JP3927806B2

JP3927806B2 - インテリジェントパワーモジュール

Info

Publication number: JP3927806B2
Application number: JP2001401234A
Authority: JP
Inventors: 和広栗秋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003197860A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＧＢＴやダイオードなどの電気部品ないし素子を備えた主回路を搭載する主回路基板と、主回路を制御する電気部品ないし素子を備えた制御回路を搭載する制御回路基板とを有するインテリジェントパワーモジュールの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パッケージ内に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオードなどのスイッチング素子を備えた主回路と、該主回路を駆動、保護ないしは制御する制御回路とを内蔵しているインテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module：以下、略して「ＩＰＭ」という。）は、異常事態に対する耐性が高く、信頼性が高いことから、従来、パワーエレクトロニクス等の技術分野で広く用いられている。そして、かかるＩＰＭにおいては、各素子の発熱量が多いので、この熱を迅速かつ有効に外部に放出するため、主回路及び制御回路は、通常、伝熱性が良好な金属基板の上に搭載（配設）される。
【０００３】
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、かかる構造を備えた従来のＩＰＭの平面図及び斜視図である。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、この従来のＩＰＭにおいては、放熱（冷却）用の金属基板Ｍの上に、制御回路Ａ１と主回路Ａ２とが搭載されている。ここで、制御回路Ａ１は、ＩＣ１０１（Integrated Circuit）、抵抗１０２、コンデンサ１０３等で構成され、制御回路端子１０７を介して他のデバイスと電気的に接続されるようになっている。また、主回路Ａ２は、ＩＧＢＴ１０４、ダイオード１０５等で構成され、主回路端子１０６を介して他のデバイスと電気的に接続されるようになっている。なお、制御回路Ａ１と主回路Ａ２とは、銅パターン１０８を介して互いに電気的に接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭでは、制御回路Ａ１と主回路Ａ２とが同一平面上に搭載されているので、ＩＰＭの取り付け面積（設置面積）が大きくなり、かさばるといった問題がある。また、金属基板Ｍが高価なので、ＩＰＭのコストが高くなるといった問題もある。さらには、ＩＰＭをシリーズ化する場合、例えば基本的な仕様が同一で電流容量が異なる複数の品番のＩＰＭ（例えば、１０Ａ品、３０Ａ品、５０Ａ品等）を製造する場合、主回路Ａ２は電流容量に応じてその大きさが変わるので、各品番ごとに金属基板Ｍの大きさが異なることになる。このため、金属基板Ｍを各品番で共通化することができず、部品点数が多くなるといった問題もある。
【０００５】
これに対して、図５に示すように、主回路Ａ２のみを金属基板Ｍ上に搭載する一方、制御回路Ａ１を安価なガラスエポキシ基板Ｇに搭載し、このガラスエポキシ基板Ｇを金属基板Ｍの上方に（２段重ねで）配置するといった対応が考えられる。しかしながら、このようにした場合、金属基板Ｍが小さくてすみかつＩＰＭの取り付け面積が小さくなるといった利点はあるものの、金属基板Ｍ上に、主回路Ａ２を構成する各種部品を実装する上で、空間的な制約が受けるといった問題が新たに生じる。また、両基板Ｍ、Ｇを電気的に接続するためのつなぎ端子１０９を設けなければならず、組み付け性ないしは作業性が悪くなるといった問題も生じる。
【０００６】
