JP5454438B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、モータを回転駆動するためのスイッチング機能を有する半導体モジュールに関し、特に基板に表面実装される半導体モジュールに関する。
近年、車両のモータ制御化が進み、モータとその制御を司る電子制御ユニットが増加傾向にある。一方、ユーザに快適な空間を提供するために、車室内空間を拡げる試みがなされている。そのため、モータ及び電子制御ユニットを配置するためのスペースの確保が課題となっており、モータ及び電子制御ユニットの小型化が重要になっている。
例えば、電動式パワーステアリングシステムに用いられる電子制御ユニットは、エンジンルームやインパネの奥側に配置される。ところが、電動式パワーステアリングシステムに用いられる電子制御ユニットは、大電流（約１００Ａ）でモータを駆動するため、スイッチング機能を有する半導体モジュールの発熱が大きくなる。したがって、このような電子制御ユニットを小型化するためには、電子制御ユニットあるいは半導体モジュール自体に高い放熱構造が必要となる。
特許文献１〜３には、電子制御ユニットまたは半導体モジュールの構造を工夫することにより、半導体モジュールの放熱性の向上を図る技術が開示されている。例えば、特許文献１〜３に開示される半導体モジュールでは、半導体チップを覆う樹脂体の一方の面よりも面積の大きな放熱板（金属または絶縁材料）を樹脂体に取り付け、当該放熱板によって半導体チップの熱の放熱を図っている。
特開２００２−８３９１２号公報 実開昭５７−８３７４６号公報 実開昭５８−１８７１５３号公報
しかしながら、特許文献１〜３には、樹脂体に対する放熱板の相対的な大きさの詳細に関しては何ら記載されていない。よって、例えば樹脂体に対し放熱板の面方向への延出の程度（樹脂体の面と放熱板の面の面積比）が極度に小さい場合、放熱の効果は小さいと考えられる。一方、樹脂体に対し放熱板の面方向への延出の程度が極度に大きい場合、放熱板の重量および部材コストが増大するとともに、基板上における半導体モジュールやその他電子部品の設置スペースの確保が困難になるおそれがある。
また、特許文献１〜３の半導体モジュールは、いずれも挿入実装部品（ＴＨＤ：Through Hole Device）のため、表面実装部品（ＳＭＤ：Surface Mount Device）と比べ、基板への取付作業性および量産性等の点で劣る。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板への取り付けが容易で、かつ、放熱効果の高い半導体モジュールを提供することにある。
請求項１に記載の半導体モジュールは、基板に表面実装される半導体モジュールであって、半導体チップと樹脂体と複数の端子とを備えている。半導体チップは、スイッチング機能を有する。樹脂体は、半導体チップを覆うよう板状に成形されている。複数の端子は、半導体チップに電気的に接続するとともに樹脂体から突出し、基板上の配線パターンに半田付けされる。ここで、複数の端子のそれぞれは、例えば半導体チップのソース、ドレイン、ゲートに接続している。これにより、端子を経由して、半導体チップに電流を流したり制御信号を伝達したりすることができる。第１金属板は、板状に形成され、一方の面が樹脂体の一方の面から露出するとともに他方の面が半導体チップに電気的に接続している。これにより、半導体チップからの発熱を、第１金属板に効果的に伝達することができ、第１金属板を経由して放熱することができる。また、本発明では、第１金属板が、樹脂体から板面方向に延出するよう形成される延出部を有している。そのため、半導体チップからの発熱を延出部によって効果的に放熱することができる。
ここで、第１金属板の一方の面のうち延出部の面積をＳｍ、樹脂体の一方の面の面積をＳｒとし、仮に第１金属板および樹脂体がＳｍ／Ｓｒ＜０．５の関係を満たすよう形成されている場合、第１金属板による放熱の効果は小さくなる懸念がある。一方、第１金属板および樹脂体が１．０＜Ｓｍ／Ｓｒの関係を満たすよう形成されている場合、第１金属板の重量および部材コストの増大が懸念されるとともに基板上の他の電子部品等の設置スペースの確保が困難になるという問題が生じる。
そこで、本発明では、第１金属板および樹脂体は、０．５≦Ｓｍ／Ｓｒ≦１．０の関係を満たすよう形成されている。第１金属板および樹脂体を、０．５≦Ｓｍ／Ｓｒの関係を満たすよう形成することにより、第１金属板（延出部）の表面積および体積（ヒートマス）を所定値以上確保することができる。これにより、半導体モジュールは、半導体チップからの発熱を第１金属板によって効果的に放熱することができる。よって、本発明による半導体モジュールは、放熱効果が高い。また、第１金属板および樹脂体を、Ｓｍ／Ｓｒ≦１．０の関係を満たすよう形成することにより、第１金属板の重量および部材コストの増大を抑え、かつ、他の電子部品等の設置スペースを容易に確保することができる。
また、本発明による半導体モジュールは、基板に表面実装される部品、すなわち、ＳＭＤタイプの電子部品である。そのため、本発明による半導体モジュールは、ＴＨＤタイプの部品と比べ、基板への取り付けが容易であり、作業性および量産性が高い。
また、本発明による半導体モジュールは、樹脂体の一方の面または他方の面が基板に当接するよう実装される。
請求項２に記載の発明では、第１金属板および樹脂体は、Ｓｍ／Ｓｒ＝０．７５の関係を満たすよう形成されている。これにより、第１金属板による放熱の効果と重量および部材コスト増大の抑制等の効果とを両立できるとともに、それぞれの効果を最大限まで高めることができる。
