JP5741772B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/40227—Connecting the strap to a bond pad of the item
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    • H01L2224/83417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
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    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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Description

本発明は、自動車用電気機器に組み込まれるパワーモジュール等の半導体モジュールに関する。
昨今、自動車等の車両における種々の電気機器の制御に電子装置が導入されてきた。電子装置が組み込まれた電気機器の一例として電動パワーステアリング装置では、自動車の操舵に係る電動モータが収容される筐体にモータ駆動部が設けられ、このモータ駆動部に電子装置が搭載される。この電子装置は、パワーモジュールとして、モータ駆動部に組み込まれる。
パワーモジュールは、電動パワーステアリング装置のような比較的大きな電流で駆動される電気機器の制御に適した、例えば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー素子を搭載したいわゆる半導体モジュールとして構成される。この種のパワーモジュールは、車両に搭載されることから車載モジュール（Ｉｎ−ｖｅｈｉｃｌｅ Ｍｏｄｕｌｅ）とも呼ばれる。
従来、この種の半導体モジュールとして、例えば、特許文献１に記載の技術がある。この技術は、金属基板上の配線パターンとベアチップトランジスタとを接合する電気的配線にワイヤを使用したものである。
また、例えば特許文献２に記載の技術のように、金属基板上に実装される半導体素子の電気的接続にリード部品を使用し、半田実装するものもある。ここでは、半導体素子と基板との高さの違いを、リード部品を傾斜させることによって繋いでいる。
さらに、例えば特許文献３に記載の技術のように、コネクタ配線の応力緩和を行うために、立ち上がり曲げ部を設けたり、配線途中にヒューズ形状（波形状）を設けたりするものもある。
ＪＰ２００４−３３５７２５Ａ ＪＰ２００７−９５９８４Ａ ＪＰ２０００−１２４３９８Ａ
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、ワイヤを使用した電気的配線を採用しているため、当該電気的配線をワイヤボンディング装置により実装することが必要となる。すなわち、その他の電子部品の半田実装とは別の製造工程でワイヤボンディングを行う必要があり、製造タクトが長くなる。また、ワイヤボンディングの専用設備が必要となるため、製造コストが高くなる。
また、上記特許文献２に記載の技術にあっては、リード部品は半導体素子側から基板側に向けて傾斜しているため、組立時（リード部品の配置時）にリード部品を吸着保持する位置は、リード部品の端部に形成された平坦部の一方となる。そのため、部品吸着時の重量バランスが悪く、部品配置時の位置ずれが懸念される。
さらに、上記特許文献３に記載の技術にあっては、配線途中にヒューズ形状を設けているため、組立時に部品吸着できる位置は、端部に形成された平坦面になる。したがって、この場合にも、部品吸着保持時の重量バランスが悪く、部品配置時の位置ずれが懸念される。
そこで、本発明は、製造タクトの短縮と製造コストの削減とを実現すると共に、組立性を向上することができる半導体モジュールを提供することを課題としている。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールの一態様は、以下のとおりである。すなわち、本発明に係る半導体モジュールの一態様は、金属製の基板と、該基板の上に形成された絶縁層と、該絶縁層上に形成された複数の配線パターンと、該複数の配線パターンのうち一つの配線パターン上に半田を介して実装されるベアチップトランジスタと、該ベアチップトランジスタの上面に形成された電極と前記複数の配線パターンのうち他の配線パターンとを半田を介して接合する、金属板で構成される金属板コネクタとを備えている。前記金属板コネクタは、水平な平板部と、該平板部の幅方向一端から立ち下がるように折り曲げられ前記電極に接合される第１の脚部と、前記平板部の幅方向他端から立ち下がるように折り曲げられ前記他の配線パターンに接合される第２の脚部とを有する形状である。更に前記金属板コネクタは、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅合金及びアルミニウム合金導体のうちのいずれか１つの材料からなる。また、基板と水平の少なくとも一方向には弾性を有する形状に形成されていることを特徴としている。
すなわち、前記金属板コネクタは、熱膨張率及び熱収縮率が前記基板や絶縁層とは異なることにより、加熱時もしくは冷却時に生じる金属板コネクタ接合部の相対的変位を少なくとも一方向には弾性的に吸収可能な形状となっている。加えて、組立の際に前記金属板コネクタを吸着保持可能な平坦面を前記第１の脚部と前記第２の脚部との間に有することを特徴としている。
