JP2005129624A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、高密度のパワーモジュールを安価に得る。
【解決手段】 本発明のパワーモジュールは、金属ベース基板11上に実装された複数のパワー半導体素子12とこれらの電極を配線した配線回路とその一部を露出させた電極部を有する金属基板部１と、一方の面にパワー半導体素子を制御する制御回路部品23を実装し他方の面に制御回路部品の電極を配線した回路基板21とその一部を露出させた電極部を有する制御基板部２とを備え金属基板部の電極部と制御基板部の電極部とを接続したもので、金属基板部と制御基板部との間に、電極部同志を導通させる導通部32およびパワー半導体素子を実装する部品収納孔33とを有する結合基板部３を設けたものである。

【選択図】図１

Description

本発明は、パワーエレクトロニクスの分野、特にモータドライブ用インバータ装置やサーボドライブ装置に使用するパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールおよびパワー半導体装置に関する。

従来のパワーモジュールは、発熱部品であるパワー半導体素子を実装した高熱伝導性のセラッミック基板を放熱部材である金属ベース上に実装している。またその上部には制御回路部品を実装した高密度配線用の回路基板が配置される。これらの基板は連結端子により接続され、樹脂ケースとケース内の充填されたシリコンゲルで絶縁・保護されている（例えば、特許文献１参照）。
なお、セラミック基板と金属ベースを金属ベース基板で実現しているものもある。図６はそのパワーモジュールを示す側断面図である。図６において、１０１はケースであり、これに金属ベース（図示せず）が接着される。１１１はセラミック基板でありこの基板上に発熱部品であるパワー半導体素子１１２が実装されている。一方、１２１はパワー半導体素子を制御する制御回路部品１２２を実装する回路基板である。セラミック基板１１１と回路基板１２１は連結端子１３１により接続される。そして１０１のケース内にはゲル状の絶縁材(図示せず)が充填され、蓋１４１により密閉される。
このように、従来のパワーモジュールは、パワー半導体素子を実装した基板と制御回路部品を実装した回路基板、およびこれらを接続する連結端子から構成され、ケースや絶縁材、蓋により主要部品の保護を行っている。
特開平１１−６８０３５号公報（第１１頁、図１）

従来のパワーモジュールは、発熱体であるパワー半導体素子の冷却を考慮した熱伝導性や放熱性を有するセラミック基板あるいは金属ベース基板と、多層化などの高密度配線を必要とする制御回路部品を実装する回路基板からなる。低コスト化のために全ての部品を一つの基板に実装することが考えられる。しかし、セラミック基板は構造上多層化が困難であり高密度配線が行えない。また金属ベース基板は多層化で高密度配線が可能となるが、基材の断熱性により熱伝導性が低下する。さらに回路基板は、基材の断熱性のためパワー半導体素子の冷却が不十分となる。これらによりパワー半導体素子と制御回路部品とを同時に一つの基板に実装することができないため、コストダウンができないという問題があった。また、パワー半導体素子の保護やセラミック基板あるいは金属ベース基板の上部に配置される回路基板の保持を行うためにケースや蓋、その他構造部材が必要であり、これらがコストアップの原因となる問題もあった。また、仮に冷却性に優れ高密度配線が可能な基板により一つの基板に全ての部品を実装でき、パワーモジュールの厚みが薄くなったとしても、実装される部品が小さくならない限り外形が大きくなってしまうという問題もある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高放熱性を維持しつつ、高密度実装や高密度配線を可能とするとともに、構成部材を削減し、小型、高密度のパワーモジュールを安価に提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、金属ベース基板上に実装された複数のパワー半導体素子とこれらの電極を配線した配線回路とその一部を露出させた電極部を有する金属基板部と、一方の面に前記パワー半導体素子を制御する制御回路部品を実装し他方の面に前記制御回路部品の電極を配線した回路基板とその一部を露出させた電極部を有する制御基板部とを備え前記金属基板部の電極部と前記制御基板部の電極部とを接続したパワーモジュールにおいて、前記金属基板部と前記制御基板部との間に、前記電極部同志を導通させる導通部と前記パワー半導体素子を収納する部品収納孔とを有する結合基板部を設けたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記結合基板部の結合基板を、導体を樹脂とともに成形した樹脂成型品としたものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記制御基板部の回路基板に、前記部品収納孔に連通する連通孔を設けたものである
また、請求項４に記載の発明は、前記制御基板部の回路基板に、前記金属ベース基板の側を制御回路部品が実装できる空間部を設けたものである。

