JPH07161925A - パワーモジュール - Google Patents
パワーモジュールInfo
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- JPH07161925A JPH07161925A JP5309166A JP30916693A JPH07161925A JP H07161925 A JPH07161925 A JP H07161925A JP 5309166 A JP5309166 A JP 5309166A JP 30916693 A JP30916693 A JP 30916693A JP H07161925 A JPH07161925 A JP H07161925A
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- metal substrate
- mos
- power module
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- H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
- H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
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- H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 放熱性の向上によるMOS−FETの素子数
を削減、配線の自由度の向上による各基板の小形化、お
よびシリコンゲル注入量の削減により、コストの低減お
よび小形化を図ったパワーモジュールを得ることを目的
とする。 【構成】 MOS−FET5及び抵抗体3からなる発熱
素子は金属放熱板30上に銅ヒートシンク4及びアルミ
ナ絶縁板12等を介して半田で接合し、発熱素子3、5
用の回路パターン21はこの金属放熱板30の上方に設
けた金属基板20上に形成した。そして金属基板20
の、発熱素子3、5の上部に当たる部分にそれぞれ開口
穴22を設け、これらを介して発熱素子3、5と金属基
板20をアルミ線6で接続した。また、発熱素子3、5
の周囲を囲むリング13を金属放熱板30と金属基板2
0の間に設け、保護材11を注入した。
を削減、配線の自由度の向上による各基板の小形化、お
よびシリコンゲル注入量の削減により、コストの低減お
よび小形化を図ったパワーモジュールを得ることを目的
とする。 【構成】 MOS−FET5及び抵抗体3からなる発熱
素子は金属放熱板30上に銅ヒートシンク4及びアルミ
ナ絶縁板12等を介して半田で接合し、発熱素子3、5
用の回路パターン21はこの金属放熱板30の上方に設
けた金属基板20上に形成した。そして金属基板20
の、発熱素子3、5の上部に当たる部分にそれぞれ開口
穴22を設け、これらを介して発熱素子3、5と金属基
板20をアルミ線6で接続した。また、発熱素子3、5
の周囲を囲むリング13を金属放熱板30と金属基板2
0の間に設け、保護材11を注入した。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、モーターの駆動制御
等、比較的大きい電流の制御を行うパワーモジュールに
関するものである。
等、比較的大きい電流の制御を行うパワーモジュールに
関するものである。
【0002】
【従来の技術】ここではパワーモジュールの一例とし
て、自動車のパワーステアリングシステムで使用される
モータの駆動制御用のものについて説明する。図7には
このモータの制御回路を概略的に示す。モータMにはM
OS−FETからなる4つのスイッチ5A〜5Dを含む
H型ブリッジ回路が接続されている。そして例えば、ス
イッチ5Aと5Dをオンさせて実線の矢印Aの方向に電
流を流せばモータMは正転し、スイッチ5Bと5Cをオ
ンさせれば、破線の矢印Bの方向に電流が流れてモータ
Mは逆転する。また、モータMの回転速度制御は例え
ば、各スイッチに供給する制御パルスのデューティ比を
変える(PWM)ことによりモータMに流れる電流を変え
ることにより行われる。また3Aは過電流検出用抵抗で
ある。そしてこれらのスイッチ5A〜5Dへの制御パル
スの供給、および過電流の検出等を含むモータMの制御
はインターフェース60を介してマイクロコンピュータ
50により行われる。マイクロコンピュータ50および
インターフェース60は5V(ボルト)の低電圧の回路で
あり、流れる電流もmA(ミリアンペア)のオーダである
のに対し、モータM、スイッチ5A〜5Dおよび過電流
検出用抵抗3Aを含むH型ブリッジ回路には例えば50
〜75A(アンペア)の大電流が流れる。そしてスイッチ
5A〜5Dは、マイクロコンピュータ50からインター
フェース60を介して供給される低電圧の制御パルスに
従って大電流を制御する。
て、自動車のパワーステアリングシステムで使用される
モータの駆動制御用のものについて説明する。図7には
このモータの制御回路を概略的に示す。モータMにはM
OS−FETからなる4つのスイッチ5A〜5Dを含む
H型ブリッジ回路が接続されている。そして例えば、ス
イッチ5Aと5Dをオンさせて実線の矢印Aの方向に電
流を流せばモータMは正転し、スイッチ5Bと5Cをオ
ンさせれば、破線の矢印Bの方向に電流が流れてモータ
Mは逆転する。また、モータMの回転速度制御は例え
ば、各スイッチに供給する制御パルスのデューティ比を
変える(PWM)ことによりモータMに流れる電流を変え
ることにより行われる。また3Aは過電流検出用抵抗で
ある。そしてこれらのスイッチ5A〜5Dへの制御パル
スの供給、および過電流の検出等を含むモータMの制御
