CN104796007A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体装置。多个臂元件沿着基板的第一方向排列。各臂元件由并联连接的多个半导体元件构成。在各臂元件中，多个半导体元件沿着与第一方向垂直的基板的第二方向排列，并且被分组为第一元件组和第二元件组。基板具有配置第一元件组所包含的半导体元件的第一区域和配置第二元件组所包含的半导体元件的第二区域，第一区域和第二区域在第二方向上分离。输入电极部以及输出电极部沿着第一方向配置在基板中的第一区域与第二区域之间的区域。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
作为以往的半导体装置，已知有例如美国专利第5715141号(以下，称为专利文献1)以及实用新型登录3173512号公报(以下，称为专利文献2)所记载的半导体装置。专利文献1所记载的半导体装置具备固定于基板的多个电极端子和在电极端子的附近安装于基板的多个功率元件。专利文献2所记载的半导体装置具备搭载于主电路基板的多个半导体元件组和固定于主电路基板的正极侧输入电极端子、负极侧输入电极端子及3个输出端子。各半导体元件组和各端子交替排列。
然而，在上述现有技术中，存在以下的问题点。即，在专利文献1所记载的半导体装置中，从电极端子到各功率元件的电流路径的长度不同，所以电流流入至各功率元件的时刻不同。因此，各功率元件间的电流不平衡较大。功率元件需要以与流过各功率元件的电流值中最小的电流值相匹配的方式来设计。因此，在电流不平衡较大的情况下，为了获得所希望的输出电流而不得不增加功率元件的数量，结果装置大型化。
在专利文献2所记载的半导体装置中，从正极侧输入电极端子到半导体元件组的各半导体元件的电流路径的长度相等。因此，电流流入至各半导体元件的时刻相同，各半导体元件间的电流不平衡较少。电极端子以及输出端子沿着各半导体元件的排列方向(与各半导体元件组的排列方向垂直的方向)延伸，所以电极端子以及输出端子的空间较大。其结果是，装置大型化。
发明内容
本发明的一方面的目的在于提供一种能够将各半导体元件间的电流不平衡的影响抑制得较低且能够实现小型化的半导体装置。
本发明的一方式是一种半导体装置，具备：基板，其设置有具备多个臂元件的主电路，各臂元件由并联连接的多个半导体元件构成；输入电极部，其设置在基板上，用于对主电路供给电力；以及输出电极部，其设置在基板上，与串联连接的2个臂元件的中点连接，多个臂元件沿着基板的第一方向排列，在各臂元件中，多个半导体元件沿着与第一方向垂直的基板的第二方向排列，并且被分组为第一元件组和第二元件组，基板具有配置第一元件组所包含的半导体元件的第一区域和配置第二元件组所包含的半导体元件的第二区域，第一区域和第二区域在第二方向上分离，输入电极部以及输出电极部沿着第一方向配置于基板上的第一区域与第二区域之间的第三区域。
在上述一方式中，各第一元件组所包含的半导体元件被配置于第一区域，各第二元件组所包含的半导体元件被配置于第二区域。输入电极部以及输出电极部被沿着第一方向配置于在第二方向上分离的第一区域与第二区域之间的第三区域。由此，例如与输入电极部以及输出电极部被配置在沿着第二方向排列的多个半导体元件的第二方向上的外侧的结构相比，从输入电极部以及输出电极部到各半导体元件的电流路径的长度的差异较少。因此，电流流入至各半导体元件的时刻的差异被抑制得较低，所以能够将各半导体元件间的电流不平衡的影响抑制得较低。其结果是，不必为了获得所希望的输出电流而将半导体元件的数量增加至必要数量以上，所以无需增大基板。另外，无需为了减少各半导体元件间的电流不平衡而输入电极部以及输出电极部沿着各半导体元件的排列方向延伸。因此，在这一点上也无需增大基板。根据上述情况，能够实现半导体装置的小型化。
也可以在上述一方式中，在输入电极部搭载有输入电极，输入电极具有第一方向的宽度比第二方向的宽度长的形状。基板的第一方向的尺寸受到臂元件的排列数的影响。在将输入电极部以及输出电极部配置在上述第三区域的情况下，在基板的第一方向上空间充裕。因此，能够将输入电极部在基板的第一方向上较长地设计，并且能够将输入电极在基板的第一方向上较长地设计。在输入电极是第一方向的宽度比第二方向的宽度长的形状的情况下，即便输入电极的尺寸在第二方向上被较小地设定，也能够确保输入电极的通电连接面积。在第二方向上较小地设定输入电极的尺寸，从而基板的第二方向的尺寸减小相应量。由此，能够实现半导体装置的进一步的小型化。
