JP2010205960A

JP2010205960A - 半導体モジュール

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Publication number: JP2010205960A
Application number: JP2009050223A
Authority: JP
Inventors: Masaya Tonomoto; 雅也殿本; Yasuyuki Sakai; 泰幸酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: JP5287359B2

Abstract

【課題】サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールを提供する。
【解決手段】金属製のハイサイド板４と、ローサイド板５と、ミドルサイド板６とを備える。ハイサイド板４とミドルサイド板６とにハイサイド側半導体チップ２が接続されており、ローサイド板５とミドルサイド板６とにローサイド側半導体チップ３が接続されている。ハイサイド板４およびローサイド板５と、ミドルサイド板６との間に導電板７が設けられている。ハイサイド板４とローサイド板５とを、導電板７および少なくとも１個のコンデンサ８を用いて接続している。ミドルサイド板６に流れる電流と、導電板７に流れる電流とが近接し、向きが逆向きになるため、磁束が互いに打ち消しあうようになる。これにより、実効インダクタンスを低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、サージ電圧を抑制できる半導体モジュールに関する。

従来から、ＩＧＢＴ素子やフライホイールダイオード等の半導体素子を樹脂で封止して１パッケージにした半導体モジュールが知られている。
この半導体モジュールは、例えば車両用のインバータ回路に用いられる。インバータ回路を使って、車両に搭載した直流電源を交流に変換し、この交流電圧を用いて三相交流モータを駆動して、車両を走行させる。

半導体モジュールは高電圧下で使用され、大電流が流れる。この半導体モジュールは、配線等が寄生インダクタンスを有するため、ＩＧＢＴ素子をオンオフ動作する際にサージ電圧が発生するという問題がある。特に大電流を流す場合は、サージ電圧が高くなりやすい。サージ電圧が高くなると、半導体素子が破壊されるおそれがある。

この問題を解決するため、コンデンサを内蔵した半導体モジュールが開示されている。コンデンサを内蔵すると、発生したサージ電圧をコンデンサによって吸収できる。

特許第３８４１００７号公報特許第４１９２３９６号公報

しかしながら、コンデンサを内蔵しても、サージ電圧を十分に低減できない場合がある。例えば、コンデンサの位置によっては、そのコンデンサを接続する配線と、他の配線との間隔が広くなり、ループインダクタンスが大きくなってしまう場合がある。ループインダクタンスが大きくなると、サージ電圧も大きくなり、半導体素子が破壊されるおそれが生じる。
そのため、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールが望まれている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールを提供しようとするものである。

本発明は、半導体スイッチング素子を有する半導体モジュールであって、
ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップと、
ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップと、
上記ハイサイド側半導体チップおよび上記ローサイド側半導体チップの交流出力側の主電極面に接続した金属製のミドルサイド板と、
上記ミドルサイド板との間で上記ハイサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ハイサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に接続した金属製のハイサイド板と、
該ハイサイド板に隣接配置され、上記ミドルサイド板との間で上記ローサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ローサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に接続した金属製のローサイド板と、
上記ハイサイド板およびローサイド板と、上記ミドルサイド板との間に設けられた導電板とを備え、
上記ハイサイド板と上記ローサイド板とを、上記導電板および少なくとも１個のコンデンサを用いて接続するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュールにある（請求項１）。

本発明の作用効果につき説明する。
本発明では、ハイサイド板およびローサイド板と、ミドルサイド板との間に導電板を設け、ハイサイド板とローサイド板とを、コンデンサおよび導電板を介して接続するように構成した。
このようにすると、導電板に流れる電流と、ミドルサイド板に流れる電流の向きが逆向きになり、かつ、導電板とミドルサイド板との間隔が狭くなり、半導体チップ内を流れる電流が一周（ループ）する面積を小さくすることができる。そのため、導電板に流れる電流により発生した磁界と、ミドルサイド板に流れる電流により発生した磁界とが互いに打ち消しあう。これにより、実効インダクタンスを低減でき、サージ電圧を抑制することが可能となる。

さらに、本発明はコンデンサを内蔵しているため、従来のようにコンデンサを内蔵せず、外部にのみ設けた場合と比較して、半導体チップと内蔵コンデンサとの距離を短くすることができる。そのため、電流の流れる経路が短くなり、寄生インダクタンスを低減できる。これにより、サージ電圧を低減することが可能となる。

