(57)【要約】【課題】インバータ装置または車両駆動装置の組立性の向上を図ることである。【解決手段】インバータ装置は電流を導通および遮断する複数のアームを有し、各アームはスイッチング素子（ＳＷ）とスイッチング素子を接続するための第１および第２の配線層（１８２、１８６）とを有している。各アームの第１および第２の配線層を絶縁基板（１８０、１８０Ａ）の上にそれぞれ形成し、前記第１の配線層に前記スイッチング素子の一方の面を固定し、前記第２の配線層と前記スイッチング素子の他方の面との電気的接続を板状の導体でなし、前記板状の導体は第１と第２の接続部を有し、前記板状導体の第１の接続部が前記スイッチング素子の他方の面に固定され、前記板状導体の第２の接続部が前記第２の配線層に固定される。【選択図】 図１
2010193714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載されて直流電源から供給された直流を、車両に搭載された回転機を駆動するための交流に変換するインバータ装置であって、
前記インバータ装置は電流を導通および遮断する複数のアームを有し、各アームは並列接続された複数のスイッチング素子と前記スイッチング素子を接続するための第１および第２の配線層とを有しており、
前記各アームのスイッチング素子は枠体の内部に設けられており、
前記枠体の内部において、上記各アームの第１および第２の配線層は絶縁基板の上に平行に形成されており、前記第１の配線層上に並列接続された前記複数のスイッチング素子が前記第２の配線層と平行に配置されると共に、前記各スイッチング素子の一方の面がそれぞれ第１の配線層に固定され、
前記第２の配線層と前記各スイッチング素子の他方の面との電気的接続を板状の導体でなし、
前記板状の導体は第１と第２の接続部を有し、前記板状導体の第１の接続部が前記スイッチング素子の他方の面に固定され、前記板状導体の第２の接続部が前記第２の配線層に固定されることを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
車両に搭載されて直流電源から供給された直流を、車両に搭載された回転機を駆動するための交流に変換するインバータ装置であって、
前記インバータ装置は電流を導通および遮断する複数のアームを有し、各アームは並列接続された複数のスイッチング素子と前記スイッチング素子を接続するための第１および第２の配線層とを有するとともに、
前記インバータ装置は枠体および枠体の上面に設けられた配線盤を有しており、  前記配線盤には前記アームをつなぐ板状の導体が設けられており、
前記各アームのスイッチング素子は枠体の内部に設けられており、
前記枠体の内部において、上記各アームの第１および第２の配線層は絶縁基板の上に平行に配置されており、前記第１の配線層上に並列接続された前記複数のスイッチング素子が前記第２の配線層と平行に配置されると共に、前記各スイッチング素子の一方の面がそれぞれ第１の配線層に固定され、
前記第２の配線層と前記各スイッチング素子の他方の面との電気的接続を行う板状の導体が前記枠体内にさらに設けられ、
前記板状の導体は第１と第２の接続部を有し、前記板状導体の第１の接続部が前記スイッチング素子の他方の面に固定され、前記板状導体の第２の接続部が前記第２の配線層に固定されるように構成され、
前記枠体は枠体から配線盤の前記アームをつなぐ板状の導体に溶接接続される端子を備えており、アームの前記第１と第２の配線層は前記端子を介して前記アームをつなぐ板状の導体に電気的に接続されるように構成されていることを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
車両が有する車輪を駆動するためのトルクを発生する同期モータと車両に搭載された直流電源から供給される直流を前記同期モータに供給する交流に変換するインバータ装置とを備え、
前記インバータ装置は電流を導通および遮断する複数のアームを有し、各アームは並列接続された複数のスイッチング素子と前記スイッチング素子を接続するための第１および第２の配線層とを有しており、
前記各アームのスイッチング素子は枠体の内部に設けられており、
前記枠体の内部において、上記各アームの第１および第２の配線層は絶縁基板の上に平行に形成されており、前記第１の配線層上に並列接続された前記複数のスイッチング素子が前記第２の配線層と平行に配置されると共に、前記各スイッチング素子の一方の面がそれぞれ第１の配線層に固定され、
前記第２の配線層と前記各スイッチング素子の他方の面との電気的接続を板状の導体でなし、
前記板状の導体は第１と第２の接続部を有し、前記板状導体の第１の接続部が前記スイッチング素子の他方の面に固定され、前記板状導体の第２の接続部が前記第２の配線層に固定されることを特徴とする車両駆動装置。
【請求項４】
車両走行のためのトルクを発生する同期モータと、
車両に搭載されて直流電源から供給された直流を、前記同期モータに供給する交流に変換するインバータ装置とを備え、
前記インバータ装置は電流を導通および遮断する複数のアームを有し、各アームは並列接続された複数のスイッチング素子と前記スイッチング素子を接続するための第１および第２の配線層とを有するとともに、
前記インバータ装置は枠体および枠体の上面に設けられた配線盤を有しており、前記配線盤には前記アームをつなぐ板状の導体が設けられており、
前記各アームのスイッチング素子は枠体の内部に設けられており、
前記枠体の内部において、上記各アームの第１および第２の配線層は絶縁基板の上に平行に配置されており、前記第１の配線層上に並列接続された前記複数のスイッチング素子が前記第２の配線層と平行に配置されると共に、前記各スイッチング素子の一方の面がそれぞれ第１の配線層に固定され、
前記第２の配線層と前記各スイッチング素子の他方の面との電気的接続を行う板状の導体が前記枠体内にさらに設けられ、
前記板状の導体は第１と第２の接続部を有し、前記板状導体の第１の接続部が前記スイッチング素子の他方の面に固定され、前記板状導体の第２の接続部が前記第２の配線層に固定されるように構成され、
前記枠体は枠体から配線盤の前記アームをつなぐ板状の導体に溶接接続される端子を備えており、アームの前記第１と第２の配線層は前記端子を介して前記アームをつなぐ板状の導体に電気的に接続されるように構成されていることを特徴とする車両駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータ装置およびそれを用いた車両駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータのみによって駆動される電気自動車や、エンジンとモータの両方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車では、インバータ装置を用いて直流電源から供給される直流を車両駆動用のモータに供給する交流に変換している。インバータ装置は、例えば、特開２００１−２５８２６７号公報や特開２００２−３６９５５０号公報に記載のように、パワーモジュールあるいはインバータブリッジ回路と呼ばれる半導体装置と、コンデンサ，ドライブ回路，インターフェース回路，センサ回路，計算機，制御電源等の電子部品を搭載した制御基板等とから構成されている。
【０００３】
パワーモジュールは、絶縁基板上に取り付けられたＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子を備えている。スイッチング素子の表面電極と、パワーモジュールを収納する外装ケースに固定された配線の端子との間は、ボンディング用アルミワイヤによって接続された構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５８２６７号公報
【特許文献２】特開２００２−３６９５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記スイッチング素子を接続するためのボンディング用ワイヤは、スイッチング素子で制御する電流量が増加すると電流による発熱によってワイヤの溶断が起こらないように、接続に使用するワイヤの本数を増加させたり、あるいは各ワイヤ径を大きくしたりすることが必要となる。
【０００６】
具体的に例示すると、例えば、インバータ装置で制御する電流を１５０Ａとし、ボンディングワイヤとしてアルミ線を用いる場合、アルミ線の線径３００μｍのボンディングワイヤの許容電流を１０Ａとすると、少なくとも１５本のボンディング用ワイヤを使用することが必要がある。ここに例示したワイヤは通常使用されているワイヤより太く、各ワイヤのボンディングに要する時間が長くなる問題が生じる。また使用するワイヤの数が増えることによりその作業時間が長くなる。今時間を例として説明したが、時間の面だけでなく、必要とする機械や技術的な面など、作業性に大きな問題が生じている。
