(57)【要約】【課題】高性能の半導体パワーモジュールを提供する。【解決手段】本発明に係る半導体パワーモジュール１において、放熱板２上には絶縁基板８が配置されている。絶縁基板には、複数の半導体チップ１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂが実装された回路パターン１０ａ，１０ｂが形成されている。回路パターン及び／又は半導体チップとは、複数の電極板２０ａ，２０ｂ，２０ｃが電気的に接続されている。絶縁基板、半導体チップ、及び電極板を囲んで放熱板上にはケース４が設けてある。各電極板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの一端がケース外部に引き出され、それぞれ外部接続用端子２２、２４、２６を形成している。電極板２０ｂは、梁部材２８により支持されて放熱板の上方に伸張している。電極板２０ｂと半導体チップ１４ｂの距離を短くでき、したがって両者を接続するワイヤ１８ｆの短縮化が図れ、モジュールの配線のインダクタンスを低減できる。【選択図】　　　　図１
2004039807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板と、
放熱板上に設けた絶縁基板と、
絶縁基板に形成された回路パターンに実装された複数の半導体チップと、
上記回路パターン及び／又は上記半導体チップと電気的に接続された複数の電極板と、
上記絶縁基板、半導体チップ、及び電極板を囲んで放熱板上に設けたケースとを備えた半導体パワーモジュールにおいて、
各電極板の一端がケース外部に引き出され、それぞれ外部接続用端子を形成し、
ケースの内部空間において、複数の電極板の少なくとも一つが、放熱板に垂直な方向に関し所定の間隔をあけて所定の方向に伸張しており、少なくともその長手方向両端が支持部材により支持されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
上記支持部材は、上記複数の電極板の少なくとも一つの長手方向にわたって該電極を支持する梁部材であることを特徴とする請求項１の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
上記支持部材は、ケースと一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２の半導体パワーモジュール。
【請求項４】
上記支持部材とケースは樹脂で形成されることを特徴とする請求項３の半導体パワーモジュール。
【請求項５】
上記支持部材の短手方向の断面形状は、その放熱板に対向する面が凸状になっていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。
【請求項６】
上記支持部材はブリッジ形状をなしていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。
【請求項７】
上記複数の電極板の少なくとも一つの短手方向断面は、放熱板に略平行な矩形部分と矩形部分から該部分と略直交する方向に伸びた垂直部分とを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。
【請求項８】
上記複数の電極板の少なくとも一つの短手方向断面は、一対の垂直部分が矩形部分の両端から放熱板に向けて伸びるコ字状であることを特徴とする請求項７の半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置などに用いる半導体パワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体パワーモジュールとして、直列接続された一対のハイサイド側スイッチング回路とローサイド側スイッチング回路を備えたものが知られている。
【０００３】
図６は、このような従来の半導体パワーモジュールの内部構造の一例を示す。この半導体パワーモジュール１００は、銅やアルミなどからなる矩形状の放熱板１０２を有し、放熱板１０２を囲むように樹脂ケース１０４が設けてある。放熱板２の各頂点部には、放熱板１０２を外部の冷却部材にボルトで締め付けるための取付けボルト用穴１０６が設けてある。ケース１０４の上側に設けた開口部は、図示しない蓋で閉じられるようにしてある。
【０００４】
放熱板１０２の表面には、絶縁基板１０８ａ，１０８ｂが半田などのろう材を介して接合されている。絶縁基板１０８ａ，１０８ｂ上にはそれぞれ、銅からなる所定の回路パターン１１０ａ，１１０ｂが形成されている。回路パターン１１０ａ、１１０ｂには、半導体パワーモジュール１００の用途、目的に応じて設けられた複数の半導体チップ、例えばＩＧＢＴ１１２ａ，１１２ｂ、ダイオード１１４ａ，１１４ｂが、ろう材で接合され実装されており、それぞれハイサイド側スイッチング回路及びローサイド側スイッチング回路を構成する。
