JP4875977B2

JP4875977B2 - パワーモジュール

Info

Publication number: JP4875977B2
Application number: JP2006352968A
Authority: JP
Inventors: 康志根本
Original assignee: 日本インター株式会社
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: JP2008166421A

Description

本発明は、パワーモジュールに関する。

従来、半導体スイッチング素子を搭載し、電力変換に用いられるパワーモジュールが利用されている。
特許文献１には、ＩＧＢＴとＦＷＤ（フリーホイールダイオード）の並列回路により構成される三相ブリッジ回路を搭載したパワーモジュールが記載されている。
特許文献１には、方形容器の外枠部に、出入力端子を配置したパワーモジュールが記載されている。詳しくは、制御信号入力端子を一辺に配置し、ＵＶＷの各相の交流出力端子をその対辺に配置し、他の一組の対辺に直流電源の陽極端子（Ｐ）及び陰極端子（Ｎ）を配置している。
特開平７−２９７６９５号公報

しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
特許文献１に記載されるような三相ブリッジ回路を搭載する場合、ＩＧＢＴをスイッチングする制御信号は６系統必要となり、これに応じて制御信号入力端子を６組必要とする。また、陽極端子（Ｐ）及び陰極端子（Ｎ）の内部端子部は、各ブリッジに対応して３組設けるとともに、各ブリッジ回路に近接して設けること好ましい。ブリッジ回路と内部端子部とが離れていると、回路搭載基板上に配線を引き回すなどのことが必要となり、回路面積ひいては装置の大型化につながる。特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、陽極端子（Ｐ）及び陰極端子（Ｎ）の内部端子部を何組設け、どこに配置するかについては記載されていない。

また、近年の高出力化、低騒音化等を背景に、パワーモジュールの大電流化、高周波化が進みつつあり、電力損失や発熱、ノイズや誤動作の一要因となる配線のインダクタンスの低減化も重要視されつつある。

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、内部に搭載される回路と、外囲ケースに保持される外部導出端子との効率配線が可能で、小型薄型化、配線インダクタンスの低減化が図れ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回路と、
前記回路に実装されたパワー半導体素子と、
前記回路を囲む四辺形の枠状で前記放熱板に固定された絶縁性の外囲ケースと、
導電性の材料からなり、前記外囲ケースに保持され、前記外囲ケースの前記放熱板と反対側の端面に配置された外部端子部及び前記外囲ケースの内側に露出する内部端子部が形成された外部導出端子とを備えるパワーモジュールにおいて、
（１）前記外部導出端子として、前記パワー半導体素子を制御する制御信号の入力用の制御端子、その制御に基づき生成され出力される電力の出力用の出力端子、電源接続用の陽極端子、及び電源接続用の陰極端子を備え、
（２）前記外囲ケースの内側に、前記内部端子部の前記回路搭載面の側を支持する縁部が形成され、
（３）前記出力端子は、前記外囲ケースの第１辺に配置され、
（４）前記制御端子は、前記第１辺に相対する第２辺に配置され、
（５）前記陽極端子及び前記陰極端子の外部端子部が、残りの第３辺及び第４辺にそれぞれ配置され、
（６）前記陽極端子及び前記陰極端子の、前記第３辺上の外部端子部及び前記第４辺上の外部端子部からそれぞれ前記第３辺又は前記第４辺さらに前記第２辺に延設され内部端子部に結合する部分が、前記外囲ケースの絶縁部材を介して絶縁されつつ、前記回路搭載面に垂直な断面視において前記制御端子より前記回路搭載面側に２層状に配置され、
（７）前記第２辺において、前記陽極端子の内部端子部と前記陰極端子の内部端子部とが、前記制御端子の内部端子部間に交互に配置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、前記第３辺又は前記第４辺に、前記陽極端子の内部端子部及び前記陰極端子の内部端子部が配置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である。

本発明によれば、内部回路の複雑化により制御端子の数が増加しても、それらの制御端子が配列する外囲ケースの第２辺において、陽極端子の内部端子部と陰極端子の内部端子部が制御端子の内部端子部間に交互に配置されるので、内部回路に接続する陽極、陰極の内部端子数が確保できるとともに、内部回路のどの部分においても比較的近接した位置に陽極、陰極の内部端子を確保でき、内部回路と外部導出端子との効率配線が可能である。
効率配線により内部回路の回路面積が縮小され、配線の立体交差が避けられ、小型薄型化が可能である。
陽極、陰極の外部導出端子が２層状に配置されることにより、逆方向平行電流による配線インダクタンスの低減化が図れる。

