JP2009224534A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】 モジュールの厚みが薄く、かつ接合部分の繰り返し熱応力疲労による信頼性の大きい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、複数のパワー半導体素子1と、複数のパワー半導体素子を制御する複数の制御素子3,4と、複数のパワー半導体素子を駆動するパワー回路22と、この回路を構成するパワー回路基板10と、複数の制御素子からなる制御回路21と、この回路を構成し制御回路基板からなる制御回路基板6とを備え、パワー回路基板10と制御回路基板6との電気的接続に異方性導電ゴム5を挟み込んで構成したものである。
【選択図】図1
【解決手段】 本発明のパワーモジュールは、複数のパワー半導体素子1と、複数のパワー半導体素子を制御する複数の制御素子3,4と、複数のパワー半導体素子を駆動するパワー回路22と、この回路を構成するパワー回路基板10と、複数の制御素子からなる制御回路21と、この回路を構成し制御回路基板からなる制御回路基板6とを備え、パワー回路基板10と制御回路基板6との電気的接続に異方性導電ゴム5を挟み込んで構成したものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、インバータやサーボアンプなど電子機器に使用するパワーモジュールに関するものである。
従来の第1のパワーモジュールとして、図6に示すようなものがある。図において、201は上アーム用セラミック両面基板、202は下アーム用セラミック基板、203はP側端子用金属配線、204ははんだ層、205ははんだボールである。このパワーモジュールは、上アーム用セラミック両面基板201の上下にパワー半導体素子1がはんだボール205により接合されて、複数枚のセラミック基板の間に挟むように立体的に実装されたものである(例えば、特許文献1参照)。
また、従来の第2のパワーモジュールとして、図7に示すようなものがある。図において、31はセラミック基板、34は半導体素子、34aははんだボール、34bははんだ層
71は樹脂基板、144は導電性ゴムである。このパワーモジュールは、セラミック基板31とセラミック基板31間に導電性ゴム144を挟みこみ圧接して、基板間の電気的な接続を取る構造をしているものである(例えば、特許文献2参照)。
あるいは、従来の第3のパワーモジュールとして、図8に示すようなものがある。図において、304はリード、313、314、323は接続用配線、317ははんだ層、320は単位ユニット、321は異方性導電樹脂またはゴムからなる緩衝部材、322はマザーボードである。このパワーモジュールは、単位ユニット320の接続用配線313と別の単位ユニットの接続配線314を異方性導電樹脂321を挟み込んで圧接することで電気的な接続を行い、三次元的なパワーモジュールを構成するものである(例えば、特許文献3参照)。
このような従来のパワーモジュールは、セラミック基板とパワー半導体との電気的な接続にはんだ接合を行い、セラミック基板とセラミック基板との電気的な接続に導電性ゴムあるいははんだ接合を行いなどの方法で立体的なパワーモジュールを構成するようになっている。
特開2004−22844号公報(第7頁、図1)
特開平11−238962号公報(第15頁、図9)
特開平6−275775号公報(第4頁、図4)
また、従来の第2のパワーモジュールとして、図7に示すようなものがある。図において、31はセラミック基板、34は半導体素子、34aははんだボール、34bははんだ層
71は樹脂基板、144は導電性ゴムである。このパワーモジュールは、セラミック基板31とセラミック基板31間に導電性ゴム144を挟みこみ圧接して、基板間の電気的な接続を取る構造をしているものである(例えば、特許文献2参照)。
あるいは、従来の第3のパワーモジュールとして、図8に示すようなものがある。図において、304はリード、313、314、323は接続用配線、317ははんだ層、320は単位ユニット、321は異方性導電樹脂またはゴムからなる緩衝部材、322はマザーボードである。このパワーモジュールは、単位ユニット320の接続用配線313と別の単位ユニットの接続配線314を異方性導電樹脂321を挟み込んで圧接することで電気的な接続を行い、三次元的なパワーモジュールを構成するものである(例えば、特許文献3参照)。
