CN102856308A - 功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供功率半导体模块，其能够减少成为电磁故障等的原因的电压振动的产生。在多个绝缘基板（20、20’）中的各个绝缘基板上搭载的IGBT等半导体开关元件（50、50’）的各主电极（52、52’）通过导体部件（45）电连接。由此，可以抑制由于半导体开关元件的接合电容和寄生电感而导致的共振电压的产生。

Description

功率半导体模块
技术领域
本发明涉及在电力的变换或控制中使用的功率半导体模块。
背景技术
电力变换装置具有将从直流电源供给的直流电力变换为用于向旋转电机等电流电气负载供给的交流电力的功能或者将发电机发出的交流电力变换为直流电力的功能。为了实现这种变换功能，电力变换装置具有逆变电路等电力变换电路，逆变电路使用了具有开关功能的功率半导体模块，通过重复进行接通动作和切断动作，从直流电力向交流电力或者从交流电力向直流电力进行电力变换。
功率半导体模块，在散热用的金属底座上通过焊接等接合形成了布线图案的绝缘基板，在该绝缘基板的布线图案上以并联连接的方式搭载多个半导体元件。在大功率用的功率模块中，为了对大电流进行开关，通过搭载多个该绝缘基板，实现多个半导体元件的并联连接。
作为这种现有的功率半导体模块，已知专利文献1～4中记载的功率半导体模块。
在功率半导体模块中，由于并联连接了多个半导体元件，因此，元件数越增多，从外部电极到各半导体元件的布线距离越不同，产生了寄生电感的差异。由于这一点和各半导体元件的特性的波动，产生开关的定时的偏差。因此，在电流切断前不久，在半导体元件间产生由于半导体元件的电容和半导体元件间的寄生电感而导致的共振。因此，例如当半导体元件为IGBT（Insulated GateBipolar Transistor）时，在元件两端的集电极-发射极间，而且在栅极-发射极间也产生电压振动，电压振动波及到控制电路。此时，通过电力变换电路和大地或者机箱经过寄生电容而形成的外部闭合电路成为天线，由于在功率半导体模块中产生的电压振动而产生电磁波，引起对逆变器自身或外部的电磁干扰或者误动作。
近年来需求不断增加的在高效率的高电压用电力变换装置中使用的高电压用功率模块，半导体元件厚，具有耐压的半导体区域长，因此，耗尽层扩大，排出内部的电荷需要花费时间，开关时间长。另外，由于电压高，因此半导体元件的寄生电容中积蓄的能量也大。因此，在使用大量的半导体元件的大电流高电压用功率半导体模块中，由于开关的偏差等在寄生电容中积蓄的能量产生差异，由于半导体元件的寄生电容C和在半导体元件间连接的布线的寄生电感L而产生LC共振，产生大的电压振动。
专利文献1：日本特许第4138192号公报
专利文献2：日本特许第4484400号公报
专利文献3：日本特许第4142539号公报
专利文献4：日本特开2002-141465号公报
发明内容
本发明是考虑上述问题而提出的，其目的在于提供一种可以减少成为电磁故障等的原因的电压振动产生的功率半导体模块。
在本发明的功率半导体模块中，在多个绝缘基板中的各个绝缘基板上搭载的IGBT等半导体开关元件的各主电极通过导体部件电连接。在此，导体部件例如为导线等。由此，可以抑制由于半导体开关元件的接合电容和寄生电感而导致的共振电压的产生。
本发明的一个方式的功率半导体模块，具备：第一绝缘基板；第二绝缘基板；搭载在所述第一绝缘基板上，具备第一主电极和第二主电极的第一半导体开关元件；搭载在所述第二绝缘基板上，具备第三主电极和第四主电极的第二半导体开关元件；与所述第一主电极电连接的第一主端子；与所述第二主电极电连接的第二主端子；与所述第三主电极电连接的第三主端子；以及与所述第四主电极电连接的第四主端子，所述功率半导体模块具有将所述第一主电极和所述第三主电极电连接的至少一个导体部件。
