JP2012089794A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に係り、詳しくは交流モータの駆動回路、交流電源装置等に使用される3相インバータ回路を構成する6個のスイッチング素子がモジュール化された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which six switching elements constituting a three-phase inverter circuit used in an AC motor drive circuit, an AC power supply device and the like are modularized.
この種の半導体装置として、図6に示す構成のものが提案されている(特許文献1参照。)。半導体装置は、複数の第1、第2、第3リードを有する外部リードフレーム50a,50b,50cを有し、外部リードフレーム50a上にパワー半導体素子52、制御半導体素子53及びダイオード54の一方の面の電極が半田で接続されている。パワー半導体素子52及びダイオード54の他方の面に形成された電極と、複数の第3リードの内の1つのリードとは第1の内部リードフレーム51aで接続され、制御半導体素子53の他方の面に形成された電極と、複数の第3リードの内の他の1つのリードとは第2の内部リードフレーム51bで接続されている。そして、パワー半導体素子52、制御半導体素子53、ダイオード54、内部リードフレーム51a,51b及び外部リードフレーム50a,50b,50cのリードは封止樹脂55でモールドされている。
As this type of semiconductor device, a semiconductor device having the structure shown in FIG. 6 has been proposed (see Patent Document 1). The semiconductor device has
ところが、特許文献1に記載の半導体装置では、素子間の配線接続を複数の内部リードフレームで行う構成のため、部品点数が多くなる。また、素子の他の面の放熱は、内部リードフレームが外部リードフレームに電気的に接続されている部分を介して行われる構成のため、放熱効果が低く、例えば、電気自動車の走行モータ駆動用のインバータのように高出力のパワー半導体素子を用いる半導体装置の場合、放熱が不十分になる。 However, in the semiconductor device described in Patent Document 1, the number of parts is increased because the wiring connection between elements is performed by a plurality of internal lead frames. In addition, heat dissipation on the other surface of the element is performed through a portion in which the internal lead frame is electrically connected to the external lead frame, so that the heat dissipation effect is low, for example, for driving a traveling motor of an electric vehicle. In the case of a semiconductor device using a high-power power semiconductor element such as an inverter, heat dissipation is insufficient.
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、部品点数を少なくでき、実装工程を簡単にできるとともに、より高出力を図ることが可能になる半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a semiconductor device that can reduce the number of components, simplify the mounting process, and achieve higher output. There is.
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、3相インバータ回路を構成する6個のスイッチング素子としてのパワー半導体素子がモジュール化された半導体装置であって、前記各パワー半導体素子間の配線接続を1枚のリードフレームで行うことにより形成され、前記各パワー半導体素子は前記リードフレームに接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダに接続されている。ここで、「1枚のリードフレームで行うことにより形成され」とは、製造工程においてパワー半導体素子が樹脂モールドされるまではリードフレームが1枚の状態にあり、樹脂モールドされた後、各リード端子に切断されることを意味する。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is a semiconductor device in which power semiconductor elements as six switching elements constituting a three-phase inverter circuit are modularized, and each of the power semiconductor elements The power semiconductor elements are formed by performing a wiring connection between them, and each power semiconductor element has a surface opposite to a surface connected to the lead frame connected to a heat spreader made of a conductive material. Here, “formed by performing with one lead frame” means that the lead frame is in a single state until the power semiconductor element is resin-molded in the manufacturing process. It means that the terminal is disconnected.
この発明では、6個のパワー半導体素子間の配線接続が1枚のリードフレームで行うことにより形成されるため、パワー半導体素子間の配線接続に必要な部品点数が少なくなり、実装工程が簡単になる。また、各パワー半導体素子は前記リードフレームに接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダに接続されているため、半導体装置の放熱性能が高くなり、より高出力を図ることが可能になる。 In the present invention, since the wiring connection between the six power semiconductor elements is formed by one lead frame, the number of parts required for the wiring connection between the power semiconductor elements is reduced, and the mounting process is simplified. Become. In addition, since each power semiconductor element has a surface opposite to the surface connected to the lead frame connected to a heat spreader made of a conductive material, the heat dissipation performance of the semiconductor device is improved, and higher output is achieved. Is possible.
本発明によれば、部品点数を少なくでき、実装工程を簡単にできるとともに、より高出力を図ることが可能になる半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which the number of components can be reduced, the mounting process can be simplified, and higher output can be achieved.