このような従来のパワーモジュールは、セラミック基板とパワー半導体との電気的な接続にはんだ接合を行い、セラミック基板とセラミック基板との電気的な接続に導電性ゴムあるいははんだ接合を行いなどの方法で立体的なパワーモジュールを構成するようになっている。
ところが、従来の第1のパワーモジュールでは、パワー半導体素子をセラミック両面基板にはんだ接合することにより形成し、それを立体的に積み上げることにより、インバータ回路のハーフブリッジを構成していた。この構成でははんだ接合を用いるためにセラミック基板にある程度の強度が必要であり、セラミック基板の板厚が厚くなることでモジュール全体を薄く作ることができないという問題があった。
また、従来の第2のパワーモジュールでは、パワー回路の入出力の電流の閉回路を形成するような場合は下側のセラミック基板からパワー端子を介して上側のセラミック基板に接続するため、上下のセラミック基板間に間隙が必要であり、モジュール全体を薄く作ることができないという問題もあった。
また、従来の第3のパワーモジュールでは、駆動時の発熱量が大きいパワー半導体素子をセラミック基板で挟みこみ、はんだで接合しているため繰り返しの熱応力疲労ではんだ接合部が破壊するという、接合信頼性が低いという問題もあった。
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、パワー半導体素子の電極と制御基板の銅配線間および制御基板とパワー回路基板間に異方性導電ゴムを挟んで接続し、しかも異方性導電ゴムの一部を外部端子として形成した構造にすることで、モジュール内部の構成部材や隙間を極めて薄くできるパワーモジュールを提供し、接合部分の繰り返し熱応力疲労による信頼性を大きく改善することを目的とする。
また、従来の第2のパワーモジュールでは、パワー回路の入出力の電流の閉回路を形成するような場合は下側のセラミック基板からパワー端子を介して上側のセラミック基板に接続するため、上下のセラミック基板間に間隙が必要であり、モジュール全体を薄く作ることができないという問題もあった。
また、従来の第3のパワーモジュールでは、駆動時の発熱量が大きいパワー半導体素子をセラミック基板で挟みこみ、はんだで接合しているため繰り返しの熱応力疲労ではんだ接合部が破壊するという、接合信頼性が低いという問題もあった。
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、パワー半導体素子の電極と制御基板の銅配線間および制御基板とパワー回路基板間に異方性導電ゴムを挟んで接続し、しかも異方性導電ゴムの一部を外部端子として形成した構造にすることで、モジュール内部の構成部材や隙間を極めて薄くできるパワーモジュールを提供し、接合部分の繰り返し熱応力疲労による信頼性を大きく改善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、複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子を制御する複数の制御素子と、前記複数のパワー半導体素子を駆動するパワー回路と、この回路を構成するパワー回路基板と、前記複数の制御素子からなる制御回路と、この回路を構成する樹脂基板からなる制御回路基板とを備えてなるパワーモジュールにおいて、前記パワー回路基板と前記制御回路基板との電気的接続に異方性導電ゴムを挟み込んで構成したものである。
請求項2に記載の発明は、前記異方性導電ゴムと前記パワー回路基板との間に金属性ポストが形成されたものである。
請求項3に記載の発明は、前記異方性導電ゴムの導電端子に金属箔または金属めっき部材を設けて制御回路の外部制御端子としたものである。
請求項1に記載の発明は、複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子を制御する複数の制御素子と、前記複数のパワー半導体素子を駆動するパワー回路と、この回路を構成するパワー回路基板と、前記複数の制御素子からなる制御回路と、この回路を構成する樹脂基板からなる制御回路基板とを備えてなるパワーモジュールにおいて、前記パワー回路基板と前記制御回路基板との電気的接続に異方性導電ゴムを挟み込んで構成したものである。
