JP2014103270A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の回路基板を有する小型化された半導体モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】半導体モジュール１０は、放熱性の回路基板である放熱回路基板２０と、放熱回路基板２０に搭載されたパワー素子２４、リードフレーム２６および感温素子２８と、放熱回路基板２０とは別体の制御回路基板３０と、制御回路基板３０に搭載された制御素子３２と、放熱回路基板２０の裏面が露出するように、これらを封止する封止樹脂と、を備える。そして、パワー素子２４を搭載する第２フレームタブ４２をリードフレーム２６が有し、第２フレームタブ４２には、制御回路基板３０と重ね合わされるように延び出していて制御回路基板３０にはんだ付けされることで制御回路基板３０に固定される延長部分５０が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＰＦＣ素子を有する半導体モジュールに関する。

パワー素子と、パワー素子を制御する制御素子とを有する半導体モジュールが、自動車等に用いる電子機器の構成部品として広く使用されている。

このような従来の半導体モジュールでは、一般に、パワー素子が搭載された放熱回路基板と、制御素子が搭載された制御回路基板とが樹脂封止されている（例えば、特許文献１参照）。

特開2001-250911号公報

従来の半導体モジュールでは、放熱回路基板と制御回路基板とを、電気接続のために金属細線で接続している。

しかし、大電流を流す部分には太いワイヤを使用したり多数のワイヤをボンディングしたりする必要があり、このことが半導体モジュールの小型化の妨げとなっている。

一方、近年、市場における電子機器の小型化、大電力化の要求はますます高まっており、半導体モジュールに対しても小型化、大電力化の要望がますます高まっている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の回路基板を有する小型化された半導体モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１発明に係る半導体モジュールは、放熱性の回路基板である放熱回路基板と、前記放熱回路基板に搭載されたパワー素子、リードフレームおよび感温素子と、前記放熱回路基板とは別体の制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載された制御素子と、前記放熱回路基板の裏面が露出するように、これらを封止する封止樹脂と、を備え、前記パワー素子を搭載するフレームタブを前記リードフレームが有し、前記フレームタブには、前記制御回路基板と重ね合わされるように延び出していて前記制御回路基板に接着されることで前記制御回路基板に固定される延長部分が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の第２発明に係る半導体モジュールは、放熱性の回路基板である放熱回路基板と、前記放熱回路基板に搭載されたパワー素子、リードフレームおよび感温素子と、前記放熱回路基板とは別体の制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載され、制御素子を第１の樹脂で封止してなる制御装置と、前記放熱回路基板の裏面が露出するように、これらを封止する第２の樹脂と、を備え、前記パワー素子を搭載するフレームタブを前記リードフレームが有し、前記フレームタブには、前記制御回路基板と重ね合わされるように延び出していて前記制御回路基板に接着されることで前記制御回路基板に固定される延長部分が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の回路基板を有する小型化された半導体モジュールとすることができる。

本発明の一実施形態の半導体モジュールの構成を説明する模式的な平面図である。 本発明の一実施形態の半導体モジュールの外観を示す平面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態の半導体モジュールで、内部構造を説明する平面図、側面図、および、樹脂封止されていることを示す側面図である。 図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態の半導体モジュールを構成するリードフレームの平面図および側面図である。 本発明の一実施形態の半導体モジュールに形成される回路パターンを説明する平面図である。 本発明の一実施形態の半導体モジュールの内部構造の変形例を説明する模式的な側面図である。 本発明の一実施形態の半導体モジュールの内部構造の変形例を説明する模式的な側面図である。 本発明の一実施形態の半導体モジュールの内部構造の変形例を説明する模式的な側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。

また、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）の半導体モジュールの構成を説明する模式的な平面図である。図２は、本実施形態の半導体モジュールの外観を示す平面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態の半導体モジュールで、内部構造を説明する平面図、側面図、および、樹脂封止されていることを示す側面図である。なお、図３（ａ）は平面視の投影面も示す。図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本実施形態の半導体モジュールを構成するリードフレームの平面図および側面図である。図５は、本実施形態の半導体モジュールに形成される回路パターンを説明する平面図である。

本実施形態の半導体モジュール１０は、図１に示すように、ＰＦＣ素子を備えたＰＦＣ回路１２と、ＰＦＣ回路１２に電気接続されたパワー素子回路１４と、ＰＦＣ回路１２およびパワー素子回路１４に電気接続された制御回路１６とで構成される。

