JP4969388B2 - 回路モジュール - Google Patents

Description

本発明は、大電力を扱う回路モジュールに関するものである。

近年、環境破壊、地球温暖化の予兆、そして新聞紙上でこの温暖化の原因について報道がされている。その原因は、数多く存在するが、電力消費の増大がその一つある。この電気は、枯渇しつつある石油に依存するところが多く、その石油を燃焼させる事による炭酸ガスの大気圏放出が問題である。また自動車もガソリン車が殆どであり、原因の一つである。

前者の電気は、当然世界中にある電子機器を動かすために必要である。洗濯機、エアコン、携帯機器等の電源となり、地球上の人間が文化的な生活を維持する上で必須であり、解決するに非常に難しいテーマである。

一方、自動車は、高機能になり、社内でＴＶ会議ができたり、カーナビゲーションで目的地までの誘導が可能になったり、またカーエアコンで涼しくしたり、ヘッドライトで明るく鮮明に照らしたりと、その機能は、益々高機能になり、それを世界の消費者は、競って購入している。つまり昔と違い、車内で色々な機能を使ってドライブすることで、結局はエネルギーの消費を拡大している。

コンピュータや携帯電話もそうである。

これらの機能を実現するに半導体装置、所謂パワー素子、ＩＣ、ＬＳＩと言われる半導体デバイスが採用され、それを例えばプリント基板等の実装基板に実装し、電子機器のセットに実装している。この事を考えると、半導体デバイスも消費電力の削減が非常に重要な課題と成って来ている。

この電子機器、特に半導体デバイスは、動作することで発熱し、活性領域の温度が上昇し、その結果、駆動能力が低下する。そしてその駆動能力を上げようとすれば、益々エネルギーを消費している。

つまり何らかの形で半導体デバイスの熱を外部放出させて、半導体デバイス自身が消費する電力を削減する必要がある。

この傾向が強いものは、例えばパワー駆動が可能なパワーＭＯＳデバイスで、放熱の工夫が必要になる。

そのため、最近では、洗濯機、冷蔵庫等で用いられるインバータモジュール、プラズマディスプレイに用いられる駆動モジュール等のデバイスは、積極的に金属基板に実装し、放熱させていた。

この金属基板は、表面を絶縁樹脂等で被覆し、その上に導電パターンが形成され、この導電パターンに、例えばインバータ回路に必要な素子が電気的に接続され、実装されている。

例えば、図７は、金属基板１とプリント基板２がケース材３に固定されたものである。金属基板１側では、アイランド３にパワー素子４が実装され、パワー素子４上の電極とパッド５とは、金属細線６で電気的に接続されている。

前記プリント基板２も金属基板１と同様に、半導体素子、受動素子が実装され、金属基板１の回路と前記プリント基板の回路が電気的に接続されている。

前記金属基板１とプリント基板２は、コスト削減の意味で重要である。しかし金属基板１とプリント基板２の熱膨張係数の違いにより、また金属基板１とＳｉの熱膨張係数の違い、更にはプリント基板とＳｉの熱膨張係数の違いにより、半田クラック、導電パターンの断線等が発生する問題があった。

更には、金属基板１は、放熱性を考慮すると導電パターンは主に単層が好ましい。多層にすれば、上下の導電パターン間に層間絶縁膜を介在させなければならず、その上に実装された半導体素子とベースとなる金属基板との間の熱抵抗が増大する。

よって回路の規模によっては、単層の導電パターンが設けられた金属基板では、実装面積が拡大する問題があり、どうしてもプリント基板等を使って、仮想的に多層構造を構成する必要があった。しかもプリント基板の熱膨張により、実装される回路素子の電気的接続に何らかの影響を与え、動作不良を起こす問題もあった。

本発明の回路モジュールは、少なくとも表面が絶縁処理された金属性の第１の基板と、前記第１の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続され、前記第１の基板に実装されたパワー半導体素子とを有する第１のモジュール基板と、樹脂基板と、前記樹脂基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第２の導電パターンと、前記第２の導電パターンと電気的に接続され、前記パワー半導体素子を制御する駆動素子を有する第２のモジュール基板と、前記第１のモジュール基板と前記第２のモジュール基板との間に空間が形成されるように、前記第１のモジュール基板の対向側面を保持し、前記第２のモジュール基板の対向側面を保持する樹脂性のケース材と、を有する回路モジュールであり、前記駆動素子は、前記樹脂基板の中央よりずらして配置され、前記第２のモジュール基板は最外部に配置され、前記第２のモジュール基板の外周部と前記ケース材の内壁との間に存在する離間部分を経由して、前記空間が外部と連通することを特徴とする。

