JP2004221552A - 電子基板、パワーモジュール、およびモータ駆動装置 - Google Patents

電子基板、パワーモジュール、およびモータ駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 低い寄生インダクタンスと高い放熱効率を両立できる電子基板、およびパワーモジュールを提供する。
【解決手段】本発明の電子基板は、複数の半導体素子３００、３０２が搭載される電子基板であって、半導体素子３００に電気的に接続される第１導電部材３０４と、半導体素子３０２に電気的に接続される第２導電部材３０６と、第２導電部材３０６を第１導電部材３０４から電気的に分離する絶縁層３０８とを備えている。第１導電部材３０４は、絶縁層３０８、半導体素子３００、３０２、および第２導電部材３０６を支持する導電性ベースから形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、電力用半導体素子（チップ）の搭載に適した電子基板、当該電子基板上に電力用半導体素子が搭載されたパワーモジュールに関する。また、本発明は、このようなパワーモジュールを備えたモータ駆動装置および電動車両にも関している。
半導体素子を備えた装置（広く「半導体装置」と称される場合がある）には、配線パターンが形成された基板と、この基板上に搭載されたチップ状の半導体素子とを備えるものがある。本明細書では、半導体素子が搭載される前の状態にある基板を「電子基板」と称することとする。このような電子基板上に電力用半導体素子を搭載した装置（以下、「パワーモジュール」または「電力用半導体装置」と称する）では、配線パターンを大電流（例えば５０アンペア以上）が流れるため、通常の電子基板上の配線パターンに比べて厚い配線パターンが用いられる。このような配線パターンの厚さは例えば３００μｍに設定される。
電子基板と、これに搭載された電力用半導体素子チップを有し、モータへの電流供給等に用いられるパワーモジュール（電力用半導体装置）が特許文献１に開示されている。以下、図１を参照しながら特許文献１に記載されているパワーモジュールの構成を説明する。
図１のパワーモジュール１００は、金属製のベース板１０１、およびその上面にコーティングされた絶縁層１０２から構成される金属ベース基板１０３と、金属ベース基板１０３に搭載された半導体チップ１０５とを備えている。
金属ベース基板１０３の絶縁層１０２上には、パッド１０４が形成され、その上に電力用の半導体チップ１０５が接合されている。半導体チップ１０５は、ハンダ１０６のみを介してパッド１０４に直接的に接合されている。半導体チップ１０５は、ボンディングワイヤ１０８を介して、金属基板１０３上に形成された銅箔パターン１０７に接続されている。
このようなパワーモジュール１００は、例えば３相交流モータに電流を供給するために用いられる。図２は、３相交流モータ駆動装置の等価回路を示している。
モータ駆動装置における端子ａおよび端子ｂは、バッテリおよび平滑化コンデンサに接続される。図２の例では、端子ａにプラス（正側）電位が与えられ、端子ｂにはマイナス（負側）電位が与えられる。端子ａと端子ｂとの間には、それぞれが直列接続された２個の電力用電界効果トランジスタ素子（以下、「ＦＥＴ素子」と称する）からなる３つの電流経路が形成されている。すなわち、６個のＦＥＴ素子からなる回路が形成され、各ＦＥＴ素子のゲート電極がゲート駆動回路に接続されている。ゲート駆動回路は、ＦＥＴ素子の動作を制御し、それによって端子ｃ、ｄ、ｅからモータに３相の交流電流を供給することができる。
図２における破線で囲まれた構成がパワーモジュール（電力用半導体装置）によって実現される。図２に示す構成のうち、少なくともパワーモジュール（電力用半導体装置）およびゲート駆動回路は、同一基板上に配置することができる。本明細書では、上記のような構成のパワーモジュールおよびゲート駆動回路を備えた装置を「モータ駆動装置」と称することとする。
次に、このようなモータ駆動装置を図１の構成を有する電子基板によって実現しようとすると、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような装置が作製される。図３（ａ）は、図１に示す半導体装置を用いて形成したモータ駆動装置の平面レイアウトを示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のおける円で囲まれた領域の拡大図である。
図３（ｂ）からわかるように、この例では、図１に示す構成と同様の構成を有するパワーモジュールを有しており、その基板上にＦＥＴ素子の動作を制御するゲート駆動回路が設けられている。各回路素子は、絶縁層上に設けた銅箔パターンとアルミワイヤによって接続されている。
図３（ａ）に示される電極ａ〜ｅは、図２の端子ａ〜ｅに対応している。図３（ａ）の電極ａおよび電極ｂは、それぞれ、プラス側電源ラインおよびマイナス側電源ラインとして動作する。
次に、図４を参照しながら、特許文献２に記載されている電子基板を説明する。
特許文献２の電子基板は、図４に示されるように、２層構造の配線を有している。この電子基板１０９は、金属ベース１１０と、金属ベース１１０上に形成された第１絶縁層１１１と、第１絶縁層１１１上に形成された下層配線１１２と、下層配線１１２を覆うように形成された第２絶縁層１１１’と、第２絶縁層１１１’上に形成された上層配線１１２’とを備えている。配線１１２、１１２’は、いずれも、銅箔パターンから構成されている。
特開２００２−１８４９０７号公報 特開平９−１３９５８０公報
図３（ａ）〜（ｃ）に示すモータ駆動装置における電極および配線には、寄生インダクタンスＬが存在するため、ＦＥＴ素子のスイッチング動作時に、電流変化率ｄｉ／ｄｔとインダクタンスＬの積に比例する過電圧が発生する。この過電圧の大きさは、電流変化率ｄｉ／ｄｔに比例するため、ＦＥＴ素子のスイッチング速度を高めるほど大きくなり、ＦＥＴ素子が損傷する可能性がある。
