JPH09232512A - パワー半導体モジュール - Google Patents

パワー半導体モジュール

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JPH09232512A
JPH09232512A JP3459296A JP3459296A JPH09232512A JP H09232512 A JPH09232512 A JP H09232512A JP 3459296 A JP3459296 A JP 3459296A JP 3459296 A JP3459296 A JP 3459296A JP H09232512 A JPH09232512 A JP H09232512A
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Masaki Sasaki
正貴 佐々木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高信頼パワー半導体モジュールを提供する。 【解決手段】パワー回路部と、モジュール底部を封止す
る金属ベースと、該金属ベースと前記パワー回路部とを
電気的に絶縁する絶縁基板と、前記パワー回路部に接続
される外部入出力端子と、前記外部入出力端子が一体成
型された樹脂製ケースと、樹脂封止材とを備えたパワー
半導体モジュールにおいて、外部入出力端子のネジ止め
用ナットと樹脂製ケースと金属ベースを一体成型し、ナ
ットの下に樹脂製ケースを貫通しない空隙と金属ベース
を配置する。 【効果】信頼性が高い高電圧・大電流モジュールを実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ等、電
力変換装置を構成するパワー半導体モジュール、特にＩ
ＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュー
ルの高信頼性モジュール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のＩＧＢＴモジュールの構造を図２
に示す。図２において、銅ベース１１にセラミック基板
２５，Ｓｉチップ１６（ＩＧＢＴ，フライホイールダイ
オード(ＦＷＤ)）を半田づけし、主端子１２及び制御端
子（図示せず）とＳｉチップ１６との電気的接続を前記
端子とセラミック基板２５とを半田づけすることにより
行う。図２においてはモジュールの蓋（樹脂製）に端子
を埋め込み、この蓋（端子ブロック２０）をモジュール
の上面に配置する。
【０００３】特開平7−263621 号公報には図３に示すケ
ースに主端子１２、及び制御端子３０を埋め込んだ、い
わゆるインサートケース３５を使用した構造が開示され
ている。熱抵抗を低減させるための銅板（熱拡散板３
４）にＩＧＢＴやＦＷＤ等のＳｉチップ１６を半田づけ
し、熱拡散板３４をＡｌ絶縁金属基板３３（Ａｌ基板に
樹脂３２を塗布し、チップと基板とを電気絶縁する基
板）に半田づけし、次にこれらの熱拡散板３４，ＩＧＢ
Ｔ，ＦＷＤ等が一体となったＡｌ絶縁金属基板３３をイ
ンサートケース３５に熱硬化性のシリコーン系樹脂接着
剤３１で接着した構造となっている。図３に示すインサ
ートケース３５を使用した構造において、端子とチップ
を電気的に接続する手段としては、図３に示すワイアボ
ンディングのみで行う方法、または端子をセラミック基
板へ半田づけする方法の２通りある。
【０００４】図４は特開平6−224314 号公報に開示され
ている金属ベース９，外部入出力端子４０をモジュール
ケース４１と一体成型して、モジュールケース４１と金
属ベース９の装着を行う半導体装置の例である。厚膜回
路基板４３に電子部品４２を接着し、厚膜回路基板４３
上の入出力端子４４と外部接続用ターミナルとを金属ワ
イア１９で接続している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置に
は、モジュール信頼性の面で以下の問題がある。
【０００６】図２に示す端子ブロック２０を使用した構
造では上述のようにセラミック基板２５上の銅箔に真上
から主端子１２を半田づけした構造となっている。従っ
て、金属製の主端子１２とセラミック基板２５は線膨張
係数が大幅に異なるために、モジュールの発熱，冷却の
繰り返しによる温度サイクルで、セラミック基板２５と
主端子１２を接続している半田２３が大きな応力を受け
る。この応力により半田２３が劣化し、最後には亀裂が
進展し、断線事故にいたる。この現象を低減するため
に、図２に示すように、主端子ベンド部２４を設け、応
力を吸収する構造となっている。しかしながら、このこ
とは主端子１２の配線長を長くし、インダクタンスを増
大させる結果となり、モジュールの性能を低下させる。
すなわち、図２の構造では、高信頼，高性能の両者を同
時に達成することは困難である。
【０００７】図３はインサートケースを使用した構造
で、電気的接続をワイアボンディングのみで行う場合を
示す。インサートケースを使用するメリットは、端子ブ
ロックを廃止して低コスト化できると同時に上記半田信
