JP6567996B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関する。

パワー半導体モジュールの小型化、軽量化を図る手段として、ベース基板を樹脂ケースよりも小さくする方法が知られている。この場合において、放熱に関与しない部分のベース基板を取り除き、樹脂ケースでベース基板を放熱板に押し付けて取り付ける手法がとられるが、この方法は外形サイズの大きなパワー半導体モジュールへの適用が難しい。

特開平１１−０６８０３５号公報 特開２０００−０９１５００号公報

ベース基板を小型化し、樹脂ケースを押し付けてパワー半導体モジュールを放熱板に取り付ける方法において、特に寸法の大きなパワー半導体モジュールの場合、樹脂ケースの撓みによりカバーに浮きや割れ、外れが生ずる虞がある。従って、樹脂ケースとカバーとを接着する等の工夫が必要となるが、このことは、接着のための工数の増大につながり、製造コストが上昇する原因となる。

また、使用する材料の線膨張係数の差によって樹脂ケース等に反りが発生するという問題がある。モールド型などの一体成型を除き、樹脂ケースおよびカバーを用いる方式のパワー半導体モジュールにおいては、放熱板への取付け時に樹脂ケースが撓んでしまい、カバーの割れや浮き、外れが生じる虞があった。

本発明に係るパワー半導体モジュールは、複数のパワー半導体素子を内蔵し、第２方向に長手方向を有する樹脂成型品および樹脂成型品を覆うカバーを有するパワー半導体モジュールであって、カバーは、第１方向に延び、第１方向から見た場合に第２方向に長手方向を有する第１の爪と、第１方向に延び、第１方向から見た場合に第２方向と交差する第３方向に長手方向を有する第２の爪とを有し、カバーにおいて、第１の爪は、第３方向の両端に位置し、第２の爪は、第２方向の一方の端部に位置せず、一方の端部とは反対側の他方の端部に位置し、樹脂成型品は、第１の爪、第２の爪とそれぞれ嵌合する第１の嵌合部および第２の嵌合部を有することを特徴とする。

直交する方向を向くように配置された複数の爪をカバーに設けて樹脂ケースと嵌合させることにより、接着剤を使用しなくとも両者を確実に固定することができ、放熱板へ樹脂ケースを取付ける際にパワー半導体モジュールが撓んでもカバーの割れや浮き、外れを防止できる。

また、折り曲げる端子を利用してカバーを固定することにより、樹脂ケースとカバーとの接着が不要となり、放熱板へ樹脂ケースを取付ける際にパワー半導体モジュールが撓んでもカバーの割れや浮き、外れを防止できる。

以上のように、本発明に係るパワー半導体モジュールにおいて、樹脂ケースとカバーとの接着が不要となるため組み立て工数を削減でき、さらに接着剤を硬化させるための加熱も不要となり、熱ストレスを削減することができる。

第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュールの分解斜視図である。 同パワー半導体モジュールのカバーの平面図である。 同パワー半導体モジュールのカバーの平面図である。 同パワー半導体モジュールの樹脂ケースの平面図である。 同パワー半導体モジュールのベース基板の平面図である。 第２の実施の形態に係るパワー半導体モジュールの分解斜視図である。 同パワー半導体モジュールのカバーの平面図である。 同パワー半導体モジュールのカバーの断面図である。 同パワー半導体モジュールの平面図である。

以下、図面を参照して本発明に係るパワー半導体モジュールについて説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュール１００の分解斜視図である。図１に示すように、本実施の形態に係るパワー半導体モジュール１００は、カバー１、樹脂ケース１０、およびベース基板２０を備える。

図１に示すように、カバー１は、Ｘ方向（第２方向）に長手方向を有する略板状に形成され、樹脂ケース１０の上面と嵌合するための爪Ｐ１〜Ｐ４を有する。また、樹脂ケース１０の凸部Ｒ１〜Ｒ３および逃げ凹部１８と重ならないように、長手方向の両端部にコの字状の凹部２，４が形成され、中央部に穴３が形成されている。爪Ｐ１〜Ｐ４の詳細については、後述する。

