(57)【要約】【課題】多品種少量生産に適した、低コストで生産性の高いパワーモジュールを得ることを目的とする。【解決手段】第１主面と第１主面の反対側の面である第２主面とを有し所定の電気回路の配線パターンが形成されたリードフレーム２と、リードフレーム２の第１主面上に搭載されリードフレーム２の配線パターンと接続されるＩＧＢＴ３と、リードフレーム２の配線パターンと接続され、プリント配線板７と電気部品８とを有してＩＧＢＴ３を制御する電気回路を形成した制御回路基板９と、リードフレーム２とＩＧＢＴ３と制御回路基板９とを一体的にトランスファーモールド封止したモールド樹脂１４とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面と上記第１主面の反対側の面である第２主面とを有し所定の電気回路の配線パターンが形成されたリードフレームと、
上記リードフレームの第１主面上に搭載され上記リードフレームの配線パターンと接続されるパワートランジスタチップと、
上記リードフレームの配線パターンと接続され、プリント配線板と電気部品とを有して上記パワートランジスタチップを制御する電気回路を形成した制御回路基板と、
上記リードフレームと上記パワートランジスタチップと上記制御回路基板とを一体的にトランスファーモールド封止したモールド樹脂と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
上記制御回路基板は、上記リードフレームの第１主面側に上記第１主面と所定の間隔もって配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
上記リードフレームの第１主面上には、上記リードフレームの配線パターンと接続される電流検出手段または温度検出手段のうち少なくともいずれか一方が搭載され、
上記制御回路基板は、上記リードフレームに搭載された上記電流検出手段または温度検出手段からの出力を検知し判定するとともに、上記出力値の判定結果に応じて上記パワートランジスタチップの通電を制御する保護回路を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
上記制御回路基板の一対の端部に上記モールド樹脂から突出して設けられ、上記制御回路基板を外部機器と電気的に接続するとともに、トランスファーモールド封止する際にモールド金型に固定される端子を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
上記制御回路基板は、上記リードフレームの第１主面に該面と略垂直に設けられた基板支持部により支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
上記リードフレームの第２主面上に、高熱伝導金属基板が配設されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーモジュールの構造に関するものであり、例えばインバータなどのパワーモジュールの低コスト化、生産性の向上等を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールにおいて、銅フレームの第１主面と第２主面間をプレス打ち抜くことで配線パターンが形成されたリードフレームは、パワーチップ搭載部とロジックチップ搭載部を含んでいる。そして、パワーチップ搭載部の第１主面上にパワーチップが、ロジックチップ搭載部の第１主面上にパワーチップを制御するロジックチップが搭載されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３９０６６１号（段落番号[００２８]、［００３１］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のパワーモジュールは、パワーチップを制御するためにロジックチップを用いている。一般にロジックチップのような半導体素子を生産するためには大規模な生産設備や複雑な製造プロセスが必要であるため、特に少量生産の場合にコストが増大する。このため、従来のパワーモジュールは大量生産には適しているが、多品種少量生産の場合には適しないという問題があった。
【０００５】
