JP2005191233A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールにおいてサージ電圧低減効果を図るための配線構造であって、比較的容量の大きいパワーモジュールにおいても有効に機能するものを提案する。
【解決手段】電極板２７に実装された半導体素子２８と、半導体素子２８に給電するためのＮバスバー３０とＰバスバー３１が、層状に配置されたパワーモジュール１１において、半導体素子２８とＮバスバー３０・Ｐバスバー３１とを接続する正極側配線導体３５と負極側配線導体３４とを対向配置し、正極側配線導体３５と負極側配線導体３４との間に誘電体２９を介挿し、正極側配線導体３５と誘電体２９、及び、負極側配線導体３４と誘電体を、それぞれ導電性を有する接着剤３６にて接合した。
【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁基板上に配置された電極板に実装された半導体素子と、この半導体素子実装面の上部に層状に形成されたバスバーとより成るパワーモジュールにおいて、電極と、半導体素子と、バスバーとの配線構造の改善に関する。

インバータ等に用いられるパワーモジュールにおいては、一方の半導体素子をターンオンさせるとともに他方の半導体素子をターンオフさせるスイッチング動作時に発生する電力損失を低減させるために、高速にスイッチング動作させる処置が採られている。その際、パワーモジュール内部には配線の寄生インダクタンスが存在するために、スイッチング動作時に電源電圧を超えるスパイク状の電圧（サージ電圧）が発生する。サージ電圧が大きくなると半導体素子が破壊されたりノイズの原因になることがあり、また、そのサージ電圧を低減させるためにスイッチング動作を緩慢にすると、スイッチング動作時の電力損失が大きくなり、電圧変換効率が低下したり、半導体素子の温度が上昇したりする不具合が生じる。

そこで、サージ電圧を低減させる技術として、汎用の小容量及び中容量のパワーモジュールでは、小容量のコンデンサ（スナバコンデンサ）を含むスナバ回路をパワーモジュールに付加して、スナバ回路にて回路のインダクタンスにより生じる電磁エネルギーを消費する構造が採用されている。
また、パワーモジュール内部の配線の寄生インダクタンスを低減させてサージ電圧を低減させる技術として、配線として機能する導体間に静電容量を形成するパワーモジュールの構造が提案されている。例えば、特許文献１に記載の技術は、平滑用コンデンサから半導体モジュールに接続される導体のインダクタンスを低減させるために、モジュールと平滑コンデンサとを接続する正極電源供給導体と負極電源供給導体との間に平板状で高誘電率材の間隔板としての誘電体セラミックスを装着したものである。

特開平６−２２５５４５号公報

サージ電圧を効果的に抑制するためには、主回路の接続導体の短縮化を図り、インダクタンスを低減するのが最も確実である。しかし、比較的容量の大きいパワーモジュールでは、構造的な制約からインダクタンスの低減には限界がある。

また、パワーモジュールの直流端子部に小容量のコンデンサを装着した場合は、一定のサージ電圧低減効果がみられるものの、パワーモジュール内の寄生インダクタンスの影響を低減できないために、コンデンサの静電容量を増加させてもある程度でサージ電圧低減効果が飽和してしまう。特に、比較的容量の大きいパワーモジュールでは、構造的にパワーモジュール内部の寄生インダクタンスが大きくなるため、比較的容量の小さいパワーモジュールと比較してその傾向が顕著である。さらに、通常コンデンサの内部にも寄生インダクタンスが存在するために、サージ電圧低減効果には限界がある。

一方、コンデンサをより有効に機能させるためには、スイッチング動作される半導体素子の近傍にコンデンサを装着することが好ましいが、半導体素子やコンデンサの発熱によるコンデンサの温度上昇に起因して、熱疲労による破壊が短期間のうちに生じ、特に、液体コンデンサでは蒸発による容量の低下も生じ、実用に耐えることができないという不具合がある。
コンデンサを構成する電極板と誘電体の熱膨張係数が異なるために、温度上昇により接合部に大きな応力が発生して、温度の上昇と下降を繰り返す冷熱サイクルにより熱疲労による破壊が接合部に生じる。これにより形成された空間が新たに静電容量となり、誘電体による静電容量に電気回路的に直列に接続されるために、誘電体による放電効果が極めて小さくなり、コンデンサ全体としての効果が低減してしまうのである。