この損傷からＦＥＴ素子を保護するには、インダクタンスＬを低減するか、電流変化率ｄｉ／ｄｔを下げることが必要となる。しかし、電流変化率ｄｉ／ｄｔを下げることはスイッチング時間の増加並びにスイッチング損失の増大につながり、高速スイッチング性能を低下させる要因となる。このため、寄生インダクタンスＬを小さくすることが求められる。
従来のパワーモジュールでは、寄生インダクタンスＬを低減するため、電流が逆方向に流れるように２つの導体を対向させ、其々の電流により発生する磁束を互いに減少させる方法が用いられている。逆方向の電流の大きさは同程度が効果的であり、対向する導体間の距離が短く、対向面積が大きいほど低減効果は大きくなる。
図３（ａ）に示すレイアウトでも、電極ａを流れる電流の向きと、電極ｂを流れる電流の向きは反対であり、２つの電極ａ、ｂは近接して配置されている。しかし、電極ａと電極ｂとの距離を現在の値よりも縮小することは困難であり、寄生インダクタンスＬを小さくすることは限界のレベルにきている。また、電極ａと電極ｂとが基板上に略平行に伸びているため、各ＦＥＴ素子と銅箔パターンとを結ぶボンディングワイヤも長くなる。その結果、ボンディングワイヤ自身が有するインダクタンスが増加し、寄生インダクタンスが全体として増加してしまうという問題がある。
したがって、寄生インダクタンスを更に低減しようとする代わりに、大きな過電圧に耐えるようなＦＥＴ素子を用いることが余儀なくなされるか、あるいは、過電圧対策のための特別の部品を基板上に追加する必要が生じる。その結果、パワーモジュールのコストは大きく上昇してしまうことになる。
このような問題を避けるため、図４に示す多層構造を採用すると、以下に述べる問題がある。
すなわち、上層配線１１２’上に電力用ＦＥＴ素子を配置して動作させると、そのＦＥＴ素子は発熱し１００℃を超える温度に達する。この熱を、ベースを介して外部に逃すことが必要になるが、ＦＥＴ素子とベースとの間には２層の絶縁層１１１、１１１’が存在し、熱の流れを阻害する。このため、ＦＥＴ素子を充分に冷やすことができず、ＦＥＴ素子の性能低下や破損を招くおそれがある。また、下層配線１１２および上層配線１１２’を流れる電流が大きくなると、配線１１２、１１２’の発熱も無視できない。特に、下層配線１１２は第１絶縁層１１１および第２絶縁層１１１’に挟まれているため、熱が外部へ逃げにくい。
このように、ベース上に多層配線構造を形成すると、絶縁層による放熱阻害の問題が大きくなる。更に、図４に示すような２層配線を有する電子基板の製造は、工程が複雑になり、コストが上昇するという問題もある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、低い寄生インダクタンスと高い放熱効率を両立できる電子基板、およびパワーモジュールを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のパワーモジュールを備えたモータ駆動装置を提供することにある。
本発明の電子基板は、複数の半導体素子が搭載される電子基板であって、前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第１導電部材と、前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第２導電部材と、前記第２導電部材を前記第１導電部材から電気的に分離する絶縁層とを備え、前記第１導電部材は、前記絶縁層、前記半導体素子、および前記第２導電部材を支持する導電性ベースから形成されている。
好ましい実施形態において、前記絶縁層は前記導電性ベース上に形成され、かつ、前記絶縁層上にはパターニングされた導電膜が形成されており、前記パターニングされた導電膜の一部が前記第２導電部材として機能する。
好ましい実施形態において、前記導電性ベースに電気的に接続された第１電源用電極と、前記第２導電部材に電気的に接続された第２電源用電極とを備え、動作時において、前記第１および第２電源用電極は外部の電源に接続される。
好ましい実施形態において、前記第１電源用電極は、前記絶縁層上に形成されており、かつ、前記絶縁層に設けられた開口部を介して前記導電性ベースに電気的に接続されている。
好ましい実施形態において、前記導電性ベースには複数の凹部が形成されており、前記導電性ベースの複数の凹部のいずれかには、前記導電性ベースを前記第１電源用電極に電気的に接続する第１の導電性ピンが差し込まれており、前記導電性ベースの複数の凹部の他のいずれかには、前記導電性ベースを前記パターニングされた他の部分に電気的に接続する第２の導電性ピンが差し込まれている。
好ましい実施形態において、前記導電性ベースの内部において前記第１の導電性ピンと前記第２の導電性ピンとの間の領域を流れる電流の向きは、前記領域とオーバーラップする領域において前記第２導電部材の内部を流れる電流の向きと実質的に反対である。
好ましい実施形態において、前記導電性ベースは、厚さ１ｍｍ以上の金属プレートであり、前記導電性ベースの裏面は、ヒートシンクに熱的に接触し得る平坦面を有している。
好ましい実施形態において、前記第２導電部材、ならびに第１および第２電源用電極は、パターニングされた金属箔から形成されている。
好ましい実施形態において、動作時において前記第１電源用電極と第２電源用電極との間を流れる電流の最大値は５０アンペア以上である。この電流の最大値は１００アンペアを超えてもよい。
好ましい実施形態において、前記絶縁層は厚さ０．２ｍｍ以下のエポキシ樹脂から形成されている。
本発明パワーモジュールは、複数の電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子のいずれかに電気的に接続されている第１導電部材と、前記電力用半導体素子のいずれかに電気的に接続されている第２導電部材と、前記第２導電部材を前記第１導電部材から電気的に分離する絶縁層とを備え、前記第１導電部材は、前記絶縁層、前記電力用半導体素子、および前記第２導電部材を支持する導電性ベースから形成されている。
