JP4580270B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールに関する。

特許文献１に記載されるような、パワー半導体デバイスが実装された基板と、前記パワー半導体デバイスを制御する制御ＩＣ等を実装した制御基板とが接続されて、樹脂モールドの外囲ケースと金属板とを含む一の筐体に一体的に組み立てられたパワーモジュールが増えつつある（パワーモジュールのインテリジェント化）。
特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、断面Ｌ字状の金具の一端を主電極（同応報中符号４ａ，４ｂ）とし、外囲ケースの内面に露出させた他端をパワー半導体チップとの間でワイヤボンディングした構成をとっている。この構成では、前記断面Ｌ字状の金具を外部端子部と内部端子部を有した外部導出端子としていると思料される。

一方、特許文献２に記載されるような２組のスイッチ素子を並列運転する時分割並列運転式昇圧チョッパ回路や、特許文献３に記載されるような各スイッチ回路を制御回路により時分割にてオンオフ制御する直流電源並列運転装置（降圧チョッパ回路）などを一体にモジュール化する場合には、異なる制御信号に基づき動作する複数のパワー半導体デバイス（単体又は群）を一体に内蔵した複合的なパワーモジュールを構成することとなる（パワーモジュールの複合化の第一の例）。
また、特許文献４に示されるような昇圧機能と降圧機能を有した昇降圧チョッパ回路を一体にモジュール化する場合、異なる制御信号に基づき動作する複数のパワー半導体デバイス（単体又は群）を一体に内蔵した複合的なパワーモジュールを構成することとなる（パワーモジュールの複合化の第二の例）。
さらに、特許文献４に示されるような昇降圧チョッパ回路において、昇圧のためのパワー半導体デバイス及び／又は降圧のためのパワー半導体デバイスを時分割並列運転にする回路を一体にモジュール化する場合には、異なる制御信号に基づき動作する３又は４以上のパワー半導体デバイス（単体又は群）を一体に内蔵した複合的なパワーモジュールを構成することとなる（パワーモジュールの複合化の第三の例）。
大電力の変換に耐えるため、同一の制御信号に基づき動作するパワー半導体デバイスは、単一の半導体素子ではなく、多数の並列な半導体素子で構成される場合がある（スイッチ回路の多チップ化）。
特開２０００−３０７０５６号公報 特開平９−１０３０７１号公報 特開平５−９５６２６号公報 特開２００３−３１９６４７号公報

以上のようなパワーモジュールの複合化、スイッチ回路の多チップ化、インテリジェント化が一体のパワーモジュールの構成として同時に要求されれば、装置構成は複雑化し、大型化が著しくなる。
インテリジェント化されたパワーモジュールでは、特許文献１記載のようにパワー半導体デバイスの実装基板と制御基板を重ねて配置した構造が小型化の点で好まれる。かかる構造では、外部端子を制御基板から回避した装置周縁部に配置せざるを得ない。
一方、パワーモジュールの複合化や、スイッチ回路の多チップ化が進むと、外囲ケースの中ほどに設置されるパワー半導体デバイスとの外部導出端子の内部端子部との距離が離れ、接続（ワイヤボンディング）が困難になる。
また、電力の出入力端子、リアクトルやコンデンサなどの外部装置との接続端子に加え複数の制御用ポートのレイアウトや配線経路をどのようにするかが問題となり、配線効率、小型薄型化・簡素化等の様々な観点で優れたものが望まれる。
また、複合化されたパワーモジュールにおいては、異なる制御信号により異なる動作が実行されるパワー半導体デバイス（単体又は群）を互いに電磁的に干渉しないような構造が望まれる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、パワーモジュールの複合化、多チップ化、インテリジェント化が同時に要求された場合においても、パワー半導体デバイスと外部導出端子との接続の容易化、パワーモジュールの小型薄型化・簡素化、内部デバイスの電磁的相互干渉の低減を図ることができるパワーモジュールを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、放熱板と、
前記放熱板の回路搭載面に設置されたパワー半導体デバイスと、
前記パワー半導体デバイスを囲む外枠部を有し前記放熱板に固定された絶縁性ケースと、
導電性の材料からなり、前記外枠部に保持された外部端子部及び前記外枠部内へ延設された内部端子部が形成された外部導出端子とを備え、
前記絶縁性ケースは、前記内部端子部を支持し前記外枠部内に架設された架橋部を有し、
前記絶縁性ケースが前記外部導出端子の一部を埋没させて当該外部導出端子を保持し、前記絶縁性ケースは前記外枠部及び前記架橋部を含んだ樹脂の一体成型品であり、
前記架橋部は、前記外枠部の辺と辺との間に架設され、
前記内部端子部は前記回路搭載面に平行な板状であり、前記架橋部上面内に敷くように設けられて前記架橋部上面内に収まっており、
前記架橋部は前記回路搭載面に平行な板状であり、その上面を前記内部端子部に接し、その下面を前記回路搭載面に接して、前記内部端子部と前記放熱板との間の絶縁層となり、
前記内部端子部にボンディングワイヤがボンディングされており、前記パワー半導体デバイスの電極が前記ボンディングワイヤ及び前記内部端子部を介して前記外部端子部まで電気的に導出されてなることを特徴とするパワーモジュールである。

請求項２記載の発明は、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画の間が前記内部端子部によって断た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である。

請求項３記載の発明は、前記パワー半導体デバイスにより構成され、異なる制御信号に基づき動作する複数のスイッチ回路を備え、
異なるスイッチ回路は、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画に配置されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュールである。

請求項４記載の発明は、前記パワー半導体デバイスに制御信号を入力するための制御信号入力端子が前記外枠部に付設されており、
前記制御信号入力端子の付設位置は、当該入力先のパワー半導体デバイスが配置された前記外枠部内の前記架橋部により区画された区画を挟んで前記架橋部の反対側であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワーモジュールである。

請求項５記載の発明は、前記架橋部上の前記内部端子部が当該架橋部の両側からワイヤボンディングされてなることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のパワーモジュールである。

請求項６記載の発明は、前記回路搭載面を垂直視したとき前記架橋部がＴ字部を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のパワーモジュールである。