【０００７】
また使用するボンディング用ワイヤ太くなったり、ボンディングに要する時間が長くなるとボンディング時にスイッチング素子に与えるダメージが大きくなり、信頼性が低下するという問題が生じてくる。
【０００８】
本発明の目的の一つはインバータ装置または車両駆動装置の組立性の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では上記目的を達成するために、インバータ装置に使用される半導体のスイッチング素子の一方の電極を第１の配線層に固定すると共に、上記スイッチング素子の他方の電極を板状の導体よりなる第２の配線層に接続する構成としたことである。
【００１０】
かかる構成により、大電流を流すことのできる板状導体上記半導体素子の電極に接続することにより電気的接続が達成でき、ワイヤボンディングを使用するのに比べ組立性が向上し、合わせてインバータ装置の信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、大電流化が可能であるとともに、組立性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールを用いた車両の駆動装置を含む駆動システムの概略構成を示すシステムブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の詳細な回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールの外観構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールの配線状態図である。
【図７】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の他の構成の回路図である。
【図８】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の他の構成の詳細な回路図である。
【図９】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールにおけるスイッチング素子ＳＷUHの上面のエミッタ電極と導体１８６との間のリード状導体ＬＣによる接続構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態によるパワーモジュールにおけるダイオードＤUHの上面のエミッタ電極と導体１８６との間のリード状導体ＬＣによる接続構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。
【図１５】図１０のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は車両の駆動装置を含む駆動システムで、具体的には電気自動車の駆動システムを示す。この実施形態は燃料電池を使用した電気自動車であるが、以下に説明するインバータ装置はエンジンとモータの両出力で車輪が駆動されるいわゆるハイブリッドタイプの電気自動車にも使用できる。なお、図１で使用している符号と他の図に示す符号とが同一の場合は同一のものを示す。
【００１４】
インバータ装置１００はＤＣ／ＤＣコンバータ３３０やバッテリー３１０から供給される直流を交流に変換して回転機であるモータ３００に交流を供給する。モータ３００は車載用の回転機の一例として示したもので例えば同期モータ３００である。モータ３００はこの実施例ではロータ内部に永久磁石を有し、供給された交流により回転磁界を発生して上記ロータを回転させ、車両走行のためのトルクを発生する。モータ３００の出力トルクは、動力分配機構であるデファレンシャルギアＤＥＦを介して、左右の車輪ＷＨ１とＷＨ２に伝えられる。インバータ装置に供給される電力は燃料電池システム（ＦＣＳ）３２０で作られる。なお上記ハイブリッドタイプの電気自動車では燃料電池システム（ＦＣＳ）に代わり、エンジンにより駆動される発電機から供給された電力を蓄える二次電池から供給される。このハイブリッドタイプの電気自動車では上記エンジンとモータ３００の両方の出力で車両の走行が行われる。
【００１５】
燃料電池システム（ＦＣＳ）３２０は、燃料セル（ＦＣ）３２２と、水素等の燃料を蓄えるタンク３２４と空気を取り込む機構３２６と反応で作られた水を蓄える排水タンク３２８とから構成されている。燃料タンク３２４には加圧された気体の水素が蓄えられており、制御装置３５０によりの制御信号で燃料タンク３２４から燃料セル３２２に供給される燃料量が制御される。また燃料と反応するための酸素を含む空気が空気取り込み機構３２６から取り込まれ、燃料セル（ＦＣ）３２２に供給される。
【００１６】
燃料セル３２２は反応幕と燃料極と空気極とを備えており、燃料タンク３２４からの水素と空気取り込み機構３２６から供給された酸素とに基づき直流電圧を発生し、水素と酸素との反応の結果水が生成される。水素分子は燃料セル３２２でイオン化し、これにより燃料セルの燃料極はマイナス電位となり、正に帯電した水素イオンが燃料セル３２２の空気極に集まることにより、空気極は正電位となる。燃料電池システム３２０から電流が外部の電気負荷に供給されることで、燃料セルから空気極に上記負荷などの外部回路を介して電流が流れることによる電子が供給される。空気極は酸素が供給されており、空気極に電子が外部回路から供給されると空気極では水素イオンと酸素が反応して水ができる。この水は上記排水タンク３２８に蓄えられる。上記燃料としては水素の他にメタノール、ガソリン、ナチュラルガス（Natural Gas）が使用できる。
【００１７】
燃料電池システム３２０が発生する電力量は燃料セル３２２に供給される燃料量、すなわち水素量に基づいておおむね決まる。コントロールユニット３５０は燃料電池システム３２０の負荷状態を図示しないアクセル踏込み量を検出するセンサなどにより検知し、負荷状態に基づき燃料セル３２２に供給する燃料供給量を制御する。上記負荷状態は例えば燃料電池システム３２０の出力端子電圧を検知することでも検出でき、例えば前記出力端子電圧が目標電圧になるように前記燃料供給量をフィードバック制御してもよい。
【００１８】
燃料電池システム３２０から電力を直接バッテリー３１０へ供給しても良いし、直流電圧変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータ３３０を介して電圧を適切な値に変換して、バッテリー３１０に供給しても良い。この実施の形態はＤＣ／ＤＣコンバータ３３０により適切な電圧に変換してバッテリーに蓄える方式を示している。
【００１９】
バッテリー３１０は直流電源ラインにスイッチ３１２を介して接続されている。バッテリー３１０の端子電圧は例えば３００ボルト（Ｖ）で、インバータ装置２００には直流電圧３００Ｖが供給され、三相交流に変換されて供給ラインＵＶＷを介してモータ３００に供給される。
【００２０】
バッテリー３１０の定格電圧は、例えば３００Ｖであり、燃料電池３２０の定格電圧は、２４Ｖ〜９６Ｖ、例えば４８Ｖである。この場合、燃料電池３２０の出力電圧は、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ３３０によって昇圧され、バッテリー３１０に供給され充電される。しかし、定格電圧は色々設定可能であり、例えばインバータ装置２００とバッテリー３１０の定格電圧を６００ボルト、燃料電池システム３２０の出力電圧３００ボルトとしても良い。また他の例として燃料電池で約４００ボルトの電圧を発生し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０で電圧を下げ、定格３００ボルトの電圧をインバータ装置２００およびバッテリー３１０に供給するものであっても良い。
【００２１】
モータ３００には、バッテリー３１０からインバータ装置２００を介して電力が供給される。インバータ装置２００は、モータ制御ユニットＭＣＵ２１２と、以下で説明するパワーモジュール１００と、このパワーモジュール１００を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号を発生するドライブ回路ユニット２１０とから構成されている。制御ユニット３５０は、図示しないアクセル操作量を検出するセンサが発生する車両のアクセル操作量を入力情報として受け、アクセル操作量に基づくモータ３００の発生目標トルクを算出し、モータ制御ユニット２１２へモータトルク指令として送信する。モータ制御ユニット２１２はモータが発生すべきトルク指令に基づきドライブ回路ユニット２１０が発生するゲート信号の発生を制御する。
