JP7317626B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールに関し、特に、樹脂製のケースにブスバーが取り付けられる半導体モジュールに関する。

電気機器に実装される半導体モジュールは、モジュールの端子間の沿面距離と空間距離が所定の大きさを確保できるように設計される。沿面距離とは端子間の絶縁物の表面に沿った最短距離であり、空間距離とは端子間の空間を通る最短距離である。

半導体モジュールは、樹脂製のケース内にダイオードやトランジスタ等の半導体素子を収納し、ケース底部に金属ベース板、ケース上部に複数の端子を配列して構成される。全体としてパッケージ構造となっている。

このような構造の半導体モジュールにおいて、ケース上部に設けられている端子間の沿面距離を確保するため、次の先行技術が提案されている。

第１は、端子間にリブ（絶縁壁部）を設けて、端子間の沿面距離と空間距離を長くする（特許文献１）。第２は、ケース表面に溝を設けて、沿面距離を長くする（特許文献２）。

特開平６－２１６０３号公報 特開２００３－３０３９３９号公報

しかしながら、上記のようなリブや溝を設けた構成で、十分な沿面距離を確保することが困難な場合がある。例えば、半導体モジュールを複数個配列して、各半導体モジュールの共通端子に一枚のブスバーをネジ止めして取り付ける構成では、以下の問題がある。

すなわち、ブスバーを取り付けたときに、ブスバーと溝の壁との間の空間距離が短いと、この空間距離が、ブスバーが取り付けられる第１の端子とそれに隣接する第２の端子間の沿面距離の一部となってしまう。すると、それらの端子間の沿面距離が予め設定した設計値以下となる。

この発明の目的は、ブスバーの取り付け時に、ブスバーが取り付けられる第１の端子に隣接する第２の端子とブスバーとの間の沿面距離を確実に確保できる半導体モジュールを提供する。

この発明は、内部に半導体素子が収納され全体が樹脂で成型されたケースと、
前記ケースの上部に設けられる第１の端子面と、
前記ケースの上部に設けられ、前記第１の端子面に隣接する第２の端子面と、
前記第１の端子面に載置され、平板で細長い金属導体のブスバーが取り付けられる第１の端子と、
前記第２の端子面に載置される第２の端子と、
前記第１の端子面の周囲に形成され、前記ケースの外側に第１の壁を有する第１の溝と、
前記第２の端子面の周囲に形成され、前記ケースの外側に第２の壁を有する第２の溝と、
前記第１の壁と前記第２の壁を仕切るように前記第１の溝と前記第２の溝から立ち上がり、前記第１の端子と前記第２の端子間に形成されるリブと、
を備えている。

また、前記第１の壁の高さは、前記第１の端子面の高さより低く設定されている
以上の構成において、第１の端子と第２の端子間の沿面距離は、ブスバーの取り付け前においては、第１の溝と第２の溝の面を伝う距離とすることが出来る。しかし、ブスバーが第１の端子に取り付けられたとき、ブスバーと第１の壁との間の空間距離が短いと、第１の溝を伝う距離を上記沿面距離の一部とすることが出来ない。ブスバーと第１の壁との間の空間距離が短いとこの空間距離が沿面距離の一部となってしまうからである。この場合、ブスバーの底面⇒第１の壁⇒第２の壁⇒第２の溝⇒第２の端子面⇒第２の端子までの距離が上記沿面距離となって、第１の溝を伝う距離を沿面距離の一部とすることが出来ない。

この発明では、第１の壁の高さを第１の端子面の高さより低く設定している。このようにすることで、ブスバーと第１の壁との間の距離を長くすることが出来るため、ブスバーが第１の端子に取り付けられた状態においては、上記第１の溝を沿面距離の一部とすることが出来る。

上記リブには、ブスバーに向けて突出する突起を設けることが好ましい。

第１の端子にブスバーが取り付けられた時、ブスバーはリブの突起に接する位置までが移動可能な範囲である。ブスバーはリブの突起が障害となるためリブの面に接触しない。これにより、ブスバーがリブの面に接触することを防止できる。ブスバーがリブの面に接触すると、ブスバーと第２の端子間の沿面距離及び空間距離が短くなる。しかし、この発明ではブスバーはリブの突起のためにリブの面に接触しない。このため、ブスバーと第２の端子間の沿面距離及び空間距離を所定の設計値とすることが出来る。

