JP5295933B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子により電力変換を行う電力変換回路を搭載したパワー半導体モジュールに係り、特に、積層された複数の電極導出端子を一体に保持する端子付樹脂部品を有するパワー半導体モジュールにおいて、それらの電極導出端子間の間隔保持構造に関する。

近年、電気自動車に代表されるように電動機の高出力化、高出力機の電動化等に伴い、その電力変換に用いられるパワー半導体モジュールにあっては、より大電力用途のものが求められ、ますます大電流化、運転周波数の高速化が進みつつある。これに応じて、より高耐圧、高精度で、信頼性の高い製品が厳しく求められる。また、製造容易で信頼性の高い製品を効率よく生産することが望まれる。
大電流化、運転周波数の高速化に伴い、電力損失、発熱、ノイズによる誤動作等の諸問題が顕著になるため、外部接続のための電極導出端子においても、大型化、配線インダクタンスの低減化が求められる。

従来、電力用半導体装置において、より大電流をより高周波数で変換することが要求されるに伴って増大する電力損失、発熱、破壊、ノイズによる誤動作等の諸問題を解決するために、配線インダクタンスの低減が一解決手法となっている（特許文献１〜５等）。
特許文献１段落0005には、インダクタンスをＬとしたとき、−Ｌ（di/dt）なるサージ電圧が発生し、誤動作、破壊等を引き起こし得ることが記載されている。

特許文献６（段落０００４，０００５）にも記載されるように、自己インダクタンスＬｓ及び相互インダクタンスＭを考慮するとき、インダクタンスＬは、Ｌ＝Ｌｓ±Ｍ で表される。そして、逆方向平行電流により負の相互インダクタンスＭを働かせ、インダクタンスＬを低減する手法がしばしば採られている。また、相互インダクタンスの絶対値は、配線間距離により増減するため、配線間距離をより小さく設計しなければならない場合がある。特許文献６（段落００６４，００６５）にあっては、間隔を保持した２つの電極導出端子間に樹脂を充填する方法では、当該間隔をより狭くするときには樹脂充填が困難になるため、予め形成したフィルム状の樹脂を２つの電極導出端子間に設置する方法が記載される。

特許第３０５３２９８号公報 特開２００１−３３２６８８号公報 特開２００４−２１４４５２号公報 公報特開平１１−１７７０２１号公報 特開平１１−１７７０１８号公報 特開２００６−２１０５００号公報

しかし、予め形成した樹脂板を２つの電極導出端子間に設置する方法をとる場合に、電極導出端子に樹脂板を貼付する方法をとると、電極導出端子に樹脂板を精度よく合わせる作業が困難となり、時間を要し、ずれて貼付された場合の修正作業も煩雑になる。樹脂板が正しい位置に設置されずに本来設置すべき位置からはみ出したりしていると、樹脂の充填に不具合が生じたり、部品間の位置精度が低下するおそれがある。
また、３枚の電極導出端子を積層する場合に２種の樹脂板を用意する必要がある場合が生じるが、この場合に、本来設置すべき端子間に誤った樹脂板を設置するという作業ミスが懸念され、性能が異なってしまう場合も有り得る。
電極導出端子の間隔をより狭くしようとするとき、この間隔に収まる樹脂板はより薄くなり脆くなるから、設置作業に手間取っているうちに樹脂板に破損や変形が生じれば、電極導出端子の間隔にバラツキが生じ歩留まりが低下するおそれがある。
したがって、樹脂板の設置作業が失敗なく簡単、迅速、正確に行える工夫が求められる。

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、複数の電極導出端子及びその間に設置された樹脂板を共に成形型に収めて当該端子を一体に保持する端子付樹脂部品が樹脂成型され、当該端子付樹脂部品が回路基板に取り付けられてなるパワー半導体モジュールにおいて、樹脂板の設置作業を簡単、迅速、正確に行えるようにして、生産性及び品質を向上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、半導体素子を含む電力変換回路が構成された回路基板と、前記回路の外部接続部を構成する電極導出端子を複数保持し、当該回路基板に取り付けられる端子付樹脂部品とを備え、当該複数の電極導出端子が互いに平行に配置される平板部をそれぞれ有するパワー半導体モジュールであって、
前記平板部の間に配置され当該平板部の間の間隔を保持する樹脂板を備え、
前記平板部の縁に係合して前記樹脂板を当該平板部の所定の位置に係止する凸部が当該樹脂板に設けられてなるパワー半導体モジュールである。

