(57)【要約】【課題】半導体モジュールの小型化を図りつつ、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を向上させる【解決手段】半導体モジュール１は、２層のリードフレーム１２、１３とパワー半導体素子１０、１１とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有している。パワー半導体素子１０、１１と２層の各リードフレーム１２、１３は、はんだ２０により接合されている。２層目のリードフレーム１３には、１層目のパワー半導体素子１０との間のはんだ２０に通じ、はんだ２０が入り込む貫通孔３０が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールにおいて、
２層のリードフレームとパワー半導体素子とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有し、
前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子は、はんだにより接合されており、
前記２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、前記パワー半導体素子との間のはんだに通じ、はんだが入り込む貫通孔が形成されている、半導体モジュール。
【請求項２】
前記貫通孔は、前記リードフレームにおける前記パワー半導体素子と接合する接合面の中央の位置に形成されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記貫通孔は、下から２層目のリードフレームに形成され、当該２層目のリードフレームとその下層側のパワー半導体素子との間のはんだに通じている、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記リードフレームにおける前記パワー半導体素子と接合する接合面には、凹部が形成され、
前記貫通孔は、前記凹部に通じている、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記２層のリードフレームは、モジュール表面に露出する放熱面を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュールを備えた駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュールを備えた電動パワーステアリング装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュールを備えた車両。
【請求項９】
モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールの製造方法において、
２層のリードフレームとパワー半導体素子とを積層し、それらをモールドして立体構造を形成し、
前記立体構造を形成するにあたり、前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子をはんだにより接合し、
前記２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、前記パワー半導体素子との間のはんだに通じ、はんだが入り込む貫通孔が形成される、半導体モジュールの製造方法。
【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、駆動装置と、電動パワーステアリング装置と、車両及び半導体モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両の電動パワーステアリング装置のモータを駆動させるためのインバータ回路等には、半導体モジュールが用いられている。この種の半導体モジュールには、放熱板上にセラミック基板を設け、そのセラミック基板上に導電体板を介して半導体チップを搭載し、それらをケースで囲んで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）。この半導体モジュールのセラミック基板上の導電体板の外周端部には、エポキシ樹脂などの固体絶縁物が配置され、ケースは、放熱板上に設置されている。
【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、上述の構成を有する半導体モジュールは、半導体モジュールの放熱性や絶縁性を向上す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が大きくなる。特に半導体チップがセラミック基板に対して平面上に配置されているため、半導体チップのサイズや数から半導体モジュールの平面サイズが大きくなる。
【０００５】
加えて、半導体モジュールにおいては、半導体モジュールを構成する半導体チップとリードフレームの材質及び形状（体積）が異なり、温度の上昇による膨張率が異なる。従って、半導体チップが熱を発し、半導体チップやそのリードフレームが熱膨縮するため、半導体チップとリードフレームとの接合面にひずみが生じる可能性がある。特に、半導体チップが上下からリードフレームに挟まれる構造の場合は、上下両面の接合面にひずみが生じる可能性がある。そこで、このひずみに対して、はんだで接合された半導体チップとリードフレームとの接合面の強度を向上させる必要がある。
【０００６】
本出願はかかる点に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールの小型化を図りつつ、上記半導体チップなどのパワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を向上させることができる半導体モジュール、駆動装置、電動パワーステアリング装置、車両及び半導体モジュールの製造方法を提供することをその目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、以下の態様を含む。
