JP7557692B2

JP7557692B2 - 電子装置

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Publication number: JP7557692B2
Application number: JP2023018292A
Authority: JP
Inventors: 大亮朝; 将人伊藤; 翔太大久保; 雅也三竹; 健吾竹内; 達洋中澤; 浩史近藤; 宏文小宮; 俊実人羅
Original assignee: Flosfia Inc
Current assignee: Flosfia Inc
Priority date: 2023-02-09
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2024-09-30
Anticipated expiration: 2043-02-09
Also published as: TW202439910A; WO2024166991A1; JP2024161533A; JP2024113361A; JP2024161532A

Description

本開示は、配線基板とパワー素子内蔵基板とを備える複合モジュールユニットが実装基板に実装された電子装置に関する。

特許文献１には、第１基板と、第１基板に立設された第２基板と、第２基板の板厚方向の一方側の面に配置された電子部品と、該一方側に第２基板に沿って配置されたヒートシンクとを備える電力変換装置が開示されている。

なお、背景技術のセクションは、当業者が本発明の範囲および有用性を理解することを支援するために、本発明の実施態様を技術的または動作的な文脈で提供されるものである。明示的に特定されたものでない限り、単に背景技術のセクションに含まれていることによって本明細書の記述が先行技術であると認められるものではない。

特許第６０５７１３８号公報

以下は、当業者に基本的理解を提供するために本開示の簡略化された概要を提示する。この概要は、本開示の実施形態の重要な要素を特定することまたは本発明の範囲を定めることを意図していない。この発明の概要の目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、簡略化された形態で、本明細書で開示されるいくつかの概念を提示することである。

本開示は、小型化された電子装置を提供することを課題の一つとする。

上記課題を解決するために、本開示の一態様における電子装置は、配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板とを備えるモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記モジュールユニットは、前記配線基板が前記実装基板と平行または略平行となるように前記実装基板上に実装されており、前記配線基板の前記パワー素子内蔵基板側に、前記パワー素子内蔵基板からの熱を放熱するための放熱部材が配置されている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様における電子装置は、第１の配線基板と、該第１の配線基板上に実装されている第１のパワー素子内蔵基板とを備える第１のモジュールユニットと、第２の配線基板と、該第２の配線基板上に実装されている第２のパワー素子内蔵基板とを備える第２のモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記第１のモジュールユニットは、前記第１の配線基板が前記実装基板と平行または略平行となるように実装されており、前記第１のモジュールユニット上に、前記第２のモジュールユニットが積層されている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様における電子装置は、配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板およびゲートドライバとを備えるモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記モジュールユニットは、前記実装基板上に立設されており、前記パワー素子内蔵基板および前記ゲートドライバが、前記配線基板の第１面側に配置されており、前記配線基板の前記第１面側に、前記パワー素子内蔵基板からの熱を放熱するための放熱部材が配置されている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様における電子装置は、配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板およびゲートドライバとを有するモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記モジュールユニットは前記実装基板上に立設されており、前記パワー素子内蔵基板が前記配線基板の第１面側に配置されており、前記ゲートドライバが前記配線基板の第１面側と反対側の第２面側に配置されている。

本開示の実施形態にかかる電子装置は、小型化が達成され得る。

第１実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。第１実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。第１実施形態にかかるパワー素子を含む半導体回路の等価回路図である。第１実施形態にかかるパワー素子内蔵基板の一例を模式的に示す断面図である。第２実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。第２実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。第３実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。第３実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。第４実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。第４実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。本開示の実施形態に係る電子装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。本開示の実施形態に係る電子装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。本開示の実施形態に係る電子装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図である。本開示の実施形態に係る電子装置を採用した制御システムの他の例を示す回路図である。第５実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する上面図である。第５実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。第５実施形態にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。変形例１にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。変形例１にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。変形例２にかかる電子装置を模式的に例示する断面図である。変形例２にかかる電子装置を模式的に例示する分解斜視図である。

本開示の態様と、その様々な特徴および優位な詳細は、図面を用いて説明および／または示され、また、以下の本明細書において述べられる非限定的な態様および例を参照してより具体的に説明される。当業者にとって明らかなように、本明細書において述べられていなくとも、図面中において示される特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。また、１つの態様における１つの特徴は別の態様においても単独または他の特徴と組み合わせて用いられ得ることに留意されたい。周知の要素および加工技術についての記載は、本開示の態様を必要に不明確にすることのないように省略され得る。本明細書において用いられる例は、単に本開示の理解を助けること、またさらに当業者が本開示の態様を実施できるようにすることを目的としている。したがって、本明細書における態様および例は本開示の範囲に限定されて解釈されるものではなく、特許請求の範囲および適用可能な法律によってのみ定められる。さらに、本開示の図面において、同様の参照番号は同様の部分を表す。

