JP4513560B2

JP4513560B2 - パワーモジュールおよび空気調和機

Info

Publication number: JP4513560B2
Application number: JP2004379003A
Authority: JP
Inventors: 政和飯田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP2006186144A

Description

この発明は、パワーモジュールおよび空気調和機に関する。

近年、インバータ回路の構成部品をパッケージ化したパワーモジュールが広く用いられている。部品選定や制御回路とのマッチングやノイズ対策の難しいインバータ回路をパッケージ化することによって、大量生産によるコストダウンや設計の簡易化に大きな効果を発揮しており、インバータ制御の空気調和機などの多くの製品に適用されている。

従来のパワーモジュールは、パワー素子とドライブ回路を内蔵したものはあるが、制御回路は内蔵されていなかった。その理由は、制御回路とパワー素子との絶縁距離を確保する構造の難しさや、パワー素子やそのパワー素子の電気的接続を行うボンディングワイヤとの絶縁距離の確保が困難であったためである。さらに、制御回路の部品は、熱に対して弱くパワー素子からの熱を受けにくくする必要があったためである。

一般的に、絶縁距離を確保する構造としては、平面上で確保することが最も設計しやすいが、制御回路とパワー素子とを同一平面に配置すると、パワーモジュールの面積が非常に大きくなるため、モジュールとしての小型のメリットが失われる。また、制御回路をＤＩＰ型ハイブリッドＩＣ(Integrated Circuit：集積回路)として基板に実装する方法があるが、ハイブリッドＩＣをアルミニウム基板などの熱容量の大きい基板に取り付ける必要があるため、ハイブリッドＩＣのピンが再溶融することによる接触不良の恐れがある。

そこで、このような問題を解決するため、部品が実装されたアルミニウム基板の実装面側が４つの側壁に囲まれた樹脂ケース内にモールド樹脂を充填したパワーモジュールが提案されている(例えば、特開２００３−１１００９０号公報(特許文献１)参照)。

上記パワーモジュールでは、アルミニウム基板の上側に制御回路基板を搭載して、アルミニウム基板側の実装部品と制御回路基板側の実装部品との間の絶縁をモールド樹脂により確保している。しかしながら、このようなパワーモジュールでは、モールド樹脂を使用するため、コストが高くつくと共に、モールド樹脂と半導体素子との熱膨張係数の違いにより内部クラックが発生するという問題がある。
特開２００３−１１００９０号公報

そこで、この発明の目的は、パワー素子が実装されたパワー回路基板と制御回路基板を上下２段に組み合わせてモジュール化しても、モールド樹脂を充填することなく簡単な構成で絶縁距離を容易にかつ確実に規定できる低コストなパワーモジュールおよびそれを用いた空気調和機を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明のパワーモジュールは、
少なくともパワー素子が実装されたパワー回路基板と、
上記パワー回路基板の外縁から実装面の外周を囲うように立設された樹脂ケースと、
上記樹脂ケース内に上記パワー回路基板に対して所定の間隔をあけて配置され、上記パワー回路基板の上記パワー素子を制御する制御回路基板と
を備え、
上記樹脂ケースの内側に、内側に向かって突出する凸部が設けられ、
上記樹脂ケースと上記凸部により上記樹脂ケースの内側に段部が形成され、
上記樹脂ケースの内側に形成された上記段部に下面側が接するように上記制御回路基板を配置し、
上記樹脂ケースの内側に設けられた上記段部に、上記パワー回路基板と上記制御回路基板とを電気的に接続する接続ピンを挿通し、
上記凸部の上記段部側が上記制御回路基板に接すると共に上記凸部の上記段部側と反対の側が上記パワー回路基板に接して、上記パワー回路基板と上記制御回路基板との間に上記凸部が挟まれていることを特徴とする。

