JP2005341790A - パワーモジュールおよびこれを用いた電動輸送機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱が少なく、信頼性に優れた、あるいは、より大電流を通電することが可能なパワーモジュールを提供する。
【解決手段】本発明のパワーモジュールは、絶縁性表面上に設けられた導電性パターン１２４を含む基板１２０と、基板１２０上に配置された半導体素子１１０と、導電性パターン１２４上に絶縁層１３１を介して設けられた板状導電体１３０と、板状導電体１３０と半導体素子１１０とを電気的に接続するワイヤ１４０ａとを備えている。
【選択図】図５

Description

本発明はパワーモジュールおよびこれを用いた電動輸送機器に関し、特に、輸送機器の駆動源として用いられるモータに電力を供給するためのパワーモジュールおよびこれを用いた電動輸送機器に関する。

近年、環境問題やエネルギ問題等の観点からモータを駆動源とする輸送機器が注目されている。また、内燃機関に比べて、モータの外形の設計自由度が大きく、駆動源が必要となる場所に近接してモータを配置することが可能であったり、駆動時に発生する動作音も小さいという利点もモータは備えている。このため、従来の内燃機関を用いた輸送機器にはない特徴を備えた新しい輸送機器を実現することも可能であり、こうした観点からもモータを用いた輸送機器の開発が進められている。

モータを備えた輸送機器は、モータに電力を供給し、回転数を制御するためのパワーモジュール（電力用半導体装置とも呼ぶ）を備えている。図１は、特許文献１に開示された従来のパワーモジュールを含む回路図である。図１に示すように、バッテリ１２から供給される電力は破線で示されるパワーモジュール１０により、適切な駆動電力に変換され、モータ１４へ供給される。図１に示すように、パワーモジュール１０は、速度制御回路２０と、平滑コンデンサ２２と、複数のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１６と、複数のダイオード１８とを含んでいる。

図２（ａ）および（ｂ）は、速度制御回路２０以外の構成要素がプリント配線板上に形成されたパワーモジュール１０の平面図および側面図である。図に示すように、パワーモジュール１０は、導電性領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄが一表面に形成されたプリント配線板４０を含む。導電性領域４０ｃは複数の副領域からなり、副領域間に抵抗が接続されている。

こうしたパワーモジュールに用いられるＦＥＴやダイオードは、大電流が流れて高温になる。これによって生じる故障を避けるため、高い放熱性が求められる。このため、電力用ＦＥＴおよびダイオードは、良好な放熱特性が得られるよう、回路基板の導電性パターン表面に直接接合される構造を採用している。

具体的には、ＦＥＴ１６はドレイン電極が導電性パターン４０ｂに接触するよう導電性パターン４０ｂに半田付けされている。ＦＥＴ１６のゲート電極と導電性パターン４０ｃとは、アルミニウムからなるワイヤ４２ｂによって互いに接続されている。また、ＦＥＴ１６のソース電極と導電性パターン４０ｄとは、２本のワイヤ４２ａによって互いに接続されている。さらに、ＦＥＴ１６のソース電極と導電性パターン４０ｃとは、ワイヤ４２ｃにより互いに接続されている。一方、ダイオード１８はカソード電極が導電性パターン４０ａに接触するよう導電性パターン４０ａに半田付けされている。ダイオード１８のアノード電極と導電性パターン４０ｂとはアルミからなるワイヤ４１ａにより互いに接続されている。
特開２００２−２６２５９３号公報

図２に示すパワーモジュールでは、ＦＥＴ１６が半田付けされた導電性パターン４０ｂに大電流が流れる。このため、導電性パターン４０ｂの幅を広くし、抵抗を低くする必要がある。しかし、これにより、ＦＥＴ１６を接続するワイヤ４２ａを長くする必要が生じ、ワイヤの抵抗による発熱が問題となる。たとえば、直径が０．５ｍｍであり、長さが１５ｍｍのワイヤを３本並列に配置した２点間のワイヤによる抵抗は０．７ｍΩとなり、この２点間に１００Ａの電流を流した場合、ワイヤには７．０Ｗの熱が生じ、ワイヤは、たとえば２００℃以上になる。生じた熱はＦＥＴ１６に伝わり、ＦＥＴ１６の温度を上昇させてしまう。このため、パワーモジュールに流すことのできる最大電流値は、発熱によりワイヤ４２ａやＦＥＴ１６が劣化しない程度の値に制限されてしまう。

ワイヤ４２ａによる発熱を低減するために、理論的にはいくつかの対策が考えられる。たとえば、ＦＥＴ１６と各導電性領域とを接続するワイヤの数を増やすことにより、抵抗を下げ、発熱量を低減することが考えられる。しかし、ＦＥＴ１６に接続できるワイヤの数はＦＥＴの各電極のサイズによって制限され、多くのワイヤを接続することはできない。また、ワイヤの接続には超音波が用いられるため、ワイヤの本数を増加させたり、ワイヤを太くしたりすると接合面積が広くなる。その結果、超音波によってＦＥＴにダメージを与え、信頼性を低下させる可能性がある。

