JP2009206184A - Power semiconductor module and motor drive device using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大きな電流を制御するためのパワー半導体モジュール及びそれを使用したモータ駆動装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module for controlling a large current and a motor driving apparatus using the same.
モータ駆動回路には、主回路駆動電流を制御するためにパワー半導体モジュールが使用されている。このようなパワー半導体モジュールのプリント基板への実装は、半田付けによって行われることも多く、近年、主回路駆動電流を通電する部分にも半田付け端子が採用されているパワー半導体モジュールが増えてきている。 In the motor drive circuit, a power semiconductor module is used to control the main circuit drive current. Such power semiconductor modules are often mounted on a printed circuit board by soldering. In recent years, an increasing number of power semiconductor modules have adopted soldering terminals in parts where main circuit drive current is applied. Yes.
このようなパワー半導体モジュールをフロー半田付けによってプリント基板に実装する場合、半田付け時のプリント基板の温度変化によって反りを生じ、反った状態のプリント基板にパワー半導体モジュールが半田付けされることになる。また、一つのプリント基板に複数のパワー半導体モジュールを半田付けした場合、プリント基板の端子孔に対する端子の浮き具合などによってパワー半導体モジュール間で高さに差が生じ、段差が発生することがある。 When such a power semiconductor module is mounted on a printed circuit board by flow soldering, warpage occurs due to a temperature change of the printed circuit board during soldering, and the power semiconductor module is soldered to the warped printed circuit board. . In addition, when a plurality of power semiconductor modules are soldered to one printed circuit board, a difference in height may occur between the power semiconductor modules due to the floating state of the terminals with respect to the terminal holes of the printed circuit board, and a step may be generated.
このような状態のプリント基板をモータ駆動装置のハウジングなどに組み付けるとプリント基板の反りが矯正されて、プリント基板に応力が生じてこれが半田付け部分に作用する。また、放熱器等にプリント基板が取り付けられる場合には、プリント基板に実装されたパワー半導体モジュールが放熱器等に接触してプリント基板表面の段差を矯正する方向の力がプリント基板に作用して、この力に起因する応力が半田付け部分に作用することもある。このようにして半田付け部分に大きな応力が作用すると、半田付け部分にクラックが生じて、その結果、接続不良を引き起こす可能性がある。また、応力に対する半田付け部分の耐久性は、パワー半導体モジュールの端子の半田付け面積が大きいほど強く、また端子を半田付けしたときにできる半田フィレットが大きいほど強い。したがって、特に、パワー半導体モジュールの端子の中でも、パワー半導体モジュールの動作(すなわち電力出力のスイッチング)を制御する信号のための制御用端子は、主電流を通電するための主回路用端子に比べて細く半田付け面積が小さいため、接続不良を引き起こしやすい。 When the printed circuit board in such a state is assembled to the housing of the motor drive device or the like, the warpage of the printed circuit board is corrected, and stress is generated on the printed circuit board, which acts on the soldered portion. Also, when a printed circuit board is attached to a radiator, etc., the force in the direction in which the power semiconductor module mounted on the printed circuit board contacts the radiator and corrects the step on the printed circuit board surface acts on the printed circuit board. The stress resulting from this force may act on the soldered portion. When a large stress acts on the soldering portion in this way, a crack is generated in the soldering portion, and as a result, there is a possibility of causing a connection failure. Further, the durability of the soldered portion with respect to stress is stronger as the soldering area of the terminal of the power semiconductor module is larger, and stronger as the solder fillet formed when the terminal is soldered is larger. Therefore, in particular, among the terminals of the power semiconductor module, the control terminal for the signal for controlling the operation of the power semiconductor module (that is, the switching of the power output) is compared with the main circuit terminal for energizing the main current. Since it is thin and has a small soldering area, it tends to cause poor connection.
