(57)【要約】【課題】  小型の電流センサ内蔵半導体モジュールを提供することにある。【解決手段】  金属ベースと前記金属ベース上に接合され、少なくとも一部に導体層を有する絶縁基板と、前記導体層上に搭載されブリッジ構成を有する半導体素子と、前記金属ベース上に搭載され前記半導体素子を保護するケースとを備え、前記ケースに出力端子と正極端子と負極端子が固定され、その両端部を前記導体層に接続される導体バーと、前記導体バーに中空部を貫通されるギャップ付コアと、前記コアのギャップ部に位置する磁束密度検出素子と、前記磁束密度検出素子の出力信号を通す回路基板とから半導体モジュールを構成する。【選択図】図１
2005172716.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接合され、少なくとも一部に導体層を有する絶縁基板と、前記導体層上に搭載されブリッジ構成を有する半導体素子と、前記金属ベース上に搭載され前記半導体素子を保護するケースとを備え、前記ケースに出力端子と正極端子と負極端子が固定され、その両端部を前記導体層に接続される導体バーと、前記導体バーに中空部を貫通されるギャップ付コアと、前記コアのギャップ部に位置する磁束密度検出素子と、前記磁束密度検出素子の出力信号を通す回路基板とから構成されていることを特徴とする電流センサ内蔵半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサ内蔵半導体モジュールにおいて、前記コアを貫通する前記導体バーの一部は前記コアの一部と接触し、前記コアを絶縁基板上に固定する逆Ｕ字型の構造を有することを特徴とした電流センサ内蔵半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の電流センサ内蔵半導体モジュールにおいて、前記コアは良熱伝導性接着剤で前記絶縁基板上に固定されていることを特徴とした電流センサ内蔵半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載の電流センサ内蔵半導体モジュールにおいて、前記回路基板は、コアの一部を貫通させる穴部を有することを特徴とした電流センサ内蔵半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の電流センサ内蔵半導体モジュールにおいて、前記導体バーの前記絶縁基板上の導体層と半田で接続される両端部分には少なくとも１本の溝を有することを特徴とした電流センサ内蔵半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流センサ内蔵半導体モジュールに係り、特に車両搭載に好適な電流検出機能を備えた電流センサ内蔵半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ装置の電流検出方法としては、インバータ装置内の半導体モジュールからインバータケースに取り付けられた端子台間に出力バスバを用意し、この出力バスバにホール素子を利用した電流センサを取り付ける方法が用いられている。
【０００３】
しかしながら、本方法では通電電流が大きい場合、半導体モジュールから端子台につながるバスバの幅と厚みを大きく取る必要があり、また、そのことにより、バスバを貫通させる電流センサも大きなタイプを選定する必要があった。
【０００４】
そこで、例えば、特開２００１−１６５９６２号公報では、電流センサの主要部分、すなわちコアとバスバとホール素子を半導体モジュール内部に内蔵する案を提案している。
【０００５】
具体的には、絶縁基板上の導体パターンに接続される出力端子を制御基板の側を通して上方へ伸ばし、制御基板上に用意したコアとホール素子で、出力端子に流れる電流を検出するものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６５９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術によれば、電流センサを半導体モジュール外部に搭載する方法に比べ、追加バスバの寸法分インバータ横方向寸法を低減することが可能となるが、通電電流に応じて出力バスバの寸法を大きくする必要があること、また、それに応じてコア寸法を大きくする必要があることには変わりなく、通電量の大きな半導体モジュールの場合、出力端子及びコアが大きくなり、半導体モジュールの寸法，インバータ装置の寸法を増加させてしまうという課題がある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものでその目的は、電流センサを内蔵した小型化された半導体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】
【０００９】
本発明の目的は、金属ベースと前記金属ベース上に接合され、少なくとも一部に導体層を有する絶縁基板と、前記導体層上に搭載されブリッジ構成を有する半導体素子と、前記金属ベース上に搭載され前記半導体素子を保護するケースとを備え、前記ケースに出力端子と正極端子と負極端子が固定され、その両端部を前記導体層に接続される導体バーと、前記導体バーに中空部を貫通されるギャップ付コアと、前記コアのギャップ部に位置する磁束密度検出素子と、前記磁束密度検出素子の出力信号を通す回路基板とから構成することにより達成される。
【００１０】
