JP2022099228A - パワーモジュール、パワーモジュールを製造する方法、インバータ、およびdc/dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、パワーモジュール、パワーモジュールを製造する方法、インバータ、およびDC/DCコンバータに関する。
【解決手段】パワーモジュールは、表面を備えるキャリアと、DBCまたはIMSの上に設けられた複数のパワー素子および複数の外部コネクタと、パワー素子の上方にあるパワー素子の電磁干渉を遮蔽するための接地された遮蔽部材と、カプセル封止層であって、DBCまたはIMSと、パワー素子と、遮蔽部材と、外部コネクタの少なくとも一部と、を覆うカプセル封止層と、を備える。遮蔽部材を、樹脂製カプセル封止層の内部にカプセル封止することによって、パワー素子の電磁干渉が効果的に遮蔽される。また、本発明は、パワーモジュールを製造する方法およびインバータも開示する。
【選択図】図8
【解決手段】パワーモジュールは、表面を備えるキャリアと、DBCまたはIMSの上に設けられた複数のパワー素子および複数の外部コネクタと、パワー素子の上方にあるパワー素子の電磁干渉を遮蔽するための接地された遮蔽部材と、カプセル封止層であって、DBCまたはIMSと、パワー素子と、遮蔽部材と、外部コネクタの少なくとも一部と、を覆うカプセル封止層と、を備える。遮蔽部材を、樹脂製カプセル封止層の内部にカプセル封止することによって、パワー素子の電磁干渉が効果的に遮蔽される。また、本発明は、パワーモジュールを製造する方法およびインバータも開示する。
【選択図】図8
Description
本発明は、内部遮蔽部材を備えるパワーモジュール、パワーモジュールを製造する方法、およびパワーモジュールを備えるインバータに関する。
インバータは、通常、直流(「DC」)を交流(「AC」)に変換して、電動モータのような三相負荷に電力を供給するために使用される。図1~図2を参照すると、インバータは、IGBT、MOSFET、およびSiCデバイスのようなパワー素子12を備えるパワーモジュール1と、これらのパワー素子12を駆動する駆動基板2と、を含む。具体的には、パワーモジュール1は、パワー素子12およびピンまたは端子13を支持するキャリア11を備える。キャリア11は、DBC(direct bonded copper/直接接合銅)またはIMS(insulated metal substrate/絶縁金属基板)の一部とすることができる。低誘電率および低応力を有する樹脂14を使用して、パワーモジュールをカプセル封止することができる。駆動基板2は、両面に電子部品21、22(例えば、駆動チップ、抵抗、コンデンサ、ダイオード、トライオード等)を有する回路基板20を備える。ピンは、パワー素子12をスイッチオンおよびオフするための駆動信号と、温度を検出するためのセンサ信号のようなセンサ信号と、を送信する。そして端子は、他の電気部品に結合されたACコネクタおよびDCコネクタのようなコネクタを含む。従来の設計では、パワーモジュールおよび駆動基板2は、比較的大きな間隔Hだけ離間して配置されている。それによって、ゲートループのインダクタンスがより大きくなる。その結果、ゲートループのインダクタンスに起因して無視できないノイズが発生する。
ゲートループのインダクタンスを低減するために、駆動基板2は、パワーモジュール1のより近くに配置されるべきである。しかしながら、駆動基板2がパワーモジュール1に近づくにつれて、パワーモジュール1が駆動基板2と干渉する。これによって、パワー素子の誤動作、すなわちEMC(Electro Magnetic Compatibility/電磁両立性)問題が発生する。
パワーモジュール1と駆動基板2との間に(銅シートのような)電気遮蔽部材3を挿入することによって、EMC問題を何とか解決できる。回路基板20の裏面の上には、チップ22が設けられている。そのため、短絡を回避すべく、パワーモジュールと駆動基板の間にスペースを設ける必要がある。しかしながら、パワーモジュールと駆動基板との間のスペースは、ゲートループの大きなインダクタンスを引き起こす。そのため、ノイズ問題は依然として解決されない。
