特開 2022-99226 スナバコンデンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022099226

(43)【公開日】2022-07-04

(54)【発明の名称】スナバコンデンサ

(51)【国際特許分類】

   H01G 4/30 20060101AFI20220627BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20220627BHJP

   H01G 4/228 20060101ALI20220627BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20220627BHJP

【ＦＩ】

H01G4/30 201H

H01L25/04 C

H01G4/228 W

H01G4/30 513

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021135041

(22)【出願日】2021-08-20

(31)【優先権主張番号】10 2020 216 473.8

(32)【優先日】2020-12-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(71)【出願人】

【識別番号】500045121

【氏名又は名称】ツェットエフ、フリードリッヒスハーフェン、アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＺＦ ＦＲＩＥＤＲＩＣＨＳＨＡＦＥＮ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100186716

【弁理士】

【氏名又は名称】真能 清志

(72)【発明者】

【氏名】リウ ウェイ

【テーマコード（参考）】

5E001

5E082

5H770

【Ｆターム（参考）】

5E001AB03

5E082AA01

5E082AB03

5E082BB02

5E082BC25

5E082GG08

5H770AA21

5H770JA10X

5H770KA05X

5H770QA06

5H770QA22

(57)【要約】

【課題】スナバコンデンサを開示する。
【解決手段】スナバコンデンサは、第１電極と、第２電極と、それらの間のコンデンサコアと、導電性の第１抽出素子と、導電性の第２抽出素子と、を備える。第１抽出素子は、第１電極に電気的に結合され、第１電極の少なくとも一部およびコンデンサコアの一部を覆う。第２抽出素子は、第２電極に電気的に結合され、第２電極の少なくとも一部およびコンデンサコアの別の部分を覆う。第１抽出素子は、第２抽出素子から電気的に絶縁されている。スナバコンデンサへの熱影響が改善される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スナバコンデンサであって、
第１電極と、第２電極と、それらの間のコンデンサコアと、
前記第１電極に電気的に結合され、前記第１電極の少なくとも一部および前記コンデンサコアの一部を覆う、導電性の第１抽出素子と、
前記第２電極に電気的に結合され、前記第２電極の少なくとも一部および前記コンデンサコアの別の部分を覆う、導電性の第２抽出素子と、を備え、
前記第１抽出素子は、前記第２抽出素子から電気的に絶縁されている、スナバコンデンサ。

【請求項2】

請求項１に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子に結合された前記第１電極の端面は、前記第２抽出素子に結合された前記第２電極の端面と対向する、スナバコンデンサ。

【請求項3】

請求項１に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子によって覆われた前記コンデンサコアの側壁は、前記第２抽出素子によって覆われた前記コンデンサコアの側壁と対向する、スナバコンデンサ。

【請求項4】

請求項１に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子によって覆われた前記コンデンサコアの側壁は、前記第２抽出素子によって覆われた前記コンデンサコアの側壁に隣接している、スナバコンデンサ。

【請求項5】

請求項１に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子および前記第２抽出素子は、両方ともＬ字形状である、スナバコンデンサ。

【請求項6】

請求項１に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子および前記第２抽出素子の少なくとも１つは、ベース部分と、前記スナバコンデンサの長手方向に沿って前記ベース部分から延びる２つの延在部分と、を備え、前記２つの延在部分は各々、前記コンデンサコアの２つの隣接する側壁に平行に延びる、または、
前記第１抽出素子および前記第２抽出素子の少なくとも１つは、ベース部分と、前記スナバコンデンサの長手方向に沿って前記ベース部分から延びる２つの延在部分と、を備え、前記２つの延在部分は各々、前記コンデンサコアの対向する側壁に平行に延びる、スナバコンデンサ。

【請求項7】

請求項１に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子は、前記第１電極にはんだ付け／焼結されている、および／または、前記第２抽出素子は、前記第２電極にはんだ付け／焼結されている、スナバコンデンサ。

【請求項8】

請求項７に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子は、前記第１電極に超音波はんだ付けされている、および／または、前記第２抽出素子は、前記第２電極に超音波はんだ付けされている、スナバコンデンサ。

【請求項9】

請求項７に記載のスナバコンデンサであって、前記第１抽出素子は、銀によって前記第１電極に焼結されている、および／または、前記第２抽出素子は、銀によって前記第２電極に焼結されている、スナバコンデンサ。