「第１の」、「第２の」等の用語は、本明細において用いられる様々な要素を記述するために用いられるが、要素は、これらの用語によって限定されるものではない。第１の、第２の等の用語は、１つの要素を別の要素から区別するためにのみ用いられる。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は第２の要素と称することができ、また、第２の要素は第１の要素と称することができる。本明細書において用いられるように、用語「および／または」は、挙げられた項目のうち１つまたは複数のいくつかまたは全ての組み合わせを包含する。

層、領域、または基板等の要素が別の要素の「上に」存在するまたは「上へ」延びるという表現が用いられる場合には、別の要素の上に直接存在するか、または上へ直接延びることができ、または介在する要素が存在してもよいことを理解されたい。一方、要素が「上に直接」存在する、または「上に直接」延びるという表現が用いられる場合には、介在する要素は存在しない。同様に、層、領域、または基板等の要素が「わたって」いる、または「わたって」延びるという表現が用いられる場合には、別の要素に直接わたっているか、または直接わたって延びることができ、介在する要素が存在してもよいことを理解されたい。一方、「直接わたって」いるか、または「直接わたって」延びるという表現が用いられる場合には、介在する要素は存在しない。要素が別の要素に「接続される」または「結合される」という表現が用いられる場合には、別の要素に直接接続または結合されることができ、または介在する要素が存在してもよいことを理解されたい。一方で、要素が別の要素に「直接接続される」または「直接結合される」との表現が用いられる場合には、介在する要素は存在しない。さらに、要素が別の要素に「積層される」という表現が用いられる場合には、別の要素に直接積層されることができ、または介在する要素が存在してもよいことを理解されたい。一方で、要素が別の要素に「直接積層される」との表現が用いられる場合には、介在する要素は存在しない。

本明細書において用いられる用語は、特定の態様のみを記述することを目的としており、本開示を限定することを意図していない。本明細書において用いられる「備える」「含む」は、記載された要素の存在を表すものであり、１つまたは複数の他の要素の存在を排除するものではない。

別途定義されない限り、本明細書において用いられる全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を持つ。本明細書において用いられる用語は本明細書の文脈および関連技術におけるいみと矛盾しない意味を有するように解釈される。また、本明細書において定義されない限り、本明細書において用いられる用語は、理想化された、または過度に形式的な意味で解釈されるべきでないことを理解されたい。

本開示においては、特に別途定義されない限り、配線基板の積層方向（配線基板表面と垂直な方向）をＹ方向、実装基板の積層方向（実装基板表面と垂直な方向）をＺ方向として説明する。また、配線基板の第１面側にパワー素子内蔵基板が実装されているモジュールユニットにおいては、配線基板からみてパワー素子内蔵基板側を上方、パワー素子内蔵基板からみて配線基板側を下方として「上」と「下」が定義される。配線基板の両側にパワー素子内蔵基板が実装されている構造の場合には、別途定義される。また、電子装置においては、実装基板からみてモジュールユニット側を上方、モジュールユニット側からみて実装基板側を下方として「上」と「下」が定義される。なお、本明細書にて、上面視は、平面視と言い換えられてもよい。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる電子装置１０１ａを例示する模式的分解斜視図である。図２は、電子装置１０１ａを例示する模式的断面図であり、図１において、Ｘ方向に垂直で且つパワー素子内蔵基板２ａを積層方向（Ｚ方向）平行な面で切断した断面を示す。図１および図２の電子装置は、実装基板１１、配線基板１ａ、パワー素子内蔵基板２ａ、放熱部材３ａがこの順に積層されている。また、放熱部材３ａ上には、冷却器として放熱フィン３ｃが接続されている。放熱フィン３ｃは、公知の導電性接着層等を用いて放熱部材３ａに接合されていてよい。本開示においては、前記放熱部材３ａに接続される冷却器は放熱フィン３ｃに限定されない。例えば、前記放熱部材３ａが筐体に接続されていてもよい。なお、図１には図示を省略しているが、パワー素子内蔵基板２ａおよび放熱部材３ａとの間には絶縁部材４ａが配置されていてもよい。本開示の電子装置においては、絶縁部材４ａは必須ではなく、前記放熱部材３ａと前記パワー素子内蔵基板２ａの少なくとも一部が直接接触していてもよい。

