JP2018133463A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの小型化に有効な２層リードフレーム構造において、２層目のリードフレームの位置不安定化や、長いボンディングワイヤで発生するたるみ、モールド樹脂成形工程のワイヤ流れ等の不具合を抑制し、電気的ショートや断線故障を防止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】半導体モジュールの内部配線材のリードフレーム３（３１、３２）が２層の立体配線構造であり、２層目のリードフレーム３２の面方向の位置決めを行う位置決め部材７１を備えたことである。【選択図】図１

Description

本発明は、電動パワーステアリングのモータ駆動用の半導体モジュールに関する。

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誘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、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）。このセラミック基板における導電体板の周囲端部にはエポキシ樹脂などの固体絶縁物が配置され、上記ケースは、セラミック基板の四方を囲うようにして放熱板上に設置される等している。
この構成は、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。又、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、その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。
そこで、発明者は、この問題を解決するため、トランスファー成形を用い樹脂でモールドした半導体モジュールにおいて内部配線材のリードフレームを２層構造にして、パワー半導体素子がそれぞれの層に搭載された構造を採用することより各層のパワー半導体素子間の配線距離を短くでき、さらにパワー半導体間の接続バスバ及びその搭載スペースを削減でき、パワーモジュールの小型化を図ることを考えた。さらに、シャント抵抗３相分とバスバを一体に形成し、２層目上のＦＥＴに接続することで、部品面積を飛躍的に小さくすることを可能とした。

特開２００２−０７６１９７号公報

しかしながら、前記２層構造は、小型化に特化した構造であったため、２層目のリードフレームをタイバー（リードフレームを作成する際に各リードフレームをつなぐ部分をいう。）で固定できず、実装時に位置が不安定になることが懸念される。また、ボンディングワイヤの引き回しも信号用リードフレームと各点での距離及び高さに差ができ、長いワイヤでは、トランスファー成形時にモールド樹脂によってワイヤ流れが発生してしまう虞がある。

そこで、本発明は、実装時の２層目のリードフレームの位置を安定させると共に、モールド樹脂成形工程のモールド樹脂の流動に伴うワイヤ流れを抑制し、電気的ショートや断線故障を防止することができる半導体モジュール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、内部配線部材のリードフレームが２層の立体配線構造であり、２層目のリードフレームの面方向の位置決めを行う位置決め部材を備えたことを特徴する。
第二の発明は、第一の発明において、前記位置決め部材は、下方に開口を有し、２層目リードフレームの幅より幅の広いコの字型曲げ部分を有することを特徴とする。
第三の発明は、第一の発明または第二の発明において、前記位置決め部材は、前記２の層目リードフレームに溝部が設けられ、１層目のリードフレームに穴部が設けられ、前記位置決め部材は、前記溝部及び前記穴部に配置されることを特徴とする。
第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかにおいて前記位置決め部材の上方には、ボンディングワイヤを中継する中継点部材を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、実装時の２層目のリードフレームの位置を安定させると共に、モールド樹脂成形工程のモールド樹脂の流動に伴うワイヤ流れを抑制し、電気的ショートや断線故障を防止することができる。

本実施形態の半導体モジュールの内部構造を示す斜視図である。 本実施形態の半導体モジュールの内部構造を示す平面図である。 本実施形態の半導体モジュールの内部構造における２層目のリードフレーム面方向の位置合わせを示す斜視図である。 本実施形態の半導体モジュールの２層目のリードフレーム溝部構造についての正面視一部略断面図である。 本実施形態の半導体モジュールの１層目と位置決め中継点部材との合わせについて示す断面図である。 本実施形態の半導体モジュールの変形例の内部構造を示す斜視図である。 本実施形態の半導体モジュールの変形例の内部構造を示す平面図である。 本実施形態の半導体モジュールの変形例の２層目のリードフレーム溝部構造についての正面視一部略断面図である。 本実施形態の半導体モジュールのボンディングワイヤ接続例を示す平面図である。 本実施形態の半導体モジュールの位置決め中継点部材の第一の変形例を示す平面図である。 本実施形態の半導体モジュールの位置決め中継点部材の第二の変形例を示す平面図である。 本実施形態の半導体モジュールの位置決め中継点部材の第三の変形例を示す平面図である。

