JP4027558B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はパワーモジュールの構造に関し、特に、パワー半導体素子が搭載された絶縁基板と、パワー半導体素子を制御するための制御用ICが搭載された制御基板とを備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】
図5,6は、従来のパワーモジュールの構造を示す斜視図及び断面図である。図6に示すように従来のパワーモジュールは、図示しない回路パターンがそれぞれ形成された絶縁基板105及び制御基板113と、中継端子110,120と、絶縁ケース107とを備えている。絶縁基板105には、半田108を介してパワー半導体素子109が搭載されている。絶縁基板105は、金属製のベース板102に半田104を介して接触している。
【0003】
制御基板113には、パワー半導体素子109を制御するための制御用IC115が、半田114を介して搭載されている。中継端子110の一端は、金属細線111によって絶縁基板105あるいはパワー半導体素子109に電気的に接続されている。また、中継端子110の他端は、制御基板113上に配設されている電極122に電気的に接続されている。電極122は制御用IC115に電気的に接続されている。中継端子120の一端は、金属細線121によってパワー半導体素子109に電気的に接続されている。また、中継端子120の他端は、ケース107上に配設されている電極123に電気的に接続されている。
【0004】
絶縁基板105、制御基板113、及び中継端子110,120は、絶縁ケース107内に配設されている。制御基板113よりも下方の絶縁ケース107の内部空間は、シリコーンゲル112によって充填されている。また、絶縁ケース107の上部には、フタ117が取り付けられている。制御用IC115は、制御基板113にろう接された外部接続端子118を介して、フタ117上に配設されている制御用コネクタ119に電気的に接続されている。
【0005】
ベース板102は、ボルト103によってヒートシンク101に固定されている。ベース板102とヒートシンク101との間には、熱伝導グリス116が比較的厚く(およそ数百μm)塗布されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のパワーモジュールによると、絶縁基板105及び制御基板113に関して十分に電磁シールドが成されていないため、パワーモジュールが駆動するモータ等が放つ外部からのノイズの影響を受けやすく、信頼性が低いという問題があった。
【0007】
また、ベース板102とヒートシンク101とがボルト103によって互いに固定されているため、ボルト103用のボルト穴を形成するためのスペースをヒートシンク101の上面内に設ける必要があり、ヒートシンク101が大きくなるという問題があった。
【0008】
さらに、シリコーンゲル112を熱硬化する際の加熱や、絶縁基板105をベース板102に接着する際の加熱により、ケース107やベース板102に反りが発生しやすい。そのため、熱伝導グリス116の厚みを薄くすることができず、熱抵抗が増大して、ヒートシンク101による放熱効果が低下するという問題もあった。
【0009】
本発明はこのような問題を解決するために成されたものであり、主として、電磁シールド効果に優れ、外部からのノイズに対して影響を受けにくく、かつ外部へのノイズ源ともなりにくいパワーモジュールを得ることを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項1に記載のパワーモジュールは、パワー半導体素子が搭載された主面を有する絶縁基板と、前記パワー半導体素子を制御するための制御用ICが搭載された制御基板と、前記絶縁基板及び前記制御基板が互いに間隔を空けて対向配置した状態でその主面に垂直に固定された、導電性の支持板と、前記絶縁基板及び前記制御基板の周囲を覆う様にして、その周縁部が前記支持板の周縁部に固定された導電性のケースとを備えるものである。
【0011】
また、この発明のうち請求項2に記載のパワーモジュールは、請求項1に記載のパワーモジュールであって、ケース内に配設され、主面とは反対側の絶縁基板の裏面に接触するヒートシンクをさらに備え、支持板は、いずれも支持板を貫通して設けられた、ヒートシンクに繋がる冷媒入出口と、パワー半導体素子に電気的に接続された電極と、制御用ICに電気的に接続された制御用コネクタとを有することを特徴とするものである。
【0012】