ノイズ問題とEMC問題とのバランスをとるために、本発明は、内部遮蔽部材を備えるパワーモジュールを提供する。パワーモジュールは、表面を含む(例えば、DBCまたはIMSの一部である)キャリアと、キャリアの表面の上に設けられた複数のパワー素子および複数の外部コネクタと、パワー素子の上方にあるパワー素子の電磁干渉を遮蔽するための接地された遮蔽部材と、カプセル封止層であって、キャリアの表面と、パワー素子と、遮蔽部材と、外部コネクタの少なくとも一部と、を覆うカプセル封止層と、を備える。この設計において、遮蔽部材を、樹脂製カプセル封止層の内部にカプセル封止することによって、パワー素子の電磁干渉が効果的に遮蔽される。
好適な実施形態において、パワーモジュールは、遮蔽部材をグランドに電気的に接続するための少なくとも1つの接地部材を更に備える。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材は、少なくとも1つの第1貫通孔を備える。接地部材は、ボルトまたはネジである。遮蔽部材は、第1貫通孔を介してボルトまたはネジによって接地される。
別の好適な実施形態においては、ボルトまたはネジは不要であり、遮蔽部材はボンドワイヤによって直接接地される。
別の好適な実施形態において、パワーモジュールは、遮蔽部材をカプセル封止層の内部で支持するための少なくとも1つの支持部材を更に備える。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材は支持部材を介して接地される。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材は、外部コネクタが通過するための第2貫通孔を含む。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材は、銅シートまたはアルミニウムシートである。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材は、パワー素子を覆う屋根と、屋根に対して直角をなして延在する壁と、を備える遮蔽キャップである。
別の好適な実施形態において、壁は、充填材料が通過するための少なくとも1つの第3貫通孔を備える。
別の好適な実施形態において、キャリアは、平坦な形状またはピンフィン形状を含む。
本発明の別の態様によれば、パワーモジュールを製造する方法も開示される。方法は、以下のステップを含む。すなわち、キャリアを型のキャビティに配置するステップであって、(例えば、DBCまたはIMSの一部である)キャリアは表面を含み、複数のパワー素子および複数の外部コネクタは、キャリアの表面の上に設けられているステップ。樹脂をキャビティに注入するステップであって、キャリアの表面と、パワー素子と、各外部コネクタの少なくとも一部と、を覆い、樹脂が固化した後に第1カプセル封止層を形成するステップ。パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材を、第1カプセル封止層の上に設けるステップ。樹脂をキャビティに注入して遮蔽部材を覆い、樹脂が固化した後に第2カプセル封止層を形成するステップ。そして、型を除去して遮蔽部材を接地するステップ。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材を接地するステップは、遮蔽部材の上の第1貫通孔を介してボルトまたはネジによって接地する。別の好適な実施形態において、遮蔽部材を接地するステップは、遮蔽部材をボンドワイヤによって直接接地する。
本発明の別の態様によれば、パワーモジュールを製造する別の方法も開示される。方法は、以下のステップを含む。すなわち、キャリアを型のキャビティに配置するステップであって、(例えば、DBCまたはIMSの一部である)キャリアは表面を含み、複数のパワー素子および複数の外部コネクタは、キャリアの表面の上に設けられているステップ。パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材を、パワー素子の上方に配置するステップであって、遮蔽部材は、少なくとも1つの支持部材によって支持されて、少なくとも1つの接地部材によって接地されるステップ。樹脂をキャビティに注入するステップであって、キャリアの表面と、パワー素子と、遮蔽部材と、各外部コネクタの少なくとも一部と、を覆い、樹脂が固化した後にカプセル封止層を形成するステップ。そして、型を除去するステップ。
別の好適な実施形態において、少なくとも1つの接地部材を、少なくとも1つの支持部材と一体化させる。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材に、外部コネクタが通過するための第2貫通孔を設ける。