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。

図１は本実施形態に係るパワーモジュールの斜視図である。但し、蓋とボンディングワイヤを描いていない。図２は、本実施形態に係るパワーモジュール（蓋無し）の平面図(a)及び縦断面図(b)である。図３は、本実施形態に係るパワーモジュール（蓋無し）の横断面図である。図４は、本実施形態に係る回路基板付放熱板の平面図である。図５は、本実施形態に係る外部導出端子付外囲ケースの平面図(a)及び側面図(b)である。図６は、本実施形態に係る外部導出端子付外囲ケースの正面図である。図７は、本実施形態に係る陽極端子（陽極の外部導出端子）の平面図(a)及び正面図(b)である。図８は、本実施形態に係る陰極端子（陰極の外部導出端子）の平面図(a)及び正面図(b)である。図９は、本実施形態に係る陽極端子と陰極端子とを組立時の通りに重ねて描いた平面図(a)及び正面図(b)である。但し、線はすべて透過している。図１０は、本実施形態に係る蓋の平面図(a)、側面図(b)及び正面図(c)である。図１１は、本実施形態に係るパワーモジュールの等価回路図である。

本実施形態のパワーモジュールは、放熱板ａと、外囲ケースｃと、蓋ｆとを備えて構成される。

図４に示すように、放熱板ａは平面視長方形である。放熱板ａの材質としてはアルミ合金等が適用される。放熱板ａの片面には、フラットな回路搭載面a1が形成されている。四隅には固定用の孔a3が空けられている。回路搭載面a1の中央には、３枚のセラミック基板b1,b2,b3が接合されている。３枚のセラミック基板b1,b2,b3は、同一の配線パターンを有した同一物である。ＵＶＷの３相にあわせて３つ設けられている。図４に示すように、セラミック基板b1上には７つの独立した配線パターン1p,1u,1n,s1,s2,s3,s4が敷設されている。同様に、中央のセラミック基板b2上には７つの独立した配線パターン2p,2v,2n,s5,s6,s7,s8が敷設されている。同様に、セラミック基板b3上には７つの独立した配線パターン3p,3w,3n,s9,s10,s11,s12が敷設されている。

図４に示すように、配線パターン1p上には、所定数のＩＧＢＴt1と所定数のＦＷＤd1の各半導体素子が、その裏面で半田ペースト等を用いて接合し、機械的に固定されるとともに、裏面に形成された電極を介して配線パターン1pに電気的に接続している。
配線パターン1u上には、所定数のＩＧＢＴt2と所定数のＦＷＤd2の各半導体素子が、その裏面で半田ペースト等を用いて接合し、機械的に固定されるとともに、裏面に形成された電極を介して配線パターン1u上に電気的に接続している。

同様に、配線パターン2p上には、所定数のＩＧＢＴt3と所定数のＦＷＤd3の各半導体素子が、その裏面で半田ペースト等を用いて接合し、機械的に固定されるとともに、裏面に形成された電極を介して配線パターン2p上に電気的に接続している。
配線パターン2v上には、所定数のＩＧＢＴt4と所定数のＦＷＤd4の各半導体素子が、その裏面で半田ペースト等を用いて接合し、機械的に固定されるとともに、裏面に形成された電極を介して配線パターン2vに電気的に接続している。

同様に、配線パターン3p上には、所定数のＩＧＢＴt5と所定数のＦＷＤd5の各半導体素子が、その裏面で半田ペースト等を用いて接合し、機械的に固定されるとともに、裏面に形成された電極を介して配線パターン3pに電気的に接続している。
配線パターン3w上には、所定数のＩＧＢＴt6と所定数のＦＷＤd6の各半導体素子が、その裏面で半田ペースト等を用いて接合し、機械的に固定されるとともに、裏面に形成された電極を介して配線パターン3wに電気的に接続している。

図２(b)及び図３に示すように、放熱板ａの回路搭載面a1の反対面には放熱フィンa2が形成されている。

図２、図３及び図５に示すように、外囲ケースｃは、四辺形の枠状である。外囲ケースｃの四隅には、放熱板ａの孔a3に連接される孔c1が形成されている。図２、図３に示すように、外囲ケースｃの下端は、放熱板ａの周縁部に合わされて固定される。外囲ケースｃの内側に、内部端子部の回路搭載面a1の側を支持する縁部c2が４辺全周から所定幅で内方へ延出するように形成されている。縁部c2は、外囲ケースｃの下端に配置されており、縁部c2の裏面は回路搭載面a1に接する。

