JP2008270289A - パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー - Google Patents

パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー Download PDF

Info

Publication number
JP2008270289A
JP2008270289A JP2007107527A JP2007107527A JP2008270289A JP 2008270289 A JP2008270289 A JP 2008270289A JP 2007107527 A JP2007107527 A JP 2007107527A JP 2007107527 A JP2007107527 A JP 2007107527A JP 2008270289 A JP2008270289 A JP 2008270289A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power
bus bar
semiconductor switching
switching element
connection bus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007107527A
Other languages
English (en)
Inventor
Mutsumi Ito
睦 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2007107527A priority Critical patent/JP2008270289A/ja
Publication of JP2008270289A publication Critical patent/JP2008270289A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L24/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/36Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001Core members of the connector
    • H01L2224/37099Material
    • H01L2224/371Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/4005Shape
    • H01L2224/4009Loop shape
    • H01L2224/40095Kinked
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401Disposition
    • H01L2224/40151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40245Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/40247Connecting the strap to a bond pad of the item
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401Disposition
    • H01L2224/40151Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40245Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/40247Connecting the strap to a bond pad of the item
    • H01L2224/40249Connecting the strap to a bond pad of the item the bond pad protruding from the surface of the item
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838Bonding techniques
    • H01L2224/83801Soldering or alloying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/84Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H01L2224/8438Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/84385Shape, e.g. interlocking features
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/84Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • H01L2224/848Bonding techniques
    • H01L2224/84801Soldering or alloying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/84Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/35Mechanical effects
    • H01L2924/351Thermal stress

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

【課題】 半導体スイッチング素子において実現される小型化および大電流化の利点を受けることができ、はんだ流れによる問題を生じない給配電経路を備えるパワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバーを提供する。
【解決手段】 給配電用導体21、半導体スイッチング素子3および半導体スイッチング素子の接続のための素子接続用バスバー5を備え、素子接続用バスバーは、その一方で半導体スイッチング素子3に接合し、他方で給配電用導体21に固定され、素子接続用バスバーと給配電用導体とに設けた配置合せ固定のための配置合せ固定部5a,21aにより固定されている。
【選択図】 図4