本発明の別の態様によれば、パワーモジュールを製造する別の方法も開示される。方法は、以下のステップを含む。すなわち、キャリアを型のキャビティに配置するステップであって、(例えば、DBCまたはIMSの一部である)キャリアは表面を含み、複数のパワー素子および複数の外部コネクタは、キャリアの表面の上に設けられているステップ。パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材を、キャリアの表面の上に配置するステップであって、遮蔽部材は、パワー素子を覆う屋根と、屋根に対して直角をなして延在する壁と、を備える遮蔽キャップであって、壁は充填材料が通過するための少なくとも1つの第3貫通孔を備えるステップ。樹脂をキャビティに注入するステップであって、キャリアの表面と、パワー素子と、遮蔽部材と、各外部コネクタの少なくとも一部と、を覆い、樹脂が固化した後にカプセル封止層を形成するステップ。そして、型を除去するステップ。
別の好適な実施形態において、遮蔽部材に、外部コネクタが通過するための第2貫通孔を設ける。
本発明の別の態様によれば、インバータは、上述のパワーモジュールと、パワーモジュールの上に配置された駆動基板と、を備える。そのほか、パワーモジュールは、DC/DCコンバータおよび電力用途にも適用できる。
実施形態の他の態様および利点は、説明される実施形態の原理を例として示す添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかになる。
記載される実施形態およびその利点は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。これらの図面は、記載される実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、記載される実施形態に対して当業者が行うことができる形態および詳細のいかなる変更をも、決して制限するものではない。
ここで図面を参照して、本発明の実施形態を詳細する。図3~図9を参照して、内部遮蔽部材を備えるパワーモジュールと、パワーモジュールを製造する方法と、第1実施形態によるパワーモジュールを備えるインバータと、が詳説される。図7および図8を参照すると、パワーモジュール10は、表面(例えば、前面)を含むキャリア101と、複数のパワー素子102と、キャリア101の表面の上に設けられた複数の外部コネクタ103と、を備える。この場合、キャリアは、DBCまたはIMSの一部である。パワーモジュールは、パワー素子102の上方にあるパワー素子102の電磁干渉を遮蔽するための接地された遮蔽部材30と、カプセル封止層104であって、キャリア101の表面と、パワー素子102と、遮蔽部材30と、外部コネクタ103の少なくとも一部と、を覆うカプセル封止層104と、を更に備える。パワーモジュールを製造する方法を参照して、以下の説明において、更なる詳細が開示される。
図3~図8を参照して、パワーモジュール10は、以下のプロセスによって製造される。まず、キャリア101と、キャリア101の前面の上にあるIGBTまたはSiCデバイスなどの複数のパワー素子102と、を設ける。パワー素子をスイッチオンおよびオフすることによって、直流を交流に変換することができる。また、キャリア101の前面の上には、ACコネクタ、DCコネクタおよびピンのような、複数の外部コネクタ103も設けられている。ACコネクタは、電動モータのようなAC部品に結合されている。一方、DCコネクタは、DC電源に結合されている。ピンは、パワー素子102をスイッチオンおよびオフするための駆動信号と、温度電圧および電流を検出するためのセンサ信号のようなセンサ信号と、を送信する。
図3において、パワー素子102および外部コネクタ103を備えるキャリア101を、注入孔10を備える下型41の内側底面の上に配置する。上型(図示せず)を、キャビティを形成するために下型41と共に組み立てることになる。次いで、注入孔10を介してキャビティ内に樹脂を注入し、キャリア101、パワー素子102、および各外部コネクタ103の少なくとも一部を覆う。樹脂が固化した後に、図4に示すように、第1カプセル封止層1041が形成される。
