(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と導体層とが交互に積層された回路基板であって、
少なくとも最上階の前記絶縁基板にキャビティが形成されているとともに、前記キャビティ内に露出した露出導体層に電子部品が実装される電極が設けられており、
複数階の前記導体層のうち最上階の最上階導体層は、前記電子部品と接続部材を介して電気的に接続され、
さらに、最上階導体層と絶縁距離で離間したブロック最上階導体層が設けられ、このブロック最上階導体層は、最上階の前記絶縁基板に形成されたバイアホールを介して前記露出導体層と電気的に接続され、かつ前記露出導体層は、第２の外部接続端子と接続され、第１の外部接続端子及び前記第２の外部接続端子は、同一方向に延出し、
また、前記第１の外部接続端子及び前記第２の外部接続端子は、平板であって、間隔を空けて、上下に重なって配置される回路基板。
【請求項２】
前記露出導体層は、最上階の前記絶縁基板の外周面よりも径外側方向に突出しており、この突出した部位に前記第２の外部接続端子の端部が接続される請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記接続部材は、バスバーである請求項１または２に記載の回路基板。
【請求項４】
前記接続部材は、ワイヤボンディングである請求項１または２に記載の回路基板。
【請求項５】
前記接続部材は、リボンボンディングである請求項１または２に記載の回路基板。
【請求項６】
前記接続部材は、ヒートパイプである請求項１または２に記載の回路基板。
【請求項７】
前記絶縁基板は、高熱伝導セラミック絶縁基板である請求項１〜６の何れか１項に記載の回路基板。
【請求項８】
前記電子部品は、パワー半導体である請求項１〜７の何れか１項に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、電気自動車やハイブリッド車など、モータを駆動源の一つとする電動自動車に搭載される電力変換装置に使用される、パワーモジュールの回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動自動車に搭載される電力変換装置には、モータを駆動するためのインバータ、高圧バッテリ電圧から１２Ｖ系バッテリ電圧に降圧するＤＣ/ＤＣコンバータ、１２Ｖ系バッテリ電圧から高圧バッテリ電圧に昇圧するＤＣ/ＤＣコンバータ、商用電源から高圧バッテリに充電するための充電器、高圧バッテリからＡＣ１００Ｖを生成するインバータなどの、種々の電力変換装置が搭載されている。
その電力変換装置の部品としてモジュールが搭載されるが、モジュールはＳｉやダイオード等の半導体素子が搭載された絶縁基板が用いられ、絶縁基板の表面に銅やアルミニウム等の金属板、金属回路板が接合されパワーモジュールとなる。電子部品は、金属板、金属回路に接合され、ワイヤボンディングやバスバーによって電気的に接続される。
昨今の電動自動車を取り巻く環境においては、そのコンポーネントの小型、低コスト化の要求が非常に強く、電動車両に搭載される各種電力変換装置も例外ではない。
これらの電力変換装置の小型、低コスト化を実現する手段の有力は手法の一つにＳｉＣを用いたモジュールが用いられることが挙げられる。
ＳｉＣを用いた電力変換装置では、高温となっても安定に動作するため、大電流を流すことができるが、高温で動作した場合の温度サイクルにおける信頼性が要求される。
【０００３】
ところが、パワーモジュールは、絶縁基板の表面に銅やアルミニウム等の導体層が接合されるため、絶縁基板と導体層の線膨張係数の違いから、絶縁基板と導体層と接合部にクラックが発生し、温度サイクルにおける信頼性に問題があった。
【０００４】
そのため、パワーモジュールの温度サイクルにおける信頼性向上のための手法が提案されている。
例えば、絶縁基板と、絶縁基板の上面に接合された金属回路板と、平面視において金属回路板を囲んで絶縁基板の上面に接合された金属枠体と、絶縁基板の下面に接合された放熱板とを備えており、金属枠体の外側端部および放熱板の端部は、絶縁基板の端部に対して外側に位置していることから、絶縁基板に上下両面の外周端から内側に向かって圧縮応力が加わるので、絶縁基板が反り難くなり、絶縁基板の側面への引っ張り応力が発生し難くなるので、クラックが生じる可能性の低減された温度サイクル信頼性の高い回路基板となる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２２９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述特許文献１に記載されたものについて、金属回路板が厚くなったり、動作温度が高くなったりしても、絶縁基板が反り難いものとなり、絶縁基板の側面に引っ張り応力が加わり難くなるので、クラックが生じる可能性の低減された温度サイクル信頼性の高い回路基板とされているが、金属回路板を囲んで絶縁基板の上面に接合された金属枠体が配置されているためモジュール面積が従来の金属枠体の無いパワーモジュールよりも大きくなってしまうので小型、低コスト化が実現できないといった問題点がある。