また、一般に、ロジックチップは低コスト化を図るためにチップサイズを小型化する必要があるため、内部リードとの接続のためのワイヤボンド接合領域も小さく、例えば直径３５μｍ前後の細線アルミニウムワイヤや金ワイヤでなければ、ロジックチップと内部リードの接続ができない。これに対し、大電流通電が必要なパワーチップと内部リードとの接続には、例えば直径３００μｍの太線アルミニウムワイヤを使用する必要がある。従来のパワーモジュールのようにパワーチップをロジックチップで制御する構成では、必然的に直径が大きく異なる２種類のワイヤを使用しなければならず、超音波ワイヤボンディング装置もそれぞれのワイヤ径に合わせたものが必要であった。このため、従来のパワーモジュールでは、設備投資、設備設置スペース、設備メンテナンスや段取り換えの費用が増大し、やはり大量生産には適するが、多品種少量生産には適しないという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、多品種少量生産に適した、低コストで生産性の高いパワーモジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るパワーモジュールは、第１主面と第１主面の反対側の面である第２主面とを有し所定の電気回路の配線パターンが形成されたリードフレームと、リードフレームの第１主面上に搭載されリードフレームの配線パターンと接続されるパワートランジスタチップと、リードフレームの配線パターンと接続され、プリント配線板と電気部品とを有してパワートランジスタチップを制御する電気回路を形成した制御回路基板と、リードフレームとパワートランジスタチップと制御回路基板とを一体的にトランスファーモールド封止したモールド樹脂と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明のパワーモジュールによれば、ロジックチップが不要であるため少量生産であっても低コスト化が実現できるとともに、プリント配線板の配線パターンと電気部品を変更することで制御機能が異なるパワーモジュールを容易に生産でき、多品種の少量生産に容易に対応できる。
また、リードフレームとパワートランジスタチップと制御回路基板とを一体的にトランスファーモールド封止したため、パワーモジュールの小型化や、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構造を模式的に示した断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるリードフレームの構成を示す平面図および側面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における制御回路基板の構成を示す平面図および側面図である。
【図４】この発明の実施の形態１における制御回路基板をリードフレームの第１主面上方に配置した状態を示す平面図および側面図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるトランスファーモールド工程を説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるトランスファーモールド工程を説明する説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１におけるトランスファーモールド工程を説明する説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１におけるトランスファーモールド工程を説明する説明図であり、図７のＩ−Ｉ断面を示す模式図である。
【図９】この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールのリードフレームの不要部分を切断する前の状態を示す平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１におけるパワーモジュールのリードフレームの不要部分を切断後の完成した状態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるパワーモジュールの構造を模式的に示した断面図である。なお、図１はパワーモジュールの構造を模式的に示した断面図であるため、各部の位置関係や各種アルミニウムワイヤの配線関係は概略的に示されている。
【００１０】
図１に示すように、パワーモジュール１は、所定の電気回路の配線パターンが形成されたリードフレーム２を備えている。リードフレーム２の一方の面（以下第１主面とする）であって配線パターン上には、パワートランジスタチップとしてのＩＧＢＴ３、ダイオード４、電流値を検出するための電流検出手段としてのシャント抵抗５、温度を検出するための温度検出手段としてのサーミスタ６（図２参照）等が搭載されている。なお本実施の形態１ではパワートランジスタチップとしてＩＧＢＴを採用しているが、これに限られるものではなく、例えばＭＯＳＦＥＴ等を採用してもよい。
