JP2002203940A - 半導体パワーモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御回路部にも熱伝導性のよい絶縁基板を用
いており、又、工程数が多いため高価となった。 【解決手段】 パワー素子を搭載する主回路部と、この
パワー素子を制御する制御素子を搭載する制御回路部と
をパッケージ化した半導体パワーモジュールにおいて、
前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにイ
ンサートすると共に、前記外部接続用制御端子の一部で
制御回路パターンを形成し、該制御回路パターン上に前
記制御素子を搭載した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パワーモジ
ュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体パワーモジュールは、電力制御用
の半導体素子であるパワー素子を含む主回路と、該主回
路の動作を制御する半導体素子である制御素子を含む制
御回路とを、一つの装置に組み込んだものである。主と
してモータ等を制御するインバータ装置等に応用されて
いる。

【０００３】図５は、従来の半導体パワーモジュールの
断面を示す模式図である。図において、１は金属ベース
絶縁基板、２は金属ベース絶縁基板における後述の主回
路配線パターン１１３上にハンダ付けにより接合された
ＩＧＢＴ、フライホイールダイオード等のパワー素子、
３は金属ベース絶縁基板における後述の制御回路パター
ン１１６上にハンダ付けにより接合された主回路を駆動
する制御素子、５は制御回路パターン１１６上にハンダ
付けにより接合された制御回路端子であり、夫々パワー
素子２や制御素子３とアルミワイヤ６により接続されて
いる。

【０００４】また７はパワー素子２および制御素子３を
囲撓するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、か
つ接着された外枠であり、金属ベース絶縁基板１と外枠
７とにより、金属ベース絶縁基板１を底板とするケース
８を形成している。９はパワー素子２および制御素子３
を覆うようにケース８内に充填されたエポキシ樹脂であ
り、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９により従
来の半導体パワーモジュール１００を構成している。

【０００５】次に図６により、半導体パワーモジュール
１００における金属ベース絶縁基板１の構成を説明す
る。図において、１１１は熱伝導性に優れたアルミ材か
らなる金属ベース部板、１１２は金属ベース板１１１の
上に配設された絶縁板、１１３は絶縁板１１２の上に貼
り付けられた銅箔をエッチングして形成された主回路配
線パターンであり、金属ベース板１１１、絶縁板１１２
および主回路配線パターン１１３により、前述の主回路
基板１１４を構成し、主回路配線パターン１１３は図５
に示したように、パワー素子２や主回路端子４がハンダ
付けにて接合される。

【０００６】また１１５はガラス繊維を骨材としたエポ
キシ樹脂製の絶縁板(ガラスエポキシ基材)、１１６、１
１７は、夫々絶縁板１１５の両主面に貼り付けられた、
銅箔をエッチングして得られた制御回路配線パターンお
よび制御回路接地用パターンである。なお、絶縁板１１
５の所定の個所には貫通孔１１５ａを形成してその内面
に銅メッキを施し、その銅メッキ層により、制御回路配
線パターン１１６と制御回路接地パターン１１７と電気
的に導通し、制御回路接地用パターン１１７が制御回路
(図示せず)の共通接地用パターンとして機能している。

【０００７】なお、絶縁板１１５、制御回路配線パター
ン１１６および制御回路接地用パターン１１７により、
制御回路基板１１８を構成し、この制御回路基板１１８
は絶縁板１１２の主回路配線パターン１１３が配設され
ていない一定の領域１１２ａに接着シート１１９を介し
て接合されている。そして、制御回路配線パターン１１
６には図５に示したごとく、制御素子３や制御回路端子
５がハンダ付けにより接合される。

【０００８】図７は、図６に示した従来の半導体パワー
モジュール１００における金属ベース絶縁板１の組立方
法を説明する断面の模式図である。以下、図７により、
金属ベース絶縁基板１の製造プロセスを説明する。

【０００９】図７において、金属ベース板１１１の主面
上に絶縁板１１２を、絶縁板１１２の主面上に銅箔を配
置した状態において一体に熱圧着し、その後、上記銅箔
をウェットエッチングにより、主回路配線パターン１１
３を形成し、金属ベース板１１１、絶縁板１１２および
主回路配線パターン１１３からなる主回路１１４が完成
する。

