JPWO2016084180A1 - 半導体モジュールおよび半導体駆動装置 - Google Patents

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Abstract

半導体装置を構成する半導体モジュール（４１）は、スイッチング素子（１１、１７）が上面側に実装され、下面側が放熱面（３８）となるリードフレーム（３１）、このリードフレーム（３１）上に配設され、複数のスイッチング素子（１１、１７）相互間を接続するバスバー（３２）を備えている。リードフレーム（３１）の放熱面（３８）は一平面内に配置され、また、バスバー（３２）の平面部（３２０）の上面も一平面内に配置される構造であるため、放熱面（３８）または平面部（３２０）の上面におけるレイアウト性が良く、放熱構造等を作り込みが容易となる。

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその半導体モジュールを用いた半導体駆動装置に関するものである。
近年、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体素子を備えた半導体モジュールは、小型化、高密度実装化が進められ発熱密度が上昇しているため、放熱性およびレイアウト性のよい半導体パッケージが求められている。
例えば、従来の半導体駆動装置では、半導体モジュールの一面をヒートシンクに押圧させて放熱することが示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の半導体駆動装置（特許文献２内においては、半導体モジュール。）では、半導体モジュール（文献内においては、半導体素子。）と、半導体モジュールの両主面に熱的に接触配置される一対の放熱板とを、モールド樹脂によって一体的にモールドし、放熱板の外面に絶縁体を介して金属板を配置し、その金属板に冷却器を接触させて放熱することが示されている（例えば、特許文献２参照）。
特許第５３９７４１７号公報 特許第４７４８１７３号公報
しかしながら、特許文献１に示された半導体駆動装置では、半導体モジュールの一面からの放熱のみで、放熱性を向上させるには限界があり、他面側における放熱性やレイアウト性については考慮されていなかった。また、放熱性やレイアウト性に寄与する半導体モジュール内のスイッチング素子間を接続する配線構造、または半導体モジュール内のスイッチング素子と導電領域との間を接続する配線構造に関する記述がないものであった。
また、特許文献２に示された半導体駆動装置では、半導体モジュールの両主面から放熱することで熱抵抗の低減を図っているが、半導体モジュール内のスイッチング素子間、またはスイッチング素子と導電領域との間を接続する配線構造に関する記述がないものであった。そのため、モジュールサイズの大型化や、各スイッチング素子の熱抵抗アンバランス化が懸念される構造であった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体モジュール内のスイッチング素子間、またはスイッチング素子と導電領域との間を接続する配線構造を工夫することによって、半導体モジュールまたは半導体駆動装置の放熱性またはレイアウト性を向上させることを目的とする。
この発明に係わる半導体モジュールは、スイッチング素子、上記スイッチング素子が上面側に実装され、下面側が放熱面となるリードフレーム、上記リードフレーム上に配設され、複数のスイッチング素子相互間、または上記リードフレームと上記スイッチング素子間を接続する、上面に平面部を有するバスバー、上記リードフレームおよび上記スイッチング素子を、上記リードフレームの放熱面を除いて封止する封止樹脂を備え、上記リードフレームの放熱面が一平面内に配置されるとともに、上記リードフレームの放熱面と、上記バスバーの上記平面部の上面との間に、上記スイッチング素子が配設されたものである。
また、この発明に係わる半導体駆動装置は、上記半導体モジュール、上記半導体モジュールを構成するリードフレームの放熱面に、絶縁性を保って接触するヒートシンクを備えたものである。
さらに、この発明に係わる半導体モジュールは、スイッチング素子、上記スイッチング素子が上面側に実装され、下面側が放熱面となるリードフレーム、上記リードフレーム上に配設され、複数のスイッチング素子相互間、または上記リードフレームと上記スイッチング素子間を接続する、上面に平面部を有するバスバー、上記リードフレームの放熱面が外層側となるように互いに向き合わせて配置された２層の上記リードフレームの間に配置され、上記リードフレーム、上記スイッチング素子、および上記バスバーを、上記リードフレームの放熱面を除いて封止する封止樹脂を備えたものである。
この発明の半導体モジュールによれば、発熱体であるスイッチング素子を、リードフレーム下面側の放熱面と、バスバーの平面部の上面で挟んだ構造を得ることができる。バスバーの平面部の上面が平坦であるため、その上部へ構造物を設ける際のレイアウト性が良いという効果が得られる。また、バスバーの平面部の上面を放熱面とし、ヒートシンクを接触させる構造とすることで、２面からの放熱が可能となり、放熱性を向上させることができる。
また、この発明の半導体駆動装置によれば、リードフレーム下面側の放熱面にヒートシンクの一平面を配置することができ、レイアウト性、放熱性を向上させることができる。
