JP2009295631A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を可能とし、ワイヤーボンディングに比較して導通損を低減し、短時間で製造することができる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】一方の面に設けたｃ又はエミッタ端子と、ゲート端子ｇとを備えた例えばトランジスタＶＨと、ハンダ４７を介してトランジスタＶＨの一方の面と導通接合されるバスバー４８とを有する半導体モジュールであって、バスバー４８はトランジスタＶＨのゲート端子ｇが露出するように角孔５３を備え、ゲート端子ｇと導通接合される信号配線６５を樹脂モールドして構成された端子台６３を有し、端子台６３は、角孔５３と係合するようにバスバー４８に配置されている。
【選択図】図１４

Description

この発明は、半導体モジュールに関する。

従来の半導体チップを供えた半導体モジュールの中には、半導体モジュールの信号線を半導体チップに接続する場合に、ワイヤーボンディングによりアルミニウムの細いワイヤにてハンダで接続した構造のものがある（特許文献１参照）。
特開２００６−２９４９７３号公報

しかしながら、上記従来の半導体モジュールにあっては、ワイヤーボンディングにより接続するため、ワイヤー配索のためのスペースが多く必要となり、半導体モジュールの占有面積を大きく確保しなければならないという問題がある。
また、ワイヤを用いている分だけ導通抵抗が増加し、電気的損失が増加するという問題もある。また、製造時間が多くかかり製造コストが嵩むという問題がある。

そこで、この発明は、小型化を可能とし、ワイヤーボンディングに比較して導通損を低減し、短時間で製造することができる半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、一方の面に設けたコレクタ端子（例えば、実施形態におけるコレクタ端子ｃ）又はエミッタ端子（例えば、実施形態におけるエミッタ端子ｅ）と、ゲート端子（例えば、実施形態におけるゲート端子ｇ）とを備えた半導体チップ（例えば、実施形態におけるトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）と、導電性の接合材（例えば、実施形態におけるハンダ４７）を介して前記半導体チップの一方の面と導通接合される板状導電部材（例えば、実施形態におけるバスバー４８）とを有する半導体モジュールであって、前記板状導電部材は前記半導体チップのゲート端子が露出するように切欠部（例えば、実施形態における角孔５３）を備え、前記ゲート端子と導通接合される信号配線（例えば、実施形態における信号配線６５）を樹脂モールドして構成された端子台（例えば、実施形態における端子台６３）を有し、前記端子台は、前記切欠部と係合するように前記板状導電部材に配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記切欠部は前記板状導電部材に設けた開口部（例えば、実施形態における角孔５３）であり、前記端子台は前記板状導電部材と積層されるフランジ部（例えば、実施形態におけるフランジ部６４）と、表面に前記信号配線を露出されて前記フランジ部から突出した突出部（例えば、実施形態における突出部６７）を有し、前記突出部が前記開口部と嵌合されることで、前記ゲート端子と前記信号配線とが導通接合されることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、端子台を切欠部と係合するように板状導電部材に配置してあるため、端子台の信号配線を板状導電部材の切欠部越しに半導体チップのゲート端子に直接接続することができ、したがって、両者間をワイヤーボンディングによりワイヤで接続した場合のように広い占有面積が必要なくなり全体を小型化できると共に、直接接続できるため、導通抵抗を低減でき、電気的損失を低減できる効果がある。
請求項２に記載した発明によれば、板状導電部材の開口部に端子台の突出部を嵌合するだけの作業で両者を接続させることができるため、作業が行い易い効果がある。また、突出部を嵌合するにあたっては、端子台のフランジ部を開口部周縁に突き当てるだけでよいため、作業が簡素化できる効果がある。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はハイブリッド車両用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１を含む回路構成を示している。このハイブリッド車両はエンジン（図示せず）と、エンジンの機械的出力により駆動される発電機（ＧＥＮ）２と、発電機２の発電出力により充電される高圧系のバッテリ（ＢＡＴ）３と、バッテリ３の放電出力と発電機２の発電出力の少なくとも一方を用いて駆動輪（図示せず）を駆動するモータ（ＭＯＴ）４を備えている。

パワーコントロールユニット１は、バッテリ３から供給される電力により昇圧回路として機能するコンバータ７を介してモータ４を駆動すると共にモータ４を回生作動させた際の電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給する第１インバータ（Ｔｒ／Ｍ ＰＤＵ）５と、発電機２により発生する電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給し、あるいは発電機２により発生する電力でモータ４を駆動する第２インバータ（ＧＥＮ ＰＤＵ）６を備えている。
これらコンバータ７、第１インバータ５及び第２インバータ６は、制御基板（ＥＣＵ）８からの制御指令によりゲートドライブ基板（ＧＤＣＢ）９を介して駆動制御される。