はインターフェース60を介してマイクロコンピュータ
50により行われる。マイクロコンピュータ50および
インターフェース60は5V(ボルト)の低電圧の回路で
あり、流れる電流もmA(ミリアンペア)のオーダである
のに対し、モータM、スイッチ5A〜5Dおよび過電流
検出用抵抗3Aを含むH型ブリッジ回路には例えば50
〜75A(アンペア)の大電流が流れる。そしてスイッチ
5A〜5Dは、マイクロコンピュータ50からインター
フェース60を介して供給される低電圧の制御パルスに
従って大電流を制御する。
【0003】図8には従来の実際のパワーモジュールの
断面図を示した。図において、100はパワーモジュー
ル、1はアルミ或は銅からなる放熱容器、1aは表面積
を増やして放熱効果を向上させるための凹凸部、2は金
属基板で、アルミ板2a上に15〜30μm程度の厚み
のエポキシ樹脂等からなる樹脂絶縁層2bが形成されて
なる。2cは金属基板2を放熱容器1に固定するピン、
2dは金属基板2と放熱容器1の間の熱伝導を良くする
ためのシリコングリスである。3は例えば過電流検出用
のシャント抵抗等である抵抗体、4は銅ヒートシンク、
5は図7のスイッチを構成する半導体素子であるMOS
−FET、6はMOS−FET5と金属基板2上の回路
パターンとを結線するアルミ線、7は金属基板2の回路
パターン21上に立てられた外部接続用リード、8はM
OS−FET5の制御用回路を搭載するガラスエポキシ
樹脂等からなる絶縁性の回路基板、8aは図7のマイク
ロコンピュータ50やインターフェース60等を内蔵す
る制御用パッケージ、9は金属基板2と回路基板8との
間を電気的に接続するリード、11は防湿のための保護
材(コーティング樹脂)であるシリコンゲルを示す。な
お、図8にはMOS−FET5は1つしか示されていな
いが、図7の回路に示すようにMOS−FET5は最低
4つは必要であり、これらのMOS−FET5が金属基
板2上に実装されている。しかしながら実際には、MO
S−FET5に流れる電流をより小さくしかつオン抵抗
を小さくしてMOS−FET5での発熱を分散および減
少させるために、図7に示すスイッチ5A、5Bをそれ
ぞれ複数のMOS−FETを並列接続して構成する必要
があるため、通常は4つ以上のMOS−FETが搭載さ
れている。また抵抗体3も複数搭載されている。また、
回路基板8は接着剤(図示せず)等により放熱容器1に固
定されている。
断面図を示した。図において、100はパワーモジュー
ル、1はアルミ或は銅からなる放熱容器、1aは表面積
を増やして放熱効果を向上させるための凹凸部、2は金
属基板で、アルミ板2a上に15〜30μm程度の厚み
のエポキシ樹脂等からなる樹脂絶縁層2bが形成されて
なる。2cは金属基板2を放熱容器1に固定するピン、
2dは金属基板2と放熱容器1の間の熱伝導を良くする
ためのシリコングリスである。3は例えば過電流検出用
のシャント抵抗等である抵抗体、4は銅ヒートシンク、
5は図7のスイッチを構成する半導体素子であるMOS
−FET、6はMOS−FET5と金属基板2上の回路
パターンとを結線するアルミ線、7は金属基板2の回路
パターン21上に立てられた外部接続用リード、8はM
OS−FET5の制御用回路を搭載するガラスエポキシ
樹脂等からなる絶縁性の回路基板、8aは図7のマイク
ロコンピュータ50やインターフェース60等を内蔵す
る制御用パッケージ、9は金属基板2と回路基板8との
間を電気的に接続するリード、11は防湿のための保護
材(コーティング樹脂)であるシリコンゲルを示す。な
お、図8にはMOS−FET5は1つしか示されていな
いが、図7の回路に示すようにMOS−FET5は最低
4つは必要であり、これらのMOS−FET5が金属基
板2上に実装されている。しかしながら実際には、MO
S−FET5に流れる電流をより小さくしかつオン抵抗
を小さくしてMOS−FET5での発熱を分散および減
少させるために、図7に示すスイッチ5A、5Bをそれ
ぞれ複数のMOS−FETを並列接続して構成する必要
があるため、通常は4つ以上のMOS−FETが搭載さ
れている。また抵抗体3も複数搭載されている。また、
回路基板8は接着剤(図示せず)等により放熱容器1に固
定されている。
【0004】モーターを駆動し正転反転させるための、
MOS−FET5および過電流検出用の抵抗体3を含む
H型ブリッジ回路は、大電流が流れるために発熱量が多
く、このため、熱伝導率が高く良好な放熱効果を有する
金属基板2上に構成されている。一方、各MOS−FE
T5の動作制御を行う微弱な電流が流れる回路を搭載し
た回路基板8は放熱の必要はなく、金属基板2からの放
熱の影響を受けないように分離して設けられている。ま
た、金属基板2の絶縁層2b上の銅等からなる回路パタ
ーン21と各部分との接続に関して簡単に説明しておく
と、アルミ線6が接続される回路パターン21上にはア
ルミ層が形成されており、アルミ線6はこのアルミ層上
にアルミ線ワイヤーボンディングにより接続固定されて
いる。また、抵抗体3、銅ヒートシンク4および外部接
続用リード7はそれぞれ半田により回路パターン21上
に接続固定されている。また、MOS−FET5も銅ヒ
ートシンク4上に半田により固定されている。この金属
基板2上の回路パターン21は、50Aから75Aの電
流が流せるように厚さ100μm、幅7mm程度で、M
OS−FET5と抵抗体3等の素子間を配線している。
MOS−FET5および過電流検出用の抵抗体3を含む
H型ブリッジ回路は、大電流が流れるために発熱量が多
く、このため、熱伝導率が高く良好な放熱効果を有する
金属基板2上に構成されている。一方、各MOS−FE
T5の動作制御を行う微弱な電流が流れる回路を搭載し
た回路基板8は放熱の必要はなく、金属基板2からの放