本発明のモータ駆動装置は、直流電源に接続され、交流電流を生成するパワーモジュールと、前記パワーモジュールを制御する制御回路とを備えたモータ駆動装置であって、前記パワーモジュールは、少なくとも４個の電力用半導体素子と、前記少なくとも４個の電力用半導体素子のうちの半分の半導体素子からなる第１半導体素子群に電気的に接続されている第１導電部材と、前記少なくとも４個の電力用半導体素子のうちの他の半分の半導体素子からなる第２半導体素子群に電気的に接続されている第２導電部材と、前記第１導電部材を前記第２導電部材から電気的に分離する絶縁層と、前記第１半導体素子群の半導体素子の各々を、前記第２半導体素子群の対応する半導体素子に電気的に接続している複数の出力端子とを備え、前記第１導電部材は、前記絶縁層、前記半導体素子、および前記第２導電部材を支持する導電性ベースから形成されており、前記制御回路は、前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に直流電流が供給されているとき、前記電力用半導体素子の動作を調節することにより、前記出力端子上に交流電圧を出力する。
本発明の電動車両は、上記のモータ駆動装置と、前記モータ駆動装置に電力を供給するバッテリと、前記モータ駆動装置によって駆動される走行用モータと、前記モータによって回転する車輪とを備えている。
本発明による電子基板の製造方法は、半導体素子が搭載される電子基板の製造方法であって、表面の少なくとも一部が絶縁層で覆われた導電性ベースを用意する工程と、前記導電性ベースに電気的に接続される部分、および、前記導電性ベースから電気的に絶縁される部分を含むパターニングされた導電膜を前記絶縁層上に形成する工程とを含む。
本発明のパワーモジュールの製造方法は、上記の電子基板を用意する工程と、前記電子基板上に電力用半導体素子をチップ状態のままで搭載する工程とを含む。
本発明による他の電子基板は、複数の半導体素子が搭載される電子基板であって、前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第１導電部材と、前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第２導電部材と、前記第２導電部材を前記第１導電部材から電気的に分離する絶縁層と、前記第１および第２導電部材、前記絶縁層、ならびに前記半導体素子を支持する導電性ベースとを備えており、前記第２導電部材は、前記複数の半導体素子の少なくとも１つを搭載しえる大きさの導電性プレートから形成されており、前記導電性プレートは、前記第１導電性部材の少なくとも一部を覆うように前記導電性ベースに支持されている。
好ましい実施形態において、前記導電性プレートを流れる電流の向きは、前記導電性プレートに覆われている前記第１導電部材を流れる電流の向きの実質的に反対である。
好ましい実施形態において、前記絶縁層は、シリコーンシート、ポリイミドフィルム、エポキシ樹脂、および／または空気層である。
本発明によれば、第１導電部材と第２導電部材とが上下に重なりあい、一種の２層配線構造を形成しているため、ボンディングワイヤの長さを短縮し、寄生インダクタンスを低減するレイアウトを容易に実現できる。また、第１および第２導電部材の一方が、パターニングされた導電膜ではなく、導電性のベースまたはプレートであるため、放熱効果が高く、製造も容易である。
以下、図面を参照しながら本発明によるパワーモジュールの実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実施形態のパワーモジュールの構成を説明する。図５（ａ）は、このパワーモジュールの上面図であり、図５（ｂ）は、その断面図である。図５（ｃ）は、本実施形態のパワーモジュールの等価回路を示している。
本実施形態のパワーモジュールは、新規な電子基板と、この電子基板上に搭載された２つの電力用ＦＥＴ素子３００、３０２とを備えている。この電子基板は、一方のＦＥＴ素子３００に電気的に接続される第１導電部材（導電性ベース）３０４と、他方のＦＥＴ素子３０２に電気的に接続される第２導電部材３０６と、第２導電部材３０６を第１導電部材３０４から電気的に分離する絶縁層３０８とを備えている。
より詳細に説明すると、平坦な上面および下面を有するプレート形状の第１導電部材３０４の上面に絶縁層３０８が形成され、絶縁層３０８上には、第２導電部材３０６の他、図５（ａ）に示すように、電源用電極３１０、半導体素子用電極３１２、および出力用電極３１４が形成されている。絶縁層３０８上に形成された第２導電部材３０６、電源用電極３１０、半導体素子用電極３１２、および出力用電極３１４は、いずれもパターニングされた導電膜（例えば銅箔パターン）から構成されている。
図５（ｂ）に示されるように、電源用電極３１０および半導体素子用電極３１２は、それぞれ、ハンダなどの接続部３１８を介して第１導電部材３０４に電気的に接続されている。また、半導体素子用電極３１２は、ホンディングワイヤ３１６ｂを介して、出力電極３１４上に搭載されたＦＥＴ素子３００に電気的に接続されている。一方、第２導電部材３０６上に搭載されたＦＥＴ素子３０２は、ホンディングワイヤ３１６ａを介して、出力電極３１４に電気的に接続されている。
図５（ｃ）は、上記構成の等価回路を示している。図５（ｃ）からわかるように、第１導電部材３０４と第２導電部材３０６との間に直列接続された２つのＦＥＴ素子３００、３０２が存在している。これら２つのＦＥＴ素子３００、３０２を適切なタイミングでオン状態にすることにより、第２導電部材３０６から第１導電部材３０４へ大電流を流すことが可能になる。
この等価回路における２つのＦＥＴ素子３００、３０２は、図２に示す直列接続された一対のトランジスタに相当している。２つのＦＥＴ素子３００、３０２のゲートに与える電圧を調節することにより、出力電極３１４に生じる電圧を大きく増減させることができる。
