JP2016100503A - Power module structure - Google Patents

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Yasuyuki Oi
靖之 大井
佐藤 豊
Yutaka Sato
豊 佐藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module structure which allows a frame body to be easily arranged on a circuit board to which semiconductor elements and the like are fixed and which reduces a space required for bonding of the semiconductor element and an external terminal to achieve downsizing.SOLUTION: A power module structure comprises: a circuit board 5; semiconductor elements (15a, 15b) mounted on the circuit board; a cooling metal member (heat spreader 13) which contacts one surface of each semiconductor element and electrically connected to terminals of the semiconductor elements; and a frame body 200 arranged on the outside of the circuit board and the cooling metal member. On the outside of the cooling metal member, an external terminal connection part 13C is integrally provided via a flexible metal part (standing part 13B), the external terminal connection part is provided capable of being shifted to the inside of an arrangement region of the frame body depending on deformation of the flexible metal part.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、パワーモジュール構造に関し、特に、筐体内部にパワーデバイスチップを配設し、パワーデバイスチップの電極を筐体が備える外部電極に接続したパワーモジュール構造に関する。   The present invention relates to a power module structure, and more particularly, to a power module structure in which a power device chip is disposed inside a casing, and electrodes of the power device chip are connected to external electrodes provided in the casing.

従来におけるパワーモジュールは、筐体(枠体)内の絶縁基板上に配設したパワーデバイスチップの電極と、筐体が備える外部電極とを、アルミワイヤ等を用いたワイヤボンディングによって接続した構成となっていた。   A conventional power module has a configuration in which an electrode of a power device chip disposed on an insulating substrate in a housing (frame) and an external electrode provided in the housing are connected by wire bonding using an aluminum wire or the like. It was.

このような構成のパワーモジュールに関する技術は種々提案されている(例えば特許文献1等)。   Various techniques relating to the power module having such a configuration have been proposed (for example, Patent Document 1).

特許文献1に係るパワーモジュールは、筐体(外囲ケース)の内部にパワーデバイスチップを配設し、パワーデバイスチップの電極を外囲ケースと一体となった外部電極に接続したパワーモジュールである。   The power module according to Patent Document 1 is a power module in which a power device chip is disposed inside a casing (enclosure case), and electrodes of the power device chip are connected to an external electrode integrated with the enclosure case. .

そして、外囲ケースの内部に固定された冷却器としてのヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの上にハンダ接合されたパワーデバイスチップと、ヒートスプレッダの上にパワーデバイスチップを囲んで形成された絶縁性のダムと、一端はパワーデバイスチップの電極とハンダ接合され、他端はダムの上面に固定された内部主電極とを備え、外部電極と内部主電極の他端は、ワイヤボンディングにより電気的に接続されている。   And a heat spreader as a cooler fixed inside the outer case, a power device chip soldered on the heat spreader, an insulating dam formed around the power device chip on the heat spreader, One end is solder-bonded to the electrode of the power device chip, the other end is provided with an internal main electrode fixed to the upper surface of the dam, and the other end of the external electrode and the internal main electrode is electrically connected by wire bonding. .

特開2013−219267号公報JP 2013-219267 A

ところで、上述のような従来のパワーモジュールでは、パワーデバイスチップと絶縁基板との間にヒートスプレッダを挟み、ワイヤボンディングにより筐体が備える外部電極に電気的に接続する構成となっているので、外部電極にワイヤボンディングによる接合を行うためのスペースが必要であった。そのため、このワイヤボンディング用のスペースがパワーモジュール自体の小型化の妨げとなるという問題があった。   By the way, in the conventional power module as described above, the heat spreader is sandwiched between the power device chip and the insulating substrate, and is electrically connected to the external electrode provided in the housing by wire bonding. In addition, a space for wire bonding is required. Therefore, there is a problem that this wire bonding space hinders miniaturization of the power module itself.

そこで、パワーデバイスチップと外部電極との接続をヒートスプレッダを介して行う構成が提案されている。   Thus, a configuration has been proposed in which the power device chip and the external electrode are connected via a heat spreader.

より具体的には、パワーデバイスチップの下面側または上面側に設けられるヒートスプレッダを外部電極の位置まで延設し、このヒートスプレッダを介してパワーデバイスチップと外部電極との電気的接続を行うようにした構成が提案されている。   More specifically, the heat spreader provided on the lower surface side or the upper surface side of the power device chip is extended to the position of the external electrode, and the power device chip and the external electrode are electrically connected through the heat spreader. A configuration is proposed.

ところが、上述のように外部電極の位置まで延設されたヒートスプレッダを備えるパワーデバイスチップを回路基板にハンダ接合あるいは超音波接合した状態では、筐体の一部を構成する枠体を回路基板に嵌め込むことができないという不都合があった。   However, in the state where the power device chip having the heat spreader extended to the position of the external electrode as described above is soldered or ultrasonically bonded to the circuit board, the frame constituting a part of the housing is fitted to the circuit board. There was an inconvenience that could not be included.

即ち、回路基板に対して枠体を上方から降下させて嵌め合わせする際に、ヒートスプレッダの端部が、外部電極を側壁の上部に備える枠体底部に当ってしまい嵌合を阻害してしまう。   That is, when the frame body is lowered from above and fitted to the circuit board, the end of the heat spreader hits the bottom of the frame body provided with the external electrodes on the side walls, thereby hindering the fitting.

したがって、上記構成では、回路基板に枠体を配置することができず、枠体と一体的に形成された外部電極とヒートスプレッダの端部とを接合することができないという重大な問題があった。   Therefore, in the above configuration, there is a serious problem that the frame cannot be disposed on the circuit board, and the external electrode formed integrally with the frame and the end of the heat spreader cannot be joined.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子等を固定した回路基板に枠体を容易に配置させることができると共に、半導体素子と外部端子との接合に要する空間を低減して小型化を図ることのできるパワーモジュール構造を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can easily arrange a frame body on a circuit board to which a semiconductor element or the like is fixed, and can reduce a space required for joining the semiconductor element and an external terminal. It is an object of the present invention to provide a power module structure that can be reduced in size.

