CN102810532A - 半导体装置和包括半导体装置的驱动设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种半导体装置和包括半导体装置的驱动设备。该半导体装置（101、200）包括：半导体模块（60）和按压构件（68、69、210、220），按压构件被配置成向热辐射构件（50）按压半导体模块（60）。半导体模块（60）包括开关元件（81-88）、导体（501-512）和模制构件（61）。每个开关元件被安装在导体中的对应导体上。模制构件覆盖开关元件和导体。多于三个开关元件被布置在按压构件周围。开关元件被布置在这样的区域中：在所述区域中，通过利用按压构件进行按压而在半导体模块与热辐射构件之间生成的压力大于或等于预定压力，在该预定压力下从开关元件生成的热可从半导体模块释放到热辐射构件。

Description

半导体装置和包括半导体装置的驱动设备
技术领域
本公开涉及一种半导体装置和包括半导体装置的驱动设备。
背景技术
传统上，已知利用螺钉等将半导体装置固定到冷却散热器。例如，JP-A-2007-165426公开了螺纹部被设置在半导体装置的纵向端部处并且利用螺钉将半导体装置固定到冷却散热器。
发明内容
本公开的目的是提供一种能够有效地辐射半导体装置中生成的热的半导体装置。本公开的另一个目的是提供包括半导体装置的驱动设备。
根据本公开的第一方面的半导体装置包括半导体模块和按压构件。半导体模块包括多个开关元件、多个导体、以及模制构件。开关元件与电流的切换有关。每个开关元件被安装在导体中的对应导体上。模制构件覆盖开关元件和导体。按压构件被配置成向热辐射构件按压半导体模块。多于三个开关元件被布置在按压构件周围。开关元件被布置在这样的区域中：在所述区域中，通过利用按压构件进行按压而在半导体模块与热辐射构件之间生成的压力大于或等于预定压力，在该预定压力下从开关元件生成的热能够从半导体模块释放到热辐射构件。
根据第一方面的半导体装置能够将从开关元件生成的热有效地释放到热辐射构件。
根据本公开的第二方面的驱动设备包括电机和控制单元。电机包括绕组。在电机的轴向方向上将控制单元布置在电机的一侧。控制单元包括根据第一方面的半导体装置、热辐射构件和基底。半导体装置与绕组电耦合，并且利用按压构件向热辐射构件按压该半导体装置。基底与半导体模块电耦合。
根据第二方面的驱动设备可以将从半导体装置中的开关元件生成的热有效地释放到热辐射构件。
附图说明
结合附图，根据以下详细描述，本公开的另外的目的和优点将会更容易明白。在附图中：
图1是示出了根据本公开的第一实施例的动力转向设备的框图；
图2是示出了根据第一实施例的驱动设备的透视图；
图3是示出了固定到散热器的半导体装置的侧视图；
图4是沿着图3中的箭头IV看到的电力模块的视图；
图5是示出了根据第一实施例的电力模块的内部配置的图；
图6是用于说明在根据第一实施例的电力模块被固定到散热器的状况下的压力的图；
图7是示出了根据本公开的第二实施例的电力模块被固定到散热器的状况的图；
图8是沿着图7中的箭头VIII看到的电力模块的视图；以及
图9A是根据本公开的另一实施例的电力模块的平面视图，并且图9B是根据本公开的另一实施例的电力模块的平面视图。
具体实施方式
本公开的发明人发现以下内容。在半导体装置在纵向端部处被固定到冷却散热器的情况下，如JP-A-2007-165426中所公开的，存在以下可能：在半导体装置的远离螺纹部分的中心部分处压力不足，半导体装置没有被粘合到冷却散热器，并且热辐射是不充分的。
鉴于前述内容，下面将描述本公开的实施例。
（第一实施例）
将参照图1和图2描述根据本公开的第一实施例的包括半导体装置101的驱动设备1。驱动设备1可以应用于协助交通工具的转向操作的电力转向设备（下文中被称作EPS）。驱动设备1包括电机2和控制单元3。
将参照图1描述EPS的电配置。如图1所示，驱动设备1经由附接到柱轴6的齿轮7在柱轴6处生成旋转扭矩，柱轴6是交通工具的转向盘5的旋转轴线，并且驱动设备1协助通过转向盘5进行的转向操作。当驾驶者操作转向盘5时，利用扭矩传感器8检测通过该操作在柱轴6处生成的转向扭矩。另外，驱动设备1从未示出的控制器区域网络（CAN）接收交通工具信息，以协助由驾驶者进行的转向盘5的转向操作。通过使用上述配置，驱动设备1可以自动地控制转向盘5的操作以在高速路上保持车道或引向停车场中的停车位。
电机2是使齿轮7正向和反向旋转的三相无刷电机。控制单元3控制电机2的电流供应和驱动。控制单元3包括电力部100和控制部90。向电力部100施加驱动电流以驱动电机2。控制部90控制电机2的驱动。
电力部100包括扼流线圈76、电容器77、以及逆变器80、89。扼流线圈76被布置在电源75的电源线上。因为逆变器80和逆变器89具有相似的配置，所以下面将仅描述逆变器80的配置。逆变器80包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）81-86，其是一种场效应晶体管。通过栅极电位来控制每个MOSFET 81-86的开-关态。换言之，通过控制栅极电位来连接或断开每个MOSFET 81-86的源极和漏极。
MOSFET 81的漏极与电源线耦合，并且MOSFET 81的源极与MOSFET 84的漏极耦合。MOSFET 84的源极经由分路电阻器991与地耦合。MOSFET 81和MOSFET 84的接合点与电机2的U相线圈耦合。MOSFET 82的漏极与电源线耦合，并且MOSFET 82的源极与MOSFET85的漏极耦合。MOSFET 85的源极经由分路电阻器992与地耦合。MOSFET 82和MOSFET 85的接合点与电机2的V相线圈耦合。MOSFET 83的漏极与电源线耦合，并且MOSFET 83的源极与MOSFET86的漏极耦合。MOSFET 86的源极经由分路电阻器993与地耦合。MOSFET 83和MOSFET 86的接合点与电机2的W相线圈耦合。耦合到比MOSFET 84-86高的电位侧的MOSFET 81-83也被称作“较高MOSFET”。耦合到较低电位侧的MOSFET 84-86也被称作“较低MOSFET”。
