JPH07226481A

JPH07226481A - パワー半導体モジュールとその製造方法

Info

Publication number: JPH07226481A
Application number: JP3631894A
Authority: JP
Inventors: Hideki Miyazaki; 英樹宮崎; Masaaki Takahashi; 正昭高橋; Kazuo Kato; 和男加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】パワー半導体の大電流用配線を微細化し、か
つ、占有面積を大幅に削減するに好適なパワー半導体モ
ジュールを提供し、また、簡便な製造工程で生産性の高
い製造が可能な製造方法を提供する。【構成】モールドする絶縁基板４，５上に、パワー半
導体素子１と導電材からなる少なくともパワー半導体素
子の入出力配線を含めた配線パターンが固着されるパワ
ー半導体モジュールにおいて、配線パターン３に配置す
ると共に電気的に結合するリードフレーム１２を設け
る。また、リードフレームは、パワー半導体素子の入出
力配線部と該入出力配線を互いに連結する連結部を一体
のリードフレーム形状に形成し、リードフレームを配線
パターン上に配置結合し、その後にリードフレームの連
結部を削除する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ル、特に大電流用配線を有するパワー半導体モジュール
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のパワー半導体モジュールは、絶縁
基板上にパワー半導体素子を搭載し、この素子の入出力
配線を上記基板上に銅箔のパターンで形成して、これら
をモールド化していた。この一例を図２に示す。図２の
パワー半導体モジュールは、側面図に示すように厚さが
２〜３ｍｍのアルミ或は銅の基板５の全面に、厚さが
０．１ｍｍ程度の樹脂の絶縁層４を設けた絶縁基板上
に、厚みが５０〜１００μｍの銅箔を各々接着或は圧着
し、この銅箔をエッチングして配線パターン３を形成し
ている。ここで、上記銅箔の配線パターン３に大電流を
流す場合には、損失の面から許容電流値を大きくするこ
とができないため、特開昭６２−２５８７号公報に記載
されるように、大電流用の配線３−１〜３−３には厚付
きメッキを施していた。上記配線パターン３上の所定の
箇所には、熱拡散板２−１、２−２上に、パワー半導体
チップ１−１、１−２が半田付け等の方法で固着され、
パワー半導体チップ１−１、１−２と配線パターン３は
ボンディングワイヤ１１で接続されている。また、上記
絶縁基板には上記パワー半導体チップ１の他、ゲートド
ライブ用のＩＣ７−１、７−２、或は、図示していない
が、チップ抵抗等の部品を搭載して混成集積回路化する
場合もある。これら他の部品とパワー半導体チップ１の
接続については、上記厚付きメッキを施さない銅箔の配
線パターンを用いている。このようにして、上記絶縁基
板上に固着した配線パターン３、パワー半導体チップ１
は、入出力端子６−１〜６−３或は信号端子８を除い
て、樹脂９でモールド化し、モールド内部には絶縁物の
ゲル剤１０を封入している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】パワー半導体モジュー
ルは、搭載する半導体素子の信頼性を確保するため、温
度上昇を抑制することが重要であり、このためにはモジ
ュール内部で発生する損失を低減することが課題であ
る。損失の大部分はパワー半導体素子によって生じる
が、大電流を流す配線部における損失も無視出来ない。
一例として、３０Ａの電流を流す配線で生じる温度上昇
を１０℃以下に抑えようとすると、銅配線の場合では約
０．３５ｍｍ²の段面積が必要になる。また、銅箔をエ
ッチングした配線パターンでは、銅箔が厚くなるほどエ
ッチング処理に要する時間が長くなる他、パターンの微
細化が困難になることから、図２に示した銅箔の厚さ
Ｔ’は約１００μｍ程度になっている。この結果、配線
の段面積を上記値に得るためには、パターンの幅Ｗ’は
約３．５ｍｍとなる。また、前述の特開昭６２−２５８
７号公報に記載された厚付きメッキを施す方法では、メ
ッキ厚はコスト的に３００μｍが限度と記述されてい
る。また、配線パターンは、接続箇所以外は互いに交差
しないように配置する必要があり、大電流の配線数が多
いモジュールでは相当量の面積を占有してモジュールの
大形化を招く。本発明の目的は、上述した事情に鑑み、
パワー半導体の大電流用配線を微細化し、かつ、占有面
積を大幅に削減するに好適なパワー半導体モジュールを
提供し、また、簡便な製造工程で生産性の高い製造が可
能な製造方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、モールドす
る絶縁基板上に、パワー半導体素子と導電材からなる少
なくとも前記パワー半導体素子の入出力配線を含めた配
線パターンが固着されるパワー半導体モジュールにおい
て、前記配線パターンに配置すると共に電気的に結合す
るリードフレームを設けることによって、達成される。
また、前記リードフレームは、前記パワー半導体素子の
入出力配線部と該入出力配線を互いに連結する連結部を
一体のリードフレーム形状に形成し、前記リードフレー
ムを前記導電材の配線パターン上に配置結合し、その結
合後に前記リードフレームの連結部を削除することによ
って、達成される。

