(57)【要約】【課題】絶縁金属基板の小型化によるコスト低減を行うと共に、パワーモジュール全体の小型化を行う。【解決手段】金属板に絶縁層を介して回路配線パターンを形成した絶縁金属基板と、絶縁板上に制御回路配線パターンを形成した集積回路基板と、前記絶縁金属基板に実装固着され電力制御を行う電力制御半導体素子と、前記集積回路基板に実装固着され前記電力制御半導体素子を制御する制御素子と、前記回路配線パターン、前記制御回路配線パターン及び外部回路装置への信号接続端子を一体に形成した上面と底面とが開放されたケースとを備え、このケース内に前記絶縁金属基板及び集積回路基板が空間を隔てて重なるように配置され、前記外部回路装置への信号接続端子をケース外へ突出させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板に絶縁層を介して回路配線パターンを形成した絶縁金属基板と、絶縁板上に制御回路配線パターンを形成した集積回路基板と、前記絶縁金属基板に実装固着され電力制御を行う電力制御半導体素子と、前記集積回路基板に実装固着され前記電力制御半導体素子を制御する制御素子と、前記回路配線パターン、前記制御回路配線パターン及び外部回路装置への信号接続端子を一体に形成した上面と底面とが開放されたケースとを備え、このケース内に前記絶縁金属基板及び集積回路基板が空間を隔てて重なるように配置され、前記外部回路装置への信号接続端子をケース外へ突出させるパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１において、電力制御半導体素子又は制御素子が、電気絶縁性能を有する樹脂により塗布又は充填されたパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１又は２において、ケースが、絶縁金属基板に放熱フィンを当接するねじ止め孔又は、前記放熱フィンに設けた固定孔に挿入固定する爪を備えているパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、同一基板間又は各基板と外部回路装置との間に固着される信号接続端子が、直線状に配置されるパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、ケースが、その内壁に絶縁金属基板と集積回路基板との間の絶縁距離を確保するリブを備えたパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、制御素子、電子制御半導体素子及び信号接続端子が、配線パターンとはんだ接続されたパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載されたパワーモジュールを用いた冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール及びこのパワーモジュールを用いた冷蔵庫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来用いられている集積回路基板内臓パワーモジュールの断面図である。パワーモジュールに内蔵する集積回路基板６０は、有機材基板６１に配線パターンを形成し、この配線パターン上に制御素子６３を配置させている。そして、集積回路基板６０と、絶縁金属基板５０に形成した主回路配線パターン５２、及び、外部回路装置への信号接続用ピン６４とを予め接続し、絶縁金属基板５０へと実装する。即ち、図２に示すパワーモジュールでは、集積回路基板６０に信号接続用ピン６４を接続し、リード挿入部品又は、表面実装部品としての形態を成す事が行われており、集積回路基板６０が、絶縁金属基板５０上の主回路を構成する他の電力制御半導体素子５３と同様に、絶縁金属基板５０への実装と接合が可能であって、パワーモジュールの組立工程が簡単になる。
【０００３】
集積回路基板６０と外部回路装置との接続方法としては、集積回路基板６０と絶縁金属基板５０とを電気的に接続し、絶縁金属基板５０に実装したコネクタ５４と外部回路装置からの配線材付きコネクタハウジング９２により電気的に接続している。また、絶縁金属基板５０に形成された主回路配線パターン５２から外部回路装置に、直接電気的に接続するものとして、樹脂ケース材７１と一体的に形成されたファストン型接続端子７５を用いている。
【０００４】
図３は、特許第２９１２５２６号公報に記載される、半導体パワーモジュール及び複合基板の断面図である。図３に示す従来技術では、絶縁金属基板１６０と、絶縁基板１７０とを並列配置することにより、絶縁基板１７０が位置する領域に、絶縁金属基板１７０が存在せず、高価な絶縁金属基板が不必要に多く使用されることがなく、製造コストを下げることができる。
【０００５】
図４は、特開平７−２２５７７号公報に記載される、混成集積回路装置の断面図である。図４に示す従来技術では、外部回路装置から延在されるリード配線３０と、金属基板１１上の２系統の端子を有するリード端子の第１の端子部１４Ａを接続し、第２の端子部１４Ｂと配線回路基板２０を接続することにより、コネクタを介する必要がないため、配線回路基板２０のサイズを小型化した状態で混成集積回路１０、配線回路基板２０及び外部回路の相互接続が可能となる。その結果として、混成集積回路装置システム全体の小型化を図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図２の従来技術による集積回路基板を搭載したパワーモジュールは、集積回路基板６０が、絶縁金属基板５０上の他の回路素子と同工程で実装され、自動はんだ付装置等により一括はんだ付を行うため、はんだ接続の信頼性を確保するはんだ付外観検査を考慮し、集積回路基板６０と重なる領域では、絶縁金属基板５０上に回路素子が配置できない。
