JP2007502544A - Epas用途、ehpas用途のためのモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】EPAS用途またはEHPAS用途のためのモジュール
【解決手段】成形ボディ内に成形されたリードフレームと、リードフレームのダイパッド上に直接設けられた複数のパワー半導体デバイスと、を有する成形シェルを備えるパワーモジュールが提供される。
【選択図】図9A

Description

パワーシステムのパワー半導体デバイスは、一般に、集積されることによってパワーモジュールを形成する。したがって、ほとんどのパワーモジュールは、パワーダイオードおよびパワーMOSFETなどのパワー半導体デバイスを含んでいる。パワー半導体デバイスは、動作の際に熱を生成する。このように生成された熱は、半導体デバイスの動作に影響するだけでなく、例えば、破砕およびその他の物理的損傷につながる熱応力などを生じることによってパワーモジュールの構造的完全性に悪影響を及ぼす恐れもある。パワー半導体デバイスによって生成された熱は、したがって、抽出して放散させる必要がある。さもないと、このような熱は、パワー半導体デバイスの継続的動作を危うくする恐れがある。
従来のパワーモジュールにおいて、生成された熱は、一般に、熱放散用のヒートシンクに伝えられる。導熱管として機能するのは、通常は、熱伝導性基板である。熱伝導性基板は、熱を生成するパワー半導体デバイスと、ヒートシンクとの間に配される。
既知の熱伝導性基板の1つは、絶縁性金属基板(IMS)と称される。もう1つの既知の熱伝導性基板は、直接接着された銅(DBC)である。IMSまたはDBCの使用は、コストの面、用いられる際にスタック全体の熱抵抗が増加すること、チップにおける熱キャパシタンスの面、およびパワーモジュールのループ電気抵抗が通常は高いこと、などの理由で望ましくない。このように、IMSまたはDBSを含む設計は、熱抽出能力が理想のレベルに及ばないので、過熱を避けるため、パワー半導体デバイスの最大定格に到達しないように設定される。したがって、IMSまたはDBCを使用するとき、設計者らは、パワー半導体デバイスの能力を最大限に生かすことができず、これは、いくつかの不利な結果のなかでも、とりわけ、パワー設計の非効率化という問題を生じる恐れがある。
パワーモジュールは、自動車産業で広く用いられており、他の用途のなかでも、とりわけ、電気モータの駆動および制御に用いられている。平均的な自動車に使用される特徴の数の増大は、汎用のまたは特定機能のパワーモジュールに対する需要増をもたらした、またはもたらしつづけている。そのうえ、市場では、車両の最終コストの競争力を維持すること、および車両の電気システムにおいて追加特徴によって消費される電力を最小限に抑えることを可能にするため、モジュールごとのコストの削減およびモジュールの効率アップを図ることが求められている。
したがって、熱伝熱性基板を使用せずに、生成された熱を適切に放散させることができるパワーモジュールを見いだすことが望まれている。
本発明にしたがったパワーモジュールは、電力式操縦(EPAS)または電子油圧式操縦(EHPAS)のためのパワー素子を含むように構成される。
本発明にしたがったパワーモジュールは、空間を定める複数の壁を有する成形シェルと、基部とを備える。成形シェルは、更に、定められた空間から成形シェルの壁を通って延びた複数のリードと、少なくとも1本のリードにそれぞれ一体接続された複数の導電性パッドとを有する。各導電性パッドは、例えばはんだ層などによって電気的に且つ機械的に取り付けられた少なくとも1つのパワー半導体デバイスを有する。したがって、パワー半導体デバイスによって生成された熱は、導電性パッドに伝えられる。このようにして伝えられた熱は、導電性パッドに一体化されたリードによって部分的に放散される。残りの熱は、導電性パッドにヒートシンクを接合させている熱伝導性の接着体を通じてヒートシンクに伝えられる。したがって、本発明にしたがったモジュールは、熱伝導性の基板を必要としないので、その結果、本発明にしたがったモジュールは、優れた耐熱性を呈することができる。
耐熱性の向上(すなわち熱抵抗の低下)は、IMSまたはDBCを用いる場合と比べて設計者がより小型のチップを選択可能である、という点で有利である。このような選択可能性は、他の利点のなかでも、とりわけ、コストの削減を可能にする。
更に、設計からのIMSまたはDBCの排除は、ボンドワイヤの相互接続およびグループ分けの数を減少させるので、その結果、モジュールの総抵抗は低減される。
