JP5846123B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュールに関する。
従来から、半導体素子を搭載するアイランド部と、半導体素子とボンディングワイヤを介して電気的・機械的に接続されるリード部と、アイランド部とリード部とを一体に連結する連結部とを備えるリードフレーム（異型材リードフレーム）を用いたパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−１４１０５３号公報
ところで、特許文献１に記載の構成では、吊リードがカットされているので、半導体素子の裏面と接続されるアイランド部から高電圧の信号線を取り出す場合、アイランド部から延びるパワーリード（ＩＧＢＴのコレクタ側の電極と接続する端子３ｂ、特許文献１の図１参照）にバスバを溶接し、当該バスバから信号線をコネクタなどで引き出し、制御基板へ接続する必要がある。
そこで、本発明は、パワーリードからの信号線の取り出しを必要とすることなく、半導体素子から高電圧の信号線を取り出すことが可能なパワーモジュールの提供を目的とする。
本発明の一局面によれば、パワーモジュールであって、
半導体素子と、
電導性を有する材料からなり、前記半導体素子が載置されるベース部と、
前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部から切り離され、前記半導体素子に電気的に接続される信号リード部と、
前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部から連続して形成され、前記ベース部よりも板厚が薄く、前記ベース部に対して前記信号リード部と同一の側に延在する薄板リード部と、
前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部から連続して形成され、前記ベース部よりも板厚が薄いパワーリード部であって、前記半導体素子の所定端子を電源の正極側に接続するためのパワーリード部とを備え、
前記薄板リード部は、前記ベース部を介して前記半導体素子の所定端子に電気的に接続され、該半導体素子の所定端子における電位を検出するための電位検出用端子を構成し、
前記薄板リード部は、前記ベース部から切り離される前の前記信号リード部を前記ベース部に対して支持する構造部を利用して形成されることを特徴とする、パワーモジュールが提供される。
本発明によれば、パワーリードからの信号線の取り出しを必要とすることなく、半導体素子から高電圧の信号線を取り出すことが可能なパワーモジュールが得られる。
電気自動車用駆動装置１００の一実施例の概略構成を示す図である。 本発明の一実施例（実施例１）による半導体モジュール（パワーモジュール）１の要部構成を概略的に示す上面図である。 図１の半導体モジュール１の各ラインに沿った断面図であり、（Ａ）は、ラインＡ−Ａに沿った断面図であり、（Ｂ）は、ラインＢ−Ｂに沿った断面図である。 実施例１による半導体モジュール１と制御基板９０の接続方法の一例を示す図であり、（Ａ）は、図２のラインＡ−Ａに沿った断面図であり、（Ｂ）は、図２のラインＢ−Ｂに沿った断面図である。 半導体モジュール１の製造時における樹脂モールド部６０のモールド成形前の異型材リードフレーム３０の状態を示す図であり、（Ａ）は断面図を示し、（Ｂ）は平面図を示す。 本実施例１の半導体モジュール１の製造方法の一実施例の要部の流れを示す図である。 本発明のその他の実施例（実施例２）による半導体モジュール２の要部を示す平面図である。 実施例２による半導体モジュール２と制御基板９０の接続方法の一例を示す基板断面図である。 本発明のその他の実施例（実施例３）による半導体モジュール３の要部外観を示す斜視図である。 上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続方法の一例を示す図９のラインＡ−Ａに沿った断面図である。 上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続方法のその他の一例を示す図９のラインＡ−Ａに沿った断面図である。 半導体モジュール４と制御基板９０の接続態様の一例をより具体的に示す図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
ここでは、以下で詳説する本発明の一実施例による半導体モジュールが適用されてよい電気自動車用駆動装置について、先ず、説明する。
図１は、電気自動車用駆動装置１００の一実施例の概略構成を示す図である。電気自動車用駆動装置１００は、バッテリ１０１の電力を用いて走行用モータ１０４を駆動することにより車両を駆動させる装置である。尚、電気自動車は、電力を用いて走行用モータ１０４を駆動して走行するものであれば、その方式や構成の詳細は任意である。電気自動車は、典型的には、動力源がエンジンと走行用モータ１０４であるハイブリッド自動車（ＨＶ），動力源が走行用モータ１０４のみである電気自動車を含む。
電気自動車用駆動装置１００は、図１に示すように、バッテリ１０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２、インバータ１０３、走行用モータ１０４、及び、制御装置１０５を備える。
バッテリ１０１は、電力を蓄積して直流電圧を出力する任意の蓄電装置であり、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリや電気２重層キャパシタ等の容量性負荷から構成されてもよい。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ（可逆チョッパ方式の昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）であり、例えば１４Ｖから４２Ｖへの昇圧変換、及び、４２Ｖから１４Ｖへの降圧変換が可能である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，ダイオードＤ１，Ｄ２、リアクトルＬ１を含む。