また、半導体モジュールを用いてインバータ回路を構成すると、半導体モジュール同士を繋ぐ配線の寄生インダクタンスに起因してサージ電圧が発生するが、本例によると、半導体モジュールに内蔵したコンデンサによりサージ電圧を吸収することができる。そのため、半導体素子に高いサージ電圧が加わりにくくなる。

以上のごとく、本発明によれば、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールを提供することができる。

実施例１における、半導体モジュールの分解斜視図。実施例１における、半導体モジュールの一部透視斜視図。実施例１における、半導体モジュールの断面図であって、図４のＢ−Ｂ断面図。図３のＡ−Ａ断面図。実施例１における、半導体モジュールの断面図と、回路図とを重ねた図。実施例１における、インバータの回路図。実施例１における、半導体モジュールと冷却管とを積層した斜視図。実施例１における、コンデンサの数を変更した半導体モジュールの断面図。実施例１における、コンデンサの数を１個にした半導体モジュールの断面図。実施例１における、半導体モジュールの製造工程説明図。図１０に続く図。図１１に続く図。実施例１における、半導体モジュール内を流れる電流の向きについての説明図。比較例における、半導体モジュール内を流れる電流の向きについての説明図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記導電板は、上記ミドルサイド板に対して平行に設けられていることが好ましい（請求項２）。
上述したように、導電板とミドルサイド板は近接している。また、上記構成にすると、導電板に流れる電流と、ミドルサイド板に流れる電流とが逆向きで、かつ平行になる。これにより、導電板とミドルサイド板に流れる電流によって発生した磁界が各々効果的に打ち消しあい、実効インダクタンスをより小さくすることが可能となる。そのため、サージ電圧を効果的に低減できる。

また、複数個の上記コンデンサが、上記導電板を介して直列接続されていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、例えば一方のコンデンサが壊れてショートした場合でも、他方のコンデンサが破壊されなければ半導体モジュール全体としては短絡故障しないため、信頼性を高めることができる。また、コンデンサ１個に加わる電圧が低くなるので、耐圧の低いコンデンサを使用することも可能となる。

また、上記導電板と上記ミドルサイド板との間に、絶縁部材が介在するよう構成されていることが好ましい（請求項４）。
この構成によると、絶縁部材を介在させることにより、導電板とミドルサイド板とのショートを防止でき、信頼性を高めることが可能となる。
また、薄い絶縁部材を用いることにより、導電板とミドルサイド板との絶縁距離を短くすることができる。これにより、実効インダクタンスを効果的に低減することが可能となる。
さらに、はんだ付け（リフロー）を使って容易に組付けることができるというメリットもある。例えば、ミドルサイド板の上に半導体チップと、絶縁層を有する導電板と、コンデンサとを配置して、その間にはんだを介在させ、熱処理炉に入れてリフローするのである。このようにすると、ミドルサイド板と半導体チップ等を一度に接続することが可能となる。そのため、組み付け性を向上できる。

また、上記ハイサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるハイ側コンデンサ群と、上記ローサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるロー側コンデンサ群とを備え、これらハイ側コンデンサ群とロー側コンデンサ群とが上記導電板を介して直列接続されていることが好ましい（請求項５）。
このようにすると、個々のコンデンサの容量が小さい場合でも、並列接続しているので、全体の容量を大きくすることができる。例えばセラミックコンデンサ等のように、耐熱性に優れているが、容量が小さいコンデンサを使用したい場合に効果がある。また、複数個のコンデンサを用いているので、いずれか１個のコンデンサが破壊した場合でも正常に動作でき、信頼性を向上できる。

（実施例１）
本例の実施例にかかる半導体モジュールにつき、図１〜図１４を用いて説明する。
図１は本例に係る半導体モジュール１の、封止部材を省略した分解斜視図である。また、図２は半導体モジュール１の一部透視斜視図であり、図３はその断面図である。