Description

本発明は、自動車用モータへの電力供給に用いられるパワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバーに関するものである。
モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有し、化石燃料から機械エネルギーを取り出すエンジンとともに、各種の交通手段に用いられている。交通手段のうち、自動車にはエンジン車が圧倒的に多く用いられてきたが、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのCO2排出量の抑制運動の高まりなどを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車の使用台数が増大し、とくにハイブリッド自動車はその単位燃料当りの走行距離が高いために飛躍的にその台数を増やしている。
交通手段に用いられるモータに限らず、モータに供給される電力は、各種電力変換装置によって電力の形態を変換される場合が多い。このとき、モータには大きな電力が供給されるので、電力変換装置も大きな電力を扱うことになり、電力変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行うことが求められる。電力変換装置には、オンオフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられるが、スイッチング素子は、オン抵抗が存在し、スイッチング時にタイムラグが生じるため、スイッチング素子では、電力の消費はゼロではなく、ロスとして熱が発生する。
スイッチング素子は電力変換装置の重要な部分を占めるが、電力変換装置にはスイッチング素子のほかに、そのスイッチング素子の動作を制御する、マイコンやマイコンにモータの回転状態の情報を知らせるセンサなどを含む制御部が備えられる。一般に機械装置に用いられるモータには小型化、高性能化が求められるが、とくに交通手段では上記電力変換装置またはモータなどに対する小型化、大容量化(大電流化)の要求が厳しい。このため、スイッチング素子を対象に、従来のシリコン素子の大容量化とともに、SiCやGaNを用いて大電流化をはかる研究開発が推進されている。このようなスイッチング素子において実現される小型化、大電流化の利点を受けるためには、スイッチング素子の使用環境を形成する電力給配電経路の大電流容量化を実現する必要がある。
現状、スイッチング素子を配列してモータに3相交流電力を供給するパワーモジュールにおいて、スイッチング素子と、給電側端子および配電側端子とは、ワイヤで接続するのが普通であり、大電流化に応じて本数を増やして対応している。このため1つのスイッチング素子に数本から十数本のワイヤが並列に接続されることが、普通に行われている。現状、スイッチング素子の表面で、上記ワイヤとの接続に利用できる箇所はほとんど使い尽くされているといってもよい情況にある。上記のようにスイッチング素子の小型化および大電流化が実現すると、大電流に対応して接続すべきワイヤの本数は増えるのにもかかわらず、ワイヤを接続できるスイッチング素子の面積は減少することになる。
パワーモジュールの小型化および大電流化は、従来より精力的に行われているが、現在、ハイブリッド車等で直面している問題は、小型化のレベルなど質的に新しい段階に入っており、旧来の技術の組み合わせでは対応できないのが実情である。旧来の技術のなかで一般的なものをあげると、パワーモジュール全体をコンパクトにしながら回路インダクタンスおよび配線抵抗の低減をはかるのに、スイッチング素子と給配電バスバーとの接続を、長ねじで絶縁層を介在させて加圧体を上からバスバーおよび半導体チップに押し付けるようにして締結する方法が提案されている(特許文献1)。この方法によれば、全体をコンパクトなものにしながら回路インダクタンスおよび配線抵抗を低くすることができる。また、ゲート配線付きバスバーを用いてゲート電極にゲート配線を接続し、かつ表面の主電極を回路端子に接続する方法が提案されている(特許文献2)。この方法によれば、構成の小型化、簡素化を通して、製造の容易性、コスト低減等を得ることができる。
特開2002−95268号公報 特開2005−150153号公報
しかしながら、上記の素子接続用のバスバーは、どちらの方法も、はんだ接合する際のはんだ流れによる位置ずれ、すなわち位置精度のばらつきを考慮していない。上述のように、現在、ハイブリッド自動車の電力変換装置の配線にはボンディングワイヤが用いられているが、将来の大電力化を考えると、大電流密度に対応できるバスバー接続が妥当である。バスバーを半導体チップの電極に接続する場合、はんだを使用して接続するが、実装面積の制約があるためバスバーの位置決めの精度が重要となる。とくに上記の文献に開示された方法では、バスバーを半導体チップの電極に接続する際、圧接によって接続を実現しようとし、はんだ流れによる精度不良を考慮していない。すなわちはんだ接合を行うとき、バスバー表面にはんだが濡れ広がったり、接合部位が過剰になったりして、所望の位置決めができないだけでなく、所定のはんだ厚さも得られないという問題を考慮していない。
本発明は、半導体スイッチング素子において実現される小型化および大電流化の利点を受けることができ、給配電経路の電気接続箇所において、接合性に優れているパワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー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、直流電力と交流電力との電力変換のために用いられ、給配電用導体、半導体スイッチング素子および半導体スイッチング素子の接続のための素子接続用バスバーを備えるパワーモジュールである。このパワーモジュールでは、素子接続用バスバーは、その一方で半導体スイッチング素子に接合し、他方で給配電用導体に固定されている。そして、素子接続用バスバーは、素子接続用バスバーと給配電用導体とに設けた配置合せ固定のための配置合せ固定部により固定されていることを特徴とする。
