JP2004048084A - 半導体パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】良好な放熱特性と製造コストの節減とを両立的に実現する。
【解決手段】打ち抜き加工されたリードフレーム３が、制御回路８と電力回路９の配線パターン、および外部端子１５，１７を兼ねている。互いに対抗するように配設されるリードフレーム３とヒートシンク１との間には、それらの間の熱伝導を良好に保つ電気絶縁性の高熱伝導樹脂２が充填されている。ヒートシンク１とリードフレーム３は、高熱伝導樹脂２を封止する簡単な工程を実行することによって、容易に固定的に連結される。したがって、従来装置で必要とされた高価な回路基板が不要であり、しかも、装置を製造する際に、配線パターンをパターニングする工程、および、外部端子を配線パターンに接続する工程が不要である。すなわち、放熱特性を劣化させることなく、製造コストが削減される。
【選択図】図１

Description

　この発明は、半導体パワーモジュールに関し、特に、高い放熱特性と製造コストの低廉化とを両立的に実現するための改良に関する。

　半導体パワーモジュールは、負荷への電力の供給を担う主電流（負荷電流）を断続する（スイッチングする）など主電流の流れを変調制御するパワー半導体素子を備える電力回路と、このパワー半導体素子の動作を制御する制御回路とが、１個の装置に組み込まれた半導体装置である。制御回路は、パワー半導体素子を駆動する駆動回路と、異常発生時の損傷からこの素子を保護するための保護回路とを有するのが通例である。この半導体パワーモジュールは、例えば、モータ等の動作を制御するインバータ、あるいは無停電電源などに利用が拡大しつつある。

　一方の電力回路では、主電流が流れるパワー半導体素子からの発熱が大きいために、放熱構造が採用される。他方の制御回路は弱電回路であって、その回路素子には微弱な電流しか流れないために、制御回路それ自体には放熱構造は必要とされない。このように、半導体パワーモジュールでは、熱的特性上要求される構造が相異なる２つの回路が一つの装置の中に同居しており、しかも、装置のサイズはできるだけ小さいことが求められている。

　図１８は、特開平5-129515号公報に開示される従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この従来装置では、アルミベース板５１の上にエポキシ系の耐熱性の絶縁層５２が形成されており、この絶縁層５２の上には所定の形状にパターニングされた金属箔５３が配設されている。そして、これらの部材５１〜５３によって、絶縁配線基板７０が構成されている。

　金属箔５３の上の所定の部位には、パワー半導体素子５５がハンダ５４によって固着されている。そして、金属箔５３の他の部位とパワー半導体素子５５との間が、アルミニウム製のボンディングワイヤ５６によって電気的に接続されている。金属箔５３の上には、さらに、制御回路基板７１が絶縁配線基板７０の上の所定の領域を占めるように固定されている。

　制御回路基板７１は、ガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の制御回路基板本体５９を有している。そして、制御回路基板本体５９の下面すなわち絶縁配線基板７０に対向する面には、銅箔から成るシールド層５８が形成されており、他方の面すなわち上面には、パターニングされた銅箔から成る配線６０が形成されている。また、制御回路基板本体５９にはシールド層５８と配線６０とを電気的に接続するスルーホール６１が形成されている。

　制御回路基板７１のシールド層５８と絶縁配線基板７０の金属箔５３との間には、エポキシ系の接着剤５７が塗布されており、この接着剤５７によって制御回路基板７１が絶縁配線基板７０の上に固定されている。配線６０の上には、集積回路素子、抵抗素子、容量素子などの電子部品６３（図１８には代表例として集積回路素子が描かれている）が、ハンダ６２によって固着されている。

　また、絶縁配線基板７０の金属箔５３には、主電流を入力または出力するための銅製の複数の端子６４ａ（図１８には代表として１本が描かれている）が、ハンダ６５ａによって固着されている。さらに、制御回路基板７１の配線６０の上には、信号を入力または出力するための銅製の複数の端子６４ｂ（図１８には代表として１本が描かれている）が、ハンダ６５ｂによって固着されている。すなわち、制御回路基板７１は電子部品６３などとともに制御回路を構成しており、絶縁配線基板７０はパワー半導体素子５５、ボンディングワイヤ５６などとともに電力回路を構成している。

