JP2008283062A - Module structure of semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は半導体素子のモジュール構造に関し、より特定的には、厚さ方向の寸法精度を向上させることが可能な半導体素子のモジュール構造に関するものである。 The present invention relates to a module structure of a semiconductor element, and more particularly to a module structure of a semiconductor element that can improve dimensional accuracy in the thickness direction.
従来、半導体素子のモジュール構造は、たとえば特開2005−123233号公報(特許文献1)、特開2006−13080号公報(特許文献2)、特開平5−335478号公報(特許文献3)、特開2006−165534号公報(特許文献4)および特開平6−21278号公報(特許文献5)に開示されている。
従来の技術では、半導体素子のモジュール構造の厚さ方向の精度を高めることができないという問題があった。 The conventional technique has a problem that the accuracy in the thickness direction of the module structure of the semiconductor element cannot be increased.
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子のモジュール構造において、厚み方向の精度を高めることが可能な半導体素子のモジュール構造を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element module structure capable of increasing the accuracy in the thickness direction in the semiconductor element module structure. And
この発明に従った半導体素子のモジュール構造は、互いに対向するように配置される第一および第二電極と、第一および第二電極間に配置された半導体素子と、第一および第二電極間に介在して第一および第二電極間に隙間を形成する櫛歯状の絶縁スペーサと、第一および第二電極間の隙間を充填して櫛歯の間に入り込む封止樹脂とを備える。 A module structure of a semiconductor device according to the present invention includes a first and second electrodes disposed so as to face each other, a semiconductor device disposed between the first and second electrodes, and between the first and second electrodes. And a comb-like insulating spacer that forms a gap between the first and second electrodes, and a sealing resin that fills the gap between the first and second electrodes and enters between the comb teeth.
このように構成された半導体素子のモジュール構造では、絶縁スペーサにより、第一および第二電極間の厚さ方向の位置決め精度を高めることができる。また、その絶縁スペーサの形状は封止樹脂の肉厚を均一化するために櫛歯状とされている。その結果、厚さ方向の寸法精度を向上させることができる。 In the module structure of the semiconductor element thus configured, the insulating spacer can increase the positioning accuracy in the thickness direction between the first and second electrodes. In addition, the shape of the insulating spacer is comb-shaped in order to make the thickness of the sealing resin uniform. As a result, the dimensional accuracy in the thickness direction can be improved.
好ましくは、第一および第二電極の少なくとも一部には樹脂に向かって凹凸部が設けられ、凹凸部に沿って封止樹脂が充填されている。 Preferably, at least a part of the first and second electrodes is provided with an uneven portion toward the resin, and the sealing resin is filled along the uneven portion.
好ましくは、半導体素子直上に凸部が設けられる。
好ましくは、半導体素子のモジュール構造は、第一および第二電極と半導体素子とを接続するはんだをさらに備える。はんだで接続された電極にはその電極を厚み方向に貫通するはんだレベル調整用穴が設けられている。
Preferably, a convex portion is provided immediately above the semiconductor element.
Preferably, the module structure of the semiconductor element further includes solder for connecting the first and second electrodes and the semiconductor element. An electrode connected by solder is provided with a solder level adjusting hole penetrating the electrode in the thickness direction.
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In addition, the embodiments can be combined.
