(57)【要約】【課題】半導体モジュールの寸法を小さくすることを目的とする。【解決手段】金属ベースと前記金属ベース上に配置された絶縁基板と前記絶縁基板上に配置された金属導体パターンと前記金属導体パターン上に配置された複数の半導体素子と前記金属ベース上に配置されたケーシングと前記ケーシングに固定された出力端子と前記ケーシングに固定され正極端子として機能する正極バスバと前記ケーシングに固定され負極端子として機能する負極バスバとを有する半導体モジュールにおいて、前記正極バスバと前記負極バスバは絶縁層を挟んだラミネート構造を有し、かつ前記ラミネート構造は前記半導体素子の上側に配置され、前記正極バスバと前記金属導体パターンは金属ワイヤによって接続され前記負極バスバと前記半導体素子は金属ワイヤによって接続されている。【選択図】  図１
2004200306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベースと前記金属ベース上に配置された絶縁基板と前記絶縁基板上に配置された金属導体パターンと前記金属導体パターン上に配置された複数の半導体素子と前記金属ベース上に配置されたケーシングと前記ケーシングに固定された出力端子と前記ケーシングに固定され正極端子として機能する正極バスバと前記ケーシングに固定され負極端子として機能する負極バスバとを有する半導体モジュールにおいて、前記正極バスバと前記負極バスバは絶縁層を挟んだラミネート構造を有し、かつ前記ラミネート構造は前記半導体素子の上側に配置され、前記正極バスバと前記金属導体パターンは金属ワイヤによって接続され前記負極バスバと前記半導体素子は金属ワイヤによって接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、前記正極バスバと前記負極バスバのうち下側に配置されたバスパの下面に絶縁層が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体モジュールにおいて、前記絶縁層は平板部と該平板部の縁に垂直に設けられた縁部とを有する断面が横Ｌ字形の構造であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の半導体モジュールにおいて、前記絶縁層は前記ケーシングと一体的に構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュールに関し、特に、モータ駆動装置に使用して好適な半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５を参照してモータ駆動装置の回路構成を説明する。モータ駆動装置は、３相交流モータ２１と直流電力を交流電力へ変換しそれをモータ２１へ供給する電力変換装置２２と直流バッテリ２７とを有する。電力変換装置２２は、半導体素子をモジュール化した半導体モジュール２３と半導体モジュール２３へ送る制御信号を発生するコントローラ２６と入力電圧を平滑化する平滑用コンデンサ２４とバッテリ電線から放射されるコモンモードノイズを除去するＹコンデンサ２５とを含む。
【０００３】
半導体モジュール２３は３相インバータのブリッジ回路を構成しており、各相のブリッジ回路部は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードを含む。
【０００４】
図６を参照して、図５に示した電力変換装置２２の構造を説明する。半導体モジュール２３はケーシング２９に図示しないネジによって固定されている。半導体モジュール２３の横には、Ｙコンデンサ２５が装着され、半導体モジュール２３の上側にはコントローラ２６が装着されている。Ｙコンデンサ２５の上側にはバスバ２８が設けられ、バスパ２８の上には平滑コンデンサ２４が搭載されている。
【０００５】
図６から明らかなように、電力変換装置２２の構成部品の中で半導体モジュール２３の占有面積が最も大きく、電力変換装置の大きさを決定付けているといってもよい。
【０００６】
次に、図７を参照して従来の半導体モジュールの構造について説明する。図７Ａは、従来の半導体モジュールの断面構成を示し、図７Ｂは従来の半導体モジュールの平面構成を示す。図７の半導体モジュールは図５に示した半導体モジュール２３のうち、１相分のインバータの構成２３Ａに対応する。
【０００７】
図７Ａに示すように、半導体モジュールは、金属ベース１と金属ベース１上に搭載された絶縁基板２と絶縁基板上に構成された金属導体パターン３と金属導体パターン上に図示しないはんだによって接続された半導体素子４と金属ベース上に図示しない接着剤によって取り付けられたケーシング５とを有する。
【０００８】
図７Ｂに示すように、半導体モジュールは、更に、ケーシング５にモールドされた半導体モジュールの出力端子６、正極端子７及び負極端子８を有し、半導体素子４、端子６、７、８及び金属導体パターン３は金属ワイヤ１０によって電気的に接続されている。
【０００９】
半導体素子４や金属導体パターン３の幅、レイアウト、金属ワイヤ１０の太さ等は、耐電圧、許容電流等を考慮し、各半導体モジュールの仕様に合うように選定される。
【００１０】
