JP2000353777A - パワー半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
止して電気的信頼性を向上させることができ、主電流経
路のインダクタンスを減少させることによりパワー半導
体素子のスイッチング時のサージ電圧を減少させてパワ
ー半導体素子の誤動作や破壊を防止することができるパ
ワー半導体モジュールを提供する。 【解決手段】 パワー半導体モジュールにおいて、外部
から主電流を入力する外部端子D1、内部のパワー半導
体素子から主電流を出力する外部端子S2、主電流を入
出力する外部端子S1/D2が外装ケースにインサート
成型される。外部端子S1/D2のボンディング領域6
1には外部端子D1、S2のそれぞれのボンディング領
域71が対向して配設されている。外部端子S1/D2
とパワー半導体素子とを接続するボンディングワイヤ5
1に沿って外部端子D1、S2のそれぞれとパワー半導
体素子とを接続するボンディングワイヤ52が配設され
る。
Description
ュール及びその製造方法に関し、パッケージ内にマウン
トされたパワー半導体素子とパッケージ外との間で主電
流の入力、出力のそれぞれを行うための外部端子を有す
るパワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。
の回転制御に使用されている。この種のパワー半導体モ
ジュールは、放熱板を兼ねたベース板上にパワー半導体
素子(半導体チップ)をマウントした回路基板を取り付
け、パワー半導体素子及び回路基板を樹脂ケースで被覆
するパッケージ構造を備えている。パワー半導体モジュ
ールの外部から入力される主電流は外部端子(外部電
極)、回路基板の配線パターンのそれぞれを通してパワ
ー半導体素子のボンディングパッドに入力されている。
逆に、パワー半導体素子のボンディングパッドから出力
される主電流は、回路基板の配線パターン、外部端子の
それぞれを通してパワー半導体モジュールの外部に出力
されている。外部端子はパッケージの樹脂ケースの上蓋
部分に装着される場合が一般的で、この外部端子の一端
側は回路基板の配線パターンに半田で電気的かつ機械的
に接続されており、外部端子の他端側はパッケージの外
部に導出されている。
ては、パワー半導体素子のスイッチング動作による発熱
量が大きいので、回路基板、外部端子のそれぞれの熱膨
張係数の違いから半田接合部に温度サイクルによる繰り
返し応力が生じ、この半田接合部が剥離してしまうとい
う技術的課題があった。
−21674号公報、特開平4−336454号公報の
それぞれにはこのような技術的課題を解決することがで
きる発明が開示されている。すなわち、これらの公開公
報に開示された発明は、外部端子に例えばS字形状のベ
ンド部を設け、このベンド部で温度サイクルに起因する
繰り返し応力を緩和し又吸収させることにより、半田接
合部の剥離を防止することができるものである。
開平9−22973号公報のそれぞれには同様に上記技
術的課題を解決することができる発明が開示されてお
り、これらの公開公報に開示された発明は、パッケージ
の樹脂ケースに外部端子を装着し、この外部端子を回路
基板に半田接合せずに外部端子と回路基板の配線パター
ンとの間をボンディングワイヤで電気的に接続すること
により、ボンディングワイヤで応力を緩和させるもので
ある。
公開公報に開示された発明においては、以下の点につい
て配慮がなされていなかった。
特開平5−21674号公報、特開平4−336454
号公報のそれぞれに開示された、パワー半導体モジュー
ルの外部端子にベンド部を設ける発明においては、隣接
する外部端子の一部を互いに向かい合わせ主電流が互い
に逆方向に流れることを利用して相互インダクタンスを
増加させる手段を併せ持たせてはいるものの、ベンド部
の採用で逆に主電流経路長が長くなってしまうので、配
線インダクタンスが増大してしまう。この主電流経路の
インダクタンスの増大はスイッチング時のサージ電圧
(逆起電力)が大きくなり、パワー半導体素子の誤動作
や破壊を招いてしまうという問題点があった。
係るパワー半導体モジュールにおいては、回路基板の配
線パターンに半田接合を行う接合領域を確保するため
に、外部端子の一端側は折り曲げられ回路パターンに面
接触できるような形状で形成されている。このため、外
部端子の一端側と回路パターンとの接合面積が大きくな
ってしまうので、高密度で外部端子を配設することがで
きず、パッケージサイズが大型になってしまうという問
題点があった。
特開平9−22973号公報のそれぞれに開示された、
パワー半導体モジュールの外部端子と回路基板の配線パ
ターンとの間をボンディングワイヤで接続する発明にお
いては、ボンディングワイヤを自由に引き回すことがで
きるので、外部端子の配置自由度があり、主電流経路長
を短くすることができる利点がある。しかしながら、特
開平9−172139号公報に開示された発明において
は、樹脂ケースの上蓋に外部端子挿入穴を形成し、この
外部端子挿入穴に外部端子を挿入させ装着させており、
特開平9−22973号公報に開示された発明において
は、樹脂ケースに沿って外部端子を成型して予め樹脂ケ
ースに埋設させていたナットに外部端子を固定したりし
なくてはならないので、それぞれの公開公報に開示され
た発明においてはいずれもパッケージ構造が複雑になる
ばかりか、製造プロセス(組立プロセス)が複雑になっ
てしまうという問題点があった。
開示された発明に係るパワー半導体モジュールにおいて
は、外部端子に対向させてダミー電極板を配設すること
により外部端子のインダクタンスを減少させているが、
充分な渦電流を発生させることができず、相互インダク
タンスを期待どおり増加させることができないという問
題点があった。さらに、特開平9−22973号公報に
開示された発明に係るパワー半導体モジュールにおいて
は、隣接する外部端子の一部を互いに対向させて外部端
子間の相互インダクタンスを増加させているが、前述の
ように外部端子を樹脂ケースに固定するパッケージ構造
が複雑で、しかも製造プロセスが複雑になってしまうと
