JP6961784B1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】配線の低インダクタンス化と、リードパッケージと基板との位置決め性の向上と、を両立させたパワー半導体装置を提供する。【解決手段】パワー半導体装置は、一対の導体部と前記一対の導体部の間に挟まれるパワー半導体素子とを有する回路体と、貫通孔が形成された基板と、前記回路体と前記基板とのそれぞれ少なくとも一部を封止する封止材と、を備え、前記回路体は、前記貫通孔に挿入されるともに、前記封止材から露出する第１露出面及び第２露出面を有し、前記基板は、前記貫通孔内において、前記貫通孔の中心に向かって突出しかつ前記回路体と接続する第１突出部及び第２突出部を有し、前記第１突出部と前記第２突出部は、前記貫通孔内で互いに対向する位置に形成され、前記第１突出部と前記第２突出部の少なくとも一方が、前記パワー半導体素子に電力を伝達する端子である。【選択図】図１０

Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。
モータ・インバータ一体型のパワー半導体装置において、製造過程での小型・低背化要求が厳しくなってきている。そのため、こうした要求に応えつつ生産性の高い装置の実現に向けて、日々技術改善が成されている。
本願発明の背景技術として、下記の特許文献１では、スプレッダ（リード）伝熱部を基板の貫通孔に挿入し、スプレッダの張り出し部を基板表面に接続することで、ハンダ層の厚みをなるべく一定にさせて、基板の反対側の面からの電気伝導部の突出量をより安定化させる技術が開示されている。
特許第５４４５５６２号
特許文献１の構成では、基板内部の配線を迂回し、表面で配線する必要があり、配線が伸びてインダクタンスが増加する課題があった。以上を鑑みて、本発明は、配線の低インダクタンス化と、リードパッケージと基板との位置決め性の向上と、を両立させたパワー半導体装置を提供することが目的である。
本発明のパワー半導体装置は、一対の導体部と前記一対の導体部の間に挟まれるパワー半導体素子とを有する回路体と、貫通孔が形成された基板と、前記回路体と前記基板とのそれぞれ少なくとも一部を封止する封止材と、を備え、前記回路体は、前記貫通孔に挿入されるとともに、前記封止材から露出する第１露出面及び第２露出面を有し、前記基板は、前記貫通孔内において、前記貫通孔の中心に向かって突出しかつ前記回路体と接続する第１突出部及び第２突出部を有し、前記第１突出部と前記第２突出部は、前記貫通孔内で互いに対向する位置に形成され、前記第１突出部と前記第２突出部の少なくとも一方が、前記パワー半導体素子に電力を伝達する端子であって、前記基板に内蔵される交流配線と前記第２突出部とは、前記基板内で互いに対向して配置される。
本発明によれば、配線の低インダクタンス化と、リードパッケージと基板との位置決め性の向上と、を両立させたパワー半導体装置を提供できる。
インバータ全体の斜視図。 インバータの蓋体解放後の全体斜視図。 インバータの蓋体解放後のＡ−Ａ断面のカット斜視図。 図３の断面図。 主回路ユニットと冷却水路の展開図。 主回路ユニットの斜視図。 主回路ユニットの封止樹脂を省略した斜視図。 本発明の一実施形態に係る、主回路ユニットの封止樹脂を省略したカット斜視図。 本発明の一実施形態に係る、リードパッケージの展開斜視図。 図８のＣ−Ｃ断面図。 図６のＢ−Ｂ断面図。 本発明の一実施形態に係る、スイッチング過渡電流を示す図６のＢ−Ｂ断面図。 インバータの電気回路図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
（一実施形態および全体構成）
図１は、インバータ全体の斜視図である。
インバータ１００は、冷却水路及び構成部品が筐体１に内蔵され、蓋体２によって内蔵部品が封止されている。筐体１から外部に交流コネクタ３と直流コネクタ４が突出し、さらに信号コネクタ５が出力されている。
図２は、インバータの蓋体解放後の全体斜視図である。Ａ−Ａ断線は図３および図４で用いる。
インバータ１００の筐体内には、モータ制御基板６、ゲートドライブ基板７、平滑キャパシタ８、ＥＭＣフィルタ９、冷却水路１０、主回路ユニット１１、プリント基板主回路２５（図６参照）、が配置されている。モータ制御基板６は、ゲートドライブ基板７と冷却水路１０及び主回路ユニット１１を覆うように図２の上方に搭載されている。モータ制御基板６の上には、信号コネクタ５が搭載されており、蓋体２（図１）を貫通して外部に出力されている。
