JP2014183078A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、インバータの小型化が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による半導体装置は、U電極9a、N電極17、P電極8、制御端子21、および制御端子20におけるそれぞれの一端が露出するように封止する樹脂22とを備え、U電極9a,N電極17、およびP電極8における樹脂22から露出した一端は同一方向に引き出され、制御端子21および制御端子20における樹脂22から露出した一端は、U電極9a、N電極17、およびP電極8における樹脂22から露出した一端とは反対方向であって、かつ同一方向に引き出されることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、モータを制御する電力変換用半導体装置に関する。
近年、モータ制御用のインバータに用いられる半導体装置(電力用半導体装置)は、小型化が進んでいる。
従来では、スイッチング素子が2段に重ねて構成された半導体装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。なお、特許文献1では、スイッチング素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられている。
特許第4239580号公報
特許文献1では、インダクタンスの低減に主眼を置いて構成されており、半導体装置の各面から制御端子および主端子(電極端子)が混在して引き出されているため種々の問題があった。
具体的には、(1)半導体装置を制御する制御基板は高圧側の主端子を避けて配置する必要があるため設計に余裕度がない。(2)制御端子が半導体装置の対向する面からそれぞれ引き出されているため、各制御端子に接続する制御基板をそれぞれ配置する必要がある。(3)上記(1),(2)の理由から、半導体装置を実装するインバータ(あるいは、当該インバータを備えるインバータユニット)が大型化する。
このように、インバータの小型化が要求されているものの、その実現は困難であった。
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、インバータの小型化が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明による半導体装置は、第1の電極の第1の主面上に配置された第1のダイオードおよび第1の縦型トランジスタと、第1のダイオードおよび第1の縦型トランジスタを第1の電極とで挟持するように設けられた第1のヒートシンクと、第1のヒートシンクの挟持側の面上に設けられた第2の電極と、第1の電極の第1の主面とは反対側の第2の主面上であって、第1の電極を挟んで第1のダイオードに対向して配置された第2のダイオード、および第1の電極を挟んで第1の縦型トランジスタに対向して配置された第2の縦型トランジスタと、第2のダイオードおよび第2の縦型トランジスタを第1の電極とで挟持するように設けられた第2のヒートシンクと、第2のヒートシンクの挟持側の面上に設けられた第3の電極と、第1の縦型トランジスタと第1のワイヤを介して接続された第1の制御端子と、第2の縦型トランジスタと第2のワイヤを介して接続された第2の制御端子と、第1の電極、第2の電極、第3の電極、第1の制御端子、および第2の制御端子におけるそれぞれの一端が露出するように封止する封止樹脂とを備え、第1の電極、第2の電極、および第3の電極における封止樹脂から露出した一端は同一方向に引き出され、第1の制御端子および第2の制御端子における封止樹脂から露出した一端は、第1の電極、第2の電極、および第3の電極における封止樹脂から露出した一端とは反対方向であって、かつ同一方向に引き出されることを特徴とする。
本発明によると、第1の電極の第1の主面上に配置された第1のダイオードおよび第1の縦型トランジスタと、第1のダイオードおよび第1の縦型トランジスタを第1の電極とで挟持するように設けられた第1のヒートシンクと、第1のヒートシンクの挟持側の面上に設けられた第2の電極と、第1の電極の第1の主面とは反対側の第2の主面上であって、第1の電極を挟んで第1のダイオードに対向して配置された第2のダイオード、および第1の電極を挟んで第1の縦型トランジスタに対向して配置された第2の縦型トランジスタと、第2のダイオードおよび第2の縦型トランジスタを第1の電極とで挟持するように設けられた第2のヒートシンクと、第2のヒートシンクの挟持側の面上に設けられた第3の電極と、第1の縦型トランジスタと第1のワイヤを介して接続された第1の制御端子と、第2の縦型トランジスタと第2のワイヤを介して接続された第2の制御端子と、第1の電極、第2の電極、第3の電極、第1の制御端子、および第2の制御端子におけるそれぞれの一端が露出するように封止する封止樹脂とを備え、第1の電極、第2の電極、および第3の電極における封止樹脂から露出した一端は同一方向に引き出され、第1の制御端子および第2の制御端子における封止樹脂から露出した一端は、第1の電極、第2の電極、および第3の電極における封止樹脂から露出した一端とは反対方向であって、かつ同一方向に引き出されるため、インバータの小型化が可能となる。
