JP2014041852A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの損失分担を調整しコストパフォーマンスを高めることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】パワーモジュール１は、ＩＧＢＴ２と、ＩＧＢＴ２と並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ３と、ＩＧＢＴ２が搭載された第１フレーム部１１と、ＭＯＳＦＥＴ３が搭載された第２フレーム部１２とを有し、かつ、第１フレーム部１１が第１高さに位置し第２フレーム部１２が第１高さよりも高い第２高さに位置する段差１３が形成されたリードフレーム１０と、リードフレーム１０において第１フレーム部１１の裏面のみに配置された放熱体の絶縁シート３０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスファーモールドタイプのＩＰＭ（Intelligent Power Module）などのパワーモジュールに関するものである。
インバータ用途のパワーモジュールにおいて、従来のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）とを並列接続した構成ではＩＧＢＴの特性上低電流域の損失を低減することが困難である。
低電流域の損失を改善するためにＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用することが考えられるが、ＭＯＳＦＥＴでは高温・高電流域のオン電圧が高くなるため許容電流が低くなるという問題があった。
このような問題を解決するために、大電流領域における飽和電圧が低いＩＧＢＴと小電流領域における飽和電圧が低いＭＯＳＦＥＴとを並列接続した構成が検討されている（例えば特許文献１参照）。
特開平４−３５４１５６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの損失分担を調整するという観点が欠けている。このため、前記調整によりパワーモジュールのコストパフォーマンスを最適化することができないという問題があった。
そこで、本発明は、ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの損失分担を調整しコストパフォーマンスを高めることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明に係るパワーモジュールは、ＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴと並列に接続されたＭＯＳＦＥＴと、前記ＩＧＢＴが搭載された第１フレーム部と、前記ＭＯＳＦＥＴが搭載された第２フレーム部とを有し、かつ、前記第１フレーム部が第１高さに位置し前記第２フレーム部が前記第１高さよりも高い第２高さに位置する段差が形成されたリードフレームと、前記リードフレームにおいて前記第１フレーム部裏面のみに配置された放熱体の絶縁シートとを備えたものである。
本発明によれば、高電流通電時においてＭＯＳＦＥＴの通電能力はＩＧＢＴの通電能力よりも小さいため、ＩＧＢＴ側の損失負担を大きくし、ＭＯＳＦＥＴ側の損失分担を小さくすることによりＭＯＳＦＥＴには高い放熱性が不要となる。したがって高い放熱性を必要とするＩＧＢＴの搭載箇所である第１フレーム部裏面のみに絶縁シートが配置され、リードフレームにおけるＭＯＳＦＥＴの搭載箇所には絶縁シートが配置不要となり絶縁シートのシートサイズを小さくすることができる。以上よりパワーモジュールの製造コストの低減が可能となる。
リードフレームにおいて、第１フレーム部が第１高さに位置し第２フレーム部が第１高さよりも高い第２高さに位置する段差が形成されたため、ＩＧＢＴが載置される側である放熱面からＭＯＳＦＥＴまでの距離を長くすることができ、ＭＯＳＦＥＴにおける所定の絶縁性能を確保できる。また、高電流通電時においてＭＯＳＦＥＴの通電能力はＩＧＢＴの通電能力よりも小さいため、ＭＯＳＦＥＴのチップサイズを縮小することができる。これにより、パワーモジュールの製造コストのさらなる低減が可能となる。
実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。 パワーモジュールの回路図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの断面図である。 実施の形態３に係るパワーモジュールの断面図である。 比較例に係るパワーモジュールの断面図である。
