JP2003243607A - 電力用半導体モジュール - Google Patents

電力用半導体モジュール

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、デッドスペースを低減し、部品点
数を削減して、より少ない作業工数で周辺装置に組み込
むことができる、より小型の電力用半導体モジュールを
提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明の電力用半導体モジュールは、表
面および裏面を有する樹脂製ケースと、樹脂製ケースに
収納された絶縁基板と、絶縁基板の対向する主面上に形
成された金属箔と、絶縁基板の一方の金属箔上に搭載さ
れた電力用半導体素子と、樹脂製ケースの表面から内部
に延びた、電力用半導体素子に電源供給するための外部
接続部とを備える。樹脂製ケースは、その表面から裏面
まで貫通するケース貫通孔を有する。また外部接続部
は、ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成
された接続部貫通孔を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、モータやヒータな
どの大電流を用いる電子機器を制御するための電力用半
導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】とりわけ、最近の電車やエレベータなど
の産業機器において、その動きが円滑で快適になってい
るが、これは電力を制御するパワーデバイスの貢献によ
るところが大きい。こうしたパワーデバイスにおいて
は、一般に、大容量の電流を制御して生じた熱を、放熱
フィンなどを用いて、半導体モジュールの外部へ効率的
に放熱することが必要である。
【０００３】ここで図８ないし図１０を参照しながら、
従来のパワーデバイス（電力用半導体モジュール）につ
いて以下に説明する。図８に示すパワーデバイス１０１
は、概略、樹脂などの絶縁材料からなるケース１１０
と、良好な熱伝導性を有する銅などの金属板からなるベ
ース板１３０とを備えている。ケース１１０は、その底
面において、金属ねじまたは接着剤（図示せず）を用い
て、ベース板１３０上に固定されている。また、このパ
ワーデバイス１０１は、図９に示すように、ケース１１
０の上面から内部に延びる複数の主電極１１１を有し、
さらに、ケース１１０の内部において、銅などの金属パ
ターン１１４ａ，１１４ｂが両面に形成された絶縁基板
１１５と、上側の金属パターン１１４ａの上に半田１１
６を介して搭載された電力用半導体素子１２０とを有す
る。この半導体素子１２０は、主電極１１１からアルミ
などの金属ワイヤ１２３を介して電源供給される。絶縁
基板１１５の下側の金属パターン１１４ｂは、同様に、
半田１１７を介して、ベース板１３０上に接着される。
【０００４】半導体素子１２０および絶縁基板１１５の
上方には、半導体素子１２０を保護するために、シリコ
ンゲル１２４が充填され（分かりやすくするために、ハ
ッチングを省略した。）、エポキシ樹脂１２５を用いて
その上方を封止し、さらにその上方に蓋１２６を設け
る。
【０００５】このように構成されたパワーデバイス１０
１が周辺装置に組み込まれるとき、図９に示すように、
複数のブスバー（通電部）１４０が、対応する主電極１
１１上に配置され、金属ねじ１４５を用いてこれらと電
気的に接続される。さらに、このパワーデバイス１０１
において、電力用半導体素子１２０が生じる不要な熱
を、ベース板１３０を介して効率よく外部に放熱するた
めに、図９の破線で示すような複数の金属ねじ１４７を
用いて、ベース板１３０が放熱フィン１５０に密着する
ように接合される。したがって、ベース板１３０におい
ては、これを放熱フィン１５０に密着させるために、４
本の金属ねじ１４７を受容する貫通孔１４８を４箇所の
角部に設けておくことが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た金属ねじ１４７を用いて、ベース板１３０を放熱フィ
ン１５０に取り付けるとき、ベース板１３０の貫通孔１
４８の上方の空間には、ケース１１０を延長して形成す
ることができない。すなわち、貫通孔１４８の上方にお
いて、利用できないデッドスペースが形成され、これ
