JPH1084078A

JPH1084078A - パワー半導体装置

Info

Publication number: JPH1084078A
Application number: JP23616796A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Koike; 義彦小池; Yukio Sonobe; 幸男薗部; Hideo Shimizu; 英雄清水; Tadao Kushima; 忠雄九嶋; Akira Tanaka; 明田中; Koichi Inoue; 広一井上; Ryuichi Saito; 隆一斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JP3267169B2

Abstract

(57)【要約】【課題】内部絶縁型のパワー半導体装置において底面金
属基板と各々の端子間、及び絶縁を必要とする端子間の
沿面距離を小さな領域で確保することで小型で薄型の大
容量のＩＧＢＴモジュールを達成する。【解決手段】小さな領域で沿面距離を確保するために取
付けボルト底面が接触するモジュール面に絶縁の溝を設
けた。【効果】底面金属基板と各々の端子間、及び絶縁を必要
とする端子間の沿面距離を取付けボルト底面が接触する
モジュール面に絶縁の溝に設けることで小型化で薄型化
が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパワー半導体装置に
係り、特に、大容量で高信頼性を達成した高耐圧用半導
体モジュールの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からＩＧＢＴ，ダイオード，ＧＴ
Ｏ，トランジスタ等のパワー半導体素子を絶縁容器内に
密封して構成したパワー半導体モジュールが知られてい
る。これらの素子はその耐圧や電流容量に応じて各種イ
ンバータ装置などに応用されている。中でもＩＧＢＴは
電圧制御型の素子であるので制御が容易であり、大電流
の高周波動作が可能であるなどの利点を有している素子
である。また、モジュール使用上の簡便性の点から多く
の場合はモジュール底面金属基板部と電流通電部が電気
的に絶縁された構造となっている。

【０００３】これらのモジュールの絶縁性の確保に関し
ては、その指針として日本国内では日本電機工業会標準
規格（ＪＥＭ規格）、海外ではInternational Electrot
echnical commission(ＩＥＣ規格）等によってモジュー
ルが使用される環境，印加電圧によって絶縁に必要な沿
面距離，空間距離を規定している。モジュールサイズに
制約がない場合は底面金属基板と端子の間（Ｂ−Ｔ
間）、あるいはモジュールの端子と端子の間（Ｔ−Ｔ
間）の距離をモジュールを大型化することで十分に確保
することができる。しかし、モジュールの小型化（サイ
ズの小型化，薄型化）が進むにつれＢ−Ｔ間，Ｔ−Ｔ間
とも平坦な面で直接沿面距離，空間距離を確保すること
が難しくなる。そのため一般的に実用新案公告平2−362
81号の図１に示すようなモジュール上面を形成する樹脂
の一部に沿面距離を確保するための突起を付ける構造、
あるいは特開平1−144662 号の図３，図４に示すように
主端子間にストライプ状の溝を設けて沿面距離を確保し
ていた。これらの絶縁壁の高さ、あるいは溝の深さに関
しては沿面距離を確保することができれば良く特にモジ
ュールの他の部分との寸法の相関は規定されていない。
また、特に近接する１端子の絶縁距離を確保する方法と
して、該当する端子高さを他の端子と変える方法、ある
いは該当する端子周辺を絶縁の壁、あるいは溝で囲む方
法で沿面距離を確保していた。

【０００４】モジュールを実装するためのモジュール外
部配線子接続位置に関してはモジュール内部の構造とモ
ジュール間の実装の簡便性から決定される。モジュール
の定格が小さい場合はモジュール内部で複数の半導体素
子間を並列に配線し、モジュール外部へは１種類の電極
を１本にすることが一般的である。しかし電流容量が大
きくなるとモジュール内部での配線が難しくなりむしろ
外部で並列配線した方が配線抵抗，配線インダクタンス
低減に有効な場合がある。この時モジュール外部端子が
同極でも複数本配置され、その形状は部品共通化も考慮
して外部形状，配線接続位置を同じにしていた。また、
モジュール取付けが６箇所以上の場合は配線接続位置の
ピッチを部品ピッチすなわちモジュール取付けボルト位
置のピッチと同じにし部品の共通化を図っていた。

【０００５】モジュールの反りに関しては、底面金属基
板とモジュール側面及び上面を形成する有機樹脂材料を
シリコーン接着剤によって一体にしてモジュールを構成
する場合、底面金属基板と有機樹脂との膨張係数差によ
ってモジュール形成後の底面金属基板に反りが発生し、
反り量はモジュールが大型化すると大きくなる。この反
り量低減のために実用新案公告平2−36281号の図１に示
すような梁をケースの側面に設け変形量を小さくしてい
た。あるいは底面金属基板にあらかじめモジュール完成
後に反る反対の方向に反りを付けておき、モジュール完
成後の反り量を低減させていた。また、モジュールの長
辺に底面金属基板と有機樹脂ケースをボルトにより機械
的に固定することで底面金属ベースと有機樹脂ケース間
の接着強度を向上させていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、以下のような問題点がある。

