(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力半導体素子と、
前記電力半導体素子を収容するケースと、
前記電力半導体素子の制御電極に接続され、前記ケース上面より突出する部分を有して設置される制御端子と、
前記ケース上面に載置され、その内面が前記制御端子の前記ケース上面より突出する部分の側面の少なくとも一部に接触するよう前記制御端子に挿入され、前記ケース上面に対向して載置されるプリント基板と加圧接触し電気的に接続される導電性スプリングとを有することを特徴とする電力半導体モジュール。
【請求項２】
前記導電性スプリングの自由長は前記制御端子の突出高さより短く、
前記制御端子は前記プリント基板に設けられた穴に挿入されることを特徴とする請求項１記載の電力半導体モジュール。
【請求項３】
前記導電性スプリングは前記ケース上面または前記制御端子に固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力半導体モジュール。
【請求項４】
前記導電性スプリングの固定機構として、前記制御端子の前記ケース上面より突出する部分における根元部にテーパー状の突起を設けることを特徴とする請求項３に記載の電力半導体モジュール。
【請求項５】
前記導電性スプリングにおいて、前記プリント基板に接触する上端部のみ前記制御端子の外径より大なる内径を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の電力半導体モジュール。
【請求項６】
前記制御端子に前記導電性スプリングの圧縮寸法確認手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の電力半導体モジュール。
【請求項７】
前記圧縮量確認手段として、前記制御端子の所定の高さに着色印を設けることを特徴とする請求項６に記載の電力半導体モジュール。
【請求項８】
前記圧縮量確認手段として、前記制御端子の所定の高さに刻印を設けることを特徴とする請求項６に記載の電力半導体モジュール。
【請求項９】
前記導電性スプリングの一端が前記ケース上面と直接接触し、他端が前記プリント基板の前記ケースと対向する面に直接接触することを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の電力半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力半導体モジュールに係る発明であって、特に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が搭載された電力半導体モジュールにおける制御端子の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業・電鉄・自動車・ＯＡ・家電製品などの電力制御やモータ制御に、ＩＧＢＴなど複数のスイッチング素子とフリーホイールダイオードを組み合わせ、１パッケージに搭載した電力半導体モジュールが使用されている。このような電力半導体モジュールにおいては、主電流が流れる主回路端子には外部のバスバーなどがねじ止めなどの方法で接続され、制御回路については、制御端子に制御用集積回路などを実装したプリント基板がはんだ付けなどの方法で接続されることが一般的であった。
【０００３】
このような従来の電力半導体モジュールでは、その使用者によって制御端子の接続にはんだ付けなどの作業が必要であり、工数の増加などの問題や長期使用時におけるはんだ付けの信頼性低下などの問題が存在していた。そこで、制御端子をスプリング構造とし、該スプリングが圧縮されることで発生する弾性力によりプリント基板と加圧接続することで、使用者によるはんだ付け作業をなくすといった構造の電力半導体モジュールが提案されている（たとえば特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４４２４９号公報  （段落００２４から段落００２５、第３図）
【特許文献２】特開２００６−１６５４９９号公報  （段落００１０から段落００１３、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術に係る電力半導体モジュールでは、以下のような解決すべき問題があった。
（１）特許文献１および２記載の従来技術においては制御端子自体をスプリング構造とするため、その加工およびモジュールへの取り付けには工数、コストが掛かる。
（２）制御端子とプリント基板との接触部の信頼性を向上させるためにはスプリング長を長くして接触圧力を大きくする必要があるが、特許文献１記載の従来技術においては、制御端子が樹脂ケースの側壁にインサート成形されているため、そのスプリング長はケース高さによって制限される。
（３）特許文献２記載の従来技術においては、スプリング状制御端子を保持するために、該制御端子においてプリント基板と加圧接触する第１コイル部の外径と略同一寸法の内径をもつ端子収容部が別途必要であり、電力半導体モジュールの製造において工数、コストが掛かる。
（４）さらに特許文献２記載の従来技術においては、前述の通りモジュールとプリント基板との距離が前記端子収容部高さで制限されるため、使用者の寸法上の設計自由度が低下する。