図示しないが、実装基板には、例えば、ゲートドライバ、入力端子、出力端子、制御ＩＣ，その他受動部品等が実装されていてよい。また、本実施形態においては、前記配線基板１ａ上に１つのパワー素子内蔵基板が実装されているが、本開示においては、実装されるパワー素子内蔵基板の数はこれに限定されない。本開示においては、さらに１または２以上のパワー素子内蔵基板が前記配線基板１ａ上に実装されていてよい。なお、図１および／または図２において、配線基板、パワー素子内蔵基板、実装基板それぞれの電気的接続については図示を省略するが、それぞれ公知の方法を用いて達成され得る。

（配線基板）
前記第１の配線基板１ａおよび／または前記第２の配線基板１ｂ（以下、まとめて単に「配線基板」ともいう。）は、誘電体基板であってもよいし、多層誘電体基板であってもよい。また、前記配線基板は、上面および／または内層に信号導体パターン（図示しない）が配線されたものである。また、図示しないが、配線基板１ａは、実装基板との電気的接続をとるための実装基板側のコネクタに接続するための電極パターンや、電極ピンを有していてもよい。さらに、配線基板１ａには、パワー素子以外の回路部品（例えば、コンデンサなどの受動部品）が実装されていてもよい。また、前記配線基板１ａには、ゲートドライバがさらに配置されていてもよい。

（パワー素子内蔵基板）
前記パワー素子内蔵基板２ａは、例えば、電力変換回路の一部を構成するパワー素子（ダイオード、トランジスタ等）が多層配線基板内に埋め込まれているものをいう。より具体的には、例えば、図３に示されるように、パワー素子内蔵基板２ａは、配線層（第１の配線層）１と保持層（第２の配線層）１１２との間に絶縁層１１５を有し、該絶縁層１１５中にパワー素子としてのトランジスタ１０１ａおよびダイオード１０２ａが埋設されている構造を有する。図５のパワー素子内蔵基板２ａにおいては、第１の配線層１１１が上部配線層を構成しており、保持層１１２が第２の配線層（下部層）の一部を構成している。前記第２の配線層１１２は基材１１８の両面にわたって形成された銅箔から構成されており、前記基材１１８の第１面側の銅箔と第２面側の銅箔とはスルーホールを介して電気的に接続されている。また、ダイオード１０２ａおよびトランジスタ１０１ａは、それぞれ接着層（図示せず）を介して、前記保持層（第１面側の銅箔）１１２上に載置されている。なお、前記保持層は第２の配線層を構成していてもよいし、その他の部材（例えば、金属基板やセラミック基板などの絶縁基板等）によって構成されていてもよい。

前記ダイオード１０２ａは、例えば、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、ＦＲＤ（ファストリカバリーダイオード）またはＰｉＮダイオードである。また、前記トランジスタ１０１ａは、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。なお、パワー素子としてのダイオード１０２ａおよびトランジスタ１０１ａを構成する半導体材料は、特に限定されない。前記半導体材料としては、例えば、シリコン、窒化ガリウム、炭化珪素、酸化ガリウム、ダイヤモンド等が挙げられる。前記パワー素子内蔵基板は、公知の部品内蔵基板の製造方法を用いて作製される。前記パワー素子内蔵基板の積層方向（Ｙ方向）の厚みは、例えば、３ｍｍ以下であり、好ましくは、１ｍｍ以下である。前記パワー素子内蔵基板の上面視の面積は、例えば、２０００ｍｍ^２以下であり、好ましくは、１０００ｍｍ^２以下である。

図４は、前記パワー素子内蔵基板１０ａに内蔵されるパワー素子の回路中における位置づけを説明するための等価回路図である。図４の回路構成においては、トランジスタ１０１ａとダイオード１０２１との逆並列回路と、トランジスタ１０１ｂとダイオード１０２ｂとの逆並列回路とが、直列に接続されており、さらにコンデンサ１０３がトランジスタ１０１ａおよび１０１ｂに並列に接続されている。前記半導体回路は、例えば、インバータ回路またはコンバータ回路等を含む電力変換回路に適用される。本実施形態において、前記第１のパワー素子内蔵基板２ａは、図４の等価回路におけるトランジスタ１０１ａおよびダイオード１０２ａを内蔵している。また、前記第２のパワー素子内蔵基板２ｂは、図４の等価回路におけるトランジスタ１０１ｂおよびダイオード１０２ｂを内蔵している。本開示においては、前記パワー素子内蔵基板２ａが複数のトランジスタ（例えば、トランジスタ１０１ａおよび１０１ｂ）および／または複数のダイオード（例えば、ダイオード１０２ａおよび１０２ｂ）を内蔵するものであってもよい。前記パワー素子内蔵基板が複数のトランジスタを内蔵する場合、当該複数のトランジスタは、互いに電気的に直列に接続されたものであってもよいし、並列に接続されたものであってもよい。また、本開示においては、後述するように、前記モジュールユニットが、複数のパワー素子内蔵基板を備えていてもよい。なお、上記で説明した回路構成は、あくまで一例であり、上記以外の回路構成であってもよい。本開示においては、複数の前記パワー素子内蔵基板を組合わせることにより、その他受動部品と合わせて電力変換回路を構成することができる。