上記目的を達成するため、本発明に係るパワーモジュール構造の第1の態様は、回路基板と、前記回路基板に実装される半導体素子と、前記半導体素子の一面に接触し、且つ、前記半導体素子の端子に電気的に接続された冷却用金属部材と、前記回路基板および前記冷却用金属部材の外側に配置された枠体とを備え、前記冷却用金属部材の外側には、可撓性金属部を介して外部端子接続部が一体に設けられ、前記外部端子接続部は、前記可撓性金属部の変形によって前記枠体の配置領域より内側に変移自在に設けられたことを備えることを要旨とする。   In order to achieve the above object, a first aspect of a power module structure according to the present invention includes a circuit board, a semiconductor element mounted on the circuit board, a surface of the semiconductor element, and the semiconductor element. A cooling metal member electrically connected to a terminal of the circuit board, and a frame body disposed outside the circuit board and the cooling metal member. A flexible metal is disposed outside the cooling metal member. An external terminal connection part is provided integrally through the part, and the external terminal connection part is provided so as to be displaceable inward from the arrangement region of the frame body by deformation of the flexible metal part. The gist.

本発明に係る第2の態様は、第1の態様に係るパワーモジュール構造において、前記枠体には、外部から延設される導電部材と接続可能なボルト締結用孔部が設けられ、前記外部端子接続部の前記ボルト締結用孔部に対応する位置にボルト孔が設けられていることを要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, in the power module structure according to the first aspect, the frame is provided with a bolt fastening hole that can be connected to a conductive member extending from the outside, and the external The gist is that a bolt hole is provided at a position corresponding to the bolt fastening hole of the terminal connecting portion.

本発明に係る第3の態様は、第1または第2の態様に係るパワーモジュール構造において、前記冷却用金属部材が備える前記可撓金属部は、導線を編み組みして形成される編組体で構成され、前記外部端子接続部は金属板で構成されることを要旨とする。   According to a third aspect of the present invention, in the power module structure according to the first or second aspect, the flexible metal part provided in the cooling metal member is a braided body formed by braiding a conducting wire. The gist of the invention is that the external terminal connecting portion is made of a metal plate.

本発明に係る第4の態様は、第1または第2の態様に係るパワーモジュール構造において、前記冷却用金属部材が備える前記可撓金属部および前記外部端子接続部は、導線を編み組みして形成される編組体で構成されることを要旨とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the power module structure according to the first or second aspect, the flexible metal part and the external terminal connection part included in the cooling metal member are braided wires. The gist is that it is composed of a formed braided body.

本発明に係る第5の態様は、第4の態様に係るパワーモジュール構造において、前記編組体で構成される外部端子接続部には、予めハンダが浸透されていることを要旨とする。   The fifth aspect according to the present invention is summarized in that, in the power module structure according to the fourth aspect, solder is infiltrated in advance into the external terminal connection portion configured by the braided body.

第1の態様に係るパワーモジュール構造によれば、枠体を回路基板に配置させる際に、冷却用金属部材の外部端子接続部が枠体の降下を妨げることがなく、半導体素子等をハンダ付け等で固定した回路基板に対して枠体を容易に配置させることができる。   According to the power module structure according to the first aspect, when arranging the frame body on the circuit board, the external terminal connection portion of the cooling metal member does not prevent the frame body from being lowered, and the semiconductor element is soldered. The frame body can be easily arranged on the circuit board fixed by, for example.

また、従来のようにワイヤボンディングを行うためのスペースが不要であり、パワーモジュールの小型化を図ることができる。   Further, a space for wire bonding as in the prior art is not required, and the power module can be miniaturized.

第2の態様に係るパワーモジュール構造によれば、冷却用金属部材のボルト孔を介してボルトを締結するだけで、半導体素子の端子と外部端子とを容易に電気的に接合することができる。   According to the power module structure according to the second aspect, the terminal of the semiconductor element and the external terminal can be easily electrically joined simply by fastening the bolt through the bolt hole of the cooling metal member.

第3の態様に係るパワーモジュール構造によれば、冷却用金属部材が備える可撓金属部は、導線を編み組みして形成される編組体で構成され、外部端子接続部は金属板で構成されるので、簡易な構成で可撓金属部を構成でき、且つ、外部端子接続部を介してボルトによる締結を確実に行うことができる。   According to the power module structure according to the third aspect, the flexible metal portion included in the cooling metal member is configured by a braided body formed by braiding a conducting wire, and the external terminal connection portion is configured by a metal plate. Therefore, a flexible metal part can be comprised with a simple structure, and fastening with a volt | bolt can be reliably performed via an external terminal connection part.

第4の態様に係るパワーモジュール構造によれば、冷却用金属部材が備える可撓金属部および外部端子接続部は、導線を編み組みして形成される編組体で構成されるので、簡易な構成とすることができ、コストを低減することができる。   According to the power module structure according to the fourth aspect, since the flexible metal portion and the external terminal connection portion provided in the cooling metal member are configured by a braided body formed by braiding the conductive wire, a simple configuration The cost can be reduced.

