(57)【要約】【課題】  ワイヤボンディングを用いながら、半導体スイッチング素子の小型化および大電流化の利点を受けることができる給配電経路を有するパワーモジュールを提供する。【解決手段】  直流電力又は交流電力の供給用のバスバー１５、電極３１ａ，３２ａを有する半導体スイッチング素子３１，３２およびバスバーと電極とを電気接続するための長尺導体とを備えるパワーモジュールにおいて、ワイヤ３の中間部分が半導体スイッチング素子の電極に電気接続され、かつ、ワイヤの中間部分を挟む両側の部分がともに、同じバスバー１５に電気接続されている。【選択図】        図４
2009206140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力又は交流電力の供給用のバスバー、電極を有する半導体スイッチング素子および前記バスバーと前記電極とを電気接続するための長尺導体とを備えるパワーモジュールにおいて、
前記長尺導体の中間部分が前記半導体スイッチング素子の電極に電気接続され、かつ、前記長尺導体の中間部分を挟む両側の部分がともに、同じバスバーに電気接続されていることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項２】
前記長尺導体がワイヤであり、該ワイヤは、前記半導体スイッチング素子の表面の電極にその中間部分で接続され、該表面の電極の両側に延在しており、前記両側に延在するワイヤは、それぞれの端が同じバスバーの異なる部分に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記バスバーは、前記半導体スイッチング素子が実装された基板を囲むようにコ字状部分を有するか、またはＦ字状であることを特徴とする、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記長尺導体は、前記表面電極に１箇所以上の接続箇所を持つことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記半導体スイッチング素子は裏面電極を有し、その裏面電極は該半導体スイッチング素子を実装する配線基板に接続され、前記表面電極を接続する長尺導体と異なる裏面電極接続長尺導体が、前記配線基板と第２のバスバーとを接続し、その裏面電極接続長尺導体の延びる方向が前記表面電極を接続する長尺導体の延在方向と交差する方向であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記半導体スイッチング素子は前記表面に制御用のゲート電極を有し、前記ゲート電極と制御端子コネクト部とを接続する制御端子接続ワイヤの延びる方向は、前記表面電極を接続する長尺導体の延在する方向と交差する方向であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記半導体スイッチング素子と並列に接続するダイオードを備え、当該半導体スイッチング素子およびダイオードでは、ともにその表面電極にそれぞれ異なる長尺導体がその中間位置で接続されており、それら長尺導体の両側の端は、それぞれ同じバスバーの異なる部分に接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のパワーモジュール。
【請求項８】
第１の基板上に配置された第１の半導体スイッチング素子、前記第１の基板に並ぶように位置する第２の基板上に配置された第２の半導体スイッチング素子、コ字状部分を有するＦ字状の第１および第２のバスバーおよび接続のための複数のワイヤを備えたパワーモジュールであって、
前記第１のバスバーと前記第２のバスバーとは、前記第１の基板および第２の基板を挟むように対向して、互いに上下逆に、前記第１の基板と第２の基板との間に、前記第１のバスバーのコ字状部分の下側横バーと、前記第２のバスバーのコ字状部分の下側横バーとが並列して重ならないように位置し、
前記ワイヤは、前記第１のバスバーのコ字状部分の上下横バーを橋渡しするようにその両端がその上下横バーに接続され、前記第１の半導体スイッチング素子の表面電極にその中間位置で接続され、
また前記ワイヤと異なる別のワイヤは、前記第２のバスバーのコ字状部分の上下横バーを橋渡しするようにその両端がその上下横バーに接続され、前記第２の半導体スイッチング素子の表面電極にその中間位置で接続されていることを特徴とする、パワーモジュール。
【請求項９】
