JP2017152727A - パワー半導体モジュール及びこれを用いた電動パワーステアリング装置。 - Google Patents

パワー半導体モジュール及びこれを用いた電動パワーステアリング装置。 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のパワー半導体等により構成される電子回路の当該複数のパワー半導体を、低コストに、放熱等の問題を生ずること無く、小型化し、一体化すること。【解決手段】パワー半導体ベアチップと外部接続端子とからなるパワー半導体要素を複数配列して同一のパッケージ内に収容して形成したパワー半導体モジュールであって、パワー半導体ベアチップの電極は、金属製コネクタにより、同一のパッケージ内で、複数のパワー半導体要素間で相互接続されており、パッケージは複数のパワー半導体要素を電気絶縁性の樹脂で封止した樹脂モールドパッケージであり、パワー半導体要素は、単一のパワー半導体ベアチップのパワー半導体パッケージ内部に用いられるものと同様の構成要素であり、封止して相互接続することにより電気的結合から外れる外部接続端子をそのまま有するパワー半導体モジュールを形成した。【選択図】図４

Description

本発明は、金属板に実装されたパワー半導体を、少なくとも２つ以上機能的に連結して、単一のパッケージ内に収めた、パワー半導体モジュール及びこれを用いた電動パワーステアリング装置に関するものである。
従来から、インバータ回路や電源回路のように、大電力を扱うパワー半導体等を用いた電子回路は、こうした回路を用いる機器の小型化に合わせて、更に一層の小型化が要請される場合がある。そして、このようなパワー半導体を用いた回路の一層の小型化のためには、併せて、小型化のために高密度に実装されたパワー半導体等の放熱を低コストで効率的に行うことも必要となっている。
例えば、自動車などの車両に用いられる電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に使用されるモータなどの回転電気機器の制御装置では、インバータ回路やリレー回路が複数のパワー半導体などにより構成されている。そのため、これらの複数のパワー半導体を単一のモジュールとして一体化できれば、上記制御装置の一層の小型化を通じて、上記電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）全体の小型化に貢献することが可能である。
一方、こうした複数のパワー半導体をモジュール化したものとして、例えば、特許第４５４０８８４号公報（特許文献１）や国際公開第２０１２／１２７６９６号（特許文献２）のような技術が開示されている。
そして、上記のうち、特許文献１には、導電性の放熱基板と、前記放熱基板上に直接に配設された半導体素子と、それぞれの一方端が前記半導体素子の主電極に電気的に接続された複数の主電極板と、前記放熱基板、前記半導体素子、前記複数の主電極板を樹脂封止する樹脂パッケージと、を備え、前記放熱基板の外形寸法は、前記樹脂パッケージの外形寸法と同等の大きさであって、前記複数の主電極板の、それぞれの他方端は、前記樹脂パッケージの上面側において外部に露出し、前記樹脂パッケージは、モールド成形により一体で成形されている半導体装置が記載されている。そして、上記導電性の放熱基板の半導体素子が配設された面とは反対面側部分のモールドパッケージは薄く成形されており、本導体素子からの発熱は、放熱基板を経て、上記半導体装置の外部に取付けられたヒートシンクなどに放熱される構成となっている。
また、上記特許文献２には、同一平面状に配置された複数の第１金属板、この第１金属板に搭載されたパワー半導体チップ、及び橋桁部とこの橋桁部を支える脚部とで構成され、且つこの脚部によって、上記パワー半導体チップの電極間、パワー半導体チップの電極と上記第１金属板間を適宜ハンダ接合する跨線橋状第２金属板を有し、これらの部材を電気絶縁性樹脂で封止した樹脂パッケージで構成されたパワー半導体モジュールであって、上記脚部のハンダ接合部は、折り曲げ加工によって平面状に形成されるとともに上記橋桁部より低い位置に設けたことを特徴とするパワー半導体モジュールが記載されている。
特許第４５４０８８４号公報 国際公開第２０１２／１２７６９６号
しかし、上記特許文献１に記載された半導体装置では、複数の主電極板（外部接続電極板）と放熱基板とは、それぞれ個別に用意されたものを半田付けなどで接合した構成を有していた。そのため、こうした個別の要素を接合するための領域が別途必要となり、その領域に必要とされる面積の分だけモジュールが余分に大きくなってしまい、小型化を阻害する問題があった。また、インバータ回路等を構成する際にはモジュール側基板上に回路配線を施す必要があり、結果として、モジュールの小型化を阻害する問題があった。
さらに、上記特許文献１に記載された半導体装置では、素子乃至外部接続電極板間を複数のアルミニウム配線ＷＲによって電気的に接続している。しかし、こうした構造を採用する場合には加工上の制約があり、また、多数の配線を行う必要があることから信頼性の面で問題があった。
また、上記特許文献２に記載された半導体モジュールは、上記特許文献１に記載されたものとは異なり、パッケージされていないパワー半導体チップを複数の第１金属板に搭載して、これを跨線橋状第２金属板で電気的に接続し、全体を樹脂パッケージで封止したものである。そのため、上記特許文献２に記載された発明では、上記第１金属板と第２金属板とを上記発明の実施のために別途形成して準備する必要があることから高コストであり、更に上記第２金属板と第２金属板との接合作業を行う必要があるため、更に加工の際の信頼性の問題が生じると共に一層のコストアップになってしまうという課題があった。また、上記特許文献２に記載された発明では、上記のように複数の第１金属板に上記半導体チップを搭載し、一つのパッケージ内に収めることにより小型化が可能ではあるものの、半導体モジュールを構成する半導体の数と比較して、上記半導体チップが直接搭載される第一金属板の放熱に用いることの可能な面積が相対的に減少するため、十分な放熱が図れないという課題があった。
