JP2020024981A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】治具を用いることなく、ハウジングに対する主電極の主端子部及び制御電極の制御端子部材の位置決め精度の向上を図ることができるパワーモジュールを提供する。【解決手段】主電極４０は、パワースイッチング素子を載置する載置部と、載置部からハウジングの外部に向けて延出する主端子部４６と、を備える。制御電極５０は、制御パッドに接続されるボンディングワイヤＷと、ボンディングワイヤＷに電気的に接続される制御端子部材５５と、制御端子部材５５が一体化された樹脂製の第１保持部材１１０と、を備える。第１保持部材１１０は、ハウジングに嵌合される爪部１１４，１１５と、主端子部４６を保持する凹部及び突起部と、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、パワーモジュールに関するものである。

パワーモジュールの構成として、ハウジング内にパワースイッチング素子を設け、パワースイッチング素子で発生する熱をハウジングから放熱するとともに電極をハウジングの外部に延出するようにした構造が知られている（例えば特許文献１）。

特許第５６６３４６２号公報

ところで、この種のパワーモジュールにおいて、治具を用いることなく、ハウジングに対し主電極及び制御電極を高精度に位置決めしたいという要求が有る。
本発明の目的は、治具を用いることなく、ハウジングに対する主電極の主端子部及び制御電極の制御端子部材の位置決め精度の向上を図ることができるパワー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、冷却フィンを有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられたパワースイッチング素子と、前記パワースイッチング素子の主電極パッドに電気的に接続される主電極と、前記パワースイッチング素子の制御パッドに電気的に接続される制御電極と、を有するパワーモジュールにおいて、前記主電極は、前記パワースイッチング素子を載置する載置部と、前記載置部から前記ハウジングの外部に向けて延出する主端子部と、を備え、前記制御電極は、前記制御パッドに接続されるリード部と、前記リード部に電気的に接続される制御端子部材と、前記制御端子部材が一体化された樹脂製の保持部材と、を備え、前記保持部材は、前記ハウジングに嵌合される嵌合部と、前記主端子部を保持する保持部と、を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、樹脂製の保持部材は嵌合部によりハウジングに嵌合している。保持部材には、リード部に電気的に接続される制御端子部材が一体化されている。保持部材は保持部により主端子部を保持している。よって、治具を用いることなく、ハウジングに対する主電極の主端子部及び制御電極の制御端子部材の位置決め精度の向上を図ることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、前記保持部は、両側面に前記主端子部の両側面が嵌合する凹部と、前記凹部の底面に設けられ前記主端子部と嵌合する突起部とにより構成されているとよい。

請求項３に記載のように、請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、前記突起部は、前記主端子部を貫通して前記主端子部から突出する先端部に前記ハウジングに嵌合する部材が嵌合するとよい。

本発明によれば、治具を用いることなく、ハウジングに対する主電極の主端子部及び制御電極の制御端子部材の位置決め精度の向上を図ることができる。

実施形態におけるパワーモジュールの斜視図。 図１のＡ−Ａ線での断面図。 パワーモジュールの構造を説明するための斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための分解斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための分解斜視図。 パワーモジュールの構造を説明するための斜視図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はパワーモジュールの構造を説明するための分解斜視図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図１０（ａ）に従って説明する。
なお、図面において、一平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、一平面（Ｘ−Ｙ平面）に直交する方向をＺ方向で規定している。

図１及び図２に示すように、パワーモジュール１０は、ハウジング２０と、パワースイッチング素子３０，３１と、主電極４０，４１，４２，４３と、制御電極５０，５１と、を有する。

ハウジング２０は、アルミ等よりなる。ハウジング２０は、全体の概略形状としてＺ方向に薄い扁平なる四角箱型をなしている。ハウジング２０は、第１ハウジング構成部材２１と第２ハウジング構成部材２２とで構成されている。第１ハウジング構成部材２１の本体部２１ａは上面が開口する箱型をなし、第２ハウジング構成部材２２の本体部２２ａは下面が開口する箱型をなしている。第１ハウジング構成部材２１の上に第２ハウジング構成部材２２を重ねるようにして配置することによりハウジング２０が構成される。第１ハウジング構成部材２１の本体部２１ａの下面には冷却フィン２１ｂが形成されている。第２ハウジング構成部材２２の本体部２２ａの上面には冷却フィン２２ｂが形成されている。このように、ハウジング２０は、冷却フィン２１ｂ，２２ｂを有する。

