JP2015035627A - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
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- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
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- H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
- H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
- H01L2224/37001—Core members of the connector
- H01L2224/37099—Material
- H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/37138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/37147—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
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- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
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- H01L2224/45012—Cross-sectional shape
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- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/45099—Material
- H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
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- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/45099—Material
- H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48111—Disposition the wire connector extending above another semiconductor or solid-state body
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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- H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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- H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
- H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
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- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
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- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/83801—Soldering or alloying
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- H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
- H01L2224/842—Applying energy for connecting
- H01L2224/84201—Compression bonding
- H01L2224/84205—Ultrasonic bonding
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- H01L2224/84—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a strap connector
- H01L2224/848—Bonding techniques
- H01L2224/8485—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
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- H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
- H01L2224/852—Applying energy for connecting
- H01L2224/85201—Compression bonding
- H01L2224/85205—Ultrasonic bonding
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- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
- H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
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- H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
- H01L23/538—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
- H01L23/5385—Assembly of a plurality of insulating substrates
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- H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
- H01L23/538—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames the interconnection structure between a plurality of semiconductor chips being formed on, or in, insulating substrates
- H01L23/5386—Geometry or layout of the interconnection structure
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Abstract
【解決手段】半導体装置は、表面に下部導体層が形成された下部基板と、下部導体層に素子接合領域で接合されたスイッチング素子と、下部導体層に端子接合領域で接合された端子と、素子接合領域と端子接合領域との間の基板接合領域において基板に積層され、表面に上部導体層を有する上部基板と、スイッチング素子と上部導体層とを接続するスイッチング素子接続部材とを含む。
【選択図】図2
Description
そこで、SiC(炭化シリコン)半導体を用いたパワーデバイスをスイッチング素子として用いたパワーモジュールが提案されている。SiCパワーデバイスは、スイッチング速度が高速であるため、高速なオン/オフ動作が可能である。したがって、オフ時に電流が速やかに減少するので、スイッチング損失を低減することができる。
サージ電圧Vは、次式(A)に示すとおり、パワーモジュール内部の配線が有する自己インダクタンスLと、電流iの時間tによる微分(di/dt)(時間当たりの電流変化率)との積で与えられる。
スイッチング速度が速いほど、電流iの変化率(di/dt)が大きくなるから、サージ電圧Vが大きくなる。このサージ電圧によって、デバイスに耐圧以上の電圧が負荷されると、デバイスが破壊されるおそれがある。また、サージ電圧が大きいと、EMI(電磁気妨害)ノイズの増大や信頼性の低下の懸念もある。
この発明の他の目的は、内部配線の自己インダクタンスの小さなパワーモジュールを実現できる半導体装置を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、基板の主面と平行な方向への端子引き出しが可能な半導体装置を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、自己インダクタンスを低減させることができるとともに、熱サイクルに対する信頼性を向上させることができる、半導体装置を提供することである。
前記下部基板は、絶縁性基板の表面に導体層としての金属箔(たとえば銅箔)を形成したものであってもよい。具体的には、前記下部基板は、セラミックス上に銅箔を直接接合したDBC(Direct Bonding Copper)基板であってもよい。同様に、前記上部基板は、絶縁性基板の表面に導体層としての金属箔(たとえば銅箔)を形成したものであってもよい。つまり、前記上部基板は、たとえば、セラミックス上に銅箔を直接接合したDBC基板であってもよい。