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、本例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field−effect transistor）のような他のスイッチング素子が用いられてもよい。
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、インバータ１０３の正極ラインと負極ラインとの間に直列に接続される。上アームのスイッチング素子Ｑ１のコレクタは正極ラインに接続され、下アームのスイッチング素子Ｑ２のエミッタは負極ラインに接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の中間点、即ちスイッチング素子Ｑ１のエミッタとスイッチング素子Ｑ２のコレクタの接続点にはリアクトルＬ１の一端が接続される。このリアクトルＬ１の他端は、正極ラインを介してバッテリ１０１の正極に接続される。また、スイッチング素子Ｑ２のエミッタは、負極ラインを介してバッテリ１０１の負極に接続される。また、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにダイオード（フライホイルダイオード）Ｄ１，Ｄ２が配置される。また、リアクトルＬ１の他端と負極ラインとの間には平滑用コンデンサＣ１が接続され、スイッチング素子Ｑ１のコレクタと負極ラインとの間には平滑用コンデンサＣ２が接続される。
インバータ１０３は、正極ラインと負極ラインとの間に互いに並列に配置されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームから構成される。Ｕ相はスイッチング素子（本例ではＩＧＢＴ）Ｑ３，Ｑ４の直列接続からなり、Ｖ相はスイッチング素子（本例ではＩＧＢＴ）Ｑ５，Ｑ６の直列接続からなり、Ｗ相はスイッチング素子（本例ではＩＧＢＴ）Ｑ７，Ｑ８の直列接続からなる。また、各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、それぞれ、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにダイオード（フライホイルダイオード）Ｄ３〜Ｄ８が配置される。尚、インバータ１０３の上アームは、各スイッチング素子Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７及びダイオードＤ３，Ｄ５，Ｄ７から構成され、インバータ１０３の下アームは、各スイッチング素子Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８及びダイオードＤ４，Ｄ６，Ｄ８から構成される。
走行用モータ１０４は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点で共通接続されている。Ｕ相コイルの他端は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に接続され、Ｖ相コイルの他端は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に接続され、Ｗ相コイルの他端は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８の中間点に接続される。
制御装置１０５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２及びインバータ１０３を制御する。制御装置１０５は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ、メインメモリなどを含み、制御装置１０５の各種機能は、ＲＯＭ等に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現される。但し、制御装置１０５の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置１０５は、物理的に複数の装置により構成されてもよい。
図２は、本発明の一実施例（実施例１）による半導体モジュール（パワーモジュール）１の要部構成を概略的に示す上面図である。図３は、図１の半導体モジュール１の各ラインに沿った断面図であり、（Ａ）は、ラインＡ−Ａに沿った断面図であり、（Ｂ）は、ラインＢ−Ｂに沿った断面図である。尚、図２及び図３においては、要部のみが示され、例えばパワーリード部（後述）のような各種配線部分等について図示が省略されている。また、図２では、理解しやすさの観点から、樹脂モールド部６０の内部について透視図として示している（但し、絶縁シート４０及び冷却板５０は図示が省略されている）。
半導体モジュール１は、上述のインバータ１０３を構成するものであってよい。半導体モジュール１は、主なる構成要素として、半導体素子１０と、異型材リードフレーム３０と、絶縁シート４０と、冷却板５０と、樹脂モールド部６０とを含む。
尚、図示の例では、半導体モジュール１は、上述のインバータ１０３（図１参照）を構成し、半導体素子１０は、正極ラインと負極ラインとの間に互いに並列に配置されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム又は下アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードであってよい。尚、ここでは、半導体素子１０は、上述のインバータ１０３（図１参照）の上アームを構成する一組のＩＧＢＴ及びダイオードであるとする。例えば、半導体素子１０は、上述のインバータ１０３（図１参照）のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑ３及びダイオードＤ３であるとする。
異型材リードフレーム３０は、厚みの異なる２つの部位、即ち厚部（ベース部）３２と薄部３４を備える（図５参照）。厚部３２と薄部３４の板厚の比は、典型的には、４：１である。但し、厚部３２は、後述のヒートシンク機能を高めるために、薄部３４の板厚の４倍以上の板厚を有してもよい。例えば、厚部３２と薄部３４の板厚の比は、６：１であってもよい。