具体的には、図３に示すように、半導体モジュール１０は、放熱性の回路基板である放熱回路基板２０と、放熱回路基板２０に搭載されたＰＦＣ素子２２、パワー素子２４、リードフレーム２６および感温素子（例えばサーミスタ）２８と、を備えている。ＰＦＣ素子２２はＰＦＣ回路１２を構成し、パワー素子２４はパワー素子回路１４を構成する。そして、半導体モジュール１０は、放熱回路基板２０とは別体に設けられた制御回路基板３０と、制御回路基板３０に搭載された制御素子（制御ＩＣ）３２と、放熱回路基板２０の裏面が露出するように、これらを封止する封止樹脂３４（図２参照）と、を備えている。制御素子３２は制御回路１６を構成する。

本明細書では、ＰＦＣ回路とはＰＦＣ素子単体からなるものも含む概念であり、同様に、パワー素子回路とはパワー素子単体からなるものも含む概念であり、制御回路とは制御素子単体からなるものも含む概念である。

制御素子３２は、制御回路基板３０に金ワイヤ３６で電気接続されて配置されている。また、封止樹脂３４からは外部リード３８が突出している（図２参照）。

リードフレーム２６は複数のフレームタブを有している。すなわち、リードフレーム２６は、ＰＦＣ素子２２を搭載する第１フレームタブ４０と、ＰＦＣ素子２２およびパワー素子２４を搭載する第２フレームタブ４２とを有する。そして第２フレームタブ４２には、ＰＦＣ素子２２とパワー素子２４との間のフレームタブ部分４２ｍに、フレームタブ部分４２ｍおよびその上に形成された回路パターン４４（図５参照）を貫通する透孔４６が形成されている。

また、第１フレームタブ４０におけるＰＦＣ素子２２の１つあたりの面積は、第２フレームタブ４２におけるパワー素子２４１つあたりの面積に比べて大きい。具体的には、第１フレームタブ４０の熱抵抗が、第２フレームタブ４２の熱抵抗よりも小さくなるように、第１フレームタブ４０のＰＦＣ素子１つあたりの面積を、第２フレームタブ４２のパワー素子１つあたりの面積に比べて例えば1.5倍以上大きくすることにより、ＰＦＣ素子２２からの熱を効率良く放熱できる構造になっている。なお、ＰＦＣ素子２２の熱抵抗は1.7Ｗ／℃、パワー素子２４の熱抵抗は3Ｗ／℃である。

また、放熱回路基板（放熱板）２０は、パワー素子２４を搭載したリードフレーム２６の裏面にはんだにより接着され封止樹脂（封止体）３４から露出している。

そして、図３から判るように、放熱回路基板２０と制御回路基板３０とは、平面視の投影面では互いに分離しているように配置されている。

制御回路１６は、制御回路基板３０として基板化されて設けられており、外形縮小、端子数削減、配線短縮が図られている。制御回路基板３０はガラスエポキシ多層両面基板であり、パワー素子２４を搭載したパワー素子回路１４から制御回路１６への配線は、部分的に他の配線より幅広で表面以外に配線を形成する。また、放熱回路基板２０と制御回路基板３０とが段差を持って配置されている。

感温素子２８は、長矩形の外形を有し、過熱保護用に放熱回路基板２０上に搭載し、検知能力を向上させている。感温素子２８は、感温素子２８の長手方向が半導体モジュール１０の長手方向と垂直になるよう配置しており、歪による特性変動を防止している。

また、本実施形態では、パワー素子２４を搭載した第２フレームタブ４２には、制御回路基板３０側に延び出す延長部分５０が形成されている。そして、延長部分５０が、制御回路基板３０の上面に位置して制御回路基板３０に投影面で重ね合わされており、延長部分５０が制御回路基板３０の電極にはんだ付けされることにより、延長部分５０が制御回路基板３０に電気的に接続されるとともに制御回路基板３０を保持している。

図３（ｂ）に示すように、延長部分５０は、放熱回路基板２０から乖離する方向に屈曲しており、延長部分５０と放熱回路基板２０との間の絶縁性が確保されている。

そして、延長部分５０がはんだ付けされる制御回路基板３０の電極の１つ以上は、延長部分５０と接続されることによって前記放熱回路基板２０と制御回路基板３０とを機械的に固定し、且つ電気回路には寄与しない回路上のダミー電極とされ、残りの電極は機械的に固定されるとともに電気回路を形成している。なお、延長部分５０が接続される電極全てをダミー電極とすることも可能である。また、ダミー電極を設けない構成にしてもよい。

また、リードフレーム２６が外部リード３８を有しており、制御回路基板３０は、パワー素子２４側と対向する側で、すなわち放熱回路基板２０側とは反対側で、外部リード３８とはんだ付けされることによって保持される構成にされている。

