(57)【要約】【課題】小形で、どんな構造にも搭載可能なパワーモジュールとそれを用いたモータドライブ装置を提供する。【解決手段】自然数ｎのｎ相インバータを構成するパワーモジュールにおいて、正極電源端子と、ｎ相正極出力端子と、正極電源端子と前記ｎ相正極出力端子間に接続されたｎ個の正極側半導体チップと、正極側半導体チップのゲートに接続した正極ゲート端子と、接続用正極側配線板と、を備えた正極側モジュール（２）と、負極電源端子と、ｎ相負極出力端子と、負極電源端子と前記ｎ相負極出力端子間に接続されたｎ個の負極側半導体チップと、前記負極側半導体チップのゲートに接続した負極ゲート端子と、接続用負極側配線板と、を備えた負極側モジュール（３）と、ｎ相正極出力端子とｎ相負極端子を接続するフレキシブル基板（４）と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然数ｎのｎ相インバータを構成するパワーモジュールにおいて、
正極電源端子と、ｎ相正極出力端子と、前記正極電源端子と前記ｎ相正極出力端子間に接続されたｎ個の正極側半導体チップと、前記正極側半導体チップのゲートに接続した正極ゲート端子と、接続用正極側配線板と、前記接続用正極側配線板を貼り付けた正極側絶縁基板と、を備えた正極側モジュールと、
負極電源端子と、ｎ相負極出力端子と、前記負極電源端子と前記ｎ相負極出力端子間に接続されたｎ個の負極側半導体チップと、前記負極側半導体チップのゲートに接続した負極ゲート端子と、接続用負極側配線板と、前記接続用負極側配線板を貼り付けた負極側絶縁基板と、を備えた負極側モジュールと、
前記ｎ相正極出力端子と前記ｎ相負極端子を接続するフレキシブル基板と、
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記接続用正極側配線板と前記接続用負極側配線板は１以上１０以下のいずれかの配線板数で構成されるとを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記ｎは１であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記ｎは２であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記ｎは３であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記正極側半導体チップおよび負極側半導体チップをフェイスアップ実装及びフェイスダウン実装の２つを用いて実装したことを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記正極側配線板および前記負極側配線板は樹脂系であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記正極側配線板および前記負極側配線板はセラミック系であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記正極側絶縁基板と前記負極側絶縁基板は、樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載されたパワーモジュールを搭載することを特徴とするモータドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータドライブ用インバータに使用するパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下に、パワーモジュールについて、図に基づいて説明する。まず、従来例１として、図５を用いて一般的なパワーモジュールの構造を説明し、次に、その応用例に、従来例２、３として、製造方法が簡単で高信頼性なパワーモジュールを、フレキシブル基板を用いて実現した例について説明する（例えば、特許文献１、２）。
図５は、従来例１として、一般的なパワーモジュールの断面構造を示すものである。また、図６および図７は、それぞれ従来例２および３として、フレキシブル基板を備えたパワーモジュールを示すものである。
各図において、１１０は半導体チップ、１２０は絶縁基板、１２１は絶縁基板上に形成された配線、１２２ははんだ、１３０はＡｌワイヤ、１４０はフレキシブル基板、１４１はリード部、１５０は電力回路基板、１６０はケース、１６１は端子、１７０は制御回路基板、１７１は制御チップである。
【０００３】
まず、従来例１について、図５を用いて説明する。パワーモジュールの一般的構造は、あらかじめ配線１２１が形成された絶縁基板１２０上に、半導体チップ１１０をはんだ１２２などの導電材料を用いて実装し、絶縁基板上に実装された半導体チップ１１０の絶縁基板と反対の面にＡｌワイヤ１３０などにより配線する構造となっている。ここで、モータドライブ用途のパワーモジュールでは、絶縁基板１２０上に形成されている配線１２１とＡｌワイヤ１３０を用いて、３相インバータ回路やＨブリッジ回路を形成することになる。これらを電力回路基板１５０とする。図５は、１枚の絶縁基板上に半導体チップをすべて配置して、３相インバータ回路を構成する例である。なお、図５では図示していないが、この電力回路基板５０はケースに入れられ、外部との接続のためリードフレームなどの端子が設けられるのが一般的である。
