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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-10
(45)【発行日】2024-10-21
(54)【発明の名称】パワーモジュール
(51)【国際特許分類】
H01L 25/07 20060101AFI20241011BHJP
H01L 25/18 20230101ALI20241011BHJP
H01L 21/60 20060101ALI20241011BHJP
【ＦＩ】
H01L25/04 C
H01L21/60 321E
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023531285
(86)(22)【出願日】2021-07-01
(86)【国際出願番号】 JP2021024915
(87)【国際公開番号】W WO2023276100
(87)【国際公開日】2023-01-05
【審査請求日】2023-05-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】中原 賢太
【審査官】豊島 洋介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２１－０４００５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０１３８６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１８６０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１６３３７２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ２１／４４７－２１／４４９
Ｈ０１Ｌ２１／６０ －２１／６０７
Ｈ０１Ｌ２３／４８
Ｈ０１Ｌ２５／００ －２５／０７
Ｈ０１Ｌ２５／１０ －２５／１１
Ｈ０１Ｌ２５／１６ －２５／１８
Ｈ０２Ｍ ７／４２ － ７／９８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
主電流が厚み方向に流れる複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子を搭載する基板と、
前記基板を搭載するベース板と、
前記ベース板に接合され、前記複数の半導体素子を収納するケースと、
前記ベース板とは反対側の前記ケースの上部に組み込まれ、前記ベース板に対して平行に配置される複数の主配線板と、
前記複数の主配線板の前記複数の半導体素子と向き合う下面に接合された複数の配線と、を備え、
前記複数の半導体素子のそれぞれの上面電極が、前記複数の配線および接合材を介して前記複数の主配線板に電気的に接続され、
前記複数の主配線板は、
それぞれの一方端が前記ケースの上端から突出し、他方端が、前記ケースと一体で設けられた配線支持部に埋め込まれ、前記複数の主配線板が同一平面を形成する、パワーモジュール。
【請求項2】
前記複数の主配線板および前記複数の配線は、銅または銅合金で構成され、前記接合材は半田で構成される、請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項3】
前記複数の配線は、前記複数の主配線板の下面から突出したループ状となるようにそれぞれの両端が前記複数の主配線板に接合され、ループの先端が前記複数の半導体素子の前記上面電極に接合材を介して接合される、請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項4】
前記ケースは、前記ケースの前記上部に対応するケース上部と、
前記ベース板に接合されるケース下部とで構成され、前記ケース下部に前記ケース上部を接合した状態で、前記複数の配線が前記接合材を介して前記複数の半導体素子の前記上面電極にそれぞれ接合される、請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項5】
前記複数の主配線板は、第１の主配線板、第２の主配線板および第３の主配線板を有し、
前記複数の半導体素子は、
第１の電位が与えられる前記第１の主配線板と、前記第１の電位よりも低い第２の電位が与えられる前記第２の主配線板との間に直列に接続され、相補的に動作する第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、を有し、
前記第３の主配線板は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続ノードに接続され、
