(57)【要約】【課題】従来と同じ回路構成としながらも小型化を図ることができる構造とする。【解決手段】モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュール１は、リードフレーム３Ａ，３Ｂが多層構造であり、パワー半導体素子２（２Ａ，２Ｂ）とリードフレーム３Ａ，３Ｂが交互に積層された配線構造であって、パワー半導体素子２（２Ａ）の下面電極２Ｄに一方のリードフレームをはんだ付けし、上面電極２Ｇに他方のリードフレーム３Ｂをはんだ付けし、立体配線する構造である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールにおいて、
リードフレームが多層構造であり、
パワー半導体素子と前記リードフレームが交互に積層された配線構造であって、
前記パワー半導体素子の下面電極に一方のリードフレームをはんだ付けし、上面電極に他方のリードフレームをはんだ付けし、立体配線する構造である、半導体モジュール。
【請求項２】
前記多層構造の下層のパワー半導体素子におけるゲート配線周辺からオフセットした位置に上層のパワー半導体素子を搭載し、積層する、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記パワー半導体素子の上層リードフレームの一部に、ゲート配線用の切欠き部が設けられている、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
当該半導体モジュールを構成するモールドの表面から、前記リードフレームの少なくとも一部が外部に露出している、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュールを備えた駆動装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュールを複数備えた駆動装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュールを備えた電動パワーステアリング装置。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュールを備えた車両。
【請求項９】
モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールの製造方法において、
リードフレームを多層構造とし、
パワー半導体素子を前記リードフレームに対して交互に搭載して積層し、
前記パワー半導体素子の上面電極に他のリードフレームの一部を直接はんだ付けし、立体配線する構造とする、半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールと、これを備えた駆動装置、電動パワーステアリング装置および車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体モジュールの一つに、放熱板上に取り付けられた誘電体板を設けたセラミック基板に半導体チップ（以降、本明細書では「パワー半導体素子」ともいう）を搭載し、該ケース内にシリコーンゲルで封止した構成となっているものがある（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】特開２００２−０７６１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の構成は、半導体モジュールに求められる放熱性や絶縁性を満足させるための構成となっている反面、構成要素が多くなり、半導体モジュールのサイズ肥大化を招く。また、半導体チップ（パワー半導体素子）もセラミック基板に対して平面上に配置されるため、チップのサイズや数に応じて必然的に半導体モジュールのサイズが大きくなってしまう。
【０００５】
本発明は、従来と同じ回路構成としながらも小型化を図ることができる半導体モジュールと、これを備えた駆動装置、電動パワーステアリング装置および車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、かかる課題を解決するべく、トランスファー成形を用いた半導体モジュールにおいて、リードフレームが多層構造であって、パワー半導体素子はそれぞれの層に搭載された構造を採用することを知見するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールにおいて、
リードフレームが多層構造であり、
パワー半導体素子と前記リードフレームが交互に積層された配線構造であって、
前記パワー半導体素子の下面電極に一方のリードフレームをはんだ付けし、上面電極に他方のリードフレームをはんだ付けし、立体配線する構造である、というものである。
【０００８】
本発明に係る半導体モジュールによれば、パワー半導体素子を積層し、立体配線することにより、パワー半導体素子の投影面積が抑制でき、同一の回路構成としながらも従来のパワーモジュールよりも小型化を図ることができる。また、配線を短長化する（必要な長さを短くする）ことができ、配線部材の直流抵抗を抑制できるため、回路損失の点でも有利となる。
