JP2013247192A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電子部品と複数の出力端子を備えていても平面的な面積を小さく抑えることができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】パワーモジュールが、パワー半導体５を含む複数のパワー半導体基板１と、パワー半導体基板１の制御回路を構成する電子部品６を含む制御回路基板２と、導電性を有するバスバー４を含むバスバー構造体３とを有している。バスバー構造体３が、各パワー半導体基板１と制御回路基板２をそれぞれ平面的に重なり合うように保持し、バスバー４が、各パワー半導体基板１と制御回路基板２をそれぞれ電気的に接続している。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のパワー半導体を含むパワーモジュールに関する。

近年、電子機器の高性能化および小型化の要求に伴い、半導体等の電子部品の高密度化と高機能化が要求されている。この要求に対応するために、各種の電子部品が実装された回路基板の小型化および高密度化が求められている。その結果、小型化および高密度化のために、スイッチング素子等のパワー半導体とその制御回路を一体化し、なおかつ放熱性を向上させたモジュールの開発が求められている。

特許文献１には、パワー半導体が実装されたリードフレームと、パワー半導体の制御回路を構成する電子部品が高密度に配置された制御回路基板（プリント配線基板）とが、金属板上に絶縁樹脂を介して搭載された実装構造が開示されている。この実装構造では、金属板の放熱効果によってパワー半導体からの熱を逃がしている。

特許文献２には、パワー半導体に相当するパワーモジュールが搭載された下層制御基板と、パワー半導体の周辺回路を構成する電子部品が搭載された上層制御基板とがねじ止めされた構成が開示されている。

特許文献３には、一方の面に複数のパワー半導体（単位素子）が実装された基板が中空のケース内に挿入され、さらに、このケース内の、パワー半導体基板の上方の位置に、制御回路基板が配置された構成が開示されている。

特開２０１１−１０８９２４号公報 特開２００３−２６４３５４号公報 特開２００８−０１０６１７号公報

特許文献１に記載の発明を利用して、複数のパワー半導体と複数の出力端子を備えているパワーモジュールを構成する場合には、図１２に示すように、金属板２１の表面上に、多数の電子部品２２を含むプリント配線基板２３と、複数のパワー半導体２４と、リードフレーム２５とを２次元に配置するため、金属板２１の表面に広い実装領域が必要であり、平面的に見て非常に大きな面積が必要である。

特許文献２，３に記載の構成では、パワー半導体を含む基板（パワー半導体基板）と制御回路を構成する電子部品を含む基板（制御回路基板）とを平面的に重なり合うように配置しているため、平面的な面積を小さくすることができる。しかし、パワー半導体基板が複数のパワー半導体と出力端子を有しているため、小面積化には限界がある。また、パワー半導体基板と制御回路基板とを保持するための特別の部材（特許文献２のねじや特許文献３のケース等）が必要であるため、部品点数の増加とそれに伴う高コスト化が避けられない。

そこで本発明の目的は、前記した問題点を解決して、複数の電子部品と複数の出力端子を備えていても平面的な面積をより小さく抑えることができ、部品点数の増加や高コスト化を抑制できるパワーモジュールを提供することにある。

本発明のパワーモジュールは、パワー半導体を含む複数のパワー半導体基板と、パワー半導体基板の制御回路を構成する電子部品を含む制御回路基板と、導電性を有するバスバーを含むバスバー構造体とを有している。バスバー構造体が、各パワー半導体基板と制御回路基板をそれぞれ平面的に重なり合うように保持し、バスバーが、各パワー半導体基板と制御回路基板をそれぞれ電気的に接続している。

本発明によると、平面的な面積が小さい小型のパワーモジュールが得られる。しかも、電気的接続のために用いられるバスバー構造体を各基板の保持に利用しているため、部品点数をあまり増加させる必要がなく、コストの上昇が低く抑えられる。

本発明の一実施形態のパワーモジュールを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図１のＣ−Ｃ線断面図である。 図１に示すパワーモジュールのパワー半導体基板の正面図である。 図５に示すパワー半導体基板の平面図である。 図１に示すパワーモジュールの制御回路基板の平面図である。 図１に示すパワーモジュールのバスバー構造体の平面図である。 図８に示すバスバー構造体に含まれているバスバーの一例を示す斜視図である。 図９に示すバスバー構造体に含まれているバスバーの他の例を示す斜視図である。 図１に示すパワーモジュールの、バスバー構造体の樹脂を省略して電気的接続状態を示す正面図である。 関連技術のパワーモジュールを示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１〜４に本発明の第１の実施形態のパワーモジュールが示されている。図１はパワーモジュールの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４は図１のＣ−Ｃ線断面図である。このパワーモジュールは、パワー半導体を備えた複数のパワー半導体基板１と、パワー半導体の制御回路を構成する様々な電子部品を備えた制御回路基板２と、パワー半導体基板１および制御回路基板２を保持するとともに電気的に接続するバスバー構造体３を有している。

本実施形態では、２つのパワー半導体基板１が平面的に重なり合うように配置され、さらに、それらのパワー半導体基板１とさらに平面的に重なり合うように制御回路基板２が配置されている。そして、バスバー構造体３に設けられている保持部３ａが、各パワー半導体基板１および制御回路基板２の外周縁の一部をそれぞれ保持することによって、各パワー半導体基板１および制御回路基板２は互いに間隔を置いて実質的に平行に保持されている。さらに、バスバー構造体３内のバスバー４が、各パワー半導体基板１および制御回路基板２の接続端子にそれぞれ接続されており、各パワー半導体基板１のパワー半導体５と制御回路基板２の電子部品６がバスバー４を介して電気的に接続されている。

