JP2005129826A - 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、自己消弧(ターンオフ)型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 self-extinguishing (turn-off) power semiconductor device.
自己消弧型パワー半導体装置では、複数の半導体素子(例えばIGBT)を並列動作させる場合、2つのパワー半導体素子のゲート間にC成分及びL成分が形成され、ゲート発振が発生するという問題があった。これに対して、パワー半導体素子が載置される絶縁基板上にチップ状の抵抗体を載置し、抵抗体をゲート配線中に接続することにより、ゲート発振を防止していた(例えば、特許文献1)。
しかしながら、かかる構造では、複数のチップ状の抵抗体が絶縁基板上にはんだ付け等で載置されるため、絶縁基板の面積が大きくなり、自己消弧型パワー半導体装置の小型化、低コスト化が困難であった。 However, in such a structure, since a plurality of chip-shaped resistors are mounted on the insulating substrate by soldering or the like, the area of the insulating substrate increases, and the self-extinguishing power semiconductor device is reduced in size and cost. It was difficult.
そこで、本発明は、ゲート発振が防止できかつ小型化の可能な自己消弧型パワー半導体装置の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a self-extinguishing power semiconductor device that can prevent gate oscillation and can be miniaturized.
本発明は、複数のパワー半導体素子を有する自己消弧型パワー半導体装置であって、放熱板と、放熱板上に配置された複数のパワー半導体素子と、複数のパワー半導体素子のゲート電極が並列に接続されたリードフレームと、放熱板上に、パワー半導体素子を覆うように設けられた封止樹脂とを含み、ゲート電極とリードフレームとが、金属抵抗体を介して接続されたことを特徴とするパワー半導体装置である。 The present invention is a self-extinguishing type power semiconductor device having a plurality of power semiconductor elements, wherein a heat sink, a plurality of power semiconductor elements arranged on the heat sink, and gate electrodes of the plurality of power semiconductor elements are arranged in parallel. Including a lead frame connected to the substrate and a sealing resin provided on the heat sink so as to cover the power semiconductor element, and the gate electrode and the lead frame are connected via a metal resistor. This is a power semiconductor device.
本発明にかかるパワー半導体装置では、素子サイズを大きくすることなくパワー半導体素子のゲート間で発生するゲート発振を防止できる。 In the power semiconductor device according to the present invention, gate oscillation that occurs between the gates of the power semiconductor element can be prevented without increasing the element size.
実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本実施の形態にかかる自己消弧型パワー半導体装置の内部構造の斜視図であり、図2は、図1をI−I方向に見た場合の断面図である。
パワー半導体装置100は、例えば銅からなる放熱板1を含む。放熱板1の上には、例えばIGBTやFETのようなパワー半導体素子2が、半田等により固着されている。また、放熱板1の上には、例えば銅からなるリードフレーム3のコレクタ端子(C)が、超音波溶接により接合されている。図1に示すように、リードフレーム3は、ゲート端子(G)、エミッタ端子(E)、およびコレクタ端子(C)に分かれている。ゲート端子(G)、エミッタ端子(E)は放熱板1に接触せず、中空に浮いた構造となっている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view of the internal structure of the self-extinguishing power semiconductor device according to the present embodiment, the whole being represented by 100, and FIG. 2 is a view when FIG. 1 is viewed in the II direction. It is sectional drawing.
