JP3813098B2 - 電力用半導体モジュール - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータやヒータなどの大電流を用いる電子機器を制御するための電力用半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
とりわけ、最近の電車やエレベータなどの産業機器において、その動きが円滑で快適になっているが、これは電力を制御するパワーデバイスの貢献によるところが大きい。こうしたパワーデバイスにおいては、一般に、大容量の電流を制御して生じた熱を、放熱フィンなどを用いて、半導体モジュールの外部へ効率的に放熱することが必要である。
【０００３】
ここで図８ないし図１０を参照しながら、従来のパワーデバイス（電力用半導体モジュール）について以下に説明する。図８に示すパワーデバイス１０１は、概略、樹脂などの絶縁材料からなるケース１１０と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなるベース板１３０とを備えている。ケース１１０は、その底面において、金属ねじまたは接着剤（図示せず）を用いて、ベース板１３０上に固定されている。また、このパワーデバイス１０１は、図９に示すように、ケース１１０の上面から内部に延びる複数の主電極１１１を有し、さらに、ケース１１０の内部において、銅などの金属パターン１１４ａ，１１４ｂが両面に形成された絶縁基板１１５と、上側の金属パターン１１４ａの上に半田１１６を介して搭載された電力用半導体素子１２０とを有する。この半導体素子１２０は、主電極１１１からアルミなどの金属ワイヤ１２３を介して電源供給される。絶縁基板１１５の下側の金属パターン１１４ｂは、同様に、半田１１７を介して、ベース板１３０上に接着される。
【０００４】
半導体素子１２０および絶縁基板１１５の上方には、半導体素子１２０を保護するために、シリコンゲル１２４が充填され（分かりやすくするために、ハッチングを省略した。）、エポキシ樹脂１２５を用いてその上方を封止し、さらにその上方に蓋１２６を設ける。
【０００５】
このように構成されたパワーデバイス１０１が周辺装置に組み込まれるとき、図９に示すように、複数のブスバー（通電部）１４０が、対応する主電極１１１上に配置され、金属ねじ１４５を用いてこれらと電気的に接続される。さらに、このパワーデバイス１０１において、電力用半導体素子１２０が生じる不要な熱を、ベース板１３０を介して効率よく外部に放熱するために、図９の破線で示すような複数の金属ねじ１４７を用いて、ベース板１３０が放熱フィン１５０に密着するように接合される。したがって、ベース板１３０においては、これを放熱フィン１５０に密着させるために、４本の金属ねじ１４７を受容する貫通孔１４８を４箇所の角部に設けておくことが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした金属ねじ１４７を用いて、ベース板１３０を放熱フィン１５０に取り付けるとき、ベース板１３０の貫通孔１４８の上方の空間には、ケース１１０を延長して形成することができない。すなわち、貫通孔１４８の上方において、利用できないデッドスペースが形成され、これは、パワーデバイス１０１の小型化を阻害するものであった。さらに、このパワーデバイス１０１を周辺装置に実際に組み立てる際、図８に明確に示すように、２組のブスバー１４０と主電極１１１を電気的に接続するための４本の金属ねじ１４５と、ベース板１３０を放熱フィン１５０に接合させるための４本の金属ねじ１４７が必須であり、部品点数および作業工数を削減することが不可能であった。
【０００７】
そこで本発明は、デッドスペースを形成することなく、ベース板を放熱フィンに接合できる、より小型の電力用半導体モジュールを提供することを目的とする。また、本発明は、より少ない作業工数で、ブスバーと主電極を電気的に接続すると同時に、ベース板を放熱フィンに接合できる電力用半導体モジュールを提供することを目的とする。さらに、本発明は、ベース板を省略した電力用半導体モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明によれば、表面および裏面を有する樹脂製ケースと、樹脂製ケースに収納された絶縁基板と、絶縁基板の対向する主面上に形成された金属箔と、絶縁基板の一方の金属箔上に搭載された電力用半導体素子と、樹脂製ケースの表面に沿って延び、裏面に向かって折り曲げられた、電力用半導体素子に電源供給するための外部接続部とを備え、樹脂製ケースは、その表面から裏面まで貫通するケース貫通孔を有し、外部接続部は、ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された接続部貫通孔を有し、樹脂製ケースの裏面において、絶縁基板の他方の金属箔が樹脂製ケースに固定された電力用半導体モジュールを提供することができる。