請求項７記載の発明は、前記パワー半導体デバイスにより構成される昇圧用スイッチ回路及び降圧用スイッチ回路を備え、
前記昇圧用スイッチ回路と前記降圧用スイッチ回路とは、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画に配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のパワーモジュールである。

請求項８記載の発明は、前記昇圧用スイッチ回路は、時分割並列運転されるスイッチ素子を並列に備え、時分割並列運転される互いに並列な前記スイッチ素子が、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画に配置されてなることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュールである。

請求項９記載の発明は、前記架橋部に凸部が設けられ、前記内部端子部に孔部又は凹型部を有した縁が設けられ、前記凸部が前記孔部又は凹型部に嵌合されてなることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のパワーモジュールである。

請求項１に記載の発明によれば、外枠部内へ延設された内部端子部が架橋部に支持されているので、外部導出端子及びこれを保持する絶縁性ケースを含む構造が機械的に強化さる。これにより、絶縁性ケースや内部端子部の不都合な変形、破損、絶縁性ケースに対する内部端子部の相対的な変形（延出角度の変位など）を防ぐことができ、内部端子部を定位置に安定的に固定することができる。
したがって、外枠部に保持された外部端子部から離れた位置に設置されるパワー半導体デバイスのワイヤボンディング等の接続も、外枠部から延設されて当該パワー半導体デバイスに近い位置に安定的に固定された内部端子部に対し容易に行うことができるという効果がある。
また請求項１に記載の発明によれば、内部端子部は回路搭載面に平行な板状であるので、装置が薄型化するとともに、内部端子部は架橋部上面内に敷くように設けられているので、架橋部によって全面的に支持され、より安定するという効果がある。
また請求項１に記載の発明によれば、架橋部は回路搭載面に平行な板状であり、その上面を内部端子部に接し、その下面を回路搭載面に接しているので、内部端子部と放熱板の回路搭載面との間には板状の架橋部しか存在しないので、さらに装置が薄型化するという効果がある。また、内部端子部の設置高さを、パワー半導体デバイスの設置高さに近づけることができる。
また、絶縁性ケースの一部である架橋部は絶縁性であるから、内部端子部と放熱板との必要な電気的絶縁が板状の架橋部により確保されるという効果がある。
さらに、架橋部は放熱板の回路搭載面に接して内部端子部を支持するので、架橋部が放熱板から浮いている場合に比較して、内部端子部はより強い支持力で支持され安定的に固定される。
また請求項１に記載の発明によれば、内部端子部が直接ワイヤボンディングされているので簡素化し、配線スペースが面積的にも厚み的にも省スペースになるという効果がある。
また請求項１に記載の発明によれば、絶縁性ケースは外部導出端子を固く保持し外枠部及び架橋部を含んで一体成型されてできている。外部導出端子及び架橋部まで含んで一体化されているので、取り扱い、放熱板への組み付け等が容易になるという効果がある。
この外部導出端子を一部埋没させて保持した絶縁性ケースは、成型型内の所定位置に外部導出端子を設置した後、溶融樹脂を前記成型型内に射出する方法により製造可能である。この成型工程により、外部導出端子の絶縁性ケースへの取り付けのみならず、内部端子部を支持する架橋部の設置が終了しており、架橋部を別途用意して付設する等のことを要さないので、製造工程簡素化、部品点数減等の効果がある。

また請求項２に記載の発明によれば、外枠部内の架橋部により区画された異なる区画の間が内部端子部によって断たれているので、内部端子部によって区画間の電磁的相互干渉が低減され、ノイズその他の動作障害を抑制することができるという効果がある。

また請求項３に記載の発明によれば、異なる制御信号に基づき動作する複数のスイッチ回路が架橋部及び内部端子部を介して異なる区画に配置されるので、異なる動作をするスイッチ回路の電磁的相互干渉が低減され、ノイズその他の動作障害を抑制することができるという効果がある。

また請求項４に記載の発明によれば、パワー半導体デバイスに制御信号を入力するための制御信号入力端子が外枠部に付設されているので、この制御信号入力端子を外部接続する場合には装置側面（外枠部外周面）からの接続もとれるから狭いスペースに搭載しやすく、この制御信号入力端子に内部の制御基板を接続する場合には、制御基板の端部で接続することができ、入力ポートが２以上の場合に安定性良く制御基板を支持できるという効果がある。
また、制御信号入力端子の付設位置は、当該入力先のパワー半導体デバイスが配置された区画を挟んで架橋部の反対側であるから、架橋部上の内部端子部へのワイヤボンディング等の接続、架橋部のたもと側に配置される外部端子部等の配置に抵触することなく、必要な距離が取れ、電磁的相互干渉を抑制して動作信頼性を向上させることができるという効果がある。

また請求項５に記載の発明によれば、架橋部上の内部端子部が当該架橋部の両側からワイヤボンディングされるので、片側からのみとするより配線効率が良いという効果がある。

また請求項６に記載の発明によれば、回路搭載面を垂直視したとき架橋部がＴ字部を有する。一本橋を用いる場合、領域は２区画に分割され、十字部を設ける場合、領域は４区画に分割されるが、Ｔ字部を設けることにより３区画への分割も行えて、搭載する回路に応じた回路配置の適用力が豊富になるという効果がある。

また請求項７に記載の発明によれば、異なる制御信号に基づき動作する昇圧用スイッチ回路と降圧用スイッチ回路とが架橋部及び内部端子部を介して異なる区画に配置されるので、異なる動作をするスイッチ回路の電磁的相互干渉が低減され、ノイズその他の動作障害を抑制することができるという効果がある。

また請求項８に記載の発明によれば、時分割並列運転によって異なる制御信号に基づき動作する互いに並列なスイッチ素子が架橋部及び内部端子部を介して異なる区画に配置されるので、異なる動作をするスイッチ素子の電磁的相互干渉が低減され、ノイズその他の動作障害を抑制することができるという効果がある。

また請求項９に記載の発明によれば、内部端子部の孔部又は内部端子部の縁に形成された凹型部に架橋部の凸部が嵌合することにより、内部端子部が架橋部に保持され、内部端子部の浮き、そり、ずれ等を防止できるという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