The
リードフレーム3のエミッタ端子(E)は、パワー半導体素子2の表面に設けられたエミッタ電極に、アルミニウム等のボンディングワイヤで接続されている。また、コレクタ端子(C)は、パワー半導体素子2の裏面に設けられたコレクタ電極と電気的に接続されている。
The emitter terminal (E) of the
一方、ゲート端子(G)に該当するリードフレーム3の先端には金属板5が、例えば超音波溶接により固着されている。金属板5は、抵抗値が略0.1Ω〜略100Ωであり、例えば、コンスタンタン、クロメル、マンガニンから選択された金属の、矩形形状の板からなる。ゲート端子(G)は、金属板5を介して、アルミニウム等のボンディングワイヤ4で、パワー半導体素子2の表面に設けられたゲート電極に接続されている。
On the other hand, a
放熱板1の上には、パワー半導体素子2、ボンディングワイヤ4等を埋め込むように、例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂6が設けられている。更に、放熱板1の裏面には、絶縁樹脂層7が設けられている。絶縁樹脂層7は、例えば酸化物や窒化物のフィラーを混入したシリコーン樹脂やエポキシ樹脂からなる。ただし、図1では、モールド樹脂6、絶縁樹脂層7を省略してある。
A
図3は、パワー半導体装置100の回路図である。図3からわかるように、ゲート端子(G)であるリードフレーム3は2つに分岐し、その先端で抵抗体である金属板5を介してそれぞれのパワー半導体素子2のゲート電極に接続されている。上述のように、金属板5は、略0.1Ω〜略10Ωの抵抗値を備えた抵抗体であり、ゲート抵抗として機能する。従って、金属板5を配置することにより、複数(ここでは2つ)のパワー半導体素子2を並列動作させる場合に、パワー半導体素子2のゲート間で発生するゲート発振を防止できる。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
即ち、ゲート回路は、容量(C)成分及びコイル(L)成分を持つため、共振周波数に近い電流が流れたときに発振現象が生じるおそれがある。これに対して、パワー半導体装置100では、抵抗成分を有する金属板5を設けることにより、発振のエネルギを熱に変換して消費し、ゲート発振を防止する。
That is, since the gate circuit has a capacitance (C) component and a coil (L) component, an oscillation phenomenon may occur when a current close to the resonance frequency flows. On the other hand, in the
また、例えばリードフレームの二つの電極の間にチップ抵抗体を半田付け等で配置し、リードフレームの各電極とチップ抵抗体とをボンディングワイヤで接合する構造に比べて、リードフレームの形状が簡単になり、製造工程も簡略化できる。また、素子サイズの小型化も可能となる。 Also, for example, the lead frame shape is simple compared to a structure in which a chip resistor is placed between two electrodes of the lead frame by soldering etc., and each electrode of the lead frame and the chip resistor are joined by a bonding wire. Thus, the manufacturing process can be simplified. In addition, the element size can be reduced.
図4は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示した上面図であり、図4中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。ただし、図1のパワー半導体装置100とは異なり、L字型のリードフレーム3が2つの電極板5を有し、ボンディングワイヤ4を介してそれぞれのパワー半導体素子2のゲート電極12に接続されている。
なお、各パワー半導体素子2には、合計5つの電極が設けられており、かかる5つの電極は、ゲート電極12、電流センサ用電極、電圧センサ用電極、温度センサのアノード電極とカソード電極からなる。
また、L字型のリードフレーム3を用いた場合は、2つの電極板5の抵抗値を調整して、リードフレーム3の先端からそれぞれのゲート電極12までの抵抗値が略等しくなるようにしてある。
4 is a top view showing in detail a part of the power semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. However, unlike the
Each
When the L-
一方、図5は、図4の比較例であり、図5中、図4と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図5の構造では、ゲート端子(G)のリードフレーム3は、金属板5を介して、一旦他のリードフレーム(吊りリード)に接続され、更にボンディングワイヤ4を介してそれぞれのパワー半導体素子2のゲート電極12に接続されている。
On the other hand, FIG. 5 is a comparative example of FIG. 4, and in FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding parts. In the structure of FIG. 5, the
図4と図5とを比較するとわかるように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、比較例に比べてリードフレーム3の数を2本少なくできる。このため、パワー半導体装置の小型化や製造コストの削減が可能となる。
As can be seen by comparing FIG. 4 and FIG. 5, in the power semiconductor device according to the present embodiment, the number of
実施の形態2.
