JP5933728B2 - パワーモジュール用接続端子およびパワーモジュール用接続端子群 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュールに用いられるパワーモジュール用接続端子に関するものである。
従来、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、電力制御用の半導体素子を備えたパワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、複数の半導体素子が実装された基板と、各半導体素子にそれぞれ接続されて電力の入出力を行う複数の接続端子とを備える。
パワーモジュールにおいて、接続端子に対しては、外部の回路基板とパワーモジュールの基板との間の電気的導通を確実に行うことが求められる。このような接続端子として、ピン状をなして基板の電極と接触する第１接触装置と、湾曲形状をなして外部の制御回路基板と接触する第２接触装置と、コイルばね状をなして第１接触装置と第２接触装置の間に設けられる弾性部分とを備えた接続端子が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。この接続端子は、パワーモジュールのハウジングに形成される穴に挿通されて保持される。
特開２００８−１５３６５７号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、接続端子の荷重が制御回路基板による圧縮力に依存しているため、制御回路基板が振動等によって変形すると、接続端子と基板および制御回路基板との接触抵抗が変化してしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良好な接触状態を安定的に維持することができるパワーモジュール用接続端子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、半導体素子と、該半導体素子が実装される基板と、前記基板の表面に接合され、該表面と直交する方向に延びる筒状をなす導電性の保持部材とを備えたパワーモジュールの一部をなし、前記保持部材に保持されることによって外部の回路と前記基板とを電気的に常時接続し、導電性の線材が巻回されてなるパワーモジュール用接続端子であって、少なくとも一部が密着巻きされ、前記保持部材の中空部に挿入される挿入部と、所定の間隔で前記線材が巻回される粗巻き部と、前記粗巻き部の前記挿入部側の端部と異なる側の端部に設けられ、前記外部の回路と接触する接触部と、を備え、前記挿入部は、前記中空部の径より大きい径の圧入部を有することを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記圧入部は、巻き線方向の中間部に設けられることを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記挿入部は、端部に設けられ、前記圧入部と接続し、前記線材が前記中空部の径より小さい径で巻回されてなる第１挿入部と、前記圧入部の前記第１挿入部に連なる側と異なる側の端部と接続し、前記線材が前記中空部の径より小さい径で密着巻きされてなる第２挿入部と、を有することを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記圧入部は、前記線材を一巻きしてなることを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記第２挿入部および前記粗巻き部の間に設けられ、前記挿入部との連結側の端部から前記粗巻き部に向けてテーパ状に拡径して線材が巻回されてなる拡径部を有することを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記接触部は、先端に向けてテーパ状に縮径して線材が巻回されてなることを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記接触部は、前記外部の回路と接触する側の端部において、少なくとも線材の半巻き分が、同一平面上にあることを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記第１挿入部は、密着巻きされてなることを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記第１挿入部は、前記圧入部側から先端に向けてテーパ状に縮径していることを特徴とする。
また、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、上記の発明において、前記第１挿入部は、所定の間隔で巻回されてなることを特徴とする。