そこで本発明は、従来技術に存在する上記問題や課題の解決を目的としたものであり、汎用品から構成されるパワー半導体要素を複数個用いて、必要なパワー半導体要素間内部接続を行い、小型化、放熱性向上、内部抵抗低減等を達成し、低コストかつ信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために本発明は、少なくとも１つの外部接続端子が形成された金属板に１つの電極部分で接続されたパワー半導体ベアチップと前記パワー半導体ベアチップの他の電極部分と電気的に接続された他の外部接続端子とからなるパワー半導体要素を複数配列して同一のパッケージ内に収容して形成したパワー半導体モジュールであって、前記複数のパワー半導体要素の前記パワー半導体ベアチップの電極は、金属製コネクタにより、前記同一のパッケージ内で、前記複数のパワー半導体要素間で相互接続されており、前記パッケージは前記複数のパワー半導体要素を電気絶縁性の樹脂で封止した樹脂モールドパッケージであり、前記パワー半導体要素は、単一のパワー半導体ベアチップのパワー半導体パッケージ内部に用いられるものと同様の構成要素であり、前記樹脂モールドパッケージに封止して前記相互接続することにより電気的結合から外れる外部接続端子をそのまま有することを特徴とするパワー半導体モジュールを提供する。
上記課題を解決するために本発明は、パワー半導体モジュールを用いた、電動パワーステアリング装置の制御装置であって、前記パワー半導体モジュールは、少なくとも１つの外部接続端子が形成された金属板に１つの電極部分で接続されたパワー半導体ベアチップと前記パワー半導体ベアチップの他の電極部分と電気的に接続された他の外部接続端子とからなるパワー半導体要素を複数配列して同一のパッケージ内に収容して形成したパワー半導体モジュールであって、前記複数のパワー半導体要素の前記パワー半導体ベアチップの電極は、金属製コネクタにより、前記同一のパッケージ内で、前記複数のパワー半導体要素間で相互接続されており、前記パッケージは前記複数のパワー半導体要素を電気絶縁性の樹脂で封止した樹脂モールドパッケージであり、前記パワー半導体要素は、単一のパワー半導体ベアチップのパワー半導体パッケージ内部に用いられるものと同様の構成要素であり、前記樹脂モールドパッケージに封止して前記相互接続することにより電気的結合から外れる外部接続端子をそのまま有しており、前記電動パワーステアリング装置に用いる３相ブラシレスモータの各１相の制御のための前記パワー半導体要素３つを同一のパッケージ内に収容した前記パワー半導体モジュールを３組有すると共に、前記電動パワーステアリング装置の電源側の制御のための前記パワー半導体要素２つを同一のパッケージ内に収容した前記パワー半導体モジュールを１組有し、これら４組のパワー半導体モジュールは、前記電動パワーステアリング装置の制御装置又は前記３相ブラシレスモータの側面形状に合わせて曲面形状に形成され、前記電動パワーステアリング装置の制御装置又は前記３相ブラシレスモータの側面に配置されることを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。
また、上記課題の解決は、前記パワーモジュールの、前記１つの外部接続端子と前記他の外部接続端子とは、相互に平行に配置されていることにより、或いは、前記配列は、前記パワー半導体要素を平面上に並列して配列したものであることにより、より効果的に達成される。
また、上記課題の解決は、前記パワーモジュールの、前記配列は、前記パワー半導体要素を仮想的な曲面に沿って並列して配列したものであることにより、或いは、前記仮想的な曲面が円筒の側面であり、前記外部接続端子は前記円筒の主軸の方向と平行であることにより、或いは、前記配列は、前記パワー半導体要素を仮想的な三角柱の各側面に沿って並列して配列したものであり、前記仮想的な三角柱の内側にはヒートシンクを配し、前記外部接続端子は前記三角柱の主軸の方向と平行であることにより、より効果的に達成される。
また、上記課題の解決は、前記パワーモジュールの、前記金属板の材料が銅又はアルミニウムであることにより、或いは、前記金属板は前記パッケージ内部から外部へ露出する露出部分を有しており、前記露出部分を外部に設けた放熱器に接続可能なことにより、より効果的に達成される。
また、上記課題を解決するために本発明は、上記に記載のパワー半導体モジュールを用いることを特徴とする電動パワーステアリング装置を提供する。
本発明では、専ら汎用品として入手が容易なパワー半導体要素を複数個（例えば、２個〜３個）用いて、それらを平面上又は曲面上に相互に並行に配列する。そして、上記パワー半導体要素を構成する外部接続端子（リード）は基本的に汎用品をそのまま使用するが、大電流が流れる上記外部接続端子（リード）部分については、上記パワー半導体要素を構成する半導体ベアチップ間をクリップまたはワイヤで部分的に接続して配線抵抗と発熱を低減し、更に、上記複数のパワー半導体要素を樹脂パッケージで一体に成形するという構成を採用している。
そのため、一体化された複数のパワー半導体要素からなる本発明の半導体モジュールを、例えば、三相誘導モータのインバータ制御に用いる場合には、通常一相分の制御に使用される３個のＦＥＴ（上側アーム部、下側アーム部、モータリレー部）を１セットとして組み合わせて使用することが可能である。そして、このような使用により、低コスト（汎用品を使用）、小型化（省スペース）、省配線化（パワー半導体チップ間の直接接続による効果）、発熱対策（３個のＦＥＴが同時にＯＮしない（１つが必ずＯＦＦしている））等の効果を得ることが可能である。
また、同様に、電動モータ等の電源側の制御に用いる複数のパワー半導体を１パッケージからなる半導体モジュールとして構成する事で、上記同様の効果を得ることも可能である。
