JP2016144377A - Dc side wiring board of power module and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電気自動車・ハイブリット自動車用などのパワーモジュール（インバータ或いはコンバータ）を外部機器或いは直流電力配線ケーブルに接続するためのパワーモジュールの直流側配線基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a DC module wiring board of a power module for connecting a power module (inverter or converter) for an electric vehicle / hybrid vehicle to an external device or a DC power wiring cable, and a method for manufacturing the same.
従来より、電気自動車・ハイブリット自動車の駆動用（走行用）モータの制御は、直流電力を交流電力に変換するインバータユニットで行っている。図１１は、従来技術に基づく一般的なインバータユニットを説明する図である（例えば、特許文献１参照）。図示のように、商用電源をコンバータで変換した直流電力（或いはバッテリから入力される直流電力）は平滑コンデンサーで平滑した後、インバータに入力される。インバータを構成するFET（Field effect transistor）とかIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを使ったパワースイッチング素子は、直流電力をスイッチングすることにより３相出力を得ている。平滑コンデンサーは、負荷であるインバータの正側と負側の端子間に接続され、コンバータからインバータへ給電される入力電圧を平滑化する。 Conventionally, the drive (running) motor of an electric vehicle / hybrid vehicle is controlled by an inverter unit that converts DC power into AC power. FIG. 11 is a diagram for explaining a general inverter unit based on the prior art (see, for example, Patent Document 1). As shown in the figure, DC power obtained by converting a commercial power source with a converter (or DC power input from a battery) is smoothed by a smoothing capacitor and then input to an inverter. A power switching element using a field effect transistor (FET) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT) constituting an inverter obtains a three-phase output by switching DC power. The smoothing capacitor is connected between the positive and negative terminals of the inverter, which is a load, and smoothes the input voltage supplied from the converter to the inverter.
図１２は、従来技術に基づき配置した平滑コンデンサーとパワーモジュールとの接続配置関係を示す斜視図である。電気自動車・ハイブリット自動車の発電機や電動機は、３相入力又は出力のものが多く、パワー素子を複数個組み合わせて、コンバートまたはインバートして、発電制御や電動機制御を行っている。パワー素子を複数個使う場合、例えば３相のインバータ或いはコンバータは、それぞれ６素子のパワー素子（チップ）を１つのパッケージに封入してパワーモジュールを構成している。平滑コンデンサー（スイッチングにより発生するサージ成分を吸収してサージ低減を図るスナバコンデンサー兼用）は、ケースに収容してエポキシ樹脂が充填されている。この平滑コンデンサーは、筐体に対して取付部で固定されている。パワーモジュールの直流電力端子（P端子、N端子）は、平滑コンデンサーの外部接続用の一対の端子（P端子、N端子）に接続されている。パワーモジュールのプラス（Ｐ）側端子及びマイナス（Ｎ）側端子は、絶縁耐圧を確保する為に相互に距離を離して配置する必要がある。 FIG. 12 is a perspective view showing a connection arrangement relationship between a smoothing capacitor and a power module arranged based on the conventional technology. Many generators and motors of electric vehicles / hybrid vehicles have three-phase inputs or outputs, and a plurality of power elements are combined and converted or inverted to perform power generation control or motor control. In the case of using a plurality of power elements, for example, each of three-phase inverters or converters constitutes a power module by enclosing six power elements (chips) in one package. A smoothing capacitor (also used as a snubber capacitor that absorbs a surge component generated by switching to reduce surge) is housed in a case and filled with an epoxy resin. The smoothing capacitor is fixed to the housing with an attachment portion. The DC power terminals (P terminal, N terminal) of the power module are connected to a pair of terminals (P terminal, N terminal) for external connection of the smoothing capacitor. The positive (P) side terminal and the negative (N) side terminal of the power module need to be arranged at a distance from each other in order to ensure withstand voltage.
図１３は、従来技術により構成したパワーモジュール配線基板を示す斜視図であり、図１４は、そのパワーモジュール配線基板の正面図（Ａ）、ＰＮ端子側側面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）をそれぞれ示している。図示のパワーモジュール配線基板は、チップ搭載絶縁基板（チップ自体の図示は省略）と、その交流側に接続される交流側端子バスバーと、直流側に接続される直流側端子バスバーとから構成される。交流側端子バスバーには、外部接続用の交流端子（Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子）が折り曲げ加工により一体に形成されている。従来、複数個のパワーチップを一つのパッケージに封入したパワーモジュールの直流側端子バスバーは、銅にめっきを行ったバスバータイプの直流側バスバーＰ，Ｎ、及びこのバスバーＰ，Ｎを折り曲げて加工した外部接続端子（Ｐ端子とＮ端子）と、チップ搭載絶縁基板に接続された内部接続端子から構成される。この直流側端子バスバーは、内部の素子と外部接続機器の間に接続される為に、モジュールレイアウトの関係により直流側バスバー（Ｐ、Ｎ）を直角に曲げて加工する必要がある。また、パワーモジュールの外部接続端子（Ｐ端子とＮ端子）は、絶縁耐圧を確保する為に距離を離して配置する必要がある。 FIG. 13 is a perspective view showing a power module wiring board constructed according to the prior art, and FIG. 14 is a front view (A), a PN terminal side view (B), and a side view (C) of the power module wiring board. Respectively. The illustrated power module wiring board includes a chip mounting insulating substrate (the chip itself is not shown), an AC side terminal bus bar connected to the AC side, and a DC side terminal bus bar connected to the DC side. . An AC terminal (U terminal, V terminal, W terminal) for external connection is integrally formed on the AC terminal bus bar by bending. Conventionally, a DC side terminal bus bar of a power module in which a plurality of power chips are enclosed in one package is processed by bending the bus bar type DC side bus bars P and N plated with copper and the bus bars P and N. It consists of external connection terminals (P terminal and N terminal) and internal connection terminals connected to the chip mounting insulating substrate. Since this DC side terminal bus bar is connected between the internal element and the external connection device, it is necessary to bend and process the DC side bus bar (P, N) at right angles according to the module layout. In addition, the external connection terminals (P terminal and N terminal) of the power module need to be arranged at a distance from each other in order to ensure withstand voltage.