外囲ケースｃは樹脂成型品であり、図２(b)に示しように外部導出端子としての制御端子Ｇ及び出力端子Ｈを樹脂に埋没させて保持している。同様に、外囲ケースｃは、図３に示しように外部導出端子としての陽極端子Ｐ及び陰極端子Ｎを樹脂に埋没させて保持している。このような外囲ケースｃは、外部導出端子Ｇ，Ｈ，Ｐ，Ｎを成形型内に配置して、樹脂を成形型内に導入し硬化させることによって製造される。外部導出端子Ｇ，Ｈ，Ｐ，Ｎは、銅板等をプレス成形することにより構成され、メッキが施される。各外部導出端子間は、外囲ケースｃを構成する樹脂材によって絶縁されている。

図５(a)及び図６に示すように、制御端子Ｇは７対設けられ、各対をＧ１〜Ｇ７とする。図２(b)に示すように、制御端子Ｇは、Ｌ字状に曲げ形成されており、外囲ケースｃの上端に突起状に露出した部分が外部端子部i,jとなる。制御端子Ｇの下端は、回路搭載面a1と平行に配置され、その先端の縁部c2上で露出する部分が内部端子部m,nとなる。

図５(a)に示すように、出力端子Ｈは５つ設けられており、それらをＨ１〜Ｈ５とする。図２(b)に示すように、出力端子Ｈは、上下両端が逆側に曲げられたクランク状に形成されており、外囲ケースｃの上端に沿って配置され露出した部分が外部端子部qとなる。出力端子Ｈの下端は、回路搭載面a1と平行に配置され、その先端の縁部c2上で露出する部分が内部端子部rとなる。

以上のように、出力端子Ｈ１〜Ｈ５は、外囲ケースｃの第１辺に配置され、制御端子Ｇ１〜Ｇ７は、第１辺に相対する第２辺に配置される。陽極端子Ｐは２つの外部端子部Ｐ１，Ｐ２を有する。陰極端子Ｎは２つの外部端子部Ｎ１，Ｎ２を有する。外部端子部Ｐ１，Ｐ２が、残りの第３辺及び第４辺に１つずつ配置されている。外部端子部Ｎ１，Ｎ２が、残りの第３辺及び第４辺に１つずつ配置されている。

陽極端子Ｐ、陰極端子Ｎは、上下両端が逆側に曲げられたクランク状に形成されており、外囲ケースｃの上端に沿って配置され露出した部分が外部端子部部Ｐ１，Ｐ２，Ｎ１，Ｎ２となる。陽極端子Ｐ、陰極端子Ｎの下端は、異なる高さで回路搭載面a1と平行に配置され、その端部の縁部c2上で露出する部分が内部端子部Ｐ３〜Ｐ７，Ｎ３〜Ｎ７となる。

図７〜図９に陽極端子Ｐ、陰極端子Ｎの詳細が示される。図７(a)に示すように、陽極端子Ｐは回路搭載面a1に垂直な平面視においても、クランク状に形成されている。両端の外部端子部Ｐ１，Ｐ２から、制御端子Ｇ１〜Ｇ７が配置された第２辺にクランク状に回避するように形成されて繋がれている。第３辺、第４辺に沿って延在する両腕部をＰ８，Ｐ９とする。第２辺に延在し両腕部Ｐ８，Ｐ９を繋ぐ部分をＰ１０とする。図７(b)に、陽極端子Ｐの下端部ＰＬが示される。下端部ＰＬは両腕部Ｐ８，Ｐ９及び部分Ｐ１０からなる。

図８に示すように、陰極端子Ｎも陽極端子Ｐと同様に構成されている。但し、両腕部Ｎ８，Ｎ９は、陽極端子Ｐの両腕部Ｐ８，Ｐ９に比較して短いものとなっている。また、陰極端子Ｎの外部導出端子Ｎ１，Ｎ２から下端部ＮＬまでの距離は、陽極端子Ｐの外部導出端子Ｐ１，Ｐ２から下端部ＰＬまでの距離より短くなっている。図９に示すように、４つの外部導出端子Ｐ１，Ｐ２，Ｎ１，Ｎ２は同一高さに配置され、下端部ＰＬが下、下端部ＮＬが上で２層状に配置される。図８(a)に示すように、上側となる陰極端子Ｎの下端部ＮＬには、回路搭載面a1に対する垂直視において、陽極端子の内部端子部Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７と重ならないように切欠Ｚが形成されている。

