JP3974747B2

JP3974747B2 - パワー回路

Info

Publication number: JP3974747B2
Application number: JP2000362196A
Authority: JP
Inventors: 敦浩吉崎; 光幸本部; 敬一増野
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002164484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー回路に係り、特に、大電流制御に用いるのに好適なパワー回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的なパワー回路では、半導体素子をパッケージに包んだＩＣも使用されているが、特に大電流を制御するシステムでは、パッケージをしないで、平型のシリコンチップをそのまま実装することにより、発熱量対策を施しているものが知られている。例えば、電流のスイッチング素子として多く使われるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスター）においては、大電流が流れるコレクタ電極は、銅製のベースの配線パターンに直接接続され、さらに、ベースから端子までは銅板配線により接続される。また、大電流が流れるエミッタ電極は、アルミの直径３００ミクロン程度の細線によるワイヤーボンディング接続で、銅製ベースの配線パターンに接続され、さらに、ベースから端子までは銅板配線により接続される。
【０００３】
また、ＩＧＢＴとベースの接続などは、例えば、特開平６−１６０７６１号公報や、特開平８−２１２３２５号公報に記載されているように、はんだ接合や溶接接合が用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワー回路では、上述したような配線構造を取っているため、ループ回路となる電流回路には、比較的大きい直列の寄生リアクタンス成分を生じるため、トランジスタ素子がスイッチングする時電流が急変し、リアクタンスエネルギーがトランジスターのコレクター，エミッター間の電圧に重畳し、大きなはね上がり電圧となって発生する。そこで、従来のパワー回路では、トランジスターと並列に大容量の抵抗とコンデンサーよりなるスナバー４４を設けるなど、保護回路が必要となるという問題があった。
【０００５】
また、はんだ接合や溶接接合では、その接合部が合金接合となっており、使用温度が変動する熱サイクルにより、接合面に応力が繰り返し加わり熱疲労により破断するという問題があった。特に、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に用いられるパワー回路においては、広い温度範囲の熱サイクルがかかるため、接合部の破断は信頼性の低下に繋がるものである。
【０００６】
本発明の目的は、回路に寄生するリアクタンス成分を抑制することにより、過電圧保護回路を不要とし、かつ、対熱サイクル性を向上して、信頼性が向上したパワー回路を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、電源と、前記電源からの直流電力が供給される複数のスイッチング半導体素子と、前記直流電力を複数のスイッチング半導体素子に供給するための正極直流母線及び負極直流母線、及び、前記スイッチング半導体素子から出力された交流電力を負荷に供給するための複数の交流出力母線、の全てを積層した平板状積層導体と、前記正極直流母線及び前記負極直流母線に電気的に接続され、前記電源から供給される直流電力を平滑するコンデンサと、平型チップからなる前記スイッチング半導体素子の両面を、金属フィラーと樹脂から成る高伝熱性導電接着剤を介して挟んだ平板導体状の半導体素子接続部と、前記平板状積層導体と前記半導体接続部との間を電気的に接続するための積層配線と、前記スイッチング半導体素子との接合面とは反対側の面において、前記半導体接続部に接合された放熱部材と、有するものである。
かかる構成により、回路に寄生するリアクタンス成分を抑制して、過電圧保護回路を不要とし、かつ、対熱サイクル性を向上して、信頼性を向上し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記スイッチング半導体素子と前記半導体接続部との間に、ＳｉＣにＡｌを含浸させた接合電極を介し、前記高伝熱性導電接着剤を用いて接合されているものである。
（３）上記（１）において、好ましくは、孔を設けた外枠が前記半導体素子接続部に接合されており、前記孔の中において、前記高伝導性導電接着剤を介して前記放熱部材が前記半導体素子接続部に接合されており、前記放熱部材は、金属からなる放熱フィンである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態によるパワー回路の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるパワー回路の全体構成について説明する。なお、本実施形態では、パワー回路として、モータ等の負荷を制御する三相のインバーター回路を例にして説明する
図１は、本発明の一実施形態によるパワー回路の全体構成を示す回路図である。
【００１０】
本実施形態では、正極直流母線５０，負極直流母線５１，交流出力母線５２，５３，５４などの配線材として、電気伝導性が良く、また熱伝導性能が優れた材料からなる複数の平板配線材を用い、これらの平板配線材（正極直流母線５０，負極直流母線５１，交流出力母線５２，５３，５４）を積層構造にしている。平板配線材の材料としては、例えば、銅材を用いている。
【００１１】
正極直流母線５０には、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１４，１６，１８のコレクタが直接接続される。負極直流母線５１には、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１５，１７，１９のエミッタが直接接続される。交流出力母線５２には、ＩＧＢＴ１４のエミッタ及びＩＧＢＴ１５のコレクタが接続される。交流出力母線５３には、ＩＧＢＴ１６のエミッタ及びＩＧＢＴ１７のコレクタが接続される。交流出力母線５４には、ＩＧＢＴ１８のエミッタ及びＩＧＢＴ１９のコレクタが接続される。すなわち、ＩＧＢＴ１４，１５，１６，１７，１８，１９は、正極直流母線５０，負極直流母線５１，交流出力母線５２，５３，５４の間に挟まれて接続されている。接続構造の詳細については、図２及び図３を用いて後述する。
【００１２】
正極直流母線５０及び負極直流母線５１には、正電圧配線１２と負電圧配線１３を介して、直流電源１０が接続される。直流電源１０の両端には、平滑用のコンデンサー１１が接続される。また、交流出力母線５２，５３，５４は、モータ等の負荷Ｌに接続される。
【００１３】
直流電源１０から供給される直流電力は、コンデンサ１１によって平滑された上で、ＩＧＢＴ１４，１５，１６，１７，１８，１９によってスイッチング制御され、三相の交流電力として、負荷Ｌに供給される。例えば、ＩＧＢＴ１４がＯＮの時、正極直流母線５０を通して往路電流５５が流れ、電流は交流出力母線５２に出力する。同時に、ＩＧＢＴ１７，１８がＯＮとなるため、交流出力母線５３，５４を通して、復路電流５６が流れ、負極直流母線５１を経て直流電源１０に戻る戻り電流となる。このように、正極直流母線５０，負極直流母線５１，交流出力母線５２，５３，５４は積層構造であり、全ての電流は往路電流，復路電流としてこの積層配線に流れとなるため、回路に寄生するリアクタンス成分は従来の単線配線構成に比べ、１／１０程度に抑制することができる。
【００１４】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態によるパワー回路における構成について説明する。
最初に、図２を用いて、本実施形態によるパワー回路の全体構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるパワー回路の全体構成を示す平面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００１５】