請求項３に記載の発明では、第１金属板の延出部の板厚をＴｍ、樹脂体の板厚をＴｒとすると、第１金属板および樹脂体は、０．３≦Ｔｍ／Ｔｒ≦０．５の関係を満たすよう形成されている。第１金属板および樹脂体を０．３≦Ｔｍ／Ｔｒの関係を満たすよう形成することにより、第１金属板の体積（ヒートマス）を所定値以上確保することができる。これにより、第１金属板による放熱の効果を高めることができる。また、第１金属板および樹脂体をＴｍ／Ｔｒ≦０．５の関係を満たすよう形成することにより、第１金属板の重量および部材コストの増大を抑えることができる。
請求項４に記載の発明では、第１金属板および樹脂体は、Ｔｍ／Ｔｒ＝０．４の関係を満たすよう形成されている。これにより、第１金属板による放熱の効果と重量および部材コスト増大の抑制等の効果とを両立できるとともに、それぞれの効果を最大限まで高めることができる。
請求項５に記載の発明では、第１金属板の延出部は、延出部を板厚方向に貫くよう形成される穴を有している。これにより、前記穴に例えばねじ等の締結部材を通し基板あるいは他部材にねじ込むことにより、半導体モジュールをより安定した状態で固定することができる。この構成では、半導体チップからの発熱を、第１金属板（延出部）および締結部材を経由して基板あるいは他部材側へ放熱することができる。
本発明では、第１金属板と半導体チップとは電気的に接続されている。よって、締結部材として例えば金属等により形成したものを用いれば、第１金属板をグランド用電極、すなわち、半導体チップのドレイン用端子として利用することもできる。
請求項６に記載の発明は、第２金属板をさらに備えている。第２金属板は、板状に形成され、一方の面が樹脂体の他方の面（第１金属板が設けられる面とは反対側の面）から露出するよう設けられている。これにより、半導体チップからの発熱を、第１金属板に加え、第２金属板によっても放熱することができる。したがって、放熱の効果をより高めることができる。
請求項７に記載の発明では、第２金属板は、他方の面が半導体チップに電気的に接続されている。これにより、半導体チップからの発熱を第２金属板に効果的に伝達することができ、放熱の効果をさらに高めることができる。
請求項８に記載の発明では、樹脂体は、他方の面（第１金属板が設けられる面とは反対側の面）が基板に当接するよう設置される。これにより、第２金属板の一方の面は基板に当接可能である。そして、第２金属板は、基板上の配線パターンに半田付けされる。これにより、半導体チップからの発熱を、第２金属板および配線パターンを経由して基板側に効果的に伝達し放熱することができる。この構成では、半導体モジュールは、複数の端子および第２金属板が基板上の配線パターンに半田付けされることにより、基板上に固定される。そのため、半導体モジュールの基板上における位置がより安定する。ここで、第２金属板と半導体チップとが電気的に接続されている構成の場合、第２金属板を半導体チップのドレイン用端子またはソース用端子として利用することもできる。
請求項９に記載の発明では、樹脂体は、他方の面（第１金属板が設けられる面とは反対側の面）が基板に当接するよう設置される。すなわち、第１金属板の一方の面は、基板に当接しない。ここで、第１金属板の延出部は、基板まで延びるよう形成され基板上の配線パターンに半田付けされる脚部を有している。これにより、半導体チップからの発熱を、第１金属板の延出部、脚部および配線パターンを経由して基板側に効果的に伝達し放熱することができる。この構成では、半導体モジュールは、複数の端子および第１金属板の脚部が基板上の配線パターンに半田付けされることにより、基板上に固定される。そのため、半導体モジュールの基板上における位置がより安定する。また、この構成では、第１金属板を半導体チップのドレイン用端子またはソース用端子として利用することもできる。
請求項１０に記載の発明では、樹脂体は、一方の面（第１金属板が設けられる面）が基板に当接するよう設置される。これにより、第１金属板の一方の面は基板に当接可能である。そして、第１金属板は、延出部が基板上の配線パターンに半田付けされる。これにより、半導体チップからの発熱を、第１金属板および配線パターンを経由して基板側に効果的に伝達し放熱することができる。この構成では、半導体モジュールは、複数の端子および第１金属板が基板上の配線パターンに半田付けされることにより、基板上に固定される。そのため、半導体モジュールの基板上における位置がより安定する。また、この構成では、第１金属板を半導体チップのドレイン用端子またはソース用端子として利用することもできる。