本実施形態は、ベースとなる放熱板と、絶縁性の樹脂ケースと、６本の外部導出端子と、トランジスタ、ダイオード等のパワー半導体デバイスと、トランジスタのスイッチングを制御する制御基板と、制御基板とパワー半導体デバイスとの接続用のインナーリードとを含み、図１０に示したチョッパ型昇降圧コンバータ回路１のうち、降圧用半導体デバイス群Ａ、昇圧用半導体デバイス群Ｂ及び制御回路２を搭載したパワーモジュールである。

まず、本実施形態の概要を説明する。
図１は、放熱板（回路パターン付き）の平面図(a)、正面図(b)、右側面図(c)である。
図２は、チップがダイボンディングされた状態の放熱板の平面図である。
図３は、樹脂ケースの平面図(a)、図(a)におけるＡ−Ａ´断面図(b)、図(a)におけるＢ−Ｂ´断面図(c)である。
図４は図３(b)の部分拡大図である。図５は図３(c)の拡大図である。
図６は、半完成状態（制御基板及び蓋未組立て）の本パワーモジュールの平面図である。
図７は放熱板と一層目の外部導出端子を示した平面図、図８は放熱板と一、二層目の外部導出端子を示した平面図、図９は放熱板と一〜三層目の外部導出端子を示した平面図である。

図１に示すように、放熱板ａは片面に放熱フィンａ４が形成された成型品であり、その材料としてはアルミニウム、銅等の金属およびこれら金属とセラミックスとの複合材料が好個に用いられる。
放熱板ａの回路搭載面ａ５には、５つのセラミック基板ｂ１〜ｂ５が接合形成されている。セラミック基板ｂ１〜ｂ５の材料として、電気的耐性が高く熱伝導性も高い窒化アルミニウム等が好個に用いられる。
各セラミック基板ｂ１〜ｂ５上に回路パターンｃ１〜ｃ５が接合形成されている。回路パターンｃ１〜ｃ５の材料としては、電気伝導性の高いアルミニウム、銅等の金属およびこれらの合金が好個に用いられる。
この図１に示す回路パターン付き部品としては、特開２００４−６６０４号公報記載のパワーモジュール用一体型接合部材を利用することができる。回路パターンを有したプラスチック基板を放熱板aに接合しても良い。

なお、図１に示すように、放熱板ａの回路搭載面ａ５には樹脂ケース固定用のネジ穴ａ１が数箇所設けられている。放熱板ａの縁部には本パワーモジュール取付等のための貫通孔ａ２が数箇所設けられている。また放熱板ａの縁部には爪挿入部ａ３が数箇所設けられている。

図１において網がけ表示したボンディングエリアに図２に示すように各チップがボンディングされる。図１０中の対応する素子と同一の符号を付する。
図２に示すように、４並列の降圧用ＩＧＢＴ３と、１チップのＦＷＤ（フライホィールダイオード）４と、２並列の降圧用ダイオード５と、時分割並列運転される各３並列の昇圧用ＩＧＢＴ６,７と、１チップのＦＷＤ８と、４並列の昇圧用ダイオード９とがそれぞれボンディングされている。
また、各ＩＧＢＴ３，６，７のゲートを制御ポートｉ１〜ｉ３に中継するための中継回路パターン１０，１１，１２にゲート抵抗素子等がボンディングされる。

図３に示すように、樹脂ケースｄは長方形の外枠部ｄ４、外枠部ｄ４内に架設された架橋部ｄ５,ｄ６,ｄ７等が形成され、６つの外部導出端子ｆ１〜ｆ６及び制御ポートｉ１〜ｉ３を構成するインナーリードを部分的に埋没して保持した一体成型品である。
架橋部を３つの直線状部分に分けて説明すると、第１架橋部ｄ５は、中央からやや偏在して外枠部ｄ４を短辺方向に跨るように外枠部ｄ４の長辺と対岸の長辺との間に架設されている。第２架橋部ｄ６は、第１架橋部ｄ５から遠い方の外枠部ｄ４の短辺のほぼ中央と第１架橋部ｄ５のほぼ中央との間に架設されている。第３架橋部ｄ７は外枠部ｄ４の長辺と第２架橋部ｄ６との間に架設されている。

樹脂ケースｄには、放熱板ａの貫通孔ａ２に対応する貫通孔ｄ２、放熱板ａのネジ穴ａ１に対応する貫通孔ｄ１が設けられている。樹脂ケースｄの外縁部には放熱板ａの爪挿入部ａ３に挿入される爪ｄ３が設けられている。外枠部ｄ４の３つの角部には、制御基板を保持するための保持ピンｄ９が立設されている。

図３〜図９に示すように、外部導出端子ｆ１〜ｆ６のそれぞれには、一端に外部端子部ｇ１〜ｇ６と他端に内部端子部ｈ１〜ｈ６が形成されている。

図６に示すように、放熱板ａに樹脂ケースｄが固定される。爪ｄ３が爪挿入部ａ３に挿入され、ネジｂ６が貫通孔ｄ１に通されてネジ穴ａ１に螺合固定される。
また図６に示すように、ワイヤボンディングが施され、図１０の回路図に対応する配線接続がなされる。図３〜図９に描いた各外部導出端子ｆ１〜ｆ６に対応する配線部分及び制御ポートｉ１〜ｉ３に対応する信号線を図１０の回路図中に同一符号で示した。

さらに、制御回路２（図１０）を搭載した制御基板（図示せず）が外枠部ｄ４内に収められる。その際、制御基板の角部に設けた孔が保持ピンｄ９に嵌め入れられるとともに、制御ポートｉ１〜ｉ３を構成するインナーリードが制御基板の回路パターン上に設けられた孔に挿入される。さらにインナーリードは制御基板の回路パターンに半田付けされる。

