CN104681554A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种降低寄生电感的半导体装置。实施方式的半导体装置，具备：基板；多个电路单元，排列配置在基板上方，各电路单元具有第一电极、第二电极、在第一电极及第二电极间串联地电连接的第一开关元件和第二开关元件、在第一电极及第二电极间与第一开关元件和第二开关元件并联地电连接的电容器、以及连接在第一开关元件与第二开关元件之间的交流电极；以及将多个电路单元包围的壳体；各电路单元的第一电极被赋予共通的电位，各电路单元的第二电极被赋予共通的电位，各电路单元的交流电极相互连接。

Description

半导体装置
本申请基于并享受以日本专利申请2013-248104号(申请日：2013年11月29日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
实施方式一般涉及半导体装置。
背景技术
作为新一代的功率半导体器件用的材料，可以期待SiC(碳化硅)。SiC相比于Si(硅)，具有带隙为3倍、击穿电场强度(breakdown field strength)为约10倍、以及热传导率为约3倍的优良物理性质。若灵活利用该特性，则能够实现低损耗且可高温动作的功率半导体器件。
然而，例如在电压型电力变换模块那样的功率半导体模块中，随着开关动作变得高速，关断(turn off)时的过电压引起的元件击穿(breakdown)成为问题。关断时的过电压与流过电路的电流的时间变化率(di/dt)成比例。
若为了抑制过电压而延长开关时间，则开关动作变慢。同时，用电流和电压之积的时间积分(∫ixvxdt)表示的开关损耗增大。为了抑制过电压并降低开关损耗，希望降低功率半导体模块的寄生电感。
发明内容
本发明要解决的课题在于，提供一种降低寄生电感的半导体装置。
实施方式的半导体装置，具备：基板；多个电路单元，排列配置在上述基板上方，各电路单元具有第一电极、第二电极、在上述第一电极及上述第二电极间串联地电连接的第一开关元件和第二开关元件、在上述第一电极及上述第二电极间与上述第一开关元件及上述第二开关元件并联地电连接的电容器、以及连接在上述第一开关元件及上述第二开关元件之间的交流电极；以及将上述多个电路单元包围的壳体；上述各电路单元的第一电极被赋予共通的电位，上述各电路单元的第二电极被赋予共通的电位，上述各电路单元的上述交流电极相互连接。
通过上述构成，提供一种降低寄生电感的半导体装置。
附图说明
图1是第一实施方式的半导体装置的电路图。
图2A、图2B是第一实施方式的半导体装置的示意图。
图3是采用第一实施方式的半导体装置的逆变器电路的电路图。
图4A、图4B是第二实施方式的半导体装置的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，在以下的说明中，对同一部件等赋予同一附图标记，对一度说明过的部件等适宜地将其说明省略。
(第一实施方式)
本实施方式的半导体装置，具备：基板；多个电路单元，排列配置在基板上或基板上方，各电路单元具有第一电极、第二电极、在第一电极及第二电极间串联地电连接的第一开关元件和第二开关元件、在第一电极及第二电极间与第一开关元件及第二开关元件并联地电连接的电容器、以及连接在第一开关元件及第二开关元件之间的交流电极；以及将多个电路单元包围的壳体。并且，各电路单元的第一电极被赋予共通的电位，各电路单元的第二电极被赋予共通的电位，各电路单元的交流电极相互连接。
图1是本实施方式的半导体装置的电路图。图2A、图2B是本实施方式的半导体装置的示意图。图2A是俯视图，图2B是图2A的AA剖视图。图2A将图2B的半导体装置的电容器区域β省略来进行表示。
本实施方式的半导体装置100是收容在1个树脂封装内的功率半导体模块(以下也简称为模块)。本实施方式的半导体装置在基板80上排列配置4个电路单元，即第一电路单元10、第二电路单元20、第三电路单元30、第四电路单元40。
第一电路单元10具备第一电极11a、第二电极12a。并且，具备将第一电极11a与外部的电路连接的第一电极端子11b、以及将第二电极12a与外部的电路连接的第二电极端子12b。
并且，在第一电极11a与第二电极12a之间，具备串联地电连接的第一开关元件13和第二开关元件14。第一开关元件13和第二开关元件14例如是SiC(碳化硅)的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。