　絶縁配線基板７０にはその周囲を囲むように樹脂などの絶縁体で構成される枠状のケース６６が取り付けられている。絶縁配線基板７０はケース７６の底部に係合しており、しかも、接着剤６７で互いに接合されている。すなわち、ケース６６と絶縁配線基板７０とは、あたかも上端が開口した箱の側面と底面とを構成している。この箱の内部、すなわち、絶縁配線基板７０とケース６６とで囲まれる内部には、パワー半導体素子５５などの保護を目的として封止樹脂６８が充填されている。

　この半導体パワーモジュールは、以上のように構成されるので、パワー半導体素子５５に発生する損失熱は、アルミベース板５１へと良好に伝わり、アルミベース板５１に取り付けられる外部の放熱板などへと効率よく放散される。パワー半導体素子５５とアルミベース板５１の間に介在するハンダ５４、金属箔５３、および絶縁層５２は、いずれも熱伝導率か高く、しかも十分に薄く形成されるので、パワー半導体素子５５からアルミベース板５１への損失熱の伝導を妨げない。

　この半導体パワーモジュールは、つぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板５１の上に絶縁層５２を形成し、さらにその上に金属箔５３を形成する。その後、金属箔５３を選択的にエッチングすることによって、パターニングする。その結果、絶縁配線基板７０が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線６０の形状にパターニングすることによって、制御回路基板７１を形成する。

　つぎに、シールド層５８と金属箔５３とを接着剤５７で接着することによって、制御回路基板７１を絶縁配線基板７０の上に固定する。つぎに、パワー半導体素子５５をハンダ５４で金属箔５３の上の所定の部位にハンダ付けする。その後、電子部品６３等をハンダ６２で配線６０の上の所定の部位にハンダ付けすることによって制御回路を形成する。つぎにアルミワイヤ５６でパワー半導体素子５５と金属箔５３の間等をワイヤボンディングすることによって、電力回路を形成する。

　その後、端子６４ａ，６４ｂを配線６０および金属箔５３の所定の部位にそれぞれハンダ５５ａ，５５ｂを用いてハンダ付けする。その後、ケース６６を絶縁配線基板７０に接着剤６７で固着し、最後にケース６６と絶縁配線基板７０とで囲まれた内部を封止樹脂６８で封止することによって装置が完成する。

　従来装置は、以上のように構成され、かつ製造されていたので、つぎのような問題点を有していた。まず、高価な二種類の回路基板、すなわち絶縁配線基板７０および制御回路基板７１が用いられるので、製造コストが高額であるという問題点があった。さらに、装置を製造する際に、金属箔５３および配線６０をパターニングする工程が必要であるのに加えて、端子６４ａ、６４ｂを、独立した部品として準備する工程と、ハンダ付けによってそれらを基板７０、７１へ取り付ける工程とが必要であるという問題点があった。すなわち、装置の製造工程が複雑であり、このことも製造コストが高額である要因となっていた。

　この発明は、従来の装置における上記した問題点を解消するためになされたもので、電力回路の放熱効率を劣化させることなく、製造が容易で製造コストを節減し得る半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。

　この発明の装置は、パワー半導体素子を有する電力回路と、このパワー半導体素子を制御する制御回路との、双方の回路が組み込まれた半導体パワーモジュールにおいて、一方主面と他方主面とを有する板状であって、前記双方の回路の各々に属する配線パターンと、前記各々と外部との電気的接続を行うための外部端子と、を構成するとともに、前記各々に属する回路素子が前記一方主面に固着された電気良導性のリードフレームと、前記リードフレームの前記他方主面の中の少なくとも前記電力回路に属する部分に、主面が対向するように配設された熱良導性のヒートシンクと、前記リードフレームの前記一方主面上に前記各々に属する回路素子を覆って形成される第１の封止樹脂と、前記リードフレームの前記他方主面と前記ヒートシンクとの間を充填して、これらの間を電気的に絶縁するとともに、これらを互いに固定的に連結する、電気絶縁性の第２の封止樹脂とを備え、前記第２の封止樹脂は前記第１の封止樹脂よりも熱伝導性が優れていることを特徴する。

　この発明の装置では、リードフレームが配線パターンと外部端子とを兼ねている。このため、従来装置を製造する際に必要とされた工程、すなわち、回路基板上の金属箔をパターニングして配線パターンを形成する工程、外部端子を別途準備する工程、および、外部端子を配線パターンに固着する工程が、この発明の装置では、リードフレームを打ち抜き加工するという簡単な工程に置き換えられる。