【請求項10】

請求項１～９の何れか一項に記載のスナバコンデンサを備えるパワーモジュールであって、前記スナバコンデンサは、前記パワーモジュール内部に設けられ、
前記パワーモジュールは、少なくとも１つのパワー半導体素子と、第１導電層と、前記パワー半導体素子をそれらの間で挟むように構成された第２導電層と、を備え、
前記第１抽出素子は前記第１導電層に電気的に結合され、前記第２抽出素子は前記第２導電層に電気的に結合され、
前記第１抽出素子の熱膨張係数は、前記第１導電層の熱膨張係数と前記第１電極の熱膨張係数との間であり、前記第２抽出素子の熱膨張係数は、前記第２電極の熱膨張係数と前記第２導電層の熱膨張係数との間である、パワーモジュール。

【請求項11】

請求項１０に記載のパワーモジュールであって、前記スナバコンデンサは、前記パワー半導体素子に隣接して配置されている、パワーモジュール。

【請求項12】

請求項１０に記載のパワーモジュールであって、
前記パワーモジュールの動作温度は、－４０℃～１５０℃であり、および／または
前記第１導電層と前記第２導電層との間の電圧は、３００Ｖ～８００Ｖであり、および／または
前記第１導電層と前記第２導電層との間の電流は、１００Ａ～１０００Ａである、パワーモジュール。

【請求項13】

請求項１～１２の何れか一項に記載のパワーモジュールであって、前記スナバコンデンサはＭＬＣＣである、パワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スナバコンデンサ（snubber capacitor）、特にパワーモジュール内部に設けられたスナバコンデンサに関する。

【背景技術】

【0002】

パワーデバイス(例えばＳｉＣ、ＧａＮなどの、ＷＢＧ（wide bandgap／ワイドバンドギャップ）半導体、）は、電源用途のように高速で効率的なスイッチングが要求される用途において、ますます普及が進んでいる。さらに、パワーデバイスは、通常、パワーモジュールパッケージおよび周囲の回路の浮遊インダクタンスによって干渉される。パワーデバイスの高速スイッチング能力は、高い「ｄｖ／ｄｔ」を引き起こす。その結果、スイッチオフ時に、パワーデバイスのドレイン端子とソース端子との間に大きなサージ電圧およびＥＭＩ（Electromagnetic Interference／電磁干渉）ノイズが生じる。

【0003】

この電圧サージを平滑化してノイズを低減するために、図１に示すようにスナバコンデンサＣｃが追加される。図２を参照すると、スナバコンデンサがある場合とない場合の、２つの電圧波形が各々示される。破線で示されるように、電圧サージはスナバコンデンサによって平滑化される。したがって、スナバコンデンサは、ＷＢＧ半導体用途において不可避な素子となる。

【0004】

次に図３を参照すると、従来のインバータの設計がブロック図で示される。インバータは、ＡＣコネクタ１０１と、ＤＣコネクタ１０２と、ＷＢＧパワーデバイスなどの複数のパワーデバイス１０３１を備えるパワーモジュール１０３と、パワーモジュール１０３に隣接するスナバコンデンサ１０４と、を備える。スナバコンデンサ１０４は、パワーデバイス１０３１に可及的に近づけて設ける必要がある。従来のインバータでは、スナバコンデンサが、パワーデバイスの一部に隣接して設けられているのみである。そのため、スナバコンデンサの平滑化効果が制限されている。

【0005】

また、ＭＬＣＣ(Multi-layer Ceramic Capacitor／多層セラミックコンデンサ）は、その適切な容量値のために、従来のインバータの設計で一般的に使用されている。ＭＬＣＣは、２つの外部電極と、誘電体電極および内部電極を備えるコンデンサコアと、を備える。図４を参照すると、ＭＬＣＣ１０４は、はんだ材料６によって銅パターン層１１４上にはんだ付けされている。ＭＬＣＣの下に、ギャップ１１８が存在する。熱樹脂１１２は、銅パターン層１１４とピンフィン冷却部材１１０との間に設けられている。（当業者であれば、銅パターンと冷却部材との間には絶縁材料があり、この場合、熱樹脂１１２が絶縁材料として使用されることを理解されたい。）この設計では、ＭＬＣＣ１０４によって発生される熱は、はんだ材料６を通してのみ放散することができる。その結果、不所望な熱伝導効率が発生する。場合によっては、スナバコンデンサが、熱状態が悪い場合に焼損さえする。