これらＩＧＢＴ３等が配置される配線パターンの上方には、リードフレーム２の第１主面と所定の間隔をもって、プリント配線板７と電気部品８とによりＩＧＢＴ３等を制御する電気回路を形成した制御回路基板９が配置されている。そして、制御回路基板９とリードフレーム２間や、リードフレーム２とＩＧＢＴ３間等、必要な箇所がワイヤ１０により適宜電気的接続されている。なお、本実施の形態１ではワイヤ１０としてアルミニウムワイヤ１０を使用している。
リードフレーム２の第１主面と反対側の面（以下第２主面とする）には、放熱板として機能する高熱伝導絶縁基板１１が配設されている。高熱伝導絶縁基板１１は、高熱伝導絶縁層１２とヒートシンク１３からなり、リードフレーム２の第２主面、高熱伝導絶縁層１２、ヒートシンク１３の順に配置される。
そして、ＩＧＢＴ３等が搭載されたリードフレーム２と制御回路基板９と高熱伝導絶縁基板１１とが、モールド樹脂１４により一体的にトランスファーモールド封止されている。この際、リードフレーム２の外部リード部２２と、ヒートシンク１３の高熱伝導絶縁層１２が配置される側と反対の面は、モールド樹脂１４から露出するような状態で封止されている。
【００１１】
まず、リードフレーム２とこれに搭載されたＩＧＢＴ３等の構成について詳述する。図２はこの発明の実施の形態１におけるリードフレーム２を示すもので図２（Ａ）が平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＩ−Ｉ側から見た側面図である。
本実施の形態１のリードフレーム２は、例えば、厚さ０．７ｍｍの銅フレームをプレス打ち抜きし、図２（Ａ）に示すような所望の電気回路の配線パターンが形成されたものであり、内部リード部２１、外部リード部２２、タイバー部２３、枠部２４、基板支持部２５を備えている。
【００１２】
内部リード部２１は、リードフレーム２のうちモールド樹脂１４により封止される部分であり、主回路用内部リード部２１Ａと信号用内部リード部２１Ｂを有している。なお、図中点線Ａで囲まれた領域を、モールド樹脂１４により封止される封止部Ａとする。
主回路用内部リード部２１Ａの第１主面には、ＩＧＢＴ３や、ダイオード４、シャント抵抗５等が搭載されている。アルミニウムワイヤ１０によってこれらが適宜接続され、所望のインバータ回路を形成している。
信号用内部リード２１Ｂにはその一部にサーミスタ６が搭載されている。また、信号用内部リード２１Ｂと、ＩＧＢＴ３やシャント抵抗５が、アルミニウムワイヤ１０によって接続されている。信号用内部リード２１Ｂは、ＩＧＢＴ３の制御信号や、シャント抵抗５およびサーミスタ６の出力値を伝達するための配線の一部となる。また、信号用内部リード２１Ｂの第１主面上であって封止部Ａの近傍には、ほぼ一列に並ぶようにワイヤ接合領域１５が設けられている。ワイヤ接合領域１５は信号用内部リード２１Ｂと制御回路基板９とをアルミニウムワイヤ１０で接続するために使用される。
なお、本実施の形態１では、主回路用内部リード部２１Ａをパワーモジュール１の例えば図２（Ａ）上側の位置に集中させ、信号用内部リード部２１Ｂを図２（Ａ）下側の位置に集中させる構成としている。
【００１３】
ここで、図１で示すように、各内部リード２１（２１Ａ、２１Ｂ）の第２主面側には、高熱伝導金属基板１１が配置されている。各内部リード２１には、高熱伝導金属基板１１の端部よりも内側の部分に段差部２１Ｃが設けられ、段差部２１Ｃにより高熱伝導絶縁層１２と各内部リード２１との間に隙間２１Ｄを形成している。これにより、リードフレーム２とヒートシンク１３間の電気的絶縁を達成している。すなわち、リードフレーム２とヒートシンク１３側面（図１左右の面）との沿面絶縁距離を確保すると共に、隙間２１Ｄにモールド樹脂１４が充填されることにより空間絶縁距離も確保することができる。
【００１４】
外部リード部２２は、内部リード部２１と繋がってモールド樹脂１４の外部へ伸びる部分であり、モールド樹脂１４の外部へ突出して電源やモータ等の外部機器と接続される。主回路用内部リード部２１Ａに繋がる部分は主回路用外部リード部２２Ａであり、封止部Ａの一方の面側（図２（Ａ）上側）に集中的に配置されている。また、信号用内部リード２１Ｂに繋がる部分は信号用外部リード部２２Ｂであり、封止部Ａの他方の面側（図２（Ａ）下側）に集中的に配置されている。このように、外部リード部２２は主回路用外部リード部２２Ａと信号用外部リード部２２Ｂとを備えている。
【００１５】