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール１の断面図であり、図２は、パワーモジュール１の回路図である。図１に示すように、パワーモジュール１は、ＩＧＢＴ２と、ＭＯＳＦＥＴ３と、駆動回路５と、リードフレーム１０，２０と、放熱体に対する絶縁シート３０と、モールド樹脂６とを備えている。
リードフレーム１０は、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３と電気的に接続されるインナーリード１５と、インナーリード１５と繋がるアウターリード１６とを有する。インナーリード１５は、所定の高さ位置（第１高さ）に位置する第１フレーム部１１と、第１フレーム部１１の高さ位置よりも高い高さ位置（第２高さ）に位置する第２フレーム部１２とを有し、アウターリード１６側から第２フレーム部１２、第１フレーム部１１の順に形成されている。第１フレーム部１１と第２フレーム部１２との間には段差１３が形成されている。ＩＧＢＴ２は第１フレーム部１１に搭載され、ＭＯＳＦＥＴ３は第２フレーム部１２に搭載されている。
また、絶縁シート３０は第１フレーム部１１の裏面のみに配置されている。ここで、パワーモジュール１は、導電性のヒートシンク（図示省略）の上に設置された状態で使用されるため、リードフレーム１０とヒートシンクとを絶縁する目的で絶縁シート３０が配置される。
パワーモジュール１の放熱面、すなわち前記ヒートシンクに接触して載置される面からＭＯＳＦＥＴ３までの距離を長くすることで、ＭＯＳＦＥＴ３では、放熱面に対する所定の絶縁性能を確保することが可能となっている。このため、第２フレーム部１２の裏面に対する絶縁シート３０の配置を省略することができる。
駆動回路５は、ＩＧＢＴ２とＭＯＳＦＥＴ３を駆動するための回路であり、駆動回路５は、リードフレーム２０の第３フレーム部２１に搭載されている。リードフレーム２０は、駆動回路５と電気的に接続されるインナーリード２５と、インナーリード２５と繋がるアウターリード２６とを有する。第３フレーム部２１はインナーリード２５に形成され、第３フレーム部２１は、第１フレーム部１１の高さ位置よりも高い高さ位置に形成されている。ＩＧＢＴ２と、ＭＯＳＦＥＴ３と、駆動回路５と、絶縁シート３０と、リードフレーム１０，２０のインナーリード１５，２５はモールド樹脂６により封止されている。
図２に示すように、ＩＧＢＴ２とＭＯＳＦＥＴ３は並列に接続されている。より具体的には、ＩＧＢＴ２のコレクタとＭＯＳＦＥＴ３のドレインが接続され、ＩＧＢＴ２のエミッタとＭＯＳＦＥＴ３のソースが接続されている。ＩＧＢＴ２のゲートとＭＯＳＦＥＴ３のゲートは駆動回路５の出力端子に接続されている。なお、ＭＯＳＦＥＴ３には逆並列にダイオード４が接続されているが、これは内部寄生ダイオード４である。
ここで、ＭＯＳＦＥＴ３の通電能力は、例えば重負荷駆動時等、モジュールにおける最大定格電流が流れる場合といった高電流通電時においてＩＧＢＴ２の通電能力よりも小さいため、ＭＯＳＦＥＴ３側では高電流通電時に流れる電流が抑制され過渡的な損失が小さくなる。
また、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧はＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定され、スイッチング時の過渡状態においてはＩＧＢＴ２側に全電流が流れる構成としている。
スイッチングデバイスとしてＩＧＢＴ２とＭＯＳＦＥＴ３とを並列して用いる構成においては、一般的にＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧の方を低く設定し、常にＩＧＢＴ２を先にターンオフさせ、その後にＭＯＳＦＥＴ３がターンオフするシーケンスを採用している。
この場合の効果としてテール電流を抑制してターンオフ損失を低減することができるが、過渡状態において全電流（ＩＧＢＴ電流＋ＭＯＳＦＥＴ電流）が必ずＭＯＳＦＥＴ３に流れるため、ＭＯＳＦＥＴ３が温度上昇することとなる。
これに対して本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧をＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定することで、スイッチング時にＭＯＳＦＥＴ３に流れる電流を抑制し、ＭＯＳＦＥＴ３の温度上昇を抑制している。ここで、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧は製造時のチャネル注入の不純物量により設定される。
