JP2011114176A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワー半導体装置に関し、特にMOSFETやIGBTなどの1個あるいは複数個のパワー半導体素子を内蔵して、モータなどの負荷を制御するパワー半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device that incorporates one or a plurality of power semiconductor elements such as MOSFETs and IGBTs and controls a load such as a motor.
パワー半導体素子は、モータなどの大きな負荷を制御するために、制御する電流が大きく、そのために自己発熱が大きい。したがって、パワー半導体素子を収納するパワー半導体装置は、パワー半導体素子の放熱を考慮する必要がある。 Since the power semiconductor element controls a large load such as a motor, the current to be controlled is large, and thus the self-heating is large. Therefore, the power semiconductor device that houses the power semiconductor element needs to consider heat dissipation of the power semiconductor element.
従来のパワー半導体装置におけるパワー半導体素子は、絶縁基板上に搭載され、絶縁基板は金属板に接合されて、ケースに収納される。パワー半導体素子の上面電極には、複数のボンディングワイヤが接続され、ボンディングワイヤのもう一端は、絶縁基板上の配線あるいはケースに取り付けられた電極に接続される。一方、パワー半導体素子の裏面電極は、絶縁基板上の配線にはんだ接合されて搭載される。パワー半導体装置は、金属板表面でグリースなどを介して冷却器に取り付けられ、パワー半導体素子の発熱は、はんだ、絶縁基板、金属板を通って、冷却器によって放熱される。 A power semiconductor element in a conventional power semiconductor device is mounted on an insulating substrate, and the insulating substrate is bonded to a metal plate and stored in a case. A plurality of bonding wires are connected to the upper surface electrode of the power semiconductor element, and the other end of the bonding wire is connected to a wiring on the insulating substrate or an electrode attached to the case. On the other hand, the back electrode of the power semiconductor element is mounted by soldering to the wiring on the insulating substrate. The power semiconductor device is attached to the cooler through grease or the like on the surface of the metal plate, and the heat generated by the power semiconductor element is dissipated by the cooler through the solder, the insulating substrate, and the metal plate.
また、パワー半導体素子を動作させるための電圧を供給するため、パワー半導体素子の上面電極と同一平面上に制御電極が設けられており、上記と同様にボンディングワイヤで基板上の配線あるいはケースに取り付けられた電極に接続される。大電流が流れる配線あるいは電極と制御用の配線あるいは電極は同一の基板表面上あるいはケース表面上に設けられることが多い。 In addition, in order to supply a voltage for operating the power semiconductor element, a control electrode is provided on the same plane as the upper surface electrode of the power semiconductor element. Connected to the connected electrode. A wiring or electrode through which a large current flows and a control wiring or electrode are often provided on the same substrate surface or case surface.
パワー半導体素子は、MOSFETやIGBTといった素子が大きな電流を制御する用途では多用されており、パワー半導体装置によって数Aから数百A程度の電流を制御する。このために、パワー半導体装置の冷却性能を向上するために、例えば、特許文献1に記載のパワー半導体装置がある。
Power semiconductor elements are widely used in applications in which elements such as MOSFETs and IGBTs control large currents, and currents of several A to several hundreds A are controlled by a power semiconductor device. For this reason, in order to improve the cooling performance of the power semiconductor device, for example, there is a power semiconductor device described in
特許文献1では、コレクタ電極ならびに制御電極と同一面に形成されたエミッタ電極を有する複数のパワー半導体素子を備え、これらのパワー半導体素子を挟むように設けられ、挟む側の面に半導体チップの電極に接合するための電極パターンが配設された高熱伝導性絶縁基板があり、高放熱伝導性基板の電極パターンと半導体素子の電極をロウ付けにより接合している。
In
従来のパワー半導体装置は、パワー半導体素子の表裏を挟み込むように絶縁基板を設けるため、組立のばらつきによって絶縁基板の表面の平行度が悪化する。特に、特許文献1に記載されるように、絶縁基板に窒化アルミニウムなどのセラミックスを用いる場合、絶縁基板が非常に硬いため、その表面に冷却器を取り付ける際に片当たりが発生し、半導体素子の局部に過大な力が加わりこれらを破壊する恐れがある。また、破壊に至らないまでも、冷却器と絶縁基板の間に大きな隙間が発生するため、グリース層が厚くなり放熱性能が悪化する。
In the conventional power semiconductor device, since the insulating substrate is provided so as to sandwich the front and back of the power semiconductor element, the parallelism of the surface of the insulating substrate is deteriorated due to variation in assembly. In particular, as described in
また、上下2枚の絶縁基板の間に樹脂を充填する場合、樹脂と絶縁基板との間が密着していないと、高い電圧がパワー半導体素子に加わるような場合には絶縁破壊を招く恐れがある。ここで、一般的にセラミックスと樹脂との接着性は良くないため、このような事態が生じやすい。また、セラミックスと樹脂とは熱膨張差が大きいため、熱膨張により接着面に大きな熱応力が発生し、そのまま冷熱サイクルが繰り返されると絶縁基板と樹脂との間で剥がれが発生し、絶縁性が劣化してしまうという問題があった。 In addition, when a resin is filled between two upper and lower insulating substrates, if the resin and the insulating substrate are not in close contact with each other, there is a risk of causing dielectric breakdown when a high voltage is applied to the power semiconductor element. is there. Here, since the adhesiveness between ceramics and resin is generally not good, such a situation is likely to occur. In addition, since the thermal expansion difference between ceramics and resin is large, a large thermal stress is generated on the bonding surface due to thermal expansion, and if the cooling and heating cycle is repeated as it is, peeling occurs between the insulating substrate and the resin, and the insulating property is reduced. There was a problem of deterioration.