前記第１および第２の基板はその上に第１および第２の配線基板をそれぞれ有し、前記第１および第２の半導体スイッチング素子は、裏面に第１および第２の裏面電極をそれぞれ有し、前記第１および第２の裏面電極は前記第１および第２の配線基板にそれぞれ接続され、さらに前記表面電極を接続するワイヤと異なる裏面電極接続のためのワイヤは、前記第１の配線基板と前記第２のバスバーのコ字状部分の縦バーを接続し、また前記裏面電極接続用のワイヤと異なる別の裏面電極接続のためのワイヤは、前記第１または第２のバスバーの縦バーに沿うように重なって位置する第３のバスバーと、前記第２の配線基板とを接続しており、前記裏面電極接続のためのワイヤは、いずれも、前記表面電極を接続するワイヤの延在方向と交差する方向に延びていることを特徴とする、請求項８に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用モータへの電力供給に用いられるパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有し、化石燃料から機械エネルギーを取り出すエンジンとともに、各種の交通手段に用いられている。交通手段のうち、自動車にはエンジン車が圧倒的に多く用いられてきたが、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのＣＯ2排出量の抑制運動の高まりなどを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車の使用台数が増大し、とくにハイブリッド自動車はその単位燃料当りの走行距離が高いために飛躍的にその台数を増やしている。
【０００３】
交通手段に用いられるモータに限らず、モータに供給される電力は、各種電力変換装置によって電力の形態を変換される場合が多い。このとき、モータには大きな電力が供給されるので、電力変換装置も大きな電力を扱うことになり、電力変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行うことが求められる。電力変換装置には、オンオフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられる。理想的なスイッチング素子は、オン状態で電圧ゼロ、またオフ状態で電流ゼロであり、かつオンオフの状態が瞬時に切り替わるため、消費電力はゼロである。しかし、実際のスイッチング素子においては、オン状態における電圧降下による損失と、ターンオン・ターンオフ時における電圧・電流の遷移時間に伴う損失が発熱の原因となる。
【０００４】
スイッチング素子は電力変換装置の重要な部分を占めるが、電力変換装置にはスイッチング素子のほかに、そのスイッチング素子の動作を制御する、マイコンやマイコンにモータの回転状態の情報を知らせるセンサなどを含む制御部が備えられる。一般に機械装置に用いられるモータには小型化、高性能化が求められるが、とくに交通手段では上記電力変換装置またはモータなどに対する小型化、大容量化（大電流化）の要求が厳しい。このため、スイッチング素子を対象に、従来のシリコン素子の小型化とともに、ＳｉＣやＧａＮを用いてさらなる小型化、大電流化をはかる研究開発が推進されている。このようなスイッチング素子において実現される小型化、大電流化の利点を受けるためには、スイッチング素子の使用環境を形成する電力給配電経路の大電流容量化を実現する必要がある。
【０００５】
現状、スイッチング素子を配列してモータに３相交流電力を供給するパワーモジュールにおいて、スイッチング素子と、給電側端子および配電側端子とは、ワイヤで接続するのが普通であり、大電流化に応じて本数を増やして対応している。このため１つのスイッチング素子に数本から十数本のワイヤが並列に接続されることが、普通に行われている。現状、スイッチング素子の表面で、上記ワイヤとの接続に利用できる箇所はほとんど使い尽くされているといってもよい情況にある。上記のようにスイッチング素子の小型化および大電流化が実現すると、大電流化に対応して接続すべきワイヤの本数は増えるのにもかかわらず、ワイヤを接続できるスイッチング素子の面積は減少することになる。
【０００６】
パワーモジュールの小型化および大電流化は、従来より精力的に行われているが、現在、ハイブリッド車等で直面している問題は、小型化のレベルなど質的に新しい段階に入っており、旧来の技術の組み合わせでは対応できないのが実情である。旧来の技術のなかで一般的なものをあげると、パワーモジュール全体をコンパクトにしながら回路インダクタンスおよび配線抵抗の低減をはかるのに、スイッチング素子と給配電用バスバーとの接続を、長ねじにより加圧体を上からバスバーおよび半導体チップに押し付けるようにして締結する方法が提案されている（特許文献１）。この方法によれば、全体をコンパクトなものにしながら回路インダクタンスおよび配線抵抗を低くすることができる。
【特許文献１】特開２００２−９５２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のバスバーはパワーモジュール全体をコンパクトにするために用いられており、スイッチング素子の小型化に対応して、接続箇所のサイズを減少させながら電流容量を向上させることを目的としたものではない。またバスバーは、ワイヤボンディングに比べて、接続相手同士の位置精度の厳密性を要し、ワイヤボンディングほど位置精度の融通性が高いものではない。また、寸法精度を向上させる通常の製造方法を用いたのでは、その製造コスト等が上昇するという問題がある。