逆变器80还包括用于电源继电器的MOSFET 87、88。MOSFET 87、88可以具有类似于MOSFET 81-86的结构。MOSFET 87、88耦合在较高MOSFET 81-83与电源75之间并且能够在异常状态下中断电流。当发生断路故障或短路故障时，MOSFET 87中断到电机2的电流流动。MOSFET 88可以操作为反向耦合保护，使得当诸如电容器78的电子部件在反向方向上耦合时反向电流不流动。MOSFET 81-88可以操作为开关元件。每个较高MOSFET 81-83可以操作为高电位侧开关元件。每个较低MOSFET 84-86可以操作为低电位侧开关元件。也可以用除了MOSFET之外的开关元件替换MOSFET 81-88中的每个。
分路电阻器991-993分别被电耦合在MOSFET 84-86与地之间。驱动设备1分别通过检测施加给分路电阻器991-993的电压或电流来检测流向U相线圈、V相线圈和W相线圈的电流。
扼流线圈76和电容器77被电耦合在电源75与用于电源继电器的MOSFET 87之间。扼流线圈76和电容器77形成滤波器电路以减小从与电源75耦合的不同装置传输的噪声。另外，扼流线圈76和电容器77减小从驱动设备1传输到与电源75耦合的不同装置的噪声。
电容器78被电耦合在MOSFET 81-83的与电源线耦合的电源侧和MOSFET 84-86的与地耦合的接地侧之间。电容器78储存电荷以支持对MOSFET 81-86的供电并且减小浪涌电压中的噪声分量。本实施例的电容器77、78可以是铝电解电容器。电容器78具有比电容器77大的电容。电容器77、78也可以是除了铝电解电容器之外的电容器。
控制部90包括前置驱动器91、定制集成电路（定制IC）92、旋转角传感器93、以及微型计算机94。定制IC 92包括作为功能块的调节器部（调节器）95、信号放大部（信号放大）96、以及电压放大部（电压放大）97。调节器部95是使提供给每个部件的电力稳定的稳定电路。例如，微型计算机94由于调节器部95而能够以稳定的预定电压（例如，5V）操作。信号放大部96接收来自旋转角传感器93的信号。旋转角传感器93检测电机2的旋转位置信号，并且检测到的旋转位置信号被传输到信号放大部96。信号放大部96将旋转位置信号放大并将放大的信号传输到微型计算机94。电压放大部96检测每个分路电阻器991-993的两端之间的电压，放大该电压，并将该放大的电压传输到微型计算机94。
微型计算机94经由信号放大部96和电压放大部97接收电机2的旋转位置信号以及每个分路电阻器991-993的两端的电压。微型计算机94还接收来自附接到柱轴6的扭矩传感器8的转向扭矩信号。此外，微型计算机94经由CAN接收交通工具信息。当微型计算机94接收转向扭矩信号和交通工具信息时，微型计算机94根据旋转位置信号，经由前置驱动器91来控制逆变器80，以根据交通工具速度来协助利用转向盘5进行的转向操作。微型计算机94通过经由前置驱动器91改变MOSFET 81-86的栅极电压，从而切换MOSFET 81-86的开-关态，来控制逆变器80。换言之，因为六个MOSFET 81-86的栅极分别与前置驱动器91的六个输出端子耦合，所以可以通过利用前置驱动器91改变栅极电压来切换MOSFET 81-86的开-关态。此外，微型计算机94控制逆变器80，使得提供给电机2的电流变得更接近基于从电压放大部97传输的每个分路电阻器991-993的两端之间的电压的正弦波。控制器90还以类似于逆变器80的方式控制逆变器89。
如图2所示，驱动设备1包括电机2和控制单元3。在本实施例的驱动设备1中，在电机2的轴向方向上将控制单元3布置在电机2的一侧。电机2和控制单元3形成堆叠结构。在图2中，移除了限定控制单元3的轮廓的盖子。
电机2是三相无刷电机。电机2的轮廓由电机壳体10限定。电机壳体10具有圆柱体形状并且由例如铁制成。在电机壳体10中，布置有定子、转子、轴等。当缠绕到定子上的绕组经受旋转磁场时，转子和轴整体地旋转。附接到定子上的绕组是包括U相线圈、V相线圈和W相线圈的三相绕组。可以根据所需要的输出来设置定子、转子等的尺寸。
从绕组中的六个位置拉出引出线23。从电机壳体10的第一孔朝向控制单元3拉出三个引出线23，并且从电机壳体10的第二孔朝向控制单元3拉出另外三个引出线23。引出线23通过径向上位于控制基底40和电力模块60之外的区域延伸到电力基底70。从第一孔拉出的三个引出线23分别对应于U相线圈、V相线圈和W相线圈。从第二孔拉出的三个引出线23分别对应于U相线圈、V相线圈和W相线圈。
在轴的与控制单元3相反的侧上，布置有输出端子29。此外，在轴的与控制单元3相反的侧上，布置有齿轮箱（未示出）。在齿轮箱中，布置有图1所示的齿轮7。齿轮7与输出端子29耦合并且通过电机2的驱动力而旋转。
控制单元3包括控制基底40、散热器50、电力基底70、以及半导体装置101。控制基底40可以操作为控制基底或基底。散热器50可以操作为热辐射构件。电力基底70可以操作为基底。半导体装置101包括电力模块60和螺钉68、69。电力模块60可以操作为半导体模块。螺钉68、69可以操作为按压构件。除了与外部电子部件耦合的连接器45、79等之外，控制单元3的大多数部件被布置在电机壳体区域中，该电机壳体区域通过使电机壳体10在轴向方向上突出来限定。在控制单元3中，从与电机2邻近的侧开始，在轴向方向上按照控制基底40、散热器50、电力模块60和电力基底70的顺序来布置它们。换言之，在轴向方向上，按照电机壳体10、控制基底40、散热器50、电力模块60和电力基底70的顺序来布置它们。