図３は、インバータの蓋体解放後のＡ−Ａ断面のカット斜視図であり、図４は、図２のＡ−Ａ断面図である。
ゲートドライブ基板７上には、基板接合ピン１２が搭載されており、主回路ユニット１１が有する基板接合スル―ホール（図６参照）と、はんだ等の接合材料によって電気的に接続されている。図４では、主回路ユニット１１が冷却水路１０の間にはさまれていることがわかる。
図５は、主回路ユニットと冷却水路の展開図である。
主回路ユニット１１は、冷却水路１０で挟まれて固定されている。この構造により、冷却水路１０は、主回路ユニット１１内の複数のリードパッケージに搭載されたパワー半導体素子と、各部主回路配線と、を冷却している。
図６は、主回路ユニットの斜視図、図７は、主回路ユニットの封止樹脂を省略した斜視図である。
主回路ユニット１１は、プリント基板主回路２５上に、複数のリードパッケージ２６を搭載しており、これら全体は封止樹脂１３でモールドされている。プリント基板主回路２５上には、交流接続部２０と直流接続部２１が形成されており、それぞれ、ねじ締結によって交流バスバーや直流バスバー（ともに図示なし）と電気接続されている。
また、基板接合スル―ホール２２やキャパシタ接合スルーホール２３は、ゲートドライブ基板や平滑キャパシタ（図２および図３参照）がそれぞれプリント基板主回路２５上で、はんだ等の接合材料によって電気的に接続されるために設けられている。固定穴２４は、図５に記載の冷却水路との接続のために設けられている。
図８は、本発明の一実施形態に係る、主回路ユニットの封止樹脂を省略したカット斜視図である。Ｃ―Ｃ断線は、図１０で用いる。
リードパッケージ２６である、ダイオードリードパッケージ２６ＤとＩＧＢＴリードパッケージ２６Ｔは、プリント基板主回路２５に形成された貫通孔２７に挿入され、それぞれの接続端子がプリント基板主回路２５の該当する接続部（図１０で後述）に、はんだ等によって電気的に接続される。
リードパッケージ２６の第１リードフレーム３２と第２リードフレーム３３（ＩＧＢＴリードパッケージ２６Ｔとダイオードリードパッケージ２６Ｄに共通）は、ＩＧＢＴあるいはダイオード素子の両面の電極を挟み込むようにして、電気的に接合されている。
第１リードフレーム３２に設けられた第１接続部３０は、貫通孔２７内部に設けられた第１突出部と第２突出部（後述）に電気的に接合されている。第２リードフレーム３３に設けられた第２接続部３１は、プリント基板主回路２５の表面配線と接続され、主回路配線を形成している。スナバキャパシタ（スナバコンデンサ）４０は、プリント基板主回路２５上に設けられた、正極配線と負極配線（後述）に接続され、スイッチング時の過渡電流を供給している。
図９は、本発明の一実施形態に係る、リードパッケージの展開斜視図である。
図９のダイオードリードパッケージ２６ＤとＩＧＢＴリードパッケージ２６Ｔは、それぞれ図８のダイオードリードパッケージ２６ＤとＩＧＢＴリードパッケージ２６Ｔを、紙面奥側から見て展開した図である。
ダイオードリードパッケージ２６Ｄにはダイオード３６が、ＩＧＢＴリードパッケージ２６ＴにはＩＧＢＴ３５が、それぞれ第１リードフレーム３２と第２リードフレーム３３との間に挟まれている。第１リードフレーム３２には、第１接続部３０が第１リードフレーム３２の両端に互いに対向する位置で設けられている。第２リードフレーム３３には、第２接続部３１が図９の下側に向かって突出するような形状で設けられている。
ダイオードリードパッケージ２６Ｄでの第１リードフレーム３２上、および、ＩＧＢＴリードパッケージ２６Ｔでの第２リードフレーム３３上、には、第１リードフレーム３２と第２リードフレーム３３との間に挟む素子の表面電極と絶縁距離を取りつつ接続するための、台座電極３４が設けられている。
図１０は、図８のＣ−Ｃ断面図である。
一対の導体である第１リードフレーム３２と第２リードフレーム３３と、その間に挟まれるパワー半導体素子であるＩＧＢＴ３５またはダイオード３６によって、回路体が形成されている。プリント基板主回路２５において、第１突出部２８及び第２突出部２９は、各回路体が挿入される貫通孔２７の中心に向かって突出し、かつ貫通孔内２７で互いに対向する位置にそれぞれ形成されている。また、第２突出部２９は、直流正極配線６２、直流負極配線６３と電気的に接続されている端子である。
