JP2010109062A - 電力用半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧端子間の絶縁性を充分に確保しつつ、端子間距離を狭めることができる電力用半導体モジュールを提供する。
【解決手段】電力用半導体素子２と、所定間隔をおいて隣接配置された第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２とを備える。電力用半導体素子２は封止部材３中に封止されている。第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２は、その表面のうち、予め定められた端子接続用の露出面を除いた部分が絶縁材料に被覆されるように、封止部材３中に封止されている。封止部材３には、第１端子接続孔４１が形成され、封止部材３の表面から所定深さ位置にて第１高電圧端子１１の露出面１１ａが露出するとともに、封止部材３に第２端子接続孔４２が形成され、封止部材３の表面から所定深さ位置にて第２高電圧端子１２の露出面１２ａが露出するよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、端子間の絶縁性を維持しつつ端子間距離を狭めることが可能な電力用半導体モジュールに関する。

従来から、電力変換等に使用するための電力用半導体モジュールが知られている。図１１にその一例を示す。図示するごとく、この電力用半導体モジュール９０は樹脂製の封止部材９６中に半導体素子９４が封止されており、その半導体素子９０に接続された高電圧端子９１，９２が、封止部材９６の側面から突出するように形成されている。また、封止部材９６の表面には放熱板９３が設けられ、半導体素子９０の制御用端子９７が封止部材９６の側面から突出するように形成されている。

特開２００７−１６５６２０号公報 特許第３８５１１３８号公報

電力用半導体モジュール９０は、高電圧端子９１，９２の間に高い電位差が生じるため、充分に絶縁することが求められている。そのため、高電圧端子９１，９２の間隔を長くする必要がある。この間隔が短いと、高電圧端子９１，９２の絶縁が保てず、短絡してしまう。
特に、高電圧端子９１，９２の沿面距離Ｄが短いと、トラッキングにより沿面放電しやすくなるため、距離を充分に確保する必要がある。

しかしながら、この沿面距離Ｄを長くすると、半導体モジュール９０全体のサイズが大きくなる問題が生じる。そのため、高電圧が印加される端子間の絶縁性を充分に確保しつつ、端子間距離を狭めることができ、ひいては小型化が可能な電力用半導体モジュールが望まれている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、高電圧端子間の絶縁性を充分に確保しつつ、端子間距離を狭めることができる電力用半導体モジュールを提供しようとするものである。

本発明は、電力用半導体素子と、
該電力用半導体素子に接続され、所定間隔をおいて隣接配置された第１高電圧端子および第２高電圧端子と、
絶縁材料からなる封止部材と、
を備え、上記電力用半導体素子は上記封止部材中に封止され、
上記第１高電圧端子および第２高電圧端子は、その表面のうち、予め定められた端子接続用の露出面を除いた部分が上記絶縁材料に被覆されるように、上記封止部材中に封止され、
該封止部材には、第１端子接続孔が形成され、上記封止部材の表面から上記第１端子接続孔内における所定深さ位置にて上記第１高電圧端子の上記露出面が露出するとともに、上記封止部材に第２端子接続孔が形成され、該封止部材の表面から上記第２端子接続孔内における所定深さ位置にて上記第２高電圧端子の上記露出面が露出するよう構成されていることを特徴とする電力用半導体モジュールにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
本発明によると、高電圧端子間の沿面距離は、第１端子接続孔の深さｄ１と、第２端子接続孔の深さｄ２と、端子間の最短距離ｄ３との和となる。これにより、第１高電圧端子と第２高電圧端子との沿面距離を長くすることができ、充分な絶縁性を確保することが可能となる。

すなわち、従来の半導体モジュールは、図１１に示すごとく、封止部材９６から高電圧端子９１，９２が突出していたため、沿面放電しやすくなっていた。そのため、端子間距離Ｄを長く確保する必要が生じていた。

それに対して本発明では、第１高電圧端子および第２高電圧端子全体を封止部材中に封止し、端子接続孔を形成して高電圧端子を部分的に露出させ、その露出面から端子接続を行っている。そのため、端子接続孔の深さ分だけ沿面距離を長くすることができる。これにより、絶縁性を充分に確保しつつ、第１高電圧端子と第２高電圧端子との間隔を狭くすることが可能となる。その結果、電力用半導体モジュール全体のサイズを小型化することができる。

以上のごとく本発明によれば、高電圧端子間の絶縁性を充分に確保しつつ、端子間距離を狭めることができる電力用半導体モジュールを提供することができる。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明（請求項１）において、上記第１端子接続孔および上記第２端子接続孔は隣接して上記封止部材の表面に開口し、上記第１端子接続孔の開口部と、上記第２端子接続孔の開口部との間に、上記封止部材の表面から突出する形状の凸部が形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、第１高電圧端子と第２高電圧端子との沿面距離をさらに長くすることができ、電力用半導体モジュールを一層、小型化することが可能となる。

