JP2016213917A - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モジュール基板に半導体素子が実装された半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a module substrate.
近年では、例えば車両の場合、燃費の向上とコストの低減等のために、部品の小型化・軽量化が要求されている。そして電動モータ等の駆動用に用いられる半導体素子は、発熱量が比較的大きいので、放熱性の良い小型のモジュール基板に実装されることが一般的である。このような半導体素子は、モジュール基板に実装されて半導体モジュールとして構成されている。 In recent years, for example, in the case of a vehicle, it is required to reduce the size and weight of parts in order to improve fuel consumption and reduce costs. Since semiconductor elements used for driving electric motors or the like generate a relatively large amount of heat, they are generally mounted on a small module substrate with good heat dissipation. Such a semiconductor element is mounted on a module substrate and configured as a semiconductor module.
例えば特許文献1には、3相モータのU相コイルとV相コイルとW相コイル、のそれぞれに電力を供給する3つのインバータ回路を構成する複数の半導体素子と、前記インバータ回路に電力を供給する電源リレーを構成する複数の半導体素子と、を1つのモジュール基板に実装した半導体モジュールが開示されている。モジュール基板の一方の側には、大電流が流れる入出力端子である幅広の複数のパワー端子が設けられ、モジュール基板の他方の側には、各半導体素子の制御用の小電流が流れる入出力端子である幅が細い複数の制御端子が設けられている。そしてモジュール基板には、各インバータ回路に電力を供給する2つのインバータ入力端子と、各インバータ回路の接地用の2つのインバータグランド端子と、各インバータ回路に供給する電力を制御する電源リレーに入力される1つの電源入力端子と、U相コイルへ電力を出力する1つのU相巻線端子と、V相コイルへ電力を出力する1つのV相巻線端子と、W相コイルへ電力を出力する1つのW相巻線端子と、の8つのパワー端子が設けられている。
For example, in
3相モータのU相コイルとV相コイルとW相コイルのそれぞれに供給するべき電力は、大電流であるとともに、非常に短時間にONとOFFが繰り返される場合があるので、短パルス状の複数のノイズが発生し易い。従って、U相コイルへのパワー端子とV相コイルへのパワー端子とW相コイルへのパワー端子とをモジュール基板上で近接させて配置すると、互いの端子からのノイズが干渉する可能性があるので好ましくない。 The power to be supplied to each of the U-phase coil, V-phase coil, and W-phase coil of the three-phase motor is a large current and may be repeatedly turned on and off in a very short time. Multiple noises are likely to occur. Therefore, if the power terminal to the U-phase coil, the power terminal to the V-phase coil, and the power terminal to the W-phase coil are arranged close to each other on the module substrate, there is a possibility that noise from the terminals mutually interferes. Therefore, it is not preferable.
このノイズの干渉を回避する方法としては、各パワー端子の間隔を大きくする方法や、モジュール基板を多層基板構造にしてパワー端子毎に層を変更する方法が考えられる。しかし、各パワー端子の間隔を大きくする方法では、モジュール基板のサイズが大きくなり、半導体モジュールが大型化するので好ましくない。また各パワー端子の間隔を大きくしても、モジュール基板に実装された半導体素子からパワー端子までの配線パターン(モジュール基板上に形成された配線パターン)の間隔も広くしなければ意味がなく、モジュール基板のサイズが、さらに大型化するので好ましくない。またモジュール基板を多層基板構造とする方法は、放熱性が低下するとともにコスト高となるので好ましくない。 As a method for avoiding the interference of noise, a method of increasing the interval between the power terminals and a method of changing the layer for each power terminal by using a module substrate as a multilayer substrate structure are conceivable. However, the method of increasing the interval between the power terminals is not preferable because the size of the module substrate increases and the semiconductor module increases in size. Even if the interval between the power terminals is increased, there is no meaning unless the interval between the wiring elements (wiring patterns formed on the module substrate) from the semiconductor elements mounted on the module substrate to the power terminals is increased. This is not preferable because the size of the substrate is further increased. Also, the method of making the module substrate a multilayer substrate structure is not preferable because the heat dissipation is reduced and the cost is increased.
そこで特許文献1に記載の半導体モジュールでは、U相コイルへ電力を出力するU相巻線端子と、V相コイルへ電力を出力するV相巻線端子と、W相コイルへ電力を出力するW相巻線端子と、のそれぞれを、インバータ入力端子(電源端子)とインバータグランド端子(アース端子)とで挟み込むように配置している。そして特許文献1に記載の半導体モジュールでは、U相巻線端子とV相巻線端子との間にはインバータグランド端子が配置されており、V相巻線端子とW相巻線端子との間にはインバータ入力端子が配置されている。この特許文献1に記載の半導体モジュールでは、U相巻線端子とV相巻線端子とW相巻線端子からのノイズの干渉を、間に挟んだインバータ入力端子またはインバータグランド端子にて抑制することができるが、インバータ入力端子とインバータグランド端子の数が増加されている。従って、増加された端子の数だけモジュール基板のサイズが大きくなってしまい、あまり好ましくない。
Therefore, in the semiconductor module described in
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、3相モータのU相コイルとV相コイルとW相コイルへの出力である各パワー端子のノイズの干渉を適切に回避できるとともに、モジュール基板のサイズをより小型化することが可能な半導体モジュールを提供することを課題とする。 The present invention was devised in view of such points, and can appropriately avoid noise interference of each power terminal that is an output to the U-phase coil, V-phase coil, and W-phase coil of the three-phase motor. A further object is to provide a semiconductor module capable of further reducing the size of the module substrate.