いう問題点があった。
たものである。従って、本発明の第1の目的は、温度サ
イクルで発生する外部端子の接続不良を防止することに
より電気的信頼性を向上させることができ、さらに主電
流経路のインダクタンスを減少させることによりパワー
半導体素子のスイッチング時のサージ電圧を減少させて
パワー半導体素子の誤動作や破壊を防止することができ
るパワー半導体モジュールを提供することである。
第1の目的を達成しつつ、パッケージ内の外部端子の占
有面積を減少させることによりパッケージサイズの小型
化を実現することができるパワー半導体モジュールを提
供することである。
第1の目的又は第2の目的を達成しつつ、1つの外部端
子あたりのサージ電圧の上昇を抑制させることにより、
より一層パワー半導体素子の誤動作や破壊を防止するこ
とができるパワー半導体モジュールを提供することであ
る。
セスを容易に行うことができ、パッケージに対する外部
端子の配設位置精度を向上させることができ、さらに製
造プロセス中(組立プロセス中)のボンディングワイヤ
の損傷を防止することができるパワー半導体モジュール
の製造方法を提供することである。さらに加えて、本発
明の第4の目的は、製造プロセスを容易に行いつつ、パ
ッケージと外部端子との間の位置決めを行う治具をなく
すことにより、製造コストを削減することができるパワ
ー半導体モジュールの製造方法を提供することである。
に、本発明の第1の特徴は、パワー半導体モジュールに
おいて、パワー半導体素子を内部に収納する外装ケース
にインサート成型され、第1ボンディング領域を有し、
外部からパワー半導体素子に主電流を入力するための第
1外部端子と、少なくとも第1外部端子の一部に対向さ
せて外装ケースにインサート成型され、第2ボンディン
グ領域を有し、パワー半導体素子から外部に主電流を出
力するための第2外部端子と、一端が第1ボンディング
領域に電気的に接続され、他端がパワー半導体素子に直
接的に又は間接的に電気的に接続された第1ボンディン
グワイヤと、一端が第2ボンディング領域に電気的に接
続され、第1ボンディングワイヤに沿って他端がパワー
半導体素子に直接的に又は間接的に電気的に接続された
第2ボンディングワイヤとを備えたことである。
ジュールにおいて、「外装ケースにインサート成型され
た第1外部端子及び第2外部端子」とは、好ましくは樹
脂材料で形成される外装ケース内部に一体的に成型され
た第1外部端子及び第2外部端子という意で使用され
る。「少なくとも第1外部端子の一部に対向させた第2
外部端子」とは、互いに逆方向に主電流が流れる第1外
部端子と第2外部端子との間で相互インダクタンスを増
加させることができるように、少なくとも第1外部端子
に対向させて第2外部端子を配設するという意で使用さ
れる。ここで、「少なくとも第1外部端子の一部」と
は、第1外部端子の一部又は第1外部端子の実質的に全
部が第2外部端子の一部に対向する場合、第1外部端子
の一部又は第1外部端子の実質的に全部が第2外部端子
の実質的に全部に対向する場合のいずれもが含まれる。
第1外部端子の第1ボンディング領域、第2外部端子の
第2ボンディング領域はいずれもボンディングを容易に
実施することができるように平坦な領域で形成されてお
り、この双方の平坦な領域を互いに対向配置させること
が好ましい。
半導体モジュールにおいて、「第1ボンディングワイヤ
に沿う第2ボンディングワイヤ」とは、互いに逆方向に
主電流が流れる第1ボンディングワイヤと第2ボンディ
ングワイヤとの間で相互インダクタンスを増加させるこ
とができるように、少なくとも第1ボンディングワイヤ
の一部に並んで少なくとも第2ボンディングワイヤの一
部が配設されるという意で使用される。「第1ボンディ
ングワイヤ又は第2ボンディングワイヤの他端がパワー
半導体素子に直接的に電気的に接続された」とは、ボン
ディングワイヤの他端がパワー半導体素子のボンディン
グパッドに直接ボンディングされる意で使用される。ま
た、「第1ボンディングワイヤ又は第2ボンディングワ
イヤの他端がパワー半導体素子に間接的に電気的に接続
された」とは、ボンディングワイヤの他端がパワー半導
体素子をマウントした回路基板の配線パターンに直接ボ
ンディングされ、この回路基板の配線パターンを通して
ボンディングワイヤの他端がパワー半導体素子のボンデ
ィングバッドに電気的に接続される意で使用される。
に係るパワー半導体モジュールにおいては、外部とパワ
ー半導体素子との間の主電流経路を第1外部端子及び第
1ボンディングワイヤ、又は第2外部端子及び第2ボン
ディングワイヤで構成し、第1ボンディングワイヤ、第
2ボンディングワイヤのそれぞれで温度サイクルにより
生じる応力を減少(或いは吸収)させることができるの
で、外部端子の電気的な接続不良を防止することができ
る。さらに、第1ボンディングワイヤ又は第2ボンディ
ングワイヤで応力を減少させることができる結果、第1
外部端子、第2外部端子のそれぞれに応力緩和用ベンド
部を備える必要がなくなり、第1外部端子、第2外部端
子のそれぞれの主電流経路長を短縮させることができる
ので、第1外部端子、第2外部端子のそれぞれのインダ
クタンスを減少させることができる。さらに、少なくと
も第1外部端子の一部に第2外部端子を対向させ、第1
外部端子、第2外部端子のそれぞれに互いに逆方向にな
るように主電流を流すことができるので、第1外部端子
と第2外部端子との間の相互インダクタンスを増加させ
ることができる。さらに、第1ボンディングワイヤに沿
って第2ボンディングワイヤを形成し、第1ボンディン
グワイヤ、第2ボンディングワイヤのそれぞれに互いに
逆方向になるように主電流を流すことができるので、第
1ボンディングワイヤと第2ボンディングワイヤとの間
の相互インダクタンスを増加させることができる。さら
に、第1外部端子、第2外部端子のそれぞれを外装ケー
スにインサート成型させているので、第1外部端子及び
第2外部端子の外装ケースへの装着構造、すなわちパッ
ケージ構造を簡易にすることができる。さらに、第1外
部端子の少なくとも一部に第2外部端子を対向させて別
途ダミー電源板を必要としないので、インダクタンスを