パワーモジュールの外部接続プラス側（Ｐ）端子及びマイナス側（Ｎ）端子には、平滑コンデンサーや直流電力配線ケーブルが接続される。それらとパワーモジュール構成素子（チップ）間の配線インダクタンス成分は、スイッチング時のサージ電圧に影響を及ぼす。従って、極力インダクタンス成分を低減する事が必要であり、これはスイッチング素子の信頼性（素子の絶対最大定格を越えない、ストレスを与えない）を保つ上でも大変重要な事である。 A smoothing capacitor and a DC power wiring cable are connected to the external connection positive side (P) terminal and negative side (N) terminal of the power module. The wiring inductance component between them and the power module component (chip) affects the surge voltage during switching. Therefore, it is necessary to reduce the inductance component as much as possible, and this is very important for maintaining the reliability of the switching element (not exceeding the absolute maximum rating of the element and applying no stress).
このように、従来、パワーモジュールの直流側端子バスバーは、銅のバスバー構成で、レイアウト上バスバーを直角に曲げて加工している為に、配線インダクタンス成分を低減させる為には限界がある。これは、本来配線インダクタンスを低減させるためには、プラス側の端子とマイナス側の端子を重ねて（積層）配線する等の方法があるが、絶縁耐圧を確保する為に重ねて（積層）配線する事が出来ないと言う事に課題があり、インダクタンス低減に限界があった。要するに、従来の技術では、直流側バスバーＰ，Ｎの間には絶縁層を介在させることができるものの、端子部（プラス側の端子とマイナス側の端子）自体の間は絶縁距離を確保する為に、絶縁層を介在させることができなかったと言う欠点があった。 Thus, conventionally, the DC side terminal bus bar of the power module has a copper bus bar configuration, and the bus bar is bent at a right angle in the layout, so that there is a limit in reducing the wiring inductance component. In order to reduce wiring inductance originally, there is a method of wiring (stacking) with the plus side terminal and the minus side terminal being overlapped (stacking). There was a problem in saying that it was not possible to do so, and there was a limit to inductance reduction. In short, in the conventional technology, an insulating layer can be interposed between the DC side bus bars P and N, but in order to ensure an insulation distance between the terminal portions (plus side terminal and minus side terminal) itself. In addition, there was a drawback that an insulating layer could not be interposed.
それ故に、本発明は、従来パワーモジュールの直流側端子バスバーを構成する銅のバスバーを、大電流を流す事が出来る多層基板に変更して、その基板を曲げて配線することにより従来のレイアウトを変更しないで、端子部分の絶縁距離又は絶縁耐圧を確保しつつ、端子部分の積層化を行い、パワーモジュール内部の配線インダクタンスを低減する事を目的としている。 Therefore, the present invention changes the copper bus bar constituting the DC terminal bus bar of the conventional power module to a multilayer board capable of flowing a large current, and bends the wiring so that the conventional layout is provided. The purpose of this is to reduce the wiring inductance inside the power module by stacking the terminal portions while ensuring the insulation distance or withstand voltage of the terminal portions without changing.
本発明のパワーモジュールの直流側配線基板は、交流出力を入力して直流電力を出力するパワーモジュール、又は直流電力を得て交流出力するパワーモジュールの直流側を、該パワーモジュールに併置した外部機器或いは直流電力配線ケーブルに接続する。この直流側配線基板は、内部接続側でチップ搭載基板と接続する内部接続用の端子と、前記外部機器或いは前記直流電力配線ケーブルに接続するための外部接続用の端子とを有する。導電性金属の基板表面パターンと導電性金属の基板裏面パターンのそれぞれが前記内部接続用の端子及び前記外部接続用の端子、及びそれらを結合する導電性金属プレートを形成し、かつ、前記内部接続用の端子及び前記外部接続用の端子部分を含めて前記基板表面パターンと前記基板裏面パターンの間に絶縁層を挟んだ積層構成を形成する。前記内部接続用の端子と前記外部接続用の端子が互いに逆方向を向くように、前記積層構成の各端子部分をそれぞれ略直角に折り曲げて構成する。 The DC side wiring board of the power module of the present invention is a power module that inputs AC output and outputs DC power, or an external device in which the DC side of a power module that acquires DC power and outputs AC is juxtaposed with the power module. Alternatively, it is connected to a DC power wiring cable. This DC side wiring board has an internal connection terminal connected to the chip mounting board on the internal connection side, and an external connection terminal connected to the external device or the DC power wiring cable. Each of the conductive metal substrate front surface pattern and the conductive metal substrate back surface pattern forms the internal connection terminal and the external connection terminal, and a conductive metal plate for coupling them, and the internal connection A laminated structure is formed in which an insulating layer is sandwiched between the substrate front surface pattern and the substrate back surface pattern including the terminal for external use and the terminal portion for external connection. Each terminal portion of the stacked structure is configured to be bent at a substantially right angle so that the internal connection terminal and the external connection terminal face in opposite directions.
前記基板表面パターンは、絶縁層の表側に、プラス側導電性金属プレートと一体の外部接続用プラス端子、及び内部接続用プラス端子が形成されると共に、外部接続用マイナス端子と内部接続用のマイナス端子の表側を分離して形成する。前記基板裏面パターンは、絶縁層の裏側に、マイナス側導電性金属プレートと一体の外部接続用マイナス端子、及び内部接続用マイナス端子が形成されると共に、外部接続用プラス端子の裏側も形成される。 The substrate surface pattern is formed with a positive terminal for external connection and a positive terminal for internal connection formed on the front side of the insulating layer, and a negative terminal for external connection and a negative terminal for internal connection. The front side of the terminal is formed separately. The substrate back surface pattern is formed on the back side of the insulating layer with a negative terminal for external connection integrated with the negative side conductive metal plate and a negative terminal for internal connection, and also the back side of the positive terminal for external connection. .