前記第２の主配線板の一部が、間に絶縁材を介して前記第１の主配線板を覆った平行平板構造を有する、請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項6】
前記複数の半導体素子は、それぞれ還流ダイオードを内蔵した複数の逆導通トランジスタである、請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項7】
前記配線支持部は、
前記複数の主配線板のそれぞれが互いに隣接する部分に、前記複数の主配線板のそれぞれの輪郭に沿って設けられる、請求項１記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示はパワーモジュールに関し、特に配線構造を改良したパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、安定した接合強度を確保することで、信頼性の向上が可能なパワーモジュールが開示されている。特許文献１の図１には、放熱用金属ベース板、絶縁基板、パワー半導体素子、表面電極、主端子、開口、ボンディングリボン、ケース、封止樹脂を備えたパワーモジュールが示されている。
【0003】
当該パワーモジュールは、放熱用の金属ベース板上に絶縁基板が半田等で接合されている。絶縁基板は、絶縁層と金属板とを備えている。主端子は銅製の板状電極であり、パワー半導体素子と対向する箇所に開口部が形成されている。ボンディングリボンは、主端子に形成された開口部をまたいでループ状に形成され、その両端を主端子に超音波溶接されている。また、ボンディングリボンのループ部分は、パワー半導体素子の表面電極と超音波溶接されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１５／０７９６００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１においては、主端子とパワー半導体素子の表面電極とがボンディングリボンを介して超音波溶接により接続されている。超音波溶接を行うにはケースの上面から接合のための器具を挿入する必要があるため、開口部を設ける必要があり、小型化が難しかった。また、ボンディングリボンを半導体素子の表面電極に超音波溶接するので、半導体素子のサイズおよび半導体素子に接合する電極のサイズの自由度が少なく、半導体素子のサイズが変わった場合に柔軟に対応できないと言う問題があった。
【0006】
本開示は上記のような問題を解決するためになされたものであり、小型化が可能で、半導体素子のサイズが変わっても、柔軟に対応できて生産性を向上できるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示に係るパワーモジュールは、主電流が厚み方向に流れる複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子を搭載する基板と、前記基板を搭載するベース板と、前記ベース板に接合され、前記複数の半導体素子を収納するケースと、前記ベース板とは反対側の前記ケースの上部に組み込まれ、前記ベース板に対して平行に配置される複数の主配線板と、前記複数の主配線板の前記複数の半導体素子と向き合う下面に接合された複数の配線と、を備え、前記複数の半導体素子のそれぞれの上面電極が、前記複数の配線および接合材を介して前記複数の主配線板に電気的に接続され、前記複数の主配線板は、それぞれの一方端が前記ケースの上端から突出し、他方端が、前記ケースと一体で設けられた配線支持部に埋め込まれ、前記複数の主配線板が同一平面を形成する。
【発明の効果】
【0008】
本開示に係るパワーモジュールによれば、小型化が可能で、半導体素子のサイズが変わっても、柔軟に対応できて生産性を向上できるパワーモジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施の形態１に係るパワーモジュールの構成を示す平面図である。
【図2】実施の形態１に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図3】実施の形態１に係るパワーモジュールの回路構成を示す図である。
【図4】実施の形態１に係るパワーモジュールの組み立て方法の第１の例を説明する断面図である。
【図5】実施の形態１に係るパワーモジュールの組み立て方法の第１の例を説明する断面図である。
【図6】実施の形態１に係るパワーモジュールの組み立て方法の第２の例を説明する断面図である。
【図7】実施の形態１に係るパワーモジュールの組み立て方法の第２の例を説明する断面図である。
【図8】実施の形態１に係るパワーモジュールの組み立て方法の第３の例を説明する断面図である。
【図9】実施の形態１に係るパワーモジュールの組み立て方法の第３の例を説明する断面図である。
【図10】実施の形態２に係るパワーモジュールの構成を示す平面図である。
