JP5887007B1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】より小型化を図ることのできるパワー半導体装置を提供する。【解決手段】第1板状リードL1に形成された交流端子L1aが枠体10の一辺側に配置され、第2板状リードL2に形成された負極端子L2aおよび第3板状リードL3に形成された正極端子L3aが枠体の他辺側に配置され、枠体内において、第1配線パターンおよび第2配線パターンとは、所定のクリアランスCを挟んで近接配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。
例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載されるパワー半導体装置として、パワー半導体素子とバスバとを積層させて接続した電力変換装置などが知られている。
このようなパワー半導体素子とバスバを積層させて接続したパワー半導体装置に関する技術は種々提案されている(例えば特許文献1、2等)。
特開2010−35369号公報 特開2013−89784号公報
ところが、従来技術に係るパワー半導体装置では、例えば正極端子、負極端子および交流端子を枠体の一辺側に集約させる構成としているため、各端子が干渉するなどして十分な小型化を図ることができないという不都合があった。
また、上記不具合を解消すべく、交流端子について、正極端子および負極端子を設けた枠体の一辺側の反対側から導出させる構成とした場合であっても、回路配線パターン上にワイヤ接続用の領域と超音波接続用の領域とを設ける必要があり、未だ十分な小型化を図ることができないという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、より小型化を図ることのできるパワー半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係るパワー半導体装置は、第1スイッチング素子と第1整流素子とが接続された第1配線パターンと、第2スイッチング素子と第2整流素子とが接続された第2配線パターンと、前記第1スイッチング素子および前記第1整流素子の上部端子に接続されるとともに、前記第2配線パターンに接続された第1板状リードと、前記第2スイッチング素子および前記第2整流素子の上部端子に接続された第2板状リードと、前記第1配線パターンに接続された第3板状リードと、前記第1配線パターンおよび前記第2配線パターンを囲繞する枠体と、を備え、前記第1板状リードに形成された交流端子が前記枠体の一辺側に配置され、前記第2板状リードに形成された負極端子および前記第3板状リードに形成された正極端子が前記枠体の他辺側に配置され、前記枠体内において、第1配線パターンおよび第2配線パターンの間には、所定のクリアランスが形成され、前記第1板状リードは、前記第1スイッチング素子および前記第1整流素子と接続された第1接続部(L1b)と、前記第2配線パターンに接続された第2接続部(L1d)と、前記枠体の一辺側で前記クリアランスを迂回するように前記第1接続部と前記第2接続部を繋ぐとともに、前記交流端子が設けられた迂回部と、を有していることを要旨とする。
本発明に係るパワー半導体装置によれば、配線パターン、スイッチング素子、整流素子と板状リードが積層させて接続され、さらに板状リードには端子部が一体的に形成されているので、従来技術のように半導体素子と回路配線パターンをワイヤ接続させるためのスペースが不要となり、また配線パターン同士を所定のクリアランスを挟んで近接配置しているので、より一層の小型化を図ることができる。
第1の実施の形態に係るパワー半導体装置の構成例を示す平面図である。 第1の実施の形態に係るパワー半導体装置の構成例を示すA−A線断面図である。 第1の実施の形態に係るパワー半導体装置の回路構成例を示す回路図である。 第2の実施の形態に係るパワー半導体装置の構成例を示す斜視図である。 第2の実施の形態に係るパワー半導体装置の構成例を示す説明図である。 第2の実施の形態に係るパワー半導体装置の他の構成例を示す斜視図である。 第2の実施の形態に係るパワー半導体装置の他の構成例の要部を示す斜視図である。
以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
[第1の実施の形態に係るパワー半導体装置]
図1〜図3を参照して、第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1について説明する。
ここで、図1は、第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1の構成例を示す平面図、図2は、図1のA−A線断面図、図3は、パワー半導体装置M1の回路構成例を示す回路図である。
図2等に示すように、インバータ装置としてのパワー半導体装置M1は、主に、冷却器50と、この冷却器50上に設けられる半導体モジュールの構造物500と、冷却器50上にあって半導体モジュールの構造物500を囲繞する樹脂製の枠体10と、枠体10内に充填される絶縁性の樹脂200とから構成されている。
冷却器50は、例えば銅やアルミニウム等の押出し成形により形成される。なお、図示は省略するが、冷却器50には冷却水等の冷媒を流通させる流路を形成したり、空冷用のフィン等を設けてもよい。
半導体モジュールの構造物500は、IGBT等で構成されるスイッチング素子S1,S2と、ダイオードで構成される整流素子D1,D2とがそれぞれに接続される金属層(例えば、Cu層等)で構成される第1配線パターンP1および第2配線パターンP2と、第1配線パターンP1上に配置されたスイッチング素子S1および整流素子D1の上部端子に接続された第1板状リードL1と、第2配線パターンP2上に配置されたスイッチング素子S2および整流素子D2の上部端子に接続された第2板状リードL2と、第1配線パターンP1に接続された第3板状リードL3等から構成される。
