JP6584333B2

JP6584333B2 - パワーモジュール

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Publication number: JP6584333B2
Application number: JP2016014256A
Authority: JP
Inventors: 利成平井; 哲次郎角田; 徹市村; 正則山元; 藤田　宏; 宏藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: US9735226B1; JP2017135873A; US20170221984A1

Description

本発明は、例えば産業機器または民生機器のモータ制御に使用される回路基板に実装される電子部品の占有面積を削減することを目的とするパワーモジュールに関するものである。

従来のパワーモジュールは、駆動する際にオフサージ電圧が発生してしまい、そのサージ電圧によりパワーモジュールの最大定格以上の電圧が印加されると故障する可能性がある。そこで、サージ電圧を抑制するためにスナバコンデンサと呼ばれるフィルムコンデンサをパワーモジュール近傍の回路基板上に実装する必要があった。そこで、従来から、内部にコンデンサを埋め込んだパワーモジュールが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。

しかし、コンデンサに使用される高誘電体材料は焼結体であり、内部にサイズの大きなコンデンサを形成する場合、リードと共に誘電体を高温で焼結することが困難であった。そのため、サイズが大きいコンデンサは、パワーモジュールの内部に実装できないという問題があった。

また、高耐圧、および高周波数特性を有するフィルムコンデンサはサイズが大きいため、回路基板に実装する際に大きなスペースが必要となることから、回路基板と、回路基板に実装されたパワーモジュールとの間にサイズの大きなコンデンサを実装することが困難である。そのため、回路基板において、パワーモジュールを実装した側の面とは反対側の面に高さのある電子部品を実装する必要があるなどの制約が発生するという問題があった。そこで、例えば、特許文献３には、パワーモジュールの外部にスナバコンデンサを配置した装置が開示されている。

特開２００７−１５１３３１号公報特開２００５−３２８６５１号公報特開２０１１−６７０４５号公報

上記のように、特許文献１，２に記載の装置では、パワーモジュールの内部にコンデンサを配置しているが、サイズの大きなコンデンサを配置することは困難である。

さらに、特許文献３に記載の装置では、パワーモジュールの外部にコンデンサが配置されており、パワーモジュールと回路基板間に電極端子が外付けで接続されている。そのため、振動などによる外部応力によって電極端子の接触が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明は、サイズの大きな電子部品を配置するためのスペースを確保するとともに、振動などによる外部応力に対する耐力を向上させることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明に係るパワーモジュールは、絶縁基板と、前記絶縁基板上に実装される半導体素子と、前記絶縁基板と前記半導体素子とを封止し、かつ、パワーモジュールの外形を形成する封止材と、前記封止材上において、前記パワーモジュールの幅方向の両端部に立設される一対の端子とを備え、前記一対の端子の前記幅方向の間隔は、前記一対の端子の先端部に接続される回路基板の下面に実装される第１電子部品の幅よりも大きく形成され、前記一対の端子の前記幅方向に直交する高さ方向の長さは、前記第１電子部品の高さよりも長く形成され、前記一対の端子の幅はともに、前記第１電子部品の幅よりも大きいものである。

本発明によれば、一対の端子の幅方向の間隔は、一対の端子の先端部に接続される回路基板の下面に実装される第１電子部品の幅よりも大きく形成され、一対の端子の幅方向に直交する高さ方向の長さは、第１電子部品の高さよりも長く形成される。したがって、回路基板とパワーモジュールとの間にサイズの大きな電子部品を配置するためのスペースを確保することができる。

また、第１電子部品が実装される回路基板は、一対の端子の先端部に接続されるため、一対の端子で回路基板を支持することができる。これにより、パワーモジュールにおいて振動などによる外部応力に対する耐力を向上させることができる。

実施の形態１に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態２に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態３に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態４に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態５に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態６に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態７に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態８に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。実施の形態９に係るパワーモジュールを制御基板に固定した状態を示す断面図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。

