JP2012138531A - 半導体パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ケースの薄型化に寄与しうる半導体パワーモジュールを提供する。
【解決手段】この発明の半導体パワーモジュール１は、半導体チップ５、ケース２、ボルト１０、端子板７およびナット１１を有する。ケース２は、半導体チップ５を覆うように配置される。ボルト１０は、頭部がケース２に埋設され、軸部１０Ａがケース２外面から突出する。端子板７は、半導体チップ５および外部導体９に接続される。ナット１１は、ボルト１０の軸部１０Ａに螺合され、外部導体９を端子と共にケース２外面に固定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータ装置等の電力変換装置に使用される半導体パワーモジュールに関する。

特許文献１に記載された従来の半導体パワーモジュールの一例を図６を参照して説明する。この従来の半導体パワーモジュール１０１では、天井部および側壁部を有するケース２内において、端子板７の一端は半導体チップ５と接続板６を介して接続され、ケース２外に露出した端子板７の他端部は直角に折り曲げられ、ケース２の天井部の外面と接触している。端子板７には貫通孔が設けられ、この貫通孔の内周に雌ネジ１０３が設けられている。雌ネジ１０３のある箇所に対応するケース２の天井部には凹型の深い孔１０４が設けられている。そして、主回路を構成するための外部導体９（例えば、バスバーなど。）を端子板７上に配置し、ボルト１０２を用いて、雄ネジが設けられた軸部１０２Ａを端子板７の雌ネジ１０３に螺合して固着される。なお、図示しないが、当然、外部導体９には、ボルト１０２の軸部１０Ａが通る貫通孔が設けられる。

また、特許文献２に記載された従来の半導体モジュール２０１では、図７に示すように、前記ボルト１０２に代えて、雄ネジの設けられた棒状の軸部材１０６を使用し、ナット１０７を軸部材１０６の上端からねじ込むことにより、外部導体９と端子板７とを固定するように構成している。

特開平９−５５４６２号公報（図１参照。） 特開２００２−１７０９２３号公報（図３参照。）

しかし、このような従来のパワーモジュールの構造では、ボルト１０２の軸部１０２Ａまたは軸部材１０６を収容するための深い穴１０４がケース２の天井部の外面から厚み方向に存在しているため、ケース２の天井部の厚み（Ｄ）を十分に厚く形成する必要がある。結果として、ケース２の側壁部を含めた全体の高さ（Ｈ）が高くなってしまい、小型化の要請に応えることが難しかった。

本発明は、上記の課題に鑑みて、ケースの薄型化に寄与しうる半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。

この発明の半導体パワーモジュールは、半導体チップ、ケース、ボルト、端子およびナットを有する。ケースは、前記半導体チップを覆うように配置される。ボルトは、頭部が前記ケースに埋設され、軸部が前記ケース外面から突出する。端子は、前記半導体チップおよび外部導体に接続される。ナットは、前記ボルトの軸部に螺合され、前記外部導体を前記端子と共に前記ケース外面に固定する。

この構成の半導体パワーモジュールによると、ボルトの軸部を収容するための深い穴をケースの厚み方向に設けることが不要であり、ケースの厚みとしては、ボルトの頭部を埋設可能な寸法が確保出来れば十分である。したがって、従来のものに比べてケースの厚みを大幅に削減出来る。

なお、ボルトの頭部をケースに埋設するには、樹脂のインサート成型を利用して容易に実現出来る。或いは、ボルトの頭部が樹脂製のケース内に樹脂を充填することにより埋設されるようにしても良い。

また、前記端子の一例としては、帯状の板金から成る端子板が挙げられる。前記端子板の一端は半導体チップに接続され、前記端子板の他端部が前記ケースの外面に沿って前記ケースの外側へ導出されて前記ボルトの軸部に嵌合され、前記端子板と前記ナットとの間に前記外部導体が狭持される。

ケース外に露出した前記端子板は直角に折り曲げられる。したがって、端子板の他端部に折り曲げ方向に延びる長孔もしくは筋状の切り欠きを設けておくと、端子板の折り曲げ時にボルトの軸部の先端が端子板に当接することがない。