控制基底40可以是由玻璃环氧树脂基底构成的四层基底。控制基底40具有可以布置在电机壳体区域内的板状。控制基底40通过螺纹紧固被固定到散热器50。在控制基底40上，安装有用于形成控制部90的电子部件。在控制基底40的与电机2相反的表面上，安装有前置驱动器91、定制IC 92和微型计算机94。在控制基底40的面对电机2的表面上，安装有旋转角传感器93。
控制基底40沿着其外边缘限定用于与电力模块60的控制端子64耦合的通孔。此外，控制基底40与控制连接器45耦合。控制连接器45被配置为使得线可以从电机2的径向外部耦合并且输入来自扭矩传感器8和CAN的信号。
散热器50由具有高热导率的材料（诸如铝）制成。散热器50包括具有宽广表面的两个热接收部55，电力模块60被固定到所述宽广表面。在大致垂直于电机壳体10的方向上布置热接收部55。沿着彼此平行布置的两个热接收部55，布置有两个电力模块60。电力模块60分别利用螺钉68、69被固定到热接收部55。
每个电力模块60包括模制构件61、控制端子64、以及电力端子65。电力端子65可以操作为绕组端子。在轴向方向上，电力模块60被布置在控制基底40与电力基底70之间。在电机2的径向方向上，电力模块60a被竖直地布置在散热器50的外部。两个电力模块60被布置在电机2的旋转的扩展中心线的相反侧。
电力模块60之一对应于逆变器80，并包括MOSFET 81-88和分路电阻器991-993。在本实施例中，MOSFET 81-88和分路电阻器991-993利用树脂被整体地模制为一个电力模块。另一电力模块60a对应于逆变器89，并包括通过树脂整体地模制的MOSFET、功率继电器和分路电阻器。关于一个热接收部55，布置用于形成一个驱动***的一个电力模块60。
电力基底70可以是由玻璃环氧树脂基底和图案铜层构成的四层基底。电力基底70具有布置在电机壳体区域内的板状，并通过螺纹紧固被固定到散热器50。在电力基底70上，布置有电力线。提供给绕组的绕组电流被提供给该电力线。
电力基底70限定用于与电力模块60的电力端子65耦合的通孔。电力基底70还限定用于在电力端子65所***的通孔外部与引出线23耦合的通孔。***到通孔中的电力端子65和引出线23与电力基底70电耦合。因此，引出线23经由电力基底70与电力模块60耦合。
在电力基底70的面对电机2的表面上，安装有扼流线圈76和电容器77、78。扼流线圈76和电容器77、78被布置在散热器50中限定的空间中。在轴向方向上，扼流线圈76、电容器77、78和电力连接器79被布置在电力基底70与控制基底40之间。
电力基底70与电力连接器79耦合。电力连接器79被布置成邻近与控制基底40耦合的控制连接器45。电力连接器79被配置成从电机2的径向外部与线耦合以及与电源75耦合。因此，经由电力连接器79将来自电源75的电力提供给电力基底70。此外，经由电力连接器79、电力基底70、电力模块60和引出线23将来自电源75的电力提供给电机2的绕组。
将描述驱动设备1的操作。安装在控制基底40上的微型计算机94基于来自旋转角传感器93、扭矩传感器8、分路电阻器991-993等的信号，来生成通过经由前置驱动器91进行的脉宽调制（PWM）控制产生的脉冲信号，以根据交通工具速度来协助利用转向盘5进行的转向操作。经由控制端子64将脉冲信号传输到逆变器80、89以控制MOSFET 81-86的开-关态。因此，向电机2的每相绕组提供具有不同相位的正弦波电流，并且生成旋转磁场。通过接收旋转磁场，转子和轴整体地旋转。当轴旋转时，驱动力从输出端子29传输到柱轴6的齿轮7，以协助由驾驶者利用转向盘5进行的转向操作。换言之，电机2通过提供给绕组的绕组电流来驱动。因此，可以说提供给绕组的绕组电流是驱动电机2的驱动电流。
将参照图3至图5描述半导体装置101。半导体装置101包括电力模块60、螺钉68、69和热辐射板67。热辐射板67可以操作为中间构件。如图3所示，热辐射板67被布置在电力模块60与散热器50之间。电力模块60和热辐射板67利用螺钉68、69被固定到散热器50。因此，电力模块60经由热辐射板67被散热器50保持。通过向电力模块60提供电流生成的热经由热辐射板67被辐射到散热器50。热辐射板67由绝缘材料制成。因此，热辐射板67将热从电力模块60传递到散热器50并且保证电力模块60与散热器50之间的隔离。换言之，热辐射板67是绝缘构件以及热辐射构件。此外，通过将热辐射板67布置在电力模块60a与散热器50之间，可以增加电力模块60与散热器50之间的粘合。
如图3至图5所示，控制端子64和电力端子65从模制构件61伸出到外部。模制构件61具有平行于模制构件61的纵向方向（也就是，模制构件61的宽度方向）的第一表面62和第二表面63。电力端子65从第一表面62伸出。控制端子64从第二表面63伸出。在本实施例中，按照使得将控制端子64从其伸出的第二表面63被布置为邻近控制基底40并且将电力端子65从其伸出的第一表面62被布置为邻近电力基底70的方式，沿着散热器50的热接收部55竖直地布置电力模块60。换言之，控制端子64朝向控制基底40伸出并且电力端子65朝向基底70伸出。
控制端子64被***到由控制基底40限定的通孔中并且通过焊料等与控制基底40电耦合。经由控制端子64将来自控制基底40的控制信号传输到电力模块60。经由控制端子64向电力模块60传输来自控制基底40的控制信号。电力端子65被***到由电力基底70限定的通孔中并且通过焊料等与电力基底70电耦合。向电力端子65提供绕组电流，该绕组电流通过电力基底70和引出线23被提供给电机2。因此，向电力模块60提供绕组电流，并且通过切换电力模块60中的MOSFET 81-88的开-关态来控制绕组电流。在本实施例中，仅处于与电机2的驱动控制有关的水平的低电流（例如，200mA）流向控制基底40。然而，用于驱动电机2的高电流（例如，80A）流向电力基底70。因此，每个电力端子65大于每个控制端子64。在本实施例中，控制端子64包括22个端子401-422，并且电力端子65包括11个端子601-611。下文中，端子401-422被称作控制端子401-422，并且端子601-611被称作电力端子601-611。
