JP2018037514A - 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】半導体モジュールのさらなる小型化を図る。
【解決手段】モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールは、パワー半導体素子２用の信号配線用のパッド４１，４２を有した樹脂基板４と、該樹脂基板４が搭載されるリードフレーム３と、樹脂基板４上のパッド４１，４２とパワー半導体素子２間に配線される配線材７と、リードフレーム３と樹脂基板４とを一括封止するモールドと、を有している。樹脂基板４の一部４ａはモールド外に導出され、外部端子となる。
【選択図】図３

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の一つに、放熱板上に取り付けられた導電体板を設けたセラミック基板に半導体チップ（以降、本明細書では「パワー半導体素子」ともいう）を搭載し、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なっているものがある（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ための構成となっている反面、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（パワー半導体素子）もセラミック基板に対して平面上に配置されるため、チップのサイズや数に応じて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。

また、外部接続用の外部端子リードはしばしばプレスにより成形されるが、成形に関する制約によって最小幅が規定される上、リード本数が増えるほどリードピッチ方向のサイズ肥大化を招く可能性がある。

本発明は、さらなる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。

かかる課題を解決するべく、本発明は、モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールにおいて、
パワー半導体素子用の信号配線用のパッドを有した樹脂基板と、
該樹脂基板が搭載されるリードフレームと、
前記樹脂基板上の前記パッドと前記パワー半導体素子間に配線される配線材と、
前記リードフレームと前記樹脂基板とを一括封止するモールドと、
を有し、前記樹脂基板の一部は前記モールド外に導出され、外部端子となる、というものである。

本願では、例えば、トランスファー成形を用いた半導体モジュールであってかつリードフレームを用いた構造において、パワー半導体素子のゲート配線用に樹脂基板（例えばガラスエポキシ樹脂基板）を用いて配線し、リードフレームと一括封止した半導体モジュール（パワーモジュール）とする。

樹脂基板はゲート配線数に応じたパッドを有しており、当該パッドは狭ピッチでレイアウト可能であり、リードフレームが厚い場合の最小ギャップよりも十分に小さくすることができる。この樹脂基板をリードフレーム上に接着し、パワー半導体素子から樹脂基板上（のパッド）に配線を行うことにより、配線材を密集し、全体サイズの増大を抑えることができる。これは、インバータ回路のようにパワー半導体素子を複数使用する回路において特に効果的である。

また、樹脂基板はリードフレームと一括封止されており、当該樹脂基板の一端は外部端子としてそのまま用いることができる。たとえば外部端子を基板パッドとすれば、カードエッジコネクタとの接続端子として機能させることができる。また、前述のリードフレームに配線する手段に比べ、外部配線の観点でも狭ピッチ化できる利点がある。

前記樹脂基板の一部は、前記リードフレーム上の前記パワー半導体素子の周辺まで導入されていてもよい。樹脂基板の一部がパワー半導体素子の信号電極の周辺まで導入した構造とすれば、パワー半導体素子と基板の配線ピッチを短くでき、配線長を抑制することができる。

前記樹脂基板の一部が導入される導入部上の前記パッドと前記パワー半導体素子とがワイヤ配線されていてもよい。

前記パッドは、前記リードフレームの最小ギャップよりも小さいピッチでレイアウトされていてもよい。

本発明によれば、さらなる小型化を図ることができる。

パワーモジュールの外観の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの内部構造を示す（ａ）正面図と（ｂ）正面図中のb-b線における断面図である。 本発明の別の実施形態におけるパワーモジュールの内部構造を示す（ａ）正面図と（ｂ）正面図中のb-b線における断面図である。 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４参照）。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（半導体チップ）２、リードフレーム３、樹脂基板４、樹脂製のモールド６等を備える。

ここでのパワー半導体素子２はＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣ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。

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を支持する部品であり、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。

リードフレーム３上にパワー半導体素子（ベアチップ）２が実装されており、樹脂基板４はリードフレーム３の任意の一辺に配置され、接着されている。樹脂基板４の材質は、ガラスエポキシ樹脂などである。