【０００５】

【作用】本発明のパワー半導体モジュールは、大電流を
流すパワー半導体素子の入出力配線がリードフレーム形
状に一体形成されるので、このリードフレームを配線パ
ターンに結合することによって、パワー半導体素子の大
電流用の入出力配線を微細化し、配線の占有基板面積を
軽減することができる。この結果、モジュールの小形化
が可能となる。また、パワー半導体素子の入出力配線を
連結部と一体形状のリードフレームとして形成すること
によつて、該リードフレームを配線パターンに結合する
際に、複数の入出力配線を同時に位置合わせし、かつ、
一回で同時に複数の入出力配線を結合することができ、
また、このリードフレームを配線パターンに結合した後
に前記連結部を切除するので、生産性が向上する。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は、本発明によるパワー半導体モジュールの一
実施例を示す構成図である。図１の側面図において、絶
縁基板部分は、図２に示した従来のパワー半導体モジュ
ールと同様であり、アルミ又は銅等の金属基板５の全面
に、厚さが０．１ｍｍ程度の樹脂の絶縁層４を接着或は
圧着している。また、絶縁層４の上部に導電性の箔を接
着或は圧着している点についても、従来のモジュールに
使用されている絶縁基板の構造と同じであり、エッチン
グなどの方法で上記導電性の箔から配線パターン３を形
成している。次に、図１の上面図において、配線パター
ン３上の所定の箇所に、パワー半導体チップ１−１、１
−２を固着した銅の熱拡散板２−１、２−２をそれぞれ
半田付けし、パワー半導体チップ１−１、１−２と配線
パターン３をボンディングワイヤ１１で接続している。
その他、ゲートドライブ用のＩＣ７−１、７−２も絶縁
基板上に固着するとともに配線パターン３を用いてパワ
ー半導体チップ１−１、１−２と接続している。以上の
構成については従来の技術と同じである。尚、本実施例
では、パワー半導体素子１−１、１−２をモールドして
いないチップとして搭載しているが、上記方法以外とし
てチップを表面実装パッケージに搭載し、このパッケー
ジを配線パターン３に半田付けしても良い。本発明によ
るパワー半導体素子モジュールの特徴は、パワー半導体
素子１に流れる電流を上記配線パターン３に比べて厚み
の厚い導電体から一体形成したリードフレーム形状の入
出力配線１２−１〜１２−３を用いて流すことにある。
上記リードフレーム形状の入出力配線１２−１〜１２−
３の構成に関しては、図４、図５を用いて後述する。こ
のリードフレーム形状の入出力配線１２−１〜１２−３
は、それぞれパワー半導体チップ１直下の配線パターン
３と電気的に結合している。即ち、絶縁基板上の入出力
配線を配置する箇所に、予めこれらの配線とほぼ同じ幅
を有する配線パターン３を導電性の箔からエッチング等
の方法で形成し、この配線パターン３上にリードフレー
ム形状の入出力配線１２−１〜１２−３を半田付けなど
の方法で結合させる。端子６−１〜６−３は、パワー半
導体素子１に流れる電流の入出力端子であり、また、図
１には枝番号を略したが、複数ある端子８はドライバＩ
Ｃ７−１、７−２の信号入力端子である。入出力端子６
−１〜６−３は導電体のリードフレーム形状の入出力配
線１２−１〜１２−３、或はその直下の配線パターン３
に電気的に結合する。端子８はドライバＩＣ７−１、７
−２に接続された配線パターン３に電気的に結合する。
このようにして、絶縁基板上に固着した配線パターン
３、導電体のリードフレーム形状の入出力配線１２−１
〜１２−３、パワー半導体チップ１−１、１−２、ドラ
イバＩＣ７−１、７−２は、入出力端子６−１〜６−
３、信号端子８を除いて側面図に示す樹脂９で外形をモ
ールドし、その内部にはゲル状の絶縁物１０を封入す
る。