また、前記端子の他の例としては、前記ボルトの頭部が前記半導体チップに接続されることにより、前記ボルトが前記端子を兼ねるように構成することも可能である。

この発明によれば、ケースの薄型化に寄与しうる半導体パワーモジュールを提供することが可能となる。

この発明の一実施形態に係る半導体パワーモジュールを示す概略断面図である。 同上半導体パワーモジュールにおいて、端子板にボルトの軸部に嵌合される長孔が設けられた例を示す斜視図である。 同上半導体パワーモジュールにおいて、端子板にボルトの軸部に嵌合される筋状の切り欠きが設けられた例を示す斜視図である。 この発明の他の実施形態に係る半導体パワーモジュールを示す概略断面図である。 この発明の他の実施形態に係る半導体パワーモジュールを示す概略平面図であり、ケースの開口内に樹脂を充填する前の状態を示している。 従来の半導体パワーモジュールの一例を示す概略断面図である。 従来の半導体パワーモジュールの他の例を示す概略断面図である。

この発明の一実施形態に係る半導体パワーモジュールを図１〜図３を参照して説明する。

図１に示すように、この実施形態に係る半導体パワーモジュール１は、半導体チップ５、ケース２、ボルト１１、端子板７およびナット１１を有する。

半導体チップ５は、基板４上の中央にマウントされる。本実施の形態では半導体チップ５が２端子素子（例えば、ダイオードなど。）である場合を示しているが、３端子以上の端子を持つ素子であっても構わない。半導体チップ５の各端子に対応して、基板４上の図面における左右両端部には、接続板６が２個設けられている。半導体チップ５の各端子と対応する接続板６とは、導体パターンや配線を用いて電気的に接続されている。

基板４は、冷却板３上に接着や溶接により固定されている。冷却板３の底面側には図示しないヒートシンクが取付けられ、基板４および冷却板３を介して半導体チップ５から発生する熱がヒートシンクに伝熱される。これにより、半導体パワーモジュール１の冷却構造が実現される。

ケース２は樹脂製である。ケース２は、側壁部と天井部を有し、底面が開放された箱型に形成されている。ケース２は、半導体チップ５および接続板６が搭載された基板４を覆うように、冷却板３上に嵌め込みやビス止め等で固定される。ケース２内には、半導体チップ５を汚れや湿気から保護するために、封止材８（例えば、モールド樹脂など。）が空間を残して詰められている。

ボルト１０は、頭部がケース２の天井部に埋設され、雄ネジが設けられた軸部１０Ａがケース２の天井部外面から突出する。なお、ボルト１０の頭部をケース２に埋設するには、樹脂のインサート成型を利用すれば容易に実現出来る。

端子板７は帯状の板金から出来ている。端子板７は、半導体チップ５と外部導体９に接続される本発明の端子の一例である。端子板７は基板４に対して略垂直に立設され、その一端（図１における下端）は接続板６に半田付け等により固定される。これにより、端子板７の一端と半導体チップ５が接続板６を介して電気的に接続される。

端子板７の他端部は、ケース２の天井部に設けられた貫通孔を貫通してケース２の外面に導出される。ケース２外に露出した端子板７の他端部は直角に折り曲げられ、図示のごとくケース２の外面と接触するようになる。端子板７の他端部には、ボルト１０の軸部１０Ａが通るための貫通孔が設けられる。

図２、図３は端子板７に設けられる貫通孔の例を示している。貫通孔を、折り曲げ方向に延びる長孔７Ａ（図２参照。）もしくは筋状の切り欠き７Ｂ（図３参照。）として形成することにより、端子板７の折り曲げ時にボルト１０の軸部１０Ａの先端が端子板７に当接することなく貫通孔に挿入される。これにより、端子板７の他端部を、ボルト１０の軸部１０Ａに嵌合させることが出来る。

さらに、ボルト１０の軸部１０Ａには端子板７の上から外部導体９（例えば、バスバーなど。）が取付けられる。このとき、ボルト１０の軸部１０Ａが突出しているので、軸部１０Ａを外部導体９の取り付け用のガイドとすることが出来る。なお、図示しないが、当然、外部導体９には、ボルト１０の軸部１０Ａが通る貫通孔が設けられる。

そして、ナット１１がボルト１０の軸部１０Ａに螺合される。ナット１１は、外部導体９を端子板４と共にケース２外面に固定するものである。

本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１によると、従来の半導体パワーモジュールのように、ボルトの軸部もしくは軸部材を収容するための深い穴１０４（図５、図６参照。）をケース２の厚み方向に設けることが不要であり、ケース２の天井部の厚み（Ｄ）としては、ボルト１０の頭部を埋設可能な寸法が確保出来れば十分である。したがって、従来のものに比べてケース２の天井部の厚み（Ｄ）を大幅に削減出来、ひいてはケース２の側壁部を含む全体の高さ（Ｈ）を低減できる。これにより、製品の小型化の要請に答えることが出来る。また、ケース２の材料である樹脂の使用量も削減され、製品価格の低下にも寄与する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体パワーモジュールについて図４、図５を参照して説明する。この図において、上記第１の実施形態に係るパワーモジュールと同一部材には同一符号を付している。