減少させるための部品点数を削減することができ、パッ
ケージ構造を簡易にすることができる。さらに、第1外
部端子、第2外部端子のそれぞれには比較的占有面積の
大きな半田接合領域がなくなり、比較的占有面積の小さ
なボンディング領域を備えればよいので、さらにパワー
半導体素子を回路基板にマウントする場合にはこの回路
基板に外部端子接続用の半田接合領域がなくなり、比較
的占有面積の小さなボンディング領域を備えればよいの
で、高密度な外部端子の配列を実現することができ、パ
ッケージサイズを小型化することができる。
徴に係るパワー半導体モジュールにおいて、さらに第1
外部端子に第2外部端子の少なくとも一部を重複させて
配設させた(外部端子を多段構造とした)ことである。
ここで、「第2外部端子の少なくとも一部」とは、第2
外部端子の一部並びに全部を含む意で使用される。第1
外部端子、第2外部端子のそれぞれには互いに逆方向の
主電流を流すので、第1外部端子と第2外部端子との間
には絶縁体が配設されることが好ましい。
に係るパワー半導体モジュールにおいては、第1外部端
子の占有面積内の高さ方向の空間を利用して第2外部端
子の少なくとも一部を配設させることができるので、パ
ッケージ内の外部端子の占有面積を減少させることがで
き、パッケージサイズを小型化することができる。
徴又は本発明の第2の特徴に係るパワー半導体モジュー
ルにおいて、第1外部端子を複数に分割し、この複数に
分割された第1外部端子をそれぞれ第1外部端子よりも
低いインダクタンスを有する第1外部結線バスバーによ
り電気的に並列接続し、第2外部端子を複数に分割し、
この複数に分割された第2外部端子をそれぞれ第2外部
端子よりも低いインダクタンスを有する第2外部結線バ
スバーにより電気的に並列接続したことである。
に係るパワー半導体モジュールにおいては、第1外部端
子を複数に分割し、第2外部端子を複数に分割したの
で、1つの外部端子あたりのサージ電圧の上昇を抑制さ
せることができ、より一層パワー半導体素子の誤動作や
破壊を防止することができる。
ュールの製造方法において、(1)パッケージのベース
板上の中央部にパワー半導体素子をマウントする工程
と、(2)ボンディング領域を有し主電流を入力又は出
力するための外部端子がインサート成型された外装ケー
スをベース板上の周辺部に取り付ける工程と、(3)外
部端子のボンディング領域とパワー半導体素子との間を
電気的に接続するためのボンディングワイヤをボンディ
ングする工程とを少なくとも備えたことである。
ー半導体モジュールの製造方法においては、外部端子を
予め外装ケースにインサート成型しているので、ベース
板上の周辺部に外装ケースを取り付けた段階でパッケー
ジに外部端子を装着することができる。すなわち、ベー
ス板上の中央部にパワー半導体素子をマウントし、ベー
ス板上の周辺部に外装ケースを取り付けると同時に外部
端子を装着し、この後にボンディングワイヤをボンディ
ングすることができるので、外部端子の取り付けに伴う
ボンディングワイヤの損傷(変形又は切断)を防止する
ことができる。さらに、外部端子を外装ケースにインサ
ート成型した段階で双方の位置合わせを高い精度で行う
ことができるので、ベース板と外装ケースとの位置合わ
せを行うことでベース板、外装ケース及び外部端子の3
つの部品の位置合わせを同時に行うことができ、位置合
わせ回数を減少させて位置合わせ精度を向上させること
ができる。さらに、ベース板に外装ケースを取り付ける
ことにより、ベース板、外装ケース及び外部端子の組み
立てを行うことができるので、製造工程数を削減するこ
とができ、製造を容易に行うことができる。さらに、外
部端子を外装ケースにインサート成型しているので、外
部端子の装着に治具を使用する必要がなくなり、製造コ
ストを削減することができる。
る「パワー半導体素子」としては、パワーバイポーラト
ランジスタ(BJT)、絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タ(IGBT)、パワーMOSFET、ゲートターンオフ(GTO)サイ
リスタ、電力用静電誘導トランジスタ(SIT)、静電誘導
サイリスタ(SIサイリスタ)等種々の半導体素子が適用
可能である。また、エミッタ・スイッチド・サイリスタ
(EST)等のMOS複合デバイスを、本発明の「パワー半導体
素子」として適用してもかまわない。
施の形態を詳細に説明する。図9は本発明の実施の形態
に係る直流モータの制御システムを示すブロック回路図
である。図9に示すように、本発明の実施の形態に係る
直流モータの制御システムは、直流モータMと、この直
流モータMを駆動するための直流電源DCと、直流モー
タMの正転動作並びに逆転動作を行うための4個のスイ
ッチング素子1〜4とを備えている。
Cからの主電流を入力するための外部端子D1及びスイ
ッチング素子1を通して外部に主電流を出力するための
外部端子S1を備えている。同様に、スイッチング素子
3は、直流電源DCからの主電流を入力するための外部
端子D3及びスイッチング素子3を通して外部に主電流
を出力するための外部端子S3を備えている。また、ス
イッチング素子2は、スイッチング素子3から直流モー
タMを通して主電流を入力するための外部端子D2及び
スイッチング素子2を通して外部の直流電源DCに主電
流を出力するための外部端子S2を備えている。同様
に、スイッチング素子4は、スイッチング素子1から直
流モータMを通して主電流を入力するための外部端子D
4及びスイッチング素子4を通して外部の直流電源DC
に主電流を出力するための外部端子S4を備えている。
ッチング素子3の外部端子D3のそれぞれは電気的に並
列接続され、スイッチング素子2の外部端子S2、スイ
ッチング素子4の外部端子S4のそれぞれは同様に電気
的に並列接続されている。スイッチング素子1の外部端
子S1とスイッチング素子2の外部端子D2との間は同
一電位であり、共通の外部端子S1/D2として使用さ
れている。同様に、スイッチング素子3の外部端子S3
とスイッチング素子4の外部端子D4との間は同一電位
であり、共通の外部端子S3/D4として使用されてい