【０００８】
本発明には、モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールにおいて、２層のリードフレームとパワー半導体素子とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有し、前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子は、はんだにより接合されており、前記２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、前記パワー半導体素子との間のはんだに通じ、はんだが入り込む貫通孔が形成されている、半導体モジュールが含まれる。
【０００９】
上記構成によれば、半導体モジュールが、２層のリードフレームとパワー半導体素子とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有するので、半導体モジュールの小型化を図ることができる。また、２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、パワー半導体素子との間のはんだに通じ、はんだが入り込む貫通孔が形成されているので、リードフレームにおけるはんだの接合面積が増大し、パワー半導体素子とリードフレームの接合強度を向上させることができる。
【００１０】
前記貫通孔は、前記リードフレームにおける前記パワー半導体素子と接合する接合面の中央の位置に形成されていてもよい。かかる場合、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を効果的に向上させることができる。
【００１１】
前記貫通孔は、下から２層目のリードフレームに形成され、当該２層目のリードフレームとその下層側のパワー半導体素子との間のはんだに通じていてもよい。かかる場合、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を効果的に向上させることができる。なお、「下から２層目のリードフレーム」は、半導体モジュールを特定の向きに設置した場合の位置関係を示し、本発明の半導体モジュールの設置向きを限定するものではない。
【００１２】
前記リードフレームにおける前記パワー半導体素子と接合する接合面には、凹部が形成され、前記貫通孔は、前記凹部に通じていてもよい。かかる場合、パワー半導体素子とリードフレームの接合強度をさらに向上できる。
【００１３】
前記２層のリードフレームは、モジュール表面に露出する放熱面を有するようにしてもよい。かかる場合、半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。
【００１４】
別の観点による本発明には、上記半導体モジュールを備えた駆動装置が含まれる。
【００１５】
別の観点による本発明には、上記半導体モジュールを備えた電動パワーステアリング装置が含まれる。
【００１６】
別の観点による本発明には、上記半導体モジュールを備えた車両が含まれる。
【００１７】
別の観点による本発明には、モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールの製造方法において、２層のリードフレームとパワー半導体素子とを積層し、それらをモールドして立体構造を形成し、前記立体構造を形成するにあたり、前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子をはんだにより接合し、前記２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、前記パワー半導体素子との間のはんだに通じ、はんだが入り込む貫通孔が形成される、半導体モジュールの製造方法が含まれる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、半導体モジュールの小型化を図りつつ、パワー半導体素子とリードフレームの接合強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】半導体モジュールの構成例を示す縦断面の説明図である。
【図２】２層目のリードフレームの貫通孔の形状を示す斜視図である。
【図３】２層目のリードフレームの貫通孔の他の形状を示す斜視図である。
【図４】インバータの１アーム分の回路の一例を示す説明図である。
【図５】リードフレームの接合面に凹部のある半導体モジュールの構成例を示す縦断面の説明図である。
【図６】２層目のリードフレームの凹部の形状を示す斜視図である。
【図７】２層目のリードフレームに複数の貫通孔を形成した場合の半導体モジュールの構成例を示す縦断面の説明図である。
【図８】２層目のリードフレームに複数の貫通孔を形成した場合の半導体モジュールの他の構成例を示す縦断面の説明図である。
【図９】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】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００２１】
図１に示すように、半導体モジュール１は、モータを駆動させるための例えばインバータ回路（図示省略）に用いられている。半導体モジュール１は、パワー半導体素子１０、１１と２層の配線部材としてのリードフレーム１２、１３が交互に積層され、それらの全体がトランスファー成形によりモールドされた立体構造を有している。すなわち、最下層には、１層目の２つのリードフレーム１２が左右対称に配置され、１層目の各リードフレーム１２上にそれぞれ１層目のパワー半導体素子１０が配置され、２つのパワー半導体素子１０上に２層目の単一のリードフレーム１３が配置され、２層目のリードフレーム１３上に２層目のパワー半導体素子１１が配置されている。そして、半導体モジュール１は、これらの構成を封止する、縦断面が略方形のモールド１４を備えている。