プリント配線板の導電層を２層にし、プリント配線板上の導電性領域およびＦＥＴやダイオードの配置の自由度を高めることも考えられる。このようにすれば、ＦＥＴの各電極と接続すべき導電性パターンをＦＥＴに近接させることが可能となり、電極と導電性パターンとを接続するワイヤの長さを短くすることができる。しかし、この場合、２つの導電層を絶縁するためにプリント配線板に絶縁層をさらに設ける必要が生じる。一般に絶縁層の熱伝導率は小さいため、絶縁層を設けることにより、プリント配線板の放熱性が低下し、ＦＥＴやワイヤで発生した熱がプリント配線板を介して外部へ放散する効率が低下する。

また、一層の導電層からなるプリント配線板において導電層を厚くすることにより、ワイヤが跨ぐべき導電性パターンの幅を狭くすることも考えられる。しかし、この場合には、導電層が厚くなり、エッチングなどによってパターニングするのが困難となる可能性がある。

本発明は、このような従来のパワーモジュールの課題を解決し、発熱が少なく、信頼性に優れた、あるいは、より大電流を通電することが可能なパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュールは、絶縁性表面上に設けられた導電性パターンを含む基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記導電性パターンの一部上に絶縁層を介して設けられた板状導電体と、前記板状導電体と前記半導体素子とを電気的に接続するワイヤとを備えている。

ある好ましい実施形態において、前記導電性パターンは、第１、第２および第３の導電性領域を含み、前記板状導電体の一部は前記絶縁層を介して前記第２の導電性領域上に配置され、前記板状導電体の他の一部は前記第３の導電性領域と電気的に接続されている。

ある好ましい実施形態において、前記第２の導電性領域が前記第１および第３の導電性領域に挟まれるように、前記第１、第２および第３の導電性領域が配置されている。第１および第３の導電性領域の間には第２の導電性領域以外の導電性領域が存在していてもよい。

ある好ましい実施形態において、前記半導体素子は、第１および第２の主面と、前記第１の主面に設けられた第１のパッドと、前記第２の主面に設けられた第２のパッドとを含み、前記半導体素子は前記第１の導電性領域上に配置され、前記半導体素子の第１のパッドと前記第１の導電性領域とが対向して電気的に接続され、前記ワイヤは前記第２のパッドと電気的に接続されている。

ある好ましい実施形態において、前記板状導電体の他の一部および前記第３の導電性領域、ならびに、前記半導体素子の第１のパッドおよび前記第１の導電性領域はそれぞれ半田付けされている。

ある好ましい実施形態において、前記板状導電体は主に銅からなり、少なくとも前記半田付けがされる領域に半田濡れ性を改善する表面処理が施されている。

ある好ましい実施形態において、前記ワイヤは主にアルミニウムからなる。

ある好ましい実施形態において、前記ワイヤは、前記第２のパッドおよび前記板状導電体とそれぞれ超音波により接合されている。

ある好ましい実施形態において、前記ワイヤは両端および中間部分を有する可撓性細線であり、前記両端が前記板状導電体に接合され、前記中間部分が前記第２のパッドと接合されている。

ある好ましい実施形態において、パワーモジュールは、前記板状導電体と前記第２のパッドとを接続するワイヤを複数有する。

ある好ましい実施形態において、前記半導体素子は電界効果型トランジスタである。

ある好ましい実施形態において、パワーモジュールは、前記半導体素子および前記板状導電体をそれぞれ複数含む。

ある好ましい実施形態において、前記基板は、金属基板と前記金属基板の表面に設けられた絶縁層とを含む。

本発明の電動輸送機器は、上記いずれかに規定されるパワーモジュールと、前記パワーモジュールに電気的に接続されたモータとを備えている。

本発明の電動車両は、上記いずれかに規定されるパワーモジュールと、前記パワーモジュールに電気的に接続されたモータと、前記パワーモジュールに電力を供給するバッテリと、前記モータによって駆動する車輪とを備えている。

本発明のパワーモジュールの製造方法は、導電性パターンが表面に設けられた基板を用意するステップと、半田付けにより、前記基板上に半導体素子を固定し、前記導電性パターン上に絶縁層を介して板状導電体を固定するステップと、前記板状導電体と前記半導体素子とを導電性ワイヤにより接続するステップとを包含する。

２つの導電性領域を導電性ワイヤにより接続する本発明の接続方法は、可撓性を備え、第１および第２の端部と、前記第１および第２の端部にはさまれた中間部とを有する導電性ワイヤの前記第１の端部を超音波により第１の導電性領域に接合するステップと、前記導電性ワイヤの中間部を超音波により第２の導電性領域に接合するステップと、前記導電性ワイヤの第２の端部を超音波により前記第１の導電性領域に接合するステップとを包含する。

本発明のパワーモジュールによれば、基板の導電性パターンと半導体素子（例えばトランジスタ）との間を電流が流れることにより発生する熱を抑制することができる。このため、半導体素子の温度上昇を抑制し、信頼性を向上させたり、パワーモジュールに流すことのできる電流を大きくしたりすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明のパワーモジュールが用いられる輸送機器の駆動系を概略的に示す回路図である。本発明のパワーモジュールは、駆動源としてモータを用いる種々の輸送機器に用いることができる。

