JP2009021395A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】大電流を高速でスイッチングする場合などのサージ電圧を低減する。
【解決手段】5つのスイッチング素子111〜115は並列に接続されている。スイッチング素子111のゲート電極111eは、ゲート電極接続ワイヤ131を介してゲート端子103に接続され、ゲート電極111eと112e、112eと113e、113eと114e、および114eと115eは、それぞれ、ゲート電極接続ワイヤ132〜135を介して順次接続されている。これにより、ゲート電極接続ワイヤ131〜135によって、パッケージのゲート端子103入力された制御電圧が順に時間遅れを伴って伝達される直列の電送線路が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、各種電気機器や車などの電源におけるコンバータなどに用いられ、比較的大電流をスイッチするパワー半導体装置等の半導体装置に関し、特に、そのパッケージングに関するものである。
トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等を、電源などの回路中でスイッチング素子として動作させる場合、例えばターンオフ時に、第一および第二の被制御電極間の電流/電圧(つまり、スイッチング素子にかかる電圧とスイッチング素子に流れる電流)波形が図11に示すようになり、サージ電圧が生じる。このようなサージ電圧は、配線の浮遊インダクタンスLと電流の変化率di/dtとの積に応じた電圧L×di/dtが主な発生源と考えられ、スイッチング素子の破壊を招くおそれがある。そのため、このようなサージ電圧を低減して安全にスイッチングできる電源回路等を設計することが求められる。
ここで、スイッチング素子として一般に用いられ、従来のシリコン半導体技術により形成される例えばIGBTに代表される低抵抗素子は、バイポーラ素子である。このIGBT等のバイポーラ素子は、メインキャリアによる電流にマイノリティーキャリアの移動による電流が加えられて動作する。それゆえ、メインキャリアのみを用いたMOSFET等のユニポーラ素子に比べて数分の1以下の低い電気抵抗を示し、導通損失が小さいため、広く用いられている。このようなバイポーラ素子のスイッチング速度は、マイノリティーキャリアのライフタイムが長いため、一般に、100nS以上と遅い。このようにスイッチング速度が遅い場合には上記di/dtが比較的小さいので、簡単なスナバ回路を設けたり、配線のインダクタンスLを小さくする回路構成とすること等によって、上記サージ電圧の低減が図られている。
上記のように配線のインダクタンスLを小さくしてサージ電圧を低減する技術としては、例えばオン、オフされる電流が流れる2本のパワーラインを近接配置し、各パワーラインに流れる電流の方向を逆にする技術が知られている。これによって、パワーライン間に相互インダクタンスを発生させ、各パワーラインが有するインダクタンスを小さくすることができる(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、上記IGBT等のようにスイッチング速度が遅いと、スイッチング損失が大きい。一方、近年、Cool MOS等のMOSFETの電気抵抗値を下げて導通損失を抑制する取り組みがある。そこで、MOSFET等のユニポーラ素子が、スイッチング速度が速く(スイッチング損失が小さく)、かつ、導通損失も小さい低損失なスイッチング素子になり得るとして、見直されてきている。
一方、エネルギー損失低減の観点から既存のSiパワー電界効果トランジスタ(以下、「Si−MISFET」という。)の限界を打破する半導体材料として、ワイドバンドギャップ半導体(例えば、炭化珪素:SiC)が注目されている。SiC半導体からなるパワー電界効果トランジスタ(以下、「SiC−MISFET」という。)のドリフト領域は、ワイドバンドギャップであることから優れた高耐圧性能を有している。そこで、一定耐圧を確保しつつドリフト領域を薄膜化することが可能となる。このドリフト領域の薄膜化は、半導体装置の単位面積当たりのオン抵抗(Ron)の低下による導通損失の低減に重要な役割を果たす。
それゆえ、ワイドバンドギャップ半導体を用いたSiC−MISFETのオン抵抗は、Si−MISFETのオン抵抗より遥かに小さく、さらには、Si−MISFETのオン抵抗より一桁以上抵抗値の小さいSi−IGBTのオン抵抗よりもさらに下回ると期待される。このため、SiC−MISFETは、既存のSiスイッチング素子に比較して、オン動作時の導通損失を低く保ち、発熱を抑えることができる。
また、こうしたSiC−MISFETのスイッチング性能は、ユニポーラデバイスであるので、バイポーラデバイス(例えば、IGBT)に比べて、高速化に有利と見られ、スイッチング損失低減を実現する低損失デバイスとして期待されている。