頼性低下を回避できることである。Ａｌ絶縁金属基板３
３とインサートケース３５の接着は熱硬化性タイプのも
ので行わなければならない。その理由は、ＩＧＢＴモジ
ュールは前述のように発熱，冷却を繰り返す劣悪な環境
のもとで使用されるために、信頼性の低い室温接着タイ
プの接着剤は使用できないからである。また、信頼性の
優れた室温接着タイプが開発されたとしても、電力用半
導体モジュールで必須のゲル、又はレジンの硬化プロセ
スによる高温工程で、接着剤からの脱ガスが問題とな
り、ゲル１８の硬化障害等が発生する可能性がある。
【０００８】熱硬化性のシリコーン系樹脂接着剤３１の
使用により、インサートケース３５とＡｌ絶縁金属基板
３３の接着は高い信頼を達成できる。しかし、ワイアボ
ンディングをインサートケース３５とＡｌ絶縁金属基板
３３接着後に行わなければならないために、シリコーン
系樹脂接着剤３１のキュア時に発生するシリコーンオイ
ル等によりワイアボンディング用電極パッドが汚染され
る問題がある。この汚染によりワイアボンディングの接
着性が低下し、モジュールの信頼性が低下する。つま
り、図３の構造では、図２の構造の問題である端子を接
続する半田２３の劣化の問題はないが、ワイアとパッド
の接着強度の低下による信頼性低下の問題が本質的に内
在する。この問題はワイアボンディングを超音波ボンデ
ィング法，熱圧着法，超音波併用熱圧着法、いずれの方
法で行う場合においても生じる。
【０００９】図４に示す金属ベース一体成型モールドの
場合、前記２つの問題、すなわち半田の劣化，熱硬化性
樹脂接着剤によるボンディングパッドの汚染は解決でき
る。しかしながら、図４に示す構造を耐電圧が数１００
Ｖ以上要求され、かつ大電流を流すパワー半導体モジュ
ールに適用する場合、モジュールをゲル，エポキシ樹脂
等の封止材で封止すること、また、パワー回路部に接続
される端子は信頼性の面からネジ止めとすること、さら
には同じく信頼性の面からネジの絶縁距離の確保が必須
となる。しかし、図４に開示された構造ではゲルを注入
すると金属ベースのモジュール取り付け部周辺からゲル
が漏洩する問題が生じ、また、外部入出力端子４０がネ
ジ止めできる構造ではない。
【００１０】本発明の目的は、大電流でも高信頼で低コ
ストのパワー半導体モジュールを実現するために、構造
が単純で、封止構造の信頼性が高く、かつノイズ等に強
いパワー半導体モジュール構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明のパワー半導体モ
ジュールは、半田の亀裂発生，熱硬化性樹脂接着剤によ
る信頼性低化を回避するために、金属ベース一体成型ケ
ースを採用してケース内部に充填されるゲルまたはハー
ドレジンのモジュール外への漏洩をなくし、併せて主回
路端子をネジ止めできる構造である。
【００１２】本発明のパワー半導体モジュールは、パワ
ー半導体素子を備えたパワー回路部と、該パワー回路部
を制御する制御回路部と、モジュール底部を封止する金
属ベースと、該金属ベースと前記パワー回路部とを電気
的に絶縁する絶縁基板と、前記パワー回路部に接続され
る外部入出力端子と、前記外部入出力端子が一体成型さ
れた樹脂製ケースと、樹脂封止材とを備え、前記外部入
出力端子のネジ止め用ナットと前記樹脂製ケースとが一
体成型され、かつ該ナットの下に前記樹脂製ケースを貫
通しない空隙を備えている。
【００１３】本発明のパワー半導体モジュールは、金属
ベースと樹脂製ケースとが一体成型され、該金属ベース
が樹脂を介して空隙の下に配置され、外部入出力端子が
前記金属ベースに対して略垂直に配置されている部分を
備えている。
【００１４】本発明のパワー半導体モジュールは、金属
ベースと樹脂製ケースとが接合する面の金属ベースに溝
を形成した。この溝は２列以上形成しても良いし前記金
属ベースの両面に形成しても良い。
【００１５】本発明のパワー半導体モジュールは、図１
に示すゲル封止をしたナットと金属ベースが樹脂で一体
成型された構造のパワー半導体モジュールである。本発
明のパワー半導体モジュールは、硬化前の液状ゲルまた
はハードレジンの漏洩を防止するための溝１Ａを銅等の
金属ベース表面に形成し、銅ベース１１，ナット１３，
主端子１２，制御端子（図示せず）と共にモジュールケ
ース１０が一体成型されている。
【００１６】本発明のパワー半導体モジュールで、ナッ
ト１３を一体成型する理由は、ナット１３を従来の技術
のように成型後のケースに挿入する構造では、ナットを
挿入するためのクリアランスギャップがモジュールケー
スとの間に必ず存在するために、ネジ締めトルクに対す
るモジュールケースの強度が低下しひび割れなどが生
じ、パワー半導体モジュールの信頼性が低下するためで
ある。さらに、本発明のパワー半導体モジュールは、ナ
ット１３の下にはネジ逃げ用の空隙１Ｃを必須とし、こ
の空隙１Ｃ下部と銅ベース１１との絶縁を確実にするた
めに、特定の厚さの樹脂部１Ｅを形成する。
【００１７】本発明のパワー半導体モジュールは、銅ベ
ース１１表面とモジュールケース１０との接着性が強固
であり、ゲル漏洩の問題がない。また、ナット１３もイ
ンサート成型されているために主端子１２が強固にネジ