さらに、この発明の半導体モジュールによれば、半導体モジュールの両面を２層のリードフレームで構成できるため、放熱面を２面とすることができる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
本発明の実施の形態１における半導体駆動装置の概略構成を示す回路図である。 実施の形態１の半導体駆動装置を構成する半導体モジュールの半完成状態の平面図である。 図２のＡ−Ａ断面を示す、半導体モジュールの要部断面図である。 実施の形態１の半導体モジュールの要部断面図である。 実施の形態１の半導体駆動装置の要部断面図である。 実施の形態１の半導体モジュールの要部断面図である。 実施の形態２における半導体駆動装置の回路図である。 実施の形態２の半導体駆動装置を構成する半導体モジュールの半完成状態の平面図である。 図８のＢ−Ｂ断面を示す、半導体モジュールの要部断面図である。 図８のＢ−Ｂ断面を示す、半導体モジュールの要部断面図である。 実施の形態２の半導体駆動装置を構成するインバータ駆動部の要部を示した平面図である。 実施の形態２の半導体駆動装置を構成するインバータ駆動部の断面図である。 実施の形態２の半導体駆動装置の側断面図である。 実施の形態２の半導体駆動装置のインバータ駆動部の断面図である。 実施の形態２の半導体駆動装置のインバータ駆動部の断面図である。 本発明の実施の形態３の半導体駆動装置を構成する半導体モジュールの半完成状態の平面図である。 実施の形態３の半導体駆動装置のインバータ駆動部の要部を示した平面図である。 実施の形態３の半導体駆動装置の要部断面図である。 本発明の実施の形態４の半導体駆動装置を構成する半導体モジュールの半完成状態の平面図である。 実施の形態４の半導体モジュールの要部断面図である。 実施の形態４の半導体モジュールの要部断面図である。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１である半導体モジュール（パワーモジュール）を備えた半導体駆動装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。各図において同一または相当する部分に付いては同一符号を付して説明する。この実施の形態１においては、半導体駆動装置として電動パワーステアリング装置を例示して説明する。なお、ここでは、半導体モジュールにヒートシンクが付加された構造体を半導体駆動装置と称する。
図１は、車両に装着された電動パワーステアリング装置を例示した、半導体駆動装置１００の概略構成回路図である。この半導体駆動装置１００は車両等に装着されて用いられる。半導体駆動装置１００は、モータ１、コントローラ２（制御ユニット）を構成要素として備えており、モータ１とコントローラ２は一体化されている。
コントローラ２は、制御回路部２０とパワー回路部２１を備えている。そして、制御回路部２０は、マイクロコンピュータ８を含み、パワー回路部２１は、電源ラインを接続／遮断する電源リレー４及びインバータ３を含む構成である。
制御回路部２０には、バッテリ、車速センサ、トルクセンサ等からの出力が入力され、マイクロコンピュータ８により演算されたハンドルアシスト量が、プリドライバ９を介してインバータ３へ出力される。また、モ−タ１の回転を検出する回転センサ７からの信号を伝達する回転センサＩ／Ｆ、モータ１へ供給する電流を測定する電流モニタＩ／Ｆ１０も備えている。
また、コントローラ２は、バッテリの電力を受けるとともにノイズを抑制するチョークコイル６、平滑コンデンサ５を備えている。チョークコイル６、平滑コンデンサ５は、電源リレー４とともに電源部を構成しており、電源部は、インバータ３へ電源を供給している。
インバータ３は、上下アームのスイッチング素子（半導体素子）を、モータ１の３相巻線に対応して３組、計６個備えている（これらのスイッチング素子を、符号１１、１２、１３、１４、１５、１６で示す。詳細は後述する。）。さらにモータ１への電力供給を接続、遮断できるリレーの役目をするスイッチング素子（半導体素子）が、各相にそれぞれ配置されている（これらのスイッチング素子を、符号１７、１８、１９で示す。詳細は後述する。）。一般的に、これらのスイッチング素子１１〜１９は各巻線に対応して存在しているため、ｕ、ｖ、ｗを付して呼称される。
また、コントローラ２内には各スイッチング素子を制御するための端子が備えられており、それぞれプリドライバ９を介してマイクロコンピュータ８と接続されている。さらに上下アームのスイッチング素子間の電圧モニタ用として端子が３個あり、電流検出用シャント抵抗２２、２３、２４の上流モニタ端子があり、これらの端子からの情報は電流モニタＩ／Ｆ１０を介してマイクロコンピュータ８へ伝達される。その他、装置内にはモータ１の各相巻線端子も存在している。
インバータ３は、複数のスイッチング素子１１、１２、１７を内蔵したＵ相半導体モジュール、スイッチング素子１３、１４、１８を内蔵したＶ相半導体モジュール、スイッチング素子１５、１６、１９を内蔵したＷ相半導体モジュールの３つの半導体モジュールで構成されている。前記半導体モジュールは複数のスイッチング素子を内蔵しているため、各部品を接続するサーキット回路も複数内蔵され、端子の数も多数存在する。また、モータ１へ電力を供給するため配線も大きく、放熱性の向上を図る必要があり、半導体モジュールの構造を改良することが、本装置の規模、品質、コスト等に寄与する重要なポイントとなっている。