請求項２記載の発明は、前記樹脂板は、前記凸部として前記平板部の外縁に係合する凸部を有する請求項１に記載のパワー半導体モジュールである。

請求項３記載の発明は、前記平板部の外縁に係合する凸部は、前記樹脂板の外縁に設けられ、当該外縁に沿って長く形成されている請求項２に記載のパワー半導体モジュールである。

請求項４記載の発明は、前記平板部に係止孔が設けられ、
前記樹脂板は、前記凸部として前記係止孔に挿入される係止突起を有する請求項２又は請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。

請求項５載の発明は、３つの前記電極導出端子を有して３枚の前記平板部が積層し、
一方の側から見て１枚目の前記平板部と２枚目の前記平板部との間に設置される１枚目の前記樹脂板は、２枚目の前記平板部と３枚目の前記平板部との間に対しはその凸部により当該両平板部の表面に当該樹脂板の表面が合わさって係止されることが不能に構成され、
２枚目の前記平板部と３枚目の前記平板部との間に設置される２枚目の前記樹脂板は、１枚目の前記平板部と２枚目の前記平板部との間に対しはその凸部により当該両平板部の表面に当該樹脂板の表面が合わさって係止されることが不能に構成されてなる請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュールである。

本発明によれば、複数の電極導出端子の互いに平行に配置される平板部の縁（外縁又は孔の内縁）に係合して樹脂板を当該平板部の所定の位置に係止する凸部が当該樹脂板に設けられているので、複数の電極導出端子及びその間に設置される樹脂板を積み重ねる際に、樹脂板の設置作業を簡単、迅速、正確に行えるという効果があり、その結果、パワー半導体モジュールの生産性及び品質を向上することができるという効果がある。

本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの平面図である。 図１に示したＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールの右側面図である。 図１に示したＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の一実施形態に係る下段樹脂板（スペーサ）の平面図(a)、正面図(b)、Ｃ−Ｃ断面図(c)、裏面図(d)、側面図(e)及びＤ−Ｄ断面図(f)である。 本発明の一実施形態に係る上段樹脂板（スペーサ）の平面図(a)、正面図(b)、Ｅ−Ｅ断面図(c)、裏面図(d)、側面図(e)及びＦ−Ｆ断面図(f)である。 本発明の一実施形態に係り、下からＰ電極導出端子、下段樹脂板、Ｕ電極導出端子、上段樹脂板及びＮ電極導出端子の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＰ電極導出端子、下段樹脂板、Ｕ電極導出端子、上段樹脂板及びＮ電極導出端子の組立斜視図である。 本発明の一実施形態に係る３つの電極導出端子と回路基板との配置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールに搭載される回路の等価回路図である。 本発明の実施例１〜４に係るターンオフ時のサージ電圧Ｖ_ＣＥの測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例１〜４についての測定対象としたサージ電圧Ｖ_ＣＥをグラフ化したものである。

以下に本発明の一実施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。

本実施形態のパワー半導体モジュールは、図１〜図４に示す端子付樹脂ケースｃと、図９に示す回路基板ａとを組立ててなるものである。
端子付樹脂ケースｃには、図１〜図４に示すように、外枠及び架設部を有した枠状の樹脂部ｃ１の中央架設部に３つの電極導出端子Ｐ，Ｕ，Ｎの中間部を埋没保持したものである。なお、図１０の回路図中の電極Ｐ，Ｕ，Ｎをモジュール内部から外部に導出するための電極導出端子が順に電極導出端子Ｐ，Ｕ，Ｎ（図１、図２、図７〜図９等に示される）に相当する。簡単のため電極の符号と対応する端子の符号を共通に用いる。

図９に示すように、回路基板ａは、四隅に取付用の孔ａ２, ａ２, ａ２, ａ２を有した銅その他の金属製の放熱板ａ１と、放熱板ａ１上に接合したセラミックス層ａ３，ａ４と、セラミックス層ａ３，ａ４上に敷設された導体パターンａ５，ａ６とを備えるものである。

回路基板ａ上の導体パターンａ５，ａ６上には、図１０に示す電力変換回路を構成する半導体素子が搭載される。図１０に示すように本モジュールに構成される電力変換回路は、ＩＧＢＴｔ１に逆並列にダイオードＤ１が接続されたものと、ＩＧＢＴｔ２に逆並列にダイオードＤ２が接続されたものとが直列に接続されてなる。ＩＧＢＴｔ１及びダイオードＤ１に相当する各半導体素子が導体パターンａ５上に半田ボンディングされ、ＩＧＢＴｔ２及びダイオードＤ２に相当する各半導体素子が導体パターンａ６上に半田ボンディングされる。