止めでき、かつ、空隙１Ｃ，樹脂部１Ｅにより絶縁距離
を確保しながらネジ逃げが確実にできる。
【００１８】本発明のパワー半導体モジュールは、パワ
ー半導体素子を備えたパワー回路部と、該パワー回路部
を制御する制御回路部と、モジュール底部を封止する金
属ベースと、該金属ベースと前記パワー回路部とを電気
的に絶縁する絶縁基板と、前記パワー回路部に接続され
る外部入出力端子と、前記外部入出力端子が一体成型さ
れた樹脂製ケースと、樹脂封止材とを備え、前記外部入
出力端子のネジ止め用ナットを挿入するための空隙と、
該ネジ止め用ナットを挿入するための空隙の下にネジを
逃がすための空隙を前記樹脂製ケースを貫通しないよう
配置し、かつ前記金属ベースと前記樹脂製ケースとが一
体成型されている。
【００１９】本発明のパワー半導体モジュールは、パワ
ー半導体素子を備えたパワー回路部と、該パワー回路部
を制御する制御回路部と、モジュール底部を封止する金
属ベースと、該金属ベースと前記パワー回路部とを電気
的に絶縁する絶縁基板と、前記パワー回路部に接続され
る外部入出力端子と、前記外部入出力端子が一体成型さ
れた樹脂製ケースと、樹脂封止材とを備え、該外部入出
力端子下の樹脂製ケースにネジ止め用ネジ穴と、該ネジ
止め用ネジ穴の下にネジを逃がすための空隙をケースを
貫通しないよう配置し、かつ前記金属ベースと前記樹脂
製ケースとが一体成型されている。
【００２０】本発明のパワー半導体モジュールは、金属
ベースの略中央に、樹脂製ケースと実質的に同じ樹脂製
の梁を備え、該梁の上に接地配線を形成した。
【００２１】本発明のパワー半導体モジュールは、絶縁
基板及び制御回路部のプリント回路基板が、梁を挟んで
略線対称に配置されている。
【００２２】本発明のパワー半導体モジュールは、電源
電圧配線と接地配線が略平行に配置され、かつ出力配線
が該電源電圧配線と該接地配線と略垂直に配置され、出
力配線と制御回路部のプリント回路基板が略垂直に配置
されている。
【００２３】本発明のパワー半導体モジュールは、制御
回路部のプリント回路基板上で、パワー半導体素子のゲ
ート配線と前記パワー半導体素子のゲート電圧の基準電
位となる配線とが略平行に配置されている。
【００２４】本発明のパワー半導体モジュールは、パワ
ー半導体素子を備えたパワー回路部と、該パワー回路部
を制御する制御回路部と、前記パワー回路部と外部放熱
板とを電気的に絶縁しモジュール底部を封止する絶縁基
板と、前記パワー回路部に接続される外部入出力端子
と、前記外部入出力端子が一体成型された樹脂製ケース
と、樹脂封止材とを備え、前記樹脂製ケースと前記絶縁
基板とが一体成型され、前記絶縁基板がアルミナを主成
分とする基板または窒化アルミを主成分とする基板であ
る。
【００２５】本発明のパワー半導体モジュールは、パワ
ー半導体素子を備えたパワー回路部と、モジュール底部
を封止する金属ベースと、該金属ベースと前記パワー回
路部とを電気的に絶縁する絶縁基板と、前記パワー回路
部に接続される外部入出力端子と、前記外部入出力端子
が一体成型された樹脂製ケースと、樹脂封止材とを備
え、前記外部入出力端子のネジ止め用ナットと前記樹脂
製ケースとが一体成型され、かつ該ナットの下に前記樹
脂製ケースを貫通しない空隙を備え、前記金属ベースと
前記樹脂製ケースとが一体成型され、該金属ベースが樹
脂を介して前記空隙の下に配置されている。
【００２６】本発明のパワー半導体モジュールは、パワ
ー素子と絶縁基板、及び絶縁基板と金属ベースとが樹脂
ケースを構成する樹脂の軟化点または融点（単に軟化点
と略す。）より低い融点の半田を介して接着している。
【００２７】本発明のパワー半導体モジュールは、ナッ
ト及び外部入出力端子を樹脂製ケースと一体成型するこ
とによって、ナットとケースのギャップをなくせるた
め、端子締め付け強度を増大でき、ネジの信頼性を向上
できる作用がある。さらに、ナットと金属ベースも一体
成型し、ナットの下に金属ベースにまで貫通しない穴を
形成するので、絶縁耐圧を確実にして、ネジ逃げができ
る作用を持つ。この時、モジュールの機械的強度を確実
にするために金属ベースはナットの下まで存在すること
が必要である。また、ケース中央に形成された樹脂製の
梁も同様にモジュールの機械的強度を増大する作用があ
る。
【００２８】金属ベース表面に形成された溝１Ａは、硬
化前のゲルまたはハードレジンの漏洩を防止する作用が
あり、大気中の水分等の汚染源から金属配線、及び素子
を保護する作用がある。
【００２９】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を、以下図面を使
用して詳細に説明する。
【００３０】（実施例１）図１は断面構造模式図である
三相インバータモジュールの実施例を示す。本実施例は
銅ベース１１，主端子１２，ナット１３をモジュールケ
ース１０と一緒に同じ金型で一度にプラスチック成型す
る、いわゆる一体成型ケースとしたものである。モジュ
ールケース１０と銅ベース１１の接着性を高めるため
に、銅ベース１１周辺に段ズケ部を形成した例を図１に
示すが、銅ベース１１周辺とモジュールケース１０の接
