JP3801952B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワーモジュールに係る発明であって、特に、パワー半導体素子を制御するための部品を電磁ノイズ等から保護する電磁波遮蔽板を供えるパワーモジュールの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載した制御基板を備えるパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子の高周波のスイッチング動作時に発生する電界や磁界（電磁ノイズ）は、当該電子部品の誤動作の原因となることが知られている。
【０００３】
そこで、当該電磁ノイズから電子部品を保護するために、電磁波遮蔽板を有する従来のパワーモジュールの構造として、図６に示されるものが採用されていた。図６は、従来のパワーモジュール２００の構造を示す断面図であり、以下に詳細な構成を説明する。
【０００４】
導電性のベース板２に樹脂製のケース（以下、ケースと称す）１が固着され、ケース１の上面にはカバー１ａが取り付けられており、ベース板２、ケース１とカバー１ａとで囲まれた領域内に、絶縁基板３、制御基板４と中継端子９とが配設されている。
【０００５】
絶縁基板３は、半田等のろう材５によりベース板２にろう接されており、当該絶縁基板３上には、複数のパワー半導体素子６が搭載されている。複数のパワー半導体素子６同士は、アルミ等の金属細線７によって相互に電気的に接続されている。
【０００６】
また、制御基板４には、パワー半導体素子６を制御するためのＩＣ等の電子部品８が搭載されており、中継端子９によって絶縁基板３と制御基板４とが電気的に接続されている。中継端子９の一端は、金属細線７により絶縁基板３あるいはパワー半導体素子６に接続されている。また、中継端子９の他端は、制御基板４の第二の穴４ａを貫通して、ろう材５によって制御基板４にろう接され、電子部品８と電気的に接続されている。
【０００７】
さらに、制御基板４に搭載されている電子部品８をパワー半導体素子６の高周波スイッチング動作時に発生する電磁ノイズから保護するために、電磁波遮蔽板１０が絶縁基板３と制御基板４との間の位置で、ケース１に取り付けらている。
【０００８】
ここで、図７により、中継端子９が電磁波遮蔽板１０の第一の穴１０ａと制御基板４の第二の穴４ａとを貫通して、制御基板４にろう材５によりろう接されている様子を拡大して示す。
【０００９】
なお、パワー半導体素子６および金属細線７を保護するために、電磁波遮蔽板１０より下の空間にシリコンゲル１１が充填されている。
【００１０】
また、ケース１の上面には、一端がパワー半導体素子６と図示していない部分により電気的に接続されている主電極１２が配設されており、さらに、ベース板２からの放熱を促進させるために、放熱フィン１３がベース板２に接続されている。
【００１１】
ここで、電磁波遮蔽板１０は、固定電位（アース電位）となるように図示していない部分により、ベース板２および放熱フィン１３と電気的に接続されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成において、パワー半導体素子６に保証された絶縁耐圧を中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間でも確保する必要があるので、電磁波遮蔽板１０に穿設される第一の穴１０ａは、大きく設けなければならない。
【００１３】
例えば、２５００Ｖの絶縁耐圧が充電部−アース間で保証されているパワ−モジュールでは、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間でも当該絶縁耐圧が保証される必要があり、適用する絶縁規格や使用環境によっても異なるが、第一の穴１０ａの直径の大きさは、一般的には６〜１０ｍｍ程度が必要となる。
【００１４】
上記により、電磁波遮蔽板１０に第一の穴１０ａを大きく穿設しなけらばならないので、第一の穴１０ａの部分での電磁波遮蔽効果が減少するという問題があった。
【００１５】
そこで、この発明は、パワー半導体素子が発生する電磁ノイズによる電子部品の誤動作の影響を抑制するために、電磁波遮蔽効果の高い電磁波遮蔽板を備えるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載する制御基板と、前記パワー半導体素子と前記制御基板との間の電気的接続を中継する中継端子と、前記パワー半導体素子の配設位置と前記制御基板の配設位置との間に配置されており、前記中継端子が貫通する第一の穴が穿設されており、電磁ノイズを遮蔽する電磁波遮蔽板と、前記中継端子と前記電磁波遮蔽板に穿設されている第一の穴との間に介在している絶縁体とを備えている。
また、前記絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に穿設されている前記第一の穴に挿入されており、中空部を有する中空絶縁体であり、前記中継端子は、前記中空絶縁体の前記中空部を貫通しているものであってもよい。
【００１８】
また、請求項２に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、複数設けられていてもよい。
【００１９】
また、請求項３に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に固定されているものであってもよい。
【００２０】
また、請求項４に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板と一体構成となっているものであってもよい。
【００２１】
また、請求項５に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、前記中継端子が挿入される側に形成されるテーパ形状の挿入部と、前記中継端子を導く導引部とで構成されているものであってもよい。
【００２２】
また、請求項６に記載のパワーモジュールでは、前記制御基板には、前記中継端子が貫通する第二の穴が穿設されており、前記中空絶縁体の前記導引部の大きさが、前記第二の穴の大きさよりも小さいものであってもよい。
【００２４】
また、請求項７に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、フェライトで形成されているものであってもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、従来技術で記した符号と同一符号のものは、同一または同等の部材を示している。