本発明の第１実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は底面図。 （Ａ）は本発明の第１実施形態による半導体モジュールを電子制御ユニットに実装した状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 本発明の第１実施形態による半導体モジュールを実装した電子制御ユニットを電動式パワーステアリングシステムに適用した状態を示す概略図。 比較例による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は底面図。 本発明の第２実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は電子制御ユニットに設置された状態を示す図。 本発明の第３実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は電子制御ユニットに設置された状態を示す図。 本発明の第４実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は電子制御ユニットに設置された状態を示す図。 本発明の第５実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は電子制御ユニットに設置された状態を示す図。 本発明の第６実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は電子制御ユニットに設置された状態を示す図。 本発明の第７実施形態による半導体モジュールを示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は底面図。
以下、本発明の複数の実施形態による半導体モジュールを図に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体モジュールを図１に示す。
図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、半導体モジュール１は、半導体チップ１０、樹脂体２０、端子３０および第１金属板４０等を備えている。
半導体チップ１０は、例えばＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタである。半導体チップ１０は、ゲートに制御信号が入力されることで、ソースとドレインとの間の電流の流れを許容または遮断する。このように、半導体チップ１０はスイッチング機能を有する。
樹脂体２０は、樹脂により板状に形成され、半導体チップ１０を覆っている。これにより、半導体チップ１０は、外部からの衝撃、湿気等から保護されている。本実施形態では、樹脂体２０は矩形の板状に形成されている。よって、樹脂体２０は、６つの面（２１〜２６）を有する。
端子３０は、金属により形成されている。本実施形態では、端子３０は３つ（３１〜３３）設けられている。
端子３１は、一方の端部が半導体チップ１０のソースに電気的に接続し、他方の端部が樹脂体２０の面２４から突出するよう設けられている。端子３１は、樹脂体２０の面２４から突出した後、面２１側へ折れ曲がり、さらに、先端部が樹脂体２０とは反対側へ折れ曲がるようにして形成されている。
端子３２は、一方の端部が、後述する第１金属板４０を介して半導体チップ１０のドレインに電気的に接続している。端子３２は、他方の端部が樹脂体２０の面２４から突出するよう設けられている。
端子３３は、一方の端部が半導体チップ１０のゲートに電気的に接続し、他方の端部が樹脂体２０の面２４から突出するよう設けられている。端子３３は、端子３１と同様、樹脂体２０の面２４から突出した後、面２１側へ折れ曲がり、さらに、先端部が樹脂体２０とは反対側へ折れ曲がるようにして形成されている。
第１金属板４０は、例えばアルミ等の金属により、板状に形成されている。第１金属板４０は、本体部４１と延出部４２とからなる。本体部４１と延出部４２とは、板面方向で互いに接続し、一体に形成されている。
第１金属板４０は、一方の面４３が樹脂体２０の面２１と同一平面上に位置するよう、樹脂体２０の面２１側に設けられている。ここで、第１金属板４０の本体部４１は、面４３を除いて樹脂体２０に覆われている。すなわち、本体部４１は、面４３が樹脂体２０の面２１から露出している（図１（Ｄ）参照）。ここで、面２１は、特許請求の範囲における「樹脂体の一方の面」に対応する。また、面２２は、特許請求の範囲における「樹脂体の他方の面」に対応する。
第１金属板４０の延出部４２は、樹脂体２０に覆われておらず、樹脂体２０の面２３から板面方向に延出するよう形成されている。つまり、延出部４２は、第１金属板４０のうち、樹脂体２０から露出かつ延出している部分である。
また、第１金属板４０（本体部４１）は、他方の面４４が半導体チップ１０のドレインに電気的に接続している。
次に、半導体モジュール１が実装される電子制御ユニットについて図２および３に基づき説明する。
図３に示すように、電子制御ユニット１１０は、例えば車両の電動式パワーステアリングシステム１００に用いられ、操舵トルク信号および車速信号等に基づき、操舵のアシスト力を発生するモータ１０１を駆動制御する。
図２に示すように、電子制御ユニット１１０は、半導体モジュール１の他に、板部材１２０、基板１３０、制御部１４０、コンデンサ１５０、コネクタ１６０等を備えている。
板部材１２０は、例えばアルミ等の金属により、略矩形の板状に形成されている。
基板１３０は、例えばガラス繊維とエポキシ樹脂からなるＦＲ−４等のプリント配線板である。基板１３０は、板部材１２０と同様略矩形に形成され、外形は板部材１２０より小さい。基板１３０は、その板面が板部材１２０の板面と略平行になるよう、ねじ１９１によって板部材１２０に固定されている。
本実施形態による半導体モジュール１は、基板１３０の板部材１２０とは反対側の面に表面実装される。すなわち、半導体モジュール１は、ＳＭＤタイプの電子部品である。電子制御ユニット１１０には、４つの半導体モジュール１が実装される。
制御部１４０は、マイコン１４１およびカスタムＩＣ１４２から構成されている。マイコン１４１およびカスタムＩＣ１４２は、基板１３０の板部材１２０とは反対側の面に実装されている。