本発明は、上記のような問題を解決すべくなされたものであり、放熱性能、絶縁性能の劣化を抑制するパワー半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor device that suppresses deterioration of heat dissipation performance and insulation performance.
本発明にかかるパワー半導体装置は、第1パワー半導体素子と、前記第1パワー半導体素子を挟んで配置された一対の第1金属部材と、前記一対の第1金属部材を挟んで一対の放熱板上に積層された一対の絶縁層と、少なくとも前記第1パワー半導体素子と、前記一対の第1金属部材と、前記一対の絶縁層とを覆って充填された充填樹脂とを備え、前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、熱膨張率が略等しい。 A power semiconductor device according to the present invention includes a first power semiconductor element, a pair of first metal members disposed with the first power semiconductor element interposed therebetween, and a pair of heat sinks with the pair of first metal members interposed therebetween. A pair of insulating layers stacked thereon, at least the first power semiconductor element, the pair of first metal members, and a filling resin filled to cover the pair of insulating layers, The insulating layer and the filling resin have substantially the same coefficient of thermal expansion.
本発明にかかるパワー半導体装置によれば、第1パワー半導体素子と、前記第1パワー半導体素子を挟んで配置された一対の第1金属部材と、前記一対の第1金属部材を挟んで一対の放熱板上に積層された一対の絶縁層と、少なくとも前記第1パワー半導体素子と、前記一対の第1金属部材と、前記一対の絶縁層とを覆って充填された充填樹脂とを備え、前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、熱膨張率が略等しいことにより、十分な放熱性能を有し、かつ、絶縁層と充填樹脂との熱膨張差により剥がれが発生し絶縁性が劣化することを抑制することができる。 According to the power semiconductor device of the present invention, the first power semiconductor element, the pair of first metal members disposed with the first power semiconductor element interposed therebetween, and the pair of the first metal members sandwiched between the pair of first metal members. A pair of insulating layers stacked on a heat sink, at least the first power semiconductor element, the pair of first metal members, and a filled resin filled to cover the pair of insulating layers, The pair of insulating layers and the filling resin have substantially the same thermal expansion coefficient, so that they have sufficient heat dissipation performance, and peeling occurs due to a difference in thermal expansion between the insulating layer and the filling resin, resulting in deterioration of insulation. This can be suppressed.
<A.実施の形態1>
<A−1.構成>
本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1を説明するためのパワー半導体装置の断面模式図である。図1に示すように第1パワー半導体素子としてのパワー半導体素子1(図1では、2個内蔵の場合を示している)は、第1の電極としてのコレクタ電極2と、第2の電極としてのエミッタ電極3とを有しており、これらの電極はパワー半導体素子1の表裏面に形成される。
<A.
<A-1. Configuration>
エミッタ電極3側には、パワー半導体素子1を駆動するために必要な電力を供給するための制御電極4が備えられる。コレクタ電極2は、第1の金属ブロックとしての金属ブロック5にはんだ層1001を介して接合され、金属ブロック5は一対の第1金属部材の一方である金属部材6にはんだ層1001を介して電気的に接合される。
On the
一方、エミッタ電極3上側には、金属ブロック5よりも一回り面積が小さい第2の金属ブロックとしての金属ブロック7がはんだ層1001を介して接合され、さらに、金属ブロック7上部は、一対の第1金属部材の他方である金属部材8にはんだ層1001を介して接合される。
On the other hand, a
パワー半導体装置101は、上下一対の金属板、すなわち放熱板としての金属板11aおよび金属板11bに挟まれ、金属板11a、11bのパワー半導体素子1とは反対側の表面111、121が、装置外部に露出した構造となっている。露出面と反対側の面(パワー半導体素子1側の面)には絶縁層12a、12bが貼り付けられており、絶縁層12a、12bに一対の金属部材6、8、および第2金属部材である金属部材1002が取り付けられる。
The
パワー半導体装置101は、上記した各部位が、上下一対の金属板11a、11bの一部の面(表面111、121)を除いて、充填樹脂18によって被覆される。ただし、金属部材6は、例えば図1中(A)のように、下層の絶縁層12aが露出する箇所が設けられている。
In the
図1において、第2金属部材である金属部材1002は、金属部材6と電気的に分離されて、絶縁層12a上に配置され、例えば配線を構成する。金属部材1002は、パワー半導体素子1とワイヤを介して接続されている。図1においては、金属部材1002は絶縁層12a上に配置されているが、絶縁層12b上に配置することも可能である。
In FIG. 1, a
絶縁層12a、12bは樹脂材料からなり、充填樹脂18の材料と熱膨張率が略等しい材料、望ましくは同種の材料で構成される。充填樹脂18の材料と同種の材料で構成することによって、接合箇所において絶縁層12a、12bと充填樹脂18との反応が良く進み、接合強度が向上するだけでなく、界面の消失効果がある。したがって、金属板11a、11b、金属ブロック5、7、あるいはパワー半導体素子1との線膨張の違いによる熱応力が発生しても、絶縁層12a、12bと充填樹脂18との間で容易に剥がれの進行がなく、高い絶縁信頼性やはんだクラック耐量が維持できる。これらの材料としては、いずれもエポキシ材料であれば、パッケージの強度が大きくなり、充填樹脂18内部に内蔵されるパワー半導体素子1周辺のストレスを分散させる効果が大きく、またハンドリング性も良くなる。
The
本発明におけるパワー半導体素子は、例えばシリコンからなる素子であるが、素子の発熱を素子の上下方向から効率的に逃がすことができるので、素子の温度が高くなっても、充填樹脂等の有機材料に熱が拡がらずに温度上昇を抑えることができる。 The power semiconductor element in the present invention is an element made of, for example, silicon. However, since the heat generated by the element can be efficiently released from the vertical direction of the element, an organic material such as a filling resin can be used even when the temperature of the element increases. The temperature rise can be suppressed without spreading the heat.