本発明の一形態にしたがうと、本発明にしたがったモジュール内のリードフレームは、一列に沿って配された少なくとも1つのパワー半導体デバイスをそれぞれ収容するための複数のダイパッドと、対向する平行の別の一列に沿って配された複数のダイボンドパッドとを含む。ダイパッドとボンドワイヤとを対向する二列に沿って配する構成は、製造を簡略化することができる。
また、パワーMOSFETなどの半導体チップをリードフレームの導電性パッドの上に搭載する場合は、使用される導電性パッドは、IMSまたはDBCを使用する場合に使用されるパッドよりも分厚くなるので、その結果、モジュールの総抵抗は低減される。具体的に言うと、IMSまたはDBCを使用する場合は、金属層の厚さを特定の最小値未満に維持できるように金属層の熱膨張係数および基板の熱膨張係数を設定することによって、導電性パッドの剥離につながる熱ひずみ(通常は熱サイクルの結果として生じる)を阻止する必要がある。したがって、例えば通常のIMSを使用する場合は、導電性パッドはわずか10〜12ミルである。それに対して、本発明にしたがったモジュール内の導電性パッドは、より分厚く構成することができるので、その結果、抵抗は低減され、熱放散性は向上する。
更に、ダイパッドとボンドワイヤとを対向する二列に沿って配する構成は、概して平行のボンドワイヤによって、対応するダイパッドにパワー半導体デバイスを接続することを可能にする。これは、やはり、製造を簡略化することができる。
パワーモジュールにおいて、総抵抗の大部分は、ボンドワイヤに起因している。好ましい一実施形態では、抵抗を低減させるため、1枚のチップごとに5本のボンドワイヤを用いている。本発明の一態様にしたがうと、これらの5本のボンドワイヤは、互い違いに配置され、そのうち3本のボンドワイヤは、大きめの曲率で設けられる。その結果、本発明にしたがったモジュールは、負荷がモータである場合に、より少ないばらつきとより高いトルクとを実現することができる、すなわち、より優れたパフォーマンスを呈することができる。
本発明の別の一形態にしたがうと、本発明にしたがったパワーモジュールは、ボンドワイヤを介することなく外部リードに電気的に接続されたシャント抵抗を備えることによって、モジュール内を流れる電流の正確な読み取りに影響を及ぼす寄生インダクタンスおよび寄生抵抗を低減させている。更に、好ましい一実施形態にしたがったモジュールは、サーミスタも備えているうえに、高周波バスコンデンサを設けるための空間も備えている。
本発明の好ましい一実施形態にしたがったモジュールは、有利で且つ固有のその他の特徴を備えている。それらの特徴は、以下の説明で詳細に説明されるとともに、添付の図面に示される。
図1に示されるように、本発明にしたがったモジュールは、成形シェル1と、複数のパワー半導体デバイス6と、シャント抵抗3と、サーミスタ4と、複数の大直径(例えば厚さ20ミルの)ボンドワイヤ7と、複数の小直径(例えば厚さ8ミルの)ボンドワイヤ8と、カプセル材料9と、はんだ層2と、熱伝導性接着体11と、ヒートシンク13と、蓋15とを備える。
本発明の一態様にしたがうと、成形シェル1は、リードフレームと、成形ボディ10とを含む。リードフレームは、複数のリードと、複数の導電性パッドとを含み、これらは、いずれも、成形ボディ10内に成形されている。
図2,3,4,5に示されるように、本発明の好ましい一実施形態で用いられるリードフレーム12は、パワー入力リード14と、接地リード16と、第1の出力リード18と、第2の出力リード20と、第3の出力リード22と、複数のピンリード24とを含む。リードフレーム12は、更に、複数の導電性パッドを含む。具体的に言うと、リードフレーム12は、複数のダイパッド26と、複数のワイヤボンドパッド28とを含む。図2に示されるように、各出力リード18,20,22は、少なくとも1つのワイヤボンドパッド28と、1つのダイパッド26とに一体化されている。更に、パワー出力リード14は、残りのダイパッド26に一体化されている。一方で、残りのワイヤボンドパッド28は、タイバー30に一体化されており、そのタイバー30自体は、1つのピンリード24に一体化されている。タイバー30は、ワイヤボンドパッド28と同一平面上にあると同時に、出力リード18,20,22の下方に展開していることが好ましい。すなわち、出力リード18,20,22は、タイバー30の上方に展開することができるように、湾曲して設けられる。
