JP4044265B2 - パワーモジュール - Google Patents

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貴信 吉田
直樹 吉松
万寿夫 古賀
泰 中島
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワーモジュールの構造、特に、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子に外部から印加される直流電源電圧を平滑化するための平滑コンデンサ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２８は、従来のパワーモジュール本体部１００の構造を模式的に示す上面図である。ケース枠１０６の上面の第１辺に沿って、出力端子１１１Ｕ，１１１Ｖ，１１１Ｗが並んで配設されており、上記第１辺に平行なケース枠１０６の上面の第２辺に沿って、Ｐ端子１０８Ｐ及びＮ端子１０８Ｎが並んで配設されている。
【０００３】
また、図２９は、図２８に示したラインＸ１００に沿った位置における断面構造を示す断面図である。金属製のベース板１０１上に、樹脂製のケース枠１０６が配設されており、ケース枠１０６上に、樹脂製のケース蓋１１６が配設されている。ベース板１０１上には、半田１０３によって、セラミック製の絶縁基板１０２が配設されている。絶縁基板１０２上には、半田１０４によって、ＩＧＢＴ等の複数のパワー半導体素子１０５が配設されている。また、絶縁基板１０２の上面上には、スイッチング素子等の回路素子（図示しない）が搭載されるとともに、所定の回路パターン（図示しない）が形成されている。
【０００４】
ケース枠１０６内には、パワー半導体素子１０５を制御するための制御回路が形成された制御基板１１４が配設されている。制御基板１１４は、中継電極１１２の一端に半田付けされている。中継電極１１２の他端は、アルミワイヤ１０９を介してパワー半導体素子１０５に接続されている。また、ケース枠１０６内には、ノイズ防止のためのシールド板１１３が、制御基板１１４と絶縁基板１０２との間に配設されている。シールド板１１３よりも下方部分のケース枠１０６の内部は、シリコーンゲル１１５によって充填されている。
【０００５】
ケース枠１０６の上面上には、Ｎ端子１０８Ｎが配設されている。Ｎ端子１０８Ｎは、Ｎ電極１０７Ｎの一端に接続されている。Ｎ電極１０７Ｎの他端は、アルミワイヤ１０９を介してパワー半導体素子１０５に接続されている。また、ケース枠１０６の上面上には、Ｐ端子１０８Ｐ（図２９には現れない）が配設されている。Ｐ端子１０８Ｐは、Ｐ電極１０７Ｐの一端に接続されている。Ｐ電極１０７Ｐの他端は、アルミワイヤ１０９及び絶縁基板１０２上に形成されている回路パターンを介して、パワー半導体素子１０５に接続されている。また、ケース枠１０６の上面上には、出力端子１１１Ｖが配設されている。出力端子１１１Ｖは、出力電極１１０の一端に接続されている。出力電極１１０の他端は、アルミワイヤ１０９を介してパワー半導体素子１０５に接続されている。
【０００６】
図３０は、側面側から眺めた場合の、従来のパワーモジュールの全体構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体素子１０５に外部から印加される直流電源電圧を平滑化するための平滑コンデンサ１２０が、パワーモジュール本体部１００の上方に配設されている。平滑コンデンサ１２０のＮ電極１２１Ｎ及びＰ電極１２１Ｐ（図３０における符号１２１）と、パワーモジュール本体部１００のＮ端子１０８Ｎ及びＰ端子１０８Ｐ（図３０における符号１０８）とは、接続導体１２４によって互いに接続されている。接続導体１２４は、絶縁板１２３を挟んで対向する導体板１２２Ｎ，１２２Ｐを有している。導体板１２２Ｎ，１２２ＰとＮ端子１０８Ｎ及びＰ端子１０８Ｐとは、ネジ１２５によってそれぞれ固定されている。
【０００７】
図３１は、上面側から眺めた場合の、平滑コンデンサ１２０と接続導体１２４との接続部分の構造を模式的に示す断面図である。導体板１２２ＮはＮ電極１２１Ｎに、導体板１２２ＰはＰ電極１２１Ｐにそれぞれ接触している。導体板１２２Ｎには、Ｐ電極１２１Ｐとの接触を回避するために開口部１２６が部分的に設けられており、導体板１２２Ｐには、Ｎ電極１２１Ｎとの接触を回避するために開口部１２７が部分的に設けられている。
【０００８】
【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、平滑コンデンサ１２０のＮ電極１２１Ｎ及びＰ電極１２１Ｐと、パワーモジュール本体部１００のＮ端子１０８Ｎ及びＰ端子１０８Ｐとをそれぞれ接続するために、導体板１２２Ｎ，１２２Ｐ及び絶縁板１２３から成る接続導体１２４が必要とされ、部品点数が多く、組立も煩雑であるという問題があった。
【０００９】
また、平滑コンデンサ１２０とパワー半導体素子１０５との間の配線経路が長いため、回路のインダクタンスが大きくなるという問題もあった。パワーモジュールの動作において、パワー半導体素子１０５が高速でスイッチングされると、平滑コンデンサ１２０とパワー半導体素子１０５との間に、電流の変化分（ｄｉ／ｄｔ）に比例する大きなパルス状の電流が流れ、回路のインダクタンスに比例した電圧が発生して、ノイズとしてパワー半導体素子１０５に印加される。また、回路のインダクタンスが大きくなると、リプル電圧を抑制するために平滑コンデンサ１２０の静電容量を大きくする必要があり、その結果、平滑コンデンサ１２０の大型化、ひいてはパワーモジュール自体の大型化につながる。そのため、回路のインダクタンスは小さいことが望ましい。
【００１０】
さらに、従来のパワーモジュールは、大型の平滑コンデンサ１２０をパワーモジュール本体部１００の上方に配設した構成となっているため、例えば車載用のパワーモジュールとして使用するには、耐振動性が低いという問題もあった。