接着，将参照图5描述电力模块60的内部配置。虽然图5示出了对应于逆变器80的电力模块60的配置，但是对应于逆变器89的电力模块60具有类似的配置。如图5所示，除了模制构件61、控制端子401-422和电力端子601-611之外，电力模块60包括MOSFET 81-88以及嵌片501-512。嵌片501-512可以操作为导体。模制构件61由树脂制成。模制构件61覆盖控制端子401-422、电力端子601-611、MOSFET 81-88、以及嵌片501-512。
虽然图5中未示出，但是形成布线图案的每个嵌片501-512的部分从模制构件61暴露，作为热辐射部。换言之，本实施例的电力模块60是所谓的半模制模块。金属热辐射部经由热辐射板67而与散热器50的热接收部55接触，从而有效地辐射热。
MOSFET 81-88由半导体芯片形成并且安装在嵌片502-505、508-511上。MOSFET 81包括布置在半导体芯片的前表面上的栅极811和源极812。MOSFET 81还包括布置在半导体芯片的后表面上的栅极。MOSFET82-88具有与MOSFET 81相似的配置。
在嵌片501-512中，布线图案由铜或铜合金板形成。嵌片从第一表面62向第二表面63延伸。嵌片经由线与控制端子401耦合。嵌片502从第一表面62向第二表面63延伸。嵌片502与电力端子601和控制端子404整体地形成。控制端子404向控制基底40提供电源电压。此外，控制端子404用于监视后置继电器电压，后置继电器电压是用于电源继电器的MOSFET 87的下游处的电压。用于反向耦合保护的MOSFET 88被安装在嵌片502上。MOSFET 88的栅极经由线与控制端子402耦合。当经由控制端子402切换MOSFET 88的栅极电压时，控制MOSFET 88的开-关态。MOSFET 88的源极经由线901与嵌片501耦合。
嵌片503被布置在模制构件61中的邻近第一表面62的部分处。嵌片503与电力端子602整体地形成。MOSFET 87被安装在嵌片503上，当发生断路故障或短路故障时，MOSFET 87中断到电机2的电流流动。MOSFET 87的栅极通过线与控制端子405耦合。当经由控制端子405切换MOSFET 87的栅极电压时，控制MOSFET 87的开-关态。MOSFET 87的源极经由线902与嵌片501耦合。
嵌片504被布置在模制构件61中的邻近第一表面62的部分处。嵌片504与电力端子603整体地形成。用于U相线圈的较高MOSFET 81被安装在嵌片504上。较高MOSFET 81的栅极811经由线与控制端子407耦合。当经由控制端子407切换较高MOSFET 81的栅极电压时，控制较高MOSFET 81的开-关态。较高MOSFET 81的源极812经由线903与嵌片505耦合。
嵌片505从第一表面62向第二表面63延伸。嵌片505与电力端子604和控制端子408整体地形成。控制端子408用于监视U相线圈的端子电压。用于U相线圈的较低MOSFET 84被安装在嵌片505上。较低MOSFET 84的栅极经由线与控制端子409耦合。当经由控制端子409切换较低MOSFET 84的栅极电压时，控制较低MOSFET 84的开-关态。较低MOSFET 84的源极经由分路电阻器991与嵌片506耦合。分路电阻器991的邻近较低MOSFET 84的端部经由线与控制端子410耦合。分路电阻器991的邻近嵌片506的端部经由线与控制端子411耦合。
嵌片506从第一表面62向第二表面63延伸并且与电力端子605整体地形成。嵌片507从第一表面62向第二表面63延伸并且与电力端子606整体地形成。
嵌片508从第一表面62向第二表面63延伸。嵌片508与电力端子607和控制端子415整体地形成。控制端子415用于监视V相线圈的端子电压。用于V相线圈的较低MOSFET 85被安装在嵌片508上。较低MOSFET 85的栅极经由线与控制端子414耦合。当经由控制端子414切换较低MOSFET 85的栅极电压时，控制较低MOSFET 85的开-关态。较低MOSFET 85的源极经由分路电阻器992与嵌片507耦合。分路电阻器992的邻近较低MOSFET 85的端部经由线与控制端子413耦合。分路电阻器991的邻近嵌片507的端部经由线与控制端子412耦合。
嵌片509被布置在模制构件61中的邻近第一表面62的部分处。嵌片509与电力端子608整体地形成。用于V相线圈的较高MOSFET 82被安装在嵌片509上。较高MOSFET 82的栅极经由线与控制端子416耦合。当经由控制端子416切换较高MOSFET 82的栅极电压时，控制较高MOSFET 82的开-关态。较高MOSFET 82的源极经由线904与嵌片508耦合。
嵌片510被布置在模制构件61中的邻近第一表面62的部分处。嵌片510与电力端子609整体地形成。用于W相线圈的较高MOSFET 88被安装在嵌片510上。较高MOSFET 83的栅极经由线与控制端子418耦合。当经由控制端子418切换较高MOSFET 83的栅极电压时，控制较高MOSFET 83的开-关态。较高MOSFET 83的源极经由线905与嵌片511耦合。
嵌片511从第一表面62向第二表面63延伸。嵌片511与电力端子610和控制端子419整体地形成。控制端子419用于监视W相线圈的端子电压。用于W相线圈的较低MOSFET 86被安装在嵌片511上。较低MOSFET 86的栅极经由线与控制端子420耦合。当经由控制端子420切换较低MOSFET 86的栅极电压时，控制较低MOSFET 86的开-关态。较低MOSFET 86的源极经由分路电阻器993与嵌片512耦合。分路电阻器993的邻近较低MOSFET 86的端部经由线与控制端子421耦合。分路电阻器993的邻近嵌片512的端部经由线与控制端子422耦合。