例如，第一以及第二半导体开关元件是IGBT，第一以及第三主电极为IGBT的发射极电极，第二以及第四主电极为IGBT的集电极电极。另外，例如，第一以及第三主端子是发射极主端子，第二以及第四主端子是集电极主端子。
根据本方式，可以抑制由于第一以及第二半导体开关元件的接合电容和寄生电感而导致的共振电压的产生。
此外，在上述方式中，还可以将导体部件的一端与第一主电极连接，将导体部件的另一端与所述第三主电极连接。另外，可以在第一以及第二绝缘基板上分别设置第一以及第二布线图案，第一主电极和第一布线图案之间、第三主电极和第二布线图案之间、以及第一布线图案和第二布线图案之间，通过导体部件电连接。在此，第一以及第二布线图案，例如是在绝缘基板上接合的铜薄膜等金属膜。
另外，可以在第一绝缘基板上设置第三布线图案，在该第三布线图案上电连接第二主电极以及第二主端子，并且，在第二绝缘基板上设置第四布线图案，在该第四布线图案上电连接第四主电极以及第四主端子，通过导体部件将第一布线图案与第二布线图案电连接。在此，第三以及第四布线图案，例如是在绝缘基板上接合的铜薄膜等金属膜。
根据这些方式，可以抑制由于第一以及第二半导体开关元件的接合电容和寄生电感而导致的共振电压的产生。
根据本发明，可以减少在功率半导体模块中进行开关时产生的电压振动。
附图说明
图1表示本发明第一实施方式的功率半导体模块。
图2是第一实施方式的等价电路。
图3是第一实施方式的关断时的等价电路。
图4表示本发明第二实施方式的功率半导体模块。
图5表示本发明第三实施方式的功率半导体模块。
图6表示本发明第四实施方式的功率半导体模块。
图7表示本发明第五实施方式的功率半导体模块。
图8是第五实施方式的关断时的等价电路。
图9是应用了本发明的实施方式的功率半导体模块的关断波形图。
符号说明
10散热用金属板
12树脂外壳
20、20’绝缘基板
22、22’布线图案
23、23’集电极用布线图案
24、24’发射极用布线图案
25、25’栅极用布线图案
26、26’绝缘基板间连接
30、30’、32、32’主端子
35、35’、36、36’控制端子
41、41’连接发射极电极和端子的铝导线
42、42’连接控制端子和栅极电极的铝导线
42、43’连接控制端子和发射极电极的铝导线
45、45’将发射极电极彼此连接的铝导线
46、46’连接栅极电极和栅极布线图案的铝导线
47、47’连接绝缘基板间连接用布线图案和IGBT发射极电极的铝导线
48、48’连接绝缘基板间连接用布线图案和二极管阳极电极的铝导线
49绝缘基板间的集电极布线图案连接用的铝导线
50、50’IGBT
51、51’栅极电极
52、52’发射极电极
55、55’二极管
56、56’阳极电极
60电源
62栅极驱动器
65负载电感
具体实施方式
图1表示本发明第一实施方式的功率半导体模块的内部构造的概要。图中符号的数字相同的部分表示相同的结构要素。
在散热用金属板10上通过焊锡等接合材料连接了在上部形成有布线图案22的两个绝缘基板20、20’。此外，在本实施方式中，绝缘基板20、20’上面或周边的结构分别相同，在以下的记载中，关于一个绝缘基板描述的内容，对于另一个绝缘基板也相同。
在布线图案22上，通过焊锡等接合材料连接了MOS栅极型开关器件的IGBT50、环流用二极管55、集电极主端子30来作为半导体元件。
在图1的实施方式中，把同样地搭载了IGBT和二极管的两个绝缘基板20、20’，以半导体元件即IGBT以及二极管、它们的电极以及布线图案的配置为线对称的方式，收纳在树脂外壳12内。由此，相对地配置IGBT50、50’。因此，在两个绝缘基板20、20’之间，IGBT50的发射极电极52和IGBT50’的发射极电极52’以几乎最短的路径、即以低电感以及低电阻通过金属导线45电连接。在此，导线45与发射极电极52、52’的各自一部分连接。另外，由于不流过主电流那样的大电流，因此，导线45的条数可以比在发射极主端子32、32’和发射极电极52、52’之间电连接的导线41、41’的条数少，在本实施方式中为1条。另外，导线45在发射极电极52、52’之间不经由其它电极，导线45的两端分别与发射极电极52、52’接合。
