(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子が搭載された主面を有する絶縁基板と、
前記パワー半導体素子を制御するための制御用ＩＣが搭載された制御基板と、
前記絶縁基板及び前記制御基板が互いに間隔を空けて対向配置した状態でその主面に垂直に固定された、導電性の支持板と、
前記絶縁基板及び前記制御基板の周囲を覆う様にして、その周縁部が前記支持板の周縁部に固定された導電性のケースと
を備えるパワーモジュール。
【請求項２】
前記ケース内に配設され、前記主面とは反対側の前記絶縁基板の裏面に接触するヒートシンクをさらに備え、
前記支持板は、
いずれも前記支持板を貫通して設けられた、
前記ヒートシンクに繋がる冷媒入出口と、
前記パワー半導体素子に電気的に接続された電極と、
前記制御用ＩＣに電気的に接続された制御用コネクタと
を有する、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記パワー半導体素子は電圧型インバータであり、
前記パワーモジュールは、前記ケース内において、前記絶縁基板とは反対側で前記ヒートシンクに接触して配設された直流コンデンサをさらに備える、請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記ケース内において、前記絶縁基板と前記制御基板との間に配設されたシールド板をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記ケースと前記支持板とは密閉性を保って互いに接合されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記ケースと前記支持板とによって構成される内部空間は、絶縁性を有する不活性材料によって充填されていることを特徴とする、請求項５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記材料として循環可能な冷媒を使用し、
前記支持基板には、冷媒導入口および冷媒排出口が設けられ、
前記ケース内には、前記冷媒導入口から導入された前記冷媒を前記ケース内で循環させて前記冷媒排出口から外部に排出させるためのファンが備えられた、請求項６に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパワーモジュールの構造に関し、特に、パワー半導体素子が搭載された絶縁基板と、パワー半導体素子を制御するための制御用ＩＣが搭載された制御基板とを備えるパワーモジュールの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５，６は、従来のパワーモジュールの構造を示す斜視図及び断面図である。図６に示すように従来のパワーモジュールは、図示しない回路パターンがそれぞれ形成された絶縁基板１０５及び制御基板１１３と、中継端子１１０，１２０と、絶縁ケース１０７とを備えている。絶縁基板１０５には、半田１０８を介してパワー半導体素子１０９が搭載されている。絶縁基板１０５は、金属製のベース板１０２に半田１０４を介して接触している。
【０００３】
制御基板１１３には、パワー半導体素子１０９を制御するための制御用ＩＣ１１５が、半田１１４を介して搭載されている。中継端子１１０の一端は、金属細線１１１によって絶縁基板１０５あるいはパワー半導体素子１０９に電気的に接続されている。また、中継端子１１０の他端は、制御基板１１３上に配設されている電極１２２に電気的に接続されている。電極１２２は制御用ＩＣ１１５に電気的に接続されている。中継端子１２０の一端は、金属細線１２１によってパワー半導体素子１０９に電気的に接続されている。また、中継端子１２０の他端は、ケース１０７上に配設されている電極１２３に電気的に接続されている。
【０００４】
絶縁基板１０５、制御基板１１３、及び中継端子１１０，１２０は、絶縁ケース１０７内に配設されている。制御基板１１３よりも下方の絶縁ケース１０７の内部空間は、シリコーンゲル１１２によって充填されている。また、絶縁ケース１０７の上部には、フタ１１７が取り付けられている。制御用ＩＣ１１５は、制御基板１１３にろう接された外部接続端子１１８を介して、フタ１１７上に配設されている制御用コネクタ１１９に電気的に接続されている。
【０００５】
ベース板１０２は、ボルト１０３によってヒートシンク１０１に固定されている。ベース板１０２とヒートシンク１０１との間には、熱伝導グリス１１６が比較的厚く（およそ数百μｍ）塗布されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のパワーモジュールによると、絶縁基板１０５及び制御基板１１３に関して十分に電磁シールドが成されていないため、パワーモジュールが駆動するモータ等が放つ外部からのノイズの影響を受けやすく、信頼性が低いという問題があった。