【発明の概要】

【0006】

スナバコンデンサの熱状態を改善し、平滑化効果を高めるために、スナバコンデンサが開示される。スナバコンデンサは、第１電極と、第２電極と、それらの間のコンデンサコアと、導電性の第１抽出素子と、導電性の第２抽出素子と、を備える。第１抽出素子は、第１電極に電気的に結合され、第１電極の少なくとも一部およびコンデンサコアの一部を覆う。第２抽出素子は、第２電極に電気的に結合され、第２電極の少なくとも一部およびコンデンサコアの別の部分を覆う。第１抽出素子は、第２抽出素子から電気的に絶縁されている。この設計によって、抽出素子は、スナバコンデンサと、スナバコンデンサに結合された素子（インバータの外部コネクタ、パワーモジュールの導電層の回路パターンなど）との間の接触面積を拡大する。これにより、スナバコンデンサの放熱性が改善される。

【0007】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子に結合された第１電極の端面は、第２抽出素子に結合された第２電極の端面と対向する。

【0008】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁は、第２抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁と対向する。

【0009】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁は、第２抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁に隣接している。電圧サージを平滑化し、ＥＭＩノイズを減少させるために、このスナバコンデンサを、パワーモジュールのパワー素子の近傍に設けることができる。

【0010】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子および第２抽出素子は、両方ともＬ字形状である。これらの抽出素子によって、スナバコンデンサを、垂直又は水平のいずれかでパワーモジュール内部に設けることができる。

【0011】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子および第２抽出素子の少なくとも１つは、ベース部分と、スナバコンデンサの長手方向に沿ってベース部分から延びる２つの延在部分と、を備える。この２つの延在部分は各々、コンデンサコアの２つの隣接する側壁に平行に延びる。代替的な実施形態において、第１抽出素子および第２抽出素子の少なくとも１つは、ベース部分と、スナバコンデンサの長手方向に沿ってベース部分から延びる２つの延在部分と、を備える。２つの延在部分は各々、コンデンサコアの対向する側壁に平行に延びる。隣接する延在部分を備えるスナバコンデンサは、主に、パワーモジュール内部で内部のスナバコンデンサとして使用される。一方、対向する延在部分を備えるスナバコンデンサは、パワーモジュール外部で使用される。これらの抽出素子によって、スナバコンデンサの放熱面積が明らかに増加される。これによって、スナバコンデンサへの熱影響が改善される。また、スナバコンデンサは、温度変化に起因する応力変化の影響を受けにくくなっている。

【0012】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子は、第１電極にはんだ付け／焼結されている。および／または、第２抽出素子は、第２電極にはんだ付け／焼結されている。

【0013】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子は、第１電極に超音波はんだ付けされている。および／または、第２抽出素子は、第２電極に超音波はんだ付けされている。

【0014】

本発明の別の態様によれば、第１抽出素子は、銀によって第１電極に焼結されている。および／または、第２抽出素子は、銀によって第２電極に焼結されている。

【0015】

本発明の別の態様によれば、パワーモジュールが開示される。パワーモジュールは、上述のスナバコンデンサを備える。スナバコンデンサは、パワーモジュール内部に設けられている。パワーモジュールは、少なくとも１つのパワー半導体素子と、第１導電層と、パワー半導体素子をそれらの間で挟むように構成された第２導電層と、を備える。第１抽出素子は、第１導電層に電気的に結合されている。第２抽出素子は、第２導電層に電気的に結合されている。第１抽出素子の熱膨張係数は、第１導電層の熱膨張係数と第１電極の熱膨張係数との間である。第２抽出素子の熱膨張係数は、第２電極の熱膨張係数と第２導電層の熱膨張係数との間である。この設計では、電極から導電層への熱移行が十分に緩やかであるため、応力の不均一な分布を回避できる。したがって、スナバコンデンサを、パワーモジュール内にしっかりと固定することができる。また、スナバコンデンサと導電層との間の接触面積が十分に大きいため、放熱が改善される。