着性に関しては、ベース側壁の樹脂肉厚を厚くする場合
は、この段ズケ部を不要にできる。モジュール側壁の空
隙１Ｃは主端子１２をネジ止めするネジを逃がす空間で
あり、この空間を設けてナットを一体成型することが本
発明において必須である。さらに、この空隙１Ｃが銅ベ
ース１１まで貫通した構造では、高電圧モジュールとし
ては成り立たず、図１中、１Ｅで示す樹脂部が必要であ
る。通常、銅ベース１１は接地電位として扱われるた
め、高電圧が印加される主端子１２に接続されるネジと
の絶縁距離を確保するためである。本実施例では端子が
銅ベース１１に垂直に立ち上がり絶縁距離を確保し、銅
ベース１１はナット１３の下部まで存在しモジュール強
度を確実にする構造である。このような構造が必要な理
由をモジュールの斜視図である図８を用いて説明する。
モジュールケース側壁の肉厚は応力を低減し、反りを減
少させるために一定であることが望ましいが、端子をネ
ジ止めとするＰ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ端子がインサートされ
ている側壁の肉厚は必然的に厚くなる。本実施例では端
子間のケース側壁に空隙８０を形成し、肉厚が厚くなる
部分を少しでも減らした構造としている。結果として、
空隙８０の下にケース厚減少部８１が形成され、ネジの
締め付けトルクに対して弱い構造になり、この部分に銅
ベース１１がないとモジュールの強度が弱くなる。
【００３１】銅ベース１１表面の一部に形成した２列の
溝１Ａについて説明する。図５にモジュール平面パタン
を示す。モジュール取り付け穴５０は樹脂で覆われてお
らず、銅ベース１１が露出している。これはモジュール
をフィンに取り付けるためにボルトで締め付ける場合、
樹脂を介すとボルトがゆるみやすくなり、フィンとモジ
ュールの接着性が低下し、熱抵抗が増大することにより
信頼性が低下することを回避するためである。従って、
モジュールケース１０と銅ベース１１の境界部４９はケ
ースと銅ベースは表面のみで接しており、ベース周辺の
ように樹脂で金属ベース側壁を締め付ける構造になって
おらず、接着性が悪い。従って、このことを改善するた
めに図１中の溝１Ａが必要になる。この溝１Ａにより、
モジュールケース１０と銅ベース１１が接している沿面
距離が増大するだけでなく、２列の溝に挟まれた中央の
突起１Ｄが樹脂で締め付けられる構造となり、金属ベー
ス側壁と同様、接着性が飛躍的に向上する。なお、単に
ケースと銅ベースの接着されている距離を増大するだけ
ならば、溝１Ａは１本でも良く、また、溝形状もいろい
ろな形状が考えられ図１に限定されない。本実施例にお
いて、銅ベース１１の厚さは３mmであり、溝１Ａの溝幅
及び深さは各々１mmである。図４に示す従来構造ではゲ
ル注入後約１時間でゲルの漏洩が見られたが、本実施例
の構造ではゲルの漏洩は見られなかった。なお、モジュ
ールの封止材としては、ゲルのみでなくエポキシ樹脂
（ハードレジン），ポリフェニレンサルファイド樹脂
（ＰＰＳ）等の熱可塑性樹脂でも良く、さらにはＥＭＣ
対策としてフェライト等を混入した樹脂でも良い。
【００３２】図６は本実施例における銅ベース１１のみ
の平面図及び断面図を示す。モジュール取り付け穴５０
周辺以外の部分は内側に切り込み６０を設けている。こ
れはできるだけ銅ベース１１側壁の樹脂肉厚を厚くして
接着性を強化するためである。また、溝１Ａに埋められ
る樹脂もこの肉厚の厚い部分につながるので、溝１Ａに
埋められた樹脂強度を強化する働きもある。溝１Ａは銅
ベース１１表面全周にわたって形成しても良い。Ｍ５サ
イズのネジで締め付けることを想定して、モジュール取
り付け穴５０は直径５.６mm としており、溝１Ａの形状
は前述の通り、幅深さとも１mmである。
【００３３】本実施例について図１を用いてさらに詳し
く説明する。図１には示していないが、金属ベース１１
とセラミック基板１４及びプリント回路基板１５，セラ
ミック基板１４とＳｉチップ１６とは同じ種類の半田で
接着している。この半田はＰｂ４０％−Ｓｎ６０％の共
晶半田であり、膜厚が約０.１mm である。金属ベース一
体成型ケースを使用し、多数の部品を一回のプロセスで
同時に半田づけする場合、半田の融点はケースを構成す
る樹脂の軟化点又は融点(以下軟化点と略す)よりも低く
なければならない。本実施例では、ケースはポリフェニ
レンサルファイド樹脂(ＰＰＳ)で製造されており、軟化
点は約２６０℃である。従って、基板マウントとチップ
マウントに使用する半田の融点は、マージンを考慮して
２４０℃程度以下でなければならない。そこで、ここで
は融点が約１８０℃であるＳｎ６０％−Ｐｂ４０％半田
を使用した。この半田を使用することにより基板マウン
トとチップマウントともに良好な接着特性が得られた。
【００３４】電気的接続手法について説明する。本実施
例では外部入出力端子１２とＳｉチップ１６の電気的接
続をＡｌ製の金属ワイア１９のみで行っているので、図
２に示した端子ブロック２０を使用して主端子１２を基
板真上から基板に半田づけする場合と異なり、セラミッ
ク基板１４に大きな応力が加わらない。この結果、図２