【０００７】
また、ベース板１０２とヒートシンク１０１とがボルト１０３によって互いに固定されているため、ボルト１０３用のボルト穴を形成するためのスペースをヒートシンク１０１の上面内に設ける必要があり、ヒートシンク１０１が大きくなるという問題があった。
【０００８】
さらに、シリコーンゲル１１２を熱硬化する際の加熱や、絶縁基板１０５をベース板１０２に接着する際の加熱により、ケース１０７やベース板１０２に反りが発生しやすい。そのため、熱伝導グリス１１６の厚みを薄くすることができず、熱抵抗が増大して、ヒートシンク１０１による放熱効果が低下するという問題もあった。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するために成されたものであり、主として、電磁シールド効果に優れ、外部からのノイズに対して影響を受けにくく、かつ外部へのノイズ源ともなりにくいパワーモジュールを得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項１に記載のパワーモジュールは、パワー半導体素子が搭載された主面を有する絶縁基板と、前記パワー半導体素子を制御するための制御用ＩＣが搭載された制御基板と、前記絶縁基板及び前記制御基板が互いに間隔を空けて対向配置した状態でその主面に垂直に固定された、導電性の支持板と、前記絶縁基板及び前記制御基板の周囲を覆う様にして、その周縁部が前記支持板の周縁部に固定された導電性のケースとを備えるものである。
【００１１】
また、この発明のうち請求項２に記載のパワーモジュールは、請求項１に記載のパワーモジュールであって、ケース内に配設され、主面とは反対側の絶縁基板の裏面に接触するヒートシンクをさらに備え、支持板は、いずれも支持板を貫通して設けられた、ヒートシンクに繋がる冷媒入出口と、パワー半導体素子に電気的に接続された電極と、制御用ＩＣに電気的に接続された制御用コネクタとを有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、この発明のうち請求項３に記載のパワーモジュールは、請求項２に記載のパワーモジュールであって、パワー半導体素子は電圧型インバータであり、パワーモジュールは、ケース内において、絶縁基板とは反対側でヒートシンクに接触して配設された直流コンデンサをさらに備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、この発明のうち請求項４に記載のパワーモジュールは、請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、ケース内において、絶縁基板と制御基板との間に配設されたシールド板をさらに備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、この発明のうち請求項５に記載のパワーモジュールは、請求項１〜４のいずれか一つに記載のパワーモジュールであって、ケースと支持板とは密閉性を保って互いに接合されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、この発明のうち請求項６に記載のパワーモジュールは、請求項５に記載のパワーモジュールであって、ケースと支持板とによって構成される内部空間は、絶縁性を有する不活性材料によって充填されていることを特徴とするものである。
【００１６】
また、この発明のうち請求項７に記載のパワーモジュールは、請求項６に記載のパワーモジュールであって、前記材料として循環可能な冷媒を使用し、前記支持基板には、冷媒導入口および冷媒排出口が設けられ、前記ケース内には、前記冷媒導入口から導入された前記冷媒を前記ケース内で循環させて前記冷媒排出口から外部に排出させるためのファンが備えられたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態．
図１，２は、本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構造を示す斜視図及び断面図である。但し、説明の便宜上及び図面の簡略化のため、図２に示した断面図は、必ずしも図１に示した斜視図の断面構造に対応していない。図１を参照して、本実施の形態に係るパワーモジュールは、外観上、ケース１と支持板２との二つの部材によって構成されている。図２を参照して、絶縁基板５の上面上には、電圧型インバータ等のパワー半導体素子７が、半田６を介して搭載されている。また、絶縁基板５の上面上には、金属細線８によってパワー半導体素子７に電気的に接続された、スイッチング回路等を含む図示しない主回路が形成されている。絶縁基板５は、支持板２に固定されたヒートシンク３の上面上に、半田４を介して接合されている。ヒートシンク３の底面上には、対を成すＰ，Ｎ電極（図示しない）を有する直流コンデンサ１６が、接着により固定されている。直流コンデンサ１６は、大電力用のパワーモジュールにおいて、電圧変動を防止する役割を有している。なお、直流コンデンサ１６の有するＰ，Ｎ電極は、直流側電極兼冷媒入出口９を介して、外部の電源やバッテリー等に接続されている。