また、パワー半導体素子の周辺にある他の電子部品に対しても熱の拡がりが少ない。したがって、炭化珪素からなる素子によって高温での動作をしても、装置の信頼性は確保することができる。さらには、冷却器に取り付けられる上下の金属板11a、11bの表面111、121とパワー半導体素子1の間に絶縁層12a、12bを形成する構造となるため、パワー半導体素子1の温度サイクルによる高さ方向の伸縮が柔らかい絶縁層12a、12bによって吸収されるため、冷却器の取り付け面(すなわち、金属板11a、11bの表面111、121)の接触部分の熱抵抗が変化することがない。これらの点で、特に炭化珪素からなるパワー半導体素子を搭載したパワー半導体装置であれば、非常に優れた効果を発揮することができる。
Further, the heat spread is small for other electronic components around the power semiconductor element. Therefore, the reliability of the apparatus can be ensured even if the element made of silicon carbide is operated at a high temperature. In addition, since the insulating
<A−2.製造方法>
次に、本実施の形態1のパワー半導体装置101の製造方法について、図2および図3を用いて説明する。金属板11aあるいは、絶縁層12a、金属部材6、1002はあらかじめ、ホットプレスなどの工程を経て積層する。また、金属部材6、1002は、複数の部材を島状に配置して、絶縁層12aを接合しても良いし、金属板11a、絶縁層12aと同等の面積を有する板状の金属部材6、1002を積層した後に、例えばエッチング等の方法で所望の形状に成形しても良い。後者は、種々の形状の金属部材6、1002が一括で形成することができるため工業的に有用な方法である。また、同様にあらかじめ所望の形状に成形された金属部材6、1002を積層しても良い。
<A-2. Manufacturing method>
Next, a method for manufacturing the
そのように製造した積層構造(以下、積層基板102a)に、図2(a)のように金属ブロック5、パワー半導体素子1、金属ブロック7がその順に搭載される。これらの部材と積層基板102aとの接合は、本実施の形態1では、例えばはんだを用いてはんだ付けする。この場合のはんだ層1001(図2(b))は、同一材料のはんだ材を用いて一括してはんだ付けするものである。
As shown in FIG. 2A, the
次に、パワー半導体素子1の制御電極4と金属部材6の所定の箇所とをワイヤ16で電気的に接続する(図2(b))。さらに、前述した積層基板102aの製造方法と同様の方法で製作したもう一つの積層基板102bを、金属部材8側が金属ブロック7に当接するように載せて接合する。この場合にも、例えばはんだ材を用いて接合する(図3(a))。このはんだ材は、3層のはんだ層1001の融点と比べて、その融点が同等以下であることが好ましい。なぜならば、図3(a)に示す工程での、はんだ付けのための加熱によるはんだ層1001への影響を、極力防止するためである。特に、はんだ層1001が再溶融すると、パワー半導体素子1と金属部材6の相対位置が変化し、ワイヤ16にストレスが加わる恐れがあるため、はんだ層1001が溶融しないように融点を上記のように組み合わせることが好ましい。
Next, the
次に、積層基板102a、102bでサンドイッチされた構造であるパワー半導体素子1を金型17にセットし、充填樹脂18を注入して樹脂充填する(図3(b))。この際、上下一対の積層基板102a、102bの表面111、121は、金型17面に加圧密着し、表面111、121への樹脂の流動を防止する。樹脂を充填した後、金型17面を外し、パワー半導体装置101が製造される(図3(c))。
Next, the
ここで、充填樹脂18と絶縁層12a、12bは同種の材料でできており、材料としては、エポキシ樹脂が充填構造として機械的強度が高く、パワー半導体装置101の保持状態が良い。エポキシ樹脂の充填方法には、生産性の優れた方法であるトランスファーモールド法がある。
Here, the filling
図2(a)、図3(a)の部材の積層工程では、高さ方向に一定の偏りが発生しうるため、上下一対の積層基板102a、102bの表面111、121の平行度が必ずしも良好ではない。しかしながら本実施の形態1においては、パワー半導体素子1を挟んで上下に一対のシリコン系からなる絶縁層12a、12bが形成されており、この絶縁層12a、12bはパワー半導体素子1や他の金属に比べて柔らかい材質であるため、金型17に当接する際に金型17と金属板11a、11bの表面111、121の当りの偏りを吸収することができる。よって、金型17と金属板11a、11bの表面111、121との間には、樹脂が入り込まないように密着することができ、かつ、偏圧によるパワー半導体素子1へのダメージも防止するように、樹脂充填することができる。
In the step of laminating the members shown in FIGS. 2 (a) and 3 (a), a certain amount of deviation can occur in the height direction. Therefore, the parallelism of the
また、上下一対の絶縁層12a、12bによって、パワー半導体素子1とパワー半導体装置101外部面は絶縁される。さらに、絶縁層12a、12bを充填樹脂18内部に内蔵することにより、外部環境の湿気、イオン成分、異物などの付着による絶縁性の劣化がなく、信頼性が高い装置とすることができる。パワー半導体装置101では、高電圧かつ大電流を制御するため、絶縁信頼性の優れた装置を提供することは、非常に有用である。
Further, the
本実施の形態1においては、金属部材6、8、1002は、種々の形状をとり得るが、例えば金属部材6、8、1002によって複数のパワー半導体素子1、あるいは外部接続端子と接続された複数の電気配線を形成することができる。
In the first embodiment, the
パワー半導体素子1のエミッタ電極3からの配線は、金属ブロック5を通じて積層基板102aの上側の金属部材6、1002で形成することができ、一方、コレクタ電極2ならびに制御用の配線パターンは、積層基板102bの下側の金属部材8で形成することができる。上下一対の積層基板102a、102bの金属部材6、8、1002で配線形成することによって、非常にコンパクトなパワー半導体装置101を実現できるだけでなく、配線長を最小化することができて、損失を低減することができる。