図３に示すように、この輸送機器は、パワーモジュール１０１と、モータ１０２と、バッテリ１０３と、平滑用コンデンサ１０４と、ゲート駆動回路１０５を備えている。モータ１０２は、本実施形態ではブラシレスＤＣモータであり、モータ１０２の３つの端子に位相が１２０度ずつ異なる３相交流電流を印加することにより、モータ１０２が回転駆動される。

バッテリ１０３は電圧変動を平滑化するための平滑用コンデンサ１０４と並列に接続され、パワーモジュール１０１へ電力を供給するために、パワーモジュール１０１の端子ａおよび端子ｂに接続される。パワーモジュール１０１は、バッテリ１０３から直流電圧の電力を受け取り、モータ１０２を回転させるのに適した駆動電力を生成する。前述したようにモータ１０２は３相交流電流により駆動されるので、パワーモジュール１０１は、直流電流から３相交流電流を生成する。このために、パワーモジュール１０１の端子ａと端子ｂとの間には、それぞれが直列接続された２つの電界効果型トランジスタ１１０ａ、１１０ｂからなる３つの電流経路が形成されている。すなわち、パワーモジュール１０１は、電力用半導体素子（電流の供給を制御するためのスイッチング動作を行う半導体素子）として６つの電界効果型トランジスタ１１０を含む。

本実施形態では、ＭＯＳ型の電界効果型トランジスタ（以下、単にトランジスタと呼ぶ。）を電力用半導体素子（スイッチング素子）として用いるが、バイポーラトランジスタや他のトランジスタを電力用半導体素子として用いてもよい。また、トランジスタ以外にダイオードやサイリスタなど大電流を印加することができる他の電力用半導体素子を用いてもよい。

各トランジスタ１１０のゲート電極にはゲート駆動回路１０５によって生成された制御信号が印加され、制御信号に基づき各トランジスタ１１０がスイッチング動作を行う。たとえば、パルス幅変調（ＰＷＭ）による周波数で高速にスイッチングされ、これにより、３相交流電流が生成され、端子ｃ、ｄ、ｅを介してモータ１０２に印加される。

図４は、回路基板を用いて構成されるパワーモジュール１０１の平面図であり、図５は、その一部を拡大して示す断面図である。パワーモジュール１０１は、配線基板１２０と、前述のトランジスタ１１０と、板状導電体１３０と、ワイヤ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃとを備えている。板状導電体１３０の断面積はワイヤ１４０ａよりも大きく、電気抵抗が低い。

配線基板１２０は、絶縁性の表面を有する基板１２３と絶縁性の表面上に設けられた導電性パターン１２４とを含んでいる。パワーモジュール１０１では、トランジスタ１１０や配線に大電流が流れることによって大きな熱が生じる。このときの大電流は、たとえば５０Ａ以上である。このため、生じた熱を基板１２３を介してパワーモジュール１０１の外部へ放散できるよう、基板１２３は熱伝導性に優れていることが好ましい。たとえば、基板１２３は、主にアルミニウムからなるベース基板１２１とその表面に設けられたエポキシ樹脂、ポリイミドフィルムなどからなる絶縁層１２２によって構成されていてもよい。この場合、絶縁層１２２は一般に熱伝導性が低いため、絶縁層１２２を電気的絶縁性を確保できる程度に薄くし、ベース基板１２１を配線基板１２０の強度を確保する十分な厚さにすることが好ましい。熱伝導性および構造材としての強度の観点から、金属基板をベース基板１２１として用いることが好ましい。また、絶縁性および熱伝導性に優れた材料を用いて薄板を形成し、基板１２３として用いてもよい。

基板１２３の絶縁性表面上には導電性パターン１２４が形成されている。導電性パターン１２４は、第１の導電性領域１２４ａ、第２の導電性領域１２４ｂ、第３の導電性領域１２４ｃ、第４の導電性領域１２４ｄ、第５の導電性領域１２４ｅおよび第６の導電性領域１２４ｆを含む。第１の導電性領域１２４ａ、第２の導電性領域１２４ｂ、第３の導電性領域１２４ｃ、第４の導電性領域１２４ｄおよび第５の導電性領域１２４ｅの一端はそれぞれ端子ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを構成している。

第１の導電性領域１２４ａおよび第２の導電性領域１２４ｂにはそれぞれバッテリ１０３からプラスおよびマイナスの電圧が印加される。また、第３の導電性領域１２４ｃ、第４の導電性領域１２４ｄおよび第５の導電性領域１２４ｅにはモータ１０２を駆動するための駆動電流が流れる。これらの導電性領域は、大電流が流れるため、十分な幅（３ｍｍ〜３０ｍｍ）を有しており、その厚さは、たとえば０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍである。第６の導電性領域１２４ｆは各トランジスタ１１０のソースおよびゲートと接続される複数の細線状領域１２４ｆ１を含む。これら細線状領域１２４ｆ１はゲート駆動回路１０５と接続するためのコネクタ１２５に電気的に接続されている。また、各トランジスタ１１０のゲート、およびゲートとソースとの間にはチップ抵抗１２６が細線状領域間１２４ｆ１に半田付けされている。

