JP2005223141A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の構造に係わり、特に、半導体パワーモジュールの絶縁距離を確保するための構造に係わる。 The present invention relates to a structure of a semiconductor device, and more particularly to a structure for securing an insulation distance of a semiconductor power module.
電力制御用または大電流制御用などの半導体装置(以下、半導体パワーモジュールと呼ぶことがある。)は、一般に、主電流用端子間の絶縁距離を確保するための設計が必要である。そして、そのための手法の1つとしては、主電流用端子間の距離を大きくする設計が考えられる。ところが、主電流用端子間の距離を大きくすると、通常、半導体装置のサイズを小型化できないという問題が生じる。なお、主電流用端子とは、当該半導体装置が備える端子であって、例えば、当該半導体装置内に設けられている回路または半導体素子に大電流を入力するための端子/当該半導体装置内に設けられている回路または半導体素子から大電流を出力するための端子をいう。 In general, a semiconductor device for power control or large current control (hereinafter sometimes referred to as a semiconductor power module) needs to be designed to ensure an insulation distance between terminals for main current. And as one of the methods for that purpose, the design which enlarges the distance between the terminals for main currents can be considered. However, when the distance between the main current terminals is increased, there is usually a problem that the size of the semiconductor device cannot be reduced. The main current terminal is a terminal provided in the semiconductor device. For example, a terminal for inputting a large current to a circuit or a semiconductor element provided in the semiconductor device / provided in the semiconductor device. A terminal for outputting a large current from a circuit or a semiconductor element.
半導体パワーモジュールの端子間絶縁距離を確保しつつモジュールサイズの小型化を図る手法としては、主電流用端子を互いに近接して設け、それらの間にシリコンゲルやエポキシ樹脂等の絶縁充填材を流し込む構成が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
また、半導体パワーモジュールの端子間絶縁距離を確保しつつサイズの小型化を図る他の手法としては、主電流用端子を互いに近接して設け、それらの間に樹脂等で形成された絶縁壁を設ける構成が知られている(例えば、特許文献2参照。)。なお、特許文献3には、端子間に絶縁体のスペーサを挿入する構成が開示されている。
As another method for reducing the size while ensuring the insulation distance between the terminals of the semiconductor power module, the main current terminals are provided close to each other, and an insulating wall formed of resin or the like is provided between them. The structure to provide is known (for example, refer patent document 2). Patent Document 3 discloses a configuration in which an insulating spacer is inserted between terminals.
従来技術においては、半導体装置の構造によっては、主電流用端子間を絶縁充填材で満たすことが困難な場合があった。例えば、半導体装置の基板に取り付けられている主電流用端子がその半導体装置のケースの一部を貫通するような構造である場合には、絶縁充填材は、そのケース自体に遮られて主電流用端子間に入り込むことが困難になる。 In the prior art, depending on the structure of the semiconductor device, it may be difficult to fill the space between the main current terminals with an insulating filler. For example, when the main current terminal attached to the substrate of the semiconductor device has a structure that penetrates a part of the case of the semiconductor device, the insulating filler is blocked by the case itself and the main current is It becomes difficult to enter between terminals.
また、絶縁壁は、予め所定の形状に形成された部材であるため、主電流用端子間の空きスペースを隙間なく満たすことはできない。このため、絶縁壁を用いて主電流用端子間の絶縁距離を十分に確保できないことがあった。例えば、半導体装置の基板に主電流用端子が取り付けられており、その半導体装置のケースの一部が絶縁壁としてそれらの端子間に挿入される構造においては、その絶縁壁を基板に完全に密着させることは困難なので、基板に近接する領域で主電流用端子間の絶縁距離が確保できなくなる。 Moreover, since the insulating wall is a member formed in a predetermined shape in advance, it is not possible to fill the empty space between the main current terminals without a gap. For this reason, the insulation distance between the terminals for main current cannot be secured sufficiently using the insulating wall. For example, in a structure in which a main current terminal is attached to a substrate of a semiconductor device and a part of the case of the semiconductor device is inserted between the terminals as an insulating wall, the insulating wall is completely adhered to the substrate. This makes it difficult to secure the insulation distance between the main current terminals in a region close to the substrate.