【０００８】
本発明は、ワイヤボンディングを用いながら、半導体スイッチング素子において実現される小型化および大電流化の利点を受けることができる給配電経路を有する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】
【０００９】
本発明のパワーモジュールは、直流電力又は交流電力の供給用のバスバー、電極を有する半導体スイッチング素子およびバスバーと電極とを電気接続するための長尺導体とを備えるパワーモジュールである。このパワーモジュールにおいて、長尺導体の中間部分が半導体スイッチング素子の電極に電気接続され、かつ、長尺導体の中間部分を挟む両側の部分がともに、同じバスバーに電気接続されていることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、半導体スイッチング素子の表面電極、たとえばＩＧＢＴであればエミッタ電極には、両側から長尺導体が接続され、その両側の延びる長尺導体はともに同じバスバーに接続することになる。このため、片側からのみ長尺導体が接続されていた場合に比べて、大略、２倍の電流を流すことが可能になる。ここで長尺導体は、帯状の薄板導体やワイヤなどがあげられるが、長尺導体であればどのような形状の導体であってもかまわない。
【００１１】
また上記の長尺導体がワイヤであり、該ワイヤは、半導体スイッチング素子の表面の電極にその中間部分で接続され、該表面の電極の両側に延在しており、両側に延在するワイヤは、それぞれの端が同じバスバーの異なる部分に接続されてもよい。上記の構成によれば、半導体スイッチング素子の表面電極、たとえばＩＧＢＴであればエミッタ電極には、両側からワイヤが接続され、その両側に延在するワイヤはともに同じ端子であるバスバーに接続することになる。このため、片側からのみワイヤが接続されていた場合に比べて、大略、２倍の電流を流すことが可能になる。上記のような両側に延在するワイヤが、両側ともに、回路上、同じ端子を構成するバスバーに接続されるためには、バスバーは少なくとも半導体スイッチング素子の両側に位置する部分を持つ形状でなければならない。上記の条件を満たすバスバーの形状は各種のものが考えられる。
【００１２】
上記のバスバーは、半導体スイッチング素子が実装された基板を囲むようにコ字状部分を有するか、またはＦ字状であることができる。このようなコ字状の形状を持つことにより、ワイヤは対向する２つのアーム部分に、その端を接続させ、その中間位置を半導体スイッチング素子電極に接続させることができる。なお、Ｆ字状の形状は、当然、コ字状部分を有する。また、矩形の半導体スイッチングを実装する実装基板の形状も矩形であることから、無駄な隙間を生じることなく空間利用効率を高めることができる。バスバーをコ字状部分を含む形状、たとえばＦ字状に成形することは、銅などの金属板や金属帯を打ち抜くことにより、容易である。表面には、すずめっき処理やニッケルめっき処理がなされる。
【００１３】
上記の長尺導体は、電極に１箇所以上の接続箇所を持つことができる。半導体スイッチング素子は、ＳｉＣやＧａＮを用いることにより大電流化および大電流密度での使用を行っても耐久性は確保でき、接続箇所は１箇所でもよいが、２箇所以上とすることにより、半導体スイッチング素子に許容される電流上限まで大電流を流すのに有利となる。また半導体スイッチング素子の電極での接続箇所に大きな発熱などを生じない。なお、長尺導体のうち、とくにワイヤの接続箇所は、接触面積を大きくするためにワイヤボンディング特有のステッチボンドを形成する。
【００１４】
上記の半導体スイッチング素子は裏面電極を有し、その裏面電極は該半導体スイッチング素子を実装する配線基板（金属板）に接続され、表面電極を接続する長尺導体と異なる裏面電極接続長尺導体が、配線基板（金属板）と、バスバーと半導体スイッチング素子を挟んで対向するように位置する第２のバスバーとを接続し、その裏面電極接続長尺導体の延びる方向が表面電極を接続する長尺導体の延在方向と交差する方向であるようにできる。この構成により、裏面電極接続の長尺導体は、半導体スイッチング素子の小型化により接続箇所の制約を受ける表面電極接続の長尺導体の妨害とならないように、裏面電極と導通状態の配線基板の端子部（金属板の端）とバスバーとを接続することができる。すなわち裏面電極接続長尺導体は配線基板の端を使って、バスバーと接続することができる。
【００１５】