タイバー部２３は、外部リード部２２等の変形を防ぐために設けられており、隣り合う主回路用外部リード部２２Ａ同士、隣り合う信号用外部リード部２２Ｂ同士、両側に配置される主回路用外部リード部２２Ａとそれに向かい合う枠部２４Ａ、および両側に配置される信号用外部リード部２２Ｂとそれに向かい合う枠部２４Ａとを架橋している。また後述する基板支持部２５の保持部２５Ｂを、隣り合って配置される主回路用外部リード部２２Ａや信号用外部リード部２２Ｂ、枠部２４Ａと架橋している。なお枠部２４は、タイバー部２３が架橋している枠部２４Ａと、各外部リード部２２Ａ、２２Ｂ、基板保持部２５Ｂ等と繋がる枠部２４Ｂとを含む。
【００１６】
基板支持部２５は、制御回路基板９を支持するためのものである。リードフレーム２の第１主面に対して垂直に伸び（図２（Ｂ）参照）、例えばリードフレーム２の一部を第１主面側に略垂直に折り曲げることにより形成される。基板支持部２５の先端には、制御回路基板９を構成するプリント配線板７の支持用穴７Ａに挿入される基板挿入部２５Ａが形成されている。支持用穴７Ａについては後述する。
なお、基板支持部２５は制御回路基板９を支持できれば、その数や配置位置等は自由に設定でき、本実施の形態１では主回路用内部リード２１Ａ側に１箇所、信号用内部リード２１Ｂ側に２箇所の計３箇所に基板支持部２５を配置している。基板支持部２５は保持部２５Ｂを介し枠部２４Ｂと繋がっており、上述の通りタイバー部２３により変形等しないよう補強されている。
【００１７】
次に、制御回路基板９の構成について詳述する。図３はこの発明の実施の形態１における制御回路基板９の構造を示すもので、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩ−Ｉ側から見た側面図である。また、図４は制御回路基板９をリードフレーム２の第１主面上方に配置した状態を示すもので図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩ−Ｉ側から見た側面図である。
図３に示すように、制御回路基板９は、図示しない配線パターンが形成されたプリント配線板７と、プリント配線板７の配線パターン上に搭載された電気部品８とにより形成されている。電気部品８は図示しないはんだによりプリント配線板７上の配線パターンと接続されている。これにより、所望の出力電流波形を得るためにＩＧＢＴ３を制御するプリドライブ回路と、電流検出手段としてのシャント抵抗５や温度検出手段としてのサーミスタ６の出力値を検知判定し、この判定結果に応じてＩＧＢＴ３の通電を制御する保護回路とを形成している。保護回路は、シャント抵抗５やサーミスタ６の出力値を判定し、例えば出力値が異常でないかどうか、また出力値が適切であるかどうか等を判断する。そして、この判断に応じて、出力値が異常である場合にはＩＧＢＴ３への通電を遮断したり、また出力値が適切でない場合には適切なスイッチング周波数を判断しスイッチング周波数を変更してＩＧＢＴ３への通電を制御する等の処理を行う。これによりＩＧＢＴ３を保護することができる。
なお、プリント配線板７としては、例えば１．６ｍｍ厚さのプリント配線板を使用することが望ましい。１．６ｍｍ厚さのプリント配線板は、多くの電子機器に一般的によく使用され、市場での流通量が多いため、入手が容易で安価であるという利点がある。
【００１８】
プリント配線板７には、リードフレーム２に設けられた基板支持部２５の先端の基板挿入部２５Ａが挿入されるための支持用穴７Ａが設けられている。支持用穴７Ａはプリント配線板７の外周部近傍に設けられ、本実施の形態１ではリードフレーム２の基板支持部２５の位置に合わせて３箇所設けられている。
【００１９】
図４に示すように、電子部品８を搭載したプリント配線板７から構成される制御回路基板９は、リードフレーム２の基板挿入部２５Ａにプリント配線板７の支持用穴７Ａを挿入することにより、リードフレーム２の第１主面と略平行に、ＩＧＢＴ３等を間に挟んで配置される。基板支持部２５の高さは、リードフレーム２の第１主面に搭載されたＩＧＢＴ３等を電気的接続するアルミニウムワイヤ１０のループの高さと、プリント配線板７のリードフレーム２と対向する側の面に配置される電気部品８の高さとを考慮して設定されている。基板支持部２５の高さは、両者の接触を防ぐために必要な高さであって、かつできるだけ小さい値となるようにすることが望ましい。これにより制御回路基板９とリードフレーム２間の配線距離を短縮することができ、外部からのノイズによる誤作動を抑制することができる。
【００２０】
支持用穴７Ａの直径は、基板挿入部２５Ａに挿入可能であってかつ適切な余裕をもった直径となるよう設定されている。例えば本実施の形態１では、基板挿入部２５Ａの幅をリードフレーム２の厚さと同じ０．７ｍｍとし、制御回路基板９側から見た基板挿入部２５Ａの先端形状が略正方形となるように設定している。