なお、図４に示す導電性パターン１２４は一例であり、図４以外の形状にパターニングされた導電性パターン１２４を基板１２３上に形成してもよい。

図６（ａ）および（ｂ）は、トランジスタ１１０を模式的に示す平面図および側面図である。トランジスタ１１０は第１および第２の主面と、第１の主面に設けられた第１のパッド１１１ｃと、第２の主面に設けられた第２のパッド１１１ｂおよび第３のパッド１１１ａとを含んでいる。これらのパッドはトランジスタのゲート、ソースおよびドレインと電気的に接続されている。たとえば、第１のパッド１１１ｃは、ドレインに接続されたドレインパッド(ドレイン電極）であり、第２のパッド１１１ｂおよび第３のパッド１１１ａは、ソースおよびゲートにそれぞれ接続されたソースパッド（ソース電極）およびゲートパッド（ゲート電極）である。

図４および図５に示すように、６つのトランジスタ１１０のうちの３つのトランジスタ１１０ａは、第１のパッド１１１ｃが第１の導電性領域１２４ａと電気的に接続されるよう、第１のパッド１１１ｃを第１の導電性領域１２４ａに対向させて、第１の導電性領域１２４ａ上に配置される。第１のパッド１１１ｃと第１の導電性領域１２４ａとは、半田１３５により半田付けされる。

また、他の３つのトランジスタ１１０ｂはそれぞれの第１のパッド１１１ｃが第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅと半田１３５により電気的に接続されるよう、第１のパッド１１１ｃをこれらの導電性領域に対向させて、第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅ上に配置される。

図４に示す導電性パターン１２４では、トランジスタ１１０ａが配置されている第１の導電性領域１２４ａと、トランジスタ１１０ｂが配置されている第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅとの間に、第２の導電性領域１２４ｂが配置されている。そのため、各電流経路を構成する２つのトランジスタ１１０ａおよび１１０ｂを互いに電気的に接続するためには、第２の導電性領域１２４ｂを跨いで接続を行う必要がある。

３つの板状導電体１３０は、その一部が第２の導電領域１２４ｂ上に位置し、他の一部がそれぞれ第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅ上に位置するように配置される。板状導電体１３０と第２の導電性領域１２４ｂとは電気的に接触しないよう、絶縁層１３１を介して対向している。一方、板状導電体１３０と第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅとは半田１３５により半田付けされ、電気的に接続されている。

本実施形態では図４に示す板状導電体１３０は、第２の導電領域１２４ｂ上に位置し、他の一部がそれぞれ第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅ上に位置するように配置される。しかし、導電性パターンの形状によっては、板状導電体１３０は一部が２つ以上の導電性領域上に絶縁層を介して設けられ、他端が他の導電性領域に電気的に接続されていてもよい。たとえば、図４に示す導電性パターン１２４において、第１の導電性領域１２４ａと第２の導電性領域１２４ｂとの間に、第７の導電性領域が設けられ、３つの板状導電体１３０がそれぞれ第２の導電性領域１２４ｂを跨いで第７の導電性領域にまで伸びていてもよい。また、図４に示す導電性パターン１２４において、第２の導電性領域１２４ｂと第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅとの間に、第７の導電性領域が設けられ、３つの板状導電体１３０が第７の導電性領域を跨いでそれぞれ第２の導電性領域１２４ｂにまで伸びていてもよい。この場合、第７の導電性領域と３つの板状導電体１３０との間にも絶縁層１３１が設けられる。

板状導電体１３０の抵抗は小さいほうが好ましく、たとえば銅、アルミニウムなどを主として（典型的には９５％以上）含む良導体によって板状導電体１３０は形成される。第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅと半田により接続される領域は半田濡れ性に優れていることが好ましく、たとえば、半田めっき、すずめっき、あるいはニッケルめっきおよび金フラッシュなどの半田濡れ性を改善する表面処理が施されていることが好ましい。また、以下で説明するように、板状導電体１３０のワイヤが接続される領域は、ワイヤを確実に接続するため、ニッケルめっきおよび金フラッシュめっきなどにより表面処理が施されている。板状導電体１３０の形状や厚さは、板状導電体１３０による抵抗値や発熱量が所望の値となるように設計することができる。十分に小さな抵抗値を容易に実現する観点からは、板状導電体１３０の厚さは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１．０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。

絶縁層１３１は、エポキシ樹脂、ポリイミドフィルムなどの絶縁性材料からなる。第３、第４および第５の導電性領域１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅとの半田付け等により、板状導電体１３０と第２の導電性領域１２４ｂとの間隙を確実に確保することができるのであれば、絶縁層１３１は空気であってもよい。

板状導電体１３０は、その一端とトランジスタ１１０ａとがワイヤ１４０ａで接続されることによりトランジスタ１１０ａと配線基板１２０上の導電性パターン１２４ｃ、ｄ、ｅとを電気的に接続する導電性配線として用いられる。抵抗が大きいワイヤ１４０ａの長さを短くすることができるよう、板状導電体１３０の一端はできるだけ、トランジスタ１１０ａに近接していることが好ましい。