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を示した図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）を示すブロック図である。 電動パワーステアリング装置のモータ制御部の構成例を示す線図である。 本発明のパワー半導体要素の例を示す斜視図であり、（Ａ）はその全体像を示した斜視図、（Ｂ）はＦＥＴの構成例を示した斜視図である。 本発明のパワー半導体モジュールの例を示す図であり、（Ａ）はパッケージ部分を含まない正面図、（Ｂ）はその回路図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）はその背面図である。 本発明のパワー半導体モジュールの例を示す斜視図であり、（Ａ）はその全体像を示した斜視図、（Ｂ）はパッケージ部分を含まない斜視図である。 本発明のパワー半導体モジュールの例を示す図であり、（Ａ）はパッケージ部分を含まない正面図、（Ｂ）はその回路図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）はその背面図である。 本発明のパワー半導体モジュールの例を示す斜視図であり、（Ａ）はその全体像を示した斜視図、（Ｂ）はパッケージ部分を含まない斜視図である。 本発明のパワー半導体モジュールの例を示す斜視図である。 本発明のパワー半導体モジュールの例を示す図であり、（Ａ）は、パッケージ部分を含まない斜視図であり、（Ｂ）は、その上面図、（Ｃ）は、その全体像を示す斜視図である。
以下に、本発明のパワー半導体モジュールの構成例を車両の電動パワーステアリング装置などに用いられる電動モータの制御装置に用いた場合を例として、本発明の実施形態を説明する。
ここで、上記電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング機構に電動モータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与するものである。そして、上記電動パワーステアリング装置では、電力供給部（インバータ）から供給される電力により制御されるモータの駆動力を、減速機構を介して、ギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に上記操舵補助力を付与するようになっている。そして、このような電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるために、モータ電流のフィードバック制御を行っている。
かかるフィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）と電動モータ電流検出値との差が小さくなるように電動モータ印加電圧を調整するものであり、電動モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティ（Ｄｕｔｙ）の調整で行っている。
上記の電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速機構３の減速ギア、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速機構３の減速ギア（ギア比ｎ）を介してコラム軸２に連結されている。
そして、上記の電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）１００には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。
このように構成されるコントロールユニット１００では、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって電動モータ２０に供給する電流を制御する。なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、電動モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転位置センサから操舵角を取得することも可能である。
また、上記コントロールユニット１００には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）５０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ５０から受信することも可能である。また、コントロールユニット１００には、ＣＡＮ５０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ５１も接続されている。
また、上記コントロールユニット１００は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等も含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。
図２を参照してコントロールユニット１００を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ５０からの）車速Ｖｅｌは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部１０１に入力される。電流指令値演算部１０１は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいてアシストマップ等を用いて、電動モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部１０２Ａを経て電流制限部１０３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部１０２Ｂにフィードバック入力され、モータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉが操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御部１０４に入力される。ＰＩ制御部１０４で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部１０５に入力され、更にインバータ１０６を介して電動モータ２０がＰＷＭ駆動される。電動モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器１０７で検出され、減算部１０２Ｂにフィードバックされる。インバータ１０６は駆動素子としてのＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。