さらに、外枠部ｄ４を挟んで放熱板ａに対向するように外枠部ｄ４の開口に樹脂製の蓋（図示せず）が被されて固定され、本パワーモジュールは完成状態となる。

次に、昇降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータ１の構成とその動作につき説明する。
図１０に示すように、昇降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、外部導出端子ｆ２、ｆ５間にリアクトルＬが接続され、出力端子となる外部導出端子ｆ４、ｆ６間に出力コンデンサＣが接続され、入力端子となる外部導出端子ｆ１、ｆ３間に入力直流電源１３が接続されて構成される。また、制御回路２は制御ポートｉ１〜ｉ３を介して各ＩＧＢＴ３，６，７のゲート端子に接続される。
制御回路２は負荷１４に出力される出力電圧Ｖoutを検知して降圧用ＩＧＢＴ３のオン・オフ動作と、昇圧用ＩＧＢＴ６，７のオン・オフ動作を制御するものである。

降圧用半導体デバイス群Ａは、降圧用ＩＧＢＴ３と、ＦＷＤ４と、降圧用ダイオード５から成るものである。
昇圧用半導体デバイス群Ｂは、昇圧用ＩＧＢＴ６，７と、ＦＷＤ８と、昇圧用ダイオード９から成るものであり、昇圧用ＩＧＢＴ６，７と、ＦＷＤ８とから構成された時分割並列運転される昇圧用スイッチ回路Ｓを含む。

次ぎに、図１０及び図１１を参照して昇降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータ１の動作の一例につき説明する。図１１は、昇圧動作の一例を示す波形図である。
制御回路２は図１１（ｂ）に示す制御パルス信号をＩＧＢＴ６のゲート端子に印加し、図１１（ｃ）に示す制御パルス信号をＩＧＢＴ７のゲート端子に印加する。図１１はＩＧＢＴ６のデューティ比を２５％、ＩＧＢＴ７のデューティ比を２５％とした場合を示している。
図１１（ｂ）に示す制御パルス信号の立ち上がり端を開始端とした周期Ｔを基準に説明する。ＩＧＢＴ６を制御する制御信号波形は、周期Ｔの始めにオン期間ｔ１がとられ、続いてその３倍の長さのオフ期間ｔ２がとられて形成される。
図１１（ｃ）に示すようにＩＧＢＴ７を制御する制御信号波形は、周期Ｔの始めにオン期間ｔ１の２倍の長さのオフ期間ｔ３がとられ、続いてオン期間ｔ１と同じ長さのオン期間ｔ４がとられ、続いてオン期間ｔ１と同じ長さのオフ期間ｔ５がとられて形成される。
言い換えれば、ＩＧＢＴ６を制御する制御信号波形をＴ／２シフトした制御信号波形によりＩＧＢＴ７を制御する。

昇圧するためには、例えば、図１１（ａ）に示すように、降圧用ＩＧＢＴ３をオンに固定し、昇圧用ＩＧＢＴ６，７を図１１（ｂ）（ｃ）に示す制御信号でオン・オフ制御する。すると、昇圧用スイッチ回路Ｓのコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｃｅは、図１１（ｄ）に示すように、図１１（ｂ）（ｃ）に示す制御信号の２倍の周波数で変化し、負荷３に図１１（ｅ）に示す電流Ｉoutが出力される。
なお、出力電圧Ｖout、出力電流Ｉoutは、完全な直流電圧、直流電流ではなく、微小な振幅でスイッチングごとに変動（リプル）する。

このように昇圧用スイッチ回路Ｓのスイッチング動作を、並列するスイッチ素子（本実施形態ではＩＧＢＴ６，７）が順番に担当する時分割並列運転によって、各スイッチ素子としては、スイッチング周波数を落とすことができる。上記動作例のように時分割２並列運転の場合は、各スイッチ素子のスイッチング周波数を昇圧用スイッチ回路Ｓに対して２分の１に落とすことができる。時分割ｎ並列運転の場合は、各スイッチ素子のスイッチング周波数をスイッチ回路Ｓに対してｎ分の１に落とすことができる（但し、ｎは２以上の整数）。

時分割並列運転は、上記動作例のような規則的な場合に限らない。時分割並列運転は、スイッチ回路を構成する複数のトランジスタのうち一のトランジスタのオフ期間中に、これに並列する少なくとも１つの他のトランジスタを少なくとも一回オン・オフして出力コンデンサＣを充放電し、前記他のトランジスタのオフ期間中に、前記一のトランジスタを少なくとも一回オン・オフして前記出力コンデンサＣを充放電することにより、前記出力コンデンサＣの充放電周波数より低い周波数で前記複数のトランジスタを制御することをいう。
異なるスイッチング周波数の組み合わせとしては、ＩＧＢＴ６を１０〔ｋＨｚ〕でＩＧＢＴ７を２０〔ｋＨｚ〕で制御する場合や、ＩＧＢＴ６を１５〔ｋＨｚ〕でＩＧＢＴ７を２０〔ｋＨｚ〕で制御する場合などを挙げることができが、その他無限の組み合わせが考えられる。その他変則的な場合としては、ＩＧＢＴ６とＩＧＢＴ７とで、デューティ比が異なる場合や、周波数及びデューティ比が異なる場合、周波数やデューティ比を変調する場合などがある。
各トランジスタのオン期間の間に並列するすべてのトランジスタがオフとなる全オフ期間が介在しない場合が部分的にあっても、出力コンデンサＣの充放電周波数より低い周波数で、並列する各トランジスタを制御できていれば良い。

一方、例えば、ＩＧＢＴ６，７をオフに固定してＩＧＢＴ３のオン・オフ動作を繰り返すことにより、降圧動作を行うことができる。このとき、出力コンデンサＣはＩＧＢＴ３の一回のオン・オフにより一回充放電されるから、ＩＧＢＴ３の周波数と出力コンデンサＣの充放電周波数は等しくなる。降圧部に時分割並列運転回路を構成してもよい。

次に外部導出端子、架橋部、内部端子部間の絶縁層の構成につき詳述する。
外部導出端子ｆ１〜ｆ６の共通構造としては、まず、図３〜図５に示したように、外枠部ｄ４の上端面に同一高さで配置された外部端子部ｇ１〜ｇ６を有することである。各外部端子部ｇ１〜ｇ６には孔ｍ１〜ｍ６（図７〜図９参照）が設けられている。これらの孔に重なる孔を有するナットｎ１〜ｎ６が外枠部ｄ４に埋没保持されている。これにより、各外部端子部ｇ１〜ｇ６へ外部装置からのリード端子をボルト・ナットにより圧着接続することができるようになっている。