また、上記第１高電圧端子および上記第２高電圧端子は所定間隔をおいて平行配置され、これら上記第１高電圧端子および第２高電圧端子の一端が上記電力用半導体素子との接続部とされ、上記第１端子接続孔は、上記第１高電圧端子の上記接続部から第１の距離をおいた位置に形成され、上記第２端子接続孔は、上記第２高電圧端子の上記接続部から、上記第１の距離よりも短い第２の距離をおいた位置に形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、第１端子接続孔の開口縁と、第２端子接続孔の開口縁との間隔を広げることができるため、高電圧端子間の沿面距離をさらに長くすることが可能となる。

また、上記電力用半導体モジュールは、車両に搭載された直流電源を交流に変換する電力変換装置に用いられることが好ましい（請求項４）。
車両用の電力変換装置は、数百Ｖ〜千Ｖ程度の高い電圧が印加されるので、電力用半導体モジュールには、高電圧端子間の絶縁性を充分に確保することが要求される。また、車両用部品は小型化の要求が厳しいため、本発明の電力用半導体モジュールを使用した場合の効果が特に大きい。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力用半導体モジュールにつき、図１〜図６を用いて説明する。図１は電力用半導体モジュール１の概略図であり、図２は図１（Ｂ）のｄ−ｄ矢視断面図である。また、図３は図１（Ａ）のｃ−ｃ矢視断面図である。図４は図１（Ｂ）の拡大図である。
図１、図２に示すごとく、本例の電力用半導体モジュール１は、電力用半導体素子２を備える。また、電力用半導体素子２に接続され、所定間隔をおいて隣接配置された第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２を備える。さらに、絶縁材料からなる封止部材３を備える。
電力用半導体素子２は封止部材３中に封止されている。第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２は、その表面のうち、予め定められた端子接続用の露出面１１ａ，１２ａ（図４参照）を除いた部分が絶縁材料に被覆されるように、封止部材３中に封止されている。
また、封止部材３には、第１端子接続孔４１が形成され、封止部材３の表面から第１端子接続孔４１内における所定深さ位置にて第１高電圧端子１１の露出面１１ａが露出している。そして、封止部材３に第２端子接続孔４２が形成され、封止部材３の表面から第２端子接続孔４２内における所定深さ位置にて第２高電圧端子１２の露出面１２ａが露出するよう構成されている。

また、図１、図４に示すごとく、封止部材３は四辺形板状に形成され、第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２は封止部材３の板厚方向中間位置に封止され、第１端子接続孔４１および第２端子接続孔４２は、それぞれ封止部材３の両方の主表面３０ａ，３０ｂに開口し（図４参照）、封止部材３の板厚方向に延びて第１高電圧端子１１および上記第２高電圧端子１２の露出面１１ａ，１２ａに至る。

より詳しくは、図２に示すごとく、封止部材３に２個の電力用半導体素子２ａ，２ｂが封止されている。本例では、電力用半導体素子２ａとしてＩＧＢＴが用いられ、電力用半導体素子２ｂとしてフライホイールダイオードが用いられる。

図１（Ｃ）に示すごとく、封止部材の主表面３０ａ，３０ｂには、それぞれ金属製の放熱部材１４ａ，１４ｂが設けられている。放熱部材１４ａは、電力用半導体素子２ａ（ＩＧＢＴ）とハンダ１６によって接続されている。また、放熱部材１４ａは、図３に示すごとく、電力用半導体素子２ｂ（フライホイールダイオード）にもハンダ接続されている。第１高電圧端子１１は、図１（Ｃ）に示すごとく、放熱部材１４ａに接続されている。

また、図１（Ｃ）に示すごとく、放熱部材１４ｂは、電力用半導体素子２ａ（ＩＧＢＴ）とハンダ接続されている。また、図３に示すごとく、放熱部材１４ｂは、電力用半導体素子２ｂ（フライホイールダイオード）にもハンダ接続されている。第２高電圧端子１２は、放熱部材１４ｂに接続されている。

一方、第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２の沿面距離は、図４に示すごとく、第１端子接続孔４１の深さｄ１と、第２端子接続孔４２の深さｄ２と、第１端子接続孔４１および第２端子接続孔４２の間隔ｄ３との和（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）となる。

図５に示すごとく、本例の電力用半導体モジュール１は、車両の電力変換装置６に使用することができる。この電力変換装置６は、複数個の電力半導体モジュール１を積層し、その間に冷却器６４を介在させている。冷却器６４の中に水等の冷媒を流すことにより、電力半導体モジュール１を冷却する。