図6は、本実施の形態にかかる自己消弧型パワー半導体装置に含まれる金属抵抗体15の拡大図である。金属抵抗体15は、導体部15aと、その両側に設けられた電極部15bからなる。導体部15aの断面積は、電極部15bの断面積より小さくなっている。
FIG. 6 is an enlarged view of the
一方の電極部15bは、ゲート端子(G)のリードフレーム3に固着されている。また、他方の電極部15bは、ボンディングワイヤ4を介してパワー半導体素子のゲート電極(図示せず)に接続されている。
One
このように、導体部15aに比べて、電極部15bの断面積を大きくし、広い電極部15bを設けることにより、金属抵抗体15とリードフレーム3との相対的な位置が多少変動しても、ボンディングワイヤ4の長さを変えずに両者を接続でき、ゲート電極とリードフレーム3との間の抵抗値の変動を防止できる。
また、画像認識を用いて金属抵抗体15の位置の検出を行なう場合も、角が多い形状の方が、検出が容易となり生産性が高まる。
As described above, by making the cross-sectional area of the
Also, when the position of the
また、図6に示すように、リードフレーム3と接合する電極部15bには、超音波接合を行なう際に、ツールにより圧痕15cが形成される。このため、電極部15bを覆うモールド樹脂との密着性が高まる。
従来のようにチップ状の抵抗体を半田付けした構造では、半田表面とモールド樹脂との接着性が低いため、剥離の起点となり、信頼性に問題が生じていた。これに対して、本実施の形態にかかる構造では、金属抵抗体15をリードフレーム3に超音波接合するため、半田接合した場合のようにモールド樹脂との密着性が損なわれることなく抵抗体を内蔵できる。更に、ツールの圧痕15cでモールド樹脂との密着性が向上するため、信頼性を高くできる。
Further, as shown in FIG. 6, an
In the conventional structure in which a chip-like resistor is soldered, the adhesiveness between the solder surface and the mold resin is low, which causes a starting point of peeling, causing a problem in reliability. On the other hand, in the structure according to the present embodiment, the
実施の形態3.
図7は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示した上面図であり、図7中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 7 is a top view showing in detail a part of the power semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
図7に示すように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、パワー半導体素子2を制御するためのIC10がリードフレーム3に搭載されている。IC10は複数の電極を有し、それぞれがリードフレーム3にボンディングワイヤで接続されている。
As shown in FIG. 7, in the power semiconductor device according to the present embodiment, an
パワー半導体素子2では、パワー半導体素子2に含まれる複数のゲート電極に対して、ゲート電圧を与えるための電荷を瞬時に移動させる必要がある。具体的には、数マイクロ秒の間に1A程度の電流を流す必要がある。
この時、ゲート発振を防止するためのゲート抵抗をIC10に内蔵される構成では、IC10の発熱が大きく、IC10の温度が上昇して誤動作が発生する。このため、IC10を放熱板に搭載して、放熱を確保する必要がある。
In the
At this time, in the configuration in which the gate resistor for preventing the gate oscillation is built in the
これに対して、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、ゲート抵抗をIC10から分離し、IC10の外部に金属板5として設けている。かかる構造では、大きなゲート電流が金属板5に流れて金属板5の温度が上昇しても、IC10の制御性には影響しない。このため、IC10を冷却するための放熱板が不要となり、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
On the other hand, in the power semiconductor device according to the present embodiment, the gate resistance is separated from the
図8は、図7の比較例であり、図7中、図8と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図8の構造ではリードフレーム3に載置された金属板5が、更に他のリードフレーム(吊りリード)を介してボンディングワイヤ4で電極12に接続されている。これに対して、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、リードフレーム3に載置された金属板5が、直接、ボンディングワイヤ4で電極12に接続されているため、リードフレームの本数が、それぞれ1本ずつ少なくなり、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
FIG. 8 is a comparative example of FIG. 7. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 8 indicate the same or corresponding parts. In the structure of FIG. 8, the
実施の形態4.
