JP2006066895A - パワーモジュールおよびこれを用いた電動輸送機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱が少なく、信頼性に優れた、あるいは、より大電流を通電することが可能なパワーモジュールを提供する。
【解決手段】本発明のパワーモジュールは、実質的に同一の面内において第１層を形成するように配置されている複数の第１半導体素子１１０Ｌ〜１１２Ｌと、実質的に同一の面内において第２層を形成するように配置されている複数の第２半導体素子１１０Ｕ〜１１２Ｕと、複数の第１および第２半導体素子１１０Ｌ〜１１２Ｌ、１１０Ｕ〜１１２Ｕから選ばれる少なくとも２つの半導体素子が電気的に接続される金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅ、１２７とを備えている。複数の第２半導体素子１１０Ｕ〜１１２Ｕが複数の第１半導体素子１１０Ｌ〜１１２Ｌと重ならないように第１層および第２層が積層されている。
【選択図】図７

Description

本発明はパワーモジュールおよびこれを用いた電動輸送機器に関し、特に、輸送機器の駆動源として用いられるモータに電力を供給するためのパワーモジュールおよびこれを用いた電動輸送機器に関する。

近年、環境問題やエネルギ問題等の観点からモータを駆動源とする輸送機器が注目されている。また、モータは、内燃機関に比べて、駆動時に発生する動作音が小さいという利点や、外形の設計自由度が大きく、駆動源が必要となる場所に近接してモータを配置することが可能であるという利点も備えている。このため、従来の内燃機関を用いた輸送機器にはない特徴を備えた新しい輸送機器を実現することも可能であり、こうした観点からもモータを用いた輸送機器の開発が進められている。

モータを備えた輸送機器は、モータに電力を供給し、回転数を制御するためのパワーモジュール（電力用半導体装置とも呼ぶ）を備えている。図１は、特許文献１に開示された従来のパワーモジュールを含む回路図を示している。図１に示すように、バッテリー１２から供給される電力は破線で示されるパワーモジュール１０により、適切な駆動電力に変換され、モータ１４へ供給される。図１に示すように、パワーモジュール１０は、速度制御回路２０と、平滑コンデンサ２２と、複数のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１６と、複数のダイオード１８とを含んでいる。

図２（ａ）および（ｂ）は、速度制御回路２０以外の構成要素がプリント配線板上に形成されたパワーモジュール１０の平面図および側面図である。図に示すように、パワーモジュール１０は、導電性領域４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄが一表面に形成されたプリント配線板４０を含む。導電性領域４０ｃは複数の副領域からなり、副領域間に抵抗が接続されている。

こうしたパワーモジュールに用いられるＦＥＴやダイオードは、大電流が流れて高温になる。これにより生じる故障を避けるため、これらのＦＥＴおよびダイオード（電力用ＦＥＴおよびダイオード）には、高い放熱性が求められる。このため、電力用ＦＥＴおよびダイオードは、良好な放熱特性が得られるよう、回路基板の導電性パターン表面に直接接合される構造を採用している。

具体的には、ＦＥＴ１６はドレイン電極が導電性パターン４０ｂに接触するよう導電性パターン４０ｂに半田付けされている。ＦＥＴ１６のゲート電極と導電性パターン４０ｃとはアルミニウムからなるワイヤ４２ｂによって接続されている。また、ＦＥＴ１６のソース電極と導電性パターン４０ｄとは２本のワイヤ４２ａによって接続されている。さらに、ＦＥＴ１６のソース電極と導電性パターン４０ｃとは、ワイヤ４２ｃにより接続されている。一方、ダイオード１８はカソード電極が導電性パターン４０ａに接触するよう導電性パターン４０ａに半田付けされている。また、ダイオード１８のアノード電極と導電性パターン４０ｂとはアルミニウムからなるワイヤ４１ａにより接続されている。
特開２００２−２６２５９３号公報 特開２００４−４７８５０号公報

図２に示すパワーモジュールでは、ＦＥＴ１６が半田付けされた導電性パターン４０ｂに大電流が流れる。このため、導電性パターン４０ｂの幅を広くし、抵抗を低くする必要がある。しかし、これにより、ＦＥＴ１６を接続するワイヤ４２ａを長くする必要が生じ、ワイヤの抵抗による発熱が問題となる。たとえば、直径が０．５ｍｍであり、長さが１５ｍｍのワイヤを３本並列に配置した２点間のワイヤによる抵抗は０．７ｍΩとなる。この２点間に１００Ａの電流を流した場合、ワイヤには７．０Ｗの熱が生じ、ワイヤはたとえば２００℃以上になる。生じた熱はＦＥＴ１６に伝わり、ＦＥＴ１６の温度を上昇させてしまう。このため、パワーモジュールに流すことのできる最大電流値は、発熱によりワイヤ４２ａやＦＥＴ１６が劣化しない程度の値に制限されてしまう。

ワイヤ４２ａによる発熱を低減するために、理論的にはいくつかの対策が考えられる。たとえば、ＦＥＴ１６と各導電性領域とを接続するワイヤの数を増やすことにより、抵抗を下げ、発熱量を低減することが考えられる。しかし、ＦＥＴ１６に接続できるワイヤの数はＦＥＴの各電極のサイズによって制限され、多くのワイヤを接続することはできない。また、ワイヤの接続には超音波が用いられるため、ワイヤの本数を増加させたり、ワイヤを太くしたりすると接合面積が広くなる。その結果、超音波によってＦＥＴにダメージを与え、信頼性を低下させる可能性がある。

プリント配線板の導電層を２層にし、プリント配線板上の導電性領域およびＦＥＴやダイオードの配置の自由度を高めることも考えられる。このようにすれば、ＦＥＴの各電極と接続すべき導電性パターンをＦＥＴに近接させることが可能となり、電極と導電性パターンとを接続するワイヤの長さを短くすることができる。しかし、この場合、２つの導電層を絶縁するためにプリント配線板に絶縁層をさらに設ける必要が生じる。一般に絶縁層の熱伝導率は小さいため、絶縁層を設けることにより、プリント配線板の放熱性が低下し、ＦＥＴやワイヤで発生した熱がプリント配線板を介して外部へ放散する効率が低下する。

また、一層の導電層からなるプリント配線板において導電層を厚くすることにより、ワイヤが跨ぐべき導電性パターンの幅を狭くすることも考えられる。しかし、この場合には、導電層が厚くなり、エッチングなどによってパターニングするのが困難となる可能性がある。

特許文献２は主としてワイヤの断線を防止するために、ワイヤ接続を有さないパワー半導体装置を開示している。このパワー半導体装置では、３相インバータの１相分を構成する一対のトランジスタが電極によって配線されている。特許文献２によれば、ワイヤを用いないため、ワイヤ接続に起因する問題を解消できるとされている。

