JP2017050326A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができる半導体モジュールを提供する。【解決手段】バスバーアッシィ８０に電気的に接続される端子６１〜６６と、スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９および端子６１〜６６の一端を覆うとともに端子６１〜６６の他端が露出するように基板６０の上面を覆う樹脂５９を備え、端子６１〜６６の他端は樹脂５９の上面から露出しているとともに基板６０の厚み方向に延設され、端子７１〜７６の端部は基板６０の厚み方向に延設され、端子６１〜６６の他端は端子７１〜７６の端部と溶接されている。【選択図】図１

Description

本発明は半導体モジュールに関するものである。

基板に半導体素子を実装して樹脂でモールドするとともにモールド樹脂の上面に端子を露出させた構造が知られている（例えば、特許文献１）。また、一般的に電子部品は、ねじ締結による接続が多く用いられている。

特開平９−２３３８１８号公報

ところで、半導体素子と基板と端子とを樹脂で封止した半導体モジュールに対して電子部品を接続する場合、接続にスペースが必要なため大型化を招いてしまう。詳しくは、電子部品の接続の際に、ねじ締結を用いると、接続スペースが広くなる。

本発明の目的は、小型化を図ることができる半導体モジュールを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、基板のパターンに実装された半導体素子と、一端が基板のパターンに実装され、他端が被接続部材に電気的に接続される第１の金属板と、前記半導体素子および前記第１の金属板の一端を覆うとともに前記第１の金属板の他端が露出するように前記基板の上面を覆う樹脂と、を備える半導体モジュールにおいて、前記第１の金属板の他端は前記樹脂の上面から露出しているとともに前記基板の厚み方向に延設され、前記被接続部材は第２の金属板を備え、前記第２の金属板の端部は前記基板の厚み方向に延設され、前記第１の金属板の他端は前記第２の金属板の端部と溶接されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、樹脂により、半導体素子および第１の金属板の一端が覆われるとともに第１の金属板の他端が露出するように基板の上面が覆われている。第１の金属板の他端が樹脂の上面から露出しているとともに基板の厚み方向に延設され、被接続部材の第２の金属板の端部が基板の厚み方向に延設され、第１の金属板の他端が第２の金属板の端部と溶接されている。よって、ねじ締結する場合に比べ、半導体モジュールの上スペースを有効利用してスペースの低減が図られる。その結果、小型化を図ることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、前記樹脂は上面および側面が大気に露出しているとよい。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の半導体モジュールにおいて、前記基板には前記半導体素子が２列に配置され、前記半導体素子を制御する制御端子が前記半導体素子の間に直線状に並べられていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、制御端子が基板の縁側に設けられる場合に比べて、配線スペースが減ることによる小型化を図ることができる。

本発明によれば、小型化を図ることができる。

（ａ）は実施形態における車載充電器用半導体モジュールの平面図、（ｂ）は車載充電器用半導体モジュールの正面図、（ｃ）は車載充電器用半導体モジュールの右側面図。 車載充電器用半導体モジュールの分解斜視図。 車載充電器用半導体モジュールの回路図。 （ａ）は半導体モジュールの平面図、（ｂ）は半導体モジュールの正面図、（ｃ）は半導体モジュールの右側面図。 （ａ）は樹脂でモールドする前の平面図、（ｂ）は樹脂でモールドする前の正面図、（ｃ）は樹脂でモールドする前の右側面図。 半導体モジュールの製造工程を説明するための概略縦断面図。 （ａ）半導体モジュールの接続部を説明するための平面図、（ｂ）は側面図。 比較のための半導体モジュールの製造工程を説明するための概略縦断面図。 （ａ）は比較のための半導体モジュールの接続部を説明するための平面図、（ｂ）は側面図。

以下、本発明を車載充電器に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

図３に示すように、車載充電器１０は、外部の商用の交流電源２６に接続されるとともに車載バッテリ２７に接続される。車載充電器１０は、コイル２０，２１と、力率改善回路（ＰＦＣ回路）２２と、コンデンサ２３と、ＤＣ−ＤＣ変換回路２４と、フィルタ部２５とを備えている。そして、交流電源２６から車載バッテリ２７に対し、順に、コイル２０，２１、力率改善回路２２、コンデンサ２３、ＤＣ−ＤＣ変換回路２４、フィルタ部２５が接続されている。なお、車載バッテリ２７で車両の走行モータ等を駆動する高圧バッテリーである。