本発明によれば、線材の少なくとも一部が密着巻きされ、保持部材に挿入して、この保持部材に保持される挿入部と、所定の間隔で線材が巻回される粗巻き部と、粗巻き部の挿入部側の端部と異なる側の端部に設けられ、外部の基板と接触する接触部と、を備え、挿入部が、保持部材の内径より大きい径の圧入部を有するようにしたので、良好な接触状態を安定的に維持することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示すパワーモジュールの接続端子の構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュールに基板を取り付けた場合を示す図である。 図４は、図２に示す接続端子の要部の構成を示す模式図である。 図５は、図２に示す接続端子の要部の構成を示す断面図である。 図６は、図２に示す接続端子の要部の構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態の変形例１にかかるパワーモジュールの要部の構成を模式的に示す部分断面図である。 図８は、本発明の実施の形態の変形例２にかかるパワーモジュールの接続端子の構成を示す模式図である。 図９は、本発明の実施の形態の変形例３にかかるパワーモジュールの接続端子の構成を示す模式図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
図１は、本発明の実施の形態にかかるパワーモジュール１の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すパワーモジュール１の接続端子３の構成を示す模式図である。図３は、本実施の形態にかかるパワーモジュール１に基板を取り付けた場合を示す図である。図１に示すパワーモジュール１は、複数の半導体素子が実装された基板２と、外部の回路（制御回路基板９）と電気的に接触することによって、該回路と基板２とを電気的に常時接続する導電性の接続端子３と、基板２の表面に接合され、該表面と直交する方向に延びる柱状をなし、接続端子３を保持する導電性の保持部材４と、を備える。
基板２は、絶縁性の樹脂またはセラミックスなどの絶縁性材料を用いて構成される板状の母材５と、母材５の主面に実装される複数の半導体素子６と、母材５の主面に設けられる複数の電極７と、半導体素子６と電極７とを電気的に接続するワイヤ８とを有する。
母材５を構成するセラミックスとしては、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスや、銅、アルミニウムまたは鉄を主成分とする金属を適用することができる。このうち、耐久性、熱伝導性等の観点からは、窒化物系セラミックスが好ましい。なお、母材５を金属で構成する場合、母材５の外表面には、絶縁層が形成される。
半導体素子６は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワーデバイスのいずれかである。なお、図１ではすべての半導体素子を「半導体素子６」として記載しているが、これらの半導体素子６は互いに種類が異なっていてもよい。半導体素子６は、半田によって基板２上に接合される。
電極７は、銅またはアルミニウムなどの金属または合金を用いてパターニングすることによって、基板２に実装された半導体素子６などに電気信号を伝送するための回路パターンの一部をなす。
接続端子３は、線材を略らせん状に巻回したコイルばねであり、線材が密着巻きされ、保持部材４の中空部４１に挿入されて保持部材４に密着固定される挿入部３１と、挿入部３１の一端から延び、挿入部３１との連結側の端部からテーパ状に拡径するように線材が密着巻きされる拡径部３２と、拡径部３２の挿入部３１に連なる側の端部と異なる側の端部から延び、挿入部３１および拡径部３２よりも粗いピッチで線材が巻回される粗巻き部３３と、粗巻き部３３の拡径部３２に連なる側の端部と異なる側の端部から延び、先端に向けて径がテーパ状に縮小し、この先端で外部の制御回路基板９（電極９ａ）と接触する接触部３４とを有する。以上の構成を有する接続端子３は導電性を有する金属または合金を用いて構成される。具体的には、接続端子３は、例えばりん青銅、クロム銅、ベリリウム銅またはコルソン銅などの銅合金を用いて構成される。
挿入部３１、拡径部３２、粗巻き部３３および接触部３４の巻回の各中心軸は、互いに一致している。拡径部３２の外径のうち、少なくとも最も大きい径（例えば、拡径部３２における粗巻き部３３の端部の径）は、中空部４１の径（圧入によって中空部４１に挿入されない程度の径）よりも大きい。
保持部材４は、基板２の電極７の表面と直交する方向に立設され、中空円筒状をなす金属または合金からなる。保持部材４は、円筒状の中空空間である中空部４１で接続端子３の挿入部３１の一部を密着した状態で保持する。保持部材４は、電極７に対して半田等によって接合される。
接続端子３を保持部材４に固定する際は、挿入部３１を中空部４１へ挿入し、挿入部３１の一部が圧入することで接続端子３が保持部材４に固定される。これにより、パワーモジュール１における接続端子３の取付構造が実現される。