しかしながら、特許文献２のパワー半導体装置では、１相分のトランジスタのみが電極により配線されているに過ぎないため、３相インバータを構成するために、各相を接続する配線が必要となる。また、特許文献２は薄膜回路パターンにより、この配線を行うことを開示しているが、薄膜回路パターンでは従来のワイヤに比べて十分に抵抗が低いとは言えず、発熱によって発生する問題は解決できない可能性がある。

本発明は、このような従来のパワーモジュールの課題を解決し、発熱が少なく、信頼性に優れた、あるいは、より大電流を通電することが可能なパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュールは、実質的に同一の面内において第１層を形成するように配置されている複数の第１半導体素子と、実質的に同一の面内において第２層を形成するように配置されている複数の第２半導体素子と、前記複数の第１および第２半導体素子から選ばれる少なくとも２つの半導体素子が電気的に接続される少なくとも１つの金属プレートとを備え、前記複数の第２半導体素子が前記複数の第１半導体素子と重ならないように前記第１層および第２層が積層されている。

ある好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの金属プレートは、第１、第２および第３金属プレートを含み、前記第１、第２および第３金属プレートは、前記第１および第２金属プレートによって、前記第１層を形成している複数の第１半導体素子を挟み、前記第２および第３金属プレートによって、前記第２層を形成している複数の第２半導体素子を挟むように配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記第１、第２および第３金属プレートは、銅、アルミニウム、およびステンレスからなる群から選ばれる材料から形成されている。

ある好ましい実施形態において、前記第１および第２半導体素子は、前記第１層および第２層の積層方向と垂直な投影面において交互に配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記第２金属プレートは、その表面において前記複数の第１半導体素子の少なくとも１つに接続され、その裏面において前記複数の第２半導体素子の少なくとも１つに接続されている。

ある好ましい実施形態において、本発明のパワーモジュールは、前記第１、第２および第３金属プレートと前記複数の第１および第２半導体素子とを一体的に包み込むパッケージをさらに備える。

ある好ましい実施形態において、前記複数の第１および第２半導体素子のそれぞれは、外部と電気的な接続を行うための複数のパッドを有し、前記複数のパッドは、大電流を印加あるいは取り出すための大電流用パッドと、制御信号を印加するための制御信号用パッドとを含み、前記大電流用パッドは前記第１、第２または第３金属プレートに接続されている。

ある好ましい実施形態において、本発明のパワーモジュールは、前記第１、第２または第３金属プレートに接続された大電流用端子、および、前記制御信号用パッドに接続された制御信号用端子をさらに備えている。

ある好ましい実施形態において、本発明のパワーモジュールは、前記制御信号用端子に電気的に接続された受動素子をさらに含む。

ある好ましい実施形態において、前記第１、第２および第３金属プレートは０．５ｍｍから２ｍｍの範囲内の厚さを有する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の第１および第２半導体素子は、複数のＭＯＳ−ＦＥＴである。

ある好ましい実施形態において、本発明のパワーモジュールは、前記第１および第２半導体素子をそれぞれ３つずつ含み、モータ駆動用３相インバータ回路を構成している。

あるいは、本発明のパワーモジュールは、第１金属プレートと、前記第１金属プレートに対向する複数の第２金属プレートと、前記第１金属プレートと前記複数の第２金属プレートとによって挟持された複数の第１半導体素子と、前記複数の第２金属プレートに対向する第３金属プレートであって、前記複数の第２金属プレートに対して前記第１金属プレートとは反対側に配置された第３金属プレートと、前記第３金属プレートと前記複数の第２金属プレートとによって挟持された複数の第２半導体素子と、前記第１金属プレート、前記複数の第１半導体素子、前記複数の第２金属プレート、前記複数の第２半導体素子および前記第３金属プレートを包み込むパッケージとを備え、前記第１金属プレートは、前記複数の第１半導体素子に接続され、前記複数の第２金属プレートのそれぞれは、前記複数の第１半導体素子のうちの少なくとも１つおよび前記複数の第２半導体素子のうちの少なくとも１つに接続され、前記第３金属プレートは、前記複数の第２半導体素子に接続され、前記複数の第２半導体素子は、前記複数の第１半導体素子に重ならないように配置されている。

本発明のモータコントロールユニットは、上記いずれかに規定されるパワーモジュールと、前記複数の第１および第２半導体素子へ制御信号を出力するための制御回路とを備えている。

本発明の電動輸送機器は、上記モータコントロールユニットと、前記モータコントロールユニットに接続されたモータと、前記モータコントロールユニットに電力を供給するバッテリーとを備えている。

本発明のパワーモジュールの製造方法は、第１金属プレートがフレームに接続された第１リードフレームに、外部との電気的接続を行うためのパッドを上面および下面にそれぞれ有する複数の第１半導体素子を、前記上面および下面の一方のパッドが前記第１金属プレートと接するように固定する工程（Ａ）と、第２金属プレートがフレームに接続された第２リードフレームを、前記複数の第１半導体素子の上面および下面の他方のパッドが前記第２金属プレートと接するように、前記複数の第１半導体素子に固定する工程（Ｂ）と、外部との電気的接続を行うためのパッドを上面および下面にそれぞれ有する複数の第２半導体素子を、前記第２金属プレートの前記第１半導体素子が接合していない面に、前記複数の第１半導体素子と重ならないように配置し、前記上面および下面の一方のパッドが前記第２金属プレートと接するように、前記複数の第２半導体素子を固定する工程（Ｃ）と、第３金属プレートがフレームに接続された第３リードフレームを、前記複数の第２半導体素子の上面および下面の他方のパッドが前記第３金属プレートと接するように、前記複数の第２半導体素子に固定する工程（Ｄ）と、前記第１、第２および第３金属プレートを対応するフレームから切り離す工程（Ｅ）とを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記第１、第２および第３リードフレームのフレームは同じ形状を有しており、前記第１、第２および第３リードフレームのフレームを互いに位置合わせすることにより、前記第１、第２および第３の金属プレートと、前複数の第１および第２半導体素子とを位置合わせする。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）における固定は半田ペーストを用いて行い、前記工程（Ｄ）と工程（Ｅ）との間に、熱処理を行って前記半田ペーストを溶融、凝固させる工程（Ｆ）をさらに包含する。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ｆ）と工程（Ｅ）との間に、前記第１、第２および第３の金属プレートと、前記複数の第１および第２半導体素子とを一体的に包み込むパッケージをモールド成形により形成する工程（Ｇ）をさらに包含する。