また、第1板状リードL1に形成された交流端子L1aが枠体10の一辺側(図上は左端側)10bに配置され、第2板状リードL2に形成された負極端子L2aおよび第3板状リードL3に形成された正極端子L3aが枠体10の他辺側(図上は右端側)10aに配置されている。
また、枠体10内において、第1配線パターンP1および第2配線パターンとは、所定のクリアランスCを挟んで近接配置されている。
なお、正極端子L3a、交流端子L1a、負極端子L2aには、枠体10に固定するためのボルト孔20が穿設されている。
図2を参照して、より具体的な構成について述べる。
図2に示すように、例えばPBT(ポリブチレンテレフタレート)等の樹脂で成形される枠体10は、銅やアルミニウム等で構成される冷却器50上に載置されている。
枠体10の上端部には、ナット保持部15が形成され、正極端子L3a、交流端子L1a、負極端子L2aに穿設されたボルト孔20から挿入されるボルト(図示せず)と螺合される螺合部としてのナット60が保持されている。
冷却器50上には、ハンダ等の接合層71を介して、絶縁層73の一面(図上は下面)に形成される金属の接合パターン72が接合されている。
絶縁層73の他面(図上は上面)には、第1配線パターンP1が形成されている。
第1配線パターンP1上には、整流素子D1とスイッチング素子S1がハンダ層D1a、S1aを介して接合されている。
第1板状リードL2は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L1bと、起立部L1cと、端子部(交流端子)L1aとを有している。
第1板状リードL1は、接続部L1bがハンダ等から成る接合層を介して第1配線パターンP1上に配置されたスイッチング素子S1および整流素子D1の上部端子S1b、D1bに接合されている。
なお、スイッチング素子S1および整流素子D1は、下部端子S1a、D1aを介して第1配線パターンP1上に接合されている
また、第1板状リードL1の接続部L1dは、ハンダ等から成る接合層74を介して第2配線パターンP2に接合されている。
この状態において、端子部(交流端子)L1aは、ナット60と当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
第3板状リードL3は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L3bと、起立部L3cと、端子部(正極端子)L3aとを有している。
第3板状リードL3は、接続部L3bがハンダ等から成る接合層75を介して第1配線パターンP1に接合されている。この状態において、端子部(正極端子)L3aは、ナット60と当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
なお、図2に現れない第2板状リードL2等も同様にして構成される。
また、図2に示すように、枠体10内には、半導体モジュールの構造物500を覆うようにエポキシ樹脂などの絶縁性の樹脂200が充填されている。
このような構成の第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1によれば、配線パターンP1、P2、スイッチング素子S1、S2、整流素子D1、D2と板状リードL1〜L3を積層させて接続させ、さらに板状リードL1〜L3には端子部L1a、L2a、L3aが一体的に形成されているので、従来のように半導体素子と回路配線パターンをワイヤ接続させるためのスペースが不要となり、また配線パターンP1、P2同士を所定のクリアランスCを挟んで近接配置しているので、従来に比して、より一層の小型化を図ることができる。
また、第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1では、枠体10内には、第1配線パターンP1および第2配線パターンP2のみを構成する配線パターン(金属パターン)が形成されるようにしているので、配線領域を低減でき、より一層の小型化を図ることができる。
また、第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1では、図1に示すように、第1配線パターンP1と第2配線パターンP2とは対称形状に形成されているので、枠体10内の設置スペースを効率的に利用して、より一層の小型化を図ることができる。
なお、本実施の形態に係るパワー半導体装置M1を三相モータ等の駆動に用いる場合には、各相毎に対応させてパワー半導体装置M1を並設するようにできる。
[第2の実施の形態に係るパワー半導体装置]
(構成例)
図4および図5を参照して、第2の実施の形態に係るパワー半導体装置M2の構成例について説明する。
なお、第2の実施の形態に係るパワー半導体装置M2について、前述の第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
第2の実施の形態に係るパワー半導体装置M2では、第1板状リードL1に代えて第1板状リードL11を、第2板状リードL2に代えて第2板状リードL12を、第3板状リードL3に代えて第3板状リードL13を設けている。
第1板状リードL11は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L11b、L11eと、折り返し部(図4に示す例では側面形状がS字状となっている)L11c、L11fと、端子部(交流端子)L11aとを有している。
また、接続部L11bの第2板状リードL12側の辺には、壁部L11dが立設されている。
第1板状リードL11は、接続部L11b、L11eがハンダ等から成る接合層を介して第1配線パターンP1および第2配線パターンP2に接合されている。この状態において、端子部(交流端子)L11aは、ナット60と当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