（放熱部材）
前記放熱部材３ａは、パワー素子内蔵基板で発生した熱を放熱するために配置されるものである。前記放熱部材の構成材料も本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記放熱部材の構成材料としては、例えば、金属材料、セラミック材料、カーボン系材料またはこれらの複合材料等が挙げられる。本開示においては、前記放熱部材が金属ブロックであるのが好ましい。本開示においては、パワー素子内蔵基板と対向する面側に凹部を有するものであってもよい。前記金属ブロックは、例えば平面視において矩形状または円形状の形状を有している。また、金属ブロックは、平面視において前記パワー素子内蔵基板よりも大きい形状を有している。前記金属ブロックの一例を図３に示す。前記凹部は、公知の金属加工方法（打ち抜き加工、レーザ加工、削り出し加工、金属メッキ、３Ｄプリンタなど）を用いて形成される。また、前記金属ブロックの構成材料は、本開示の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記金属ブロックの構成材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄまたはこれらの合金（他の金属または炭素等を含んでいてもよい）が挙げられる。本開示においては、前記金属ブロックの構成材料が、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含むのが好ましく、アルミニウム（Ａｌ）を含むのがより好ましい。本開示においては、前記金属ブロックが、の凹部によって、前記パワー素子内蔵基板の周囲が覆われているのが好ましい。また、前記凹部の深さは、特に限定されない。前記凹部の深さは、例えば、５ｍｍ以下であり、好ましくは３ｍｍ以下であり、さらに好ましくは、１ｍｍ以下である。

本開示においては、例えば、図２に示されるように、前記放熱部材３ａと前記パワー素子内蔵基板２ａとの間に、絶縁部材４ａが配置されていてもよい。前記絶縁部材４ａは、高熱伝導性を有するものであるのが好ましく、より具体的には、例えばエポキシ樹脂等の樹脂に、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のフィラーを含有させた層等の、公知のＴＩＭ（ＴｈｅｒｍａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅＭａｔｅｒｉａｌ）材が用いられる。

（製造方法の例）
以下、上記構造の電子装置の製造方法について説明する。

モジュールユニットの組立工程では、パワー素子内蔵基板２ａを、配線基板１ａに公知の方法を用いて接続（実装）する。その後、前記パワー素子内蔵基板２ａ上に、所望により熱伝導性に優れた絶縁部材４ａを介して、放熱部材３ａを接合する。接合は、例えば（図示しない）導電性接着層を用いて行ってもよいし、各構成要素に貫通孔を形成し、該貫通孔を通してねじ止めすることにより、構成要素同士を固定することにより行ってもよい。貫通孔は、上記した積層工程よりも前に形成してもよいし、積層工程後に形成してもよい。本実施形態において、前記配線基板１ａ、前記パワー素子内蔵基板２ａおよび放熱部材３ａの固定方法は、これに限定されない。例えば、バスバーを用いて固定する方法、クリップを用いて固定する方法が用いられる。また、配線基板１ａ、パワー素子内蔵基板２ａ、放熱部材３ａおよび冷却フィン３ｃから構成されるモジュールユニットは、公知の方法を用いて、実装基板１１に実装される。本実施形態においては、配線基板１ａに公知の方法を用いてコネクタ８ａを取付け、実装基板側にコネクタ挿入部８ｂを設ける。そして、当該コネクタ８ａをコネクタ挿入部８ｂに挿入することにより、配線基板が実装基板に平行または略平行となるように、実装基板上にモジュールユニットを実装することができる。なお、上記で説明した電子装置の製造方法の内容は、あくまで一例であり、上記以外の内容であってもよい。例えば、前記モジュールユニットの組立工程は、上記で説明した手順に限定されるものではなく、趣旨および技術的思想を逸脱しない範囲で手順の追加・削除または順番の変更等をしてもよい。

