(57)【要約】【課題】電流容量が大きくなってもサイズが大きくならず、小型化が可能であるとともに、外部回路との接続工程が簡単な電力用半導体モジュールを得ることである。【解決手段】リードフレームの一方の面に電力用半導体素子と筒状導通体とが接合され、筒状導通体の開口をトランスファーモールド樹脂の表面に露出させ、リードフレームの端子部を周側部から突出させてトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体モジュールであり、筒状導通体が制御回路と導通し、リードフレームの端子部が主回路と導通したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレームと電力用半導体素子と筒状導通体とを備え、上記リードフレームの一部と上記電力用半導体素子と上記筒状導通体とをトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体モジュールであって、上記リードフレームの端子部を上記電力用半導体モジュールの周側部から突出させ、上記筒状導通体の開口を上記電力用半導体モジュールの上面に露出させた電力用半導体モジュール。
【請求項２】
リードフレームの他方の面に絶縁シートを介して金属のベース板が接合され、上記リードフレームの一方の面に電力用半導体素子と筒状導通体とが接合され、上記筒状導通体が上記リードフレームの一方の面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項３】
セラミック板と上記セラミック板の一方の面に設けられた金属体と上記セラミック板の他方の面に設けられた配線パターンとからなるセラミック回路基板を備え、電力用半導体素子が上記配線パターンに搭載され、筒状導通体が上記配線パターンの面に略垂直に接続され、リードフレームの他方の面が上記配線パターンに接合されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項４】
金属板と上記金属板の一方の面に樹脂絶縁層を介して設けられた配線パターンとからなる金属回路基板を備え、電力用半導体素子が上記配線パターンに搭載され、筒状導通体が上記配線パターンの面に略垂直に接続され、リードフレームの他方の面が上記配線パターンに接合されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項５】
筒状導通体は、電力用半導体モジュールの制御回路と導通し、トランスファーモールド樹脂から突出したリードフレームの端子部は、上記電力用半導体モジュールの主回路と導通したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項６】
トランスファーモールド樹脂から突出したリードフレームの端子部が、水平に突出した突出部と折り曲げられた接続部とを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項７】
トランスファーモールド樹脂から突出したリードフレームの端子部が、水平に突出した突出部のみであり、上記突出部に導体取付け孔が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項８】
筒状導通体に外部端子が挿入されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
【請求項９】
外部端子が、筒状導通体に挿入される下部側がプレスフィット接続形状であり外部回路に接続する上部側が、スプリング形状の第１の外部端子、バネ形状の第２の外部端子、はんだ接続形状の第３の外部端子、プレスフィット接続形状の第４の外部端子のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生産性に優れたトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールに関し、特に、小型で大電流化を実現するトランスファーモールドによる樹脂封止型の電力用半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型であり、動作に伴う発熱を外部に効率良く逃がすことができるとともに、大電流化を可能にする電力用半導体モジュールとして、トランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールがある。
トランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールとして、リードフレームの一方の面に電力用半導体素子が搭載され、リードフレームの他方の面に、アルミ板または銅板と高熱伝導絶縁層と銅箔とからなる金属基板が接合され、金属基板のアルミ板または銅板面を露出してトランスファーモールドで樹脂封止されたものがある。
この電力用半導体モジュールでは、封止したトランスファーモールド樹脂の周側面から、外部回路に接続する板状の端子が突出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、別のトランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールとして、金属の放熱ベースに接合された回路パターンに、電力用半導体素子と外部回路に接続する端子とが設けられ、放熱ベースの回路パターンが設けられた面と対抗する面を露出してトランスファーモールドで樹脂封止されたものがある。