也可以在上述一方式中，输入电极具有长边方向是第一方向的长方形形状。在该情况下，能够有效利用位于第一区域与第二区域之间的第三区域的空间，充分确保输入电极的通电连接面积。
也可以在上述一方式中，输入电极部的至少一部分位于构成一个臂元件的多个半导体元件中所包含的、夹着第三区域在第二方向上相邻的2个半导体元件之间，输出电极部的至少一部分位于构成与一个臂元件在第一方向上相邻的臂元件的多个半导体元件中所包含的、夹着第三区域在第二方向上相邻的半导体元件之间。在该情况下，与在第一方向上相邻的2个臂元件间配置输入电极部以及输出电极部的结构相比，基板的第一方向的长度较短。因此，能够实现半导体装置的进一步的小型化。
通过下文和附图，本发明会变得更加清楚，但只是例示，本发明不受其限定。
而且，通过以下的详细描述，本发明的适用范围将变得显而易见，然而，应当理解，在优选的实施方式中给出的详细描述和具体实施例只是例示，对本领域技术人员而言，可以在本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的逆变器装置的分解立体图。
图2是图1所示的逆变器装置的剖面图。
图3是图1所示的逆变器装置的电路图。
图4是表示图1所示的下基板的部件安装构造的俯视图。
图5是表示图1所示的上基板的部件安装构造的俯视图。
图6是表示图4所示的下基板的部件安装构造中的电流的流动方向的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。其中，在说明中，对于同一要素或者具有同一功能的要素，使用同一附图标记，省略重复的说明。存在各图中的尺寸比例与实际的尺寸比例不同的情况。
图1是表示本实施方式所涉及的逆变器装置的分解立体图。图2是图1所示的逆变器装置的剖面图。图2中的(a)是沿着图5的IIA－IIA线的剖面图，图2中的(b)是沿着图5的IIB－IIB线的剖面图。本实施方式的逆变器装置1例如是驱动三相交流电机的三相逆变器装置。
图3是逆变器装置1的电路图。如图3所示，逆变器装置1具有主电路2、控制该主电路2的控制电路3、正极电极端子4以及负极电极端子5。正极电极端子4以及负极电极端子5与作为内部电路的主电路2和电池等外部电源(未图示)连接。正极电极端子4以及负极电极端子5是用于从外部电源对主电路2供给电力的输入端子。
主电路2具有三相桥式连接的6个开关元件Q1～Q6以及与各开关元件Q1～Q6并联连接的续流二极管D1～D6。作为开关元件Q1～Q6，例如使用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。在图3中，将由并联连接的多个开关元件(例如，4个开关元件)15构成的开关元件组16(参照图1)等效地表示为一个开关元件Q1～Q6。包含开关元件Q1、Q3、Q5以及续流二极管D1、D3、D5的组构成上臂。包含开关元件Q2、Q4、Q6以及续流二极管D2、D4、D6的组构成下臂。
开关元件Q1、Q2在正极电极端子4与负极电极端子5之间串联连接。在开关元件Q1、Q2的连接点(中点)连接有作为输出端子的U相输出端子6。开关元件Q3、Q4在正极电极端子4与负极电极端子5之间串联连接。在开关元件Q3、Q4的连接点(中点)连接有作为输出端子的V相输出端子7。开关元件Q5、Q6在正极电极端子4与负极电极端子5之间串联连接。在开关元件Q5、Q6的连接点(中点)连接有作为输出端子的W相输出端子8。U相输出端子6、V相输出端子7以及W相输出端子8是用于将三相的交流输出供给至外部的电机的输出端子。
在正极电极端子4与负极电极端子5之间，连接有作为构成主电路2的电子部件的电容器9。在图3中，将与主电路2连接的多个电容器9表示为一个电容器(参照图1以及图2)。
控制电路3是控制各开关元件Q1～Q6的开关(接通/断开)的电路。控制电路3能够构成为电子控制单元(ECU)的一部分。控制电路3例如根据负载状态或者操作者的请求值等适当地开关各开关元件Q1～Q6。
再次参照图1以及图2。逆变器装置1具有：配置在散热片10上的下基板11、隔着分隔器支架(Spacer Bracket)12配置在下基板11上的上基板13、覆盖下基板11以及上基板13的壳体14、正极电极端子4及负极电极端子5(以下，也有称为输入端子4、5的情况)、U相输出端子6、V相输出端子7及W相输出端子8(以下，也有称为输出端子6～8的情况)。下基板11例如是绝缘金属基板(IMS)。上基板13例如是印刷电路基板。下基板11以及上基板13被螺钉固定于散热片10。壳体14也被螺钉固定于散热片10。
