素子１１から発生する熱を冷却するヒートシンク１５を
実装面の裏側にそれぞれ取り付けた。この実施の形態に
よれば、本発明のパワーモジュール１４はパワー半導体
素子１１をダイボンディングした絶縁回路基板１２と、
絶縁回路基板１２をはんだ付けした熱伝導ベース１３か
らなるパワーモジュール１４において、熱伝導ベース１
３を中空箱型（断面コ字形状）とすることで、パワーモ
ジュール１４を同一面に３個取り付けた従来例に比べ、
本発明では投影面積が１／３に小さくできた。なお、熱
伝導ベース１３の構造に関しては、熱伝導ベース１３の
４面をパワー半導体素子１１の実装面にしてもよい。
【０００８】次に、本発明の第１の実施の形態の変形例
を図２と図３に基づいて説明する。図２は図１のパワー
モジュール１４を構成する単体形状を示すものである。
パワーモジュール１４を構成する熱伝導ベース１３は平
面形状をしており、その両端に傾斜１６が施してあり、
Ｎｉめっきを施した厚さ４ｍｍの銅板で構成し、絶縁回
路基板１２には絶縁層にＡｌＮ、上下面に銅をろう付け
した基板とし、パワー半導体素子１１としてＩＧＢＴ
（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使った。熱伝導ベース１３の両
端は４５度の角度で上から下に傾斜を施した。
【０００９】図３は、図２のこのパワーモジュール単体
１４を使ったパワーモジュール例を示している。ここで
は、熱伝導ベース１３の両端に４５度の傾斜を施したパ
ワーモジュール１４を３台使った。第１パワーモジュー
ル１４ａの熱伝導ベース１３の傾斜が施してある両端に
熱伝導グリースを塗り、第２のパワーモジュール１４ｂ
と第３のパワーモジュール１４ｃの同じ傾斜が施してあ
る一端を併せ、片側３カ所でネジ止めした。このため第
１のパワーモジュール１４ａと第２のパワーモジュール
１４ｂおよび第１のパワーモジュール１４ａと第３のパ
ワーモジュール１４ｃの熱伝導ベース１３取り付け角度
は、それぞれ９０℃となった。次に、それぞれのパワー
モジュールの熱伝導ベース１３の裏側にヒートシンク１
５を取り付けた。
【００１０】この第１の実施の形態によれば、パワーモ
ジュール１４はパワー半導体素子１１をダイボンディン
グした絶縁回路基板１２と、絶縁回路基板１２をはんだ
付けした熱伝導ベース１３からなるパワーモジュール１
４において、熱伝導ベース１３の両端に傾斜を付けたパ
ワーモジュール１４を３台組み合わせることにより、パ
ワーモジュール１４を同一面に３個取り付けた従来装置
に比べ、本発明では投影面積が１／３に小さくできた。
なお、パワーモジュール１４の組み合わせ台数は熱伝導
ベース１３の傾斜角度を４５度にした場合４台まで可能
である。さらに熱伝導ベース１３の傾斜角度は必ずしも
４５度でなくてもよい。
【００１１】本発明の第２の実施の形態について図５〜
図９に基づいて説明する。図５は本発明の第２の実施の
形態が対象としているパワーモジュールを示し、図６は
図５のパワーモジュールの制御回路基板を示す。図７は
本発明の第２の実施の形態を示す。図５と図６の示すパ
ワーモジュールにおいて、制御回路基板２５は厚さ１．
６ｍｍの片面銅張ガラスエポキシ基板を使った。この制
御回路基板２５には配線パターンと電極部を形成し、パ
ワーモジュール用制御ＩＣ２８を表面実装した。制御回
路基板２５の一端にコネクタ２６を挿入して電気的に接
続した。コネクタ２６は制御回路基板２５を挿入した方
向とそれに直行する方向に基板を差し込める基板挿入口
２７を３つ持っている。ここでコネクタ２６の数は制御
回路基板２５の一枚に対して複数個であってもかまわな
い。次に、制御回路基板２５とパワーモジュール２１と
を組み合わせた例を図５を使って説明する。パワーモジ
ュール２１の制御端子２３と出力端子２４を制御回路基
板２５の端子穴に挿入し、制御回路基板２５の電極部に
塗布したクリームはんだを高温層中で溶融し、はんだ付
けにより電気的に接続した。図７は、このような制御回
路基板２５を複数個組み合わせた第２の実施の形態を示
している。図７に示すように３台のパワーモジュールを
