JP5267283B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は半導体素子が搭載された絶縁基板をケース内部に備えるパワーモジュールに関する。

パワーモジュールは、例えばＩＧＢＴなどの半導体素子が表面に搭載された絶縁基板をケース内に備えることが多い。半導体素子は、絶縁基板上に形成された導体パターンに搭載される。ケース内部で半導体素子と電気的に接続された電極は、ケースからその一部が露出し、外部との信号または電力の送受信を行う。さらに、半導体素子の放熱を目的として絶縁基板はベース板と呼ばれる放熱性の高い金属板上に設置されることが多い。典型的なパワーモジュールとしては、例えばモータなどの負荷を制御するインバータが挙げられる。ベース板を備えるパワーモジュールやパワーモジュールの内部構造については特許文献１−４に開示がある。

特開２００３−１３３５１５号公報 特開２００１−３３２６８８号公報 特開２００４−３０３８５０号公報 特開平９−２３２５１２号公報

上述のように絶縁基板を用いた場合には、例えばパワーモジュールの使用中に絶縁基板に熱ストレス（熱サイクル）が及ぼされ、絶縁基板がたわみ、絶縁基板にクラックなどが生じる問題があった。

絶縁基板のたわみを抑制するために絶縁基板自体を小面積化することが考えられる。さらに、絶縁基板のたわみを抑制する目的で絶縁基板をベース板上に設置することも考えられる。この場合、放熱の観点からはベース板が不要な場合にまでベース板を用いることとなり、パワーモジュールの小型化、低コスト化を阻害する問題があった。

さらに、そのような場合には絶縁基板が複数に分割されることとなるため、絶縁基板上間のワイヤボンディングなどによる接続を要し、また、位置決めのために絶縁基板をベース板へ固定することを要する。よって工程が複雑化したり、製造コストが増大したりする問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、弊害なく絶縁基板のたわみを抑制できるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本願の発明にかかるパワーモジュールは、表面に半導体素子を搭載した絶縁基板と、該絶縁基板の裏面と固着され、該半導体素子と該絶縁基板を覆うケースと、該ケース内で該半導体素子と電気的に接続され、かつ、該ケースの外部に伸びる電極とを有する。そして、該電極の一部であって絶縁体を介して該絶縁基板と接する基板固定部が該絶縁基板を横切るように配置されたことを特徴とする。

本発明により弊害なく絶縁基板のたわみを抑制できる。

実施形態１の、ケースに収納される構造物について説明する図である。 図１の構造物をケースに収納したパワーモジュールについて説明する図である。 図２の平面図である。 実施形態２の、ケースに収納される構造物について説明する図である。 図４の構造物をケースに収納したパワーモジュールについて説明する図である。 図４の６−６矢示方向断面図である。 実施形態３の、ケースに収納される構造物について説明する図である。 図７の８−８矢示方向断面図である。 図７の構造物をケースに収納したパワーモジュールについて説明する図である。 図９の平面図である。 直立部と水平部を別素材とした構成を説明する図である。

実施の形態１
本実施形態は図１−３を参照して説明する。なお、同一材料または同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。他の実施形態についても同様である。

図１は本実施形態のパワーモジュールの内部構造を説明する図である。本実施形態の絶縁基板２０は一枚の基板である。絶縁基板２０の表面には導体パターン２２が形成される。導体パターン２２には半導体素子２４が固着される。つまり、絶縁基板２０は導体パターン２２を介して半導体素子２４を搭載する。ここで、半導体素子２４との語はＩＧＢＴやＦｗＤｉ（フリーホイールダイオード）を包含する意図で用いているが特にこれらに限定されない。そして、半導体素子２４は導体部品２６により他の半導体素子や導体パターン、あるいは後述する電極と接続される。ここで、導体部品２６はワイヤボンディングによって接合されたワイヤであってもよい。

ここで、半導体素子２４を外部に接続するための電極について説明する。図１から把握されるように、本実施形態の回路構成は６並列の２直列回路である。すなわち、上下アームを６つ備える。よって電極としては、下アームのエミッタと接続されるＥ２電極３０、上アームのコレクタと接続されるＣ１電極３２、上下アームの接続点に接続されるＣ２Ｅ１電極３４を備える。