請求項2に記載の発明は、前記異方性導電ゴムと前記パワー回路基板との間に金属性ポストが形成されたものである。
請求項3に記載の発明は、前記異方性導電ゴムの導電端子に金属箔または金属めっき部材を設けて制御回路の外部制御端子としたものである。
請求項1に記載の発明によると、前記複数のパワー半導体素子をドライブ制御する当該複数の制御素子からなるドライブ回路を備えて構成されるパワーモジュールにおいて、パワー回路を構成するパワー回路基板に実装されているパワー半導体素子と制御回路を構成する制御回路基板との電気的接続に異方性導電ゴムを挟み込んで接続することができるため、モジュールを薄くすることができる。
請求項2に記載の発明によると、前記パワーモジュールにおいて、異方性導電ゴムとパワー回路基板間に金属性ポストを形成しているため、パワー回路の閉回路を構成することができ、パワー回路を薄くすることができる。
請求項3に記載の発明によると、前記異方性導電ゴムの上面に金属製薄膜を形成し、金属薄薄膜の部分をモジュール側面に引き出し制御回路の外部端子として形成するため、パワー半導体素子を駆動する信号を異方性導電ゴムの端子から入出力することができ、パワーモジュールを薄くすることができる。また、異方性導電ゴムでパワー半導体素子と制御基板間あるいは制御基板とパワー回路基板間の接続を行うため、繰り返し熱応力疲労による信頼性を大幅に向上することができる。
請求項2に記載の発明によると、前記パワーモジュールにおいて、異方性導電ゴムとパワー回路基板間に金属性ポストを形成しているため、パワー回路の閉回路を構成することができ、パワー回路を薄くすることができる。
請求項3に記載の発明によると、前記異方性導電ゴムの上面に金属製薄膜を形成し、金属薄薄膜の部分をモジュール側面に引き出し制御回路の外部端子として形成するため、パワー半導体素子を駆動する信号を異方性導電ゴムの端子から入出力することができ、パワーモジュールを薄くすることができる。また、異方性導電ゴムでパワー半導体素子と制御基板間あるいは制御基板とパワー回路基板間の接続を行うため、繰り返し熱応力疲労による信頼性を大幅に向上することができる。
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、本発明のパワーモジュールを示す側断面図である。図において、1はパワー半導体素子、2はパワー半導体素子1に設けた電極、3、4はドライブ制御素子、5は異方性導電ゴム、6は樹脂基板からなる制御回路基板、7は制御回路基板6の銅配線、8は金属製ポスト、9は制御端子、10はセラミック基板上に銅配線を形成したパワー回路基板、11はパワー端子、12ははんだ層、13は異方性導電ゴムの外部(制御)端子、21は制御回路、22はパワー回路である。
異方性導電ゴム5の詳細を図2に示す。図2(a)は接続前の拡大断面図、(b)は接続後の拡大断面図である。図2(a)において、電極2は、ゲート電極2aとソース電極2bからなる。異方性導電ゴム5は、シリコーン系のゴム部材5aの中にNi/Auメッキを施した異方性の導電粒子5bを局所的に分散配向したものである。導電粒子5bを配向した部分が導電端子5cとなる。なお、ゴム部材5aの厚さは、接合部分の厚さを用途に合わせて数10μm〜数100μmのものを用いることができる。パワー端子11はパワー回路基板10の端部まで引き出すことで形成されている。パワー回路22は、パワー回路基板10の銅配線にパワー半導体素子1と金属製ポスト8がはんだ層12により接合されて構成されている。制御回路21は、制御回路基板6の上面に制御素子3,4および制御端子9がはんだ層12により接合されて構成されている。
つぎに、異方性導電ゴム5の電気的接続原理を図2(b)により説明する。
図2(a)の状態では導電粒子5bはゴム中で分散しているため、お互いは接触しておらず上側から下側へつながる導電性パスは形成されていない。図2(b)では、異方性導電ゴム5の上面に制御回路基板6の銅配線7を接触するように配置し、ゴム部材5aの下面にはパワー半導体素子1のゲート電極2aとソース電極2bが接触するように配置し、パワー半導体素子1が実装されたパワー回路22側を固定した状態で、制御回路基板6が実装された制御回路21を押圧する。これにより、異方性の導電粒子5bがゴム部材5aを破り繋がることで制御回路21からパワー回路22に向かう縦方向の導電性パスが形成させる。このため、制御回路基板6の銅配線7とパワー半導体素子1のゲート電極2aとソース電極2bは電気的に接続され、電気的に配線されたパワーモジュールを構成することができる。