図７に示した従来の半導体モジュールでは、少なくとも２つの半導体素子４によってブリッジを構成するために半導体素子の下面の金属導体パターン３以外にも金属導体パターン３Ａを必要とする。従って、通電電流によっては、配線インダクタンスを下げるために、金属導体パターン３Ａの幅をかなり広くとる必要があった。そのため、半導体モジュールのコストのかなりの部分を占める絶縁基板の面積を広くとる必要があり、コストアップの要因となっていた。また、半導体モジュールの占有面積を小さくすることが難しかった。
【００１１】
図８を参照して、特開６−２１３２３号公報に記載された半導体モジュールの例を説明する。本例の半導体モジュールは、以上の問題を解決するため、正極端子７及び負極端子８の主要部分をバスバ化し、その脚部７Ａ、８Ａを金属導体パターン３、３Ａに接続している。更に、正極端子７と負極端子８の間に絶縁シート９を挟みラミネート構造としている。それによって、配線の低インダクタンス化、半導体モジュールの占有面積の縮小を計ることを提案している。
【００１２】
【特許文献１】
特開６−２１３２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示した従来の半導体モジュールでは、絶縁シートを挟む余分な工程が必要である。また、正極及び負極バスバの脚部を金属導体パターンにはんだ付けするため、金属導体パターンにはんだ付けのための面積を確保する必要があり、金属導体パターンの面積が大きくなる。さらに正極及び負極バスバの脚部を絶縁基板上の金属導体パターンにはんだ付けするために、ヒートサイクルではんだにクラックが入り信頼性の点で問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、占有面積及び高さが小さくすることができる半導体モジュールを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、半導体モジュールは、ケーシングに固定され正極端子として機能する正極バスバとケーシングに固定され負極端子として機能する負極バスバとを有し、正極バスバと負極バスバは絶縁層を挟んだラミネート構造を有し、かつラミネート構造は半導体素子の上側に配置され、正極バスバと金属導体パターンは金属ワイヤによって接続され負極バスバと半導体素子は金属ワイヤによって接続されている。
従って、本発明によると、半導体モジュールの寸法を抑えることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明による半導体モジュールの第１の例を説明する。図１Ａは本発明による半導体モジュールの第１の例の断面構成を示し、図１Ｂは本発明による半導体モジュールの第１の例の平面構成を示す。本例の半導体モジュールは、金属ベース１と、両面に金属導体パターンを有する絶縁基板２と金属導体パターン上に装着された半導体素子４と、半導体モジュールの構成部品を保護するケーシング５と、ケーシングに一体成形された出力端子６と、ケーシングに一体成形された正極バスバ７及び負極バスバ８と、２つのバスバ７、８の間に装着されたケーシング材からなる絶縁層１５とを有する。
【００１７】
本例では、負極バスバ８が上側に配置され正極バスバ７が下側に配置されているが、両者の位置関係は逆であってもよい。
【００１８】
ケーシング５内には、半導体モジュールの構成部品を保護するためのゲル１１が装填されている。ゲル１１によって、正極バスバ７及び負極バスバ８と金属ワイヤ１０及び半導体素子４間の絶縁が確保される。特に、下側の正極バスバ７とその下側に配置された金属ワイヤ１０の間の絶縁が確保される。
【００１９】
下側の正極バスバ７は、金属ワイヤ１０によって、金属導体パターン３に接続されている。即ち、正極バスバ７は、金属ワイヤ１０によって、正極側の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のコレクタに接続された金属導体パターンに接続されている。上側の負極バスバ８は、金属ワイヤ１０によって、半導体素子４に接続されている。即ち、負極バスバ８は、金属ワイヤ１０によって、負極側の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）及びダイオードの表面に接続されている。正極バスバ７及び負極バスバ８は、金属導体パターン３及び半導体素子４への通電経路を提供すると同時にそれぞれ正極直流端子及び負極直流端子を兼ねている。
【００２０】
金属ベース１には銅が、絶縁基板２にはＡＬＮ基板が、金属導体パターン３には銅が用いられてよい。金属ワイヤ１０にはアルミニウムが用いられてよい。半導体素子４は、３相インバータの１相分のブリッジを構成しており、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードを含む。
【００２１】
こうして本例では、従来のように、一旦、半導体素子を金属ワイヤによって金属導体パターンへ接続し、その金属導体パターンを金属ワイヤによって負極端子へ接続する構造と比較すると、絶縁基板上の金属導体パターンを１区画省くことができるので、絶縁基板の面積を縮小でき、半導体モジュールの占有面積を低減できる。