第１インバータ５は、例えば、トランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａと平滑コンデンサ５ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第１インバータ５にはモータ４とコンバータ７が接続されている。コンバータ７は、リアクトル７ａと２つのトランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）からなるチョッパ回路７ｂとを備え、第１インバータ５の入力側に設けた電圧変換装置であって、このチョッパ回路７ｂの下流側に２次平滑コンデンサ７ｃ、リアクトル７ａの上流側に１次平滑コンデンサ７ｄが各々並列接続されている。

コンバータ７と第１インバータ５との間には第１インバータ５と同様の構成を備えた第２インバータ６が正極側端子Ｐｔと負極側端子Ｎｔに接続され、この第２インバータ６に発電機２が接続されている。この第２インバータ６は、第１インバータ５と同様に、トランジスタのスイッチング素子を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路６ａと平滑コンデンサ６ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第２インバータ６には発電機２とコンバータ７が接続されている。この第２インバータ６は発電機２の出力電圧をコンバータ７により降圧してバッテリ３に充電を行ったり、第１インバータ５を経由してモータ４を駆動する。

第１インバータ５、第２インバータ６は、各相毎に対をなすハイ側，ロー側Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬ及びハイ側，ロー側Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬ及びハイ側，ロー側Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬをブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａ，６ａと、平滑コンデンサ５ｂ，６ｂとを備えている。各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されローサイドアームを構成しており、各相毎に対をなす各トランジスタＵＨ，ＵＬ及びＶＨ，ＶＬ及びＷＨ，ＷＬはコンバータ７に対して直列に接続されている。トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが各々接続されている。

コンバータ７のリアクトル７ａは、一端がバッテリ３に接続されてバッテリ電圧が印加されるものであり、チョッパ回路７ｂはこのリアクトル７ａの他端に接続される第１及び第２のスイッチング素子である第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２から構成されている。トランジスタＳ１，Ｓ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、各々ダイオードＤＳ１，ＤＳ２が接続されている。
そして、リアクトル７ａの一端はバッテリ３の正極側端子に接続され、リアクトル７ａの他端は、第１トランジスタＳ１のコレクタ及び第２トランジスタＳ２のエミッタに接続されている。第１トランジスタＳ１のエミッタはバッテリ３の負極側端子及びコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されている。また、第２トランジスタＳ２のコレクタはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されている。

ここで、コンバータ７のトランジスタＳ２から第１インバータ５のトランジスタＷＨ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の正極側端子Ｐｔから第２インバータ６のトランジスタＷＨ間のバスがＰＯｕｔバスバー２０として構成されている。また、コンバータ７のトランジスタＳ１から第１インバータ５のトランジスタＷＬ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の負極側端子Ｎｔから第２インバータ６のトランジスタＷＬ間のバスがＮバスバー２１として構成されている。

また、第１インバータ５からモータ４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４を構成し、第２インバータ６から発電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７を構成し、リアクトル７ａからコンバータ７の第１トランジスタＳ１と第２トランジスタＳ２との間に接続されるバスがＰＩＮバスバー２８を構成している。
ＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４、ＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７の各々には制御基板８に信号を送る電流センサ３０が接続されている。そして、第１インバータ５、第２インバータ６、コンバータ７の各トランジスタのゲートにゲートドライブ基板９からの信号線が接続されている。

図２〜図１０はパワーコントロールユニット１のハードウエア構成を示している。パワーコントロールユニット１は、例えばハイブリッド車両のエンジンルームに搭載されるもので、図２に示すように、上部には全体を覆うアルミダイキャスト製のユニットケース３１が設けられ、下部にウォータージャケット３２が設けられている。ユニットケース３１の開口部とウォータージャケット３２の周縁とが後述するベースフレーム５０を挟み込んで付き合わされ、両者がボルトＢにより固定されている。ウォータージャケット３２には冷媒の流入口３３が設けられ（図５参照）、ウォータージャケット３２の前面に冷媒の流出口３４が設けられている。この流入口３３と流出口３４が冷却装置ＣＯのポンプ等の機器類に接続されている。

図３はユニットケース３１及びウォータージャケット３２を鎖線で示した全体構成図である。同図に示すように、ユニットケース３１内には下から順にリアクトル７ａ、ウォータージャケット３２、７つのパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ（図６参照）を固定したベースフレーム５０、複数のバスバー２０〜２８（図１参照）を一体としたバスバープレートコンポーネント２９、シールドプレート１１、ゲートドライブ基板９、制御基板８、コンデンサユニット１２が配置されている。