第5の態様に係るパワーモジュール構造によれば、編組体で構成される外部端子接続部には、予めハンダが浸透されているので、編組体の強度を高めることができ、ボルトによる締結をより確実に行うことができる。   According to the power module structure according to the fifth aspect, since the solder is preliminarily permeated into the external terminal connecting portion constituted by the braided body, the strength of the braided body can be increased, and the fastening by the bolt is more performed. It can be done reliably.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成を示す分解斜視図(a)および要部の断面図(b)である。They are an exploded perspective view (a) which shows the basic composition of the power module structure concerning a 1st embodiment, and a sectional view (b) of an important section. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成を用いたパワーモジュールの構成例を示す図であって、基本姿態を示す側方断面図(a)、基本姿態から可撓金属部を介して冷却用金属部材の外部端子接続部を変移させる状態を示す説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structural example of the power module using the basic composition of the power module structure which concerns on 1st Embodiment, Comprising: Side sectional drawing (a) which shows a basic figure, A flexible metal part is passed through from a basic figure. It is explanatory drawing which shows the state which changes the external terminal connection part of the metal member for cooling. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成を用いたパワーモジュールの製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing process of the power module using the basic composition of the power module structure which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成を示す分解斜視図(a)および要部の断面図(b)である。It is a disassembled perspective view (a) which shows the basic composition of the power module structure concerning 2nd Embodiment, and sectional drawing (b) of the principal part. 第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成を示す分解斜視図(a)および要部の断面図(b)である。It is the disassembled perspective view (a) which shows the basic composition of the power module structure concerning 3rd Embodiment, and sectional drawing (b) of the principal part. 比較例に係るパワーモジュールの構成を示す側方断面図である。It is side sectional drawing which shows the structure of the power module which concerns on a comparative example. 他の比較例に係るパワーモジュールの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the power module which concerns on another comparative example. 他の比較例に係るパワーモジュール構造の基本構成を示す分解斜視図(a)、そのパワーモジュール構造を適用したパワーモジュールの製造工程の一部を示す説明図である。It is an exploded perspective view (a) which shows the basic composition of the power module structure concerning other comparative examples, and explanatory drawing which shows a part of manufacturing process of the power module to which the power module structure is applied.

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。   Hereinafter, an embodiment as an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, in the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same members, and duplicate descriptions are omitted. In addition, since description here is the best form by which this invention is implemented, this invention is not limited to the said form.

[第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造]
図1および図2を参照して、第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成1Aおよび当該基本構成を適用したパワーモジュールP1の構成例について説明する。
[Power Module Structure According to First Embodiment]
A basic configuration 1A of the power module structure according to the first embodiment and a configuration example of a power module P1 to which the basic configuration is applied will be described with reference to FIG. 1 and FIG.

図1(a)は、第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Aの基本構成を示す分解斜視図、図1(b)は、要部であるヒートスプレッダ13の断面図である。   FIG. 1A is an exploded perspective view showing a basic configuration of a power module structure 1A according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view of a heat spreader 13 as a main part.

第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成1Aは、図1(a)に示すように、ケースの一部を構成する枠体200まで延設された冷却器としてのヒートスプレッダ13を備えている。なお、ケースおよび枠体200は樹脂で成形される。   As shown in FIG. 1A, the basic configuration 1A of the power module structure according to the first embodiment includes a heat spreader 13 as a cooler that extends to a frame body 200 that constitutes a part of the case. ing. The case and the frame body 200 are molded from resin.

パワーモジュール構造の基本構成1Aは、半導体素子15a、15bと、半導体素子15a、15bが実装される絶縁基板10と、半導体素子15a、15bを冷却する冷却器としてのヒートスプレッダ13と、絶縁基板10の側方(実際には、図2に示す回路基板5の側方)を囲繞するように配置される枠体200とを備えている。   The basic configuration 1A of the power module structure includes semiconductor elements 15a and 15b, an insulating substrate 10 on which the semiconductor elements 15a and 15b are mounted, a heat spreader 13 as a cooler for cooling the semiconductor elements 15a and 15b, and an insulating substrate 10 And a frame body 200 arranged so as to surround the side (actually, the side of the circuit board 5 shown in FIG. 2).

そして、冷却器としてのヒートスプレッダ13は、半導体素子15a、15bの上面および下面の少なくとも一方(図1に示す例では、半導体素子15a、15bの下面)の端子に電気的に接合された銅やアルミニウム等から成る短冊状の冷却用金属部材で構成されている。   The heat spreader 13 as a cooler is made of copper or aluminum that is electrically bonded to terminals of at least one of the upper and lower surfaces of the semiconductor elements 15a and 15b (in the example shown in FIG. 1, the lower surfaces of the semiconductor elements 15a and 15b). It is comprised by the strip-shaped metal member for cooling consisting of etc.

冷却用金属部材13は、平板部13Aと、枠体200に沿って起立する起立部13Bと、枠体200の上部に設けられる接合部としての外部端子(図示せず)と電気的に接続される外部端子接続部13Cとから構成されている。   The cooling metal member 13 is electrically connected to the flat plate portion 13 </ b> A, an upright portion 13 </ b> B that rises along the frame body 200, and an external terminal (not shown) as a joint provided on the upper portion of the frame body 200. And an external terminal connecting portion 13C.

ここで、ヒートスプレッダ13の起立部13Bは、枠体200を絶縁基板10に配置させる際に、この枠体200との当接を避けるように撓み変形可能な可撓金属部で構成されている。   Here, the standing portion 13 </ b> B of the heat spreader 13 is configured by a flexible metal portion that can be bent and deformed so as to avoid contact with the frame body 200 when the frame body 200 is disposed on the insulating substrate 10.

なお、上述のように枠体200の上部は、当該枠体200が絶縁基板10に配置された状態で、ヒートスプレッダ13の外部端子接続部13Cと外部端子とを電気的に接合する接合部を備えている。   As described above, the upper portion of the frame body 200 includes a joint portion that electrically joins the external terminal connection portion 13C of the heat spreader 13 and the external terminal in a state where the frame body 200 is disposed on the insulating substrate 10. ing.

