CN112910287A - 功率用半导体装置 - Google Patents

Abstract

内置有开关元件和平滑用的电容器的功率用半导体装置经由共用的散热板来分别进行冷却，因此被配置于同一平面。由此，开关元件与平滑用的电容器之间的布线路径较长，电感变大，浪涌电压变大。为了解决这一问题，功率用半导体装置具备多个开关元件、多个电解电容器并联连接而成的平滑用的电容器、搭载有多个所述电解电容器的电路基板、搭载有多个所述开关元件的具有正电极和负电极的导电构件、以及壳体，多个所述开关元件与所述电路基板通过所述导电构件相连接并且收纳于所述壳体的内部。

Description

功率用半导体装置

技术领域

本申请涉及功率用半导体装置。

背景技术

以往，功率转换装置中，功率用半导体装置与平滑用的电容器在功率用半导体装置的外部连接，但功率用半导体装置的开关元件与平滑用的电容器之间的布线路径较长，电感变大，浪涌电压变大，因此，必须要提高元件耐电压，从而成本高。此外，电感变大，由此，为了抑制直流电源的纹波电压，需要增大电容器的静电电容，从而导致平滑用的电容器的大型化，进而导致功率转换装置的大型化。

另外，作为静电电容较大的平滑用的电容器，通常使用圆筒形等的电解电容器，从而难以有效利用空间，阻碍逆变器的小型化。

为了解决该问题，提出了以使平滑用的电容器收纳于功率用半导体装置的壳体内、减少布线电感来将电容器小型化、进而将功率转换装置整体小型化为目的的结构(专利文献1)。

在该专利文献1中，示出了如下的结构：将具有功率用半导体装置的P电极和N电极、开关元件和二极管的多个相、以及与该多个相中的各相相连接的平板状或块状的电容器内置于一个壳体中，并将一个或多个上述电容器连接到所述各相各自的P电极和N电极。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2001-258267号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在专利文献1中所示的功率用半导体装置中，有将开关元件和平滑用的电容器的发热传热到共用的散热板进行冷却的构造，因此，需将开关元件和平滑用的电容器配置于同一平面。由此，开关元件与平滑用的电容器之间的布线路径较长，电感变大，浪涌电压变大，因此，必须要提高元件耐电压，无法解决成本高的问题。进一步地，功率用半导体装置的散热板的面积、即设置功率用半导体装置的面积变大，不适于小型化。

本申请公开了用于解决上述那样的问题的技术，其目的在于提供一种减少平滑用的电容器的发热并适于小型化的功率用半导体装置。

解决技术问题所采用的技术方案

本申请中所公开的功率用半导体装置的特征在于，具备多个开关元件、多个电解电容器并联连接而成的平滑用的电容器、搭载有多个所述电解电容器的电路基板、搭载有多个开关元件的具有正电极和负电极的导电构件、以及壳体，多个所述开关元件与所述电路基板连接到所述导电构件并且收纳于所述壳体。

发明效果

根据本申请所公开的功率用半导体装置，通过使用每单位体积的电容较大的多个电解电容器，来减小相同电容下的电容器的体积，并且使用多个电解电容器来使每一个电解电容器的纹波电流分散以减少自身发热，从而无需进行冷却，可实现小型化。