そして、端子付樹脂ケースｃが回路基板ａに取り付けられ、端子付樹脂ケースｃに保持された電極導出端子Ｐの下方に延びる１つの内部接続部Ｐ３が導体パターンａ５上に半田ボンディングされる。
同じく端子付樹脂ケースｃに保持された電極導出端子Ｕの下方に延びる２つの内部接続部Ｕ３，Ｕ４のうち、内部接続部Ｕ３が導体パターンａ５上に半田ボンディングされ、内部接続部Ｕ４が導体パターンａ６上に半田ボンディングされる。
さらに端子付樹脂ケースｃに保持された電極導出端子Ｎの下方に延びる１つの内部接続部Ｎ３が導体パターンａ６上に半田ボンディングされる。
以上により、図１０に示す回路が回路基板ａに構成される。

本モジュールを３相モータの駆動用に使用する時には、次のように使用される。
すなわち、本モジュールが３セット用いられ、各電極導出端子Ｐには直流電源の陽極が接続され、各電極導出端子Ｎには直流電源の陰極が接続される。各モジュールにおいてゲートＧ１−エミッタＥ１間の電圧でＩＧＢＴｔ１のスイッチングが制御され、ゲートＧ２−エミッタＥ２間の電圧でＩＧＢＴｔ２のスイッチングが制御され、ＩＧＢＴｔ１とＩＧＢＴｔ２の接続点、すなわち、ＩＧＢＴｔ１のエミッタＥ１及びＩＧＢＴｔ２のコレクタＣ２と同位の電極Ｕに所定の交流電力が出力される。
３つのモジュール間で制御タイミングに位相差を設けることにより、３つの電極Ｕに３相の交流出力が得られる。したがって、電極Ｕに相当する電極導出端子Ｕに３相モータへの入力配線が接続される。
なお、端子付樹脂ケースｃには、ゲートＧ１、エミッタＥ１、ゲートＧ２、エミッタＥ２に接続するための電極導出端子も保持され、回路基板ａに接続されている。

さて、端子付樹脂ケースｃへの３つの電極導出端子Ｐ，Ｕ，Ｎの組み込みは次のように行われる。
図７に示すように、電極導出端子Ｐは、外部接続部Ｐ１と内部接続部Ｐ３との間に平板部Ｐ２を有する。同様に、電極導出端子Ｕは、外部接続部Ｕ１と内部接続部Ｕ３，Ｕ４との間に平板部Ｕ２を有する。同様に、電極導出端子Ｎは、外部接続部Ｎ１と内部接続部Ｎ３との間に平板部Ｎ２を有する。
また、平板部Ｐ２と平板部Ｕ２との間の間隔を保持するスペーサとして下段樹脂板Ｂが用いられ、平板部Ｕ２と平板部Ｎ２との間の間隔を保持するスペーサとして上段樹脂板Ｔが用いられる。
完成時において回路基板ａに近い側から言うと、平板部Ｐ２、下段樹脂板Ｂ、平板部Ｕ２、上段樹脂板Ｔ、平板部Ｎ２の順でこれらを積み重ねるとともに、成形型に収め、成形型に樹脂を充填することによって、樹脂板Ｂ，Ｔを除く樹脂部ｃ１を樹脂成型して端子付樹脂ケースｃを製作する。

平板部Ｐ２、下段樹脂板Ｂ、平板部Ｕ２、上段樹脂板Ｔ及び平板部Ｎ２の積み重ねには以下の構造が活かされる。
図７に示すように、平板部Ｐ２には２つの孔Ｐ５，Ｐ６が、平板部Ｕ２には４つの孔Ｕ５，Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８が、平板部Ｎ２には２つの孔Ｎ５，Ｎ６が設けられている。
図５に示すように下段樹脂板Ｂの裏面には孔Ｐ５，Ｐ６にそれぞれ挿入される係止突起Ｂ１、Ｂ２が形成され、表面には孔Ｕ５，Ｕ６にそれぞれ挿入される係止突起Ｂ３、Ｂ４が形成されている。
図６に示すように上段樹脂板Ｔの裏面には孔Ｕ７，Ｕ８にそれぞれ挿入される係止突起Ｔ１、Ｔ２が形成され、表面には孔Ｎ５，Ｎ６にそれぞれ挿入される係止突起Ｔ３、Ｔ４が形成されている。
また、下段樹脂板Ｂの裏面の外縁には外縁凸部Ｂ５が設けられており、これは平板部Ｐ２の外縁に係合する。下段樹脂板Ｂの表面の外縁には外縁凸部Ｂ６が設けられており、これは平板部Ｕ２の外縁に係合する。上段樹脂板Ｔの表面の外縁には外縁凸部Ｔ５が設けられており、これは平板部Ｎ２の外縁に係合する。
外縁凸部Ｂ５，Ｂ６，Ｔ５は外縁に沿って長く形成されており、樹脂板Ｂ，Ｔの板厚が薄くても破損し難いようにする保護、補強を兼ねている。