【図11】実施の形態２に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図12】実施の形態３に係るパワーモジュールの構成を示す平面図である。
【図13】実施の形態３に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図14】実施の形態３に係るパワーモジュールにおける発振現象の抑制を説明する図である。
【図15】実施の形態３に係るパワーモジュールにおける発振現象の抑制を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
＜はじめに＞
図面は模式的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
図面は模式的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。
【0011】
また、本明細書において、「～上」および「～を覆う」という場合、構成要素間に介在物が存在することが妨げられるものではない。例えば、「Ａ上に設けられたＢ」または「ＡがＢを覆う」と記載している場合、ＡとＢとの間に他の構成要素Ｃが設けられたものも設けられていないものも意味され得る。
【0012】
また、以下の説明では、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置および方向を意味する用語が用いられる場合があるが、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするため便宜上用いられているものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。
【0013】
【0014】
図２に示すようにパワーモジュール１００は、例えば、銅板などの金属板で構成され、放熱板として機能するベース板ＢＳの上面に、絶縁基板ＺＰが半田（図示せず）などの接合材により接合されている。ベース板ＢＳは、上面側および底面側が開口部となった枠状の樹脂製のケースＣＳの底面側の開口部を覆うように配設され、ベース板ＢＳがケースＣＳの底面を構成している。ベース板ＢＳの下面には冷却フィンなどの放熱機構を取り付けることができる。
【0015】
絶縁基板ＺＰは、窒化シリコン、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック基板を主材とし、図１に示すようにセラミック基板の上面に導体パターンＭＰ１およびＭＰ２が形成されている。絶縁基板ＺＰの導体パターンＭＰ１上には、半導体素子としてトランジスタＱ１およびダイオードＤ１が、半田等の接合材ＢＭを介して接合されている。また、導体パターンＭＰ２上には、トランジスタＱ２およびダイオードＤ２が、接合材ＢＭを介して接合されている。また、導体パターンＭＰ１およびＭＰ２上には、それぞれ半導体素子と列をなすように、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２が設けられている。
【0016】
トランジスタＱ１およびＱ２の種類は特に限定されないが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを使用できる。ダイオードＤ１、Ｄ２の種類は特に限定されないが、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、ＰＮ接合ダイオードなどを使用できる。
【0017】
また、図２に示されるように、ケースＣＳの上面側には、トランジスタＱ１およびダイオードＤ１の上方を覆うように第３の主配線板である主配線板Ｍ３が設けられ、単独接合材ＢＭ１の上方を覆うように第１の主配線板である主配線板Ｍ１が設けられている。主配線板Ｍ３およびＭ１の一方端は、それぞれ出力端子ＡＣＴおよびＰ側端子ＰＴとしてケースＣＳの上端から垂直に突出し、主配線板Ｍ３およびＭ１の他方端は、ケースＣＳと一体で設けられた配線支持部ＳＰに埋め込まれている。
【0018】
また、図１に示されるように、ケースＣＳの上面側には、トランジスタＱ２およびダイオードＤ２の上方を覆うように第２の主配線板である主配線板Ｍ２が設けられている。主配線板Ｍ２の一方端は、Ｎ側端子ＮＴとしてケースＣＳの上端から垂直に突出し、主配線板Ｍ２の他方端は、配線支持部ＳＰに埋め込まれている。また、主配線板Ｍ３は、平面視形状がＬ字形であり、トランジスタＱ１およびダイオードＤ１の上方を覆うと共に、導体パターンＭＰ２上に設けられた単独接合材ＢＭ２の上方を覆っている。
【0019】
ここで、出力端子ＡＣＴは２つ設けられているが、これらはケースＣＳ内部で繋がっている。出力端子ＡＣＴは、実動作時にはＰ側端子ＰＴおよびＮ側端子ＮＴに比べ流れる電流量が多くなるので、電流容量を大きくするためである。