請求項１に記載の発明によれば、金属基板部と制御基板部との間に、電極部同志を導通させる導通部とパワー半導体素子を収納する部品収納孔とを有する結合基板部を設けたので、高放熱性を維持しつつ、高密度実装や高密度配線を可能とするとともに、構成部材を削減することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、結合基板部の結合基板は、導体を樹脂とともに成形した樹脂成型品としたので、金属ベース基板や回路基板の実装部品と配線板との干渉を容易に回避することができ、各々の基板の実装面積を拡大することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、制御基板部の回路基板に、部品収納孔に連通する連通孔を設けたので、絶縁材の充填が容易となり、組み立て性の向上する。
また、請求項４に記載の発明によれば、制御基板部の回路基板に、制御回路部品が実装できる空間部を設けたので、回路基板上の実装面積を拡大することができ、パワーモジュールの小型化を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、１
は金属基板部、２は制御基板部、３は結合基板部である。本発明の特徴は金属基板部１と制御基板部２とを結合基板部３で結合した点にある。
金属基板部１は、金属ベース基板１１、パワー半導体素子１２、電極部１３からなり、その構造はアルミの金属ベース基板１１の上にパッケージ化された複数のパワー半導体素子１２が実装され、さらにパワー半導体素子１２の電極を配線する回路が設けられたものである。そして回路の一部は、結合基板部３と電気的に接続するために露出させた電極部１３が配置されている。
制御基板部２は、回路基板２１、電極部２２、制御回路部品２３、２４からなる。回路基板２１は、４層のガラス−エポキシ基板とし、図示しない回路配線を施している。そして回路の一部は、結合基板部３と電気的に接続するために露出させた電極部２２が配置されている。なお、回路基板２１は何層でもよいし、その寸法は金属基板部１と同一である必要もない。
結合基板部３は、結合基板３１、導通部３２および部品収納孔３３からなる。結合基板３１は、板厚をパワー半導体素子１２の厚みおよびワイヤボンディングのような接合部を含んだ厚みよりも厚くしており、パワー半導体素子１２が制御基板部２に干渉しないようにしている。導通部３２は、導体部３２ａの両側に電極部３２ｂおよび電極部３２ｃと設けたものからなる。導体部３２ａはプリント基板ではバイアホールがよく用いられる。部品収納孔３３は３の結合基板３１がパワー半導体素子１２と干渉しないようにそれよりも大きしたヌキ穴である。

つぎに、動作について図２を用いて説明する。図２は図１の分解側断面図で、（ａ）は制御基板部２、（ｂ）は結合基板部３、（ｃ）は金属基板部１をそれぞれ示している。
（１）先ず、４層の回路基板２１に制御回路部品２３、２４を実装し、電極部２２を設けて制御基板部２を作製する。
（２）結合基板３１に導通部３２および部品収納孔３３を設けて結合基板部３を作製する。
（３）金属ベース基板１１にパワー半導体素子１２を実装し、電極部１３を設け金属基板部１を作製する。なお、上述の順番の制限はなく、同時平行に作製してもよい。
（４）金属基板部１の上に結合基板部３の一方の面を重ね合わせて、電極部１３と電極部３２ｃとをはんだ接合する。
（５）部品収納孔３３に絶縁材を充填する。これにより他のパターンとの絶縁ができる。
（６）結合基板部３の他方の面に制御基板部２を重ね合わせて、電極部２２と電極部３２ｂとをはんだ接合する。
（７）この接合により金属基板部１と制御基板部２は導通部３２にて導通されパワーモジュールが完成する。

このように接合することにより、パワー半導体素子が金属ベース基板内に内蔵する構成となり、高放熱性を維持しつつ、高密度実装や高密度配線を可能とするとともに、構成部材を削減し、小型、高密度のパワーモジュールを安価に提供することができる。
なお、本実施例では制御回路部品を実装した後、接合する方法をとったが、これに限られることなく、回路基板の接合が完了した後に従来の工法であるＳＭＴ（Surface Mount Technology :表面実装技術）により実装することもできる。また、電極部は、はんだで接合されるが、特にはんだである必要はなく導電性接合材や異方導電性接合材などで接合を行ってもよい。