図１、図２に示すごとく、本例の半導体モジュール１は、ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップ２と、ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップ３とを備える。
また、図３に示すごとく、ハイサイド側半導体チップ２およびローサイド側半導体チップ３の交流出力側の主電極面２０，３０に接続した金属製のミドルサイド板６を備える。さらに、ミドルサイド板６との間でハイサイド側半導体チップ２を挟持するとともに、ハイサイド側半導体チップ２の直流入力側の主電極面２１に接続した金属製のハイサイド板４を備える。また、ハイサイド板４に隣接配置され、ミドルサイド板６との間でローサイド側半導体チップ３を挟持するとともに、ローサイド側半導体チップ３の直流入力側の主電極面３１に接続した金属製のローサイド板５を備える。
さらに、図１、図３に示すごとく、ハイサイド板４およびローサイド板５と、ミドルサイド板６との間に設けられた導電板７を備える。そして、ハイサイド板４とローサイド板５とを、導電板７および少なくとも１個のコンデンサ８を用いて接続するよう構成されている。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、ハイサイド板４、ローサイド板５、ミドルサイド板６には、その側面から突出するパワー端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃが形成されている。また、本例の半導体モジュール１は複数本の信号端子１１を備えている。この信号端子１１は、ハイサイド側半導体チップ２およびローサイド側半導体チップ３と、ワイヤ１４により接続されている。
また、ハイサイド側半導体チップ２とミドルサイド板６との間には銅ブロック１３ａが設けられている。この銅ブロック１３ａにより、ハイサイド側半導体チップ２とミドルサイド板６との間隔を広くし、ワイヤ１４とミドルサイド板６とが接触しないようにしている。同様に、ローサイド側半導体チップ３とローサイド板５との間に銅ブロック１３ｂが設けられている。

また、図２、図３に示すごとく、半導体チップ２，３、コンデンサ８等は、樹脂製の封止部材１５により封止されている。この封止部材１５から、ハイサイド板４、ローサイド板５、ミドルサイド板６の表面が露出している。

図３に示すごとく、導電板７は、ミドルサイド板６に対して平行に設けられている。また、複数個のコンデンサ８ａ，８ｂが、導電板７を介して直列接続されている。ハイサイド板４および導電板７により、一方のコンデンサ８ａを挟持し、電気的に接続している。また、ローサイド板５および導電板７により、他方のコンデンサ８ｂを挟持し、電気的に接続している。

また、図３に示すごとく、導電板７とミドルサイド板６との間に、絶縁部材１０が介在している。この絶縁部材１０により、導電板７とミドルサイド板６との短絡を防止している。
さらに、図３、図４に示すごとく、本例の半導体モジュール１は、ハイサイド板４と導電板７との間に介在し、互いに並列接続された複数個のコンデンサ８からなるハイ側コンデンサ群８０と、ローサイド板５と導電板７との間に介在し、互いに並列接続された複数個のコンデンサ８からなるロー側コンデンサ群８１とを備える。そして、これらハイ側コンデンサ群８０とロー側コンデンサ群８１とが導電板７を介して直列接続されている。

図５に、半導体モジュール１と回路図とを重ねた図を示す。このように、ハイサイド側半導体チップ２はＩＧＢＴ素子２ａとフライホイールダイオード２ｂを備えている。そして、ＩＧＢＴ素子２ａのエミッタがミドルサイド板６に接続され、コレクタがハイサイド板４に接続されている。同様に、ローサイド側半導体チップ３はＩＧＢＴ素子３ａとフライホイールダイオード３ｂを備えている。このＩＧＢＴ素子３ａのエミッタがローサイド板５に接続され、コレクタがミドルサイド板６に接続されている。

図６に、半導体モジュール１を使った車両用インバータ回路１６の回路図を示す。同図に示すごとく、半導体モジュール１を複数個接続して、直流電源１８の電圧を交流に変換するインバータ回路１６を構成している。半導体モジュール１のハイサイド板４とローサイド板５との間に、直流電圧を印加する。そして、ＩＧＢＴ素子２ａ，３ａをスイッチング動作させることにより、交流電圧を出力する。この交流電圧を用いて三相交流モータ１７を駆動し、車両を走行させる。
なお、図示しないが、直流電源１８の電圧を昇圧するための昇圧回路も搭載されている。この昇圧回路により昇圧した電圧を、平滑コンデンサ１９によって平滑している。
また、直流電源１８と半導体モジュール１とを接続する配線４０は、銅板からなるバスバー４０を用いている。このバスバー４０自身も寄生インダクタンスを有しているため、ＩＧＢＴ素子２ａ，３ａをスイッチング動作させると、サージ電圧が発生するが、そのサージ電圧をコンデンサ８ａ，８ｂで吸収している。なお、コンデンサ８ａ，８ｂは、上述した導電板７により接続されている。