る。この外部端子S1/D2とS3/D4との間に直流
モータMが電気的に直列に挿入されている。
ング素子1及び2を1つのパワー半導体モジュールM1
で構成し、スイッチング素子3及び4を他の1つのパワ
ー半導体モジュールM2で構成している。
導体モジュールのブロック回路図である。図8に示すよ
うに、パワー半導体モジュールM1は、このモジュール
内で要求される電流容量に合わせるために、スイッチン
グ素子1A及び1Bで形成されたスイッチング素子1
と、スイッチング素子2A及び2Bで形成されるスイッ
チング素子2とで構成されている。スイッチング素子1
A、1Bにはそれぞれ同一電位が印加される(実際には
電気的に並列接続される)外部端子D1及び外部端子S
1(共通の外部端子S1/D2)を備えている。同様
に、スイッチング素子2A、2Bにはそれぞれ同一電位
が印加される(実際には電気的に並列接続される)外部
端子D2(共通の外部端子S1/D2)及び外部端子S
2を備えている。なお、図示並びに説明はしないが、他
のパワー半導体モジュールM2は、基本的にはパワー半
導体モジュールM1と同様の構造を備えている。
転制御動作を説明する。図9において、直流モータMの
正転制御は、図示しない駆動制御回路によりスイッチン
グ素子1及び4を導通状態(オン状態)に、スイッチン
グ素子2及び3を非導通状態(オフ状態)にすることで
行われる。この状態により、直流電源DCからの主電流
i1は外部端子D1、スイッチング素子1、外部端子S
1、直流モータM、外部端子D4、スイッチング素子
4、外部端子S4の順に流れ、直流モータMを正転させ
ることができる。
御回路によりスイッチング素子2及び3を導通状態(オ
ン状態)に、スイッチング素子1及び4を非導通状態
(オフ状態)にすることで行われる。この状態により、
直流電源DCからの主電流i2は外部端子D3、スイッ
チング素子3、外部端子S3、直流モータM、外部端子
D2、スイッチング素子2、外部端子S2の順に流れ、
直流モータMを逆転させることができる。
の詳細な構造を説明する。なお、パワー半導体モジュー
ルM2は基本的にはパワー半導体モジュールM1と同様
の構造を備えているので、ここでの説明は省略する。図
2は本発明の実施の形態に係るパワー半導体モジュール
M1の封止蓋を取り除いた状態の平面構成図、図3は図
2に示すパワー半導体モジュールM1のF3−F3切断
線で切った断面構成図、図4は図2に示すパワー半導体
モジュールM1のF4−F4切断線(F3−F3切断線
と同一切断線)で切ったパッケージ自体の断面構成図で
ある。
モジュールM1は、パワー半導体素子11,12,21
及び22を内部に収納する外装ケース31にインサート
成型され、ボンディング領域71を有し、外部からパワ
ー半導体素子11,12のそれぞれに主電流i1を入力
するための外部端子(主電流用外部端子)D1と、少な
くとも外部端子D1の一部に対向させて外装ケース31
にインサート成型され、ボンディング領域61を有し、
パワー半導体素子11,12のそれぞれから外部に主電
流i1を出力するための外部端子(主電流用外部端子)
S1(S1/D2)と、一端が外部端子D1のボンディ
ング領域71に電気的に接続され、他端がパワー半導体
素子11,12のそれぞれに間接的に電気的に接続され
たボンディングワイヤ52と、一端がボンディング領域
61に電気的に接続され、ボンディングワイヤ52に沿
って他端がパワー半導体素子11,12のそれぞれに間
接的に電気的に接続されたボンディングワイヤ51とを
備えている。さらに、パワー半導体モジュールM1は、
パワー半導体素子11,12,21及び22を内部に収
納する外装ケース31にインサート成型され、ボンディ
ング領域61を有し、外部からパワー半導体素子21,
22のそれぞれに主電流i2を入力するための外部端子
(主電流用外部端子)D2(S1/D2)と、少なくと
も外部端子D2の一部に対向させて外装ケース31にイ
ンサート成型され、ボンディング領域71を有し、パワ
ー半導体素子21,22のそれぞれから外部に主電流i
2を出力するための外部端子(主電流用外部端子)S2
と、一端が外部端子D2のボンディング領域61に電気
的に接続され、他端がパワー半導体素子21,22のそ
れぞれに間接的に電気的に接続されたボンディングワイ
ヤ51と、一端がボンディング領域71に電気的に接続
され、ボンディングワイヤ51に沿って他端がパワー半
導体素子21,22のそれぞれに間接的に電気的に接続
されたボンディングワイヤ52とを備えている。
は、ベース板30と、このベース板30上の周辺部分に
取り付けられた前述の外装ケース31と、ベース板30
及び外装ケース31で形成される内部空間を封止するよ
うに外装ケース31の上側に取り付けられた封止蓋33
とを備えている。
2,21及び22のスイッチング動作で発生する熱をパ
ッケージ外部に放出するための放熱板を兼ねており、例
えば熱伝達性の良好な銅(Cu)板で形成されることが好
ましい。
上の中央部分には回路基板40が取り付けられており、
この回路基板40上にはパワー半導体素子11,12,
21及び22がマウントされている。本発明の実施の形
態に係る回路基板40は、例えば、アルミナ(Al2O3)、
窒化アルミニウム(AlN)等のセラミックス材料で形成
された絶縁基板42と、この絶縁基板42の表面上に例
えばメタライズ層として形成された配線パターン41
と、絶縁基板42の裏面上に例えばメタライズ層として
形成された裏面配線パターン43と、図示しないが絶縁
基板42の厚さ方向に形成され配線パターン41と裏面
配線パターン43との間を電気的に接続するスルーホー
ル配線とを備えている。回路基板40はベース板30上
に接着体46、例えば半田により取り付けられ固定され
ている。
体素子11,12,21及び22のそれぞれは、例えば
単結晶シリコンチップに形成されたバイポーラトランジ
スタ(BJT)で構成されている。すなわち、パワートラン
ジスタ(パワーBJT)の場合には、パワーBJTの第1及び
第2の主電極間、即ち、コレクタ電極とエミッタ電極と
の間に主電流(コレクタ−エミッタ間電流)i1又はi