附图说明

图1是示出实施方式1所涉及的功率用半导体装置的结构的框图。

图2是示出实施方式1所涉及的构件配置的结构图。

图3是示出实施方式1所涉及的功率用半导体装置的电路图。

图4是实施方式1所涉及的印刷布线板的图案图。

图5是示出实施方式2所涉及的功率用半导体装置的结构的框图。

图6是示出实施方式2所涉及的构件配置的结构图。

图7是示出实施方式3所涉及的功率用半导体装置的结构的框图。

图8是示出实施方式3所涉及的构件配置的结构图。

图9是示出实施方式4所涉及的功率用半导体装置的结构的框图。

图10是示出实施方式4所涉及的构件配置的结构图。

图11是示出实施方式5所涉及的功率用半导体装置的结构的框图。

图12是示出实施方式5所涉及的构件配置的结构图。

图13是示出实施方式6所涉及的功率用半导体装置的结构的框图。

图14是示出实施方式6所涉及的构件配置的结构图。

具体实施方式

实施方式1

图1是示出实施方式1所涉及的功率用半导体装置的概要结构的框图，图1A是俯视图，图1B是侧面剖视图，图1C是底面剖视图。

功率用半导体装置1中，在壳体10的内部收纳有搭载有开关元件20的导电构件50、搭载有电解电容器30的印刷布线板40、和绝缘散热构件60。其中，导电构件50的一部分从壳体10突出以用于外部连接。

开关元件20被分类为上侧开关元件20a和下侧开关元件20b。8个电解电容器30在印刷布线板40上并联连接(下文，以8个电解电容器30并联连接的示例进行说明)。其中，作为一个示例，并联个数并不限于8个。导电构件50可分类为P端子50a、N端子50b、输出端子50c。

图2是示出实施方式1所涉及的功率用半导体装置1内的构件配置的结构图，图2A是俯视图，图2B是侧面剖视图，图2C是底面剖视图。

该图2是从图1中去除了电解电容器30和印刷布线板40而得到的图。P端子50a与上侧开关元件20a相连接，N端子50b与下侧开关元件20b相连接。此外，输出端子50c与上侧开关元件20a和下侧开关元件20b两方相连接。以电学电路图的形式，可以如图3那样来表示。另外，这里，示出了1个臂(1个相)的结构。

壳体10主要使用绝缘性和散热性良好的树脂。例如，列举了苯酚类或环氧树脂类的树脂材料等，但并不限于此。

例如，如与图3的实施方式1相关的功率用半导体装置的电路图中所示的那样，作为上侧开关元件20a和下侧开关元件20b示出的开关元件20为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等。相同地，基于Si类的IGBT(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor：绝缘栅双极型晶体管)和二极管的结构、或者SiC类或GaN类的开关元件也是没有问题的。

电解电容器30承担着平滑用的电容器的作用。作为种类，假设为每单位体积的电容较大的铝电解电容器。除此以外，也可以是容许纹波电流较大、并且将寿命高的电解液与固体高分子混合而得到的混合电解电容器等。将容许纹波电流较大的多个电解电容器并联连接从而作为平滑用的电容器来进行使用，由此，可以分散因纹波电压而导致的纹波电流，减少因每一个电解电容器的纹波电流而产生的发热，从而无需主动冷却电解电容器。所必需的总电容例如假设为数十μF～数千μF。针对印刷布线板40的安装方法可想到利用通孔的安装或者表面安装等，但也可根据需要来使用任意一种安装方法。此外，多个开关元件20和印刷布线板40连接到导电构件50从而构造为一体，并且收纳于壳体10。在收纳于壳体10时，假设了尺寸限制，但即使为相同电容也可调整径向的尺寸和高度尺寸，因此，布局设计的自由度较高，并能确保所需要的电容。将通用的小型的铝电解电容器呈交错状地配置，由此能够极力减少浪费的空间，比整齐排列地配置更能够得到小型化的效果。

印刷布线板40由玻璃合成基板(CEM3)或玻璃布基材环氧树脂(FR4)等一般的基材构成。电极图案的配置可为单面或两面、具有内层的多层的配置等各种各样的配置，也可以根据需要而使用任意一种配置。与图4的实施方式1相关的印刷布线板40的电极图案的图中，示出了单面的图案配置。与电解电容器30的+和－的电极相对应地，配置+电极图案和－电极图案。

即，将印刷布线板或替代其的电路基板设定为，是+电极图案即正电极与－电极图案即负电极平行地配置的平板，并且是多个电解电容器的阳极端子与正电极连接、并且电解电容器的阴极端子跨过正电极与负电极之间的空间而与负电极连接的结构。