上記電動モータ２０にはレゾルバ等の回転センサ２１が連結されており、回転センサ２１からモータ回転角度θが出力され、更にモータ速度ωがモータ速度演算部２２で演算される。
また、加算部１０２Ａには補償信号生成部１１０からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部１１０は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）１１３と慣性１１２を加算部１１４で加算し、その加算結果に更に収れん性１１１を加算部１１５で加算し、加算部１１５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。
また、上記電動モータ２０が３相ブラシレスモータの場合、ＰＷＭ制御部１０５及びインバータ１０６の詳細は例えば図３に示すような構成となっており、ＰＷＭ制御部１０５は、電圧制御指令値Ｖｒｅｆを所定式に従って３相分のＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６を演算するデューティ演算部１０５Ａと、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６で駆動素子としてのＦＥＴのゲートを駆動すると共に、デッドタイムの補償をしてＯＮ／ＯＦＦするゲート駆動部１０５Ｂとで構成されている。インバータ１０６は半導体スイッチング素子としてのＦＥＴの３相ブリッジ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）で構成されており、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６でＯＮ／ＯＦＦされることによってモータ２０を駆動する。また、インバータ１０６と電動モータ２０との間の電力供給線には、電力供給を行い又は遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）するための、モータ開放スイッチからなるモータリレー２３が接続されている。そして、図３では、モータ開放スイッチとして、半導体スイッチング素子（例えば、ＦＥＴ７〜９）を使用したモータリレー２３により、３相のうちの２相の電力供給をＯＮ／ＯＦＦする例を示している。
そして、上記のように構成される電動パワーステアリング装置において、上記コントロールユニット１００において使用される、本発明の半導体モジュールは、次のように構成されている。なお、以下の説明では、同一の構成要素については、他の形態を採り得るものについても同一の記号を用い、重複する説明や構成については、一部省略する場合がある。
本発明は、２以上のパワー半導体用要素を機能的に接続して一つのパッケージ内に収めて、パワー半導体モジュールを構成するものである。そこで、最初に上記パワー半導体要素について、適宜図面を参照して説明する。
図４は、本発明を構成するパワー半導体要素の例として、ＴＯ−２２０パッケージに用いられるようなパーツを例として示した図である。そして、図４（Ａ）はその斜視図を示したものであり、図４（Ｂ）は、上記パワー半導体要素を構成するベアチップの例として、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた場合の当該ＦＥＴの斜視図を示したものである。
本発明を構成するパワー半導体要素４００は、１つの外部接続端子４１０Ｂが形成された金属板４１０と、他の外部接続端子４１５と、パワー半導体ベアチップ４３０と、ワイヤ４５０とを基本構成要素としている。
上記パワー半導体要素４００のうち、１つの外部接続端子４１０Ｂが形成された金属板４１０は、上記パワー半導体ベアチップ４３０を実装するための金属平板部分４１０Ａと上記１つの外部接続端子４１０Ｂとからなっている。そして、上記金属平板部分４１０Ａは、銅やアルミニウムなどの金属からなる長方形状の平板により形成されており、上記平板の片面側には上記パワー半導体ベアチップ４３０が実装されており、本実施形態の場合には、更に、上記金属平板部分４１０Ａを基板などの外部機器等に固定可能にするための穴４１０Ｃが穿設されている。なお、上記金属平板部分４１０Ａについては、樹脂材によりパッケージングする際に、上記金属平板部分４１０Ａの一部を外部に露出させることにより、上記外部機器等に接続するための電極及び放熱のための放熱板として活用することも可能である。そのため、上記のように放熱板として活用する場合には、上記穴４１０Ｃにボルト等を通して上記金属平板部分４１０Ａを外部に設けたヒートシンク等に固定することも可能である。
また、上記１つの外部接続端子部（外部接続端子という場合もある）４１０Ｂは、上記金属平板部分４１０Ａから一体として構成された、上記金属平板部分４１０Ａよりも小さな細長い長方形状の平板であり、上記パワー半導体ベアチップ４３０が実装された側に多少シフトして、上記金属平板部分４１０Ａとは平行に形成されている。そして、上記１つの外部接続端子部４１０Ｂは、本発明のパワーモジュールが樹脂材によりパッケージングされて完成された後には、外部機器乃至デバイス等と上記ベアチップの一部とを基板などを通じて電気的に接続するための接続端子としての機能を果たす。
また、上記パワー半導体要素４００のうち、他の外部接続端子４１５は、上記半導体ベアチップ４３０の電極のうち上記金属板４１０に接続されたものとは別の電極を接続して、上記別の電極と、上記外部機器乃至デバイス等とを基板などを通じて電気的に接続するための接続端子としての機能を果たすものである。
そのため、上記外部接続端子４１５は、接続される上記半導体ベアチップ４３０の種類により変動する電極の数に応じて、複数必要となる。本実施形態の場合には、上記半導体ベアチップ４３０として上記電極の数が３つであるＦＥＴを用いており、上記３つの電極のうちの１つは上記金属平板部分４１０Ａに接続されていることから、上記外部接続端子４１５の数は２つとなっている。また、上記外部接続端子４１５の形態は特に限定を設けるものではないが、本実施形態では、上記金属板４１０に形成されている外部接続端子部４１０Ｂとほぼ同形の細長い長方形状をした板状を基本とする形態をしており、上記外部接続端子部４１０Ｂと上記外部接続端子４１５とを構成する上記細長い長方形状の長辺部分が、相互に平行になるように配設されている。
