(57)【要約】【課題】ワイヤボンディングのワイヤ長が長すぎる場合に発生するワイヤのたるみや、モールド樹脂成形工程のモールド樹脂の流動に伴うワイヤ流れを抑制し、電気的ショートや断線故障を防止することができる半導体モジュールを提供する。【解決手段】半導体モジュールであって、内部配線材のリードフレーム３（３１、３２）を２層の立体配線構造とし、パワー半導体２とリードフレーム３との間に位置する中継配線部材７を中継して、ボンディングワイヤ８が配線される構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールにおいて、
内部配線部材のリードフレームが２層の立体配線構造であり、
前記立体配線構造には、
前記リードフレーム上の中継配線部材を中継して、少なくとも一部のボンディングワイヤが配線される構造が含まれることを特徴とした半導体モジュール。
【請求項２】
前記中継配線部材は、セラミック絶縁素体と導電材からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記中継配線部材を中継したボンディングワイヤは、面方向におけるボンディングワイヤ方向がそれぞれ異なる構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記中継配線部材上には、温度推定素子を実装したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの前記半導体モジュールを有する電動パワーステアリング用コントロールユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体モジュール前記電動パワーステアリング用コントロールユニットを有することを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールと、これを備えたコントロールユニット、電動パワーステアリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体モジュールの一つに、放熱板上に取り付けられた誘電体板を設けたセラミック基板に半導体チップ（以降、本明細書では「パワー半導体」ともいう）を搭載し、ケース内にシリコーンゲルで封止した構成となっているものがある（例えば特許文献１参照）。このセラミック基板における導電体板の周囲端部にはエポキシ樹脂などの固体絶縁物が配置され、上記ケースは、セラミック基板の四方を囲うようにして放熱板上に設置される等している。
この構成は、半導体モジュールに求められる放熱性や絶縁性を満足させるための構成となっている反面、構成要素が多くなり、半導体モジュールのサイズ肥大化を招く。
そこで、発明者は、この問題を解決するため、トランスファー成形を用いた半導体モジュールにおいて内部配線材のリードフレームが２層構造にして、パワー半導体はそれぞれの層に搭載された構造を採用することより各層のパワー半導体間の配線距離を短くでき、さらにパワー半導体間の接続バスバ及びその搭載スペースを削減でき、パワーモジュールの小型化を図ることを考えた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−０７６１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記２層構造のパワーモジュールのパワー半導体において、信号配線部（例えばＦＥＴのゲート）についてはワイヤボンディングにより配線される。ワイヤボンディングについては、モールド樹脂成形工程時に、図５の矢印符号Ｂに示すように樹脂が流れた場合（図面では「樹脂モールド前」）、ワイヤが樹脂に押され、その流れによりワイヤ断線やワイヤ同士が接触してショートが発生する虞があり（図面では「樹脂モールド後」）、そのためにワイヤ１本当たりの配線長を長くできないという制約がある。
【０００５】
そこで、本発明は、ワイヤボンディングのワイヤ長が長すぎる場合に発生するワイヤのたるみや、モールド樹脂成形工程のモールド樹脂の流動に伴うワイヤ流れを抑制し、電気的ショートや断線故障を防止できる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するべく、第一の発明は、半導体モジュールにおいて、内部配線部材のリードフレームが２層の立体配線構造であり、前記立体配線構造には、前記リードフレーム上の中継配線部材を中継して、少なくとも一部のボンディングワイヤが配線される構造が含まれることを特徴とする。
第二の発明は、第一の発明において、前記中継配線部材は、セラミック絶縁素体と導電材からなることを特徴とする。
第三の発明は、第一の発明または第二の発明において、前記中継配線部材を中継したボンディングワイヤは、面方向におけるワイヤボンディング方向（角度）がそれぞれ異なる構造であることを特徴とする。
第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかにおいて、前記中継配線部材上に温度推定素子を実装したことを特徴とする。
第五の発明は、第一の発明乃至第四の発明のいずれかにおいて、前記半導体モジュールを有する電動パワーステアリング用コントロールユニットであることを特徴とする。