使って中空箱型に接続した。先ず、箱上面にパワーモジ
ュール１ａとコネクタ２６を挿入した制御回路基板２５
ａを配置した。次に、右側面にパワーモジュール１ｂと
制御回路基板２５ｂを配置し、制御回路基板２５ｂのコ
ネクタ２６の基板挿入口２７に制御回路基板２５ａを挿
入し、制御回路基板２５ｂと制御回路基板２５ａを電気
的に接続した。そして、箱の左側面にパワーモジュール
１ｃと制御回路基板２５ｃを配置し、制御回路基板２５
ａのコネクタ２６の基板挿入口２７に制御回路基板２５
ｃを挿入し、制御回路基板２５ａと制御回路基板２５ｃ
を電気的に接続した。この結果、箱型に配置したパワー
モジュール１ａとパワーモジュール１ｂとパワーモジュ
ール１ｃは制御回路基板２５ａと制御回路基板２５ｂと
制御回路基板２５ｃを介して電気的に接続した。
【００１２】この実施の形態によれば、本発明のパワー
モジュールの制御回路基板２５は、制御ＩＣと回路基板
からなるパワーモジュールの制御回路基板において、回
路基板の少なくとも一端にコネクタを取り付け、前記制
御回路基板を複数個組み合わせ箱型の構造にすること
で、複数個の制御回路基板をコネクタにより組み合わせ
た箱型の制御回路基板を電気的に接続することができ
た。
【００１３】図８および図９は本発明の第２の実施の変
形例を示している。図８は本発明の第２の実施の形態の
変形例の制御回路基板を使用したパワーモジュールを示
す図であり、図９は図８のパワーモジュールを複数個用
いたパワーモジュールを示す図である。先ず本発明の制
御回路基板２５とパワーモジュール２１をバンブ３０接
続する方法を説明する。図８に示すパワーモジュールの
制御回路基板２５は厚さ１．６ｍｍの両面銅張ガラスエ
ポキシ基板を使った。この制御回路基板２５には基板の
両面に配線パターンと電極部を形成し、上面に制御ＩＣ
２８を表面実装した。また下面の電極部には直径１ｍｍ
のＳｎ−Ｐｂ系のはんだバンプ３０を取り付けた。ここ
で、上面と下面の電気的な接続は基板のスルーホールで
行った。また、制御回路基板には多層配線の基板を使っ
てもよい。そして、制御回路基板２５の一端にはコネク
タ２６を挿入して電気的に接続した。コネクタ２６は制
御回路基板２５を挿入した方向とそれに直行する方向に
基板を差し込める基板挿入口２７を３つ持っている。こ
こでコネクタの基板挿入口は必ずしも３つではなくても
よい。この制御回路基板２５にパワーモジュール２１の
出力端子２４を挿入し、制御回路基板２５の電極部でク
リームはんだ付けにより電気的に接続した。同様にパワ
ー半導体素子３２の電極部と制御回路基板２５の電極部
もはんだバンプ３０ではんだ付けして電気的に接続し
た。
【００１４】次に、図８のパワーモジュールを複数個組
み合わせた第２の実施の形態の変形例を図９に基づいて
説明する。図９に示すように３台のパワーモジュールを
箱型に接続した。先ず、箱型の上面にパワーモジュール
１ａとコネクタ２６を挿入した制御回路基板２５ａを配
置する。次に、右側面にパワーモジュール１ｂと制御回
路基板２５ｂを配置し、制御回路基板２５ｂのコネクタ
２６の基板挿入口２７に制御回路基板２５ａを挿入し、
制御回路基板２５ｂと制御回路基板２５ａを電気的に接
続した。そして、左側面にパワーモジュール１ｃと制御
回路基板２５ｃを配置し、制御回路基板２５ａのコネク
タ２６の基板挿入口２７に制御回路基板２５ｃを挿入
し、制御回路基板２５ａと制御回路基板２５ｃを電気的
に接続した。この結果、箱型に配置したパワーモジュー
ル１ａとパワーモジュール１ｂとパワーモジュール１ｃ
は制御回路基板２５ａと制御回路基板２５ｂと制御回路
基板２５ｃを介して電気的に接続できた。最後に、３台
のヒートシンクとアルミベース３３で囲んだ空間をエポ
キシ樹脂３１で充填し、パワーモジュールの耐湿性と機
械的強度を確保した。この第２の実施の形態によれば、
本発明のパワーモジュールの制御回路基板２５は、制御
回路基板にバンプを設けたことで、パワーモジュールの
パワー半導体素子と直接バンプで接続することができる
ため、接続距離を短くでき、しかも制御端子が不要にな
