(57)【要約】【課題】絶縁金属基板の小型化、パワーモジュール内の基板間接続端子数の低減を図り、装置全体を簡単かつ安価に構成する。【解決手段】金属板に絶縁層を介して主回路配線パターン５２を形成し、該主回路配線パターン上に電力制御半導体素子５３を実装した絶縁金属基板５０と、絶縁基板上に形成した制御回路配線パターン６２上に前記電力制御半導体素子を制御する制御素子６３を実装した集積回路基板６０と、上面と底面が解放され、前記主回路配線パターンと制御回路配線パターンを接続する接続端子を埋め込んで固定したケース７０を備え、該ケース内に前記集積回路基板と絶縁金属基板とを空間を隔てて上下に重ねて配置したパワーモジュール１であって、前記絶縁金属基板５０は該絶縁金属基板に形成した主回路配線パターンを外部回路に接続する外部接続端子７６を備え、該外部接続端子は前記ケース７０に埋め込まれて固定される。【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主回路配線パターンを形成し、該主回路配線パターン上に電力制御半導体素子を実装した絶縁金属基板と、
絶縁基板上に形成した制御回路配線パターン上に前記電力制御半導体素子を制御する制御素子を実装した集積回路基板と、
上面と底面が解放され、前記主回路配線パターンと制御回路配線パターンを接続する接続端子を埋め込んで固定したケースを備え、該ケース内に前記集積回路基板と絶縁金属基板とを空間を隔てて上下に重ねて配置したパワーモジュールであって、
前記絶縁金属基板は該絶縁金属基板に形成した主回路配線パターンを外部回路に接続する外部接続端子を備え、該外部接続端子は前記ケースに埋め込まれて固定されることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記外部接続端子はファストン型端子であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記外部接続端子は前記制御回路配線パターンと接続する分岐部を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記外部接続端子は前記ケースに直線状に配置されることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記電力制御半導体素子および制御素子を樹脂により充填したことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
請求項３記載のパワーモジュールにおいて、
前記制御回路配線パターンと外部接続端子間および該外部接続端子の分岐部間は半田接続したことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記外部接続端子はルームエアコンの圧縮機駆動回路に接続したことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールにかかり、特に、ルームエアコンの圧縮機駆動等に適用することのできるパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、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上に形成した配線パターン６２および配線パターン６２上に配置した制御素子６３を有する。そして、有機材基板６１上に形成した配線パターン６２と絶縁金属基板５０上に形成した主回路配線パターン５２間、および前記配線パターン６２と外部回路に接続するコネクタ５４間とをそれぞれ信号接続用ピン６４で接続して絶縁金属基板５０上に実装する。
【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および絶縁金属基板５０上に形成した配線パターン間を接続し、絶縁金属基板５０に実装したコネクタ５４およびコネクタハウジング９２を介して外部回路装置に接続する。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は、樹脂ケース材７１と一体的に形成されたファストン型端子７５を介して外部回路装置に接続している。
【０００４】
図１２は、集積回路基板を内蔵した従来のパワーモジュールの断面図である。図１２に示すように、接続端子一体ケース７０を用いて絶縁金属基板５０と集積回路基板６０を上下に配置する。これにより、絶縁金属基板５０上に集積回路基板６０を実装するためのスペースを必要としない構成とすることができる。すなわち、絶縁金属基板５０および集積回路基板６０双方のデッドスペースを最小化することができ、モジュール全体を小型化することができることが示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
図１３は、従来の混成集積回路装置１０の断面図である。図１３に示される外部回路装置から延在されるリード配線３０を、図１４に示す金属基板１１上に形成したリード端子１４に接続する。この際、リード端子１４の第１の端子部１４Ａをリード配線３０に接続し、第２の端子部１４Ｂを配線回路基板２０を接続する。これにより上下基板間の接続用リード端子の本数を削減でき、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ことが示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−６３６０４号公報
【特許文献２】特開平７−２２５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１１に示す従来のパワーモジュールでは、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される。この場合、はんだ接続の信頼性を確保するためのはんだ付外観検査を考慮すると、集積回路基板６０と重なる領域においては絶縁金属基板５０上に回路素子を配置することができない。
【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、絶縁金属基板サイズの集約・小型化が困難となる。
【０００８】