【０００５】
回路パターン１１０ａは、ボンディングワイヤ１１８ａを介して電極板１２０ａに接続されている。回路パターン１１０ａ上のＩＧＢＴ１１２ａとダイオード１１４ａはボンディングワイヤ１１８ｂで互いに接続されている。回路パターン１１０ａ上のダイオード１１４ａは、ボンディングワイヤ１１８ｃを介して回路パターン１１０ｂに接続されている。回路パターン１１０ｂ上のＩＧＢＴ１１２ｂとダイオード１１４ｂは、ボンディングワイヤ１１８ｄで互いに接続されている。回路パターン１１０ｂ上のダイオード１１４ｂは、ボンディングワイヤ１１８ｅを介して電極板１２０ｂに接続されている。回路パターン１１０ｂは、ボンディングワイヤ１１８ｆを介して電極板１２０ｃに接続されている。電極板１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、樹脂ケース１０４にインサートされ、一体成形されている。電極板１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、相互に絶縁されるとともに外側に延び、樹脂ケース１０４上でそれぞれ電力用外部接続端子である直流端子のＰ端子（ハイサイド側入力端子）１２２、Ｎ端子（ローサイド側入力端子）１２４、及び交流端子（出力端子）１２６を形成する。回路パターン１１０ａ，１１０ｂ上のＩＧＢＴ１１２ａ，１１２ｂはそれぞれ、信号用外部接続端子１３０ａ，１３０ｂに電気的に接続されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この半導体パワーモジュール１００において、電極板１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、ケース１０４の内部空間を実質的に平面状に外側に延び、ケース外縁部分にインサートされ、上方（紙面手前側）に折り曲げられ、ケース１０４の開口部を囲む一辺からケース１０４外部に引き出されている。このように、半導体パワーモジュール１００のケース１０４の内部空間は、表面に回路パターンなどが形成された絶縁基板１０８ａ，１０８ｂが占めるスペースのほかに、電極板１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｂの平面部の占めるスペースが必要となり、モジュールが大型化する。
【０００７】
また、Ｐ端子１２２（又はＮ端子１２４）と交流端子１２６との間の電流の経路が比較的長く、したがってインダクタンスが大きくなり高周波特性の点で性能が劣る場合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、小型且つ高性能の半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る半導体パワーモジュールは、
放熱板と、
放熱板上に設けた絶縁基板と、
絶縁基板に形成された回路パターンに実装された複数の半導体チップと、
上記回路パターン及び／又は上記半導体チップと電気的に接続された複数の電極板と、
上記絶縁基板、半導体チップ、及び電極板を囲んで放熱板上に設けたケースとを備えた半導体パワーモジュールにおいて、
各電極板の一端がケース外部に引き出され、それぞれ外部接続用端子を形成し、
ケースの内部空間において、複数の電極板の少なくとも一つが、放熱板に垂直な方向に関し所定の間隔をあけて所定の方向に伸張しており、少なくともその長手方向両端が支持部材により支持されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る半導体パワーモジュールは、請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、支持部材が、上記複数の電極板の少なくとも一つの長手方向にわたって該電極を支持する梁部材であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る半導体パワーモジュールは、請求項１又は２に記載の半導体パワーモジュールにおいて、支持部材がケースと一体的に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る半導体パワーモジュールは、請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、支持部材とケースが樹脂で形成されることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る半導体パワーモジュールは、請求項２〜４のいずれかに記載の半導体パワーモジュールにおいて、支持部材の短手方向の断面形状は、その放熱板に対向する面が凸状になっていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る半導体