(57)【要約】【課題】部品点数を少なくでき、実装工程を簡単にできるとともに、より高出力を図ることが可能になる半導体装置を提供する。【解決手段】パワー半導体モジュールとしてのインバータ装置２０は、３相インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子としてのパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃがモジュール化されている。インバータ装置２０は各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ間の配線接続を１枚のリードフレーム２８で行うことにより形成され、各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃはリードフレーム２８に接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子としてのパワー半導体素子がモジュール化された半導体装置であって、
前記各パワー半導体素子間の配線接続を１枚のリードフレームで行うことにより形成され、前記各パワー半導体素子は前記リードフレームに接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダに接続されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、詳しくは交流モータの駆動回路、交流電源装置等に使用される３相インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子がモジュール化された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の半導体装置として、図６に示す構成のものが提案されている（特許文献１参照。）。半導体装置は、複数の第１、第２、第３リードを有する外部リードフレーム５０ａ，５０ｂ，５０ｃを有し、外部リードフレーム５０ａ上にパワー半導体素子５２、制御半導体素子５３及びダイオード５４の一方の面の電極が半田で接続されている。パワー半導体素子５２及びダイオード５４の他方の面に形成された電極と、複数の第３リードの内の１つのリードとは第１の内部リードフレーム５１ａで接続され、制御半導体素子５３の他方の面に形成された電極と、複数の第３リードの内の他の１つのリードとは第２の内部リードフレーム５１ｂで接続されている。そして、パワー半導体素子５２、制御半導体素子５３、ダイオード５４、内部リードフレーム５１ａ，５１ｂ及び外部リードフレーム５０ａ，５０ｂ，５０ｃのリードは封止樹脂５５でモールドされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９１８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の半導体装置では、素子間の配線接続を複数の内部リードフレームで行う構成のため、部品点数が多くなる。また、素子の他の面の放熱は、内部リードフレームが外部リードフレームに電気的に接続されている部分を介して行われる構成のため、放熱効果が低く、例えば、電気自動車の走行モータ駆動用のインバータのように高出力のパワー半導体素子を用いる半導体装置の場合、放熱が不十分になる。
【０００５】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、部品点数を少なくでき、実装工程を簡単にできるとともに、より高出力を図ることが可能になる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、３相インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子としてのパワー半導体素子がモジュール化された半導体装置であって、前記各パワー半導体素子間の配線接続を１枚のリードフレームで行うことにより形成され、前記各パワー半導体素子は前記リードフレームに接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダに接続されている。ここで、「１枚のリードフレームで行うことにより形成され」とは、製造工程においてパワー半導体素子が樹脂モールドされるまではリードフレームが１枚の状態にあり、樹脂モールドされた後、各リード端子に切断されることを意味する。
【０００７】
この発明では、６個のパワー半導体素子間の配線接続が１枚のリードフレームで行うことにより形成されるため、パワー半導体素子間の配線接続に必要な部品点数が少なくなり、実装工程が簡単になる。また、各パワー半導体素子は前記リードフレームに接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダに接続されているため、半導体装置の放熱性能が高くなり、より高出力を図ることが可能になる。  
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、部品点数を少なくでき、実装工程を簡単にできるとともに、より高出力を図ることが可能になる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は一実施形態の半導体装置の樹脂モールドする前の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に対応する位置で切断した樹脂モールド、タイバーカット後の半導体装置の断面図、（ｃ）は同じく（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する位置で切断した断面図。
【図２】３相インバータの回路図。
【図３】リードフレームの平面図。
【図４】樹脂モールド、タイバーカット後の半導体装置の平面図。
【図５】（ａ）は別の実施形態の半導体装置の図１（ｂ）に対応する断面図，（ｂ）は同じく図１（ｃ）に対応する断面図。
【図６】従来技術の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を具体化した半導体装置（パワー半導体モジュール）の一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
先ずインバータ回路の構成を説明する。図２に示すように、インバータ回路１１は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有し、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、パワー半導体素子が使用される。この実施形態では各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）が使用されている。インバータ回路１１は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタとエミッタ間には、ダイオードＤが、逆並列に、即ちカソードがコレクタにアノードがエミッタに対応する状態に接続されている。第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５とダイオードＤの組はそれぞれ上アームと呼ばれ、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６とダイオードＤの組はそれぞれ下アームと呼ばれる。
【００１１】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のコレクタがそれぞれ配線１２を介して直流電源１３のプラス端子に接続され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のエミッタがそれぞれ配線１４を介して直流電源１３のマイナス端子に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接合点は３相モータ１５のＵ相端子Ｕに、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接合点は３相モータ１５のＶ相端子Ｖに、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接合点は３相モータ１５のＷ相端子Ｗに、それぞれ接続される。
【００１２】
