JP2017084968A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の発熱に対処しつつ小型化を図ることができるようにする。【解決手段】半導体モジュール１は、半導体素子２と、内部配線材として機能し、半導体素子２が電気的に接続されるリードフレーム３と、を有している。リードフレーム３の厚さは、途中で変化している。リードフレーム３は、その厚さが、当該半導体モジュール１内における発熱体２の近辺のみ変化する形状であってもよい。また、リードフレーム３が、少なくとも発熱体２を含む領域において、その他の部分よりも厚く形成されていることが好ましい。【選択図】図１

Description

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。

従来の半導体モジュールには、放熱板上に導電体板を取り付け、該導電体板に設けたセラミック基板（絶縁基板）に半導体チップ（本明細書ではパワー半導体素子、あるいは単に半導体素子ともいう）を搭載し、上記セラミック基板における導電体板の周囲端部にエポキシ樹脂などの固体絶縁物を配置し、上記セラミック基板の四方を囲うように上記放熱板上にケースを設置し、ケース内にシリコーンゲルで封止した構成としたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−０７６１９７号公報

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ように構成されている反面、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、数から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。しかも、セラミック基板やケースは構成の性質上一様な形状になっていることから、局所的に薄くしたりすることはできず、小型化が望めない。

本発明は、半導体素子の発熱に対処しつつ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。

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。

すなわち、本発明に係る半導体モジュールは、
半導体素子と、
内部配線材として機能し、前記半導体素子が電気的に接続されるリードフレームと、を有しており、
前記リードフレームの厚さが途中で変化している、というものである。

内部配線の役割を担うリードフレームの厚さを適宜変化させることにより、半導体素子から発生する熱を低減させることが可能となる。例えば、リードフレームの厚さを倍にすることで、半導体素子に通電してからの経過時間が0.1[sec]の時の熱抵抗は約７０％に低減する場合がある。本発明では、とくに半導体素子の近辺においてリードフレームの厚さを変えることによって放熱性を向上させ、発熱をより低減させて半導体の過渡熱対策を行う。また、様々な半導体素子の発熱に対処することを可能とすることで、熱容量を適材適所に配置することができるようになり、これによってさらなる小型化を図ることができるようにもなる。

前記リードフレームは、その厚さが、当該半導体モジュール内における発熱体の近辺のみ変化する形状であってもよい。これにより、半導体素子の発熱に起因する過渡熱への対策と、モールドの密着性の向上とを図ることが可能である。

前記リードフレームが、少なくとも前記発熱体を含む領域において、その他の部分よりも厚く形成されていることが好ましい。

前記リードフレームのうち、前記発熱体を封止するモールドを向く側に凸状部が形成されていることがさらに好ましい。モールドを向く側に凸である場合、リードフレームのモールドとの接触領域が増加し、密着性がさらに向上しうる。

前記凸状部は、その側面の少なくとも一部が逆勾配とされていてもよい。こうすることにより、リードフレームのモールドとの密着性能がさらに向上する。

また、前記凸状部が逆テーパー形状であってもよい。

あるいは、前記リードフレームのうち、前記発熱体を封止するモールドを向く側と反対側の面に凸状部が形成されていてもよい。

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。

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。

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。

本発明によれば、半導体素子の発熱に対処しつつ半導体モジュールの小型化を図ることができる。

本発明に係る半導体モジュールの断面構造の一例（リードフレームの第１の形態）を示す図である。 半導体モジュールの断面構造の一例（リードフレームの第２の形態）を示す図である。 半導体モジュールの断面構造の一例（リードフレームの第３の形態）を示す図である。 半導体モジュールの断面構造の一例（リードフレームの第４の形態）を示す図である。 半導体モジュールの断面構造の一例（リードフレームの第５の形態）を示す図である。 リードフレームの側面の逆勾配部分（反りこみ形状部分）を拡大して示す図である。 リードフレームの厚さを変えた場合の熱抵抗増加の時系列データを示す図である。 リードフレームの厚さを変えた場合の熱抵抗比較の時系列データを示す図である。 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。