パワーモジュールは、請求項２〜５のいずれかに記載の半導体パワーモジュールにおいて、支持部材がブリッジ形状をなしていることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る半導体パワーモジュールは、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体パワーモジュールにおいて、上記複数の電極板の少なくとも一つの短手方向断面は、放熱板に略平行な矩形部分と矩形部分から該部分と略直交する方向に伸びた垂直部分とを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る半導体パワーモジュールは、請求項７に記載の半導体パワーモジュールにおいて、上記複数の電極板の少なくとも一つの短手方向断面は、一対の垂直部分が矩形部分の両端から放熱板に向けて伸びるコ字状であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本願明細書では、方向を表す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、およびこれらの用語を含む別の用語）を適宜用いるが、説明に用いる図面中の方向を示すだけのものであって、これらの用語によって本発明が限定的に解釈されるべきでない。
【００１８】
図１〜３を参照して本発明の一実施形態に係る半導体パワーモジュールを説明する。この半導体パワーモジュール１は、直列接続された一対のハイサイド側スイッチング回路とローサイド側スイッチング回路、さらにハイサイド側入力端子（Ｐ端子）、ローサイド側入力端子（Ｎ端子）、及び出力端子を備え、Ｐ端子及びＮ端子を介して外部電源から供給された電力を、ハイサイド側スイッチング回路及びローサイド側スイッチング回路によりＵ、Ｖ、Ｗ相のいずれかの相に対応して制御し、制御された電力を１つの出力端子を介して外部へ出力するものである。このような半導体パワーモジュール１を３つ利用してインバータ装置に適用する。
【００１９】
具体的に、半導体パワーモジュール１は、矩形状に形成されており、以下に示す各種部品が矩形状の放熱板２上に積み重ねられ、放熱板２を囲むように枠状の樹脂ケース４が設けてある。放熱板２の各頂点部には、放熱板２を外部の冷却部材にボルトで締め付けるための取付けボルト用穴６が設けてある。ケース４の上側に設けた開口部は、図示しない蓋で閉じられるようにしてある。
【００２０】
放熱板２の表面には、絶縁基板８が半田などのろう材９を介して接合されている。絶縁基板８の上面には、銅からなる所定の回路パターン１０ａ，１０ｂが形成されている。回路パターン１０ａ，１０ｂには、半導体パワーモジュール１の用途、目的に応じて設けられた複数の半導体チップ、例えばＩＧＢＴ１２ａ，１２ｂ、ダイオード（フライホイールダイオード）１４ａ，１４ｂ等が、ろう材で接合され実装されており、それぞれハイサイド側スイッチング回路及びローサイド側スイッチング回路を構成する。
【００２１】
回路パターン１０ａは、ボンディングワイヤ１８ａを介して電極板２０ａに接続されている。回路パターン１０ａ上のＩＧＢＴ１２ａとダイオード１４ａはボンディングワイヤ１８ｂで互いに接続されている。図２に最もよく示されるように、回路パターン１０ａ上のダイオード１４ａは、ボンディングワイヤ１８ｃを介して回路パターン１０ｂに接続されている。回路パターン１０ｂ上のＩＧＢＴ１２ｂとダイオード１４ｂは、ボンディングワイヤ１８ｄで互いに接続されている。回路パターン１０ｂは、ボンディングワイヤ１８ｅを介して電極板２０ｃに接続されている。ボンディングワイヤ１８は、Ａｕ、Ａｌ等の金属細線である。電極板２０ａ，２０ｃは、樹脂ケース４にインサートされ、一体成形されている。電極板２０ａ，２０ｃは、相互に絶縁されるとともに外側に延び、ケース４の開口部を囲む図１下辺右側及び左側からケース４外部に引き出され、それぞれ電力用外部接続端子である直流端子のＰ端子２２及び交流端子２６を形成する。
【００２２】
回路パターン１０ｂ上のダイオード１４ｂの近傍には、放熱板２に垂直な方向に所定の間隔をあけて、図１上下方向に延びた細長平板形状の電極板２０ｂが配置されている。電極板２０ｂは、電極板２０ａ，２０ｃと相互に絶縁されるとともに外側に延び、ケース４の開口部を囲む図１下辺中央からケース４外部に引き出され、直流端子のＮ端子２４を形成する。回路パターン１０ｂのダイオード１４ｂは、ボンディングワイヤ１８ｆを介して電極板２０ｂに接続されている。電極板２０ｂは、ケース４上方空間に配置され図１上下方向に延びた樹脂梁２８により支持されるとともに、樹脂梁２８に組み込まれ一体成形されている。梁部材２８の高さは、放熱板２上に配置された各種部品、例えば、ダイオード１４ｂや、回路パターン１０ｂとダイオード１４ａを接続するボンディングワイヤ１８ｃ等と干渉しない程度に設定されている。樹脂梁２８は、樹脂ケース４と別個に形成しモジュール製造時に樹脂ケース４に固定させてもよいが、樹脂ケース４と一体的に形成し、これにより固定手段で両者を固定する工程を省略するのが、製造工数を減らす点で好ましい。