【００２２】
インバータ装置はパワーモジュール１００に複数のアームを有しており、上記アームの導通や非道通が前記ゲート信号により制御され、インバータ装置は前記ゲート信号に基づいて発生した三相交流電流を上記モータ３００に供給する。詳細にはモータ制御ユニット２１２は、モータのロータ位置やモータに流れている電流値、モータの温度を入力情報として受け、モータの安全性の維持を考慮した制御を行なう。
【００２３】
さらに上記モータの温度や電流値は上位の制御装置であるコントロールユニット３５０に送られる。車両がハイブリット車である場合には、コントロールユニット３５０は車両の走行に必要なトルクをアクセルの操作量などの情報から算出し、算出した必要トルクをエンジンとモータでどのように分担するかの演算を行い、モータの分担トルクを求める。このモータの分担トルクをトルク指令値としてモータ制御ユニット２１２へ送る。上述の如く、モータ制御ユニット２１２はドライブ回路ユニット２１０を制御してパワーモジュール１００の半導体スイッチング素子のゲート信号の発生を制御し、モータは上記モータの分担トルクを発生する。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０は、入力の直流電圧を昇圧または降圧する働きをなし、電流を周期的に遮断する半導体スイッチング素子を有するコンバータ回路３３２と前記コンバータ回路３３２のスイッチング素子を制御するために、上記スイッチング素子のゲートに供給する制御信号を発生するドライブ回路ユニット３３４とから構成される。
【００２５】
コントロールユニット３５０はさらに、バッテリーの充放電状態やモータの負荷状態を検知し、検出結果に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ３３０を制御し、バッテリー３１０の充電を制御したり、モータへの供給電圧を制御したりする。モータ３００へ供給すべき電流が多い時はバッテリー３１０からの電流に加え燃料電池システム３２０からＤＣ／ＤＣコンバータ３３０を介して電流を供給する。また車両が低速走行の状態、すなわちモータ３００の回転速度が低い状態では、モータ３００の内部誘起電圧が低いので大電流を供給できる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０はバッテリー３１０の定格電圧に対応する電圧を出力する。車両速度が速い状態はモータ３００の回転速度が速い状態であり、モータ内部の誘起電圧は高くなる。誘起電圧が高くなるのを押えるために一般的には弱め界磁制御が行なわれるが、それでも誘起電圧の上昇は押えきれず、必要な電流をモータに供給することが困難となる。内部誘起電圧の上昇に対応するにはモータへ供給している電源電圧を上げることが望ましい。モータ３００の高速回転状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０の出力電圧を上げるようにコントロールユニット３５０はＤＣ／ＤＣコンバータ３３０を制御すると共に、バッテリー３１０の端子とインバータ３００の入力端子との間のスイッチ３１２を開き、バッテリー３１０をインバータの直流電力供給ラインから切り離す制御を行う。これによりモータに供給される入力電圧を高くでき、モータの内部誘起電圧が上昇しても、それより高い電圧で電力を供給することで、モータへの電流供給量の低下現象を押えることができる。
【００２６】
図２は、図１に示すインバータ装置２００の回路図である。インバータ装置２００のパワーモジュール１００は６つのアームから構成され、車載用直流電源であるバッテリー３１０から供給される直流を交流に変換して回転機であるモータ３００に電力を供給する。なおこの実施の形態では、モータ３００は回転子に永久磁石を有する同期モータである。パワーモジュールの上記６つのアームは、Ｕ相の上アーム１００ＵＨ、Ｕ相の下アーム１００ＵＬ、Ｖ相の上アーム１００ＶＨ、Ｖ相の下アーム１００ＶＬ、Ｗ相の上アーム１００ＷＨ、Ｗ相の下アーム１００ＷＬである。なお図２に示す実施の形態では上記各相の各アームは半導体のスイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用している。半導体のスイッチング素子としてはＩＧＢＴ以外に電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor ‐ Field Effect Transistor）を使用することができる。
【００２７】
ＩＧＢＴは動作速度が速いメリットがある。昔は、電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴが使用できる電圧が低かったので、高電圧用のインバータはＩＧＢＴで作られていた。しかし最近は電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの使用できる電圧が高くなり、車両用インバータではどちらも半導体スイッチング素子として使用可能である。電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合は半導体の構造がＩＧＢＴに比べてシンプルであり、半導体の製造工程がＩＧＢＴに比べ少なくなるメリットがある。
【００２８】
図２において相ＵＶＷの各相の上アームと下アームとはそれぞれ直列に接続されている。Ｕ相とＶ相とＷ相の各上アーム１００ＵＨ、１００ＶＨ、１００ＷＨのそれぞれのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴ使用の場合はドレーン端子）は直流電源の正極側の配線ＬＨに接続される。一方Ｕ相とＶ相とＷ相の各下アーム１００ＵＬ、１００ＶＬ、１００ＷＬのそれぞれのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）は、直流電源の負極側の配線ＬＬに接続される。配線ＬＨと配線ＬＬの間には、図１で説明の如く、車載に搭載されたバッテリー３１０あるいは電圧変換機であるＤＣ／ＤＣコンバータ３３０のごとき直流電源が接続され、直流電圧がインバータ装置のパワーモジュール１００に供給される。
【００２９】
Ｕ相上アーム１００ＵＨのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）とＵ相下アーム１００ＵＬのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はドレーン端子）の接続点は、モータのＵ相端子に接続され、Ｕ相電流が流れる。電機子巻線（永久磁石型同期モータの固定子巻線）がＹ結線の場合はＵ相巻線の電流が流れる。Ｖ相上アーム１００ＶＨのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）とＶ相下アーム１００ＶＬのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はドレーン端子）の接続点は、モータのＶ相の電機子巻線（固定子巻線）のＶ相端子に接続され、Ｖ相電流が流れる。固定子巻線がＹ結線の場合はＶ相巻線の電流が流れる。Ｗ相上アーム１００ＷＨのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）と、Ｗ相下アーム１００ＷＬのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はドレーン端子）の接続点はモータのＷ相端子に接続される。固定子巻線がＹ結線の場合はＷ相巻線の電流が流れる。
【００３０】
図２でパワーモジュール１００には上述のとおりバッテリー３１０などの直流電源から直流電圧が正極側配線ＬＨと負極側配線ＬＬを介して印加される。正極側配線ＬＨと負極側配線ＬＬには実装回路においてそれぞれインダクタンス１１４が存在する。たま正極側配線ＬＨと負極側配線ＬＬ間にコンデンサ１１２が設けられており、このコンデンサ１１２およびインダクタンス１１４により、パワーモジュール１００が発生するノイズ除去や電圧変動が電源ラインを介して他の機器に影響を与えるのを防止する。
【００３１】
モータ制御ユニット２１２によりゲート信号を発生するドライバユニット２１０が制御され、各相のドライバユニットＵＤＵ、ＶＤＵ、ＷＤＵからゲート信号が各層の半導体スイッチング素子にゲート信号が供給される。このケーと信号により各アームの導通、非導通（遮断）が制御される。その結果供給された直流は三相交流に変換される。三相交流の発生は既に知られているので詳細な動作説明を省略する。