【００１０】別途、絶縁板１１５の所定の位置に、その
両主面に銅箔を形成すると共にＮＣドリルで孔明けし、
貫通孔１１５ａの内面に上記銅メッキ層を形成する。次
に銅箔をウェットエッチングにより、一方の主面に制御
回路パターン１１６ａと、他方の主面に制御回路接地用
パターン１１７とを、貫通孔１１５ａ内面の前記銅メッ
キ層により電気的に導通させ、これにより、制御回路接
地用パターン１１７を制御回路(図示せず)の共通接地用
パターンとして制御回路基板１１８が完成する。

【００１１】その後、主回路基板１１４における絶縁板
１１２の所定の領域１１２ａに制御回路基板１１８を接
着シート１１９を介して接合することにより、図６に示
すごとく、金属ベース絶縁基板１が完成し、図５に示し
た半導体パワーモジュール１００の底板として供され
る。

【００１２】以上のごとく、従来の半導体パワーモジュ
ール１００における金属ベース絶縁基板１は、金属板１
１１、絶縁板１１２および主回路配線パターン１１３に
より構成された主回路基板１１４、および主回路基板１
１４に接着シート１１９を用いて接着された制御回路基
板１１８により構成されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体パワーモ
ジュールは、主回路基板１１４の上に制御回路基板１１
８を積み重ねた積層構造の金属ベース絶縁基板１を用い
ているので、金属ベース絶縁基板１の製造に際し、主回
路基板１１４および制御回路基板１１８が別々の工程で
製造され、その後、積層プレスにて一体化する工程が必
要であり、工数が多いためコスト高となり、また、上
記、各工程で熱ストレスが加わり、結果として金属ベー
ス絶縁基板１の絶縁特性を劣化させる要因となる等の課
題があった。

【００１４】また比較的高価な主回路基板１１４が、放
熱を必要としない制御回路基板１１８の直下にも設けら
れているので、無駄なコストを要するという課題もあっ
た。

【００１５】また自己発生ノイズ対策上、制御回路基板
１１８には制御回路接地用パターン１１７を設ける必要
があったため、制御回路基板１１８の製作に別工程が必
要であり、そのためコストがかかっていた。

【００１６】また主回路端子や制御回路端子の取り付け
にハンダを用いているため、取り付けの工程に治具等が
必要であり、そしてエポキシ樹脂９注型、キュア工程等
が必要なために工程自体も複雑であり、しかもこれ以降
の工程で影響を受け易く、端子位置が移動し製品の端子
位置づれが発生したり、また端子下の回路基板にストレ
スがかかり、製品信頼性上の課題もあった。

【００１７】またハンダ付けによる熱ストレスの影響で
金属ベース絶縁基板の絶縁信頼性が劣化するという課題
もあった。

【００１８】この発明は、上記の問題点を解消するため
に行われたものであり、製造工数が少なくかつ安価でし
かも高信頼性が得られ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。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係わる半導
体パワーモジュールは、パワー素子を搭載して回路構成
している主回路部と、このパワー素子を制御する制御素
子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製の
ケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、前
記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにイン
サートすると共に、前記外部接続用制御端子の一部で制
御回路パターンを形成し、該制御回路パターン上に前記
制御素子を搭載したことを特徴とする。

【００２０】第２の発明に係わる半導体パワーモジュー
ルは、金属ベース板上に載置された絶縁板上に形成され
た主回路パターン上にパワー素子を搭載して回路構成し
ている主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子
を搭載して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケ
ースで囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、前記
主回路部の外部接続用主回路端子を前記ケースにインサ
ートすると共に、前記外部接続用主回路端子の一端側を
前記絶縁板上に接着して主回路パターンを形成したこと
を特徴とする。

【００２１】第３の発明に係わる半導体パワーモジュー
ルは、パワー素子を搭載して回路構成している主回路部
と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路
構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した
半導体パワーモジュールにおいて、前記制御回路部の外
部接続用制御端子と、制御回路基板とを前記ケースにイ
ンサートしたことを特徴とする。

