JP3900768B2 - 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、電力用半導体素子を内包したケースおよび該ケースの開口部を塞ぐ蓋を備えたパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールとして、樹脂製のケース内に電力用半導体素子を内包してシリコンゲルで封入し、上面に樹脂製の蓋で覆う構造のものがある。そして、上記パワーモジュールを、負荷回路の駆動装置（図示せず）に用いた場合においては、通常、上記パワーモジュールが放熱フィンに取付けられ、上記パワーモジュールの上側に駆動回路を配置する駆動用基板（図示せず）等が配置される。
【０００３】
この種のパワーモジュールにおいて、短絡事故等によって上記電力用半導体素子が導通破壊し、その短絡電流により上記電力用半導体素子およびその周辺の上記シリコンゲル等が急激に昇温して急激な膨張現象を生じ、上記パワーモジュールのケースにおける機械強度が最も弱い上記蓋に衝撃が加わることになる。この衝撃で、万一、上記蓋が破損すると、その破片や上記ケース内の上記シリコンゲル等の部材片が周囲に飛散して上記駆動用基板上の部品等を破損若しくは汚染する。このような場合には、上記駆動装置の修理に際し、破損した上記パワーモジュールの交換だけでなく、上記駆動用基板上の部品や上記駆動用基板そのものの交換も必要となることがある。
【０００４】
この対策として、例えば、特開平９−１３００６４号公報に、パワーモジュールのケースの側壁に溝で囲われた限定領域を形成し、上記ケースの内圧の急激な昇圧時に上記限定領域を開口させてガス抜きを行ない、実害を低く押える例が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーモジュールは、以上のようにケースの側壁に溝で囲われた限定領域を形成し、電力用半導体素子の破壊時に上記限定領域を開口させて内部ガス圧の上昇を回避しており、上記側壁側にガス抜きが行われるので実害を低く押える効果が認められるが、やはり、上記限定領域から飛散したゲル等で上記パワーモジュールの周辺を汚染する被害を防止することが困難であり、その修理に際し、破損した上記パワーモジュールの交換だけでなく、上記パワーモジュールの周辺の清掃作業を必要とする。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、内包する電力用半導体素子の導通破壊により、ケースの蓋が破損し難い構造のパワーモジュールを得ることを目的とする。
【０００７】
また、上記ケースの蓋を破損し難くするための構造が簡単で、かつ安価なパワーモジュールを得ることを目的とする。
【０００８】
さらに、上記ケースの外形寸法を大型化することなく、その蓋が破損し難い構造のパワーモジュールを得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るパワーモジュールは、電力用半導体素子と、該電力用半導体素子が載置されたベース板と、該ベース板が底部に固着され上記電力用半導体素子を内包する枠体と、該枠体の上部開口部を塞ぐ樹脂製の蓋と、衝撃緩衝板として上記電力用半導体素子から離間され、該電力用半導体素子と上記蓋との間を仕切る仕切板とを備えたものである。
【００１０】
第２の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、蓋および上記仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面に突起を設け、上記仕切板が上記蓋と上記段部との間に上記突起を介して挟持されているものである。
【００１１】
第３の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、上記仕切板と蓋との間にスペーサを備え、上記仕切板は上記スペーサを介して上記段部と上記蓋との間に挟持されているものである。
【００１２】
第４の発明に係るパワーモジュールは、第３の発明に係るパワーモジュールにおいて、スペーサが弾性体にて形成されているものである。
【００１３】
第５の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、蓋と仕切板とが一体に構成されているものである。
【００１４】
第６の発明に係るパワーモジュールは、第５の発明に係るパワーモジュールにおいて、蓋および仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面の周縁に突出する突起を備え、該突起により上記蓋と上記仕切板との間に空隙部を形成しているものである。
【００１５】
第７の発明に係るパワーモジュールは、第５の発明に係るパワーモジュールにおいて、仕切板が蓋の電力用半導体素子と対向する主面に接合されているものである。
【００１６】
第８の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、枠体の側壁の略平行する対向箇所に幅広の一対の孔を形成し、その一方の孔を貫通孔とし、仕切板を上記貫通孔に挿入することにより、上記一対の孔で位置決めさせたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１〜図３により説明する。図１は実施の形態１および以下に記載の実施の形態２乃至実施の形態５に共通するパワーモジュールの平面図、図２、図３は夫々、図１に示したパワーモジュールのII−II断面を示す図およびIII−III断面を示す部分図である。図１〜図３において、１は銅製のベース板であり、その４隅に放熱フィン（図示せず）への取付け穴１Ａを備える。２はセラミック製の絶縁板、３はベース板１と絶縁板２とを接合する接合材、４は銅薄膜からなる導電パターン、５は絶縁板２上に導電パターン４を介して半田付けされた電力用半導体素子、６は略矩形の開口断面を有する樹脂製の枠体であり、その内壁面のほぼ全周囲にわたって段部６Ａが形成されている。
