(57)【要約】  制御基板に対してパワー半導体素子や他の制御基板からの入熱を減らし、制御基板の放熱性を向上させることで、制御基板の温度を低下させ、信頼性の高いパワーモジュールを得ることを目的とする。  本発明のパワーモジュール（２０）は、ベース板（２）に実装されたパワー半導体素子（１）とパワー半導体素子（１）を制御する一つもしくは複数の制御基板（６）とがケース（４）内に配置され、少なくとも一つの制御基板（６）は、ベース板（２）におけるパワー半導体素子（１）が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする。
2013172183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板に実装されたパワー半導体素子と前記パワー半導体素子を制御する一つもしくは複数の制御基板とがケース内に配置されたパワーモジュールであって、
前記制御基板は、前記ベース板における前記パワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記実装面に対して略垂直に配置された複数の前記制御基板を備え、
一の前記制御基板は、少なくとも一つの他の前記制御基板に対して略垂直に配置されたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記実装面に対して略垂直に配置された複数の前記制御基板を備え、
前記制御基板の少なくとも一つは、当該制御基板の高温側の面を前記ケースに向けたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記実装面に対して略垂直に配置された複数の前記制御基板と、前記ケースの上部に設けられた熱遮断部材を備え、
前記熱遮断部材は、一の前記制御基板と少なくとも一つの他の前記制御基板との間に延伸して配置されたことを特徴とする請求項２または３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記熱遮断部材は、前記ケースと一体形成されたことを特徴とする請求項４記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記熱遮断部材の両面に、前記熱遮断部材よりも熱伝導率の高い熱遮断部材を設けたことを特徴とする請求項４または５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
放熱器を備え、
前記放熱器は、前記熱遮断部材が設けられた前記ケースの上部の外側に設けられたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記実装面に対して略垂直に配置された少なくとも一つの前記制御基板における厚さ方向の面が対向する前記ケースの外周面であって、当該制御基板に近い側の外周面に、
放熱器が設けられたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記パワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項９記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子と制御基板を同一のパッケージ内に配置したパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー半導体素子と制御基板を同一パッケージ内に配置したパワーモジュールは、パワー半導体素子が高温となる。制御基板は、パワー半導体素子から入熱すること及びパワー半導体素子に対向した面からは放熱できないことにより、温度が著しく上昇し、制御基板自体もしくは制御基板に搭載された制御ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）が破壊してしまう可能性がある。そのため、パワー半導体素子から制御基板内への入熱を減らすか、制御基板の放熱性の向上が必要となる。そこで、パワー半導体素子と制御基板の間に熱遮断部材を設けることで、パワー半導体素子から制御基板への熱を遮断する技術がある。（例えば特許文献１、特許文献２）。【０００３】
特許文献１には、ベース板上にパワー半導体素子（特許文献１のパワーモジュール２）が実装されると共にこのパワー半導体素子と制御基板とがカバー内に配置され、パワー半導体素子と制御基板との間に第１の熱遮断部材、第２の熱遮断部材、断熱層を備えた半導体装置が記載されている。特許文献１の半導体装置は、パワー半導体素子と制御基板を同一のパッケージ内に配置したパワーモジュールに相当する。特許文献１の半導体装置は、ベース板上のパワー半導体素子を覆うように配置される第１の熱遮断部材と、第１の熱遮断部材の上面を覆うように配置される第２の熱遮断部材と、第１の熱遮断部材と第２の熱遮断部材の間に形成された断熱層を備え、第１の熱遮断部材及び第２の熱遮断部材のうち少なくとも一方を熱伝導性の優れた材料により形成してその下端部でベース板に接触させて固定すると共に、制御基板を第２の熱遮断部材の上に配置していた。このような構成により、パワー半導体素子から制御基板への伝熱を、第１の熱遮断部材、第２の熱遮断部材、断熱層によって遮断するようにしていた。【０００４】