力率改善回路２２は、２つのダイオード２８，２９と２つのスイッチング素子３０，３１を有し、各スイッチング素子３０，３１としてパワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。ダイオード２８はカソードが正側配線に接続され、アノードがスイッチング素子３０のドレインに接続されている。スイッチング素子３０のソースは負側配線に接続され、ダイオード２８のアノードとスイッチング素子３０のドレインとの中点がコイル２０の第１端部に接続されている。ダイオード２９はカソードが正側配線に接続され、アノードがスイッチング素子３１のドレインに接続されている。スイッチング素子３１のソースは負側配線に接続され、ダイオード２９のアノードとスイッチング素子３１のドレインとの中点がコイル２１の第１端部に接続されている。コイル２０の第２端子が交流正側配線と接続されている。コイル２１の第２端子が交流負側配線と接続されている。コンデンサ２３は力率改善回路２２の出力側の正側配線と負側配線との間に接続されている。

ＤＣ−ＤＣ変換回路２４は、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータであり、トランス３２と、トランス３２の１次側回路を構成するＨブリッジ回路３３と、トランス３２の２次側回路を構成する整流回路３４とを有している。

Ｈブリッジ回路３３は、４つのスイッチング素子３５，３６，３７，３８を有し、各スイッチング素子３５〜３８としてパワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。スイッチング素子３５は、ドレインが正側配線に接続され、ソースがスイッチング素子３６のドレインに接続されている。スイッチング素子３６のソースは負側配線に接続され、スイッチング素子３５のソースとスイッチング素子３６のドレインとの中点がトランス３２の１次巻線３２ａの第１端部に接続されている。スイッチング素子３７は、ドレインが正側配線に接続され、ソースがスイッチング素子３８のドレインに接続されている。スイッチング素子３８のソースは負側配線に接続され、スイッチング素子３７のソースとスイッチング素子３８のドレインとの中点がトランス３２の１次巻線３２ａの第２端部に接続されている。

整流回路３４はＨブリッジ回路により構成され、４つのダイオード３９，４０，４１，４２を有する。ダイオード３９はカソードが正側配線に接続され、アノードがダイオード４０のカソードに接続されている。ダイオード４０のアノードは負側配線に接続され、ダイオード３９のアノードとダイオード４０のカソードとの中点がトランス３２の２次巻線３２ｂの第１端子に接続されている。ダイオード４１はカソードが正側配線に接続され、アノードがダイオード４２のカソードに接続されている。ダイオード４２のアノードは負側配線に接続され、ダイオード４１のアノードとダイオード４２のカソードとの中点がトランス３２の２次巻線３２ｂの第２端子に接続されている。

フィルタ部２５は、コイル４３とコンデンサ４４を備えている。コンデンサ４４が整流回路３４の出力側の正側配線と負側配線との間に接続されている。コイル４３はコンデンサ４４の正側端子と整流回路３４のダイオード３９，４１のカソードとの間に接続されている。フィルタ部２５によりＤＣ−ＤＣ変換回路２４でのスイッチング素子３５〜３８のスイッチング動作に伴う電圧の変動の影響が出ないようにすることができる。

そして、車載バッテリ２７を充電するには、外部の交流電源２６を接続して交流電圧が力率改善回路２２に供給され、スイッチング素子３０，３１が駆動回路４５からの制御信号により交互にオン・オフ制御される。このスイッチング素子３０，３１のオン・オフ制御の際に、交流電流の位相および波形を交流電圧の位相および波形と一致もしくは相似させる力率改善動作が行われる。また、ＤＣ−ＤＣ変換回路２４においてスイッチング素子３５〜３８が直流電圧を交流電圧に変換するように駆動回路４５からの制御信号によってスイッチング制御され、変換された交流電圧がトランス３２の１次巻線３２ａに供給されて、トランス３２の２次巻線３２ｂに交流電圧が誘起される。また、整流回路３４のダイオード３９〜４２により２次巻線３２ｂに誘起された交流電圧が直流電圧に変換されてフィルタ部２５を介して車載バッテリ２７に供給されて充電される。

