特許 6593630 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6593630

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20191010BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20191010BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20191010BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20191010BHJP

   B62D 5/04 20060101ALI20191010BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H01L23/48 G

   H02M7/48 Z

   B62D5/04

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-185837(P2015-185837)

(22)【出願日】2015年9月18日

(65)【公開番号】特開2017-59781(P2017-59781A)

(43)【公開日】2017年3月23日

【審査請求日】2018年9月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100080953

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 克郎

(72)【発明者】

【氏名】川井 康寛

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２５８１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７９２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３３５８１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６２Ｄ ５／００ −５／３２

Ｈ０１Ｌ２３／２９

２３／３４ −２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４８

２５／００ −２５／０７

２５／１０ −２５／１１

２５／１６ −２５／１８

Ｈ０２Ｍ ７／４２ − ７／９８

(57)【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、
内部配線材のリードフレームが２層の立体配線構造であり、
パワー半導体素子と前記２層のリードフレームが交互に積層され、
２層目リードフレームの一部が、１層目リードフレームの放熱面まで導出された、外部への放熱面を有する導出部であって、
前記２層目リードフレームの導出部が、当該２層目リードフレームの前記放熱面に向かって広がる形状であり、
前記２層目リードフレームは、Ｔ字状の断面形状であって、左右対称の形状である、半導体モジュール。

【請求項2】

前記１層目リードフレームと前記２層目リードフレームとの間に配置されている前記パワー半導体素子が、はんだ層を介して該１層目リードフレームおよび２層目リードフレームに電気的に接続されている、請求項１に記載の半導体モジュール。

【請求項3】

前記２層目リードフレームに、該２層目リードフレームの導出部の厚み方向とは異なる方向に突出した突出部が形成されている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。

【請求項4】

前記２層目リードフレームの導出部は、該２層目リードフレームに接続されたパワー半導体素子が発する熱を貯熱可能な金属製である、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備えた電動パワーステアリング装置。

【請求項7】

請求項１から６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8】

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、
内部配線材のリードフレームを２層の立体配線構造とし、
パワー半導体素子と前記２層のリードフレームを交互に積層し、
２層目リードフレームの一部を、１層目リードフレームの放熱面まで導出された、外部への放熱面を有する導出部とし、
前記２層目リードフレームを、Ｔ字状の断面形状であって、左右対称の形状とする、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、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）。セラミック基板における導電体板の周囲端部にはエポキシ樹脂などの固体絶縁物が配置され、上記ケースは、セラミック基板の四方を囲うようにして放熱板上に設置される等している。

【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、半導体モジュールにおいては、半導体チップ（パワー半導体素子）が発する熱を効率的に放出（放熱）することが要求される。

【0005】

本発明は、従来と比べてさらに小型化を図ることができ、また、半導体素子の熱を効率よく放熱す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、回路基板やリードフレーム上に実装されたパワー半導体素子をエポキシ系材料の硬化性樹脂を用いてトランスファー成形封止した半導体モジュールの構造に着目した本発明者は、新たな構造を知見し、本発明を想到するに至った。

【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、
内部配線材のリードフレームが２層の立体配線構造であり、
パワー半導体素子と前記２層のリードフレームが交互に積層され、
２層目リードフレームの一部が、１層目リードフレームの放熱面まで導出された、外部への放熱面を有する導出部である、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、２層の立体配線構造であることから、各層のパワー半導体素子間の配線距離を短くでき、さらに、パワー半導体間の接続バスバ及びその搭載スペースを削減できる。したがって、パワーモジュールの小型化を図ることができる。

【0009】

また、２層目リードフレームの一部を１層目リードフレームの放熱面まで導出した構造であるため、パワー半導体素子からの熱を効率よく外部に放熱することができる。

【0010】

上述の半導体モジュールにおいては、前記２層目リードフレームの導出部が、当該２層目リードフレームの前記放熱面に向かって広がる形状であることが好ましい。この場合、放熱面積が増加することに伴って放熱性能が向上する。

【0011】

また、かかる半導体モジュールにおいては、前記１層目リードフレームと前記２層目リードフレームとの間に配置されている前記パワー半導体素子が、はんだ層を介して該１層目リードフレームおよび２層目リードフレームに電気的に接続されていてよい。従来のごとき通常の積層構造だと、２層目リードフレームに重心の偏りがある場合に、それを要因としたはんだ厚みのばらつきが生じやすいが、これに対し、本発明にかかる半導体モジュールにおいては、２層目リードフレームの導出部の放熱面を基準とし、当該導出部の高さを適宜変えることによって１層目のパワー半導体素子のはんだ厚みを制御することができる。これによれば、２層目リードフレームにおける重心の偏りを要因としたはんだ厚みのばらつきを抑制することができる。