本実施の形態において、接合部は、外部から延設される導電部材(図示せず)と接続可能なボルト締結用孔部250(後述の図3(ニ)参照)で構成されている。   In the present embodiment, the joint portion is configured by a bolt fastening hole portion 250 (see FIG. 3D described later) that can be connected to a conductive member (not shown) extending from the outside.

また、ヒートスプレッダ13が備える可撓金属部(起立部)13Bは、銅などで形成された導線を編み組みして形成され柔軟性(可撓性)を有する編組体で構成されている。   Moreover, the flexible metal part (standing part) 13B with which the heat spreader 13 is provided is formed of a braided body that is formed by braiding a conductive wire made of copper or the like and has flexibility (flexibility).

また、本実施の形態では、ボルト締結用孔部に対応する外部端子接続部13Cは金属板で構成され、ボルト17を挿通するボルト孔50が形成されている。   In the present embodiment, the external terminal connection portion 13C corresponding to the bolt fastening hole portion is formed of a metal plate, and the bolt hole 50 through which the bolt 17 is inserted is formed.

これにより、枠体200を回路基板5(図2等参照)に配置させる際に、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13の外部端子接続部13Cを可撓性を有する起立部13Bを介して撓ませることができるので、枠体200の降下を妨げることがなく、半導体素子15a、15b等をハンダ付け等で固定した回路基板5に対して枠体200を容易に配置させることができる。枠体200を配置させる手順等については、図3を参照して後述する。   Thus, when the frame body 200 is disposed on the circuit board 5 (see FIG. 2 and the like), the external terminal connection portion 13C of the heat spreader (cooling metal member) 13 is bent through the flexible upright portion 13B. Therefore, the frame body 200 can be easily arranged on the circuit board 5 to which the semiconductor elements 15a, 15b and the like are fixed by soldering without hindering the lowering of the frame body 200. The procedure for arranging the frame 200 will be described later with reference to FIG.

また、枠体200の上部には、枠体200が回路基板5に配置された状態で、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13の外部端子接続部13Cと外部端子とを電気的に接合する接合部を備えているので、従来のようにワイヤボンディングを行うためのスペースが不要であり、パワーモジュールの小型化を図ることができる。   Further, at the upper portion of the frame body 200, a joint portion that electrically joins the external terminal connection portion 13 </ b> C and the external terminal of the heat spreader (cooling metal member) 13 with the frame body 200 disposed on the circuit board 5. Therefore, a space for wire bonding as in the prior art is unnecessary, and the power module can be downsized.

なお、パワーモジュール構造の基本構成1Aの詳細構造は図1(a)に示す通りである。   The detailed structure of the basic configuration 1A of the power module structure is as shown in FIG.

即ち、絶縁基板10上には、回路パターン等を形成する金属パターン11が設けられ、金属パターン11上には、はんだ接合部12を介してヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13が設けられている。   That is, a metal pattern 11 for forming a circuit pattern or the like is provided on the insulating substrate 10, and a heat spreader (cooling metal member) 13 is provided on the metal pattern 11 via a solder joint 12.

そして、ヒートスプレッダ13の平板部13A上には、はんだ接合部14a、14bを介して半導体素子15a、15bとしてパワーデバイスチップが接合された構成となっている。   And it has the structure by which the power device chip | tip was joined on the flat plate part 13A of the heat spreader 13 as the semiconductor elements 15a and 15b via the solder joint part 14a and 14b.

また、図1(b)に示すように、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13が備える平板部13Aと外部端子接続部13Cとは、編組体で構成される起立部13Bの端部13Ba、13Bbを介して接合されている。なお、端部13Ba、13Bbを介した接合は、溶接やハンダ付け等により行うことができる。   Further, as shown in FIG. 1B, the flat plate portion 13A and the external terminal connection portion 13C included in the heat spreader (cooling metal member) 13 include end portions 13Ba and 13Bb of an upright portion 13B formed of a braided body. Are joined through. The joining via the end portions 13Ba and 13Bb can be performed by welding, soldering, or the like.

次に、図2を参照して、第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Aの基本構成を用いたパワーモジュールP1の構成例について説明する。   Next, a configuration example of the power module P1 using the basic configuration of the power module structure 1A according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

図2(a)は、パワーモジュールP1の基本姿態を示す側方断面図、図2(b)は、基本姿態から可撓金属部13Bを介して冷却用金属部材13の外部端子接続部13Cを変移させる状態を示す説明図である。   FIG. 2A is a side sectional view showing the basic form of the power module P1, and FIG. 2B shows the external terminal connection portion 13C of the cooling metal member 13 from the basic form through the flexible metal part 13B. It is explanatory drawing which shows the state made to change.

図2(a)に示すパワーモジュールP1は、図1(a)に示すような構成の一対のヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13、23を備えている。   The power module P1 shown in FIG. 2A includes a pair of heat spreaders (cooling metal members) 13 and 23 configured as shown in FIG.

より具体的には、銅、アルミニウム等の金属材料もしくはAlSiC等の複合材料で構成される回路基板(ベース板)5の上に、両面に所定の金属パターン7、11を電気メッキやエッチング等によって形成したセラミック製の絶縁基板10が、ハンダ接合部6を介して設けられている。   More specifically, predetermined metal patterns 7 and 11 are formed on both surfaces of a circuit board (base plate) 5 made of a metal material such as copper or aluminum or a composite material such as AlSiC by electroplating or etching. The formed ceramic insulating substrate 10 is provided via the solder joint 6.

そして、金属パターン11上には、ハンダ接合部12を介してヒートスプレッダ13が設けられている。   A heat spreader 13 is provided on the metal pattern 11 via a solder joint 12.