【０００７】（１）沿面距離はモジュールの定格（素子
耐圧）が向上すればそれに伴い大きくなる。高耐圧素子
の場合は沿面距離、すなわち底面金属基板と各々の端子
間距離を確保するためモジュール高さが高くなる。ま
た、端子間隔を大きくする必要がある。これらはいずれ
もモジュール小型化の障害になる。また、モジュールの
高さと端子までの距離によって底面金属基板と端子間の
沿面距離を確保するため端子を周辺に配置できないなど
の制限がある。一方、モジュール間配線をする場合、端
子の幅より配線幅が大きくなるとその幅だけ沿面距離を
低減させてしまう問題があった。特にモジュール間配線
のインダクタンス低減のために平行平板電極を用いる方
法ではモジュール上面を平行平板電極で覆うような形態
になり、主端子上面より高い絶縁の壁は配線の障害にな
る。また配線と沿面距離を確保した壁を含めたモジュー
ル上面と配線との距離を確保する必要がある。しかし、
従来これらの問題点に関しては考慮されていなかった。
さらに、特定の端子の沿面距離を確保するためコ字型に
絶縁壁、あるいは溝を設けた場合は、絶縁壁がオープン
になっている方向、または端子の上面方向にしか配線を
取り出せない制限があった。また、コ字型の溝を設けた
場合は樹脂部肉厚が薄くなるため端子締付け強度が制限
された。また、絶縁溝には使用時にごみが蓄積し、絶縁
効果を低減させる問題があった。

【０００８】（２）１台で端子が同極でも複数本配置さ
れたモジュールにおいて各々の端子の配線接続位置が、
モジュール外部配線接続位置のピッチとモジュール内部
の部品ピッチすなわちモジュール取付けボルト位置のピ
ッチとが異なる場合、各々に対応した端子を形成する必
要があり、モジュールを構成する部品数が増え、部品コ
ストの増加，組立の複雑化などの問題があった。

【０００９】（３）モジュールの反りでは、ケース外周
の一部に梁を設ける構造とするためには梁の領域だけモ
ジュールが大きくなる。また、モジュールが大型化した
場合は、同じ寸法の梁では梁の効果が小さくなり反り量
低減の効果が小さくなる。また、ベースにあらかじめ反
りを付けモジュール完成後の平坦度を確保する方法で
は、モジュール稼働時にケース温度が上下することで底
面金属基板が変動する量は抑制することはできない。こ
のため、底面金属基板と有機樹脂ケースを接着している
シリコーン接着剤が劣化して剥離する問題、あるいはモ
ジュール実装時、底面金属基板とモジュールを実装する
放熱フィンとの間の熱伝導を確保するために塗布したグ
リースが稼働時の変形により流失し、冷却効果を低減さ
せる問題があった。モジュールの長辺方向の底面金属基
板と有機樹脂ケースを機械的にボルトで固定する方法
は、固定するのが長辺方向だけだったためモジュールの
長辺方向と短辺方向の反りの凹凸が反対になり馬鞍状に
なる。このためモジュール実装時、モジュール面内での
グリースの厚さがばらつき、場所によって冷却効果が違
いモジュール内部は半導体素子間の温度が異なる問題、
あるいは直交する方向での変形量が正負が逆転している
状態のためモジュール内部で使用ししている絶縁基板へ
の付加応力が大きいため絶縁基板の割れ等の問題があっ
た。

【００１０】本発明の目的は、必要十分な沿面距離を確
保し、大容量でも反りが小さく高信頼性のパワー半導体
モジュールを安価に提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を対策し、大容
量のモジュールを得るために本発明では以下の手段を用
いた。

【００１２】（１）沿面距離の確保のためにモジュール
底面金属基板とモジュールから外部電極に配線するいず
れの端子間との沿面距離が、モジュールを放熱フィンに
実装する取付けボルトの底面が接触するモジュールの面
からモジュールの外部電極に配線する端子高さまでの距
離とケース側面から底面金属基板と同電位となる部品ま
での最短距離とモジュールのケース側面から前記端子ま
での最短距離を加えた長さより長い構造とした。このた
めに取付けボルト底面が接触するモジュール面に絶縁距
離として最低限必要な幅（以下ａ１と略す）以上の溝を
設けた。また、この溝の沿面距離を有効にするためにモ
ジュール取付けボルトとメタルコンタクトさせるケース
リングを含め底面金属基板と同電位のボルト，ばね座
金，平座金等がケース側に片寄りして最もケース側面に
近づいた時の間隔も距離ａ１以上を確保する配置とし
た。また、主端子の底面側と接するケース上面の一部に
ａ１以上の段差を設けた。また、溝を挟んで相対する端
子の曲げ方向が溝とは逆方向になるようにした。

【００１３】（２）沿面距離を確保する必要のある端子
間に溝、あるいは絶縁壁、あるいは溝と壁を併用した。
これらの壁の高さは全て主端子上面と接する仮想面より
ａ１以上の距離を確保できる高さとした。

【００１４】（３）沿面距離を確保する必要のある端子
間にａ１以上の幅を持った溝、あるいは絶縁壁を配置し
た。この溝、あるいは壁の形状は沿面距離確保が必要な
端子の周辺の２方向にしか配置させない構造、すなわち
クランク型の溝、あるいは絶縁壁とした。

