JP2004039749A

JP2004039749A - Multi-phase inverter module

Info

Publication number: JP2004039749A
Application number: JP2002192424A
Authority: JP
Inventors: Takashi Torii; 鳥井　孝史; Masashi Nakamura; 中村　誠志; Koji Yamada; 山田　浩二
Original assignee: Toyota Industries Corp; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-phase inverter module having the excellent cooling characteristic of a built-in semiconductor element by improving electromagnetic wave noise shielding performance while suppressive an increase in cost. <P>SOLUTION: In the multi-phase inverter module in the two-story structure of a power semiconductor element 24 and a wiring board 27, electromagnetic wave noise is effectively shielded to provide the excellent heat radiation of a wiring board 27 through by the utilization of the excellent electrical conductivity and excellent thermal conductivity of a side wall 213, by providing the side wall 213 totally surrounding the power semiconductor element 24 to a metal member 21 for a cooling element formed as a so-called heat sink. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相インバータモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多相インバータ回路を内蔵する多相インバータモジュール及びこの多相インバータモジュールを用いたインバータ一体型回転電機が提案されている。
【０００３】
この種の多相インバータモジュールは、大きな発熱量をもつパワー半導体素子チップの冷却のための熱伝達放熱及びヒートシンクをなす素子冷却用金属部材、絶縁シート、多相インバータ回路の各アームを構成するパワー半導体素子チップ、パワー半導体素子チップを封止する樹脂封止部材、各パワー半導体素子チップを断続制御するための制御回路、樹脂封止部材を封入するための凹部を形成するための角枠状の側壁部（樹脂モールドケース）、パワー半導体素子チップの電極端子に接続されるリード端子（バスバー）を必須構成要素としている。
【０００４】
たとえば、特開２０００−２４５１７０号公報は、ヒートシンク兼冷却部材としての金属ベース上に絶縁シートを介していわゆるリードフレームを設け、このリードフレームのアイランドにパワー半導体素子チップを搭載し、更に、金属ベースの側面を角枠状の樹脂モールドケースで囲み、この樹脂モールドケース内に樹脂をモールドすることにより、パワー半導体素子チップをモールドし、リードフレームのリード端子を上方に屈曲してパワー半導体素子チップの電極端子とする構造の半導体モジュールを開示している。
【０００５】
上記半導体モジュールは、配線基板がパワー半導体素子チップの上方に二階建て構造に配置されるために、パワー半導体素子チップとパワー半導体素子チップとの間の種々の配線距離を短縮することができる点。素子冷却用金属部材上に配線基板を設けるのではないので装置をコンパクト化することができる点、樹脂モールドケースにより配線基板を支持することができるので配線基板の装着が容易である点、樹脂モールドケースで囲まれたパワー半導体素子チップを樹脂モールドした後でこの樹脂モールドされたパワー半導体素子チップから突出するリード端子やバスバーと配線基板とを接続することができるので組み付け作業が簡単となる点などの種々の利点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公報の多相インバータモジュールでは、たとえばモータ電力のＰＷＭ制御のために大電力の高速スイッチングを行うパワー半導体素子チップやバスバーなどがモジュール外部に大きな電磁波ノイズを発生するために、外部の電子回路（たとえば通信、放送機器や制御機器など）の対電磁波ノイズ対策が重要となるという問題があった。また、外部の大電磁波ノイズ発生装置（たとえばエンジンの点火装置）からの電磁波ノイズを遮断することが重要となるという問題もあった。公知である高価な種々の電磁波ノイズシールド対策を施すことは可能であるが、コスト、装置必要スペースの増大が必要となってしまう。
【０００７】
また、上記した公報の多相インバータモジュールでは、配線基板（通常はプリント基板）を、発熱が大きいパワー半導体素子チップに近接配置する二階建て構造を採用しているために、配線基板に実装される大発熱ＩＣの冷却が容易でないという問題もあった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、コスト増大を抑止しつつ電磁波ノイズシールド性能を向上させ、内蔵半導体素子の冷却性にも優れた多相インバータモジュールを提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の多相インバータモジュールは、素子実装面を有する金属製の素子冷却用金属部材と、パワー半導体素子搭載用のアイランド及び前記パワー半導体素子の各電極端子に接続される複数のリード端子を有して前記素子冷却用金属部材の素子実装面に絶縁シートを介して固定される導体板部と、前記リード端子に接続される電極を有して前記アイランドに固定されるチップ状又はカード状のパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を封止する樹脂封止部材と、前記パワー半導体素子を制御する制御回路が実装されて前記パワー半導体素子から所定間隔を隔てて前記素子冷却用金属部材と略平行に配置される配線基板とを備える多相インバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が、前記素子実装面の周縁に沿って前記パワー半導体素子を囲繞して立設されて前記樹脂封止部材の側面に接するとともに、前記配線基板の周縁部を載置、支持する側壁部を有することを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、素子冷却用の金属部材が封止樹脂のケースを兼ねることによりコスト増大を抑止しつつパワー半導体素子の絶縁を行うとともに電磁波ノイズシールド性能を向上させ、内蔵半導体素子の冷却性にも優れたコンパクトな多相インバータモジュールを実現することができる。
【００１１】
更に説明すると、この発明では、パワー半導体素子と配線基板とを二階建て構造とした多相インバータモジュールにおいて、パワー半導体素子の全周を囲む側壁部をいわゆるヒートシンクをなす素子冷却用金属部材に設けるという簡単な手段により上記効果を奏することができる。この側壁部をもつ素子冷却用金属部材は好適にはアルミダイキャスト法により簡単に形成することができる。
【００１２】
すなわち、大発熱部品としてのパワー半導体素子上に配線基板を設ける上記二階建て構造は、配線基板上のＩＣの冷却上、配線基板をパワー半導体素子から十分に離して配置する場合に比較してＩＣの温度が増加するという解決するべき問題があった。
【００１３】
この発明によれば、側壁部は良電気伝導性、良熱伝導性をもつので、パワー半導体素子やそれに接続されるバスバーなどから側方に放射される電磁波ノイズを良好にシールドすることができるうえ、配線基板の熱をその周縁部と側壁部との接触伝熱により、又は、内部空気の対流により良好に放熱することができる。
【００１４】
なお、配線基板上に放熱用兼接地用の導体片を実装し、この導体片を配線パターンなどを通じて接触させれば、配線基板上のＩＣの接地電極をこの導体片に接続したり、ＩＣをこの導体片に実装すれば、更にこのＩＣの放熱性を向上することができる。また、パワー半導体素子と配線基板との間に側壁部に支持される接地導体板を敷設することは容易であるので、パワー半導体素子から配線基板への熱的影響を軽減できるとともに、パワー半導体素子が発する電磁波ノイズが配線基板のＩＣに悪影響を与える効果も軽減することができる。その他、側壁部は、パワー半導体素子を樹脂モールドする際のモールド樹脂の側面を区画形成する仕切板となるので、この機能を果たす従来の樹脂モールドケースを省略することができる。また、配線基板のＩＣはこの接地導体板に密着させることも容易であり、一層、ＩＣ冷却性を向上することができる。
【００１５】
上記パワー半導体素子は、パワー半導体素子チップ（ベアチップ）又はダイでもよく、更にはパワー半導体素子チップの両主面に電極板を設けてチップ側面を樹脂被覆したパワー半導体素子カードとしてもよい。パワー半導体素子は、たとえばＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタやフライホイルダイオードを内蔵することができるほか、上記トランジスタとフライホイルダイオードとを一緒に内蔵してもよい。
【００１６】
上記導体板部は、いわゆるリードフレーム製造技術により形成、配置することができる他、それぞれ個別のバスバーを別々に製造、配置することも可能である。
【００１７】
製造方法としてはたとえば次に示すように種々の方法が可能である。
【００１８】
まず、あらかじめベアチップを接合したバスバーを絶縁シートを通じて素子冷却用金属部材に固定し、樹脂モールドする方法がある。
【００１９】
また、あらかじめベアチップを接合したリードフレームに樹脂モールドを行い、その後、タイバーを切断して樹脂モールド素子を作製し、この樹脂モールド素子を絶縁シートを介して素子冷却用金属部材に固定する方法がある。
【００２０】
更に、パワー半導体素子のベアチップの両主面に電極板を接合し、ベースの側面を樹脂モールドにより被覆してカード状のパワー半導体素子（パワー半導体素子カード）を構成し、このカードをバスバー固定し、このバスバーを絶縁シートを介して素子冷却用金属部材に固定してもよい。
【００２１】
好適な態様において、前記素子実装面に背向する前記素子冷却用金属部材の前記裏主面に突設された複数の凸部の先端面に密接配置されて前記複数の凸部の間に冷却液通路を形成する仕切り部材を有することを特徴としている。これにより、素子冷却用金属部材を良好に冷却することができる。
【００２２】
好適な態様において、前記リード端子は、前記素子冷却用金属部材に貫設された端子孔を通じて外部と接続される。すなわち、上記した本発明の二階建て構造の多相インバータモジュールでは、パワー半導体素子がヒートシンク（素子冷却用金属部材）の凹部の底面に実装されるために、パワー半導体素子の電極に接続されるリード端子の外部の導出が容易ではない。素子冷却用金属部材の底面から離れる方向にリード端子を取り出すことは、ある場合（たとえばモータのコイル引き出し線との接続）には配線上、好ましくない。そこで、この態様では、素子冷却用金属部材にあらかじめ端子孔（溝でもよい）を設けておき、この端子孔を通じて素子冷却用金属部材に対して電気絶縁しつつ、リード端子を接続するので、素子冷却用金属部材側の電気装置との配線長を短縮することができる。