在下基板11安装有构成主电路2的一部分的电子部件。具体而言，也如图4所示，在下基板11上，以沿着下基板11的长边方向(第一方向)排列的方式安装有由多个开关元件(这里是4个开关元件)15构成的开关元件组16。在本实施方式中，配置有6列开关元件组16。这些开关元件组16构成上述的开关元件Q1～Q6。
构成上臂元件的开关元件组16和构成下臂元件的开关元件组16被以在下基板11的长边方向上相邻的方式安装。即，在下基板11设置有具备多个臂元件的主电路2。上臂元件的开关元件组16和下臂元件的开关元件组16被以相互接近的方式配置。因此，上臂元件的开关元件组16与下臂元件的开关元件组16之间的布线距离缩短，主电路2的寄生电感变小。
构成开关元件组16的4个开关元件15如上述那样并联连接，并且沿着与下基板11的长边方向垂直的方向(第二方向)排列。4个开关元件15被分组为2组元件组16A。如图4所示，下基板11具有在第二方向上相互分离的第一区域11a和第二区域11b、以及第一区域11a与第二区域11b之间的第三区域11c。一组元件组(第一元件组)16A所包含的开关元件15以配置于第一区域11a的方式安装于下基板11。另一组元件组(第二元件组)16A所包含的开关元件15以配置于第二区域11b的方式安装于下基板11。即，一组元件组16A所包含的开关元件15和另一组元件组16A所包含的开关元件15以在第二方向上分离的方式安装于下基板11。一组元件组16A所包含的开关元件15的数量与另一组元件组16A所包含的开关元件15的数量相同。在本实施方式中，各元件组16A由2个开关元件15构成。
如图4所示，在下基板11中的各元件组16A间的第三区域11c，分别配置有多个输入电极图案(输入电极部)17以及输出电极图案(输出电极部)18。输入电极图案17和输出电极图案18沿着下基板11的长边方向相互交替排列。其中，图4是下基板11上未载置有分隔器支架12的状态下的俯视图。输入电极图案17是用于对主电路2供给电力的图案。输出电极图案18是与输出端子6～8连接的图案。输入电极图案17以及输出电极图案18分别经由布线图案(未图示)与各开关元件15电连接。
输入电极图案17呈沿下基板11的长边方向延伸的形状。在本实施方式中，输入电极图案17呈其长边方向是下基板11的长边方向的长方形形状。换句话说，输入电极图案17构成为在下基板11的长边方向上的长度比在与下基板11的长边方向垂直的方向上的长度大。在输入电极图案17形成有用于使端子紧固螺钉36贯通的贯通孔17a。输出电极图案18呈圆形形状。在输出电极图案18形成有用于使端子紧固螺钉46贯通的贯通孔18a。
在下基板11上，还安装有构成主电路2的其他电子部件以及构成控制电路3的电子部件。
分隔器支架12具有用于收容中继电极(输入电极)19的多个电极收容部(这里是4个电极收容部)20。中继电极19与输入电极图案17的形状对应，呈沿下基板11的长边方向延伸的形状。在本实施方式中，中继电极19呈其长边方向是下基板11的长边方向的长方形形状。换句话说，中继电极19构成为在下基板11的长边方向上的长度比在与下基板11的长边方向垂直的方向上的长度大。
在中继电极19形成有用于使端子紧固螺钉36贯通的贯通孔19a。在将分隔器支架12载置在下基板11上的状态下，收容于各电极收容部20的中继电极19被配置在元件组16A间的区域。即，中继电极19被配置在下基板11的第三区域11c。中继电极19与形成于下基板11的输入电极图案17电连接。为了防止中继电极19被以上下反向的状态安装于分隔器支架12，例如也可以在中继电极19的上侧端面设置有肋条。在本实施方式中，中继电极19搭载于输入电极图案17。
也如图5所示，在上基板13上，安装有多个电容器9和构成控制电路3的部件。在上基板13中的安装电容器9的区域与安装控制电路3的构成部件的区域之间的区域，经由固定支架21固定有输入端子4、5以及输出端子6～8。固定支架21通过固定用螺钉隔着上基板13、中继电极19、输入电极图案17以及下基板11固定于散热片10。
在与上基板13上的输出端子7、8的固定部对应的区域，设置有电流传感器22。电流传感器22检测流过输出端子7、8的电流。电流传感器22被配置在上基板13与固定支架21之间。