【００１８】
そして、７は枠体６にインサートされた導体であり、枠体６の内壁側へ露出した一端に内部端子７Ａが、枠体６の外部へ露出した他端に外部端子７Ｂが形成されている。８は内部端子７Ａと導電パターン４若しくは電力用半導体素子５とを接続するボンディングワイヤ、９は電力用半導体素子５およびボンディングワイヤ８を覆うように封入されたシリコンゲルである。
【００１９】
そして、１０は裏面側に突起１０Ａが形成された非金属材である樹脂製の蓋であり、ねじ１１により枠体６にねじ止されている。なお、突起１０Ａは、蓋１０が枠体６にねじ止された状態において枠体６の開口部に嵌挿可能に、その全周囲が連なるように形成されている。１２は枠体６の内壁側に形成された段部６Ａをストッパーとしてこの段部６Ａと蓋１０の突起１０Ａ間に端縁の全周囲を挟まれた状態にて支持された樹脂製の仕切板である。なお、ベース板１、枠体６および蓋１０にてケース１３を形成している。
【００２０】
以上のように構成されたパワーモジュールを、負荷回路の駆動装置（図示せず）に使用した場合においては、通常、放熱フィンに上記パワーモジュールが取付けられ、該パワーモジュールの上側にはその駆動用基板（図示せず）が配置される。そして、この駆動用基板に形成された駆動回路（図示せず）からの駆動信号の入力により上記パワーモジュールにて直交変換された交流電力が上記負荷回路に供給される。
【００２１】
そして、上記負荷回路の短絡事故等により電力用半導体素子５が導通破壊して短絡電流が流れた場合において、この短絡電流により電力用半導体素子５およびその周縁のシリコンゲル９等が急激に昇温して急激な膨張現象を生じ、その衝撃はケース１３における機械強度が最も弱い樹脂製の蓋１０を破損させる程度の破壊エネルギーを有することがある。
【００２２】
しかし、上記構成のパワーモジュールにおいては、電力用半導体素子５と蓋１０との間に仕切板１２を配設すると共に、蓋１０と仕切板１２との間に蓋１０の突起１０Ａにより所定の間隔を設けたので、また、仕切板１２の端縁の全周囲を枠体６の段部６Ａと蓋１０の突起１０Ａとで挟持したので、上記衝撃は仕切板１２を変形させることにより吸収、緩和されると共に、全周囲が連なるように形成された突起１０Ａを介して蓋１０の周縁部近傍に分散されて伝達され、蓋１０の破損を防止できる。
【００２３】
上述のように、上記パワーモジュールは、緩衝板として作用する仕切板１２と、蓋１０に形成した突起１０Ａの存在により、上記衝撃による樹脂製の蓋体１０の破壊を防止できるので、従来のパワーモジュールのごとく、破壊した蓋１０の破片や、シリコンゲル９等の部材片が飛散することがなく、従って、上記駆動用基板上の部品等を蓋１０の破片等にて破損させたり、上記駆動装置のケースの内部をシリコンゲル９で汚染させることがなく、上記駆動装置の修理に際し、破損した上記パワーモジュールの交換だけでよく、上記駆動用基板上の部品や上記駆動用基板そのものの交換が不要となり、修理時間およびコスト低減に優れる。
【００２４】
なお、上記例においては、蓋１０の裏面のほぼ全周囲が連なる突起１０Ａを形成したが、逆に、仕切板１２の周縁に全周囲に連なる突起（図示せず）を形成し、該突起の先端に蓋１０の裏面を押圧するようにしたものであっても、同様な作用、効果を有するものが得られる。また、蓋１０の裏面、若しくは仕切板１２の周縁に形成する上記突起は必ずしも全周囲に連なる必要はなく、例えば、図４に示すように、仕切板１２の相対する辺に平行に、一対の突起１２Ａを対向配置したものであっても、実用上十分な作用、効果を有するものが得られる。
【００２５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図５により説明する。図５は実施の形態２としてのパワーモジュールの断面を示す部分図であり、図１におけるII−II断面を示す。図２に示した実施の形態１とは、蓋１０に突起１０Ａが存在しない代りに、蓋１０と仕切板１２との間に全周縁が連なるリング状のスペーサ１４が挿入され、蓋１０を枠体６にねじ１１によりねじ止め固定することにより、仕切板１２は蓋１０によりスペーサ１４を介して枠体６の段部６Ａに挟まれる状態で支持される点が相違する。
【００２６】
即ち、スペーサ１４により蓋１０と仕切板１２とが互いに間隔をおいて配設されるので、蓋１０や仕切板１２に突起を形成する必要がなく、従って、蓋１０として従来品を併用でき、また、仕切板１２として板材から切断加工でき、何れにしても特別に成形加工不要であり、結果的に安価なパワーモジュールを提供できる。
【００２７】
なお、スペーサ１４として、ゴム等の弾性体を用いれば、仕切板１２の全周縁がスペーサ１４を介して均等な押圧で段部６Ａに支持されているので、上述の衝撃による仕切板１２の変形を比較的小さく押えることができると共に、仕切板１２が受けた上記衝撃を吸収、緩和してスペーサ１４を介して蓋１０の周縁にほぼ均等に分散して伝達でき、蓋１０の破損を防止することができる。従って、緩衝板としての仕切板１２をより安価な緩衝材にて形成でき、結果的に安価なパワーモジュールを提供できる。
【００２８】
また、スペーサ１４として、必ずしも全周縁が連なるリング状のものを用いる必要はなく、例えば、仕切板１２の相対する辺に平行に、一対のスペーサ１４を対向配置したものであっても、実用上十分な作用、効果を有するものが得られる。
【００２９】
なお、図１から図５に示した実施の形態１および実施の形態２としてのパワーモジュールにおいて、枠体６の内壁面のほぼ全周囲にわたって段部６Ａを形成したが、必ずしも枠体６の内壁面のほぼ全周囲にわたって形成する必要はなく、例えば、４隅に部分的に形成したものであっても、上記実施の形態のものと実質的に同様な効果が得られる。
【００３０】
実施の形態３．
図６は実施の形態３としてのパワーモジュールの断面を示す部分図であり、図１におけるIII−III断面を示す。図において、仕切板１２の周縁に全周囲に連なる突起１２Ａが存在し、突起１２Ａの先端が蓋１０の裏面に接合されて一体化され、蓋１０と仕切板１２との間に空隙が形成されており、図２、図５に示した実施の形態１、実施の形態２としてのパワーモジュールとは、これらに存在した段部６Ａが存在しない点が相違する。
