JP2018067596A - 半導体モジュール、駆動装置、電動パワーステアリング装置、車両及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの小型化を図りつつ、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を向上させる
【解決手段】半導体モジュール１は、２層のリードフレーム１２、１３とパワー半導体素子１０、１１とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有している。２層の各リードフレーム１２、１３とパワー半導体素子１０、１１は、はんだ２０により接合されている。２層目のリードフレーム１３のパワー半導体素子１０と接合する接合面１３ａには、はんだ２０が入り込む凹み３０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと、駆動装置と、電動パワーステアリング装置と、車両及び半導体モジュールの製造方法に関する。

例えば車両の電動パワーステアリング装置のモータを駆動させるためのインバータ回路等には、半導体モジュールが用いられている。この種の半導体モジュールには、放熱板上にセラミック基板を設け、そのセラミック基板上に導電体板を介して半導体チップを搭載し、それらをケースで囲んで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）。この半導体モジュールのセラミック基板上の導電体板の外周端部には、エポキシ樹脂などの固体絶縁物が配置され、ケースは、放熱板上に設置されている。

特開２００２−０７６１９７号公報

しかしながら、上述の構成を有する半導体モジュールは、半導体モジュールの放熱性や絶縁性を向上す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が大きくなる。特に半導体チップがセラミック基板に対して平面上に配置されているため、半導体チップのサイズや数から半導体モジュールの平面サイズが大きくなる。

加えて、半導体モジュールにおいては、半導体モジュールを構成する半導体チップとリードフレームの材質及び形状（体積）が異なり、温度の上昇による膨張率が異なる。従って、半導体チップが熱を発し、半導体チップやそのリードフレームが熱膨縮するため、半導体チップとリードフレームとの接合面にひずみが生じる可能性がある。特に、半導体チップが上下からリードフレームに挟まれる構造の場合は、上下両面の接合面にひずみが生じる可能性がある。そこで、このひずみに対して、はんだで接合された半導体チップとリードフレームとの接合面の強度を向上させる必要がある。

本出願はかかる点に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールの小型化を図りつつ、上記半導体チップなどのパワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を向上させることができる半導体モジュール、駆動装置、電動パワーステアリング装置、車両及び半導体モジュールの製造方法を提供することをその目的の一つとする。

上記課題を解決するための本発明は、以下の態様を含む。

本発明には、モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールにおいて、２層のリードフレームとパワー半導体素子とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有し、前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子は、はんだにより接合されており、下から１層目のリードフレーム又は２層目のリードフレームの少なくともいずれかの前記パワー半導体素子と接合する接合面には、前記はんだが入り込む凹みが形成されている、半導体モジュールが含まれる。なお、「下から１層目のリードフレーム又は２層目のリードフレーム」は、半導体モジュールを特定の向きに設置した場合の位置関係を示し、本発明の半導体モジュールの設置向きを限定するものではない。

上記構成によれば、半導体モジュールが、２層のリードフレームとパワー半導体素子とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有するので、半導体モジュールの小型化を図ることができる。また、リードフレームにおけるパワー半導体素子がはんだ付けされる接合面に、はんだが入り込む凹みが形成されているので、リードフレームにおけるはんだの接合面積が増大し、パワー半導体素子とリードフレームの接合強度を向上させることができる。

前記凹みは、前記リードフレームにおける前記パワー半導体素子との接合面の端部に形成されていてもよい。かかる場合、リードフレームの接合面方向の熱膨縮により生じる接合面のひずみを効果的に吸収でき、この結果、ひずみによる接合面の端部のクラックの発生を抑制できる。また、接合面の端部にはんだが入り込む凹みがあるので、その部分を目視しやすく、はんだ付けが適正に行われたかの確認を容易に行うことができる。

前記凹みは、前記２層目のリードフレームにおける下層側のパワー半導体素子との接合面に形成されていてもよい。かかる場合、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を効果的に向上させることができる。

前記２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、はんだが入り込む貫通孔が形成されていてもよい。かかる場合、パワー半導体素子とリードフレームの接合強度をさらに向上させることができる。