【００１５】（４）モジュール間を配線するためのモジ
ュール端子の形状に対して配線接続位置すなわち端子と
配線の接続ボルトの中心位置を端子によって変えた。

【００１６】（５）モジュールの完成後反り量，実働時
の温度変化による変形量を抑えるため、モジュールの長
辺方向の有機樹脂厚さを短辺方向の有機樹脂厚さに比べ
厚くした。また、底面金属基板と有機樹脂ケースのボル
トによる固定をモジュール外周の各辺全てに配置した。

【００１７】本発明の前記手段により以下の作用が得ら
れる。

【００１８】（１）沿面距離確保のためにモジュール取
付けボルト接触面にａ１以上の幅を持った溝、あるいは
壁を設け、さらにボルトによりモジュールを実装した時
に底面金属基板と同電位となる部品の内で最もケース壁
面に近づく場所の距離をａ１以上とすることで薄型のモ
ジュールでモジュールの周辺に端子を配置しても底面金
属基板と端子間の沿面距離を確保することが可能とな
る。また、ボルト接触面に設けた溝により確保できた沿
面距離だけ端子をモジュール周辺に配置することで実装
時の配線接続が容易になる。さらに、ボルト取付け位置
とケース壁面の位置をａ１以上としたことでケースリン
グをモジュール取付けボルト接触面より高くしても沿面
距離に影響を及ぼさないのでケースリングを高くするこ
とができ、モジュール取付けボルトに掛かる応力を低減
することができる。また、溝を挟んで端子の折曲げ方向
を溝と逆にすることで端子間沿面距離の精度を上げるこ
とができる。また、端子の立ち上がり面を近づけること
ができるのでインダクタンス，ノイズを低減することが
できる。

【００１９】（２）沿面距離を確保するために溝と絶縁
壁を併用する方法で、絶縁壁上面の高さを主端子の上面
が接する仮想面よりａ１以上の距離を確保することでモ
ジュール間配線を平行平板配線によってモジュール上面
を覆う構造で配線しても端子間の沿面距離を変えないこ
とが可能になる。また、主端子底面にａ１以上の段差を
設けることでモジュール間配線幅が端子幅より広い場合
でも段差部分は沿面距離として確保することができる。

【００２０】（３）端子間に溝、あるいは絶縁壁を設け
て沿面距離を確保する構造で溝、あるいは絶縁壁の形状
を端子の２辺にしか配置させないことで端子から取り出
す配線のレイアウトの自由度が向上する。特に溝の場合
は、配線の電極部が露出した部分が溝間をまたがると沿
面距離が確保されなくなるため取り出し方向が限定され
るか、配線の電極部に露出部分がないよう被覆する必要
があったがその作業を省略することができる。さらに３
辺以上を囲むコ字型の溝を形成した場合に比べ配線固定
位置の樹脂部肉厚を厚くすることができるので配線締付
け時の樹脂割れも防止できる。また、コ字型の壁を形成
した場合に比べごみ等がたまりにくいので絶縁が阻害さ
れる恐れがない。（１)〜(３）の手段により大容量で小
型，薄型のパワー半導体モジュールにおいても必要な沿
面距離（各端子と底面金属基板間，エミッタ主端子とコ
レクタ主端子間，エミッタ主端子とコレクタセンス端子
間，コレクタセンス端子とエミッタセンス、あるいはゲ
ート端子間）を確保できる。（４）同極の主端子の形状に対して配線接続位置すなわ
ち端子ボルト配置の中心位置を端子によって変える。こ
れにより、モジュール取付け穴が６箇所以上で、端子間
のピッチが部品ピッチ、すなわちモジュール取付けボル
ト位置のピッチが異なる場合でも端子の形状を同じにす
ることができる。つまり、取付け穴の位置だけを後で加
工することで端子抜き型を共通化することができる。

【００２１】（５）ケース長辺方向の樹脂部肉厚を厚く
することでケース自身に梁の効果を持たせることができ
るのでモジュールの反り量を低減することができる。ま
た、樹脂で構成するケース部品の精度も向上することが
できるので底面金属基板を接着剤を介してボルトで固定
するときの反り量を低減することができる。このボルト
をモジュール外周の各辺に配置することでモジュール長
辺と短辺の反り傾向が同じになる。これにより接着剤の
信頼性向上，モジュール内部絶縁基板の割れを防止する
ことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。