次にパワー半導体モジュールとしてのインバータ装置２０の構造を説明する。図１（ａ）に示すように、インバータ装置２０は、６個のパワー半導体素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有し、図１（ａ）において下側の３個のパワー半導体素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃが図２のインバータ回路１１の上アームを構成し、上側の３個のパワー半導体素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃが下アームを構成する。このパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃは、それぞれ１個のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）及び１個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれており、素子の一方の面にはゲート電極およびエミッタ電極が設けられ、他方の面にはコレクタ電極が設けられている。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、上アームを構成する各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃは、１個のヒートスプレッダ２３ａ上に他方の面（コレクタ電極側）が半田２４を介して電気的に接続されている。また、下アームを構成する各パワー半導体素子２２ａ〜２２ｃは、それぞれ独立したヒートスプレッダ２３ｂ上に他方の面（コレクタ電極側）が半田２４を介して電気的に接続されている。ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂは、導電材製（例えば、銅製）で、後記するリードフレームより厚く形成されている。
【００１４】
図１（ｃ）に示すように、上アーム用のヒートスプレッダ２３ａのパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃが接続された面上には、正極用配線部２５の先端が半田２４を介して電気的に接続されている。正極用配線部２５は、ヒートスプレッダ２３ａの長手方向（パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃの配列方向）と直交する方向に延び、かつその先端側にヒートスプレッダ２３ａに近づくように屈曲形成された屈曲部２５ａを有し、屈曲部２５ａにおいてヒートスプレッダ２３ａに接続されている。
【００１５】
下アーム用のパワー半導体素子２２ａ〜２２ｃの一方の面（エミッタ電極側）は、それぞれ負極用配線部２６に半田２４を介して電気的に接続されている。負極用配線部２６は、３個のパワー半導体素子２２ａ〜２２ｃの配列方向に対して平行に延びる部分と、直交する方向に延びる部分とを有し、直交する方向に延びる部分の一端側が端子部２６ｂとなるように形成されている。
【００１６】
上アームを構成するパワー半導体素子２１ａの一方の面は、Ｕ相用電極部２７Ｕの中間部に半田２４を介して電気的に接続されている。パワー半導体素子２１ｂの一方の面は、Ｖ相用電極部２７Ｖの中間部に、パワー半導体素子２１ｃの一方の面は、Ｗ相用電極部２７Ｗの中間部に、それぞれ半田２４を介して電気的に接続されている。Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ、Ｗ相用電極部２７Ｗは、それぞれ先端側がヒートスプレッダ２３ｂに近づくように屈曲形成された屈曲部２７ａを有し、屈曲部２７ａがヒートスプレッダ２３ｂにそれぞれ半田２４を介して電気的に接続されている。
【００１７】
図１（ａ）及び図３に示すように、正極用配線部２５、負極用配線部２６、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ及びＷ相用電極部２７Ｗは、１枚のリードフレーム２８で形成されている。リードフレーム２８には信号端子２９が各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃと対応する箇所にそれぞれ３個ずつ形成されており、図１（ａ）に示すように、各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃと信号端子２９とは信号配線３０で電気的に接続されている。
【００１８】
パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂ、正極用配線部２５、負極用配線部２６、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ及びＷ相用電極部２７Ｗ及び信号配線３０は、封止樹脂３１でモールドされている。図４に示すように、封止樹脂３１からは正極用配線部２５及び負極用配線部２６の端子部２５ｂ，２６ｂと、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ、Ｗ相用電極部２７Ｗ及び信号端子２９の一部とが突出している。また、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂのパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃが接続された面と反対側の面は封止樹脂３１から露出している。
【００１９】
前記のように構成されたインバータ装置２０の製造方法の一例を挙げると、先ず、位置決め治具を用いて位置決めしたヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂ上に、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃをシート半田が介在する状態で配置し、その上にシート半田が介在する状態でリードフレーム２８を載置する。そして、加熱炉内でシート半田を溶融させて、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂ及びリードフレーム２８を位置決めされた所定の位置関係で半田２４により電気的に接続する。
【００２０】
次にパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃと信号端子２９とを信号配線３０で接続する。この作業は、例えばワイヤボンディングで行われる。半田付けが完了した状態では、図１（ａ）に示すように、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂの上にパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃが位置し、リードフレームが一番上に位置する状態にある。即ち、リードフレーム２８上にパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ及びヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂの順に載置した状態で半田付けを行う場合と異なり、半田付け後にヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂが下側に位置するように裏返す作業を行わずに、各パワー半導体素子２１ａ等と信号端子２９とを信号配線３０で接続することができる。  
【００２１】
次にパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ及びヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂが半田付けされたリードフレーム２８を樹脂モールド金型にセットして、樹脂モールドを行った後、リードフレーム２８のタイバーをカットするとインバータ装置２０が完成する。即ち、インバータ装置２０は、各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ間の配線接続を１枚のリードフレーム２８で行うことにより形成され、各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃは、リードフレーム２８に接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに接続されている。
【００２２】
次に前記のように構成されたインバータ装置２０の作用を説明する。
インバータ装置２０は、例えば、３相モータ駆動用電源装置の一部を構成するものとして使用される。インバータ装置２０は、正極用配線部２５の端子部２５ｂが直流電源のプラス端子に、負極用配線部２６の端子部２６ｂが直流電源のマイナス端子にそれぞれ接続され、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ及びＷ相用電極部２７Ｗがモータに接続され、信号端子２９が制御装置（図示せず）に接続された状態で使用される。
【００２３】
上アームのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び下アームのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がそれぞれ所定周期でオン、オフ制御されることによりモータに交流が供給されてモータが駆動される。制御装置は負荷の要求に応じて電力を供給するように各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、即ちパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃを制御する。パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃがスイッチング駆動されると、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃから熱が発生する。発生した熱は、主にヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂを介して放熱される。