【００３２】
インバータの各アーム１００ＵＨ、１００ＵＬ、１００ＶＨ、１００ＶＬ、１００ＷＨ、１００ＷＬを構成する半導体のスイッチング素子はそれぞれ複数のスイッチング素子の並列接続で構成される。この様子を図３に示す。図３はアーム１００ＵＨとアーム１００ＵＬの詳細を示す。それぞれのアームは、アーム１００ＵＨで代表して示すように、ＩＧＢＴの如きスイッチング素子ＳＷＵＨ１とこれに並列接続されたダイオードＤＵＨ１とから構成された回路が複数個、この実施の形態では４組並列に接続されている。すなわちスイッチング素子ＳＷＵＨ１とダイオードＤＵＨ１からなるスイッチング回路、スイッチング素子ＳＷＵＨ２とダイオードＤＵＨ２からなるスイッチング回路、スイッチング素子ＳＷＵＨ３とダイオードＤＵＨ３からなるスイッチング回路、スイッチング素子ＳＷＵＨ４とダイオードＤＵＨ４からなるスイッチング回路で示される４組のスイッチング回路がさらに並列接続されている。ＩＧＢＴの代わりに電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴを使用した場合は、各電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴは既にダイオードの機能を備えているので、ダイオードＤＵＨ１〜ＤＵＨ４は不要である。
【００３３】
図３は４組のスイッチング回路の並列であるが、何組並列にするかはモータに供給する最大供給電流値で決まる。上述の如くインバータを構成する各アームはこの実施例ではそれぞれ４組のスイッチング回路で構成されている。これらのスイッチング回路の各ゲートにはドライバユニット２１０のＵＤＵから並列にゲート制御信号が供給される。ドライバユニット２１０のＵＤＵと同様の回路がＶＤＵやＷＤＵにも設けられており、各スイッチング回路を構成する各スイッチング素子に並列的にゲート信号が供給される。
【００３４】
各スイッチング素子を並列接続する理由はモータの最大電流に対応するためだけでなく、自動車の安全性向上の課題に基づいている。ＩＧＢＴや電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴを実装する場合、熱サイクルに対する損傷防止がたいへん重要な課題である。インバータ回路の損傷の大きな原因は、インバータ回路を動作させる度に実装しているスイッチング素子のチップに熱膨張による応力が発生し、この繰り返しにより破損が生じることである。破損した結果として素子の電気的な導通が損なわれる。本実施例では複数個の素子を並列接続しているので、その内の１個に電気的な導通の障害が生じても、モータの最大トルクを下げるなどの非常時の対応で、修理場や近くの町までの走行を維持できる。また高速走行時に突然モータトルクの発生が停止するといった危険性を回避できる。大電流を流すことができる１個のスイッチング素子に変えて複数のスイッチング素子の並列回路を使用すると、部品数の増加やそれに伴う製造上の作業量の増加が生じるが、異常時の危険性の低減につながる。
【００３５】
図２や図３に示すパワーモジュール１００の実装構造を図４と図５に示す。図４はパワーモジュール１００の外観を示す斜視図、図５はアーム部の拡大図である。図４と図５で、樹脂製の枠体１９０の内部にはインバータのパワーモジュール１００を構成する各アームが配置されており、、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の上アームのコレクタ端子ＴUHC、ＴVHC、ＴWHCと、各相の下アームコレクタ端子ＴULC、ＴVLC、ＴWLCと、各相の上アームのエミッタ端子ＴUHE、ＴVHE、ＴWHEと、各相の下アームエミッタ端子ＴULE、ＴVLE、ＴWLEと、各相の上アームゲート端子ＴUHG、ＴVHG、ＴWHGと、各相の下アームゲート端子ＴULG、ＴVLG、ＴWLGとが、枠体１９０の側壁に設けられている。なお、この例では、各アーム１００ＵＨ、１００ＵＬ、１００ＶＨ、１００ＶＬ、１００ＷＨ、１００ＷＬは、並列接続された４個のＩＧＢＴである半導体スイッチング素子ＳＷと、これらの各半導体スイッチング素子にそれぞれ並列接続されるダイオードから構成されている。前記各相の上アームゲート端子ＴUHG、ＴVHG、ＴWHGと、前記各相の下アームゲート端子ＴULG、ＴVLG、ＴWLGとは、上記並列接続された４個の各半導体スイッチング素子に対応する４個のゲート端子を有している。上アーム１００ＵＨを６個のアームの代表例として説明する。
【００３６】
図４で、Ｕ相の上アームゲート端子ＴUHGは、上アーム１００ＵＨを構成する各半導体スイッチング素子ＳＷに対応する４個のゲート端子ＴUHG1、ＴUHG2、ＴUHG2、ＴUHG2から構成されている。他のアームのゲートＴVHG、ＴWHG、ＴULG、ＴVLG、ＴWLGもそれぞれ同様に、４個の半導体スイッチング素子にそれぞれに対応して４個のゲート端子が設けられている。詳細構造は図５を用いて後述する。なお各アームのスイッチング素子は電気的に並列接続されているので、４個のゲート端子を枠体１９０の内部で接続する構造にすればインバータ装置全体の構造が簡単となる。しかし、各素子毎に異常がないかどうかの診断を行うには各素子毎に独立してゲート信号を加え、素子の動作を診断することが望ましい。この場合はモータ制御ユニット２１２およびドライバユニット２１０を取り付けた回路基盤までそれぞれのゲートの配線を別々に行うようにし、この回路基盤で上記並列接続された素子のゲート信号を同時に加えるか、別々に加えるかを制御する。この実施の形態は各素子のゲートが上記回路基盤から別々に独立して設けられている。この点に対し図３は説明を省略し、回路も概念的にゲート回路が分離されていないように書いてあるがこれは説明を簡略化したものである。実際はドライブユニットの出力はさらに各ゲートごとに設けられたスイッチ回路をそれぞれ介してつながっており、モータの動作モードではこれらスイッチが導通しており、テストモードではテスト対象のスイッチのみが導通し他は遮断している。
【００３７】
各アーム１００ＵＨ、１００ＶＨ、１００ＷＨ、１００ＵＬ、１００ＶＬ、１００ＷＬはそれぞれ並列接続された４個の半導体のスイッチング素子を有しており、上記４個のスイッチング素子ＳＷの上側電極（この例では、ＩＧＢＴのエミッタ電極）は、リード状導体ＬＣによって接続される。リード状導体ＬＣとしては、例えば、銅やアルミニウムの薄板状コア材の表面にニッケルめっきおよび金めっきを施したもの、あるいは同様なコア材の表面にニッケルめっきおよびスズめっきを施したもの、あるいは「銅」と「鉄−ニッケル合金」を複合化したコア材としこれにニッケルめっきおよび金あるいはスズめっきを施したものが使用可能である。
【００３８】
また、リード状導体ＬＣは、例えば、窒化アルミニウムや窒化珪素などのセラミクスに銅やアルミニウムあるいは「銅」と「鉄−ニッケル合金」の複合材を接続し、ニッケルめっきおよび金あるいはスズめっきを施したものを用いることも可能である。
【００３９】
図４および図５は、パワーモジュール１００の上蓋を取り外した状態を示しており、後述する図６の配線盤が樹脂１９０の蓋として上に設けられる。パワーモジュール１００において、運転時のワイヤ振動や、外部から混入する恐れの有る水分や異物の影響を防ぐ目的で、枠体１９０の内部に、シリコーン等のゲルが注入されている。
【００４０】
図３に示すように、例えば、Ｕ相上アーム１００ＵＨは、４個のＩＧＢＴからなるＵ相上アーム半導体スイッチング素子ＳＷUH1，ＳＷUH2，ＳＷUH3，ＳＷUH4と、これらの半導体スイッチング素子に並列接続されるダイオードＤUH1，ＤUH2，ＤUH3，ＤUH4とから構成される。
【００４１】
次に、図５を用いて、本実施形態によるパワーモジュール１００の各アームの実装構造を説明する。図５は、６個のアームの代表としてアーム100ＵＨの選び、その構造を説明するための斜視図である。Ｕ相上アーム１００ＵＨを代表例として説明するが、他のアームの実装構造も同様である。
【００４２】
上アーム１００ＵＨは、４個の半導体スイッチング素子ＳＷUH1，ＳＷUH2，ＳＷUH3，ＳＷUH4を有している。スイッチング素子ＳＷUHはそれぞれ例えば、１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ５５０μｍのＩＧＢＴ素子のチップである。絶縁基板１８０は窒化アルミニウムからなり、その下面は水あるいは空気により冷却される構造である。絶縁基板１８０の上には、厚さ０．３ｍｍの銅配線１８２が層として形成されている。銅配線１８２の表面（図示の上側の面）には、ニッケルめっき膜が形成されている。スイッチング素子ＳＷUHの一方の電極は、スズおよび鉛からなる融点約３３０℃のハンダ１８４によって、銅配線１８２に固定されている。この動配線は端子ＴUHCに電気的につながっている。この実施の形態では、スイッチング素子ＳＷUH１〜ＳＷUH４のチップの下面側はコレクタ電極、上面側がエミッタ電極である。しかし上記チップを逆に取り付け、下側をエミッタ、上側をコレクタとしても良い。