また、上記の半導体スイッチング素子は表面に制御用のゲート電極を有し、ゲート電極と制御端子コネクト部とを接続する制御端子接続ワイヤの延びる方向は、表面電極を接続するワイヤの延在する方向と交差する方向であるようにできる。この構成により、表面のエミッタ電極など主電極に接続して両側に延在する長尺導体に妨げられることなく（または表面電極接続の長尺導体の妨害をすることなく）、ゲート電極に駆動信号を伝達するワイヤを接続することができる。すなわち、表面電極に接続して両側に延在する長尺導体と、その両側に延在する長尺導体と交差するように上記の半導体スイッチング素子に片側から延びてくる長尺導体（裏面電極接続の長尺導体および制御端子接続ワイヤ）とは、互いに干渉することなく、それぞれの配線を実現することができる。
【００１６】
また、半導体スイッチング素子と並列に接続するダイオードを備え、当該半導体スイッチング素子およびダイオードでは、ともにその表面電極にそれぞれ異なる長尺導体がその中間位置で接続されており、それら長尺導体の両側の端は、それぞれ同じバスバーの異なる部分に接続される構成とすることができる。ここでダイオードは、フリーホイールダイオード(Free Wheel Diode:FWD)と呼ばれるものと同じまたは同種のものである。ＦＷＤは、スイッチング素子がターンオフした際に、負荷の誘導成分に蓄積されたエネルギーを環流させる役割と、減速、制動時の余剰エネルギーを回生するための電流経路としての役割を持つものである。上記の構成によれば、長尺導体はその中間位置で、半導体スイッチング素子またはダイオードに接続すればよいので、長尺導体がワイヤの場合にはワイヤボンディングにより容易に接続でき、その作業能率を高くすることができる。
【００１７】
また上記のように、半導体スイッチング素子に並列接続されるダイオードを備える場合、長尺導体は、半導体スイッチング素子およびダイオードが配列する列に沿うように延在させてもよいし、またはその列に交差するように延在する構成にしてもよい。このような構成によれば、接続のための長尺導体の配置の自由度を増すことができる。
【００１８】
また、本発明の他のパワーモジュールは、第１の基板上に配置された第１の半導体スイッチング素子、第１の基板に並ぶように位置する第２の基板上に配置された第２の半導体スイッチング素子、コ字状部分を有するＦ字状の第１および第２のバスバーおよび接続のための複数のワイヤを備えたパワーモジュールである。このパワーモジュールでは、第１のバスバーと第２のバスバーとは、第１の基板および第２の基板を挟むように対向して、互いに上下逆に、第１の基板と第２の基板との間に、第１のバスバーのコ字状部分の下側横バーと、第２のバスバーのコ字状部分の下側横バーとが並列して重ならないように位置する。また、ワイヤは、第１のバスバーのコ字状部分の上下横バーを橋渡しするようにその両端がその上下横バーに接続され、第１の半導体スイッチング素子の表面電極にその中間位置で接続される。そして、上記のワイヤと異なる別のワイヤは、第２のバスバーのコ字状部分の上下横バーを橋渡しするようにその両端がその上下横バーに接続され、第２の半導体スイッチング素子の表面電極にその中間位置で接続されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成により、プラス側給電バスバー（第１のバスバー）と、マイナス側給電バスバー（このあと説明する第３のバスバー）との間に配置された、高電位側スイッチング素子（第１の半導体スイッチング素子）および低電位側スイッチング素子（第２の半導体スイッチング素子）の表面電極と、プラス側給電バスバーまたは給電側のバスバーとを、ワイヤにより、電流容量を維持しながら接続点を半減して接続することができる。
【００２０】
また、上記の第１および第２の基板はその上に第１および第２の配線基板（金属板）をそれぞれ有し、第１および第２の半導体スイッチング素子は、裏面に第１および第２の裏面電極をそれぞれ有し、第１および第２の裏面電極は第１および第２の配線基板（金属板）にそれぞれ接続される。さらに表面電極を接続するワイヤと異なる裏面電極接続のためのワイヤは、第１の配線基板（金属板）と第２のバスバーのコ字状部分の縦バーを接続し、また裏面電極接続用のワイヤと異なる別の裏面電極接続のためのワイヤは、第１または第２のバスバーの縦バーに沿うように重なって位置する第３のバスバーと、第２の配線基板（金属板）とを接続している。そして、上記の裏面電極接続のためのワイヤは、いずれも、表面電極を接続するワイヤの延在方向と交差する方向に延びているようにできる。この構成により、プラス側給電バスバー（第１のバスバー）と、マイナス側給電バスバー（第３のバスバー）との間に配置された、高電位側スイッチング素子（第１の半導体スイッチング素子）および低電位側スイッチング素子（第２の半導体スイッチング素子）の裏面電極を、それぞれ相手先のバスバーに接続できる。そして、これら裏面電極接続のワイヤが、上記の表面電極接続のワイヤの配置の妨げとならないようにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュール１０を説明するための図である。