本発明の目的は、半導体装置の端子間絶縁距離を確保しつつサイズの小型化を図ることである。 An object of the present invention is to reduce the size while securing the insulation distance between terminals of a semiconductor device.
本発明の半導体装置は、半導体素子が搭載された基板と、互いに近接して上記基板上に取り付けられた第1および第2の端子と、上記半導体素子を取り囲むようにして上記基板に取り付けられるケース、を備える。そして、上記ケースは、上記第1および第2の端子を取り囲む端子保持部材を備える。また、上記第1の端子と上記第2の端子との間のスペースに絶縁充填材を流し込むための充填材用孔が上記端子保持部材に設けられている。 A semiconductor device according to the present invention includes a substrate on which a semiconductor element is mounted, first and second terminals mounted on the substrate in proximity to each other, and a case attached to the substrate so as to surround the semiconductor element. . The case includes a terminal holding member that surrounds the first and second terminals. The terminal holding member is provided with a filler hole for pouring the insulating filler into the space between the first terminal and the second terminal.
上記半導体装置は、第1および第2の端子が端子保持部材により取り囲まれている。このため、基板にケースが取り付けられた後は、その端子保持部材に遮られて、第1の端子と第2の端子との間に絶縁充填材を流し込むことができない。そこで、本発明の半導体装置においては、第1の端子と上記第2の端子との間のスペースに絶縁充填材を流し込むための充填材用孔を端子保持部材に設けた。これにより、基板にケースが取り付けられた後に、第1の端子と上記第2の端子との間のスペースを絶縁充填材で満たすことができる。 In the semiconductor device, the first and second terminals are surrounded by the terminal holding member. For this reason, after a case is attached to a board | substrate, it is interrupted | blocked by the terminal holding member, and an insulating filler cannot be poured between a 1st terminal and a 2nd terminal. Therefore, in the semiconductor device of the present invention, the terminal holding member is provided with a filler hole for pouring the insulating filler into the space between the first terminal and the second terminal. Thereby, after the case is attached to the substrate, the space between the first terminal and the second terminal can be filled with the insulating filler.
上記半導体装置において、上記端子保持部材には、上記半導体素子の主電流の入力または出力のための第3の端子が予め設けられていてもよい。この場合、端子の設置密度が高くなるので、半導体装置の小型化に寄与する。
また、端子保持部材に第3の端子を設けるときは、上記第1および第3の端子は、互いに平行に且つ近接して設けられ、さらに、上記半導体素子の主電流が互いに逆方向に電流が流れるように上記半導体素子に電気的に接続されるようにしてもよい。この場合、第1および第3の端子の自己インダクタンスが相殺され、損失が減少する。
In the semiconductor device, the terminal holding member may be provided in advance with a third terminal for inputting or outputting the main current of the semiconductor element. In this case, the terminal density is increased, which contributes to the miniaturization of the semiconductor device.
In addition, when the third terminal is provided on the terminal holding member, the first and third terminals are provided in parallel and close to each other, and further, the main currents of the semiconductor elements are opposite to each other. You may make it electrically connect to the said semiconductor element so that it may flow. In this case, the self-inductance of the first and third terminals is canceled out, and the loss is reduced.
本発明によれば、第1の端子と第2の端子との間のスペースを確実に絶縁充填材で満たすことができるので、それらの端子間で十分な絶縁距離を確保できる。ここで、第1および第2の端子は、互いに近接して設けられている。よって、端子間の絶縁距離を確保しながら半導体装置自体のサイズの小型化を図ることが可能になる。 According to the present invention, since the space between the first terminal and the second terminal can be reliably filled with the insulating filler, a sufficient insulation distance can be secured between the terminals. Here, the first and second terminals are provided close to each other. Therefore, it is possible to reduce the size of the semiconductor device itself while ensuring the insulation distance between the terminals.