好ましくは、前記コアを貫通する前記導体バーの一部は前記コアの一部と接触し、前記コアを絶縁基板上に固定する逆Ｕ字型の構造とする。
【００１１】
また、好ましくは、前記コアは良熱伝導性接着剤で前記絶縁基板上に固定するように構成する。
【００１２】
また、好ましくは、前記回路基板は、コアの一部を貫通させる穴部を有するように構成する。
【００１３】
さらに、好ましくは、前記導体バーの前記絶縁基板上の導体層と半田で接続される両端部分には少なくとも１本の溝を有する構成とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電流センサを内蔵した小型化された半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の代表的な最良の実施形態は、金属ベースと前記金属ベース上に接合され、少なくとも一部に導体層を有する絶縁基板と、前記導体層上に搭載されブリッジ構成を有する半導体素子と、前記金属ベース上に搭載され前記半導体素子を保護するケースとを備え、前記ケースに出力端子と正極端子と負極端子が固定され、その両端部を前記導体層に接続される導体バーと、前記導体バーに中空部を貫通されるギャップ付コアと、前記コアのギャップ部に位置する磁束密度検出素子と、前記磁束密度検出素子の出力信号を通す回路基板とから構成されていることを特徴とする電流センサ内蔵半導体モジュールにある。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態となる半導体モジュールの断面図を示す。図１において、１は半導体モジュールの金属ベースで図示しない電力変換装置のヒートシンクにグリス等の良熱伝導性接着剤１７を介して固定され、半導体モジュール内で発生する熱を効率よく逃がす役割をもつ。本実施の形態では、半導体モジュールの金属ベースとして銅を用いているが、放熱性がよければアルミでもＳｉＣ等の合金でもよい。
【００１７】
４は絶縁基板で、両面に導体層を有し、図示しない半田層で金属ベース１と接続されている。ここでは、ＡｌＮ基板を使用している。５は絶縁基板上の導体パターンで、半導体素子６とともにブリッジ構成となるようにパターン化されている。本実施例ではパターンには銅が、半導体素子にはＩＧＢＴを使用している。
【００１８】
７はアルミワイヤである。ここでは、導体パターン５と半導体素子６間の接続，導体パターン５と出力端子８，ＰＮ端子９間の接続に用いられている。１０は半導体モジュールのケースで出力端子８，ＰＮ端子９を固定しつつ内部を保護する役目を持ち、金属ベースに固定されている。１１は回路基板で、両面に電子部品１２を有している。本実施例では半導体素子６を駆動するドライバ，絶縁電源等の電子部品を搭載している。
【００１９】
１４は導体バーで導体パターン５上に半田付けされ、搭載されている。本実施例では銅が用いられているが、アルミ等他金属でも問題ない。導体バーは、電子回路的にはブリッジ構成上の出力部分に相当し、図２に示すように片側を出力部分に相当する導体パターンに、もう片方を絶縁基板上の孤立した導体パターン上に半田付けされており、導体バー
１４の片側とケース１０に固定された出力端子８間はアルミワイア７で接続されている。
【００２０】
本実施の形態では導体バー１４は半田を用いて接続されているが、通電量が比較的小さい場合は良熱伝導性の接着剤でもよい。また、導体バー１４は図５，図６に示すように導体パターン５と接続される先端部に数本の縦方向の溝を有することで、等価的に導体バー先端部の寸法を等価的に小さくできるため、絶縁基板と導体バーとの熱膨張係数の差から生じる、半田部へのストレスを低減することができ、半田クラックを防止することができ、半導体モジュールの長寿命化を図ることができる。
【００２１】
１５は上方にギャップを有するコアである。本実施例は電磁鋼鈑が用いられているが、フェライト等の他の軟磁性体でも問題ない。コアは絶縁基板４上に位置し、良熱伝導性接着剤１７により絶縁基板４上に固定されている。さらに、図３，図４に示すように、コア１５の中空部には導体バー１４が貫通している。ここで、導体バー１４の形状はコア１５の下部を挟み込むように逆Ｕ字型をしているため、コアを囲む導体バー１４の長さを最小限に抑えると同時にコア１５を絶縁基板４上に固定することができる。
【００２２】
また、コア１５の上方部は図４に示すように、回路基板１１の穴部を貫通し、回路基板１１上に搭載された磁束密度検出素子１６がちょうどコアのギャップ部に位置するようになっている。この工夫により、回路基板位置に対するコア位置の自由度を上がることができ、半導体モジュール内における電流センサ位置の自由度を上げることができる。また、コア上方に回路基板を設ける必要がないため、半導体モジュールの縦方向の寸法を低減することができる。
【実施例２】
【００２３】
次に、図７，図８に本発明の他の実施の形態となる半導体モジュールの断面図を示す。〔実施例１〕で説明した実施の形態との大きな違いは、導体バー１４凸部の下に磁束密度検出素子１６を配置し、導体バー１４の上部から導体バー１４と磁束密度検出素子１６を覆うようにギャップ付コアを被せギャップ部が磁束密度検出素子１６に位置するようにした点である。この構成では、導体バー１４を半田付けした後工程で、磁束密度検出素子
１６と、コア１５を挿入することができるので、必要性に応じて電流センサを構成することができる。
【００２４】