突起に傾斜面を設けることで、リブとケースを樹脂成型するときに、全体を上下方向に抜くことが簡単となる。また、ブスバーを傾斜面に沿って取り付け位置まで降ろせば良いので取り付けが簡単となる。

突起はリブの中央付近や複数個所に設けることが可能である。複数個所に設ければ、ブスバーの取り付け時にその回り止めになる。

他の実施態様では前記第２の壁の高さは、前記第１の壁の高さと同一に設定される。このような構成では、第１の壁と第２の壁の使用樹脂量が同一に半導体モジュール単体としての重量バランスが良くなる。

この発明では、第１の壁の高さは、前記第１の端子面の高さより低く設定されているため、ブスバーが取り付けられた時に、ブスバーと第１の壁との間の空間距離が、第１の端子と第２の端子間の沿面距離の一部となることを防ぐことが出来る。したがって、ブスバーが取り付けられている状態においては、第１の端子と、これに近接する第２の端子との間の沿面距離を確実に設計値とすることができる。

この発明の実施形態である半導体モジュールの斜視図である。 半導体モジュールの平面図である。 半導体モジュールの回路図である。 図２において、Ａ－Ｂ断面図である。 ４個の半導体モジュールを第２の方向（Ｙ方向）に一定の間隔で配列し、ブスバーを取り付けたときの上面図を示す。 （Ａ）（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュールの平面図において沿面距離を示す図、Ｃ―Ｄ断面図において沿面距離を示す図である。 壁７０を切り欠かないときの沿面距離を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、それぞれ、半導体モジュールの平面図において、空間面距離を示す図、Ｃ―Ｄ断面図において空間距離を示す図である。 （Ａ）～（Ｄ）は、それぞれ、他の実施形態を示す図である。

図１はこの発明の実施形態である半導体モジュールの斜視図である。図２は、前記半導体モジュールの平面図である。

この半導体モジュールは、直方体形状の樹脂製のケース１と、ケース１に設けられ、第１の方向（Ｘ方向）である長手方向に所定の間隔で配置されるネジ止め用の第１の端子２、第２の端子３、第３の端子４とを備える。

ケース１は、その上面に、第１の端子２、第２の端子３、第３の端子４をそれぞれ載置する、第１の端子面２１、第２の端子面３１、第３の端子面４１が形成されている。第１の端子面２１は第１の端子２を載置し、第２の端子面３１は第２の端子３を載置し、第３の端子面４１は第３の端子４を載置する。第１の端子面２１は第２の端子面３１に隣接し、第２の端子面３１は第３の端子面４１に隣接している。各端子２～４は、端子形状に予め成形した金属性垂直片をケース１内に挿入し、その上端部を折り曲げ加工して形成される。各端子２～４は、中央部にネジ挿入孔が形成される。

ケース１内には、半導体素子として２個のダイオードＤ１、Ｄ２が収納されている。図３は、回路図である。ダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ２のカソードとが接続されて共通端子Ｃが形成され、ダイオードＤ１のアノードが第１アノード端子Ａとして、また、ダイオードＤ２のアノードが第２アノード端子Ｂとして、それぞれ形成されている。

共通端子Ｃは、ケース１内で第１の端子２に接続される。第１アノード端子Ａは、ケース１内で第２の端子３に接続される。第２アノード端子Ｂは、ケース１内で第３の端子４に接続される。第１の端子２は、後述するようにブスバーがネジ止めにより取り付けられる端子である。第２、第３の端子３、４は、ケーブル端部がネジ止めにより取り付けられる端子である。端子面２１、３１、４１において、端子２～４の下部にはネジ部２０、３０、４０が形成されている。端子２～４にブスバーやケーブル端部をネジ止めするには、ブスバーやケーブル端部のネジ孔部を各端子２～４上に置き、ワッシャー等を介して、上部からネジによりネジ部２０～４０に締め付ける。