　また、この装置では、リードフレームとヒートシンクの間を充填する第２の封止樹脂によって、それらの間が電気的に絶縁されている。第２の封止樹脂を充填することは、簡単な封止工程を実行することによって可能である。このため、高価な回路基板を用いることなく、しかも、簡単な工程で、装置を製造することが可能である。

　さらに、ヒートシンクは、リードフレームの中の少なくとも電力回路に属する部分に対向するように設置され、それらの間に介在する電気絶縁性の第２の封止樹脂は第１の封止樹脂よりも熱伝導性が優れている。このため、電力回路に発生した損失熱は、回路基板を有する従来装置に比べて劣ることなく、ヒートシンクへと効率よく伝えられる。すなわち、この装置は、良好な放熱特性と製造コストの節減とを両立的に実現する。

　＜１．実施の形態１＞
　はじめに、実施の形態１の半導体パワーモジュールについて説明する。

　＜1-1.装置の構成＞
　図１および図２は、それぞれ実施の形態１の半導体パワーモジュールの構成を示す部分切断斜視図および正面断面図である。このモジュール１０１は、電力回路９と、この電力回路９の動作を制御する制御回路８とを備えている。

　図３の回路図に、モジュール１０１の回路構成を示す。電力回路９は、電力スイッチング素子としてのＩＧＢＴ素子４ａと、フリーホイールダイオード４ｂとを備えている。ＩＧＢＴ素子４ａは、コレクタ電極Ｃからエミッタ電極Ｅへと流れる主電流を、ゲート電極Ｇに入力されるゲート電圧信号に応答して導通および遮断する。この主電流は、コレクタ電極Ｃおよびエミッタ電極Ｅに接続された外部端子１７を通じて、外部の負荷へと供給される。ＩＧＢＴ素子４ａに逆並列に接続されるフリーホイールダイオード４ｂは、ＩＧＢＴ素子４ａへの過大な逆電圧の印加を防止する役割を担っている。

　電力回路９に複数の配線１６を通じて結合した制御回路８には、集積回路素子５ａ、抵抗素子５ｂ、および、容量素子５ｃなどが備わっている。そして、これらの素子は駆動回路と保護回路とを構成している。駆動回路は、複数の外部端子１５の一つに入力された制御信号に応答して、ゲート電極Ｇへゲート電圧信号を送出する制御回路内の回路部分である。保護回路は、ＩＧＢＴ素子４ａの動作環境を監視し、異常発生時のＩＧＢＴ素子４ａの損傷を防止する回路部分である。

　保護回路は、コレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間の電圧、すなわちコレクタ・エミッタ間電圧をモニタし、この電圧が所定の基準値を超えて過大になったときに、外部からの制御信号とは無関係に、ＩＧＢＴ素子４ａを遮断すべくゲート電極Ｇを駆動する。保護回路は、さらに、ＩＧＢＴ素子４ａを流れる主電流に比例してセンス電極Ｓを流れる微弱な電流、すなわちセンス電流をモニタすることによって、主電流が所定の基準値を超えて過大になったときに、外部からの制御信号とは無関係に、ＩＧＢＴ素子４ａを遮断すべくゲート電極Ｇを駆動する。

　また、保護回路は、過電圧あるいは過電流が発生したときに、異常の発生を報知する信号を外部端子１５を通じて外部へと送出する。このように、保護回路は、過電圧および過電流などの異常に起因する損傷からＩＧＢＴ素子４ａを保護する役割を担っている。なお、以上では、制御回路８が駆動回路と保護回路とを備える好ましい例を説明したが、一般に制御回路８は、駆動回路のみを備えてもよい。

　図１および図２に戻って、銅などの電気良導性の金属から成るリードフレーム３の上の複数の部位に、制御回路８および電力回路９に含まれる各種の素子がハンダ付けされている。図１、図２には、これらの素子の中のＩＧＢＴ素子４ａ、集積回路素子５ａ、および抵抗素子５ｂが代表として描かれている。これらの素子は、図１、図２に例示するように、好ましくはベアチップ素子（樹脂等でモールドされない裸のチップから成る回路素子）として構成されている。

