JP5583433B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の基板とを圧入端子を介して組付ける半導体装置に関する。
近年、内燃機関であるエンジンと電動機であるモータとを駆動力源として備えるハイブリッド車両が広く普及してきた。かかるハイブリッド車両には、バッテリから供給される直流電力を交流電力流に変換してモータに供給すると共に、モータの回生動作によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリに蓄電するパワードライブユニットが設けられている。
パワードライブユニットには、このようなＤＣ／ＡＣ変換やＡＣ／ＤＣ変換を行うパワーモジュールと各種基板とが設けられ、パワーモジュールと各種基板との間等は、複数の細い長い信号ピンで電気的に接続される構成が採用されている。
特許文献１は、電子回路基板４０と、電子回路基板に接続される信号ピン４２ａ、４２ｃを有するパワーモジュール４４と、電子回路基板とパワーモジュールとの間に介挿される電磁シールド板４６と、を備えるパワードライブユニットを開示する。
特許文献２は、ハイサイドスイッチ用ゲート駆動回路６４ａと接続するための第１の信号ピン８０を有するハイサイドスイッチ５８ａと、ローサイドスイッチ用ゲート駆動回路６６ａと接続するための第２の信号ピン８２を有するローサイドスイッチ６０ａと、ハイサイドスイッチ用ゲート駆動回路６４ａ及びローサイドスイッチ用ゲート駆動回路６６ａと制御回路７０とを接続する第３の信号ピン１０６を有する接続部材１００と、を備えるパワードライブユニットを開示する。
特開２００９−１３０１７７号公報 特開２００６−７１３０９号公報
しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１及び特許文献２が開示する構成では、各種信号ピンは、半田付けにより対応する基板等に固定される必要があり、各種信号ピンを対応する基板等に組付ける工程が煩雑である。
また、各種信号ピンは、細長い形状で複数設けられるものであるから、対応する基板等に挿通した後半田付けで固定する際に、不要な変形等を生じる傾向もあって、かかる不要な変形等を防止するために、煩雑な構成を採用する必要性も生じる。
つまり、パワードライブユニット等の半導体装置においては、各種信号ピンを、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、対応する基板等に簡便かつ確実に固定することのできる新規な構成が待望されている状況にある。
本発明は、以上の検討を経てなされたものであり、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の回路基板とを組付ける際に、信号ピン等の各構成要素を、半田付けを排し
ながら不要な変形等も生じないように、対応する回路基板等の対象部品に簡便かつ確実に組付け可能な半導体装置を提供することを目的とする。
以上のような目的を達成するため、本発明は、第１の局面においては、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して負荷に供給自在なパワーモジュールと、 前記パ
ワーモジュールに対して電気的な接続自在な回路基板と、前記パワーモジュール及び前記回路基板とは別体の端子モジュールに設けられると共に前記パワーモジュールと前記回路基板とを電気的に接続する圧入端子と、前記パワーモジュールに設けられ、前記圧入端子が圧入される挿入部と、を備え、前記パワーモジュールと前記回路基板とは、前記端子モジュールを前記回路基板に実装すると共に前記端子モジュールを前記パワーモジュールと前記回路基板との間に介在させた状態で、前記圧入端子を前記挿入部に圧入することによって組付けられることを特徴とする半導体装置である。
また本発明は、第１の局面に加えて、前記端子モジュールは、前記回路基板に面実装されることを第２の局面とする。
また本発明は、第２の局面に加えて、前記端子モジュールは、前記パワーモジュールと前記回路基板とを互いに位置決めする突起部を備えることを第３の局面とする。
また本発明は、第１から第３のいずれかの局面に加えて、前記回路基板は、前記パワーモジュールの動作を制御する制御素子が実装された制御回路基板であり、前記圧入端子は、前記制御回路基板と前記パワーモジュールとの間で信号を入送出するための信号ピンとして機能することを第４の局面とする。