このように、ベアチップトランジスタの電極と基板上の配線パターンとの接合部材として、金属板で構成される金属板コネクタを用いる形態であるため、これらの接合を半田実装により行える。すなわちベアチップトランジスタの電極と基板上の配線パターンとの接合と、ベアチップトランジスタやその他の基板実装部品を基板上の配線パターン上に実装する際に行われる半田実装作業とを同一の設備、更には、同一の工程で同時に行うことができる。このため、半導体モジュールの製造タクトを短くすることができると共に、ワイヤボンディングの専用設備が不要になり、半導体モジュールの製造コストを安価にすることができる。
さらに、金属板コネクタをブリッジ形状とすることで、前記脚部が半田により配線パターンに接合されても脚部間の相対的な位置変位の弾性的な吸収がより好ましいものとなる。すなわち、半田実装作業に含まれるリフロー工程の際の加熱や半導体モジュールの作動熱による基板及び金属板コネクタの熱収縮や熱膨張により接合部にかかる応力をより好ましく緩和し、接合部の信頼性を確保することができる。また、金属板コネクタの形状を第１の脚部と第２の脚部との間を平板部で接続したブリッジ形状とすることで、金属板コネクタの重心位置を平板部の平坦面の部分とすることができる。このため、組立の際の部品吸着時に金属板コネクタの重心位置を含めて吸引吸着保持することが容易となる。金属板コネクタの重心位置を含めて吸着保持することにより、吸着保持の安定性が向上するため、いわゆる移載時の安定性が向上し、部品配置位置の精度を確保することができる。
また、上記半導体モジュールにおいて、前記第１の脚部は、その一端が前記平板部の幅方向一端に第１屈曲部を介して接続されると共に、その他端には、前記電極上に半田を介して接合される接合面が、第２屈曲部を介して前記平板部の幅方向外向きに突出するように接続されており、前記第２の脚部は、その一端が前記平板部の幅方向他端に第３屈曲部を介して接続されると共に、その他端には、前記配線パターン上に半田を介して接合される接合面が、第４屈曲部を介して前記平板部の幅方向外向きに突出するように接続されていてもよい。
このように、４つの屈曲部を設けることで、金属板コネクタの平板部を基板から離間した頂上面とし、かつ、その部分を適切に平坦面とすることができる。また、金属板コネクタを、ブリッジ形状も兼ね備えた断面略ハット型の形状とすることで、プレス成形による製造により一層適したものとすることができる。すなわち、プレス加工におけるスプリングバックを抑制することができ、部品精度を向上させることができる。
さらに、上記半導体モジュールにおいて、前記第１屈曲部、前記第２屈曲部、前記第３屈曲部及び前記第４屈曲部の角度は、それぞれ鈍角であってもよい。
このように、４つの屈曲部の角度を鈍角とすることで、プレス成形時における離型性を良くすることができ、製造コストの低減に寄与する。
本発明の半導体モジュールでは、ベアチップトランジスタの電極と基板の配線パターンとの接合部材として、金属板で構成される金属板コネクタを用いる形態であるため、これらの接合を半田実装作業で行える。すなわちベアチップトランジスタの電極と基板の配線パターンとの接合と、ベアチップトランジスタやその他の基板実装部品を基板上の配線パターン上に実装する際に行われる半田実装作業とを同一の設備、更には同一の工程で同時に行うことができる。このため、半導体モジュールの製造タクトを短くすることができると共に、ワイヤボンディングの専用設備が不要になり、半導体モジュールの製造コストを安価にすることができる。
また、金属板コネクタをブリッジ形状とするので、上下左右方向の変位が吸収可能となり、半田実装作業に含まれるリフロー工程の際の加熱や半導体モジュールの作動熱による基板及び金属板コネクタの熱収縮や熱膨張により接合部にかかる応力を緩和し、接合部の信頼性を確保することができる。さらに、金属板コネクタの平坦面に重心を設けることができるので、組立の際の部品吸着時に金属板コネクタの重心位置を吸着することによりバランスよく部品を吸着保持することができる。これにより、移載時の安定性を向上することができ、組立配置位置精度を向上させることができる。
本発明に係る半導体モジュールが用いられる電動パワーステアリング装置の基本構造を示す図である。 コントローラの制御系を示すブロック図である 半導体モジュールを含むコントローラの分解斜視図である。 半導体モジュールの平面図である。 ベアチップＦＥＴの概略平面図である。 ベアチップＦＥＴの電極と基板上の配線パターンとの接合状態を説明するための模式図である。 金属板コネクタの形状を示す斜視図である。 金属板コネクタの形状を示す平面図及び正面図である。 金属板コネクタの形状の別の例を示す斜視図である。 半導体モジュールの製造方法を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る半導体モジュールが用いられる電動パワーステアリング装置の基本構造を示す図である。
図１の電動パワーステアリング装置において、操向ハンドル１のコラム軸２は、減速ギア３、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を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ７が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助する電動モータ８が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントローラ１０には、バッテリー（図示せず）から電力が供給されるとともに、イグニションキー（図示せず）を経てイグニションキー信号ＩＧＮ（図２参照）が入力される。コントローラ１０は、トルクセンサ７で検出された操舵トルクＴｓと車速センサ９で検出された車速Ｖとに基づいて、アシスト（操舵補助）指令となる操舵補助指令値の演算を行い、演算された操舵補助指令値に基づいて電動モータ８に供給する電流を制御する。