【００１１】
本発明はこれらの問題を解決するために成されたものであり、回路のインダクタンスを低減し得るとともに、小型化及び軽量化が図られ、しかも耐振動性にも優れたパワーモジュールを得ることを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
また、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第１の基板と、パワー半導体素子を制御するための制御回路が形成された第２の基板と、パワー半導体素子に電気的に接続され、外部からパワー半導体素子に供給される電圧を平滑化するための平滑コンデンサと、第１の基板、第２の基板、及び平滑コンデンサが内部に配設された、ケース枠及びケース蓋を有するケースとを備えている。
【００１９】
さらに、請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、平滑コンデンサは、前記ケース蓋に接触して、前記第２の基板に対向する側に配設されていることを特徴とするものである。
【００２０】
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、パワー半導体素子が搭載された第１の基板と、パワー半導体素子を制御するための制御回路が形成された第２の基板と、パワー半導体素子に電気的に接続され、外部からパワー半導体素子に供給される電圧を平滑化するための平滑コンデンサと、第１の基板、第２の基板、及び平滑コンデンサが内部に配設された、ケース枠及びケース蓋を有するケースとを備えている。
さらに、請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、第１の基板と第２の基板との間に配設され、ケース枠に固定されたシールド板をさらに備え、平滑コンデンサは、シールド板上に配設されていることを特徴とするものである。
【００２１】
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、シールド板と平滑コンデンサとの間に形成された熱伝導シートをさらに備えることを特徴とするものである。
【００２２】
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２に記載のパワーモジュールであって、シールド板は金属から成るシールド板であることを特徴とするものである。
【００２７】
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〜請求項４のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、平滑コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とするものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
第１の参考例（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の参考例に係るパワーモジュール本体部９９の構造を模式的に示す上面図である。ケース枠６の上面の第１辺に沿って、三相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相にそれぞれ対応する、出力端子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが並んで配設されている。また、上記第１辺に平行なケース枠６の上面の第２辺に沿って、Ｎ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐが並んで配設されている。
【００２９】
図２は、図１に示したラインＸ１に沿った位置における断面構造を示す断面図である。放熱板として機能する金属製のベース板１上に、樹脂製のケース枠６が配設されており、ケース枠６上に、樹脂製のケース蓋１６が配設されている。ベース板１上には、半田３によって、セラミック製の絶縁基板２が配設されている。絶縁基板２上には、半田４によって、ＩＧＢＴ等の複数のパワー半導体素子５が搭載されている。また、絶縁基板２の上面上には、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）等の回路素子（図示しない）が搭載されるとともに、所定の回路パターン（図示しない）が形成されている。
【００３０】
ケース枠６内には、パワー半導体素子５を制御するための制御回路が形成された制御基板１４が配設されている。制御基板１４は、中継電極１２の一端に半田付けされている。中継電極１２の他端は、アルミワイヤ９を介してパワー半導体素子５に接続されている。また、ケース枠６内には、ノイズ防止のためのシールド板１３が、制御基板１４と絶縁基板２との間に配設されている。シールド板１３よりも下方部分のケース枠６の内部は、シリコーンゲル１５によって充填されている。
【００３１】
ケース枠６の上面上には、Ｎ端子８Ｎが配設されている。Ｎ端子８Ｎは、ケース枠６内に埋め込まれたＮ電極７Ｎの一端に接続されている。Ｎ電極７Ｎの他端は、アルミワイヤ９を介してパワー半導体素子５に接続されている。また、ケース枠６の上面上には、Ｐ端子８Ｐ（図２には現れない）が配設されている。Ｐ端子８Ｐは、ケース枠６内に埋め込まれたＰ電極７Ｐの一端に接続されている。Ｐ電極７Ｐの他端は、アルミワイヤ９及び絶縁基板２上に形成されている回路パターンを介して、パワー半導体素子５に接続されている。
【００３２】
また、ケース枠６の上面上には、出力端子１１Ｖが配設されている。出力端子１１Ｖは、ケース６内に埋め込まれた出力電極１０の一端に接続されている。出力電極１０の他端は、アルミワイヤ９を介してパワー半導体素子５に接続されている。図２には現れないが、出力端子１１Ｕ，１１Ｗも、出力端子１１Ｖと同様に、出力電極１０及びアルミワイヤ９を介してパワー半導体素子５にそれぞれ接続されている。
