JP5336413B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーデバイスを備えたパワーモジュールに関する。

パワーデバイスを含んでモジュール化されたパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１６２５７９号公報

しかしながら、このような構造において、寄生インダクタンスが増大してスイッチング動作時に大きなサージ電圧が発生すると、パワーデバイスの高速特性を活かせない場合が考えられる。

本発明は、上記事実を考慮して、パワーデバイスの高速特性を活かすことができるパワーモジュールを得ることが目的である。

請求項１に記載する本発明のパワーモジュールは、第一基板上に配置された第一パワーデバイスと、前記第一パワーデバイスが接続された回路に接続されかつ直流電源の一方側が接続されると共に前記第一基板上から当該第一基板の板面方向に沿って延出された、Ｐ電極及びＮ電極のいずれか一方の第一延出電極と、前記第一パワーデバイスのゲート電極であって前記第一基板上から当該第一基板の板面方向に沿ってかつ前記第一延出電極とは異なる方向に延出された第一ゲート電極と、前記第一パワーデバイスが接続された回路に接続されると共に前記第一基板上から当該第一基板の板面方向に沿って前記第一ゲート電極とは異なる方向に延出された第一出力電極と、を備えた第一アームと、前記第一基板に対向配置された第二基板と、前記第二基板上に配置された第二パワーデバイスと、前記第二パワーデバイスが接続された回路に接続されかつ直流電源の他方側が接続されると共に前記第二基板上から前記第一延出電極と同じ方向に延出されて当該第一延出電極と絶縁状態で対向配置された、Ｐ電極及びＮ電極のいずれか他方の第二延出電極と、前記第二パワーデバイスのゲート電極であって前記第二基板上から前記第一ゲート電極と同じ方向に延出された第二ゲート電極と、前記第二パワーデバイスが接続された回路に接続されると共に前記第二基板上から前記第一出力電極と同じ方向に延出されて前記第一出力電極と電気的に接続される第二出力電極と、を備え、前記第一アームに重ねて配置された第二アームと、を含んで構成され、前記第一延出電極と前記第二延出電極との間には、前記第一延出電極の延出方向に並ぶ絶縁膜及びコンデンサが挟み込まれた半導体装置と、前記半導体装置に対して前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極が延出する側に対向配置され、前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極に電気的に接続されて当該第一ゲート電極及び当該第二ゲート電極にバイアス電圧を供給するゲート駆動回路が形成されたゲート駆動回路基板と、を有する。

請求項１に記載する本発明のパワーモジュールによれば、第一延出電極及び第二延出電極（Ｐ電極及びＮ電極）が同じ方向に延出されて絶縁状態で互いに対向配置されているので、第一延出電極及び第二延出電極（Ｐ電極及びＮ電極）に互いに逆向きとなる電流が流れて互いに逆向きの磁界が生じる。これらの磁界は互いに打ち消し合うことになり、寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスが発生する。ここで、第一延出電極と第二延出電極との間には、第一延出電極の延出方向に並ぶ絶縁膜及びコンデンサが挟み込まれている。そして、第一延出電極と第二延出電極とが絶縁膜で絶縁されることで、第一延出電極と第二延出電極とを近接配置させることができるので上記作用が確実に得られる。また、第一延出電極と第二延出電極との間にコンデンサが挟み込まれることで、第一パワーデバイス及び第二パワーデバイスのスイッチング動作時に生じるサージ電圧の一部をコンデンサによって吸収することができる。また、第一ゲート電極及び第二ゲート電極は、同じ方向に延出され、第一延出電極、第二延出電極、第一出力電極、及び第二出力電極の延出方向とは異なる方向に延出されているので、ゲート駆動回路基板を半導体装置に対して第一ゲート電極及び第二ゲート電極が延出する側に対向配置することができる。換言すれば、ゲート駆動回路基板に形成されたゲート駆動回路が第一ゲート電極及び第二ゲート電極に物理的に近接配置された状態で当該第一ゲート電極及び当該第二ゲート電極に接続される。これにより、第一ゲート電極及び第二ゲート電極とゲート駆動回路との間を結ぶ配線長が短くなるので、寄生インダクタンスが減少する。

請求項２に記載する本発明のパワーモジュールは、請求項１記載の構成において、前記第一延出電極、前記第二延出電極、前記第一出力電極、及び前記第二出力電極が同じ方向に延出されている。

請求項２に記載する本発明のパワーモジュールによれば、第一延出電極、第二延出電極、第一出力電極、及び第二出力電極が同じ方向に延出されている。このため、全体構成がコンパクトになる。

請求項３に記載する本発明のパワーモジュールは、請求項１又は請求項２に記載の構成において、前記第一出力電極及び前記第二出力電極の間には、塑性変形された状態及び弾性変形された状態の少なくとも一方の状態で前記第一出力電極と前記第二出力電極とを電気的に接続する導電性部材が挟み込まれている。

請求項３に記載する本発明のパワーモジュールによれば、第一出力電極及び第二出力電極の間には導電性部材が挟み込まれており、この導電性部材は、塑性変形された状態及び弾性変形された状態の少なくとも一方の状態で第一出力電極と第二出力電極とを電気的に接続している。このため、重ねられた第一出力電極及び第二出力電極の厚さ方向のばらつきが吸収される。

以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載のパワーモジュールによれば、パワーデバイスの高速特性を活かすことができるという優れた効果を有する。