は、パワーデバイス１０１の小型化を阻害するものであ
った。さらに、このパワーデバイス１０１を周辺装置に
実際に組み立てる際、図８に明確に示すように、２組の
ブスバー１４０と主電極１１１を電気的に接続するため
の４本の金属ねじ１４５と、ベース板１３０を放熱フィ
ン１５０に接合させるための４本の金属ねじ１４７が必
須であり、部品点数および作業工数を削減することが不
可能であった。
【０００７】そこで本発明は、デッドスペースを形成す
ることなく、ベース板を放熱フィンに接合できる、より
小型の電力用半導体モジュールを提供することを目的と
する。また、本発明は、より少ない作業工数で、ブスバ
ーと主電極を電気的に接続すると同時に、ベース板を放
熱フィンに接合できる電力用半導体モジュールを提供す
ることを目的とする。さらに、本発明は、ベース板を省
略した電力用半導体モジュールを提供することを目的と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
によれば、表面および裏面を有する樹脂製ケースと、樹
脂製ケースに収納された絶縁基板と、絶縁基板の対向す
る主面上に形成された金属箔と、絶縁基板の一方の金属
箔上に搭載された電力用半導体素子と、樹脂製ケースの
表面に沿って延び、裏面に向かって折り曲げられた、電
力用半導体素子に電源供給するための外部接続部とを備
え、樹脂製ケースは、その表面から裏面まで貫通するケ
ース貫通孔を有し、外部接続部は、ケース貫通孔と位置
合わせされ、かつ同軸上に形成された接続部貫通孔を有
する電力用半導体モジュールを提供することができる。
これにより、ケース貫通孔および接続部貫通孔を貫通す
る取り付けねじを用いて、この電力用半導体モジュール
を放熱金属部に取り付けると同時に、通電部を外部接続
部に接続することができるので、周辺装置へのアセンブ
リ、および通電部と外部接続部の間の外部接続に要する
時間を半減させることができる。また、従来の電力用半
導体モジュールに比べて、デッドスペースをなくすとと
もに、部品点数を削減したので、小型で、構造がより簡
単で、しかも製造コストが安価な電力用半導体モジュー
ルを提供することができる。
【０００９】請求項２に記載の本発明によれば、絶縁基
板の他方の金属箔を支持し、樹脂製ケースの裏面に固定
された支持金属板をさらに備え、支持金属板は、ケース
貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された金属
板貫通孔を有する電力用半導体モジュールを提供するこ
とができる。これにより、金属板貫通孔、ケース貫通
孔、および接続部貫通孔を貫通する取り付けねじを用い
て、この電力用半導体モジュールを放熱金属部に取り付
けるとともに、通電部を外部接続部に接続することがで
きる。同様に、周辺装置へのアセンブリ、および通電部
と外部接続部の間の外部接続に要する時間を半減できる
とともに、小型で、構造がより簡単で、しかも製造コス
トが安価な電力用半導体モジュールを提供することがで
きる。
【００１０】請求項３に記載の本発明によれば、樹脂製
ケースの裏面において、絶縁基板の他方の金属箔が樹脂
製ケースに固定された電力用半導体モジュールを提供す
ることができる。こうして、この電力用半導体モジュー
ルは、支持金属板を省略したので、厚み方向においても
より小型化することができる。
【００１１】請求項４に記載の本発明によれば、ケース
貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電
部貫通孔を有する通電部と、通電部貫通孔、接続部貫通
孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる金属製取り付
けねじと、金属製取り付けねじおよび通電部の間を電気
的に絶縁するための絶縁手段とをさらに備える電力用半
導体モジュールを提供することができる。絶縁手段によ
り、金属製取り付けねじと、通電部の間を電気的に絶縁
しつつ、取り付けねじを金属で構成して、その強度を確
保することができる。
【００１２】請求項５に記載の本発明によれば、ケース
貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電
部貫通孔を有する通電部と、通電部貫通孔、接続部貫通
孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる金属製取り付
けねじと、金属製取り付けねじの一端部を保持する絶縁
性の保持部が埋設された放熱金属部とをさらに備える電
力用半導体モジュールを提供することができる。金属取
り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保持部が、放熱
金属部に埋設されているので、金属製取り付けねじと、
放熱金属部の間を電気的に絶縁しつつ、取り付けねじを
金属で構成して、その強度を確保することができる。
【００１３】請求項６に記載の本発明によれば、ケース
貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成された通電
部貫通孔を有する通電部と、通電部貫通孔、接続部貫通
孔、およびケース貫通孔を貫通して延びる絶縁性を有す
る絶縁取り付けねじとをさらに備える電力用半導体モジ
ュールを提供することができる。取り付けねじが絶縁性
を有するので、別体の絶縁部品が不要となり、組み立て
が容易となるだけでなく、アセンブリ時の絶縁部品の取
り付け忘れによる事故の可能性を排除することができ
る。このように、事故防止に関する信頼性を高めること
ができる極めて優れて電力用半導体モジュールを提供す
ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
に係る電力用半導体モジュールの実施の形態を説明す
る。各実施の形態の説明において、理解を容易にするた
めに方向を表す用語（例えば、「上側」、「下側」およ
び「上下方向」など）を適宜用いるが、これは説明のた
めのものであって、これらの用語は本発明を限定するも
のでない。
【００１５】実施の形態１．ここで図１ないし図４を参
照しながら、本発明に係るパワーデバイス（電力用半導
体モジュール）の実施の形態１について以下に説明す
る。図１に示すパワーデバイス１は、概略、樹脂などの
絶縁材料からなる樹脂ケース１０と、良好な熱伝導性を
有する銅などの金属板からなるベース板３０とを備えて
いる。ケース１０は、その底面において、金属ねじまた
は接着剤（図示せず）を用いて、ベース板３０上に固定
されている。また、このパワーデバイス１は、図２に示
すように、ケース１０の上面に沿って延び、底面に向か
って折り曲げられた複数の主電極１１（外部接続部とも
いう。）を有する。さらに、パワーデバイス１は、ケー
ス１０の内部において、銅などの金属パターン１４ａ，
１４ｂが両面に形成された絶縁基板１５と、上側の金属
パターン１４ａの上に半田１６を介して搭載された電力
用半導体素子２０とを有する。この電力用半導体素子２
０は、主電極１１からアルミなどの金属ワイヤ２３を介
して電源供給される。下側の金属パターン１４ｂは、同
様に、半田１７を介して、ベース板３０上に接着され
る。
【００１６】電力用半導体素子２０および絶縁基板１５
の上方には、電力用半導体素子２０を保護するために、
シリコンゲル２４が充填され（分かりやすくするため
に、ハッチングを省略した。）、エポキシ樹脂２５を用
いてその上方を封止し、さらにその上方に蓋２６を設け
る。
【００１７】本発明のパワーデバイス１によれば、各主
電極１１は、上下方向に延びる主電極貫通孔２ａ（接続
部貫通孔ともいう。）を有し、同様に、ケース１０とベ
ース板（支持金属板）３０は、上下方向に延び、各主電
極貫通孔２ａと位置合わせされ、かつ同軸上に形成され
たケース貫通孔２ｂおよびベース板貫通孔２ｃ（金属板
貫通孔ともいう。）をそれぞれ有する。こうして、パワ
ーデバイス１は、主電極１１の主電極貫通孔２ａ、ケー
ス１０のケース貫通孔２ｂ、およびベース板３０のベー
ス板貫通孔２ｃにより形成される貫通孔２を有する。
【００１８】このように構成されたパワーデバイス１を
周辺装置に組み込むときの手順について、図２および図
３を参照しながら以下に説明する。複数のブスバー（通
電部）４０は、それぞれ上下方向に延びるブスバー貫通
孔４２（通電部貫通孔ともいう。）を有し、対応する主
電極１１上に配置される。放熱フィン５０は、ベース板
３０の底面３１と接触する接触面５１と、パワーデバイ
ス１の貫通孔２に対応する位置に埋設されたナットなど