この構成によれば、一対のスイッチング素子が上部導体層の一辺の両端部に配置されているので、複数のスイッチング素子と上部導体層とを接続するスイッチング素子接続部材の全体の幅(配置全幅)を大きく(略最大に)することができる。これにより、スイッチング素子接続部材によるインダクタンスを低減することができるので、半導体装置の内部配線による自己インダクタンスを一層低減できる。
この発明の一実施形態では、前記素子接合領域において前記下部導体層に接合されたダイオード素子と、前記ダイオード素子と前記上部導体層とを接続するダイオード素子接続部材とをさらに含む。
この構成によれば、一対のダイオード素子が上部導体層の一辺の両端部に配置されているので、複数のダイオード素子と上部導体層とを接続するダイオード素子接続部材の全体の幅(配置全幅)を大きく(略最大に)することができる。これにより、ダイオード素子接続部材によるインダクタンスを低減することができるので、半導体装置の内部配線による自己インダクタンスを一層低減できる。
この発明の一実施形態では、前記スイッチング素子が、SiC半導体を用いた素子である。この構成により、スイッチング素子のスイッチング速度が高速になるから、スイッチング損失を低減できる。しかも、内部配線のインダクタンスが低いので、サージ電圧を抑制できる。したがって、高速スイッチングが可能で、それに応じて損失が少なく、かつ、耐圧裕度の高い半導体装置を実現できる。
この発明の第2の局面に係る半導体装置は、表面に第1下部導体層が形成された第1下部基板と、前記第1下部導体層に第1素子接合領域で接合された第1スイッチング素子と、前記第1下部導体層に第1端子接合領域で接合された第1電源端子と、前記第1素子接合領域と前記第1端子接合領域との間の第1基板接合領域において前記第1下部基板に積層され、表面に第1上部導体層を有する第1上部基板と、前記第1スイッチング素子と前記第1上部導体層とを接続する第1スイッチング素子接続部材と、表面に第2下部導体層が形成された第2下部基板と、前記第2下部導体層に第2素子接合領域で接合された第2スイッチング素子と、前記第1上部導体層に電気的に接続され、かつ、前記第2下部導体層に第2端子接合領域で接合された出力端子と、前記第2素子接合領域と前記第2端子接合領域との間の第2基板接合領域において前記第2下部基板に積層され、表面に第2上部導体層を有する第2上部基板と、前記第2スイッチング素子と前記第2上部導体層とを接続する第2スイッチング素子接続部材と、前記第2上部導体層に接合された第2電源端子と、前記第1下部基板および前記第2下部基板を、前記第1および第2端子接合領域が隣り合うように保持する保持ベースとを含む。
また、第1の局面に係る半導体装置に関連して説明した構成は、第2の局面に係る半導体装置に対しても適用することができる。
第1ケース部品の第2ケース部品への取り付けは、たとえば、ねじ止めによって行ってもよいし、接着によって行ってもよい。
第4の局面に係る半導体装置は、半導体素子と基板とを含む基板アッセンブリと、前記基板に接合された接合部、前記接合部から前記基板の主面から離れる方向に立ち上がる第1立上部、前記第1立上部の上端から前記基板の主面に沿って延びる横行部、および前記横行部から前記基板の主面から離れる方向に立ち上がる第2立上部を有する端子と、前記第2立上部と前記基板の主面との間に配置された端子台座と、前記基板の主面とは反対側から前記横行部に当接または近接するように配置された端子抑えとを含む。
この発明の一実施形態では、前記スイッチング素子接続部材は、板状体からなるスイッチング素子接続用フレームである。板状体からなるスイッチング素子接続用フレームの断面積は、ボンディングワイヤの断面積よりも大きい。そのため、スイッチング素子接続部材としてボンディングワイヤが採用された構造よりも、自己インダクタンスを低減させることができる。
[第1の実施形態]
図1は、この発明の第1の実施形態に係るパワーモジュールの外観を示す斜視図である。パワーモジュール1は、放熱ベース2と、ケース3と、第1電源端子Pと、第2電源端子Nと、出力端子OUTとを備えている。説明の便宜上、以下では、図1に示した+X方向、−X方向、+Y方向、−Y方向、+Z方向および−Z方向を用いることがある。+X方向および−Xは、平面視矩形の放熱ベース2の短辺に沿う2つの方向であり、これらを総称するときには単に「X方向」という。+Y方向および−Y方向は放熱ベース2の長辺に沿う2つの方向であり、これらを総称するときには単に「Y方向」という。+Z方向および−Z方向は放熱ベース2の法線に沿う2つの方向であり、これらを総称するときには単に「Z方向」という。放熱ベース2を水平面においたとき、X方向およびY方向は互いに直交する2つの水平な直線(X軸およびY軸)に沿う2つの水平方向(第1水平方向および第2水平方向)となり、Z方向は鉛直な直線(Z軸)に沿う鉛直方向(高さ方向)となる。
