(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体と、
前記パワー半導体を制御する制御用半導体素子と、
前記パワー半導体、または前記制御用半導体素子が電気的に接続されるリードフレームと、
電気的に絶縁する絶縁層を介在して前記リードフレームを固定する金属ベースと、
前記パワー半導体の表面を被覆する封止材と
を有する電力変換装置において、
前記リードフレームを固定する前記金属ベースの固定面に対し略垂直な方向に曲げた部位を前記リードフレームが有し、当該略垂直な方向に曲げた部位の延長部を主端子とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記請求項１記載の電力変換装置であって、
前記金属ベースに対し略垂直な方向に曲げた部位を有する前記リードフレームは、接着性を有する絶縁層によって、前記金属ベースに固着されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記請求項１記載の電力変換装置であって、
前記パワー半導体は、はんだによって、前記前記リードフレームに固定されることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパワー半導体素子及び制御素子が搭載された混成集積回路を有するインバータ等に代表される電力変換装置に適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置で用いられている主回路部と主回路の制御を行う回路部及びパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行うマイクロコンピュータ等の回路が混在する半導体モジュール構造（断面図）を図１９に示す。従来構造では、パワー半導体素子１１ａ，１１ｂを実装する金属ベースとして放熱性を考慮したアルミ絶縁基板等に代表される絶縁金属基板１９が適用される。一般に絶縁金属基板１９には樹脂と熱伝導性の良いフィラーを混ぜ合わせて作られる樹脂絶縁層２０が用いられ、樹脂絶縁層２０上に主回路及び制御回路の部品を固着並びに配線するための箔状の積層導体１４が形成されている。また、制御回路の集積回路２３ような低発熱部品は、放熱の必要性が無いためガラスエポキシ系等の安価な配線基板２１ａを用いてモジュール内に配置されている。外装樹脂モールドケース３３には、樹脂モールド形成時に一体形成された主端子１７及び制御端子２４が埋め込まれ（以下リードインサートケースと呼ぶ）、外装樹脂モールドケース３３の内部に導出された主端子１７及び制御端子２４の一部と、各パワー半導体素子１１ａ，１１ｂ、絶縁金属基板１９上の積層導体１４及び配線基板２１ａ上の積層導体１４を金属ワイヤー１６によって電気的に接続している。また、外装樹脂モールドケース３３内の部品上面に樹脂封止材３２を充填して各内臓部品を被覆している。絶縁金属基板１９は配線基板２１ａと比較すると高価であるため、本モジュール構造では絶縁金属基板１９の占有面積の縮小が低価格化の大きな要素となるが、製品としてシステムのワンパッケージ化を行うと内部の搭載部品が増加し、従って絶縁金属基板１９のサイズも拡大する傾向にある。それに加え、電力変換装置の入出力部である主端子１７と各パワー半導体素子１１ａ，１１ｂ並びに絶縁金属基板１９上の積層導体１４の電気的接続を金属ワイヤー１６により行っているため、電流容量に見合う複数の金属ワイヤー１６が必要となり、金属ワイヤー１６のパッド面積（ワイヤ接続部の面積）の増加を招き小型・低価格化の妨げとなる。
【０００３】