【００３３】
図３は、本第１の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図であり、図４は、図３に示したパワーモジュール本体部９９と平滑コンデンサ２０との接続部分を拡大して示す断面図である。パワー半導体素子５に外部から印加される直流電源電圧を平滑化するための箱形の平滑コンデンサ２０が、ケース枠６の上面の上記第２辺（即ち、Ｎ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐが並ぶ辺）を含むケース枠６の側面に接触して、かつ、ケース枠６の上面に対して平滑コンデンサ２０の上面の高さが揃えられた状態で配設されている。
【００３４】
また、平滑コンデンサ２０のＮ電極２１Ｎ及びＰ電極２１Ｐは、平滑コンデンサ２０の上面上において、パワーモジュール本体部９９のＮ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐにそれぞれ近接する箇所に配設されている。図４を参照して、Ｎ電極２１Ｎ及びＰ電極２１Ｐ（図４においては符号２１を付している）は、平滑コンデンサ２０の上面から突出した板状の電極である。Ｎ電極２１Ｎ及びＰ電極２１Ｐをケース枠６側に折り曲げて、Ｎ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐ（図４においては符号８を付している）にそれぞれ重ね合わせ、ネジ２５によって、Ｎ電極２１ＮとＮ端子８Ｎ、及びＰ電極２１ＰとＰ端子８Ｐとをそれぞれ固定する。これにより、平滑コンデンサ２０のＮ電極２１Ｎ及びＰ電極２１Ｐと、パワーモジュール本体部９９のＮ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐとを、接続ケーブル等の他の接続体を用いることなく、それぞれ直接的に接続することができる。
【００３５】
このように本第１の参考例に係るパワーモジュールによれば、平滑コンデンサ２０は、ケース枠６の側面に接触して、かつ、ケース枠６と上面の高さを揃えて配設されている。そして、平滑コンデンサ２０のＮ電極２１Ｎ及びＰ電極２１Ｐは、パワーモジュール本体部９９のＮ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐにそれぞれ近接する箇所に配設されている。従って、Ｎ電極２１Ｎ及びＰ電極２１ＰとＮ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐとを、従来の接続導体１２４を用いることなく直接的に接続することができる。その結果、部品点数を削減できるとともに、平滑コンデンサ２０とパワー半導体素子５との間の配線経路を短縮でき、回路のインダクタンスを低減することができる。
【００３６】
また、平滑コンデンサ２０の側面とパワーモジュール本体部９９の側面とが互いに接触し合うことにより、耐振動性を高めることもできる。
【００３７】
なお、以上の説明では、１つの平滑コンデンサ２０が配設される場合の例について説明したが、複数の平滑コンデンサを配設することもできる。例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応させて、３つの平滑コンデンサを配設してもよい。図５，６は、３つの平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃが配設されたパワーモジュールの構成をそれぞれ模式的に示す上面図である。
【００３８】
図５において、平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃの各Ｎ電極２２Ｎａ〜２２Ｎｃは、いずれもパッド状の電極であり、接続導体２３Ｎによって、パワーモジュール本体部９９のＮ端子８Ｎに共通に接続されている。接続導体２３Ｎは、Ｐ電極２２Ｐａ〜２２Ｐｃとは絶縁されている。また、平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃの各Ｐ電極２２Ｐａ〜２２Ｐｃは、いずれもパッド状の電極であり、接続導体２３Ｐによって、パワーモジュール本体部９９のＰ端子８Ｐに共通に接続されている。接続導体２３Ｐは、接続導体２３Ｎ及びＮ電極２２Ｎａ〜２２Ｎｃとは絶縁されている。
【００３９】
図６において、平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃの各Ｎ電極２１Ｎａ〜２１Ｎｃは、パワーモジュール本体部９９のＮ端子８Ｎａ〜８Ｎｃにそれぞれ直接的に接続されている。また、平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃの各Ｐ電極２１Ｐａ〜２１Ｐｃは、パワーモジュール本体部９９のＰ端子８Ｐａ〜８Ｐｃにそれぞれ直接的に接続されている。
【００４０】
図５，６に示したパワーモジュールによれば、三相の各相に対応させて平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃが分割して配設されているため、平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃのいずれかが故障した場合に、その故障した平滑コンデンサのみを修理若しくは交換すればよいので、コストの低減を図ることができる。さらに、図６に示したパワーモジュールによれば、三相の各相に関して、最短かつ等しい距離に平滑コンデンサ２０ａ〜２０ｃを配置することができるため、相間のアンバランスを低減できるとともに、回路のインダクタンスをさらに低減することができる。
【００４１】