作为导电构件50的P端子50a的+电极图案和作为N端子50b的－电极图案的宽度和厚度可根据所流过的电流来进行设定。例如，设为宽度为10mm、厚度为70μm等。在单面上电流路径的横截面积较小(＝电阻抗值较大)的情况下，进行使用两面或多层的基板来增大所需的横截面积等的应对。

导电构件50基本上为铜材料，但也可以是铝材料或其他合金等。形状经常使用引线形状(方形、圆形)或平板形状。只要有导电性，形状并不限于此。导电构件50、开关元件20和印刷布线板40的连接主要使用焊料连接。除此以外，也存在使用焊接或导电性粘接剂的情况。只要可以进行电连接，也可以是其他的手段。

绝缘散热构件60主要使用绝缘性和散热性良好的树脂。例如，列举了聚氨酯类、环氧树脂类、丙烯类等，但并不限于此。可根据规格环境和使用构件等，来选定合适的材料。

搭载了电解电容器30的印刷布线板40与开关元件20之间的位置关系如图1A、图1B以及图1C所示，以导电构件50、开关元件20、印刷布线板40、电解电容器30这样的顺序，相对于印刷布线板40的主面在向上方向或垂直方向上层叠地配置。

由此，在功率用半导体装置1的内部，可将电连接的开关元件20、导电构件50和电解电容器的连接路径长度设为最小。即，可抑制由布线所产生的寄生电感的增加，因而可抑制开关时的浪涌电压的上升，可防止因开关元件20的浪涌电压而导致的破坏。

可在开关元件20和导电构件50以外的平面方向上不使面积扩大的情况下使面积最小，因而功率用半导体装置1的设置面积不会变为过大。

在已有的电容器的种类中，使用每单位体积的电容较大的电解电容器，由此可在相同电容下减小体积，因而实现小型化。

此外，对于电解电容器，也可以准备由制造商将耐震性强化的电解电容器，但是存在尺寸增加、成本增加的缺点。与此相对地，在功率用半导体装置1的内部配置有电解电容器30，并填充有绝缘散热构件60，由此，可以期待与耐震性被强化的电解电容器相同的效果。自然而然，也可得到小型化以及成本削减的效果。

实施方式2.

对于实施方式2，仅说明与实施方式1不同的点，省略重复的说明。

图5是示出实施方式2所涉及的功率用半导体装置的概要结构的框图，图5A是俯视图，图5B是侧面剖视图，图5C是底面剖视图。

从功率用半导体装置1的壳体10突出的P端子50a和N端子50b的位置位于图5的上下方向上。P端子50a在上部突出，N端子50b在下部突出。P端子50a、N端子50b和开关元件20的位置关系示出于与图6的实施方式2相关的功率用半导体装置1内的构件的配置图。

这样的P端子50a和N端子50b的配置也是可能的，可以提高使用功率用半导体装置1的产品的布局设计的自由度。根据情况，也可以使在功率用半导体装置1的内部电连接的开关元件20、导电构件50和电解电容器的连接路径长度比实施方式1要短。即，可抑制由布线所产生的寄生电感的增加，因而可抑制开关时的浪涌电压的上升，可防止因开关元件20的浪涌电压而导致的破坏。

接着示出实施方式2所涉及的功率用半导体装置1内的构件的配置。图6是示出实施方式3所涉及的构件配置的结构图，图6A是俯视图，图6B是侧面剖视图，图6C是底面剖视图。

该图6是从图5中去除了电解电容器30和印刷布线板40而得到的图。P端子50a与上侧开关元件20a相连接，N端子50b与下侧开关元件20b相连接。此外，输出端子50c与上侧开关元件20a和下侧开关元件20b两方相连接。以电学电路图的形式，可以如图3那样来表示，为1个臂(1个相)的结构。

实施方式3.

