(57)【要約】【課題】回路基板の変形を抑えて、放熱性のよいパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュールは、回路基板（10）と、半導体素子（22）と、上記回路基板（10）の外周を囲む絶縁性のケース（50）とを有する。上記ケース（50）は、上記ケース（50）を放熱部材（42）に固定するネジ（62A,62B）を挿入するための、上記回路基板（10）の周囲に形成された２個以上の貫通孔（54A,54B）と、上記回路基板（10）の周縁部を、上記回路基板（10）の第１金属層（14）の側から押える押え部（56）と、上記貫通孔（54A,54B）に挿入されたネジ（62A,62B）から上記ケース（50）が受けるべき力を上記回路基板（10）に与える突出部（58）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールであって、
回路基板（10）と、
半導体素子（22）と、
上記回路基板（10）の外周を囲む絶縁性のケース（50）とを備え、
上記回路基板（10）は、
絶縁基板（12）と、
上記絶縁基板（12）の一方の面に形成された第１金属層（14）と、
上記絶縁基板（12）の他方の面に形成された第２金属層（16）とを有し、
上記半導体素子（22）は、上記第１金属層（14）の上に搭載され、
上記ケース（50）は、
上記ケース（50）を放熱部材（42）に固定するネジ（62A,62B）を挿入するための、上記回路基板（10）の周囲に形成された２個以上の貫通孔（54A,54B）と、
上記回路基板（10）の周縁部を、上記第１金属層（14）の側から押える押え部（56）と、
上記貫通孔（54A,54B）に挿入されたネジ（62A,62B）から上記ケース（50）が受けるべき力を上記回路基板（10）に与える突出部（58）とを有する
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１において、
上記突出部（58）は、上記回路基板（10）の略中央に接する
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１において、
上記突出部（58）は、平面視において、上記貫通孔（54A,54B）を結ぶ線上に位置する
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１において、
上記絶縁基板（12）は、セラミック材料で構成されている
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１において、
上記突出部（58）又は上記押え部（56）は、上記第１金属層（14）に接する
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１において、
上記押え部（56）が接する上記回路基板（10）の部分に対応する、上記回路基板（10）の反対側の面の部分には、上記第２金属層（16）が形成されている
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、半導体素子を有するパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ等で使用されるパワーモジュールは、一般に、回路基板を有している。回路基板は絶縁基板を有し、絶縁基板上には回路導体が形成されている。回路導体には半導体素子が搭載されている。半導体素子の動作時には、その温度が上昇し過ぎないように、半導体素子で発生した熱をパワーモジュールの外に放出する必要がある。比較的大きな電流を扱うパワーモジュールでは、回路基板は金属ベース板に接合される。金属ベース板にはヒートシンクが取り付けられる。
【０００３】
一方、比較的小さな電流を扱う小型のパワーモジュールは、金属ベース板を有さず、パワーモジュールの回路基板には、サーマル・インターフェース・マテリアルを介してヒートシンクが取り付けられる。このような小型のパワーモジュールでは、金属ベース板が用いられないので、回路基板に反りが生ずることがある。このような反りを防ぐために、特許文献１には、回路基板の周縁部を押さえる部材を有するパワーモジュールが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４５１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような構造の場合には、ネジ締めにより樹脂ケースを介して回路基板の周縁部に例えば下向きの力がかかり、それにより回路基板中央部には基板の周縁部とは逆に上向きの力がかかる。このため、基板中央部が上向きに持ち上がり、回路基板とヒートシンクとの間に隙間が形成される。このような隙間が形成された状態で、パワーモジュールを動作させると、ヒートシンクへの熱伝導が十分ではなくなる。パワーモジュール内部の半導体素子の冷却が正常に行われなくなるので、半導体素子の温度が上昇して耐熱温度を超え、半導体素子が故障する可能性がある。
【０００６】