ヒートスプレッダ13の平板部13A上には、ハンダ接合部6を介して半導体素子15a、15bとしてパワーデバイスチップが接合されている。   On the flat plate portion 13 </ b> A of the heat spreader 13, power device chips are bonded as the semiconductor elements 15 a and 15 b via the solder bonding portion 6.

また、半導体素子15a、15bの上面には、ハンダ接合部16a、16bを介してヒートスプレッダ(冷却用金属部材)23が設けられている。   A heat spreader (cooling metal member) 23 is provided on the upper surfaces of the semiconductor elements 15a and 15b via solder joints 16a and 16b.

なお、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)23は、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13と略同様の構成を備えている。   The heat spreader (cooling metal member) 23 has substantially the same configuration as the heat spreader (cooling metal member) 13.

このような構成により、パワーモジュールP1は、図2(b)に示すように、図2(a)の基本姿態から可撓金属部13B、23Bを介してヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13、23の外部端子接続部13C、23Cを矢印D1、D2で示す方向に変移させることができる。   With such a configuration, as shown in FIG. 2B, the power module P1 has the heat spreaders (cooling metal members) 13 and 23 through the flexible metal portions 13B and 23B from the basic state shown in FIG. The external terminal connection portions 13C and 23C can be shifted in the directions indicated by arrows D1 and D2.

これにより、枠体200を回路基板5に配置させる際に、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13、23の外部端子接続部13C、23Cを可撓性を有する起立部13B、23Cを介して矢印D1、D2方向に撓ませることができ、枠体200の降下を妨げることがなく、半導体素子15a、15b等をハンダ付け等で固定した回路基板5に対して枠体200を容易に配置させることができる。   Thus, when the frame body 200 is disposed on the circuit board 5, the external terminal connection portions 13C and 23C of the heat spreaders (cooling metal members) 13 and 23 are connected to the arrow D1 via the flexible standing portions 13B and 23C. The frame body 200 can be easily bent with respect to the circuit board 5 to which the semiconductor elements 15a, 15b and the like are fixed by soldering or the like without being hindered from descending the frame body 200. it can.

[パワーモジュールの製造方法]
図3を参照して、第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成1Aを用いたパワーモジュールP1の製造方法について説明する。
[Power Module Manufacturing Method]
With reference to FIG. 3, a method for manufacturing power module P1 using basic configuration 1A of the power module structure according to the first embodiment will be described.

図3(イ)〜(ニ)は、パワーモジュールP1の製造工程を示す工程図である。   3A to 3D are process diagrams showing the manufacturing process of the power module P1.

まず、図3(イ)に示すように、可撓金属部13B、23Bを介してヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13、23の外部端子接続部13C、23Cを上方に変移させた状態で、枠体200を回路基板5に向けて矢印D3方向に降下させる。   First, as shown in FIG. 3 (a), the external terminal connection portions 13C and 23C of the heat spreaders (cooling metal members) 13 and 23 are shifted upward via the flexible metal portions 13B and 23B. The body 200 is lowered toward the circuit board 5 in the direction of the arrow D3.

この際に、外部端子接続部13C、23Cと枠体200は接触あるいは当接することが無いので、回路基板5に対して枠体200を容易に配置させることができる(図3(ロ)参照)。   At this time, since the external terminal connecting portions 13C and 23C and the frame body 200 do not contact or contact each other, the frame body 200 can be easily disposed on the circuit board 5 (see FIG. 3B). .

次いで、図3(ハ)に示すように、可撓金属部13B、23Bを介してヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13、23の外部端子接続部13C、23Cを下方(矢印D4方向)に変移させて、枠体200の上面に外部端子接続部13C、23Cを当接させる。   Next, as shown in FIG. 3C, the external terminal connection portions 13C and 23C of the heat spreaders (cooling metal members) 13 and 23 are shifted downward (in the direction of arrow D4) via the flexible metal portions 13B and 23B. Then, the external terminal connection portions 13C and 23C are brought into contact with the upper surface of the frame body 200.

そして、図3(ニ)に示すように、固定用のボルト17を外部端子接続部13C、23Cに形成されたボルト孔(図示省略)を介して枠体200の上方に形成されたボルト締結用孔部250に螺合させて固定する。   Then, as shown in FIG. 3 (d), the fixing bolt 17 is used for fastening bolts formed above the frame body 200 through bolt holes (not shown) formed in the external terminal connecting portions 13C and 23C. The hole 250 is screwed and fixed.

なお、図示は省略するが、接合部を構成するボルト締結用孔部250には、外部から延設される導電部材(バスバー等)が連結される。   In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the electrically-conductive member (bus bar etc.) extended from the outside is connected with the hole 250 for bolt fastening which comprises a junction part.

このように、第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成1Aを用いたパワーモジュールP1によれば、枠体200を回路基板5に配置させる際に、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13の外部端子接続部13Cを可撓性を有する起立部13Bを介して撓ませることができ、枠体200の降下を妨げることがなく、半導体素子15a、15b等をハンダ付け等で固定した回路基板5に対して枠体200を容易に配置させることができる。   Thus, according to the power module P1 using the basic configuration 1A of the power module structure according to the first embodiment, when the frame body 200 is arranged on the circuit board 5, the heat spreader (cooling metal member) 13 is provided. Circuit board in which the semiconductor element 15a, 15b, etc. are fixed by soldering or the like without interfering with the descent of the frame body 200. The frame body 200 can be easily arranged with respect to 5.

また、枠体200の上部には、枠体200が回路基板5に配置された状態で、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)13の外部端子接続部13Cと外部端子とを電気的に接合する接合部(ボルト締結用孔部250等)を備えているので、従来のようにワイヤボンディングを行うためのスペースが不要であり、パワーモジュールP1自体の小型化を図ることができる。   Further, at the upper portion of the frame body 200, a joint portion that electrically joins the external terminal connection portion 13 </ b> C and the external terminal of the heat spreader (cooling metal member) 13 with the frame body 200 disposed on the circuit board 5. Since it includes the bolt fastening holes 250 and the like, a space for wire bonding as in the prior art is unnecessary, and the power module P1 itself can be downsized.