【０００４】
次に、フレキシブル基板を用いた従来例２、３について図６、７を用いて説明する。図５に示したパワーモジュールは、前述したように、絶縁基板１２０上に半導体チップ１１０が実装されており、絶縁基板上に実装された半導体チップ１１０の絶縁基板と反対の面にＡｌワイヤ１３０やフレキシブル基板１４０により配線している例である（例えば、特開２００６―３３２５７９号公報）。図６では、フレキシブル基板１４０に半導体チップを駆動するための制御チップ１７１が実装され、これを制御回路基板１７０とする。このフレキシブル基板１４０は、複数の半導体チップに接続できるよう複数のリード部１４１を有している。また、フレキシブル基板１４０のリード部１４１が、はんだなどの導電材料を介して、半導体チップ１に接続されている。この従来例２でも、１枚の絶縁基板上に半導体チップをすべて配置し、３相インバータ回路を構成する例であり、電力回路基板と制御回路基板は同一平面状に配置されている。この例では、電力回路基板および制御回路基板はケース１６０に入れられ、パワーモジュールと外部との信号および電力のやり取りは端子１６１を介して行われる。
【０００５】
また、図７に示したパワーモジュールは、フレキシブル基板１４０を絶縁基板として使用し、フレキシブル基板を屈曲させて制御回路基板と接続している例である（例えば、特開２００２―９３９９５号公報）。図７では、フレキシブル基板１４０に金属基板１２３を貼り付けたものを電力回路基板１５０としている。前記フレキシブル基板１４０上に半導体チップ１１０を実装し、図示しないあらかじめ形成されたフレキシブル基板１４０上の配線と端子６１とＡｌワイヤ１３０により配線され、電力回路基板１５０となる。半導体チップ１１０を駆動する制御チップ１７１は制御回路基板１７０として、電力回路基板１１５０上に配置され、フレキシブル基板１４０を屈曲させて、電力回路基板と制御回路基板が接続されている。この従来例３では、１枚のフレキシブル基板上に半導体チップを配置し、３相インバータ回路を構成する例であり、電力回路基板と制御回路基板は、電力回路基板のフレキシブル基板の部分を屈曲させることで、立体的な配置としている。この例でも、電力回路基板および制御回路基板はケース１６０に入れられ、パワーモジュールと外部との信号および電力のやり取りは端子１６１などを介して行われる。
【特許文献１】特開２００６―３３２５７９号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２―９３９９５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来例１、２の一般的なパワーモジュールやフレキシブル基板を用いてインバータ回路を構成するパワーモジュールにおいては、３相インバータ回路を構成する半導体チップをすべて同一平面上の絶縁基板に配置するため、パワーモジュールの小形化においては、半導体チップ実装面積と電流容量を考慮した配線スペースの点から限界があるという問題があった。特に、可動部を有するモータを使用した装置（以下、全体装置とする）に、モータドライブ装置としてこれらのパワーモジュールを用いるときに、全体装置の制約から、可動部および屈曲部などのスペースにパワーモジュールを配置したい場合に、このパワーモジュールの大きさや設置方法は大きな問題であり、小形であることと装置に適した形状が求められる。また、従来例３のような電力回路基板と制御回路基板を重ねて配置するパワーモジュールにおいても、電力回路基板の大きさ以下の小形化は望めず、３相インバータ回路を構成する半導体チップをすべて平面的に配置する点においては、従来例１、２と変わりない。そのため、パワーモジュールの小形化、最適形状化という点では問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、パワーモジュールの小形化と同時に、パワーモジュールを使用したモータドライブ装置を設置する全体装置に適した最適な形状のパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1記載の発明は、自然数ｎのｎ相インバータを構成するパワーモジュールにおいて、正極電源端子と、ｎ相正極出力端子と、前記正極電源端子と前記ｎ相正極出力端子間に接続されたｎ個の正極側半導体チップと、前記正極側半導体チップのゲートに接続した正極ゲート端子と、接続用正極側配線板と、前記接続用正極側配線板を貼り付けた正極側絶縁基板と、を備えた正極側モジュールと、負極電源端子と、ｎ相負極出力端子と、前記負極電源端子と前記ｎ相負極出力端子間に接続されたｎ個の負極側半導体チップと、前記負極側半導体チップのゲートに接続した負極ゲート端子と、接続用負極側配線板と、前記接続用負極側配線板を貼り付けた負極側絶縁基板と、を備