【０００７】以上が本発明のパワー半導体モジュールの
構成であるが、パワー半導体素子の電流を配線パターン
３に比べて厚みの厚いリードフレーム形状の配線１２−
１〜１２−３を用いて流すことによって、大電流用配線
の微細化が可能となる。この点について前述の従来型モ
ジュールと比較してみる。前述の例では３０Ａの電流を
流す配線で生じる温度上昇を１０℃以下に抑えようとす
ると、銅配線の場合、約０．３５ｍｍ²の段面積が必要
であった。そして、従来のパワー半導体モジュールのよ
うに厚さが約１００μｍの銅箔で上記電流を流そうとす
ると、約３．５ｍｍの配線パターン幅が必要であった。
これに対して図１に示したモジュールの場合は、リード
フレーム形状の配線１２−１〜１２−３の材質を銅と
し、その厚みＴを０．５ｍｍと仮定すると、必要な段面
積に対して配線幅Ｗは０．７ｍｍとなる。この結果、図
１に示したモジュールは、従来に比べて、大電流用配線
の幅が細くなった分だけ配線の基板占有面積を軽減する
ことができ、モジュールの小形化が可能である。上記導
電体のリードフレーム形状の配線の厚みは加工が容易な
値に選べば良いが、少なくともエッチングで形成する従
来の配線パターンに比べて厚くすることが可能であり、
大電流用配線を微細化することができる。尚、本実施例
では、モジュール内部のパワー半導体チップの他、ドラ
イバＩＣを搭載した例を示したが、本発明の特徴である
導電体のリードフレーム形状の配線１２−１〜１２−３
を用いた大電流用配線の微細化は、モジュール内部にパ
ワー半導体チップだけを搭載する場合にも有効である。

【０００８】図６に、図１のパワー半導体モジュール内
部の回路構成を示す。図６はパワー半導体チップ１−
１、１−２にＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトラン
ジスタ）を使用した例であり、図１と同一符号は同一対
象物を示す。なお、パワー半導体素子の種類は、これに
限ったものではなく、パワートランジスタやパワーＭＯ
ＳＦＥＴ等でも良い。また、図１の実施例ではインバー
タのハーフブリッジをモジュール化した例を示したが、
本発明による大電流用配線の微細化は、３相インバータ
のように、パワー半導体素子の入出力配線の量が増える
ほど有効である。

【０００９】次に、本発明のパワー半導体モジュールを
製造する工程について、その一実施例を述べる。まず、
図３は、前述の絶縁基板の絶縁層４上に配線パターン３
を形成する工程であり、図２に示した従来のモジュール
と同様に絶縁基板上に圧着或は接着等の方法で固着した
銅箔などの導電材からなる箔をエッチングによってパタ
ーンに形成する。ここで、図１に示したリードフレーム
形状の入出力配線１２−１〜１２−３直下の配線パター
ン３−１〜３−３は、銅箔などの導電材からなる箔を絶
縁基板に固着することが目的であり、パワー半導体素子
の大電流を流すことが目的ではない。そこで、本発明の
特徴は、パワー半導体素子の大電流はリードフレーム形
状の入出力配線１２−１〜１２−３を流れるので、この
入出力配線１２−１〜１２−３の長さに対し直下の配線
パターン３は長さ方向に同じ距離を連続的に形成する必
要は無く、図３に示すように途中の数箇所で切れたパタ
ーンに形成しても良い。この特徴によれば、配線パター
ン３−１〜３−３を形成する過程において、これらのパ
ターンが切れるような不良が発生しても、これを許容す
るこができ、歩留まりを向上させることができる。

【００１０】次に、図４は、前述の入出力用配線をリー
ドフレームとして作る工程であり、本発明の大きな特徴
である。図４において、前述の入出力配線１２−１〜１
２−３は、これらを連結する連結部１２−４〜１２−６
によって連結されている。本発明の特徴は、この連結部
を設けることによって入出力配線１２−１〜１２−３を
一体形成する点にある。一体形成の一例としては、銅な
どの導電体の板から入出力配線１２−１〜１２−３と連
結部１２−４〜１２−６を除く部分を打ち抜きによって
取り除く方法がある。こうして一体に形成された入出力
配線１２−１〜１２−３と連結部１２−４〜１２−６か
らなる形状を以下ではリードフレームと呼ぶ。このよう
に入出力配線をリードフレームに形成することによっ
て、入出力配線１２−１〜１２−３を配線パターン３上
に結合する際、一回で同時に複数の入出力配線を結合す
ることが可能となって、生産性を向上させることができ
る。ところで、半田付けによってリードフレーム１２を
配線パターン３に結合する場合、加熱時の熱応力で結合
が阻害されることがある。これを防ぐため、図４の例で
は、入出力配線１２−１〜１２−３の両端を連結部１２
−４、１２−５と１２−６でそれぞれ連結している。連
結部が１２−４、１２−５或は１２−６のいずれか一方
しかない場合を仮定すると、リードフレームを配線パタ
ーンに半田付けする際に連結していない側が反り、連結
していない側の入出力配線端部が配線パターンに十分な
強度で固着されないことが予想される。図４の例に示す
入出力配線１２−１〜１２−３の両端部を連結した形状
のリードフレームによれば、こうした問題を解消するこ
とができる。また、後述するようにリードフレームの結
合部は、配線パターン３に結合後、切除する。そこで、
この切除を容易にするため、図５に示す例では、連結部
１２−４の厚みを入出力配線部１２−１、１２−２に比
べて薄く形成することが特徴である。こうした形成は、
リードフレームの材質に柔らかい導電体を選び、上記一
体形成の工程で打ち抜きと同時に、連結部に圧力を加え
ることで可能となる。

