(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子を搭載して回路構成している主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、
前記主回路部の外部接続用主回路端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用主回路端子の一端側を金属ベース板上に載置された絶縁板上に接着して主回路パターンを形成し、該主回路パターン上にパワー素子を搭載したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用制御端子の一部で制御回路パターンを形成し、該制御回路パターン上に前記制御素子を搭載したことを特徴とする請求項１記載の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記絶縁板は、熱圧着により硬化する絶縁シートであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、電力制御用の半導体素子であるパワー素子を含む主回路と、該主回路の動作を制御する半導体素子である制御素子を含む制御回路とを、一つの装置に組み込んだものである。主としてモータ等を制御するインバータ装置等に応用されている。
【０００３】
図５は、従来の半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。図において、１は金属ベース絶縁基板、２は金属ベース絶縁基板における後述の主回路配線パターン１１３上にハンダ付けにより接合されたＩＧＢＴ、フライホイールダイオード等のパワー素子、３は金属ベース絶縁基板における後述の制御回路パターン１１６上にハンダ付けにより接合された主回路を駆動する制御素子、５は制御回路パターン１１６上にハンダ付けにより接合された制御回路端子であり、夫々パワー素子２や制御素子３とアルミワイヤ６により接続されている。
【０００４】
また７はパワー素子２および制御素子３を囲撓するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、かつ接着された外枠であり、金属ベース絶縁基板１と外枠７とにより、金属ベース絶縁基板１を底板とするケース８を形成している。９はパワー素子２および制御素子３を覆うようにケース８内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９により従来の半導体パワーモジュール１００を構成している。
【０００５】
次に図６により、半導体パワーモジュール１００における金属ベース絶縁基板１の構成を説明する。図において、１１１は熱伝導性に優れたアルミ材からなる金属ベース部板、１１２は金属ベース板１１１の上に配設された絶縁板、１１３は絶縁板１１２の上に貼り付けられた銅箔をエッチングして形成された主回路配線パターンであり、金属ベース板１１１、絶縁板１１２および主回路配線パターン１１３により、前述の主回路基板１１４を構成し、主回路配線パターン１１３は図５に示したように、パワー素子２や主回路端子４がハンダ付けにて接合される。
【０００６】
また１１５はガラス繊維を骨材としたエポキシ樹脂製の絶縁板(ガラスエポキシ基材)、１１６、１１７は、夫々絶縁板１１５の両主面に貼り付けられた、銅箔をエッチングして得られた制御回路配線パターンおよび制御回路接地用パターンである。なお、絶縁板１１５の所定の個所には貫通孔１１５ａを形成してその内面に銅メッキを施し、その銅メッキ層により、制御回路配線パターン１１６と制御回路接地パターン１１７と電気的に導通し、制御回路接地用パターン１１７が制御回路(図示せず)の共通接地用パターンとして機能している。
【０００７】
なお、絶縁板１１５、制御回路配線パターン１１６および制御回路接地用パターン１１７により、制御回路基板１１８を構成し、この制御回路基板１１８は絶縁板１１２の主回路配線パターン１１３が配設されていない一定の領域１１２ａに接着シート１１９を介して接合されている。そして、制御回路配線パターン１１６には図５に示したごとく、制御素子３や制御回路端子５がハンダ付けにより接合される。
【０００８】
図７は、図６に示した従来の半導体パワーモジュール１００における金属ベース絶縁板１の組立方法を説明する断面の模式図である。以下、図７により、金属ベース絶縁基板１の製造プロセスを説明する。
【０００９】
図７において、金属ベース板１１１の主面上に絶縁板１１２を、絶縁板１１２の主面上に銅箔を配置した状態において一体に熱圧着し、その後、上記銅箔をウェットエッチングにより、主回路配線パターン１１３を形成し、金属ベース板１１１、絶縁板１１２および主回路配線パターン１１３からなる主回路１１４が完成する。
【００１０】
別途、絶縁板１１５の所定の位置に、その両主面に銅箔を形成すると共にＮＣドリルで孔明けし、貫通孔１１５ａの内面に上記銅メッキ層を形成する。次に銅箔をウェットエッチングにより、一方の主面に制御回路パターン１１６ａと、他方の主面に制御回路接地用パターン１１７とを、貫通孔１１５ａ内面の前記銅メッキ層により電気的に導通させ、これにより、制御回路接地用パターン１１７を制御回路(図示せず)の共通接地用パターンとして制御回路基板１１８が完成する。