ワイヤ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃは、トランジスタ１１０ａの第２のパッド１１１ｂおよび第３のパッド１１１ａと導電性パターン１２４および板状導電体１３０とを電気的に接続するために用いられる。具体的には、ワイヤ１４０ａは、その両端が板状導電体１３０の一端と第２のパッド１１１ｂとにそれぞれ接続されることにより、板状導電体１３０と第２のパッド１１１ｂとを電気的に接続する。本実施形態では、ワイヤ１４０ａは３本用いられる。ワイヤ１４０ｂは第２のパッド１１１ｂと第６の導電性領域１２４ｆとを電気的に接続する。また、ワイヤ１４０ｃは、第３のパッド１１１ａと第６の導電性領域１２４ｆとを電気的に接続する。

トランジスタ１１０ａの第２のパッド１１１ｂはソースパッドであり、大きな電流が流れる。このため、第２のパッド１１１ｂと板状導電体１３０とをなるべく多くのワイヤを用いて接続し、第２のパッド１１１ｂと板状導電体１３０との間を低抵抗で接続することが好ましい。

ワイヤ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃには、たとえば直径０．５ｍｍのアルミニウム線を用いることができる。また、ワイヤ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃと導電性パターン１２４あるいはトランジスタ１１０との接続にはワイヤーボンダによる超音波接合を用いる。他の材料からなる導電線を用い、溶融や圧着など他の接続方法を用いてもよい。ワイヤ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃも、勿論抵抗が低いことが好ましく、アルミニウムを主として（典型的には９５％以上）含む良導体は、材料として好適に用いられる。超音波接合を用いる場合、半導体素子へのダメージを小さくするため、ワイヤの直径は１．０ｍｍ以下が好ましく、０．７ｍｍ以下がより好ましい。

前述したように端子ａおよび端子ｂはそれぞれバッテリ１０３のプラス端子およびマイナス端子とそれぞれ接続される。また、端子ｃ、ｄ、ｅはモータ１０２に接続される。６つのトランジスタ１１０の各ゲートは、第６の導電性領域１２４ｆおよびコネクタ１２５を介してゲート駆動回路１０５に接続される。

パワーモジュール１０１において、ゲート駆動回路１０５から各トランジスタ１１０のゲートに制御信号が印加されると、所定のタイミングでそれぞれのトランジスタ１１０がＯＮ状態およびＯＦＦ状態となる。これにより、バッテリ１０３から供給される直流電流が３相交流電流に変換され、端子ｃ、ｄ、ｅに誘起される。モータ１０２は、３相交流電流により回転駆動する。モータ１０２は図示しない駆動車輪などを駆動し、輸送機器に推進力を与える。

次に、図４および図５を参照しながらパワーモジュール１０１の製造方法の一例を説明する。まず導電性パターン１２４が形成された配線基板１２０を作製する。絶縁性表面を有する基板１２３の絶縁性表面１２２全体が導電性膜で覆われた基板を用意し、エッチングなどにより、導電性パターン１２４を基板１２３の絶縁性表面１２２上に形成する。

次に、クリーム半田を印刷法などにより所定の位置に配置し、その上にトランジスタ１１０、チップ抵抗１２６、コネクタ１２５および絶縁層１３１を裏面に有する板状導電体１３０を配置する。絶縁層１３１は加熱により溶融硬化するエポキシ樹脂からなり、あらかじめ板状導電体１３０の裏面に印刷あるいは貼付されている。あるいは、板状導電体１３０を配置する前に、第２の導電性領域１２４ｂの板状導電体１３０が位置する領域に絶縁層１３１を配置してもよい。

その後、リフロー炉にこれらの部品が配置された配線基板１２０を導入し、所定の温度で加熱することにより、半田を溶融させる。このとき、絶縁層１３１も同時に溶融する。リフロー炉から配線基板１２０を取り出し冷却することによって、トランジスタ１１０、チップ抵抗１２６、コネクタ１２５および絶縁層１３１が導電性パターン１２４の所定の領域に半田付けされる。また、エポキシ樹脂も硬化し、板状導電体１３０が所定の位置において固定される。

最後に、ワイヤーボンダを用いて、トランジスタ１１０の各パッドと導電性パターン１２４の所定の領域および板状導電体１３０をアルミニウムからなるワイヤによって接続し、ワイヤ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃを形成する。これにより、パワーモジュール１０１が完成する。

本発明のパワーモジュール１０１によれば、配線基板の導電性パターンとトランジスタなどの電力用半導体素子とは、板状導電体およびワイヤからなる配線により接続される。板状導電体の抵抗はワイヤに比べ小さいため、配線基板の導電性パターンとトランジスタと間の一部分において、ワイヤに換えて板状導電体を用いることにより、配線基板の導電性パターンと電力用半導体素子との間の配線の抵抗を低減することができる。したがって、配線基板の導電性パターンとトランジスタとの間を電流が流れることにより発生する熱を抑制することができる。また、板状導電体における発熱あるいは、ワイヤから板状導電体へ伝播する熱は、絶縁層を介して配線基板へ放散させることができる。このため、板状導電体およびワイヤにおける蓄熱を抑制することもできる。