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体モジュールは、次の手段をとる。まず、本発明の第1の発明は、モジュール基板に半導体素子が実装された半導体モジュールであって、3相モータを駆動する3つのアーム回路が前記半導体素子で構成されており、前記半導体素子のそれぞれは上面と下面を有し、当該上面と当該下面のそれぞれに、それぞれの電極を有している。そして、それぞれの前記半導体素子の上面の前記電極には、導電体で形成されて前記電極に対応付けられたそれぞれのリードが接合され、一部の前記リードは、一端が前記半導体素子の下面の電極と前記モジュール基板との接合面に相当する第1基板接合面を含む仮想平面まで延ばされた第2基板接合面を有している。そして、それぞれの前記半導体素子は、上面に前記リードが接合された中間モジュールとして構成されており、それぞれの前記中間モジュールの前記第1基板接合面及び前記第2基板接合面が、前記モジュール基板に接合されており、前記アーム回路の動作を制御するモータ制御入力部と、前記アーム回路の出力に相当するアーム回路出力部と、に対応する前記リードは、前記モジュール基板に接続されることなく前記モジュール基板から離間されて配置されている。 In order to solve the above problems, the semiconductor module according to the present invention takes the following means. A first aspect of the present invention is a semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a module substrate, wherein three arm circuits for driving a three-phase motor are constituted by the semiconductor element. Each has an upper surface and a lower surface, and has an electrode on each of the upper surface and the lower surface. Each of the leads on the upper surface of each of the semiconductor elements is joined to each lead formed of a conductor and associated with the electrode, and one end of a part of the leads is formed on the lower surface of the semiconductor element. It has the 2nd board | substrate joint surface extended to the virtual plane containing the 1st board | substrate joint surface equivalent to the joint surface of an electrode and the said module substrate. Each of the semiconductor elements is configured as an intermediate module in which the leads are bonded to an upper surface, and the first substrate bonding surface and the second substrate bonding surface of each of the intermediate modules are connected to the module substrate. The leads corresponding to the motor control input unit that is bonded and controls the operation of the arm circuit and the arm circuit output unit corresponding to the output of the arm circuit are connected to the module substrate without being connected to the module substrate. The module substrate is disposed apart from the module substrate.
次に、本発明の第2の発明は、上記第1の発明に係る半導体モジュールであって、3つの前記アーム回路のそれぞれの出力に接続されて前記半導体素子で構成された3つのモータリレーを有し、前記アーム回路出力部となる前記モータリレーの出力部と、前記モータリレーの動作を制御するモータリレー制御入力部と、に対応する前記リードは、前記モジュール基板に接続されることなく前記モジュール基板から離間されて配置されている。 Next, a second invention of the present invention is the semiconductor module according to the first invention, wherein three motor relays configured by the semiconductor elements are connected to outputs of the three arm circuits. And the lead corresponding to the output part of the motor relay serving as the arm circuit output part and the motor relay control input part for controlling the operation of the motor relay, without being connected to the module substrate. The module substrate is disposed apart from the module substrate.
次に、本発明の第3の発明は、上記第1の発明または第2の発明に係る半導体モジュールであって、前記中間モジュールは、前記モータリレーを有していない場合は1つの前記アーム回路にて、前記モータリレーを有している場合は1つの前記アーム回路と1つの前記モータリレーにて、構成されている。そして、前記モジュール基板に形成されている配線パターンは、前記中間モジュール内において前記半導体素子同士の接続に使用される配線パターンである第1内部配線パターンと、いずれかの前記半導体素子から電源関連配線パターンまたはGND配線パターンへと接続される所定の電子部品に使用される配線パターンである第2内部配線パターンと、を除いて、それぞれの前記アーム回路に供給する電力用の配線パターンである前記電源関連配線パターンと、前記アーム回路の接地用の配線パターンである前記GND配線パターンと、のみが形成されている。 Next, a third invention of the present invention is the semiconductor module according to the first invention or the second invention, wherein the intermediate module has one arm circuit when the motor relay is not included. In the case of having the motor relay, it is constituted by one arm circuit and one motor relay. The wiring pattern formed on the module substrate includes a first internal wiring pattern which is a wiring pattern used for connecting the semiconductor elements in the intermediate module, and a power-related wiring from any of the semiconductor elements. The power supply that is a wiring pattern for power supplied to each of the arm circuits except for a second internal wiring pattern that is a wiring pattern used for a predetermined electronic component connected to a pattern or a GND wiring pattern Only the related wiring pattern and the GND wiring pattern which is a wiring pattern for grounding the arm circuit are formed.
次に、本発明の第4の発明は、上記第1の発明〜第3の発明のいずれか1つに係る半導体モジュールであって、前記アーム回路のそれぞれに供給する電力を出力する前記半導体素子で構成された電源リレーを有し、前記中間モジュールは、前記モータリレーを有していない場合は1つの前記アーム回路を含み、前記モータリレーを有している場合は1つの前記アーム回路と1つの前記モータリレーとを含む、第1中間モジュールと、前記電源リレーを含む第2中間モジュールと、を有しており、前記第1中間モジュールと前記第2中間モジュールのそれぞれは、前記第1基板接合面と前記第2基板接合面とが露出するように、かつ、前記リードが突出するように、モールド材で覆われており、前記モジュール基板には、3つの前記第1中間モジュールと、1つの前記第2中間モジュールと、が接合されている。 Next, a fourth invention of the present invention is the semiconductor module according to any one of the first to third inventions, wherein the semiconductor element outputs power supplied to each of the arm circuits. The intermediate module includes one arm circuit when the motor relay is not included, and one arm circuit and one when the motor relay is included. A first intermediate module including the two motor relays, and a second intermediate module including the power relay, wherein each of the first intermediate module and the second intermediate module includes the first substrate. The module substrate is covered with a molding material such that the bonding surface and the second substrate bonding surface are exposed and the leads protrude, and the module substrate includes three first intermediate modules. And Yuru, and one of said second intermediate module, are bonded.