（第１実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態の電子装置１０１ａは、配線基板上１ａ上にパワー素子内蔵基板が配置されており、該パワー素子内蔵基板２ａ側に放熱部材３ａが接続されたモジュールユニットが、実装基板に平行または略平行となるように実装されている。そのため、実装基板側の設計をより容易にしつつ、パワー素子内蔵基板からの放熱性に優れた構成とすることができる。また、本実施形態において、配線基板、部品内蔵パワーモジュールおよび金属ブロックが一体となっているため、ハンドリング性に優れており、さらに、複数モジュールユニットを組合わせることで放熱性・ノイズ特性の厳密な設計を行うことなく、例えば電力変換回路全体の実装設計の自由度を向上させることも可能である。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態にかかる電子装置１０１ｂを例示する模式的分解斜視図であり、図６に模式断面図を示す。図５の電子装置１０１ｂは、第１の配線基板１ａ上にパワー素子内蔵基板２ａが実装されて第１のモジュールユニットが構成されており、さらに、第１のモジュールユニット上に第２の配線基板１ｂおよび第２の配線基板１ｂ上の第２のパワー素子内蔵基板を有する第２のモジュールユニットが積層されている。また、第１のモジュールユニットおよび第２のモジュールユニットには、貫通孔が形成されており、ねじ９によって各構成要素が固定されている。

（第２実施形態の効果）
図５および図６の電子装置によれば、第１のモジュールユニット上にさらに第２のモジュールユニットが形成されている。そのため、１つのパワー素子内蔵基板が破損し場合に部分的に回路から切り離し、他のモジュールユニットで性能を維持する並列化の機能を実現することができる。また、各配線基板を積層することによってパワー素子内蔵基板の数を増やしているため、インダクタンスおよび熱膨張係数による反りの影響を低減しつつ、多機能化を実現することができる。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態にかかる電子装置１０１ｃを例示する模式的分解斜視図であり、図８に模式的断面図を示す。図７の電子装置１０１ｃは、第１の配線基板１ａの第１面上にパワー素子内蔵基板２ａ、放熱部材３ａおよび放熱フィン（冷却器）３ｃがこの順に積層されている。各構成要素の接続は上記した方法を用いて行われる。また、本実施形態においては、前記パワー素子内蔵基板に内蔵されるパワー素子のゲートドライバ７ａが、配線基板１ａの第１面と反対側の第２面側に配置されている。ゲートドライバ７ａは、パワー素子内蔵基板中に配置されているパワー素子のゲート電極のスイッチング動作を制御するための駆動回路を内蔵したＩＣで構成される。本実施形態において、前記配線基板１ａが第１面側にコネクタ８ａを備えており、実装基板上に設けられたコネクタ挿入部（図示しない）にコネクタ８ａを挿入することにより、モジュールユニット（配線基板）が実装基板１１１上に立設されている。

（第３実施形態の効果）
第３の実施形態によれば、パワー素子内蔵基板と反対側の面（第２面）にゲートドライバが配置されているため、よりノイズが抑制された構成とすることができる。またさらに、パワー素子内蔵基板側に放熱部３ａおよび放熱フィン（冷却器）が配置されているため、パワー素子内蔵基板で発生した熱をより良好に放熱することができる。さらに、実装基板１１上に配線基板１ａが立設されているため、実装基板１１上の省スペース化も実現することができる。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態にかかる電子装置１０１ｄを例示する模式的分解斜視図であり、図１０は模式的断面図を示す。図９および図１０に示す電子装置１０１ｄは、ゲートドライバ７ａが配線基板１ａの第１面側に配置されている点で、図７および図８に示す電子装置１０１ｄと異なる。

（第４実施形態の効果）
図９および図１０に示す電子装置１０１ｄによれば、配線基板の第１面側にパワー素子内蔵基板２ａおよびゲートドライバ７ａが配置され、放熱部材３ａおよび放熱フィン（冷却器）３ｃがパワー素子内蔵基板上に配置されているため、ノイズを低減しつつ、パワー素子内蔵基板で発生した熱のゲートドライバへの影響を低減することができる。また、本実施形態においては、図９および図１０に示すように、ゲートドライバ７ａが、パワー素子内蔵基板２ａよりも実装基板１１に近い位置に配置されているのが好ましい。このような構成とすることにより、パワー素子内蔵基板で発生した熱が実装基板１１の他の電子部品に影響を及ぼすことを抑制することができる。