上記の構成により、素子接続用バスバーは、給配電用導体に配置合せ固定部によって固定されるため、固定された配置状態(姿勢、位置、相対角度など)が維持される。このため、素子接続用バスバーにとって、給配電用導体の固定箇所だけでなく、半導体スイッチング素子と接合する部分の位置も安定に維持することができる。固定された配置状態を維持する拘束力は、たとえば凸状物と孔や凹部との嵌め合いによって生じる。このため、たとえば、電気接続箇所での接合に、はんだ接合を用いる場合、はんだ流れが生じても、上記拘束力により上記固定された配置状態を維持するため、位置精度を確保することができる。なお、配置合せ固定部は、すべてが素子接続用バスバーと給配電用導体とに設けられている必要はなく、その一部が別部材となっていてもよい。
また配置合せ固定部に、素子接続用バスバーと給配電用導体とに挟まれるようにはんだ層が設けられていてもよい。これにより、接触抵抗をより低減する電気接続が、はんだ接合により可能となる。また、固定をより確実にすることができる。
また、給配電用導体および素子接続用バスバーにおける配置合せ固定部が、いずれか一方に設けられた凸部であり、他方に設けられ、凸部が嵌め込まれる凹部であるようにできる。これにより、凸部と凹部との嵌め合いによって、素子接続用バスバーの配置(姿勢、位置、相対角度など)を決め、また拘束力を生じさせることができる。上記の配置合せ固定部は、拘束力を適度に生じさせるのに工作精度は必要であるが、常用される自動工作機械により工作は容易に行うことができる。なお、上記凹部は広くは孔を含むことはいうまでもない。
また、給配電用導体および素子接続用バスバーにおける配置合せ固定部が、ともにくさび状のものが嵌め込まれる孔であるようにできる。この構成によっても、互いの孔を合わせてくさびを挿し込むことにより、素子接続用バスバーの配置(姿勢、位置、相対角度など)を決め、また拘束力を生じさせることができる。このためはんだ接合の際のはんだ流れによって位置の精度が損なわれることはない。くさびは、素子接続用バスバーおよび給配電用導体に設けられていない別部材であるが、孔は素子接続用バスバーおよび給配電用導体に設けられている。このように、配置合せ固定部の一部が、別部材であってもよい。
上記の配置合せ固定部を形成する凸状部や凹部などの各部分は、その嵌め込みにおいて「ピチッ」または「パチン」と嵌め込まれるほどの精度があれば、非常に望ましい。しかし、上記のような嵌め込みの寸法精度を常に得ることは加工コストの増大を招くため、次善の精度としては、上記嵌め込みが「押し込み」または「圧入」に相当する方向にずれることが、配置合せを固定する観点から好ましい。
また、素子接続用バスバーは、半導体スイッチング素子に接続する素子側平坦部と、給配電導体に接続する給配電側平坦部との間に、段差を有することができる。この構成により、給配電用導体の上面と半導体スイッチング素子の表面電極とが、高さ位置を異にすることがあっても、高さ位置の差を上記段差の高さによって調整して、接続箇所において平坦部同士が接続される状態を確保することができる。
本発明の素子接続用バスバーは、直流電力と交流電力との電力変換のためのパワーモジュールにおいて、給配電用導体と半導体スイッチング素子とを接続するために用いられる素子接続用バスバーである。この素子接続用バスバーは、一方の平坦部と他方の平坦部との間に段差を有し、一方の平坦部に、凸状部または孔が設けられていることを特徴とする。
上記の構成により、素子接続用バスバーにおいては、給配電用導体に設けた配置合せ固定部にその凸状部または孔が配置を合わせて固定される。このため、半導体スイッチング素子の表面電極のはんだ接合箇所に、素子接続用バスバーは、拘束された状態で配置され、はんだ接合時のはんだ流れに位置精度を低下させられない。
また、素子接続用バスバーは、めっき処理された金属で形成され、その金属の熱膨張係数が、純銅の熱膨張係数と同じか、または小さい構成とすることができる。これにより、金属層の熱膨張率が小さいので、半導体スイッチング素子との間に大きな熱応力が生じにくい。
本発明のパワーモジュールの製造方法は、直流電力と交流電力との電力変換のために用いられ、給配電用導体、半導体スイッチング素子および前記半導体スイッチング素子の接続のための素子接続用バスバーを備えるパワーモジュールの製造方法である。この製造方法は、素子接続用バスバーの一方および給配電導体に、配置合わせ固定のための配置合せ固定部を設ける工程と、半導体スイッチング素子および前記給配電導体を所定の位置関係に固定する工程とを備える。そして、半導体スイッチング素子に溶融はんだを配置して、素子接続用バスバーの一方の配置合せ固定部を給配電用導体の配置合せ固定部に固定し、かつ配置合せに従って他方を半導体スイッチング素子に配置して、その他方の部分を半導体スイッチング素子にはんだ接合する工程とを備えることを特徴とする。
上記の方法によれば、素子接続用バスバーの一方の配置合せ固定部を給配電用導体の配置合せ固定部に取り付け、かつその配置合せに従って他方を半導体スイッチング素子に配置するので、素子接続用バスバーの配置は拘束されることになる。この結果、はんだ流れによる位置精度の低下は防止される。