次に図5を参照すると、パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材30を、第1カプセル封止層1041の上に配置する。遮蔽部材30は、パワー素子の電磁干渉が遮蔽部材30によって遮蔽されるように、パワー素子を覆う銅シートである。一方、プラグ6を遮蔽部材30の上に配置し、続く樹脂注入を防止する。
図6において、注入孔10を介して樹脂をキャビティ内に注入し、遮蔽部材30および外部コネクタ103の別の部分を覆う。樹脂が固化した後に、第2カプセル封止層が形成される。第1カプセル封止層および第2カプセル封止層を、本明細書では、共にカプセル封止層104と称する。カプセル封止層104の頂部は、プラグ6の頂部を越えてはならない。次いで、型(上型および下型41の両方)を取り外す。次に図7を参照すると、プラグ6を取り外し、ボルト7をカプセル封止層に挿入し、遮蔽部材30を接地する(ボルトを挿入する際に、第1貫通孔を形成する)。ボルト7を用いて、遮蔽部材30を、例えば、パワーモジュールを冷却するための冷却システムのグランドに電気的に結合させる。
次に図8を参照すると、上述の方法で製造したパワーモジュール10(ボルトは図示せず)と、駆動基板20と、を備えるインバータが示される。駆動基板20は、回路基板200と、回路基板200の前面の上のチップ201と、回路基板200の裏面の上のチップ202と、を備える。駆動基板20は、外部コネクタ103によってパワーモジュール10に結合されている。パワー素子102をスイッチオンおよびオフするための駆動信号、およびパワーモジュール10の特性パラメータを検出するためのセンサ信号は、外部コネクタ103によって送信される。この実施形態において、遮蔽部材30はカプセル封止層104の内部に封止されている。そのため、駆動基板20をパワーモジュール10の可及的近くに配置することができる。図9を参照すると、第2実施形態において、インバータをよりコンパクトにするために、駆動基板20をパワーモジュール10の頂面に配置することさえできる。図9において、駆動基板20の裏面の上に設けられたチップ202は、樹脂製カプセル封止層104の頂面に接触しており、短絡の恐れがない。
この内部遮蔽部材の設計では、駆動基板20をパワーモジュールの可及的近くに設けることによって、ゲートループのインダクタンスが著しく低減される。したがって、ゲートループのインダクタンスに起因するノイズは、軽微であり無視できる。一方、カプセル封止層104の内部の遮蔽部材によって、たとえ駆動基板20がパワーモジュール10に非常に近くても、EMC問題は十分に抑制される。したがって、ノイズ問題とEMC問題との間の矛盾が、妥協されて解決される。
第3実施形態において、図10に示すように、キャリアと同じ寸法(長さおよび幅)の遮蔽部材30が使用される。遮蔽部材30は、外部コネクタが通過するための第2貫通孔301を含む。この実施形態において、キャリア領域全体が遮蔽部材によって覆われており、パワー素子からの電磁干渉が十分に遮蔽される。この実施形態におけるパワーモジュールの製造方法は、上述した実施形態の製造方法と同様である。図4、図11および図12を参照すると、第1カプセル封止層1041を形成した後、外部コネクタ103が第2貫通孔301を貫通した状態で、図10に示す遮蔽部材30を、第1カプセル封止層1041の上に配置する。一方、プラグ61を遮蔽部材の上に配置する。続くプロセスは、上述した実施形態と全く同じである。遮蔽部材30を、ボルトまたはネジ7によって接地する。
次に、図3、図13および図14を参照して、パワーモジュールの第4実施形態およびその製造方法を説明する。この実施形態において、遮蔽部材を支持部材31によって支持することで、必要となるのは1回のみの注入プロセスで済む。図13に示すように、遮蔽部材30をDBCの上で支持するために、支持部材31を設ける。遮蔽部材30を、支持部材31の少なくとも1つを介して接地させる。すなわち、少なくとも1つの支持部材は、接地部材としても用いられている。代替的に、パワーモジュールは、遮蔽部材を支持するために、遮蔽部材の四隅に4つの導電性コラムを備えることができる。各導電性コラムは、遮蔽部材を、例えば、パワーモジュールの冷却システムのグランドのようなグランドに接地する。遮蔽部材を支持部材の上に支持させた後、上型と下型41とで形成されたキャビティ内に樹脂を注入する。樹脂が固化した後、型を取り外して、カプセル封止層104を形成する。内部遮蔽部材を備えるパワーモジュールを、図14に示す。