また、図３(b)(c)や図４、図５に示したように、各外部導出端子ｆ１〜ｆ６は、各外部端子部ｇ１〜ｇ６から９０度に放熱板ａ方向へ折り曲げられて外枠部ｄ４に没入する。さらに４つの外部導出端子ｆ１〜ｆ３,ｆ６は、外枠部ｄ４内で９０度に外枠部ｄ４の内側方向へ折り曲げ形成され、そのまま外枠部ｄ４内へ延設されてその先が外枠部ｄ４内に露出する。残り２つの外部導出端子ｆ４,ｆ５は、外枠部ｄ４内で９０度に放熱板ａと平行になるように折り曲げ形成され、放熱板ａと平行な平面内で外枠部ｄ４の内側方向へ延出方向が転換されて外枠部ｄ４内へと延設され（図７，８参照）、その先が外枠部ｄ４内に露出する。外部導出端子ｆ５に関しては、３股に分かれて外枠部ｄ４内に露出する。
各外部導出端子ｆ１〜ｆ６の外枠部ｄ４の上端面に露出した端部が各外部端子部ｇ１〜ｇ６であり、各外部導出端子ｆ１〜ｆ６の外枠部ｄ４内に露出した端部が各内部端子部ｈ１〜ｈ８である。図８に示すように外部導出端子ｆ５のみは、３股に分かれて形成された３つの内部端子部ｈ５,ｆ７,ｈ８を有する。

このように各外部導出端子ｆ１〜ｆ６は、断面クランク状に２箇所で逆折りに曲げ形成され、外部端子部ｇ１〜ｇ３と内部端子部ｈ１〜ｈ３とが平行にされている。
降圧側の３つの外部端子部ｇ１〜ｇ３が同一高さに配置される一方、対応する内部端子部ｈ１〜ｈ３は間隔隔てて異なる高さに配置されている。そのため、外部端子部ｇ１と内部端子部ｈ１との落差より、外部端子部ｇ２と内部端子部ｈ２との落差が小さくされ、外部端子部ｇ２と内部端子部ｈ２との落差より、外部端子部ｇ３と内部端子部ｈ３と落差が小さくされている。
同様に、昇圧側の３つの外部端子部ｇ４〜ｇ６が同一高さに配置される一方、対応する内部端子部ｈ４〜ｈ６は異なる高さに配置されている。そのため、外部端子部ｇ４と内部端子部ｈ４との落差より、外部端子部ｇ５と内部端子部ｈ５との落差が小さくされ、外部端子部ｇ５と内部端子部ｈ５との落差より、外部端子部ｇ６と内部端子部ｈ６と落差が小さくされている。なお、内部端子部ｈ７,ｈ８は内部端子部ｈ５と同一高さに配置される。
しかるに、放熱板ａに最も近い位置に内部端子部が配置される外部導出端子を一層目として、外部導出端子ｆ１,ｆ４が一層目（最下層）であり、外部導出端子ｆ２,ｆ５が二層目（中間層）であり、外部導出端子ｆ３,ｆ６が三層目（最上層）である。

図３(a)に示すように、降圧側の３つの外部端子部ｇ１〜ｇ３は、一層目の外部端子部ｇ１、二層目の外部端子部ｇ２、三層目の外部端子部ｇ３の順で並んで異なる位置に配置されている。
これらの外部端子部ｇ１〜ｇ３の孔ｍ１〜ｍ３の位置は図３(a)及び図９に示すごとく装置外形から等しい距離にそろえられている。
その一方、内部端子部ｈ２，ｈ３が一部で重なる二、三層目の外部導出端子ｆ２，ｆ３が互いに接触しないように、図３(a)に示すごとく三層目の外部導出端子ｆ３は、二層目の外部導出端子ｆ２の折り曲げ部より外枠部ｄ４の内側に寄った位置で同一方向に折り曲げられて外枠部ｄ４へ没入している。また、降圧側の３つの外部導出端子ｆ１〜ｆ３は、外枠部ｄ４に平行な軸周りに同一方向に折り曲げ形成されている。その結果、図３(c)および図５に示すように、二、三層目の外部導出端子ｆ２，ｆ３は放熱板に垂直な部分においても重なっている。これにより逆方向電流によるインダクタンスの低減効果が高まる。

一方、昇圧側の３つの外部端子部ｇ４〜ｇ６は、三層目の外部端子部ｇ６を真中にしてその両脇に一、二層目の外部端子部ｇ４,ｇ５が配置されている。
昇圧側の３つの外部端子部ｇ４〜ｇ６の孔ｍ４〜ｍ６の位置は図３(a)及び図９に示すごとく装置外形から等しい位置にそろえられている。
その一方で、内部端子部ｈ１〜ｈ３が一部で重なる３つの外部導出端子ｆ４〜ｆ６が互いに接触しないように、図３(a)に示すごとく異なる位置で異なる３方向へ折り曲げられて外枠部ｄ４へ没入している。
詳細に言えば、中央の外部導出端子ｆ６は、外枠部ｄ４に平行な軸周りに折り曲げ形成されていて、その外部端子部ｇ６が外枠部ｄ４の部材幅方向に延在しているのに対し、両脇の外部導出端子ｆ４，ｆ５は、折り曲げ部が中央の外部端子部ｇ６側を向くように外枠部ｄ４の部材幅方向に平行な軸について互いに逆周りに折り曲げ形成されていて、その外部端子部ｇ４、ｇ５が外枠部ｄ４に平行に延在している。その結果、両脇の外部端子部ｇ４，ｇ５の位置においては、中央の外部端子部ｇ６の位置より外枠部ｄ４の部材幅が狭くできている。その分、内部端子部ｈ７，ｈ８を省スペースに配置することができている。