熱の影響を受けないように分離して設けられている。ま
た、金属基板2の絶縁層2b上の銅等からなる回路パタ
ーン21と各部分との接続に関して簡単に説明しておく
と、アルミ線6が接続される回路パターン21上にはア
ルミ層が形成されており、アルミ線6はこのアルミ層上
にアルミ線ワイヤーボンディングにより接続固定されて
いる。また、抵抗体3、銅ヒートシンク4および外部接
続用リード7はそれぞれ半田により回路パターン21上
に接続固定されている。また、MOS−FET5も銅ヒ
ートシンク4上に半田により固定されている。この金属
基板2上の回路パターン21は、50Aから75Aの電
流が流せるように厚さ100μm、幅7mm程度で、M
OS−FET5と抵抗体3等の素子間を配線している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のパワーモジュー
ルは以上のように構成されていたが、放熱体であるMO
S−FETおよび抵抗体を搭載する金属基板には、これ
らの放熱体間を接続するための回路パターン21を形成
するために、金属基板表面に樹脂性の絶縁層を設ける必
要があった。しかしながらこのような樹脂の層は熱伝導
率が極めて低く、これが金属基板2ひいては上記放熱素
子から放熱容器への放熱経路全体の放熱効果を低下させ
ていた。従って上述したように、MOS−FETに流れ
る電流を小さくしかつオン抵抗を小さくするために、M
OS−FETを複数並列接続して1つのスイッチを構成
することによりMOS−FETでの発熱量を抑えている
が、素子数を増やすことは、配線効率を低下させ、基板
寸法を大きくしていた。一方、金属基板2の代わりに、
アルミナ(Al2O3)板或は窒化アルミ(AlN)板の表面に
ニッケル(Ni)或は銅(Cu)の層を形成してメタライズ
基板としたDBC(Direct Bond Copper)基板或は窒化ア
ルミ基板を使用し、これを表面をメッキした放熱容器に
半田付けする構成も考えられるが、次のような問題があ
った。まず、電気的絶縁性がありかつ金属基板に比べ放
熱性は良いが、アルミナおよび窒化アルミは鋳物である
ために割れ易く、電極部分、特に外部接続用リード7の
取り付け部分の機械的強度が弱いという問題があった。
また、この種の基板は、鋳物であるアルミナ板或は窒化
アルミ板と、金属である表面のニッケル或は銅の層との
熱膨張係数の差が大きい。このために、基板を大きくし
た場合には発生する熱応力が大きくなり(基板が大きい
程、反りが大きい)、放熱容器に半田付けする際に受け
る熱、或は多数のMOS−FETのスイッチングで発生
する熱(熱疲労)によって基板が割れてしまうといった問
題があった。さらに別の問題点として、アルミ線は防湿
のためにシリコンゲルで覆う必要があるが、上述したよ
うな構造の従来のパワーモジュールの場合では、放熱容
器1の金属基板2が設けられたキャビティ部分全体にシ
リコンゲルを注入する必要があり、多量のシリコンゲル
が必要があるという問題があった。従来のパワーモジュ
ールには以上のような問題点があった。
ルは以上のように構成されていたが、放熱体であるMO
S−FETおよび抵抗体を搭載する金属基板には、これ
らの放熱体間を接続するための回路パターン21を形成
するために、金属基板表面に樹脂性の絶縁層を設ける必
要があった。しかしながらこのような樹脂の層は熱伝導
率が極めて低く、これが金属基板2ひいては上記放熱素
子から放熱容器への放熱経路全体の放熱効果を低下させ
ていた。従って上述したように、MOS−FETに流れ
る電流を小さくしかつオン抵抗を小さくするために、M
OS−FETを複数並列接続して1つのスイッチを構成
することによりMOS−FETでの発熱量を抑えている
が、素子数を増やすことは、配線効率を低下させ、基板
寸法を大きくしていた。一方、金属基板2の代わりに、
アルミナ(Al2O3)板或は窒化アルミ(AlN)板の表面に
ニッケル(Ni)或は銅(Cu)の層を形成してメタライズ
基板としたDBC(Direct Bond Copper)基板或は窒化ア
ルミ基板を使用し、これを表面をメッキした放熱容器に
半田付けする構成も考えられるが、次のような問題があ
った。まず、電気的絶縁性がありかつ金属基板に比べ放
熱性は良いが、アルミナおよび窒化アルミは鋳物である
ために割れ易く、電極部分、特に外部接続用リード7の
取り付け部分の機械的強度が弱いという問題があった。
また、この種の基板は、鋳物であるアルミナ板或は窒化
アルミ板と、金属である表面のニッケル或は銅の層との
熱膨張係数の差が大きい。このために、基板を大きくし
た場合には発生する熱応力が大きくなり(基板が大きい
程、反りが大きい)、放熱容器に半田付けする際に受け
る熱、或は多数のMOS−FETのスイッチングで発生
する熱(熱疲労)によって基板が割れてしまうといった問
題があった。さらに別の問題点として、アルミ線は防湿
のためにシリコンゲルで覆う必要があるが、上述したよ
うな構造の従来のパワーモジュールの場合では、放熱容
器1の金属基板2が設けられたキャビティ部分全体にシ
リコンゲルを注入する必要があり、多量のシリコンゲル
が必要があるという問題があった。従来のパワーモジュ
ールには以上のような問題点があった。
【0006】この発明は上記の問題点を解消するために
なされたもので、MOS−FET等の素子数の削減、基
板の小形化、さらにシリコンゲル量の低減、によるコス
トダウンおよび小形化を図ったパワーモジュールを得る
ことを目的とする。
なされたもので、MOS−FET等の素子数の削減、基
板の小形化、さらにシリコンゲル量の低減、によるコス
トダウンおよび小形化を図ったパワーモジュールを得る
ことを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明の第1の発明は、熱伝導率の良い放熱体と、この放