次に、図２にＵ相の半導体モジュール４１を例示し、半導体モジュール（パワーモジュール）の構造について説明する。図２は、半導体モジュール
４１の半完成状態を示した平面図であり、要部を示した透視図である。半導体モジュール４１は、例えば、インバータ３のＵ相を駆動する部品で、リードフレーム３１上に、Ｕ相上側ＦＥＴであるスイッチング素子１１、Ｕ相下側ＦＥＴであるスイッチング素子１２、Ｕ相モーターリレーＦＥＴであるスイッチング素子１７、シャント抵抗２２、およびバスバー３２（インナーリード）を実装した構成である。そして、リードフレーム３１の素子形成領域を、リードフレーム３１の放熱面を除いて封止樹脂３０によりモールディングした構造となっている。また、Ｖ相半導体モジュール、Ｗ相半導体モジュールも同様の構造となっている。以下、各部の詳細説明をする。
リードフレーム３１は、銅、又は鉄系の合金材料を使用して形成され、１枚の金属板材をプレス加工、エッチング加工、またはカット加工により製造される。図２に示すように、一つの半導体モジュール４１上に、複数のリードフレーム３１が互いに重なることなく張り巡らされており、リードフレーム３１の下面は放熱面となり、この放熱面は一平面内に高さが揃えられて配置されている。なお、プレス加工は量産性が高く、エッチング加工は納期が短く、カット加工は低コストであるという利点を有する。
リードフレーム３１の下面が放熱面となることを述べたが、上面には配線接続のための接続パッドや半導体チップ（スイッチング素子が形成されたチップ。）を配置するためのダイパッドのスペースが設けられる。半導体モジュール４１のリードフレーム３１のダイパッド上には、例えば、図２に示すように、半導体チップとしてＵ相ＦＥＴである３個のスイッチング素子１１、１２、１７が搭載されている。そして、銅、又は鉄系材料で形成されるバスバー３２は、複数のスイッチング素子同士、又はスイッチング素子とリードフレーム３１の接続領域とを、リードフレーム３１の上方を橋渡しして接続している。さらに多数の端子であるターミナルが外部端子３４として、半導体モジュール４１の外方向へ延出されている。外部端子３４と各リードフレーム３１とは、例えばワイヤボンディングによってボンディングワイヤ３３で接続されている。
次に、この実施の形態１の半導体モジュール４１の製造方法について説明する。
まず、成形金型のキャビティ内に、半導体素子、電子部品等を実装したリードフレーム３１を載置する。この時、リードフレーム３１は、金型上にある固定ピンまたは可動ピンにより位置固定され、続いて成形金型が密閉され、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂がキャビティ内に充填されて封止樹脂３０が形成される。さらに封止樹脂３０の熟成硬化後、最後に不要な領域をカット、打ち抜きして半導体モジュール４１が完成する。なお、封止樹脂３０は、例えば、まず、エポキシ樹脂で外枠を形成し、その中にシリコン樹脂を充填することで半導体素子等を封止する構造であってもよい。
次に、本発明のポイントである半導体モジュール４１（パワーモジュール）の放熱構造について説明する。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す半導体モジュール４１の要部断面図である。この図３において、スイッチング素子１１、１７は、素子上に接続配置されるバスバー３２によって相互間が接続されている。発熱体であるスイッチング素子１１、１７は、熱をリードフレーム３１およびバスバー３２に伝達する。バスバー３２は、スイッチング素子１１、１７に接する接続部３２２と、両接続部３２２から斜め上方向へ延びる傾斜部３２１と、両傾斜部３２１の上端部に接してモジュール上面に広がりを持つ平面部３２０が一続きとなって形成されている。
そして、このスイッチング素子１１、１７は、紙面上下両方向に放熱面
３８、３８ａを持つ。紙面下方向の放熱面３８は、ＦＥＴのドレイン面から熱が伝達されるリードフレーム３１下面であり、紙面上方向の放熱面３８ａは、ＦＥＴのソース部となるバスバー３２の平面部３２０の上面である。２方向において放熱面を確保することによりスイッチング素子の熱抵抗を低減させることが可能となる。なお、封止樹脂３０の表面からの放熱は、リードフレーム３１またはバスバー３２からの放熱よりも小さいものとなる。
なお、一つの半導体モジュール４１内に複数のリードフレーム３１が配置されているが、複数のリードフレーム３１の下面は、その高さ座標を揃え、一平面内に配置する構成とすることで、放熱面３８を平坦化しており、この放熱面３８上への構造体の作り込みを容易としている。バスバー３２の平面部３２０の放熱面３８ａについても、複数の放熱面３８ａの高さ座標を揃え、一平面内に配置する構成とすることで、装置の製造性を向上させることができる。放熱面３８、３８ａを互いに平行な平面内に配置できることで、２枚のヒートシンクのモジュール貼付け面も平行にでき、半導体モジュール
４１を、２枚のヒートシンク間に安定保持した構成とすることができる。