図６に示すごとく、車両には直流電源６２と、三相交流モータ６３と、電力変換装置６とが搭載される。電力変換装置６はコンバータ部６１とインバータ部６０とからなる。直流電源６２の電圧をコンバータ部６１にて昇圧し、インバータ部６０で交流に変換して、三相交流モータ６３を駆動する。

次に、本例の電力用半導体モジュール１の作用効果について説明する。
本発明の電力用半導体モジュール１は、図１に示すごとく、第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２全体を封止部材３中に封止し、端子接続孔４１，４２を形成して高電圧端子１１，１２を部分的に露出させ、その露出面１１ａ，１２ａから端子接続を行っている。
この構成にすると、図４に示すごとく、高電圧端子１１，１２間の沿面距離は、第１端子接続孔４１の深さｄ１と、第２端子接続孔４２の深さｄ２と、端子間の最短距離ｄ３との和（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）となる。これにより、第１高電圧端子１１と第２高電圧端子１２との沿面距離を長くすることができ、充分な絶縁性を確保することが可能となる。

すなわち、従来の半導体モジュールは、図１１に示すごとく、封止部材９６の表面から高電圧端子９１，９２が突出していたため、沿面放電しやすくなっていた。そのため、端子間距離Ｄを長く確保する必要が生じていた。

それに対して本例では、上記構造を採用しているため、端子接続孔４１，４２の深さｄ１，ｄ２分だけ沿面距離を長くすることができる。これにより、絶縁性を充分に確保しつつ、第１高電圧端子１１と第２高電圧端子１２との間隔ｄ３を狭くすることが可能となる。その結果、電力用半導体モジュール１全体のサイズを小型化することができる。

また、図１に示すごとく、封止部材３は四辺形板状に形成されており、第１端子接続孔４１および第２端子接続孔４２は、それぞれ封止部材３の両主表面３０ａ，３０ｂに開口するように形成されている。
この場合には、第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２の電気接続を行いやすい。

また、図５、図６に示すごとく、電力用半導体モジュール１は、車両に搭載された直流電源を交流に変換する電力変換装置６に用いられる。
車両用の電力変換装置６は、数百Ｖ〜千Ｖ程度の高い電圧が印加されるので、電力用半導体モジュール１には、高電圧端子１１、１２間の絶縁性を充分に確保することが要求される。また、車両用部品は小型化の要求が厳しいため、本発明の電力用半導体モジュール１を使用した場合の効果が特に大きい。

以上のごとく本発明によれば、高電圧端子間の絶縁性を充分に確保しつつ、端子間距離を狭めることができる電力用半導体モジュール１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、封止部材３の形状を変えた例である。図７に示すごとく、第１端子接続孔４１および第２端子接続孔４２は隣接して封止部材３の表面に開口し、第１端子接続孔４１の開口部４ａと、第２端子接続孔４２の開口部４ｂとの間に、封止部材３の表面から突出する形状の凸部５が形成されている。
より詳しくは、本例では２個の凸部が形成されている。すなわち、封止部材３の一方の主表面３０ａに第１の凸部５ａが形成され、他方の主表面３０ｂに第２の凸部５ｂが形成されている。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

実施例２の作用効果につき説明する。
図７に示すごとく、凸部５を形成した場合には、第１高電圧端子１１と第２高電圧端子１２との沿面距離をさらに長くすることができ、電力用半導体モジュール１を一層、小型化することが可能となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、第２端子接続孔４２の形成位置を変えた例である。図８、図９に示すごとく、本例では、実施例１と比較して、第２端子接続孔４２の位置をずらして形成している。より詳しくは、図９に示すごとく、第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２は所定間隔をおいて平行配置され、これら第１高電圧端子１１および第２高電圧端子１２の一端が電力用半導体素子２ａ，２ｂとの接続部５１（図８（Ｃ）参照），５２とされ、第１端子接続孔４１は、第１高電圧端子１１の接続部５１から第１の距離Ｌ１をおいた位置に形成され、第２端子接続孔４２は、第２高電圧端子１２の接続部５２から、第１の距離Ｌ１よりも短い第２の距離Ｌ２をおいた位置に形成されている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

