(57)【要約】【課題】パワー半導体の厚み方向におけるはんだ付け位置のばらつきを抑え、はんだ付け位置が安定して、下面電極側のはんだ厚みを一定以上確保することができる半導体モジュールを提供することができる。【解決手段】半導体モジュールであって、パワー半導体２をはんだ接合した１層リードフレーム３１と、１層リードフレーム３１の上方に備えられ、パワー半導体２をはんだ接合した２層リードフレーム３２と、を積層した構造であって、パワー半導体２の上面電極（ソース電極）側のはんだ４２とパワー半導体２の下面電極（ドレイン電極）側のはんだ４１の少なくとも一方に金属粒子５を含んだことを特徴とする。【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、
パワー半導体をはんだ接合したと１層リードフレームと、
前記１層リードフレームの上方に備えられ、前記パワー半導体をはんだ接合した２層リードフレームと、を積層した構造であって、
前記パワー半導体の上面電極側のはんだと前記パワー半導体の下面電極のはんだの少なくとも一方に金属粒子を含んだことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記パワー半導体の上面電極側のはんだの融点と前記パワー半導体の下面電極側のはんだの融点が異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】
前記パワー半導体の上面電極側のはんだの融点と前記パワー半導体の下面電極側のはんだの融点の差が、１０℃から１５℃の範囲とな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】
前記パワー半導体の上面電極側のはんだの融点よりも、前記パワー半導体の下面電極側のはんだを低融点はんだとする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】
前記パワー半導体の上面電極側のはんだとの接触面積と前記パワー半導体の下面電極側のはんだとの接触面積が異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記パワー半導体の上面電極側のはんだとの接触面積より、前記パワー半導体の下面電極側のはんだとの接触面積の方が大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体モジュールを有する電動パワーステアリング装置。
【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、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導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の大型化を招く。また半導体チップもセラミック基板に対して平面上に配置されるため、チップのサイズ、数から必然的に半導体モジュールのサイズが大きくなってしまう。
【０００３】
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を２層構造にして、パワー半導体がそれぞれの層に搭載された構造を採用することとし、これに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。
【０００４】
一方、パワー半導体の上下はんだ付け部において、上下面電極のはんだそれぞれがその時々のタイミングで溶融し始めると、その時々ではんだの表面張力の釣り合いが異なり、上下のはんだの厚みが不均一となる結果、パワー半導体が厚み方向において回転する場合がある。
例えば、パワー半導体が回転するイメージの一例として、図４に示すようにはんだ（４１（４）、４２（４））が加熱前の状態（イ：はんだ加熱前状態参照。）から、はんだが加熱されて、はんだが溶融し始めると図面において黒い部分（４１（４）、４２（４）の一部分）が先に溶融し（ロ：はんだ加熱後溶融始め状態参照。）、その溶融したはんだの表面張力によりパワー半導体（２１（２））がはんだ側（図では上下方向）に引っ張られ、パワー半導体が回転し傾き始め（図では反時計方向の回転矢印）（ハ：パワー半導体回転状態参照。）、はんだが全て溶融した状態（図面において黒い部分）（ニ：はんだ全て溶融状態参照）になると、パワー半導体が回転したままの状態となり、はんだが凝固すると、パワー半導体が傾いたまま固定されてしまう（ホ：パワー半導体固定状態参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