異型材リードフレーム３０の厚部３２は、熱（過渡熱等）を吸収し拡散するヒートシンク機能を備える。異型材リードフレーム３０は、ヒートシンク機能を有するものであれば金属以外の材料で構成されてもよいが、好ましくは、銅のような、熱拡散性の優れた金属から形成される。異型材リードフレーム３０の上面には、はんだ等により半導体素子１０が設置される。図示の例では、異型材リードフレーム３０の上面には、はんだ層８２を介して半導体素子１０が設置される。異型材リードフレーム３０は、主に、半導体素子１０の駆動時に生じる半導体素子１０からの熱を吸収し内部に拡散する。
異型材リードフレーム３０の厚部３２は、また、半導体素子１０の裏面側の端子と電気的に導通する。本例では、異型材リードフレーム３０の厚部３２は、ＩＧＢＴのコレクタ電極に接続される。
異型材リードフレーム３０の薄部３４は、各種配線部材及び電圧センサ用リード部３３３等を構成する。各種配線部材は、信号伝達用の配線部材（信号リード部）３２２や、電源ライン用の配線部材（パワーリード部）を含んでよい。尚、図２及び図３では、パワーリード部は、図示が省略されている。薄部３４により形成されるパワーリード部は、例えば、上述のインバータ１０３（図１参照）の正極側端子（入力端子）Ｐ１を構成し、インバータ１０３とバッテリ１０１とを接続する。尚、下アームの場合、薄部３４により形成されるパワーリード部は、上述のインバータ１０３（図１参照）のＵ，Ｖ又はＷ相の各端子を構成し、インバータ１０３と走行用モータ１０４とを接続する。
図３（Ａ）には、信号伝達用の配線部材３２２（以下、信号リード部３２２という）が示されている。信号リード部３２２は、ピン状の形態を有する。信号リード部３２２は、後述の如く、半導体モジュール１の製造過程で、異型材リードフレーム３０の厚部３２から電気的に分離される。信号リード部３２２は、ワイヤボンディング（アルミ細線）２４等により、対応する半導体素子１０の端子に接続されてもよい。本例では、信号リード部３２２は、ＩＧＢＴのゲート電極等に接続される。図３（Ｂ）には、電圧センサ用リード部３３３が示されている。電圧センサ用リード部３３３は、異型材リードフレーム３０の厚部３２から連続して形成される。従って、電圧センサ用リード部３３３は、異型材リードフレーム３０の厚部３２と等電位であり、従って、ＩＧＢＴのコレクタ電極と等電位である。電圧センサ用リード部３３３が接続される半導体素子１０は、上述のインバータ１０３（図１参照）の上アームを構成する。従って、電圧センサ用リード部３３３は、上述のインバータ１０３の入力電圧（図１のポイントＰ１の電圧）を検出することができる。
絶縁シート４０は、例えば樹脂シートからなり、異型材リードフレーム３０の厚部３２と冷却板５０との間の電気的な絶縁性を確保しつつ、異型材リードフレーム３０の厚部３２から冷却板５０への高い熱伝導を可能とする。絶縁シート４０は、図３等に示すように、異型材リードフレーム３０の厚部３２の下面よりも大きい外形を有する。
尚、絶縁シート４０は、好ましくは、はんだや金属膜等を用いることなく、直接、異型材リードフレーム３０の厚部３２と冷却板５０を接合する。これにより、はんだを用いる場合に比べて、熱抵抗を低くすることができ、工程を簡素化することができる。また、冷却板５０側にもはんだ付け用表面処理が不要となる。例えば、絶縁シート４０は、後述の樹脂モールド部６０と同様の樹脂材料（エポキシ樹脂）からなり、後述の樹脂モールド部６０のモールド時の圧力及び温度により異型材リードフレーム３０の厚部３２及び冷却板５０に接合する。
冷却板５０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成されてもよい。冷却板５０は、下面側にフィン５４を有する。フィン５４の数や配列態様は、特に言及しない限り任意である。また、フィン５４の構成（形状・高さ等）も任意であってよい。フィン５４は、例えばストレートフィンやピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体モジュール１の実装状態では、フィン５４は、冷却水や冷却空気のような冷却媒体と接触する。このようにして、半導体素子１０の駆動時に生じる半導体素子１０からの熱は、異型材リードフレーム３０の厚部３２、絶縁シート４０及び冷却板５０を介して、冷却板５０のフィン５４から冷却媒体へと伝達され、半導体素子１０の冷却が実現される。
尚、フィン５４は、冷却板５０と一体で形成されてもよいし（例えば、アルミダイカスティング）、溶接等により冷却板５０と一体化されてもよい。また、冷却板５０は、一枚の金属板と、フィン付きの他の金属板とをボルト等で結合して構成されてもよい。
樹脂モールド部６０は、図３等に示すように、半導体素子１０、信号リード部３２２等の配線部材の端部を除く部分、電圧センサ用リード部３３３の端部を除く部分、異型材リードフレーム３０の厚部３２、絶縁シート４０及び冷却板５０を樹脂でモールドすることにより形成される。即ち、樹脂モールド部６０は、冷却板５０の上面に対して、半導体モジュール１の主要構成要素（半導体素子１０、信号リード部３２２等の配線部材の端部を除く部分、電圧センサ用リード部３３３の端部を除く部分、異型材リードフレーム３０及び絶縁シート４０）を内部に封止する部位である。尚、使用される樹脂は、例えばエポキシ樹脂であってよい。但し、信号リード部３２２等の配線部材及び電圧センサ用リード部３３３については、周辺装置との接続用端子３２２ａ，３３３ａ及びそれらを所定位置まで引き出すための付属部分（以下、接続用端子及び付属部分を含めて単に端部という）が、樹脂モールド部６０から露出する。尚、信号リード部３２２等の配線部材及び電圧センサ用リード部３３３の各端部は、樹脂モールド部６０によるモールド封止後のリードカット及びフォーミングにより最終形状が実現される。これについては、図５等を参照して後述する。
図４は、制御基板９０と半導体モジュール１の接続方法の一例を示す図であり、（Ａ）は、図２のラインＡ−Ａに沿った断面図（図３（Ａ）に対応する断面図）であり、（Ｂ）は、図２のラインＢ−Ｂに沿った断面図（図３（Ｂ）に対応する断面図）である。