在壳体14的上部，形成有用于使输入端子4、5以及输出端子6～8的上端面30a、40a从壳体14露出的5个孔部23。通过对各孔部23进行划分的壳体14的内壁面，输入端子4、5以及输出端子6～8的上端部被定位。
如图2的(a)所示，输入端子4、5呈曲柄形状(在图2的(a)中，仅图示有输入端子5)。输入端子4、5具有连接外部布线的端子(未图示)的外部端子连接部30、和连接固定于下基板11的基板固定部31。基板固定部31以相对于外部端子连接部30偏心的方式与外部端子连接部30设置为一体。
外部端子连接部30具有上端面30a。上端面30a是通过螺栓(未图示)来紧固外部布线的端子(未图示)的外部端子紧固面。上端面30a大致呈多边形状(这里是大致八边形状)。壳体14的孔部23的形状与上端面30a的形状对应，大致呈多边形状(这里是大致八边形状)。在外部端子连接部30形成有螺栓螺合的螺纹部33。
在外部端子连接部30的上部，设置有密封安装部35。在密封安装部35中，安装有用于对外部端子连接部30的上部与壳体14之间进行密封的密封部件34。作为密封部件34，例如使用橡胶制的O型环。密封安装部35具备具有环状槽35a且密封部件34被嵌入于环状槽35a的构造。
在基板固定部31形成有用于使端子紧固螺钉36贯通的贯通孔31a。输入端子4、5通过端子紧固螺钉36连接固定于下基板11。输入端子4、5的向下基板11的固定通过以下的过程进行。将外部端子连接部30的下部载置在固定支架21上，并且将基板固定部31载置于上基板13的上表面13a侧的输入布线图案(未图示)上。这时，以将上基板13的背面13b侧的输入布线图案(未图示)与下基板11的输入电极图案17电连接的方式，在两基板11、13之间配置中继电极19。在该状态下，将端子紧固螺钉36隔着绝缘体37插入至基板固定部31的贯通孔31a。端子紧固螺钉36贯通上基板13、中继电极19以及下基板11，与形成于散热片10的螺孔紧固，从而这些多个部件被固定为一体。通过这些过程，输入端子4、5被连接固定于下基板11。上基板13的上表面侧的输入布线图案与上基板13的背面侧的输入布线图案电连接。
如图2的(b)所示，输出端子6～8与输入端子4、5相同地呈曲柄形状(在图2的(b)中，仅图示有输出端子8)。输出端子6～8具有连接外部布线的端子(未图示)的外部端子连接部40、和固定于下基板11的基板固定部41。基板固定部41以相对于外部端子连接部40偏心的方式与外部端子连接部40设置为一体。
外部端子连接部40具有上端面40a。上端面40a是通过螺栓(未图示)来紧固外部布线的端子(未图示)的外部端子紧固面。上端面40a与上述的外部端子连接部30的上端面30a相同，大致呈多边形状(这里是大致八边形状)。在外部端子连接部40形成有螺栓螺合的螺纹部42。
在外部端子连接部40的上部设置有密封安装部43。在密封安装部43中，安装有用于对外部端子连接部40的上部与壳体14之间进行密封的密封部件34。密封安装部43与密封安装部35相同，具有嵌入密封部件34的环状槽43a。
在基板固定部41形成有用于使端子紧固螺钉46贯通的贯通孔41a。输出端子6～8的向下基板11的固定通过以下的过程来进行。将外部端子连接部40的下端载置于固定支架21，并且将基板固定部41经由形成于上基板13的贯通孔而载置于下基板11上的输出电极图案18上。在该状态下，将端子紧固螺钉46隔着绝缘体47插入至基板固定部41的贯通孔41a。端子紧固螺钉46隔着下基板11与形成于散热片10的螺孔紧固。通过这些过程，输出端子6～8被固定于下基板11。
综上所述，在本实施方式中，一组各元件组(第一元件组)16A所包含的2个开关元件15被配置于第一区域11a，另一组各元件组(第二元件组)16A所包含的2个开关元件15被配置于第二区域11b。输入电极图案17以及输出电极图案18沿着第一方向配置于在第二方向上分离的第一区域11a与第二区域11b之间的第三区域11c。由此，如图6所示，从输入电极图案17到各开关元件15的电流路径的长度的差异比较少。因此，电流流入至各开关元件15的时刻的差异变小，所以能够将各开关元件15间的电流不平衡的影响抑制得较低。输入电极图案17以及输出电极图案18未被配置在第一区域11a以及第二区域11b。开关元件15未被配置在第三区域11c。在图6中，箭头表示电流路径。
各开关元件15间的电流不平衡的影响被抑制得较低，所以无需为了获得所希望的输出电流而将开关元件15的数量增加至必要数量以上。
