JP2781329B2 - 半導体パワーモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

半導体パワーモジュールおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体パワーモジュ
ールに関するもので、特に回路基板の温度変化に伴う変
形をなくするための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体パワーモジュールは、スイッチン
グ動作を行う能動的な電力用スイッチング半導体素子を
用いて、負荷へ供給する電力を調整する回路を備えた装
置である。半導体パワーモジュールの１つとして、前記
回路を主回路として当該主回路との間で信号を交換する
ことにより、当該主回路の動作を制御する能動的な半導
体素子を有する制御回路を更に備えたもの（特に、「イ
ンテリジェントパワーモジュール」と称される）も実用
化されている。これらの半導体パワーモジュールは、モ
ータ等の動作を制御するインバータ等に主として応用さ
れている。
【０００３】＜従来装置の回路図＞図１２は従来の半導
体パワーモジュール１００が有する回路１１０の主要な
部分を示す概略回路図である。この装置１００の定格出
力電圧、及び最大出力電流は、それぞれ４４０Ｖ、及び
１００Ａである。また、出力電流を遮断及び接続する動
作の周波数は、１０kHz である。
【０００４】回路１１０は、２つの回路部分１２０、１
３０を有している。主回路１２０は、調整した電力を負
荷へ出力する回路部分である。２個の電源端子ＰＳ
（Ｐ）、ＰＳ（Ｎ）には、それぞれ直流の高電位Ｐ及び
低電位Ｎが外部電源（図示しない）より印加される。す
なわち、これらの電源端子ＰＳ（Ｐ）、ＰＳ（Ｎ）を通
して、外部電源より主回路１２０へ電力が供給される。
主回路１２０は、６個の電力制御用の能動的な素子であ
るＩＧＢＴ素子（絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タ）Ｔ１〜Ｔ６を備えている。ＩＧＢＴ素子は、負荷へ
供給する電流の遮断および接続を反復しておこなう、電
力用スイッチング半導体素子の１種である。これらのＩ
ＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６は、入力された電力をＵ、Ｖ、Ｗ
相の３相に対応して制御し、これらの制御された電力を
各々３個の出力端子ＯＵＴ（Ｕ）、ＯＵＴ（Ｖ）、ＯＵ
Ｔ（Ｗ）を通して、負荷へ出力する。ＩＧＢＴ素子Ｔ１
〜Ｔ６に逆電圧が付加される時に、負荷電流をバイパス
させてＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６を保護するための、フリ
ーホイールダイオードＤ１〜Ｄ６が、ＩＧＢＴ素子Ｔ１
〜Ｔ６に並列にそれぞれ接続されている。
【０００５】制御回路１３０は、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ
６の動作を制御する回路部分である。制御回路１３０は
６個の能動的な半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ６を備えてい
る。これらの半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ６は、それぞれ信
号入力端子ＩＮ１〜ＩＮ６へ外部より入力される入力信
号ＶIN１〜ＶIN６に応答して、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６
のゲートＧへゲート電圧信号ＶG １〜ＶG ６を送出す
る。ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６は、これらのゲート電圧信
号にＶG １〜ＶG ６応答して、コレクタＣとエミッタＥ
の間の電流の遮断及び接続を行う。
【０００６】４個の独立した外部の直流電圧源（図示し
ない）を、高電位側（正）の電源端子ＶCC１〜ＶCC４
と、低電位側（負）の電源端子ＶEE１〜ＶEE４の各１同
士の対に接続することにより、これらの電源端子を介し
て半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ６へ直流電圧が供給される。
負の電源端子ＶEE１〜ＶEE３は、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ
３のエミッタＥと電気的にそれぞれ接続されており、負
の電源端子ＶEE４は、互いに共通電位であるＩＧＢＴ素
子Ｔ４〜Ｔ６のエミッタＥに接続されている。
【０００７】主回路１２０は相対的に大きい電流が流れ
る回路であり、大電流、及び大電流に伴う発熱に耐え得
る回路設計が施される。一方、制御回路１３０は電圧信
号を処理する回路であるため、当該回路に流れる電流は
微小である。このため、制御回路１３０では、大電流に
相応した回路設計は行われない。
【０００８】＜装置１００の外観＞図１３は装置１００
の外観を示す斜視図である。装置１００は合成樹脂等の
絶縁体で構成されるケース１０１を備えており、ケース
１０１の上面には蓋１０２が設けられている。主回路１
２０の端子１０３と、制御回路１３０の端子１０４が、
ケース１０１の上面の外部に露出している。これらの端
子において、図１２の回路図における端子と同一部分は
同一の記号を付している。
【０００９】＜主回路１２０の回路素子の配置＞図１４
は、ケース１０１の所定の位置に収納された主回路の回
路基板１２１の平面図である。回路基板１２１は４個の
回路基板本体１２１ａ〜１２１ｄを備えている。これら
の回路基板本体１２１ａ〜１２１ｄは、ケース１０１の
底面を構成する板状の銅ベース１２２の上面に配置され
ている。回路基板本体１２１ａ及び１２１ｂの上には、
ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６、これらの各々に付随する受動
的な回路素子であるフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ
６、及び配線パターンが設けられている。配線パターン
Ｐ（Ｐ）、Ｐ（Ｎ）、Ｐ（Ｕ）、Ｐ（Ｖ）、及びＰ
（Ｗ）は、それぞれ高電位Ｐ、低電位Ｎ、Ｕ相出力、Ｖ
相出力、及びＷ相出力の配線パターンである。これらの
配線パターンは、大電流が通過するのに十分な幅と厚さ
とを有している。各配線パターンは、それぞれに描かれ
る斜線部分において、対応する電源端子ＰＳ（Ｐ）、Ｐ
Ｓ（Ｎ）、出力端子ＯＵＴ（Ｕ）、ＯＵＴ（Ｖ）、ＯＵ
Ｔ（Ｗ）にそれぞれ接続される。
【００１０】回路基板本体１２１ｃ、１２１ｄは、ＩＧ
ＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６と制御回路１３０との間を中継する
回路基板の本体部である。これらの回路基板本体上に形
成された配線パターンにおいて、配線パターンＰ（Ｅ
１）〜Ｐ（Ｅ６）は各々ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６のエミ
ッタＥに接続されており、配線パターンＰ（Ｇ１）〜Ｐ
（Ｇ６）は各々ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートＧに接
続されている。ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６は、これらの素
子の各１のコレクタＣを流れる電流（コレクタ電流）の
大きさを検出し、コレクタ電流に対応した電圧信号を送
出する検出回路を備えている。配線パターンＰ（Ｓ１）
〜Ｐ（Ｓ６）は、各々ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６が備える
検出回路に接続されており、コレクタ電流の検出信号を
伝達する。配線パターンＰ（ＥＸ）は、その他の信号を
伝達する配線パターンである。
【００１１】これらの配線パターンは、それぞれに描か
れる斜線部分において、制御回路１３０へ接続される複
数の導体ピン（後述する）の各１の一端に接続される。
すなわち、これらの配線パターンは、導体ピンを介して
制御回路１３０に電気的に接続される。多数の導体ワイ
ヤｗによって、上述の素子同士、あるいは素子と配線パ
ターンの間が適宜、電気的に接続されている。
【００１２】＜制御回路１３０の回路素子の配置＞図１
５は、制御回路１３０の回路基板１３１の平面図であ
る。制御回路１３０は、発熱の大きい主回路１２０の基
板とは別個の基板の上に展開されている。回路基板１３
１の上には、能動的な半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ７、これ
