JP2015018856A

JP2015018856A - 半導体パワーモジュール

Info

Publication number: JP2015018856A
Application number: JP2013143443A
Authority: JP
Inventors: 山口　浩二; Koji Yamaguchi; 浩二山口; 雅哉谷口; Masaya Taniguchi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-29

Abstract

【課題】半導体パワーモジュールにおいて、コンデンサが短絡故障した場合に、短絡故障したコンデンサに接続されている他の素子が損傷することを回避できるとともに、半導体パワーモジュールを継続して動作させることができるようにする。【解決手段】絶縁基板１上に形成された導体パターン３と、導体パターン３上に実装された半導体素子５とを備え、導体パターン３は、正極パターン部９と負極パターン部１１と出力パターン部１３を含む。正極パターン部９を負極パターン部１１にコンデンサ２１を介して接続する複数の導電経路Ｌ１〜Ｌ５が構成され、これらの導電経路Ｌ１〜Ｌ５は、互いに独立して並列に配置されている。各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、小断面部２３は、この導電経路における他の部分よりも断面積が小さくなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、入力される電力を半導体素子を通して出力する半導体パワーモジュールに関する。

半導体パワーモジュールは、インバータ、コンバータなどの電力変換装置に設けられる。

半導体パワーモジュールは、半導体素子（例えば、トランジスタやダイオード）を構成要素に持つインバータやコンバータに設けられる。
図１は、半導体パワーモジュールの基本構造の一例を示す。図１の半導体パワーモジュールでは、銅やアルミニウムなどの金属で構成したベース板４１に、絶縁基板４３や導体パターン４７を介して半導体素子４５が実装される。絶縁基板４３は、窒化アルミニウムなどの絶縁基板である。図１の例では、絶縁基板４３は、銅やアルミニウムなどの導体パターン４７で挟まれる構造になっている。図１において、配線材４９、５１、５３、５５は入出力端子である。なお、符号４２は、半田を示す。

特開２０１１−６７０４５号公報

半導体パワーモジュールにコンデンサを設けた構成が、例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１では、誘電体基板に、セラミックコンデンサを配置し、金属基板に、半導体パワーモジュールを設け、半導体パワーモジュールとセラミックコンデンサを配線で接続している。また、特許文献１では、セラミックコンデンサと半導体パワーモジュールを接続する配線にヒューズを接続している。これにより、セラミックコンデンサが短絡故障した時に、ヒューズが溶解して短絡電流が遮断される。これにより、短絡故障したセラミックコンデンサに接続されている他の素子が損傷することを回避できる。

しかし、特許文献１では、セラミックコンデンサが短絡故障した場合に、半導体パワーモジュールを用いた装置を継続して動作させることができない。

そこで、本発明の目的は、半導体パワーモジュールにおいて、コンデンサが短絡故障した場合に、短絡故障したコンデンサに接続されている他の素子が損傷することを回避できるだけでなく、半導体パワーモジュールを継続して動作させることができるようにすることにある。

上述の目的を達成するため、本発明によると、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された導体パターンと、前記導体パターン上に実装された半導体素子とを備え、前記導体パターンは、正極パターン部と負極パターン部と出力パターン部を含み、前記正極パターン部は、前記半導体素子を介して前記出力パターン部に接続されるように構成された半導体パワーモジュールであって、
前記正極パターン部を前記負極パターン部にコンデンサを介して接続する複数の導電経路が構成され、これらの導電経路は、互いに独立して、かつ、互いに並列に配置されており、
前記導体パターンは、互いに分離されている複数の分離パターン部をさらに含み、
前記各導電経路は、互いに直列に接続された前記コンデンサと前記分離パターン部と小断面部とを含み、
前記各導電経路において、前記コンデンサの一端部は前記分離パターン部に直接接続され、前記分離パターン部は、前記小断面部を通して前記正極パターン部または前記負極パターン部に接続され、
前記各導電経路において、前記小断面部は、この導電経路における他の部分よりも断面積が小さくなっており、
前記各導電経路について、前記コンデンサが短絡故障した時に、前記小断面部に過電流が流れ、この過電流により前記小断面部が溶断するように、前記小断面部の断面積が設定されている、ことを特徴とする半導体パワーモジュールが提供される。