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態では、パワー素子２４を搭載した第２フレームタブ４２から延び出す延長部分５０が制御回路基板３０の電極にはんだ付けされることにより、延長部分５０によって、放熱回路基板２０を制御回路基板３０に電気的に接続できるとともに制御回路基板３０を保持して固定することができる。従って、放熱回路基板２０と制御回路基板３０とをワイヤでボンディングする必要がなくなり、半導体モジュール１０の更なる小型化が実現されるとともに、樹脂封止時などで放熱回路基板２０と制御回路基板３０との間でワイヤ断線が生じる懸念がなくなる。また、半導体モジュール１０を製造する際、放熱回路基板２０と制御回路基板３０とを別々に固定する必要がなく、樹脂封止する工程で作業性が良い。リードフレーム２６が外部リード３８を有しており、制御回路基板３０は、パワー素子２４側と対向する側で外部リード３８とはんだ付けされることによって保持される構成になっているので、この作業性の向上の効果、更には放熱回路基板２０の位置決め精度の向上の効果は顕著なものになっている。

なお、パワー素子２４の制御は制御回路基板３０の制御回路１６によって制御されている。本実施形態では、制御回路１６とパワー素子２４とはアルミワイヤで接続されているが、同様に延長部分を形成してこの接続のためのアルミワイヤを用いない構成にすることが可能である。

また、延長部分５０は、放熱回路基板２０から乖離する方向に屈曲しており、延長部分５０と放熱回路基板２０との間の絶縁性が確保されているので、延長部分５０と放熱回路基板２０との短絡の懸念がない。

また、延長部分５０がはんだ付けされる制御回路基板３０の電極の１つ以上は、延長部分５０と接続されることによって前記放熱回路基板２０と制御回路基板３０とを機械的に固定するための回路上のダミー電極とされており、電気回路を形成する必要のない延長部分５０を機械的な固定のためにはんだ付けすることができる。

また、放熱回路基板２０と制御回路基板３０とが別体に形成されている。従って、半導体モジュール１０を稼動させたときには、ＰＦＣ素子２２で発生する熱は、封止樹脂３４から露出した放熱回路基板２０から放熱され、制御回路基板３０にはほとんど伝わらない。従って、ＰＦＣ素子２２を半導体モジュール１０に一体的に配置しても、制御素子３２がＰＦＣ素子２２の発熱の影響を受けることを大きく抑制することができるので、部品点数が削減された小型化された半導体モジュール１０が実現される。

また、リードフレーム２６は複数のフレームタブ（第１フレームタブ４０および第２フレームタブ４２）を有しており、第１フレームタブ４０におけるＰＦＣ素子２２の１つあたりの面積は、第２フレームタブ４２におけるパワー素子２４１つあたりの面積に比べて大きい。従って、第１フレームタブ４０では第２フレームタブ４２よりも放熱し易いので、ＰＦＣ素子２２で発生した熱を放熱し易い。

また、ＰＦＣ素子２２とパワー素子２４との間のフレームタブ部分４２ｍに、フレームタブ部分４２ｍ上に形成された回路パターン４４とフレームタブ部分４２ｍとを貫通する透孔４６が形成されている。これにより、ＰＦＣ素子２２で発生した熱がリードフレーム２６を介してパワー素子２４に伝わることを大きく防止できており、ＰＦＣ素子２２の熱による影響をパワー素子２４に対しても十分に抑えることができる。

また、放熱回路基板２０と制御回路基板３０とは、平面視の投影面（図３参照）では互いに分離しているように配置されている。従って、平面視の投影面では互いに重なっている部分がある場合に比べ、ＰＦＣ素子２２およびパワー素子２４からの発熱の影響が制御回路１６に及ぶことが低減されている。

また、感温素子２８は、感温素子２８の長手方向が半導体モジュール１０の長手方向と垂直になるよう配置されており、歪による特性変動が防止されている。

（変形例）
なお、図６に示すように、制御回路基板３０の下面側に位置して制御回路基板３０の電極にはんだ付けされる延長部分５４を延長部分５０に代えて設けてもよい。更には、図７に示すように、放熱回路基板２０の上下両側から突出して、制御回路基板３０の上下両面にはんだ付けで接続される延長部分５６を延長部分５０に代えて設けてもよく、これにより、延長部分５６で制御回路基板３０を挟み込むことができ、はんだ付けする際の作業性の向上を図ることができる。

また、図８に示すように、制御回路基板３０の側面側に凹部３１を形成し、この凹部３１に挿入される延長部分５８を延長部分５０に代えて設けてもよい。

また、本実施形態では延長部分５０が制御回路基板３０の電極にはんだ付けされている例で説明したが、延長部分５０は、制御回路基板の電極に導電性接着剤で固定されていてもよい。