さらに、図４に、半導体モジュール４１の要部断面図を示すように、放熱面３８ａとなるバスバー３２の平面部３２０の、放熱領域を拡大して熱抵抗低減、熱容量増加が可能となり、スイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。また、図４に示すように、バスバー３２の平面部３２０を、図３のものよりも肉厚の配線として形成することによっても、熱抵抗低減、熱容量増加が可能となり、スイッチング素子の温度上昇を抑制することが可能となる。このように、放熱面３８ａとなるバスバー３２の平面部３２０を拡大した構造とすることで、インバータ３の出力向上や小型化が可能となり、設計自由度向上に繋げることができる。
ここで、バスバー３２の変形例について説明する。図３、図４において示したバスバー３２は、その断面形状は、二つの素子をブリッジするような、上部が平坦な山型に形成され、平面部３２０以外の部分においてスイッチング素子１１等またリードフレーム３１に接している。そして、モジュール上側の放熱面３８ａとなる平面部３２０の両端から斜め下方向に傾斜部３２１が裾広がりとなるように伸び、スイッチング素子１１、１７の上面に沿って広がる接続部３２２にそれぞれ繋がる構造である。そして、図３、図４の例では、二つの傾斜部３２１は、傾斜角が左右対称となるように形成されていた。しかし、二つの傾斜部３２１の角度は、接続された発熱体からの熱容量の大小や放熱面３８ａの面積拡張を考慮し、左右非対称となるように形成することも可能である。
また、図３、図４では、バスバー３２は、例えば、バスバー３２の傾斜部３２１の両端において、配線が折り曲げられ、平面部３２０と接続部３２２が得られる構造を示している。しかし、配線の折り曲げによって形成する以外に、各パーツの接合によってもバスバー３２を形成でき、接合の場合、平面部３２０をより広い面積となるように形成し、傾斜部３２１の端部が平面部３２０の下面に接する形態を採用することも可能であり、放熱面３８ａの面積を広げることによって放熱性を向上させることが可能である。なお、傾斜部３２１の傾斜角の調整も可能であることは言うまでもない。
このように、平面部３２０、傾斜部３２１の形状は、半導体モジュール
４１内各部の放熱特性に依存して変形させ、熱容量バランス均一化を図ることができる。
次に、図５を用いて複数の半導体モジュール４１ａ、４１ｂのヒートシンク３６、３７への搭載方法について説明する。図５は、本発明の半導体モジュール４１ａ、４１ｂを、ヒートシンク３６、３７間に横並びに搭載した場合の断面構造を示した、半導体駆動装置１００の要部断面図である。ヒートシンク３６は、半導体モジュール４１のリードフレーム３１側の放熱面３８に配置され、ヒートシンク３７（バスバー側ヒートシンクに相当する。）はバスバー３２側の放熱面３８ａに配置される。
ここで、半導体モジュール４１ａ、４１ｂの放熱面３８となる平面部３２０は、ヒートシンク３７と電気的に絶縁する必要があるため、セラミックやシリコンなどの絶縁性のある絶縁シート３９を挟んだ構造としている。リードフレーム３１の放熱面３８となる下面にも、同様に絶縁シート３９を配置し、リードフレーム３１とヒートシンク３６との絶縁を図っている。
ヒートシンク３６、３７間に、二つの半導体モジュール４１ａ、４１ｂを横並びに配置した場合においても、モジュール内で放熱面３８、３８ａが各々一平面内に配置されるよう、高さ座標を揃えることで、半導体駆動装置１００のレイアウト性、放熱性を向上させることができる。
ここで、図６に半導体モジュール４１の要部断面図を示すように、リードフレーム３１の下面側を高熱伝導樹脂４３でモールドすることで、図５において示した絶縁シート３９は不要となり、絶縁シート３９を用いた絶縁構造のものよりも組み付け工程を簡略化することができる。高熱伝導樹脂４３は、熱抵抗を低減する上で、その熱伝導率を３Ｗ/ｍ・Ｋ以上とし、リードフレーム３１の下面とヒートシンク３６との間の距離を、２００μｍ以下とするとよい。また、各放熱面３８、３８ａとヒートシンク３６、３７との間の熱抵抗を低減させるため、放熱用グリスを塗布することも、熱抵抗を低減する上で有効である。また、図５の構造において、半導体モジュール４１ａ、
４１ｂの放熱面３８、３８ａに対し、ヒートシンク３６、３７を押圧させる構成とすることで、更なる熱抵抗低減を図ることができる。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２の半導体モジュールおよび半導体駆動装置について、図７〜図１４を参照して説明する。上述の実施の形態１では、３相インバータシステムを１つ備えた半導体駆動装置１００の構造を例示したが、この実施の形態２では、３相インバータシステムを２つ備えた半導体駆動装置１０１について説明する。実施の形態１と同様に、半導体駆動装置１０１は、例えば電動パワーステアリング装置であることを示している。図７に、半導体駆動装置１０１の回路図を示すように、モータ１、１ｂは各々ステータ巻線を有し、コントローラ２は各々の巻線を独立に駆動できるインバータ３、３ｂを備えている。コントローラ２は、両者を協働して制御し、異常時には正常組のみでモータ駆動を継続するものである。さらに半導体駆動装置１０１では、インバータ３以外の構成も２重系とし、故障に備えた構成となっている。図７の半導体駆動装置１０１において、実施の形態１の図１に示した構成に追加された構成は、モータ１ｂ、スイッチング素子１１ｂ〜