また、この発明のうち請求項3に記載のパワーモジュールは、請求項2に記載のパワーモジュールであって、パワー半導体素子は電圧型インバータであり、パワーモジュールは、ケース内において、絶縁基板とは反対側でヒートシンクに接触して配設された直流コンデンサをさらに備えることを特徴とするものである。
【0013】
また、この発明のうち請求項4に記載のパワーモジュールは、請求項1〜3のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、ケース内において、絶縁基板と制御基板との間に配設されたシールド板をさらに備えることを特徴とするものである。
【0014】
また、この発明のうち請求項5に記載のパワーモジュールは、請求項1〜4のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、ケースと支持板とは密閉性を保って互いに接合されていることを特徴とするものである。
【0015】
また、この発明のうち請求項6に記載のパワーモジュールは、請求項5に記載のパワーモジュールであって、ケースと支持板とによって構成される内部空間は、絶縁性を有する不活性材料によって充填されていることを特徴とするものである。
【0016】
また、この発明のうち請求項7に記載のパワーモジュールは、請求項6に記載のパワーモジュールであって、前記材料として循環可能な冷媒を使用し、前記支持基板には、冷媒導入口および冷媒排出口が設けられ、前記ケース内には、前記冷媒導入口から導入された前記冷媒を前記ケース内で循環させて前記冷媒排出口から外部に排出させるためのファンが備えられたことを特徴とするものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
実施の形態.
図1,2は、本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構造を示す斜視図及び断面図である。但し、説明の便宜上及び図面の簡略化のため、図2に示した断面図は、必ずしも図1に示した斜視図の断面構造に対応していない。図1を参照して、本実施の形態に係るパワーモジュールは、外観上、ケース1と支持板2との二つの部材によって構成されている。図2を参照して、絶縁基板5の上面上には、電圧型インバータ等のパワー半導体素子7が、半田6を介して搭載されている。また、絶縁基板5の上面上には、金属細線8によってパワー半導体素子7に電気的に接続された、スイッチング回路等を含む図示しない主回路が形成されている。絶縁基板5は、支持板2に固定されたヒートシンク3の上面上に、半田4を介して接合されている。ヒートシンク3の底面上には、対を成すP,N電極(図示しない)を有する直流コンデンサ16が、接着により固定されている。直流コンデンサ16は、大電力用のパワーモジュールにおいて、電圧変動を防止する役割を有している。なお、直流コンデンサ16の有するP,N電極は、直流側電極兼冷媒入出口9を介して、外部の電源やバッテリー等に接続されている。
【0018】
支持板2には制御基板11が固定されている。制御基板11の上面上には、パワー半導体素子7を制御するための制御用IC13が、半田12を介して搭載されている。また、制御基板11の上面上には、制御用IC13に電気的に接続された、図示しない回路パターンが形成されている。また、制御基板11は、金属細線21を介してパワー半導体素子7に電気的に接続されている。
【0019】
支持板2には、複数(図1,2では3個)の電極10と、直流側電極兼冷媒入出口9と、制御用コネクタ15とが配設されている。電極10は、絶縁基板5の上面上に形成されている主回路に、金属細線8を介して電気的に接続されている。直流側電極兼冷媒入出口9は、ヒートシンク3に繋がっている。制御用コネクタ15は、制御基板11の上面上に形成されている回路パターンに、金属細線14を介して電気的に接続されている。即ち、制御用コネクタ15は、制御用IC13に間接的に電気的に接続されている。制御用コネクタ15は、内部回路と外部回路との間で制御信号のやりとりをするためのコネクタである。電極10、直流側電極兼冷媒入出口9、及び制御用コネクタ15は、いずれも支持板2を貫通して形成されており、例えば接着によって支持板2に固定されている。このとき、常温硬化性の接着材を用いることにより、支持板2に生じる反りを抑制することができる。
【0020】