この電力用半導体モジュールでは、端子は回路パターンの面に対して略垂直に接合されている。そして、端子は回路パターンとの接合面の反対側の面が、回路パターンの面と平行なトランスファーモールド樹脂面に露出している。
そして、端子には、ねじ穴が付いた円筒や樹脂モールドしたナット等が用いられており、これらのねじ穴が付いた円筒や樹脂モールドしたナット等の端子は、外部配線とボルトで接続されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０４７２４号公報（第４頁、第５頁、第１図）
【特許文献２】特開２００７−１８４３１５号公報（第７頁〜第９頁、第２図、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のトランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールは、全ての板状の端子が、トランスファーモールド樹脂の周側面から突出しいる。そして、この板状の端子は金属が露出した構造であるので、板状端子間は十分な絶縁距離を確保する必要がある。
電力用半導体モジュールは多くの端子が設けられており、全ての端子がトランスファーモールド樹脂の周側面からでている特許文献１に記載の電力用半導体モジュールでは、端子間に十分な絶縁距離を確保すると、電力用半導体モジュールが大きくなり小型化が阻害されるとの問題があった。特に、端子数が多い電力用半導体モジュールや電流容量が大きく端子の幅が大きな電力用半導体モジュールでは、この問題が顕著であった。
【０００６】
また、特許文献２に記載のトランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールでは、端子は孔が設けられた筒状のものであり、主回路につながる主端子は、ねじ穴が付いた円筒や樹脂モールドしたナット、すなわち、ねじ孔が設けられた端子（ねじ付端子と記す）であり、ねじ付端子にはボルトで外部配線が接続される。
制御回路につながる制御端子は、コネクタ構造の端子であり、ピンで外部配線が接続される。
しかし、このねじ付端子を、電力用半導体モジュールの主回路につながる主端子として用いた場合、電力用半導体モジュールの電流容量が大きくなると、複数のねじ付端子を並列に接続するか、ねじ付端子のねじ部の径を大きくする必要があり、やはり、電力用半導体モジュールが大きくなり、小型化が阻害されるとの問題があった。
【０００７】
また、特許文献１に記載の電力用半導体モジュールでは、トランスファーモールド樹脂の周側面から突出した端子は同一平面上にある。すなわち主回路につながる端子の板面と制御回路につながる端子の板面とが同一平面状上にある。
また、特許文献２に記載の電力用半導体モジュールでは、主回路につながる端子と制御回路につながる端子の開口面がトランスファーモールド樹脂の一方の面にある。
特許文献１に記載の電力用半導体モジュールと特許文献２に記載の電力用半導体モジュールとの端子構造が上記のようであるので、主端子を電流容量の大きなバスバー基板やケーブル等で外部回路に接続し、制御端子をプリント基板の外部回路に接続する等、1つの電力用半導体モジュールに異なる形態の外部回路を接続する場合、接続工程が煩雑化し、生産性が低下するとの問題があった。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、トランスファーモールドで樹脂封止した電力用半導体モジュールであって、電流容量が大きくなってもそのサイズが大きくならず、小型化が可能であるとともに、外部回路との接続工程が簡単な電力用半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係わる電力用半導体モジュールは、リードフレームと電力用半導体素子と筒状導通体とを備え、リードフレームの一部と電力用半導体素子と筒状導通体とをトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体モジュールであって、リードフレームの端子部を電力用半導体モジュールの周側部から突出させ、筒状導通体の開口を電力用半導体モジュールの上面に露出させたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係わる電力用半導体モジュールは、リードフレームと電力用半導体素子と筒状導通体とを備え、リードフレームの一部と電力用半導体素子と筒状導通体とをトランスファーモールド樹脂で封止した電力用半導体モジュールであって、リードフレームの端子部を電力用半導体モジュールの周側部から突出させ、筒状導通体の開口を電力用半導体モジュールの上面に露出させたものであるので、小型化が可能であるとともに、外部配線との接続工程が簡単である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図１に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、リードフレーム１の一方の面に電力用半導体素子６が搭載され、リードフレーム１の電力用半導体素子６が搭載された面の反対側の他方の面に、高熱伝導性の絶縁シート７を介して金属のベース板８が接合されている。リードフレーム１には、孔を有するとともに端子を形成する筒状導通体である金属筒２が、リードフレーム１の一方の面に対して略垂直に接合されている。電力用半導体素子６、金属筒２は、リードフレーム１の配線パターンにそれぞれ接合されている。この状態では、電力用半導体素子６と金属筒２は電気的に接続されていないので、電力用半導体素子間、電力用半導体素子とリードフレーム間等、導通が必要な部位間はワイヤーボンド２０で接続されている。リードフレーム１と、電力用半導体素子６と、金属筒２と、絶縁シート７が接着された金属のベース板８とは、トランスファーモールド樹脂３で封止されている。