図３及び図５に示すように、第１架橋部ｄ５は、内部端子部ｈ２を直接支持し、さらに内部端子部ｈ２の上に絶縁層ｊ１を介して積層される内部端子部ｈ３を支持する。図５に示すように内部端子部ｈ２それ自体も、先端を外枠部ｄ４に没入させることにより外部端子部ｇ２が保持された側の外枠部ｄ４から反対側の外枠部ｄ４まで架設されている。樹脂の架橋部である第１架橋部ｄ５に加えて、内部端子部ｈ２を直接架設することにより架橋を強化できる。第１架橋部ｄ５は、内部端子部ｈ２と放熱板ａとの間の絶縁層を兼ねるものであり、下面を放熱板ａの回路搭載面ａ５に接し、上面を内部端子部ｈ２に接している。

図５及び図８に示すように、内部端子部ｈ２には円形の孔部ｋ１が設けられている。第１架橋部ｄ５から突出する凸部ｊ２が孔部ｋ１に充填形成されて嵌合している。この孔部ｋ１及びこれに嵌る凸部ｊ２は、内部端子部ｈ２の保持性を良くするため均等に数箇所設けられている。
図８に示すように、内部端子部ｈ２の縁には凹型部ｋ２が設けられている。図３(a)に示すように第１架橋部ｄ５から突出する凸部ｊ５が凹型部ｋ２に充填形成されて嵌合している。この凹型部ｋ２及びこれに嵌る凸部ｊ５は、第１架橋部ｄ５への内部端子部ｈ２の保持性を良くするため少なくとも反対側に１つ設けられる。さらには均等に数箇所設けられる。
孔部ｋ１及びこれに嵌る凸部ｊ２を設けることにより、第１架橋部ｄ５への内部端子部ｈ２の保持性が良くなり、さらに、凹型部ｋ２及びこれに嵌る凸部ｊ５を設けることにより、内部端子部ｈ２の中央部のみならず縁部の浮き、反りが防止され、全面的に保持性が向上する。

図３及び図４に示すように、第２架橋部ｄ６は、内部端子部ｈ４を直接支持し、さらに内部端子部ｈ４の上に絶縁層ｊ３を介して積層される内部端子部ｈ５を支持し、さらに内部端子部ｈ５の上に絶縁層ｊ４を介して積層される内部端子部ｈ６を支持する。第２架橋部ｄ６は、内部端子部ｈ４と放熱板ａとの間の絶縁層を兼ねるものであり、下面を放熱板ａの回路搭載面ａ５に接し、上面を内部端子部ｈ４に接している。

図３(a)に示すように、第３架橋部ｄ７は、内部端子部ｈ１を直接支持し、第３架橋部ｄ７は、内部端子部ｈ４と放熱板ａとの間の絶縁層を兼ねるものであり、下面を放熱板ａの回路搭載面ａ５に接し、上面を内部端子部ｈ１に接している。

第１架橋部ｄ５、第２架橋部ｄ６及び第３架橋部ｄ７はＴ字部を形成するようにＴ字状に結合することにより互いに補強し合い、内部端子部ｈ１〜ｈ６を全体として支持している。

図４、図７〜図９によって示されるように、内部端子部ｈ１,ｈ３〜ｈ６についても、架橋部への保持性を向上するため、上述した孔部ｋ１及びこれに嵌る凸部ｊ２が同様に設けられている。
さらに、図３、図４、図７、図８によって示されるように、３つの内部端子部ｈ２,ｈ４,ｈ５に関しては、円形の孔部ｋ３が設けられており、この孔部ｋ３内に嵌合し各内部端子部ｈ２,ｈ４,ｈ５の上下の絶縁層に結合する連結部ｊ６が充填形成されている。
また、図３(a)、図７、図８によって示されるように、２つの内部端子部ｈ４,ｈ５に関しては、内部端子部ｈ４,ｈ５の架設方向に長い長孔部ｋ４が設けられており、この孔部ｋ４内に嵌合し各内部端子部ｈ４,ｈ５の上下の絶縁層に結合する連結部ｊ７が充填形成されている。
孔部ｋ３及びこれに嵌る連結部ｊ６や、長孔部ｋ４及びこれに嵌る連結部ｊ７を設けることにより、内部端子部ｈ２,ｈ３の重なり部、内部端子部ｈ４〜ｈ６の重なり部の接合強度が強化される。

以上の実施形態によれば、外枠部ｄ４内へ延設された内部端子部ｈ１〜ｈ６が架橋部ｄ５〜ｄ７に支持されているので、外部導出端子ｆ１〜ｆ６及びこれを保持する樹脂ケースｄを含む構造が機械的に強化さる。これにより、樹脂ケースｄや内部端子部ｈ１〜ｈ６の不都合な変形、破損、樹脂ケースｄに対する内部端子部の相対的な変形（延出角度の変位など）を防ぐことができ、内部端子部を定位置に安定的に固定することができる。
外枠部ｄ４に保持された外部端子部ｇ１〜ｇ６から離れた位置に設置されるパワー半導体デバイスに関しても、外枠部ｄ４から延設されて当該パワー半導体デバイスに近い位置に安定的に固定された内部端子部ｈ２，ｈ４〜ｈ６に対し容易にワイヤボンディングを行うことができる。

また、図３(a)に示すように外枠部ｄ４内の架橋部ｄ５,ｄ６,ｄ７により４つの区画ｅ１〜ｅ４が区画される。区画ｅ１と区画ｅ２の間及び区画ｅ１と区画ｅ４の間が内部端子部ｈ２によって断たれ、区画ｅ２と区画ｅ３の間が３つの内部端子部ｈ４〜ｈ６によって断たれ、区画ｅ２と区画ｅ４の間が内部端子部ｈ４によって断たれている。したがって、内部端子部によってこれらの区画間の電磁的相互干渉が低減され、ノイズその他の動作障害を抑制することができる。
本実施形態においては、異なる制御信号に基づき動作する複数のスイッチ回路が降圧用ＩＧＢＴ３と、時分割並列運転される昇圧用ＩＧＢＴ６及びＩＧＢＴ７により３つ構成される。ＩＧＢＴ３が区画ｅ１に、ＩＧＢＴ６が区画ｅ２に、ＩＧＢＴ７が区画ｅ３に配置される。したがって、異なる動作をするスイッチ回路の電磁的相互干渉が低減され、ノイズその他の動作障害を抑制することができる。