コントローラ１０は、主としてマイクロコンピュータで構成されるが、その制御装置の機構及び構成を示すと図２に示すようになる。
トルクセンサ７で検出された操舵トルクＴｓ及び車速センサ９で検出された車速Ｖは制御演算部としての制御演算装置１１に入力され、制御演算装置１１で演算された電流指令値をゲート駆動回路１２に入力する。電流指令値等に基づいてゲート駆動回路１２で形成されたゲート駆動信号は、ＦＥＴのブリッジ構成で成るモータ駆動部１３に入力され、モータ駆動部１３は非常停止用の遮断装置１４を経て３相ブラシレスモータで構成される電動モータ８を駆動する。３相ブラシレスモータの各相電流は電流検出回路１５で検出され、検出された３相のモータ電流ｉａ〜ｉｃは制御演算装置１１にフィードバック電流として入力される。また、３相ブラシレスモータには、ホールセンサ等の回転センサ１６が取り付けられており、回転センサ１６からの回転信号ＲＴがロータ位置検出回路１７に入力され、検出された回転位置θが制御演算装置１１に入力される。
また、イグニションキーからのイグニション信号ＩＧＮはイグニション電圧モニタ部１８及び電源回路部１９に入力され、電源回路部１９から電源電圧Ｖｄｄが制御演算装置１１に入力されるとともに、装置停止用となるリセット信号ＲＳが制御演算装置１１に入力される。さらに、遮断装置１４は、２相を遮断するリレー接点１４１及び１４２で構成されている。
また、モータ駆動部１３の回路構成について説明すると、電源ライン８１に対し、直列に接続されたＦＥＴＴｒ１及びＴｒ２、ＦＥＴＴｒ３及びＴｒ４、及びＦＥＴＴｒ５及びＴｒ６が直列に接続されている。そして、電源ライン８１に対して、並列に接続されたＦＥＴＴｒ１及びＴｒ３、ＦＥＴＴｒ５及びＴｒ２、及びＦＥＴＴｒ４及びＴｒ６が接地ライン８２に接続されている。これにより、インバータを構成する。ここで、ＦＥＴＴｒ１及びＴｒ２は、ＦＥＴＴｒ１のソース電極ＳとＦＥＴＴｒ２のドレイン電極Ｄとが直列に接続され、３相モータのｃ相アームを構成し、ｃ相出力ライン９１ｃにて電流が出力される。また、ＦＥＴＴｒ３及びＴｒ４は、ＦＥＴＴｒ３のソース電極ＳとＦＥＴＴｒ４のドレイン電極Ｄとが直列に接続され、３相モータのａ相アームを構成し、ａ相出力ライン９１ａにて電流が出力される。更に、ＦＥＴＴｒ５及びＴｒ６は、ＦＥＴＴｒ５のソース電極ＳとＦＥＴＴｒ６のドレイン電極Ｄとが直列に接続され、３相モータのｂ相アームを構成し、ｂ相出力ライン９１ｂにて電流が出力される。
図３は、図１に示す電動パワーステアリング装置の半導体モジュールを含むコントローラ１０の分解斜視図であり、コントローラ１０は、ケース２０と、モータ駆動部１３を含むパワーモジュールとしての半導体モジュール３０と、放熱用シート３９と、制御演算装置１１及びゲート駆動回路１２を含む制御回路基板４０と、電力及び信号用コネクタ５０と、３相出力用コネクタ６０と、カバー７０とを備えている。
ここで、ケース２０は、略矩形状に形成され、半導体モジュール３０を載置するための平板状の半導体モジュール載置部２１と、半導体モジュール載置部２１の長手方向端部に設けられた、電力及び信号用コネクタ５０を実装するための電力及び信号用コネクタ実装部２２と、半導体モジュール載置部２１の幅方向端部に設けられた、３相出力用コネクタ６０を実装するための３相出力用コネクタ実装部２３とを備えている。
そして、半導体モジュール載置部２１には、半導体モジュール３０を取り付けるための取付けねじ３８がねじ込まれる複数のねじ孔２１ａが形成されている。また、半導体モジュール載置部２１及び電力及び信号用コネクタ実装部２２には、制御回路基板４０を取り付けるための複数の取付けポスト２４が立設され、各取付けポスト２４には、制御回路基板４０を取り付けるための取付けねじ４１がねじ込まれるねじ孔２４ａが形成されている。更に、３相出力用コネクタ実装部２３には、３相出力用コネクタ６０を取り付けるための取付けねじ６１がねじ込まれる複数のねじ孔２３ａが形成されている。
また、半導体モジュール３０は、前述したモータ駆動部１３の回路構成を有し、図４に示すように、基板３１に、６個のＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６、電源ライン８１に接続された正極端子８１ａ、及び接地ライン８２に接続された負極端子８２ａが実装されている。また、基板３１には、ａ相出力ライン９１ａに接続されたａ相出力端子９２ａ、ｂ相出力ライン９１ｂに接続されたｂ相出力端子９２ｂ、及びｃ相出力ライン９１ｃに接続されたｃ相出力端子９２ｃを含む３相出力部９０が実装されている。また、基板３１上には、コンデンサを含むその他の基板実装部品３７が実装されている。更に、半導体モジュール３０の基板３１には、半導体モジュール３０を取り付けるための取付けねじ３８が挿通する複数の貫通孔３１ａが設けられている。
ここで、この半導体モジュール３０において、６個のＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６の基板３１上への実装について説明する。各ＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６は、ベアチップＦＥＴ（ベアチップトランジスタ）３５で構成され、図５に示すように、ベアチップＦＥＴ３５上にソース電極Ｓとゲート電極Ｇとを備え、また、ベアチップＦＥＴ３５の下面には図示しないドレイン電極を備えている。
半導体モジュール３０は、図６に示すように、金属製の基板３１を備え、基板３１の上には、絶縁層３２が形成されている。基板３１は、アルミニウムなどの金属製である。また、この絶縁層３２上には、複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄが形成されている。各配線パターン３３ａ〜３３ｄは、銅やアルミニウムなどの金属、又はこの金属を含む合金で構成される。