【００２６】
＜実施の形態１＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の構成を示す断面図を図１に示す。
【００２７】
図１において、導電性のベース板２に樹脂製のケース（以下、ケースと称す）１が固着され、ケース１の上面にはカバー１ａが取り付けられており、ベース板２、ケース１とカバー１ａとで囲まれた領域内に、絶縁基板３、制御基板４と中継端子９とが配設されている。
【００２８】
絶縁基板３は、半田等のろう材５によりベース板２にろう接されており、当該絶縁基板３上には、複数のパワー半導体素子６が搭載されている。また、複数のパワー半導体素子６同士は、アルミニウム等の金属細線７によって相互に電気的に接続されている。
【００２９】
また、制御基板４には、パワー半導体素子６を制御するためのＩＣ等の電子部品８が搭載されており、中継端子９によって絶縁基板３と制御基板４とが電気的に接続されている。中継端子９の一端は、金属細線７により絶縁基板３あるいはパワー半導体素子６に接続されている。これに対して、中継端子９の他端は、制御基板４の第二の穴４ａを貫通して、ろう材５によって制御基板４にろう接され、電子部品８と電気的に接続されている。
【００３０】
さらに、制御基板４に搭載されている電子部品８をパワー半導体素子６の高周波スイッチング動作時に発生する電磁ノイズから保護するために、電磁波遮蔽板１０が絶縁基板３と制御基板４との間の位置で、ケース１に取り付けらている。
【００３１】
なお、パワー半導体素子６および金属細線７を保護するために、電磁波遮蔽板１０より下の空間にシリコンゲル１１が充填されている。また、ケース１の上面には、一端がパワー半導体素子６と図示していない部分により電気的に接続されている主電極１２が配設されており、さらに、ベース板２からの放熱を促進させるために、放熱フィン１３がベース板２に接続されている。
【００３２】
ここで、電磁波遮蔽板１０は、固定電位（アース電位）となるように図示していない部分により、ベース板２および放熱フィン１３と電気的に接続されている。
【００３３】
さて、本実施の形態の特徴を図２に示す拡大断面図に基づいて、具体的に構成を説明する。
【００３４】
図２に示しているように、中空部２０ａを有する中空絶縁体２０が電磁波遮蔽板１０の第一の穴１０ａを貫通した状態で、シリコンゲル１１の表面上に載置されている。また、中継端子９は、前記中空絶縁体２０の中空部２０ａと制御基板４の第二の穴４ａとに貫通させられており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５により、ろう接されている。
【００３５】
また、第一の穴１０ａの大きさは、中空絶縁体２０の大きさより大きい必要があるが、中空絶縁体２０が挿入できる最低限の大きさであることが望まれる。
【００３６】
ここで、中空絶縁体２０の厚さおよび高さ等の寸法は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間で保証される絶縁耐圧の大きさで決まり、絶縁体材料の種類により異なる。
【００３７】
つまり、中空絶縁体２０の具体的な寸法は、絶縁体材料の種類、およびパワーモジュールで保証されている絶縁耐圧値によって設計される。ただし、中空絶縁体２０の厚さが小さく設計できたとしても、そのような薄厚中空の中空絶縁体２０の形状を製造することが困難な場合もあり、その場合は設計と実際の製造とを考慮した中空絶縁体２０を製造することとなる。
【００３８】
このように本実施の形態では、中空絶縁体２０の中空部２０ａに前記中継端子９を貫通させ、中継端子９とこれを囲む電磁波遮蔽板１０との間に中空絶縁体２０を介在させる構成とすることにより、両部材９，１０間の絶縁耐圧力は増加する。したがって、従来技術のように両部材９，１０間が空気のときに比して、両部材９，１０間の距離を小さくすることができ、これにともない、両部材９，１０間での電磁波遮蔽効力の低下を抑制することができる。
【００３９】
故に、パワー半導体素子６の高周波のスイッチング動作によって発生する電界や磁界を効果的に遮蔽でき、制御基板４に搭載された電子部品８の誤動作を抑制することができる。
【００４０】
なお、中空絶縁体２０の中空部２０ａの形と当該中空絶縁体２０の外形は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間の絶縁耐圧が保証されるのであれば、任意の形のものでもよいが、円筒形の絶縁体２０とすることで、電磁波遮蔽板１０に穿設されている第一の穴１０ａの大きさを最小にすることができる。
【００４１】
また、中空絶縁体２０の中空部２０ａの数は一つ限らず、中継端子９の数に対応した数のものであってもよい。
【００４２】
また、中空絶縁体２０の材料としてフェライト（例えば、酸化鉄を主成分とするフェライト等）を採用することにより、上記効果に加えて、中継端子９への外部からの電磁ノイズ除去対策（ＥＭＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ）対策）の効果も得られる。
【００４３】
なお、後述の実施の形態２のように、中空絶縁体２０と電磁波遮蔽板１０とが一体形成または固定されていてもよいことは言うまでもない。
【００４４】
＜実施の形態２＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の拡大断面図を図３に示す。ここで、図３に示されている以外の各部材の構成は図１の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００４５】
さて、図３で示しているように、例えば、第一の穴を有する電磁波遮蔽板１０を用意し、当該電磁波遮蔽板１０に対して射出成形により、中空部を有する中空絶縁体３０を電磁波遮蔽板１０と一体的に形成する。前記中空絶縁体３０の中空部は、中継端子９が挿入される側に形成されているテーパ形状の挿入部３０ａと、中継端子９を導く導引部３０ｂとで構成されている。
【００４６】
ここで実施の形態１と同様、中空絶縁体３０の厚さおよび高さ等の具体的な寸法は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間で保証される絶縁耐圧の大きさと絶縁体材料の種類により決められる。ただし、絶縁体３０の厚さが小さく設計できたとしても、そのような薄厚の中空絶縁体３０の固形の塊を成形することが困難な場合もあり、その場合は、設計と実際の製造とを考慮した中空絶縁体３０を成形することとなる。
【００４７】