図1は、本発明の一実施形態の半導体装置1の分解斜視図である。ただし、ここでは、図面を見やすくするために、本発明に直接的に係わりのない部材(例えば、ボンディングワイヤ)や、細かい向上については省略するものとする。
基板10の上面には、複数の半導体素子11および複数の半導体素子12が搭載されている。なお、ここでは、半導体素子11、12により、図2に示す電力スイッチ回路が構成されているものとする。すなわち、複数の半導体素子11は、例えば、互いに同じ特性のMOSトランジスタであり、それらを互いに電気的に並列に接続することにより図2に示す上アーム用スイッチが構成されている。また、複数の半導体素子12は、例えば、互いに同じ特性のMOSトランジスタであり、それらを互いに電気的に並列に接続することにより図2に示す下アーム用スイッチが構成されている。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a semiconductor device 1 according to an embodiment of the present invention. However, here, in order to make the drawing easy to see, members (for example, bonding wires) that are not directly related to the present invention and fine improvements are omitted.
A plurality of
また、基板10には、D1端子(第1の端子)およびD2端子(第2の端子)が取り付けられている。ここで、D1端子は、複数の半導体素子11により構成される上アーム用スイッチのドレイン端子であり、D2端子は、複数の半導体素子12により構成される下アーム用スイッチのドレイン端子である。すなわち、D1端子およびD2端子は、それぞれ、半導体装置1の主電流の入力/出力のための端子である。そして、D1端子およびD2端子は、半導体装置1の小型化を図るために、互いに近接して設けられている。なお、D1端子、D2端子間には、特に電力スイッチ回路のスイッチング時に、大きな電位差が発生することがある。よって、これらの端子間では、十分な絶縁距離を確保することが要求される。
Further, a D1 terminal (first terminal) and a D2 terminal (second terminal) are attached to the
さらに、基板10の上面には、ドレイン電極13、14、ゲート電極15、16などが形成されている。ここで、ドレイン電極15、16は、それぞれ、基板10の表面に形成されている不図示の導体パターンによりD1端子、D2端子と電気的に接続されている。また、ゲート電極15、16は、それぞれ、不図示のボンディングワイヤ等によりゲート端子G1、G2に電気的に接続される。
Further,
ケース20は、例えば樹脂で形成されており、基板10に取り付けられたときに半導体素子11、12を取り囲むような形状をしている。また、ケース20は、端子保持部材21を備えている。端子保持部材21は、ケース20が基板10に取り付けられたときに、D1端子およびD2端子を取り囲んで保持するような構造をしている。具体的には、端子保持部材21には、例えば、D1端子およびD2端子を収容するための端子収容スリットが設けられている。そして、ケース20が基板10に取り付けられたときに、D1端子およびD2端子がそれぞれ対応する端子収容スリットに収容されて保持されるように構成されている。
The
なお、この実施例では、端子保持部材21はケース20の一部であり、ケース20および端子保持部材21は、同時に一体的に成型されるものとする。ただし、本発明は、ケース20および端子保持部材21を個別に成型し、その後それらを互いに接合する形態を排除するものではない。
In this embodiment, the
端子保持部材21には、S1端子およびS2端子(これらの端子が、特許請求の範囲の第3の端子に相当する。)が設けられている。ここで、S1端子は、複数の半導体素子11により構成される上アーム用スイッチのソース端子であり、S2端子は、複数の半導体素子12により構成される下アーム用スイッチのソース端子である。すなわち、S1端子およびS2端子は、それぞれ、半導体装置1の主電流の入力/出力のための端子である。また、この実施例では、S1端子およびS2端子は、端子保持部材21の成型時に、それぞれその一部が端子保持部材21の内部に埋め込まれて固定される。なお、このような製造方法は、インサート成型と呼ばれることがある。
The
図3は、端子保持部材21を上方から見た図である。ただし、ここでは、図面を見やすくするために、本発明に直接的に係わりのない細かな形状等については省略されている。
端子保持部材21の上方からは、上述したように、S1端子およびS2端子が突出している。また、S1端子に近接してD1端子収容スロット31が形成されており、S2端子に近接してD2端子収容スロット32が形成されている。そして、ケース20を基板10に取り付けると、D1端子およびD2端子は、それぞれD1端子収容スロット31およびD2端子収容スロット32を貫通し、端子保持部材21の上方に突出することとなる。これにより、S1端子およびD1端子が互いに近接かつ平行に設けられ、また、S2端子およびD2端子が互いに近接かつ平行に設けられる。
FIG. 3 is a view of the
As described above, the S1 terminal and the S2 terminal protrude from above the
また、端子保持部材21の上面には、ケース20が基板10に取り付けられた後にD1端子とD2端子との間のスペースに絶縁充填材を流し込むための充填材用孔33が形成されている。ここで、充填材用孔33は、貫通孔であり、その出口がD1端子とD2端子との間のスペースに位置するように形成されている。なお、絶縁充填材は、特に限定されるものではないが、シリコンゲルまたはエポキシ樹脂等を使用する。