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１２参照）。なお、各図面は、半導体モジュールの内部構造の説明図であるため樹脂モールドは示されていない。

図１及び図２に示すように、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と２層のリードフレーム３を積層した立体配線構造を有し、はんだ５、バスバ６、位置決め中継点部材７（位置決め部材７１、中継点部材７２）などで構成されている。

本実施形態のパワー半導体素子２は、例えばＭＯＳＦＥＴであって、ＳｉまたはＳｉＣのベアチップ（ベアダイ）の状態のものを指す。ＭＯＳＦＥＴは縦構造で、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とされる。

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。本実施形態において、リードフレーム３は２層の立体配線構造となっている（図１参照。）。なお、図１において、１層目のリードフレームを符号３１、２層目のリードフレームを符号３２、及び１層目のリードフレーム３１の一部である信号用リードフレームを符号３３で表している。

また、パワー半導体素子２は、２層のリードフレーム３（３１、３２）に対して交互に積層された状態で搭載される。なお、図１において、１層目のパワー半導体素子（２個）を符号２１で、２層目のパワー半導体素子を符号２２で表している。最下層が１層目のリードフレーム３１であり、その上にはんだ５、１層目のパワー半導体素子２１、はんだ５、２層目のリードフレーム３２、はんだ５、２層目のパワー半導体素子２２の順に積層される。１層目のパワー半導体素子２１は、１層目のリードフレーム３１と２層目のリードフレーム３２との間に介在している。

また、２層目のパワー半導体素子２２は、バスバ６を使い、１層目のリードフレーム３１にはんだ付けで配線される。バスバ６は、３相インバータに対応して三叉状に分けて形成されており、図示しないインバータ回路における電流検出経路上に配置され、その一部がシャント抵抗９で構成されている（図２参照。）。また、３相インバータにおける各相のシャント抵抗９が１つのバスバ６に一体化されて形成され、２層目のパワー半導体素子２２に接続することで、部品面積を飛躍的に小さくすることが可能となった。
さらに、バスバ６の内、シャント抵抗９の両端の部分が平坦な部分を有する構造となっている。これにより、シャント抵抗９の両端にボンディングワイヤによる配線がしやすくなっている。
なお、バスバ６は、導電率の高い銅や銅合金などからなる。また、シャント抵抗９は、Ｃｕ−Ｎｉ系やＣｕ−Ｍｎ系などの材料からなる。

本実施形態の半導体モジュール１は、位置決め中継点部材７を備えており、２層目のリードフレーム３を生産時に安定して位置を出す部品として追加されるものである。
その位置決め中継点部材７は、平面方向（図１の矢印符号のＸ方向とＹ方向）の位置決め部材７１と、パワー半導体素子２２等各部品と信号リードフレーム３３とのボンディングワイヤの中継点部材７２との、２つの機能を併せ持った構成としている。先ず、位置決め中継点部材７の全体構造が分る位置決め部材７１の説明から行う。

本実施形態において、位置決め中継点部材７の内、２層目のリードフレームの面方向の位置決めを行う位置決め部材７１を備えている。この位置決め部材７１は、図１、図２に示すように、正面視で下方に開口を有し、２層目のリードフレーム３２の幅より幅の広いコの字型曲げ部分７１ｃを有し、２層目のリードフレーム３２の面方向の位置決めを行う。
具体的には、いわゆる桁橋状で下方に開口を有し、主桁に相当する部分の板状部７１ａと、橋台に相当する柱部７１ｂで構成されている。本実施形態では、位置決め部材７１は２層リードフレーム３２を跨ぐように配置され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相分のそれぞれの２層リードフレーム３２が収まる構造となっている（図３参照。）。

