JP5169353B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
この発明は、インバータ装置を構成するパワーモジュールに係り、特にモールド樹脂で筐体を構成したパワーモジュールに関するものである。
従来のパワーモジュールにおいては、例えば特許文献１に開示されているように、インバータ回路の浮遊インダクタンスによりＰ側端子とＮ側端子との間に発生するサージ電圧を吸収するために、Ｐ側端子とＮ側端子との間にサージ電圧吸収素子としてのスナバコンデンサを配することが一般的であった。このようなパワーモジュールでは、継手部材を設けパワーモジュールとサージ電圧吸収素子との間に間隔を設けているために、サージ電圧吸収素子の性能が阻害されるという問題があった。このため特許文献１においては、パワーモジュールの直流入力のＰ側端子とＮ側端子とに直接スナバコンデンサを接続していた。
しかしながら、上記特許文献に記載されたパワーモジュールにおいても、サージ電圧吸収用のスナバコンデンサがパワーモジュールの外部出力端子と共締めであるため、パワーモジュールの内部配線のインダクタンスにより発生するサージ電圧の低減には効果が小さく、パワーモジュールの電力損失の低減が十分ではなかった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、インバータ装置で使用されるパワーモジュールおいて、内部配線における浮遊インダクタンスにより引き起こされるサージ電圧を吸収し、電力損失の少ないパワーモジュールを提供しようとするものである。
前記の目的を達成するために、本発明に係るパワーモジュールは、相対向する２つの主面を有する第１のパワー半導体チップと、相対向する２つの主面を有する第２のパワー半導体チップと、前記第１のパワー半導体チップを固着支持している第１のベース板と前記第２のパワー半導体チップを固着支持している第２のベース板と、前記第１のベース板に接続されたＰ側端子と、前記第２のベース板と前記第１のパワー半導体チップの一方の主面に接続されたＡＣ出力端子と、前記第２のパワー半導体チップの一方の主面に半田により接続されたＮ側端子と、２つの接続端子を有するサージ電圧吸収素子基板と前記第１のパワー半導体チップ、第２のパワー半導体チップ、第１のベース板、第２のベース板及びサージ電圧吸収素子基板を封入する樹脂筐体とを備え、前記サージ電圧吸収素子基板は、相対向する２つの主面を有する支持基板と、前記支持基板の一方の主面上に形成された第１の薄膜配線と、前記支持基板の他方の主面上に形成された第２の薄膜配線と、前記第１の薄膜配線上に固定され、その一方の端子は前記接続端子の内一方の接続端子と電気的に接続され、その他方の端子は前記接続端子の内他方の接続端子と電気的に接続されたサージ電圧吸収素子とを備え、前記一方の接続端子は前記樹脂筐体内で前記Ｐ側端子に接続され、前記他方の接続端子は前記樹脂筐体内で前記Ｎ側端子に接続されていることを特徴とする。
上記のような構成としたため、サージ電圧吸収素子を樹脂筐体内部のパワー半導体チップ近傍に配置することが可能となった。これにより、パワーモジュールの内部配線のインダクタンスにより発生するエネルギーは電流となってスナバコンデンサに流れ込むので、パワー半導体チップ両端に印加されるサージ電圧を吸収することが可能となり、パワー半導体チップにおいて発生する電力損失をより低減させることができるという効果を奏する。
＜実施の形態＞
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係るパワーモジュールの実施の形態を示す（ａ）平面図及び（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。なお説明の都合上、本図では樹脂筐体は除去された状態であり、樹脂筐体があるはずの部分は破線で示している。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係るパワーモジュールの実施の形態を示す（ａ）平面図及び（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。なお説明の都合上、本図では樹脂筐体は除去された状態であり、樹脂筐体があるはずの部分は破線で示している。