えた負極側モジュールと、前記ｎ相正極出力端子と前記ｎ相負極端子を接続するフレキシブル基板と、を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記接続用正極側配線板と前記接続用負極側配線板は、それぞれ１以上１０以下のいずれかの配線板数で構成されるとを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記ｎは１であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記ｎは２であることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記ｎは３であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項６記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記正極側半導体チップ及び負極側半導体チップをフェイスアップ実装及びフェイスダウン実装の２つを用いて実装したことを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記正極側配線板および前記負極側配線板は樹脂系であることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記正極側配線板および前記負極側配線板はセラミック系であることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、前記正極側絶縁基板と前記負極側絶縁基板は、樹脂で覆われたことを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、モータドライブ装置において、請求項１乃至９のいずれかに記載されたパワーモジュールを搭載することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１乃至９記載の発明によると、小形で、どのような構造にも搭載可能なパワーモジュールを提供できる。
請求項１０記載の発明によると、小形で、どのような構造にも搭載可能なパワーモジュールを用いることで、どのような場所にも設置可能なモータドライブ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第一の実施例に係るパワーモジュールの断面模式図で上面模式図である。ここで、１はパワーモジュール、２は正極側モジュール、３は負極側モジュール、４はフレキシブル基板である。図２は、本発明のパワーモジュールの３相インバータ回路図である。図３は第一の実施例のパワーモジュールの全体装置適用例である。また、図４は、本発明の第二の実施例に係るパワーモジュールの断面模式図である。本発明の構成要素が従来技術と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。図において、２４は配線板、２５は絶縁樹脂、８０はパワーモジュールの回路、８１は８０の上アーム回路、８２は８０の下アーム回路、８３はＰ側配線、８４はＮ側配線、９０はパワーモジュールを取り付ける対象、すなわちここでは全体装置の一部である。
【００１４】
本発明が特許文献１、２と異なる部分を、３相インバータ回路で説明する。本発明の特徴は、上アームを構成する半導体チップと、下アームを構成する半導体チップを、異なる絶縁基板上に実装することである。このとき、上アーム半導体チップはチップ上の回路面が絶縁基板側を向くフリップチップ実装（フェイスダウン実装）され、下アーム半導体チップはチップ上の回路面が絶縁基板と反対を向くフェイスアップ実装される。そして、半導体チップが実装された絶縁基板をフレキシブル基板で接続し、３相インバータ回路の一部を構成してパワーモジュールとする。なお、ここでは、３相インバータ回路について説明したが、Ｈブリッジ回路では、上下アームにおける半導体チップの数が８個に減るだけ、ハーフブリッジ回路では、上下アームにおける半導体チップの数が４個に減るだけで同様に構成できるため、ここでは説明を省略する。また、図１では図示していないが、半導体チップを駆動する制御チップを本発明の構成要素である絶縁基板、もしくはフレキシブル基板上に実装しても良い。これにより、小形で、設置場所を選ばないパワーモジュールを得ることができる。
【００１５】
あらためて、本発明の実施例を詳細に説明する。図１に示すように、２枚の絶縁基板２０上に、３相インバータ回路を構成するための上下アーム半導体チップ１１、１２をそれぞれ実装する。ここで、上アーム半導体チップ１１はフリップチップ実装、下アーム半導体チップ１２は、フェイスアップ実装することは前述した通りである。ここで使用する半導体チップは具体的には、ＩＧＢＴ、還流ダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどが考えられるが、ここでは、ＩＧＢＴと還流ダイオードを例として説明した。これらの半導体チップの実装においては、接合材として、それぞれはんだを用いて行うことが良い。