らの各々に付随する各種の受動的な回路素子ＥＬ、及び
配線パターンが設けられている。なお、半導体素子ＩＣ
７は、半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ６とは異なる目的で設け
られている。
【００１３】回路基板１３１には配線パターンに接続さ
れたスルーホールが設けられており、前述の導体ピンの
他の一端がこれらのスルーホールに接続されている。こ
れらの導体ピンを介して、スルーホールＴＨ（Ｅ１）〜
ＴＨ（Ｅ６）、ＴＨ（Ｇ１）〜ＴＨ（Ｇ６）、ＴＨ（Ｓ
１）〜ＴＨ（Ｓ６）、ＴＨ（ＥＸ）は、各々前述の配線
パターンＰ（Ｅ１）〜Ｐ（Ｅ６）、Ｐ（Ｇ１）〜Ｐ（Ｇ
６）、Ｐ（Ｓ１）〜Ｐ（Ｓ６）、Ｐ（ＥＸ）と接続され
ている。回路基板１３１には、配線パターンに接続さ
れ、更に前述の外部電源等に接続される端子１０４が設
けられている。
【００１４】＜装置１００の断面構造＞図１６は装置１
００の正面断面図である。回路基板１３１と回路基板１
２１は、互いに装置１００の上方と下方とに互いに対向
して配置されている。上述のように複数の導体ピンＰＩ
によって、回路基板１２１上の回路と回路基板１３１上
の回路とが電気的に適宜接続されている。大きな発熱を
伴うＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６などが配置される回路基板
本体１２１ａ、１２１ｂは、耐熱性で電気絶縁性を有す
る、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）あるいは窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックで作られ、その底
面は全面にわたって銅薄版ＣＦによって覆われている。
この銅薄板ＣＦの表面を銅ベース１２２の上面にハンダ
付けすることにより、回路基板本体１２１ａ、１２１ｂ
は銅ベース１２２に固定されている。回路基板１２１の
上面には、配線パターンＰ（Ｎ）、Ｐ（Ｗ）等の、銅の
配線パターンが形成されており、その上面にＩＧＢＴ素
子Ｔ３、Ｔ６等の回路素子がハンダ付けされている。配
線パターンおよび銅薄板ＣＦは、いずれも回路基板本体
１２１ａ、１２１ｂにメタライズ結合されている。メタ
ライズ結合により形成されたこれらの基板は、ＤＢＣ基
板と称される。ＤＢＣ基板において、絶縁性の回路基板
本体１２１ａ、１２１ｂ、銅薄板ＣＦ、および配線パタ
ーンの厚さは、例えばそれぞれ0.635mm 、0.2mm 、およ
び0.3mm である。
【００１５】装置１００の底面を略全面にわたって占め
る銅ベース１２２は、主として放熱を目的として設けら
れる。すなわち、外部に設けられる放熱板などに銅ベー
ス１２２が接触するように装置１００を取り付けること
により、主回路１２０に発生する損失熱が銅ベース１２
２を介して放熱板などの外部の放熱機構へ放出され、主
回路１２０及び制御回路１３０の温度の過度な上昇が防
止される。
【００１６】蓋１０２はその本体が合成樹脂等の電気的
な絶縁体で構成され、その下面には略全面にわたって銅
シート１０５が接着されている。銅ベース１２２、ケー
ス１０１、および蓋１０２で囲まれた内部空間１０９に
は、回路素子を保護する目的でシリコーン樹脂とエポキ
シ樹脂が充填されている。すなわち、ＤＢＣ基板の近傍
および、電源端子ＰＳ（Ｐ）、ＰＳ（Ｎ）、導体ピンＰ
ＩなどのＳ字型に湾曲した部分（Ｓベンド部）では、シ
リコーン樹脂が充填され、それら以外の内部空間にはエ
ポキシ樹脂が充填される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】＜従来の装置の問題点
＞従来の半導体パワーモジュールでは、上述のように、
ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６などの発熱を伴う回路素子が配
置されるＤＢＣ基板が、銅ベース１２２にハンダ付けさ
れている。ところで、酸化アルミニウムおよび窒化アル
ミニウムの熱膨張係数は、それぞれ7.3 μ／deg 、およ
び4.7 μ／deg であり、一方銅ベース１２２の熱膨張係
数は16.6μ／deg である。すなわち、ＤＢＣ基板の熱膨
張現象を支配する絶縁基板本体と銅ベース１２２との間
で、熱膨張係数の大きさに相当の隔たりがある。両者が
ハンダ付けされる時点での温度、すなわちハンダの融点
温度においては、両者は共に熱歪がゼロの状態にある。
ハンダ付けが完了した後に、温度が室温にまで下降する
と、上記の熱膨張係数における差異に起因するいわゆる
バイメタル効果により、両者のそれぞれに熱歪が発生す
る。その結果、室温下ではＤＢＣ基板と銅ベース１２２
には、ともにＤＢＣ基板側が凸になるように曲げ変形が
生じる。装置が使用される温度が更に低いと、曲げ変形
は更に顕著となり、逆に高いと変形はゆるくなる。ま
た、装置の使用に伴ってＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６等にお
ける発熱量が変化することが一般的であるが、それに応
じて温度が変化し、曲げ変形の大きさが変化する。曲げ
変形量の変化によるＤＢＣ基板および銅ベース１２２の
各部位における変位は、変位がもっとも大きな部位にお
いて300 μm 程にも達する。
【００１８】曲げ変形によって、内部応力が破壊強度を
超えることによりＤＢＣ基板が破壊に至ることがある。
また、温度変化が反復されることにより、内部に繰り返
し応力が生じるために、ＤＢＣ基板が疲労破壊を引き起
こすことがある。このように、従来の装置ではＤＢＣ基
板が、バイメタル効果により破壊する場合があるという
問題点があった。
【００１９】また、制御回路１３０を構成する半導体素
子ＩＣ１〜ＩＣ７は、動作上の高い信頼性を要求される
ために、変位の大きいＤＢＣ基板、あるいは銅ベース１
２２に固定される基板に配置することができない。図１
６に示したように、従来の装置において、半導体素子Ｉ
Ｃ１〜ＩＣ７等が配置される回路基板１３１を、銅ベー
ス１２２にハンダ付けされる回路基板１２１とは空間的
に分離して、双方の基板を「２階建て」の構造としてい
るのは、１つにはこの理由による。従来の装置は、２階
建て構造であるために、構造が複雑でかつ製造コストが
高価なものになるという問題点があった。
【００２０】また、回路基板１２１が変位するために、
導体ピンＰＩ、電源端子ＰＳ（Ｐ）、ＰＳ（Ｎ）など
の、主回路１２０に接続される端子は、変位に追随し得
るようにＳベンド構造を有している。このＳベンド構造
は、これに接触する周囲の充填材によって変形が妨げら
れないことが必要である。そのために、上述のように応
力を吸収する軟質のシリコーン樹脂で、Ｓベンド構造の
周囲が保護される必要がある。このことも、装置の構造
が複雑であり製造コストが高価であるという問題点をも
たらしている。
【００２１】ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６では近年では改良
が進み、50kHz の高周波数で動作し得る素子が登場しつ
つある。しかしながら、従来の装置では主回路１２０に
接続される端子がＳベンド構造を有するために、これら
の端子のリアクタンスが大きく、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ
６における高速度のスイッチング動作が阻害されるとい
う問題点があった。
【００２２】更に従来の装置では、Ｓベンド構造のため
に回路基板１２１と回路基板１３１の間の距離を、ある
程度以上長くする必要があり、そのために装置の高さが
ある程度以上高くならざるを得ない。すなわち従来の装
置では、市場における強い要請の１つである、小型化の
実現を阻害するという問題点があった。
【００２３】＜この発明の目的＞この発明は、上述の問
題点を解消するために行われたものであり、電力用基板
の破壊がなく、構造がより簡素で、安価に製造でき、し
かも高速化および小型化を実現する半導体パワーモジュ
ールを得ることを目的としており、更にこの装置に適し
た製造方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる請求項
１の発明は、制御信号に応答して負荷へ供給する電流の
遮断および接続を反復する電力用スイッチング半導体素
子が箱状の外囲器に収容された半導体パワーモジュール
を対象としている。
【００２５】そして、前記外囲器の底部は、耐熱性絶縁
材を含んだ電力用基板本体と、前記電力用基板本体の上
主面上に結合して配設され、前記電力用スイッチング半
導体素子が接続される熱および電気良導性の電力用配線
パターンと、前記電力用基板本体の下主面上に結合して
配設され、前記電力用配線パターンと実質的に同一の材