また、溶融はんだを給配電用導体の配置合せ固定部および半導体スイッチング素子の両方に配置して、素子接続用バスバーの一方の配置合せ固定部を給配電用導体の配置合せ固定部に固定し、かつ配置合せに従って他方を半導体スイッチング素子に配置して、前記一方および他方ではんだ接合する工程とを備えることができる。この方法により、はんだ流れによる精度低下を防止しながら、接触抵抗をより低減した電気接続を実現し、かつ固定をより確実にすることができる。
本発明のパワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバーによれば、半導体スイッチング素子の給配電経路の電気接続箇所において、接合性を向上することができる。
図1は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュール10を説明するための図である。このパワーモジュール10は、ハイブリッド自動車のモータ配電用の端子である、U相端子、V相端子およびW相端子を有し、また発電機用の端子である、+端子および−端子を有する。スイッチング素子としては、モータ用のスイッチング素子の3,31と、発電機用のスイッチング素子33とが配置される。モータ用スイッチング素子はIGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor )3と、フリーホイールダイオード( Free Wheel Diode : FWD )31とがある。本説明では、トランジスタおよびダイオードはいずれも半導体スイッチング素子と呼ぶこととする。これら半導体スイッチング素子3,31,33は、図示を省略した実装基板上等に実装され、その実装基板の下に放熱板61が配置される。上記の半導体スイッチング素子3,31,33および実装基板等は、筐体65に収納される。上記筐体65内には、スイッチング素子の上に絶縁板を介在させて、上記スイッチング素子のゲート信号を制御する半導体素子等が実装された、図示しない制御信号用実装基板が配置される。上記放熱板61の下にその放熱板61に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路67が設けられる。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。
図1において、3相交流モータへの配電端子U相、V相またはW相端子が設けられ、これら配電端子から交流電力が配電される。スイッチング素子3,31は、給電端子のプラス側とマイナス側との間に、2つ直列に接続され、その間に配電端子U,V,Wが接続される。図2は、図1におけるAの領域を拡大した図である。領域Aに、高電位側のIGBT3、FWD31、または低電位側のIGBT3、FWD31が配置される。モータ用のU相配電領域には、領域Aに相当する領域が全部で4つ配置されているが、上記のように電圧(高電位側および低電位側)による区分けが2種、そして大電流を流すため上記と同じものが並列に接続されることにより2種、計4つの領域が形成されることになる。並列に設けられる経路は2つに限られず、より大電流の場合は3つが並列に配置される。また、スイッチング素子において小型化、大電流化が実現したときは、スイッチング素子の容量に限定すれば、1つの経路だけでよい場合もある。
図2において、絶縁基板1の上に配線基板(金属板)2が配置され、その上にIGBT3およびFWD31が位置している。IGBT3およびFWD31は、裏面に図示しないコレクタ電極(裏面電極)を有し、このコレクタ電極が金属板2にはんだ接合などにより接続されている。すなわちIGBT3およびFWD31の裏面電極と金属板2とは、導通状態にある。IGBT3の表面にはエミッタ電極3aが露出し、またFWD31の表面には表面電極31aが露出している。IGBT3の表面電極3aおよび裏面電極と、FWD31の表面電極31aおよび裏面電極とは並列接続されている。すなわちIGBT3の表面電極3aとFWD31の表面電極31aは回路配線上同電位であり、IGBT3の裏面電極とFWD31の裏面電極は回路配線上同電位である。
基板1に沿うように給配電用導体21が配置される。この給配電用導体は、プラス側給電導体(マイナス側給電導体)およびU相配電導体のいずれでもよい。すなわちバッテリと接続してパワーモジュールと直流電力のやりとりをする導電路またはモータ側と接続してパワーモジュールと交流電力のやりとりをする導電路である。回路の構成によっては、プラス側給電導体の代わりにマイナス側給電導体が対象となる場合がある。これら給配電用導体21をバスバーと呼ぶことが多いが、本説明では給配電用導体と呼ぶこととする。また、IGBT3には、エミッタ電極3aのほかにゲート電極など制御用端子が配置されているが、図2では、図示を省略している。以後の説明でも、制御用端子については説明を省略する。
図3は、本発明の実施の形態のパワーモジュールにおける素子接続用バスバーを示す平面図である。また図4は、図3におけるIV−IV線に沿った断面図である。図3および図4において、半導体スイッチング素子3は、配線基板(金属板)2にはんだ9によりその裏面電極(図示せず)を接合させ、その表面電極3aをはんだ9により素子接続用バスバー5の素子側平坦部5tに接合させている。また、給配電用導体21の側では、素子接続用バスバー5と給配電用導体21とに設けた配置合せ固定部である、凸状部5aと凹部21aとが係合して固定状態にある。また、素子接続用バスバー5の導体側平坦部5sがはんだ9により給配電用導体21に接合している。2つの平坦部5s,5tの間に、段差(立壁部)5dが設けられて、高さ位置の調整を行っている。