第２の参考例（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図であり、図８，９はそれぞれ、図７に示したラインＸ２，Ｘ３に沿った位置における断面構造を示す断面図である。図７を参照して、平滑コンデンサの筐体３２内には、複数のコンデンサ素子３０ａ〜３０ｅが並んで配設されている。図８を参照して、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅは、底面にそれぞれＮ電極３５ａ〜３５ｅが設けられており、Ｎ電極３５ａ〜３５ｅは、板状のＮ電極２１Ｎに共通して接触している。Ｎ電極２１Ｎの一部は筐体３２の上面に引き出され、ネジ２５によって、パワーモジュール本体部９９のＮ端子８Ｎに固定されている。
【００４２】
図９を参照して、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅは、上面にそれぞれＰ電極３６ａ〜３６ｅが設けられており、Ｐ電極３６ａ〜３６ｅは、板状のＰ電極２１Ｐに共通して接触している。Ｐ電極２１Ｐの一部は筐体３２の上面に引き出され、ネジ２５によって、パワーモジュール本体部９９のＰ端子８Ｐに固定されている。
【００４３】
筐体３２は、上記第１の参考例に係る平滑コンデンサ２０と同様に、ケース枠６の側面に接触して、かつ、ケース枠６と上面の高さを揃えて配設されている。コンデンサ素子３０ａの側面とＮ電極２１Ｎとの間には、絶縁体３１が設けられており、筐体３２の底面は、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅにおける発熱を外部に放熱するための放熱板３３によって構成されている。また、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅは、筐体３２の上面にネジ止めされた押さえ板３４の押圧力によって、Ｎ電極２１Ｎを介して筐体３２の底面に押圧固定されている。
【００４４】
このように本第２の参考例に係るパワーモジュールによると、上記第１の参考例に係るパワーモジュールによって得られる効果に加えて、以下の効果が得られる。即ち、複数のコンデンサ素子３０ａ〜３０ｅを筐体３２内に固定するにあたり、押さえ板３４を筐体３２の上面に１箇所ネジ止めするだけで足りるため、複数のコンデンサ素子の取付工程が容易となる。
【００４５】
また、筐体３２の底面が、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅにおける発熱を外部に放熱するための一枚の放熱板３３によって構成されているため、複数のコンデンサ素子３０ａ〜３０ｅのそれぞれに対する冷却効果の均一性を高めることができる。
【００４６】
なお、弾性のある材質を電極材に用いる等して、Ｎ電極３５ａ〜３５ｅ及びＰ電極３６ａ〜３６ｅのうちの少なくとも一方に弾力性を持たせてもよい。これにより、押さえ板３４による押圧力や、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅの発熱に伴う熱応力に起因する、コンデンサ素子３０ａ〜３０ｅの破損を防止できる。また、Ｎ電極２１ＮとＮ電極３５ａ〜３５ｅ、及びＰ電極２１ＰとＰ電極３６ａ〜３６ｅとを確実に接触させることが可能となる。
【００４７】
図１０は、本発明の第２の参考例の変形例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図である。図７〜９に示した平滑コンデンサと同一構成の３つの平滑コンデンサを、三相の各相に対応させて個別に配設したものである。図１０において、符号３２ａ〜３２ｃは筐体、符号２１Ｎａ〜２１ＮｃはＮ電極、符号２１Ｐａ〜２１ＰｃはＰ電極、符号８Ｎａ〜８ＮｃはＮ端子、符号８Ｐａ〜８ＰｃはＰ端子である。
【００４８】
第３の参考例（実施の形態３）
図１１は、本発明の第３の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図であり、図１２は、図１１に示したラインＸ４に沿った位置における断面構造を示す断面図である。ケース枠６には、その外面内の一部に凹部が形成されている。そして、互いに対向する凹部の２つの側面のうち、一方の側面にはＮ端子８Ｎが、他方の側面にはＰ端子８Ｐがそれぞれ配設されている。図１２に示すように、Ｎ端子８Ｎ及びＰ端子８Ｐは、凹部の周囲におけるケース枠６の上面の一部にも延在して形成されている。
【００４９】
平滑コンデンサ４０は、凹部に嵌合する形状を有しており、凹部の上記一方の側面に対向する側面にＮ電極４３Ｎが、凹部の上記他方の側面に対向する側面にＰ電極４３Ｐがそれぞれ配設されている。平滑コンデンサ４０は凹部内にはめ込まれており、Ｎ電極４３ＮとＮ端子８Ｎ、及びＰ電極４３ＰとＰ端子８Ｐとがそれぞれ半田４１によって接合されて、平滑コンデンサ４０とケース枠６とが互いに固定されている。また、平滑コンデンサ４０上には、ケース枠６の上面に固定された蓋４４が配設されている。
【００５０】
このように本第３の参考例に係るパワーモジュールによれば、ケース枠６の外面内に凹部を形成し、その凹部内に平滑コンデンサ４０をはめ込んで、半田４１によって固定する。従って、Ｎ電極４３ＮとＮ端子８Ｎ、及びＰ電極４３ＰとＰ端子８Ｐとを、従来の接続導体１２４を用いることなく直接的に接続することができる。その結果、部品点数を削減できるとともに、平滑コンデンサ４０とパワー半導体素子５との間の配線経路を短縮でき、回路のインダクタンスを低減することができる。
【００５１】
また、平滑コンデンサ４０をケース枠６の凹部内にはめ込んで配設するため、パワーモジュールの小型化を図ることもできる。
【００５２】
第４の参考例（実施の形態４）
