(57)【要約】【課題】隣接配置された複数個のパワーモジュール同士の干渉を防止し、パワーモジュール間に生じる隙間の面積を縮小し、小型化な電力用半導体装置を提供する。【解決手段】スイッチング可能なパワー半導体チップ１２と、パワー半導体チップに接続される電位リード１５，１６及び信号端子１７を形成したリードフレーム１１と、パワー半導体チップの上面電極とリードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリード１８とをモールド樹脂で封止した複数個のパワーモジュール１０を、ヒートシンク２１上に円弧状に隣接配置して構成される電力用半導体装置において、隣接するパワーモジュールのいずれか一方は、他記パワーモジュールと隣接する部位に四角形の１つの角を切り欠いた斜辺１０ａを有する五角形状に形成されている。【選択図】図１
2019186392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング可能なパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップに接続される電位リード及び信号端子を形成したリードフレームと、前記パワー半導体チップの上面電極と前記リードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリードとをモールド樹脂で封止した複数個のパワーモジュールを、ヒートシンク上に円弧状に隣接配置して構成される電力用半導体装置において、
隣接する前記パワーモジュールのいずれか一方は、他の前記パワーモジュールと隣接する部位に四角形の１つの角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成されていることを特徴とする
ことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記各パワーモジュールの内周側に相当する辺に、前記電位リードが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記各パワーモジュールの外周側に相当する辺に、前記信号端子が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記各パワーモジュールは、１相分のブリッジ回路を含み、n個の前記パワーモジュールが共通のヒートシンク上に円弧状に配置されn相のブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
前記モールド樹脂は、トランスファーモールド樹脂であり、前記パワー半導体チップ、リードフレーム及び前記インナーリードがオーバーモールドされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
スイッチング可能なパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップに接続される電位リード及び信号端子を形成したリードフレームと、前記パワー半導体チップの上面電極と前記リードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリードと、少なくとも前記リードフレームと前記インナーリードとを接合する導電性接合部材と、前記パワー半導体チップ、リードフレーム及び前記インナーリードを覆うモールド樹脂とを備え、
前記モールド樹脂の外形が、四角形の１つの角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成されている
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
前記斜辺に繋がる短辺側に、前記電位リードが配置されていることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記斜辺に繋がる短辺と対向する長辺側に、前記信号端子が配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記モールド樹脂は、トランスファーモールド樹脂であり、前記パワー半導体チップ、リードフレーム及び前記インナーリードがオーバーモールドされていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一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】
本願は、電力用半導体装置及びこれに用いるパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置は、スイッチング可能なパワー半導体チップを内部に搭載し、ヒートシンク上に搭載されるパワーモジュールを複数個組み合わせることで電力変換回路を内部に構成する。