【００２３】
このように、電極板２０ｂを該電極板２０ｂと接続する部品であるダイオード１４ｂの近傍且つダイオード１４ｂの上空に配置することで、ダイオード１４ｂと電極板２０ｂとの距離をできる限り短くすることが可能となる。その結果、ダイオード１４ｂと電極板２０ｂとを接続するボンディングワイヤ１８ｆの短縮化を図ることができ、モジュールの配線のインダクタンスを低減できる。
【００２４】
また、電極板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの配置を立体的に構成することによって、例えば図６に示す従来の半導体パワーモジュール１００のように、電極板を実質的に平面的に構成する場合に比べて、ケースの内部空間において放熱板２に垂直な方向から見て電極板の占めるスペースを低減でき、したがってモジュールの小型化を実現できる。
【００２５】
回路パターン１０ａ，１０ｂ上のＩＧＢＴ１２ａ，１２ｂはそれぞれ、ボンディングワイヤや一つ又はそれ以上の中継電極パッドを介して、信号用外部接続端子３０ａ，３０ｂに電気的に接続されている。図の例では、中継電極パッド３２の一つが梁部材２８上に配置されている。
【００２６】
かかる構成を有する半導体パワーモジュール１の動作時には、Ｐ端子２２からＮ端子２４に流れる直流電流が、信号用外部接続端子３０ａ，３０ｂから入力された制御信号に基づいた半導体チップ１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂの作用により交流電流に変換され、この交流電流が交流端子２６から出力される。このとき、半導体チップで発生した大量の熱は、絶縁基板８を介して放熱板２に伝達し、さらにボルト用穴６を介してボルトにより放熱板２に取付けられた放熱フィンなどの外部冷却部材に放熱される。
【００２７】
半導体パワーモジュール１は、例えば次の各製造工程によって得られる。まず放熱板２を用意し、この放熱板２上に、回路パターン１０ａ，１０ｂが形成された絶縁基板８を配置する。次に、ＩＧＢＴ１２ａ及びダイオード１４ａとＩＧＢＴ１２ｂ及びダイオード１４ｂとを回路パターン１０ａ，１０ｂにそれぞれ実装し、これにより、ハイサイド側スイッチング回路及びローサイド側スイッチング回路をそれぞれ構成させる。続いて、ハイサイド側スイッチング回路のＩＧＢＴ１２ａとダイオード１４ａ間、ハイサイド側スイッチング回路のダイオード１４ａとローサイド側スイッチング回路の回路パターン１０ｂ間、及び、ローサイド側スイッチング回路のＩＧＢＴ１２ｂとダイオード１４ｂ間をそれぞれボンディングワイヤ１８ｂ，１８ｃ，１８ｄで接続する。
【００２８】
そして、電極板２０ａ，２０ｂ，２０ｃがインサートされ、梁部材２８を備えたケース４を用意し、放熱板２上に固定する。次に、電極板２０ａとハイサイド側スイッチング回路の回路パターン１０ａ間、電極板２０ｃとローサイド側スイッチング回路の回路パターン１０ｂ間をそれぞれボンディングワイヤ１８ａ，１８ｅで接続する。続いて、梁部材２８上に支持された電極板２０ｂと、ローサイド側スイッチング回路のダイオード１４ｂ間をボンディングワイヤ１８ｆで接続する。
【００２９】
最後に、ケース４の内部空間に、絶縁性を確保するために、半導体チップ１２、１４やボンディングワイヤ１８を覆うようにシリコンゲル３４（図２）等を充填し、ケース４の開口部を蓋で閉じて、モジュールを完成させる（なお、図１、３は、シリコンゲルで封止される前の状態を示す。）。
【００３０】
図３に示すように、梁部材２８は、長手方向に関する断面が両端に曲率部分を備えたブリッジ形状をなし、これにより電極板２０ｂの支持強度を向上させるのが好ましい。ダイオード１４と電極板２０ｂをボンディングするツールとして、例えばウェッジツールを用いた場合、ウェッジツール先端でワイヤを電極板２０ｂに押し付けた状態で、上記先端に超音波を印加することで、ワイヤを電極板２０ｂに熱圧着するが、上記ブリッジ構造は、ボンディング時の梁部材２８の振動（撓み）に対する強度を高め、安定したワイヤボンディングを可能にする効果を有する。なお、図１に示す梁部材２８では、その上端及び下端とケース４との接続部分に局部的に形状が急変する切り欠き部が存在しているが、梁部材２８の上端及び下端を曲率部分を介してケース４に接続し、これにより電極板２０ｂの支持強度をさらに向上させてもよい。
【００３１】
梁部材２８は、図２に示すように、短手方向に関する断面の下面が下方向に凸に湾曲しているのが好ましい。これは、半導体パワーモジュール１の製造時に、ケース４の内部空間をシリコンゲル３４で充填する際に、梁部材２８の下面に気泡がたまらないようにするためである。下方向に凸状であれば、上記下面は例えば図４に示すように傾斜部分を有していてもよい。
