JP5807721B2 - 半導体モジュール - Google Patents
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- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
- H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
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- H01L2224/40151—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
- H01L2224/40153—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 arranged next to each other, e.g. on a common substrate
- H01L2224/40155—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 arranged next to each other, e.g. on a common substrate the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/40157—Connecting the strap to a bond pad of the item
- H01L2224/40159—Connecting the strap to a bond pad of the item the bond pad protruding from the surface of the item
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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
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- H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
- H01L2224/41—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of a plurality of strap connectors
- H01L2224/411—Disposition
- H01L2224/4112—Layout
- H01L2224/41175—Parallel arrangements
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- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73263—Layer and strap connectors
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- H01L2224/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and for methods related thereto
- H01L2224/77—Apparatus for connecting with strap connectors
- H01L2224/7725—Means for applying energy, e.g. heating means
- H01L2224/77272—Oven
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- H01L2224/80—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
- 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
- H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
- H01L2224/83192—Arrangement of the layer connectors prior to mounting wherein the layer connectors are disposed only on another item or body to be connected to the semiconductor or solid-state body
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- H01L2224/80—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
- 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
- H01L2224/832—Applying energy for connecting
- H01L2224/8321—Applying energy for connecting using a reflow oven
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- H01L2224/80—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
- 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
- H01L2224/834—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
- 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
- H01L2224/83424—Aluminium [Al] as principal constituent
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- H01L2224/80—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
- 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
- H01L2224/834—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
- 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
- H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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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
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/83801—Soldering or alloying
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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
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/83801—Soldering or alloying
- H01L2224/83815—Reflow soldering
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- H01L2224/84—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 strap connector
- H01L2224/84053—Bonding environment
- H01L2224/84095—Temperature settings
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- H01L2224/84—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 strap connector
- H01L2224/8438—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/84399—Material
- H01L2224/844—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
- H01L2224/84417—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
- H01L2224/84424—Aluminium [Al] as principal constituent
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- H01L2224/84—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 strap connector