図４に示すように、基板３５上にはリアクトル７ａが設置され、このリアクトル７ａの上方に、アルミニウム製のウォータージャケット３２が配置されている。
図５に示すように、ウォータージャケット３２の上面のコーナ部には凹部３６が形成され、この凹部３６にリアクトル７ａから延びるＰＩＮバスバー２８用の端子と、Ｎバスバー２１用の端子が引き出されている。ウォータージャケット３２の上面には凹部３６の残りの部分に、蛇行する凹溝３７が形成されている。凹溝３７はまずＵ字状に曲がった後に凹部３６の手前まで折り返すような経路を形成している。経路の始端底部には流入口３３が形成され、経路の終端はケースの流出口３４に連通している。このウォータージャケット３２の蛇行する凹溝３７はベースフレーム５０に装着されたパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ（図６参照）の各ヒートシンク４１（図７参照）に対応して、このヒートシンク４１を受け入れるようになっている。

図６はパワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレーム５０に装着した斜視図、図７はベースフレーム５０を下側から見た斜視図である。
図６、図７に示すように、ウォータージャケット３２の上方には、アルミダイキャスト製のベースフレーム５０が配置されている。このベースフレーム５０には開口部５１が７つ形成され、この開口部５１に７個のパワーモジュール４０ａ〜４０ｇが樹脂により固定されてモジュールユニットＭＵを構成している。ここで、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレーム５０に固定する樹脂で樹脂部５５が形成され、この樹脂部５５が縦壁５６を形成し、ウォータージャケット３２との間に冷媒流路５７を形成している。

各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇはヒートシンク４１一体型のもので、前述した回路構成におけるコンバータ７の第１トランジスタＳ１と第２トランジスタＳ２を実装した１個のパワーモジュール４０ａと、第２インバータ６において、各々ハイサイド側とローサイド側とで対となったトランジスタＵＨ，ＵＬ、トランジスタＶＨ，ＶＬ、トランジスタＷＨ，ＷＬの３個のパワーモジュール４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、第１インバータ５において、各々ハイサイド側とローサイド側とで対となったトランジスタＵＨ，ＵＬ、トランジスタＶＨ，ＶＬ、トランジスタＷＨ，ＷＬの３個のパワーモジュール４０ｅ，４０ｆ，４０ｇとが図６の手前側から奥側へ順に装着されている。図７に示すように、ヒートシンク４１のフィン４２は冷媒が流れる冷媒流路５７に沿う方向に放熱面が配置されている。

図８に示すように、ベースフレーム５０の上部には、各々板状のＰＯｕｔバスバー２０、Ｎバスバー２１、３枚のＯｕｔバスＴｒ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）２２，２３，２４と３枚のＯｕｔバスＧＥＮ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）２５，２６，２７、ＰＩＮバスバー２８を樹脂モールドで一体化したバスバープレートコンポーネント２９が配置されている。このバスバープレートコンポーネント２９の上部に、図９に示すように、更にこれを覆うようにシールドプレート１１が配置されている。

図１０に示すように、シールドプレート１１の上方にはベースフレーム５０に突出して設けた固定用ボス５２にゲートドライブ基板９が固定され、ゲートドライブ基板９の上部に制御基板８が配置されている。ここで、制御基板８はユニットケース３１（図３参照）側に固定されている。
そして、図３に示すように、制御基板８の上部にはユニットケース３１の内部に装着されるコンデンサユニット１２が配置されている。このコンデンサユニット１２は図１に示す第１インバータ５の平滑コンデンサ５ｂ、第２インバータ６の平滑コンデンサ６ｂ、コンバータ７の１次平滑コンデンサ７ｄ及び２次平滑コンデンサ７ｃをユニット化したもので、樹脂を用いたポッティングによりユニットケース３１内部に固定されている。

ここで、図１１はヒートシンク一体型のパワーモジュール、ここでは一例として第１インバータ５のパワーモジュール４０ｆを示している。図１２はパワーモジュール４０ｆの一つのトランジスタＶＬの配置部分における分解状態を示す図１１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図１３は要部分解斜視図、図１４は図１２の組み付け状態の断面図である。

図１１〜図１４に示すように、パワーモジュール４０ｆは下部に複数の板状のフィン４２を一方向に配列したヒートシンク４１を備え、ヒートシンク４１の台座４３上にエポキシ樹脂からなる絶縁材４４を塗布し、ベースとなるバスバー４５を載置したものである。ベースとなるバスバー４５の上部には、ハンダ４６を介してトランジスタＶＬが載置され、トランジスタＶＬ上にはハンダ４７を介して板状の導電部材である上部のバスバー４８が積層されている。上部のバスバー４８には端部に接続片４９がＬ字状に立ち上げ形成されている。

