JP2011243839A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に動作温度域が異なる回路を備えた電力用半導体装置の構成に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device, and particularly to a configuration of a power semiconductor device including circuits having different operating temperature ranges.
半導体装置の中でも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。従って、電力用半導体装置に使用される半導体素子は100A/cm2を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン(Si)に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素(SiC)が注目されており、SiCからなる半導体素子は500A/cm2を超える電流密度での動作が可能である。また、SiCは150℃〜300℃の高温状態でも安定動作が可能であり、高電流密度動作と高温動作の両立が可能な半導体材料として期待されている。 Among semiconductor devices, power semiconductor devices are used to control and rectify relatively large power in vehicles such as railway vehicles, hybrid cars, and electric vehicles, home appliances, and industrial machines. Therefore, a semiconductor element used for a power semiconductor device is required to be energized at a high current density exceeding 100 A / cm 2 . Therefore, in recent years, silicon carbide (SiC), which is a wide band gap semiconductor material, has attracted attention as a semiconductor material that replaces silicon (Si), and a semiconductor element made of SiC can operate at a current density exceeding 500 A / cm 2. It is. Further, SiC is capable of stable operation even at a high temperature of 150 ° C. to 300 ° C., and is expected as a semiconductor material capable of achieving both high current density operation and high temperature operation.
一方、半導体装置内には、電力の主電流が流れる電力回路の他に、電力回路の動作を制御するための制御回路が必要であり、電力回路と制御回路がひとつのパッケージ内に収納されている。制御回路には、小型で集積化が容易な従来のシリコン系の半導体素子が用いられるが、シリコン系の半導体素子の動作温度域は100℃前後であるので、ひとつのパッケージ内に動作温度域の異なる回路が存在することになる。その場合、ワイドバンドギャップ半導体の性能に合わせて動作温度を設定すると、制御回路の温度が動作温度域を超え、誤動作や劣化を招く恐れがあった。 On the other hand, in the semiconductor device, in addition to the power circuit through which the main current of power flows, a control circuit for controlling the operation of the power circuit is necessary. The power circuit and the control circuit are housed in one package. Yes. A conventional silicon-based semiconductor element that is small and easy to integrate is used for the control circuit, but the operating temperature range of the silicon-based semiconductor element is around 100 ° C. There will be different circuits. In that case, if the operating temperature is set in accordance with the performance of the wide band gap semiconductor, the temperature of the control circuit exceeds the operating temperature range, which may cause malfunction or deterioration.
そこで、動作温度域の異なる回路を分離し、高温側の回路から低温側の回路への熱の流入を防止する半導体装置(例えば、特許文献1参照。)や、分離した回路毎に独立した冷却経路を設けた電力用変換装置が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。 Therefore, a semiconductor device (see, for example, Patent Document 1) that separates circuits having different operating temperature ranges and prevents heat from flowing from the high temperature side circuit to the low temperature side circuit, or independent cooling for each separated circuit. A power converter provided with a route has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
上記半導体装置や電力変換装置においては、高温側の回路部分と低温側の回路部分間に熱伝導率の低い材料を配置したり、空間を設けたりすることで高温側の回路と低温側の回路とを熱的に分離すると記載されている。しかしながら、高温側の回路と低温側の回路間を電気接続する配線については何ら考慮されていない。配線材料の熱伝導率は、パッケージに用いられる封止材料の熱伝導率と較べてひと桁以上高いので、配線を通じた熱の流入を無視する限り、低温側の回路への熱流入をじゅうぶんに抑制することができず、結果として低温側の回路の誤動作や劣化を防止することができなかった。 In the above semiconductor device and power conversion device, a high temperature circuit and a low temperature circuit are provided by placing a material having low thermal conductivity between the high temperature circuit portion and the low temperature circuit portion or by providing a space. Are described as being thermally separated. However, no consideration is given to the wiring that electrically connects the high-temperature circuit and the low-temperature circuit. The thermal conductivity of the wiring material is more than an order of magnitude higher than the thermal conductivity of the sealing material used in the package, so as long as the heat inflow through the wiring is ignored, the heat inflow to the circuit on the low temperature side will be sufficient. As a result, malfunction and deterioration of the circuit on the low temperature side could not be prevented.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、動作温度域が異なる回路を備えていても、高特性で信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a power semiconductor device having high characteristics and high reliability even when a circuit having a different operating temperature range is provided.