【００２２】
また、本例では、絶縁層１５をケーシング５と一体的に製造することにより、別個に絶縁材を製造し、挿入する工程が不要となる。
【００２３】
図２を参照して、正極バスバ７と負極バスバ８の構造を説明する。本例によると、負極バスバ８は上側に配置され、正極バスバ７は下側に配置され、両者間には絶縁層１５が挟まれている。こうして、２つのバスバ７、８及びその間の絶縁層１５はサンドイッチ構造又はラミネート構造となっており、配線インダクタンスを低減することができる。
【００２４】
負極バスバ８は正極バスバ７の上側に且つ正極バスバ７より僅かにずれた位置に配置されている。従って、正極バスバ７の上面には露出部７Ａが形成される。
負極バスバ８の上面に金属ワイヤ１０が接続され、正極バスバ７の上面の露出部７Ａに金属ワイヤ１０が接続されている。
【００２５】
絶縁層１５は横Ｌ字形断面を有し、負極バスバ８と正極バスバ７の間に挟まれた平板部１５Ａと平板部の縁に垂直に延びる縁部１５Ｂとを有する。平板部１５Ａは負極バスバ８の下面と正極バスバ７の上面の間を絶縁する機能を有し、縁部１５Ｂは負極バスバ８の端面と正極バスバ７の上面の露出部７Ａの間を絶縁する機能を有する。従って、縁部１５Ｂは、正極バスバ７の上面の露出部７Ａに隣接した側に配置されている。
【００２６】
図３を参照して本発明による半導体モジュールの第２の例を説明する。本例の半導体モジュールは、図１の第１の例と比較して、下側の正極バスバ７の下側に、更に絶縁層１６が装着されている点が異なる。従って、本例の半導体モジュールでは、図１の第１の例のように正極バスバ７とその下側に配置された金属ワイヤ１０の間の絶縁をゲル１１のみによって確保する場合に比べて、より良好な絶縁性を得ることができる。
【００２７】
本例では、正極バスバ７とその下側の金属ワイヤ１０の間の距離を小さくすることができるので、ラミネート状のバスバ７、８を第１の例の場合より低い位置に配置させることができる。従って、本例では半導体モジュールの高さ方向を抑えることができる。
【００２８】
図４を参照して、第２の例の正極バスバ７と負極バスバ８の構造を説明する。
本例によると、負極バスバ８は上側に配置され、正極バスバ７は下側に配置され、負極バスバ８及び正極バスバ７の下側にはそれぞれ絶縁層１５、１６が配置されている。こうして、２つのバスバ７、８と２つの絶縁層１５、１６はサンドイッチ構造又はラミネート構造となっており、配線インダクタンスを低減することができる。
【００２９】
負極バスバ８は正極バスバ７の上側に配置され且つ、図示のように、正極バスバ７より小さな幅方向の寸法を有する。従って、正極バスバ７の上面には露出部７Ａが形成される。負極バスバ８の上面に金属ワイヤ１０が接続され、正極バスバ７の上面の露出部７Ａに金属ワイヤ１０が接続されている。
【００３０】
第１の絶縁層１５の構造は第１の例の場合と同様であり、その説明は省略する。第２の絶縁層１６は、横Ｌ字形断面を有し、正極バスバ７の下側に配置された平板部１６Ａと平板部の縁に垂直に延びる縁部１６Ｂとを有する。平板部１６Ａは正極バスバ７の下面と下側の金属ワイヤ１０の間を絶縁する機能を有し、縁部１６Ｂは正極バスバ７の端面とそれに隣接する負極バスバ８の端面の間を絶縁する機能を有する。従って、縁部１６Ｂは、上側の絶縁層１５の縁部１５Ａと反対側に配置されている。
【００３１】
第１の絶縁層１５の両側に縁部を設けた場合には、第２の絶縁層の縁部１６Ｂは省略してよい。
【００３２】
以上、本発明の例を説明したが本発明に上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変形が可能であることは当業者に理解されよう。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体モジュールの占有面積及び高さを小さくすることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体モジュールの実施例１の構造を示す図である。
【図２】本発明による半導体モジュールの実施例１の詳細構造を示す図である。
【図３】本発明による半導体モジュールの実施例２の構造を示す図である。
【図４】本発明による半導体モジュールの実施例２の詳細構造を示す図である。
【図５】従来のモータ駆動装置の回路構成を示す図である。
【図６】従来のモータ駆動装置の電力変換装置の構造を示す図である。
【図７】従来の半導体モジュールの構造を示す図である。
【図８】従来の半導体モジュールの他の例の構造を示す図である。
【符号の説明】
１…金属ベース、２…絶縁基板、３…金属導体パターン、４…半導体素子、５…ケーシング、６…出力端子、７…正極バスバ、８…負極バスバ、９…絶縁シート、１０…金属ワイヤ、１１…ゲル、１５，１６…絶縁層、２１…交流モータ、２２…電力変換装置、２３…半導体モジュール、２４…平滑コンデンサ、２５…Ｙコンデンサ、２６…コントローラ、２７…バッテリ、２８…バスバ
【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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