ある好ましい実施形態において、前記複数の第１および第２半導体素子のパッドは、大電流を印加あるいは取り出すための大電流用パッドと、制御信号を印加するための制御信号用パッドとを含み、前記第１、第２および第３リードフレームの少なくとも１つは前記制御信号用パッドと接続するために前記フレームに接続された制御信号用端子を含む。

ある好ましい実施形態において、前記制御信号用パッドにバンプを形成し、前記バンプと前記制御信号用端子とを接続する。

ある好ましい実施形態において、前記制御信号用端子は、前記制御信号用パッドと接触する部分以外の領域を覆う絶縁膜を有する。

本発明のパワーモジュールによれば、半導体素子は金属プレートによって配線される。このため、ワイヤを用いた従来のパワーモジュールに比べて、低抵抗で半導体素子を電気的に接続することができ、配線部分での熱損失を低減することができる。また、本発明のパワーモジュールでは、半導体素子は互いに重ならないように積層されている。このため、各半導体素子で発生した熱が、素子の重なりによって集中することがなく、パワーモジュール内全体で均一に放熱される。このため、局部的な熱の集中による半導体素子の故障や劣化が抑制され、パワーモジュール全体としての信頼性を高めることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明のパワーモジュールが用いられる輸送機器の駆動系を概略的に示す回路図である。本発明のパワーモジュールは、駆動源としてモータを用いる種々の輸送機器に用いることができる。なお、本願明細書において、パワーモジュールとは、半導体素子を用いて大電流（１０Ａ以上）を制御しながらモータ等に供給する装置をいう。

図３に示すように、この輸送機器は、パワーモジュール１０１と、モータ１０２と、バッテリー１０３と、平滑用コンデンサ１０４と、制御回路１０５を備えている。モータ１０２は、本実施形態ではブラシレスＤＣモータである。モータ１０２の３つの端子に位相が１２０度ずつ異なる３相交流電流を印加することにより、モータ１０２が回転駆動される。パワーモジュール１０１および制御回路１０５によって、３相インバータ回路を含むモータコントロールユニットが構成されている。

バッテリー１０３は、電圧変動を平滑化するための平滑用コンデンサ１０４と並列に接続されており、パワーモジュール１０１へ電力を供給するために、パワーモジュール１０１の端子ａおよび端子ｂに接続されている。パワーモジュール１０１は、バッテリー１０３から直流電圧の電力を受け取り、モータ１０２を回転させるのに適した駆動電力を生成する。前述したようにモータ１０２は３相交流電流により駆動されるので、パワーモジュール１０１は、直流電流から３相交流電流を生成する。

このために、端子ａと端子ｂとの間には、それぞれが直列接続された２つの電界効果型トランジスタからなる３つの電流経路が形成されている。すなわち、パワーモジュール１０１は、電力用半導体素子（電流の供給を制御するためのスイッチング動作を行う半導体素子）として６つの電界効果型トランジスタ１１０Ｕ、１１０Ｌ、１１１Ｕ、１１１Ｌ、１１２Ｕおよび１１２Ｌを含む。

互いに直列接続された電界効果型トランジスタ１１０Ｕおよび１１０Ｌが１相分の電流経路を構成し、互いに直列接続された電界効果型トランジスタ１１１Ｕおよび１１１Ｌが他の１相分の電流経路を構成する。また、互いに直列接続された電界効果型トランジスタ１１２Ｕおよび１１２Ｌがさらに他の１相分の電流経路を構成する。バッテリー１０３の高電位側に接続された電界効果型トランジスタ１１０Ｕ、１１１Ｕおよび１１２Ｕは、各相における上アームと呼ばれる。また、バッテリー１０３の低電位側に接続された電界効果型トランジスタ１１０Ｌ、１１１Ｌおよび１１２Ｌは、各相における下アームと呼ばれる。

本実施形態では、ＭＯＳ型の電界効果型トランジスタ（以下、単にトランジスタと呼ぶ。）を電力用半導体素子（スイッチング素子）として用いるが、バイポーラトランジスタや他のトランジスタを電力用半導体素子として用いてもよい。また、トランジスタ以外にダイオードやサイリスタなど大電流（例えば１０Ａ以上）を印加することができる他の電力用半導体素子を用いてもよい。さらに、本実施形態では、各相の上アームおよび下アームを１つの電力用半導体素子で構成しているが、上アームおよび下アームのそれぞれを複数の電力用半導体素子で構成してもよい。

各トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕ、１１０Ｌ〜１１２ＬのゲートＧおよびソースＳには、制御回路１０５によって生成された制御信号が配線１０８Ｕおよび１０８Ｌを介して印加され、制御信号に基づき各トランジスタがスイッチング動作を行う。たとえば、パルス幅変調（ＰＷＭ）による周波数で高速にスイッチングされ、これにより、３相交流電流が生成され、端子ｃ、ｄ、ｅを介してモータ１０２に印加される。

各トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕ、１１０Ｌ〜１１２Ｌをスイッチングするタイミングを調整し、所望のプロファイルを有する３相交流電流を生成するために、各トランジスタのゲートＧに、図４に示すように、タイミング調整用の受動素子１２２を接続してもよい。図４に示す例では、各トランジスタのゲートＧにダイオードＤ１および抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続されている。また、トランジスタがオフ状態にあるとき、トランジスタに蓄積した電荷を放電するために、図４に示しているように、ゲートＧとソースＳとの間に抵抗Ｒ３を接続してもよい。なお、これらの受動素子は制御回路１０５に含めてもよい。しかし、配線による寄生容量や寄生抵抗の影響が問題となる場合には、これらの受動素子は各トランジスタの近傍に接続することが好ましい。

各トランジスタの具体的な構造を図５を参照しながら説明する。図５（ａ）および（ｂ）は、トランジスタ１１０Ｕを模式的に示す上面図および下面図である。トランジスタ１１０Ｕは、直方体のチップであり、図に示すように対向する上面および下面のうち、一方にはソースに接続されたソースパッドＳＰおよびゲートに接続されたゲートパッドＧＰを備える。また、他方にはドレインに接続されたドレインパッドＤＰを備えている。本願明細書では、トランジスタ１１０Ｕを外部に電気的に接続するためのこれらのパッドのうち、大電流を印加するためあるいは取り出すために用いられるものを大電流用パッドと呼び、制御信号を印加するために用いられるものを制御信号用パッドと呼ぶ。ゲートパッドＧＰは制御信号用パッドとして機能し、ドレインパッドＤＰは大電流用パッドとして機能する。また、ソースパッドＳＰは、制御信号用パッドおよび大電流用パッドの両方として機能する。他のトランジスタ１１１Ｕ〜１１２Ｕ、１１０Ｌ〜１１２Ｌも同じ構造を有している。