図１８および図１９に、変形例１として、本開示の電子装置の他の態様を示す。図１８は配線基板１ａが実装基板１１に立設された状態を模式的に示す断面図、図１９が分解斜視図を示す。図１８および図１９に示すように、配線基板１ａが、樹脂部１４ａとピン部１４ｂおよび１４ｃとを備える接続部材を用いて実装基板１１に接続されている。図１８に示されるように、樹脂部１４ａには、Ｚ方向に伸びて、配線基板１ａと接続するピン部１４ｂと、Ｙ方向に伸びて実装基板１１と接続するピン部１４ｂとがそれぞれ挿入される形で接続されている。

（実施形態５）
実施形態５として、図１５～１７を用いて、電子装置内の構成要素同士の固定方法および電気的接続の一態様を説明する。図１５および図１６は、本実施形態にかかる電子装置１０１ｅを模式的に示す上面図および断面図である。図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ図１５におけるＡ－Ａ断面、Ｂ－Ｂ断面、Ｃ－Ｃ断面、Ｄ－Ｄ断面を示す。図２０および図１６に示すように、モジュールユニットのパワー素子内蔵基板と電源、他の部品、配線基板および／または実装基板とを接続するための入力ピン３２ａ、出力ピン３２ｂ、およびＧＮＤピン３２ｃと、配線基板上の他の部品や配線基板とその他部品等とを接続するための電源ピン３１ａおよび信号ピン３１ｂとが、配線基板１ａを貫通する形で配置されている。本開示においては、入力ピン３２ａ、出力ピン３２ｂおよびＧＮＤピン３２ｃは、図示しない配線パターン等を用いて、パワー素子内蔵基板２ａ上の対応する電極パッド（信号パッド、電源パッド等）と電気的に接続されている。本開示においては、入力ピン３２ａ、出力ピン３２ｂおよびＧＮＤピン３２ｃが、平面視（上面視）でパワー素子内蔵基板の外周よりも外側で且つ外周近傍に位置しているのが好ましい。

図１７は、図１５および図１６の電子装置１０１ｅを模式的に示す分解斜視図である。図１７に示されるように、電子装置１０１ｅは、各電極ピン（入力ピン３２ａ、出力ピン３２ｂ、ＧＮＤピン３２ｃ、信号ピン３２ａ、電源ピン３２ｂ）が実装基板に挿入される形で実装されてよい。この場合、実装基板１１上には、（図示しないが）各ピンに対応した孔が形成されている。電子装置１０１ｅにおけるモジュールユニットの実装基板への実装方法は、上述した構成に限定されない。

図２０および図２１は、変形例２にかかる電子装置１０１ｇを模式的に例示する断面図および分解斜視図である。図２０および図２１の電子装置１０１ｇでは、配線基板のパワー素子内蔵基板２ａと反対側の面に、放熱部材３ｂおよびパワー素子内蔵基板２ａ内のパワー素子を制御するためのゲートドライバ７ａが配置されている。図２０および図２１の電子装置１０１ｇによれば、モジュールユニットの両面側に放熱部材（金属ブロック）が配置されているため、より放熱性に優れた構成とすることができる。また、裏面側にも放熱部材が配置されているため、それぞれの放熱部材（金属ブロック）をより小型化することができる。さらに、図２０および図２１の電子装置１０１ｇによれば、モジュールユニットの裏面側にゲートドライバ７ａが配置されているため、基板の面積を最小化しつつインダクタンスをより低減することができる。また、本開示においては、図２７のモジュールユニット１０ｊのように、パワー素子内蔵基板２ａとゲートドライバ７ａとが平面視で（Ｙ方向からみて）重ならない位置に配置されていてもよい。このように配置することにより、パワー素子内蔵基板２ａから発生する熱によるゲートドライバ７ａへの影響をより良好に低減することができる。なお、本開示においては、パワー素子内蔵基板２ａおよびゲートドライバ７ａが、平面視で（Ｚ方向からみて）一部重なっていてもよい。平面視で重なる割合が少なければ（例えば、平面視でパワー素子内蔵基板の面積の５０％以下、好ましくは３０％以下）、熱の影響を低減することができる。

上述した本発明の実施形態に係るモジュールユニット（または電子装置）は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。図１１は、本発明の実施形態に係るモジュールユニット（または電子装置）を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図１２は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）への搭載に適した制御システムである。

図１１に示すように、制御システム５００はバッテリー（電源）５０１、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４、モータ（駆動対象）５０５、駆動制御部５０６を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー５０１は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ５０２は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば６５０Ｖに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ５０３も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー５０１から供給される例えば２００Ｖの直流電圧を、例えば１２Ｖ程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。