【０００９】
上述の半導体モジュールにおいては、前記多層構造の下層のパワー半導体素子におけるゲート配線周辺からオフセットした位置に上層のパワー半導体素子を搭載し、積層することが好ましい。
【００１０】
また、かかる半導体モジュールにおいては、前記パワー半導体素子の上層リードフレームの一部に、ゲート配線用の切欠き部が設けられていることが好ましい。
【００１１】
さらに、当該半導体モジュールを構成するモールドの表面から、前記リードフレームの少なくとも一部が外部に露出していることが好ましい。こうした場合、当該半導体モジュールの放熱性能が向上する。
【００１２】
また、本発明に係る駆動装置は、上述の半導体モジュールを好ましくは複数備えたものである。半導体モジュールを複数（２系統以上）搭載することで、一方の半導体モジュールに異常が発生しても他の半導体モジュールでＥＣＵの機能を継続することができる。
【００１３】
また、本発明は、モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールの製造方法において、
リードフレームを多層構造とし、
パワー半導体素子を前記リードフレームに対して交互に搭載して積層し、
前記パワー半導体素子の上面電極に他のリードフレームの一部を直接はんだ付けし、立体配線する構造とする、というものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来と同じ回路構成としながらも小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２層のリードフレーム構造である半導体モジュールの構成例の概略を示す断面図である。
【図２】２層のリードフレーム構造である半導体モジュールにおける、リードフレームによるゲート配線について示す平面図である。
【図３】図２に示す半導体モジュールの側面図である。
【図４】２層のリードフレーム構造である半導体モジュールにおける、ワイヤによるゲート配線について示す平面図である。
【図５】図４に示す半導体モジュールの側面図である。
【図６】３層のリードフレーム構造である半導体モジュールの構成例の概略を示す断面図である。
【図７】３層のリードフレーム構造である半導体モジュールにおける、リードフレームによるゲート配線について示す平面図である。
【図８】図７に示す半導体モジュールの側面図である。
【図９】２層構造の半導体モジュールの別の実施例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示す半導体モジュールの断面の一例を示す図である。
【図１１】半導体モジュールの２系統化について説明する分解斜視図である。
【図１２】電動パワーステアリング装置の構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る半導体モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する（図１〜図１２参照）。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
モータ５０を駆動させるためのインバータ回路（図示省略）を有する半導体モジュール（パワーモジュール）１は、パワー半導体素子（半導体チップ）２、リードフレーム３、はんだ５、樹脂製のモールド６で構成されている。なお、リードフレーム３が複数設けられている場合は、１層目のものは符号３にＡを添えて３Ａ、２層目のものは符号３にＢを添えて３Ｂ、そして３層目のものは符号３にＣを添えて３Ｃとしてそれぞれを表す。後述するゲート用リードフレーム４についても同様とする。
【００１８】
ここでのパワー半導体素子２はＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものを指す。このパワー半導体素子２は厚み方向に電流を流す構造のため、ベアチップ上面および下面に電極を有した構造であり、はんだや硬化性導電性ペースト、アルミや金ワイヤを使ったワイヤボンディングにより配線する。なお、本明細書でいう「上面」「下面」とは、リードフレーム３を基準にしたものであり、仮に半導体モジュール１が上下逆さまに配置されていても上下の位置関係に変更はない。
【００１９】
リードフレーム３は、その上に固定されたパワー半導体素子２を支持し、外部配線との接続をする部品であり、所望の回路動作をさせるためにプレス成形によって任意のパターン形状に形成される。以下に説明するように、本実施形態の半導体モジュール１では複数のリードフレーム３による多層構造となっている。
【００２０】
以下において詳しく説明するように、パワー半導体素子２は、リードフレーム３（３Ａ）に対して交互に積層した状態で搭載される。また、パワー半導体素子２のゲート電極（上面電極）２Ｇには、他の層のリードフレーム３（３Ｂ）の一部が直接はんだ付けされる立体配線構造となっている。以下、具体例を挙げつつ説明する。
【００２１】