第１ハウジング構成部材２１の本体部２１ａにおけるＹ方向での一端面には内外を連通する開口部２１ｄ（図３参照）が形成されている。同様に、第２ハウジング構成部材２２の本体部２２ａにおけるＹ方向での一端面には内外を連通する開口部２２ｄ（図１参照）が形成されている。第１ハウジング構成部材２１の開口部２１ｄと第２ハウジング構成部材２２の開口部２２ｄとは上下に重なるように配置され、これにより、ハウジング２０におけるＹ方向での一端面には内外を連通する開口部２０ａが形成されている。ハウジング２０の開口部２０ａが、電極取り出し用の開口部となる。

パワースイッチング素子３０，３１としてＩＧＢＴが用いられ、ＩＧＢＴに対しダイオードＤが並列接続される。パワースイッチング素子３０，３１としてＩＧＢＴを用いた場合には、主電極としてエミッタ電極及びコレクタ電極を有するとともに、制御電極としてゲート電極を有する。

パワースイッチング素子３０，３１のうちの一方は、上アーム用スイッチング素子を構成し、他方は、下アーム用スイッチング素子を構成している。つまり、インバータ回路での単相（例えばＵ相）における直列接続される上下のアームがパワースイッチング素子３０，３１で構成される。

図２に示すように、ハウジング２０の内部においてパワースイッチング素子３０，３１及びダイオードＤが配置されている。パワースイッチング素子３０及びダイオードＤの下面には平板状の主電極４０を介して絶縁基板７０が配置されている。パワースイッチング素子３０及びダイオードＤの上面には平板状の主電極４２を介して絶縁基板７１が配置されている。同様に、パワースイッチング素子３１及びダイオードＤの下面には平板状の主電極４１を介して絶縁基板７２が配置されている。パワースイッチング素子３１及びダイオードＤの上面には平板状の主電極４３を介して絶縁基板７３が配置されている。パワースイッチング素子３０，３１及びダイオードＤは絶縁基板７０，７１，７２，７３によりハウジング２０と電気的に絶縁されている。

絶縁基板７０はハウジング２０の第１ハウジング構成部材２１の内壁と接している。絶縁基板７２はハウジング２０の第１ハウジング構成部材２１の内壁と接している。絶縁基板７１はハウジング２０の第２ハウジング構成部材２２の内壁と接している。絶縁基板７３はハウジング２０の第２ハウジング構成部材２２の内壁と接している。

つまり、図３に示すように、ハウジング２０の第１ハウジング構成部材２１の内部において第１ハウジング構成部材２１の上面に絶縁基板７０，７２が並んで配置されるとともにその上に主電極４０，４１が配置される。さらに、図４に示すように、主電極４０上にパワースイッチング素子３０及びダイオードＤが配置されるとともに主電極４１上にパワースイッチング素子３１及びダイオードＤが配置される。さらには、図５に示すように、パワースイッチング素子３０及びダイオードＤの上には主電極４２が配置されるとともにパワースイッチング素子３１及びダイオードＤの上には主電極４３が配置される。さらに、図６に示すように、主電極４２の上には絶縁基板７１が配置されるとともに主電極４３の上には絶縁基板７３が配置される。その上に、図１及び図２に示すように、ハウジング２０の第２ハウジング構成部材２２が配置される。

主電極４０，４１，４２，４３は、所望の形状に成形した金属板が用いられている。主電極４０，４１，４２，４３は、一端部においてパワースイッチング素子３０，３１の主電極パッド３２（図４参照）に電気的に接続されている。主電極パッド３２はパワースイッチング素子３０，３１の上面及び下面に形成されている。また、図５に示すように、主電極４３の延設部４３ａが主電極４０と接合され、これによりパワースイッチング素子３０とパワースイッチング素子３１が直列接続される。

制御電極５０，５１としてピン（所望の方向に延在する金属棒）を用いて構成されている。制御電極５０，５１において、ボンディングワイヤＷ（図１０参照）によりパワースイッチング素子３０，３１の制御パッド３３（図１０参照）に電気的に接続されている。