従来のように、スイッチング素子と素子接続用バスバーとを、平坦な金属表面同士のままではんだ接合を行うと、素子接続用バスバー表面にはんだが濡れ広がったり、接合部位が過剰になったりして所望の位置決めができないだけでなく、所定のはんだ厚さも得られない問題が生じていた。本実施の形態では、凸状部5aと凹部21aとが係合して固定状態にあるため、上記のような不都合は防止できる。
図4の構造においてとくに重要なことは、凸状部5aと凹部21aとが嵌め合って固定状態にある点である。図4では、素子接続用バスバー5の導体側平坦部5sがはんだ9により給配電用導体21に接合しているが、はんだで接合されていなくてもよい。このような固定状態を実現するためには、凸状部5aおよび凹部21aが維持力(固定力または拘束力)を発現する程度のすり合わせ(弾性変形または小規模の塑性変形)が生じている必要がある。このような寸法精度を実現することは、常用の自動加工マシンを用いて容易に行うことができる。
凸状部5aおよび凹部21aが、単に位置合わせをしているという、いわゆる緩い係合では、はんだ流れによる位置精度不良を防止することは難しい。本発明の実施の形態における凸状部5aおよび凹部21aの嵌め合い構造は、はんだ流れによる位置精度不良を防止する機能を持たなければならない。ただし、たとえば素子接続用バスバー5の導体側平坦部5sをはんだ9により給配電用導体21に接合させる場合には、維持力(固定力または拘束力)は、それほど大きなものとする必要はない。素子接続用バスバーと給配電要導体との間にがたつきがなく、素子接続用バスバーの素子側平坦部が簡単に浮いたり、相対角度変動を生じたりしなければ、それで十分である。機械加工に費用をかけずに、後者のような固定状態を実現するためには、凸状部5aおよび凹部21aの嵌め合い構造を実現する際に、相当の押し込み力によりはじめて、凸状部5aが凹部21aに嵌め込まれるような寸法関係にしておくのが望ましい。
図5は、図3および図4における配置合せ固定部を示す斜視図である。図5の素子接続用バスバー5の凸状部5aは、角材状であり、切削加工等の機械加工または溶接により形成することができる。そして給配電用導体21には、機械加工などにより凹部21aを設ける。上述したように、凸状部5aが凹部21aにピチッと(またはパチン)と嵌め込まれる精度で加工されることが望ましいが、次善の加工精度として、凸状部5aが凹部21aに、押し込まれるかまたは圧入されるように嵌め込まれる形態とするのがよい。配置合せ状態を維持する拘束力を得るために、上記のように、多少、塑性変形されるほうが望ましい。
図6は、図5の配置合せ固定部の変形例である。一体の素子接続用バスバー5の端をかぎ状に曲げ加工して凸状部5aとし、一方、給配電用導体21には凹部21aを設ける。この場合の凸状部5aの加工精度は非常に高いものは望めないので、次善の方向の加工精度を目指すのがよい。ただし、このような場合でも、凸状部5aおよび凹部21aは、素子接続用バスバー5と給配電用導体21との位置関係、相対角度が容易に変動しない、堅固な嵌め込みの形状および精度を有する必要がある。
図7は、さらに別の配置合せ固定部を示す斜視図である。この配置合せ固定部は、素子接続用バスバー5および給配電用導体21に孔5a,21aを設け、別の部材のくさび15を用いる点に特徴がある。くさび15にテーパーを付してもよいし、また、くさびの代わりに図8に示すようにばね構造体(曲げ弾性板)25を用いてもよい。くさび15やばね構造体25に、突起(返り)や溝などを設けて、素子接続用バスバー5と給配電用導体21とが重なった状態での上面や下面に、突起(返り)や溝が弾性的に係合するようにしてもよい。なお、上記のいずれの配置合せ固定部の構造を用いる場合でも、素子接続用バスバー5と給配電用導体21とに挟まれるようにはんだ層を設けることができる。
図9は、図4に対応する図であり、半導体スイッチング素子3の表面の高さが、給配電用導体21の上面より低い場合の例を示す断面図である。このような場合にも、素子接続用バスバー5は、導体側平坦部5sを長くして、その平坦部5sに配置合せ固定部5aを設けることにより、問題なく対応することができる。このような配置合せ固定部5a,21aの適用の結果、はんだ流れに起因する接合箇所の位置精度不良などの不都合を防止することができる。
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明のパワーモジュールでは、素子接続用バスバーを用い、その素子接続用バスバーと給配電用導体とに、素子接続用バスバーの配置合せを固定する配置合せ固定部を設けるため、素子接続用バスバーにより大電流の導電路を確保した上で、はんだ流れに起因する不都合を防止することができる。
本発明の実施の形態におけるパワーモジュールの概観図である。 図1のA領域の拡大図である。 本発明の実施の形態のパワーモジュールにおける素子接続用バスバーを示す平面図である。 図3のIV−IV線に沿う断面図である。 図3の配置合せ固定部を示す斜視図である。 本発明のほかの配置合せ固定部を例示する斜視図である。 本発明のさらに別の配置合せ固定部の例を示す斜視図である。 図7の配置合せ固定部のくさびの代わりに用いるばね構造体を示す斜視図である。 本発明のさらに別のパワーモジュールにおける素子接続用バスバーの配置を示す断面図である。
符号の説明
1 絶縁性基板、2 配線基板(金属板)、3 半導体スイッチング素子、3a 表面電極、5 素子接続用バスバー、5a 配置合せ固定部、5d 段差(立壁部)、5s、5t 平坦部、9 はんだ、10 パワーモジュール、15 くさび、21 給配電用導体、25 ばね構造体、31 FWD、31a FWDの表面電極、33 半導体スイッチング素子、61 ヒートシンク(冷却板)、64 絶縁層、65 筐体、67 冷却路。