【００１６】
半導体チップが実装された２枚の絶縁基板を、フレキシブル基板４０で接続する。フレキシブル基板と絶縁基板の接続にあたっては、はんだ付、導電性ゴム、導電性接着材などを用いると良い。このようにして、図２に示した３相インバータ回路を構成する。本発明のパワーモジュールには、図２に示したように、回路中のＰ側配線８３、Ｎ側配線８４は含まない。よって、３相インバータ回路を完成させるには、前述した半導体チップが実装された絶縁基板とは別に、樹脂系、セラミック系もしくは金属系の配線板を用いて、回路図におけるＰ側配線８３、Ｎ側配線８４に相当する配線を作製しなければならない。ここで、配線板以外にブスバーなどの金属体をそのまま用いても良いが、全体装置への設置を考慮すると配線板を用いた方が取り扱いに優れている。
【００１７】
次に、第一の実施例に示した本発明のパワーモジュールを用いたモータドライブ装置について、図３を用いて説明する。ここでも、３相インバータ回路を例に説明する。前述したように、第一の実施例に示した本発明のパワーモジュールは、３相インバータ回路におけるＰ側配線及びＮ側配線を有していないため、それを付加するのに、新たに配線板が必要となる。新たに付加する配線板は、図３に示したように構成することで、設置場所を選ばないパワーモジュールを得ることができる。例えば、図３（ａ）に示したように可動部を有する全体装置において、可動部で本発明のパワーモジュールの構成要素であるフレキシブル基板が屈曲するように、フレキシブル基板の長さをあらかじめ設計しておけば、図３では図示していないが可動部に設置されているモータ近傍にパワーモジュールを設置することができ、全体装置における無駄なスペースを排除できる。また、別の例では、図３（ｂ）に示したように、配線板の端部に、パワーモジュールを設置することでも、小形なパワーモジュールを構成することができる。ここで用いる配線板は、樹脂系のプリント配線板や、セラミック系の絶縁基板もしくは金属基板を用いて良い。なお、説明は省略したが、フレキシブル基板を屈曲させないで使用することにおいても、なんら問題はない。
【００１８】
本発明のパワーモジュールと外部との信号および電力のやり取りは、図３では図示していないが、端子を用いて、配線板２４を介して行う。これらに、パワーモジュールに指令を与える制御装置を付加することで、設置場所を選ばないモータドライブ装置を構成できる。制御装置の配置は、ケーブルを用いることでパワーモジュールとは離れた場所に設置しても良いし、制御回路規模が小さければ、パワーモジュールと一体化することも可能である。
【００１９】
次に、本発明の第二の実施例について図４を用いて説明する。本発明が第一の実施例と異なる点は、複数の半導体チップを実装した複数の絶縁基板が、絶縁樹脂にて覆われることである。この場合、本発明のパワーモジュールがＰ側配線およびＮ側配線と接続するため、図４に示したように、フリップチップ実装した半導体チップでは、チップの回路面とは反対の面が、フェイスアップ実装した半導体チップでは、半導体チップ上に形成されたはんだが、それぞれ絶縁樹脂から凸になる必要がある。これにより、本発明のパワーモジュールの絶縁耐圧を向上できる。
ここでは、説明を省略するが、第二の実施例で示したパワーモジュールも、図３に示したようにモータドライブ装置として使用することになんら問題はない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一の実施例を示すパワーモジュールの断面模式図と上面図
【図２】本発明の第一の実施例を示す回路図
【図３】本発明のパワーモジュールを用いた第一の実施例を示すモータドライブ装置の電力変換部の断面模式図
【図４】本発明の第二の実施例を示すパワーモジュールの断面模式図
【図５】従来のパワーモジュールの一般的構造
【図６】従来のフレキシブル基板を用いたパワーモジュールの上面図
【図７】従来のフレキシブル基板を用いたパワーモジュールの斜視図
【符号の説明】
【００２１】
１  パワーモジュール
２  正極側モジュール
３  負極側モジュール
４  フレキシブル基板
１０  半導体チップ
１１  上アーム半導体チップ（正極側半導体チップ）
１２  下アーム半導体チップ（負極側半導体チップ）
２０  絶縁基板
２１  配線
２２  はんだ
２３  金属基板
２４  配線板
２５  絶縁樹脂
３０  Ａｌワイヤ
４０  フレキシブル基板
４１  リード部
５０  電力回路基板
６０  ケース
６１  端子
７０  制御回路基板
７１  制御チップ
８０  パワーモジュールの回路
８１  ８０の上アーム回路
８２  ８０の下アーム回路
８３  Ｐ側配線
８４  Ｎ側配線
９０  パワーモジュールを取り付ける対象
【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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