第六の発明は、第五の発明において、前記電動パワーステアリング用コントロールユニットを有する電動パワーステアリングシステムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ワイヤボンディングのワイヤ長が長すぎる場合に発生するワイヤのたるみや、モールド樹脂成形工程のモールド樹脂の流動に伴うワイヤ流れを抑制し、電気的ショートや断線故障を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の半導体モジュールの内部構造を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の半導体モジュールの内部構造を示す側面図である。
【図３】本実施形態の半導体モジュールの内部構造の一部を示す略平面図である。
【図４】（ａ）は、本実施形態の半導体モジュールの中継配線部材との配線を示す概略説明の斜視図で、（ｂ）は、その平面図である。
【図５】従来技術の半導体モジュールの配線を示す概略説明図である。
【図６】電動パワーステアリング装置の構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る半導体モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する（図１〜図５参照）。なお、図１は、半導体モジュールの内部構造の説明図であるため樹脂モールドは示されていない、又、図１には、２層のリードフレーム３からなる３個組の半導体モジュールが図示されているが、同一の機能構成であるため手前側１個の２層のリードフレーム３からなる半導体モジュールのみに符号や配線図を記載することにしてその他構成要素についての符号や配線図を省略する。
【００１０】
本発明の半導体モジュール１は、パワー半導体２と２層のリードフレーム３を積層した立体配線構造を有し、その立体配線構造には、セラミック絶縁素体と導電材からなる中継配線部材７を有し、ボンディングワイヤ８が中継配線部材７を中継し配線される構造となっている。
具体的には、図１及び図２に示すように、モータ５０を駆動させるためのインバータ回路（図示省略）を有する半導体モジュール（パワーモジュール）１は、パワー半導体（半導体チップ）２、リードフレーム３、はんだ５、バスバ６、中継配線部材７、ボンディングワイヤ８などで構成されている。
【００１１】
本実施形態のパワー半導体２は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものを指す。ＭＯＳＦＥＴは縦構造で、厚み方向に電流を流す構造のため、ベアチップ上面及び下面に電極を有した構造とされる。
【００１２】
リードフレーム３は、その上に固定されたパワー半導体２を支持し、外部配線との接続をする部品（内部配線材）であり、所望の回路動作をさせるためにプレス成形によって任意のパターン形状に形成される。本実施形態において、リードフレーム３は２層の立体配線構造となっている（図１、図２参照。）。なお、図１等において、１層目のリードフレームを符号３１、２層目のリードフレームを符号３２、及び１層目のリードフレーム３１の一部である信号用リードフレームを符号３３で表している。
【００１３】
また、パワー半導体２は、２層のリードフレーム３（３１、３２）に対して交互に積層された状態で搭載される。なお、図２において、１層目のパワー半導体（２個）を符号２１ａ、２１ｂ、２層目のパワー半導体を符号２２で表している。最下層が１層目リードフレーム３１であり、その上にはんだ５、１層目のパワー半導体２１ａ、２１ｂ、はんだ５、２層目リードフレーム３２、はんだ５、２層目のパワー半導体２２の順に積層される。１層目のパワー半導体２１ａ、２１ｂは、１層目リードフレーム３１と２層目リードフレーム３２との間に介在している。
【００１４】
２層目のパワー半導体２２はバスバ６を使い、１層目リードフレーム３１にはんだ付けで配線される。その後、エポキシの熱硬化性樹脂を用いたトランスファー成形により、パワー半導体２やリードフレーム３を封止してモールドを形成し、半導体モジュール１が完成する。
【００１５】
このように、パワー半導体２（２１、２２）を積層し、立体配線することによりパワー半導体２（２１、２２）及びバスバ６の投影面積が抑制でき、同一の回路構成としながらも従来のパワーモジュールよりも小型化を図る半導体モジュール１を提供することが出来る。
【００１６】
また、１層目のリードフレーム３１の片方の面（パワー半導体２が搭載されていない側）は、外部に露出した放熱面３１Ｓを持つようにした構造となっている。これにより、半導体モジュール１の一部が放熱可能な面となって外部に放熱することが可能となる。
【００１７】
また、２層目リードフレーム３２の一部は、１層目リードフレーム３１の放熱面３１Ｓまで導出され、外部への放熱面３２Ｓを有する導出部３２Ｈとなっている（図２参照）。該導出部３２Ｈにより、２層目に搭載したパワー半導体２２の熱を放熱することが出来る。さらに図２に示すようにリードフレーム３の積層方向に対して導出部３２Ｈの形状を広げることで放熱面３２Ｓの面積が増加し、放熱性が向上する。当該導出部３２Ｈは熱伝導性のよい金属たとえば銅製であり、放熱経路として機能しながら、尚かつ、一定の熱量を一時的に貯熱しておく熱容量としても機能しうる。
【００１８】
さらに導出部３２Ｈの放熱面３２Ｓは、１層目リードフレーム３１の放熱面３１Ｓと同一面となるように形成されている。また、２層目リードフレーム３２を、図２に示したようなＴ字状の断面形状であって、左右対称の形状にすることで重心を安定させることができ、さらに配線距離の等長化を図ることもできる。