のねじ山付きの保持部５２とを有し、パワーデバイス１
の下方に配置される。そして、それぞれのブスバー貫通
孔４２および保持部５２を、対応するパワーデバイス１
の貫通孔２と位置合わせした後、図３に示すように、絶
縁材料からなる複数の細長い取り付けねじ６０を貫通孔
２に挿入して、ブスバー４０を主電極１１に接続すると
ともに、ベース板３０を放熱フィン５０に固定する。
【００１９】この放熱フィン５０は、電力用半導体素子
２０が生じる不要な熱を、ベース板３０を介して効率よ
くパワーデバイス１の外部に放熱するために、ベース板
３０に固定されるので、ベース板３０とできるだけ広い
面積で接触することが好ましい。また、より好適には、
ベース板３０と放熱フィン５０の間の接触面に、熱伝導
性のよいグリース（図示せず）を１００μｍないし２０
０μｍ程度、均一に塗布しておく。
【００２０】取り付けねじ６０は、絶縁材料で構成され
ているので、主電極１１と放熱フィン５０が電気的に導
通することを防止することができる。そのような絶縁材
料として、例えば、エンジニアリング・プラスチックお
よびセラミックなどが挙げられる。
【００２１】また、この絶縁ねじ６０は、パワーデバイ
ス１と、ブスバー４０および放熱フィン５０を同時に固
定することができるので、図４に示すように、パワーデ
バイス１が２組の主電極１１を有する場合、合計４本の
絶縁ねじ６０を用いて、パワーデバイス１を周辺装置に
組み込むことができる。したがって、本発明によれば、
従来のパワーデバイスに比べて、取り付けねじの数を半
減させ、作業工数も同様に半減できる。さらに、本発明
によれば、従来技術のように、ベース板３０と放熱フィ
ン５０を接合するための貫通孔の上方に形成されるデッ
ドスペース（ケース１０を延長して形成することができ
ない空間）を排除することができるので、パワーデバイ
ス１をより小型化することができる。
【００２２】実施の形態２．次に、図５を参照しなが
ら、本発明に係るパワーデバイスの実施の形態２につい
て以下に説明する。図５に示すパワーデバイス１は、ベ
ース板を有さない点以外は、実施の形態１と同様の構成
を有するので、重複する部分に関する詳細な説明を省略
する。
【００２３】実施の形態２の絶縁基板１５の両面上に
は、実施の形態１と同様に、金属パターン１４ａ，１４
ｂが形成されているが、下側の金属パターン１４ｂを絶
縁基板１５よりも大きくして、段差部１８が形成されて
いる。一方、実施の形態２のケース１０は、この段差部
１８と対応する形状と大きさを有し、段差部１８に当接
する当接部２８を有する。また、上述のように、実施の
形態２のパワーデバイス１はベース板３０を有さず、絶
縁基板１５の下側の金属パターン１４ｂは、ベース板３
０を介することなく、段差部１８と当接部２８の間に配
置された接着剤（図示せず）を用いて、ケース１０に直
接的に固定される。
【００２４】こうして構成されたパワーデバイス１は、
実施の形態１のそれと比べて、ベース板３０を省略した
分だけ薄くすることができ、厚み方向においてもより小
型化することができる。
【００２５】変形例１．上述の実施の形態１において絶
縁材料で構成された取り付けねじ６０の代わりに、金属
ねじと、絶縁材料からなる軸受（ブッシュ）を用いた変
形例１について、図６を参照しながら説明する。上述の
ように、取り付けねじ６０は、主電極１１と放熱フィン
５０の間の電気的導通を防止できれば、任意の形態を有
することができる。図６において、変形例１のねじ６４
は、金属で構成されており、ブスバー４０との間に、平
座金（ワッシャ）６５と、エンジニアリング・プラスチ
ック、セラミックまたはゴムなどの絶縁材料で構成され
た絶縁ブッシュ６６とが配置されている。また、この絶
縁ブッシュ６６は、主電極１１を超えて下方向に延びて
おり、金属ねじ６４と主電極１１の間、および金属ねじ
６４とブスバー４０の間を電気的に絶縁するので、主電
極１１と放熱フィン５０の間の電気的導通を阻止するこ
とができる。なお、当業者には容易に理解されるが、変
形例１は、上述の実施の形態１および２の両方に適用す
ることができる。
【００２６】変形例２．さらに、上述の実施の形態２に
おいて絶縁材料で構成された絶縁ねじ６０の代わりに、
金属ねじと、絶縁材料からなる保持部を用いた変形例２
について、図７を参照しながら以下に説明する。図７に