電力用半導体装置は、電力変換回路のほかに内部に搭載された制御基板から電力変換回路へ信号が伝達され、パワー半導体チップをオンオフさせて電力を制御する。そして、この際に生じる電圧変動、ノイズを吸収する平滑コンデンサを備える。
また、電力用半導体装置は、動作時に電源、パワーモジュール及び平滑コンデンサをつなぐ金属製の板で構成されたバスバーで電力を伝達し合う。
電力変換回路は、電力変換回路として３相回路が構成されており、たとえば３相回路を２回路分並列に配置するとモータと接続して動作させるときに電磁音の低減、駆動トルク変動の平滑化を図ることができる。
パワーモジュールは、配線パターン状に成形されたリードフレーム上に、パワー半導体チップを搭載し、パワー半導体チップの上面電極パッドを配線部材により接続したものをモールド樹脂で封止したものである。
このパワーモジュールを複数個、ヒートシンク上に搭載することで電力変換回路が構成されるが、小型化な電力用半導体装置を供給するためには、このパワーモジュールを効率的に配置する必要があった。
ｎ相の電力変換回路を構成するためには、例えばパワーモジュール1個で1相分の回路を構成していた場合、ｎ個のパワーモジュールをヒートシンク上に配置する必要があり、パワーモジュールの外形サイズによって電力用半導体装置の大きさが決まる。
【０００３】
例えば特許文献1にｎ相分のパワーモジュールを搭載した電力用半導体装置の構造が示されている。
この電力用半導体装置では、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュールを、回転電機本体に設けられた共通のヒートシンクに円弧状に配置して構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第6038230号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されたものでは、パワーモジュールが長方形であり、円弧状に配置したパワーモジュール同士を近づけて配置しても、パワーモジュール同士が干渉しないように配置する必要があった。
例えば、長方形のパワーモジュールをｎ個円弧状に配置した場合、図７のように円弧の内周に対し垂直方向に延在するパワーモジュールＡ，Ｂの短辺の長さをLとすると、パワーモジュールＡ，Ｂ同士を最も近接させた状態でも、パワーモジュールＡ，Ｂ間に底辺2×L×sin(360/2/n)、高さL×cos(360/2/n)の大きさの三角形の隙間Ｃが生じる。
結果として、パワーモジュールＡ，Ｂ間に合計でn×L×sin(360/2/n)×cos(360/2/n)以上の大きさの隙間を設ける必要が生じ、電力用半導体装置の小型化を阻害していた。
【０００６】
本願は、上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、隣接配置された複数個のパワーモジュール同士の干渉を防止し、パワーモジュール間に生じる隙間の面積を縮小し、小型化な電力用半導体装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示される電力用半導体装置は、スイッチング可能なパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップに接続される電位リード及び信号端子を形成したリードフレームと、前記パワー半導体チップの上面電極と前記リードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリードとをモールド樹脂で封止した複数個のパワーモジュールを、ヒートシンク上に円弧状に隣接配置して構成される電力用半導体装置において、隣接する前記パワーモジュールのいずれか一方は、他の前記パワーモジュールと隣接する部位に四角形の１つの角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本願に開示される電力用半導体装置によれば、複数個のパワーモジュールを隣接配置して構成される電力用半導体装置において、隣り合うパワーモジュール同士の干渉を防止し、パワーモジュール間に生じる隙間の面積を縮小し、小型化な電力用半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の電力用半導体装置に用いるパワーモジュールをモールド樹脂の上から透視した外観模式図である。
【図２】実施の形態１のパワーモジュール１個分の回路を示す図である。
【図３】図1のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】実施の形態１の電力用半導体装置を示す外観模式図である。
【図５】実施の形態１の電力用半導体装置を用いた一例を示す回路図である。
【図６】従来及び実施の形態１の電力用半導体装置における部品実装禁止領域を示すための模式図である。