これにより、ケース貫通孔および接続部貫通孔を貫通する取り付けねじを用いて、この電力用半導体モジュールを放熱金属部に取り付けると同時に、通電部を外部接続部に接続することができるので、周辺装置へのアセンブリ、および通電部と外部接続部の間の外部接続に要する時間を半減させることができる。また、従来の電力用半導体モジュールに比べて、デッドスペースをなくすとともに、部品点数を削減したので、小型で、構造がより簡単で、しかも製造コストが安価な電力用半導体モジュールを提供することができる。また、支持金属板を省略したので、厚み方向においてもより小型化することができる。
【０００９】
請求項２に記載の本発明によれば、絶縁基板の他方の金属箔を支持し、樹脂製ケースの裏面に固定された支持金属板をさらに備え、支持金属板は、ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された金属板貫通孔を有する電力用半導体モジュールを提供することができる。これにより、金属板貫通孔、ケース貫通孔、および接続部貫通孔を貫通する取り付けねじを用いて、この電力用半導体モジュールを放熱金属部に取り付けるとともに、通電部を外部接続部に接続することができる。同様に、周辺装置へのアセンブリ、および通電部と外部接続部の間の外部接続に要する時間を半減できるとともに、小型で、構造がより簡単で、しかも製造コストが安価な電力用半導体モジュールを提供することができる。
【００１１】
請求項３に記載の本発明によれば、ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電部貫通孔を有する通電部と、通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる金属製取り付けねじと、金属製取り付けねじおよび通電部の間を電気的に絶縁するための絶縁手段とをさらに備える電力用半導体モジュールを提供することができる。絶縁手段により、金属製取り付けねじと、通電部の間を電気的に絶縁しつつ、取り付けねじを金属で構成して、その強度を確保することができる。
【００１２】
請求項４に記載の本発明によれば、ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電部貫通孔を有する通電部と、通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる金属製取り付けねじと、金属製取り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保持部が埋設された放熱金属部とをさらに備える電力用半導体モジュールを提供することができる。金属取り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保持部が、放熱金属部に埋設されているので、金属製取り付けねじと、放熱金属部の間を電気的に絶縁しつつ、取り付けねじを金属で構成して、その強度を確保することができる。
【００１３】
請求項５に記載の本発明によれば、ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電部貫通孔を有する通電部と、通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる絶縁性を有する絶縁取り付けねじとをさらに備える電力用半導体モジュールを提供することができる。取り付けねじが絶縁性を有するので、別体の絶縁部品が不要となり、組み立てが容易となるだけでなく、アセンブリ時の絶縁部品の取り付け忘れによる事故の可能性を排除することができる。このように、事故防止に関する信頼性を高めることができる極めて優れて電力用半導体モジュールを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る電力用半導体モジュールの実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上側」、「下側」および「上下方向」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
【００１５】
実施の形態１．
