JP6119825B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールに関し、特に、表面上に第１のスイッチング素子が接合された第１の電極と、表面上に第２のスイッチング素子が接合された第２の電極と、第３の電極とを積層配置したパワーモジュールに関する。

従来から、直流電圧の電圧変換又は電力変換を行うためのパワーモジュールが知られている。かかるパワーモジュールにおいて、直流電圧の高位側及び低位側をそれぞれ受けるハイサイド電極及びローサイド電極と、ハイサイド電極とローサイド電極との間に直列接続される第１及び第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との中間点に接続されるミドルサイド電極（出力電極板）とを備え、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、ミドルサイド電極を挟んで積層されて配設されるパワーモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

かかるパワーモジュールにおいては、積層方向に直列配置されていることから、平面上に並べてスイッチング素子を配列する構成のパワーモジュールよりも、実装面積を小さくすることができる。特に、高出力化のために搭載する半導体スイッチング素子数を増加させたい場合には、実装面積を増加させることなく複数の半導体スイッチング素子を搭載することができ、小型高出力化が可能となる。
特開２００６−４９５４２

ところで、上述の特許文献１に記載の構成では、異なる高さに配置されたミドルサイド電極とローサイド電極の各々の外側に信号線が設けられており、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子をミドルサイド電極及びローサイド電極に半田付けし、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を各々の信号線にワイヤボンディングした後、積層する構造となっている。ここで、信号線と電極は絶縁をとる必要があるため、モールド樹脂外のリードフレームで保持する必要があり、ミドルサイド電極とローサイド電極の各々に保持フレームを設けている。かかる保持フレームは、スペースの関係から、上面視したときに、同一領域内で重なり合う部分を有する形状とならざるを得ない。

しかしながら、モールド樹脂によりモールド封止を行う際には、信号線及び保持フレームを金型で上下から型締めする必要があるが、上下の保持フレームに重なり合う部分が存在すると、上下から金型で単純に挟み込んで成形を行うことができず、金型の成形が極めて困難になるという問題があった。

そこで、本発明は、モールド成形を容易に行うことができ、電極形状を簡素化しつつ、小型高出力を実現できるパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るパワーモジュールは、表面上に第１のスイッチング素子が接合された第１の電極と、表面上に第２のスイッチング素子がはんだを介して直接接合された第２の電極と、第３の電極とを、前記第１の電極、前記第１のスイッチング素子、前記第２の電極、前記第２のスイッチング素子及び前記第３の電極の順に積層方向に配置したパワーモジュールにおいて、
前記第１乃至第３の電極とそれぞれ電気的に接続される第１乃至第３の電極片と、
前記第１及び第２のスイッチング素子とそれぞれ電気的に接続される第１及び第２の信号線とを有し、
前記第１乃至第３の電極は全体が電極として構成されており、
前記第２の電極及び前記第２の電極片は、互いに厚さが異なる異形材として構成されるとともに、１枚の金属板から加工された連続して水平に延びる折り曲げ加工がされていない板状の板材で構成され、
前記第１乃至第３の電極片と前記第１及び第２の信号線は、前記第２の電極と同一平面上で外側に延びて設けられ、
前記第１乃至第３の電極、前記第１乃至第３の電極片及び前記第１及び第２の信号線がモールド成形により樹脂封止され、
前記第１乃至第３の電極片、前記第１及び第２の信号線は、前記モールド成形による前記樹脂封止の際に用いる金型のパーティングラインに一致しており、
前記第１のスイッチング素子は、前記第２の電極と積層方向に重ならない領域を有することを特徴とする。

本発明によれば、小型高出力が可能な積層型のパワーモジュールにおいて、モールド成形を容易に行うことができるとともに、電極構造を簡素化することができる。

本発明の実施例１に係るパワーモジュールの一例を示した断面構成図である。 実施例１に係るパワーモジュールの一例の平面分解図である。 実施例１に係るパワーモジュールの中間電極の配置位置の説明図である。 実施例１に係るパワーモジュールの上部電極と接続される電極片の一例を示した構成図である。 実施例１に係るパワーモジュールのモールド成形工程の一例を示した図である。 比較例として従来のパワーモジュールの構成を示した図である。 比較例として従来のパワーモジュールの構成を示した平面分解図である。 比較例として従来のパワーモジュールのモールド成形工程を示した図である。 本発明の実施例２に係るパワーモジュールの一例を示した図である。 実施例１に係るパワーモジュールを図７と同様の形式で示した図である。 本発明の実施例３に係るパワーモジュールの一例の中間電極の平面構成を示した図である。 実施例３に係るパワーモジュールの一例を示した分解斜視図である。 実施例３に係るパワーモジュールの一例を示した断面構成図である。 実施例３に係るパワーモジュールの完成状態を示した斜視図である。 図１２Ａで示した実施例３に係るパワーモジュールを反対側から示した斜視図である。 実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の半導体スイッチング素子接合工程の一例を示した正面図である。 実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の上アーム・下アーム接合工程の一例を示した正面図である。 実施例３に係るパワーモジュールの製造方法のワイヤボンディング工程の一例を示した側面図である。 実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の上部電極接合工程の一例を示した正面図である。 実施例３に係るパワーモジュールの製造工程のモールド成形工程の一例を示した正面図である。