前記２層のリードフレームは、モジュール表面に露出する放熱面を有するようにしてもよい。かかる場合、半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。

別の観点による本発明には、上記半導体モジュールを備えた駆動装置が含まれる。

別の観点による本発明には、上記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が含まれる。

別の観点による本発明には、上記半導体モジュールを備えた車両が含まれる。

別の観点による本発明には、モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールの製造方法において、２層のリードフレームとパワー半導体素子とを積層し、それらをモールドして立体構造を形成し、前記立体構造を形成するにあたり、前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子をはんだにより接合し、下から１層目のリードフレーム又は２層目のリードフレームの少なくともいずれかの前記パワー半導体素子と接合する接合面には、前記はんだが入り込む凹みが形成されている、半導体モジュールの製造方法が含まれる。

本発明によれば、半導体モジュールの小型化を図りつつ、パワー半導体素子とリードフレームの接合強度を向上させる。

半導体モジュールの構成例を示す縦断面の説明図である。 インバータの１アーム分の回路の一例を示す説明図である。 半導体モジュールの他の凹みの形状を示す縦断面の説明図である。 半導体モジュールの他の凹みの形状を示す縦断面の説明図である。 半導体モジュールの他の凹みの形状を示す縦断面の説明図である。 半導体モジュールの凹みの形成位置の他の例を示す縦断面の説明図である。 貫通孔を有する半導体モジュールの構成例を示す縦断面の説明図である。 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、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

図１に示すように、半導体モジュール１は、モータを駆動させるための例えばインバータ回路（図示省略）に用いられている。半導体モジュール１は、パワー半導体素子１０、１１と２層の配線部材としてのリードフレーム１２、１３が交互に積層され、それらの全体がトランスファー成形によりモールドされた立体構造を有している。すなわち、最下層には、１層目の２つのリードフレーム１２が左右対称に配置され、１層目の各リードフレーム１２上にそれぞれ１層目のパワー半導体素子１０が配置され、２つのパワー半導体素子１０上に２層目の単一のリードフレーム１３が配置され、２層目のリードフレーム１３上に２層目のパワー半導体素子１１が配置されている。そして、半導体モジュール１は、これらの構成を封止する、縦断面が略方形のモールド１４を備えている。

１層目の各リードフレーム１２は、半導体モジュール１のモジュール下面に露出するように当該下面に沿って配置されている。これにより、リードフレーム１２の下面は、放熱面Ｓになっている。各リードフレーム１２の左右方向の外側の端部は、モジュール下面から一段上がってモジュール側面から外側に突出している。リードフレーム１２は、例えば銅などの導電性材料により構成されている。

１層目のパワー半導体素子１０は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものである。パワー半導体素子１０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ている。パワー半導体素子１０は、はんだ２０を介して上下のリードフレーム１２及びリードフレーム１３に接合されている。

２層目のリードフレーム１３は、例えば左右のパワー半導体素子１０に亘り左右方向に延設されている。リードフレーム１３は、例えば一方のパワー半導体素子１０の外側端部から他方のパワー半導体素子１０の外側端部まで形成されている。すなわち、一方のパワー半導体素子１０の外側の端から他方のパワー半導体素子１０の外側の端までの長さと、リードフレーム１０の長さがほぼ等しくなっている。リードフレーム１３の下面、すなわちパワー半導体素子１０がはんだ付けされる接合面１３ａには、はんだ２０が入り込む凹み３０が形成されている。凹み３０は、例えば接合面１３ａの両端部に形成されている。凹み３０は、縦断面が略方形になる溝状に形成されている。各接合面１３ａの左右の凹み３０のうちの外側に位置する凹み３０は、その外側の面が開口（モールドに露出）している。一方、はんだ２０は、凹み３０に入り込んでおり、その部分がリードフレーム１３側に凸状に突出している。図示はしていないが、凹み３０は、図面の前から奥に向かう方向に伸びている。なお、凹み３０は断続的に形成されていても良い。