本発明の一形態にしたがうと、ワイヤボンドパッド28は、第1の列に沿って配され、ダイボンドパッド26は、第1の列に対向すると同時に第1の列に平行でもある第2の列に沿って配される。したがって、後ほど説明されるように、ダイパッド26上に設けられたパワー半導体デバイスは、いずれも、共通の列に沿って配される。これは、製造を簡略化する、という点で有利である。
図6および図7に示されるように、リードフレーム12は、成形ボディ10と相まって成形シェル1を構成している。成形シェル1は、基部34から立ち上がることによって基部34の上方の空間を定める複数の壁32を含む。本発明の一形態にしたがうと、基部34は、相隔てられた導電性パッド26,28と、これらの導電性パッド26,28の間の空間に設けられた成形化合物とを少なくとも含むように形成されている。導電性パッド26,28の間の空間に設けられた成形化合物は、導電性パッド26,28を電気的に絶縁すると同時にそれらを機械的に結合する働きをする。このようにして、成形化合物および導電性パッド26,28は、成形シェル1の基部34を構成している。
図7に具体的に示されるように、基部34は、その外面上にバンプ36を形成されている。バンプ36は、成形化合物で形成され、好ましくは0.1mmの高さを有し、基部34の外面上に点在している。バンプ36は、基部34をヒートシンク13から隔てるためのスペーサとして用いられ、熱伝導性接着体11の厚さを決定する。熱伝導性接着体11は、ヒートシンク13を基部34に熱的に且つ機械的につなぐと同時にヒートシンク13を基部34から電気的に絶縁する働きをする。
次に、図8に示されるように、本発明の好ましい一実施形態にしたがったモジュールは、好ましくは三相モータにパワーを供給可能であるように、3つのハーフブリッジ回路のためのパワー素子を含むように構成される。周知のように、ハーフブリッジ回路は、低電位側のパワー半導体デバイスに直列接続された高電位側のパワー半導体デバイスを含む。好ましい一実施形態において、モータの第1の相であるUにパワーを供給するための第1のハーフブリッジ回路は、低電位側パワーMOSFET Q2のドレイン側にソース側を接続された高電位側パワーMOSFET Q1を含み、モータの第2の相であるVにパワーを供給するための第2のハーフブリッジ回路は、低電位側パワーMOSFET Q4のドレイン側にソース側を接続された高電位側パワーMOSFET Q3を含み、モータの第3の相であるWにパワーを供給するための第3のハーフブリッジ回路は、低電位側パワーMOSFET Q6にソース側を接続された高電位側パワーMOSFET Q5を含む。各高電位側パワーMOSFET Q1,Q3,Q5のドレイン電極は、パワー入力線B+に接続されている。それに対して、低電位側パワーMOSFET Q2,Q4,Q6のソース側は、シャント抵抗3を介してアースGNDに接続されている。各パワーMOSFET Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、各自のゲートで受信された信号によって制御される。
図9Aおよび図9Bに示されるように、各パワーMOSFET Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、そのドレイン側を、それぞれに対応するダイパッド26にはんだ層2によって電気的に且つ機械的に接続され、そのソース側を、それぞれに対応するワイヤボンドパッド28に複数の大直径ボンドワイヤ7によって電気的に且つ機械的に接続されている。ボンドワイヤ7は、送電に適した従来の任意のボンドワイヤであることが可能である。本発明の一態様にしたがうと、大直径ボンドワイヤ7は、互い違いに配列されているので、各パワーMOSFETのソース電極配線において、電流密度は均一に分布している。したがって、好ましい一実施形態では、5本の大直径ボンドワイヤ7のうちの2本が、残りの3本よりも短く設計されている。
本発明の別の一形態にしたがうと、大直径ボンドワイヤ7は、概して平行である。大直径ボンドワイヤ7の平行性およびパワーMOSFET Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6の配置は、本発明にしたがったモジュールの製造を簡略化および高速化する、という点で有利である。
本発明の別の一形態にしたがうと、シャント抵抗3は、導電性パッド38を通じて接地リード16に電気的に接続されると同時に、タイバー30の一部40にも電気的に接続されている。なお、タイバー30および導電性パッド38は、対応するピンリード24にそれぞれ一体化されている。これらのピンリード24は、シャント抵抗3を感知するために使用することができる。
