JP2016111885A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることのできるパワーモジュールを提供する。【解決手段】絶縁基板１５０と、絶縁基板上に形成された導体パターン０３と、導体パターンに実装されたパワー半導体素子２００と、導体パターンにハンダ付けされ、外部から延設される外部導体５０１と接続される端子部材１と、端子部材と外部導体とを接合するボルト５５０を螺合させるナット２０とを有するパワーモジュール１０２において、端子部材は、金属板の折曲げ加工で成形され、導体パターンとハンダ付けされる接合部１Ａと、接合部の上方に接合部と平行に位置し、ナットを保持するナット保持部１Ｂと、ナット保持部の上方にナット保持部と平行に位置し、ナット保持部で保持されるナットのネジ孔２１と対向する位置にボルト挿通孔１Ｄａを有するボルト締結部１Ｄとを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体素子等を備えたパワーモジュールに関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置（インバータ）などとして用いられる。

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）。

特許文献１等に開示の技術では、パワーモジュールのＰ、Ｎ、Ｏ端子は、周囲の樹脂に埋め込まれ、チップを搭載した基板からボンディングワイヤで電気的に接続されるか、あるいは端子板が超音波接合等により電気的に接続されている。

特開２００９−２１９２７３号公報

ところが、前記従来技術では、基板の外側に端子のボルト締結部の分だけパワーモジュールの形状が大きくなってしまうという難点があった。

即ち、従来技術では、端子板（端子部材）について、基板にハンダ付けされる接合部と、外部導体と接合されるナットとを分けた構造となっていたため、筐体（あるいは枠体）の周縁にナットの収容部が必要となり、筐体の体積が大きくなるので、結果的にパワーモジュール自体の小型化が阻害されるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型化を図ることのできるパワー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、請求項１に記載の発明に係るパワーモジュールは、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子と、前記導体パターンにハンダ付けされ、外部から延設される外部導体と接続される端子部材と、前記端子部材と前記外部導体とを接合するボルトを螺合させるナットとを有するパワーモジュールにおいて、前記端子部材は、金属板の折曲げ加工で成形され、前記導体パターンとハンダ付けされる接合部と、前記接合部の上方に当該接合部と平行に位置し、前記ナットを保持するナット保持部と、前記ナット保持部の上方に当該ナット保持部と平行に位置し、前記ナット保持部で保持される前記ナットのネジ孔と対向する位置にボルト挿通孔を有するボルト締結部とを有することを要旨とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記ナット保持部は、前記金属板の折曲げ加工で形成された平板部で構成され、当該平板部の端部には、前記ナットが載置された際の抜け落ちを防止する起立部が形成されていることを要旨とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、前記ナット保持部は、前記絶縁基板上を所定厚さの樹脂で封止した際に、当該ナット保持部に載置された前記ナットが前記樹脂に触れない高さに構成されることを要旨とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３の何れかに記載のパワーモジュールにおいて、前記絶縁基板を囲繞するように配置される枠体をさらに備え、前記枠体には、前記ナット保持部に載置された前記ナットの側面に当接して、前記ボルトを締結する際に、当該ナット自体の回り止めを行うナット回止部が設けられていることを要旨とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載のパワーモジュールにおいて、前記枠体には、前記絶縁基板に配置された際に、前記端子部材を上方から押さえる押さえ部が設けられていることを要旨とする。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載のパワーモジュールにおいて、前記端子部材の前記接合部と前記ボルト締結部との繋ぎ部は、他の部位より高さ方向の剛性を低下させた脆弱部を有することを要旨とする。

請求項７に係る発明は、請求項１から請求項５の何れかに記載のパワーモジュールにおいて、前記端子部材の前記接合部と前記ボルト締結部との繋ぎ部は、前記ボルト締結部を片持ち状態で支持する構造とされることを要旨とする。