【０００７】
また、集積回路基板６０からは、外部回路装置へ接続される信号用として絶縁金属基板５０に主回路配線パターン５２の一部として配設した、コネクタ部品を搭載する。その結果、高価な絶縁金属基板５０は、少なくとも集積回路基板６０の投影面積分だけ不必要に使用され、外部回路装置に接続するための部品も必要となる。
【０００８】
将来的には、パワーモジュールの高機能化に伴い、複雑な制御回路を搭載する為に、集積回路基板６０の両面高密度実装化、基板サイズの拡大等、回路規模を大きくする必要がある。特に高電圧、高電流を必要としない小電力パワーモジュールでは、絶縁金属基板５０上に搭載するパワー素子の小型化、部品間絶縁距離の短縮、外部回路装置とのコネクタ接続廃止等により集約されると、集積回路基板サイズと同等になると考えられる。更に、小電力パワーモジュールは、発熱量も少なく放熱も容易であることから、プリント配線基板に挿入実装する端子形状を有し、例えば冷蔵庫用制御基板（外部回路装置）上の任意の位置に小型の放熱フィンを取付けて実装し、配線接続とモジュール固定ができるようになると考えられる。
【０００９】
しかし、図２に示す従来の集積回路基板搭載構造では、絶縁金属基板サイズの集約・小型化が困難であり、コスト低減とパワーモジュールの小型化、外部回路装置との接続と固定を容易に達成できない。
【００１０】
図３に示すものは、絶縁金属基板１６０の無駄な面積は必要としないが、絶縁基板１７０と絶縁金属基板１６０とを同一面に配置するため、絶縁金属基板１６０との複合収納構造から絶縁基板１７０は両面実装できず、絶縁基板１７０の規模に比例して基板サイズが大きくなり、パワーモジュール全体の小型化が図れない。また、図３に示すものは、ケース１０１とは別部品で外部回路装置への接続用端子と、絶縁金属基板１６０と絶縁基板１７０を同一平面に配置し複合基板化するための枠体１８０とが必要であり、パワーモジュール組立工程内の構成部品が増加する。
【００１１】
図４に示すものは、配線回路基板２０の下面領域にパワー回路素子が実装された絶縁金属基板１１が配置できるので、パワーモジュールの小型化は図れるが、配線回路基板２０は、パワーモジュールの外にリード端子によってのみ保持されており、外部回路装置への接続端子を利用してプリント配線基板に挿入実装することができない。
【００１２】
本発明の目的は、絶縁金属基板の小型化によるコスト低減を行うと共に、パワーモジュール全体の小型化を行うことにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、金属板に絶縁層を介して回路配線パターンを形成した絶縁金属基板と、絶縁板上に制御回路配線パターンを形成した集積回路基板と、前記絶縁金属基板に実装固着され電力制御を行う電力制御半導体素子と、前記集積回路基板に実装固着され前記電力制御半導体素子を制御する制御素子と、前記回路配線パターン、前記制御回路配線パターン及び外部回路装置への信号接続端子を一体に形成した上面と底面とが開放されたケースとを備え、このケース内に前記絶縁金属基板及び集積回路基板が空間を隔てて重なるように配置され、前記外部回路装置への信号接続端子をケース外へ突出させることで達成される。
【００１４】
また、電力制御半導体素子又は制御素子は、電気絶縁性能を有する樹脂により塗布又は充填されることが好ましく、ケースは、絶縁金属基板に放熱フィンを当接するねじ止め孔又は、前記放熱フィンに設けた固定孔に挿入固定する爪を備えていることが好ましい。
【００１５】
更に、同一基板間又は各基板と外部回路装置との間に固着される信号接続端子は、直線状に配置されることが好ましく、ケースが、その内壁に絶縁金属基板と集積回路基板との間の絶縁距離を確保するリブを備えることが好ましい。制御素子、電子制御半導体素子及び信号接続端子は、配線パターンとはんだ接続されることが好ましい。そして、上記パワーモジュールは、冷蔵庫に好適に用いられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図１及び図５〜８を用いて説明する。
図１は、発明品の実施例である集積回路基板内臓パワーモジュールの構造断面図であり、図６は、図１に示す集積回路基板内臓パワーモジュールの展開図である。本実施例の集積回路基板内臓パワーモジュールの構成は、金属ベース５１上に主回路配線パターン５２が配設され、主回路配線パターン上に電力制御半導体素子５３が実装固着された絶縁金属基板５０と、有機材基板６１上に制御回路配線パターン６２が配設され、制御回路配線パターン６２上に制御素子６３が実装固着された集積回路基板６０と、絶縁金属基板５０上の主回路配線パターン５２とパワーモジュールを接続する外部回路装置への接続端子７２、及び、集積回路基板６０上の制御回路配線パターン６２と外部回路装置への接続端子７３、両基板間の接続端子７４を予め配線パターン上の接続する位置に配置した状態で、樹脂ケース材７１と一体的にインサート成形された接続端子一体ケース７０から成る。