１０、１５ 下部電極
１１、１３、１６ 中間電極
１２、１４、１７ 上部電極
２０、２１、２２、２３ 半導体スイッチング素子
２５、２６、２７、２８ ダイオード
３０、３１ はんだ
４０、４１、４２ スペーサ
５０、５１ リードフレーム
６０、６１、６２、６３ 信号線
７０、７１、７２、７３ ボンディングワイヤ
８０、８１、８２、８３、８４、８５ 電極片
９０、９１ モールド樹脂
１００、１０１、１０２ 金型

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例１に係るパワーモジュールの一例を示した断面構成図である。図１において、実施例１に係るパワーモジュールは、下部電極１０と、中間電極１１と、上部電極１２と、半導体スイッチング素子２０、２１と、ダイオード２５、２６と、はんだ３０と、スペーサ４０と、信号線６１と、ボンディングワイヤ７０、７１と、電極片８１とを備える。また、図１において、樹脂封止を行うためのモールド樹脂９０が破線で示されている。

図１において、下部電極１０の表面上にはんだ３０により半導体スイッチング素子２０とダイオード２５が接合され、半導体スイッチング素子２０及びダイオード２５の上にスペーサ４０がはんだ３０により接合されている。そして、スペーサ４０の上には中間電極１１がやはりはんだ３０により接合され、中間電極１１の表面上には半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６がはんだ３０により接合されている。半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６の上には、スペーサ４０がはんだ３０により接合され、スペーサ４０の上には上部電極１２がはんだ３０により接合されている。このように、実施例１に係るパワーモジュールは、スペーサ４０を途中に介して、下部電極１０、半導体スイッチング素子２０及びダイオード２５、中間電極１１、半導体スイッチング素子１３及びダイオード２６、上部電極１２の順に積層された構造となっている。なお、スペーサ４０と中間電極１１との間のはんだ３０及びスペーサ４０と上部電極１２との間のはんだ３０は極めて薄いので、図１以降の図においては、スペーサと電極との間のはんだは省略して図示するものとする。

中間電極１１と同じ平面上には、信号線６１と電極片８１とが配置されている。信号線６１には、中間電極１１上の半導体スイッチング素子２１がボンディングワイヤ７１により接続されている。また、電極片８１は、中間電極１１から外側に延びるように設けられている。

図２は、本発明の実施例１に係るパワーモジュールの一例の平面分解図であり、図１に対応している。よって、図１の構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付している。

図２において、下部電極１０の表面上に半導体スイッチング素子２０及びダイオード２５が設けられている点と、中間電極１１の表面上に半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６が設けられている点は、図１と同様である。

一方、中間電極１１の周囲を囲むようにリードフレーム５０が設けられ、リードフレーム５０上の左側には信号線６０に加えて信号線６１、右側には電極片８１に加えて電極片８０、８２が設けられている構成が、新たに示されている。

また、上部電極１２の上面には何も設けられていない点も、図１で示した構成と同様である。

信号線６０は、図１においては信号線６１の背後に隠れていた信号線であり、下部電極１０の表面上の半導体スイッチング素子２０は、信号線６０に接続される。また、中間電極１１の表面上の半導体スイッチング素子２１は、図１に示されたように、信号線６１に接続される。

図１及び図２に示すように、信号線６０及び信号線６１は、ともに中間電極１１と同一平面上で外側に延びるように延在して配置されている。なお、図１及び図２から分かるように、下部電極１０上の半導体スイッチング素子２０は、中間電極１１と積層方向において重ならない領域を有する。つまり、半導体スイッチング素子２０は、中間電極１１から上面視したときに、半導体スイッチング素子２０の左側端部がはみ出した状態となる。これにより、下部電極１０上の半導体スイッチング素子２０は、中間電極１１に接続経路を遮られることなく、容易にボンディングワイヤ７０により信号線６０と接続が可能となる。

また、電極片８１の両側には、下部電極１０に接続される電極片８０と、上部電極１２に接続される電極片８２が配置されている。図１及び図２に示されるように、電極片８１は、中間電極１１から右側に延びるように設けられる。一方、電極片８０は下方に向かって斜め内側（中央側）に延び、電極片８２は上方に向かって斜め内側（中央側）に延び、下部電極１０及び上部電極１２を中間電極１１の下と上にそれぞれ配置したときに、下部電極１０及び上部電極１２と各々接触するように構成されている。なお、この点の詳細は後述する。

また、図２に示すように、中間電極１１、信号線６０、６１及び電極片８０、８１、８２は、１枚のリードフレーム５０から総て構成されている。これにより、１枚の金属板を加工して中間電極１１、信号線６０、６１、電極片８０、８１、８２及びリードフレーム５０を総て構成することができ、実施例１に係るパワーモジュールの加工を極めて容易にすることができる。