続いて、図６および図７を参照しながら、パワーモジュール１０１の構造をより具体的に説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、１つのパッケージとして構成されたパワーモジュール１０１を上から見た上面図および異なる２方向の側面からみた側面図である。また、図７は、図６（ａ）中の７Ａ―７Ａ’線に沿った断面図である。図６（ａ）および（ｂ）では、パワーモジュール１０１の内部の構造を破線で示している。

これらの図に示すように、パワーモジュール１０１は、６つのトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕ、１１０Ｌ〜１１２Ｌを備える。さらに、パワーモジュール１０１は、図７に特にわかりやすく示されているように、第１金属プレート１２５、第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅおよび第３金属プレート１２７を備えている。

各相の下アームを構成しているトランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌは、第１金属プレート１２５および第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅによって挟まれており、１つの層（ここでは便宜的に「第１層」と呼ぶ。）を形成するように同一面内に配置されている。また、各相の上アームを構成しているトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕは、第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅおよび第３金属プレート１２７によって挟まれており、第１層とは異なる層（ここでは便宜的に「第２層」と呼ぶ。）を形成するように同一面内に配置されている。つまり、第１金属プレート１２５、トランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌによって形成される第１層、第２金属プレート１２６ｃ〜１２６ｅ、トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕによって形成される第２層、および第３金属プレート１２７がこの順に積層されている。

図６（ａ）および図７によく示されているように、第１層および第２層は、上アームを構成しているトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕと下アームを構成しているトランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌとが金属プレートの主面に垂直な方向（図７中に矢印Ｎで示している）から見たときに重ならないように積層されている。各相における上アームのトランジスタと下アームのトランジスタとは、その近接する端部同士が金属プレートの主面に垂直な方向Ｎから見たときに所定の距離ｄだけ離れている。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように、第１層および第２層の積層方向（金属プレートの主面に垂直な方向Ｎと一致する）に垂直な投影面（つまり金属プレートの主面に平行な投影面）内では、上アームを構成しているトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕと下アームを構成しているトランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌとは交互に位置するように一列に並べられている。言い換えると、上アームのトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕと下アームのトランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌとは、金属プレートの主面に垂直なある断面において、図７に示すように千鳥状に配置されている。

第１金属プレート１２５は、図３において下アームを構成しているトランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌのそれぞれのソースを互いに接続する配線として機能している。また、第３金属プレート１２７は、各相の上アームを構成しているトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕのそれぞれのドレインを互いに接続する配線として機能している。一方、第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄおよび１２６ｅは、各相の上アームを構成するトランジスタのソースと、下アームを構成するトランジスタのドレインとを互いに接続する配線として機能している。

図５に示すように、各トランジスタは対向する２つの主面にソースパッドＳＰとドレインパッドＤＰとを有している。パワーモジュール１０１では、トランジスタのこれらのパッドは、対応する金属プレートと、半田などにより、直接接合されている。より具体的には、下アームを構成するトランジスタ１１０Ｌ〜１１２ＬのソースパッドＳＰは、それぞれ第１金属プレート１２５と接合されている。また、トランジスタ１１０Ｌ〜１１２ＬのドレインパッドＤＰは、それぞれ第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅの裏面と接合されている。一方、上アームを構成するトランジスタ１１０Ｕ〜１１２ＵのソースパッドＳＰは、それぞれ第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅの表面と接合されている。また、トランジスタ１１０Ｕ〜１１２ＵのドレインパッドＤＰは、それぞれ第３金属プレート１２７と接合されている。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように、第１金属プレート１２５および第３金属プレート１２７にはそれぞれ端子ｂおよびａが一体的に形成され、接続されている。また、図６（ａ）および（ｃ）に示すように、第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄおよび１２６ｅには、それぞれ端子ｃ、ｄおよびｅが一体的に形成され、接続されている。これらの端子ａ〜ｅは、パワーモジュール１０１をバッテリー１０３およびモータ１０２へ低抵抗で接続し、大電流を流すことができるよう、広い幅を有している。

第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７ならびにトランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕおよび１１０Ｌ〜１１２Ｌは、樹脂などによって成形されたパッケージ１２１により一体的に封止されている。端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅはパッケージ１２１から外部へ突き出している。

パッケージ１２１は、各金属プレートおよびトランジスタ間を絶縁し、端子を固定している。図７に示すように、第１金属プレート１２５と第２金属プレート１２６ｃ〜１２６ｅとの間の、トランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌが配置されていない領域には、パッケージ１２１の材料が充填されている。同様に、第２金属プレート１２６ｃ〜１２６ｅと第３金属プレート１２７との間の、トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕが配置されていない領域にも、パッケージ１２１の材料が充填されている。従って、トランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌは、第２金属プレート１２６ｃ〜１２６ｅと第３金属プレート１２７との間に配置されたパッケージ材料の層（例えば樹脂層）に対向する。また、トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕは、第１金属プレート１２５と第２金属プレート１２６ｃ〜１２６ｅとの間に配置されたパッケージ材料の層に対向している。このように、トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕとトランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌとを、金属プレートを介して対向させないでずらせることにより、熱がトランジスタの間にこもることがなく外部に速やかに放散される。さらに、金属プレート間に樹脂などのパッケージ材料が充填されていることによって、熱の放散がいっそう促進される。

パッケージ１２１は、絶縁性を有し、内部の構造が腐食しないよう、気密性の高い材料によって形成されていることが好ましい。パッケージ１２１の材料としては、たとえば、半導体ＩＣなどのパッケージに用いられるエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。

各金属プレートやトランジスタで発生した熱は、パッケージ１２１を介して外部へ放散する。このため、パッケージ１２１の外表面から第１金属プレート１２５まで（樹脂などのパッケージ材料で埋められている）の厚さｔ２およびパッケージ１２１の外表面から第３金属プレート１２７まで（同様に樹脂などのパッケージ材料で埋められている）の厚さｔ１は、小さいほうが好ましい。ただし、パッケージ１２１は、各金属プレートおよびトランジスタを保護し、パワーモジュール１０１全体を所定の強度で保持する必要がある。そのため、全体の強度を確保することを考慮した上で、最適な厚さｔ１およびｔ２が選択される。

パワーモジュール１０１の各トランジスタを制御するためには、図３に示す制御回路１０５から出力される制御信号を各トランジスタのゲートおよびソースへ印加する必要がある。このため、図６（ｃ）に示すように、パワーモジュール１０１は、図３中に示す配線１０８Ｕおよび１０８Ｌに対応し、各トランジスタに接続される制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌをさらに備えている。