第1電源端子P、第2電源端子Nおよび出力端子OUTは、それぞれ、金属板(たとえば、銅板にニッケルめっきを施したもの)を所定形状に切り出し、曲げ加工を施して作成されたものであり、ケース3の内部の回路に電気的に接続されている。第1電源端子P、第2電源端子Nおよび出力端子OUTの各先端部は、それぞれ端子台15P,15N,15OUTへと引き出されている。第1電源端子P、第2電源端子Nおよび出力端子OUTの各先端部は、帯状に成形されており、それぞれ端子台15P,15N,15OUTの表面に沿うように成形されている。第1電源端子P、第2電源端子Nおよび出力端子OUTは、挿通孔55f,56d,57fをそれぞれの先端部に有している。これらの挿通孔16P,16N,16OUTを挿通し、前述のナットに螺着されるボルトを用いることにより、パワーモジュール1の取付対象側に備えられるバスバーに対して端子P,N,OUTを接続できる。
第1下部基板21は、平面視矩形に形成されており、4辺が放熱ベース2の4辺とそれぞれ平行な姿勢で、放熱ベース2の一方表面(+Z方向側表面)に接合されている。第1下部基板21の放熱ベース2とは反対側の表面(+Z方向側表面)には、第1下部導体層23が形成されている。第1下部基板21は、たとえば、セラミックス上に銅箔を直接接合した基板(DBC:Direct Bonding Copper)からなる。その銅箔により第1下部導体層23を形成できる。第1下部導体層23に第1上部基板22が接合されており、これにより第1下部基板21上に第1上部基板22が積層されている。また、第1下部導体層23には、複数の第1スイッチング素子Tr1および複数の第1ダイオード素子Di1が接合されている。さらに、第1下部導体層23には、第1電源端子Pの基端部が接合されている。
第2下部基板41は、平面視矩形に形成されており、4辺が放熱ベース2の4辺とそれぞれ平行な姿勢で、放熱ベース2の一方表面(+Z方向側表面)に接合されている。また、第2下部基板41は、第1下部基板21の−Y方向側に近接して配置されている。第2下部基板41の放熱ベース2とは反対側の表面(+Z方向側表面)には、第2下部導体層43が形成されている。第2下部基板41は、たとえば、セラミックス上に銅箔を直接接合した基板(DBC)からなる。その銅箔により第2下部導体層43を形成できる。第2下部導体層43に第2上部基板42が接合されており、これにより第2下部基板41上に第2上部基板42が積層されている。また、第2下部導体層43には、複数の第2スイッチング素子Tr2および複数の第2ダイオード素子Di2が接合されている。さらに、第2下部導体層43には、出力端子OUTの基端部が接合されている。
図3は、第1および第2基板アッセンブリ20,40の構成要素の配置を説明するための図解的な平面図である。
ゲート端子G1に対応した制御用導体層28は、−Z方向に見た平面視において、制御用導体層27を内包する略U字状に形成されている。すなわち、制御用導体層28は、第1素子接合領域62の第1領域62aとは反対側(+X方向側)から制御用導体層27に対向する中央部28aと、この中央部28aの両端部から前記第1領域62aに向かって−X方向に延びた一対の腕部28b,28cとを有している。中央部28aは、Y方向に延びており、その中央付近に、ゲート端子G1が接合されている。一対の腕部28b,28cは、制御用導体層27と、第1素子接合領域62の第2領域62bおよび第3領域62cとの間をそれぞれ通り、第1領域62aの近傍に達している。
ゲート端子G2に対応した制御用導体層48は、−Z方向に見た平面視において、制御用導体層47を内包する略U字状に形成されている。すなわち、制御用導体層48は、第2素子接合領域72の第1領域72aとは反対側(+X方向側)から制御用導体層47に対向する中央部48aと、この中央部48aの両端部から前記第1領域62aに向かって−X方向に延びた一対の腕部48b,48cとを有している。中央部48aは、Y方向に延びており、その中央付近に、ゲート端子G2が接合されている。一対の腕部48b,48cは、制御用導体層47と、第2素子接合領域72の第2領域72bおよび第3領域72cとの間をそれぞれ通り、第1領域72aの近傍に達している。
第1電源端子Pは、導電性の板状体(たとえば、銅板にニッケルめっきを施したもの)からなる。第1電源端子Pは、第1下部導体層23に接合された接合部55aと、接合部55aに結合された第1立上部55bと、第1立上部55bに結合された横行部55cと、横行部55cに結合された第2立上部55dと、第2立上部55dに結合された接続端55eとを有している。
複数の第1スイッチング素子Tr1のドレイン、および複数の第1ダイオード素子Di1のカソードが、第1下部導体層23に共通接続されている。また、複数の第1スイッチング素子Tr1のソース、および複数の第1ダイオード素子Di1のアノードが、第1上部導体層24に共通接続されている。さらに、複数の第1スイッチング素子Tr1のゲートがゲート端子G1に共通接続されている。そして、複数の第1スイッチング素子Tr1のソースに、ソースセンス端子SS1が共通に接続されている。出力端子OUTから第1電源端子Pへと向かう電流は、第1スイッチング素子Tr1を迂回して第1ダイオード素子Di1を通り、これにより、逆方向電流による第1スイッチング素子Tr1の破壊が防がれるようになっている。