【００２３】図１は本発明を用いて作成したモジュール
の平面図、図２はモジュールの一部の断面図を示す。複
数の半導体素子２０１を半導体素子接続半田２０２によ
り接合した例えばＣｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ構造Ｃｕ貼り基
板２０３がモジュール内部の基本ユニットを構成する。
このユニット２０３が絶縁基板接続半田２０４により１
枚の例えばＣｕ、あるいはＣｕ合金からなる底面金属
基板２０５に接合して１台のモジュールを構成する。各
ユニット基板からは端子接続半田２０６によってコレク
タ端子１０１，エミッタ端子１０２，ゲート端子１０
３，エミッタセンス端子１０４，コレクタセンス端子１
０５が接続される。これらの端子はあらかじめ有機樹脂
からなる端子ブロック１０６に端子固定用熱硬化型エポ
キシ樹脂１０７によって一体化した端子ブロックとして
形成する。また、各端子を配線するために端子ブロック
１０６にはナット２１０、あるいは端子ブロックと一体
形成されたインサートナット２１１がセットされる。半
導体素子２０１を搭載した底面金属基板２０５と端子ブ
ロック１０６を接合した後シリコーン接着剤２０７によ
って有機樹脂からなる樹脂ケース１０８を接合する。樹
脂ケース１０８と端子ブロック１０６はモジュールの全
周で構成しているクランク構造に２回に分けて熱硬化型
のエポキシ樹脂１０９によって一体化し、モジュール内
部を密封する。次に端子ブロック１０６に配置した樹脂
注入口１１０よりシリコーンゲル208を注入して硬化し
た後注入口にシリコーンゴム性のキャップをしてモジュ
ール内部を密封する。シリコーンゲル２０８の注入量は
モジュール内部での絶縁を確保するために端子露出部が
ないように注入する。この時モジュール内部にはシリコ
ーンゲル２０８の熱変形を吸収させるために空間２０９
を設ける。以上の工程で完成し、図１の端子レイアウト
のモジュールの絶縁はコレクタ端子１０１とエミッタ端
子１０２間，エミッタ端子１０２とコレクタセンス端子
１０５間，エミッタセンス端子１０４とコレクタセンス
端子１０５間，各端子と底面金属基板205間が必要にな
る。これらの端子間、あるいは端子と底面金属基板間の
沿面距離確保の方法を図３〜図７で説明する。

【００２４】図３（ａ）はコレクタセンス端子１０５と
底面金属基板２０５との間隔を断面構造で示す。本発明
ではケース側面からモジュール底面金属基板２０５と同
電位となる部品までの最短距離Ｘ０とモジュールを実装
するモジュール固定用ボルト３０１底面が接するモジュ
ール面から端子高さまでの距離ｈとケース側面から端子
までの最短距離Ｘ１を加えた長さより沿面距離が長いこ
とにある。一般的にモジュールを実装した時、底面金属
基板２０５とモジュール固定用ボルト３０１，ばね座金
３０２，平座金３０３は同電位となる。本実施例ではモ
ジュール固定用ボルト３０１がばね座金３０２，平座金
３０３を介してモジュールに接する面に絶縁用溝１１１
を配置することで沿面距離Ａ−Ｂ間を確保した。この絶
縁用溝１１１はモジュールが実装される環境とモジュー
ルの定格によって決まる。本実施例では良好な環境で使
用し絶縁定格が１２６Ｖ以上であることからａ１＝１mm
以上を確保した。また、モジュール固定用ボルト３０１
底面がモジュールに接する面の絶縁用溝１１１が有効に
なるようモジュール実装時に使用するモジュール固定用
ボルト３０１と同電位になるばね座金３０２，平座金３
０３が最もケース側面３０４面に近づいた時でもケース
側面との距離がａ１以上確保できるようにモジュール取
付け位置のケースリング中心３０５を決めた。また、距
離ａ１が確保できている場合は図３（ｂ）に示すように
ケースリング１１２を樹脂部より高くすることができ
る。ケースリング１１２を高くすることによりモジュー
ル実装後稼働時の熱変形によってモジュール固定用ボル
ト３０１にかかる応力を低減することができる。これら
の効果によりコレクタセンス端子１０５はケース側面ま
で距離Ｘ１が小さい位置に配置することが可能になる。
本実施例の構造ではコレクタセンス端子１０５の配線用
のナットにインサートナット２１１を使用し、インサー
トナット２１１が樹脂ケース１０８のクランク部に接す
るまで外部に近づけることができる。この時端子ブロッ
ク１０６のクランク部でインサートナット２１１の金属
面が露出した形となるが樹脂ケース１０８と端子ブロッ
ク１０６を接合する熱硬化型エポキシ樹脂１０９によっ
て埋込まれるので問題ない。

【００２５】図４はコレクタ端子１０１とエミッタ端子
１０２との間隔を断面構造で示す。本発明では端子間の
最短距離Ｘ２より沿面距離が長く、端子１０１，１０２
上面をつないだ仮想面４０１より絶縁壁１１４の高さが
絶縁を確保できるだけ低いことにある。ここでは前述し
た条件からａ１＝１mm以上を確保した。Ｊ−Ｊ断面部で
は溝と絶縁壁１１４を併用し沿面距離Ａ−Ｂ間を確保し
た。Ｋ−Ｋ断面部では端子１０１，１０２の先端をＲ形
状にし、かつ端子ブロック１０６の主端子底面接触面１
１３にａ１の絶縁段１１５を付けて沿面距離を確保し
た。

【００２６】一方、主端子底面接触面１１３は端子１０
１，１０２の配線接続用ナットが固定される領域だけと
し、モジュール外周まで配置しない。これにより主端子
間配線の一部が浮いた形態になり配線の冷却効率が向上
する。また、モジュールを実装した時の信号線を配置す
るスペースが確保できる。さらに、信号線を取り出す方
向の自由度が向上する。