上記課題を鑑み、本発明では、パワーモジュールにおいてサージ電圧低減効果を図るための配線構造であって、比較的容量の大きいパワーモジュールにおいても有効に機能するものを提案する。また、これに関し、よりサージ電圧低減効果を高めるための配線構造を提案する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、電極板に実装された半導体素子と、半導体素子に給電するためのバスバーとが、層状に配置されたパワーモジュールにおいて、半導体素子とバスバーとを接続する正極側配線導体と負極側配線導体とを対向配置し、正極側配線導体と負極側配線導体との間に誘電体を介挿し、正極側配線導体と誘電体、及び、負極側配線導体と誘電体を、それぞれ導電性を有する接着剤にて接合するものである。

請求項２においては、前記誘電体を、誘電性を有するセラミックスを主成分する板状体とするものである。

請求項３においては、前記誘電体を、SrTiO₃又はBaTiO₃主成分とする材料で構成するものである。

請求項４においては、前記配線導体を、熱膨張係数が２ppm／K以上１２ppm／K以下であって、導電性を有する材料で構成した薄板状体とするものである。

請求項５においては、前記配線導体を、Cu／Fe−Ni合金／Cuの三層クラッド材で構成するものである。

請求項６においては、前記接着剤を、ヤング率が１００００kg／cm²以下であって、導電性を有する材料で構成するものである。

請求項７においては、前記接着剤を、Agの微粒子を主成分とする材料で構成するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、負極側配線導体と正極側配線導体との間に介挿された誘電体により、静電容量が形成され、負極側配線導体と正極側配線導体とによるインダクタンスで発生したサージ電圧を誘電体にて放電させることができる。すなわち、負極側配線導体と正極側配線導体との間に誘電体にてコンデンサが形成され、パワーモジュールのスイッチング動作時に発生するサージ電圧を低減することができる。
また、半導体素子の近傍にコンデンサを形成することができるため、コンデンサとして効率よく作用することが期待される。
さらに、対向配置された負極側配線導体と正極側配線導体とは、電流が逆向きに流れることから、この電流により発生する互いに逆方向の磁界により磁束を打ち消し合う相互インダクタンスにより、寄生インダクタンスの低減を図ることができる。

請求項２においては、１００℃以上の高温でも比誘電率が低下しにくいため、発熱源である半導体素子近傍に配置することができる。

請求項３においては、比誘電率が空気と比較して桁違いに大きく、１００℃以上の高温でも比誘電率が低下せず、高電界でも比誘電率が低下しない材料であるため、コンデンサとして優れた効果を期待することができる。

請求項４においては、配線導体の構成材料として半導体素子及び誘電体の熱膨張係数に近いものを採用することで、発生する熱応力の低減を図ることができる。

請求項５においては、比較的低い熱膨張係数と良好な導電性を確保することができる。

請求項６においては、配線導体と誘電体との間に熱応力が発生し、これらが変形しても配線導体と誘電体との接合部において熱疲労による破壊の発生を抑制し、信頼性を確保することができる。

請求項７においては、接着剤に導電性を付加することができ、配線導体と誘電体とを電気的に接合することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るパワーモジュールの回路構成を示す図、図２は本発明の実施例に係るパワーモジュールの構成を示す平面図、図３は図２におけるＸ−Ｘ矢視断面図、図４は各相デバイス群を示す拡大図である。

まず、本発明の実施例に係るパワーモジュール１１の回路の構成について説明する。

図１に示す如く、高電圧バッテリ１５は、パワーモジュール１１に給電しており、パワーモジュール１１は三相交流モータ１３に給電している。Ｎバスバー３０とＰバスバー３１とには、それぞれ、高電圧バッテリ１５より電力が入力されるＮ入力端子２３・Ｐ入力端子２２が備えられている。

パワーモジュール１１を構成する回路は三相ブリッジ型のインバータ回路であって、高電圧バッテリ１５の出力が、Ｐ入力端子２２とＮ入力端子２３よりパワーモジュール１１へ入力され、電流を流す出力回路がＵ相・Ｖ相・Ｗ相の各相に対して備えられており、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相からなる三相交流電流が、Ｕ相出力端子１８ｕ・Ｖ相出力端子１８ｖ・Ｗ相出力端子１８ｗの各出力端子よりモータ１３に出力される。

Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相の各相の出力回路（各相デバイス群３２ｕ・３２ｖ・３２ｗ）は、電力用半導体スイッチング素子である絶縁ゲート型バイボーラトランジスタ（以下に「ＩＧＢＴ１９」と示す）と、該ＩＧＢＴ１９に印加されるフライバック電圧からの素子耐圧保護と回生動作時の電流経路生成のためダイオード素子２０とを並列に配置したものを、二組直列に配置して構成されている。

インバータモジュールでは、ＩＧＢＴ１９をスイッチング動作させることによって、Ｕ相出力端子１８ｕ・Ｖ相出力端子１８ｖ・Ｗ相出力端子１８ｗからＵ相・Ｖ相・Ｗ相の各単相電流が位相差をもって出力され、三相交流電流に変換される。ＩＧＢＴ１９のスイッチング動作のタイミングは、図示せぬ外部コントロールユニット（ＥＣＵ）により演算算出され、ゲート端子２１よりＩＧＢＴ１９のゲート入力信号として入力・指示される。

次に、本発明の実施例に係るパワーモジュール１１の具体的構成について説明する。

図２及び図３に示す如く、パワーモジュール１１では、Ｎバスバー３０と、Ｐバスバー３１とが上下に略平行に配置されている。
Ｎバスバー３０は平薄板状配線導体であり、Ｎ入力端子２３が設けられるとともに、該Ｎバスバー３０に形成された開口部３０ａ・３０ａ・３０ａには、Ｕ相デバイス群３２ｕ・Ｖ相デバイス群３２ｖ・Ｗ相デバイス群３２ｗへ給電するための接続端子２４・２４・・・が形成されている。同様に、Ｐバスバー３１は平薄板状配線導体であり、Ｐ入力端子２２が設けられるとともに、該Ｐバスバー３１に形成された開口部３１ａ・３１ａ・３１ａには、Ｕ相デバイス群３２ｕ・Ｖ相デバイス群３２ｖ・Ｗ相デバイス群３２ｗへ給電するための接続端子２５・２５・・・が形成されている。

また、Ｕ相デバイス群３２ｕの出力部であるＵ相出力端子１８ｕが設けられたＵバスバー３３ｕと、Ｖ相デバイス群３２ｖの出力部であるＶ相出力端子１８ｖが設けられたＶバスバー３３ｖと、Ｗ相デバイス群３２ｗの出力部であるＷ相出力端子１８ｗが設けられたＷバスバー３３ｗとが、略同一平面上であって、Ｎバスバー３０及びＰバスバー３１と略平行に配置されている。

Ｕ相デバイス群３２ｕ、Ｖ相デバイス群３２ｖ、Ｗ相デバイス群３２ｗの各デバイス群は略同一の構成としている。ここでは、そのうち一つについて説明する。
図４にも示す如く、Ｎバスバー３０及びＰバスバー３１と略平行に配設された絶縁基板２６上に、電極板２７が装着され、該電極板２７に半導体素子２８（ＩＧＢＴ１９・ダイオード素子２０等から構成されている）がはんだ３７にて接合されている。
すなわち、半導体素子２８を実装した電極板２７と、Ｎバスバー３０及びＰバスバー３１とが略平行に配置され、層を形成していることになる。

そして、半導体素子２８の電極板２７に接する面とは異なる面に起立状態にはんだ３７にて接合された負極側配線導体３４にて、半導体素子２８とＮバスバー３０に設けられた接続端子２４とが電気的に接続されている。
また、電極板２７に起立状態にはんだ３７にて接合された正極側配線導体３５にて、電極板２７とＰバスバー３１に設けられた接続端子２５とが電気的に接続され、正極の直流電流が配線導体３５を介して電極板２７に給電されている。
前記負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とは、略平行に配置され、これらの配線導体３４・３５間には、誘電体２９が介挿され、各配線導体３４・３５と誘電体２９とは導電性接着剤３６にて接合されている。

すなわち、半導体素子２８を実装した面とバスバー３０・３１とが層状構造になっているパワーモジュール１１において、電極板２７に実装された半導体素子２８とバスバー３０・３１とを繋ぐために、直流側の負極側と正極側とにそれぞれ接続されている負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とを対向させて形成し、これらの配線導体３４・３５の間に板状の誘電体２９を挿入し、導電性接着剤３６を用いて負極側配線導体３４と誘電体２９と負極側配線導体３４とを物理的且つ電気的に接続したのである。