本発明の実施の形態1による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 図1に示す半導体装置の上面図である。 図1に示す半導体装置を実装するインバータの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態2による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態3による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態4による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態5による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態6による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態6による半導体装置の構成の他の一例を示す図である。 本発明の実施の形態7による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態8による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態9による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図1に示すように、半導体装置は、U電極9a(第1の電極)上(第1の主面上)に配置されたダイオード11(第1のダイオード)およびIGBT10(第1の縦型トランジスタ)と、ダイオード11およびIGBT10をU電極9aとで挟持するように設けられたヒートシンク16(第1のヒートシンク)と、ヒートシンク16のU電極9a側(挟持側)の面上に設けられたN電極17(第2の電極)とを備えている。
また、U電極9aのヒートシンク16とは反対側の面上(第1の主面とは反対側の第2の主面上)であって、U電極9aを挟んでダイオード11に対向して配置されたダイオード2(第2のダイオード)、およびU電極9aを挟んでIGBT10に対向して配置されたIGBT1(第2の縦型トランジスタ)と、ダイオード2およびIGBT1をU電極9aとで挟持するように設けられたヒートシンク7(第2のヒートシンク)と、ヒートシンク7のU電極9a側(挟持側)の面上に設けられたP電極8(第3の電極)とを備えている。
また、IGBT10とワイヤ19(第1のワイヤ)を介して接続された制御端子21(第1の制御端子)と、IGBT1とワイヤ18(第2のワイヤ)を介して接続された制御端子20(第2の制御端子)と、U電極9a、N電極17、P電極8、制御端子20、および制御端子21におけるそれぞれの一端が露出するように封止する樹脂22(封止樹脂)とを備えている。
また、U電極9a、N電極17、およびP電極8における樹脂22から露出した一端は同一方向に引き出され、制御端子21および制御端子20における樹脂22から露出した一端は、U電極9a、N電極17、およびP電極8における樹脂22から露出した一端とは反対方向であって、かつ同一方向に引き出されている。
なお、IGBT1、ダイオード2、IGBT10、およびダイオード11と、P電極8、U電極9a、およびN電極17とを接続する材料は、はんだ3〜6,12〜15に限らず、電気伝導性あるいは熱伝導性の良い材料であればよい。
図2は、図1に示す半導体装置の上面図である。図2(a)は、図1に示す半導体装置のうちヒートシンク16およびN電極17の上面図を示している。図2(b)は、図1に示す半導体装置のうちヒートシンク16およびN電極17以外の各構成要素の上面図を示している。なお、図2において、樹脂22は図示を省略している。
図2に示すように、本実施の形態による半導体装置はインバータに用いられており、交流の出力端子としてU電極9a、V電極9b、W電極9cが備えられている。また、それぞれの電極に対して、図1に示すようなIGBT1,10およびダイオード2,11が備えられている。なお、図1ではU電極9aの断面図を示しているが、実際には図中の奥方向にV電極9bおよびW電極9cも備えられている。
なお、本実施の形態では、6in1構成の半導体装置を一例として示しているが、1in1構成あるいは2in1構成の半導体装置であってもよく、IGBTおよびダイオードの数を制限するものではない。また、図2に示すU電極9a、V電極9b、W電極9cを1構成とすれば、半導体装置全体としては2in1構成となる。
図3は、図1に示す半導体装置を実装するインバータの構成の一例を示す図である。
図3(a)は、インバータの断面図を示しており、ヒートシンク7の外側面上には絶縁膜23と冷却フィン25とが重ねて設置されている。また、ヒートシンク16の外側面上には絶縁膜24と冷却フィン26とが重ねて設置されている。なお、図3(a)では、図3(c)に示す制御基板27の図示を省略している。また、冷却フィン25,26は、水冷式(冷却フィン25,26の中を水等の冷媒が流れる方式)であるものとする。
図3(b)は、インバータの電極側から見た斜視図を示しており、U電極9a、V電極9b、W電極9c、P電極8、N電極17が、それぞれ半導体装置(樹脂22)から引き出されている。なお、図3(b)では、絶縁膜23,24の図示を省略している。
図3(c)は、インバータの制御端子側から見た斜視図を示しており、制御端子20,21に制御基板27が接続されている。なお、図3(c)では、絶縁膜23,24の図示を省略している。
図3(a)〜(c)に示すように、冷却フィン25,26を備えることによって、半導体装置にて生じた熱を効率良く放熱することができる。また、半導体装置から全ての制御端子20,21を同一方向(各電極と対向する方向)に引き出しているため、制御基板27の配置が容易となる。従って、インバータを容易に構成することができる。