ケース1は支持板2の周縁部に固定され、支持板2とともに絶縁基板5、制御基板11、ヒートシンク3、及び直流コンデンサ16の周囲を覆っている。即ち、絶縁基板5、制御基板11、ヒートシンク3、及び直流コンデンサ16は、ケース1と支持板2とによって構成される内部空間内に配設されている。ケース1と支持板2とは、例えばシーム溶接や接着等によって互いに接合されている。これにより、ケース1と支持板2とによって構成される内部空間の密閉性を確保することができ、防塵性や防水性等の耐環境性に優れたパワーモジュールを得ることができる。なお、接着によって接合する場合は、導電性の接着材を使用することが望ましい。これにより、電磁シールドの効果を高めることができる。
【0021】
ケース1は、導電性を有するように、耐腐食性を有する金属、ステンレス、あるいは、めっき処理等によって耐腐食性を有する金属薄膜によって表面が覆われた金属、樹脂、セラミック、プラスチックによって構成されている。例えば、アルミを深絞り加工することによって成形されている。但し、ケース1は必ずしも筐体として構成する必要はなく、金属箔上にプラスチック薄膜を形成したラミネートフィルムとして構成してもよい。このような構成にすることにより、製造工程の容易化及び製造コストの低減を図ることができる。
【0022】
支持板2は、電極10や直流側電極兼冷媒入出口9の周辺を絶縁性としつつ、金属によって構成されている。あるいは、絶縁性の基板の表面上に、電極10や直流側電極兼冷媒入出口9の周辺を除いて金属箔等の導電層を貼り付けて構成してもよい。これにより、各電極間の短絡を防止しつつ、支持板2に導電性を持たせることができる。
【0023】
また、ケース1と支持板2とによって構成される内部空間を、絶縁性を有する不活性材料によって充填してもよい。例えば、純水、オイル、シリコーンゲル、SF6、フロンガス、炭酸ガス、アンモニアガス等によって充填するとよい。上記内部空間を例えばエポキシ樹脂によって封止すると、熱硬化工程によってケース1に反りが発生するという問題が生じる。しかし、オイルやゲルによって充填する場合にはこのような問題は生じない。
【0024】
このように本実施の形態に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板5及び制御基板11の周囲が、いずれも導電性のケース1及び支持板2によって取り囲まれている。従って、電磁シールド効果に優れ、外部からのノイズに対して影響を受けにくく、かつ外部へのノイズ源ともなりにくいパワーモジュールを得ることができる。
【0025】
また、絶縁基板5は、半田4等によってヒートシンク3の上面上に接着されており、従来のようにボルトを使用しないため、ヒートシンク3にボルト穴を設ける必要がなく、ヒートシンク3の小型化を図ることもできる。しかも、従来のベース板を省略でき、熱伝導グリスが不要となるため、熱抵抗が下がってヒートシンク3による放熱効果を高めることができる。
【0026】
また、直流コンデンサ16をもケース1内に配設したため、外部からのノイズに対する影響を緩和することができる。直流コンデンサ16をケース1の外部に配設した場合は主回路のインダクタンス成分が大きくなるが、このような問題も生じない。しかも、直流コンデンサ16はヒートシンク3に接触しているため、直流コンデンサ16からの発熱を、ヒートシンク3によって適切に吸収することができる。
【0027】
図3は、本発明の実施の形態の第1の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図2に示したパワーモジュールからヒートシンク3を省略するとともに、ケース1の内部にファン18を配設したものである。直流コンデンサ16は、図示は省略されているが、ケース1内において支持板2に固定されている。直流側電極兼冷媒導入口9aからケース1内に供給された冷媒は、ファン18によってケース1内を循環した後、直流側電極兼冷媒排出口9bから外部に排出される。冷媒としては上記と同様に、例えば、純水、オイル、SF6、フロンガス、炭酸ガス、アンモニアガス等を使用することができる。これにより、循環する冷媒によってケース1内全体を冷却でき、冷却効果を高めることができる。
【0028】
図4は、本発明の実施の形態の第2の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図2に示したパワーモジュールに、導電性のシールド板17をさらに配設したものである。シールド板17は、ケース1内において、絶縁基板5と制御基板11との間に配設されている。これにより、パワー半導体素子7と制御基板11との間での電磁シールド効果を得ることができる。
【0029】
【発明の効果】