一方、この問題を回避するためとしては、特開平１０−１２５８２６号で開示されるモジュール構造があり、これの構造（断面図）を図２０に示す。ここでは主端子１７と一体形成されたリードフレーム１３が絶縁金属基板１９上における積層導体１４の役割を果たし、金属ベース１５上のパワー半導体素子１１ａ，１１ｂは全てこのリードフレーム上に実装され、主端子１７とパワー半導体素子１１ａ，１１ｂの間はリードフレーム１３によって電気的導通が行われる。また、モジュールのベース板としては、絶縁金属基板１９の代わりにアルミや銅の金属板が金属ベース１５として適用され、前記リードフレーム１３、配線基板２１ａは絶縁接着シート１８を狭持して金属ベース１５に固着される。ここで絶縁接着シート１８は絶縁金属基板１９における樹脂絶縁層２０の役割を果たし、成分としてはエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂でガラス転移温度が１００℃を超える様な絶縁樹脂シートである。本モジュールでは、積層導体１４のエッチングに代表される複雑な製造プロセスが必要な絶縁金属基板１９の代わりに絶縁層や積層導体が形成されていない安価な金属ベース１５と絶縁接着シート１８及びプレス機等で製造可能な打ち抜きリードフレーム１３を使用して絶縁金属基板１９と同等な機能を構成できるため、部材のコストダウンが見込めると共に配線の細線化と金属ワイヤー１６の本数削減によってパッド面積を縮小化でき、モジュールの小形・低価格化が可能となることが特徴である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１９に示すリードインサートケースと絶縁金属基板及び配線基板を有する構造の場合、更なる電力変換装置の小型化、低価格化を行うには絶縁金属基板の面積を小型化しなければならないが、一般に基板を小形化する際には配線幅を縮小する必要があり、その場合は電流容量を維持するため配線厚を増加することが必要である。しかし絶縁金属基板上の積層導体厚は一般に７０〜２００μｍと比較的薄く単位配線幅あたりの電流容量が少ないため配線幅を細くすることが困難であり、小型化の限界を決める要因の一つとなる。また、電力変換装置の入出力部である主端子１７と各パワー半導体素子１１ａ、１１ｂ並びに絶縁金属基板１９上の積層導体１４の電気的接続を金属ワイヤー１６によるワイヤボンディングで行っているため、接続部には電流容量に見合う複数本の金属ワイヤー１６が必要となり、金属ワイヤー１６のパッド面積の増加を招き小形・低価格化の妨げとなる。
【０００５】
一方、図２０に示すようにパワー半導体１１ａ、１１ｂと絶縁接着シート１８付き金属ベース１５に固着されたリードフレームと制御回路が固着された配線基板２１ａを一度にモールド形成する構造（トランスファモールド）においては以下の問題点を抱える。
即ち、
（１）半導体素子、ボンディングワイヤの上面を樹脂が覆うので流動性の高い樹脂を用いて一体モールドする必要が有り、その場合樹脂回り込みを防ぐため出力端子周辺の公差を最小にする必要が生じる。従って、図１９の様なモールドケース構造と比較した場合、金型のコストが大きくなり少量生産品への適用には不向きである。
【０００６】
（２）使用する樹脂の膨張及び収縮によって応力が生じ、モールドするサイズに比例して金属ベースの反りが増大するため、反りを押さえるために外形サイズに制限が生じてしまい自由なシステム構成が構築できない。
【０００７】
（３）システム全面をモールドする際、モールド外部に引き出す電極の向きを金属ベースに対して垂直方向にする場合は金型が複雑になり非常にコスト高となるため、端子は金属ベースに平行に導出することが望ましい。この様な端子の導出方向の問題より外部回路との接続に大きな制約が生じシステムの小形化ができない。またこれは、外部放熱フィンと出力端子の絶縁距離を考慮すると、金属ベースに垂直な方向の樹脂モールドの高さをあまり小さくできないこととなり、これはモールド樹脂量の増大を引き起こし、（２）の問題にもつながる。
【０００８】
（４）電力変換装置及びシステムを構成する上で必要な絶縁トランスや電解コンデンサの様に凹凸が有る部品をリードフレームと共に樹脂にて一体形成するには、全ての部品を完全に覆う必要があることから多量の樹脂が必要となり、価格が高騰して安価なシステムの構成ができなくなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためには、絶縁接着シートを狭持させた状態で金属ベースとリードフレームを固着し、金属ベースに外装樹脂モールドケースを接着剤等で固着すると共に、この外装樹脂モールドケース内に樹脂封止材を充填し、外装樹脂モールドケースと内部に塔載した半導体素子等の回路部品を一体封止する。
【００１０】