コンデンサ１５０は、基板１３０の板部材１２０とは反対側の面に実装されている。本実施形態による半導体モジュール１が実装される電子制御ユニット１１０では、コンデンサ１５０は３つ設けられている。３つのコンデンサ１５０は、所定の間隔を空けて直線状に配置されている。
コネクタ１６０は、基板１３０の４つの辺のうちの１辺に設けられている。コネクタ１６０は、ＰＩＧ（電源電圧）端子１６１、ＧＮＤ（グランド）端子１６２、モータ端子１６３等を有している（図２（Ａ）参照）。コネクタ１６０には、ハーネス１０２が接続される（図３参照）。ハーネス１０２の導線１０３は、バッテリ１０５の正側とＰＩＧ端子１６１とを電気的に接続する。また、ハーネス１０２の導線１０４は、モータ１０１の巻線端子とモータ端子１６３とを電気的に接続する。
基板１３０の板部材１２０とは反対側の面には、上述の電子部品（半導体モジュール１、マイコン１４１、カスタムＩＣ１４２およびコンデンサ１５０）の他に、リレー１７１、１７２、コイル１７３およびシャント抵抗１７４等が実装されている（図２（Ａ）参照）。
コネクタ１６０のＰＩＧ端子１６１、ＧＮＤ端子１６２、モータ端子１６３と、半導体モジュール１、マイコン１４１、カスタムＩＣ１４２、コンデンサ１５０、リレー１７１、１７２、コイル１７３およびシャント抵抗１７４とは、基板１３０の表面に形成された配線パターン（図２（Ｂ）に示す１８０。図２（Ａ）には図示せず。）、および、基板１３０の内部に設けられた配線パターン等を介して接続している。配線パターンは、例えば銅などの金属薄膜により形成されている。
ここで、半導体モジュール１の端子３１（ソース）は、ＰＩＧ端子１６１に接続する配線パターン１８０に半田付けされる。また、半導体モジュール１の端子３３（ゲート）は、カスタムＩＣ１４２に接続する配線パターン１８０に半田付けされる。さらに、半導体モジュール１の第１金属板４０（ドレイン）は、ＧＮＤ端子１６２または板部材１２０に接続する配線パターン１８０に半田付けされる。
制御部１４０は、カスタムＩＣ１４２から複数の半導体モジュール１の端子３３（ゲート）に制御信号を伝達することにより、半導体チップ１０によるスイッチング作動を制御する。これにより、モータ端子１６３すなわちモータ１０１の巻線に流れる電流が制御される。その結果、モータ１０１が回転する。このように、制御部１４０は、複数の半導体モジュール１のスイッチング作動を制御することにより、モータ１０１の回転駆動を制御する。
コンデンサ１５０は、半導体モジュール１のスイッチング（オン／オフ）作動によって生じるサージ電圧を抑制する。コイル１７３は、いわゆるチョークコイルであり、バッテリ１０５のノイズを除去する。リレー１７１は、ＰＩＧ端子１６１とコイル１７３、コンデンサ１５０、半導体モジュール１との間の電流の流れを許容または遮断する。リレー１７２は、半導体モジュール１とモータ端子１６３との間の電流の流れを許容または遮断する。シャント抵抗１７４は、半導体モジュール１に流れる電流の大きさを検出する。これにより、制御部５は、シャント抵抗１７４で検出した電流値に基づき、モータ１０１の回転駆動を高精度に制御可能である。
半導体モジュール１のスイッチング作動時、半導体モジュール１およびシャント抵抗１７４には比較的大きな電流が流れる。そのため、半導体モジュール１およびシャント抵抗１７４は発熱し、比較的高い温度になる。図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、板部材１２０は、半導体モジュール１およびシャント抵抗１７４が配置される領域に対応する部分に、基板１３０に向かって突出するよう形成される突出部１２１を有する。突出部１２１は、半導体モジュール１およびシャント抵抗１７４が配置される領域の形状（矩形）に合わせ、略矩形柱状に形成されている。
図２（Ｂ）に示すように、半導体モジュール１の第１金属板４０は、基板１３０上の配線パターン１８０に当接するとともに半田付けされている。これにより、半導体チップ１０からの発熱は、第１金属板４０および配線パターン１８０を経由して効果的に基板１３０に伝達される。また、板部材１２０の突出部１２１と基板１３０との間には、絶縁放熱シート１９２および放熱グリス１９３が設けられている。絶縁放熱シート１９２は、例えばシリコン等を含む熱抵抗の小さな絶縁シートである。放熱グリス１９３は、例えばシリコンを基材とする、熱抵抗の小さなゲル状のグリスである。
突出部１２１と基板１３０との間の隙間を絶縁放熱シート１９２および放熱グリス１９３で埋めることにより、基板１３０（半導体モジュール１）の熱を板部材１２０の突出部１２１へ効果的に放熱することができる。このように、突出部１２１は、ヒートシンクとしての役割を果たす。
また、半導体モジュール１の端子３１および端子３３は、第１金属板４０と同様、基板１３０上の配線パターン１８０に当接するとともに半田付けされている。このように、半導体モジュール１は、複数個所が半田付けされることにより、基板１３０上における位置が安定する。
次に、本実施形態による半導体モジュール１の各部位の寸法について図１（Ｃ）および（Ｄ）に基づき説明する。