請求項１に記載のパワーモジュールによれば、端子部材は、金属板の折曲げ加工で成形され、パワー半導体素子の端子とハンダ付けされる接合部と、接合部の上方に当該接合部と平行に位置し、ナットを保持するナット保持部と、ナット保持部の上方に当該ナット保持部と平行に位置し、ナット保持部で保持されるナットのネジ孔と対向する位置にボルト挿通孔を有するボルト締結部とを有するので、従来のように枠体の周縁にナットの収容部を設ける必要がなく、パワーモジュールを小型化することができる。

請求項２に記載のパワーモジュールによれば、ナット保持部は、金属板の折曲げ加工で形成された平板部で構成され、当該平板部の端部には、ナットが載置された際の抜け落ちを防止する起立部が形成されているので、ナット保持部に載置したナットが、実装作業中に移動してしまうのを防ぐことができ、作業性を向上させることができる。

請求項３に記載のパワーモジュールによれば、ナット保持部は、絶縁基板上に所定厚さで樹脂を塗布してパワー半導体素子を封止した際に、当該ナット保持部に載置されたナットが前記樹脂に触れない高さに構成されているので、ナットをフリーにした状態で、樹脂によって端子部材を絶縁基板に固定することができる。

請求項４に記載のパワーモジュールによれば、枠体には、ナット保持部に載置されたナットの側面に当接して、ボルトを締結する際に、当該ナット自体の回り止めを行うナット回止部が設けられているので、ボルト締結時に、端子部材に応力が加わることを防止することができる。

請求項５に記載のパワーモジュールによれば、枠体には、絶縁基板に配置された際に、端子部材を上方から押さえる押さえ部が設けられているので、ボルト締結後に、端子部材のハンダ付けされた接合部に垂直方向の応力が加わることを抑制することができる。

請求項６に記載のパワーモジュールによれば、端子部材の接合部とボルト締結部との繋ぎ部は、他の部位より高さ方向の剛性を低下させた脆弱部を有するので、ボルト締結後に、端子部材のハンダ付けされた接合部に垂直方向の応力が加わることをさらに抑制することができる。

請求項７に記載のパワーモジュールによれば、端子部材の接合部とボルト締結部との繋ぎ部は、ボルト締結部を片持ち状態で支持する構造とされているので、ボルト締結後に、端子部材のハンダ付けされた接合部に垂直方向の応力が加わることをさらに抑制することができる。

実施の形態に係るパワーモジュールで構成されるインバータの構成例を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールに用いられる端子部材の構成例を示す斜視図（ａ）および要部の側面図（ｂ）である。 実施の形態に係るパワーモジュールに用いられる端子部材にナットを載置した状態を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）である。 実施の形態に係るパワーモジュールに枠体を配置した状態を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールに枠体を配置し外部端子を接合する状態を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて枠体に形成されたナット回止部の構成例を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて枠体に形成された押さえ部の構成例を示す斜視図（ａ）および側面図（ｂ）である。 実施の形態に係るパワーモジュールに用いられる端子部材の他の構成例を示す斜視図である。 実施の形態に係るパワーモジュールの平面図である。 比較例に係るパワーモジュールの平面図である。 比較例に係るパワーモジュールに用いられる端子部材の構成例を示す斜視図である。

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。

［実施の形態に係るパワーモジュール］
図１から図９を参照して、実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）の構成および端子部材１の構成例について説明する。

図１は、実施の形態に係るパワーモジュール１０２で構成されるインバータの構成例を示す斜視図である。

図１に示す例では、３つのパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）によって構成されるインバータ１００を示す。

即ち、インバータ１００は、冷却ジャケット１０１上に配設される３つのパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）によって構成されている。

なお、各パワーモジュール１０２Ａ〜１０２Ｃは、同じ構成を有している。

パワーモジュール１０２Ａ（１０２Ｂ、１０２Ｃ）は、絶縁基板１５０と、絶縁基板１５０上に形成された導体パターン１０３に実装されたＩＧＢＴ等のパワー半導体素子２００と、導体パターン１０３にハンダ付けされ、外部から延設される外部端子５０１（図５参照）と接続される端子部材１と、端子部材１と外部導体とを接合するボルト５５０（図５参照）を螺合させるナット２０（例えば、図２、図３等に示すような角ナット）とを有する。