また、ＰＦＣ素子２２およびパワー素子２４を配置する第２フレームタブ４２を、ＰＦＣ素子２２が配置されているフレームタブと、パワー素子２４が配置されているフレームタブとに完全に分離するように、放熱回路基板を分離してもよい。この場合、ＰＦＣ素子２２の発熱が大きいことを考慮し、ＰＦＣ素子２２が配置されていてパワー素子２４が配置されていない放熱回路基板部分を、パワー素子２４が配置されている放熱回路基板部分に比べて放熱性の高い放熱材（例えば窒化ケイ素からなる放熱材）を用いてもよい。

また、樹脂封止する際、制御素子３２を先に樹脂（第１の樹脂）で封止し、その後に全体を樹脂（第２の樹脂）で封止してもよい。これにより、第２の樹脂で封止する際、制御素子３２を接続する金ワイヤ３６は第１の樹脂で封止されており、全体を覆うために第２の樹脂を高い圧力で押し出して成形しても、第２の樹脂によって金ワイヤ３６が変形することはない。なお、第２の樹脂で封止されるワイヤは全て太いアルミワイヤ（例えば直径１５０μｍ以上のワイヤ）であり、第２の樹脂で封止した際にこのアルミワイヤの変形を金ワイヤ３６に比べて大幅に小さい。

また、制御素子３２を予め樹脂封止してＩＣパッケージとしたものを制御回路基板３０にはんだ付けし、その後に同様にして全体を第２の樹脂で封止してもよい。

また、セクションバーが制御回路基板３０から両サイド側に延び出している構成にしてもよい。これにより、セクションバーから両側に導出したリードで制御回路基板３０を保持することが可能となる。

以上のように、本発明に係る半導体モジュールは、パワー素子が搭載された放熱回路基板と、制御素子が搭載された制御回路基板とを備え、放熱回路基板には、制御回路基板と重ね合わされるように延び出していて制御回路基板にはんだ付けされることで制御回路基板に固定される延長部分が形成されているので、複数の回路基板を有する小型化された半導体モジュールとして用いるのに好適である。

１０ 半導体モジュール
２０ 放熱回路基板
２４ パワー素子
２６ リードフレーム
２８ 感温素子
３０ 制御回路基板
３２ 制御素子
３４ 封止樹脂
３８ 外部リード（外部端子）
４２ 第２フレームタブ（第２フレームタブ、フレームタブ）
５０ 延長部分
５４ 延長部分
５６ 延長部分
５８ 延長部分

Claims (7)

1. 放熱性の回路基板である放熱回路基板と、
   前記放熱回路基板に搭載されたパワー素子、リードフレームおよび感温素子と、
   前記放熱回路基板とは別体の制御回路基板と、
   前記制御回路基板に搭載された制御素子と、
   前記放熱回路基板の裏面が露出するように、これらを封止する封止樹脂と、
   を備え、
   前記パワー素子を搭載するフレームタブを前記リードフレームが有し、
   前記フレームタブには、前記制御回路基板と重ね合わされるように延び出していて前記制御回路基板に接着されることで前記制御回路基板に固定される延長部分が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記延長部分は、前記放熱回路基板から乖離する方向に屈曲していることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記制御回路基板上の電極の１つ以上が、前記延長部分と接続されることによって前記前記放熱回路基板と前記制御回路基板とを固定するための回路上のダミー電極であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体モジュール。
4. 前記リードフレームが外部端子を有し、
   前記制御回路基板は、前記パワー素子側と対向する側で前記外部端子とはんだ付けされることによって保持される構成にされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体モジュール。
5. 前記延長部分は、前記制御回路基板に導電性接着剤で固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体モジュール。
6. 前記延長部分が複数形成され、少なくとも１つの前記延長部分が電気回路を構成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の半導体モジュール。
7. 放熱性の回路基板である放熱回路基板と、
   前記放熱回路基板に搭載されたパワー素子、リードフレームおよび感温素子と、
   前記放熱回路基板とは別体の制御回路基板と、
   前記制御回路基板に搭載され、制御素子を第１の樹脂で封止してなる制御装置と、
   前記放熱回路基板の裏面が露出するように、これらを封止する第２の樹脂と、
   を備え、
   前記パワー素子を搭載するフレームタブを前記リードフレームが有し、
   前記フレームタブには、前記制御回路基板と重ね合わされるように延び出していて前記制御回路基板に接着されることで前記制御回路基板に固定される延長部分が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。

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