第一开关元件13的源极侧成为第一电极11a。此外，第二开关元件14的漏极侧成为第二电极12a。在第一开关元件13中，设有对第一开关元件13进行控制的第一栅极电极13a，在第二开关元件14中，设有对第二开关元件14进行控制的第二栅极电极14a。
也可以构成为：与第一开关元件13和第二开关元件14分别并联地设有未图示的续流二极管。
并且，具备与第一开关元件13和第二开关元件14并联地电连接的电容器15。电容器15具有以下功能：针对第一开关元件13和第二开关元件14开关时的过渡性电流，通过以低阻抗将第一电极11a和第二电极12a之间连接，来降低第一开关元件13、第二开关元件14、电容器15的环路的寄生电感。
并且，具备连接在第一开关元件13与第二开关元件14之间的交流电极16。交流电极16被连接到负载。
与第一电路单元10同样，第二电路单元20具备第一电极21a、第二电极22a。并且，具备将第一电极21a与外部的电路连接的第一电极端子21b、和将第二电极22a与外部的电路连接的第二电极端子22b。
并且，在第一电极21a与第二电极22a之间，具备串联地电连接的第一开关元件23和第二开关元件24。第一开关元件23和第二开关元件24例如是SiC的MOSFET。
第一开关元件23的源极侧成为第一电极21a。此外，第二开关元件24的漏极侧成为第二电极22a。在第一开关元件23中，设有对第一开关元件23进行控制的第一栅极电极23a，在第二开关元件24中，设有对第二开关元件24进行控制的第二栅极电极24a。
也可以构成为：与第一开关元件23和第二开关元件24分别并联地设有未图示的续流二极管。
并且，具备与第一开关元件23和第二开关元件24并联地电连接的电容器25。电容器25具有以下功能：针对第一开关元件23和第二开关元件24开关时的过渡性电流，通过以低阻抗将第一电极21a和第二电极22a之间连接，来降低第一开关元件23、第二开关元件24、电容器25的环路的寄生电感。
并且，具备连接在第一开关元件23与第二开关元件24之间的交流电极26。交流电极26被连接到负载。
与第一电路单元10同样，第三电路单元30具备第一电极31a、第二电极32a。并且，具有将第一电极31a与外部的电路连接的第一电极端子31b、和将第二电极32a与外部的电路连接的第二电极端子32b。
并且，在第一电极31a与第二电极32a之间，具备串联地电连接的第一开关元件33和第二开关元件34。第一开关元件33和第二开关元件34例如是SiC的MOSFET。
第一开关元件33的源极侧成为第一电极31a。此外，第二开关元件34的漏极侧成为第二电极32a。在第一开关元件33中，设有对第一开关元件33进行控制的第一栅极电极33a，在第二开关元件34中，设有对第二开关元件34进行控制的第二栅极电极34a。
也可以构成为：与第一开关元件33和第二开关元件34分别并联地设有未图示的续流二极管。
并且，具备与第一开关元件33和第二开关元件34并联地电连接的电容器35。电容器35具有以下功能：针对第一开关元件33和第二开关元件34开关时的过渡性电流，通过以低阻抗将第一电极31a和第二电极32a之间连接，来降低第一开关元件33、第二开关元件34、电容器35的环路的寄生电感。
并且，具备连接在第一开关元件33与第二开关元件34之间的交流电极36。交流电极36被连接到负载。
与第一电路单元10同样，第四电路单元40具备第一电极41a、第二电极42a。并且，具有将第一电极41a与外部的电路连接的第一电极端子41b、和将第二电极42a与外部的电路连接的第二电极端子42b。
并且，在第一电极41a与第二电极42a之间，具备串联地电连接的第一开关元件43和第二开关元件44。第一开关元件43和第二开关元件44例如是SiC的MOSFET。
第一开关元件43的源极侧成为第一电极41a。此外，第二开关元件44的漏极侧成为第二电极42a。在第一开关元件43中，设有对第一开关元件43进行控制的第一栅极电极43a，在第二开关元件44中，设有对第二开关元件44进行控制的第二栅极电极44a。
也可以构成为：与第一开关元件43和第二开关元件44分别并联地设有未图示的续流二极管。