【００３１】
即ち、蓋１０を枠体６にねじ１１によりねじ止め固定した状態において、蓋１０と仕切板１２とが上記空隙を介して互いに間隔を保持され、上述の衝撃を仕切板１２を変形させることにより吸収、緩和すると共に、全周囲が連なるように形成された突起１２Ａを介して蓋１０の周縁部近傍に分散されて伝達され、蓋１０の破損を防止できる。従って、緩衝板としての仕切板１２をより安価な緩衝材にて形成でき、かつ、仕切板１２を含む蓋１０のケース１３への取り付けが簡単であり、結果的に安価なパワーモジュールを提供できる。
【００３２】
なお、図６に示した実施の形態３においては、仕切板１２の周縁に全周囲に連なる突起１２Ａを形成し、突起１２Ａの先端を蓋１０の裏面に接合して一体化し、蓋１０と仕切板１２との間に空隙を形成したが、逆に、蓋１０の裏面に全周囲が連なる突起（図示せず）を形成し、その先端を仕切板１２と接合してこれらを一体化したものであっても、また、上記突起を形成する代わりに、スペーサ（図示せず）の両面を、夫々、蓋１０と仕切板１２の対向面に接合してこれらを一体化したものであっても、同様な作用、効果を有するものが得られる。
【００３３】
また、蓋１０の裏面、若しくは仕切板１２の周縁に形成する突起１２Ａは必ずしも全周囲に連なる必要はなく、例えば、仕切板１２の相対する辺に平行に、一対の突起１２Ａを対向配置したものであっても、実用上十分な作用、効果を有するものが得られる。
【００３４】
さらに、図７に示すように、蓋１０と仕切板１２とを、これらの間に空隙が存在するように同一樹脂により一体成形することにより、蓋１０の中央部１０Ａを薄く、周縁部１０Ｂを厚く構成した極めて軽量で、製造が容易、かつケース（図示せず）への取り付けが簡単なものが得られる。
【００３５】
実施の形態４．
図８は実施の形態４としてのパワーモジュールの蓋の断面を示す図であり、図１におけるIII−III断面で示されるものに相当し、蓋１０と仕切板１２とを直接接合したものである。そして、仕切板１２は、その緩衝効果を高めるように、柔軟性と強靭性に優れた発泡樹脂にて比較的厚く形成されており、仕切板１２の表面で局部的に受けた、上述の衝撃を緩和して蓋１０に伝達する。図６に示した実施の形態３としてのパワーモジュールと比較して、蓋１０と仕切板１２との間に空隙が存在しないが、実用上充分な緩衝板として機能し、その製法が簡略であり、安価で実用的なものが得られる。
【００３６】
なお、図１乃至図８に示した実施の形態１乃至実施の形態４としての上記パワーモジュールにおいて、図示しない制御端子が枠体６の上面の開口部から蓋１０を貫通して外部に突出るタイプの場合には、仕切板１２における蓋１０に形成された上記制御端子の貫通孔に対応する位置に、同じく上記制御端子の貫通孔を形成し、蓋１０と同様に枠体６の開口部の上面から上記制御端子を避けて挿入、配設する。
【００３７】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図９により説明する。図９は実施の形態５としてのパワーモジュールの断面を示す図であり、図１におけるIX−IX断面を示す。図において、６Ｂ、６Ｃは枠体６の側壁に形成された水平方向に幅広の一対のスリット状孔であり、貫通孔であるスリット状孔６Ｂから挿入した仕切板１２の先端部が盲孔であるスリット状孔６Ｃへ挿入可能に形成されている（図１における枠体６の紙面上側の側壁にスリット状孔６Ｂが、紙面下側の側壁にスリット状孔６Ｃが形成されている）。そして、枠体６に挿着された仕切板１２の端縁は、スリット状孔６Ｂ、６Ｃに嵌挿されて係止される。なお、仕切板１２は樹脂製である。
【００３８】
上記構成のパワーモジュールは、仕切板１２の表面で受けた上述の衝撃を仕切板１２自身の弾性変形により吸収、緩和すると共に、仕切板１２が受けた圧力の反作用を枠体６の一対のスリット状孔６Ｂ、６Ｃで受止めるので、蓋１０は上記衝撃の影響を受けない。
【００３９】
なお、上記パワーモジュールの図示しない制御端子が枠体６の上面の開口部から蓋１０を貫通して外部に突出るタイプの場合には、上記制御端子を仕切板１２の挿入方向に平行に、枠体６の内壁側に寄せて１列若しくは２列に整列配置することにより、仕切板１２を上記制御端子を避けて挿入する。若しくは、図１０に示すごとく、仕切板１２にスリット１２Ｂを形成することにより、上記制御端子をスリット１２Ｂで避けて枠体６へ挿入できるものが得られる。
【００４０】
また、図１１（Ａ）に示すごとく、軟質ゴム板製の蓋板１５で枠体６の内側からスリット状孔６Ｂを塞ぐことにより、即ち、蓋板１５の枠体６との非当接面におけるスリット状孔６Ｂに対応する位置にスリット状孔６Ｂに平行に深溝１５Ａを形成し、かつ、枠体６との当接面における深溝１５Ｂと平行な両端縁近傍に端縁に沿って接着剤１６を塗布して蓋板１５を枠体６の内側に接着剤１６で接着することにより、図１１（Ｂ）に示すごとく、スリット状孔６Ｂに仕切板１２を差し込む押し圧で蓋板１５を溝１５Ａに沿って破る構成とし、仕切板１２を差し込まない状態においては閉じて塵埃等の侵入を防ぎ、仕切板１２の挿入により開く弁の働きを得ることができる。
【００４１】
なお、図１乃至図７に示した実施の形態１乃至実施の形態３および図９乃至図１１に示した実施の形態５としてのパワーモジュールにおいて、緩衝板としての仕切板１２の材質を樹脂製としたが、仕切板１２の材質は樹脂製に限定する必要はなく、石綿若しくはガラス繊維材を素材とする成形品、または、比較的硬度の高いゴム製であっても上記実施の形態のものと同様な効果が得られる。
【００４２】
また、仕切板１２をガラス繊維を骨材とする強化樹脂製とすれば、強靭なものが得られ、薄型化を図れるので、仕切板１２を配設したパワーモジュールであっても、そのケース１３の外形寸法を従来品と同一にすることが可能であり、従来品と互換性のある物が得られる。
【００４３】