すなわち、前記パワー半導体の上下面電極のはんだそれぞれが、その時々のタイミングで溶融すると、その時々ではんだ表面張力の釣り合いが異なってはんだ付け部の厚みが不均一となり、それに起因して、パワー半導体の厚み方向において、回転したままの状態ではんだが凝固すると、パワー半導体の厚み方向におけるはんだ付け位置にばらつきが生じる問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、パワー半導体の厚み方向におけるはんだ付け位置のばらつきを抑え、はんだ付け位置を安定させるとともに、下面電極側のはんだ厚みを一定以上確保した半導体モジュールと、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】
【０００８】
かかる課題を解決するべく、第一の発明は、半導体モジュールであって、パワー半導体をはんだ接合した１層リードフレームと、前記１層リードフレームの上方に備えられ、前記パワー半導体をはんだ接合した２層リードフレームと、を積層した構造であって、前記パワー半導体の上面電極側のはんだと前記パワー半導体の下面電極側のはんだの少なくとも一方に金属粒子を含んだことを特徴とする。
第二の発明は、第一の発明において、前記パワー半導体の上面電極側のはんだの融点と前記パワー半導体の下面電極側のはんだの融点が異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、前記パワー半導体の上面電極側のはんだの融点と前記パワー半導体の下面電極側のはんだの融点の差が、１０℃から１５℃の範囲とな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、前記パワー半導体の上面電極側のはんだの融点よりも、前記パワー半導体の下面電極側のはんだを低融点はんだとすることを特徴とする。
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、前記パワー半導体の上面電極側のはんだとの接触面積と前記パワー半導体の下面電極側のはんだとの接触面積が異なることを特徴とする。
第六の発明は、第一の発明乃至第五の発明のいずれかにおいて、前記パワー半導体の上面電極側のはんだとの接触面積より、前記パワー半導体の下面電極側のはんだとの接触面積の方が大きいことを特徴とする。
第七の発明は、電動パワーステアリング装置であって、第一の発明乃至第六の発明のいずれかの半導体モジュールを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パワー半導体の厚み方向におけるはんだ付け位置のばらつきを抑え、はんだ付け位置を安定させるとともに、下面電極側のはんだ厚みを一定以上確保した半導体モジュールと、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を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の半導体モジュールの内部構造を示す概略断面図である。
【図２】（ａ）は本実施形態の半導体モジュールにおける電極はんだの溶融時間と溶融温度と状態遷移を示す図で、（ｂ）は（ａ）の各点Ａ〜Ｄのはんだ状態（図１の符号Ｗで囲んだ部分）を示す図である。
【図３】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。
【図４】パワー半導体の回転イメージ例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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３は、本発明の半導体モジュール１を、モータ５０を駆動させるためのインバータ回路（図示省略）を有する電動パワーステアリングに適用した一実施形態である。
図３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３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、５１は自在継手、符号５２は連結部材をそれぞれ示す。
なお、こ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。
【００１２】
本発明の半導体モジュール（パワーモジュール）１は、図１に示すように、パワー半導体２をはんだ接合した１層目の１層リードフレーム３１と、１層リードフレーム３１の上方に備えられ、パワー半導体２をはんだ接合した２層目の２層リードフレーム３２と、を積層して実装され、２層リードフレーム３２の一部を１層リードフレーム３１の放熱面まで導出した構造である。
【００１３】
本実施形態のパワー半導体２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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。
