JP2004214536A

JP2004214536A - 電力用半導体装置

Info

Publication number: JP2004214536A
Application number: JP2003002111A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Hieda; 智宏稗田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: JP3953959B2

Abstract

【課題】高い精度を要求せずに製作でき、ブスバ配線時等、電極に上向きの応力がかかるおそれのある場合においても、絶縁基板と電極との接面の亀裂または剥離を防止可能とする電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】電力用半導体装置は、樹脂ケース１１内に電力用半導体素子及びその制御回路を収納し、電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行なうための電極１５を樹脂ケース１１上端面に有する。樹脂ケース１１上端面内側にナット１３が挿入され、そのナット１３と中心軸方向にネジ孔が設けられた第一ボルト１７を螺合させて電極１５が挟持される。さらに、第一ボルト１７のネジ孔に第二ボルト２１を螺合させることにより第一ボルト１７との間で外部配線部材１９を固定可能とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力用半導体装置に関し、特に電力用半導体装置の電極接続部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子とその電力用半導体素子を制御する制御回路とを実装した絶縁基板を一つのケース内に収納したパワーモジュールは、電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行うための電極を備えている。その電極はケース上面からケース内部へ延在し、ケース底部に配された絶縁基板上に半田接合またはワイヤボンド接続により固設されている。
【０００３】
ケース上面において電極には、外部配線部材であるブスバが接続されるが、このブスバ配線時に電極に上向き応力がかかる。この応力により、電極と絶縁基板との接面に亀裂または剥離が生じることがある。この問題を解決するため、従来では、電極の一部に、ケース上面の少なくとも一部に嵌装される蓋と、蓋下方より係合するように突起部を設けていた。これにより、電極に係る応力（特に、ブスバ配線時等に働く上向きの応力）を分散し、応力が直接的に電極と絶縁基板との接面に働くことを防止していた。なお、電力用半導体装置における電極接続構造に関する先行技術としては上記以外に特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−０７６２５５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の電極に突起部を設けた構成においては蓋および突起部の製作において高い精度が要求された。そのため製作時の精度が低いと突起部が有効に機能せず、上記電極と絶縁基板との接面に対して直接的な力が働き、場合によっては接面の亀裂または剥離が生じることがあった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、高い精度を要求せずに製作でき、ブスバ配線時等、電極に上向きの応力がかかるおそれのある場合においても、絶縁基板と電極との接面の亀裂または剥離を防止可能とする電力用半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力用半導体装置は、樹脂ケース内に電力用半導体素子及びその制御回路を収納し、電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行なうための電極を樹脂ケース上端面に有する電力用半導体装置である。電力用半導体装置は、樹脂ケース上端面内側にナットを挿入し、そのナットと中心軸方向にネジ孔が設けられた第一ボルトを螺合させて電極を挟持する。さらに、第一ボルトのネジ孔に第二ボルトを螺合させることにより第一ボルトとの間で外部配線部材を固定可能とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照し、本発明に係る電力用半導体装置の実施の形態を詳細に説明する。
【０００９】
以下に説明する本発明によるパワーモジュールは図１１に示すようにＩＧＢＴ等の電力用半導体素子３と、その電力用半導体素子３を制御する制御回路５とを実装した絶縁基板７を樹脂からなるケース１１内に収納した電力用デバイスであり、絶縁基板７からケース１１上面に延在する、外部電源や電気機器と電力用半導体素子との間で電力の入出力を行うための電極１５を有する。
【００１０】
実施の形態１．
図１（ａ）は本発明実施の形態１のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面を示した図である。同図に示すように、ケース１１側部上面の凹所にナット１３が圧入されている。そのナット１３にはボルト１７が螺合するようになっている。
【００１１】
このボルト１７は図１（ｂ）に示すように、その中心軸方向にネジ孔が形成されている。以下、このネジ孔が形成されたボルト１７を「ネジ切りボルト」と称する。このネジ切りボルト１７のネジ孔にはさらに別のボルト２１が螺合するようになっている。
【００１２】
図１（ａ）に戻り、ナット１３とネジ切りボルト１７との間には電極１５が配され、ネジ切りボルト１７をナット１３と螺合させることにより電極１５がケース１１上面に固定される。このため、電極１５にはネジ切りボルト１７が洞貫するための開口部が設けられている。
【００１３】
また、ボルト２１とネジ切りボルト１７との間にはブスバ１９が配され、ボルト２１をネジ切りボルト１７のネジ部に螺合させることでブスバ１９を固定する。このため、ブスバ１９にはボルト２１が洞貫するための開口部が設けられている。
【００１４】
このように、本実施形態のパワーモジュールでは、電極１５をケースに固定し、ブスバ１９を２つのボルト１７、２１の間に挟持して固定する。このように電極１５をネジ切りボルト１７でケース１１に固定した上でブスバ１９を２つのボルト１７、２１の間に固定することにより、ブスバ１９配線時において電極１５にかかる上向きの応力を低減でき、絶縁基板基板７と電極１５との接面の亀裂、剥離を防止できる。
【００１５】
また、ネジ切りボルト１７に、ブスバ１９を固定するためのナット機能を含めたことにより、ブスバ１９を固定するための更なるスペースを必要とせず、装置全体として小型化が可能となる。なお、本実施形態においては、ネジ切りボルト１７がブスバ１９と直接的に接しているため、ネジ切りボルト１７は電気伝導度の高い材料で形成されることが好ましい。
【００１６】
実施の形態２．