図４（Ａ）に示すように、樹脂モールド部６０から露出した信号リード部３２２の端子３２２ａは、制御基板９０に接続される。制御基板９０は、図１の制御装置１０５を構成するものであってよい。例えば、信号リード部３２２の接続用端子３２２ａは、制御基板９０のスルーホールを通って制御基板９０を貫通し、制御基板９０にはんだにより接続される。
同様に、図４（Ｂ）に示すように、樹脂モールド部６０から露出した電圧センサ用リード部３３３の端部は、制御基板９０に接続される。具体的には、電圧センサ用リード部３３３の接続用端子３３３ａは、制御基板９０のスルーホールを通って制御基板９０を貫通し、制御基板９０にはんだにより接続される。これにより、制御装置１０５に向けて、インバータ１０３の入力電圧を表す信号線を取り出すことができる。即ち、電圧センサ用リード部３３３が電圧センサ（電圧モニタを含む）として機能することができる。制御装置１０５においては、電圧センサ用リード部３３３の接続用端子３３３ａからの信号（電圧）に基づいて、各種制御を行うことができる。例えば、制御装置１０５は、電圧センサ用リード部３３３の接続用端子３３３ａからの信号（電圧）に基づいて、インバータ１０３の入力電圧を監視し、半導体モジュール１の異常の有無を監視してもよい。
このように本実施例１によれば、異型材リードフレーム３０の薄部３４により電圧センサ用リード部３３３を構成することで、パワーリード部からの信号線の取り出しを必要とすることなく、半導体素子１０から高電圧の信号線（インバータ１０３の入力電圧を表す信号を伝送する線）を取り出すことが可能である。即ち、電圧センサ用リード部３３３を信号リード部３２２と同様に制御基板９０にはんだ付けにより接続することが可能であるため、バスバから信号線を取り出す必要がなくなり、制御基板９０に信号線を繋げるコネクタが不要となる。これにより、制御基板９０も小型化でき、低コスト化を図ることも可能である。また、電圧センサ用リード部３３３は、異型材リードフレーム３０の薄部３４により構成されるので、部品点数を低減することができ、また、部品公差や製造公差の影響を低減することができる（例えば、異型材リードフレーム３０の厚部３２に代えて、別の金属ブロックを使用する構成では、金属ブロックとリード部の位置精度に、部品公差分に加えて製造公差分が入り、金属ブロックとリード部の位置精度が悪くなり、また、これらを接合する工程が必要となる）。また、電圧センサ用リード部３３３を制御基板９０にはんだ付けにより接続することで、電圧センサ用リード部３３３が補強部材としても機能するので（即ち、制御基板９０と異型材リードフレーム３０との接合面積を増加させるので）、耐振動性が向上する。
また、本実施例１によれば、異型材リードフレーム３０の厚部３２がヒートシンク機能を果たすので、必要なヒートシンク機能を確保するために金属ブロックを別に設定する必要がなくなる。
尚、本実施例１の半導体モジュール１は、複数個で上述のインバータ１０３を構成してもよく、この場合、同一の制御基板９０に、複数個の半導体モジュール１が図４に示す態様で接続されてよい。この場合、複数個の半導体モジュール１のうち、上アームを構成する１つの半導体モジュール１についてのみ、電圧センサ用リード部３３３が設定されてもよい。この場合、その他の半導体モジュール２において、電圧センサ用リード部３３３に相当する部位は、省略されてもよいし、後述の実施例２における補強用部位３３５（後述の図７参照）と同様に、補強用部材として機能してもよい。
また、本実施例１の半導体モジュール１は、制御基板９０に対して垂直に（即ち異型材リードフレーム３０の基本面の法線方向と制御基板９０の基本面の法線方向が直交する態様で）設けられているが、制御基板９０に対する位置関係は任意である。例えば、半導体モジュール１は、制御基板９０に対して平行に設けられてもよい。
次に、図５及び図６を参照して、本実施例１の半導体モジュール１の製造方法の一実施例の要部を説明する。
図５は、半導体モジュール１の製造時における樹脂モールド部６０のモールド成形前の異型材リードフレーム３０の状態を示す図であり、（Ａ）は断面図を示し、（Ｂ）は平面図を示す。尚、図５においても、要部のみが示され、例えばパワーリード部（後述）のような各種配線部分等について図示が省略されている。図６は、本実施例１の半導体モジュール１の製造方法の一実施例の要部の各段階（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）を示す図である。尚、図６において、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、製造過程における半導体モジュール１の平面図を概略的に示すが、理解しやすさの観点から、樹脂モールド部６０の内部について透視図として示している（但し、絶縁シート４０及び冷却板５０は図示が省略されている）。
樹脂モールド部６０のモールド成形前の異型材リードフレーム３０は、図５に示すように、信号リード部３２２を構成する部位６００（以下、信号リード構成部位６００という）を備える。信号リード構成部位６００は、いわゆる吊リード６０２，６０４により厚部３２に支持されている。即ち、信号リード部３２２は、半導体モジュール１の完成状態では厚部３２に直接支持されていないが、信号リード構成部位６００は、半導体モジュール１の製造途中では、連結部６０５を介して吊リード６０２，６０４により厚部３２に支持されている。