絶縁基板の厚みを厚くすることによって剛性を向上させれば、回路基板の変形を小さくすることはできる。しかし、絶縁基板の厚みを厚くすると、熱抵抗が増加し、パワーモジュールの放熱性が低下する。また、製造コストが上昇してしまう。
【０００７】
本発明は、回路基板の変形を抑えて、放熱性のよいパワーモジュール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】
第１のパワーモジュールは、回路基板（10）と、半導体素子（22）と、上記回路基板（10）の外周を囲む絶縁性のケース（50）とを有する。上記回路基板（10）は、絶縁基板（12）と、上記絶縁基板（12）の一方の面に形成された第１金属層（14）と、上記絶縁基板（12）の他方の面に形成された第２金属層（16）とを有する。上記半導体素子（22）は、上記第１金属層（14）の上に搭載される。上記ケース（50）は、上記ケース（50）を放熱部材（42）に固定するネジ（62A,62B）を挿入するための、上記回路基板（10）の周囲に形成された２個以上の貫通孔（54A,54B）と、上記回路基板（10）の周縁部を、上記第１金属層（14）の側から押える押え部（56）と、上記貫通孔（54A,54B）に挿入されたネジ（62A,62B）から上記ケース（50）が受けるべき力を上記回路基板（10）に与える突出部（58）とを有する。
【０００９】
これによると、パワーモジュールは、貫通孔（54A,54B）に挿入されたネジから上記ケース（50）が受けるべき力を回路基板（10）に与える突出部（58）を有するので、押え部（56）が回路基板（10）の周縁部を押えることにより生じ得る回路基板（10）の変形を抑えることができる。したがって、回路基板（10）に取り付けられるヒートシンク等の放熱部材（42）と回路基板（10）との間において隙間が形成されにくいようにすることができ、放熱性のよいパワーモジュールを提供することができる。
【００１０】
第２のパワーモジュールでは、第１のパワーモジュールにおける上記突出部（58）は、上記回路基板（10）の略中央に接する。
【００１１】
回路基板（10）に取り付けられる放熱部材（42）と回路基板（10）との間では、押え部（56）が回路基板（10）の周縁部を押えることにより、回路基板（10）の中央付近に隙間が生じやすい。第２のパワーモジュールによると、突出部（58）が回路基板（10）の略中央に接するので、回路基板（10）と放熱部材（42）との間における隙間の形成を効果的に抑えることができる。
【００１２】
第３のパワーモジュールでは、第１のパワーモジュールにおける上記突出部（58）は、平面視において、上記貫通孔（54A,54B）を結ぶ線上に位置する。これによると、突出部（58）が、平面視において、複数の貫通孔（54A,54B）を結ぶ線上に位置するので、貫通孔（54A,54B）に挿入されるネジから上記ケース（50）を経由して受ける力によって回路基板（10）に生じ得る変形（反り）を、より効果的に抑えることができる。
【００１３】
第４のパワーモジュールでは、第１のパワーモジュールにおける上記絶縁基板（12）は、セラミック材料で構成されている。
【００１４】
これによると、絶縁基板（12）がセラミック材料で構成されているので、半導体素子（22）が発生する熱を放熱部材（42）等に伝えやすく、パワーモジュールの放熱性を高くすることができる。
【００１５】
第５のパワーモジュールでは、第１のパワーモジュールにおける上記突出部（58）又は上記押え部（56）は、上記第１金属層（14）に接する。
【００１６】
これによると、突出部（58）又は押え部（56）が、靱性が比較的高い第１金属層（14）に接するので、押え部（56）が脆い絶縁基板（12）に接する場合に比べて、ネジ（62A,62B）を締めるときに押え部（56）から与えられる力によって絶縁基板（12）が割れる可能性を小さくすることができる。
【００１７】
第６のパワーモジュールでは、第１のパワーモジュールにおける上記押え部（56）が接する上記回路基板（10）の部分に対応する、上記回路基板（10）の反対側の面の部分には、上記第２金属層（16）が形成されている。
【００１８】
これによると、押え部（56）が接する回路基板（10）の部分に対応する、回路基板（10）の反対側の面の部分には、第２金属層（16）が形成されている。このため、ネジ（62A,62B）を締めるときに押え部（56）から与えられる力によって絶縁基板（12）が割れる可能性を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明によれば、回路基板の変形を抑えることができる。半導体素子（22）が発生する熱をヒートシンク等の放熱部材に伝えやすいので、放熱性のよいパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るパワーモジュールの構成例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１のケースの例を示す図である。
【図３】図３は、図１のパワーモジュールにおいて、突出部を有さないケースを用いた場合の例を示す断面図である。
【図４】図４は、図１のパワーモジュールの変形例を示す断面図である。