以上のような構造を持ち、陽極端子Ｐの下端部ＰＬ、陰極端子Ｎの下端部ＮＬは、制御端子Ｇ１〜Ｇ７の内部端子部m,nを含む下端部より下、すなわち、放熱板ａ側に配置されている。外囲ケースｃの第２辺の内側においては、縁部c2が高さの異なる３段に形成されており、放熱板ａ側から第１段に最下層の陽極端子Ｐの下端部ＰＬが露出して内部端子部Ｐ５〜Ｐ７を構成しており、第２段に中間層の陰極端子Ｎの下端部ＮＬが露出して内部端子部Ｎ５〜Ｎ７を構成しており、第３段に最上層の制御端子Ｇ１〜Ｇ７の内部端子部m,nが配置されている。

図５(a)に示すように、内部端子部Ｐ５が制御端子Ｇ２の内部端子部と制御端子Ｇ３の内部端子部との間に配置される。内部端子部Ｐ６が制御端子Ｇ４の内部端子部と制御端子Ｇ５の内部端子部との間に配置される。内部端子部Ｐ７が制御端子Ｇ６の内部端子部と制御端子Ｇ７の内部端子部との間に配置される。内部端子部Ｎ５が制御端子Ｇ１の内部端子部と制御端子Ｇ２の内部端子部との間に配置される。内部端子部Ｎ６が制御端子Ｇ３の内部端子部と制御端子Ｇ４の内部端子部との間に配置される。内部端子部Ｎ７が制御端子Ｇ５の内部端子部と制御端子Ｇ６の内部端子部との間に配置される。以上のように陽極端子Ｐの内部端子部と陰極端子Ｎの内部端子部とが、制御端子Ｇ１〜Ｇ７の内部端子部間に交互に配置される。

また、両腕部Ｐ８，Ｐ９が第３辺、第４辺の縁部c2上でそれぞれ露出して内部端子部Ｐ３，Ｐ４を構成している。両腕部Ｎ８，Ｎ９が第３辺、第４辺の縁部c2上でそれぞれ露出して内部端子部Ｎ３，Ｎ４を構成している。

かくして放熱板ａと外囲ケースｃとが組み合わされ、図２に示すように放熱板ａ上の配線パターンと、外囲ケースｃ内側の内部端子部とがボンディングワイヤにより接続される。また、放熱板ａ上の配線パターンと、半導体素子t1〜t6、d1〜d6の表面電極とがボンディングワイヤにより接続される。
図１１の等価回路図中における、電極（配線パターン、端子）や半導体素子に相当する部分を他図と同一の符号で示した。

図からわかるように、内部端子部Ｐ５と配線パターン1pとがボンディングワイヤで接続される。ＩＧＢＴt1の表面電極及びＦＷＤd1の表面電極と配線パターン1uとがボンディングワイヤで接続される。出力端子Ｈ２の内部端子部ｒと配線パターン1uとがボンディングワイヤで接続される。ＩＧＢＴt2の表面電極及びＦＷＤd2の表面電極と配線パターン1nとがボンディングワイヤで接続される。配線パターン1nと内部端子部Ｎ５とがボンディングワイヤで接続される。
制御端子Ｇ２の内部端子部mと配線パターンs1とがボンディングワイヤで接続される。制御端子Ｇ２の内部端子部nと配線パターンs2とがボンディングワイヤで接続される。配線パターンs1とＩＧＢＴt1の表面ゲート電極とがボンディングワイヤで接続される。配線パターンs2と配線パターン1uとがボンディングワイヤで接続される。制御端子Ｇ３の内部端子部mと配線パターンs3とがボンディングワイヤで接続される。制御端子Ｇ３の内部端子部nと配線パターンs4とがボンディングワイヤで接続される。配線パターンs3とＩＧＢＴt2の表面ゲート電極とがボンディングワイヤで接続される。配線パターンs4と配線パターン1nとがボンディングワイヤで接続される。

基板b2,b3上の回路に対しても同様にボンディングワイヤにより配線される。中央の基板b2上の回路に対しては、内部端子部Ｐ６，Ｎ６，制御端子Ｇ４，Ｇ５が使用される。基板b3上の回路に対しては、内部端子部Ｐ７，Ｎ７，制御端子Ｇ６，Ｇ７が使用される。４つの内部端子部Ｐ３，Ｐ４，Ｎ３，Ｎ４、及び１対の制御端子Ｇ１は使用されない。