図５に示す異型材リードフレーム３０は、次いで、図６（Ａ）に示すように、半導体素子１０がはんだ等により設置され、信号リード構成部位６００が半導体素子１０にワイヤボンディング２４により接続される。また、異型材リードフレーム３０は、図示しないが、上述のように、絶縁シート４０を介して冷却板５０と結合される。次いで、図６（Ｂ）に示すように、樹脂のモールド成形が実行され、樹脂モールド部６０が形成される。この際、信号リード構成部位６００の一部（端部）は、樹脂がモールドされず、図６（Ｂ）に示すように、樹脂モールド部６０から露出する。他方、信号リード構成部位６００の他端（ワイヤボンディング２４が接続される側の端部）は、樹脂モールド部６０により封止され支持される。従って、この段階で吊リード６０２，６０４の本来の役割（信号リード構成部位６００を支持する役割）が不要となる。従って、次いで、図６（Ｃ）に示すように、異型材リードフレーム３０における不要となった部分が除去される。これにより、信号リード構成部位６００は、信号リード部３２２の形状へと形成される。従って、信号リード部３２２は、この段階で、異型材リードフレーム３０の厚部３２との繋がり（吊リード６０４を介した接続）がなくなる。また、複数個のリード部を備える信号リード部３２２は、それぞれのリード部が互いに対して接続されない状態となる。他方、吊リード６０２については、完全に除去されず、電圧センサ用リード部３３３の形状へと形成される。即ち、図５及び図６に示す例では、吊リード６０４は切除されるが、吊リード６０２は、信号リード構成部位６００との連結部６０５等が除去されるだけである。このようにして、この吊リード６０２は、電圧センサ用リード部３３３として利用可能となるように構成される。
以上の図５及び図６に示す半導体モジュール１の製造方法によれば、信号リード構成部位６００を厚部３２に対してモールド成形されるまで支持する役割の吊リード６０２を利用して、電圧センサ用リード部３３３を形成することができる。
図７は、本発明のその他の実施例（実施例２）による半導体モジュール２の要部を示す平面図である。図７は、上述の実施例１による半導体モジュール１との相違点を最も良く表すように、上述の実施例１の図６（Ｃ）との対比を目的として、製造過程における半導体モジュール２の平面図を概略的に示す。尚、図７において、図６（Ｃ）と同様に、理解しやすさの観点から、樹脂モールド部６０の内部について透視図として示している（但し、絶縁シート４０及び冷却板５０は図示が省略されている）。図８は、実施例２による半導体モジュール２と制御基板９０の接続方法の一例を示す基板断面図である。
実施例２による半導体モジュール２は、図７に示すように、電圧センサ用リード部３３３の幅ｗが、信号リード部３２２の幅（各リード部の幅）よりも広い点が、上述の実施例１による半導体モジュール１に対して主に異なる。尚、図示の例では、図の右側の吊リード６０４についても、切除されず、電圧センサ用リード部３３３と同様の形状の部位３３５（以下、補強用部位３３５という）へと形成されている。この補強用部位３３５は、後述のように補強用に設けられる部位であり、任意的な構成である。
電圧センサ用リード部３３３の幅ｗは、信号リード部３２２の幅（各リード部の幅）よりも広い。電圧センサ用リード部３３３の幅ｗは、後述の補強機能を果たすのに適切な幅に適合されてもよい。但し、一般的には、電圧センサ用リード部３３３の幅ｗは、大電流が流れるパワーリード部の幅よりも狭い（図９参照）。
図７に示すように、実施例２による半導体モジュール２は、上述の実施例１による半導体モジュール１と同様、樹脂モールド部６０から露出した信号リード部３２２の端子３２２ａは、制御基板９０に接続される。制御基板９０は、図１の制御装置１０５を構成するものであってよい。例えば、信号リード部３２２の接続用端子３２２ａは、制御基板９０のスルーホールを通って制御基板９０を貫通し、制御基板９０にはんだにより接続される。
同様に、図７に示すように、樹脂モールド部６０から露出した電圧センサ用リード部３３３の端部は、制御基板９０に接続される。具体的には、電圧センサ用リード部３３３の接続用端子３３３ａは、制御基板９０のスルーホールを通って制御基板９０を貫通し、制御基板９０にはんだにより接続される。これにより、制御装置１０５に向けて、インバータ１０３の入力電圧を表す信号線を取り出すことができる。また、樹脂モールド部６０から露出した補強用部位３３５の端部は、制御基板９０に接続される。具体的には、補強用部位３３５の端部は、制御基板９０のスルーホールを通って制御基板９０を貫通し、制御基板９０にはんだにより接続される。
このように実施例２による半導体モジュール２によれば、上述の実施例１による半導体モジュール１と同様、異型材リードフレーム３０の薄部３４により電圧センサ用リード部３３３を構成することで、電圧センサ用リード部３３３を信号リード部３２２と同様に制御基板９０にはんだ付けにより接続することが可能であるため、バスバから信号線を取り出す必要がなくなり、制御基板９０に信号線を繋げるコネクタが不要となる。これにより、制御基板９０も小型化でき、低コスト化を図ることも可能である。また、電圧センサ用リード部３３３は、異型材リードフレーム３０の薄部３４により構成されるので、部品点数を低減することができ、また、部品公差や製造公差の影響を低減することができる。また、電圧センサ用リード部３３３を制御基板９０にはんだ付けにより接続することで、電圧センサ用リード部３３３が補強部材としても機能するので、耐振動性が向上する。特に、本実施例２では、電圧センサ用リード部３３３の幅ｗが信号リード部３２２よりも広く設定されているので、耐振動性を効果的に高めることができる。また、同様の補強用部位３３５を同様に制御基板９０にはんだ付けにより接続する場合には、更に耐振動性を効果的に高めることができる。これらの構成は、特に、振動が厳しい環境下で半導体モジュール２が使用される場合に好適である。これは、かかる環境下では、制御基板９０と信号リード部３２２のはんだ接合部において、振動や衝撃の影響でクラック進展が早くなりうるためである。
また、実施例２による半導体モジュール２によれば、上述の実施例１による半導体モジュール１と同様、異型材リードフレーム３０の厚部３２がヒートシンク機能を果たすので、必要なヒートシンク機能を確保するために金属ブロックを別に設定する必要がなくなる。
尚、図７及び図８に示す半導体モジュール２は、複数個で上述のインバータ１０３を構成してもよく、この場合、同一の制御基板９０に、複数個の半導体モジュール２が図８に示す態様で接続されてよい。この場合、複数個の半導体モジュール２のうち、上アームを構成する１つの半導体モジュール２についてのみ、電圧センサ用リード部３３３が設定されてもよい。この場合、その他の半導体モジュール２において、電圧センサ用リード部３３３に相当する部位は、省略されてもよいし、補強用部位３３５として機能してもよい。