熱体上に絶縁板を介して半田付けされた発熱素子と、こ
の放熱体の上方に配置され、上面に上記発熱素子のため
の回路パターンが形成され、上記発熱素子に対応する位
置に開口穴が設けられた金属基板と、この金属基板の開
口穴を介して上記回路パターンと発熱素子とを接続する
金属線と、を備えたパワーモジュールにある。
発明の第1の発明は、熱伝導率の良い放熱体と、この放
熱体上に絶縁板を介して半田付けされた発熱素子と、こ
の放熱体の上方に配置され、上面に上記発熱素子のため
の回路パターンが形成され、上記発熱素子に対応する位
置に開口穴が設けられた金属基板と、この金属基板の開
口穴を介して上記回路パターンと発熱素子とを接続する
金属線と、を備えたパワーモジュールにある。
【0008】またこの発明の第2の発明は、上記放熱体
と金属基板の間に挟まれて、上記発熱素子の周囲を覆う
リングと、上記発熱素子および金属線を覆うように上記
リング内に充填された保護材と、をさらに備えた請求項
1のパワーモジュールにある。
と金属基板の間に挟まれて、上記発熱素子の周囲を覆う
リングと、上記発熱素子および金属線を覆うように上記
リング内に充填された保護材と、をさらに備えた請求項
1のパワーモジュールにある。
【0009】またこの発明の第3の発明は、上記発熱素
子が上記金属線が接続固定されるボンディング台を設け
た請求項1のパワーモジュールにある。
子が上記金属線が接続固定されるボンディング台を設け
た請求項1のパワーモジュールにある。
【0010】
【作用】この発明の第1の発明によるパワーモジュール
では、MOS−FET等の発熱素子は全て、表面メッキ
したアルミ板等からなる金属放熱板上にそれぞれ絶縁板
(アルミナ絶縁体や窒化アルミ絶縁板)を介して半田付け
して搭載し、発熱素子用の回路パターンは、この金属放
熱板の上方に設けられた金属基板上に形成する。そして
金属基板の各発熱素子の上部に当たる部分には開口穴を
設け、開口穴を介して発熱素子と金属基板をアルミ線で
接続するようにしている。これにより、発熱素子が搭載
された金属放熱板には回路パターン等を形成するための
樹脂性の絶縁層が不要となり、発熱素子の放熱経路には
樹脂層がなくなり、放熱効果が向上する。また、金属放
熱板の放熱効果が向上したことにより、従来のようにM
OS−FETを複数個、並列接続して電流値やオン抵抗
を低減する幅が少なくてすみ(MOS−FET素子の数
を減らすことができる)、また、発熱素子を搭載した金
属放熱板と回路パターンが形成された金属基板との2枚
の基板からなる立体的構造にしたので、金属基板の任意
の位置に開口穴を設け、この開口穴を介してアルミ線で
各発熱素子と金属基板の回路パターンとを自由に結線で
きるので、回路パターンの引き回しが少なくてすみ、各
基板の小形化、ひいてはパワーモジュール全体の小形化
が図れる。
では、MOS−FET等の発熱素子は全て、表面メッキ
したアルミ板等からなる金属放熱板上にそれぞれ絶縁板
(アルミナ絶縁体や窒化アルミ絶縁板)を介して半田付け
して搭載し、発熱素子用の回路パターンは、この金属放
熱板の上方に設けられた金属基板上に形成する。そして
金属基板の各発熱素子の上部に当たる部分には開口穴を
設け、開口穴を介して発熱素子と金属基板をアルミ線で
接続するようにしている。これにより、発熱素子が搭載
された金属放熱板には回路パターン等を形成するための
樹脂性の絶縁層が不要となり、発熱素子の放熱経路には
樹脂層がなくなり、放熱効果が向上する。また、金属放
熱板の放熱効果が向上したことにより、従来のようにM
OS−FETを複数個、並列接続して電流値やオン抵抗
を低減する幅が少なくてすみ(MOS−FET素子の数
を減らすことができる)、また、発熱素子を搭載した金
属放熱板と回路パターンが形成された金属基板との2枚
の基板からなる立体的構造にしたので、金属基板の任意
の位置に開口穴を設け、この開口穴を介してアルミ線で
各発熱素子と金属基板の回路パターンとを自由に結線で
きるので、回路パターンの引き回しが少なくてすみ、各
基板の小形化、ひいてはパワーモジュール全体の小形化
が図れる。
【0011】また、第2の発明によるパワーモジュール
では、MOS−FETおよびアルミ線の防湿用の保護材
をMOS−FETの周囲を囲むリング内にのみ充填すれ
ばよいので、保護材の充填量が少なくてすむ。
では、MOS−FETおよびアルミ線の防湿用の保護材
をMOS−FETの周囲を囲むリング内にのみ充填すれ
ばよいので、保護材の充填量が少なくてすむ。
【0012】また、第3の発明によるパワーモジュール
では、発熱素子の特に抵抗体に、アルミ線をボンディン
グするためのアルミからなるボンディング台を設え、ア
ルミ線の接合を容易にしている。
では、発熱素子の特に抵抗体に、アルミ線をボンディン
グするためのアルミからなるボンディング台を設え、ア
ルミ線の接合を容易にしている。
【0013】
【実施例】以下、この発明の実施例を図に従って説明す
る。 実施例1.図1はこの発明の一実施例によるパワーモジ
ュールの断面図である。従来のものと同一もしくは相当
する部分は同一符号で示す。図において、110はパワ
ーモジュール、10は放熱容器、10aは凹凸部、30
は金属放熱板であるアルミ板で、後述する放熱素子を半
田付けするために表面にニッケルメッキ層30aが施さ
れている。30cはアルミ板30を放熱容器10に固定
するためのピン、30dはアルミ板30と放熱容器10
との間の熱伝導を良くするためのシリコングリスであ
る。12はMOS−FET5および抵抗体3とアルミ板
30の間にそれぞれ挿入された、両面に半田付け用のニ
ッケル(Ni)メッキ或は銅箔(Cu)を施したメタライズ
されたアルミナ絶縁板である。このアルミナ絶縁板12