Ｃ１電極３２、Ｃ２Ｅ１電極３４はそれぞれ別個の導体パターン２２に固定される。一方、Ｅ２電極３０はその一部に、絶縁体４２を介して導体パターン２２と接する基板固定部４０を備える。基板固定部４０は絶縁基板２０の長手方向に沿って絶縁基板２０を横切るように配置される。ここで、前述した絶縁体４２は、基板固定部４０が絶縁基板のたわみなどの変形を制限するよう程度に薄いものである。そして、基板固定部４０の上面には導体部品２６が固着され、Ｅ２電極３０と半導体素子２４の接続がとられている。

図２は本実施形態のパワーモジュール１０を説明する図である。上述した構造物が、Ｅ２電極３０、Ｃ１電極３２、Ｃ２Ｅ１電極３４（以後、これらをまとめて電極と称することがある）の一部が外部へ露出するようにケース５０に覆われる。本実施形態では、絶縁基板２０の裏面とケース５０がベース板を介さずに固着される。

図３は図２の平面図である。電極はその一部においてケース５０に埋め込まれる。図３において、電極のうちケース５０に埋め込まれた部分は破線で示される。そして、Ｅ２電極３０が備える基板固定部４０の両端それぞれから延在する部分はケース５０に埋め込まれている。

本実施形態の構成によれば、絶縁基板２０の長手方向に沿って絶縁基板２０を横切るように基板固定部４０が配置される。そのため、この基板固定部４０により絶縁基板２０のたわみが制限される。また、基板固定部４０の両端それぞれから延在する部分はケース５０に埋め込まれているため、基板固定部４０が絶縁基板２０を上から押さえつける効果が高まり、絶縁基板２０のたわみを抑制する効果が高まる。

よって、絶縁基板２０にクラックが生じる問題を解消できる。また、絶縁基板２０のたわみを抑制できるから、絶縁基板を分割し小面積化する必要がなく工程の複雑化、製造コスト増大を回避できる。さらに、絶縁基板のたわみ防止のために配置されるベース板を排除することができるため、パワーモジュールの小型化、低コスト化ができる。

本実施形態では基板固定部４０が絶縁基板２０の長手方向中央部に沿って配置されることとしたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、電極の一部を利用して絶縁基板のたわみを抑制できる限りにおいて、基板固定部の形状や配置場所は限定されない。

本実施形態の特徴は、電極の一部で絶縁基板のたわみを抑制する点にある。従って、絶縁基板上に配置される半導体素子や電極の数は限定されない。よって、基板固定部に相当する部分はＥ２電極に備わるものでなくても良い。

本実施形態では基板固定部４０の両端それぞれから延在する部分がケースに埋め込まれることとしたが本実施形態はこれに限定されない。すなわち、基板固定部４０が絶縁基板のたわみを抑制しうる限りにおいて、「基板固定部４０の両端それぞれから延在する部分」でなく「基板固定部４０の両端」自体がケースに埋め込まれても良いし、そのように両端を埋め込まなくても良い。

本実施形態では絶縁体４２の厚さを特に限定しなかったが、絶縁体４２を薄くすることによってＥ２電極３０の自己インダクタンスを低減することができる。すなわち、導体パターン２２がＣｕなどの反磁性体で構成されていれば透磁率を低下させる効果がある。よって絶縁体４２を薄くすれば基板固定部４０と導体パターン２２が近接するため、主電流が流れるＥ２電極３０での自己インダクタンスを低減できる。自己インダクタンスを低減する観点からは絶縁体４２の厚さは薄ければ薄いほど好ましい。このことと、製造工程の能力などの制限を総合考慮すると絶縁膜４２の厚さは１００μｍ以下であることが好ましい。

実施の形態２
本実施形態は図４−６を参照して説明する。本実施形態では固定ブロックを利用して基板固定部が絶縁基板に対して強固に固定されるものである。

図４はケースへ収納される前の構造物について説明する図である。本実施形態でも実施形態１と同様に基板固定部４０を備える。そして、基板固定部４０は、基板固定部４０を覆う形状の固定ブロック６０によって覆われる。固定ブロック６０は例えばＰＰＳ樹脂製であるが、絶縁基板のたわみを抑制できる程度の強度を有していれば特に限定されない。固定ブロック６０は接着剤６２により、導体パターン２２と固着され、基板固定部４０を上から押し付ける。このような構成の構造物がケース５０に収納され実施形態２のパワーモジュールが完成する（図５）。

図６は図４の６−６矢示方向断面図である。この断面図から明らかなように、固定ブロック６０が基板固定部とともに絶縁基板２０のたわみを抑制することが本実施形態の特徴である。すなわち、固定ブロック６０により絶縁基板２０と基板固定部４０の接続が固定されるため絶縁基板２０のたわみを抑制する効果を高めることができる。また、固定ブロック６０自身も絶縁基板２０のたわみ抑制に寄与する。