(実施の形態1)
図1は、本発明の1つの実施の形態に係る発熱素子を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。図1に示される例では、駆動ユニット1は、ハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットであり、モータジェネレータ100と、レゾルバ200と、減速機構300と、ディファレンシャル機構400と、ドライブシャフト受け部500と、ハウジング600と、端子台700とを含んで構成される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the structure of a drive unit including a heating element according to an embodiment of the present invention. In the example shown in FIG. 1, the drive unit 1 is a drive unit mounted on a hybrid vehicle, and includes a
モータジェネレータ100は、電動機または発電機として機能を有する回転電機であり、軸受120を介してハウジング600に回転可能に取付けられた回転シャフト110と、回転シャフト110に取付けられたロータ130と、ステータ140とを有する。
The
ロータ130は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成されたロータコアと、該ロータコアに埋設された永久磁石とを有する。永久磁石は、たとえば、ロータコアの外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。
The
ステータ140は、リング状のステータコア141と、ステータコア141に巻回されるステータコイル142と、ステータコイル142に接続されるバスバー143とを有する。バスバー143は、ハウジング600に設けられた端子台700および給電ケーブル800Aを介してPCU(Power Control Unit)800とに接続される。また、PCU800は、給電ケーブル900Aを介してバッテリ900に接続される。これにより、バッテリ900とステータコイル142とが電気的に接続される。
The
ステータコア141は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア141の内周面上には複数のティース部(図示せず)および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部(図示せず)が形成されている。スロット部は、ステータコア141の内周側に開口するように設けられる。
The
3つの巻線相であるU相、V相およびW相を含むステータコイル142は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。ステータコイル142のU相、V相およびW相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。バスバー143は、それぞれステータコイル142のU相、V相およびW相に対応するU相、V相およびW相を含む。
給電ケーブル800Aは、U相ケーブルと、V相ケーブルと、W相ケーブルとからなる3相ケーブルである。バスバー143のU相、V相およびW相がそれぞれ給電ケーブル800AにおけるU相ケーブル、V相ケーブルおよびW相ケーブルに接続される。
The
モータジェネレータ100から出力された動力は、減速機構300からディファレンシャル機構400を介してドライブシャフト受け部500に伝達される。ドライブシャフト受け部500に伝達された駆動力は、ドライブシャフト(図示せず)を介して車輪(図示せず)に回転力として伝達されて車両を走行させる。
The power output from the
一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部500、ディファレンシャル機構400および減速機構300を介してモータジェネレータ100が駆動される。このとき、モータジェネレータ100が発電機として作用する。モータジェネレータ100により発電された電力は、PCU800におけるインバータを介してバッテリ900に蓄えられる。
On the other hand, during regenerative braking of the hybrid vehicle, the wheels are rotated by the inertial force of the vehicle body.
レゾルバ200は、レゾルバロータ210と、レゾルバステータ220とを有する。レゾルバロータ210は、モータジェネレータ100の回転シャフト110に接続されている。また、レゾルバステータ220は、レゾルバステータコア221と、該コアに巻回されたレゾルバステータコイル222とを有する。上記レゾルバ200によりモータジェネレータ100のロータ130の回転角度が検出される。検出された回転角度は、コネクタ10を介してPCU800へ伝達される。PCU800は、検出されたロータ130の回転角度と、外部ECU(Electrical Control Unit)からのトルク指令値とを用いてモータジェネレータ100を駆動するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号をモータジェネレータ100へ出力する。
The
図2は、PCU800の主要部の構成を示す回路図である。図2を参照して、PCU800は、コンバータ810と、インバータ820と、制御装置830と、コンデンサC1,C2と、電源ラインPL1、PL3と、出力ライン840U,840V,840Wとを含む。コンバータ810は、バッテリ900とインバータ820との間に接続され、インバータ820は、出力ライン840U,840V,840Wを介してモータジェネレータ100と接続される。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of PCU 800. Referring to FIG. 2, PCU 800 includes a
コンバータ810に接続されるバッテリ900は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の2次電池である。
バッテリ900は、発生した直流電圧をコンバータ810に供給し、また、コンバータ810から受ける直流電圧によって充電される。
コンバータ810は、パワートランジスタQ1,Q2と、ダイオードD1,D2と、リアクトルLとからなる。パワートランジスタQ1,Q2は、電源ラインPL2,PL3間に直列に接続され、制御装置830からの信号をベースに受ける。ダイオードD1,D2は、それぞれパワートランジスタQ1,Q2のエミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにパワートランジスタQ1,Q2のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルLは、バッテリ900の正極と接続される電源ラインPL1に一端が接続され、パワートランジスタQ1,Q2の接続点に他端が接続される。
このコンバータ810は、リアクトルLを用いてバッテリ900から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインPL2に供給する。またコンバータ810は、インバータ820から受ける直流電圧を降圧してバッテリ900を充電する。
Converter 810 boosts the DC voltage received from
インバータ820は、U相アーム850U、V相アーム850VおよびW相アーム850Wからなる。各相アームは、電源ラインPL2,PL3間に並列に接続される。U相アーム850Uは、直列に接続されたパワートランジスタQ3,Q4からなり、V相アーム850Vは、直列に接続されたパワートランジスタQ5,Q6からなり、W相アーム850Wは、直列に接続されたパワートランジスタQ7,Q8からなる。ダイオードD3〜D8は、それぞれパワートランジスタQ3〜Q8のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタQ3〜Q8のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン840U,840V,840Wを介してモータジェネレータ100の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。
このインバータ820は、制御装置830からの制御信号に基づいて、電源ラインPL2から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ100へ出力する。また、インバータ820は、モータジェネレータ100によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインPL2に供給する。
コンデンサC1は、電源ラインPL1,PL3間に接続され、電源ラインPL1の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサC2は、電源ラインPL2,PL3間に接続され、電源ラインPL2の電圧レベルを平滑化する。 Capacitor C1 is connected between power supply lines PL1 and PL3, and smoothes the voltage level of power supply line PL1. Capacitor C2 is connected between power supply lines PL2 and PL3, and smoothes the voltage level of power supply line PL2.