は各素子5、3とアルミ板30との間を電気的に絶縁す
ると共に、素子5、3で発生された熱はアルミ板30に
効率良く伝える、熱伝導性の高い絶縁板である。そして
MOS−FET5の場合、MOS−FET5、銅ヒート
シンク4、アルミナ絶縁板12およびアルミ板30の間
はそれそれ半田である。また、抵抗体3の場合も、抵抗
体3、アルミナ絶縁板12およびアルミ板30の間はそ
れそれ半田である。また、20は図8の金属基板2と同
様のアルミ板20aに樹脂絶縁層20bを形成した金属
基板、21は樹脂絶縁層20b上に形成された回路パタ
ーン、22はMOS−FET5および抵抗体3等の放熱
素子の位置に合わせて金属基板20に形成された開口穴
である。金属基板20は回路パターン21に対して放熱
効果を有すると共に、図1に示すように配置固定される
ために、これに耐え得る強度を有する。40は1つ或は
複数のMOS−FET5および抵抗体3等の放熱素子の
周囲を囲むリングで、アルミ板30と金属基板20の間
に挟まれ、アルミ板30上に固定されている。そして1
1はこれらのリング40の中に充填される放熱素子およ
びアルミ線6を保護(防湿等)する保護材であるシリコン
ゲルである。なお、金属基板20上の回路パターン21
は厚さが100μm程度の銅箔回路パターンであり、ま
た、開口穴22はMOS−FET5或は抵抗体3と同等
サイズの穴である。また、放熱容器10と金属放熱板
(アルミ板)30を含めて放熱体とする。また、図2には
金属基板20とアルミ板30の部分の部分斜視図、図3
には金属基板20だけの部分斜視図をそれぞれ示した。
さらに、図4にはリング40内のMOS−FET5の状
態を示す斜視図を示した。
る。 実施例1.図1はこの発明の一実施例によるパワーモジ
ュールの断面図である。従来のものと同一もしくは相当
する部分は同一符号で示す。図において、110はパワ
ーモジュール、10は放熱容器、10aは凹凸部、30
は金属放熱板であるアルミ板で、後述する放熱素子を半
田付けするために表面にニッケルメッキ層30aが施さ
れている。30cはアルミ板30を放熱容器10に固定
するためのピン、30dはアルミ板30と放熱容器10
との間の熱伝導を良くするためのシリコングリスであ
る。12はMOS−FET5および抵抗体3とアルミ板
30の間にそれぞれ挿入された、両面に半田付け用のニ
ッケル(Ni)メッキ或は銅箔(Cu)を施したメタライズ
されたアルミナ絶縁板である。このアルミナ絶縁板12
は各素子5、3とアルミ板30との間を電気的に絶縁す
ると共に、素子5、3で発生された熱はアルミ板30に
効率良く伝える、熱伝導性の高い絶縁板である。そして
MOS−FET5の場合、MOS−FET5、銅ヒート
シンク4、アルミナ絶縁板12およびアルミ板30の間
はそれそれ半田である。また、抵抗体3の場合も、抵抗
体3、アルミナ絶縁板12およびアルミ板30の間はそ
れそれ半田である。また、20は図8の金属基板2と同
様のアルミ板20aに樹脂絶縁層20bを形成した金属
基板、21は樹脂絶縁層20b上に形成された回路パタ
ーン、22はMOS−FET5および抵抗体3等の放熱
素子の位置に合わせて金属基板20に形成された開口穴
である。金属基板20は回路パターン21に対して放熱
効果を有すると共に、図1に示すように配置固定される
ために、これに耐え得る強度を有する。40は1つ或は
複数のMOS−FET5および抵抗体3等の放熱素子の
周囲を囲むリングで、アルミ板30と金属基板20の間
に挟まれ、アルミ板30上に固定されている。そして1
1はこれらのリング40の中に充填される放熱素子およ
びアルミ線6を保護(防湿等)する保護材であるシリコン
ゲルである。なお、金属基板20上の回路パターン21
は厚さが100μm程度の銅箔回路パターンであり、ま
た、開口穴22はMOS−FET5或は抵抗体3と同等
サイズの穴である。また、放熱容器10と金属放熱板
(アルミ板)30を含めて放熱体とする。また、図2には
金属基板20とアルミ板30の部分の部分斜視図、図3
には金属基板20だけの部分斜視図をそれぞれ示した。
さらに、図4にはリング40内のMOS−FET5の状
態を示す斜視図を示した。
【0014】図1〜図4から分かるようにパワーモジュ
ール110では、放熱素子であるMOS−FET5およ
び抵抗体3が、良好な放熱効果が得られるように放熱容
器10に密着して固定されたアルミ板30上に実装さ
れ、これらの放熱素子のための電気的接続は、アルミ板
30の上方に間隔をおいて平行に設けられた金属基板2
0で行うようにした。この金属基板20にはアルミ板3
0上の各放熱素子の上方部分にそれぞれ開口穴22が形
成されており、金属基板20上の回路パターン21と放
熱素子との電気的接続はこの開口穴22を介してアルミ
線6等により行われる。金属基板20はなお、金属基板
20は放熱容器10に接着材(図示せず)により接着固定
される。また制御回路を搭載する回路基板8に関して
は、従来のものと基本的に同じである。また、発熱素子
(3、5)およびアルミ線6を保護(防湿等)するシリコン
ゲル11は、リング40内およびその上部のアルミ線6
を覆うように充填されている。
ール110では、放熱素子であるMOS−FET5およ
び抵抗体3が、良好な放熱効果が得られるように放熱容
器10に密着して固定されたアルミ板30上に実装さ
れ、これらの放熱素子のための電気的接続は、アルミ板
30の上方に間隔をおいて平行に設けられた金属基板2
0で行うようにした。この金属基板20にはアルミ板3
0上の各放熱素子の上方部分にそれぞれ開口穴22が形
成されており、金属基板20上の回路パターン21と放
熱素子との電気的接続はこの開口穴22を介してアルミ
線6等により行われる。金属基板20はなお、金属基板
20は放熱容器10に接着材(図示せず)により接着固定