一方、中継端子９は、前記中空絶縁体３０の挿入部３０ａと導引部３０ｂとを貫通し、さらに制御基板４の第二の穴４ａを貫通しており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５によりろう接されている。
【００４８】
上記構成により、実施の形態１と同様の効果が得られると同時に、中空絶縁体３０が電子遮蔽板１０と一体的に形成されているので、組立て作業が容易となり、振動などによる中空絶縁体３０の位置ずれも発生しないため、安定した中継端子９と電磁波遮蔽板１０との絶縁距離（沿面距離）を確保できるという効果も得られる。
【００４９】
さらに、本実施の形態において、導引部３０ｂの大きさを制御基板４に穿設された第二の穴４ａよりも小さく形成することにより、以下の問題点が解決される。
【００５０】
従来技術のパワーモジュール２００の組立て工程において、パワー半導体素子６等と電気的に接続されている中継端子９は、制御基板４に穿設されている第二の穴４ａに貫通させられ、半田等のろう材５により当該制御基板４にろう接されるが、パワーモジュール２００の使用時のヒートサイクルにより中継端子９が熱膨張を繰り返し、ろう材５にダメージを与える。
【００５１】
したがって、中継端子９の熱膨張に起因したろう材５のダメージを軽減するため、中継端子９は極力細くする必要があった。
【００５２】
しかし、中継端子９を細くすると、制御基板４を装着する組立て工程前に、ハンドリング（手作業）等によって中継端子９が変形し易くなってしまう。中継端子９が変形すると、制御基板４を装着する際、制御基板４に穿設された第二の穴４ａに中継端子９をスムーズに貫通させることができないという問題が発生していた。
【００５３】
そこで本実施の形態で記載した、中空部３０ａ，３０ｂを有する中空絶縁体３０を採用することにより、多少中継端子９が変形したとしてもテーパ形状の挿入部３０ａによりスムーズに中継端子９を中空絶縁体３０に挿入することができ、さらに、導引部３０ｂを通過した中継端子９は、その形状を矯正されているため、制御基板４に穿設されている第二の穴４ａに、中継端子９をスムーズに貫通させることができる。
【００５４】
また、中空絶縁体３０の外形および導引部３０ｂの形状は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間の絶縁耐圧が保証されるのであれば、任意の形のものでもよいが、円筒形とすることで、電磁波遮蔽板１０に穿設されている第一の穴の大きさを最小にすることができる。また、挿入部３０ａの形状においても、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間の絶縁耐圧が保証されるのであれば、任意の形状に形成することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、中空絶縁体３０と電磁波遮蔽板１０とが一体構造となっているものについて記載したが、電磁波遮蔽板１０に中空絶縁体３０が固定されているのであれば、その固定方法はこれに限るものでない。
【００５６】
＜実施の形態３＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の拡大断面図を図４に示す。ここで、図４に示されている以外の各部材の構成は図１の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００５７】
さて、本実施の形態では図４に示されているように、複数の中空部を有する中空絶縁体４０が電磁波遮蔽板１０と射出成形により、一体的に形成されている。ここで、一つの中空部は、実施の形態２と同様にテーパ形状の挿入部４０ａと導引部４０ｂとで構成されている。
【００５８】
一方、複数の中継端子９は、前記中空絶縁体４０の挿入部４０ａと導引部４０ｂとを貫通し、さらに制御基板４の第二の穴４ａを貫通しており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５によって、各々ろう接されている。
【００５９】
本実施の形態においても、中空絶縁体４０の具体的な寸法は、絶縁体材料の種類とパワーモジュールで保証される絶縁耐圧値により決められる。ただし、中空絶縁体４０の製造限界のために、設計より大きな寸法の中空絶縁体４０を成形する場合もある。
【００６０】
本実施の形態の中空絶縁体４０を採用することにより、実施の形態１の効果に加えて以下の効果が得られる。
【００６１】
例えば、パワー半導体素子６がＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である場合、中継端子９は通常、ゲート、エミッタ、エミッタセンス、温度センス用のアノード、温度センス用のカソード等が束になって配置されている。
【００６２】
ＩＧＢＴであるパワー半導体素子６を備えたパワーモジュールを組み立てる際、前記束となった中継端子９を本実施の形態の中空絶縁体４０の空洞部４０ａ，４０ｂを通すことにより、実施の形態２と同様に各中継端子９の変形を矯正することができるので、制御基板４に予め所定のピッチで穿設されている第二の穴４ａに、正確かつ簡単に当該複数の中継端子９を貫通させることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では中空絶縁体４０の中空部の形状として、実施の形態２に記載の中空部（挿入部４０ａと導引部４０ｂとで構成）について説明したが、実施の形態１に記載の中空部の形状のものであってもよい。
【００６４】
＜実施の形態４＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の拡大断面図を図５に示す。ここで、図５に示されている以外の各部材の構成は図１の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００６５】
さて、本実施の形態では図５に示されているように、例えばディップ成形により、電磁波遮蔽板１０の表面に絶縁体膜５０を付着させる。ここで、絶縁体膜５０の絶縁体材料の種類は何でもよく、また、絶縁体材料の種類とパワー半導体素子６で保証される絶縁耐圧値により、絶縁体膜５０の膜厚は決定される。
【００６６】
例えば、絶縁体膜５０としてＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｅｄ：ポリフェニレンサルファイド）を採用した場合、０．２ｍｍ程度の膜厚であれば２５００Ｖの絶縁耐圧は保証でき、当該膜厚程度であれば、容易に膜成形を行うことができる。つまり、上記他の実施の形態の中空絶縁体では、製造限界から絶縁耐圧力以上の寸法で形成される場合もあるが、本実施の形態ではそのような問題も解決できる。