特許文献２には、放熱板上にパワー半導体素子（特許文献２の電力用半導体素子１）が実装されると共にこのパワー半導体素子と制御基板とがケース内に配置され、パワー半導体素子と制御基板との間に、パワー半導体素子の発熱をケース外部に伝達する面方向の熱抵抗が厚み方向のそれより低い熱遮断シート材を備えたパワーモジュールが記載されている。特許文献２のパワーモジュールは、熱遮蔽シート材の端部が放熱板の上部に接続され、ケース内にゲル状充填物が充填され、ゲル状充填物を伝導してきたパワー半導体素子の熱が熱遮蔽シート材の厚さ方向に配置された制御回路を温度上昇させる前に、その熱を面方向へ輸送するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３３９３５２号公報（０００５段〜００１２段、図１）
【特許文献２】特開２００３−２９８００９号公報（０００７段〜００１９段、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パワー半導体素子から制御基板への空気を介した熱の移動には、熱伝導、対流、輻射がある。制御基板をパワー半導体素子に対して、平行に配置した従来の構造では、パワー半導体素子に対して、制御基板が対面する面積が大きいため、パワー半導体素子からの熱の移動量が非常に大きい。また、制御基板とパワー半導体素子との間に熱がこもり、パワー半導体素子近傍の空気温度が上昇し、パワー半導体素子の温度が上昇するといった課題があった。【０００７】
特許文献１のパワーモジュールは、ベース板が高温となった場合に、第２の熱遮断部材はベース板から熱が伝わり、温度が上昇する。また、特許文献２のパワーモジュールも、同様に放熱板が高温となった場合に、熱遮蔽シート材は放熱板から熱が伝わり、温度が上昇する。したがって、従来のパワーモジュールは、熱遮断部材や熱遮蔽シート材から制御基板に入熱する可能性があった。さらに、熱遮断部材や熱遮蔽シート材を用いることで、構造が複雑になり、コストや工数が増えるという問題点もあった。【０００８】
また、制御基板を複数搭載したパワーモジュールも考えられる。従来のパワーモジュールは、複数の制御基板間の熱遮断と放熱性の向上については考慮されていない。例えば、パワー半導体素子に対して複数の制御基板を平行に配置した場合、制御基板に搭載された制御ＩＣ等の発熱により制御基板の温度が上昇し、さらに他の制御基板から入熱することで、制御基板の放熱が十分にできない問題点があった。【０００９】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、制御基板に対してパワー半導体素子や他の制御基板からの入熱を減らし、制御基板の放熱性を向上させることで、制御基板の温度を低下させ、信頼性の高いパワーモジュールを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のパワーモジュールは、ベース板に実装されたパワー半導体素子とパワー半導体素子を制御する一つもしくは複数の制御基板とがケース内に配置され、少なくとも一つの制御基板は、ベース板におけるパワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のパワーモジュールによれば、少なくとも一つの制御基板がベース板の実装面に対して略垂直に配置されたので、制御基板におけるパワー半導体素子に対面する面積が減少でき、パワー半導体素子からの熱伝導と輻射による熱の移動が減少することができる。また、本発明のパワーモジュールによれば、パワー半導体素子の上方の空間が広くできるため、熱がこもりにくくなり、パワー半導体素子近傍の空気温度の上昇が抑制されるので、パワー半導体素子の温度が低下でき、パワー半導体素子から制御基板への入熱量がさらに減少し、制御基板の温度を低下させることができ、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面図である。
【図２】本発明の制御基板の角度と輻射量の関係図である。
【図３】本発明の実施の形態１による制御基板の支持方法を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるコネクタを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１による他のコネクタを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２による制御基板の支持方法を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２による他のパワーモジュールの断面図である。