【００２７】図５はコレクタ端子１０１とエミッタ端子
１０２をラミネートブースバー505によって配線した場
合の断面図を示す。ラミネートブースバー５０５はコレ
クタ配線５０１，エミッタ配線５０２を同様にばね座金
５０７と平座金５０８を介してボルト５０６で接続す
る。それぞれの配線５０１，５０２はモジュール中央で
配線間絶縁板５０３を介して垂直に立ち上げ、さらにそ
の周辺を配線コート絶縁材５０４によって一体化する。
この配線ではモジュール外配線の相互インダクタンスを
ほとんどキャンセルすることができる。この効果は特に
本実施例で記載しているモジュール外部でＩＧＢＴユニ
ットを配線するモジュールで有効である。ラミネートブ
ースバー５０５は端子１０１，１０２との接触不良を避
けるため配線コート絶縁材５０４を底面に付けない。本
発明ではＪ−Ｊ断面部で端子１０１，１０２上面、すな
わちラミネートブースバー５０５から絶縁距離ａ１を確
保しているので沿面距離Ａ−Ｂは変わらない。一方絶縁
壁がないＫ−Ｋ断面部分でも端子１０１，１０２底面部
分にａ１の絶縁段１１５を付けているので沿面距離Ａ−
Ｂは変わらない。本発明を用いたモジュールではラミネ
ートブースバー５０５に関わらず端子１０１，１０２上
面でどのような平行平板配線を配置しても沿面距離を低
減させることがない。

【００２８】図６（ａ）は本発明を適用したモジュール
のコレクタセンス端子１０５とエミッタセンス端子１０
４の間隔を断面図で示す。本発明では端子間の最短距離
Ｘ２より沿面距離が長く、溝あるいは絶縁壁が端子の２
方向にしかないことにある。まず、ここでは前述した条
件から溝あるいは絶縁壁の幅をａ１＝１mm以上確保し
た。平面形状は図１の枠内に示す。溝１１１の形状はコ
レクタセンス端子１０５の２辺とエミッタセンス端子１
０４の２辺に位置するようクランク型とした。この溝１
１１によりコレクタセンス端子１０５はエミッタ端子１
０２とエミッタセンス端子１０４の両方からの沿面距離
を確保した。溝１１１の場合図１３で記載するが端子配
線の自由度が向上する。また、図２で示した端子配線を
接続するナット２１０，２１１周辺の端子ブロック１０
６の樹脂部肉厚を厚くすることができるので締付け時樹
脂の割れが発生することがない。図６（ｂ）には溝に変
えて絶縁壁６０１とした場合の断面図を示す。この場合
も溝の時と同じ効果がある。さらに、モジュールを実装
した場所の環境によるが、例えば空冷方式でモジュール
外部を冷却するためにファンにより風を送っている場
合、一定方向から送風されるためコレクタセンス端子１
０５の周辺にコ字型に壁を設けるよりごみなど絶縁を阻
害する要因を作りにくい利点もある。エミッタセンス端
子１０４とコレクタセンス端子１０５の曲げ方向は図２
の断面図で示したように溝に対して反対にしている。こ
れによって端子曲げ時の傾き等による端子間の沿面距離
のばらつき要因を低減できる。また、モジュールの垂直
方向に立ち上がる面を極力近づけることができるのでノ
イズによる影響を受けにくい。

【００２９】図７は沿面距離をケースの側面で確保した
実施例を示す。（ａ）はコレクタセンス端子１０５と底
面金属基板２０５との間隔を断面構造で示す。この方法
でも本発明のケース側面からモジュール底面金属基板２
０５と同電位となる部品までの最短距離Ｘ０とモジュー
ルを実装する取付けボルト３０１底面が接するモジュー
ル面から端子高さまでの距離ｈとケース側面から端子ま
での最短距離Ｘ１を加えた長さより沿面距離が長い構造
を実現することができる。この効果を得るためにはケー
ス側面の絶縁壁７０１の間隔を前述したａ１＝１mm以上
とする必要がある。また、モジュール取付け用の平座金
３０３が樹脂ケース３０４の側面の絶縁壁７０１に最も
近づいた場合でもａ１の距離を確保した。図７（ｂ）は
コレクタ端子１０１とエミッタ端子１０２の間のケース
側面の絶縁壁７０２を設けた場合の実施例を示す。この
場合も図７（ａ）と同様に主端子間側面の絶縁壁７０２
の間隔を前述したａ１＝１mm以上とした。この方法であ
ればモジュール内部の構造によって表面から深い溝が構
成できない場合、あるいはモジュール実装時、上面に障
害物があり絶縁壁が配置できない場合でも沿面距離を確
保することができる。さらにモジュール外周の表面積が
増えることからモジュールの冷却効率を向上させる効果
もある。これらの溝は突起であっても同じ効果が得られ
ることはもちろんストライプ状の溝にこだわらず、絶縁
距離の必要な場所に会社名等のロゴを凹凸によって沿面
距離を確保しても同じ効果が得られる。