【００２３】
特に好適には、この端子孔には樹脂被覆されたモータのコイル引き出し線とされ、このコイル引き出し線は軸方向に突設される。このようにすれば、この多相インバータモジュールをモータの端面に軸方向に取り付ける場合に、このコイル引き出し線が端子孔を貫通することができるので、非常に容易にコイル引き出し線とリード端子との接続を実現することができる。なお、これら両者の接合は、配線基板取り付け前に行うか、又は、配線基板に上記接合のための作業を行うための作業窓を開口しておくことにより容易に実現することができる。
【００２４】
好適な態様において、前記配線基板の前記周縁部に配置されて前記素子冷却用金属部材に接触する低位電源ライン用の接地配線を有する。
【００２５】
このようにすれば、配線基板の低位電源ラインの配線インピーダンスの低減および冷却に有効である。なお、この接地配線は配線導体箔としてもよく、配線基板に実装された接地導体片としてもよい。
【００２６】
好適な態様において、前記素子冷却用金属部材の前記底面に密着されて前記パワー半導体素子のスイッチングノイズを低減する平滑コンデンサを有するので、平滑コンデンサも良好に冷却することができるとともに、パワー半導体素子と平滑コンデンサとを接続するバスバーも素子冷却用金属部材の凹部に収容されることになるので、このバスバーが外部に放射する電磁波ノイズも低減することができる。
【００２７】
好適な態様において、前記配線基板の周縁部を載置、支持する段差面と、金属製の蓋板が固定される頂面とを有するので、蓋板は、この側壁部により接地電位に良好に固定されることになり、蓋板を貫通して外部に放射される電磁波ノイズを良好にシールドすることができる。
【００２８】
好適な態様において、前記素子冷却用金属部材は、前記モータのハウジングの周壁内周面より大きい径を有して前記ハウジングの周壁に締結されて前記モータ部のエンドフレームを兼ねる。これにより、パワー半導体素子を熱を素子冷却用金属部材を通じてモータハウジングやモータ冷却機構により冷却できるとともに、モータのエンドフレームが素子冷却用金属部材を兼ねるため、素子冷却用金属部材すなわちパワー半導体素子のヒートシンクを省略することができ、インバータ一体型モータを小型、軽量化することができる。
【００２９】
好適な態様において、前記エンドフレームは、内端面に軸受部を有して前記モータ径方向に延設されて前記素子冷却用金属部材の前記底面と反対側の裏主面に固定される軸受け板部を有し、前記素子冷却用金属部材は、軸受け板部の外端面に密着して前記軸受け板部により閉鎖される冷却媒体通路を前記素子実装面と反対側の裏主面に有して前記軸受け板部とともに前記エンドフレームを構成する。これにより、簡素な構成でモータとパワー半導体素子とを同一の冷却媒体通路系で冷却することができる。
【００３０】
好適な態様において、前記リード端子は、前記冷却媒体通路を封鎖するＯリングの外側に位置して前記内側端板部及び前記素子冷却用金属部材に貫設された端子孔を通じて前記モータの引き出し線に接続される。これにより、冷却媒体通路からの液漏れを防止しつつモータとパワー半導体素子とを最短距離で接続することができる。
【００３１】
第二発明のパワー半導体モジュールは、素子実装面を有する金属製の素子冷却用金属部材と、パワー半導体素子搭載用のアイランド及び前記パワー半導体素子の各電極をなす複数のリード端子を有して前記素子冷却用金属部材の平坦な素子実装面に絶縁シートを介して固定される導体板部と、前記リード端子に接続される電極を有して前記アイランドに固定されるチップ状又はカード状のパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を封止する樹脂封止部材と、前記パワー半導体素子を制御する制御回路が実装されて前記パワー半導体素子から所定間隔を隔てて前記素子冷却用金属部材と略平行に配置される配線基板とを備える多相インバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材は、前記モータのハウジングの周壁内周面より大きい径を有して前記ハウジングの周壁に締結されて前記モータ部のエンドフレームを兼ねることを特徴としている。これにより、パワー半導体素子を熱を素子冷却用金属部材を通じてモータハウジングやモータ冷却機構により冷却できるとともに、モータのエンドフレームが素子冷却用金属部材を兼ねるため、素子冷却用金属部材すなわちパワー半導体素子のヒートシンクを省略することができ、インバータ一体型モータを小型、軽量化することができる。
【００３２】
好適な態様において、前記エンドフレームは、内端面に軸受部を有して前記モータ径方向に延設されて前記素子冷却用金属部材の前記底面と反対側の裏主面に固定される軸受け板部を有し、前記素子冷却用金属部材は、前記軸受け板部の外端面に密着して前記軸受け板部により閉鎖される冷却媒体通路を前記素子実装面と反対側の裏主面に有して前記軸受け板部とともに前記エンドフレームを構成し、前記リード端子は、前記素子冷却用金属部材と前記軸受け板部との間に介設されて前記冷却媒体通路を封鎖するＯリングの外側に位置して前記内側端板部及び前記素子冷却用金属部材に貫設された端子孔を通じて前記モータの引き出し線に接続される。これにより、簡素な構成でモータとパワー半導体素子とを同一の冷却媒体通路系で冷却することができるとともに、冷却媒体通路からの液漏れを防止しつつモータとパワー半導体素子とを最短距離で接続することができる。
【００３３】
【発明を実施するための態様】
本発明の多相インバータモジュールの好適な態様を図面を参照して以下に説明する。この多相インバータモジュールは３相ブラシレスＤＣモータであるが、もちろん他の形式の回転電機でもよいことは当然である。
（全体構造）
１は底付き円筒状のフロントフレーム、２はパワー半導体モジュール、３は輪板状のエンドプレート（本発明でいう軸受け板部）、４はステータコア、５はステータコイル、６はロータ、７は回転軸、８は冷却ファン、９はエンドプレート３に設けられて回転軸７を支持する軸受け部、１０はＯリングである。
【００３４】
パワー半導体モジュール２は、略円盤状のベースプレート（本発明でいう素子冷却用金属部材）２１、絶縁シート２２、リードフレーム２３、６個のＩＧＢＴチップ（１個のみ図示）２４、６個のフライホイルダイオードチップ２５、平滑コンデンサ２６、プリント基板（本発明でいう配線基板）２７、蓋板２８、モールド樹脂２９を有している。
【００３５】
フロントフレーム１、エンドプレート３、ベースプレート２１は、アルミダイキャストにより製造され、蓋板２８はアルミ薄板をプレス成形して形成されている。エンドプレート３、ベースプレート２１は螺子によりフロントフレーム１の後端面に重ねて締結され、蓋板２８はベースプレート２１の後端面に締結されている。
【００３６】
冷却ファン８はロータ６の端面に固定されて遠心冷却風を形成する。エンドプレート３は軸方向前方に突出する冷却フィン３１をもち、上記遠心冷却風は冷却フィン３１により冷却されて、ステータコイル５などを冷却する。
【００３７】
ベースプレート２１の前端面には、仕切り部材としてのエンドプレート３とともに冷却ブラインが流れる冷却媒体通路２１１が凹設されている。この冷却媒体通路２１１は、ベースプレート２１の前端面に凹設された環状溝に収容されたＯリング１０によりシールされている。
【００３８】
ベースプレート２１は、冷却媒体通路２１１に隣接する底板部２１２と、底板部２１２の全周にわたって後方に突出する側壁部２１３とを有し、底板部２１２には、絶縁シート２２を介してリードフレーム２３が固定されている。　このリードフレーム２３は、素子搭載用のアイランド２３１と、リード端子２３２、２３３などを有しており、プレス成形打ち抜きにより形成されている。
【００３９】
アイランド２３１には、ＩＧＢＴチップ２４とフライホイルダイオード２５とが半田付けされている。また、アイランド２３１には平滑コンデンサ２６が直接はんだ付けされている。図１に示すＩＧＢＴチップ２４とフライホイルダイオード２５は多相インバータ回路のＵ相上アーム素子を構成しており、図１に示すアイランド２３１は図示しないリード端子を通じて高位電源ラインに接続されている。
【００４０】
リード端子２３２、２３３は、多相インバータ回路の種々の回路接続に採用されるが、多相インバータ回路の構成自体は周知であるので説明を省略する。リード端子２３２の先端部は後方に屈曲されて、ＩＧＢＴチップ２４のゲート電極とプリント基板２７の配線パターンにはんだ付けされている。リード端子２３３は、多相インバータ回路のＵ相交流端子をなし、その先端部は後方に屈曲されて、後述するステータコイル５の引き出し線５１に接続されている。引き出し線５１は、ベースプレート２１の底板部２１２に軸方向に貫設された端子孔２１４を挿通してリード端子２３３の先端に接合されている。
【００４１】
プリント基板２７には、各ＩＧＢＴチップ２４を制御するための種々の回路素子が実装されている。たとえば、２７１はＣＰＵである。プリント基板２７の周縁部は、ベースプレート２１の側壁部２１３の内側面に形成された台座面２１５に載置、締結されている。蓋板２８は、側壁部２１３の頂面２１６に締結されている。
【００４２】
ＩＧＢＴチップ２４、フライホイルダイオードチップ２５、平滑コンデンサ７は、側壁部２１３と底板部２１２とプリント基板２７とにより囲まれる密閉空間に充填されたモールド樹脂２９により覆われている。
（実施例効果）
この実施例のインバータ一体型モータによれば、次の効果を奏することができる。
【００４３】
プリント基板２７及びＩＧＢＴチップ２４を金属体（ベースプレート２１および蓋板２８）により密閉するとともに、この金属密閉構造がモータのエンドプレート３とともにモータハウジングの端壁部を兼ねるので、エンドプレート３の本来を薄肉化することができ、全体として小型軽量化が可能で、電磁波ノイズシールド性能に優れるインバータ搭載型回転電機を実現することができるうえ、エンドプレート（軸受け板部）３とベースプレート２１との間に冷却媒体通路を設けるので、この冷却媒体通路を流れる冷却媒体によりモータとＩＧＢＴチップ２４との両方を一つの冷却媒体通路により同時に冷却することができ、冷却系もコンパクト化することができる。
【００４４】
また、コンパクトな二階建て構造を採用するにも関わらず、プリント基板（配線基板）２７をそれに接するあるいは近接する側壁部２１３により冷却することができるので、配線基板上のＩＣの冷却性に優れる。特に、この実施例では、配線基板上の接地ラインをなす導体配線パターンを側壁部２１３の段差面に直接接触させるので、配線基板上の回路部品はこの接地ラインをなす導体配線パターンを通じて良好に冷却させることができる。また、ＣＰＵのように発熱が大きい回路部品の接地電極端子と側壁部２１３の段差面との間には、プリント基板２７に半田付けされて導体片が延設される（図示省略）ので、一層良好にこの大発熱回路部品（ＣＰＵ）の熱を冷却媒体通路の冷却媒体に放熱することができる。
【００４５】
更に、図示省略したが、ＩＧＢＴチップ２４とプリント基板２７との間には配線パターンが許す限り、側壁部２１３の図示しない段差面に締結された接地バスバー（接地導体板）が延設されているので、ＩＧＢＴチップ２４やその近傍のリード端子などが発生する電磁波ノイズがプリント基板２７の回路部品に影響するのを良好に防止することができるとともに、ＩＧＢＴチップ２４から発生する熱がプリント基板２７に影響するのも低減することができる。
【００４６】
更に、側壁部２１３の形成により、従来のように樹脂モールドケースを用いることなく、ＩＧＢＴチップ２４やフライホイルダイオードチップ２５の樹脂モールドが可能となり、部品点数を減らすことができる。
【００４７】
平滑コンデンサ２６もベースプレート２１の底面に固定されるので、良好に冷却することができ、かつ、ＩＧＢＴチップ２４と平滑コンデンサ２６とを接続するライン（バスバー又はリード端子）が外部に放射する電磁波ノイズもベースプレート２１及び蓋板２８によりシールドすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の多相インバータモジュールを搭載するインバータ一体型モータを示す軸方向部分断面図である。