前記絶縁層の表側と裏側に対応して形成した端子は、端子位置に対応して貫通孔を設けて、ねじ締め用のねじ又はリペット接続によって表面と裏面の間で接続する。前記プラス側導電性金属プレート及びマイナス側導電性金属プレートを折り曲げた箇所をそのまま外部接続用或いは内部接続用の端子として使用するか、又は、端子に対応した穴を前記絶縁層にあけて裏面の導電性金属プレートをそのまま露出させてそこをパッドとして使うか、或いは、表面に前記外部接続用或いは内部接続用の端子と同じサイズの導電性金属板を貼り付け接合してそこをパッドとして使用する。 The terminal formed corresponding to the front side and the back side of the insulating layer is provided with a through hole corresponding to the terminal position, and is connected between the front surface and the back surface by a screw for screw tightening or reppet connection. The portion where the plus-side conductive metal plate and the minus-side conductive metal plate are bent is used as it is as a terminal for external connection or internal connection, or a hole corresponding to the terminal is formed in the insulating layer to form a back surface. Either expose the conductive metal plate as it is and use it as a pad, or attach a conductive metal plate of the same size as the external connection or internal connection terminal to the surface and use it as a pad .
前記積層構成は、内部接続側でチップを搭載したチップ搭載基板に接続すると共に、該チップ搭載基板をさらに交流側端子バスバーに接続して構成したパワーモジュール配線基板の全体を、樹脂ケース内に装着して、樹脂又はゲルを封止することによりパワーモジュールを構成する。前記導電性プレートの上に、樹脂で埋もれないだけの厚さを持った別の導電性金属プレートを接合する。 The laminated structure is connected to the chip mounting board on which the chip is mounted on the internal connection side, and the entire power module wiring board configured by connecting the chip mounting board to the AC side terminal bus bar is mounted in the resin case. And a power module is comprised by sealing resin or a gel. On the conductive plate, another conductive metal plate having a thickness that cannot be buried with resin is bonded.
前記積層構成は、貼り合わせ或いはインサート成型によって作成するか、又は、電着塗装絶縁材料技術を用いて各端子に絶縁コーティングを施したのち接着剤を用いて貼り合わせて作成する。前記絶縁層は、折り曲げが可能で絶縁耐圧が確保できるシリカフィラーを用いた熱伝導性接着シート、又は、シリコンシート或いはアルミナフィラーを用いたシートである。又は、絶縁耐圧が高く尚且つ厚さが薄く折り曲げにより絶縁耐圧が劣化しない材質、例えばポリミドやシリコンなどを材料としたシートなどもそれに適用できる。 The laminated structure is formed by bonding or insert molding, or is formed by applying an insulating coating to each terminal using an electrodeposition coating insulating material technique and then bonding using an adhesive. The insulating layer is a heat conductive adhesive sheet using a silica filler that can be bent and can ensure a withstand voltage, or a sheet using a silicon sheet or an alumina filler. Alternatively, a material having a high withstand voltage and a thin thickness that does not deteriorate the withstand voltage due to bending, such as a sheet made of polyimide, silicon, or the like, can be applied thereto.
前記積層構成の曲げ部分については、基板表面パターンと基板裏面パターンを削り厚さを薄くして、絶縁層に外力がかからない様にすると共に、曲げ角の自由度を確保する方法を用いて折り曲げを行うか、又は、穴を開けて曲げるときの応力を低減する方法と併用もしくは、それ単独で行う。前記絶縁層表面のプラス側導電性金属プレートと、絶縁層裏面のマイナス側導電性金属プレートは、表面と裏面でプレート金属が重なるようにオーバーラップさせている。 For the bent portion of the laminated structure, the substrate surface pattern and the substrate back surface pattern are shaved to reduce the thickness so that an external force is not applied to the insulating layer, and the bending is performed using a method for ensuring the flexibility of the bending angle. It is performed in combination with a method for reducing stress when a hole is bent or bent, or by itself. The positive side conductive metal plate on the surface of the insulating layer and the negative side conductive metal plate on the back surface of the insulating layer are overlapped so that the plate metal overlaps on the front surface and the back surface.
また、本発明の車両用パワーモジュールの直流側配線基板の製造方法は、導電性金属の基板表面パターンと導電性金属の基板裏面パターンのそれぞれが、内部接続側でチップ搭載基板と接続する内部接続用の端子と、前記外部機器或いは前記直流電力配線ケーブルに接続するための外部接続用の端子と、それらを結合する導電性金属プレートを形成する。前記内部接続用の端子及び前記外部接続用の端子部分を含めて前記基板表面パターンと前記基板裏面パターンの間に絶縁層を挟んだ積層構成を形成する。前記内部接続用の端子と前記外部接続用の端子が互いに逆方向を向くように、前記積層構成の各端子部分をそれぞれ略直角に折り曲げて構成する。 Further, the method for manufacturing a DC side wiring board of the vehicle power module according to the present invention includes an internal connection in which each of the conductive metal substrate surface pattern and the conductive metal substrate back surface pattern is connected to the chip mounting substrate on the internal connection side. A terminal for external connection, a terminal for external connection for connecting to the external device or the DC power wiring cable, and a conductive metal plate for connecting them. A laminated structure is formed in which an insulating layer is sandwiched between the substrate front surface pattern and the substrate back surface pattern including the internal connection terminals and the external connection terminal portions. Each terminal portion of the stacked structure is configured to be bent at a substantially right angle so that the internal connection terminal and the external connection terminal face in opposite directions.
（１）本発明によれば、パワーモジュールの外部接続用及び内部接続用のプラス端子及びプレートと、外部接続用及び内部接続用のマイナス端子及びプレートは絶縁層を挟んで積層構造にする事が出来るために、パワーモジュール内の配線インダクタンスを低減する事が出来る。これによって、スイッチングサージを低減する事が出来て、スイッチング素子のストレスを低減出来る。 (1) According to the present invention, the positive terminal and plate for external connection and internal connection of the power module and the negative terminal and plate for external connection and internal connection may be laminated with an insulating layer interposed therebetween. Since this is possible, the wiring inductance in the power module can be reduced. As a result, the switching surge can be reduced, and the stress of the switching element can be reduced.
