(57)【要約】【課題】  絶縁基板上の配線パターンとリードを超音波接合することでリードにおける発熱の放熱性の向上を可能なパワーモジュールを提供する。【解決手段】  放熱性を有するベースと、前記ベース上に搭載された絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成した配線パターンと、前記配線パターン上に搭載された半導体素子と、前記配線パターンを外部に電気的に接続するためのリードとを、ケース内に収納してなるパワーモジュールにおいて、更に、前記リードで発生する熱を前記ベースに伝達するための熱伝達手段を備えているパワーモジュールが提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱性を有するベースと、
前記ベース上に搭載された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成した配線パターンと、
前記配線パターン上に搭載された半導体素子と、
前記配線パターンを外部に電気的に接続するためのリードとを、ケース内に収納してなるパワーモジュールにおいて、更に、
前記リードで発生する熱を前記ベースに伝達するための熱伝達手段を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記請求項１に記載したパワーモジュールにおいて、
前記熱伝達手段は、前記絶縁基板上の一部に形成された電気回路的に寄与しない配線パターンを備えており、かつ、前記リードは、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
前記請求項１に記載したパワーモジュールにおいて、
前記熱伝達手段は、前記リードとは異なる放熱リードを備えており、かつ、前記放熱リードは、前記ベースに接合される脚部を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
前記請求項３に記載したパワーモジュールにおいて、
前記放熱リードは、更に、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
前記請求項１〜４の何れか１項に記載したパワーモジュールにおいて、前記接合は、半田又は超音波接合により行われていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板に半導体素子およびリードが接続されたパワーモジュールに関し、更に詳細には、超音波接合などを用いてリードを接続させたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールは、セラミックなどからなり、銅やアルミなどからなる配線パターンを形成した絶縁基板上に、複数個の半導体素子が搭載してモジュール内に収納する構造となっている。このようなパワーモジュールにおいては、一般的に、各半導体素子の電極と配線パターンとの間や、配線パターン間、更には、配線パターンとリードなどの間の接続には、所謂、ワイヤボンディングが用いられており、そして、大電流を流すため、複数本のワイヤを並列にボンディングする方法が用いられていた。
【０００３】
近年、パワーモジュールの小型化の要求から、接続占有面積をワイヤボンディング時の面積より小さく出来る板状のリードを用いる方法が考案されている。かかる板状のリードの接続方法としては、半田や超音波接合を用いる方法が既に知られている。
【０００４】
超音波接合とは、２つの金属を超音波ツールにより振幅と荷重を与えて擦り合わせることにより、当該金属表面に存在する酸化膜を除去し、もって、新生面同士を固相拡散により接合させる方法である。
【０００５】
なお、板状のリードと絶縁基板上の配線パターンとを、超音波接合技術を用いて接合する技術として、以下の特許文献１に記載されたものが既に知られている。この特許文献１では、絶縁基板上にAlからなる配線パターンを施し、その配線パターン上に半導体素子を半田により接合する際、接合性を向上させる、Niメッキを施すことが記載されている。但し、リードと配線パターンを超音波接合する箇所については、上記のNiメッキは、むしろ、接合性を劣化させることがわかったことから、当該Niメッキは、超音波接合する箇所には施さないようにすることにより、その接合性を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２７８９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来技術になる方法では、半田の接合性と共に、リードと配線パターンの接合性の向上については記載されてはいるが、しかしながら、リードの発熱量の抑制や放熱性の向上についての記載はなく、そのため、パワーモジュールの小型化や大容量化を図る上で問題があった。
【０００８】
即ち、パワーモジュールでは、特に、板状のリードを用いる場合には、当該リードの大半は、筺体内における空間中や充填されたゲル中に配置されており、また、大電流が流れることによりジュール熱が発生してリード自体高温になる。そのため、かかる熱を如何に外部に放熱するか、もしくは、発熱量を抑制するかが、パワーモジュールの設計の重要検討事項になってきている。