出力端子Ｈ２の内部端子部ｒと配線パターン1uとがボンディングワイヤで接続され、出力端子Ｈ２はＵ相の出力端子となる。出力端子Ｈ３の内部端子部ｒと配線パターン1vとがボンディングワイヤで接続され、出力端子Ｈ３はＶ相の出力端子となる。出力端子Ｈ４の内部端子部ｒと配線パターン1wとがボンディングワイヤで接続され、出力端子Ｈ４はＷ相の出力端子となる。２つの出力端子Ｈ１、Ｈ５は使用されない。

使用されない端子は、端子数の多いパワーモジュールを構成する際に使用でき、本パワーモジュールによれば、多種多様の回路に対応し得る。

図１０に示す蓋ｆが、外囲ケースｃの上端内縁に嵌め入れられる。その際、蓋ｆの下面に形成された突起f1が、外囲ケースｃに設けられ穴Ｙに挿入される。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュール（蓋及びボンディングワイヤ無し）の斜視図である。本発明の一実施形態に係るパワーモジュール（蓋無し）の平面図(a)及び縦断面図(b)である。本発明の一発明の一実施形態に係るパワーモジュール（蓋無し）の横断面図である。本発明の一実施形態に係る回路基板付放熱板の平面図である。本発明の一実施形態に係る外部導出端子付外囲ケースの平面図(a)及び側面図(b)である。本発明の一実施形態に係る外部導出端子付外囲ケースの正面図である。本発明の一実施形態に係る陽極端子（陽極の外部導出端子）の平面図(a)及び正面図(b)である。本発明の一実施形態に係る陰極端子（陰極の外部導出端子）の平面図(a)及び正面図(b)である。本発明の一実施形態に係る陽極端子と陰極端子とを組立時の通りに重ねて描いた平面図(a)及び正面図(b)である。本発明の一実施形態に係る蓋の平面図(a)、側面図(b)及び正面図(c)である。本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの等価回路図である。

符号の説明

ａ放熱板
ａ１回路搭載面
ｂ１セラミック基板
ｂ２セラミック基板
ｂ３セラミック基板
ｃ外囲ケース
ｃ２縁部
ｆ蓋
Ｇ，Ｇ１-Ｇ７制御端子
Ｈ，Ｈ１-Ｈ５出力端子
Ｐ陽極端子
Ｎ陰極端子

Claims

放熱板と、
前記放熱板の回路搭載面に設置された回路と、
前記回路に実装されたパワー半導体素子と、
前記回路を囲む四辺形の枠状で前記放熱板に固定された絶縁性の外囲ケースと、
導電性の材料からなり、前記外囲ケースに保持され、前記外囲ケースの前記放熱板と反対側の端面に配置された外部端子部及び前記外囲ケースの内側に露出する内部端子部が形成された外部導出端子とを備えるパワーモジュールにおいて、
（１）前記外部導出端子として、前記パワー半導体素子を制御する制御信号の入力用の制御端子、その制御に基づき生成され出力される電力の出力用の出力端子、電源接続用の陽極端子、及び電源接続用の陰極端子を備え、
（２）前記外囲ケースの内側に、前記内部端子部の前記回路搭載面の側を支持する縁部が形成され、
（３）前記出力端子は、前記外囲ケースの第１辺に配置され、
（４）前記制御端子は、前記第１辺に相対する第２辺に配置され、
（５）前記陽極端子及び前記陰極端子の外部端子部が、残りの第３辺及び第４辺にそれぞれ配置され、
（６）前記陽極端子及び前記陰極端子の、前記第３辺上の外部端子部及び前記第４辺上の外部端子部からそれぞれ前記第３辺又は前記第４辺さらに前記第２辺に延設され内部端子部に結合する部分が、前記外囲ケースの絶縁部材を介して絶縁されつつ、前記回路搭載面に垂直な断面視において前記制御端子より前記回路搭載面側に２層状に配置され、
（７）前記第２辺において、前記陽極端子の内部端子部と前記陰極端子の内部端子部とが、前記制御端子の内部端子部間に交互に配置されてなることを特徴とするパワーモジュール。
前記第３辺又は前記第４辺に、前記陽極端子の内部端子部及び前記陰極端子の内部端子部が配置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。