また、パワーモジュール１に対して制御回路基板９が取り付けられることで、接続端子３を介して保持部材４と制御回路基板９の電極９ａとが電気的に接続される（図３参照）。このとき、外部（制御回路基板９）からの荷重に対して粗巻き部３３が弾性変形することによって、この荷重を吸収する。
図４は、図２に示す接続端子３の要部の構成を示す模式図である。図５は、図２に示す接続端子３の要部の構成を示す断面図であって、挿入部３１と拡径部３２との接続部分近傍の断面図である。なお、図５の断面図は、接続端子３の巻回中心軸を通過する平面で切断した断面図である。
挿入部３１は、図４，５に示すように、端部に設けられ、線材が中空部４１の径（保持部材４の内径）より小さい径で密着巻きされてなる第１挿入部３１ａと、第１挿入部３１ａに連なり、線材が中空部４１の径より大きい径で巻回されてなる圧入部３１ｂと、一端で圧入部３１ｂに連なるとともに、他端で拡径部３２に連なり、線材が中空部４１の径より小さい径、または第１挿入部３１ａと同等の径で密着巻きされてなる第２挿入部３１ｃと、を有する。なお、本実施の形態では、圧入部３１ｂは、線材を一巻きしてなるものであって、この巻回の最大径Ｒ１が中空部４１の径ｒより大きくなっている。また、本実施の形態では、第１挿入部３１ａおよび第２挿入部３１ｃは、同一の径で巻回されており、巻回の径Ｒ２が中空部４１の径ｒより小さくなっている。また、圧入部３１ｂは、第１挿入部３１ａおよび第２挿入部３１ｃの各連結部分で密着巻きされてなる。
挿入部３１が中空部４１に挿入されると、第１挿入部３１ａが中空部４１を案内し、圧入部３１ｂが、中空部４１に圧入する。その後、第２挿入部３１ｃが中空部４１に挿入され、中空部４１と拡径部３２とが当接して保持部材４に対する接続端子３の挿入が完了する。これにより、保持部材４に対して接続端子３が位置決めされる。
このとき、挿入部３１では圧入部３１ｂのみが中空部４１（保持部材４の内壁）と接触しており、第１挿入部３１ａおよび第２挿入部３１ｃは、中空部４１とは非接触の状態にある。また、圧入部３１ｂは、中空部４１に圧入することで、接触端子３の長手方向からみた線材の巻回形状が楕円または円をなし、線材がこの楕円の長軸と交差する２点、または円の外周面で中空部４１と接触している。したがって、接続端子３では、圧入部３１ｂによって保持部材４と接触して、電気的な導通が可能となる。なお、圧入部３１ｂにおいて、楕円の長軸と交差する２点、または円の外周面のいずれかの接触態様となるように巻回の径が設計（制御）されることが好ましい。
制御回路基板９から基板２に対して電気信号が出力された場合、接続端子３において、電気信号は、制御回路基板９から接触部３４に伝達された後、接触部３４、粗巻き部３３、拡径部３２を通過し、挿入部３１の第２挿入部３１ｃに送られ、圧入部３１ｂから保持部材４（中空部４１）を介して基板２に到達する。また、接触部３４、拡径部３２、第２挿入部３１ｃおよび圧入部３１ｂを密着巻きにすることよって、インダクタンスを低減することができる。
また、挿入部３１では、外部からの荷重に対し、常に圧入部３１ｂによる２点で中空部４１と接触している。すなわち、接続端子３では、外部からの荷重によらず、常に一定の接触状態で保持部材４と接触することができる。
図６は、図２に示す接続端子３の要部の構成を示す模式図である。図６に示す接触部３４の制御回路基板９の電極９ａとの接触する側の端部３４ａにおいて、少なくとも先端における線材の半巻き分が、平面Ｐ上にある。ここで、本実施の形態において平面Ｐは、接続端子３の巻き線方向の中心軸Ｎに対して直交する平面である。なお、先端部３４では、端部３４ａにおいて巻回間隔を設けて巻回されているとともに、端部３４ａ以外の部分においては密着巻きされている。
これにより、例えば電極９ａが平板状をなす場合、電極９ａと端部３４ａとの接触面積を、端部がらせん状に巻回された場合と比して大きくすることができる。
上述した実施の形態によれば、挿入部３１の一部において、線材が中空部４１より大きい径で密着巻きされてなる圧入部３１ｂを形成するようにしたので、良好な接触状態を安定的に維持することができる。また、圧入によって接続端子３（圧入部３１ｂ）を保持部材４（中空部４１）に固定するため、接続端子３の他端における制御回路基板９の振動による影響を受けることなく、接続端子３と保持部材４との間の接触を安定化することができる。さらに、圧入部３１ｂは、圧入により、中空部４１の内部壁面を削りながら挿入される。これにより、中空部４１の壁面に形成されている酸化膜を除去し、良好な電気的導通を実現することができる。
また、上述した実施の形態によれば、拡径部３２を中空部４１の端部に当接させることによって接触端子３と保持部材４との位置決めを行えるようにしたので、パワーモジュール１における接続端子３の突出高さを規制することができる。