以下、本発明の構成例を述べる。

前記小断面部は、ワイヤであるか、または、前記導体パターンの一部である。

１つの前記導電経路において、または、複数の前記導電経路の各々において、複数の前記小断面部が並列に配置されている。

１つの前記導電経路において、または、複数の前記導電経路の各々において、前記コンデンサの前記一端部と他端部は、前記正極パターン部、前記負極パターン部、または、前記導体パターンに含まれる他の導体パターン部に直接接続されている。

本発明によると、前記正極パターン部を前記負極パターン部にコンデンサを介して接続する複数の導電経路が、互いに独立して、かつ、互いに並列に配置されており、各導電経路は小断面部を含む。

したがって、いずれかのコンデンサが短絡故障した場合に、対応する小断面部には大きな電流が流れ、これにより、この小断面部は溶断する。その結果、短絡故障したコンデンサおよび溶断した小断面部を含む導電経路が、他の導電経路から切り離される。

よって、他の素子が損傷することを回避できるとともに、正常な他の導電経路を用いて、半導体パワーモジュールを継続して動作させることができる。

半導体パワーモジュールの基本構造の一例を示す。（Ａ）は、本発明の実施形態による半導体パワーモジュールの構成を示す平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（Ａ）は、図２の半導体パワーモジュールが適用されるインバータの回路図であり、（Ｂ）は、図２の半導体パワーモジュールが適用されるコンバータの回路図である。（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ、本発明による半導体パワーモジュールの変更例を示す。本発明による半導体パワーモジュールの他の変更例を示す。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。例えば、以下において、同じ名称の構成要素は、同じ構成を有する。

図２は、本発明の実施形態による半導体パワーモジュール１０の構成を示す。図２（Ａ）は、平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

半導体パワーモジュール１０は、図２に示すように、絶縁基板１と、導体パターン３と、半導体素子５，７とを備える。

絶縁基板１は、例えば窒化アルミニウム基板である。導体パターン３は、絶縁基板１上に形成される。図２の例では、絶縁基板１には、貫通孔が形成されており、これらの貫通孔には導体１ａ，１ｂが充填されている。

導体パターン３は、図２に示すように、正極パターン部９と、負極パターン部１１と、出力パターン部１３と、複数の分離パターン部１５とを含む。図２の例では、正極パターン部９は、第１正極サブパターン部９ａ、第２正極サブパターン部９ｂ、および第３正極サブパターン部９ｃを含む。第１正極サブパターン部９ａと第２正極サブパターン部９ｂは、絶縁基板１の一方の面に形成されており、第３正極サブパターン部９ｃは、絶縁基板１の他方の面に形成されている。第３正極サブパターン部９ｃは、導体１ａにより第１正極サブパターン部９ａに接続されており、導体１ｂにより第２正極サブパターン部９ｂに接続されている。なお、正極パターン部９の全体（正極サブパターン部９ａ，９ｂ，９ｃ）にわたって、負極パターン部１１に対する正極パターン部９の電位は同じになる。また、図２の例では、絶縁基板１の一方の面には、第１正極サブパターン部９ａと第２正極サブパターン部９ｂに加えて、負極パターン部１１と、出力パターン部１３と、複数の分離パターン部１５が形成されている。複数の分離パターン部１５は、互いに分離されている。

正極パターン部９および負極パターン部１１は、それぞれ、半導体素子５，７を介して出力パターン部１３に接続されている。詳しくは、次の通りである。

半導体素子５は、導体パターン３上に実装される。すなわち、半導体素子５は、一端部が正極パターン部９に接続され、他端部が出力パターン部１３に接続されている。半導体素子７は、一端部が出力パターン部１３に接続され、他端部が負極パターン部１１に接続されている。図２の例では、半導体素子５は、正極パターン部９に（例えば半田を介して）取付けられて、その一端部が正極パターン部９に接続されている。半導体素子５の他端部は、配線材１７（例えばワイヤ）により出力パターン部１３に接続されている。また、図２の例では、半導体素子７は、導体パターン３上に実装される。すなわち、半導体素子７は、出力パターン部１３に（例えば半田を介して）取付けられて、その一端部が出力パターン部１３に接続されている。半導体素子７の他端部は、配線材１９（例えばワイヤ）により負極パターン部１１に接続されている。