図５（ａ）〜（ｃ）に示す例では、第１導電部材３０４がマイナス（−）側電位を与えられ、第２導電部材３０６がプラス（＋）側電位を与えられている。ここで「マイナス」と「プラス」との関係は相対的なものであり、第１導電部材３０４の電位が第２導電部材３０６の電位よりも低ければ、図示されている関係が満足される。第１導電部材３０４の電位は、例えば接地レベルに等しく設定される場合がある。なお、「マイナス」と「プラス」との関係は、図示されているものの反対であってもよい。図示されている関係が反対の場合、電流の向きも反対になる。
なお、本明細書では、第１導電部材を「第１の電流供給部」と称し、第２導電部材を「第２の電流供給部」と称する場合がある。
図５（ａ）〜（ｃ）に示す例では、第１の電流供給部として機能する第１導電部材３０４の電位は、絶縁層３０８上に設けた電源用電極（第１電源用電極）３１０に接続される外部のバッテリのマイナス側ラインから与えられている。一方、第２の電流供給部として機能する第２導電部材３０６の電位は、第２導電部材３０６に接続される外部のバッテリのプラス側ラインによって与えられる。このため、図示されている例では、第２導電部材３０６の一部がプラス側の電源用電極（第２電源用電極）として機能していると言える。しかし、この第２電源用電極と第２導電部材３０６とは別々の要素（導電性パターン）として分離されていても良い。重要な点は、第２電源用電極と第２導電部材とが電気的に接続されていることである。
なお、図示されている例では、絶縁層３０８上に形成された第１電源用電極３１０および接続部３１８を介してバッテリと第１導電部材３０４との電気的接続が行なわれているが、本発明はこのような場合に限定されない。第一導電部材３０４を構成する導電性ベースの端面または裏面の一部を介して、バッテリとの電気的接続を実現しても良い。
上記の構成によれば、図５（ｂ）の太線矢印で示す方向に電流が流れる。図５（ｂ）から明らかなように、第１導電部材３０４の内部において２つの接続部３１８の間の領域を流れる電流の向きは、その領域の上方に位置する第２導電部材３０６の内部を流れる電流の向きと反対である。このように大電流の向きを反対にすることにより、寄生インダクタンスを大きく低減することができる。また、第１導電部材３０４が基板の絶縁層３０８上に存在していないため、絶縁層３０８上における電極配置のレイアウト自由度が高まり、ボンディングワイヤの長さを短縮できる。このことによっても寄生インダクタンスを低減できる。
なお、第１導電部材３０４を構成している導電性ベースの上面および裏面は、図５（ｂ）に示すように平坦である。これらの面に、意図的に凹凸が設けられていてもよい。ただし、導電性ベースの上面が平坦であれば、パターニングされた導電膜の形成が容易になる利点がある。また、導電性ベースの下面が平坦であれば、ヒートシンクの接触が容易になるという利点がある。
本実施形態のパワーモジュールは、大電流用に用いられるため、発生するジュール熱を効率的に外部に逃し、温度の上昇を抑えることが求められる。このため、第１導電部材３０４の下面は図６（ａ）に示すようなヒートシンク４００に熱的に接触するようにして使用されることが好ましい。第１導電部材３０４とヒートシンク４００との間で電気的絶縁が必要になる場合には、ヒートシンク４００の表面と第１導電部材３０４の下面との間にシリコンーンシートなどの薄い絶縁物が配置される。この薄い絶縁物の材料および厚さは、第１導電部材３０４からヒートシンクへの速やかな熱の流れを促進するように設定される。
第１導電部材３０４は、金属などの導電性材料をプレート形状に加工したものから構成されるが、完全に平坦な形状を有している必要はなく、例えば図６（ｂ）〜（ｄ）に示すような種々の形状を有していても良い。
上述した構成を有する本実施形態のパワーモジュールによれば、パターニングされた導電膜やＦＥＴチップを大電流が流れることによって発生した熱が薄い絶縁層３０８を介して第１導電部材３０４へ速やかに流れる。第１導電部材３０４の上面の面積は充分に大きく、また、導電性ベースは好適には熱伝導性の高い金属材料から形成されているため、大電流によって発生した熱を効率的に外部（典型的にはヒートシンク）に逃すことができる。
更に、第１導電部材３０４はパターニングされた形状を有さず、バルク状の導電体として振舞うため、電気抵抗が小さく、通電による自身の発熱も抑えられる。
このように、第１導電部材３０４は大電流を流す機能とともに、ヒートシンクへの良熱伝導体としての機能も充分に発揮することができる。このため、本実施形態によれば、パワーモジュールの発熱量を抑制するとともに、効率的な放熱も実現できる。
図５（ａ）および（ｂ）では、簡単化のため、２つの半導体チップを備えたパワーモジュールを例示しているが、モータ駆動用に用いる場合、電子基板に搭載する半導体チップの数は４つ以上であることが好ましい。図７（ａ）は、４つの半導体チップを備えたパワーモジュールの平面レイアウトを示し、図７（ｂ）は、その等価回路を示している。このレイアウトでは、ＦＥＴ素子３００ａ、３０２ａの組と、ＦＥＴ素子３００ｂ、３０２ｂの組とが基板上に搭載されているため、出力電極３１４ａおよび出力電極３１４ｂから２相交流電流に取り出すことができる。
なお、本実施形態では、絶縁層３０８上の電極を第１導電部材３０４として機能する金属ベースと電気的に接続する接続部３１８がハンダなどによって構成されているが、この接続部３１８は他の導電部材を用いて形成しても良い。
（実施形態２）
次に、図８および図９を参照しながら、本発明によるモータ駆動装置の実施形態を説明する。図８（ａ）は、本実施形態のモータ駆動装置の平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。また、図９（ａ）は、図８（ｂ）の円Ｃに囲まれた部分の拡大図であり、図９（ｂ）は導電性の接続ピンを示す斜視図である。