したがって、積み重ね作業時には、平板部Ｐ２の外縁に外縁凸部Ｂ５が係合するとともに、平板部Ｐ２の孔Ｐ５，Ｐ６の内縁に係止突起Ｂ１，Ｂ２が係合して、簡単、迅速、正確に下段樹脂板Ｂを平板部Ｐ２の所定の位置に係止することができる。
同様に、平板部Ｕ２の外縁に外縁凸部Ｂ６が係合するとともに、平板部Ｕ２の孔Ｕ５，Ｕ６の内縁に係止突起Ｂ３，Ｂ４が係合して、簡単、迅速、正確に下段樹脂板Ｂを平板部Ｕ２の所定の位置に係止することができる。
また、平板部Ｕ２の孔Ｕ７，Ｕ８の内縁に係止突起Ｔ１，Ｔ２が係合して、簡単、迅速、正確に上段樹脂板Ｔを平板部Ｕ２の所定の位置に係止することができる。
さらに、平板部Ｎ２の外縁に外縁凸部Ｔ５が係合するとともに、平板部Ｎ２の孔Ｎ５，Ｎ６の内縁に係止突起Ｔ３，Ｔ４が係合して、簡単、迅速、正確に上段樹脂板Ｔを平板部Ｎ２の所定の位置に係止することができる。
以上の結果、平板部Ｐ２、下段樹脂板Ｂ、平板部Ｕ２、上段樹脂板Ｔ及び平板部Ｎ２を、相互に決まった位置に配置して図８に示すような組立構造を得ることができる。この組立構造を成形型内に収めて、成形型に樹脂を充填することによって、端子付樹脂ケースｃを製作するものである。

下段樹脂板Ｂは、上段間隔である平板部Ｕ２と平板部Ｎ２との間に対しはその凸部、主に係止突起Ｂ３，Ｂ４の配置間隔や外縁凸部Ｂ５の形成位置・切欠位置により当該両平板部の表面に当該樹脂板の表面が合わさって係止されることが不能に構成される。
上段樹脂板Ｔは、下段間隔である平板部Ｐ２と平板部Ｕ２との間に対しはその凸部、主に係止突起Ｔ１，Ｔ２の配置間隔や外縁凸部Ｔ５の形成位置・切欠位置により当該両平板部の表面に当該樹脂板の表面が合わさって係止されることが不能に構成される。
したがって、本来設置すべき端子間に誤った樹脂板を設置するという作業ミスが防がれる。

上述したように、自己インダクタンスＬｓ、相互インダクタンスＭとして、インダクタンスＬは、Ｌ＝Ｌｓ±Ｍで定義され、サージ電圧は、−Ｌ（di/dt）で定義される。
以下は、平板部Ｐ２と平板部Ｕ２との間隔、平板部Ｕ２と平板部Ｎ２との間隔を狭くし、３つの平板部Ｐ２，Ｕ２，Ｎ２の重なり面積を大きくすることにより、負の相互インダクタンス（−Ｍ）の絶対値を適度な大きさにして、インダクタンスＬをバランスよく低減し、従ってサージ電圧を低減することができることを示す比較実験結果である。

図１〜図１０に示し上述した本実施形態のパワー半導体モジュールに従った実施品を実施例４とする。すなわち、図７〜図９等に示すように３つの平板部Ｐ２，Ｕ２，Ｎ２をともに、モジュール本体の長手方向に長尺でほぼ同幅、同長さにし、各平板部のほぼ１００％の面積において、３つの平板部Ｐ２，Ｕ２，Ｎ２が重なるものとした。表１に示しように、実施例４の重なり面積は1482〔ｍｍ^２〕である。平板部Ｐ２と平板部Ｕ２との間隔、平板部Ｕ２と平板部Ｎ２との間隔は、ともに0.3〔ｍｍ〕とした。
実施例４における平板部Ｐ２，Ｕ２，Ｎ２の幅及びこれらの重なりの幅を変えずに、長さを変化させて重なり面積を1056,1267,1386〔ｍｍ^２〕としたものを順に実施例１，２，３とする。その他の条件は、実施例１〜４について共通である。