【符号の説明】
１　フロントフレーム
２　パワー半導体モジュール
３　エンドプレート（本発明でいう軸受け板部、仕切り部材）
４　ステータコア
５　ステータコイル
６　ロータ
７　回転軸
８　冷却ファン
９　軸受け部
１０　Ｏリング
２１　ベースプレート（本発明でいう素子冷却用金属部材）
２２　絶縁シート
２３　リードフレーム
２４　ＩＧＢＴチップ（パワー半導体素子）
２５　フライホイルダイオードチップ（パワー半導体素子）
２６　平滑コンデンサ
２７　プリント基板（本発明でいう配線基板）
２８　蓋板
２９　モールド樹脂（ハッチング省略）
２１１　冷却媒体通路
２１２　ベースプレート２１の底板部
２１３　ベースプレート２１の側壁部
２３１　リードフレーム２３のアイランド
２３２　リードフレーム２３のリード端子
２３３　リードフレーム２３のリード端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polyphase inverter module.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Hitherto, a polyphase inverter module having a built-in polyphase inverter circuit and an inverter-integrated rotary electric machine using the polyphase inverter module have been proposed.
[0003]
This kind of multi-phase inverter module is composed of an element cooling metal member, an insulating sheet, and a power constituting each arm of the multi-phase inverter circuit, which serves as a heat transfer heat radiation and a heat sink for cooling a power semiconductor element chip having a large heat value. A semiconductor element chip, a resin sealing member for sealing the power semiconductor element chip, a control circuit for intermittently controlling each power semiconductor element chip, and a rectangular frame-shaped part for forming a concave portion for enclosing the resin sealing member. The side walls (resin mold case) and the lead terminals (bus bars) connected to the electrode terminals of the power semiconductor element chip are essential components.
[0004]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-245170 discloses that a so-called lead frame is provided on a metal base as a heat sink and cooling member via an insulating sheet, a power semiconductor element chip is mounted on an island of the lead frame, and a metal base is further provided. The power semiconductor element chip is molded by surrounding the side surface of the power semiconductor element chip by molding a resin into the resin mold case, and the lead terminals of the lead frame are bent upward. A semiconductor module having an electrode terminal structure is disclosed.
[0005]
In the above-mentioned semiconductor module, since the wiring board is arranged in a two-story structure above the power semiconductor element chip, various wiring distances between the power semiconductor element chips can be reduced. Since the wiring board is not provided on the element cooling metal member, the apparatus can be made compact. The wiring board can be supported by the resin mold case, so that the wiring board can be easily mounted. After the power semiconductor element chip enclosed in the case is resin-molded, lead terminals and bus bars protruding from the resin-molded power semiconductor element chip can be connected to the wiring board, so that assembly work is simplified. Have various advantages.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the multi-phase inverter module disclosed in the above publication, for example, a power semiconductor element chip or a bus bar that performs high-power high-speed switching for PWM control of motor power generates large electromagnetic noise outside the module. There has been a problem that measures against electromagnetic noise against electronic circuits (for example, communication, broadcasting equipment and control equipment) are important. Another problem is that it is important to cut off electromagnetic noise from an external large electromagnetic noise generator (for example, an engine ignition device). Although it is possible to take various known and expensive measures against electromagnetic wave noise shielding, it is necessary to increase the cost and the space required for the apparatus.
[0007]
Further, the multi-phase inverter module disclosed in the above-mentioned publication employs a two-story structure in which a wiring board (usually a printed board) is disposed close to a power semiconductor element chip that generates a large amount of heat. There is also a problem that it is not easy to cool the large heat generating IC.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a polyphase inverter module that improves electromagnetic wave noise shielding performance while suppressing an increase in cost, and that is also excellent in cooling of built-in semiconductor elements. I have.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
2. The multi-phase inverter module according to claim 1, wherein the metal element cooling metal member having an element mounting surface, a plurality of lead terminals connected to the power semiconductor element mounting island and each electrode terminal of the power semiconductor element. A chip plate or card having an electrode connected to the lead terminal and a conductor plate portion fixed to the element mounting surface of the element cooling metal member via an insulating sheet; -Shaped power semiconductor element, a resin sealing member for sealing the power semiconductor element, and a control circuit for controlling the power semiconductor element are mounted, and the element cooling metal member is separated from the power semiconductor element by a predetermined distance. And a wiring board arranged substantially in parallel with the multi-phase inverter module,