ここで、図２および図３を参照して、実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）に用いられる端子部材１の構成例について説明する。

図２（ａ）は、端子部材１の構成例を示す斜視図、図２（ｂ）は要部の側面図である。

また、図３（ａ）は、端子部材１にナットを載置した状態を示す斜視図、図３（ｂ）は、その側面図（ｂ）である。

端子部材１は、銅板やアルミニウム板等の金属板の打ち抜き加工および折曲げ加工により成形される。

そして、図２および図３に示すように、端子部材１は、図１に示す導体パターン１０３とハンダ付けされる接合部１Ａと、接合部１Ａの上方に当該接合部１Ａと平行に位置し、ナット２０を保持するナット保持部１Ｂと、ナット保持部１Ｂの上方に当該ナット保持部１Ｂと平行に位置し、ナット保持部１Ｂで保持されるナット２０のネジ孔２１（図３（ａ）参照）と対向する位置にボルト挿通孔１Ｄａを有するボルト締結部１Ｄとを有する。

なお、図３等に示すように、接合部１Ａとナット保持部１Ｂとは繋ぎ部１Ａａにより、接合部１Ａとボルト締結部１Ｄとは繋ぎ部１Ｃにより、それぞれ一体的に連結されている。

また、繋ぎ部１Ｃと対向する位置にはボルト締結部１Ｄと連結される脚部１Ｅが設けられている。

また、繋ぎ部１Ｃおよび脚部１Ｅの肩部には、切欠部１Ｃａ、１Ｅａが形成されている。

なお、この切欠部１Ｃａ、１Ｅａは、後述する図７（ａ）、（ｂ）に示すように、枠体５００の押さえ部５１０ａ、５１０ｂの突起を挿入させて、押さえをより確実に行なうためのものである。

また、繋ぎ部１Ｃおよび脚部１Ｅは、内側に湾曲した形状とされている。この湾曲部は、端子部材１において、他の部位より高さ方向の剛性を低下させた脆弱部として機能する。これにより、ボルト締結後に、端子部材１のハンダ付けされた接合部１Ａに垂直方向の応力が加わることを抑制することができる。

なお、図２等に示す例では、繋ぎ部１Ｃおよび脚部１Ｅの湾曲部により、高さ方向の剛性を低下させた脆弱部を形成しているが、これに限らず、例えば繋ぎ部１Ｃおよび脚部１Ｅの材質を他の部位よりも剛性が低いものとしたり、繋ぎ部１Ｃおよび脚部１Ｅの厚さを他の部位より薄くするなどしてもよい。

図２（ｂ）および図３（ｂ）に示すように、ナット保持部１Ｂは、金属板の折曲げ加工で形成された平板部で構成され、当該平板部の端部には、ナット２０が載置された際の抜け落ちを防止する起立部１Ｂａ、１Ｂｂが形成されている。

これにより、ナット保持部１Ｂに載置したナット２０が、実装作業中に移動してしまうのを防ぐことができ、作業性を向上させることができる。

なお、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す例では、起立部１Ｂａよりも起立部１Ｂｂの高さが低く形成されている。これにより、実装作業時において、ナット２０を起立部１Ｂｂ側から容易に挿通させてナット保持部１Ｂに載置させることができる。

また、ナット保持部１Ｂは、絶縁基板１５０上に所定厚さで樹脂（例えば、所定のゲル剤等）を流し込んでパワー半導体素子２００を封止した際に、当該ナット保持部１Ｂに載置されたナット２０が樹脂に触れない高さに構成することができる。

これにより、ナット２０をフリーにした状態（即ち、ボルトによる螺合に支障を与えない状態）で、樹脂によって端子部材１を絶縁基板１５０に固定することができる。

ここで、図４〜図７を参照して、枠体５００と端子部材１との関係等について説明する。

図４は、実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）に枠体５００を配置した状態を示す斜視図、図５は、パワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）に枠体５００を配置し外部端子５０１を接合する状態を示す斜視図である。