【０００９】
即ち、本発明は、上記に記載した従来技術の欠点を解消するために達成されたものであり、その目的は、絶縁基板上の配線パターンとリードを超音波接合することにより、特に、リードにおける発熱の放熱性の向上を可能にする構成を備えたパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記の課題を解決してその目的を達成するため、放熱性を有するベースと、前記ベース上に搭載された絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成した配線パターンと、前記配線パターン上に搭載された半導体素子と、前記配線パターンを外部に電気的に接続するためのリードとを、ケース内に収納してなるパワーモジュールにおいて、更に、前記リードで発生する熱を前記ベースに伝達するための熱伝達手段を備えているパワーモジュールが提供される。
【００１１】
なお、上記に記載したパワーモジュールにおいて、前記熱伝達手段は、前記絶縁基板上の一部に形成された電気回路的に寄与しない配線パターンを備えており、かつ、前記リードは、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備え、又は、前記熱伝達手段は、前記リードとは異なる放熱リードを備えており、かつ、前記放熱リードは、前記ベースに接合される脚部を備え、更には、前記放熱リードは、更に、前記絶縁基板上の電気回路的に寄与しない配線パターンに接合される脚部を備えて構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、リードに大電流を流したときに発生するジュール熱を効率よく配線パターンやベースに放熱することができる。また、リードの温度上昇を防止できるので小型化の設計が容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１になるパワーモジュールの全体構成を示す斜視図である。
【図２】上述したパワーモジュールを、その樹脂ケースを除いた状態で示す斜視図である。
【図３】上述したパワーモジュールから、特に、そのリード部分を取り出して示した展開斜視図である。
【図４】上述した実施例１になるパワーモジュールの平面（上面）図である。
【図５】本発明の実施例２になるパワーモジュールの全体構成を示す斜視図である。
【図６】上述した実施例２になるパワーモジュールの平面（上面）図である。
【図７】本発明の実施例３になるパワーモジュールを、その樹脂ケースを除いた状態で示す斜視図である。
【図８】上述した実施例３になるパワーモジュールを反対側（即ち、図７の右側上方）から見た斜視図である。
【図９】上述した実施例３になるパワーモジュールの平面（上面）図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施したパワーモジュールの実施例について、添付の図面を用いながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明を実施したパワーモジュールの実施例１について、添付の図１〜４を参照しながら説明する。
【００１６】
まず、図１は、本実施例のパワーモジュールの全体構成を示す斜視図である。この図において、ベース１は、放熱性の観点から、主に熱伝導性の良いアルミや銅、アルミ合金や銅合金、AlSiCなどで作られた略板状の部材であり、その裏面から、水冷や空冷によって冷却が行われる。また、図中の符号７はケースであり、その形状の複雑さから、その材料としては、主に、製作が容易なプラスチックが主流となっている。また、ベース１とケース７は、例えば、ネジや接着剤などにより互いに固定されている。ケース７には、外部端子（図示せず）と接続する際に使用するネジ穴８が設けられており、加えて、信号ピン９も設置されている。なお、この信号ピン９は、以下にも述べる配線パターンに対し、主に、アルミワイヤを用いて接続される。なお、図には記載されていないが、通常は、耐圧のためにケース７内にはゲルを注入し、そして、プラスチックなどからなる蓋を設けて使用されるものである。
【００１７】
上述したように、パワーモジュールでは、上記ベース１の裏面から、水冷や空冷によって冷却が行われることから、内部に配置された大電流を流すためのリード５で発生した熱を如何にして当該ベース１に伝えるかによって、その放熱性能が左右されることとなる。
【００１８】
続いて、図２は、上述した図１のパワーモジュールの構成から、その樹脂ケース７を除いた場合の斜視図である。なお、図中に符号１で示す上記ベースは、その上に半田などの接合部材を介して絶縁基板２が搭載されており、当該絶縁基板２の表裏面には、配線パターン３が形成されている。また、前記配線パターン３の上面には、半田などの接合部材を介して、パワー半導体素子４が搭載されており、更に、当該配線パターン３には、リード５が搭載されている。そして、当該配線パターン３とリード５との接続には、半田や超音波接合などによる接合が適用される。なお、上記の絶縁基板２は、主に、アルミナやＡｌＮやＳｉＮなどの材質で形成されており、また、配線パターン３の材質としては、主に、銅やアルミなどが利用される。