残りのピンリードは、以下の機能を果たす目的で用意される。
2ケルビン:パワーMOSFET Q2のソースからのソース電圧をケルビンワイヤ42を介して運ぶ。
2ゲート:ゲートワイヤ44を介してパワーMOSFET Q2のゲートに電圧を送る。
1ケルビン:パワーMOSFET Q1のソースからのソース電圧をケルビンワイヤ42を介して運ぶ。
1ゲート:ゲートワイヤ44を介してパワーMOSFET Q1のゲートに電圧を送る。
4ケルビン:パワーMOSFET Q4のソースからのソース電圧をケルビンワイヤ42を介して運ぶ。
4ゲート:ゲートワイヤ44を介してパワーMOSFET Q4のゲートに電圧を送る。
3ケルビン:パワーMOSFET Q3のソースからのソース電圧をケルビンワイヤ42を介して運ぶ。
3ゲート:ゲートワイヤ44を介してパワーMOSFET Q3のゲートに電圧を送る。
5ケルビン:パワーMOSFET Q5のソースからのソース電圧をケルビンワイヤ42を介して運ぶ。
5ゲート:ゲートワイヤ44を介してパワーMOSFET Q5のゲートに電圧を送る。
6ケルビン:パワーMOSFET Q6のソースからのソース電圧をケルビンワイヤ42を介して運ぶ。
6ゲート:ゲートワイヤ44を介してパワーMOSFET Q6のゲートに電圧を送る。
ピンリードT1,T2は、パワーMOSFET Q6の温度に関する情報を提供するため、ボンドワイヤ50を通じてサーミスタ4の各ポールに接続されている。なお、サーミスタ4は、回路基板46上に設けられている。好ましい一実施形態において、回路基板46およびパワーMOSFET Q6は、ともに、同じダイパッド上に設けられている。
ワイヤボンディングによる接続が全て為されると、成形シェル1の壁32と基部34とによって定められた空間は、好ましくはシリコーンジェルであるカプセル材料9で満たされる。次いで、壁32と基部34とによって定められた空間を取り囲むため、図10に示されるように、好ましくは接着剤を用いて壁32に蓋15が取り付けられる。
図11に示されるように、本発明の一態様にしたがうと、成形シェル1の基部34の外面には、熱伝導性接着体11によって、熱的に且つ機械的にヒートシンク13が取り付けられる。熱伝導性接着剤11は、例えばシリコーンベースのエラストマなどのエラストマであることが可能であり、アルミナ粒子などの熱伝導性粒子で満たされる。エラストマは、ヒートシンク13および基部34の両方に良く接合することが好ましく、また、基部34の導電性パッド26,28をヒートシンク13から電気的に絶縁することもできる。
本発明の一態様にしたがうと、成形シェル1は、単一工程の射出成形プロセスにおいて、リードフレーム12の周りに成形ボディ10を形成することによって形成される。したがって、基部34と壁32とは、単一のユニットを構成する。
本発明にしたがったモジュールは、先ず成形シェル1を形成し、次いでダイパッド26の上にはんだを堆積させ、その堆積されたはんだ層の上にパワーMOSFETを載せ、更にはんだをラッフルさせるための熱を加えることによって製造される。したがって、本発明の一実施形態にしたがうと、成形シェル1の成形ボディ10を形成するために使用される成形化合物は、最低でも、はんだのラッフル温度に持ちこたえることができる。
はんだのリフロー後、フラックス材料は除去され、二段階に渡ってワイヤボンディングによる接続が行われる。第1の段階では、超音波ワイヤボンディングによって大直径ボンドワイヤ7が接続される。次の段階では、やはり超音波ワイヤボンディングによって残りのボンドワイヤが接続される。その後、成形シェル1の壁32によって定められた空間内にシリコーンジェルが満たされ、満たされたシリコーンジェルは、硬化を経てカプセル材料9を形成する。最後の段階では、定められた空間を封入するために、蓋15が取り付けられる。
成形化合物として好ましい材料は、1つには、AMODOELによって市販されているPPAである。もう1つの好ましい材料は、PPSである。
更に、リードフレーム12は、銅で形成することができ、ワイヤボンディングによる接合の信頼性を高めるために、更にニッケルでメッキすることが可能である。また、ボンドワイヤによる接合の信頼性を高めるには、ピンリード上にアルミニウムを嵌め込むことも可能である。ピンリードは、しかしながら、ニッケルでメッキすることも可能である。好ましい一実施形態において、リードフレーム12は、モジュールの熱抵抗および電気抵抗を低減させるために、1mmの厚さであることが可能である。