プリント基板の反りの矯正時に作用する応力を緩和するために、引用文献1は、開口を有する開口配線層を複数積層し、開口配線層を積層方向に貫通する貫通孔が形成されるようにすると共に、開口配線層の開口の少なくとも一部と重なり貫通孔を遮断する挟持配線層を開口配線層の間に配置するようにした多層配線基板を開示している。引用文献1に開示される多層配線基板では、このように形成された貫通孔により基板に作用する応力を緩和する一方、開口部に露出した挟持配線層を利用することで、配線パターンの制限を少なくすようにしている。 In order to relieve the stress that acts when correcting the warping of the printed circuit board, the cited document 1 stacks a plurality of opening wiring layers having openings so that a through-hole penetrating the opening wiring layer in the stacking direction is formed. In addition, a multilayer wiring board is disclosed in which a sandwich wiring layer that overlaps at least part of the opening of the opening wiring layer and blocks the through-hole is disposed between the opening wiring layers. In the multilayer wiring board disclosed in the cited document 1, the stress acting on the board is relieved by the through holes formed in this way, while the sandwiched wiring layer exposed at the opening is used to limit the wiring pattern. I try to reduce it.
しかしながら、引用文献1に開示の基板は、基板側に貫通孔を設ける必要があり、基板設計に制約を与える問題がある。 However, the substrate disclosed in the cited document 1 has a problem in that it is necessary to provide a through hole on the substrate side, which restricts the substrate design.
よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解決して、プリント基板の大きな設計変更を伴うことなく、装置へのプリント基板の組み付け時にプリント基板の反りや基板上のパワー半導体モジュールの高さ方向の段差に起因して発生する応力に対する耐久性を高めることができるパワー半導体モジュール及びそれを使用したモータ駆動装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems in the prior art, without causing a major design change of the printed circuit board, and to prevent warping of the printed circuit board or the power semiconductor module on the circuit board when the printed circuit board is assembled to the apparatus. It is an object of the present invention to provide a power semiconductor module capable of enhancing durability against stress generated due to a step in the height direction, and a motor driving device using the power semiconductor module.
上記目的を達成するために、本発明は、対向する両側部にそれぞれ端子列軸線方向に並ぶ端子列を備えたパワー半導体モジュールにおいて、少なくとも一方側の端子列の端子列軸線方向の両端部に、前記パワー半導体モジュールを基板に半田付けしたときに他の端子より半田接続強度が高くなるダミー端子が設けられているパワー半導体モジュールを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a power semiconductor module including terminal rows arranged in opposite terminal rows in the terminal row axial direction, at both ends of the terminal row axial direction of at least one terminal row, Provided is a power semiconductor module provided with dummy terminals that have higher solder connection strength than other terminals when the power semiconductor module is soldered to a substrate.
基板の反りや基板上に実装されたパワー半導体モジュールの高さ方向の段差を矯正する力が基板に作用すると、その力により基板に生じる応力は、主として、基板上に実装されたパワー半導体モジュールの端子列の中間に位置する端子よりも端子列軸線方向の両端部の端子によって受け持たれ、端子列の中間に位置する端子に作用する応力は小さくなる。したがって、パワー半導体モジュールの端子列軸線方向の両端部に、パワー半導体モジュールを基板に半田付けしたときに他の端子よりも半田付け強度の高くなるダミー端子を設ければ、このパワー半導体モジュールを基板に半田付けしたときに、基板の反りやパワー半導体モジュール間の高さの差による段差を矯正するような力が基板に作用しても、それにより発生する応力のほとんどをダミー端子が受け持つので、応力が他の端子に直接作用しにくくなる。また、ダミー端子は基板に半田付けされたときに端子列の他の端子よりも半田接続強度が高くなるので応力に対する耐久性も強くなる。 When a force that corrects the warp of the substrate or the step in the height direction of the power semiconductor module mounted on the substrate is applied to the substrate, the stress generated on the substrate by the force is mainly caused by the power semiconductor module mounted on the substrate. The stress applied to the terminals located in the middle of the terminal row is smaller than the terminals located in the middle of the terminal row, and the stress acting on the terminals located in the middle of the terminal row is reduced. Therefore, if dummy terminals that have higher soldering strength than other terminals when soldering the power semiconductor module to the substrate are provided at both ends in the terminal row axis direction of the power semiconductor module, the power semiconductor module is mounted on the substrate. Even if a force that corrects the step due to the warp of the board or the height difference between the power semiconductor modules acts on the board when soldered to the dummy terminal, the dummy terminal takes over most of the stress generated by it, Stress is less likely to act directly on other terminals. Further, since the dummy terminals have higher solder connection strength than the other terminals in the terminal row when soldered to the substrate, the durability against stress is also increased.