また、リードフレームの一部もしくはリードフレームと絶縁接着シートを狭持させ固着させた金属ベースの一部と外装樹脂モールドケースを一体形成し、この外装樹脂モールドケース（以下、リードフレームケースと呼ぶ。）内に樹脂封止材を充填し、内部に塔載した半導体素子等の回路部品と前記外装樹脂モールドケースを一体封止する構造の半導体モジュールを用いて電力変換装置及びシステムを構成する。
【００１１】
リードフレームを用いることで金属ワイヤーの本数を削減できると共に、リードフレーム厚を絶縁金属基板の導体厚の３倍以上にも設定可能であるため、同絶縁金属ベース上のパターンよりもリードフレーム幅を狭くしてリードフレーム面積及び金属ベースの小型化が可能となると共に、外装樹脂ケースを用いることで装置及びシステムを構成するのに必要な凹凸部品をリードフレーム上及び外装モールドケース内に実装する際、これらの部品のモールド時に必要となる樹脂の量を最小限にすることが可能である。
【００１２】
即ち、必要なモールド樹脂は装置の外装部分及び内蔵した回路部品で被覆を必要とする部分に用いた量だけである。従って、樹脂の膨張及び収縮によって生じる応力を最小限に押さえることができ、金属ベースの反りを緩和することが可能であり、装置サイズにあわせて自由に外形サイズを選択できると共に低価格化が可能である。
また、上記問題点を解決するために、パワー半導体と、前記パワー半導体を制御する制御用半導体素子と、前記パワー半導体、または前記制御用半導体素子が電気的に接続されるリードフレームと、電気的に絶縁する絶縁層を介在して前記リードフレームを固定する金属ベースと、前記パワー半導体の表面を被覆する封止材とを有する電力変換装置において、前記リードフレームを固定する前記金属ベースの固定面に対し略垂直な方向に曲げた部位を前記リードフレームが有し、当該略垂直な方向に曲げた部位の延長部を主端子とするようにする。
また、前記パワー半導体は、はんだによって、前記前記リードフレームに固定されるようにする。
【００１３】
更に、リードフレームケースの形成に必要な設備は一般の外装ケース製造装置と等しく多大な設備投資の必要がなく、少量生産品への適用に向いている。また、外部との接続端子の位置に関しては金属ベースに対して垂直に端子が導出されるため、レイアウトの自由度を十分確保することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第１の実施例としての電力変換装置の断面形状（後で示す図３のＡ−Ａ‘断面に沿った電力変換装置の断面図）を示す。図２は本実施例の電力変換装置の鳥瞰図である。電力変換装置としてはこの他に上面カバーなどがあるが、内部構造を示すためにここでは省略してある。本実施例の電力変換装置においては、装置底部に本発明による樹脂モールドにより一体化されたパワー半導体モジュール１１ａ、１１ｂが設置され、リードフレーム１３の一部が曲げられモジュールの外部に導出される主端子１７、制御端子２４が、外装樹脂モールドケース３０とは分離した配線基板２１ｂに接続され、配線基板２１ｂにはパワー半導体素子以外の部品である電解コンデンサ４２や、装置の入出力を配線するための端子台４３が搭載される。本装置では更に誘導電動機の回転機の出力特性を制御するマイクロプロセッサや、パワー半導体１１ａ、１１ｂを駆動するドライバＩＣ等の集積回路２３及びその周辺制御回路用部品２２、制御用電源回路、絶縁トランス４１等を配線基板２１ａに搭載する。
【００１５】
本実施例の特徴は前記半導体モジュールにあり、図１に加えて図３に部品上を樹脂封止する前の半導体モジュール部の上面図を示す。ここで、モジュールの外部に導出されている主端子１７、制御端子２４はモジュール内部ではそのまま金属ベース１５上へ延長されリードフレーム１３を形成する。リードフレーム１３は絶縁接着シート１８を狭持して金属ベース１５と固着され、パワー半導体素子１１ａ，１１ｂはこのリードフレーム１３上にはんだにより直接実装される。ここで前記絶縁接着シート１８は図２０で用いたものと同様で高耐圧、高熱伝導率、低熱膨張率の特性を持つ未硬化性樹脂シートであり、金属ベース１５はアルミ、銅に代表される高熱伝導率を有する金属を使用し、図１９で示した従来技術の樹脂絶縁層２０やエッチングされた積層導体１４の形成は必要としない。