１９ｂを含むインバータ３ｂ、電源リレー４ｂとインバータ３ｂとを含むパワー回路部２１ｂ、平滑コンデンサ５、制御回路部２０内のプリドライバ９ｂと電源モニタＩ／Ｆ１０ｂ等である。
ここで、半導体駆動装置１０１内の構成を２重系とすることに伴って、装置自体が大型化しないよう各部品の小型化を図っている。例えば、図８に、半導体駆動装置の半完成品の平面図（要部を示した透視図）に示すように、半導体モジュール４１ｃ（パワーモジュール）も３相一体モジュールとして集積率を上げ、１パッケージ内にインバータ３、３ｂを駆動するスイッチング素子１１〜１９を全て搭載している。そして、図８に示すように、スイッチング素子相互間またはスイッチング素子とリードフレーム上面の接続領域とを接続するバスバー３２ａ〜３２ｆが、装置内に放熱特性が均一化するよう、平面上において重ならないようにレイアウトされている。なお、二つのリードフレーム３１を接続する配線として、リードフレーム間バスバー３２３がある。以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述と同様の構成部分については、ここでの説明を省略する。
この実施の形態２の半導体モジュール４１ｃは、図８の平面図に示すように、発熱するスイッチング素子（１１〜１９）が搭載されている。そして、図９に、図８のＢ−Ｂ断面に相当する半導体駆動装置１０１の断面図を示すように、各素子を上下両面から、ヒートシンク３６、３７で挟み、ヒートシンク３６、３７を介して放熱するため、半導体モジュール４１ｃには、バスバー３２ａ、３２ｂ、３２ｃの上面よりなる放熱面３８ａ、３８ｂ、３８ｃが形成され、ヒートシンク３７の平面に絶縁性を保って接している。また、図９に示したバスバー３２ａ、３２ｂ、３２ｃの断面図に示すように、実施の形態１で示した放熱面３８ａと同様に、実施の形態２の放熱面３８ａ、３８ｂ、３８ｃの高さ座標も全て揃え、一平面内に配置される構成とすることで、その上面側への成膜や貼付け等の製造や設計を容易化することができる。また、リードフレーム３１下面の放熱面３８についても、実施の形態１と同様に、一つの半導体モジュール４１ｃ内で、高さ座標を全て揃えた構成とすることで、製造性が容易化することは言うまでもない。
そして、上述の実施の形態１では、ヒートシンク３６、３７は、同程度の厚さの平板状の物を示していたが、この実施の形態２では、複数のスイッチング素子と放熱面３８の間の熱抵抗が小さくなるリードフレーム３１下面側に配置されるヒートシンク３６は、そのサイズが、実施の形態１で示したものよりも大きく、そして上側のヒートシンク３７よりも大きく形成されている。伝達される熱量が大きくなる側のヒートシンク３６を厚く形成することで、熱容量を大きくでき、装置内において、温度上昇が偏らないように調整している。実際のヒートシンクサイズは、発熱素子の発熱量・許容温度、発熱素子と各放熱面間の熱抵抗、さらにはヒートシンク外部の状態まで考慮してサイズを決定する。
また、図１０に、半導体駆動装置１０１の要部断面図を示すように、半導体モジュール４１ｃの両面を挟むヒートシンク３６、３７の形状を部分的に変形させ、ヒートシンク３６、３７の外周部を延在させて互いに接触させた構造を採ることも可能で、更なる熱容量、熱伝達アップにつなげることができる。さらにヒートシンク３６、３７を互いに接触させ、両者を電気的に同電位とすることで、耐ＥＭＣ性能を向上させることができる。
次に、図１１に、この実施の形態２の半導体駆動装置１０１のインバータ駆動部の平面図を示す。図１１は、半導体モジュール４１ｃと対照的な構造である半導体モジュール４１ｄが、同じヒートシンク３６上に配置された状態を示しており、各端子部３４ａ、３４ｂが外向きに配置されている。半導体モジュール４１ｃ、４１ｄは、封止樹脂３０上面に放熱面３８ａ〜３８ｆ、３８ｇ〜３８ｌを備えており、放熱面３８ａ〜３８ｌの高さは座標上において共通である。
さらに、図１２に、図１１のＣ−Ｃ断面に相当する、半導体駆動装置１０１のヒートシンク部を抜粋したインバータ駆動部の断面図を示す。
また、図１３に、半導体駆動装置１０１全体の側断面図を示す。図１３において、ケース４４内には、モータ１上に半導体モジュール４１が配置され、その上に制御回路部２０が配置されており、各構成要素は端子部３５によって接続された状態が例示されている。電動パワーステアリング装置である半導体駆動装置１０１は円筒構造をしており、パワーモジュール４１（４１ｃ、４１ｄ）は装置の軸方向に対し垂直向きに２つ搭載され、リードフレーム３１下面側の放熱面３８、バスバー３２の平面部上面側の放熱面３８ａが、各々同一平面内に配置される構成となっている。
ここで、半導体モジュール４１のヒートシンク３６、３７への搭載向きは図１２のような横並びの構成に限定されたものではなく、図１４、図１５のように、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄのモジュール形成面が対向する縦置きの構成とし、平行な４面以上の放熱面を確保することもできる。