また、上記外部接続端子４１５は、上記金属板４１０とは電気的に絶縁されているため、構成上も別体になっており、パッケージングされた場合に上記金属板４１０に形成されている外部接続端子４１０Ｂと上記のように平行な一列になるように、上記金属板４１０が形成する平面よりも上記パワー半導体が形成された方向に多少シフトして配置するようになっている。
また、上記パワー半導体要素４００のうち、パワー半導体ベアチップ４３０は、図４（Ｂ）に斜視図で示したように、半導体等により、全体として四角形状に構成されており、上記のように、金属板４１０の片面側に実装されるものである。そして、本実施形態の場合には、上記パワー半導体ベアチップ４３０は、ＦＥＴであり、上記ＦＥＴのドレイン電極４３５が上記パワー半導体ベアチップ４３０の下面に配され、ソース電極４３１とゲート電極４３３とが、上記ドレイン電極４３５よりも上側になるように構成されている。そのため、上記パワー半導体ベアチップ４３０を上記金属板４１０に上記ドレイン電極４３５側から実装した場合には、上記ソース電極４３１とゲート電極４３３とは、上記金属板４１０側から離間するような配置となる。
また、上記ソース電極４３１とゲート電極４３３とは、基本的には、上記外部接続端子４１５とワイヤ４５０によって電気的にそれぞれ接続されるが、本発明の半導体モジュールでは、上記パワー半導体要素４００を複数集めて機能的に配置する際に、後述するように、上記ＦＥＴの電極相互間を金属製コネクタ（クリップ）５１０またはワイヤ４５０により、電気的に接続する場合がある。
本発明を構成するパワー半導体要素４００は、例えば、上記のように構成されるものであるが、上記に例示したＴＯ−２２０パッケージに用いられるようなものに限られるものではない。そのため、単一のパワー半導体パッケージ内部に用いられているパワー半導体の構成要素であれば、本発明の趣旨に沿って、汎用品等であっても、本発明のパワー半導体モジュールに活用することが可能である。
次に、本発明を構成する上記パワー半導体要素を複数集めて機能的に一体化した本発明のパワー半導体モジュールについて、適宜図面を参照して説明する。
図５及び図６は、上記のようなパワー半導体要素４００を３つ集めた上で、更に機能的に結合して単一のパッケージとしてまとめ、本発明のパワー半導体モジュールとして完成させた、実施形態５００の例を示したものである。
そして、図５のうち、（Ａ）はパッケージ部分を含まない正面図、（Ｂ）はその回路図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）はその背面図を示し、図６のうち、（Ａ）はその全体像を示した斜視図、図６（Ｂ）はパッケージ部分を含まない斜視図を示している。
本発明の上記実施形態５００では、図５（Ａ）に示したように、上述したようなパワー半導体要素４００を３つ並列に平面上に配列したうえで、これを金属製コネクタ（クリップ）５１０またはワイヤ４５０により相互に結合している。ここで上記クリップ５１０は銅やアルミニウムなどの金属製の素材から構成されている。そして、上記クリップ５１０は、上記パワー半導体要素４００に用いられていたワイヤ４５０と同等乃至それ以上の断面積を有する導体線を１本または、同図に記載したように複数本使用しており、これにより上記ワイヤ４５０のみを単独で使用した場合よりも、配線抵抗の低減を図っている。
また、上記クリップ５１０またはワイヤ４５０は、上記図５（Ａ）に示したように、図中左端のパワー半導体要素４００のパワー半導体４３０のソース電極４３１を、図中中央のパワー半導体要素４００の金属平板部分４１０Ａを介してパワー半導体４３０のドレイン電極４３５に電気的に接続させており、更に、図中中央のパワー半導体要素４００の金属平板部分４１０Ａを図中右端のパワー半導体要素４００のパワー半導体４３０のソース電極４３１に電気的に接続させ、機能的に一体化するように構成している。
図５（Ｂ）は、上記のようなパワー半導体要素４００間における上記クリップ５１０またはワイヤ４５０によるパワー半導体４３０の接続関係を示したものである。上記図５（Ｂ）で、同図中ａ〜ｇまでの記号は、上記図５（Ａ）に記載したパワー半導体要素４００の外部接続端子（４１０Ｂ及び４１５）に対応して示している。また、上記図５（Ａ）に記載したパワー半導体要素４００の外部接続端子（４１０Ｂ及び４１５）には、同図中両端のパワー半導体要素４００の右端の外部接続端子に対応する記号が設けられていないが、これは、上記クリップ５１０またはワイヤ４５０によるパワー半導体要素４００間の結合により電気的な結合から外れる端子である。そのため、上記外部接続端子は上記パワー半導体ユニットの構成に含めないことも可能である。
したがって、本発明のパワー半導体ユニットによれば、上記パワー半導体要素４００を複数集めて機能的に一体化するに際し、上記パワー半導体要素４００を単一のパワー半導体パッケージ内部に用いられているパワー半導体の構成要素から更に限定して用いることが可能であり、これによりコストの低減を図ることも可能である。
なお、上記実施形態５００の場合には、上記電気的な結合から外れる外部接続端子４１５も含めて１つにパッケージ化しているが、この場合であっても、小型化と放熱性の向上は図られている。
また、図５（Ｃ）、（Ｄ）に示した正面図と背面図は、上記図５（Ａ）で示したように接続した３つのパワー半導体要素４００を電気絶縁性の樹脂５３０で封止した状態を表したものである。
上記電気絶縁性の樹脂５３０は、上記パワー半導体要素４００を構成する各パーツを固定して、各構成要素間及びこれらの基幹部分を外部から絶縁すると共に、上記各パーツからの熱を外部に伝導するためのものである。
そのため、上記電気絶縁性の樹脂５３０は、上記パワー半導体要素４００のうち、上記金属平板部分４１０Ａのパワー半導体ベアチップ４３０が実装されている部分と、クリップ５１０またはワイヤ４５０により接続されている部分、及び、上記外部接続端子４１０Ｂが上記金属平板部分４１０Ａから延伸されている部分と、上記外部接続端子４１５の上記金属平板部分４１０Ａ側寄りの部分とを樹脂モールドパッケージにより、封止している。
