(57)【要約】本パワー半導体モジュールは、絶縁基板１と、絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターン２Ｐ，２Ｎ．２ＡＣ，２Ｒ，２Ｋと、上面の導体パターン２Ｐ，２ＡＣに実装されたパワー半導体素子３Ａ．３Ｂとを備える。導体パターンの陽極端子接続部２ＰＣと陰極端子接続部２ＮＣとが、絶縁基板１の一端部Ｙ１に配置され、パワー半導体素子を介して陽極端子接続部と陰極端子接続部との間に流れる電流が、一端部に対する逆端部Ｙ２で折り返して下面に至り、絶縁基板の表裏で相互に逆方向に流れるように回路が形成される。下面の導体パターン２Ｋが絶縁層１２を介して放熱金属（９）に接続され、絶縁層の一方の面に導体パターン２Ｋが接し、他方の面に放熱金属が接している。
2019221242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、前記絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子とを備え、
前記導体パターンに陽極端子接続部と陰極端子接続部とが設けられ、
前記パワー半導体素子を介して前記陽極端子接続部と前記陰極端子接続部との間に流れる電流が、前記絶縁基板の両面を流れるように回路が形成されたパワー半導体モジュール。
【請求項２】
絶縁基板と、前記絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子とを備え、
前記導体パターンの陽極端子接続部と陰極端子接続部とが、前記絶縁基板の一端部に配置され、
前記パワー半導体素子を介して前記陽極端子接続部と前記陰極端子接続部との間に流れる電流が、前記一端部に対する逆端部で折り返して逆面に至り、前記絶縁基板の表裏で相互に逆方向に流れるように回路が形成されたパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記絶縁基板は、前記一端部を短辺とした矩形状である請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記絶縁基板の一面に前記パワー半導体素子が実装され、その逆面の前記導体パターンが絶縁層を介して放熱金属に接続された請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記絶縁層の一方の面に前記逆面の導体パターンが接し、他方の面に前記放熱金属が接してなる請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記絶縁層が高熱伝導樹脂材料である請求項４又は請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記放熱金属が放熱フィン部品である請求項４から請求項６のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記絶縁基板に貫通孔が形成され、前記両面の導体パターン同士が前記貫通孔内に配された導電材を介して電気的に接続された請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記両面の導体パターン同士が前記絶縁基板の縁の外側に配された導電材を介して電気的に接続された請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
絶縁基板と、前記絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子と、放熱金属とを備え、
前記絶縁基板の一面に前記パワー半導体素子が実装され、その逆面の前記導体パターンが絶縁層を介して前記放熱金属に接続され、
前記絶縁層の一方の面に前記逆面の導体パターンが接し、他方の面に前記放熱金属が接してなるパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
前記絶縁層が高熱伝導樹脂材料である請求項１０に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
前記放熱金属が放熱フィン部品である請求項１０又は請求項１１に記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パワー半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２にも記載されるように従来のパワー半導体モジュールとして、絶縁基板（１）の上面にパワー半導体素子（３Ａ，３Ｂ）、導体パターン（２Ｐ，２Ｎ，２ＡＣ）を含む回路が形成されるとともに、絶縁基板の下面の導体パターン（２Ｋ）には、金属板８、放熱フィン部品９等の放熱金属が半田（１０Ｃ）を介して接続される構造のものが知られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１０８１８７号公報