- H01L2224/8438—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/84399—Material
- H01L2224/844—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
- H01L2224/84438—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
- H01L2224/84447—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
- H01L2224/92—Specific sequence of method steps
- H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
- H01L2224/9222—Sequential connecting processes
- H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
- H01L2224/92246—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a strap connector
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
- H01L2224/92—Specific sequence of method steps
- H01L2224/922—Connecting different surfaces of the semiconductor or solid-state body with connectors of different types
- H01L2224/9222—Sequential connecting processes
- H01L2224/92242—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
- H01L2224/92247—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector the second connecting process involving a wire connector
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/33—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of a plurality of layer connectors
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- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/35—Manufacturing methods
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- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
- H01L24/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
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- H01L24/80—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
- H01L24/84—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 strap connector
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- H01L24/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L24/80 - H01L24/90
- H01L24/92—Specific sequence of method steps
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- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
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- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/013—Alloys
- H01L2924/014—Solder alloys
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- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
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- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
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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。
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を電気的に接続するリード部品を、半導体上の電極よりも大きくすると共に、接触部の信頼性の確保のために複数の接点としたり、接点幅を広くしたりするものもある。
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。
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を電気的に接続するリード部品を、半導体上の電極よりも大きくすると共に、接触部の信頼性の確保のために複数の接点としたり、接点幅を広くしたりするものもある。
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。
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異なり、製造工程を別で行う必要があり、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、大型の接点としているため、接合面が大きくなりすぎるために、捩れや熱収縮に弱くなる。そのため、接合部の信頼性を確保することが難しい。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が、ヒューズ形状は成形が困難であり実用性に乏しい。
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、接合部の信頼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ことを課題としている。
また、上記特許文献2に記載の技術にあっては、大型の接点としているため、接合面が大きくなりすぎるために、捩れや熱収縮に弱くなる。そのため、接合部の信頼性を確保することが難しい。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が、ヒューズ形状は成形が困難であり実用性に乏しい。
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、接合部の信頼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通りである。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、銅板で構成される銅コネクタとを備えている。前記銅コネクタは、平板部と、該平板部の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す。更に、前記第1の脚部に、前記電極との接合面とは反対側の端部から前記接合面が形成された端部へ向けて幅が狭くなる幅狭部を設ける。また、前記第1の脚部の前記電極との接合面に、当該接合面に作用する応力を緩和する形状を有する応力緩和部を設けることを特徴としている。
すなわち、前記銅コネクタは、熱膨張率及び熱収縮率が前記基板とは異なることにより、加熱時もしくは冷却時に生じる銅コネクタ接合部の上下方向、左右方向、前後方向及び捻り方向の変位を吸収可能な形状を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、銅板で構成される銅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、銅コネクタをブリッジ形状とすることで、上下左右方向の変位が吸収可能となる。また、銅コネクタのベアチップトランジスタの電極と接合する第1の脚部に幅狭部を設けることで、前後方向及び捻り方向の変位が吸収可能となる。さらにまた、第1の脚部の上記電極との接合面に応力緩和部を設けるので、接合部に生じる応力を緩和することができる。したがって、リフロー工程や作動熱により熱膨張や熱収縮が発生した場合に、銅コネクタとベアチップトランジスタの電極との半田接合を剥がれ難くすることができ、接合部の信頼性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、前記応力緩和部として、前記接合面に切り欠き部を形成したり、前記接合面を薄板で形成したり、前記接合面の角部に面取り部を形成したり、前記接合面の中央に孔を形成したりしてもよい。このように、切り欠き部を形成することで、接合部を2つにすることができると共に、各々の接合部の幅をさらに狭くすることができるため、捻りを受けても追従しやすくなる。また、接点が2つになることで所謂2重系を構成できるので、電気的信頼性が向上する。