【００２４】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）半導体装置としてのインバータ装置２０は、３相インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子としてのパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃがモジュール化されている。そして、各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ間の配線接続は、１枚のリードフレーム２８で行うことにより形成されている。したがって、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ間の配線接続に必要な部品点数が少なくなり、実装工程が簡単になる。
【００２５】
（２）各パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃはリードフレーム２８に接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに接続されている。したがって、インバータ装置２０（半導体装置）の放熱性能が高くなり、より高出力を図ることが可能になる。  
【００２６】
（３）リードフレーム２８は、一部がパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃに接続され、一部がヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに接続され、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃに対する接続部と、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに対する接続部とは同一平面上にない。しかし、リードフレーム２８は、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに対する接続部となる正極用配線部２５、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ及びＷ相用電極部２７Ｗの先端側にヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに近づくように屈曲形成された屈曲部２５ａ，２７ａを有する。したがって、同一平面上にないパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ及びヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに対する半田付けを１回で容易に行うことができる。
【００２７】
（４）パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃは、それぞれ１個のスイッチング素子及び１個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれている。したがって、それぞれ独立した電子部品のスイッチング素子及びダイオードを使用する構成に比べて、半田付けの工数が少なくなり、インバータ装置２０の小型化も可能となる。
【００２８】
（５）半導体装置（インバータ装置２０）を製造する際、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂの上にパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ及びリードフレーム２８の順に載置した状態で、半田２４を介してヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂ、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ及びリードフレーム２８を接続する。したがって、半田付け後に、その状態のまま、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃと信号端子２９とを信号配線３０で接続することができ、リードフレーム２８上にパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ及びヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂの順に載置する場合に比べて工数が低減する。
【００２９】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  同一平面上にないパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃに対する接続部と、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂに対する接続部とに対する半田付けを１回で行う構成は、正極用配線部２５、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ及びＷ相用電極部２７Ｗの先端側に屈曲部２５ａ，２７ａを形成するものに限らない。例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、正極用配線部２５、Ｕ相用電極部２７Ｕ、Ｖ相用電極部２７Ｖ及びＷ相用電極部２７Ｗの先端側に屈曲部を形成せずに、先端側とヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂとの間に、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃと同じ厚さの導電部材３２を介在させて半田付けを行うようにしてもよい。この場合、リードフレーム２８に屈曲加工を行う必要がなく、リードフレーム２８の製造が簡単になる。
【００３０】
○  パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃと、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂと、リードフレーム２８とを半田付けする工程で、リードフレーム２８の上にシート半田、パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ、シート半田、ヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂの順に配置した状態で、半田を溶融させてもよい。
【００３１】
○  半田付けは、シート半田を用いる方法に限らず、例えば、半田ペーストをヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂ及びリードフレーム２８の半田付けを行う所定の位置に印刷したり、半田ペーストをパワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃの所定位置に印刷したりしてもよい。
【００３２】
○  パワー半導体素子２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃとして、それぞれ１個のスイッチング素子及び１個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれているものに代えて、スイッチング素子及びダイオードが別体に形成されてそれぞれヒートスプレッダ２３ａ，２３ｂ上に半田付けされた構成としてもよい。
【００３３】
○  スイッチング素子はＩＧＢＴに限らず、他のパワートランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
【００３４】
（１）請求項１に記載の発明において、前記リードフレームは、前記ヒートスプレッダに対する接続部となる正極用配線部及び負極用配線部と、Ｕ相用電極部、Ｖ相用電極部及びＷ相用電極部とを有し、前記正極用配線部、Ｕ相用電極部、Ｖ相用電極部及びＷ相用電極部の先端側にヒートスプレッダに近づくように屈曲形成された屈曲部を有する。
【００３５】
（２）請求項１又は前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記パワー半導体素子は、それぞれ１個のスイッチング素子及び１個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれている。
【符号の説明】
【００３６】
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６…スイッチング素子、２０…半導体装置としてのインバータ装置、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…パワー半導体素子、２３ａ，２３ｂ…ヒートスプレッダ、２８…リードフレーム。
【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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