ここで、挿入部３１が密着巻きであるため、挿入部３１の線材の巻回の径精度、および剛性が高く、中空部４１への圧入に好適である。また、圧入によって接続端子３（圧入部３１ｂ）と保持部材４（中空部４１）とを接触させるため、接続端子３と保持部材４との間の面圧が高く、接触抵抗を低くすることができる。さらに、圧入部３１ｂが一巻きに相当するため、圧入に要する荷重を、複数回巻回されてなる場合と比して小さくすることができる。また、圧入部３１ｂの巻回の径を制御することにより、圧入部３１ｂと中空部４１との接触点数を規制することが可能である。
また、拡径部３２が密着巻きであるため、接続端子３を保持部材４に挿入する際の荷重によって形状が破壊されることを抑制することができる。すなわち、拡径部３２が所定の間隔で巻回される粗巻きの場合と比して、接続端子３の挿入時の荷重による接続端子３の形状維持をより確実に行うことができる。また、接続端子３を保持部材４に挿入する際の荷重によって接続端子３におけるセッチングの効果を得ることができ、接続端子３の耐久性を向上することが可能である。
また、拡径部３２における拡径比率を調整することにより、拡径部３２の隣接線材間を結ぶ線分と、接続端子３の巻き線方向の中心軸Ｎとがなす角度を調整することができる。この角度を調整することにより、拡径部３２の配設高さが調整され、これにより接続端子３の中心軸Ｎ方向の長さを調整することができる。また、この角度を最適化することにより、接続端子３の省スペース化および耐荷重性向上を両立させることが可能である。
また、上述した実施の形態によれば、接触部３４の端部３４ａが半周に渡って同一平面上で巻回されるようにしたので、制御回路基板９の電極９ａに対して、端部３４ａの半周に相当する面積の線接触が可能となる。これにより接続端子３と電極９ａとの安定した接触を実現することができる。一方、従来のように線材をらせん状に巻回した状態で電極９ａに接触させると、線材の先端によって電極９ａを切削し、接触抵抗が変化してしまうおそれがある。
なお、上述した実施の形態では、圧入部３１ｂが一巻きに相当するものとして説明したが、二巻きであってもよいし、三巻きであってもよい。このとき、荷重に関わらず接触状態を一定とするには、少ない巻き数において中空部４１と接触していることが好ましい。また、複数回巻回される場合には、密着巻きされていることが好ましい。
挿入部３１における圧入部３１ｂは、挿入部３１のいずれの位置にも配設可能である。ここで、圧入部３１ｂは、挿入部３１の中心軸Ｎ方向の両端一巻き以外の位置（中間部）であることが好ましい。ここで、挿入部３１の中空部４１への案内のため、第１挿入部３１ａは、複数回巻回されていることが好ましい。また、拡径部３２に連なる径を連続的なものとして接続端子３の圧入による破壊を抑制するため、第２挿入部３１ｃは、一巻き以上巻回されていることが好ましい。
また、上述した実施の形態では、保持部材４の中空部４１に接続端子３が挿入されるものとして説明したが、保持部材４に代えて、基板２の電極７の配設位置に応じてビアを形成し、このビアに接続端子３を挿入するものであってもよい。図７は、本実施の形態の変形例１にかかるパワーモジュールの要部の構成を模式的に示す部分断面図である。図７に示す基板２ａの母材５ａには、母材５ａの表面に形成された電極７ａに応じて設けられ、母材５ａの板厚方向に貫通するビア４ａが形成されている。また、ビア４ａの内面には、筒状をなし、電極７ａに接続する導電性の内部配線４２が形成されている。このとき、内部配線４２の内周（中空部の径に相当）は、上述した中空部４１と同等の径ｒである。上述した接続端子３を内部配線４２に挿入することによって、圧入部３１ｂが内部配線４２に圧入し、接続端子３と電極７ａとが電気的に導通する。
図８は、本実施の形態の変形例２にかかるパワーモジュール１の接続端子３ａの構成を示す模式図である。なお、図１等で上述した接続端子３と同じ構成要素には同じ符号を付してある。上述した実施の形態では、第１挿入部３１ａが密着巻きであるものとして説明したが、図８に示すように、線材が所定のピッチで巻回される粗巻きからなる第１挿入部３５ａを有する挿入部３５であってもよい。
これにより、圧入部３１ｂに荷重が加わると、第１挿入部３５ａが変形することによって、その荷重を外部に放出することが可能となる。例えば、圧入部３１ｂに荷重が加わって径が縮径すると、第１挿入部３５ａの径が拡径する。したがって、圧入部３１ｂに余分な荷重が加わることを抑制し、接続端子３ａの保持部材４またはビア４ａに対する固定状態をより適切なものとすることができる。
図９は、本実施の形態の変形例３にかかるパワーモジュール１の接続端子３ｂの構成を示す模式図である。なお、図１等で上述した接続端子３と同じ構成要素には同じ符号を付してある。上述した実施の形態では、第１挿入部３１ａが同一の径で巻回されるものとして説明したが、図９に示すように、線材が先端に向けてテーパ状に縮小するように巻回される第１挿入部３６ａを有する挿入部３６であってもよい。