また、本実施例２において、補強用部位３３５が設けられる場合には、補強用部位３３５と電圧センサ用リード部３３３は、必ずしも同一の幅である必要はない。例えば、電圧センサ用リード部３３３の幅ｗが信号リード部３２２よりも広く設定され、補強用部位３３５の幅が信号リード部３２２と略同一であってもよい。また、逆に、補強用部位３３５の幅が信号リード部３２２よりも広く設定され、電圧センサ用リード部３３３の幅ｗが信号リード部３２２と略同一であってもよい。
また、実施例２による半導体モジュール２は、制御基板９０に対して垂直に設けられているが、制御基板９０に対する位置関係は任意である。例えば、半導体モジュール２は、制御基板９０に対して平行に設けられてもよい。
図９は、本発明のその他の実施例（実施例３）による半導体モジュール３の要部外観を示す斜視図である。尚、図９では、理解しやすさの観点から、樹脂モールド部６０の内部が透視図として示されている。
半導体モジュール３は、上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとが一体にパッケージングされた構成を有する。このように、半導体モジュール３は、任意の単位でパッケージングされてもよい。半導体モジュール３の上アーム３００Ａは、上述の実施例１又は実施例２による半導体モジュール１，２の異型材リードフレーム３０に関連した構造を含む。また、半導体モジュール３の下アーム３００Ｂは、電圧センサ用リード部３３３が不要である点を除いて、上述の実施例１又は実施例２による半導体モジュール１，２の異型材リードフレーム３０に関連した構造と同様の構造を含む。尚、下アーム３００Ｂは、上アーム３００Ａの異型材リードフレーム３０とは別の異型材リードフレーム３０Ｂ（図１０参照）を用いて構成される。また、上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとは、同一の樹脂モールド部６０により封止される。
図９に示す例では、半導体モジュール３は、制御基板９０（一点鎖線で図示）に平行に（即ち異型材リードフレーム３０の基本面の基本面の法線方向と制御基板９０の基本面の法線方向が平行になる態様で）設けられる。電圧センサ用リード部３３３は、制御基板９０に向けて屈曲して上方に延在している。尚、図示は省略するが、電圧センサ用リード部３３３は、上述の実施例１，２と同様に、制御基板９０にはんだ付けにより接続されてもよい。
図９に示す例では、半導体モジュール３のＸ方向の一方の側からは、上述のインバータ１０３（図１参照）の正極側端子（入力端子）Ｐ１に対応するパワーリード部３５１が樹脂モールド部６０から露出して延在している。また、半導体モジュール３のＸ方向の一方の側からは、上述のインバータ１０３（図１参照）の負極側端子Ｐ２に対応するパワーリード部３５２が樹脂モールド部６０から露出して延在している。また、半導体モジュール３のＸ方向の一方の側からは、上アーム３００Ａの信号リード部３２２及び電圧センサ用リード部３３３が樹脂モールド部６０から露出して延在している。尚、パワーリード部３５１は、半導体モジュール３の上アーム３００Ａを構成する異型材リードフレーム３０の薄部３４により構成され、パワーリード部３５２は、異型材リードフレーム３０とは別のリードフレーム３１により構成されている。また、半導体モジュール３のＸ方向の他方の側からは、上述のインバータ１０３（図１参照）のＵ，Ｖ，Ｗ相の各端子に対応するパワーリード部３６１，３６２，３６３が樹脂モールド部６０から露出して延在している。また、半導体モジュール３のＸ方向の他方の側からは、下アーム３００Ｂの信号リード部３２２が樹脂モールド部６０から露出して延在している。パワーリード部３６１，３６２，３６３は、下アーム３００Ｂを構成する異型材リードフレーム３０Ｂの薄部により構成される。尚、図示の例では、下アーム３００Ｂの半導体素子１０のエミッタ側に接続される別のリードフレーム３１の端子３７０は、半導体モジュール３のＹ方向の側から露出して延在しているが、端子３７０は、パワーリード部３６１，３６２，３６３と同様、半導体モジュール３のＸ方向の他方の側から露出して延在してもよい。尚、図示は省略されるが、半導体モジュール３の冷却水路への締結部は、半導体モジュール３のＹ方向の端部側に設定されてもよい。
図１０は、上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続方法の一例を示す図９のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図１０では、図の複雑化を防止する観点から、絶縁シート４０、冷却板５０及び樹脂モールド部６０の図示が省略されている。
下アーム３００Ｂの異型材リードフレーム３０Ｂの薄部により形成されたリード部３４２の接続部３４４は、図１０に示すように、水平方向から斜め下方向への屈曲部３４２ａと、斜め下方向から水平方向への屈曲部３４２ｂとを備える。リード部３４２の接続部３４４は、上アーム３００Ａの半導体素子１０（ＩＧＢＴ１０Ａ、ダイオード１０Ｂ）にはんだ付けにより接続される。ここで、はんだ付けの際に余剰はんだ８４ａが発生した場合、余剰はんだ８４ａは、図１０に模式的に示すように、リード部３４２の裏に這い上がってフィレットを形成する。このようにして、本例のように、屈曲部３４２ａ，３４２ｂを設定することで、屈曲部３４２ａ，３４２ｂにより余剰はんだ８４ａを吸収することができる。
図１１は、上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続方法のその他の一例を示す図９のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図１１では、図の複雑化を防止する観点から、絶縁シート４０、冷却板５０及び樹脂モールド部６０の図示が省略されている。