このパワーモジュールの各部材の構成について説明する。パワー半導体基板１は、図５，６に示すように、金属板７上に絶縁材（絶縁樹脂からなる接着剤）８によってリードフレーム９が固定されている。そして、リードフレーム９に、複数のパワー半導体（電子部品）５が実装され、その端子５ａがはんだ１０によって他のリードフレーム９に固定されている。リードフレーム９は、大電流が流れる幅広い配線部９ａと、制御回路基板２からの制御信号をパワー半導体５に伝えるための幅の細い配線部９ｂとを有するようにパターニングされている。本実施形態のパワー半導体５は、ベアチップではなくパッケージ化されたものである。リードフレーム９の一部（本実施形態では幅広い配線部９ａ）は、外部へ延出した出力端子になっている。

制御回路基板２は、図７に示すように、プリント基板１１上に、パワー半導体５を制御するための制御回路（マイクロコンピュータやその周辺回路）を構成する種々の電子部品６が実装されたものである。プリント基板１１上には、パワー半導体基板１と接続するための接続用端子１３が設けられている。

図８に示すバスバー構造体３は、図９，１０に示されている金属配線材（バスバー）４が樹脂１２で包囲（モールド）されたものである。バスバー構造体３の内部には複数のバスバー４が含まれており、図９に示されているバスバー４は図１のＣ−Ｃ線断面（図４）に表れ、図１０に示されているバスバー４は図１のＡ−Ａ線断面（図２）に表れている。

図５，６に示す２つのパワー半導体基板１と、図７に示す制御回路基板２を、図８〜１０に示すバスバー構造体３のバスバー４によって電気的に接続している状態が、図１１に示されている。すなわち、制御回路基板２のプリント基板１１の接続用端子１３と上側のパワー半導体基板１のリードフレーム９とが、短いバスバー４（図４，９参照）によって接続され、他の接続用端子１３と下側のパワー半導体基板１のリードフレーム９とが、長いバスバー４（図２，１０参照）によって接続されている。バスバー４と接続用端子１３やリードフレーム９との接続および固定は、はんだ１０やスポット溶接等によって行われる。そして、図２〜４に示すように、バスバー４を包囲している樹脂１２が、制御回路基板２および各パワー半導体基板１をそれぞれ把持または支持可能な保持部３ａを有しているため、制御回路基板２および各パワー半導体基板１は互いに間隔をおいて実質的に平行に保持されている。

本実施形態のパワーモジュールの平面図を示す図１を、関連技術の平面図を示す図１２と対比すると明らかなように、本実施形態によると、多数のパワー半導体５および電子部品６を含み、さらに複数の出力端子（リードフレーム９ａ）を含む構成が、平面的に見て非常に小さな面積で構成できる。特に、複数のパワー半導体基板１を設け、多数のパワー半導体５および出力端子（リードフレーム９ａ）を複数のグループに分けて、上下に（平面的に重なり合うように）配置することによって、大幅な小面積化が可能である。本実施形態では、２つのパワー半導体基板１を設け、パワー半導体５および出力端子を２つのグループに分けているが、３つ以上のパワー半導体基板１を設けてもよい。また、各基板１，２に対して直交する方向に延びる回路基板を用いていないので、高さ方向の寸法も比較的小さく抑えられる。従って、パワーモジュールの小型化と高密度化を容易に両立できる。さらに、パワー半導体基板１と制御回路基板２の電気的接続のために用いられるバスバー４を含むバスバー構造体３を、パワー半導体基板１と制御回路基板２の保持のために利用しているので、部品点数を増やす必要がなく、比較的低コストで、パワーモジュールの小型化と高密度化が実現できる。

また、本実施形態によると、パワー半導体基板１のリードフレーム９が絶縁材８を介して金属板７に固定されているため、パワー半導体５が発した熱を、絶縁材８を介して金属板７に伝え、金属板７から外部に放熱することができ、パワーモジュールの温度上昇を抑制することができる。

１ パワー半導体基板
２ 制御回路基板
３ バスバー構造体
３ａ 保持部
４ バスバー
５ パワー半導体
６ 電子部品
７ 金属板
８ 絶縁材（絶縁樹脂からなる接着剤）
９ リードフレーム
１０ はんだ
１１ プリント基板
１２ 樹脂
１３ 接続用端子

Claims (5)

1. パワー半導体を含む複数のパワー半導体基板と、前記パワー半導体基板の制御回路を構成する電子部品を含む制御回路基板と、導電性を有するバスバーを含むバスバー構造体とを有し、前記バスバー構造体が、前記各パワー半導体基板と前記制御回路基板をそれぞれ平面的に重なり合うように保持し、前記バスバーが、前記各パワー半導体基板と前記制御回路基板をそれぞれ電気的に接続している、パワーモジュール。
2. 前記各パワー半導体基板と前記制御回路基板は、互いに間隔をおいて平行に配置されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記パワー半導体基板は、前記パワー半導体と、前記パワー半導体が実装されているリードフレームと、前記リードフレームが絶縁材を介して固定されている金属板とを含み、前記制御回路基板は、前記電子部品と、前記電子部品が実装されているプリント基板と、前記プリント基板に設けられている接続用端子とを含み、前記バスバーの一部が前記リードフレームに接続され他の一部が前記接続用端子に接続されている、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
4. 前記バスバー構造体は、複数の前記バスバーと、前記バスバーを包囲している樹脂とを含み、複数の前記バスバーの各々が、複数の前記パワー半導体基板のうちのいずれかの前記リードフレームと前記制御回路基板の前記接続用端子とを接続している、請求項３に記載のパワーモジュール。
5. 前記樹脂は、前記各パワー半導体基板および前記制御回路基板をそれぞれ保持する複数の保持部を有している、請求項４に記載のパワーモジュール。

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