図１２に示す従来のパワーモジュールでは、絶縁金属基板５０に無駄な面積は必要とせず、絶縁金属基板５０と集積回路基板６０を同等のサイズで上下に配置することができるため小型化可能である。しかし、外部回路基板９５を実装する構造をとるため、集積回路基板６０に外部回路基板接続用端子又はコネクタを実装することができない。このため外部回路接続端子７２、７３の全を接続端子一体ケース７０に備える必要があり、一体成形する端子本数を削減することができない。
【０００９】
図１３，１４に示す混成集積回路装置は、配線回路基板２０の下面領域にパワー回路素子を実装した絶縁金属基板１１を配置することができる。このため、パワーモジュールの小型化を図ることができる。しかし、ケース材１５と信号用リード端子１３およびパワーリード端子１４が独立しており、絶縁金属基板１１にリード端子１３，１４を実装する際、自立させることが困難である。また、配線回路基板２０は、リード端子へのはんだ付によってのみ固着保持されており、配線回路基板２０上に外部回路接続用コネクタ等を配置する際の荷重・応力に対して不利な構造である。
【００１０】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、絶縁金属基板の小型化パワーモジュール内の基板間接続端子数の低減等を図り、装置全体を簡単かつ安価に構成することのできるパワーモジュールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１２】
金属板に絶縁層を介して主回路配線パターンを形成し、該主回路配線パターン上に電力制御半導体素子を実装した絶縁金属基板と、絶縁基板上に形成した制御回路配線パターン上に前記電力制御半導体素子を制御する制御素子を実装した集積回路基板と、上面と底面が解放され、前記主回路配線パターンと制御回路配線パターンを接続する接続端子を埋め込んで固定したケースを備え、該ケース内に前記集積回路基板と絶縁金属基板とを空間を隔てて上下に重ねて配置したパワーモジュールであって、前記絶縁金属基板は該絶縁金属基板に形成した主回路配線パターンを外部回路に接続する外部接続端子を備え、該外部接続端子は前記ケースに埋め込まれて固定される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以上の構成を備えるため、装置全体を簡単かつ安価に構成することのできるパワー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】
【００１４】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を説明する図（構造断面図）である。図１に示すように、絶縁金属基板５０は、金属ベース５１上に絶縁層を介して配置した主回路配線パターン５２および該主回路配線パターン５２上に実装した電力制御半導体素子５３を備える。また、集積回路基板６０は、有機材基板６１上に配置した制御回路配線パターン６２および該制御回路配線パターン６２上配置した制御素子６３および外部回路装置への信号接続端子６５を備える。
【００１５】
絶縁金属基板５０は該絶縁金属基板に形成した主回路配線パターン５２を外部回路に接続する外部接続端子７６を備え、該外部接続端子７６は樹脂ケース７１に埋め込まれて接続端子一体ケース７０を構成する。なお、接続端子一体ケース７０は、その上面と底面は解放され、主回路配線パターンと制御回路配線パターンを接続する接続端子７４を埋め込んで固定している。さらに該接続端子一体ケース７０内には前記集積回路基板６０および絶縁金属基板５０を空間を隔てて上下に重ねて配置する。
【００１６】
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の実装固着および各基板と接続端子の接続に際しては、はんだあるい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とすることができる。なお、図の例では、制御回路配線パターン６２を多層基板の両面に配置して制御素子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、該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。
【００１７】
また、集積回路基板６０は、従来の基板６０を絶縁金属基板５０に直接実装する場合とは異なり、接続端子一体ケース７０を介して絶縁金属基板５０に間隔をあけて重ねるように位置決め固定して接続することができる。このため高価な絶縁金属基板５０は集積回路基板６０の面積に影響されることなく、集積回路基板６０と同等以下の寸法とすることができる。このためケース７０も含めてパワーモジュール全体の小型化と部品費低減を図ることができる。
【００１８】
図２は、外部接続端子７６と集積回路基板６０の接合例を説明する図である。図に示すように、前記外部接続端子７６はファストン型端子であり、外部リード線に接続したコネクタハウジング９１と接続する端子７６ａおよび前記制御回路配線パターンと接続する分岐部７６ｂを有する。また、端子７６ａおよび分岐部７６ｂは有機材基板６１に半田８１等を介して固着されている。これにより、集積回路基板６０をケース７０に堅固に固着することができる。
【００１９】
図３ないし７は、第２の実施形態を説明する図であり、図３は外部接続端子７６の詳細を説明する図である。前記図１４に示される従来の外部接続端子は、その外部回路への接続部１４Ａとパワーモジュール内の配線回路基板への接続部１４Ｂを一体に形成することができる。しかし、同一平面上にないため、金属板から形成する場合は、少なくとも３箇所の曲げ形状が必要であり、工程が複雑になる。これに対し、図３に示す例では、外部回路への接続部７６ａとパワーモジュール内の集積回路基板への接続部（分岐部）７６ｂは同一平面にあり、曲げ形状は絶縁金属基板５０への接続部７６ｃの１箇所のみである。このため、加工工程を簡素化することができる。
【００２０】