２層目のリードフレーム１３は、左右方向の中央に下方に延設する延設部４０を有している。延設部４０は、リードフレーム１３の中央から、左右のパワー半導体素子１０、左右の１層目のリードフレーム１２の間を通って半導体モジュール１のモジュール下面に到達している。よって、延設部４０の下面は放熱面Ｓとなっている。リードフレーム１３は、例えば銅などの導電性材料により構成されている。

２層目のパワー半導体素子１１は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものである。パワー半導体素子１１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ている。パワー半導体素子１１は、２層目のリードフレーム１３の左右方向の中央に配置されている。パワー半導体素子１１の下面の電極は、はんだ２０を介してリードフレーム１３に接合されている。パワー半導体素子１１の上面の電極には、はんだ２０を介してバスバー５０が接続されている。バスバー５０は、１層目のリードフレーム１２に接続されている。

モールド１４は、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いたトランスファー成形により成形されている。

本実施の形態によれば、半導体モジュール１が、２層のリードフレーム１２、１３とパワー半導体素子１０、１１が交互に積層され、それらがモールドされた立体構造を有するので、各層のパワー半導体素子１０、１１間の配線距離が短くなり、またパワー半導体素子１０、１１の搭載スペースを削減でき、これによって半導体モジュール１の小型化を図ることができる。また、２層目のリードフレーム１３におけるパワー半導体素子１０がはんだ付けされる接合面１３ａに、はんだ２０が入り込む凹み３０が形成されているので、リードフレーム１３におけるはんだ２０の接合面積が増大し、パワー半導体素子１０とリードフレーム１３との接合強度を向上させることができる。

また、はんだ付けの際に２層目のリードフレーム１３の自重により、例えば２層目のリードフレーム１３とパワー半導体素子１０の接合面１３ａのはんだ２０や、１層目のリードフレーム１２とパワー半導体素子１０の接合面１２ａのはんだ２０がつぶれるようなことがあっても、凹み３０のはんだ２０により接合面積が確保され、接合強度を維持できる。また、凹み３０は、リードフレーム１３の成型時に押出し工法又は引き抜き工法により容易に加工することができる。

ところで、図１に矢印で示したようにリードフレーム１３やリードフレーム１２が接合面方向に熱膨縮すると、接合面１３ａの端部にひずみが生じる力が作用する。また、リードフレーム１３の接合面方向は、厚さ方向よりも寸法が大きいので膨張率も大きくなる。よって、寸法の大きい接合面方向のひずみに対して、生じる変形を抑制するのが効果的である。本実施の形態によれば、凹み３０が、リードフレーム１３の接合面１３ａの端部に接合面方向に対して鉛直方向に伸びて形成されているので、凹み３０の接合面方向の壁部がひずみの抵抗になり、リードフレーム１３の接合面１３aの変形を効果的に吸収し、この結果、接合面１３ａの端部にひずみによりクラックや亀裂が発生することを抑制できる。また、リードフレーム１３上に凹み３０を形成することで、リードフレーム３０に応力緩和作用が生じるので、パワー半導体素子１０の両端のはんだの接合面積を増大させると、パワー半導体素子１０の中央部の変形を少なく抑えることができる。また、接合面１３ａの端部にはんだ２０が入り込む凹み３０があるので、その部分を目視しやすく、はんだ付けが適正に行われたかの確認を容易に行うことができる。

凹み３０は、２層目のリードフレーム１３の下層のパワー半導体素子１０と接合する接合面１３ａに形成されているので、パワー半導体素子１０とリードフレーム１３の接合強度を効果的に向上させることができる。

２層のリードフレーム１２、１３は、モジュール下面に露出する放熱面Ｓを有するので、半導体モジュール１の放熱性を向上させることができる。

ここで、２層のリードフレーム１２、１３についてＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴを使用してインバータの１アーム分の回路を構成する場合の例について説明する。

この回路においては、例えば図２に示すように電源ラインを起点とし上アームのＭＯＳＦＥＴのドレイン電極からソース電極、続いて下アームのドレイン電極からソース電極、最後にグランドに接続する必要がある。またモータ遮断用にＭＯＳＦＥＴを配置する場合には、上アームのソース（同じく下アームのドレイン）と同電位の接点からモータ遮断ＭＯＳＦＥＴのソース電極に配線する。