ケース１の第１の方向（Ｘ方向）の両端部には、ケース固定用のネジ止め部１００、１０１が設けられている。ネジ止め部１００、１０１は、ケース１を電気機器の筐体内の基板にネジで固定するためのものである。

ケース１は、その上部に第１のリブ５、第２のリブ６を備えている。この第１のリブ５、第２のリブ６は、前記第１の方向（Ｘ方向）に直交する第２の方向（Ｙ方向）に設けられている。第１のリブ５は、第１の端子２と第２の端子３間に設けられ、第２のリブ６は、第２の端子３と第３の端子４間に設けられている。第１のリブ５は、後述のように、第１の壁７０と第２の壁８０を仕切るように第１の溝７と第２の溝８から立ち上がっている。第２のリブ６は、第２の壁８０と第３の壁９０を仕切るように第２の溝８と第３の溝９から立ち上がっている。これらのリブ５、６は、各端子間の沿面距離と空間距離を稼ぐためのものである。また、これらのリブ５、６はケース１と一体的に成型される。

前記第１のリブ５は、面５０の中央部に突起５１を備えている。突起５１は、ブスバー用の第１の端子２に対向している。突起５１は、面５０の第２の方向（Ｙ方向）の中央部において、垂直方向にリブ５と一体的に形成されている。また、突起５１の上端部は上端から下方に傾斜する傾斜面５１ａとなっている。傾斜面５１ａに連続する下方の部分は垂直面となっている。突起５１をこのように傾斜面５１ａとこれに連続する垂直面で構成している。これにより、傾斜面５１ａが抜き勾配となり、成型時の金型の抜きが容易である。なお、前記第１のリブ５は、面５０の中央付近に突起５１を備えていても良い。

ケース１の上面には、各端子２～４の周囲に、より詳細には各端子面２１、３１、４１の周囲に、第１の溝７、第２の溝８、第３の溝９が設けられている。第１の溝７は、第１の端子２の前後と第１の端子２の左側（図１：第１のリブ５側）とに設けられている。第２の溝８は、第２の端子３の前後と第２の端子３の左側及び右側（図１：第２のリブ６側と第１のリブ５側）とに設けられている。第３の溝９は、第３の端子４の前後と第３の端子４の右側（図１：第２のリブ６側）とに設けられている。

第１の溝７は、ケース１の外側に設けられた第１の壁７０を備えている。第１の壁７０の中央部には切欠き７１が形成されている。第１の壁７０と切欠き７１は、第１の端子２の前後に設けられている。切欠き７１は、第１の溝７の水抜きのために設けられている。第２の溝８は、ケース１の外側に設けられた第２の壁８０を備えている。第２の壁８０の中央部には切欠き８１が形成されている。第２の壁８０と切欠き８１は、第２の端子３の前後に設けられている。切欠き８１は、溝８の水抜きのために設けられている。第３の溝９は、ケース１の外側に設けられた第３の壁９０を備えている。第３の壁９０の中央部には切欠き９１が形成されている。第３の壁９０と切欠き９１は、第３の端子４の前後に設けられている。切欠き９１は、第３の溝９の水抜きのために設けられている。

各壁７０、８０、９０の高さは、各端子面２１、３１、４１よりも低く設定されている。

図４は、図２のＡ－Ｂ断面図である。図示のように、第１の端子面２１の高さ（ケース１の底面からの高さ）はＨ１、第１の壁７０の高さはＨ２であり、Ｈ１－Ｈ２＝ｈ１となっている。第１の端子２の高さ（厚さ）はｈ２である。ｈ１＋ｈ２＝ｈ３である。ｈ３は、ブスバー１０の底面と第１の壁７０の上面間の距離である。ブスバー１０の底面と壁７０の上面間の距離をｈ３とすることが、後述のように、沿面距離ｄ１を確実に設計値とするための重要な構成となっている。