前記ダミー端子は、前記パワー半導体モジュールの前記端子列の他の端子よりも太い又は半田付け面積が広いことが好ましい。 It is preferable that the dummy terminal is thicker or has a larger soldering area than the other terminals of the terminal row of the power semiconductor module.
また、前記端子列の一方が前記パワー半導体モジュールの動作を制御する信号のための制御用端子の列であり、前記ダミー端子が前記制御用端子の列の端子列軸線方向両端部に配置されていることが好ましい。前記端子列の一方が主電流を通電するための主回路用端子の列であり、前記ダミー端子が前記主回路用端子の列の端子列軸線方向両端部に配置されていてもよい。 Further, one of the terminal rows is a row of control terminals for signals for controlling the operation of the power semiconductor module, and the dummy terminals are arranged at both ends in the terminal row axial direction of the row of control terminals. Preferably it is. One of the terminal rows may be a row of main circuit terminals for energizing a main current, and the dummy terminals may be arranged at both ends of the row of the main circuit terminals in the terminal row axial direction.
さらに、本発明は、上記パワー半導体モジュールを使用したモータを駆動するためのモータ駆動装置を提供する。 Furthermore, the present invention provides a motor drive device for driving a motor using the power semiconductor module.
上記モータ駆動装置では、前記パワー半導体モジュールが基板に半田付けされており、前記ダミー端子が前記基板に半田付けされた部分の間の電圧を監視することにより、半田異常を検知するようになっていることが好ましい。 In the motor driving device, the power semiconductor module is soldered to a substrate, and the abnormality is detected by monitoring the voltage between the portions where the dummy terminals are soldered to the substrate. Preferably it is.
本発明によれば、基板の反りや基板に実装されたパワー半導体モジュールの高さ方向の段差を矯正する際に基板に生じる応力が他の端子よりも強い強度を有する端子列軸線方向両端部のダミー端子に受け持たれ、ダミー端子の間の他の端子には応力が作用しにくくなる。また、ダミー端子は基板に半田付けされたときに端子列の他の端子よりも半田接続強度が高くなるので、応力に対する耐久性も向上し、半田付け部の不良も減少する。 According to the present invention, the stress generated in the board when correcting the warpage of the board or the height difference of the power semiconductor module mounted on the board has a stronger strength than the other terminals. Responsible for the dummy terminals, it becomes difficult for the stress to act on the other terminals between the dummy terminals. Further, since the dummy terminals have higher solder connection strength than the other terminals of the terminal row when soldered to the substrate, the durability against stress is improved and the defect of the soldered portion is also reduced.