下アーム３００Ｂの異型材リードフレーム３０Ｂの薄部により形成されたリード部３４２の接続部３４４は、図１１に示すように、穴３４３を備える。穴３４３は、図１１に示すように、リード部３４２を凹状に曲げた接続部３４４に形成される。リード部３４２の接続部３４４は、上アーム３００Ａの半導体素子１０（ＩＧＢＴ１０Ａ、ダイオード１０Ｂ）にはんだ付けにより接続される。より具体的には、リード部３４２は、接続部３４４の穴３４３内ではんだ付けを行うことで、上アーム３００Ａの半導体素子１０（ＩＧＢＴ１０Ａ、ダイオード１０Ｂ）に接続される。ここで、はんだ付けの際に余剰はんだ８４ａが発生した場合、余剰はんだ８４ａは、図１１に模式的に示すように、穴３４３から接続部３４４の凹空間内にはみだす。このようにして、本例では、リード部３４２における凹状に形成した接続部３４４の底部に穴３４３を設定することで、余剰はんだ８４ａを吸収することができる。
このように本実施例３の半導体モジュール３によれば、上述の実施例１又は実施例２による効果に加えて、とりわけ、以下のような効果が奏される。上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続が、下アーム３００Ｂの異型材リードフレーム３０Ｂの薄部により形成されたリード部３４２により実現されるので、部品点数を低減することができ、また、部品公差や製造公差の影響を低減することができる（例えば、異型材リードフレーム３０Ｂの厚部３２Ｂに代えて、別の金属ブロックを使用する構成では、金属ブロックとリード部の位置精度に、部品公差分に加えて製造公差分が入り、金属ブロックとリード部の位置精度が悪くなり、また、これらを接合する工程が必要となる）。また、本実施例３において、図１０又は図１１に示す上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続方法を採用した場合には、公差でばらついた余剰はんだを吸収することができ、はんだ接合部の信頼性を高めることができる。また、図１０又は図１１に示す上アーム３００Ａと下アーム３００Ｂとの接続方法を採用した場合には、リード部３４２の弾性変形による応力吸収が実現されるので、はんだ接合部の寿命を増加させることができる。
図１２は、半導体モジュール４と制御基板９０の接続態様の一例をより具体的に示す図であり、（Ａ）は、半導体モジュール４の斜視図であり、（Ｂ）は、半導体モジュール４に制御基板９０が接続された状態の同斜視図であり、（Ｃ）は、制御基板９０と半導体モジュール４の双方に平行な矢視Ａで見た（Ｂ）の側面図である。
図１２に示す半導体モジュール４は、上述の実施例１，２による半導体モジュール１，２を用いて構成されてよい。半導体モジュール４は、上述の実施例１，２による半導体モジュール１，２と同様（図４等参照）、図１２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、制御基板９０に対して垂直に設けられている。半導体モジュール４は、一本の電圧センサ用リード部３３３と、複数の信号リード部３２２とが制御基板９０側に延在している。一本の電圧センサ用リード部３３３と、複数の信号リード部３２２とは、それぞれ、図１２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、制御基板９０のスルーホールを通って制御基板９０に接続される。尚、図示は省略するが、電圧センサ用リード部３３３は、上述の実施例１，２と同様に、制御基板９０にはんだ付けにより接続されてもよい。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述した実施例では、電圧センサ用リード部３３３は、ＩＧＢＴのコレクタに接続されているが、他のスイッチング素子が使用される場合は、電圧センサ用リード部３３３は、インバータ１０３の入力電圧が検出可能となるように、それに応じた適切な端子に接続されればよい。例えばスイッチング素子がＭＯＳＦＥＴである場合は、異型材リードフレーム３０の厚部３２はＭＯＳＦＥＴのドレインに接続され、これにより、電圧センサ用リード部３３３は、ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続されてもよい。
また、上述した実施例では、電圧センサ用リード部３３３は、昇圧系（ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２）により昇圧されたインバータ１０３の入力電圧（昇圧された電圧）を検出する電圧センサとして利用されているが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２が省略された構成であってもよい。この場合は、電圧センサ用リード部３３３は、昇圧されていないインバータ１０３の入力電圧を検出する電圧センサとして利用されてよい。
また、上述した実施例３では、半導体モジュール３における半導体素子１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各上アーム及び各下アームの計６アームを構成しているが、半導体モジュール３内に実装されるアーム数は任意である。半導体モジュール３が、例えば２つの走行用モータを駆動するためのインバータとして具現化される場合、半導体素子１０は、第１の走行用モータ用のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上アーム及び各下アーム、第２の走行用モータ用のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上アーム及び各下アームを構成してもよい。また、１アームについて、並列で複数の半導体素子１０が実装されてもよい。いずれにしても、上アームに対して、上述の実施例１又は実施例２による半導体モジュール１，２の異型材リードフレーム３０に関連した構造が適用されればよい。
また、半導体モジュール１は、他の構成（例えば、走行用モータ駆動用のＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータの素子の一部）を含んでよいし、また、半導体モジュール１は、半導体素子１０と共に、他の素子（コンデンサ、リアクトル等）を含んでよい。また、半導体モジュール１は、インバータを構成する半導体モジュールに限定されることはない。また、半導体モジュール１は、車両用のインバータに限らず、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータとして実現されてもよい。これらは、上述の実施例２，３においても同様である。