【００６７】
一方、中継端子９は、表面を絶縁体膜５０で覆われた電磁波遮蔽板１０に穿設された第一の穴１０ａを貫通し、さらに制御基板４の第二の穴４ａを貫通しており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５によってろう接されている。ここで、第一の穴１０ａの寸法は、絶縁体膜５０の厚さを差し引いて中継端子９が貫通できる程度の大きさがあればよく、その範囲内でいくらでも小さくできるので、電磁波遮蔽効果もより向上する。
【００６８】
上記絶縁体膜５０を形成した電磁波遮蔽板１０を採用することにより、当該絶縁体膜５０の成形は容易であり、かつ、単純な構成で安価なパワーモジュールを提供することができる。
【００６９】
また、制御基板４に実装されている電子部品８と、電磁波遮蔽板１０との絶縁も確保できることから、制御基板４と電磁波遮蔽板１０との間隔を狭くすることもでき、製品の小型化が可能となる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載する制御基板と、前記パワー半導体素子と前記制御基板との間の電気的接続を中継する中継端子と、前記パワー半導体素子の配設位置と前記制御基板の配設位置との間に配置されており、前記中継端子が貫通する第一の穴が穿設されており、電磁ノイズを遮蔽する電磁波遮蔽板と、前記中継端子と前記電磁波遮蔽板に穿設されている第一の穴との間に介在している絶縁体とを備えているので、中継端子と電磁波遮蔽板との間の絶縁耐圧力を増加させることができ、両部材間が空気のときに比して、両部材間の距離を小さくすることができ、これにともない、両部材間における電磁波遮蔽の効力を向上させることができる。
また、前記絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に穿設されている前記第一の穴に挿入されており、中空部を有する中空絶縁体であり、前記中継端子は、前記中空絶縁体の前記中空部を貫通しているので、電子部品の誤動作の原因となるパワー半導体素子から発生する電磁ノイズを効率良く遮蔽することができる。
【００７２】
本発明の請求項２に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、複数設けられているので、例えば、パワー半導体素子が中継端子９が束になっているＩＧＢＴのときでも、電子部品の誤動作の原因となるパワー半導体素子から発生する電磁ノイズを効率良く遮蔽することができる。
【００７３】
本発明の請求項３に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に固定されているので、中継端子−電磁波遮蔽板間の中空絶縁体に沿った沿面距離を一定に保つことができる。
【００７４】
本発明の請求項４に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板と一体構成となっているので、無駄な部品を要せず用意に中空絶縁体を電磁波遮蔽板に固定することができる。
【００７５】
本発明の請求項５に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、前記中継端子が挿入される側に形成されるテーパ形状の挿入部と、前記中継端子を導く導引部とで構成されているので、パワーモジュールを組み立てる際、ハンドリング（手作業）等により中継端子が変形したとしても、中継端子を当該中空絶縁体に貫通させるだけで、当該変形を矯正することができ、後の組み立て作業が容易に行える。
【００７６】
本発明の請求項６に記載のパワーモジュールは、前記制御基板には、前記中継端子が貫通する第二の穴が穿設されており、前記中空絶縁体の前記導引部の大きさが、前記第二の穴の大きさよりも小さいので、中継端子の制御基板に対する取り付け作業性が向上する。
【００７８】
本発明の請求項７に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、フェライトで形成されているので、中継端子に対するＥＭＳ対策になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図２】 実施の形態１のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図３】 実施の形態２のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図４】 実施の形態３のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図５】 実施の形態４のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図６】 従来の技術のパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図７】 従来の技術のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
４ 制御基板、４ａ 第二の穴、６ パワー半導体素子、８ 電子部品、９ 中継端子、１０ 電磁波遮蔽板、１０ａ 第一の穴、２０，３０，４０ 中空絶縁体、５０ 絶縁体膜、２０ａ 中空部、３０ａ，４０ａ 挿入部、３０ｂ，４０ｂ 導引部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワーモジュールに係る発明であって、特に、パワー半導体素子を制御するための部品を電磁ノイズ等から保護する電磁波遮蔽板を供えるパワーモジュールの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載した制御基板を備えるパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子の高周波のスイッチング動作時に発生する電界や磁界（電磁ノイズ）は、当該電子部品の誤動作の原因となることが知られている。
【０００３】
そこで、当該電磁ノイズから電子部品を保護するために、電磁波遮蔽板を有する従来のパワーモジュールの構造として、図６に示されるものが採用されていた。図６は、従来のパワーモジュール２００の構造を示す断面図であり、以下に詳細な構成を説明する。
【０００４】
導電性のベース板２に樹脂製のケース（以下、ケースと称す）１が固着され、ケース１の上面にはカバー１ａが取り付けられており、ベース板２、ケース１とカバー１ａとで囲まれた領域内に、絶縁基板３、制御基板４と中継端子９とが配設されている。