そして、複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち一つの配線パターン３３ａ上には半田３４ａを介して各ＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６を構成するベアチップＦＥＴ３５が実装されている。ベアチップＦＥＴ３５の下面に形成されたドレイン電極が半田３４ａを介して配線パターン３３ａに接合される。そして、ベアチップＦＥＴ３５のソース電極Ｓ上と複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち他の配線パターン３３ｂ上とがソース電極用金属板コネクタ３６ａでそれぞれ半田３４ｅ，３４ｂを介して接合される。ソース電極用金属板コネクタ３６ａは、金属板を打抜き及び曲げ加工することによって形成されるものであり、水平な平板部３６ａａと、平板部３６ａａの幅方向一端から立ち下がるように折り曲げられて延び、半田３４ｅを介してベアチップＦＥＴ３５のソース電極Ｓに接合される接続部３６ａｂと、平板部３６ａａの幅方向他端から立ち下がるように折り曲げられて延び、半田３４ｂを介して配線パターン３３ｂに接合される接続部３６ａｃとを備えている。
また、ベアチップＦＥＴ３５のゲート電極Ｇ上と複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち更に他の配線パターン３３ｃ上とがゲート電極用金属板コネクタ３６ｂでそれぞれ半田３４ｆ，３４ｃを介して接合される。ゲート電極用金属板コネクタ３６ｂは、金属板を打抜き及び曲げ加工することによって形成されるものであり、水平な平板部３６ｂａと、平板部３６ｂａの幅方向一端から立ち下がるように折り曲げられて延び、半田３４ｆを介してベアチップＦＥＴ３５のゲート電極Ｇに接合される接続部３６ｂｂと、平板部３６ｂａの幅方向他端から立ち下がるように折り曲げられて延び、半田３４ｃを介して配線パターン３３ｃに接合される接続部３６ｂｃとを備えている。
また、絶縁層３２上に形成された複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち更にもう一つ他の配線パターン３３ｄ上には半田３４ｄを介してコンデンサなどの他の基板実装部品３７が実装される。
次に、ソース電極用金属板コネクタ３６ａの形状について説明する。
ソース電極用金属板コネクタ３６ａは、図７に斜視図を示すように、平板部３６ａａと、接続部３６ａｂ（第１の脚部）と、接続部３６ａｃ（第２の脚部）とでブリッジ形状となっている。より具体的には、ソース電極用金属板コネクタ３６ａは、平板部３６ａａの左右方向（図７のＸ軸方向）一端部に、第１屈曲部３６ａｄを介して接続部３６ａｂの一端が接続されており、接続部３６ａｂの他端は、第２屈曲部３６ａｅを介して外向きの接合面３６ａｆが形成されている。この接合面３６ａｆの下面が半田３４ｅを介してベアチップＦＥＴ３５のソース電極Ｓに接合される。
また、接続部３６ａｂは、接合面３６ａｆ近傍に幅狭部３６ａｇを有する。幅狭部３６ａｇは、第１屈曲部３６ａｄから第２屈曲部３６ａｅに向けて狭くなるテーパ形状となっている。
平板部３６ａａの左右方向他端部には、第３屈曲部３６ａｈを介して接続部３６ａｃの一端が接続されており、接続部３６ａｃの他端は、第４屈曲部３６ａｉを介して外向きの接合面３６ａｊが形成されている。この接合面３６ａｊの下面が半田３４ｂを介して配線パターン３３ｂに接合される。
図８は、ソース電極用金属板コネクタ３６ａの形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
図８（ａ）に示すように、ソース電極用金属板コネクタ３６ａは、平板部３６ａａの前後方向（図８（ｂ）の上下方向）両端部に、プレス成形時の順送カット部３６ａｋを設ける。この順送カット部３６ａｋは、平板部３６ａａの前後方向外側に突出して形成されている。また、図８（ｂ）に示すように、ソース電極用金属板コネクタ３６ａは、４つの屈曲部（３６ａｄ，３６ａｅ，３６ａｈ，３６ａｉ）を備えており、ブリッジ形状も兼ね備えた断面略ハット型の形状を有する。ここで、各屈曲部の角度θは、鈍角（例えば９５°）であるものとする。
なお、ソース電極用金属板コネクタ３６ａの形状は、ソース電極Ｓと配線パターン３３ｂとを接合できるブリッジ形状であれば任意の形状をとることができる。例えば、図９（Ａ）に示すように、幅狭部３６ａｇを設けない形状としてもよい。但し、半田接合の際に後に述べるリフロー接合を行い、また、半導体モジュール３０が稼働した際に発熱により高温になることから、熱応力を緩和できる形状とすることが好ましい。ゲート電極用金属板コネクタ３６ｂについても同様である。
また、図７、図８、図９（Ａ）において、ソース電極用金属板コネクタ３６ａの平板部３６ａａ及びゲート電極用金属板コネクタ３６ｂの平板部３６ｂａには、平面（平坦面）上に重心（Ｃ）がくるように予め設計事項が決められており、前記ソース電極用金属板コネクタ３６ａ、ゲート電極用金属板コネクタ３６ｂを吸引吸着する時には重心部で行なわれるため移載時の安定性が確保される。金属コネクタ３６ａ、３６ｂの平板部３６ａａ、３６ｂａにある重心位置の吸着範囲は、２ｍｍ２程度の面積が好ましく、２〜５ｍｍ２程度の面積がより好ましい。