【００２２】
１層目の各リードフレーム１２は、半導体モジュール１のモジュール下面に露出するように当該下面に沿って配置されている。これにより、リードフレーム１２の下面は、放熱面Ｓになっている。各リードフレーム１２の左右方向の外側の端部は、モジュール下面から一段上がってモジュール側面から外側に突出している。リードフレーム１２は、例えば銅などの導電性材料により構成されている。
【００２３】
１層目のパワー半導体素子１０は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものである。パワー半導体素子１０は、厚み方向に電流を流す構造のため、ベアチップ上面および下面に電極を有している。パワー半導体素子１０は、はんだ２０を介して上下のリードフレーム１２及びリードフレーム１３に接合されている。
【００２４】
２層目のリードフレーム１３は、例えば左右のパワー半導体素子１０に亘り左右方向に延設されている。リードフレーム１３は、例えば一方のパワー半導体素子１０の外側端部から他方のパワー半導体素子１０の外側端部まで形成されている。すなわち、一方のパワー半導体素子１０の外側の端から他方のパワー半導体素子１０の外側の端までの長さと、リードフレーム１０の長さがほぼ等しくなっている。
【００２５】
２層目のリードフレーム１３には、パワー半導体素子１０との間のはんだ２０に通じる貫通孔３０が形成されている。貫通孔３０は、リードフレーム１３の厚み方向（上下方向）に貫通している。貫通孔３０には、はんだ２０が充填されている。はんだ２０の充填は、例えば固形またはペースト状のはんだ２０を貫通孔３０に供給して行われる。貫通孔３０は、例えばリードフレーム１３の下面のパワー半導体素子１０と接合する接合面１３ａの中央の位置に形成されている。貫通孔３０の形状は特に限定されないが、例えば図２に示すように円柱状に形成されていてもよいし、図３に示すように角柱状に形成されていてもよい。
【００２６】
図１に示すように２層目のリードフレーム１３は、左右方向の中央に下方に延設する延設部４０を有している。延設部４０は、リードフレーム１３の中央から、左右のパワー半導体素子１０、左右の１層目のリードフレーム１２の間を通って半導体モジュール１のモジュール下面に到達している。よって、延設部４０の下面は放熱面Ｓとなっている。リードフレーム１３は、例えば銅などの導電性材料により構成されている。リードフレーム１３は、図２及び図３に示したようにＴ字形状を有する。
【００２７】
図１に示すように２層目のパワー半導体素子１１は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものである。パワー半導体素子１１は、厚み方向に電流を流す構造のため、ベアチップ上面および下面に電極を有している。パワー半導体素子１１は、２層目のリードフレーム１３の左右方向の中央に配置されている。パワー半導体素子１１の下面の電極は、はんだ２０を介してリードフレーム１３に接合されている。パワー半導体素子１１の上面の電極には、はんだ２０を介してバスバー５０が接続されている。バスバー５０は、１層目のリードフレーム１２に接続されている。
【００２８】
モールド１４は、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いたトランスファー成形により成形されている。
【００２９】
本実施の形態によれば、半導体モジュール１が、２層のリードフレーム１２、１３とパワー半導体素子１０、１１が交互に積層され、それらがモールドされた立体構造を有するので、各層のパワー半導体素子１０、１１間の配線距離が短くなり、またパワー半導体素子１０、１１の搭載スペースを削減でき、これによって半導体モジュール１の小型化を図ることができる。また、２層目のリードフレーム１３に、パワー半導体素子１０との間のはんだ２０に通じ、はんだ２０が入り込む貫通孔３０が形成されているので、リードフレーム１３におけるはんだ２０の接合面積が増大し、パワー半導体素子１０とリードフレーム１３との接合強度を向上させることができる。
【００３０】
貫通孔３０は、リードフレーム１３の接合面１３ａの中央の位置に形成されているので、パワー半導体素子１０とリードフレーム１３との接合強度を効果的に向上させることができる。
【００３１】
貫通孔３０は、下から２層目のリードフレーム１３に形成され、２層目のリードフレーム１３とその下層側のパワー半導体素子１０との間のはんだ２０に通じているので、パワー半導体素子１０とリードフレーム１３との接合強度を効果的に向上させることができる。
【００３２】
２層のリードフレーム１２、１３は、モジュール下面に露出する放熱面Ｓを有するので、半導体モジュール１の放熱性を向上させることができる。
【００３３】
ここで、２層のリードフレーム１２、１３についてＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴを使用してインバータの１アーム分の回路を構成する場合の例について説明する。
【００３４】
この回路においては、例えば図４に示すように電源ラインを起点とし上アームのＭＯＳＦＥＴのドレイン電極からソース電極、続いて下アームのドレイン電極からソース電極、最後にグランドに接続する必要がある。またモータ遮断用にＭＯＳＦＥＴを配置する場合には、上アームのソース（同じく下アームのドレイン）と同電位の接点からモータ遮断ＭＯＳＦＥＴのソース電極に配線する。
【００３５】