また、応力緩和部として薄板形状を採用した場合、板厚が薄いために捩れやすく、変位吸収しやすい。さらに、応力緩和部として先端R形状を採用した場合、捻りを受けたときの角部への応力集中を逃がす効果がある。さらにまた、応力緩和部として孔を形成した場合、半田が浸透ぬれ現象により接合面の上面に流れて放射状に広がるので、捻りを受けても半田が剥がれ難い。
また、上記半導体モジュールにおいて、前記第1の脚部と前記第2の脚部にそれぞれ、前記接合面に作用する応力を緩和するダンベル形状のダンベル部を形成してもよい。
また、上記半導体モジュールにおいて、前記第1の脚部と前記第2の脚部にそれぞれ、前記接合面に作用する応力を緩和するダンベル形状のダンベル部を形成してもよい。
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上の配線パターンとの接合を、銅板で構成される銅コネクタを用いることにより、半田実装作業で行えるので、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、銅コネクタをブリッジ形状とすると共に、ベアチップトランジスタの電極と接合する第1の脚部に幅狭部と応力緩和部とを設けるので、あらゆる方向の変位が吸収可能となる。そのため、リフロー工程での銅コネクタの熱変形を吸収し、接合部の信頼性を確保することができる。さらに、製品使用時における温度変化による銅コネクタの破損を防止することができる。
また、銅コネクタをブリッジ形状とすると共に、ベアチップトランジスタの電極と接合する第1の脚部に幅狭部と応力緩和部とを設けるので、あらゆる方向の変位が吸収可能となる。そのため、リフロー工程での銅コネクタの熱変形を吸収し、接合部の信頼性を確保することができる。さらに、製品使用時における温度変化による銅コネクタの破損を防止することができる。
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を経て走行車輪のタイロッド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。
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を経て走行車輪のタイロッド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。
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。
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に接合された負極端子82aが実装されている。また、基板31には、a相出力ライン91aに接合されたa相出力端子92a、b相出力ライン91bに接合されたb相出力端子92b、及びc相出力ライン91cに接合された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銅コネクタ36aでそれぞれ半田34e,34bを介して接合される。
ソース電極用銅コネクタ36aは、銅板を打抜き及び曲げ加工することによって形成される。ソース電極用銅コネクタ36aは、平板部36aaと、平板部36aaの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。
ソース電極用銅コネクタ36aは、銅板を打抜き及び曲げ加工することによって形成される。ソース電極用銅コネクタ36aは、平板部36aaと、平板部36aaの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銅コネクタ36bでそれぞれ半田34f,34cを介して接合される。
ゲート電極用銅コネクタ36bは、銅板を打抜き及び曲げ加工することによって形成される。ゲート電極用銅コネクタ36bは、平板部36baと、平板部36baの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。
ゲート電極用銅コネクタ36bは、銅板を打抜き及び曲げ加工することによって形成される。ゲート電極用銅コネクタ36bは、平板部36baと、平板部36baの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、ソース電極用銅コネクタ36aの形状について説明する。
ソース電極用銅コネクタ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、ソース電極用銅コネクタ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。
ソース電極用銅コネクタ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、ソース電極用銅コネクタ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に向けて幅が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。
さらに、接合面36afには、当該接合面36afに作用する応力を緩和する形状を有する応力緩和部36akを設ける。図8〜図11は、応力緩和部36akの形状の例を示す図である。図8、図9及び図11において、符号PはソースPADである。図8に示す応力緩和部36akは、接合面36afにスリット(切り込み)を設けたものである。なお、当該スリットは、接合面36afの先端部を2つの面に分けられるものであれば、その形状や大きさは適宜選択可能である。
応力緩和部36akの別の例としては、例えば図9に示すように、接合面36afの板厚を薄くするものもある。また、応力緩和部36akとしては、図10に示すように、接合面36af先端の角に面取り部を設けるものもある。ここで、面取り部は、図11に示すR面取りに代えて、大きな円でもよく、またC面取りでもよい。さらに、応力緩和部36akとしては、図10に示すように、接合面36afの中央に孔を設けるものもある。
なお、ソース電極用銅コネクタ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。また、応力緩和部36akの形状についても、ソース電極Sと接合できる形状であれば任意の形状をとることができる。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。ゲート電極用銅コネクタ36bについても同様である。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7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。
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12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12(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12(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12(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34a)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12(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G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12(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、ソース電極用銅コネクタ36aを搭載する(ソース電極用銅コネクタ搭載工程)。