ソース電極用金属板コネクタ３６ａの平板部３６ａａ及びゲート電極用金属板コネクタ３６ｂの平板部３６ｂａの平面（平坦面）上に重心（Ｃ）が位置するようにするには、例えば図９（Ｂ）に示すように、平板部３６ａａ（平板部３６ｂａ）の厚さを、ソース電極用金属板コネクタ３６ａ（ゲート電極用金属板コネクタ３６ｂ）の他部、すなわち、接続部３６ａｂ（接続部３６ｂｂ）、接続部３６ａｃ（接続部３６ｂｃ）、接合面３６ａｆ、接合面３６ａｊの厚さよりも大きくすることが好ましい。平板部３６ａａ（平板部３６ｂａ）の板厚の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、ソース電極用金属板コネクタ３６ａ（ゲート電極用金属板コネクタ３６ｂ）の他部、すなわち、接続部３６ａｂ（接続部３６ｂｂ）、接続部３６ａｃ（接続部３６ｂｃ）、接合面３６ａｆ、接合面３６ａｊの板厚の約３倍としてもよい。
このように構成された半導体モジュール３０は、図３に示すように、ケース２０の半導体モジュール載置部２１上に複数の取付けねじ３８により取り付けられる。半導体モジュール３０の基板３１には、取付けねじ３８が挿通する複数の貫通孔３１ａが形成されている。
なお、半導体モジュール３０を半導体モジュール載置部２１上に取り付けるに際しては、放熱用シート３９を半導体モジュール載置部２１上に取付け、その放熱用シート３９の上から半導体モジュール３０を取り付ける。この放熱用シート３９により、半導体モジュール３０で発生した熱が放熱用シート３９を介してケース２０に放熱される。
また、制御回路基板４０は、基板上に複数の電子部品を実装して制御演算装置１１及びゲート駆動回路１２を含む制御回路を構成するものである。制御回路基板４０は、半導体モジュール３０を半導体モジュール載置部２１上に取り付けた後、半導体モジュール３０の上方から半導体モジュール載置部２１及び電力及び信号用コネクタ実装部２２に立設された複数の取付けポスト２４上に複数の取付けねじ４１により取り付けられる。制御回路基板４０には、取付けねじ４１が挿通する複数の貫通孔４０ａが形成されている。
また、電力及び信号用コネクタ５０は、バッテリー（図示せず）からの直流電源を半導体モジュール３０に、トルクセンサ１２や車速センサ９からの信号を含む各種信号を制御回路基板４０に入力するために用いられる。電力及び信号用コネクタ５０は、半導体モジュール載置部２１に設けられた電力及び信号用コネクタ実装部２２に複数の取付けねじ５１により取り付けられる。
そして、３相出力用コネクタ６０は、ａ相出力端子９２ａ、ｂ相出力端子９２ｂ、及びｃ相出力端子９２ｃからの電流を出力するために用いられる。３相出用コネクタ６０は、半導体モジュール載置部２１の幅方向端部に設けられた３相出力用コネクタ実装部２３に複数の取付けねじ６１により取り付けられる。３相出力コネクタ６０には、取付けねじ６１が挿通する複数の貫通孔６０ａが形成されている。
更に、カバー７０は、半導体モジュール３０、制御回路基板４０、電力及び信号用コネクタ５０、及び３相出力用コネクタ６０が取り付けられたケース２０に対し、制御回路基板４０の上方から当該制御回路基板４０を覆うように取り付けられる。
次に、半導体モジュール３０の製造方法について図１０を参照して説明する。
半導体モジュール３０の製造に際し、先ず、図１０（ａ）に示すように、金属製の基板３１の一方の主面上に絶縁層３２を形成する（絶縁層形成工程）。次いで、絶縁層３２上に複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄを形成する（配線パターン形成工程）。
その後、図１０（ｂ）に示すように、複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄ上にそれぞれ半田ペースト（半田３４ａ〜３４ｄ）を塗布する（半田ペースト塗布工程）。
そして、図１０（ｃ）に示すように、複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち一つの配線パターン３３ａ上に塗布された半田ペースト（半田３３ａ）上にベアチップＦＥＴ３５の一つを搭載するとともに（ベアチップＦＥＴ搭載工程）、他の配線パターン３３ｄ上に塗布された半田ペースト（半田３４ｄ）上にその他の基板実装部品３７を搭載する。その他のベアチップＦＥＴ３５についても、配線パターン３３ａと同一あるいは別個の配線パターン上に搭載する。
次いで、図１０（ｄ）に示すように、ベアチップＦＥＴ３５の上面に形成されたソース電極Ｓ及びゲート電極Ｄ上に半田ペースト（半田３４ｅ，３４ｆ）を塗布する（半田ペースト塗布工程）。
その後、図１０（ｅ）に示すように、ベアチップＦＥＴ３５のソース電極Ｓ上に塗布された半田ペースト（半田３４ｅ）上及び複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうちベアチップＦＥＴ３５が搭載された配線パターン３３ａ以外の他の配線パターン３３ｂ上に塗布された半田ペースト（半田３４ｂ）上に、ソース電極用金属板コネクタ３６ａを搭載する（ソース電極用金属板コネクタ搭載工程）。
また、ベアチップＦＥＴ３５のゲート電極Ｇ上に塗布された半田ペースト（半田３４ｆ）上、及び複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうちベアチップＦＥＴ３５が搭載された配線パターン３３ａ及びソース電極用金属板コネクタ３６ａが搭載された配線パターン３３ｂ以外の更に他の配線パターン３３ｃ上に塗布された半田ペースト（半田３４ｃ）上に、ゲート電極用金属板コネクタ３６ｂを搭載する（ゲート電極用金属板コネクタ搭載工程）。これにより、半導体モジュール中間組立体が構成される。