ＭＯＳＦＥＴは縦構造のパワー半導体素子１０、１１であり、ドレイン電極が各パワー半導体素子１０、１１の下面電極、ソース電極が各パワー半導体素子１０、１１の上面電極となっているため、前述の上アームのＭＯＳＦＥＴ（例えば図１の右側のパワー半導体素子１０）から下アームのＭＯＳＦＥＴ（パワー半導体素子１１）への配線は、上アームのＭＯＳＦＥＴ（図１の右側のパワー半導体素子１０）の上面にあるソース電極から、２層目のリードフレーム１３を通過し、下アームのＭＯＳＦＥＴ（パワー半導体素子１１）の下面にあるドレイン電極に配線ができる。さらに２層目のリードフレーム１３からモータ遮断用ＭＯＳＦＥＴ（図１の左側のパワー半導体素子１０）の上面のソース電極への配線も同時に可能となる。

１層構造の場合、上アームから下アームの配線の場合バスバーを使う必要があり、バスバー分の実装スペースが発生するのに対し、本実施形態のごとく２層目のリードフレーム１３を採用することでスペースを削減できる。さらに配線も短くすることができる。

また、２層目のリードフレーム１３の一部（延設部４０）は、１層目のリードフレーム１２と同じモジュール下面の放熱面Ｓまで導出されている（図１参照）。この延設部４０により、２層目に搭載したパワー半導体素子１１の熱を放熱することができる。当該延設部４０は、熱伝導性のよい金属、例えば銅製であり、放熱経路として機能しながら、なおかつ一定の熱量を一時的に貯熱しておく熱容量としても機能する。

以上の実施の形態における半導体モジュール１の凹み３０の形状、位置、数はこれに限られない。

例えば凹み３０は、図３に示すようにリードフレーム１３側に尖がる形状、例えば縦断面が三角形状になる形状を有していてもよい。またこの場合、パワー半導体素子１０の左右方向の外側に位置する凹み３０は、面取りされていてもよい。

また、凹み３０は、図４に示すようにリードフレーム１３側に凸になめらかに湾曲するものであってもよい。

また、凹み３０は、図５に示すようにリードフレーム１３の接合面１３ａの端部ではなく、中央部に形成されていてもよい。中央部に凹み３０を形成する場合は、パワー半導体素子１０の平面サイズの範囲内で収まる程度の大きさに形成するとよい。

上記実施の形態において、凹み３０は、図６に示すように１層目のリードフレーム１２におけるパワー半導体素子１０が接合する接合面１２ａにも設けられてもよい。これにより、パワー半導体素子１０の接合強度をさらに向上させることができる。また、このとき、凹部３０を接合面１２ａの端部に形成することにより、リードフレーム１２、１３の熱膨縮による接合面１２ａのひずみを効果的に吸収し、この結果、接合面１２ａの端部にクラックや亀裂が発生することを抑制できる。

凹み３０は、２層目のリードフレーム１３におけるパワー半導体素子１０が接合する接合面１３ａ、１層目のリードフレーム１２におけるパワー半導体素子１０が接合する接合面１２ａの他、２層目のリードフレーム１３におけるパワー半導体素子１１が接合する接合面１３ｂに形成されていてもよい。また凹み３０は、これらの接合面の少なくとも一つ以上に形成されていてもよい。リードフレーム１３の接合面１３ａ以外に凹み３０を形成する場合も、上記図３〜図５に示したように凹み３０は他の形状を有するものであってもよい。さらに、各接合面における凹み３０の数は、１つ、２つに限られず、３つ以上であってもよい。また、接合部の端部に凹み３０を形成する場合も、凹み３０を両端部に形成する場合に限られず、凹み３０を外側の端部だけ、内側の端部だけに形成してもよい。