樹脂ケース１０は、Ｘ方向に長手方向を有する略直方体状であり、上面からＺ方向（第１方向）に突出する凸部Ｒ１〜Ｒ３を有する。また、樹脂ケース１０の長手方向の両端部には、放熱板への取付け用の取付け穴１９が形成されており、当該取付け穴１９へのねじ挿入等を阻害しないための逃げ凹部１８が設けられている。また、樹脂ケース１０は、爪Ｐ１〜Ｐ４と嵌合するための嵌合部Ｑ１〜Ｑ４、端子１１〜１７を有する。樹脂ケース１０の詳細な構成については後述する。

ベース基板２０は、Ｘ方向に長手方向を有する略板状に形成され、搭載面２４に回路２１が形成され、回路２１上にパワー半導体素子２２，２３が搭載されている。このベース基板２０と樹脂ケース１０の底面部とが嵌合することで、樹脂ケース１０が備える端子とパワー半導体素子２２，２３とが接続される。

次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、本実施の形態に係るカバー１について説明する。図２Ａは、図１に示したカバー１をＺ方向（第１方向）から見た平面図である。図２Ｂは、図１に示したカバー１をＹ方向（第３方向）から見た平面図である。

図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、カバー１は、複数の爪Ｐを備える。図２Ａおよび図２Ｂに示す例においては、カバー１は、Ｘ方向の一方の端部に第１の爪Ｐ１、Ｐ２を有し、他方の端部に第２の爪Ｐ３、Ｐ４を有する。第１の爪Ｐ１、Ｐ２は、Ｙ方向の両端にそれぞれ形成されており、Ｚ方向に延び、Ｚ方向から見た場合にＸ方向に長手方向を有する短冊状になっている。一方、第２の爪Ｐ３、Ｐ４は、Ｘ方向において第１の爪Ｐ１、Ｐ２を有しない方の端部に形成され、Ｚ方向に延び、Ｚ方向から見た場合にＹ方向に長手方向を有する短冊状になっている。

また、図２Ｂに示すように、各爪Ｐ１〜Ｐ４はその端部に突起部Ｐ１ａ〜Ｐ４ａを有し、樹脂ケース１０と嵌合した際に、この突起部Ｐ１ａ〜Ｐ４ａが樹脂ケース１０に応力を及ぼすため、カバー１が樹脂ケース１０から容易に外れないようになっている。さらに、カバー１は、各爪Ｐ１〜Ｐ４が形成される近傍に略コの字状の切り欠き部Ｐ１ｂ〜Ｐ４ｂを有する。この切り欠き部Ｐ１ｂ〜Ｐ４ｂを有することで、放熱板（図示せず）へ樹脂ケース１０を取付ける際に樹脂ケース１０等が撓んでも、セルフアライメントされるためカバー１に応力が生じなくなり、カバー１の浮きや外れ、割れ等を防止することができる。

このように、第１の爪Ｐ１、Ｐ２および第２の爪Ｐ３、Ｐ４が互いに交差する向きに配置されていることで、接着剤等を使用しなくともカバー１と樹脂ケース１０とを確実に嵌合させることができる。

本実施の形態において、カバー１に設けられる爪は、Ｚ方向から見た場合に一つがＸ方向に長手方向を有し、一つがＹ方向に長手方向を有するように配置されていれば良く、爪の数や形状、位置、大きさ等は図示しているものに限定されない。図示の例では、第１の爪Ｐ１，Ｐ２および第２の爪Ｐ３，Ｐ４がそれぞれＸ方向において同じ側の端部に形成されているが、例えば、第１の爪Ｐ２が、Ｘ方向における右側の端部にＹ方向を向くように配置され、第２の爪Ｐ４が、Ｘ方向における左側の端部にＸ方向を向くように配置される場合においても、本発明の効果は達成される。また、図示の例では、第１の爪Ｐ１、Ｐ２および第２の爪Ｐ３、Ｐ４は互いに直交する向きに配置されているが、完全に直交しなくともよい。さらに、カバー１の大きさや形状、厚さ等も任意に変更可能である。

次に、図３を参照して、本実施の形態に係る樹脂ケース１０について説明する。図３は、本実施の形態に係る樹脂ケース１０の平面図である。図３に示すように、樹脂ケース１０は、一例として、Ｘ方向に長手方向を有し、上面の中央部にはＸ方向に並ぶ凸部Ｒ１〜Ｒ３を有する。