更に、図１及び図２において、中間電極１１は、厚さの異なる異形材から構成されているが、下部電極１０及び上部電極１２は、板状の板材で構成されている。これにより、下部電極１０及び上部電極１２の加工費を低減させ、歩留まりを向上させることができる。また、下部電極１０と上部電極１２は、互いに合同な形状を有する同一の電極部材として構成されてよい。これにより、下部電極１０と上部電極１２は、同一の金型を用いて形成することができ、加工費を低減させることができる。下部電極１０及び上部電極１２は、簡素な形状に形成されてよく、例えば、長方形形状に構成されてよい。長方形形状を有する板状部材であれば、低コストで製造することができるので、歩留まりを一層向上させることができる。

次に、図１及び図２を引き続き参照しながら、個々の構成要素について説明する。

下部電極１０は、下部に配置された電極であり、表面上に半導体スイッチング素子２０及びダイオード２５が接合されて設けられる。なお、半導体スイッチング素子２０及びダイオード２５の下部電極１０の表面上への接合は、はんだ３０により行われる。下部電極１０と半導体スイッチング素子２０及びダイオード２５は、はんだ３０により、下部電極１０に物理的に接合されるだけではなく、電気的にも接続される。

半導体スイッチング素子２０は、電圧の印加によりオン・オフのスイッチングを行うための素子であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等が用いられる。ダイオード２５は、半導体スイッチング素子２０と並列に接続されて設けられる整流素子である。

半導体スイッチング素子２０は、ゲート等の制御端子に信号線６０が接続され、信号線６０からの入力によりオン・オフが制御される。従来、下部電極１０の表面上に設けられている半導体スイッチング素子２０は、下部電極１０と同じ水平面上に信号線６０が設けられていたが、本実施例に係るパワーモジュールにおいては、中間電極８１と同じ水平面上に信号線６０が配置され、上方にある信号線６０とボンディングワイヤ７０により接続が行われている。

スペーサ４０は、中間電極１１と半導体スイッチング素子２０との間隔を形成するとともに、中間電極１１と半導体スイッチング素子２０とを電気的に接続する役割を果たす。半導体スイッチング素子２０と中間電極１１との間に間隔を形成することにより、半導体スイッチング素子２０で発生した熱を効果的に放出することができる。スペーサ４０は、例えば、柱状の金属ブロックから構成されてよく、例えば、銅ブロックから構成されてもよい。ダイオード２５上のスペーサ４０も、ダイオード２５と中間電極１１との間隔を形成するとともに、ダイオード２５と中間電極１１とを電気的に接続している。

なお、下部電極１０は、電極片８１と同じ平面上に設けられた電極片８０に接続され、電極片８０から電力が供給される。

中間電極１１は、半導体スイッチング素子２０、２１の出力電極となる電極である。中間電極１１の表面上にある半導体スイッチング素子２１は、はんだ接合により、中間電極１１と電気的にも接続されている。半導体スイッチング素子２１は、電圧の印加によりオン・オフが制御されるスイッチング素子であり、半導体スイッチング素子２０と同様、ＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタが用いられてよい。また、ダイオード２６は、半導体スイッチング素子２１と並列に接続される整流素子である。半導体スイッチング素子２１のゲート等の制御端子は、中間電極１１と同一平面上にある信号線６１とボンディングワイヤ７１により接続されている。また、電極片８１は、中間電極１１から水平に延び、外部と接続されて中間電極１１上の半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６に電力を供給する。

上部電極１２は、スペーサ４０を介して半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６の上に積層されてこれらを覆う電極である。スペーサ４０は、上述のように金属ブロックであり、配線としての役割を果たすので、半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６と上部電極１２とを電気的に接続する。また、半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６と上部電極１２との間に間隔を形成し、放熱を促進する役割を果たす。

また、上部電極１２は、電極片８２に接続され、電極片８２から電力が供給される。例えば、上部電極１２に供給される電力を高電位側、下部電極１０に供給される電力を低電位側とすると、中間電極１１、半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６は上アームを構成し、下部電極１０、半導体スイッチング素子２２及びダイオード２５は下アームを構成する。

また、実施例１に係るパワーモジュールは、半導体スイッチング素子２０、２１を直列接続した構成を有し、素子積層型の小型高出力の構成を有する。

なお、図２に示すように、最初の段階では、信号線６０、６１及び電極片８０〜８２は、総てリードフレーム５０に接続されているが、リードフレーム５０がモールド樹脂９０の外に突出するようにモールド成形される。そして、モールド成形後は、モールド樹脂９０から外に突出したリードフレーム５０が切断され、下部電極１０、中間電極１１及び上部電極１２間で絶縁された状態となる。図１においては、既にリードフレーム５０が切断された状態のパワーモジュールが示されている。

図３は、本発明の実施例１に係るパワーモジュールの中間電極１１の配置位置について説明するための図である。なお、全体構成及び個々の構成要素については、図１とほぼ同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図３において、半導体スイッチング素子２０の表面上の一部分が、中間電極１１に重ならない領域Ａを有している。つまり、中間電極１１が、半導体スイッチング素子２０に設けられた信号パッド上方を避けて配置されている。かかる構成により、半導体スイッチング素子２０の上方にフリーな領域Ａを確保でき、下側の半導体スイッチング素子２０が信号線６０とボンディング接続し易い構成にすることができる。また、上部電極１２は、中間電極１１と重なる位置に配置され、中間電極１１とともに、半導体スイッチング素子２０のワイヤボンディングのスペースを確保している。