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
最初に、図7を参照して、本発明のパワー半導体モジュール18を実装したプリント基板12を使用したモータ駆動装置10の全体構成を説明する。図7を参照すると、モータ駆動装置10は、内部に組み付けられたプリント基板12と、プリント基板12に主回路駆動電流(以下、主電流とも記載する。)を供給するための電源14とを備える。モータ駆動装置10は、、モータ16に接続されており、モータ16を駆動し、その動作を制御する。プリント基板12上には、モータ16の動作を制御するための主回路が設けられており、他の半導体(簡単化のために図示せず)などと共に、主電流を制御するためのパワー半導体モジュール18が実装されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the overall configuration of the
図1は、図7に示されている本発明のパワー半導体モジュール18の斜視図である。図1を参照すると、パワー半導体モジュール18は、中心軸線Oを挟んで対向する両側部に、中心軸線方向に並ぶ複数の端子からなる端子列をそれぞれ備えている。図1に示されている実施形態では、一方の側部に、プリント基板12に供給される主電流を通電するための複数の主回路用端子20aからなる端子列(以下、主回路用端子列と記載する。)20が設けられ、中心軸線Oを挟んでこれと対向する他方の側部には、パワー半導体モジュール18の動作すなわちパワー半導体モジュール18からの電力出力のスイッチングを制御する信号のための複数の制御用端子22aからなる端子列(以下、制御用端子列と記載する。)22が設けられている。なお、主回路用端子20aには制御用端子22aに比べて大きな電流又は電圧が印加されるので、主回路用端子20aは制御用端子22aに比べて太くなっている。
FIG. 1 is a perspective view of the
本発明のパワー半導体モジュール18では、パワー半導体モジュール18の対向する側部の各々に配置された端子列20,22の端子列軸線方向の最外側の両端部にそれぞれダミー端子24,26が設けられている。ダミー端子24,26は、例えば各側部の端子列の他の端子20a,22bに比べて太い又は半田付け面積が広く、プリント基板12に半田付けされたときに他の端子20a,22aよりも半田接続強度が高くなるように構成されている。
In the
次に、図2及び図3を参照して、図1に示されているパワー半導体モジュール18の作用について説明する。
図2に示されているようにプリント基板28にパワー半導体モジュール30をフロー半田付けにより実装するときには、半田付けのための熱がプリント基板28に伝導してプリント基板28が高熱になり、この温度変化により、プリント基板28には図2(a)に示されているような反りが生じる。このため、反った状態のプリント基板28にパワー半導体モジュール30が実装されることになる。図2(b)に示されているように、このように反ったプリント基板28をねじなどの締結具32でモータ駆動装置10のハウジングや放熱器などに組み付けると、プリント基板28の反りが矯正されてプリント基板28に応力が生じ、これがプリント基板28上のパワー半導体モジュール30に作用する。図2(b)に示されているように、一般に、モータ駆動装置10のハウジングや放熱器などへのプリント基板28の組み付けは、プリント基板28の対向する両端部と中央部とをハウジングや放熱器にねじ等の締結具32で固定することにより行われ、応力は、プリント基板28上に実装されたパワー半導体モジュール30の端子列のうち最外側の端子、特に固定部に最も近い端子の半田付け部分(図2(b)中で円によって囲まれた部分)によって主として受け持たれる。このため、これらパワー半導体モジュール30の端子のうち固定部に最も近い端子の半田付け部分にクラックが生じ、接触不良を生じることが多かった。
Next, the operation of the
As shown in FIG. 2, when the
図3(a)に示されるように、本発明のパワー半導体モジュール18でも、フロー半田付けによりプリント基板12へパワー半導体モジュール18を実装する際の温度変化により、プリント基板12には反りが生じる。しかしながら、図3(b)に示されているように、プリント基板12をねじ等の締結具34でモータ駆動装置18のハウジングや放熱器などに組み付けることによりプリント基板12の反りが矯正されプリント基板12に応力が生じたとき、プリント基板12からこれに実装されるパワー半導体モジュール18に作用する応力はほとんどがパワー半導体モジュール12の各側部の端子列20又は22の端子列軸線方向最外側に位置する二つのダミー端子24又は26によって受け持たれ、二つのダミー端子24又は26の間の他の端子20a又は22aに作用する応力は小さくなる。ダミー端子24又は26は、各端子列20又は22の他の端子20a又は22aに比べて半田接続強度が高くなるように構成されているので、本発明によるパワー半導体モジュール18は従来のパワー半導体モジュール30に比べて半田付け部分の接続強度が高く、したがって半田クラックや接続不良が発生しにくくなる。