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９参照）。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。

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（本明細書では単に半導体素子ともいう）２、リードフレーム３、はんだ５、樹脂製のモールド６、ネジ９などで構成されている。

パワー半導体素子２は例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣ、ＧａＮ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。

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。本実施形態のリードフレーム３はその両端が、モールド６の外側へ突出し、上側（リードフレーム３からみて半導体素子２がある側）に折り曲げられている（図１参照）。

また、半導体モジュール１は、ＴＩＭ（サーマルインターフェースマテリアル）４を介して筐体１０に固定されている（図１参照）。ＴＩＭ（サーマルインターフェースマテリアル）４は、発熱するデバイス（パワー半導体素子２）とヒートシンクとの間の小さな隙間や凸凹を埋め、効率よく熱をヒートシンクに伝える部材であり、本実施形態におけるＴＩＭ４は、リードフレーム３と筐体１０との間に介在し、パワー半導体素子２が発する熱を、はんだ５、リードフレーム３を介しつつ、筐体１０に伝える（図１参照）。

モールド６は、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を封止するよう形成される（図１参照）。

ネジ９は、成形後のモールド６と筐体１０とをネジ止めし、リードフレーム３とＴＩＭ４の間、ＴＩＭ４と筐体１０との間をそれぞれ密着状態に保つ。

ここで、リードフレーム３の構造についてさらに詳しく説明する。半導体モジュール１において、リードフレーム３は、その厚さが途中で変化するように構成されている（図２等参照）ここでいう厚さの変化の態様は種々あるが、本実施形態の半導体モジュール１においては、当該半導体モジュール１内における発熱体すなわちパワー半導体素子２の近辺で、少なくとも当該パワー半導体素子２を含む領域がその他の部分よりも厚くなるように形成されている（図２等参照）。これにより、パワー半導体素子２の発熱に起因する過渡熱への対策と、モールドの密着性の向上とを図ることができる。

（リードフレーム３の第１の形態）
図１に示す形態では、リードフレーム３のうち、モールド６を向く側と反対側の面、つまり筐体１０側を向く面に凸状部３Ａが形成されており、リードフレーム３がいわば下凸となっている（図１参照）。この場合、凸状部３Ａを介して、ＴＩＭ４へ効率よく伝熱を行うことができ、放熱性能が向上する。

（リードフレーム３の第２の形態）
図２に示す形態では、リードフレーム３のうち、モールド６を向く側に凸状部３Ｂが形成されており、リードフレーム３がいわば上凸となっている（図２参照）。モールド６を向く側に凸である場合、リードフレーム３のモールド６との接触領域が増加し、モールド６との密着性が向上しうる。

（リードフレーム３の第３の形態）
図３に示す形態では、リードフレーム３のうち、筐体１０側を向く面に凸状部３Ａが形成されており、尚かつ、モールド６を向く側に凸状部３Ｂが形成されている（図３参照）。このリードフレーム３は、上述した第１の形態と第２の形態のそれぞれの利点を併せ持つ。

（リードフレーム３の第４の形態）
図４に示す形態では、リードフレーム３に凸状部３Ｂが形成されており、尚かつ、該凸状部３Ｂの側面３Ｃが逆勾配とされている（図４参照）。この場合、リードフレーム３は上方ほど幅広の楔形状ないしは逆テーパー形状であり、モールド６との密着性能がさらに向上し、外れにくくなる。なお、凸状部３Ｂの側面３Ｃがすべて逆勾配とされていてもよいし、側面３Ｃの一部が部分的に逆勾配とされていてもよい。

ここで、凸状部３Ｂの側面３Ｃとリードフレーム３の表面とがなす角度をＡとする（図６参照）。本形態において、側面Ｃが逆勾配となっている部分（反りこみ形状部分）における角度Ａは９０°未満である。