の場合に比べてセラミック基板の厚さを薄くできる。本
実施例の場合、セラミック基板１４として従来構造の半
分以下の厚さの０.２８mm のアルミナ基板を用いること
ができ、アルミナ基板の靭性を高めるためにジルコニア
等の混合も不要であった。本実施例では、直径３００μ
ｍのＡｌワイアを使用し、ボンディングダメージによる
チップ歩留まり低下を回避した本実施例によるモジュー
ル構造について図５を用いて説明する。図を複雑にしな
いため、Ｖ，Ｗ相の各金属ワイアを省略している。大き
さ約８cm×９cmのモジュールケース壁面に、主端子であ
るＰ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ端子をインサートしている。主端
子の形状はいずれもネジ止めタイプであり、各々にＭ４
サイズのナットが同じくケース壁面にインサート成型さ
れている。これらの主端子の中で、Ｐ，Ｕ，Ｖ，Ｗ端子
の電極パッド５４，５５，５６，５７はケース壁面近傍
に形成されており、主端子Ｎの電極１Ｂのみ、モジュー
ルを２分するようにケース中央方向に配置してある。こ
の理由はＵ，Ｖ，Ｗ各相のＩＧＢＴ５２，ＦＷＤ５３の
エミッタを接地するために、金属ワイア５８で素子と主
端子Ｎの電極１Ｂを接続する必要があることと、ケース
を補強するためである。本実施例のように比較的大型の
モジュールを銅ベース一体成型とする場合、ケースと金
属ベースとの接着を周辺部のみで行うことは強度面から
不十分であり、ケース中央にも補強用梁500を形成する
必要がある。また、モジュールの角に設置した補強用リ
ブ５９もケースを補強しベースとの接着性を高める。
【００３５】本実施例では主端子Ｎの電極１Ｂを挟んで
上アーム用素子をマウントした上アーム用アルミナ基板
５Ａ及び上アーム用素子の制御配線用プリント回路基板
５Ｃと、下アーム用素子をマウントした下アーム用アル
ミナ基板５Ｂ及び下アーム用素子の制御配線用プリント
回路基板５Ｄを対称的に配置している。このような対称
配置とすることにより電気的ノイズに対して極めて強い
構造となる。
【００３６】すなわち、図５に示すように、主端子Ｎの
電極１Ｂと、主端子Ｐの電極である上アーム用アルミナ
基板５Ａ上の銅箔が近接し、かつ平行に配置している。
従って、これらの電極間の相互インダクタンスは１０ｎ
Ｈと非常に大きい。主端子の電極Ｐ，Ｎ単独の自己イン
ダクタンスは各々約２０ｎＨであるが、前記主端子の電
極Ｐ，Ｎには互いに逆向きに電流が流れるので、全イン
ダクタンスを減少させるように前記相互インダクタンス
が作用し、電極Ｐ，Ｎの全インダクタンスがともに自己
インダクタンス２０ｎＨよりも大幅に小さくなる。従っ
て、本モジュールにおいて、スイッチング時のはね上が
り電圧を小さな値にできる。測定の結果、スイッチング
時のはね上がり電圧は約５０Ｖであった。
【００３７】交流を出力する電極Ｕ，Ｖ，Ｗにつながる
金属ワイアは、図５に示すように前記電極Ｐ，Ｎと実質
的に直交している。このことは、電極Ｐ，Ｎと電極Ｕ，
Ｖ，Ｗとの間に相互インダクタンスが存在しないので、
直流電圧がかかる電極Ｐ，Ｎ配線にノイズが乗らないこ
とを意味し、安定したインバータ動作が実現できる。さ
らに、制御配線用プリント回路基板５Ｄと出力Ｕ，Ｖ，
Ｗの配線、例えば金属ワイア５Ｅは直交し両者の間に相
互インダクタンスが存在しないので、制御信号に乗るノ
イズの量が極めて少ない。つまり、図１３に示す図５の
等価回路においてＧ２，Ｅ２，Ｇ４，Ｅ４，Ｇ６，Ｅ６
とＵ，Ｖ，Ｗは相互干渉をすることがほとんどない。一
方、制御配線用プリント回路基板５ＣとＰ電極は実質的
に平行に配置されているために、Ｇ１，Ｅ１，Ｇ３，Ｅ
３，Ｇ５，Ｅ５の各配線とＰ電極配線間には相互インダ
クタンスが存在する。しかし、本実施例において、ゲー
ト配線（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６）とその
基準電位となるリファレンスエミッタ配線（Ｅ１，Ｅ
２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６）は例えばゲート配線Ｇ１
とリファレンスエミッタ配線Ｅ１（Ｇ１−Ｅ１と略
す）、Ｇ２−Ｅ２，…Ｇ６−Ｅ６が対をなして隣接し実
質的に平行に配置されているため、相互インダクタンス
により、ノイズが乗ってもゲート配線，リファレンスエ
ミッタ配線ともノイズは同じ位相で同じ量になる。この
ことは、ＩＧＢＴのＯＮ，ＯＦＦを決定するゲートとリ
ファレンスエミッタの電位差はノイズの影響を受けず結
果として、ノイズがモジュール動作に悪影響を与えない
ことを意味する。
【００３８】図１，図５に示した本実施例のモジュール
は、従来の金属ベース一体成型ケースで生じたゲル漏洩
がなく、従来の金属ベース一体成型ケースでは実現不可
能であった主端子のネジ止めが実現できた。また、ノイ
ズにも強い電気配線パターンを備えたモジュールであ
る。
【００３９】（実施例２）本実施例は溝１Ａの形状を図
７に示すように銅ベース１１の両面に形成した他は実施
例１と同様である。図７に銅ベース１１の一角の拡大
図、及びその断面図を示す。切り込み６０を設けている