【0012】

また、半導体モジュールにおける前記２層目リードフレームに、該２層目リードフレームの導出部の厚み方向とは異なる方向に突出した突出部が形成されていることも好ましい。２層化により内部構造が複雑となり、１層構造よりもエポキシ樹脂との密着性が重要となるところ、本発明によれば、エポキシ樹脂との密着性が向上し、信頼性（高湿度環境下でのモールド内への水分の侵入や繰り返しの熱ひずみによるモールドの割れに対する信頼性など）を向上することも出来る。突出部は、突起や、潰し形状などといった被加工部で形成することができる。

【0013】

さらに、半導体モジュールにおいて、前記２層目リードフレームの導出部は、該２層目リードフレームに接続されたパワー半導体素子が発する過渡熱を貯熱可能な金属製であることが好ましい。熱伝達性のよい金属製であれば、熱を一時的に貯熱しておき、かつ、素早く放熱することができる。

【0014】

本発明に係る駆動装置は、上述のごとき半導体モジュールを備えたものである。

【0015】

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、上述のごとき半導体モジュールを備えたものである。

【0016】

本発明に係る車両は、上述のごとき半導体モジュールを備えたものである。

【0017】

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、
内部配線材のリードフレームを２層の立体配線構造とし、
パワー半導体素子と前記２層のリードフレームを交互に積層し、
２層目リードフレームの一部を、１層目リードフレームの放熱面まで導出された、外部への放熱面を有する導出部とする、というものである。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、従来と比べてさらに小型化を図ることができ、また、半導体素子の熱を効率よく放熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【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であって、導出部の高放熱化を図った構成例を示す断面図である。

【図3】２層のリードフレーム構造である半導体モジュールであって、導出部とエポキシ樹脂の密着性向上を図った構成例を示す断面図である。

【図4】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】

【0020】

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４参照）。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。

【0021】

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、バスバ７などで構成されている。

【0022】

パワー半導体素子２は例えば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５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。

【0023】

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（内部配線材）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。本実施形態において、リードフレーム３は２層の立体配線構造となっている（図１参照）。なお、図１等において、１層目のリードフレームを符号３１、２層目のリードフレームを符号３２で表している。

【0024】

また、パワー半導体素子２は、２層のリードフレーム３（３１，３２）に対して交互に積層された状態で搭載される。なお、図１等において、１層目のパワー半導体素子（２個）を符号２１、２層目のパワー半導体素子を符号２２で表している。最下層が１層目リードフレーム３１であり、その上にはんだ５、１層目のパワー半導体素子２１、はんだ５、２層目リードフレーム３２、はんだ５、２層目のパワー半導体素子２２の順に積層される。１層目のパワー半導体素子２１は、１層目リードフレーム３１と２層目リードフレーム３２との間に介在している。

【0025】

２層目のパワー半導体素子２２はバスバ７を使い、１層目リードフレーム３１にはんだ付けで配線される。その後、エポキシ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を封止してモールド６を形成し、半導体モジュール１が完成する。

【0026】

１層目のリードフレーム３１の片方の面（パワー半導体素子２が搭載されていない側）は、外部に露出した放熱面３１Ｓを持つようにモールドした構造となっている。これにより、半導体モジュール１の一部が放熱可能な面となって外部に放熱することが可能となる。

【0027】

ここで、２層のリードフレーム３についてＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴを使用してインバータ１アーム分の回路を構成する場合について説明する。

【0028】

この回路においては、電源ラインを起点とし上アームのＭＯＳＦＥＴのドレイン電極からソース電極、続いて下アームのドレイン電極からソース電極、最後にグランドに接続する必要がある。またモータ遮断用にＭＯＳＦＥＴを配置する場合には、上アームのソース（同じく下アームのドレイン）と同電位の接点からモータ遮断ＭＯＳＦＥＴのソース電極に配線する。