【0020】
図１に示されるように、配線支持部ＳＰは、主配線板Ｍ１と主配線板Ｍ２とが隣接する部分、主配線板Ｍ１と主配線板Ｍ３とが隣接する部分、主配線板Ｍ２と主配線板Ｍ３とが隣接する部分に、各配線の輪郭に沿って設けられ、各配線板を支持して、各配線が片持ち状態とならないようにしている。
【0021】
また、図２に示されるように、主配線板Ｍ３のトランジスタＱ１およびダイオードＤ１と向かい合う下面には金属ワイヤまたは金属リボンで構成される複数の配線ＭＲが接合されている。配線ＭＲと主配線板Ｍ３との接合方法は特に限定されないが、ワイヤボンディング、超音波接合などを使用できる。配線ＭＲは、主配線板Ｍ３の下面から突出したループ状となるように両端が主配線板Ｍ３に接合され、ループの先端がトランジスタＱ１およびダイオードＤ１の上面電極上に設けた接合材ＢＭに接合されている。従って、トランジスタＱ１およびダイオードＤ１の上面電極は主配線板Ｍ３と電気的に接続される。
【0022】
また、図２に示されるように、主配線板Ｍ１の単独接合材ＢＭ１と向かい合う下面にも配線ＭＲが接合されている。配線ＭＲは、主配線板Ｍ１の下面から突出したループ状となるように両端が主配線板Ｍ１に接合され、ループの先端が単独接合材ＢＭ１に接合されている。主配線板Ｍ３と主配線板Ｍ１とは配線支持部ＳＰによって電気的に絶縁されており、主配線板Ｍ１は、トランジスタＱ１およびダイオードＤ１の下面電極と電気的に接続される。
【0023】
配線ＭＲをループ状とすることで、搭載する半導体素子のサイズが変化した場合には、配線ＭＲの配置および高さを調整することで、柔軟に対応することができ、生産性を向上できる。
【0024】
同様に、主配線板Ｍ２とトランジスタＱ２およびダイオードＤ２の上面電極も配線ＭＲと接合材ＢＭを介して電気的に接続され、主配線板Ｍ３と単独接合材ＢＭ２も配線ＭＲを介して電気的に接続されている。単独接合材ＢＭ２は、トランジスタＱ２およびダイオードＤ２の下面電極を主配線板Ｍ３と電気的に接続している。
【0025】
以上説明した構成を有するパワーモジュール１００は、図３に示すような回路を構成している。図３に示すようにパワーモジュール１００は、第１の電位である高電位の主電源端子となるＰ側端子ＰＴと、第２の電位である低電位の主電源端子となるＮ側端子ＮＴとの間に、Ｎチャネル型のトランジスタＱ１およびＱ２が直列接続され、両トランジスタの接続ノードＣＴが出力端子ＡＣＴに接続されており、単相のインバータ回路を構成している。なお、図３では、トランジスタＱ１およびＱ２はＩＧＢＴとして表している。
【0026】
トランジスタＱ１およびＱ２には、それぞれダイオードＤ１およびＤ２が逆並列に接続され、フリーホイールダイオードとして機能する。なお、何れのトランジスタも主電流が厚み方向に流れる縦型構造のトランジスタであり、何れのダイオードも主電流が厚み方向に流れる縦型構造のダイオードである。
【0027】
なお、トランジスタＱ１およびＱ２のゲートには、それぞれ制御回路から制御信号が与えられるが、図示は省略している。また、図１および図２においても、制御回路の図示は省略しているが、例えば、トランジスタＱ１およびＱ２の上面電極側にはゲートパッドを有しており、当該ゲートパッドとボンディングワイヤを介して制御回路と接続する構成とすることができる。本開示は、トランジスタおよびダイオードの主電極と主配線板との接続構造に特徴があり、トランジスタのゲートと制御回路との接続は、従来的な構成を採るので、便宜的に図示は省略している。
【0028】
主配線板Ｍ１～Ｍ３および配線ＭＲの材料としては、銅（Ｃｕ）または銅合金を使用することでパワーモジュール１００の電流経路の電気抵抗を下げることができ、通電時の発熱を抑えることでパワーモジュール１００の寿命を向上させることができる。また、銅は接合材と接合しやすい利点もある。その他の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）を使用することもできる。
【0029】
配線ＭＲを半田等の接合材を用いて、トランジスタおよびダイオードと接合するのは、半導体素子の上面電極のメタライズ処理も関係している。従来の配線技術において銅ワイヤをワイヤボンディングで半導体素子の上面電極に接続するには、上面電極を銅などの硬い金属でメタライズする必要がある。しかし、銅によるメタライズには材料の管理が難しくなるが、半導体素子の上面電極と配線ＭＲとの接続に接合材を用いることで、上面電極にニッケル（Ｎｉ）メッキまたは金（Ａｕ）メッキ上にＮｉメッキを施した場合でも接合することが可能となり、材料の管理が容易となる。
【0030】
また、配線ＭＲを半田等の接合材を用いて、トランジスタおよびダイオードと接合する主たる理由としては、リフローまたはホットプレートを使用した加熱により接合材を溶融し、配線ＭＲと接合するためである。