【図９】図８のパワーモジュールの平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２による制御基板の支持方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３によるパワーモジュールの断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３による他のパワーモジュールの断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４によるパワーモジュールの断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５によるパワーモジュールの断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態６によるパワーモジュールの断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態７によるパワーモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面図である。パワーモジュール２０は、シリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体材料を基材としたパワー半導体素子１が、ベース板２の上に配置されたセラミックなどからなる絶縁基板（図示せず）の上に、半田により実装されている。パワーモジュール２０は、パワー半導体素子１と、ベース板２と、主端子３と、ケース４と、制御ＩＣ９が実装された制御基板６と、パワー半導体素子１を封止する封止材５を備える。図１では、パワー半導体素子１が３つあり、主端子３が２つあり、制御ＩＣ９が３つある例を示した。パワー半導体素子の符号は、総括的に１を用い、区別して説明する場合に１ａ、１ｂ、１ｃを用いる。主端子の符号は、総括的に３を用い、区別して説明する場合に３ａ、３ｂを用いる。制御ＩＣの符号は、総括的に９を用い、区別して説明する場合に９ａ、９ｂ、９ｃを用いる。
【００１４】
ベース板２は、通常銅板等の熱伝導率の高い金属により作成されるが、絶縁基板とパワー半導体素子１との接合部である半田部がヒートサイクルにより破壊されることを抑制するため、熱膨張率が銅板に比べ小さい、アルミニウム・シリコンカーバイト（ＡｌＳｉＣ）や銅モリブデン（ＣｕＭｏ）などを用いることもできる。
【００１５】
パワー半導体素子１は、ゲル状の封止材５により封止されており、パワー半導体素子１の上方には、パワー半導体素子１を制御するための制御ＩＣ９が実装された制御基板６が配置されている。パワー半導体素子１と制御基板６は、ケース４により一つのパッケージとして収納されている。ケース４は、例えば、枠体３１とフタ３２から構成されている。ケース４は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁と耐熱性を有した樹脂で構成されることが多い。
【００１６】
ケース４に固定された主端子３ａ、３ｂは、アルミ製のボンディングワイヤ１０と中継端子（図示せず）を介してパワー半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃと電気的に接続されており、大電流が流れる。アルミ製のボンディングワイヤ１０の代わりに、銅やアルミなど導電性の高い金属からなるリードフレームを用いてもよい。パワー半導体素子１ｂは、パワー半導体素子１ａ、１ｃとアルミ製のボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続されている。また、パワー半導体素子１は、主端子３とボンディングワイヤ１０と中継端子を介して制御基板６に電気的に接続されており、制御基板６上にある制御ＩＣ９ａ、９ｂ、９ｃによりそれぞれパワー半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃのスイッチング動作を制御している。
【００１７】
図１では、パワー半導体素子１の上方に搭載された一枚の制御基板６が、ベース板２の表面、すなわちベース板２におけるパワー半導体素子１が実装された実装面と略垂直に配置されている。このような構成とすれば、複雑な構成の熱遮断部材を用いることなく、パワー半導体素子１から制御基板６への入熱面積を大幅に減少させることが可能となる。したがって、パワー半導体素子１から制御基板６への入熱を極力減少させるとともに、制御基板６の広い面はパワー半導体素子１と対向しないことにより制御基板６の両面から放熱が促されるので、制御基板６の放熱性が悪化するということがなくなる。制御基板６をベース板２の実装面に対して略垂直になるように配置することにより、制御基板６の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。