次に、パワーモジュール１の回路動作について説明する。駆動回路５の出力端子から出力される制御信号が低電位（「Ｌ」）から高電位（「Ｈ」）となってターンオンする場合、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３にゲート電圧が与えられると、ＩＧＢＴ２の閾値電圧の方が低いので、ＩＧＢＴ２の方が先にターンオンし、ＩＧＢＴ電流が流れ始める。
やがて、ゲート電圧がＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧に達すると、ＭＯＳＦＥＴ３がターンオンし、ＭＯＳＦＥＴ電流が流れ始める。ＭＯＳＦＥＴ３がターンオンした時点では、ＩＧＢＴ２がターンオンして所定時間が経過しており、ＩＧＢＴ２が定常状態となっているので電流は殆どＩＧＢＴ２に流れており、ＭＯＳＦＥＴ３には殆ど流れない。
このように、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧をＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定することで、ターンオン時にＭＯＳＦＥＴ３に流れる電流を抑制することができる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３の温度上昇を抑制できる。
また、制御信号が「Ｈ」から「Ｌ」となってターンオフする場合、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３に与えられていたゲート電圧が下がり始めると、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧の方が高いので、ＭＯＳＦＥＴ３の方が先にターンオフし、ＭＯＳＦＥＴ電流が下がり始める。その後、ゲート電圧が低下することでＩＧＢＴ電流が下がり始め、ＩＧＢＴ２の閾値電圧より低くなることでＩＧＢＴ２がターンオフして、ＩＧＢＴ電流が流れなくなる。
このように、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧をＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定することで、ターンオフ時にはＭＯＳＦＥＴ３が先にターンオフするので、その時点でオン状態にあるＩＧＢＴ２に全電流が流れ、ＭＯＳＦＥＴ３には電流は流れない。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３の温度上昇を抑制できる。
次に、実施の形態１に係るパワーモジュール１の効果について、比較例に係るパワーモジュール１００と対比しながら説明する。図５は、比較例に係るパワーモジュール１００の断面図である。なお、比較例において、パワーモジュール１と同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
比較例に係るパワーモジュール１００においてリードフレーム１０は、第１フレーム部１１と第２フレーム部１２とを有し、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３は第１フレーム部１１に搭載されている。そして、ＩＧＢＴ２とＭＯＳＦＥＴ３とを第１フレーム部１１に搭載しているため、放熱面からＩＧＢＴ２及びＭＯＳＦＥＴ３までの距離が短くなる。このため、ＭＯＳＦＥＴ３において放熱面に対する所定の絶縁性能を確保するために、ＩＧＢＴ２だけでなくＭＯＳＦＥＴ３の下側にも絶縁シート３０を配置する必要がある。
これに対して、実施の形態１に係るパワーモジュール１では、第２フレーム部１２が第１フレーム部１１よりも高い高さ位置に形成され、第１フレーム部１１にＩＧＢＴ２が搭載され、第２フレーム部１２にＭＯＳＦＥＴ３が搭載されている。このため、放熱面からＭＯＳＦＥＴ３までの距離が長くなることで、ＭＯＳＦＥＴ３において放熱面に対する所定の絶縁性能を確保することができる。したがって、絶縁シート３０は第１フレーム部１１の裏面のみに配置されればよく、第２フレーム部１２の裏面に配置される必要がない。
以上のように、実施の形態１に係るパワーモジュール１では、高電流通電時におけるＭＯＳＦＥＴ３の通電能力はＩＧＢＴ２の通電能力よりも小さいため、ＩＧＢＴ２側の損失負担を大きくし、ＭＯＳＦＥＴ３側の損失分担を小さくすることができ、ＭＯＳＦＥＴ３には高い放熱性が不要となる。したがって、リードフレーム１０におけるＭＯＳＦＥＴ３の搭載箇所には絶縁シート３０が配置されず、高放熱を必要とするＩＧＢＴ２の搭載箇所である第１フレーム部１１の裏面のみに絶縁シート３０が配置されるため、ＭＯＳＦＥＴ３のチップサイズを縮小することができる。これに加えて、絶縁シート３０のシートサイズも小さくすることができるため、パワーモジュール１の製造コストの低減が可能となる。