2が流れ、この主電流i1又はi2の流れは図示しない
駆動制御回路から入力されるベース電流により制御され
るようになっている。
スイッチング素子1Aに対応し、パワー半導体素子12
はスイッチング素子1Bに対応し、パワー半導体素子2
1はスイッチング素子2Aに対応し、そしてパワー半導
体素子22はスイッチング素子2Bに対応するようにな
っている。パワー半導体素子11,12,21及び22
のそれぞれは回路基板40の所定の配線パターン41上
に接着体45、例えば半田により電気的にかつ機械的に
接続されている。
線パターン41上(パワー半導体素子11がマウントさ
れた同一配線パターン41上)にはダイオード素子15
がマウントされている。ダイオード素子15は、パワー
半導体素子11の第1及び第2の主電極間に、例えばパ
ワーBJTのコレクタ電極とエミッタ電極との間(主電極
間)に、電気的に並列にかつ逆方向に挿入されており、
保護素子として使用される。同様に、パワー半導体素子
12の近傍の配線パターン41上にはダイオード素子1
6がマウントされ、パワー半導体素子21の近傍の配線
パターン41上にはダイオード素子25がマウントさ
れ、パワー半導体素子22の近傍の配線パターン41上
にはダイオード素子26がマウントされている。これら
のダイオード素子15,16,25及び26のそれぞれ
には例えば単結晶シリコンからなるフリーホイールダイ
オードを使用することが好ましい。
12,21及び22、ダイオード素子15,16,25
及び26、回路基板40のそれぞれの周囲を取り囲む枠
体として形成されており、この外装ケース31には前述
のように外部端子D1、S1/D2、S2のそれぞれが
インサート成型されている。すなわち、外部端子D1、
S1/D2、S2のそれぞれは外装ケース31を成型す
る際にこの外装ケース31内部に一体的に作り込まれ
る。外装ケース31は例えば樹脂、詳細にはポリフェニ
レン・サルファイド(PPS:polyphenylenesulfide)樹脂
等で形成されることが好ましい。
導体モジュールM1の外部端子D1、S1/D2、S2
部分の拡大斜視図である。さらに図5(A)は外部端子
S1/D2の正面図、図5(B)は外部端子S1/D2
の上面図、図5(C)は外部端子S1/D2の側面図、
図6(A)は外部端子D1又はS2の正面図、図6
(B)は外部端子D1又はS2の上面図、図6(C)は
外部端子D1又はS2の側面図である。
うに、外部端子S1/D2は、回路基板40の回路パタ
ーン41の表面と実質的に平行になるような平坦面を有
する板状のボンディング領域61と、ボンディング領域
61に一体に形成され、ボンディング領域61の中央部
分から上方にパッケージ外部まで(封止蓋33よりも高
く)引き伸ばされた板状の導出部62と、導出部62の
上部に配設された貫通穴63とを備えている。ボンディ
ング領域61、導出部62のそれぞれは、一枚の板材を
双方の輪郭に沿って切断加工したものをボンディング領
域61と導出部62とでL字型形状になるように成型さ
れたものである。外部端子S1/D2のうち導出部62
の下側が外装ケース31にインサート成型される。外部
端子S1/D2には例えば電気伝導性の良好な銅(Cu)
板を使用することができ、この銅(Cu)板の表面にはボ
ンダビリティを向上させるためのニッケル(Ni)めっき層
が形成されている。
示すように、外部端子D1、S2のそれぞれは、外部端
子S1/D2と同様に、回路基板40の回路パターン4
1の表面と実質的に平行になるような平坦面を有する板
状のボンディング領域71と、ボンディング領域71に
一体に形成され、ボンディング領域71の一端部分から
上方にパッケージ外部まで(封止蓋33よりも高く)引
き伸ばされた板状の導出部72と、導出部72の上部に
配設された貫通穴73とを備えている。ボンディング領
域71、導出部72のそれぞれは、一枚の板材を双方の
輪郭に沿って切断加工したものをボンディング領域71
と導出部72とでL字型形状になるように成型されたも
のである。外部端子D1、S2のそれぞれの導出部72
の下側が外装ケース31にインサート成型される。外部
端子D1、S2にはいずれにも例えば電気伝導性の良好
な銅(Cu)板を使用することができ、この銅(Cu)板の表
面にはボンダビリティを向上させるためのニッケル(Ni)
めっき層が形成されている。
部端子S1/D2のボンディング領域61の一端側の約
半分(図1中、右側半分)の領域上に双方のボンディン
グ領域71と61とが対向するように配設されている。
すなわち、外部端子D1のボンディング領域71と外部
端子S1/D2のボンディング領域61とは双方を重複
させて配設させた多段構造で構成されている。外部端子
D1に流れる主電流i1は外部端子S1/D2に流れる
主電流i1に対して逆方向になるように設定されてお
り、外部端子D1と外部端子S1/D2との間の相互イ
ンダクタンスZ1を増加させることができるようになっ
ている。同様に、外部端子S2のボンディング領域71
は外部端子S1/D2のボンディング領域61の他端側
の約半分(図1中、左側半分)の領域上に双方のボンデ
ィング領域71と61とが対向するように配設されてい
る(多段構造で構成されている)。外部端子S2に流れ
る主電流i2は外部端子S1/D2に流れる主電流i2
に対して逆方向になるように設定されており、外部端子
S2と外部端子S1/D2との間の相互インダクタンス
Z1を増加させることができるようになっている。
部端子S1/D2のボンディング領域61との間、外部
端子S2のボンディング領域71と外部端子S1/D2
のボンディング領域61との間には、図3及び図4に示
すように、絶縁体32が配設され、双方の間は電気的に
絶縁されている。絶縁体32には、例えばポリブチレン
・テレフタレート(PBT:polybutylene terephthalat
e)、PPS等の絶縁性樹脂を実用的に使用することができ
る。
ルM1においては、外部端子D1のボンディング領域7
1及び導出部72と外部端子S1/D2のボンディング
領域61及び導出部62との間の実質的に全域を対向さ