【００１８】
支持板２には制御基板１１が固定されている。制御基板１１の上面上には、パワー半導体素子７を制御するための制御用ＩＣ１３が、半田１２を介して搭載されている。また、制御基板１１の上面上には、制御用ＩＣ１３に電気的に接続された、図示しない回路パターンが形成されている。また、制御基板１１は、金属細線２１を介してパワー半導体素子７に電気的に接続されている。
【００１９】
支持板２には、複数（図１，２では３個）の電極１０と、直流側電極兼冷媒入出口９と、制御用コネクタ１５とが配設されている。電極１０は、絶縁基板５の上面上に形成されている主回路に、金属細線８を介して電気的に接続されている。直流側電極兼冷媒入出口９は、ヒートシンク３に繋がっている。制御用コネクタ１５は、制御基板１１の上面上に形成されている回路パターンに、金属細線１４を介して電気的に接続されている。即ち、制御用コネクタ１５は、制御用ＩＣ１３に間接的に電気的に接続されている。制御用コネクタ１５は、内部回路と外部回路との間で制御信号のやりとりをするためのコネクタである。電極１０、直流側電極兼冷媒入出口９、及び制御用コネクタ１５は、いずれも支持板２を貫通して形成されており、例えば接着によって支持板２に固定されている。このとき、常温硬化性の接着材を用いることにより、支持板２に生じる反りを抑制することができる。
【００２０】
ケース１は支持板２の周縁部に固定され、支持板２とともに絶縁基板５、制御基板１１、ヒートシンク３、及び直流コンデンサ１６の周囲を覆っている。即ち、絶縁基板５、制御基板１１、ヒートシンク３、及び直流コンデンサ１６は、ケース１と支持板２とによって構成される内部空間内に配設されている。ケース１と支持板２とは、例えばシーム溶接や接着等によって互いに接合されている。これにより、ケース１と支持板２とによって構成される内部空間の密閉性を確保することができ、防塵性や防水性等の耐環境性に優れたパワーモジュールを得ることができる。なお、接着によって接合する場合は、導電性の接着材を使用することが望ましい。これにより、電磁シールドの効果を高めることができる。
【００２１】
ケース１は、導電性を有するように、耐腐食性を有する金属、ステンレス、あるいは、めっき処理等によって耐腐食性を有する金属薄膜によって表面が覆われた金属、樹脂、セラミック、プラスチックによって構成されている。例えば、アルミを深絞り加工することによって成形されている。但し、ケース１は必ずしも筐体として構成する必要はなく、金属箔上にプラスチック薄膜を形成したラミネートフィルムとして構成してもよい。このような構成にすることにより、製造工程の容易化及び製造コストの低減を図ることができる。
【００２２】
支持板２は、電極１０や直流側電極兼冷媒入出口９の周辺を絶縁性としつつ、金属によって構成されている。あるいは、絶縁性の基板の表面上に、電極１０や直流側電極兼冷媒入出口９の周辺を除いて金属箔等の導電層を貼り付けて構成してもよい。これにより、各電極間の短絡を防止しつつ、支持板２に導電性を持たせることができる。
【００２３】
また、ケース１と支持板２とによって構成される内部空間を、絶縁性を有する不活性材料によって充填してもよい。例えば、純水、オイル、シリコーンゲル、ＳＦ6、フロンガス、炭酸ガス、アンモニアガス等によって充填するとよい。上記内部空間を例えばエポキシ樹脂によって封止すると、熱硬化工程によってケース１に反りが発生するという問題が生じる。しかし、オイルやゲルによって充填する場合にはこのような問題は生じない。
【００２４】
このように本実施の形態に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板５及び制御基板１１の周囲が、いずれも導電性のケース１及び支持板２によって取り囲まれている。従って、電磁シールド効果に優れ、外部からのノイズに対して影響を受けにくく、かつ外部へのノイズ源ともなりにくいパワーモジュールを得ることができる。
【００２５】
また、絶縁基板５は、半田４等によってヒートシンク３の上面上に接着されており、従来のようにボルトを使用しないため、ヒートシンク３にボルト穴を設ける必要がなく、ヒートシンク３の小型化を図ることもできる。しかも、従来のベース板を省略でき、熱伝導グリスが不要となるため、熱抵抗が下がってヒートシンク３による放熱効果を高めることができる。