このパワーモジュール１０は、ハイブリッド自動車のモータ配電用の端子である、Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子の３相交流端子を有する。また発電機用の端子である、＋端子および−端子と、Ｕｇ相端子、Ｖｇ相端子およびＷｇ相端子とを有する。スイッチング素子としては、モータ用のスイッチング素子の３１，３２と、発電機用のスイッチング素子３３とが配置される。モータ用スイッチング素子はＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)３１と、フリーホイールダイオード（Free Wheel Diode:FWD)３２とがある。本説明では、トランジスタおよびダイオードはいずれも半導体スイッチング素子と呼ぶこととする。ＦＷＤは、トランジスタがターンオフした際に、負荷の誘導成分に蓄積されたエネルギーを環流させる役割と、減速、制動時の余剰エネルギーを回生するための電流経路としての役割を持つものである。これら半導体スイッチング素子３１，３２，３３は、図示を省略した下層に絶縁基板を配置した実装基板上に実装され、その絶縁基板の下に放熱板６１が配置される。上記の半導体スイッチング素子３１，３２，３３および実装基板等は、筐体６５に収納される。上記筐体６５内には、スイッチング素子３１の上には、上記スイッチング素子のゲート信号を制御する半導体素子等が実装された、図示しない制御信号用端子部が配置される。上記放熱板６１の下にその放熱板６１に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路６７が設けられる。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。
【００２２】
図１において、３相交流モータへの配電端子Ｕ相、Ｖ相またはＷ相端子が設けられ、これら配電端子から交流電力が配電される。スイッチング素子３１は、給電端子のプラス側とマイナス側との間に、２つ直列に接続され、その２つのスイッチング素子の間に配電端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続される（回路については図６を用いてあとで説明する）。図２は、図１におけるＡ１の領域およびＡ２の領域を拡大した図である。領域Ａ１に、高電位側の素子および低電位側の素子が配置される。すなわち、高電位側のＩＧＢＴ３１、ＦＷＤ３２、および低電位側のＩＧＢＴ３１、ＦＷＤ３２が配置される。領域Ａ２の半導体スイッチング素子グループは、領域Ａ１の半導体スイッチング素子グループとは、回路上、並列の関係にある。これは、大電流の給電および配電を行うのに、１系列だけでは容量的に対応できないために、並列に２系列設けている。
【００２３】
図２において、絶縁基板１の上に配線基板（金属板）２が配置され、その上にＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２が位置している。ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２は、裏面に図示しないコレクタ電極（裏面電極）を有し、このコレクタ電極が配線基板（金属板）２に接続されている。すなわちＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の裏面電極と配線基板（金属板）２とは、導通状態にある。ＩＧＢＴ３１の表面にはエミッタ電極３１ａが露出し、またＦＷＤ３２の表面には表面電極３２ａが露出している。ＩＧＢＴ３１の表面電極３１ａおよび裏面電極と、ＦＷＤ３２の表面電極３２ａおよび裏面電極とは並列接続されている。すなわちＩＧＢＴ３１の表面電極３１ａとＦＷＤ３２の表面電極３２ａは回路配線上同電位であり、ＩＧＢＴ３１の裏面電極とＦＷＤ３２の裏面電極は回路配線上同電位である。また、ＩＧＢＴ３１には、エミッタ電極３１ａのほかにゲート電極など制御用端子が配置されているが、図２では、図示を省略している。以後の説明では、トランジスタとダイオードとが配列する方向と、表面電極接続のワイヤの延在方向とが交差する場合（実施の形態１）と、並行する場合（実施の形態２）とを便宜上分けることとする。実施の形態１のほうが、実施の形態２よりも、実用上、比較的、重要である場合が多いとおもわれる。
【００２４】
（実施の形態１）−素子配列方向に交差するようにワイヤが延在する配置−