また、前後方向の位置抑制として、図４、図５に示すように、位置決め部材７１は、２の層目リードフレーム３２に溝部３ａが設けられ、１層目のリードフレーム３１に穴部３ｂが設けられ、溝部３ａ及び穴部３ｂに配置される。
溝部３ａは、図４に示すように、２層目のリードフレーム３２上方に形成されている。この溝部３ａは、位置合わせ用としての位置決め部材７１の板状部７１ａの下方が嵌めこまれ収まる形状と寸法に切り欠かれおり、位置ずれがしにくい構造となっている。

柱部７１ｂは、図５に示すように、２層目のリードフレーム３２の幅と同等の寸法間隔で、その２層目のリードフレーム３２を挟むように立っている。
また、図５に示すように、１層目のリードフレーム３１上に、柱部７１ｂに合った矩形状の穴部３ｂが形成されており固定されることで、この位置合わせに対して、位置決め中継点部材７そのものの位置ずれができない構造となっている。

これらの溝部３ａと穴部３ｂが位置決め部材７１との嵌合により、タイバーで接続されていない２層目のリードフレーム３２は、平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に安定性が増し、３相同時に固定する場合に実装性が向上させることができる。
すなわち、本願発明は、従来のパワーモジュールよりも小型化を図ると共に、２層目のリードフレーム３２を生産時に安定して位置を出す部品として追加されるだけで済み、半導体モジュールの大幅な設計変更をしなくても良い。

また、位置決め部材７１は、図６乃至図８に示すように、３つの２層目のリードフレーム３２を同時に一位置決めするのではなく、別々に位置決めすることもできる。すなわち、位置決め部材７１は、３相同時ではなく、１相ごとに固定することができる。

１相ごとに固定する位置決め部材７１は、図１の３相の内の１相分だけ固定する場合を図６に示している。また、図２の３相の内の１相分だけを固定する場合を図７に示している。また、図３の３相の内の１相分だけを固定した場合を図８に示している。なお、これら図６乃至図８において、共通する符号は同じ符号を用いている。
これらの図６乃至図８において、１相ごとに固定する位置決め部材７１は、いわゆる桁橋状で正面視下方に開口を有し、２層目のリードフレーム３２の幅より幅の広いコの字型曲げ部分７１ｃを有し、跨ぐように配置され、一相分のリードフレーム３を収める構造となっている。

また、位置決め部材７１は、前後方向の位置抑制のために、２層目のリードフレーム３２に溝部３ａが設けられ、１層目のリードフレーム３１上に柱部７１ｂに合った矩形状の穴部３ｂが設けられ、当該溝部３ａ及び穴部３ｂに配置され、これらの固定構造によって位置決めされる。

次に、パワー半導体素子２２等と信号リードフレーム３３とのボンディングワイヤの配線における中継点部材７２の説明を行う。
位置決め中継点部材７の中継点部材７２は、図１に示されるように、位置決め部材７１の上側位置（図１のＺ方向）に、はんだ付けまたは接着固定により実装される。本実施形態での中継点部材７２は、位置決め部材７１上に縦に１２個が並べられ、セラミック材料を素体とし、表面に導電性材料でなる電極を有している。その電極は中継点部材７２の片面または両面どちらに形成されてもよい。片面の場合には接着剤で、両面の場合にははんだ付けで、位置決め部材７１上に実装される。但し、両面電極の場合は、表裏の電極同士は電気的に絶縁している事が必要である。

そして、長い配線ワイヤの場合、材料がアルミや金ワイヤを使ったボンディングワイヤ８により中継点部材７２を中継して信号用リードフレーム３３に配線される。
例えば、ボンディングワイヤ８の配線例として、中継点部材７２が無い場合は、シャント抵抗９の上部両端と信号用リードフレーム３３とがボンディングワイヤ８で直接配線されるが、中継点部材７２が有る場合は、シャント抵抗９と中継点部材７２とがボンディングワイヤ８ａで配線され、さらに中継点部材７２と信号用リードフレーム３３とがボンディングワイヤ８ｂで配線される（図９参照。）。すなわち、長い１本のボンディングワイヤ８がボンディングワイヤ８ａとボンディングワイヤ８ｂに短い２本に分割され、ボンディングワイヤ８の配線長（ワイヤ長）を短くすることができる。

