JP6891904B2 - 半導体モジュール、電気自動車およびパワーコントロールユニット - Google Patents

半導体モジュール、電気自動車およびパワーコントロールユニット Download PDF

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Description

本発明は、半導体モジュール、電気自動車およびパワーコントロールユニットに関する。
従来、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード、または金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等の半導体チップを備えた半導体モジュールが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１ 特開２００７−２６６６０８号公報
特許文献２ 特開２０１２−２１２７１３号公報
 解決しようとする課題
半導体チップを備える半導体モジュールにおいては、放熱を効率よく行うことが好ましい。
一般的開示
本発明の第１の態様においては、複数の半導体チップを備える半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、複数の半導体チップに接続されたリードフレームを備えてよい。半導体モジュールは、リードフレームに接続された主端子を備えてよい。リードフレームは、複数の半導体チップと、主端子とを電気的に接続する電気接続部を有してよい。リードフレームは、電気接続部から延長して設けられた放熱部を有してよい。
放熱部は、主端子と複数の半導体チップとの間に流れる電流の経路を拡張しない。電気接続部は、主端子に接続され、主端子から複数の半導体チップに向かう方向が長手方向である第１の板状部を有してよい。放熱部は、第１の板状部から、第１の板状部の長手方向とは異なる方向に延びて設けられてよい。
放熱部は、第１の板状部の主面に対して上方向または下方向に伸びる縦延長部を有してよい。放熱部は、第１の板状部とは異なる高さに設けられた１つ以上の第２の板状部を有してよい。少なくとも一つの第２の板状部は、第１の板状部の主面に対向する主面を有してよい。縦延長部は、第１の板状部および第２の板状部を接続してよい。
放熱部は、第１の板状部とは異なる高さに設けられた１つ以上の第２の板状部を有してよい。少なくとも一つの第２の板状部は、第１の板状部の主面に対して傾いた主面を有してよい。縦延長部は、第１の板状部および第２の板状部を接続してよい。
電気接続部は、それぞれの半導体チップを第１の板状部に接続する複数のチップ接続部を更に有してよい。電気接続部および放熱部のそれぞれは、異なる高さに配置された１つ以上の板状部を有してよい。最も上側の板状部と、当該板状部の直下の板状部との間隔は、他の隣接するいずれか１組の板状部における間隔よりも大きくてよい。
電気接続部および放熱部のそれぞれは、異なる高さに配置された１つ以上の板状部を有してよい。最も上側の板状部は、他のいずれかの板状部よりも薄くてよい。
電気接続部および放熱部のそれぞれは、異なる高さに配置された１つ以上の板状部を有してよい。いずれかの板状部に貫通孔が形成されていてよい。縦延長部に貫通孔が形成されていてよい。リードフレームは、接合された少なくとも２つの金属部材を含んでよい。
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュールを備える電気自動車を提供する。
本発明の第３の態様においては、第１の態様に係る半導体モジュールを備えるパワーコントロールユニットを提供する。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
本発明の第１実施形態の半導体モジュール１００の概要を示す斜視図である。 各相における１組のリードフレーム１０−１およびリードフレーム１０−２の一例を示す斜視図である。 リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。 リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。 リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。 リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の一例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。 三相の電力変換回路の一例を示す図である。 電気自動車３００の構造の一例を示すブロック図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の第１実施形態の半導体モジュール１００の概要を示す斜視図である。半導体モジュール１００は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子が形成された複数の半導体チップ１８６等を含む電子回路を内部に収容する。本例の半導体モジュール１００は、複数の半導体チップ１８６を収容する樹脂ケース１６０を備える。