図１３は、本発明の第４の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図であり、図１４は、ケース枠６に固定される前の平滑コンデンサ４０及び弾性体４５を示す断面図である。また、図１５は、図１３に示したラインＸ５に沿った位置における断面構造を示す断面図である。本第４の参考例に係るパワーモジュールは、上記第３の参考例に係るパワーモジュールを基礎として、Ｎ電極４３ＮとＮ端子８Ｎ、及びＰ電極４３ＰとＰ端子８Ｐとを半田４１によって接合するのではなく、Ｎ電極４３ＮとＮ端子８Ｎとの間、及びＰ電極４３ＰとＰ端子８Ｐとの間に、板バネ等の導電性の弾性体４５をそれぞれ配設したものである。平滑コンデンサ４０とケース枠６とは、押圧された弾性体４５の反発力によって互いに固定されている。但し、弾性体４５は、Ｎ電極４３ＮとＮ端子８Ｎとの間、及びＰ電極４３ＰとＰ端子８Ｐとの間のうちの少なくとも一方に配設されていればよい。
【００５３】
このように本第４の参考例に係るパワーモジュールによれば、上記第３の参考例に係るパワーモジュールによって得られる効果に加えて、以下の効果が得られる。即ち、平滑コンデンサ４０を凹部内にはめ込む際の押圧力や、平滑コンデンサ４０の発熱に伴う熱応力に起因する、平滑コンデンサ４０の破損を防止できる。また、Ｎ電極４３ＮとＮ端子８Ｎ、及びＰ電極４３ＰとＰ端子８Ｐとを、確実に接触させることが可能となる。
【００５４】
実施の形態５．
図１６は、本発明の実施の形態５に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子５４Ｎが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。平滑コンデンサ５０は、ケース蓋５１の裏面（制御基板１４に対向する側の面）上に取り付けられている。Ｎ端子５４Ｎは、ケース枠６の上面上において、ケース蓋５１の外側から内側に延在して形成されている。平滑コンデンサ５０の上面（ケース蓋５１の裏面に接触する側の面）にはＮ電極５２Ｎが形成されており、Ｎ電極５２Ｎは、ケース蓋５１の裏面上に形成された接続電極５３Ｎを介して、Ｎ端子５４Ｎに接続されている。Ｎ端子５４Ｎは、Ｎ電極７Ｎ及びアルミワイヤ９を介して、パワー半導体素子５に接続されている。
【００５５】
また、図１７は、本発明の実施の形態５に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子５４Ｐが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。Ｐ端子５４Ｐは、ケース枠６の上面上において、ケース蓋５１の外側から内側に延在して形成されている。平滑コンデンサ５０の上面にはＰ電極５２Ｐが形成されており、Ｐ電極５２Ｐは、ケース蓋５１の裏面上に形成された接続電極５３Ｐを介して、Ｐ端子５４Ｐに接続されている。Ｐ端子５４Ｐは、Ｐ電極７Ｐ、アルミワイヤ９、及び絶縁基板２上に形成された回路パターンを介して、パワー半導体素子５に接続されている。
【００５６】
このように本実施の形態５に係るパワーモジュールによれば、平滑コンデンサ５０が、ケース枠６及びケース蓋５１から成るケース内において、ケース蓋５１の裏面上に配設されている。従って、平滑コンデンサ５０とパワー半導体素子５との間の配線経路を短縮でき、回路のインダクタンスを低減することができる。
【００５７】
また、平滑コンデンサ５０は、ケース外の外部環境と隔離されるため、外部環境に起因する平滑コンデンサ５０へのゴミの付着や錆の発生等を抑制できる。即ち、耐環境性の向上を図ることができる。
【００５８】
さらに、平滑コンデンサ５０はケース蓋５１に接触して取り付けられているため、平滑コンデンサ５０における発熱を、ケース蓋５１を介して外部に放熱することができる。なお、図１６，１７には平板状のケース蓋５１を示したが、ケース蓋５１の外形をフィン状にすることにより、放熱性をさらに向上することができる。
【００５９】
実施の形態６．
図１８は、本発明の実施の形態６に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子８Ｎが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。制御基板１４と絶縁基板２との間にはシールド板５６が配設されており、ケース枠６の内面には、シールド板５６の周縁の一部に接触する階段状構造が設けられている。階段状構造の上面上には端子５９Ｎが形成されており、端子５９Ｎは、ケース枠６内に埋め込まれた接続電極７Ｎ２を介して、Ｎ電極７Ｎ１に接続されている。Ｎ電極７Ｎ１の一端はＮ端子８Ｎに接続されており、他端はアルミワイヤ９を介してパワー半導体素子５に接続されている。
【００６０】
平滑コンデンサ５５は、シールド板５６の裏面（絶縁基板２に対向する側の面）上に取り付けられている。平滑コンデンサ５５の上面（シールド板５６の裏面に接触する側の面）にはＮ電極５７Ｎが形成されており、Ｎ電極５７Ｎは、シールド板５６の裏面上に形成された接続電極５８Ｎを介して、端子５９Ｎに接続されている。
【００６１】
また、図１９は、本発明の実施の形態６に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子８Ｐが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。上記階段状構造の上面上には端子５９Ｐが形成されており、端子５９Ｐは、ケース枠６内に埋め込まれた接続電極７Ｐ２を介して、Ｐ電極７Ｐ１に接続されている。Ｐ電極７Ｐ１の一端はＰ端子８Ｐに接続されており、他端はアルミワイヤ９、及び絶縁基板２上に形成された回路パターンを介して、パワー半導体素子５に接続されている。平滑コンデンサ５５の上面にはＰ電極５７Ｐが形成されており、Ｐ電極５７Ｐは、シールド板５６の裏面上に形成された接続電極５８Ｐを介して、端子５９Ｐに接続されている。
【００６２】
このように本実施の形態６に係るパワーモジュールによれば、平滑コンデンサ５５が、ケース枠６及びケース蓋１６から成るケース内において、シールド板５６の裏面上に配設されている。従って、上記実施の形態５に係るパワーモジュールよりも、平滑コンデンサ５５とパワー半導体素子５との間の配線経路を短縮でき、回路のインダクタンスをさらに低減することができる。また、平滑コンデンサ５５は外部環境と隔離されるため、耐環境性の向上を図ることもできる。