図３及び図５に示すように、リードフレームよりなる主電極４０，４１，４２，４３は、幅広なる載置部４５と、幅狭なる主端子部４６と、を備える。
図４等に示すように、主電極４０，４１，４２，４３における幅広なる載置部４５には、パワースイッチング素子３０，３１及びダイオードＤが載置される。

図３及び図５に示すように、主電極４０，４１，４２，４３における主端子部４６は、載置部４５からハウジング２０の外部に向けて延出している。
図４等に示すように、制御電極５０，５１は、リード部としてのボンディングワイヤＷと、制御端子部材５５と、樹脂製の第１保持部材１１０と、を備える。リード部としてのボンディングワイヤＷは、パワースイッチング素子３０，３１の制御パッド３３（図１０参照）に接続される。

次に、第１保持部材１１０の関連部品について説明する。
図７に示すように、ハウジング２０における電極取り出し用の開口部２０ａ（図１参照）において第１保持部材１１０及び第２保持部材１２０が配置されている。第１保持部材１１０及び第２保持部材１２０は樹脂成形品である。

図８及び図９に示すように、第２保持部材１２０はＸ方向に延びる柱状をなしている。第１保持部材１１０は本体部１１１がＸ方向に延びる柱状をなしている。第１保持部材１１０において本体部１１１からＹ方向に延びる端子支持部１１２及び端子支持部１１３を有し、端子支持部１１２，１１３に制御端子部材５５が埋設されている。制御端子部材５５はＹ方向に延びている。制御端子部材５５の一端は端子支持部１１２，１１３の側面から突出するとともに他端は本体部１１１の上面から露出しておりボンディングワイヤＷと接合される。

第１ハウジング構成部材２１の本体部２１ａにおける開口部２１ｄのＸ方向での幅Ｌ２（図９参照）に比べ第１保持部材１１０の本体部１１１のＸ方向での幅Ｌ１（図８参照）は若干小さくなっており、第１ハウジング構成部材２１の本体部２１ａにおける開口部２１ｄに第１保持部材１１０の本体部１１１が嵌入される。

第１保持部材１１０における本体部１１１のＸ方向での両方の端面に爪部１１４，１１５が形成されている。第２保持部材１２０のＸ方向での両方の端面に爪部１２２，１２３が形成されている。爪部１１４，１１５が第１ハウジング構成部材２１の開口部２１ｄの周辺の壁に当接することにより位置決めされる。第２保持部材１２０についても爪部１２２，１２３を用いてハウジング２０の第２ハウジング構成部材２２に嵌合する。

第１保持部材１１０における本体部１１１の上面でのＸ方向の一端部には凹部（段差部）１１６が形成されている。凹部１１６の底面の中央部に、突起部１１８が突設されている。突起部１１８は断面円形をなし、上方に延びている。

図１１（ａ）に示すように、凹部１１６に主電極４０の主端子部４６が嵌入される。このとき、突起部１１８が主端子部４６に形成した貫通孔４６ｃを通る。よって、凹部１１６の側面１１６ａ，１１６ｂに主端子部４６の側面４６ａ，４６ｂが接触するとともに突起部１１８が主端子部４６の貫通孔４６ｃを貫通することにより、主端子部４６が第１保持部材１１０に位置決めされる。

同様に、図８に示すように、第１保持部材１１０における本体部１１１の上面でのＸ方向の中央部には凹部（段差部）１１７が形成されている。凹部１１７の底面の中央部に、突起部１１９が突設されている。突起部１１９は断面円形をなし、上方に延びている。凹部（段差部）１１７に主電極４１の主端子部４６が嵌入される。このとき、突起部１１９が主端子部４６を貫通する。よって、凹部１１７の側面に主端子部４６の側面が接触するとともに突起部１１９が主端子部４６を貫通することにより、主端子部４６が第１保持部材１１０に位置決めされる。

図８に示すように、第２保持部材１２０の下面における突起部１１８に対応する位置には穴Ｈ１が形成されている。突起部１１８が穴Ｈ１に嵌入される。
一方、第２保持部材１２０の下面でのＸ方向の一端部には凹部（段差部）１２４が形成されている。第２保持部材１２０の下面でのＸ方向の中央部には凹部（段差部）１２５が形成されている。凹部１２４の底面の中央部に、突起部１２６が突設されている。凹部１２５の底面の中央部に、突起部１２７が突設されている。突起部１２６，１２７は断面円形をなし、下方に延びている。