図７に、半導体モジュール１の配置例を示す。半導体モジュール１には大きな電流を流すため、発熱量が大きい。そのため、本例では図７に示すごとく、半導体モジュール１と冷却管４１とを交互に複数個積層し、この冷却管４１によって半導体モジュール１を両面から冷却するようにしている。個々の冷却管４１は、接続管４５によって接続されている。また、冷媒導入口４２および冷媒導出口４３を備えており、この冷媒導入口４２に冷媒４４を導入することにより、接続管４５を通って全ての冷却管４１に冷媒４４が流れるようになっている。これにより、半導体モジュール１を冷却している。上述したハイサイド板４、ローサイド板５、ミドルサイド板６は、半導体チップ２，３を冷却するための放熱板を兼ねている。

次に、コンデンサの数を変更した例を図８に示す。同図に示すごとく、この半導体モジュール１は、３個のコンデンサ８ａ，８ｂ，８ｃを直列に接続している。コンデンサ８ｂは絶縁部材１０の上に載置されており、コンデンサ８ａと８ｂとの間を導電板７ａが接続している。また、コンデンサ８ｂとコンデンサ８ｃの間を導電板７ｂが接続している。
さらに、図９に示すごとく、コンデンサ８を一個だけ設けることもできる。この例では、ローサイド板５と導電板７との間にコンデンサ８を設け、ハイサイド板４と導電板７との間は導電性プラグ７０によって接続している。このようにすると、コンデンサ８を２個直列にした場合と比較して、容量を大きくできるというメリットがある。

本例に係る半導体モジュール１の製造方法について説明する。まず図１０（Ａ）に示すごとく、ミドルサイド板６の上にローサイド側半導体チップ３と銅ブロック１３を配置し、これらの間にはんだペースト５０を介在させる。また、ミドルサイド板６の別の位置に絶縁部材１０、導電板７、コンデンサ８を配置し、これらの間にはんだペースト５０を介在させる。このようにして部材１００を構成する。また、図１０（Ｂ）に示すごとく、ハイサイド板４の上にハイサイド側半導体チップ２と銅ブロック１３を配置し、これらの間にはんだペースト５０を介在させる。このようにして部材１０１を構成する。
次に、部材１００と部材１０１をリフロー炉に入れ、所定温度で第１の熱処理を行う。これにより、はんだペースト５０が溶融し、各部品が接続されて一体となる。

その後、図１１に示すごとく、部材１００上にローサイド板５および部材１０１を載置する。図示するごとく、ミドルサイド板６の所定位置、コンデンサ８ａ，８ｂ、銅ブロック１３上にはんだペースト５０を配置する。そして、この状態でリフロー炉に入れ、所定温度で第２の熱処理を行う。これにより、図１２に示すごとく、はんだペースト５０が溶融し、部材１００，１０１およびローサイド板５が接続されて一体となる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例では図３に示すごとく、ハイサイド板４およびローサイド板５と、ミドルサイド板６との間に導電板７を設け、ハイサイド板４とローサイド板５とを、コンデンサ８および導電板７を介して接続するように構成した。
このようにすると、導電板７とミドルサイド板６との間隔を狭くすることができる。また、高周波電流の流れる向きは、図１３（Ａ），図１３（Ｂ）のどちらかとなる。すなわち、導電板７に流れる電流ｉ１と、ミドルサイド板６に流れる電流ｉ２の向きが常に逆向きになる。そのため、導電板７に流れる電流ｉ１により発生した磁界φ１と、ミドルサイド板６に流れる電流ｉ２により発生した磁界φ２とが互いに打ち消しあう。これにより、実効インダクタンスを低減でき、サージ電圧を抑制することが可能となる。

また、本例によると、図１３に示すごとく、ハイサイド側半導体チップ２とコンデンサ８ａの間隔が狭くなる。また、ローサイド側半導体チップ３とコンデンサ８ｂとの間隔が狭くなる。すなわち、図１４のように、ハイサイド板９２とローサイド板９３との間にコンデンサ９１を設けた場合と比較して、電流が流れるループの面積Ｓ（図の斜線部）を小さくすることができる。これにより、ループインダクタンスを小さくすることができ、サージ電圧を抑制しやすくなる。

さらに、本例はコンデンサ８を内蔵しているため、従来のようにコンデンサ８を内蔵せず、外部にのみ設けた場合と比較して、半導体チップ２，３とコンデンサ８ａ，８ｂとの距離を短くすることができる。そのため、電流の流れる経路が短くなり、寄生インダクタンスを低減できる。これにより、サージ電圧を低減することが可能となる。