また、従来のスイッチング素子パッケージにおいては、大電流をスイッチングするために、パッケージ中に例えば2つなどのスイッチング素子を設け、これらのスイッチング素子を並列に接続して同時に動作させるようにしたものがある。この種のスイッチング素子パッケージでは、パッケージから外部に引き出される電極と、各素子の電極とが、太さや長さが同様の接続ワイヤによって同じように接続されることにより、各素子のスイッチング時間のばらつき等が最小限に抑えられて各素子が同様に動作するようにされ、安定性が高められるようになっている。
特開2002−44962号公報(段落0007、図3、図4)
しかしながら、上記のようにIGBT等においてスナバ回路を設けたり特許文献1のようにしてインダクタンスを小さく抑えたりしても、例えば30A以上などの大電流のスイッチングを行う場合に、サージ電圧を大幅に低減することは必ずしも容易ではない。
また、スイッチング損失を低減するためにCool MOS等のMOSFETやSiC−MISFETのようにスイッチング速度の速い素子が用いられる場合には、di/dtが増大するので、サージ電圧の低減は一層困難になる。
さらに、大電流をスイッチングするためにスイッチング素子が並列接続される場合には、その並列接続により浮遊インダクタンスが大きくなるため、やはり、サージ電圧の低減が困難である。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、大電流を高速でスイッチングする場合などでも、サージ電圧を容易に低減可能にすることを目的としている。
上記の課題を解決するため、本発明は、
制御電極と、前記制御電極によって導通状態または非導通状態に制御される第1および第2の被制御電極とを有し、前記第1および第2の被制御電極同士が並列に接続された複数の絶縁ゲート型のスイッチング素子を有する半導体装置であって、
上記複数のスイッチング素子のうちの少なくとも1つの制御電極は、制御電極接続ワイヤを介して、他のスイッチング素子の制御電極にのみ接続されていることを特徴とする。
これにより、制御電極接続ワイヤのインダクタンスと抵抗Rの影響によって、制御電極への電圧伝達に遅れが生じる。そこで、各スイッチング素子のスイッチングタイミングにずれが生じ、オンオフされる電流の変化の急峻さが緩やかになる。
本発明によれば、大電流を高速でスイッチングする場合などでも、サージ電圧を容易に低減できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係る半導体装置100は、図1に示すように、第1の被制御端子であるソース端子101、第2の被制御端子であるドレイン端子102、制御端子であるゲート端子103、および5つの絶縁ゲート型のスイッチング素子111〜115が、樹脂104にモールドされたパッケージとして構成されており、全体としてもスイッチング素子として機能するものである。
図1に示すように、スイッチング素子111〜115は、各々、制御電極であるゲート電極111e〜115e、および第1の被制御電極であるソース電極111f〜115fを有し、第2の被制御電極であるドレイン電極111h〜115hは、スイッチング素子111〜115の裏面に設けられ(図示せず)、第2の被制御端子であるドレイン端子102上に半田付け等によりボンディングされている。各スイッチング素子111〜115は、それぞれ、例えば図2に示すような単位セル110が複数個並列に接続されて形成されている。これらの単位セル110は、例えば数μm角の大きさを有し、例えばSiC(炭化珪素)から成る半導体基板110gに、ドリフト領域110a、pウェル領域110b、およびソース領域110cが形成されるとともに、絶縁膜110dを介してゲート電極110eが形成され、また、ソース領域の上に上記pウェル領域110bとも接し導通するように、ソース電極110fが設けられて構成されている。半導体基板110gの下面側にはドレイン電極110hが形成されている。上記ゲート電極110e、ソース電極110f、およびドレイン電極110hは、それぞれ、スイッチング素子111〜115のゲート電極111e〜115e、ソース電極111f〜115f、またはドレイン電極111h〜115hに接続されている。
ソース電極111f〜115fは、それぞれ、図3に示すように、被制御電極接続ワイヤであるソース電極接続ワイヤ121〜125を介してソース端子101に接続されている。すなわち、ソース端子101とドレイン端子102との間に、5つのスイッチング素子111〜115が並列に接続されている。ここで、上記スイッチング素子111〜115が並列に接続されているとは、これらのソース、およびドレインが、それぞれ互いに電気的に並列に接続され、例えば、各スイッチング素子111〜115がオン状態になることによってソース、ドレイン間の電流容量を大きく設定できるようになっていることを意味する。
一方、スイッチング素子111のゲート電極111eは、ゲート電極接続ワイヤ131を介してゲート端子103に接続されている。また、ゲート電極111eと112e、112eと113e、113eと114e、および114eと115eは、それぞれ、ゲート電極接続ワイヤ132〜135を介して順次接続されている。すなわち、ゲート電極接続ワイヤ131〜135によって直列の電送線路が形成され、ゲート端子103に入力されるスイッチング制御信号が、各スイッチング素子111〜115のゲート電極111e〜115eを橋渡しするように順次伝達されるようになっている。ここで、上記ゲート電極接続ワイヤ131〜135は、例えばソース電極接続ワイヤ121〜125よりも細く設定されている。