図３における力率改善回路２２の構成部品およびＨブリッジ回路３３の構成部品が、図１，２に示すように半導体モジュール（パワー半導体モジュール）５０としてモジュール化されているとともに、コイル２０，２１、コンデンサ２３、トランス３２と接続されている。半導体モジュール５０は、図１（ｂ），（ｃ）において仮想線で示すケース底板５１の上に、ねじ５２，５３，５４，５５により固定されている。また、トランス３２の２次側回路である整流回路３４（図３参照）は半導体モジュール５０とは別にモジュール化されている。

図４には半導体モジュール５０を示し、樹脂５９でモールドされている。詳しくは、図６に示すように、治具であるベースプレート５６の上面に、部品等を実装した基板６０を配置するとともに、ベースプレート５６の上面に基板６０を囲うように治具としての枠体５７を配置する。そして、枠体５７の内部にポッティング樹脂５９を注入する。樹脂５９を冷却した後に枠体５７およびベースプレート５６から取り外す。

基板６０を半導体モジュール５０における樹脂５９でモールドする前の状態を図５に示す。
図５に示すように、基板６０には力率改善回路２２とＨブリッジ回路３３（トランス３２の１次側回路）が配置されている。つまり、基板６０の上面に、半導体素子としてのスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９が実装（搭載）されている。詳しくは、図５（ａ）の平面図において、力率改善回路２２を構成するスイッチング素子３０，３１、ダイオード２８，２９が左側に配置されているとともに、Ｈブリッジ回路３３を構成するスイッチング素子３５，３６，３７，３８が右側に配置されている。また、基板６０にはスイッチング素子３０，３５，３７がＸ方向において一列に並んで配置されている。さらに、基板６０にはスイッチング素子３１，３６，３８がＸ方向において一列に並んで配置されている。基板６０にはダイオード２８，２９がＹ方向において一列に並んで配置されている。

より詳しくは、半導体素子としてのスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９は、基板６０のパターン（図示略）に実装されている。
また、基板６０の上面には第１の金属板としての端子６１，６２，６３，６４，６５，６６が実装（搭載）されており、端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の一端が基板６０に固定されている。端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端側は上方に延設されている。

また、１２本の制御端子６７はスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８を制御する端子である。この制御端子６７がＸ方向に一列に並んで配置され、スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８の間に直線状に並べられている。

このように、基板６０には、スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８が２列に配置され、スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８を制御する制御端子６７がスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８の間に直線状に並べられている。

図５に示す状態から図４に示すように、基板６０の一面である上面は樹脂５９で覆われている。
図４に示すように、半導体モジュール５０における四隅には金属製のカラー（円筒材）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が樹脂５９に埋設され、カラーＣ１〜Ｃ４にねじ５２〜５５が通る。また、樹脂５９の上面にはボス８２，８３が設けられ、ボス８２，８３にナット８４，８５が一体化されている。このナット８４，８５を用いて回路基板９０（図１，２参照）を締結することができるようになっている。

図４において、半導体モジュール５０は、基板６０に搭載されたスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９、基板６０に搭載された端子６１〜６６が、樹脂５９で覆われている。端子６１〜６６は樹脂５９の上面から突出しており、樹脂５９の上方において端子６１〜６６は、基板６０の厚み方向に延びている。

このように、樹脂５９は、半導体素子としてのスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９および第１の金属板としての端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の一端を覆うとともに端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端が露出するように基板６０の上面を覆っている。

図４に示した半導体モジュール（パワー半導体モジュール）５０が図１，２に示すように配置されるとともに他の部品と接続されている。
図１，２に示すように、端子６１〜６６は、被接続部材としてバスバーアッシィ８０が備える端子７３〜７６と溶接されているとともにコイル２０，２１が備える端子７１〜７２と溶接されている。詳しくは、端子６１〜６６は、被接続部材としてバスバーアッシィ８０が備える端子７３〜７６と抵抗溶接されているとともにコイル２０，２１が備える端子７１〜７２と抵抗溶接されている。バスバーアッシィ８０は端子７３，７４，７５，７６が樹脂８１によりモールドされることにより構成されている。端子７３，７４，７５，７６の両端部が樹脂８１から露出している。図１（ａ）に示す平面視において樹脂５９とバスバーアッシィ８０の一部およびコイル２０，２１の一部とが基板６０の厚み方向に重なっている（図７参照）。