図１においては樹脂ケース１６０のおもて面と平行な面をＸＹ面とする。また、樹脂ケース１６０のおもて面の長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向とする。但し、短手方向がＸ方向であり、長手方向がＹ方向であってもよい。また、ＸＹ面と垂直な方向をＺ方向とする。本明細書では、Ｚ方向を高さ方向と称する場合がある。また、樹脂ケース１６０の底部から、おもて面に向かう方向を上、おもて面から底部に向かう方向を下と称する場合がある。ただし上下の方向は重力方向とは必ずしも一致しない。また、各図に示したＸＹＺ座標軸において、矢印を付した側をプラス側、逆側をマイナス側とする。
一例として半導体モジュール１００は、電力変換回路として機能するが、半導体モジュール１００に形成される回路は電力変換回路に限定されない。図１の例の半導体モジュール１００は、三相の電力変換回路である。本例の半導体モジュール１００は、半導体チップ１８６を、電力変換回路の相毎に収容する収容部１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを有する。収容部１０２は、樹脂ケース１６０に形成された窪みであってよい。
それぞれの収容部１０２に配置された半導体チップ１８６の上方には、リードフレーム１０が配置されている。一例としてリードフレーム１０は、銅等の金属で形成された板状の導電体である。図１においては、それぞれのリードフレーム１０を模式的に示している。リードフレーム１０の形状等については後述する。
それぞれの収容部１０２には、電力変換回路の各相の上アームおよび下アームに対応する２つのリードフレーム１０が配置される。それぞれのリードフレーム１０は、対応するアームに含まれる複数の半導体チップ１８６の主電極と接続する。半導体チップ１８６は、上面に形成された主電極と上面に対向する下面に形成された主電極と、を備える縦型のパワー半導体素子であってよい。主電極とは、例えばＩＧＢＴのコレクタ電流等の大電流が流れる電極である。ＩＧＢＴチップにおける主電極は、コレクタ電極およびエミッタ電極である。但し、半導体チップ１８６は、ＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。また、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタには、ダイオードが並列に接続されていてもよい。また、パワー半導体素子は、ＩＧＢＴ領域及びＦＷＤ領域を有するＲＣ−ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）を含んでよい。半導体チップ用の基板は、シリコンまたはシリコンカーバイドを含んでよい。
樹脂ケース１６０には、複数の主端子が固定されている。主端子とは、ＩＧＢＴのコレクタ電流等の大電流が流れる端子である。本例の半導体モジュール１００は、主端子として、Ｕ端子１６１、Ｖ端子１６２、Ｗ端子１６３、Ｐ端子１７２およびＮ端子１７４を備える。
Ｕ端子１６１、Ｖ端子１６２、およびＷ端子１６３は、電力変換回路における各相の出力端子である。Ｐ端子１７２は、電力変換回路の高圧側配線に接続されるべき端子であり、Ｎ端子１７４は、低圧側配線に接続されるべき端子である。
それぞれのリードフレーム１０は、対応する複数の半導体チップ１８６と、対応する主端子とを電気的に接続する。例えば収容部１０２ａのリードフレーム１０−１は、それぞれの半導体チップ１８６の上面に形成されたエミッタ電極等の主電極と、Ｕ端子１６１とを電気的に接続する。複数の半導体チップ１８６が、一つのリードフレーム１０に対して並列に接続する。
半導体モジュール１００は、それぞれのリードフレーム１０と、主端子とを電気的に接続する接続部５０を備えてよい。接続部５０は、リードフレーム１０の端部の下面を支持してよい。接続部５０は、銅等の導電材料で形成されたブロックを含んでよい。
本例の半導体モジュール１００は、複数のピン１１０および複数のプリント基板１５０を更に備える。ピン１１０は、プリント基板１５０を介して半導体チップ１８６のゲート端子等の制御端子に接続されてよい。ピン１１０には、リードフレーム１０に比べて小さい電流が流れる。プリント基板１５０は、ワイヤ１４８等の配線を介して半導体チップ１８６と接続されてよい。半導体チップ１８６、リードフレーム１０およびプリント基板１５０は樹脂で封止されてよい。樹脂は、シリコーンゲル等のゲル、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の封止材であってよい。封止材はフィラーを含んでよい。
半導体モジュール１００は、収容部１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃにそれぞれ収納された積層基板１８０を備えてよい。積層基板１８０は、絶縁基板１８２および金属箔１８４を備えてよい。金属箔１８４は、絶縁基板１８２の上面に形成される。金属箔１８４は銅箔であってよい。金属箔１８４は、それぞれの半導体チップ１８６の下面に形成されたコレクタ電極等の主電極と接続される。金属箔１８４は、各アームで電気的に分離している。また、半導体モジュール１００は、その底部に絶縁基板１８２の下面に熱的および機械的に接続された冷却器を備えてもよい。冷却器には外部から冷媒が供給され得る。
図２は、各相における１組のリードフレーム１０−１およびリードフレーム１０−２の一例を示す斜視図である。リードフレーム１０−１およびリードフレーム１０−２は、ほぼ同一の構造を有してよい。本例では、リードフレーム１０−１およびリードフレーム１０−２の一方をリードフレーム１０として構造を説明するが、それぞれのリードフレーム１０が当該構造を有してよい。