凹部１２４に主電極４３の主端子部４６が嵌入されるとともに、凹部１２５に主電極４２の主端子部４６が嵌入される。このとき、突起部１２６，１２７が主端子部４６を貫通する。よって、凹部１２４，１２５の側面に主端子部４６の側面が接触するとともに突起部１２６，１２７が主端子部４６を貫通することにより、主端子部４６が第２保持部材１２０に位置決めされる。

第１保持部材１１０の上面における突起部１２６に対応する位置には穴Ｈ２が形成されている。突起部１２６が穴Ｈ２に嵌入される。
このように、第１保持部材１１０は、嵌合部としての爪部１１４，１１５と、保持部としての凹部１１６，１１７及び突起部１１８，１１９を有する。

嵌合部としての爪部１１４，１１５は、ハウジング２０に嵌合されるとともに、保持部としての凹部１１６，１１７及び突起部１１８，１１９は、主端子部４６を保持する。
つまり、保持部は、図１１（ａ）に示すように、両側面１１６ａ，１１６ｂに主端子部４６の両側面４６ａ，４６ｂが嵌合する凹部１１６と、凹部１１６の底面に設けられ主端子部４６と嵌合する突起部１１８とにより構成されている。突起部１１８は、主端子部４６を貫通して主端子部４６から突出する先端部にハウジングに嵌合する部材としての第２保持部材１２０が嵌合する。

次に、作用について説明する。
図２において、パワースイッチング素子３０，３１及びダイオードＤで発生する熱は絶縁基板７０，７１，７２，７３を通してハウジング２０に伝わり、冷却フィン２１ｂ，２２ｂから逃がされる。このように、絶縁基板７０，７１，７２，７３をハウジング２０に直付けした直冷構造とすることにより熱抵抗の低減が図られている。このとき、主電極４０，４１，４２，４３及び制御電極５０，５１は各々独立している。

主電極４０，４１，４２，４３においては、パワースイッチング素子３０，３１を載置する載置部４５から主端子部４６がハウジング２０の外部に向けて延出している。樹脂製の第１保持部材１１０においては、ボンディングワイヤＷに電気的に接続される制御端子部材５５が一体化されている。そして、第１保持部材１１０の爪部１１４，１１５がハウジング２０に嵌合されるとともに、凹部１１６，１１７及び突起部１１８，１１９により主端子部４６が保持される。

よって、ハウジング２０に対する主端子部４６及び制御端子部材５５の位置決め精度の向上を図ることができる。
より詳しく説明する。

特許文献１に開示のモジュールにおける電極構造は、リードフレームタイプであり、トランスファーモールドした後、ハウジング内に配置される。この構造において、電極とハウジングとの間の絶縁は、絶縁シートや絶縁基板及びグリス等を用いて行う必要があるが、絶縁部の熱抵抗が比較的高い。そこで、熱抵抗低減策として、絶縁基板をハウジングに直付けする直冷構造を採用すると、電極のリードフレーム化が困難であるとともに電極（信号線用／主回路用）は各々独立しているため、各部品の位置決め機構が必要である。つまり、直冷構造を採用した場合に、電極の部品数が多くなり、各部品の位置決め治具が別途必要となる。

本実施形態においては、電極自体に位置決め機構を設けることにより、治具を不要としている。具体的には、第１保持部材１１０及び第２保持部材１２０を用いて電極の構成部品を保持し、第１保持部材１１０及び第２保持部材１２０はハウジング２０に位置決めされる構成とすることにより、ハウジング２０に位置決めしたい電極の構成部品が所望の位置に組付く構造としている。

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）パワーモジュール１０の構成として、冷却フィン２１ｂ，２２ｂを有するハウジング２０と、ハウジング２０内に設けられたパワースイッチング素子３０と、パワースイッチング素子３０の主電極パッド３２に電気的に接続される主電極４０と、パワースイッチング素子３０の制御パッド３３に電気的に接続される制御電極５０と、を有する。主電極４０は、パワースイッチング素子３０を載置する載置部４５と、載置部４５からハウジング２０の外部に向けて延出する主端子部４６と、を備える。制御電極５０は、制御パッド３３に接続されるリード部としてのボンディングワイヤＷと、ボンディングワイヤＷに電気的に接続される制御端子部材５５と、制御端子部材５５が一体化された樹脂製の保持部材としての第１保持部材１１０と、を備える。第１保持部材１１０は、ハウジング２０に嵌合される嵌合部としての爪部１１４，１１５と、主電極４０の主端子部４６を保持する保持部としての凹部１１６及び突起部１１８と、を有する。