なお、図８に示した実施の形態４としてのパワーモジュールにおいて、緩衝板としての仕切板１２の材質を発泡樹脂製としたが、仕切板１２の材質は発泡樹脂製に限定する必要はなく、柔軟性と強靭性に優れたものであればよく、石綿若しくはガラス繊維材を素材とする成形品、または、比較的硬度の低いゴム製であっても上記実施の形態のものと同様な効果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４５】
電力用半導体素子と、該電力用半導体素子が載置されたベース板と、該ベース板が底部に固着され上記電力用半導体素子を内包する枠体と、該枠体の上部開口部を塞ぐ樹脂製の蓋と、衝撃緩衝板として上記電力用半導体素子から離間され、該電力用半導体素子と上記蓋との間を仕切る仕切板を備えたので、上記電力用半導体素子が導通破壊して短絡電流が流れても、発生する破壊エネルギーに起因する衝撃を上記仕切板で緩和して上記蓋の破壊を防止でき、ひいては、上記蓋の破壊に伴う破片の周囲への飛散を防止できるパワーモジュールが得られる効果がある。
【００４６】
また、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、蓋および上記仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面に突起を設け、上記仕切板を上記蓋と上記段部との間に上記突起を介して挟持したので、上記仕切板の取り付け構造が簡単でその取付け作業が容易なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４７】
さらに、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、上記仕切板と蓋との間にスペーサを備え、上記仕切板は上記スペーサを介して上記段部と上記蓋との間に挟持されているので、上記蓋は従来品と互換性を有し、上記仕切板は板材から切断加工でき、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４８】
また、スペーサを弾性体にて形成したので、仕切板を蓋により上記スペーサを介して段部に押圧することにより確実に固定でき、緩衝効果の安定するために仕切板の素材に対する制約が少なく、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４９】
さらに、蓋と仕切板とを一体に構成したので、その取付け作業が容易であると共に、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００５０】
また、蓋および仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面の周縁に突出する突起を備え、該突起により上記蓋と上記仕切板との間に空隙部を形成しているので、その取付け作業が容易であると共に、緩衝効果の優れたパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００５１】
さらに、仕切板を蓋の電力用半導体素子と対向する主面側に接合したので、上記仕切板の取付け構造が極めて簡単でその取付け作業も容易であると共に、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００５２】
さらに、枠体の側壁の略平行する対向箇所に幅広の一対の孔を形成し、その一方の孔を貫通孔とし、仕切板を上記貫通孔に挿入することにより、上記一対の孔で位置決めさせたので、上述の衝撃の蓋への影響がなく、該蓋の薄肉化の可能なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１としてのパワーモジュールの平面図である。
【図２】 図１に示したパワーモジュールのII−II断面図である。
【図３】 図１に示したパワーモジュールのIII−III断面図である。
【図４】 図１に示したパワーモジュールにおける仕切板の別の例を示す斜視図である。
【図５】 実施の形態２としてのパワーモジュールの断面図である。
【図６】 実施の形態３としてのパワーモジュールの断面図である。
【図７】 図６に示したパワーモジュールにおける蓋と一体構成の仕切板の別の例としての一体成形されたものの断面図である。
【図８】 実施の形態４としてのパワーモジュールの断面図である。
【図９】 実施の形態５としてのパワーモジュールの断面図である。
【図１０】 図１０に示したパワーモジュールにおける蓋の別の例を示す斜視図である。
【図１１】 図１０に示したパワーモジュールにおけるスリット状孔を塞ぐ蓋板を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ベース板、２ 絶縁板、５ 電力用半導体素子、６ 枠体、６Ａ 段部、６Ｂ、６Ｃ スリット状孔、９ シリコンゲル、１０ 蓋、１０Ａ 突起、１２ 仕切板、１２Ａ 突起、１２B スリット、１３ ケース、１４ スペーサ、１５ 蓋板
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力用半導体素子を内包したケースおよび該ケースの開口部を塞ぐ蓋を備えたパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールとして、樹脂製のケース内に電力用半導体素子を内包してシリコンゲルで封入し、上面に樹脂製の蓋で覆う構造のものがある。そして、上記パワーモジュールを、負荷回路の駆動装置（図示せず）に用いた場合においては、通常、上記パワーモジュールが放熱フィンに取付けられ、上記パワーモジュールの上側に駆動回路を配置する駆動用基板（図示せず）等が配置される。
【０００３】
この種のパワーモジュールにおいて、短絡事故等によって上記電力用半導体素子が導通破壊し、その短絡電流により上記電力用半導体素子およびその周辺の上記シリコンゲル等が急激に昇温して急激な膨張現象を生じ、上記パワーモジュールのケースにおける機械強度が最も弱い上記蓋に衝撃が加わることになる。この衝撃で、万一、上記蓋が破損すると、その破片や上記ケース内の上記シリコンゲル等の部材片が周囲に飛散して上記駆動用基板上の部品等を破損若しくは汚染する。このような場合には、上記駆動装置の修理に際し、破損した上記パワーモジュールの交換だけでなく、上記駆動用基板上の部品や上記駆動用基板そのものの交換も必要となることがある。