料を有する熱良導性の板材と、を一体的に形成してなる
電力用基板を備えており、前記板材が前記外囲器の下側
表面に露出していることを特徴とする。
【００２６】請求項２の発明では、請求項１の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記耐熱性絶縁材がセラミッ
クである。また、前記電力用配線パターンが実質的に銅
材から成り、前記電力用基板本体の前記上主面上にメタ
ライズ結合して配設されている。さらに、前記板材が実
質的に銅材から成り、前記電力用基板本体の前記下主面
上にメタライズ結合して配設されている。
【００２７】請求項２の発明では、請求項１の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記外囲器の前記底部が、実
質的に絶縁体から成る制御用基板本体と、前記制御用基
板本体の上主面に配設され、前記制御信号を作成して前
記電力用スイッチング半導体素子へ供給するための制御
回路素子が接続される電気良導性の制御用配線パターン
と、前記制御用基板本体と互いに重層構造を成し、剛性
を有する板状の押圧部材と、を有する制御用基板を備え
ている。
【００２８】そして、前記制御用基板が、前記電力用基
板の周囲に配置されて前記電力用基板の縁部に係合して
いる。
【００２９】請求項４の発明では、請求項３の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記外囲器の前記底部が、前
記電力用基板の周囲に設けられて前記電力用基板の外周
端縁に当接する内周端縁を有するとともに、前記制御用
基板の下主面に接触する板状のスペーサを更に備える。
【００３０】請求項５の発明では、請求項４の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記電力用基板が、その温度
の変化に伴って反り変形しないように前記電力用配線パ
ターンの厚さと前記板材の厚さとの比率が調整されてい
る。
【００３１】請求項６の発明では、請求項４の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記スペーサが弾力性を有
し、前記スペーサの下主面が前記板材の下主面と略同一
平面上に位置している。
【００３２】請求項７の発明では、請求項４の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記スペーサが弾力性を有
し、前記スペーサの下主面が前記板材の下主面よりも下
側に突出している。
【００３３】請求項８の発明では、請求項４の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記板材の下主面が前記スペ
ーサの下主面よりも下側に突出している。
【００３４】請求項９の発明では、請求項４の半導体パ
ワーモジュールにおいて、前記電力用基板が、前記電力
用基板本体の前記上主面の上の縁部に配設され、前記制
御用基板に当接し、実質的に金属から成る当接部材を更
に備える。
【００３５】請求項１０の発明では、請求項４の半導体
パワーモジュールにおいて、前記押圧部材が金属板を備
える。
【００３６】請求項１１の発明では、請求項４の半導体
パワーモジュールにおいて、前記制御用基板において、
その主面の中央部を貫通する開口部が形成されており、
当該開口部に前記電力用基板が位置する。
【００３７】請求項１２の発明では、請求項１１の半導
体パワーモジュールにおいて、前記開口部に位置する前
記電力用基板の上主面が、前記制御用基板の上主面より
も下に存在し、前記開口部において、前記電力用スイッ
チング素子を覆うプリコート樹脂が設けられている。
【００３８】請求項１３の発明では、請求項１２の半導
体パワーモジュールにおいて、前記スペーサの前記内周
端縁が、前記電力用基板の前記外周端縁に、可とう性の
接着剤を介して当接している。
【００３９】請求項１４の発明では、請求項４の半導体
パワーモジュールにおいて、前記スペーサの上主面が、
前記制御用基板の下主面に当接し、前記スペーサと前記
制御用基板とが互いに固定されている。
【００４０】請求項１５の発明では、請求項４の半導体
パワーモジュールにおいて、前記外囲器の前記底部の下
に当接するように設けられ、前記板材の下主面に滑動可
能な上主面を有する熱良導性で板状の導熱板を更に備え
る。
【００４１】この発明はまた、上記の各半導体パワーモ
ジュールの製造に適した方法を提供しており、請求項１
６〜２３の製造方法はそれぞれ請求項１，３，４，６，
７，１３，１４，１５の装置の製造に適している。
【００４２】
【作用】＜請求項１に記載の発明の作用＞この発明にお
ける半導体パワーモジュールでは、電力用基板に設けら
れている熱良導性の板材が、装置の外囲器の外側表面に
露出している。このため、板材が外部の放熱板などに直
接接触するように、装置を取り付けることにより、銅ベ
ース板を備えることなく、回路に発生する熱を外部に放
出することができる。銅ベース板を必要としないので、
バイメタル効果が発生しない。このため、電力用基板の
破壊がなく、構造がより簡素で、安価に製造でき、しか
も高速かつ小型の装置が実現する。
【００４３】＜請求項２に記載の発明の作用＞この発明
における半導体パワーモジュールでは、電力用基板本体
の耐熱性絶縁材にセラミックが使用され、電力用配線パ
ターンおよび板材がメタライズ結合によって配設される
ので、電力用スイッチング半導体素子および電力用配線
パターンにおいて発生する損失熱が、板材へ効率よく伝
達される。
【００４４】＜請求項３に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、制御信号を作成して電
力用スイッチング半導体素子へ送信する制御回路素子を
配置する制御用基板が、電力用基板の周囲に配置され
る。このため、厚みが更に薄い小型の装置を実現するこ
とが可能である。また、制御用基板が押圧部材を有し、
かつ電力用基板の縁部に係合しているので、外囲器の外
部表面に露出する板材を、十分な圧力をもって外部の放
熱板等に圧接することができる。
【００４５】＜請求項４に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用基板の周囲に当
接するスペーサを有するので、電力用基板がスペーサに
より定められる所定の位置に納まる。
【００４６】＜請求項５に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用配線パターンの
厚さと板材の厚さとの比率が調整されているので、電力
用基板が温度変化に伴って反り変形しない。このため、
電力用基板の破壊が防止されるのみならず、電力用配線
パターンと電力用スイッチング半導体素子との間の接続
部分の寿命の、熱サイクルによる低下が抑制される。
【００４７】＜請求項６に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、スペーサが弾力性を有
し、スペーサの表面と電力用基板が有する板材の表面と
が略同一平面状にあるので、板材を十分な圧力をもっ
て、効果的に外部の放熱板等に圧接することが可能であ
る。また、スペーサが弾力性を有するので、これに当接
する電力用基板等の寸法に高い精度を要しない。
【００４８】＜請求項７に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、スペーサが弾力性を有
し、スペーサの表面が電力用基板が有する板材の表面よ
りも外部に突出するので、この装置が外部の放熱板等に
取り付けられたときに、スペーサがパッキングとして機
能する。このため、電力用スイッチング半導体素子が外
気から保護される。その結果、外気中の湿気等によるこ
の半導体素子の劣化が抑制される。また、スペーサが弾
力性を有するので、これに当接する電力用基板等の寸法
に高い精度を要しない。
【００４９】＜請求項８に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用基板が有する板
材の表面がスペーサの表面に対して、より外側へ位置す
るので、板材を十分な圧力をもって、効果的に外部の放
熱板等に圧接することができる。
【００５０】＜請求項９に記載の発明の作用＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用基板が当接部材
において制御用基板に当接するので、この当接部材が緩
衝材として機能し、制御用基板との係合によって電力用
基板本体が破損するのを防止し得る。また、電力用基板
本体の強度も向上する。
【００５１】＜請求項１０に記載の発明の作用＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、押圧部材が金属板を