【００２２】第４の発明に係わる半導体パワーモジュー
ルは、パワー素子を搭載して回路構成している主回路部
と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載して回路
構成している制御回路部とを樹脂製のケースで囲繞した
半導体パワーモジュールにおいて、前記制御回路部の外
部接続用制御端子を前記ケースにインサートし、該外部
接続用制御端子の一部で制御素子が搭載される制御回路
パターンを形成すると共に、該制御回路パターンの前記
制御素子が搭載される領域の周縁部に突起を配設したこ
とを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】実施の形態１ 図１は、この発明の実施の形態１として半導体パワーモ
ジュールの断面を示す模式図である。

【００２４】図において、１は金属ベース絶縁基板、２
は金属ベース絶縁基板１における主回路パターン１８に
ハンダ付けにより接合されたＩＧＢＴ、フライホイール
ダイオード等のパワー素子、３は後述の底部７ａに設け
た制御回路パターン１９上にハンダ付けにより接合さ
れ、パワー素子２を制御する制御素子である。

【００２５】そして、４は、後述する耐熱性に優れたＰ
ＰＳ(ポリ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からな
る外枠７にインサート成形された主回路端子、５も前記
主回路端子と同様に、前記外枠７にインサート成形され
た制御回路端子である。またこの制御回路端子５は、制
御回路パターン１９を兼ねている。主回路端子４、制御
回路端子５、夫々は金属ベース絶縁基板１の主回路パタ
ーン１８やパワー素子２などからの接続として安価で電
気伝導性に優れたアルミワイヤ６により接続されてい
る。

【００２６】外枠７は、パワー素子２および制御素子３
を囲繞するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、
かつ金属ベース絶縁基板１と接着されており、前述のご
とく、主回路端子４および制御回路端子５はこの外枠７
にインサート成形されている。また、この外枠７の一方
側には内側方向に突出するようにして底部７ａが一体形
成されており、その先端部が金属ベース絶縁基板１の一
端に当接している。この底部７ａと金属ベース絶縁基板
１とが底板を形成しており、そしてこの底板と外枠７と
により、インサートケース８を形成している。９はパワ
ー素子２および制御素子３を覆うようにインサートケー
ス８内に充填されたエポキシ樹脂であり、金属ベース絶
縁基板１からエポキシ樹脂９の各構成要素により、本実
施の形態１としての半導体パワーモジュール１０を構成
している。

【００２７】実施の形態２ 図２は、もう一つの実施の形態２として半導体パワーモ
ジュールの断面を示す模式図である。

【００２８】図において、１１１は熱伝導に優れたアル
ミ材からなる金属ベース板、１１２ａは金属ベース板１
１１の上に配設された絶縁板で両部材が金属ベース絶縁
基板１をなす。２は主回路パターン１８にハンダ付けに
より接合されたＩＧＢＴ、フライホイールダイオード等
のパワー素子、３は制御回路パターン１９上にハンダ付
けにより接合され、パワー素子２を制御する制御素子で
ある。

【００２９】また絶縁板１１２ａは、金属ベース板１１
１と主回路パターン１８とを接着するための電気絶縁
性、耐熱性および高熱伝導性を兼ね備えた高熱伝導充填
剤入りのエポキシ樹脂製の接着剤であり、半硬化(Ｂス
テージ品)の絶縁シートとして供給され、熱圧着により
硬化し、絶縁板を形成する。

【００３０】そして、４は、耐熱性に優れたＰＰＳ(ポ
リ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠
７にインサート成形された主回路端子、５も前記主回路
端子と同様に、前記外枠７にインサート成形された制御
回路端子である。この制御回路端子５は、制御回路パタ
ーン１９を兼ねている。また、主回路端子４も主回路パ
ターンを兼ねている。主回路端子４、制御回路端子５、
夫々は金属ベース絶縁基板１の主回路パターン１８やパ
ワー素子２などからの接続として安価で電気伝導性に優
れたアルミワイヤ６により接続されている。