以上の半導体モジュール１において、２層のリードフレーム１２、１３のうちの少なくともいずれかに、はんだ２０が入り込む貫通孔が形成されていてもよい。例えば図７に示すように２層目のリードフレーム１３の接合面１３ａの中央に上下方向に貫通する貫通孔６０が形成されている。こうすることにより、リードフレーム１３の接合面１３ａにおけるはんだ２０の接合面積が増大し、接合強度を向上させることができる。なお、この貫通孔６０は、リードフレーム１２に形成されていてもよいし、リードフレーム１２とリードフレーム１３の両方に形成されていてもよい。また、貫通孔６０の数や位置、形状もこれに限られない。

以上の半導体モジュール１は、車両、各種産業機械及び各種駆動装置等のモータの回路に利用できる。例えば半導体モジュール１は、図８に示すように車両に搭載される駆動装置としての電動パワーステアリング装置１００のモータ１１０に利用することができる。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。図８において、符号Ｈはステアリングホイール、符号１００ａはステアリング入力軸、符号１００ｂはステアリング出力軸、符号１１１はラック・ピニオン運動変換機構、符号１１２はウォーム減速機構、符号１１３はハウジング、符号１１４はトルクセンサ、符号１１５はステアリングシャフト、符号１１６，１１７は自在継手、符号１１８は連結部材をそれぞれ示す。

半導体モジュール１は、以下のようにして製造することができる。すなわち、１層目のリードフレーム１２、パワー半導体素子１０、凹み３０を有する２層目のリードフレーム１３、パワー半導体素子１１を下から交互に積層し、互いにはんだ２０で接合し、パワー半導体素子１１と１層目のリードフレーム１２とをバスバー５０により接続する。続いて、エポキシ樹脂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１０、１１やリードフレーム１２、１３を封止してモールド１４を形成する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施の形態において、半導体モジュール１の立体構造は、２層のリードフレームとパワー半導体素子が積層され、互いに電気的に接続されていれば、パワー半導体素子やリードフレームの配置、大きさ、形状、数、接続など他の構成を有するものであってもよい。パワー半導体素子１０はＭＯＳＦＥＴであったが、ダイオード、他のトランジスタなどの他のパワー半導体素子であってもよい。半導体モジュール１は、電動パワーステアリング装置１００のモータ１１０以外のメガトルクモータなどの他のモータの電子回路にも適用できる。

本発明は、半導体モジュールの小型化を図りつつ、パワー半導体素子とリードフレームとの接合強度を向上させる際に有用である。

１ 半導体モジュール
１０、１１ パワー半導体素子
１２、１３ リードフレーム
１３ａ 接合面
１４ モールド
２０ はんだ
３０ 凹み
Ｓ 放熱面

Claims (9)

1. モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールにおいて、
   ２層のリードフレームとパワー半導体素子とが積層され、それらがモールドされた立体構造を有し、
   前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子は、はんだにより接合されており、
   下から１層目のリードフレーム又は２層目のリードフレームの少なくともいずれかの前記パワー半導体素子と接合する接合面には、前記はんだが入り込む凹みが形成されている、半導体モジュール。
2. 前記凹みは、前記リードフレームにおける前記パワー半導体素子との接合面の端部に形成されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記凹みは、前記２層目のリードフレームにおける下層側のパワー半導体素子との接合面に形成されている、請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
4. 前記２層のリードフレームのうちの少なくともいずれかのリードフレームには、はんだが入り込む貫通孔が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュール。
5. 前記２層のリードフレームは、モジュール表面に露出する放熱面を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュールを備えた駆動装置。
7. 請求項１〜５のいずれか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。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュールを備えた車両。
9. モータを駆動させるための電子回路に用いられる半導体モジュールの製造方法において、
   ２層のリードフレームとパワー半導体素子とを積層し、それらをモールドして立体構造を形成し、
   前記立体構造を形成するにあたり、前記２層の各リードフレームと前記パワー半導体素子をはんだにより接合し、
   下から１層目のリードフレーム又は２層目のリードフレームの少なくともいずれかの前記パワー半導体素子と接合する接合面には、前記はんだが入り込む凹みが形成されている、半導体モジュールの製造方法。

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