The wiring from the
ところで、積層基板102bにおける絶縁層12bは、金属板11b上にあらかじめ形成することで、軟質な絶縁層12bを平面的に支持しつつパワー半導体素子1上方より当接することができる。また、金属板11a、11bは、金型17当接時に金属板11a、11b自身が変形せずに均一加圧できるよう、銅またはアルミニウム、あるいはこれらを主成分とする合金、積層板であることが好ましく、厚さは0.1mm以上が好ましい。また、良好な放熱性を確保するために3mm程度以下とすることが好ましい。
By the way, the insulating
また、絶縁層12a、12bはエポキシ等(充填樹脂18と同質)の材料であって、特に金属板11bに固着された絶縁層12bは、半硬化状態(Bステージ状態)としておくと、パワー半導体素子1へのダメージを抑制しながらパワー半導体装置101を製造することができる。
The insulating
具体的には、金属板11a、絶縁層12a、金属部材6、金属ブロック5の上にパワー半導体素子1を搭載し、絶縁層12aはほぼ硬化が完了した状態にしておく。次に、金属ブロック7、金属部材8、絶縁層12b、金属板11bを配置した後、金型17によって上下の金属板11a、11bの表面111、121に当接して加熱しながら、充填樹脂18を充填する。この際、絶縁層12bを半硬化状態にしておくと、金型17当接時ならびに樹脂注入時の圧力によって容易に変形することができる。このため、パワー半導体素子1へのダメージを防止することができる。
Specifically, the
また、あらかじめ金属部材6、8に、上下一対の金属板11a、11bの表面111、121間の高さ制御用のスペーサとなる柱状部材(第1柱状部材)を適当な箇所に取り付けても良い。例えば、一対の金属部材6、8を他の構成要素に支障のない所で所定の幅まで拡張し、それらに接触し支持する複数の柱状部材(図9の屈曲部位22のような部材)がパワー半導体素子1を避けて配置できるように形成すれば、金属部材6、8がこの複数の柱状部材で固定される。
Further, a columnar member (first columnar member) serving as a spacer for controlling the height between the
こうすることによって、金属板11a、11b間の高さの精度が、この複数の柱状部材によってコントロールされるため、柱状部材が所望の部材精度を確保すれば、一対の金属部材6,8が積層された上下の金属板11a、11bの、その表面111、121の平行度が得られ、金型17当接時に偏圧が発生してパワー半導体素子1にダメージが入ったり、金属板11a、11bの表面に過剰な樹脂が侵入したりすることを防ぐことができる。
By doing so, the accuracy of the height between the
また、金属部材6、8で電気配線を形成する場合、電気配線の周囲は配線として延伸する箇所を除いて、可能な限り金属部材6、8の周辺に、露出した絶縁層12a、12bを設けることがよい。こうすることによって、金属部材6、8は充填樹脂18との接着性が良好とは言い難いが、その周辺にある接着性に優れた絶縁層12a、12bが充填樹脂18と強固に接合するので、金属部材6、8で剥離の進展がなく好ましい。
Further, when the electrical wiring is formed with the
<A−3.効果>
本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1と、パワー半導体素子1を挟んで配置された一対の第1金属部材である金属部材6、8と、一対の金属部材6、8を挟んで一対の放熱板である金属板11a、11b上に積層された一対の絶縁層12a、12bと、少なくともパワー半導体素子1と、一対の金属部材6、8と、一対の絶縁層12a、12bとを覆って充填された充填樹脂18とを備え、一対の絶縁層12a、12bと充填樹脂18とは、熱膨張率が略等しいことで、十分な放熱性能を有し、かつ、絶縁層12a、12bと充填樹脂18との熱膨張差により剥がれが発生し絶縁性が劣化することを抑制することができる。
<A-3. Effect>
According to the first embodiment of the present invention, in a power semiconductor device, a
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、一対の絶縁層12a、12bと充填樹脂18とは、同種の材質であることで、十分な放熱性能を有し、かつ、絶縁層12a、12bと充填樹脂18との熱膨張差により剥がれが発生し絶縁性が劣化することを抑制することができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the pair of insulating
また、樹脂からなる絶縁層12a、12bがパワー半導体素子1を挟み込むように設けられているため、上下一対の金属板11a、11bの平行度が偏っていても、絶縁層12a、12bでその偏りを吸収することができるので、パワー半導体素子1にダメージを与えることがなく、パワー半導体装置の製造が可能である。
Further, since the insulating
また、充填樹脂18との接着性に優れ、絶縁層12a、12bと充填樹脂18の間の剥がれを抑制し、パワー半導体装置の絶縁性能が向上する。
Moreover, it is excellent in adhesiveness with the filling
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、充填樹脂18は、一対の放熱板である金属板11a、11bの第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1とは反対側の表面111、121を除いた領域を覆って充填されることで、十分な放熱性能を確保することができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the filling
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、一対の第1金属部材である金属部材6、8と電気的に分離されて一対の絶縁層12a、12bの少なくとも一方上に配置された第2金属部材である金属部材1002をさらに備え、金属部材1002は、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1と電気的に接続されることで、金属部材1002をパワー半導体素子1の電気配線として活用することができ、パワー半導体装置のモジュールサイズの小型化が可能となる。