制御信号用端子１０６Ｕは、トランジスタ１１０Ｕ〜１１２Ｕのソースおよびゲートと接続されており、制御信号用端子１０６Ｌは、トランジスタ１１０Ｌ〜１１２Ｌのソースおよびゲートと接続されている。前述したように、各トランジスタのゲート電極にタイミング調整用の受動素子１２２を接続する場合には、制御信号用端子１０６Ｕまたは制御信号用端子１０６Ｌの各トランジスタとの接続部分近傍に受動素子１２２を接続する。これらの受動素子１２２は、パッケージ１２１内に設けられる。

本実施形態における制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌは、図６に示すように、パッケージ１２１から外部へ突き出した後、折り曲げられている。これは、制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌを引き出す方向を、端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを引き出す方向と異ならせることによって、制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌへの制御回路１０５からの配線を容易にするためである。パワーモジュール１０１に接続される制御回路１０５やバッテリー１０３、モータ１０２への配線の仕方によっては、図６に示す例とは逆に、端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを折り曲げ、制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌをまっすぐ引き出してもよい。あるいは、これらの端子を折り曲げなくてもよい。

第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７は、前述したように各トランジスタのソースあるいはドレインと接続され、大電流が流れる。このため、第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７は、低抵抗であることが好ましい。具体的には、第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７は、銅、アルミニウム、ステンレスなどの抵抗の低い金属によって形成されていることが好ましい。

また、これらの金属プレートの厚さは、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。これらの金属プレートが０．５ｍｍより薄い場合、抵抗が高くなり、大電流が流れることによって発熱が大きくなることがある。抵抗の観点からは、これらの金属プレートは厚いほうが好ましく、特に上限はない。しかし、パワーモジュール１０１をパッケージとして成形するための金属プレートの加工性を考慮すると、これらの金属プレートの厚さは２ｍｍ以下であることが好ましい。以下で詳細に説明するように、金属プレートの厚さを２ｍｍ以下にすることによって、好適にリードフレームを用いてこれらの金属プレートを形成し、パワーモジュール１０１を製造することができる。

金属プレートの長手方向と直交する方向の幅も抵抗の低減に寄与する。第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７は、各トランジスタに接合されるため、少なくともトランジスタの外形以上の幅を有していることが好ましい。金属プレートの抵抗のみを考えれば、幅を大きくすれば、抵抗は小さくなる。しかし、トランジスタと接合されるパッドの大きさは、金属プレートの幅が大きくなっても変化しないため、トランジスタの外形以上に幅を大きくしても抵抗の低減にはあまり寄与しない。むしろ、金属プレートの幅を大きくすることによってパワーモジュールの外形も大きくなってしまう。このため、金属プレートの長手方向と直交する方向の幅は、トランジスタの外形の１倍から２倍程度の範囲にあることが好ましい。

端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅも大電流が流れるため、上述した条件を満たしていることが好ましい。一方、制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌは、大電流が流れるわけではないので、必ずしもこの条件を満たさなくてもよい。ただし、リードフレームを用いてパワーモジュール１０１を製造する場合には、第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７や端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの形成と同時に制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌを形成することができるので、第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅおよび１２７や端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅと同じ材料を用いて製造することが好ましい。

パワーモジュール１０１のサイズは、用いるトランジスタの大きさおよび数（モータ相数）に依存する。また、トランジスタの大きさは、駆動電流、つまり、駆動するモータの定格に依存する。たとえば、定格が１ｋＷのモータを３相で駆動する場合、パワーモジュール１０１のパッケージの外形は、６ｃｍ×３．５ｃｍ×０．５ｃｍ程度である。

本実施形態におけるパワーモジュールでは、電力用半導体素子は、直接接合される金属プレートによって配線される。このため、ワイヤを用いた従来のパワーモジュールに比べて、低抵抗で電力用半導体素子を電気的に接続することができる。その結果、配線部分での熱損失を低減し、効率を向上させることができる。また、配線部分における発熱を抑制できるので、動作状態にある電力用半導体素子の温度を低減することができる。そのため、電力用半導体素子の熱による劣化を防止して信頼性を向上させることができる。また、従来と同程度の温度まで上昇することを許容する場合には、従来よりも大きな電流を電力用半導体素子に流すことが可能となり、本発明のパワーモジュールを搭載した輸送機器の運動性能を高めることができる。

また、金属プレートを用いて配線することにより、パワーモジュール回路内のインダクタンスを低減することができる。このため、電力用半導体素子を高速でスイッチングする場合に発生するサージ電圧を低減することができる。

また、半田付け等により金属プレートを電力用半導体素子に接合することができるため、超音波を用いたワイヤボンディングは不要となる。その結果、ワイヤボンディングにより、電力用半導体素子へダメージを与えることを回避することができる。ワイヤを用いないため、ワイヤが振動などによって断線することを回避することもできる。この特徴は、特に、振動が発生しやすい輸送機器に本発明のパワーモジュールを用いることによって、振動による故障の低減および信頼性の向上に寄与する。

また、金属プレートおよび電力用半導体素子を一体的にモールド成形したパッケージで覆うため、金属プレートや電力用半導体素子とパッケージとが密着しており、金属プレートや電力用半導体素子で発生した熱はパッケージへ効率よく伝導する。このため、パッケージに放熱器などを接続することにより、金属プレートや電力用半導体素子の熱を高効率で外部へ放散させることができ、電力用半導体素子の劣化を抑制し、信頼性を高めることができる。特に、パッケージ内において電力用半導体素子は互いに重ならないように積層されている。このため、各電力用半導体素子で発生した熱が、素子の重なりによって集中することなく、パッケージ内全体で均一に放熱される。つまり、局部的な熱の集中がないため、熱の集中による電力用半導体素子の故障や劣化が抑制され、パワーモジュール全体として信頼性を高めることができる。

また、本実施形態におけるパワーモジュールは、モータの駆動に必要な相数分を１つのパッケージに収めることができる。したがって、パワーモジュールを用いてモータコントロールユニットを作製する際、モータコントロールユニットを構成する部品の数が少なくてすみ、モータコントロールユニットを作製するのに要する時間を短縮したり、モータコントロールユニットの外形を小さくしたりすることができる。

なお、図６に示すパワーモジュール１０１における各トランジスタおよび受動素子の配置ならびに端子ａ〜ｅおよび１０６Ｕ、１０６Ｌの接続位置は一例であって、図６と異なる位置に各トランジスタおよび受動素子を配置し、あるいは、端子ａ〜ｅおよび１０６Ｕ、１０６Ｌを接続してもよい。たとえば、端子ａおよび端子ｂは、図６において矢印ＡおよびＢに示す位置において、第３金属プレート１２７および第１金属プレート１２５に接続されていてもよい。この場合、端子ａおよび端子ｂとそれにつながる第３金属プレート１２７と第１金属プレート１２５とは、所定の距離を隔てて互いに平行かつ重なり合うように配置される。このような構造を採用すれば、端子ａおよび端子ｂとそれにつながる第３金属プレート１２７および第１金属プレート１２５には逆向きの電流が近接して流れ、端子および金属プレートを流れる電流によって発生するインダクタンスが互いに相殺される。このため、配線によるインダクタンスを低減することができる。