枠体５００は、例えば絶縁性の樹脂で成形され、図１に示すパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）の上方から位置合わせされて嵌合される。

これにより、図４に示すように、各端子部材１のボルト締結部１Ｄのボルト挿通孔１Ｄａが枠体５００の上方に形成された窓部から露出された状態とされる。

なお、各端子部材１のナット保持部１Ｂには、ナット２０が載置された状態となっている。

そして、図５に示すように、枠体５００の上方に形成された各窓部に位置合わせして、外部導体（図示せず）に接続される外部端子５０１が載置され、それぞれボルト５５０により固定される。

即ち、各ボルト５５０は、外部端子５０１の挿通孔および各端子部材１のボルト締結部１Ｄのボルト挿通孔１Ｄａを介して、各ナット保持部１Ｂに載置されているナット２０のネジ孔２１に螺合されて、外部端子５０１が各端子部材１のボルト締結部１Ｄに電気的に接続された状態で締結される。

このように、本実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）によれば、従来のように枠体の周縁にナットの収容部を設ける必要がなく、パワーモジュールを小型化することができる。

ここで、図６は、実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）において枠体５００に形成されたナット回止部５００ａ、５００ｂの構成例を示す斜視図である。

このように、枠体５００の側部に、各端子部材１のナット保持部１Ｂに載置されたナット２０のナットの側面に当接して、ボルト５５０を締結する際に、当該ナット２０自体の回り止めを行うナット回止部５００ａ、５００ｂを設けることにより、ボルト締結時に、端子部材１に応力が加わることを防止することができる。

即ち、ボルト締結時において、ナット２０自体の回転は、枠体５００のナット回止部５００ａ、５００ｂによって阻止され、各端子部材１自体に回転力が加わることがなく、端子部材１の接合部（ハンダ付けされた部分）に応力が加わる事態を回避することができる。

また、図７（ａ）は、実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）において枠体５００に形成された押さえ部５１０ａ、５１０ｂの構成例を示す斜視図、図７（ｂ）は、その側面図である。

図７に示す例では、枠体５００の側部に、各端子部材１の収容部が設けられ、その収容部の両側の上方に、端子部材１のボルト締結部１Ｄの両肩部を押さえる押さえ部５１０ａ、５１０ｂが形成されている。

これにより、ボルト締結後に、端子部材１のハンダ付けされた接合部１Ａに垂直方向の応力が加わることを抑制することができる。

次に、図８は、パワーモジュールに１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）用いられる他の構成例に係る端子部材１１を示す斜視図である。

なお、端子部材１１について、図２等に示す端子部材１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。

端子部材１１が、図２等に示す端子部材１と異なる点は、端子部材１１の接合部１Ａとボルト締結部１Ｄとは一つの繋ぎ部１Ｃで連結され、ボルト締結部１Ｄを片持ち状態で支持する構造とされている点である。

これにより、ボルト締結後に、端子部材１１のハンダ付けされた接合部１Ａに垂直方向の応力が加わることをさらに抑制することができる。

なお、図９は、端子部材１または端子部材１１を用いたパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）で構成したインバータ１００の平面図である。

［比較例に係るパワーモジュール］
図１０および図１１を参照して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。

図１０は、比較例に係るパワーモジュール６００の平面図、図１１は、比較例に係るパワーモジュール６００に用いられる端子部材３０１の構成例を示す斜視図である。

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。

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。

各回路基板３００ａ〜３００ｃは、樹脂製の枠体３５０に嵌合されている。

枠体３５０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。

そして、各回路基板３００ａ〜３００ｃと枠体３５０の接合部との間には、端子部材３０１が配置され、各端子部材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。