ここで図１ないし図４を参照しながら、本発明に係るパワーデバイス（電力用半導体モジュール）の実施の形態１について以下に説明する。図１に示すパワーデバイス１は、概略、樹脂などの絶縁材料からなる樹脂ケース１０と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなるベース板３０とを備えている。ケース１０は、その底面において、金属ねじまたは接着剤（図示せず）を用いて、ベース板３０上に固定されている。また、このパワーデバイス１は、図２に示すように、ケース１０の上面に沿って延び、底面に向かって折り曲げられた複数の主電極１１（外部接続部ともいう。）を有する。さらに、パワーデバイス１は、ケース１０の内部において、銅などの金属パターン１４ａ，１４ｂが両面に形成された絶縁基板１５と、上側の金属パターン１４ａの上に半田１６を介して搭載された電力用半導体素子２０とを有する。この電力用半導体素子２０は、主電極１１からアルミなどの金属ワイヤ２３を介して電源供給される。下側の金属パターン１４ｂは、同様に、半田１７を介して、ベース板３０上に接着される。
【００１６】
電力用半導体素子２０および絶縁基板１５の上方には、電力用半導体素子２０を保護するために、シリコンゲル２４が充填され（分かりやすくするために、ハッチングを省略した。）、エポキシ樹脂２５を用いてその上方を封止し、さらにその上方に蓋２６を設ける。
【００１７】
本発明のパワーデバイス１によれば、各主電極１１は、上下方向に延びる主電極貫通孔２ａ（接続部貫通孔ともいう。）を有し、同様に、ケース１０とベース板（支持金属板）３０は、上下方向に延び、各主電極貫通孔２ａと位置合わせされ、かつ同軸上に形成されたケース貫通孔２ｂおよびベース板貫通孔２ｃ（金属板貫通孔ともいう。）をそれぞれ有する。こうして、パワーデバイス１は、主電極１１の主電極貫通孔２ａ、ケース１０のケース貫通孔２ｂ、およびベース板３０のベース板貫通孔２ｃにより形成される貫通孔２を有する。
【００１８】
このように構成されたパワーデバイス１を周辺装置に組み込むときの手順について、図２および図３を参照しながら以下に説明する。複数のブスバー（通電部）４０は、それぞれ上下方向に延びるブスバー貫通孔４２（通電部貫通孔ともいう。）を有し、対応する主電極１１上に配置される。放熱フィン５０は、ベース板３０の底面３１と接触する接触面５１と、パワーデバイス１の貫通孔２に対応する位置に埋設されたナットなどのねじ山付きの保持部５２とを有し、パワーデバイス１の下方に配置される。そして、それぞれのブスバー貫通孔４２および保持部５２を、対応するパワーデバイス１の貫通孔２と位置合わせした後、図３に示すように、絶縁材料からなる複数の細長い取り付けねじ６０を貫通孔２に挿入して、ブスバー４０を主電極１１に接続するとともに、ベース板３０を放熱フィン５０に固定する。
【００１９】
この放熱フィン５０は、電力用半導体素子２０が生じる不要な熱を、ベース板３０を介して効率よくパワーデバイス１の外部に放熱するために、ベース板３０に固定されるので、ベース板３０とできるだけ広い面積で接触することが好ましい。また、より好適には、ベース板３０と放熱フィン５０の間の接触面に、熱伝導性のよいグリース（図示せず）を１００μｍないし２００μｍ程度、均一に塗布しておく。
【００２０】
取り付けねじ６０は、絶縁材料で構成されているので、主電極１１と放熱フィン５０が電気的に導通することを防止することができる。そのような絶縁材料として、例えば、エンジニアリング・プラスチックおよびセラミックなどが挙げられる。
【００２１】
また、この絶縁ねじ６０は、パワーデバイス１と、ブスバー４０および放熱フィン５０を同時に固定することができるので、図４に示すように、パワーデバイス１が２組の主電極１１を有する場合、合計４本の絶縁ねじ６０を用いて、パワーデバイス１を周辺装置に組み込むことができる。したがって、本発明によれば、従来のパワーデバイスに比べて、取り付けねじの数を半減させ、作業工数も同様に半減できる。さらに、本発明によれば、従来技術のように、ベース板３０と放熱フィン５０を接合するための貫通孔の上方に形成されるデッドスペース（ケース１０を延長して形成することができない空間）を排除することができるので、パワーデバイス１をより小型化することができる。
【００２２】
実施の形態２．
次に、図５を参照しながら、本発明に係るパワーデバイスの実施の形態２について以下に説明する。図５に示すパワーデバイス１は、ベース板を有さない点以外は、実施の形態１と同様の構成を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略する。
【００２３】
実施の形態２の絶縁基板１５の両面上には、実施の形態１と同様に、金属パターン１４ａ，１４ｂが形成されているが、下側の金属パターン１４ｂを絶縁基板１５よりも大きくして、段差部１８が形成されている。一方、実施の形態２のケース１０は、この段差部１８と対応する形状と大きさを有し、段差部１８に当接する当接部２８を有する。また、上述のように、実施の形態２のパワーデバイス１はベース板３０を有さず、絶縁基板１５の下側の金属パターン１４ｂは、ベース板３０を介することなく、段差部１８と当接部２８の間に配置された接着剤（図示せず）を用いて、ケース１０に直接的に固定される。