Claims (9)

  1. 直流電力と交流電力との電力変換のために用いられ、給配電用導体、半導体スイッチング素子および前記半導体スイッチング素子の接続のための素子接続用バスバーを備えるパワーモジュールにおいて、
    前記素子接続用バスバーは、その一方で前記半導体スイッチング素子に接合し、他方で前記給配電用導体に固定されており、
    前記素子接続用バスバーは、当該素子接続用バスバーと前記給配電用導体とに設けた配置合せ固定のための配置合せ固定部により固定されていることを特徴とする、パワーモジュール。
  2. 前記配置合せ固定部に、前記素子接続用バスバーと前記給配電用導体とに挟まれるようにはんだ層が設けられていることを特徴とする、請求項1に記載のパワーモジュール。
  3. 前記給配電用導体および前記素子接続用バスバーにおける前記配置合せ固定部が、いずれか一方に設けられた凸部であり、他方に設けられ、前記凸部が嵌め込まれる凹部であることを特徴とする、請求項1または2に記載のパワーモジュール。
  4. 前記給配電用導体および前記素子接続用バスバーにおける配置合せ固定部が、ともにくさび状のものが嵌め込まれる孔であることを特徴とする、請求項1または2に記載のパワーモジュール。
  5. 前記素子接続用バスバーは、前記半導体スイッチング素子に接続する素子側平坦部と、前記給配電導体に接続する給配電側平坦部との間に、段差を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のパワーモジュール。
  6. 直流電力と交流電力との電力変換のためのパワーモジュールにおいて、給配電用導体と半導体スイッチング素子とを接続するために用いられる素子接続用バスバーであって、
    一方の平坦部と他方の平坦部との間に段差を有し、
    前記一方の平坦部に、凸状部または孔が設けられていることを特徴とする、素子接続用バスバー。
  7. 前記素子接続用バスバーは、めっき処理された金属で形成され、その金属の熱膨張係数が、純銅の熱膨張係数と同じか、または小さいことを特徴とする、請求項6に記載の素子接続用バスバー。
  8. 直流電力と交流電力との電力変換のために用いられ、給配電用導体、半導体スイッチング素子および前記半導体スイッチング素子の接続のための素子接続用バスバーを備えるパワーモジュールの製造方法において、
    前記素子接続用バスバーの一方および給配電導体に、配置合わせ固定のための配置合せ固定部を設ける工程と、
    前記半導体スイッチング素子および前記給配電導体を所定の位置関係に固定する工程と、
    前記半導体スイッチング素子に溶融はんだを配置して、前記素子接続用バスバーの一方の配置合せ固定部を前記給配電用導体の配置合せ固定部に固定し、かつ配置合せに従って他方を前記半導体スイッチング素子に配置して、その他方の部分を前記半導体スイッチング素子にはんだ接合する工程とを備えることを特徴とする、パワーモジュールの製造方法。
  9. 前記溶融はんだを前記給配電用導体の配置合せ固定部および前記半導体スイッチング素子の両方に配置して、前記素子接続用バスバーの一方の配置合せ固定部を前記給配電用導体の配置合せ固定部に固定し、かつ配置合せに従って他方を前記半導体スイッチング素子に配置して、前記一方および他方ではんだ接合する工程とを備えることを特徴とする、請求項8に記載のパワーモジュールの製造方法。
JP2007107527A 2007-04-16 2007-04-16 パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー Pending JP2008270289A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007107527A JP2008270289A (ja) 2007-04-16 2007-04-16 パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007107527A JP2008270289A (ja) 2007-04-16 2007-04-16 パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008270289A true JP2008270289A (ja) 2008-11-06