これに対して、支持用穴７Ａの直径は１．５ｍｍとし、基板挿入部２５Ａに対し尤度のある設定となっている。また、基板支持部２５の幅は３ｍｍに設定され、基板支持部２５が支持用穴７Ａに入らないよう設定されている。なお、尤度のある設定となっているため、制御回路基板９を搭載したリードフレーム２を後述するモールド金型に配置する際、制御回路基板９の位置をモールド金型に合わせて微調節することができ、配置が容易となる。
このような構成としたため、基板支持部２５によりリードフレーム２の第１主面と制御回路基板９との間隔を規制することができ、また基板挿入部２５Ａによりリードフレーム２と制御回路基板９との水平方向の相対的な位置を規制することができる。
なお、支持用穴７Ａの直径や、基板挿入部２５Ａの幅、基板支持部２５の幅は、上記のような寸法に限られるものではなく、制御回路基板９とリードフレーム２の第１主面との間隔を規制でき、制御回路基板９とリードフレーム２との水平方向の相対的な位置を規制できる構成であれば、どのような寸法に設定してもよい。
【００２１】
また、プリント配線板７の所定の一対の端部には、モールド樹脂１４の外部へ伸び、図示しない外部機器と制御回路基板９とを電気的に接続するための、複数の端子７Ｂが設けられている。
端子７Ｂは、制御回路基板９がリードフレーム２上方に配置された際に、プリント配線板７の４つの端部の内、リードフレーム２の主回路用外部リード部２２Ａ、信号用外部リード部２２Ｂが配置される側とは異なる２つの端部（図３、４中左右の端部）から突出するように、それぞれ複数個並設されている。端子７Ｂはプリント配線板７の端部にはんだ付けされることにより固定されており、はんだ接続される接続部７Ｃと、モールド樹脂１４から外部へ露出するリード部７Ｄとを含んでいる。リード部７Ｄは外部機器に接続されるとともに、トランスファーモールド時には、後述するモールド金型に挟まれることにより制御回路基板９をモールド金型に固定するために使用される。
【００２２】
さらに、プリント配線板７には、リードフレーム２の信号用内部リード部２１Ｂに設けられたワイヤ接合領域１５とプリント配線板７とをアルミニウムワイヤ１０で電気的接続するためのワイヤ接合領域７Ｅが設けられている。
図４（Ａ）に示すように、制御回路基板９は信号用内部リード部２１Ｂのワイヤ接合領域１５を覆わないような位置に配置されている。そして、プリント配線板７のワイヤ接合領域７Ｅは、プリント配線板７の端部に沿って信号用内部リード部２１Ｂのワイヤ接合領域１５と対応するように、略一列に並ぶように設けられている。
【００２３】
信号用内部リード部２１Ｂのワイヤ接合領域１５とプリント配線板７のワイヤ接合領域７Ｅ間は、超音波ワイヤボンディングによりアルミニウムワイヤ１０で電気的に接続される。これにより、リードフレーム２上のＩＧＢＴ３、シャント抵抗５、サーミスタ６と制御回路基板９間の配線がなされ、プリント配線板７と電気部品８とにより形成された電気回路によりＩＧＢＴ３等を制御、保護する。
プリント配線板７の端部に設けられたワイヤ接合領域７Ｅは、信号用内部リード部２１Ｂのワイヤ接合領域１５を覆わない位置、かつワイヤ接合領域１５と対応する位置に配設されているため、アルミニウムワイヤ１０による超音波ワイヤボンディングが容易に実現できる。
【００２４】
次に、高熱伝導絶縁基板１１について図１を参照して詳述する。
高熱伝導絶縁基板１１はリードフレーム２の第１主面上のＩＧＢＴ３等による熱を放熱するための放熱板としての役割を担う。上述の通り、高熱伝導絶縁基板１１は、高熱伝導絶縁層１２とヒートシンク１３とを備えている。リードフレーム２の第２主面側に、高熱伝導絶縁層１２を介してヒートシンク１３が配置される。
高熱伝導絶縁層１２は、熱伝導性の良いシリカ粒子や窒化ホウ素等の絶縁物をエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等に混入させたもので、２００μｍ程度の膜厚で形成されている。また、ヒートシンク１３は、例えば２ｍｍ厚のアルミニウム板等の金属板からなる。
なお、ヒートシンク１３として使用する金属板はアルミニウム板に限られるものではなく、例えば銅等の他の金属を用いてもよいことは言うまでもない。また、その厚みも２ｍｍに限られるものではなく、パワーモジュール１として要求される熱抵抗や熱容量によって、２〜１０ｍｍの範囲で適宜選択すればよい。さらに、高熱伝導絶縁層１２の膜厚についても、２００μｍに限られるものではなく、パワーモジュール１として要求される熱抵抗や絶縁耐圧によって、１００〜３００μｍの範囲で適宜選択すればよい。