また、内部端子部ｈ１〜ｈ８は回路搭載ａ５に平行な板状であるので、装置が薄型化するとともに、内部端子部ｈ１〜ｈ６は架橋部ｄ５,ｄ６上面内に敷くように設けられているので、架橋部によって全面的に支持され安定する。

また、架橋部ｄ５,ｄ６は回路搭載面ａ５に平行な板状であり、架橋部ｄ５はその上面を内部端子部ｈ２に接し，架橋部ｄ６はその上面を内部端子部ｈ４に接している。架橋部ｄ５,ｄ６はその下面を回路搭載面に接している。したがって、内部端子部ｈ２，ｈ４と放熱板ａの回路搭載面ａ５との間には板状の架橋部ｄ５,ｄ６しか存在しない。放熱板と架橋部との間に絶縁基板等を介在させる場合などに比較すると、本実施形態の方が装置が薄型化する。また、内部端子部ｈ１〜ｈ６の設置高さを、パワー半導体デバイスの設置高さに近づけることができる。
また、絶縁性ケースの一部である架橋部ｄ５,ｄ６は絶縁性であるから、内部端子部ｈ２，ｈ４と放熱板との必要な電気的絶縁が板状の架橋部ｄ５,ｄ６により確保されている。
放熱板ａに樹脂ケースｄを固定した後は、架橋部ｄ５,ｄ６，ｄ７は放熱板ａの回路搭載面ａ５に接して内部端子部ｈ１〜ｈ６を支持するので、架橋部が放熱板から浮いている場合に比較して、内部端子部はより強い支持力で支持され安定的に固定される。

また、内部端子部ｈ１〜ｈ６は、回路搭載面ａ５に近接して部分的に積層されて敷設され、半導体チップの設置高さにできるだけ近い高さに配置されており、直接ワイヤボンディングされている。したがって、内部端子部とボンディングワイヤとを中継する配線パターンなどを用いないので簡素化し、配線スペースが面積的にも厚み的にも省スペースになる。

また、制御ポートｉ１〜ｉ３を構成する制御信号入力端子が外枠部ｄ４に付設されている。この制御信号入力端子を外部接続する場合には装置側面（外枠部外周面）に開口するコネクタを構成しやすく、その結果、装置側面（外枠部外周面）からの接続もとれるから、本パワーモジュールは狭いスペースに搭載しやすい。
本実施形態のように、この制御信号入力端子に内部の制御基板を接続する場合には、制御基板の端部で接続することができる。本実施形態のように、３つの制御ポートｉ１〜ｉ３が制御基板を３点で支持することにより安定性良く制御基板を支持できる。本実施形態においては、制御基板を外枠部ｄ４によっても直接支持するが、制御ポートｉ１〜ｉ３のみを制御基板を支える支点とし、さらなる小型化を試みることができる。本実施形態の場合、制御基板を外枠部ｄ４に設けられた３つの保持ピンｄ９によって保持するので、放熱板ａや樹脂ケースｄに不意に衝撃力が加わった時にも制御ポートｉ１〜ｉ３に衝撃を与えず、衝撃に強い構造となる。
また、制御ポートｉ１〜ｉ３の付設位置は、当該入力先のパワー半導体デバイスが配置された区画を挟んで架橋部の反対側である。具体的には、制御ポートｉ１は、降圧用ＩＧＢＴ３が配置された区画ｅ１を挟んで第１架橋部ｄ５の反対側に付設されている。そして、降圧用ＩＧＢＴ３のゲート、エミッタ、コレクタの３端子は異なる３方向へ延びるボンディングワイヤによりそれぞれ制御ポートｉ１、内部端子部ｈ２、内部端子部ｈ３に配線される。同様に、制御ポートｉ２は、昇圧用ＩＧＢＴ６が配置された区画ｅ２を挟んで第２架橋部ｄ６の反対側に付設され、昇圧用ＩＧＢＴ６のゲート、エミッタ、コレクタの３端子は異なる３方向へ延びるボンディングワイヤによりそれぞれ制御ポートｉ２、内部端子部ｈ６、内部端子部ｈ７に配線される。また同様に、制御ポートｉ３は、昇圧用ＩＧＢＴ７が配置された区画ｅ３を挟んで第２架橋部ｄ６の反対側に付設され、昇圧用ＩＧＢＴ７のゲート、エミッタ、コレクタの３端子は異なる３方向へ延びるボンディングワイヤによりそれぞれ制御ポートｉ３、内部端子部ｈ６、内部端子部ｈ８に配線される。
以上のような３方向への分離配線により、信号線は、架橋部上の内部端子部へのワイヤボンディング等の接続、架橋部のたもと側に配置される外部端子部等の配置に抵触することなく、必要な距離が取れる。これにより、電磁的相互干渉を抑制して動作信頼性を向上させることができる。

また、第２架橋部ｄ６上の最上部の内部端子部ｈ６が第２架橋部ｄ６の両側からワイヤボンディングされるので、片側からのみとするより配線効率が良い。

時分割並列運転される昇圧用ＩＧＢＴ６，７については、エミッタを内部端子部ｈ６へ両側から接続して外部端子部ｇ６に導出し、内部端子部ｈ６と重なる部分から相互逆方向へ延設された内部端子部ｈ７、ｈ８へコレクタを接続して外部端子部ｇ５に導出し、以上のいずれとも異なる第３の方向へゲートを引き出してそれぞれ逆方向に配置された制御ポートｉ２，ｉ３に導出するレイアウトをとった。これにより、配線効率よく昇圧用ＩＧＢＴ６，７の並列接続がなされ、両者ともに３方向への分離配線により、信号線は、架橋部上の内部端子部へのワイヤボンディング等の接続、架橋部のたもと側に配置される外部端子部等の配置に抵触することなく、必要な距離が取れる。さらに昇圧用ＩＧＢＴ６，７間の３重に重なった内部端子部ｈ４〜ｈ６による電磁的障壁により、電磁的相互干渉を抑制して動作信頼性を向上させることができる。