また、金属プレートの数や形状も図９に示す第１、第２および第３金属プレート１２５、１２６ｃ〜１２６ｅ、１２７とは異なっていてもよい。

次に、本実施形態におけるパワーモジュール１０１を用いたモータコントロールユニットの一例を図８を参照して説明する。図８に示すモータコントロールユニットは、前述のパワーモジュール１０１と、ケース１３０と、制御回路を構成する基板１０５とを含んでいる。パワーモジュール１０１は、そのパッケージがケース１３０の表面１３０ａに密接するように取り付けられる。パッケージは絶縁性の材料で形成されているため、ケース１３０とパワーモジュール１０１との間に絶縁物質を介在させることなく直接ケース１３０にパワーモジュール１０１を取り付けることができる。

ケース１３０は、放熱性に優れた材料から形成されていることが好ましく、たとえば、アルミニウム、銅、ステンレスなどからなる。基板１０５には、制御回路を構成する電子部品１０５’が搭載されている。電子部品１０５’は基板１０５の片面にのみに設けてもよいし、両面に設けてもよい。パワーモジュール１０１の制御信号用端子１０６Ｕおよび１０６Ｌは、基板１０５に接続されている。端子ａ、ｂにはバッテリーが接続され、端子ｃ、ｄ、ｅはモータへ接続される。

図８に示すモータコントロールユニットにおいて、パワーモジュール１０１で発生した熱は、パッケージからケース１３０へ直接放散される。このため、効率よく熱を外部へ放出することができ、パワーモジュール１０１の温度上昇を抑制することができる。

次に、パワーモジュール１０１の製造方法の一例を説明する。まず図９（ａ）〜（ｃ）に示すような第１リードフレーム１３１、第２リードフレーム１３２および第３リードフレーム１３３を用意する。

第１リードフレーム１３１は、図９（ａ）に示すように、フレーム１３１ａと、フレーム１３１ａに接続された端子ｂと、端子ｂに接続された第１金属プレート１２５とを含む。また、第１リードフレーム１３１は、制御信号用端子および受動素子を配置するための端子として、それぞれフレーム１３１ａに接続された端子１３１ｇ、１３１ｈ、１３１ｉをさらに含む。端子１３１ｇ、１３１ｈ、１３１ｉは、それぞれ４本の細線状プレートから構成されている。

第２リードフレーム１３２は、図９（ｂ）に示すように、フレーム１３２ａと、フレーム１３２ａに接続された端子ｃ、ｄ、ｅと、端子ｃ、ｄ、ｅにそれぞれ接続された第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅとを含む。また、第２リードフレーム１３２は、第１リードフレーム１３１と同様、制御信号用端子および受動素子を配置するための端子として、それぞれフレーム１３２ａに接続された端子１３２ｇ、１３２ｈ、１３２ｉをさらに含む。端子１３２ｇ、１３２ｈ、１３２ｉは、端子１３１ｇ、１３１ｈ、１３１ｉと同様に、それぞれ４本の細線状プレートから構成されている。

第３リードフレーム１３３は、図９（ｃ）に示すように、フレーム１３３ａと、フレーム１３３ａに接続された端子ａと、端子ａに接続された第３金属プレート１２７とを含む。

これら３つのリードフレームは、矩形の金属板から、打ち抜きやエッチング、放電加工などによってパターニングされる。各リードフレームのフレーム１３１ａ、１３２ａおよび１３３ａは、それぞれのフレームに接続されたリード部分の位置あわせをフレームによって行うために、同じ形状に形成されていることが好ましい。また、各リードフレームのフレームが重なるように位置あわせしたとき、各金属プレートや端子も正しい位置に配置されるよう、フレームに対する位置が定められている。なお、第１金属プレート１２５、第２金属プレート１２６ｃ〜１２６ｅおよび第３金属プレート１２７は、端子ｂ、端子ｃ〜ｅおよび端子ａによって、それぞれのフレームに接続されているが、これらの端子とは別に設けられた接続用のリムによってフレームに接続されていてもよい。

用意されたこれら３つのリードフレームを用いて、パワーモジュール１０１の製造は以下のようにして行われる。まず、図１０に示すように、第１リードフレーム１３１に含まれる第１金属プレート１２５上の所定の位置に、半田ペーストを用いて、トランジスタ１１０Ｌ、１１１Ｌ、１１２Ｌを固定（本止めあるいは仮止め）する。このとき、受動素子１２２も端子１３１ｇ、１３１ｈ、１３１ｉ上の所定の位置に固定（本止めあるいは仮止め）する。なお、半田ペーストに換えて導電性接着剤で固定してもよい。

この工程では、トランジスタ１１０Ｌ、１１１Ｌ、１１２ＬのソースパッドＳＰが第１金属プレート１２５と接合するように位置あわせし、ゲートパッドＧＰには、各端子１３１ｇ、１３１ｈ、１３１ｉの一本の一端を位置あわせする。この際、この端子の一本がソースパッドＳＰと接触しないように注意する必要がある。たとえば、図１１（ａ）に示すように、ゲートパッドＧＰにバンプ１３４を形成し、端子１３１ｇの先端近傍にバンプ１３４の高さを吸収する屈曲部１３６を設ける。そして、端子１３１ｇとバンプ１３４ならびに金属プレート１２５とソースパッドＳＰをそれぞれ半田ペースト１３９で仮止めする。あるいは、図１１（ｂ）に示すように、端子１３１ｇがソースパッドＳＰに接触しないよう、アーチ状の屈曲部１３７を端子１３１ｇに設けてもよい。また、図１１（ｃ）に示すように、端子１３１ｇのゲートパッドＧＰと接触する部分以外の領域を絶縁膜１３５で覆ってもよい。

次に、図１２に示すように、第２リードフレーム１３２を第１リードフレーム１３１に重ね合わせる。このとき、トランジスタ１１０Ｌ、１１１Ｌ、１１２ＬのドレインパッドＤＰに半田ペーストを塗布しておく。第２リードフレーム１３２のフレーム１３２ａが第１リードフレーム１３１のフレーム１３１ａと重なるように位置あわせすることによって、第２リードフレーム１３２の第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅおよび端子１３２ｇ、１３２ｈ、１３２ｉは第１金属プレート１２５やトランジスタ１１０Ｌ、１１１Ｌ、１１２Ｌに対して適切な位置に配置される。