【００２４】
こうして構成されたパワーデバイス１は、実施の形態１のそれと比べて、ベース板３０を省略した分だけ薄くすることができ、厚み方向においてもより小型化することができる。
【００２５】
変形例１．
上述の実施の形態１において絶縁材料で構成された取り付けねじ６０の代わりに、金属ねじと、絶縁材料からなる軸受（ブッシュ）を用いた変形例１について、図６を参照しながら説明する。上述のように、取り付けねじ６０は、主電極１１と放熱フィン５０の間の電気的導通を防止できれば、任意の形態を有することができる。図６において、変形例１のねじ６４は、金属で構成されており、ブスバー４０との間に、平座金（ワッシャ）６５と、エンジニアリング・プラスチック、セラミックまたはゴムなどの絶縁材料で構成された絶縁ブッシュ６６とが配置されている。また、この絶縁ブッシュ６６は、主電極１１を超えて下方向に延びており、金属ねじ６４と主電極１１の間、および金属ねじ６４とブスバー４０の間を電気的に絶縁するので、主電極１１と放熱フィン５０の間の電気的導通を阻止することができる。なお、当業者には容易に理解されるが、変形例１は、上述の実施の形態１および２の両方に適用することができる。
【００２６】
変形例２．
さらに、上述の実施の形態２において絶縁材料で構成された絶縁ねじ６０の代わりに、金属ねじと、絶縁材料からなる保持部を用いた変形例２について、図７を参照しながら以下に説明する。図７において、取り付けねじ６４は金属からなるが、これを保持するナット５４は絶縁材料で構成されている。また、この絶縁ナット５４は、放熱フィン５０に埋め込まれており、図示しない接着剤でこれに固定されている。この絶縁ナット５４は、金属ねじ６４と放熱フィン５０の間を電気的に絶縁できるので、主電極１１と放熱フィン５０の間の電気的導通を防止する。
【００２７】
また、変形例２は、基本的には、上述の実施の形態１および２の両方に適用することができるが、これを実施の形態１に適用する場合、金属ねじ６４とベース板３０が接触しないように、ベース板３０のベース板貫通孔２ｃを金属ねじ６４の直径に比して十分大きく設計する必要がある。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に記載の本発明によれば、ケース貫通孔および接続部貫通孔を貫通する取り付けねじを用いて、この電力用半導体モジュールを放熱金属部に取り付けると同時に、通電部を外部接続部に接続することができるので、周辺装置へのアセンブリ、および通電部と外部接続部の間の外部接続に要する時間を半減させることができる。また、従来の電力用半導体モジュールに比べて、デッドスペースをなくすとともに、部品点数を削減したので、小型で、構造がより簡単で、しかも製造コストが安価な電力用半導体モジュールを提供することができる。また、支持金属板を省略したので、厚み方向においてもより小型化することができる。
【００２９】
請求項２に記載の本発明によれば、金属板貫通孔、ケース貫通孔、および接続部貫通孔を貫通する取り付けねじを用いて、この電力用半導体モジュールを放熱金属部に取り付けるとともに、通電部を外部接続部に接続することができる。同様に、周辺装置へのアセンブリ、および通電部と外部接続部の間の外部接続に要する時間を半減できるとともに、小型で、構造がより簡単で、しかも製造コストが安価な電力用半導体モジュールを提供することができる。
【００３１】
請求項３に記載の本発明によれば、絶縁手段により、金属製取り付けねじと、通電部の間を電気的に絶縁しつつ、取り付けねじを金属で構成して、その強度を確保することができる。
【００３２】
請求項４に記載の本発明によれば、金属取り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保持部が、放熱金属部に埋設されているので、金属製取り付けねじと、放熱金属部の間を電気的に絶縁しつつ、取り付けねじを金属で構成して、その強度を確保することができる。
【００３３】
請求項５に記載の本発明によれば、取り付けねじが絶縁性を有するので、別体の絶縁部品が不要となり、組み立てが容易となるだけでなく、アセンブリ時の絶縁部品の取り付け忘れによる事故の可能性を排除することができる。このように、事故防止に関する信頼性を高めることができる極めて優れて電力用半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る実施の形態１の電力用半導体モジュールの斜視図である。