【0031】
このような構成を採ることで、パワーモジュール１００は、チップ状の半導体素子の上面電極と主配線板とを超音波溶接で接続する場合に比べてアセンブリ性を向上できる。また、ケースの上面から接合のための器具を挿入する必要がないため、開口部を設ける必要がなく、パワーモジュール１００の小型化が容易となる。また、搭載する半導体素子のサイズが変化しても、配線ＭＲの配置および高さを調整するなど柔軟な対応が可能で、生産性を向上できる。
【0032】
【0033】
＜第１の例＞
組み立て方法の第１の例について、図４および図５を用いて説明する。まず、主配線板Ｍ１～Ｍ３が組み込まれたケースＣＳを準備する。すなわち、樹脂でケースＣＳを成形する際に、インサート成形によりケースＣＳに主配線板Ｍ１～Ｍ３を埋め込む。インサート成形は成形機を用いて射出成形により電極等の金属部材を樹脂部材に組み込む製法であり、上型と下型に分かれた金型を用いて主配線板Ｍ１～Ｍ３等のプレス部材を下型に搭載して上型と合わせ、金型内に溶けた樹脂を注入し、冷却することでケースＣＳに主配線板Ｍ１～Ｍ３を埋め込むことができる。なお、ケースＣＳの成形時に配線支持部ＳＰも同時に形成する。
組み立て方法の第１の例について、図４および図５を用いて説明する。まず、主配線板Ｍ１～Ｍ３が組み込まれたケースＣＳを準備する。すなわち、樹脂でケースＣＳを成形する際に、インサート成形によりケースＣＳに主配線板Ｍ１～Ｍ３を埋め込む。インサート成形は成形機を用いて射出成形により電極等の金属部材を樹脂部材に組み込む製法であり、上型と下型に分かれた金型を用いて主配線板Ｍ１～Ｍ３等のプレス部材を下型に搭載して上型と合わせ、金型内に溶けた樹脂を注入し、冷却することでケースＣＳに主配線板Ｍ１～Ｍ３を埋め込むことができる。なお、ケースＣＳの成形時に配線支持部ＳＰも同時に形成する。
【0034】
準備したケースＣＳを配線ＭＲを設ける側が上側になるように配置し、図４に示すように主配線板Ｍ１～Ｍ３の所定の位置、すなわちトランジスタＱ１、ダイオードＤ１および単独接合材ＢＭ１と対向する位置およびトランジスタＱ２、ダイオードＤ２および単独接合材ＢＭ２と対向する位置に配線ＭＲを接合する。接合には、ワイヤボンディング、超音波接合などを使用する。この際、配線ＭＲは、両端が主配線板Ｍ１～Ｍ３に接合され、両端間にループが形成され、主配線板からループの先端までの高さが、ケースＣＳをベース板ＢＳに被せた場合に、ループの先端がトランジスタＱ１およびＱ２、ダイオードＤ１およびＤ２の上面電極上の接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２に達する高さとなるように、各位置で高さを設定する。
【0035】
次に、図５に示されるように、トランジスタＱ１およびＱ２、ダイオードＤ１およびＤ２、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２が搭載されたベース板ＢＳの上側からケースＣＳを被せ、ベース板ＢＳとケースＣＳと接合する。接合の方法は限定されないが、例えば接着剤を使用して接合することができる。
【0036】
その後、ベース板ＢＳごと例えばリフロー炉に投入し、半田リフローにより接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２を溶融させて、配線ＭＲを接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２に接合することで、図１および図２に示した構成を得る。その後、ケースＣＳの内部にはモールド樹脂が導入され、トランジスタＱ１およびＱ２、ダイオードＤ１およびＤ２、配線ＭＲは樹脂封止されるが、便宜的に図示は省略する。
【0037】
＜第２の例＞
組み立て方法の第２の例について、図６および図７を用いて説明する。まず、主配線板Ｍ１～Ｍ３が組み込まれたケース上部ＣＳＸを準備する。ケース上部ＣＳＸは、図６に示すように、インサート成形により主配線板Ｍ１～Ｍ３が埋め込まれた部材であり、図２に示したケースＣＳの上側部分に対応する構成となっている。
組み立て方法の第２の例について、図６および図７を用いて説明する。まず、主配線板Ｍ１～Ｍ３が組み込まれたケース上部ＣＳＸを準備する。ケース上部ＣＳＸは、図６に示すように、インサート成形により主配線板Ｍ１～Ｍ３が埋め込まれた部材であり、図２に示したケースＣＳの上側部分に対応する構成となっている。
【0038】
準備したケース上部ＣＳＸを配線ＭＲを設ける側が上側になるように配置し、図６に示すように主配線板Ｍ１～Ｍ３の所定の位置、すなわちトランジスタＱ１、ダイオードＤ１および単独接合材ＢＭ１と対向する位置およびトランジスタＱ２、ダイオードＤ２および単独接合材ＢＭ２と対向する位置に配線ＭＲを接合する。配線ＭＲの接合方法は図４を用いて説明した方法と同じである。