本発明の電力用半導体装置は、制御用電極を有する電力用半導体素子が搭載された電力回路と、前記電力用半導体素子の主電流を流す電極に接合された第1の配線部材と、前記電力用半導体素子の動作を制御するための制御用半導体素子が搭載され、前記電力回路と動作温度域が異なるとともに前記電力回路と離れて配置された制御回路と、前記電力用半導体素子の制御用電極と前記制御回路との電気接続に、前記第1の配線部材の断面積よりも小さな断面積を有する第2の配線部材を用いたことを特徴とする。 The power semiconductor device of the present invention includes a power circuit on which a power semiconductor element having a control electrode is mounted, a first wiring member joined to an electrode through which a main current of the power semiconductor element flows, and the power A control semiconductor element for controlling the operation of the power semiconductor element is mounted, and a control circuit having an operating temperature range different from that of the power circuit and arranged away from the power circuit, and a control electrode of the power semiconductor element A second wiring member having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the first wiring member is used for electrical connection with the control circuit.
本発明の半導体装置によれば、動作温度域の異なる回路を備えていても、高温側の回路から低温側の回路への熱流入を効果的に防止し、高特性で信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to effectively prevent heat from flowing from a high-temperature side circuit to a low-temperature side circuit even with a circuit having a different operating temperature range, and has high characteristics and high reliability. A semiconductor device can be obtained.
実施の形態1.
図1〜図3は、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置を説明するためのもので、図1は電力用半導体装置の外観を示しており、図1(a)は裏面の平面図、図1(b)は長手方向の側面のうち、図1(a)のb方向からの側面図、図1(c)は長手方向の側面のうち、図1(a)のc方向からの側面図、図1(d)は短手方向の側面のうち、図1(a)のd方向からの側面図である。図2は図1(a)におけるII−II線図における断面図、図3は電力用半導体装置内部のうち、主要部分である電力回路部分と制御回路部分の部材構成を示す図である。はじめに、電力用半導体装置および部材の構成について説明する。
1 to 3 are diagrams for explaining a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an appearance of the power semiconductor device, and FIG. 1B is a side view from the b direction in FIG. 1A among the side surfaces in the longitudinal direction, and FIG. 1C is the c direction in FIG. 1A among the side surfaces in the longitudinal direction. FIG. 1D is a side view from the d direction of FIG. 1A among the side surfaces in the short side direction. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1A, and FIG. 3 is a diagram showing member configurations of a power circuit portion and a control circuit portion, which are main parts, in the power semiconductor device. First, the configuration of the power semiconductor device and members will be described.
電力用半導体装置1は、図1に示すように、長手方向の両側面にパワーリード端子101と制御リード端子201を配置したDIP(Dual Inline Package)タイプの電力用半導体装置である。そして、図2、図3に示すように、銅板を打ち抜いて形成されたリードフレーム7のうち、パワーリード5部分に、たとえば炭化珪素(SiC)のようなワイドバンドギャップ半導体材料で構成された整流素子であるダイオード2とスイッチング素子であるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor)のトランジスタ3が搭載され、本電力用半導体装置での電力用の主電流の流れを制御する電力回路CPが形成されている。また、リードフレーム7のうち、制御リード6部分に従来の半導体材料であるケイ素(Si:シリコン)で構成された半導体素子の集積回路であるIC4が搭載され、パワー半導体であるトランジスタ3の動作を制御するための制御回路CCが形成されている。