【００１８】
実施の形態１のパワーモジュール２０は、制御基板６をベース板２の実装面に対し略垂直に取付けたことにより、パワー半導体素子１による熱が制御基板６に伝わりにくくなることと、制御基板６の両面からの放熱が可能となり、放熱面積の増加により放熱性を向上させることで、制御基板６の温度上昇を大幅に低減できる。
【００１９】
パワー半導体素子１は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においてはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。デバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、やダイオードのような整流素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子や整流素子として機能するパワー半導体素子１に、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、パワーモジュール２０の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワーモジュール２０の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、放熱フィンを備えたパワーモジュール２０の一層の小型化が可能になる。
【００２０】
図２は、本発明の制御基板の角度と輻射量の関係図である。制御基板６は、パワー半導体素子１が搭載されるベース板２の表面に対して垂直とすることが好ましいが、輻射の影響について考慮すると、ベース板２の表面に垂直な垂直面に対して±３０°（図２において６０°〜１２０°）以内の角度に傾けることで、輻射の熱の移動量が半分以下にできる。このように、パワー半導体素子１が搭載されるベース板２の実装面に対して略垂直とすれば、ベース板２の実装面に対して平行に制御基板を配置する場合（図２において０°又は１８０°）に比べて、制御基板の温度上昇を低減させる効果を得ることができる。また、制御基板６がパワー半導体素子１に垂直な面に対して、±３０°以上の場合においても、平行にならないように、傾斜を持たせることで、制御基板６におけるパワー半導体素子１に対面する面積が減少し、制御基板６の温度上昇の低減に効果がある。なお、ベース板２と制御基板との配置角度は、他の実施の形態においても同様である。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態１による制御基板の支持方法の一例を示す図である。実施の形態１のパワーモジュール２０は、ケース４の枠体３１に制御基板６を支持するための溝１９を設けており、制御基板６を溝１９に挿入することで制御基板６を支持している。
【００２２】
制御基板６とパワー半導体素子１とを電気的に接続する方法を説明する。図４は、本発明の実施の形態１によるコネクタを示す図である。図４では、ケース４の枠体３１に設けられた溝１９と接する部分の制御基板端部にコネクタ１４を設け、同様にケース４の側にもコネクタ１５を設けることで、制御基板６と外部機器との導通をとる。制御基板６のコネクタ１４は、制御ＩＣ９とボンディングワイヤ１０で接続されている。ケース４の側のコネクタ１５は、パワー部（パワー半導体素子１）と導通するように、アルミボンディング（ボンディングワイヤ１０）もしくは、フレームなどで、パワー部（パワー半導体素子１）と接続する。また、端子等をケース４の中もしくは、ケース４の外部に取り付け、パワー半導体素子１からケース４の溝１９まで電気的に接続しても良い。それにより、制御基板６とパワー半導体素子１とを電気的に接続することが可能となる。
【００２３】
制御基板６とパワー半導体素子１とを電気的に接続する方法は、他の方法も考えられる。図５は、本発明の実施の形態１による他のコネクタを示す図である。図５は、制御基板６に対して略垂直となる向きにコネクタ１６を設け、パワー半導体素子１と電気的に接続している中継端子１７にコネクタ１６を電気的に接続する例である。制御基板６のコネクタ１６は、制御ＩＣ９とボンディングワイヤ１０で接続されている。制御基板６と電気的に接続されているコネクタ１６と、パワー半導体素子１と電気的に接続している中継端子１７を電気的に接続することで、制御基板６とパワー半導体素子１を電気的に接続させることが可能となる。
【００２４】