備えるので、外囲器の外部表面に露出する板材を、更に
十分な圧力をもって外部の放熱板等に圧接することが可
能である。更に、この金属板によって、制御回路素子の
動作に伴って発生する電磁波雑音が遮蔽され、装置外部
への電磁波雑音が抑制される。
【００５２】＜請求項１１に記載の発明の作用＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、制御用基板が開口部
を有し、この開口部に電力用基板が位置するので、外囲
器の底面部分が一層小型化され、これに伴い装置が一層
小型化される。
【００５３】＜請求項１２に記載の発明の作用＞この発
明の半導体パワーモジュールは、電力用スイッチング素
子を覆うプリコート樹脂を備えるので、このスイッチン
グ素子の防湿が確実に行われる。このため、スイッチン
グ素子の耐圧が長期にわたって維持される。また、電力
用基板の主面と制御用基板の主面の間には段差があっ
て、プリコート樹脂で覆うべきスイッチング素子は、こ
の段差の後退面に配置されている。このため、プリコー
ト樹脂でスイッチング素子を覆う工程において、この段
差がプリコート樹脂の拡散を阻止するので、プリコート
樹脂が不要な領域にまで拡散する恐れが無い。その結
果、半導体パワーモジュールの製造工程が簡単であると
ともに、プリコート樹脂を不必要に多く消費する恐れが
無い。
【００５４】＜請求項１３に記載の発明の作用＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、電力用基板とスペー
サの間が、可とう性の接着剤を介して当接しているの
で、電力用基板とスペーサの間の熱膨張係数の差異に起
因する電力用基板の変形が防止される。
【００５５】＜請求項１４に記載の発明の作用＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、外囲器の底面部分を
構成する制御用基板とスペーサの間が主面同士で互いに
接触し合っており、しかも互いに固定されている。この
ため、底面部分の厚みを薄く小型にし得るとともに、ス
ペーサの脱落が防止される。
【００５６】＜請求項１５に記載の発明の作用＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、電力用基板の板材に
滑動可能に熱良導性の導熱板が当接している。このた
め、回路に発生する損失熱が導熱板を介して外部の放熱
板へ放散されるので、表面平滑度が良好でない放熱板を
用いた場合においても効果的に損失熱の放散が行われ
る。
【００５７】＜請求項１６〜請求項２３に記載の発明の
作用＞この発明の半導体パワーモジュールの製造方法で
は、この発明の半導体パワーモジュールを効果的に製造
することができる。
【００５８】
【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
なお、以下の図において、従来の装置と同一の部分につ
いては同一の符号を付して、その詳細な説明を省略す
る。
【００５９】［実施例１．］ ＜装置の回路構成と動作＞図２はこの発明の一実施例に
おける半導体パワーモジュール２００の回路２１０の主
要な部分を示す概略回路図である。装置の回路２１０
は、調整された電力を負荷へ供給する主回路２２０と、
主回路２２０の動作を制御する制御回路２３０とを有し
ている。主回路２２０が備える６個のＩＧＢＴ素子Ｔ１
〜Ｔ６（電力用スイッチング半導体素子）は、制御回路
２３０が備える４個の半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ４（制御
回路素子）が出力するゲート電圧信号ＶG １〜ＶG ６
（制御信号）に応答して、負荷へ供給する電流を反復的
に遮断または接続する。３個のＩＧＢＴ素子Ｔ３〜Ｔ６
は、互いに負の電源電位が共通であるので、共通の１個
の半導体素子ＩＣ４によって、ゲート電圧信号ＶG ４〜
ＶG ６が供給される。
【００６０】従来装置と同様に、主回路２２０は相対的
に大きい電流が流れる回路であり、大電流、及び大電流
に伴う発熱に耐え得る回路設計が施される。一方、制御
回路２３０は電圧信号を処理する回路であるため、当該
回路に流れる電流は微小である。このため、制御回路２
３０では、大電流に相応した回路設計は行われない。
【００６１】＜装置の外観＞図３は装置２００の外観を
示す斜視図である。装置２００は合成樹脂等の絶縁体で
構成されるケース２０１を備えている。主回路２２０の
端子２０３と、制御回路２３０の端子２０４が、本体部
の上面の外部に露出している。これらの端子において、
図２の回路図における端子と同一部分は同一の記号を付
している。
【００６２】＜主回路の回路素子の配置＞図４は、ケー
ス２０１とともに装置２００の匡体（外囲器）を構成す
る複合基板２０５と、その上に配置された回路素子の平
面図である。複合基板２０５は、主回路２２０を展開す
る電力用基板２２１と、制御回路２３０を展開する制御
用基板２３１とを有している。制御用基板２３１には、
半導体素子ＩＣ１〜ＩＣ４以外に、受動的な回路素子Ｅ
Ｌが配置されている。各種回路素子および端子の間は、
導体ワイヤｗにより適宜接続されている。
【００６３】＜電力用基板の構造＞図５は、電力用基板
２２１の平面図（図５（ａ））、及びＡＡ断面（図５
（ａ））に沿った断面図（図５（ｂ））である。電力用
基板２２１はＤＢＣ基板の構造を有している。すなわ
ち、耐熱性および熱伝導性に優れ、かつ機械的強度にも
優れる、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムで構成
される板状の電力用基板本体２２２の表面（第１の主
面）に、銅を主材料とする平板状のパターン２２３（電
力用配線パターン）および２２４が配設されている。パ
ターン２２３、２２４の表面は、例えばニッケルなどに
より鍍金されている。これらのパターン２２３、２２４
と、電力用基板本体２２２との間はメタライズ結合され
ている。
【００６４】パターン２２３は、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ
６、回路素子Ｄ１〜Ｄ６などが接続される配線パターン
であり、配線パターンＰ（Ｐ）、Ｐ（Ｎ）、Ｐ（Ｕ）、
Ｐ（Ｖ）、及びＰ（Ｗ）の５つの部分を有している。図
４に示すように、配線パターンＰ（Ｐ）、Ｐ（Ｎ）は、
電源端子ＰＳ（Ｐ）、ＰＳ（Ｎ）にそれぞれ接続され、
電源電位を伝達する。配線パターンＰ（Ｕ）、Ｐ
（Ｖ）、及びＰ（Ｗ）は、出力端子ＯＵＴ（Ｕ）、ＯＵ
Ｔ（Ｖ）、ＯＵＴ（Ｗ）にそれぞれ接続され、負荷電流
を伝達する。パターン２２４は、パターン２２３と同一
の材料および厚さを有しており、特に電力用基板２２１
の縁部に沿って配設されている。電力用基板２２１は、
後述するように、パターン２２４の主面において制御用
基板２３１と係合する。
【００６５】電力用基板２２１の裏面（第２の主面）の
全面には、パターン２２３、２２４と同一の材料を有す
る平板状のパターン２２５（板材）が、メタライズ結合
によって設けられている。電力用基板本体２２２の厚さ
は、要求される機械的強度と放熱性とを考慮して決定さ
れ、パターン２２３、２２４とパターン２２５の厚さ
は、電力用基板２２１自身が温度変化に伴って反りの変
形を生じないように、電力用基板本体２２２の全面積に
対する、パターン２２３、２２４が覆う面積の比率に相
応して決定される。
【００６６】＜制御用基板の構造＞図１は、装置２００
の正面断面図である。制御用基板２３１は、絶縁金属基
板の構造を有している。すなわち、制御用基板２３１
は、鉄またはアルミニウム等の金属板（押圧部材）２３
２を有しており、金属板２３２の１つの主面には絶縁材
料であるエポキシ樹脂の皮膜（絶縁層）２３３が設けら
れている。更に、皮膜２３３の表面には、両主面に銅を
主材料とする配線パターン２３６（制御用配線パター
ン）、２３７がそれぞれ配設された、ガラスファイバで
補強されたエポキシ樹脂（ＧＦＲＰ）の制御用基板本体
２３５が、接着剤２３４を介して着設されている。制御
用基板２３１は、中央部に電力用基板２２１の外周より
も内周が幾分小さい開口部を有しており、電力用基板２
２１のパターン２２４に係合する形で、電力用基板２２
１の周囲に配置される。
【００６７】＜スペーサの構造＞電力用基板２２１の周
囲には、電力用基板２２１の外周に一致するかまたはそ
れよりも幾分大きい内周を有した開口部が設けられた板
状のスペーサ２４０が、電力用基板２２１の周囲に設け
られている。スペーサ２４０は、例えばエポキシ樹脂等
の耐熱性に優れる樹脂、あるいは金属で構成される。ス
ペーサ２４０と制御用基板２３１とは互いに主面を接し
合っており、それらの間は接着剤で接着されている。ま