まず、図９（ａ）を参照する。本実施形態のモータ駆動装置１は、図９（ａ）に示すように、電子基板（金属ベース基板）１１と、電子基板１１上に搭載された６個のＦＥＴ素子１９とを有している。
電子基板１１は、厚さが約２ｍｍから約３ｍｍの金属ベース（金属板）２２と、金属ベース２２上に積層された絶縁層２３と、絶縁層２３上に積層された複数の銅箔パターンとから構成されている。電子基板１１の平面形状は、一辺が約３０ｍｍから約１５０ｍｍの矩形形状（長方形または正方形）である。各銅箔パターンは、１０５〜５００μｍ程度の厚さを有しており、電源用電極１４、第２導電部材２５、半導体素子用電極２６ａ〜２６ｃとして機能する。
金属ベース２２は、例えばアルミニウムや銅などの熱伝導性に優れた導電性材料からなるプレート形状のベースであり、好ましくは１ｍｍ以上の厚さを有している。金属ベース２２のより好ましい厚さの範囲は、約２ｍｍ〜約３ｍｍである。金属ベース２２は、本発明における第１導電部材として機能する。
金属ベース２２の上面に形成された絶縁層２３は、絶縁性および放熱性の両方に優れた材料から形成されることが好ましく、本実施形態では厚さ０．２ｍｍ以下（具体的には０．０５〜０．２ｍｍ程度）のエポキシ樹脂を用いている。
図９（ａ）に示されるように、金属ベース２２の上面には複数の小さな凹部が形成されており、凹部には、銅箔パターンおよび絶縁層２３を貫通する導電性柱状部材（接続ピン１３ａ、１３ｂ）が差し込まれている。図９（ｂ）は、接続ピン１３ａの斜視図である。接続ピン１３ａは、円盤部２７と円柱部２８とを有しており、例えば銅や真鍮などから形成される。接続ピン１３ｂも、接続ピン１３ａと同様の構成を有している。接続ピン１３ａ、１３ｂの長さは、接続ピン１３ｂ、１３ａが金属ベース２２を貫通しないように設定されている。この理由は、金属ベース２２の下面が平坦であるほうが、ヒートシンクとの接触が容易になるからである。ただし、ヒートシンクの表面に接続ピン１３ａ、１３ｂを受け入れる凹部を設ければ、接続ピン１３ａ、１３ｂが金属ベース２２の下面から突出していてもよい。金属ベース２２の厚さが２〜３ｍｍの場合、接続ピン１３ａ、１３ｂの底部と金属ベース２２の下面との距離は１ｍｍ程度となるように接続ピン１３ａ、１３ｂの長さを設定することができる。接続ピン１３ａ、１３ｂは、パターニングされた導電膜を絶縁層２３上に形成した後、金属ベース２２に圧入される。接続ピン１３ａ、１３ｂの柱状部分の直径は、例えば１〜５ｍｍの範囲にある。
図９（ａ）からわかるように、電源用電極１４および半導体素子用電極２６ｂは、それぞれ、接続ピン１３ａおよび１３ｂによって金属ベース２２に電気的に接続されている。図９（ａ）の第２導電部材２５の上にはＦＥＴ素子１９がハンダ２１を介して接続されている。
次に、図８（ａ）を参照する。
図８（ａ）の左側部分には、４つの接続ピン１３ａに接続された電源用電極１４が配置されている。この電源用電極１４には、不図示の直流電源（バッテリ）の例えばマイナス側の電源ラインが接続される。この電源用電極１４のすぐ右側には、上記直流電源の例えばプラス側の電源ラインが接続される電源用電極１５が配置されている。この電源用電極１５は、ＦＥＴ素子１９が接続された第２導電部材２５と一体化されている。
第２導電部材２５上に搭載された３個のＦＥＴ素子１９のゲート電極は、ボンディングワイヤ２０を介して、電源用電極１４、１５の周辺に形成された制御回路に電気的に接続されている。
図８（ａ）からわかるように、第２導電部材２５の右側には、３つの出力電極１６〜１８が配置されている。出力電極１６〜１８の各々の上には、ＦＥＴ素子１９が形成されている。出力電極１６〜１８上に搭載されたＦＥＴ素子１９のゲート電極は、ボンディングワイヤ２０を介して、基板の右側周辺部に設けられた制御回路に接続されている。これらのＦＥＴ素子１９は、また、ボンディングワイヤ２０を介して半導体素子用電極２６ａ〜２６ｃにも接続されている。なお、ボンディングワイヤ２０は、アルミニウム等の金属材料から形成される。
こうして、本実施形態の構成によれば、図２に示す等価回路と同様の回路が実現されている。図３（ａ）〜（ｃ）に示す従来例では、直流電源からの電流を各半導体素子に供給するための２列の銅箔パターンが基板上を走っているが、本実施形態では、一方の銅箔パターンが金属ベース２２によって置き換えられている。
本実施形態のモータ駆動装置によれば、図示しないバッテリなどの電源から供給される直流電流を交流電流に変換し、これを出力電極１６、１７及び１８を介して、図示しない３相交流モータに供給することができる。
本実施形態では、第１導電部材として機能する金属ベース２２は、接続ピン１３ａ及び電源用電極１４を介して、不図示の電源と接続され、マイナス側の電源ラインと同様に機能する。これに対して、第２導電部材２５は、上記の電源に接続され、プラス側の電源ラインとして機能する。
金属ベース２２における電流の向きは、第２導電部材２５における電流の向きとは逆であるため、寄生インダクタンスを減少させることができる。また、金属ベース２２と第２導電部材２５との間には、僅かな厚さの絶縁層２３しか存在しないため、インダクタンスの低減効果も大きい。
従来のモータ駆動装置では、１本のボンディングワイヤの長さは約１５ｍｍであったが、本実施形態のモータ駆動装置によれば、このボンディングワイヤ２０の長さを約５ｍｍ〜約７ｍｍに短縮できる。これは、金属ベース２２と第２導電部材２５とが同一レイヤ上に並列的に存在せず、積層構造を形成しているため、より自由度の高いレイアウトが可能になるからである。ボンディングワイヤ２０の短縮は、ボンディングワイヤ２０のインダクタンスを減少させるため、ラインインダクタンスの減少とあわせて、モータ駆動装置全体のインダクタンスを大きく減少させる。
図３（ａ）に示すような従来のモータ駆動装置によれば、ラインインダクタンスが約５０〜約１００ｎＨであったのに対して、本実施形態のモータ駆動装置によれば、ラインインダクタンスが約１０ｎＨ〜約２０ｎＨに減少している。