樹脂基板４は、パワー半導体素子２のゲート接続数に応じた数のパッド４１，４２を有している。この樹脂基板４上のパッド（ゲート配線用）４１とパワー半導体素子２のゲート間をワイヤ７で配線（ゲート配線）することにより、当該半導体モジュール１（のパワー半導体素子２）は、樹脂基板４のパッド４１及びパターン４３を経て、外部端子へと電気的に接続される。樹脂基板４の端部は、外部と接続される外部端子として機能する。

樹脂基板４上のパッド４１，４２は狭ピッチでレイアウトされている。樹脂基板４上のパッド４１，４２間のギャップは銅箔厚みにもよるが、一例として0.2mm以下で設定することが可能であり、リードフレーム３が厚い場合の最小ギャップよりも十分に小さい。例えば、リードフレーム３の板厚が0.5mmの場合、打ち抜き加工等により信号配線用のリードフレームを形成するとギャップは板厚以上となる。この樹脂基板４をリードフレーム３上に接着し、上述のごとくパワー半導体素子２から樹脂基板４上に、配線材、例えばワイヤ７で配線を行うことにより、ワイヤ配線を密集し、全体サイズの増大を抑えることができる。インバータ回路のようにパワー半導体素子２を複数使用する回路において、全体サイズの増大を抑える効果は特に大きい。なお、配線材はワイヤ７に限定されない。

本実施形態では、エポキシ系の熱硬化性樹脂（モールド６）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（３Ａ，３Ｂ）を封止し、半導体モジュール（パワーモジュール）１が完成する。

樹脂基板４は、モールド６によってリードフレーム３と一括封止される。樹脂基板４の一端は外部端子としてそのまま用いることができる。たとえば外部端子を基板パッドとすれば、カードエッジコネクタとの接続をすることができる。こうした場合には、前述のごとくリードフレーム３にワイヤ配線する手段に比べ、外部配線の観点でも狭ピッチ化できる利点がある。

さらに樹脂基板４の一部（導入部４ｂ）がパワー半導体素子２の信号電極の周辺まで導入した構造とすれば、パワー半導体素子２と樹脂基板の配線ピッチを短くでき、ワイヤ長（ゲート配線長さ）を抑制することができる（図３参照）。

上述のように、本実施形態のパワーモジュール１は、(1)樹脂基板４がリードフレーム３と一括で封止され、該樹脂基板４上のパッド４１，４２へワイヤ７を配線し、樹脂基板４上のパターン４３を経てもう一端を外部端子とした構造であり、かつ、(2)樹脂基板４の一部にワイヤ７用のパッド４１，４２が設けられ、当該パッド４１，４２を経由してワイヤ７を配線した構造であることから、さらなる小型化を図ることができる。

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１００（図４参照）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４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４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。

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
３…リードフレーム
４…樹脂基板
４ａ…樹脂基板の一部
４ｂ 導入部
６…モールド
７…ワイヤ（配線材）
４１…ゲート配線用のパッド
４２…外部配線用のパッド
４３…パターン
５０…モータ
１００…電動パワーステアリング装置

Claims (7)

1. モータを駆動させるためのインバータ回路を有する半導体モジュールにおいて、
   パワー半導体用の信号配線用のパッドを有した樹脂基板と、
   該樹脂基板が搭載されるリードフレームと、
   前記樹脂基板上の前記パッドと前記パワー半導体間に配線される配線材と、
   前記リードフレームと前記樹脂基板とを一括封止するモールドと、
   を有し、前記樹脂基板の一部は前記モールド外に導出され、外部端子となる、半導体モジュール。
2. 前記樹脂基板の一部は、前記リードフレーム上の前記パワー半導体の周辺まで導入されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記樹脂基板の一部が導入される導入部上の前記パッドと前記パワー半導体とが配線されている、請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記パッドは、前記リードフレームの最小ギャップよりも小さいピッチでレイアウトされている、請求項３に記載の半導体モジュール。
5. 請求項１から４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。
6. 請求項１から４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。
7. 請求項１から４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。