請求項２に記載のパワーモジュールによれば、全体構成をコンパクトにしながらパワーデバイスの高速特性を活かすことができるという優れた効果を有する。

請求項３に記載のパワーモジュールによれば、重ねられた第一出力電極及び第二出力電極の厚さ方向のばらつきを吸収することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュールを示す外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の一相分に相当する部分の要部を分解した状態で示す分解斜視図である。 第一アームの作製工程を示す斜視図である。図３（Ａ）は、第一基板上に半田層が配設された状態を示す。図３（Ｂ）は、第一出力電極、ＩＧＢＴ素子及びダイオードが半田付けされた状態を示す。 第一アームの作製工程を示す斜視図である。図４（Ａ）は、図３（Ｂ）の状態からさらにＮ電極が半田付けされた状態を示す。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の状態からさらに樹脂モールドされた状態を示す。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を電極取り出し側から見た状態で示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置をゲート取り出し側から見た状態で示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態における半導体装置にゲート駆動回路基板を組み付ける前の状態を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュールを示す外観斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の一相分に相当する部分の要部を分解した状態で示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態における第二アームの作製工程を示す斜視図である。図１０（Ａ）は、第二基板上に半田層が配設された状態を示す。図１０（Ｂ）は、Ｎ電極、ＩＧＢＴ素子及びダイオードが半田付けされた状態を示す。 本発明の第２の実施形態における第二アームの作製工程を示す斜視図である。図１１（Ａ）は、図１０（Ｂ）の状態からさらに第二出力電極が半田付けされた状態を示す。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の状態からさらに樹脂モールドされた状態を示す。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置をゲート取り出し側から見た状態で示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態における半導体装置にゲート駆動回路基板を組み付ける前の状態を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るパワーモジュールを示す外観斜視図である。 本発明の第３の実施形態における半導体装置の一相分に相当する部分の要部を分解した状態で示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態における半導体装置の一相分に相当する部分を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態における半導体装置にゲート駆動回路基板を組み付ける前の状態を示す分解斜視図である。

［第１実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュールについて図１〜図７を用いて説明する。図１には、本実施形態に係るパワーモジュール１０の外観斜視図が示されている。本実施形態のパワーモジュール１０は、第一アーム１２及び第二アーム１４を備えた半導体装置１６を有し、半導体装置１６は、直流を交流に変換する三相インバータを構成している。

図２には、半導体装置１６の一相分に相当する部分の要部が分解された状態の分解斜視図にて示されている。図２の左側の構成体は、下側アームとなる第一アーム１２とされ、図２の右側の構成体は、第一アーム１２に重ねて配置されて上側アームとなる第二アーム１４とされている。

なお、三相分の第一アーム１２は、図２に示される第一アーム１２の三個分を図中の横方向に直列に繋いだ構成とされ、本実施形態では、予め三個分が一体化されたものとされているが（図６参照）、別体の三個が連結されることで一体化されたものであってもよい。また、同様に、三相分の第二アーム１４は、図２に示される第二アーム１４の三個分を図中の横方向に直列に繋いだ構成とされ、本実施形態では、予め三個分が一体化されたものとされているが（図６参照）、別体の三個が連結されることで一体化されたものであってもよい。

図３及び図４には、第一アーム１２の作製工程（作製手順）が図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図４（Ａ）、図４（Ｂ）の順で斜視図にて示されている。以下、図３及び図４を適宜参照しながら第一アーム１２の構成を説明する。

図２に示されるように、第一アーム１２は、略直方体状の第一冷却器１８を備えている。第一冷却器１８は、アルミニウム（Ａｌ）合金製とされている。なお、図示を省略するが、第一冷却器１８には冷媒の端子が第一アーム１２の作製工程の最後に取り付けられる。

第一冷却器１８の上には、第一基板２０が配置されている。第一基板２０は、アルミニウム（Ａｌ）で構成されたＡｌ層１２０、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されたＡｌＮ層２２０、アルミニウム（Ａｌ）で構成されたＡｌ層３２０がこの順に積層された積層体（ＤＢＡ基板）とされている。第一基板２０の裏面は、第一冷却器１８の上面にロウ付けにより接合されている。

第一基板２０上には、第一パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ素子２４、ダイオード２６、及びＵＶＷ用で（ＵＶＷ各相のいずれかに用いられる）交流側の第一出力電極２８が図３（Ａ）に示される半田層１２２、２２２、３２２を介して配置されている。すなわち、図２及び図３（Ｂ）に示されるＩＧＢＴ素子２４、ダイオード２６、及び第一出力電極２８は、第一基板２０の表面に半田付けされている。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子２４（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子）は、パワースイッチング素子として把握される要素である。また、ダイオード２６は、ＩＧＢＴ素子２４から離れて配置されている。半導体装置１６は、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６によって、直流を交流に変換するようになっている。

第一出力電極２８は、平面視で矩形状の板状配線とされて導電性材料（金属材料、本実施形態では、一例として銅（Ｃｕ））で構成されている。この第一出力電極２８は、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６が接続された回路（図示省略）に接続され、第一基板２０上から当該第一基板２０の板面方向に沿って所定の方向に延出されている。なお、第一出力電極２８が延出する方向を図中では矢印Ａ方向で示す。ＩＧＢＴ素子２４のゲート電極である第一ゲート電極３０は、第一基板２０上から当該第一基板２０の板面方向に沿ってかつ第一出力電極２８とは反対側となる方向（異なる方向（矢印Ｂ方向））に延出されている。