そして、以上の工程により構成された半導体モジュール中間組立体をリフロー炉（図示せず）に入れて、複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち一つの配線パターン３３ａとベアチップＦＥＴ３５との半田３４ａを介しての接合、配線パターン３３ｄとその他の基板実装部品３７との半田３４ｄを介しての接合、ベアチップＦＥＴ３５の上面に形成されたソース電極Ｓとソース電極用金属板コネクタ３６ａとの半田３４ｅを介しての接合、複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち他の配線パターン３３ｂとソース電極用金属板コネクタ３６ａとの半田３４ｂを介しての接合、ベアチップＦＥＴ３５の上面に形成されたゲート電極Ｇとゲート電極用金属板コネクタ３６ｂとの半田３４ｆを介しての接合、及び複数の配線パターン３３ａ〜３３ｄのうち更に他の配線パターン３３ｃとゲート電極用金属板コネクタ３６ｂとの半田３４ｃを介しての接合を一括して行う（接合工程）。
これにより、半導体モジュール３０は完成する。
ここで、ベアチップＦＥＴ３５のソース電極Ｓと基板３１上の配線パターン３３ｂとの接合にソース電極用金属板コネクタ３６ａを用い、ベアチップＦＥＴ３５のゲート電極Ｇと基板３１上の別の配線パターン３３ｃとの接合にゲート電極用金属板コネクタ３６ｂを用いることにより、これらの接合を半田実装作業により行える。すなわち、ベアチップＦＥＴ３５のソース電極Ｓと基板３１上の配線パターン３３ｂとの接合及びベアチップＦＥＴ３５のゲート電極Ｇと基板３１上の別の配線パターン３３ｃとの接合を、ベアチップＦＥＴ３５やその他の基板実装部品３７を基板３１上の配線パターン３３ａ，３３ｄ上に実装する際に行われる半田実装作業と同一の設備、更には、同一の工程で同時に行うことができる。このため、半導体モジュール３０の製造タクトを短くすることができるとともに、ワイヤボンディングの専用設備が不要になり、半導体モジュール３０の製造コストを安価にすることができる。
ところで、半導体モジュール３０の基板３１にはアルミニウムが用いられており、ソース電極用金属板コネクタ３６ａ及びゲート電極用金属板コネクタ３６ｂには剛性と高電気導電率を兼ね備えた材料が用いられている。アルミニウムの線膨張係数は２３．６×１０−６／℃であり、一例として銅材の線膨張係数は１６．８×１０−６／℃である。すなわち、基板３１の方が、ソース電極用金属板コネクタ３６ａ及びゲート電極用金属板コネクタ３６ｂよりも温度変化に対して変形しやすい。
そのため、リフロー工程や、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）作動中の発熱により高温となると、基板３１と金属板コネクタ３６ａ，３６ｂとの膨張率の違いにより、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂに応力がかかる。このとき、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂがこの応力を緩和できない構造となっていると、ベアチップＦＥＴ３５との半田接合が剥がれてしまうおそれがある。
これに対して、本実施形態では、金属板コネクタ３６ａ及び３６ｂをブリッジ形状とすることで、ブリッジ形状の各辺が伸び縮みするだけでなく各屈曲部が折れる方向にも変形できるので、板バネの効果が得られ、且つブリッジ形状骨格により上下左右方向（図７のＺ軸方向，Ｘ軸方向）の変位が吸収可能となる。すなわち、熱膨張、熱収縮により基板３１や金属板コネクタ３６ａ，３６ｂの変形が生じた場合であっても、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを曲がりやすくすることができる。
このように、金属板コネクタ３６ａ及び３６ｂは、リフロー工程で変形する場合や、ＥＰＳ作動中の発熱で変形する場合に、適切に変位吸収することができるので、金属板コネクタ３６ａ及び３６ｂとベアチップＦＥＴ３５との半田接合の剥がれを防止することができ、電気的接続の信頼性を確保することができる。
さらに、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂをブリッジ形状とすることで、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂの略中央部の平坦面（平板部３６ａａ）に重心（Ｃ）を設けることができる。そのため、基板３１への搭載に際し、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを搬送ツールにエアで吸着保持させる場合には、この平坦面を吸着面とすることができる。したがって、バランス良く金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを吸着保持することができ、部品配置位置精度を向上させることができる。
より詳細に説明すると、正規の設置位置から位置ズレが生じた状態で金属板コネクタ３６ａ，３６ｂが設置され半田接合されると、電極や配線パターンとの接合面積が正規の接合面積よりも小さくなるので、高電流が流れた際に過熱、発火等の問題が発生するおそれがある。しかしながら、重心（Ｃ）を吸着保持しつつ金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを移載すれば、優れた位置決め精度で金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを設置することができ、位置ズレ（例えば、図７に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向、又はＺ軸方向に移動した状態の位置ズレや、前記Ｚ軸を中心にして回転した状態の位置ズレ）を起こすことなく正規の設置位置に金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを設置することができる。よって、高電流が流れた際にも過熱、発火等の問題が発生しにくい。また、正規の設置位置に正確に設置することが可能であるため、この金属板コネクタ３６ａ，３６ｂは高密度実装に好適である。