これにより、樹脂製の第１保持部材１１０は嵌合部としての爪部１１４，１１５によりハウジング２０に嵌合している。第１保持部材１１０には、ボンディングワイヤＷに電気的に接続される制御端子部材５５が一体化されている。第１保持部材１１０は保持部としての凹部１１６及び突起部１１８により主電極４０の主端子部４６を保持している。よって、治具を用いることなく、ハウジング２０に対する主電極４０の主端子部４６及び制御電極５０の制御端子部材５５の位置決め精度の向上を図ることができる。

（２）保持部は、両側面１１６ａ，１１６ｂに主電極４０の主端子部４６の両側面４６ａ，４６ｂが嵌合する凹部１１６と、凹部１１６の底面に設けられ主電極４０の主端子部４６と嵌合する突起部１１８とにより構成されている。よって、主電極４０の主端子部４６を保持することができる。

（３）突起部１１８は、主電極４０の主端子部４６を貫通して主電極４０の主端子部４６から突出する先端部にハウジング２０に嵌合する部材としての第２保持部材１２０が嵌合する。よって、突起部１１８で第２保持部材１２０を位置決めできる。

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１１（ａ）に代わり、図１１（ｂ）に示すように、凹部１１６の側壁に設けた半円状の突起（キー）１３０と主端子部４６に設けた半円状の凹部１３１を嵌合させてよい。他にも、図１１（ｃ）に示すように凹部１１６の側壁に設けた半円状の凹部（窪み）１３２と主電極に設けた半円状の突起１３３を嵌合させてもよい。

○ 第１保持部材１１０に制御端子部材５５を一体化したが、これに代わり、第１保持部材１１０に制御端子部材５５に加えて主電極の主端子部４６も一体化して保持するようにしてもよい。

○ パワースイッチング素子３０，３１として、パワーＭＯＳＦＥＴを用いてもよく、この場合には外付けのダイオードに代わり寄生ダイオードが用いられる。また、パワースイッチング素子３０，３１としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、主電極としてソース電極及びドレイン電極を有するとともに、制御電極としてゲート電極を有する。

○ ハウジング内に設けるパワースイッチング素子の数は問わない。ハウジング内に設けるパワースイッチング素子は１つでもよいし、３つ以上でもよい。

１０…パワーモジュール、２０…ハウジング、２１ｂ，２２ｂ…冷却フィン、３０…パワースイッチング素子、３２…主電極パッド、３３…制御パッド、４０…主電極、４５…載置部、４６…主端子部、４６ａ，４６ｂ…側面、５０…制御電極、５５…制御端子部材、１１０…第１保持部材、１１４，１１５…爪部、１１６…凹部、１１６ａ，１１６ｂ…側面、１１８…突起部、１２０…第２保持部材、Ｗ…ボンディングワイヤ。

Claims (3)

1. 冷却フィンを有するハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられたパワースイッチング素子と、
   前記パワースイッチング素子の主電極パッドに電気的に接続される主電極と、
   前記パワースイッチング素子の制御パッドに電気的に接続される制御電極と、
   を有するパワーモジュールにおいて、
   前記主電極は、
   前記パワースイッチング素子を載置する載置部と、
   前記載置部から前記ハウジングの外部に向けて延出する主端子部と、
   を備え、
   前記制御電極は、
   前記制御パッドに接続されるリード部と、
   前記リード部に電気的に接続される制御端子部材と、
   前記制御端子部材が一体化された樹脂製の保持部材と、
   を備え、
   前記保持部材は、
   前記ハウジングに嵌合される嵌合部と、
   前記主端子部を保持する保持部と、
   を有することを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記保持部は、両側面に前記主端子部の両側面が嵌合する凹部と、前記凹部の底面に設けられ前記主端子部と嵌合する突起部とにより構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. 前記突起部は、前記主端子部を貫通して前記主端子部から突出する先端部に前記ハウジングに嵌合する部材が嵌合することを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。