(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力半導体素子のパワー素子と、複数の制御素子と、それらを実装するための電極や配線パターン形成した配線板とを備えたコントローラにおいて、
前記パワー素子を実装する大電流配線領域、および前記制御素子を実装する微細配線領域は、それぞれコア層プリント配線板上に配設された表層プリント配線板およびビルトアップ層に備えられ、
前記パワー素子は前記コア層プリント配線板上に配設された前記表層プリント配線板上に備えられ、前記制御素子は、前記表層プリント配線板に設けられた前記微細配線領域に相当する空間部分に空隙を介して配設された前記ビルトアップ層上に実装されたことを特徴とするコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力半導体素子などのパワー素子や制御回路を形成する制御素子が高密度に実装され、パワー素子の大電流用配線パターンと制御素子の微細配線パターンが複雑な配線パターンで混在したコントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワー素子の大電流用配線パターンと制御素子の微細配線パターンが複雑な配線パターンで混在したコントローラについて、半導体装置や電力変換装置を例にあげて説明する。半導体装置や電力変換装置は、電力半導体素子などのパワー素子の大電流用配線パターンと、制御素子用の微細な配線パターンが必要となる。これらを実現するために、１枚の金属ベース上に、それぞれパワー素子用、制御素子用の配線パターンを形成した２つの実装基板を接合し、それらにそれぞれの素子を実装し、放熱は金属ベースを介して行うもの（例えば、特許文献１参照）や、両面に素子を実装できる１枚の実装基板に、パワー素子と制御素子を実装し、放熱はパワー素子と制御素子の少なくとも一方の反実装面から伝熱部材により放熱器へおこなうものなどがある（例えば、特許文献２参照）。
以下、図に基づいて説明する。
図４は、１枚の金属ベース上に、それぞれパワー素子用、制御素子用の配線パターンを形成した２つの実装基板を接合し、それらにそれぞれの素子を実装し、放熱は金属ベースを介して行う半導体装置の平面図および断面図である（特許文献１）。図において、１１１はパワー素子、１１２は制御素子、１２１は制御部実装基板、１２２は電力部実装基板、１２３は絶縁基板、１２４は金属層、１２５はセラミックス絶縁基板、１２６は配線パターン、１２７は導出部、１２８は金属ベースである。構成について説明する。金属ベース１２８は、Ｃｕを主な構成材料とする厚さ約３ｍｍの板である。この金属ベース上に制御部実装基板１２１と電力部実装基板１２２が図４に示すように取り付けられる。制御部実装基板１２１は、ガラスエポキシ系の両面プリント配線板の片面に配線パターンが形成され、配線パターンが形成された面の反対面の金属層が、はんだ付により金属ベース１２８に接合されている。制御部実装基板１２１はセラミックス系の厚膜回路基板を用いても良い。一方、電力部実装基板１２２は、アルミナ系のセラミック基板の片面に配線パターンが形成され、配線パターンが形成された面の反対面の金属層が、はんだ付により金属ベース１２８に接合されている。制御部実装基板１２１と電力部実装基板１２２の電気的な接続は、電力部実装基板１２２の配線パターン１２６の一部を電力部実装基板外へ延長形成されて導出された導出部１２７により行われる。
図５は、両面に素子を実装できる１枚の実装基板に、パワー素子と制御素子を実装し、放熱はパワー素子と制御素子の少なくとも一方の反実装面から伝熱部材により放熱器へおこなう電力変換装置の断面図である（特許文献２）。図５に示す特許文献２の構成要素が特許文献１と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。図において、１２９は放熱器、１３０は基板、１３１は熱伝導材、１３２はネジである。構成について説明する。配線パターンが形成された基板１３０へ、パワー素子１１１および制御素子１１２が実装され、放熱経路として、パワー素子１１１もしくは制御素子１１２の少なくとも一方の反実装面から熱伝導材１３１を介して、アルミ製の放熱器１２９へ放熱する経路を有している。ここで、基板１３０は、ガラスエポキシ両面基板や金属コア基板が用いられる。基板１３０の固定は、放熱器１２９へネジ１３２で行われる。
このように、従来の半導体装置や電力変換装置は、１枚の金属ベース上に、それぞれパワー素子用、制御素子用の配線パターンを形成した２つの実装基板を接合し、それらにそれぞれの素子を実装し、放熱は金属ベースを介して行うものや、一枚の基板へパワー素子と制御素子を実装し、放熱効率をあげるために、別途放熱経路を確保したものもある。
【特許文献１】特許第３１５７３６２号（第１−３頁、図１）