并且，具备与第一开关元件43和第二开关元件44并联地电连接的电容器45。电容器45具有以下功能：针对第一开关元件43和第二开关元件44开关时的过渡性电流，通过以低阻抗将第一电极41a与第二电极42a之间连接，来降低第一开关元件43、第二开关元件44、电容器45的环路的寄生电感。
并且，具备连接在第一开关元件43与第二开关元件44之间的交流电极46。交流电极46被连接到负载。
本实施方式的半导体装置100具备将第一电路单元10、第二电路单元20、第三电路单元30、第四电路单元40的至少侧面包围的壳体50。壳体50具备对第一至第四电路单元10、20、30、40进行机械保护的功能。壳体50例如是环氧树脂等树脂。
对各电路单元的第一电极11a、21a、31a、41a，经由第一电极端子11b、21b、31b、41b从外部赋予共通的电位。这里设为地电位。也可以构成为将第一电极11a、21a、31a、41a在模块100内相互连接。
此外，对各电路单元的第二电极12a、22a、32a、42a，经由第二电极端子12b、22b、32b、42b从外部赋予共通的电位。这里施加正电压。也可以构成为将第二电极12a、22a、32a、42a在模块100内相互连接。
并且，各电路单元的交流电极16、26、36、46相互连接，并被连接到交流电极端子52。
各电路单元的第一栅极电极13a、23a、33a、43a相互连接，并被连接到第一栅极电极端子54。此外，各电路单元的第一开关元件13、23、33、43的源极侧相互连接，并被连接到栅极控制电路用的第一源极端子56。第一栅极电极端子54和栅极控制电路用的第一源极端子56被连接到未图示的第一栅极控制电路。
此外，各电路单元的第二栅极电极14a、24a、34a、44a相互连接，并被连接到第二栅极电极端子58。此外，各电路单元的第二开关元件14、24、34、44的源极侧相互连接，并被连接到栅极控制电路用的第二源极端子60。第二栅极电极端子58和栅极控制电路用的第二源极端子60被连接到未图示的第二栅极控制电路。
半导体装置100如图2B所示，具备配置有第一开关元件13、23、33、43及第二开关元件14、24、34、44的开关元件区域α、和配置有电容器15、25、35、45的、位于开关元件区域α的上方的电容器区域β。换言之，相对于第一开关元件13、23、33、43与第二开关元件14、24、34、44而言，电容器15、25、35、45设置在与基板80相反的一侧。这样，通过使开关元件区域α和电容器区域β层叠的构成，能够缩小半导体装置100的尺寸。
从提高散热性的观点来看，基板80优选为金属等导体。例如，基板80是铜。
此外，基板80为导体的情况下，在基板80与第一开关元件13、23、33、43以及第二开关元件14、24、34、44之间，例如设置有在表面电极与背面电极之间夹着陶瓷绝缘体的绝缘体17、27、37、47。
例如，在将模块的地电位的端子和被施加正电压的端子一并连接到1个电容器的情况下，寄生电感的自感成分变大。此外，在连接布线的寄生电感中流过4个开关元件的电流，因此电流的时间变化率(di/dt)变大。因而，难以抑制与流过布线电感(寄生电感)和模块的电流的时间变化率(di/dt)成比例的关断时的过电压。
本实施方式的半导体装置100将模块分割为多个并联连接的电路单元。并且，电容器也分割地连接并内置于各个电路单元。因此，与一并连接到1个电容器的情况相比，寄生电感的自感成分变小与电路单元的分割数相应的量。进而，在各个电路单元中流过与开关元件数相应的电流，所以电流的时间变化率(di/dt)变小。
通过该构成，寄生电感和电路单元的di/dt变小，结果，能够抑制过电压。此外，通过抑制过电压，还能实现开关速度的提高，能够降低开关损耗(∫ixvxdt)。
另外，这里，以电路单元是4个的情况为例进行了说明，但电路单元的数量不限于4个，只要为多个则可以是任意的数量。例如，可以根据模块所需要的容量来选择被并联配置的电路单元的数量。
从抑制过电压、降低开关损耗的观点来看，优选以使流过各电路单元的电流在100A(安培)以下的方式来选择分割数。
图3是采用了本实施方式的半导体装置的逆变器(inverter)电路的电路图。通过将与本实施方式的模块100为同一构成的3个模块100a、100b、100c并联连接在负电压端子(N)与正电压端子(P)之间，实现具备3个交流电极端子U、V、W的三相逆变器电路。该三相逆变器电路也能实现过电压的抑制和开关损耗的降低。
(第二实施方式)