【００３０】図８はコレクタ端子１０１とエミッタ端子
１０２に後付の絶縁壁８０１を配置した場合の実施例を
示す。図１の実施例で説明したモジュールの端子１０
１，１０２間に有機樹脂の別の後付の絶縁壁８０１を例
えばシリコーン接着剤で固定する。この時、従来の沿面
距離Ｙと後から取付ける後付の絶縁壁８０１による沿面
距離Ｘとが同じであれば問題ない。また、図には記載し
ていないがエミッタセンス端子１０４とコレクタセンス
端子１０５間の溝１１１に同様に後付けの絶縁壁を挿入
することでモジュール全体で溝をなくすことができる。
これにより、例えばダストを制御していない環境でモジ
ュールを実装して使用している場合、溝にダストが入り
込み絶縁を阻害する問題をなくせる。また、モジュール
間配線に特に絶縁コートされていない配線材料を使用す
るときは近接する配線間の空間距離をモジュールの絶縁
壁８０１により確保することができる。

【００３１】図９は本実施例の端子配置について示す。
図１０は本実施例の回路図について示す。モジュールの
端子はコレクタ端子１０１とエミッタ端子１０２をそれ
ぞれ３箇所に配置する。これらの回路はモジュール内で
個々にＩＧＢＴとフリーフォイルダイオードが一体にな
ったＩＧＢＴユニット１００３によって独立して構成さ
れる。ゲート端子１０３，エミッタセンス端子１０４は
各ユニット間をモジュール内部で配線し、外部端子とし
ては１本にする。コレクタセンス端子１０５は独立した
ＩＧＢＴユニット１００３の１ユニットから配線して外
部端子としては１本にする。モジュールを実装する場合
は各ユニットに対応したコレクタ端子１０１とエミッタ
端子１０２をモジュール外部でそれぞれの配線１００
１，1002によって短絡して使用する。モジュール外部の
端子位置は、一般的にモジュール内部を構成する部品の
形状を同じにするため主端子間の配線接続位置間隔Ｔ１
＝Ｔ２とモジュールの取付け穴ピッチＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３
を同じにする。しかし、本実施例で示したようにモジュ
ール実装の状況に応じて主端子間の配線接続位置間隔Ｔ
１＝Ｔ２とモジュールの取付け穴ピッチＭ１＝Ｍ２＝Ｍ
３が異なる場合がある。この時主端子外形（Ｅ１＝Ｅ２
＝Ｅ３）に対して配線接続位置Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を各々
の端子によって変更して、これによりモジュール取付け
位置ピッチＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３と主端子配線接続位置ピッ
チＴ１＝Ｔ２が違う場合でも各端子の外形寸法を同じに
することができ１台の端子抜き型によって製造が可能
で、後で配線接続位置に合わせて穴を加工する。これに
より配線接続位置にとらわれることなくモジュール内部
のレイアウトを決めることができる。

【００３２】図１１は本実施例モジュールの樹脂ケース
１０８部品の裏面形状を示す。樹脂ケース１０８の裏面
はモジュールを取付けるための穴１１０１が配置され、
樹脂ケース１０８とモジュール底面金属基板２０５を接
続，固定するために使用するボルトを受けるインサート
ナット１１０２が一体で形成される。斜線部の領域は底
面金属基板をシリコーン接着剤によって接着させる領域
を示す。本発明ではケースの長辺方向Ｌ２と直行する辺
の樹脂部肉厚ｔ１を、モジュール短辺方向Ｌ１と直行す
る辺の樹脂部の肉厚ｔ２より厚くした（Ｌ１＜Ｌ２，ｔ
１＞ｔ２）。モジュールを形成した場合の反り方向はモ
ジュールの上下方向で大きく変形する。特に本実施例で
記載したモジュール内部に空間２０９を形成する構造で
はモジュール側面の変形は極めて小さくなるのでモジュ
ール底面金属基板２０５の裏面の変形を抑えることに配
慮すればよい。モジュール上下の変形に対してケースの
高さ方向は梁の役割をする。この梁を厚くすることでモ
ジュールとしての変形を抑制した。また、部品としての
ケース製造の精度を考えた場合、大型のフレーム状の樹
脂ケースではＬ１の寸法を周辺と中心で合わせることが
難しく、補正のため形成後にスペーサを入れて加熱した
りしていた。しかし、本発明でｔ１の肉厚をｔ２より厚
くすることで部品としての精度も向上させることができ
た。さらにｔ１の肉厚を確保できるので樹脂ケース１０
８と底面金属基板２０５との接着面積が確保でき温度サ
イクル等による樹脂ケース１０８と底面金属基板２０５
との剥離の不良も発生しない。

【００３３】図１２は本実施例のモジュールの裏面図を
示す。底面金属基板２０５にはモジュール取付けのため
の穴１２０１が配置され、底面金属基板２０５と図８の
樹脂ケース１０８を機械的に固定するねじ１２０２が配
置される。本発明では樹脂ケース１０８を機械的に固定
するボルト１１６をモジュールの長辺方向と短辺方向に
配置した。従来実施されていたモジュールの長辺方向に
しか配置しない場合では１方向しか拘束できないため、
例えばモジュール完成後に長辺方向で裏面が凸の状態に
反っていた場合、短辺方向は凹の状態に変形するといっ
た具合に反り方向の正負が反転していた。本実施例によ
ればモジュール長辺方向と短辺方向の変形方向を例えば
両方向ともモジュール裏面が凸の状態に合わせることが
できる。これにより接着剤の信頼性向上，モジュール内
部絶縁基板の割れを防止することができる。