【図５】図５は、図１のパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。
【図６】図６は、図１のパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。
【図７】図７は、図６のパワーモジュールの変形例を示す断面図である。
【図８】図８は、図６のパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図面において同じ参照番号で示された構成要素は、同一の又は類似の構成要素である。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係るパワーモジュールの構成例を示す断面図である。図１のパワーモジュール（100）は、回路基板（10）と、半導体素子（22）と、半田層（24）と、ボンディングワイヤ（26）と、ケース（50）と、封止材（72）とを有する。回路基板（10）は、絶縁基板（12）と、第１金属層（14）と、第２金属層（16）とを有する。以下の説明では、「主面」は、部材の面のうち、厚さ方向（積層方向）において互いに対向する一対の面を示す。見やすくするために、図１では、回路基板（10）に関しては、その厚さ方向を強調して示している。以下の他の断面図でも同様である。
【００２３】
絶縁基板（12）は、絶縁材料で構成されている。絶縁材料は、例えば、セラミック材料であり、より具体的には、アルミナ、窒化アルミニウム又は窒化シリコン等である。絶縁基板（12）は、例えば矩形状に形成されている。絶縁基板（12）の一方の主面（上面）には、第１金属層（14）が形成されている。第１金属層（14）は、導電性材料（銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等）によって構成されている。第１金属層（14）は、それぞれが回路の構成要素間を電気的に接続する、複数の導体を有する。
【００２４】
第１金属層（14）の上には、半導体素子（22）等の回路素子が搭載されている。半導体素子（22）は、例えば、比較的大きな電流を制御できるパワー半導体素子であって、具体的にはトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（gate turn-off thyristor）、又はダイオード等である。トランジスタには、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field-effect transistor）、及びＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）を含む。
【００２５】
半導体素子（22）の一方の面は、半田層（24）によって第１金属層（14）の一部である回路導体と接合されている。半導体素子（22）の他方の面は、ボンディングワイヤ（26）によって第１金属層（14）の他の回路導体に電気的に接続されている。第１金属層（14）の上の半導体素子（22）等の回路素子は、第１金属層（14）に接続されたリード線を介して、パワーモジュール（100）の外の回路に接続される。
【００２６】
絶縁基板（12）の他方の主面（下面）には、放熱用導体である第２金属層（16）が形成されている。第２金属層（16）は、導電性材料（銅、銅合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金等）によって構成されている。
【００２７】
図２は、図１のケース（50）の例を示す図である。図１及び図２を参照して説明する。ケース（50）は、筒状の部分を有し、回路基板（10）等の外周を囲んでいる。ケース（50）は、樹脂等の絶縁性材料によって構成されている。ケース（50）は、この筒状の部分に、貫通孔（54A,54B）を有する。貫通孔（54A,54B）は、ケース（50）を放熱部材としてのヒートシンク（42）に固定するネジ（62A,62B）を挿入するための孔であって、回路基板（10）の周囲に形成されている。ケース（50）は、回路基板（10）の周囲に３個以上の貫通孔を有していてもよい。
【００２８】
回路基板（10）は、接着剤等によってケース（50）に接着されている。ケース（50）内の半導体素子（22）等は、水分、塵埃、接触等からの保護のために、封止材（72）によって封止されている。封止材（72）は、例えば、シリコン系のゲルや、エポキシ系のハードレジンである。第２金属層（16）は、シリコングリス等のサーマル・インターフェース・マテリアル（32）を介して、ヒートシンク（42）に固定される。
【００２９】
ネジ（62A,62B）は、それぞれ貫通孔（54A,54B）に挿入され、パワーモジュール（100）をヒートシンク（42）に固定する。ケース（50）は、回路基板（10）の周縁部を、第１金属層（14）の側から押える押え部（56）を有している。ネジ（62A,62B）がパワーモジュール（100）をヒートシンク（42）に固定するときに、押え部（56）は、第１金属層（14）の導体の上を押えて、回路基板（10）の周縁部にヒートシンク（42）へ向かう力（図１では下向きの力）を与える。このとき、押え部（56）は、第１金属層（14）の導体に接する。押え部（56）に押えられる第１金属層（14）の導体は、回路の一部を構成する回路導体であってもよいし、回路素子や回路導体とは接続されない孤立した導体であってもよい。