次に、図１３に示すように、第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅ上の所定の位置にトランジスタ１１０Ｕ、１１１Ｕ、１１２Ｕを同様の方法により固定（本止めあるいは仮止め）する。また、このとき、受動素子１２２も端子１３２ｇ、１３２ｈ、１３２ｉの所定の位置に固定（本止めあるいは仮止め）する。

続いて、トランジスタ１１０Ｕ、１１１Ｕ、１１２ＵのドレインパッドＤＰに半田ペーストを塗布し、図１４に示すように、第３リードフレーム１３３を第２リードフレーム１３２に重ね合わせる。第３リードフレーム１３３のフレーム１３３ａが第２リードフレーム１３２のフレーム１３２ａと重なるように位置あわせすることによって、第３リードフレーム１３３の第３金属プレート１２７は、第２金属プレート１２６ｃ、１２６ｄ、１２６ｅやトランジスタ１１０Ｕ、１１１Ｕ、１１２Ｕに対して適切な位置に配置される。

次に、積層したリードフレームをリフロー炉に入れ、半田を溶融させた後、リードフレームをリフロー炉内で冷却し、半田を硬化させる。さらに、図１５に示すように、各金属プレート、トランジスタおよび受動素子を収容する金型にリードフレームを保持し、これらを覆うように熱硬化性樹脂を用いてモールド成型を行う。これによりパッケージ１２１が形成される。モールド成型は、半田が溶けない温度で行うことが好ましい。なお、半田ペーストの換わりに導電性接着剤を用いる場合にはリフロー処理は不要である。

その後、図１６に示すように、フレームを切り離す。このとき、端子１３１ｇ、１３１ｈ、１３１ｉおよび端子１３２ｇ、１３２ｈ、１３２ｉのそれぞれを構成している４本の細線状プレートのうちの２本は、受動素子同士を相互に接続するためだけに用いられるので、端子としてパッケージの外部へ取り出す必要はない。このため、細線状プレートのうちの２本はパッケージの外形に合わせて切断する。これにより、残った２本の細線状プレートからなる端子１０６Ｌおよび１０６Ｕが形成される。最後に、図１７に示すように、端子１０６Ｌおよび１０６Ｕを折り曲げることによって、パワーモジュール１０１が完成する。

このような製造方法によれば、各リードフレーム外形が同じであるため、各リードフレームのフレーム同士を容易にかつ高い精度で位置あわせすることができる。したがって、各フレームに接続された金属プレート同士も高い精度で位置あわせすることが可能となる。また、フレームの形状が等しいので、電力用半導体素子の搭載や、各リードフレームの積層工程、積層したリードフレームを金型にセットし、モールド樹脂成型する工程などにおいて、それぞれの工程で用いる装置における位置あわせも高い精度で行うことができる。外形がそろっているため、作業性もよい。

また、すべての金属プレートを積層した後、一体的にモールド樹脂成型を行うことによって、電力用半導体素子、各金属プレートおよび受動素子間の絶縁を行うことができるため、信頼性の高い絶縁構造を一度に形成することができ、また、製造コストも低減することができる。

次に、本発明による輸送機器の実施形態を説明する。

図１８は、本実施形態に係る電動車両４３０を示している。この電動車両４３０は、ゴルフ場などにおいてゴルフバッグなどの荷物や人員を搬送するために好適に用いられるカートである。図１８では一例として４輪電動車両を示しているが、電動バイクなどの２輪車両であってもよい。また、電動車両以外に、モータを駆動源あるいは推進源として移動する荷物や人員を移動させる他の輸送機器であってもよい。

本実施形態の電動車両４３０は、走行駆動用モータ４３１と、これによって駆動される２個の後輪４３２と、手動または自動で操舵される前輪４３４とを備えている。走行駆動用モータ４３１の駆動力は、図示しないトランスミッションを介して後輪４３２に伝達される。前輪４３４は、ハンドル４３５の手動操作または自動操作により操舵される。

前側シート４３６および後側シート４３７が前後に設けられている。前側シート４３６の下方には充電用コントローラ４３８およびブレーキモータ４３９が設けられている。後側シート４３７の下方には走行駆動用モータ４３１の電源となる走行駆動用バッテリー装置４４０が設けられている。走行駆動用バッテリー装置４４０は、直列に接続された計６個（片側の３個のみを図示している）のバッテリー４４１を有している。これらのバッテリー４４１は隙間が設けられた状態で受座４４２上に載置されている。

走行駆動用モータ４３１の上側には走行制御用コントローラ４４３が設けられている。走行制御用コントローラ４４３は、走行駆動用バッテリー装置４４０、走行駆動用モータ４３１、ブレーキモータ４３９および操舵モータ４４４に接続されており、これらを制御する。走行制御用コントローラ４４３および走行駆動用モータ４３１は２個の後輪４３２の間に配置されている。

上述したパワーモジュール１０１は、走行制御用コントローラ４４３内部に設置され、バッテリー４４０から直流電流の供給を受け、これを交流電流に変換する。パワーモジュール１０１からの交流電流は走行駆動用モータ４３１、ブレーキモータ４３９および操舵モータ４４４に供給される。

本実施形態によれば、信頼性の高い、あるいは、高出力に対応したパワーモジュールを電動車両に搭載することにより、信頼性の高い、あるいは、高い駆動能力を有する電動車両が実現する。

本発明は、大電流用パワーモジュールに適しており、著しく大きな電流（例えば３０Ａ以上）を供給するパワーモジュールに特に好適に用いられる。本発明によるパワーモジュールは、モータを駆動源とする輸送機器に好適に用いられる。

従来のパワーモジュールを含む駆動系を示す回路図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１に示す従来のパワーモジュールを示す平面図および側面図である。 本発明によるパワーモジュールを含む駆動系の概略を示す回路図である。 パワーモジュールにおいてモータをスイッチングするタイミングを調整するための受動素子を示す回路図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明によるパワーモジュールにおいて電力用半導体素子として用いられるトランジスタの上面図および下面図である。 （ａ）は、本発明によるパワーモジュールの上面図であり、（ｂ）および（ｃ）は異なる２方向からみた側面図である。 本発明によるパワーモジュールの断面構成を示す図であり、図６（ａ）中の７Ａ−７Ａ’線に沿った断面図である。 本発明のモータコントロールユニットを示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明によるパワーモジュールの製造に用いられるリードフレームの平面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、ゲートパッドへ接続する端子とソースパッドとの絶縁方法を説明する図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明によるパワーモジュールの製造途中の状態を示す平面図および側面図である。 本発明による電動車両の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０１ パワーモジュール
１０２ モータ
１０３ バッテリー
１０４ コンデンサ
１０５ 制御回路
１１０Ｕ〜１１２Ｕ、１１０Ｌ〜１１２Ｌ トランジスタ
１２１ パッケージ
１２２ 受動素子
１２５ 第１金属プレート
１２６ｃ〜１２６ｅ 第２金属プレート
１２７ 第３金属プレート
１３０ ケース
１３１ 第１リードフレーム
１３２ 第２リードフレーム
１３３ 第３リードフレーム
４３０ 電動車両
４３１ 走行駆動用モータ
４３２ 後輪
４３４ 前輪
４４０ 走行駆動用バッテリー装置
４４３ 走行制御用コントローラ
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ 端子