図１は、実施の形態１に係るパワーモジュール１０を制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。図１に示すように、パワーモジュール１０は、ベース板１１、絶縁基板１２、半導体素子１８、封止材３０、および一対の端子１５を備えている。ベース板１１の上面には、絶縁基板１２が固定されており、絶縁基板１２の上面には、パターン１３が形成されている。パターン１３の上面には、はんだ１４を介して半導体素子１８が固定（実装）されている。絶縁基板１２は、絶縁性および熱伝導性に優れた材料で構成されている。

ここで、絶縁基板１２およびベース板１１は、一体型の構造を採用することも可能である。また、半導体素子１８は、ＩＧＢＴまたはフリーホイールダイオード（以下「ＦＷＤｉ」という）であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子等のワイドバンドギャップ半導体を用いることも可能である。

封止材３０は、絶縁基板１２および半導体素子１８（より具体的には、ベース板１１、絶縁基板１２、および半導体素子１８）を封止し、かつ、パワーモジュール１０の外形を形成している。一対の端子１５は、封止材３０上において、パワーモジュール１０の幅方向の両端部に立設され固定されている。なお、パワーモジュール１０の幅方向とは、図１における左右方向である。また、パワーモジュール１０の幅方向を単に幅方向ともいうこととする。

パワーモジュール１０の上側に、制御基板１６（回路基板）が配置され、パワーモジュール１０は、一対の端子１５を介して制御基板１６と接合（接続）されている。より具体的には、制御基板１６は、一対の端子１５の先端部に接合されている。制御基板１６の下面には、フィルムコンデンサ１７（第１電子部品）が実装されている。

一対の端子１５の幅方向の間隔は、一対の端子１５の先端部に接合される制御基板１６の下面に実装されるフィルムコンデンサ１７の幅よりも大きく形成されている。一対の端子１５の高さ方向の長さは、フィルムコンデンサ１７の高さよりも長く形成されている。すなわち、一対の端子１５は、パワーモジュール１０の内部（制御基板１６とパワーモジュール１０との間）、より具体的には、制御基板１６と封止材３０との間であって一対の端子１５の間にフィルムコンデンサ１７を配置するために必要なスペースを確保するための高さを有している。ここで、高さ方向とは、パワーモジュール１０の幅方向に直交する方向である。

以上のように、実施の形態１に係るパワーモジュール１０では、一対の端子１５の幅方向の間隔は、一対の端子１５の先端部に接続される制御基板１６の下面に実装されるフィルムコンデンサ１７の幅よりも大きく形成され、一対の端子１５の高さ方向の長さは、フィルムコンデンサ１７の高さよりも長く形成される。したがって、パワーモジュール１０の内部である制御基板１６とパワーモジュール１０との間にサイズの大きな電子部品である、例えばフィルムコンデンサ１７を配置するためのスペースを確保することができる。

これにより、制御基板１６の上面にフィルムコンデンサ１７を配置するためのスペースを確保する必要がなくなることから、制御基板１６のサイズを縮小することができる。よって、制御基板１６を備える制御機器の小型化、包装の小型化、および輸送方法の効率化を実現することが可能となる。これらに伴って、制御機器の製作コストの削減およびエネルギー消費量の削減を実現することが可能となる。

また、フィルムコンデンサ１７が実装される制御基板１６は、一対の端子１５の先端部に接続されるため、一対の端子１５で制御基板１６を支持することができる。これにより、パワーモジュール１０において振動などによる外部応力に対する耐力を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係るパワーモジュール１０Ａについて説明する。図２は、実施の形態２に係るパワーモジュール１０Ａを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態２では、パワーモジュール１０Ａは、一対の端子１５に代えて一対の端子１５ａを備えている。一対の端子１５ａの幅はともに、フィルムコンデンサ１７の幅よりも大きく形成されており、一対の端子１５ａの幅方向内側の側面は、フィルムコンデンサ１７の側面に隣接している。