【０００４】
この対策として、例えば、特開平９−１３００６４号公報に、パワーモジュールのケースの側壁に溝で囲われた限定領域を形成し、上記ケースの内圧の急激な昇圧時に上記限定領域を開口させてガス抜きを行ない、実害を低く押える例が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーモジュールは、以上のようにケースの側壁に溝で囲われた限定領域を形成し、電力用半導体素子の破壊時に上記限定領域を開口させて内部ガス圧の上昇を回避しており、上記側壁側にガス抜きが行われるので実害を低く押える効果が認められるが、やはり、上記限定領域から飛散したゲル等で上記パワーモジュールの周辺を汚染する被害を防止することが困難であり、その修理に際し、破損した上記パワーモジュールの交換だけでなく、上記パワーモジュールの周辺の清掃作業を必要とする。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、内包する電力用半導体素子の導通破壊により、ケースの蓋が破損し難い構造のパワーモジュールを得ることを目的とする。
【０００７】
また、上記ケースの蓋を破損し難くするための構造が簡単で、かつ安価なパワーモジュールを得ることを目的とする。
【０００８】
さらに、上記ケースの外形寸法を大型化することなく、その蓋が破損し難い構造のパワーモジュールを得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るパワーモジュールは、電力用半導体素子と、該電力用半導体素子が載置されたベース板と、該ベース板が底部に固着され上記電力用半導体素子を内包する枠体と、該枠体の上部開口部を塞ぐ樹脂製の蓋と、衝撃緩衝板として上記電力用半導体素子から離間され、該電力用半導体素子と上記蓋との間を仕切る仕切板とを備えたものである。
【００１０】
第２の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、蓋および上記仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面に突起を設け、上記仕切板が上記蓋と上記段部との間に上記突起を介して挟持されているものである。
【００１１】
第３の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、上記仕切板と蓋との間にスペーサを備え、上記仕切板は上記スペーサを介して上記段部と上記蓋との間に挟持されているものである。
【００１２】
第４の発明に係るパワーモジュールは、第３の発明に係るパワーモジュールにおいて、スペーサが弾性体にて形成されているものである。
【００１３】
第５の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、蓋と仕切板とが一体に構成されているものである。
【００１４】
第６の発明に係るパワーモジュールは、第５の発明に係るパワーモジュールにおいて、蓋および仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面の周縁に突出する突起を備え、該突起により上記蓋と上記仕切板との間に空隙部を形成しているものである。
【００１５】
第７の発明に係るパワーモジュールは、第５の発明に係るパワーモジュールにおいて、仕切板が蓋の電力用半導体素子と対向する主面に接合されているものである。
【００１６】
第８の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて、枠体の側壁の略平行する対向箇所に幅広の一対の孔を形成し、その一方の孔を貫通孔とし、仕切板を上記貫通孔に挿入することにより、上記一対の孔で位置決めさせたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１〜図３により説明する。図１は実施の形態１および以下に記載の実施の形態２乃至実施の形態５に共通するパワーモジュールの平面図、図２、図３は夫々、図１に示したパワーモジュールのII−II断面を示す図およびIII−III断面を示す部分図である。図１〜図３において、１は銅製のベース板であり、その４隅に放熱フィン（図示せず）への取付け穴１Ａを備える。２はセラミック製の絶縁板、３はベース板１と絶縁板２とを接合する接合材、４は銅薄膜からなる導電パターン、５は絶縁板２上に導電パターン４を介して半田付けされた電力用半導体素子、６は略矩形の開口断面を有する樹脂製の枠体であり、その内壁面のほぼ全周囲にわたって段部６Ａが形成されている。
【００１８】
そして、７は枠体６にインサートされた導体であり、枠体６の内壁側へ露出した一端に内部端子７Ａが、枠体６の外部へ露出した他端に外部端子７Ｂが形成されている。８は内部端子７Ａと導電パターン４若しくは電力用半導体素子５とを接続するボンディングワイヤ、９は電力用半導体素子５およびボンディングワイヤ８を覆うように封入されたシリコンゲルである。
【００１９】
そして、１０は裏面側に突起１０Ａが形成された非金属材である樹脂製の蓋であり、ねじ１１により枠体６にねじ止されている。なお、突起１０Ａは、蓋１０が枠体６にねじ止された状態において枠体６の開口部に嵌挿可能に、その全周囲が連なるように形成されている。１２は枠体６の内壁側に形成された段部６Ａをストッパーとしてこの段部６Ａと蓋１０の突起１０Ａ間に端縁の全周囲を挟まれた状態にて支持された樹脂製の仕切板である。なお、ベース板１、枠体６および蓋１０にてケース１３を形成している。
【００２０】