本発明の第１の局面における半導体装置においては、パワーモジュールと回路基板とが、回路基板とは別体の端子モジュールを回路基板に実装すると共にかかる端子モジュールをパワーモジュールと回路基板との間に介在させた状態で、端子モジュールに設けられてパワーモジュールと回路基板とを電気的に接続する圧入端子をパワーモジュールに設けられた挿入部に圧入することによって組付けられる構成を有するものであるため、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の回路基板とを組付ける際に、信号ピン等の各構成要素を、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、対応する回路基板等の
対象部品に簡便かつ確実に組付けることができる。
本発明の第２の局面における半導体装置においては、端子モジュールが、回路基板に面実装されるものであるため、より簡便かつコンパクトな構成で、信号ピンを、対応する回路基板等に対して、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、確実に組付けることができる。
本発明の第３の局面における半導体装置においては、端子モジュールが、パワーモジュールと回路基板とを互いに位置決めする突起部を備えることにより、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の回路基板とを組付ける際に、これらの間の位置決めが、簡便かつ確実になされ、信号ピンを、対応する回路基板等に対して、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、容易かつ確実に組付けることができる。
本発明の第４の局面における半導体装置においては、前記回路基板が、前記パワーモジュールの動作を制御する制御素子が実装された制御回路基板であり、圧入端子が、前記制御回路基板と前記パワーモジュールとの間で信号を入送出するための信号ピンとして機能するものであるため、信号ピンを、圧入端子兼用としたより簡便かつ合理的な構成としながら、対応する回路基板等に対して、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、確実に組付けることができる。
本発明の実施形態における半導体装置が適用される車両の制御関連装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態における半導体装置としてのパワードライブユニットの分解斜視図である。 本実施形態におけるパワードライブユニットの断面図である。 本実施形態におけるパワードライブユニットのパワーモジュールと信号ピンとの接続構造を示す部分拡大図である。
以下、本発明の実施形態における半導体装置につき、適宜図面を参照して、詳細に説明する。なお、図中、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、３軸直交座標系を成し、ｚ軸の方向を上下方向とする。
まず、本実施形態における半導体装置が適用される車両の制御装置の構成につき、図１を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態における半導体装置については、パワードライブユニットを例に挙げて説明を進める。
図１は、本実施形態における半導体装置が適用される車両の制御関連装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態において、自動車等の車両に搭載されるモータ１０は、ＰＤＵ（パワードライブユニット）２０を介して、バッテリ３０に連絡される。
モータ１０は、典型的には、３相交流等の電力が供給されて動作するＤＣブラシレスモータ等の交流同期電動機である。かかるモータ１０は、車両がモータ１０のみを駆動力源とする場合には、車両を駆動する駆動力を供給するものであり、一方で、車両が図示を省略する内燃機関等のエンジンを主駆動力源とする場合には、エンジンの駆動力と補助・補完的に併用されると共に、適宜選択的に、エンジンの始動時のスタータモータやエンジンの稼働時の発電機としても機能することが可能である。また、何れの場合でも、モータ１０は、適宜選択的に、車両の減速時の慣性エネルギを利用したエネルギ回生機構として機能することが可能である。