なお、図４、図５では、制御ＩＣ９とコネクタ１４、１６との接続をボンディングワイヤ１０で行った例を示したが、制御基板６に形成されたパターンによる接続などでも良い。また、制御基板６とパワー半導体素子１との接続方法は、上記の方法以外にも、制御基板６とパワー半導体素子１とを、ボンディングワイヤ、導電性のよいフレーム、中継端子などによる接続でも良い。パワー半導体素子１と制御基板６との接続方法は、他の実施の形態においても同様であり、適宜、組み合わせて用いて良い。
【００２５】
以上のように実施の形態１のパワーモジュール２０によれば、ベース板２に実装されたパワー半導体素子１とパワー半導体素子１を制御する一つもしくは複数の制御基板６とがケース４内に配置され、少なくとも一つの制御基板６は、ベース板２におけるパワー半導体素子１が実装された実装面に対して略垂直に配置されたことを特徴とするので、放熱性が向上し、制御基板の温度を低下させることができ、パワーモジュール２０の信頼性を向上することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの断面図である。実施の形態２のパワーモジュール２０は、複数の制御基板６、７を搭載する点で、実施の形態１と異なる。図６では、制御基板６に制御ＩＣ９ａが搭載され、制御基板７に制御ＩＣ９ｂが搭載された例を示した。
【００２７】
実施の形態２では、複数ある制御基板６、７を全てベース板２の実装面に対して略垂直に配置しており、さらに制御基板６と、制御基板７とを平行に配置している。このような構成とすれば、実施の形態１で説明したように、パワー半導体素子１から制御基板６への入熱面積を大幅に減少させることが可能となるので、制御基板６、７に対して、パワー半導体素子１からの入熱を極力減少させることができる。また、制御基板６は、パワー半導体素子１や他の制御基板７に隣接した状態で挟まれることがなく、両面放熱が可能となるため、放熱性が悪化するということがなくなる。複数の制御基板６、７を全てベース板２の実装面に対して略垂直に配置することにより、複数の制御基板６、７をパワーモジュール２０に搭載した場合に、制御基板６、７の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。
【００２８】
図７は、本発明の実施の形態２による制御基板の支持方法の一例を示す図である。実施の形態２のパワーモジュール２０は、複数の制御基板を搭載しており、搭載する基板枚数分だけ、ケース４に制御基板を支持するための溝１９を設けて、制御基板を溝１９に挿入することで制御基板を支持している。図６では２枚の制御基板６、７を平行に配置する例を示したが、図７では３枚の制御基板６、７、８を平行に配置する例を示している。
【００２９】
図８は、本発明の実施の形態２による他のパワーモジュールの断面図である。図９は、図８のパワーモジュールの平面図であり、ケース４のフタ３２を外した平面図である。図８、図９では、複数の制御基板６、７を全てベース板２の実装面に対して略垂直に配置した状態に加え、少なくとも一枚の制御基板６を他の制御基板７に対して略垂直に配置している。図８、図９では、制御基板６に制御ＩＣ９ａ、９ｂが搭載され、制御基板７に制御ＩＣ９ｃが搭載された例を示した。図９には、３つの主端子３ａ、３ｂ、３ｃがある例を示した。図８では、主端子３ｃが主端子３ａの背後（図８において紙面の奥側）に重なっている例を示した。
【００３０】
図１０は、本発明の実施の形態２による制御基板の支持方法の一例を示す図であり、図８、図９に示したパワーモジュール２０における制御基板６、７の支持方法を示したものである。制御基板６の下部に、溝３３を設けた支持部材１８をベース板２もしくはケース４の枠体３１などに固定し、溝３３に制御基板６を挟むことで、制御基板６を支持する。図８、図９では、支持部材１８をケース４の枠体３１に固定した例を示した。制御基板６の支持方法として、支持部材１８の一点のみだけでなく、上部のケース４のフタ３２に制御基板６が入る溝３４を設けて、制御基板６を複数個箇所で支持する例を示した。なお、制御基板６の支持方法として、支持部材１８の一点のみだけで支持してもよいし、支持部材１８を複数設けることで、制御基板６を複数個箇所で支持してもよい。なお、制御基板７の支持方法は、図７に示した方法を適用した。図７で示した制御基板６、７、８の支持方法や、図１０で示した制御基板６、７の支持方法は他の実施の形態においても同様であり、適宜、組み合わせて用いて良い。
【００３１】
図８、図９のような構成とすれば、パワー半導体素子１から制御基板６への入熱面積を大幅に減少させることが可能となり、また、他の制御基板７からの入熱面積も大幅に減少させることが可能となるので、一方の制御基板６に対して、パワー半導体素子１や他方の制御基板７からの入熱を極力減少させることができる。また、制御基板６は、パワー半導体素子１や他の制御基板７に隣接した状態で挟まれることがなく、両面放熱が可能となるため、放熱性が悪化するということがなくなる。複数の制御基板６、７を全てベース板２の実装面に対して略垂直に配置することにより、複数の制御基板６、７を搭載した場合に、制御基板６、７の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。