図１に２層構造の半導体モジュール１を示す。最下層をリードフレーム３Ａとし、その上にはんだ５、パワー半導体素子２（２Ａ）、はんだ５、２層目のリードフレーム３Ｂ、はんだ５、パワー半導体素子２（２Ｂ）の順に交互に積層し実装する。
【００２２】
次に、パワー半導体素子２の信号配線、たとえばＦＥＴのゲート信号配線について説明する。図２、図３に示すように外部と接続される信号用リードフレーム３Ｅがパワー半導体素子２Ａのゲート電極２Ｇとワイヤ７により接続される。パワー半導体素子２Ａのソース電極２Ｓは、２層目リードフレーム３Ｂとはんだ付けにより接続され、パワー半導体素子２Ａのドレイン電極（下面電極）は、１層目リードフレーム３Ａとはんだ付けにより接続される。また、２層目のリードフレーム３Ｂの一部を切り欠いて切欠き部８を設けた形状とし、ワイヤボンディングする。なお、図２〜図５中の破線は、１層目のパワー半導体素子２Ａと１層目リードフレーム３Ａを表す。
【００２３】
２層目（上層）のパワー半導体素子２Ｂは、１層目の（下層）パワー半導体素子２Ａに対してオフセットした位置に搭載し、ワイヤ７を使って、パワー半導体素子２Ｂのゲート電極から外部と接続される１層目の信号用リードフレーム３Ｅに、またパワー半導体素子２Ｂのソース電極２Ｓから他の２層目リードフレーム３Ｄに配線するといったように、１層目（下層）のパワー半導体素子２Ａにおけるゲート配線周辺からオフセットした位置に２層目（上層）のパワー半導体素子２Ｂを搭載し、積層することが好適である。なお、２層目（上層）のパワー半導体素子２Ｂのドレイン電極（下面電極）は、２層目リードフレーム３Ｂとはんだ付けにより接続される。
【００２４】
また、図４、図５に示すように２層目のリードフレーム３Ｂの一部（２層目ゲート用リードフレーム４Ｂ）がゲート電極２Ｇとはんだ付けされる構造であってもよい。または、ゲート電極２Ｇとはんだ付けされる部分が、１層目のリードフレーム３Ａの一部であってもよい。このとき、ゲート電極２Ｇと接続される２層目ゲート用リードフレーム４Ｂまたは１層目のリードフレーム３Ａの一部の先端形状は、同一面のソース電極との接触（すなわち電気的ショート）を避けるため、ゲート電極サイズ以下が望ましい。２層目のリードフレーム３Ｂの一部を切り欠いて切欠き部８を設けた形状とし、２層目ゲート用リードフレーム４Ｂとゲート電極２Ｇをはんだ付けする。
【００２５】
２層目（上層）のパワー半導体素子２Ｂは、１層目の（下層）パワー半導体素子２Ａに対してオフセットした位置に搭載し、ワイヤ７を使って、パワー半導体素子２Ｂのゲート電極から外部と接続される１層目の信号用リードフレーム３Ｅに、またパワー半導体素子２Ｂのソース電極２Ｓから他の２層目リードフレーム３Ｄに配線するといったように、１層目（下層）のパワー半導体素子２Ａにおけるゲート配線周辺からオフセットした位置に２層目（上層）のパワー半導体素子２Ｂを搭載し、積層することが好適である。なお、２層目（上層）のパワー半導体素子２Ｂのドレイン電極（下面電極）は、２層目リードフレーム３Ｂとはんだ付けにより接続される。
【００２６】
これをエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いたトランスファー成形により、パワー半導体素子２やリードフレーム３（３Ａ，３Ｂ）を封止し、半導体モジュール（パワーモジュール）１が完成する。
【００２７】
また、図６に示すように、３層構造であって、２層目に搭載されたパワー半導体素子２（２Ｂ）のソース電極（上面電極）の配線を３層目のリードフレーム３Ｃで行う構造であってもよい。
【００２８】
２層リードフレーム構造の場合は、２層目のパワー半導体素子２（２Ｂ）のソース電極（上面電極）２Ｓの配線は図４に示すようにワイヤボンディングで行う必要があるが、３層リードフレームの場合は、図７に示すように、配線をリードフレームで行うことができるため、ワイヤよりも配線体積が多くでき、放熱特性の向上が期待される。
【００２９】
さらに図８に示すように、１層目のリードフレーム３Ａの表面の一部（例えば、端部付近の片面）と、３層目のリードフレーム３Ｃの表面の一部（例えば、端部付近の片面）の一方あるいは両方を外部に露出するようにモールドした構造とすることができる。こうした場合、半導体モジュール（パワーモジュール）１の片面または両面から外部に放熱することが可能となる。
【００３０】
図９に、２層構造半導体モジュール１の別の実施例を示す。図１０に、２層構造半導体モジュール１の断面の一例を示す。図１１に、半導体モジュール１の２系統化について説明する分解斜視図を示す。
【００３１】
１層目リードフレーム３Ｐにインバータ回路における高電位側のパワー半導体素子２Ｃ、故障時を想定したモータ遮断リレー用途のパワー半導体素子２Ｅが搭載され、２層目リードフレーム３Ｑにはインバータ回路の低電位側のパワー半導体素子２Ｆが搭載されている。２層目のリードフレーム３Ｑの一部が１層目リードフレーム３Ｐ上の複数のパワー半導体素子２Ｃ，２Ｅとはんだ付けされて、パワー半導体素子間の配線がされている。なお、図１０に示した２層目リードフレーム３Ｑはその断面がＴ字形状であるが、１層目リードフレーム３Ｐ上の複数のパワー半導体素子２Ｃ，２Ｅと配線できる形状であればこの限りではない。