【図７】従来のパワーモジュールを円弧状に配置した場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、実施の形態１を図１−図５に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１の電力用半導体装置１００に用いるパワーモジュール１０をモールド樹脂１３の上から透視した外観模式図であり、図２は、パワーモジュール１０の1個分で形成されるブリッジ回路を示す図である。
電力用半導体装置１００は、配線パターン状に成形された金属製リードフレーム１１と、リードフレーム１１上に接続された２個のパワー半導体チップ１２と、リードフレーム１１の一部とパワー半導体チップ１２を包み込むように配置されるモールド樹脂１３を備える。
電力用半導体装置１００の内部には、リードフレーム１１と切り離すことで成形されるパワー半導体チップ１２を搭載したP電位リード１４とAC電位リード１６、パワー半導体チップを搭載しないN電位リード１５を備える。
図１において、パワーモジュール１０は、モールド樹脂１３の外形が、四角形の一角を切り欠いた斜辺１０ａを有する五角形状に形成され、斜辺１０ａに繋がる短辺側に、P電位リード１４、N電位リード１５が配置されると共に、斜辺１０ａに繋がる短辺と対向する長辺側に、信号端子１７が配置されている。
【００１１】
図３に示すように、リードフレーム１１は、銅、アルミを基材にした合金の板材を配線パターン状に成形したものであり、片側にパワー半導体チップ１２、はんだ等の導電性部材２０、インナーリード１８、ワイヤボンド配線（図示せず）、電流検出用抵抗器（図示せず）などが実装され、モールド樹脂１３で包み込まれるように封止された後に、電気配線上不要な部分を除去される。
これによりリードフレーム１１は切り離され、図１に示すようにP電位リード１４、N電位リード１５、AC電位リード１６が形成され、トランスファーモールド樹脂によりオーバーモールドした構造になっている。
リードフレーム１１の配線パターン状への加工は、板状の材料をエッチング加工、プレス加工を用い、リードフレーム表面に基材の金属が露出しているものも使用可能であるが、少なくとも一部にめっき処理をされているものも使用可能である。
【００１２】
パワー半導体チップ１２は、上面と裏面にそれぞれチップ上面電極とチップ下面電極を備える。
本実施の形態では、パワー半導体チップ１２は一例としてMOSFETを示したが、IGBTにも適用可能である。MOSFET、IGBTは、スイッチング可能な素子であり、チップ上面にチップ上面電極とは別の、ゲート部とゲート電極を備える。
ゲート電極は、リードフレームの一部で構成されたゲート端子にワイヤボンドで電気的に接続される（図示せず）。
パワー半導体チップ１２としては、Siのみならず、SiC、SiN、GaN、GaAsなどを用いて作製したものも使用可能である。
またパワー半導体チップ１２の上面電極は、インナーリードなどの配線部材を使用する場合は、はんだなどの導電性部材で接合するためのNiめっき層など、はんだ付けできる仕様を備える。
【００１３】
本実施の形態では、パワー半導体チップ１２のチップ上面電極とインナーリード１８の間、インナーリード１８とリードフレーム１１の間、チップ下面電極とリードフレーム１１の間をはんだで接続する。
また、本実施の形態では、電流検出用抵抗器１９をインナーリード１８の近傍に電子部品として搭載している。
パワー半導体チップ１２、インナーリード１８、電流検出用抵抗器１９、リードフレーム１１の間のはんだは、リフロー装置など一括の熱処理により接合可能であり、製造性を向上できる。
また、電力用半導体装置１００の使用時に温度変化などに起因したひずみが生じ、はんだ接合部分により耐久性の差が生じる場合などには適用する場所毎に異なる組成のはんだを使用してもよい。
また、本実施の形態では、例として導電性部材２０としてはんだを示したが、導電性樹脂ペーストのほかシンタリングペーストを使用してもよい。
【００１４】
本実施の形態では、パワーモジュール１０の外形を、四角形の一角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成することで、図４示すように、６個のパワーモジュール１０を回転電機本体に設けられた共通のヒートシンク２１上に円弧状に隣接配置して、２組の３相インバータに相当する電力用半導体装置１００を構成した場合、隣り合う２つのパワーモジュール１０，１０間の隙間は、図７のように切り欠きのない長方形のパワーモジュールを円弧状に配置した場合と異なり、四角形の一角を切り欠いた分だけパワーモジュール１０を近接して配置することが可能となり、図７のような場合に比べてパワーモジュールの間に生じる隙間を小さくできる。
【００１５】
なお、図５は、２組の３相インバータに相当する電力用半導体装置１００を用いた一例を示す回路図で、直流電源２００によって電力用半導体装置１００による２組の３相インバータ回路を介して２台の３相交流モータ３００，４００を駆動する例を示している。
【００１６】