なお、ヒートシンク7,16と絶縁膜23,24との間、あるいは絶縁膜23,24と冷却フィン25,26との間において、熱伝導率を上げるために、グリス等の熱伝導性の良い緩衝材を設けてもよい。
また、冷却フィン25,26は、水冷式に限らず、放熱を目的とした構成であれば他の部材等を用いてもよい。
以上のことから、本実施の形態1によれば、制御端子21および制御端子20における樹脂22から露出した一端は、U電極9a(V電極9bおよびW電極9cも含む)、N電極17、およびP電極8における樹脂22から露出した一端とは反対方向であって、かつ同一方向に引き出されているため、制御基板の配置が容易となり、インバータ(あるいは、インバータユニット)の小型化が可能となる。また、半導体素子(IGBT1、ダイオード2、IGBT10、ダイオード11)を2段に重ねた構成(立体的な構成)としているため、半導体素子を平面に配置する構成(平面的な構成)と比較して、配線長が短くなり、P電極8とN電極17とが平行に配置されるため、半導体装置全体の自己インダクタンスを低減することができる。その結果、IGBT1,10に加わるスイッチングOFF時のサージ電圧や、ダイオード2,11に加わるリカバリーサージ電圧が低減される。
<実施の形態2>
図4は、本発明の実施の形態2による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図4に示すように、本実施の形態2では、ヒートシンク16(第1のヒートシンク)とN電極17(第2の電極)とが一体して形成され、ヒートシンク7(第2のヒートシンク)とP電極8(第3の電極)とが一体して形成されることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態2によれば、実施の形態1による効果に加えて、電極とヒートシンクとが一体して形成されているため、組立性(組み立てやすさ)を向上させることができる。
<実施の形態3>
図5は、本発明の実施の形態3による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図5に示すように、本実施の形態3では、制御端子30,31(第2の制御端子、第1の制御端子)をIGBT1,10(第2の縦型トランジスタ、第1の縦型トランジスタ)に直接的に接続することを特徴としている。すなわち、図1に示すような、ワイヤ18,19を介さずに制御端子30,31とIGBT1,10とを直接的に接続している。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
なお、制御端子30,31とIGBT1,10との接続は、超音波接合、はんだ接合、あるいはシンタリング等、制御端子30,31とIGBT1,10とを直接的に接続することができれば、いかなる接続方法であってもよい。
以上のことから、本実施の形態3によれば、実施の形態1による効果に加えて、制御端子30,31とIGBT1,10とを直接的に接続しているため、組立性を向上させることができる。
<実施の形態4>
図6は、本発明の実施の形態4による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図6に示すように、本実施の形態4では、ヒートシンク32(第1のヒートシンク)におけるダイオード11およびIGBT10と接する箇所と、U電極9aのヒートシンク7側の面(第2の主面)におけるダイオード2およびIGBT1と接する箇所とに凸部を形成することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
なお、図6では、ヒートシンク32およびU電極9aの両方に凸部を形成しているが、ヒートシンク32およびU電極9aの少なくとも一方に凸部を形成してもよい。
また、U電極9aに限らず、V電極9bおよびW電極9cにも同様の凸部を形成してもよい。
以上のことから、本実施の形態4によれば、ヒートシンク32およびU電極9aの少なくとも一方に凸部を形成しているため、実施の形態1による効果に加えて、組立性を向上させることができる。
<実施の形態5>
図7は、本発明の実施の形態5による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図7に示すように、本実施の形態5では、U電極9a(第1の電極)は、ダイオード11(第1のダイオード)、IGBT10(第1の縦型トランジスタ)、ダイオード2(第2のダイオード)、およびIGBT1(第2の縦型トランジスタ)を冷却する冷却流路35(冷媒の流路)を含む冷却部を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
なお、図7では、冷却流路35を一例として示しているが、U電極9aをヒートパイプ構造(冷却部)としてもよい。
また、U電極9aに限らず、V電極9bおよびW電極9cにも同様の冷却部を備えてもよい。
以上のことから、本実施の形態5によれば、U電極9a(第1の電極)は、ダイオード11(第1のダイオード)、IGBT10(第1の縦型トランジスタ)、ダイオード2(第2のダイオード)、およびIGBT1(第2の縦型トランジスタ)を冷却する冷却部を備えているため、実施の形態1による効果に加えて、半導体装置にて生じた熱を実施の形態1よりも効率良く放熱することができる。
<実施の形態6>