される。また制御回路を搭載する回路基板8に関して
は、従来のものと基本的に同じである。また、発熱素子
(3、5)およびアルミ線6を保護(防湿等)するシリコン
ゲル11は、リング40内およびその上部のアルミ線6
を覆うように充填されている。
【0015】このような構成のパワーモジュールでは、
MOS−FET5で発生した熱は、半田層、銅ヒートシ
ンク4、半田層、アルミナ絶縁板12、半田層、アルミ
板30、放熱容器10という放熱経路を経て外部に放出
される。従って、従来のように放熱経路に樹脂層がない
ために放熱効果が向上し、MOS−FET5を並列接続
して電流値やオン抵抗を低減する幅が少なくてすみ、使
用するMOS−FET5の素子数を減らすことができ
る。一般に樹脂層に比べて半田層は10倍程度熱伝導率
がよい。また、ここで使用されているアルミナ絶縁板1
2は、MOS−FET5より多少大きい程度であり、こ
のような小さいアルミナ絶縁板12であれば、発生する
熱応力も小さく、アルミ板30に半田付けされる際に受
ける熱或はMOS−FET5のスイッチングで発生する
熱による熱応力によって起きる熱疲労は信頼性の上で、
特に問題がない程度のレベルである。
MOS−FET5で発生した熱は、半田層、銅ヒートシ
ンク4、半田層、アルミナ絶縁板12、半田層、アルミ
板30、放熱容器10という放熱経路を経て外部に放出
される。従って、従来のように放熱経路に樹脂層がない
ために放熱効果が向上し、MOS−FET5を並列接続
して電流値やオン抵抗を低減する幅が少なくてすみ、使
用するMOS−FET5の素子数を減らすことができ
る。一般に樹脂層に比べて半田層は10倍程度熱伝導率
がよい。また、ここで使用されているアルミナ絶縁板1
2は、MOS−FET5より多少大きい程度であり、こ
のような小さいアルミナ絶縁板12であれば、発生する
熱応力も小さく、アルミ板30に半田付けされる際に受
ける熱或はMOS−FET5のスイッチングで発生する
熱による熱応力によって起きる熱疲労は信頼性の上で、
特に問題がない程度のレベルである。
【0016】また、発熱素子を含む大電流が流れる回路
部分を、MOS−FET5および抵抗体3の発熱素子を
アルミ板30上に配置し、回路パターン21はこのアル
ミ板30の上方の別の金属基板20上に形成し、双方の
電気的接続は金属基板20に形成された開口穴22を介
してアルミ線6で行うという立体構造にしたので、回路
を構成する際の自由度が向上した。またこれにより、上
記放熱金属板と共に金属基板の小形化が図れ、ひいては
パワーモジュールの小形化が図れる。また、シリコンゲ
ル11はリング40内およびこの上部のアルミ線6を覆
うように充填すればよいのでシリコンゲル11を節約で
きる。さらにリング40はシリコンゲル11が流れるの
を止めるという目的以外に、金属基板20を裏面から支
持する役割も果たす。本実施例の金属基板20は放熱容
器10の周縁でしか支持されないため、アルミ線6の金
属基板20上の回路パターン21へのボンディングによ
って金属基板20が橈んでアルミ線6が切断してしまう
可能性があり、これをリング40が金属基板20を裏面
から支持することで防止している。
部分を、MOS−FET5および抵抗体3の発熱素子を
アルミ板30上に配置し、回路パターン21はこのアル
ミ板30の上方の別の金属基板20上に形成し、双方の
電気的接続は金属基板20に形成された開口穴22を介
してアルミ線6で行うという立体構造にしたので、回路
を構成する際の自由度が向上した。またこれにより、上
記放熱金属板と共に金属基板の小形化が図れ、ひいては
パワーモジュールの小形化が図れる。また、シリコンゲ
ル11はリング40内およびこの上部のアルミ線6を覆
うように充填すればよいのでシリコンゲル11を節約で
きる。さらにリング40はシリコンゲル11が流れるの
を止めるという目的以外に、金属基板20を裏面から支
持する役割も果たす。本実施例の金属基板20は放熱容
器10の周縁でしか支持されないため、アルミ線6の金
属基板20上の回路パターン21へのボンディングによ
って金属基板20が橈んでアルミ線6が切断してしまう
可能性があり、これをリング40が金属基板20を裏面
から支持することで防止している。
【0017】なお、上記実施例では金属放熱板として表
面にニッケルメッキを施したアルミ板30を使用した
が、表面に銅メッキを施したアルミ板でもよい。さら
に、アルミ板の代わりに銅板にニッケルメッキを施した
ものであってもよい。
面にニッケルメッキを施したアルミ板30を使用した
が、表面に銅メッキを施したアルミ板でもよい。さら
に、アルミ板の代わりに銅板にニッケルメッキを施した
ものであってもよい。
【0018】実施例2.図5はこの発明の別の実施例に
よるパワーモジュールの断面図である。この実施例のパ
ワーモジュール120では、実施例1におけるMOS−
FET5の放熱構造部の銅ヒートシンク4およびアルミ
ナ絶縁板12、並びに抵抗体3の放熱構造部のアルミナ
絶縁板12の代わりに、両面に半田付け用のニッケル
(Ni)メッキ或は銅箔(Cu)を施したメタライズされた
窒化アルミ絶縁板14を使用して、放熱性を更に高めて
いる。この窒化アルミ絶縁板14は実施例1のアルミナ
絶縁板12よりさらに熱伝導率の高い絶縁板である。ま
た、アルミ板30(金属放熱板)と金属基板20との間の
距離が、銅ヒートシンク4の分だけ短くできる。これに
より実施例1のものに比べ、放熱性が更に向上し、また
より小形にすることができる。
よるパワーモジュールの断面図である。この実施例のパ
ワーモジュール120では、実施例1におけるMOS−
FET5の放熱構造部の銅ヒートシンク4およびアルミ
ナ絶縁板12、並びに抵抗体3の放熱構造部のアルミナ