【００３０】
更にケース（50）は、貫通孔（54A,54B）に挿入されたネジ（62A,62B）からケース（50）が受けるべき力を回路基板（10）に与える突出部（58）を有している。突出部（58）は、回路基板（10）の第１金属層（14）の導体に接し、ネジ（62A,62B）がパワーモジュール（100）をヒートシンク（42）に固定するときに、回路基板（10）に、ヒートシンク（42）へ向かう力（図１では下向きの力）を与える。突出部（58）は、例えば図１及び図２のように回路基板（10）の略中央の第１金属層（14）に接し、接した部分にヒートシンク（42）へ向かう力を与える。
【００３１】
突出部（58）が接する第１金属層（14）の導体は、回路の一部を構成する回路導体であってもよいし、回路素子や回路導体とは接続されない孤立した導体であってもよい。突出部（58）は、回路基板（10）の中央からある程度離れた位置で回路基板（10）に接してもよい。ここで、図１のパワーモジュール（100）において、突出部（58）の第１金属層（14）に接する面は、例えば、押え部（56）の第１金属層（14）に接する面と同一の平面内、又は押え部（56）の第１金属層（14）に接する面よりわずかに第２金属層（16）に近い平面内にある。これにより、突出部（58）から回路基板（10）へ、より確実に力を与えることができる。
【００３２】
平面視において、すなわち、回路基板（10）の主面に垂直な方向から見て、突出部（58）は、貫通孔（54A,54B）を結ぶ線上に位置する。ここで、線上には、その付近も含む。貫通孔（54A,54B）に挿入されるネジからケース（50）を経由して受ける力によって回路基板（10）には変形（反り）が生じ得るが、突出部（58）がこのように位置するので、回路基板（10）の変形をより効果的に抑えることができる。なお、突出部（58）は、その他の位置に形成されていてもよい。
【００３３】
図３は、図１のパワーモジュールにおいて、突出部（58）を有さないケース（950）を用いた場合の例を示す断面図である。ネジ（62A,62B）が図３のパワーモジュール（900）をヒートシンク（42）に固定するときに、押え部（56）は、回路基板（10）の周縁部に、ヒートシンク（42）へ向かう力（図３では下向きの力）を与える。このとき、回路基板（10）の中央部には基板の周縁部とは逆の向きの力（図３では上向きの力）がかかる。このため、回路基板（10）の中央部が上向きに持ち上がり、回路基板（10）の中央部において回路基板（10）とヒートシンク（42）との間（C1）に隙間が形成され得る。隙間が形成されると、回路基板（10）からヒートシンク（42）への熱伝導が十分ではなくなり、パワーモジュール（900）の放熱性が不足する可能性がある。
【００３４】
これに対し、図１のパワーモジュール（100）の場合には、ケース（50）が突出部（58）を有しているので、回路基板（10）に、ヒートシンク（42）へ向かう力を与えることができ、押え部（56）が回路基板（10）の周縁部を押えることにより生じ得る回路基板（10）の変形を抑えることができる。したがって、回路基板（10）とヒートシンク（42）との間（C1）において隙間が形成されにくいようにすることができ、放熱性のよいパワーモジュールを提供することができる。
【００３５】
パワーモジュール（100）をヒートシンク（42）に固定するネジ（62A,62B）は貫通孔（54A,54B）に挿入されており、突出部（58）は力を回路基板（10）に与えることができれば十分であるので、突出部（58）の断面は比較的小さくてよい。突出部（58）の断面のサイズは、例えば１mm角程度でよい。突出部（58）の断面が小さいので、回路基板（10）上で突出部（58）のために使用される面積が比較的小さく、突出部（58）を設けてもパワーモジュール（100）のサイズはあまり増加しない。突出部（58）を有するケース（50）は、射出成形機等によって一体成形され得るので、突出部（58）を設けても製造コストはほとんど変わらない。
【００３６】
また、突出部（58）が回路基板（10）の略中央に接するので、ヒートシンクと回路基板（10）との間における隙間の形成を効果的に抑えることができる。
【００３７】
更に、突出部（58）が、靱性が比較的高い第１金属層（14）に接するので、突出部（58）が脆い絶縁基板（12）に接する場合に比べて、ネジ（62A,62B）を締めるときに突出部（58）から与えられる力によって絶縁基板（12）が割れる可能性を小さくすることができる。同様に、押え部（56）が、靱性が比較的高い第１金属層（14）に接するので、押え部（56）が脆い絶縁基板（12）に接する場合に比べて、ネジ（62A,62B）を締めるときに押え部（56）から与えられる力によって絶縁基板（12）が割れる可能性を小さくすることができる。
【００３８】
押え部（56）が接する回路基板（10）の部分に対応する、回路基板（10）の反対側の面の部分には、第２金属層（16）が形成されている。このため、ネジ（62A,62B）を締めるときに押え部（56）から与えられる力によって絶縁基板（12）が割れる可能性を小さくすることができる。