以上のように構成されたパワーモジュールを、負荷回路の駆動装置（図示せず）に使用した場合においては、通常、放熱フィンに上記パワーモジュールが取付けられ、該パワーモジュールの上側にはその駆動用基板（図示せず）が配置される。そして、この駆動用基板に形成された駆動回路（図示せず）からの駆動信号の入力により上記パワーモジュールにて直交変換された交流電力が上記負荷回路に供給される。
【００２１】
そして、上記負荷回路の短絡事故等により電力用半導体素子５が導通破壊して短絡電流が流れた場合において、この短絡電流により電力用半導体素子５およびその周縁のシリコンゲル９等が急激に昇温して急激な膨張現象を生じ、その衝撃はケース１３における機械強度が最も弱い樹脂製の蓋１０を破損させる程度の破壊エネルギーを有することがある。
【００２２】
しかし、上記構成のパワーモジュールにおいては、電力用半導体素子５と蓋１０との間に仕切板１２を配設すると共に、蓋１０と仕切板１２との間に蓋１０の突起１０Ａにより所定の間隔を設けたので、また、仕切板１２の端縁の全周囲を枠体６の段部６Ａと蓋１０の突起１０Ａとで挟持したので、上記衝撃は仕切板１２を変形させることにより吸収、緩和されると共に、全周囲が連なるように形成された突起１０Ａを介して蓋１０の周縁部近傍に分散されて伝達され、蓋１０の破損を防止できる。
【００２３】
上述のように、上記パワーモジュールは、緩衝板として作用する仕切板１２と、蓋１０に形成した突起１０Ａの存在により、上記衝撃による樹脂製の蓋体１０の破壊を防止できるので、従来のパワーモジュールのごとく、破壊した蓋１０の破片や、シリコンゲル９等の部材片が飛散することがなく、従って、上記駆動用基板上の部品等を蓋１０の破片等にて破損させたり、上記駆動装置のケースの内部をシリコンゲル９で汚染させることがなく、上記駆動装置の修理に際し、破損した上記パワーモジュールの交換だけでよく、上記駆動用基板上の部品や上記駆動用基板そのものの交換が不要となり、修理時間およびコスト低減に優れる。
【００２４】
なお、上記例においては、蓋１０の裏面のほぼ全周囲が連なる突起１０Ａを形成したが、逆に、仕切板１２の周縁に全周囲に連なる突起（図示せず）を形成し、該突起の先端に蓋１０の裏面を押圧するようにしたものであっても、同様な作用、効果を有するものが得られる。また、蓋１０の裏面、若しくは仕切板１２の周縁に形成する上記突起は必ずしも全周囲に連なる必要はなく、例えば、図４に示すように、仕切板１２の相対する辺に平行に、一対の突起１２Ａを対向配置したものであっても、実用上十分な作用、効果を有するものが得られる。
【００２５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図５により説明する。図５は実施の形態２としてのパワーモジュールの断面を示す部分図であり、図１におけるII−II断面を示す。図２に示した実施の形態１とは、蓋１０に突起１０Ａが存在しない代りに、蓋１０と仕切板１２との間に全周縁が連なるリング状のスペーサ１４が挿入され、蓋１０を枠体６にねじ１１によりねじ止め固定することにより、仕切板１２は蓋１０によりスペーサ１４を介して枠体６の段部６Ａに挟まれる状態で支持される点が相違する。
【００２６】
即ち、スペーサ１４により蓋１０と仕切板１２とが互いに間隔をおいて配設されるので、蓋１０や仕切板１２に突起を形成する必要がなく、従って、蓋１０として従来品を併用でき、また、仕切板１２として板材から切断加工でき、何れにしても特別に成形加工不要であり、結果的に安価なパワーモジュールを提供できる。
【００２７】
なお、スペーサ１４として、ゴム等の弾性体を用いれば、仕切板１２の全周縁がスペーサ１４を介して均等な押圧で段部６Ａに支持されているので、上述の衝撃による仕切板１２の変形を比較的小さく押えることができると共に、仕切板１２が受けた上記衝撃を吸収、緩和してスペーサ１４を介して蓋１０の周縁にほぼ均等に分散して伝達でき、蓋１０の破損を防止することができる。従って、緩衝板としての仕切板１２をより安価な緩衝材にて形成でき、結果的に安価なパワーモジュールを提供できる。
【００２８】
また、スペーサ１４として、必ずしも全周縁が連なるリング状のものを用いる必要はなく、例えば、仕切板１２の相対する辺に平行に、一対のスペーサ１４を対向配置したものであっても、実用上十分な作用、効果を有するものが得られる。
【００２９】
なお、図１から図５に示した実施の形態１および実施の形態２としてのパワーモジュールにおいて、枠体６の内壁面のほぼ全周囲にわたって段部６Ａを形成したが、必ずしも枠体６の内壁面のほぼ全周囲にわたって形成する必要はなく、例えば、４隅に部分的に形成したものであっても、上記実施の形態のものと実質的に同様な効果が得られる。
【００３０】
実施の形態３．
図６は実施の形態３としてのパワーモジュールの断面を示す部分図であり、図１におけるIII−III断面を示す。図において、仕切板１２の周縁に全周囲に連なる突起１２Ａが存在し、突起１２Ａの先端が蓋１０の裏面に接合されて一体化され、蓋１０と仕切板１２との間に空隙が形成されており、図２、図５に示した実施の形態１、実施の形態２としてのパワーモジュールとは、これらに存在した段部６Ａが存在しない点が相違する。
【００３１】
即ち、蓋１０を枠体６にねじ１１によりねじ止め固定した状態において、蓋１０と仕切板１２とが上記空隙を介して互いに間隔を保持され、上述の衝撃を仕切板１２を変形させることにより吸収、緩和すると共に、全周囲が連なるように形成された突起１２Ａを介して蓋１０の周縁部近傍に分散されて伝達され、蓋１０の破損を防止できる。従って、緩衝板としての仕切板１２をより安価な緩衝材にて形成でき、かつ、仕切板１２を含む蓋１０のケース１３への取り付けが簡単であり、結果的に安価なパワーモジュールを提供できる。
【００３２】
なお、図６に示した実施の形態３においては、仕切板１２の周縁に全周囲に連なる突起１２Ａを形成し、突起１２Ａの先端を蓋１０の裏面に接合して一体化し、蓋１０と仕切板１２との間に空隙を形成したが、逆に、蓋１０の裏面に全周囲が連なる突起（図示せず）を形成し、その先端を仕切板１２と接合してこれらを一体化したものであっても、また、上記突起を形成する代わりに、スペーサ（図示せず）の両面を、夫々、蓋１０と仕切板１２の対向面に接合してこれらを一体化したものであっても、同様な作用、効果を有するものが得られる。