【0039】
次に、図７に示されるように、ケース上部ＣＳＸにケース下部ＣＳＹを接合し、ケースＣＳを完成させる。接合の方法は限定されないが、例えば接着剤を使用して接合することができる。
【0040】
その後、トランジスタＱ１およびＱ２、ダイオードＤ１およびＤ２、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２が搭載されたベース板ＢＳの上側からケースＣＳを被せ、ベース板ＢＳとケースＣＳと接合する。
【0041】
その後、ベース板ＢＳごと例えばリフロー炉に投入し、半田リフローにより接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２を溶融させて、配線ＭＲを接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２に接合することで、図１および図２に示した構成を得る。
【0042】
＜第３の例＞
組み立て方法の第３の例について、図８および図９を用いて説明する。図８に示すように、主配線板Ｍ１～Ｍ３が組み込まれたケース上部ＣＳＸを準備し、準備したケース上部ＣＳＸを配線ＭＲを設ける側が上側になるように配置し、配線ＭＲを接合する点では、第２の例と同じである。
組み立て方法の第３の例について、図８および図９を用いて説明する。図８に示すように、主配線板Ｍ１～Ｍ３が組み込まれたケース上部ＣＳＸを準備し、準備したケース上部ＣＳＸを配線ＭＲを設ける側が上側になるように配置し、配線ＭＲを接合する点では、第２の例と同じである。
【0043】
次に、図９に示されるように、トランジスタＱ１およびＱ２、ダイオードＤ１およびＤ２、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２が搭載され、ケース下部ＣＳＹが接合された状態のベース板ＢＳの上側からケース上部ＣＳＸを被せ、ケース下部ＣＳＹとケース上部ＣＳＸとを接合する。
【0044】
その後、ベース板ＢＳごと例えばリフロー炉に投入し、半田リフローにより接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２を溶融させて、配線ＭＲを接合材ＢＭ、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２に接合することで、図１および図２に示した構成を得る。
【0045】
上述した、第２の例および第３の例のように、ケース上部ＣＳＸとケース下部ＣＳＹとを分けることにより、ケース下部ＣＳＹは共通部材とし、ケース上部ＣＳＸを、パワーモジュールの製品仕様に合わせて変更することができ、柔軟な対応が可能となる。また、ケース上部ＣＳＸを別部材とすることで、インサート成形の対象が小さくなり、インサート成形の歩留が向上し、結果的に部材の不良による損失の低減および部材コストの低減が可能となる。
【0046】
＜実施の形態２＞
図１０は実施の形態２に係るパワーモジュール２００の構成を示す平面図であり、パワーモジュール２００を上方から見た上面図である。また、図１０におけるＡ－Ａ線での矢示方向断面図を図１１に示す。なお、図１０および図１１においては、図１および図２を用いて説明したパワーモジュール１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図１０は実施の形態２に係るパワーモジュール２００の構成を示す平面図であり、パワーモジュール２００を上方から見た上面図である。また、図１０におけるＡ－Ａ線での矢示方向断面図を図１１に示す。なお、図１０および図１１においては、図１および図２を用いて説明したパワーモジュール１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0047】
図１０に示されるように、絶縁基板ＺＰの導体パターンＭＰ１上には、半導体素子としてトランジスタＱ１０（第１のスイッチング素子）が、半田等の接合材ＢＭを介して接合されている。また、導体パターンＭＰ２上には、トランジスタＱ２０（第２のスイッチング素子）が、接合材ＢＭを介して接合されている。また、導体パターンＭＰ１およびＭＰ２上には、それぞれ半導体素子と列をなすように、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２が設けられている。
【0048】
トランジスタＱ１０およびＱ２０には、還流ダイオード（Free Wheeling Diode）を内蔵し、ＩＧＢＴと還流ダイオードの特性を１つの構造で達成する逆導通（Reverse-Conducting）ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ）を用いる。還流ダイオードを内蔵しているので、導体パターン上に搭載する半導体素子はトランジスタのみで済むので、半導体素子の搭載面積を減らすことができ、パワーモジュールのさらなる小型化が可能となる。なお、半導体素子の搭載面積を変えない場合は、半導体素子の搭載数を増やすこともでき、その場合はパワーモジュールの通電電流の高密度化が可能となる。