As shown in FIG. 1, the
パワーリード5には、ダイオード2やトランジスタ3を搭載するための第1のダイパッド100と外部回路との主電流経路を形成するための接続端子であるパワーリード端子101とが形成され、制御リード6には、IC4を搭載するための第2のダイパッド200と電力回路CPとの電極部材として機能する中継リード端子30と外部回路との接続端子である制御リード端子201とが形成されている。6組のダイオード2とトランジスタ3が、パワーリード5上のダイパッド100表面に、それぞれはんだ80、はんだ81で接合され、IC4は制御リード6のダイパッド200表面に導電性接着剤8で固着されている。なお、制御リード6やパワーリード5は、実際には、各部材に対応して分割されているが、図2(以降の各実施の形態の説明に用いる断面図でも同様)では、簡略化のために、つながった状態で描いている。
The
電力回路CP部のダイオード2、トランジスタ3は、上述したようにワイドバンドギャップ半導体材料であるSiCを構成成分としており、実動作時に高温(200〜300℃)で使用するため、はんだ80、81には高融点のものが求められる。さらに、環境に配慮すると、Pbを含まない、いわゆる鉛フリーのはんだが好ましく、例えば、Sn−Sb系、Au−Sn系が好ましい。
As described above, the
なお、ダイオード2やトランジスタ3と各ダイパッド100との接続は、はんだに限るものではなく、焼結性銀ペーストなどの導電性の接着剤など、導電性に優れる材料であればよいが、モールド時や実動作時の温度を考えると使用可能温度が200℃以上で、かつある程度の接着力を有することが好ましい。
The connection between the
トランジスタ3の上部電極のうち、大電流となる電力用の主電流を流す電極(例えばソース電極)とダイオード2とは、アルミニウムのワイヤで構成される配線部材10で電気的に接続され、ダイオード2とパワーリード端子101もアルミニウムのワイヤで構成される配線部材9で電気的に接続される。なお、配線部材9、10は一体的に構成されていてもよい。また、配線部材9、10には、アルミニウムにかぎらず、アルミニウムを主成分とする合金や、他の金属を用いても構わない。
Of the upper electrode of the
一方、制御回路CC部のIC4と制御リード端子201および中継リード端子30とは、金で構成される金属細線12で電気的に接続される。なお、金属細線12は、制御用に電圧を印加するためのものであり、大きな電流を流す必要がなく、集積回路の狭い電極との接続が要求されるので、配線部材9、10よりも線径の細いワイヤが好ましい。IC4との接合のしやすさから、材料としては金が好ましいが、これらの仕様を満たすのであれば、金を主成分とする合金や、他の金属、例えば銅やアルミニウム、あるいはその合金などを用いても構わない。
On the other hand, the IC 4 of the control circuit CC part, the
つぎに、制御回路CCと電力回路CPとの電気接続について説明する。
図2に示すように、制御回路CCの一部として形成された中継リード端子30と、トランジスタ3などのパワーチップとが物理的に隔てられている場合、電流を流す必要のないトランジスタ3のゲート電極と中継リード端子30とを接続する配線材料にも、作業性の観点からパワーチップに接続する配線部材9や10と同じ配線部材を用いる。ここで、電力用半導体装置1では大電流となる主電流を流すために、配線部材9や10には断面積が大きなワイヤやリボン等を用いる。このためトランジスタ3と中継リード端子30とを接続する配線材料の断面積も大きくなってしまう。
Next, electrical connection between the control circuit CC and the power circuit CP will be described.
As shown in FIG. 2, when the
しかしながら、トランジスタ3(のゲート電極:以下省略)と中継リード端子30とを接続する配線材料の断面積が大きくなると、トランジスタ3と中継リード端子30間の熱抵抗(断面積に反比例)も小さくなり、トランジスタ3からの熱が容易に中継リード端子30、およびIC4に伝わってしまう。そこで、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置1では、トランジスタ3と中継リード端子30とを接続する配線材料に、配線材料9や10よりも断面積の小さな(線径の細い)金属細線11を用いることとした。
However, when the cross-sectional area of the wiring material connecting the transistor 3 (the gate electrode thereof: not shown) and the
具体的には、金属細線11には、制御回路CC部のIC4と制御リード端子201とを電気的に接続する金で構成される金属細線12と同じワイヤを用いた。熱伝導のしやすさは断面積(あるいは線径の二乗)に比例するため、線径を小さくした金属細線11を使用した時と較べて格段に小さくなる。そのため、高温になるパワーリード5やトランジスタ3からIC4への熱の流入を抑制することができ、IC4の誤動作を防ぐことができる。
Specifically, the same wire as the metal
制御リード6の裏面のうち、制御回路CC部にあたる部分には、無機物フィラーを含有した放熱性と絶縁性に優れた絶縁膜20が接着されており、絶縁膜20を介してアルミニウム製のヒートシンク21が接着されている。
An insulating
そして、上記部材のうち、電力用リード端子101の一部、制御リード端子201の一部、ヒートシンク21の絶縁膜20との接着面の反対側を除いた部分を封止樹脂13で封止することにより、パッケージング(成型)されている。これにより、電力用半導体装置1は、電力回路CPとしては、いわゆる6 in 1で、制御回路CCにICを内蔵したトランスファーモールド型のIPM(Intelligent Power Module)となる。なお、絶縁膜20の熱伝導率は封止樹脂13の熱伝導率よりも高い。
Of the above-described members, a part of the
