JP2009130201A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に係り、特に、大電流をスイッチングするものに用いるに好適な半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device suitable for use in a device that switches a large current.
従来から、半導体装置においては、(1)低スイッチング(SW)損失、(2)低通電損失、(3)熱抵抗の低減、(4)信頼性の維持、は重要な課題である。以下、順に詳細に説明する。 Conventionally, in a semiconductor device, (1) low switching (SW) loss, (2) low conduction loss, (3) reduction in thermal resistance, and (4) maintenance of reliability have been important issues. Hereinafter, it demonstrates in detail in order.
(1)SW損失において問題となるサージ(誘導)電圧ΔVは、電流変化率を(di/dt)、半導体装置の主回路インダクタンスをLとすると、ΔV=−L(di/dt)によって求められる。よって、サージ電圧ΔVを低減するためには、Lを小さくする、または(di/dt)を小さくする、すなわちスイッチング速度を遅くする、という対策が考えられる。しかし、半導体装置においては高速スイッチングが求められ、(di/dt)を小さくすることは難しい。よって、スイッチングサージ電圧は主回路のインダクタンスLを低減することにより抑制することが望ましい。 (1) A surge (inductive) voltage ΔV, which is a problem in SW loss, is obtained by ΔV = −L (di / dt) where the current change rate is (di / dt) and the main circuit inductance of the semiconductor device is L. . Therefore, in order to reduce the surge voltage ΔV, a countermeasure can be considered in which L is reduced or (di / dt) is reduced, that is, the switching speed is reduced. However, high speed switching is required in the semiconductor device, and it is difficult to reduce (di / dt). Therefore, it is desirable to suppress the switching surge voltage by reducing the inductance L of the main circuit.
主回路インダクタンスLの低減のためには、半導体チップの内部配線、電源平滑用コンデンサと素子の間の外部配線、電源平滑用コンデンサの内部配線などの寄生インダクタンスを小さくすることが必要である。 In order to reduce the main circuit inductance L, it is necessary to reduce parasitic inductance such as the internal wiring of the semiconductor chip, the external wiring between the power supply smoothing capacitor and the element, and the internal wiring of the power supply smoothing capacitor.
(2)通電損失は、電流経路の配線抵抗および素子の内部抵抗などで決まる。損失が大きいと効率が下がるだけでなく発熱量も増えるため、冷却器を設置するなど装置の大型化にもつながる。さらに、発熱と冷却が繰り返されると信頼性の低下にもつながる。通電損失低減のためには、抵抗の小さな素子の選択、幅広で厚いリードや基板配線層を利用し配線抵抗を小さくすることが必要である。 (2) The conduction loss is determined by the wiring resistance of the current path and the internal resistance of the element. A large loss not only reduces efficiency but also increases the amount of heat generated, leading to an increase in the size of the device, such as installing a cooler. Furthermore, repeated heat generation and cooling leads to a decrease in reliability. In order to reduce energization loss, it is necessary to select a low resistance element and reduce the wiring resistance by using a wide and thick lead or a substrate wiring layer.
(3)熱抵抗の低減において問題となるのは、放熱経路上に存在する絶縁材や接着剤などである。一般に絶縁材や接着剤の熱伝導率は小さいため、基板上の半導体チップや電流検出用抵抗器等から発生する熱を如何に他の部材へ効率的に伝えるか、または如何にファンなどにより冷却するかが重要となる。熱抵抗低減のためには、熱伝導率の大きい絶縁材の使用、半導体装置の大型化などが必要である。また、水冷や空冷などの強制冷却も手法の一つである。 (3) A problem in reducing thermal resistance is an insulating material or an adhesive that exists on the heat dissipation path. In general, since the thermal conductivity of insulating materials and adhesives is small, the heat generated from the semiconductor chip on the substrate, the current detection resistor, etc. can be efficiently transferred to other members, or it can be cooled by a fan, etc. It is important to do. In order to reduce thermal resistance, it is necessary to use an insulating material having a high thermal conductivity and to increase the size of a semiconductor device. Also, forced cooling such as water cooling or air cooling is one of the methods.
(4)一般に半導体装置の信頼性というと、ハンダ接合部の破壊やエポキシなどの封止樹脂の剥離などが懸念される。接合部の信頼性維持策としては、熱膨張率差の小さい部材の選択やエポキシなどによる樹脂封止がある。また、信頼性としては基板部の配線層の信頼性維持も重要な問題である。基板部の配線層に数百(A)の大電流が流れると配線層が発熱し、長期間半導体装置を使用すると半導体装置が破壊する恐れがある。配線層の信頼性維持策としては、配線層を広く厚くすることで発熱を抑える、基板部の絶縁層として熱伝導率が大きい絶縁物を使用すること、電圧を上げるなどして基板配線への大電流通電を回避することが必要となる。 (4) Generally speaking, reliability of a semiconductor device is concerned about destruction of a solder joint or peeling of a sealing resin such as epoxy. As measures for maintaining the reliability of the joint, there are selection of a member having a small difference in thermal expansion coefficient and resin sealing with epoxy or the like. In addition, maintaining reliability of the wiring layer of the substrate part is also an important issue for reliability. When a large current of several hundreds (A) flows through the wiring layer of the substrate portion, the wiring layer generates heat, and the semiconductor device may be destroyed if the semiconductor device is used for a long time. As measures to maintain the reliability of the wiring layer, suppress the heat generation by widening the wiring layer, use an insulator with high thermal conductivity as the insulating layer of the board part, increase the voltage, etc. It is necessary to avoid a large current flow.
以上述べたように、半導体装置においては、インダクタンス・損失の低減と、熱抵抗低減、さらに、信頼性維持が重要な課題であり、これまで低インダクタンス構造および低熱抵抗構造の半導体装置として、以下のようなものが知られている。 As described above, in semiconductor devices, reduction of inductance and loss, thermal resistance reduction, and maintenance of reliability are important issues. As a semiconductor device having a low inductance structure and a low thermal resistance structure, Something like that is known.
第1は、冷却器上部に半導体チップが実装された基板を搭載し、冷却部下部にバスバ部を絶縁層を介して積層する。また、バスバ部と基板部の配線パターンは垂直電極により接続するようになっている(例えば、特許文献1参照)。これにより、バスバ部のインダクタンスを低減することができ、また半導体装置の小型化を図れる。 First, a substrate on which a semiconductor chip is mounted is mounted on the upper part of the cooler, and a bus bar part is stacked below the cooling part via an insulating layer. Further, the wiring patterns of the bus bar portion and the substrate portion are connected by a vertical electrode (see, for example, Patent Document 1). As a result, the inductance of the bus bar portion can be reduced, and the semiconductor device can be reduced in size.
第2は、リードフレーム上に実装された半導体チップの下に金属の放熱ブロックを設け樹脂封止し、さらにそれらを金属基板上に実装するものである(例えば、特許文献2参照)。これにより、下方向の放熱経路を確保し、熱抵抗を低減できる。 Secondly, a metal heat dissipation block is provided under a semiconductor chip mounted on a lead frame, resin-sealed, and further mounted on a metal substrate (see, for example, Patent Document 2). Thereby, a downward heat radiation path can be secured and the thermal resistance can be reduced.
第3は、基板に搭載された半導体チップおよび外部へのリード端子を樹脂封止する際、事前に金属との密着性の良い樹脂でプリコートするものである(例えば、特許文献3参照)。これにより、樹脂の剥離を抑制し、信頼性を向上している。 Thirdly, when the semiconductor chip mounted on the substrate and the lead terminal to the outside are sealed with resin, pre-coating with a resin having good adhesion to metal is performed in advance (see, for example, Patent Document 3). Thereby, peeling of resin is suppressed and reliability is improved.
しかしながら、特許文献1記載のものでは、バスバ部をラミネートすることで低インダクタンスを実現しているが、絶縁層を挟むことで構造が複雑になる問題がある。また、基板配線に大電流を通電すると信頼性が低下する問題もある。
However, although the thing of
特許文献2記載のものでは、リードフレーム部のインダクタンスの低減が困難になるという問題がある。
In the thing of
また、特許文献3記載のものでは、配線部とリードフレーム部のインダクタンスを低減することが困難、また基板部の配線の信頼性維持が困難という問題がある。 Further, the device described in Patent Document 3 has problems that it is difficult to reduce the inductance of the wiring portion and the lead frame portion, and it is difficult to maintain the reliability of the wiring of the substrate portion.
本発明の目的は、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することが可能な半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that has high heat dissipation and low inductance and can maintain the reliability of a wiring layer on a substrate.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、上アームに配置された上アーム側の半導体スイッチング素子と、下アームに配置された下アーム側の半導体スイッチング素子と、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子と、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子と接続する配線層からなる第1配線を有し、該第1配線が出力ラインに接続され、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子が電源ラインに接続され、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子がアースラインに接続された半導体装置であって、前記第1配線と並列接続されるとともに、前記上アーム側若しくは下アーム側半導体スイッチング素子のスイッチング時に、前記第1配線に比べて低周波の電流成分が流れやすい第2配線を備えるようにしたものである。
かかる構成により、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することが可能となる。
(1) In order to achieve the above object, the present invention includes an upper arm side semiconductor switching element disposed in an upper arm, a lower arm side semiconductor switching element disposed in a lower arm, and the upper arm side semiconductor switching element. A first wiring composed of a wiring layer connected to a source terminal of the semiconductor switching element and a drain terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side; the first wiring is connected to an output line; and the semiconductor on the upper arm side A semiconductor device in which a drain terminal of a switching element is connected to a power supply line, and a source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side is connected to a ground line, and is connected in parallel to the first wiring and the upper arm When switching the side or lower arm side semiconductor switching element, a current component having a lower frequency flows than the first wiring. There is obtained as a second wiring.
With such a configuration, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記上アーム側及び下アーム側の半導体スイッチング素子は、半導体チップからなり、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続されるとともに、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のチップサイズよりも大きく、熱拡散性を有する第1のヒートスプレッダと、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続されるとともに、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のチップサイズよりも大きく、熱拡散性を有する第2のヒートスプレッダとを備えるようにしたものである。
(3)上記(2)において、好ましくは、前記第1配線は、基板上に形成した配線層であり、前記第2のヒートスプレッダは、前記第1配線に接続固定され、前記第1のヒートスプレッダは、前記基板上に形成された別の配線層に接続固定され、前記第1配線と、前記別の配線層は、前記第2配線により接続されるとともに、前記第1配線及び前記別の配線層は、前記基板上において、ループ状に構成されるものである。
(2) In the above (1), preferably, the semiconductor switching elements on the upper arm side and the lower arm side are formed of a semiconductor chip, connected to the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side, and It is larger than the chip size of the arm-side semiconductor switching element and is connected to the first heat spreader having thermal diffusibility and the drain terminal of the lower-arm semiconductor switching element, and the lower-arm-side semiconductor switching element A second heat spreader that is larger than the chip size and has thermal diffusibility is provided.