第1の発明によれば、3相モータのU相コイルとV相コイルとW相コイルへの出力に相当するアーム回路出力部に対応するリード(パワー端子に相当)が、モジュール基板に接続されることなくモジュール基板から離間されて配置されている。つまり、U相コイルとV相コイルとW相コイルへのパワー端子となるリードを、モジュール基板に設けず、中間モジュールから突出させる。従って、隣り合う中間モジュールの間隔が、U相コイルとV相コイルとW相コイルへのパワー端子となる各リードの間隔となるので、充分な間隔を確保することが可能であり、ノイズの干渉を適切に回避することができる。また、U相コイルとV相コイルとW相コイルへのパワー端子となる各リードをモジュール基板に設ける必要がなく、モジュール基板に並べるパワー端子の数を低減することができるので、モジュール基板のサイズをより小型化することができる。また、半導体素子の制御用の制御端子(モータ制御入力部)も、モジュール基板に設ける必要がなく、モジュール基板に並べる制御端子の数を低減することができるので、モジュール基板のサイズをより小型化することができる。 According to the first invention, the lead (corresponding to the power terminal) corresponding to the arm circuit output corresponding to the output to the U-phase coil, V-phase coil and W-phase coil of the three-phase motor is connected to the module substrate. Without being spaced apart from the module substrate. That is, the leads serving as power terminals for the U-phase coil, the V-phase coil, and the W-phase coil are not provided on the module substrate, but are projected from the intermediate module. Therefore, since the interval between adjacent intermediate modules is the interval between the leads serving as power terminals to the U-phase coil, V-phase coil, and W-phase coil, a sufficient interval can be secured and noise interference can be ensured. Can be avoided appropriately. In addition, it is not necessary to provide each of the leads serving as power terminals for the U-phase coil, V-phase coil, and W-phase coil on the module substrate, and the number of power terminals arranged on the module substrate can be reduced. Can be further reduced in size. Also, it is not necessary to provide a control terminal (motor control input unit) for controlling the semiconductor element on the module substrate, and the number of control terminals arranged on the module substrate can be reduced, so that the size of the module substrate is further reduced. can do.
第2の発明によれば、アーム回路の出力部にモータリレーを設けることで、3相モータをより安全に制御できる半導体モジュールを構成することができる。また、モータリレーの出力部に対応するリード(パワー端子に相当)と、モータリレー制御入力部に対応するリード(制御端子に相当)と、をモジュール基板から離間させて配置している。従って、モジュール基板に並べるパワー端子の数、モジュール基板に並べる制御端子の数、を低減することができるので、モジュール基板のサイズをより小型化することができる。 According to the second invention, by providing a motor relay at the output part of the arm circuit, a semiconductor module that can control the three-phase motor more safely can be configured. Also, a lead (corresponding to a power terminal) corresponding to the output part of the motor relay and a lead (corresponding to the control terminal) corresponding to the motor relay control input part are arranged apart from the module substrate. Therefore, since the number of power terminals arranged on the module substrate and the number of control terminals arranged on the module substrate can be reduced, the size of the module substrate can be further reduced.
第3の発明によれば、モジュール基板に形成されている配線パターンは、第1内部配線パターンと第2内部配線パターンとを除いて、電源関連配線パターンとGND配線パターンのみが形成されている。従って、モジュール基板を多層にする必要がなく、放熱性が良く(熱抵抗が小さい)、小型で低コストな半導体モジュールを実現できる。また配線パターンの種類が少ないので配線自由度が高く、例えば、電源関連配線パターンとGND配線パターンとが並行するレイアウトにすれば、ノイズキャンセルの効果を、より期待することができる。 According to the third aspect of the present invention, only the power supply related wiring pattern and the GND wiring pattern are formed on the module substrate except for the first internal wiring pattern and the second internal wiring pattern. Therefore, it is not necessary to make the module substrate multilayer, and it is possible to realize a small and low-cost semiconductor module having good heat dissipation (low thermal resistance). In addition, since there are few types of wiring patterns, the degree of freedom of wiring is high. For example, if a layout in which a power-related wiring pattern and a GND wiring pattern are arranged in parallel, a noise canceling effect can be expected more.
第4の発明によれば、モジュール基板に、3相モータを駆動する3つのアーム回路、または3つのアーム回路及びモータリレーと、電源リレーと、を構成する半導体素子が実装された、より小型化された半導体モジュールを実現することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the module substrate is mounted with the semiconductor elements constituting the three arm circuits for driving the three-phase motor, or the three arm circuits and motor relays, and the power supply relay. It is possible to realize a semiconductor module.
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in order with reference to the drawings.