また、図６に示すように、従来のＩＰＭでは、絶縁層１１０の上面（表面）に抵抗１０２、コンデンサ１０３等の部品ないし素子を実装し、下面（裏面）に基準電位パターン１１１を配設した上で、銅パターン１０８と基準電位パターン１１１とをコンタクトホール１１２で接続するようにしている。このため、絶縁層１１０の下面には部品ないし素子を実装することができず、該部品ないし素子を実装することができるスペース（面積）が小さくなるといった問題がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、取り付け面積が小さく、部品点数が少ない安価なＩＰＭを提供することを解決すべき課題とする。また、各種素子を実装する上において空間的な制約を受けず、つなぎ端子を必要としないＩＰＭを提供することをも解決すべき課題とする。さらには、制御用の素子を実装することができるスペース（面積）を大きくすることができるＩＰＭを提供することをも解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）は、（ｉ）主回路と、該主回路を制御する制御回路とを備えたＩＰＭであって、（ii）主回路を搭載する主回路基板と制御回路を搭載する制御回路基板とが別体（別材料）で形成されていて、（iii）主回路基板と制御回路基板とが、両基板の広がり面が互いに垂直となるようにして、両基板の縁部（辺部）同士で結合され、（iv）主回路と制御回路とが、両基板の結合部近傍で互いに電気的に接続され、（ v ）制御回路基板の表裏両方の広がり面に、制御回路を構成する電気部品（素子）が実装されていることを特徴とするものである。
【０００９】
上記ＩＰＭにおいては、主回路基板が金属基板（例えば、アルミニウム基板等）であり、制御回路基板がガラスエポキシ基板であるのが好ましい。
さらに、上記ＩＰＭにおいては、主回路基板と制御回路基板とが、（ケース内で）充填樹脂によって固定されているのが好ましい。
【００１０】
なお、特開平８−１１１５７５号公報には、金属基板とマザーボードとが、これらの広がり面が互いに垂直となるように接合された半導体装置が開示されている。しかし、この半導体装置は、金属基板とマザーボードとが縁部同士で結合されているものではなく、したがって主回路基板と制御回路基板とが両基板の縁部同士で結合されている本発明にかかるＩＰＭとは、明らかに異なる構成のものである。
【００１１】
また、特開平４−３４６２６０号公報には、ＤＢＣ基板の銅パターンにパワートランジスタが半田付けされ、ＤＢＣ基板とは別体のプリント基板に制御回路を構成する部品が搭載された半導体装置が開示されている。しかし、この半導体装置は、ＤＢＣ基板とプリント基板とがその広がり面が互いに垂直となるように結合されているものではなく（互いに平行である）、したがって本発明にかかるＩＰＭとは、明らかに異なる構成のものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明にかかるＩＰＭの平面図及び斜視図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、このＩＰＭにおいては、制御回路Ｃ１はガラスエポキシ基板Ｓ１（制御回路基板）上に搭載され、主回路Ｃ２は金属基板Ｓ２（主回路基板）上に搭載されている。ここで、金属基板Ｓ２は、伝熱性の良好な材料（例えば、アルミニウム、銅、銀等）で形成され、主回路Ｃ２で発生した熱を、迅速かつ有効に外部に放出する。
【００１３】
制御回路Ｃ１は、ＩＣ１、抵抗２、コンデンサ３等で構成され、制御回路端子７を介して他のデバイスと電気的に接続されるようになっている。なお、制御回路Ｃ１は、主回路Ｃ２を駆動し、保護しあるいは制御する。また、主回路Ｃ２は、ＩＧＢＴ４、ダイオード５等で構成され、主回路端子６を介して他のデバイスと電気的に接続されるようになっている。ここで、金属基板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１とは、両基板Ｓ１、Ｓ２の広がり面が互いに垂直となるようにして、両基板Ｓ１、Ｓ２の縁部（辺部）同士で、半田付け等により結合されている。そして、主回路Ｃ２と制御回路Ｃ１とは、両基板Ｓ１、Ｓ２の結合部近傍で、金属端子９を介して互いに電気的に接続されている
【００１４】
本発明にかかるＩＰＭにおいては、主回路Ｃ２を搭載する金属基板Ｓ２と制御回路Ｃ１を搭載するガラスエポキシ基板Ｓ１とが、２つの別体の基板に分けて形成され、かつ両基板Ｓ１、Ｓ２の広がり面が互いに垂直となるようにして、縁部同士で結合されているので、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭに比べて、ＩＰＭの取り付け面積を小さくすることができる。
【００１５】