嵌片512从第一表面62向第二表面63延伸并且与电力端子611整体地形成。不与嵌片、MOSFET和分路电阻器中的任一个耦合的控制端子403、406、417是两侧上的分立的相邻控制端子以限制相邻控制端子的短路。
电力端子602经由电力基底70等与电源75耦合。经由电力端子602、嵌片503、MOSFET 87、线902、嵌片501、线901、MOSFET 88和嵌片502将来自电源75的电力提供给电力端子601。电力端子603、608、609经由电力基底70与电力端子601耦合。换言之，电力端子603、608、609经由MOSFET 87、88、电力端子601、602、电力基底70等与电源75耦合。因此，经由MOSFET 87、88、电力端子602、601、电力基底70等将来自电源75的电力提供给电力端子603、608、609。
电力端子604与电机2的U相线圈耦合。电力端子605与地耦合。电力端子604被布置在电力端子603与电力端子605之间。电力端子603与电源75耦合，并且电力端子605与地耦合。电力端子603-605形成与对U相线圈的电流供应有关的U相端子组。因此，将与U相线圈有关的电流提供给电力端子603-605、嵌片504-506、MOSFET 81、84、线903、以及分路电阻器991。经由控制端子410、411将施加于分路电阻器991的电压信号传输到控制基底40。基于电压信号来检测提供给U相线圈的电流的量。
电力端子607与电机2的V相线圈耦合。电力端子606与地耦合。电力端子607被布置在电力端子606与电力端子608之间。电力端子608与电源75耦合，并且电力端子606与地耦合。电力端子606-608形成与对V相线圈的电流供应有关的V相端子组。因此，将与V相线圈有关的电流提供给电力端子606-608、嵌片507-509、MOSFET 82、85、线904、以及分路电阻器992。经由控制端子412、413将施加于分路电阻器992的电压信号传输到控制基底40。基于电压信号来检测提供给V相线圈的电流的量。
电力端子610与电机2的W相线圈耦合。电力端子611与地耦合。电力端子610被布置在电力端子609与电力端子611之间。电力端子609与电源75耦合，并且电力端子611与地耦合。电力端子609-611形成与对W相线圈的电流供应有关的W相端子组。因此，将与W相线圈有关的电流提供给电力端子609-611、嵌片510-512、MOSFET 83、86、线905、以及分路电阻器993。经由控制端子421、422将施加于分路电阻器993的电压信号传输到控制基底40。基于电压信号来检测提供给W相线圈的电流的量。
在本实施例中，模制构件61将***孔691限定在嵌片502与嵌片505之间且在第二表面63与嵌片503、504之间的位置处。嵌片502、505的邻近***孔691的侧被切成对应于***孔691的形状的弧形。模制构件61还将***孔692限定在嵌片508与嵌片511之间且在第二表面63与嵌片509、510之间的位置处。嵌片508、511的邻近***孔692的侧被切成对应于***孔692的形状的弧形。
嵌片502和嵌片505具有关于穿过***孔691的中心并且垂直于第一表面62和第二表面63的线的线对称的形状。嵌片503和嵌片504除了形成电力端子602、603的部分之外，具有关于穿过***孔691的中心并且垂直于第一表面62和第二表面63的线的线对称的形状。嵌片508和嵌片511具有关于穿过***孔692的中心并且垂直于第一表面62和第二表面63的线的线对称的形状。嵌片509和嵌片510具有关于穿过***孔692的中心并且垂直于第一表面62和第二表面63的线的线对称的形状。
用于将电力模块60固定到散热器50的螺钉68、69分别被***到***孔691、692中。***孔691、692与第一表面62相比更靠近第二表面63。换言之，模制构件61具有与第一表面62和第二表面63等距的中线，并且***孔691、692被限定在中线与第二表面63之间。***孔691与第二表面63之间的距离等于***孔692与第二表面63之间的距离。在本申请中，“相等”不仅是指“完全相等”，而且指“基本相等”。
在本实施例中，MOSFET 81、84、87、88被布置在***到***孔691中的螺钉68周围。MOSFET 81、87被布置在螺钉68与第一表面62之间，并且第一表面62与MOSFET 81之间的距离等于第一表面62与MOSFET 87之间的距离。另外，关于穿过螺钉68的中心并垂直于第一表面62和第二表面63的线对称地布置MOSFET 81、87。在电力模块60的纵向方向上将MOSFET 84、88布置在螺钉68的任一侧上。MOSFET84、88被布置成使得MOSFET 84、88的大部分包括在图4中示出的区域IV中，其中区域IV由穿过螺钉68的面向第一表面62的端部（即，螺钉68的上端）并平行于第二表面63的线以及穿过螺钉68的面向第二表面63的端部（即，螺钉68的下端）并平行于第二表面63的线限定。此外，关于穿过螺钉68的中心并垂直于第一表面62和第二表面63的线对称地布置MOSFET 84、88。
MOSFET 82、83、85、86被布置在***到***孔692中的螺钉69周围。MOSFET 82、83被布置在螺钉69与第一表面62之间，并且第一表面62与MOSFET 82之间的距离等于第一表面62与MOSFET 83之间的距离。另外，关于穿过螺钉69的中心并垂直于第一表面62和第二表面63的线对称地布置MOSFET 82、83。在电力模块60的纵向方向上将MOSFET 85、86布置在螺钉69的任一侧上。MOSFET 85、86被布置成使得MOSFET 84、88的大部分包括在图4中示出的区域IV中，其中区域IV由穿过螺钉69的面向第一表面62的端部（即，螺钉69的上端）并平行于第二表面63的线以及穿过螺钉69的面向第二表面63的端部（即，螺钉69的下端）并平行于第二表面63的线限定。此外，关于穿过螺钉69的中心并垂直于第一表面62和第二表面63的线对称地布置MOSFET85、86。