　そして、電力回路９の各素子とリードフレーム３の他の部位との間が、アルミニウム製のボンディングワイヤ６ａによって電気的に接続されている。同様に、制御回路８の各素子とリードフレーム３のさらに別の部位との間が、金製のボンディングワイヤ６ｂによって電気的に接続されている。

　リードフレーム３は、配線１６を含む制御回路８および電力回路９の配線パターンを構成するとともに、外部端子１５および外部端子１７をも構成している。すなわち、リードフレーム３は、図１８に示した従来装置における金属箔３、配線６０、および端子６４ａ、６４ｂを兼ねている。製造工程で準備されるリードフレーム３の周縁部には、図１に点線で描かれるタイバ２１が設けられており、このタイバ２１を通じて全体が一体的に連結されている。リードフレーム３は、後述する高熱伝導樹脂２、絶縁樹脂７の封止が完了した後に、タイバ２１が切除されることによって、連結が解除され、複数の孤立した部分へと切り離される。

　リードフレーム３は、高熱伝導樹脂２の上面に配設されており、この高熱伝導樹脂２を挟んで、例えば銅などの熱良導性の金属から成る板状のヒートシンク１が、リードフレーム３に平行に対向するように、その直下に配設されている。高熱伝導樹脂２は、例えば、粒径が精密に調整されたアルミナまたは窒化アルミニウムのフィラーがエポキシ樹脂に混入されて成る一種の複合材料で構成される。この材料は、電気絶縁性が良好であるとともに、エポキシ樹脂にシリカのフィラーが混入されて成る周知の材料に比べて、熱伝導性がさらに高くなっている。

　高熱伝導樹脂２は、リードフレーム３とヒートシンク１とを固定的に結合している。そして、高熱伝導樹脂２は、リードフレーム３とヒートシンク１との間を電気的に絶縁するとともに、ＩＧＢＴ素子４ａで発生する損失熱を、リードフレーム３からヒートシンク１へと良好に伝える。リードフレーム３とヒートシンク１との間に介在する高熱伝導樹脂２の厚さは、リードフレーム３からヒートシンク１への良好な熱伝導を妨げない程度の大きさに抑えられる。

　通常の使用形態において、ヒートシンク１には冷却フィンなどの放熱用部材が取り付けられる。そして、ヒートシンク１へ伝わった損失熱は、この放熱用部材へと放散される。

　高熱伝導樹脂２の上面は、例えばエポキシ樹脂などの電気絶縁性および耐熱性に優れる樹脂から成る絶縁樹脂７によって覆われている。この絶縁樹脂７は、リードフレーム３の外部端子１５および外部端子１７に相当する突出部分を除いて、制御回路８および電力回路９に含まれる各素子、ボンディングワイヤ６ａ，６ｂ、およびリードフレーム３を封止している。そのことによって、これらの部品を外部の湿気その他から保護している。

　＜1-2.装置の製造方法＞
　このモジュール１０１の製造方法は、つぎの通りである。はじめに、図４の平面図に示すリードフレーム３を準備する。リードフレーム３は、銅などの電気良導性の金属板を所定のパターン形状に打ち抜き加工することによって、容易に得られる。この工程で準備されるリードフレーム３には、全体を一体的に連結するタイバ２１が設けられている。このため、最終工程でタイバ２１が切り落とされるまでの全工程を通じて、リードフレーム３は一体的に連結した部材としての取扱いが可能である。

　つぎに、図１に示すように、リードフレーム３の上に各素子を固着し、その後、ボンディングワイヤ６ａ，６ｂによるワイヤボンディングを行う。つづいて、金型を用いて絶縁樹脂７の封止を行う。

　その後、図５の正面断面図に示す要領で、高熱伝導樹脂２の封止を実行する。図５に示すように、高熱伝導樹脂２の封止を実行するためには、空洞３５を有する上金型３４と空洞３２を有する下金型３１とが、あらかじめ準備される。一方の空洞３５は絶縁樹脂７を容易に収納可能な形状に形成されており、他方の空洞３２は、ヒートシンク１および高熱伝導樹脂２に密着する形状に形成されている。また、下金型３１には空洞３２に連通する注入経路３３が形成されている。