【００３３】
また、蓋１０の裏面、若しくは仕切板１２の周縁に形成する突起１２Ａは必ずしも全周囲に連なる必要はなく、例えば、仕切板１２の相対する辺に平行に、一対の突起１２Ａを対向配置したものであっても、実用上十分な作用、効果を有するものが得られる。
【００３４】
さらに、図７に示すように、蓋１０と仕切板１２とを、これらの間に空隙が存在するように同一樹脂により一体成形することにより、蓋１０の中央部１０Ａを薄く、周縁部１０Ｂを厚く構成した極めて軽量で、製造が容易、かつケース（図示せず）への取り付けが簡単なものが得られる。
【００３５】
実施の形態４．
図８は実施の形態４としてのパワーモジュールの蓋の断面を示す図であり、図１におけるIII−III断面で示されるものに相当し、蓋１０と仕切板１２とを直接接合したものである。そして、仕切板１２は、その緩衝効果を高めるように、柔軟性と強靭性に優れた発泡樹脂にて比較的厚く形成されており、仕切板１２の表面で局部的に受けた、上述の衝撃を緩和して蓋１０に伝達する。図６に示した実施の形態３としてのパワーモジュールと比較して、蓋１０と仕切板１２との間に空隙が存在しないが、実用上充分な緩衝板として機能し、その製法が簡略であり、安価で実用的なものが得られる。
【００３６】
なお、図１乃至図８に示した実施の形態１乃至実施の形態４としての上記パワーモジュールにおいて、図示しない制御端子が枠体６の上面の開口部から蓋１０を貫通して外部に突出るタイプの場合には、仕切板１２における蓋１０に形成された上記制御端子の貫通孔に対応する位置に、同じく上記制御端子の貫通孔を形成し、蓋１０と同様に枠体６の開口部の上面から上記制御端子を避けて挿入、配設する。
【００３７】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図９により説明する。図９は実施の形態５としてのパワーモジュールの断面を示す図であり、図１におけるIX−IX断面を示す。図において、６Ｂ、６Ｃは枠体６の側壁に形成された水平方向に幅広の一対のスリット状孔であり、貫通孔であるスリット状孔６Ｂから挿入した仕切板１２の先端部が盲孔であるスリット状孔６Ｃへ挿入可能に形成されている（図１における枠体６の紙面上側の側壁にスリット状孔６Ｂが、紙面下側の側壁にスリット状孔６Ｃが形成されている）。そして、枠体６に挿着された仕切板１２の端縁は、スリット状孔６Ｂ、６Ｃに嵌挿されて係止される。なお、仕切板１２は樹脂製である。
【００３８】
上記構成のパワーモジュールは、仕切板１２の表面で受けた上述の衝撃を仕切板１２自身の弾性変形により吸収、緩和すると共に、仕切板１２が受けた圧力の反作用を枠体６の一対のスリット状孔６Ｂ、６Ｃで受止めるので、蓋１０は上記衝撃の影響を受けない。
【００３９】
なお、上記パワーモジュールの図示しない制御端子が枠体６の上面の開口部から蓋１０を貫通して外部に突出るタイプの場合には、上記制御端子を仕切板１２の挿入方向に平行に、枠体６の内壁側に寄せて１列若しくは２列に整列配置することにより、仕切板１２を上記制御端子を避けて挿入する。若しくは、図１０に示すごとく、仕切板１２にスリット１２Ｂを形成することにより、上記制御端子をスリット１２Ｂで避けて枠体６へ挿入できるものが得られる。
【００４０】
また、図１１（Ａ）に示すごとく、軟質ゴム板製の蓋板１５で枠体６の内側からスリット状孔６Ｂを塞ぐことにより、即ち、蓋板１５の枠体６との非当接面におけるスリット状孔６Ｂに対応する位置にスリット状孔６Ｂに平行に深溝１５Ａを形成し、かつ、枠体６との当接面における深溝１５Ｂと平行な両端縁近傍に端縁に沿って接着剤１６を塗布して蓋板１５を枠体６の内側に接着剤１６で接着することにより、図１１（Ｂ）に示すごとく、スリット状孔６Ｂに仕切板１２を差し込む押し圧で蓋板１５を溝１５Ａに沿って破る構成とし、仕切板１２を差し込まない状態においては閉じて塵埃等の侵入を防ぎ、仕切板１２の挿入により開く弁の働きを得ることができる。
【００４１】
なお、図１乃至図７に示した実施の形態１乃至実施の形態３および図９乃至図１１に示した実施の形態５としてのパワーモジュールにおいて、緩衝板としての仕切板１２の材質を樹脂製としたが、仕切板１２の材質は樹脂製に限定する必要はなく、石綿若しくはガラス繊維材を素材とする成形品、または、比較的硬度の高いゴム製であっても上記実施の形態のものと同様な効果が得られる。
【００４２】
また、仕切板１２をガラス繊維を骨材とする強化樹脂製とすれば、強靭なものが得られ、薄型化を図れるので、仕切板１２を配設したパワーモジュールであっても、そのケース１３の外形寸法を従来品と同一にすることが可能であり、従来品と互換性のある物が得られる。
【００４３】
なお、図８に示した実施の形態４としてのパワーモジュールにおいて、緩衝板としての仕切板１２の材質を発泡樹脂製としたが、仕切板１２の材質は発泡樹脂製に限定する必要はなく、柔軟性と強靭性に優れたものであればよく、石綿若しくはガラス繊維材を素材とする成形品、または、比較的硬度の低いゴム製であっても上記実施の形態のものと同様な効果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４５】
電力用半導体素子と、該電力用半導体素子が載置されたベース板と、該ベース板が底部に固着され上記電力用半導体素子を内包する枠体と、該枠体の上部開口部を塞ぐ樹脂製の蓋と、衝撃緩衝板として上記電力用半導体素子から離間され、該電力用半導体素子と上記蓋との間を仕切る仕切板を備えたので、上記電力用半導体素子が導通破壊して短絡電流が流れても、発生する破壊エネルギーに起因する衝撃を上記仕切板で緩和して上記蓋の破壊を防止でき、ひいては、上記蓋の破壊に伴う破片の周囲への飛散を防止できるパワーモジュールが得られる効果がある。
【００４６】