【００１１】図７に、リードフレーム１２と配線パター
ン３を結合する工程を示す。リードフレーム形状の入出
力配線部１２を配線パターン３上に結合する方法として
は半田付けが最も簡便であり、本実施例も半田１３を用
いてリードフレーム１２を配線パターン３に結合する。
ここで、半田付けの際に問題になるのは、リードフレー
ム１２と配線パターン３の位置合わせのずれである。こ
の問題に対して本実施例では、半田の表面張力によって
リードフレーム１２と配線パターン３間の位置のずれが
自動的に補正されるセルファライン化が特徴である。即
ち、図８に示すように、配線パターン３上に盛った半田
１３は加熱によって溶融し、液体化すると、その表面に
は表面張力が働く。この時、リードフレーム１２が配線
パターン３と中心線がΔＸずれた位置に半田付けされよ
うとすると、液体化した半田の表面張力によって矢印方
向に力が働き、リードフレーム１２を移動させる。尚、
前述のようにリードフレーム１２は、入出力配線１２−
１〜１２−３が連結部によって一体に形成されているこ
とから、上記移動量は同じになり、ばらつきは無い。半
田付けのセルファライン化によって、リードフレーム１
２と配線パターン３の位置合わせのずれが補正される。
パワー半導体モジュールは、内蔵する半導体素子の損失
によって発熱するため、高温状態での動作が強いられ
る。この温度は動作状況によって異なり、モジュールに
内蔵する部品は温度変化に対する信頼性が重要である。
上記リードフレームの場合には、モジュールの温度上昇
で生じる熱応力を緩和することが重要である。図９
は、熱応力によってリードフレーム１２と配線パターン
３の結合部、特に熱応力が大きい端部で結合がはがれる
ことを防ぐ構造に関する。この構造は、リードフレーム
１２を一体形成する際にその端部を細くすることが特徴
である。図９の例では、リードフレーム１２の矢印で示
す先端部では、その幅を次第に狭めていく形状にしてい
ることが特徴である。熱応力の発生は、リードフレーム
１２と絶縁基板５の熱膨張係数が異なることが理由であ
るが、図９のような構造にすると、絶縁基板５と接する
リードフレーム１２の体積は先端部へ行くほど小さくな
り、この結果、熱応力も緩和される。通常、半田付けし
た際には、端部から結合部のはがれが発生し、内部へと
進行するが、リードフレーム先端部の幅を細くする形状
にすれば、熱応力は減少し、リードフレーム１２と配線
パターン３の結合はがれは抑制されて、半田結合部の信
頼性を向上できる。

【００１２】図１０に、リードフレーム１２の連結部を
削除する工程を示す。この工程では、先の図７の工程で
リードフレーム１２を配線パターン３に結合した後、連
結部の削除を行う。削除の方法として、図１０の例で
は、切削用の工具１４を用いるが、削除に際しては基板
に固着された絶縁層４を傷つけないことが重要である。
これに対しては図５に示したように連結部１２−４を入
出力配線１２−１、１２−２の底面より高い位置に設け
ることによって、切削金具１４を絶縁層４に触れること
無く連結部を切除することが可能である。また、上記例
以外に連結部を削除する方法として、図１１に示すよう
に、入出力配線に用いる導電体１２−１、１２−２と導
電性でかつ加熱時に溶融する材質からなる連結部１５を
一体に形成し、これを配線パターン３−１、３−２上に
配置した後、加熱して上記連結部１５を半田材として用
いることも有効である。図１１の場合、配線パターン３
と接しない連結部１５は加熱によって溶融しても、その
後温度が下がれば固体化して絶縁層４とは結合しないた
め、容易に取り去ることができる。この方法によれば、
リードフレーム１２と配線パターン３の結合とリードフ
レーム連結部１５の削除を同時に行うことができ、生産
性を向上させることができる。