ただし、上記外部接続端子（４１０Ｂ、４１５）は、上記のように、外部機器等との電気的接続のために、上記外部接続端子のうち、上記金属平板部分４１０Ａ寄りと反対側は上記樹脂モールドパッケージからは露出するように構成されている。また、上記金属平板部分４１０Ａのうち、上記外部接続端子（４１０Ｂ、４１５）寄りの側とは反対側の穴４１０Ｃが設けられている側も、同様に、上記樹脂モールドパッケージからは露出するように構成されている。
また、上記実施形態５００では、更に、上記金属平板部分４１０Ａの、上記パワー半導体４３０が実装された側とは反対側の面も、上記樹脂モールドパッケージからは露出するように構成されており、上記露出部分を上記本発明のパワー半導体モジュールに隣接して設けたヒートシンクなどに接触させて取付け、これにより放熱性の向上を図ることが可能である。
なお、上記電気絶縁性の樹脂５３０については、特に材質に限定を設けるものではないが、電気絶縁性が高く熱伝導性の高いエラストマーなどを用いることが望ましい。
上記のように構成される本発明の実施形態５００では、上記パワー半導体要素４００を機能的に結合して組み合わせている事により、小型化及び内部配線の省略化並びにこれらを通じた放熱性の向上を図り、併せてこれを低コストで行うことが可能である。
また、本発明では、上記のように、ＦＥＴからなるパワー半導体４３０を３つまとめて、１つのパワー半導体モジュールとして形成することが可能であり、後述する実施形態９００と１０００の場合も同様である。そのため、上述したような電動パワーステアリング装置のコントロールユニット１００にそのまま用いることも可能である。
したがって、例えば、図３に示したコントロールユニット１００のインバータ１０６とモータリレー２３のうち、上記電動モータ２０の三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のうちの一相分の制御に使用されるＦＥＴを、一つのモジュールにより構成し、あわせて３つの本発明のパワー半導体モジュールを用いることにより、上記三相モータの制御に活用することが可能である。
そのため、例えば、上記図３に示したように、上側アーム部のＦＥＴ１と下側アーム部のＦＥＴ４とモータリレー部２３のＦＥＴ７とから構成される電動モータ２０のＵ相に相当する一相分を上記本発明のパワー半導体モジュールにより構成することが可能であり、他の二相分（V相、W相）についても同様の構成を採用することにより、上記電動パワーステアリング装置のコントロールユニット１００の一層の小型化と放熱性の向上等とを図ることが可能である。
次に、上記のようなパワー半導体要素４００を２つ集めたうえで、更に機能的に結合して単一のパッケージとしてまとめ、本発明のパワー半導体モジュールとして完成させた実施形態７００の例を、図７及び図８を参照して説明する。
ここで、上記図７及び図８は上記本発明の実施形態７００を図示したものであり、図７のうち、（Ａ）はパッケージ部分を含まない正面図、（Ｂ）は回路図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）はその背面図を示し、図８のうち、（Ａ）はその全体像を示した斜視図、図８（Ｂ）はパッケージ部分を含まない斜視図を示している。
本発明の上記実施形態７００は、基本的には上記実施形態５００の場合と同様の構成を有しているが、上記パワー半導体要素４００を２つ使用している点が異なっている。
そのため、上記２つのパワー半導体要素４００は、上記図７（Ａ）に示したように、図中左側のパワー半導体要素４００のパワー半導体４３０のソース電極４３１を、図中右側のパワー半導体要素４００のパワー半導体４３０のソース電極４３１に電気的に接続させ機能的に一体化している。
そして、図７（Ｂ）は、上記図７（Ａ）に示したようなパワー半導体要素４００間における上記クリップ５１０またはワイヤ４５０によるパワー半導体４３０の接続関係を示したものである。上記図７（Ｂ）で、同図中ａ〜ｅまでの記号は、上記図７（Ａ）に記載したパワー半導体要素４００の外部接続端子（４１０Ｂ及び４１５）に対応して示している。また、上記図７（Ａ）に記載したパワー半導体要素４００の外部接続端子（４１０Ｂ及び４１５）には、同図中左側のパワー半導体要素４００の右端の外部接続端子４１５に対応する記号が設けられていないが、これは、上記クリップ５１０またはワイヤ４５０によるパワー半導体要素４００間の結合により電気的な結合から外れる端子である。
上記のように構成される本発明の実施形態７００では、上記実施形態５００の場合と同様に、上記パワー半導体要素４００を機能的に結合して組み合わせる事により、小型化および内部配線の省略化及びこれらを通じた放熱性の向上を図り、併せてこれを低コストで行うことが可能である。
また、上記のように構成される本発明の実施形態７００の半導体モジュールを上記のような電動パワーステアリング装置に用いる場合には、上記電動パワーステアリング装置の電源側の制御にパワー半導体が２つ使用される場合があるため、こうしたパワー半導体２つを一つのモジュールとし、更に一層の小型化等を図ることも可能である。
次に、上記のようなパワー半導体要素４００を複数まとめて、上記のように平面上ではなく、仮想的な曲面形状等に沿って配列させた場合の例を説明する。
図９は、上述したような、３つのパワー半導体要素４００を仮想的な曲面に沿って並列に配列した本発明の実施形態９００の例を斜視図により示したものであり、ここでは、特に、上記仮想的な曲面が、円筒Ｃの側面である場合の例を示している。
なお、上記実施形態９００では、上記パワー半導体要素４００が曲面に配置された結果、立体的に形成され、それに応じてパッケージングされている他は、基本的な構成や電気的な接続関係は、上記実施形態５００と同様である。
本実施形態９００の場合には、上記仮想的な円筒Ｃは、同図９に鎖線で示したようなものであり、上記３つのパワー半導体要素４００を構成している細長い長方形状の外部接続端子（４１０Ｂ、４１５）の長辺が上記円筒Ｃの主軸Ｓと平行になるように、上記仮想的な円筒Ｃの側面に沿って配列されている。