半導体パワーモジュール１０において、正極パターン部９を負極パターン部１１にコンデンサ２１を介して接続する複数の導電経路Ｌ１〜Ｌ５が構成されている。これらの導電経路Ｌ１〜Ｌ５は、互いに独立して、かつ、互いに並列に配置されている。コンデンサ２１は、本実施形態では、セラミックコンデンサであるが、フィルムコンデンサや電界コンデンサなどの他の種類のコンデンサであってもよい。

各導電経路Ｌ１〜Ｌ５は、互いに直列に接続されたコンデンサ２１と分離パターン部１５と小断面部２３とを含む。各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、コンデンサ２１の一端部（図２の例では、正極部）は分離パターン部１５に直接接続される。また、図２の例では、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、分離パターン部１５は、小断面部２３を通して正極パターン部９に接続されている。

各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、小断面部２３は、この導電経路における他のすべての部分よりも、断面積が小さくなっている。この断面積は、電流が流れる方向と直交する平面による断面積である。また、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５について、コンデンサ２１が短絡故障した時に、小断面部２３に過電流が流れ、この過電流により小断面部２３が溶断するように、小断面部２３の断面積が設定されている。

好ましくは、１つの導電経路において、または、複数の導電経路の各々において（図２の例では、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において）、複数の小断面部２３が並列に配置されている。ただし、各小断面部２３について、対応するコンデンサ２１が短絡故障した時に、小断面部２３に過電流が流れて溶断するように、小断面部２３の断面積が設定されている。

小断面部２３は、図２の例では、線状であるが、他の形状（例えばリボン状）であってもよい。また、小断面部２３は、導体パターン３とは別の部材（例えばワイヤ）であり、半田で導体パターン３（図２では、分離パターン部１５と正極パターン部９）に接続することができる。代わりに、小断面部２３は、導体パターン３とは別の部材ではなく、導体パターン３の一部として導体パターン３と一体的に形成されてもよい。

好ましくは、１つの導電経路において、または、複数の導電経路の各々において（図２の例では、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において）、コンデンサ２１の一端部と他端部は、正極パターン部９、負極パターン部１１、または、導体パターン３に含まれる他の導体パターン部（例えば、後述の分離パターン部３２）に直接接続されている。図２の例では、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、コンデンサ２１の一端部と他端部は、それぞれ、分離パターン部１５と負極パターン部１１に直接接続されている。

半導体パワーモジュール１０は、図２（Ｂ）に示すように、ベース板２５と別の絶縁基板２７をさらに含む。
ベース板２５は、銅やアルミニウムなどの金属で構成され、半導体素子５，７を冷却するためのヒートシンクとして機能する。絶縁基板２７は、ベース板２５上に形成された例えば熱伝導性の高い絶縁メタライズ基板であり、ベース板２５と第３正極サブパターン部９ｃの間に挟持される。なお、絶縁が不要な用途では絶縁基板２７を省略できる。

なお、図２（Ｂ）において、絶縁基板１の一方の面において、電流が矢印Ａ１の向きに流れ、絶縁基板１の他方の面において、矢印Ａ１と向きが反対の矢印Ａ２の向きに流れる。したがって、絶縁基板１の一方の面で発生する磁界を、絶縁基板１の他方の面で発生する磁界で相殺できる。

上述の半導体パワーモジュール１０において、正極パターン部９と負極パターン部１１に、電力が入力され、正極パターン部９の電力（電圧）が、半導体素子５を通して出力パターン部１３へ伝達され、出力パターン部１３の電圧が他の箇所へ出力される。

このような半導体パワーモジュール１０を用いた装置の構成例１，２を、以下において説明する。

（構成例１）
このような半導体パワーモジュール１０は、例えば、インバータの構成要素である。図３（Ａ）は、インバータを示す。図３（Ａ）のインバータは、入力された直流電圧Ｖ_ｉｎ＋を３相の交流電圧Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗに変換する。

図３（Ａ）の場合において、半導体パワーモジュール１０では、正極パターン部９に入力された直流電圧Ｖ_ｉｎ＋が、半導体素子５，７により、出力パターン部１３の電圧Ｖ_ｕとなって出力される。出力パターン部１３の電圧Ｖ_ｕは、他の箇所へ出力される。