また、配線基板の導電性パターンとトランジスタとの間を接続する配線による発熱が低減することにより、電力用半導体素子へ伝わる熱を低減することができる。その結果、電力用半導体素子の温度が上昇するのを抑制することができる。配線に同じ大きさの電流を流す場合には、ワイヤのみによる配線に比べ、動作中の電力用半導体素子の温度を低下させることができる。したがって、電力用半導体素子の劣化を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。また、同じ温度にまで電力用半導体素子が上昇することを許容する場合には、ワイヤのみにより配線を行う場合に比べてより大電流を流すことが可能である。

また、ワイヤで配線する部分を短くすることにより、配線基板の導電性パターンと電力用半導体素子との間のインダクタンスを低減させることができる。これにより、電力用半導体素子を高速でスイッチングする際に生じるサージ電圧を低減することができる。

また、導電層が１層である配線基板を用いることができるため、低コストで配線基板を製造することができる。導電層となる導電性パターン以外には電流が流れないため、放熱性を高めるために配線基板に金属板を用いる場合でも、金属板とケースとの間を絶縁膜などにより絶縁する必要はない。このため、配線基板からケースなどの外部への放熱を有効に利用することができ、半導体素子などの温度上昇を防止したり、半導体素子の信頼性を向上させたりすることができる。

パワーモジュール１０１において板状導電体を用いることによる抵抗およびインダクタンスの低減の効果を以下の表１および図７を参照して説明する。図７は、板状導電体１３０を用いず、従来のようにワイヤ１４０ａのみでトランジスタ１１０ａと第３の導電性領域１２４ｃとを接続した構造を示す断面図である。

図７に示すように、従来の手法では、トランジスタ１１０ａと導電性パターン１２４（第３の導電性領域１２４ｃ）とが、第２の導電性領域１２４ｂを跨ぐワイヤ１４０ａのみで接続されている。そのため、ワイヤ１４０ａを長くする必要が生じ、ワイヤ１４０ａの抵抗による発熱が問題となってしまう。これに対し、本発明では、図５に示したように、トランジスタ１１０ａと導電性パターン１２４（第３の導電性領域１２４ｃ）との間の一部分において、ワイヤ１４０ａに換えて板状導電体１３０が用いられている。そのため、トランジスタ１１０ａと導電性パターン１２４との間の配線抵抗を低減することができる。

表１に示すように、ワイヤのみによる従来の配線の場合、直径０．５ｍｍおよび長さ１５ｍｍのアルミニウムからなるワイヤを３本用いる。これによる抵抗は０．７ｍΩである。本発明では、配線の全長は変わらないが、長さ６ｍｍのワイヤと長さ９ｍｍの板状導電体を用いることにより、抵抗は０．３２ｍΩとなる。したがって、ワイヤのみで配線する場合に比べ、抵抗は１／２以下となる。これらの配線に１００Ａの電流が流れるとすれば、熱損失は従来の配線では７．０Ｗであるのに対し、本発明によれば３．２Ｗとなる。

また、配線のインダクタンスも従来の配線では１０ｎＨであるのに対し、本発明によれば６．０ｎＨとなり、４０％低減される。

上記実施形態では、板状導電体に接続するワイヤは従来のワイヤと同じ接続構造を採用している。しかし、以下に説明するワイヤの構造を上記実施形態と組み合わせてよい。図８（ａ）および（ｂ）は、一例として、板状導電体１３０の一端とトランジスタ１１０の第２のパッド１１１ｂとを接続する新規なワイヤの構造を示す平面図および断面図である。これらの図に示すようにワイヤ１４１は、その両端１４１ａおよび１４１ｂが板状導電体１３０に接合され、中間部分１４１ｃが第２のパッド１１１ｂと接合するよう、板状導電体１３０と第２のパッド１１１ｂとの間を接続している。つまり、ワイヤ１４１は可撓性を有する細線であるので、中間部分１４１ｃで折り曲げた２本の束の形状にし、中間部１４１ｃをトランジスタ１１０の第２のパッド１１１ｂに接合させている。

このような形状とすることにより、トランジスタ１１０の第２のパッド１１１ｂにおいて、１箇所の接合部分を形成するだけで板状導電体１３０と第２のパッド１１１ｂとの間をワイヤによる２本の経路により接続することができる。図８（ａ）および（ｂ）では、第２のパッド１１１ｂ上に４箇所接合部分を設けることによって８本の経路を設けることができることを示している。

この構造によれば、トランジスタなどの半導体素子上のパッドにおける接合箇所の数よりも多くのワイヤを接合することができる。このため、接合の際、たとえば、超音波を用いることにより半導体素子に与えるダメージや、溶融を用いることによる半導体素子に与える熱的ダメージを低減することができる。接合の数を低減させることにより、ワイヤーボンディングに要する時間を短縮し、製造コストを低減することもできる。