【特許文献２】特開２０１５−１０３５４０号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の第一の態様は、絶縁基板と、前記絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子とを備え、
前記導体パターンに陽極端子接続部と陰極端子接続部とが設けられ、前記パワー半導体素子を介して前記陽極端子接続部と前記陰極端子接続部との間に流れる電流が、前記絶縁基板の両面を流れるように回路が形成されたパワー半導体モジュールである。
【０００５】
また本開示の第二の態様は、絶縁基板と、前記絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子とを備え、前記導体パターンの陽極端子接続部と陰極端子接続部とが、前記絶縁基板の一端部に配置され、前記パワー半導体素子を介して前記陽極端子接続部と前記陰極端子接続部との間に流れる電流が、前記一端部に対する逆端部で折り返して逆面に至り、前記絶縁基板の表裏で相互に逆方向に流れるように回路が形成されたパワー半導体モジュールである。
【０００６】
また本開示の第三の態様は、絶縁基板と、前記絶縁基板の両面それぞれに形成された導体パターンと、前記導体パターンに実装されたパワー半導体素子と、放熱金属とを備え、前記絶縁基板の一面に前記パワー半導体素子が実装され、その逆面の前記導体パターンが絶縁層を介して前記放熱金属に接続され、前記絶縁層の一方の面に前記逆面の導体パターンが接し、他方の面に前記放熱金属が接してなるパワー半導体モジュールである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本開示の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板平面図である。
【図１Ｂ】本開示の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板断面図である。
【図１Ｃ】本開示の第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの主要部断面図である。
【図２Ａ】本開示の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板平面図である。
【図２Ｂ】本開示の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板断面図である。
【図２Ｃ】本開示の第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの主要部断面図である。
【図３Ａ】本開示の変形的実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板平面図である。
【図３Ｂ】本開示の変形的実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板側面図である。
【図３Ｃ】本開示の変形的実施形態に係るパワー半導体モジュールの主要部断面図である。
【図４Ａ】本開示の他の変形的実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板平面図である。
【図４Ｂ】本開示の他の変形的実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路基板側面図である。
【図５】本開示の補足的実施形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。
【０００９】
〔第１実施形態〕
まず、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃを参照して本開示の第１実施形態につき説明する。
図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示すように本実施形態のパワー半導体モジュール１００は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された導体パターン２Ｐ，２Ｎ，２ＡＣ，２Ｒと、導体パターン２Ｐにボンディングされて実装されたパワー半導体素子３Ａと、導体パターン２ＡＣにボンディングされて実装されたパワー半導体素子３Ｂとを備える。
パワー半導体素子３Ａ，３Ｂは、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子であり、本実施形態のパワー半導体モジュール１００は、直流を１相の交流に変換する電力変換装置に相当する。
【００１０】
導体パターン２Ｐは陽極パターンであり、陽極端子接続部２ＰＣ及びパワー半導体素子３Ａのボンディング領域を有する。外部導出陽極端子が陽極端子接続部２ＰＣに接続する。導体パターン２Ｎは陰極パターンであり、陰極端子接続部２ＮＣを有する。外部導出陰極端子が陰極端子接続部２ＮＣに接続する。なお、交流出力用の外部導出端子が導体パターン２ＡＣに接続する。
【００１１】
パワー半導体素子３Ａの下面電極が導体パターン２Ｐに電気的に接続する。
