JP2007189133A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却性能が高く、高密度実装を可能とするパワーモジュールを得る。
【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の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23,24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と、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とパワー半導体素子を収納する部品収納孔34とを有する結合基板31とを備えたもので、この結合基板は金属ベース基板及び回路基板より少なくとも一部を突出させた拡張部35を設け、この拡張部に冷却手段４を取り付け可能にしたものである。
【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として、金属基板と回路基板との間に、電極部同志を導通させる導通部およびパワー半導体素子を実装する部品収納とを有する結合基板を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図３は、従来のパワーモジュールの構造を示す側断面図である。図において、１は金属基板部、２は制御基板部、３１は結合基板である。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。結合基板３１は、導通部３２および部品収納孔３４からなる。
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とを備えている。そして、金属基板部１と制御基板部２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１２を実装する部品収納孔３４を有した結合基板３１を設けている。
特開２００５−１２９６２４号公報（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では多層化で高密度配線が可能となるが、一般的に基板に使用される基材は熱伝導性が低く、これが多層化により増えるため放熱性が低下する。さらに回路基板でも同様に、熱伝導性の低い基材が多層化されているためパワー半導体素子の冷却が不十分となる。
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、冷却性能が高く、高密度実装を可能とするパワーモジュールを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、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とを備えたパワーモジュールにおいて、前記結合基板は、前記金属ベース基板及び前記回路基板より少なくとも一部を突出させた拡張部を設け、この拡張部に冷却手段を取り付け可能にしたものである。
請求項２に記載の発明は、前記結合基板の基材が、熱伝導性の優れたセラミック、または高熱伝導樹脂材料で構成されたものである。
請求項３に記載の発明は、前記結合基板を銅またはアルミニウムの金属板とし、この金属板の導通部に電気的な絶縁部を設けたものである。

請求項１に記載の発明によると、金属ベース基板と回路基板のそれぞれの配線板側からの発熱が配線板を介して外部冷却装置に取り付けられることにより高い放熱効果を得られる。
請求項２に記載の発明によると、金属ベース基板と回路基板それぞれの配線板側からの発熱を冷却することが可能となる。
また、請求項３に記載の発明によると、配線板を金属板とすることで高い放熱効果を得られる。

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、３５ は結合基板３１の拡張部、４は冷却手段である。その他の符号は従来と同じであるため、説明を省く。
結合基板３１は、セラミックまたは高熱伝導樹脂などの材料で構成しており、金属ベース基板１１及び回路基板２１よりも突出した拡張部３５を設けてある。拡張部３５には取付穴３５ａおよび取付ねじ３５ｂを設けてあり、冷却手段４を取り付けている。冷却手段４として、ファンやヒートシンクを取付穴３５ａおよび取付ねじ３５ｂを用いて取り付けることにより、結合基板３１を直接冷却可能な構造としている。

つぎに、動作について説明する。パワー半導体素子１２で発生した熱は、金属ベース基板１１に流れ、その一部は結合基板３１の導通部３２を伝達して拡張部３５に到達する。拡張部３５では冷却手段４により流れてきた熱を放散し冷却する。
このように、配線板を直接冷却可能な構造とすることで金属ベース基板と回路基板間にある熱を効率良く冷却することができる。

図２は、本発明の実施例２を示す結合基板３１の導通部３２の分解拡大断面図である。
本実施例は、結合基板３１を絶縁板ではなく金属板としたものである。図において、３２ａは導体部、１２、２２は電極部、３３は絶縁部である。
結合基板（金属板）３１は、銅またはアルミニウムを用いている。結合基板３１と導体部３２ａとの間に絶縁部３３を設けており、導体部３２ａは回路基板２１の電極部２２および金属ベース基板１１の電極部１２を電気的に接続されている。
動作は実施例１と同じであるが、結合基板３１が金属板であり熱伝導性が高いため、さらに冷却性能が向上する。

このように、配線板を金属板によって構成することにより、高い冷却効果を発揮する。また、従来金属ベース基板等の製作には、限られたメーカでしか製作できないため非常にコスト的に問題があったが、このように簡素な製作方法により低コストでの製作が可能となる。

なお、金属板の導体部３２ａを製作する際、配線板の接続個所と同位置に穴を設け、この穴に導体部３２ａとなる円柱ピンを挿入し、絶縁部３２ｄとなる樹脂をこの穴と円柱ピンとの間に流し込み、この金属板をスライスすることにより配線板を製作することもできる。

パワーモジュールの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、インバータ装置やサーボ装置などの小型化に利用可能であり、その他の発熱部品が実装された基板にも適用できるため、高発熱で複雑な回路が必要な基板が必要な装置にも利用可能である。

本発明の実施例１を示すパワーモジュールの側断面図 本発明の実施例２を示す導通部の分解拡大断面図 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
３ 結合基板
３１ 結合基板（配線板）
３２ 導通部
３２ａ 導体部
３３ 絶縁部
３４ 部品収納孔
３５ 拡張部
３５ａ 取付穴
３５ｂ 取付ねじ
４ 冷却手段

Claims (3)

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、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とを備えたパワーモジュールにおいて、
   前記結合基板は、前記金属ベース基板及び前記回路基板より少なくとも一部を突出させた拡張部を設け、この拡張部に冷却手段を取り付け可能にしたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記結合基板の基材が、熱伝導性の優れたセラミック、または高熱伝導樹脂材料で構成され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. 前記結合基板を銅またはアルミニウムの金属板とし、この金属板の導通部に電気的な絶縁部を設けたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。

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