また、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂの平坦面（平板部３６ａａ）に順送カット部３６ａｋを設けるので、カットがし易くなり、カット工程での部品の変形を抑制することができる。さらに、この順送カット部３６ａｋを、平板部３６ａａから外側に突出形成するので、平板部３６ａａの平坦面を変形することなくカットすることができる。
また、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂに４つの屈曲部を設け、ブリッジ形状を兼ね備えた断面略ハット型の形状とするので、プレス成形による製造により一層適したものとすることができる。すなわち、プレス加工によるスプリングバックを防止し、部品精度を向上させることができる。さらに、４つの屈曲部の角度を鈍角とするので、プレス成形時における離型性を良くすることができ、製造コストの低減に寄与する。また、４つの屈曲部の角度が鈍角であると、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂに対して応力が平板部３６ａａ、平板部３６ｂａの幅方向内向きに作用することとなるので、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂを安定した状態で設置することができる。
以上のように、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂをブリッジ形状としたので、変位吸収性を向上させることができる。また、金属板コネクタ３６ａ，３６ｂをブリッジ形状としたので、組立時における冶具によるエア吸着面が平坦面でかつ重心となることで部品の基板への搭載時における安定性を確保出来るため位置ズレを防止し、電気的接触の信頼性を確保することができる。
また、金属板コネクタは、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅合金、アルミニウム合金導体などの剛性と高電気導電率を兼ね備えた材料で、少なくとも基板と水平方向に弾性を有するように形成される。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、半導体モジュール３０においてベアチップＦＥＴ３５を用いているが、ベアチップＦＥＴ３５に限らず、ベアチップＩＧＢＴなどの他のベアチップトランジスタを用いてもよい。そして、その他のベアチップトランジスタを用いる場合には、金属板コネクタにより、ベアチップトランジスタの上面に形成された電極上と複数の配線パターンのうちベアチップトランジスタが接合された配線パターン以外の他の配線パターン上とを半田を介して接合すればよい。これにより、ベアチップトランジスタの電極と基板上の配線パターンとの接合をベアチップトランジスタやその他の基板実装部品を基板上の配線パターン上に実装する際に行われる半田実装作業と同一の設備、更には、同一の工程で同時に行うことができる。
そして、ベアチップトランジスタとしてベアチップＩＧＢＴを用いる場合、ベアチップＩＧＢＴ上に形成されたエミッタ電極及びゲート電極を、それぞれ、金属板コネクタを用いて基板上の配線パターンに半田を介して接合することが好ましい。
このように、ベアチップＩＧＢＴを用い、ベアチップＩＧＢＴ上に形成されたエミッタ電極及びゲート電極を、それぞれ、金属板コネクタを用いて基板上の配線パターンに半田を介して接合する場合には、ベアチップＩＧＢＴのエミッタ電極と基板上の配線パターンとの接合及びベアチップＩＧＢＴのゲート電極と基板上の別の配線パターンとの接合を、ベアチップＩＧＢＴやその他の基板実装部品を基板上の配線パターン上に実装する際に行われる半田実装作業と同一の設備、更には、同一の工程で同時に行うことができる。
更に、半導体モジュール３０において、ゲート電極用金属板コネクタは１種類であり、ソース電極用金属板コネクタは、ゲート電極用金属板コネクタに対して１８０°ストレート配置とする第１ソース電極用金属板コネクタ（図４のＴｒ２及びＴｒ４を参照）と、ゲート電極用金属板コネクタに対して９０°直角配置とする第２ソース電極用金属板コネクタ（図４のＴｒ１、Ｔｒ３、及びＴｒ５を参照）との２種類であり、１つのベアチップＦＥＴにおいて、１種類のゲート電極用金属板コネクタと、２種類の第１ソース電極用金属板コネクタ及び第２ソース電極用金属板コネクタのうちから選択されたいずれか一方のソース電極用金属板コネクタとを組み合わせて使用するとよい。
なお、ゲート電極用金属板コネクタに対する第１ソース電極用金属板コネクタの配置（ゲート電極用金属板コネクタと第１ソース電極用金属板コネクタのなす角度）は、９５〜２６５°とすることが好ましく、１６０〜２００°とすることがより好ましく、１７５〜１８５°とすることがさらに好ましく、１８０°とすることが最も好ましい。
また、ゲート電極用金属板コネクタに対する第２ソース電極用金属板コネクタの配置（ゲート電極用金属板コネクタと第２ソース電極用金属板コネクタのなす角度）は、５〜１７５°とすることが好ましく、７０〜１２０°とすることがより好ましく、８５〜９５°とすることがさらに好ましく、９０°とすることが最も好ましい。
この半導体モジュールによれば、前述の半導体モジュール３０と同様に、基板上に実装されるベアチップトランジスタの配置に自由度が生まれ、基板上の配線の設計の自由度が増大し、基板上における半導体モジュールのレイアウトをコンパクトにすることができる。さらに、基板上における３相モータの各相の径路の長さを同一にすることを容易に行うことができる。これにより、３相モータの各相特性、特に各相のインピーダンス特性を容易に一致させることができ、トルクや速度等のリップル精度を向上することが可能になる。