上記構成のパワーモジュールによれば、上記樹脂ケースの内側に設けられた段部に下面側が接するように、樹脂ケース内に制御回路基板をパワー回路基板に対して所定の間隔をあけて配置することによって、パワー回路基板に対する制御回路基板の高さが規定されて、パワー回路基板に実装されたパワー素子などの部品とその上側の制御回路基板との絶縁距離を正確に規定でき、モールド樹脂を充填することなく、絶縁距離を確保できる。したがって、パワー素子が実装されたパワー回路基板と制御回路基板を上下２段に組み合わせてモジュール化しても、モールド樹脂を充填することなく簡単な構成で絶縁距離を容易にかつ確実に規定できる小型で低コストなパワーモジュールを実現できる。

また、上記樹脂ケースの内側に設けられた段部を挿通する接続ピンを用いて、パワー回路基板と制御回路基板とを電気的に接続することによって、パワー回路基板側の実装面積を有効に活用できる。

また、この発明の空気調和機は、上記のいずれか１つに記載のパワーモジュールを用いたことを特徴とする。

上記実施形態の空気調和機によれば、モールド樹脂を充填することなく簡単な構成で絶縁距離を容易に規定できる小型で低コストなパワーモジュールを用いることによって、小型化と低コスト化が図れる。

以上より明らかなように、この発明のパワーモジュールによれば、樹脂ケースの内側に設けられた段部に下面側が接するように制御回路基板を配置することによって、パワー素子が実装されたパワー回路基板と制御回路基板を上下２段に組み合わせたモジュールができ、モールド樹脂を充填することなく簡単な構成で絶縁距離を容易に規定できる小型で低コストなパワーモジュールを実現することができる。

また、樹脂ケースの内側に設けられた段部を挿通する接続ピンを用いて、パワー回路基板と制御回路基板とを電気的に接続することによって、パワー回路基板側の実装面積を有効に活用できる。

また、この発明の空気調和機によれば、上記パワーモジュールを用いることによって、小型化と低コスト化が図れる。

以下、この発明のパワーモジュールおよび空気調和機を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１実施形態)
図１はこの発明の第１実施形態のパワーモジュール１０の斜視図であり、１はパワー回路基板、２は樹脂ケース、３は制御回路基板である。

また、図２は上記パワーモジュール１０の断面図を示しており、パワー回路基板１にパワー素子の一例としてパワー半導体チップ１１,１２を実装している。上記樹脂ケース２は、パワー回路基板１の外縁から実装面の外周を囲うように立設されている。また、上記樹脂ケース２内にパワー回路基板１に対して所定の間隔をあけて制御回路基板３を配置している。ここで、パワー回路基板１に実装されるパワー素子は、発熱量が大きく放熱対策が必要な回路部品である。なお、パワー回路基板１にパワー素子以外の部品を実装してもよい。一方、上記制御回路基板３には、パワー素子からの熱やスイッチングノイズなどの影響を受けやすいマイクロコンピュータなどの回路部品(図示せず)を実装している。

上記パワー回路基板１と制御回路基板３とを板状の接続ピン２０を介して電気的に接続している。上記板状の接続ピン２０の上端の両コーナーを切り欠いて段部２０a,２０aを設けている。上記接続ピン２０の段部２０a,２０aに制御回路基板３の下面側が接するようにしている。上記接続ピン２０でパワー回路基板１と制御回路基板３とを電気的に接続して、制御回路基板３によりパワー回路基板１のパワー半導体チップ１１,１２を制御する。

また、パワー回路基板１は、熱伝導性が高くかつ電気絶縁性の良好な窒化アルミニウム板の表面に回路パターンを形成した熱容量の大きな放熱基板である。このパワー回路基板１上に実装されたパワー半導体チップ１１,１２の電極(図示せず)と、パワー回路基板１上に形成された銅パターン(図示せず)や接続ピン２０および接続ピン２１とボンディングワイヤ１３,１４により電気的に接続している。