（リードフレーム３の第５の形態）
図５に示す形態では、リードフレーム３のうち、筐体１０側を向く面に凸状部３Ａが形成され、モールド６を向く側に凸状部３Ｂが形成され、尚かつ、凸状部３Ｂの側面３Ｃが逆勾配とされている（図５参照）。このリードフレーム３は、上述した第３の形態と第４の形態のそれぞれの利点を併せ持つ。

第１〜第５の形態で例示したように、これら半導体モジュール１では、内部配線材として機能するリードフレーム３の厚さを適宜変化させることで、従来構造と比較し、様々なパワー半導体素子２の発熱に対処することが可能となる。また、熱容量（として機能するリードフレーム３の一部つまり凸状部３Ａ，３Ｂ）を適材適所配置することで、半導体モジュール１のさらなる小型化を狙うことを可能とする。また、局所的にリードフレーム３の厚さを変えた場合において、段差が生じた部分の少なくとも一部を逆勾配からなる反りこみ形状とすることで、モールド６との密着性が向上する。

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９参照）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９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９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。

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。例えば上述した実施形態ではリードフレーム３の凸状部３Ｂの側面３Ｃの少なくとも一部を逆勾配としたが、これと同様に、リードフレーム３の凸状部３Ａの側面の少なくとも一部を逆勾配としてもよい。

上述したごときリードフレーム３を備える半導体モジュール１において、パワー半導体素子２の発熱に起因する過渡熱への対策と、モールド６との密着性の向上とが図られていることを、解析により確認した（図７、図８参照）。

なお、本実施例では、リードフレーム３は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を有するものとし、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やと当該リードフレーム３を封止し、パワーモジュールとした。また、半導体モジュール１を構成するリードフレーム３の厚さを複数種類用意し、パワー半導体素子２からの発熱に対応して厚さを変えたときの熱抵抗を解析で求めた。ある厚さのリードフレーム３の熱抵抗を基準とし、厚さを変更した場合の比率を利用して結果を表した。結果、パワー半導体素子２が発熱してから0.01[sec]後の時点で効果に差が見られ、最大で0.1[sec]時に約70[%]に低減されていることが確認できた（図７、図８参照）。この結果から、リードフレーム３の厚さを適宜変化させることにより、パワー半導体素子２から発生する熱を0.01[sec]オーダーで低減させることが可能である（例えば、リードフレーム３の厚さを倍にすることで、パワー半導体素子２の発熱後0.1[sec]時の熱抵抗を約７０％に低減できる）という結論が得られた。

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。

１…半導体モジュール
２…パワー半導体素子（半導体素子、発熱体）
３…リードフレーム
３Ａ…凸状部
３Ｂ…凸状部
４…ＴＩＭ（サーマルインターフェースマテリアル）
５…はんだ
６…モールド
１０…筐体
５０…モータ
６１…凸部（スペーサー）
１００…電動パワーステアリング装置

Claims (10)

1. 半導体素子と、
   内部配線材として機能し、前記半導体素子が電気的に接続されるリードフレームと、を有しており、
   前記リードフレームの厚さが途中で変化している、半導体モジュール。
2. 前記リードフレームは、その厚さが、当該半導体モジュール内における発熱体の近辺のみ変化する形状である、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記リードフレームが、少なくとも前記発熱体を含む領域において、その他の部分よりも厚く形成されている、請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記リードフレームのうち、前記発熱体を封止するモールドを向く側に凸状部が形成されている、請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 前記凸状部は、その側面の少なくとも一部が逆勾配とされている、請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記凸状部が逆テーパー形状である、請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記リードフレームのうち、前記発熱体を封止するモールドを向く側と反対側の面に凸状部が形成されている、請求項３に記載の半導体モジュール。
8. 請求項１から７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。
9. 請求項１から７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。
10. 請求項１から７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。

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