１…操向ハンドル、２…コラム軸、３…減速ギア、４Ａ，４Ｂ…ユニバーサルジョイント、５…ピニオンラック機構、６…タイロッド、７…トルクセンサ、８…電動モータ、９…車速センサ、１０…コントローラ、１１…制御演算装置、１２…ゲート駆動回路、１３…モータ駆動部、１４…非常停止用の遮断装置、１５…電流検出回路、１６…回転センサ、１７…ロータ位置検出回路、１８…ＩＧＮ電圧モニタ部、１９…電源回路部、２０…ケース、２１…半導体モジュール載置部、２１ａ…ねじ孔、２２…電力及び信号用コネクタ実装部、２３…３相出力用コネクタ実装部、２３ａ…ねじ孔、２４…取付けポスト、２４ａ…ねじ孔、３０…半導体モジュール、３１…基板、３１ａ…貫通孔、３２…絶縁層、３３ａ〜３３ｄ…配線パターン、３４ａ〜３４ｄ…半田、３５…ベアチップＦＥＴ（ベアチップトランジスタ）、３６ａ…ソース電極用金属板コネクタ、３６ａａ…平板部、３６ａｂ…接続部（第１の脚部）、３６ａｃ…接続部（第２の脚部）、３６ａｄ…第１屈曲部、３６ａｅ…第２屈曲部、３６ａｆ…接合面、３６ａｇ…幅狭部、３６ａｈ…第３屈曲部、３６ａｉ…第４屈曲部、３６ａｊ…接合面、３６ａｋ…順送カット部、３６ｂ…ゲート電極用金属板コネクタ、３６ｂａ…平板部、３６ｂｂ…接続部、３６ｂｃ…接続部、３７…基板実装部品、３８…取付けねじ、３９…放熱用シート、４０…制御回路基板、４０ａ…貫通孔、４１…取付けねじ、５０…電力及び信号用コネクタ、５１…取付けねじ、６０…３相出力用コネクタ、６０ａ…貫通孔、６１…取付けねじ、７０…カバー、８１…電源ライン、８１ａ…正極端子、８２…接地ライン、８２ａ…負極端子、９０…３相出力部、９１ａ…ａ相出力ライン、９１ｂ…ｂ相出力ライン、９１ｃ…ｃ相出力ライン、Ｇ…ゲート電極（電極）、Ｓ…ソース電極（電極）、Ｃ…重心

Claims (4)

  1. 金属製の基板と、該基板の上に形成された絶縁層と、該絶縁層上に形成された複数の配線パターンと、該複数の配線パターンのうち一つの配線パターン上に半田を介して実装されるベアチップトランジスタと、該ベアチップトランジスタの上面に形成された電極上と前記複数の配線パターンのうち他の配線パターン上とを半田を介して接合する、金属板で構成される金属板コネクタとを備え、
    前記金属板コネクタは、水平な平板部と、該平板部の幅方向一端から立ち下がるように折り曲げられ前記電極上に接合される第１の脚部と、前記平板部の幅方向他端から立ち下がるように折り曲げられ前記他の配線パターン上に接合される第２の脚部とを有してブリッジ形状をなし、前記金属板コネクタは、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅合金及びアルミニウム合金導体のうちのいずれか１つの材料で、少なくとも水平方向に弾性を有するように形成され、
    前記金属板コネクタの前記第１の脚部と前記第２の脚部との間を接続する前記平板部は、平面上に重心がありかつ平面であり、
    前記平板部の厚さは前記金属板コネクタの他部の厚さよりも大きく、
    前記ベアチップトランジスタが、上面にソース電極及びゲート電極を形成したベアチップＦＥＴであり、前記金属板コネクタが、ソース電極用金属板コネクタと、ゲート電極用金属板コネクタとを備え、前記ベアチップＦＥＴのソース電極上と前記複数の配線パターンのうち他の配線パターン上とを前記ソース電極用金属板コネクタで半田を介して接合し、前記ベアチップＦＥＴのゲート電極上と前記複数の配線パターンのうち更に他の配線パターン上とを前記ゲート電極用金属板コネクタで半田を介して接合するものであり、
    前記ゲート電極用金属板コネクタは１種類であり、前記ソース電極用金属板コネクタは、前記ゲート電極用金属板コネクタに対して１８０°ストレート配置とする第１ソース電極用金属板コネクタと、前記ゲート電極用金属板コネクタに対して９０°直角配置とする第２ソース電極用金属板コネクタとの２種類であり、１つのベアチップＦＥＴにおいて、前記１種類のゲート電極用金属板コネクタと前記２種類の第１ソース電極用金属板コネクタ及び第２ソース電極用金属板コネクタのうちから選択されたいずれか一方のソース電極用金属板コネクタとを組み合わせて使用することを特徴とする半導体モジュール。
  2. 電動パワーステアリング装置が備える３相ブラシレスモータを駆動するモータ駆動部に使用され、前記３相ブラシレスモータの各相の経路の長さが同一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. 前記第１の脚部は、その一端が前記平板部の幅方向一端に第１屈曲部を介して接続されると共に、その他端には、前記電極上に半田を介して接合される接合面が、第２屈曲部を介して前記平板部の幅方向外向きに突出するように接続されており、
    前記第２の脚部は、その一端が前記平板部の幅方向他端に第３屈曲部を介して接続されると共に、その他端には、前記配線パターン上に半田を介して接合される接合面が、第４屈曲部を介して前記平板部の幅方向外向きに突出するように接続される請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記第１屈曲部、前記第２屈曲部、前記第３屈曲部及び前記第４屈曲部の角度は、それぞれ鈍角であることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
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