リードフレーム１０は、複数の半導体チップ１８６と主端子とを電気的に接続する電気接続部を備える。本例のリードフレーム１０は、電気接続部として機能する端子接続部１２、第１の板状部２０、および、複数のチップ接続部１４を備える。端子接続部１２は、図１に示した接続部５０と接続される。チップ接続部１４は、図１に示した半導体チップ１８６と接続される。チップ接続部１４は、半導体チップ１８６毎に設けられる。本明細書では、第１の板状部２０を単に板状部２０と称する場合がある。板状部２０は、端子接続部１２とチップ接続部１４との間に設けられた、平板状の部分である。
本例のリードフレーム１０は、一つの板状部２０を備えている。この場合、一つの板状部２０に対して、端子接続部１２および複数のチップ接続部１４が電気的および機械的に接続される。端子接続部１２および複数のチップ接続部１４は、板状部２０と一体に成形されていてよく、はんだ、または、ろう付け等により接合されていてもよい。図２の例では、端子接続部１２が板状部２０と一体に成形されており、複数のチップ接続部１４が、それぞれ板状部２０の下面に接合されている。
チップ接続部１４は、板状部２０よりも薄く形成されてよい。これにより、チップ接続部１４のバネ性を向上させて、リードフレーム１０等に生じる応力を緩和できる。チップ接続部１４の厚みは、板状部２０の厚みの半分以下であってよい。
本例では、板状部２０の上面および下面と平行な面をＸＹ面とする。また、ＸＹ面と垂直な方向をＺ軸方向とする。また、端子接続部１２と、端子接続部１２から最も離れたチップ接続部１４とを結ぶ直線の方向を、Ｙ軸方向とする。また、板状部２０において最も長い辺の方向である長手方向を、Ｙ軸方向としてもよい。板状部２０の主面とは、板状部２０の面のうち、最も面積の大きい面と、その裏面を指す。図２の例では、ＸＹ面と平行な面が、板状部２０の主面である。
他の例では、リードフレーム１０は、電気接続部として機能する複数の板状部２０を備えていてもよい。例えば、一つの板状部２０には端子接続部１２が接続され、他の一つの板状部２０には複数のチップ接続部１４が接続される。２つの板状部２０は、導電部材により接続される。このような場合、２つの板状部２０は、主端子と半導体チップ１８６とを接続する電気接続部として機能する。また、端子接続部１２が接続される板状部２０と、チップ接続部１４が接続される板状部２０との間に、１つ以上の板状部２０が更に設けられてもよい。隣接する板状部２０は、導電部材により接続される。この場合、３つ以上の板状部２０が電気接続部として機能する。
リードフレーム１０は、電気接続部から延長して設けられた放熱部を備える。放熱部は、電気接続部と同一の材料で、電気接続部と一体に成形されていてよい。本例のリードフレーム１０は、電気接続部として機能する板状部２０から上方向または下方向（すなわち、Ｚ軸方向）に延長して設けられた縦延長部３０を備える。縦延長部３０が放熱部として機能する。
縦延長部３０は、板状部２０の上面に対する角度が、０度より大きく、９０度以下となる方向に延伸して形成される。図２の例の縦延長部３０は、板状部２０の上面に対して垂直な突出方向（Ｚ軸方向）に突出して形成される。縦延長部３０の突出方向における端部は、電気接続部を構成する他の導電部材と接続されていない。
放熱部は、主端子と半導体チップ１８６との間に流れる電流の経路を拡張しなくてもよい。電流の経路を拡張しないとは、例えば、放熱部が、電気接続部の複数の半導体チップ１８６と主端子を電気的に結ぶ最短経路でない部分に設けられていることを指してよい。また、例えば、放熱部を設けたリードフレーム１０と、放熱部を設けないリードフレーム１０とにおいて、チップ接続部１４から端子接続部１２までの電気抵抗を比較した場合に、いずれのチップ接続部１４においても放熱部を設けたリードフレーム１０の方が、電気抵抗が小さいことを指してよい。図２の例では、板状部２０の上面よりも上側に突出している縦延長部３０を除去した場合に対して、縦延長部３０がある場合の方が、電気抵抗が３％以上小さい。なお、放熱部の表面積は、リードフレーム１０の表面積の１０％以上を占めてよく、２０％以上を占めてよく、５０％以上を占めてもよい。
縦延長部３０は、板状部２０の長手方向と平行な辺に沿って設けられてよい。図２に示すように、縦延長部３０は、板状部２０の長手方向の辺のうち、他のリードフレーム１０と隣接する辺に設けられてよい。１組のリードフレーム１０−１，１０−２は実質的に同じ形状で、それぞれの縦延長部３０が対向するよう、Ｚ軸の周りに回転対称な位置に配置されてよい。この場合、２つのリードフレーム１０における２つの縦延長部３０は、互いに平行に配置されてよい。
複数の縦延長部３０が、板状部２０の長手方向の辺に沿って、離散的に配置されてよい。つまり、隣り合う縦延長部３０の間には間隙が設けられている。当該間隙を設けることで、樹脂の注入が容易となり、また、リードフレーム１０の実装時におけるはんだ付け等の作業が容易となる。
また、板状部２０には、貫通孔２２が形成されてよい。貫通孔２２を形成することで、板状部２０の下側への樹脂の注入が容易となる。貫通孔２２は、一つの板状部２０に複数形成されてよい。貫通孔２２は、チップ接続部１４とは重ならない位置に設けられてよい。
放熱部の表面積は、板状部２０の表面積より小さくてよく、大きくてもよい。放熱部の少なくとも一部は、板状部２０と同一の厚みで形成されてよい。放熱部を板状部２０と同一の厚みで形成することで、一様な厚みの金属板からリードフレーム１０を容易に形成できる。また、放熱部の少なくとも一部は、板状部２０よりも薄く形成されてもよい。放熱部は、全体が板状部２０よりも薄く形成されてよい。放熱部を薄く形成しても、チップ接続部１４と端子接続部１２との間の電気抵抗は増大しない。