本実施形態では固定ブロック６０を導体パターン２２と接着剤６２により接着することとしたが本発明はこれに限定されない。すなわち固定ブロック６０は例えばねじ止めにより絶縁基板２０と固定されていても良いし、導体パターン２２ではなくて絶縁基板２０に対して接着剤により固定されても良い。

本実施形態の固定ブロック６０の形状はさまざまな変形が可能であり、基板固定部と絶縁基板の相対位置を固定するものである限り特に限定されない。

本実施形態のパワーモジュールについても、少なくとも実施形態１相当の変形は可能である。

実施の形態３
本実施形態は図７−１１を参照して説明する。本実施形態は、基板固定部が絶縁基板に対して垂直に伸びる直立部を備えるものである。

図７はケースへ収納される前の構造物について説明する図である。本実施形態のＥ２電極７０は、基板固定部として直立部７２と水平部７３を備える。直立部７２とは絶縁基板２０の表面に対して垂直に伸びる部分である。水平部７３とは絶縁体７４を介して導体パターン２２と接する部分である。

図８は図７の８−８矢示方向断面図である。図８から明らかなように、本実施形態の基板固定部はＬ字型に折り曲げられた形状であって、前述のように直立部７２と水平部７３を備える。

図９は図７の構造物がケースに収納された状態を表し、図１０は図９の平面図である。図１０の破線部分はケース５０に埋め込まれた部分を示す。基板固定部はその両端それぞれから延在する部分においてケース５０に埋め込まれる。そして、Ｅ２電極７０のケース５０外部へ伸びる部分は前述の直立部７２と接続されることで一体的なＥ２電極７０を構成している。

本実施形態の構成によれば、基板固定部が直立部７２を備えるため、絶縁基板２０のたわみを抑制する効果を高めることができる。すなわち、本実施形態の基板固定部は、直立部７２を有するため絶縁基板２０のたわむ方向に変形しづらく絶縁基板２０のたわみを抑制する効果が高い。また、基板固定部がその両端それぞれから延在する部分においてケース５０に埋め込まれることも絶縁基板のたわみの抑制に寄与する。このように本実施形態の構成によれば実施形態１で記載した効果を高めることができる。

本実施形態ではＥ２電極は単一の材料からなることとしたが、例えば直立部と水平部に異なる素材を用いることとしても良い。このことについて図１１を参照して説明する。図１１は図８に相当する部分を表す図である。この図において、Ｅ２電極８０は直立部８２にはＴｉやＣｕとＴｉの合金などを用いて強度を高める一方で、水平部８４にはワイヤボンディングなどが行われるため伝導率を考慮してＣｕを使用する。このように直立部と水平部の素材を使い分けることで、本実施形態の効果を更に高めることができる。ここで、前述した材料は例示であって他の材料も採用しえる。なお、特に限定されないが、直立部と水平部の接合は圧接・超音波接合などによって行われることとしても良い。

さらに、本実施形態のパワーモジュールについても、少なくとも実施形態１相当の変形は可能である。

２０ 絶縁基板、 ２２ 導体パターン、 ２４ 半導体素子、 ３０ Ｅ２電極、４０ 基板固定部、 ４２ 絶縁体、 ５０ ケース、 ６０ 固定ブロック、 ７２ 直立部、 ７３ 水平部、

Claims (6)

1. 表面に半導体素子を搭載した絶縁基板と、
   前記絶縁基板の裏面と固着され、前記半導体素子と前記絶縁基板を覆うケースと、
   前記ケース内で前記半導体素子と電気的に接続され、かつ、前記ケースの外部に伸びる電極とを有し、
   前記電極の一部であって絶縁体を介して前記絶縁基板と接する基板固定部が前記絶縁基板を横切るように配置されたことを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記電極は前記基板固定部の両端またはその両端それぞれから延在する部分において前記ケースに埋め込まれた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. 前記電極と前記絶縁基板の相対位置を固定する固定ブロックをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
4. 前記基板固定部はその一部に、前記絶縁基板の前記半導体素子を搭載した面に対して垂直方向に伸びる直立部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
5. 前記直立部は、前記基板固定部の前記直立部以外の部分と比較して強度の高い素材で形成されたことを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 前記基板固定部は少なくともその一部で、前記絶縁体を介して前記絶縁基板上に形成された導体パターンと接し、
   前記導体パターンは反磁性体であり、
   前記絶縁体の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。

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