このように、下部電極１０上に設置された半導体スイッチング素子２０の上方に接続スペースを確保することにより、ワイヤボンディングを容易に行うことができるパワーモジュールとすることができる。

図４は、本発明の実施例１に係るパワーモジュールの上部電極１２と接続される電極片８２の一例を示した構成図である。図４において、本実施例に係るパワーモジュールの上部電極１２と接続される電極片８２を含む断面構成が示されている。図４において、電極片８２が、平行な２辺を結ぶように、中央から裾野に開くような形状をしており、一端の上面が上部電極１２の右側端部の下面に接続されている。そして、電極片８２は、上部電極１２の右側端部下面から、外側に開くように斜め下に延び、中間電極１１と同一平面上に到達した所で、外側に水平に延びた形状となっている。そして、電極片８２の上部電極１２の下面との接続点の下方は、中間電極１１及び下部電極１０が存在しない領域Ｂが確保されている。電極片８２の上面電極１２への接続は、上部電極１２を下方、下部電極１０を上方にして上下を反転させた状態で、上方から電極片８２の接合部にはんだ３０を滴下することにより行われる。このような場合には、電極片８２を上部電極１２に接続加工するためのスペースを確保する必要があるため、図４に示すように、電極片８２と上部電極１２との接続部の下方の領域Ｂには、はんだ３０の滴下を妨げる中間電極１１及び下部電極１０を設けないこととし、接続作業用のスペースを確保している。

このように、必要に応じて、上部電極１２と電極片８２との接続点の下方に、中間電極１１及び下部電極１０の存在しない領域Ｂを設けることにより、上部電極１２に電極片８２を接続するための接続スペースを確保することができる。なお、かかる領域Ｂのスペースは、必須ではなく、必要に応じて設けるようにしてよい。

なお、中間電極１１と同一平面上にあるリードフレーム５０から下方に延びた電極片８０は、下部電極１０と中間電極１１とを接合する際に、同時に下部電極１０に接合されるので、領域Ｂのようなスペースを設ける必要は無い。

図５は、本発明の実施例１に係るパワーモジュールのモールド成形工程の一例を示した図である。図５において、実施例１に係るパワーモジュールが、モールド成形を行うための金型１００に型締めされた状態が示されている。金型１００は、上型１０２と、下型１０１とを備え、両者で型締めし、空間にモールド樹脂９０を充填して成形することにより行われる。

ここで、実施例１に係るパワーモジュールは、信号線６０、６１及び電極片８０〜８２が、上型１０２と下型１０１の境界であるパーティングラインＰＬと一致しているため、信号線６０、６１及び電極片８０〜８２を、パーティングラインＰＬの位置に配置して型締めすることができる。つまり、例えば、下型１０１の左側に、信号線６０、６１を収容できる型を成形し、右側に電極片８０〜８２を収容できる型を成形しておけば、上型１０２と下型１０１とを型締めすることによりモールド成形を行うための型ができ、容易にモールド成形を行うことができる。これにより、金型１００の成形が簡素で容易になるとともに、モールド成形自体も一般的な工程で行うことができる。

このように、本実施例に係るパワーモジュールによれば、信号線６０、６１及び電極片８０〜８２の高さを総て、金型１００のパーティングラインＰＬと一致する中間電極１１と同じ高さとすることにより、金型１００の形状を簡素化し、モールド成形を容易に行うことができる。

また、上部電極１２及び下部電極１０は板状部材とすることができるので、歩留まりを大きく向上させることができる。更に、ワイヤボンディングを行って半導体スイッチング素子２０、２１を信号線６０、６１に接続する際には、下部電極１０の表面上にある半導体スイッチング素子２０と信号線６０との接続スペースを確保し、容易にワイヤボンディングを行うことができる。更に、電極片８２を上部電極１２に接続する際も、接続スペースが確保されているので、容易に接続を行うことができる。

図６Ａは、比較例として従来のパワーモジュールの構成を示した図である。図６Ａにおいて、下部電極１１０、半導体素子２０及びダイオード２５、スペーサ４０、中間電極１１１、半導体スイッチング素子２１及びダイオード２６、スペーサ４０及び上部電極１１２の順で積層された構造を有する点は、本実施例に係るパワーモジュールと同様であるが、信号線１６０、１６１が下部電極１１０及び中間電極１１１、電極片１８０、１８１、１８２が下部電極１１０、中間電極１１１及び上部電極１１２と同一平面上にある点で、本実施例に係るパワーモジュールと異なっている。かかる配置構成に伴い、信号線１６０と下部電極１１０上の半導体スイッチング素子２０との接続は、ボンディングワイヤ１７０により同一平面上で行われ、信号線１６１と中間電極１１１上の半導体スイッチング素子２１との接続もボンディングワイヤ１７１により同一平面上で行われている。

かかる構成では、下部電極１１０及び中間電極１１１の双方が、信号線１６０、１６１及び電極片１８０、１８１と厚さが異なり、異形材の組み合わせから全体が構成されている。更に上部電極１１２も電極片１８２との厚さが異なり、厚さの異なる異形材同士の組み合わせから構成されている。よって、中間電極１１１と下部電極１１０が、信号線１６０、１６１及び電極片１８０、１８１を含めた全体としては厚さの異なる部分を有して構成されることになるため、構造が複雑となって加工の歩留まりが悪くなり、電極部材を製造するコストが増大するという問題があった。