せ、外部端子S2のボンディング領域71及び導出部7
2と外部端子S1/D2のボンディング領域61及び導
出部62との間の実質的に全域を対向させて、最大限に
相互インダクタンスZ1を増加させるように構成するこ
とができる。
子D1は複数(本発明の実施の形態においては2個)に
分割されており、スイッチング素子1A(パワー半導体
素子11)の外部端子D1、スイッチング素子1B(パ
ワー半導体素子12)の外部端子D1のそれぞれとして
互いに対向する位置(図2中、上下に、図3中、左右
に)配設されている。同様に、外部端子S1/D2は複
数に分割されており、スイッチング素子1A(パワー半
導体素子11)の外部端子S1又はスイッチング素子2
A(パワー半導体素子21)の外部端子D2、スイッチ
ング素子1B(パワー半導体素子12)の外部端子S1
又はスイッチング素子2B(パワー半導体素子22)の
外部端子D2のそれぞれとして互いに対向する位置(図
2中、上下に、図3中、左右に)配設されている。外部
端子S2は複数に分割されており、スイッチング素子2
A(パワー半導体素子21)の外部端子S2、スイッチ
ング素子2B(パワー半導体素子22)の外部端子S2
のそれぞれとして互いに対向する位置(図2中、上下
に、図3中、左右に)配設されている。
ぞれの導出部72の上側は封止蓋33上でこの封止蓋3
3の上面に沿って折り曲げられ(成型され)、それぞれ
折り曲げられた導出部72はそれに比べて低いインダク
タンスを有する外部結線バスバー55により電気的に接
続されている。同様に、分割された複数の外部端子S1
/D2のそれぞれの導出部62の上側は封止蓋33上で
この封止蓋33の上面に沿って折り曲げられ、それぞれ
折り曲げられた導出部62はそれに比べて低いインダク
タンスを有する外部結線バスバー55により電気的に接
続されている。さらに、分割された複数の外部端子S2
のそれぞれの導出部72の上側は封止蓋33上でこの封
止蓋33の上面に沿って折り曲げられ、それぞれ折り曲
げられた導出部72はそれに比べて低いインダクタンス
を有する外部結線バスバー55により電気的に接続され
ている。
1と回路基板40の配線パターン41との間はボンディ
ングワイヤ51で電気的に接続されており、外部端子S
1/D2はこのボンディングワイヤ51、配線パターン
41のそれぞれを通してパワー半導体素子11,12,
21及び22のそれぞれのボンディングパッド(図示し
ない)に電気的に接続されている。つまり、外部端子S
1/D2とパワー半導体素子11,12,21及び22
のそれぞれとの間の主電流経路はボンディングワイヤ5
1及び配線パターン41により確保されている。同様
に、外部端子D1のボンディング領域71と回路基板4
0の配線パターン41との間はボンディングワイヤ52
で電気的に接続されており、外部端子D1はこのボンデ
ィングワイヤ52、配線パターン41のそれぞれを通し
てパワー半導体素子11,12のそれぞれのボンディン
グパッドに電気的に接続されている。外部端子D1とパ
ワー半導体素子11,12のそれぞれとの間の主電流経
路はボンディングワイヤ52及び配線パターン41によ
り確保されている。外部端子S2のボンディング領域7
1と回路基板40の配線パターン41との間はボンディ
ングワイヤ52で電気的に接続されており、外部端子S
2はこのボンディングワイヤ52、配線パターン41の
それぞれを通してパワー半導体素子21,22のそれぞ
れのボンディングパッドに電気的に接続されている。外
部端子S2とパワー半導体素子21,22のそれぞれと
の間の主電流経路はボンディングワイヤ52及び配線パ
ターン41により確保されている。
1に接続されたボンディングワイヤ51に対して、外部
端子D1のボンディング領域72に接続されたボンディ
ングワイヤ52は、相互インダクタンスZ2を増加させ
ることができるように、ほぼ平行な軌跡を有するように
配設されている。同様に、外部端子S1/D2のボンデ
ィング領域61に接続されたボンディングワイヤ51に
対して、外部端子S2のボンディング領域72に接続さ
れたボンディングワイヤ52は、相互インダクタンスZ
2’を増加させることができるように、ほぼ平行な軌跡
を有するように配設されている。ボンディングワイヤ5
1、52そして前述したボンディングワイヤ50には例
えばアルミニウム(Al)ワイヤを実用的に使用すること
ができる。
(B)及び図7(C)に示すように、パワー半導体モジ
ュールM1の外装ケース31には駆動回路接続用外部端
子G1〜G3がインサート成型されている。図7(A)
は本発明の実施の形態に係る外部端子G1〜G3の正面
図、図7(B)は外部端子G1〜G3の上面図、図7
(C)は外部端子G1〜G3の側面図である。基本的に
は、外部端子D1、S1/D2、S2のそれぞれと同様
な構造を備えており、外部端子G1〜G3のそれぞれは
ボンディング領域81及び導出部82を備えている。外
部端子G1〜G3のそれぞれはボンディングワイヤ50
及び回路基板40の配線パターン41を通してパワー半
導体素子11,12,21及び22のいずれかのボンデ
ィングパッドに電気的に接続されており、パワーBJTの
制御信号を供給するようになっている。
に係るパワー半導体モジュールM1においては、以下の
ような効果を得ることができる。
のそれぞれとの間の主電流経路を外部端子D1及びボン
ディングワイヤ52で、外部とパワー半導体素子11,
12,21及び22のそれぞれとの間の主電流経路を外
部端子S1/D2及びボンディングワイヤ51で、外部
とパワー半導体素子21,22のそれぞれとの間の主電
流経路を外部端子S2及びボンディングワイヤ52で各
々確保し、ボンディングワイヤ51、52のそれぞれで
温度サイクルにより生じる応力を減少(或いは吸収)さ
せることができ、半田接合部の剥離の要因を根本的にな
くすことができるので、外部端子D1、S1/D2、S
2のそれぞれの電気的な接続不良をなくすことができ
る。
れぞれで応力を減少させることができる結果、外部端子
D1、S1/D2、S2のそれぞれに応力緩和用ベンド
部を備える必要がなくなり、外部端子D1、S1/D
2、S2のそれぞれの主電流経路長を短くすることがで