In addition, according to the first embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、第2金属部材である金属部材1002は、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1と接続された複数の電気配線を含むことで、高密度に実装可能となり、パワー半導体装置のモジュールサイズの小型化が可能となる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、一対の放熱板である金属板11a、11b間に、一対の金属板11a、11bを支持する第1柱状部材をさらに備えることで、金属板11a、11b間の高さ調整が可能となり、金属板11a、11bの表面111、121の平行度を確保することができる。
According to the first embodiment of the present invention, the power semiconductor device further includes the first columnar member that supports the pair of
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、パワー半導体装置において、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1は、炭化珪素からなることで、高温になっても、熱を効率的に装置外部に輸送することができ、装置内部に熱がこもって、充填樹脂18などの有機材料や、他の電子部品が熱により劣化することを防止することができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the
<B.実施の形態2>
<B−1.構成>
本発明の実施の形態2について説明する。図4は、本実施の形態2におけるパワー半導体装置を示した図であり、パワー半導体素子1aは実施の形態1と同様に、コレクタ電極2aが下側の金属ブロック5aに、エミッタ電極3aが上側の金属ブロック7aに接続されるように構成されているが、第2パワー半導体素子としてのパワー半導体素子1bは、コレクタ電極2bが上側の金属ブロック5bに、エミッタ電極3bが下側の金属ブロック7bに接合されており、各々のパワー半導体素子1a、1bが上下入れ替わった構成を有している。
<B. Second Embodiment>
<B-1. Configuration>
A second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram showing a power semiconductor device according to the second embodiment. As in the first embodiment, the
具体的には、実施の形態1と同様の構成で挟まれたパワー半導体素子1aと、上下入れ替わった構成で挟まれたパワー半導体素子1bとを備えるものであり、パワー半導体素子1bは、絶縁層12a上に第3金属部材としての金属部材6bが配置され、さらに金属ブロック7bがその上に配置される。その金属ブロック7b上にパワー半導体素子1bが配置され、金属ブロック5b、第3金属部材としての金属部材8b、絶縁層12bがその上に配置されるが、パワー半導体素子1bのコレクタ電極2bは、金属ブロック5b側に接し、エミッタ電極3bは、金属ブロック7b側に接する。絶縁層12b上には、第4の金属部材である金属部材1003が配置され、金属部材1003は金属部材8bとは電気的に分離され、ワイヤ16bを介して第2パワー半導体素子であるパワー半導体素子1bと接続される。
Specifically, a
本実施の形態2は、例えば、上下方向を入れ替えることで複数のパワー半導体素子1a、1bを直列接続したパワー半導体装置103であり、片側の金属部材1002による配線では、横方向に配線の引き出しが必要となるために装置全体が大形化してしまうが、本実施の形態2の場合には、上下一対の金属部材1002、1003からなる配線パターンで配線形成することによって、容易にコンパクトな配線を形成することができる。
The second embodiment is, for example, a
<B−2.製造方法>
また、パワー半導体素子1bの制御用の配線は上側の金属部材1003によって配線する。この場合、パワー半導体素子1bの制御用電極からのワイヤ16bの引き出しは、上側の金属部材1003に接合するが、図5のように、あらかじめ、各々のパワー半導体素子1a、1bを搭載し、ワイヤボンドした積層基板アセンブリ201a、201bを製造する工程を経て(図5(a))、上側にくる積層基板アセンブリ201bをひっくり返して上下一対の積層基板アセンブリ201a、201bを張り合わせる(図5(b))ことで、生産性を損なうことなくワイヤボンド可能なパワー半導体装置103が実現できる(図5(c))。
<B-2. Manufacturing method>
Further, the control wiring of the
本実施の形態2によれば、コンパクトなパワー半導体装置103ができる。また、図4では、直列接続する一対のパワー半導体素子1a、1bを搭載した例に基づいて説明したが、上下電極を入れ替えたパワー半導体素子、および上下電極が同じ向き同士のパワー半導体素子を多数搭載したパワー半導体装置も製造することが可能であり、様々な組合せの回路構成に対応可能なことはいうまでもない。
According to the second embodiment, a compact
図5に示す積層基板アセンブリ201a、201bは、同一のパワー半導体素子を直列とする場合には、同一の積層基板アセンブリを製造し、いずれか一方を上下ひっくり返して重ねることで製造できるので、積層基板アセンブリ毎に異なる形状を作る必要がなく、容易に製造することができる。 The stacked substrate assemblies 201a and 201b shown in FIG. 5 can be manufactured by manufacturing the same stacked substrate assembly when the same power semiconductor elements are arranged in series, and turning one of them upside down. It is not necessary to create a different shape for each substrate assembly, and it can be easily manufactured.