ＭＯＳＦＥＴは縦構造のパワー半導体素子１０、１１であり、ドレイン電極が各パワー半導体素子１０、１１の下面電極、ソース電極が各パワー半導体素子１０、１１の上面電極となっているため、前述の上アームのＭＯＳＦＥＴ（例えば図１の右側のパワー半導体素子１０）から下アームのＭＯＳＦＥＴ（パワー半導体素子１１）への配線は、上アームのＭＯＳＦＥＴ（図１の右側のパワー半導体素子１０）の上面にあるソース電極から、２層目のリードフレーム１３を通過し、下アームのＭＯＳＦＥＴ（パワー半導体素子１１）の下面にあるドレイン電極に配線ができる。さらに２層目のリードフレーム１３からモータ遮断用ＭＯＳＦＥＴ（図１の左側のパワー半導体素子１０）の上面のソース電極への配線も同時に可能となる。
【００３６】
１層構造の場合、上アームから下アームの配線の場合バスバーを使う必要があり、バスバー分の実装スペースが発生するのに対し、本実施形態のごとく２層目のリードフレーム１３を採用することでスペースを削減できる。さらに配線も短くすることができる。
【００３７】
また、２層目のリードフレーム１３の一部（延設部４０）は、１層目のリードフレーム１２と同じモジュール下面の放熱面Ｓまで導出されている（図１参照）。この延設部４０により、２層目に搭載したパワー半導体素子１１の熱を放熱することができる。当該延設部４０は、熱伝導性のよい金属、例えば銅製であり、放熱経路として機能しながら、なお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する。
【００３８】
以上の実施の形態における半導体モジュール１の貫通孔３０の位置、数や形状はこれに限られない。
【００３９】
例えば貫通孔３０は、図５に示すように各接合面１３ａに対し複数、例えば２つ設けられていてもよい。
【００４０】
なお、貫通孔３０は、１層目のリードフレーム１２に形成され、その１層目の上層のパワー半導体素子１０との間のはんだ２０に通じていてもよい。このとき、貫通孔３０は、リードフレーム１２におけるパワー半導体素子１０と接合する接合面１２ａの中央の位置に形成されていてもよい。また、貫通孔３０は、パワー半導体素子１０を挟んでリードフレーム１２側とリードフレーム１３側の両方に設けられていてもよい。さらに、貫通孔３０は、２層目のリードフレーム１３に形成され、その２層目の上層のパワー半導体素子１１との間のはんだ２０に通じていてもよい。このとき、貫通孔３０は、リードフレーム１３におけるパワー半導体素子１１と接合する接合面１３ｂの中央の位置に形成され、延設部４０を上下方向に貫通していてもよい。
【００４１】
以上の半導体モジュール１において、図６及び図７に示すようにリードフレーム１３におけるパワー半導体素子１０との接合面１３ａに凹部６０が形成され、貫通孔３０は、凹部６０に通じていてもよい。凹部６０は、例えばリードフレーム１３の前後方向（図６の紙面前後方向）の両端に亘る溝状に形成される。かかる場合、パワー半導体素子１０とリードフレーム１３との接合強度をさらに向上させることができる。なお、凹部６０の形状は、これに限られない。また、このときの貫通孔３０も図８に示すように複数、例えば２つ設けられていてもよい。
【００４２】
以上の半導体モジュール１は、車両、各種産業機械及び各種駆動装置等のモータの回路に利用できる。例えば半導体モジュール１は、図９に示すように車両に搭載される駆動装置としての電動パワーステアリング装置１００のモータ１１０に利用することができる。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。図９において、符号Ｈはステアリングホイール、符号１００ａはステアリング入力軸、符号１００ｂはステアリング出力軸、符号１１１はラック・ピニオン運動変換機構、符号１１２はウォーム減速機構、符号１１３はハウジング、符号１１４はトルクセンサ、符号１１５はステアリングシャフト、符号１１６，１１７は自在継手、符号１１８は連結部材をそれぞれ示す。
【００４３】
半導体モジュール１は、以下のようにして製造することができる。すなわち、１層目のリードフレーム１２、パワー半導体素子１０、貫通孔３０を有する２層目のリードフレーム１３、パワー半導体素子１１を下から交互に積層し、互いにはんだ２０で接合し、パワー半導体素子１１と１層目のリードフレーム１２とをバスバー５０により接続する。続いて、エポキシ樹脂の熱硬化性樹脂を用いたトランスファー成形により、パワー半導体素子１０、１１やリードフレーム１２、１３を封止してモールド１４を形成する。
【００４４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４５】
例えば上記実施の形態において、半導体モジュール１の立体構造は、２層のリードフレームとパワー半導体素子が積層され、互いに電気的に接続されていれば、パワー半導体素子やリードフレームの配置、大きさ、形状、数、接続など他の構成を有するものであってもよい。パワー半導体素子１０はＭＯＳＦＥＴであったが、ダイオード、他のトランジスタなどの他のパワー半導体素子であってもよい。半導体モジュール１は、電動パワーステアリング装置１００のモータ１１０以外のメガトルクモータなどの他のモータの電子回路にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、半導体モジュールの小型化を図りつつ、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を向上させる際に有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体モジュール
１０、１１  パワー半導体素子
１２、１３  リードフレーム
１３ａ  接合面
１４  モールド
２０  はんだ
３０  貫通孔
Ｓ  放熱面
【図１】
2018067588.tif 000003
【図２】
2018067588.tif 000004
【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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