次に図15~図18を参照すると、異なる形状を備える遮蔽部材300が開示される第5実施形態が示される。遮蔽部材は、パワー素子を覆う屋根3001と、屋根に対して直角をなして延在する壁3002と、を備える遮蔽キャップ300である。屋根3001には、(センサ信号を送信する)ピンおよび(ACコネクタおよびDCコネクタ)端子が通過するための、複数の第2貫通孔3011および3012が設けられている。壁3002には、充填材料が通過するための複数の第3貫通孔3013が設けられている。この実施形態において、充填材料は樹脂である。
この実施形態におけるパワーモジュールの製造方法は、遮蔽部材として銅シートを使用する実施形態と同様である。図17に示すように、遮蔽キャップ300をキャリアの上に配置し、キャリアの前面およびキャリアの上のパワー素子を覆う。次いで、樹脂を注入し、カプセル封止層104を形成する。内部遮蔽キャップ300を備えるパワーモジュールを、図18に示す。図18に示すパワーモジュールの上に駆動基板を設けることによって、遮蔽キャップ300がパワー素子の電磁干渉を全方向に遮蔽する。そのため、電磁両立性に優れたコンパクトなインバータが形成される。
先の実施形態において、パワーモジュールのキャリアは、平坦な形状を有する。熱影響の観点からは、ピンフィン形状を有するキャリアが、より理想的である。ピンフィン形状を有するキャリアを含む第6実施形態を、図19および図20を参照して、以下で更に説明する。図19は、第2の樹脂注入の前に、(上型402および下型401によって形成される)型に提供される、ピンフィン形状を有するパワーモジュールの断面図および分解図を示す。キャリア101は、熱を急速に放散させるために、その裏面の上にピンフィン形状1001を有する。下型401の内側底面に段差4011を設けることによって、樹脂の注入プロセスの間に、キャリア101を下型に安定して配置することができる。第1カプセル封止層1041が形成された後、第1カプセル封止層1041の上に、複数の第2貫通孔を備える遮蔽部材30を配置する。第2貫通孔は、外部コネクタ103(ピンおよび端子)の通過を可能にする。第2の樹脂の注入プロセスを経て、樹脂の固化後に、カプセル封止層104が形成される。図20に示すピンフィン形状を有するパワーモジュールは、型を取り外した後に形成される(接地部材は図示されない)。
いくつかの代替的な構造素子および処理ステップが、好適な実施形態のために提案されている。したがって、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、この説明は、本発明を例示するものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は、種々の変形および応用を想到することができる。
Claims (20)
- パワーモジュールであって、
表面を含むキャリアと、
前記キャリアの前記表面の上に設けられた複数のパワー素子および複数の外部コネクタと、
前記パワー素子の上方にある前記パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための接地された遮蔽部材と、
カプセル封止層であって、前記キャリアの前記表面と、前記パワー素子と、前記遮蔽部材と、前記外部コネクタの少なくとも一部と、を覆うカプセル封止層と、を備える、パワーモジュール。 - 請求項1に記載のパワーモジュールであって、前記パワーモジュールは、前記遮蔽部材をグランドに電気的に接続するための少なくとも1つの接地部材を更に備える、パワーモジュール。
- 請求項2に記載のパワーモジュールであって、前記遮蔽部材は、少なくとも1つの第1貫通孔を備え、前記接地部材は、ボルトまたはネジであり、前記遮蔽部材は、前記第1貫通孔を介して前記ボルトまたは前記ネジによって接地される、パワーモジュール。
- 請求項1に記載のパワーモジュールであって、前記遮蔽部材はボンドワイヤによって接地される、パワーモジュール。
- 請求項1に記載のパワーモジュールであって、前記パワーモジュールは、前記遮蔽部材を前記カプセル封止層の内部で支持するための少なくとも1つの支持部材を更に備える、パワーモジュール。
- 請求項5に記載のパワーモジュールであって、前記遮蔽部材は前記支持部材を介して接地される、パワーモジュール。
- 請求項1~6の何れか一項に記載のパワーモジュールであって、前記遮蔽部材は、前記外部コネクタが通過するための第2貫通孔を含む、パワーモジュール。