樹脂ケース１０は、メイン端子１１，１２，１３、制御信号系端子１４〜１７を有する。各端子１１〜１７は、非常に精密且つ三軸方向（ＸＹＺ方向）に高い位置精度で位置決め固定されている。メイン端子１１〜１３は、凸部Ｒ１〜Ｒ３の上面において、外部接続部１１ａ〜１３ａが樹脂ケース１０の上面と平行になるように外部に露出している。外部接続部１１ａ〜１３ａの中央部には、ボルト挿通孔１１ｃ〜１３ｃが形成されている。

また、樹脂ケース１０の長手方向の一方の端部の上面には、制御信号系端子１４〜１７の一部（先端部側）が外部に露出している。各端子１１〜１７は、樹脂ケース１０の内部において基板側接続部１１ｂ〜１７ｂを有しており、ベース基板２０を樹脂ケース１０の底面部と嵌合させることで、各基板側接続部１１ｂ〜１７ｂがパワー半導体素子２２，２３や回路２１と接続される。

さらに、樹脂ケース１０には、カバー１と嵌合するための嵌合部Ｑ１〜Ｑ４が設けられている。第１の嵌合部Ｑ１、Ｑ２は第１の爪Ｐ１、Ｐ２と嵌合する位置に、第２の嵌合部Ｑ３、Ｑ４は第２の爪Ｐ３、Ｐ４と嵌合する位置に形成されている。すなわち、第１の嵌合部Ｑ１、Ｑ２は、第１の爪Ｐ１、Ｐ２と同様に、Ｚ方向から見た場合にＸ方向に長手方向を有し、第２の嵌合部Ｑ３、Ｑ４は、第１の爪Ｐ３、Ｐ４と同様に、Ｚ方向から見た場合にＹ方向に長手方向を有する。各嵌合部Ｑ１〜４は、爪の突起部Ｐ１ａ〜Ｐ４ａが通ることができる程度の大きさに形成され、樹脂ケース１０とカバー１とが嵌合した際に、各突起部Ｐ１ａ〜Ｐ４ａがＱ１〜Ｑ４の内壁面に応力を及ぼすため、カバー１が容易に外れないように固定される。

次に、図４を参照して、本実施の形態に係るベース基板２０について説明する。図４は、本実施の形態に係るベース基板２０の平面図である。図４に示すように、ベース基板２０は、略矩形状の外形を備えており、ベース基板２０の搭載面２４に絶縁基板（図示せず）を有し、絶縁基板上に回路２１が形成されている。この回路２１上の所定位置に、パワー半導体素子２２，２３が搭載されている。ベース基板２０に樹脂ケース１０を搭載する際、例えば、メイン端子１１の基板側接続部１１ｂがパワー半導体素子２２の電極板上に位置し、メイン端子１２の基板側接続部１２ｂがパワー半導体素子２３の電極板上に位置するようになっている。

上述のように、本実施の形態によると、カバーに設けられた複数の爪のうち少なくとも２つが、互いに交差する方向に配置されることで、カバーと樹脂ケースとを固定することができる。また、それぞれの爪の周囲に切り欠き部を有することで、放熱板への取付け時に樹脂ケース等が撓んでも、セルフアライメントされるためカバーに応力が生じなくなり、カバーの浮きや破損を防ぐことができる。

また、樹脂ケースとカバーとの接着が不要になることで接着剤の硬化のための加熱も不要になり、組立工数を削減させることができ、さらに熱ストレスをより与えずにパワー半導体モジュールを形成することができる。

以上、第１の実施の形態に係るパワー半導体モジュールについて説明したが、カバーや樹脂ケース、ベース基板等、これらの構造や機能は図示しているものに限られない。例えば、ベース基板を用いず、絶縁基板の裏面を放熱板に直接接触させる構造のパワー半導体モジュールにおいても、本実施形態は適用可能である。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係るパワー半導体モジュールについて、図５〜図７を参照して説明する。第１の実施の形態と同様の構成を有する箇所には同様の符号を付してその説明を省略する。