【特許文献２】特開２００４−３３６９２９号公報（第１−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の半導体装置や電力変換装置で、１枚の金属ベース上に、それぞれパワー素子用、制御素子用の配線パターンを形成した２つの実装基板を接合し、それらにそれぞれの素子を実装し、放熱は金属ベースを介して行うものの場合は、パワー素子を実装する電力部実装基板はセラミックス系の基板を用いるため、配線密度に限界があり、装置の超小形化には対応できないという問題点があった。
また、一枚の基板へパワー素子と制御素子を実装し、放熱効率をあげるために、別途放熱経路を確保したものの場合、基板の電流容量が制御素子の配線パターンに制限され、さらに、パワー素子と制御素子が熱的に影響されあうという問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、配線密度を上げることができ、その結果、装置を小形化することができ、基板の電流容量が制御素子の配線パターンに影響されることがなく、パワー素子と制御素子が熱的に影響されあうこともないコントローラ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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１ に記載の発明は、複数の電力半導体素子のパワー素子と、複数の制御素子と、それらを実装するための電極や配線パターン形成した配線板とを備えたコントローラにおいて、前記パワー素子を実装する大電流配線領域、および前記制御素子を実装する微細配線領域は、それぞれコア層プリント配線板上に配設された表層プリント配線板およびビルトアップ層に備えられ、前記パワー素子は前記コア層プリント配線板上に配設された前記表層プリント配線板上に備えられ、前記制御素子は、前記表層プリント配線板に設けられた前記微細配線領域に相当する空間部分に空隙を介して配設された前記ビルトアップ層上に実装されものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、パワー素子を実装する大電流配線領域と制御素子を実装する微細配線領域を一枚の配線板上に形成できるために高密度化が可能である。
また、パワー素子と制御素子を分離する構造であるために相方の熱的影響が低減される。
また、配線板でもパワー素子と制御素子を分離する構造を有しているため、相方の熱的影響を最小限にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の第１の実施例に係るコントローラの上面図と上面図中のＡ−Ａ’面で切断した側断面図である。本発明の構成要素が従来技術と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。図において、１１３はコア層プリント配線板、１１４はビルドアップ層、１１５は表層プリント配線板、１１６は空隙、１１７は微細配線領域、１１８は大電流配線領域、１１９はプリプレグ、１２０はスルーホールである。本発明が特許文献１と異なる部分は、コア層プリント配線板１１３を備え、前記コア層プリント配線板１１３に、制御素子１１２が実装される微細配線領域１１７をビルドアップ層１１４で形成し、パワー素子１１１が実装される大電流配線領域１１８を、ビルドアップ層が形成された部分に対応する部分がくりぬかれた形の表層プリント配線板１１５を接着することで形成した点と、これらの微細配線領域１１７と大電流配線領域１１８の間には一定の空隙１１６を設けた点と、これらの配線領域は、コア層プリント配線板の両面に形成した点である。これにより、高密度な実装と、微細配線領域１１７と大電流配線領域１１８の直接的な熱の影響低減の両立が可能である。
また、特許文献２と異なる部分も同様で、一つの配線板上に制御素子１１２の実装に適した微細配線領域１１７とパワー素子１１１の実装に適した大電流配線領域１１８を備え、熱的な影響をさけるための空隙１１６を有している部分である。
図１に示すように、コア層プリント配線板１１３の上面および下面には、ビルドアップ層１１４が半導体製造プロセスを用いて形成されており、ビルトアップ層１１４には、制御素子１１２が実装されている。ビルドアップ層１１４とコア層プリント配線板１１３との電気的接続は、スルーホールにより行われる。
また、表層プリント配線板１１５は、プリプレグ１１９などを用いてコア層プリント配線板１１３と接着されており、ビルドアップ層１１４に空隙１１６を介して配置できるように孔が形成されている。また、表層プリント配線板１１５には、パワー素子１１１が実装されている。コア層プリント配線板１１３との電気的接続は、スルーホール１２０、または、ビアホールにより行われる。