以上の構成の半導体モジュールを電気機器内に設けられている基板上に取り付け、その後、各半導体モジュールにブスバーやケーブル端部をネジ止めする。

図５は、４個の半導体モジュールを第２の方向（Ｙ方向）に一定の間隔で配列し、ブスバーを取り付けたときの平面図を示す。

４個の半導体モジュールＭ１～Ｍ４は、それぞれ、ケース１の両端に設けられているネジ止め部１００、１０１により、電気機器の筐体内の基板にネジ固定される。

平板で細長い金属導体のブスバー１０は、図５においてリブ５に最も近づいたときに、各ケース１の第１のリブに５に設けられている突起５１に接する。通常は、ブスバー１０はその取り付け時にリブ５の突起５１に接することがない。

次に、図６~図８を用いて、第１の端子２とこれに隣接する第２の端子３間の沿面距離ｄ１と空間距離ｄ２について説明する。沿面距離ｄ１は、端子２、３間の絶縁物の表面に沿った最短距離で、空間距離ｄ２は、端子２、３間の空間を通る最短距離である。

図６（Ａ）は、一つのケース１の平面図であり、ケース１の上面から沿面距離ｄ１を示している。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＣ－Ｄ断面図を示す。これらの図において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各点は、沿面距離ｄ１が上下方向に計測される溝７または８の位置を示す。

沿面距離を考える際、１ｍｍ未満の空間距離があるかどうかが検討対象となる。すなわち、空間距離が１ｍｍ未満の場合は、その空間距離は沿面距離の一部となる。したがって、その部分では、沿面距離は絶縁物に沿った距離ではなくなる。ここで、第１の端子２の厚みが１ｍｍ未満の場合、ブスバー１０が取り付けられた状態では、ブスバー１０の下面と第１の端子面２１間の距離ｈ２が１ｍｍ未満である。したがって、距離ｈ２は、沿面距離ｄ１の一部となる（図４参照）。すなわち、沿面距離ｄ１の計測を第１の端子２側からスタートしたとき、沿面距離ｄ１は、ブスバー１０の底面⇒第１の端子面２１⇒第１の溝７⇒第１のリブ５の側面⇒第２の溝８⇒第２の端子面３１⇒第２の端子３までの合計距離となる。図４において、太線で示す距離は、沿面距離ｄ１の一部を示している。

以下、第１の端子２の厚みが１ｍｍ未満の場合に、ブスバー１０の底面が沿面距離ｄ１のスタート点になることについて詳細に説明する。

図４に示すように、ブスバー１０の底面と第１の端子面２１の距離ｈ２は１ｍｍ未満である。このため、第１の端子２とブスバー１０間は、絶縁が確保できない。したがって、沿面距離ｄ１のスタート点Ｐは、第１の端子２の端部ではなく、第１の端子面２１に対向するブスバー１０の底面となる。沿面距離ｄ１は、Ｐ点から第１の端子面２１を経て、第１の溝７のＡ点からＢ点を経由し、第１の壁７０上面に達する。

一方、第１の壁７０の高さＨ２は、第１の端子面２１の高さＨ１よりもｈ１だけ低く形成されている。また、第１の端子２の高さはｈ２である。したがって、Ｈ２を、ブスバー１０の底面と第１の壁７０上面間の距離ｈ３（＝ｈ１＋ｈ２）が１ｍｍ以上になるような高さに設定することで、ｈ３の空間距離は沿面距離の一部とならない。つまり、沿面距離ｄ１は、第１の壁７０の上面に沿って計測される。

上記の理由から、沿面距離ｄ１は、図４、図６において、以下の（１）～（１３）までの距離となる。

（１）ブスバー１０の底面のスタート点Ｐ（図４参照）
（２）⇒Ａ（第１の溝７の壁面を垂直に降りる）
（３）⇒第１の溝７の底面（第１の溝７の底面を斜めに通過する）
（４）⇒Ｂ（第１の溝７の壁面を斜めに上がる）
（５）⇒第１の壁７０（第１の壁７０上面を斜めに通過する）
（６）⇒Ｅ１（第１のリブ５の側面）
（７）⇒Ｅ２（第１のリブ５の側面外側を水平に通過する）
（８）⇒第２の壁８０（第２の壁８０上面を斜めに通過する）
（９）⇒Ｃ（第２の溝８の壁面を斜めに降りる）
（１０）⇒第２の溝８の底面（溝８の底面を斜めに通過する）
（１１）⇒Ｄ（第２の溝８の壁面を斜めに上がる）
（１２）⇒第２の端子面３１
（１３）⇒第２の端子３
なお、図６では、沿面距離ｄ１はＢ～Ｄにおいて垂直に降りる（又は上がる）ように示しているが、実際は、上記（４）（９）（１１）のように斜めに降りる（又は上がる）。