当利用螺钉68、69将电力模块60固定到散热器50时，电力模块60与散热器50之间的压力随着距每个螺钉68、69的距离减小。当经受相等压力的点以线连接时，可以按照压力的下降次序来限定区域VIa、区域VIb、区域VIc和区域VId。当限定区域VIa的***的两点虚线L指示将电力模块60粘合到散热器50所需要的最小压力时，电力模块60和散热器50由于压力小而在区域VId外部没有充分地彼此粘合。因此，如果诸如开关元件的生成热的电子部件被布置在区域VId外部，则在电子部件处生成的热不能有效地释放到散热器50。
因此，在本实施例中，所有MOSFET 81-88被布置在两点虚线L内。换言之，MOSFET 81-88被布置在压力大于或等于预定压力的区域中，其中在该预定压力下，从MOSFET 81-88生成的热可以从电力模块60释放到散热器50。因此，由于与绕组电流的切换有关的MOSFET 81-88的切换操作而生成的热可以有效地释放到散热器50。
此外，MOSFET 81、84、87、88被布置在这样的区域中：在该区域中，通过将***到***孔691中的螺钉68拧紧到散热器50而生成的压力大于或等于预定压力。MOSFET 82、84、85、86被布置在这样的区域中：在该区域中，通过将***到***孔692中的螺钉69拧紧到散热器50而生成的压力大于或等于预定压力。以这种方式，多于三个（在本实施例中为四个）MOSFET被布置在这样的区域中：在该区域中，通过螺钉68、69之一生成的压力大于或等于预定压力。可以通过将多于三个MOSFET布置在每个螺钉68、69周围来减小用于保证压力大于或等于预定压力所需要的部件的数目。
用于将从MOSFET 81-88生成的热释放到散热器50所需要的预定压力是可以将电力模块60和散热器50的热接收部55粘合的压力。例如，预定压力是0.5MPa。预定压力取决于热辐射板67的特性。例如，当热辐射板67中存在空隙时，预定压力是可以压缩空隙的压力。预定压力也可以取决于电力模块60的面对散热器50的表面的平坦度以及散热器50的热接收部55的平坦度。
如上所述，半导体装置101包括电力模块60和螺钉68、69。电力模块60包括MOSFET 81-88、嵌片501-512、以及模制构件61。在嵌片501-512上，分别布置有MOSFET 81-88。模制构件61覆盖MOSFET81-88和嵌片501-512。螺钉68、69向散热器50按压电力模块60。关于每个螺钉68、69，布置MOSFET 81-88中的多于三个MOSFET。在本实施例中，MOSFET 81、84、87、88被布置在螺钉68周围，而MOSFET 82、83、85、86被布置在螺钉69周围。此外，MOSFET 81-88被布置在这样的区域中：在该区域中，通过利用螺钉68、69进行按压而在电力模块60与散热器50之间生成的压力大于或等于预定压力，在该预定压力下，来自MOSFET 81-88的热可以从电力模块60释放到散热器50。
根据本实施例的半导体装置101具有以下优点。
（i）在本实施例中，MOSFET 81-88被布置在围绕螺钉68、69的区域中，其中在电力模块60与散热器50之间生成的压力大于或等于预定压力，在该预定压力下，从MOSFET 81-88生成的热可以从电力模块60释放到散热器50。因此，在布置有MOSFET 81-88的区域中，电力模块60和散热器50可以被彼此粘合。因此，在MOSFET 81-88生成的热可以有效地释放到散热器50。此外，由于关于每个螺钉68、69，布置MOSFET81-88中的至少三个MOSFET，所以可以减少用于向散热器50按压电力模块60的按压构件（例如，本实施例中的螺钉68、69）的数目。因此，可以减少用于附接螺钉68、69的处理的次数。此外，由于可以减小用于通过螺钉68、69进行按压所需要的面积，所以可以减小半导体装置101的尺寸。
（ii）电力模块60包括电力端子65和控制端子64。电力端子65从模制构件61的第一表面62伸出，并经由电力基底70和引出线23与电机2的绕组耦合。控制端子64从模制构件61的与第一表面62相反的第二表面63伸出并与控制基底40耦合。提供给绕组的高电流流向电力端子65。处于使得能够实现控制信号的传输的水平的相对低的电流流向控制端子64。由于电力端子65集中在邻近第一表面62的区域中，所以高电流不流向邻近第二表面63的区域。因此，可经受高电流的分路电阻器991-993可以适当地布置在邻近第二表面63的区域中。
（iii）螺钉68、69被布置在模制构件61的中线与第二表面63之间。MOSFET 81-88中的至少一个被布置在螺钉68、69与第一表面62之间。在本实施例中，用于电源继电器的较高MOSFET 81-83和MOSFET 87被布置在螺钉68、69与第一表面62之间。此外，MOSFET 81-88中的至少一个被布置在这样的区域中：从该区域到第二表面的距离等于螺钉68、69中的每个与第二表面63之间的距离。在本实施例中，较低MOSFET84-86和MOSFET 88中的每个的至少一部分被布置在区域IV中，区域IV由穿过螺钉68、69的面向第一表面62的端部并平行于第二表面63的线以及穿过螺钉68、69的面向第二表面63的端部并平行于第二表面63的线限定。MOSFET 81和MOSFET 87被布置在螺钉68与第一表面62之间。MOSFET 84和MOSFET 88被布置在螺钉68的任一侧上，并且被布置在这样的区域中：从该区域到第二表面63的距离等于螺钉68与第二表面63之间的距离。MOSFET 82和MOSFET 83被布置在螺钉69与第一表面62之间。MOSFET 85和MOSFET 86被布置在螺钉69的任一侧上，并且被布置在这样的区域中：从该区域到第二表面63的距离等于螺钉69与第二表面63之间的距离。