図５は、第２の実施の形態に係るパワー半導体モジュール２００の分解斜視図である。本実施の形態に係るパワー半導体モジュール２００は、第１の実施の形態と同様に、ベース基板２０、このベース基板２０の搭載面２４を覆う樹脂ケース１０、および樹脂ケース１０を覆うカバー１を備える。なお、樹脂ケース１０の内部の配線は図示を省略している。カバー１は、上面においてＺ方向（第１方向）に延びる凸部Ｒ１〜Ｒ３を有する。樹脂ケース１０は、Ｙ方向（第３方向）の一方の端部においてメイン端子１１〜１３が外部に露出している。本実施の形態においては、カバー１と樹脂ケース１０との嵌合方法が第１の実施の形態と異なっている。カバー１、樹脂ケース１０の詳細な構成については後述する。

次に、図６Ａおよび図６Ｂを参照して本実施の形態に係るカバー１について説明する。図６Ａは、図５に示したカバー１をＺ方向（第１方向）から見た平面図である。図６Ｂは、図５に示したカバー１をＹ方向（第３方向）から見た平面図である。

図５、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、カバー１は、上面部に３つの凸部Ｒ１〜Ｒ３を有し、凸部Ｒ１〜Ｒ３においてメイン端子１１〜１３の外部接続部１１ａ〜１３ａを貫通させる空洞部Ｓ１〜Ｓ３、導電ナットＵ１〜Ｕ３を取り付けるためのナット配置穴Ｔ１〜Ｔ３を有する。

図６Ａに示すように、空洞部Ｓ１〜Ｓ３は、Ｙ方向の一方の端部に形成され、Ｘ方向（第２方向）に長手方向を有する。空洞部Ｓ１〜Ｓ３は、外部接続部１１ａ〜１３ａを貫通させた際に隙間が生じる大きさに形成されている。この隙間を有することにより、放熱板への取付けの際に樹脂ケース１０に撓みが生じても、カバーの位置がずれたり、カバー１が割れたりしないようになっている。この隙間が大きすぎると、カバー１が樹脂ケース１０にしっかりと固定されなくなる虞があるため好ましくない。また、全く隙間がない状態だと、樹脂ケース１０が熱等により撓んだ場合にカバー１に応力が生じて浮きや割れが生じる虞がある。

カバー１の上面部のＹ方向における長さは、樹脂ケース１０のＹ方向における長さに等しい。一方、カバー１の底面部は、図６Ｂに示すように、Ｘ方向、Ｙ方向における長さが上面部のＸ方向、Ｙ方向における長さよりも小さくなっており、底面部が樹脂ケース１０の上部と嵌合するようになっている。

次に、図７を参照して本実施の形態に係る樹脂ケース１０について説明する。図７は、本実施の形態に係るカバー１と樹脂ケース１０とを嵌合させた状態の平面図である。樹脂ケース１０は、外部導出端子であるメイン端子１１〜１３を有する。なお、その他の端子は図示を省略している。各端子１１〜１３は、非常に精密且つ三軸方向（ＸＹＺ方向）に高い位置精度で位置決め固定されている。図５に示すように、メイン端子１１〜１３は、外部接続部１１ａ〜１３ａがＺ方向に延びるように樹脂ケース１０のＹ方向の一方の端部に配置されている。外部接続部１１ａ〜１３ａはＺ方向から見た場合にＸ方向に長手方向を有するように配置され、Ｙ方向を向いている。図５および７に示すように、外部接続部１１ａ〜１３ａの中央部には、ボルト挿通孔１１ｃ〜１３ｃが形成されている。

図７に示すように、メイン端子１１〜１３は、Ｙ方向に折り曲げるための折り曲げ部１１ｄ〜１３ｄを有する。カバー１と樹脂ケース１０を嵌合させる際、外部接続部１１ａ〜１３ａをカバー１の空洞部Ｓ１〜Ｓ３に貫通させ、Ｙ方向に折り曲げることでカバー１を固定している。このとき、カバー１のナット配置穴Ｔ１〜Ｔ３と、外部接続部１１ａ〜１３ａのボルト挿通孔１１ｃ〜１３ｃとが重なるように、基板側接続部１１ｂ〜１７ｂをＹ方向に折り曲げる。

このように、樹脂ケース１０およびカバー１の長手方向（Ｘ方向）と交差する方向（Ｙ方向）に端子を折り曲げることで、接着剤を使用しなくとも樹脂ケース１０とカバー１とを固定することができる。