理由は実施例１と同じである。銅ベース１１の表裏両面
に溝１Ａが形成されていることにより、ケース樹脂は銅
ベース１１を首輪のように取り囲む構造になる。この様
子を図７のＢ−Ｂ′断面に示す。銅ベース１１はケース
樹脂で締め付けられ、ケースの気密性は図６の場合より
もさらに増大する。
【００４０】（実施例３）本発明の別の実施例を図９を
用いて説明する。図９は金属ベースを削除して、モジュ
ールの支持板をセラミック基板１４のみとした場合の実
施例である。本実施例の場合、セラミック基板１４とし
てアルミナ基板を用いた。アルミナとケース材であるポ
リフェニレンサルファイド樹脂(ＰＰＳ)の熱膨張係数差
が極めて大きいので、パワー半導体素子の発熱時や、モ
ジュールの半田リフロー時などの高温時にアルミナ基板
がポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）ケースで
締め付けられるためにこの両者の接着性が極めて大き
い。従って、実施例１で説明した溝の形成等の手法を適
用しなくても気密性に問題のない支持体一体成型インサ
ートケースが製造できた。本実施例による利点は、アル
ミナ基板と銅ベースとの熱膨張係数の差による銅ベース
の反りをなくせることである。本実施例の場合、制御配
線はアルミナ基板上の銅箔パターン９０で行った。ま
た、図５においてケース上に配線した電極Ｎも、アルミ
ナ基板上の銅箔パターンとすることもできる。その他の
形状及び電気的配線の特徴は図５の実施例１と同一であ
る。
【００４１】（実施例４）図１０は金属ベースにＡｌ絶
縁金属基板３３を使用した実施例である。本実施例で
は、実施例１と同様に、溝１Ａの形成等が接着性向上の
ために必要である。制御用配線はＡｌ絶縁金属基板３３
上の銅箔パターン１００で行い、この銅箔パターンでＮ
電極を形成できることは実施例２の図９の場合と同様で
ある。本実施例では制御配線あるいは主回路配線を、ケ
ースと基板の接合面に設けることができるので、モジュ
ールサイズを小さくできる。本実施例では、Ａｌ絶縁金
属基板３３と樹脂ケースを一体成型するためにＡｌ絶縁
金属基板３３は溶融した高温（約２８０℃）のモールド
樹脂にさらされるので、Ａｌ絶縁金属基板３３の樹脂１
０１が充分な耐熱性を有することが必要である。
【００４２】（実施例５）図１１はコンバータ回路の実
施例である。入力電源が三相の場合を示す。本実施例の
場合も、銅ベース表面に溝を形成して樹脂ケースと銅ベ
ースを一体成型し、出力Ｐ，Ｎと入力Ｒ,Ｓ,Ｔが直交し
ている。本実施例では実施例１のＩＧＢＴ，ＦＷＤ等の
半導体素子の代わりに整流用ダイオード１１０を備え、
それに付随して制御端子がなくなったこと以外は実施例
１と同じモジュール構成である。
【００４３】図１２に、本発明のパワー半導体モジュー
ル構造で、三相インバータ１２５，コンバータ１２６を
製造し、プリント回路基板１２０に実装した実施例を示
す。三相インバータ，コンバータのＰ，Ｎ電極がインサ
ートされたケース壁面を同じ向きにし、両者のＰ，Ｎを
接続する銅配線１２２が最短になるように配置してい
る。また、この銅配線１２２は図１２に示すようにネジ
１２３でネジ止めされている。図示していないが、Ｕ，
Ｖ，Ｗ，Ｒ，Ｓ，Ｔ電極についてもネジ止めしている。
プリント回路基板１２０に実装されたゲートドライバ１
２１は三相インバータ１２５をドライブするドライバＩ
Ｃであり、制御端子列１２４はこのゲートドライバ１２
１を制御するための端子である。図示していないが、こ
のゲートドライバ１２１を制御するＣＰＵ，オペアンプ
等のＩＣは、プリント回路基板120の上にさらにもう１
段重ねたプリント回路基板に実装する。
【００４４】
【発明の効果】本発明のモジュール構造によれば、ナッ
トと樹脂ケースのギャップがなくなるため、端子締め付
け強度が増大し、同時に絶縁耐圧も確保できるために端
子ネジの信頼性が向上する。本発明のモジュール構造に
よれば、金属ベースを一体成型しケース中央に樹脂製の
梁を形成するために、モジュールの機械的強度が向上す
る。
【００４５】本発明のモジュール構造によれば、金属ベ
ース表面、または表裏面に形成された溝は、硬化前のゲ
ルまたはハードレジンの漏洩を防止することができ、大
気中の水分等からの金属配線及び素子を保護し高い信頼
性のモジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパワー半導体モジュールの断面構造模
式図。
【図２】従来技術によるパワー半導体モジュールの断面
構造模式図。
【図３】従来技術によるインサートケースを使用したパ
ワー半導体モジュールの断面構造模式図。
【図４】従来技術による金属ベース一体成型ケースを使
用したパワー半導体モジュールの断面構造模式図。
【図５】本発明の実施例によるパワー半導体モジュール
の平面パターンを示す説明図。
【図６】本発明の実施例によるパワー半導体モジュール
の銅ベースの説明図。
【図７】本発明の実施例によるパワー半導体モジュール
の銅ベースの一部を示す説明図。
【図８】本発明の実施例によるパワー半導体モジュール
の斜視図。