第1下部導体層23の他方側端部(+X方向側端部)に設定された第1素子接合領域62には、高温半田87Aによって、第1スイッチング素子Tr1および第1ダイオード素子Di1(半導体チップ)が接合されている。第1スイッチング素子Tr1は、第1下部導体層23に対向する下面(−Z方向側表面)にドレイン端子を有し、第1下部導体層23とは反対側の上面(+Z方向側表面)にソース端子およびゲート端子を有している。したがって、ドレイン端子が高温半田87Aによって第1下部導体層23に接合されている。ソース端子には、ワイヤ25が接合されている。図5Aでは図示を省略するが、ゲート端子はワイヤ31(図3参照)に接合され、ソース端子はワイヤ32にも接合されている。第1ダイオード素子Di1は、第1下部導体層23に対向する下面(−Z方向側表面)にカソード端子を有し、第1下部導体層23とは反対側の上面(+Z方向側表面)アノード端子を有している。したがって、カソード端子が高温半田87Aによって第1下部導体層23に接合されている。アノード端子には、ワイヤ26が接合されている。高温半田87Aは、その融点が中温半田85よりも高く、300℃程度の高温域に属する半田である。
第1スイッチング素子Tr1が導通すると、第1電源端子Pから流入した電流は、第1下部導体層23を通って+X方向へと流れ、第1スイッチング素子Tr1に到達する。第1スイッチング素子Tr1を通った電流は、折り返されて、ワイヤ25を通って−X方向へと流れ、第1上部導体層24へと到達する。第1上部導体層24内では、接続部材38に向かって−X方向に電流が流れる。この電流は、接続部材38から第2基板アッセンブリ40の第2下部導体層43へと導かれ、出力端子OUTからモータその他の負荷へと供給される。図5Aには、このときの電流の流れが示されている。
このように、第1スイッチング素子Tr1に流入する電流は+X方向に流れ、第1スイッチング素子Tr1からの電流は−X方向に流れるので、互いに逆方向となる。そして、+X方向に流れる電流の経路を提供する第1下部導体層23と、−X方向に流れる電流の経路を提供するワイヤ25および第1上部導体層24とが、互いに接近している。同様に、第1ダイオード素子Di1に流入する電流は−X方向に流れ、第1ダイオード素子Di1からの電流は+X方向に流れるので、互いに逆方向となる。そして、+X方向に流れる電流の経路を提供するワイヤ26および第1上部導体層24と、−X方向に流れる電流の経路を提供する第1下部導体層23とが、互いに接近している。すなわち、互いに反対方向に流れる電流の経路が接近して配置されている。これにより、第1下部導体層23の自己インダクタンスと、ワイヤ25,26および第1上部導体層24の自己インダクタンスとが、それらの間の相互インダクタンスによって少なくとも部分的に打ち消される。これにより、パワーモジュール1のインダクタンスを低減できる。
第2下部導体層43の他方側端部(+X方向側端部)に設定された第2素子接合領域72には、高温半田97Aによって、第2スイッチング素子Tr2および第2ダイオード素子Di2(半導体チップ)が接合されている。第2スイッチング素子Tr2は、第2下部導体層43に対向する下面(−Z方向側表面)にドレイン端子を有し、第2下部導体層43とは反対側の上面(+Z方向側表面)にソース端子およびゲート端子を有している。したがって、ドレイン端子が高温半田97Aによって第2下部導体層43に接合されている。ソース端子には、ワイヤ45が接合されている。図5Bでは図示を省略するが、ゲート端子はワイヤ51(図3参照)に接合され、ソース端子はワイヤ52にも接合されている。第2ダイオード素子Di2は、第2下部導体層43に対向する下面(−Z方向側表面)にカソード端子を有し、第2下部導体層43とは反対側の上面(+Z方向側表面)アノード端子を有している。したがって、カソード端子が高温半田97Aによって第2下部導体層43に接合される。アノード端子には、ワイヤ46が接合されている。高温半田97Aは、その融点が中温半田95よりも高く、300℃程度の高温域に属する半田である。
第2スイッチング素子Tr2が導通すると、出力端子OUTから流入した電流は、第2下部導体層43を通って+X方向へと流れ、第2スイッチング素子Tr2に到達する。第2スイッチング素子Tr2を通った電流は、折り返されて、ワイヤ45を通って−X方向へと流れ、第2上部導体層44へと到達する。第2上部導体層44内では、第2電源端子Nに向かって−X方向に電流が流れる。図5Bには、このときの電流の流れが示されている。