图7是示出实施方式3所涉及的功率用半导体装置的概要结构的框图，图7A是俯视图，图7B是侧面剖视图，图7C是底面剖视图。

相对于开关元件20，搭载电解电容器30的印刷布线板40配置在向上方向上。即，上侧开关元件20a搭载于导电构件50的P端子50a和输出端子50c上，下侧开关元件20b搭载于导电构件50的N端子50b和输出端子50c上，多个电解电容器30配置成比该上侧开关元件20a和下侧开关元件20b的位置更靠向上方向。P端子50a、N端子50b和开关元件20的位置关系示出于图8A、图8B、图8C。

与实施方式1或实施方式2相比而言，针对功率用半导体装置的产品的设置面积变得更大，但相反地，存在可减小高度尺寸这样的优点。例如，在不改变电解电容器30的电容的情况下增大径向的尺寸，由此可减小高度尺寸。此外，在将功率用半导体装置1设置于其他产品的情况下，面积较大，因此，可获得如下的效果：不仅是开关元件20，也可以改善对P端子50a、N端子50b、电解电容器30以及印刷布线板40的发热进行冷却时的效率。另外，如图7a和图7b所示，在将多个电解电容器30配置成比上侧开关元件20a和下侧开关元件20b的位置更靠向上方向的情况下，优选为进行接近配置以使得尽可能不在横向方向上扩张。

接着示出实施方式3所涉及的功率用半导体装置1内的构件的配置。图8是示出实施方式3所涉及的构件配置的结构图，图8A是俯视图，图8B是侧面剖视图，图8C是底面剖视图。

该图8A、图8B、图8C是与图7A、图7B、图7C相比而言去除了电解电容器30和印刷布线板40而得到的图。P端子50a与上侧开关元件20a相连接，N端子50b与下侧开关元件20b相连接。此外，输出端子50c与上侧开关元件20a和下侧开关元件20b两方相连接。电学电路图可以如图3那样来表示，为1个臂(1个相)的结构。

实施方式4.

对于实施方式4，仅说明与实施方式3不同的点，省略重复的说明。

图9是示出实施方式4所涉及的功率用半导体装置的概要结构的框图，图9A是俯视图，图9B是侧面剖视图，图9C是底面剖视图。

从功率用半导体装置1的壳体10突出的P端子50a和N端子50b的位置位于图9A和图9C的上下方向。P端子50a在上部突出，N端子50b在下部突出。如该图9A所示，上侧开关元件20a和下侧开关元件20b在与设置有电解电容器30的印刷布线板40相同的面方向上设置于不同的区域。即，横向并排配置。

接着示出实施方式3所涉及的功率用半导体装置1内的P端子50a、N端子50b、上侧开关元件20a和下侧开关元件20b的配置。图10是示出实施方式4所涉及的构件配置的结构图，图10A是俯视图，图10B是侧面剖视图，图10C是底面剖视图。

这样的P端子50a和N端子50b的配置也是可能的，可提高使用功率用半导体装置1的产品的布局设计的自由度。根据情况，也可以使在功率用半导体装置1的内部电连接的开关元件20、导电构件50和电解电容器的连接路径长度比实施方式3要短。即，可抑制由布线所产生的寄生电感的增加，因而可抑制开关时的浪涌电压的上升，可防止因开关元件20的浪涌电压而导致的破坏。

实施方式5.

对于实施方式5，仅说明与实施方式3不同的点，省略重复的说明。

图11是示出实施方式5所涉及的功率用半导体装置的概要结构的框图，图11A是俯视图，图11B是侧面剖视图，图11C是底面剖视图。

搭载电解电容器30的印刷布线板40被分割为2个部位并配置在开关元件20的两侧。接着示出P端子50a、N端子50b、上侧开关元件20a和下侧开关元件20b的配置。图12是示出实施方式5所涉及的构件配置的结构图，图12A是俯视图，图12B是侧面剖视图，图12C是底面剖视图。如该图12A所示，关于上侧开关元件20a及下侧开关元件20b和印刷布线板40之间的位置关系，与实施方式4相同地，上侧开关元件20a和下侧开关元件20b在与设置有电解电容器30的印刷布线板40相同的面方向上设置在不同区域。即，横向并排配置。