図３（Ａ）において、破線で囲んだ回路部分Ｐ１が、図２の半導体パワーモジュール１０に相当する。ただし、半導体パワーモジュール１０は、図３（Ａ）の回路部分Ｐ１だけでなく、破線で囲んだ回路部分Ｐ２も有していてよい。この場合、回路部分Ｐ２を、回路部分Ｐ１と同様に形成することができる。

（構成例２）
図３（Ｂ）は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを示す。図３（Ｂ）において、半導体パワーモジュール１０では、正極パターン部９に入力された直流電圧Ｖ_ｉｎ＋（Ｖ_ｉｎ−に対するＶ_ｉｎ＋）が、半導体素子５，７により、出力パターン部１３とコイル２９を通して、降圧した電圧Ｖ_ｏｕｔにされる。降圧した電圧Ｖ_ｏｕｔは、例えばコンデンサ３１に受けられる。

図３（Ｂ）において、破線で囲んだ回路部分Ｐ３が、図２の半導体パワーモジュール１０に相当する。

上述の実施形態によると、以下の効果が得られる。

上述の実施形態では、図２（Ａ）のように、正極パターン部９を負極パターン部１１にコンデンサ２１を介して接続する複数の導電経路Ｌ１〜Ｌ５が、互いに独立して、かつ、互いに並列に配置されており、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５は小断面部２３を含んでいる。したがって、いずれかのコンデンサ２１が短絡故障した場合に、対応する小断面部２３には大きな電流が流れることにより、この小断面部２３は溶断する（この機能を、以下においてヒューズ機能という）。その結果、短絡故障したコンデンサ２１と溶断した小断面部２３を含む導電経路が、他の導電経路から切り離される。よって、他の素子が損傷することを回避できる。また、正常な他の導電経路を用いて、半導体パワーモジュール１０を用いた装置を継続して動作させることができる。例えば、図３（Ａ）のインバータや図３（Ｂ）のコンバータを継続して動作させることができる。

しかも、小断面部２３を配置できるように導体パターン３のレイアウトを変更することにより、コンデンサ２１に対してヒューズ機能を簡単に与えることができる。小断面部２３がワイヤである場合には、一般的な半導体パワーモジュールの製作で使用されている通常のプロセスであるワイヤボンディングにより、小断面部２３を導体パターン３に簡単に接続できる。一方、小断面部２３が、導体パターン３の一部である場合には、導体パターン３のレイアウトを変更するだけで、コンデンサ２１に対してヒューズ機能を簡単に与えることができる。

また、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、複数の小断面部２３を並列に設けた場合には、電流の流れる断面積を大きくすることができ、インダクタンスを低減することができる。例えば、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５を流れる電流の値の最大値が、Ｉ_ｍａｘであり、当該導電経路に設けられる複数の小断面部２３が同じ構成（断面積や材質など）を有し、１つの小断面部２３に流れる電流の値が、Ｉ_ｆ以上となった場合に、この小断面部２３が溶断する場合には、次の不等式を満たす数ｎの小断面部２３を、当該導電経路に設ければよい。
Ｉ_ｍａｘ≦Ｉ_ｆ×ｎ

上述のように、好ましくは、コンデンサ２１の一端部と他端部は、導体パターン３（図２の例では、分離パターン部１５と負極パターン部１１）に直接接続される。これについて、コンデンサ２１の一端部と他端部が直接接続される導体パターン３の各部分は、平板状に延びるように形成できるので、これらの部分において電流の流れる断面積を広く確保できる。このような導体パターンの各部分は、細い配線材と比べて、インダクタンスが小さい。したがって、コンデンサから流れる電流が急変しても、サージ電圧やノイズの発生を大幅に低減することができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の変更例１〜４のいずれかを単独で採用してもよいし、変更例１〜４を任意に組み合わせて採用してもよい。この場合、以下で述べない点は、上述と同じである。

（変更例１）
図４（Ａ）は、変更例１による半導体パワーモジュール１０の構成を示す平面図である。図４（Ａ）に示すように、導体パターン３は、上述の分離パターン部１５に加えて、互いに分離された複数の分離パターン部３２を含んでいてもよい。

この場合、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、コンデンサ２１の他端部（負極部）は、分離パターン部３２に直接接続されている。また、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、分離パターン部３２は、１つの小断面部３３、または、互いに並列に配置された複数の小断面部３３を通して、負極パターン部１１に接続されている。小断面部３３の構成は、上述の小断面部２３と同じである。