本発明の回路モジュールは、少なくとも表面が絶縁処理された金属性のベース基板と、前記ベース基板の上に絶縁固定され、少なくとも表面が絶縁処理された第１の基板と、前記第１の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続され、前記第１の基板に実装されたパワー半導体素子とを有する第１のモジュール基板と、樹脂性の第２の基板と、前記第２の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第２の導電パターンと、前記第２の導電パターンと電気的に接続され、前記パワー半導体素子を制御する駆動素子を有する第２のモジュール基板と、前記第１のモジュール基板と前記第２のモジュール基板との間に空間が形成されるように、前記第１のモジュール基板の対向側面を保持し、第２のモジュール基板の対向側面を保持する樹脂性のケース材と、を有する回路モジュールであり、前記駆動素子は、前記第２の基板の中央よりずらして配置され、前記第２のモジュール基板は最外部に配置され、前記第２のモジュール基板の外周部と前記ケース材の内壁との間に存在する離間部分を経由して、前記空間が外部と連通することを特徴とする。

本発明の回路モジュールは、少なくとも表面が絶縁処理された矩形のＡｌベース基板と、前記Ａｌベース基板の上に絶縁性接着剤で固定され、少なくとも表面が絶縁処理され、前記ベース基板の周辺よりも内側に入った矩形のＡｌの第１の基板と、前記第１の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続され、前記第１の基板に実装されたインバータ用のスイッチング半導体素子とを有する第１のモジュール基板と、樹脂性の第２の基板と、前記第２の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第２の導電パターンと、前記第２の導電パターンと電気的に接続され、前記スイッチング半導体素子を制御するマイコンを有する第２のモジュール基板と、四角柱の上面から下面に渡り中をくり貫いた如き形状で、前記下面の開口部と前記第１のモジュール基板の４側面が当接し、前記第１の基板の上方に間隔をもって位置する第２の基板の裏面を保持する保持部とを有し、前記第１のモジュール基板と前記第２のモジュール基板との間に空間が形成される樹脂性のケース材とを有し、前記マイコンは、前記第２の基板の中央よりずらして配置され、前記第２のモジュール基板は最外部に配置され、前記第２のモジュール基板の外周部と前記ケース材の内壁との間に存在する離間部分を経由して、前記空間が外部と連通することを特徴とする。

図３に示すように、ケース材を使うことで、金属基板の上に、間隔を持ってプリント基板を配置できる。しかし金属基板の熱膨張によるケース材の変形、またパワー半導体素子によるプリント基板の過熱等が原因で絶対にプリント基板の変形を無くす事はできない。よって、図１Ｂに示す中心線の交点から回路素子をずらすことで、一番湾曲する部分に電気的接続を避けることができる。特にパワー半導体素子を駆動するＩＣ、ＬＳＩは、インバータ等の一番重要な部分であり、信頼性の向上を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の概要を図１、図７を参照しながら述べる。

図１と図７の大きな違いは、図７が金属基板１と樹脂基板２で実現しているに対し、図１は、金属基板を２枚採用している。下の金属基板１Ｂは、ベース基板であり、上の第１の基板１Ｂの全周からＬ２だけ大きく形成されている。この距離Ｌ２を延面距離とよび、実際の回路モジュールが構成された際、第１の基板１Ａとベース基板１Ｂ裏面との耐電圧特性を向上させている。

これから図１の説明に入るが、第１の基板１Ａが、図７に於いては、金属基板１になるだけで、後の構成は全く同一である。（従来の技術の欄の説明文参照）
先ずケース材３について説明する。このケース材３は、四角柱の中を取り除いた如き形状である。つまり４枚の側壁、紙面に対して手前３Ａと先３Ｂ、左右３Ｃ、３Ｄの４枚の側壁が一体に成ったものである。よって下と上に開口部２０、２１がある。そしてケース材３の内側には、内側に向かった凸部２２がある。よって上の開口部から若干下がった位置に、第２の基板２の周囲の裏面を支持する当接部２３が形成されることになる。図１Ｂで見れば、ケース材側壁３Ｃ、３Ｄの内壁に当接部２３があり、第２の基板２の左右の側辺近傍の裏面と当接する。一方、ケース材の側壁３Ａ、３Ｂは、ねじ止め孔２４、２４を確保するため、内壁は、第２の基板２と当接する部分２５、離間している部分２６がある。この離間部分は、第２の基板２と第１の基板１Ａの間の空間に発生する熱が、この離間部分２６を介して外部に放出されるようになっている。