●[実現する電子回路の例(図1)]
近年、比較的大きな電流を必要とする電動モータの駆動回路として、MOSFETを用いた電子回路が利用され、例えばU相コイル、V相コイル、W相コイルを有する3相モータの各相の駆動回路として、図1に示す電子回路がある。当該電子回路は、U相コイルへの電力を出力するU相回路10、V相コイルへの電力を出力するV相回路20、W相コイルへの電力を出力するW相回路30、U相回路10とV相回路20とW相回路30への電力を供給する電源リレー回路40(電源リレーに相当)、を有している。また各回路に使用されている半導体素子であるTr11〜13、Tr21〜23、Tr31〜33、Tr41、Tr42はnチャネルMOSFETであり、それぞれゲート(G)、ソース(S)、ドレイン(D)の各電極を有している。
● [Example of electronic circuit to be realized (Fig. 1)]
In recent years, an electronic circuit using a MOSFET has been used as a drive circuit for an electric motor that requires a relatively large current. For example, a drive circuit for each phase of a three-phase motor having a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil. There is an electronic circuit shown in FIG. The electronic circuit includes a
U相回路10は、半導体素子Tr11と半導体素子Tr12にて構成されたアーム回路(インバータ回路)と、半導体素子Tr13にて構成されてアーム回路からの出力を許可または遮断するモータリレーと、にて構成されている。半導体素子Tr11のドレインD11は、電源Vu+を介してリレー出力電源Vroutに接続され、半導体素子Tr11のソースS11は、半導体素子Tr12のドレインD12及び半導体素子Tr13のドレインD13に接続されている。半導体素子Tr11のゲートG11には、図示省略した制御手段(3相モータを制御するコンピュータ等の制御装置)からの制御信号である入力Vuin1が入力される。
The
半導体素子Tr12のドレインD12は、半導体素子Tr11のソースS11及び半導体素子Tr13のドレインD13に接続され、半導体素子Tr12のソースS12は、アースVu−を介して接地用のGNDに接続されている。半導体素子Tr12のゲートG12には、図示省略した制御手段からの制御信号である入力Vuin2が入力される。 The drain D12 of the semiconductor element Tr12 is connected to the source S11 of the semiconductor element Tr11 and the drain D13 of the semiconductor element Tr13, and the source S12 of the semiconductor element Tr12 is connected to the ground GND via the ground Vu−. An input Vuin2 that is a control signal from a control unit (not shown) is input to the gate G12 of the semiconductor element Tr12.
半導体素子Tr13のドレインD13は、半導体素子Tr11のソースS11及び半導体素子Tr12のドレインD12に接続され、半導体素子Tr13のソースS13は、U相出力VuoutとしてU相コイルへ接続される。半導体素子Tr13のゲートG13には、図示省略した制御手段からの制御信号である入力Vuin3が入力される。また半導体素子Tr13のドレインD13からは、出力Vum(モニタ用出力)が前記制御手段へ出力される。 The drain D13 of the semiconductor element Tr13 is connected to the source S11 of the semiconductor element Tr11 and the drain D12 of the semiconductor element Tr12, and the source S13 of the semiconductor element Tr13 is connected to the U-phase coil as the U-phase output Vuout. An input Vuin3 that is a control signal from a control unit (not shown) is input to the gate G13 of the semiconductor element Tr13. An output Vum (monitoring output) is output from the drain D13 of the semiconductor element Tr13 to the control means.
V相回路20は、半導体素子Tr21と半導体素子Tr22にて構成されたアーム回路(インバータ回路)と、半導体素子Tr23にて構成されてアーム回路からの出力を許可または遮断するモータリレーと、にて構成されている。なお、半導体素子Tr21、Tr22、Tr23等の接続は、上記の半導体素子Tr11、Tr12、Tr13の接続と同様であるので、説明を省略する。
The V-
W相回路30は、半導体素子Tr31と半導体素子Tr32にて構成されたアーム回路(インバータ回路)と、半導体素子Tr33にて構成されてアーム回路からの出力を許可または遮断するモータリレーと、にて構成されている。なお、半導体素子Tr31、Tr32、Tr33等の接続は、上記の半導体素子Tr11、Tr12、Tr13の接続と同様であるので、説明を省略する。
The W-
電源リレー回路40は、少なくとも1つの半導体素子で構成され、本実施の形態では、2つの半導体素子Tr41、Tr42にて構成した例を説明する。半導体素子Tr41のドレインD41は、電源Vdd(車両の場合はバッテリ)に接続され、半導体素子Tr41のソースS41は、半導体素子Tr42のソースS42に接続されている。半導体素子Tr41のゲートG41には、図示省略した制御手段からの制御信号である入力Vrin1が入力される。
The power
半導体素子Tr42のドレインD42からは、U相回路10とV相回路20とW相回路30の電源であるリレー出力電源Vroutが出力される。半導体素子Tr42のソースS42は、半導体素子Tr41のソースS41に接続されている。半導体素子Tr42のゲートG42には、図示省略した制御手段からの制御信号である入力Vrin2が入力される。また半導体素子Tr41、Tr42のソースS41、S42からは、出力Vrm(モニタ用出力)が前記制御手段へ出力される。なお、リレー出力電源VroutとGND(アース)との間には、コンデンサC1が接続されるが、当該コンデンサC1は半導体モジュールに実装されることなく、半導体モジュールの外部で接続されるので、点線にて示されている。なお、入力Vuin1〜入力Vuin3、入力Vvin1〜入力Vvin3、入力Vwin1〜入力Vwin3は、アーム回路であるU相回路10、V相回路20、W相回路30の動作を制御するモータ制御入力部に相当する。また、U相出力Vuout、V相出力Vvout、W相出力Vwoutは、アーム回路の出力に相当するアーム回路出力部に相当する。また、半導体素子Tr13、Tr23、Tr33が省略されている場合は、半導体素子Tr11のソース、半導体素子Tr21のソース、半導体素子Tr31のソースが、アーム回路の出力に相当するアーム回路出力部に相当する。
From the drain D42 of the semiconductor element Tr42, a relay output power supply Vrout that is a power supply for the
●[半導体素子の外観(図2)と、半導体モジュール1、及びモジュール基板50の各配線パターン(図3〜図5)]
本実施の形態にて説明する半導体素子Tr11〜Tr13、Tr21〜Tr23、Tr31〜Tr33、Tr41、Tr42は、すべてnチャネルMOSFETであり、形状もすべて同じである。よって、半導体素子Tr11を例として、半導体素子の外観について説明する。半導体素子Tr11は、一辺が数[mm]程度の略矩形の板状の形状を有しており、図2に示すように、表面にはソースS11(ソース電極)とゲートG11(ゲート電極)が形成されている。半導体素子Tr11の裏面の全体にはドレインD11(ドレイン電極)が形成されている。なお、比較的大電流が流れるソースS11とドレインD11は面積が大きく、ほとんど電流が流れないゲートG11は面積が非常に小さい。
[External appearance of semiconductor element (FIG. 2) and wiring patterns of
The semiconductor elements Tr11 to Tr13, Tr21 to Tr23, Tr31 to Tr33, Tr41, and Tr42 described in the present embodiment are all n-channel MOSFETs and have the same shape. Therefore, the external appearance of the semiconductor element will be described by taking the semiconductor element Tr11 as an example. The semiconductor element Tr11 has a substantially rectangular plate shape with a side of several [mm], and as shown in FIG. 2, a source S11 (source electrode) and a gate G11 (gate electrode) are formed on the surface. Is formed. A drain D11 (drain electrode) is formed on the entire back surface of the semiconductor element Tr11. The source S11 and the drain D11 through which a relatively large current flows have a large area, and the gate G11 through which almost no current flows has a very small area.