【００１７】
絶縁金属基板５０上の電力制御半導体素子５３、有機材基板６１上の制御素子６３の実装固着、並びに各基板と接続端子の接続には、電気的接続と機械的固定強度が可能なはんだ、又は導電性接着剤等を用いることができる。集積回路基板６０を構成する有機材基板６１は、集積度向上を図るためにガラスエポキシ基材、コンポジット基材等を用いた多層基板に、制御回路配線パターン６２を配設して、多層基板の両面に制御素子６３を実装固着しているが、搭載する回路規模によっては片面のみに制御回路配線パターン６２を配設し、片面のみに制御素子６３を実装固着する安価な有機材基板、例えば紙フェノール基板等を用いることができる。
【００１８】
また、集積回路基板６０は、従来の絶縁金属基板に直接実装固着する素子部品とは異なり、接続端子一体ケース７０により絶縁金属基板５０とは重ね方向に位置決め固定し、電気接続ができることから、高価な絶縁金属基板は集積回路基板の面積に影響されることなく、同等面積、若しくはそれ以下にする事も可能であり、ケースも含めパワーモジュール全体の小型化と部品費低減に大きく寄与できる。
【００１９】
図５は、本発明の第２の実施例であり、絶縁金属基板５０上の電力制御半導体素子と、集積回路基板６０上の制御素子とを封止する、封止材８０を塗布したものである。封止材塗布の目的は、パワーモジュールの小型化に伴う電力制御半導体素子、制御素子のリード間、パターン電極間の空間絶縁距離不足等を補うことである。従って、封止材８０は、動作電圧・電流レベルに応じて、塗布の可否を決定するようにする。また、封止材８０を塗布する場合は、パワーモジュール内部の空間を全て埋めても良いが、小型化設計によってパターン電極間隔、部品リード間隔の空間絶縁距離が確保できない個所にのみ最小限塗布することで、封止材塗布本来の目的を達成できる。図５に示す第２の実施例では、封止材８０を必要とする制御素子を、絶縁金属基板５０上の電力制御半導体素子と同一方向を成す面に集約し集積回路基板６０上に実装配置している。封止材８０は、絶縁性能に優れたエポキシ樹脂、シリコン樹脂等を使用することができる。
【００２０】
図７は、接続端子一体ケース７０の一部に放熱フィン固定用のネジ止め孔７１ａを形成した本発明の第３の実施例である。絶縁金属基板５０は、絶縁金属基板５０上の電力制御半導体素子から発せられる熱を放熱させるため、ベース材として熱伝導率性の良いアルミニウムを用いることが多い。また、放熱性能を向上させるために別部品で放熱フィンを利用する場合には、図８に示すごとく、パワーモジュールの接続端子一体ケース７０の底部の金属基板面に、放熱フィン８５の平面部を密着させ、接続端子一体ケース７０に形成したネジ止め穴７１ａを利用してパワーモジュールの放熱フィンを固定することができる。
【００２１】
また、接続端子一体ケース７０は、図６の断面図と図８の斜視図から分かる様に、集積回路基板と外部回路装置に接続する端子は基板挿入に適した先端形状を成し、パワーモジュール内の基板間またはパワーモジュール内の基板と外部回路装置間に固着される端子群７２ｂ、７３ｂ、７４ｂを、各々直線上に配置する。端子群７４ｂは、モジュール内部の基板間接続に使用するので、樹脂ケース材７１から突出しない長さとする。一方、絶縁金属基板に接続する先端形状は、他の電力制御半導体素子と同様に表面実装に適した形状を成す事で、絶縁金属基板上に接続端子一体ケース、集積回路基板を同一方向から順番に組み付けられる様に、組立性を考慮した接続端子形状と配置でインサート成形した構造である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁金属基板の小型化によるコスト低減を行うと共に、パワーモジュール全体の小型化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例であるパワーモジュールの断面構造図。
【図２】従来の集積回路基板を内蔵したパワーモジュールの断面構造図。
【図３】従来の半導体パワーモジュールおよび複合基板の断面構造図。
【図４】従来の混成集積回路装置の断面構造図。
【図５】本発明の実施例である封止材塗布を行ったパワーモジュール。
【図６】図１に示すパワーモジュールの展開断面図。
【図７】本発明の実施例であるパワーモジュールの展開斜視図。
【図８】本発明の実施例である放熱フィンを取付けたパワーモジュール。
【符号の説明】
５０…絶縁金属基板、５１…金属ベース、５２…主回路配線パターン、５３…電力制御半導体素子、５４…コネクタ、６０…集積回路基板、６１…有機材基板、６２…制御回路配線パターン、６３…制御素子、６４…信号接続用ピン、７０…接続端子一体ケース、７１…樹脂ケース材、７１ａ…ねじ止め孔、７２…主回路パターンと外部回路装置間接続端子、７３…制御回路パターンと外部回路装置間接続端子、７４…主回路パターンと制御回路パターン間接続端子、７５…ファストン型接続端子、８０…封止材、８５…放熱フィン、８６…放熱フィン固定ねじ、９１…コネクタハウジング
【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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