【００１３】以上のように、リードフレームを絶縁基板
に結合して大電流用配線を微細化した上で、即ち、上記
各工程を経て出来上がったモジュール基板に、パワー半
導体チップ１及び端子６、８等の搭載部品を結合する工
程を図１２に示す。図１２の工程は、上記結合を半田付
けの方法で行うものであり、従来のモジュール製造工程
と同様であるが、従来と異なる点としては、大電流用の
入出力端子６をリードフレーム１２、或はリードフレー
ム１２と結合された配線パターン３のいずれか一方に半
田付けすれば良いことである。入出力端子６を配線パタ
ーン３に結合する場合には、先の図３に示したように配
線パターン３が途中で切れていても、電流自体は入出力
配線１２を流れるため支障がない。

【００１４】最後に、図１３は、従来のモジュールと同
様、モジュールを封止する工程であり、絶縁基板上に固
着したリードフレーム１２、パワー半導体チップ１等の
部品は、入出力端子６或は信号入力端子８を除いて樹脂
９でモールド化し、モールド内部にはゲル状の絶縁物１
０を充填している。

【００１５】図１４に、本発明によるパワー半導体モジ
ュールの他の実施例を示す。また、図１８に、図１４の
モジュールに内蔵している回路構成を示す。図１８は、
モータ１９を可変速制御する３相インバータ装置であ
り、出力段のパワー半導体スイッチ素子１−１〜１−６
と、これらの素子の駆動回路１７と、ダイオード１６−
１〜１６−６により構成される入力段の整流回路を備え
る。図１４のモジュールにおいても、パワー半導体スイ
ッチ素子のチップ１−１〜１−６と、ＩＣ化した駆動回
路１７と、ダイオード１６−１〜１６−６のチップを備
えている。なお、１８はジャンパー配線を示す。また、
パワー半導体スイッチ素子１−１〜１−６とダイオード
１６−１〜１６−６の入出力用配線１２−１〜１２−５
は、本発明の特徴であるリードフレーム型配線を適用し
ている。図１４のモジュールは、先に述べた本発明の実
施例によるモジュールの製造方法に従って行われため、
重複する説明は省略して、ここでは図１４の実施例の特
徴のみを述べる。図１８に示したインバータ装置を１つ
のモジュール基板上に搭載する場合、配線量の多さ、更
には配線の交差が出来ない故に生じる配線レイアウトの
煩雑さが問題となる。前述のように本発明のリードフレ
ーム型配線を用いれば、大電流用配線を微細化でき、配
線の基板占有面積を軽減することが出来る。しかしなが
ら、図１８のような３相インバータ装置になると、１つ
のパワー半導体スイッチ素子に関して、入出力用配線１
２の他、素子の制御端子と駆動回路１７をつなぐゲート
信号線、或は素子の電流検出用信号線等が存在し、６素
子分の入出力用配線１２と信号線を全て交差しないよう
にレイアウトすることが必要である。このため、信号線
は入出力用配線１２に対して迂回を数多く必要とし、信
号線が長くなるため、ノイズの影響を受けやすくなる問
題が生じる。特に、電流検出用信号線は微小電圧を伝達
するため、パワー半導体スイッチ素子がターンオン、或
はターンオフする際に生じる電圧変化、電流変化の影響
を受けやすい。

【００１６】図１５は、上記問題を解決する手段であ
り、従来は不可能であった配線の立体交差が特徴であ
る。図１５は、図１４に示したモジュールでパワー半導
体チップ１−３に関する信号線２０とリードフレーム型
配線１２−１及び１２−２の立体交差を表わしている。
前述のように、従来のパワー半導体モジュールで配線の
交差が出来なかったのは、入出力用配線を平面の配線パ
ターン３で形成していたためである。本実施例では、図
１５に示すようにリードフレーム型配線１２−１、１２
−２の一部を曲げた形状に形成しておき、配線パターン
３−１、３−２は、図３に示したように、途中を切断し
た形状に形成する。そして、上記リードフレーム１２−
１、１２−２と配線パターン３−１、３−２を半田付け
等の方法で結合させる際に、リードフレーム１２−１、
１２−２を曲げた箇所が配線パターン３−１、３−２の
切れた箇所上に位置するようにしておく。ここで、リー
ドフレーム１２−１、１２−２を曲げた箇所の直下に、
図示するように予め信号線２０の配線パターンを形成し
ておけば、信号線２０はリードフレーム１２−１、１２
−２と電気的に結合されること無く立体交差することが
可能となる。このように、入出力配線１２と信号線２０
を立体交差させることによって、モジュールの配線レイ
アウトは煩雑さから解消される。また、本実施例では信
号線が大電流用の配線を迂回しないことから、信号線の
長さが短縮化する他、信号線と大電流用配線の距離を十
分にとることができる。このため、信号線に微小な電圧
信号を伝達させても、パワー素子がスイッチングする際
に生じるノイズの影響を受けにくいという利点を持つ。