　空洞３２の底面の所定の位置にヒートシンク１を置き、絶縁樹脂７を空洞３５に収納した状態で、下金型３１と上金型３４とを閉塞する。そうして、注入経路３３を通じて液状の高熱伝導樹脂２を注入し、加熱硬化させることによって、高熱伝導樹脂２の封止を行う。この工程によって、ヒートシンク１、高熱伝導樹脂２、およびリードフレーム３が、互いに固定的に結合する。

　また、リードフレーム３には、絶縁樹脂７があらかじめ結合しているので、高熱伝導樹脂２の封止の過程で、リードフレーム３の撓み（たわみ）変形が起こり難い。このため、リードフレーム３とヒートシンク１との間の所望の間隔および平行度が、容易にかつ高精度で得られる。

　封止が完了した絶縁樹脂７および高熱伝導樹脂２は、図４において一点鎖線で示すリードフレーム３の中央領域を覆っている。そして、外部端子１５および外部端子１７に相当する部分、並びにタイバ２１が、これらの絶縁樹脂７および高熱伝導樹脂２の外部へ露出している。これらの樹脂の封止が完了すると、図４における符号Ａを付した切断線に沿って、リードフレーム３を切断することによって、タイバ２１の切除が行われる。この最終工程によって、互いに一体的に連結していた複数の外部端子１５，１７が互いに切り離され、モジュール１０１が完成する。

　＜1-3.装置の利点＞
　モジュール１０１は以上のように構成され、かつ製造されるので、つぎのような利点を有している。まず、従来装置とは異なり、金属箔３および配線６０のパターニング工程、端子６４ａ、６４ｂを準備する工程、および、端子６４ａ、６４ｂを金属箔３、配線６０の所定部位に固着する工程が不要である。そして、これらの複雑な工程が、単にリードフレーム３を打ち抜き加工するという簡単な工程に置き換えられる。すなわち、モジュール１０１は、製造工程が簡略であるという利点を有している。

　また、高熱伝導樹脂２を封止する工程は容易であり、しかも、リードフレーム３とヒートシンク１との間の間隔および平行度が、容易にしかも精密に調節可能である。このため、従来装置における高価な二種類の回路基板、すなわち絶縁配線基板７０および制御回路基板７１を用いることなく、良好な放熱特性が実現する。すなわち、モジュール１０１は、良好な放熱特性と製造コストの節減とを両立的に実現する。

　さらに、モジュール１０１では、従来装置と異なり、ケース６６が不要であり、絶縁樹脂７と高熱伝導樹脂２を封止するだけで、装置の内部の保護が達成される。このことも、製造コストの節減に寄与する。

　また、リードフレーム３が、制御回路８および電力回路９の双方を通じて平坦である。すなわち、従来装置に存在した電力回路の金属箔５３と制御回路の配線６０との間の段差が、モジュール１０１では解消されている。このため、ＩＧＢＴ素子４ａ、集積回路素子５ａなどの各素子をリードフレーム３の上に固着する工程が円滑に行われ得る。また、ボンディングワイヤ６ａ，６ｂによるワイヤボンディングを行う工程も、同様に円滑に遂行可能である。すなわち、この点でも製造工程が容易であり、製造コストが節減される。

　＜２．実施の形態２＞
　図６は、実施の形態２の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。なお、以下の図において、図１〜図５に示した実施の形態１の装置と同一部分あるいは相当部分（同一の機能を有する部分）については、同一符号を付してその詳細な説明を略する。

　このモジュール１０２では、リードフレーム３が、制御回路８に属する領域と電力回路９に属する領域との間で段差をなしている。そして、リードフレーム３とヒートシンク１との間に介在する高熱伝導樹脂２の厚さは、電力回路９の領域では小さく、制御回路８の領域では大きく設定されている。このため、リードフレーム３の電力回路９に相当する部分とヒートシンク１との間の熱抵抗が低く抑えられるので、それらの間の熱伝導特性が良好に保たれる。それと同時に、放熱の必要のない制御回路８に相当する部分とヒートシンク１との間の容量結合（高熱伝導樹脂２に寄生的に発生する寄生容量を介した電気的結合）が低減される。

　その結果、ＩＧＢＴ素子４ａのスイッチング動作にともなう電気的ノイズが、ヒートシンク１を通じて集積回路素子５ａへと侵入し、制御回路８の誤動作をもたらすという悪影響が抑制される。さらに加えて、ヒートシンク１に取り付けられる外部の冷却フィン（図示を略する）を介して侵入する電気的ノイズによる制御回路８の誤動作も効果的に抑制される。すなわち、モジュール１０２では、放熱特性を劣化させることなく、電気的ノイズの影響を排除して、制御回路８の安定な動作を実現することができる。