好ましい一実施形態において、20ミルのボンドワイヤ(大直径ボンドワイヤ7)は、いずれも、リードフレームのうちニッケルをメッキされた部分に着地し、8ミルのボンドワイヤ(小直径ボンドワイヤ8)は、いずれも、リードフレームのうちニッケルをメッキされた部分またはアルミニウムを嵌め込まれた部分に着地する。
好ましい一実施形態では、はんだとして、Pb/Sn、Sn/Ag、およびPb/Sn/Agの化合物を用いることが可能である。しかしながら、例えば導電性エポキシ樹脂などのその他の導電性接着剤、またはその他のはんだ化合物の使用も、やはり、本発明の範囲内であると見なされる。
最も好まれるはんだは、Sn/Agである。Sn/Agは、鉛を含有しておらず、尚かつ、はんだディスペンサによって自動投入することが可能である。はんだは、リードフレームの表面仕上げ次第では、Sn/Ag/Cuであることも可能である。
更に、本発明にしたがったモジュールは、モジュールの高周波EMI特性を向上させるために、高周波(HF)コンデンサを含むことが可能である。HFコンデンサは、モジュール内において、電池の正極と負極(14,16)との間につなぐことができる。図9Aにおいて、HFコンデンサの位置は、パッド38のすぐ右側に、尚かつ、リードBH1に接続されたボンドワイヤのすぐ左にとることができる。
以上では、具体的な実施形態に基づいて本発明の説明を行ってきたが、当業者ならば、そのほかにも多くの変更・修正および使用を容易に思い付くことが可能である。したがって、本発明は、本明細書で開示された具体例に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることが好ましい。
本発明にしたがったモジュールの分解図である。 本発明にしたがったモジュールに使用されるリードフレームの上面図である。 図2に示されたリードフレームの底面図である。 図2に示されたリードフレームの等角上面図である。 図2に示されたリードフレームの等角底面図である。 本発明にしたがったモジュールの成形シェルの等角上面図である。 図6に示された成形シェルの等角底面図である。 本発明にしたがったモジュールの好ましい一実施形態の回路図である。 本発明にしたがったモジュールの上面図であって、内部における各素子の配置を示すために蓋を外した状態で示されている。 本発明にしたがったモジュールについて、内部における各素子の接続状態を示した図である。 本発明にしたがったモジュールの上面図である。 本発明にしたがったモジュールを矢印11−11の方向から見た場合の側面図である。
符号の説明
1…成形シェル
2…はんだ層
3…シャント抵抗
4…サーミスタ
6…パワー半導体デバイス
7…大直径ボンドワイヤ
8…小直径ボンドワイヤ
9…カプセル材料
10…成形ボディ
11…熱伝導性接着体
12…リードフレーム
13…ヒートシンク
14…パワー入力リード
16…接地リード
15…蓋
18,20,22…出力リード
24…ピンリード
26…ダイボンドパッド
28…ワイヤボンドパッド
30…タイバー
32…壁
34…基部
36…バンプ
38…導電性パッド
40…タイバーの一部
42…ケルビンワイヤ
44…ゲートワイヤ
50…ボンドワイヤ

Claims (20)

  1. パワーモジュールであって、
    相隔てられた複数の導電性パッドと、複数のリードとを含むリードフレームと、
    空間を定める複数の壁と、基部とを含む成形シェルであって、前記基部は、前記相隔てられた複数の導電性パッドと、前記空間の間に設けられた成形ボディとを有する、成形シェルと、
    複数のパワー半導体デバイスであって、導電性接着剤の層によって対応する第1の導電性パッドに電気的に且つ機械的に取り付けられた1つのパワー電極と、対向する表面上に設けられ、少なくとも1本のボンドワイヤによって第2の導電性パッドに電気的に取り付けられた対向するパワー電極とをそれぞれ含む、複数のパワー半導体デバイスと
    を備え、前記第1の導電性パッドは、一列に沿って配され、前記第2の導電性パッドは、対向する別の一列に沿って配される、パワーモジュール。
  2. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記少なくとも1本のボンドワイヤは、概して平行である、パワーモジュール。