【００１９】
中継配線部材７は、２層目リードフレーム３２の片方の面（図２では側面視左側の２層目のパワー半導体２２が搭載されていない面、または１層目のパワー半導体２１ａの上部にあたる位置）に、はんだ付けまたは接着固定により実装される。この中継配線部材７は、セラミック材料を素体とし、表面に導電性材料でなる電極を有している。その電極は中継配線部材７の片面または両面どちらに形成されてもよい。片面の場合には接着剤、両面の場合には、はんだ付けでリードフレーム３２上に実装される。但し両面電極の場合は、表裏の電極同士は電気的に絶縁していることが必要である。
【００２０】
そして、材料がアルミや金ワイヤを使ったボンディングワイヤ８により中継配線部材７を中継して信号用リードフレーム３３に配線される。
図３は、ボンディングワイヤ８の配線において、中継配線部材７が無い場合と中継配線部材７が有る場合の違いを示している。中継配線部材７が無い場合は、１層目のパワー半導体２１と信号用リードフレーム３３とが１本のボンディングワイヤ８で配線されており、中継配線部材７が有る場合は、１層目のパワー半導体２１と中継配線部材７とボンディングワイヤ８ａとで配線され、さらに中継配線部材７と信号用リードフレーム３３とで、ボンディングワイヤ８ｂが配線される。すなわち、１本のボンディングワイヤ８が２本のボンディングワイヤ８ａ、８ｂに分割され、１本自体の配線長（ワイヤ長）を短くすることができる。
【００２１】
このように、絶縁材料であるセラミックを主とし表面に導電性材料を形成した中継配線部材７を用いて、ボンディングワイヤ８が中継配線部材７の電極を中継することにより、１本あたりの配線長（ワイヤ長）を短くすることで、モールドを形成するときに、ボンディングワイヤ８が樹脂の流れる方向に押し流れてしまうことを阻止し、ボンディングワイヤ８自体の断線やボンディングワイヤ８間のショート発生を減らす効果を奏することができる。
【００２２】
さらに、パワー半導体２と信号用リードフレーム３３の相対位置によって、直線距離でボンディングワイヤ８が配線できない場合に迂回するための中継点として利用することもできる。
例えば、図４に示すように、パワー半導体２と信号用リードフレーム３３の直線距離上に、仮に高さがあり、上側を越えるように配線できないその他の部品Ａがある場合に、パワー半導体２および信号用リードフレーム３３間の配線において、中継配線部材７を中継してワイヤ配線する構造とし、当該中配線部材はパワー半導体２と中継配線部材７間のボンディングワイヤ８a、信号用リードフレーム３３と中継配線部材７間のボンディングワイヤ８ｂをつないだ２直線が部品Ａを迂回する位置に配置される。
なお、前述のようにパワー半導体２および信号用リードフレーム３３の直線距離上には部品Ａがあるため、ボンディングワイヤ８ａとボンディングワイヤ８ｂの方向（角度）がそれぞれ異なる。
【００２３】
また、図２に示すように、中継配線部材７上にサーミスタ９をはんだ付けで実装し、サーミスタ両端と信号用リードフレーム３３とをワイヤボンディングすればサーミスタ出力電圧を検出し、半導体モジュール内部の温度監視することも可能となる。
このように、２層目のパワー半導体２２をリードフレーム３に直接実装する構造の場合、サーミスタ回路は絶縁が必要となる一方で、２層目のパワー半導体２やリードフレーム３の熱を検出することが求められるため、素体がセラミック材料である中継配線部材７にサーミスタ９を実装することで、要件を満足することができる。
なお、半導体モジュール内部の温度監視にサーミスタ９を有する構成としたが、温度を推定可能なものであれよく、この構成に限らない。
【００２４】
また、本発明の半導体モジュール１は、電動パワーステアリング用コントロールユニットや、当該電動パワーステアリング用コントロールユニットを有する電動パワーステアリングシステム等に適用可能である。
例えば、図６に例示する電動パワーステアリング装置１００は、例えばコラムタイプのものである。該図４において、符号Ｈはステアリングホイール、符号１０ａはステアリング入力軸、符号１０ｂはステアリング出力軸、符号１１はラック・ピニオン運動変換機構、符号１３はウォーム減速機構、符号２０はハウジング、符号２３はトルクセンサ、符号３０はステアリングシャフト、符号４０、４１は自在継手、符号４２は連結部材をそれぞれ示す。
【００２５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、電動パワーステアリング等の各種産業機械や各種駆動装置、さらには、これらが搭載された車両などにおける半導体モジュールに適用して好適である。
【符号の説明】
【００２７】
１    半導体モジュール
２    パワー半導体
３    リードフレーム
５    はんだ
６    バスバ
７    中継配線部材
８    ボンディングワイヤ
９    サーミスタ
２１  １層目のパワー半導体
２２  ２層目のパワー半導体
３１  １層目リードフレーム
３２  ２層目リードフレーム
３３  信号用リードフレーム
【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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