ここで、比較例に係るパワーモジュール６００における端子部材３０１は、図１１に示すような構成となっている。

図１１に示す端子部材３０１は、金属板の折曲げ加工により、ハンダ付けまたは超音波接合される接合部３０２と、ボルト締結部３０３とが形成されている。

ボルト締結部３０３にはボルト挿通孔３０３ａが形成されている。

そして、枠体３５０の側部に形成されるナット収容部にナット２０を収容し、ナット２０のネジ孔２１と端子部材３０１のボルト挿通孔３０３ａとを位置合わせした状態で、接合部３０２を基板にハンダ付けまたは超音波接合して固定している。

そのため、枠体３５０の側部には、ナット収容部を設けるスペースＳ（図１０参照）が必要となり、図９に示す本実施の形態に係るパワーモジュール１０２から成るインバータ１００に比して、全体の体積が大きくなり、装置全体の小型化が阻害されていた。

これに対して、本実施の形態に係るパワーモジュール１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）では、図２、図８等に示すような構成の端子部材１または端子部材１１を用いることにより、枠体５００にナット収容部を設ける必要がなく、装置全体の体積を低減して小型化を図ることができる。

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。

１、１１…端子部材
１Ａ…接合部
１Ａａ、１Ｃ…繋ぎ部
１Ｂ…ナット保持部
１Ｂａ、１Ｂｂ…起立部
１Ｃａ、１Ｅａ…切欠部
１Ｄ…ボルト締結部
１Ｄａ…ボルト挿通孔
１Ｅ…脚部
２０…ナット
２１…ネジ孔
１００…インバータ
１０１…冷却ジャケット
１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）…パワーモジュール
１０３…導体パターン
１５０…絶縁基板
２００…パワー半導体素子
５００…枠体
５０１…外部端子（外部導体）
５００ａ、５００ｂ…ナット回止部
５１０ａ、５１０ｂ…押さえ部

Claims (7)

1. 絶縁基板（１５０）と、
   前記絶縁基板上に形成された導体パターン（１０３）と、
   前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子（２００）と、
   前記導体パターンにハンダ付けされ、外部から延設される外部導体（５０１）と接続される端子部材（１）と、
   前記端子部材と前記外部導体とを接合するボルト（５５０）を螺合させるナット（２０）と
   を有するパワーモジュール（１０２）において、
   前記端子部材は、金属板の折曲げ加工で成形され、
   前記導体パターンとハンダ付けされる接合部（１Ａ）と、
   前記接合部の上方に当該接合部と平行に位置し、前記ナットを保持するナット保持部（１Ｂ）と、
   前記ナット保持部の上方に当該ナット保持部と平行に位置し、前記ナット保持部で保持される前記ナットのネジ孔（２１）と対向する位置にボルト挿通孔（１Ｄａ）を有するボルト締結部（１Ｄ）と
   を有することを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記ナット保持部は、前記金属板の折曲げ加工で形成された平板部で構成され、
   当該平板部の端部には、前記ナットが載置された際の抜け落ちを防止する起立部（１Ｂａ、１Ｂｂ）が形成さ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。
3. 前記ナット保持部は、前記絶縁基板上を所定厚さの樹脂で封止した際に、当該ナット保持部に載置された前記ナットが前記樹脂に触れない高さに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。
4. 前記絶縁基板を囲繞するように配置される枠体（５００）をさらに備え、
   前記枠体には、前記ナット保持部に載置された前記ナットの側面に当接して、前記ボルトを締結する際に、当該ナット自体の回り止めを行うナット回止部（５００ａ）が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のパワーモジュール。
5. 前記枠体には、前記絶縁基板に配置された際に、前記端子部材を上方から押さえる押さえ部（５１０ａ、５１０ｂ）が設けら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。
6. 前記端子部材の前記接合部と前記ボルト締結部との繋ぎ部（１Ｃ）は、他の部位より高さ方向の剛性を低下させた脆弱部を有することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載のパワーモジュール。
7. 前記端子部材の前記接合部と前記ボルト締結部との繋ぎ部（１Ｃ）は、前記ボルト締結部を片持ち状態で支持する構造とされることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載のパワーモジュール。

Images