絶縁板12の代わりに、両面に半田付け用のニッケル
(Ni)メッキ或は銅箔(Cu)を施したメタライズされた
窒化アルミ絶縁板14を使用して、放熱性を更に高めて
いる。この窒化アルミ絶縁板14は実施例1のアルミナ
絶縁板12よりさらに熱伝導率の高い絶縁板である。ま
た、アルミ板30(金属放熱板)と金属基板20との間の
距離が、銅ヒートシンク4の分だけ短くできる。これに
より実施例1のものに比べ、放熱性が更に向上し、また
より小形にすることができる。
【0019】実施例3.この実施例は、上記各実施例の
抵抗体とアルミ線との接続に関するものである。図6
は、アルミ板30(金属放熱板)上に搭載されたこの実施
例による抵抗体3を示す斜視図である。上記各実施例で
は、回路パターン21が形成された金属基板20が抵抗
体3の上側にあるため、アルミ線6をなるべく短くする
には抵抗体3の上部で接続をとるのが望ましい。しかし
ながら抵抗体3は銅とニッケルの合金からなり、そのま
まではアルミ線6はボンディングできない。なお、従来
は抵抗体の底面が回路パターンに半田により接続固定さ
れていたので、アルミ線を抵抗体に直接、接続すること
はなかった。そこでこの実施例では、抵抗体3のボンデ
ィング部分にボンディング台であるアルミ台3aを半田
3bで固着し、このアルミ台3aにアルミ線6をボンデ
ィングすることにより、アルミ線6を抵抗体3に直接接
続することを可能にしている。
抵抗体とアルミ線との接続に関するものである。図6
は、アルミ板30(金属放熱板)上に搭載されたこの実施
例による抵抗体3を示す斜視図である。上記各実施例で
は、回路パターン21が形成された金属基板20が抵抗
体3の上側にあるため、アルミ線6をなるべく短くする
には抵抗体3の上部で接続をとるのが望ましい。しかし
ながら抵抗体3は銅とニッケルの合金からなり、そのま
まではアルミ線6はボンディングできない。なお、従来
は抵抗体の底面が回路パターンに半田により接続固定さ
れていたので、アルミ線を抵抗体に直接、接続すること
はなかった。そこでこの実施例では、抵抗体3のボンデ
ィング部分にボンディング台であるアルミ台3aを半田
3bで固着し、このアルミ台3aにアルミ線6をボンデ
ィングすることにより、アルミ線6を抵抗体3に直接接
続することを可能にしている。
【0020】
【発明の効果】以上のようにこの発明の第1の発明によ
るパワーモジュールでは、MOS−FET等の発熱素子
は全て、表面メッキしたアルミ板等からなる金属放熱板
上にそれぞれ絶縁板(アルミナ絶縁体や窒化アルミ絶縁
板)を介して半田付けして搭載し、発熱素子用の回路パ
ターン等は、この金属放熱板の上方に設けられた金属基
板上に形成した。そして金属基板の各発熱素子の上部に
当たる部分には開口穴を設け、開口穴を介して発熱素子
と金属基板をアルミ線で接続するようにした。これによ
り、発熱素子が搭載された金属放熱板には回路パターン
等を形成するための樹脂性の絶縁層が不要となり、発熱
素子の放熱経路には樹脂層がなくなり、放熱効果が向上
した。また、金属放熱板の放熱効果が向上したことによ
り、従来のようにMOS−FETを複数個、並列接続し
て電流値やオン抵抗を低減する幅が少なくてすみ、ま
た、発熱素子を搭載した金属放熱板と回路パターンが形
成された金属基板との2枚の基板からなる立体的構造に
したので、金属基板の任意の位置に開口穴を設け、この
開口穴を介してアルミ線で各発熱素子と金属基板の回路
パターンとを自由に結線できるので、回路パターンの引
き回しが少なくてすみ、各基板の小形化、ひいてはパワ
ーモジュール全体の小形化が図れる。以上のようなこと
から、より安価なパワーモジュールを提供できる効果が
得られる。
るパワーモジュールでは、MOS−FET等の発熱素子
は全て、表面メッキしたアルミ板等からなる金属放熱板
上にそれぞれ絶縁板(アルミナ絶縁体や窒化アルミ絶縁
板)を介して半田付けして搭載し、発熱素子用の回路パ
ターン等は、この金属放熱板の上方に設けられた金属基
板上に形成した。そして金属基板の各発熱素子の上部に
当たる部分には開口穴を設け、開口穴を介して発熱素子
と金属基板をアルミ線で接続するようにした。これによ
り、発熱素子が搭載された金属放熱板には回路パターン
等を形成するための樹脂性の絶縁層が不要となり、発熱
素子の放熱経路には樹脂層がなくなり、放熱効果が向上
した。また、金属放熱板の放熱効果が向上したことによ
り、従来のようにMOS−FETを複数個、並列接続し
て電流値やオン抵抗を低減する幅が少なくてすみ、ま
た、発熱素子を搭載した金属放熱板と回路パターンが形
成された金属基板との2枚の基板からなる立体的構造に
したので、金属基板の任意の位置に開口穴を設け、この
開口穴を介してアルミ線で各発熱素子と金属基板の回路
パターンとを自由に結線できるので、回路パターンの引
き回しが少なくてすみ、各基板の小形化、ひいてはパワ
ーモジュール全体の小形化が図れる。以上のようなこと
から、より安価なパワーモジュールを提供できる効果が
得られる。
【0021】また、第2の発明によるパワーモジュール
では、MOS−FETの周囲を囲むリングを金属放熱板
と金属基板の間に設け、MOS−FETおよびアルミ線
の防湿用の保護材をこのリング内にのみ充填するように
したので、保護材の注入量の削減が図れ、さらなるコス
ト低減が図れるという効果が得られる。
では、MOS−FETの周囲を囲むリングを金属放熱板
と金属基板の間に設け、MOS−FETおよびアルミ線
の防湿用の保護材をこのリング内にのみ充填するように
したので、保護材の注入量の削減が図れ、さらなるコス
ト低減が図れるという効果が得られる。
【0022】また、第3の発明によるパワーモジュール
では、発熱素子の特に抵抗体に、アルミ線をボンディン
グするためのアルミからなるボンディング台を設えたの