このようなコントローラは、パワー素子１１１は大電流配線領域１１８と制御素子１１２は微細配線領域１１７に空隙１１６を介して分離されて構成されている。
【０００８】
ここで用いられるプリント配線板の詳細な製造フローを図２に示す。
（１）コア層プリント配線板１１３について述べる。図では４層プリント配線板の例を示す。コア層プリント配線板１１３は、一般的に用いられるガラスエポキシ系のプリント配線板か、内層に金属層を有する金属コア配線板としてもよい。このコア層プリント配線板は、エッチング等により、配線パターンを形成し、必要な層数を積層する。配線パターンは、表層は１８μｍ程度のものを用い、内層は３５〜２１０μｍの様々な厚さのものを用いることができる。
（２）このコア層プリント配線板１１３に、ビルドアップ層１１４を形成する。ビルドアップ層１１４は、絶縁層と配線層を順次積層して形成する。図では２層のビルドアップ層の例を示す。ビルドアップ層１１４の絶縁層に感光性樹脂を用いた場合は露光、現像によりビアホールを形成し、パターンめっき法により配線パターンを形成する。また、絶縁層に熱硬化性樹脂を用いた場合はレーザによりビアホールを形成し、パターンめっき法により配線パターンを形成する。絶縁層である樹脂が付いた銅箔を用いた場合はエッチングによりパターンを形成する。配線パターンはいずれの方法で作製しても良い。
ビルドアップ層１１４は、コア層プリント配線板１１３の必要な部分に形成されるため、ビルドアップ層１１４を形成する領域以外は、レジストによりコーティングされておく必要がある。上記したいずれかの方法で配線パターンを作製すれば、ビルドアップ層１１４の多層化は容易である。なお、コア層プリント配線板１１３へのビルドアップ層形成時やビルドアップ層積層時は、銅箔との密着力を高めるために、エッチングなどにより粗化する方が良い。
（３）ビルドアップ層１１４が形成されたコア層プリント配線板１１３に、ビルドアップ層に対応した部分がくりぬかれた表層プリント配線板１１５を接着する。接着には、炭素繊維に樹脂を含浸した熱硬化性樹脂であるプリプレグ１１９が用いられ、加熱加圧により積層される。なお、コア層プリント配線板１１３への表層プリント配線板１１５接着時は、銅箔との密着力を高めるために、エッチングなどにより粗化する方が良い。また、配線パターンは、電流の大きさにあわせて、銅箔３５〜２５０μｍの厚さのものから選択して用いる。
（４）表層プリント配線板１１５とコアプリント配線板１１３に、スルーホール１２０またはビアホールが形成され、プリント配線板が完成する。このとき、ビルドアップ層はレジストによりコーティングしておく必要がある。
（５）プリント配線板に、パワー素子１１１を大電流配線領域１１８へ、制御素子１１２を微細配線用領域１１７へ、それぞれ実装し、コントローラが完成する。
必要であれば、コネクタなどを実装しても良い。
【実施例２】
【０００９】
図３は、本発明の第２の実施例に係るコントローラの上面図と上面図中のＡ−Ａ’面で切断した側断面図である。
図において、コア層プリント配線板１１３に、制御素子１１２が実装された微細配線領域１１７と、パワー素子１１１が実装された表層プリント配線板１１５とを接着してプリント配線板で形成した点と製造方法については、実施例１と同様であるので説明を省略する。
本発明が実施例１と異なる点は、大電流領域１１８と微細配線領域１１７の領域がコア層プリント配線板１１３においても空隙１１６を介して分離されたことである。
この場合、コア層プリント配線板にもパワー素子と制御素子を分離する構造を有しているため、相方の熱的影響を最小限にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１を示すコントローラの側断面図と上面図
【図２】本発明の概略製造フローを示すフローチャート図
【図３】本発明の実施例２を示すコントローラの側断面図と上面図
【図４】従来の半導体装置の側断面図と上面図
【図５】従来の電力変換装置の側断面図
【符号の説明】
【００１１】
１１１  パワー素子
１１２  制御素子
１１３  コア層プリント配線板
１１４  ビルドアップ層
１１５  表層プリント配線板
１１６  空隙
１１７  微細配線領域
１１８  大電流配線領域
１１９  プリプレグ
１２０  スルーホール
１２１  制御部実装基板
１２２  電力部実装基板
１２３  絶縁基板
１２４  金属層
１２５  セラミックス絶縁基板
１２６  配線パターン
１２７  導出部
１２８  金属ベース
１２９  放熱器
１３０  基板
１３１  熱伝導材
１３２  ねじ
【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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