変形例として、第１の端子２の厚みが１ｍｍ以上の場合には、ｈ２は十分に長い距離である。この場合は、沿面距離ｄ１のスタート点Ｐは第１の端子２の左端（図４）となる。沿面距離ｄ１は、上述の（１）に代わる下記の（１ａ）（１ｂ）となる。

（１ａ）第１の端子２の左端（図４）のスタート点Ｐ（図示せず）
（１ｂ）第１の端子面２１上を第１の溝７まで結ぶ距離
以上のように、図４に示す実施形態では、沿面距離ｄ１は、ブスバー１０の底面のスタート点Ｐ（図４参照）から、第１のリブ５の左右両側において、溝７、８を経路とする。これにより、十分な長さの沿面距離ｄ１を確保できる。

参考例として、第１の壁７０と第１の端子面２１の高さが同じ場合、すなわちＨ１＝Ｈ２とした場合の沿面距離ｄ１について説明する。このような場合、沿面距離ｄ１は短くなってしまう。この理由について図７を参照して説明する。

図７では、第１の溝７を設けているが、第１の壁７０の高さＨ２と第１の端子面２１の高さＨ１と同じである。先に述べたように、ｈ２が１ｍｍ未満とすると、ｈ２の空間距離は沿面距離の一部として計測される。このため、沿面距離ｄ１のスタート点Ｐ´は、第１の壁７０の端部に対向するブスバー１０の底面となる。すなわち、沿面距離を稼ぐために設けられている溝７を沿面距離ｄ１の一部とすることが出来ない。

具体的には、沿面距離ｄ１は、上記（１）～（７）が以下の（１４）～（１６）となる。上記（８）以降は参考例でも同じである。

（１４）ブスバー１０の底面のスタート点Ｐ´（図７参照）
（１５）⇒Ｆ（Ｐ´から第１の壁７０上面の外端部に垂直に下りる。）
（１６）⇒第１の壁７０から第１のリブ５側面を直線状に通過する。

このように、参考例では、本実施形態を示す図４と比較して、第１の溝７内の上下及び水平に結ぶ距離を活用できず、沿面距離ｄ１が短くなる。

他の参考例として、第１のリブ５に突起５１を設けない場合の沿面距離ｄ１について説明する。このような構成では、ブスバー１０が第１のリブ５の面に接触する可能性がある。そして、ブスバー１０が第１のリブ５の面に接触すると、第１の壁７０の高さにかかわらず、沿面距離ｄ１のスタート点は、その接触点となる。したがって、沿面距離ｄ１は更に短い。

本実施形態では、図４のように、第１の壁７０の高さをＨ２のように低くしているため、沿面距離ｄ１のスタート点Ｐは、ブスバー１０の第１の端子面２１に対向する位置（第１の溝７の内側のＡに対向する位置）となる。これにより、第１の溝７が確実に沿面距離ｄ１の一部となる。

以上のように、本実施形態では、第１のリブ５の突起５１を設けたことと、第１の壁７０の高さを第１の端子面２１より低くしたことにより、ブスバー１０を取り付けた場合に、第１の溝７を沿面距離ｄ１の一部とすることが出来る。そして、第１の壁７０の高さＨ２を、ｈ１＋ｈ２＝ｈ３が１ｍｍ以上になる高さに設定すれば、安全規格を満足することができる。なお、ｈ１を１ｍｍ以上にしておけば、ｈ１＋ｈ２＞１ｍｍとなるから、第１の端子２がｈ２の薄い端子に変更されても、絶縁が確実となる沿面距離ｄ１を確保できる。