図１においてパワーモジュール１００は、第１の金属ベース板１と、その一方の主面上に例えば半田などで固定されたパワー半導体チップであるＩＧＢＴチップ３及びダイオードチップ４と、第２の金属ベース板２と、その一方の主面上に例えば半田などで固定されたパワー半導体チップであるＩＧＢＴチップ５及びダイオードチップ６と、パワー半導体チップから電流を取り出すためのＡＣ出力端子７，Ｐ側端子８及びＮ側端子９と、ＩＧＢＴチップ３及びＩＧＢＴチップ５に制御信号を供給する制御端子１０及び制御端子１１と、ＩＧＢＴチップ３及びＩＧＢＴチップ５と制御端子１０，１１とを電気的に接続しているアルミワイヤ１２と、サージ電圧吸収素子基板１３と、それらを封止しているエポキシ樹脂のようなモールド樹脂からなる樹脂筐体１４とから構成されている。
第１の金属ベース板１は、例えば銅のような導電率の高い金属の板で、ＩＧＢＴチップ３及びダイオードチップ４を支持すると共に、ＩＧＢＴチップ３及びダイオードチップ４の電極のひとつを兼ね、ＩＧＢＴチップ３及びダイオードチップ４から発生した熱を樹脂筐体１４を介して外部に放散する役割を果たしている。第２の金属ベース板２は、例えば銅のような導電率の高い金属の板で、ＩＧＢＴチップ５及びダイオードチップ６を支持すると共に、ＩＧＢＴチップ５及びダイオードチップ６の電極のひとつを兼ね、ＩＧＢＴチップ５及びダイオードチップ６から発生した熱を樹脂筐体１４を介して外部に放散する役割を果たしている。ＩＧＢＴチップ３、ダイオードチップ４、ＩＧＢＴチップ５及びダイオードチップ６は、相対向する２つの主面を有し、平面形状が正方形の半導体基板である。ＡＣ出力端子７は、ＩＧＢＴチップ３及びダイオードチップ４の一方の主面に半田層１５で接続されると共に、さらに第２の金属ベース板２にも接続されている。Ｐ側端子８は第１の金属ベース板１に接続されている。Ｎ側端子９は、ＩＧＢＴチップ５及びダイオードチップ６の一方の主面に半田層１５で接続されている。
図２はサージ電圧吸収素子基板１３の（ａ）平面図（表面）、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）平面図（裏面）である。なお説明の都合上、（ｃ）平面図（裏面）においては絶縁層の図示を省略している。サージ電圧吸収素子基板１３は、支持基板１３ａと、支持基板１３ａの一方の主面（表面）に形成された第１の薄膜配線１３ｂと、支持基板１３ａの他方の主面（裏面）に形成された第２の薄膜配線１３ｃと、支持基板１３ａ上に形成されたＰ側接続端子１３ｄと、支持基板１３ａの他方の主面上に形成されたＮ側接続端子１３ｅと、第１の薄膜配線１３ｂ上に配設されたサージ電圧吸収素子としてのスナバコンデンサ１３ｆと、第１の薄膜配線１３ｂとＰ側接続端子１３ｄとの間を接続するように配設されたヒューズ１３ｇと、第２の薄膜配線１３ｃを覆っている絶縁層１３ｈとから構成されている。
支持基板１３ａは、例えばポリイミド樹脂のような可撓性と耐熱性を有する樹脂からなり、厚みは０．１ｍｍである。第１の薄膜配線１３ｂ、第２の薄膜配線１３ｃ、Ｐ側接続端子１３ｄ及びＮ側接続端子１３ｅは例えば銅のような導電率の高い金属箔で、厚みは０．０５ｍｍである。本実施例においては、第１の薄膜配線１３ｂは３つの分離した領域に分けられ、各領域間を接続するようにスナバコンデンサ１３ｆが合計８個配設されている。支持基板１３ａには貫通孔１３ｊが設けられ、その中に接続層１３ｋが充填されており、接続層１３ｋは第１の薄膜配線１３ｂと第２の薄膜配線１３ｃとを電気的に接続している。第１の薄膜配線１３ｂと第２の薄膜配線１３ｃとは支持基板１３ａを介して互いに対向する部分を有するように設けられている。Ｐ側接続端子１３ｄは支持基板１３ａの両面に設けられ、やはり接続層１３ｋが双方を電気的に接続している。Ｎ側接続端子１３ｅは第２の薄膜配線１３ｃと一体に形成されている。絶縁層１３ｈは支持基板１３ａと同じポリイミド樹脂からなっている。
このような構成となっているので、サージ電圧吸収素子基板１３は、２個直列に接続されたスナバコンデンサ１３ｆの直列体を４個並列に接続したスナバコンデンサ群が、その一方の端子がヒューズ１３ｇを経由してＰ側接続端子１３ｄに接続され、その他方の端子がＮ側接続端子１３ｅに接続されたような回路構成を有している。