レゾルバ200は、モータジェネレータ100の回転子の回転角度を検出して制御装置830へ出力する。ここで、制御装置830への出力は、配線13,14およびコネクタ10を介して行なわれる。
制御装置830は、モータジェネレータ100の回転子の回転角度を、モータトルク指令値、モータジェネレータ100の各相電流値、およびインバータ820の入力電圧に基づいてモータジェネレータ100の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタQ3〜Q8をオン/オフするPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成してインバータ820へ出力する。
また、制御装置830は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ820の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタQ1,Q2のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタQ1,Q2をオン/オフするPWM信号を生成してコンバータ810へ出力する。
さらに、制御装置830は、モータジェネレータ100によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ900を充電するため、コンバータ810およびインバータ820におけるパワートランジスタQ1〜Q8のスイッチング動作を制御する。
Further,
このCPU800においては、コンバータ810は、制御装置830からの制御信号に基づいて、バッテリ800から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインPL2に供給する。そして、インバータ820は、コンデンサC2によって平滑化された直流電圧を電源ラインPL2から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ100へ出力する。
In
また、インバータ820は、モータジェネレータ100の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインPL2へ出力する。そして、コンバータ810は、コンデンサC2によって平滑化された直流電圧を電源ラインPL2から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ900を充電する。
このような回路において、コンバータ810、インバータ820、コンデンサC1,C2などは発熱素子であるため、この発熱素子を冷却する必要がある。
In such a circuit, since the
図3は、この発明に従った半導体素子のモジュール構造の断面図である。図3を参照して、半導体素子のモジュール構造1000は、互いに対向するように配置される第一および第二電極としての上部電極1040および下部電極1030と、上部電極1040および下部電極1030間に配置された半導体素子(パワー素子)としてのインバータ820と、上部電極1040および下部電極1030間に介在して上部電極1040および下部電極1030間に隙間を形成する、櫛歯状の絶縁スペーサとしての第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020と、上部電極1040および下部電極1030間の隙間を充填して櫛歯の間に入り込む封止樹脂1050とを備える。インバータ820は、コンバータ810またはコンデンサC1,C2に置き換えられてもよい。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the module structure of the semiconductor device according to the present invention. Referring to FIG. 3, a
上部電極1040には、インバータ820に向かって凹部1047,1048,1049と凸部1042,1043が配置されている。その凹凸に沿って封止樹脂1050が充填されている。インバータ820直上に凸部1042,1043が設けられる。インバータ820と上部電極1040とを接続するはんだ1070が設けられ、上部電極1040にははんだ1070を調整するためのはんだレベル調整用穴1041が設けられている。はんだレベル調整用穴1041は上部電極1040を厚み方向に貫通する。
上部電極1040および下部電極1030は、たとえば金属などの導電体により構成される。具体的には、電気抵抗の小さい銅またはアルミニウムなどで構成される。上部電極1040および下部電極1030は、パワー素子としてのインバータ820に電力を供給するための電極である。上部電極1040には、凹部1047,1048,1049と、その間に凸部1042,1043が設けられる。このような凹凸は上部電極1040だけでなく下部電極1030に設けてもよい。また、上部電極1040および下部電極1030のいずれにも凹凸を設けなくてもよい。
上部電極1040および下部電極1030の間の隙間は第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020により保持されている。第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020はともに上部電極1040と下部電極1030とに接触する。第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020は、必ずしもセラミックスである必要はなく、たとえば絶縁性を有する他の有機物で構成することも可能である。
A gap between the
第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020は、ともに芯部1013,1023と、芯部1013,1023から上下方向へ突出する櫛歯部1011,1021とを有する。複数の櫛歯部1011,1021の間が凹部1012,1022である。凹部1012,1022に封止樹脂1050が入り込んでおり、封止樹脂1050と第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020とは密着している。
Both the first
はんだ1060,1070が下部電極1030および上部電極1040と接触している。はんだ1060,1070は、上部電極1040および下部電極1030と、半導体素子としてのインバータ820とを電気的に接続し、かつ、インバータ820を位置決めする働きがある。パワー素子であるインバータ820の上下面には電極1080,1090が設けられており、この電極1080,1090にはんだ1060,1070が接触している。