続いて、ベース基板１Ｂと第１の基板１Ａについて説明する。この２つの基板は、導電材料、例えばＣｕ、ＡｌまたはＦｅを主材料とするもの、または合金からものより構成される。また、熱伝導性の優れた材料より成り、窒化アルミニウム、窒化ボロン等の絶縁材料でも良い。一般にはコストの観点によりＣｕ、Ａｌが採用され、ここではＡｌを採用したもので説明する。

両者ともに、導電性があるため、絶縁処理が必要になる。ベース基板１Ｂ、第１の基板１Ａの両面は、傷防止のために陽極酸化膜が施されている。ただし、基板はカットされるため、その側面の中央にはＡｌが露出している。このベース基板１Ｂの上には、全周に渡り距離Ｌ２だけサイズの小さい第１の基板１Ａが絶縁性接着剤２７により固定されている。更にこの第１の基板１Ａは、上面に形成された陽極酸化膜の上に絶縁被膜２８が被覆され、この上にＣｕから成る第１の導電パターン７が貼りあわされている。この導電パターンは、アイランド、配線、電極パッド、受動素子用の電極等から成る。例えば、パワー半導体素子４は、ＢＩＰ型のパワーＴｒ、ＭＯＳ型のパワーＴｒ、ＩＧＢＴ等から成り、アイランドに電気的に接続されて固着される。この素子の表面電極と電極パッドとは、例えば金属細線にて接続されている。他にダイオード、チップ抵抗、チップコンデンサ等が実装される。更には、第１の基板１Ａの側辺には、リード固着用のパッドが設けられ、そこには、外部リード２９がロウ材により固着される。この外部リード２９は、ケース材３の頭部から飛び出すような長さで、図４に示すように、別途用意された実装基板のスルーホールに挿入され、電気的に接続される。

このベース基板１Ｂと第１の基板１Ａが貼りあわされた第１のモジュール基板は、ケース材３の下側の開口部２０に嵌合される。ケース材３は、凸部２２があると説明したが、別の表現をすれば、下の開口部２０は、全ての側壁の内側にＬ字型の段差が設けられ、ベース基板１Ｂの側面、この側面と角部を成す上面が当接して固着される。よってケース材３と嵌合された第１のモジュール基板により、開口部２１を除いて完全にシールドされる。

続いて第２の基板２について説明する。この第２の基板２は、樹脂性の基板より成り、例えばプリント基板と呼ばれるガラスエポキシ基板が好ましい。この基板２は、少なくとも表面に、一層以上の導電パターンが形成されている。一般には、表面一層、両面２層、４層・・・の中で選択される。具体的には実装される素子の密度により、第２の導電パターン３０を何層にするか決定する。この第２の導電パターン３０は、第１の導電パターン７と同様に、アイランド、配線、電極パッド、受動素子用の電極等から成る。そしてこの上に実装される素子は、能動素子、受動素子で、本発明の特徴である素子３１が実装される。

この素子３１は、パワー半導体素子４を駆動制御するＩＣであり、例えばマイコンからなる。他にＴｒ、ダイオード、チップ抵抗、チップコンデンサからなる。

また第２の基板２の左右の側辺近傍には、外部リード２９を挿入するスルーホール３２がある。このスルーホール３２により、第１の基板に構成された回路と、第２の基板２に構成された回路が電気的に接続される。

この第２のモジュール基板は、ケース材３の上の開口部２１を介して内部に設けられる。前述したように当接部２３、２５がケース材３の内壁に設けられ、その上に第２の基板２が配置される。