【００２６】
また、直流コンデンサ１６をもケース１内に配設したため、外部からのノイズに対する影響を緩和することができる。直流コンデンサ１６をケース１の外部に配設した場合は主回路のインダクタンス成分が大きくなるが、このような問題も生じない。しかも、直流コンデンサ１６はヒートシンク３に接触しているため、直流コンデンサ１６からの発熱を、ヒートシンク３によって適切に吸収することができる。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態の第１の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図２に示したパワーモジュールからヒートシンク３を省略するとともに、ケース１の内部にファン１８を配設したものである。直流コンデンサ１６は、図示は省略されているが、ケース１内において支持板２に固定されている。直流側電極兼冷媒導入口９ａからケース１内に供給された冷媒は、ファン１８によってケース１内を循環した後、直流側電極兼冷媒排出口９ｂから外部に排出される。冷媒としては上記と同様に、例えば、純水、オイル、ＳＦ6、フロンガス、炭酸ガス、アンモニアガス等を使用することができる。これにより、循環する冷媒によってケース１内全体を冷却でき、冷却効果を高めることができる。
【００２８】
図４は、本発明の実施の形態の第２の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図２に示したパワーモジュールに、導電性のシールド板１７をさらに配設したものである。シールド板１７は、ケース１内において、絶縁基板５と制御基板１１との間に配設されている。これにより、パワー半導体素子７と制御基板１１との間での電磁シールド効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１に係るものによれば、絶縁基板及び制御基板の周囲が、いずれも導電性のケース及び支持板によって取り囲まれている。従って、電磁シールド効果に優れ、外部からのノイズに対して影響を受けにくく、かつ外部へのノイズ源ともなりにくいパワーモジュールを得ることができる。
【００３０】
また、この発明のうち請求項２に係るものによれば、冷媒入出口、電極、及び制御用コネクタを支持板にまとめて形成することにより、ケースの構成の簡略化を図ることができる。
【００３１】
また、この発明のうち請求項３に係るものによれば、直流コンデンサに関しても、外部からのノイズに対する影響を緩和することができる。しかも、直流コンデンサはヒートシンクに接触しているため、直流コンデンサからの発熱をヒートシンクによって適切に吸収することができる。
【００３２】
また、この発明のうち請求項４に係るものによれば、パワー半導体素子と制御基板との間での電磁シールド効果を得ることができる。
【００３３】
また、この発明のうち請求項５に係るものによれば、防塵性や防水性に優れたパワーモジュールを得ることができる。
【００３４】
また、この発明のうち請求項６に係るものによれば、パワーモジュールの信頼性を高めることができる。
【００３５】
また、この発明のうち請求項７に係るものによれば、循環する冷媒によってケース内全体を冷却でき、放熱効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構造を示す斜視図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態の第１の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図４】  本発明の実施の形態の第２の変形例に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図５】  従来のパワーモジュールの構造を示す斜視図である。
【図６】  従来のパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ケース、２  支持板、３  ヒートシンク、５  絶縁基板、７  パワー半導体素子、９  直流側電極兼冷媒入出口、９ａ  直流側電極兼冷媒導入口、９ｂ  直流側電極兼冷媒排出口、１０  電極、１１  制御基板、１３  制御用ＩＣ、１５  制御用コネクタ、１６  直流コンデンサ、１７  シールド板、１８  ファン。
【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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