た、互いに当接するスペーサ２４０の内周端縁と電力用
基板２２１の外周端縁の間は、可とう性を有する例えば
シリコーン系の接着剤２６０で接着されている。パター
ン２２５の下主面とスペーサ２４０の下主面とは同一平
面を成している。
【００６８】＜外囲器の構造＞電力用基板２２１、制御
用基板２３１、およびスペーサ２４０は複合基板２０５
を構成する。図６は、複合基板２０５の分解図であり、
電力用基板２２１、制御用基板２３１、およびスペーサ
２４０の間の位置関係を模式的に示す。
【００６９】図１に戻って、複合基板２０５は、装置２
００の底面を形成しており、上端部が開口したケース２
０１とともに、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６、半導体素子Ｉ
Ｃ１〜ＩＣ４等の回路素子を内部空間に収納する外囲器
を構成する。ケース２０１自身は無底であり、外囲器の
底部は複合基板２０５によって構成されていることにな
る。この複合基板２０５はケース２０１に接着剤により
固着されている。外囲器の内部空間には、回路素子の保
護を目的としてエポキシ樹脂の充填材２５０が充填され
ている。装置２００の上面には、従来装置１００におけ
る蓋１０２と同様に、蓋を設けてもよい。
【００７０】＜装置の機能＞装置２００では、電力用基
板２２１の底面に設けられているパターン２２５が、外
囲器の外側表面に露出している。このため、パターン２
２５が外部の放熱板（図示しない）に直接接触するよう
に、装置２００を取り付けることにより、銅ベース板を
備えることなく、主回路２２０に発生する熱を、外部に
効果的に放出することができる。制御用基板２３１は、
パターン２２４において電力用基板２２１に係合し、し
かも金属板２３２を備えているので、ケース２０１など
をネジ等により放熱板に固定することにより、電力用基
板２２１のパターン２２５が放熱板に相当な圧力をもっ
て圧接される。すなわち、放熱板へ向かう押圧力が、剛
性を有し押圧部材として機能する金属板２３２を介する
ことにより、ケース２０１から電力用基板２２１へ有効
に伝達される。このため、パターン２２５と放熱板の間
の良好な熱接触が得られるので、放熱が効果的に行われ
る。
【００７１】装置２００は銅ベース板を必要としないの
で、温度変化に伴うバイメタル効果が発生しない。この
ため、電力用基板２２１が破壊する恐れが無い。また、
従来装置において必要とされたＳベント構造が必要でな
くなるために、装置の高速動作が可能となる。また、電
力用基板２２１のバイメタル効果による変形がなく、さ
らにＳベント構造を必要としないので、回路素子の周辺
等にシリコーンゲルを充填することなく、外囲器の内部
空間にエポキシ樹脂のみを充填することが可能となる。
【００７２】装置２００では、電力用基板２２１の外部
端縁に当接する開口部を有するスペーサ２４０が設けら
れるので、電力用基板２２１がスペーサ２４０の開口部
に収納されることにより、常に所定の位置に納まる。ま
た、電力用基板２２１とスペーサ２４０の間が、可とう
性の接着剤２６０を介して当接しているので、電力用基
板２２１とスペーサ２４０の間の熱膨張係数の差異に起
因する内部歪の発生、および変形を防止することがで
き、パターン２２５と放熱板の間の熱接触を常に良好に
保つことができる。更に制御用基板２３１とスペーサ２
４０の間が主面同士で互いに接触し合っており、しかも
接着剤により相互に固定されている。このため、厚みの
薄い小型の複合基板２０５を得ることができるととも
に、スペーサの脱落が防止される。ケース２０１と複合
基板２０５の間の接着は、複合基板２０５全体のケース
２０１からの脱落を防止する。また、制御用基板２３１
が、電力用基板２２１の周囲に配置されるので、装置の
厚みを薄くして、小型の装置を得ることができる。
【００７３】［実施例２．］実施例１の装置２００にお
いて、スペーサ２４０をシリコーン樹脂等の耐熱性とと
もに弾力性を有する樹脂で構成することができる。この
場合には、接着剤２６０は硬質でもよく、またスペーサ
２４０の開口部の内周端縁は電力用基板２２１の外周端
縁よりも大きくする必要はない。スペーサ２４０が弾力
性を有するので、ケース２０１などをネジ等により放熱
板に固定することにより、電力用基板２２１のパターン
２２５が、より効果的に放熱板に圧接される。すなわ
ち、この実施例の装置では、実施例１の装置２００より
も更に良好な放熱効果が得られる。
【００７４】［実施例３．］図７は第３の実施例による
装置の正面断面図である。この実施例の装置は、実施例
１の装置２００において、電力用基板２２１のパターン
２２５の表面がスペーサ２４０の表面よりも、幾分突出
した構造を有している。このため、ケース２０１などを
ネジ等により放熱板に固定することにより、パターン２
２５が、より効果的に放熱板に圧接される。すなわち、
この実施例の装置では、実施例１の装置２００よりも更
に良好な放熱効果が得られる。
【００７５】［実施例４．］図８は第４の実施例におけ
る装置の正面断面図である。この実施例の装置は、実施
例１の装置２００において、制御用基板２３１とスペー
サ２４０が、接着剤によらずにネジ２４１により互いに
締結されている。このことにより、実施例１の装置と同
様に、スペーサ２４０の脱落を防止することができる。
【００７６】［実施例５．］図９は第５の実施例におけ
る装置の正面断面図である。この実施例の装置では、銅
またはアルミニウムなどの熱良導性の導熱板２７０が、
外囲器の底面に設けられている。導熱板２７０はネジ２
７１によってスペーサ２４０に締結されている。導熱板
２７０の上面はパターン２２５の底面に接触している。
装置２００を使用する際には、ケース２０１などをネジ
等により装置外部の放熱板（図示しない）に固定するこ
とにより、導熱板２７０の底面が放熱板に圧接される。
このため、主回路２２０で発生した損失熱は、パターン
２２５から導熱板２７０へと伝導し、更に導熱板２７０
から外部の放熱板へと放散される。
【００７７】導熱板２７０の上面をパターン２２５の底
面と同様に表面平滑度を高くしておくことにより、パタ
ーン２２５と導熱板２７０の熱接触を良好に保つことが
できる。これより主回路２２０で発生した熱が、比較的
表面面積の広い導熱板２７０へと有効に伝導する。すな
わち、導熱板２７０自身が小型の放熱板として機能す
る。したがって、導熱板２７０の底面に圧接される放熱
板の表面平滑度が良好でなく、導熱板２７０と放熱板の
間の熱接触が良好でなくても、主回路２２０で発生した
熱が問題なく放熱板に放散し得る。すなわちこの実施例
の装置では、導熱板２７０が設けられたことにより、外
部に設けるべき放熱板の種類を厳しく選定する必要がな
いという利点がある。
【００７８】導熱板２７０とパターン２２５との間にお
いて熱接触は行われるが、これらは接触面に沿った方向
には互いに滑動自在である。したがって、従来の装置１
００において問題となったような、温度変化に伴う電力
用基板２２１の変形は生じない。
【００７９】なお、導熱板２７０をネジ２７１によりス
ペーサ２４０に締結する代わりに、接着剤を介して電力
用基板２２１の底面、またはスペーサ２４０の底面、若
しくはこれらの双方に着設してもよい。導熱板２７０を
電力用基板２２１の底面に着設する場合には、接着剤と
して可とう性の接着剤を使用する。このため、導熱板２
７０の上面と電力用基板２２１の底面は、これらの面に
沿った方向には互いに滑動可能であるので、電力用基板
２２１の熱変形は防止される。
【００８０】［実施例６．］図１０は第６の実施例によ
る装置の正面断面図である。この実施例の装置は、実施
例１の装置２００において、電力用基板２２１の上主面
にプリコート樹脂２８０が塗布されている。プリコート
樹脂２８０は、ＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６、回路素子Ｄ１
〜Ｄ６などの回路素子を覆うことによって、これらの回
路素子の防湿を行う。そのことによって、回路素子の耐
圧の劣化が防止される。すなわち、プリコート樹脂２８
０は絶縁劣化の防止を主目的として設けられるので、そ
の材料には高い純度が要求される。その目的に沿うもの
として、例えば高純度エポキシ樹脂が用いられる。ある
いは、アルミナあるいはシリカの粉末が混入された高純
度エポキシを用いてもよい。この場合には、粉末の混入
度を調整することによって、プリコート樹脂２８０の熱
膨張係数を電力用基板２２１と一致させることができる
ので、プリコート樹脂２８０のはがれが起こりにくく、
装置の寿命が向上する。
【００８１】プリコート樹脂２８０の材料は高価である
ために、無駄な使用を避けることが望ましい。図１０に
示すように、この実施例の装置では、電力用基板２２１
の上主面と制御用基板２３１の上主面との間には段差が