<B−3.効果>
本発明にかかる実施の形態2によれば、パワー半導体装置において、一対の第3金属部材である金属部材6b、8bに挟まれ、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1aと電極が逆向きに一対の絶縁層12a、12b間に配置された、第2パワー半導体素子であるパワー半導体素子1bをさらに備え、一対の第3金属部材である金属部材6b、8bと電気的に分離されて一対の絶縁層12a、12bの少なくとも一方上に配置された第4金属部材である金属部材1003をさらに備え、金属部材1003は、パワー半導体素子1bと電気的に接続されることで、上下両側の絶縁層12a、12b上を効率的に利用して配線形成ができ、パワー半導体装置のコンパクト化が可能となる。また、低インダクタンス化が可能となる。
<B-3. Effect>
According to the second embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the
<C.実施の形態3>
<C−1.構成>
本発明の実施の形態3について説明する。図6は、本実施の形態3におけるパワー半導体装置を示した図であり、パワー半導体素子1cは、コレクタ電極2cが下側の金属ブロック5c、金属部材6cに接続されている。
<
<C-1. Configuration>
一方、パワー半導体素子1cのエミッタ電極3cは、パワー半導体素子1dのコレクタ電極2dに接続される。また、パワー半導体素子1dのエミッタ電極3dが、上側の金属ブロック7d、金属部材8dと接続される点は、実施の形態1と同様である。
On the other hand, the
本実施の形態3では、パワー半導体素子1cのエミッタ電極3cとパワー半導体素子1dのコレクタ電極2dとの間に、中間配線部材19が設けられており、パワー半導体素子1cのエミッタ電極3cとパワー半導体素子1dのコレクタ電極2dとの接続は、中間配線部材19を介して行われる。すなわち、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子1cは、中間配線部材19を挟んで積層されている。
In the third embodiment, an
一方、図6では、さらにパワー半導体素子1eとパワー半導体素子1fも示されており、パワー半導体素子1eのコレクタ電極2eはパワー半導体素子1cのコレクタ電極2cと同じ金属部材6cに接続され、パワー半導体素子1eのエミッタ電極3eと、パワー半導体素子1fのコレクタ電極2fとは、中間配線部材19の同極部位に接続される。
On the other hand, FIG. 6 also shows a
また、パワー半導体素子1cのエミッタ電極3cならびにパワー半導体素子1dのコレクタ電極2dも、中間配線部材19の同極部位に接続され、パワー半導体素子1fのエミッタ電極3fは、パワー半導体素子1dのエミッタ電極3dと同じ金属部材8dに接続される。
The
図7は、本実施の形態3におけるパワー半導体装置の基本回路構成の一例である。図7(a)のように、トランジスタ素子A、Bと、ダイオード素子C、Dとの組合せがハーフブリッジ回路である。これを2個並列に接続してブリッジ回路を構成したものが、図7(b)に示す単相フルブリッジ回路となり、単相交流に変換する。 FIG. 7 shows an example of a basic circuit configuration of the power semiconductor device according to the third embodiment. As shown in FIG. 7A, the combination of the transistor elements A and B and the diode elements C and D is a half-bridge circuit. A circuit in which two are connected in parallel to form a bridge circuit becomes a single-phase full-bridge circuit shown in FIG.
また、図7(c)に示すように、図7(a)のハーフブリッジ回路を3個並列に接続した三相ハーフブリッジ回路によって、直流電力を三相交流に変換する。すなわち、図7(a)のトランジスタ素子A、Bが、パワー半導体素子1c、1eに相当し、ダイオード素子C、Dが、パワー半導体素子1d、1fに相当する。
Moreover, as shown in FIG.7 (c), direct-current power is converted into a three-phase alternating current by the three-phase half bridge circuit which connected three half bridge circuits of Fig.7 (a) in parallel. That is, the transistor elements A and B in FIG. 7A correspond to the
本実施の形態3の構成がハーフブリッジ回路となり、図7(b)、図7(c)は、適宜これらの構成を並べることによって容易に製造可能となる。 The configuration of the third embodiment is a half-bridge circuit, and FIGS. 7B and 7C can be easily manufactured by appropriately arranging these configurations.
<C−2.製造方法>
本実施の形態3における、パワー半導体装置は以下の製造工程を経て製造される。まず、金属板11cに、絶縁層12c、金属部材6cをあらかじめホットプレスによって積層する。これを積層基板102cとする。同様に、金属板11dに、絶縁層12d、金属部材8dを積層したものを積層基板102dと称する。
<C-2. Manufacturing method>
The power semiconductor device according to the third embodiment is manufactured through the following manufacturing process. First, the insulating
次に、各積層基板102cの金属部材6c上に、金属ブロック5c、5eならびにパワー半導体素子1c、1eをはんだ付け、または導電樹脂接着等の方法によって搭載する。一方、パワー半導体素子1d、1fは、中間配線部材19に同様にはんだ付け、または導電性樹脂等の方法によって搭載する。
Next, the
次に、パワー半導体素子1c、1eを搭載した積層基板102cと中間配線部材19とを重ね合わせ、さらにその上側に、積層基板102dを積み上げてはんだ付け、または導電性接着等の方法で接合して組み立てる。パワー半導体素子1d、1fが搭載された側に、金属ブロック7d、7fを積層し、さらにその上に積層基板102dが、金属部材8d、絶縁層12d、金属板11dの順に積層するように配置する。
Next, the laminated substrate 102c on which the
この際、中間配線部材19は、金属板11cの表面111aを基準として高さをコントロールするための治具(第1柱状部材等)を設け、金属板11cの表面111aに対する中間配線部材19のパワー半導体素子搭載面20の高さを精度よく制御する。さらに、場合によっては、中間配線部材19のパワー半導体素子搭載面20と金属板11dの表面121bの高さを治具で調整してコントロールする。
At this time, the
以上の実施の形態3によれば、パワー回路の基本構成となるハーフブリッジ回路を縦方向に積み上げることができるため、パワー半導体素子の電極ごとに配線するボンディングワイヤやリード端子といった配線部材が不要となり、非常にコンパクトかつ生産性が高い構造を実現できる。特に、中間配線部材19により、パワー半導体装置の出力端子を引き出すことで、各パワー半導体素子からの電気接続に要する配線を集約することができる。
According to the third embodiment described above, since the half bridge circuits as the basic configuration of the power circuit can be stacked in the vertical direction, wiring members such as bonding wires and lead terminals that are wired for each electrode of the power semiconductor element become unnecessary. A very compact and highly productive structure can be realized. In particular, by pulling out the output terminal of the power semiconductor device by the
また、ハーフブリッジ回路におけるトランジスタ素子とダイオード素子が、各々上下の金属板より均等に放熱されるため、パワー半導体素子間で温度上昇のアンバランスがなく、非常に効率的に放熱して、温度上昇を抑制することができる。 In addition, since the transistor elements and diode elements in the half-bridge circuit are evenly dissipated from the upper and lower metal plates, there is no unbalance in temperature rise between the power semiconductor elements, and heat is dissipated very efficiently, resulting in a temperature rise. Can be suppressed.