図２及び図４（Ａ）に示されるように、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６上には、（Ｐ電極及びＮ電極のいずれか一方の第一延出電極としての）Ｎ電極３２が配置されている。Ｎ電極３２は、平面視でＬ字形状とされた板状の配線とされて導電性材料（金属材料、本実施形態では、一例として銅（Ｃｕ））で構成され、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６に半田付けにより接合されている。なお、Ｎ電極３２の接合に使用された半田は、ＩＧＢＴ素子２４を接合する際に使用された半田に比べて低融点のものが使用されている。ちなみに、半田付け用の材料は、錫（Ｓｎ）を含む錫系半田材料に限定されず、前工程における作製物（接合構造）を壊さない範囲で適切な材料を使用することができる。なお、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６のそれぞれについて上面側及び下面側を同時に半田付けし、同じ半田材料を使用してもよい。

Ｎ電極３２は、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６に接合されることで、ＩＧＢＴ素子２４及びダイオード２６が接続された回路（図示省略）に接続されると共に、第一基板２０上から当該第一基板２０の板面方向に沿ってかつ第一ゲート電極３０とは反対側となる方向（異なる方向）に延出されて直流電源（図示省略）の低電位側（一方側）が接続される。このように、Ｎ電極３２は、第一出力電極２８と同じ方向（矢印Ａ方向）に延出されており、その延出部分は、平面視で第一出力電極２８と並ぶように配設されている。

図２及び図４（Ｂ）に示されるように、第一冷却器１８上に配置された構成要素（第一基板２０、ＩＧＢＴ素子２４、ダイオード２６、第一出力電極２８、及びＮ電極３２）は、エポキシ樹脂によってモールドされている（図４（Ｂ）参照）。図中では、モールド部を符号３４で示している。なお、本実施形態では、モールド部３４を形成しているが、このようなモールド部３４を形成しない構成にしてもよい。

以上により、第一アーム１２が構成されている。また、図２の右側に示される第二アーム１４は、第一アーム１２と同様の構造体とされている。よって、図中では、第二アーム１４にて第一アーム１２と同様の部位には、第一アーム１２の対応部位を示す符号の末尾にＡを付して示し、一部説明を省略する。但し、第二アーム１４は、半導体装置１６の構成部としては第一アーム１２とは異なる部位を成して異なる機能を担うため、以下の説明では、各部位の名称や機能は適宜区別して説明する。

第二アーム１４は、図２に示された状態から第二ゲート電極３０Ａ（後述）の延出方向を変えずにひっくり返されて第一アーム１２に重ねられる。なお、図示を省略するが、第二アーム１４の第二冷却器１８Ａには冷媒の端子が第二アーム１４の作製工程の最後に取り付けられる。

第二アーム１４は、第一基板２０に対向配置された第二基板２０Ａを備えている。この第二基板２０Ａ上には、第二パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ素子２４Ａが配置されている。ＩＧＢＴ素子２４Ａのゲート電極である第二ゲート電極３０Ａは、第二基板２０Ａ上から第一ゲート電極３０と同じ方向に延出されている（図１参照）。

第二基板２０Ａ上からはＵＶＷ用で（ＵＶＷ各相のいずれかに用いられる）交流側の第二出力電極３２Ａが第一出力電極２８と同じ方向に延出されて第一出力電極２８と電気的に接続されている（図１参照）。この第二出力電極３２Ａは、ＩＧＢＴ素子２４Ａ及びダイオード２６Ａに接合されることで、ＩＧＢＴ素子２４Ａ及びダイオード２６Ａが接続された回路（図示省略）に接続される。また、半導体装置１６の（Ｐ電極及びＮ電極のいずれか他方の第二延出電極としての）Ｐ電極２８Ａは、ＩＧＢＴ素子２４Ａ及びダイオード２６Ａが接続された回路（図示省略）に接続されると共に、第二基板２０Ａ上からＮ電極３２と同じ方向に延出されてＮ電極３２と絶縁状態で対向配置されており（図１参照）、直流電源（図示省略）の高電位側（他方側）が接続される。

以上により、図１に示されるように、Ｐ電極２８Ａ、Ｎ電極３２、第一出力電極２８、及び第二出力電極３２Ａは、同じ方向（矢印Ａ方向）に延出されている。

また、第一出力電極２８の先端側（第一冷却器１８から離れた自由端側）及び第二出力電極３２Ａの先端側（第二冷却器１８Ａから離れた自由端側）は、互いに接近する方向に付勢するようになっている。換言すれば、第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａは、板ばねとしても機能する構造になっている。

なお、第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａのサイズを大きめに設定すると、モータ始動時等のように過渡的に大きな熱負荷が作用した場合に、第一出力電極２８及び第二出力電極３２ＡがＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）からより多くの熱を受けられる（熱マスとしても機能する）点で有利になる。

図５には、半導体装置１６を電極取り出し側（外部配線との接続側）から見た状態の分解斜視図が示され、図６には、半導体装置１６をゲート取り出し側から見た状態の分解斜視図が示されている。

図５及び図６に示されるように、第一アーム１２と第二アーム１４との間には、絶縁膜３６、小容量のコンデンサ３８、及び導電性部材としての発泡金属４０（本実施形態では発泡銅）が挟み込まれている。絶縁膜３６は、ポリマーで構成された絶縁層とされ、Ｎ電極３２の基端部側の部位上に配置される。また、コンデンサ３８は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）系材料を主成分とする薄板状の部材とされ、絶縁膜３６よりもＮ電極３２の先端側（第一冷却器１８から離れた自由端側）の部位上に配置されてＮ電極３２に半田付けされている。なお、コンデンサ３８は、ＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）のスイッチング動作時に発生するサージ電圧をより効果的に低減する観点からは、ＩＧＢＴ素子２４、２４Ａの近傍に配置したほうが好ましく、絶縁膜３６よりもＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ寄りに配置される構成が好ましい。よって、コンデンサ３８と絶縁膜３６との位置関係が全部又は一部入れ替わってもよい。これらに対して、発泡金属４０は、第一出力電極２８とほぼ同様の形状とされて第一出力電極２８の上に配置され、塑性変形又は弾性変形された状態で第一出力電極２８と第二出力電極３２Ａとを電気的に接続するようになっている。すなわち、発泡金属４０は、第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａの間に挟み込まれている（図１参照）。