図１４に、半導体駆動装置１０１のインバータ駆動部の断面図を示し、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄの搭載例を示すように、縦置きされた一枚の平板状のヒートシンク３６の二つの表面に、それぞれ半導体モジュール４１ｃ、４１ｄを、リードフレーム３１側の放熱面３８を熱的に接触させるように配置する。そして、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄのバスバー３２側の放熱面３８ａには、それぞれ別体のヒートシンク３７が、装置内に計２枚配置された構成である。モジュール両面の、二つの放熱面３８、３８ａに伝達される熱量を比べると、ヒートシンク３１側の放熱面３８の方に伝わる熱量が大きくなるため、放熱面３８に接するヒートシンク３６は、他面に配置するヒートシンク３７よりも熱容量が大きな厚い構造体を配置している。
このように、装置全体の構成に合わせてモジュール搭載方向（縦置き、横置き）を選択することができる。いずれの場合においても、熱抵抗が小さくなるリードフレーム３１下面（裏面）側の放熱面３８を、熱容量や熱伝達の大きなヒートシンク３６側に搭載すると温度上昇の抑止効果がより大きくなる。
また、図１５に、半導体駆動装置１０１のインバータ駆動部の断面図を示し、図１４とは異なる半導体モジュール４１ｃ、４１ｄの搭載例を示す。図１５の半導体駆動装置１０１は、図１４の場合とはモジュールの対向面が逆向きである。そして、縦置きされた一枚の平板状のヒートシンク３７の二つの表面に、それぞれ半導体モジュール４１ｃ、４１ｄを、バスバー３２側の放熱面３８ａを熱的に接触させるように配置し、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄのリードフレーム３１側の放熱面３８には、それぞれ別体のヒートシンク３６を、装置内に計２枚配置した構成である。
また、装置の軸方向に対する半導体モジュール４１の配置方向も垂直方向に限定されたものではなく水平搭載とすることも可能であることは言うまでもない。
なお、図１４、図１５の例では、一枚のヒートシンク３６、３７の両面に発熱体を配置した構造体を示していたが、一枚のヒートシンクの両面に発熱体を配置する代わりに、対向配置された二枚のヒートシンクの外側の面に、それぞれ発熱体を配置し、二枚のヒートシンク間に空隙部を設けた構造とすることも可能であり、この構造によっても４面以上の放熱面を確保することができる。
実施の形態３．
次に、実施の形態３について、図１６〜図１９を参照して以下に説明する。この実施の形態３の半導体駆動装置１０２は、上述の実施の形態２と同様、２組の３相インバータを搭載した例を示している。実施の形態２では、半導体モジュール４１ｃと４１ｄが別体となるようモールディングされていたが、この実施の形態３のものは、２組の３相インバータが一体モジュールとなっている。以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述と同様の構成部分については、ここでの説明を省略する。
図１６は、本実施の形態３の半導体駆動装置１０２の半導体モジュール
４１ｅの半完成状態の平面図であり、要部を示した透視図であり、バスバー３２ａ〜３２ｌを含む各素子は、封止樹脂３０により一体にモールディングされている。図１７は、半導体駆動装置１０２のインバータ駆動部の要部を示した平面図である。図１８は、半導体駆動装置１０２の要部断面図である。
図１７に示すように、２組のインバータ３を１モジュール化することで、バスバー３２上方の複数の放熱面３８ａ〜３８ｌの高さを均一に揃える調整が容易となり、モールディング後の封止樹脂３０上面に放熱面３８ａ〜
３８ｌを露出させることができる。さらに、図１６に示すように、スイッチング素子１１〜１９を、一平面上に放熱量の均一化を図りつつ、効率的に配置させることができる。また、図１６に示すように、２組のインバータ３を１モジュール化することで、３相インバータの上側ＦＥＴの高電位ターミナルと、シャント抵抗低電位側ターミナルはｕ、ｖ、ｗ相で共有化することが可能で、共有化ターミナル４５の面積を大きくとることができる。
図１８に、半導体モジュール４１ｅの両放熱面がヒートシンク３６、３７間に挟まれた状態の半導体駆動装置１０２の断面図（図１６のＤ−Ｄ断面に相当する。）を示すように、共有化ターミナル４５を有効に活用し、半導体モジュール４１ｅ内の共有化ターミナル４５部分にネジ穴部を設け、２組のヒートシンク３６、３７と半導体モジュール４１ｅをネジ４６で共締めしている。これにより半導体モジュール４１ｅ内側領域でヒートシンク３６、３７と放熱面３８、３８ａを組み付けることが可能となり、モジュールの素子形成領域以外の領域を有効に活用することができるので、パワーモジュール周辺の電源バスバーやモータバスバー構成が容易になり、装置全体の小型化が可能となる。
実施の形態４．
次に、実施の形態４について、図１９〜図２１を参照して以下に説明する。この実施の形態４は、上述の実施の形態２、３と同様、２組の３相インバータを搭載した装置の例で、上述の実施の形態１〜３とはパワーモジュール構造に違いがあり、スイッチング素子（１１〜１９）が２層のリードフレーム３１ａ、３１ｂに実装された構成であり、それぞれの裏面が放熱面３８（計２面）となっている。以下では、上記相違点に伴う変更部分についてのみ説明を行い、上述と同様の構成部分については、ここでの説明を省略する。