さらに、縦方向にパワー半導体素子を積み上げても、樹脂充填時の金型17当接時のパワー半導体素子へのストレスおよび金属板11c、11dの表面111a、121bへの樹脂侵入に対して、金属板11c、11dと金属部材6c、8d間にある絶縁層12c、12dが十分に軟らかく、ストレスの吸収および金型17との密着性の向上が可能となり、各パワー半導体素子へのダメージならびに樹脂バリを低減することができる。
Further, even if the power semiconductor elements are stacked in the vertical direction, the metal against the stress on the power semiconductor element when the
本実施の形態3では、パワー半導体素子1cと1e、ならびパワー半導体素子1dと1fは、それぞれ一つの金属部材6c、8dに接続されているが、図6中の(A)部および(B)部を、図8に示すように金属部材61cと金属部材62cとに分割して、例えば、金属部材間を、ボンディングワイヤ21aあるいはリボン21b等で接続すると、パワー半導体素子1c、1dとパワー半導体素子1e、1fとが、金型当接に対して独立懸架の構造となるため、各々独立して柔軟に変形でき、パワー半導体素子に対するダメージをさらに低減することができる。
In the third embodiment, the
図9は、中間配線部材19から放熱板である金属板11cに向かって配線部材の一部が屈曲して金属部材1000に接触する第2柱状部材としての屈曲部位22を形成している。屈曲部位22は、絶縁層12c上に接触しても良いが、屈曲部位22の接触のための金属部材1000を別途設けることによって金属部材1000上に接触するようにすれば、屈曲部位22によるストレスによって絶縁層12c上がダメージを受けることがない。
In FIG. 9, a part of the wiring member is bent from the
屈曲部位22によって、金属板11cの表面111aと中間配線部材19間の高さ、平行度を確保することができる。屈曲部位22は、中間配線部材19間と一体的に、曲げ加工によって形成しており、曲げ精度を勘案すれば、高さ精度は確保することが可能となる。よって、複数のパワー半導体素子を積み上げた場合でも、厚みのばらつきに影響されず、樹脂充填時の金型17に精度よく収納することができる。
With the
また屈曲部位22は、中間配線部材19間の上側にも屈曲して形成しても良く、上側の金属板11dを支持して、金属板11dの表面121bと中間配線部材19間の高さ精度を確保することができる。無論、フラットな中間配線部材19間に後付で高さ制御用の部材を取り付けても良い。
Further, the
さらに、あらかじめ金属板11c、11dの表面111a、121bに積層した金属部材6c、8dに、中間配線部材19間との高さ制御用のピンのような柱状部材を取り付けて、パワー半導体素子、中間配線部材19を積層しても良い。こうすることによって、フラットな中間配線部材19を用いて製造することができるので、製造時に配線部材を収納するスペースが少なくてすむことや、設備に流動させる際に空間が少なくてすみ、生産する上で価値が高い。
Furthermore, a columnar member such as a pin for controlling the height between the
<C−3.効果>
本発明にかかる実施の形態3によれば、パワー半導体装置において、第1パワー半導体素子であるパワー半導体素子は、中間配線部材19を挟んで積層される一対のパワー半導体素子1c、1eを含むことで、必要となる配線の最短化が可能となる。また、中間配線部材19で高さ方向に支持できるため、高さ精度が高くなり、金型17当接時の素子ダメージや樹脂バリを低減できる。中間配線部材19に各パワー半導体素子が直接的に搭載されて電気接続されるため、パワー半導体素子から配線部材へ電気的に接続するための配線が不要となる。
<C-3. Effect>
According to the third embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the power semiconductor element that is the first power semiconductor element includes the pair of
また、本発明にかかる実施の形態3によれば、パワー半導体装置において、中間配線部材19は、一対の放熱板である金属板11a、11bを支持する第2柱状部材である屈曲部位22をさらに備えることで、金属板11cの表面111aと中間配線部材19間の高さ、平行度を確保することができる。
According to the third embodiment of the present invention, in the power semiconductor device, the
<D.実施の形態4>
<D−1.構成>
本発明の実施の形態4について説明する。図10は、本実施の形態4におけるパワー半導体装置を示した断面模式図である。本実施の形態4におけるパワー半導体装置は、実施の形態1に示すパワー半導体装置101に対し、金属部材26が新たに設けられ、金属部材26に電子部品が搭載された構造となっている。
<
<D-1. Configuration>
金属部材26に設けられた当該電子部品は、例えばパワー半導体を駆動させる、すなわちトランジスタゲートを制御するために必要な受動部品群23、IC24、25といった電子部品群104、あるいは、パワー半導体装置を保護するために必要な電子部品、あるいは、パワー半導体装置内部の温度を検出するサーミスタ、電流を測定するためのシャント抵抗等である。
The electronic component provided on the
<D−2.動作>
これらの部品は、パワー半導体素子に近い位置に配置するほど、回路装置のコンパクト化が図れることはいうまでもないが、トランジスタゲートを制御するための回路に必要な電子部品がパワー半導体素子近くに配置されることによって、ゲートの制御性も向上する。また、ノイズ耐量も向上する。
<D-2. Operation>
It goes without saying that the circuit device can be made more compact as these components are arranged closer to the power semiconductor element, but the electronic components necessary for the circuit for controlling the transistor gate are closer to the power semiconductor element. Arrangement also improves the controllability of the gate. Moreover, noise tolerance is also improved.
さらに、測温素子、電流検出素子等をパワー半導体素子の配線部分に設けて、パワー半導体素子の温度あるいは電流を検出することができ、パワー半導体装置の保護機能を強化することができる。 Furthermore, a temperature measuring element, a current detection element, and the like are provided in the wiring portion of the power semiconductor element so that the temperature or current of the power semiconductor element can be detected, and the protection function of the power semiconductor device can be enhanced.