【００３２】
電極板２０ｂの短手方向に関する断面は、図２に示すような矩形状に限らず、例えばＬ字［図５（ａ）］、コ字［図５（ｂ）］、Ｔ字［図５（ｃ）］等、矩形部分（平板部分）から該部分と略直交するように突出した垂直部分（ヒンジ部分）を有してもよい。ヒンジ部分は、ヒンジ部分の突出方向（図５上下方向）に沿った力に対する電極板２０ｂの強度を高める効果を有する。その結果、ボンディング時にボンディングツールが電極板２０ｂに対しヒンジ部分の突出方向に略平行に力を作用させても、ボンディングを安定して行うことができる。同様の効果を有するその他の電極板２０ｂの断面形状として、図５（ｄ）のように垂直部分が梁部材２８の上面から上側に突出したコ字形状や、図５（ｅ）のように矩形部分の一端側の垂直部分が梁部材２８内部に埋め込まれ、他端側の垂直部分が上側に突出した形状が例示できる。加工がし易くしたがって低コストである点及び電極板２０ｂの梁部材２８への密着性が高い点を考慮すると、図５（ｂ）に示すようなコ字断面形状が最も好ましい。
【００３３】
以上、本発明の具体的実施形態について説明したが、本発明はこれらに限らず種々改変可能である。例えば、上記実施形態では、一端がＮ端子２４を形成する電極板２０ｂを該電極板２０ｂとボンディングワイヤ１８ｆを介して接続する半導体チップ１４ｂ等の近傍且つ上方に配置したが、代わりに一端がＰ端子２２を形成する電極板２０ａ、あるいは一端が交流端子２６を形成する電極板２０ｃを、これらとボンディングワイヤを介して接続する半導体チップ等の近傍且つ上方に配置してもよい。また、電極板２０ｂとともに、電極板２０ａ、２０ｃの少なくとも一方を、これらとボンディングワイヤを介して接続する半導体チップ等の近傍且つ上方に配置し、これによりモジュールをさらに小型化することも可能である。
【００３４】
さらに、上記実施形態では、電極板２０ｂは、梁部材２８の長手方向に関し略全面にわたって設けてあるが、梁部材の一部にのみ設けてもよい。さらにまた、電極板２０ｂは、略直線状に伸びる細長形状である必要はない。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１に記載の本発明によれば、放熱板の上方に電極板を設けることで、この電極板とボンディングワイヤを介して接続する半導体チップや回路パターンとの距離を短くでき、したがってボンディングワイヤの短縮化を図ることができる。またモジュールの小型化を図ることができる。
【００３６】
請求項２に記載の本発明によれば、電極板の長手方向にわたって支持部材（梁部材）で支持することにより、電極板上に安定したワイヤボンディングを行うことができる。
【００３７】
請求項３に記載の本発明によれば、ケースと支持部材を一体的に形成することにより、これらを互いに固定手段で固定する工程を省略して製造工数を減らし、モジュールの製造コストを減らすことができる。
【００３８】
請求項４に記載の本発明によれば、ケースと支持部材を樹脂で一体成形することで、モジュールの軽量化を図ることができる。
【００３９】
請求項５に記載の本発明によれば、ケースの内部空間をシリコンゲル等で充填する際に支持部材の下面に気泡がたまらないようにでき、その結果高品質のモジュールを提供できる。
【００４０】
請求項６に記載の本発明によれば、放熱板の上方に設けた電極板の支持強度をさらに向上させ、これにより電極板上にさらに安定したワイヤボンディングを行うことができる。
【００４１】
請求項７に記載の本発明によれば、放熱板の上方に設けた電極板の強度を高めことができ、ワイヤボンディングを安定して行うことができる。
【００４２】
請求項８に記載の本発明によれば、放熱板の上方に設ける電極板を比較的低コストで作製できるとともに、電極板の支持部材（梁部材）への密着性を高めることができ、安定したワイヤボンディングが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの内部構造を示す平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。
【図４】梁部材の短手方向に関する断面形状の別の例を示す図。
【図５】梁部材上に配置される電極板の短手方向に関する断面形状の別の例を示す図。
【図６】従来の半導体パワーモジュールの内部構造の一例を示す平面図。
【符号の説明】
１：半導体パワーモジュール、２：放熱板、４：ケース、８：絶縁基板、１０：回路パターン、１２：ＩＧＢＴ、１４：ダイオード、２０：電極板、２２：Ｐ端子、２４：Ｎ端子、２６：交流端子、２８：梁部材。
【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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