【００３１】外枠７は、パワー素子２および制御素子３
を囲繞するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、
かつ金属ベース絶縁基板１と接着されており、前述のご
とく、主回路端子４および制御回路端子５はこの外枠７
にインサート成形されている。また、この外枠７の一方
側には内側方向(図２では左方向)に突出するようにして
底部７ａが一体形成されており、その先端部が金属ベー
ス絶縁基板１の一端に当接している。この底部７ａと金
属ベース絶縁基板１とが底板を形成しており、そしてこ
の底板と外枠７とにより、インサートケース８を形成し
ている。９はパワー素子２および制御素子３を覆うよう
にインサートケース８内に充填されたエポキシ樹脂であ
り、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９の各構成
要素により、本実施の形態２としての半導体パワーモジ
ュール１０ａを構成している。

【００３２】実施の形態３ 図３は、この発明の実施の形態３として半導体パワーモ
ジュールの断面を示す模式図である。

【００３３】図において、１は金属ベース絶縁基板、２
は主回路パターン１８にハンダ付けにより接合されたＩ
ＧＢＴ、フライホイールダイオード等のパワー素子、３
は後述の制御回路基板２０の制御回路パターン１９上に
ハンダ付けにより接合され、パワー素子２を制御する制
御素子である。

【００３４】そして、４は、耐熱性に優れたＰＰＳ(ポ
リ・フェニレン・サルファイト)製の樹脂からなる外枠
７にインサート成形された主回路端子、５も前記主回路
端子と同様に、後記の外枠７にインサート成形された制
御回路端子である。またこの制御回路端子５は、制御回
路パターン１９を兼ねている。主回路端子４、制御回路
端子５、夫々は金属ベース絶縁基板１の主回路パターン
１８やパワー素子２などからの接続として安価で電気伝
導性に優れたアルミワイヤ６により接続されている。

【００３５】制御回路基板２０は、ガラスエポキシ機材
を介した両面銅箔パターンで構成された基板であり、制
御回路端子５を後記の外枠７にインサート成形する時に
同時に回路パターン化された状態の基板をインサートさ
せ、一体化する。

【００３６】外枠７は、パワー素子２および制御素子３
を囲繞するように金属ベース絶縁基板１上に配設され、
かつ金属ベース絶縁基板１と接着されており、前述のご
とく、主回路端子４、制御回路端子５および制御回路基
板２０はこの外枠７にインサート成形されている。ま
た、この外枠７の一方側には内側方向に突出するように
して底部７ａが一体形成されており、その先端部が金属
ベース絶縁基板１の一端に当接している。この底部７ａ
と金属ベース絶縁基板１とが底板を形成しており、そし
てこの底板と外枠７とにより、インサートケース８を形
成している。９はパワー素子２および制御素子３を覆う
ようにインサートケース８内に充填されたエポキシ樹脂
であり、金属ベース絶縁基板１からエポキシ樹脂９の各
構成要素により、本実施の形態３としての半導体パワー
モジュール１０ｂを構成している。

【００３７】図１、図２および図３で示したインサート
ケースを採用することによって、図５で示したように、
主回路端子および制御回路端子を、従来金属ベース絶縁
基板にハンダ付けしていた工程に替えてアルミワイヤで
の結線としたので、熱ストレスをかける工程を排除で
き、そのため熱劣化を防止でき、高信頼性のものが得ら
れる。

【００３８】またインサートケース成形にて、主回路端
子および制御回路端子を構成することによって、各端子
の位置も決定するため、半導体パワーモジュールの各工
程での変形もなくせる。

【００３９】また制御回路部の底面がＰＰＳ樹脂で形成
され、またその厚さも厚くすることが可能であるので、
ノイズの影響を受け難い構造が得られる。

【００４０】また制御回路は全てインサートケース上に
て構成することが出来たため、比較的高価であった、金
属ベース絶縁基板は放熱性が要求される部分の主回路の
みにすることができ、基板サイズが小型化でき、そのコ
スト低減ができる。

【００４１】実施の形態４図４は、この発明の実施の形
態４として、図１、図２、図３で採用したインサートケ
ースの断面を示す模式図である。

【００４２】図において、インサートケース８を構成す
るＰＰＳにより、制御回路パターン１９を係止させるた
めの突起８ａ、８ｂを設ける。これらの突起により、制
御素子３の搭載時に位置決めが可能となる。