（２）また、本発明によれば、サージを低減する事が出来る為に、素子絶対最大定格に対するマージンが大きくなる。また、同一サージマージンとした場合には、平滑電圧（バッテリ電圧）の入力電圧範囲を広げる事が出来る。 (2) Further, according to the present invention, since the surge can be reduced, the margin for the element absolute maximum rating is increased. Further, when the same surge margin is used, the input voltage range of the smoothing voltage (battery voltage) can be expanded.
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明のパワーモジュールの直流側配線基板を使用することができる自動車用インバータシステムの概略全体構成を例示する図である。自動車用インバータシステムを、HEV（ハイブリッド電気自動車）用を例として説明する。なお、本発明は、自動車用インバータシステム以外にも、例えばFA（Factory Automation）用や白物家電のエアコンや洗濯機などモータ駆動や太陽光発電などのパワーコンディショナーなどのインバータコンバータなどに使うパワーモジュール、或いはパワー素子を複数個使って、DC電源や負荷を複数個のスイッチでスイッチングする用途の為に作られたパワーモジュールにも適用できる。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic overall configuration of an automotive inverter system that can use a DC side wiring board of a power module of the present invention. The inverter system for automobiles will be described by taking HEV (hybrid electric vehicle) as an example. In addition to the inverter system for automobiles, the present invention is a power module used for inverter converters such as power conditioners such as motor drives and solar power generators such as air conditioners and washing machines for FA (Factory Automation) and white goods. Alternatively, it can be applied to a power module made for the purpose of switching a DC power source or a load with a plurality of switches using a plurality of power elements.
図１において、モータ駆動用インバータは、負荷としての駆動モータを制御する。このインバータは、制御ユニットの制御に基づき、直流電力配線ケーブルにより接続されたバッテリ電源、又はエンジン駆動の高速回転の発電機からの発電用コンバータ出力電力をインバータのスイッチング素子により３相出力に変換している。発電用コンバータは、エンジン始動インバータを兼ねている。バッテリ管理システムは、バッテリ電流センサで検出した電流値及びバッテリ電源電圧値に基づき、バッテリ電源のプラス側及びマイナス側にそれぞれ接続された＋側リレー及び−側リレーをオンオフ制御する。 In FIG. 1, a motor drive inverter controls a drive motor as a load. Based on the control of the control unit, this inverter converts the converter power output for power generation from a battery power source connected by a DC power wiring cable or a high-speed generator driven by an engine into a three-phase output by a switching element of the inverter. ing. The power generation converter also serves as an engine start inverter. The battery management system performs on / off control of the positive side relay and the negative side relay connected to the positive side and the negative side of the battery power source based on the current value detected by the battery current sensor and the battery power supply voltage value, respectively.
モータ駆動用インバータは、直流電力を交流電力に変換して駆動モータに供給すると共に、駆動モータを回生制動させた際の発電電力（交流電力）を直流電力へと変換する機能も果たしている。モータ駆動用インバータの正側と負側の端子間にはコンデンサー素子（フィルムコンデンサー又はセラミックスコンデンサーなどの低いESR（等価直列抵抗）とESL（等価直列インダクタンス）特性を有するコンデンサー）からなる平滑コンデンサーが、モータ側及び発電機側にそれぞれ接続されていて、インバータへの供給電力の直流の平滑化と、インバータのスイッチングにより発生するサージ成分の吸収（サージ低減＝スナバ回路）を行っている。 The motor drive inverter also converts DC power into AC power and supplies it to the drive motor, and also functions to convert generated power (AC power) when the drive motor is regeneratively braked into DC power. Between the positive and negative terminals of the motor drive inverter, a smoothing capacitor consisting of a capacitor element (a capacitor having low ESR (equivalent series resistance) and ESL (equivalent series inductance) characteristics such as a film capacitor or a ceramic capacitor) is provided. Connected to the motor side and the generator side, respectively, smoothes the direct current of the power supplied to the inverter and absorbs the surge component generated by switching of the inverter (surge reduction = snubber circuit).
本発明は、図１に例示したようなハイブリット自動車とか電気自動車などの車両用駆動モータに３相交流出力するモータ駆動用インバータの直流側、或いは、エンジン駆動の発電機からの３相交流出力を入力して、直流電力を出力する発電用コンバータの直流側を、平滑コンデンサーなどの外部機器或いは直流電力配線ケーブルに接続するための直流側配線基板を例として説明する。本発明のパワーモジュールは、これらインバータ或いはコンバータのいずれも包含する用語として用いている。 The present invention provides a three-phase AC output from a DC side of a motor driving inverter that outputs a three-phase AC to a vehicle driving motor such as a hybrid vehicle or an electric vehicle illustrated in FIG. 1 or an engine-driven generator. A DC side wiring board for connecting the DC side of a power generating converter that inputs and outputs DC power to an external device such as a smoothing capacitor or a DC power wiring cable will be described as an example. The power module of the present invention is used as a term encompassing both the inverter and the converter.
図２は、本発明を構成する直流側配線基板を含むパワーモジュール配線基板の全体構成を示す斜視図であり、図３は、そのパワーモジュール配線基板の全体構成を示す正面図（Ａ）、ＰＮ端子側側面図（Ｂ）、及び側面図（Ｃ）である。例示のパワーモジュール配線基板は、複数個のチップ搭載絶縁基板（チップ自体の図示は省略）と、その交流側に接続される交流側端子バスバーと、直流側に接続される本発明の特徴とする直流側配線基板とから構成される。交流側端子バスバーには、従来技術に基づき、外部接続用の交流端子（Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子）を折り曲げ加工により一体に形成することができる。このパワーモジュール配線基板の全体は、樹脂ケース内に装着した後、樹脂又はゲル（シリコン）を封止することによりパワーモジュールが完成する。 FIG. 2 is a perspective view showing an overall configuration of a power module wiring board including a DC side wiring board constituting the present invention, and FIG. 3 is a front view (A) showing the overall configuration of the power module wiring board, PN They are a terminal side side view (B) and a side view (C). An exemplary power module wiring board is characterized by a plurality of chip-mounted insulating boards (the chip itself is not shown), an AC-side terminal bus bar connected to the AC side, and the present invention connected to the DC side. And a DC side wiring board. On the AC side terminal bus bar, AC terminals for external connection (U terminal, V terminal, W terminal) can be integrally formed by bending processing based on the prior art. After the entire power module wiring board is mounted in a resin case, the power module is completed by sealing resin or gel (silicon).