図8は、本発明の実施の形態6による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図8に示すように、本実施の形態6では、U電極9a(第1の電極)、N電極17(第2の電極)、およびP電極8(第3の電極)において、外部のバスバー(配線)との接続部36a,37a,38aを備えることを特徴としている。また、P電極8およびN電極17は、ヒートシンクと一体に形成されている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図8に示すような構成とすることによって、P電極8、U電極9a、およびN電極17を、図1に示すように半導体装置から引き出して形成する必要がない。
図9は、本実施の形態6による半導体装置の構成の他の一例を示す図である。
図9(a)は、接続部36bの断面図を示している。接続部36bは、N電極17と一体に形成され、かつ一部が樹脂22から露出している。
図9(b)は、接続部37bの断面図を示している。接続部37bは、P電極8と一体に形成され、かつ一部が樹脂22から露出している。
図9(c)は、接続部38bの断面図を示している。接続部38bは、U電極9aと一体に形成され、かつ一部が樹脂22から露出している。なお、ここではU電極9aを一例として図示しているが、V電極9bおよびW電極9cについても同様である。
図9(d)は、インバータの電極側から見た斜視図を示しており、図3(b)と比較して、各電極が引き出されていないことが分かる。
以上のことから、本実施の形態6によれば、U電極9a(第1の電極)、N電極17(第2の電極)、およびP電極8(第3の電極)において、外部のバスバー(配線)との接続部36a,37a,38aを備えているため、実施の形態1による効果に加えて、実施の形態1よりもインバータをより小型化することができる。
なお、図8,9では、U電極9a、N電極17、およびP電極8に接続部36a,37a,38aを備えているが、U電極9a、N電極17、およびP電極8の少なくとも1つ以上において接続部を備えるようにすればよい。
また、図9(d)に示す3つの接続部38bは、図3(b)のU電極9a、V電極9b、およびW電極9cのそれぞれに対応させてもよい。
<実施の形態7>
図10は、本発明の実施の形態7による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図10に示すように、本実施の形態7では、ヒートシンク16(第1のヒートシンク)のU電極9a側(挟持側)とは反対側の面上において、絶縁層40(第1の絶縁層)とフィン42(第1の冷却フィン)とを順に重ねて配置し、ヒートシンク7(第2のヒートシンク)のU電極9a側(挟持側)とは反対側の面上において、絶縁層39(第2の絶縁層)とフィン41(第2の冷却フィン)とを順に重ねて配置することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態7によれば、ヒートシンク16のU電極9a側とは反対側の面上において、絶縁層40とフィン42とを順に重ねて配置し、ヒートシンク7のU電極9a側とは反対側の面上において、絶縁層39とフィン41とを順に重ねて配置しているため、実施の形態1による効果に加えて、半導体装置にて生じた熱を実施の形態1よりも効率良く放熱することができる。
なお、ヒートシンク7、絶縁層39、およびフィン41は一体に形成してもよい。また、ヒートシンク16、絶縁層40、およびフィン42は一体に形成してもよい。
<実施の形態8>
図11は、本実施の形態8による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図11に示すように、本実施の形態8では、樹脂43(封止樹脂)は、フィン42(第1の冷却フィン)およびフィン41(第2の冷却フィン)の一部が露出するように封止することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態7と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態8によれば、樹脂43は、フィン42およびフィン41の一部が露出するように封止しているため、実施の形態7による効果に加えて、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
なお、図11では、樹脂43は、フィン42およびフィン41の一部が露出するように封止しているが、フィン42およびフィン41の少なくとも一部が露出するように封止するようにしてもよい。
<実施の形態9>
図12は、本実施の形態9による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。
図12に示すように、本実施の形態9では、ヒートシンク16(第1のヒートシンク)のU電極9a側(挟持側)とは反対側の面上において、絶縁層45(第3の絶縁層)と銅箔47(第1の金属膜)とを順に重ねて配置し、ヒートシンク7(第2のヒートシンク)のU電極9a側(挟持側)とは反対側の面上において、絶縁層44(第4の絶縁層)と銅箔46(第2の金属膜)とを順に重ねて配置することを特徴としている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態9によれば、ヒートシンク16のU電極9a側とは反対側の面上において、絶縁層45と銅箔47とを順に重ねて配置し、ヒートシンク7のU電極9a側とは反対側の面上において、絶縁層44と銅箔46とを順に重ねて配置しているため、実施の形態1による効果に加えて、半導体装置の絶縁性を保ったまま取り扱い(インバータあるいはインバータユニットを構成する際の取り扱い)を容易にすることができる。