(3) In the above (2), preferably, the first wiring is a wiring layer formed on a substrate, the second heat spreader is connected and fixed to the first wiring, and the first heat spreader is The first wiring and the another wiring layer are connected to and fixed to another wiring layer formed on the substrate, and the first wiring and the other wiring layer are connected by the second wiring. Is configured in a loop on the substrate.
(4)上記(3)において、好ましくは、前記上アーム側及び下アーム側の半導体スイッチング素子を個別に、またはまとめて樹脂封止したものである。 (4) In the above (3), preferably, the semiconductor switching elements on the upper arm side and the lower arm side are individually or collectively sealed with resin.
(5)上記(3)において、好ましくは、前記上アーム側及び下アーム側の半導体スイッチング素子、及び前記基板を一体的に樹脂封止したものである。 (5) In the above (3), preferably, the upper arm side and lower arm side semiconductor switching elements and the substrate are integrally resin-sealed.
(6)上記(1)において、好ましくは、前記第2配線は、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子に接続された第1部材と、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続された第2部材と、前記第1部材と前記第2部材を接続する第3部材とからなる。 (6) In the above (1), preferably, the second wiring is connected to a first member connected to a source terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side and a drain terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side. It consists of a connected second member and a third member connecting the first member and the second member.
(7)上記(1)において、好ましくは、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続される第3配線と、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子に接続される第4配線とを備え、前記第3配線と前記第4配線とは、絶縁距離を保持する範囲で近接配置したものである。 (7) In the above (1), preferably, a third wiring connected to the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side and a fourth wiring connected to the source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side The third wiring and the fourth wiring are arranged close to each other within a range that maintains the insulation distance.
(8)上記(2)において、好ましくは、前記第2配線の一部は、前記第1ヒートスプレッダの側面と平行に配置される部分を有し、該平行配置部において、前記第2配線の一部と前記第1ヒートスプレッダの側面とは、絶縁距離を保持する範囲で近接配置したものである。 (8) In the above (2), preferably, a part of the second wiring has a portion disposed in parallel with a side surface of the first heat spreader, and the parallel wiring portion includes a portion of the second wiring. The portion and the side surface of the first heat spreader are arranged close to each other within a range that maintains the insulation distance.
(9)上記(3)において、好ましくは、前記基板上に形成されたさらに別の配線層を有し、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子に接続される第4配線は、前記さらに別の配線層に接続され、さらに、前記さらに別の配線層に接続されたリードを有するとともに、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続される第3配線と前記リードとは、絶縁距離を保持する範囲で近接配置したものである。 (9) In the above (3), preferably, a fourth wiring having a further wiring layer formed on the substrate and connected to a source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side, The lead is connected to another wiring layer, and further has a lead connected to the further wiring layer, and the third wiring connected to the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side is insulated from the lead. They are arranged close to each other within a range that maintains the distance.
(10)また、上記目的を達成するために、本発明は、上アームに配置された上アーム側の半導体スイッチング素子と、下アームに配置された下アーム側の半導体スイッチング素子と、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子と、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子と接続する配線層からなる第1配線を有し、該第1配線が出力ラインに接続され、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子が電源ラインに接続され、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子がアースラインに接続された半導体装置であって、前記第1配線と並列接続された第2配線を備え、前記第2配線は、前記上アーム側若しくは下アーム側半導体スイッチング素子のスイッチング時に、徐々に流れる電流が増加する特性を有するとともに、前記第1配線は、前記上アーム側若しくは下アーム側半導体スイッチング素子のスイッチング時に、一旦流れる電流が増加した後、次第に電流が減少する特性を有するものである。
かかる構成により、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することが可能となる。
(10) In order to achieve the above object, the present invention provides an upper arm side semiconductor switching element disposed on an upper arm, a lower arm side semiconductor switching element disposed on a lower arm, and the upper arm. A first wiring composed of a wiring layer connected to a source terminal of the semiconductor switching element on the side and a drain terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side, the first wiring being connected to an output line, A semiconductor device in which a drain terminal of the semiconductor switching element is connected to a power supply line, and a source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side is connected to a ground line, wherein the second wiring is connected in parallel to the first wiring The second wiring includes an electric current that gradually flows during switching of the upper arm side or lower arm side semiconductor switching element. Together but has the property of increasing, the first wiring at the time of switching of the upper arm or the lower arm side semiconductor switching element, once the flowing current increases, and has a feature progressively current decreases.
With such a configuration, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
(11)さらに、上記目的を達成するために、本発明は、上アームに配置された上アーム側の半導体スイッチング素子と、下アームに配置された下アーム側の半導体スイッチング素子と、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子と、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子と接続する配線層からなる第1配線を有し、該第1配線が出力ラインに接続され、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子が電源ラインに接続され、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子がアースラインに接続された半導体装置であって、前記第1配線は、基板上に形成された金属箔をエッチングにより形成した配線層であり、前記第1配線と並列接続されるとともに、前記第1配線よりも厚い金属製のリードである第2配線を備えるようにしたものである。
かかる構成により、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することが可能となる。
(11) Furthermore, in order to achieve the above object, the present invention provides an upper arm side semiconductor switching element disposed in an upper arm, a lower arm side semiconductor switching element disposed in a lower arm, and the upper arm. A first wiring composed of a wiring layer connected to a source terminal of the semiconductor switching element on the side and a drain terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side, the first wiring being connected to an output line, The semiconductor switching element has a drain terminal connected to a power supply line, and a source terminal of the lower arm side semiconductor switching element connected to a ground line, wherein the first wiring is formed on a substrate A wiring layer formed by etching a metal foil, which is connected in parallel with the first wiring and made of a metal thicker than the first wiring It is obtained as a second wiring is read.
With such a configuration, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
本発明によれば、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することが可能となる。 According to the present invention, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
以下、図1〜図7を用いて、本発明の第1の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成を示す回路図である。
The configuration and operation of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
First, the configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a motor drive device using the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すモータ駆動装置は、バッテリなどの電源BATと、インバータINVと、交流同期モータMと、モータ制御回路MCUとを備えている。電源BATは、100V〜300V程度の直流電源である。交流同期モータMには、例えば、100A以上の高電流が供給される。なお、42Vの直流電源や600Vの直流電源を用いることもできる。 The motor drive device shown in FIG. 1 includes a power source BAT such as a battery, an inverter INV, an AC synchronous motor M, and a motor control circuit MCU. The power source BAT is a DC power source of about 100V to 300V. For example, a high current of 100 A or more is supplied to the AC synchronous motor M. A 42V DC power supply or a 600V DC power supply can also be used.
インバータINVは、電源BATの直流電力を、3相交流電力に変換して、交流同期モータMに供給し、交流同期モータMを回転駆動する。交流同期モータMは、電機子コイルとして、U相コイルCuと、V相コイルCvと、W相コイルCwとを備えている。各コイルCu,Cv,Cwは、Y結線されている。また、交流同期モータMは、界磁コイルも備えているが、その図示は省略している。 The inverter INV converts the DC power of the power source BAT into three-phase AC power, supplies the AC power to the AC synchronous motor M, and rotationally drives the AC synchronous motor M. The AC synchronous motor M includes a U-phase coil Cu, a V-phase coil Cv, and a W-phase coil Cw as armature coils. Each coil Cu, Cv, Cw is Y-connected. The AC synchronous motor M also includes a field coil, which is not shown.
インバータINVは、6個の半導体スイッチング素子12UU,12UL,12VU,12VL,12WU,12WLを備えている。U相上アームの半導体スイッチング素子12UUと、U相下アームの半導体スイッチング素子12ULとは、直列接続されている。すなわち、U相上アームの半導体スイッチング素子12UUのソース端子と、U相下アームの半導体スイッチング素子12ULのドレイン端子は、第1配線14Uと、第2配線10Uにより接続されている。第1配線14Uと、第2配線10Uとは、並列接続されている。第1配線14Uと、第2配線10Uとは、異なる種類の配線である。詳細は後述するが、第1配線14Uは、配線基板状に形成された,例えば、銅箔をエッチングして形成された薄い配線である。第2配線10Uは、銅のバーを用いた厚い配線である。第2配線10Uの断面積は、第1配線14Uの断面積よりも大きいものである。第1配線14Uは従来から用いられているものであり、本実施形態では、第1配線14Uと並列に第2配線10Uを設けた点に特徴がある。 The inverter INV includes six semiconductor switching elements 12UU, 12UL, 12VU, 12VL, 12WU, and 12WL. The U-phase upper arm semiconductor switching element 12UU and the U-phase lower arm semiconductor switching element 12UL are connected in series. That is, the source terminal of the U-phase upper arm semiconductor switching element 12UU and the drain terminal of the U-phase lower arm semiconductor switching element 12UL are connected by the first wiring 14U and the second wiring 10U. The first wiring 14U and the second wiring 10U are connected in parallel. The first wiring 14U and the second wiring 10U are different types of wiring. Although details will be described later, the first wiring 14U is a thin wiring formed in a wiring board shape, for example, formed by etching a copper foil. The second wiring 10U is a thick wiring using a copper bar. The cross-sectional area of the second wiring 10U is larger than the cross-sectional area of the first wiring 14U. The first wiring 14U is conventionally used, and this embodiment is characterized in that the second wiring 10U is provided in parallel with the first wiring 14U.