第１金属板４０の延出部４２の長さ、すなわち、第１金属板４０のうち樹脂体２０の面２３から延出する部分の長さをＬｍ、樹脂体２０の面２４から面２３までの長さをＬｒとすると（図１（Ｃ）参照）、本実施形態では、第１金属板４０および樹脂体２０は、Ｌｍ／Ｌｒ≒０．７５の関係を満たすよう形成されている。よって、第１金属板４０の一方の面４３のうち延出部４２の面積をＳｍ（図１（Ｄ）に斜線の格子で示す領域の面積）、樹脂体２０の面２１の面積をＳｒ（図１（Ｄ）に縦横線の格子で示す領域の面積）とすると、樹脂体２０の幅（面２５から面２６までの長さ）と延出部４２の幅とは略同じのため、第１金属板４０および樹脂体２０は、Ｓｍ／Ｓｒ≒０．７５の関係を満たすよう形成されている。具体的には、本実施形態では、Ｌｍ＝６．４（ｍｍ）、Ｌｒ＝８．５（ｍｍ）となるよう形成されている。この場合、Ｌｍ／Ｌｒ≒０．７５、Ｓｍ／Ｓｒ≒０．７５である。なお、本実施形態では、第１金属板４０の一方の面４３のうち本体部４１の面積は、樹脂体２０の面２１の面積Ｓｒよりも小さい（図１（Ｄ）参照）。
ここで、本実施形態による半導体モジュール１の比較対象として、比較例による半導体モジュールを図４に示す。比較例による半導体モジュール２００は、第１金属板４０の延出部４２の長さのみが半導体モジュール１と異なるものの、それ以外の構成は、半導体モジュール１と同じである。
比較例による半導体モジュール２００の第１金属板４０の延出部４２の長さをＬｍ１とすると（図４（Ｃ）参照）、Ｌｍ１は、１．５（ｍｍ）に設定されている。この場合、Ｌｍ１／Ｌｒ≒０．１８である。よって、比較例による半導体モジュール２００の延出部４２の面積をＳｍ１（図４（Ｄ）に斜線の格子で示す領域の面積）とすると、Ｓｍ１／Ｓｒ≒０．１８である。
このように、比較例による半導体モジュール２００は、延出部４２の面積が本実施形態による半導体モジュール１の延出部４２の面積よりも小さいため、半導体モジュール１と比べ、半導体チップ１０の熱を放熱する効果が小さい。逆に言えば、本実施形態による半導体モジュール１は、比較例による半導体モジュール２００と比べ、半導体チップ１０の熱を放熱する効果が大きい。例えば、本実施形態による半導体モジュール１を電子制御ユニット１１０の基板１３０に実装したとき（図２参照）の半導体モジュール１の作動時の温度は、比較例による半導体モジュール２００を基板１３０に実装したときの半導体モジュール２００の作動時の温度よりも２０℃程度低くなる。
以上説明したように、本実施形態では、樹脂体２０は、半導体チップ１０を覆うよう板状に成形されている。端子３１、３２および３３は、半導体チップ１０に電気的に接続するとともに樹脂体２０から突出している。端子３１および３３は、電子制御ユニット１１０の基板１３０上の配線パターン１８０に半田付けされる。ここで、端子３１は、半導体チップ１０のソースに接続している。端子３３は、半導体チップ１０のゲートに接続している。これにより、端子３１および３３を経由して、半導体チップ１０に電流を流したり制御信号を伝達したりすることができる。第１金属板４０は、板状に形成され、一方の面４３が樹脂体２０の面２１から露出するとともに他方の面４４が半導体チップ１０に電気的に接続している。これにより、半導体チップ１０からの発熱を、第１金属板４０に効果的に伝達することができ、第１金属板４０を経由して放熱することができる。
また、本実施形態では、第１金属板４０が、樹脂体２０から板面方向に延出するよう形成される延出部４２を有している。そのため、半導体チップ１０からの発熱を延出部４２によって効果的に放熱することができる。ここで、第１金属板４０の一方の面４３のうち延出部４２の面積をＳｍ、樹脂体２０の面２１の面積をＳｒとすると、第１金属板４０および樹脂体２０は、Ｓｍ／Ｓｒ≒０．７５の関係を満たすよう形成されている。
つまり、第１金属板４０および樹脂体２０を０．５≦Ｓｍ／Ｓｒの関係を満たすよう形成することにより、第１金属板４０（延出部４２）の表面積および体積（ヒートマス）を所定値以上確保することができる。これにより、半導体モジュール１は、半導体チップ１０からの発熱を第１金属板４０によって効果的に放熱することができる。よって、本実施形態による半導体モジュール１は、放熱効果が高い。
また、第１金属板４０および樹脂体２０をＳｍ／Ｓｒ≦１．０の関係を満たすよう形成することにより、第１金属板４０の重量および部材コストの増大を抑え、かつ、他の電子部品等の設置スペースを容易に確保することができる。
このように、本実施形態では、第１金属板４０および樹脂体２０をＳｍ／Ｓｒ≒０．７５の関係を満たすよう形成することによって、第１金属板４０による放熱の効果と重量および部材コスト増大の抑制等の効果とを両立できるとともに、それぞれの効果を最大限近くまで高めることができる。
また、本実施形態による半導体モジュール１は、基板１３０に表面実装される部品、すなわち、ＳＭＤタイプの電子部品である。そのため、本実施形態による半導体モジュール１は、ＴＨＤタイプの部品と比べ、基板１３０への取り付けが容易であり、作業性および量産性が高い。
また、本実施形態では、樹脂体２０は、面２１（第１金属板４０が設けられる面）が基板１３０に当接するよう設置される。これにより、第１金属板４０の一方の面４３は基板１３０に当接可能である。そして、第１金属板４０は、延出部４２が基板１３０上の配線パターン１８０に半田付けされる。これにより、半導体チップ１０からの発熱を、第１金属板４０および配線パターン１８０を経由して基板１３０側に効果的に伝達し放熱することができる。また、本実施形態では、第１金属板４０は半導体チップ１０のドレイン用端子として利用される。さらに、本実施形態では、半導体モジュール１は、端子３１、３３および第１金属板４０が基板１３０上の配線パターン１８０に半田付けされることにより、基板１３０上に固定される。そのため、半導体モジュール１の基板１３０上における位置がより安定する。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による半導体モジュールを図５に示す。第２実施形態の半導体モジュール２は、端子３１および３３の形状、および、電子制御ユニット１１０の基板１３０への実装の仕方が第１実施形態と異なる。