また、図1に戻り、電力用半導体装置1のヒートシンク21の長手方向両端あるいはその近傍の封止樹脂部13には、図示しない放熱フィンに取り付けるための取り付け穴14を設けている。電力用半導体装置1を実使用する場合、必要に応じて電力用半導体装置1のヒートシンク21に、外部の放熱フィンなどと熱伝導性グリスを介してネジ固定するためである。取り付け穴14をヒートシンク21両端あるいはその近傍に設置することにより、ヒートシンク21と外部の放熱フィンを密着させた状態で確実に固定できるため、優れた放熱性を確保できる。
Returning to FIG. 1, mounting
次に電力用半導体装置1の製造方法について説明する。
電力用半導体装置1の製造プロセスにおいて、あらかじめダイシングされたIC4は、図2、3に示すように、リードフレーム7の制御リード6部分に形成された第2のダイパッド200に裏面をそれぞれ導電性接着剤8で固着される。次にダイオード2と、トランジスタ3は、それぞれはんだ80、81(本実施の形態では同じもの)で、リードフレーム7のパワーリード5部分に形成された第1のダイパッド100にダイボンディングされる。
Next, a method for manufacturing the
In the manufacturing process of the
はじめに、電力回路CP側のトランジスタ3とダイオード2とをアルミワイヤの配線部材10を用いてワイヤボンディングにより電気的に接続し、ダイオード2とパワーリード端子101とをアルミワイヤの配線部材9を用いてワイヤボンディングにより電気的に接続する。つづいて、制御回路CC側のIC4と制御リード端子201および中継リード端子30とを、金からなる金属細線12を用いてワイヤボンディングにより電気的に接続する。さらに、通常の半導体装置の製造においては、接続距離が短い場合に用いられる金属細線12と同じ金からなる金属細線11を用いて、トランジスタ3と中継リード端子30間をワイヤボンディングにより電気的に接続する。
First, the
その後、トランスファーモールド技術を用いて封止樹脂13により、上記部材をまとめて封止する。トランスファーモールドの際、絶縁膜20を介してヒートシンク21を制御リード6に同時に接着する。このときパワーリード端子101、制御リード端子201、ヒートシンク21の接着面の反対側は封止樹脂13から外部に露出している。その後封止樹脂から露出したパワーリード端子101、制御リード端子201を所定のリード形状になるようにリードフォーミングを行って電力用半導体装置1が完成する。なお、リードフレーム7の表面には、必要に応じメッキ等の技術により表面加工がなされる。
Thereafter, the members are sealed together with the sealing
つぎに、動作について説明する。
炭化ケイ素などのワイドバンドギャップ半導体材料で構成されたダイオード2とトランジスタ3は、その性能を最大限に発揮するため、現状のシリコンで構成された半導体素子の動作温度域(100℃前後)よりも高い、例えば200℃以上の高温で動作させる場合が生じる。従来のように、電力回路CPと制御回路CCとを封止樹脂よりも熱伝導率の低い材料または空隙を介して離間させたり、制御回路CCを電力回路CPと別系統で冷却させたりするだけでは、ダイオード2やトランジスタ3が高温動作した場合、トランジスタ3の動作を制御するためにトランジスタ3の制御電極であるゲート電極と制御回路CC間を電気接続する配線部材を介して、トランジスタ3の熱がIC4に流入してしまう。そのため、IC4の温度が動作温度域を超えて上昇し、IC4の誤動作や応力破壊といったいわゆる熱によるダメージが生じる可能性があった。
Next, the operation will be described.
The
しかし、本実施の形態1にかかる電力用半導体装置1では、トランジスタ3と制御回路CCの中継リード端子30間を電気接続する配線部材に、電力回路CP内の電力用の主電流用の配線材料9や10よりも断面積の小さな金属細線11を用いることとしたので、配線部材11を介してトランジスタ3の熱がIC4に流入することがない。そのため、図2に示すように制御用フレーム6の制御回路CC部分の裏面に装着したヒートシンク21により、各IC4を載置しているダイパッド200を直接冷却することにより、IC4の温度上昇を小さく押さえることができる。このため、IC4の高温化による誤動作や応力破壊を生じることなく長期信頼性を確保することが可能になる。
However, in the
また、電力回路CPを構成する電力用半導体素子には、ワイドバンドギャップ半導体材料であるSiCを用いており、高温動作が可能であり、シリコン半導体素子よりもロスを大きく減らすことができる。つまり、シリコン素子で電力回路を形成した時よりも高温でしかも発熱量が小さくなるので、例えば、電力回路CP部分を冷却するヒートシンクを設けずに、放熱性能を下げることが可能となる。このため本実施の形態1においては、ヒートシンクは制御回路CCが形成されている制御リード6に対してのみ載置している。 Further, SiC, which is a wide bandgap semiconductor material, is used for the power semiconductor element that constitutes the power circuit CP, and high-temperature operation is possible, and loss can be greatly reduced as compared with the silicon semiconductor element. That is, since the heat generation amount is lower than that when the power circuit is formed of silicon elements, the heat dissipation performance can be lowered without providing a heat sink for cooling the power circuit CP portion, for example. For this reason, in the first embodiment, the heat sink is placed only on the control lead 6 on which the control circuit CC is formed.