【００３２】
なお、図６〜図１０では、制御基板を複数搭載する場合に、制御基板６、７又は制御基板６、７、８の全てがベース板２の実装面に対して略垂直に配置した例を示したが、少なくとも一枚の制御基板６をベース板２の実装面に対して略垂直に配置することでもよい。例えば、複数の制御基板のうち、最も消費電力の大きい制御基板６をベース板２の実装面に対して略垂直に配置することで、制御基板６の温度上昇を大幅に低減させることが可能となる。また、制御基板６よりも消費電力の小さい制御基板７は、パワー半導体素子１からの入熱の少ない位置や、制御基板６からの入熱の少ない位置に配置すればよい。
【００３３】
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３によるパワーモジュールの断面図である。実施の形態３のパワーモジュール２０は、制御基板のうち少なくとも一枚と略平行に位置するケース４の側面にヒートシンクなどの放熱器１１を取付けたものである。放熱器１１は、制御基板７における厚さ方向の面が対向するケース４の外周面であって、制御基板７に近い側の外周面に取付けられている。図１１では、複数の制御基板６、７を搭載し、制御基板６に実装された制御ＩＣ９ａと制御基板７に実装された制御ＩＣ９ｂが対向するように配置された例である。なお、放熱器１１はケース４の側面に複数配置していても良い。
【００３４】
このような構成とすれば、制御基板７と略平行に位置するケース４の側面の温度を低下させることが可能となるので、制御基板７の熱を低温となっているケース４に放熱させることが可能となり、放熱性が向上する。このように制御基板７と略平行に位置するケース４に放熱器１１を搭載することで、制御基板７上の制御ＩＣ９ｂ等の素子の発熱による基板温度上昇を、放熱性の向上により、極力減少させることが可能となる。制御基板７とケース４の側面とが略平行となる角度は、例えば３０°以内の角度である。
【００３５】
図１２は、本発明の実施の形態３による他のパワーモジュールの断面図である。図１２は、ベース板２の実装面に対して略垂直に配置した制御基板６、７の内少なくとも一枚、例えば制御基板７を、基板上で制御ＩＣ９ｂ等が搭載されている高温側の面を他の制御基板６のある側と反対方向であるケース４の側に向けたものである。図１２では、制御ＩＣ９ｂ等が搭載されている高温側の面と対向するケース４の側面に放熱器１１を取付けた例を示した。
【００３６】
このような構成とすれば、制御基板７の低温側の面（制御ＩＣ９等が搭載されていない面）が他の制御基板６のある側に向いているため、他の制御基板６へ熱が移動することを抑えることが可能となる。さらに、全ての制御基板６、７の低温側を内側に向けることで、効果をより高めることが可能となる。ケース４に放熱器１１が取付けてあれば、ケース４からの放熱性もさらに向上するため、尚良い。
【００３７】
実施の形態４．
図１３は、実施の形態４によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態では、複数の制御基板６、７の間に熱遮断部材１２を設けたパワーモジュール２０を示す。図１３の例は、熱遮断部材１２をケース４の上部に対して略垂直に取付けたものであり、熱遮断部材１２が複数の制御基板６、７の間に延伸して配置されている。熱遮断部材１２は、ケース４と一体成型してもよい。熱遮断部材１２は、パワーモジュール２０に搭載される制御基板の数や配置により、一枚もしくは複数とする。図１３では、２枚の制御基板６、７を平行に配置し、制御基板６、７の間に制御基板と略平行となるように熱遮断部材１２を入れた例を示した。制御基板６と制御基板７とが略平行となる角度は、例えば３０°以内の角度である。
【００３８】
図１３に示したように、複数の制御基板６、７を平行に配置した場合、制御基板が３枚以上であれば、制御基板間全てに制御基板と略平行となるように熱遮断部材１２を入れるのが望ましい。なお、複数の制御基板６、７は完全な平行で配置した場合に限らず、略平行であってもよく、熱遮断部材１２も複数の制御基板６、７の間にあればよい。また、熱遮断部材１２は、制御基板間の熱遮断を目的とするため、制御基板６、７とほぼ同じかそれ以上の大きさを有していることが望ましい。
【００３９】
図１３では、制御基板６における制御ＩＣ９ａ等が搭載されている高温側の面と、制御基板７における制御ＩＣ９ｂ等が搭載されている高温側の面とを、熱遮断部材１２を介して対向させた例を示した。この場合は、熱遮断部材１２により、一方の制御基板から他方の制御基板への熱、例えば制御基板６から制御基板７への熱を遮断できるので、制御基板６、７の放熱性が向上し、制御基板６、７の温度を低下させることができ、パワーモジュール２０の信頼性を向上することができる。なお、制御基板６における制御ＩＣ９ａ等が搭載されている高温側の面と、制御基板７における制御ＩＣ９ｂ等が搭載されている高温側の面との配置は、図１３の例に限らず、図６の配置例や図１２の配置例でも構わない。