これらの電子部品は、パワー半導体素子の搭載と同じ工程で搭載することができるため、製造合理化が実現できる。さらに、金属部材1002によって配線パターンを形成することにより、より複雑な回路パターンも金属板11a、11b上の絶縁層12a、12b上に形成することができるので、非常にコンパクトかつ高機能なパワー半導体装置を実現することができる。
Since these electronic components can be mounted in the same process as the mounting of the power semiconductor element, manufacturing rationalization can be realized. Further, by forming a wiring pattern with the
無論、電子部品は片側の金属部材上にのみならず、あらかじめ上下両方の金属部材上に個別に搭載した後に、上側の金属板を搭載することにより、容易に上下の金属部材に搭載することができ、いっそうのコンパクト化が可能となる。 Of course, the electronic component can be easily mounted on the upper and lower metal members by mounting the upper metal plate not only on the metal member on one side but also on the upper and lower metal members in advance. Can be made even more compact.
<D−3.効果>
本発明にかかる実施の形態4によれば、パワー半導体装置において、第2金属部材である金属部材1002上に配置された電子部品である電子部品群104をさらに備えることで、パワー半導体素子を駆動する電子部品を直近に配置することができ、駆動速度が向上、バランスが良くなる。また、ノイズ耐量が向上する。さらにパワー半導体装置のコンパクト化が可能となる。
<D-3. Effect>
According to the fourth embodiment of the present invention, the power semiconductor device further includes an
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f パワー半導体素子、2,2a,2b,2c,2d,2e,2f コレクタ電極、3,3a,3b,3c,3d,3e,3f エミッタ電極、4 制御電極、5,5a,5b,5c,5e,7,7a,7b,7d,7f 金属ブロック、6,6a,6b,6c,8,8a,8b,8d,26,61c,62c,1000,1002,1003 金属部材、11a,11b,11c,11d 金属板、12a,12b,12c,12d 絶縁層、16,16b ワイヤ、17 金型、18 充填樹脂、19 中間配線部材、20 半導体素子搭載面、21a ボンディングワイヤ、21b リボン、22 屈曲部位、23 受動部品群、101,103 パワー半導体装置、102a,102b,102c,102d 積層基板、104 電子部品群、111,111a,121,121b 表面、201a,201b 積層基板アセンブリ、1001 はんだ層。
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f Power semiconductor element, 2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f Collector electrode, 3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f Emitter electrode, 4
Claims (11)
前記第1パワー半導体素子を挟んで配置された一対の第1金属部材と、
前記一対の第1金属部材を挟んで一対の放熱板上に積層された一対の絶縁層と、
少なくとも前記第1パワー半導体素子と、前記一対の第1金属部材と、前記一対の絶縁層とを覆って充填された充填樹脂とを備え、
前記一対の絶縁層と前記充填樹脂とは、熱膨張率が略等しい、
パワー半導体装置。 A first power semiconductor element;
A pair of first metal members disposed across the first power semiconductor element;
A pair of insulating layers stacked on a pair of heat sinks across the pair of first metal members;
At least the first power semiconductor element, the pair of first metal members, and a filled resin filled to cover the pair of insulating layers,
The pair of insulating layers and the filling resin have substantially the same coefficient of thermal expansion,
Power semiconductor device.
請求項1に記載のパワー半導体装置。 The pair of insulating layers and the filling resin are the same kind of material.
The power semiconductor device according to claim 1.
請求項1または2に記載のパワー半導体装置。 The filling resin is filled so as to cover a region excluding the surface of the pair of heat sinks opposite to the first power semiconductor element,
The power semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記第2金属部材は、前記第1パワー半導体素子と電気的に接続される、
請求項1〜3のいずれかに記載のパワー半導体装置。 A second metal member electrically separated from the pair of first metal members and disposed on at least one of the pair of insulating layers;
The second metal member is electrically connected to the first power semiconductor element;
The power semiconductor device according to claim 1.
請求項4に記載のパワー半導体装置。 The second metal member includes a plurality of electrical wirings connected to the first power semiconductor element.
The power semiconductor device according to claim 4.
請求項4または5に記載のパワー半導体装置。 The electronic component further disposed on the second metal member,
The power semiconductor device according to claim 4 or 5.
請求項1〜6のいずれかに記載のパワー半導体装置。 A first columnar member that supports the pair of heat sinks between the pair of heat sinks;
The power semiconductor device according to claim 1.
前記一対の第3金属部材と電気的に分離されて前記一対の絶縁層の少なくとも一方上に配置された第4金属部材をさらに備え、
前記第4金属部材は、前記第2パワー半導体素子と電気的に接続される、
請求項1〜7のいずれかに記載のパワー半導体装置。 A second power semiconductor element sandwiched between a pair of third metal members, wherein the first power semiconductor element and the electrode are disposed between the pair of insulating layers in opposite directions;
A fourth metal member electrically separated from the pair of third metal members and disposed on at least one of the pair of insulating layers;
The fourth metal member is electrically connected to the second power semiconductor element;
The power semiconductor device according to claim 1.
中間配線部材を挟んで積層される一対のパワー半導体素子を含む、
請求項1〜8のいずれかに記載のパワー半導体装置。 The first power semiconductor element is:
Including a pair of power semiconductor elements stacked with an intermediate wiring member interposed therebetween,
The power semiconductor device according to claim 1.
請求項9に記載のパワー半導体装置。 The intermediate wiring member further includes a second columnar member that supports the pair of heat sinks.
The power semiconductor device according to claim 9.
請求項1〜10のいずれかに記載のパワー半導体装置。 The first power semiconductor element is made of silicon carbide.
The power semiconductor device according to claim 1.
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