（５）また特許文献２記載の従来技術においては、スプリング状制御端子はモジュール内絶縁基板上の配線パターンにはんだ付けなどにより直接接合されているため、プリント基板が加圧接触されることによる反発力が直接絶縁基板上の配線パターンに掛かる。このため長期使用時、モジュール内部にスプリングによる反発力が常時掛かることで、制御端子と絶縁基板上の配線パターンとの接合部のはんだ割れといった信頼性上の問題を招く恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記問題を解決するために、電力半導体素子と、前記電力半導体素子を収容するケースと、前記電力半導体素子の制御電極に接続され、前記ケース上面より突出する部分を有して設置される制御端子と、前記ケース上面に載置され、その内面が前記制御端子の前記ケース上面より突出する部分の側面の少なくとも一部に接触するよう前記制御端子に挿入され、前記ケース上面に対向して載置されるプリント基板と加圧接触し電気的に接続される導電性スプリングとを有することを特徴とする電力半導体モジュールが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電力半導体モジュールは、外部のプリント基板との接続が、導電性スプリングの圧縮による反発力によってなされるためはんだ付けなどの作業が必要でなく、外部のプリント基板の着脱がスムーズかつ容易に行えるほか、長期使用時のはんだ割れといった信頼性低下の問題も解消できる。
また、制御端子に内面が接触するように導電性スプリングを挿入するという構造であるので、従来の電力半導体モジュールの制御端子の構造がそのまま使用でき、大幅なモジュール構造の変更が必要なく、モジュール製造工程における工数、コストを増大させることなく実現できる。
また、プリント基板と電力半導体モジュール間の距離は任意に設定することが出来るので、使用者の寸法上の設計自由度が向上する。
さらに、導電性スプリングの圧縮による反発力をケース上面全体で受けることになるので、モジュール内部の電力半導体の制御電極への物理的ストレスが掛からず、長期的信頼性の向上といった効果を奏することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１
図１に、この発明を実施するための実施の形態１における電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の斜視図を示す。
図１に示す電力半導体モジュールは、樹脂などの絶縁性材料からなるケース１０と、熱伝導性の高い金属ベース板１２を有し、金属ベース板１２の四隅には貫通穴１５を有する。ケース１０の上面１８には、主端子２０〜２２および制御端子１６が突出して配置される。主端子２０〜２２はケース１０側に９０度折り曲げられ、外部のバスバー（図示せず）などがボルトなどによって接続される。制御端子１６には導電性スプリングとして金属製スプリング１７が挿入される。金属製スプリング１７の内径は制御端子１６の外径と略同一の寸法をもち、金属製スプリング１７の内面と制御端子１６の側面が接触することで両者の電気的接続がなされる。
【０００９】
金属製スプリング１７は、弾性、導電性の面から鋼材やリン青銅などの材質で構成され、その表面が防錆や導電性向上のためＮｉめっきなどの処理が行われる。
【００１０】
プリント基板３０はケース上面１８に対向して載置されるが、裏面の金属製スプリング１７および制御端子１６と当接する部分に電極３１を有する。プリント基板３０は金属ベース板１２同様、四隅に貫通穴３５を有し、スペーサー６０を介しボルト４０によって金属ベース板１２に固定される。またプリント基板３０は、主端子２０〜２２の上方にあたる部分をえぐったようなコの字状の形状をしており、プリント基板３０が固定されたままであっても支障なくバスバーなどが脱着出来るようになっている。
【００１１】
ここで、図２および図３を参照して、電力半導体モジュールの構造の詳細と、プリント基板の載置について説明する。図２はケース１０の側面の一部を切り取って内部構造を図示した電力半導体モジュールの側面図であり、図３はプリント基板３０を載置、固定したときの側面図である。
【００１２】
図２において、金属ベース板１２の上に絶縁基板８０が載置され、さらに前記絶縁基板８０の上に配線パターン８１、８２、および８３が形成される。配線パターン８２の上にＩＧＢＴチップ８４がはんだ付けなどの方法で固定されるとともに、裏面のコレクタ電極が配線パターン８２と電気的に接続される。ＩＧＢＴチップ８４の表面に形成されているエミッタ電極８６およびゲート電極８７が、それぞれワイヤボンド８５および８８を介して配線パターン８１および８３と電気的に接続される。
【００１３】
さらに主電極２０は下端が配線パターン８２にはんだ付けされるとともに、上端部がケース１０上方に突出された後９０度折り曲げられ、ＩＧＢＴの主電流用の外部コレクタ端子となる。また、主電極２１は下端が配線パターン８１にはんだ付けされるとともに、上端部がケース１０上方に突出された後９０度折り曲げられ、ＩＧＢＴの主電流用の外部エミッタ端子となる。また、制御端子１６は下端が配線パターン８３にはんだ付けされるとともに、上端部がケース１０の上方に突出し、ＩＧＢＴ制御信号用の外部ゲート端子となる。ケース１０の外部に突出した制御端子１６には金属製スプリング１７が挿入される。金属製スプリング１７の内径は制御端子１６の外径と略同一の寸法をもち、金属製スプリング１７の内面と制御端子１６の側面が接触することで両者の電気的接続がなされる。
【００１４】
図３において、プリント基板３０はケース１０上方に載置され、スペーサー６０を介してボルト４０によって金属ベース板１２に固定される。制御端子１６および金属製スプリング１７と当接するプリント基板３０の裏面には電極３１があり、金属製スプリング１７はプリント基板３０によって圧縮され、その弾性力によって電極３１に押し付けられる。これにより電力半導体モジュールの使用者は、はんだ付けなどの工程が不要になり、制御回路などが搭載されたプリント基板と電力半導体モジュールとの良好な電気的接続を得る。