以上のような〔実施例１〕，〔実施例２〕に示した実施の形態の構成で、半導体モジュールに通電すると、導体バー１４には出力電流が流れ、導体バーの周りには右ネジの法則の向きに磁束が発生する。それをコア１５で集磁するとコア１５のギャップ部には通電電流に比例した磁束密度の磁束が発生し、これを磁束密度検出素子であるホール素子で検出し電圧信号に変換することで、半導体モジュール内部を流れる出力電流の大きさを検出することができる。
【００２５】
ここで、熱の問題は、コア１５を貫通する導体バー１４が絶縁基板上の導体パターン５に半田付けされているため、導体バーで発生した熱は導体バー→絶縁基板→金属ベース→図示しないインバータのヒートシンクへと効率よく放熱されるため抵抗値の大きな小型の導体バーを採用することができる。また、そのことにより、導体バーを囲む、コアも小型化することができるので、半導体モジュール内部の電流センサを従来例に比較して大幅に小型化することが可能となる。
【００２６】
本実施の形態による半導体モジュールによれば、金属ベースと前記金属ベース上に半田で接続され、両面の少なくとも一部に導体層を有する絶縁基板と、前記導体層上に搭載されブリッジ構成を有する少なくとも２つの半導体素子と、前記金属ベース上に搭載され前記半導体素子等を保護するケースと、前記ケースに固定される出力端子と、前記ケースに固定される正極端子と、前記ケースに固定される負極端子と、両端部を前記導体層に半田で接続される導体バーと、前記導体バーに中空部を貫通されるギャップ付コアと、前記コアのギャップ部に位置する磁束密度検出素子と、前記磁束密度検出素子の出力信号を通す回路基板を有する半導体モジュールであるため、出力電流を通電する導体バーで発生するジュール熱は導体バー→絶縁基板→金属ベースへと効率よく放熱されるため、導体バーを小型化することができる。また、そのことにより、導体バーを囲うギャップコアも小型化することができるので、ひいては大電流を検出できるにもかかわらず小型の電流センサを内蔵した半導体モジュールを提供することが可能となる。
【００２７】
さらに、コアを貫通する導体バーの一部はコアの一部と接触し、コアを絶縁基板上に固定する逆Ｕ字型の構造を有しているため、導体バーの長さを必要最低限で抑えることができ、導体バーで発生する熱を最小限に抑えることができる。また、導体バーでコアの位置を固定することができるため、基板上の磁束密度検出素子との位置精度を上げることができるので、位置ずれによる検出精度の悪化を抑えることができる。
【００２８】
さらに、コアは良熱伝導性の接着剤で前記絶縁基板上に固定されるため、導体バーで発生したジュール熱の放熱経路を導体バー→コア→接着剤→絶縁基板→金属ベースと増やすことができ、導体バー，コアをさらに小型することができる。
【００２９】
さらに、回路基板は、コアの一部を貫通させる穴部を有しているため、回路基板位置に対するコア位置の自由度を上がることができ、半導体モジュール内における電流センサ位置の自由度を上げることができる。また、コア上方に回路基板を設ける必要がないため、半導体モジュールの縦方向の寸法を低減することができる。
【００３０】
さらに、導体バーの絶縁基板上の導体層と半田で接続される両端部分には少なくとも１本の溝を有し、導体バー先端部の寸法を等価的に小さくしているため、絶縁基板と導体バーとの熱膨張係数の差から生じる、半田部へのストレスを低減することができ、長寿命化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る電流センサ内蔵半導体モジュールは、特に車両搭載に好適な電流検出機能を備えた電流センサ内蔵半導体モジュールに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１の構造を説明する断面図である。
【図２】本発明の実施例１の構造を説明する平面図である。
【図３】本発明の実施例１のセンサ部の詳細構造を示す断面図１である。
【図４】本発明の実施例１のセンサ部の詳細構造を示す断面図２である。
【図５】本発明の実施例１の導体バー先端部の詳細構造を示す構造図１である。
【図６】本発明の実施例１の導体バー先端部の詳細構造を示す構造図２である。
【図７】本発明の実施例２のセンサ部の詳細構造を示す断面図１である。
【図８】本発明の実施例２のセンサ部の詳細構造を示す断面図２である。
【符号の説明】
【００３３】
１…金属ベース、２…半田、３…導体層、４…絶縁基板、５…導体パターン、６，４３…半導体素子、７…アルミワイア、８，２１，４９…出力端子、９…ＰＮ端子、１０…ケース、１１…回路基板、１２…電子部品、１４…導体バー、１５…ギャップコア、１６…磁束密度検出素子、１７…良熱伝導性接着剤、２０，４１…半導体モジュール、２２…バスバ、２３，４４…電流センサ、２４…出力端子台、２５…インバータケース、３０…モータ、３１…インバータ、３２…バッテリ、４０…コントローラ、４２…ドライバ、４５…キャパシタ、４７…Ｐ端子、４８…Ｎ端子。
【図１】
2005172716.tif 000003
【図２】
2005172716.tif 000004
【図３】
2005172716.tif 000005
【図４】
2005172716.tif 000006
【図５】
2005172716.tif 000007
【図６】
2005172716.tif 000008
【図７】
2005172716.tif 000009
【図８】
2005172716.tif 000010