図６Ｂは、比較例として従来のパワーモジュールの構成を示した平面分解図であり、図６Ａに対応している。図６Ｂに示すように、下部電極１１０、中間電極１１１及び上部電極１１２の総てが、電極片１８０、１８１、１８２を含めると異なる形状を有しており、本実施例に係るパワーモジュールのように、単純な板材で構成されている電極が存在しない。よって、電極製造時の歩留まりが悪くなってしまう。また、下部電極１１０及び中間電極１１１に設けられたリードフレーム１５０、１５１に着目すると、下部電極１１０と中間電極１１１とを積層して配置したときに、リードフレーム１５０とリードフレーム１５１とを上面視すると、互いに重なり合う部分が生じてしまう。このような箇所は、モールド成形時に成形が困難となるが、その点は、次に述べる。

図６Ｃは、比較例として従来のパワーモジュールのモールド成形工程を示した図である。図６Ｃにおいて、上型２０２と下型２０１からなる金型２００に従来のパワーモジュールが型締めされている。図６Ｃにおいて、右側の電極片１８０〜１８２については、電極片１８０〜１８２の突出位置を上面視的にずらすことで、モールド成形が可能となっている。

しかしながら、信号線１６０、１６１の部分については、リードフレーム１５０、１５同士が重なり合うため、上型２０２と下型２０１とで上下から型締めすることができない。

このように、従来のパワーモジュールでは、信号線１６０、１６１が同一平面上になく、パーティングラインＰＬで上下から挟むように信号線１６０、１６１を配置することができないので、単純なモールド成形では加工ができず、加工費が高くなってしまう。

一方、本実施例に係るパワーモジュールによれば、図５に示したように、信号線６０、６１及び電極片８０〜８２が総て同一のパーティングラインＰＬ上に配置され、上下で挟むだけで型締めを行うことができるので、容易にモールド成形を行うことができる。また、上部電極１２及び下部電極１０は、板材で構成することができるので、歩留まりも大きく向上させることができる。

このように、本実施例に係るパワーモジュールによれば、モールド成形時の金型１００及びパワーモジュール自体の電極１０、１２を簡素化することにより、小型高出力を保ちつつ、製造時の歩留まりを大幅に向上させることができる。

図７は、本発明の実施例２に係るパワーモジュールの一例を示した図である。図７において、実施例２に係るパワーモジュールは、下部電極１０と、中間電極１３と、上部電極１４と、半導体スイッチング素子２０、２１と、信号線６０、６１とを備える。図７においては、実施例１の変更部分のみが示されているが、その他の構成要素については、実施例１と同様の構成要素を備えてよい。また、実施例１に係るパワーモジュールと同様の構成要素については、実施例１と同様の参照番号を付し、その説明を省略するものとする。

図７において、実施例２に係るパワーモジュールは、実施例１において存在したスペーサ４０が無くなり、中間電極１３の下面及び上部電極１４の下面に凸部４１が代わりに設けられた点で、実施例１に係るパワーモジュールと異なっている。このように、パワーモジュール２０と中間電極１３、パワーモジュール２１と上部電極１４との間隔を適切に保つことができ、パワーモジュール２０、２１同士を直列接続できれば、独立したスペーサ４０の代わりに、電極一体型の凸部４１を設けるようにしてもよい。

図８は、実施例１に係るパワーモジュールを、図７と同様の形式で示した図である。図８に示されるように、スペーサ４０を独立して設けると、部品点数が多くなる。

一方、図７においては、中間電極１３及び上部電極１４の形状がやや複雑になり、電極加工費は増加するものの、スペーサ４０を廃止することにより、部品点数を削減することができるとともに、組立加工費も低減することができる。よって、図７のような実施例２に係るパワーモジュールの構成とするか、図８のような実施例１に係るパワーモジュールの構成とするかは、用途及びトータルコストに応じて適宜選択することができる。

なお、凸部４１は、半導体スイッチング素子２０、２１及びダイオード２５、２６の上部に、例えば１ｍｍ以上の凸形状として設けるようにしてもよい。

このように、実施例２に係るパワーモジュールによれば、部品点数及び組立時の加工費を低減させ、コスト低減を行うことができる。

図９は、本発明の実施例３に係るパワーモジュールの一例の中間電極の平面構成を示した図である。図９において、実施例３に係るパワーモジュールは、下部電極１５と、中間電極１６と、半導体スイッチング素子２２、２３と、ダイオード２８と、リードフレーム５１と、信号線６２、６３と、ボンディングワイヤ７２、７３と、電極片８３、８４、８５とを備える。中間電極１６、信号線６２、６３及び電極片８３〜８４は、１つのリードフレーム５１上に、同一平面上に形成されている。

実施例３に係るパワーモジュールにおいては、半導体スイッチング素子２２、２３及びダイオード２８が、下部電極１５及び中間電極１６上に各々３個ずつ備えられており、この点で実施例１に係るパワーモジュールと異なっている。実施例１に係るパワーモジュールは、単相インバータ等の単相用のパワーモジュールとして構成されていたが、実施例３に係るパワーモジュールにおいては、三相インバータ等の三相用のパワーモジュールとして構成された例について説明する。