（iv）在本实施例中，螺钉68、69操作为按压构件。因此，能够以简单的配置向散热器50按压电力模块60。
（v）在本实施例中，热辐射板67被布置在电力模块60与散热器50之间。因此，可以改进电力模块60与散热器50之间的粘合。此外，由于热辐射板67由绝缘材料制成，可以保证电力模块60与散热器50之间的隔离。
（vi）根据本实施例的半导体装置101可以包括在驱动设备1中。驱动设备1包括电机2和控制单元3。控制单元3包括半导体装置101、散热器50、控制基底40、以及电力基底70。在电机2的轴向方向上将控制单元3布置在电机2的一侧。半导体装置101的电力模块60经由电力基底70和引出线23与电机2的绕组电耦合。通过螺钉68、69向散热器50按压电力模块60。控制基底40和电力基底70与电力模块60电耦合。因此，由于到电机2的绕组的电流供应的切换而从MOSFET 81-88生成的热可以有效地释放到散热器50。
（第二实施例）
将参照图7和图8描述根据本公开的第二实施例的半导体装置200。在半导体装置200中，弹簧构件210、220操作为按压构件。弹簧构件210、220中的每个由板弹簧制成，并且当从一侧观看时具有U形。弹簧构件210包括在其任一端的按压部211、212。从第一表面62外部将弹簧构件210***电力端子602与电力端子603之间，并且弹簧构件210将电力模块60、热辐射板67和散热器50保持在按压部211、212之间。弹簧构件220包括在其任一端的按压部221、222。从第一表面62外部将弹簧构件220***在电力端子608与电力端子609之间，并且弹簧构件220将电力模块60、热辐射板67和散热器50保持在按压部221、222之间。因此，通过弹簧构件210、220向散热器50按压电力模块60。
在按压部211、221之一的周围，将MOSFET 81-88布置在这样的区域中：在该区域中，电力模块60与散热器50之间生成的压力大于或等于预定压力，在该预定压力下，热可以从电力模块60释放到散热器50。MOSFET 81、84、87、88被布置在按压部211周围，并且MOSFET 82、83、85、86被布置在按压部221周围。鉴于MOSFET 81-88的可靠性，MOSFET 81-88可以被布置在被按压部211、221按压的部以及被按压的部附近的部的周围。
在本实施例中，弹簧构件210、220操作为按压构件。即使模制构件61由于压力等而变形，弹簧构件210、220可以向散热器50按压电力模块60。因此，从电力模块60中的MOSFET 81-88生成的热可以有效地释放到散热器50。
弹簧构件210、220仅在按压部211、221处按压电力模块60，并且不是按压电力模块60的整个区域。因此，弹簧构件210、220可以具有简单的结构。此外，不同于第一实施例中公开的螺钉用作按压构件的情况，不需要提供电力模块60中的***孔以及散热器50中的螺钉孔。半导体装置200还具有与第一实施例的上述优点（i）-（iii）、（v）、（vi）类似的优点。
（其它实施例）
在上述实施例中，四个开关元件被布置在一个按压构件周围。在另一实施例中，例如，如图9A中示出的电力模块301，作为开关元件的三个MOSFET 381可以被布置在一个螺钉68周围。MOSFET 381可以被布置在各种布置中，只要MOSFET 381被布置在通过按压生成的压力大于或等于预定压力的区域中。例如，两个MOSFET 380可以被布置在螺钉69的任一侧上，并且两个MOSFET 380可以被布置在螺钉69的面对第一表面62的一侧以及螺钉69的面对第二表面63的一侧。多于三个开关元件也可以被布置在通过利用一个按压构件进行按压生成的压力大于或等于预定压力的区域中。例如，如图9B中示出的电力模块302，五个MOSFET380可以被布置在一个螺钉68周围，并且六个MOSFET 380可以被布置在一个螺钉69周围。在上述实施例中，两个按压构件被设置到一个电力模块。在另一实施例中，一个按压构件可以被设置到一个电力模块，或多于两个按压构件可以被设置到一个电力模块。
在上述实施例中，对应于三相绕组的三个较高MOSFET和三个较低MOSFET以及用于电源继电器的两个MOSFET（即，八个MOSFET）被布置在一个电力模块中。从左开始依次布置用于电源继电器的MOSFET 87、88、用于U相线圈的MOSFET 81、84、用于V相线圈的MOSFET 82、85、以及用于W相线圈的MOSFET 83-86。在另一实施例中，可以按照不同的顺序布置用于电源继电器的MOSFET以及用于每个线圈的MOSFET。可以省略用于电源继电器的MOSFET。仅较高MOSFET或仅较低MOSFET还可以被布置在一个电力模块中。在电机是有刷电机的情况下，四个MOSFET也可以被布置在一个电力模块中。
在上述实施例中，较高MOSFET被布置在第一表面与按压构件之间，并且较低MOSFET被布置在这样的区域中：从该区域到第二表面的距离等于按压构件与第二表面之间的距离。在另一实施例中，较低MOSFET可以被布置在按压构件与第一表面之间，并且较高MOSFET可以被布置在这样的区域中：从该区域到第二表面的距离等于按压构件与第二表面之间的距离。MOSFET的位置在各阶段之间也可以是不同的。
在上述实施例中，MOSFET被布置在这样的区域中：在该区域中，电力模块与散热器之间的压力大于或等于预定压力（下文中，被称作第一预定压力），在该预定压力下，来自MOSFET的热可以释放到散热器。在另一实施例中，鉴于MOSFET的可靠性等，MOSFET可以被布置在这样的区域中：在该区域中，电力模块与散热器之间的压力大于或等于第一预定压力并且不大于第二预定压力，第二预定压力大于第一预定压力，并且不会不利地影响MOSFET。
在上述实施例中，热辐射板作为中间构件被布置在电力模块与散热器之间。在另一实施例中，中间构件可以是热辐射胶或粘合剂。可以省略中间构件。