本実施の形態４の半導体モジュール４１ｆは、図１９のような、スイッチング素子１１〜１９が実装されたリードフレーム３１ａ、３１ｂを、図２０のように、２層重ねてモールド成形している。半導体モジュール４１ｆは、リードフレーム３１ａ、３１ｂ上に素子を形成した構造体を、封止樹脂３０を介して素子形成面を内向きとして２層貼り合わせた構造であり、２層のリードフレーム３１ａ、３１ｂの間は、リードフレーム放熱面を除いて封止樹脂３０によって封止されており、それぞれのリードフレーム３１ａ、３１ｂの素子載置面ではない裏面（外層）側が、それぞれの放熱面３８となっている。
２層のリードフレーム３１ａ、３１ｂを立体配置することで、リードフレーム３１ａ、３１ｂの部品実装面積が拡大し、各スイッチング素子が実装されるターミナル面積を大きくできるため、スイッチング素子１１〜１９と放熱面３８との間の熱抵抗を低減することができる。また、部品実装面積を拡大させたために、各素子をレイアウトしやすいという効果もある。
この実施の形態４の半導体モジュール４１ｆは、リードフレーム３１ａ、３１ｂ上に素子が形成された２つの構造体を、素子形成面が内向きとなるように封止樹脂３０で封止した構造である。各リードフレーム３１ａ、３１ｂ上に平面部３２０を持つバスバー３２が形成された場合、バスバー３２の平面部３２０同士が封止樹脂３０を介して対向するように配置される。バスバー３２の平面部３２０の高さが揃えられて形成されているため、バスバー３２の高さにばらつきがある場合よりも、レイアウト性が良く、製造過程においてもモールド樹脂の充填が容易となるなどの利点がある。
また、図２１に示すように、実施の形態１の場合と同様、リードフレーム３１の裏面（下面）を、高熱伝導樹脂４３でモールドし、放熱面３８すべてを絶縁構造として構成することが可能である。実施の形態１では、片面のみに高熱伝導樹脂４３を配置した絶縁構造を示したが、本実施の形態４のように、２層のリードフレーム３１を備えた半導体モジュール構造とすることで、両放熱面３８を絶縁化することができる。よって、放熱面へのヒートシンク組み付けの際、絶縁シート不要となり工程が簡略化しコスト低減にもつながる。図２１に示す半導体モジュール４１ｆの上下面に位置する高熱伝導樹脂４３上に各々ヒートシンク（図示せず）を配設することで半導体駆動装置を得ることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２の半導体モジュールおよび半導体駆動装置について、図７〜図１４を参照して説明する。上述の実施の形態１では、３相インバータシステムを１つ備えた半導体駆動装置１００の構造を例示したが、この実施の形態２では、３相インバータシステムを２つ備えた半導体駆動装置１０１について説明する。実施の形態１と同様に、半導体駆動装置１０１は、例えば電動パワーステアリング装置であることを示している。図７に、半導体駆動装置１０１の回路図を示すように、モータ１、１ｂは各々ステータ巻線を有し、コントローラ２は各々の巻線を独立に駆動できるインバータ３、３ｂを備えている。コントローラ２は、両者を協働して制御し、異常時には正常組のみでモータ駆動を継続するものである。さらに半導体駆動装置１０１では、インバータ３以外の構成も２重系とし、故障に備えた構成となっている。図７の半導体駆動装置１０１において、実施の形態１の図１に示した構成に追加された構成は、モータ１ｂ、スイッチング素子１１〜１９を含むインバータ３ｂ、電源リレー４ｂとインバータ３ｂとを含むパワー回路部２１ｂ、平滑コンデンサ５、制御回路部２０内のプリドライバ９ｂと電源モニタＩ／Ｆ１０ｂ等である。
ここで、半導体モジュール４１のヒートシンク３６、３７への搭載向きは図１２のような横並びの構成に限定されたものではなく、図１４、図１５のように、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄのモジュール形成面が対向する縦置きの構成とし、平行な４面以上の放熱面を確保することもできる。
図１４に、半導体駆動装置１０１のインバータ駆動部の断面図を示し、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄの搭載例を示すように、縦置きされた一枚の平板状のヒートシンク３６の二つの表面に、それぞれ半導体モジュール４１ｃ、４１ｄを、リードフレーム３１側の放熱面３８を熱的に接触させるように配置する。そして、半導体モジュール４１ｃ、４１ｄのバスバー３２側の放熱面３８ａには、それぞれ別体のヒートシンク３７が、装置内に計２枚配置された構成である。モジュール両面の、二つの放熱面３８、３８ａに伝達される熱量を比べると、リードフレーム３１側の放熱面３８の方に伝わる熱量が大きくなるため、放熱面３８に接するヒートシンク３６は、他面に配置するヒートシンク３７よりも熱容量が大きな厚い構造体を配置している。
このように、装置全体の構成に合わせてモジュール搭載方向（縦置き、横置き）を選択することができる。いずれの場合においても、熱抵抗が小さくなるリードフレーム３１下面（裏面）側の放熱面３８を、熱容量や熱伝達の大きなヒートシンク３６側に搭載すると温度上昇の抑止効果がより大きくなる。

Claims (19)

  1. スイッチング素子、
    上記スイッチング素子が上面側に実装され、下面側が放熱面となるリードフレーム、
    上記リードフレーム上に配設され、複数のスイッチング素子相互間、または上記リードフレームと上記スイッチング素子間を接続する、上面に平面部を有するバスバー、
    上記リードフレームおよび上記スイッチング素子を、上記リードフレームの放熱面を除いて封止する封止樹脂を備え、