ＩＧＢＴ１４，１５，…，１９は、それぞれ、半導体素子接続部５８に接続されている。半導体素子接続部５８の詳細構成については、図３を用いて後述する。半導体素子接続部５８は、平板状の積層配線５７を介して、積層されている正極直流母線５０，負極直流母線５１，交流出力母線５２，５３，５４などの配線材に接続される。また、電源用コンデンサー１１も、正極直流母線５０，負極直流母線５１間に接続される。
【００１６】
次に、図３を用いて、本実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成を示す正面図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００１７】
ベース部材６３，６４は、絶縁特性と高伝熱特性を兼ね備えた素材であり、例えば、窒化アルミや窒化シリコンまたはアルミナなどを用いている。ベース部材６３，６４の表面には、それぞれ、配線パターン６０，６２が形成されている。配線パターン６０，６２は、例えば、金属溶着や金属溶接や金属蒸着またはメッキ加工などによるメタライズ加工によって形成される。ＩＧＢＴ１４のコレクタは、導電性高伝熱接着剤６７によって、配線パターン６０に接続されている。
【００１８】
導電性高伝熱接着剤６７は、熱伝導および電気伝導性が高い接着剤であり、金属フィラーと樹脂から成る接着剤である。例えば、銀ペースト等を用いることができる。導電性高伝熱接着剤６７は、接着継ぎ手として、熱サイクルに耐える接合面を構成する。また、樹脂系の接着加工なため、従来のはんだや蝋付け加工に比べ低温プロセスの加工であり、加工時の熱歪応力の残留が無く加工部の経年的安定性がある。これは、半導体素子の加工に十分許容できる温度範囲であり、特に作業の熱管理が容易となる。
【００１９】
ＩＧＢＴ１４のエミッタは、導電性高伝熱接着剤６７を用いて、接合電極６１に接合されている。接合電極６１は、ＩＧＢＴ１４等の半導体素子と熱膨張率の近い導電材からなる。接合電極６１としては、例えば、ＳｉＣにアルミ（Ａｌ）を含浸させたものや、ＣｕＯとＣｕを混合焼結したものを用いている。接合電極６１の他面は、導電性高伝熱接着剤６７を用いて、配線パターン６２に接合されている。配線パターン６０，６２は、平板状の積層配線５７に接合されている。
【００２０】
以上のようにして、本実施形態では、半導体素子であるＩＧＢＴ１４は、配線パターン６０，６２を用いて積層配線５７に電気的に接続され、さらに、図２において説明したように、平板状の正極直流母線５０，負極直流母線５１，交流出力母線５２，５３，５４などの配線材に接続されている。ＩＧＢＴ１４は、配線パターンを介して、ベース６３，６４に接続されているため、ＩＧＢＴ１４からの発熱は、ベース６３とベース６４の両面から放熱することができるため、放熱効果を向上することができる。
【００２１】
また、ＩＧＢＴ１４は、表面及び裏面の両面が、導電性高伝熱接着剤６７を介して、ベース６３とベース６４の両方に接合されている。一般に、ベース６３，６４の線膨張係数は、ＩＧＢＴ１４のような半導体素子の線膨張係数よりも多きため、導電性高伝熱接着剤６７による接合部には、熱サイクルにより、熱応力が加わるが、ＩＧＢＴ１４は両面から接合されているため、片面接合に比べて応力が分配されて、加わる熱応力を緩和することができる。従って、耐熱サイクル性を向上することができる。
【００２２】
また、この様な多重構造において、組立作業にて、順次接合加工を行う場合、従来のはんだ作業のような順次温度階層を設ける必要が無く、加工と硬化を順次繰り返すことで、加工ができるので、多重の接合構造の加工が容易に実現できる。
【００２３】
さらに、大型の放熱フィンなど熱容量が大きい部品の接合加工もこの低温プロセスにて接合加工できる。このようにして大容量の放熱構造を低熱抵抗で構成できる。
【００２４】
したがって、本実施形態によれば、積層構造の平板電極を用いることにより、回路に寄生するリアクタンス成分を抑制でき、過電圧保護回路を不要とすることができる。また、ベースの間に挟み込む構成とし、導電性高伝熱接着剤６７により接合することにより、対熱サイクル性を向上して、信頼性を向上することができる。
【００２５】
次に、図４を用いて、本発明の他の実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成について説明する。
図４は、本発明の他の実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成を示す正面図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。また、本実施形態によるパワー回路の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様である。
【００２６】
本実施形態では、絶縁特性と高伝熱特性を兼ね備えたベース材６５を設け、配線パターン６０，６２を、ベース材６５にメタライズ加工で生成する。ベース材６５としては、例えば、ＡｌＮを用いることができる。ＩＧＢＴ１４と接合電極６１と電気的に接続し、その外部に伝熱特性が良好な金属（銅，アルミ等）またはセラミックによる両面放熱部６６を、ベース材６５に接合する。このように、ＩＧＢＴ１４から両面放熱部６６までを、高い伝熱特性で接合することにより、小型高効率の放熱機能を実現できる。
【００２７】
したがって、本実施形態によれば、回路に寄生するリアクタンス成分を抑制でき、過電圧保護回路を不要とすることができる。また、対熱サイクル性を向上して、信頼性を向上することができる。
【００２８】
次に、図５を用いて、本発明のその他の実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成について説明する。
図５は、本発明のその他の実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成を示す正面図である。なお、図３，図４と同一符号は、同一部分を示している。また、本実施形態によるパワー回路の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様である。
【００２９】
本実施形態では、絶縁特性と高伝熱特性を兼ね備えたベース材６５の外側に、孔７０，７２を設けた外枠７１，７３を接合し、伝熱特性が良好な金属またはセラミック材より成る放熱フィン７４を孔７０，７２の中でベース材６５に接合するようにしている。これにより、ＩＧＢＴ１４の発熱量を、各接合面を経ても、効率よく、放熱フィン７４に伝えることができ、小型，高効率の放熱機構を実現することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、回路に寄生するリアクタンス成分を抑制することにより、過電圧保護回路を不要とし、かつ、対熱サイクル性を向上して、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるパワー回路の全体構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態によるパワー回路の全体構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成を示す正面図である。
【図４】本発明の他の実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成を示す正面図である。
【図５】本発明のその他の実施形態によるパワー回路に用いる半導体素子接続部の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１０…直流電源
１１…平滑用コンデンサー
１２…正電圧配線
１３…負電圧配線
１４，１５，１６，１７，１８，１９…ＩＧＢＴ
５０…正極直流母線
５１…負極直流母線
５２，５３，５４…交流出力母線
５５…往路電流
５６…帰路電流
５７…積層配線
５８…半導体素子接続部
６０，６２…配線パターン
６１…接合電極
６３，６４，６５…ベース材
６７…導電性高伝熱接着剤
７０，７２…穴
７１，７３…外枠
７４…放熱フィン