インバータ５０４は、昇圧コンバータ５０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ５０５に出力する。モータ５０５は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ５０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部５０６に入力される。また同時に、インバータ５０４の出力電圧値も駆動制御部５０６に入力される。駆動制御部５０６はＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ５０４にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ５０４がモータ５０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部５０６からのフィードバック信号を昇圧コンバータ５０２に与えることで、インバータ５０４への出力電圧を制御することも可能である。

図１２は、図１１における降圧コンバータ５０３を除いた回路構成、すなわちモータ５０５を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の実施形態に係るモジュールユニット（または電子装置）は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ５０２およびインバータ５０４に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ５０２においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ５０４においてはＩＧＢＴを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー５０１の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー５０１、昇圧コンバータ５０２、インバータ５０４のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１２中に点線で示すように、駆動制御部５０６内にはＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）からなる演算部５０７と不揮発性メモリからなる記憶部５０８が設けられている。駆動制御部５０６に入力された信号は演算部５０７に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部５０８は、演算部５０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部５０７に適宜出力する。演算部５０７や記憶部５０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

図１１や図１２に示されるように、制御システム５００においては、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム５００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ５０２、降圧コンバータ５０３、インバータ５０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部５０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、上述の制御システム５００は本発明の実施形態に係るモジュールユニット（または電子装置）を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。

図１３は、本発明の実施形態に係るモジュールユニット（または電子装置）を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図１４は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。

図１３に示すように、制御システム６００は、外部の例えば三相交流電源（電源）６０１から供給される電力を入力するもので、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４、モータ（駆動対）６０５、駆動制御部６０６を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源６０１は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源６０１から供給される１００Ｖや２００Ｖの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により３．３Ｖや５Ｖ、あるいは１２Ｖといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には１２Ｖへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはＡＣ／ＤＣコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。

インバータ６０４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ６０５に出力する。モータ６０４は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ６０４から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。

なお、例えば家電機器においてはＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム６００にインバータ６０４は不要となり、図２０中に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには３．３Ｖの直流電圧が、ＬＥＤ照明機器などには５Ｖの直流電圧が供給される。

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部６０６に入力される。また同時に、インバータ６０４の出力電圧値も駆動制御部６０６に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部６０６はインバータ６０４にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ６０４がモータ６０５に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２をフィードバック制御することも可能である。

図１４は、図１３の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてＡＣ／ＤＣコンバータ６０２およびインバータ６０４に採用されることでスイッチング制御に供される。ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ６０４においてはＩＧＢＴにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２とインバータ６０４の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１４中に点線で示すように、駆動制御部６０６内にはＣＰＵからなる演算部６０７と不揮発性メモリからなる記憶部６０８が設けられている。駆動制御部６０６に入力された信号は演算部６０７に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部６０８は、演算部６０７による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部６０７に適宜出力する。演算部６０７や記憶部６０８は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

このような制御システム６００においても、図１１や図１２に示した制御システム５００と同様に、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２やインバータ６０４の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム６００の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータ６０２、インバータ６０４のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部６０６も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、図１３および図１４では駆動対象としてモータ６０５を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム６００においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、ＬＥＤ照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。