【００１４】
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１参照。）。
【００１５】
また、パワー半導体２は、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１において、１層目のパワー半導体（２個）を符号２１、２層目のパワー半導体を符号２２で表している。１層目のパワー半導体２１は、１層リードフレーム３１と２層リードフレーム３２との間に介在している。
【００１６】
２層目のパワー半導体２２はバスバ６を使い、１層リードフレーム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７を形成し、半導体モジュール１が完成する。
【００１７】
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を提供することができる。
【００１８】
ここで、本発明に係る半導体モジュール１の２層構造のリードフレームの内２層リードフレーム３２について、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴを使用してインバータ１アーム分の回路を構成する場合について説明する。
図示しない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に、続いて下アームのドレイン電極からソース電極に、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される。
【００１９】
ＭＯＳＦＥＴは、縦構造のパワー半導体のため、図１に示すように、ドレイン電極２ａが下面電極、ソース電極２ｂは上面電極となっている。ここで電極サイズは、同一面にゲート電極を持つソース電極（上面電極）２ｂがドレイン電極（下面電極）２ａよりも小さい（「ソース電極（上面電極）２ｂ＜ドレイン電極（下面電極）２ａ」）。
【００２０】
前述の上アームから下アームのＭＯＳＦＥＴへの配線は、上アームのＭＯＳＦＥＴの上面にあるソース電極２ｂから、２層リードフレーム３２を通過し、下アームのＦＥＴの下面にあるドレイン電極２ａに配線ができる。
さらに２層リードフレーム３２からモータ遮断用ＭＯＳＦＥＴの上面のソース電極２ｂへの配線も同時に可能となる。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６を使う必要があり、バスバ分の実装スペースが発生するため、２層リードフレーム３２を採用することでスペースを削減できるとともに配線も短くできる。
また、２層目の２層リードフレーム３２の一部を１層目の１層リードフレーム３１の放熱面導出した形状とすれば、２層目に搭載したパワー半導体２の熱を放熱することができる。
【００２１】
次に、本発明に係る半導体モジュール１の２層構造のリードフレームの内１層リードフレーム３１上のＭＯＳＦＥＴ（上アーム及びモータ遮断用）を例にして、説明する。
パワー半導体２に対して、「ソース電極２ｂのはんだ融点＞ドレイン電極２ａのはんだ融点」と異なるようはんだ４を供給する。このとき融点差は１０℃〜１５℃が望ましい（一般的に温度勾配は１℃〜３℃／ｓｅｃの制約が知られているので、加熱工程の時間差にして５ｓｅｃ〜１５ｓｅｃ）。
反対に融点差がありすぎると、はんだ付けプロファイルが高融点側に合わせることになるため、低融点側のはんだ付け部がオーバーヒート（過熱）となり、はんだ接合組織の欠陥に繋がる可能性がある。
一例として、鉛フリーはんだの代表的な合成組成であるＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕを例とすると、その融点２１７℃〜２２０℃±１０℃の範囲内で設定すれば、既存のリフロープロファイルの適用も可能となり、製造工程側への条件変更の負担が無く実現できる。
【００２２】
また、ドレイン電極はんだ４１は、はんだ以外の金属粒子５を混ぜ合わせたはんだ４を用いる。金属粒子入りはんだは、市場でも使用され、例えば金属粒子５にはＮｉ粒子が使われる場合がある。
本実施形態では、パワー半導体２の下面電極のソース電極はんだ４２にのみに金属粒子５を含んだ実施形態で以下説明するが、パワー半導体２の上面電極側のドレイン電極はんだ４１にのみに金属粒子５に含んだ実施形態、或いは両方のはんだ４１、４２に金属粒子５を含んだ実施形態であってもよい。
【００２３】
図２（ａ）、（ｂ）は、リフロープロセス中のはんだ状態遷移について示していて、これらの図を参照しながら時間経過に沿った点Ａ〜Ｄにおけるはんだ状態を詳細に説明する。この内、図２（ａ）のグラフの縦軸には温度を、横軸には時間を表している。