実施例３の作用効果につき説明する。
上記構成によると、図９に示すごとく、第２接続端子４２を第１接続端子４１の真横に形成した場合（図９に点線で示す）と比較して、第１接続端子４１と、第２接続端子４２との最短距離ｄ４を長くすることができる。これにより、第１高電圧端子１１と第２高電圧端子１２との沿面距離をさらに長くすることができる。そのため、電力用半導体モジュール１を一層、小型化することが可能となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、端子接続孔の数を増やした例である。図１０に示すごとく、本例では第１端子接続孔４１と、第２端子接続孔４２と、第３端子接続孔４３との３個の端子接続孔を備える。図１０の電力用半導体モジュール１は、実施例１の電力用半導体モジュールを２個接続して１個の部品にしたものである。すなわち、図１０の電力用半導体モジュール１は、２個のＩＧＢＴ（図６参照）と、２個のフリーホイールダイオードを１個の封止部材３中に封止している。例えば、第１高電圧端子１１と第２高電圧端子１２とを直流入力端子とし、第３高電圧端子１３を交流出力端子とすることができる。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

次に、実施例４の作用効果につき説明する。
多くの電力用半導体素子２を内蔵すると、電力用半導体モジュール１のサイズが大きくなりがちだが、図１０の構成にすることにより、高電圧端子１１〜１３間の沿面距離を長くすることができるため、これらの高電圧端子１１〜１３を接近して配置することが可能となる。これにより、電力用半導体モジュール１の全体のサイズを小さくしやすくなる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、電力用半導体モジュールの（Ａ）平面図（Ｂ）図１（Ａ）のｂ−ｂ断面図（Ｃ）図１（Ａ）のａ−ａ断面図。 図１（Ｂ）のｄ−ｄ断面図。 図１（Ａ）のｃ−ｃ断面図。 図１（Ｂ）の拡大図。 実施例１における、電力用半導体モジュールを用いた電力変換装置の例。 図５の電力変換装置の回路図。 実施例２における、電力用半導体モジュールの（Ａ）平面図（Ｂ）図７（Ａ）のｂ−ｂ断面図（Ｃ）図７（Ａ）のａ−ａ断面図。 実施例３における、電力用半導体モジュールの（Ａ）平面図（Ｂ）図８（Ａ）のｂ−ｂ断面図（Ｃ）図８（Ａ）のａ−ａ断面図。 図８（Ｂ）のｃ−ｃ断面図。 実施例４における、電力用半導体モジュールの（Ａ）平面図（Ｂ）図１０（Ａ）のｂ−ｂ断面図（Ｃ）図１０（Ａ）のａ−ａ断面図。 従来例における、電力用半導体モジュールの（Ａ）平面図（Ｂ）図１１（Ａ）のｂ−ｂ矢視図（Ｃ）図１１（Ａ）のａ−ａ断面図。

符号の説明

１ 電力用半導体モジュール
１１ 第１高電圧端子
１１ａ （第１高電圧端子の）露出面
１２ 第２高電圧端子
１２ａ （第２高電圧端子の）露出面
２ 電力用半導体素子
３ 封止部材
３０ （封止部材の）表面
５ 凸部
６ 電力変換装置

Claims (4)

1. 電力用半導体素子と、
   該電力用半導体素子に接続され、所定間隔をおいて隣接配置された第１高電圧端子および第２高電圧端子と、
   絶縁材料からなる封止部材と、
   を備え、上記電力用半導体素子は上記封止部材中に封止され、
   上記第１高電圧端子および第２高電圧端子は、その表面のうち、予め定められた端子接続用の露出面を除いた部分が上記絶縁材料に被覆されるように、上記封止部材中に封止され、
   該封止部材には、第１端子接続孔が形成され、上記封止部材の表面から上記第１端子接続孔内における所定深さ位置にて上記第１高電圧端子の上記露出面が露出するとともに、上記封止部材に第２端子接続孔が形成され、該封止部材の表面から上記第２端子接続孔内における所定深さ位置にて上記第２高電圧端子の上記露出面が露出するよう構成されていることを特徴とする電力用半導体モジュール。
2. 請求項１において、上記第１端子接続孔および上記第２端子接続孔は隣接して上記封止部材の表面に開口し、上記第１端子接続孔の開口部と、上記第２端子接続孔の開口部との間に、上記封止部材の表面から突出する形状の凸部が形成されていることを特徴とする電力用半導体モジュール。
3. 請求項１または請求項２において、上記第１高電圧端子および上記第２高電圧端子は所定間隔をおいて平行配置され、これら上記第１高電圧端子および第２高電圧端子の一端が上記電力用半導体素子との接続部とされ、上記第１端子接続孔は、上記第１高電圧端子の上記接続部から第１の距離をおいた位置に形成され、上記第２端子接続孔は、上記第２高電圧端子の上記接続部から、上記第１の距離よりも短い第２の距離をおいた位置に形成されていることを特徴とする電力用半導体モジュール。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、車両に搭載された直流電源を交流に変換する電力変換装置に用いられることを特徴とする電力用半導体モジュール。

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