　また、リードフレーム３における段差は、高熱伝導樹脂２の封止工程における樹脂の注入を円滑にするという役割をも果たす。図７は、このことを示す正面断面図である。図７に示すように、高熱伝導樹脂２を封止する工程において注入経路３３から注入される液状の樹脂は、リードフレーム３とヒートシンク１の間の隙間に侵入し、この隙間を充填する。このとき、制御回路８の領域でリードフレーム３とヒートシンク１との間の間隔が広くなっているために、注入される樹脂の流動性が良好である。

　すなわち、リードフレーム３とヒートシンク１との間で間隔が狭くなっている領域が、電力回路９の領域に限られているので、この領域におけるリードフレーム３とヒートシンク１との間の狭い隙間にも、封止樹脂が円滑に流入する。その結果、高熱伝導樹脂２におけるボイドの発生が抑制されるので、リードフレーム３とヒートシンク１との間の高い耐圧が、製品間のばらつき（偏差）を抑制して安定的に実現する。

　＜３．実施の形態３＞
　図８は、実施の形態３の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１０３では、モジュール１０２と同様に、リードフレーム３が、制御回路８に属する領域と電力回路９に属する領域との間で段差をなしている。しかしながら、リードフレーム３は、折れ曲がり部３ａにおいて直角に折れ曲がるのではなく、段差の間に斜面を形成するように、緩やかな角度すなわち９０゜を超える鈍角をもって折れ曲がっている点が、モジュール１０２とは特徴的に異なっている。

　このため、高熱伝導樹脂２を封止する工程において、封止樹脂が、間隔の狭い制御回路８の領域から間隔の広い電力回路９の領域へと、一層円滑に導かれる。すなわち、折れ曲がり部３ａで封止樹脂の流れが妨げられないので、封止樹脂の流動性がさらに高められるという利点が得られる。このことは、リードフレーム３とヒートシンク１との間の高い耐圧を、より安定的に実現する。

　＜４．実施の形態４＞
　図９は、実施の形態４の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１０４では、モジュール１０３と同様に、リードフレーム３が、制御回路８に属する領域と電力回路９に属する領域との間で段差をなしており、しかも折れ曲がり部では緩やかな角度で折れ曲がっている。しかしながら、電力回路９が中央部に設けられ、その両側部に制御回路８が分割されて配置されており、この点が、モジュール１０３とは特徴的に異なっている。そして、リードフレーム３とヒートシンク１との間を隔てる高熱伝導樹脂２の厚さは、中央部において小さくその両側部において大きくなっている。

　このため、ヒートシンク１の中で、電力回路９の領域から遠く離れた部分が比較的少なく、モジュール１０３に比べると、ヒートシンク１の中のすべての部分が電力回路９の領域に一層近接している。このため、電力回路９で発生した損失熱が、一層効率よくヒートシンク１を通じて外部へと放散される。すなわち、モジュール１０４では、放熱効率がさらに改善されるとい利点が得られる。

　また、電力回路９を挟む両側部に配置される制御回路８から外側へ向かって突出する外部端子１５，１９とヒートシンク１との間は、高熱伝導樹脂２の相対的に厚く設けられた部分によって隔てられている。すなわち、外部端子１５，１９とヒートシンク１との間の沿面距離が長くなっている。このため、リードフレーム３とヒートシンク１との間の耐圧がさらに高められるという利点が得られる。

　＜５．実施の形態５＞
　図１０は、実施の形態５の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。また、図１１は、このモジュール１０５に属するヒートシンク１の斜視図である。図１０および図１１に示すように、モジュール１０５では、リードフレーム３は平坦なままとし、ヒートシンク１の上面すなわちリードフレーム３に対向する面に段差を設けることによって、高熱伝導樹脂２の厚さを制御回路８と電力回路９との間で段階的に異ならせている。

　モジュール１０５においても、高熱伝導樹脂２の厚さは、電力回路９では小さく、制御回路８では大きく設定されているので、電力回路９の良好な放熱特性と制御回路８の耐ノイズ性とが両立して実現する。しかも、ヒートシンク１の上面は、段差の間に斜面を形成するように、緩やかな角度すなわち鈍角で折れ曲がっているので、高熱伝導樹脂２を封止する工程における封止樹脂の流動性が良好であるといる利点が得られる。このことは、すでに述べたように、リードフレーム３とヒートシンク１との間の高い耐圧を安定的に実現する。

