(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング半導体素子と平滑コンデンサを内蔵すると共に、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサで発生する熱を放散し得る金属ベース板を備えるパワーモジュールにおいて、
金属ベース板を、スイッチング半導体素子が装着される第１領域と平滑コンデンサが装着される第２領域とに分離することにより、第１領域から第２領域への熱伝導を妨げるように、金属ベース板に形成した貫通開口と、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサの間に配置した中継絶縁基板とを備えて、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサが中継絶縁基板を介して接続されることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
貫通開口が、金属ベース板を、互いに離隔された第１領域側の第１金属ベース板と第２領域側の第２金属ベース板とに別個に分離する請求項１に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、一般的に、スイッチング半導体素子（以下、「スイッチング素子」と呼ぶ）と平滑コンデンサを内蔵すると共に、スイッチング素子と平滑コンデンサで発生する熱を放散し得る金属ベース板を備えるパワーモジュールに関し、より詳しくは、小型軽量化されたこの型式のパワーモジュールに関する。本発明のパワーモジュールは、特に、車両等輸送手段に使用するのに適する。
【０００２】
【背景技術】
図７は、従来のパワーモジュール１６のシステムを示す。スイッチング素子等が収納されたパワーモジュール１６と平滑コンデンサ８が平行導体１７で接続されて、平滑コンデンサ８の温度変化を抑制している。しかしながら、この従来のパワーモジュール１６のシステムでは、電解コンデンサを平滑コンデンサ８として用いているので、システム全体が大型化する。又、平滑コンデンサ８とパワーモジュール１６の間のインダクタンスが大きいので、スイッチングに起因して生じるサージ電圧によるスイッチング素子の破壊を防止するために、スイッチング素子は大きな耐圧性能を必要とするから、システムが大型化したり、システムの効率が悪い。
【０００３】
又、図８（Ａ）と図８（Ｂ）は、夫々、特開平１０−３０４６８０号公報に開示された半導体電力変換装置の回路構成と実装状態を示す。この従来の半導体電力変換装置では、電解コンデンサに比べてその内部抵抗が小さいセラミックコンデンサを平滑コンデンサＣとして用いることによって、平滑コンデンサＣを小型化しているので、平滑コンデンサＣとスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が共通の冷却部材２８で冷却されるように、平滑コンデンサＣがスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と共にスイッチング素子基板３６に搭載されるから、平滑コンデンサＣとスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の間のインダクタンスを低減できる。しかしながら、例えば、水冷を冷却部材２８として用いる場合、冷却水温度は、周囲環境条件により変動し、特に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の発熱による周囲の温度変化により大きく変動する。又、平滑コンデンサＣとして働くセラミックコンデンサは、静電容量に温度依存性があり、特に、高温時に静電容量が減少する特性を有するので、高温時に備えて大きな静電容量をセラミックコンデンサのために確保する必要があるから、セラミックコンデンサ、従って、半導体電力変換装置全体が大型化する。更に、セラミックコンデンサは静電容量あたりの製造費が非常に高いので、大きな静電容量を有するセラミックコンデンサの製造費は極めて高くなる。更に、セラミックコンデンサは、材質によっては特定温度以上で相変態により急激な特性の変化を起こすことがある。
【０００４】
一方、特開平１１−２８９０３６号公報には、発熱素子と電子部品用基板がベース板に搭載されると共に、発熱素子と電子部品用基板の間でベース板に溝を形成することにより、ベース板を発熱素子側の領域と電子部品側の領域とに熱的に分離した電子装置が開示されている。又、特開平４−２７３１５０号公報には、ベース板を発熱素子用ベース板と電子部品用ベース板とに別個に分離すると共に、発熱素子用ベース板と電子部品用ベース板を互いに当接するように配置した半導体装置が開示されている。しかしながら、これらの２個の公知の装置は、発熱素子から電子部品への熱伝達の低減を図るものであるから、スイッチング素子として働く発熱素子から平滑コンデンサへ熱が伝達される図７と図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す従来の構成の問題点を解決するものではない。