【0016】

本発明の別の態様によれば、スナバコンデンサは、パワー半導体素子に隣接して配置されている。

【0017】

本発明の別の態様によれば、パワーモジュールの動作温度は、－４０℃～１５０℃である。第１導電層と第２導電層との間の電圧は、３００Ｖ～８００Ｖである。第１導電層と第２導電層との間の電流は、１００Ａ～１０００Ａである。

【0018】

本発明の別の態様によれば、スナバコンデンサはＭＬＣＣである。

【0019】

実施形態の他の態様および利点は、説明される実施形態の原理を例として示す添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかになる。

【0020】

記載される実施形態およびその利点は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。これらの図面は、記載される実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、記載される実施形態に対して当業者が行うことができる形態および詳細のいかなる変更をも、決して制限するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】パワーデバイスを使用する電源回路を示す図である。

【図2】スナバコンデンサの有無による２つの電圧波形の各々を示す図である。

【図3】スナバコンデンサがパワーモジュールに隣接して設けられている従来のインバータを示す図である。

【図4】ピンフィン冷却部材を備えるスナバコンデンサ装置の断面図である。

【図5】本発明の第１実施形態によるスナバコンデンサの斜視図である。

【図6】図５のスナバコンデンサの抽出素子の斜視図である。

【図7】本発明の第２実施形態によるスナバコンデンサの斜視図である。

【図8】本発明の第２実施形態によるスナバコンデンサの別の斜視図である。

【図9】図７のスナバコンデンサの抽出素子の斜視図である。

【図10】本発明の第２実施形態による抽出素子の別の斜視図である。

【図11】本発明の第２実施形態による両面冷却装置を備えるパワーモジュールの図である。

【図12】パワーモジュールの別の斜視図である。

【図13】本発明の第３実施形態によるスナバコンデンサの斜視図である。

【図14】図１３のスナバコンデンサの抽出素子の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

ここで図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明において、異なる実施形態のスナバコンデンサは、主に、インバータのパワーモジュール、または電気自動車のインバータなど、自動車産業で使用される。スナバコンデンサは、パワーモジュール内部に、またはパワーモジュールに隣接して設けられる。ＰＣＢ用途とは異なり、パワーモジュールの動作条件は、はるかにより厳しい。例えば、パワー力モジュールの動作温度は、－４０℃～１５０℃の範囲である。第１導電層（正極性を表す）と第２導電層（負極性を表す）との間の電圧は、３００Ｖ～８００Ｖである。第１導電層と第２導電層との間の電流は、１００Ａ～１０００Ａである。したがって、上記の要求を満たすためには、コンデンサに対する温度の影響を考慮する必要がある。

【0023】

最初に、図５～図６を参照すると、スナバコンデンサ１は、第１電極１１と、第２電極１２と、その間のコンデンサコア１０と、を備える。スナバコンデンサは、導電性の第１抽出素子２１および導電性の第２抽出素子２２を更に備える。第１抽出素子２１は、第１電極１１に電気的に結合され、第１電極１１の少なくとも一部およびコンデンサコア１０の一部を覆う。第２抽出素子２２は、第２電極１２に電気的に結合され、第２電極１２の少なくとも一部およびコンデンサコア１０の別の部分を覆う。短絡を防止するために、第１抽出素子２１は、第２抽出素子２２から電気的に絶縁されている。例えば、スナバコンデンサの長手方向（Ｌ）における、第１抽出素子２１と第２抽出素子２２との間の最短距離は、少なくとも１ｍｍである。

【0024】

主に図６を参照すると、第１抽出素子２１および第２抽出素子２２は、両方ともＬ字形状である。第１抽出素子２１は、ベース部分２１１と、スナバコンデンサの長手方向（Ｌ）に沿ってベース部分２１１から延びる延在部分２１２と、を備える。第２抽出素子２２は、ベース部分２２１と、スナバコンデンサの長手方向に沿ってベース部分２２１から延びる延在部分２２２と、を備える。第１抽出素子２１を例にとると、ベース部分２１１は延在部分２１２に対して直角をなす。第１電極１１は、ベース部分２１１に結合され、ベース部分２１１によって覆われている。コンデンサコア１０の一方の側壁は、延在部分２１２によって部分的に覆われている。第１抽出素子２１に結合された第１電極１１の端面は、第２抽出素子２２に結合された第２電極１２の端面と対向する。第１抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁は、第２抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁と対向する。