この発明のうち請求項1に係るものによれば、絶縁基板及び制御基板の周囲が、いずれも導電性のケース及び支持板によって取り囲まれている。従って、電磁シールド効果に優れ、外部からのノイズに対して影響を受けにくく、かつ外部へのノイズ源ともなりにくいパワーモジュールを得ることができる。
【0030】
また、この発明のうち請求項2に係るものによれば、冷媒入出口、電極、及び制御用コネクタを支持板にまとめて形成することにより、ケースの構成の簡略化を図ることができる。
【0031】
また、この発明のうち請求項3に係るものによれば、直流コンデンサに関しても、外部からのノイズに対する影響を緩和することができる。しかも、直流コンデンサはヒートシンクに接触しているため、直流コンデンサからの発熱をヒートシンクによって適切に吸収することができる。
【0032】
また、この発明のうち請求項4に係るものによれば、パワー半導体素子と制御基板との間での電磁シールド効果を得ることができる。
【0033】
また、この発明のうち請求項5に係るものによれば、防塵性や防水性に優れたパワーモジュールを得ることができる。
【0034】
また、この発明のうち請求項6に係るものによれば、パワーモジュールの信頼性を高めることができる。
【0035】
また、この発明のうち請求項7に係るものによれば、循環する冷媒によってケース内全体を冷却でき、放熱効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構造を示す斜視図である。
【図2】 本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態の第1の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図4】 本発明の実施の形態の第2の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図5】 従来のパワーモジュールの構造を示す斜視図である。
【図6】 従来のパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 ケース、2 支持板、3 ヒートシンク、5 絶縁基板、7 パワー半導体素子、9 直流側電極兼冷媒入出口、9a 直流側電極兼冷媒導入口、9b 直流側電極兼冷媒排出口、10 電極、11 制御基板、13 制御用IC、15 制御用コネクタ、16 直流コンデンサ、17 シールド板、18 ファン。
Claims (7)
- パワー半導体素子が搭載された主面を有する絶縁基板と、
前記パワー半導体素子を制御するための制御用ICが搭載された制御基板と、
前記絶縁基板及び前記制御基板が互いに間隔を空けて対向配置した状態でその主面に垂直に固定された、導電性の支持板と、
前記絶縁基板及び前記制御基板の周囲を覆う様にして、その周縁部が前記支持板の周縁部に固定された導電性のケースと
を備えるパワーモジュール。 - 前記ケース内に配設され、前記主面とは反対側の前記絶縁基板の裏面に接触するヒートシンクをさらに備え、
前記支持板は、
いずれも前記支持板を貫通して設けられた、
前記ヒートシンクに繋がる冷媒入出口と、
前記パワー半導体素子に電気的に接続された電極と、
前記制御用ICに電気的に接続された制御用コネクタと
を有する、請求項1に記載のパワーモジュール。 - 前記パワー半導体素子は電圧型インバータであり、
前記パワーモジュールは、前記ケース内において、前記絶縁基板とは反対側で前記ヒートシンクに接触して配設された直流コンデンサをさらに備える、請求項2に記載のパワーモジュール。 - 前記ケース内において、前記絶縁基板と前記制御基板との間に配設されたシールド板をさらに備える、請求項1〜3のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
- 前記ケースと前記支持板とは密閉性を保って互いに接合されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
- 前記ケースと前記支持板とによって構成される内部空間は、絶縁性を有する不活性材料によって充填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。
- 前記材料として循環可能な冷媒を使用し、
前記支持基板には、冷媒導入口および冷媒排出口が設けられ、
前記ケース内には、前記冷媒導入口から導入された前記冷媒を前記ケース内で循環させて前記冷媒排出口から外部に排出させるためのファンが備えられた、請求項6に記載のパワーモジュール。
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