また、比較的簡易な構成で可撓金属部(起立部)13Bを構成でき、且つ、外部端子接続部13Cを構成する冷却用金属部材を介してボルト17による締結を確実に行うことができる。   In addition, the flexible metal portion (standing portion) 13B can be configured with a relatively simple configuration, and the fastening with the bolts 17 can be reliably performed via the cooling metal member that configures the external terminal connection portion 13C.

[第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造]
図4を参照して、第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成1Cの構成例について説明する。
[Power Module Structure According to Second Embodiment]
With reference to FIG. 4, a configuration example of the basic configuration 1C of the power module structure according to the second embodiment will be described.

図4(a)は、第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Cの基本構成を示す分解斜視図、図4(b)は、要部(ヒートスプレッダ103)の断面図である。   FIG. 4A is an exploded perspective view showing a basic configuration of a power module structure 1C according to the second embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view of a main part (heat spreader 103).

なお、第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Cにおいて、上述の第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造1A(図1参照)と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は割愛する。   In addition, in the power module structure 1C according to the second embodiment, the same configurations as those of the power module structure 1A according to the first embodiment described above (see FIG. 1) are denoted by the same reference numerals and duplicated. I will omit the explanation.

第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Cが、第1の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Aと異なる点は、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)103の構成である。   The power module structure 1C according to the second embodiment is different from the power module structure 1A according to the first embodiment in the configuration of the heat spreader (cooling metal member) 103.

より具体的には、ヒートスプレッダ103は、平板部103Aと、枠体200に沿って起立する起立部103Bと、枠体200の上部に設けられる接合部としての外部端子(図示せず)と電気的に接続される外部端子接続部103Cとから構成されており、起立部103Bと外部端子接続部103Cは、銅などで形成された導線を編み組みして形成され柔軟性(可撓性)を有する編組体で構成されている。   More specifically, the heat spreader 103 is electrically connected to a flat plate portion 103 </ b> A, an upright portion 103 </ b> B standing along the frame body 200, and an external terminal (not shown) as a joint provided on the upper portion of the frame body 200. The upright portion 103B and the external terminal connection portion 103C are formed by braiding a conductive wire made of copper or the like and have flexibility (flexibility). It consists of a braided body.

また、図4(b)に示すように、起立部103Bと外部端子接続部103Cは、編組体により一体的に形成されている。   Moreover, as shown in FIG.4 (b), the standing part 103B and the external terminal connection part 103C are integrally formed by the braided body.

そして、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)103が備える平板部13Aと、起立部103Bとは、編組体で構成される起立部103Bの端部103Baを介して接合されている。なお、端部103Baを介した接合は、溶接やハンダ付け等により行うことができる。   And the flat plate part 13A with which the heat spreader (cooling metal member) 103 is provided and the upright part 103B are joined via the end part 103Ba of the upright part 103B formed of a braided body. The joining via the end portion 103Ba can be performed by welding, soldering, or the like.

このように、第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Cによれば、ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)103が備える可撓金属部(起立部)103Bおよびボルト締結用孔部に対応する部位である外部端子接続部103Cは、導線を編み組みして形成される編組体で構成されているので、簡易な構成とすることができ、コストを低減することができる。   Thus, according to the power module structure 1C according to the second embodiment, the heat spreader (cooling metal member) 103 includes the flexible metal portion (standing portion) 103B and the portion corresponding to the bolt fastening hole. Since some external terminal connection part 103C is comprised by the braided body formed by braiding conducting wire, it can be set as a simple structure and can reduce cost.

[第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造]
図5を参照して、第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造の基本構成1Dの構成例について説明する。
[Power Module Structure According to Third Embodiment]
With reference to FIG. 5, a configuration example of the basic configuration 1D of the power module structure according to the third embodiment will be described.

図5(a)は、第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Dの基本構成を示す分解斜視図、図5(b)は、要部(ヒートスプレッダ103)の断面図である。   FIG. 5A is an exploded perspective view showing a basic configuration of a power module structure 1D according to the third embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view of a main part (heat spreader 103).

なお、第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Dにおいて、上述の第2の実施の形態に係るパワーモジュール構造1B(図4参照)と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は割愛する。   In addition, in the power module structure 1D according to the third embodiment, the same configurations as those of the power module structure 1B according to the second embodiment described above (see FIG. 4) are denoted by the same reference numerals and are duplicated. I will omit the explanation.

第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Dが、第3の実施の形態に係るパワーモジュール構造1Cと異なる点は、外部端子接続部103Dを構成する編組体にハンダを浸透させている点である。   The power module structure 1D according to the third embodiment is different from the power module structure 1C according to the third embodiment in that solder is infiltrated into the braided body constituting the external terminal connection portion 103D. is there.

これにより、外部端子接続部103Dを構成する編組体の強度を高めることができ、ボルト17による締結をより確実に行うことができる。   Thereby, the intensity | strength of the braided body which comprises external terminal connection part 103D can be raised, and the fastening by the volt | bolt 17 can be performed more reliably.

[比較例に係るパワーモジュール]
図6を参照して比較例に係るパワーモジュール500について簡単に説明する。
[Power module according to comparative example]
A power module 500 according to a comparative example will be briefly described with reference to FIG.

図6は、比較例に係るパワーモジュール500の構成を示す側方断面図である。   FIG. 6 is a side sectional view showing a configuration of a power module 500 according to a comparative example.