また、半導体素子上のパッドの面積は素子の外形から定まる制限があるため、配線の抵抗を低減するために多くのワイヤを接合しようとしても、そのワイヤの数はパッドの大きさにより制限される。図９（ａ）および（ｂ）は比較のために、板状導電体１３０および図８（ａ）および（ｂ）に示す第２のパッド１１１ｂと同じ大きさのパッド２１１ｂの間を従来の接合方法により形成したワイヤの構造を示している。板状導電体１３０およびパッド２１１ｂの間にワイヤ２４１の両端２４１ａおよび２４１ｂをそれぞれ接合させる場合、パッド２１１ｂ上には６つの接合箇所を形成するのが限界である。このため、６本のワイヤ２４１しか形成できない。これに対して、図８（ａ）および（ｂ）に示す構造の場合、第２のパッド１１１ｂ上に１つの接合箇所を形成することによって、ワイヤの２本の経路により接続することができる。つまり、従来、半導体素子上のパッドの面積によって接続できるワイヤの数が制限されていたが、本発明の構造を採用することにより、従来の制限を越えてワイヤを接続することができ、配線の抵抗を低減させることが可能となる。

超音波を用いたワイヤーボンディングにより図８（ａ）および（ｂ）に示す接続を行う場合には、たとえば、以下のような手順をとることができる。

まず、図１０に示すように、板状導電体１３０上にワイヤーボンダのツール３０２を配置し、ワイヤガイド３０３から繰り出されたワイヤ３１０の一端をツール３０２から印加する超音波により、板状導電体１３０に接合する。

次に、図１１に示すように、ツール３０２を第２のパッド１１１ｂ上に移動させる。同様の手順によりワイヤガイド３０３からワイヤ３１０を繰り出しワイヤ３１０をツール３０２から印加する超音波により、第２のパッド１１１ｂに接合する。接合後、ツール３０２を持ち上げ、ワイヤ３１０を上に少し引き出す。

その後、ツールを１８０度回転させ、ツール３０２を板状導電体１３０上に移動させる。ツール３０２の向きを変えず、配線基板を回転させてもよい。このような手順をとることにより、接合部分にストレスを与えることなくワイヤの向きを変えることができる。

続いて、図１２に示すように、板状導電体１３０上にワイヤーボンダのツール３０２を移動させた後、ワイヤガイド３０３から繰り出されたワイヤ３１０をツール３０２から印加する超音波により、板状導電体１３０に接合する。その後、カッタ３０１を用いてワイヤ３１０を切断する。これにより図８（ａ）および（ｂ）に示すワイヤの接続が完了する。

次に本発明による輸送機器の実施形態を説明する。

図１３は、本実施形態に係る電動車両４３０を示している。この電動車両４３０はゴルフ場などにおいてゴルフバッグなど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。図１３では一例として４輪電動車両を示しているが、電動バイクなどの２輪車両であってもよい。また、電動車両以外に、モータを駆動源あるいは推進源として移動する荷物や人員を移動させる他の輸送機器であってもよい。

本実施形態の電動車両４３０は、走行駆動用モータ４３１と、これによって駆動される２個の後輪４３２と、手動または自動で操舵される前輪４３４とを備えている。走行駆動用モータ４３１の駆動力は、図示しないトランスミッションを介して後輪４３２に伝達される。前輪４３４は、ハンドル４３５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４３６および後側シート４３７が前後に設けられている。前側シート４３６の下方には充電用コントローラ４３８およびブレーキモータ４３９が設けられている。後側シート４３７の下方には走行駆動用モータ４３１の電源となる走行駆動用バッテリ装置４４０が設けられている。走行駆動用バッテリ装置４４０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４４１を有している。これらのバッテリ４４１は隙間が設けられた状態で受座４４２上に載置されている。

走行駆動用モータ４３１の上側には走行制御用コントローラ４４３が設けられている。走行制御用コントローラ４４３は、走行駆動用バッテリ装置４４０、走行駆動用モータ４３１、ブレーキモータ４３９および操舵モータ４４４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４４３および走行駆動用モータ４３１は２個の後輪４３２の間に配置されている。

上述したパワーモジュール１０１は、走行制御用コントローラ４４３内部に設置され、バッテリ４４０から直流電流の供給を受け、これを交流電流に変換する。パワーモジュール１０１からの交流電流は走行駆動用モータ４３１、ブレーキモータ４３９および操舵モータ４４４に供給される。

本実施形態によれば、信頼性の高い、あるいは、高出力に対応したパワーモジュールを電動車両に搭載することにより、信頼性の高い、あるいは、高い駆動能力を有する電動車両が実現する。