外装樹脂モールドケース３０の樹脂部と金属ベース１５の周辺部は接着剤等で固着し、更にリードフレーム１３、半導体素子１１ａ、１１ｂ、主端子１７及び制御端子２４の間はそれぞれアルミワイヤに代表される金属ワイヤー１６によって電気的に接続され、モジュールの金属ベース１５上に全部品搭載後、部品の上面にはエポキシ等の樹脂封止材３２が充填され、半導体モジュールとしては外装樹脂モールドケース３０と一体化したモールド構造となる。樹脂封止材３２の充填量としてはモジュール内のリードフレーム１３上に実装された部品１１ａ，１１ｂ及び金属ワイヤー１６などを覆い隠すだけの量があれば問題無いため、充填する樹脂量を最小限にすることにより、樹脂の膨張及び収縮によって生じる応力を最小限に押さえ、金属ベース１５の反りを緩和することが可能であると共に、材料費の低減にもつながる。またこれはモジュールサイズに関する自由度が大きいことにつながるため、モジュールサイズ、形状も電力変換装置としてのシステムに最適化することが可能である。また外装樹脂モールドケース３０の製作時又は樹脂封止時に設備的な制約を受けないため、モジュールの外部に導出する主端子１７、制御端子２４は金属ベースに垂直に立てることが容易であり、配線基板２１ａとの接続性の向上及び小形化を含むシステム構成上の自由度を拡大することができる。更に、図２０のパワー半導体素子１１ａ，１１ｂや金属ワイヤー１６等、樹脂注入時破壊され易い部品を一体モールドする構造のトランスファモールドの場合と異なり、外装樹脂モールドケース３０の内部に樹脂封止材３２を充填するため、主端子１７、制御端子２４及び外装樹脂モールドケース３０の金型を安価に押さえることができる。
【００１６】
制御回路部は発熱量が小さいため安価なエポキシ系の配線基板２１ｂを適用し、本実施例では前記一体化されたモールド部分の上面に導出されている主端子１７、制御端子２４にはんだ等で接続され、制御回路部品２２、集積回路部品２３は配線基板２１ａ上の積層導体１４にはんだにより実装され、最後に電解コンデンサ４２、端子台１４等が配線基板２１ｂに搭載され、電力変換装置の基本的な構造を形成する。本実施例の前記基板及び部品構成は電力変換装置としての最小限の構成であり、本装置構成に更に外部インターフェース等の制御基板を接続することなどにより、電力変換装置としての更なる上位システムを構成していくことが可能である。
【００１７】
第２の実施例を図４、図５に示す。第１の実施例との相違点は次の内容である。すなわち、図１においてモジュール外部の配線基板２１ａ上に実装している制御用部品２２、集積回路部品２３の一部をモールドされたモジュール内部に搭載している点である。ここでは制御端子２４は配線基板２１ａにはんだで接続され、主回路側のリードフレーム部とは金属ワイヤーで電気的に接続される。樹脂封止材３２は配線基板２１ａ上の部品を完全に覆うことが可能な高さが最低限必要である。本構造の場合、第１の実施例と比較して配線基板２１ａのサイズが縮小可能で、モジュールの小形化が可能となる。また配線基板２１ａの下部には熱的には金属ベース１５は必要無いため、金属ベース１５のサイズを主回路リードフレーム１３の下部のみに縮小することによって低価格化にも有利となる。この場合の装置としての主要工程図を図６に示す。またこれに対応する製造フローは図７に示すとおりである。
【００１８】
第３の実施例を図８に示す。第１の実施例との相違点は外装樹脂モールドケースを予めリードフレーム１３と一体成形したリードフレームケース１２としている点である。これにより、第１の実施例におけるリードフレーム１３と外装樹脂モールドケース３０のそれぞれの金属ベースへの接着工程を、リードフレームケース１２の金属ベースへの接着工程で同時に行うことが可能であり、前記工程短縮が可能となる。ここではリードフレーム１３の絶縁接着シート１８と固着する境界のリードの部分に図８の様な曲げを形成し、リードの前後に樹脂の入り込む隙間を設けることが必要となる。即ち前記リード部の前後を樹脂封止材３２で覆うことにより、金属ベース１５及びリードフレームケース１２間に発生する熱応力の不均衡に起因するリードフレーム１３への応力を緩和できる。これにより同部の固着強度の信頼性を向上させることができる構造である。
【００１９】