半導体モジュール２では、端子３１および３３は、樹脂体２０の面２４から突出した後、面２２側へ折れ曲がり、さらに、先端部が樹脂体２０とは反対側へ折れ曲がるようにして形成されている（図５（Ｃ）参照）。
図５（Ｃ）は、半導体モジュール２が、電子制御ユニット１１０の基板１３０に設置（実装）された状態を示している。半導体モジュール２は、樹脂体２０の面２２（第１金属板４０が設けられる面２１とは反対側の面）が基板１３０の配線パターン１８０に当接するよう設置される。半導体モジュール２は、端子３１および３３が配線パターン１８０に半田付けされることにより基板１３０に表面実装される。
半導体モジュール２が実装される電子制御ユニット１１０は、板部材１２０との間に収容空間を形成し当該収容空間に基板１３０を収容するよう設けられる金属製のカバー部材１９４を有する。カバー部材１９４は、基板１３０上の各種電子部品を覆うことで、これら電子部品を外部からの衝撃や液体等から保護する。カバー部材１９４は、第１金属板４０の一方の面４３に当接するよう設けられる（図５（Ｃ）参照）。これにより、半導体チップ１０のドレインは、第１金属板４０を経由してカバー部材１９４に接続する。そのため、半導体モジュール２の作動時、半導体モジュール２のグランド電流は、第１金属板４０を経由してカバー部材１９４に流れる。
上述の構成では、半導体チップ１０からの発熱は、配線パターン１８０および基板１３０を経由して板部材１２０の突出部１２１から放熱されるとともに、第１金属板４０を経由してカバー部材１９４からも放熱される。
第２実施形態による半導体モジュール２は、上述した構成以外の点（構成）は第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による半導体モジュールを図６に示す。第３実施形態の半導体モジュール３は、構成要素が１つ多い点で第２実施形態と異なる。
半導体モジュール３は、第２金属板５０をさらに備えている。第２金属板５０は、例えばアルミ等の金属により、板状に形成されている。第２金属板５０は、一方の面５１が樹脂体２０の面２２と同一平面上に位置するよう、樹脂体２０の面２２側に設けられている。つまり、第２金属板５０の面５１は、樹脂体２０の面２２から露出している（図６（Ｂ）参照）。
本実施形態では、第２金属板５０の他方の面５２は、半導体チップ１０に電気的に接続していない。また、本実施形態による半導体モジュール３は、電子制御ユニット１１０に実装されるとき、第２実施形態と同様、樹脂体２０の面２２が基板１３０に当接するよう設置される（図６（Ｃ）参照）。このとき、第２金属板５０の面５１は、基板１３０上の配線パターン１８０に当接する。さらに、本実施形態では、第２金属板５０は、面５１と面５２との間の面が樹脂体２０の面２３から露出している。そして、当該露出している面が、配線パターン１８０に半田付けされる。
半導体モジュール３が実装される電子制御ユニット１１０では、半導体チップ１０からの発熱は、第２実施形態と同様に第１金属板４０を経由してカバー部材１９４から放熱されるとともに、第２金属板５０、配線パターン１８０および基板１３０を経由して板部材１２０の突出部１２１から放熱される。
第３実施形態による半導体モジュール３は、上述した構成以外の点（構成）は第２実施形態と同様である。
本実施形態では、第２金属板５０を備えるため、半導体チップ１０からの発熱を、第１金属板４０に加え、第２金属板５０によっても放熱することができる。したがって、第２実施形態と比べ、放熱の効果が高い。
また、本実施形態の半導体モジュール３は、第２金属板５０の面５１が配線パターン１８０に当接するよう基板１３０に実装される。そして、第２金属板５０は配線パターン１８０に半田付けされる。これにより、半導体チップ１０からの発熱を、第２金属板５０および配線パターン１８０を経由して基板１３０側に効果的に伝達し放熱することができる。また、この構成では、半導体モジュール３は、端子３１、３３および第２金属板５０が配線パターン１８０に半田付けされることにより、基板１３０上に固定される。そのため、半導体モジュール３の基板１３０上における位置がより安定する。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による半導体モジュールを図７に示す。第４実施形態の半導体モジュール４は、第１金属板４０の形状が第２実施形態と異なる。
半導体モジュール４の第１金属板４０の延出部４２は、本体部４１とは反対側の端部から樹脂体２０の面２２側へ延び、先端が樹脂体２０とは反対側へ折れ曲がるようにして形成される脚部４２１を有している（図７（Ａ）〜（Ｃ）参照）。脚部４２１の先端部は、樹脂体２０の面２２と略同一平面上に位置するよう形成されている。
半導体モジュール４は、電子制御ユニット１１０に実装されるとき、第２実施形態と同様、樹脂体２０の面２２が基板１３０に当接するよう設置される（図７（Ｃ）参照）。このとき、延出部４２の脚部４２１の先端部は、基板１３０上の配線パターン１８０に当接する。そして、脚部４２１の先端部は、配線パターン１８０に半田付けされる。脚部４２１が半田付けされる配線パターン１８０は、ＧＮＤ端子１６２または板部材１２０に接続している。そのため、脚部４２１（第１金属板４０）を半導体チップ１０のドレイン用端子として利用することができる。この構成では、第２実施形態のようにカバー部材１９４を第１金属板４０に当接するよう設ける必要はない。