【００６３】
実施の形態７．
図２０は、本発明の実施の形態７に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子８Ｎが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。本実施の形態７に係るパワーモジュールは、上記実施の形態６に係るパワーモジュールを基礎として、シールド板５６に、特にプリント基板から成るシールド板６３を採用したものである。ケース枠６には、その内面に沿って、シールド板６３の周縁に接触する階段状構造が設けられている。シールド板６３の裏面は熱伝導シート６４によって全面が覆われており、平滑コンデンサ６０は、シールド板６３の中央部において、熱伝導シート６４上に配設されている。
【００６４】
平滑コンデンサ６０の第１側面に設けられたＮ電極６１Ｎは、Ｎ電極６１Ｎに接触し、シールド板６３を貫通する接続電極６２Ｎ１と、シールド板６３の上面上に形成され、接続電極６２Ｎ１に接触する導体パターン６２Ｎ２と、導体パターン６２Ｎ２に接触し、シールド板６３を貫通する接続電極６２Ｎ３とをこの順に介して、端子５９Ｎに接続されている。
【００６５】
また、図２１は、本発明の実施の形態７に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子８Ｐが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。上記第１側面に対向する平滑コンデンサ６０の第２側面に設けられたＰ電極６１Ｐは、Ｐ電極６１Ｐに接触し、シールド板６３を貫通する接続電極６２Ｐ１と、シールド板６３の上面上に形成され、接続電極６２Ｐ１に接触する導体パターン６２Ｐ２と、導体パターン６２Ｐ２に接触し、シールド板６３を貫通する接続電極６２Ｐ３とをこの順に介して、端子５９Ｐに接続されている。
【００６６】
本実施の形態７に係るパワーモジュールのその他の構造は、図１８，１９に示した上記実施の形態６に係るパワーモジュールの構造と同様である。
【００６７】
このように本実施の形態７に係るパワーモジュールによれば、上記実施の形態６に係るパワーモジュールと同様に、回路のインダクタンスの低減、及び耐環境性の向上を図ることができる。また、平滑コンデンサ６０を熱伝導シート６４を介してシールド板６３の裏面上に配設したため、平滑コンデンサ６０における発熱を、熱伝導シート６４及びケース枠６を介して外部に効果的に放熱できるとともに、発熱に伴う応力を緩和することもできる。
【００６８】
実施の形態８．
図２２は、本発明の実施の形態８に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子８Ｎが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。本実施の形態８に係るパワーモジュールは、上記実施の形態６に係るパワーモジュールを基礎として、シールド板５６に、特に金属製のシールド板６５を採用したものである。平滑コンデンサ５５のＮ電極５７Ｎと、階段状構造の上面上に設けられた端子５９Ｎとは、シールド板６５の裏面上に設けられ、絶縁薄膜で被覆された接続導体６６Ｎを介して互いに接続されている。
【００６９】
また、図２３は、本発明の実施の形態８に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子８Ｐが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。平滑コンデンサ５５のＰ電極５７Ｐと、階段状構造の上面上に設けられた端子５９Ｐとは、シールド板６５の裏面上に設けられ、絶縁薄膜で被覆された接続導体６６Ｐを介して互いに接続されている。
【００７０】
本実施の形態８に係るパワーモジュールのその他の構造は、図１８，１９に示した上記実施の形態６に係るパワーモジュールの構造と同様である。
【００７１】
このように本実施の形態８に係るパワーモジュールによれば、上記実施の形態６に係るパワーモジュールと同様に、回路のインダクタンスの低減、及び耐環境性の向上を図ることができる。また、平滑コンデンサ５５を、金属製のシールド板６５の裏面上に配設したため、平滑コンデンサ５５における発熱を、シールド板６５及びケース枠６を介して外部に効果的に放熱することができる。
【００７２】
第５の参考例（実施の形態９）
図２４は、本発明の第５の参考例に係るパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。平滑コンデンサ７０は、パワー半導体素子５が搭載されていない部分の絶縁基板２の上面上に、縦置きに配設されている。平滑コンデンサ７０の上面にはＮ電極７１Ｎが形成されており、Ｎ電極７１Ｎを覆い、かつＰ電極７１Ｐに接触しないように、接続電極７２が配設されている。接続電極７２の一端はアルミワイヤ９を介してＮ電極７Ｎに接続されており、他端はアルミワイヤ９を介してパワー半導体素子５に接続されている。
【００７３】
平滑コンデンサ７０の底面にはＰ電極７１Ｐが形成されており、Ｐ電極７１Ｐは、絶縁基板２上に形成されている回路パターンを介して、パワー半導体素子５に接続されている。また、Ｐ電極７１Ｐは、上記回路パターン及びアルミワイヤ９を介して、Ｐ電極７Ｐ（現実にはＮ電極７Ｎとは同一断面上には現れないため、図２４においては破線で示している）に接続されている。
【００７４】
このように本第５の参考例に係るパワーモジュールによれば、平滑コンデンサ７０が、ケース枠６及びケース蓋１６から成るケース内に配設されているため、上記実施の形態５〜８に係るパワーモジュールと同様に、耐環境性の向上を図ることができる。
【００７５】
また、平滑コンデンサ７０は絶縁基板２上に配設されているため、平滑コンデンサ７０とパワー半導体素子５との間の配線経路を著しく短縮でき、回路のインダクタンスを大きく低減することができる。