The element cooling metal member is erected along the periphery of the element mounting surface and surrounds the power semiconductor element, contacts the side surface of the resin sealing member, and mounts the peripheral portion of the wiring board. It is characterized by having a side wall portion for supporting.
[0010]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal member for element cooling also serves as the case of sealing resin, while suppressing the increase in cost, it insulates the power semiconductor element, improves the electromagnetic wave noise shielding performance, and improves the cooling performance of the built-in semiconductor element. Therefore, it is possible to realize a compact and excellent multi-phase inverter module.
[0011]
More specifically, according to the present invention, in a polyphase inverter module having a two-story structure of a power semiconductor element and a wiring board, a side wall surrounding the entire periphery of the power semiconductor element is provided on an element cooling metal member forming a so-called heat sink. The above effects can be obtained by simple means. The element cooling metal member having the side wall can be easily formed preferably by an aluminum die casting method.
[0012]
In other words, the two-story structure in which the wiring board is provided on the power semiconductor element as a large heat-generating component has the disadvantage that the cooling of the IC on the wiring board requires more IC than the case where the wiring board is sufficiently separated from the power semiconductor element. There was a problem to be solved that the temperature of the steel increased.
[0013]
According to the present invention, the side wall portion has good electrical conductivity and good thermal conductivity, so that electromagnetic noise radiated laterally from the power semiconductor element and the bus bar connected thereto can be shielded well. The heat of the wiring board can be satisfactorily dissipated by contact heat transfer between the peripheral portion and the side wall portion or by convection of the internal air.
[0014]
If a conductor piece for heat dissipation and grounding is mounted on the wiring board and the conductor piece is brought into contact through a wiring pattern or the like, the ground electrode of the IC on the wiring board can be connected to the conductor piece or the IC can be connected to the conductor piece. If mounted on this conductor piece, the heat dissipation of the IC can be further improved. Further, since it is easy to lay the ground conductor plate supported on the side wall between the power semiconductor element and the wiring board, the thermal effect from the power semiconductor element to the wiring board can be reduced, and the power semiconductor element can be reduced. Can also reduce the effect of the electromagnetic wave noise generated by the device on the IC of the wiring board. In addition, since the side wall portion serves as a partition plate for partitioning the side surface of the molding resin when the power semiconductor element is molded with the resin, a conventional resin molding case that performs this function can be omitted. Further, the IC of the wiring board can be easily brought into close contact with the ground conductor plate, and the cooling performance of the IC can be further improved.
[0015]
The power semiconductor element may be a power semiconductor element chip (bare chip) or a die, or may be a power semiconductor element card in which electrode plates are provided on both main surfaces of the power semiconductor element chip and the chip side surfaces are covered with a resin. The power semiconductor element may include, for example, an IGBT, a MOS transistor, or a flywheel diode, or may include the transistor and the flywheel diode together.
[0016]
The above-mentioned conductor plate part can be formed and arranged by a so-called lead frame manufacturing technique, and it is also possible to separately manufacture and arrange individual bus bars.
[0017]
As a manufacturing method, for example, various methods are possible as shown below.
[0018]
First, there is a method in which a bus bar to which a bare chip is bonded in advance is fixed to an element cooling metal member through an insulating sheet, and then resin-molded.
[0019]
There is also a method in which resin molding is performed on a lead frame to which a bare chip has been joined in advance, and then a tie bar is cut to produce a resin molded element, and the resin molded element is fixed to an element cooling metal member via an insulating sheet. .
[0020]
Further, an electrode plate is bonded to both main surfaces of the bare chip of the power semiconductor element, and the side surface of the base is covered with a resin mold to form a card-shaped power semiconductor element (power semiconductor element card). Alternatively, the bus bar may be fixed to the element cooling metal member via an insulating sheet.
[0021]