図１に示されるように、サージ電圧吸収素子基板１３は、そのＰ側接続端子１３ｄが樹脂筐体１４内でＰ側端子８に接続され、そのＮ側接続端子１３ｅが樹脂筐体１４内でＮ側端子９に接続されるように樹脂筐体１４内に実装されている。サージ電圧吸収素子基板１３の支持基板１３ａはポリイミド樹脂のような可撓性と耐熱性を有する樹脂からなっているので、Ｐ側端子８の高さとＮ側端子９の高さに差があっても、上記接続に支障をきたすことはなく、樹脂筐体１４を成形する際の高温にも耐えられる。このように可撓性を有するサージ電圧吸収素子基板１３が樹脂筐体１４内に実装されているので、裏面の第２の薄膜配線１３ｃがＡＣ出力端子７と短絡する惧れが出てくる。このようなことを防止するため、第２の薄膜配線１３ｃは絶縁層１３ｈで覆われている。このような構成となっているので、図１のパワーモジュールは図３の回路図に示されるにような回路構成となっている。
本実施の形態に係るパワーモジュールは、上述したような構成を採用したため、スナバコンデンサを樹脂筐体内部のパワー半導体チップ近傍に配置することが可能となった。これにより、パワーモジュールの内部配線のインダクタンスにより発生するエネルギーは電流となってスナバコンデンサに流れ込むので、パワー半導体チップ両端に印加されるサージ電圧はスナバコンデンサにより吸収され、パワー半導体チップにおいて発生する電力損失をより低減させることが可能となった。別の観点から見れば、スナバコンデンサを樹脂筐体内部のパワー半導体チップ近傍に配置することにより、コンデンサ容量を小さくすることが可能となるため、インバータ装置全体の小型化を図ることが可能となった。
また、従来技術のようなスナバコンデンサにおいては、スナバコンデンサが短絡故障を起こした場合は、Ｐ側端子とＮ側端子が短絡状態となりパワーモジュールが機能不全に陥ることとなるので、本実施の形態のようにスナバコンデンサは２個以上直列に接続されていることが望ましい。図２に示されるサージ電圧吸収素子基板１３においては、スナバコンデンサ１３ｆは２個直列に接続されているので、その内１個のスナバコンデンサ１３ｆが短絡故障を起こした場合でも、残りの１個によりサージ電圧吸収の機能は果たし、パワーモジュールが機能不全に陥ることは無い。さらに、本実施の形態のようにスナバコンデンサには直列にヒューズが介挿されていることが望ましい。図２に示されるサージ電圧吸収素子基板１３においては、スナバコンデンサ１３ｆとＰ側端子８との間にヒューズ１３ｇが介挿されているので、万一スナバコンデンサ１３ｆが２個とも短絡故障を起こした場合であっても、短絡電流によりヒューズ１３ｇが溶断するため、パワーモジュールは速やかに短絡状態から回復することができるからである。
パワーモジュールの内部配線のインダクタンスにより発生するエネルギーを電流として速やかにスナバコンデンサに吸収させるためには、Ｐ側接続端子１３ｄからヒューズ１３ｇ，第１の薄膜配線１３ｂ，スナバコンデンサ１３ｆ，第２の薄膜配線１３ｃを経由してＮ側接続端子１３ｅに至るまでの電路のインダクタンスをできるだけ小さくする必要がある。このため、第１の薄膜配線１３ｂと第２の薄膜配線１３ｃとは支持基板１３ａを介して互いに対向する部分を有するように設けられていることが望ましい。前記対向部分における第１の薄膜配線１３ｂと第２の薄膜配線１３ｃのインダクタンスが相殺されるからである。
サージ電圧吸収素子基板１３のＰ側接続端子１３ｄをＰ側端子８へ容易に接続するために、Ｐ側端子８の接続部分にはサージ電圧吸収素子基板１３を挟み支持するための狭持部８ａが設けられている。図４は、図１におけるＣ部、すなわちＰ側接続端子１３ｄとＰ側端子８の接続部分を拡大した（ａ）平面図、（ｂ）Ｄ−Ｄ断面図である。
図４において、Ｐ側端子８は、第１の金属ベース板１との接続部分近傍に階段部が設けられ、その階段部においてＰ側端子８の一部が折り曲げられツメを形成し、そのツメがＰ側接続端子１３ｄに当接されている。狭持部８ａはこの階段部とツメにより構成され、階段部とツメとによりサージ電圧吸収素子基板１３を挟み支持している。本実施の形態においてはＰ側端子８このような狭持部８ａを設けたため、サージ電圧吸収素子基板１３を所定の位置に容易に固定することができ、Ｐ側端子８への半田付けも容易になり、組立作業性が改善されるという効果を奏する。