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及びソース電極用銅コネクタ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、ゲート電極用銅コネクタ36bを搭載する(ゲート電極用銅コネクタ搭載工程)。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とソース電極用銅コネクタ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とソース電極用銅コネクタ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とゲート電極用銅コネクタ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とゲート電極用銅コネクタ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銅コネクタ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銅コネクタ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ので、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、ソース電極用銅コネクタ36a及びゲート電極用銅コネクタ36bには銅材が用いられている。アルミニウムの線膨張係数は23.6×10−6/℃であり、銅材の線膨張係数は16.8×10−6/℃であり、ベアチップFET35のシリコンの線膨張係数は2.5×10−6/℃である。すなわち、基板31の方が、銅コネクタ36a及び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及びベアチップFET35と銅コネクタ36a,36bとの膨張率の違いにより、銅コネクタ36a,36bに応力がかかる。このとき、銅コネクタ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。
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及びベアチップFET35と銅コネクタ36a,36bとの膨張率の違いにより、銅コネクタ36a,36bに応力がかかる。このとき、銅コネクタ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、銅コネクタ36a及び36bをブリッジ形状とし、ベアチップFET35の電極との接合面36af付近に幅狭部36agを設けると共に、ベアチップFET35の電極との接合面36afに応力緩和部36akを設ける。このように、銅コネクタ36a,36bをブリッジ形状とすることで、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。また、幅狭部36agを設けることで、曲げの基点を細くすることができ、前後方向(図7のY軸方向)及び捻り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や銅コネクタ36a,36bに変形が生じた場合であっても、銅コネクタ36a,36bを曲がりやすくすることができる。また、幅狭部36agを接合面36af近傍に設けるので、銅コネクタ36a,36bが幅狭部36agを基点に曲がったときの、銅コネクタ36a,36bとベアチップFET35との半田接合が剥がれにくい。
さらに、応力緩和部36akを設けることで、捻り方向への応力を緩和することができる。特に、銅コネクタ36a,36bの応力緩和形状を、図8に示すスリット形状とした場合、ベアチップFET35との接点が2つになると共に、各々の接合部の幅がさらに狭くなるため、捻りを受けても追従しやすくなる。また、接点が2つになることで所謂2重系を構成できるので、電気的信頼性が向上する。
さらに、応力緩和部36akを設けることで、捻り方向への応力を緩和することができる。特に、銅コネクタ36a,36bの応力緩和形状を、図8に示すスリット形状とした場合、ベアチップFET35との接点が2つになると共に、各々の接合部の幅がさらに狭くなるため、捻りを受けても追従しやすくなる。また、接点が2つになることで所謂2重系を構成できるので、電気的信頼性が向上する。
また、図9に示す薄板形状とした場合、板厚が薄いために捩れやすく、変位吸収しやすい。図11に示す先端R形状とした場合、捻りを受けたときの角部への応力集中を逃がす効果がある。さらに、図10に示す孔形状とした場合にも、捩りを受けても追従しやすくなる。また、半田が浸透ぬれ現象により接合面36afの上面に流れて放射状に広がるので、捻りを受けても半田が剥がれ難い。
またさらに、接合面36af及び接合面36ajに作用する応力を緩和する第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amを設けたソース電極用銅コネクタ36aの形状について説明する。なお、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの両方又は一方を、応力緩和部36ak及び幅狭部36agに加えて更に設けてもよいが、応力緩和部36ak又は幅狭部36agに代えて設けてもよい。また、応力緩和部36ak及び幅狭部36agを設けることなく、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの両方又は一方を設けてもよい。
またさらに、接合面36af及び接合面36ajに作用する応力を緩和する第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amを設けたソース電極用銅コネクタ36aの形状について説明する。なお、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの両方又は一方を、応力緩和部36ak及び幅狭部36agに加えて更に設けてもよいが、応力緩和部36ak又は幅狭部36agに代えて設けてもよい。また、応力緩和部36ak及び幅狭部36agを設けることなく、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの両方又は一方を設けてもよい。
図13に示すように、ソース電極用銅コネクタ36aは、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、ソース電極用銅コネクタ36aは、平板部36aaの左右方向(図13のX軸方向)の一端部に、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の他端には、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のソース電極に接合される。
接続部36abの接合面36af近傍には、幅狭な第1ダンベル部36alが形成されている。詳述すると、接続部36abの幅方向両側部に、例えば半円弧状の切り欠きが対向して設けられていて、この切り欠きにより、接続部36abにはダンベル形状をなす第1ダンベル部36alが形成されている。
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。
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。
接続部36acには、そのほぼ中央付近に、幅狭な第2ダンベル部36amが形成されている。詳述すると、接続部36acの幅方向両側部に、例えば半円弧状の切り欠きが対向して設けられていて、この切り欠きにより、接続部36acにはダンベル形状をなす第2ダンベル部36amが形成されている。
この幅狭な第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amにより、ソース電極用銅コネクタ36aは、捩れやすく、変位吸収しやすい。第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amによる応力緩和の効果としては、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amが伸び縮みするだけでなく、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの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る。かつ、ソース電極用銅コネクタ36aは、ブリッジ形状による応力緩和によって上下方向、左右方向への変形吸収が更に可能となる。
この幅狭な第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amにより、ソース電極用銅コネクタ36aは、捩れやすく、変位吸収しやすい。第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amによる応力緩和の効果としては、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amが伸び縮みするだけでなく、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの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る。かつ、ソース電極用銅コネクタ36aは、ブリッジ形状による応力緩和によって上下方向、左右方向への変形吸収が更に可能となる。
なお、接続部36ab及び接続部36acには、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amの代わりに、接合面36af及び接合面36ajに作用する応力を緩和する湾曲部36an及び湾曲部36aoを設けてもよい(図14を参照)。湾曲部36an及び湾曲部36aoを設けたソース電極用銅コネクタ36aの形状について、以下に説明する。ただし、湾曲部36an及び湾曲部36aoの両方または一方を、応力緩和部36ak及び幅狭部36agに加えて更に設けてもよいが、応力緩和部36ak又は幅狭部36agに代えて設けてもよい。また、応力緩和部36ak及び幅狭部36agを設けることなく、湾曲部36an及び湾曲部36aoの両方又は一方を設けてもよい。