如之后详细叙述的那样，在功率半导体模块内，通过导体导线45将分别搭载在不同的绝缘基板上的IGBT50、50’的发射极电极52、52’电连接，由此可以抑制在关断后，由于残留有电荷的IGBT50、50’的接合电容和IGBT50、50’周围的布线的寄生电感而导致的共振电压的产生。
此外，作为导线45可以使用铝导线或铜线等线状的金属导体。另外，也可以使用铜棒等细长的棒状的导体。
IGBT50的发射极电极52经由二极管55，通过铝导线41与发射极主端子32连接。对IGBT50进行开关的栅极电极51通过铝导线42与栅极控制端子35连接，为了赋予用于对栅极电极51施加电压的基准电位，发射极电极52通过铝导线43与发射极控制端子36连接。为了对两个IGBT50、50’进行开关，通过同时对栅极控制端子35（35’）提供15V左右的电压，IGBT50（50’）导通，集电极主端子30、发射极主端子32之间导通，流过主电流。在本实施方式中，如后所述，通过用铝导线45将IGBT50、50’之间连接，可以抑制开关关断时的振动传递到外部。
图2表示逆变电路以及本实施方式的等价电路图。图中，虚线的部分表示本实施例的功率半导体模块的等价电路，逆变电路是串联连接两个本实施例，将连接中点部与负载电感65连接，将串联连接所得的电路的两端与电源60连接的半桥电路。例如，在3相交流电动机等中，负载电感65相当于电动机线圈，并联连接了3个半桥电路，各连接中点与电动机3相输入的UVW各相连接。虽未图示，但为了在进行开关时瞬时供给电流，在电源60上并联连接寄生电感低的电容器。在功率半导体模块的栅极控制端子35（35’）、发射极控制端子36（36’）上连接驱动电路，通过使导通时间变化来控制向负载电感65流过的电流。
在本等价电路中，由于考虑LC共振电路，因此主要表示了寄生电感。将负载电感65和功率半导体模块100之间的连接电缆、功率半导体模块100和电源60的连接电缆、功率半导体模块彼此之间的连接电缆的寄生电感分别用70以及71、73以及74、75以及76来表示。另外，将功率半导体模块100内的集电极主端子30（30’）、发射极主端子32（32’）、铝导线41（41’）、42（42’）、43（43’）的寄生电感分别用30L（30L’）、32L（32L’）、41L（41L’）、42L（42L’）、43（43L’）来表示。
在此，以半桥电路为例，考虑半桥电路的上臂的功率半导体模块的IGBT50（50’）从导通变为关断时。在导通时，IGBT的栅极控制端子35（35’）和发射极控制端子36（36’）之间通过栅极驱动器62施加了约15V的电压。由此，在IGBT的栅极电极51（51’）和发射极电极52（52’）之间的栅极电容（C）中积蓄电荷。另外，电流（I）流过IGBT50（50’）、寄生电感30L、41L、32L（30L’、41L’、32L’）。在这些寄生电感（L）中积蓄了（1/2）×LI2的能量。在关断时，通过栅极驱动器在IGBT的栅极电极51（51’）和发射极电极52（52’）之间施加0～－15V的电压，取出在栅极电容中残留的电荷。此时，从栅极电极51（51’）到栅极驱动器，经过栅极的铝导线42（42’），从栅极驱动器到发射极电极52（52’），电荷经过控制用发射极导线43（43’）进行移动，即流过电流。当栅极电极51（51’）和发射极电极52（52’）之间的栅极电压成为栅极阈值电压以下时，电流（I）衰减，IGBT内的电荷经过集电极电极、发射极电极而排出。