このような構成により、電気的な特性と、放熱効率の向上とを両立することができる。例えば、主端子と半導体チップを結ぶ電流の経路長を長くすることでも、導電部材の表面積を増大させて放熱効率を向上させることができるが、電気抵抗は増大してしまう。本例のリードフレーム１０は、電流の経路長を長くすることなく、放熱効率を向上させることができる。
また、板状部２０の厚みを増大させることでも、導電部材の表面積を増大させて放熱効率を向上させることはできる。この場合、電気抵抗も低減できる。ただし、板状部２０の厚みを増大させると、板状部２０と一体成形される端子接続部１２またはチップ接続部１４の厚みを調整することが困難になる。導電部材の厚みを調整する場合、調整対象の領域をプレス機等で押圧するが、導電部材の元の厚みの半分程度にしか厚みを調整できない。このため、薄い端子接続部１２またはチップ接続部１４を板状部２０と一体に成形する場合、板状部２０を厚くすることは困難である。
例えば、チップ接続部１４におけるＺ軸方向に伸びる立ち上がり部分を、バネ性を生じさせるために薄く形成する場合がある。この場合、板状部２０の厚みは、当該部分の倍程度にしかできない。このため、放熱効率が十分でない場合がある。本例のリードフレーム１０は、板状部２０の厚みを増大することなく、放熱効率を向上させることができる。
図３は、リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。図３においてはリードフレーム１０−１を示しているが、リードフレーム１０−２も同様の構造を有してよい。本例のリードフレーム１０は、図２に示した構造に加えて、第２の板状部３２を有する。第２の板状部３２は、放熱部の一部として機能する。本明細書では、第２の板状部３２を、単に板状部３２と称する場合がある。
板状部３２は、板状部２０の主面に対向する主面を有する。板状部の主面とは、板状部の面のうち、最も面積の大きい面と、その裏面を指す。図３の例では、ＸＹ面と平行な面が、板状部の主面である。Ｚ軸方向からみて、板状部３２の少なくとも一部の領域が、板状部２０の少なくとも一部の領域と重なっている。図３の例では、板状部３２の全体が、板状部２０と重なっている。
Ｚ軸方向において板状部３２は、板状部２０とは異なる高さに設けられる。本例の板状部３２は、板状部２０をはさんで、チップ接続部１４とは逆側に設けられる。板状部３２は、縦延長部３０から、板状部２０を覆う方向に延伸して形成されている。縦延長部３０は、板状部２０と板状部３２とを接続する。縦延長部３０は、ＸＺ面において曲線形状を有してよく、直線形状を有してもよい。
板状部３２は、電気接続部を構成する導電部材、例えば端子接続部１２やチップ接続部１４には直接接続されない。なお、板状部３２の端部のうち、縦延長部３０に接続されない端部には、放熱部を構成する放熱部材が更に接続されてもよい。
このような構造により、板状部２０の厚みを増大させずとも、リードフレーム１０の放熱効率を向上させることができる。なお、板状部３２には、貫通孔２２が形成されることが好ましい。本例では、板状部３２と板状部２０との間に空間が生じる。貫通孔２２を設けることで、当該空間にも樹脂を容易に注入できる。板状部３２と板状部２０の間にボイドのない、板状部３２、樹脂および板状部２０の密なサンドイッチ構造により、半導体モジュール１００上面への放熱効率を向上できる。
図４は、リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。図４においてはリードフレーム１０−１を示しているが、リードフレーム１０−２も同様の構造を有してよい。本例のリードフレーム１０は、図２に示した構造に加えて、１つ以上の突出部３４を有する。突出部３４は、放熱部として機能する。突出部３４は、板状部２０のいずれかの辺から、板状部２０の長手方向とは異なる方向に突出して設けられる。
本例の突出部３４は、板状部２０の長手方向の辺から、板状部２０の上面とは平行な面内において長手方向とは垂直な方向（Ｘ軸方向）に突出している。図４の例においては、突出部３４は、板状部２０の２つの長手方向の長辺のうち、Ｘ軸方向のプラス側の長辺からＸ軸方向のプラス側に突出して設けられ、また、Ｘ軸方向のマイナス側の長辺からＸ軸方向のマイナス側に突出して設けられている。他の例では、突出部３４は、板状部２０の２つの長辺のいずれか一方の辺だけに設けられていてもよい。板状部２０の長手方向における、突出部３４の長さＹ１は、板状部２０の長さＹ２より小さい。長さＹ１は、長さＹ２の半分以下であってよく、１／４以下であってよく、１／１０以下であってもよい。
図４の例の突出部３４は、ＸＹ面において矩形形状を有しているが、突出部３４の形状はこれに限定されない。突出部３４は、三角形状を有してよく、他の多角形状を有してもよい。突出部３４は、半円形状を有してもよい。突出部３４の突出方向における端部は、電気接続部を構成する導電部材、例えば端子接続部１２やチップ接続部１４とは接続されていない。突出部３４を設けることでも、放熱効率を向上させることができる。
突出部３４の突出方向における長さＸ１は、板状部２０の当該方向における長さＸ２よりも小さくてよい。長さＸ１は、長さＸ２より大きくてもよい。突出部３４の突出方向における長さＸ１は、長さＹ１より大きくてよい。
突出部３４を設けることで、板状部２０の厚みを増加させずに、放熱効率を向上させることができる。また、リードフレーム１０の全体の厚みも増加しない。