図1におけるU相回路10を構成する半導体素子Tr11、Tr12、Tr13は、樹脂等のモールド材で覆われた中間モジュールを構成し、V相回路20を構成する半導体素子Tr21、Tr22、Tr23は、モールド材で覆われた中間モジュールを構成し、W相回路30を構成する半導体素子Tr31、Tr32、Tr33は、モールド材で覆われた中間モジュールを構成している。図1における電源リレー回路40を構成する半導体素子Tr41、Tr42は、モールド材で覆われた中間モジュールを構成している。これらの中間モジュールは、さらに全体として樹脂モールドされる(図3参照)。
The semiconductor elements Tr11, Tr12, Tr13 constituting the
モジュール基板50は、略矩形のベース基板の表面に、電源関連配線パターンと、GND配線パターンと、第1内部配線パターンと、第2内部配線パターンと、が形成されている。つまり、モジュール基板50に形成されている配線パターンは、第1内部配線パターンと第2内部配線パターンとを除くと、電源関連配線パターンとGND配線パターンのみが形成されている。
The
ベース基板の一辺には、パワー端子T1、T2、T3が設けられている。モジュール基板50の表面には、半導体素子Tr11、Tr12、Tr13を実装する実装領域が用意され、半導体素子Tr21、Tr22、Tr23を実装する実装領域が用意され、半導体素子Tr31、Tr32、Tr33を実装する実装領域が用意され、半導体素子Tr41、Tr42を実装する実装領域が用意されている。
Power terminals T1, T2, and T3 are provided on one side of the base substrate. On the surface of the
電源関連配線パターンには、パワー端子T1が接続された電源関連配線パターンと、図1に示すリレー出力電源VroutであってU相回路10、V相回路20、W相回路30、に電力を供給する電源関連配線パターンと、がある。パワー端子T1は、図1における電源Vddに接続される端子であり、電源関連配線パターンは、図1における電源リレー回路40に入力される電源Vdd用の配線パターンである。電源関連配線パターンには、パワー端子T3が接続されている。
In the power supply related wiring pattern, power is supplied to the power supply related wiring pattern to which the power terminal T1 is connected and the relay output power supply Vrout shown in FIG. 1, which is the
GND配線パターンは、パワー端子T2が接続された配線パターンである。パワー端子T2は、図1におけるGND(アース)に接続される端子である。 The GND wiring pattern is a wiring pattern to which the power terminal T2 is connected. The power terminal T2 is a terminal connected to GND (ground) in FIG.
第1内部配線パターン53u、53v、53wは、各中間モジュール内において、半導体素子同士の接続に使用される配線パターンである。
The first
第2内部配線パターン(図示省略)は、いずれかの半導体素子から電源関連配線パターンまたはGND配線パターンへと接続される所定の電子部品に使用される配線パターンである。例えば、図1に示す電子回路におけるアースVu−とGNDの間、アースVv−とGNDの間、アースVw−とGNDの間、のそれぞれの個所に、あるいは、リレー出力電源Vroutと電源Vu+の間、リレー出力電源Vroutと電源Vv+の間、リレー出力電源Vroutと電源Vw+の間、のそれぞれの個所に、電流検出用のシャント抵抗(所定の電子部品)を設け、モジュール基板50に当該シャント抵抗用の配線パターンとなる第2内部配線パターンを設けてもよい。この場合、シャント抵抗用の第2内部配線パターンは、引き回し長さがほぼゼロとなってほぼランドのみの配線パターンとなる。 The second internal wiring pattern (not shown) is a wiring pattern used for a predetermined electronic component connected from one of the semiconductor elements to the power supply related wiring pattern or the GND wiring pattern. For example, in the electronic circuit shown in FIG. 1, between ground Vu− and GND, between ground Vv− and GND, between ground Vw− and GND, or between relay output power supply Vrout and power supply Vu +. , A shunt resistor (predetermined electronic component) for current detection is provided at each position between the relay output power source Vrout and the power source Vv + and between the relay output power source Vrout and the power source Vw +. A second internal wiring pattern may be provided as a wiring pattern. In this case, the second internal wiring pattern for the shunt resistor has a routing length of almost zero and becomes a wiring pattern of only the land.