【００３９】
図４は、図１のパワーモジュールの変形例を示す断面図である。図４のパワーモジュール（200）の押え部（56）は、図１のパワーモジュール（100）と比べて、第１金属層（14）の厚さだけ絶縁基板（12）に向かって延びている。回路基板（10）は、その周縁部において第１金属層（14）を有していない。パワーモジュール（200）の押え部（56）は、回路基板（10）の周縁部において、絶縁基板（12）の上を押えている。その他の点において、パワーモジュール（200）は図１のパワーモジュール（100）と同様に構成されている。このように、押え部（56）は、第１金属層（14）を介さずに、絶縁基板（12）の上を押えてもよい。
【００４０】
図５は、図１のパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。図５のパワーモジュール（300）の回路基板（10）は、その周縁部において第２金属層（16）を有していない。その他の点において、パワーモジュール（300）は図４のパワーモジュール（200）と同様に構成されている。このように、押え部（56）が接する回路基板（10）の部分に対応する、回路基板（10）の反対側の面の部分には、第２金属層（16）が形成されていなくてもよい。ここで、図４及び図５のパワーモジュール（200,300）において、突出部（58）の第１金属層（14）に接する面を含む平面と、押え部（56）の絶縁基板（12）に接する面を含む平面との間の距離は、例えば、第１金属層（14）の厚さと同じ、又は第１金属層（14）の厚さよりわずかに小さい。
【００４１】
図６は、図１のパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。図６のパワーモジュール（400）の突出部（58）は、図１のパワーモジュール（100）と比べて、第１金属層（14）の厚さだけ絶縁基板（12）に向かって延びている。回路基板（10）は、その略中央において第１金属層（14）を有していない。パワーモジュール（400）の突出部（58）は、回路基板（10）の略中央において、絶縁基板（12）の上を押えている。その他の点において、パワーモジュール（400）は図１のパワーモジュール（100）と同様に構成されている。このように、突出部（58）は、第１金属層（14）を介さずに、絶縁基板（12）の上を押えてもよい。ここで、図６のパワーモジュール（400）において、突出部（58）の絶縁基板（12）に接する面を含む平面と、押え部（56）の第１金属層（14）に接する面を含む平面との間の距離は、例えば、第１金属層（14）の厚さと同じ、又は第１金属層（14）の厚さよりわずかに大きい。
【００４２】
図７は、図６のパワーモジュールの変形例を示す断面図である。図７のパワーモジュール（500）の押え部（56）は、図６のパワーモジュール（400）と比べて、第１金属層（14）の厚さだけ絶縁基板（12）に向かって延びている。回路基板（10）は、その周縁部において第１金属層（14）を有していない。パワーモジュール（500）の押え部（56）は、回路基板（10）の周縁部において、絶縁基板（12）の上を押えている。その他の点において、パワーモジュール（500）は図６のパワーモジュール（400）と同様に構成されている。このように、押え部（56）は、第１金属層（14）を介さずに、絶縁基板（12）の上を押えてもよい。
【００４３】
図８は、図６のパワーモジュールの他の変形例を示す断面図である。図８のパワーモジュール（600）の回路基板（10）は、その周縁部において第２金属層（16）を有していない。その他の点において、パワーモジュール（600）は図７のパワーモジュール（500）と同様に構成されている。このように、押え部（56）が接する回路基板（10）の部分に対応する、回路基板（10）の反対側の面の部分には、第２金属層（16）が形成されていなくてもよい。ここで、図７及び図８のパワーモジュール（500,600）において、突出部（58）の絶縁基板（12）に接する面は、例えば、押え部（56）の絶縁基板（12）に接する面と同一の平面内、又は押え部（56）の絶縁基板（12）に接する面よりわずかに第２金属層（16）に近い平面内にある。
【００４４】
以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上説明したように、本発明は、半導体素子を有するパワーモジュール等について有用である。
【符号の説明】
【００４６】
10  回路基板
12  絶縁基板
14  第１金属層
16  第２金属層
22  半導体素子
42  ヒートシンク（放熱部材）
50,950  ケース
54A,54B  貫通孔
56  押え部
58  突出部
62A,62B  ネジ
100,200,300,400,500,600,900  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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