チップ搭載絶縁基板にはパワー素子（チップ）（図示省略）を実装している。このチップ搭載絶縁基板と、交流側端子バスバーと、直流側配線基板の間は、リボンボンダ（又はワイヤーボンダ）により配線されている。直流側配線基板には、外部接続用の一対の端子（P端子とN端子）と、内部接続用の３対の端子（P端子とN端子）が形成される。本発明は、内部接続側でチップ搭載絶縁基板と接続し、かつ、外部接続側に一対の端子（P端子とN端子）を有する直流側配線基板の構成に特徴を有している。なお、本明細書において、Ｐはプラスを、Ｎはマイナスを表しているが、Ｐ，Ｎを図の例示とは逆にすることも可能である。以下、この直流側配線基板について、さらに詳述する。 A power element (chip) (not shown) is mounted on the chip mounting insulating substrate. The chip mounting insulating substrate, the AC side terminal bus bar, and the DC side wiring substrate are wired by a ribbon bonder (or wire bonder). A pair of terminals for external connection (P terminal and N terminal) and three pairs of terminals for internal connection (P terminal and N terminal) are formed on the DC side wiring board. The present invention is characterized by the configuration of a DC side wiring board that is connected to the chip mounting insulating substrate on the internal connection side and has a pair of terminals (P terminal and N terminal) on the external connection side. In this specification, P represents plus and N represents minus. However, P and N may be reversed from the illustrations in the figure. Hereinafter, this DC side wiring board will be described in more detail.
図４は、本発明の特徴とする直流側配線基板の製造を説明する図であり、（Ａ）は基板表面パターンを、（Ｂ）は基板裏面パターンを、（Ｃ）は基板絶縁層を挟んで基板表面パターンと基板裏面パターンを積層した状態で示す展開図である。（Ｃ）の展開図に示す状態の後、図中に点線で示す折り曲げ部で折り曲げる事により、直流側配線基板が完成する事になる。直流側配線基板は、大電流を流すために銅の厚みが厚いので、従来、銅の板を折り曲げて作成するバスバータイプのものが使われている。バスバータイプ基板の場合には、絶縁層がガラスエポキシ等の材質であるために折り曲げ加工が出来ないが、例示の直流側配線基板は、基板表面パターンと基板裏面パターンが折り曲げ可能のフレキシブル絶縁層を挟む形の積層構成である。 4A and 4B are diagrams for explaining the manufacture of a DC side wiring board, which is a feature of the present invention. FIG. 4A shows a substrate surface pattern, FIG. 4B shows a substrate back surface pattern, and FIG. 4C shows a substrate insulating layer. FIG. 3 is a development view showing a state in which a substrate front surface pattern and a substrate back surface pattern are stacked. After the state shown in the development view of (C), the DC side wiring board is completed by bending at the bent portion indicated by the dotted line in the drawing. Since the direct current side wiring board has a large thickness of copper in order to pass a large current, a bus bar type which is formed by bending a copper plate is conventionally used. In the case of a bus bar type substrate, since the insulating layer is made of glass epoxy or the like, it cannot be bent, but the example DC side wiring substrate has a flexible insulating layer in which the substrate surface pattern and the substrate back surface pattern can be bent. It is a laminated structure of sandwiching shape.
図４（Ａ）の基板表面パターンに示すように、絶縁層の表側に、プラス（P）側導電性金属プレートと一体の外部接続用P端子（表側）、及び３個の内部接続用Ｐ端子が形成されると共に、外部接続用N端子と内部接続用の３個のN端子の表側も分離して形成される。また、図４（Ｂ）の基板裏面パターンに示すように、絶縁層の裏側には、マイナス（N）側導電性金属プレートと一体の外部接続用N端子（裏側）、及び３個の内部接続用Ｎ端子が形成されると共に、外部接続用P端子の裏側も形成される。基板表面パターン及び基板裏面パターンは、導電性金属材料であり、銅製が望ましい。 As shown in the substrate surface pattern of FIG. 4A, on the front side of the insulating layer, an external connection P terminal (front side) integrated with the plus (P) side conductive metal plate, and three internal connection P terminals And the front side of the N terminal for external connection and the three N terminals for internal connection are also formed separately. Also, as shown in the substrate backside pattern in FIG. 4B, on the back side of the insulating layer, the negative (N) side conductive metal plate and the external connection N terminal (back side), and three internal connections The N terminal is formed, and the back side of the external connection P terminal is also formed. The substrate surface pattern and the substrate back surface pattern are conductive metal materials, and are preferably made of copper.
表面では、P側プレートを折り曲げた箇所をそのまま外部接続用及び内部接続用のＰ端子として使用可能である。表面において、Ｎ端子は、Ｎ端子に対応した穴を絶縁層にあけて裏面のN側プレートをそのまま露出させてそこをパッドとして使うことも可能であるが、例示のＮ端子は、N端子部分の絶縁層を取り除き、表面に同じサイズの銅板を貼り付け接合（半田接合や超音波接合、導電性接着剤などにより電気的導通のある接合）してそこをパッドとして使用する。また、絶縁層を挟んだ表端子と裏端子を電気的に接続するために、端子位置に対応して貫通孔を開けて、締め付けねじやリペット接続を用いた方法でも可能である。これによって、中央に貫通孔の開いた外部接続用のP端子及びN端子がそれぞれ、絶縁層の両面側に露出することになる。同様に、内部接続用のＮ端子を表面と裏面の間で接続するために、ねじ締め或いはリペット締めのための貫通孔を設けることができる。或いは、導電性の金属や樹脂等をこの孔に埋めて導通の目的で使う事も可能である。 On the surface, the portion where the P-side plate is bent can be used as it is as a P terminal for external connection and internal connection. On the front surface, the N terminal can be used as a pad by opening a hole corresponding to the N terminal in the insulating layer and exposing the N-side plate on the back surface as it is. After removing the insulating layer, a copper plate of the same size is attached to the surface and bonded (solder bonding, ultrasonic bonding, bonding with electrical conduction by a conductive adhesive, etc.) and used as a pad. Further, in order to electrically connect the front terminal and the rear terminal with the insulating layer interposed therebetween, a method using a fastening screw or a reppet connection by opening a through hole corresponding to the terminal position is also possible. As a result, the P terminal and the N terminal for external connection having a through hole in the center are exposed on both sides of the insulating layer. Similarly, in order to connect the N terminal for internal connection between the front surface and the back surface, a through hole for screw tightening or reppet tightening can be provided. Alternatively, a conductive metal, resin, or the like can be filled in this hole and used for the purpose of conduction.