In a preferred aspect, cooling is provided between the plurality of convex portions by closely disposing the tip surfaces of a plurality of convex portions projecting from the back main surface of the element cooling metal member facing the element mounting surface. It is characterized by having a partition member forming a liquid passage. Thereby, the element cooling metal member can be cooled well.
[0022]
In a preferred aspect, the lead terminal is connected to the outside through a terminal hole formed through the element cooling metal member. That is, in the above-described two-story multi-phase inverter module of the present invention, since the power semiconductor element is mounted on the bottom surface of the concave portion of the heat sink (the element cooling metal member), the lead connected to the electrode of the power semiconductor element. It is not easy to lead out the terminal. Taking out the lead terminal in a direction away from the bottom surface of the element cooling metal member is not preferable in some cases (for example, connection to a motor coil lead wire) in terms of wiring. Therefore, in this embodiment, a terminal hole (may be a groove) is provided in advance in the element cooling metal member, and the lead terminals are connected while electrically insulating the element cooling metal member through the terminal hole. The wiring length between the cooling metal member and the electric device can be reduced.
[0023]
Particularly preferably, the terminal hole is a coil lead of a motor coated with a resin, and the coil lead extends in the axial direction. With this configuration, when the polyphase inverter module is mounted on the end face of the motor in the axial direction, the coil lead wire can pass through the terminal hole, so that the coil lead wire and the lead terminal can be very easily connected. Connection can be realized. The joining of the two can be easily realized before the mounting of the wiring board or by opening a working window for performing the above-mentioned joining operation on the wiring board.
[0024]
In a preferred aspect, a ground wiring for a low-level power supply line is provided on the peripheral portion of the wiring board and is in contact with the element cooling metal member.
[0025]
This is effective for reducing and cooling the wiring impedance of the lower power supply line of the wiring board. The ground wiring may be a wiring conductor foil or a ground conductor piece mounted on a wiring board.
[0026]
In a preferred aspect, since the smoothing capacitor has a smoothing capacitor that is in close contact with the bottom surface of the element cooling metal member and reduces switching noise of the power semiconductor element, the smoothing capacitor can be cooled well, and Since the bus bar connected to the smoothing capacitor is also accommodated in the concave portion of the element cooling metal member, it is possible to reduce the electromagnetic noise radiated from the bus bar to the outside.
[0027]
In a preferred aspect, since the peripheral surface of the wiring board has a stepped surface on which the peripheral portion is placed and supported, and a top surface to which a metal lid plate is fixed, the lid plate is satisfactorily grounded by the side wall portion. As a result, electromagnetic noise radiated outside through the cover plate can be satisfactorily shielded.
[0028]
In a preferred aspect, the element cooling metal member has a larger diameter than the inner peripheral surface of the peripheral wall of the motor housing and is fastened to the peripheral wall of the housing to also serve as an end frame of the motor unit. Thereby, the power semiconductor element can be cooled by the motor housing and the motor cooling mechanism through the element cooling metal member, and the end frame of the motor also serves as the element cooling metal member. The heat sink can be omitted, and the inverter-integrated motor can be reduced in size and weight.
[0029]
In a preferred aspect, the end frame has a bearing portion on an inner end surface, extends in the motor radial direction, and is fixed to a back main surface opposite to the bottom surface of the element cooling metal member. The element cooling metal member has a cooling medium passage on the back main surface opposite to the element mounting surface, the cooling medium passage being in close contact with the outer end surface of the bearing plate portion and closed by the bearing plate portion. The end frame is constituted together with the bearing plate portion. Thus, the motor and the power semiconductor element can be cooled by the same cooling medium passage system with a simple configuration.
[0030]
In a preferred aspect, the lead terminal is located outside the O-ring that seals the cooling medium passage, and the lead wire of the motor is provided through a terminal hole formed through the inner end plate and the element cooling metal member. Connected to. Thus, it is possible to connect the motor and the power semiconductor element with the shortest distance while preventing liquid leakage from the cooling medium passage.
[0031]