図２に本発明の実施の形態２を示す。本実施の形態においては、実施の形態１の構成に加え、ナット１３の下方に別のナット（以下、「追加ナット」と称する。）２３が、その開口部中心軸をナット１３の開口部中心軸と一致させてケース１１に圧入されている。この追加ナット２３はボルト２１と螺合するのに適した径の開口部を有し、ブスバ１９を洞貫してネジ切りボルト１７と螺合しているボルト２１と螺合する。本実施の形態では、ボルト２１はケース１１にも固定されるため、ボルト２１の緊締度が向上する。
【００１７】
実施の形態３．
図３に本発明の実施の形態３を示す。本実施の形態においては、上記実施の形態１、２におけるネジ切りボルト１７の代わりに、ネジ山が形成されていない中空部を有したボルト（以下、「中空ボルト」と称す。）２５を用いている。その他の構成は実施の形態２と同一である。この構成により、中空ボルト２５とボルト２１は螺合せず、ボルトは追加ナット２３とのみ螺合するので、ブスバ１９等の配線時において、電極１５にかかるストレスが軽減され、より確実に本発明の目的が実現されることとなる。
【００１８】
実施の形態４．
図４に本発明の実施の形態４を示す。本実施の形態においては、実施の形態１における電極１５を固定するためのネジ切りボルト１７と螺合するナット１３の代わりに、その形状に工夫を加えたナット（以下、専用ナットと称する。）２７ａを使用している。専用ナット２７ａは、ケース１１内に挿嵌可能かつその上部端面の少なくとも一部においてケース１１開口部の張り出しと衝合するように形成されている。これにより、ボルト緊締時におけるナット２７ａの浮き上がりを確実に防止することができる。
【００１９】
実施の形態５．
図５に本発明の実施の形態５を示す。本実施形態においては、ケース１１に挿嵌される専用ナット２７ｂの側面外周部の周方向に凹凸が設けられている。専用ナット２７ｂは、その凹部とケース１１の一部とが係合するようにケース１１に挿入される。専用ナット２７ｂは第二ボルトおよび中空ボルト２５のそれぞれと螺合するように径を異にする二つのネジ孔を有している。これにより、ボルト緊締時におけるナット２７ｂの浮き上がりを確実に防止している。さらに、ケース１１内部において上記浮き上がり防止に係る凹凸形状を有するため、ケース１１上面においてその目的を達成するための特別な構造を必要としない。したがって、ケース１１の小型化が可能となる。
【００２０】
なお、本実施形態における専用ナット２７ｂは、一つの径のみを有してもよい。但し、その場合、中空ボルト２５の代わりにネジ切りボルト１７を用いてボルト２１を固定する必要がある。
【００２１】
実施の形態６．
図６に本発明の実施の形態６を示す。本実施形態においては、専用ナット２７ｃがケース１１上端の凹所に圧入されている。専用ナット２７ｃの内部には径を異にする二つのネジ孔が設けられている。専用ナット２７ｃは上方のネジ孔により中空ボルト２５と螺合し、下方のネジ孔によりボルト２１と螺合する。なお中空ボルト２５の代わりに、ネジ切りボルト１７を使用してもよい。この単一のナット２７ｃを使用することで、ケース１１全高を小さくすることが可能であり、装置全体を小型化することができる。
【００２２】
実施の形態７．
図７に本発明の実施の形態７を示す。本実施形態のパワーモジュールにおいては、上下面に開口部を有するコの字型電極２９によって電極１５を挟持している。図８にコの字型電極２９取付け部近傍の斜視図を示す。ネジ切りボルト１７が、コの字型電極２９開口部を洞貫して、ナット１３と螺合する。これにより電極１５が固定される。電極１５の少なくとも下端面がコの字型電極２９と接し、コの字型電極２９と電極１５は電気的に接続される。従って、コの字型電極２９により、ブスバ１９と電極１５との電気的接続における接触面積を、ネジ切りボルト１７を導体とした先の実施の形態と比較して増大させることが可能である。よって、電極に大電流が流れる場合においても、発熱効果を抑えることが可能であり、エネルギー損失も先の実施の形態と比較して小さくなる。なお、本実施形態においてネジ切りボルト１７の代わりに中空ボルト２５を使用してもよい。
【００２３】
実施の形態８．
図９および図１０を参照して、本発明の実施の形態８を示す。本実施の形態においては、電極を固定するためのボルトとしてその六角穴を備え、外周部を円形状にしたボルト１８（以下、「六角穴式ボルト」と称する。）を使用している（図９参照）。図１０（ａ）は六角穴式ボルト１８の平面図であり、図１０（ｂ）はその縦断面図である。図１０（ａ）において、六角穴式ボルト１８の六角穴１８ａはボルト締め付け作業時の六角レンチ取付け用の開口部であり、その内部の真円は内部中空孔１８ｂの外周を示している。実施の形態７の図８に示した例においては、コの字型電極２９の上端面の開口部の径を、ボルト１７の締め付け作業時の締付け器具の使用のためにボルト１７頭部の径よりもさらに大きくする必要があった。そのため、ブスバ等との電極の接触面積が小さくなっていた。そこで、図９、図１０に示すように、ボルト１８の頭部外周を円形状とし、開口部に六角穴を備えることで、六角穴式ボルト１８の頭部の外径をコの字型電極２９上端面の開口部の径近傍にまで小さくすることができる。これにより、コの字型電極２９とブスバとの接触面積は実施の形態７の場合と比較して更に増し、より良好な導電性が得られる。なお、その内部孔１８ｂにネジ構造が描かれているが、六角式ボルト１８の内部構造はネジ構造を有していなくてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の電力用半導体装置によれば、高い精度を要求せずに製作でき、ブスバ配線時等、電極に上向きの応力がかかるおそれのある場合においても、絶縁基板と電極との接面の亀裂または剥離を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）：本発明の実施の形態１によるパワーモジュールのケース側部断面図、および（ｂ）：使用するネジ切りボルトの断面図である。
【図２】実施の形態２のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図３】実施の形態３のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図４】実施の形態４のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図５】実施の形態５のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図６】実施の形態６のパワーモジュールの電極接続部近傍の断面図である。
【図７】実施の形態７のコの字型電極接続部近傍の断面図である。
【図８】実施の形態７のコの字型電極接続部近傍の斜視図である。
【図９】実施の形態８の六角穴式ボルト近傍の斜視図である。
【図１０】（ａ）六角穴式ボルトの平面図、および（ｂ）六角穴式ボルトの縦断面図である。
【図１１】本発明のパワーモジュールの全体の構成を示した図である。
【符号の説明】
３電力用半導体素子、５制御回路、７絶縁基盤、１１ケース、１３ナット、１５電極、１７ネジ切りボルト、
１８六角穴式ボルト、１９ブスバ、２１ボルト、２３追加ナット、２５中空ボルト、２７専用ナット、２９コの字型電極