Claims (21)

1. 実質的に同一の面内において第１層を形成するように配置されている複数の第１半導体素子と、
   実質的に同一の面内において第２層を形成するように配置されている複数の第２半導体素子と、
   前記複数の第１および第２半導体素子から選ばれる少なくとも２つの半導体素子が電気的に接続される少なくとも１つの金属プレートと、
   を備え、
   前記複数の第２半導体素子が前記複数の第１半導体素子と重ならないように前記第１層および第２層が積層されているパワーモジュール。
2. 前記少なくとも１つの金属プレートは、第１、第２および第３金属プレートを含み、
   前記第１、第２および第３金属プレートは、前記第１および第２金属プレートによって、前記第１層を形成している複数の第１半導体素子を挟み、前記第２および第３金属プレートによって、前記第２層を形成している複数の第２半導体素子を挟むように配置されている請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第１、第２および第３金属プレートは、銅、アルミニウムおよびステンレスからなる群から選ばれる材料から形成されている請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記第１および第２半導体素子は、前記第１層および第２層の積層方向と垂直な投影面において交互に配置されている請求項２または３に記載のパワーモジュール。
5. 前記第２金属プレートは、その表面において前記複数の第１半導体素子の少なくとも１つに接続され、その裏面において前記複数の第２半導体素子の少なくとも１つに接続されている請求項２から４のいずれかに記載のパワーモジュール。
6. 前記第１、第２および第３金属プレートと前記複数の第１および第２半導体素子とを一体的に包み込むパッケージをさらに備える請求項２から５のいずれかに記載のパワーモジュール。
7. 前記複数の第１および第２半導体素子のそれぞれは、外部と電気的な接続を行うための複数のパッドを有し、
   前記複数のパッドは、大電流を印加あるいは取り出すための大電流用パッドと、制御信号を印加するための制御信号用パッドとを含み、前記大電流用パッドは、前記第１、第２または第３金属プレートに接続されている請求項２から６のいずれかに記載のパワーモジュール。
8. 前記第１、第２または第３金属プレートに接続された大電流用端子、および、前記制御信号用パッドに接続された制御信号用端子をさらに備えた請求項７に記載のパワーモジュール。
9. 前記制御信号用端子に電気的に接続された受動素子をさらに備えた請求項８に記載のパワーモジュール。
10. 前記第１、第２および第３金属プレートは０．５ｍｍから２ｍｍの範囲内の厚さを有する請求項２から９のいずれかに記載のパワーモジュール。
11. 前記複数の第１および第２半導体素子は、複数のＭＯＳ−ＦＥＴである請求項１から１０のいずれかに記載のパワーモジュール。
12. 前記第１および第２半導体素子をそれぞれ３つずつ含み、モータ駆動用３相インバータ回路を構成している請求項１１に記載のパワーモジュール。
13. 請求項１から１２のいずれかに規定されるパワーモジュールと、前記複数の第１および第２半導体素子へ制御信号を出力するための制御回路とを備えたモータコントロールユニット。
14. 請求項１３に規定されるモータコントロールユニットと、
    前記モータコントロールユニットに接続されたモータと、
    前記モータコントロールユニットに電力を供給するバッテリーと、
    を備えた電動輸送機器。
15. 第１金属プレートがフレームに接続された第１リードフレームに、外部との電気的接続を行うためのパッドを上面および下面にそれぞれ有する複数の第１半導体素子を、前記上面および下面の一方のパッドが前記第１金属プレートと接するように固定する工程（Ａ）と、
    第２金属プレートがフレームに接続された第２リードフレームを、前記複数の第１半導体素子の上面および下面の他方のパッドが前記第２金属プレートと接するように、前記複数の第１半導体素子に固定する工程（Ｂ）と、
    外部との電気的接続を行うためのパッドを上面および下面にそれぞれ有する複数の第２半導体素子を、前記第２金属プレートの前記第１半導体素子が接合していない面に、前記複数の第１半導体素子と重ならないように配置し、前記上面および下面の一方のパッドが前記第２金属プレートと接するように、前記複数の第２半導体素子を固定する工程（Ｃ）と、
    第３金属プレートがフレームに接続された第３リードフレームを、前記複数の第２半導体素子の上面および下面の他方のパッドが前記第３金属プレートと接するように、前記複数の第２半導体素子に固定する工程（Ｄ）と、
    前記第１、第２および第３金属プレートを対応するフレームから切り離す工程（Ｅ）と、
    を包含するパワーモジュールの製造方法。
16. 前記第１、第２および第３リードフレームのフレームは同じ形状を有しており、前記第１、第２および第３リードフレームのフレームを互いに位置合わせすることにより、前記第１、第２および第３の金属プレートと、前記複数の第１および第２半導体素子とを位置合わせする請求項１５に記載のパワーモジュールの製造方法。
17. 前記工程（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）において、半田ペーストを用いて固定を行い、前記工程（Ｄ）と工程（Ｅ）との間に、熱処理を行って前記半田ペーストを溶融、凝固させる工程（Ｆ）をさらに包含する請求項１５または１６に記載のパワーモジュールの製造方法。
18. 前記工程（Ｆ）と工程（Ｅ）との間に、前記第１、第２および第３の金属プレートと、前複数の第１および第２半導体素子とを一体的に包み込むパッケージをモールド成形により形成する工程（Ｇ）をさらに包含する請求項１７に記載のパワーモジュールの製造方法。
19. 前記複数の第１および第２半導体素子のパッドは、大電流を印加あるいは取り出すための大電流用パッドと、制御信号を印加するための制御信号用パッドとを含み、前記第１、第２および第３リードフレームの少なくとも１つは、前記制御信号用パッドと接続するために前記フレームに接続された制御信号用端子を含む請求項１５から１８のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法。
20. 前記制御信号用パッドにバンプを形成し、前記バンプと前記制御信号用端子とを接続する請求項１９に記載のパワーモジュールの製造方法。
21. 前記制御信号用端子は、前記制御信号用パッドと接触する部分以外の領域を覆う絶縁膜を有する請求項１９に記載のパワーモジュールの製造方法。
    

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