バッテリ３０は、典型的には、ニッケル水素系やリチウムイオン系の２次電池であり、モータ１０やその他の補機に必要な電力を供給すると共に、モータ１０等を介して回収される回生電力や、モータ１０や別途設けられた図示を省略する発電機等からの発電電力を蓄電することが可能である。
ＰＤＵ２０は、モータ１０及びバッテリ３０を総合的に制御するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）４０の下位コントローラであり、３相交流を用いる場合には、バッテリ３０からの直流電流を３相の交流電流に安定的に変換してモータ１０に供給するＤＣ／ＡＣコンバータの機能及びモータ１０からの回生交流電流等を直流電流に安定的に変換して
バッテリ３０に供給するＡＣ／ＤＣコンバータの機能を併せ持つ。なお、かかるＰＤＵ２０は、必要に応じて、バッテリ３０からの直流電流を交流電流に安定的に変換してモータ１０に供給するＤＣ／ＡＣコンバータの機能のみを有していてもよい。
なお、車両の主駆動力源が図示を省略する燃料電池である場合には、バッテリ３０は、補機に必要な電力を供給すると共に、燃料電池の余剰電力や回生電力等を蓄電することが可能である。また、かかる場合、ＰＤＵ２０は、モータ１０、バッテリ３０及び燃料電池を総合的に制御するＰＣＵ４０の下位コントローラとして、主として燃料電池からの直流電流を３相の交流電流に安定的に変換してモータ１０に供給するＤＣ／ＡＣコンバータの機能及びモータ１０からの回生交流電流等を直流電流に安定的に変換してバッテリ３０に供給するＡＣ／ＤＣコンバータの機能を併せ持つことになる。
次に、ＰＤＵ２０の具体的な構成につき、更に図２及び図３をも参照して、詳細に説明する。
図２は、本実施形態における半導体装置としてのパワードライブユニットの分解斜視図であり、図３は、本実施形態におけるパワードライブユニットの断面図である。なお、図３は、図２のＡ−Ａ断面図に相当し、便宜上、端子モジュールが制御回路基板に装着された状態で示す。
図２及び図３に示すように、ＰＤＵ２０は、パワーモジュール５０と、ヒートシンク６０と、端子モジュール７０と、制御回路基板８０と、を備える。なお、限定的なものではないが、筐体５１は、強度や耐環境性等を考慮して、樹脂や金属製であり、基板５２は、伝熱性等を考慮して、銅板等の金属製である。
具体的には、パワーモジュール５０は、その筐体５１内において、基板５２上に固定された複数のスイッチング素子５３を備える。
複数のスイッチング素子５３は、限定的なものではないが、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のトランジスタから成り、３相交流を用いる場合には、図１に示すバッテリ３０からの直流電流を３相の交流電流に変換して図１に示すモータ１０に供給するＤＣ／ＡＣコンバータの機能及びモータ１０からの回生交流電流等を直流電流に変換してバッテリ３０に供給するＡＣ／ＤＣコンバータの機能を併せ持つ。また、パワーモジュール５０は、かかる交流電流や直流電流を安定化して供給するための平滑コンデンサや、複数のスイッチング素子５３の出力電流を検出する電流センサ等を外装又は内蔵してもよい。
かかる複数のスイッチング素子５３は、ＤＣ／ＡＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータとして機能するために、各配線５４を介し対応して電気的に接続されている。また、パワーモジュール５０は、筐体５１に入出力端として設けられ、複数のスイッチング素子５３に電気的に接続された複数のバスバー５５ａ、５５ｂ、５５ｃを備える。
また、筐体５１は、その上面に陥設された複数の挿入孔５６、５７を備える。かかる挿入孔のうち、複数の挿入孔５６の各内面には、図示を省略する配線を介し、複数のスイッチング素子５３に電気的に接続される鉄等の金属製の筒状端子５８が固設される。かかる筒状端子５８は、筒状には限らず、圧入性や導通性を具備した複数の板状等の形状が採用可能である。また、複数の挿入孔５７は、複数の挿入孔５６を両端で挟むように配された一対の挿入孔５７、５７であり、それらの孔深は、各挿入孔５６の筒状端子５８の孔深よりも大きく設定される。もちろん、かかる複数の挿入孔５７は、複数の挿入孔５６の列の周囲や間にも適宜増設して配してもかまわない。
ヒートシンク６０は、放熱性等を考慮してアルミニウム等の金属製であり、その下方に複数の冷却フィン６０ａを備える。ヒートシンク６０の上面には、接着材５９を介して、複数のスイッチング素子５３を上面に固定する基板５２の下面が、固定される。かかる接着材５９としては、限定的なものではないが、伝熱性等を考慮して、グリースで覆われたセラミックシート等が採用され得る。