なお、上述の実施の形態に係るパワーモジュール構造1A〜1Dと同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。   In addition, about the structure similar to power module structure 1A-1D which concerns on the above-mentioned embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.

比較例に係るパワーモジュール500では、ヒートスプレッダ35上に形成されるダム32等から外部電極201、202への電気的接合をボンディングワイヤ31a〜31cによって行っている。   In the power module 500 according to the comparative example, electrical bonding from the dam 32 or the like formed on the heat spreader 35 to the external electrodes 201 and 202 is performed by bonding wires 31a to 31c.

そのため、ワイヤボンディングを行うためのスペースSが必要となり、パワーモジュール500の小型化を妨げるという不都合があった。   For this reason, a space S for wire bonding is required, and there is a disadvantage that miniaturization of the power module 500 is hindered.

[他の比較例に係るパワーモジュール]
図7を参照して、他の比較例に係るパワーモジュール600について簡単に説明する。
[Power modules according to other comparative examples]
A power module 600 according to another comparative example will be briefly described with reference to FIG.

図7は、他の比較例に係るパワーモジュール600の構成を示す平面図である。   FIG. 7 is a plan view showing a configuration of a power module 600 according to another comparative example.

パワーモジュール600は、水冷ジャケット400上に配置される3個の回路基板300a〜300cを備えている。   The power module 600 includes three circuit boards 300 a to 300 c arranged on the water cooling jacket 400.

各回路基板300a〜300cは同様の構成を備え、各回路基板300a〜300c上には半導体素子305としてのパワーデバイスチップが搭載されている。   Each circuit board 300a to 300c has the same configuration, and a power device chip as a semiconductor element 305 is mounted on each circuit board 300a to 300c.

各回路基板300a〜300cは、樹脂製の枠体301に嵌合されている。   Each of the circuit boards 300a to 300c is fitted into a resin frame 301.

枠体301の上面側には、図示しない金属製のボルト孔等で構成される接合部が設けられている。   On the upper surface side of the frame body 301, a joint portion constituted by a metal bolt hole or the like (not shown) is provided.

そして、各回路基板300a〜300cと枠体301の接合部との間には、端子301が配置され、各端子301の基板側の端部302は、各回路基板300a〜300c上に超音波接合されている。   And the terminal 301 is arrange | positioned between each circuit board 300a-300c and the junction part of the frame 301, and the edge part 302 by the side of the board | substrate of each terminal 301 is ultrasonically bonded on each circuit board 300a-300c. Has been.

そのため、パワーモジュール600では、各端子301を各回路基板300a〜300c上に接合するためのスペースが必要となり、パワーモジュール600の小型化を妨げるという不都合があった。   Therefore, in the power module 600, a space for joining each terminal 301 on each circuit board 300a to 300c is necessary, and there is a disadvantage that miniaturization of the power module 600 is prevented.

そこで、図8に示すような他の比較例に係るパワーモジュール構造700が提案された。   Therefore, a power module structure 700 according to another comparative example as shown in FIG. 8 has been proposed.

図8(a)は、他の比較例に係るパワーモジュール構造700の基本構成を示す分解斜視図、図8(b)は、そのパワーモジュール構造700を適用したパワーモジュールP10の製造工程の一部を示す説明図である。   FIG. 8A is an exploded perspective view showing a basic configuration of a power module structure 700 according to another comparative example, and FIG. 8B is a part of a manufacturing process of the power module P10 to which the power module structure 700 is applied. It is explanatory drawing which shows.

なお、上述の実施の形態に係るパワーモジュール構造1A〜1Dと同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。   In addition, about the structure similar to power module structure 1A-1D which concerns on the above-mentioned embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.

パワーモジュール構造700では、ヒートスプレッダ701を構成する平板部701A、起立部701Bおよび端部701Cが、銅板等で構成される一枚の金属板を折曲げ加工して形成されている。これにより、図7の比較例のような各端子301を各回路基板300a〜300c上に接合するためのスペースが不要となり、パワーモジュールP10を小型化できるのではないかと考えられた。   In the power module structure 700, the flat plate portion 701A, the standing portion 701B, and the end portion 701C constituting the heat spreader 701 are formed by bending a single metal plate made of a copper plate or the like. Thereby, the space for joining each terminal 301 like the comparative example of FIG. 7 on each circuit board 300a-300c becomes unnecessary, and it was thought that the power module P10 could be reduced in size.

ところが、図8(b)に示すように、パワーモジュール構造700を適用したパワーモジュールP10を製造する際に、ヒートスプレッダ701の端部701C、702Cが、枠体200の降下を妨げるという問題があった。   However, as shown in FIG. 8B, when manufacturing the power module P10 to which the power module structure 700 is applied, there is a problem that the end portions 701C and 702C of the heat spreader 701 prevent the frame body 200 from being lowered. .

そのため、外部電極の位置まで延設されたヒートスプレッダ701、702を備えるパワーデバイスチップを回路基板5等にハンダ接合あるいは超音波接合した状態では、筐体の一部を構成する枠体200を回路基板5に嵌め込むことができないという不都合があった。   Therefore, in the state where the power device chip including the heat spreaders 701 and 702 extended to the position of the external electrode is solder-bonded or ultrasonically bonded to the circuit board 5 or the like, the frame body 200 constituting a part of the housing is mounted on the circuit board. There was an inconvenience that it was not possible to fit in 5.

即ち、図8(b)に示すように、回路基板5等に対して枠体200を上方からD1方向に降下させて嵌合させようとすると、ヒートスプレッダ701、702の端部701C、702Cが、枠体200の底部に当って嵌合を阻害してしまう。   That is, as shown in FIG. 8B, when the frame body 200 is lowered from the upper side in the direction D1 and fitted to the circuit board 5 or the like, the end portions 701C and 702C of the heat spreaders 701 and 702 are The contact with the bottom of the frame body 200 is hindered.