なお、スイッチング素子であるトランジスタ3には、MOSFETを使用した場合を示したが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用してもよい。また、ワイドバンドギャップ半導体素子材料として、炭化珪素以外に窒化ガリウム(GaN)、またはダイヤモンドといった材料を用いてもよい。さらに、MOSFETのみで、ダイオードのような整流素子が必要ない場合なども含め、電力回路CPとしての動作温度域が制御回路CCの動作温度域よりも高くなるようであれば、半導体素子の個数や組み合わせに制約はない。なぜならば、本発明は、高温動作のSiC半導体回路と、SiCよりも動作温度域が低いSi半導体回路が一つのパッケージ内にあるときに低温側の回路への配線を介した熱の流入を抑制し、Si半導体回路の高温による誤動作等の故障から防護するためのものである。つまり、一つのパッケージ内に収納され、電力を扱う回路を含む複数の回路のうち、一方の回路が他の回路と動作温度域が異なる場合に、一方の回路と他方の回路を電気接続する配線に、電力を扱う回路に用いる配線よりも細い配線を用いるように構成すればよい。これにより、高温側の回路から低温側の回路への熱の流入を抑制し、低温側の回路の故障を防止することができる。
In addition, although the case where MOSFET was used for the
実施の形態1の変形例.
図4は、本変形例に係る電力用半導体装置の主要回路部分を示す平面図で、実施の形態1の図3に対応するものである。なお、本変形例においては、中継リード端子部分の形状を変形させ、細線11から中継リード端子を介したIC4への熱の流入をさらに抑制するようにしたものであり、他の構成は実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
Modification of the first embodiment.
FIG. 4 is a plan view showing the main circuit portion of the power semiconductor device according to this modification, and corresponds to FIG. 3 of the first embodiment. In this modification, the shape of the relay lead terminal portion is modified to further suppress the inflow of heat from the
図において、金属細線11と、IC4からの金属細線12が接続され、トランジスタ3とIC4とを電気接続するための中継部となる中継リード端子30Vにおいて、金属細線11の接合部J11と金属細線12の接合部J12との間に接合部J11と接合部J12とを結ぶ線分を分断するように貫通孔31を設けている。貫通孔31を設けて、中継リード端子30Vにおける接合部J11と接合部J12間の断面積を減らすとともに、経路を遠回りさせる(迂回させる)ことによって、接合部J11と接合部J12間の伝熱抵抗が高くなる(伝熱係数が低下する)ので、金属細線11から金属細線12を経由してIC4に流入する熱をさらに抑制することができる。そして中継リード端子30のうち、貫通孔31が設けられ、断面積が小さくなった狭部32の熱は放熱性に優れた絶縁膜20を通じてヒートシンク21から放熱される。結果としてIC4の温度上昇が抑えられる。このため、電力回路CP部分の動作温度をさらに高温にした場合でもIC4を安定動作させることができる。
In the figure, the
以上のように、本発明の実施の形態1にかかる電力用半導体装置1によれば、制御用電極(3の場合はゲート電極)を有する電力用半導体素子2、3が搭載された電力回路CPと、電力用半導体素子2、3の主電流を流す電極(3の場合はソース電極)に接合された第1の配線部材である配線部材9、10と、電力用半導体素子2、3の動作を制御するための制御用半導体素子であるIC4が搭載され、電力回路CPと動作温度域が異なるとともに電力回路CPと離れて配置された制御回路CCと、電力用半導体素子3の制御用電極(ゲート電極)と制御回路CCとの電気接続に、第1の配線部材9、10の断面積よりも小さな断面積を有する第2の配線部材である金属細線11を用いるように構成したので、動作温度域の異なる電力回路CPと制御回路CCとを備えていても、高温側の回路である電力回路CPから低温側の回路である制御回路CCへの熱流入を効果的に防止し、高特性で信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
As described above, according to the
とくに、電力用半導体素子3の制御用電極(ゲート電極)と制御回路CCとの電気接続のために、トランジスタ3の制御用電極(ゲート電極)に電気接続された第2の配線部材11の一端が接合されるとともに、制御用半導体素子IC4の電極と電気接続された第3の配線部材12の一端が接合される、中継リード端子30、30Vが制御回路内CCに形成され、中継リード端子30Vは、第2の配線部材11との接合部J11と第3の配線部材12との接合部J12とを結ぶ線分を分断するように配置された貫通孔31を迂回するように形成されているようにしたので、中継リード端子30Vにおける接合部J11と接合部J12間の断面積を減らすとともに、経路を遠回りさせることによって、接合部J11と接合部J12間の伝熱抵抗が高くなるので、第2の配線部材11から中継リード端子30Vを経由して制御回路CCおよび制御回路CC内のIC4に流入する熱をさらに抑制することができる。
In particular, one end of the
また、第2の配線部材11には、第3の配線部材12と同じ材料を用いるようにしたので、制御回路CCでのボンディング工程において第2の配線部材11を同時に形成でき、工程が簡略化できる。
Further, since the same material as that of the
さらに、電力用半導体素子2、3がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていれば、電力回路CPの動作温度域が150〜300℃になり、制御回路CCの温度域(100℃前後)よりも格段に高くなるので、本発明の効果が如実にあらわれる。
Furthermore, if the