端子モジュール７０は、樹脂製でブロック状の本体部を有し、その内部を上下方向に複数の金属製等の信号ピン７１が貫通して固定されると共に、複数の信号ピン７１の列の両端で、端子モジュール７０の本体部の下面から下方に延在する位置決め用の一対の挿入突起７２、７２を備える。
かかる複数の信号ピン７１の各々は、それらの下方で例えばｘ軸の方向に縮変形自在な断面楕円弧状で中空状の圧入部７１ａを一体に備え、圧入端子としても機能する。かかる縮変形自在な圧入部７１ａにおける例えばｘ軸方向の圧入前の初期幅は、所定の圧入代が確保できるように、パワーモジュール５０の筐体５１の上面で陥設された複数の挿入孔５６における筒状端子５８の内径よりも大きく設定される。なお、圧入部７１ａの形状は、筒状端子５８に所定の圧入代で圧入され得るものであれば、断面楕円弧状や中空状のものに限らず他の形状も適宜選択可能であり、圧入時の変形モードも、縮変形以外の変形モードが採用可能であり、また、弾性変形以外に塑性変形するものであってもよい。また、圧入部７１ａは、信号ピン７１と別体として、かつ同種又は異種の導電材料で構成してもかまわない。
また、一対の挿入突起７２、７２における端子モジュール７０の本体部の下面からの突出長さは、各信号ピン７１における端子モジュール７０の本体部の下面からの突出長さよりも大きく設定される。なお、複数の信号ピン７１は、筐体５１の複数の挿入孔５６に対応自在であり、一対の挿入突起７２、７２は、筐体５１の一対の挿入孔５７、５７に対応自在である。
制御回路基板８０は、エポキシ基板等のプリント基板であり、端子モジュール７０の複数の信号ピン７１に対応自在に上下に貫通した複数の挿通孔８１を備える。かかる制御回路基板８０の上面には、複数の信号ピン７１を介して、パワーモジュール５０の筐体５１内に設けられた複数のスイッチング素子５３との間で制御信号等の信号を入出力するための図示を省略する制御素子等が面実装され、複数の挿通孔８１の周部と制御素子との間等は、図示を省略するプリント配線で電気的に接続される。
次に、ＰＤＵ２０の組立て方法につき、更に図４をも参照して、詳細に説明する。
図４は、本実施形態におけるパワードライブユニットのパワーモジュールと信号ピンとの接続構造を示す部分拡大図である。
まず、ＰＤＵ２０を組立てるには、図３に示すように、筐体５１内の基板５２上に複数のスイッチング素子５３を実装したパワーモジュール５０を用意する。ついで、かかるパワーモジュール５０の基板５２の下面を、接着材５９を介して、ヒートシンク６０の上面に接着して、パワーモジュール５０及びヒートシンク６０から成る組立て体を構成する。
一方で、複数の信号ピン７１が貫通して固定され、かつ一対の挿入突起７２、７２を備えた端子モジュール７０を、複数の信号ピン７１の上端が制御回路基板８０の複数の挿通孔８１に対応して挿通された状態にして、制御回路基板８０の下面に面実装した組立て体を用意する。かかる端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体において
は、端子モジュール７０の複数の信号ピン７１と、制御回路基板８０の制御素子と、が、制御回路基板８０のプリント配線を介して、電気的に接続されている。
ついで、パワーモジュール５０及びヒートシンク６０から成る組立て体と、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体と、を上下方向で対向させた後、端子モジュール７０の一対の挿入突起７２、７２を、パワーモジュール５０の筐体５１の一対の挿入孔５７、５７に対応して挿入する。ここで、端子モジュール７０において、一対の挿入突起７２、７２における端子モジュール７０の下面からの各突出長さは、複数の信号ピン７１における端子モジュール７０の下面からの各突出長さよりも大きく設定されているため、複数の信号ピン７１よりも先に一対の挿入突起７２、７２が一対の挿入孔５７、５７に対応して到達して、複数の信号ピン７１が不要な変形等を生じることなく、端子モジュール７０及び制御回路基板８０を、パワーモジュール５０に対してｘ−ｙ平面上で正確に位置決めすることができる。