また、上記図９においては、上記パワー半導体要素４００は、上記仮想的な円筒Ｃの外側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの露出した部分の面（放熱面）を向けている。しかし、上記仮想的な円筒Ｃの側面に沿った上記３つのパワー半導体要素４００の配列方法は上記に限られるものではない。そのため、上記仮想的な円筒Ｃの外側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの放熱面とは反対側の面を向けても良いし、或いは、上記仮想的な円筒Ｃの内側に上記パワー半導体要素４００を配して、上記円筒Ｃの内側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの放熱面側を向けても良く、或いは、上記仮想的な円筒Ｃの内側にパワー半導体要素４００を配したうえで、上記円筒Ｃの内側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの放熱面とは反対側の面を向けたものであっても良い。
本発明の上記実施形態９００は、上記のような構成を採用することにより、例えば、上記の電動パワーステアリング装置のコントロールユニット１００の筐体が上記電動モータ２０などの形態に合わせた円筒形状等からなる曲面形状をしている場合には、上記コントロールユニット１００の筐体や電動モータ２０の円筒形状の側面に沿って本パワー半導体モジュールを配置することにより、上記コントロールユニット１００の筐体等の側面をヒートシンク等として効率的に活用することが可能である。
また、図１０は、上述したような、３つのパワー半導体要素４００を仮想的な多角形からなる角柱の各側面に沿って並列に配列した例を図示したものであり、ここでは、特に、上記仮想的な多角形が三角形である、三角柱Ｔの場合の実施形態１０００の例を図示したものである。
ここで、図１０（Ａ）は、上記実施形態９００において、電気絶縁性の樹脂５３０によるパッケージ前のパワー半導体要素４００を並列に配置した場合の相互の接続状態を示した斜視図であり、図１０（Ｂ）はこの上面図、図１０（Ｃ）は、上記樹脂によるパッケージ後の斜視図である。
上記図１０（Ａ）に示したように、本実施形態１０００では、同図に鎖線で示したような仮想的な三角柱Ｔの各３つの側面に沿って、上記パワー半導体要素４００を、上記金属平板部分４１０の放熱面側を上記側面に向けて配列している。
そのため、平面的に上記パワー半導体要素４００を配列するよりも一層小型のものとなっている。
また、上記実施形態１０００では、上記パワー半導体要素４００が仮想的な多角形からなる角柱の各側面に沿って並列に配置された結果、立体的に形成され、それに応じてパッケージングされている他は、基本的な構成や電気的な接続関係は、上記図５に示した実施形態５００と基本的には同様である。
ただし、本実施形態１０００の場合には、仮想的な三角柱Ｔの側面に３つのパワー半導体要素４００を並列して配列するものであるため、上記３つのパワー半導体要素４００は相互に隣接する関係となる。
そのため、上記図１０（Ｂ）に示したように、上記図５（Ｂ）で示したような電気的接続関係を維持したまま、上記図５（Ａ）の両端に位置したものに相当するパワー半導体要素４００に設けられたパワー半導体４３０の、ソース電極４３１相互間をクリップ５１０またはワイヤ４５０により直接接続し、配線抵抗を低減することが可能である。なお、上記図１０（Ｂ）において、点線で示した枠は、電気絶縁性の樹脂５３０によるパッケージを行った場合の輪郭を示している。
また、上記図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）においては、上記パワー半導体要素４００は、上記仮想的な三角柱Ｔの外側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの露出面（放熱面）を向けている。
しかし、上記仮想的な三角柱Ｔの側面に沿った上記３つのパワー半導体要素４００の配列方法は上記に限られるものではない。
そのため、上記仮想的な三角柱Ｔの外側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの放熱面とは反対側の面を向けても良いし、或いは、上記仮想的な三角柱Ｔの内側に上記パワー半導体要素４００を配して、上記三角柱Ｔの内側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの放熱面を向けても良く、或いは、上記仮想的な三角柱Ｔの内側にパワー半導体要素４００を配したうえで、上記三角柱Ｔの内側面に上記金属平板４１０Ａのパッケージ５３０からの露出面とは反対側の面を向けたものであっても良い。
本発明の上記実施形態１０００は、上記のような構成を採用することにより、更に一層上記パワー半導体モジュールを小型化することが可能となる。
また、例えば、上記の電動パワーステアリング装置のコントロールユニット１００の基板に上記実施形態１０００のパワー半導体モジュールを取り付けて、上記配列により内側に向けて上記放熱面が配置されている場合には、その内側に三角柱状のヒートシンクを設けることにより、或いは、上記配列により外側に向けて放熱面が配置されている場合には、その三角柱状の外形の外側を囲むようにヒートシンクを設けることにより、上記実施形態１０００のパワー半導体モジュールの放熱を行うことが可能である。
以上のように、本発明のパワー半導体モジュールによれば、汎用品から構成する事が可能なパワー半導体要素を複数個用いて、必要なパワー半導体要素間内部接続を行い、これを一体化することにより、小型化、放熱性向上、内部抵抗低減等を達成し、低コストかつ信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することが可能である。
なお、上記実施形態は本発明の構成の例を示したものである。そのため、本発明は、上記実施形態に示す構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で、種々の変形を施すことも可能である。