また、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、蓋および上記仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面に突起を設け、上記仕切板を上記蓋と上記段部との間に上記突起を介して挟持したので、上記仕切板の取り付け構造が簡単でその取付け作業が容易なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４７】
さらに、枠体の内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、上記仕切板と蓋との間にスペーサを備え、上記仕切板は上記スペーサを介して上記段部と上記蓋との間に挟持されているので、上記蓋は従来品と互換性を有し、上記仕切板は板材から切断加工でき、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４８】
また、スペーサを弾性体にて形成したので、仕切板を蓋により上記スペーサを介して段部に押圧することにより確実に固定でき、緩衝効果の安定するために仕切板の素材に対する制約が少なく、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４９】
さらに、蓋と仕切板とを一体に構成したので、その取付け作業が容易であると共に、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００５０】
また、蓋および仕切板の少なくとも何れかにおける相対向する面の周縁に突出する突起を備え、該突起により上記蓋と上記仕切板との間に空隙部を形成しているので、その取付け作業が容易であると共に、緩衝効果の優れたパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００５１】
さらに、仕切板を蓋の電力用半導体素子と対向する主面側に接合したので、上記仕切板の取付け構造が極めて簡単でその取付け作業も容易であると共に、安価なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【００５２】
さらに、枠体の側壁の略平行する対向箇所に幅広の一対の孔を形成し、その一方の孔を貫通孔とし、仕切板を上記貫通孔に挿入することにより、上記一対の孔で位置決めさせたので、上述の衝撃の蓋への影響がなく、該蓋の薄肉化の可能なパワーモジュールを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１としてのパワーモジュールの平面図である。
【図２】 図１に示したパワーモジュールのII−II断面図である。
【図３】 図１に示したパワーモジュールのIII−III断面図である。
【図４】 図１に示したパワーモジュールにおける仕切板の別の例を示す斜視図である。
【図５】 実施の形態２としてのパワーモジュールの断面図である。
【図６】 実施の形態３としてのパワーモジュールの断面図である。
【図７】 図６に示したパワーモジュールにおける蓋と一体構成の仕切板の別の例としての一体成形されたものの断面図である。
【図８】 実施の形態４としてのパワーモジュールの断面図である。
【図９】 実施の形態５としてのパワーモジュールの断面図である。
【図１０】 図１０に示したパワーモジュールにおける蓋の別の例を示す斜視図である。
【図１１】 図１０に示したパワーモジュールにおけるスリット状孔を塞ぐ蓋板を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ベース板、２ 絶縁板、５ 電力用半導体素子、６ 枠体、６Ａ 段部、６Ｂ、６Ｃ スリット状孔、９ シリコンゲル、１０ 蓋、１０Ａ 突起、１２ 仕切板、１２Ａ 突起、１２B スリット、１３ ケース、１４ スペーサ、１５ 蓋板
Claims (8)
- 電力用半導体素子と、該電力用半導体素子が載置されたベース板と、該ベース板が底部に固着され上記電力用半導体素子を内包する枠体と、該枠体の上部開口部を塞ぐ樹脂製の蓋と、衝撃緩衝板として上記電力用半導体素子から離間され、該電力用半導体素子と上記蓋との間を仕切る仕切板とを備えたことを特徴とするパワーモジュール。
- 枠体はその内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、蓋および上記仕切板の少なくとも何れかは、これらの相対向する面に突起を設け、上記仕切板は上記蓋と上記段部との間に上記突起を介して挟持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。
- 枠体はその内側壁に仕切板を位置決めする段部が形成され、上記仕切板と蓋との間にスペーサを備え、上記仕切板は上記スペーサを介して上記段部と上記蓋との間に挟持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。
- スペーサは弾性体にて形成され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。
- 蓋と仕切板とは一体に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。
- 蓋および仕切板の少なくとも何れかは、これらの相対向する面の周縁に突出する突起を備え、該突起により上記蓋と上記仕切板との間に空隙部を形成していることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
- 仕切板は、蓋の電力用半導体素子と対向する主面に接合されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
- 枠体はその側壁の略平行する対向箇所に幅広の一対の孔を形成し、その一方の孔を貫通孔とし、仕切板を上記貫通孔に挿入することにより、上記一対の孔で位置決めさせたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
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