上記のように小型の素子が複数用いられて構成されていることにより、大電流のスイッチングを行うことができる。また、ゲート端子103から各ゲート電極111e〜115eに伝達されるスイッチング制御信号には、ゲート電極接続ワイヤ131〜135の有するインダクタンスLおよび抵抗Rによる電流の立ち上がりへの影響によって、電圧伝達の遅れが生じる。すなわち、各スイッチング素子111〜115のゲート電極111e〜115eに印可される電圧は、パッケージのゲート端子103に近い側から、順に時間遅れを伴って伝達される。
そこで、スイッチング素子111のゲート電極111eが最初にゲート閾値を超えて、スイッチング素子111がON状態となり、スイッチング素子111のソース電極111fとドレイン端子102が導通状態となる。
次に、時間遅れを伴って、スイッチング素子112のゲート電極112eがゲート閾値を超え、スイッチング素子112がON状態となる。また、同様に、スイッチング素子113〜115が、順次、時間遅れを伴いながらON状態となる。
また、スイッチング素子111〜115がON状態からOFF状態に切り替わる場合にも、同様に時間遅れが生じる。
上記のようなスイッチング素子111〜115のスイッチングタイミングのずれは、ソース端子101とゲート端子103との間に流れる電流の立ち上がり、および立ち下がりの急峻さを緩やかにする。
より詳しくは、ターンオン時には、最初1番目にON状態になったスイッチング素子111に電流が流れ始めるが、この場合は、並列の数素子に一斉に電流が流れる場合などに比べて、電流の立ち上がりは遅い。そこで、ゲート電極接続ワイヤ132のインダクタンスLが所定の大きさに設定されていれば、例えば、所定の時間差で、かつ、上記スイッチング素子111の電流が素子の定格を超える前に、2番目のスイッチング素子112がON状態になり、その電流が、上記1番目のスイッチング素子111の電流に重畳されて、合計で半導体装置100のソース、ドレイン端子101、102間に流れる電流が増える。このようにして5番目のスイッチング素子115がON状態になるまで徐々に合計電流が増えていく。
また、ターンオフ時は、図4に半導体装置100のソース、ドレイン端子101、102間の電流/電圧波形の例を示すように、最初1番目にOFF状態になったスイッチング素子111の電流が減少する。この場合、すべてのスイッチング素子が一斉にOFF状態になるよりも、電流の減少率(di/dt)は小さい。この時、他の未だON状態のスイッチング素子に流れる電流は若干増えるが、定格電流を超えない範囲で、ゲート電極接続ワイヤ132〜135のインダクタンスLに応じて、時間遅れを伴って、各スイッチング素子が次々にOFF状態にされる。各スイッチング素子がOFF状態になるごとに、合計で半導体装置100のソース、ドレイン端子101、102間に流れる電流が減っていくが、まだON状態のスイッチング素子がある間は、ON状態の各スイッチング素子に流れる電流は若干増加して、半導体装置100のソース、ドレイン端子101、102間の電圧は、それほど上昇しない。そして、すべてのスイッチング素子がOFF状態となって半導体装置100のソース、ドレイン端子101、102間の電流が減少した後に、これらのソース、ドレイン端子101、102間の電圧が上昇することになる。この結果、上記電流の変化率(di/dt)は小さく抑えられ、サージが抑えられる。さらに、電流が減少してから電圧が上昇するので、スイッチング損失の低減も容易に達成できる。
上記のように、ゲート電極接続ワイヤ132〜135のインダクタンスLや抵抗Rなどを適切に設定し、スイッチング制御信号の伝達遅延を調整することによって、半導体装置100に流れる電流の変化率を小さく抑え、また、各スイッチング素子111〜115に流れる電流が定格を超えないようにしたりすることが容易にできる。
《変形例》
上記の例では、ゲート電極接続ワイヤ131〜135が、ソース電極接続ワイヤ121〜125よりも細く設定されている例を示したが、これに限るものではない。すなわち、例えば最初に制御信号を受け取るスイッチング素子111とスイッチング素子112とのスイッチング時間の遅れは、ゲート電極接続ワイヤ132のインダクタンスLと抵抗Rにより決まるので、許容されるサージ電圧の大きさや求められるスイッチング電流特性などに応じて太さや長さなどが設定されればよい。
また、各ゲート電極接続ワイヤ132〜135の互いの太さや長さなどが必ずしも同じでなくてもよい。
また、例えば、図5に示すように、直列に接続されたゲート電極接続ワイヤ132〜135の途中の接続点(ゲート電極113e)とゲート端子103とがゲート電極接続ワイヤ131によって接続されるようにしたり、図6〜図8に示すように、ゲート電極111eおよびゲート電極115e(またはゲート電極113e)など、複数箇所のゲート電極がゲート端子103に接続されるなどしてもよい。すなわち、複数のスイッチング素子のうち少なくとも1つの第1のスイッチング素子のゲート電極が、ゲート電極接続ワイヤを介して他の第2のスイッチング素子のゲート電極にのみ接続されていれば、制御信号は、必ず第2のスイッチング素子から電極接続ワイヤを介して第1のスイッチング素子に伝播し、その伝播の遅延によって第1および第2のスイッチング素子のオンタイミングにずれが生じるので、第1、2のスイッチング素子が同時にオンになるよりも電流の変化率を小さく抑える効果が得られる。ここで、上記第2のスイッチング素子のゲート電極にのみ接続することの意義は、制御信号に関してのものであり、制御信号の伝播に影響のない接続関係を排除するものではない。
