JP2018125423A - 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及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールのさらなる小型化を図ると共に接続相手側との接合親和性を確保することができる半導体モジュールを提供する。【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との少なくとも一部を一緒に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５外に導出された外部端子を有し、当該外部端子にスルーホール４２ａを備えている。【選択図】図２

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及び車両に関する。

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」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）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と共に接続相手側との接合親和性を確保す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及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、第一の発明は、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の少なくとも一部を一緒に封止するモールドと、を有し、前記樹脂基板は、前記モールド外に一部が導出されて外部端子を構成し、前記外部端子が基板スルーホールであることを特徴とする半導体モジュールを提供することである。
第二の発明は、第一の発明において、前記基板スルーホールは、相手方端子を挿入し、はんだ付けして電気的接続を得るものであることを特徴とする半導体モジュールを提供することである。
第三の発明は、第一の発明において、前記基板スルーホールに、コネクタ端子をはんだ付けまたは圧入したことを特徴とする半導体モジュールを提供することである。
第四の発明は、第一の発明において、前記基板スルーホールに、フレキシブル性のある配線材をはんだ付けしたことを特徴とする半導体モジュールを提供することである。
第五の発明は、第一の発明から第四の発明のいずれかの半導体モジュールを備えたことを特徴とする駆動装置を提供することである。
第六の発明は、第一の発明から第四の発明のいずれかの半導体モジュールを備えた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ことである。
第七の発明は、第一の発明から第四の発明のいずれかの半導体モジュールを備えたことを特徴とする車両を提供することである。

本発明によれば、さらなる小型化を図ると共に接続相手側との接合親和性を確保することができる。

半導体モジュールの外観の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態における半導体モジュールの内部構造を示す正面図である。 （ａ）は、第一の接続例の実施形態で半導体モジュールの内部構造を示す正面図中のｂ−ｂ線における断面図で、（ｂ）は、符号Ａで囲んだ範囲の拡大図である。 （ａ）は、第二の接続例の実施形態で半導体モジュールの内部構造を示す正面図中のおける断面図で、（ｂ）は、符号Ｂで囲んだ範囲の拡大図である。 （ａ）は、第三の接続例の半導体モジュール外観を示す斜視図で、（ｂ）は半導体モジュールの内部構造を示す正面図中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乃至図４参照）。なお、本明細書及び図面において、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。

本発明は、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２間に配線される配線材６と、リードフレーム３と樹脂基板４との一部を一緒に封止する樹脂製のモールドと、を有している。

パワー半導体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２は厚み方向に電流を流す構造のため、ベアチップ上面及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ボンディングワイヤにより配線する。

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（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２のゲート配線数に応じた数のゲート配線用のパッド４１、外部配線用のパッド４２を有している。この樹脂基板４上のゲート配線用のパッド４１とパワー半導体２のゲート間をボンディングワイヤ（以下、単にワイヤという。）６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（パワー半導体２）は、樹脂基板４のゲート配線用のパッド４１及びパターン４３を経て、パッド４２へと電気的に接続される。樹脂基板４は、モールド５外に導出され、樹脂基板４の端部に位置する外部配線用のパッド４２は、外部と接続される外部端子として機能する。また、パッド４２は基板スルーホール４２ａ形状となっている。

樹脂基板４上のゲート配線用のパッド４１は、狭ピッチでレイアウト可能であり、また、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２から樹脂基板４上に、配線材、例えばワイヤ６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。
樹脂基板４上の外部配線用のパッド４２については基板スルーホール形状であるため、パッド４１に比べ、狭ピッチ化は難しいが、隣接端子を千鳥配置することでサイズの増大を抑えることができる。
これにより、インバータ回路のようにパワー半導体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６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５）を用いたトランスファー成形により、パワー半導体２やリードフレーム３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５によってリードフレーム３の一部と一緒に封止されており、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。例えば、図１と図２に示すように、外部端子を基板スルーホールの孔形状とすれば、種々の接続形態を取ることができ、相手側との接合の親和性を確保することができる。