半導体スイッチング素子２３及びダイオード２８は、中間電極１６上に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して３個ずつ設けられている。よって、各相の出力電極となる電極片８４も、３個の半導体スイッチング素子２３及びダイオード２８に対応して、３枚ずつ中間電極１６から外側に延びるように設けられている。なお、図９においては、３枚の電極片８４が総て１枚のリードフレーム５１により接続された状態となっているが、モールド成形した後に、電極片８４は各々切断されて電気的に互いに絶縁される。

一方、下部電極１５に接続される電極片８３と、上部電極（図９においては図示せず）に接続される電極片８５は、３個の半導体スイッチング素子２３及びダイオード２８で共通とすることができ、各々１枚ずつ設けられている。図９において、上部電極８５は、内側（信号線６２、６３側）に向かって延びた部分が示されているが、この部分で上部電極と接続される。下部電極１６に接続される電極片８４には、そのような内側に延びる部分が示されていないが、実際には、中間電極１６の下方に、同様な内側に延びる部分を有している。

また、信号線６２、６３側においては、中間電極１６よりも下部電極１５が外側にはみ出しており、下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２が、中間電極１６と重ならない部分を外側に有している。下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２が、積層方向において中間電極１６と重ならない部分を有することにより、ボンディングワイヤ７２を用いた下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２と信号線６２の接続を容易に行うことができる。下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２も、３相に対応して３個ずつ備えられているので、３個の半導体スイッチング素子２２について、ワイヤボンディングによる信号線６２との接続が行われているが、いずれも接続スペースが確保でき、容易にワイヤボンディングを行うことができる。

なお、中間電極１６上の半導体スイッチング素子２３と信号線６３は、同一平面上にあるので、ボンディングワイヤ７３を用いて、一般的なワイヤボンディングにより容易に接続を行うことができる。

このように、実施例３に係るパワーモジュールは、信号線６２、６３、電極片８３〜８５及び中間電極１６が同一のリードフレーム５１上に形成され、総て同一平面上にあるので、モールド成形時に、パーティングラインの成形が容易な構成となっている。

図１０は、実施例３に係るパワーモジュールの一例を示した分解斜視図である。図１０において、中間電極１６の構成は図９に対応しているので、同一の構成要素には図９と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図１０において、実施例３に係るパワーモジュールは、下部電極１５の表面上に半導体スイッチング素子２２及びダイオード２７が３個ずつ接合配置され、各々の半導体スイッチング素子２２及びダイオード２７上にスペーサ４２が設けられ、その上に中間電極１６が積層されて設けられている。中間電極１６の表面上には、半導体スイッチング素子２３及びダイオード２８が３個ずつ設けられ、その上にスペーサ４２を介して上部電極１７が積層された構成となっている。下部電極１５及び上部電極１７は、実施例３に係るパワーモジュールにおいても、板材で構成されており、歩留まりを向上できる構成となっている。

図１１は、実施例３に係るパワーモジュールの一例を示した断面構成図である。図１１において、下部電極１５、半導体スイッチング素子２２及びダイオード２７、スペーサ４２、中間電極１６、半導体スイッチング素子２３及びダイオード２８及び上部電極１７の順に下から積層された断面構成が示されている。中間電極１６からは、電極片８４が右側の外側に水平に延び、反対側には、信号線６２が左側の外側に水平に延びて配置されている、信号線６２には、下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２が下方からボンディングワイヤ７２により接続され、信号線６３（図１１には図示せず）には、中間電極１６上の半導体スイッチング素子２３がボンディングワイヤ７３により接続されている。半導体スイッチング素子２２は、積層方向において中間電極１６と重ならない部分を有し、中間電極１６よりも信号線６２側にはみ出しているので、ボンディングワイヤ７２による接続スペースを確保でき、容易にワイヤボンディングを行うことができる。

また、図１１には電極片８５が示されていないが、上部電極１７の下方に中間電極１６及び下部電極１５と重ならないスペースがあり、上部電極１７への電極片８５への接合が容易な構成となっている。

また、下部電極１５、中間電極１６及び上部電極１７は、側面をモールド樹脂９０でモールド成形され、信号線６２及び電極片８４の外側がモールド樹脂９０から突出して露出している。信号線６２及び電極片８４は同一平面上にあり、また図示されていない信号線６３及び電極片８３、８５も同一平面上にあるため、モールド成形時のパーティングラインの構成を容易にすることができる構成となっている。更に、信号線６２、６３と電極片８３〜８５が中間電極１６を介して反対側に配置された構成であるため、信号線６２、６３とパワー線である電極片８３〜８５を離間させることができ、ノイズの発生し難い構成となっている。

また、下部電極１５の下面と、上部電極１７の上面は樹脂封止されずに露出しており、冷却効率を高めることができる構成となっている。例えば、露出した上部電極１７の上面及び下部電極１５の下面に冷却フィンを設けるようにすれば、パワーモジュールの冷却効率を高めることができる。