【００１１】
その後、主回路基板１１４における絶縁板１１２の所定の領域１１２ａに制御回路基板１１８を接着シート１１９を介して接合することにより、図６に示すごとく、金属ベース絶縁基板１が完成し、図５に示した半導体パワーモジュール１００の底板として供される。
【００１２】
以上のごとく、従来の半導体パワーモジュール１００における金属ベース絶縁基板１は、金属板１１１、絶縁板１１２および主回路配線パターン１１３により構成された主回路基板１１４、および主回路基板１１４に接着シート１１９を用いて接着された制御回路基板１１８により構成されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体パワーモジュールは、主回路基板１１４の上に制御回路基板１１８を積み重ねた積層構造の金属ベース絶縁基板１を用いているので、金属ベース絶縁基板１の製造に際し、主回路基板１１４および制御回路基板１１８が別々の工程で製造され、その後、積層プレスにて一体化する工程が必要であり、工数が多いためコスト高となり、また、上記、各工程で熱ストレスが加わり、結果として金属ベース絶縁基板１の絶縁特性を劣化させる要因となる等の課題があった。
【００１４】
また比較的高価な主回路基板１１４が、放熱を必要としない制御回路基板１１８の直下にも設けられているので、無駄なコストを要するという課題もあった。
【００１５】
また自己発生ノイズ対策上、制御回路基板１１８には制御回路接地用パターン１１７を設ける必要があったため、制御回路基板１１８の製作に別工程が必要であり、そのためコストがかかっていた。
【００１６】
また主回路端子や制御回路端子の取り付けにハンダを用いているため、取り付けの工程に治具等が必要であり、そしてエポキシ樹脂９注型、キュア工程等が必要なために工程自体も複雑であり、しかもこれ以降の工程で影響を受け易く、端子位置が移動し製品の端子位置づれが発生したり、また端子下の回路基板にストレスがかかり、製品信頼性上の課題もあった。
【００１７】
またハンダ付けによる熱ストレスの影響で金属ベース絶縁基板の絶縁信頼性が劣化するという課題もあった。
【００１８】
この発明は、上記の問題点を解消するために行われたものであり、製造工数が少なくかつ安価でしかも高信頼性が得られる半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる半導体パワーモジュールは、パワー素子を搭載して回路構成している主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、
前記主回路部の外部接続用主回路端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用主回路端子の一端側を金属ベース板上に載置された絶縁板上に接着して主回路パターンを形成し、該主回路パターン上にパワー素子を搭載したことを特徴とする。
【００２０】
本発明において、前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにインサートすると共に、前記外部接続用制御端子の一部で制御回路パターンを形成し、該制御回路パターン上に前記制御素子を搭載したことが好ましい。
【００２１】
本発明において、前記絶縁板は、熱圧着により硬化する絶縁シートであることが好ましい。
【００２２】
第４の発明に係わる半導体パワーモジュールは、パワー素子を搭載して回路構成している主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、
前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにインサートし、該外部接続用制御端子の一部で制御素子が搭載される制御回路パターンを形成すると共に、該制御回路パターンの前記制御素子が搭載される領域の周縁部に突起を配設したことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、この発明の実施の形態１として半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【００２４】
図において、１は金属ベース絶縁基板、２は金属ベース絶縁基板１における主回路パターン１８にハンダ付けにより接合されたＩＧＢＴ、フライホイールダイオード等のパワー素子、３は後述の底部７ａに設けた制御回路パターン１９上にハンダ付けにより接合され、パワー素子２を制御する制御素子である。
【００２５】
そして、４は、後述する耐熱性に優れたＰＰＳ(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠７にインサート成形された主回路端子、５も前記主回路端子と同様に、前記外枠７にインサート成形された制御回路端子である。またこの制御回路端子５は、制御回路パターン１９を兼ねている。主回路端子４、制御回路端子５、夫々は金属ベース絶縁基板１の主回路パターン１８やパワー素子２などからの接続として安価で電気伝導性に優れたアルミワイヤ６により接続されている。