パワー半導体素子３Ａの上面電極がボンディングワイヤー４Ａにより導体パターン２ＡＣに電気的に接続する。
パワー半導体素子３Ｂの下面電極が導体パターン２ＡＣに電気的に接続する。
パワー半導体素子３Ｂの上面電極がボンディングワイヤー４Ｂにより導体パターン２Ｒに電気的に接続する。
【００１２】
さらに本実施形態のパワー半導体モジュール１００は、絶縁基板１の下面に形成された導体パターン２Ｋと、絶縁基板１に形成された貫通孔５Ａに配置された導電材６Ａと、絶縁基板１に形成された貫通孔５Ｂに配置された導電材６Ｂとを備える。
導電材６Ａにより、導体パターン２Ｒと導体パターン２Ｋが電気的に接続される。
導電材６Ｂにより、導体パターン２Ｋと導体パターン２Ｎが電気的に接続される。
導電材６Ａ，６Ｂは、貫通孔５Ａ，５Ｂに充填された導電性物質、貫通孔５Ａ，５Ｂの内面にメッキされた導電性物質のいずれでもよい。
【００１３】
絶縁基板１は、一端部を短辺とした矩形状である。長辺方向をＹ、短辺方向をＸとする。厚み方向をＺとする。陽極端子接続部２ＰＣ及び陰極端子接続部２ＮＣは絶縁基板１の長辺方向Ｙの一端部Ｙ１に配置される。
一端部Ｙ１から逆端部Ｙ２に向かって（Ｙ軸の正の方向に）、導体パターン２Ｐ、パワー半導体素子３Ａ、ボンディングワイヤー４Ａ、導体パターン２ＡＣ、パワー半導体素子３Ｂ、ボンディングワイヤー４Ｂ、導体パターン２Ｒにより、絶縁基板１の上面での電流経路が形成される。
逆端部Ｙ２で導体パターン２Ｒ、導電材６Ａ、導体パターン２Ｋにより電流経路は折り返して逆面に至る。今度は、逆端部Ｙ２から一端部Ｙ１に向かって（Ｙ軸の負の方向に）、導体パターン２Ｋにより絶縁基板１の下面での電流経路が形成される。
電流経路の方向は、破線矢印で示す通りである。
以上の通り、パワー半導体モジュール１００は、パワー半導体素子３Ａ，３Ｂを介して陽極端子接続部２ＰＣと陰極端子接続部２ＮＣとの間に流れる電流が、一端部Ｙ１に対する逆端部Ｙ２で折り返して逆面に至り、絶縁基板１の表裏で相互に逆方向に流れるように回路が形成されている。
したがって、逆方向平行電流による相殺効果によりインダクタンスが低減する。また、絶縁基板１がＹ方向に長い、従って逆方向平行電流の区間が長いので、インダクタンスの低減効果を高くすることができる。
【００１４】
さらに本実施形態のパワー半導体モジュール１００は、図１Ｃに示すように連結用絶縁基板７と、金属板８と、放熱フィン部品９とを備える。連結用絶縁基板７は上面及び下面に接合用の導体パターン７Ａ，７Ｂが形成されている。
パワー半導体素子３Ａ（３Ｂ）の下面は半田等の導電性接合剤１０Ａにより導体パターン２Ｐ（２ＡＣ）に接合されている。
絶縁基板１の下面の導体パターン２Ｋと、連結用絶縁基板７の上面の導体パターン７Ａとが半田等の導電性接合剤１０Ｂにより接合される。したがって、導体パターン７Ａ及び導電性接合剤１０Ｂも、導体パターン２Ｋと一体の電流路となる。
連結用絶縁基板７の下面の導体パターン７Ｂと、金属板８の上面とが半田等の接合剤１０Ｃにより接合される。したがって、連結用絶縁基板７により、金属板８は回路から電気的に絶縁される。
金属板８の下面にサーマルグリス１１を介して放熱フィン部品９の上面（フラット面）が接合される。放熱フィン部品９は下側にフィンを有する。
【００１５】
以上の通り、パワー半導体モジュール１００は、絶縁基板１の一面（上面）にパワー半導体素子３Ａ，３Ｂが実装され、その逆面（下面）の導体パターン２Ｋが絶縁層（７）を介して放熱金属（８，９）に接続された構造を有する。
【００１６】
第１実施形態のパワー半導体モジュール１００によれば、上述した低インダクタンス化のほかに、以下の効果が得られる。
絶縁基板１の上面に配線を引き回し逆方向平行電流となる電流経路を構成すると、絶縁基板１の面積が大きく必要となる。
第１実施形態のパワー半導体モジュール１００によれば、必要な回路面積を絶縁基板１の両面に振り分けることができるから、絶縁基板１を小面積化することができ、これによりパワー半導体モジュールを小型化することができる。
また、２層の電流経路が絶縁基板１の表裏それぞれに配されるから、絶縁基板１の一面上に２層を積層することなく、低背化によりパワー半導体モジュールを小型化することができる。
【００１７】
〔第２実施形態〕
次に、図２Ａ，２Ｂ，２Ｃを参照して本開示の第２実施形態につき説明する。
上記従来例及び上記第１実施形態にあっては、絶縁基板１と放熱フィン部品９との間に複数の層が介在する。
これに対し本実施形態のパワー半導体モジュール２００は、上記第１実施形態に対して、導電性接合剤１０Ｂ、導体パターン７Ａ、連結用絶縁基板７、導体パターン７Ｂ、接合剤１０Ｃ、金属板８、サーマルグリス１１の積層部分を、ただ１層の絶縁層１２に置き換えた構成に相当する。
【００１８】
したがって、絶縁基板１の下面の導体パターン２Ｋが絶縁層１２を介して放熱金属（９）に接続され、当該絶縁層１２の上面に当該下面の導体パターン２Ｋが接し、絶縁層１２の下面に放熱金属（９）が接してなる。