とくに、制御用半導体素子としては、シリコン半導体材料で構成された集積回路であるIC4内に形成されているようにしたので、制御回路CCを簡単に形成できる。このとき、第2の配線部材11には、第3の配線部材12と同じ材料を用いるようすれば、集積回路用の細い金ボンディングワイヤを第2の配線部材11に使用することになり、電力回路CPから制御回路CCへの熱流入をいっそう効果的に防止することができる。
Particularly, since the control semiconductor element is formed in the IC 4 which is an integrated circuit made of a silicon semiconductor material, the control circuit CC can be easily formed. At this time, if the same material as that of the
また、制御回路CCに熱的に接続されるとともに、電力回路CPと熱的に絶縁されたヒートシンク21を備えるようにしたので、制御回路CCの温度を最適に制御することができる。
In addition, since the
実施の形態2.
本実施の形態2にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態1にかかる電力用半導体装置に対し、パッケージ部分(樹脂封止体13)の形状を異なるようにしたものである。電力用半導体装置内に封止された部材については実施の形態1にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図5と図6は、本実施の形態2にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図5は電力用半導体装置の外観のうち裏面部分を示す平面図、図6は、図5におけるVI−VI線における切断面を示す断面図である。
In the power semiconductor device according to the second embodiment, the shape of the package part (resin sealing body 13) is different from that of the power semiconductor device according to the first embodiment. The members sealed in the power semiconductor device are the same as those in the power semiconductor device according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. 5 and 6 are diagrams for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 5 is a plan view showing a back surface portion of the appearance of the power semiconductor device. FIG. It is sectional drawing which shows the cut surface in the VI-VI line in FIG.
図において、本実施の形態2にかかる電力用半導体装置2001では、電力用半導体装置2001の裏面RS側に溝40が形成されている。溝40は、裏面RSからパワーリード5と制御リード6の離間部分G56あたりまで掘り下げたもので、裏面RS側における長手方向の一端Eeから他端Ed近傍にかけて形成され、電力回路CP領域のリードフレーム5から裏面RSにかけての部分と制御回路CC領域のリードフレーム6から裏面RSにかけての部分とを空間により隔てている。それ以外の部分は実施の形態1と同じである
。
In the figure, in the
このように、溝40により、電力回路CPの裏面RS側部分と、制御回路CCの裏面RS側部分とが熱的に絶縁されたので、封止樹脂13の裏面RS側部分を介しての電力回路CP側から制御回路CC側への熱の流入を防止し、電力回路CPを動作温度の限界近くまで高温にして動作させた場合でも、熱が封止樹脂13を伝導してヒートシンク21や制御回路CCに流入することはなく、安定してIC4を動作させることができる。このため、電力回路CPの動作温度をよりさらに高温にした場合でもIC4を安定動作させることができる。
As described above, since the back surface RS side portion of the power circuit CP and the back surface RS side portion of the control circuit CC are thermally insulated by the
なお、溝は、電力用半導体装置2001の表面側から形成することも可能であるが、細線11はボンディングに伴って制御回路CCや電力回路CPの回路面より表側に向かって膨らむことになる。そのため、表側から溝を形成すると、裏側のときと比較して隙間G56近づくまで掘り下げることができず、熱的な絶縁が不十分となる。したがって、細線11が接合された面の反対側の面から掘り下げるのがよい。
Although the groove can be formed from the surface side of the
以上のように、本実施の形態2にかかる電力用半導体装置2001によれば、制御回路CCと電力回路CPは、それぞれの回路形成面が当該回路形成面に垂直な方向から見て離れて配置されているとともに、制御回路CCと電力回路CPとをまとめて封止する樹脂封止体13を備え、樹脂封止体13には、第2の配線部材11が接合された面の反対側の面である電力用半導体装置2001の裏面RSから制御回路CCと電力回路CPとの離間部分G56にむけて掘り下げられた溝40が形成されているように構成したので、封止樹脂13の裏面RS側部分を介しての電力回路CP側から制御回路CC側への熱の流入を防止し、電力回路CPを動作温度の限界近くまで高温にして動作させた場合でも、熱が封止樹脂13を伝導してヒートシンク21や制御回路CCに流入することはなく、安定してIC4を動作させることができる。
As described above, according to the
実施の形態3.