この実施の形態では、上部電極1040側にはんだ1070のレベルを調整するためのはんだレベル調整用穴1041が設けられている。すなわち、第一および第二セラミックススペーサ1010,1020と銅からなる上部電極1040,下部電極1030の形状の工夫により厚さ方向の寸法精度向上と熱ストレスに対する信頼性を高めた両面冷却IGBTモジュールの構造を提供できる。
In this embodiment, a solder
第一セラミックススペーサ1010および第二セラミックススペーサ1020により、上部電極1040および下部電極1030の電極間の厚さ方向の位置決め精度を高める。また、その形状として封止樹脂1050に肉厚均一化を図るため櫛歯状としている。さらに、上部電極1040の素子接続部にははんだレベル調整用穴1041を設ける。これにより素子厚さやはんだ量に限らず一定のはんだフィレット形状を得ることができる。
The first
インバータ820直上部の上部電極1040の厚さを、絶縁距離を確保して適切に厚くし、良好な放熱効果を得る。
The thickness of the
これにより、封止樹脂1050の肉厚が均一化される。また、放熱性レベルがアップする。さらに、はんだフィレット形状均質化により熱ストレスに対する耐久性が大幅に向上する。また、半導体素子のモジュール構造1000の厚さ方向寸法精度が向上し、冷却器への熱伝達性能が向上する。
Thereby, the thickness of the sealing
インバータ820を構成するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュール構造では、第一および第二セラミックススペーサ1010,1020により上下要素の位置決めを行なう。上下間の中空部分が発生するので、位置決め強化のために耐熱性の封止樹脂1050を封入している。IGBTの熱発生量は急速かつ強力なものであり、封入された樹脂層も肉厚が異なるため、素子が発熱することに伴い、樹脂層の各エッジ部分において不均衡な応力を発生させることとなる。そして強い熱応力が発生した箇所ではモジュール要素と樹脂との剥離が発生し、位置決めの役割を果たさなくなる。
In the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module structure constituting the
この発明では、第一および第二セラミックススペーサ櫛歯状にし、封止樹脂1050の肉厚の均一化を行った。これにより、封止樹脂1050エッジに発生する熱応力の均一化、分散化、弱小化を図るものであり、これによりモジュール要素と封止樹脂1050との間の剥離を防止している。
In this invention, the first and second ceramic spacers are comb-shaped, and the thickness of the sealing
なお、第一および第二セラミックススペーサが櫛歯状であるため、樹脂内に発生した熱を効率よく樹脂の内部まで放熱することが可能となった。また、上部および下部電極1040,1030に凹凸を設けてヒートシンク機能を持たせてもよい。
In addition, since the first and second ceramic spacers are comb-shaped, it is possible to efficiently dissipate heat generated in the resin to the inside of the resin. Further, the upper and
(実施の形態2)
図4は、この発明の実施の形態2に従った半導体素子のモジュール構造の断面図である。図4を参照して、この発明の実施の形態2に従った半導体素子のモジュール構造1000では、上部電極1040にはんだレベル調整用穴1041が設けられていない点で、実施の形態1に従った半導体素子のモジュール構造1000と異なる。このように構成されたモジュール構造でも、実施の形態1と同様の効果がある。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a module structure of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, in semiconductor
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
820 インバータ、1000 半導体素子のモジュール構造、1010 第一セラミックススペーサ、1011,1021 櫛歯部、1030 下部電極、1040 上部電極、1041 はんだレベル調整用穴、1050 封止樹脂、1060,1070 はんだ。 820 Inverter, 1000 Module structure of semiconductor element, 1010 1st ceramic spacer, 1011, 1021 Comb portion, 1030 Lower electrode, 1040 Upper electrode, 1041 Solder level adjustment hole, 1050 Sealing resin, 1060, 1070 Solder.
Claims (4)
前記第一および第二電極間に配置された半導体素子と、
前記第一および第二電極間に介在して前記第一および第二電極間に隙間を形成する櫛歯状の絶縁スペーサと、
前記第一および第二電極間の隙間を充填し前記櫛歯の間に入り込む封止樹脂とを備えた、半導体素子のモジュール構造。 First and second electrodes arranged to face each other;
A semiconductor element disposed between the first and second electrodes;
A comb-like insulating spacer interposed between the first and second electrodes to form a gap between the first and second electrodes;
A module structure of a semiconductor element, comprising: a sealing resin that fills a gap between the first and second electrodes and enters between the comb teeth.
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2007
- 2007-05-11 JP JP2007127054A patent/JP2008283062A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100803 |