１，２，３，４ 半導体モジュール
１０ 半導体素子
１０Ａ ＩＧＢＴ
１０Ｂ ダイオード
２４ ワイヤボンディング
３０ 異型材リードフレーム
３０Ｂ 異型材リードフレーム
３２ 厚部
３４ 薄部
４０ 絶縁シート
５０ 冷却板
５４ フィン
６０ 樹脂モールド部
８２ はんだ層
８４ａ 余剰はんだ
９０ 制御基板
１００ 電気自動車用駆動装置
１０１ バッテリ
１０２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０３ インバータ
１０４ 走行用モータ
１０５ 制御装置
３００Ａ 上アーム
３００Ｂ 下アーム
３２２ 信号リード部
３２２ａ 接続用端子
３３３ 電圧センサ用リード部
３３３ａ 接続用端子
３３５ 補強用部位
３４２ リード部
３４２ａ、３４２ｂ 屈曲部
３４３ 穴
３４４ 接続部
３５１，３５２ パワーリード部
３６１，３６２，３６３ パワーリード部
６００ 信号リード構成部位
６０２，６０４ 吊リード
６０５ 連結部

Claims (12)

  1. パワーモジュールであって、
    半導体素子と、
    電導性を有する材料からなり、前記半導体素子が載置されるベース部と、
    前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部から切り離され、前記半導体素子に電気的に接続される信号リード部と、
    前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部から連続して形成され、前記ベース部よりも板厚が薄く、前記ベース部に対して前記信号リード部と同一の側に延在する薄板リード部と、
    前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部から連続して形成され、前記ベース部よりも板厚が薄いパワーリード部であって、前記半導体素子の所定端子を電源の正極側に接続するためのパワーリード部とを備え、
    前記薄板リード部は、前記ベース部を介して前記半導体素子の所定端子に電気的に接続され、該半導体素子の所定端子における電位を検出するための電位検出用端子を構成し、
    前記薄板リード部は、前記ベース部から切り離される前の前記信号リード部を前記ベース部に対して支持する構造部を利用して形成されることを特徴とする、パワーモジュール。
  2. 前記薄板リード部は、電圧センサとして機能する、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記薄板リード部は、前記信号リード部よりも幅が広い、請求項１に記載のパワーモジュール。
  4. 前記半導体素子、前記ベース部、前記薄板リード部の端部を除く部分、及び、前記信号リード部の端部を除く部分を、覆うように設けられる樹脂モールド部を備え、
    前記薄板リード部の端部及び前記信号リード部の端部は、前記樹脂モールド部から露出し、
    前記薄板リード部の端部及び前記信号リード部の端部は、当該パワーモジュールを制御するための制御基板に接続される、請求項１に記載のパワーモジュール。
  5. 前記薄板リード部の端部は、前記制御基板にはんだ付けされる、請求項４に記載のパワーモジュール。
  6. 前記ベース部と同一の材料からなり、前記ベース部と一体的に形成され、前記ベース部よりも板厚が薄く、前記ベース部から連続して延在する更なる薄板リード部を更に備え、
    前記更なるリード部は、前記薄板リード部と前記更なる薄板リード部との間に前記信号リード部が延在する態様で延在し、
    前記更なる薄板リード部の端部は、前記樹脂モールド部から露出し、
    前記更なる薄板リード部の端部は、前記制御基板にはんだ付けされる、請求項５に記載のパワーモジュール。
  7. 前記半導体素子は、IGBTであり、
    前記所定端子は、コレクタ端子である、請求項１に記載のパワーモジュール。
  8. 前記薄板リード部の端部及び前記信号リード部の端部は、当該パワーモジュールを制御するための制御基板にはんだ付けされる、請求項１に記載のパワーモジュール。
  9. 前記パワーリード部は、前記ベース部に対して前記信号リード部と同一の側に延在し、
    前記パワーリード部の端部は、前記樹脂モールド部から露出し、
    前記薄板リード部は、前記パワーリード部よりも幅が狭い、請求項８に記載のパワーモジュール。
  10. 前記ベース部以外にヒートシンク部を有していない、請求項１に記載のパワーモジュール。
  11. 前記ベース部、前記薄板リード部及び前記信号リード部は、厚みの異なる薄部と厚部を有する異型材リードフレームから形成され、
    前記ベース部は、前記厚部から形成され、前記薄板リード部及び前記信号リード部は、前記薄部から形成される、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  12. 第１アーム部と、第２アーム部とを備える請求項１に記載のパワーモジュールであって、
    前記半導体素子、前記ベース部、前記信号リード部及び前記薄板リード部は、前記第１アーム部を構成し、
    前記第２アーム部は、
    第２半導体素子と、
    電導性を有する材料からなり、前記第２半導体素子が載置される第２ベース部と、
    前記第２ベース部と同一の材料からなり、前記第２ベース部から連続して形成され、前記第２ベース部よりも板厚が薄い第２薄板リード部とを備え、
    前記第２アーム部の第２薄板リード部は、屈曲部を介して延在する接続部又は穴が形成された接続部を有し、該接続部位が前記第１アーム部の半導体素子にはんだ付けされる、請求項１に記載のパワーモジュール。
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