【0049】
なお、ＲＣ－ＩＧＢＴを用いる代わりに、逆導通トランジスタとして、ショットキーバリアダイオードを内蔵したＭＯＳＦＥＴを用いることもでき、その場合も、パワーモジュールのさらなる小型化および通電電流の高密度化が可能となる。
【0050】
図１１に示されるように、ケースＣＳの上面側には、トランジスタＱ１０の上方を覆うように主配線板Ｍ３が設けられ、単独接合材ＢＭ１の上方を覆うように主配線板Ｍ１が設けられている。主配線板Ｍ３およびＭ１の一方端は、それぞれ出力端子ＡＣＴおよびＰ側端子ＰＴとしてケースＣＳの上端から垂直に突出し、主配線板Ｍ３およびＭ１の他方端は、ケースＣＳと一体で設けられた配線支持部ＳＰに埋め込まれている。
【0051】
また、図１０に示されるように、ケースＣＳの上面側には、トランジスタＱ２０の上方を覆うように主配線板Ｍ２が設けられている。主配線板Ｍ２の一方端は、Ｎ側端子ＮＴとしてケースＣＳの上端から垂直に突出し、主配線板Ｍ２の他方端は、配線支持部ＳＰに埋め込まれている。また、主配線板Ｍ３は、トランジスタＱ１０の上方を覆うと共に、導体パターンＭＰ２上に設けられた単独接合材ＢＭ２の上方を覆っている。
【0052】
図１０に示されるように、配線支持部ＳＰは、主配線板Ｍ１と主配線板Ｍ２とが隣接する部分、主配線板Ｍ１と主配線板Ｍ３とが隣接する部分、主配線板Ｍ２と主配線板Ｍ３とが隣接する部分に、各配線の輪郭に沿って設けられ、各配線を支持して、各配線が片持ち状態とならないようにしている。
【0053】
また、図１１に示されるように、主配線板Ｍ３のトランジスタＱ１０と向かい合う下面には金属ワイヤまたは金属リボンで構成される複数の配線ＭＲが接合されている。配線ＭＲは、主配線板Ｍ３の下面から突出したループ状となるように両端が主配線板Ｍ３に接合され、ループの先端がトランジスタＱ１０の上面電極上に設けた接合材ＢＭに接合されている。従って、トランジスタＱ１０の上面電極は主配線板Ｍ３と電気的に接続される。
【0054】
また、図１１に示されるように、主配線板Ｍ１の単独接合材ＢＭ１と向かい合う下面にも配線ＭＲが接合されている。配線ＭＲは、主配線板Ｍ１の下面から突出したループ状となるように両端が主配線板Ｍ１に接合され、ループの先端が単独接合材ＢＭ１に接合されている。主配線板Ｍ３と主配線板Ｍ１とは配線支持部ＳＰによって電気的に絶縁されており、主配線板Ｍ１は、トランジスタＱ１０の下面電極と電気的に接続される。
【0055】
同様に、主配線板Ｍ２とトランジスタＱ２０の上面電極も配線ＭＲと接合材ＢＭを介して電気的に接続され、主配線板Ｍ３と単独接合材ＢＭ２も配線ＭＲを介して電気的に接続されている。単独接合材ＢＭ２は、トランジスタＱ２０の下面電極を主配線板Ｍ３と電気的に接続している。
【0056】
以上説明した構成を有するパワーモジュール２００は、実施の形態１のパワーモジュール１００と同様に単相のインバータ回路を構成している。その回路構成は図３に示したパワーモジュール１００と同様であるが、図３のダイオードＤ１およびＤ２が、それぞれトランジスタＱ１およびＱ２と一体となったＲＣ－ＩＧＢＴ、すなわちトランジスタＱ１０およびＱ２０となっている。
【0057】
このような構成を採ることで、パワーモジュール２００はチップ状の半導体素子の上面電極と主配線板とを超音波溶接で接続する場合に比べてアセンブリ性を向上できる。また、ケースの上面から接合のための器具を挿入する必要がないため、開口部を設ける必要がなく、パワーモジュール２００の小型化が容易となる。また、搭載する半導体素子のサイズが変化しても、配線ＭＲの配置および高さを調整するなど柔軟な対応が可能で、生産性を向上できる。
【0058】
＜実施の形態３＞
図１２は実施の形態３に係るパワーモジュール３００の構成を示す平面図であり、パワーモジュール３００を上方から見た上面図である。また、図１２におけるＢ－Ｂ線での矢示方向断面図を図１３に示す。なお、図１２および図１３においては、図１および図２を用いて説明したパワーモジュール１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図１２は実施の形態３に係るパワーモジュール３００の構成を示す平面図であり、パワーモジュール３００を上方から見た上面図である。また、図１２におけるＢ－Ｂ線での矢示方向断面図を図１３に示す。なお、図１２および図１３においては、図１および図２を用いて説明したパワーモジュール１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0059】