１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
３ 減速機構
４ａ ４ｂ ユニバーサルジョイント
５ ピニオンラック機構
６ａ ６ｂ タイロッド
７ａ ７ｂ ハブユニット
８Ｌ ８Ｒ 操向車輪
１０ トルクセンサ
１１ イグニションキー
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
１４ 舵角センサ
２０ 電動モータ
２３ モータリレー
１００ 制御装置（コントロールユニット、ＥＣＵ）
１０１ 電流指令値演算部
１０４ ＰＩ制御部
１０５ ＰＷＭ制御部
１０６ インバータ
１１０ 補償信号生成部
４００ パワー半導体要素
４１０ 金属板
４１０Ａ 金属平板部分
４１０Ｂ 外部接続端子部
４１０Ｃ 穴
４１５ 外部接続端子
４３０ パワー半導体ベアチップ
４３１ ソース電極
４３３ ゲート電極
４３５ ドレイン電極
４５０ ワイヤ
５００ ７００ ９００ １０００ 実施形態
５１０ 金属製コネクタ（クリップ）
５３０ 電気絶縁性の樹脂（パッケージ）
Ｃ 仮想的な円柱
Ｓ 仮想的な円柱の主軸
Ｔ 仮想的な三角柱

Claims (10)

  1. 少なくとも１つの外部接続端子が形成された金属板に１つの電極部分で接続されたパワー半導体ベアチップと前記パワー半導体ベアチップの他の電極部分と電気的に接続された他の外部接続端子とからなるパワー半導体要素を複数配列して同一のパッケージ内に収容して形成したパワー半導体モジュールであって、
    前記複数のパワー半導体要素の前記パワー半導体ベアチップの電極は、金属製コネクタにより、前記同一のパッケージ内で、前記複数のパワー半導体要素間で相互接続されており、
    前記パッケージは前記複数のパワー半導体要素を電気絶縁性の樹脂で封止した樹脂モールドパッケージであり、
    前記パワー半導体要素は、単一のパワー半導体ベアチップのパワー半導体パッケージ内部に用いられるものと同様の構成要素であり、前記樹脂モールドパッケージに封止して前記相互接続することにより電気的結合から外れる外部接続端子をそのまま有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. パワー半導体モジュールを用いた、電動パワーステアリング装置の制御装置であって、
    前記パワー半導体モジュールは、少なくとも１つの外部接続端子が形成された金属板に１つの電極部分で接続されたパワー半導体ベアチップと前記パワー半導体ベアチップの他の電極部分と電気的に接続された他の外部接続端子とからなるパワー半導体要素を複数配列して同一のパッケージ内に収容して形成したパワー半導体モジュールであって、前記複数のパワー半導体要素の前記パワー半導体ベアチップの電極は、金属製コネクタにより、前記同一のパッケージ内で、前記複数のパワー半導体要素間で相互接続されており、前記パッケージは前記複数のパワー半導体要素を電気絶縁性の樹脂で封止した樹脂モールドパッケージであり、前記パワー半導体要素は、単一のパワー半導体ベアチップのパワー半導体パッケージ内部に用いられるものと同様の構成要素であり、前記樹脂モールドパッケージに封止して前記相互接続することにより電気的結合から外れる外部接続端子をそのまま有しており、
    前記電動パワーステアリング装置に用いる３相ブラシレスモータの各１相の制御のための前記パワー半導体要素３つを同一のパッケージ内に収容した前記パワー半導体モジュールを３組有すると共に、前記電動パワーステアリング装置の電源側の制御のための前記パワー半導体要素２つを同一のパッケージ内に収容した前記パワー半導体モジュールを１組有し、
    これら４組のパワー半導体モジュールは、前記電動パワーステアリング装置の制御装置又は前記３相ブラシレスモータの側面形状に合わせて曲面形状に形成され、前記電動パワーステアリング装置の制御装置又は前記３相ブラシレスモータの側面に配置されることを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
  3. 前記１つの外部接続端子と前記他の外部接続端子とは、相互に平行に配置されている請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記配列は、前記パワー半導体要素を平面上に並列して配列したものである請求項１又は３に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記配列は、前記パワー半導体要素を仮想的な曲面に沿って並列して配列したものである請求項１又は３に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記仮想的な曲面が円筒の側面であり、前記外部接続端子は前記円筒の主軸の方向と平行である請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記配列は、前記パワー半導体要素を仮想的な三角柱の各側面に沿って並列して配列したものであり、前記仮想的な三角柱の内側にはヒートシンクを配し、前記外部接続端子は前記三角柱の主軸の方向と平行である請求項１、３又は４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記金属板の材料が銅又はアルミニウムである請求項１、３乃至７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 前記金属板は前記パッケージ内部から外部へ露出する露出部分を有しており、前記露出部分を外部に設けた放熱器に接続可能な請求項１、３乃至８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
  10. 請求項１、３乃至９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールを用いることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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