なお、図中のリフロープロファイルは、２段の台形プロファイルで記載しているが、この限りでない。また、はんだ４に融点には幅がある（共晶組成でなく液相及び固相温度に差がある）場合を記載している。
【００２４】
パワー半導体２において、「上面電極のはんだ融点＞下面電極のはんだ融点」、上下面電極の面積は「上面電極＜下面電極」の条件としたとき、下面電極側であって、相対的に低融点のはんだが優先的に溶融し、その際の表面張力によってパワー半導体２が溶融はんだ側に自然と引っ張られる。
すなわち、リフロー加熱が進むと、まずドレイン電極２ａのはんだ融点に到達する（図２（ａ）の点（第１の融点）Ａで、ドレイン電極はんだ４１は融け始める。ソース電極はんだ４２は固体化のままである。）。この場合、溶融した、液状化のドレイン電極２ａ側はんだ４１は、図２（ｂ）の融点Ａの状態遷移で示されるように、パワー半導体２１（２）を表面張力により図面において下方向に引っ張る（図面では下方向の太い矢印Ｓ参照。）。このときドレイン電極２ａ側はんだ４１中に金属粒子５があるため、極端に下方向に引っ張っても、金属粒径に応じたギャップ以上のはんだ厚みとなる。
【００２５】
さらに加熱が進み、ソース電極はんだ４２の融点に到達する（図２（ａ）の点（第２の融点）Ｂで融け始める。ドレイン電極はんだ４１は既に液状化している）。このとき、高融点のソース電極はんだ４２が溶融し、ドレイン電極はんだ４１との表面張力の釣り合いによって、相対的にはんだ付け位置が決定されるが、上述のとおり、電極サイズの大小関係があるため、はんだの表面張力は下面電極側のドレイン電極はんだ４１がより大きく、下面電極側に支配的に引っ張られる位置で、はんだ表面張力が釣り合うこととなる。
すなわち、この場合、溶融したソース電極はんだ４２は、図２（ｂ）の第２の融点Ｂの状態遷移で示されるように、パワー半導体２１（２）を図面において上方向に引っ張る（（図面では上方向の細い矢印Ｔ参照。）。他方、「ソース電極＜ドレイン電極」で、はんだ表面張力は電極接触長に積比例することから、ドレイン電極はんだ４１が支配的にパワー半導体２１（２）を引っ張ることになる（図面では下方向の太い矢印Ｓ参照）。
【００２６】
さらに下面電極側のドレイン電極はんだ４１は、金属粒子５が混ざったはんだ４であり、はんだ４は、パワー半導体２１（２）を下面電極側（ドレイン電極はんだ４１）の厚みが減る方向に引っ張る一方で、金属粒子５の粒径に応じたギャップ以上のはんだ厚みを確保することができる。ここでの金属粒子５の粒径は８０μｍである。
すなわち、冷却工程に移り、ソース電極はんだ４２の凝固（固体化）が起こる（図２（ａ）の点Ｃで、ソース電極はんだ溶融期間が終わり固まり始める）、ここで、図２（ｂ）の点Ｃの状態遷移図で示されるように、ドレイン電極はんだ４１が支配的にパワー半導体２１（２）を引っ張った状態で（図面で下方向の太い矢印Ｓ参照。）、パワー半導体２１（２）の厚み方向位置は決定される。
なお、金属粒子５の粒径は、５０μｍから１００μｍであることが好ましい。
【００２７】
さらに冷却が進むと、続いてドレイン電極はんだ４１が凝固（固体化）し、接合が完了する（図２（ａ）の点Ｄで、ドレイン電極はんだ溶融期間が終わり固まり始める）。これにより、図２（ｂ）の点Ｄの状態遷移図で示されるように、パワー半導体２１（２）の厚み方向のはんだ付け位置を安定させることができる。
【００２８】
以上の説明のとおり、パワー半導体２１（２）の厚み方向におけるはんだ付け位置のばらつきを抑えるため、上面電極（ドレイン電極はんだ４１）において下面電極はんだとは融点が異なる（異なる組成）はんだ４を使い、また、下面電極はんだ（ソース電極はんだ４２）には、はんだ以外の金属粒子５を混ぜ合わせたはんだ４を使用することによりはんだ付け位置を安定させるとともに、下面電極はんだ（ソース電極はんだ４２）厚みを一定以上確保することができる。
【００２９】
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】
【００３０】
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】
【００３１】
１    半導体モジュール
２    パワー半導体
３    リードフレーム
４    はんだ
５    金属粒子
６    バスバ
７    モールド
２１  １層目のパワー半導体
２２  ２層目のパワー半導体
３１  １層リードフレーム
３２  ２層リードフレーム
４１  ドレイン電極側はんだ
４２  ソース電極側はんだ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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