【００１９】
更に、図３は、上述した図２のパワーモジュールの構成から、特に、そのリード部分を取り出して示した展開斜視図であり、この図からも明らかなように、リード５は、例えば、銅やアルミ、銅合金やアルミ合金などの板状の部材により、複数から形成されており、その間には、絶縁のために絶縁部材６が搭載されている。より具体的には、本実施例のパワーモジュールでは、リード５は、リード５ａ、５ｂ、５ｃの３本（枚）のリードから構成されており、かつ、各々のリード間には絶縁部材６ａ、６ｂが設置（挿入）されており、各々の両側辺には、下方に向かって延びた複数の脚部が形成されている。この絶縁部材は、耐圧の観点から、隣接するリードの外形よりも僅かに大きく設計されており、その材質としては、一例として、不織布やプラスチックなどが用いられる。
【００２０】
続いて、図４は、本実施例のパワーモジュールの平面（上面）図であり、上記図３に示したリード部分を取り除いた状態を示している。この図において、配線パターン３には、例えば、パワー半導体素子４や温度検知用のサーミスタ１０が搭載されており、そして、当該配線パターン３と、上記半導体素子４、信号ピン９、サーミスタ１０などとの電気的な接続には、多数のワイヤ１１が用いられ（配設され）ている。なお、これらのワイヤ１１の材質としては、主に、アルミが一般的に用いられており、その直径は０．３〜０．５ｍｍのものが広く使用されている。図中の破線は、上記配線パターン３にリード５を接続するための、所謂、接合位置１２を示している。但し、これら破線で示した配線パターンのうち、特に、符号３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで示した配線パターンは、他の配線パターンとの間でワイヤによる接続がされておらず、所謂、電気回路としては不要の配線パターンではあるが、しかしながら、リード５（特に、その脚部）と接合することにより、当該リード５で発生した熱を効率よくベース１に放熱する役割をするものである。
【００２１】
上述したように、その内部にパワー半導体素子などを収納したパワーモジュールにおいて、絶縁基板２上に電気回路的に寄与しない配線パターン３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを設け、大量の発熱を伴うリード５の一部を当該配線パターン３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに接合する構成とすることにより、リード５で発生した熱を効率よくベース１に逃がすことができる。そして、リードの温度上昇を防止できることから、パワーモジュールの小型化を実現するため設計が容易に行うことができる。
【実施例２】
【００２２】
続いて、本発明の他の実施例（実施例２）になるパワーモジュールについて、図５及び図６を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図５は、上記の図２と同様、実施例２になるパワーモジュールを、その樹脂ケースの除いた状態で示した斜視図である。この図からも明らかなように、ベース１の上には、半田などの接合部材を介して、絶縁基板２が搭載されており、当該絶縁基板２の表裏面には、配線パターン３が形成されている。また、前記配線パターン３の上面には、半田などの接合部材を介して、パワー半導体素子４が搭載されており、更に、当該配線パターン３には、リード５が搭載されている。そして、その接続には、半田や超音波接合などによる接合が適用されることは、上記の実施例１と同様である。
【００２４】
また、そのリード５についても、複数のリードから形成されており、かつ、その間には絶縁のために絶縁部材６が搭載（挿入）されていることも、上記の実施例１と同様である。
【００２５】
本実施例（実施例２）では、更に、リード５上には、絶縁部材６ｃを介して、放熱リード１３が搭載されている。この放熱リード１３は、リード５に電流が流れることにより発生するジュール熱を、効率的に、ベース１へ逃がすため、上記ベース１と接合されている。なお、接合の方法としては、半田や超音波接合が用いられる。
【００２６】
なお、この放熱リード１３も、上記リード５と同様、例えば、銅やアルミ、銅合金やアルミ合金などの板状の部材により形成されており、そして、ここでは、その両側辺には、下方に向かって延びた複数の脚部１３１が形成されている。
【００２７】
図６は、上記実施例２になるパワーモジュールの、リードを取り除いた状態での平面（上面）図である。ここでも、配線パターン３にはパワー半導体素子４や温度検知用のサーミスタ１０が搭載されており、当該配線パターン３と、上記半導体素子４、信号ピン９、サーミスタ１０などとの電気的な接続には、上記と同様、多数のワイヤ１１が用いられる。また、図中の破線も、上記と同様、配線パターン３上にリード５（その脚部）を電気的に接続するための接合位置１２を示している。更に、本実施例（実施例２）では、上記ベース１上に上述した放熱リード１３（その脚部１３１）が接続する位置に、接合位置１４が設けられている。
【００２８】