以下、本発明を具体化した半導体装置(パワー半導体モジュール)の一実施形態を図1〜図4にしたがって説明する。
先ずインバータ回路の構成を説明する。図2に示すように、インバータ回路11は、6個のスイッチング素子Q1〜Q6を有し、各スイッチング素子Q1〜Q6には、パワー半導体素子が使用される。この実施形態では各スイッチング素子Q1〜Q6としてIGBT(絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)が使用されている。インバータ回路11は、第1及び第2のスイッチング素子Q1,Q2、第3及び第4のスイッチング素子Q3,Q4、第5及び第6のスイッチング素子Q5,Q6がそれぞれ直列に接続されている。各スイッチング素子Q1〜Q6のコレクタとエミッタ間には、ダイオードDが、逆並列に、即ちカソードがコレクタにアノードがエミッタに対応する状態に接続されている。第1、第3及び第5のスイッチング素子Q1,Q3,Q5とダイオードDの組はそれぞれ上アームと呼ばれ、第2、第4及び第6のスイッチング素子Q2,Q4,Q6とダイオードDの組はそれぞれ下アームと呼ばれる。
Hereinafter, an embodiment of a semiconductor device (power semiconductor module) embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the configuration of the inverter circuit will be described. As shown in FIG. 2, the
スイッチング素子Q1,Q3,Q5のコレクタがそれぞれ配線12を介して直流電源13のプラス端子に接続され、スイッチング素子Q2,Q4,Q6のエミッタがそれぞれ配線14を介して直流電源13のマイナス端子に接続される。スイッチング素子Q1,Q2の間の接合点は3相モータ15のU相端子Uに、スイッチング素子Q3,Q4の間の接合点は3相モータ15のV相端子Vに、スイッチング素子Q5,Q6の間の接合点は3相モータ15のW相端子Wに、それぞれ接続される。
The collectors of switching elements Q1, Q3, and Q5 are connected to the positive terminal of
次にパワー半導体モジュールとしてのインバータ装置20の構造を説明する。図1(a)に示すように、インバータ装置20は、6個のパワー半導体素子21a,21b,21c,22a,22b,22cを有し、図1(a)において下側の3個のパワー半導体素子21a,21b,21cが図2のインバータ回路11の上アームを構成し、上側の3個のパワー半導体素子22a,22b,22cが下アームを構成する。このパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cは、それぞれ1個のスイッチング素子(IGBT)及び1個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれており、素子の一方の面にはゲート電極およびエミッタ電極が設けられ、他方の面にはコレクタ電極が設けられている。
Next, the structure of the
図1(a),(b),(c)に示すように、上アームを構成する各パワー半導体素子21a〜21cは、1個のヒートスプレッダ23a上に他方の面(コレクタ電極側)が半田24を介して電気的に接続されている。また、下アームを構成する各パワー半導体素子22a〜22cは、それぞれ独立したヒートスプレッダ23b上に他方の面(コレクタ電極側)が半田24を介して電気的に接続されている。ヒートスプレッダ23a,23bは、導電材製(例えば、銅製)で、後記するリードフレームより厚く形成されている。
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C, each of the
図1(c)に示すように、上アーム用のヒートスプレッダ23aのパワー半導体素子21a〜21cが接続された面上には、正極用配線部25の先端が半田24を介して電気的に接続されている。正極用配線部25は、ヒートスプレッダ23aの長手方向(パワー半導体素子21a〜21cの配列方向)と直交する方向に延び、かつその先端側にヒートスプレッダ23aに近づくように屈曲形成された屈曲部25aを有し、屈曲部25aにおいてヒートスプレッダ23aに接続されている。
As shown in FIG. 1C, the tip of the positive
下アーム用のパワー半導体素子22a〜22cの一方の面(エミッタ電極側)は、それぞれ負極用配線部26に半田24を介して電気的に接続されている。負極用配線部26は、3個のパワー半導体素子22a〜22cの配列方向に対して平行に延びる部分と、直交する方向に延びる部分とを有し、直交する方向に延びる部分の一端側が端子部26bとなるように形成されている。
One surface (emitter electrode side) of the
上アームを構成するパワー半導体素子21aの一方の面は、U相用電極部27Uの中間部に半田24を介して電気的に接続されている。パワー半導体素子21bの一方の面は、V相用電極部27Vの中間部に、パワー半導体素子21cの一方の面は、W相用電極部27Wの中間部に、それぞれ半田24を介して電気的に接続されている。U相用電極部27U、V相用電極部27V、W相用電極部27Wは、それぞれ先端側がヒートスプレッダ23bに近づくように屈曲形成された屈曲部27aを有し、屈曲部27aがヒートスプレッダ23bにそれぞれ半田24を介して電気的に接続されている。
One surface of the
図1(a)及び図3に示すように、正極用配線部25、負極用配線部26、U相用電極部27U、V相用電極部27V及びW相用電極部27Wは、1枚のリードフレーム28で形成されている。リードフレーム28には信号端子29が各パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cと対応する箇所にそれぞれ3個ずつ形成されており、図1(a)に示すように、各パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cと信号端子29とは信号配線30で電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1A and FIG. 3, the positive
パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c、ヒートスプレッダ23a,23b、正極用配線部25、負極用配線部26、U相用電極部27U、V相用電極部27V及びW相用電極部27W及び信号配線30は、封止樹脂31でモールドされている。図4に示すように、封止樹脂31からは正極用配線部25及び負極用配線部26の端子部25b,26bと、U相用電極部27U、V相用電極部27V、W相用電極部27W及び信号端子29の一部とが突出している。また、図1(b),(c)に示すように、ヒートスプレッダ23a,23bのパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cが接続された面と反対側の面は封止樹脂31から露出している。
前記のように構成されたインバータ装置20の製造方法の一例を挙げると、先ず、位置決め治具を用いて位置決めしたヒートスプレッダ23a,23b上に、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cをシート半田が介在する状態で配置し、その上にシート半田が介在する状態でリードフレーム28を載置する。そして、加熱炉内でシート半田を溶融させて、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c、ヒートスプレッダ23a,23b及びリードフレーム28を位置決めされた所定の位置関係で半田24により電気的に接続する。
An example of a method of manufacturing the
次にパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cと信号端子29とを信号配線30で接続する。この作業は、例えばワイヤボンディングで行われる。半田付けが完了した状態では、図1(a)に示すように、ヒートスプレッダ23a,23bの上にパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cが位置し、リードフレームが一番上に位置する状態にある。即ち、リードフレーム28上にパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c及びヒートスプレッダ23a,23bの順に載置した状態で半田付けを行う場合と異なり、半田付け後にヒートスプレッダ23a,23bが下側に位置するように裏返す作業を行わずに、各パワー半導体素子21a等と信号端子29とを信号配線30で接続することができる。
Next, the
次にパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c及びヒートスプレッダ23a,23bが半田付けされたリードフレーム28を樹脂モールド金型にセットして、樹脂モールドを行った後、リードフレーム28のタイバーをカットするとインバータ装置20が完成する。即ち、インバータ装置20は、各パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c間の配線接続を1枚のリードフレーム28で行うことにより形成され、各パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cは、リードフレーム28に接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダ23a,23bに接続されている。
Next, the
次に前記のように構成されたインバータ装置20の作用を説明する。
インバータ装置20は、例えば、3相モータ駆動用電源装置の一部を構成するものとして使用される。インバータ装置20は、正極用配線部25の端子部25bが直流電源のプラス端子に、負極用配線部26の端子部26bが直流電源のマイナス端子にそれぞれ接続され、U相用電極部27U、V相用電極部27V及びW相用電極部27Wがモータに接続され、信号端子29が制御装置(図示せず)に接続された状態で使用される。
Next, the operation of the
The
上アームのスイッチング素子Q1,Q3,Q5及び下アームのスイッチング素子Q2,Q4,Q6がそれぞれ所定周期でオン、オフ制御されることによりモータに交流が供給されてモータが駆動される。制御装置は負荷の要求に応じて電力を供給するように各スイッチング素子Q1〜Q6、即ちパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cを制御する。パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cがスイッチング駆動されると、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cから熱が発生する。発生した熱は、主にヒートスプレッダ23a,23bを介して放熱される。
The upper arm switching elements Q1, Q3, and Q5 and the lower arm switching elements Q2, Q4, and Q6 are turned on and off at predetermined intervals, respectively, so that alternating current is supplied to the motor to drive the motor. The control device controls each of the switching elements Q1 to Q6, that is, the
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)半導体装置としてのインバータ装置20は、3相インバータ回路を構成する6個のスイッチング素子としてのパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cがモジュール化されている。そして、各パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c間の配線接続は、1枚のリードフレーム28で行うことにより形成されている。したがって、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c間の配線接続に必要な部品点数が少なくなり、実装工程が簡単になる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the
(2)各パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cはリードフレーム28に接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダ23a,23bに接続されている。したがって、インバータ装置20(半導体装置)の放熱性能が高くなり、より高出力を図ることが可能になる。
(2) The
(3)リードフレーム28は、一部がパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cに接続され、一部がヒートスプレッダ23a,23bに接続され、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cに対する接続部と、ヒートスプレッダ23a,23bに対する接続部とは同一平面上にない。しかし、リードフレーム28は、ヒートスプレッダ23a,23bに対する接続部となる正極用配線部25、U相用電極部27U、V相用電極部27V及びW相用電極部27Wの先端側にヒートスプレッダ23a,23bに近づくように屈曲形成された屈曲部25a,27aを有する。したがって、同一平面上にないパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c及びヒートスプレッダ23a,23bに対する半田付けを1回で容易に行うことができる。
(3) The
(4)パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cは、それぞれ1個のスイッチング素子及び1個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれている。したがって、それぞれ独立した電子部品のスイッチング素子及びダイオードを使用する構成に比べて、半田付けの工数が少なくなり、インバータ装置20の小型化も可能となる。
(4) Each of the
(5)半導体装置(インバータ装置20)を製造する際、ヒートスプレッダ23a,23bの上にパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c及びリードフレーム28の順に載置した状態で、半田24を介してヒートスプレッダ23a,23b、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c及びリードフレーム28を接続する。したがって、半田付け後に、その状態のまま、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cと信号端子29とを信号配線30で接続することができ、リードフレーム28上にパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c及びヒートスプレッダ23a,23bの順に載置する場合に比べて工数が低減する。
(5) When manufacturing the semiconductor device (inverter device 20), the