このように、異方性導電ゴム5は、制御回路21とパワー回路22の間で押圧することにより、制御回路21とパワー回路22を電気的に接続している。
本発明が従来技術と異なる部分は、異方性導電ゴム5と金属ポスト8を備えた部分である。
図2(a)の状態では導電粒子5bはゴム中で分散しているため、お互いは接触しておらず上側から下側へつながる導電性パスは形成されていない。図2(b)では、異方性導電ゴム5の上面に制御回路基板6の銅配線7を接触するように配置し、ゴム部材5aの下面にはパワー半導体素子1のゲート電極2aとソース電極2bが接触するように配置し、パワー半導体素子1が実装されたパワー回路22側を固定した状態で、制御回路基板6が実装された制御回路21を押圧する。これにより、異方性の導電粒子5bがゴム部材5aを破り繋がることで制御回路21からパワー回路22に向かう縦方向の導電性パスが形成させる。このため、制御回路基板6の銅配線7とパワー半導体素子1のゲート電極2aとソース電極2bは電気的に接続され、電気的に配線されたパワーモジュールを構成することができる。
このように、異方性導電ゴム5は、制御回路21とパワー回路22の間で押圧することにより、制御回路21とパワー回路22を電気的に接続している。
本発明が従来技術と異なる部分は、異方性導電ゴム5と金属ポスト8を備えた部分である。
次にパワーモジュールの動作について、図3を用いて説明する。
図3は、本発明のパワーモジュールのブロック回路図である。図において、ドライブ制御端子9は入力端子9aおよび出力端子9bからなり、パワー端子11はパワー入力端子11aおよびパワー出力端子11bからなる。
制御回路21は、ドライブ制御素子3,4がドライブ制御端子9の入力端子9aと出力端子9bに電気的に接続され、ドライブ信号の送受信を行う。さらにパワー入力端子11aが接続され制御回路21を構成している。パワー半導体素子1を6個用い3相のハーフブリッジとして電気的に配線し、各相のブリッジの中性点からそれぞれ配線を引き出してパワー出力端子11bに接続することでパワー回路22を構成している。
図3は、本発明のパワーモジュールのブロック回路図である。図において、ドライブ制御端子9は入力端子9aおよび出力端子9bからなり、パワー端子11はパワー入力端子11aおよびパワー出力端子11bからなる。
制御回路21は、ドライブ制御素子3,4がドライブ制御端子9の入力端子9aと出力端子9bに電気的に接続され、ドライブ信号の送受信を行う。さらにパワー入力端子11aが接続され制御回路21を構成している。パワー半導体素子1を6個用い3相のハーフブリッジとして電気的に配線し、各相のブリッジの中性点からそれぞれ配線を引き出してパワー出力端子11bに接続することでパワー回路22を構成している。
制御回路21とパワー回路22の間の配線として、パワー半導体素子1を駆動するためのゲート配線と、各相に電圧を供給するためのパワー入力配線の接続が必要になる。この部分の接続に前記の異方性導電ゴム5により電気的に接続している。ゲート信号は前記ドライブ制御素子4とパワー半導体素子1のゲート電極2aを異方性導電ゴム5により接続する。また、パワー信号は前記パワー回路基板10に実装された金属製ポスト8と制御回路基板の銅配線およびパワー半導体素子1のソース電極2bと制御回路基板の銅配線7を異方性導電ゴムにより電気的に接続している。このように前記パワー回路22の3相ハーフブリッジの閉回路を形成し、駆動することができる。
図4は第2実施例の構成を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、13は異方性導電ゴム5に設けた外部制御端子である。その他の構成部材は第1実施例と同じであるため、詳細な説明は省略する。実施例1と同様に制御端子が形成されている異方性導電ゴム5は上面に制御回路21を配置し、下面にパワー回路22を配置し、制御回路21を応圧することで、異方性導電ゴム5の縦方向の導電性パスが形成され、電気的に配線されたパワーモジュールを構成することができる。外部制御端子13を形成した異方性導電ゴム5はゴム部材5aの端部が外部制御端子13として電気的に配線されているため、数10μmから数100μmの極めて薄い外部端子を形成している。