【００３２】
また、２層目リードフレーム３Ｑ上のパワー半導体素子２Ｆのソース電極（上面電極）２Ｓは１層目リードフレーム３Ｐの低電位側、すなわちグランド側とバスバ９により配線される。図９ではバスバ９は複数の下位電位側のパワー半導体素子２Ｆと配線されており、低電位側のパワー半導体素子２Ｆとグランド間をそれぞれ配線するよりも効率的な構造となる。なお、本実施形態では、ゲート及びソースが同一面となるＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴを例に説明しているが、電位の定義を反転すれば、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴでも実施可能である。さらに上記バスバ９の一部を電流検出用のシャント抵抗としてもよい。たとえばそれぞれの低電位側パワー半導体素子２とグランド間に配置する方法や、それぞれの低電位側パワー半導体素子２の低電位側配線が合流する接点からグランド間にシャント抵抗を１個配置する方法がある。
【００３３】
パワー半導体素子２の信号入力部はワイヤ７を用いて１辺方向に設けた信号用のリードフレーム３に配線し、エポキシモールドすることで半導体モジュール（パワーモジュール）１が完成する。なお、図９、図１０ではモールド外形の図示を省略している。
【００３４】
そして上記半導体モジュール（パワーモジュール）１をＥＣＵに複数（２系統以上）搭載する（図１１参照）。こうした場合、一方の半導体モジュール（パワーモジュール）１に異常が発生しても、他方のパワーモジュールにてＥＣＵの機能を継続することができる。なお、図１１中の符号１４は制御基板、符号１６はノイズ対策用のコンデンサおよびコイル、符号１８はジャンクションボックスをそれぞれ示す。ジャンクションボックス１８は、電源、センサ、通信コネクタの役割を持ち、制御基板１６、半導体モジュール１などの構成部品のケースを兼ねる。
【００３５】
上述したように、本実施形態の半導体モジュール１は、パワー半導体素子２を積層し、立体配線することによりパワー半導体素子２の投影面積を抑制している。このため、従来と同一の回路構成とした場合でも、従来のパワーモジュールよりも小型化することが可能となっている。また、配線の長さを従来よりも短くすることができるため、配線部材の直流抵抗を抑制し、回路損失を低減させることが可能である。
【００３６】
このような半導体モジュール１は、電動パワーステアリング装置１００（図１２参照）等の各種産業機械や各種駆動装置、さらには、これらが搭載された車両などにおいて利用することができる。なお、図１２に例示する電動パワーステアリング装置１００は、例えばコラムタイプのものである。該図１２において、符号Ｈはステアリングホイール、符号１０ａはステアリング入力軸、符号１０ｂはステアリング出力軸、符号１１はラック・ピニオン運動変換機構、符号１３はウォーム減速機構、符号２０はハウジング、符号２１はトルクセンサ、符号３０はステアリングシャフト、符号４０，４１は自在継手、符号４２は連結部材をそれぞれ示す。
【００３７】
また、上述した半導体モジュール１は、以下のようにして製造することができる。すなわち、複数のリードフレーム３を多層構造とし、パワー半導体素子２をリードフレーム３に対して交互に搭載して積層し、パワー半導体素子２のゲート電極（上面電極）２Ｇに他のリードフレーム（つまり、当該パワー半導体素子２が搭載されたリードフレーム３とは別のリードフレーム）の一部を直接はんだ付けし、立体配線する構造とする。以上の手順を踏まえることにより、パワー半導体素子２の投影面積を抑制した構造の半導体モジュール１とすることが可能である。
【００３８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、電動パワーステアリング等の各種産業機械や各種駆動装置、さらには、これらが搭載された車両などにおける半導体モジュールに適用して好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１…半導体モジュール
２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｅ、２Ｆ）…パワー半導体素子
２Ｇ…パワー半導体素子のゲート電極（上面電極）
２Ｓ…パワー半導体素子のソース電極（上面電極）
２Ｄ…パワー半導体素子のドレイン電極（下面電極）
３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｐ、３Ｑ）…リードフレーム
５…はんだ
６…モールド
７…ワイヤ（ゲート配線）
８…切欠き部
５０…モータ
１００…電動パワーステアリング装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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