U相上アームの半導体スイッチング素子12UUのドレイン端子は、電源側の配線である第3配線1Uにより、電源ラインPLに接続されている。U相下アームの半導体スイッチング素子12ULのソース端子は、アース側の配線である第4配線2UによりアースラインELに接続されている。なお、電源ラインPLは電源BATの正極に接続され、アースラインELは、電源BATの負極に接続されている。
The drain terminal of the semiconductor switching element 12UU of the U-phase upper arm is connected to the power supply line PL by a
V相上アームの半導体スイッチング素子12VUと、V相下アームの半導体スイッチング素子12VLとは、直列接続されている。すなわち、V相上アームの半導体スイッチング素子12VUのソース端子と、V相下アームの半導体スイッチング素子12VLのドレイン端子は、第1配線14Vと、第2配線10Vにより接続されている。第1配線14Vと、第2配線10Vとは、並列接続されている。V相上アームの半導体スイッチング素子12VUのドレイン端子は、第3配線1Vにより、電源ラインPLに接続されている。V相下アームの半導体スイッチング素子12VLのソース端子は、第4配線2VによりアースラインELに接続されている。
The V-phase upper arm semiconductor switching element 12VU and the V-phase lower arm semiconductor switching element 12VL are connected in series. That is, the source terminal of the V-phase upper arm semiconductor switching element 12VU and the drain terminal of the V-phase lower arm semiconductor switching element 12VL are connected by the
W相上アームの半導体スイッチング素子12WUと、W相下アームの半導体スイッチング素子12WLとは、直列接続されている。すなわち、W相上アームの半導体スイッチング素子12WUのソース端子と、W相下アームの半導体スイッチング素子12WLのドレイン端子は、第1配線14Wと、第2配線10Wにより接続されている。第1配線14Wと、第2配線10Wとは、並列接続されている。W相上アームの半導体スイッチング素子12WUのドレイン端子は、第3配線1Wにより、電源ラインPLに接続されている。W相下アームの半導体スイッチング素子12WLのソース端子は、第4配線2WによりアースラインELに接続されている。
The W-phase upper arm semiconductor switching element 12WU and the W-phase lower arm semiconductor switching element 12WL are connected in series. That is, the source terminal of the semiconductor switching element 12WU of the W-phase upper arm and the drain terminal of the semiconductor switching element 12WL of the W-phase lower arm are connected by the
U相の第2配線10Uは、U相出力ライン22Uにより、交流同期モータMのU相コイルCuに接続されている。V相の第2配線10Vは、V相出力ライン22Vにより、交流同期モータMのV相コイルCvに接続されている。W相の第2配線10Wは、W相出力ライン22Wにより、交流同期モータMのW相コイルCwに接続されている。
The U-phase second wiring 10U is connected to the U-phase coil Cu of the AC synchronous motor M by a U-phase output line 22U. The V-phase second wiring 10V is connected to the V-phase coil Cv of the AC synchronous motor M by a V-
半導体スイッチング素子12UU,12UL,12VU,12VL,12WU,12WLの各ゲート端子には、モータ制御回路MCUからゲート制御信号が入力する。例えば、半導体スイッチング素子12UUのゲート端子に、ハイレベルのゲート制御信号が入力すると、半導体スイッチング素子12UUが導通し、半導体スイッチング素子12UUのドレイン端子からソース端子に電流が流れる。 A gate control signal is input from the motor control circuit MCU to each gate terminal of the semiconductor switching elements 12UU, 12UL, 12VU, 12VL, 12WU, and 12WL. For example, when a high-level gate control signal is input to the gate terminal of the semiconductor switching element 12UU, the semiconductor switching element 12UU becomes conductive, and a current flows from the drain terminal to the source terminal of the semiconductor switching element 12UU.
モータ制御回路MCUは、例えば、半導体スイッチング素子12UUと、半導体スイッチング素子12VLとを導通させ、他の半導体スイッチング素子12UL,12VU,12WU,12WLを非道通とすると、電源BATからの高電流は、半導体スイッチング素子12UUから、第2配線10UとU相出力ライン22Uとを介して、交流同期モータMのU相コイルCuに供給される。交流同期モータMのY結線の中性点を経た高電流は、さらに、V相コイルCvに供給され、V相出力ライン22Vと第2配線10Vとを介して、半導体スイッチング素子12VLに流れ、さらに、アースラインELを経由して、電源BATに戻る。
For example, when the motor switching circuit MCU conducts the semiconductor switching element 12UU and the semiconductor switching element 12VL and the other semiconductor switching elements 12UL, 12VU, 12WU, and 12WL are disabled, the high current from the power supply BAT is The switching element 12UU is supplied to the U-phase coil Cu of the AC synchronous motor M via the second wiring 10U and the U-phase output line 22U. The high current that has passed through the neutral point of the Y connection of the AC synchronous motor M is further supplied to the V-phase coil Cv and flows to the semiconductor switching element 12VL via the V-
モータ制御回路MCUは、導通すべき半導体スイッチング素子12UU,12UL,12VU,12VL,12WU,12WLを選択して制御することで、交流同期モータMの3相コイルCu,Cv,Cwの内所定のコイルに通電することで、交流同期モータMの回転子を回転させ、回転駆動力を出力する。このとき、モータ制御回路MCUは、半導体スイッチング素子12UU,12UL,12VU,12VL,12WU,12WLの各ゲート端子に供給するゲート制御信号としてPWM信号を用いることで、各半導体スイッチング素子12UU,12UL,12VU,12VL,12WU,12WLを流れる電流を制御して、交流同期モータMの3相コイルCu,Cv,Cwに流れる電流を可変することで、交流同期モータMの駆動力を可変することができる。 The motor control circuit MCU selects and controls the semiconductor switching elements 12UU, 12UL, 12VU, 12VL, 12WU, and 12WL to be conducted, and thereby controls predetermined coils among the three-phase coils Cu, Cv, and Cw of the AC synchronous motor M. Is turned on to rotate the rotor of the AC synchronous motor M and output a rotational driving force. At this time, the motor control circuit MCU uses the PWM signal as a gate control signal supplied to each gate terminal of the semiconductor switching elements 12UU, 12UL, 12VU, 12VL, 12WU, and 12WL, so that each of the semiconductor switching elements 12UU, 12UL, and 12VU. , 12VL, 12WU, and 12WL are controlled to vary the current flowing through the three-phase coils Cu, Cv, and Cw of the AC synchronous motor M, so that the driving force of the AC synchronous motor M can be varied.
なお、図1においては、半導体スイッチング素子12UU,12UL,12VU,12VL,12WU,12WLとしては、MOSFETの例を図示しているが、IGBTを用いることもできる。その場合には、ヒートスプレッダ上にさらにダイオードがそれぞれ実装されるため、ワイヤーはダイオードを介してリード部へ接続される。 In FIG. 1, MOSFETs are illustrated as the semiconductor switching elements 12UU, 12UL, 12VU, 12VL, 12WU, and 12WL, but IGBTs can also be used. In that case, since the diode is further mounted on the heat spreader, the wire is connected to the lead portion via the diode.
また、交流同期モータMとして、モータジェネレータを用いる場合、交流同期モータMが発電機として動作する場合、発電機の発電電力は、インバータINVによって直流に変換され、電源BATに蓄電される。 When a motor generator is used as the AC synchronous motor M, when the AC synchronous motor M operates as a generator, the generated power of the generator is converted into direct current by the inverter INV and stored in the power source BAT.
次に、図2を用いて、本実施形態による半導体装置の等価回路について説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の等価回路図である。
Next, the equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
本実施形態による半導体装置は、図1に示したU相上下アーム,V相上下アーム,W相上下アームを構成する。U相上下アーム,V相上下アーム,W相上下アームは、いずれも同じ構成であるため、ここでは、1相分を例示して説明する。 The semiconductor device according to the present embodiment constitutes the U-phase upper and lower arms, the V-phase upper and lower arms, and the W-phase upper and lower arms shown in FIG. Since the U-phase upper and lower arms, the V-phase upper and lower arms, and the W-phase upper and lower arms all have the same configuration, only one phase will be exemplified here.