ロウ材のクラック防止、離間部分２６を介して外部雰囲気が内部に浸入することもあり第２の基板２が設けられる前に、図１Ａに示すように、第１の基板の素子を完全に封止する樹脂がポッティング等で設けられる。そして第１の基板１Ａ表面から第２の基板２の裏面までの距離は、Ｌ１に設定され、被覆樹脂の厚みＳ１とし、Ｓ２の空間部が設けられる。この空間部Ｓ２の部分の空気は、第１のモジュール基板により加熱され、離間部分２６を介して外部に放出される。よって循環作用を引き起こす意味からも、離間部分は、少なくとも２つ形成される。実際には、ここでは４つ形成される。

また必要によって、第２の基板２の上にも素子を完全に封止する樹脂が設けられる。
ここで、駆動素子３１は、図１Ａでは、ベアで、図１Ｂでは、樹脂封止された半導体素子が形成され不一致ではあるが、実際はどちらでも良い。

図２は、本回路モジュールの斜視図であり、ケース材３と第２の基板２の関係を明瞭とするために、別途図示した。

図３は、樹脂性のケース材３、第１のモジュール基板４０、第２のモジュール基板４１皿には、外部リード２９の熱的関係について説明する。本回路モジュールは、一例として、エアコンのインバータ回路を実現し、例えば図４に示す室外機５０に取り付けられる。図４は、室外機５０を開封したもので、５１が空気循環用のファン、このファン５１の裏には熱交換器がある。フアン５１の右隣には、ＡｌやＦｅのフレーム５２が設置され、中敷板５２Ａの下には、コンプレッサ５３、中敷板５２Ａの上には、回路部品が実装されたプリント基板等が取り付けられている。実際は、かなり複雑に回路部品があるため、図面は省略した。更に中敷板５２Ａの左隣には、中敷板５２Ａと直交し、垂直に延在されたプリント基板があり、これに本発明の回路モジュール５４が実装されている。そしてこの回路モジュールの裏面である、ベース基板１Ｂの裏面には、放熱フィン５５が取り付けられている。この室外機は、コンプレッサ５３、ファンモータ、そして回路部品が熱源となり、しかも本体自体が屋外に設置される。よって室外機の内部は、高温になる。よって本回路モジュール５４自体も高温にさらされる。

ここでＡｌは、２３×１０-6／℃、（Ｃｕは、２０×１０-6／℃）、樹脂基板は、一例として、ｘ−ｙ方向のα１は、１１−１２×１０−６／℃、ｚ方向では、２５−３０×１０−６／℃、またＳｉのαは、２．０〜４．０×１０−６／℃であり、大きく異なる。
つまり室外機が高温に成った場合、図３に示すように、ケース材３の下方は、２枚のＡｌ基板のαにより、大きく膨張し、逆にプリント基板側は、それほど膨張しない。すると、ケース材３自体が誇張すれば台形の如き形状に変形する。よってプリント基板４１は、下に凸の形状に湾曲する。この湾曲は、図１Ｂの中心線の交点が一番反ることを意味する。

よって第２の基板２、図３では、第２のモジュール基板４１の中央部分に、回路素子の配置をずらす必要がある。別の表現をすれば、この中央部分からずらして配置する事により、ロウ材または金属細線等の電気的接続の信頼性を向上させることができる。

特に駆動素子であるマイコン３１は、端子数が他の半導体素子よりも多く設けられているため、この駆動素子３１を中央部分からずらして信頼性を向上させることができる。

続いて、図２、図４〜図６を用いて更なる熱の放出路を説明する。図４の符号６０は、空気がファン５１や、熱が暖められて上昇するために発生する気流路Ａ〜Ｂを示すものである。当然、放熱フィン５５の溝は、垂直方向に設けられる。よって回路モジュール５４にもこの気流路Ａ〜Ｂに沿った切欠部が設けられれば、更に放熱性が向上する。

この切欠部は、図２では、７０〜７３であり、この部分を図５、図６にも示す。図５の紙面に対して手前が、図４では、プリント基板７４に向き合い、図４の回路モジュール５４を上から見た概略図が、図６である。切欠部７０、７１や溝に図示された○に黒点が入ったマークは、紙面の裏から表に向かい、つまり図４の気流路Ａ〜Ｂの向きを示すものである。

整理すれば、図１の第２の基板の下にある空間は、ベース基板の熱を溜め、図１の離間部分２６を介してケース材３、第２の基板の封止樹脂で囲まれる空間に流れ込む。そして図４の気流路Ａ〜Ｂの流れ、つまりこの空間を下から上に流す気流路が発生する。よって効率の高い放熱が実現できる。