  3. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    各パワー半導体デバイスの前記対向するパワー電極は、互い違いに配された複数のボンドワイヤによって第2の導電性パッドに電気的に接続される、パワーモジュール。
  4. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、更に、
    対応するパワー半導体デバイスの制御電極に制御信号を送るようにそれぞれ構成された複数の信号リードであって、前記成形シェルの前記壁の1つにそれぞれ埋め込まれ、ボンドワイヤによって対応する制御電極に電気的に接続されたワイヤボンドパッドをそれぞれ含む、複数の信号リードを備えるパワーモジュール。
  5. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、更に、
    サーミスタを備えるパワーモジュール。
  6. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、更に、
    前記壁の少なくとも1つを通って前記成形シェルの外側に至る1対のリードに電気的に直接接続された電流検出抵抗を備えるパワーモジュール。
  7. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記定められた空間はカプセル材料で満たされる、パワーモジュール。
  8. 請求項7に記載のパワーモジュールであって、
    前記カプセル材料はシリコーンジェルである、パワーモジュール。
  9. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記パワー半導体デバイスはパワーMOSFETである、パワーモジュール。
  10. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記パワー半導体デバイスは、少なくとも1つのハーフブリッジを形成するように配される、パワーモジュール。
  11. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記パワー半導体デバイスは、少なくとも3つのハーフブリッジを形成するように配される、パワーモジュール。
  12. 請求項11に記載のパワーモジュールであって、
    前記リードは、パワー入力リードと、接地リードと、対応するハーフブリッジからのパワーを運ぶようにそれぞれ構成された複数の出力リードとを含む、パワーモジュール。
  13. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記リードの少なくとも1本はパワー入力リードであり、もう1本のリードは接地リードであり、3本目のリードは出力リードである、パワーモジュール。
  14. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、更に、
    前記定められた空間を封入するために前記壁に取り付けられた蓋を備えるパワーモジュール。
  15. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記パワー半導体デバイスは、はんだによって前記第1の導電性パッドに取り付けられ、前記成形シェルは、前記はんだのラッフル温度に耐えることができる成形材料で構成される、パワーモジュール。
  16. 請求項15に記載のパワーモジュールであって、
    前記成形材料はPPAであるパワーモジュール。
  17. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
    前記基部は、その外側に、ヒートシンクを隔てるスペーサとして機能する複数のバンプを含む、パワーモジュール。
  18. 請求項17に記載のパワーモジュールであって、
    前記バンプは0.1mmの高さを有する、パワーモジュール。
  19. 請求項1に記載のパワーモジュールであって、更に、
    熱伝導性接着剤によって少なくとも前記第1の導電性パッドに熱的に接触した状態で前記基部に取り付けられたヒートシンクを備えるパワーモジュール。
  20. 請求項19に記載のパワーモジュールであって、更に、
    前記基部を前記ヒートシンクから隔てるために、前記基部の外面上に複数のバンプを備えるパワーモジュール。
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