As shown in FIG. 3A, even in the
プリント基板12上に複数のパワー半導体モジュール18が実装されておりその高さに差があって段差が生じている場合も、パワー半導体モジュール18を放熱器に接触させるようにプリント基板12を固定すると、段差を矯正しようとする力がプリント基板12に作用してプリント基板12上に応力が生じる。この場合も、プリント基板12からパワー半導体モジュール18に作用する応力は主としてパワー半導体モジュール18の各側部の端子列20,22のうちの端子列軸線方向最外側の端子によって受け持たれる。したがって、本発明のパワー半導体モジュール18では、プリント基板12からパワー半導体モジュール18に作用する応力は、主として、各端子列20,22において、他の端子20a,22aに比べて半田接続強度が高い二つのダミー端子24,26によって受け持たれ、二つのダミー端子24,26の間の他の端子20a,22aにはほとんど作用しない。このため、本発明によるパワー半導体モジュール18は、従来のパワー半導体モジュール30に比べて半田付け部分の接続強度が高くなり、同様に半田クラックや接続不良が発生しにくくなる。
Even when a plurality of
上記実施形態では、パワー半導体モジュール18の両側部に設けられた主回路用端子列20及び制御用端子列22の両方の端子列軸線方向両端部にダミー端子24,26が設けられているが、主回路用端子列20又は制御用端子列22の一方のみにダミー端子24又は26を設けてもよい。例えば、図4に示されているように、制御用端子列22の端子列軸線方向最外側の両端部にのみダミー端子26を設け、主回路用端子列20にはダミー端子24を設けなくてもよい。一般に、大きな電流又は電圧が印加される主回路用端子20aと比較して制御信号が入力される制御用端子22aは細く半田付け面積が小さくなるので、半田クラックや接続不良を起こしやすい。このため、制御用端子列22の端子列軸線方向最外側の両端部に半田接続強度の高いダミー端子26を設けるだけでも、半田付け部分の接続強度が高くなって半田クラックや接続不良が発生しにくくなる。また、図5に示されているように、主回路用端子列20の端子列軸線方向最外側の両端部にのみダミー端子24を設け、制御用端子列22にダミー端子26を設けないことも可能である。
In the above embodiment, the
さらに、上記実施形態では、パワー半導体モジュール18の中心軸線Oを挟んだ一方の側部に主回路用端子列20を設け、中心軸線Oを挟んでこれと対向する他方の側部に制御用端子列22を設けているが、このような構成に限定されるものではない。例えば、パワー半導体モジュール18の各側部において、制御用端子22aの間に主回路用端子20aを設けるなど、制御用端子22aと主回路用端子20aとが混在した端子列を設けてもよい。
Furthermore, in the above embodiment, the main
本発明のパワー半導体モジュール18のダミー端子24,26は、主電流の通電や信号の受信に用いることを特に企図したものではない。しかしながら、図6に示されるように、各端子列20又は22の端子列軸線方向最外側に位置する二つのダミー端子24又は26間をパワー半導体モジュール18内で接続し、同じ側の端子列20又は22の二つのダミー端子24又は26間に電圧を印加するようにすることが好ましい。
The
このように構成すれば、二つのダミー端子24又は26間の電圧を監視することにより、最も接続不良が発生しやすいダミー端子24又は26の半田付け部分の接続不良を検出することが可能となる。例えば、同じ側の端子列20又は22の二つのダミー端子24又は26がパワー半導体モジュール18内で直結されており二つのダミー端子24又は26間にVccVの電圧が印加されている場合、ダミー端子24又は26の半田付け部分が劣化して半田クラックが発生しオープンになると、二つのダミー端子間24又は26の電圧が0VからVccVに変化する。よって、二つのダミー端子24又は26間の電圧を監視することにより、半田の劣化など半田付け部分の異常を検知することが可能となる。特に、ダミー端子24又は26の半田付け部分は上述したように各端子列20又は22の他の端子20a又は22aよりも大きな応力が作用しやすく他の端子20a又は22aよりも半田付け部分の異常が発生しやすいので、ダミー端子24又は26間の電圧を監視することで、各端子列20又は22の端子20a又は22aの半田付け部分に異常が発生する前に半田劣化を検出することを可能にする利点もある。
With this configuration, by monitoring the voltage between the two
10 モータ駆動装置
12 プリント基板
16 モータ
18 パワー半導体モジュール
20 主回路用端子列
22 制御用端子列
24 ダミー端子
26 ダミー端子
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