また、例えば図9に示すように、ゲート電極111eとゲート端子103とをゲート電極接続ワイヤ131にて接続し、ゲート電極111eから、ゲート電極112e〜115eへ、互いに長さなどの異なるゲート電極接続ワイヤ132〜135によって接続されるようにしてもよく、この場合には、ワイヤが長いほど抵抗およびインダクタンスが大きいことに起因する遅延時間の差によって、やはりスイッチング素子112〜115のオンタイミングをずらすことができる。
また、より時間差を大きくするために、ゲート電極111e〜115e間に抵抗素子を介在させるなどしてもよい。
また、各ゲート電極111e〜115e間等は、それぞれ単一のゲート電極接続ワイヤ131〜135で直接接続されるのに限らず、パッケージ内に設けられた中継電極なども介して接続されるなどしてもよい。
また、それぞれのソース電極111f〜115fは、ソース端子101に接続されるのに限らず、ゲート電極111e〜115eと同様に、1つのソース電極がソース端子101に接続されるとともに、ソース電極どうしが互いに順次接続されるなどしてもよい。また、バスバー形状のソース端子101から各ソース電極111f〜115fにほぼ平行なソース電極接続ワイヤ121〜125で接続されるのに限らず、パッケージ基板上に設けられた1つのパッドなどから放射状に接続されるなどしてもよい。
また、ソース端子101も、図10に示すように、ドレイン端子102と同様にソース電極111f〜115fに半田付け等によって接続されるなどしてもよい。
さらに、ソース電極111f〜115f等はソース端子101に直接接続されるのに限らず、パッケージ基板に形成された配線パターン等を介して接続されるなどしてもよい。
また、スイッチング素子111〜115はドレイン端子102上に設けられるのに限らず、例えばパッケージ基板上などに設けられて、各スイッチング素子111〜115のドレイン電極111h〜115hも、ソース電極111f〜115fと同様に接続ワイヤ等を介してドレイン端子102に接続されるようにしてもよい。
また、5つのスイッチング素子111〜115が設けられる例を示したが、これに限定されるものではなく、2素子以上であればよく、例えば10素子以上などでも有効な効果を得ることができる。
また、図1等に示したような複数のスイッチング素子111…を一組として、複数組のスイッチング素子を1つのパッケージ内に設けてもよい。この場合、ソース端子101やドレイン端子102なども各組ごとに独立に設けてもよいし、1つ以上の端子を複数組で共通にするなどしてもよく、さらに、何れかの組のソース端子が他の組のドレイン端子に接続されるなどしてもよい。
また、パッケージの形態は、樹脂モールドに限らず、スイッチング素子が絶縁体パッケージ中に封止された種々の形態も適用可能である。
また、スイッチング素子111〜115としては、絶縁ゲート型のスイッチング素子であれば、MOSに限らずIGBTなどを適用することもでき、同じメカニズムによって、各素子がON、OFFするタイミングをずらしてサージ電圧を低減することが容易にできる。
また、上記のような半導体装置、または上記のように接続されたスイッチング素子111〜115を、特開2002−44962号公報に示されるようなインバータ制御モジュール等に適用し、サージ電圧を一層容易に低減できるようにしてもよい。
また、用いられる半導体はSiCに限るものではないが、SiCの場合には、次のような効果を得ることもできる。すなわち、一般に、SiCパワー素子を形成するSiCウェハは結晶欠陥を高密度に含みやすく、そのような結晶欠陥を含む領域に形成された素子は動作不良となる。このため、例えば5mm角以上などの大きさの大型の素子は、歩留まりよく形成することなどが困難である。ところが、上記のように複数の素子が並列接続されることによって大きな電流のスイッチが可能にされるので、個々の素子を大型化大電流化しなくてもよい。そこで、素子サイズ、および電流容量の小さいスイッチング素子を歩留まりよく低コストに形成することによって、例えば50A以上の大電流をスイッチングできる半導体装置等を安価に得ることが容易にでき、工業的に広く活用することなどができる。
本発明にかかる半導体装置は、大電流を高速でスイッチングする場合などでも、サージ電圧を容易に低減できる効果を有し、各種電気機器や車などの電源におけるコンバータなどに用いられ、比較的大電流をスイッチするパワー半導体装置等として有用である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置のスイッチング素子111〜115を構成する単位セル110の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置のスイッチング素子111〜115の接続関係を示す配線図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置のターンオフ時の電流/電圧波形を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構成を示す平面図である。 従来の半導体装置のターンオフ時の電流/電圧波形を示すグラフである。