ここで、第1板状リードL11に折返し部L11c、L11fを設けることにより、スイッチング素子S1、S2および整流素子D1、D2との接続部L11b、L11e側に、リード自体の重心が位置することになり、ハンダ接合時の第1板状リードL11の姿勢を安定させることができる。
第2板状リードL12は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L12bと、折り返し部(図4に示す例では側面形状がS字状となっている)L12cと、端子部(負極端子)L12aとを有している。
また、接続部L12bの第1板状リードL11側の辺には、第1板状リードL11の壁部L11dと対向する壁部L12dが立設されている。
第2板状リードL12は、接続部L12bがハンダ等から成る接合層を介して第2配線パターンP2に接合されている。この状態において、端子部(負極端子)L12aは、ナット60と当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
ここで、第2板状リードL12に折返し部L12cを設けることにより、スイッチング素子S2および整流素子D2との接続部L12b側に、リード自体の重心が位置することになり、ハンダ接合時の第2板状リードL12の姿勢を安定させることができる。
第3板状リードL13は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L13bと、折り返し部(図4に示す例では側面形状がS字状となっている)L13cと、端子部(正極端子)L13aとを有している。
また、接続部L13bの第2板状リードL12側の辺および反対側の辺には、壁部L13d、L13eが立設されている。
第3板状リードL13は、接続部L13bがハンダ等から成る接合層を介して第1配線パターンP1に接合されている。この状態において、端子部(正極端子)L13aは、ナット60と当接する位置に保持され、図示しないボルトにより固定される。
ここで、第3板状リードL13に折返し部L13c及び壁部L13d、L13eを設けることにより、スイッチング素子S1および整流素子D1との接続部L13b側に、リード自体の重心が位置することになり、ハンダ接合時の第3板状リードL13の姿勢を安定させることができる。
また、図4に示すように、第1板状リードL11の壁部L11dと、第2板状リードL12の壁部L12dとは長手方向に平行状態で対向している。
これにより、壁部L11dと壁部L12dとの間に相互インダクタンスを発生させることができ、自己インダクタンスを低減して、スイッチング素子S1、S2による電流切換時における導電性能を向上させることができる。
なお、第2板状リードL12の壁部L12dを第3板状リードL13側に延長することにより、第3板状リードL13の壁部L13dと第2板状リードL12の壁部L12dとの間に相互インダクタンスを発生させて、上記と同様の効果を得ることもできる。
また、第2の実施の形態に係るパワー半導体装置M2によれば、従来のようにスイッチング素子、整流素子および配線パターンをワイヤ接続させる作業領域(スペース)が不要となり、さらに第1配線パターンP1と第2配線パターンP2とを近接配置しているので、従来に比して、より一層の小型化を図ることができるなど、第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1と同様の効果を奏することができる。
なお、本実施の形態に係るパワー半導体装置M2を三相モータ等の駆動に用いる場合には、各相毎に対応させてパワー半導体装置M2を並設するようにできる。
(他の構成例)
図6および図7を参照して、他の構成例に係るパワー半導体装置M3について説明する。
図6は、他の構成例に係るパワー半導体装置M3を示す斜視図、図7は、枠体10を外した状態の要部を示す斜視図である。
なお、パワー半導体装置M3について、前述の第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1および第2の実施の形態に係るパワー半導体装置M2と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
他の構成例に係るパワー半導体装置M3では、第1板状リードL11に代えて第1板状リードL21を、第2板状リードL12に代えて第2板状リードL22を、第3板状リードL13に代えて第3板状リードL23を設けている。
第1板状リードL21は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L21b、L21eと、接続部L21b、L21eから立設される起立部L21c、L21fと、端子部(交流端子)L21aとを有している。
また、接続部L21bの第2板状リードL22側の辺には、壁部L21dが立設されている。
第1板状リードL21は、接続部L21b、L21eがハンダ等から成る接合層を介して第1配線パターンP1および第2配線パターンP2に接合されている。この状態において、端子部(交流端子)L21aは、ナット60と当接する位置に保持され(図6参照)、図示しないボルトにより固定される。
第2板状リードL22は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L22bと、接続部L22bから立設される壁部L22dと、端子部(負極端子)L22aとを有している。
なお、図7に示すように、接続部L22bと端子部L22aとは、壁部L22dを介して接続されている。
第2板状リードL22は、接続部L22bがハンダ等から成る接合層を介して第2配線パターンP2に接合されている。この状態において、端子部(負極端子)L22aは、ナット60と当接する位置に保持され(図7参照)、図示しないボルトにより固定される。