この場合の半導体モジュール部の製造工程を図９に示す。同図（ａ）に示す様に、予めリードフレーム１３が外装樹脂モールドケース１２と一体成形されていることに特徴を有する。（ａ）（ｂ）の順に行程が進む。
【００２０】
第４の実施例を図１０、図１１に示す。第３の実施例との相違点は、第２の実施例と同様に制御部品を搭載した配線基板２１ａの一部をモジュール内部に内蔵としたことにある。ここでは制御端子２４の部分は図１９で示した従来のインサート端子構造（リードインサートケース３３の構造）をとり、配線基板２１ａと前記制御端子２４は金属ワイヤー１６で接続される。本実施例においても第３の実施例と比較して更にモジュールサイズの小形化、低価格化を行ったことを特徴とする。
【００２１】
第５の実施例を図１２に示す。第４の実施例との相違点は、配線基板２１ａにおいて両面実装基板の搭載を可能とした点にある。ここではリードインサートケース３３における配線基板２１ａの下部を一部下げ前記両面実装基板の部品がリードインサートケース３３に接触しない構造としたことに特徴がある。ただし、配線基板２１ａ上のボンディング用パッド部分の裏面においては、ボンディング強度を確保する必要性があることからリードインサートケース３３と配線基板２１ａが密着された状態にしておく必要がある。このため、同部分は配線パターンのみにとどめる。配線基板２１ａは第４の実施例と比較して更に多層化、高密度化が可能となり、基板サイズが縮小できることからモジュールのサイズの小形化につながる。
【００２２】
第６の実施例を図１３に示す。第５の実施例との相違点は配線基板２１ａの下部において、更にリードフレームケースのフィンとの取付面側も削り取った構造とすることにある。この結果、電力変換装置として駆動時の放熱フィン４４からの配線基板２１ａ上の制御回路部品への熱の伝播を空気層で遮断することが可能となる。更にモジュール底面（図面の下側）を、図面の手前側を大地側にして、大地に対して垂直方向にして取り付けることにより、煙突効果による空気の対流が発生するため温度上昇の抑制に効果を得ることができる。自己発熱の大きな部品はその直下のモジュール取付面を放熱フィン４４に直接接触させ放熱させる必要があるが、制御回路部品等の比較的自己発熱の小さな部品に対しては放熱フィン４４から受ける熱を遮断することは部品の温度上昇の抑制に有効である。
【００２３】
第７の実施例を図１４、図１５、図１６に示す。第５の実施例との相違点はリードフレームケース１２を金属ベース１５と一体成形とする構造である。即ち、リードフレーム１３と金属ベース１５を絶縁接着シート１８を狭持して固着させた後に図１７（ｂ）に示す様な金型５１，５２を用いて、金属ベース１５の端部、主端子１７、リードフレームケース１２を一体成形する。ここで、金属ベース１５は図１４、図１５に示す様に斜面状或いは鍵状に予め形成しておくことにより、リードフレームケース１２との接合強度の強化を図る。図１６の場合は外装樹脂モールドケース１２、３３を金属ベース１５の下面に回り込ませることにより同等の効果を得る。前記リードフレームケース１２の形成の際、半導体素子１１ａ、１１ｂや金属ワイヤーを行うリードフレーム上面は上金型５１で樹脂の流入を防ぎ、下金型５２によって金属ベース１５と外装樹脂モールドケースの一体成形を行う。従って、絶縁接着シート１８上のリードフレーム１３間の隙間には樹脂が注入されるが、前記の通りリードフレーム１３の上面への注入を防げばこの後の部品実装には支障は生じない。この場合の装置としての半導体モジュール部の主要工程図を図１７に示す。これに対応する製造フローは図１８に示すとおりである。図１８を第２の実施例の製造工程である図７と比較すると、外装樹脂モールドケース３０と金属ベース１５の接着工程を省略することが可能であり、低価格化に関する効果が見込める。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によると次の効果が有る。
【００２５】
（１）絶縁金属基板を採用せず、同基板と同等の役割を金属ベースと絶縁接着シート、リードフレームで満足させることにより、モジュールの大きな原価比率を占める基板コストの大幅低減が可能となる。
【００２６】