本実施の形態に係る半導体パワーモジュール２１では、図４に示すように、この基板４上に半導体チップ５がマウントされ、半導体チップ５の上面に、半田や接着剤等によりボルト１０の頭部の図で見て底面が固着され、半導体チップ５とボルト１０自体が電気的に接続される。すなわち、本実施の形態では、ボルト１０が、半導体チップ５を外部導体９に接続させるための端子を兼ねている。ケース２２は台状を呈し、底面から高さ方向に延びる筒状の開口２２Ａを有している。ケース２２の開口２２Ａをボルト１０の頭部に被せ、その後開口２２Ａに樹脂１３を充填してボルト１０の頭部を埋設する。図４で示すこの状態ではボルト１０の軸部１０Ａはケース２２外の上方に突出している。なお、ケース２２は開口２２Ａの下方が少なくとも半導体チップ５よりも大きな錐台状でもよく、その場合は上方が窄んでいる分、充填させる樹脂は少なくて済む。本例では開口２２Ａの上方はボルト１０の頭部より大きければ良く、開口２２Ａの形状としては柱状をしていても錐台状をしていても構わない。本例では半導体チップ５が開口２２Ａよりも小さな場合を示したが、半導体チップ５が開口２２Ａ上方よりも大きい場合には、開口２２Ａが下方に向けて大きくなる錐台状としても、開口２２Ａの下方に段差を設けて半導体チップ５を覆うようにしても良い。

ケース２２の高さは、半導体チップ５とボルト１０の頭部を合わせた高さと略同一の寸法に設定されており、ボルト１０の頭部の図で見て上面（軸部１０Ａが形成された面）が露出している。他の基板１２や外部導体９の貫通孔をボルト１０の軸部１０Ａに通し、ボルト１０の露出した面に他の基板１２や外部導体９を載せ、ナット１１をボルト１０の軸部１０Ａに螺合させる。ナット１１は、他の基板１２や外部導体９をケース２外面に固定するものである。

このようにボルト１０の露出面に他の基板１２や外部導体９を載せて取り付けるため、ボルト１０の露出面を放熱板として利用でき、高い放熱効果を得ることができる。なお、本例ではボルト１０の上端を露出させた例を示したが、ボルト１０の頭部を完全に埋設するようにし、他の基板などの取り付け高さを調整することもできる。その場合でも、半導体チップ５の熱が直接ボルト１０を通じて外部に伝わるため、放熱効果を得ることができる。

特に、本実施の形態に係る半導体パワーモジュール２１によると、第１の実施形態のような端子板７（図１参照。）が不要であるため、ボルト１０は、軸部１０Ａの短いものを使用することが可能となる。また、ナット１１は、外部導体９のみを固定できれば良いため、高さ寸法の小さいものを選んで使用することが可能となる。したがって、半導体パワーモジュールを極めて小型に構成することが可能となる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、この発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２１…半導体パワーモジュール
２，２２…ケース
４…基板
５…半導体チップ
６…接続板
７…端子板
９…外部導体
１０…ボルト
１０Ａ…ボルトの軸部
１１…ナット

Claims (6)

1. 半導体チップと
   前記半導体チップを覆うように配置されるケースと、
   頭部が前記ケースに埋設され、軸部が前記ケース外面から突出するボルトと、
   前記半導体チップおよび外部導体に接続される端子と、
   前記ボルトの軸部に螺合され、前記外部導体を前記端子と共に前記ケース外面に固定するナットと、
   を有する半導体パワーモジュール。
2. 前記ボルトの頭部が樹脂製の前記ケース内にインサート成型により埋設された請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
3. 前記ボルトの頭部が樹脂製の前記ケース内に樹脂を充填することにより埋設された請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
4. 前記端子は帯状の板金から成る端子板であり、前記端子板の一端は半導体チップ接続され、前記端子板の他端部が前記ケースの外面に沿って前記ケースの外側へ導出されて前記ボルトの軸部に嵌合され、前記端子板と前記ナットとの間に前記外部導体が狭持される請求項１〜３のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。
5. 前記端子板の他端部に、前記ボルトの軸部に嵌合される長孔もしくは筋状の切り欠きが設けられた請求項４に記載の半導体パワーモジュール。
6. 前記ボルトの頭部が前記半導体チップに接続されることにより、前記ボルトが前記端子を兼ねる請求項１〜３のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。

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