【００１５】
金属製スプリング１７と電極３１との接触状態を最適な状態に設定することは、金属製スプリング１７の長さを適宜選び弾性力を調整することで容易に可能である。また、金属製スプリング１７の反発力はケース１０の上面で受けるので、制御端子１６と配線パターン８３のはんだ接合部には機械的ストレスが掛からず、長期的信頼性の向上をもたらす。
【００１６】
図４（ａ）〜（ｃ）に、本実施の形態における制御端子１６と金属製スプリング１７の詳細図を示す。同図（ａ）は制御端子１６の正面図、同図（ｂ）は制御端子１６の側面図であり、同図（ｃ）は制御端子１６の上面図である。制御端子１６のケース１０から突出している部分の断面形状は円形であり、金属製スプリング１７の内径は、この制御端子１６の断面径と略同一としている。金属性スプリング１７の内面が制御端子１６の側面全周に渡って接触するため接触面積が広く、両者の良好な電気的接続を得ることが出来る。
【００１７】
また図５（ａ）〜（ｃ）に示したように、ケース１０から突出している部分の制御端子１６１の断面形状が四角形を成していても良い。この場合は同図（ｃ）に示したように、金属製スプリング１７の内径は、この制御端子１６１の断面形状である四角形の対角線長と略同一とし、４点にて接触するようにすれば良い。このような構成により、制御端子１６１を成形するにあたり、金属板を打ち抜きプレス加工などの方法で比較的簡単に実現することが出来る。
【００１８】
実施の形態２
図６〜図７に本発明の実施の形態２における電力半導体モジュールおよびその制御を行うプリント基板の載置時の側面図を示す。なお、各図において実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明については省略する。
【００１９】
実施の形態１においては、金属製スプリング１７の自由長は制御端子１６のケース１０の上面より突出している部分の高さよりも長いものであった。このような構成においては、プリント基板３０を取り付ける際、金属製スプリング１７とプリント基板３０の裏面の電極３１との接触状態が目視できなくなるほか、プリント基板３０と電力半導体モジュールとの載置距離が制御端子１６の突出高さで制限される場合があった。
【００２０】
本実施の形態２においては図６に示したとおり、金属製スプリング１７１の自由長を制御端子１６２の突出高さより短くすることを特徴とする。以下図７および図８を参照しながら詳細を説明する。
【００２１】
図７において、プリント基板３００の制御端子１６２に対応する位置の電極３１０には貫通穴３１１を設けている。プリント基板３００を載置する際、貫通穴３１１に制御端子１６２の上端を挿入する。なお貫通穴３１１の径は制御端子１６２の内径より大または略同一であり、金属製スプリング１７１の外形より小となるように設けられている。
【００２２】
図８において、貫通穴３１１に制御端子１６２を挿入するが、この時金属製スプリング１７１より制御端子１６２の方が長いため、貫通穴３１１に制御端子１６２を挿入するのが容易になる。その後プリント基板３００によって金属製スプリング１７１を圧縮するが、貫通穴３１１を貫通した制御端子１６１がプリント基板３００の表面から目視できるので、金属製スプリング１７１と裏面の電極３１０が正しく当接していることが確認できる。また、制御端子１６２はプリント基板３００を貫通して載置されるので、プリント基板３００と電力半導体モジュールとの載置距離が制御端子１６１の突出高さで制限されることがなく、スペーサー６０の高さを適宜選択しプリント基板とモジュール間距離を自由に設定でき、使用者の寸法上の設計自由度が向上するという利点を得る。
【００２３】
実施の形態３
図９および図１０に本発明の実施の形態３における電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図を示す。本実施の形態においては金属製スプリング１７１の固定機構として制御端子の根元部にテーパー状の突起を設けることを特徴とする。
【００２４】
実施の形態１および２において、金属製スプリング１７は単一の太さを持つ制御端子１６に挿入されただけであり、その固定は両者の摩擦によってのみなされるものであった。よって金属製スプリング１７は上方に引っ張ると容易に制御端子１６から外れてしまう場合があった。
【００２５】
図９において、断面形状が円である制御端子１６２の根元部に上方が細く下方にいくに従って徐々に太くなるテーパー状の突起２００を設けてある。金属製スプリング１７１を制御端子１６２に挿入する際は、金属製スプリング１７１が突起２００により径方向に押し広げられるので容易に挿入できる。挿入後は、金属製スプリング１７１を上方に引っ張っても突起２００の下方の太くなっている部分にスプリングの一部が引っかかるので容易に抜けることは無くなる。
【００２６】
制御端子１６２に突起２００を設ける位置は、金属製スプリング１７１を挿入した時、スプリングが引っかかる場所であれば何処でも良いが、実施の形態２で示したとおり、貫通穴３１１をもつプリント基板３００を載置するにあたり突起２００が貫通穴３１１に干渉しないようになるべく根元部分に設けるのが望ましい。
【００２７】
図１０は制御端子１６３の断面形状が四角形である場合の、制御端子１６３の側面にテーパー状の突起２１０を設けた例であるが、金属板を打ち抜き、プレス加工などの方法で比較的簡単に制御端子１６３および突起２１０を同時に一体成形することが出来る。
【００２８】
実施の形態４