上アームの半導体スイッチング素子12Uのソース端子と、下アームの半導体スイッチング素子12Lのドレイン端子は、第1配線14と、第2配線10により接続されている。第1配線14と、第2配線10とは、並列接続されている。第1配線14と、第2配線10とは、異なる種類の配線である。上アームの半導体スイッチング素子12Uのドレイン端子は、第3配線1により、電源ラインPLに接続されている。下アームの半導体スイッチング素子12Lのソース端子は、第4配線2によりアースラインELに接続されている。
The source terminal of the upper arm
第1配線14,第2配線10,第3配線1,第4配線2は、それぞれ、抵抗とインダクタンスが直列接続された等価回路として図示している。第1配線14は、前述し、また、図3を用いて後述するように、配線基板状に形成された,例えば、銅箔をエッチングして形成された薄い配線である。第2配線10は、銅のバーを用いた厚い配線である。第3配線1,第4配線2も、第2配線10と同様に、銅のバーを用いた厚い配線である。
The
例えば、上アームの半導体スイッチング素子12Uが導通し、下アームの半導体スイッチング素子12Lが非導通の場合、上アームの半導体スイッチング素子12Uから出力ライン22に流れる電流は、第1配線14を経由して出力ライン22に流れるものと、第2配線10を経由して出力ライン22に流れるものとに分かれる。
For example, when the upper arm semiconductor switching element 12U is conductive and the lower arm
それぞれの配線14,10を流れる電流の詳細については、図7を用いて後述する。
Details of the currents flowing through the
次に、図3〜図5を用いて、本実施形態による半導体装置の具体的構成について説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す斜視図である。図4は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す平面図ある。図5は、図4のA−A’断面図である。
Next, the specific configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
FIG. 3 is a perspective view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a plan view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
図3に示すように、上アーム側の半導体スイッチング素子12Uのドレイン電極が、ヒートスプレッダ21に接続される。下アーム側の半導体スイッチング素子12Lのドレイン電極が、ヒートスプレッダ23に接続される。ヒートスプレッダ24は、熱伝導性がよく、また、電気抵抗が小さい銅製である。
As shown in FIG. 3, the drain electrode of the
半導体スイッチング素子12U,12Lはチップ構造であり、その大きさは、例えば、9mm角である。半導体スイッチング素子12U,12Lは、大電流をスイッチングするため、発熱量が大である。基板17は、図示しないフィン等の放熱部に熱的に接続される。半導体スイッチング素子12U,12Lの発熱は、基板17を介して、放熱部より放熱される。従って、半導体スイッチング素子12U,12Lを直接基板17に固定した場合、半導体スイッチング素子12U,12Lの大きさが小さいため、十分に基板17に伝熱できないものである。
The
そこで、半導体スイッチング素子12U,12Lは、それぞれ、ヒートスプレッダ21,23にハンダ等により固定される。ヒートスプレッダ21,23の大きさは、例えば、30mm角であり、半導体スイッチング素子12U,12Lの大きさよりも大きい。したがって、半導体スイッチング素子12U,12Lの発熱は、ヒートスプレッダ21,23によって広げられ、基板17に伝熱されることになる。その結果、基板17からの放熱性を向上できる。
Therefore, the
図5に示すように、基板17は、金属ベース11と、金属ベース11の上面に取り付けられたポリイミドなど樹脂製の絶縁層15と、絶縁層15の上に取り付けられた配線層13,14とからなる。絶縁層の厚さは、例えば、0.1μm程度薄いものである。配線層13,14は、絶縁層15の全面に銅箔を貼り付けた後、エッチングにより配線層のパターンを形成している。銅箔の厚さは、例えば、100μmである。銅箔の代わりに、アルミ箔を用いることもできる。
As shown in FIG. 5, the
図3や図5に示すように、ヒートスプレッダ21の下方の面は、ハンダ等により、基板17の上の配線層13に接続される。また、ヒートスプレッダ23の下方の面は、ハンダ等により、基板17の上の配線層14に接続される。
As shown in FIGS. 3 and 5, the lower surface of the
また、第3配線層であるリード1は、ヒートスプレッダ21に、ハンダや超音波接合などにより電気的に接続される。第4配線層であるリード2は、ヒートスプレッダ24に、ハンダや超音波接合などにより電気的に接続される。半導体スイッチング素子12Lの上面にあるソース電極は、複数本のワイヤー3Lにより、リード2に接続されている。ワイヤー3U,3Lは、アルミや金などの金属からなる。
Further, the
第2配線層であるリード10は、図示のように、H字形状に一体的に形成されている。半導体スイッチング素子12Uの上面にあるソース電極は、複数本のワイヤー3Uにより、リード10に接続されている。リード10は、銅製であるが、アルミ製とすることもできる。リード10の厚さは、例えば、1〜2mmであり、第1配線層14として用いる銅箔の厚さよりも厚いものである。すなわち、リード10の抵抗は、第1配線層14の抵抗よりも小さいものである。なお、リード10としては、銅の代わりに、アルミを用いることもできる。
The
半導体スイッチング素子12Lの下面にあるドレイン電極は、ヒートスプレッダ23にハンダ接続されている。ヒートスプレッダ23は、第1配線層14にハンダ接続されている。また、第2配線層であるリード10は、ヒートスプレッダ23にハンダ接続されている。したがって、第2配線層であるリード10も、ヒートスプレッダ23を介して、半導体スイッチング素子12Lのドレイン電極に接続されている。
The drain electrode on the lower surface of the
以上により、上アーム側と下アーム側は、基板部17上の配線層14およびリード10が並列になった構成で接続される。
As described above, the upper arm side and the lower arm side are connected in a configuration in which the
半導体スイッチング素子12Uの下面にあるドレイン電極は、ヒートスプレッダ21にハンダ接続されている。半導体スイッチング素子12Uのドレイン電極は、ヒートスプレッダ21を介して、第3配線層であるリード1に接続されている。
The drain electrode on the lower surface of the semiconductor switching element 12U is soldered to the
第2配線層であるリード10に、図2に示した出力ライン22が接続される。
The output line 22 shown in FIG. 2 is connected to the
また、ヒートスプレッダ21は、第5配線層13にハンダ接続されている。第5配線層13は、配線としての機能は有さず、単に、ヒートスプレッダ21を基板17に固定するためのものである。
The
ヒートスプレッダやリードの接続は、ハンダ接続以外にも、超音波接続や導電性接着剤など他の電気的接続手法を用いることができる。 For the connection of the heat spreader and leads, other electrical connection methods such as ultrasonic connection and conductive adhesive can be used in addition to the solder connection.
図4に示すように、リード1と、リード2は平行に配置される。リード1は、電気的に、第2配線層であるリード10を介して、リード2に接続される。また、リード1は、電気的に、第1配線層である配線層14を介して、リード2に接続される。すなわち、リード1からリード2に至る電流経路は、U字形状となっている。すなわち、リード1からリード2までの電流経路は、円を描くようにループ状に構成されている。
As shown in FIG. 4, the
さらに、図5に示すように、本実施形態の半導体装置は、2つの半導体スイッチング素子12U,12Lを含み、これらは、樹脂40で一体封止されている。
Furthermore, as shown in FIG. 5, the semiconductor device of this embodiment includes two
本実施形態の半導体装置は、以上のような構成とすることで、以下の効果が得られる。 The semiconductor device of this embodiment can obtain the following effects by adopting the above configuration.
1)半導体スイッチング素子12U,12Lの直下にヒートスプレッダ21,23を固定し、半導体スイッチング素子12U,12Lからの熱を拡散し、熱抵抗を低減できる。
1) The heat spreaders 21 and 23 are fixed immediately below the
2)基板17の配線層14,13を用い、さらにリード1からリード2までの電流経路をループ状とすることで、低インダクタンスとすることができる。すなわち、リード1からリード2までの電流経路をループ状とすることで、基板17において、リード1から流れ込む電流と、リード2から流れ出る電流の流れが逆向きとなり、お互いの電流によって発生する電磁作用を打ち消すことができるため、インダクタンスを低減できる。
2) By using the wiring layers 14 and 13 of the
ここで、図6を用いて、本実施形態によるインダクタンスの低減効果について説明する。
図6は、本発明の第1の実施形態による半導体装置におけるインダクタンスの解析結果の説明図である。図6において、縦軸は電圧を示し、任意単位である。横軸は時間tを示している。
Here, the inductance reduction effect according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the analysis result of the inductance in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 6, the vertical axis represents voltage, which is an arbitrary unit. The horizontal axis indicates time t.
従来構造では、インダクタンスの低減が困難であるため、実線Aで示すように、スイッチング時の跳ね上がり電圧が大きくなる。 In the conventional structure, since it is difficult to reduce the inductance, as shown by the solid line A, the jumping voltage at the time of switching increases.
それに対して、本実施形態の構成では、実線Bで示すように、低インダクタンスを実現できるため、跳ね上がり電圧を従来よりも小さくすることができる。この結果、低耐電圧素子の利用が可能となり素子の損失を低減することも可能となる。 On the other hand, in the configuration of the present embodiment, as shown by the solid line B, a low inductance can be realized, so that the jumping voltage can be made smaller than the conventional one. As a result, a low withstand voltage element can be used, and the loss of the element can be reduced.
3)半導体装置に流れる電流のうち、低周波成分の電流は、抵抗の小さな経路を通るため、最短の経路であり第1配線層である配線層14より厚みのある第2配線層であるリード10を流れる。一方、高周波成分の電流は、インダクタンスの小さな経路を通るため、2)で述べたようにインダクタンスの小さな経路の基板上の配線層14を流れる。結果として、配線層14に大きな電流が流れるのを回避し、信頼性維持を可能とする。
3) Of the current flowing through the semiconductor device, the current of the low frequency component passes through the path having a small resistance, and therefore is the shortest path and the lead that is the second wiring layer that is thicker than the
ここで、図7を用いて、本実施形態による電流配分について説明する。
図7は、本発明の第1の実施形態による半導体装置における電流経路の電流配分の説明図である。図7において、縦軸は電流を示し、全電流を1としている。横軸は時間tを示している。
Here, the current distribution according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram of current distribution in the current path in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 7, the vertical axis represents current, and the total current is 1. The horizontal axis indicates time t.
図7において、実線Aは、第2配線層であるリード10に流れる電流を示している。実線Bは、第1配線層である配線層14に流れる電流を示している。実線Cは、実線Aと実線Bの和,すなわち、全電流を示している。
In FIG. 7, a solid line A indicates a current flowing through the
図7において、実線Cで示すように、電流がステップ的に増加した場合、最初、、実線Bで示すように、インダクタンスの小さな第1配線層である配線層14に第2配線層であるリード10よりも大きな電流が流れる。しかし、ある程度の時間経過後、抵抗成分が支配的になるため、抵抗の大きな第1配線層である配線層14の電流値は減少していき、逆に抵抗の小さな第2配線層であるリード10の電流は増加する。
In FIG. 7, when the current increases stepwise as indicated by the solid line C, first, as indicated by the solid line B, the lead that is the second wiring layer is connected to the
このように、本実施形態の構造では、分流が可能であり、信頼性を向上できる。 Thus, in the structure of the present embodiment, the flow can be divided and the reliability can be improved.
さらに、第1配線である配線層14のインダクタンスが大きい場合には、図7の実線Bで示す配線層14に瞬間的に流れる電流値が大きくなる。しかし、本実施形態では、配線層14のインダクタンスを小さくしているので、配線層14に接続するリードを流れる電流が小さくなり、発熱を抑制することが可能となる。そのため、リード10と配線層14の接続部のハンダ部の信頼性を向上することもできる。
Further, when the inductance of the
4)基板までを含めて樹脂封止をすることにより、ハンダ接続部の信頼性を維持できる。 4) By sealing the resin including the substrate, the reliability of the solder connection portion can be maintained.
次に、図8を用いて、本実施形態による半導体装置を用いたインバータの平面構成について説明する。 Next, the planar configuration of the inverter using the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図8は、本発明の第1の実施形態による半導体装置を用いたインバータの平面図である。なお、図1〜図5と同一符号は、同一部分を示している。 FIG. 8 is a plan view of an inverter using the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol as FIGS. 1-5 has shown the same part.
金属製の放熱板32の上に、U相上下アーム半導体スイッチング部34Uと、V相上下アーム半導体スイッチング部34Vと、W相上下アーム半導体スイッチング部34Wが、ハンダ接続されている。スイッチング部34U,34V,34Wの個々の回路構成は、図2に示したものと同様である。インバータINVの回路構成は、図1に示したものと同様である。
A U-phase upper / lower arm semiconductor switching unit 34U, a V-phase upper / lower arm semiconductor switching unit 34V, and a W-phase upper / lower arm semiconductor switching unit 34W are soldered on the
本実施形態では、6個の半導体スイッチング素子が同一パッケージに収納される6in1の構造となっている。放熱板32の裏側には、放熱フィンが設けられ、冷却空気若しくは冷却水により冷却する。
In this embodiment, it has a 6 in 1 structure in which six semiconductor switching elements are accommodated in the same package. On the back side of the
以上説明したように、本実施形態によれば、半導体スイッチング素子の直下にヒートスプレッダを用いることで、半導体スイッチング素子からの熱を拡散し、熱抵抗を低減できる。 As described above, according to the present embodiment, by using the heat spreader immediately below the semiconductor switching element, heat from the semiconductor switching element can be diffused and the thermal resistance can be reduced.