図５は、リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。図５においてはリードフレーム１０−１を示している。他の例では、リードフレーム１０−２が図５に示すような構造を有してもよい。
本例のリードフレーム１０は、横延長部３５を有する。本例の横延長部３５は板形状を有しており、板状部２０から延長して形成される。横延長部３５は、Ｚ軸方向からみて板状部２０とは重ならないように配置される。本例の横延長部３５は、板状部２０の長手方向の辺から、長手方向とは垂直なＸ軸方向に延伸して形成されている。
横延長部３５は、ＸＹ面における面積が、リードフレーム１０の１０％以上であってよく、２０％以上であってよく、５０％以上であってもよい。また、横延長部３５が無いリードフレーム１０に対して、横延長部３５を有するリードフレーム１０の方が、チップ接続部１４と端子接続部１２との間の電気抵抗が小さい。横延長部３５は、板状部２０に比べてＺ軸方向において薄く形成されてもよい。横延長部３５を設けることによっても、放熱効率を向上させることができる。
横延長部３５は、板状部２０とは異なる高さに設けられてもよい。この場合、横延長部３５と板状部２０との間には、縦延長部３０が設けられてよい。横延長部３５は、Ｚ軸方向からみて、他のリードフレーム１０−２と重なるように配置されてもよい。この場合、リードフレーム１０−２は、図２から図４に説明したいずれの態様を有していてもよい。
図６は、リードフレーム１０の他の例を示す斜視図である。図６においてはリードフレーム１０−１を示しているが、リードフレーム１０−２も同様の構造を有してよい。本例のリードフレーム１０は、チップ接続部１４が、板状部２０と一体に成形されている。他の構造は、図１から図５において説明したいずれかの態様のリードフレーム１０と同一である。
図７は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の一例である。本例のリードフレーム１０は、図６のリードフレーム１０に対応する。すなわち、チップ接続部１４、立ち上がり部１５、縦延長部３０、板状部３２、端子接続部１２は、板状部２０と一体に成形されている。ただし、図７のリードフレーム１０は、図６のリードフレーム１０において、板状部２０と端子接続部１２が同一高さの場合に対応する。
チップ接続部１４は、はんだ等の固定部６２を介して半導体チップ１８６の上面電極に接続される。板状部２０は、端子接続部１２と、チップ接続部１４との間に設けられる。縦延長部３０は、板状部２０から上方向に延伸して設けられている。板状部３２は、縦延長部３０から、板状部２０と重なる方向に延伸して設けられる。板状部３２は、板状部２０よりも広い範囲を覆ってよい。
図７に示すように、縦延長部３０および板状部３２は、端子接続部１２とチップ接続部１４とを結ぶ最短経路上に配置されないので、電流はほとんど流れない。ただし、放熱部としては機能する。このため、電流経路を長くせずに、放熱効率を向上させることができる。板状部２０に連結されており、且つ、板状部２０の上面よりも上側に形成された導電部材を放熱部としてよい。
図８は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０は、放熱部として、縦延長部３０−１、板状部３２−１、縦延長部３０−２、および、板状部３２−２を有する。縦延長部３０−１および板状部３２−１は、図７に示した縦延長部３０および板状部３２と同一である。
縦延長部３０−２は、縦延長部３０−１とは逆側の板状部３２−１の端辺に設けられる。縦延長部３０−２は、当該端辺から上方向に向かって形成されている。板状部３２−２は、縦延長部３０−２から、板状部３２−１を覆う方向に向かって形成されている。板状部３２−２のＸＹ面における大きさは、板状部３２−１と同一であってよい。
本例のリードフレーム１０は、放熱部が複数の板状部３２を備えている。このため、放熱効率を更に向上させることができる。なお、２つの板状部３２の間隔は、板状部３２の厚みよりも小さくてよい。それぞれの板状部３２には、１つ以上の貫通孔２２が形成されることが好ましい。
図９は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０の放熱部は、図８に示した構造に加えて、縦延長部３０−３および板状部３２−３を更に備える。
縦延長部３０−３は、縦延長部３０−２とは逆側の板状部３２−２の端辺に設けられる。縦延長部３０−３は、当該端辺から上方向に向かって形成されている。板状部３２−３は、縦延長部３０−３から、板状部３２−２を覆う方向に向かって形成されている。板状部３２−３のＸＹ面における大きさは、板状部３２−２と同一であってよい。
本例のリードフレーム１０は、放熱部が更に多くの板状部３２を備えている。このため、放熱効率を更に向上させることができる。
図１０は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０は、図７から図９のいずれかに示した例と同様の構造を有する。つまり、リードフレーム１０は、板状部２０とは異なる高さに設けられた１つ以上の板状部３２を有する。ただし、本例のリードフレーム１０においては、少なくとも１つの板状部３２は、板状部２０の主面に対して傾いた主面を有する。図１０の例では、板状部３２−２が、傾いた主面を有している。このような構造により、２つの板状部３２の間に樹脂を容易に注入できる。また、放熱部におけるバネ性を向上させることができる。