ここで、図6、図7に示すように、第1板状リードL21の壁部L21dと、第2板状リードL22の壁部L22dとは長手方向に平行状態で対向している。
これにより、壁部L21dと壁部L22dとの間に相互インダクタンスを発生させることができ、自己インダクタンスを低減して、スイッチング素子S1、S2による電流切換時における導電性能を向上させることができる。
第3板状リードL23は、銅板等を折曲げ加工して形成され、平板状の接続部L23bと、接続部L23bから立設される壁部L23dと、端子部(正極端子)L23aとを有している。
なお、図7に示すように、接続部L23bと端子部L23aとは、壁部L23dを介して接続されている。
第3板状リードL23は、接続部L23bがハンダ等から成る接合層を介して第1配線パターンP1に接合されている。この状態において、端子部(正極端子)L23aは、ナット60と当接する位置に保持され(図7参照)、図示しないボルトにより固定される。
パワー半導体装置M3では、図7に示すように、壁部L23dと壁部L22dも平行状態で対向しているので、壁部L23dと壁部L22dとの間にも相互インダクタンスを発生させることができ、自己インダクタンスを低減して、スイッチング素子S1、S2による電流切換時における導電性能をより向上させることができる。
また、他の構成例に係るパワー半導体装置M3によれば、従来のようにスイッチング素子、整流素子および配線パターンをワイヤ接続させる作業領域(スペース)が不要となり、さらに第1配線パターンP1と第2配線パターンP2とを近接配置しているので、従来に比して、より一層の小型化を図ることができるなど、第1の実施の形態に係るパワー半導体装置M1と同様の効果を奏することができる。
なお、本実施の形態に係るパワー半導体装置M3を三相モータ等の駆動に用いる場合には、各相毎に対応させてパワー半導体装置M3を並設するようにできる。
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
M1、M2、M3…パワー半導体装置
D1,D2…整流素子
L1、L11、L21…第1板状リード
L2、L12、L22…第2板状リード
L3、L13、L23…第3板状リード
L1b、L2b、L2d、L3b、L11b、L12b、L13b、L21b、L22b、L22e、L23b…接続部
L11c、L12c、L12f、L13c…折り返し部
L11d、L11e、L12d、L13d、L21d、L22d、L23d…壁部
L1a、L11a、L21a…交流端子(端子部)
L2a、L12a、L22a…負極端子(端子部)
L3a、L13a、L23a…正極端子(端子部)
L1c、L2c、L22c、L22f…起立部
P1…第1配線パターン
P2…第2配線パターン
S1,S2…スイッチング素子
10…枠体
15…ナット保持部
20…ボルト孔
50…冷却器
60…ナット
71…接合層
72…接合パターン
73…絶縁層
74、75…接合層
200…樹脂
500…半導体モジュールの構造物
C…クリアランス

Claims (5)

  1. 第1スイッチング素子(S1)と第1整流素子(D1)とが接続された第1配線パターン(P1)と、
    第2スイッチング素子(S2)と第2整流素子(D2)とが接続された第2配線パターン(P2)と、
    前記第1スイッチング素子および前記第1整流素子の上部端子に接続されるとともに、前記第2配線パターンに接続された第1板状リード(L1)と、
    前記第2スイッチング素子および前記第2整流素子の上部端子に接続された第2板状リード(L2)と、
    前記第1配線パターンに接続された第3板状リード(L3)と、
    前記第1配線パターンおよび前記第2配線パターンを囲繞する枠体(10)と、を備え、
    前記第1板状リードに形成された交流端子(L1a)が前記枠体の一辺側に配置され、
    前記第2板状リードに形成された負極端子(L2a)および前記第3板状リードに形成された正極端子(L3a)が前記枠体の他辺側に配置され、
    前記枠体内において、第1配線パターンおよび第2配線パターンの間には、所定のクリアランス(C)が形成され
    前記第1板状リードは、
    前記第1スイッチング素子および前記第1整流素子と接続された第1接続部(L1b)と、
    前記第2配線パターンに接続された第2接続部(L1d)と、
    前記枠体の一辺側で前記クリアランスを迂回するように前記第1接続部と前記第2接続部を繋ぐとともに、前記交流端子が設けられた迂回部と、を有し
    ていることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 前記枠体内には、前記第1配線パターンおよび前記第2配線パターンのみの配線パターンが形成されていることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。
  3. 前記第1板状リード(L11)、前記第2板状リード(L12)および前記第3板状リード(L13)の少なくとも一つは、前記枠体の内側に重心を位置させる折り返し部(L11c、L12c、L13c)を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワー半導体装置。
  4. 前記第1板状リードおよび前記第2板状リードは、互いの一部が隣接配置され、対向する壁部(L11d、L12d)が立設して形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載のパワー半導体装置。
  5. 前記第2板状リードおよび前記第3板状リードは、互いの一部が隣接配置され、対向する壁部(L12d、L13d)が立設して形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のパワー半導体装置。
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