【００１７】このような特徴を活かした用途としては、
図１９に示すような電気自動車用のインバータが挙げら
れる。同図において、２６は電気自動車、２３は本発明
によるパワー半導体モジュールを用いたインバータ装
置、２４は制御装置、１９はモータ、２５はバッテリで
ある。ここで、先の図１８に示したインバータでは入力
が３相交流になっていたが、電気自動車用インバータの
場合には整流用ダイオードブリッジ１６は不要である。
また、電気自動車２６用のインバータ２３には、高信頼
度化のため、パワー半導体スイッチ素子の異常状態（過
電流や過電圧或は過熱）を検出する複数の検出手段（図
示せず）を設ける。これらの検出手段が異常を検知する
と、信号線（図示せず）を介して信号を伝達し、インバ
ータ２３の動作を停止して破壊を防ぐ。ところで、これ
らの検出手段の信号がパワー半導体スイッチ素子のター
ンオン、ターンオフ時に生じるノイズによって誤動作す
ると、電気自動車は走行時に頻繁に停止することにな
り、交通上の問題になる。本実施例では、上記検出手段
の信号線が大電流用の配線と立体交差することによっ
て、ノイズの影響を受けにくくなり、上記誤動作を防止
することができる。これにより、電気自動車の信頼性を
向上させる。

【００１８】図１６に、本発明によるパワー半導体モジ
ュールの他の実施例を示す。図１６は、図１４の実施例
と同様に図１８に示した３相インバータ装置をモジュー
ル化したものであるが、パワー半導体スイッチ素子１−
１〜１−６及びダイオード１６−１〜１６−６の各チッ
プを実装する方法が図１６と図１４では異なる。図１４
は、図１の実施例の説明で述べたように、チップを銅の
熱拡散板２に固着し、これを配線パターン３に半田付け
している。一方、図１６は、熱拡散板２を使用せず、替
わりにパワー半導体スイッチ素子１−１〜１−６及びダ
イオード１６−１〜１６−６の各チップをリードフレー
ム型配線１２に直接固着することが特徴である。

【００１９】図１７に、図１６のリードフレーム型配線
１２の形状を示す。図１７は、図４に示したようにパワ
ー半導体素子の入出力配線１２−１〜１２−５とその連
結部２２−１〜２２−５が一体に形成された形状であ
る。ここで、入出力配線２１−１〜２１−１２は、それ
ぞれパワー半導体スイッチ素子１−１〜１−６及びダイ
オード１６−１〜１６−６の各チップを固着する箇所で
あり、機能的には熱拡散板と同じ働きをする（以下、熱
拡散部と呼称する）。各チップで発生した熱は、上記リ
ードフレームと一体に形成された熱拡散部２１−１〜２
１−１２で広がり、次に絶縁層、そして金属の基板へと
伝わる。チップから金属の基板にいたるまでの熱抵抗を
小さくするためには、熱拡散部の面積を大きくかつその
厚みを薄くすることが望ましい。本実施例では、リード
フレーム型配線を用いることによって、従来は配線が占
有していた面積を軽減し、替わりに熱拡散部を大形化す
ることができる。また、本実施例のように、熱拡散部が
リードフレーム型の配線と一体に形成されていれば、チ
ップで発生した熱は熱拡散部からその直下の基板に伝わ
ると共に、熱拡散部と一体になったリードフレーム型配
線にも伝わり、配線を通して横方向にも広がる。この結
果、熱の伝導面積が増加して熱抵抗を小さくする効果が
あり、モジュールを高熱伝導化することに適している。
上記構造のモジュールで、出力容量が数百Ｗ程度と比較
的小さい場合であれば、モジュール基板の底部を装置の
筐体に接触させることで筐体を放熱媒体とすることがで
き、ヒートシンクを不要とすることも可能である。