あって、電力用基板２２１の上主面が、制御用基板２３
１の上主面よりも下方に後退している。このため、電力
用基板２２１の上主面に塗布されたプリコート樹脂２８
０は、硬化前の流動性を有するときに、制御用基板２３
１の開口端において流出が阻止される。その結果、プリ
コート樹脂２８０が不必要に拡散しないので、高価なプ
リコート樹脂２８０を無駄に使用する恐れが無い。な
お、プリコート樹脂２８０は、必ずしも図１０に示すよ
うに制御用基板２３１の開口端の上端まで充填する必要
はなく、塗布されるべきＩＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６などの
回路素子が十分に被覆されておればよい。
【００８２】［実施例７．］図１１は第７の実施例によ
る装置の正面断面図である。この実施例の装置では、実
施例２の装置２００と同様に、スペーサ２４０ａがシリ
コーン樹脂等の弾力性を有する樹脂で構成されるととも
に、スペーサ２４０ａの下主面はパターン２２５の下主
面よりも下方に突出している。その突出量は、例えば
０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度である。このため、パターン２
２５の下主面が外部の放熱板に当接するように装置２０
０が取り付けられたときに、スペーサ２４０ａがこの放
熱板に弾性力をもって押圧される。すなわち、スペーサ
２４０ａと放熱板との間が密着するために、スペーサ２
４０ａがパッキングとして機能する。このため、スペー
サ２４０ａに囲まれた電力用基板２２１に配置されるＩ
ＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６等の回路素子、パターン２２５な
どが外気から保護される。その結果、外気中の湿気等に
よる回路素子、パターン２２５等の劣化が抑制される。
【００８３】また、スペーサ２４０ａは弾力性を有する
ので、実施例２の装置と同様に、接着剤２６０は硬質で
もよい。また、スペーサ２４０ａの開口部に収納される
電力用基板２２１の寸法に高い精度を要しない。
【００８４】［実施例８．］ここでは、図１に示す実施
例１の装置の製造における手順の一例について記述す
る。
【００８５】（１） まず、電力用基板本体２２２、Ｉ
ＧＢＴ素子Ｔ１〜Ｔ６などの主回路の回路素子、電源端
子ＰＳ（Ｐ）、ＰＳ（Ｎ）などの主回路の端子２０３、
皮膜２３３をコーティングされた金属板２３２、半導体
素子ＩＣ１〜ＩＣ４などの制御回路２３０の回路素子、
電源端子ＶEE１〜ＶEE４などの制御回路の端子２０４、
スペーサ２４０、およびケース２０１を準備する。
【００８６】（２） 電力用基板本体２２２の上主面に
パターン２２３、２２４をメタライズ結合により配設す
る。
【００８７】（３） 更に、電力用基板本体２２２の下
主面にパターン２２５をメタライズ結合により配設する
ことにより、電力用基板２２１を作成する。
【００８８】（４） パターン２２３にＩＧＢＴ素子Ｔ
１〜Ｔ６などの主回路素子、および端子２０３を接続す
る。
【００８９】（５） 配線パターン２３６、２３７が配
設されたＧＦＲＰの制御用基板本体２３５を、接着剤２
３４を介して皮膜２３３の表面に着設することにより、
制御用基板２３１を作成する。
【００９０】（６） 配線パターン２３６に半導体素子
ＩＣ１〜ＩＣ４などの制御回路２３０の回路素子、及び
端子２０４を接続する。
【００９１】（７） 制御用基板２３１を電力用基板２
２１のパターン２２４に係合させ、電力用基板２２１の
周囲に配置する。
【００９２】（８） スペーサ２４０の開口部の内周端
縁を電力用基板２２１の外周端縁にシリコーン系の接着
剤を介して当接させ、また、制御用基板２３１と主面同
士を接着剤を介して当接させる。このことにより、スペ
ーサ２４０が電力用基板２２１の周囲に固定して取り付
けられる。
【００９３】（９） 電力用基板２２１、スペーサ２４
０、および制御用基板２３１が一体となった複合基板２
０５をケース２０１に接着剤を介して固着する。
【００９４】（１０） 回路素子、および端子などの間
を適宜、導体ワイヤｗで接続する。
【００９５】（１１） 複合基板２０５およびケース２
０１で形成される装置の外囲器の内部空間に、エポキシ
樹脂の充填材２５０を充填し熱硬化させる。
【００９６】［実施例９．］実施例２の装置を製造する
手順は、まず前述の工程（１）において、スペーサ２４
０としてシリコーン樹脂を主材料とするスペーサ２４０
を準備する。更に工程（８）において、スペーサ２４０
の開口部と電力用基板２２１の間の接着に使用する接着
材は、シリコーン系などの可とう性の接着剤に限定され
ない。
【００９７】［実施例１０．］実施例３の装置を製造す
る手順は、実施例８の手順と同様であるが、電力用基板
２２１の厚さがスペーサ２４０の厚さよりも幾分大きく
なるように、工程（１）で準備される電力用基板本体２
２２およびスペーサ２４０の厚さ、および工程（２）、
（３）で電力用基板本体２２２に配設するパターン２２
３、２２４、２２５の厚さを調整する。
【００９８】［実施例１１．］実施例４の装置を製造す
る手順は、実施例８の工程（８）に先だって、制御用基
板２３１およびスペーサ２４０にネジ２４１を貫通させ
る孔を設ける。更に、工程（８）においては、スペーサ
２４０の開口部の内周端縁を電力用基板２２１の外周端
縁にシリコーン系の接着剤を介して当接させ、また、制
御用基板２３１との間をネジ２４１により締結する。こ
のことにより、スペーサ２４０が電力用基板２２１の周
囲に固定して取り付けられる。
【００９９】［実施例１２．］実施例５の装置を製造す
る手順は、実施例８の工程（８）に先だって、導熱板２
７０を準備し、制御用基板２３１およびスペーサ２４０
にネジ２７１を貫通させる孔を設け、更に導熱板２７０
にネジ２７１と螺合するネジ孔を設ける。更に、工程
（１１）に先だって、導熱板２７０をネジ２７１によっ
てスペーサ２４０へ締結する。
【０１００】実施例５の変形例である、導熱板２７０が
ネジ２７１を介することなく、接着剤で電力用基板２２
１の底面等に着設された装置を製造する手順は以下の通
りである。まず、実施例８の工程（８）に先だって、導
熱板２７０を準備する。更に、工程（１１）に先だっ
て、接着剤を用いて導熱板２７０をスペーサ２４０の底
面、又は電力用基板２２１の底面、若しくはこれらの双
方に着設する。導熱板２７０を電力用基板２２１の底面
に着設する場合には、接着剤として可とう性の接着剤を
使用する。
【０１０１】
【発明の効果】＜請求項１に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、電力用基板が有する
板材が外部の放熱板などに直接接触するように、装置を
取り付けることにより、回路に発生する熱を銅ベース板
なしで外部に放出することができるので、バイメタル効
果が発生しない。このためこの発明の装置では、まず電
力用基板の破壊がないという効果がある。バイメタル効
果がないので、Ｓベント構造が必要でなくなるために、
装置の高速動作が可能となる他、シリコーンゲルの充填
が必要でなくなるので、装置の構造を簡単にし得て、か
つ製造コストを低減し得る効果がある。また、Ｓベント
構造がないために、装置を薄く小型にし得る効果があ
る。更に、電力用基板と制御用基板とが略同一平面上に
配設されるので、このことによっても装置を薄くかつ小
型化し得る効果がある。
【０１０２】＜請求項２に記載の発明の効果＞この発明
における半導体パワーモジュールでは、電力用基板本体
の耐熱性絶縁材にセラミックが使用され、電力用配線パ
ターンおよび板材がメタライズ結合によって配設される
ので、電力用スイッチング半導体素子および電力用配線
パターンにおいて発生する損失熱が、板材へ効率よく伝
達されるという効果がある。また、電力用配線パターン
および板材と電力用基板本体との接着強度が高いので、
はがれ等による劣化が起こりにくく、製品寿命が高いと
いう効果が得られる。
【０１０３】＜請求項３に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、制御信号を作成して電
力用スイッチング半導体素子へ送信する制御回路素子を
配置する制御用基板が、電力用基板の周囲に配置され
る。このため、厚みが更に薄い小型の装置を実現するこ
とができる効果がある。また、制御用基板が押圧部材を
有し、かつ電力用基板の縁部に係合しているので、外囲
器の外部表面に露出する板材を、十分な圧力をもって外
部の放熱板等に圧接し得る効果がある。
【０１０４】＜請求項４に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、外囲器の底面部分が、
電力用基板の周囲に当接するスペーサを有するので、電
力用基板がスペーサにより定められる所定の位置に納ま