また、折り曲げ部１１ｄ〜１３ｄのＸ方向の長さは、外部接続部１１ａ〜１３ａのＸ方向の長さよりも小さく形成されており、これにより、折り曲げ部１１ｄ〜１３ｄとカバー１の空洞部Ｓ１〜Ｓ３との間、すなわちＸ方向における空洞部Ｓ１〜Ｓ３の両端部に隙間ができるようになっている。この隙間により、放熱板への取付けの際に樹脂ケース１０に撓みが生じても、カバーの位置がずれたり、カバー１が割れたりしないようになっている。

図示は省略しているが、第１の実施の形態と同様に、メイン端子１１〜１３は、樹脂ケース１０の内部において基板側接続部１１ｂ〜１３ｂを有し、パワー半導体素子を搭載したベース基板２０を樹脂ケース１０の底面部と嵌合させることで、各基板側接続部１１ｂ〜１３ｂがパワー半導体素子２２，２３または回路２１と接続される。

上述のように、本実施の形態によると、カバーに空洞部を設けて端子を貫通させて、樹脂ケースの長手方向と交差する方向に端子を折り曲げることで、接着剤を用いなくとも両者を固定することができる。従って、接着剤の硬化のための加熱が不要になり、組立工数を削減することができ、さらに熱ストレスを削減してパワー半導体モジュールを製造することができる。

また、カバーと端子との間に隙間ができるようにすることで、放熱板への取付け時に樹脂ケース等が撓んでも、セルフアライメントされるためカバーに応力が生じなくなり、カバーの浮きや破損を防ぐことができる。

以上、第２の実施形態に係るパワー半導体モジュールについて説明したが、カバーや樹脂ケース、ベース基板等、これらの構造や機能は図示しているものに限定されない。各端子１１〜１７や空洞部Ｓ１〜Ｓ３等の数や形状、位置、大きさは図示しているものに限られず、任意に変更可能である。例えば、ベース基板を用いず、絶縁基板の裏面を放熱板に直接接触させる構造のパワー半導体モジュールにおいても、本実施形態は適用可能である。

また、３つの外部接続部１１ａ〜１３ａが、すべてカバー１の凸部Ｒ１〜Ｒ３のＹ方向における一方の端部から折り曲げられる場合を説明したが、例えば、外部接続部１１ｂのみが、凸部Ｒ２のＹ方向における他端部から折り曲げられるような場合においても、同様の効果が得られる。すなわち、１または複数のメイン端子の外部接続部は、その位置を問わず、それぞれが樹脂ケースおよびカバーの長手方向と交差する方向に折り曲げられていればよい。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ カバー
１０ 樹脂ケース
１１〜１３ メイン端子
１４〜１７ 制御信号系端子
１８ 取付け穴
１９ 逃げ凹部
２０ ベース基板
２１ 回路
２２，２３ パワー半導体素子
Ｐ１〜Ｐ４ 爪
Ｑ１〜Ｑ４ 嵌合部
Ｒ１〜Ｒ３ 凸部
Ｓ１〜Ｓ３ 空洞部
Ｔ１〜Ｔ３ ナット配置穴
Ｕ１〜Ｕ３ 導電ナット
１００、２００ パワー半導体モジュール

Claims (4)

1. 複数のパワー半導体素子を内蔵し、第２方向に長手方向を有する樹脂成型品および前記樹脂成型品を覆うカバーを有するパワー半導体モジュールであって、
   前記カバーは、第１方向に延び、前記第１方向から見た場合に前記第２方向に長手方向を有する第１の爪と、前記第１方向に延び、前記第１方向から見た場合に前記第２方向と交差する第３方向に長手方向を有する第２の爪とを有し、
   前記カバーにおいて、
   前記第１の爪は、前記第３方向の両端に位置し、
   前記第２の爪は、前記第２方向の一方の端部に位置せず、前記一方の端部とは反対側の他方の端部に位置し、
   前記樹脂成型品は、前記第１の爪、前記第２の爪とそれぞれ嵌合する第１の嵌合部および第２の嵌合部を有する
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記カバーは、前記第１の爪および前記第２の爪の近傍に切り欠き部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記第１の爪は、前記第３方向を向く第１の突起部を有し、前記第２の爪は、前記第２方向を向く第２の突起部を有する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記カバーにおいて、前記第１の爪は、前記第２方向の一方の端部に位置する請求項１から請求項３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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