また、リードフレーム１０において、第１フレーム部１１が第１高さに位置し第２フレーム部１２が第１高さよりも高い第２高さに位置する段差１３が形成されたため、放熱面からＭＯＳＦＥＴ３までの距離を長くすることができ、ＭＯＳＦＥＴ３における所定の絶縁性能を確保できる。
また、高電流通電時におけるＭＯＳＦＥＴ３の通電能力はＩＧＢＴ２の通電能力よりも小さいため、ＭＯＳＦＥＴ３のチップサイズをさらに縮小することができる。これにより、パワーモジュール１の製造コストのさらなる低減が可能となる。
また、ＭＯＳＦＥＴ３のオン閾値電圧は、ＩＧＢＴ２のオン閾値電圧よりも高いため、過負荷時の過渡状態においてもＭＯＳＦＥＴ３に大電流が流れることを防止できる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３におけるスイッチングの過渡損失を低減し、かつ、ＭＯＳＦＥＴ３の温度上昇を抑制するため、パワーモジュール１の長期信頼性を高めることができる。パワーモジュール１の長期信頼性を高めることで長期使用が可能となりエネルギー消費量の削減にもつながる。
なお、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧をＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定する代わりに、駆動回路５は、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３に対して個別に制御信号を出力し、ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３を個別に駆動してもよい。この場合、駆動回路５が、ＩＧＢＴ２、ＭＯＳＦＥＴ３の順でターンオンさせるとともに、ＭＯＳＦＥＴ３、ＩＧＢＴ２の順でターンオフさせるようにＩＧＢＴ２とＭＯＳＦＥＴ３を駆動することにより、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧をＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定する場合と同様の効果が得られる。ここで、ＭＯＳＦＥＴ３の閾値電圧をＩＧＢＴ２の閾値電圧よりも高く設定する構成と、駆動回路５がＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３を個別に駆動する構成は、必須ではなく省略することも可能である。
また、ＭＯＳＦＥＴとして、炭化シリコン(ＳｉＣ）基板上に形成されるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを採用してもよい。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴは、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴと比較してオン閾値電圧が低いため、特にターンオフする場合にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを採用した場合よりも低い温度でターンオフすることで低損失となり、ＭＯＳＦＥＴの温度上昇をより抑えることができ、パワーモジュール１の長期信頼性を一層高めることができる。
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係るパワーモジュール１Ａについて説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係るパワーモジュール１Ａの断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
リードフレーム１０においてアウターリード１６側から第１フレーム部１１、第２フレーム部１２の順に形成され、駆動回路５が搭載された第３フレーム部２１は第２フレーム部１２に隣接する位置に位置している。また、第３フレーム部２１は第１フレーム部１１の高さ位置よりも高い高さ位置（第３高さ）に形成されており、例えば、第３フレーム部２１の高さ位置は第２フレーム部１２の高さ位置と同じ高さである。このため、図１に示す実施の形態１における駆動回路５とパワーチップ（ＩＧＢＴ２およびＭＯＳＦＥＴ３）間のワイヤ３１の配線長よりも、実施の形態２における駆動回路５とパワーチップ間のワイヤ３１の配線長の方が短くなる。