（変更例２）
上述では、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、導体パターン３の分離パターン部１５は、小断面部２３を通して正極パターン部９に接続されていたが、本発明は、これに限定されない。すなわち、各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、導体パターン３の分離パターン部は、小断面部を通して負極パターン部１１に接続されていてもよい。例えば、上述の変更例１の構成を示す図４（Ａ）の各導電経路Ｌ１〜Ｌ５において、分離パターン部１５と小断面部２３を省略して、コンデンサ２１の一端部（正極部）を正極パターン部９に直接接続してもよい。

（変更例３）
上述では、各導電経路において、１つのコンデンサ２１が小断面部に直列に接続されていたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、１つの導電経路、または、複数の導電経路の各々において、互いに並列に接続された複数のコンデンサ２１が、１つの分離パターン部に直列に直接接続され、かつ、小断面部に直列に接続されていてもよい。例えば、図４（Ｂ）のように、各導電経路Ｌ１、Ｌ２において、２つのコンデンサ２１が、１つの分離パターン部１５に直列に直接接続され、かつ、小断面部２３に直列に接続されていてもよい。なお、図４（Ｂ）では、２つの導電経路Ｌ１、Ｌ２が形成されている。

（変更例４）
上述では、正極パターン部９は、絶縁基板１の他方の面に形成された第３正極サブパターン部９ｃを含んでいたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、第３正極サブパターン部９ｃを省略してもよい。この場合、例えば、図５のように、正極パターン部９は、絶縁基板１の一方の面に形成された第４正極サブパターン部９ｄを含む。第４正極サブパターン部９ｄは、絶縁基板１において第４正極サブパターン部９ｄと同じ面に形成された第１正極サブパターン部９ａと第２正極サブパターン部９ｂとを接続する。なお、正極パターン部９の全体（正極サブパターン部９ａ，９ｂ，９ｄ）にわたって、負極パターン部１１に対する正極パターン部９の電位は同じになる。

１絶縁基板
１ａ導体
１ｂ導体
３導体パターン
５半導体素子
７半導体素子
９正極パターン部
９ａ第１正極サブパターン部
９ｂ第２正極サブパターン部
９ｃ第３正極サブパターン部
１０半導体パワーモジュール
１１負極パターン部
１３出力パターン部
１５分離パターン部
１７配線材
１９配線材
２１コンデンサ
２３小断面部
２５ベース板
２７絶縁基板
２９コイル
３１コンデンサ
３２分離パターン部
３３小断面部
Ｌ１〜Ｌ５導電経路

Claims

絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された導体パターンと、前記導体パターン上に実装された半導体素子とを備え、前記導体パターンは、正極パターン部と負極パターン部と出力パターン部を含み、前記正極パターン部は、前記半導体素子を介して前記出力パターン部に接続されるように構成された半導体パワーモジュールであって、
前記正極パターン部を前記負極パターン部にコンデンサを介して接続する複数の導電経路が構成され、これらの導電経路は、互いに独立して、かつ、互いに並列に配置されており、
前記導体パターンは、互いに分離されている複数の分離パターン部をさらに含み、
前記各導電経路は、互いに直列に接続された前記コンデンサと前記分離パターン部と小断面部とを含み、
前記各導電経路において、前記コンデンサの一端部は前記分離パターン部に直接接続され、前記分離パターン部は、前記小断面部を通して前記正極パターン部または前記負極パターン部に接続され、
前記各導電経路において、前記小断面部は、この導電経路における他の部分よりも断面積が小さくなっており、
前記各導電経路について、前記コンデンサが短絡故障した時に、前記小断面部に過電流が流れ、この過電流により前記小断面部が溶断するように、前記小断面部の断面積が設定されている、ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
前記小断面部は、ワイヤであるか、または、前記導体パターンの一部である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
１つの前記導電経路において、または、複数の前記導電経路の各々において、複数の前記小断面部が並列に配置されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パワーモジュール。
１つの前記導電経路において、または、複数の前記導電経路の各々において、前記コンデンサの前記一端部と他端部は、前記正極パターン部、前記負極パターン部、または、前記導体パターンに含まれる他の導体パターン部に直接接続されている、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体パワーモジュール。