きるので、外部端子D1、S1/D2、S2のそれぞれ
のインダクタンスを減少させることができる。
1、S2のそれぞれを対向させ、外部端子S1/D2に
流れる主電流と外部端子D1、S2のそれぞれに流れる
主電流とを逆方向にすることができるので、外部端子S
1/D2と外部端子D1、S2のそれぞれとの間の相互
インダクタンスを増加させることができる。
ンディングワイヤ52を形成し、ボンディングワイヤ5
1、52のそれぞれに互いに逆方向になるように主電流
を流すことができるので、ボンディングワイヤ51、5
2のそれぞれの間の相互インダクタンスを増加させるこ
とができる。
それぞれを外装ケース31にインサート成型させたの
で、外部端子D1、S1/D2、S2のそれぞれの外装
ケース31への装着構造、すなわちパッケージ構造を簡
易にすることができる。
領域61に外部端子D1、S2のそれぞれのボンディン
グ領域71を対向させて別途ダミー電源板を必要としな
いので、インダクタンスを減少するための部品点数を削
減することができ、パッケージ構造を簡易にすることが
できる。
それぞれには比較的占有面積の大きな半田接合領域がな
くなり、比較的占有面積の小さなボンディング領域6
1、71を備えればよいので、さらにパワー半導体素子
11,12,21及び22のそれぞれを回路基板40に
マウントする場合にはこの回路基板40に外部端子接続
用の半田接合領域がなくなり、比較的占有面積の小さな
ボンディング領域(配線パターン41)を備えればよい
ので、高密度な外部端子D1、S1/D2、S2の配列
を実現することができ、パッケージサイズを小型化する
ことができる。
高さ方向の空間を利用して外部端子D1、S2のそれぞ
れを配設させることができるので、パッケージ内の外部
端子D1、S1/D2及びS2の占有面積を減少させる
ことができ、パッケージサイズを小型化することができ
る。
それぞれを複数に分割したので、分割された1つの外部
端子あたりのサージ電圧の上昇を抑制させることがで
き、より一層パワー半導体素子11,12,21及び2
2の誤動作や破壊を防止することができる。
の製造方法(組立方法)を簡単に説明する。図10
(A)、図10(B)、図11(A)、図11(B)及
び図12は本発明の実施の形態に係るパワー半導体モジ
ュールM1の製造方法を説明するための工程断面図であ
る。
回路基板40の配線パターン41上にパワー半導体素子
21,22、ダイオード素子25,26のそれぞれをマ
ウントする。なお、図面においてはパワー半導体素子1
1,12、ダイオード素子15,16のそれぞれは示さ
れていないが、前述の図2に示すようにこれらの素子は
同様にマウントされる。これらの素子のマウントには接
着体45が使用される。
ベース板30上の中央部分に、図10(A)において複
数の素子をマウントした回路基板40を取り付ける。回
路基板40の取り付けには接着体46が使用される。
に、外部端子D1、S1/D2、S2、外部端子G1〜
G3のそれぞれがインサート成型された外装ケース31
をベース板30上の周辺部分に取り付ける。外部端子D
1、S1/D2、S2、外部端子G1〜G3のそれぞれ
は外装ケース31に予めインサート成型されているで、
外装ケース31をベース板30に取り付けた段階でベー
ス板30への外部端子D1、S1/D2、S2、外部端
子G1〜G3のそれぞれの装着を完了させることができ
る。
に、外部端子S1/D2と回路基板40の配線パターン
41との間にボンディングワイヤ51を、外部端子D1
と配線パターン41との間にボンディングワイヤ52
を、外部端子S1と配線パターン41との間にボンディ
ングワイヤ52を、外部端子G1〜G3のそれぞれと配
線パターン41との間にボンディングワイヤ50を、配
線パターン41とパワー半導体素子11,12,21及
び22、ダイオード素子15,16,25及び26のそ
れぞれとの間にボンディングワイヤ50をそれぞれボン
ディングする。
止蓋33を取り付け、図12に示すように外部端子D
1、S2のそれぞれの導出部72の上側、外部端子S1
/D2の導出部62の上側をそれぞれ折り曲げる。
ように、外部結線バスバー55を取り付けることによ
り、本発明の実施の形態に係るパワー半導体モジュール
M1が完成する。
ー半導体モジュールM1の製造方法においては、以下の
効果を得ることができる。
を予め外装ケース31にインサート成型しているので、
ベース板30上の周辺部に外装ケース31を取り付けた
段階でパッケージに外部端子D1、S1/D2、S2を
装着することができる。すなわち、ベース板30上の中
央部分にパワー半導体素子11,12,21及び22を
マウントし、ベース板3上の周辺部に外装ケース31を
取り付けると同時に外部端子D1、S1/D2、S2を
装着し、この後にボンディングワイヤ50〜52をボン
ディングすることができるので、外部端子D1、S1/
D2、S2の取り付けに伴うボンディングワイヤ50〜
52の変形や切断を防止することができる。
を外装ケース31にインサート成型した段階で双方の位
置合わせを高い精度で行うことができるので、ベース板
30と外装ケース31との位置合わせを行うことでベー
ス板30、外装ケース31及び外部端子D1、S1/D
2、S2の3つの部品の位置合わせを同時に行うことが
でき、位置合わせ回数を減少させて位置合わせ精度を向
上させることができる。
り付けることにより、ベース板30、外装ケース31及
び外部端子D1、S1/D2、S2の組み立てを行うこ
とができるので、製造工程数を削減することができ、製
造を容易に行うことができる。
1/D2、S2のそれぞれがインサート成型されている
ので、外部端子を取り付ける際に別途位置決めを行うた
めの治具が必要でなくなる。
す論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解
すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実
施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