以上に説明したように、モジュール基板50に形成されている配線パターンは、第1内部配線パターンと第2内部配線パターンを除いて、電源関連配線パターンと、GND配線パターンと、のみが形成されている。つまり、モジュール基板50には、図1におけるU相出力Vuout、V相出力Vvout、W相出力Vwout、の各パワー端子も、当該パワー端子用の配線パターンも設けられていない。またモジュール基板50には、図1における入力Vuin1〜Vuin3、出力Vum、入力Vvin1〜Vvin3、出力Vvm、入力Vwin1〜Vwin3、出力Vwm、入力Vrin1、Vrin2、出力Vrm、の各制御端子も、当該制御端子用の配線パターンも設けられていない。
As described above, the wiring patterns formed on the
●[半導体モジュールの製造方法]
半導体素子Tr11〜Tr13にて構成される中間モジュールは、半導体素子Tr11〜Tr13のそれぞれの下面に、それぞれヒートスプレッダを接合し、半導体素子Tr11〜Tr13の上面の各電極に対応するリードを接合し、ヒートスプレッダ及びリードが接合された半導体素子をモールド材で覆った構造である。各ヒートスプレッダの下面であってモジュール基板にハンダ等で接合される第1基板接合面と、一部のリードの下面であってモジュール基板にハンダ等で接合される第2基板接合面と、がモールド材から露出している。第1基板接合面は、半導体素子の下面の電極(この場合、ドレイン電極)と、モジュール基板との接合面に相当する面であり、ヒートスプレッダを接合しない場合は半導体素子の下面が第1基板接合面に相当し、ヒートスプレッダを接合した場合はヒートスプレッダの下面が第1基板接合面に相当する。第2基板接合面は、第1基板接合面を含む仮想平面(すなわち、モジュール基板の表面)まで延ばされた一部のリードの下面である。図3の例では、リード62S、72S、82Sの下面であってモジュール基板50に接合される面が第2基板接合面に相当している。
● [Semiconductor module manufacturing method]
The intermediate module composed of the semiconductor elements Tr11 to Tr13 has a heat spreader bonded to the lower surface of each of the semiconductor elements Tr11 to Tr13, and leads corresponding to the electrodes on the upper surface of the semiconductor elements Tr11 to Tr13. And the semiconductor element to which the lead is bonded is covered with a molding material. The first substrate bonding surface which is the lower surface of each heat spreader and is bonded to the module substrate by solder or the like, and the second substrate bonding surface which is the lower surface of some leads and is bonded to the module substrate by solder or the like is a mold. Exposed from the material. The first substrate bonding surface is a surface corresponding to the bonding surface between the electrode on the lower surface of the semiconductor element (in this case, the drain electrode) and the module substrate. When the heat spreader is not bonded, the lower surface of the semiconductor element is bonded to the first substrate. When the heat spreader is bonded, the lower surface of the heat spreader corresponds to the first substrate bonding surface. The second substrate bonding surface is a lower surface of a part of the leads extending to a virtual plane including the first substrate bonding surface (that is, the surface of the module substrate). In the example of FIG. 3, the lower surfaces of the
ヒートスプレッダは、例えば銅等の導電体でありかつ放熱性の良い材質で板状に形成された部材である。ヒートスプレッダの上面には、対応する半導体素子の下面であるドレイン電極を覆う面積を有しており、半導体素子の下面の電極であるドレイン電極の全体がハンダ等にて接合され、半導体素子の放熱を助長する。ヒートスプレッダの下面は、モジュール基板に接合される第1基板接合面となる。ヒートスプレッダの上面には各半導体素子の下面のドレインが接合される。 The heat spreader is a member made of a conductive material such as copper and formed in a plate shape with a material having good heat dissipation. The upper surface of the heat spreader has an area covering the drain electrode, which is the lower surface of the corresponding semiconductor element, and the entire drain electrode, which is the electrode on the lower surface of the semiconductor element, is joined by solder or the like to dissipate heat from the semiconductor element. To encourage. The lower surface of the heat spreader serves as a first substrate bonding surface bonded to the module substrate. The drain of the lower surface of each semiconductor element is joined to the upper surface of the heat spreader.
リードフレームは、半導体素子Tr11〜Tr13の各電極であるソースとゲートに接合される各リードを有しており、リードは例えば銅等の導電体で形成されている。リードフレームは、半導体素子Tr11のゲートG11に接合されるリード61G、半導体素子Tr11のソースS11に接合されるリード61S、半導体素子Tr12のゲートG12に接合されるリード62G、半導体素子Tr12のソースS12に接合されるリード62S、半導体素子Tr13のゲートG13に接合されるリード63G、半導体素子Tr13のソースS13に接合されるリード63S、を有している。また各リードは、フレーム及びランナー(図示省略)にて、互いの相対的な位置が位置決めされている。
The lead frame has leads connected to the source and gate, which are the electrodes of the semiconductor elements Tr11 to Tr13, and the leads are formed of a conductor such as copper. The lead frame is connected to the
リード61Gの一方の端部は、半導体素子Tr11のゲートG11と接合(あるいはボンディングワイヤで接続)される。リード61Gの他方の端部は、制御端子(入力Vuin1)となる。
One end of the
リード62Gの一方の端部は、半導体素子Tr12のゲートG12と接合(あるいはボンディングワイヤで接続)される。リード62Gの他方の端部は、制御端子(入力Vuin2)となる。
One end of the