【図２】 図２は、図１のII−II線から見た断面図であって、この電力用半導体モジュールがブスバーおよび放熱フィンに組み込まれる前の状態を示す。
【図３】 図３は、図２と同様の断面図であって、この電力用半導体モジュールがブスバーおよび放熱フィンに組み込まれた後の状態を示す。
【図４】 図４は、ブスバーおよび放熱フィンに組み込まれた後の電力用半導体モジュールの平面図である。
【図５】 図５は、本発明に係る実施の形態２の電力用半導体モジュールを示す図２と同様の断面図である。
【図６】 図６は、本発明の変形例１の電力用半導体モジュールの金属ねじおよび絶縁スペーサを示す断面図である。
【図７】 図７は、本発明の変形例２の電力用半導体モジュールの金属ねじおよび絶縁保持部を示す断面図である。
【図８】 図８は、従来の電力用半導体モジュールの斜視図である。
【図９】 図９は、図８のIX−IX線から見た断面図であって、この電力用半導体モジュールがブスバーおよび放熱フィンに組み込まれた後の状態を示す。
【図１０】 図１０は、ブスバーおよび放熱フィンに組み込まれた後の電力用半導体モジュールの平面図である。
【符号の説明】
１…パワーデバイス（電力用半導体モジュール）、２…貫通孔、２ａ…主電極貫通孔、２ｂ…ケース貫通孔、２ｃ…ベース板貫通孔、１０…ケース、１１…主電極（外部接続部）、１４ａ，１４ｂ…金属パターン、１５…絶縁基板、１６，１７…半田、１８…段差部、２０…電力用半導体素子、２３…金属ワイヤ、２４…シリコンゲル、２５…エポキシ樹脂、２６…蓋、２８…当接部、３０…ベース板（通電部）、４０…ブスバー（通電部）、４２…ブスバー貫通孔、５０…放熱フィン、５２…保持部、５４…絶縁受容部（ナット）、６０…絶縁ねじ、６４…金属ねじ、６５…平座金（ワッシャ）、６６…絶縁軸受（ブッシュ）。

Claims (5)

  1. 電力用半導体モジュールであって、
    表面および裏面を有する樹脂製ケースと、
    前記樹脂製ケースに収納された絶縁基板と、
    前記絶縁基板の対向する主面上に形成された金属箔と、
    前記絶縁基板の一方の金属箔上に搭載された電力用半導体素子と、
    前記樹脂製ケースの表面に沿って延び、裏面に向かって折り曲げられた、前記電力用半導体素子に電源供給するための外部接続部とを備え、
    前記樹脂製ケースは、その表面から裏面まで貫通するケース貫通孔を有し、
    前記外部接続部は、前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された接続部貫通孔を有し、
    前記樹脂製ケースの裏面において、前記絶縁基板の他方の金属箔が該樹脂製ケースに固定されたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記絶縁基板の他方の金属箔を支持し、前記樹脂製ケースの裏面に固定された支持金属板をさらに備え、
    前記支持金属板は、前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された金属板貫通孔を有することを特徴とする電力用半導体モジュール。
  3. 請求項１に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電部貫通孔を有する通電部と、
    前記通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる金属製取り付けねじと、
    前記金属製取り付けねじおよび前記通電部の間を電気的に絶縁するための絶縁手段とをさらに備えることを特徴とする電力用半導体モジュール。
  4. 請求項１に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電部貫通孔を有する通電部と、
    前記通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる金属製取り付けねじと、
    前記金属製取り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保持部が埋設された放熱金属部とをさらに備えることを特徴とする電力用半導体モジュール。
  5. 請求項１に記載の電力用半導体モジュールであって、
    前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電部貫通孔を有する通電部と、
    前記通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる絶縁性を有する絶縁取り付けねじとをさらに備えることを特徴とする電力用半導体モジュール。
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