第１リードフレーム３２の第１接続部３０と、貫通孔２７内の第１突出部２８及び第２突出部２９とが、はんだ等によって電気的に接続される。また、第２リードフレーム３３の第２接続部３１と基板表面配線５０とが、はんだ等によって電気的に接続される。また、ＩＧＢＴ３５の信号パッド（図示せず）は、プリント基板主回路２５の表面に形成された信号用配線に、ワイヤボンディング等で電気的に接続される。
図１１は、図６のＢ−Ｂ断面図である。
図１０で、リードパッケージ２６とプリント基板主回路２５との接続が完了した後、リードパッケージ２６とプリント基板主回路２５は、封止樹脂１３で全体が覆われて固定される。このとき、各はんだ接合部は、封止樹脂１３で固定されて、クラックなどの疲労破壊に対しての耐量が確保される。なお、封止樹脂１３を用いず、基板に回路体を設置した状態で上下からの部品による挟み固定やねじ止め等で固定してもよい。これにより封止樹脂１３でモールドする過程を省略できる。
封止樹脂１３による封止後、封止樹脂１３表面から各リードフレーム３２および３３の放熱面である第１露出面５１及び第２露出面５２が形成される。ＩＧＢＴ及びダイオードの発熱は、絶縁層を介して、第１露出面５１及び第２露出面５２から冷却水路に放熱される。
この構成と接続により、回路体と基板全体をトランスファーモールドする際のチップ破壊や、放熱面の樹脂被りの原因となる設置時のリードパッケージ２６の傾きを改善して位置決め性を向上させ、さらに基板に設けられた突出部とリードフレームとの接続によって配線長を短くしたため低インダクタンス化させている。
図１２は、本発明の一実施形態に係る、スイッチング過渡電流を示す図６のＢ−Ｂ断面図である。
スイッチング時には、スナバキャパシタ４０（図１２では図示せず）から過渡電流６５が供給され、このスイッチング過渡電流６５は、プリント基板主回路２５上の直流正極配線６２から第２突出部２９を介して上下アーム回路のそれぞれのリードパッケージ２６Ｄおよび２６Ｔと、交流配線６４と、を介し、もう一方の第２突出部と接続している直流負極配線６３に向かって一周するように流れる。
ここで、図１０に示したように、回路体の一部を構成する第２リードフレーム３３と、貫通孔２７に形成された第２突出部２９とは、プリント基板主回路２５を間に挟んで対向する位置に形成されている。また、基板に内蔵される交流配線６４と、第２突出部２９は、基板内部で対向して配置されている。これらの配置により、互いに逆向きの電流経路になることで磁界が相殺される構造になっており、ノイズの影響を低減できる。
図１３は、インバータの電気回路図（等価回路）である。
等価回路図には、スナバキャパシタ４０から供給されているスイッチング時の過渡電流６５の経路が示されている。
以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）パワー半導体装置である主回路ユニット１１は、一対の導体部である第１リードフレーム３２および第２リードフレーム３３と、第１リードフレーム３２と第２リードフレーム３３の間に挟まれるパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３５、ダイオード３６）とを有する回路体と、貫通孔２７が形成されたプリント基板主回路２５と、回路体とプリント基板主回路２５とのそれぞれ少なくとも一部を封止する封止樹脂１３と、を備える。回路体は、貫通孔２７に挿入されるともに、封止樹脂１３から露出する第１露出面５１及び第２露出面５２を有する。プリント基板主回路２５は、貫通孔２７内において、貫通孔２７の中心に向かって突出しかつ回路体と接続する第１突出部２８及び第２突出部２９を有する。第１突出部２８と第２突出部２９は、貫通孔２７内で互いに対向する位置に形成され、第１突出部２８と第２突出部２９の少なくとも一方が、パワー半導体素子に電力を伝達する端子である。このようにしたことで、配線の低インダクタンス化と、リードパッケージと基板との位置決め性の向上と、を両立させたパワー半導体装置を提供できる。
（２）第２リードフレーム３３と、貫通孔２７に形成された第２突出部２９は、プリント基板主回路２５を間に挟んで対向する位置に形成されている。このようにしたことで、逆向きの電流経路による磁界の相殺構造によって、ノイズの影響を低減できる。