【００４０】
以上のように、実施の形態４のパワーモジュール２０は、複数の制御基板６、７をベース板２の実装面と略垂直になるように配置することにより、パワー半導体素子１からの入熱を極力減少させるとともに、制御基板６、７の広い面はパワー半導体素子１と対向しないことにより制御基板６、７の両面から放熱が促される。さらに、実施の形態４のパワーモジュール２０は、複数の制御基板６、７の間に熱遮断部材１２を設けたので、制御基板間の熱移動を遮断でき、熱遮断部材１２がない場合よりも制御基板６、７の放熱性が向上し、制御基板６、７の温度を低下させることができ、パワーモジュール２０の信頼性を向上させることができる。
【００４１】
実施の形態５．
図１４は、実施の形態５によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態４のパワーモジュール２０において、熱遮断部材１２を、金属等の熱遮断部材１２よりも熱伝導率が高い熱遮断部材１３で挟んだ構造にしたものである。熱遮断部材１２が熱伝導率の低い樹脂などの場合には、金属等の熱伝導率が高い熱遮断部材１３で挟んだ構造であると良い。そのとき、熱伝導率の低い熱遮断部材１２はケース４と同じ材質でもよく、一体成型しても問題はないが、できるだけ熱伝導率が低いものが望ましい。
【００４２】
実施の形態５のパワーモジュール２０は、熱伝導率が高い熱遮断部材１３でケース４とつながっているため、ケース４の上部には熱が伝わりやすくなるものの、制御基板間には熱伝導率が小さい熱遮断部材１２を挟んでいるため、熱の伝わりが抑制される。熱遮断部材１３により、大半の熱はケース４の上部に伝わっていくため、制御基板間の輻射等により、制御基板６、７の基板温度が上昇することはほとんどない。
【００４３】
以上のように、実施の形態５のパワーモジュール２０は、複数の制御基板６、７の間に熱伝導率が高い熱遮断部材１３で挟んだ熱遮断部材１２を設けたので、制御基板間の熱移動を遮断でき、実施の形態４よりも制御基板６、７の放熱性が向上し、制御基板６、７の温度を低下させることができ、パワーモジュール２０の信頼性を向上させることができる。
【００４４】
実施の形態６．
図１５は、実施の形態６によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態は、複数の制御基板６、７、８の配置を考慮して、複数の熱遮断部材１２ａ、１２ｂを用いた例である。その際、複数の熱遮断部材１２ａ、１２ｂは、制御基板間の入熱を抑制するように配置することが望ましい。図１５では、３枚の制御基板６、７、８を平行に配置し、制御基板６、７、８の間に制御基板と略平行となるように熱遮断部材１２ａ、１２ｂを入れた例を示した。熱遮断部材の符号は、総括的に１２を用い、区別して説明する場合に１２ａ、１２ｂを用いる。
【００４５】
この構成によれば、制御基板が３枚以上搭載された場合においても、制御基板間に熱遮断部材１２が配置されているので、熱遮断部材１２により、一方の制御基板は他方の制御基板と熱的に遮断されるため輻射により熱が伝わることがない。また、ケース４に配置された熱遮断部材１２ａ、１２ｂが低温となることで、熱遮断部材１２ａ、１２ｂに挟まれた制御基板７の両面から十分な放熱が可能となる。また、複数の制御基板６、７、８を平行に配置することで、パッケージ内のスペースを有効に活用することが可能となる。
【００４６】
実施の形態６のパワーモジュール２０は、制御基板が３枚以上搭載された場合においても、複数の制御基板６、７、８をベース板２の実装面と略垂直になるように配置することにより、パワー半導体素子１からの入熱を極力減少させるとともに、制御基板６、７、８の広い面はパワー半導体素子１と対向しないことにより制御基板６、７、８の両面から放熱が促される。さらに、実施の形態６のパワーモジュール２０は、複数の制御基板６、７、８の間に熱遮断部材１２を設けたので、制御基板間の熱移動を遮断でき、熱遮断部材１２がない場合よりも制御基板６、７、８の放熱性が向上し、制御基板６、７、８の温度を低下させることができ、パワーモジュール２０の信頼性を向上させることができる。
【００４７】
実施の形態７．
図１６は、実施の形態７によるパワーモジュールを示す断面図である。本実施の形態は、熱遮断部材１２が配置されたケース４の上部の外側に放熱器１１を取付けた例である。図１６では、実施の形態４のパワーモジュール２０において、熱遮断部材１２が配置されたケース４の上部に放熱器１１を取付けた例を示した。このような構成とすることで、実施の形態７のパワーモジュール２０は、実施の形態４よりも、さらに制御基板６、７の温度上昇を低減させることが可能となる。