しかし、ベース板８の絶縁シート７が接合された面の反対側の面と、金属筒２のリードフレーム１に接合された部位に対向する部位とはトランスファーモールド樹脂３から露出している。つまり、金属筒２の開口を電力用半導体モジュール１００の上面に露出させている。
【００１２】
また、金属筒２の孔にはトランスファーモールド樹脂３は充填されておらず、金属筒２の孔に外部端子４を挿入接続できる。図１では、金属筒２の孔に外部端子４が挿入接続された状態を示している。
また、リードフレーム１の端子となる部位（端子部と記す）５がトランスファーモールド樹脂３の周側部から突出している。この端子部５は、水平に突出している突出部５ａと外部回路に接続する折り曲げられた接続部５ｂとで構成される。
本実施の形態では、金属筒２は電力用半導体モジュールの制御回路と導通し、制御端子となっており、リードフレーム１の端子部５は、電力用半導体モジュールの主回路と導通し、主端子となっている。
【００１３】
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの上面模式図である。
図３は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの斜視模式図である。
図２と図３とに示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、リードフレーム１の端子部５が、トランスファーモールド樹脂３の対向する２箇所の周側部から、各々複数突出しており、突出した複数の端子部５は所定の間隔を設けて、平行に並んでいる。そして、接続部５ｂは、電力用半導体モジュール１００の外部端子４が設けられる側に折り曲げられている。
また、図２と図３とに示すように、トランスファーモールド樹脂３には、冷却フィンの取付け孔１１が２個形成されている。この取付け孔１１はボルトと螺合する雌ねじ構造であっても良い。
【００１４】
本実施の形態において、リードフレーム１は一般的に電気伝導性、熱伝導性に優れた銅合金が用いられるが、これに限定する物ではなく、電気伝導性と熱伝導性を有する金属であれば良い。リードフレーム１の厚みは用いる電力用半導体素子６の電流容量により適宜決められる。また、ワイヤーボンドにはアルミニウム線が用いられる。
本実施の形態において、金属筒２には、熱伝導性と電気伝導性とに優れ、リードフレーム１に、はんだで接合できる金属、例えば、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金等のめっき品を用いるのが好ましい。めっきとしては、例えば、Ｎｉ―Ｓｎめっきが挙げられる。
また、金属筒２の厚みは、トランスファーモールド時の成形圧力により潰れない厚みであれば良く、その高さは、後で挿入される外部端子を十分に接続できる高さであれば良い。また、金属筒２の内径は、後で挿入する外部端子４の挿入部の外径から決まり、少なくとも、外部端子４を取り付けることができる内径であれば良い。そして、金属筒２におけるトランスファーモールド樹脂面に露出した開口は、内壁側端部を面取りして広げても良い。このようにすると、金属筒２への外部端子４の挿入が容易になる。
【００１５】
本実施の形態において、トランスファーモールド樹脂３には、例えば、フィラーとしてシリカ粉末が充填されたエポキシ樹脂が用いられる。トランスファーモールド樹脂３において、充填されるシリカ粉末の含有率は、リードフレームの１に用いられる部材の熱膨張係数などを考慮して最適な量が選定される。
また、トランスファーモールド樹脂３の放熱性を向上させる場合は、フィラーとしてシリカ粉末の代わりにアルミナ粉末を用いることが好ましい。
【００１６】
本実施の形態における電力用半導体モジュールの製造方法の一例について説明する。
まず、リードフレーム１に絶縁シート７を介して金属のベース板８を接合する。
次に、リードフレーム１のベース板８が接合された面の反対側の面における電力用半導体素子搭載部に電力用半導体素子６をはんだ等で接合し、金属筒搭載部に金属筒２をはんだ等で接合する。
次に、電力用半導体素子６と、リードフレーム１の電力用半導体素子搭載部と、リードフレーム１の金属筒搭載部との間における必要な箇所をワイヤーボンド２０で接続する。そして、金属筒２が電力用半導体モジュール１００の制御回路に導通され、リードフレームの端子部５が電力用半導体モジュール１の主回路に導通される。
【００１７】
次に、リードフレーム１に、絶縁シート７を介しベース板８が接合され、電力用半導体素子６と金属筒２とが搭載され、必要個所がワイヤーボンディングされたものを、金型にセットして、トランスファーモールド樹脂３で封止する。このとき、例えば、シートモールド方法と呼ばれる熱可塑性フィルムシートを金属筒２上に配置し封止する方法を用いることにより、金属筒２の孔にトランスファーモールド樹脂３が流れ込むのを防止できる。
最後に、リードフレーム１からタイバーを切断した後、端子部５を折り曲げて接続部５ｂを形成して、主端子として、電力用半導体モジュール１００が完成する。