【００２０】図２０に、図１６の実施例に示した３相イ
ンバータ装置を内蔵したパワー半導体モジュール２３を
モータの筐体に実装した実施例を示す。モジュール２３
は３相交流電源から電流が入力され、制御回路２４の指
令に基づいて内蔵するパワー半導体スイッチ素子を駆動
し、所望する周波数の交流電流をモータ１９に供給す
る。モジュール２３で発生した熱は、モジュール本体か
らモータ筐体へと伝導するが、モータ自体も発熱体であ
り、その熱容量はモジュールよりも遥かに大きい。そこ
で、モジュール基板の温度はモータ筐体の温度で制限さ
れる。しかしながら、モジュールに搭載されたパワー半
導体チップから絶縁基板底部までの熱抵抗が大きいと、
チップの温度はモータ筐体の温度よりも相当高くなり、
半導体チップを破壊する恐れもあり、従来は実施されて
いなかった。本実施例のモジュールによれば、前述のよ
うに熱拡散部の大形化とリードフレームとの一体化によ
って熱抵抗が従来より小さくなり、半導体チップの温度
上昇を抑制することが可能になる。また、図２０の実施
例のように、インバータモジュールをモータ筐体に実装
すれば、装置全体が小形化する他、インバータとモータ
間の配線を大幅に短縮化し、この配線を通って伝播する
ノイズの影響を低減する効果がある。このような特徴が
有効な用途としては、ファン、ブロア（送風機）用のイ
ンバータが挙げられる。これらは産業用或はビル内の換
気用に幅広く使用されているが、従来ファン、ブロアと
これを制御するインバータは離れた位置に配置されたた
め、インバータの出力線から発生するノイズがラジオ、
電子機器等に影響することがあった。本実施例のように
インバータをモータ筐体に取り付ければ、こうした問題
は著しく軽減することが可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、一体形成されたリードフレームを配線パタ
ーンに結合することによって、大電流用配線を微細化
し、配線の占有基板面積を軽減することができるため、
モジュールの小形化が可能である。また、大電流用配
線を連結部と一体形成化したリードフレーム形状とする
ことによつて、該リードフレームを配線パターンに結合
する際に一回で同時に複数の入出力配線を結合すること
ができ、生産性が向上する。また、上記リードフレーム
では、入出力配線の両端部を連結することによって、結
合時の反りを抑制することが出来るほか、リードフレー
ムと配線パターンを半田付けによって結合する場合に
は、セルファライン化を図ることで位置合わせのずれを
補正することが出来る。また、上記リードフレームは加
熱時に溶融する材質で連結部を作ることによって、リー
ドフレームと配線パターンの結合と連結部の削除が同時
に行え、生産性が向上する。また、入出力配線の端部は
細くすることによって、熱応力によるリードフレームと
配線パターンの結合がはがれることを防ぐことが出来
る。更に、リードフレーム型配線と信号線を立体交差さ
せるさせることによつて、モジュールのレイアウトを容
易にし、信号線に対するノイズの影響を軽減する。ま
た、チップの熱拡散部をリードフレーム配線と一体化さ
せることによって、モジュールの熱抵抗が小さくなり、
モジュールをモータ等の筐体に実装することが出来、こ
の結果、インバータ出力線は大幅に短縮化し、出力線か
ら放射されるノイズは著しく軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの一実施
例を示す構成図である。

【図２】従来のパワー半導体モジュールの構成図であ
る。

【図３】図１のモジュールを製造する工程であり、配線
パターンの作成工程を示す。

【図４】図１のモジュールを製造する工程であり、リー
ドフレームの作成工程を示す。

【図５】図４のリードフレームの連結部の形状を示す図
である。

【図６】図１のモジュール内部の回路構成を示す図であ
る。

【図７】図１のモジュールを製造する工程であり、リー
ドフレームの結合工程を示す。

【図８】図７の工程における半田付けのセルファライン
化を示す図である。

【図９】リードフレーム端部の熱応力を緩和する形状を
表す図である。

【図１０】図１のモジュールを製造する工程であり、連
結部の削除工程を示す。

【図１１】加熱時に溶融する材質で連結したリードフレ
ームの構成図である。

【図１２】図１のモジュールを製造する工程であり、チ
ップの半田付け工程を示す。

【図１３】図１のモジュールを製造する工程であり、モ
ジュールの封止工程を示す。

【図１４】本発明によるパワー半導体モジュールの他の
実施例を示す図である。

【図１５】図１４のモジュールに用いるリードフレーム
と信号線の立体交差を示す図である。

【図１６】本発明によるパワー半導体モジュールの他の
実施例を示す図である。

【図１７】図１６のモジュールに用いるリードフレーム
を示す構成図である。

【図１８】図１４、図１６のモジュール内部の回路構成
を示す図である。

【図１９】図１４のモジュールを用いた電気自動車の構
成を示す図である。

【図２０】図１６のモジュールをモータに実装した構成
を示す図である。

【符号の説明】

１パワー半導体素子のチップ２銅の熱拡散板３導電材の配線パターン４絶縁層５金属基板６大電流用入出力端子７ドライバＩＣ８信号入力端子９樹脂のモールド枠１０ゲル状の絶縁物１１ボンディングワイヤ１２リードフレーム１３半田１４連結部切削用金具１５溶融性の連結部１６整流用ダイオード１７インバータ出力段素子の駆動回路１８ジャンパー配線１９モータ２０信号線２１リードフレームの熱拡散部２２リードフレームの連結部２３パワー半導体モジュール２４インバータ用制御回路２５バッテリ２６電気自動車