本实施方式的半导体装置除了在邻接的电路单元之间具备导体的磁遮蔽板以外，与第一实施方式同样。因而，对于与第一实施方式重复的内容而省略描述。
图4A、图4B是本实施方式的半导体装置的示意图。图4A是俯视图，图4B是图4A的AA剖视图。图4A将图4B的半导体装置的电容器区域β省略来进行表示。
本实施方式的半导体装置200，在邻接的电路单元之间、即第一电路单元10与第二电路单元20之间、第二电路单元20与第三电路单元30之间、第三电路单元30与第四电路单元40之间设置有磁遮蔽板70。从提高磁遮蔽特性的观点来看，磁气遮蔽板70优选如图4A所示那样连续地设置在壳体50的相对置的内侧面间。
磁遮蔽板70例如是金属。金属例如是铝。
磁气遮蔽板70例如可以是平板，也可以是网格状。
根据本实施方式的半导体装置200，通过设置磁遮蔽板70，抑制电路单元间的磁通的交错。因而，抑制寄生电感的互感成分，寄生电感降低。因此，还能抑制与流过布线电感(寄生电感)和模块的电流的时间变化率(di/dt)成比例的关断时的过电压。此外，通过抑制过电压，还能进一步实现开关速度的提高，能够降低开关损耗(∫ixvxdt)。
以上，在实施方式中，对于第一开关元件及第二开关元件，以MOSFET为例进行了说明，但也可以应用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)等。
此外，作为第一开关元件及第二开关元件的半导体材料，以SiC(碳化硅)为例进行了说明，但也可以应用Si(硅)或GaN(氮化镓)等。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式仅是作为例子而提示的，并不意欲限定发明的范围。这里所描述的半导体装置能够以其他各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以对装置和方法的形式进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求所记载的发明及其等同范围内。

Claims (10)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
基板；
多个电路单元，排列配置在上述基板上方，各电路单元具有：第一电极、第二电极、在上述第一电极及上述第二电极间串联地电连接的第一开关元件和第二开关元件；在上述第一电极及上述第二电极间与上述第一开关元件和上述第二开关元件并联地电连接的电容器、以及连接在上述第一开关元件与上述第二开关元件之间的交流电极；以及
壳体，将上述多个电路单元包围；
上述各电路单元的第一电极被赋予共通的电位，上述各电路单元的第二电极被赋予共通的电位，上述各电路单元的上述交流电极相互连接。
2.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
在邻接的上述电路单元之间，具备导体的磁遮蔽板。
3.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
上述第一开关元件及上述第二开关元件是MOSFET或IGBT。
4.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
上述壳体是树脂。
5.如权利要求2记载的半导体装置，其特征在于，
上述磁遮蔽板连续地设置在上述壳体的相对置的内侧面间。
6.如权利要求2记载的半导体装置，其特征在于，
上述磁遮蔽板是铝。
7.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
上述基板是导体。
8.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
上述基板是导体，在上述基板与上述第一开关元件及上述第二开关元件之间设有绝缘体。
9.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
上述电容器设在上述第一开关元件和上述第二开关元件的上方。
10.如权利要求1记载的半导体装置，其特征在于，
上述电路单元具有对上述第一开关元件进行控制的第一栅极电极、和对上述第二开关元件进行控制的第二栅极电极。
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