第１の接続形態は、相手側の接続端子を挿入し、はんだ付けすることにより、電気的接続を得る。図３（ａ）は、外部端子の基板スルーホール４２ａに相手側端子（例えば、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）における制御基板の端子）７の矢印方向への挿入前を示し、図３（ｂ）は、外部端子の基板スルーホール４２ａに相手側端子（例えば、ＥＣＵにおける制御基板の端子）７の挿入後ではんだ８により電気的接続が得られた状態を示す。
このような電気的接続により、相手側がリード端子を受けることが出来ない（相手側がオスピンである）場合に有効な手段となる。

第２の接続形態は、外部端子の基板スルーホール４２ａにコネクタ９の端子９ａを圧入し、当該コネクタ９と一対となるもう一方のコネクタ（もう一方のコネクタの図示なし。例えば、コネクタ９が雄型ならば、もう一方は雌型とする。またはその反対の組み合わせとする。）嵌合することにより電気的接続を得る。また、図示はしていないが、コネクタ９の端子９ａは、はんだ付けによって基板スルーホール４２ａと接続されてもよい。図４（ａ）は、外部端子の基板スルーホール４２ａにコネクタ９の端子９ａの矢印方向への挿入前を示し、図４（ｂ）は、外部端子の基板スルーホール４２ａにコネクタ９の端子９ａが挿入され、圧入された状態を示す。また、基板スルーホール４２ａとコネクタ９の間にケーブルがあってもよい。

第３の接続形態は、フレキシブル性を持ったケーブル（配線材）を実装し、相手側の基板スルーホールとはんだ付けすることにより電気的接続を得る。図５（ａ）は、外部端子の基板スルーホール４２ａにケーブル１２が接続された半導体モジュール１の全体を示し、図５（ｂ）は、フレキシブル性を持ったケーブル（配線材）１２の先端が被覆されていないケーブル端子１２ａ部分が挿入され、はんだ８により電気的接続が得られた状態を示す。
ここでのフレキシブル性を持ったケーブルとは、例えば、フレキシブル基板や、屈曲性のあるターミナルバスバをポリイミドフィルムで覆ったものがある。

上述のように、本実施形態の半導体モジュール１は、（１）樹脂基板４がリードフレーム３の一部と一緒に封止され、該樹脂基板４上のゲート配線用のパッド４１へワイヤ６を配線し、樹脂基板４上のパターン４３を経たもう一端の外部配線用のパッド４２を外部端子とした構造から小型化を図ることができると共に、（２）外部端子に基板スルーホール４２ａを備え、（２ａ）当該基板スルーホール４２ａに、相手方端子を挿入しはんだ付けして電気的接続を得ること、（２ｂ）該基板スルーホール４２ａに、コネクタ端子９ａをはんだ付けまたは圧入して電気的接続を得ること、（２ｃ）該基板スルーホール４２ａに、フレキシブル性のあるケーブル１２をはんだ付けして電気的接続を得ることによって、接続相手側とのとの接合の親和性を確保することができる。

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６参照）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６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６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６０、６１は自在継手、符号６２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
３ リードフレーム
４ 樹脂基板
５ モールド
６ ワイヤ（配線材）
７ 相手側端子
８ はんだ
９ コネクタ
９ａ コネクタ端子
１２ ケーブル（配線材）
１２ａケーブル端子
４１ ゲート配線用のパッド
４２ 外部配線用のパッド（外部端子）
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. 半導体モジュールにおいて、
   パワー半導体と、
   前記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の少なくとも一部を一緒に封止するモールドと、
   を有し、
   前記樹脂基板は、前記モールド外に一部が導出されて外部端子を構成し、
   前記外部端子が基板スルーホールであることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記基板スルーホールは、相手方端子を挿入し、はんだ付けして電気的接続を得るものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記基板スルーホールに、コネクタ端子をはんだ付けまたは圧入したことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
4. 前記基板スルーホールに、フレキシブル性のあるケーブルをはんだ付けしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の半導体モジュールを備えたことを特徴とする駆動装置。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の半導体モジュールを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
7. 請求項１から４のいずれかに記載の半導体モジュールを備えたことを特徴とする車両。

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