【００２６】
外枠７は、パワー素子２および制御素子３を囲繞するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、かつ金属ベース絶縁基板１と接着されており、前述のごとく、主回路端子４および制御回路端子５はこの外枠７にインサート成形されている。また、この外枠７の一方側には内側方向に突出するようにして底部７ａが一体形成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板１の一端に当接している。この底部７ａと金属ベース絶縁基板１とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠７とにより、インサートケース８を形成している。９はパワー素子２および制御素子３を覆うようにインサートケース８内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９の各構成要素により、本実施の形態１としての半導体パワーモジュール１０を構成している。
【００２７】
実施の形態２
図２は、もう一つの実施の形態２として半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【００２８】
図において、１１１は熱伝導に優れたアルミ材からなる金属ベース板、１１２ａは金属ベース板１１１の上に配設された絶縁板で両部材が金属ベース絶縁基板１をなす。２は主回路パターン１８にハンダ付けにより接合されたＩＧＢＴ、フライホイールダイオード等のパワー素子、３は制御回路パターン１９上にハンダ付けにより接合され、パワー素子２を制御する制御素子である。
【００２９】
また絶縁板１１２ａは、金属ベース板１１１と主回路パターン１８とを接着するための電気絶縁性、耐熱性および高熱伝導性を兼ね備えた高熱伝導充填剤入りのエポキシ樹脂製の接着剤であり、半硬化(Ｂステージ品)の絶縁シートとして供給され、熱圧着により硬化し、絶縁板を形成する。
【００３０】
そして、４は、耐熱性に優れたＰＰＳ(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠７にインサート成形された主回路端子、５も前記主回路端子と同様に、前記外枠７にインサート成形された制御回路端子である。この制御回路端子５は、制御回路パターン１９を兼ねている。また、主回路端子４も主回路パターンを兼ねている。主回路端子４、制御回路端子５、夫々は金属ベース絶縁基板１の主回路パターン１８やパワー素子２などからの接続として安価で電気伝導性に優れたアルミワイヤ６により接続されている。
【００３１】
外枠７は、パワー素子２および制御素子３を囲繞するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、かつ金属ベース絶縁基板１と接着されており、前述のごとく、主回路端子４および制御回路端子５はこの外枠７にインサート成形されている。また、この外枠７の一方側には内側方向(図２では左方向)に突出するようにして底部７ａが一体形成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板１の一端に当接している。この底部７ａと金属ベース絶縁基板１とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠７とにより、インサートケース８を形成している。９はパワー素子２および制御素子３を覆うようにインサートケース８内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９の各構成要素により、本実施の形態２としての半導体パワーモジュール１０ａを構成している。
【００３２】
実施の形態３
図３は、この発明の実施の形態３として半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【００３３】
図において、１は金属ベース絶縁基板、２は主回路パターン１８にハンダ付けにより接合されたＩＧＢＴ、フライホイールダイオード等のパワー素子、３は後述の制御回路基板２０の制御回路パターン１９上にハンダ付けにより接合され、パワー素子２を制御する制御素子である。
【００３４】
そして、４は、耐熱性に優れたＰＰＳ(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠７にインサート成形された主回路端子、５も前記主回路端子と同様に、後記の外枠７にインサート成形された制御回路端子である。またこの制御回路端子５は、制御回路パターン１９を兼ねている。主回路端子４、制御回路端子５、夫々は金属ベース絶縁基板１の主回路パターン１８やパワー素子２などからの接続として安価で電気伝導性に優れたアルミワイヤ６により接続されている。
【００３５】
制御回路基板２０は、ガラスエポキシ機材を介した両面銅箔パターンで構成された基板であり、制御回路端子５を後記の外枠７にインサート成形する時に同時に回路パターン化された状態の基板をインサートさせ、一体化する。