【００４３】
図４と図５の例ではスイッチング素子のシリコンチップの下側にコレクタを配置しているため、４個のスイッチング素子のコレクタ電極が共通に使用される銅配線１８２である配線層に並列に配置、接続されている。前記銅配線１８２は、Ｕ相上アームコレクタ端子ＴUHCに樹脂製の枠体１９０の内部で電気的につながっている。また、前記銅配線１８２には、上アーム１００ＵＨを構成する４個のダイオードＤUH1，ＤUH2，ＤUH3，ＤUH4が並列に配置され,接続されている。ここでダイオードＤUH1，ＤUH2，ＤUH3，ＤUHはそれぞれ、５ｍｍ×５ｍｍ×０．４ｍｍｔの大きさのチップで、ダイオードのカソード極（陰極）が銅配線１８２側となるように設けられている。スイッチング素子のシリコンチップを逆向き配線層に固定した場合、すなわちエミッタを前記銅配線１８２の側にして接続した場合は、上記ダイオードはアノード極（陽極）が前記銅配線１８２の側となるようにそれぞれ配置し、接続される。
【００４４】
本構造では、共通の配線板である銅配線１８２に並列接続の半導体スイッチング素子がそれぞれ固定されており、この構造により配線作業がやり易くなる。また共通の配線板である銅配線１８２は並列接続の半導体スイッチング素子を設けるので、配線層は自然と大きくなり、インダクタンスや電機抵抗を小さくできる、あるいは各素子に関して極端な電流の偏りを抑えられその結果として熱の局部集中を押さえることが出来、すなわち絶縁基板１８０を介して放熱する放熱面積が増え、温度を均一化する効果がある。配線層が大きくなるので機械的にも強くなる。この配線板に並列接続のダイオードを設けているので、構造がシンプルでダイオードチップの取り付けも容易である。本実施の形態では各スイッチング素子にそれぞれ対応してダイオードが設けられているが、スイッチング素子２個に対して１個のダイオードを設けるなど、ダイオードを少なくとも１個以上設ければよい。安全性を確保することを考えると１個以上を起こしても少なくとも２個以上設けることで対応でき、２個以上設ければ、安全がさらに向上する。
【００４５】
絶縁基板１８０の上には、板状（層であれば良い）の導体１８６が固定されている。この板状導体１８６は、Ｕ相上アームエミッタ端子ＴUHEと樹脂製の枠体１９０の内部で電気的に接続されている。並列接続されたスイッチング素子ＳＷUH１〜ＳＷUH４の上面にそれぞれ設けられたエミッタ電極ＥE及びダイオードＤUH１〜ＤUH４のアノード極（陽極）と、導体１８６とは、リード状導体ＬＣによって接続されている。リード状導体ＬＣは、図示の如く板状導体であり、スイッチング素子ＳＷUH１〜ＳＷUH４およびダイオードＤUH１〜ＤUH４、その他接続用端子の位置および高さに合わせて予め切断され、プレスにより折り曲げられており、その途中に曲げ部ＬＣ-Cを有している。この実施の形態では、リード状導体ＬＣは、導体１８６との接続部側は一体的に形成され、４個のスイッチング素子ＳＷUHとの接続部側は、スイッチング素子ＳＷUHのそれぞれに対応して先端が分割され、分割された先端部毎に個別にスイッチング素子ＳＷUH1、ＳＷUH2、ＳＷUH3、ＳＷUH4と接続されている。後述するように、リード状導体ＬＣの端子１７０の下面側には、予め多数の突起が形成されている。端子１７０の突起は、スズ，銀および銅からなる融点約２３０℃のハンダからなる。ハンダの溶融により、スイッチング素子ＳＷUHの上面に設けられたエミッタ電極及びダイオードＤUHの上側電極と、導体１８６とは、板形状のリード状導体ＬＣによって接続される。
【００４６】
図４のアーム１００ＵＨの上記説明は他のアーム１００ＵＬ、１００ＶＨ、１００ＶＬ、１００ＷＨ、１００ＷＬも同様である。アーム１００ＶＨの共通電極１８２（図示せず）には４個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極１８２（図示せず）は端子ＴＶＨＣと電気的に接続されている。またアーム１００ＶＨの共通電極１８６（図示せず）は、板状導体であるリード状導体ＬＣによりアーム１００ＶＨの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子ＴＶＨＥに接続されている。同様にアーム１００ＷＨの共通電極１８２（図示せず）には４個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極１８２（図示せず）は端子ＴＷＨＣと電気的に接続されている。またアーム１００ＷＨの共通電極１８６（図示せず）は、板状導体であるリード状導体ＬＣによりアーム１００ＷＨの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子ＴＷＨＥに接続されている。なお上記板状胴体は、絶縁基盤に設けられた導体の層であれば良い。
【００４７】
アーム１００ＵＬの共通電極１８２（図示せず）には４個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極１８２（図示せず）は２個の端子ＴＵＬＣ１とＴＵＬＣ２とにそれぞれ電気的に接続されている。またアームモジュール１００ＵＬの共通電極１８６は、板状導体であるリード状導体ＬＣによりアームモジュール１００ＵＬの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子ＴＵＬＥに接続されている。
【００４８】
アーム１００ＶＬの共通電極１８２（図示せず）には４個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極１８２（図示せず）は２個の端子ＴＶＬＣ１とＴＶＬＣ２とにそれぞれ電気的に接続されている。またアームモジュール１００ＶＬの共通電極１８６（図示せず）は、板状導体であるリード状導体ＬＣによりアーム１００ＶＬの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子ＴＶＬＥに接続されている。
【００４９】
さらにアーム１００ＷＬの共通電極１８２（図示せず）には４個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極１８２（図示せず）は２個の端子ＴＷＬＣ１とＴＷＬＣ２とにそれぞれ電気的に接続されている。またアーム１００ＷＬの共通電極１８６（図示せず）は、板状導体であるリード状導体ＬＣによりアーム１００ＷＬの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子ＴＷＬＥに接続されている。
【００５０】
図４と図５の実施の形態では、板状導体１８２に並列接続の半導体チップを取り付け、上記並列の半導体チップの反対方向の端子は共通の板状導体で接続しているので、振動に強い構造であり、振動の激しい自動車に搭載するのに優れている。さらにワイヤボンディングが不要であり、製造が容易である。またワイヤボンディングに比べ電流の集中化を防げるので、大電流に対し熱応力の集中を改善できる。
【００５１】
スイッチング素子ＳＷUHの上面に設けられたゲート電極ＥGと、絶縁基板１８０に設けられたゲート端子電極ＴGは、ボンディングワイヤＢＷによって接続される。４個のゲート端子電極ＴGは、それぞれ、図４に示したＵ相上アームゲート端子ＴUHG1，ＴUHG2，ＴUHG3，ＴUHG4と接続される。
【００５２】
絶縁基板１８０の下には、銅等の熱伝導性の良い部材からなる放熱板が固定される。放熱板は、冷却水等の冷媒と接触して、スイッチング素子ＳＷUHからの発熱を放熱することができる。
【００５３】
図６を用いてパワーモジュール１００の配線状態を説明する。図６は配線盤であり、図４および図５に示す枠体の上面を覆うように配置することにより、図４と５に示すアームの端子ＴＵＨＣ、ＴＶＨＣ、ＴＷＨＣはそれぞれ銅板からなる配線ＬＨに設けられた穴を突き抜ける構造となり、配線ＬＨと上記各端子は溶接により接続される。また図５や図６に示す回路部品の保護のため、枠体１９０の内部に防湿用のゲルを入れ、枠体１９０の上面を図６の配線盤で塞ぐ構造となる。
【００５４】
前記配線ＨＬはコネクタである正端子につながっている。また銅版からなる配線ＬＬに上記配線ＬＨと同様、穴があけられている。図６の配線盤を図４のモジュールの上に配置することにより、前記穴から３個の端子ＴＵＬＥ、ＴＶＬＥ、ＴＷＬＥの先端がそれぞれ突き出るようになる。前記突き出した端子と前記配線ＬＬとを溶接で接続することで電気的に接続される。前記配線ＬＬは負端子につながる。前記正端子および前記負端子は直流電源の正端子および負端子につながる。