このように、第2スイッチング素子Tr2に流入する電流は+X方向に流れ、第2スイッチング素子Tr2からの電流は−X方向に流れるので、互いに逆方向となる。そして、+X方向に流れる電流の経路を提供する第2下部導体層43と、−X方向に流れる電流の経路を提供するワイヤ45および第2上部導体層44とが、互いに接近している。同様に、第2ダイオード素子Di2に流入する電流は−X方向に流れ、第2ダイオード素子Di2からの電流は+X方向に流れるので、互いに逆方向となる。そして、+X方向に流れる電流の経路を提供するワイヤ46および第2上部導体層44と、−X方向に流れる電流の経路を提供する第2下部導体層43とが、互いに接近している。すなわち、互いに反対方向に流れる電流の経路が接近して配置されている。これにより、第2下部導体層43の自己インダクタンスと、ワイヤ45および第2上部導体層44の自己インダクタンスとが、それらの間の相互インダクタンスによって少なくとも部分的に打ち消される。これにより、パワーモジュール1のインダクタンスを低減できる。
手順1:第1下部基板21に第1スイッチング素子Tr1、第1ダイオード素子Di1および第1上部基板22を高温半田87A,87Bで接合する。同様に、第2下部基板41に第2スイッチング素子Tr2、第2ダイオード素子Di2および第2上部基板42を高温半田97A,97Bで接合する。
手順3:端子類を低温半田で各所定位置に接合する。端子類は、第1電源端子P、第2電源端子N、出力端子OUT、接続部材38、ゲート端子G1,G2、ソースセンス端子SS1,SS2を含む。低温半田は、たとえば錫−鉛の共晶半田であってもよい。
手順6:天板5を枠部4に固定する。この固定は接着剤を用いて行ってもよいし、ねじ止めによって行ってもよい。天板5を固定する際に、天板5に形成されたスリット状挿通孔5P,5N,5OUT(図1参照)に端子P,N,OUTを挿通させ、挿通孔5a,5b,5c,5d(図1参照)にゲート端子G1,G2およびソースセンス端子SS1,SS2を挿通させる。
図6Aは、ゲート端子G1,G2およびソースセンス端子SS1,SS2の保持構造を説明するための図解的な側面図であり、+X方向側の側板6(図1参照)を取り除いた状態が示されている。ゲート端子G1,G2とソースセンス端子SS1,SS2とは、同様の構造であるので、ゲート端子G1,G2の保持構造について説明する。
この構造例では、天板5の下面111が、横行部103の上端縁と略面一となっていない。横行部103の上方(+Z方向)に相当する位置には、天板5の下面111に端子抑え113が設けられている。端子抑え113は、天板5の下面111から下方(−Z方向)に突出しており、横行部103と平行な規制面113Aを下面に有している。規制面113Aは、横行部103と略面一(すなわち略同じ高さ)に形成されている。これにより、規制面113Aは、横行部103の上端縁に当接または近接しており、横行部103の上方(+Z方向)への移動を規制する。このような構造によっても、図6Aの構造と同様の作用効果を実現できる。なお、図6Bには、ゲート端子G1,G2、天板5および端子抑え113等の寸法公差を考慮して、規制面113Aと横行部103の上端縁との間に微少なクリアランス114を形成した例が示されている。
図7Bは、ワイヤの配置全幅を大きくすることによってインダクタンスを低減できる効果を説明するための図である。図7Bには、直径350μm、長さ20mmのアルミニウムワイヤに周波数1MHzの信号を入力してインダクタンスを求めた計算例が示されている。曲線L11は、平行な2本のワイヤの間隔(配置全幅)を種々に設定してインダクタンスを算出した結果を示す。曲線L12は、種々に設定した配置全幅で3本のワイヤを等間隔に平行配置してインダクタンスを算出した結果を示す。曲線L13は、種々に設定した配置全幅で6本のワイヤを等間隔に平行配置してインダクタンスを算出した結果を示す。
以上のように、この第1の実施形態によれば、上アーム回路81を形成する第1基板アッセンブリ20における電流経路は、第1電源端子Pから第1スイッチング素子Tr1に向かい、この第1スイッチング素子で折り返されて第1上部導体層24に至る。このように電流経路が折り返されており、しかも、互いに反対方向に電流が流れる一対の電流経路を形成する第1下部導体層23とワイヤ25および第1上部導体層24とが接近している。これにより、インダクタンスの低減が図られている。さらに、複数の第1スイッチング素子Tr1と第1上部導体層24との間は、それぞれ最短長となる経路に沿って配置された複数本のワイヤ25で接続されている。これにより、さらにインダクタンスが低減されている。そして、複数本のワイヤ25は、第1上部導体層24の一辺(X方向側の辺)の略全幅におよぶ配置全幅を有するように配索されている。また、複数のダイオード素子Di1と第1上部導体層24とを接続するワイヤ26も、第1上部導体層24の一辺(X方向側の辺)の略全幅におよぶ配置全幅を有するように配置されている。これにより、より一層インダクタンスが低減されている。下アーム回路82を形成する第2基板アッセンブリ40についても、同様にしてインダクタンスの低減が図られている。したがって、パワーモジュール1は、全体として小さなインダクタンスを有することになる。その結果、SiC半導体デバイスからなる高速スイッチング型のスイッチング素子Tr1,Tr2を用いて損失の低減を図りつつ、サージ電圧を低減して耐圧裕度の増加を併せて図ることができる。