このように、一端が基板６０のパターン（図示略）に実装され、他端がバスバーアッシィ８０に電気的に接続される第１の金属板としての端子６１，６２，６３，６４，６５，６６を備え、端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端は樹脂５９の上面から露出しているとともに基板６０の厚み方向に延設されている。

図１に示すように、端子６１はコイル２０の一方の端子７１と溶接される。また、端子６２はコイル２１の一方の端子７２と溶接される。詳しくは、端子６１はコイル２０の一方の端子７１と抵抗溶接される。また、端子６２はコイル２１の一方の端子７２と抵抗溶接される。

また、端子６３はバスバーアッシィ８０におけるバスバーで構成される端子７３の一端と接続され、端子７３の他端はコンデンサ２３の一方の端子と接続される。端子６４はバスバーアッシィ８０におけるバスバーで構成される端子７４の一端と接続され、端子７４の他端はコンデンサ２３の他方の端子と接続される。端子６５はバスバーアッシィ８０におけるバスバーで構成される端子７５の一端と接続され、端子７５の他端はトランス３２の１次巻線３２ａの一方の端子と接続される。端子６６はバスバーアッシィ８０におけるバスバーで構成される端子７６の一端と接続され、端子７６の他端はトランス３２の１次巻線３２ａの他方の端子と接続される。

このように、被接続部材としてのバスバーアッシィ８０は第２の金属板としての端子７１，７２，７３，７４，７５，７６を備え、端子７１，７２，７３，７４，７５，７６の端部は基板６０の厚み方向に延設され、端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端は端子７１，７２，７３，７４，７５，７６の端部と溶接されている。

また、半導体モジュール５０の上方の空間を有効利用すべく半導体モジュール５０の上に回路基板（制御基板）９０が配置されており、二層構造（二重構造）となっている。詳しくは、回路基板９０を貫通するねじ９２，９３をナット８４，８５に螺入することにより回路基板９０が固定される。回路基板９０には駆動回路４５を構成する部品が実装されている。回路基板９０の下面には制御端子６７と接続可能なコネクタ９１が搭載されている。各制御端子６７はコネクタ９１に接続される。

図６に示す本実施形態の製造工程に対する比較例を図８に示す。図８に示す比較例における製造工程においては、基板１００の上面に半導体素子１０１を実装するとともに樹脂製ケース（枠体）１０２を基板１００の上面周縁部に接着により配置し、ケース１０２の内方に樹脂１０３を注入すると、樹脂１０３の幅Ｗ１に対しＷ２で示すケース１０２分だけモジュールの大型化を招く。換言すれば、図６の本実施形態においてはケース（枠体）１０２を用いないことにより小型化を図ることができる。つまり、本実施形態では、樹脂５９は上面および側面が大気に露出している。

図７に示す本実施形態における接続部の構造に対する比較例を図９に示す。図９に示す比較例における接続構造においては、モジュール２００の端子２０１を樹脂２０２の外方に延設して相手の部品の端子２０３とねじ２０４で締結する構造としている。この場合には全体構造が大型化してしまう。これに対し図７に示す本実施形態においては、端子６１〜６６は相手方の部品の端子７１〜７６と抵抗溶接されている。このとき、図７（ａ）に示す平面視において樹脂５９の外形部よりも内方に接合部が位置している。即ち、部品の端子同士を接続する構成において、樹脂５９と、バスバーアッシィ８０およびコイル２０，２１の一部とが、基板６０の厚み方向であるＺ方向に重なっている。よって、小型化を図ることができる。