図１１は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０は、図７から図１０のいずれかに示した例と同様の構造を有する。つまり、リードフレーム１０は、板状部２０とは異なる高さに設けられた１つ以上の板状部３２を有する。ただし、本例のリードフレーム１０においては、縦延長部３０の、板状部２０の主面に対する角度が垂直ではなく傾いた方向に延伸して形成される。また、少なくとも１つの板状部３２は、板状部２０の主面に対して平行ではなく傾いた主面を有する。図１１の例では、板状部３２−１、３２−２共に、傾いた主面を有している。このような構造により、板状部２０および２つの板状部３２の間に樹脂を容易に注入できる。また、放熱部におけるバネ性を向上させることができる。
図１２は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０は、図７から図１１のいずれかに示した例と同様の構造を有する。ただし。本例のリードフレーム１０においては、最も上側の板状部３２−３と、板状部３２−３の直下の板状部３２−２との間隔が、他の隣接するいずれか１組の板状部における間隔よりも大きい。板状部どうしの間隔は、上にいくほど大きくなってよい。このような構造により、板状部の間に容易に樹脂を注入できる。
図１３は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０は、図７から図１２のいずれかに示した例と同様の構造を有する。ただし、本例のリードフレーム１０においては、最も上側の板状部３２−３が、他のいずれかの板状部３２よりも薄く形成されている。板状部３２の厚みは、板状部２０から離れるほど薄くなってよい。これにより、板状部３２における体積に対する表面積の比率を向上させて、小さい体積で効率よく放熱できる。なお、板状部２０から遠いほど、電気抵抗に対する寄与が小さくなるので、板状部３２の厚みを小さくしても、リードフレーム１０の電気抵抗は低くなりにくい。
図１４は、半導体チップ１８６およびリードフレーム１０の側面図の他の例である。本例のリードフレーム１０は、図７から図１３のいずれかに示した例と同様の構造を有する。ただし、本例のリードフレーム１０においては、いずれかの縦延長部３０に貫通孔２２が形成されている。図１４の例では、全ての縦延長部３０に１つ以上の貫通孔２２が形成されている。縦延長部３０の近傍は、２つの板状部と縦延長部３０とで囲まれているので、樹脂が入り込みにくい。縦延長部３０に貫通孔２２を設けることで、縦延長部３０の近傍にも樹脂を注入できる。
なお、図１から図１４の例において、リードフレーム１０は、接合された少なくとも２つの金属部材を含んでよい。それぞれの金属部材は、はんだ、または、ろう付け等により接合される。一例として、板状部２０に対して、放熱部として機能する部分が接合されていてよい。また、図２等に示したように、板状部２０に対して、チップ接続部１４が接合されていてもよい。複数の金属部材を接合することで、リードフレーム１０の構造の自由度を向上させることができる。
また、放熱部として機能する板状部３２等の金属部材は、凹部を有していてもよい。凹部は、金属部材を貫通していない。これにより、放熱部の表面積を大きくして、放熱効率を更に向上させることができる。
本発明の半導体モジュールは、複数の半導体チップ１８６と、前記複数の半導体チップ１８６に接続されたリードフレーム１０と、リードフレーム１０に接続されたに主端子とを備える。前記リードフレーム１０は、前記複数の半導体チップ１８６と、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、前記電気接続部から延長して設けられた放熱部とを有する。前記放熱部は、前記複数の半導体チップ１８６と前記主端子との間に流れる電流経路の最短経路でない部分に設けられる。
具体的には、前記電気接続部は、板状部２０と、端子接続部１２と、チップ接続部１４とを有する。板状部２０は、平板状の略長方形の主面を有する。端子接続部１２は、板状部２０の主面の短辺に設けられており、主端子と電気的に接続する。更に、前記略長方形の板状部２０の主面のうち、複数の半導体チップ１８６のある主面側にチップ接続部１４、他方の主面側に放熱部が形成されている。更に、前記略長方形の板状部２０の長辺のうち、一方の側にチップ接続部１４、他方の側に放熱部が形成されている。
図１５は、三相の電力変換回路の一例を示す図である。上述したように、各相の上下アームそれぞれにおいて複数の半導体チップ１８６が電気的に並列に接続されてよい。半導体チップ１８６は、ＩＧＢＴ領域およびＦＷＤ領域を有するＲＣ−ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）であってよい。樹脂ケース１６０のそれぞれの収容部１０２に各相の回路が形成されていてよい。ただし、半導体モジュール１００における半導体チップ１８６の配置は、これに限定されない。なお、図１５においては、還流ダイオードが記載されていないが、半導体チップ１８６としてＲＣ−ＩＧＢＴを使用しない場合には、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどトランジスタの半導体チップに還流ダイオードが接続された回路およびチップ配置が設けられてよい。トランジスタに対して還流ダイオードは逆並列に接続されてよい。一つの収容部１０２に複数相の回路が設けられていてもよいし、一つの収容部１０２にいずれかの相の一方のアーム部分が設けられていてもよい。また、半導体モジュール１００は、電力変換回路でなくともよい。なお、上述した例では、樹脂ケース１６０の収容部に回路が収容されている半導体モジュールについて説明した。しかしながら、本発明の半導体モジュールは、これらの場合に限定されない。半導体モジュールは、主端子に接続されるリードフレーム１０が上述した種々の放熱部を備えていればよく、必ずしも樹脂ケース１６０を有していなくてよい。放熱部として、上述した縦延長部３０（図２）、第２の板状部３２（図３）、突出部３４（図４）、縦延長部３０および板状部３２（図７）、「縦延長部３０−１、板状部３２−１、縦延長部３０−２、および、板状部３２−２」（図８）、または「縦延長部３０−３および板状部３２−３」（図９）等の各種の構造を採用することができる。