また、電力用半導体モジュール１００は、制御端子である金属筒２に外部端子４を挿入した状態としても良い。
【００１８】
本実施の形態では、制御端子を形成する筒状導通体に金属筒２を用いているが、封止したトランスファーモールド樹脂３に、リードフレーム面まで貫通する孔を設け、この孔の内面にめっき等により導通部を形成して、制御端子を形成する筒状導通体としても良い。
本実施の形態の電力用半導体モジュール１００の金属筒２への外部端子４の接続は、接合部の信頼性、接続工程の簡易性、低コスト化の観点から、はんだ接合を用いず、圧力のみで簡単に接合出来るプレスフィットに代表される圧入接合が望ましい。
また、外部端子４は、圧入接合されるので、熱伝導性、電気伝導性に優れるとともに、バネ性を有した金属が好まれ、特に銅系の材料が望ましい。
【００１９】
図４は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールに用いられる外部端子を示す図である。
図４に示す全ての外部端子４は、制御端子に挿入される下部側の形状が、コンプライアントピン型のプレスフィット構造であるが、スターピン等の他のプレスフィット構造であっても良い。
外部端子４の上部側の形状は、電力用半導体モジュールに電気的に接続される外部回路の形状により決められる。外部回路との接続部がプリント基板のパターン部である場合は、このパターン部に接続する上部側が、スプリング形状の第１の外部端子４ａ、または、バネ形状の第２の外部端子４ｂを用いる。これらの外部端子は、プリント基板のパターン部に押し当てて電気的に接続するので、小面積での接続が可能である。
また、外部回路との接続部がプリント基板のスルーホール部である場合は、このスルーホール部に接続する上部側が、はんだ接続形状の第３の外部端子４ｃ、または、プレスフィット接続形状の第４の外部端子４ｄを用いる。これらの外部端子は、プリント配線板のスルーホール部で接合するので、接続信頼性が優れている。
【００２０】
本実施の形態１に係る電力用半導体モジュール１００では、電流容量が大きな主回路につながる主端子は、トランスファーモールド樹脂３の周側部から突出したリードフレーム１の端子部５である。制御回路につながる制御端子は、リードフレーム面に略垂直に設けられ、その開口部がトランスファーモールド樹脂３のリードフレーム面と平行な面にある。
すなわち、リードフレーム１の端子部５が主端子のみであるので、端子部５の数が多くなく、端子部５間の絶縁距離を十分に保つことができる。それと、金属筒２は制御端子として用いられているので、金属筒２に流れる電流が小さいので、電力用半導体モジュールの１つの回路の接続部位に複数の金属筒２を設ける必要がない。
したがって、電力用半導体モジュールの電流容量が大きくなっても、電力用半導体モジュールのサイズを大きくする必要がない。
【００２１】
図５は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールに外部回路を接続した状態を示す断面模式図である。
図５に示すように、本実施の形態の外部回路を接続した電力用半導体モジュール（外部回路接続電力用半導体モジュールと記す）１０１は、制御端子に外部端子４が挿入され、この外部端子４には、小型のコンデンサーや抵抗等の小型実装部品１４ａが搭載された第１の外部プリント基板１３ａが接続されている。主端子である端子部５の接続部５ｂには、大型のコンデンサーや抵抗等の大型実装部品１４ｂが搭載された第２の外部プリント基板１３ｂが接続されている。
本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、外部端子４の高さと端子部の接続部５ｂの高さを調整することにより、第１の外部プリント基板１３ａと第２の外部プリント基板１３ｂとを２段に配置できる。すなわち、外部回路を形成する外部プリント基板を立体的に配置することができ、電力用半導体モジュールの小型化が図れる。
【００２２】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図６に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール２００は、セラミック板９ｂと、セラミック板９ｂの一方の面に設けられた金属体である銅箔９ａと、セラミック板の他方の面に設けられた銅箔の配線パターン９ｃとからなるセラミック回路基板９を用い、このセラミック回路基板９の配線パターン９ｃに、電力用半導体素子６と金属筒２を搭載するとともに、リードフレーム１の他方の面を接合した以外、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様である。
本実施の形態の電力用半導体モジュール２００は、セラミック回路基板９の配線パターン９ｃに、各部品が接合されているので、各部品をより高密度に実装でき、電力用半導体モジュールのさらなる小型化が図れる。
【００２３】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
図７に示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール３００は、金属板１０ａと金属板１０ａの一方の面に樹脂絶縁層１０ｂを介して設けられた金属箔の配線パターン１０ｃとからなる金属回路基板１０を用い、この金属回路基板１０の配線パターン１０ｃに、電力用半導体素子６と金属筒２を搭載するとともに、リードフレーム１の他方の面を接合した以外、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様である。