在上述实施例中，电力模块是所谓的“半模制”，其中在电力模块的表面上形成布线图案的嵌片的部分从模制构件暴露，作为金属散热部分。在另一实施例中，电力模块可以是全模制，其中金属散热部分不从模制构件暴露出。在上述实施例中，热辐射板将电力模块粘合到散热器以辐射热并且保证电力模块与散热器之间的隔离。在电力模块是全模制的情况下，中间构件可以由除了绝缘材料之外的材料制成，并且中间构件不具有与隔离构件一样的功能。
在上述实施例中，较低MOSFET的源极和嵌片经由分路电阻器耦合。在另一实施例中，MOSFET的源极和嵌片可以经由线耦合。在本情况下，分路电阻器可以被布置在电力模块外部或者可以省略分路电阻器。在上述实施例中，电力端子集中在邻近第一表面的区域中，并且控制端子集中在邻近第二表面的区域中。在另一实施例中，电力端子和控制端子可以关于模制构件以不同的方式来布置。在上述实施例中，驱动设备包括两个基底，即，控制基底和电力基底。在另一实施例中，基底的数目可以是一。还可以不通过电力基底将引出线和电力模块耦合。
在上述实施例中，半导体装置被应用于驱动设备。半导体装置还可以应用于除了驱动设备之外的设备。虽然已经参照本公开的实施例描述了本公开，但是应理解本公开不限于这些实施例和构造。本公开旨在涵盖各种修改和等效的布置。

Claims (9)

1.一种半导体装置（101、200），包括：
半导体模块（60），其包括多个开关元件（81-88）、多个导体（501-512）、以及模制构件（61），所述开关元件（81-88）与电流的切换有关，每个所述开关元件（81-88）被安装在所述导体（501-512）的对应导体上，所述模制构件（61）覆盖所述开关元件（81-88）和所述导体（501-512）；以及
按压构件（68、69、210、220），被配置成向热辐射构件（50）按压所述半导体模块（60），
其中，多于三个所述开关元件（81-88）被布置在所述按压构件（68、69、210、220）周围，
其中，所述开关元件（81-88）被布置在这样的区域中：在所述区域中，通过利用所述按压构件（68、69、210、220）进行按压而在所述半导体模块（60）与所述热辐射构件（50）之间生成的压力大于或等于预定压力，在所述预定压力下从所述开关元件（81-88）生成的热能够从所述半导体模块（60）释放到所述热辐射构件（50）。
2.根据权利要求1所述的半导体装置（101、200），
其中，所述模制构件（61）具有第一表面（62）和与所述第一表面（62）相反的第二表面（63），
其中，所述半导体模块（60）还包括从所述第一表面（62）伸出并与绕组耦合的绕组端子（65）、以及从所述第二表面（63）伸出并与控制基底（40）耦合的控制端子（64）。
3.根据权利要求1所述的半导体装置（101、200），
其中，所述模制构件（61）具有与所述第一表面（62）和所述第二表面（63）等距的中线，
其中，所述按压构件（68、69、210、220）被布置在所述中线与所述第二表面（63）之间，
其中，所述开关元件（81-88）之一被布置在所述按压构件（68、69、210、220）与所述第一表面（62）之间，并且
其中，所述开关元件（81-88）中的另一个被布置在这样的区域中：从所述区域到所述第二表面（63）的距离等于所述按压构件（68、69、210、220）与所述第二表面（63）之间的距离。
4.根据权利要求3所述的半导体装置（101、200），
其中，所述开关元件（81-88）中的四个开关元件被布置在所述按压构件（68、69、210、220）周围，
其中，所述四个开关元件（81-88）中的两个开关元件被布置在所述按压构件（68、69、210、220）与所述第一表面（62）之间，并且
其中，所述四个开关元件（81-88）中的另外两个开关元件被布置在所述按压构件（68、69、210、220）的任一侧上，并且被布置在这样的区域中：从所述区域到所述第二表面（63）的距离等于所述按压构件（68、69、210、220）与所述第二表面（63）之间的距离。
5.根据权利要求3所述的半导体装置（101、200），
其中，布置在所述按压构件（68、69、210、220）与所述第一表面（62）之间的所述开关元件（81-83）是耦合到高电位侧的高电位侧开关元件，并且
其中，布置在到所述第二表面（63）的距离等于所述按压构件（68、69、210、220）与所述第二表面（63）之间的距离的区域中的所述开关元件（84-86）是耦合到所述高电位侧开关元件的低电位侧的低电位侧开关元件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置（101），
其中，所述按压构件（68、69、210、220）包括螺钉（68、69）。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置（200），
其中，所述按压构件（68、69、210、220）包括弹簧构件（210、220）。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置（101、200），还包括
中间构件（67），被布置在所述半导体模块（60）与所述热辐射构件（50）之间。
9.一种驱动设备（1），包括：
包括绕组的电机（2）；以及
控制单元（3），在所述电机（2）的轴向方向上将所述控制单元（3）布置在所述电机（2）的一侧，所述控制单元（3）包括与所述绕组电耦合的根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置（101、200）、利用所述按压构件（68、69、210、220）将所述半导体模块（60）按压向的所述热辐射构件（50）、以及与所述半导体模块（60）电耦合的基底（40、70）。
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