図３は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールのＵ相部分（図１および図２のＡ１領域）を示す図である。本実施の形態では、ＩＧＢＴ３１とＦＷＤ３２とが並ぶ方向と交差するようにワイヤ３が延在している。高電位側では、ワイヤ３は、一方の端および他方の端ともにプラス側給電バスバー１５に接続し、中間位置でＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２に接続している。これはプラス側給電バスバー１５が、コ字状を含むＦ字状に形成され、コ字の上側横バー１５ａと下側横バー１５ｂが、半導体スイッチング素子３１，３２の両側に配置されているために可能となる。ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の表面電極３１ａ，３２ａは、それぞれ２本のワイヤ３により、プラス側給電バスバー１５と接続される。２本のワイヤで接続されているが、プラス側給電バスバー１５の異なる部分である両側１５ａ，１５ｂから表面電極３１ａ，３２ａに接続されるため、従来の片側からのみの接続する場合において、４本のワイヤで接続するのと、大略同じ電流を流すことができる。そして、スイッチング素子において実現する小型化に対応するように、接続点２０を半減することができる。なお、接続点２０は、接触面積を大きくするために、ワイヤボンディングで通常用いられるステッチボンドとして形成される。なお、本実施の形態および次の実施の形態において、長尺導体としてワイヤの場合のみを示すが、長尺導体に帯状薄板や、スイッチング素子接続用バスバーなどを用いてもよいことはいうまでもない。
【００２５】
上記のように、ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２は、ともにその表面電極３１ａ，３２ａがプラス側給電バスバー１５ａ，１５ｂと接続する。そして、ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の裏面電極が導通状態にある配線基板（金属板）２は、Ｕ相配電バスバー１７の縦バー部分１７ｃと裏面電極接続のワイヤ１３により接続される。この部分では、金属板２の面積は十分広く、裏面電極接続のワイヤ１３による接続は従来と同様の方法で行う。コ字状部分を有するＦ字形状のＵ相配電バスバー１７は、上述のように、直列接続される高電位側の半導体スイッチング素子３１，３２と、低電位側の半導体スイッチング素子３１，３２との間に接続されている。したがって、Ｕ相配電バスバー１７は、低電位側のＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の表面電極３１ａ，３２ａに接続される。
【００２６】
低電位側でも同様に、Ｕ相配電バスバー１７は、コ字状の上側横バー１７ａと下側横バー１７ｂとの間で絶縁基板１および配線基板（金属板）２を取り囲んでいる。プラス側給電バスバー１５とＵ相配電バスバー１７とは、上下逆に絶縁基板１および配線基板２を挟んで対向して、２つの配線基板２の間に、その下側横バー１５ｂ，１７ｂを並列させている。ワイヤ３は、一方の端および他方の端ともにＵ相配電バスバー１７の上下横バー１７ａ，１７ｂに接続し、中間位置でＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の表面電極３１ａ，３２ａに接続している。このため高電位側の半導体スイッチング素子３１，３２で得られる効果と同じ効果を低電位側でも得ることができる。すなわち従来の片側からのワイヤボンディングによる場合と比べて、接続箇所を半減させながら同じ電流容量を得ることができる。低電位側において、上記のように、ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２は、ともにその表面電極３１ａ，３２ａがＵ相配電バスバー１７の上下横バー１７ａ，１７ｂと接続する。そして、ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の裏面電極が導通状態にある配線基板（金属板）２は、プラス側給電バスバー１５の縦バー部分１５ｃの下に位置するマイナス側給電バスバー１６のはみ出している部分と、裏面電極接続のワイヤ１３により接続される。この部分では、金属板２の面積は十分広く、ワイヤによる接続は従来と同様の形態で行う。図３に示す範囲は、図１および図２のＡ１の領域に対応しており、Ｕ相配電バスバーに対応する範囲で、並列する２つの系列Ａ１，Ａ２のうちの１つを示すが、Ｖ相配電バスバーおよびＷ相配電バスバーについても、同様の形態で、給配電の主回路の接続を形成することができる。
【００２７】
図３では、ＩＧＢＴ３１にゲート駆動用のゲート電極９ｃのほかに制御用端子９ａ，９ｂ，９ｄ，９ｅが配置されている。これら制御用端子は、温度測定用ダイオードの端子９ａ，９ｂ、電流検出用端子９ｄおよびゲート接地端子９ｅである。これら制御用端子９ａ〜９ｅは、制御端子ランド２８を介在させて、制御端子コネクト部１８の各端子と制御端子接続ワイヤ４３で接続される。当然のことであるが、制御用端子９ａ〜９ｅには大電流は流れないので、制御端子接続ワイヤ４３は、給配電の回路を接続するワイヤ３，１３よりも細くてよい。表面電極接続のワイヤ３と、裏面電極接続のワイヤとは、同じ太さかまたは同等の太さである。