- 請求項1~6の何れか一項に記載のパワーモジュールであって、前記遮蔽部材は、銅シートまたはアルミニウムシートである、パワーモジュール。
- 請求項1~6の何れか一項に記載のパワーモジュールであって、前記遮蔽部材は、前記パワー素子を覆う屋根と、前記屋根に対して直角をなして延在する壁と、を備える遮蔽キャップである、パワーモジュール。
- 請求項9に記載のパワーモジュールであって、前記壁は、充填材料が通過するための少なくとも1つの第3貫通孔を備える、パワーモジュール。
- 請求項1~6の何れか一項に記載のパワーモジュールであって、前記キャリアは、平坦な形状またはピンフィン形状を含む、パワーモジュール。
- パワーモジュールを製造する方法であって、
キャリアを型のキャビティに配置するステップであって、前記キャリアは表面を含み、複数のパワー素子および複数の外部コネクタは、前記キャリアの前記表面の上に設けられているステップと、
樹脂を前記キャビティに注入するステップであって、前記キャリアの前記表面と、前記パワー素子と、各前記外部コネクタの少なくとも一部と、を覆い、前記樹脂が固化した後に第1カプセル封止層を形成するステップと、
前記パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材を、前記第1カプセル封止層の上に設けるステップと、
樹脂を前記キャビティに注入して前記遮蔽部材を覆い、前記樹脂が固化した後に第2カプセル封止層を形成するステップと、
前記型を除去して前記遮蔽部材を接地するステップと、を含む方法 - 請求項12に記載の方法であって、前記遮蔽部材を接地するステップは、
前記遮蔽部材の上の第1貫通孔を介してボルトまたはネジによって接地するステップ、または
前記遮蔽部材をボンドワイヤによって接地するステップ、を含む方法。 - パワーモジュールを製造する方法であって、
キャリアを型のキャビティに配置するステップであって、前記キャリアは表面を含み、複数のパワー素子および複数の外部コネクタは、前記キャリアの前記表面の上に設けられているステップと、
前記パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材を、前記パワー素子の上方に配置するステップであって、前記遮蔽部材は、少なくとも1つの支持部材によって支持されて、少なくとも1つの接地部材によって接地されるステップと、
樹脂を前記キャビティに注入するステップであって、前記キャリアの前記表面と、前記パワー素子と、前記遮蔽部材と、各前記外部コネクタの少なくとも一部と、を覆い、前記樹脂が固化した後にカプセル封止層を形成するステップと、
前記型を除去するステップと、を含む方法。 - 請求項14に記載の方法であって、前記少なくとも1つの接地部材を、前記少なくとも1つの支持部材と一体化させる、方法。
- 請求項15に記載の方法であって、前記遮蔽部材に、前記外部コネクタが通過するための第2貫通孔を設ける、方法。
- パワーモジュールを製造する方法であって、
キャリアを型のキャビティに配置するステップであって、前記キャリアは表面を含み、複数のパワー素子および複数の外部コネクタは、前記キャリアの前記表面の上に設けられているステップと、
前記パワー素子の電磁干渉を遮蔽するための遮蔽部材を、前記キャリアの前記表面の上に配置するステップであって、前記遮蔽部材は、前記パワー素子を覆う屋根と、前記屋根に対して直角をなして延在する壁と、を備える遮蔽キャップであって、前記壁は充填材料が通過するための少なくとも1つの第3貫通孔を備えるステップと、
樹脂を前記キャビティに注入するステップであって、前記キャリアの前記表面と、前記パワー素子と、前記遮蔽部材と、各前記外部コネクタの少なくとも一部と、を覆い、前記樹脂が固化した後にカプセル封止層を形成するステップと、
前記型を除去するステップと、を含む方法。 - 請求項17に記載の方法であって、前記遮蔽部材に、前記外部コネクタが通過するための第2貫通孔を設ける、方法。
- インバータであって、請求項1~18の何れか一項に記載のパワーモジュールと、前記パワーモジュールの上に配置された駆動基板と、を備える、インバータ。
- DC/DCコンバータであって、請求項1~18の何れか一項に記載のパワーモジュールと、前記パワーモジュールの上に配置された駆動基板と、を備える、DC/DCコンバータ。
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