実施の形態２において、プリント基板３００に設けた貫通穴３１１の径は制御端子１６２の内径より大または略同一であり、金属製スプリング１７１の外形より小となるように設けられているが、その寸法マージンは金属製スプリング１７１のバネ材の太さ分しかなく高い加工精度が要求される。もし、貫通穴３１１の径が金属製スプリング１７１の外形より大であった場合、貫通穴３１１に制御端子１６２だけでなく金属製スプリング１７１自体までもが入り込んでしまい、金属製スプリング１７１とプリント基板３００の裏面の電極３１０とが接触しない場合がある。
【００２９】
図１１に本発明の実施の形態４における電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図を、また図１２に本実施の形態における電力半導体モジュールへのプリント基板３００の固定時の側面図を示す。金属製スプリング１７２の上方部、すなわちプリント基板３００と接触する方の上端部１７３を広げ、制御端子１６２の径、すなわち載置されるプリント基板３００に設けられた貫通穴３１１より内径が大であるような逆テーパー状の金属製スプリング１７２を有している。
【００３０】
このような構造により、図１２に示したとおり、例え貫通穴３１１の寸法が若干大であった場合においても、貫通穴３１１に金属製スプリング１７２が入り込むことがなくなり、確実に電極３１０との接触が保たれるという効果を奏する。
【００３１】
実施の形態５
図１３に本発明の実施の形態５における電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図を、また図１４に本実施の形態における電力半導体モジュールへのプリント基板３００の固定時の側面図を示す。図１３に示したとおり、制御端子１６３の所定高さに着色印あるいは刻印などの圧縮量確認手段１６４を設けても良い。このような構成により、図１４に示したとおり、プリント基板３００の載置時、金属製スプリング１７１が圧縮され表面に制御端子１６３が現れ、さらに圧縮量確認手段１６４が目視できたところまで圧縮すれば、既定の圧縮量であると確認することができる。
【００３２】
以上、本発明の具体的な実施の形態を説明したが、本発明はこれに限らず種々の変形が可能である。例えば、本発明では電力半導体素子としてＩＧＢＴを用いる例を示したが、その他ＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタなど他の制御電極を有する電力半導体素子を用いてもよいので本発明に含まれる。また、本発明では導電性スプリングとして金属製スプリングを用いる例を示したが、金属に限らず表面に金属めっきを施したプラスチック製スプリングなど、スプリングとしての弾性および導電性を有するものであれば使用可能であるので本発明に含まれる。また、本発明においては電力半導体モジュールとしてＩＧＢＴモジュールを例に説明したが、その他制御用ＩＣを含んだＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ）などの制御端子を有するものに適用することは当業者にとって容易に想致可能であるので、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力半導体モジュールの側面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力半導体モジュールにおける制御端子と金属製スプリングの側面図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例に係る電力半導体モジュールにおける制御端子と金属製スプリングの側面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力半導体モジュールの側面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の側面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の接続状態を示す側面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３の変形例に係る電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の接続状態を示す側面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る電力半導体モジュールの制御端子と金属製スプリングの側面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る電力半導体モジュールとその制御を行うプリント基板の接続状態を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０．ケース  １６．制御端子  １７．金属製スプリング  １８．ケース上面  ３０．プリント基板  ８４．電力半導体素子  １６４．圧縮量確認手段  ２００．突起  
【図１】
0004900165.tif 000002
【図２】
0004900165.tif 000003
【図３】
0004900165.tif 000004
【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】
0004900165.tif 000011
【図１１】
0004900165.tif 000012
【図１２】
0004900165.tif 000013
【図１３】
0004900165.tif 000014
【図１４】
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