（３）プリント基板主回路２５に内蔵される交流配線６４と、第２突出部２９は、プリント基板主回路２５内で対向して配置される。このようにしたことで、ノイズの影響を低減できる。
（４）パワー半導体装置である主回路ユニット１１は、一対の導体部である第１リードフレーム３２および第２リードフレーム３３と、である第１リードフレーム３２と第２リードフレーム３３の間に挟まれるパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３５、ダイオード３６）とを有する回路体と、貫通孔２７が形成されたプリント基板主回路２５と、を備え、封止樹脂１３を備えなくてもよい。この場合でも、回路体は、貫通孔２７に挿入され、プリント基板主回路２５は、貫通孔２７内において、貫通孔２７の中心に向かって突出しかつ回路体と接続する第１突出部２８及び第２突出部２９を有し、第１突出部２８と第２突出部２９は、貫通孔２７内で互いに対向する位置に形成され、第１突出部２８と第２突出部２９の少なくとも一方が、パワー半導体素子に電力を伝達する端子である。このようにすれば、封止樹脂なしで位置決め性を向上させたパワー半導体装置を提供できる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
１…筐体
２…蓋体
３…交流コネクタ
４…直流コネクタ
５…信号コネクタ
６…モータ制御基板
７…ゲートドライブ基板
８…平滑キャパシタ
９…ＥＭＣフィルタ
１０…冷却水路
１１…主回路ユニット
１２…基板接合ピン
１３…封止樹脂
２０…交流接続部
２１…直流接続部
２２…基板接合スルーホール
２３…キャパシタ接合スル―ホール
２４…固定穴
２５…プリント基板主回路
２６…リードパッケージ
２６Ｄ…ダイオードリードパッケージ
２６Ｔ…ＩＧＢＴリードパッケージ
２７…貫通孔
２８…第１突出部
２９…第２突出部
３０…第１接続部
３１…第２接続部
３２…第１リードフレーム
３３…第２リードフレーム
３４…台座電極
３５…ＩＧＢＴ
３６…ダイオード
４０…スナバキャパシタ（スナバコンデンサ）
４１…ＩＧＢＴ素子
４２…ダイオード素子
５０…基板表面配線
５１…第１露出面
５２…第２露出面
６１…配線インダクタンス
６２…直流正極配線
６３…直流負極配線
６４…交流配線
６５…スイッチング過渡電流
１００…インバータ

Claims (3)

  1. 一対の導体部と前記一対の導体部の間に挟まれるパワー半導体素子とを有する回路体と、
    貫通孔が形成された基板と、
    前記回路体と前記基板とのそれぞれ少なくとも一部を封止する封止材と、を備え、
    前記回路体は、前記貫通孔に挿入されるとともに、前記封止材から露出する第１露出面及び第２露出面を有し、
    前記基板は、前記貫通孔内において、前記貫通孔の中心に向かって突出しかつ前記回路体と接続する第１突出部及び第２突出部を有し、
    前記第１突出部と前記第２突出部は、前記貫通孔内で互いに対向する位置に形成され、前記第１突出部と前記第２突出部の少なくとも一方が、前記パワー半導体素子に電力を伝達する端子であって、
    前記基板に内蔵される交流配線と前記第２突出部とは、前記基板内で互いに対向して配置される
    パワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
    前記導体部と、前記貫通孔に形成された前記第２突出部は、前記基板を間に挟んで対向する位置に形成されている
    パワー半導体装置。
  3. 一対の導体部と前記一対の導体部の間に挟まれるパワー半導体素子とを有する回路体と、
    貫通孔が形成された基板と、を備え、
    前記回路体は、前記貫通孔に挿入され、
    前記基板は、前記貫通孔内において、前記貫通孔の中心に向かって突出しかつ前記回路体と接続する第１突出部及び第２突出部を有し、
    前記第１突出部と前記第２突出部は、前記貫通孔内で互いに対向する位置に形成され、前記第１突出部と前記第２突出部の少なくとも一方が、前記パワー半導体素子に電力を伝達する端子であって、
    前記基板に内蔵される交流配線と前記第２突出部とは、前記基板内で互いに対向して配置される
    パワー半導体装置。
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