おいて、取り付けねじ６４は金属からなるが、これを保
持するナット５４は絶縁材料で構成されている。また、
この絶縁ナット５４は、放熱フィン５０に埋め込まれて
おり、図示しない接着剤でこれに固定されている。この
絶縁ナット５４は、金属ねじ６４と放熱フィン５０の間
を電気的に絶縁できるので、主電極１１と放熱フィン５
０の間の電気的導通を防止する。
【００２７】また、変形例２は、基本的には、上述の実
施の形態１および２の両方に適用することができるが、
これを実施の形態１に適用する場合、金属ねじ６４とベ
ース板３０が接触しないように、ベース板３０のベース
板貫通孔２ｃを金属ねじ６４の直径に比して十分大きく
設計する必要がある。
【００２８】
【発明の効果】請求項１に記載の本発明によれば、ケー
ス貫通孔および接続部貫通孔を貫通する取り付けねじを
用いて、この電力用半導体モジュールを放熱金属部に取
り付けると同時に、通電部を外部接続部に接続すること
ができるので、周辺装置へのアセンブリ、および通電部
と外部接続部の間の外部接続に要する時間を半減させる
ことができる。また、従来の電力用半導体モジュールに
比べて、デッドスペースをなくすとともに、部品点数を
削減したので、小型で、構造がより簡単で、しかも製造
コストが安価な電力用半導体モジュールを提供すること
ができる。
【００２９】請求項２に記載の本発明によれば、金属板
貫通孔、ケース貫通孔、および接続部貫通孔を貫通する
取り付けねじを用いて、この電力用半導体モジュールを
放熱金属部に取り付けるとともに、通電部を外部接続部
に接続することができる。同様に、周辺装置へのアセン
ブリ、および通電部と外部接続部の間の外部接続に要す
る時間を半減できるとともに、小型で、構造がより簡単
で、しかも製造コストが安価な電力用半導体モジュール
を提供することができる。
【００３０】請求項３に記載の本発明によれば、支持金
属板を省略したので、厚み方向においてもより小型化し
た電力用半導体モジュールを提供することができる。
【００３１】請求項４に記載の本発明によれば、絶縁手
段により、金属製取り付けねじと、通電部の間を電気的
に絶縁しつつ、取り付けねじを金属で構成して、その強
度を確保することができる。
【００３２】請求項５に記載の本発明によれば、金属取
り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保持部が、放熱
金属部に埋設されているので、金属製取り付けねじと、
放熱金属部の間を電気的に絶縁しつつ、取り付けねじを
金属で構成して、その強度を確保することができる。
【００３３】請求項６に記載の本発明によれば、取り付
けねじが絶縁性を有するので、別体の絶縁部品が不要と
なり、組み立てが容易となるだけでなく、アセンブリ時
の絶縁部品の取り付け忘れによる事故の可能性を排除す
ることができる。このように、事故防止に関する信頼性
を高めることができる極めて優れて電力用半導体モジュ
ールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る実施の形態１の電力用
半導体モジュールの斜視図である。
【図２】 図２は、図１のII−II線から見た断面図であ
って、この電力用半導体モジュールがブスバーおよび放
熱フィンに組み込まれる前の状態を示す。
【図３】 図３は、図２と同様の断面図であって、この
電力用半導体モジュールがブスバーおよび放熱フィンに
組み込まれた後の状態を示す。
【図４】 図４は、ブスバーおよび放熱フィンに組み込
まれた後の電力用半導体モジュールの平面図である。
【図５】 図５は、本発明に係る実施の形態２の電力用
半導体モジュールを示す図２と同様の断面図である。
【図６】 図６は、本発明の変形例１の電力用半導体モ
ジュールの金属ねじおよび絶縁スペーサを示す断面図で
ある。
【図７】 図７は、本発明の変形例２の電力用半導体モ
ジュールの金属ねじおよび絶縁保持部を示す断面図であ
る。
【図８】 図８は、従来の電力用半導体モジュールの斜
視図である。
【図９】 図９は、図８のIX−IX線から見た断面図であ
って、この電力用半導体モジュールがブスバーおよび放
熱フィンに組み込まれた後の状態を示す。
【図１０】 図１０は、ブスバーおよび放熱フィンに組
み込まれた後の電力用半導体モジュールの平面図であ
る。