【００３４】図１３は本発明のＩＧＢＴモジュールをモ
ータ駆動用にインバータに実装した場合の平面図と等価
回路を示す。一般的にＩＧＢＴモジュール１３０１は中
間点（Ｂ点）を１本の中間点配線１３０３で配線できる
ように左右を反転させて実装する。コレクタ側配線１３
０２とエミッタ側配線１３０４は各々Ｕ，Ｖ，Ｗ相を配
線して電源１３０９を供給する。信号線は各ＩＧＢＴモ
ジュール１３０１からゲート配線１３０５，エミッタセ
ンス配線１３０６，コレクタセンス配線1307によって構
成する。本発明では各信号線周辺の２方向しか絶縁用
溝、あるいは壁がないため配線取出し方向の自由度が大
きい。一方、主端子底面が接する面１１３は端子１０
１，１０２の配線接続用ナットが固定される領域だけと
し、モジュール外周まで配置しない。これにより中間点
配線１３０３の一部をモジュールから離すことができる
ので配線の放熱効果が向上する。また、絶縁壁高さが全
て主端子上面の高さよりａ１以上の距離離れているので
配線のレイアウトが制限されることはない。

【００３５】図１４は平行平板配線によってＩＧＢＴモ
ジュール１３０１を実装した場合の実施例を示す。本発
明を用いたモジュールではモジュール全面に渡って上面
に電極が配置されても絶縁性が阻害されることがない。
このため、ＩＧＢＴモジュール１３０１を最密で実装
し、モジュール間を覆うようなコレクタ側配線１４０
２，エミッタ側配線１４０４が可能となる。さらに、電
気的コレクタ側配線1402,エミッタ側配線１４０４を１
層絶縁することで負荷への配線Ｕ,Ｖ,Ｗ(１４０５,１４
０６，１４０７）をモジュール上面に配置する。これに
より配線領域も小さくすることができインバータの大き
さを小さくすること、平行平板配線を使用することで配
線インダクタンスを小さくすることができる。図１５は
モジュールを並列接続した場合の実施例と等価回路を示
す。制御する電流量が増えた場合はモジュールを並列に
接続することでインバータの制御容量を大きくすること
ができる。モジュール間配線は方法は図１４と同様にモ
ジュールを覆うようにコレクタ側配線１５０２，エミッ
タ側配線１５０４を配線し、電気的コレクタ側配線150
2，エミッタ側配線１５０４を１層絶縁することで負荷
への配線１５０３を配置する。これにより小型で低イン
ダクタンスのインバータによりモジュール定格の２倍の
電流量を制御できる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば高耐圧のモジュールに必
要な沿面距離を小さなエリアで確保することができるの
でモジュールの小型，薄型化ができる。また、主端子上
面からの沿面距離が確保できるので平行平板配線が可能
となり配線のインダクタンスを大幅に低減することが可
能になる。また、同じ端子形状でモジュールを組み立て
ることができるのでモジュール端子の配線接続位置に拘
束されることなくモジュール内部構造を決めることがで
きるので部品点数，金型費を低減することができる。さ
らにモジュールの反り量を抑制することができるのでよ
り大型、すなわち大容量のモジュールも構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したモジュールの平面図。