【図９】本発明の実施例によるパワー半導体モジュール
の断面模式図。
【図１０】本発明の実施例によるパワー半導体モジュー
ルの断面模式図。
【図１１】本発明の実施例によるコンバータの平面パタ
ーンを示す説明図。
【図１２】本発明の実施例によるコンバータ，インバー
タの実装例の斜視図。
【図１３】本発明の実施例によるパワー半導体モジュー
ルの端子対応を示す等価回路図。
【符号の説明】
１Ａ…溝、１Ｂ…主端子Ｎの電極、１Ｃ…空隙、１Ｄ…
突起、１Ｅ…樹脂部、５Ａ…上アーム用アルミナ基板、
５Ｂ…下アーム用アルミナ基板、５Ｃ，５Ｄ…制御配線
用プリント回路基板、５Ｅ，１９，５８…金属ワイア、
９…金属ベース、１０，２２，４１…モジュールケー
ス、１１…銅ベース、１２…主端子、１３…ナット、１
４，２５…セラミック基板、１５…プリント回路基板、
１６…Ｓｉチップ、１７…モジュール蓋、１８…ゲル、
２０…端子ブロック、２１…ハードレジン、２３…半
田、２４…主端子ベンド部、３０，５１…制御端子、３
１…シリコーン系樹脂接着剤、３２，１０１…樹脂、３
３…Ａｌ絶縁金属基板、３４…熱拡散板、３５…インサ
ートケース、３６…制御回路素子、４０…外部入出力端
子、４２…電子部品、４３…厚膜回路基板、４４…入出
力端子、４９…境界部、５０…モジュール取り付け穴、
５２…ＩＧＢＴ、５３…ＦＷＤ、５４…Ｐ電極パッド、
５５…Ｕ電極パッド、５６…Ｖ電極パッド、５７…Ｗ電
極パッド、５９…補強用リブ、６０…切り込み、８０…
空隙、８１…ケース肉厚減少部、９０，１００…銅箔パ
ターン、１１０…整流用ダイオード、１２０…プリント
回路基板、１２１…ゲートドライバ、１２２…銅配線、
１２３…ネジ、１２４…制御端子列、１２５…三相イン
バータ、１２６…コンバータ、５００…補強梁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茂村 達也 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 薗部 幸男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 佐々木 正貴 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】パワー半導体素子を備えたパワー回路部
    と、該パワー回路部を制御する制御回路部と、モジュー
    ル底部を封止する金属ベースと、該金属ベースと前記パ
    ワー回路部とを電気的に絶縁する絶縁基板と、前記パワ
    ー回路部に接続される外部入出力端子と、前記外部入出
    力端子が一体成型された樹脂製ケースと、樹脂封止材と
    を備えたパワー半導体モジュールにおいて、前記外部入
    出力端子のネジ止め用ナットと前記樹脂製ケースとが一
    体成型され、かつ該ナットの下に前記樹脂製ケースを貫
    通しない空隙を備えていることを特徴とするパワー半導
    体モジュール。
  2. 【請求項２】請求項１記載のパワー半導体モジュールに
    おいて、前記金属ベースと前記樹脂製ケースとが一体成
    型され、該金属ベースが樹脂を介して前記空隙の下に配
    置されていることを特徴とするパワー半導体モジュー
    ル。
  3. 【請求項３】パワー半導体素子を備えたパワー回路部
    と、該パワー回路部を制御する制御回路部と、モジュー
    ル底部を封止する金属ベースと、該金属ベースと前記パ
    ワー回路部とを電気的に絶縁する絶縁基板と、前記パワ
    ー回路部に接続される外部入出力端子と、前記外部入出
    力端子が一体成型された樹脂製ケースと、樹脂封止材と
    を備えたパワー半導体モジュールにおいて、前記外部入
    出力端子のネジ止め用ナットを挿入するための空隙と、
    該ネジ止め用ナットを挿入するための空隙の下にネジを
    逃がすための空隙を前記樹脂製ケースを貫通しないよう
    配置し、かつ前記金属ベースと前記樹脂製ケースとが一
    体成型されていることを特徴とするパワー半導体モジュ
    ール。
  4. 【請求項４】パワー半導体素子を備えたパワー回路部
    と、該パワー回路部を制御する制御回路部と、モジュー
    ル底部を封止する金属ベースと、該金属ベースと前記パ
    ワー回路部とを電気的に絶縁する絶縁基板と、前記パワ
    ー回路部に接続される外部入出力端子と、前記外部入出
    力端子が一体成型された樹脂製ケースと、樹脂封止材と
    を備えたパワー半導体モジュールにおいて、該外部入出
    力端子下の樹脂製ケースにネジ止め用ネジ穴と、該ネジ
    止め用ネジ穴の下にネジを逃がすための空隙をケースを
    貫通しないよう配置し、かつ前記金属ベースと前記樹脂
    製ケースとが一体成型されていることを特徴とするパワ
    ー半導体モジュール。
  5. 【請求項５】請求項１記載のパワー半導体モジュールに
    おいて、前記金属ベースと前記樹脂製ケースとが一体成
    型され、かつ、前記外部入出力端子が前記金属ベースに