図４は、端子一体ケース７０の外観図である。この図においては絶縁金属基板５０および集積回路基板６０はいずれも装着していない。図に示すようにケース７０に埋め込まれて一体化した前記外部接続端子７６、および端子７４（絶縁金属基板５０上の主回路配線パターン５２と集積回路基板６０上の制御回路配線パターン６２を接続する端子）はそれぞれ同一形状であり、それぞれ必要本数分が直線状に等間隔をおいて配置されている。これにより、ケース７０の製造コスト低減することができる。なお、絶縁金属基板上の主回路配線パターンの絶縁距離、配線位置を優先して前記形状、配置、間隔を変更しても良い。
【００２１】
図５は、端子一体ケース７０に絶縁金属基板５０および集積回路基板６０を装着した例を説明する図である。図５に示すように、集積回路基板６０に例えばファストン型端子６６を設け、該端子と端子７４（主回路配線パターン５２と集積回路基板６０上の制御回路配線パターン６２を接続する端子）を接続する。これにより前記図１１に示すコネクタ５４を省略することができる。また、端子一体成形ケース７０の形状を簡素化することができる。さらに絶縁金属基板５０上の主回路配線パターン５２の絶縁距離、配線位置を優先してモジュールを設計することができる。
【００２２】
図６は、図５に示す端子一体ケース７０に絶縁金属基板５０および集積回路基板６０を装着したモジュールの斜視図、図７は該モジュールの分解斜視図である。
【００２３】
モジュールの製造に際しては、まず、絶縁金属基板５０上に電力制御半導体素子５３を実装し、さらに電力制御半導体素子５３を実装した絶縁金属基板５０を端子一体成形ケース７０に取り付ける。次いで主回路配線パターンと前記ケースに埋め込まれた端子間を接続する。
【００２４】
また、集積回路基板６０を構成する有機材基板６１に上に制御素子６３および外部回路への接続端子６５（あるいはファストン型端子６６）を実装し、制御回路配線パターンとの電気的に接合する。つぎにケース７０に埋め込まれた外部接続端子７６および端子７４（主回路配線パターン５２と集積回路基板６０上の制御回路配線パターン６２を接続する端子）を、前記集積回路基板６０に形成した嵌合穴あるいは嵌合溝にに係合して、制御回路配線パターンと外部接続端子７６および端子７４間の電気的接合を完成させる。
【００２５】
図８は、第３の実施形態を説明する図である。図に示すように、絶縁金属基板５０上の電力制御半導体素子５３と集積回路基板６０上の制御素子６３とをシリコン等の封止材８０により封止する。これにより、パワーモジュールの小型化に伴う電力制御半導体素子および制御素子のリード間線、あるいはパターン電極間の空間絶縁距離不足等を補うことができる。従って、封止材８０を塗布するか否かは、動作電圧・電流レベルに応じて決定するとよい。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。しかし、パターン電極間隔、部品リード間隔等の空間絶縁距離が充分に確保できない個所にのみ塗布することもできる。
【００２６】
図８の例では、封止材８０を必要とする制御素子６３を、絶縁金属基板５０上の電力制御半導体素子５３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として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。
【００２７】
図９，１０は、第４の実施形態を説明する図である。図９に示すように、接続端子一体ケース７０の一部に放熱フィン固定用のねじ止め孔７１ａを形成する。絶縁金属基板としては、該基板上に配置した電力制御半導体素子が発する熱を放散す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。また、図１４に示すように、放熱性能をさらに向上させるためには、別部品としての放熱フィンを取り付ける。この場合、図１４に示すように、パワーモジュールの接続端子一体ケース７０の底部に配置した絶縁金属基板５０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に形成したねじ止め穴７１ａを利用して放熱フィン８５を固定する。
【００２８】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、制御素子を搭載した集積回路基板を絶縁金属基板とは別体に設け、さらに空間を隔てて上下に重ねて配置するため、高価な前記絶縁金属基板の小型化を図ることができる。また、絶縁金属基板に形成した主回路配線パターンを外部回路に接続する外部接続端子、主回路配線パターンと制御回路配線パターンを接続する接続端子をそれぞれ接続端子一体ケースに埋め込んで固定する。さらには、前記外部接続端子は制御回路配線パターンと接続する分岐部を備える。このためパワーモジュール内の基板間接続端子の数を削減し、モジュール全体のコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施形態を説明する図である。
【図２】外部接続端子と集積回路基板の接合例を説明する図である。
【図３】第１の実施形態における外部接続端子の詳細を説明する図である。
【図４】端子一体ケース７０の外観図である。
【図５】端子一体ケースに絶縁金属基板および集積回路基板を装着した例を説明する図である。
【図６】図５に示す端子一体ケースに絶縁金属基板および集積回路基板を装着したモジュールの斜視図である。
【図７】モジュールの分解斜視図である。
【図８】第３の実施形態を説明する図である。
【図９】第４の実施形態を説明する図である。
【図１０】第４の実施形態を説明する図である。
【図１１】集積回路基板を内蔵した従来のパワーモジュールの断面図である。
【図１２】集積回路基板を内蔵した従来のパワーモジュールの断面図である。
【図１３】従来の混成集積回路装置の断面図である。
【図１４】従来のリード端子を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  パワーモジュール
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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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