　また、リードフレーム３は段差を持たず、制御回路８と電力回路９との双方にわたって平坦であるので、ＩＧＢＴ素子４ａ、集積回路素子５ａ等の各素子のリードフレーム３の上への固着、およびボンディングワイヤ６ａ，６ｂによるワイヤボンディングが、いずれも容易に行われるという利点が得られる。すなわち、この実施の形態のモジュール１０５は、実施の形態１と実施の形態３との双方の利点を両立的に実現する。

　＜６．実施の形態６＞
　図１２は、実施の形態６の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１０６では、ヒートシンク１の上面とリードフレーム３との双方に段差を設けることによって、高熱伝導樹脂２の厚さを制御回路８と電力回路９との間で段階的に異ならせている。このため、モジュールの高さを同一とした条件下で、制御回路８におけるリードフレーム３とヒートシンク１との間の間隔を一層広くして、制御回路８の耐ノイズ性をさらに高めることができる。

　また、電力回路９からの損失熱の放散を効率よく行う上で、ヒートシンク１の厚さには最適な大きさがあり、ある限度を超えて厚くなると放熱効率が低下する。したがって、ヒートシンク１に設けられる段差の大きさ、すなわち上面の高さの差には一定の限度がある。モジュール１０６では、リードフレーム３にも段差が設けられるので、ヒートシンク１の段差だけでは実現できない範囲にまで、電力回路９と制御回路８との間における高熱伝導樹脂２の厚さの差異を拡大することが可能である。すなわち、制御回路８の耐ノイズ性をさらに高めることができる。

　なお、図１２に例示するように、実施の形態３および５で述べたと同一理由により、ヒートシンク１の上面と、リードフレーム３との双方において、折れ曲がり部は緩やかな角度で折れ曲がっているのが望ましい。

　＜７．実施の形態７＞
　図１３は、実施の形態７の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１０７では、実施の形態４と同様に、電力回路９が中央部に設けられ、その両側部に制御回路８が分割されて配置されている。同時に、実施の形態５と同様に、リードフレーム３は平坦なままとし、ヒートシンク１の上面すなわちリードフレーム３に対向する面に段差を設けることによって、高熱伝導樹脂２の厚さを制御回路８と電力回路９との間で段階的に異ならせている。

　したがって、モジュール１０７は、実施の形態４および５の双方の装置の利点を同時に実現する。すなわち、電力回路９が中央部に設けられるので、電力回路９で発生した損失熱の放熱効率が高いという利点が得られる。また、外部端子１５，１９とヒートシンク１との間の沿面距離が長いので、リードフレーム３とヒートシンク１との間の耐圧がさらに高められる。さらに、リードフレーム３は段差を持たず、制御回路８と電力回路９との双方にわたって平坦であるので、ＩＧＢＴ素子４ａ、集積回路素子５ａ等の各素子のリードフレーム３の上への固着、およびボンディングワイヤ６ａ，６ｂによるワイヤボンディングが、いずれも容易に行われ得る。

　＜８．実施の形態８＞
　図１４は、実施の形態８の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１０８では、実施の形態４と同様に、電力回路９が中央部に設けられ、その両側部に制御回路８が分割されて配置されている。同時に、実施の形態６と同様に、ヒートシンク１の上面とリードフレーム３との双方に段差を設けることによって、高熱伝導樹脂２の厚さを制御回路８と電力回路９との間で段階的に異ならせている。

　したがって、モジュール１０８は、実施の形態４および６の双方の装置の利点を同時に実現する。すなわち、電力回路９が中央部に設けられるので、電力回路９で発生した損失熱の放熱効率が高いという利点が得られる。また、外部端子１５，１９とヒートシンク１との間の沿面距離が長いので、リードフレーム３とヒートシンク１との間の耐圧がさらに高められる。さらに、ヒートシンク１の上面とリードフレーム３との双方に段差が設けられるので、モジュールの高さを同一とした条件下で、制御回路８におけるリードフレーム３とヒートシンク１との間の間隔を一層広くして、制御回路８の耐ノイズ性をさらに高めることができる。