また、基板の配線層の電流経路をループ状とすることで、低インダクタンスとすることができる。 In addition, a low inductance can be achieved by making the current path of the wiring layer of the board into a loop shape.
また、配線層とリードを並列配置し、配線層に大きな電流が流れるのを回避し、リードに大電流を流すことで、信頼性維持を可能とする。 In addition, the wiring layer and the lead are arranged in parallel to prevent a large current from flowing through the wiring layer, and a large current is allowed to flow through the lead, thereby maintaining reliability.
また、基板までを含めて樹脂封止をすることにより、ハンダ接続部の信頼性を維持できる。 Moreover, the reliability of the solder connection portion can be maintained by resin sealing including the substrate.
したがって、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。 Therefore, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
次に、図9を用いて、本発明の第2の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図9は、本発明の第2の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す斜視図である。なお、図1〜図5と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol as FIGS. 1-5 has shown the same part.
本実施形態では、リードの構成が、図3に示したものと異なっている。すなわち、本実施形態では、第2配線であるリードは、リード10A,リード10B,リード10Cの3部材から構成されている。リード10A,リード10B,リード10Cは、全て銅製であり、厚さは第1配線層14として用いる銅箔の厚さよりも厚いものである。
In the present embodiment, the configuration of the leads is different from that shown in FIG. That is, in the present embodiment, the lead that is the second wiring is composed of three members, that is, the
リード10Aの一端は、ヒートスプレッダ23にハンダ接続されている。リード10Aの他端には、図2に示した出力ライン22が接続される。
One end of the
リード10Bの一端は、複数本のワイヤー3Uにより、半導体スイッチング素子12Uの上面にあるソース電極に接続されている。リード10Bの他端は、第1配線層14にハンダ接続されている。
One end of the lead 10B is connected to the source electrode on the upper surface of the semiconductor switching element 12U by a plurality of
リード10Cは、リード10Aの中央部付近と、リード10Bの中央部付近に、その両端がハンダ接続されている。
The lead 10C is soldered at both ends near the center of the
したがって、第1配線14と、リード10A,リード10B,リード10Cからなる第2配線とは、並列接続されている。
Therefore, the
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。なお、本実施形態ではリード10Aが出力ライン22と接続される構成となっているが、リード10Bまたはリード10Cが出力ライン22に接続される構成でも同様な効果を得ることができる。さらに、新たなリードを10Dとして基板配線14に接続し、リード10Dを出力ライン22と接続しても構わない。
Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained. In the present embodiment, the
次に、図10を用いて、本発明の第3の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図10は、本発明の第3の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す斜視図である。なお、図1〜図5と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 10 is a perspective view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol as FIGS. 1-5 has shown the same part.
本実施形態では、リードの構成が、図3に示したものと異なっている。すなわち、本実施形態では、第2配線であるリードは、リード10A’,リード10B,リード10C’の3部材から構成されている。リード10A’,リード10B,リード10C’は、全て銅製であり、厚さは第1配線層14として用いる銅箔の厚さよりも厚いものである。
In the present embodiment, the configuration of the leads is different from that shown in FIG. That is, in the present embodiment, the lead that is the second wiring is composed of three members, that is, the lead 10A ′, the lead 10B, and the lead 10C ′. The leads 10 </ b> A ′, leads 10 </ b> B, and leads 10 </ b> C ′ are all made of copper and have a thickness greater than the thickness of the copper foil used as the
リード10A’の一端は、ヒートスプレッダ23にハンダ接続されている。
One end of the
リード10Bの一端は、複数本のワイヤー3Uにより、半導体スイッチング素子12Uの上面にあるソース電極に接続されている。
One end of the lead 10B is connected to the source electrode on the upper surface of the semiconductor switching element 12U by a plurality of
リード10C’は、第1配線層14にハンダで接続される。さらに、リード10A',リード10B’ともハンダやネジなどにより電気的に接続される。
したがって、第1配線14と、リード10A’,リード10B,リード10C’からなる第2配線とは、並列接続されている。
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。なお、本実施形態においても実施形態2に示すように10A〜10Dのどのリードが出力ライン22に接続されても同様の効果を得ることができる。
The lead 10C ′ is connected to the
Therefore, the
Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained. In this embodiment, the same effect can be obtained regardless of which lead of 10A to 10D is connected to the output line 22 as shown in the second embodiment.
次に、図11及び図12を用いて、本発明の第4の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図11は、本発明の第4の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す平面図である。図12は、図11のA−A’断面図である。なお、図1〜図5,図9と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 11 is a plan view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. 12 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1 to 5 and 9 indicate the same parts.
本実施形態は、図9に示した実施形態と類似する構成であるが、樹脂封止構造の点において、相違している。すなわち、図9に示した実施形態では、樹脂封止は、基板14まで含めた全体を一体封止するものでなく、半導体スイッチング素子12U,12Lを含むスイッチング部をそれぞれ樹脂41,42で封止している。
This embodiment has a configuration similar to that of the embodiment shown in FIG. 9, but is different in terms of a resin sealing structure. That is, in the embodiment shown in FIG. 9, the resin sealing does not integrally seal the
なお、半導体スイッチング素子12U,12Lを含むスイッチング部を一体的に樹脂で封止するようにしてもよいものである。
The switching unit including the
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。 Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
次に、図13〜図15を用いて、本発明の第5の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図13は、本発明の第5の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す斜視図である。図14は、本発明の第5の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す平面図である。図15は、図14のA−A’断面図である。なお、図1〜図5と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 13 is a perspective view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 14 is a plan view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. 15 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In addition, the same code | symbol as FIGS. 1-5 has shown the same part.
図3〜図5の実施形態では、ヒートスプレッダ21,24の半導体チップが実装される面とは逆の面は、配線層13,14に接続していたが、本実施形態では、図14に示すように、個々のスイッチング部は、それぞれ、樹脂41,42により封止されるとともに、図15に示すように、スイッチング部は、ヒートスプレッダの下面まで、樹脂41により封止される。
In the embodiment of FIGS. 3 to 5, the surface opposite to the surface on which the semiconductor chips of the
なお、半導体スイッチング素子12U,12Lを含むスイッチング部を一体的に樹脂で封止するようにしてもよいものである。さらに、基板まで含めて一体封止してもよいものである。
The switching unit including the
リード10A”,10B”は、基板17の第1配線層14’に接続される。
The leads 10A ″ and 10B ″ are connected to the
なお、ヒートスプレッダ21,24の半導体チップが実装される面とは逆の面を、絶縁層を介して、基板17の上に固定するようにしてもよいものである。これにより、スイッチング部下面と基板との接触熱抵抗を低減するために用いるグリースなどを効果的に塗布することができる。
The surface opposite to the surface on which the semiconductor chips of the
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。 Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
また、スイッチング部を基板に実装する際のハンダ付けが不要となり、鉛ハンダフリーが容易な構造とすることができる。なお、本実施形態においても実施形態2に示すように10A〜10Dのどのリードが出力ライン22に接続されても同様の効果を得ることができる。 Also, soldering when mounting the switching unit on the substrate is not required, and a lead solder-free structure can be obtained. In this embodiment, the same effect can be obtained regardless of which lead of 10A to 10D is connected to the output line 22 as shown in the second embodiment.
次に、図16を用いて、本発明の第6の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図16は、本発明の第6の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す断面図である。なお、図1〜図5,図9と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. 1 to 5 and 9 indicate the same parts.
本実施形態は、図9とは、リード1’,2’の形状が相違するものであり、他の構成は図9と同様である。
This embodiment is different from FIG. 9 in the shapes of the
図16に示すように、リード1’,2”は、その間の距離L1を、絶縁距離を保持する範囲で近接するように配置することで、電流経路のループがより閉じる形となりインダクタンスを低減することが可能となる。
As shown in FIG. 16, the
また、リード1’,2’に接続される電源ラインとアースラインを、それぞれ、銅製のバスバとし、絶縁層を挟んで積層した構造の積層リードを使用する際、電源側とアース側が重なる部分の面積が大きくなるため、インダクタンスをさらに低減することができる。
In addition, when using a laminated lead having a structure in which the power supply line and the ground line connected to the
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。 Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
次に、図17を用いて、本発明の第7の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図17は、本発明の第7の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す断面図である。なお、図1〜図5,図9と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention. 1 to 5 and 9 indicate the same parts.
本実施形態は、図5や図9とは、第2配線であるリード10BLの形状が異なるものであり、他の構成は図9と同様である。 This embodiment is different from FIGS. 5 and 9 in the shape of the lead 10BL as the second wiring, and the other configurations are the same as those in FIG.
リード10BLの垂直部60と対向するヒートスプレッダ21の面61の間の距離L2を、絶縁距離を保持する範囲で近接するように配置することで、両者の重なる部分の面積がおおきくなるため、インダクタンスを低減することができる。
By arranging the distance L2 between the
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。 Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained.
次に、図18及び図19を用いて、本発明の第8の実施形態による半導体装置の構成及び動作について説明する。本実施形態による半導体装置を用いるモータ駆動装置の構成は、図1と同様である。また、本実施形態による半導体装置の等価回路は、図2と同様である。
図18は、本発明の第8の実施形態による半導体装置の具体的構成を示す斜視図である。図19は、図18の要部側面図である。なお、図1〜図5と同一符号は、同一部分を示している。
Next, the configuration and operation of the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the motor driving apparatus using the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The equivalent circuit of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 18 is a perspective view showing a specific configuration of the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention. FIG. 19 is a side view of the main part of FIG. In addition, the same code | symbol as FIGS. 1-5 has shown the same part.