また、樹脂ケースｄは外部導出端子ｆ１〜ｆ６を固く保持し外枠部ｄ４、架橋部ｄ５〜ｄ７、保持ピンｄ９、絶縁層ｊ１，ｊ３，ｊ４、凸部ｊ２，ｊ５及び連結部ｊ６，ｊ７を含んで一体成型されてできている。一体化されているので、取り扱い、放熱板ａへの組み付け等が容易である。樹脂ケースｄは、成型型内の所定位置に外部導出端子ｆ１〜ｆ６を設置した後、溶融樹脂を前記成型型内に射出する方法により製造可能である。この成型工程により、外部導出端子の樹脂ケースへの取り付けのみならず、架橋部ｄ５〜ｄ７、保持ピンｄ９、絶縁層ｊ１，ｊ３，ｊ４、凸部ｊ２，ｊ５及び連結部ｊ６，ｊ７の形成や設置が終了しており、こららを別パーツとして用意して付設する等のことを要さないので、製造工程簡素化、部品点数減等が図られる。

本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、スイッチ素子はＩＧＢＴに代えＭＯＳＦＥＴとしてもよい。降圧部にも時分割２並列運転を適用する場合は、架橋を十字型やＨ型として４区画をつくり、４つのスイッチ回路をそれぞれ異なる区画に配置すると良い。時分割３並列運転などさらに複雑化、大型化する場合にも本発明を適用することができ、また適用する意義が高まる。

本発明一実施形態における放熱板（回路パターン付き）の平面図(a)、正面図(b)、右側面図(c)である。 本発明一実施形態におけるチップがダイボンディングされた状態の放熱板の平面図である。 本発明一実施形態における樹脂ケースの平面図(a)、図(a)におけるＡ−Ａ´断面図(b)、図(a)におけるＢ−Ｂ´断面図(c)である。 図３(b)の拡大図である。 図３(c)の部分拡大図である。 本発明一実施形態のパワーモジュールの半完成状態（制御基板及び蓋未組立て）の平面図である。 本発明一実施形態における放熱板と一層目の外部導出端子を示した平面図である。 本発明一実施形態における放熱板と一、二層目の外部導出端子を示した平面図である。 本発明一実施形態における放熱板と一〜三層目の外部導出端子を示した平面図である。 本発明一実施形態における昇降圧チャッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 本発明一実施形態における昇降圧チャッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作の一例を示す波形図である。

符号の説明

ａ…放熱板 ａ５…回路搭載面 ｄ…樹脂ケース ｄ５〜ｄ７…架橋部 ｅ１〜ｅ４…区画 ｆ１〜ｆ６…外部導出端子 ｇ１〜ｇ６…外部端子部 ｈ１〜ｈ８…内部端子部 ｉ１〜ｉ３…制御ポート ｊ１，ｊ３，ｊ４…絶縁層 ｊ２，ｊ５…凸部 ｊ６，ｊ７…連結部 ｋ１，ｋ３…孔部 ｋ２…凹型部 ｋ４…長孔部 ３…降圧用ＩＧＢＴ ４…ＦＷＤ（フライホィールダイオード） ５…降圧用ダイオード ６…昇圧用ＩＧＢＴ ７…昇圧用ＩＧＢＴ ８…ＦＷＤ ９…昇圧用ダイオード

Claims (9)

1. 放熱板と、
   前記放熱板の回路搭載面に設置されたパワー半導体デバイスと、
   前記パワー半導体デバイスを囲む外枠部を有し前記放熱板に固定された絶縁性ケースと、
   導電性の材料からなり、前記外枠部に保持された外部端子部及び前記外枠部内へ延設された内部端子部が形成された外部導出端子とを備え、
   前記絶縁性ケースは、前記内部端子部を支持し前記外枠部内に架設された架橋部を有し、
   前記絶縁性ケースが前記外部導出端子の一部を埋没させて当該外部導出端子を保持し、前記絶縁性ケースは前記外枠部及び前記架橋部を含んだ樹脂の一体成型品であり、
   前記架橋部は、前記外枠部の辺と辺との間に架設され、
   前記内部端子部は前記回路搭載面に平行な板状であり、前記架橋部上面内に敷くように設けられて前記架橋部上面内に収まっており、
   前記架橋部は前記回路搭載面に平行な板状であり、その上面を前記内部端子部に接し、その下面を前記回路搭載面に接して、前記内部端子部と前記放熱板との間の絶縁層となり、
   前記内部端子部にボンディングワイヤがボンディングされており、前記パワー半導体デバイスの電極が前記ボンディングワイヤ及び前記内部端子部を介して前記外部端子部まで電気的に導出されてなることを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画の間が前記内部端子部によって断た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。
3. 前記パワー半導体デバイスにより構成され、異なる制御信号に基づき動作する複数のスイッチ回路を備え、
   異なるスイッチ回路は、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画に配置されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記パワー半導体デバイスに制御信号を入力するための制御信号入力端子が前記外枠部に付設されており、
   前記制御信号入力端子の付設位置は、当該入力先のパワー半導体デバイスが配置された前記外枠部内の前記架橋部により区画された区画を挟んで前記架橋部の反対側であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
5. 前記架橋部上の前記内部端子部が当該架橋部の両側からワイヤボンディングされてなることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
6. 前記回路搭載面を垂直視したとき前記架橋部がＴ字部を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
7. 前記パワー半導体デバイスにより構成される昇圧用スイッチ回路及び降圧用スイッチ回路を備え、
   前記昇圧用スイッチ回路と前記降圧用スイッチ回路とは、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画に配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
8. 前記昇圧用スイッチ回路は、時分割並列運転されるスイッチ素子を並列に備え、時分割並列運転される互いに並列な前記スイッチ素子が、前記外枠部内の前記架橋部により区画された異なる区画に配置されてなることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール。
9. 前記架橋部に凸部が設けられ、前記内部端子部に孔部又は凹型部を有した縁が設けられ、前記凸部が前記孔部又は凹型部に嵌合されてなることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。

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