以上、図面に基づき本発明の具体的な実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々の改変が可能である。例えば、上記各実施の形態においては、サージ電圧吸収素子としてコンデンサを使用したが、サージ電圧を吸収できる回路要素であればよく、例えば酸化亜鉛型の避雷器であってもよい。スナバコンデンサは２個直列に接続されているが、３個以上直列に接続されていてもよい。電力半導体素子はＩＧＢＴ及びダイオードの組合せであったが、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオードその他のあらゆる電力半導体素子の単独又はいかなる組合せであっても同様の効果を奏することはいうまでも無いことである。
１ 第１の金属ベース板、 ２ 第２の金属ベース板２、 ３ ＩＧＢＴチップ、 ４ ダイオードチップ、 ５ ＩＧＢＴチップ、 ６ ダイオードチップ、 ７ ＡＣ出力端子、 ８ Ｐ側端子、 ９ Ｎ側端子、 １０ 制御端子、 １１ 制御端子、 １２ アルミワイヤ、 １３ サージ電圧吸収素子基板、 １３ａ 支持基板、 １３ｂ 第１の薄膜配線、 １３ｃ 第２の薄膜配線、 １３ｄ Ｐ側接続端子、 １３ｅ Ｎ側接続端子、 １３ｆ スナバコンデンサ、 １３ｇ ヒューズ、 １３ｈ 絶縁層、 １３ｊ 貫通孔、 １３ｋ 接続層、 １４ 樹脂筐体、 １５ 半田層。
Claims (7)
- 相対向する２つの主面を有する第１のパワー半導体チップと、
相対向する２つの主面を有する第２のパワー半導体チップと、
前記第１のパワー半導体チップを固着支持している第１のベース板と
前記第２のパワー半導体チップを固着支持している第２のベース板と、
前記第１のベース板に接続されたＰ側端子と、
前記第２のベース板と前記第１のパワー半導体チップの一方の主面に接続されたＡＣ出力端子と、
前記第２のパワー半導体チップの一方の主面に半田により接続されたＮ側端子と、
２つの接続端子を有するサージ電圧吸収素子基板と
前記第１のパワー半導体チップ、第２のパワー半導体チップ、第１のベース板、第２のベース板及びサージ電圧吸収素子基板を封入する樹脂筐体と、
を備え、
前記サージ電圧吸収素子基板は、
相対向する２つの主面を有する支持基板と、
前記支持基板の一方の主面上に形成された第１の薄膜配線と、
前記支持基板の他方の主面上に形成された第２の薄膜配線と、
前記第１の薄膜配線上に固定され、その一方の端子は前記接続端子の内一方の接続端子と電気的に接続され、その他方の端子は前記接続端子の内他方の接続端子と電気的に接続されたサージ電圧吸収素子と、
を備え、
前記一方の接続端子は前記樹脂筐体内で前記Ｐ側端子に接続され、前記他方の接続端子は前記樹脂筐体内で前記Ｎ側端子に接続されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記支持基板は可撓性を有することを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
- 前記サージ電圧吸収素子と前記一方又は他方の接続端子との間にヒューズが介挿されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のパワーモジュール。
- 前記サージ電圧吸収素子は、２個以上直列に接続されているコンデンサであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール。
- 前記第２の薄膜配線は絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパワーモジュール。
- 前記Ｐ側端子又は前記Ｎ側端子は、前記サージ電圧吸収素子基板を挟み支持するための挟持部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のパワーモジュール。
- 前記第１の薄膜配線と前記第２の薄膜配線とは前記支持基板を介して互いに対向する部分を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のパワーモジュール。
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