図１２Ａは、実施例３に係るパワーモジュールの完成状態を示した斜視図である。図１２Ａにおいて、手前側に電極片８３〜８５、奥側に信号線６２、６３、中央に半導体スイッチング素子２３及びダイオード２８が配置された状態が示されている。電極片８４は、三相出力用に３個突出して設けられており、上部電極１７用の電極片８５と、下部電極１５用の電極片８３は、三相で共通とすることができるので、１個ずつ突出して設けられている。また、信号線６２、６３は、下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２用の信号線６２と、中間電極１６上の半導体スイッチング素子２３用の信号線６３が、同一平面上に設けられた構成となっている。

図１２Ｂは、図１２Ａで示した実施例３に係るパワーモジュールを反対側から示した斜視図である。図１２Ｂにおいて、信号線６２、６３が手前側に示されているが、ボンディングワイヤ７３を用いた同一平面上での半導体スイッチング素子２３と信号線６３のワイヤボンディングと、ボンディングワイヤ７２を用いた下部電極１５上の半導体スイッチング素子２２と信号線６２のワイヤボンディングが交互に行われていることが示されている。

実施例３に係るパワーモジュールによれば、三相用のパワーモジュールにおいても、モールド成形を容易にするとともに、電極形状を簡素化し、歩留まりを向上させることができる。

次に、図１３Ａ〜図１３Ｅを用いて、実施例３に係るパワーモジュールの製造方法を説明する。図１３Ａ〜図１３Ｅは、実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の一例の一連の工程を示した図である。なお、実施例３において既に説明した構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

図１３Ａは、実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の半導体スイッチング素子接合工程の一例を示した正面図である。半導体スイッチング素子接合工程においては、下部電極１５及び中間電極１６上に、半導体スイッチング素子２２、２３がそれぞれ接合される。具体的には、下部電極１５の表面上には、半導体スイッチング素子２２がはんだ３１を用いてはんだ付けにより接合される。また、中間電極１６の表面上には、半導体スイッチング素子２３がはんだ３１を用いてはんだ付けにより接合される。なお、半導体スイッチング素子接合工程においては、半導体スイッチング素子２２、２３の他、半導体スイッチング素子２２、２３上に、スペーサ４２がやはりはんだ３１を用いたはんだ付けにより接合される。

なお、図１３Ａにおいて、図９で示したように、下部電極１５は一枚の板状の電極であるため、３個の半導体スイッチング素子２２が板状の下部電極１５の表面上に接合される。一方、中間電極１６は、各相の半導体スイッチング素子２３の接合領域毎に分離した形状であったため、図１３Ａにおいても対応し、半導体スイッチング素子２３毎に分離して中間電極１６上に接合配置されている。

半導体スイッチング素子接合工程により、パワーモジュールの上アームと下アームが完成する。なお、上アームはプラス側、下アームはマイナス側であるが、本実施例においては、下部電極１５及びその表面上に接合された半導体スイッチング素子２２を上アームＵ、中間電極１６及びその表面上に接合された半導体スイッチング素子２３を下アームＬとして説明する。

図１３Ｂは、実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の上アーム・下アーム接合工程の一例を示した正面図である。上アーム・下アーム接合工程においては、上アームＵと下アームＬがはんだ接合される。図１３Ｂにおいては、下部電極１５及び半導体スイッチング素子２２を有する上アームＵ上に、中間電極１６及び半導体スイッチング素子２３を有する下アームＬがはんだ３１によりはんだ接合されている。

図１３Ｃは、実施例３に係るパワーモジュールの製造方法のワイヤボンディング工程の一例を示した側面図である。図１３Ａ及び図１３Ｂにおいては、正面図を示していたが、図１３Ｃにおいては、ワイヤボンディング工程の接続関係が分かるように側面図が示されている。ワイヤボンディング工程においては、半導体スイッチング素子２２、２３と信号線６２、６３とのボンディングワイヤ７２、７３を用いた接合が行われる。図１３Ｃに示すように、下部電極１５の表面上の半導体スイッチング素子２２は、中間電極１６と同一平面上にある信号線６２と段差を有するが、中間電極１６に覆われない部分を有し、ボンディングワイヤ７２を配置する接続スペースを確保できている。また、中間電極１６上の半導体スイッチング素子２３は、同一平面上にある信号線６３に接続される。なお、ボンディングワイヤ７２、７３は、用途に応じて種々の材料からなるワイヤが用いられてよいが、例えば、アルミニウムワイヤを用いてもよい。

また、信号線６２、６３と反対側においては、電極片８３〜８５が設けられているが、電極片８３と下部電極１５との接続は、この段階で同時に行われる。電極片８３の接合も、はんだ３１を用いたはんだ接合であってよい。

図１３Ｄは、実施例３に係るパワーモジュールの製造方法の上部電極接合工程の一例を示した正面図である。上部電極接合工程においては、中間電極１６上の半導体スイッチング素子２３の上部に、上部電極１７が接合される。接合は、はんだ３１を用いたはんだ接合により行われてよい。これにより、下アームＬの半導体スイッチング素子２３がＩＧＢＴの場合には、ＩＧＢＴのエミッタ同士が接続されることになる。

なお、上部電極接合工程において、上部電極１７と電極片８５とのはんだ接合も併せて行うようにする。上部電極接合工程により、積層型パワーモジュールの電気的接続が完成する。