図8は、この発明の第2の実施形態に係るパワーモジュールの外観を示す斜視図である。この図8において、前述の図1等に示された各部の対応部分は同一参照符号で示す。
このパワーモジュール120は、略直方体形状のケース123を備えている。ケース123は、この実施形態では、放熱ベース2の側面を取り囲んでいる。ケース123は、樹脂材料で構成されている。樹脂材料としては、とくに、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の耐熱性樹脂が適用されることが好ましい。ケース123は、平面視において放熱ベース2と略整合する矩形をなしており、放熱ベース2の一方表面(+Z方向表面)に固定された枠部124と、この枠部124に固定された天板125とを備えている。天板125は、枠部124の一方側(+Z方向側)を閉塞し、枠部124の他方側(−Z方向側)を閉塞する放熱ベース2の主面と対向している。これにより、放熱ベース2、枠部124および天板125によって、回路収容空間がケース123の内部に区画されている。
この実施形態においても、放熱ベース2の一方表面(+Z方向側表面)に、第1基板アッセンブリ20および第2基板アッセンブリ40が搭載されている。ただし、前述の第1の実施形態では、第1および第2基板アッセンブリ20,40の相互間の接続が接続部材38によって達成されているのに対して、この第2の実施形態では、出力端子OUTが、第1および第2基板アッセンブリ20,40の相互間の接続を担っている。
なお、この第2の実施形態によるパワーモジュール120の電気的構成は、前述の第1の実施形態と同様であり、図4に示されている通りである。また、第1および第2基板アッセンブリ20,40(上アーム回路81および下アーム回路82)における電流経路も第1の実施形態と同様であり、図5に示されている通りである。したがって、第1の実施形態と同様に、第1および第2基板アッセンブリ20,40において、反対方向に流れる電流経路が互いに接近しており、これにより、インダクタンスを相殺する効果が得られる。
また、この第2の実施形態においても、ゲート端子G1,G2およびソースセンス端子SS1,SS2の安定保持のために、前述の第1の実施形態と同様の構造がとられている(図6Aおよび図6B参照)。ただし、この第2の実施形態では、端板128,129のX方向側端部に台座110が固定されている。これらの台座110は、端板128,129と一体成形されていてもよい。
図12〜図30は、端子P,N,OUTの様々な変形形態を説明するための斜視図である。これらの図において、前述の図1〜図11に示された各部の対応部分には、同一参照符号を付して示す。
図12の構成例では、端子P,N,OUTが放熱ベース2の主面に平行な一側方(−X方向)に引き出されている。出力端子OUTは、第2電源端子Nよりも−Y方向寄りに配置されており、第2電源端子Nの下方(−Z方向側。第2下部基板41側)をくぐって第1上部導体層24に接合された接続部161を有している。この接続部161は、第1上部導体層24と第2下部導体層43とを接続している。また、第1電源端子Pの脚部156は、本体部155と略等幅に形成されており、同様に、第2電源端子Nの脚部160は、その本体部159と略等幅に形成されている。この構成では、第1および第2電源端子P,Nだけでなく出力端子OUTの長さも短くなるので、インダクタンスの一層の低下を図ることができる。この構成について上アーム回路81(第1基板アッセンブリ20)に関し、周波数1MHzの信号に対して算出されたインダクタンスは18.13nHであった。
図31Aは、本発明の第3の実施形態に係るパワーモジュールの内部構造を示す模式的な平面図である。図31Bは、図31Aに示すパワーモジュールの内部構造の模式的な側面図である。
パワーモジュール501は、放熱ベース50とケース570とを備えている。ケース570は、絶縁樹脂材料で構成されている。
また、パワーモジュール501は、薄板状の第1電極バー503および第2電極バー504を備えている。第1電極バー503および第2電極バー504は、放熱ベース560上に設けられた絶縁基板561上に配置されている。第1電極バー503および第2電極バー504は、互いに分離して並べて設けられている。これらの電極バー503,504は、たとえば、Cu(銅)からなる。