図１２および図１３に示すパワーモジュール３００においては、ベース板ＢＳに搭載されたトランジスタＱ１およびＱ２、ダイオードＤ１およびＤ２、単独接合材ＢＭ１およびＢＭ２の個数および配置は、図１および図２を用いて説明したパワーモジュール１００と同一であるが、主配線板Ｍ２がトランジスタＱ２およびダイオードＤ２の上方を覆うと共に、導体パターンＭＰ２上に設けられた単独接合材ＢＭ２の上方を覆う主配線板Ｍ１のさらに上方を覆うように、平面視形状がＬ字形となっている。
【0060】
すなわち、図１３に示されるように、主配線板Ｍ２は、導体パターンＭＰ２上のダイオードＤ２の上面電極に配線ＭＲと接合材ＢＭを介して電気的に接続されているが、主配線板Ｍ１の上方にまで延在している。主配線板Ｍ１と、その上方の主配線板Ｍ２とは配線支持部ＳＰを間に介して対向しており、平行平板構造を形成している。なお、主配線板Ｍ１と主配線板Ｍ２とは絶縁材で構成される配線支持部ＳＰを間に介しているため電気的に絶縁されている。
【0061】
また、図１３に示されるように、主配線板Ｍ１は、導体パターンＭＰ１上の単独接合材ＢＭ１に配線ＭＲを介して電気的に接続されているが、主配線板Ｍ１の平面視形状は実施の形態１のパワーモジュール１００と同じである。
【0062】
また、図１２に示されるように、主配線板Ｍ３の平面視形状も実施の形態１のパワーモジュール１００と同じであり、主配線板Ｍ３と、トランジスタＱ１、ダイオードＤ１および単独接合材ＢＭ２との配線ＭＲを介しての電気的な接続も、実施の形態１のパワーモジュール１００と同じである。
【0063】
上述したように、主配線板Ｍ１と、その上方の主配線板Ｍ２とは平行平板構造を有している。主配線板Ｍ１およびＭ２は主電流が流れる主配線板であり、平行平板構造を有することで、パワーモジュール３００の主電流が流れる回路の誘導成分を減らすことができ、パワーモジュール３００をスイッチング動作させる際の発振現象を抑えることができる。この仕組みについて、図１４および図１５を用いて説明する。
【0064】
図１４は、上述した平行平板構造を有さない場合の単相のインバータ回路を示す回路図である。図１４は、実施の形態１において図３を用いて説明したインバータ回路と基本的には同じ回路図であり、図３のインバータ回路と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0065】
図１４に示されるように、平行平板構造を有さない場合は、Ｐ側端子ＰＴとトランジスタＱ１およびダイオードＤ１との通電経路にインダクタンスＬ１が存在し、Ｎ側端子ＮＴとトランジスタＱ２およびダイオードＤ２との通電経路にインダクタンスＬ２が存在するので、パワーモジュール３００をスイッチング動作させる際に発振現象が生じる。しかし、Ｐ側端子ＰＴに接続される主配線板Ｍ１とＮ側端子ＮＴに接続される主配線板Ｍ２とを平行平板構造とすることで、図１５に示されるように、Ｐ側主配線とＮ側主配線との間にキャパシタンス（容量成分）ＣＰが形成される。キャパシタンスＣＰを設けることで回路全体ではインダクタンス成分が減ることとなり、結果的にスイッチング動作時の発振現象を抑制し、スイッチング損失を低減できる。
【0066】
＜変形例＞
以上説明した実施の形態１～３においては、半導体素子を構成する半導体としては特に限定していないが、トランジスタ、ダイオード共に、半導体はシリコン（Ｓｉ）に限定されず、炭化シリコン（ＳｉＣ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体で構成される半導体素子は、Ｓｉで構成される半導体素子と比較して、耐圧性に優れ、許容電流密度も高く、また耐熱性も高いため高温動作も可能である。
以上説明した実施の形態１～３においては、半導体素子を構成する半導体としては特に限定していないが、トランジスタ、ダイオード共に、半導体はシリコン（Ｓｉ）に限定されず、炭化シリコン（ＳｉＣ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体で構成される半導体素子は、Ｓｉで構成される半導体素子と比較して、耐圧性に優れ、許容電流密度も高く、また耐熱性も高いため高温動作も可能である。
【0067】
本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、本開示がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【0068】
なお、本開示は、その開示の範囲内において、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。
【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】
【図15】