図３は、本発明の第２実施例を示す部分側断面図である。
本実施例は結合基板部を変形したもので、その他の構成は第１実施例と同じである。図において、１４は他の実装部品で、金属基板部１に実装されるパワー半導体素子１２以外の部品である。３４は結合基板３１に設けた空間部で、実装部品１４が収納される。結合基板３１は、導通部３２を樹脂とともに成形した成型品である。
なお、動作については第１実施例とほぼ同じである

このように、結合基板３が樹脂成型品であることにより空間部３４のような複雑な形状も安価に形成することができるため、金属ベース基板や回路基板の実装部品と配線板との干渉を容易に回避することができ、各々の基板の実装面積を拡大することができ、パワーモジュールの小型化を行うことができる。

図４は本発明の第３実施例の構成を示す部分側断面図である。
本実施例は制御基板部２を変形したもので、その他の構成は第１実施例と同じである。図において、２５は連通孔で、制御基板部２の回路基板２１に設けられ、部品収納孔３３に連通している。連通孔２５はプリント基板で用いられているスルーホールやノンスルーホールでよい。また、図では絶縁材の充填時における空気の逃げ道として機能する。
なお、動作については第１実施例とほぼ同じである

このように、連通孔を回路基板に設けることにより絶縁材の充填が容易となり、組み立て性が向上する。

図５は本発明の第４実施例の構成を示す部分側断面図である。
本実施例は、制御基板部２の回路基板２１のパワー半導体素子側にも制御回路部品２４を実装したもので、その他の構成は第１実施例と同じである。なお、動作についても第１実施例とほぼ同じである

このように、配線板の厚みを厚くし、回路基板上の制御回路部品を実装した面とは反対側で、配線板のヌキ穴に収まるように他の制御回路部品を実装することにより、回路基板上の実装面積を拡大することができ、パワーモジュールの小型化を行うことができる。

高放熱性を維持しつつ、高密度実装や高密度配線を可能とすることができるので、他の発熱部品が実装された基板にも適用できる。

本発明の第1実施例を示すパワーモジュールの側断面図 図１のパワーモジュールの分解側断面図 本発明の第２実施例を示すパワーモジュールの部分側断面図 本発明の第３実施例を示すパワーモジュールの部分側断面図 本発明の第４実施例を示すパワーモジュールの部分側断面図 従来のパワーモジュールを示す側断面図

符号の説明

１ 金属基板部
１１ 金属ベース基板
１２ パワー半導体素子
１３ 電極部
１４ 実装部品
２ 制御基板部
２１ 回路基板
２２ 電極部
２３、２４ 制御回路部品
２５ 流通孔
３ 結合基板部
３１ 結合基板（配線板）
３２ 導通部
３２ａ 導体部
３２ｂ、３２ｃ 電極部
３３ 部品収納孔
３４ 空間部
１０１ ケース
１１１ セラミック基板
１１２ パワー半導体素子
１２１ 制御回路
１２２ 制御回路部品
１３１ 連結端子
１４１ 蓋

Claims (4)

1. 金属ベース基板上に実装された複数のパワー半導体素子とこれらの電極を配線した配線回路とその一部を露出させた電極部を有する金属基板部と、一方の面に前記パワー半導体素子を制御する制御回路部品を実装し他方の面に前記制御回路部品の電極を配線した回路基板とその一部を露出させた電極部を有する制御基板部とを備え前記金属基板部の電極部と前記制御基板部の電極部とを接続したパワーモジュールにおいて、
   前記金属基板部と前記制御基板部との間に、前記電極部同志を導通させる導通部と前記パワー半導体素子を収納する部品収納孔とを有する結合基板部を設けたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記結合基板部の結合基板は、導体を樹脂とともに成形した樹脂成型品であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記制御基板部の回路基板は、前記部品収納孔に連通する連通孔を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のパワーモジュール。
4. 前記制御基板部の回路基板は、前記金属ベース基板の側に制御回路部品が実装できる空間部を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
   

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