本発明は、大電流が流れるパワーモジュールに適している。特に、モータを駆動源とする輸送機器に好適に用いられる。

従来のパワーモジュールを含むモータコントローラの回路図を示している。 （ａ）および（ｂ）は図１に示す従来のパワーモジュールの平面図および側面図である。 本発明によるパワーモジュールを含む駆動系の概略を示す回路図である。 本発明によるパワーモジュールの平面図である。 図４のパワーモジュールの一部を拡大した断面図である。 （ａ）および（ｂ）は図４のパワーモジュールに用いられるトランジスタの平面図および側面図である。 トランジスタと導電性パターンとを従来のようにワイヤのみで接続した構造を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるボンディングワイヤの構造を示す平面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）は従来のボンディングワイヤの構造を示す平面図および断面図である。 本発明によるボンディングワイヤの構造を形成するための手順を説明する図である。 本発明によるボンディングワイヤの構造を形成するための手順を説明する他の図である。 本発明によるボンディングワイヤの構造を形成するための手順を説明する他の図である。 本発明による電動車両の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０１ パワーモジュール
１０２ モータ
１１０ 半導体素子
１２０ 配線基板
１２４ 導電性パターン
１２４ａ 第１の導電性領域
１２４ｂ 第２の導電性領域
１２４ｃ 第３の導電性領域
１２４ｄ 第４の導電性領域
１２４ｅ 第５の導電性領域
１３０ 板状導電体
１３１ 絶縁層
１３５ 半田
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４１、２４１、３１０ ワイヤ
３００ ワイヤーボンダ
３０１ カッタ
３０２ ツール
３０３ ワイヤガイド
４３０ 電動車両
４３１ 走行駆動用モータ
４３２ 後輪
４３４ 前輪
４４０ 走行駆動用バッテリ装置
４４３ 走行制御用コントローラ

Claims (17)

1. 絶縁性表面上に設けられた導電性パターンを含む基板と、
   前記基板上に配置された半導体素子と、
   前記導電性パターン上に絶縁層を介して設けられた板状導電体と、
   前記板状導電体と前記半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、
   を備えたパワーモジュール。
2. 前記導電性パターンは、第１、第２および第３の導電性領域を含み、前記板状導電体の一部は前記絶縁層を介して前記第２の導電性領域上方に配置され、前記板状導電体の他の一部は前記第３の導電性領域と電気的に接続されている請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第２の導電性領域が前記第１および第３の導電性領域に挟まれるように、前記第１、第２および第３の導電性領域が配置されている請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記半導体素子は、第１および第２の主面と、前記第１の主面に設けられた第１のパッドと、前記第２の主面に設けられた第２のパッドとを含み、
   前記半導体素子は前記第１の導電性領域上に配置され、
   前記半導体素子の第１のパッドと前記第１の導電性領域とが対向して電気的に接続され、
   前記ワイヤは前記第２のパッドと電気的に接続されている請求項３に記載のパワーモジュール。
5. 前記板状導電体の他の一部および前記第３の導電性領域、ならびに、前記半導体素子の第１のパッドおよび前記第１の導電性領域はそれぞれ半田付けされている請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 前記板状導電体は主に銅からなり、少なくとも前記半田付けがされる領域に半田濡れ性を改善する表面処理が施されている請求項５に記載のパワーモジュール。
7. 前記ワイヤは主にアルミニウムからなる請求項１に記載のパワーモジュール。
8. 前記ワイヤは、前記第２のパッドおよび前記板状導電体とそれぞれ超音波により接合されている請求項７に記載のパワーモジュール。
9. 前記ワイヤは両端および中間部分を有する可撓性細線であり、前記両端が前記板状導電体に接合され、前記中間部分が前記第２のパッドと接合されている請求項８に記載のパワーモジュール。
10. 前記板状導電体と前記第２のパッドとを接続するワイヤを複数有する請求項９に記載のパワーモジュール。
11. 前記半導体素子は電界効果型トランジスタである請求項１から１０のいずれかに記載のパワーモジュール。
12. 前記半導体素子および前記板状導電体をそれぞれ複数含む請求項１１に記載のパワーモジュール。
13. 前記基板は、金属基板と前記金属基板の表面に設けられた絶縁層とを含む請求項１から１２のいずれかに記載のパワーモジュール。
14. 請求項１から１３のいずれかに規定されるパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールに電気的に接続されたモータと、
    を備えた電動輸送機器。
15. 請求項１から１３のいずれかに規定されるパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールに電気的に接続されたモータと、
    前記パワーモジュールに電力を供給するバッテリと、
    前記モータによって駆動する車輪と、
    を備えた電動車両。
16. 導電性パターンが表面に設けられた基板を用意するステップと、
    半田付けにより、前記基板上に半導体素子を固定し、前記導電性パターン上に絶縁層を介して板状導電体を固定するステップと、
    前記板状導電体と前記半導体素子とを導電性ワイヤにより接続するステップと、
    を包含するパワーモジュールの製造方法。
17. ２つの導電性領域を導電性ワイヤにより接続する接続方法であって、
    可撓性を備え、第１および第２の端部と、前記第１および第２の端部にはさまれた中間部とを有する導電性ワイヤの前記第１の端部を超音波により第１の導電性領域に接合するステップと、
    前記導電性ワイヤの中間部を超音波により第２の導電性領域に接合するステップと、
    前記導電性ワイヤの第２の端部を超音波により前記第１の導電性領域に接合するステップと、
    を包含する接続方法。

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