【００７６】
なお、平滑コンデンサ７０を、絶縁基板２の材質と同じ材質によって構成してもよい。例えば、絶縁基板２がセラミックで構成されている場合に、平滑コンデンサ７０として、セラミックコンデンサを採用する。これにより、平滑コンデンサ７０と絶縁基板２との熱膨張係数を互いに等しくできるため、熱膨張係数の相違に起因する各種不都合を回避でき、パワーモジュールの信頼性を高めることができる。
【００７７】
第６の参考例（実施の形態１０）
図２５は、本発明の第６の参考例に係るパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。平滑コンデンサ８０は、絶縁基板２が配設されていない部分のベース板１の上面上に、縦置きに配設されている。特に図２５に示した構造では、平滑コンデンサ８０はケース枠６内に埋め込まれた状態で配設されている。平滑コンデンサ８０の上面にはＮ電極８１Ｎが形成されており、Ｎ電極８１Ｎは、導電性の接着材や半田等によってＮ電極７Ｎに接触・固定されている。
【００７８】
また、平滑コンデンサ８０の底面にはＰ電極８１Ｐが形成されており、Ｐ電極８１Ｐは、導電性の接着材や半田等によって、Ｐ電極７Ｐ（現実にはＮ電極７Ｎとは同一断面上には現れないため、図２５においては破線で示している）に接触・固定されている。なお、Ｐ電極７Ｐとベース板１との間は、互いに絶縁されている。
【００７９】
このように本第６の参考例に係るパワーモジュールによれば、上記実施の形態５〜９に係るパワーモジュールと同様に耐環境性の向上を図ることができるとともに、平滑コンデンサ８０が金属製のベース板１上に配設されているため、平滑コンデンサ８０における発熱を、ベース板１を介して効果的に外部に放熱することができる。
【００８０】
また、平滑コンデンサ８０のＮ電極８１Ｎ及びＰ電極８１Ｐを、Ｎ電極７Ｎ及びＰ電極７Ｐにそれぞれ直接的に接触・固定する構成としたことにより、以下の効果が得られる。即ち、接続電極等を介して両電極間をそれぞれ接続する場合と比較すると、電極間接続用の部材が不要となるため、軽量化及び低コスト化を図ることができる。また、平滑コンデンサ８０のＮ電極８１Ｎ及びＰ電極８１Ｐにそれぞれ接続された接続電極と、Ｎ電極７Ｎ及びＰ電極７Ｐにそれぞれ接続された端子とをネジ止めにより固定する構成と比較すると、ネジ止め部における接触抵抗の発生を回避でき、パワーモジュール全体としてのエネルギー損失を抑制することができる。とともに、接触抵抗の発生に伴う発熱も抑制され、冷却機構の小型化を図ることもできる。
【００８１】
第７の参考例（実施の形態１１）
図２６は、本発明の第７の参考例に係るパワーモジュールに関して、Ｎ電極９５Ｎが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。ケース枠６及び絶縁基板２は、冷却水の流路９１を内部に有する水冷フィン９０上に横置きに配設されている。平滑コンデンサ９２は、水冷フィン９０の裏面（絶縁基板２が配設されている面とは反対側の面）上に配設されている。ケース枠６内には、ケース枠６の内側面から外側面に貫通するＮ電極９５Ｎが埋め込まれている。平滑コンデンサ９２の側面上に形成されたＮ電極９３Ｎは、接続導体９４Ｎを介してＮ電極９５Ｎに接続されている。接続導体９４Ｎは、水冷フィン９０の底面、側面、及びケース枠６の外側面の一部に形成されている。
【００８２】
図２７は、本発明の第７の参考例に係るパワーモジュールに関して、Ｐ電極９５Ｐが配設されている部分の断面構造を示す断面図である。ケース枠６内には、ケース枠６の内側面から外側面に貫通するＰ電極９５Ｐが埋め込まれている。平滑コンデンサ９２の側面上に形成されたＰ電極９３Ｐは、接続導体９４Ｐを介してＰ電極９５Ｐに接続されている。接続導体９４Ｐは、水冷フィン９０の底面、側面、及びケース枠６の外側面の一部に形成されている。
【００８３】
このように本第７の参考例に係るパワーモジュールによれば、平滑コンデンサ９２が、水冷フィン９０の裏面上に配設されている。従って、平滑コンデンサ９２における発熱を、水冷フィン９０によって効果的に放熱することができ、パワーモジュールの信頼性を高めることができる。
【００８４】
なお、上記各実施の形態５〜８及び第１〜第７の参考例において、充放電特性に優れるセラミックコンデンサを平滑コンデンサに用いることにより、パワーモジュールの動作の高速化を図ることができる。
【００９１】
【発明の効果】
また、この発明のうち請求項１に係るものによれば、平滑コンデンサはケース外の外部環境と隔離されるため、耐環境性の向上を図ることができる。
【００９２】
さらに、この発明のうち請求項１に係るものによれば、平滑コンデンサにおける発熱を、ケース蓋を介して外部に放熱することができる。
【００９３】
また、この発明のうち請求項２に係るものによれば、請求項１に係るパワーモジュールよりも、平滑コンデンサとパワー半導体素子との間の配線経路を短縮でき、回路のインダクタンスをさらに低減することができる。
【００９４】
また、この発明のうち請求項３に係るものによれば、平滑コンデンサにおける発熱を、熱伝導シート及びケース枠を介して外部に効果的に放熱できるとともに、平滑コンデンサの発熱に伴う応力を緩和することもできる。
【００９５】
また、この発明のうち請求項４に係るものによれば、平滑コンデンサにおける発熱を、シールド板及びケース枠を介して外部に効果的に放熱することができる。
【０１００】
また、この発明のうち請求項５に係るものによれば、充放電特性に優れるセラミックコンデンサを採用することにより、パワーモジュールの動作の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例に係るパワーモジュール本体部の構造を模式的に示す上面図である。
【図２】 図１に示したラインＸ１に沿った位置における断面構造を示す断面図である。