るという効果がある。
【０１０５】＜請求項５に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用配線パターンの
厚さと板材の厚さとの比率が調整されているので、電力
用基板が温度変化に伴って反り変形しない。このため、
電力用基板の破壊が防止されるのみならず、電力用配線
パターンと電力用スイッチング半導体素子との間の接続
部分の寿命の、熱サイクルによる低下が抑制される効果
がある。
【０１０６】＜請求項６に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、スペーサが弾力性を有
し、スペーサの表面と電力用基板が有する板材の表面と
が略同一平面状にあるので、板材を十分な圧力をもっ
て、効果的に外部の放熱板等に圧接し得る効果がある。
また、スペーサが弾力性を有するので、これに当接する
電力用基板等の寸法に高い精度を要しないという効果が
ある。
【０１０７】＜請求項７に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、スペーサが弾力性を有
し、スペーサの表面が電力用基板が有する板材の表面よ
りも外部に突出するので、この装置が外部の放熱板等に
取り付けられたときに、スペーサがパッキングとして機
能する。このため、電力用スイッチング半導体素子が外
気から保護されるので、外気中の湿気等によるこの半導
体素子の劣化が抑制される効果がある。また、スペーサ
が弾力性を有するので、これに当接する電力用基板等の
寸法に高い精度を要しないという効果がある。
【０１０８】＜請求項８に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用基板が有する板
材の表面がスペーサの表面に対して、より外側へ位置す
るので、板材を十分な圧力をもって、効果的に外部の放
熱板等に圧接し得る効果がある。
【０１０９】＜請求項９に記載の発明の効果＞この発明
の半導体パワーモジュールでは、電力用基板が当接部材
において制御用基板に当接するので、この当接部材が緩
衝材として機能し、制御用基板との係合によって電力用
基板本体が破損するのを防止し得る効果がある。また、
電力用基板本体の強度も向上するという効果が得られ
る。
【０１１０】＜請求項１０に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、押圧部材が金属板を
備えるので、外囲器の外部表面に露出する板材を、更に
十分な圧力をもって外部の放熱板等に圧接し得る効果が
ある。更に、この金属板によって、制御回路素子の動作
に伴って発生する電磁波雑音が遮蔽され、装置外部への
電磁波雑音が抑制される効果がある。
【０１１１】＜請求項１１に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、制御用基板が開口部
を有し、この開口部に電力用基板が位置するので、外囲
器の底面部分が一層小型化され、これに伴い装置が一層
小型化される効果がある。
【０１１２】＜請求項１２に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールは、電力用スイッチング素
子を覆うプリコート樹脂を備えるので、このスイッチン
グ素子の防湿が確実に行われる。このため、スイッチン
グ素子の耐圧が長期にわたって維持されるという効果が
ある。また、電力用基板の主面と制御用基板の主面の間
には段差があって、プリコート樹脂で覆うべきスイッチ
ング素子は、この段差の後退面に配置されている。この
ため、プリコート樹脂でスイッチング素子を覆う工程に
おいて、この段差によってプリコート樹脂の流出が阻止
されるので、半導体パワーモジュールの製造工程が簡単
であるとともに、プリコート樹脂を不必要に多く消費し
ないという効果がある。
【０１１３】＜請求項１３に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、電力用基板とスペー
サの間が、可とう性の接着剤を介して当接しているの
で、電力用基板とスペーサの間の熱膨張係数の差異に起
因する電力用基板の変形を防止し得る効果がある。
【０１１４】＜請求項１４に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、外囲器の底面部分を
構成する制御用基板とスペーサの間が主面同士で互いに
接触し合っており、しかも互いに固定されている。この
ため、底面部分の厚みを薄く小型にし得るとともに、ス
ペーサの脱落を防止し得る効果がある。
【０１１５】＜請求項１５に記載の発明の効果＞この発
明の半導体パワーモジュールでは、電力用基板の板材に
滑動可能に熱良導性の導熱板が当接している。このた
め、回路に発生する損失熱が導熱板を介して外部の放熱
板へ放散されるので、表面平滑度が良好でない放熱板を
用いた場合においても効果的に損失熱の放散が行われる
効果がある。
【０１１６】＜請求項１６〜請求項２３に記載の発明の
効果＞この発明の半導体パワーモジュールの製造方法で
は、この発明の半導体パワーモジュールを容易に製造し
得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例における装置の正面断
面図である。
【図２】この発明の実施例における装置の回路部分の概
略回路図である。
【図３】この発明の実施例における装置の外観を示す斜
視図である。
【図４】この発明の実施例における複合基板と、その上
に配置された回路素子の平面図である。
【図５】この発明の実施例における電力用基板の構造図
である。
【図６】この発明の実施例における複合基板の分解図で
ある。
【図７】この発明のもう一つの実施例における装置の正
面断面図である。
【図８】この発明の更にもう一つの実施例における装置
の正面断面図である。
【図９】この発明の更にもう一つの実施例における装置
の正面断面図である。
【図１０】この発明の更にもう一つの実施例における装
置の正面断面図である。
【図１１】この発明の更にもう一つの実施例における装
置の正面断面図である。
【図１２】従来の装置の回路部分の概略回路図である。
【図１３】従来の装置の外観を示す斜視図である。
【図１４】従来の装置の主回路の平面図である。
【図１５】従来の装置の制御回路の平面図である。
【図１６】従来の装置の正面断面図である。
【符号の説明】
２００ 半導体パワーモジュール ２０５ 複合基板 ２２１ 電力用基板 ２２２ 電力用基板本体 ２２３ 電力用配線パターン ２２５ パターン（板材） ２３１ 制御用基板 ２３２ 金属板（押圧部材） ２３５ 制御用基板本体 ２３６ 配線パターン（制御用配線パターン） ２４０、２４０ａ スペーサ ２４１ ネジ ２６０ 接着剤 ２７０ 導熱板 ２７１ ネジ ２８０ プリコート樹脂 Ｔ１〜Ｔ６ ＩＧＢＴ素子（電力用スイッチング半導体
素子） ＩＣ１〜ＩＣ４ 半導体素子（制御回路素子） ＶG １〜ＶG ６ ゲート電圧信号（制御信号）

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 制御信号に応答して負荷へ供給する電流
    の遮断および接続を反復する電力用スイッチング半導体
    素子が箱状の外囲器に収容された半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記外囲器の底部が、 耐熱性絶縁材を含んだ電力用基板本体と、 前記電力用基板本体の上主面上に結合して配設され、前
    記電力用スイッチング半導体素子が接続される熱および
    電気良導性の電力用配線パターンと、 前記電力用基板本体の下主面上に結合して配設され、前
    記電力用配線パターンと実質的に同一の材料を有する熱
    良導性の板材と、 を一体的に形成してなる電力用基板を備え、 前記板材が前記外囲器の下側表面に露出していることを
    特徴とする半導体パワーモジュール。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記耐熱性絶縁材がセラミックであり、 前記電力用配線パターンが実質的に銅材から成り、前記
    電力用基板本体の前記上主面上にメタライズ結合して配
    設され、 前記板材が実質的に銅材から成り、前記電力用基板本体
    の前記下主面上にメタライズ結合して配設された、半導
    体パワーモジュール。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記外囲器の前記底部が、 実質的に絶縁体から成る制御用基板本体と、 前記制御用基板本体の上主面に配設され、前記制御信号
    を作成して前記電力用スイッチング半導体素子へ供給す