なお、本発明の実施の形態では、スイッチング素子としてIGBTを一例に説明したが、縦型MOSFETなど、他の縦型トランジスタでも適用することができる。
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 IGBT、2 ダイオード、3〜6 はんだ、7 ヒートシンク、8 P電極、9a U電極、9b V電極、9c W電極、10 IGBT、11 ダイオード、12〜15 はんだ、16 ヒートシンク、17 N電極、18,19 ワイヤ、20,21 制御端子、22 樹脂、23,24 絶縁膜、25,26 冷却フィン、27 制御基板、28 P電極、29 N電極、30,31 制御端子、32 ヒートシンク、33,34 U電極、35 冷却流路、36a,36b 接続部、37a,37b 接続部、38a,38b 接続部、39,40 絶縁層、41,42 フィン、43 樹脂、44,45 絶縁層、46,47 銅箔。

Claims (10)

  1. 第1の電極の第1の主面上に配置された第1のダイオードおよび第1の縦型トランジスタと、
    前記第1のダイオードおよび前記第1の縦型トランジスタを前記第1の電極とで挟持するように設けられた第1のヒートシンクと、
    前記第1のヒートシンクの前記挟持側の面上に設けられた第2の電極と、
    前記第1の電極の前記第1の主面とは反対側の第2の主面上であって、前記第1の電極を挟んで前記第1のダイオードに対向して配置された第2のダイオード、および前記第1の電極を挟んで前記第1の縦型トランジスタに対向して配置された第2の縦型トランジスタと、
    前記第2のダイオードおよび前記第2の縦型トランジスタを前記第1の電極とで挟持するように設けられた第2のヒートシンクと、
    前記第2のヒートシンクの前記挟持側の面上に設けられた第3の電極と、
    前記第1の縦型トランジスタと第1のワイヤを介して接続された第1の制御端子と、
    前記第2の縦型トランジスタと第2のワイヤを介して接続された第2の制御端子と、
    前記第1の電極、前記第2の電極、前記第3の電極、前記第1の制御端子、および前記第2の制御端子におけるそれぞれの一端が露出するように封止する封止樹脂と、
    を備え、
    前記第1の電極、前記第2の電極、および前記第3の電極における前記封止樹脂から露出した一端は同一方向に引き出され、
    前記第1の制御端子および前記第2の制御端子における前記封止樹脂から露出した一端は、前記第1の電極、前記第2の電極、および前記第3の電極における前記封止樹脂から露出した一端とは反対方向であって、かつ同一方向に引き出されることを特徴とする、半導体装置。
  2. 前記第1のヒートシンクと前記第2の電極とは一体して形成され、
    前記第2のヒートシンクと前記第3の電極とは一体して形成されることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1の縦型トランジスタと前記第1の制御端子とは直接的に接続され、
    前記第2の縦型トランジスタと前記第2の制御端子とは直接的に接続されることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1のヒートシンクにおける前記第1のダイオードおよび前記第1の縦型トランジスタと接する箇所と、前記第1の電極の前記第2の主面における前記第2のダイオードおよび前記第2の縦型トランジスタと接する箇所との少なくとも一方に凸部を形成することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第1の電極は、前記第1のダイオード、前記第1の縦型トランジスタ、前記第2のダイオード、および前記第2の縦型トランジスタを冷却する冷却部を含むことを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記冷却部は、冷媒の流路またはヒートパイプを含むことを特徴とする、請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記第1の電極、前記第2の電極、および前記第3の電極の少なくとも1つ以上において、外部の配線との接続部をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記第1のヒートシンクの前記挟持側とは反対側の面上において、第1の絶縁層と第1の冷却フィンとを順に重ねて配置し、
    前記第2のヒートシンクの前記挟持側とは反対側の面上において、第2の絶縁層と第2の冷却フィンとを順に重ねて配置することを特徴とする、請求項1ないし7のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記封止樹脂は、前記第1の冷却フィンおよび前記第2の冷却フィンの少なくとも一部が露出するように封止することを特徴とする、請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記第1のヒートシンクの前記挟持側とは反対側の面上において、第3の絶縁層と第1の金属膜とを順に重ねて配置し、
    前記第2のヒートシンクの前記挟持側とは反対側の面上において、第4の絶縁層と第2の金属膜とを順に重ねて配置することを特徴とする、請求項1ないし7のいずれかに記載の半導体装置。
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