The power semiconductor module of the second invention has a metal element cooling metal member having an element mounting surface, a power semiconductor element mounting island, and a plurality of lead terminals forming each electrode of the power semiconductor element. A chip-shaped or card-shaped power fixed to the island having a conductor plate portion fixed to a flat element mounting surface of the element cooling metal member via an insulating sheet, and an electrode connected to the lead terminal; A semiconductor element, a resin sealing member for sealing the power semiconductor element, and a control circuit for controlling the power semiconductor element are mounted and are substantially parallel to the element cooling metal member at a predetermined distance from the power semiconductor element. A multi-phase inverter module comprising:
The element cooling metal member has a larger diameter than the inner peripheral surface of the peripheral wall of the motor housing, and is fastened to the peripheral wall of the housing to also serve as an end frame of the motor unit. Thereby, the power semiconductor element can be cooled by the motor housing and the motor cooling mechanism through the element cooling metal member, and the end frame of the motor also serves as the element cooling metal member. The heat sink can be omitted, and the inverter-integrated motor can be reduced in size and weight.
[0032]
In a preferred aspect, the end frame has a bearing portion on an inner end surface, extends in the motor radial direction, and is fixed to a back main surface opposite to the bottom surface of the element cooling metal member. Element, the element cooling metal member has a cooling medium passage in close contact with an outer end surface of the bearing plate portion and closed by the bearing plate portion on a back main surface opposite to the element mounting surface. The end frame together with the bearing plate portion, and the lead terminal is located outside an O-ring interposed between the element cooling metal member and the bearing plate portion to block the cooling medium passage. Then, it is connected to a lead wire of the motor through a terminal hole penetrating through the inner end plate portion and the element cooling metal member. Thereby, the motor and the power semiconductor element can be cooled by the same cooling medium passage system with a simple configuration, and the motor and the power semiconductor element are connected at the shortest distance while preventing liquid leakage from the cooling medium passage. can do.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Preferred embodiments of the polyphase inverter module of the present invention will be described below with reference to the drawings. Although this polyphase inverter module is a three-phase brushless DC motor, it is a matter of course that other types of rotating electric machines may be used.
(Overall structure)
1 is a cylindrical front frame with a bottom, 2 is a power semiconductor module, 3 is an end plate (bearing plate portion in the present invention), 4 is a stator core, 5 is a stator coil, 6 is a rotor, and 7 is a rotation. The shaft, 8 is a cooling fan, 9 is a bearing provided on the end plate 3 to support the rotating shaft 7, and 10 is an O-ring.
[0034]
The power semiconductor module 2 includes a substantially disc-shaped base plate (metal member for cooling the element in the present invention) 21, an insulating sheet 22, a lead frame 23, six IGBT chips (only one is shown) 24, and six flywheels. It has a diode chip 25, a smoothing capacitor 26, a printed board (wiring board in the present invention) 27, a cover plate 28, and a mold resin 29.
[0035]
The front frame 1, the end plate 3, and the base plate 21 are manufactured by aluminum die-casting, and the cover plate 28 is formed by pressing a thin aluminum plate. The end plate 3 and the base plate 21 are fastened to the rear end face of the front frame 1 by screws, and the cover plate 28 is fastened to the rear end face of the base plate 21.
[0036]
The cooling fan 8 is fixed to an end face of the rotor 6 and forms centrifugal cooling air. The end plate 3 has cooling fins 31 projecting forward in the axial direction, and the centrifugal cooling air is cooled by the cooling fins 31 to cool the stator coil 5 and the like.
[0037]
On the front end surface of the base plate 21, a cooling medium passage 211 through which cooling brine flows together with the end plate 3 as a partition member is formed in a concave shape. This cooling medium passage 211 is sealed by an O-ring 10 housed in an annular groove formed in the front end surface of the base plate 21.
[0038]
The base plate 21 has a bottom plate portion 212 adjacent to the cooling medium passage 211 and a side wall portion 213 protruding rearward over the entire periphery of the bottom plate portion 212. Has been fixed. The lead frame 23 has an element mounting island 231 and lead terminals 232, 233, and the like, and is formed by press forming and punching.
[0039]
The IGBT chip 24 and the flywheel diode 25 are soldered to the island 231. Further, the smoothing capacitor 26 is directly soldered to the island 231. The IGBT chip 24 and the flywheel diode 25 shown in FIG. 1 constitute a U-phase upper arm element of the polyphase inverter circuit, and the island 231 shown in FIG. 1 is connected to a higher power supply line through a lead terminal (not shown).
[0040]