るため制御回路基板を含めたパワーモジュールを小型化
できた。
【００１５】
【発明の効果】請求項１記載のパワーモジュールによれ
ば、パワー半導体素子をダイボンディングした絶縁回路
基板と、前記絶縁回路基板をはんだ付けした熱伝導ベー
スからなるパワーモジュールにおいて、前記熱伝導ベー
スを中空箱型とすることを特徴とするので単位体積あた
りの実装面積を大きくすることができる。この結果、製
品の実装密度を向上することができ製品を小型化でき
る。請求項２記載のパワーモジュールによれば、パワー
半導体素子と絶縁回路基板と熱伝導ベースからなるパワ
ーモジュールにおいて、前記熱伝導ベースの両端に傾斜
を付けたことを特徴とするので複数の同じパワーモジュ
ールを組み合わせることにより、中空箱型のパワーモジ
ュールを形成することができる。このため、単位体積あ
たりの実装密度を大きくすることができる。この結果、
製品を小型化することができる。請求項３記載のパワー
モジュールによれば、請求項２記載の平面状熱伝導ベー
スの３枚で断面コ字形状に組み立てたことを特徴とする
ので、単位体積あたりの実装面積を大きくすることがで
き、したがって、この結果、製品の実装密度を向上する
ことができ製品を小型化できる。請求項４記載のパワー
モジュールによれば、制御ＩＣを取り付けて成る制御回
路基板において、前記制御回路基板の少なくとも一端に
コネクタを取り付け可能としたことを特徴とするので、
複数個の制御回路基板をコネクタにより非平面的に組み
合わせることができ、したがって製品を小型化できる。
請求項５記載のパワーモジュールによれば、制御回路基
板のパワーモジュール対向面にバンプを設けたことを特
徴とするので、パワーモジュールのパワー半導体素子と
直接バンプで接続することができるため、接続間距離を
短くでき、しかも制御端子が不要になるため制御回路基
板を含めたパワーモジュールを小型化できる。また、配
線のインダクタンスも低減できる。請求項６記載のパワ
ーモジュールによれば、前記制御回路基板を複数個組み
合わせ箱形の構造、又は断面コ字形状に組み立てたこと
を特徴とするので、断面コ字形状（箱型形状）で電気的
に接続することができ、また三次元的な組み合わせとな
るためパワーモジュールを小型化できる。請求項７記載
のパワーモジュールによれば、請求項１又は３記載のパ
ワーモジュールと、請求項６記載のパワーモジュール用
制御回路基板とを用いて、断面コ字形状又は中空箱形に
組み立てられたことを特徴とするので、単位体積あたり
の実装面積を大きくすることができ、したがって、この
結果、製品の実装密度を向上することができ製品を小型
化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュ
ールを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例に用いられ
る平面状熱伝導ベースを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の変形例に係るパワ
ーモジュールを示す図である。
【図４】熱伝導ベースの複数個で形成される従来のパワ
ーモジュールを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態が対象とする制御回
路基板を用いたパワーモジュールを示す図である。
【図６】図５のパワーモジュールの制御回路基板を示す
図である。
【図７】図５のパワーモジュールを複数個用いたパワー
モジュールを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の変形例の制御回路
基板を使用したパワーモジュールを示す図である。
【図９】図８のパワーモジュールを複数個用いたパワー
モジュールを示す図である。
【図１０】従来の制御回路基板を用いたパワーモジュー
ルを示す図である。
【符号の説明】