将功率用半导体装置1设置在产品上的面积与实施方式3和实施方式4相比而言不变，但是电解电容器30的位置改变，由此，作为X电容器发挥功能，因而可以吸收因开关等而导致的噪声，从而使得在输出侧不产生噪声。但是，由于被限制在电解电容器30的频率特性的范围内，因此需要选定与噪声的频带相对应的元器件。

实施方式6.

对于实施方式6，仅说明与实施方式5不同的点，省略重复的说明。

图13是示出实施方式6所涉及的功率用半导体装置的概要结构的框图，图13A是俯视图，图13B是侧面剖视图，图13C是底面剖视图。

如图13A和图13B所示，从功率用半导体装置1的壳体10突出的P端子50a和N端子50b位于在功率用半导体装置1的上下方向上突出的位置。P端子50a在上部突出，N端子50b在下部突出。接着示出P端子50a、N端子50b、上侧开关元件20a和下侧开关元件20b的配置。图14是示出实施方式6所涉及的构件配置的结构图，图14A是俯视图，图14B是侧面剖视图，图14C是底面剖视图。

这样的P端子50a和N端子50b的配置也是可能的，可提高使用功率用半导体装置1的产品的布局设计的自由度。根据情况，也可以使在功率用半导体装置1的内部电连接的开关元件20、导电构件50和电解电容器的连接路径长度比实施方式5要短。即，可抑制由布线所产生的寄生电感的增加，因而可抑制开关时的浪涌电压的上升，可防止因开关元件20的浪涌电压而导致的破坏。

在上述的实施方式1至6中，示出1个相的电路的结构，但是也能使用多个该结构作为多个相来进行处理。例如，如果为3个相(U相、V相、W相)，则使用3个该结构并将P端子、N端子并联连接，且将输出端子分配为U相、V相、W相即可。

另外，在实施方式1至6中，对使用印刷布线板作为搭载电解电容器的基板的情况进行了说明，但是，印刷布线板是一个示例，并不局限于此，也可以考虑到导电性和传热性来使用其他导电性良好的电路基板。

本申请虽然记载了各种示例性的实施方式及实施例，但在1个或多个实施方式中所记载的各种特征、形态、和功能并不限于应用于特定的实施方式，也可单独地或进行各种组合地应用于实施方式。

因此，可以认为未例示出的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为也包含对至少1个结构要素进行变形的情况、进行追加的情况或者进行省略的情况、以及提取至少1个结构要素并且与其他实施方式的结构要素进行组合的情况。

标号说明

1功率用半导体装置，10壳体，20开关元件，20a上侧开关元件，20b下侧开关元件，30电解电容器，40印刷布线板，50导电构件，50a P端子，50b N端子，50c输出端子，60绝缘散热构件。

Claims (4)

1.一种功率用半导体装置，其特征在于，

包括：多个开关元件；多个电解电容器并联连接而成的平滑用的电容器；搭载有多个所述电解电容器的电路基板；搭载有多个所述开关元件的具有正电极和负电极的导电构件；以及壳体，多个所述开关元件与所述电路基板连接到所述导电构件并且收纳于所述壳体。

2.如权利要求1所述的功率用半导体装置，其特征在于，

在多个所述开关元件的向上方向上，配置有搭载所述电解电容器的所述电路基板。

3.如权利要求1或2所述的功率用半导体装置，其特征在于，

在搭载有多个所述开关元件的所述导电构件上，重叠配置有搭载有多个所述电解电容器的所述电路基板。

4.如权利要求1至3中任一项所述的功率用半导体装置，其特征在于，

在所述壳体内的一部分或全部填充有绝缘散热构件。

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