図１６は、電気自動車３００の構造の一例を示すブロック図である。電気自動車３００は、パワーコントロールユニット２００、モーター２４０および車輪２３０を備える。
モーター２４０は、パワーコントロールユニット２００から供給される電力によって車輪２３０を回転させる。パワーコントロールユニット２００は、ＣＰＵ２０２と半導体モジュール１００とを備える。本例の半導体モジュール１００は、モーター２４０を駆動する三相の電力変換回路を備える。
ＣＰＵ２０２は、運転者による制御装置の操作等に応じて、半導体モジュール１００を制御する。半導体モジュール１００は、ＣＰＵ２０２による制御に応じた電力をモーター２４０に供給する。
電気自動車３００は、熱交換器２１０、ポンプ２２０および配管２５０を更に備えてよい。ポンプ２２０は、配管２５０を介して冷媒を半導体モジュール１００に供給する。熱交換器２１０は、半導体モジュール１００から受けとった冷媒を冷却してポンプ２２０に供給する。本例のパワーコントロールユニット２００および電気自動車３００は、放熱効率のよい半導体モジュール１００を用いるので、半導体モジュール１００の温度上昇を抑制できる。このため、熱交換器２１０、ポンプ２２０および配管２５０を小型化できる。電気自動車３００は、モーター２４０に加えて、車輪２３０を駆動するエンジンを備えてもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
１０・・・リードフレーム、１２・・・端子接続部、１４・・・チップ接続部、１５・・・立ち上がり部、２０・・・板状部、２２・・・貫通孔、３０・・・縦延長部、３２・・・板状部、３４・・・突出部、３５・・・横延長部、５０・・・接続部、６２・・・固定部、１００・・・半導体モジュール、１０２・・・収容部、１１０・・・ピン、１４８・・・ワイヤ、１５０・・・プリント基板、１６０・・・樹脂ケース、１６１・・・Ｕ端子、１６２・・・Ｖ端子、１６３・・・Ｗ端子、１７２・・・Ｐ端子、１７４・・・Ｎ端子、１８０・・・積層基板、１８２・・・絶縁基板、１８４・・・金属箔、１８６・・・半導体チップ、２００・・・パワーコントロールユニット、２０２・・・ＣＰＵ、２１０・・・熱交換器、２２０・・・ポンプ、２３０・・・車輪、２４０・・・モーター、２５０・・・配管、３００・・・電気自動車

Claims (13)

  1. 複数の半導体チップと、
    前記複数の半導体チップに接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームに接続された主端子と
    を備え、
    前記リードフレームは、
    前記複数の半導体チップと、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、
    前記電気接続部から延長して設けられた放熱部と
    を有し、
    前記電気接続部および前記放熱部のそれぞれは、異なる高さに配置された１つ以上の板状部を有し、
    最も上側の板状部と、当該板状部の直下の板状部との間隔は、他の隣接するいずれか１組の板状部における間隔よりも大きい
    半導体モジュール。
  2. 複数の半導体チップと、
    前記複数の半導体チップに接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームに接続された主端子と
    を備え、
    前記リードフレームは、
    前記複数の半導体チップと、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、
    前記電気接続部から延長して設けられた放熱部と
    を有し、
    前記電気接続部および前記放熱部のそれぞれは、異なる高さに配置された１つ以上の板状部を有し、
    最も上側の板状部は、他のいずれかの板状部よりも薄い
    半導体モジュール。
  3. 複数の半導体チップと、
    前記複数の半導体チップに接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームに接続された主端子と
    を備え、
    前記リードフレームは、
    前記複数の半導体チップと、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、
    前記電気接続部から延長して設けられた放熱部と
    を有し、
    前記電気接続部は、
    前記主端子に接続された第１の板状部と、
    前記複数の半導体チップを前記第１の板状部に接続する複数のチップ接続部とを有し、
    前記複数のチップ接続部は、前記第１の板状部と一体に成形され、前記複数のチップ接続部は、前記第１の板状部よりも薄く形成される