The lead terminals 232 and 233 are used for various circuit connections of the polyphase inverter circuit, but the configuration itself of the polyphase inverter circuit is well known, and the description is omitted. The tip of the lead terminal 232 is bent backward and soldered to the gate electrode of the IGBT chip 24 and the wiring pattern of the printed board 27. The lead terminal 233 forms a U-phase AC terminal of the polyphase inverter circuit, and has a distal end bent backward and connected to a lead wire 51 of the stator coil 5 described later. The lead wire 51 is inserted into a terminal hole 214 formed in the bottom plate portion 212 of the base plate 21 in the axial direction and is joined to the tip of the lead terminal 233.
[0041]
Various circuit elements for controlling each IGBT chip 24 are mounted on the printed board 27. For example, 271 is a CPU. The peripheral edge of the printed board 27 is placed and fastened on a pedestal surface 215 formed on the inner surface of the side wall 213 of the base plate 21. The cover plate 28 is fastened to the top surface 216 of the side wall portion 213.
[0042]
The IGBT chip 24, the flywheel diode chip 25, and the smoothing capacitor 7 are covered with a mold resin 29 filled in a sealed space surrounded by the side wall 213, the bottom plate 212, and the printed circuit board 27.
(Example effects)
According to the inverter-integrated motor of this embodiment, the following effects can be obtained.
[0043]
The printed circuit board 27 and the IGBT chip 24 are sealed by a metal body (the base plate 21 and the cover plate 28), and the metal sealed structure also serves as the end wall of the motor housing together with the end plate 3 of the motor. It is possible to realize an inverter-equipped rotating electric machine which can be made thinner, can be reduced in size and weight as a whole, and has excellent electromagnetic wave noise shielding performance, and can be provided between the end plate (bearing plate portion) 3 and the base plate 21. Since the cooling medium passage is provided, both the motor and the IGBT chip 24 can be simultaneously cooled by one cooling medium passage by the cooling medium flowing through the cooling medium passage, and the cooling system can be downsized.
[0044]
In addition, despite the adoption of a compact two-story structure, the printed circuit board (wiring board) 27 can be cooled by the side wall portion 213 in contact with or close to the printed circuit board 27, so that the IC on the wiring board is excellent in cooling performance. In particular, in this embodiment, since the conductor wiring pattern forming the ground line on the wiring board is brought into direct contact with the step surface of the side wall portion 213, the circuit components on the wiring board are cooled well through the conductor wiring pattern forming the ground line. Can be done. Further, a conductor piece is extended between the ground electrode terminal of a circuit component generating a large amount of heat, such as a CPU, and the stepped surface of the side wall portion 213 by soldering to the printed circuit board 27 (not shown). The heat of the large heat generating circuit component (CPU) can be radiated well to the cooling medium in the cooling medium passage.
[0045]
Although not shown, a ground bus bar (ground conductor plate) fastened to a step surface (not shown) of the side wall portion 213 extends between the IGBT chip 24 and the printed board 27 as long as the wiring pattern permits. Therefore, it is possible to satisfactorily prevent electromagnetic wave noise generated by the IGBT chip 24 and the lead terminals near the IGBT chip 24 from affecting circuit components of the printed circuit board 27, and heat generated from the IGBT chip 24 to the printed circuit board 27. The influence can be reduced.
[0046]
Further, by forming the side wall portion 213, the IGBT chip 24 and the flywheel diode chip 25 can be resin-molded without using a resin mold case as in the related art, and the number of components can be reduced.
[0047]
Since the smoothing capacitor 26 is also fixed to the bottom surface of the base plate 21, it can be cooled well, and the line (bus bar or lead terminal) connecting the IGBT chip 24 and the smoothing capacitor 26 radiates electromagnetic wave noise to the outside. It can be shielded by the base plate 21 and the cover plate 28.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial axial sectional view showing an inverter-integrated motor on which a polyphase inverter module according to an embodiment is mounted.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Front frame 2 Power semiconductor module 3 End plate (bearing plate part, partition member in this invention)
Reference Signs List 4 stator core 5 stator coil 6 rotor 7 rotating shaft 8 cooling fan 9 bearing unit 10 O-ring 21 base plate (metal member for element cooling in the present invention)
22 Insulating sheet 23 Lead frame 24 IGBT chip (power semiconductor element)
25 Flywheel diode chip (power semiconductor device)
26 Smoothing capacitor 27 Printed circuit board (wiring board in the present invention)
28 cover plate 29 mold resin (hatching omitted)
211 Cooling medium passage 212 Bottom plate 213 of base plate 21 Side wall 231 of base plate 21 Island 232 of lead frame 23 Lead terminal 233 of lead frame 23 Lead terminal of lead frame 23