更に、本実施の形態では、図４のように、６個のパワーモジュール１０をヒートシンク２１上に円弧状に配置した場合、各パワーモジュール１０において、四角形の一角を切り欠いた斜辺１０ａに繋がる短辺側にP電位リード１４、N電位リード１５を配置し、斜辺１０ａに繋がる短辺と対向する長辺側に信号端子１７を配置した構造となっている。
これにより、n相のブリッジ回路を形成するn個のパワーモジュールをヒートシンク上に円弧状に配置した際に、パワーモジュールにより形成される円弧の外周側に信号端子が、内周側に電位リードが配置されることになり、信号端子を制御基板に接続する際のはんだ付け領域を電力用半導体装置の外周部に集中して設けることになるため、はんだ付け領域に伴って生じるはんだ付け領域近傍の部品実装禁止領域を縮小することができ、部品実装禁止領域を避けて部品実装するために確保が必要な部品実装領域を削減することができ、電力用半導体装置を小型に形成できる。
【００１７】
即ち、パワーモジュールの信号端子および電位リードは、制御基板に設けられたスルーホール等を貫通して制御基板とはんだ接続されるため、図６の左図Ａに示すように、パワーモジュールの信号端子および電位リード端子がパワーモジュールＡ，Ｂの四方に配置されている場合、制御基板に接続されたパワーモジュールの端子よりも内側の領域に電子部品を配置しても、当該電子部品を端子よりも外側の領域と電気的に接続することが困難となるため、端子よりも内側に電子部品を配置することができず、端子よりも内側の面積および端子周囲を含めた面積が部品実装できなくなり、パワーモジュールに接続される制御基板の面積のうち、パワーモジュール外形全体が部品実装禁止領域Ｄとなる。
しかし、本実施の形態のように電位リード１４，１５をパワーモジュール１０の内周側に、信号端子１７をパワーモジュールの外周側に配置することで、端子の内側の領域に電子部品を配置しても、図６の右図に示すように、部品実装禁止領域Ｄをパワーモジュール１０の内周側と外周側にのみに設定するだけで良く、信号端子１７と電位リード１４，１５により形成される電力用半導体装置の外周部に相当する帯状の領域内での電気的接続を確保することが可能となる。
【００１８】
また、はんだ付け領域を電力用半導体装置の外周部に集中して設けることができることにより、はんだ付け箇所が限定されるため、はんだ付けが容易となり、生産性の高い電力用半導体装置を供給できる。
【００１９】
また、P電位リード１４とN電位リード１５を近接して配置することが可能となるため、通電時のノイズが低減され周辺の電子部品、電気回路への影響が生じず、ノイズの影響を防止するためのノイズシールドが不要となり、電力用半導体装置を小型に形成できる。
【００２０】
以上のように、本願に開示される電力用半導体装置によれば、スイッチング可能なパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップに接続される電位リード及び信号端子を形成したリードフレームと、前記パワー半導体チップの上面電極と前記リードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリードとをモールド樹脂で封止した複数個のパワーモジュールを、ヒートシンク上に円弧状に隣接配置して構成される電力用半導体装置において、隣接する前記パワーモジュールのいずれか一方は、他の前記パワーモジュールと隣接する部位に四角形の１つの角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成されているので、隣り合うパワーモジュール同士を狭い間隔で配置させ、パワーモジュール間に生じる隙間の面積を縮小することが可能となり、小型化な電力用半導体装置を構成できる。
【００２１】
本願に開示される電力用半導体装置によれば、円弧状に配置されたパワーモジュールの内周側に相当する辺に、パワー半導体チップに接続されたP電位リード、N電位リードが配置されているので、P電位リードとN電位リードを狭い間隔で配置でき、通電時のノイズが低減され周辺の電子部品、電気回路への影響が生じず、ノイズの影響を防止するためのノイズシールドが不要となるため、小型化な電力用半導体装置を構成できる。
【００２２】
本願に開示される電力用半導体装置によれば、円弧状に配置されたパワーモジュールの外周側に相当する辺に、パワー半導体チップに接続された信号端子が配置されているので、端子数の多くなる信号端子を外周側に集中的に配置しつつ、パワーモジュール同士を狭隣接で配置することが可能となり、信号端子を集中的に配置することで、信号端子を制御基板に接続する際のはんだ付け領域を電力用半導体装置の外周部に集中して設けることになるため、はんだ付け領域に伴って生じるはんだ付け領域近傍の部品実装禁止領域を縮小することができ、部品実装禁止領域を避けて部品実装するために確保が必要な部品実装領域を削減することができ、小型化な電力用半導体装置を構成できる。
【００２３】