【図２】本発明を適用したモジュールの断面図。

【図３】本発明を適用したモジュールのコレクタセンス
端子−底面金属基板間断面図。

【図４】本発明を適用したモジュールのコレクタ端子−
エミッタ端子間断面図。

【図５】本発明を適用したモジュールのコレクタ端子−
エミッタ端子間にラミネートブースバーを配置した断面
図。

【図６】本発明を適用したモジュールのコレクタセンス
端子−エミッタセンス端子間断面図。

【図７】本発明を適用したモジュールの断面図。

【図８】本発明を適用したモジュールに絶縁壁を装着し
た場合の断面図。

【図９】本発明を適用したモジュールの端子配置図。

【図１０】本発明を適用したモジュールの等価回路図。

【図１１】本発明を適用したモジュールのケース部品の
裏面図。

【図１２】本発明を適用したモジュールの裏面図。

【図１３】本発明を適用したモジュールの実装図。

【図１４】本発明を適用したモジュールの実装図。

【図１５】本発明を適用したモジュールの実装図。

【符号の説明】

１０１…コレクタ端子、１０２…エミッタ端子、１０３
…ゲート端子、１０４…エミッタセンス端子、１０５…
コレクタセンス端子、１０６…端子ブロック、１０７…
端子固定用熱硬化型エポキシ樹脂、１０８…樹脂ケー
ス、１０９…熱硬化型エポキシ樹脂、１１０…樹脂注入
口、１１１…絶縁用溝、１１２…ケースリング、１１３
…主端子底面接触面、１１４，６０１…絶縁壁、１１５
…絶縁段、１１６…底面金属基板と樹脂ケース固定ね
じ、２０１…半導体素子、２０２…半導体素子接続半
田、２０３…Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ構造Ｃｕ貼り基板、２
０４…絶縁基板接続半田、２０５…底面金属基板、２０
６…端子接続半田、２０７…シリコーン接着剤、２０８
…シリコーンゲル、２０９…空間（空気層）、２１０…
ナット、２１１…インサートナット、３０１…モジュー
ル固定用ボルト、３０２，５０７…ばね座金、３０３，
５０８…平座金、３０４…モジュール樹脂部、305…ケ
ースリング中心、４０１…主端子上面をつないだ仮想
面、５０１…コレクタ配線、５０２…エミッタ配線、５
０３…配線間絶縁板、５０４…配線コート絶縁材、５０
５…ラミネートブースバー、５０６…主端子接続ボル
ト、７０１…ケース側面の絶縁壁、７０２…主端子間側
面の絶縁壁、８０１…後付の絶縁壁、1001…コレクタ端
子間配線、１００２…エミッタ端子間配線、１００３…
ＩＧＢＴユニット、１１０１…モジュール取付けのため
の穴、１１０２…底面金属基板と樹脂ケース固定ねじ用
インサートナット、１２０１…モジュール取付けのため
の穴、１２０２…底面金属基板と樹脂ケース固定ねじ、
１３０１…ＩＧＢＴモジュール、１３０２，１４０２，
１５０２…コレクタ側配線、１３０３…中間点配線、１
３０４，１４０４，１５０４…エミッタ側配線、１３０
５…ゲート配線、1306…エミッタセンス配線、１３０７
…コレクタセンス配線、１３０８…負荷（モータ）、１
３０９…電源、１４０５…負荷への配線（Ｕ相）、１４
０６…負荷への配線（Ｖ相）、１４０７…負荷への配線
（Ｗ相）、１５０５…負荷への配線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者九嶋忠雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者田中明茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者井上広一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者斉藤隆一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】底面が金属基板、側面及び上面が有機樹脂
で構成され、内部に複数個の半導体素子を搭載し、前記
底面の金属基板上とモジュール内部に搭載する半導体素
子との間に絶縁基板を配置した内部絶縁型のパワー半導
体装置において、モジュール底面金属基板とモジュール
から外部電極に配線するいずれの端子間との沿面距離
が、モジュールを放熱フィンに実装する取付けボルトの
底面が接触するモジュールの面からモジュールの外部電
極に配線する端子高さまでの距離とケース側面から底面
金属基板と同電位となる部品までの最短距離とモジュー
ルのケース側面から前記端子までの最短距離を加えた長
さより長い、あるいは絶縁が必要な端子間の沿面距離が
前記端子間の最短距離より長いことを特徴としたパワー
半導体装置。
【請求項２】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
導体装置において、絶縁が必要な端子間に端子底面が接
する樹脂面より低い段差を設け、かつ端子底面が接する
樹脂面より低い面に絶縁壁を設けた構造において、前記
絶縁壁の上面が主端子上面が接する仮想面より印加され
る電圧，モジュールの表面状態によって絶縁距離として
認められる距離（ＪＥＭ規格では周囲が良好な環境で絶
縁定格１２６Ｖ以上で１mm以上）より低いことにより平
行平板で配線した場合でも端子間、あるいは端子と底面
金属基板間の沿面距離が変わらないことを特徴としたパ
ワー半導体装置。
【請求項３】請求項１項に記載の内部絶縁型のパワー半
導体装置において、底面金属基板と端子間、あるいは端
子と端子間の沿面距離を確保するために端子周辺をモジ
ュール側面、あるいは上面を構成する有機樹脂の一部に
溝を形成する、あるいは有機樹脂の一部を突起させて壁
を形成する場合、前記溝、あるいは壁が端子の２方向に
しかないことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項４】底面が金属基板，側面及び上面が有機樹脂
で構成され、前記底面の金属基板上とモジュール内に搭
載する半導体素子との間に絶縁基板を配置し、前期半導
体素子が２個以上であり、モジュールの主端子が同極で
２箇所以上ある内部絶縁型のパワー半導体装置におい
て、モジュールの同極の各主端子形状に対して配線接続
位置が異なることを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項５】底面が金属基板，側面及び上面が有機樹脂
で構成され、前記底面の金属基板上とモジュール内に搭
載する半導体素子との間に絶縁基板を配置した内部絶縁
型のパワー半導体装置において、モジュール側面を構成
するケースの肉厚を短辺方向に比べ長辺方向を厚くした
ことを特徴とするパワー半導体装置。
【請求項６】底面が金属基板，側面及び上面が有機樹脂
で構成され、前記底面の金属基板上とモジュール内に搭
載する半導体素子との間に絶縁基板を配置した内部絶縁
型のパワー半導体装置において、底面金属板とモジュー
ル側面を構成するケースの接着を樹脂系接着剤と機械的
にボルトでの固定を併用し、かつボルトをモジュール外
周の各辺全てに配置したことを特徴とするパワー半導体
装置。