【００２５】
次に、本実施の形態１のパワーモジュール１の製造工程の一例について説明する。
まず、上述の通り、銅フレームをプレスで打ち抜き、所定の電気回路の配線パターンが形成されたリードフレーム２（図２参照）を製造する（図２参照）。
【００２６】
次に、リードフレーム２の第１主面上に、ＩＧＢＴ３、ダイオード４、シャント抵抗５、およびサーミスタ６を搭載する（図２参照）。
搭載工程は、まず、主回路用内部リード部２１Ａおよび信号用内部リード部２１Ｂの所定の位置にＩＧＢＴ３、ダイオード４、シャント抵抗５、およびサーミスタ６を板はんだ（図示せず）とともに設置する。そして、還元雰囲気炉（蟻酸濃度５％，温度２７０℃）中ではんだ接合する。
これにより、水素雰囲気よりも低温で、高品質のフラックスレスはんだ接合ができるので、ＩＧＢＴ３、ダイオード４、シャント抵抗５、およびサーミスタ６に与える熱的なダメージを軽減できる。
なお、本実施の形態１では、シャント抵抗５およびサーミスタ６とが搭載された場合について説明しているが、シャント抵抗５およびサーミスタ６は必要に応じて搭載すればよい。
【００２７】
次に、リードフレーム２とＩＧＢＴ３等の各構成部材間を、超音波ワイヤボンディングにより適宜電気的に接続する。
超音波ワイヤボンディング工程では、図１、図２等に示すように、例えばＩＧＢＴ３とダイオード４間、ダイオード４とシャント抵抗５間、ＩＧＢＴ３やシャント抵抗５と信号用内部リード部２１Ｂ間、ダイオード４やシャント抵抗５と主回路用内部リード部２１Ａ間等の必要箇所を、アルミニウムワイヤ１０により接続する。なお、本実施の形態１で使用するアルミニウムワイヤ１０は、大電流が流れる主回路用内部リード部２１Ａとの接続部分に合わせて、大電流が流れない信号用内部リード部２１Ｂとの接続部分も、全て直径３００μｍの太線アルミニウムワイヤ１０とする。
【００２８】
次に、プリント配線板７と電気部品８とにより所定の電気回路を形成した制御回路基板９を、ＩＧＢＴ３等を搭載し電気的接続等を行った状態のリードフレーム２の上方に配置する（図４参照）。リードフレーム２に設けられた基板支持部２５の基板挿入部２５Ａを、制御回路基板９のプリント配線板７に設けられた支持用穴７Ａを挿入することにより配置を行う。
【００２９】
次に、超音波ワイヤボンディングにより、信号用内部リード部２１Ｂのワイヤ接合領域１５とプリント配線板７のワイヤ接合領域７Ｅ間を電気的接続する（図４参照）。超音波ワイヤボンディングの方法は、上述したリードフレーム２とＩＧＢＴ３等間の接続における超音波ワイヤボンディング工程の場合と同様である。
なお、本実施の形態１では、プリント配線板７と電気部品８とにより所定の電気回路を形成した制御回路基板９によりＩＧＢＴ３を制御するため、制御回路基板９とリードフレーム２間の電気的接続のためのワイヤ接合領域７Ｅを、例えばロジックチップ等を使用する場合に比べて十分に確保できる。従って、接続に使用するアルミニウムワイヤ１０を、上記リードフレーム２とＩＧＢＴ３等の各構成部材間のワイヤボンディング工程で使用したものと同じく、直径３００μｍの太線アルミニウムワイヤ１０とすることができる。
このように、全ての接続部分において、単一のワイヤ径のアルミニウムワイヤ１０を使用するため、単一のワイヤ径に合わせた設備のみを備えた超音波ワイヤボンディング装置により超音波ワイヤボンディングを行うことができ、設備投資、設備スペース、設備メンテナンスや段取り換えの費用を抑制することができる。また設備、生産工程における環境負荷を低減することができる。
なお、本実施の形態１では直径３００μｍの太線アルミニウムワイヤ１０を採用しているが、必ずしもこれに限られるものではない。パワーモジュールとして要求される通電容量や、細いアルミニウムワイヤの方が柔軟性が高く引き回しの自由度が高いというアルミニウムワイヤの性質等を考慮し、直径２００〜４００μｍ程度の範囲内で適宜選択すればよい。
【００３０】
なお、制御回路基板９はリードフレーム２に設けられた基板支持部２５および基板挿入部２５Ａによって支えられているだけなので、この状態で制御回路基板９にアルミニウムワイヤ１０をボンディングすると、制御回路基板９のたわみや変移によってワイヤボンディング時の荷重や超音波エネルギーがワイヤ接合部に十分印加されず、アルミニウムワイヤ１０を適切にボンディングできない場合がある。このため、制御回路基板９にアルミニウムワイヤ１０をボンディングする際には、超音波ワイヤボンディング装置に制御回路基板９の固定部材等を設けることにより、適宜制御回路基板９を固定し、制御回路基板９のたわみや変移を抑制する必要がある。