第一アーム１２と第二アーム１４は、その四隅に形成されたボルト挿通孔４２、４２Ａをボルト４４が貫通してナット４６と螺合されることにより、一体化されるようになっている。なお、第一アーム１２と第二アーム１４とを含んで構成された半導体装置１６は、回路構成の図示は省略するが、Ｐ電極２８Ａ、Ｎ電極３２、第一出力電極２８、第二出力電極３２Ａ、ＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）、及びダイオード２６、２６Ａ（図２参照）を含んで構成された公知のインバータ回路を備えており、図６に示される第一基板２０及び第二基板２０Ａには前記インバータ回路の一部を構成する図示しない配線パターンが形成されている。図７には、半導体装置１６と、半導体装置１６に取り付けられるゲート駆動回路基板５０とが分離された状態で示されている。

ゲート駆動回路基板５０は、半導体装置１６に対して第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａが延出する側に対向配置されている（図１参照）。換言すれば、ゲート駆動回路基板５０は、ゲート駆動回路基板５０の面方向がＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）の第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａの延出方向に対して垂直となるように設置されている。ゲート駆動回路基板５０に形成された前記ゲート駆動回路は、第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａに電気的に接続されており、第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａにバイアス電圧を供給してゲート駆動制御を行うようになっている。

（作用・効果）
次に、上記実施形態の作用及び効果について説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係るパワーモジュール１０では、Ｐ電極２８Ａ及びＮ電極３２が同じ方向（矢印Ａ方向）に延出されて絶縁膜３６（図６参照）を介して絶縁状態で互いに対向配置されているので、Ｐ電極２８Ａ及びＮ電極３２に互いに逆向きとなる電流が流れて互いに逆向きの磁界が生じる。これらの磁界は互いに打ち消し合うことになり、寄生インダクタンスを減少させる相互インダクタンスが発生する。このため、ＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）の高速駆動が可能であり、スイッチング時の損失が低減される。なお、スイッチング時に生じるサージ電圧の一部はコンデンサ３８によって吸収される。

補足すると、例えば、一台の冷却器上に三相交流分の多数のパワーデバイスを配置した対比構造では、主配線（直流が供給されるバスバー）から絶縁基板上の電極やワイヤボンドまでの結線が長くなり、配線上に一定量の比較的大きな寄生インダクタンスが存在する。そのため、このような対比構造では、パワーデバイスをスイッチングする際にサージ電圧が大きくなり、これに起因してパワーデバイスや実装構造に影響を与えたりノイズを輻射したりする可能性がある。このような挙動は、特に高速でスイッチングする際に顕著となり、パワーデバイスの高速特性を活かせない可能性がある。これに対して、本実施形態に係るパワーモジュール１０では、これらの点を解消することができる。

また、第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａは、同じ方向（矢印Ｂ方向）に延出され、Ｐ電極２８Ａ、Ｎ電極３２、第一出力電極２８、及び第二出力電極３２Ａの延出方向（矢印Ａ方向）とは異なる方向に延出されているので、ゲート駆動回路基板５０を半導体装置１６に対して第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａが延出する側に対向配置することができる。換言すれば、ゲート駆動回路基板５０に形成されたゲート駆動回路（図示省略）が第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａに物理的に近接配置された状態で当該第一ゲート電極３０及び当該第二ゲート電極３０Ａに接続される。これにより、第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａとゲート駆動回路（図示省略）との間を結ぶ配線長が短くなるので、寄生インダクタンスが減少する。その結果、駆動信号の立ち上がり時間が短縮されるので、高速スイッチングに有利になる。これらにより、高キャリア周波数でのスイッチングが可能となる。

また、ゲート駆動回路基板５０の基板面の面方向がＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）の第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａの延出方向に対して垂直となるように設置されているので、第一ゲート電極３０及び第二ゲート電極３０Ａで発生する磁界がゲート駆動回路基板５０のゲート駆動回路（図示省略）を殆ど横切らず、前記ゲート駆動回路へのノイズの影響も抑えられる。

ここで、本実施形態の効果等を確認するために行った実験の結果について説明する。実験では、本実施形態に係るパワーモジュール１０と比較例に係るパワーモジュールをそれぞれインバータとして動作させて、損失、サージ電圧、及びパワーデバイス（パワーモジュール１０ではＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ）の最高温度を測定した。なお、比較例に係るパワーモジュールは、従来の平面的な構造、すなわち、一台の冷却器上に複数のパワーデバイスを並べて形成されたパワーモジュールとした。

比較例に係るパワーモジュールでは、キャリア周波数を変えて損失を測定した結果、５ｋＨｚでの定常損失とスイッチング損失の比は、１対１であった。また、ターンオフ時のサージ電圧は、電源電圧に対して１００Ｖであった。また、モータ始動時のようにパワーデバイスの温度が上昇する場合のパワーデバイスの温度を測定したところ、パワーデバイスの最高温度は１４０℃であった。ちなみに、モータ始動時のように、過渡的に一部のパワーデバイスが短時間に大きな発熱をする場合、冷却水などの徐熱機構が機能するまでのタイムラグがあるため（時定数が長いため）に、冷却効果が得られにくく、パワーデバイスの温度が高くなってしまう。