ここで、バスバー４８の中央部には角孔５３が形成されている。この角孔５３はトランジスタＶＬの中央部の上面のゲート端子ｇが露出する位置に形成されている。また、このゲート端子ｇの周囲上面はバスバー４８が接続されエミッタ端子ｅとして構成されている。尚、下面はコレクタ端子ｃとなっている。
角孔５３には絶縁性のある樹脂材で２本の信号配線６５をモールドした端子台６３が挿入固定され、突出部６７の下端に露出する信号配線６５の下端はハンダ６６によりトランジスタＶＬの中央部の上面のゲート端子ｇに接続されている。
端子台６３は下部にバスバー４８に積層されるフランジ部６４を備え、フランジ部６４には下方に突出する突出部６７が設けられている。この突出部６７は、バスバー４８の角孔５３に嵌合されフランジ部６４により挿入規制されるものである。
これらベースとなるバスバー４５、トランジスタＶＬ、上部のバスバー４８が、上部のバスバー４８の接続片４９を露出させた状態で金型内でエポキシ樹脂により鋳ぐるまれたモールド部Ｍを形成し（図１４に鎖線で示す）、ベースフレーム５０の開口部５１に装着されている。

上記実施形態によれば、端子台６３が角孔５３と係合するようにバスバー４８に配置してあるため、端子台６３の信号配線６５をバスバー４８の角孔５３越しにトランジスタＶＨのゲート端子ｇに直接接続することができ、したがって、信号配線６５とゲート端子ｇをワイヤーボンディングによりワイヤで接続した場合のように広い占有面積が必要なくなり全体を小型化できる。また、信号配線６５をトランジスタＶＬのゲート端子ｇに直接接続できるため、導通抵抗を低減でき、電気的損失を低減できる。
そして、バスバー４８の角孔５３に端子台６３の突出部６７を嵌合するだけの作業で信号配線６５とトランジスタＶＬのゲート端子ｇを接続させることができるため、作業が行い易い。また、突出部６７を嵌合するにあたっては、端子台６３のフランジ部６４を角孔５３の周縁に突き当てるだけでよいため、作業が簡素化できる。

尚、この発明は上述した実施形態に限られるものではなく、例えば、ハイブリッド車両に限られず、電気自動車の半導体モジュールに適用できる。また、開口部としての角孔５３を例にしたが、バスバー４８に切欠部を設けて、ここに端子台６３を差し込み固定してもよい。

この発明の実施形態の回路図である。 この発明のパワーコントロールユニットの斜視図である。 図２の内部構造を示す斜視図である。 リアクトルの斜視図である。 リアクトル上にウォータージャケットを載置した斜視図である。 ウォータージャケット上にモジュールユニットを載置した斜視図である。 図３からウォータージャケットを外し下から見た斜視図である。 モジュールユニット上にバスバープレートコンポーネントを載置した斜視図である。 モジュールユニット上にシールドプレートを載置し斜視図である。 シールドプレート上にゲートドライブ基板、制御基板を載置した斜視図である。 パワーモジュールの斜視図である。 図１４の分解状態を示す断面図である。 図１２の要部の分解斜視図である。 図１１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

３５ 角孔（開口部、切欠部）
４７ ハンダ（接合材）
４８ バスバー（板状導電部材）
６３ 端子台
６４ フランジ部
６５ 信号配線
６７ 突出部
ｃ コレクタ端子
ｅ エミッタ端子
ｇ ゲート端子
ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ トランジスタ（半導体チップ）

Claims (2)

1. 一方の面に設けたコレクタ端子又はエミッタ端子と、ゲート端子とを備えた半導体チップと、
   導電性の接合材を介して前記半導体チップの一方の面と導通接合される板状導電部材とを有する半導体モジュールであって、
   前記板状導電部材は前記半導体チップのゲート端子が露出するように切欠部を備え、
   前記ゲート端子と導通接合される信号配線を樹脂モールドして構成された端子台を有し、
   前記端子台は、前記切欠部と係合するように前記板状導電部材に配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記切欠部は前記板状導電部材に設けた開口部であり、
   前記端子台は前記板状導電部材と積層されるフランジ部と、表面に前記信号配線を露出されて前記フランジ部から突出した突出部を有し、
   前記突出部が前記開口部と嵌合されることで、前記ゲート端子と前記信号配線とが導通接合されることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。

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