【０００５】
絶縁基板３は、半田等のろう材５によりベース板２にろう接されており、当該絶縁基板３上には、複数のパワー半導体素子６が搭載されている。複数のパワー半導体素子６同士は、アルミ等の金属細線７によって相互に電気的に接続されている。
【０００６】
また、制御基板４には、パワー半導体素子６を制御するためのＩＣ等の電子部品８が搭載されており、中継端子９によって絶縁基板３と制御基板４とが電気的に接続されている。中継端子９の一端は、金属細線７により絶縁基板３あるいはパワー半導体素子６に接続されている。また、中継端子９の他端は、制御基板４の第二の穴４ａを貫通して、ろう材５によって制御基板４にろう接され、電子部品８と電気的に接続されている。
【０００７】
さらに、制御基板４に搭載されている電子部品８をパワー半導体素子６の高周波スイッチング動作時に発生する電磁ノイズから保護するために、電磁波遮蔽板１０が絶縁基板３と制御基板４との間の位置で、ケース１に取り付けらている。
【０００８】
ここで、図７により、中継端子９が電磁波遮蔽板１０の第一の穴１０ａと制御基板４の第二の穴４ａとを貫通して、制御基板４にろう材５によりろう接されている様子を拡大して示す。
【０００９】
なお、パワー半導体素子６および金属細線７を保護するために、電磁波遮蔽板１０より下の空間にシリコンゲル１１が充填されている。
【００１０】
また、ケース１の上面には、一端がパワー半導体素子６と図示していない部分により電気的に接続されている主電極１２が配設されており、さらに、ベース板２からの放熱を促進させるために、放熱フィン１３がベース板２に接続されている。
【００１１】
ここで、電磁波遮蔽板１０は、固定電位（アース電位）となるように図示していない部分により、ベース板２および放熱フィン１３と電気的に接続されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成において、パワー半導体素子６に保証された絶縁耐圧を中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間でも確保する必要があるので、電磁波遮蔽板１０に穿設される第一の穴１０ａは、大きく設けなければならない。
【００１３】
例えば、２５００Ｖの絶縁耐圧が充電部−アース間で保証されているパワ−モジュールでは、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間でも当該絶縁耐圧が保証される必要があり、適用する絶縁規格や使用環境によっても異なるが、第一の穴１０ａの直径の大きさは、一般的には６〜１０ｍｍ程度が必要となる。
【００１４】
上記により、電磁波遮蔽板１０に第一の穴１０ａを大きく穿設しなけらばならないので、第一の穴１０ａの部分での電磁波遮蔽効果が減少するという問題があった。
【００１５】
そこで、この発明は、パワー半導体素子が発生する電磁ノイズによる電子部品の誤動作の影響を抑制するために、電磁波遮蔽効果の高い電磁波遮蔽板を備えるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載する制御基板と、前記パワー半導体素子と前記制御基板との間の電気的接続を中継する中継端子と、前記パワー半導体素子の配設位置と前記制御基板の配設位置との間に配置されており、前記中継端子が貫通する第一の穴が穿設されており、電磁ノイズを遮蔽する電磁波遮蔽板と、前記中継端子と前記電磁波遮蔽板に穿設されている第一の穴との間に介在している絶縁体とを備えている。
また、前記絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に穿設されている前記第一の穴に挿入されており、中空部を有する中空絶縁体であり、前記中継端子は、前記中空絶縁体の前記中空部を貫通しているものであってもよい。
【００１８】
また、請求項２に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、複数設けられていてもよい。
【００１９】
また、請求項３に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に固定されているものであってもよい。
【００２０】
また、請求項４に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板と一体構成となっているものであってもよい。
【００２１】
また、請求項５に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、前記中継端子が挿入される側に形成されるテーパ形状の挿入部と、前記中継端子を導く導引部とで構成されているものであってもよい。
【００２２】
また、請求項６に記載のパワーモジュールでは、前記制御基板には、前記中継端子が貫通する第二の穴が穿設されており、前記中空絶縁体の前記導引部の大きさが、前記第二の穴の大きさよりも小さいものであってもよい。
【００２４】
また、請求項７に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、フェライトで形成されているものであってもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、従来技術で記した符号と同一符号のものは、同一または同等の部材を示している。
【００２６】
＜実施の形態１＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の構成を示す断面図を図１に示す。
【００２７】
図１において、導電性のベース板２に樹脂製のケース（以下、ケースと称す）１が固着され、ケース１の上面にはカバー１ａが取り付けられており、ベース板２、ケース１とカバー１ａとで囲まれた領域内に、絶縁基板３、制御基板４と中継端子９とが配設されている。
【００２８】
絶縁基板３は、半田等のろう材５によりベース板２にろう接されており、当該絶縁基板３上には、複数のパワー半導体素子６が搭載されている。また、複数のパワー半導体素子６同士は、アルミニウム等の金属細線７によって相互に電気的に接続されている。
【００２９】
また、制御基板４には、パワー半導体素子６を制御するためのＩＣ等の電子部品８が搭載されており、中継端子９によって絶縁基板３と制御基板４とが電気的に接続されている。中継端子９の一端は、金属細線７により絶縁基板３あるいはパワー半導体素子６に接続されている。これに対して、中継端子９の他端は、制御基板４の第二の穴４ａを貫通して、ろう材５によって制御基板４にろう接され、電子部品８と電気的に接続されている。