これに対して、本実施形態に係るパワーモジュール１０で同様の測定をしたところ、５ｋＨｚでの定常損失とスイッチング損失の比は１対０．２、サージ電圧は電源電圧に対して３０Ｖ、最高温度は１１０℃であった。

以上の結果より、本実施形態に係るパワーモジュール１０は、一般的に用いられる比較例に係るパワーモジュールに比べて、スイッチング損失及びサージ電圧が低くなること（高効率化できること）が分かり、さらに、高負荷時のパワーデバイスの温度を低減させる効果もあることが分かった。よって、例えば、ハイブリット車のようにスペースが限られた対象にも適用することができ、このような用途で工業的価値があるといえる。

以上説明したように、本実施形態に係るパワーモジュール１０では、ＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照）の高速特性を活かすことができる。

また、本実施形態に係るパワーモジュール１０では、Ｐ電極２８Ａ、Ｎ電極３２、第一出力電極２８、及び第二出力電極３２Ａが同じ方向（矢印Ａ方向）に延出されている。このため、全体構成がコンパクト（小型）になる。

また、本実施形態に係るパワーモジュール１０では、第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａの間には塑性変形又は弾性変形された状態で第一出力電極２８と第二出力電極３２Ａとを電気的に接続する発泡金属４０が挟み込まれているので、上下方向に重なる第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａの高さ方向のばらつき（実装工程で発生する実装部の厚さのばらつき）が吸収される。また、第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａが前述したように板ばねとして機能するので、第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａは、常時、一定の荷重で発泡金属４０を挟み込むことができる。その結果として、発泡金属４０を介した第一出力電極２８と第二出力電極３２Ａとの電気的な接触状態は安定的に保持される。

また、発泡金属４０の配置や第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａを板ばねとして機能させる付随的な効果として、第一冷却器１８及び第二冷却器１８Ａとその間に挟まれる実装部との接触熱抵抗も低減でき、実装部の冷却効果を高めることもできる。また、第一アーム１２及び第二アーム１４の間の応力緩和の効果も得られる。

さらに、例えば、一台の冷却器上に三相交流分の多数のパワーデバイスを配置した対比構造では、構造全体が平面的であるために、電気的な配線や冷却媒体の配管が三相間でアンバランスになる可能性も考えられる。前記アンバランスが生じると、インバータを構成するパワーデバイスの電気特性や熱特性が不均等になり、配線長や配管長が最大となる部分によって全体の性能が定まり（律速され）、小型化への妨げや不均一動作への影響が生じ得る。これに対して、本実施形態に係るパワーモジュール１０は、第一アーム１２と第二アーム１４との重ね合わせを基本構造にすると共に、発泡金属４０が介在され、かつ第一出力電極２８及び第二出力電極３２Ａが板ばねとして機能することで、三相間でのアンバランスも抑えられる。

さらにまた、本実施形態に係るパワーモジュール１０では、第一アーム１２及び第二アーム１４のいずれか一方のパワーデバイス（ＩＧＢＴ素子２４、２４Ａ（図２参照））が故障した場合には、当該いずれか一方を交換すれば足りるので、パワーモジュールの全体を交換する必要がない。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール６０について、図８〜図１３を用いて説明する。なお、第１の実施形態と実質的に同様の構成部については、同一符号を付して説明を省略する。

図８にはパワーモジュール６０が外観斜視図にて示され、図９には、パワーモジュール６０における半導体装置６４の一相分に相当する部分の要部が分解された状態の分解斜視図にて示されている。また、図１０及び図１１には、第二アーム６２の作製工程が図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）の順で斜視図にて示されている。また、図１２には、半導体装置６４をゲート取り出し側から見た状態の分解斜視図が示され、図１３には、半導体装置６４にゲート駆動回路基板６６が組み付けられる前の状態が示されている。

図９の左側に示される第一アーム６１は、第１の実施形態における第一アーム１２（図２参照）と同様の構造体とされている。よって、図中では、第一アーム６１にて第一アーム１２（図２参照）と同様の部位には、第一アーム１２の対応部位を示す符号の末尾にＣを付して示し、一部説明を省略する。但し、第一アーム６１は、第一アーム１２（図２参照）とは一部異なる機能を担うため、以下の説明では、各部位の名称や機能は適宜区別して説明する。

図９に示されるように、第一アーム６１における第一基板２０Ｃ上には第一パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ素子２４Ｃが配置されると共にダイオード２６Ｃが配置されている。第一基板２０Ｃ上からは、第一基板２０Ｃの板面方向に沿って半導体装置６４の（Ｐ電極及びＮ電極のいずれか一方の第一延出電極としての）Ｐ電極２８Ｃが延出されている。なお、Ｐ電極２８Ｃが延出する方向を図中では矢印ａ方向で示す。Ｐ電極２８Ｃは、ＩＧＢＴ素子２４Ｃ及びダイオード２６Ｃが接続された回路（図示省略）に接続されかつ直流電源（図示省略）の高電位側（一方側）が接続される。

また、第一基板２０Ｃ上からは、当該第一基板２０Ｃの板面方向に沿ってかつＰ電極２８Ｃとは反対側となる方向（異なる方向（矢印ｂ方向））にＩＧＢＴ素子２４Ｃのゲート電極である第一ゲート電極３０Ｃが延出されている。さらに、第一基板２０Ｃ上からは、当該第一基板２０Ｃの板面方向に沿ってかつ第一ゲート電極３０Ｃとは反対側となる方向（異なる方向（矢印ａ方向））に第一出力電極３２Ｃが延出されている。ＵＶＷ用で（ＵＶＷ各相のいずれかに用いられる）交流側の第一出力電極３２Ｃは、ＩＧＢＴ素子２４Ｃ及びダイオード２６Ｃに半田付けにより接合されることで、ＩＧＢＴ素子２４Ｃ及びダイオード２６Ｃが接続された回路（図示省略）に接続されている。