【００５５】
図６に示す配線盤には銅板からなる配線６１２Ｕ、６１２Ｖ、６１２Ｗが設けられており、前記板状の配線６１２Ｕは２つの穴から端子ＴＵＨＥとＴＵＬＣ１との先端がそれぞれ突き出し、これら先端と上記配線６１２Ｕとが溶接により固定される。同様に配線６１２Ｖや配線６１２Ｗの穴から端子ＴＶＨＥやＴＶＬＣ１の先端、あるいは端子ＴＷＨＥＴＷＬＣ１の先端がそれぞれ突き出し、溶接により固定される。図６において、端子ＴＵＬＣ１とＴＵＬＣ２、ＴＶＬＣ１とＴＶＬＣ２、ＴＷＬＣ１とＴＷＬＣ２とはそれぞれ図５で説明した共通電極１８２で電気的に互いに接続されており、ＴＵＬＣ２とＴＶＬＣ２とＴＷＬＣ２が端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷに電気的につながっている。端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷは配線盤に固定されており、これら端子からインバータの出力である三相交流電力がモータ３００に供給される。
【００５６】
図７は図２の代案であり、図２はパワーモジュール１００を構成するスイッチング素子としてＩＧＢＴを使用しているが、図７は電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor ‐ Field Effect Transistor）を使用したものである。図２と同じ番号は同じ機能を持ち、同じ作用をする。パワーモジュール１００は図２のアーム１００ＵＨ、１００ＵＬ、１００ＶＨ、１００ＶＬ、１００ＷＨ、１００ＷＬと同じ動作をするアーム７００ＵＨ、７００ＵＬ、７００ＶＨ、７００ＶＬ、７００ＷＨ、７００ＷＬで構成されている。これら各アームは図８に示す如く複数の電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴであるＳＷＵＨ１〜ＳＷＵＨ２からなる並列回路で構成されている。並列接続されたこれらのスイッチング素子は先の説明のＩＧＢＴと同じと考えてよく、これらのチップも図４や５で説明の構造と同様の構造で枠体に固定され、配線される。ＩＧＢＴと相違する点は、ＩＧＢＴを使用した場合にはダイオードが必要であるが、電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴは不要である。その理由は、前記ダイオードが果す機能を電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴのチップ自身は既に備えているからである。
【００５７】
図９を用いて、パワーモジュールに使用されているスイッチング素子ＳＷUHの上面電極であるエミッタ電極と導体１８６との間のリード状導体ＬＣによる接続構造について説明する。図９は、図５に示すパワーモジュールを構成するスイッチング素子ＳＷUHの上面のエミッタ電極と導体１８６との間のリード状導体ＬＣによる接続構造を示す、図５のＡ−Ａ断面図である。なお、他図と同一符号は、同一物を示している。
【００５８】
セラミックスからなる絶縁基板１８０の上に銅配線１８２の層が形成されている。銅配線１８２の表面（図示の上側の面）にはニッケルめっき膜が形成されている。スイッチング素子ＳＷUHの下面側に形成されたコレクタ電極ＥDは、スズおよび鉛からなる融点約３３０℃のハンダ１８４によって銅配線１８２に固定されている。さらに、セラミックスで作られた絶縁基板１８０Ａの上には、導体１８６が層状に形成されている。導体１８６の表面には、金めっき膜１８８が形成されている。なお、この図では絶縁基板１８０とは別に厚さの異なる絶縁基板１８０Ａを設け、この絶縁基板１８０Ａに導体１８６を層として形成しているが、これは導体１８６とスイッチング素子ＳＷＵＨのチップの上側の電極との高さ関係をほぼ同じにしようとした構造である。他の方法として絶縁基板１８０Ａを特別に設けることなく、絶縁基板１８０の延長上に導体１８６を形成してもよい。この場合は導体ＬＣの端子１７４と端子１７６とは異なる高さ関係となり、接続がやや複雑となる。しかしスイッチング素子の発熱が導体ＬＣと導体１８６とを介して伝導する熱抵抗が小さくなり、素子の温度上昇を押さえる効果がある。
【００５９】
リード状導体ＬＣは、厚さ０．３〜０．６ｍｍの銅板の表面にニッケルめっきを施したものである。リード状導体ＬＣは、スイッチング素子ＳＷUHの上に位置する部分において、そのリード状導体ＬＣの幅はスイッチング素子ＳＷUHの幅とほぼ等しい約１５ｍｍである。スイッチング素子ＳＷUHと導体１８６との間のリード状導体ＬＣには、応力を吸収する目的から曲げ部ＬＣ−Cが形成されている。曲げ部ＬＣ−Cの高さＨ１は、３〜７ｍｍになっている。曲げ部ＬＣ−Cは、各部の線膨張係数の違いにより、スイッチング素子ＳＷの上面の接続部に応力が集中し、接続部の剥離や接続部に亀裂（クラック）が生じることを防止するための応力低減部（応力緩和部）としての機能を有している。線膨張係数の相違により応力が発生すると、曲げ部ＬＣ−Cが変形して、応力を緩和できる。
【００６０】
リード状導体ＬＣの両端には接続のための端子１７０と１７２が形成されている。この端子１７０，１７２はその下面に接続面を有している。それら接続面にはそれぞれ多数の突起が設けられている。これら突起は次のようにして形成される。状導体ＬＣの端子部の接続面である下面に、エポキシ樹脂を主成分とするソルダレジスト層１７４，１７６が約３０〜１００μｍの厚さで形成される。ソルダレジスト層１７４，１７６に対して、フォトレジストにより、端子１７０，１７４の接続面の突起に対応して直径５００μｍの開口部を形成する。この開口部から導体ＬＣの接続面に金めっき膜を形成する。さらに、これら金めっき膜に、スズ，銀および銅からなる融点約２３０℃のハンダを、直径５００μｍのハンダボールとして、取り付ける。スイッチング素子ＳＷUHの上面に形成されたエミッタ電極ＥSの寸法を、１２ｍｍ×８ｍｍとすると、端子の接続面の突起は、７行×７列で、４９個形成される。端子１７０の突起の個数は端子１７２の突起の個数とほぼ同じとする。
【００６１】
導体１８６及びスイッチング素子ＳＷUHの上面のエミッタ電極ＥSに対して、リード状導体ＬＣを位置決めし、カーボン製の押さえ治具によりリード状導体ＬＣを保持した後で、端子１７０，１７２に使用されているハンダ材の融点より高い雰囲気の加熱炉に、これらを導入する。これにより、導体１８６及びスイッチング素子ＳＷUHの上面のエミッタ電極ＥSに対して、リード状導体ＬＣを固着することができる。
【００６２】
なお上記突起に加え、直径５００μｍのハンダボールを用いることにより、リード状導体ＬＣの端子部の下面と、スイッチング素子ＳＷUHの上面とのギャップＨ２は、５００μｍ以上とすることができる。スイッチング素子ＳＷUHは、その端面のアース電位（このケースではコレクタ電位）の位置と、上面のエミッタ電極ＥSとの間に、所定の電圧Ｖ１（スイッチング素子ＳＷUHの常用最大電圧６００Ｖとすると、電圧Ｖ１は、２倍の１２００Ｖ）が印加されても絶縁破壊しないような絶縁耐圧を有する構造となっている。この構造で、リード状導体ＬＣの下面と、スイッチング素子ＳＷUHの上面とのギャップＨ２を５００μｍ以上とすることにより、リード状導体ＬＣの下面と、スイッチング素子ＳＷUHの上面間の絶縁耐圧が低下するのを防止できる。
【００６３】
なお、端子１７０、１７２の材料としては、スズあるいはスズに銅，銀，亜鉛，ニッケル等の金属を配合した合金を用いることも可能である。さらに、これらの接続用材料で突起部を形成する場合、リード状導体に接続用材料のぬれ広がり量を一定に保ち、接続材料がリード状導体全体に広がらないようにするため、エポキシ系樹脂あるいはポリイミド系樹脂からなる層をリード状導体の素子接続側に形成し、高さがほぼ一定となる接合材料による突起部が形成させる。さらに、素子の電極材質が金の場合、突起状接続部に形成した接続材料としてはスズを用いることができる。その他、インジウム，ビスマス，亜鉛，アンチモン，銀，スズ，銅を単独あるいは２種類以上配合した合金を接続材料として使用することができる。
【００６４】