Claims

電源と、
前記電源からの直流電力が供給される複数のスイッチング半導体素子と、
前記直流電力を複数のスイッチング半導体素子に供給するための正極直流母線及び負極直流母線、及び、前記スイッチング半導体素子から出力された交流電力を負荷に供給するための複数の交流出力母線、の全てを積層した平板状積層導体と、
前記正極直流母線及び前記負極直流母線に電気的に接続され、前記電源から供給される直流電力を平滑するコンデンサと、
平型チップからなる前記スイッチング半導体素子の両面を、金属フィラーと樹脂から成る高伝熱性導電接着剤を介して挟んだ平板導体状の半導体素子接続部と、
前記平板状積層導体と前記半導体接続部との間を電気的に接続するための積層配線と、
前記スイッチング半導体素子との接合面とは反対側の面において、前記半導体接続部に接合された放熱部材と、
を有することを特徴とするパワー回路。
請求項１記載のパワー回路において、
前記スイッチング半導体素子と前記半導体接続部との間に、ＳｉＣにＡｌを含浸させた接合電極を介し、前記高伝熱性導電接着剤を用いて接合されていることを特徴とするパワー回路。
請求項１記載のパワー回路において、
孔を設けた外枠が前記半導体素子接続部に接合されており、
前記孔の中において、前記高伝導性導電接着剤を介して前記放熱部材が前記半導体素子接続部に接合されており、
前記放熱部材は、金属からなる放熱フィンであることを特徴とするパワー回路。