【００３６】
外枠７は、パワー素子２および制御素子３を囲繞するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、かつ金属ベース絶縁基板１と接着されており、前述のごとく、主回路端子４、制御回路端子５および制御回路基板２０はこの外枠７にインサート成形されている。また、この外枠７の一方側には内側方向に突出するようにして底部７ａが一体形成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板１の一端に当接している。この底部７ａと金属ベース絶縁基板１とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠７とにより、インサートケース８を形成している。９はパワー素子２および制御素子３を覆うようにインサートケース８内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９の各構成要素により、本実施の形態３としての半導体パワーモジュール１０ｂを構成している。
【００３７】
図１、図２および図３で示したインサートケースを採用することによって、図５で示したように、主回路端子および制御回路端子を、従来金属ベース絶縁基板にハンダ付けしていた工程に替えてアルミワイヤでの結線としたので、熱ストレスをかける工程を排除でき、そのため熱劣化を防止でき、高信頼性のものが得られる。
【００３８】
またインサートケース成形にて、主回路端子および制御回路端子を構成することによって、各端子の位置も決定するため、半導体パワーモジュールの各工程での変形もなくせる。
【００３９】
また制御回路部の底面がＰＰＳ樹脂で形成され、またその厚さも厚くすることが可能であるので、ノイズの影響を受け難い構造が得られる。
【００４０】
また制御回路は全てインサートケース上にて構成することが出来たため、比較的高価であった、金属ベース絶縁基板は放熱性が要求される部分の主回路のみにすることができ、基板サイズが小型化でき、そのコスト低減ができる。
【００４１】
実施の形態４
図４は、この発明の実施の形態４として、図１、図２、図３で採用したインサートケースの断面を示す模式図である。
【００４２】
図において、インサートケース８を構成するＰＰＳにより、制御回路パターン１９を係止させるための突起８ａ、８ｂを設ける。これらの突起により、制御素子３の搭載時に位置決めが可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４４】
本発明によれば、主回路パターンをケースにインサートした外部接続用主回路端子の一部で構成し、金属ベース板上に載置された絶縁板上に接着したので、前記主回路部の総体的な小型化が出来るだけでなく、構造が簡単で、生産性に優れており、結果的に、小型で、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュールを提供できる効果がある。
【００４５】
また、制御回路パターンをケースにインサートした外部接続用端子の一部で構成したので、従来の制御回路用絶縁基板が不要で、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュールを提供出来る効果がある。
【００４６】
また、前記絶縁板は、熱圧着により硬化する絶縁シートであるので、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュールを提供出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図２】  この発明の実施の形態２としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図３】  この発明の実施の形態３としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図４】  この発明の実施の形態４としての半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図５】  従来の半導体パワーモジュールの断面を示す模式図である。
【図６】  図５に示した従来の半導体パワーモジュールにおける金属ベース絶縁基板の断面を示す模式図である。
【図７】  図６に示した従来の金属ベース絶縁板の組立方法を説明する断面の模式図である。
【符号の説明】
１  金属ベース絶縁基板、２  パワー素子、３  制御素子、７  外枠、８  インサートケース、８ａ  突起、８ｂ  突起、７ａ  底部、１０  半導体パワーモジュール(実施例１)、１０ａ  半導体パワーモジュール(実施例２)、１０ｂ  半導体パワーモジュール(実施例３)、１１金属ベース板、１２  絶縁板、１８  主回路配線パターン、１９  制御回路配線パターン、２０  制御回路基板
【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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