以上のように、実施の形態２に係るパワーモジュール１０Ａでは、一対の端子１５ａの幅はともに、フィルムコンデンサ１７の幅よりも大きいため、実施の形態１の場合よりも、振動などによる外部応力に対する耐力をさらに向上させることができる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係るパワーモジュール１０Ｂについて説明する。図３は、実施の形態３に係るパワーモジュール１０Ｂを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態３では、パワーモジュール１０Ｂは、実施の形態１に対して、一対の端子１５に代えて一対の端子１５ｂを備えている。フィルムコンデンサ１７およびセメント抵抗１９（第２電子部品）が制御基板１６の下面に実装されている。セメント抵抗１９は、制御基板１６の下面において、フィルムコンデンサ１７に隣接する位置に実装されている。

一対の端子１５ｂの幅方向の間隔は、フィルムコンデンサ１７の幅と、セメント抵抗１９の幅とを加えた長さよりも大きく形成されている。一対の端子１５ｂの高さ方向の長さは、フィルムコンデンサ１７およびセメント抵抗１９の高さよりも長く形成されている。より具体的には、セメント抵抗１９の高さは、フィルムコンデンサ１７の高さよりも高く形成されており、一対の端子１５ｂの高さ方向の長さは、セメント抵抗１９の高さよりも長く形成されている。なお、一対の端子１５ｂの幅は一対の端子１５の幅と同じである。

したがって、パワーモジュール１０Ｂの内部である制御基板１６とパワーモジュール１０Ｂとの間にサイズの大きな電子部品である、例えばフィルムコンデンサ１７およびセメント抵抗１９を配置するためのスペースを確保することができる。なお、セメント抵抗１９は、過電流検出回路または電流モニタ用に使用される大電力用途の抵抗である。

以上のように、実施の形態３に係るパワーモジュール１０Ｂでは、一対の端子１５ｂの幅方向の間隔は、フィルムコンデンサ１７の幅と、制御基板１６の下面においてフィルムコンデンサ１７に隣接する位置に実装されるセメント抵抗１９の幅とを加えた長さよりも大きく形成され、一対の端子１５ｂの高さ方向の長さは、フィルムコンデンサ１７およびセメント抵抗１９の高さよりも長く形成される。したがって、パワーモジュール１０Ｂの内部にサイズの大きな電子部品である、例えばフィルムコンデンサ１７およびセメント抵抗１９を配置するためのスペースを確保することができる。

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係るパワーモジュール１０Ｃについて説明する。図４は、実施の形態４に係るパワーモジュール１０Ｃを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１〜３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態４では、パワーモジュール１０Ｃは、実施の形態３に対して、一対の端子１５ｂに代えて一対の端子１５ｃを備えている。一対の端子１５ｂの幅はともに、フィルムコンデンサ１７の幅またはセメント抵抗１９の幅よりも大きく形成されており、一対の端子１５ｃの幅方向内側の側面は、それぞれフィルムコンデンサ１７またはセメント抵抗１９の側面に隣接している。

以上のように、実施の形態４に係るパワーモジュール１０Ｃでは、一対の端子１５ｃの幅はともに、フィルムコンデンサ１７の幅またはセメント抵抗１９の幅よりも大きいため、実施の形態３の場合よりも、振動などによる外部応力に対する耐力をさらに向上させることができる。

＜実施の形態５＞
次に、実施の形態５に係るパワーモジュール１０Ｄについて説明する。図５は、実施の形態５に係るパワーモジュール１０Ｄを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１〜４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態５では、フィルムコンデンサ１７ａ，１７ｂが制御基板１６の下面に実装されている。また、パワーモジュール１０Ｄは、実施の形態１に対して、封止材３０上において、パワーモジュール１０Ｄの幅方向の中央部に立設されかつ制御基板１６と先端部で接続される端子２０をさらに備えている。無電極である端子２０は、フィルムコンデンサ１７ａ，１７ｂの間に配置されており、端子２０の高さ方向の長さおよび幅は、一対の端子１５の高さ方向の長さおよび幅とそれぞれ同じである。