图3表示此时的等价电路。如图3所示，等价电路从低电阻下导通的状态开始，在关断时变为释放在集电极电极和发射极电极间的电容Cce中积蓄的电荷的电路。在图3中，IGBT50由集电极·发射极间的电容50Cce、集电极·发射极间的内部电阻50Rce、栅极·发射极间的电容50Cge表示。在集电极·发射极间的电容50Cce中积蓄的电荷被释放的期间，主电流持续流动。另外，电荷越减少，内部电阻50Rce越大。在关断时的初期，电荷急剧地释放，即存在急剧的电流变化（di/dt），在端子以及铝导线的寄生电感（L）中产生电压（Ldi/dt）。在由两个IGBT构成的本实施方式中，由于这些寄生电感、栅极阈值电压的差，在IGBT的集电极电极、发射极电极之间施加的电压中产生差异，因此，在不同的基板上的IGBT电容Cce中积蓄的电荷量中产生差异。然后，当初期的急剧的电流变化结束时，成为缓和的电流变化长时间持续的尾电流的期间。
在本实施方式中，通过导线45可以使两个IGBT电容50Cce、50Cce’的电荷的差均等化。因此，在导线45中不流过主电流（I），因此，在寄生电感（L）中不积蓄能量（1/2）×LI2，另外，不会由于关断时的电流变化（di/dt）而产生电压。另外，在导线45中不流过关断时的栅极电流。因此，本导线的电流不会影响到栅极电流。另外，导线45的布线长度比控制发射极用导线43（43’）以及经由发射极控制端子的电路的布线长度短，因此可以减小寄生电感。由此，可以防止使电荷的差均等化的电流经过控制发射极导线43（43’）流到栅极驱动器，可以防止栅极驱动器电路的误动作。即，在关断时，与包含两个IGBT的寄生电容50Cce、50Cce’和寄生电感41L、32L、32L’、41L’、30L’、30L的LC电路、或者包含两个IGBT的寄生电容50Cce、50Cce’和寄生电感41L、43L、43L’、41L’、30L’、30L的LC电路的路径相比，包含两个IGBT的寄生电容50Cce、50Cce’和寄生电感45L、30L’、30L的LC电路的路径的布线长度短，因此可以防止43L、43L’的外部的栅极电路的路径中的LC共振电流流动。因此，可以防止成为栅极电压的基准电位的控制端子36、36’的电位振动，防止电压振动传递到外部的栅极驱动器，防止IGBT再次导通那样的误动作。
图9表示现有的功率半导体模块以及应用了本实施方式的功率半导体模块的关断波形例。根据本实施方式可知，与现有技术相比减小了栅极电压以及集电极电压的振动。
图4表示本发明的第二实施方式的功率半导体模块的内部构造的概要。
在散热用金属板10上使用焊锡等接合材料连接具有集电极用布线图案23、发射极用布线图案24、栅极用布线图案25的绝缘基板20、20’。
在集电极用布线图案23上，使用焊锡等接合材料连接4个IGBT50，2个二极管55。通过铝导线41将各IGBT的发射极电极52以及各二极管的阳极电极56和发射极用布线图案24连接。
集电极主端子30和集电极用布线图案23、发射极主端子32和发射极用布线图案24分别通过焊锡等接合材料连接。
各IGBT的栅极电极51和栅极用布线图案25通过铝导线46连接，栅极控制端子35和栅极用布线图案25通过铝导线42连接。发射极控制端子36和发射极用布线图案24通过铝导线43连接。
绝缘基板20’也与绝缘基板20同样地连接各部。
另外，两个绝缘基板中的IGBT的发射极电极彼此使用铝导线45连接。在此，经由绝缘基板20上的2个IGBT50、1个二极管55，用铝导线45连接了绝缘基板20’上的2个IGBT50、1个二极管55。通过如此连接可以降低铝导线的高度，减小寄生电感。