【００３１】
次に、ＩＧＢＴ３等が搭載されたリードフレーム２と制御回路基板９とを、モールド樹脂１４により一体的にトランスファーモールド封止する。トランスファーモールド工程について、図５〜図８により説明する。
まず、図５に示すように、高熱伝導絶縁基板１１をトランスファーモールド用のモールド金型１６内に設置する。モールド金型１６は上部金型１６Ａと下部金型１６Ｂからなり、内部にキャビティ１６Ｃを形成している。高熱伝導絶縁基板１１を、下部金型１６Ｂのキャビティ１６Ｃ内に、ヒートシンク１３、高熱伝導絶縁層１２の順となるように配置する。この時、高熱伝導絶縁層１２は、Ｂステージと呼ばれる半硬化状態とする。
【００３２】
そして、図６に示すように、制御回路基板９との接続が完了したリードフレーム２を高熱伝導絶縁層１２上の所定位置に配置する。この時、高熱伝導絶縁層１２とリードフレーム２の第２主面とは接するように配置される。
【００３３】
そして、図７に示すように、高熱伝導絶縁基板１１、リードフレーム２、制御回路基板９等が適切に配置された状態で、上部金型１６Ａと下部金型１６Ｂをリードフレーム２の一部を挟み込むようにして閉じ、モールド樹脂１４をモールド金型１６のキャビティ１６Ｃ内に充填する。
この時、モールド樹脂１４は１８０℃前後に加熱されて軟化した状態であり、この軟化したモールド樹脂１４が１０ＭＰａ前後の高圧でモールド金型１６のキャビティ１６Ｃ内に充填される。モールド樹脂１４は、半硬化状態（Ｂステージ）の高熱伝導絶縁層１２を直接、またはリードフレーム２の内部リード部２１を介して間接的に加熱、加圧する。この熱と圧力によって、高熱伝導絶縁層１２は一旦軟化し、ヒートシンク１３およびリードフレーム２の内部リード部２１に密着する。この状態でさらに加熱を続けることにより、モールド樹脂１４および高熱伝導絶縁層１２の硬化反応が促進され、樹脂封止が完了する。
【００３４】
なお、モールド樹脂１４がモールド金型１６のキャビティ１６Ｃ内に充填される際、制御回路基板９はモールド樹脂１４の流動圧力を受けて変移しようとする。
ここで、図８は図７のＩ−Ｉ断面を示す模式図であり、モールド金型１６の形状を説明するためのものである。図８に示すように、上部金型１６Ａと下部金型１６Ｂは、閉じられた時にプリント配線板７に設けられた端子７Ｂを挟み込むことができるように、端子７Ｂの位置に合わせて段差を備えた形状となっている。
このようなモールド金型１６により、端子７Ｂがモールド金型１６の上部金型１６Ａと下部金型１６Ｂに挟み込まれ、制御回路基板９が固定される。従って、モールド樹脂１４の流動圧力による制御回路基板９の変移を抑えることができる。このため、例えばアルミニウムワイヤ１０の変形による絶縁不良や断線、リードフレーム２に設けられた基板支持部２５の変形など、制御回路基板９の変移に伴う不具合を防止することができ、安定した品質を確保することができる。
この効果を顕著にするため、制御回路基板９のプリント配線板７に設けられる端子７Ｂは、剛性が高く、変形しにくいことが望ましく、具体的には厚さ０．３ｍｍ以上、幅０．５ｍｍ以上の板状のものを使用することが望ましい。
【００３５】
次に、上記のようにしてトランスファーモールド封止を完了した後、モールド金型１６を取り外し、モールドパッケージ表面から外部に突出ないし露出しているリードフレーム２の不要部分である、タイバー部２３、枠部２４などを分離切断する。なお、図９はモールド金型１６から取り出した状態のパワーモジュール１の構成を示す平面図であり、リードフレーム２の不要部分を切断する前のものを示している。また、図１０はリードフレーム２の不要部分を切断後の、完成したパワーモジュール１の構成を示す平面図である。
【００３６】
以上のように、本実施の形態１のパワーモジュール１は、ＩＧＢＴ３を制御する電気回路を、プリント配線板７と電気部品８とにより構成しているため、ロジックチップが不要である。このため、ロジックチップを生産するための大規模な製造設備や複雑な製造プロセスが必要なく、少量生産のパワーモジュール１であっても低コスト化が実現できる。
さらに、電気回路が一般的で安価なプリント配線板７と電気部品８とにより構成されるため、回路の変更が容易である。そして、プリント配線板７の配線パターンと電気部品８を変更すれば、パワーモジュール１の基本的な構成を変更せずに制御機能が異なるパワーモジュール１を生産することができ、多品種の少量生産に容易に対応できる。
【００３７】
また、パワーモジュール１は、リードフレーム２や制御回路基板９、高熱伝導絶縁基板１１等が一体的かつ一括でトランスファーモールド封止されるため、パワーモジュールの小型化や、信頼性の向上を図ることができる。