本実施の形態3にかかる電力用半導体装置においては、実施の形態1にかかる電力用半導体装置に対し、電力回路の裏面にもヒートシンクを設けたものである。その他の構成については、実施の形態1にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図7と図8は、本実施の形態3にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図7は電力用半導体装置の外観のうち裏面部分を示す平面図、図8は、図7におけるVIII−VIII線における切断面を示す断面図である。
In the power semiconductor device according to the third embodiment, a heat sink is provided on the back surface of the power circuit as compared with the power semiconductor device according to the first embodiment. Since other configurations are the same as those of the power semiconductor device according to the first embodiment, description thereof is omitted. 7 and 8 are diagrams for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 7 is a plan view showing a back surface portion of the appearance of the power semiconductor device. FIG. It is sectional drawing which shows the cut surface in the VIII-VIII line in FIG.
図において、本実施の形態3にかかる電力用半導体装置3001では、電力回路CPの裏面RS側にも、ヒートシンク22が装着されている。ヒートシンク22についても、放熱性に優れた絶縁膜23を介してパワーリード5の裏面に接着され、長手方向の両端あるいはその近傍に取り付け穴15を設けている。これにより電力回路CPに搭載されたダイオード2やトランジスタ3といったワイドバンドギャップ半導体材料からなるパワーチップもIC4とは別系統で同時に冷却することができ、IC4のみならずパワーチップも安定動作させることができる。また、取り付け穴15も取り付け穴14と同様にヒートシンク22の長手方向の両端あるいはその近傍に設けているため、外部の放熱フィンに対してそれぞれ確実に密着固定させることで、確実に冷却できる。
In the figure, in the
実施の形態4.
本実施の形態4にかかる電力用半導体装置においては、上記実施の形態2にかかる電力用半導体装置における溝と実施の形態3にかかる電力用半導体装置における電力回路のヒートシンクの両方を取り入れたものである。その他の構成については、上記各実施の形態にかかる電力用半導体装置と同様であるので、説明を省略する。図9と10は、本実施の形態4にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図9は電力用半導体装置の外観のうち裏面部分を示す平面図、図10は、図9におけるX−X線における切断面を示す断面図である。
Embodiment 4 FIG.
The power semiconductor device according to the fourth embodiment incorporates both the groove in the power semiconductor device according to the second embodiment and the heat sink of the power circuit in the power semiconductor device according to the third embodiment. is there. Other configurations are the same as those of the power semiconductor device according to each of the above embodiments, and thus the description thereof is omitted. FIGS. 9 and 10 are for explaining the configuration of the power semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 9 is a plan view showing the back surface portion of the appearance of the power semiconductor device. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cut surface taken along line XX in FIG.