以上説明したように、本実施形態では、第１金属板４０の延出部４２は、基板１３０まで延びるよう形成され基板１３０上の配線パターン１８０に半田付けされる脚部４２１を有している。これにより、半導体チップ１０からの発熱を、第１金属板４０の延出部４２、脚部４２１および配線パターン１８０を経由して基板１３０側に効果的に伝達し放熱することができる。
また、本実施形態では、半導体モジュール４は、端子３１、３３および第１金属板４０の脚部４２１が配線パターン１８０に半田付けされることにより、基板１３０上に固定される。そのため、半導体モジュール４の基板１３０上における位置がより安定する。
また、本実施形態では、脚部４２１を半導体チップ１０のドレイン用端子として利用することができる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による半導体モジュールを図８に示す。第５実施形態の半導体モジュール５は、構成要素が１つ多い点で第１実施形態と異なる。
半導体モジュール５は、第２金属板６０をさらに備えている。第２金属板６０は、例えばアルミ等の金属により、板状に形成されている。第２金属板６０は、一方の面６１が樹脂体２０の面２２と同一平面上に位置するよう、樹脂体２０の面２２側に設けられている。つまり、第２金属板６０の面６１は、樹脂体２０の面２２から露出している（図８（Ａ）参照）。
本実施形態では、第２金属板６０の他方の面６２は、半導体チップ１０のソースに電気的に接続している。また、端子３１は、第２金属板６０を経由して半導体チップ１０のソースに電気的に接続している。この構成では、半導体モジュール５の作動時、第２金属板６０には比較的大きな電流（ソース電流）が流れ、第２金属板６０が発熱する。第２金属板６０は、所定のヒートマスを有しているため、前記発熱を効果的に放熱することができる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による半導体モジュールを図９に示す。第６実施形態の半導体モジュール６は、第１金属板４０の構成、および、電子制御ユニット１１０の基板１３０への実装の仕方が第１実施形態と異なる。
半導体モジュール６では、第１金属板４０の延出部４２は、延出部４２を板厚方向に貫くよう形成される穴４２２を有している。
半導体モジュール６は、電子制御ユニット１１０に実装されるとき、締結部材としてのねじ１９５が穴４２２に通される。そして、当該ねじ１９５は、板部材１２０の突出部１２１にねじ込まれる（図９（Ｃ）参照）。これにより、半導体モジュール６は、安定した状態で基板１３０に固定される。
本実施形態では、半導体チップ１０からの発熱を、第１金属板４０（延出部４２）、および、ねじ１９５を経由して、基板１３０および板部材１２０（突出部１２１）側へ放熱することができる。
また、本実施形態では、第１金属板４０と半導体チップ１０のドレインとは電気的に接続されている。よって、例えば金属等により形成したねじ１９５で半導体モジュール６を基板１３０に固定すれば、半導体モジュール６のグランド（ドレイン）電流を、ねじ１９５を経由して板部材１２０の突出部１２１に流すことができる。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態による半導体モジュールを図１０に示す。第７実施形態の半導体モジュール７は、第１金属板４０の板厚が第１実施形態と異なる。
半導体モジュール７では、第１金属板４０の延出部４２の板厚をＴｍ、樹脂体２０の板厚をＴｒとすると（図１０（Ａ）参照）、第１金属板４０および樹脂体２０は、Ｔｍ／Ｔｒ≒０．４の関係を満たすよう形成されている。具体的には、本実施形態では、Ｔｍ＝１．９（ｍｍ）、Ｔｒ＝４．７（ｍｍ）となるよう形成されている。この場合、Ｔｍ／Ｔｒ≒０．４である。
第７実施形態の半導体モジュール７は、上述した構成以外の点（構成）は、第１実施形態と同様である。
上述のように、本実施形態では、第１金属板４０および樹脂体２０を０．３≦Ｔｍ／Ｔｒの関係を満たすよう形成することにより、第１金属板４０の体積（ヒートマス）を所定値以上確保することができる。これにより、第１金属板４０による放熱の効果を高めることができる。
また、第１金属板４０および樹脂体２０をＴｍ／Ｔｒ≦０．５の関係を満たすよう形成することにより、第１金属板４０の重量および部材コストの増大を抑えることができる。
このように、本実施形態では、第１金属板４０および樹脂体２０をＴｍ／Ｔｒ≒０．４の関係を満たすよう形成することによって、第１金属板４０による放熱の効果と重量および部材コスト増大の抑制等の効果とを両立できるとともに、それぞれの効果を最大限近くまで高めることができる。