本実施形態は、図3に示した実施形態とは、リード2”の部分の構成が異なっているものである。基板17の上には、新たな配線層16が設けられている。下アーム側のリード2”は、配線層16にハンダ接続される。また、配線層16には、アースライン側に接続されるリード9がハンダ接続されている。
This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 3 in the configuration of the
基板17の上には、3つの配線層13,14,16が設けられている。そして、基板17の配線層13,14,16のみで、電流経路がループを描くように構成することができるため、インダクタンスを低減できる。
Three wiring layers 13, 14, and 16 are provided on the
また、図19に示すように、上アーム側のリード1に近接する位置からリード9を取り出す。リード9は、配線層16にハンダ接続される直線部9Aと、直線部9Aに対して直角に折り曲げられた直線部9Bと、直線部9Bに対して折り曲げられると共に、第1の直線部9Aに対して平行な直線部9Cとから構成される。ここで、直線部9Cにアースラインが接続される。リード1には、電源ラインが接続される。リード1とリード9の直線部9Cの間の距離L3を、絶縁距離を保持する範囲で近接するように配置することで、両者の重なる部分の面積が大きくなるため、リード部のインダクタンスを低減することができる。
Further, as shown in FIG. 19, the
なお、リード1と直線部9Cの間は、空隙を設けているが、この空隙部に樹脂を介在させるようにしてもよいものである。
In addition, although the space | gap is provided between the lead | read |
本実施形態によっても、高放熱・低インダクタンスであり、さらに基板上の配線層の信頼性を維持することができる。なお、本実施形態においても実施形態2に示すように10A〜10Dのどのリードが出力ライン22に接続されても同様の効果を得ることができる。 Also according to the present embodiment, high heat dissipation and low inductance are achieved, and the reliability of the wiring layer on the substrate can be maintained. In this embodiment, the same effect can be obtained regardless of which lead of 10A to 10D is connected to the output line 22 as shown in the second embodiment.
なお、以上の各実施形態においては、半導体チップのドレイン電極はワイヤーによりリードへ接続していたが、リードが直接ハンダなどによりドレイン電極に接続するようにしてもよいものである。 In each of the above embodiments, the drain electrode of the semiconductor chip is connected to the lead by a wire. However, the lead may be directly connected to the drain electrode by solder or the like.
本発明の第9の実施形態を図20および図21に基づいて説明する。 A ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態は、第1の実施形態ないし第8の実施形態に示した半導体装置を、モータ駆動用バッテリを持たない4輪駆動式ハイブリッド電気自動車に搭載されたインバータ装置に採用した例である。 The present embodiment is an example in which the semiconductor device shown in the first to eighth embodiments is employed in an inverter device mounted on a four-wheel drive hybrid electric vehicle having no motor drive battery.
まず、図20を用いて、モータ駆動用バッテリを持たない4輪駆動式ハイブリッド電気自動車の駆動システムの構成を説明する。 First, the configuration of a drive system of a four-wheel drive hybrid electric vehicle that does not have a motor drive battery will be described with reference to FIG.
なお、図20では、制御信号を伝達する制御ケーブルを細い実線により、電気エネルギーを供給する電気ケーブルを、制御ケーブルを示す実線よりも太い実線によりそれぞれ示している。 In FIG. 20, the control cable for transmitting the control signal is indicated by a thin solid line, and the electric cable for supplying electric energy is indicated by a solid line thicker than the solid line indicating the control cable.
モータ駆動用バッテリを持たない4輪駆動車(以下、「4輪駆動車1000」と記述する)は、内燃機関であるエンジン1001により前輪1002(主輪)を、回転電機であるモータ1102により後輪1004(従輪)をそれぞれ駆動するように、エンジン1001による駆動システムと、モータ1102による駆動システムとを備えた複合駆動型車両である。エンジン1001は、前輪1002の主駆動系を構成する動力源であり、車両の走行範囲全域において熱エネルギーにより回転動力を発生する。モータ1102は、後輪1004の従駆動系を構成する動力源であり、車両の発進時からエンジン1001のみによる走行速度域に達するまでの間、および氷結路など路面の摩擦係数μが小さい走行路においてエンジン1001により駆動される前輪1002にスリップが生じ、エンジン1001の動力を路面に伝達できない時に電気エネルギーにより回転駆動力を発生する。
A four-wheel drive vehicle (hereinafter referred to as “four-
なお、本実施形態では、エンジン1001により前輪1002を、モータ1102により後輪1004をそれぞれ駆動する場合を例に挙げて説明するが、エンジン1001により後輪1004を、モータ1102により前輪1002をそれぞれ駆動する構成としてもよい。
In this embodiment, the case where the
エンジン1001の回転動力は、自動変速機1007によって変速された後、動力伝達機構1008を介して前輪1002の駆動軸1003に伝達される。これにより、前輪1002は車両走行範囲全域においてエンジン1001により駆動される。
The rotational power of the
エンジン1001には車載補機用発電機1006及び駆動専用発電機1200のベルトを介して機械的に連結されている。両発電機は、エンジン1001の回転動力を受けて作動し、それぞれ用途の異なる電力を発生する。
The
車載補機用発電機1006は車載14ボルト系電源を構成しており、公称出力電圧12ボルトの車載バッテリ1009を充電するための直流電力及び車載補機用を駆動するための直流電力を発生する。
The on-vehicle
駆動専用発電機1200は、モータ1102の駆動用電力を専用に発生するモータ電源を構成するとともに、車載補機用発電機1006よりも高い電力を出力できる車載42ボルト系電源を構成しており、モータ1102に対する要求駆動力に応じて出力電圧を0ボルトから50ボルト又は60ボルトまで可変できる。
The drive-
なお、本実施形態では、モータ1102の電源として駆動専用発電機1200を備えた場合を例に挙げて説明する。この場合、モータ駆動専用大容量バッテリの搭載が不要な分、従駆動輪(本実施形態では後輪1004)の従駆動システムの搭載スペースを小さくできるとともに、エンジンの動力により前後輪を駆動する機械式4輪駆動車と比べて従駆動輪の従駆動システムを安価に提供できる。
In the present embodiment, a case where a drive-
また、モータ駆動用バッテリを搭載し、駆動専用発電機1200の電力をモータ駆動用バッテリに充電するようにしてもよい。
In addition, a motor driving battery may be mounted, and the electric power of the
また、本実施形態では、駆動専用発電機1200を電源として低電圧,大電流によりモータ1102を駆動するので、車両の走行性能において要求される高トルクを出力でき、エンジンの動力により前後輪を駆動する機械式4輪駆動車と比べて遜色のない従駆動システムを提供できる。
In this embodiment, since the
車載補機用発電機1006及び駆動専用発電機1200はエンジン1001とともにエンジンルーム内に配置されている。駆動専用発電機1200は水冷密閉型回転電機であるので、駆動専用発電機1200のエンジン1001に対する取付位置は、空冷開放型回転電機である車載補機用発電機1006のエンジン1001に対する取付位置よりも低い位置にできる。
The on-
本実施形態では、前述したように、モータ駆動用バッテリを備えていないので、駆動専用発電機1200から出力された直流電力はリレー1300を介してインバータ装置100の直流側に直接入力される。インバータ装置100は、入力された直流電力を、モータ1102の駆動に必要な三相交流電力に変換し、この変換された三相交流電力をモータ1102に供給する。モータ1102は三相交流電力を受けて作動し、後輪1004の駆動に必要な回転動力を発生する。
In this embodiment, as described above, since the motor drive battery is not provided, the DC power output from the drive-
モータ1102の回転動力は、モータ1102の出力側に接続されたクラッチ1500、及びクラッチ1500の出力側に接続されたデファレンシャルギヤ1600を介して後輪1004の駆動軸1005に伝達される。これにより、後輪1004は、車両の発進時からエンジン1001のみによる走行速度域に達するまでの間、及びモータ1102の回転動力により後輪1004を駆動することが可能な最高走行速度域以下において、氷結路など路面の摩擦係数μが小さい走行路でエンジン1001により駆動される前輪1002にスリップが生じ、エンジン1006の動力を路面に伝達できない時に駆動される。
The rotational power of the
したがって、本実施形態の従駆動システムによれば、車両を安定させながら高トルクにより発進および走行させることができ、前輪1002にスリップが発生した時には、前輪1002を速やかにグリップさせて、摩擦係数μの小さい走行路を安定にかつ確実に走破させることができる。
Therefore, according to the slave drive system of the present embodiment, the vehicle can be started and run with high torque while being stabilized, and when the
デファレンシャルギヤ1600は、モータ1102の回転動力を左右の駆動軸1005に分配するための動力伝達機構であり、モータ1102の回転動力を減速するための減速機が一体に設けられている。
The
モータ1102及びインバータ装置1101を一体化した車両駆動装置(回転電機装置)1100は、車両の後部座席からトランクルームに至る床下にあり、かつデファレンシャルギヤ1600の近傍にある狭小スペースに設置されている。本実施形態では、機電一体型の車両駆動装置(回転電機装置)1100により、車両駆動装置(回転電機装置)1100の小型化を達成できるとともに、車両に対する車両駆動装置(回転電機装置)1100の搭載性を向上できる。
A vehicle drive device (rotating electrical machine device) 1100 in which the
また、本実施形態では、車両駆動装置(回転電機装置)1100として、図15に示す機電一体型回転電機装置を用いているので、車両駆動装置(回転電機装置)1100をより小型でき、車両に対する車両駆動装置(回転電機装置)1100の搭載性をより向上できる。 Further, in this embodiment, since the electromechanically integrated rotating electrical machine apparatus shown in FIG. 15 is used as the vehicle driving apparatus (rotating electrical machine apparatus) 1100, the vehicle driving apparatus (rotating electrical machine apparatus) 1100 can be further reduced in size, Mountability of the vehicle drive device (rotating electrical machine device) 1100 can be further improved.