図において、本実施の形態4にかかる電力用半導体装置4001では、電力回路CPの裏面RS側にも、ヒートシンク22が装着され、さらに、電力用半導体装置4001の裏面RS側に溝4040が形成されている。溝4040は、裏面RSからパワーリード5と制御リード6の隙間G56あたりまで掘り下げたもので、裏面RS側における長手方向の一端Eeから他端Edにかけて形成され、電力回路CP領域のリードフレーム5から裏面RSにかけての部分と制御回路CC領域のリードフレーム6から裏面RSにかけての部分とを空間により隔てている。
In the figure, in the
このように、溝4040により、電力回路CPの裏面RS側部分と、制御回路CCの裏面RS側部分とが熱的に絶縁され、さらに、電力回路CPと制御回路CCを異なる放熱系統で冷却するようにしたので、IC4、パワーチップそれぞれを最適な温度域で動作させることができ、性能が高く信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
As described above, the
なお、ヒートシンク21をヒートシンク22部分まで拡張し、一体化したヒートシンクで電力回路を冷却することも考えられるが、その場合、電力回路が高温になった時に、その熱がヒートシンクを介して制御回路に伝導し、IC4の温度が上昇してしまう可能性があるので、好ましくない。
It is possible to extend the
なお、上記各実施の形態においては、整流素子(ダイオード)やスイッチング素子(トランジスタ)として機能する半導体素子2、3には、炭化ケイ素によって形成されたいわゆるワイドバンドギャップ半導体素子の例を示したが、これに限られることはなく、制御回路のIC4よりも動作温度域が高い半導体材料であれば、ケイ素(Si)で形成されたものであってもよい。しかし、ケイ素よりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、制御回路に用いられる温度域よりも圧倒的に動作温度域が高いので、本発明による効果をより一層発揮することができる。
In each of the above embodiments, examples of so-called wide band gap semiconductor elements formed of silicon carbide have been shown for the
また、上記各実施の形態においては、樹脂封止体13で封止されたパッケージタイプの電力用半導体装置について説明したが、パッケージタイプに限ることはなく、露出したタイプ(開放タイプ)に適用しても本発明による効果を発揮することができる。
In each of the above embodiments, the package type power semiconductor device sealed with the
1 電力用半導体装置、 2 ダイオード(電力用半導体素子)、 3 トランジスタ(電力用半導体素子)、 4 IC(制御用半導体素子(の集積回路))、 5 パワーリード、 6 制御リード、 7 リードフレーム、 9,10 配線部材(第1の配線部材)、 11 金属細線(第2の配線部材)、 12 金属細線(第3の配線部材)、
13樹脂封止体、 21、22 ヒートシンク、 30,30V 中継リード端子 、31 貫通孔、 40 溝、 100 ダイパッド、 101 電力用リード端子、 200 ダイパッド、 201 制御用リード端子。
CC 制御回路、 CP 電力回路、 G56 電力回路と制御回路との離間部分、 J11 中継リード端子での金属細線11の接合部、 J12 中継リード端子での金属細線12の接合部。
千位の数字の違いは実施の形態による構成の相違を示す。
DESCRIPTION OF
13 resin sealing body, 21, 22 heat sink, 30, 30 V relay lead terminal, 31 through hole, 40 groove, 100 die pad, 101 power lead terminal, 200 die pad, 201 control lead terminal.
Junction CC control circuit, CP power circuit, G 56 spaced area between the power circuit and the control circuit, J 11
Thousands of numbers indicate a difference in configuration according to the embodiment.
Claims (8)
前記電力用半導体素子の主電流を流す電極に接合された第1の配線部材と、
前記電力用半導体素子の動作を制御するための制御用半導体素子が搭載され、前記電力回路と動作温度域が異なるとともに前記電力回路と離れて配置された制御回路と、
前記電力用半導体素子の制御用電極と前記制御回路との電気接続に、前記第1の配線部材の断面積よりも小さな断面積を有する第2の配線部材を用いたことを特徴とする電力用半導体装置。 A power circuit on which a power semiconductor element having a control electrode is mounted;
A first wiring member joined to an electrode for flowing a main current of the power semiconductor element;
A control semiconductor element for controlling the operation of the power semiconductor element is mounted, and a control circuit having an operating temperature range different from that of the power circuit and arranged away from the power circuit;
A second wiring member having a smaller cross-sectional area than that of the first wiring member is used for electrical connection between the control electrode of the power semiconductor element and the control circuit. Semiconductor device.
前記中継リード端子は、前記第2の配線部材との接合部と、前記第3の配線部材との接合部とを結ぶ直線を分断するように配置された貫通孔を迂回するように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。 One end of the second wiring member electrically connected to the control electrode is joined, and one end of a third wiring member electrically connected to the electrode of the control semiconductor element is joined. Is formed in the control circuit,
The relay lead terminal is formed so as to bypass a through hole arranged so as to divide a straight line connecting a joint portion with the second wiring member and a joint portion with the third wiring member. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the power semiconductor device is a power semiconductor device.
前記樹脂封止体には、前記第2の配線部材が接合された面の反対側の面から前記制御回路と前記電力回路との離間部分にむけて掘り下げられた溝が形成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The control circuit and the power circuit are arranged such that their circuit forming surfaces are separated from each other when viewed from a direction perpendicular to the circuit forming surface, and the control circuit and the power circuit are sealed together. With a stop,
The resin sealing body is provided with a groove dug down from the surface opposite to the surface to which the second wiring member is joined to the space between the control circuit and the power circuit. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the power semiconductor device is a power semiconductor device.
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