【００４８】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ…パワー半導体素子、２…ベース板、
４…ケース、６…制御基板、７…制御基板、
８…制御基板、１１…放熱器、１２…熱遮断部材、
１３…熱遮断部材、２０…パワーモジュール。
【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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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月3日(2014.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板に実装されたパワー半導体素子と前記パワー半導体素子を制御する複数の制御基板とがケース内に配置されたパワーモジュールであって、
前記ベース板における前記パワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置された複数の前記制御基板と、前記ケースの上部に設けられた熱遮断部材を備え、
一の前記制御基板は、少なくとも一つの他の前記制御基板に対して略垂直に配置され、
前記熱遮断部材は、一の前記制御基板と少なくとも一つの他の前記制御基板との間に延伸して配置されたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
ベース板に実装されたパワー半導体素子と前記パワー半導体素子を制御する複数の制御基板とがケース内に配置されたパワーモジュールであって、
前記ベース板における前記パワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置された複数の前記制御基板と、前記ケースの上部に設けられた熱遮断部材を備え、
前記熱遮断部材は、一の前記制御基板と少なくとも一つの他の前記制御基板との間に延伸して配置され、
前記制御基板の少なくとも一つは、当該制御基板の高温側の面を前記ケースに向けたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
前記熱遮断部材は、前記ケースと一体形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記熱遮断部材の両面に、前記熱遮断部材よりも熱伝導率の高い熱遮断部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
放熱器を備え、
前記放熱器は、前記熱遮断部材が設けられた前記ケースの上部の外側に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記実装面に対して略垂直に配置された少なくとも一つの前記制御基板における厚さ方向の面が対向する前記ケースの外周面であって、当該制御基板に近い側の外周面に、
放熱器が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記パワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項７記載のパワーモジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明のパワーモジュールは、ベース板に実装されたパワー半導体素子とパワー半導体素子を制御する複数の制御基板とがケース内に配置されたパワーモジュールであって、ベース板におけるパワー半導体素子が実装された実装面に対して略垂直に配置された複数の制御基板と、ケースの上部に設けられた熱遮断部材を備え、一の制御基板は、少なくとも一つの他の制御基板に対して略垂直に配置され、熱遮断部材は、一の制御基板と少なくとも一つの他の制御基板との間に延伸して配置されたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明のパワーモジュールによれば、複数の制御基板がベース板の実装面に対して略垂直に配置されたので、制御基板におけるパワー半導体素子に対面する面積が減少でき、パワー半導体素子からの熱伝導と輻射による熱の移動が減少することができる。また、本発明のパワーモジュールによれば、パワー半導体素子の上方の空間が広くできるため、熱がこもりにくくなり、パワー半導体素子近傍の空気温度の上昇が抑制されるので、パワー半導体素子の温度が低下でき、パワー半導体素子から制御基板への入熱量がさらに減少し、制御基板の温度を低下させることができ、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。
【国際調査報告】
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