また、車両駆動装置(回転電機装置)1100,クラッチ1500及びデファレンシャルギヤ1600を一体のユニット構造にしてもよい。
Further, the vehicle drive device (rotating electrical machine device) 1100, the clutch 1500, and the
クラッチ1500は、2つのクラッチ板を電磁力により制御して動力伝達を制御する電磁式動力遮断機構であり、車両の発進時からエンジン1001のみによる走行速度域に達するまでの間、およびモータ1102の回転動力により後輪1004を駆動することが可能な最高速度域以下において、氷結路など路面の摩擦係数μが小さい走行路でエンジン1001により駆動される前輪1002にスリップが生じ、エンジン1001の動力を路面に伝達できない時には2つのクラッチ板が締結されて、モータ1102の回転動力がデファレンシャルギヤ1600に伝達されるように制御され、エンジン1001のみによる走行速度域にある時には2つのクラッチ板が解放されて、モータ1102からデファレンシャルギヤ1600への回転動力の伝達が遮断されるように制御される。
The clutch 1500 is an electromagnetic power shut-off mechanism that controls power transmission by controlling two clutch plates with electromagnetic force. The clutch 1500 is from the start of the vehicle until it reaches the travel speed range of only the
後輪1004の従駆動系を構成する各機器の作動は、電子回路装置1400から供給された信号或いは電力によって制御される。電子回路装置1400は、プログラムに基づいて各機器の制御に必要な演算を実行するマイクロコンピュータ,マイクロコンピュータの演算に必要なプログラムやマップ及びパラメータなどのデータが予め格納された記憶装置、及び抵抗などの回路素子が集積された集積回路(IC)などの複数の電子部品を搭載した複数の制御基板を備えている。
The operation of each device constituting the driven system of the
電子回路装置1400が司る制御としては、駆動専用発電機1200に供給される界磁電流を制御して駆動専用発電機1200の発電を制御する界磁制御、リレー1300の接点の駆動を制御して駆動専用発電機1200とインバータ装置1101との間の電気的な接続を制御するリレー制御、インバータ装置1101の電力変換動作を制御してモータ1102の駆動を制御する駆動制御、及びクラッチ1500に供給される励磁電流を制御してクラッチ1500の締結・遮断を制御するクラッチ制御がある。
Control performed by the
後輪1004の従駆動系を構成する各機器と電子回路装置1400との間は信号ケーブル或いは電気ケーブルによって電気的に接続されている。車載バッテリ1009と電子回路装置1400との間は電気ケーブルによって電気的に接続されている。エンジン1001のコンポーネント機器(空気絞り弁,給排気弁,燃料噴射弁),変速機1007を構成する変速機構及び車載補機用発電機1006の作動を制御するエンジン制御装置、及びアンチロックブレーキシステムを構成するキャリパーシリンダ機構の作動を制御するアンチロックブレーキシステム制御装置などの他の車載制御装置(図示省略)と電子回路装置1400との間はローカルエリアネットワーク(LAN)ケーブルによって電気的に接続されている。これにより、各車載制御装置の間において各車載制御装置の所有情報を共有でき、電子回路装置1400は、エンジン制御装置からシフト位置信号,アクセル開度信号、及びエンジン回転数信号を、アンチロックブレーキシステム制御装置から車輪速信号をそれぞれ必要に応じて入力情報として取得でき、それらの入力情報を上記各制御に利用する。
Each device constituting the driven system of the
なお、本実施形態では、自動変速機1007を構成する変速機構の作動をエンジン制御装置が制御する場合を例に挙げているが、車両が変速機制御装置を搭載する場合には、自動変速機1007を構成する変速機構の作動は変速機制御装置により制御される。この場合、電子回路装置1400に入力されるシフト位置信号は変速機制御装置からLANケーブルを介して取得される。
In this embodiment, the case where the engine control device controls the operation of the speed change mechanism constituting the
図21は、モータ1102及びインバータ装置1101を一体化した車両駆動装置(回転電機装置)1100の外観構成を示す。
FIG. 21 shows an external configuration of a vehicle drive device (rotating electrical machine device) 1100 in which a
図21において、インバータ装置1101は回転電機1102の上部に配置されている。本実施形態では、インバータ装置1101の筐体901と回転電機1102の筐体との間に螺入されるネジ951によってインバータ装置1101の筐体901が回転電機1102の筐体に固定されることにより、インバータ装置1101と回転電機1102とが一体化されている。インバータ装置1101の高さ方向(インバータ装置1101と回転電機1102との合体方向)の寸法は回転電機1102の外径寸法の半分以下である。このような寸法は、車両の後部座席からトランクルームに至る床下にあり、かつデファレンシャルギヤ1600の近傍にある狭小スペースに設置される車両駆動装置(回転電機装置)1100にとって非常に好適なものと言える。
In FIG. 21, the
回転電機1102の軸方向一方側端部の筐体端面からは出力軸964が水平方向に延びるように突出している。出力軸964の延びる方向における筐体901の側面には正極側直流ハーネス961および負極側直流ハーネス962が水平方向(出力軸964が延びる方向と同じ方向)に突出するように形成されている。正極側直流ハーネス961および負極側直流ハーネス962は、図3に示すリレー1300を介して駆動専用発電機1200に電気的に接続されている。
An
インバータ装置1101と回転電機1102との電気的な接続は、回転電機1102の出力軸964側とは反対側の端部において上下方向(インバータ装置1101と回転電機1102との合体方向)に延びるバスバー(図示省略)によって行われている。回転電機1102の磁極位置を検出するためのセンサ(レゾルバ)は回転電機1102の出力軸964側とは反対側の端部に配置されている。そのセンサの信号線は、回転電機1102の出力軸964側とは反対側の端部において上方向(インバータ装置1101と回転電機1102との合体方向を回転電機1102からインバータ装置1101に向かう方向)に延び、インバータ装置1101の制御回路に電気的に接続されている。
The electrical connection between the
なお、本実施形態では、インバータ装置1101と回転電機1102との電気的な接続を車両駆動装置(回転電機装置)1100の筐体内部にて行う場合を例に挙げて説明する。インバータ装置1101と回転電機1102との電気的な接続は、ハーネスなどを介して車両駆動装置(回転電機装置)1100の筐体外部にて行ってもよい。
In the present embodiment, the case where the electrical connection between the
正極側直流ハーネス961および負極側直流ハーネス962が突出した筐体901の側面にはコネクタ963が取り付けられている。コネクタ963は、インバータ装置1101の外部に配置された上位制御装置からの入力情報(たとえばトルク指令信号,回転数指令信号,上位からのフェール信号など)を、インバータ装置1101の筐体901の内部に収納された制御回路に取り込むためのものであるとともに、その制御回路を作動させるための電源を取り込むためのものであり、さらには上位制御装置に送信する出力情報(たとえば下位側フェール信号など)をインバータ装置1101から取り出すためのものである。コネクタ963には、上位制御装置に電気的に接続されて、インバータ装置1101に延びる信号線のコネクタが接続される。
A
以上のように、本実施形態では、第1の実施形態ないし第8の実施形態に示した半導体装置を、モータ駆動用バッテリを持たない4輪駆動式ハイブリッド電気自動車に搭載されたインバータ装置に採用した場合を例に挙げて説明した。第1の実施形態ないし第8の実施形態に示した半導体装置は、次のような車載電機システムに搭載されるインバータ装置などの電力変換装置にも適用できる。 As described above, in this embodiment, the semiconductor device shown in the first to eighth embodiments is employed in an inverter device mounted on a four-wheel drive hybrid electric vehicle that does not have a motor drive battery. The case has been described as an example. The semiconductor device shown in the first to eighth embodiments can also be applied to a power conversion device such as an inverter device mounted in the following in-vehicle electric system.
その一つとしては、エンジンの駆動力により車両用発電機を駆動して三相交流電力を発生し、この発生した三相交流電力を、スイッチング半導体素子によって構成された電力変換装置(整流器)によって直流電力に整流し、その直流電力を14ボルト系の車載バッテリ(公称出力電圧12ボルト)に充電するシステムがある。第1の実施形態ないし第8の実施形態に示した半導体装置は上記電力変換装置(整流器)に適用できる。
As one of them, the generator for a vehicle is driven by the driving force of the engine to generate three-phase AC power, and the generated three-phase AC power is converted by a power conversion device (rectifier) composed of switching semiconductor elements. There is a system in which DC power is rectified and the DC power is charged into a 14-volt in-vehicle battery (
その他の一つとしては、エンジンの再始動時(信号待ちなどの車両の一時停止時にエンジンを停止し、車両の発進時にエンジンを再始動する時)、スイッチング半導体素子によって構成されたインバータ装置により、14ボルト系の車載バッテリから供給された直流電力を三相交流電力に変換してそれを車両用電動発電機に供給し、車両用電動発電機を電動機として作動させ、発生した電動力をエンジンに伝達してエンジンを始動するとともに、エンジンの自立運転時、エンジンからの駆動力を受けて車両用電動発電機を発電機として作動させ、発生した三相交流電力をインバータ装置により直流電力に変換してそれを14ボルト系の車載バッテリに充電するシステムがある。この場合、車両用電動発電機とインバータ装置は一体構造になっている。第1の実施形態ないし第8の実施形態に示した半導体装置は上記インバータ装置に適用できる。 As another one, when the engine is restarted (when the engine is stopped when the vehicle is temporarily stopped such as waiting for a signal, and when the engine is restarted when the vehicle is started), an inverter device constituted by switching semiconductor elements, DC power supplied from a 14-volt in-vehicle battery is converted into three-phase AC power, which is supplied to a vehicle motor generator, the vehicle motor generator is operated as a motor, and the generated electric power is supplied to the engine. In addition to starting the engine by transmitting it, the motor generator for the vehicle is operated as a generator in response to the driving force from the engine, and the generated three-phase AC power is converted to DC power by the inverter device. There is a system that charges a 14-volt in-vehicle battery. In this case, the vehicular motor generator and the inverter device have an integral structure. The semiconductor devices shown in the first to eighth embodiments can be applied to the inverter device.
また、その他の一つとしては、エンジンの再始動時(信号待ちなどの車両の一時停止時にエンジンを停止し、車両の発進時にエンジンを再始動する時)、および車両の加速運転時、スイッチング半導体素子によって構成されたインバータ装置により、42ボルト系の車載バッテリ(公称出力電圧36ボルト)から供給された直流電力を三相交流電力に変換してそれを車両用電動発電機に供給し、車両用電動発電機を電動機として作動させ、発生した電動力をエンジンに伝達してエンジンを始動、および車輪に伝達してエンジンの駆動力をアシストするとともに、エンジンの自立運転時、エンジンからの駆動力を受けて車両用電動発電機を発電機として作動させ、発生した三相交流電力をインバータ装置により直流電力に変換してそれを42ボルト系の車載バッテリに充電するシステムがある。この場合、42ボルト系の車載バッテリには昇降圧装置(DCDCコンバータ)を介して14ボルト系の車載バッテリが接続されている。第1の実施形態ないし第8の実施形態に示した半導体装置は上記インバータ装置に適用できる。
In addition, as another example, when the engine is restarted (when the vehicle is temporarily stopped, such as waiting for a signal, when the engine is stopped and when the vehicle is started, the engine is restarted), and during the acceleration operation of the vehicle, the switching semiconductor DC power supplied from a 42 volt in-vehicle battery (nominal output voltage 36 volts) is converted into three-phase AC power by an inverter device composed of elements, and is supplied to a vehicle motor generator. The motor generator is operated as an electric motor, and the generated electric power is transmitted to the engine to start the engine, and transmitted to the wheels to assist the driving force of the engine. The vehicle motor generator is operated as a generator, and the generated three-phase AC power is converted into DC power by an inverter device. There is a system to charge the vehicle battery of the door system. In this case, a 14-volt in-vehicle battery is connected to a 42-volt in-vehicle battery via a step-up / step-down device (DCDC converter). The semiconductor devices shown in the first to eighth embodiments can be applied to the inverter device.