上記パワー回路基板１の裏面と、樹脂ケース２の下端面とを同一平面にしているのは、この面を放熱用部材(図示せず)に容易に取り付け可能にするためである。

また、図３はパワーモジュールの他の断面図を示しており、図を見やすくするため、制御回路基板３を省略している。

図３に示すように、樹脂ケース２の側壁に接続ピン２１を挿通している。上記接続ピン２１の上端側は、樹脂ケース２の上側に突出する一方、接続ピン２１の下端側は、略直角に屈曲してパワー回路基板１上に延びている。上記パワー回路基板１上の接続ピン２０および接続ピン２１の屈曲部分と、パワー半導体チップ１１,１２の電極(図示せず)との間をボンディングワイヤ１３,１４で電気的に接続している。

上記接続ピン２０および接続ピン２１は、樹脂ケース２の成形時に同時にモールドされ、製造工程を削減できる。また、接続ピン２０および接続ピン２１の大部分が樹脂ケース２によってモールドされているので、ピン間距離を正確に規定でき、トラッキング事故などのトラブルを防止することができる。ここで、「トラッキング事故」とは、接続ピン間において、長期間にわたって堆積した埃、塵等が原因となって短絡が生じ、このときの発熱によって接続ピン間の絶縁が劣化して、さらに大きな発熱が生じる結果、発煙、発火に至る事故のことである。

上記構成のパワーモジュールによれば、接続ピン２０の制御回路基板３側に設けられた段部２０aに制御回路基板３の下面側が接するようにしてパワー回路基板１と制御回路基板３とを接続ピン２０を介して電気的に接続し、樹脂ケース２内に制御回路基板３をパワー回路基板１に対して所定の間隔をあけて配置することによって、パワー回路基板１に実装されたパワー半導体チップ１１,１２などの部品７やボンディングワイヤ１３,１４とその上側の制御回路基板３との絶縁距離を正確に規定でき、モールド樹脂を充填することなく、絶縁距離を確保することができる。したがって、パワー半導体チップ１１,１２が実装されたパワー回路基板１と制御回路基板３を上下２段に組み合わせてモジュール化しても、モールド樹脂を充填することなく簡単な構成で絶縁距離を容易にかつ確実に規定できる小型で低コストなパワーモジュールを実現することができる。

上記パワー回路基板１と制御回路基板３とを電気的に接続する接続ピン２０の形状は、上記第１実施形態の板状の接続ピン２０の形状に限らず、制御回路基板側に段部が設けられ、段部に制御回路基板の下面側が接するようにしてパワー回路基板と上記制御回路基板とを電気的に接続する接続ピンであればよい。

(第２実施形態)
図４はこの発明の第２実施形態のパワーモジュール３０の断面図を示している。この第２実施形態のパワーモジュール３０は、樹脂ケース内側の構造を除いて第２実施形態のパワーモジュール１０と同一の構成をしており、同一構成部は同一参照番号を付している。また、外観は図１の斜視図と同様の形態をしている。

図４に示すように、パワー回路基板１にパワー素子の一例としてパワー半導体チップ１１,１２を実装している。また、上記樹脂ケース２は、パワー回路基板１の外縁から実装面の外周を囲むように立設されている。また、上記樹脂ケース２内にパワー回路基板１に対して所定の間隔をあけて制御回路基板３を配置している。

上記樹脂ケース２の内側に、内側に向かって突出する凸部４を設けて、樹脂ケース２と凸部４により樹脂ケース２の内側に段部４aを形成している。上記段部４aに制御回路基板３の下面側が接するようにして、樹脂ケース２内に制御回路基板３を配置している。また、上記凸部４に、パワー回路基板１と制御回路基板３とを電気的に接続する接続ピン２０を挿通して、接続ピン２０を介して制御回路基板３によりパワー回路基板１のパワー半導体チップ１１,１２を制御する。なお、樹脂ケース２の内側の凸部４は、別々に形成された樹脂ケース２と凸部４を組み合わせたが、樹脂ケース２と凸部と一体に成形されたものでもよい。

また、パワー回路基板１は、熱伝導性が高くかつ電気絶縁性の良好な窒化アルミニウム板の表面に回路パターンを形成した熱容量の大きな放熱基板である。このパワー回路基板１上に実装されたパワー半導体チップ１１,１２の電極(図示せず)と、パワー回路基板１上に形成された銅パターン(図示せず)や接続ピン２０および接続ピン２１とボンディングワイヤ１３,１４により接続している。