以上のように、実施の形態２に係るパワーモジュール１Ａでは、駆動回路５が搭載された第３フレーム部２１を有する他のリードフレーム２０をさらに備え、第３フレーム部２１は第１高さよりも高い第３高さに形成され、かつ、第３フレーム部２１は第１フレーム部１１および第２フレーム部１２のうち第２フレーム部１２に隣接するため、駆動回路５とパワーチップ間のワイヤ３１の配線長を短くすることができる。これにより、モールド樹脂６によるワイヤ流れを防ぐことができ、製品の品質向上を図ることが可能となる。このように、製品の品質向上を図ることで歩留り向上にもつながる。
＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係るパワーモジュール１Ｂについて説明する。図４は、本発明の実施の形態３に係るパワーモジュール１Ｂである。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同様構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
リードフレーム１０において第１フレーム部１１および第２フレーム部１２とアウターリード１６との間に段差１３とは別の段差１７がさらに形成されている。具体的には、第２フレーム部１２とアウターリード１６との間に段差１７が形成され、実施の形態１の場合と比較して第２フレーム部１２の高さ位置は少し低くなっている。このため、実施の形態１の場合と比較してＩＧＢＴ２からＭＯＳＦＥＴ３までの距離が少し短くなっており、実施の形態１の場合と比較して熱抵抗が低減する。
以上のように、実施の形態３に係るパワーモジュール１Ｂでは、リードフレーム１０において第１フレーム部１１および第２フレーム部１２とアウターリード１６との間に段差１３とは別の段差１７がさらに形成されたため、必要な絶縁性を確保しつつ、段差１７を設けない場合と比較してＩＧＢＴ２からＭＯＳＦＥＴ３までの距離が少し短くなることでＭＯＳＦＥＴ３の熱抵抗を低減できる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３の温度上昇を抑制することができ、ひいてはパワーモジュール１Ｂの長期信頼性を高めることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１，１Ａ，１Ｂ パワーモジュール、２ ＩＧＢＴ、３ ＭＯＳＦＥＴ、５ 駆動回路、６ モールド樹脂、１０ リードフレーム、１１ 第１フレーム部、１２ 第２フレーム部、１３ 段差、１５ インナーリード、１６ アウターリード、１７ 段差、２０ リードフレーム、２１ 第３フレーム部、３０ 絶縁シート。

Claims (6)

  1. ＩＧＢＴと、
    前記ＩＧＢＴと並列に接続されたＭＯＳＦＥＴと、
    前記ＩＧＢＴが搭載された第１フレーム部と、前記ＭＯＳＦＥＴが搭載された第２フレーム部とを有し、かつ、前記第１フレーム部が第１高さに位置し前記第２フレーム部が前記第１高さよりも高い第２高さに位置する段差が形成されたリードフレームと、
    前記リードフレームにおいて前記第１フレーム部裏面のみに配置された絶縁シートと、
    を備えた、パワーモジュール。
  2. 前記ＩＧＢＴと前記ＭＯＳＦＥＴを駆動する駆動回路をさらに備え、
    前記駆動回路は、前記ＩＧＢＴ、前記ＭＯＳＦＥＴの順でターンオンさせるとともに、前記ＭＯＳＦＥＴ、前記ＩＧＢＴの順でターンオフさせるように前記ＩＧＢＴと前記ＭＯＳＦＥＴを駆動する、請求項１記載のパワーモジュール。
  3. 前記ＭＯＳＦＥＴのオン閾値電圧は、前記ＩＧＢＴのオン閾値電圧よりも高い、請求項１記載のパワーモジュール。
  4. 前記ＭＯＳＦＥＴはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴである、請求項１〜３いずれか１つに記載のパワーモジュール。
  5. 前記駆動回路が搭載された第３フレーム部を有する他のリードフレームをさらに備え、
    前記第３フレーム部は前記第１高さよりも高い第３高さに形成され、かつ、前記第３フレーム部は前記第１，第２フレーム部のうち前記第２フレーム部に隣接する、請求項２記載のパワーモジュール。
  6. 前記ＩＧＢＴと前記ＭＯＳＦＥＴと前記リードフレームのインナーリードとを封止するモールド樹脂をさらに備え、
    前記リードフレームにおいて前記第１，第２フレーム部とアウターリードとの間に前記段差とは別の段差がさらに形成された、請求項１〜４のいずれか１つに記載のパワーモジュール。
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