【００４３】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に示すような効果を奏する。

【００４４】第１発明によれば、制御回路パターンをケ
ースにインサートした外部接続用端子の一部で構成した
ので、従来の制御回路用絶縁基板が不要で、生産性に優
れ、安価な半導体パワーモジュールを提供出来る効果が
ある。

【００４５】第２発明によれば、主回路パターンをケー
スにインサートした外部接続用主回路端子の一部で構成
したので、前記主回路部の総体的な小型化が出来るだけ
でなく、構造が簡単で、生産性に優れており、結果的
に、小型で、生産性に優れ、安価な半導体パワーモジュ
ールを提供できる効果がある。

【００４６】第３発明によれば、制御回路基板をケース
形成時にインサートしたので、該制御回路基板の実装に
係わる生産性が向上するだけでなく、前記制御回路基板
の実装位置の精度を高め得る効果がある。

【００４７】第４発明によれば、制御素子が搭載される
領域の周縁部に突起を設けたので、制御回路パターンに
制御素子を搭載し、固着するまでの前記制御素子の位置
ずれを防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１としての半導体パワ
ーモジュールの断面を示す模式図である。

【図２】 この発明の実施の形態２としての半導体パワ
ーモジュールの断面を示す模式図である。

【図３】 この発明の実施の形態３としての半導体パワ
ーモジュールの断面を示す模式図である。

【図４】 この発明の実施の形態４としての半導体パワ
ーモジュールの断面を示す模式図である。

【図５】 従来の半導体パワーモジュールの断面を示す
模式図である。

【図６】 図５に示した従来の半導体パワーモジュール
における金属ベース絶縁基板の断面を示す模式図であ
る。

【図７】 図６に示した従来の金属ベース絶縁板の組立
方法を説明する断面の模式図である。

【符号の説明】

１ 金属ベース絶縁基板、２ パワー素子、３ 制御素
子、７ 外枠、８ インサートケース、８ａ 突起、８
ｂ 突起、７ａ 底部、１０ 半導体パワーモジュール
(実施例１)、１０ａ 半導体パワーモジュール(実施例
２)、１０ｂ 半導体パワーモジュール(実施例３)、１
１金属ベース板、１２ 絶縁板、１８ 主回路配線パタ
ーン、１９ 制御回路配線パターン、２０ 制御回路基
板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パワー素子を搭載して回路構成している
   主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載
   して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで
   囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、 前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにイ
   ンサートすると共に、前記外部接続用制御端子の一部で
   制御回路パターンを形成し、該制御回路パターン上に前
   記制御素子を搭載したことを特徴とする半導体パワーモ
   ジュール。
2. 【請求項２】 金属ベース板上に載置された絶縁板上に
   形成された主回路パターン上にパワー素子を搭載して回
   路構成している主回路部と、このパワー素子を制御する
   制御素子を搭載して回路構成している制御回路部とを樹
   脂製のケースで囲繞した半導体パワーモジュールにおい
   て、 前記主回路部の外部接続用主回路端子を前記ケースにイ
   ンサートすると共に、前記外部接続用主回路端子の一端
   側を前記絶縁板上に接着して主回路パターンを形成した
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
3. 【請求項３】 パワー素子を搭載して回路構成している
   主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載
   して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで
   囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、 前記制御回路部の外部接続用制御端子と、制御回路基板
   とを前記ケースにインサートしたことを特徴とする半導
   体パワーモジュール。
4. 【請求項４】 パワー素子を搭載して回路構成している
   主回路部と、このパワー素子を制御する制御素子を搭載
   して回路構成している制御回路部とを樹脂製のケースで
   囲繞した半導体パワーモジュールにおいて、 前記制御回路部の外部接続用制御端子を前記ケースにイ
   ンサートし、該外部接続用制御端子の一部で制御素子が
   搭載される制御回路パターンを形成すると共に、該制御
   回路パターンの前記制御素子が搭載される領域の周縁部
   に突起を配設したことを特徴とする半導体パワーモジュ
   ール。