1,2,9,10…リード
3…ワイヤー
15…絶縁層
11…金属ベース
13,14,16…基板配線層
12…半導体スイッチング素子
21,23…ヒートスプレッタ
40,41,42…樹脂
DESCRIPTION OF
Claims (15)
該第1配線が出力ラインに接続され、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子が電源ラインに接続され、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子がアースラインに接続された半導体装置であって、
前記第1配線と並列接続されるとともに、前記上アーム側若しくは下アーム側半導体スイッチング素子のスイッチング時に、前記第1配線に比べて低周波の電流成分が流れやすい第2配線を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor switching element on the upper arm side disposed in the upper arm, a semiconductor switching element on the lower arm side disposed in the lower arm, a source terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side, and a semiconductor switching element on the lower arm side A first wiring composed of a wiring layer connected to the drain terminal of the element;
A semiconductor device in which the first wiring is connected to an output line, the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side is connected to a power supply line, and the source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side is connected to an earth line. There,
The second wiring is connected in parallel with the first wiring, and has a second wiring in which a low-frequency current component flows more easily than the first wiring when the upper arm side or lower arm side semiconductor switching element is switched. Semiconductor device.
前記上アーム側及び下アーム側の半導体スイッチング素子は、半導体チップからなり、
前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続されるとともに、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のチップサイズよりも大きく、熱拡散性を有する第1のヒートスプレッダと、
前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続されるとともに、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のチップサイズよりも大きく、熱拡散性を有する第2のヒートスプレッダとを備えることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor switching elements on the upper arm side and the lower arm side are composed of semiconductor chips,
A first heat spreader which is connected to a drain terminal of the upper arm side semiconductor switching element and is larger than a chip size of the upper arm side semiconductor switching element and has a thermal diffusion property;
And a second heat spreader which is connected to a drain terminal of the lower arm side semiconductor switching element and which is larger than a chip size of the lower arm side semiconductor switching element and has thermal diffusibility. apparatus.
前記第1配線は、基板上に形成した配線層であり、
前記第2のヒートスプレッダは、前記第1配線に接続固定され、
前記第1のヒートスプレッダは、前記基板上に形成された別の配線層に接続固定され、
前記第1配線と、前記別の配線層は、前記第2配線により接続されるとともに、
前記第1配線及び前記別の配線層は、前記基板上において、ループ状に構成されることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The first wiring is a wiring layer formed on a substrate;
The second heat spreader is connected and fixed to the first wiring;
The first heat spreader is connected and fixed to another wiring layer formed on the substrate,
The first wiring and the another wiring layer are connected by the second wiring,
The first wiring and the another wiring layer are configured in a loop shape on the substrate.
前記上アーム側及び下アーム側の半導体スイッチング素子を個別に、またはまとめて樹脂封止したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
A semiconductor device, wherein the semiconductor switching elements on the upper arm side and the lower arm side are individually or collectively sealed with resin.
前記上アーム側及び下アーム側の半導体スイッチング素子、及び前記基板を一体的に樹脂封止したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
A semiconductor device, wherein the upper arm side and lower arm side semiconductor switching elements and the substrate are integrally sealed with resin.
前記第2配線は、
前記上アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子に接続された第1部材と、
前記下アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続された第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材を接続する第3部材とからなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The second wiring is
A first member connected to a source terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side;
A second member connected to the drain terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side;
A semiconductor device comprising the first member and a third member connecting the second member.
前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続される第3配線と、
前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子に接続される第4配線とを備え、
前記第3配線と前記第4配線とは、絶縁距離を保持する範囲で近接配置したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A third wiring connected to the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side;
A fourth wiring connected to the source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side,
The semiconductor device, wherein the third wiring and the fourth wiring are arranged close to each other within a range that maintains an insulation distance.
前記第2配線の一部は、前記第1ヒートスプレッダの側面と平行に配置される部分を有し、
該平行配置部において、前記第2配線の一部と前記第1ヒートスプレッダの側面とは、絶縁距離を保持する範囲で近接配置したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
A part of the second wiring has a portion arranged in parallel with the side surface of the first heat spreader,
In the parallel arrangement section, a part of the second wiring and the side surface of the first heat spreader are arranged close to each other within a range that maintains an insulation distance.
前記基板上に形成されたさらに別の配線層を有し、
前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子に接続される第4配線は、前記さらに別の配線層に接続され、
さらに、前記さらに別の配線層に接続されたリードを有するとともに、
前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子に接続される第3配線と前記リードとは、絶縁距離を保持する範囲で近接配置したことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
Having another wiring layer formed on the substrate;
The fourth wiring connected to the source terminal of the lower arm side semiconductor switching element is connected to the further wiring layer,
Furthermore, having a lead connected to the further wiring layer,
The semiconductor device, wherein the third wiring connected to the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side and the lead are arranged close to each other as long as an insulation distance is maintained.
該第1配線が出力ラインに接続され、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子が電源ラインに接続され、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子がアースラインに接続された半導体装置であって、
前記第1配線と並列接続された第2配線を備え、
前記第2配線は、前記上アーム側若しくは下アーム側半導体スイッチング素子のスイッチング時に、徐々に流れる電流が増加する特性を有するとともに、
前記第1配線は、前記上アーム側若しくは下アーム側半導体スイッチング素子のスイッチング時に、一旦流れる電流が増加した後、次第に電流が減少する特性を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor switching element on the upper arm side disposed in the upper arm, a semiconductor switching element on the lower arm side disposed in the lower arm, a source terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side, and a semiconductor switching element on the lower arm side A first wiring composed of a wiring layer connected to the drain terminal of the element;
A semiconductor device in which the first wiring is connected to an output line, the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side is connected to a power supply line, and the source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side is connected to an earth line. There,
A second wiring connected in parallel with the first wiring;
The second wiring has a characteristic that a current flowing gradually increases when the upper arm side or lower arm side semiconductor switching element is switched,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first wiring has a characteristic in which, when the upper arm side or lower arm side semiconductor switching element is switched, the current that flows once increases and then the current gradually decreases.
該第1配線が出力ラインに接続され、前記上アーム側の半導体スイッチング素子のドレイン端子が電源ラインに接続され、前記下アーム側の半導体スイッチング素子のソース端子がアースラインに接続された半導体装置であって、
前記第1配線は、基板上に形成された金属箔をエッチングにより形成した配線層であり、
前記第1配線と並列接続されるとともに、前記第1配線よりも厚い金属製のリードである第2配線を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor switching element on the upper arm side arranged in the upper arm, a semiconductor switching element on the lower arm side arranged in the lower arm, a source terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side, and a semiconductor switching on the lower arm side A first wiring composed of a wiring layer connected to the drain terminal of the element;
A semiconductor device in which the first wiring is connected to an output line, the drain terminal of the semiconductor switching element on the upper arm side is connected to a power supply line, and the source terminal of the semiconductor switching element on the lower arm side is connected to an earth line. There,
The first wiring is a wiring layer formed by etching a metal foil formed on a substrate,
A semiconductor device comprising: a second wiring that is connected in parallel to the first wiring and is a metal lead thicker than the first wiring.
該回転電機と前記車載電源との間に設けられて電力を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、請求項1,10,11のいずれかに記載の半導体装置により電力変換回路を構成している、
ことを特徴とする車載用電機システム。 A rotating electrical machine mounted on a vehicle and electrically connected to an in-vehicle power source;
A control device provided between the rotating electrical machine and the in-vehicle power source to control electric power,
The control device constitutes a power conversion circuit by the semiconductor device according to any one of claims 1, 10, and 11.
An in-vehicle electric system characterized by the above.
前記回転電機は、前後輪のうち、内燃機関によって駆動される車輪とは異なる車輪の駆動力を発生する電動機であり、
前記制御装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であり、
前記車載電源であるとともに、前記内燃機関によって駆動される発電機から供給された直流電力が前記インバータ装置によって交流電力に変換されて前記電動機に供給されることにより、前記電動機は前記駆動力を発生する、
ことを特徴とする車載用電機システム。 The in-vehicle electric system according to claim 12,
The rotating electrical machine is an electric motor that generates a driving force of a wheel different from a wheel driven by an internal combustion engine among front and rear wheels,
The control device is an inverter device that converts DC power into AC power;
The electric motor generates the driving force when it is the on-vehicle power source and the DC power supplied from the generator driven by the internal combustion engine is converted into AC power by the inverter device and supplied to the electric motor. To
An in-vehicle electric system characterized by the above.
前記回転電機は、内燃機関に機械的に接続され、前記内燃機関の始動時には始動用駆動力を発生してその始動用駆動力を前記内燃機関に供給し、前記内燃機関から駆動力を受ける時には交流電力を発生して前記制御装置に供給し、車両の加速時には補助駆動力を車輪に出力する電動発電機であり、
前記制御装置は、前記車載電源であるバッテリと前記電動発電機との間の電力の授受を制御するインバータ装置である、
ことを特徴とする車載用電機システム。 The in-vehicle electric system according to claim 12,
The rotating electrical machine is mechanically connected to an internal combustion engine, generates a starting driving force when starting the internal combustion engine, supplies the starting driving force to the internal combustion engine, and receives a driving force from the internal combustion engine A motor generator that generates alternating current power and supplies it to the control device, and outputs an auxiliary driving force to the wheels during acceleration of the vehicle,
The control device is an inverter device that controls transmission and reception of power between the battery that is the on-vehicle power source and the motor generator.
An in-vehicle electric system characterized by the above.
前記回転電機は、内燃機関に機械的に接続され、前記内燃機関の始動時には始動用駆動力を発生してその始動用駆動力を前記内燃機関に供給し、前記内燃機関から駆動力を受ける時には交流電力を発生して前記制御装置に供給する電動発電機であり、
前記制御装置は、前記車載電源であるバッテリと前記電動発電機との間の電力の授受を制御するインバータ装置である、
ことを特徴とする車載用電機システム。 The in-vehicle electric system according to claim 12,
The rotating electrical machine is mechanically connected to an internal combustion engine, generates a starting driving force when the internal combustion engine is started, supplies the starting driving force to the internal combustion engine, and receives a driving force from the internal combustion engine. A motor generator that generates alternating current power and supplies it to the control device;
The control device is an inverter device that controls transmission and reception of power between the battery that is the on-vehicle power source and the motor generator.
An in-vehicle electric system characterized by the above.
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