Family

ID=40049448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007107527A Pending JP2008270289A (ja) 2007-04-16 2007-04-16 パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008270289A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013161938A (ja) * 2012-02-03 2013-08-19 Toyota Industries Corp 配線パターンの接続構造およびその製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000077111A (ja) * 1998-08-31 2000-03-14 Harness Syst Tech Res Ltd バスバーの接続構造
JP2000124398A (ja) * 1998-10-16 2000-04-28 Mitsubishi Electric Corp パワー半導体モジュール
JP2002164502A (ja) * 2000-11-28 2002-06-07 Unisia Jecs Corp 半導体装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000077111A (ja) * 1998-08-31 2000-03-14 Harness Syst Tech Res Ltd バスバーの接続構造
JP2000124398A (ja) * 1998-10-16 2000-04-28 Mitsubishi Electric Corp パワー半導体モジュール
JP2002164502A (ja) * 2000-11-28 2002-06-07 Unisia Jecs Corp 半導体装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013161938A (ja) * 2012-02-03 2013-08-19 Toyota Industries Corp 配線パターンの接続構造およびその製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4434181B2 (ja) 電力変換装置
JP3793407B2 (ja) 電力変換装置
JP2009206140A (ja) パワーモジュール
US9236330B2 (en) Power module
US9088226B2 (en) Power module for converting DC to AC
JP6263311B2 (ja) 電力変換装置
CN110663110B (zh) 半导体功率模块
JP2011036016A (ja) 電力変換装置
JP2008270293A (ja) パワーモジュール
JP4662033B2 (ja) Dc−dcコンバータ
JP2007037211A (ja) 配電部品および電気装置
JP6667737B1 (ja) 半導体モジュールおよび電力変換装置
JP2006217736A (ja) ブスバーの放熱プレートへの取り付け構造
JP6123722B2 (ja) 半導体装置
JP2008270289A (ja) パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー
JP5202366B2 (ja) 半導体装置
JP2007037207A (ja) モータおよびモータ配電部品
JP2008270290A (ja) パワーモジュール、その製造方法および素子接続用バスバー
JP2009032997A (ja) パワーモジュール
JP2018073923A (ja) 電力用半導体装置、電力用半導体装置の製造方法および電力変換装置
JP5381903B2 (ja) 電子部品装置
US20240022036A1 (en) Method and apparatus for manufacturing a terminal apparatus for connecting at least one electrical or electronic component for an electrical or electronic module
US11961786B2 (en) Semiconductor power module
JP2007143218A (ja) パワーモジュール及び基板
US20240021436A1 (en) Method and apparatus for manufacturing a terminal apparatus for connecting at least one electrical or electronic component for an electrical or electronic module

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20091221

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100311

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20100514

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111129

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120412