【０００５】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、スイッチング素子と平滑コンデンサの間のインダクタンスを小さくすると共に、平滑コンデンサの温度変化を抑制することにより平滑コンデンサの特性変化を低減して、小型軽量化したパワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールは、スイッチング素子と平滑コンデンサを内蔵すると共に、スイッチング素子と平滑コンデンサで発生する熱を放散し得る金属ベース板を備え、更に、金属ベース板を、スイッチング半導体素子が装着される第１領域と平滑コンデンサが装着される第２領域とに分離することにより、第１領域から第２領域への熱伝導を妨げるように、金属ベース板に形成した貫通開口と、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサの間に配置した中継絶縁基板とを備えて、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサが中継絶縁基板を介して接続される。
【０００７】
又、本発明においては、貫通開口が、金属ベース板を、互いに離隔された第１領域側の第１金属ベース板と第２領域側の第２金属ベース板とに別個に分離する。
【０００８】
【発明を実施するための最良の形態】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１と図２は、本発明の第１実施形態にかかるパワーモジュールの一部を示し、このパワーモジュールは半導体電力変換装置として働く。図３はこのパワーモジュールの回路を示し、図１と図２に示すパワーモジュールの一部は、図３の回路の点線内の部分を占める。
【００１０】
図１に示すように、このパワーモジュールは、スイッチング素子１と平滑コンデンサ８を内蔵すると共に、スイッチング素子１と平滑コンデンサ８で発生する熱を、冷却手段であるヒートシンク３を介して放散し得る。ヒートシンク３にスリット１１が形成され、スリット１１は、ヒートシンク３をスイッチング素子１側の第１領域３ａと平滑コンデンサ８側の第２領域３ｂとに熱的に分離する。図２に示すように、ヒートシンク３の第１領域３ａと第２領域３ｂはスリット１１の両端の外方で互いに接続されている。スイッチング素子１は、例えば、はんだ５で絶縁メタライズ基板２の上方表面電極４に固着される一方、絶縁メタライズ基板２の下方表面電極４は、例えば、はんだ５でヒートシンク３の第１領域３ａに固着される。
【００１１】
スイッチング素子１と絶縁メタライズ基板２の上方表面電極４が、ケース１４に一部内蔵された導体７にアルミワイヤ６によって接続されている。平滑コンデンサ８がヒートシンク３の第２領域３ｂに近接して配置され、平滑コンデンサ８の接続導体９が平滑コンデンサ８と導体７を接続する。例えば、熱伝導性が高く且つ絶縁性の充填材１０が、平滑コンデンサ８の熱をヒートシンク３の第２領域３ｂに導く熱伝導路を形成する。
【００１２】
負荷変動に応じてスイッチング素子１からの発熱量が増大すると、ヒートシンク３のスイッチング素子１側の第１領域３ａの温度が上昇する。しかしながら、上記したように、ヒートシンク３のスイッチング素子１側の第１領域３ａと平滑コンデンサ８側の第２領域３ｂはスリット１１によって互いに熱的に分離されている。従って、ヒートシンク３のスイッチング素子１側の第１領域３ａの温度が上昇しても、ヒートシンク３の平滑コンデンサ８側の第２領域３ｂの温度上昇は小さいので、平滑コンデンサ８の温度上昇が抑制される。
【００１３】
このように、パワーモジュールの負荷状況にかかわらず平滑コンデンサ８の温度上昇を抑制できるので、平滑コンデンサ８の温度特性に起因する問題点である平滑コンデンサ８の静電容量の減少を緩和できると共に、平滑コンデンサ８の温度依存性による不具合である平滑コンデンサ８の相変態を解消できる。従って、平滑コンデンサ８は、半導体電力変換装置として必要な平滑コンデンサ８の静電容量に対して、より少ない静電容量で安定動作を継続し得る。又、平滑コンデンサ８とスイッチング素子１の間の距離が小さく抑えられているので、平滑コンデンサ８とスイッチング素子１の間のインダクタンスが小さい。よって、スイッチング素子１のために過大な耐圧距離を確保する必要がないため、スイッチング素子１の絶縁用ガードリングの幅を過度に大きくする必要がないと共に、絶縁メタライズ基板２の沿面絶縁距離を過度に大きくする必要がないから、パワーモジュールを全体として小型化できる。
その結果として、本発明の第１実施形態によれば、パワーモジュールを全体として小型軽量化できる。
【００１４】
なお、本実施形態では、ヒートシンク３を冷却手段として用いているが、スイッチング素子１や平滑コンデンサ８を熱伝導により冷却する他のどんな部材、例えば、水冷フィンを冷却手段として用いてもよい。
【００１５】
又、本実施形態では、ヒートシンク３にスリット１１を形成しているが、例えば、熱伝導率の小さい部材をヒートシンク３のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部の間に埋め込むことにより、ヒートシンク３のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部を熱的に分離することでスリット１１と同等の効果が得られる。その場合、ヒートシンク３のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部の間の熱抵抗が０．０５Ｋ／Ｗであるとすれば、例えば、ヒートシンク３のスイッチング素子部で３ＫＷの発熱があっても、ヒートシンク３のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部の間の温度差は１５０℃と大きい。一方、スイッチング素子１は、通常、１５０℃を超えないような熱設計で用いられるから、ヒートシンク３のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部は熱的に十分に分離されていると言える。