本発明の回路モジュールを示す図である。 図１の回路モジュールを示す斜視図である。 本発明の回路モジュールに於いて、膨張による変形を説明する図である。 室外機内部を説明する図である。 本発明の回路モジュールに設けられた切欠部を説明する図である。 本発明の回路モジュールに設けられた切欠部を説明する図である。 本発明の回路モジュールを説明する図である。

符号の説明

１Ａ：第１の基板
１Ｂ:ベース基板
２:第２の基板
３:ケース材
４:パワー半導体素子
７:第１の導電パターン
２６:離間部分
３０:第２の導電パターン
３１:駆動素子
７０〜７３:切欠部

Claims (5)

1. 少なくとも表面が絶縁処理された金属性の第１の基板と、前記第１の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続され、前記第１の基板に実装されたパワー半導体素子とを有する第１のモジュール基板と、
   樹脂基板と、前記樹脂基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第２の導電パターンと、前記第２の導電パターンと電気的に接続され、前記パワー半導体素子を制御する駆動素子を有する第２のモジュール基板と、
   前記第１のモジュール基板と前記第２のモジュール基板との間に空間が形成されるように、前記第１のモジュール基板の対向側面を保持し、前記第２のモジュール基板の対向側面を保持する樹脂性のケース材と、を有する回路モジュールであり、
   前記駆動素子は、前記樹脂基板の中央よりずらして配置され、
   前記第２のモジュール基板は最外部に配置され、前記第２のモジュール基板の外周部と前記ケース材の内壁との間に存在する離間部分を経由して、前記空間が外部と連通することを特徴とする回路モジュール。
2. 少なくとも表面が絶縁処理された金属性のベース基板と、前記ベース基板の上に絶縁固定され、少なくとも表面が絶縁処理された第１の基板と、前記第１の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続され、前記第１の基板に実装されたパワー半導体素子とを有する第１のモジュール基板と、
   樹脂性の第２の基板と、前記第２の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第２の導電パターンと、前記第２の導電パターンと電気的に接続され、前記パワー半導体素子を制御する駆動素子を有する第２のモジュール基板と、
   前記第１のモジュール基板と前記第２のモジュール基板との間に空間が形成されるように、前記第１のモジュール基板の対向側面を保持し、第２のモジュール基板の対向側面を保持する樹脂性のケース材と、を有する回路モジュールであり、
   前記駆動素子は、前記第２の基板の中央よりずらして配置され、
   前記第２のモジュール基板は最外部に配置され、前記第２のモジュール基板の外周部と前記ケース材の内壁との間に存在する離間部分を経由して、前記空間が外部と連通することを特徴とする回路モジュール。
3. 前記第１の基板は、ＡｌまたはＣｕを主材料とした金属基板であり、前記第２の基板は、ガラスエポキシ基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路モジュール。
4. 少なくとも表面が絶縁処理された矩形のＡｌベース基板と、前記Ａｌベース基板の上に絶縁性接着剤で固定され、少なくとも表面が絶縁処理され、前記ベース基板の周辺よりも内側に入った矩形のＡｌの第１の基板と、前記第１の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続され、前記第１の基板に実装されたインバータ用のスイッチング半導体素子とを有する第１のモジュール基板と、
   樹脂性の第２の基板と、前記第２の基板の表面に設けられた導電材料から成る複数の第２の導電パターンと、前記第２の導電パターンと電気的に接続され、前記スイッチング半導体素子を制御するマイコンを有する第２のモジュール基板と、
   四角柱の上面から下面に渡り中をくり貫いた如き形状で、前記下面の開口部と前記第１のモジュール基板の４側面が当接し、前記第１の基板の上方に間隔をもって位置する第２の基板の裏面を保持する保持部とを有し、前記第１のモジュール基板と前記第２のモジュール基板との間に空間が形成される樹脂性のケース材とを有し、
   前記マイコンは、前記第２の基板の中央よりずらして配置され、
   前記第２のモジュール基板は最外部に配置され、前記第２のモジュール基板の外周部と前記ケース材の内壁との間に存在する離間部分を経由して、前記空間が外部と連通することを特徴とする回路モジュール。
5. 前記スイッチング半導体素子が駆動し、発生した熱は、前記離間部分から外部に放出されることを特徴とする請求項４に記載の回路モジュール。
   

Images