そのため、導体パターン２Ｋと放熱フィン部品９の間が一層であり、低背化による小型化が図られるとともに、回路から放熱フィン部品９が近いために放熱性が向上する。
以上の低背化の効果は、絶縁基板１の上面で回路を完結し、絶縁基板１の下面を回路層として使用しない場合も、勿論有効に得られる。
【００１９】
絶縁層１２としては、絶縁型の高熱伝導樹脂材料を適用する。高熱伝導樹脂材料は、樹脂に、同樹脂より熱伝導率の高いフィラー（熱伝導性フィラー）を含有させて熱伝導性を高めたものである。フィラーとして絶縁性のものを選択することで絶縁型となる。樹脂としては、シリコーン、ポリアミド、エポキシ、ポリフェニレンサルファイド（PPS）等が挙げられる。フィラーとしては、絶縁体で高熱伝導率であるアルミナ、シリカ、窒化ホウ素等が挙げられる。
【００２０】
〔変形的実施形態ほか〕
上記第１及び第２実施形態では、絶縁基板１の両面の導体パターン同士が貫通孔５Ａ，５Ｂ内に配された導電材６Ａ，６Ｂを介して電気的に接続されたが、次のようにしてもよい。
すなわち、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃ、図４Ａ，４Ｂに示すように絶縁基板１の両面の導体パターン同士が絶縁基板１の縁の外側に配された導電材（１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂ）を介して電気的に接続された構成である。
図３Ａ，３Ｂ，３Ｃに示すパワー半導体モジュール３００は、絶縁基板１の表裏を繋ぐ導電材をボンディングワイヤー１３Ａ，１３Ｂとしたものである。例えば、連結用絶縁基板７及びその上面の導体パターン７Ａを絶縁基板１より大面積にしてワイヤーボンディング領域を確保し、導体パターン２Ｒと導体パターン７Ａ、導体パターン７Ａと導体パターン２Ｎをボンディングワイヤー１３Ａ，１３Ｂで接続することにより構成することができる。
【００２１】
図４Ａ，４Ｂに示すパワー半導体モジュール４００は、絶縁基板１の表裏を繋ぐ導電材を、絶縁基板１の縁部に着設される着設導体１４Ａ，１４Ｂとしたものである。例えば、着設導体１４Ａ，１４Ｂは、絶縁基板１の縁部に塗布、貼付等の方法により設置できるし、また図１Ｂ及び図２Ｂに示す貫通孔５Ａ，５Ｂの中央ラインで貫通孔５Ａ，５Ｂ内に配された導電材６Ａ，６Ｂ及び絶縁基板１を切断することでも得られるが、製造方法は特に限定されるものではない。
【００２２】
なお、以上の実施形態における回路と放熱金属との連結固定構造と、回路の封止構造は、従来良く行われるように、図５に示す枠状の樹脂ケース２０を放熱金属（９）の外周縁部に合せて容器状にし、内部に封止樹脂２１を充填することで実施できる。さらに上面に蓋をしてもよい。図５には、第２実施形態の場合を図示する。
絶縁基板１を樹脂ケース２０に係止し、樹脂ケース２０と放熱フィン備品９とをＺ方向にボルト締めすることで、上述した絶縁層（高熱伝導樹脂材料）１２に良好な接触圧が生じ、接触界面での熱伝導性が確保される。これは一例であって、絶縁基板１と放熱金属（９）との間に圧力をかけた状態に固定する手段はこれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本開示は、パワー半導体モジュールに利用することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１     絶縁基板
２Ｐ，２Ｎ，２ＡＣ，２Ｒ    導体パターン
２Ｋ   導体パターン
２ＮＣ 陰極端子接続部
２ＰＣ 陽極端子接続部
３Ａ，３Ｂ    パワー半導体素子
４Ａ，４Ｂ    ボンディングワイヤー
５Ａ，５Ｂ    貫通孔
６Ａ，６Ｂ    導電材
７     連結用絶縁基板
７Ａ，７Ｂ    導体パターン
８     金属板
９     放熱フィン部品
１０Ａ 導電性接合剤
１０Ｂ 導電性接合剤
１０Ｃ 接合剤
１１   サーマルグリス
１２   絶縁層（高熱伝導樹脂材料）
１３Ａ，１３Ｂボンディングワイヤー
１４Ａ，１４Ｂ着設導体
２０   樹脂ケース
１００ パワー半導体モジュール（第１実施形態）
２００ パワー半導体モジュール（第２実施形態）
Ｙ     長辺方向
Ｙ１   一端部
Ｙ２   逆端部
【図１Ａ】
2019221242.tif 000003
【図１Ｂ】
2019221242.tif 000004
【図１Ｃ】
2019221242.tif 000005
【図２Ａ】
2019221242.tif 000006
【図２Ｂ】
2019221242.tif 000007
【図２Ｃ】
2019221242.tif 000008
【図３Ａ】
2019221242.tif 000009
【図３Ｂ】
2019221242.tif 000010
【図３Ｃ】
2019221242.tif 000011
【図４Ａ】
2019221242.tif 000012
【図４Ｂ】
2019221242.tif 000013
【図５】
2019221242.tif 000014
【国際調査報告】
2019221242.tif 000015
2019221242.tif 000016
2019221242.tif 000017