以上のように、実施の形態５に係るパワーモジュール１０Ｄでは、封止材３０上において、パワーモジュール１０Ｄの幅方向の中央部に立設されかつ制御基板１６と先端部で接続される端子２０をさらに備える。したがって、実施の形態１の場合よりも、振動などによる外部応力に対する耐力をさらに向上させることができる。

＜実施の形態６＞
次に、実施の形態６に係るパワーモジュール１０Ｅについて説明する。図６は、実施の形態６に係るパワーモジュール１０Ｅを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態６において、実施の形態１〜５で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

フィルムコンデンサ１７は、実施の形態１では、制御基板１６の下面に実装されていたが、実施の形態６では、封止材３０の上面に設置されている。パワーモジュール１０Ｅは、封止材３０上にフィルムコンデンサ１７を設置するための端子２１をさらに備えている。一対の端子１５の高さ方向の長さは、フィルムコンデンサ１７が端子２１に設置された状態の高さよりも長く形成されている。

以上のように、実施の形態６に係るパワーモジュール１０Ｅは、封止材３０上にフィルムコンデンサ１７を設置するための端子２１をさらに備えるため、制御基板１６の下面に設けられていたフィルムコンデンサ１７を配置するためのスペースを削減することができる。

＜実施の形態７＞
次に、実施の形態７に係るパワーモジュール１０Ｆについて説明する。図７は、実施の形態７に係るパワーモジュール１０Ｆを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態７において、実施の形態１〜６で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態７では、パワーモジュール１０Ｆは、実施の形態６に対して、一対の端子１５に代えて一対の端子１５ｄを備えている。一対の端子１５ｄの幅はともに、フィルムコンデンサ１７の幅よりも大きく形成されている。

以上のように、実施の形態７に係るパワーモジュール１０Ｆでは、一対の端子１５ｄの幅はともに、フィルムコンデンサ１７の幅よりも大きいため、実施の形態６の場合よりも、振動などによる外部応力に対する耐力をさらに向上させることができる。

＜実施の形態８＞
次に、実施の形態８に係るパワーモジュール１０Ｇについて説明する。図８は、実施の形態８に係るパワーモジュール１０Ｇを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態８において、実施の形態１〜７で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態８では、パワーモジュール１０Ｇは、６ｉｎ１と呼ばれる構成であるＩＧＢＴチップと還流用のＦＷＤｉチップを６つずつ備えたモジュールであり、３相ブリッジを構成している。パワーモジュール１０Ｇは、３相ブリッジの各アームに対して３つ（複数）のフィルムコンデンサ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅをそれぞれ接続するための複数（３つ）の端子２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。

すなわち、３つのフィルムコンデンサ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅは、封止材３０の上面において、パワーモジュール１０Ｇの幅方向に互いに隣接する位置に実装されている。パワーモジュール１０Ｇは、封止材３０上に３つのフィルムコンデンサ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅをそれぞれ設置するための３つの端子２１ａ，２１ｂ，２１ｃをさらに備えている。

以上のように、実施の形態８に係るパワーモジュール１０Ｇでは、３つのフィルムコンデンサ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅは、パワーモジュール１０Ｇの幅方向に互いに隣接する位置に実装され、パワーモジュール１０Ｇは、封止材３０上に複数のフィルムコンデンサ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅをそれぞれ設置するための複数の端子２１ａ，２１ｂ，２１ｃをさらに備えている。したがって、パワーモジュール１０Ｇの内部にある半導体素子１８に隣接した位置でコンデンサ容量を稼ぐことができることから、半導体素子１８に発生するサージ電圧を最小限に抑えることができる。