【図３】 本発明の第１の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図である。
【図４】 図３に示したパワーモジュール本体部と平滑コンデンサとの接続部分を拡大して示す断面図である。
【図５】 ３つの平滑コンデンサが配設されたパワーモジュールの構成を模式的に示す上面図である。
【図６】 ３つの平滑コンデンサが配設されたパワーモジュールの構成を模式的に示す上面図である。
【図７】 本発明の第２の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図である。
【図８】 図７に示したラインＸ２に沿った位置における断面構造を示す断面図である。
【図９】 図７に示したラインＸ３に沿った位置における断面構造を示す断面図である。
【図１０】 本発明の第２の参考例の変形例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図である。
【図１１】 本発明の第３の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図である。
【図１２】 図１１に示したラインＸ４に沿った位置における断面構造を示す断面図である。
【図１３】 本発明の第４の参考例に係るパワーモジュールの全体構成を模式的に示す上面図である。
【図１４】 ケース枠に固定される前の平滑コンデンサ及び弾性体を示す断面図である。
【図１５】 図１３に示したラインＸ５に沿った位置における断面構造を示す断面図である。
【図１６】 本発明の実施の形態５に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図１７】 本発明の実施の形態５に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図１８】 本発明の実施の形態６に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図１９】 本発明の実施の形態６に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２０】 本発明の実施の形態７に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２１】 本発明の実施の形態７に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２２】 本発明の実施の形態８に係るパワーモジュールに関して、Ｎ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２３】 本発明の実施の形態８に係るパワーモジュールに関して、Ｐ端子が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２４】 本発明の第５の参考例に係るパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。
【図２５】 本発明の第６の参考例に係るパワーモジュールの断面構造を示す断面図である。
【図２６】 本発明の第７の参考例に係るパワーモジュールに関して、Ｎ電極が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２７】 本発明の第７の参考例に係るパワーモジュールに関して、Ｐ電極が配設されている部分の断面構造を示す断面図である。
【図２８】 従来のパワーモジュール本体部の構造を模式的に示す上面図である。
【図２９】 図２８に示したラインＸ１００に沿った位置における断面構造を示す断面図である。
【図３０】 側面側から眺めた場合の、従来のパワーモジュールの全体構成を模式的に示す断面図である。
【図３１】 上面側から眺めた場合の、平滑コンデンサと接続導体との接続部分の構造を模式的に示す断面図である。

Claims (5)

  1. パワー半導体素子が搭載された第１の基板と、
    前記パワー半導体素子を制御するための制御回路が形成された第２の基板と、
    前記パワー半導体素子に電気的に接続され、外部から前記パワー半導体素子に供給される電圧を平滑化するための平滑コンデンサと、
    前記第１の基板、前記第２の基板、及び前記平滑コンデンサが内部に配設された、ケース枠及びケース蓋を有するケースとを備え、
    前記平滑コンデンサは、前記ケース蓋に接触して、前記第２の基板に対向する側に配設されていることを特徴とする、
    パワーモジュール。
  2. パワー半導体素子が搭載された第１の基板と、
    前記パワー半導体素子を制御するための制御回路が形成された第２の基板と、
    前記パワー半導体素子に電気的に接続され、外部から前記パワー半導体素子に供給される電圧を平滑化するための平滑コンデンサと、
    前記第１の基板、前記第２の基板、及び前記平滑コンデンサが内部に配設された、ケース枠及びケース蓋を有するケースと、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に配設され、前記ケース枠に固定されたシールド板とを備え、
    前記平滑コンデンサは、前記シールド板上に配設されていることを特徴とする、
    パワーモジュール。
  3. 前記シールド板と前記平滑コンデンサとの間に形成された熱伝導シートをさらに備える、請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記シールド板は金属から成るシールド板であることを特徴とする、請求項２に記載のパワーモジュール。
  5. 前記平滑コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
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