【０００７】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、従来の回路基板の面積と同等で、温度サイクルにおける信頼性の高い回路基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る回路基板は、絶縁基板と導体層とが交互に積層された回路基板であって、
少なくとも最上階の前記絶縁基板にキャビティが形成されているとともに、前記キャビティ内に露出した露出導体層に電子部品が実装される電極が設けられており、
複数階の前記導体層のうち最上階の最上階導体層は、前記電子部品と接続部材を介して電気的に接続され、
さらに、最上階導体層と絶縁距離で離間したブロック最上階導体層が設けられ、このブロック最上階導体層は、最上階の前記絶縁基板に形成されたバイアホールを介して前記露出導体層と電気的に接続され、かつ前記露出導体層は、第２の外部接続端子と接続され、 前記第１の外部接続端子及び前記第２の外部接続端子は、同一方向に延出し、
また、前記第１の外部接続端子及び前記第２の外部接続端子は、平板であって、間隔を空けて重なって配置される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る回路基板によれば、少なくとも最上階の絶縁基板にキャビティが形成されているとともに、キャビティ内に露出した露出導体層に電子部品が実装される裏面電極が設けられている。
従って、線膨張係数がそれぞれ異なる、絶縁基板、導体層及び電子部品のそれぞれの部位に引っ張り、圧縮の応力が生じるものの、その応力は、キャビティにより、吸収、抑制され、クラックが生じる可能性が低減される結果、回路基板の面積を大きくすることなく温度サイクルにおける信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１の回路基板が用いられたパワーモジュールを示す斜視図である。
【図２】図１のパワーモジュールを示す平面図である。
【図３】図１のパワーモジュールを示す図２のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２の回路基板が用いられたパワーモジュールを示す斜視図である。
【図５】図４のパワーモジュールを示す平面図である。
【図６】図４のパワーモジュールを示す図５のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の各実施の形態の回路基板について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の回路基板が用いられたパワーモジュール１を示す図、図２は、図１のパワーモジュール１を示す平面図、図３は、図１のパワーモジュール１を示すＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
このパワーモジュール１は、モータを駆動源とする電動自動車に搭載される電力変換装置に使用されるものであって、所謂導体層と絶縁基板とが交互に積層された多層基板構造で構成されている。
パワーモジュール１は、第１の導体層３ａ、第１の絶縁基板２ａ、第２の導体層３ｂ及び第２の絶縁基板２ｂの順序で積層され、最後に第２の絶縁基板２ｂ上に第３の導体層３ｃ及び第４の導体層３ｄが積層された正方形状であって、第１の導体層３ａ及び第２の導体層３ｂは、面積が同じである。第１の絶縁基板２ａ及び第２の絶縁基板２ｂは、正方形状であって外寸法は同じであるが、第１の導体層３ａ及び第２の導体層３ｂよりも一回り小さい。
第３の導体層３ｃ及び第４の導体層３ｄは、パワーモジュール１の最上面の導体層であり、第３の導体層３ｃは、四方を囲った枠部を有した最上階導体層である。矩形状の第４の導体層３ｄは、第３の導体層３ｃの一辺部と絶縁距離で離間したブロック最上階導体層である。
第１の絶縁基板２ａと同様に高熱伝導セラミック絶縁基板である第２の絶縁基板２ｂは、四方を囲った枠部内にキャビティ１０を有しており、このキャビティ１０からは露出導体層である第２の導体層３ｂが露出している。
第２の導体層３ｂのキャビティ１０の中心部には、電子部品でありＳｉＣで構成されたパワー半導体４が実装される裏面電極４ａが設けられている。
【００１３】
このパワー半導体４は、複数本の接続部材であるワイヤボンディング５を介して最上階導体層である第３の導体層３ｃに接続されている。
このワイヤボンディング５の端部は、第３の導体層３ｃの内側部位に接続されているが、第３の導体層３ｃの外側部位では、第１の外部接続端子である第１のバスバー６ａの端部が接続されている。この第１のバスバー６ａは、ワイヤボンディング５と同方向に延出している。
最上階の第２の絶縁基板２ｂの枠部には、バイアホール７が形成されている。パワー半導体４と電気的に接続された露出導体層である第２の導体層３ｂは、ブロック最上階導体層である第４の導体層３ｄとバイアホール７を介して電気的に接続されている。
この第４の導体層３ｄには、第２の外部接続端子である第２のバスバー６ｂの端部が接続されている。この第２のバスバー６ｂは、第１のバスバー６ａの真下であって第１のバスバー６ａと同方向に延出している。
【００１４】
上記実施の形態１の回路基板によれば、最上階の第２の絶縁基板２ｂにキャビティ１０が形成されているとともに、キャビティ１０内に露出した露出導体層である第２の導体層３ｂに電子部品であるパワー半導体４が実装される裏面電極４ａが設けられている。