外部端子はある程度の厚みが無いとケース（樹脂）で埋もれてしまうので、後述する図６に示すように、Ｐ側プレート或いはＮ側プレートの上に、樹脂で埋もれないだけの厚さを持った導電性（銅）の駒（小さいプレート）を接合する。この導電性金属の駒は、Ｐ側プレート或いはＮ側プレートと電気的導通を持った接合（半田接合や超音波接合、導電性接着剤などにより電気的導通のある接合）により接続する。 Since the external terminal is buried in a case (resin) if it does not have a certain thickness, it has a thickness sufficient not to be buried in the resin on the P-side plate or the N-side plate as shown in FIG. Join conductive (copper) pieces (small plates). The conductive metal piece is connected to the P-side plate or the N-side plate by bonding having electrical continuity (solder bonding, ultrasonic bonding, bonding having electrical continuity by a conductive adhesive or the like).
図５は、図４に示す折り曲げ部で折り曲げることにより完成した直流側配線基板を例示する図であり、（Ａ）は上面図を、（Ｂ）は正面図を、（Ｃ）は側面図をそれぞれ示している。また、図６は、完成した直流側配線基板の折り曲げ部を拡大して説明する図である。図５（Ｃ）に見られるように、内部接続用の端子と外部接続用の端子が互いに逆方向に向くように、積層構成の各端子部分を略直角に折り曲げて構成する。Ｐ側プレート、絶縁層、及びＮ側プレートの積層構成は、貼り合わせ或いはインサート成型によって作成することができる。P端子及びN端子用の貫通孔を形成した基板絶縁層の表面側及び裏面側にそれぞれ、基板表面パターンと基板裏面パターンを、エポキシ樹脂系接着剤とかポリイミド系接着剤のような接着剤を用いて貼り合わせる。或いは、周知のインサート成型技術を用いて、金型内にインサート品（即ち、基板表面パターン及び基板裏面パターン、P端子及びN端子）を装填して、樹脂を充填することにより一体化した複合部品を作ることができる。或いは、周知の電着塗装絶縁材料技術を用いて、P端子及びN端子に絶縁コーティングを施したのちP端子及びN端子は接着剤を用いて貼り合わせる事により、絶縁層を持ったP端子とN端子積層端子を作る事が出来る。 FIG. 5 is a diagram illustrating a DC side wiring board completed by bending at the bending portion shown in FIG. 4, (A) is a top view, (B) is a front view, and (C) is a side view. Each is shown. FIG. 6 is an enlarged view illustrating a bent portion of the completed DC side wiring board. As shown in FIG. 5C, each terminal portion of the stacked configuration is bent at a substantially right angle so that the internal connection terminal and the external connection terminal face in opposite directions. The laminated structure of the P-side plate, the insulating layer, and the N-side plate can be created by bonding or insert molding. Use a substrate surface pattern and substrate back pattern on the front and back sides of the substrate insulation layer with through holes for P and N terminals, respectively, using an adhesive such as epoxy resin adhesive or polyimide adhesive. And paste them together. Alternatively, by using a well-known insert molding technique, an integrated product is formed by loading insert products (that is, substrate surface pattern and substrate back surface pattern, P terminal and N terminal) into the mold, and filling the resin. Can be made. Alternatively, using the well-known electrodeposition coating insulation material technology, after applying insulation coating to the P terminal and N terminal, the P terminal and N terminal are bonded together using an adhesive, so that the P terminal having an insulating layer N terminal laminated terminals can be made.
絶縁層としては、折り曲げが可能で絶縁耐圧が確保できる材質、例えば、シリカフィラーを用いた熱伝導性接着シートが望ましいが、同等の性能（絶縁耐圧と柔軟性）を持った、シリコンシートやアルミナフィラーを用いたシートでも、同様の効果が期待できる。又は、絶縁耐圧が高く尚且つ厚さが薄く折り曲げにより絶縁耐圧が劣化しない材質、例えばポリミドやシリコンなどを材料としたシートなどもそれに適用できる。図５（Ｃ）を参照して上述したように、積層構成の各端子部分は、内部接続用の端子と外部接続用の端子が互いに逆方向を向くように、それぞれ略直角に折り曲げて構成するが、そのためには、積層構成中に挟まれる絶縁層材質もまた、少なくとも略直角に折り曲げることができるだけの柔軟性を有している必要がある。 As the insulating layer, a material that can be bent and can ensure withstand voltage, for example, a heat conductive adhesive sheet using silica filler is desirable, but silicon sheet or alumina having equivalent performance (withstand voltage and flexibility). The same effect can be expected with a sheet using a filler. Alternatively, a material having a high withstand voltage and a thin thickness that does not deteriorate the withstand voltage due to bending, such as a sheet made of polyimide, silicon, or the like, can be applied thereto. As described above with reference to FIG. 5C, each terminal portion of the stacked configuration is formed by bending substantially at right angles so that the internal connection terminal and the external connection terminal face in opposite directions. However, for that purpose, the insulating layer material sandwiched in the laminated structure also needs to be flexible enough to be bent at least at a substantially right angle.