この負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間に介挿された誘電体２９により、静電容量が形成され、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とによるインダクタンスで発生したサージ電圧を誘電体２９にて放電させることができる。すなわち、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間に誘電体２９にてコンデンサが形成され、このコンデンサにより、電流の流れ得る経路は全ての半導体素子２８に対して短くなり、回路インダクタンスを見かけ上小さくすることができるので、スイッチング動作時に発生するサージ電圧を低減することができるのである。

また、上述の如く形成されたコンデンサは、半導体素子２８の近傍に配置されるためにコンデンサとして効率よく作用することが期待される。
さらに、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とは平行に対向された薄平板状体であり、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間隔を狭くすることにより、これらの間で生じる寄生インダクタンスの低減が図られている。すなわち、対向配置された負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とは、電流が逆向きに流れることから、この電流により発生する互いに逆方向の磁界により磁束を打ち消し合う相互インダクタンスにより、寄生インダクタンスの低減が図られているのである。

（誘電体２９）
前記誘電体２９は、誘電体セラミックスを主成分とする板状体である。
本実施例では、誘電体２９はSrTiO₃を主成分とするものを採用している。この場合の誘電体２９の静電容量は約５０nFである。
但し、誘電体２９は、発熱源である半導体素子２８の近傍に配置可能とすることを考慮して、１００℃以上の高温でも比誘電率が低下せず、高電界でも比誘電率が低下しないものであれば、SrTiO₃以外を主成分とする誘電体セラミックスを採用することができる。例えば、BaTiO₃を主成分とする誘電体を採用することができる。なお、SrTiO₃やBaTiO₃は、空気と比較して比誘電率が桁違いに大きく、コンデンサ材料として優れている。

（負極側配線導体３４・正極側配線導体３５）
前記負極側配線導体３４と正極側配線導体３５は、低熱膨張係数の導電性材料にて構成された薄平板状体である。そして、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とは互いに所定の間隔をあけて略平行に対向するように配置されている。これらの配線導体３４・３５には、冷熱サイクルによる熱疲労破壊の抑制を図るため、材料特性上比較的低い熱膨張係数を有する誘電体２９の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するものが採用されている。
本実施例では、負極側配線導体３４・正極側配線導体３５として、幅が約１０mm、長さが約２０mm、板厚は約０．５mmの薄板体であって、約０．１mmのCu板の間に約０．３mmのFe−Ni合金をサンドイッチ状に挟んで構成したCu／Fe−Ni合金（Invar）／Cu三層クラッド板を採用した。この場合の、負極側配線導体３４・正極側配線導体３５の熱膨張係数は約５ppm／Kである。
なお、三層クラッド板である負極側配線導体３４・正極側配線導体３５は、中央に配置されて基層として機能するFe−Ni合金層が厚くなると導電性が低下して電力損失を生じ、一方、薄くなると熱膨張係数が大きくなって熱疲労破壊する冷熱サイクルが短くなることから、低熱膨脹性と導電性の確保を両立させるため、Cu層：Fe−Ni合金層：Cu層の厚さの比は１：１：１以上であり１：５：１以下とするのが好ましい。
但し、負極側配線導体３４・正極側配線導体３５の構成及びその大きさは、本実施例に限定されるものではなく、熱膨張係数が２ppm／K以上１２ppm／K以下であって、導電性を有するものであれば構わない。

また、対向配置された負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間隔は、０．１mm以上３．０mm以下が好ましい。
負極側配線導体３４と正極側配線導体３５の間隔が０．１mm以下であると誘電体２９の絶縁破壊が生じるおそれがあり、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間隔が３．０mm以上となれば静電容量が小さくなるためである。
なお、負極側配線導体３４・正極側配線導体３５は、半導体素子２８との間の寄生インダクタンスをより小さくするために、半導体素子２８上に直接接続されている。