　＜９．実施の形態９＞
　図１５は、実施の形態９の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１０９では、ヒートシンク１が電力回路９が占める領域のみに配置されている点が、実施の形態１のモジュール１０１とは特徴的に異なっている。すなわち、モジュール１０９では、ヒートシンク１の中で損失熱の放散への寄与の度合いが比較的小さい領域を削減することで、製造コストの低減を図っている。

　同時に、制御回路８が占める領域にヒートシンク１が存在しないことから、電気的ノイズの制御回路８への悪影響が抑制される。すなわち、モジュール１０９は、放熱特性をさほどには劣化させることなく、電気的ノイズの影響を排除して、制御回路８の安定な動作を実現するとともに、製造コストの一層の低減を実現する。

　＜１０．実施の形態１０＞
　図１６は、実施の形態１０の半導体パワーモジュールの構成を示す正面断面図である。このモジュール１１０では、ヒートシンク１が放熱フィンと一体的に形成されている点が、実施の形態９のモジュール１０９とは特徴的に異なっている。

　モジュールの通常の使用形態では、ヒートシンク１は外部の放熱フィンへと固定される。このモジュール１１０では、ヒートシンク１が放熱フィンを兼ねているので、使用の際にヒートシンク１を放熱フィンへと取り付ける工程を必要としない。すなわち、使用の際に必要な工程が簡略化されるという利点がある。さらに、通常の使用形態においてヒートシンク１と放熱フィンとの間に発生する接触熱抵抗が、モジュール１１０では解消されるので、放熱特性がさらに良好であるという利点がある。

　図１６では、電力回路９が占める領域のみにヒートシンク１が設けられた例を示したが、例えば図１７の正面断面図に示すように、放熱フィンが一体的に連結するヒートシンク１を、制御回路８と電力回路９の双方にわたって配設しても良い。図１７に示すモジュール１１１は、実施の形態４のモジュール１０４のヒートシンク１を放熱フィンと一体化した装置例となっている。このモジュール１１１においても、モジュール１１０と同様に、使用の際の工程が簡略化されるとともに、接触熱抵抗が解消されるのにともなって放熱特性がさらに向上する。

実施の形態１の装置の部分切断斜視図である。 図１の装置の正面断面図である。 図１の装置の回路図である。 図１の装置のリードフレームの平面図である。 図１の装置を製造する一工程を示す工程図である。 実施の形態２の装置の正面断面図である。 図６の装置を製造する一工程を示す工程図である。 実施の形態３の装置の正面断面図である。 実施の形態４の装置の正面断面図である。 実施の形態５の装置の正面断面図である。 図１０の装置のヒートシンクの斜視図である。 実施の形態６の装置の正面断面図である。 実施の形態７の装置の正面断面図である。 実施の形態８の装置の正面断面図である。 実施の形態９の装置の正面断面図である。 実施の形態１０の装置の一例の正面断面図である。 実施の形態１０の装置の別の例の正面断面図である。 従来の装置の正面断面図である。

符号の説明

　１　ヒートシンク、２　高熱伝導樹脂（封止樹脂）、３　リードフレーム、４ａ　ＩＧＢＴ素子（パワー半導体素子）、８　制御回路、９　電力回路。

Claims (1)

1. 　パワー半導体素子を有する電力回路と、このパワー半導体素子を制御する制御回路との、双方の回路が組み込まれた半導体パワーモジュールにおいて、
   　一方主面と他方主面とを有する板状であって、前記双方の回路の各々に属する配線パターンと、前記各々と外部との電気的接続を行うための外部端子と、を構成するとともに、前記各々に属する回路素子が前記一方主面に固着された電気良導性のリードフレームと、
   　前記リードフレームの前記他方主面の中の少なくとも前記電力回路に属する部分に、主面が対向するように配設された熱良導性のヒートシンクと、
   　前記リードフレームの前記一方主面上に前記各々に属する回路素子を覆って形成される第１の封止樹脂と、
   　前記リードフレームの前記他方主面と前記ヒートシンクとの間を充填して、これらの間を電気的に絶縁するとともに、これらを互いに固定的に連結する、電気絶縁性の第２の封止樹脂とを備え、
   　前記第２の封止樹脂は前記第１の封止樹脂よりも熱伝導性が優れていることを特徴する、
   半導体パワーモジュール。

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