上述のように導体ＬＣと素子のチップとの絶縁耐圧を維持することが必要である。上述のごとく、インバータに供給される直流電圧が６００ボルトとするとその２倍の耐圧が必要である。図９では、導体ＬＣの素子側端子の接続面に設けられた突起によりチップ側面との距離を保つことができる。さらに上記突起だけでなく半田ボールなどの使用により、さらに距離をかせぐことで耐圧を高めている。またさらに導体ＬＣの接続面は素子の電極に合わせ電極面と平行に設けられるように作られているが、接続面が終わると素子から離れる方向に曲げられている。この曲げは応力を吸収する効果のみならず絶縁耐圧を維持するために重要な作用をなす。従ってこの曲げはチップの端部からあるいは端部の内側から始まることが望ましい。
【００６５】
上記導体ＬＣは素子側が素子に対応して分割され、導体１８６側は分割されていないが、素子毎に分割されていてもよい。素子毎に分割されていると素子毎に位置合わせが可能である。ただし部品数が増えるので作業工数が増える。素子２個毎に分けることにより位置ずれを調整しやすくまた部品数もあまり増えないようにすることも可能である。
【００６６】
図９はスイッチングモジュール１００に使用されているスイッチング素子とリード状導体ＬＣとの接続部の構造を、素子ＳＷＵＨ１を代表例として説明した。アーム１００ＵＨを構成する他の素子も同様であり、さらに他のアームの素子も同様の構造である。
【００６７】
次に、図１０を用いて、パワーモジュール１００におけるダイオードＤUHの上面電極と導体１８６との間のリード状導体ＬＣによる接続構造について説明する。図１０は、パワーモジュール１００に使用されるダイオードＤUHの上面のエミッタ電極と導体１８６との間のリード状導体ＬＣによる接続構造を示す断面図である。図１０は、図５のＢ−Ｂ断面を示している。なお、他図と同一符号は同一物を示している。
【００６８】
図１０の基本的な構成および作用は、図９に示したものと同様である。セラミックスからなる絶縁基板１８０の上には銅配線１８２が形成されている。銅配線１８２の表面（図示の上側の面）にはニッケルめっき膜が形成されている。ダイオードＤUHの下面側に形成された電極ＥD1は、スズおよび鉛からなる融点約３３０℃のハンダ１８４によって、銅配線１８２に固定されている。さらにダイオードのアノード電極と電気的に接続される導体１８６はセラミックスからなる絶縁体１８０Ａの上に設けられている。
【００６９】
導体ＬＣの端子１７０と１７３の接続面である下面には、上で説明した端子１７０，１７２と同様に、予め突起が形成されている。導体１８６及びダイオードＤUHの上面の電極（カソード極）ＥD2に対してリード状導体ＬＣを位置決めし、カーボン製の押さえ治具によりリード状導体ＬＣを保持した後に、端子１７０や１７３をに使用されているハンダ材の融点より高い雰囲気の加熱炉に、これらを導入する。これにより、導体１８６及びダイオードＤUHの上面の電極ＥD2に対して、リード状導体ＬＣを固着することができる。
【００７０】
以上説明したようにリード状導体ＬＣを使用すると、一つのアームモジュールで考えると、４対のスイッチング素子とダイオードのペアを、一度に接続することができ、作業性を向上することができる。また、半導体スイッチング素子ＳＷのゲート端子に入力する制御信号以外の接続部の断面積をボンディングワイヤを用いた場合に比べて広くすることにより、自動車用のインバータの如く、大電流量を流すインバータに適している。また熱を流すことができ、この点でも自動車のごとく過酷な使用条件に優れた効果がある。
【００７１】
なお、以上の説明は、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いた場合について説明したが、半導体スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合には、ダイオードは不要である。この場合にも、単一のＭＯＳ−ＦＥＴの上面電極と導体とをリード状導体により接続したり、一つのアームモジュールが複数のＭＯＳ−ＦＥＴで更正される場合に、これらの上面電極を一つのリード状導体により一度に接続することができる。
【００７２】
なお上記説明では、突起端子１７０，１７２に融点２３０℃のハンダを用い、ハンダ１８４として融点３３０℃の物を用いているが、両者をほぼ同一の融点の材料を用いることにより、スイッチング素子ＳＷ１の上下面の接続を同時に行え、さらに、作業性を向上できる。このとき、ハンダ１８４としては、シート状ハンダを用いる。なお、ハンダ材としては、他にも、融点１８０℃の低融点ハンダを用いることもできる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、リード状導体を用いることにより、大電流化が可能であるとともに、組立性を向上することができ、自動車の搭載した電源によりモータ駆動用の電力を発生するインバータの構造として適している。すなわち、単一のスイッチング素子の電流容量が大きくなった場合でも、また、スイッチング素子とダイオードのペア数が増加した場合でも、組立性を損なわず、さらに接合部分の断面積を増大することにより大電流時の溶断を防止し、信頼性が向上できる。スイッチング素子の並列構造で信頼性の高いアームを構成しても、作業性の低下を防止できる。
【００７４】
また、リード状導電材と、スイッチング素子，ダイオード，導体等の各素子等の接合部分に一括接続可能な突起状電極を用いることにより、従来のボンディングワイヤを用いた場合に比べ接続部の断面積を大きくすることが可能となり、電流量の増加に対応可能であり、また、組立性が向上する。スイッチング素子の電極と配線との接触面積をワイヤーボンディングより大きくできるので接触部の電圧降下を少なくでき、車載機器のように比較的低い電源電圧で、一方回転機の回転速度の高い動作状態が存在する回転機に使用するインバータにおいて、高回転速度による回転機の誘起電発上昇に伴う回転機の端子電圧の不足とそれに伴う供給電流の不足という問題を改善する効果がある。
【００７５】
さらに、電流量が増加し、単一のアームに複数のスイッチング素子とダイオードのペアを用いる場合、リード状導電材を連結させることにより、スイッチング素子とダイオードのペアに対し個別に接続すること無しに、一括して接続が可能となるため、装置の大電流化への対応と組立の簡略化を同時に図ることが可能となる。
【００７６】
以上のように、リード状導体を用いることにより、ボンディングワイヤを使用した場合に比べて接続断面積を大幅に広げることが可能となり、各素子間や端子間で制御する電流量の大幅な増大が可能となる。さらに、複数のスイッチング素子とダイオードのペアを用いる場合リード状の導電材を連結させることにより、スイッチング素子とダイオードおよびケースに設けた各端子との接続を同時に行うことが可能になり、電流量が増加しスイッチング素子とダイオードのペアが増加しても一括組立可能なことから、組立性も向上する。
【００７７】
また、導体１８６と、スイッチング素子ＳＷ及びダイオードＤの間を一体化されたリード状導体により接続することにより、接続部材のインダクタンスを小さくすることができる。また、半導体スイッチング素子ＳＷからの熱伝導をより均一にすることができるため、並列接続された各半導体スイッチング素子ＳＷの間に温度差を生じ難くすることができ信頼性が向上する。また、リード状導体により半導体スイッチング素子ＳＷを一体的に接続するため、各半導体スイッチング素子ＳＷに印加される電位を均等にできる。電位を均等にでき、また、熱伝導も均一化できることから、経時変化に対するバラツキを低減することができる。
【００７８】
また、一体化されたリード状導体を用いることにより、共振を押さえて、耐振動性を向上できる。
【００７９】
次に、図１１を用いて、本発明の第２の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、３相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図４に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図２や図３と同様である。
【００８０】
図１１は、本実施形態によるパワーモジュールの中のアーム構成を拡大して図示したものである。ここでは、Ｕ相上アームモジュール１００ＵＨを例にして説明するが、他のアームモジュールの構成も同様である。なお、他図と同一符号は同一物を示している。
【００８１】
アーム１００ＵＨ−Ａにおいて、スイッチング素子ＳＷUH’は、図５に示した配置とは、上下逆に配置されている。したがって、上面側にコレクタ電極が位置し、下面側にエミッタ電極とゲート電極が位置している。
【００８２】
スイッチング素子ＳＷUH’の下面側のエミッタ電極は、ハンダバンプ１７２Ａにより絶縁基板１８０上に設けた配線１８２に接続される。さらに、スイッチング素子ＳＷUH’のゲート端子は、絶縁基板１８０上に設けた配線１６０にハンダバンプ１７２Ｂを介して接続される。配線は、図２に示したゲート用端子ＴUHGに接続される。スイッチング素子の上面側のコレクタ電極は、同様に突起を有する端子と接合材兼用のハンダバンプ１７２Ｃでリード状導体ＬＣ−Ａに接続される。リード状導体，端子の突起と接合材との兼用ハンダバンプ等は図５に示したものを用いることができる。