パワーモジュール６０の半導体装置６４は、第一アーム６１と第二アーム６２とを含んで構成されている。第二アーム６２の各構成要素の配置構成は、図９に示される状態で第一アーム６１の各構成要素の配置構成に対して、平面視で概ね左右対称の配置になっている。よって、図中では、第二アーム６２にて第一アーム６１と同様の部位には、第一アーム６１の対応部位を示す符号の末尾のＣに代えてＢを付して示し、一部説明を省略する。但し、第二アーム６２は、半導体装置６４の構成部としては第一アーム６１とは異なる部位を成して異なる機能を担うため、以下の説明では、各部位の名称や機能は適宜区別して説明する。

第二アーム６２は、図９に示された状態から第二ゲート電極３０Ｂ（後述）の延出方向を変えずにひっくり返されて第一アーム６１に重ねられて配置されている。なお、図示を省略するが、第二アーム６２の第二冷却器１８Ｂには冷媒の端子が第二アーム６２の作製工程の最後に取り付けられる。

第二アーム６２は、第一基板２０Ｃに対向配置された第二基板２０Ｂを備えている。第二基板２０Ｂ上には、図１０に示されるように、第二パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ素子２４Ｂが半田付けされて配置されている。ＩＧＢＴ素子２４Ｂのゲート電極である第二ゲート電極３０Ｂは、第二基板２０Ｂ上から第一ゲート電極３０と同じ方向（矢印ｂ方向）に延出されている。

図１１に示される第二基板２０Ｂ上からは半導体装置６４の（Ｐ電極及びＮ電極のいずれか他方の第二延出電極としての）Ｎ電極２８Ｂが図１２に示されるＰ電極２８Ｃと同じ方向（矢印ａ方向）に延出されてＰ電極２８Ｃと絶縁状態で対向配置されている（図８参照）。図１１に示されるＮ電極２８Ｂは、ＩＧＢＴ素子２４Ｂ及びダイオード２６Ｂが接続された回路（図示省略）に接続されかつ直流電源（図示省略）の低電位側（他方側）が接続される。また、ＵＶＷ用で（ＵＶＷ各相のいずれかに用いられる）交流側の第二出力電極３２Ｂは、ＩＧＢＴ素子２４Ｂ及びダイオード２６Ｂに接合されることで、ＩＧＢＴ素子２４Ｂ及びダイオード２６Ｂが接続された回路（図示省略）に接続されると共に、第二基板２０Ｂ上から図１２に示される第一出力電極３２Ｃと同じ方向（矢印ａ方向）に延出されて第一出力電極３２Ｃと電気的に接続されている（図８参照）。

以上により、図８に示されるように、Ｐ電極２８Ｃ、Ｎ電極２８Ｂ、第一出力電極３２Ｃ、及び第二出力電極３２Ｂは、同じ方向（矢印ａ方向）に延出されている。

また、図１２に示されるように、第一出力電極３２Ｃの先端側（第一冷却器１８Ｃから離れた自由端側）及び第二出力電極３２Ｂの先端側（第二冷却器１８Ｂから離れた自由端側）は、互いに接近する方向に付勢するようになっている。換言すれば、第一出力電極３２Ｃ及び第二出力電極３２Ｂは、板ばねとしても機能する構造になっている。発泡金属４０は、第一出力電極３２Ｃ及び第二出力電極３２Ｂの間に挟み込まれている。なお、第一アーム６１と第二アーム６２とを含んで構成された半導体装置６４は、回路構成の図示は省略するが、Ｐ電極２８Ｃ、Ｎ電極２８Ｂ、第一出力電極３２Ｃ、第二出力電極３２Ｂ、ＩＧＢＴ素子２４Ｃ、２４Ｂ（図９参照）、及びダイオード２６Ｃ、２６Ｂ（図９参照）を含んで構成された公知のインバータ回路を備えており、第一基板２０Ｃ及び第二基板２０Ｂには前記インバータ回路の一部を構成する図示しない配線パターンが形成されている。

図１３に示されるように、ゲート駆動回路基板６６は、半導体装置６４に対して第一ゲート電極３０Ｃ及び第二ゲート電極３０Ｂが延出する側に対向配置されている（図８参照）。ゲート駆動回路基板６６には、第一ゲート電極３０Ｃ及び第二ゲート電極３０Ｂに電気的に接続されるゲート駆動回路（図示省略）が形成されている。前記ゲート駆動回路は、第一ゲート電極３０Ｃ及び第二ゲート電極３０Ｂにバイアス電圧を供給してゲート駆動制御を行うようになっている。

以上説明した本実施形態の構成によっても、前述した第１の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るパワーモジュール７０について、図１４〜図１７を用いて説明する。なお、第１の実施形態と実質的に同様の構成部については、同一符号を付して説明を省略する。

図１４にはパワーモジュール７０が外観斜視図にて示され、図１５には、パワーモジュール７０の半導体装置７６の一相分に相当する部分の要部が分解された状態の分解斜視図にて示されている。図１６には、半導体装置７６の一相分に相当する部分の分解斜視図にて示され、図１７には、半導体装置７６にゲート駆動回路基板９０が組み付けられる前の状態が示されている。