曲げ部に関しては、曲げによる銅パターンの変形や絶縁層の破壊が起きない様に、適度な内Rを持たせて、曲げ専用の金型により折り曲げ加工を行う。曲げ部分について基板表面パターンと基板裏面パターンを均一な厚さにして曲げを行うと、絶縁層に外圧がかかり破損して絶縁破壊を起こしたり、適度な曲げ角（直角）が得られないことがある。この場合、積層曲げ部分については、基板表面パターンと基板裏面パターンを削り厚さを薄くして、絶縁層に外力がかからない様にすると共に、曲げ角の自由度を確保する方法を用いて折り曲げを行う。この部分は、厚さを薄くする方法以外に、穴を開けて曲げるときの応力を低減する方法等と併用もしくは、それ単独で行方法も有効である。 As for the bent portion, the bending process is performed by a bending-only die with an appropriate inner radius R so that the copper pattern is not deformed or the insulating layer is not broken by the bending. When bending the bent portion with the substrate surface pattern and the substrate back surface pattern made uniform, external pressure may be applied to the insulating layer, causing breakdown and preventing an appropriate bending angle (right angle) from being obtained. is there. In this case, for the laminated bent portion, the substrate front surface pattern and the substrate back surface pattern are shaved to reduce the thickness so that no external force is applied to the insulating layer, and the bending is performed using a method for ensuring the flexibility of the bending angle. Do. In addition to the method of reducing the thickness, this portion is effective in combination with a method of reducing stress when a hole is bent or bending, or by itself.
図７（Ａ）は、外部接続用ＰＮ端子の表面パターンと裏面パターンを左右に併置して例示する図であり、（Ｂ）は表面パターンと裏面パターンは絶縁層を挟んで積層した後の詳細図をそれぞれ示している。Ｐ側プレートとＮ側プレートと絶縁層は積層構造になっているが、図示のように、極力Ｐ側プレートとＮ側プレートが重なる構成となるように、絶縁層表面のＰ側プレートと、絶縁層裏面のＮ側プレートは、表面と裏面でプレート金属が重なるようにオーバーラップさせている。これによって、インダクタンスを低減させることが可能になる。また、Ｐ側プレートとＮ側プレート間は、高耐圧の絶縁を保つ必要があるので、端子部の露出する部分は絶縁と積層のトレードオフのレイアウトにする。 FIG. 7A is a diagram illustrating the front surface pattern and the back surface pattern of the external connection PN terminal arranged side by side, and FIG. 7B is a detail after the front surface pattern and the back surface pattern are stacked with an insulating layer interposed therebetween. Each figure is shown. The P-side plate, the N-side plate, and the insulating layer have a laminated structure. As shown in the figure, the P-side plate and the insulating layer surface are insulated so that the P-side plate and the N-side plate overlap as much as possible. The N-side plate on the back surface of the layer is overlapped so that the plate metals overlap on the front surface and the back surface. As a result, the inductance can be reduced. In addition, since it is necessary to maintain high breakdown voltage insulation between the P-side plate and the N-side plate, the exposed portion of the terminal portion has a trade-off layout of insulation and lamination.
図８は、樹脂ケースの外形を例示する図である。図示の樹脂ケースには、図２或いは図３に例示したようなパワーモジュール配線基板を装着し、かつその後、ケース内部にエポキシ樹脂又はゲル（シリコン）を充填してパワーモジュールを完成させる。パワーモジュール配線基板の装着に際して、交流側端子バスバーと直流側配線基板はインサート成形により樹脂ケースと一体に形成する。パワー素子が搭載される絶縁基板はベースの板（取り付け用の厚い銅板または冷却器：水冷や空冷の場合がある）に半田やロウ付けなどにより取り付ける。インサート成型した各バスバーの端子と絶縁基板間、及びパワー素子は、それらが組み立てられてからリボンボンダやワイヤーで接続する。パワーモジュールの端子部が露出する部分は絶縁耐圧を確保する為に、沿面距離を十分に確保する。さらに、直流側配線基板は、外部接続用端子部を除いて樹脂ケース内に封止されるので、絶縁耐圧の確保が容易になる。完成したパワーモジュールは、取付部を介して取付基板（図示省略）に装着される。 FIG. 8 is a diagram illustrating the outer shape of the resin case. The power module wiring board as illustrated in FIG. 2 or FIG. 3 is attached to the illustrated resin case, and then the epoxy resin or gel (silicon) is filled into the case to complete the power module. When mounting the power module wiring board, the AC side terminal bus bar and the DC side wiring board are formed integrally with the resin case by insert molding. The insulating substrate on which the power element is mounted is attached to a base plate (thick copper plate for mounting or cooler: water cooling or air cooling) by soldering or brazing. The insert-molded terminals of each bus bar and the insulating substrate and the power elements are connected by a ribbon bonder or a wire after they are assembled. The portion where the terminal portion of the power module is exposed should have a sufficient creepage distance in order to ensure withstand voltage. Furthermore, since the DC side wiring board is sealed in the resin case except for the external connection terminal portion, it is easy to ensure the withstand voltage. The completed power module is mounted on a mounting substrate (not shown) via a mounting portion.
図９は、パワーモジュールの配置及び接続を例示する図である。パワーモジュールは、筐体内の冷却部上に装着する。パワーモジュールの直流側両端子は、それぞれ平滑コンデンサーの両端子に接続すると共に、パワー基板接続ねじ、パワー基板、バッテリ端子台、ケーブル接続ねじを介してバッテリケーブルに接続する。パワーモジュールの３相出力側は、パワー基板接続ねじ、パワー基板、３相端子台、ケーブル接続ねじ、及び３相ケーブルを介して、駆動モータ或いは発電機（図示省略）に接続する。例示のパワー基板は、大電流が流せる厚い銅のパターンを持ったパワーライン用のガラスエポキシ基板である。このように、パワーモジュールと平滑コンデンサーは併置して配置するために、パワーモジュールの直流側両端子は、平滑コンデンサー方向に直角方向に折り曲げる必要がある。平滑コンデンサーの端子部（P端子とN端子）と、パワーモジュールのP端子とN端子の接続はネジによる締結である。従って、パワーモジュールの端子と平滑コンデンサーの端子は、接触面で高さが合っている必要があり、また縦と横の位置に於いても、取り付け穴位置が合致している必要がある。 FIG. 9 is a diagram illustrating the arrangement and connection of power modules. The power module is mounted on the cooling unit in the housing. Both the DC side terminals of the power module are connected to both terminals of the smoothing capacitor, and are connected to the battery cable via the power board connection screw, the power board, the battery terminal block, and the cable connection screw. The three-phase output side of the power module is connected to a drive motor or a generator (not shown) via a power board connection screw, a power board, a three-phase terminal block, a cable connection screw, and a three-phase cable. An example power substrate is a glass epoxy substrate for a power line having a thick copper pattern through which a large current can flow. Thus, since the power module and the smoothing capacitor are arranged side by side, it is necessary to bend the both DC terminals of the power module in a direction perpendicular to the direction of the smoothing capacitor. The connection between the smoothing capacitor terminal (P terminal and N terminal) and the P terminal and N terminal of the power module is done with screws. Therefore, the terminals of the power module and the smoothing capacitor need to be at the same height on the contact surface, and the mounting hole positions need to match in the vertical and horizontal positions.