【００８３】
本実施形態では、スイッチング素子の制御に用いるゲート電極の接続にも突起を有する端子やハンダバンプを用いたものが使用されている。４対のスイッチング素子とダイオードのペアが一度に接続されると共に、制御信号以外の接続部の断面積が広くでき、電流量の増加により対応可能となる。
【００８４】
次に、図１２を用いて、本発明の第３の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、３相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図４に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図２と同様である。図１２は、本実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を拡大して図示したものである。ここでは、Ｕ相上アームモジュール１００ＵＨを例にして説明するが、他のアームモジュールの構成も同様である。他図と同一の符号は同一ぶつを示している。
【００８５】
アームモジュール１００ＵＨ−Ｂにおいて、スイッチング素子ＳＷUH’の絶縁基板１８０への搭載方法、リード状導体ＬＣ−Ａの形状、各電極とのハンダバンプ１７２Ａ，１７２Ｂ，１７２Ｃによる接続方法は、図７と同様である。
【００８６】
本実施形態では、リード状導体ＬＣ−Ａの上面にセラミックス製の絶縁基材１５０を接続してある。リード状導体ＬＣ−Ａと基材１５０の合成熱膨張係数は、両者の中間の値となるため、リード状導体ＬＣ−Ａ単体の場合に比べて小さくでき、スイッチング素子ＳＷUH’との熱膨張係数の差を小さくでき、スイッチング素子ＳＷUH’との接合部分に発生する熱歪を低減し、接合部のさらなる信頼性向上が可能となる。
【００８７】
なお、基材１５０の材料としては、セラミックス以外に、鉄とニッケルからなるインバーや、鉄とニッケルおよびコバルトからなるコバール等の低熱膨張の合金も使用可能である。
【００８８】
次に、図１３を用いて、本発明の第４の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、３相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図４に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図２と同様である。
【００８９】
図１３は、本発明の第４の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの断面図である。図５のＡ−Ａ断面に相当する断面構造を示している。なお、他図と同一の符号は同一物を示している。
【００９０】
リード状導体ＬＣーＢは銅をコアとしたもので、スイッチング素子ＳＷUH’およびケース内端子１８６との接合部には、リード状導体ＬＣーＢの端子部と一体的に形成された突起１７２Ｄ，１７０Ａが形成されている。突起１７２Ｄ，１７０Ａは、プレス加工により予めリード状導体の端子部の接続面に突起加工により形成されたものである。なお、エッチングにより不要部分を除去して突起を形成したり、めっきにより必要部分に突起を形成するようにすることで突起を形成してもよい。さらに、突起１７２Ｄ，１７０Ａの表面には、スズめっき膜１７２Ｆ，１７０Ｂが形成されている。
【００９１】
スイッチング素子ＳＷUH’およびケース内端子１８６の表面には、それぞれ金めっきによるバンプ１７２Ｅ及び金めっき膜１８９が形成されている。リード状導体ＬＣ−Ｂに設けたスズめっき膜１７２Ｆ，１７４Ｂと、金メッキ膜１８９あるいは金バンプ１８２Ｅがそれぞれ対応する位置に置かれ、適当な荷重を加えながら２８０℃以上に加熱することによりリード状導体に設けたスズと金めっきあるいは金バンプ部が反応し、金／スズの合金を形成しリード状導電体ＬＣ−Ｂとスイッチング素子ＳＷUH’およびケース内端子１８６との接合が完了する。なお、ダイオードとリード状導体との接続も同様に行われる。
【００９２】
突起と各素子との接続部に形成する接続材料は、各素子の接続部の電極材質により種々異なるが、電極材料がニッケル層あるいはその表面に金めっき処理を行ったものの場合、スズあるいはスズに銅，銀，亜鉛，ニッケル等の金属を配合した合金を接合材料として用いることが可能である。
【００９３】
次に、図１４及び図１５を用いて、本発明の第５の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、３相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図４に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図２と同様である。
【００９４】
図１４は、本実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を拡大して図示したものである。ここでは、Ｕ相上アームモジュール１００ＵＨを例にして説明するが、他のアームモジュールの構成も同様である。図１４は、本発明の第５の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。図１５は図１４のＡ−Ａ断面図である。なお、他図と同一の符号は同一物を示している。
【００９５】
本例のアームモジュール１００ＵＨ−Ｄにおいて、基本的な構成は、図９に示したものと同様である。本例では、リード状導体ＬＣ−Ｄ’とスイッチング素子ＳＷUH’との接合部分において、リード状導体ＬＣ−Ｄ’の突起状端子１７２Ｄの周囲の部分にスリットＳＬを設け、リード状導体のうち、素子との接合部分を分離している。スリットＳＬは平面形状がコ字状であり、図１５に示すように、スリットＳＬはリード状導体ＬＣ−Ｄ’を貫通している。したがって、突起状端子１７２Ｄは、一辺でのみリード状導体ＬＣ−Ｄ’と接続されているため、容易に変形しやすい形状となっている。その結果、素子の動作や使用環境温度の変化により素子やリード状導体の寸法や接続部位置が変化しても、スリット部でリード状導体が容易に変形して、リード電極全体にひずみを与えないようにすることにより、接続部位に生じるひずみを低減しパワーモジュールの信頼性をさらに向上することが可能となる。
【００９６】
図１３や１５に示す導体ＬＣの接続部は、突起によりチップ側面との距離が保持され、絶縁耐圧を確保できる。さらにチップ端部であるいは端部から内側で導体ＬＣがチップ側面から遠ざかる方向に曲がった形状である。これにより絶縁耐圧が維持できる。
【００９７】
なお、分割部（スリット部）には、素子接続時に大きく変形しないようにするため、素子との接続部裏面にポリイミド製のフィルムを接着することができ、さらにデバイス動作時の温度変化で分割したリード部が変位し易いように、分割したリード状導電材とポリイミド製フィルムの間に弾性率が０．１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の樹脂からなる緩和層を設けてもよいものである。
【００９８】
また、リード状導体において各素子との接合部以外の部分を網目状にして素子接合部と素子等との間に生じるひずみを緩和し、且つ電流量増加による接続部の溶断を防止することができる。
【００９９】
上記実施の形態で導体ＬＣは素子側のみ分割され他の側は一体であるが、これは部品数を減らすためである。しかし素子側の反対側である他方を一体にするのではなく素子２個ごとに完全に分割した構成でもよい。素子との位置合わせが容易である。さらに素子ごとに完全に分けてもよい。
【０１００】
応力を吸収するために、導体ＬＣの上記形状に加え、ＬＣ−ＣやＬＣ−Ｂの部分に絶縁体１８０から離れる方向の山形状を形成して応力を吸収してもよい。またこの部分の厚さを薄くして応力を吸収しやすくしてもよい。ワイヤによる接続に比べ導体ＬＣの幅が十分確保できるので、一部を薄くしても電流を流す上で問題ない。
【符号の説明】
【０１０１】
ＢＷ…ボンディングワイヤ
ＳＷUH…スイッチング素子
ＤUH…ダイオード
ＬＣ…リード状導体
１７０，１７２…突起端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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