これに対して、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭでは、前記のとおり、ＩＧＢＴ１０４やダイオード１０５を備えた主回路Ａ２と、ＩＣ１０１や抵抗１０２やコンデンサ１０３を備えた制御回路Ａ１とが、同一の金属基板Ｍ上に搭載されているので、その取り付け面積が大きくなる。
【００１６】
また、本発明にかかるＩＰＭにおいては、両基板Ｓ１、Ｓ２が互いに垂直となるようにして縁部同士で結合されているので、金属基板Ｓ２の上方には、実質的には、制御回路Ｃ１を構成する抵抗２、コンデンサ３等の部品ないし素子は配置されない。つまり、ガラスエポキシ基板Ｓ１ないしはこれに搭載される部品又は素子は、金属基板Ｓ２の直上を避けた位置に、金属基板Ｓ２とは垂直な方向にのびるように配置されるので、金属基板Ｓ２上に主回路Ｃ２の部品又は素子等を配設する上で、何ら空間的な制約を受けない。したがって、部品実装の自由度が大幅に高められる。なお、両基板Ｓ１、Ｓ２は、半田付けで接合ないしは接続されるので、接合作業の作業性もよい。また、制御回路Ｃ１と主回路Ｃ２とが、両基板Ｓ１、Ｓ２の接合部付近で接近しているので、両回路Ｃ１、Ｃ２の接続は、金属端子９を用いて、極めて容易に行うことができる。
【００１７】
これに対して、例えば図５に示された従来のＩＰＭでは、前記のとおり、ガラスエポキシ基板Ｇが金属基板Ｍの上方に２段重ねで配置されているので、金属基板Ｍ上に、主回路Ａ２を構成する各種部品を実装する上で、強い空間的な制約を受けることになる。また、両基板Ｍ、Ｇを電気的に接続するためのつなぎ端子１０９を設けなければならないので、組み付け性ないし作業性が悪くなっていた。なお、図４（ａ）、（ｂ）に示すＩＰＭでも、制御回路Ａ１と主回路Ａ２との電気的接続には銅パターン１０８を設けなければならないので、該配線接続の作業性が悪くなっていた。
【００１８】
さらに、本発明にかかるＩＰＭでは、発熱量が多い主回路Ｃ２のみが高価な金属基板Ｓ２に搭載され、発熱量がさほど多くない制御回路Ｃ１は冷却の必要がほとんどないので、伝熱性は劣るものの安価なガラスエポキシ基板Ｓ１に搭載されている。このため、ＩＰＭのコストが低減される。これに対して、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭでは、冷却がほとんど不要な発熱の小さい制御回路Ａ１も金属基板Ｍ上に搭載されているので、金属基板Ｍの面積が大きくなり、ＩＰＭのコストが高くなる。
【００１９】
ところで、一般に、ＩＰＭにおいて、主回路の大きさは該ＩＰＭの電流容量に応じて変化するが、制御回路の大きさは該電流容量には依存しない。そして、本発明にかかるＩＰＭでは、制御回路Ｃ１を搭載するガラスエポキシ基板Ｓ１が、主回路Ｃ２を搭載する金属基板Ｓ２とは別体とされているので、ＩＰＭをシリーズ化した場合でも、ガラスエポキシ基板Ｓ１の大きさをＩＰＭの品番（例えば、電流容量が１０Ａ、３０Ａ、５０Ａのもの）ごとに変える必要はない。このため、制御回路Ｃ１を搭載するガラスエポキシ基板Ｓ１を、全シリーズで共通化することができ、部品点数を低減することができる。
【００２０】
本発明にかかるＩＰＭでは、制御回路Ｃ１はガラスエポキシ基板Ｓ１に搭載されているので、ガラスエポキシ基板Ｓ１を、その広がり面が鉛直方向ないしは上下方向にのびるようにすれば、ガラスエポキシ基板Ｓ１の表裏両方の広がり面に、制御回路Ｃ１を構成する抵抗２、コンデンサ３等の電気部品（素子）を実装することができる。
【００２１】
すなわち、図２に示すように、この場合は、ガラスエポキシ基板Ｓ１が、その広がり面が鉛直方向に伸びるように配置され、２つの絶縁層１０の間に、基準電位パターン１１がはさみ込まれる。そして、ガラスエポキシ基板Ｓ１の表側（便宜上、図２中では左側とする。）の銅パターン８と、裏側（便宜上、図２中では右側とする。）の銅パターン８とが、スルーホール１２を介して電気的に接続される。これにより、ガラスエポキシ基板Ｓ１の表裏両面に、抵抗２、コンデンサ３等の部品ないしは素子を実装することができ、該ガラスエポキシ基板Ｓ１のスペース（面積）を有効に利用することができる。したがって、ガラスエポキシ基板Ｓ１ひいては該ＩＰＭをコンパクト化することができる。
【００２２】
これに対して、図４（ａ）、（ｂ）に示された従来のＩＰＭでは、図６に示すように、制御回路Ａ１を搭載する基板の絶縁層１１０の上面にしか、抵抗１０２、コンデンサ１０３等の部品ないしは素子を実装することができないので、制御回路Ａ１を搭載する基板ひいてはＩＰＭは比較的大きくなっていた。
【００２３】