このため、各ＦＥＴ素子１９をスイッチングさせる際に、インダクタンスに起因して発生する過電圧を低減でき、各ＦＥＴ素子１９の損傷を防止することができる。さらに各ＦＥＴ素子１９の定格の減少や過電圧対策部品数の削減が可能となり、コストが低減される。また、放熱性に優れた材料が絶縁層２３に用いられ、しかも、熱伝導性に優れた金属ベース２２がＦＥＴ素子１９の熱を速やかにヒートシンクに逃すため、熱によるＦＥＴ素子１９の性能低下、損傷を防止できる。こうして、モータ駆動装置１の信頼性が著しく向上する。
なお、動作時における第１導電部材および第２導電部材の極性は反転していても良い。すなわち、電源用電極１４にプラス側電源ラインが接続され、電源用電極１５にマイナス側電源ラインが接続されても良い。
本実施形態によれば、基板表面の電流供給部（第２導電部材）が1個であるため、構造が単純である。このため、製造が容易であり、コストも低減できる。
特に、放熱のために金属ベースを備える既存の金属ベース基板を用いて、その金属ベースを第１導電部材として用いることができるため、製造コストをさらに低減することが可能である。
（実施形態３）
上述の実施形態１、２では、電子基板の導電性ベース（金属板）を熱伝導部材として用いるだけではなく、外部電源に接続される導電部材としても用いている。これに対して、以下に説明する本実施形態では、外部電源に接続される導電部材として、電子基板上に積層した金属板を用いる。
以下、図１０および図１１を参照しながら、本実施形態のモータ駆動装置１を説明する。
図１０（ａ）は、本発明の一実施の形態にかかるモータ駆動装置１の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ｂ切断面に沿った断面図である。また、図１１は、図１０（ｂ）の円Ｃに囲まれた部分の拡大図である。
本実施形態のモータ駆動装置１は、図１１に示すように、電子基板１１と、電子基板１１上に搭載されたＦＥＴ素子１９とを有している。電子基板１１は、厚さが約２ｍｍから約３ｍｍの金属ベース２２と、金属ベース２２上に積層された絶縁層２３と、絶縁層２３上に積層された複数の銅箔パターン１２とから構成されており、その平面形状は一辺が約３０ｍｍから約１５０ｍｍの矩形形状（長方形または正方形）である。なお、各銅箔パターン１２は、図１０（ａ）に示される電源用電極１４および出力電極１６〜１８などとして機能する。このため、図１０（ａ）では、参照符号「１２」によって銅箔パターンを指し示していない。
金属ベース２２は、例えばアルミニウムや銅などの熱伝導性に優れた導電性材料からなるプレート形状のベースであり、１ｍｍ以上の厚さ、好ましくは約２ｍｍ〜約３ｍｍの厚さを有している。絶縁層２３は、絶縁性と放熱性とに優れた材料から形成されることが好ましく、本実施形態では、厚さ０．２ｍｍ以下（具体的には０．０５〜０．２ｍｍ程度）のエポキシ樹脂を用いている。
図１１に示すように、銅箔パターン１２の上には絶縁層２３’を介して銅板２８が設けられている。銅板２８の上にはハンダ２１を介してＦＥＴ素子１９が接合されている。
銅板２８は、図１０（ａ）に示されるように、下層の電源用電極１４の大部分を覆っている。図１０（ａ）の破線は、銅板２８に覆われた下層の電源用電極１４のパターンを示している。下層の電源用電極１４のうち、銅板２８で覆われていない領域は、外部のバッテリの電源ラインに接続される部分である。図１０から明らかなように、銅板２８上には３個のＦＥＴ素子１９が搭載され、銅板２８の一部が第２の電源用電極として用いられる。なお、銅箔パターン１２の一部と銅板２８との電気的接続は、ボンディングワイヤによって行なっても良いが、下層に位置する銅箔パターン１２と上層に位置する銅板２８との間の少なくとも一部に絶縁層を設ける代わりに導電層を配置することによって行なっても良い。
銅板２８を下層の銅箔パターン１２から電気的に絶縁する絶縁層２３’は、絶縁性および放熱性に優れたシリコーンシート、ポリイミドフィルム、およびエポキシ樹脂のいずれか１種類以上の材料から形成されることが好ましい。ただし、絶縁材料の層やシートを設ける代わりに空隙を形成しても良い。その場合、空気の層が絶縁層２３’として機能することになる。絶縁層２３’の厚さは、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。
本実施形態では、銅箔パターン１２のうち電源用電極１４と出力電極１６〜１８に向かって延びる部分が第１導電部材として機能している。そして、この第１導電部材を覆う銅板２８が第２導電部材として機能する。
本明細書では、電源と接続される２層の積層導電部材のうち、下層に位置するものを「第１導電部材」と称し、上層に位置するものを「第２導電部材」と称している。実施形態２では、第１導電部材が金属板から形成されていたが、本実施形態では、第２導電部材が金属板から形成されている。
出力電極１６〜１８の構成や配置は、図８に示す実施形態と略同様である。異なる点は、図８の実施形態では、出力電極１６〜１８上のＦＥＴ素子は、半導体素子用電極２６ａ〜２６ｃを介して金属ベース２２と電気的に接続されていたが、本実施形態における出力電極１６〜１８上のＦＥＴ素子は、電源用電極１４と一体化されている銅箔パターン１２に接続されている。
本実施形態では、図８に示す平面レイアウトと実質的に同様の平面レイアウトが実現できるため、ボンディングワイヤの短縮や寄生インダクタンスの低減を同様にして実現できる。また、絶縁層２３’が放熱性に優れた材料から形成され、その厚さも僅かであるため、熱によるＦＥＴ素子１９の性能低下や損傷も防止できる。
なお、上記の実施形態２、３では、３相交流モータへ電流を供給するモータ駆動装置を説明しているが、本発明のパワーモジュールは、この用途に限定されない。例えば、電流増幅用の半導体素子等を有する構成や、直流電流を高周波電流に変換する構成、２相交流モータへ電流供給を行う構成を有していても良い。