＜実施の形態９＞
次に、実施の形態９に係るパワーモジュール１０Ｈについて説明する。図９は、実施の形態９に係るパワーモジュール１０Ｈを制御基板１６に固定した状態を示す断面図である。なお、実施の形態９において、実施の形態１〜８で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態９では、パワーモジュール１０Ｈは、実施の形態８に対して、封止材３０上において、隣接するフィルムコンデンサの間に立設されかつ制御基板１６と先端部で接続される端子２２，２３をさらに備えている。無電極である端子２２，２３は、フィルムコンデンサ１７ｃ、１７ｄ間、フィルムコンデンサ１７ｄ、１７ｅ間にそれぞれ配置されている。端子２２，２３の高さ方向の長さおよび幅は、一対の端子１５の高さ方向の長さおよび幅とそれぞれ同じである。

以上のように、実施の形態９に係るパワーモジュール１０Ｈは、封止材３０上において、隣接するフィルムコンデンサの間に立設されかつ制御基板１６と先端部で接続される端子２２，２３をさらに備える。したがって、実施の形態８の場合よりも、振動などによる外部応力に対する耐力をさらに向上させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈパワーモジュール、１２絶縁基板、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ端子、１６制御基板、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅフィルムコンデンサ、１８半導体素子、１９セメント抵抗、２０，２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２，２３端子、３０封止材。

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板上に実装される半導体素子と、
前記絶縁基板と前記半導体素子とを封止し、かつ、パワーモジュールの外形を形成する封止材と、
前記封止材上において、前記パワーモジュールの幅方向の両端部に立設される一対の端子と、
を備え、
前記一対の端子の前記幅方向の間隔は、前記一対の端子の先端部に接続される回路基板の下面に実装される第１電子部品の幅よりも大きく形成され、
前記一対の端子の前記幅方向に直交する高さ方向の長さは、前記第１電子部品の高さよりも長く形成され、
前記一対の端子の幅はともに、前記第１電子部品の幅よりも大きい、パワーモジュール。
前記一対の端子の前記幅方向の間隔は、前記第１電子部品の幅と、前記回路基板の下面において前記第１電子部品に隣接する位置に実装される第２電子部品の幅とを加えた長さよりも大きく形成され、
前記一対の端子の前記高さ方向の長さは、前記第１電子部品および前記第２電子部品の高さよりも長く形成される、請求項１記載のパワーモジュール。
前記一対の端子の幅はともに、前記第１電子部品の幅または前記第２電子部品の幅よりも大きい、請求項２記載のパワーモジュール。
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に実装される半導体素子と、
前記絶縁基板と前記半導体素子とを封止し、かつ、パワーモジュールの外形を形成する封止材と、
前記封止材上において、前記パワーモジュールの幅方向の両端部に立設される一対の端子と、
前記封止材上に第１電子部品を設置するための端子と、
を備え、
前記一対の端子の前記幅方向の間隔は、前記第１電子部品の幅よりも大きく形成され、
前記一対の端子の前記幅方向に直交する高さ方向の長さは、前記第１電子部品の高さよりも長く形成され、
前記一対の端子の幅はともに、前記第１電子部品の幅よりも大きい、パワーモジュール。
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に実装される半導体素子と、
前記絶縁基板と前記半導体素子とを封止し、かつ、パワーモジュールの外形を形成する封止材と、
前記封止材上において、前記パワーモジュールの幅方向の両端部に立設される一対の端子と、
前記パワーモジュールの幅方向に互いに隣接する位置に実装される複数の第１電子部品と、
前記封止材上に複数の前記第１電子部品をそれぞれ設置するための複数の端子と、
を備え、
前記一対の端子の前記幅方向の間隔は、前記第１電子部品の幅よりも大きく形成され、
前記一対の端子の前記幅方向に直交する高さ方向の長さは、前記第１電子部品の高さよりも長く形成される、パワーモジュール。
前記封止材上において、隣接する前記第１電子部品の間に立設されかつ前記一対の端子の先端部に接続される回路基板と先端部で接続される端子をさらに備える、請求項５記載のパワーモジュール。