【００３０】
さらに、制御基板４に搭載されている電子部品８をパワー半導体素子６の高周波スイッチング動作時に発生する電磁ノイズから保護するために、電磁波遮蔽板１０が絶縁基板３と制御基板４との間の位置で、ケース１に取り付けらている。
【００３１】
なお、パワー半導体素子６および金属細線７を保護するために、電磁波遮蔽板１０より下の空間にシリコンゲル１１が充填されている。また、ケース１の上面には、一端がパワー半導体素子６と図示していない部分により電気的に接続されている主電極１２が配設されており、さらに、ベース板２からの放熱を促進させるために、放熱フィン１３がベース板２に接続されている。
【００３２】
ここで、電磁波遮蔽板１０は、固定電位（アース電位）となるように図示していない部分により、ベース板２および放熱フィン１３と電気的に接続されている。
【００３３】
さて、本実施の形態の特徴を図２に示す拡大断面図に基づいて、具体的に構成を説明する。
【００３４】
図２に示しているように、中空部２０ａを有する中空絶縁体２０が電磁波遮蔽板１０の第一の穴１０ａを貫通した状態で、シリコンゲル１１の表面上に載置されている。また、中継端子９は、前記中空絶縁体２０の中空部２０ａと制御基板４の第二の穴４ａとに貫通させられており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５により、ろう接されている。
【００３５】
また、第一の穴１０ａの大きさは、中空絶縁体２０の大きさより大きい必要があるが、中空絶縁体２０が挿入できる最低限の大きさであることが望まれる。
【００３６】
ここで、中空絶縁体２０の厚さおよび高さ等の寸法は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間で保証される絶縁耐圧の大きさで決まり、絶縁体材料の種類により異なる。
【００３７】
つまり、中空絶縁体２０の具体的な寸法は、絶縁体材料の種類、およびパワーモジュールで保証されている絶縁耐圧値によって設計される。ただし、中空絶縁体２０の厚さが小さく設計できたとしても、そのような薄厚中空の中空絶縁体２０の形状を製造することが困難な場合もあり、その場合は設計と実際の製造とを考慮した中空絶縁体２０を製造することとなる。
【００３８】
このように本実施の形態では、中空絶縁体２０の中空部２０ａに前記中継端子９を貫通させ、中継端子９とこれを囲む電磁波遮蔽板１０との間に中空絶縁体２０を介在させる構成とすることにより、両部材９，１０間の絶縁耐圧力は増加する。したがって、従来技術のように両部材９，１０間が空気のときに比して、両部材９，１０間の距離を小さくすることができ、これにともない、両部材９，１０間での電磁波遮蔽効力の低下を抑制することができる。
【００３９】
故に、パワー半導体素子６の高周波のスイッチング動作によって発生する電界や磁界を効果的に遮蔽でき、制御基板４に搭載された電子部品８の誤動作を抑制することができる。
【００４０】
なお、中空絶縁体２０の中空部２０ａの形と当該中空絶縁体２０の外形は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間の絶縁耐圧が保証されるのであれば、任意の形のものでもよいが、円筒形の絶縁体２０とすることで、電磁波遮蔽板１０に穿設されている第一の穴１０ａの大きさを最小にすることができる。
【００４１】
また、中空絶縁体２０の中空部２０ａの数は一つ限らず、中継端子９の数に対応した数のものであってもよい。
【００４２】
また、中空絶縁体２０の材料としてフェライト（例えば、酸化鉄を主成分とするフェライト等）を採用することにより、上記効果に加えて、中継端子９への外部からの電磁ノイズ除去対策（ＥＭＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ）対策）の効果も得られる。
【００４３】
なお、後述の実施の形態２のように、中空絶縁体２０と電磁波遮蔽板１０とが一体形成または固定されていてもよいことは言うまでもない。
【００４４】
＜実施の形態２＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の拡大断面図を図３に示す。ここで、図３に示されている以外の各部材の構成は図１の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００４５】
さて、図３で示しているように、例えば、第一の穴を有する電磁波遮蔽板１０を用意し、当該電磁波遮蔽板１０に対して射出成形により、中空部を有する中空絶縁体３０を電磁波遮蔽板１０と一体的に形成する。前記中空絶縁体３０の中空部は、中継端子９が挿入される側に形成されているテーパ形状の挿入部３０ａと、中継端子９を導く導引部３０ｂとで構成されている。
【００４６】
ここで実施の形態１と同様、中空絶縁体３０の厚さおよび高さ等の具体的な寸法は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間で保証される絶縁耐圧の大きさと絶縁体材料の種類により決められる。ただし、絶縁体３０の厚さが小さく設計できたとしても、そのような薄厚の中空絶縁体３０の固形の塊を成形することが困難な場合もあり、その場合は、設計と実際の製造とを考慮した中空絶縁体３０を成形することとなる。
【００４７】
一方、中継端子９は、前記中空絶縁体３０の挿入部３０ａと導引部３０ｂとを貫通し、さらに制御基板４の第二の穴４ａを貫通しており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５によりろう接されている。
【００４８】
上記構成により、実施の形態１と同様の効果が得られると同時に、中空絶縁体３０が電子遮蔽板１０と一体的に形成されているので、組立て作業が容易となり、振動などによる中空絶縁体３０の位置ずれも発生しないため、安定した中継端子９と電磁波遮蔽板１０との絶縁距離（沿面距離）を確保できるという効果も得られる。
【００４９】
さらに、本実施の形態において、導引部３０ｂの大きさを制御基板４に穿設された第二の穴４ａよりも小さく形成することにより、以下の問題点が解決される。
【００５０】
従来技術のパワーモジュール２００の組立て工程において、パワー半導体素子６等と電気的に接続されている中継端子９は、制御基板４に穿設されている第二の穴４ａに貫通させられ、半田等のろう材５により当該制御基板４にろう接されるが、パワーモジュール２００の使用時のヒートサイクルにより中継端子９が熱膨張を繰り返し、ろう材５にダメージを与える。
【００５１】
したがって、中継端子９の熱膨張に起因したろう材５のダメージを軽減するため、中継端子９は極力細くする必要があった。
【００５２】
しかし、中継端子９を細くすると、制御基板４を装着する組立て工程前に、ハンドリング（手作業）等によって中継端子９が変形し易くなってしまう。中継端子９が変形すると、制御基板４を装着する際、制御基板４に穿設された第二の穴４ａに中継端子９をスムーズに貫通させることができないという問題が発生していた。
【００５３】
そこで本実施の形態で記載した、中空部３０ａ，３０ｂを有する中空絶縁体３０を採用することにより、多少中継端子９が変形したとしてもテーパ形状の挿入部３０ａによりスムーズに中継端子９を中空絶縁体３０に挿入することができ、さらに、導引部３０ｂを通過した中継端子９は、その形状を矯正されているため、制御基板４に穿設されている第二の穴４ａに、中継端子９をスムーズに貫通させることができる。
【００５４】
また、中空絶縁体３０の外形および導引部３０ｂの形状は、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間の絶縁耐圧が保証されるのであれば、任意の形のものでもよいが、円筒形とすることで、電磁波遮蔽板１０に穿設されている第一の穴の大きさを最小にすることができる。また、挿入部３０ａの形状においても、中継端子９と電磁波遮蔽板１０との間の絶縁耐圧が保証されるのであれば、任意の形状に形成することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、中空絶縁体３０と電磁波遮蔽板１０とが一体構造となっているものについて記載したが、電磁波遮蔽板１０に中空絶縁体３０が固定されているのであれば、その固定方法はこれに限るものでない。
【００５６】
＜実施の形態３＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の拡大断面図を図４に示す。ここで、図４に示されている以外の各部材の構成は図１の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００５７】
さて、本実施の形態では図４に示されているように、複数の中空部を有する中空絶縁体４０が電磁波遮蔽板１０と射出成形により、一体的に形成されている。ここで、一つの中空部は、実施の形態２と同様にテーパ形状の挿入部４０ａと導引部４０ｂとで構成されている。
【００５８】
一方、複数の中継端子９は、前記中空絶縁体４０の挿入部４０ａと導引部４０ｂとを貫通し、さらに制御基板４の第二の穴４ａを貫通しており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５によって、各々ろう接されている。
【００５９】
本実施の形態においても、中空絶縁体４０の具体的な寸法は、絶縁体材料の種類とパワーモジュールで保証される絶縁耐圧値により決められる。ただし、中空絶縁体４０の製造限界のために、設計より大きな寸法の中空絶縁体４０を成形する場合もある。
【００６０】
本実施の形態の中空絶縁体４０を採用することにより、実施の形態１の効果に加えて以下の効果が得られる。
【００６１】
例えば、パワー半導体素子６がＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である場合、中継端子９は通常、ゲート、エミッタ、エミッタセンス、温度センス用のアノード、温度センス用のカソード等が束になって配置されている。
【００６２】
ＩＧＢＴであるパワー半導体素子６を備えたパワーモジュールを組み立てる際、前記束となった中継端子９を本実施の形態の中空絶縁体４０の空洞部４０ａ，４０ｂを通すことにより、実施の形態２と同様に各中継端子９の変形を矯正することができるので、制御基板４に予め所定のピッチで穿設されている第二の穴４ａに、正確かつ簡単に当該複数の中継端子９を貫通させることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では中空絶縁体４０の中空部の形状として、実施の形態２に記載の中空部（挿入部４０ａと導引部４０ｂとで構成）について説明したが、実施の形態１に記載の中空部の形状のものであってもよい。
【００６４】
＜実施の形態４＞
本実施の形態のパワーモジュール１００の拡大断面図を図５に示す。ここで、図５に示されている以外の各部材の構成は図１の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００６５】
さて、本実施の形態では図５に示されているように、例えばディップ成形により、電磁波遮蔽板１０の表面に絶縁体膜５０を付着させる。ここで、絶縁体膜５０の絶縁体材料の種類は何でもよく、また、絶縁体材料の種類とパワー半導体素子６で保証される絶縁耐圧値により、絶縁体膜５０の膜厚は決定される。
【００６６】
例えば、絶縁体膜５０としてＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｅｄ：ポリフェニレンサルファイド）を採用した場合、０．２ｍｍ程度の膜厚であれば２５００Ｖの絶縁耐圧は保証でき、当該膜厚程度であれば、容易に膜成形を行うことができる。つまり、上記他の実施の形態の中空絶縁体では、製造限界から絶縁耐圧力以上の寸法で形成される場合もあるが、本実施の形態ではそのような問題も解決できる。
【００６７】
一方、中継端子９は、表面を絶縁体膜５０で覆われた電磁波遮蔽板１０に穿設された第一の穴１０ａを貫通し、さらに制御基板４の第二の穴４ａを貫通しており、当該中継端子９の他端は、制御基板４にろう材５によってろう接されている。ここで、第一の穴１０ａの寸法は、絶縁体膜５０の厚さを差し引いて中継端子９が貫通できる程度の大きさがあればよく、その範囲内でいくらでも小さくできるので、電磁波遮蔽効果もより向上する。
【００６８】
上記絶縁体膜５０を形成した電磁波遮蔽板１０を採用することにより、当該絶縁体膜５０の成形は容易であり、かつ、単純な構成で安価なパワーモジュールを提供することができる。
【００６９】
また、制御基板４に実装されている電子部品８と、電磁波遮蔽板１０との絶縁も確保できることから、制御基板４と電磁波遮蔽板１０との間隔を狭くすることもでき、製品の小型化が可能となる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のパワーモジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載する制御基板と、前記パワー半導体素子と前記制御基板との間の電気的接続を中継する中継端子と、前記パワー半導体素子の配設位置と前記制御基板の配設位置との間に配置されており、前記中継端子が貫通する第一の穴が穿設されており、電磁ノイズを遮蔽する電磁波遮蔽板と、前記中継端子と前記電磁波遮蔽板に穿設されている第一の穴との間に介在している絶縁体とを備えているので、中継端子と電磁波遮蔽板との間の絶縁耐圧力を増加させることができ、両部材間が空気のときに比して、両部材間の距離を小さくすることができ、これにともない、両部材間における電磁波遮蔽の効力を向上させることができる。