また、本発明を３相交流モータのための駆動装置に適用する場合であっても、電子基板上に搭載する半導体素子の種類や個数は、実施形態における半導体素子の種類や個数に限定されない。
（実施形態４）
次に、本発明による電動車両の実施形態を説明する。
図１２は、本実施形態に係る電動車両３０を示している。この電動車両３０は、ゴルフ場等においてゴルフバッグ等の荷物や人員を搬送するために好適に用いられるカートである。
本実施形態の電動車両３０は、走行駆動用モータ３１と、これによって駆動される２個の後輪３２と、手動または自動で操舵される前輪３４とを有している。走行駆動用モータ３１の駆動力は、トランスミッション（図示せず）を介して後輪３２に伝達される。前輪３４は、ハンドル３５の手動操作または自動操作により操舵される。
前側シート３６および後側シート３７が前後に設けられている。前側シート３６の下方には、充電用コントローラ３８及びブレーキモータ３９が設けられている。後側シート３７の下方には、走行駆動用モータ３１の電源となる走行駆動用バッテリ装置４０が設けられている。走行駆動用バッテリ装置４０は、直列に接続された計６個（片側の３個のみを図示している）のバッテリ４１を備えている。これらのバッテリ４１は、隙間が設けられた状態で、受座４２上に載置されている。
走行駆動用モータ３１の上側には、走行制御用コントローラ４３が設けられている。走行制御用コントローラ４３は、走行駆動用バッテリ装置４０、走行駆動用モータ３１、ブレーキモータ３９、および操舵モータ４４に接続されており、これらを制御する。走行制御用コントローラ４３および走行駆動用モータ３１は、２個の後輪３２の間に配置されている。
本発明のモータ駆動装置は、走行制御用コントローラ４３内部に設置され、バッテリ４０から直流電流の供給を受け、これを交流電流に変換する。モータ駆動装置からの交流電流は、走行駆動用モータ３１、ブレーキモータ３９および操舵モータ４４に供給される。
本実施形態によれば、信頼性の高いモータ駆動装置を電動車両に搭載することにより、電動車両自体の信頼性を向上させることができる。
本発明は、大電流が流れ得る電力用半導体素子を搭載した電子基板に適用される。また、このような電子基板は、電動車両のパワーモジュールやモータ駆動装置に好適に用いられる。
従来のパワーモジュールの断面図である。 三相モータ用の駆動装置の等価回路図である。 （ａ）は、図１のパワーモジュールを用いて図２の回路を実現した従来のモータ駆動装置の平面レイアウトであり、（ｂ）は、その断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）の円で囲まれた領域の拡大図である。 ２層配線構造を有する従来の電子基板の断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態１におけるパワーモジュールの平面レイアウト図であり、（ｂ）は、その断面図であり、（ｃ）は、等価回路図である。 （ａ）〜（ｄ）は、ヒートシンク４００と第１導電部材（金属ベース）３０４との配置関係を示す図である。 （ａ）は、図５の改変例を示す平面レイアウト図であり、（ｂ）は、その等価回路図である。 （ａ）は、本発明の実施形態２におけるモータ駆動装置の平面レイアウト図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は、図８（ｂ）の線Ｃで囲まれた領域の拡大図であり、（ｂ）は、接続用ピン１３ａ（１３ｂ）の斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３におけるモータ駆動装置の平面レイアウト図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ｂ線断面図である。 図１０（ｂ）の線Ｃで囲まれた領域の拡大図である。 本発明の実施形態４における電動車両を示す側面図である。
符号の説明
１ モータ駆動装置
１１ 電子基板
１２ 銅箔パターン
１３ａ、１３ｂ 接続ピン
１４ 第１電源用電極
１５ 第２電源用電極
１６、１７、１８ 出力電極
１９ 電界効果トランジスタ素子（ＦＥＴ素子）
２０ ボンディングワイヤ
２１ ハンダ
２３ 絶縁層
２３’ 絶縁層
２５ 第２導電部材（第１の電流供給部）
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 半導体素子用電極
２７ 円盤部
２８ 円柱部
３０ 電動車両
３１ 走行駆動用モータ
３２ 後輪
３４ 前輪
３５ ハンドル
３６ 前側シート
３７ 後側シート
３８ 充電用コントローラ
３９ ブレーキモータ
４０ 走行駆動用バッテリ装置
４１ バッテリ
４２ 受座
４３ 走行制御用コントローラ
４４ 操舵モータ
１００ 従来例のパワーモジュール
１０１、１１０ 金属ベース
１０２ 絶縁層
１１１ 第１絶縁層
１１１’ 第２絶縁層
１０３ 従来例の電子基板
１０４ パッド
１０５ 半導体素子
１０６ ハンダ
１０７ 銅箔パターン
１１２ 下層配線
１１２’ 上層配線
１０８ ボンディングワイヤ
１０９ 従来の電子基板（２層金属基板）

Claims (18)

  1. 複数の半導体素子が搭載される電子基板であって、
    前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第１導電部材と、
    前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第２導電部材と、
    前記第２導電部材を前記第１導電部材から電気的に分離する絶縁層と、
    を備え、
    前記第１導電部材は、前記絶縁層、前記半導体素子、および前記第２導電部材を支持する導電性ベースから形成されている、電子基板。
  2. 前記絶縁層は前記導電性ベース上に形成され、かつ、前記絶縁層上にはパターニングされた導電膜が形成されており、前記パターニングされた導電膜の一部が前記第２導電部材として機能する、請求項１に記載の電子基板。