【００１６】
（第２実施形態）
図４と図５は、本発明の第２実施形態にかかるパワーモジュールの一部を示し、このパワーモジュールは半導体電力変換装置として働く。本実施形態では、図５に示すように、ヒートシンクが、スイッチング素子１側の第１ヒートシンク１２と平滑コンデンサ８側の第２ヒートシンク１３とに別個に分離されていると共に、第１ヒートシンク１２と第２ヒートシンク１３が互いに離隔して配置されている。スイッチング素子１が固着された絶縁メタライズ基板２の下方表面電極４は、例えば、はんだ５で第１ヒートシンク１２に固着される一方、平滑コンデンサ８が第２ヒートシンク１３に近接して配置される。充填材１０が、平滑コンデンサ８の熱を第２ヒートシンク１３に導く熱伝導路を形成する。本発明の第２実施形態のパワーモジュールの他の構造は本発明の第１実施形態のパワーモジュールと同様であるので、その説明を省略する。
【００１７】
負荷変動に応じてスイッチング素子１からの発熱量が増大すると、スイッチング素子１側の第１ヒートシンク１２の温度が上昇する。しかしながら、上記したように、ヒートシンクがスイッチング素子１側の第１ヒートシンク１２と平滑コンデンサ８側の第２ヒートシンク１３とに別個に分離されていると共に、第１ヒートシンク１２と第２ヒートシンク１３が互いに離隔して配置されているから、第１ヒートシンク１２と第２ヒートシンク１３は互いに熱的に確実に分離されている。従って、スイッチング素子１側の第１ヒートシンク１２の温度が上昇しても、平滑コンデンサ８側の第２ヒートシンク１３の温度上昇は極めて小さいので、平滑コンデンサ８の温度上昇が第１実施形態よりも大きく抑制される。
その結果として、本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態よりも、パワーモジュールを全体として小型軽量化できる。
【００１８】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態にかかるパワーモジュールの一部を示し、このパワーモジュールは半導体電力変換装置として働く。本実施形態では、平滑コンデンサ８が支持板１５に固定され、支持板１５は第２ヒートシンク１３に近接して配置されている。支持板１５は、平滑コンデンサ８で発生する熱を、不図示の熱伝導路を介して第２ヒートシンク１３に伝導して、平滑コンデンサ８の温度上昇を抑制する。本発明の第３実施形態のパワーモジュールの他の構造は本発明の第２実施形態のパワーモジュールと同様であるので、その説明を省略する。
【００１９】
このように、平滑コンデンサ８を支持板１５に固定することで、ヒートシンクと熱膨張率が大きく異なる材質の平滑コンデンサ８を用いる場合に、平滑コンデンサ８の長期信頼性をより向上させることができる。又、ヒートシンクと接続導体９の絶縁耐圧距離を大きく取ることができるため、本実施形態のパワーモジュールは高電圧用途に適している。
【００２０】
上記第３実施形態は、ヒートシンクが第１ヒートシンク１２と第２ヒートシンク１３とに別個に分離された第２実施形態に適用されているが、ヒートシンク３がスリット１１によって第１領域３ａと第２領域３ｂとに熱的に分離された第１実施形態に適用し得ることは言うまでもない。
【００２１】
以上の説明から明らかなように、本発明では、スイッチング素子と平滑コンデンサ間のインダクタンスを小さくし、且つ、スイッチング素子と平滑コンデンサを、夫々、ヒートシンクの２個の熱的に分離された部分に熱伝導するように配置したので、スイッチング素子が、スイッチング動作に起因するサージ電圧に耐えるための過大な耐圧性能を必要としないと共に、平滑コンデンサの温度変化に起因する平滑コンデンサの特性変化が抑制されるから、パワーモジュールを小型軽量化できるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体電力変換装置として働く本発明の第１実施形態にかかるパワーモジュールの部分断面図である。
【図２】図１のパワーモジュールの部分底面図である。
【図３】図１のパワーモジュールの回路図である。
【図４】半導体電力変換装置として働く本発明の第２実施形態にかかるパワーモジュールの部分断面図である。
【図５】図４のパワーモジュールの部分底面図である。
【図６】半導体電力変換装置として働く本発明の第３実施形態にかかるパワーモジュールの部分断面図である。
【図７】従来のパワーモジュールのシステムの平面図である。
【図８】（Ａ）と（Ｂ）は、夫々、従来の半導体電力変換装置の回路構成と実装状態を示す図である。
【符号の説明】
１  スイッチング素子
３  ヒートシンク
７  導体
８  平滑コンデンサ
１１  スリット
１２  第１ヒートシンク
１３  第２ヒートシンク
１４  ケース
【図１】
0004270864.tif 000002
【図２】
0004270864.tif 000003
【図３】
0004270864.tif 000004
【図４】
0004270864.tif 000005
【図５】
0004270864.tif 000006
【図６】
0004270864.tif 000007
【図７】
0004270864.tif 000008
【図８】
0004270864.tif 000009