このように、絶縁材料であるセラミックを主とし表面に導電性材料を形成した中継点部材７２を用いて、ボンディングワイヤ８が中継点部材７２の電極を中継することにより、１本あたりの配線長（ワイヤ長）を短くすることで、モールドを形成するときに、ボンディングワイヤ８が樹脂の流れる方向に押し流れてしまうことを阻止し、ボンディングワイヤ８自体の断線やボンディングワイヤ８間のショート発生を減らす効果を奏することができる。

次に、これまでの実施形態では、図２に示すように、位置決め中継点部材７の中継点部材７２を縦に並べて成形していたが、三つの変形例について、図１０から図１２を用いて説明する。
なお、位置決め中継点部材７を、このように各種成形したことに伴い、中継点部材７２を縦方向に並べている本実施形態と異なるもの、その他の構造は縦並びの説明内容と同じで重複するため説明を省略する。

第一の変形例は、図１０のように、中継点部材７２の形状を横方向に長い横置きに成形したものである。これにより、ボンディングワイヤ８の接続方向が主に左右である場合に有効である。
なお、位置決め中継点部材７を、このように成形したことに伴い、Ｘ方向に幅広くに肉厚に形成される点が中継点部材７２を縦方向に並べている点が本実施形態と異なる。

第二の変形例は、図１１のように、中継点部材７２を縦置き６個と横置き２個組を４個とを複合させた十字文字形状であって、２つの中継点部材７２の間隔を置いて横並びにしたものである。これにより、複数の部品間を接続しやすくすることができる。
なお、位置決め中継点部材７を、このように成形したことに伴い、中継点部材７２の横並び部分がＸ方向に長くに形成される点が中継点部材７２を縦方向に並べている本実施形態と異なる。

第三の変形例として、図１２のように、中継点部材７２を縦置き６個と横置き４個とを複合させた十字文字形状であって、中継点部材７２の内、横置き４個の中継箇所の寸法を長くして中継面を広くしている。このように中継箇所をボンディングワイヤ８のワイヤ方向に長くしたことにより、この長さ分のボンディングワイヤ８の配線ピッチを短くでき、ワイヤ長を抑制することができる。
なお、位置決め中継点部材７を、このように成形したことに伴い、中継点部材７２の横並び部分がＸ方向に長くに形成される点が中継点部材７２を縦方向に並べている本実施形態と異なる。

以上の各変形によれば、半導体モジュールの立体配線構造に適応した中継点の形状とすることで、モールドを形成するときのボンディングワイヤ８自体の断線やボンディングワイヤ８相互間の電気ショート発生を減らすことができる。

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、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
３ａ 溝部
３ｂ 穴部
５ はんだ
６ バスバ
７ 位置決め中継点部材
８ ボンディングワイヤ
９ シャント抵抗
２１ １層目のパワー半導体素子
２２ ２層目のパワー半導体素子
３１ １層目のリードフレーム
３２ ２層目のリードフレーム
３３ 信号用リードフレーム
７１ 位置決め部材
７２ 中継点部材

Claims (4)

1. 半導体モジュールにおいて、
   内部配線部材のリードフレームが２層の立体配線構造であり、
   ２層目のリードフレームの面方向の位置決めを行う位置決め部材を備えたことを特徴する半導体モジュール。
2. 前記位置決め部材は、下方に開口を有し、２層目リードフレームの幅より幅の広いコの字型曲げ部分を有す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. 前記位置決め部材は、前記２の層目リードフレームに溝部が設けられ、１層目のリードフレームに穴部が設けられ、前記位置決め部材は、前記溝部及び前記穴部に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記位置決め部材の上方には、ボンディングワイヤを中継する中継点部材を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体モジュール。

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