【符号の説明】 １…パワーデバイス（電力用半導体モジュール）、２…
貫通孔、２ａ…主電極貫通孔、２ｂ…ケース貫通孔、２
ｃ…ベース板貫通孔、１０…ケース、１１…主電極（外
部接続部）、１４ａ，１４ｂ…金属パターン、１５…絶
縁基板、１６，１７…半田、１８…段差部、２０…電力
用半導体素子、２３…金属ワイヤ、２４…シリコンゲ
ル、２５…エポキシ樹脂、２６…蓋、２８…当接部、３
０…ベース板（通電部）、４０…ブスバー（通電部）、
４２…ブスバー貫通孔、５０…放熱フィン、５２…保持
部、５４…絶縁受容部（ナット）、６０…絶縁ねじ、６
４…金属ねじ、６５…平座金（ワッシャ）、６６…絶縁
軸受（ブッシュ）。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力用半導体モジュールであって、 表面および裏面を有する樹脂製ケースと、 前記樹脂製ケースに収納された絶縁基板と、 前記絶縁基板の対向する主面上に形成された金属箔と、
    前記絶縁基板の一方の金属箔上に搭載された電力用半導
    体素子と、 前記樹脂製ケースの表面に沿って延び、裏面に向かって
    折り曲げられた、前記電力用半導体素子に電源供給する
    ための外部接続部とを備え、 前記樹脂製ケースは、その表面から裏面まで貫通するケ
    ース貫通孔を有し、 前記外部接続部は、前記ケース貫通孔と位置合わせさ
    れ、かつ同軸上に形成された接続部貫通孔を有すること
    を特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の電力用半導体モジュー
    ルであって、 前記絶縁基板の他方の金属箔を支持し、前記樹脂製ケー
    スの裏面に固定された支持金属板をさらに備え、 前記支持金属板は、前記ケース貫通孔と位置合わせさ
    れ、かつ同軸上に形成された金属板貫通孔を有すること
    を特徴とする電力用半導体モジュール。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の電力用半導体モジュー
    ルであって、 前記樹脂製ケースの裏面において、前記絶縁基板の他方
    の金属箔が該樹脂製ケースに固定されたことを特徴とす
    る電力用半導体モジュール。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の電力用半導体モジュー
    ルであって、 前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成
    された通電部貫通孔を有する通電部と、 前記通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔
    を貫通して延びる金属製取り付けねじと、 前記金属製取り付けねじおよび前記通電部の間を電気的
    に絶縁するための絶縁手段とをさらに備えることを特徴
    とする電力用半導体モジュール。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の電力用半導体モジュー
    ルであって、 前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成
    された通電部貫通孔を有する通電部と、 前記通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔
    を貫通して延びる金属製取り付けねじと、 前記金属製取り付けねじの一端部を保持する絶縁性の保
    持部が埋設された放熱金属部とをさらに備えることを特
    徴とする電力用半導体モジュール。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の電力用半導体モジュー
    ルであって、 前記ケース貫通孔と位置合わせされ、かつ同軸上に形成
    された通電部貫通孔を有する通電部と、 前記通電部貫通孔、接続部貫通孔、およびケース貫通孔
    を貫通して延びる絶縁性を有する絶縁取り付けねじとを
    さらに備えることを特徴とする電力用半導体モジュー
    ル。
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