次に空間距離ｄ２について説明する。

図８（Ａ）は、一つのケース１の上面図であり、ケース１の上面から空間距離ｄ２を上面から示している。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＣ－Ｄ断面図を示す。

空間距離ｄ２は、第１の端子２とこれに隣接する第２の端子３間の、空間を通る最短距離である。ブスバー１０が取り付けられた状態では、図示のように、ブスバー１０の右端部で第１のリブ５の側面に対向する位置のＱがスタート点となる、したがって、空間距離ｄ２は、Ｑ⇒ブスバー１０の側面⇒第２の端子３までの空間上の最短距離である。正面視では、空間距離ｄ２は、図８（Ｂ）のように水平である。

図８（Ａ）（Ｂ）から、空間距離ｄ２は、第１のリブ５の突起５１の厚さの分、確実に確保できる。

図９は、他の実施形態を示している。図９（Ａ）～（Ｃ）は、突起５１の形状を示している。図９（Ａ）は、正面視で突起５１が三角形状であり、図９（Ｂ）は正面視で突起５１が第１のリブ５の中央部分から下方に向けて形成されている。図９（Ｃ）は平面視で、突起５１がリブ５の左右の両側付近に形成されている。これによると、ブスバー１０の取り付け時にその回り止めになる。この場合、二つの突起５１１、５１２は、図示のようにリブ５の左右端部から少し離し、前後の第１の溝７よりも内側であることが必要である。また、二つの突起５１１、５１２は、第１の端子面２１と対向する位置に形成することが必要である。第１の溝７の効果（沿面距離を稼ぐ）を確実に得るためである。図９（Ｄ）は、ブスバー１０のネジ孔１２０の位置を右側に少し偏心させた例を示す。この例では、ブスバー１０を、第１のリブ５から離れた位置に取り付けることができる。ブスバー１０を上下反対にして取り付けようとすると、ブスバー１０の左端部が第１のリブ５に当たってその取り付けが出来なくなる。それにより、沿面距離ｄ１と空間距離ｄ２を長くとることができる。また、ブスバー１０の取り付け方向の間違いを防止できる。

以上のように、本実施形態では、第１のリブ５に突起５１を設けたことにより、ブスバー１０の取り付け時に、ブスバー１０と近接の端子との間の沿面距離を確実に確保できる。また、空間距離も長く出来る。

１－ケース
２－第１の端子
３－第２の端子
４－第３の端子
５－第１のリブ
６－第２のリブ
５１－突起

Claims (7)

1. 内部に半導体素子が収納され全体が樹脂で成型されたケースと、
   前記ケースの上部に設けられる第１の端子面と、
   前記ケースの上部に設けられ、前記第１の端子面に隣接する第２の端子面と、
   前記第１の端子面に載置され、平板で細長い金属導体のブスバーが取り付けられる第１の端子と、
   前記第２の端子面に載置される第２の端子と、
   前記第１の端子面の周囲に形成され、前記ケースの外側に第１の壁を有する第１の溝と、
   前記第２の端子面の周囲に形成され、前記ケースの外側に第２の壁を有する第２の溝と、
   前記第１の壁と前記第２の壁を仕切るように前記第１の溝と前記第２の溝から立ち上がり、前記第１の端子と前記第２の端子間に形成されるリブと、
   を備え、
   前記第１の壁の高さは、前記第１の端子面の高さより低く設定されている半導体モジュール。
2. 前記リブは、前記ブスバーに向けて突出する突起を備えた、請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記突起は、上端から下方に傾斜する傾斜面を備えた請求項２記載の半導体モジュール。
4. 前記突起は、前記傾斜面から下方に伸びる垂直面を備えた請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記突起は、前記リブの中央付近に設けられる請求項２～４のいずれかに記載の半導体モジュール。
6. 前記突起は、前記リブの複数個所に設けられる請求項２～４のいずれかに記載の半導体モジュール。
7. 前記第２の壁の高さは、前記第１の壁の高さと同一に設定されている、請求項１～６のいずれかに記載の半導体モジュール。

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