Further, on the upper surface of the
充填材用孔33の形状は、特に限定されるものではなく、四角形であってもよいし、丸形であってもよい。また、形成すべき充填材用孔33の個数も特に限定されるものではない。ただし、充填材用孔33を形成すべき位置は、D1端子収容スロット31またはD2端子収容スロット32に近接していることが望ましい。また、充填材用孔33の孔径は、絶縁充填材が十分スムーズに流れる程度の大きさが確保されている必要がある。
The shape of the
図4は、半導体装置1の断面図である。上述したように、S1端子およびS2端子は、ケース20の一部である端子保持部材21にその一部が埋め込まれるようにして設けられている。一方、D1端子およびD2端子は、基板10に取り付けられており、各端部がそれぞれ端子保持部材21の上部から突出している。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor device 1. As described above, the S1 terminal and the S2 terminal are provided so as to be partially embedded in the
各半導体素子11のソース領域、ドレイン領域、ゲート領域は、それぞれ、ボンディングワイヤによりS1端子、ドレイン電極13、ゲート電極15に接続されている。また、D1端子は、基板10の表面に形成されている導体パターンによりドレイン電極13に接続されている。一方、各半導体素子12のソース領域、ドレイン領域、ゲート領域は、それぞれ、ボンディングワイヤによりS2端子、ドレイン電極14、ゲート電極16に接続されている。また、D2端子は、基板10の表面に形成されている導体パターンによりドレイン電極14に接続されている。
The source region, the drain region, and the gate region of each
端子保持部材21は、ケース20が基板10に取り付けられたときにD1端子とD2端子との間のスペースに配置される絶縁壁を備えている。ここで、この絶縁壁は、端子保持部材21の一部であり、樹脂等により形成されている。また、この絶縁壁は、ケース20が基板10に取り付けられたときに、その先端部が基板10の表面に接触することなく、その近傍に達する程度に設計されている。もし、絶縁壁が基板10の表面に接触するように設計されているとすると、僅かな製造誤差により、ケース20の外周部と基板10との接触性が悪くなるおそれがあるからである。このため、基板10の表面近傍では、D1端子とD2端子との間が絶縁壁によって遮られることはない。このように、D1端子とD2端子との間のスペース(図4におけるA領域)には絶縁壁が配置されたとしても、その絶縁壁によってそれらの端子間を完全に遮断することはできない。
The
また、半導体装置は、一般に、シリコンゲル等でケース内を満たすことにより、半導体素子やボンディングワイヤを保護するようにしている。したがって、このシリコンゲル等をD1端子とD2端子との間のスペースに流し込むことができれば、それらの端子間で十分な絶縁距離を確保できる。しかし、実施形態の半導体装置1においては、D1端子およびD2端子が端子保持部材21により取り囲まれているので、半導体素子11、12等の上方から流し込むシリコンゲル等は、D1端子とD2端子との間のスペース(図4におけるA領域)に達することができない。
In general, semiconductor devices are designed to protect semiconductor elements and bonding wires by filling the case with silicon gel or the like. Therefore, if this silicon gel or the like can be poured into the space between the D1 terminal and the D2 terminal, a sufficient insulation distance can be secured between those terminals. However, in the semiconductor device 1 of the embodiment, since the D1 terminal and the D2 terminal are surrounded by the
実施形態の半導体装置1では、これらの問題を解決するために、充填材用孔33を設けた。すなわち、端子保持部材21は、シリコンゲル等の絶縁充填材を流し込むための充填材用孔33を備えている。そして、ケース20が基板10に取り付けられた後、充填材用孔33から絶縁充填材を流し込むことにより、D1端子とD2端子との間のスペース(図4におけるA領域)がその絶縁充填材により満たされることになる。このとき、絶縁充填材は液状または流体状なので、充填材用孔33から流入する絶縁充填材は、毛細管現象により端子保持部材21の内部(少なくとも、D1端子とD2端子との間のスペース)の隅々まで隙間なく充填されることになる。また、このスペースを満たしていた空気は、例えば、D1端子収容スロット及びD2端子収容スロットから排出される。なお、D1端子収容スロット及びD2端子収容スロットは、それぞれ対応する端子の断面形状よりも少しだけ大きく形成されているので、それらの端子を収容した状態であっても、空気を逃がすための隙間は確保されている。
In the semiconductor device 1 of the embodiment, the