在图4的实施方式中，同样地搭载了4个IGBT和2个二极管的两个绝缘基板20、20’与前面的实施方式同样地，以IGBT以及二极管、它们的电极以及布线图案的配置成为线对称的方式容纳在树脂外壳12内。此外，在各绝缘基板中，根据导线以及布线图案，分别将4个IGBT彼此以及2个二极管彼此并联连接，由此，与图1的实施方式相比，增大了功率半导体模块的电流容量。
在本实施方式中，绝缘基板20的2个IGBT以及1个二极管和绝缘基板20’的2个IGBT以及1个二极管沿着树脂外壳12的一边（在本图中为长边）排成列。在与这一边平行的另一边，IGBT以及二极管也同样地排成列。在这些半导体元件的一列中，4个IGBT的发射极电极的各一部分和2个二极管的各阳极电极与图1的实施方式同样地通过一条导线45以搭桥的方式进行电连接。即，通过在绝缘基板20、20’之间跨越的导线45，把搭载在绝缘基板20、20’上的IGBT的发射极电极和二极管的阳极电极互相电连接。由此，与图1的实施方式同样，可以抑制由于IGBT50、50’的接合电容和IGBT50、50周围的布线的寄生电感导致的共振电压的产生。
此外，在本实施方式中，在另一方的半导体元件列中也可以同样地通过导体的导线将IGBT的发射极电极的一部分与二极管的阳极电极连接。
图5表示本发明第三实施方式的功率半导体模块的内部构造的概要。
与第二实施方式的不同点在于，使用了在散热用金属板10上设置有集电极用布线图案23、发射极用布线图案24、栅极用布线图案25、以及将不同的绝缘基板上的半导体元件的发射极电极面、阳极电极面连接的专用的绝缘基板间连接26的绝缘基板20、20’。
在该绝缘基板中，通过铝导线47将IGBT50的发射极电极52和绝缘基板间连接26进行连接，并且通过铝导线48将二极管55的阳极电极和绝缘基板间连接26进行连接。并且，通过铝导线45将绝缘基板间连接26和26’连接。
通过使用该绝缘基板，可以减少制造时的不良。在散热用金属板10上通过焊锡等接合材料连接绝缘基板20、20’，因此，绝缘基板20和绝缘基板20’上的半导体元件的高度稍有不同。因此，当将连接绝缘基板间的铝导线45设置在半导体元件上时，在通过超声波等进行的引线接合时，有可能损伤半导体元件的表面电极。与此相对，若使用本实施方式的绝缘基板，则可以防止半导体元件的表面电极的损伤，提高合格率。
图6表示本发明的第四实施方式的功率半导体模块的内部构造的概要。
与第三实施方式的不同点在于，在两个绝缘基板20、20’中共用集电极主端子30、发射极主端子32、栅极控制端子35、发射极控制端子36。
由此，可以防止在将端子彼此连接的电缆中流过共振电流，使得基于连接形态的共振电路的寄生电感（未图示）恒定。
图7表示本发明的第五实施方式的功率半导体模块的内部构造的概要。
与第四实施方式的不同点在于，用铝导线49将绝缘基板20的集电极用布线图案23、绝缘基板20’的集电极用布线图案23’连接。由此，能够构成不经由外部端子，以最小的寄生电感将不同绝缘基板上的半导体元件的集电极电极间、发射极电极间分别连接的电路。
图8表示第五实施方式的关断时的等价电路。在此，绝缘基板内的IGBT、二极管的电容以50Cce为代表来表示，两个IGBT的内部电阻以50Rce为代表来表示，栅极电容也以50Cge为代表来表示。如图8所示，构成了不同的绝缘基板上的集电极电极彼此通过导线49的电感49L连接，发射极电极彼此通过导线45的电感45L连接的闭合电路，它们与主电流流过的各端子30L、30L’、32L、32L’、导线41L、41L’不同。另外，与控制用发射极导线的寄生电感43L、43L’相比，寄生电容低，因此对栅极驱动器的影响小。
根据上述各实施方式，可以提供一种在多个绝缘基板上搭载了多个半导体元件的大电流·高电压功率模块中，在进行开关时不对外部产生电压振动的功率半导体模块。