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 同一平面上にないパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cに対する接続部と、ヒートスプレッダ23a,23bに対する接続部とに対する半田付けを1回で行う構成は、正極用配線部25、U相用電極部27U、V相用電極部27V及びW相用電極部27Wの先端側に屈曲部25a,27aを形成するものに限らない。例えば、図5(a),(b)に示すように、正極用配線部25、U相用電極部27U、V相用電極部27V及びW相用電極部27Wの先端側に屈曲部を形成せずに、先端側とヒートスプレッダ23a,23bとの間に、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cと同じ厚さの導電部材32を介在させて半田付けを行うようにしてもよい。この場合、リードフレーム28に屈曲加工を行う必要がなく、リードフレーム28の製造が簡単になる。
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
The configuration in which soldering is performed once for the connecting portions to the
○ パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cと、ヒートスプレッダ23a,23bと、リードフレーム28とを半田付けする工程で、リードフレーム28の上にシート半田、パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22c、シート半田、ヒートスプレッダ23a,23bの順に配置した状態で、半田を溶融させてもよい。
In the process of soldering the
○ 半田付けは、シート半田を用いる方法に限らず、例えば、半田ペーストをヒートスプレッダ23a,23b及びリードフレーム28の半田付けを行う所定の位置に印刷したり、半田ペーストをパワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cの所定位置に印刷したりしてもよい。
○ Soldering is not limited to a method using sheet solder. For example, solder paste is printed at a predetermined position where the
○ パワー半導体素子21a〜21c,22a〜22cとして、それぞれ1個のスイッチング素子及び1個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれているものに代えて、スイッチング素子及びダイオードが別体に形成されてそれぞれヒートスプレッダ23a,23b上に半田付けされた構成としてもよい。
○ As the
○ スイッチング素子はIGBTに限らず、他のパワートランジスタ、例えば、MOSFETを使用してもよい。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
The switching element is not limited to the IGBT, and another power transistor, for example, a MOSFET may be used.
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1)請求項1に記載の発明において、前記リードフレームは、前記ヒートスプレッダに対する接続部となる正極用配線部及び負極用配線部と、U相用電極部、V相用電極部及びW相用電極部とを有し、前記正極用配線部、U相用電極部、V相用電極部及びW相用電極部の先端側にヒートスプレッダに近づくように屈曲形成された屈曲部を有する。 (1) In the invention according to claim 1, the lead frame includes a positive electrode wiring portion and a negative electrode wiring portion, which are connection portions to the heat spreader, a U-phase electrode portion, a V-phase electrode portion, and a W-phase electrode. And a bent portion that is bent so as to approach the heat spreader at the tip side of the positive electrode wiring portion, the U-phase electrode portion, the V-phase electrode portion, and the W-phase electrode portion.
(2)請求項1又は前記技術的思想(1)に記載の発明において、前記パワー半導体素子は、それぞれ1個のスイッチング素子及び1個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれている。 (2) In the invention described in claim 1 or the technical idea (1), each of the power semiconductor elements includes one switching element and one diode as one device.
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6…スイッチング素子、20…半導体装置としてのインバータ装置、21a,21b,21c,22a,22b,22c…パワー半導体素子、23a,23b…ヒートスプレッダ、28…リードフレーム。 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 ... switching elements, 20 ... inverter devices as semiconductor devices, 21a, 21b, 21c, 22a, 22b, 22c ... power semiconductor elements, 23a, 23b ... heat spreaders, 28 ... lead frames .
Claims (1)
前記各パワー半導体素子間の配線接続を1枚のリードフレームで行うことにより形成され、前記各パワー半導体素子は前記リードフレームに接続される側の面と反対側の面が導電材製のヒートスプレッダに接続されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which power semiconductor elements as six switching elements constituting a three-phase inverter circuit are modularized,
Each power semiconductor element is formed by performing wiring connection between the power semiconductor elements with a single lead frame, and the power semiconductor element has a surface opposite to the side connected to the lead frame on a heat spreader made of a conductive material. A semiconductor device which is connected.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2014030458A1 (en) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Power semiconductor module |
JP2014175652A (en) * | 2013-03-07 | 2014-09-22 | Internatl Rectifier Corp | Open source power quad flat no-lead (pqfn) leadframe |
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