また、図３に示すごとく、導電板７は、ミドルサイド板６に対して平行に設けられている。
上述したように、導電板７とミドルサイド板６は近接している。また、上記構成にすると、導電板７に流れる電流ｉ１（図１３参照）と、ミドルサイド板６に流れる電流ｉ２とが逆向きで、かつ平行になる。これにより、導電板７とミドルサイド板６に流れる電流ｉ１，ｉ２によって発生した磁界φ１，φ２が各々効果的に打ち消しあい、実効インダクタンスをより小さくすることが可能となる。そのため、サージ電圧を効果的に低減できる。

また本例では、図３に示すごとく、複数個のコンデンサ８ａ，８ｂが、導電板７を介して直列接続されている。
このようにすると、例えば一方のコンデンサ８ａが壊れてショートした場合でも、他方のコンデンサ８ｂが破壊されなければ半導体モジュール１全体としては短絡故障しないため、信頼性を高めることができる。また、コンデンサ１個に加わる電圧が低くなるので、耐圧の低いコンデンサ８を使用することも可能となる。

また、図３に示すごとく、本例の半導体モジュール１は、導電板７とミドルサイド板６との間に絶縁部材１０が介在している。
この構成によると、絶縁部材１０を介在させることにより、導電板７とミドルサイド板６とのショートを防止でき、信頼性を高めることが可能となる。
また、薄い絶縁部材１０を用いることにより、導電板７とミドルサイド板６との絶縁距離を短くすることができる。これにより、ループインダクタンスを効果的に低減することが可能となる。
さらに、はんだ付け（リフロー）を使って容易に組付けることができるというメリットもある。すなわち、図１０〜図１２に示すごとく、第１の熱処理（図１０）と、第２の熱処理（図１１、図１２）とを行うだけで、ハイサイド板４、ローサイド板５、ミドルサイド板６、半導体チップ２，３等を一括してはんだ付けできる。そのため、組み付け性を向上できる。

また、本例の半導体モジュール１は、図４に示すごとく、複数個のコンデンサ８を並列接続したハイ側コンデンサ群８０と、ロー側コンデンサ群８１とを有し、このハイ側コンデンサ群８０とロー側コンデンサ群８１とを直列接続した。
このようにすると、個々のコンデンサ８の容量が小さい場合でも、並列接続しているので、全体の容量を大きくすることができる。例えばセラミックコンデンサ８等のように、耐熱性に優れているが、容量が小さいコンデンサ８を使用したい場合に効果がある。また、複数個のコンデンサ８を用いているので、いずれか１個のコンデンサ８が破壊した場合でも正常に動作でき、信頼性を向上できる。

以上のごとく、本発明によれば、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュール１を提供することができる。

１半導体モジュール
２ハイサイド側半導体チップ
２０（ハイサイド側半導体チップの、交流出力側の）主電極面
２１（ハイサイド側半導体チップの、直流入力側の）主電極面
３ローサイド側半導体チップ
３０（ローサイド側半導体チップの、交流出力側の）主電極面
３１（ローサイド側半導体チップの、直流入力側の）主電極面
４ハイサイド板
５ローサイド板
６ミドルサイド板
７導電板
８コンデンサ

Claims

半導体スイッチング素子を有する半導体モジュールであって、
ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップと、
ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップと、
上記ハイサイド側半導体チップおよび上記ローサイド側半導体チップの交流出力側の主電極面に接続した金属製のミドルサイド板と、
上記ミドルサイド板との間で上記ハイサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ハイサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に接続した金属製のハイサイド板と、
該ハイサイド板に隣接配置され、上記ミドルサイド板との間で上記ローサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ローサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に接続した金属製のローサイド板と、
上記ハイサイド板およびローサイド板と、上記ミドルサイド板との間に設けられた導電板とを備え、
上記ハイサイド板と上記ローサイド板とを、上記導電板および少なくとも１個のコンデンサを用いて接続するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
請求項１において、上記導電板は、上記ミドルサイド板に対して平行に設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
請求項１または請求項２において、複数個の上記コンデンサが、上記導電板を介して直列接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記導電板と上記ミドルサイド板との間に、絶縁部材が介在するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
請求項１〜請求項４のいずれか１項において、上記ハイサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるハイ側コンデンサ群と、上記ローサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるロー側コンデンサ群とを備え、これらハイ側コンデンサ群とロー側コンデンサ群とが上記導電板を介して直列接続されていることを特徴とする半導体モジュール。