ついで、かかる状態で、更に、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体における端子モジュール７０の一対の挿入突起７２、７２を、パワーモジュール５０及びヒートシンク６０から成る組立て体におけるパワーモジュール５０の筐体５１の一対の挿入孔５７、５７に挿入し続けながら、端子モジュール７０の複数の信号ピン７１の圧入部７１ａを、パワーモジュール５０の筐体５１の複数の挿入孔５６における筒状端子５８に対応して挿入していく。ここで、各信号ピン７１の圧入部７１ａの圧入前の初期幅は、対応する挿入孔５６の筒状端子５８の内径よりも大きく設定されているため、かかる圧入部７１ａは、所定の圧入代を確保しながら縮変形して、対応する挿入孔５６の筒状端子５８に圧入されていくことになる。
そして、更に、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体における端子モジュール７０の一対の挿入突起７２、７２を、パワーモジュール５０及びヒートシンク６０から成る組立て体におけるパワーモジュール５０の筐体５１の一対の挿入孔５７、５７に挿入し続けると、一対の挿入突起７２、７２の先端が、一対の挿入孔５７、５７の最深部に当接して、かかる組立て体同士が上下方向にも位置決めされた状態で、端子モジュール７０の複数の信号ピン７１における圧入部７１ａの最深部が、パワーモジュール５０の筐体５１の複数の挿入孔５６における筒状端子５８の最深部に対応して到達し、複数の信号ピン７１を複数の挿入孔５６に対応して圧入し終わることになる。かかる状態で、パワーモジュール５０及びヒートシンク６０から成る組立て体と、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体と、は固定され、ＰＤＵ２０が組立てられることになる。
ここで、図４に示すように、端子モジュール７０の複数の信号ピン７１の圧入部７１ａは、パワーモジュール５０の筐体５１に設けられた複数の挿入孔５６の筒状端子５８に対応して確実に圧接されており、複数の信号ピン７１は、パワーモジュール５０の複数のスイッチング素子５３に対応して電気的に接続されることになる。なお、一対の挿入突起７２、７２の先端が、一対の挿入孔５７、５７の最深部に対応して当接する際に、端子モジュール７０の本体部の下面と、パワーモジュール５０の筐体５１の上面と、を当接させて、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体と、パワーモジュール５０及びヒートシンク６０から成る組立て体と、が、上下方向でより確実に位置決めされる構成を採用してもよい。
なお、ＰＤＵ２０を組立てる際には、先に、パワーモジュール５０と、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体と、を用意して、パワーモジュール５０、端子モジュール７０及び制御回路基板８０から成る組立て体を構成し、かかる組立て体におけるパワーモジュール５０の基板５２の下面を、接着材５９を介して、ヒートシンク６０
の上面に接着して、ＰＤＵ２０を組立ててもよい。
以上の構成のＰＤＵ２０をＰＣＵ４０の支配の下でＤＣ／ＡＣコンバータとして動作させると、パワーモジュール５０の複数のスイッチング素子５３は、パワーモジュール５０の筐体５１に設けられたバスバー５５ａ、５５ｂから直流電流を入力されながら、制御回路基板８０に実装された制御素子から端子モジュール７０の複数の信号ピン７１を介して入力される制御信号に応じて、所定のＤＣ／ＡＣ変換を行い、複数のスイッチング素子５３のＤＣ／ＡＣ変換後の出力は、パワーモジュール５０の筐体５１に設けられたバスバー５５を介して、モータ１０に供給される。また、ＰＤＵ２０がＡＣ／ＤＣコンバータとして動作される場合には、バスバー５５から交流電流が入力され、バスバー５５ａ、５５ｂから直流電流が出力されることになる。何れの場合も、複数のスイッチング素子５３が発する熱は、パワーモジュール５０の基板５２及び接着材５９の順で伝熱してヒートシンク６０に伝わり、ヒートシンク６０の冷却フィン６０ａを介して外部に放熱されることになる。
以上の構成によれば、パワーモジュールと回路基板とが、回路基板とは別体の端子モジュールを回路基板に実装すると共にかかる端子モジュールをパワーモジュールと回路基板との間に介在させた状態で、端子モジュールに設けられてパワーモジュールと回路基板とを電気的に接続する圧入端子をパワーモジュールに設けられた挿入部に圧入することによって組付けられる構成を有するものであるため、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の回路基板とを組付ける際に、信号ピン等の各構成要素を、半田付けを排しなが