（２）リードフレーム厚は絶縁金属ベースの導体厚の３倍以上確保可能である。従ってこのリードフレームの厚みを増加させ、幅を縮小させることにより、同様の電流容量を確保しつつ、パワー配線部の総配線面積を縮小させ、金属ベースの小形化及びモジュールの小形化を図ることが可能である。
【００２７】
（３）リードフレーム、絶縁接着シート、金属ベースによるモジュール構造を外装樹脂モールドケースを用い樹脂封止材で充填することにより、従来トランスファモールドの課題であった金型のコストが低減でき、少量生産品にも適用可能となる。
【００２８】
（４）前記トランスファモールドよりモールド形成後の金属ベース平坦度の確保が容易であるため、モジュールサイズに関しても同トランスファモールドよりも柔軟な対応が可能となる。
【００２９】
（５）前記トランスファモールドと異なり、モジュールから導出される端子を金属ベースに対し垂直方向へ引き出すことが容易であるため、モジュール外部基板との接続に関する自由度が高く、電力変換装置としての小形化が可能である。
【００３０】
本発明のモジュール構造は以上の効果を得ることより、信頼性、機能を確保した上でモジュールの小形化、低価格化に有効であると言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における電力変換装置の断面構成図。
【図２】本発明の第１の実施例における電力変換装置の斜視模式図。
【図３】本発明の第１の実施例における樹脂封止前の半導体モジュールの上面構成図。
【図４】本発明の第２の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図５】本発明の第２の実施例における樹脂封止前の半導体モジュールの上面構成図。
【図６】本発明の第２の実施例における装置製造工程図。
【図７】本発明の第２の実施例、実施例７における製造フロー。
【図８】本発明の第３の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図９】本発明の第３の実施例における半導体モジュール部製造工程図。
【図１０】本発明の第４の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図１１】本発明の第４の実施例における樹脂封止前の半導体モジュールの上面構成図。
【図１２】本発明の第５の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図１３】本発明の第６の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図１４】本発明の第７の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図１５】本発明の第７の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図１６】本発明の第７の実施例における電力変換装置の断面構成図。
【図１７】本発明の第７の実施例における半導体モジュール部製造工程図。
【図１８】本発明の第７の実施例における製造フロー。
【図１９】従来法による半導体モジュールの断面構成図。
【図２０】従来法による半導体モジュールの断面構成図。
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ・・・パワー半導体素子、１２・・・外装樹脂モールドケース（リードフレームケース部）、１３・・・リードフレーム、１４・・・積層導体、１５・・・金属ベース、１６・・・金属ワイヤー、１７・・・主端子、１８・・・絶縁接着シート、１９・・・絶縁金属基板、２０・・・樹脂絶縁層、２１ａ、２１ｂ・・・配線基板、２２・・・制御回路用部品、２３・・・集積回路部品、２４・・・制御端子、３０・・・外装樹脂モールドケース、３１・・・取付穴、３２・・・樹脂封止材、３３・・・外装樹脂モールドケース（リードインサートケース部）、４１・・・絶縁トランス、４２・・・電解コンデンサ、４３・・・端子台、４４・・・放熱フィン、５１・・・モールドケース用上金型、５２・・・モールドケース用下金型。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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