【0025】

この実施形態において、第１抽出素子２１は第１電極１１にはんだ付けされている。第２抽出素子２２は第２電極２２にはんだ付けされている。より詳細には抽出素子２１、２２は、電極に超音波はんだ付けされている。他の好適な実施形態において、抽出素子２１、２２を、銀によって電極１１、１２に焼結させることができる。

【0026】

パワーエレクトロニクス用途において、例えば、スナバコンデンサをインバータにおいて適用することができる。スナバコンデンサは、パワーモジュールの近くに設けられ、パワーモジュール内部のパワー半導体素子のスイッチングの間の電圧サージを平滑化する。抽出素子の助けによって、スナバコンデンサを銅パターン層上に着実に固定することができる。一方、放熱面積の増加によって、熱影響も改善される。この用途では、第１抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁は、第２抽出素子によって覆われたコンデンサコアの側壁に隣接している。

【0027】

次に、図７～図１０を参照すると、本発明の第２実施形態によるスナバコンデンサが図示される。Ｌ字形状の抽出素子の代わりに、第１抽出素子３１および第２抽出素子３２の各々は、ベース部分３１１、３２１と、スナバコンデンサの長手方向（Ｌ）に沿ってベース部分３１１、３２１から延びる２つの延在部分３１２、３２２と、を備える。２つの延在部分３１２、３２２は各々、コンデンサコア１０の隣接する側壁に平行に延びる。

【0028】

用途によっては、スナバコンデンサは、（図７～図８に示すように）パワーモジュール内部に設けられたＭＬＣＣである。次に、図１１～図１２を参照すると、パワーモジュールは、少なくとも１つのパワー半導体素子９（ＳｉＣデバイスなど）と、第１導電層８１と、パワー半導体素子９をそれらの間で挟むように構成された第２導電層８２と、を備える。第１導電層８１および第２導電層８２の両方は、ピンフィン構造を備える冷却装置７に結合されている。第１抽出素子３１は、第１導電層８１に電気的に結合されている。第２抽出素子３２は、第２導電層８２に電気的に結合されている。スナバコンデンサ１は、パワー半導体素子９に隣接して設けられている。その結果、パワー半導体素子のスイッチオンおよびオフの間に生じる電圧サージが平滑化され、ＥＭＩノイズが低減される。第１抽出素子３１の熱膨張係数は、第１導電層の熱膨張係数と第１電極１１の熱膨張係数との間である。第２抽出素子３２の熱膨張係数は、第２電極１２の熱膨張係数と第２導電層の熱膨張係数との間である。したがって、これらの抽出素子は、電極からパワーモジュールの（第１および第２導電層に結合された）バスバーへの緩やかな熱移行を提供し、応力の不均一な分布を防止する。したがって、スナバコンデンサは、パワーモジュール内部であっても、しっかりと固定される。この設計では、異なる熱影響に起因するスナバコンデンサにおける応力の不均一な分布が回避される。したがって、スナバコンデンサの寿命が延びる。

【0029】

次に図１３～図１４を参照すると、第３実施形態によるスナバコンデンサおよび抽出素子が示される。第１抽出素子４１は、ベース部分４１１と、スナバコンデンサの長手方向に沿ってベース部分４１１から延びる２つの延在部分４１２ａ、４１２ｂと、を備える。一方の延在部分４１２ａは、コンデンサコアの上面に平行に延びる。他方の延在部分４１２ｂは、コンデンサコアの底面に平行に延びる。第２抽出素子４２は、ベース部分４２１と、スナバコンデンサの長手方向に沿ってベース部分４２１から延びる２つの延在部分４２１ａ、４２１ｂと、を備える。延在部分４２１ａ、４２１ｂは、コンデンサコアの隣接する側壁を覆う。長手方向に沿った延在部分４１２ａと延在部分４２１ｂとの間の距離は、少なくとも１ｍｍである。

【0030】

いくつかの代替的な構造素子が、好適な実施形態のために提案されている。したがって、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、この説明は、本発明を例示するものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は、種々の変形および応用を想到することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【外国語明細書】