このように、半導体装置1においては、基板10に取り付けられているD1端子およびD2端子が端子保持部材21により取り囲まれている構造であっても、その端子保持部材21に充填材用孔33を設け、それを利用してD1端子とD2端子との間のスペースに絶縁充填材を流し込むことができる。このため、互いに近接して設けられた主電流の入力または出力用の端子間で十分な絶縁距離を確保できる。なお、図4においては、図面を見やすくするために各端子が基板10に対して垂直方向にまっすぐ伸びるように描かれているが、各端子は、それぞれケース20の表面近傍位置で折り曲げられるようにしてもよい。この場合、例えば、D1端子およびS1端子は、図4の紙面内で左側に折り曲げられ、D2端子およびS2端子は、図4の紙面内で右側に折り曲げられる。これにより、ケース20の外側での端子間の絶縁距離も確保される。
Thus, in the semiconductor device 1, even if the D1 terminal and the D2 terminal attached to the
なお、半導体素子11がオン状態に制御されると、D1端子を介して入力される主電流は、基板10の表面に形成された導体パターン(不図示)、ドレイン電極13、ボンディングワイヤ、半導体素子11、ボンディングワイヤを介して流れ、S1端子から出力される。すなわち、D1端子を介して流れる電流およびS1端子を介して流れる電流は、その大きさが互いにほぼ同じであり且つその方向が互いに反対である。ここで、S1端子およびD1端子は、互いに近接し且つ平行に設けられている。このため、半導体素子11がオン状態に制御されているときは、S1端子およびD1端子の自己インダクタンスが相殺され、半導体装置全体として損失が小さくなる。同様に、半導体素子12がオン状態に制御されたときは、S2端子およびD2端子の自己インダクタンスが相殺され、損失が小さくなる。
When the
このように、実施形態の構成によれば、主電流用端子(実施例では、D1端子、D2端子)間の絶縁距離を確保しながらそれらを互いに近接させて設けることができるので、半導体装置のサイズの小型化に寄与する。また、主電流経路の自己インダクタンスが相殺されるので、半導体装置全体として損失が小さくなる。 As described above, according to the configuration of the embodiment, the main current terminals (in the example, D1 terminal, D2 terminal) can be provided close to each other while ensuring an insulation distance between the terminals. Contributes to size reduction. Further, since the self-inductance of the main current path is offset, the loss of the entire semiconductor device is reduced.
1 半導体装置
10 基板
11、12 半導体素子
13、14 ドレイン電極
15、16 ゲート電極
20 ケース
21 端子保持部材
31 D1端子収容スロット
32 D2端子収容スロット
33 充填材用孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
互いに近接して上記基板上に取り付けられた第1および第2の端子と、
上記半導体素子を取り囲むようにして上記基板に取り付けられるケース、を備え、
上記ケースは、上記第1および第2の端子を取り囲む端子保持部材を備えており、さらに、上記第1の端子と上記第2の端子との間のスペースに絶縁充填材を流し込むための充填材用孔が上記端子保持部材に設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 A substrate on which a semiconductor element is mounted;
First and second terminals mounted on the substrate in proximity to each other;
A case attached to the substrate so as to surround the semiconductor element,
The case includes a terminal holding member surrounding the first and second terminals, and further a filler for pouring an insulating filler into a space between the first terminal and the second terminal. A semiconductor device, wherein a hole is provided in the terminal holding member.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the terminal holding member is provided with a third terminal for inputting or outputting a main current of the semiconductor element in advance.
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
The first and third terminals are provided in parallel and close to each other, and are electrically connected to the semiconductor element such that main currents of the semiconductor element flow in opposite directions. The semiconductor device according to claim 2.
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