符号の説明
100 半導体装置
101 ソース端子
102 ドレイン端子
103 ゲート端子
104 樹脂
110 単位セル
110a ドリフト領域
110b pウェル領域
110c ソース領域
110d 絶縁膜
110e ゲート電極
110f ソース電極
110g 半導体基板
110h ドレイン電極
111〜115 スイッチング素子
111e〜115e ゲート電極
111f〜115f ソース電極
111h〜115h ドレイン電極
121〜125 ソース電極接続ワイヤ
131〜135 ゲート電極接続ワイヤ

Claims (13)

  1. 制御電極と、前記制御電極によって導通状態または非導通状態に制御される第1および第2の被制御電極とを有し、前記第1および第2の被制御電極同士が並列に接続された複数の絶縁ゲート型のスイッチング素子を有する半導体装置であって、
    上記複数のスイッチング素子のうちの少なくとも1つの制御電極は、制御電極接続ワイヤを介して、他のスイッチング素子の制御電極にのみ接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 上記複数のスイッチング素子は第1から第3の少なくとも3つのスイッチング素子を含み、
    第1のスイッチング素子の制御電極は、制御電極接続ワイヤを介して第2のスイッチング素子の制御電極に接続され、
    第2のスイッチング素子の制御電極は、制御電極接続ワイヤを介して第3のスイッチング素子の制御電極に接続されるとともに、
    上記第1から第3のスイッチング素子のうち少なくとも1つの制御電極が、半導体装置の外部に引き出される制御端子に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 上記第1または第3のスイッチング素子のうちのいずれか一方のスイッチング素子の制御電極が、半導体装置の外部に引き出される制御端子に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 上記複数のスイッチング素子の制御電極どうしを接続する複数の制御電極接続ワイヤが、直列に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 少なくとも1つのスイッチング素子の制御電極が、半導体装置の外部に引き出される制御端子に接続されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 上記直列に接続された制御電極接続ワイヤのうち、端部の制御電極接続ワイヤの接続されている制御電極が、半導体装置の外部に引き出される制御端子に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 上記複数のスイッチング素子における、制御電極によって導通状態または非導通状態に制御される第1および第2の被制御電極は、それぞれ、半導体装置の外部に引き出される共通の第1または第2の被制御端子に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  8. 上記第1および第2の被制御電極の少なくとも一方は、被制御電極接続ワイヤを介して、上記第1または第2の被制御端子に接続されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 上記制御電極接続ワイヤは、上記被制御電極接続ワイヤよりも細く設定されていることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
  10. 上記第1または第2の被制御端子の少なくとも一方は、半導体装置のパッケージにおける基板上に形成された配線パターン、またはバスバーであることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  11. 上記複数のスイッチング素子は、パッケージ中に封止され、上記制御端子、第1の被制御端子、および第2の被制御端子が、外部に露出していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  12. 制御電極が互いに電気的に接続されたスイッチング素子の組が、複数組設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  13. 上記スイッチング素子は、炭化珪素を用いて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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