実施例１〜４について、ＩＧＢＴｔ１及びＩＧＢＴｔ２のターンオフ時のサージ電圧Ｖ_ＣＥを測定した。なお、本サージ電圧Ｖ_ＣＥは図１１に示しように、ターンオフ時のピーク電圧であって、Ｖ_ＣＥ＝Ｖ_ＣＣ＋ΔＶ_ＣＥ，ΔＶ_ＣＥ＝−Ｌ（di/dt）である。
測定結果は、表１に示すとおりとなった。表１において「High Side」はＰ−Ｕ間に接続するＩＧＢＴｔ１の測定結果を、「Low Side」はＵ−Ｎ間に接続するＩＧＢＴｔ２の測定結果を示す。これらの測定結果をグラフ化したものが図１２である。

以上の結果からわかるように、端子間間隔を0.3〔ｍｍ〕と狭く設計し、３端子の重なり面積を大きくすることによって、実施例４のように、「High Side」と「Low Side」の
サージ電圧Ｖ_ＣＥは均等となり、全体としてサージ電圧Ｖ_ＣＥを偏りなく低レベルに抑えることができ、サージ電圧による誤動作、破壊等の諸問題を低減化することができる。
また、３端子の重なり面積を大きくとるということは、各端子の断面積も大きくなるから自己インダクタンスＬｓも低下する。自己インダクタンスＬｓが低下する上に、相互インダクタンスＭによりインダクタンスＬさらに低減される。

以上のようにして低インダクタンス特性、バランスよく抑制されたサージ特性を得るために、端子間の間隔をより狭くするとともに３端子の重なり面積を大きくする、従って、樹脂板Ｂ，Ｔをより薄く、かつ、大面積にする必要が生じる。
しかし、本発明を適用すれば、端子間のスペーサとして上記の凸部を有する樹脂板を用いるので、樹脂板が薄くても凸部により樹脂板は保護・強化されるとともに、端子に係止されるので、樹脂板の設置作業を簡単、迅速、正確に行えるという効果があり、その結果、樹脂板に破損や変形を生じさせることなく精度よく配置し、パワー半導体モジュールの生産性及び品質を向上することができるという効果がある。

ａ 回路基板
ａ１ 放熱板
ａ２ 孔
ａ３，ａ４ セラミックス層
ａ５，ａ６ 導体パターン
Ｂ 下段樹脂板
Ｂ１ 係止突起
Ｂ１，Ｂ２ 係止突起
Ｂ３，Ｂ４ 係止突起
Ｂ５，Ｂ６ 外縁凸部
Ｔ１，Ｔ２ 係止突起
Ｔ３，Ｔ４ 係止突起
Ｔ５ 外縁凸部
ｃ 端子付樹脂ケース
ｃ１ 樹脂部
Ｐ，Ｕ，Ｎ 電極導出端子
Ｐ１ 外部接続部
Ｐ２ 平板部
Ｐ３ 内部接続部
Ｐ５，Ｐ６ 孔
Ｕ１ 外部接続部
Ｕ２ 平板部
Ｕ３，Ｕ４ 内部接続部
Ｕ５，Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８
Ｎ１ 外部接続部
Ｎ２ 平板部
Ｎ３ 内部接続部
Ｎ５，Ｎ６ 孔

Claims (5)

1. 半導体素子を含む電力変換回路が構成された回路基板と、前記回路の外部接続部を構成する電極導出端子を複数保持し、当該回路基板に取り付けられる端子付樹脂部品とを備え、当該複数の電極導出端子が互いに平行に配置される平板部をそれぞれ有するパワー半導体モジュールであって、
   前記平板部の間に配置され当該平板部の間の間隔を保持する樹脂板を備え、
   前記平板部の縁に係合して前記樹脂板を当該平板部の所定の位置に係止する凸部が当該樹脂板に設けられてなるパワー半導体モジュール。
2. 前記樹脂板は、前記凸部として前記平板部の外縁に係合する凸部を有する請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記平板部の外縁に係合する凸部は、前記樹脂板の外縁に設けられ、当該外縁に沿って長く形成されている請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記平板部に係止孔が設けられ、
   前記樹脂板は、前記凸部として前記係止孔に挿入される係止突起を有する請求項２又は請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
5. ３つの前記電極導出端子を有して３枚の前記平板部が積層し、
   一方の側から見て１枚目の前記平板部と２枚目の前記平板部との間に設置される１枚目の前記樹脂板は、２枚目の前記平板部と３枚目の前記平板部との間に対しはその凸部により当該両平板部の表面に当該樹脂板の表面が合わさって係止されることが不能に構成され、
   ２枚目の前記平板部と３枚目の前記平板部との間に設置される２枚目の前記樹脂板は、１枚目の前記平板部と２枚目の前記平板部との間に対しはその凸部により当該両平板部の表面に当該樹脂板の表面が合わさって係止されることが不能に構成されてなる請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュール。

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