また、本願に開示される電力用半導体装置は、基板のみでなく、チップ、配線を含む全体をトランスファーモールド樹脂によりオーバーモールドした構造であり、パワーモジュール外形の角部が90度以下となる箇所がない形状とすることで、モールド時の金型からの離形性がよく、生産性に優れている。
【００２４】
更に、本願に開示される電力用半導体装置においては、パワーモジュールは基板となる配線パターン形状をリードフレームにより構成しており、基板および搭載される電子部品をトランスファーモールド樹脂によりモールド封止した構造となっており、モールド樹脂の外形を五角形とすることで半導体チップおよび電子部品が実装される配線パターン形状を任意の形状を選択しても、モールド樹脂により形作られる外形形状が五角形であるため、円弧状に配置することが可能である。
【００２５】
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２６】
１００  電力用半導体装置、１０  パワーモジュール、１０ａ  斜辺、１１  リードフレーム、１２  パワー半導体チップ、１３  モールド樹脂、１４  P電位リード、１５  N電位リード、１６  AC電位リード、１７  信号端子、１８  インナーリード、１９  電流検出用抵抗器、２０  導電性部材、２１  ヒートシンク、２００  直流電源、３００，４００  ３相交流モータ
【図１】
2019186392.tif 000003
【図２】
2019186392.tif 000004
【図３】
2019186392.tif 000005
【図４】
2019186392.tif 000006
【図５】
2019186392.tif 000007
【図６】
2019186392.tif 000008
【図７】
2019186392.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月10日(2019.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング可能なパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップに接続される電位リード及び信号端子を形成したリードフレームと、前記パワー半導体チップの上面電極と前記リードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリードとをモールド樹脂で封止した複数個のパワーモジュールを、ヒートシンク上に円弧状に隣接配置して構成される電力用半導体装置において、
隣接する前記パワーモジュールのいずれか一方は、他の前記パワーモジュールと隣接する部位に四角形の１つの角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成されていると共に、
前記各パワーモジュールの内周側に相当する辺に、前記電位リードが配置され、前記各パワーモジュールの外周側に相当する辺には、前記信号端子のみが配置されている
ことを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
前記各パワーモジュールの前記斜辺に繋がる側辺に、前記電位リードとは異なる電位リードが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
前記各パワーモジュールは、１相分のブリッジ回路を含み、n個の前記パワーモジュールが共通のヒートシンク上に円弧状に配置されn相のブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
前記モールド樹脂は、トランスファーモールド樹脂であり、前記パワー半導体チップ、リードフレーム及び前記インナーリードがオーバーモールドされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本願は、電力用半導体装置に関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本願に開示される電力用半導体装置は、スイッチング可能なパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップに接続される電位リード及び信号端子を形成したリードフレームと、前記パワー半導体チップの上面電極と前記リードフレームとを電気的に接続している金属製のインナーリードとをモールド樹脂で封止した複数個のパワーモジュールを、ヒートシンク上に円弧状に隣接配置して構成される電力用半導体装置において、隣接する前記パワーモジュールのいずれか一方は、他の前記パワーモジュールと隣接する部位に四角形の１つの角を切り欠いた斜辺を有する五角形状に形成されていると共に、前記各パワーモジュールの内周側に相当する辺に、前記電位リードが配置され、前記各パワーモジュールの外周側に相当する辺には、前記信号端子のみが配置されている。