リード63Gの一方の端部は、半導体素子Tr13のゲートG13と接合(あるいはボンディングワイヤで接続)される。リード63Gの他方の端部は、制御端子(入力Vuin3)となる。リード63Sの一方の端部は、半導体素子Tr13のソースS13に接合される。リード63Sの他方の端部は、パワー端子(U相出力Vuout)となる。
One end of the
●[半導体モジュールの外観(図3〜図5)]
図3〜図5に示すように、パワー端子T1(Vr+)、T2(GND)、T3(Vrout)、パワー端子であるリード63S(U相出力Vuout)、73S(V相出力Vvout)、83S(W相出力Vwout)において、モジュール基板50に設けられているのは、パワー端子T1(Vr+)、T2(GND)、T3(Vrout)の3つのみである。モータリレーである半導体素子Tr13、Tr23、Tr33の出力部であるリード63S、73S、83Sは、適度な間隔で配置されている。そしてリード63S、73S、83Sは、モジュール基板50に接続されることなく、モジュール基板50に対して空中に離間するように配置されている。従って、モジュール基板50上には、パワー端子であるリード63S、73S、83S用の配線パターンが形成されていない。これにより、3相モータのU相コイルとV相コイルとW相コイルへの出力である各パワー端子であるリード63S、73S、83Sにおける互いのノイズの干渉を適切に回避できる。また、モジュール基板50に設けられたパワー端子は3つのみであるので、モジュール基板のサイズをより小型化することが可能である。これにより、図4に示す幅LWをより短くすることができる。また、モジュール基板50に形成された配線パターンは、中間モジュール用配線パターンを除き、電源関連配線パターンとGND配線パターンのみであるので、配線自由度が高く、電源関連配線パターンとGND配線パターンとを並行にレイアウトすることが容易であり、この並行レイアウトによるノイズキャンセルの効果を期待できる。
● [Appearance of semiconductor module (Figs. 3-5)]
3 to 5, power terminals T1 (Vr +), T2 (GND), T3 (Vrout),
また、制御端子であるリード61G、62G、63G、61S、71G、72G、73G、71S、81G、82G、83G、81S、94G、95G、94Sも、モジュール基板50上に設けられていない。従って、モジュール基板50上には、制御端子であるリード61G、62G、63G、61S、71G、72G、73G、71S、81G、82G、83G、81S、94G、95G、94S用の配線パターンが形成されていない。これにより、モジュール基板50に設ける制御端子を減少させているので、モジュール基板のサイズを、さらに小型化することが可能である。このように、モジュール基板に設けるパワー端子の数、及び制御端子の数を低減することができるので、特許文献1のように多数の端子を配置することによるモジュール基板のサイズの増加を回避し、モジュール基板のサイズをより小型化することができる。モジュール基板50上に、パワー端子であるリード63S、73S、83S用の配線パターンや、制御端子であるリード61G、62G、63G、61S、71G、72G、73G、71S、81G、82G、83G、81S、94G、95G、94S用の配線パターンを設ける必要がないので、図4に示す幅LWや高さLHをより短くすることができる。
Also, the
本発明の半導体モジュール1の構成、構造、外観、形状、製造方法等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、本実施の形態の説明では半導体素子としてnチャネルMOSFETを例として説明したが、pチャネルMOSFETとしてもよい。
The configuration, structure, appearance, shape, manufacturing method, and the like of the
また、半導体モジュール1で実現する電子回路は、図1の例に示した電子回路に限定されず、種々の電子回路を、本実施の形態にて説明した半導体モジュールに適用することが可能である。
In addition, the electronic circuit realized by the
本実施の形態の説明では、中間モジュールをモールド材で覆うことで、半導体素子に接合されたリードとの接合個所の破壊の回避と、中間モジュールの一体化と、を行う例を説明したが、モールド材を省略し、半導体素子と各リードとの接合個所及び隣り合う半導体素子とを接着剤等にて固定(一体化)するようにしてもよい。 In the description of the present embodiment, an example has been described in which the intermediate module is covered with a molding material, thereby avoiding the destruction of the joint portion with the lead bonded to the semiconductor element and the integration of the intermediate module. The molding material may be omitted, and the junction between the semiconductor element and each lead and the adjacent semiconductor element may be fixed (integrated) with an adhesive or the like.
本実施の形態の説明では、各半導体素子の下面にヒートスプレッダを接合し、ヒートスプレッダの下面を第1基板接合面とした例を説明したが、ヒートスプレッダを省略して、各半導体素子の下面の電極(この場合、ドレイン電極)を、第1基板接合面としてもよい。第1基板接合面は、半導体素子の下面の電極とモジュール基板との接合面に相当する面である。 In the description of the present embodiment, an example in which a heat spreader is bonded to the lower surface of each semiconductor element and the lower surface of the heat spreader is the first substrate bonding surface has been described. However, the heat spreader is omitted and the electrodes ( In this case, the drain electrode) may be the first substrate bonding surface. The first substrate bonding surface is a surface corresponding to the bonding surface between the electrode on the lower surface of the semiconductor element and the module substrate.
本実施の形態にて説明した半導体モジュール1は、電源リレー(中間モジュール)を1個有する例を説明したが、少なくとも1つの電源リレーを有してもよいし、半導体モジュールから電源リレーを省略して半導体モジュールの外部に電源リレーを有してもよい。またモータリレーである半導体素子Tr13、Tr23、Tr33は省略してもよい。
The
また半導体素子Tr11〜Tr13、Tr21〜Tr23、Tr31〜Tr33にて構成される各中間モジュールは、1つのアーム回路と1つのモータリレーとを含む第1中間モジュールに相当する。なお、上記の各第1中間モジュールからモータリレー(半導体素子Tr13、Tr23、Tr33)を省略した第1中間モジュールを構成してもよい。また半導体素子Tr41、Tr42にて構成される中間モジュールは、電源リレーを含む第2中間モジュールに相当する。 Each intermediate module composed of the semiconductor elements Tr11 to Tr13, Tr21 to Tr23, Tr31 to Tr33 corresponds to a first intermediate module including one arm circuit and one motor relay. In addition, you may comprise the 1st intermediate module which abbreviate | omitted the motor relay (semiconductor element Tr13, Tr23, Tr33) from said each 1st intermediate module. The intermediate module composed of the semiconductor elements Tr41 and Tr42 corresponds to a second intermediate module including a power relay.