Claims

A metal element cooling metal member having an element mounting surface,
A conductor plate portion having an island for mounting a power semiconductor element and a plurality of lead terminals connected to each electrode terminal of the power semiconductor element and fixed to an element mounting surface of the element cooling metal member via an insulating sheet. When,
A chip-shaped or card-shaped power semiconductor element having an electrode connected to the lead terminal and fixed to the island,
A resin sealing member for sealing the power semiconductor element,
A wiring board on which a control circuit for controlling the power semiconductor element is mounted and arranged substantially in parallel with the element cooling metal member at a predetermined distance from the power semiconductor element;
In a polyphase inverter module comprising
The element cooling metal member,
Along the periphery of the element mounting surface, the power semiconductor element is provided upright so as to surround the power semiconductor element, is in contact with a side surface of the resin sealing member, and has a side wall part on which the peripheral part of the wiring board is mounted and supported. Characteristic polyphase inverter module.

The polyphase inverter module according to claim 1,
A cooling liquid passage is formed between the plurality of protrusions, being closely arranged on the tip surfaces of the plurality of protrusions protruding from the back main surface of the element cooling metal member facing the element mounting surface. A polyphase inverter module having a partition member.

The polyphase inverter module according to claim 1,
The multi-phase inverter module according to claim 1, wherein the lead terminal is connected to the outside through a terminal hole formed through the element cooling metal member.

The polyphase inverter module according to claim 1,
A multi-phase inverter module, comprising: a ground wiring for a low-level power supply line, which is disposed on the peripheral portion of the wiring board and is in contact with the element cooling metal member.

The method for manufacturing a polyphase inverter module according to claim 1,
A polyphase inverter module, comprising: a smoothing capacitor that is in close contact with the bottom surface of the element cooling metal member to reduce switching noise of the power semiconductor element.

The method for manufacturing a polyphase inverter module according to claim 1,
The element cooling metal member,
A multi-phase inverter module comprising: a step surface for mounting and supporting a peripheral portion of the wiring board; and a top surface to which a metal cover plate is fixed.

The polyphase inverter module according to claim 3,
The multi-phase inverter module, wherein the element cooling metal member has a diameter larger than the inner peripheral surface of the peripheral wall of the motor housing and is fastened to the peripheral wall of the housing to also serve as an end frame of the motor unit.

The polyphase inverter module according to claim 7,
The end frame has a bearing plate portion that has a bearing portion on an inner end surface, is extended in the motor radial direction, and is fixed to a back main surface opposite to the bottom surface of the element cooling metal member,
The element cooling metal member has a cooling medium passage which is in close contact with the outer end surface of the bearing plate portion and is closed by the bearing plate portion on the back main surface opposite to the element mounting surface, and together with the bearing plate portion. A polyphase inverter module comprising the end frame.

9. The polyphase inverter module according to the item 8,
The lead terminal is located outside the O-ring closing the cooling medium passage, and is connected to a lead wire of the motor through a terminal hole formed through the inner end plate portion and the element cooling metal member. A multi-phase inverter module characterized by the following.

A metal element cooling metal member having an element mounting surface,
A conductor plate portion having an island for mounting the power semiconductor element and a plurality of lead terminals forming each electrode of the power semiconductor element and fixed to a flat element mounting surface of the element cooling metal member via an insulating sheet; ,
A chip-shaped or card-shaped power semiconductor element having an electrode connected to the lead terminal and fixed to the island,
A resin sealing member for sealing the power semiconductor element,
A wiring board on which a control circuit for controlling the power semiconductor element is mounted and arranged substantially in parallel with the element cooling metal member at a predetermined distance from the power semiconductor element;
In a polyphase inverter module comprising
The multi-phase inverter module, wherein the element cooling metal member has a diameter larger than the inner peripheral surface of the peripheral wall of the motor housing and is fastened to the peripheral wall of the housing to also serve as an end frame of the motor unit.

The polyphase inverter module according to claim 10,
The end frame has a bearing plate portion that has a bearing portion on an inner end surface, is extended in the motor radial direction, and is fixed to a back main surface opposite to the bottom surface of the element cooling metal member,
The element cooling metal member has a cooling medium passage which is in close contact with an outer end surface of the bearing plate portion and is closed by the bearing plate portion on a back main surface opposite to the element mounting surface, and the bearing plate portion has Together with the end frame,
The lead terminal is interposed between the element cooling metal member and the bearing plate part, and is located outside an O-ring that blocks the cooling medium passage. A polyphase inverter module, wherein the module is connected to a lead wire of the motor through a terminal hole formed through the member.