本実施の形態の電力用半導体モジュール３００は、金属回路基板１０の配線パターン１０ｃに、各部品が接合されているので、各部品をより高密度に実装でき、電力用半導体モジュールのさらなる小型化が図れる。
【００２４】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールの上面模式図である。
図９は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールの斜視模式図である。
図８と図９とに示すように、本実施の形態の電力用半導体モジュール４００は、主端子となる端子部５が、トランスファーモールド樹脂３から水平に突出している突出部５ａのみであるとともに、この主端子である突出部５ａに、外部回路に導通する導体をボルトで接続するための導体取付け孔１２が設けられている以外、実施の形態１の電力用半導体モジュール１００と同様である。導体取付け孔１２はボルトと螺合する雌ねじ構造であっても良い。
本実施の形態の電力用半導体モジュール４００は、主回路につながる主端子に導体取付け孔１２が設けられており、この導体取付け孔１２に、外部回路と導通する導体を、ボルトで接続できる。
【００２５】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールに外部回路を接続した状態を示す断面模式図である。
図１０に示すように、本実施の形態の外部回路接続電力用半導体モジュール４０１は、制御端子に外部端子４が挿入され、この外部端子４に、小型のコンデンサーや抵抗等の小型実装部品１４ａが搭載された第１の外部プリント基板１３ａが接続され、主端子である突出部５ａに設けられたねじ孔１２に、外部回路と導通している導体であるバスバー基板１６がボルト１５で接続されている。
本実施の形態では、外部回路と導通している導体にバスバー基板を用いているが、この導体にケーブルを用いても良い。
【００２６】
本実施の形態の電力用半導体モジュール４００は、制御端子に接続する外部回路を、トランスファーモールド樹脂３の上面側に設置される外部端子４に接続でき、主端子につながる外部回路を、バスバー基板やケーブル等の導体で、トランスファーモールド樹脂３の周側部から突出したリードフレームの突出部５ａに接続できるので、配線工程が簡単である。
本実施の形態の電力用半導体モジュール４００においても、実施の形態２のセラミック回路基板９を用いた構造と実施の形態３の金属回路基板１０を用いた構造とが適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る電力用半導体モジュールは、小型化が実現でき、外部回路との配線工程が簡単であるので、大電流容量の電力用半導体装置に有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの上面模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールの斜視模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールに用いられる外部端子を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体モジュールに外部回路を接続した状態を示す断面模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体モジュールの断面模式図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールの上面模式図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールの斜視模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体モジュールに外部回路を接続した状態を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  リードフレーム、２  金属筒、３  トランスファーモールド樹脂、４  外部端子、
４ａ  第１の外部端子、４ｂ  第２の外部端子、４ｃ  第３の外部端子、
４ｄ  第４の外部端子、５  端子部、５ａ  突出部、５ｂ  接続部、
６  電力用半導体素子、７  絶縁シート、８  ベース板、９  セラミック回路基板、
９ａ  銅箔、９ｂ  セラミック板、９ｃ  配線パターン、１０  金属回路基板、
１０ａ  金属板、１０ｂ  樹脂絶縁層、１０ｃ  配線パターン、
１１  冷却フィン取付け孔、１２  導体取付け孔、１３ａ  第１の外部プリント基板、
１３ｂ  第２の外部プリント基板、１４ａ  小型実装部品、１４ｂ  大型実装部品、
１５  ボルト、１６  バスバー基板、２０  ワイヤーボンド、
１００，２００，３００，４００  電力用半導体モジュール、
１０１，４０１  外部回路接続電力用半導体モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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