また、図３に示すように、本発明にかかるＩＰＭでは、金属基板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１とがケース１３内に配置され、両基板Ｓ１、Ｓ２は、ケース１３内に充填された樹脂１４によって固定されている。なお、主回路端子６の先端部及び制御回路端子７の先端部は、樹脂１４の外に露出し、その他のデバイスと電気的に接続できるようになっている。前記のとおり、金属基板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１とは半田付けで結合（接続）されているので、その結合強度はさほど強くない。そこで、このように金属基板Ｓ２とガラスエポキシ基板Ｓ１とを樹脂１４で固めることにより、ガラスエポキシ基板Ｓ１を金属基板Ｓ２に対して安定して固定できるようにしている。
【００２４】
【発明の効果】
本発明にかかるＩＰＭにおいては、主回路基板と制御回路基板とが、別体で形成され、かつ両基板の広がり面が互いに垂直となるようにして、両基板の縁部同士で結合されている。すなわち、主回路基板上を避けた位置に制御回路基板が配置されている。このため、従来のＩＰＭに比べて、ＩＰＭの取り付け面積を小さくすることができる。また、主回路基板上に主回路の部品又は素子等を配設する上で何ら空間的な制約を受けない。したがって、部品実装の自由度が大幅に高められる。さらに、制御回路基板が、主回路基板と別体とされているので、ＩＰＭをシリーズ化した場合でも、制御回路基板の大きさをＩＰＭの品番ごとに変える必要はない。このため、制御回路基板を、全シリーズで共通化することができ、部品点数を低減することができる。
【００２５】
さらに、上記ＩＰＭにおいては、制御回路基板の表裏両方の広がり面に、制御回路を構成する電気部品が実装されているので、制御回路基板のスペース（面積）を有効に利用することができ、制御回路基板をコンパクト化することができる。
【００２６】
上記ＩＰＭにおいて、主回路基板が金属基板であり、制御回路基板がガラスエポキシ基板である場合は、発熱量が多い主回路のみが高価な金属基板に搭載され、発熱量がさほど多くない制御回路は安価なガラスエポキシ基板に搭載されるので、ＩＰＭのコストが低減される。
【００２７】
上記ＩＰＭにおいて、主回路基板と制御回路基板とが充填樹脂によって固定されている場合は、制御回路基板を主回路基板に対して安定して固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明にかかるＩＰＭの平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＩＰＭの斜視図である。
【図２】本発明にかかるＩＰＭのガラスエポキシ基板（制御回路基板）の立面断面図である。
【図３】ケース内に配置されて樹脂で固められたＩＰＭの立面断面図である。
【図４】（ａ）は従来のＩＰＭの平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す従来のＩＰＭの斜視図である。
【図５】制御回路用の基板が金属基板の上方に配置されている従来のＩＰＭの斜視図である。
【図６】従来のＩＰＭの制御回路用の基板の立面断面図である。
【符号の説明】
Ｓ１ガラスエポキシ基板、Ｓ２金属基板、Ｃ１制御回路、Ｃ２主回路、１ＩＣ、２抵抗、３コンデンサ、４ＩＧＢＴ、５ダイオード、６主回路端子、７制御回路端子、８銅パターン、９金属端子、１０絶縁層、１１基準電位パターン、１２スルーホール、１３ケース、１４樹脂。

Claims

主回路と、該主回路を制御する制御回路とを備えたインテリジェントパワーモジュールであって、
上記主回路を搭載する主回路基板と上記制御回路を搭載する制御回路基板とが別体で形成されていて、
上記主回路基板と上記制御回路基板とが、該両基板の広がり面が互いに垂直となるようにして、該両基板の縁部同士で結合され、
上記主回路と上記制御回路とが、上記両基板の結合部近傍で互いに電気的に接続され、
上記制御回路基板の表裏両方の広がり面に、上記制御回路を構成する部品が実装されていることを特徴とするインテリジェントパワーモジュール。
上記主回路基板が金属基板であり、上記制御回路基板がガラスエポキシ基板であることを特徴とする請求項１に記載のインテリジェントパワーモジュール。
上記主回路基板と上記制御回路基板とが、充填樹脂によって固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインテリジェントパワーモジュール。