(57)【要約】  本発明は、リードフレーム（２）と、半導体素子（３）と、複合材料（５）から成る導電性の接続部材（４）とを含む電子アセンブリに関する。この場合、接続部材（４）は、半導体素子（３）に向いた表面で複合材料（５）の上に、はんだ付け可能な金属化部（６）を有している。接続部材（４）の複合材料（５）の熱伝導率は、半導体素子（３）の熱伝導率よりも大きくかつリードフレーム（２）の熱伝導率よりも小さい。接続部材（４）は、半導体素子（３）の領域だけに局所的に設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子アセンブリにおいて、
リードフレーム（２）と、半導体素子（３）と、複合材料（５）から成る導電性の接続部材（４）とが設けられており、
前記接続部材（４）は、前記半導体素子（３）に向いた表面で複合材料（５）の上に、はんだ付け可能な金属化部（６）を有しており、
前記接続部材（４）の複合材料（５）の熱伝導率は、前記半導体素子（３）の熱伝導率よりも大きくかつ前記リードフレーム（２）の熱伝導率よりも小さく、
前記接続部材（４）は、前記半導体素子（３）の領域だけに局所的に設けられていることを特徴とする、
電子アセンブリ。
【請求項２】
前記接続部材（４）の１つの面の面積は、前記半導体素子（３）の１つの面の面積の最大で２倍の大きさであり、有利には前記半導体素子（３）の１つの面の面積と等しい大きさである、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記リードフレーム（２）は打ち抜き部（２０）を有しており、該打ち抜き部（２０）内に前記接続部材（４）が配置されている、請求項１または２記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記接続部材（４）の複合材料（５）の厚さ（Ｄ１）は、前記リードフレーム（２）の厚さ（Ｄ２）と等しい、請求項３記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記リードフレーム（２）は凹部（２１）を有しており、該凹部（２１）内に前記接続部材（４）の複合材料（５）が配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記接続部材（４）は予め製造された部品である、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記接続部材（４）と前記リードフレーム（２）との間にプレス接合部（７）が形成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記接続部材（４）の複合材料（５）と前記リードフレーム（２）との間に材料結合部（８）が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記接続部材（４）の表面は、前記リードフレーム（２）の表面と同一平面上にある、請求項１から８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記複合材料（５）は銅及びグラファイトを含む、または前記複合材料（５）は銅及びモリブデンを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機械的安定性を局所的に整合させて改善することによりサーマルマネージメントを向上させた電子アセンブリに関する。
【０００２】
特に低電圧での用途において電力用半導体が基板例えばリードフレーム上にじかにはんだ付けされるような電子アセンブリは、従来技術において知られている。この種の電子部品は良好な熱特性を有している。なぜならば、電力用半導体からの熱をリードフレームにダイレクトに伝達させることができ、したがってリードフレームを介してその熱が電力用半導体から迅速に伝導していくからである。しかしながら、電力用半導体の熱膨張係数とリードフレーム一般には金属薄片の熱膨張係数との差が大きいことから、このように電子アセンブリをダイレクトに接触接続させることにより重大な欠点が生じる。このことから、リードフレームと電力用半導体との間に熱機械的な応力が発生する可能性があり、極端なケースではこれにより部品が損傷してしまう。
【０００３】
発明の概要
これに対し、請求項１の特徴を備えた電子アセンブリにより得られる利点とは、リードフレームと半導体素子との間において、熱に起因する応力を著しく低減できることであり、これによって電子アセンブリの寿命を格段に延ばせることである。このことができるようになるにもかかわらず、本発明によればさらに、電子アセンブリを低コストで大量生産によって製造することができる。例えば、リードフレームに半導体素子をダイレクトに装着することに比べても、最小限のコスト増加しか発生しない。なぜならば本発明によれば、導電性の接続部材は半導体素子の領域に局所的に設けられるだけだからである。この場合、導電性の接続部材は複合材料から成り、半導体素子に向いた表面の上にはんだ付け可能な金属化部が設けられている。このように本発明によれば、半導体素子からリードフレームへの熱伝導のために接続部材が介在接続されている。ここで接続部材の熱伝導率は、半導体素子の熱伝導率とリードフレームの熱伝導率の間にある。さらに本発明によれば電子アセンブリを、低電圧の用途だけでなく、半導体素子から多くの熱が発せられる高電力の用途にも適用することができます。したがって本発明によれば、簡単かつ低コストで製造可能なリードフレームを引き続き使用することができ、複合材料から成る接続部材によって、組成、層厚等に関して幅広い変化の余地を残すことができる。
【０００４】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００５】
有利には、局所的に設けられた接続部材の面積は、半導体素子の面積の最大で２倍の大きさである。これによって、半導体素子からの良好な熱放出が実現されるとともに、接続部材の製造にかかるコストならびにフレームにおいて接続部材のために必要とされる所要スペースをそのまま維持することができる。その際に殊に有利であるのは、接続部材の１つの面の面積を半導体素子の１つの面の面積と同じ大きさにすることであり、これによって半導体素子下側の面全体から熱を確実に放出させることができる。
【０００６】
本発明の１つの有利な実施例によれば、リードフレームは有利には１つの打ち抜き部を有しており、この打ち抜き部内に接続部材が配置されている。この打ち抜き部は、電子アセンブリがあとで完成したときに半導体素子が位置するポジションに設けられている。打ち抜き部はリードフレームの製造と同時に形成されるので、これによっていかなる余計なコストもかからない。さらにこの打ち抜き部によって接続部材のポジションが規定されるので、接続部材を迅速かつ容易にリードフレームに配置できるようになる。さらに本発明の構成によれば、接続部材はリードフレーム表面から突出しておらず、あるいはほとんど突出しておらず、したがってコンパクトな電子アセンブリを実現できるようになる。
【０００７】
接続部材の厚さがリードフレームの厚さと等しいと有利である。このようにすれば、半導体素子が接続部材によってリードフレーム表面に対し過度に高くなって配置されるようなことなく、接続部材がリードフレームから打ち抜かれた材料と置き換わることになる。
【０００８】
本発明の１つの有利な実施形態によれば、リードフレームは凹部を有しており、この凹部内に接続部材が配置されている。つまり、リードフレームの製造コストをやはり著しく高めることのない凹欠部が設けられる。なぜならばこの凹部は、リードフレームと同時に製造されるからである。この凹部は接続部材を収容するためのポケットとして用いられ、これによって接続部材の上に設けられる半導体素子が過度に高く配置されてしまうことが同様に回避される。
【０００９】
殊に有利には、リードフレームの表面は接続部材の表面と同一平面上にある。
【００１０】
殊に有利には、接続部材は予め準備された部品として設けられ、このようにすれば接続部材をリードフレームに配置するだけでよい。
【００１１】
迅速かつ低コストで製造できるようにするため、接続部材とリードフレームとの間にプレス接合部が設けられている。この場合、プレス接合部を、打ち抜き部にも凹部にも設けることができる。これに対する代案として、またはこれに加えて、接続部材とリードフレームとの間に材料結合部が設けられる。殊に有利であるのは、このような材料結合部をガルバニックプロセスすなわち電気的な処理によって形成することである。さらにこの場合、接続部材はガルバニック分散層として、局所的に区切られた領域に設けられる。この目的で、異物粒子がガルバニック槽に持ち込まれ、それらの粒子がガルバニックプロセス中、成長層に組み込まれる。その際に殊に有利であるのは、著しく粗い粒子を打ち抜き部もしくは凹部に収容し、接続部材が形成されるまで、それらの粒子の周囲に金属層を成長させることである。
【００１２】
殊に有利であるのは、接続部材が複合材料として銅とモリブデンの複合体または銅とグラファイトの複合体を有することである。
【００１３】
殊に有利であるのは、接続部材の熱伝導率を１００〜９００Ｗ／ｍｋの範囲にすることである。
【００１４】
また、半導体素子をＦＥＴとするのが有利であり、殊にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴとするのが有利である。
【００１５】
本発明による電子アセンブリは、特に有利には電力モジュールとして車両に組み込まれる。その際、本発明による電子アセンブリは、駆動領域及び／又はエネルギーマネージメントに用いられ、例えばハイブリッド車両、燃料電池車両、電気自動車における駆動領域及び／又はエネルギーマネージメントにも用いられる。さらに再生エネルギーの分野例えば光電池インバータにおいても、本発明による電子アセンブリを適用することができる。
【００１６】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の有利な実施例について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施例による電子アセンブリのためのリードフレームの斜視図
【図２】図１のリードフレームを接続部材の取り付け工程について示す斜視図
【図３】図１のリードフレームを最終的に半導体素子を取り付けた状態で示す斜視図
【図４】図３に示した電子アセンブリの断面図
【図５】本発明の第２の実施例による電子アセンブリの斜視図
【図６】図５に示した第２の実施例の拡大図
【図７】第２の実施例による電子アセンブリの断面図
【図８】接続部材の部分面を示す拡大図
【図９】接続部材製造の実施例を示す図
【図１０】接続部材製造の実施例を示す図
【００１８】
本発明の有利な実施形態
次に、図１〜図４を参照しながら、本発明の第１の有利な実施例による電子アセンブリ１について詳しく説明する。
【００１９】
特に図４からわかるように電子アセンブリ１には、銅から成るリードフレーム２と半導体素子３と接続部材４が含まれている。図１に示されているように、リードフレーム２には付加的な開口部ないしは打ち抜き部２０が設けられており、この打ち抜き部２０はリードフレーム２の製造と同時に打ち抜かれる。この場合、予め作成された部品として事前に準備された接続部材４は、この部材がプレス接合部７を介して打ち抜き部２０に装着可能であるような寸法を有している（図２参照）。その際、接続部材４は、銅とグラファイトの複合材料によって製造されている。半導体素子３に向いた側において、複合材料５ははんだ付け可能な金属化部６すなわち金属層を有している。これによって半導体素子３を、接続部材４にはんだ付けすることができる。
【００２０】
この場合、接続部材４の１つの面の面積は半導体素子３の１つの面の面積と正確に対応している。さらに接続部材４の厚さＤ１は、リードフレーム２の厚さと等しい。このようにして接続部材４を使用することで、半導体素子が外側に突出しすぎてしまう状態が回避される。その際、接続部材４を適切な寸法で予め製造された部品として準備することができ、迅速かつ簡単に打ち抜き部２０に圧入することができる。ついで半導体素子３は、はんだ付けプロセスにより接続部材４における金属化部６の上に取り付けられる。最後に、そのようにして予め製造された接続部材をリードフレームに取り付けることができる。
【００２１】
接続部材４と半導体素子３とリードフレーム２の熱膨張係数は、隣り合う部品の熱膨張係数の値が跳躍的に大きく変化しないよう、互いに整合されている。この場合、例えば接続部材４の熱伝導率は半導体素子３の熱伝導率よりも大きいが、半導体素子３の熱伝導率はリードフレーム２の熱伝導率よりも小さい。それにもかかわらず、半導体素子３とリードフレーム２との間に大きな熱的応力が生じることなく、半導体素子３からの良好な熱伝導を保証することができる。このようにして、リードフレーム２と半導体素子３との間に過度に大きな熱的応力が生じるのが回避される。これにもかかわらず本発明によれば、リードフレームを用いた簡単な打ち抜きグリッド構造を踏襲することができ、その際、ごく一部分においてのみ熱的に特別に負荷の加わる半導体素子の領域への整合が実現される。さらに、一部分だけしか整合しないことから、比較的高価な接続部材の複合材料にかかるコストも最小限に抑えられる。さらに本発明によれば、複合材料５の材料の組成を変えることにより、個々の状況に個別に合わせることができる。例えば、熱伝導率または導電率の改善に関する所望の特性に従い、複合材料５として金属とセラミックを混合させることができる。また、リードフレーム２と半導体素子３とをダイレクトに接触させるのではなく、接続部材４を介してのみ接触を行うよう、電子アセンブリを形成することもできる。
【００２２】
次に、図５〜図１０を参照しながら、本発明の第２の有利な実施例による電子アセンブリ１について詳しく説明する。この場合、同一の部材もしくは同一の機能を有する部材には、第１の実施例と同じ参照符号が付されている。
【００２３】
例えば図７からわかるようにリードフレームは、第１の実施例とは異なり打ち抜き部ではなく凹部２１を有している。有利には凹部２１は、他の個所で必要とされるリードフレーム２の打ち抜きステップと同時に形成され、この凹部２１の円錐形の縁部には参照符号８が付されている。したがってこのステップによってもさらに余計なコストはかからない。この場合、凹部２１は接続部材４の複合材料５によって完全に充填されている。その際、複合材料５の厚さＤ３は、リードフレーム２の表面からの凹部２１の深さに対応する。したがってリードフレーム２の表面は、接続部材４の表面と同一平面上にある。図７では金属化部６の厚さは誇張して描かれており、厚さの考察にあたり金属化部６の厚さは無視してかまわない。
【００２４】
図８には、２つの材料から成る複合材料５の断面図が描かれている。この場合、２つの材料は、例えばグラファイトのような粉末状の第１の材料５１と、粒子状の第１の材料５１の間の中間空間を締める金属材料５２とから製造されている。
【００２５】
この場合も凹部２１は、あとで半導体素子３が配置される位置に形成されている。ただし半導体素子３の取り付け前に、さらに金属化部６が設けられる。金属化部６は著しく薄いので、アセンブリ構造の高さに関して、金属化部を考慮する必要はない。ただし金属化部６は接続部材４の領域にしか形成されず、その領域のところに半導体素子３があとからはんだ付けされる。
【００２６】
図９及び図１０には、複合材料５を有するリードフレーム２を製造するための製造方法に関する２つの実施例が示されている。この場合、複合材料５は、ガルバニック分散層として凹部２１に生成される。その際に有利であるのは、粗い粒子５１を用いることであり、このような粗い粒子であれば、重力に助けられて凹部２１内に配置させることができる。図９に示されているように、電圧を印加すると凹部２１内に金属の異物粒子５２が堆積し、その結果、まえもって中に入れられていた大きな粒子の周囲で金属層が成長する。このような粒子として、例えばセラミック粒子または金属間粒子が適している。図９の場合、電極周囲の容器３０内に金属の異物粒子が電解質として配置されている。図１０の場合、金属の異物粒子５２は分散状態で存在している。
【００２７】
このようにして第２の実施例の場合にも、複合材料５から成る接続部材４をその上に位置する金属化部６とともに局所的に設けることができる。凹部２１を用いることで、殊にその後に行われる絶縁に関してもさらに利点が得られる。なぜならば、このことによって絶縁すべき面積が低減されるからである。
【００２８】
さらに付言しておくと、本発明によれば接続部材４をリードフレーム２のある表面に単に局所的に取り付けることも可能である。ただし、このためには位置決め精度がしばしば必要となる可能性があり、したがって上述の２つの実施例において述べた打ち抜き２０または凹部２１を用いた実施形態が有利である。なお、自明であるが、２つの異なる部品のために共通のリードフレームに、それぞれ打ち抜き２０と凹部２１を設けることもできる。
【００２９】
さらに択一的に可能であるのは、本発明による接続部材を以下のようにして製造することである。すなわち、接続部材を１つの台座の上に広い面積にわたり形成し、ついでそれぞれ要求されるサイズに従って分離し、最後に、第１の実施例で述べたように、適切に形成された打ち抜きに嵌め込むことも可能である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年7月4日(2013.7.4)
【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】
電子アセンブリにおいて、
リードフレーム（２）と、半導体素子（３）と、複合材料（５）から成る導電性の接続部材（４）とが設けられており、
前記接続部材（４）は、前記半導体素子（３）に向いた表面で複合材料（５）の上に、はんだ付け可能な金属化部（６）を有しており、
前記接続部材（４）の複合材料（５）の熱伝導率は、前記半導体素子（３）の熱伝導率よりも大きくかつ前記リードフレーム（２）の熱伝導率よりも小さく、
前記接続部材（４）は、前記半導体素子（３）の領域だけに局所的に設けられていることを特徴とする、
電子アセンブリ。
【請求項２】
前記接続部材（４）の１つの面の面積は、前記半導体素子（３）の１つの面の面積の最大で２倍の大きさである、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記接続部材（４）の１つの面の面積は、前記半導体素子（３）の１つの面の面積と等しい大きさである、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記リードフレーム（２）は打ち抜き部（２０）を有しており、該打ち抜き部（２０）内に前記接続部材（４）が配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記接続部材（４）の複合材料（５）の厚さ（Ｄ１）は、前記リードフレーム（２）の厚さ（Ｄ２）と等しい、請求項４記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記リードフレーム（２）は凹部（２１）を有しており、該凹部（２１）内に前記接続部材（４）の複合材料（５）が配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記接続部材（４）は予め製造された部品である、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記接続部材（４）と前記リードフレーム（２）との間にプレス接合部（７）が形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記接続部材（４）の複合材料（５）と前記リードフレーム（２）との間に材料結合部（８）が設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記接続部材（４）の表面は、前記リードフレーム（２）の表面と同一平面上にある、請求項１から９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記複合材料（５）は銅及びグラファイトを含む、または前記複合材料（５）は銅及びモリブデンを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【国際調査報告】
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