（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、第１金属板および樹脂体は、０．５≦Ｓｍ／Ｓｒ≦１．０の関係を満たすよう形成されているのであれば、どのような大きさ、比率および形状で形成されていてもよい。つまり、第１金属板の延出部および樹脂体は、矩形以外の板状に形成されていてもよいし、どのような板厚であってもよい。ただし、第１金属板および樹脂体は、Ｓｍ／Ｓｒ＝０．７５の関係を満たすよう形成されることが好ましい。また、第１金属板および樹脂体は、０．５≦Ｓｍ／Ｓｒ≦１．０の関係を満たし、かつ、０．３≦Ｔｍ／Ｔｒ≦０．５の関係を満たすよう形成されることが好ましい。さらには、第１金属板および樹脂体は、Ｔｍ／Ｔｒ＝０．４の関係を満たすよう形成されることが好ましい。この場合、第１金属板による放熱の効果と重量および部材コスト増大の抑制等の効果とを両立できるとともに、それぞれの効果を最大限まで高めることができる。
上述の第１、４、５実施形態では、第１金属板を半導体チップのドレインに接続し、端子３１を半導体チップのソースに接続するよう構成する例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、第１金属板を半導体チップのソースに接続し、端子３１を半導体チップのドレインに接続するよう構成することとしてもよい。この構成では、半導体モジュールの作動時、第１金属板にソース電流が流れ、端子３１にグランド（ドレイン）電流が流れる。
上述の実施形態では、半導体モジュールの端子３２が基板上の配線パターンに接続（半田付け）されない例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、半導体モジュールの端子３２を基板上の配線パターンに接続（半田付け）可能なよう構成し、端子３２を半導体チップのドレイン用端子として利用することとしてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、阻害要因がない限り、上述の複数の実施形態をどのように組み合わせて実施してもよい。
本発明による半導体モジュールを実装する電子制御ユニットは、電動式パワーステアリングシステムに限らず、他のシステムのモータの回転駆動を制御するのに用いてもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
１、２、３、４、５、６、７ ・・・半導体モジュール
１０ ・・・・半導体チップ
２０ ・・・・樹脂体
３０、３１、３２、３３ ・・・端子
４０ ・・・・第１金属板
４２ ・・・・延出部
１３０ ・・・基板

Claims (10)

  1. 基板に表面実装される半導体モジュールであって、
    スイッチング機能を有する半導体チップと、
    前記半導体チップを覆うように成形される板状の樹脂体と、
    前記半導体チップに電気的に接続するとともに前記樹脂体から突出し、前記基板上の配線パターンに半田付けされる複数の端子と、
    板状に形成され、一方の面が前記樹脂体の一方の面から露出するとともに他方の面が前記半導体チップに電気的に接続し、前記樹脂体から板面方向に延出する延出部を有する第１金属板と、を備え、
    前記第１金属板の一方の面のうち前記延出部の面積をＳｍ、前記樹脂体の一方の面の面積をＳｒとすると、
    前記第１金属板および前記樹脂体は、０．５≦Ｓｍ／Ｓｒ≦１．０の関係を満たすよう形成され、
    前記樹脂体の一方の面または他方の面が前記基板に当接するよう実装されることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記第１金属板および前記樹脂体は、Ｓｍ／Ｓｒ＝０．７５の関係を満たすよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第１金属板の前記延出部の板厚をＴｍ、前記樹脂体の板厚をＴｒとすると、
    前記第１金属板および前記樹脂体は、０．３≦Ｔｍ／Ｔｒ≦０．５の関係を満たすよう形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記第１金属板および前記樹脂体は、Ｔｍ／Ｔｒ＝０．４の関係を満たすよう形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 前記延出部は、前記延出部を板厚方向に貫くよう形成される穴を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 板状に形成され、一方の面が前記樹脂体の他方の面から露出するよう設けられる第２金属板をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記第２金属板は、他方の面が前記半導体チップに電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記樹脂体は、他方の面が前記基板に当接するよう設置され、
    前記第２金属板は、前記基板上の配線パターンに半田付けされることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記樹脂体は、他方の面が前記基板に当接するよう設置され、
    前記延出部は、前記基板まで延びるよう形成され前記基板上の配線パターンに半田付けされる脚部を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記樹脂体は、一方の面が前記基板に当接するよう設置され、
    前記第１金属板は、前記延出部が前記基板上の配線パターンに半田付けされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
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