1 半導体モジュール
10 U相回路
20 V相回路
30 W相回路
40 電源リレー回路
50 モジュール基板
53u、53v、53w 第1内部配線パターン
61G、62G、63G リード(制御端子)
61S、62S、63S リード(パワー端子)
T1、T2、T3 パワー端子
Tr11〜Tr13 半導体素子
Tr21〜Tr23 半導体素子
Tr31〜Tr33 半導体素子
Tr41、Tr42 半導体素子
DESCRIPTION OF
61S, 62S, 63S Lead (Power terminal)
T1, T2, T3 Power terminals Tr11 to Tr13 Semiconductor element Tr21 to Tr23 Semiconductor element Tr31 to Tr33 Semiconductor element Tr41, Tr42 Semiconductor element
Claims (4)
3相モータを駆動する3つのアーム回路が前記半導体素子で構成されており、
前記半導体素子のそれぞれは上面と下面を有し、当該上面と当該下面のそれぞれに、それぞれの電極を有しており、
それぞれの前記半導体素子の上面の前記電極には、導電体で形成されて前記電極に対応付けられたそれぞれのリードが接合され、
一部の前記リードは、一端が前記半導体素子の下面の電極と前記モジュール基板との接合面に相当する第1基板接合面を含む仮想平面まで延ばされた第2基板接合面を有しており、
それぞれの前記半導体素子は、上面に前記リードが接合された中間モジュールとして構成されており、
それぞれの前記中間モジュールの前記第1基板接合面及び前記第2基板接合面が、前記モジュール基板に接合されており、
前記アーム回路の動作を制御するモータ制御入力部と、前記アーム回路の出力に相当するアーム回路出力部と、に対応する前記リードは、前記モジュール基板に接続されることなく前記モジュール基板から離間されて配置されている、
半導体モジュール。 A semiconductor module in which a semiconductor element is mounted on a module substrate,
Three arm circuits for driving a three-phase motor are composed of the semiconductor elements,
Each of the semiconductor elements has an upper surface and a lower surface, and has an electrode on each of the upper surface and the lower surface,
Respective leads formed of a conductor and associated with the electrodes are joined to the electrodes on the upper surfaces of the respective semiconductor elements,
Some of the leads have a second substrate bonding surface whose one end extends to a virtual plane including a first substrate bonding surface corresponding to a bonding surface between the electrode on the lower surface of the semiconductor element and the module substrate. And
Each of the semiconductor elements is configured as an intermediate module in which the leads are bonded to the upper surface,
The first substrate bonding surface and the second substrate bonding surface of each of the intermediate modules are bonded to the module substrate;
The leads corresponding to the motor control input unit for controlling the operation of the arm circuit and the arm circuit output unit corresponding to the output of the arm circuit are separated from the module substrate without being connected to the module substrate. Arranged,
Semiconductor module.
3つの前記アーム回路のそれぞれの出力に接続されて前記半導体素子で構成された3つのモータリレーを有し、
前記アーム回路出力部となる前記モータリレーの出力部と、前記モータリレーの動作を制御するモータリレー制御入力部と、に対応する前記リードは、前記モジュール基板に接続されることなく前記モジュール基板から離間されて配置されている、
半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1,
Having three motor relays connected to respective outputs of the three arm circuits and composed of the semiconductor elements;
The leads corresponding to the output part of the motor relay serving as the arm circuit output part and the motor relay control input part for controlling the operation of the motor relay are connected to the module board without being connected to the module board. Spaced apart,
Semiconductor module.
前記中間モジュールは、前記モータリレーを有していない場合は1つの前記アーム回路にて、前記モータリレーを有している場合は1つの前記アーム回路と1つの前記モータリレーにて、構成されており、
前記モジュール基板に形成されている配線パターンは、
前記中間モジュール内において前記半導体素子同士の接続に使用される配線パターンである第1内部配線パターンと、いずれかの前記半導体素子から電源関連配線パターンまたはGND配線パターンへと接続される所定の電子部品に使用される配線パターンである第2内部配線パターンと、を除いて、
それぞれの前記アーム回路に供給する電力用の配線パターンである前記電源関連配線パターンと、前記アーム回路の接地用の配線パターンである前記GND配線パターンと、のみが形成されている、
半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1 or 2,
The intermediate module is composed of one arm circuit when the motor relay is not provided, and one arm circuit and one motor relay when the motor relay is provided. And
The wiring pattern formed on the module substrate is
A first internal wiring pattern which is a wiring pattern used for connecting the semiconductor elements in the intermediate module, and a predetermined electronic component connected from any of the semiconductor elements to a power supply related wiring pattern or a GND wiring pattern Except for the second internal wiring pattern which is the wiring pattern used for
Only the power-related wiring pattern, which is a wiring pattern for power supplied to each arm circuit, and the GND wiring pattern, which is a wiring pattern for grounding the arm circuit, are formed.
Semiconductor module.
前記アーム回路のそれぞれに供給する電力を出力する前記半導体素子で構成された電源リレーを有し、
前記中間モジュールは、
前記モータリレーを有していない場合は1つの前記アーム回路を含み、前記モータリレーを有している場合は1つの前記アーム回路と1つの前記モータリレーとを含む、第1中間モジュールと、
前記電源リレーを含む第2中間モジュールと、を有しており、
前記第1中間モジュールと前記第2中間モジュールのそれぞれは、前記第1基板接合面と前記第2基板接合面とが露出するように、かつ、前記リードが突出するように、モールド材で覆われており、
前記モジュール基板には、3つの前記第1中間モジュールと、1つの前記第2中間モジュールと、が接合されている、
半導体モジュール。
The semiconductor module according to any one of claims 1 to 3,
A power relay composed of the semiconductor element that outputs power supplied to each of the arm circuits;
The intermediate module is
A first intermediate module including one arm circuit if the motor relay is not included, and one arm circuit and one motor relay if the motor relay is included;
A second intermediate module including the power relay,
Each of the first intermediate module and the second intermediate module is covered with a molding material such that the first substrate bonding surface and the second substrate bonding surface are exposed and the leads protrude. And
Three first intermediate modules and one second intermediate module are bonded to the module substrate.
Semiconductor module.
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