このように、パワー部である力率改善回路２２、Ｈブリッジ回路（トランス３２の１次側回路）３３および整流回路（トランス３２の２次側回路）３４が独立していると、各々の接続にスペースが必要となる。ここで、力率改善回路２２とＨブリッジ回路３３とが同一基板６０上に配置され、基板配線で接続されている。これにより、接続スペース（ねじ締結のために必要なスペース）を削減することができる。また、図９の比較例に比べ、図７の本実施形態では、ねじ締結スペースを削減すべく抵抗溶接を採用し、モジュール上のスペースを有効活用して、部品配置スペースを低減することができる。

つまり、図９のようにモジュールと他部品の接続をねじ締結で実施する場合には、ねじ締結部が平面視において面積的に無駄スペースとなる。これに対し、図７の本実施形態では、抵抗溶接で周囲部品と接続することにより、ねじ締結スペースを廃止できるとともに、モジュール上のスペースを有効に使い充電器の小型化を実現することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体モジュール５０の構成として、基板６０のパターンに実装された半導体素子としてのスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９を備える。さらに、一端が基板６０のパターンに実装され、他端が被接続部材としてのバスバーアッシィ８０に電気的に接続される第１の金属板としての端子６１，６２，６３，６４，６５，６６を備える。さらには、スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８、ダイオード２８，２９および端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の一端を覆うとともに端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端が露出するように基板６０の上面を覆う樹脂５９を備える。また、端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端は樹脂５９の上面から露出しているとともに基板６０の厚み方向に延設されている。バスバーアッシィ８０は第２の金属板としての端子７１，７２，７３，７４，７５，７６を備え、端子７１，７２，７３，７４，７５，７６の端部は基板６０の厚み方向に延設され、端子６１，６２，６３，６４，６５，６６の他端は端子７１，７２，７３，７４，７５，７６の端部と溶接されている。よって、ねじ締結する場合に比べ、半導体モジュールの上スペースを有効利用してスペースの低減が図られる。その結果、小型化を図ることができる。

（２）図６を用いて説明したように、樹脂５９は上面および側面が大気に露出している。よって、図８のケース１０２が無いことによる小型化を図ることができる。
（３）樹脂５９と、被接続部材としてバスバーアッシィ８０の一部およびコイル２０，２１の一部とが、基板６０の厚み方向に重なっている。よって、デッドスペースを減らすことにより小型化を図ることができる。

（４）図１（ａ）に示すように基板６０には半導体素子としてのスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８が２列に配置され、スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８を制御する制御端子６７がスイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８の間に直線状に並べられている。よって、制御端子６７が基板６０の縁側に設けられる場合に比べて、配線スペースが減ることによる小型化を図ることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図８におけるケース１０２を設けた構成としてもよい。
・バスバーアッシィ８０の一部でなく、バスバーアッシィ８０の全体が樹脂５９と基板６０の厚み方向に重なっていてもよい。

・スイッチング素子３０，３１，３５，３６，３７，３８やダイオード２８，２９，３９，４０，４１，４２は、一般的な半導体材料であるシリコンではなくＳｉＣ（炭化ケイ素）またはＧａＮ（窒化ガリウム）を構成材料した素子であってもよい。これにより、より小型化を図ることが可能となる。

２０…コイル、２１…コイル、３０，３１，３５，３６，３７，３８…スイッチング素子、５０…半導体モジュール、５９…樹脂、６０…基板、６１〜６６…端子、６７…制御端子、７１〜７６…端子、８０…バスバーアッシィ。

Claims (3)

1. 基板のパターンに実装された半導体素子と、
   一端が基板のパターンに実装され、他端が被接続部材に電気的に接続される第１の金属板と、
   前記半導体素子および前記第１の金属板の一端を覆うとともに前記第１の金属板の他端が露出するように前記基板の上面を覆う樹脂と、
   を備える半導体モジュールにおいて、
   前記第１の金属板の他端は前記樹脂の上面から露出しているとともに前記基板の厚み方向に延設され、
   前記被接続部材は第２の金属板を備え、
   前記第２の金属板の端部は前記基板の厚み方向に延設され、
   前記第１の金属板の他端は前記第２の金属板の端部と溶接されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記樹脂は上面および側面が大気に露出していることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記基板には前記半導体素子が２列に配置され、前記半導体素子を制御する制御端子が前記半導体素子の間に直線状に並べられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。

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