また、前記絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に穿設されている前記第一の穴に挿入されており、中空部を有する中空絶縁体であり、前記中継端子は、前記中空絶縁体の前記中空部を貫通しているので、電子部品の誤動作の原因となるパワー半導体素子から発生する電磁ノイズを効率良く遮蔽することができる。
【００７２】
本発明の請求項２に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、複数設けられているので、例えば、パワー半導体素子が中継端子９が束になっているＩＧＢＴのときでも、電子部品の誤動作の原因となるパワー半導体素子から発生する電磁ノイズを効率良く遮蔽することができる。
【００７３】
本発明の請求項３に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に固定されているので、中継端子−電磁波遮蔽板間の中空絶縁体に沿った沿面距離を一定に保つことができる。
【００７４】
本発明の請求項４に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板と一体構成となっているので、無駄な部品を要せず用意に中空絶縁体を電磁波遮蔽板に固定することができる。
【００７５】
本発明の請求項５に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体の前記中空部は、前記中継端子が挿入される側に形成されるテーパ形状の挿入部と、前記中継端子を導く導引部とで構成されているので、パワーモジュールを組み立てる際、ハンドリング（手作業）等により中継端子が変形したとしても、中継端子を当該中空絶縁体に貫通させるだけで、当該変形を矯正することができ、後の組み立て作業が容易に行える。
【００７６】
本発明の請求項６に記載のパワーモジュールは、前記制御基板には、前記中継端子が貫通する第二の穴が穿設されており、前記中空絶縁体の前記導引部の大きさが、前記第二の穴の大きさよりも小さいので、中継端子の制御基板に対する取り付け作業性が向上する。
【００７８】
本発明の請求項７に記載のパワーモジュールでは、前記中空絶縁体は、フェライトで形成されているので、中継端子に対するＥＭＳ対策になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図２】 実施の形態１のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図３】 実施の形態２のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図４】 実施の形態３のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図５】 実施の形態４のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【図６】 従来の技術のパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図７】 従来の技術のパワーモジュールの構成の特徴を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
４ 制御基板、４ａ 第二の穴、６ パワー半導体素子、８ 電子部品、９ 中継端子、１０ 電磁波遮蔽板、１０ａ 第一の穴、２０，３０，４０ 中空絶縁体、５０ 絶縁体膜、２０ａ 中空部、３０ａ，４０ａ 挿入部、３０ｂ，４０ｂ 導引部。
Claims (7)
- パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子を制御する電子部品を搭載する制御基板と、
前記パワー半導体素子と前記制御基板との間の電気的接続を中継する中継端子と、
前記パワー半導体素子の配設位置と前記制御基板の配設位置との間に配置されており、前記中継端子が貫通する第一の穴が穿設されており、電磁ノイズを遮蔽する電磁波遮蔽板と、
前記中継端子と前記電磁波遮蔽板に穿設されている第一の穴との間に介在している絶縁体とを、
備えており、
前記絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に穿設されている前記第一の穴に挿入されており、中空部を有する中空絶縁体であり、
前記中継端子は、前記中空絶縁体の前記中空部を貫通している、
ことを特徴とするパワーモジュール。 - 前記中空絶縁体の前記中空部は、複数設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。 - 前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板に固定されている、
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。 - 前記中空絶縁体は、前記電磁波遮蔽板と一体構成となっている、
ことを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。 - 前記中空絶縁体の前記中空部は、前記中継端子が挿入される側に形成されるテーパ形状の挿入部と、前記中継端子を導く導引部とで構成されている、
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のパワーモジュール。 - 前記制御基板には、前記中継端子が貫通する第二の穴が穿設されており、
前記中空絶縁体の前記導引部の大きさが、前記第二の穴の大きさよりも小さい、
ことを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。 - 前記中空絶縁体は、フェライトで形成されている、
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。
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