（接着剤３６）
前記接着剤３６は、導電性を有し、負極側配線導体３４と誘電体２９の間と、正極側配線導体３５と誘電体２９の間とに充填され、各配線導体３４・３５と誘電体２９との間の空間を埋める機能を果たしている。
接着剤３６は、熱応力により容易に変形するものが好ましく、熱応力を緩和し、信頼性を確保するために、ヤング率が比較的低い材料が採用されている。冷熱サイクルによる熱疲労破壊にて、静電容量が低下しサージ電圧の低減効果が損なわれることを、防止するためである。
すなわち、負極側配線導体３４・正極側配線導体３５と誘電体２９とが熱膨張係数差ができるだけ小さいものが採用されるとともに接着剤３６が変形可能であれば、接合部に発生する熱応力が低減される。また、接合部に生じる熱応力によってこれらが変形しても、配線導体３４・３５と誘電体２９とが略一体的に変形することができ、冷熱サイクルによる熱疲労破壊を防止することができ、信頼性を向上させることができるのである。
本実施例では、接着剤３６として、Ag微粒子を主成分とし５０wt％以上含有する接着剤が採用されている。この場合のヤング率は、約５０００Kg／cm²である。但し、接着剤３６は本実施例に限定されるものではなく、硬化した状態で導電性を有し、ヤング率が１００００kg／cm²以下のものであれば構わない。

次に、上記実施例に係る構成のパワーモジュール１１と、略同様の構成であって誘電体２９を備えないパワーモジュールとの比較実験結果を参考として記載する。
パワーモジュールを、電源電圧３００Ｖでインバータ動作させ、スイッチング動作時に発生するターンオフサージ電圧を測定したところ、誘電体２９を備えないパワーモジュールでは６８０Ｖのターンオフサージ電圧が発生したが、本実施例に係るパワーモジュール１１では、ターンオフサージ電圧を５００Ｖに低減することができた。
また、同様にダイオード素子２０のリカバリサージ電圧を測定したところ、誘電体２９を備えないパワーモジュールでは７８０Ｖのリカバリサージ電圧が発生したが、本実施例に係るパワーモジュール１１では、リカバリサージ電圧を４１０Ｖに低減することができた。
上記結果より、本実施例に係るパワーモジュール１１では、誘電体２９により付加された静電容量が、コンデンサとして有効に機能していることがわかる。また、誘電体２９により負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間に形成されるコンデンサが、スイッチングする半導体素子２８の極めて近傍に配置されているため、寄生インダクタンスが小さく、さらに、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５とは、電流が逆向きに流れるとともに、間隔が相互インダクタンスの効果を生じさせるために十分に狭いため、負極側配線導体３４と正極側配線導体３５との間のインダクタンスが小さいことも、サージ電圧の低減効果を高めているものと推測される。

本発明の実施例に係るパワーモジュールの回路構成を示す図。 本発明の実施例に係るパワーモジュールの構成を示す平面図。 図２におけるＸ−Ｘ矢視断面図。 各相デバイス群を示す拡大図。

符号の説明

１１ パワーモジュール
２８ 半導体素子
２９ 誘電体
３０ Ｎバスバー
３１ Ｐバスバー
３２ｕ Ｕ相デバイス群
３２ｖ Ｖ相デバイス群
３２ｗ Ｗ相デバイス群
３３ｕ Ｕバスバー
３３ｖ Ｖバスバー
３３ｗ Ｗバスバー
３４ 負極側配線導体
３５ 正極側配線導体
３６ 接着剤

Claims (7)

1. 電極板に実装された半導体素子と、半導体素子に給電するためのバスバーとが、層状に配置されたパワーモジュールにおいて、
   半導体素子とバスバーとを接続する正極側配線導体と負極側配線導体とを対向配置し、正極側配線導体と負極側配線導体との間に誘電体を介挿し、正極側配線導体と誘電体、及び、負極側配線導体と誘電体を、それぞれ導電性を有する接着剤にて接合することを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記誘電体を、誘電性を有するセラミックスを主成分する板状体とする、
   請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記誘電体を、SrTiO₃又はBaTiO₃主成分とする材料で構成する、
   請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記配線導体を、熱膨張係数が２ppm／K以上１２ppm／K以下であって、導電性を有する材料で構成した薄板状体とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール。
5. 前記配線導体を、Cu／Fe−Ni合金／Cuの三層クラッド材で構成する、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパワーモジュール。
6. 前記接着剤を、ヤング率が１００００kg／cm²以下であって、導電性を有する材料で構成する、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のパワーモジュール。
7. 前記接着剤を、Agの微粒子を主成分とする材料で構成する、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のパワーモジュール。

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