    るための制御回路素子が接続される電気良導性の制御用
    配線パターンと、 前記制御用基板本体と互いに重層構造を成し、剛性を有
    する板状の押圧部材と、 を有する制御用基板を備え、 前記制御用基板が、前記電力用基板の周囲に配置されて
    前記電力用基板の縁部に係合していることを特徴とす
    る、半導体パワーモジュール。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記外囲器の前記底部が、 前記電力用基板の周囲に設けられて前記電力用基板の外
    周端縁に当接する内周端縁を有するとともに、前記制御
    用基板の下主面に接触する板状のスペーサ、 を更に備えることを特徴とする半導体パワーモジュー
    ル。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記電力用基板が、その温度の変化に伴って反り変形し
    ないように前記電力用配線パターンの厚さと前記板材の
    厚さとの比率が調整されていることを特徴とする半導体
    パワーモジュール。
  6. 【請求項６】 請求項４に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記スペーサが弾力性を有し、 前記スペーサの下主面が前記板材の下主面と略同一平面
    上に位置することを特徴とする半導体パワーモジュー
    ル。
  7. 【請求項７】 請求項４に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記スペーサが弾力性を有し、 前記スペーサの下主面が前記板材の下主面よりも下側に
    突出していることを特徴とする半導体パワーモジュー
    ル。
  8. 【請求項８】 請求項４に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記板材の下主面が前記スペーサの下主面よりも下側に
    突出していることを特徴とする半導体パワーモジュー
    ル。
  9. 【請求項９】 請求項４に記載の半導体パワーモジュー
    ルであって、 前記電力用基板が、 前記電力用基板本体の前記上主面の上の縁部に配設さ
    れ、前記制御用基板に当接し、実質的に金属から成る当
    接部材、 を更に備えることを特徴とする半導体パワーモジュー
    ル。
  10. 【請求項１０】 請求項４に記載の半導体パワーモジュ
    ールであって、 前記押圧部材が金属板を備えることを特徴とする半導体
    パワーモジュール。
  11. 【請求項１１】 請求項４に記載の半導体パワーモジュ
    ールであって、 前記制御用基板において、その主面の中央部を貫通する
    開口部が形成されており、当該開口部に前記電力用基板
    が位置することを特徴とする半導体パワーモジュール。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の半導体パワーモジ
    ュールであって、 前記開口部に位置する前記電力用基板の上主面が、前記
    制御用基板の上主面よりも下に存在し、 前記開口部において、前記電力用スイッチング素子を覆
    うプリコート樹脂が設けられていることを特徴とする半
    導体パワーモジュール。
  13. 【請求項１３】 請求項４に記載の半導体パワーモジュ
    ールであって、 前記スペーサの前記内周端縁が、前記電力用基板の前記
    外周端縁に、可とう性の接着剤を介して当接しているこ
    とを特徴とする半導体パワーモジュール。
  14. 【請求項１４】 請求項４に記載の半導体パワーモジュ
    ールであって、 前記スペーサの上主面が、前記制御用基板の下主面に当
    接し、 前記スペーサと前記制御用基板とが互いに固定されてい
    ることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  15. 【請求項１５】 請求項４に記載の半導体パワーモジュ
    ールであって、 前記外囲器の前記底部の下に当接するように設けられ、
    前記板材の下主面に滑動可能な上主面を有する熱良導性
    で板状の導熱板、 を更に備えることを特徴とする半導体パワーモジュー
    ル。
  16. 【請求項１６】 半導体パワーモジュールの製造方法で
    あって、 (a) 耐熱性絶縁材を有する電力用基板本体の上主面上に
    電気良導性の電力用配線パターンが配設され、かつ前記
    電力用基板本体の下主面上に前記電力用配線パターンと
    実質的に同一の材料を有する熱良導性の板材が配設され
    てなる電力用基板を備えた基板構造体を得る工程と、 (b) 前記電力用配線パターンに電力用スイッチング半導
    体素子を接続する工程と、 (c) 無底のケースを前記基板構造体に連結することによ
    って、前記電力用基板を底部の一部とし、前記電力用ス
    イッチング半導体素子をその内部に収容する外囲器を作
    成する工程と、 を備え、 前記工程(c) が、 (c-1) 前記外囲器の前記底部において、前記板材の下主
    面が露出するように前記ケースを前記電力用基板に連結
    する工程を備えることを特徴とする半導体パワーモジュ
    ールの製造方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 (d) 実質的に絶縁体から成る制御用基板本体の上主面に
    電気良導性の制御用配線パターンを配設し、前記制御用
    基板本体の下主面に剛性を有する板状の押圧部材を層状
    に重ねることによって制御用基板を作成する工程と、 (e) 前記制御用配線パターンに制御回路素子を接続する
    工程と、 を更に備え、 前記工程(c) が、 (c-2) 前記制御用基板を前記電力用基板の縁部に係合さ
    せ、かつ当該電力用基板の周囲に配置する工程、 を備えることを特徴とする半導体パワーモジュールの製
    造方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 (f) 内周端縁を有する板状のスペーサを準備する工程、 を更に備え、 前記工程(c) が、 (c-3) 前記内周端縁が前記電力用基板の外周端縁に当接
    するように、当該電力用基板の周囲に前記スペーサを配
    置する工程、 を更に備えることを特徴とする半導体パワーモジュール
    の製造方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 前記スペーサが弾力性を有しており、 前記工程(c-3) が、 (c-3-1) 前記スペーサの下主面が前記板材の下主面と略
    同一平面上になるように前記スペーサを配置する工程、 を備えることを特徴とする半導体パワーモジュールの製
    造方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１８に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 前記工程(c-3) が、 (c-3-2) 前記スペーサの下主面が前記板材の下主面より
    も下側に位置するように前記スペーサを配置する工程、 を備えることを特徴とする半導体パワーモジュールの製
    造方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１８に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 前記工程(c-3) が、 (c-3-3) 前記スペーサの前記内周端縁を、前記電力用基
    板の前記外周端縁に、可とう性の接着剤を介して当接さ
    せる工程、 を備えることを特徴とする半導体パワーモジュールの製
    造方法。
  22. 【請求項２２】 請求項１８に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 前記工程(c-3) が、 (c-3-4) 前記スペーサの下主面を、前記制御用基板の下
    主面に当接させ、かつ前記スペーサと前記制御用基板と
    を互いに固定する工程、 を備えることを特徴とする半導体パワーモジュールの製
    造方法。
  23. 【請求項２３】 請求項１８に記載の半導体パワーモジ
    ュールの製造方法であって、 (g) 熱良導性で板状の導熱板を、その上主面が前記板材
    の下主面に滑動可能に当接するように設置する工程、 を更に備える半導体パワーモジュールの製造方法。
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