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モールドする絶縁基板上に、パワー半導
体素子と導電材からなる少なくとも前記パワー半導体素
子の入出力配線を含めた配線パターンが固着されるパワ
ー半導体モジュールにおいて、前記配線パターンに配置
すると共に電気的に結合するリードフレームを設けるこ
とを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】請求項１において、リードフレームは、
導電体からなるパワー半導体素子の入出力配線部と該入
出力配線部を互いに連結する連結部が一体に形成された
形状を有し、該連結部は、前記リードフレームが配線パ
ターンに電気的に結合された後に削除されることを特徴
とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】請求項２において、リードフレームの連
結部は、パワー半導体素子の入出力配線部に比べて、厚
みが薄く形成されることを特徴とするパワー半導体モジ
ュール。
【請求項４】請求項２において、リードフレームの連
結部は、パワー半導体素子の入出力配線部の両端を互い
に連結する形で一体に形成されることを特徴とするパワ
ー半導体モジュール。
【請求項５】請求項１において、リードフレームのパ
ワー半導体素子の入出力配線部は、末端が細く形成され
ることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】請求項１において、リードフレームは、
導電体からなるパワー半導体素子の入出力配線部が高温
時に溶融する連結部によって支持され、一体に形成され
ることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】モールドする絶縁基板上に、パワー半導
体素子と導電材からなる少なくとも前記パワー半導体素
子の入出力配線を含めた配線パターンが固着されるパワ
ー半導体モジュールにおいて、前記パワー半導体素子か
ら入出力端子部に至る前記配線パターンの途中に、該配
線パターンを所望の長さだけ切断した箇所を設けると共
に、該切断箇所に配置する信号線と、該切断箇所を除い
た前記配線パターンに電気的に結合し、前記信号線と立
体交差するリードフレームを設けることを特徴とするパ
ワー半導体モジュール。
【請求項８】請求項８において、リードフレームと立
体交差する信号線には、パワー半導体素子のゲート信
号、電流検出信号又は異常状態検出信号を伝達すること
を特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】モールドする絶縁基板上に、パワー半導
体素子と導電材からなる少なくとも前記パワー半導体素
子の入出力配線を含めた配線パターンが固着されるパワ
ー半導体モジュールにおいて、熱拡散部と、パワー半導
体素子から入出力端子部に至る入出力配線部と、該入出
力配線部を互いに連結する連結部とが一体形状に形成さ
れたリードフレームを設け、前記連結部は前記リードフ
レームが配線パターンに電気的に結合された後に削除さ
れると共に、前記熱拡散部の所定の位置に前記パワー半
導体素子が熱的に結合されることを特徴とするパワー半
導体モジュール。
【請求項１０】請求項９において、パワー半導体モジ
ュールをモータ駆動装置に用い、前記パワー半導体モジ
ュールの絶縁基板の底部が上記モータの筐体と熱的に結
合されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１１】絶縁基板上に少なくともパワー半導体
素子と該素子の入出力配線を備え、これをモールドした
パワー半導体モジュールであって、該パワー半導体モジ
ュールの製造は次の各工程からなることを特徴とするパ
ワー半導体モジュールの製造方法。（１）前記パワー半導体素子の入出力配線を含めた配線
を前記絶縁基板上に導電材のパターンとして形成する工
程。（２）前記導電材のパターンに比べて肉厚な導電体の板
から、前記パワー半導体素子の入出力配線部と該入出力
配線を互いに連結する連結部を一体のリードフレーム形
状に形成する工程。（３）前記リードフレームを前記導電材の配線パターン
上に配置結合する工程。（４）前記リードフレームの連結部を削除する工程。（５）前記導電材の配線パターンと前記リードフレーム
の所定の位置に、少なくとも前記パワー半導体素子を含
む素子と入出力端子を半田付けする工程。（６）前記パワー半導体素子とリードフレームを固着し
た前記絶縁基板を前記入出力端子を除きモールドする工
程。
【請求項１２】請求項１１において、（２）導電材の
パターンに比べて肉厚な導電体の板から、パワー半導体
素子の入出力配線部と該入出力配線を互いに連結する連
結部を一体のリードフレーム形状に形成する工程は、パ
ワー半導体素子の入出力配線部の末端を細く形成する工
程を含むことを特徴とするパワー半導体モジュールの製
造方法。
【請求項１３】請求項１１において、（３）リードフ
レームを導電材の配線パターン上に配置結合する工程
は、セルファライン的に半田付けする工程を含むことを
特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
【請求項１４】請求項１１において、（３）リードフ
レームを導電材の配線パターン上に配置結合する工程
は、導電体からなるパワー半導体素子の入出力配線部を
高温時に溶融する連結部によって支持し、一体に形成す
る工程を含むことを特徴とするパワー半導体モジュール
の製造方法。