    半導体モジュール。
  4. 複数の半導体チップと、
    前記複数の半導体チップに接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームに接続された主端子と
    を備え、
    前記リードフレームは、
    前記複数の半導体チップと、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、
    前記電気接続部から延長して設けられた放熱部と
    を有し、
    前記半導体チップおよび前記リードフレームは樹脂で封止され、
    前記電気接続部は、前記主端子に接続され、前記主端子から前記複数の半導体チップに向かう方向が長手方向である第１の板状部を有し、
    前記放熱部は、前記第１の板状部から、前記第１の板状部の前記長手方向とは異なる方向に延びて設けられ、
    前記放熱部は、前記第１の板状部の主面に対して上方向または下方向に伸びる縦延長部を有し、
    前記放熱部は、前記第１の板状部とは異なる高さに設けられた１つ以上の第２の板状部を有し、
    少なくとも一つの前記第２の板状部は、前記第１の板状部の主面に対して傾いた主面を有し、
    前記縦延長部は、前記第１の板状部および前記第２の板状部を接続する
    半導体モジュール。
  5. 複数の半導体チップと、
    前記複数の半導体チップに接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームに接続された主端子と
    を備え、
    前記リードフレームは、
    前記複数の半導体チップと、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、
    前記電気接続部から延長して設けられた放熱部と
    を有し、
    前記半導体チップおよび前記リードフレームは樹脂で封止され、
    前記電気接続部は、前記主端子に接続され、前記主端子から前記複数の半導体チップに向かう方向が長手方向である第１の板状部を有し、
    前記放熱部は、前記第１の板状部から、前記第１の板状部の前記長手方向とは異なる方向に延びて設けられ、
    前記放熱部は、前記第１の板状部の主面に対して上方向または下方向に伸びる縦延長部を有し、
    前記放熱部は、前記第１の板状部とは異なる高さに設けられた１つ以上の第２の板状部を有し、
    少なくとも一つの前記第２の板状部は、前記第１の板状部の主面に対向する主面を有し、
    前記縦延長部は、前記第１の板状部および前記第２の板状部を接続し、
    前記電気接続部および前記放熱部のそれぞれは、異なる高さに配置された１つ以上の板状部を有し、
    いずれかの板状部に貫通孔が形成されている
    半導体モジュール。
  6. 複数の半導体チップと、
    前記複数の半導体チップに接続されたリードフレームと、
    前記リードフレームに接続された主端子と
    を備え、
    前記リードフレームは、
    前記複数の半導体チップと、前記主端子とを電気的に接続する電気接続部と、
    前記電気接続部から延長して設けられた放熱部と
    を有し、
    前記半導体チップおよび前記リードフレームは樹脂で封止され、
    前記電気接続部は、前記主端子に接続され、前記主端子から前記複数の半導体チップに向かう方向が長手方向である第１の板状部を有し、
    前記放熱部は、前記第１の板状部から、前記第１の板状部の前記長手方向とは異なる方向に延びて設けられ、
    前記放熱部は、前記第１の板状部の主面に対して上方向または下方向に伸びる縦延長部を有し、
    前記縦延長部に貫通孔が形成されている
    半導体モジュール。
  7. 前記放熱部は、前記主端子と前記複数の半導体チップとの間に流れる電流の経路を拡張しない
    請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記電気接続部は、前記主端子に接続され、前記主端子から前記複数の半導体チップに向かう方向が長手方向である第１の板状部を有し、
    前記放熱部は、前記第１の板状部から、前記第１の板状部の前記長手方向とは異なる方向に延びて設けられる
    請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  9. 前記放熱部は、前記第１の板状部の主面に対して上方向または下方向に伸びる縦延長部を有する
    請求項８に記載の半導体モジュール。
  10. 前記放熱部は、前記第１の板状部とは異なる高さに設けられた１つ以上の第２の板状部を有し、
    少なくとも一つの前記第２の板状部は、前記第１の板状部の主面に対向する主面を有し、
    前記縦延長部は、前記第１の板状部および前記第２の板状部を接続する
    請求項９に記載の半導体モジュール。
  11. 前記リードフレームは、接合されている少なくとも２つの金属部材を含む
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体モジュールを備える電気自動車。
  13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体モジュールを備えるパワーコントロールユニット。
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