而且，根据本实施方式，可以减小绝缘基板，通过缩短绝缘基板的对角线的长度，绝缘基板和散热用金属板的连接部、绝缘基板和其上面的导电体的布线的连接部的温度变化时的不同材料间的膨胀系数差导致的应力减小，连接寿命延长。另外，绝缘基板尺寸减小导致材料费的成本降低，可以实施每个绝缘基板的中间检查，完成品的合格率提高，可以实现成本降低。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块，其具备：
第一绝缘基板；
第二绝缘基板；
搭载在所述第一绝缘基板上，具备第一主电极和第二主电极的第一半导体开关元件；
搭载在所述第二绝缘基板上，具备第三主电极和第四主电极的第二半导体开关元件；
与所述第一主电极电连接的第一主端子；
与所述第二主电极电连接的第二主端子；
与所述第三主电极电连接的第三主端子；以及
与所述第四主电极电连接的第四主端子，
所述功率半导体模块的特征在于，
具有将所述第一主电极和所述第三主电极电连接的至少一个导体部件。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，
所述导体部件的一端与所述第一主电极连接，所述导体部件的另一端与所述第三主电极连接。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
设置在所述第一绝缘基板上的第一布线图案；以及
设置在所述第二绝缘基板上的第二布线图案，
所述第一主电极和所述第一布线图案之间、所述第三主电极和所述第二布线图案之间以及所述第一布线图案和所述第二布线图案之间，通过所述导体部件电连接。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
设置在所述第一绝缘基板上，与所述第二主电极以及所述第二主端子电连接的第三布线图案；以及
设置在所述第二绝缘基板上，与所述第四主电极以及所述第四主端子电连接的第四布线图案，
具备将所述第一布线图案与所述第二布线图案电连接的其它导体部件。
5.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
设置在所述第一绝缘基板上，与所述第二主电极以及所述第二主端子电连接的第三布线图案；以及
设置在所述第二绝缘基板上，与所述第四主电极以及所述第四主端子电连接的第四布线图案，
具备将所述第一布线图案与所述第二布线图案电连接的其它导体部件。
6.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
设置在所述第一绝缘基板上，与所述第二主电极以及所述第二主端子电连接的第三布线图案；以及
设置在所述第二绝缘基板上，与所述第四主电极以及所述第四主端子电连接的第四布线图案，
具备将所述第一布线图案与所述第二布线图案电连接的其它导体部件。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
与所述第一主端子和所述第三主端子电连接的第一公共主端子；以及
与所述第二主端子和所述第四主端子电连接的第二公共主端子。
8.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
与所述第一主端子和所述第三主端子电连接的第一公共主端子；以及
与所述第二主端子和所述第四主端子电连接的第二公共主端子。
9.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
与所述第一主端子和所述第三主端子电连接的第一公共主端子；以及
与所述第二主端子和所述第四主端子电连接的第二公共主端子。
10.根据权利要求4所述的功率半导体模块，其特征在于，
具备：
与所述第一主端子和所述第三主端子电连接的第一公共主端子；以及
与所述第二主端子和所述第四主端子电连接的第二公共主端子。
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