例えば、本実施の形態１のパワーモジュール１はプリント配線板７と電気部品８により構成される制御回路基板９を高圧でモールド樹脂１４を充填するトランスファーモールドにより直接封止する。高圧によりモールド樹脂１４を充填することにより、封止モールド樹脂１４内の気泡を極小化させ、モールド樹脂１４封止による絶縁信頼性を高めることができるため、モールド樹脂１４に直接封止される制御回路基板９の表面に形成される配線パターン間の絶縁距離を縮小することができる。このため、制御回路基板９全体の面積を縮小でき、小型で絶縁信頼性の高いパワーモジュール１を得ることができる。
また、モールド樹脂１４は空気と比較して誘電率が高いため、制御回路基板９をモールド樹脂１４により封止することにより、制御回路基板９に対する外部からのノイズの影響を低減することができ、ノイズによる誤作動を抑制した信頼性の高いパワーモジュール１を得ることができる。小型化により低コスト化を図ることもできる。
また、制御回路基板９をモールド樹脂１４により封止することにより、プリント配線板７とプリント配線板７に搭載される電気部品８との線膨張差が緩和され、プリント配線板７と電気部品８とを接続するはんだに生じる熱応力を抑制することができ、はんだ接続部の信頼性が向上する。このため、耐久性の高いパワーモジュール１を得ることができる。
また、リードフレーム２、制御回路基板９、高熱伝導絶縁基板１１を一体的かつ一括でトランスファーモールド封止するため、生産性が高く、パワーモジュール１の低コスト化も実現できる。
【００３８】
また、制御回路基板９は、リードフレーム２の第１主面側の上方に第１主面と所定の間隔をもって配置されているため、パワーモジュール１の設置面積を小型化でき、パワーモジュール１を搭載する機器の小型化が可能である。また、このような配置により、制御回路基板９とリードフレーム２上のＩＧＢＴ３等を近接させることができるため、制御回路基板９とリードフレーム２上のＩＧＢＴ３等間の配線距離を短縮し、外部からのノイズによる誤作動を抑制することができる。
さらに、このような配置により、制御回路基板９とシャント抵抗５やサーミスタ６を近接させることができるため、制御回路基板９に形成された保護回路とシャント抵抗５やサーミスタ６との配線距離を短縮することができる。このため、シャント抵抗５やサーミスタ６の出力を迅速にフィードバックし、異常出力時の保護動作の遅れを抑制でき、保護動作遅れを考慮した設計マージンを小さくすることができる。具体的にはＩＧＢＴ３等のパワートランジスタチップのサイズを小さくすることが可能となり、パワーモジュール１の小型化、低コスト化を図ることができる。
また、サーミスタ６をＩＧＢＴ３に近接配置すれば、ＩＧＢＴ３の温度上昇を迅速かつ正確に検知することができ、より、サーミスタ６の異常出力時の保護動作遅れを小さくできる。
【００３９】
また、リードフレーム２の第２主面上に高熱伝導金属基板１１が配設されているため、ＩＧＢＴ３等の発熱を効率よく逃すことができる。特にシャント抵抗５の発熱を高熱伝導金属基板１１に逃すことにより、シャント抵抗５の温度変化を抑制し、電流検出精度を向上させることができる。これにより、より小型のシャント抵抗５を適用することができ、パワーモジュール１の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００４０】
また、ＩＧＢＴ３、ダイオード４、シャント抵抗５、サーミスタ６は、還元雰囲気炉（蟻酸濃度５％，温度２７０℃）中ではんだ接合されるので、はんだ接合後に洗浄する必要がなく、低コスト化が可能となる。さらに水素炉よりも低温ではんだ接合ができるので、ＩＧＢＴ３、ダイオード４、シャント抵抗５、サーミスタ６に与える熱的なダメージを軽減できる。なお、特に、樹脂モールドされた一般的なサーミスタは、水素炉の３６０℃という温度ではモールド樹脂が焼けてしまうため、本実施の形態１のような還元雰囲気炉ではんだ接合する必要がある。
【符号の説明】
【００４１】
１  パワーモジュール、２  リードフレーム、
３  ＩＧＢＴ（パワートランジスタチップ）、５  シャント抵抗（電流検出手段）、
６  サーミスタ（温度検出手段）、７  プリント配線板、７Ｂ  端子、８  電気部品、
９  制御回路基板、１１  高熱伝導金属基板、１４  モールド樹脂、
２５  基板支持部。
【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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