図5は外部制御端子13を形成した異方性導電ゴム5を拡大したものである。異方性導電ゴム5の外部端子材料として、ゴム部材5aの表面に圧延した銅箔およびアルミ箔を貼り付けた後でエッチングして形成している。箔の厚さは用途に併せて数10μmから数100μmの厚さで制御している。また、繰り返し曲げ耐性を気にする必要が無ければ、異方性導電ゴム5の端部にメッキにより箔を形成してもよい。このように、異方性導電性ゴム5の一部に数10μmから数100μmの金属箔を形成して制御端子を形成しているので、パワーモジュールの制御端子が不要であり、薄く造ることができる。
制御回路とパワー回路の電気的な接続を異方性導電ゴムを介して圧接してパワーモジュール形成しているので、モジュール構成後に分離して使うことができるので、装置の構成の要求により制御回路とパワー回路を物理的に離して、その間をフレキシブル基板で接続してパワーモジュールとして駆動するという用途にも適用できる。
1 パワー半導体素子
2 電極
2a ゲート電極
2b ソース電極
3、4 制御素子
5 異方性導電ゴム
5a ゴム部材
5b 導電粒子
5c 導電端子
6 制御回路基板(樹脂基板)
7 銅配線
8 金属製ポスト
9 制御端子
9a 入力端子
9b 出力端子
10 パワー回路基板(セラミック基板)
11 パワー端子
11a パワー入力端子
11b パワー出力端子
12 はんだ層
13 外部端子
21 制御回路
22 パワー回路
31 セラミック基板
34 半導体素子
34a はんだボール
34b はんだ層
71 樹脂基板
144 導電性ゴム
201 上アーム用セラミック両面基板
202 下アーム用セラミック基板
203 P側端子用金属配線
204 はんだ層
205 はんだボール
304 リード
313、314、323 接続用配線
317 はんだ層
320 単位ユニット
321 緩衝部材(異方性導電樹脂またはゴム)
322 マザーボード
2 電極
2a ゲート電極
2b ソース電極
3、4 制御素子
5 異方性導電ゴム
5a ゴム部材
5b 導電粒子
5c 導電端子
6 制御回路基板(樹脂基板)
7 銅配線
8 金属製ポスト
9 制御端子
9a 入力端子
9b 出力端子
10 パワー回路基板(セラミック基板)
11 パワー端子
11a パワー入力端子
11b パワー出力端子
12 はんだ層
13 外部端子
21 制御回路
22 パワー回路
31 セラミック基板
34 半導体素子
34a はんだボール
34b はんだ層
71 樹脂基板
144 導電性ゴム
201 上アーム用セラミック両面基板
202 下アーム用セラミック基板
203 P側端子用金属配線
204 はんだ層
205 はんだボール
304 リード
313、314、323 接続用配線
317 はんだ層
320 単位ユニット
321 緩衝部材(異方性導電樹脂またはゴム)
322 マザーボード
Claims (3)
- 複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子を制御する複数の制御素子と、前記複数のパワー半導体素子を駆動するパワー回路と、この回路を構成するパワー回路基板と、前記複数の制御素子からなる制御回路と、この回路を構成する樹脂基板からなる制御回路基板と、を備えてなるパワーモジュールにおいて、
前記パワー回路基板と前記制御回路基板との電気的接続に異方性導電ゴムを挟み込んで構成したことを特徴とするパワーモジュール。 - 前記異方性導電ゴムの導電端子と、前記パワー回路基板のパワー入出力端子との間を接続する金属性ポストが形成されていることを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール。
- 前記異方性導電ゴムの導電端子に金属箔または金属めっき材を設けて制御回路の外部端子とし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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