ら不要な変形等も生じないように、対応する回路基板等の対象部品に簡便かつ確実に組付けることができる。
また、端子モジュールが、回路基板に面実装されるものであるため、より簡便かつコンパクトな構成で、信号ピンを、対応する回路基板等に対して、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、確実に組付けることができる。
また、端子モジュールが、パワーモジュールと回路基板とを互いに位置決めする突起部を備えることにより、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の回路基板とを組付ける際に、これらの間の位置決めが、簡便かつ確実になされ、信号ピンを、対応する回路基板等に対して、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、容易かつ確実に組付けることができる。
また、前記回路基板が、前記パワーモジュールの動作を制御する制御素子が実装された制御回路基板であり、圧入端子が、前記制御回路基板と前記パワーモジュールとの間で信号を入送出するための信号ピンとして機能するものであるため、信号ピンを、圧入端子兼用としたより簡便かつ合理的な構成としながら、対応する回路基板等に対して、半田付けを排しながら不要な変形等も生じないように、確実に組付けることができる。
なお、本発明においては、部材の種類、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。
以上のように、本発明においては、パワーモジュール等の機能装置と制御回路基板等の回路基板とを組付ける際に、信号ピン等の各構成要素を、半田付けを排しながら不要な変
形等も生じないように、対応する回路基板等の対象部品に簡便かつ確実に組付け可能な半導体装置を提供することができ、その汎用普遍的な性格からパワードライブユニット等に広範に適用され得るものと期待される。
１０…モータ
２０…パワードライブユニット（ＰＤＵ）
３０…バッテリ
４０…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
５０…パワーモジュール
５１…筐体
５２…基板
５３…スイッチング素子
５４…配線
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ…バスバー
５６、５７…挿入孔
５８…筒状端子
５９…接着材
６０…ヒートシンク
６０ａ…冷却フィン
７０…端子モジュール
７１…信号ピン
７１ａ…圧入部
７２…挿入突起
８０…制御回路基板
８１…挿通孔

Claims (4)

  1. バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して負荷に供給自在なパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールに対して電気的な接続自在な回路基板と、
    前記パワーモジュール及び前記回路基板とは別体の端子モジュールに設けられると共に前記パワーモジュールと前記回路基板とを電気的に接続する圧入端子と、
    前記パワーモジュールに設けられ、前記圧入端子が圧入される挿入部と、を備え、
    前記パワーモジュールと前記回路基板とは、前記端子モジュールを前記回路基板に実装すると共に前記端子モジュールを前記パワーモジュールと前記回路基板との間に介在させた状態で、前記圧入端子を前記挿入部に圧入することによって組付けられることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記端子モジュールは、前記回路基板に面実装されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記端子モジュールは、前記パワーモジュールと前記回路基板とを互いに位置決めする突起部を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記回路基板は、前記パワーモジュールの動作を制御する制御素子が実装された制御回路基板であり、前記圧入端子は、前記制御回路基板と前記パワーモジュールとの間で信号を入送出するための信号ピンとして機能することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
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