また、上記樹脂ケース２の側壁に接続ピン２１を挿通している。上記接続ピン２１の上端側は、樹脂ケース２の上側に突出する一方、接続ピン２１の下端側は、略直角に屈曲してパワー回路基板１上に延びている。上記パワー回路基板１上の接続ピン２０および接続ピン２１の屈曲部分と、パワー半導体チップ１１,１２の電極(図示せず)との間をボンディングワイヤ１３,１４で電気的に接続している。

上記構成のパワーモジュールによれば、樹脂ケース２の内側に設けられた段部４aに下面側が接するように、樹脂ケース２内に制御回路基板３をパワー回路基板１に対して所定の間隔をあけて配置することによって、パワー回路基板１に実装されたパワー半導体チップ１１,１２などの部品やボンディングワイヤ１３,１４とその上側の制御回路基板３との絶縁距離を正確に規定でき、モールド樹脂を充填することなく、絶縁距離を確保することができる。したがって、パワー半導体チップ１１,１２が実装されたパワー回路基板１と制御回路基板３を上下２段に組み合わせてモジュール化しても、モールド樹脂を充填することなく簡単な構成で絶縁距離を容易にかつ確実に規定できる小型で低コストなパワーモジュールを実現することができる。

また、上記樹脂ケース２の内側に設けられた段部４aを挿通する接続ピン２０を用いて、パワー回路基板１と制御回路基板３とを電気的に接続することによって、パワー回路基板１側の実装面積を有効に活用することができる。

上記第２実施形態では、上記樹脂ケース２の内側に凸部４を設けることにより樹脂ケース２の内側に段部４aを形成したが、樹脂ケースの内側に設けられ、制御回路基板の下面側が接するようにして樹脂ケース内に制御回路基板を配置することが可能な段部であればよい。

この発明のパワーモジュールを空気調和機に用いることによって、パワーモジュールの設置面積を小さくでき、省スペース化と低コスト化が図れる。

図１はこの発明の第１実施形態のパワーモジュールの斜視図である。図２は上記パワーモジュールの断面図である。図３は上記パワーモジュールの他の断面図である。図４はこの発明の第２実施形態のパワーモジュールの断面図である。

１…パワー回路基板
２…樹脂ケース
３…制御回路基板
４…凸部
４a…段部
１０,３０…パワーモジュール
１１,１２…パワー半導体チップ
１３,１４…ボンディングワイヤ
２０…接続ピン
２０a…段部
２１…接続ピン

Claims

少なくともパワー素子(１１,１２)が実装されたパワー回路基板(１)と、
上記パワー回路基板(１)の外縁から実装面の外周を囲うように立設された樹脂ケース(２)と、
上記樹脂ケース(２)内に上記パワー回路基板(１)に対して所定の間隔をあけて配置され、上記パワー回路基板(１)の上記パワー素子(１１,１２)を制御する制御回路基板(３)と
を備え、
上記樹脂ケース(２)の内側に、内側に向かって突出する凸部(４)が設けられ、
上記樹脂ケース(２)と上記凸部(４)により上記樹脂ケース(２)の内側に段部(４a)が形成され、
上記樹脂ケース(２)の内側に形成された上記段部(４a)に下面側が接するように上記制御回路基板(３)を配置し、
上記樹脂ケース(２)の内側に設けられた上記段部(４a)に、上記パワー回路基板(１)と上記制御回路基板(３)とを電気的に接続する接続ピン(２０)を挿通し、
上記凸部(４)の上記段部(４a)側が上記制御回路基板(３)に接すると共に上記凸部(４)の上記段部(４a)側と反対の側が上記パワー回路基板(１)に接して、上記パワー回路基板(１)と上記制御回路基板(３)との間に上記凸部(４)が挟まれていることを特徴とするパワーモジュール。
請求項１に記載のパワーモジュールを用いたことを特徴とする空気調和機。