図9は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示した上面図であり、図9中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 9 is a top view showing in detail a part of the power semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 9, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
図9に示すように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、パワー半導体素子2を制御するためのIC10がリードフレーム3に搭載されており、かつ1つのIC10で、2つのパワー半導体素子2を制御する構造となっている。
As shown in FIG. 9, in the power semiconductor device according to the present embodiment, an
本実施の形態にかかるパワー半導体装置においても、ゲート抵抗をIC10から分離して外部に金属板5として設けることにより、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
Also in the power semiconductor device according to the present embodiment, it is possible to reduce the size of the power semiconductor device by separating the gate resistance from the
図10は、図9の比較例であり、図10中、図9と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図10の構造ではリードフレーム3に載置された金属板5が、更に他のリードフレーム(吊りリード)を介してボンディングワイヤ4で電極12に接続されている。これに対して、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、金属板5が、直接、ボンディングワイヤ4で電極12に接続されているため、リードフレームの本数が2本少なくなり、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
FIG. 10 is a comparative example of FIG. 9, and in FIG. 10, the same reference numerals as those in FIG. 9 indicate the same or corresponding parts. In the structure of FIG. 10, the
実施の形態5.
図11は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部の拡大図である。図11は、パワー半導体素子2とリードフレーム3の接続部分であり、図11中、図1と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
FIG. 11 is an enlarged view of a part of the power semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 11 shows a connection portion between the
かかるパワー半導体装置では、実施の形態1等のように金属抵抗体として金属板5を用いる代りに、ボンディングワイヤを金属抵抗体として用いるものである。図11に示すように、本実施の形態では、ボンディングワイヤ14が、パワー半導体素子2の電極とリードフレーム3との間を直接、接続する。ボンディングワイヤ14には、例えば、クロメル、コンスタンタン、マンガニンのような、電気抵抗率の変化が100度あたり5%以下の材料が用いられる。また、ボンディングワイヤ14は、例えば、抵抗値が略0.1Ω〜略100Ωとなるように、その直径と長さが調整される。
In such a power semiconductor device, a bonding wire is used as the metal resistor instead of using the
このように、ボンディングワイヤ14をゲート抵抗とすることにより、金属板が不要となるとともに、金属板をフレームに接合する工程も省略でき、製造コストの低減が可能となる。
Thus, by using the
また、リードフレーム3の先端の電極サイズは、好適には、パワー半導体素子2の表面の電極パッドサイズの3倍以上である。かかる構造とすることにより、パワー半導体素子2とリードフレーム3との位置関係が、例えば半田付けの位置精度などにより多少変動しても、ワイヤボンディング14の長さを変えることなく両者の間を接続できる。即ち、ワイヤボンディング14の有する抵抗値を常に一定とすることができる。
The electrode size at the tip of the
1 放熱板、2 パワー半導体素子、3 リードフレーム、4 ボンディングワイヤ、5 金属板、6 モールド樹脂、7 絶縁樹脂層、10 IC、12 電極、15金属抵抗体、100 パワー半導体装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat sink, 2 Power semiconductor element, 3 Lead frame, 4 Bonding wire, 5 Metal plate, 6 Mold resin, 7 Insulation resin layer, 10 IC, 12 electrode, 15 metal resistor, 100 Power semiconductor device.
Claims (6)
放熱板と、
該放熱板上に配置された複数のパワー半導体素子と、
複数の該パワー半導体素子のゲート電極が並列に接続されたリードフレームと、
該放熱板上に、該パワー半導体素子を覆うように設けられた封止樹脂とを含み、
該ゲート電極と該リードフレームとが、金属抵抗体を介して接続されたことを特徴とするパワー半導体装置。 A self-extinguishing power semiconductor device having a plurality of power semiconductor elements,
A heat sink,
A plurality of power semiconductor elements disposed on the heat sink;
A lead frame in which gate electrodes of the plurality of power semiconductor elements are connected in parallel;
A sealing resin provided on the heat sink so as to cover the power semiconductor element;
A power semiconductor device, wherein the gate electrode and the lead frame are connected via a metal resistor.
一方の電極部が、上記リードフレームに固着され、他方の電極部が、ボンディングワイヤを介して上記ゲート電極に接続されたことを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置。 The metal resistor is a metal plate composed of a conductor portion and electrode portions provided on both sides of the conductor portion,
2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein one electrode portion is fixed to the lead frame, and the other electrode portion is connected to the gate electrode through a bonding wire.
The power semiconductor device according to claim 1, wherein the metal resistor has a resistance value of approximately 0.1Ω to approximately 100Ω.
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