下基板11的长边方向的长度受到开关元件组16的排列数量的影响。在如本实施方式那样，在位于配置开关元件15的第一区域11a以及第二区域11b之间的第三区域11c，配置输入电极图案17以及输出电极图案18的情况下，与在开关元件组16的列间分别配置输入电极图案17以及输出电极图案18的情况相比，能够较短地设定下基板11的长边方向上的长度。在本实施方式中，输入电极图案17的至少一部分位于构成一个臂元件的开关元件组16中所包含的、夹着第三区域11c在第二方向上相邻的2个开关元件15之间。同样，输出电极图案18的至少一部分位于构成与一个臂元件在第一方向上相邻的臂元件的开关元件组16中所包含的、夹着第三区域11c在第二方向上相邻的开关元件15之间。由此，与以往的结构相比，能够减小与排列数相应的量的电极配置空间，能够使下基板11小型化。输入电极图案17(中继电极19)具有其长边方向是下基板11的长边方向的长方形形状，所以能够使输入电极图案17(中继电极19)确保有足够的通电面积。另外，能够较短地设定第一区域11a与第二区域11b之间的间隔、即夹着第三区域11c在第二方向上相邻的开关元件15之间的距离，能够实现开关元件15间的电流不平衡的减少和下基板11的小型化。由此，能够实现逆变器装置1的小型化。
此外，本发明并不局限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，输入电极图案17以及中继电极19的形状是长方形，但是作为输入电极图案17以及中继电极19的形状，并不特别限定于此。输入电极图案17以及中继电极19的形状只要是沿着下基板11的长边方向延伸的形状即可。只要能够确保通电连接面积，输入电极图案17以及中继电极19的形状也可以是圆形或者正方形等。
在上述实施方式中，开关元件组16由4个开关元件15构成，但是构成开关元件组16的开关元件15的数量并不局限于4个。各元件组16A所包含的开关元件15的数量可以相等，或者也可以不同。在一组元件组16A所包含的开关元件15的数量与另一组元件组16A所包含的开关元件15的数量相同的情况下，能够将元件组16A间的电流不平衡的影响抑制得较低。
本发明并不局限于如本实施方式那样的三相逆变器装置1，例如也能够应用于DC－DC转换器等。

Claims (5)

1.一种半导体装置，其中，具备：
基板，其设置有具备多个臂元件的主电路，各所述臂元件由并联连接的多个半导体元件构成；
输入电极部，其设置在所述基板上，用于对所述主电路供给电力；以及
输出电极部，其设置在所述基板上，与串联连接的2个所述臂元件的中点连接，
所述多个臂元件沿着所述基板的第一方向排列，
在各所述臂元件中，所述多个半导体元件沿着与所述第一方向垂直的所述基板的第二方向排列，并且被分组为第一元件组和第二元件组，
所述基板具有配置所述第一元件组所包含的所述半导体元件的第一区域和配置所述第二元件组所包含的所述半导体元件的第二区域，所述第一区域和所述第二区域在所述第二方向上分离，
所述输入电极部以及所述输出电极部沿着所述第一方向配置于所述基板中的所述第一区域与所述第二区域之间的第三区域。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
在所述输入电极部搭载有输入电极，
所述输入电极具有所述第一方向的宽度比所述第二方向的宽度长的形状。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述输入电极具有长边方向是所述第一方向的长方形形状。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的半导体装置，其中，
所述输入电极部的至少一部分位于所述多个半导体元件中所包含的、夹着所述第三区域在所述第二方向上相邻的2个所述半导体元件之间，所述多个半导体元件构成一个所述臂元件，
所述输出电极部的至少一部分位于所述多个半导体元件中所包含的、夹着所述第三区域在所述第二方向上相邻的所述半导体元件之间，所述多个半导体元件构成与所述一个臂元件在所述第一方向上相邻的所述臂元件。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的半导体装置，其中，
在各所述臂元件中，所述第一元件组所包含的所述半导体元件的数量与所述第二元件组所包含的所述半导体元件的数量相同。
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