で、アルミ線の接合が容易に行える効果が得られる。
では、発熱素子の特に抵抗体に、アルミ線をボンディン
グするためのアルミからなるボンディング台を設えたの
で、アルミ線の接合が容易に行える効果が得られる。
【0023】以上のようにこの発明によれば、MOS−
FET使用数の削減、各基板の小形化、シリコンゲル注
入量の削減によるコスト低減、および放熱構造の自由度
の向上を図ったパワーモジュールが提供できる。
FET使用数の削減、各基板の小形化、シリコンゲル注
入量の削減によるコスト低減、および放熱構造の自由度
の向上を図ったパワーモジュールが提供できる。
【図1】この発明の一実施例によるパワーモジュールの
断面図である。
断面図である。
【図2】図1のパワーモジュールの金属放熱板と金属基
板の部分を示す部分斜視図である。
板の部分を示す部分斜視図である。
【図3】図1のパワーモジュールの金属基板の部分を示
す部分斜視図である。
す部分斜視図である。
【図4】図1のパワーモジュールのMOS−FETの部
分を示す部分斜視図である。
分を示す部分斜視図である。
【図5】この発明の別の実施例によるパワーモジュール
の断面図である。
の断面図である。
【図6】この発明のパワーモジュールにおける発熱素子
である抵抗体の一実施例を示す斜視図である。
である抵抗体の一実施例を示す斜視図である。
【図7】モータ制御用のパワーモジュールの回路図であ
る。
る。
【図8】従来のパワーモジュールの断面図である。
3 抵抗体 3a アルミ台(ボンディング台) 4 銅ヒートシンク 5 MOS−FET 6 アルミ線 7 外部接続用リード 8 回路基板 9 リード 10 放熱容器 11 シリコンゲル(保護材) 12 アルミナ絶縁板 20 金属基板 20a アルミ板 20b 樹脂絶縁層 21 回路パターン 22 開口穴 30 アルミ板(金属放熱板) 30a ニッケルメッキ層 30c ピン 30d シリコングリス 40 リング 110 パワーモジュール 120 パワーモジュール
Claims (3)
- 【請求項1】 熱伝導率の良い放熱体と、 この放熱体上に絶縁板を介して半田付けされた発熱素子
と、 この放熱体の上方に配置され、上面に上記発熱素子のた
めの回路パターンが形成され、上記発熱素子に対応する
位置に開口穴が設けられた金属基板と、 この金属基板の開口穴を介して上記回路パターンと発熱
素子とを接続する金属線と、 を備えたパワーモジュール。 - 【請求項2】 上記放熱体と金属基板の間に挟まれて、
上記発熱素子の周囲を覆うリングと、上記発熱素子およ
び金属線を覆うように上記リング内に充填された保護材
と、を備えた請求項1のパワーモジュール。 - 【請求項3】 上記発熱素子が上記金属線が接続固定さ
れるボンディング台を備えた請求項1のパワーモジュー
ル。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5309166A JPH07161925A (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | パワーモジュール |
US08/351,633 US5536972A (en) | 1993-12-09 | 1994-12-07 | Power module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5309166A JPH07161925A (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | パワーモジュール |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07161925A true JPH07161925A (ja) | 1995-06-23 |
Family
ID=17989733
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5309166A Pending JPH07161925A (ja) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | パワーモジュール |
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Country | Link |
---|---|
US (1) | US5536972A (ja) |
JP (1) | JPH07161925A (ja) |
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CN113632216A (zh) * | 2019-03-27 | 2021-11-09 | NexFi技术株式会社 | 功率基板及具备该功率基板的高电压模块 |
DE102022202894A1 (de) | 2022-03-24 | 2023-09-28 | Zf Friedrichshafen Ag | Leistungsmodul und verfahren zum montieren eines leistungsmoduls |
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-
1993
- 1993-12-09 JP JP5309166A patent/JPH07161925A/ja active Pending
-
1994
- 1994-12-07 US US08/351,633 patent/US5536972A/en not_active Expired - Fee Related
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