図１０は、パワーモジュールとパワー基板及び平滑コンデンサーの接続部を詳細に示す図である。平滑コンデンサーの端子とパワーモジュールの端子（P端子、N端子）の高さを調整しているのが図示した銅スペーサーである。この銅スペーサーの接触面は、パワーモジュール端子形状と同じであり、P端子銅スペーサーとN端子銅スペーサーが充分に離れているので、これらは絶縁の必要は無い。パワー基板は、パワーモジュールの３相端子（U、V、W）と直流側端子（P、N）にネジで締結される。直流側（P、N）は平滑コンデンサー端子が接続されるので、直流側銅スペーサーはその厚み分だけ３相端子側銅スペーサーより薄くする事が必要である。またパワー基板とパワーモジュールの間は、幾らかのスペースを持っている。このスペースは、パワー基板の半田面（パワー基板とパワーモジュールの間）にスペーサーの役目をする銅スペーサーを実装して確保する。
FIG. 10 is a diagram showing in detail the connection between the power module, the power board, and the smoothing capacitor. The copper spacer shown in the figure adjusts the height of the smoothing capacitor terminal and the power module terminal (P terminal, N terminal). The contact surface of this copper spacer is the same as the shape of the power module terminal, and since the P terminal copper spacer and the N terminal copper spacer are sufficiently separated, they do not need to be insulated. The power board is fastened with screws to the three-phase terminals (U, V, W) and the DC side terminals (P, N) of the power module. Since the smoothing capacitor terminal is connected to the DC side (P, N), it is necessary to make the DC side copper spacer thinner than the three-phase terminal side copper spacer by the thickness. In addition, there is some space between the power board and the power module. This space is secured by mounting a copper spacer serving as a spacer on the solder surface of the power board (between the power board and the power module).
Claims (11)
内部接続側でチップ搭載基板と接続する内部接続用の端子と、前記外部機器或いは前記直流電力配線ケーブルに接続するための外部接続用の端子とを有し、
導電性金属の基板表面パターンと導電性金属の基板裏面パターンのそれぞれが前記内部接続用の端子及び前記外部接続用の端子、及び前記内部接続用の端子と前記外部接続用の端子を結合する導電性金属プレートを形成し、かつ、前記内部接続用の端子及び前記外部接続用の端子部分を含めて前記基板表面パターンと前記基板裏面パターンの間に絶縁層を挟んだ積層構成を形成し、
前記内部接続用の端子と前記外部接続用の端子が互いに逆方向を向くように、前記積層構成の各端子部分をそれぞれ略直角に折り曲げて構成した直流側配線基板。 A power module that inputs AC output and outputs DC power, or a power module that connects the DC side of a power module that obtains DC power and outputs AC power to an external device or DC power wiring cable juxtaposed to the power module In the DC side wiring board of
A terminal for internal connection connected to the chip mounting substrate on the internal connection side, and a terminal for external connection for connecting to the external device or the DC power wiring cable,
Conductive metal substrate front surface pattern and conductive metal substrate back surface pattern each connect the internal connection terminal and the external connection terminal, and the internal connection terminal and the external connection terminal. Forming a conductive metal plate, and forming a laminated structure in which an insulating layer is sandwiched between the substrate front surface pattern and the substrate back surface pattern including the internal connection terminal and the external connection terminal portion,
A DC-side wiring board configured by bending each terminal portion of the laminated structure at a substantially right angle so that the internal connection terminal and the external connection terminal face in opposite directions.
導電性金属の基板表面パターンと導電性金属の基板裏面パターンのそれぞれが、内部接続側でチップ搭載基板と接続する内部接続用の端子と、前記外部機器或いは前記直流電力配線ケーブルに接続するための外部接続用の端子と、前記内部接続用の端子と前記外部接続用の端子を一体に結合する導電性金属プレートを形成し、
前記内部接続用の端子及び前記外部接続用の端子部分を含めて前記基板表面パターンと前記基板裏面パターンの間に絶縁層を挟んだ積層構成を形成し、
前記内部接続用の端子と前記外部接続用の端子が互いに逆方向を向くように、前記積層構成の各端子部分をそれぞれ略直角に折り曲げて構成した直流側配線基板の製造方法。 To connect the power module that inputs AC output and outputs DC power, or the DC side of the power module that receives DC power and outputs AC to the drive motor, to an external device or DC power wiring cable juxtaposed to the power module In the manufacturing method of the DC side wiring board of the power module of
Each of the conductive metal substrate front surface pattern and the conductive metal substrate back surface pattern is connected to the internal connection terminal connected to the chip mounting substrate on the internal connection side, and to the external device or the DC power wiring cable. Forming a conductive metal plate that integrally couples the terminal for external connection, the terminal for internal connection and the terminal for external connection;
Forming a laminated structure including an insulating layer between the substrate surface pattern and the substrate back surface pattern including the internal connection terminal and the external connection terminal portion;
A method for manufacturing a DC-side wiring board, wherein each terminal portion of the laminated configuration is bent substantially at a right angle so that the internal connection terminal and the external connection terminal face in opposite directions.
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