【００２８】
ワイヤ３，１３，４３が互いに干渉しないように、有効に空間を活用するには、給配電の主回路における半導体スイッチング素子の表面電極３１ａ，３２ａと各バスバー１５，１７とを表面電極接続のワイヤ（素子の両側に延在する両端を持つ）３と、他のワイヤ１３，４３とは重ならないように、延びる方向を交差方向にするなどの工夫が必要である。たとえば配線基板（金属板）２と各バスバー１７，１６とを接続する裏面電極接続ワイヤ１３は、自ずと表面電極接続ワイヤ３と重ならない範囲に位置し、表面電極接続ワイヤ３の延在する方向と交差する方向に延びるようにする。そして、制御用端子または制御用電極９ａ〜９ｅに接続する制御端子接続ワイヤ４３は、やはり表面電極接続ワイヤ３と重ならない範囲に位置し、表面電極接続ワイヤ３の延在する方向と交差する方向に延びるようにする。
【００２９】
図４は、図３に示す表面電極接続ワイヤの形態を説明するための断面図である。また、図５は図３に示す表面電極接続ワイヤの形態を説明するための平面図である。図４および図５において、ヒートシンク６１上に絶縁基板１が配置され、その上に配線基板（金属板）２が位置する、金属板２の上に半導体スイッチング素子３１，３２がはんだ接合などにより固定され、半導体スイッチング素子の裏面電極３１ｂと金属板２とは導通状態とされる。半導体スイッチング素子３１，３２をコ字状に取り囲むように、絶縁層６４の上にバスバー１５が配置される。図５で明らかなように、ワイヤ３は、スイッチング素子３１，３２の表面電極３１ａ，３２ａにその中間位置でステッチボンドして、両端をバスバー１５にステッチボンドさせている。とくに表面電極３１ａ，３２ａには、１本のワイヤが２箇所でステッチボンドを形成している。１本のワイヤでステッチボンドを２箇所形成するほうが接触面積を拡大して電流容量を拡大し、また接触抵抗に起因する発熱を抑制、または分散することができる。
【００３０】
図６は、図１に示すパワーモジュール１０の回路図である。とくに図３に示したＡ１領域に対応したＵ相配電範囲について説明する。回路図の配線は大きく変形が可能であり、図３のバスバーなどと対応づけることは困難な場合が多いが、複数個所の相対的位置関係は対応づけができるので、図３のワイヤやバスバーの符号を図６に記入してある。本発明の実施の形態１において特徴的な表面電極接続ワイヤ３および裏面電極接続ワイヤ１３の位置に、大電流が流れる。とくにスイッチング素子３１，３２に、ＳｉＣやＧａＮが用いられ、またシリコン素子に改良が加えられ、半導体スイッチング素子の小型化と大電流化が可能になった場合、これら配線部３，１３に大電流を流すことができなければ、半導体素子の進歩に基づく利点を享受できない。配線部１３は、裏面電極と導通する金属板２とバスバー１７，１６との接続であり、金属板２の面積は比較的自由に広くとれるため、大電流化のためにはワイヤ本数を増やすなどして対応は容易である。問題は、小型化され大電流化可能となった半導体素子の表面電極とバスバーとの接続であるが、本発明の実施の形態１では、ワイヤの中間位置で表面電極に接続し、両端部をコ字状のバスバーに接続することで、電流容量を維持しながら接触点を半減させることが可能となった。
【００３１】
図３に示すパワーモジュール１０の部分は、各種の変形が存在する。図３のパワーモジュールが高電位側の領域と、低電位側の領域とが、制御用端子の配列などに関して点対称の関係にあったのに対して、図７に示すパワーモジュールのＵ相配電部分は、高電位側領域と低電位側領域とが平行移動の関係にある。図３のパワーモジュールでは、マイナス側給電バスバー１６がプラス側給電バスバー１５と重なるように位置していたのに比して、図７のパワーモジュールでは、マイナス側給電バスバー１６は、プラス側給電バスバー１５と対向するＵ相配電バスバー１７と重なるように位置している。３種類のバスバー１５，１６，１７の位置関係を変えることにより、表面電極接続ワイヤ３および裏面電極接続ワイヤ１３の領域が定まり、次いで、少なくとも高電位側では、裏面電極接続ワイヤ１３と表面電極接続ワイヤ３を挟むように制御用端子９ａ〜９ｅを配置することで、ワイヤ３，１３，４３の配置が決定される。このとき、裏面電極接続ワイヤ１３と制御端子接続ワイヤ４３とはその延びる方向は互いに平行であり、かつその平行な方向は表面電極接続ワイヤ３の延びる方向と交差（直交）する。
【００３２】
（実施の形態２）−素子配列方向に沿うようにワイヤが延在する配置−