    上記リードフレームの放熱面が一平面内に配置されるとともに、
    上記リードフレームの放熱面と、上記バスバーの上記平面部の上面との間に、上記スイッチング素子が配設されたことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 複数の上記バスバーの上記平面部の上面が一平面内に配置されたことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
  3. 上記バスバーの上記平面部の上面と、上記リードフレームの放熱面が、互いに平行となるように配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体モジュール。
  4. 上記バスバーは、上記平面部以外の部分において上記スイッチング素子または上記リードフレームに接することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体モジュール。
  5. 上記バスバーの上記平面部における配線の厚さは、上記バスバーの他部よりも肉厚に形成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体モジュール。
  6. 上記バスバーは、上記平面部において、上記バスバーの他部よりも配線幅が大きく形成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体モジュール。
  7. 上記バスバーの上記平面部の上面は、放熱面となることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体モジュール。
  8. ２層の上記リードフレームを備え、２層の上記リードフレームは、上記リードフレームの放熱面が外層側となるように対向配置され、上記封止樹脂によって、２層の上記リードフレーム間が、上記リードフレームの放熱面を除いて封止されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体モジュール。
  9. 請求項１から８のいずれか一項記載の半導体モジュール、
    上記半導体モジュールを構成する上記リードフレームの放熱面に、絶縁性を保って接触するヒートシンクを備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
  10. 請求項１から７のいずれか一項記載の半導体モジュール、上記半導体モジュールを構成する上記リードフレームの放熱面に、絶縁性を保って接触するヒートシンクを備えるとともに、上記半導体モジュールの上記バスバーの上記平面部の上面に、絶縁性を保って接触するバスバー側ヒートシンクを備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
  11. 上記ヒートシンクと上記バスバー側ヒートシンクの間に、複数の上記半導体モジュールを搭載したことを特徴とする請求項１０記載の半導体駆動装置。
  12. 複数の上記半導体モジュールの上記リードフレームの放熱面が一平面上に配置されるとともに、複数の上記半導体モジュールの上記バスバーの上記平面部の上面が、上記リードフレームの放熱面と平行な一平面上に配置されることを特徴とする請求項１１記載の半導体駆動装置。
  13. 平板状である上記ヒートシンクの両面、または、対向配置された二枚の上記ヒートシンクの外側の面に、それぞれ上記半導体モジュールが配置されてなることを特徴とする請求項１０記載の半導体駆動装置。
  14. 平板状である上記バスバー側ヒートシンクの両面、または、対向配置された二枚の上記バスバー側ヒートシンクの外側の面に、それぞれ上記半導体モジュールが配置されてなることを特徴とする請求項１０記載の半導体駆動装置。
  15. 上記ヒートシンクの方が、上記バスバー側ヒートシンクよりも熱容量が大きいことを特徴とする請求項１０記載の半導体駆動装置。
  16. 上記ヒートシンクと上記バスバー側ヒートシンクが、一続きに連結された構造であることを特徴とする請求項１０記載の半導体駆動装置。
  17. 上記リードフレームの下面側の放熱面に、３Ｗ/ｍ・Ｋ以上の高熱伝導樹脂よりなる膜を形成したことを特徴とする請求項９記載の半導体駆動装置。
  18. 一つの上記半導体モジュールの内部に、３相以上の多相インバータを構成する上記スイッチング素子全てが搭載されたことを特徴とする請求項９記載の半導体駆動装置。
  19. スイッチング素子、
    上記スイッチング素子が上面側に実装され、下面側が放熱面となるリードフレーム、
    上記リードフレーム上に配設され、複数のスイッチング素子相互間、または上記リードフレームと上記スイッチング素子間を接続する、上面に平面部を有するバスバー、
    上記リードフレームの放熱面が外層側となるように互いに向き合わせて配置された２層の上記リードフレームの間に配置され、上記リードフレーム、上記スイッチング素子、および上記バスバーを、上記リードフレームの放熱面を除いて封止する封止樹脂を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
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