このように、図8(a)に示す構成では、回路基板5に枠体200を配置させることができず、枠体200と一体的に形成された外部電極と701、702の端部701C、702Cとを接合することができないという重大な問題があった。   As described above, in the configuration shown in FIG. 8A, the frame body 200 cannot be disposed on the circuit board 5, and the external electrodes formed integrally with the frame body 200 and the end portions 701C of the 701 and 702, There was a serious problem that 702C could not be joined.

これに対して、本実施の形態に係るパワーモジュール構造1A〜1Dによれば、半導体素子15a、15b等を固定した回路基板5に枠体200を容易に配置させることができると共に、半導体素子15a、15bと外部端子との接合に要する空間を低減して小型化を図ることのできるパワーモジュール構造を提供することができる。   On the other hand, according to the power module structures 1A to 1D according to the present embodiment, the frame body 200 can be easily arranged on the circuit board 5 to which the semiconductor elements 15a, 15b and the like are fixed, and the semiconductor element 15a. , 15b and a power module structure capable of reducing the size by reducing the space required for joining the external terminals.

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。   Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and are not limited to the disclosed technology. Should not be considered. That is, the technical scope of the present invention should not be construed restrictively based on the description in the above embodiment, but should be construed according to the description of the scope of claims. All the modifications within the scope of the claims and the equivalent technique to the described technique are included.

例えば、本実施の形態に係るパワーモジュール構造1A〜1Dを適用したパワーモジュールにおいて、枠体200を回路基板5に配置させた後に、回路基板5を覆うようにゲルや樹脂を充填するようにしてもよい。   For example, in the power module to which the power module structures 1 </ b> A to 1 </ b> D according to the present embodiment are applied, after the frame body 200 is arranged on the circuit board 5, gel or resin is filled so as to cover the circuit board 5. Also good.

1A〜1D…パワーモジュール構造
5…回路基板
6…ハンダ接合部
7…金属パターン
10…絶縁基板
11…金属パターン
12…ハンダ接合部
13…ヒートスプレッダ(冷却用金属部材)
13A…平板部
13B…可撓金属部(起立部)
13C…外部端子接続部
15a、15b…半導体素子
16a…ハンダ接合部
17…ボルト
50…ボルト孔
103…ヒートスプレッダ
103A…平板部
103B…起立部
103Ba…端部
103C、103D…外部端子接続部
200…枠体
201…外部電極
250…ボルト締結用孔部
P1…パワーモジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A-1D ... Power module structure 5 ... Circuit board 6 ... Solder joint part 7 ... Metal pattern 10 ... Insulating substrate 11 ... Metal pattern 12 ... Solder joint part 13 ... Heat spreader (metal member for cooling)
13A ... Flat plate part 13B ... Flexible metal part (standing part)
13C: External terminal connection portions 15a, 15b ... Semiconductor element 16a ... Solder joint portion 17 ... Bolt 50 ... Bolt hole 103 ... Heat spreader 103A ... Flat plate portion 103B ... Standing portion 103Ba ... End portion 103C, 103D ... External terminal connection portion 200 ... Frame Body 201 ... External electrode 250 ... Bolt fastening hole P1 ... Power module

Claims (5)

回路基板(5)と、
前記回路基板に実装される半導体素子(15a、15b)と、
前記半導体素子の一面に接触し、且つ、前記半導体素子の端子に電気的に接続された冷却用金属部材(ヒートスプレッダ13)と、
前記回路基板および前記冷却用金属部材の外側に配置された枠体(200)と、を備え、
前記冷却用金属部材の外側には、可撓性金属部(起立部13B)を介して外部端子接続部(13C)が一体に設けられ、前記外部端子接続部は、前記可撓性金属部の変形によって前記枠体の配置領域より内側に変移自在に設けられていることを特徴とするパワーモジュール構造。
A circuit board (5);
Semiconductor elements (15a, 15b) mounted on the circuit board;
A cooling metal member (heat spreader 13) in contact with one surface of the semiconductor element and electrically connected to a terminal of the semiconductor element;
A frame (200) disposed outside the circuit board and the cooling metal member,
Outside the cooling metal member, an external terminal connection part (13C) is integrally provided via a flexible metal part (standing part 13B), and the external terminal connection part is formed of the flexible metal part. A power module structure, wherein the power module structure is provided so as to be displaceable inward from an arrangement region of the frame body by deformation.
前記枠体には、外部から延設される導電部材と接続可能なボルト締結用孔部(250)が設けられ、
前記外部端子接続部の前記ボルト締結用孔部に対応する位置にボルト孔(50)が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール構造。
The frame body is provided with a bolt fastening hole (250) connectable with a conductive member extending from the outside,
The power module structure according to claim 1, wherein a bolt hole (50) is provided at a position corresponding to the bolt fastening hole of the external terminal connecting portion.
前記冷却用金属部材が備える前記可撓金属部は、導線を編み組みして形成される編組体で構成され、
前記外部端子接続部は金属板で構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール構造。
The flexible metal part provided in the cooling metal member is configured by a braided body formed by braiding a conducting wire,
The power module structure according to claim 1, wherein the external terminal connection portion is made of a metal plate.
前記冷却用金属部材が備える前記可撓金属部および前記外部端子接続部は、導線を編み組みして形成される編組体で構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール構造。   The said flexible metal part with which the said metal member for cooling and the said external terminal connection part are comprised by the braided body formed by braiding conducting wire, The Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. Power module structure. 前記編組体で構成される外部端子接続部(103D)には、予めハンダが浸透されていることを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール構造。   5. The power module structure according to claim 4, wherein solder is infiltrated into the external terminal connection portion (103 </ b> D) formed of the braided body in advance.
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