図１４に示されるように、半導体装置７６は、第一アーム７２と第二アーム７４とを含んで構成されており、第１の実施形態における半導体装置１６と実質的に同様の機能を有する。

図１５に示されるように、第一アーム７２における第一基板７８上には第一パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ素子８０が配置されている。第一基板７８上からは、第一基板７８の板面方向に沿って半導体装置７６の（Ｐ電極及びＮ電極のいずれか一方の第一延出電極としての）Ｐ電極８２が延出されている。なお、Ｐ電極８２が延出する方向を図中では矢印Ｃ方向で示す。Ｐ電極８２は、ＩＧＢＴ素子８０及びダイオード８１が接続された回路（図示省略）に接続されかつ直流電源（図示省略）の高電位側（一方側）が接続される。

また、第一基板７８上からは、当該第一基板７８の板面方向に沿ってかつＰ電極８２の延出方向に対して平面視で直交する方向（矢印Ｄ方向、Ｐ電極８２とは異なる方向）にＩＧＢＴ素子８０のゲート電極である第一ゲート電極８４が延出されている。さらに、第一基板７８上からは、当該第一基板７８の板面方向に沿ってかつＰ電極８２の延出方向に対して平面視で反対方向（矢印Ｅ方向、第一ゲート電極８４とは異なる方向）に第一出力電極８６が延出されている。ＵＶＷ用で（ＵＶＷ各相のいずれかに用いられる）交流側の第一出力電極８６は、ＩＧＢＴ素子８０及びダイオード８１に半田付けにより接合されることで、ＩＧＢＴ素子８０及びダイオード８１が接続された回路（図示省略）に接続される。

第二アーム７４は、第一アーム７２と同様の構造とされている。よって、図中では、第二アーム７４にて第一アーム７２と同様の部位には、第一アーム７２の対応部位を示す符号の末尾にＡを付して示し、一部説明を省略する。但し、第二アーム７４は、半導体装置７６の構成部としては第一アーム７２とは異なる部位を成して異なる機能を担うため、以下の説明では、各部位の名称や機能は適宜区別して説明する。

第二アーム７４は、図１５に示された状態から第二ゲート電極８４Ａ（後述）の延出方向を変えずにひっくり返されて第一アーム７２に重ねられて配置されている。第二アーム７４は、第一基板７８に対向配置された第二基板７８Ａを備えている。第二基板７８Ａ上には、第二パワーデバイスとしてのＩＧＢＴ素子８０Ａが配置されている。ＩＧＢＴ素子８０Ａのゲート電極である第二ゲート電極８４Ａは、第二基板７８Ａ上から第一ゲート電極８４と同じ方向（矢印Ｄ方向）に延出されている（図１６参照）。

第二基板７８Ａ上からは半導体装置７６の（Ｐ電極及びＮ電極のいずれか他方の第二延出電極としての）Ｎ電極８６Ａが、図１６に示されるように、Ｐ電極８２と同じ方向（矢印Ｃ方向）に延出されてＰ電極８２と絶縁状態で対向配置されている。図１５に示されるＮ電極８６Ａは、ＩＧＢＴ素子８０Ａ及びダイオード８１Ａに半田付けで接合されることで、ＩＧＢＴ素子８０Ａ及びダイオード８１Ａが接続された回路（図示省略）に接続され、かつ直流電源（図示省略）の低電位側（他方側）が接続される。また、ＵＶＷ用で（ＵＶＷ各相のいずれかに用いられる）交流側の第二出力電極８２Ａは、ＩＧＢＴ素子８０Ａ及びダイオード８１Ａが接続された回路（図示省略）に接続されると共に、第二基板７８Ａ上から図１４に示される第一出力電極８６と同じ方向（矢印Ｅ方向）に延出されて第一出力電極８６と電気的に接続されている。

第一出力電極８６及び第二出力電極８２Ａの間には、導電性部材としての発泡金属８８が挟み込まれている。発泡金属８８は、塑性変形又は弾性変形された状態で第一出力電極８６と第二出力電極８２Ａとを電気的に接続するようになっている。

図１７に示されるように、半導体装置７６は、第一アーム７２及び第二アーム７４の対が上下方向に計三対積み重ねられてボルト４４及びナット（図示省略）により締結されることによって構成されている。この半導体装置７６は、回路構成の図示は省略するが、Ｐ電極８２、Ｎ電極８６Ａ、第一出力電極８６、第二出力電極８２Ａ、ＩＧＢＴ素子８０、８０Ａ（図１５参照）、及びダイオード８１、８１Ａ（図１５参照）を含んで構成された公知のインバータ回路を備えており、図１５に示される第一基板７８及び第二基板７８Ａには前記インバータ回路の一部を構成する図示しない配線パターンが形成されている。

また、図１７に示されるように、半導体装置７６に対して第一ゲート電極８４及び第二ゲート電極８４Ａが延出する側には、ゲート駆動回路基板９０が対向配置されている（図１４参照）。図１４に示されるゲート駆動回路基板９０には、第一ゲート電極８４及び第二ゲート電極８４Ａに電気的に接続されるゲート駆動回路（図示省略）が形成されている。前記ゲート駆動回路は、第一ゲート電極８４及び第二ゲート電極８４Ａにバイアス電圧を供給してゲート駆動制御を行うようになっている。