制御システムに組み込まれたパワー半導体モジュールに
ついて説明したが、本発明は交流モータの制御システム
に組み込まれるパワー半導体モジュールに応用すること
ができる。そしてより、一般的には、モータの制御シス
テム以外のインバータやコンバータ等の種々の電力制御
システムにも適用可能である。
は、パワー半導体素子は、便宜上パワーBJTであるとし
て例示したが、パワーBJTの代わりにGTOサイリスタを用
いても良い。或いは、これらの電流駆動型のパワー半導
体素子の代わりに、パワーMOSFET、IGBT、パワ−SIT、S
IサイリスタやMOS複合デバイス等の電圧駆動型のパワー
半導体素子を用いても良い。ノーマリオフ型のパワーSI
T(BSIT)やSIサイリスタでは、バイアス条件により電流
駆動型でも、電圧駆動型でも動作させることが可能であ
る。また、半導体材料は、シリコン(Si)に限られず、炭
化珪素(SiC)やガリウム砒素(GaAs)等他の半導体材料が
使用できることは勿論である。
は、パワー半導体モジュールの外部端子を回路基板の配
線パターンを介在させて間接的にパワー半導体素子のボ
ンディングパッドに接続したが、外部端子とパワー半導
体素子のボンディングパッドとの間を直接的にボンディ
ングワイヤで接続してもよい。
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従っ
て、本発明の技術的範囲は上記の妥当な特許請求の範囲
に係る発明特定事項によってのみ定められるものであ
る。
する外部端子の接続不良を防止することにより電気的信
頼性を向上させることができ、さらに主電流経路のイン
ダクタンスを減少させることによりパワー半導体素子の
スイッチング時のサージ電圧を減少させてパワー半導体
素子の誤動作や破壊を防止することができるパワー半導
体モジュールを提供することことができる。
の効果に加えて、パッケージ内の外部端子の占有面積を
減少させることによりパッケージサイズの小型化を実現
することができるパワー半導体モジュールを提供するこ
とができる。
の効果又は第2の効果に加え、1つの外部端子あたりの
サージ電圧の上昇を抑制することにより、より一層パワ
ー半導体素子の誤動作や破壊を防止することができるパ
ワー半導体モジュールを提供することができる。
を容易に行うことができ、パッケージに対する外部端子
の配設位置精度を向上させることができ、さらに製造プ
ロセス中(組立プロセス中)のボンディングワイヤの損
傷を防止することができるパワー半導体モジュールの製
造方法を提供することができる。さらに加えて、本発明
は、製造プロセスを容易に行いつつ、パッケージと外部
端子との間の位置決めを行う治具をなくすことにより、
製造コストを削減することができるパワー半導体モジュ
ールの製造方法を提供することができる。
ールの外部端子部分の拡大斜視図である。
ールの封止蓋を取り除いた状態の平面構成図である。
ールの断面構成図(F3−F3切断線で切った断面構成
図)である。
ールのパッケージ自体の断面構成図(F4−F4切断線
で切った断面構成図)である。
体モジュールの外部端子の正面図、(B)はこの外部端
子の上面図、(C)はこの外部端子の側面図である。
体モジュールの外部端子の正面図、(B)はこの外部端
子の上面図、(C)はこの外部端子の側面図である。
体モジュールの外部端子の正面図、(B)はこの外部端
子の上面図、(C)この外部端子の側面図である。
ールのブロック回路図である。
ステムを示すブロック回路図である。
態に係るパワー半導体モジュールの製造方法を説明する
ための工程断面図(その1)である。
態に係るパワー半導体モジュールの製造方法を説明する
ための工程断面図(その2)である。
ュールの製造方法を説明するための工程断面図(その
3)である。
Claims (4)
- 【請求項1】 パワー半導体素子を内部に収納する外装
ケースにインサート成型され、第1ボンディング領域を
有し、外部から前記パワー半導体素子に主電流を入力す
るための第1外部端子と、 少なくとも前記第1外部端子の一部に対向させて前記外
装ケースにインサート成型され、第2ボンディング領域
を有し、前記パワー半導体素子から外部に主電流を出力
するための第2外部端子と、 一端が前記第1ボンディング領域に電気的に接続され、
他端が前記パワー半導体素子に直接的に又は間接的に電
気的に接続された第1ボンディングワイヤと、 一端が前記第2ボンディング領域に電気的に接続され、
前記第1ボンディングワイヤに沿って他端が前記パワー
半導体素子に直接的に又は間接的に電気的に接続された
第2ボンディングワイヤとを備えたことを特徴とするパ
ワー半導体モジュール。 - 【請求項2】 前記第1外部端子に第2外部端子の少な
くとも一部を重複して配設させたことを特徴とする請求
項1に記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項3】 前記第1外部端子は複数に分割され、こ
の複数に分割された第1外部端子はそれぞれ第1外部端
子よりも低いインダクタンスを有する第1外部結線バス
バーにより電気的に並列接続され、 前記第2外部端子は複数に分割され、この複数に分割さ
れた第2外部端子はそれぞれ第2外部端子よりも低いイ
ンダクタンスを有する第2外部結線バスバーにより電気
的に並列接続されたことを特徴とする請求項1又は請求
項2に記載のパワー半導体モジュール。 - 【請求項4】 少なくとも下記工程(1)乃至工程
(3)を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュー
ルの製造方法。 (1)パッケージのベース板上の中央部にパワー半導体
素子をマウントする工程 (2)ボンディング領域を有し主電流を入力又は出力す
るための外部端子がインサート成型された外装ケースを
前記ベース板上の周辺部に取り付ける工程 (3)前記外部端子のボンディング領域とパワー半導体
素子との間を電気的に接続するためのボンディングワイ
ヤをボンディングする工程
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