  3. 前記導電性ベースに電気的に接続された第１電源用電極と、
    前記第２導電部材に電気的に接続された第２電源用電極と、
    を備え、
    動作時において、前記第１および第２電源用電極は外部の電源に接続される請求項２に記載の電子基板。
  4. 前記第１電源用電極は、前記絶縁層上に形成されており、かつ、前記絶縁層に設けられた開口部を介して前記導電性ベースに電気的に接続されている請求項３に記載の電子基板。
  5. 前記導電性ベースには複数の凹部が形成されており、
    前記導電性ベースの複数の凹部のいずれかには、前記導電性ベースを前記第１電源用電極に電気的に接続する第１の導電性ピンが差し込まれており、
    前記導電性ベースの複数の凹部の他のいずれかには、前記導電性ベースを前記パターニングされた他の部分に電気的に接続する第２の導電性ピンが差し込まれている請求項４に記載の電子基板。
  6. 前記導電性ベースの内部において前記第１の導電性ピンと前記第２の導電性ピンとの間の領域を流れる電流の向きは、前記領域とオーバーラップする領域において前記第２導電部材の内部を流れる電流の向きと実質的に反対である、請求項５に記載の電子基板。
  7. 前記導電性ベースは、厚さ１ｍｍ以上の金属プレートであり、前記導電性ベースの裏面は、ヒートシンクに熱的に接触し得る平坦面を有している請求項１に記載の電子基板。
  8. 前記第２導電部材、ならびに第１および第２電源用電極は、パターニングされた金属箔から形成されている請求項３または４に記載の電子基板。
  9. 動作時において前記第１電源用電極と第２電源用電極との間を流れる電流の最大値は５０アンペア以上である請求項３または４に記載の電子基板。
  10. 前記絶縁層は厚さ０．２ｍｍ以下のエポキシ樹脂から形成されている請求項１に記載の電子基板。
  11. 複数の電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子のいずれかに電気的に接続されている第１導電部材と、
    前記電力用半導体素子のいずれかに電気的に接続されている第２導電部材と、
    前記第２導電部材を前記第１導電部材から電気的に分離する絶縁層と、
    を備え、
    前記第１導電部材は、前記絶縁層、前記電力用半導体素子、および前記第２導電部材を支持する導電性ベースから形成されている、パワーモジュール。
  12. 直流電源に接続され、交流電流を生成するパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールを制御する制御回路と
    を備えたモータ駆動装置であって、
    前記パワーモジュールは、
    少なくとも４個の電力用半導体素子と、
    前記少なくとも４個の電力用半導体素子のうちの半分の半導体素子からなる第１半導体素子群に電気的に接続されている第１導電部材と、
    前記少なくとも４個の電力用半導体素子のうちの他の半分の半導体素子からなる第２半導体素子群に電気的に接続されている第２導電部材と、
    前記第１導電部材を前記第２導電部材から電気的に分離する絶縁層と、
    前記第１半導体素子群の半導体素子の各々を、前記第２半導体素子群の対応する半導体素子に電気的に接続している複数の出力端子と、
    を備え、
    前記第１導電部材は、前記絶縁層、前記半導体素子、および前記第２導電部材を支持する導電性ベースから形成されており、
    前記制御回路は、
    前記第１導電部材と前記第２導電部材との間に直流電流が供給されているとき、前記電力用半導体素子の動作を調節することにより、前記出力端子上に交流電圧を出力する、モータ駆動装置。
  13. 請求項１２に記載されているモータ駆動装置と、
    前記モータ駆動装置に電力を供給するバッテリと、
    前記モータ駆動装置によって駆動される走行用モータと、
    前記モータによって回転する車輪と、
    を備えた電動車両。
  14. 半導体素子が搭載される電子基板の製造方法であって、
    表面の少なくとも一部が絶縁層で覆われた導電性ベースを用意する工程と、
    前記導電性ベースに電気的に接続される部分、および、前記導電性ベースから電気的に絶縁される部分を含むパターニングされた導電膜を前記絶縁層上に形成する工程と、
    を含む電子基板の製造方法。
  15. 請求項１に記載の電子基板を用意する工程と、
    前記電子基板上に電力用半導体素子をチップ状態のままで搭載する工程と、
    を含む、パワーモジュールの製造方法。
  16. 複数の半導体素子が搭載される電子基板であって、
    前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第１導電部材と、
    前記半導体素子のいずれかに電気的に接続される第２導電部材と、
    前記第２導電部材を前記第１導電部材から電気的に分離する絶縁層と、
    前記第１および第２導電部材、前記絶縁層、ならびに前記半導体素子を支持する導電性ベースと、
    を備えており、
    前記第２導電部材は、前記複数の半導体素子の少なくとも１つを搭載し得る大きさの導電性プレートから形成されており、
    前記導電性プレートは、前記第１導電性部材の少なくとも一部を覆うように前記導電性ベースに支持されている、電子基板。
  17. 前記導電性プレートを流れる電流の向きは、前記導電性プレートに覆われている前記第１導電部材を流れる電流の向きの実質的に反対である、請求項１６に記載の電子基板。
  18. 前記絶縁層は、シリコーンシート、ポリイミドフィルム、エポキシ樹脂、および／または空気層である請求項１６または１７に記載の電子基板。
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