以上説明した本実施形態に係るパワーモジュール７０によっても、ＩＧＢＴ素子８０、８０Ａ（図１５参照）の高速特性を活かすことができる。

［実施形態の補足説明］
なお、上記実施形態では、第一出力電極２８、３２Ｃ、８６及び第二出力電極３２Ａ、３２Ｂ、８２Ａの間には、導電性部材としての発泡金属４０、８８が挟み込まれているが、発泡金属４０、８８に代えて導電性部材としての金属細線を（例えば絡めた状態で）纏めたようなものを適用してもよく、また、第一出力電極と第二出力電極とが導電性部材を介さずに直接接触するような構造とすることも可能である。

また、第一出力電極と第二出力電極とを電気的に接続する導電性部材は、例えば、塑性変形された状態で第一出力電極及び第二出力電極の間に挟まれてもよいし、弾性変形された状態で第一出力電極及び第二出力電極の間に挟まれてもよいし、塑性変形された状態の部分と弾性変形された状態の部分とが混在した状態で第一出力電極及び第二出力電極の間に挟まれてもよい。また、例えば、第一出力電極及び第二出力電極の間に塑性変形された状態で挟まれた第一の導電性部材と、第一出力電極及び第二出力電極の間に弾性変形された状態で挟まれた第二の導電性部材とが併用されてもよい。

また、上記実施形態では、第一パワーデバイス及び第二パワーデバイスがＩＧＢＴ素子である場合を例に挙げて説明したが、第一パワーデバイス及び第二パワーデバイスは、サイリスタ等のような他のパワーデバイスであってもよい。

１０ パワーモジュール
１２ 第一アーム
１４ 第二アーム
１６ 半導体装置
２０ 第一基板
２０Ａ 第二基板
２０Ｂ 第二基板
２０Ｃ 第一基板
２４ ＩＧＢＴ素子（第一パワーデバイス）
２４Ａ ＩＧＢＴ素子（第二パワーデバイス）
２４Ｂ ＩＧＢＴ素子（第二パワーデバイス）
２４Ｃ ＩＧＢＴ素子（第一パワーデバイス）
２８ 第一出力電極
２８Ａ Ｐ電極（第二延出電極）
２８Ｂ Ｎ電極（第二延出電極）
２８Ｃ Ｐ電極（第一延出電極）
３０ 第一ゲート電極
３０Ａ 第二ゲート電極
３０Ｂ 第二ゲート電極
３０Ｃ 第一ゲート電極
３２ Ｎ電極（第一延出電極）
３２Ａ 第二出力電極
３２Ｂ 第二出力電極
３２Ｃ 第一出力電極
３６ 絶縁膜
３８ コンデンサ
４０ 発泡金属（導電性部材）
５０ ゲート駆動回路基板
６０ パワーモジュール
６１ 第一アーム
６２ 第二アーム
６４ 半導体装置
６６ ゲート駆動回路基板
７０ パワーモジュール
７２ 第一アーム
７４ 第二アーム
７６ 半導体装置
７８ 第一基板
７８Ａ 第二基板
８０ ＩＧＢＴ素子（第一パワーデバイス）
８０Ａ ＩＧＢＴ素子（第二パワーデバイス）
８２ Ｐ電極（第一延出電極）
８２Ａ 第二出力電極
８４ 第一ゲート電極
８４Ａ 第二ゲート電極
８６ 第一出力電極
８６Ａ Ｎ電極（第二延出電極）
８８ 発泡金属（導電性部材）
９０ ゲート駆動回路基板

Claims (3)

1. 第一基板上に配置された第一パワーデバイスと、前記第一パワーデバイスが接続された回路に接続されかつ直流電源の一方側が接続されると共に前記第一基板上から当該第一基板の板面方向に沿って延出された、Ｐ電極及びＮ電極のいずれか一方の第一延出電極と、前記第一パワーデバイスのゲート電極であって前記第一基板上から当該第一基板の板面方向に沿ってかつ前記第一延出電極とは異なる方向に延出された第一ゲート電極と、前記第一パワーデバイスが接続された回路に接続されると共に前記第一基板上から当該第一基板の板面方向に沿って前記第一ゲート電極とは異なる方向に延出された第一出力電極と、を備えた第一アームと、
   前記第一基板に対向配置された第二基板と、前記第二基板上に配置された第二パワーデバイスと、前記第二パワーデバイスが接続された回路に接続されかつ直流電源の他方側が接続されると共に前記第二基板上から前記第一延出電極と同じ方向に延出されて当該第一延出電極と絶縁状態で対向配置された、Ｐ電極及びＮ電極のいずれか他方の第二延出電極と、前記第二パワーデバイスのゲート電極であって前記第二基板上から前記第一ゲート電極と同じ方向に延出された第二ゲート電極と、前記第二パワーデバイスが接続された回路に接続されると共に前記第二基板上から前記第一出力電極と同じ方向に延出されて前記第一出力電極と電気的に接続される第二出力電極と、を備え、前記第一アームに重ねて配置された第二アームと、
   を含んで構成され、前記第一延出電極と前記第二延出電極との間には、前記第一延出電極の延出方向に並ぶ絶縁膜及びコンデンサが挟み込まれた半導体装置と、
   前記半導体装置に対して前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極が延出する側に対向配置され、前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極に電気的に接続されて当該第一ゲート電極及び当該第二ゲート電極にバイアス電圧を供給するゲート駆動回路が形成されたゲート駆動回路基板と、
   を有するパワーモジュール。
2. 前記第一延出電極、前記第二延出電極、前記第一出力電極、及び前記第二出力電極が同じ方向に延出されている請求項１記載のパワーモジュール。
3. 前記第一出力電極及び前記第二出力電極の間には、塑性変形された状態及び弾性変形された状態の少なくとも一方の状態で前記第一出力電極と前記第二出力電極とを電気的に接続する導電性部材が挟み込まれている請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。

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