図１３Ｅは、実施例３に係るパワーモジュールの製造工程のモールド成形工程の一例を示した正面図である。モールド成形工程においては、上部電極１７の上面及び下部電極１５の下面以外はモールド樹脂により封止される。その際、図１３Ｃで示したように、金型のパーティングラインは、同一平面上にある信号線６２、６３及び電極片８３〜８５を型締めすればよいだけであるので、簡素な形状に構成することができる。

また、上部電極１７及び下部電極１５は、板材を用いることができるので、電極構成を簡素化し、歩留まりを向上させることができる。

この後、必要に応じて上部電極１７の上面及び／又は下部電極１５の下面に冷却用のフィンを設け、パワーモジュールの冷却効率を高める構成としてもよい。下部電極１５及び上部電極１７は単なる板材であるので、フィンを設ける加工も容易に行うことができる。

なお、上面電極１７の上面及び／又は下部電極１５の下面に冷却フィンを設ける構成は、実施例１及び実施例２に係るパワーモジュールにも適用することができる。

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。

本発明は、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳトランジスタ等を半導体スイッチング素子として用いたパワーモジュールに適用可能である。

Claims (10)

1. 表面上に第１のスイッチング素子が接合された第１の電極と、表面上に第２のスイッチング素子がはんだを介して直接接合された第２の電極と、第３の電極とを、前記第１の電極、前記第１のスイッチング素子、前記第２の電極、前記第２のスイッチング素子及び前記第３の電極の順に積層方向に配置したパワーモジュールにおいて、
   前記第１乃至第３の電極とそれぞれ電気的に接続される第１乃至第３の電極片と、
   前記第１及び第２のスイッチング素子とそれぞれ電気的に接続される第１及び第２の信号線とを有し、
   前記第１乃至第３の電極は全体が電極として構成されており、
   前記第２の電極及び前記第２の電極片は、互いに厚さが異なる異形材として構成されるとともに、１枚の金属板から加工された連続して水平に延びる折り曲げ加工がされていない板状の板材で構成され、
   前記第１乃至第３の電極片と前記第１及び第２の信号線は、前記第２の電極と同一平面上で外側に延びて設けられ、
   前記第１乃至第３の電極、前記第１乃至第３の電極片及び前記第１及び第２の信号線がモールド成形により樹脂封止され、
   前記第１乃至第３の電極片、前記第１及び第２の信号線は、前記モールド成形による前記樹脂封止の際に用いる金型のパーティングラインに一致しており、
   前記第１のスイッチング素子は、前記第２の電極と積層方向に重ならない領域を有することを特徴とするパワーモジュール。
2. 表面上に第１のスイッチング素子が接合された第１の電極と、表面上に第２のスイッチング素子がはんだを介して直接接合された第２の電極と、第３の電極とを、前記第１の電極、前記第１のスイッチング素子、前記第２の電極、前記第２のスイッチング素子及び前記第３の電極の順に積層方向に配置したパワーモジュールにおいて、
   前記第１乃至第３の電極とそれぞれ電気的に接続される第１乃至第３の電極片と、
   前記第１及び第２のスイッチング素子とそれぞれ電気的に接続される第１及び第２の信号線とを有し、
   前記第１乃至第３の電極は全体が電極として構成されており、
   前記第２の電極及び前記第２の電極片は、互いに厚さが異なる異形材として構成されるとともに、１枚の金属板から加工された連続して水平に延びる折り曲げ加工がされていない板状の板材で構成され、
   前記第１乃至第３の電極片と前記第１及び第２の信号線は、前記第２の電極と同一平面上で外側に延びて設けられ、
   前記第１乃至第３の電極、前記第１乃至第３の電極片及び前記第１及び第２の信号線がモールド成形により樹脂封止され、
   前記第１乃至第３の電極片、前記第１及び第２の信号線は、前記モールド成形による前記樹脂封止の際に用いる金型のパーティングラインに一致しており、
   前記第３の電極と前記第３の電極片との接続部が、前記第１及び第２の電極と積層方向に重ならない領域を有することを特徴とするパワーモジュール。
3. 前記第２の電極と、前記第１乃至第３の電極片と、前記第１及び第２の信号線とが、同一のリードフレーム上に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
4. 前記第３の電極片の接合部が、前記第１及び第２の電極片と積層方向に重ならない領域を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
5. 前記第１乃至第３の電極片と、前記第１及び第２の信号線とは、前記第２の電極を介して反対側に設けられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
6. 前記第１及び第２の信号線は、ワイヤボンディングにより前記第１及び第２のスイッチング素子に接続されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
7. 前記第１及び第２の電極は、合同な形状を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
8. 前記第１及び第２の電極は、長方形形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
9. 前記第１のスイッチング素子と前記第２の電極、及び前記第２のスイッチング素子と前記第３の電極は、金属ブロックからなるスペーサを介して積層されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
10. 前記第１乃至第３の電極片及び前記第１及び第２の信号線の外側部分のみが露出するように、前記第１乃至第３の電極、前記第１乃至第３の電極片及び前記第１及び第２の信号線がモールド成形により樹脂封止されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のパワーモジュール。

Images