従って、線膨張係数がそれぞれ異なる、絶縁基板２ａ，２ｂ、導体層３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ及びパワー半導体４により、それぞれの部位に引っ張り、及び圧縮の応力が生じるものの、その応力は、キャビティ１０により吸収、抑制され、それぞれの部位にクラックが生じる可能性が低減され、温度サイクルにおける信頼性が向上する。
また、回路基板の面積を大きくすることなく温度サイクルにおける信頼性が向上する。
【００１５】
また、キャビティ１０の高さは、最上階の絶縁基板２ｂの板厚により定まるが、パワー半導体４の上面と、最上階の導体層である第３の導体層３ｃの上面とが同一平面状になるように、上記板厚を調整、つまりキャビティ１０の高さを調整することで、接続部材であるワイヤボンディング５の長さを最短にすることができる。
また、第１のバスバー６ａと第２のバスバー６ｂとは、平板であって、間隔を空けて重なっているので、パワーモジュール１のインダクタンスは低減され、その結果、発熱による損失が少なくなり、パワー半導体４の冷却構造を簡素化できる。
従って、パワーモジュール１が用いられる電力変換装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００１６】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２の回路基板が適用されるパワーモジュール１を示す斜視図、図５は、図１のパワーモジュール１を示す平面図、図６は、図４のパワーモジュール１を示すＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
この実施の形態２の回路基板では、露出導体層である第２の導体層３ｂは、最上階の絶縁基板である第２の絶縁基板２ｂの外周面よりも径外側方向に突出しており、この突出した部位に第２の外部接続端子である第２のバスバー６ｂの端部が接続されている。
また、実施の形態１の回路基板のブロック最上階導体層である第４の導体層３ｄ、及び最上階の絶縁板である第２の絶縁基板２ｂに設けられたバイアホール７を備えていない。
その他の構成は、実施の形態１の回路基板と同じである。
【００１７】
この実施の形態２の回路基板によれば、実施の形態１の回路基板と同様に、温度サイクルにおける信頼性が向上する等の効果が得られる。
また、この実施の形態２では、第２のバスバー６ｂは、露出導体層である第２の導体層３ｂに直接接続されているので、実施の形態１のものよりも接続個所か少なく、インダクタンスの低減が可能となる。
その結果、実施の形態１のものと比較して、さらに発熱による損失が少なくなり、パワー半導体４の冷却構造を簡素化でき、パワーモジュール１が用いられる電力変換装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００１８】
なお、上記各実施の形態のものでは、接続部材としてワイヤボンディング５を用いて説明したが、ワイヤボンディング５の代りに、リボンボンディング、ヒートパイプ等を用いてもよい。
また、実施の形態１のブロック最上階導体層である第４の導体層３ｄは、必ずしも最上階導体層である第３の導体層３ｃに隣接して設ける必要はなく、第３の導体層３ｃと絶縁距離が確保されれば、最上階の絶縁基板である第２の絶縁基板２ｂのどの位置であってもよい。
また、キャビティ１０についても、最上階の絶縁基板だけではなく、それよりも下側階の絶縁基板までもキャビティを形成してもよい。
また、第３の導体層３ｃにゲートやその他の制御線の配線パターンを形成するようにしてもよい。
また、上記各実施の形態の回路基板は、パワーモジュールの回路基板として説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、スイッチングモジュール等に使用される回路基板であってもよい。
また、絶縁基板として、高熱伝導セラミック絶縁基板を用いたが、他の高熱伝導性の材料からなる絶縁基板であってもよい。
また、電子部品としてパワー半導体について説明したが、他の発熱性電子部品であってもこの発明は適用できる。
また、回路基板を有するパワーモジュールが電力変換装置に適用されるのは一例であって、他の電子装置であってもよい。
【符号の説明】
【００１９】
１  パワーモジュール、２ａ  第１の絶縁基板、２ｂ  第２の絶縁基板、３ａ  第１の導体層、３ｂ  第２の導体層、３ｃ  第３の導体層（最上階導体層）、３ｄ  第４の導体層（ブロック最上階導体層）、４  パワー半導体（電子部品）、５  ワイヤボンディング（接続部材）、６ａ  第１のバスバー（第１の外部接続端子）、６ｂ  第２のバスバー（第２の外部接続端子）、７  バイアホール、１０  キャビティ。
【図１】
0005992028.tif 000002
【図２】
0005992028.tif 000003
【図３】
0005992028.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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