図14に示すソース電極用銅コネクタ36aは、図13に示すソース電極用銅コネクタ36aと基本構成は同様であるが、接続部36ab及び接続部36acの形状が異なっており、図14に示すソース電極用銅コネクタ36aの接続部36ab及び接続部36acには、略“7”の字状に湾曲して形成された湾曲部36an及び湾曲部36aoが設けられている。
詳述すると、接続部36abは、平板部36aaの左右方向(図7のX軸方向)一端部に接続され平板部36aaと同幅の幅広部と、この幅広部のうち平板部36aaの幅方向(図7のY軸方向)一端部から、平板部36aaの幅方向中央部に位置する接合面36afに向かって斜め方向に延びる斜め部とで構成されている。また、この斜め部は、幅広部よりも幅狭で、前記幅広部から接合面36afまでの全長にわたって略同幅である。これにより接続部36abは、全体として略“7”の字状に湾曲しており、湾曲部36anを構成している。
詳述すると、接続部36abは、平板部36aaの左右方向(図7のX軸方向)一端部に接続され平板部36aaと同幅の幅広部と、この幅広部のうち平板部36aaの幅方向(図7のY軸方向)一端部から、平板部36aaの幅方向中央部に位置する接合面36afに向かって斜め方向に延びる斜め部とで構成されている。また、この斜め部は、幅広部よりも幅狭で、前記幅広部から接合面36afまでの全長にわたって略同幅である。これにより接続部36abは、全体として略“7”の字状に湾曲しており、湾曲部36anを構成している。
一方、接続部36acも接続部36abとほぼ同様であり、平板部36aaの左右方向(図7のX軸方向)他端部に接続され平板部36aaと同幅の幅広部と、この幅広部のうち平板部36aaの幅方向(図7のY軸方向)他端部から、接合面36ajの幅方向中央部に向かって斜め方向に延びる斜め部とで構成されている。また、この斜め部は、幅広部よりも幅狭で、前記幅広部から接合面36ajまでの全長にわたって略同幅である。これにより接続部36acは、全体として略“7”の字状に湾曲しており、湾曲部36aoを構成している。
これら湾曲部36an及び湾曲部36aoにより、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amと同様の作用が奏されるため、図14のソース電極用銅コネクタ36aは、捩れやすく、変位吸収しやすい。かつ、図14のソース電極用銅コネクタ36aは、ブリッジ形状による応力緩和によって上下方向、左右方向への変形吸収が更に可能となる。
これら湾曲部36an及び湾曲部36aoにより、第1ダンベル部36al及び第2ダンベル部36amと同様の作用が奏されるため、図14のソース電極用銅コネクタ36aは、捩れやすく、変位吸収しやすい。かつ、図14のソース電極用銅コネクタ36aは、ブリッジ形状による応力緩和によって上下方向、左右方向への変形吸収が更に可能となる。
以上のように、本実施形態の半導体モジュール30は、銅コネクタ36a及び36bがリフロー工程で熱変形する場合や、電動パワーステアリング(EPS)作動中に基板31が膨張又は収縮する場合でも、適切に変位吸収することができるので、銅コネクタ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。また、銅コネクタ36a,36b自身の破損も防止することができる。
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、銅コネクタにより、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工程で同時に行うことができる。
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、銅コネクタにより、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、銅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、銅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、ゲート電極用銅コネクタは1種類であり、ソース電極用銅コネクタは、ゲート電極用銅コネクタに対して180°ストレート配置とする第1ソース電極用銅コネクタ(図4のTr2及びTr4を参照)と、ゲート電極用銅コネクタに対して90°直角配置とする第2ソース電極用銅コネクタ(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銅コネクタと、2種類の第1ソース電極用銅コネクタ及び第2ソース電極用銅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銅コネクタとを組み合わせて使用するとよい。
なお、ゲート電極用銅コネクタに対する第1ソース電極用銅コネクタの配置(ゲート電極用銅コネクタと第1ソース電極用銅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、ゲート電極用銅コネクタに対する第2ソース電極用銅コネクタの配置(ゲート電極用銅コネクタと第2ソース電極用銅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。
また、ゲート電極用銅コネクタに対する第2ソース電極用銅コネクタの配置(ゲート電極用銅コネクタと第2ソース電極用銅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…ソース電極用銅コネクタ、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…応力緩和部、36al…第1ダンベル部、36am…第2ダンベル部、36b…ゲート電極用銅コネクタ、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)
Claims (8)
- 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、銅板で構成される銅コネクタとを備え、
前記銅コネクタは、平板部と、該平板部の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、
前記第1の脚部の前記電極との接合面近傍に、前記第1の脚部の他の部分と比較して幅の狭い幅狭部を設けると共に、前記第1の脚部の前記電極との接合面に、当該接合面に作用する応力を緩和する形状を有する応力緩和部を設け、
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、前記銅コネクタが、ソース電極用銅コネクタと、ゲート電極用銅コネクタとを備え、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銅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銅コネクタで半田を介して接合するものであり、
前記ゲート電極用銅コネクタは1種類であり、前記ソース電極用銅コネクタは、前記ゲート電極用銅コネクタに対して180°ストレート配置とする第1ソース電極用銅コネクタと、前記ゲート電極用銅コネクタに対して90°直角配置とする第2ソース電極用銅コネクタとの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銅コネクタと前記2種類の第1ソース電極用銅コネクタ及び第2ソース電極用銅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銅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。 - 前記応力緩和部として、前記接合面に切り欠き部を形成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。
- 前記応力緩和部として、前記接合面を薄板で形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体モジュール。
- 前記応力緩和部として、前記接合面の角部に面取り部を形成したことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体モジュール。
- 前記応力緩和部として、前記接合面の中央に孔を形成したことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体モジュール。
- 前記第1の脚部と前記第2の脚部にそれぞれ、前記接合面に作用する応力を緩和するダンベル形状のダンベル部を形成したことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体モジュール。
- 前記第1の脚部と前記第2の脚部にそれぞれ、前記接合面に作用する応力を緩和する略7の字状に湾曲して形成された湾曲部を設けたことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体モジュール。
- 前記湾曲部は、前記平板部の端部に接続され前記平板部と同幅の幅広部と、前記幅広部のうち前記平板部の幅方向端部から前記接合面に向かって斜め方向に延びる斜め部と、で構成され、前記斜め部は、前記幅広部よりも幅狭で、前記幅広部から前記接合面までの全長にわたって略同幅であり、これにより前記湾曲部は略7の字状に湾曲して形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体モジュール。
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