これにより、接続端子３ｂを中空部４１または内部配線４２に挿入する際、より容易に中空部４１または内部配線４２に挿入して、接続端子３ｂを保持部材４またはビア４ａに配置することができる。
また、本発明において、基板の表面から制御回路基板の配置位置に応じた高さまでを樹脂によって封止してもよい。このような樹脂として、例えばフィラーとしてシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂を適用することができる。この際、樹脂には、接続端子を挿通する挿通孔が形成される。
このように、本発明は、ここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
以上のように、本発明にかかるパワーモジュール用接続端子は、良好な接触状態を安定的に維持するのに有用である。
１ パワーモジュール
２，２ａ 基板
３，３ａ，３ｂ 接続端子
４ 保持部材
４ａ ビア
５，５ａ 母材
６ 半導体素子
７ 電極
８ ワイヤ
３１ 挿入部
３１ａ，３５ａ，３６ａ 第１挿入部
３１ｂ 圧入部
３１ｃ 第２挿入部
３２ 拡径部
３３ 粗巻き部
３４ 接触部
３４ａ 端部
４１ 中空部
４２ 内部配線

Claims (11)

  1. 半導体素子と、該半導体素子が実装される基板と、前記基板の表面に接合され、該表面と直交する方向に延びる筒状をなす導電性の保持部材とを備えたパワーモジュールの一部をなし、前記保持部材に保持されることによって外部の回路と前記基板とを電気的に常時接続し、導電性の線材が巻回されてなるパワーモジュール用接続端子であって、
    少なくとも一部が密着巻き形状をなしており、前記保持部材の中空部に挿入される挿入部と、
    所定の間隔で前記線材が巻回されてなる粗巻き部と、
    前記粗巻き部の前記挿入部側の端部と異なる側の端部に設けられ、前記外部の回路と接触する接触部と、
    を備え、
    前記挿入部は、当該挿入部の一部をなし、前記中空部の径より大きい径の圧入部を有することを特徴とするパワーモジュール用接続端子。
  2. 前記圧入部は、巻き線方向の中間部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用接続端子。
  3. 前記挿入部は、
    端部に設けられ、前記圧入部と接続し、前記線材が前記中空部の径より小さい径で巻回されてなる第１挿入部と、
    前記圧入部の前記第１挿入部に連なる側と異なる側の端部と接続し、前記線材が前記中空部の径より小さい径で密着巻きされてなる第２挿入部と、
    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用接続端子。
  4. 前記圧入部は、前記線材の一巻き分であることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用接続端子。
  5. 前記第２挿入部および前記粗巻き部の間に設けられ、前記挿入部との連結側の端部から前記粗巻き部に向けてテーパ状に拡径して線材が巻回されてなる拡径部を有することを特徴とする請求項３または４に記載のパワーモジュール用接続端子。
  6. 前記接触部は、先端に向けてテーパ状に縮径して線材が巻回されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のパワーモジュール用接続端子。
  7. 前記接触部は、前記外部の回路と接触する側の端部において、少なくとも線材の半巻き分が、同一平面上にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のパワーモジュール用接続端子。
  8. 前記第１挿入部は、密着巻き形状をなしていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用接続端子。
  9. 前記第１挿入部は、前記圧入部側から先端に向けてテーパ状に縮径していることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用接続端子。
  10. 前記第１挿入部は、所定の間隔で巻回されてなることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用接続端子。
  11. 半導体素子と、該半導体素子が実装される基板と、前記基板の表面に接合され、該表面と直交する方向に延びる筒状をなす導電性の保持部材とを備えたパワーモジュールにおいて複数の前記保持部材にそれぞれ保持されている請求項１〜１０のいずれか一つに記載のパワーモジュール用接続端子を複数備えてなる、
    ことを特徴とするパワーモジュール用接続端子群。
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