上述したように、その内部にパワー半導体素子などを収納したパワーモジュールにおいて、複数のリード５と共に、更に、放熱リード１３を設け、そして、当該放熱リード１３を上記ベース１上に接続する構成とすることにより、上記と同様、リード５で発生した熱を効率よくベース１に逃がすことができる。また、リードの温度上昇を防止できるので、小型化を実現するため設計が容易に行うことができる。そして、上述した放熱リード１３を更に設け、そして、当該放熱リードを上記ベース１に直接接合する構成とすることにより、絶縁基板上の配線パターンのレイアウトに縛られることなく、パワーモジュール設計の自由度を向上させることができる。
【００２９】
本実施例の図では、放熱リード１３とベース１とを、合計８箇所で接合した一例を示してあるが、本発明では、これに限定されるものではなく、例えば、電流容量やモジュールサイズなどの制約により接合箇所数を増減できることは言うまでもない。
【実施例３】
【００３０】
続いて、本発明の更に他の実施例（実施例３）になるパワーモジュールについて、図７〜図９を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図７は、実施例３になるパワーモジュールを、その樹脂ケースの除いた状態で示した斜視図である。この図からも明らかなように、ベース１の上には、半田などの接合部材を介して、絶縁基板２が搭載され、そして、当該絶縁基板２の表裏面には、配線パターン３が形成されている。また、前記配線パターン３の上面には、半田などの接合部材を介して、パワー半導体素子４が搭載されており、更に、当該配線パターン３には、リード５が搭載されており、その接続には、半田や超音波接合などによる接合が適用されることは、上記の実施例１や２と同様である。また、前記リード５についても、複数のリードから形成されており、その間には、絶縁のための絶縁部材６が搭載（挿入）されていることも同様である。
【００３２】
更に、本実施例（実施例３）では、上記の実施例２と同様、リード５上には、絶縁部材６ｃを介して、更に、放熱リード１３が搭載されており、そして、当該放熱リード１３は、リード５に電流が流れることにより発生するジュール熱を効率的にベース１に逃がすために、ベース１と接合されていると共に、更には、配線パターン３上に形成した電気回路的に寄与しない配線パターンとも接合されている。なお、接合の方法としては、半田や超音波接合が用いられる。
【００３３】
より具体的には、上記放熱リード１３は、その両側辺に、下方に向かって延びた複数の脚部１３１が形成されていると共に、上記図７に示すパワーモジュールを反対側（即ち、図７の右側上方）から見た斜視図である図８からも明らかなように、更に、当該放熱リード１３の一辺（図８の下側の辺）から下方に延びた複数の脚部１３２が形成されている。そして、当該リード５は、発生した熱を効率良くベース１に逃がすため、ベース１と共に、その複数の第２の脚部１３２を、電気回路的に寄与しない配線パターン３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈにも、それぞれ、接続されている。
【００３４】
図９は、上記実施例３になるパワーモジュールの、リードを取り除いた状態での平面（上面）図である。ここでも、配線パターン３にはパワー半導体素子４や温度検知用のサーミスタ１０が搭載されており、当該配線パターン３と、上記半導体素子４、信号ピン９、サーミスタ１０などとの電気的な接続には、上記と同様、多数のワイヤ１１が用いられる。また、図中の配線パターン３上の破線も、上記と同様、配線パターン３上にリード５（その脚部）を電気的に接続するための接合位置１２、上記実施例２でも示した、ベース１上に上述した放熱リード１３（その脚部１３１）が接続するための接合位置１４に加え、更に、電気回路的に寄与しない配線パターン３上に上記放熱リード１３（特に、その脚部１３２）が接続する接合位置１５が設けられている。
【００３５】
上述したように、その内部にパワー半導体素子などを収納したパワーモジュールにおいて、複数のリード５と共に、更に、放熱リード１３を設け、そして、当該放熱リード１３を上記ベース１上に接続すると共に、電気回路的に寄与しない配線パターン３上にも接続する構成とすることにより、リード５で発生した熱を、更に効率よく、ベース１に逃がすことができる。また、リードの温度上昇を防止できるので、小型化を実現するため設計が容易に行うことができる。そして、特に、本実施例（実施例３）では、上述したように、リードと放熱リードが、パワー半導体素子などのチップ状部品を取り囲むように、配線パターンと共にベースにも接続されていることから、絶縁基板とベースの間の接合部材に、常に、圧縮力が加わる構造となることから、接続の信頼性が向上すると言う効果も奏することとなる。
【符号の説明】
【００３６】
３、３ａ〜３ｈ…配線パターン、５…リード、１２…接合位置、１３…放熱リード、１３１…脚部、１３２…第２の脚部、１４…接合位置
【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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