［付記］
以上のように、本実施形態は以下のような開示を含む。
（付記１）
配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板とを備えるモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記モジュールユニットは、前記配線基板が前記実装基板と平行または略平行となるように前記実装基板上に実装されており、前記配線基板の前記パワー素子内蔵基板側に、前記パワー素子内蔵基板からの熱を放熱するための放熱部材が配置されている、電子装置。
（付記２）
第１の配線基板と、該第１の配線基板上に実装されている第１のパワー素子内蔵基板とを備える第１のモジュールユニットと、第２の配線基板と、該第２の配線基板上に実装されている第２のパワー素子内蔵基板とを備える第２のモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記第１のモジュールユニットは、前記第１の配線基板が前記実装基板と平行または略平行となるように実装されており、前記第１のモジュールユニット上に、前記第２のモジュールユニットが積層されている、電子装置。
（付記３）
配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板およびゲートドライバとを備えるモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記モジュールユニットは、前記実装基板上に立設されており、前記パワー素子内蔵基板および前記ゲートドライバが、前記配線基板の第１面側に配置されており、前記配線基板の前記第１面側に、前記パワー素子内蔵基板からの熱を放熱するための放熱部材が配置されている、電子装置。
（付記４）
配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板およびゲートドライバとを有するモジュールユニットと、実装基板とを備え、前記モジュールユニットは前記実装基板上に立設されており、前記パワー素子内蔵基板が前記配線基板の第１面側に配置されており、前記ゲートドライバが前記配線基板の第１面側と反対側の第２面側に配置されている、電子装置。
（付記５）
前記パワー素子内蔵基板は、第１の配線層と、保持層と、前記第１の配線層と前記保持層との間に位置する絶縁層と、パワー素子とを備え、前記パワー素子が前記絶縁層に埋め込まれている付記１～４のいずれかに記載の電子装置。
（付記６）
前記パワー素子は、電力変換回路の一部を構成するものである付記５記載の電子装置。
（付記７）
さらにゲートドライバが前記配線基板上に実装されている付記１または２に記載の電子装置。
（付記８）
さらに、他の配線基板と該他の配線基板上に実装されているゲートドライバとを備えるドライバユニットを備え、該ドライバユニットが前記モジュールユニット上に積層されている付記１または２に記載の電子装置。
（付記９）
さらに第１の配線基板上に第１のゲートドライバを備え、第２の配線基板上に第２のゲートドライバを備える付記２記載の電子装置。
（付記１０）
さらに、第３の配線基板と該第３の配線基板上に実装されているゲートドライバとを備えるドライバユニットを備え、前記ドライバユニットが、前記第１の配線基板上または前記第２の配線基板上に積層されている付記２記載の電子装置。
（付記１１）
前記放熱部材が、冷却器に接続されている付記１～１０のいずれかに記載の電子装置。
（付記１２）
前記配線基板のパワー素子内蔵基板上に、前記パワー素子内蔵基板の熱を放熱するための放熱部材が配置されている付記２または４に記載の電子装置。

１ａ、１ｂ配線基板
２ａ、２ｂ部品内蔵パワーモジュール
３ａ、３ｂ金属ブロック（放熱部材）
３ｃ放熱フィン（冷却器）
３ｄ放熱部材
４ａ、４ｂ絶縁部材
５ａ、５ｂ凹部
６グランド電極
７ａ、７ｂゲートドライバ
８ａコネクタ
８ｂコネクタ挿入部
１１実装基板
１２受動部品
１４ａ樹脂部
１４ｂピン部
１４ｃピン部
３１ａ電源ピン
３１ｂ信号ピン
３２ａ入力ピン
３２ｂ出力ピン
３２ｃＧＮＤピン
１０１ａ、１０１ｂトランジスタ
１０２ａ、１０２ｂダイオード
１１１第１の配線層（上部配線層）
１１２保持層（第２の配線層／下部配線層）
１１５絶縁体
１１７導電ビア
１１８基材
１１９ａ絶縁保護層
１１９ｂ絶縁保護層
１２０スルーホール
１１１ａ接着層（導電性接着層）
１１１ｂ接着層（導電性接着層）

Claims

配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板とを備えるモジュールユニットと、実装基板と、前記配線基板上に実装されているゲートドライバと、を備え、
前記モジュールユニットは、前記配線基板が前記実装基板と平行または略平行となるように前記実装基板上に実装されており、前記配線基板の前記パワー素子内蔵基板側に、前記パワー素子内蔵基板からの熱を放熱するための放熱部材が配置され、前記放熱部材が金属材料またはその複合材料で構成されている、電子装置。
前記配線基板と、前記実装基板がコネクタにより接続されている請求項１の電子装置。
配線基板と、該配線基板上に実装されているパワー素子内蔵基板およびゲートドライバとを備えるモジュールユニットと、実装基板とを備え、
前記モジュールユニットは、前記実装基板上に立設されており、前記パワー素子内蔵基板および前記ゲートドライバが、前記配線基板の第１面側に配置されており、前記配線基板の前記第１面側に、前記パワー素子内蔵基板からの熱を放熱するための放熱部材が配置されている、電子装置。
前記パワー素子内蔵基板は、第１の配線層と、保持層と、前記第１の配線層と前記保持層との間に位置する絶縁層と、パワー素子とを備え、前記パワー素子が前記絶縁層に埋め込まれている請求項１～３のいずれかに記載の電子装置。
前記パワー素子は、電力変換回路の一部を構成するものである請求項４記載の電子装置。
さらに、他の配線基板と該他の配線基板上に実装されているゲートドライバとを備えるドライバユニットを備え、該ドライバユニットが前記モジュールユニット上に積層されている請求項１または２記載の電子装置。
前記放熱部材が、冷却器に接続されている請求項１～３のいずれかに記載の電子装置。