１１：パワー半導体素子 １２：絶縁回路基板 １３：熱伝導ベース １４：パワーモジュール １５：ヒートシンク １６：傾斜 １７：ネジ １４ａ：第１パワーモジュール １４ｂ：第２パワーモジュール １４ｃ：第３パワーモジュール ２１：パワーモジュール ２２：アルミワイヤ ２３：制御端子 ２４：出力端子 ２５：制御回路基板 ２５ａ：第１制御回路基板 ２５ｂ：第２制御回路基板 ２５ｃ：第３制御回路基板２６：コネクタ ２７：基板挿入口 ２８：制御ＩＣ ２９：ヒートシンク ３０：バンプ ３１：樹脂 ３２：パワー半導体素子 ３３：アルミベース １ａ：第１パワーモジュール ２ｂ：第２パワーモジュール ３ｃ：第３パワーモジュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 雄二 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 (72)発明者 林 賛恵光 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 Ｆターム(参考） 5E338 EE02 EE13 EE23

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パワー半導体素子を取り付けた絶縁回路
    基板をさらに熱伝導ベースに取り付けて成るパワーモジ
    ュールにおいて、前記熱伝導ベースを断面コ字形状に形
    成し、該熱伝導ベース上に前記絶縁回路基板を取り付け
    たことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 【請求項２】 パワー半導体素子を取り付けた絶縁回路
    基板をさらに取り付けて成る平面状熱伝導ベースにおい
    て、前記平面状熱伝導ベースの両端に傾斜を付けたこと
    を特徴とする平面状熱伝導ベース。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の平面状熱伝導ベースの３
    枚で断面コ字形状に組み立てたことを特徴とするパワー
    モジュール。
  4. 【請求項４】 パワーモジュール用制御ＩＣを取り付け
    て成る制御回路基板において、前記制御回路基板の少な
    くとも一端にコネクタを取り付け可能としたことを特徴
    とするパワーモジュール用制御回路基板。
  5. 【請求項５】 前記制御回路基板のパワーモジュール対
    向面にバンプを設けたことを特徴とする請求項４記載の
    パワーモジュール用制御回路基板。
  6. 【請求項６】 請求項４又は５記載のパワーモジュール
    用制御回路基板の３枚と前記コネクタとを用いて、前記
    制御回路基板の３枚で断面コ字形状に組み立てたことを
    特徴とするパワーモジュール用制御回路基板。
  7. 【請求項７】 請求項１又は３記載のパワーモジュール
    と、請求項６記載のパワーモジュール用制御回路基板と
    を用いて、断面コ字形状又は中空箱形に組み立てられた
    ことを特徴とするパワーモジュール。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0487211A (ja) * 1990-07-31 1992-03-19 Furukawa Electric Co Ltd:The 低風騒音低コロナ騒音架空電線
JP2009081273A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Rohm Co Ltd 半導体装置
JP2010124607A (ja) * 2008-11-19 2010-06-03 Toyota Motor Corp 電力変換装置
JP2013232445A (ja) * 2012-04-27 2013-11-14 Toshiba Corp 半導体装置
JP2013243337A (ja) * 2012-04-25 2013-12-05 Jtekt Corp 制御装置および同装置を備えるモータユニット

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