【0029】

ＭＯＳＦＥＴは縦構造のパワー半導体素子２であり、ドレイン電極が下面電極、ソース電極は上面電極となっているため、前述の上アームから下アームのＭＯＳＦＥＴへの配線は、上アームのＭＯＳＦＥＴの上面にあるソース電極から、２層目リードフレーム３２を通過し、下アームのＦＥＴの下面にあるドレイン電極に配線ができる。さらに２層目リードフレーム３２からモータ遮断用ＭＯＳＦＥＴの上面のソース電極への配線も同時に可能となる。

【0030】

１層構造の場合、上アームから下アームの配線の場合バスバを使う必要があり、バスバ分の実装スペースが発生するのに対し、本実施形態のごとく２層目リードフレーム３２を採用することでスペースを削減できる。さらに配線も短くすることができる。

【0031】

また、２層目リードフレーム３２の一部は、１層目リードフレーム３１の放熱面３１Ｓまで導出され、外部への放熱面３２Ｓを有する導出部３２Ｈとなっている（図１参照）。該導出部３２Ｈにより、２層目に搭載したパワー半導体素子２２の熱を放熱することが出来る。さらに図２に示すようにリードフレーム３の積層方向に対して導出部３２Ｈの形状を広げることで放熱面３２Ｓの面積が増加し、放熱性が向上する。当該導出部３２Ｈは熱伝導性のよい金属たとえば銅製であり、放熱経路として機能しながら、尚かつ、一定の熱量を一時的に貯熱しておく熱容量としても機能しうる。

【0032】

さらに導出部３２Ｈの放熱面３２Ｓは、１層目リードフレーム３１の放熱面３１Ｓと同一面となるように形成されている。また、導出部３２Ｈにおいては、放熱面３２Ｓを基準とした導出部高さＡを調整することによって、１層目のパワー半導体素子２１におけるはんだ５の厚みを制御することができる。

【0033】

すなわち、たとえば、導出部高さＡよりも１層目リードフレーム３１、１層目のパワー半導体素子２１、はんだ５の総厚みを大きく設定しておけば、はんだ付けの際に２層目リードフレーム３２はその自重により放熱面３２Ｓの方向へと沈み、放熱面３２Ｓを基準に２層目の導出部高さＡにしたがって１層目のパワー半導体素子２１のはんだ厚みが自然と決定されることになる。これにより２層構造のリードフレームにおける重心の偏りを要因としたはんだ厚みばらつきを抑制することができる。尚、２層目リードフレーム３２を、図に示したようなＴ字状の断面形状であって、左右対称の形状にすることで重心を安定させることができ、さらに配線距離の等長化を図ることもできる。

【0034】

なお、半導体モジュール１の２層化により内部構造が複雑となり、１層構造の場合よりもエポキシ樹脂との密着性が重要となる。そこで前述の導出部３２Ｈの一部に突起や潰し形状などからなる突出部３２Ｔを施すことで、モールド材であるエポキシ樹脂とのアンカー効果を生じさせ、密着信頼性を向上することが出来る。突出部３２Ｔは、２層目リードフレーム３２の導出部３２Ｈの厚み方向（高さＡの方向）とは異なる方向例えばこれと直交する方向へ突出している。２層目リードフレーム３２の導出部３２Ｈ以外の部分に同様の突出部３２Ｔを形成してもよい（図３参照）。

【0035】

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（２１，２２）を積層し、立体配線することによりパワー半導体素子２（２１，２２）およびバスバ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出来る。

【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４参照）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４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４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、内部配線材たるリードフレーム３（３１，３２）を２層の立体配線構造とし、パワー半導体素子２（２１，２２）と２層のリードフレーム３（３１，３２）を交互に積層し、はんだ５で電気的に接続した状態とし、さらにバスバ７を接続し、エポキシ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を封止してモールド６を形成する。２層目リードフレーム３２には、その一部が、１層目リードフレーム３１の放熱面３１Ｓまで導出された形状であって外部への放熱面３２Ｓを有する導出部３２Ｈとなっているリードフレームを採用する。

【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…パワー半導体素子
３…リードフレーム
５…はんだ
６…モールド
２１…１層目のパワー半導体素子
２２…２層目のパワー半導体素子
３１…１層目リードフレーム
３１Ｓ…放熱面
３２…２層目リードフレーム
３２Ｈ…導出部
３２Ｓ…放熱面
３２Ｔ…突出部
５０…モータ
１００…電動パワーステアリング装置
Ａ…導出部３２Ｈの高さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】