    対して略垂直に配置されている部分を備えていることを
    特徴とするパワー半導体モジュール。
  6. 【請求項６】請求項１記載のパワー半導体モジュールに
    おいて、前記金属ベースと前記樹脂製ケースとが接合す
    る面の金属ベースに溝を形成したことを特徴とするパワ
    ー半導体モジュール。
  7. 【請求項７】請求項６記載のパワー半導体モジュールに
    おいて、前記金属ベースの両面に前記溝を形成したこと
    を特徴とするパワー半導体モジュール。
  8. 【請求項８】請求項６記載のパワー半導体モジュールに
    おいて、前記金属ベースに形成された溝が２列以上であ
    ることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  9. 【請求項９】請求項１記載のパワー半導体モジュールに
    おいて、前記金属ベースの略中央に、前記樹脂製ケース
    と実質的に同じ樹脂製の梁を備えたことを特徴とするパ
    ワー半導体モジュール。
  10. 【請求項１０】請求項９記載のパワー半導体モジュール
    において、前記梁の上に電気配線を形成したことを特徴
    とするパワー半導体モジュール。
  11. 【請求項１１】請求項１０記載のパワー半導体モジュー
    ルにおいて、前記梁の上に形成した電気配線が接地配線
    であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  12. 【請求項１２】請求項９記載のパワー半導体モジュール
    において、前記絶縁基板及び前記制御回路部のプリント
    回路基板が、前記梁を挟んで略線対称に配置されている
    ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  13. 【請求項１３】請求項１２記載のパワー半導体モジュー
    ルにおいて、電源電圧配線と接地配線が略平行に配置さ
    れ、かつ出力配線が該電源電圧配線と該接地配線と略垂
    直に配置されていることを特徴とするパワー半導体モジ
    ュール。
  14. 【請求項１４】請求項１３記載のパワー半導体モジュー
    ルにおいて、前記出力配線と前記制御回路部のプリント
    回路基板が略垂直に配置されていることを特徴とするパ
    ワー半導体モジュール。
  15. 【請求項１５】請求項１４記載のパワー半導体モジュー
    ルにおいて、前記制御回路部のプリント回路基板上で、
    前記パワー半導体素子のゲート配線と前記パワー半導体
    素子のゲート電圧の基準電位となる配線とが略平行に配
    置されていることを特徴とするパワー半導体モジュー
    ル。
  16. 【請求項１６】パワー半導体素子を備えたパワー回路部
    と、該パワー回路部を制御する制御回路部と、前記パワ
    ー回路部と外部放熱板とを電気的に絶縁しモジュール底
    部を封止する絶縁基板と、前記パワー回路部に接続され
    る外部入出力端子と、前記外部入出力端子が一体成型さ
    れた樹脂製ケースと、樹脂封止材とを備えたパワー半導
    体モジュールにおいて、前記樹脂製ケースと前記絶縁基
    板とが一体成型されていることを特徴とするパワー半導
    体モジュール。
  17. 【請求項１７】請求項１６記載のパワー半導体モジュー
    ルにおいて、前記絶縁基板がアルミナを主成分とする基
    板または窒化アルミニウムを主成分とする基板であるこ
    とを特徴とするパワー半導体モジュール。
  18. 【請求項１８】パワー半導体素子を備えたパワー回路部
    と、モジュール底部を封止する金属ベースと、該金属ベ
    ースと前記パワー回路部とを電気的に絶縁する絶縁基板
    と、前記パワー回路部に接続される外部入出力端子と、
    前記外部入出力端子が一体成型された樹脂製ケースと、
    樹脂封止材とを備えたパワー半導体モジュールにおい
    て、前記外部入出力端子のネジ止め用ナットと前記樹脂
    製ケースとが一体成型され、かつ該ナットの下に前記樹
    脂製ケースを貫通しない空隙を備えていることを特徴と
    するパワー半導体モジュール。
  19. 【請求項１９】請求項１８記載のパワー半導体モジュー
    ルにおいて、前記金属ベースと前記樹脂製ケースとが一
    体成型され、該金属ベースが樹脂を介して前記空隙の下
    に配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュ
    ール。
  20. 【請求項２０】請求項１又は請求項１６又は請求項１８
    の何れか１つに記載のパワー半導体モジュールにおい
    て、前記パワー素子と前記絶縁基板、及び前記絶縁基板
    と前記金属ベースとが前記樹脂ケースを構成する樹脂の
    軟化点より低い融点の半田を介して接着していることを
    特徴とするパワー半導体モジュール。
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