図８は、本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールのＵ相配電部分を示す図である。本実施の形態では、表面電極接続ワイヤ３が、スイッチング素子３１，３２が配列する方向に沿うように延在する点に特徴がある。プラス側給電バスバー１５およびＵ相配電バスバー１７を、ともにコ字状部分を持つＦ字形状に形成して、両者を基板を挟み上下逆にして対向するように配置した場合、制御用端子を接続するワイヤ４３と、裏面電極接続ワイヤ１３とは、表面電極接続ワイヤ３を挟むように位置することは、本発明の実施の形態１と同じである。しかしながら、低電位側では、マイナス側給電バスバー１６および制御端子コネクト部１８を、表面電極接続ワイヤ３に関してともに同じ側に配置してもよい（その結果、裏面電極接続ワイヤ１３と制御用電極接続ワイヤ４３とは、片側に配置される）。またマイナス側給電バスバー１６および制御端子コネクト部１８が、表面電極接続ワイヤ３を挟むように配置してもよい（その結果、裏面電極接続ワイヤ１３と制御用電極接続ワイヤ４３とは、同じ側に配列されず、それぞれ別の一方側に配置される）。図８は、マイナス側給電バスバー１６および制御端子コネクト部１８が、表面電極接続ワイヤ３を挟むように位置する場合を示す図である。しかし、図８において、制御端子コネクト部１８およびマイナス側給電バスバー１６の両方を、表面電極接続ワイヤ３のどちらか片側に配置してもよい（片側配置）。このような、配置が可能なのは、表面電極接続ワイヤ３が、スイッチング素子が配列する方向に沿うように延在するからであり、その結果、制御用電極９ａ〜９ｅと、裏面電極接続ワイヤ１３とが、一方の側にのみ配置するスペースが生じたためである。
【００３３】
図９は、低電位側において、裏面電極接続ワイヤ１３と制御端子接続ワイヤ４３とが片側に位置する場合を示す。図３および図７に示す実施の形態１におけるパワーモジュールの表面電極接続ワイヤ３と比較すると、本実施の形態における表面電極接続用ワイヤ３は、ＩＧＢＴ３１またはＦＷＤ３２の上を越えてワイヤを延ばす必要があり、上記したように、裏面電極接続ワイヤ１３と、制御用端子９ａ〜９ｅとを同じ側に配置しなければならない等の特別の事情がある場合に用いるのがよい。このような場合でも、同じ電流容量を確保しながら接続点を半減することができる点では、実施の形態１と同じである。
【００３４】
上記の本発明の実施の形態では説明しなかったが、本発明は、当然のことながら、半導体スイッチング素子が１個の素子のみで形成される場合にも適用される。半導体スイッチング素子１個のみで形成される構成は、図３、図７および図８、図９そして図６において、ＦＷＤ３２を除けばよい。このようなスイッチング素子１個のみで形成されるパワーモジュールにおいても、従来と同じ電流容量を維持しながら接続点を半減できる効果を得られることは明白である。また既述のように、ワイヤは、帯状の長尺導体に置き換えることができるし、また素子接続用のバスバーで置き換えることもできる。
【００３５】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のパワーモジュールでは、ワイヤの中間位置でスイッチング素子の表面電極に接続し、両側を延在させて同じバスバーの異なる部分に接続するので、従来と同じ電流容量を維持しながら接続点を半減できる。このため、開発が進行中の小型化されかつ大電流容量化されたスイッチング素子の利点を享受することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態におけるパワーモジュールを示す図である。
【図２】図１のパワーモジュールの部分を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるパワーモジュールを示す図である。
【図４】図３の表面電極接続ワイヤを説明するための断面図である。
【図５】図３の表面電極接続ワイヤを説明するための平面図である。
【図６】本発明の実施の形態のパワーモジュールの回路図である。
【図７】図３のパワーモジュールの変形例である。
【図８】本発明の実施の形態２におけるパワーモジュールを示す図である。
【図９】図８のパワーモジュールの変形例である。
【符号の説明】
【００３８】
１  絶縁基板、２  配線基板（金属板）、３  表面電極接続ワイヤ、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ  制御用端子、１０  パワーモジュール、１３  裏面電極接続ワイヤ、１５  プラス側給電バスバー、１５ａ  上側横バー、１５ｂ  下側横バー、１５ｃ  縦バー部分、１６  マイナス側給電バスバー、１７  Ｕ相配電バスバー、１７ａ  上側横バー、１７ｂ  下側横バー、１７ｃ  縦バー部分、１８  制御端子コネクト部、２０  接続点（ステッチボンド）、２８  制御端子ランド、３１，３３  ＩＧＢＴ、３１ａ  ＩＧＢＴの表面電極、３１ｂ  裏面電極、３２  ＦＷＤ、３２ａ  ＦＷＤの表面電極、３２ｂ  裏面電極、６１  ヒートシンク（冷却板）、６４  絶縁層、６５  筐体、６７  冷却路。
【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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