Claims

樹脂ケース内に電力用半導体素子及びその制御回路を収納し、該電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行なうための電極を上記樹脂ケース上端面に有する電力用半導体装置において、
上記樹脂ケース上端面内側に挿入されたナットと、
上記ナットと螺合して上記電極を挟持し、中心軸方向にネジ孔が設けられた第一ボルトと、
該第一ボルトのネジ孔に螺合することにより該第一ボルトとの間で外部配線部材を固定可能とする第二ボルトと
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
樹脂ケース内に電力用半導体素子及びその制御回路を収納し、該電力用半導体素子と外部との間で電力の入出力を行なうための電極を上記樹脂ケース上端面に有する電力用半導体装置において、
上記樹脂ケース上端面内側に挿入されたナットと、
上記ナットとの間で上記電極を挟持し、中心軸方向に中空部を有した第一ボルトと、
該ナットと螺合することにより該第一ボルトとの間で外部配線部材を固定可能とする第二ボルトと
を備えたことを特徴とする電力用半導体装置。
上記ナットは第一及び第二ボルトのそれぞれと螺合する２つのネジ孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置
上記ナットの下方に該ナット開口部の中心軸とその開口部の中心軸が一致するように配された追加のナットをさらに備え、該追加のナットは第二ボルトと螺合することを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記ナットの上端面の少なくとも一部が樹脂ケースの一部と衝合するように、上記ナットが樹脂ケース側部に挿嵌されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記ナットはその側面の一部に凹部を有し、該凹部と樹脂ケースの一部が係合するように上記ナットが樹脂ケース側部に挿嵌されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
開口部を上面および下面に有するコの字型電極をさらに備え、該コの字型電極を用いて電力用半導体装置の電極の端部を挟持したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
上記第二ボルトはその頭部に六角穴を有することを特徴とする請求項７に記載の電力用半導体装置。