エミッタ電極506上には、たとえば、第2電極バー504側に片寄った位置に、導電性を有する弾性部材507が設けられている。弾性部材507は、たとえば、Al(アルミニウム)またはAu(金)のリボンワイヤからなる。弾性部材507は、その両端がエミッタ電極506に固定され、中央部がエミッタ電極506から浮き上がった形状に形成されることにより、中央部が弾性変形可能となっている。このような形状の弾性部材507は、ワイヤボンダを用いて、リボンワイヤの一端をエミッタ電極506に超音波接合し、キャピラリ(capillary)を移動させた後、リボンワイヤの他端をエミッタ電極506上の別の位置に超音波接合することにより形成される。
なお、図31Aに示すように、パワーモジュール501では、弾性部材507,508が2つずつ設けられているが、弾性部材507,508の個数は、とくに限定されず、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。
また、第2電極バー504とフレーム509における第2電極バー504に対向する部分との間には、中央部が弾性変形可能な弾性部材508が介在されている。フレーム509と弾性部材508との接続は、半田付けではなく、フレーム509によって弾性部材508が第2電極バー504側に押圧されることによって達成されている。したがって、フレーム509と第2電極バー504との間に熱膨張/収縮差が生じても、その熱膨張/収縮差を弾性部材508の変形またはフレーム509と弾性部材508との相対的なずれにより吸収することができる。よって、フレーム509が弾性部材508(第2電極バー504)から剥離することを防止できる。
図32Aは、本発明の第4の実施形態に係るパワーモジュールの内部構造を示す模式的な平面図である。図32Bは、図32Aに示すパワーモジュールの内部構造の模式的な側面図である。
図32A,32Bに示すパワーモジュール521は、放熱ベース580とケース590とを備えている。ケース590は、絶縁樹脂材料で構成されている。
また、パワーモジュール521は、薄板状の第1電極バー523および第2電極バー524を備えている。第1電極バー523および第2電極バー524は、放熱ベース580上に設けられた絶縁基板581上に配置されている。第1電極バー523および第2電極バー524は、互いに分離して並べて設けられている。これらの電極バー523,524は、たとえば、Cu(銅)からなる。
エミッタ電極526上には、第2電極バー524側に片寄った位置に、導電性を有する弾性部材527が設けられている。弾性部材527は、図31A,31Bに示す弾性部材507と同様の構成を有している。
そして、第2電極バー524には、フレーム528が一体的に形成されている。フレーム528は、第1電極バー523側の端縁からIGBTチップ522のエミッタ電極526上に向けて延びている。フレーム528は、途中部で屈曲し、その先端部は、エミッタ電極526とほぼ平行をなし、エミッタ電極526上の弾性部材527に上方から圧接している。エミッタ電極526と第2電極バー524とは、弾性部材527およびフレーム528を介して、電気的に接続されている。
図33は、弾性部材の他の構成を示す模式的な側面図である。
図31Bに示す弾性部材507,508および図32Bに示す弾性部材527に代えて、図33に示す弾性部材531が用いられてもよい。弾性部材531は、たとえば、AlまたはAuなどの金属からなる薄板をV字状に折り曲げることにより形成される。そして、パワーモジュール501,521に弾性部材531が用いられる場合、弾性部材531の一方の片がエミッタ電極506,526に接合され、他方の片がフレーム509,528により押圧される。
[第5の実施形態]
図34〜図36Bは、この発明の第5の実施形態を示している。図34は、ケース内に収容されたパワーモジュール回路の構成を示す図解的な斜視図である。図35は、第1および第2基板アッセンブリを示す図解的な平面図である。図36Aは、第1基板アッセンブリの図解的な断面図である。図36Bは、第2基板アッセンブリの図解的な断面図である。図34において、図2と同じ部分には、図2と同じ参照符号を付してある。また、図35において、図3と同じ部分には、図3と同じ参照符号を付してある。また、図36Aまたは図36bにおいて、図5Aまたは図5Bと同じ部分には、図5Aまたは図5Bと同じ参照符号を付してある。
したがって、各素子Tr1,Di1とフレーム210との間に熱膨張/収縮差が生じても、その熱膨張/収縮差を弾性部材221,222の変形またはフレーム210と弾性部材221,222との相対的なずれにより吸収することができる。そのため、フレーム210が弾性部材221,222(素子Tr1,Di1)から剥離するのを防止できる。また、各素子Tr1,Di1とフレーム210との間の熱膨張/収縮差に起因する応力が、各素子Tr1,Di1に伝播するのを防止できる。このため、熱膨張/収縮差に起因する応力の伝播によって各素子Tr1,Di1にクラックが発生するのを防止できる。
第5の実施形態では、第1基板アッセンブリ20上の各素子Tr1,Di1は、1つのフレーム210によって第1上部導体層24に接続されているが、第1基板アッセンブリ20上の各素子Tr1,Di1を複数の板状のフレームによって第1上部導体層24に接続するようにしてもよい。たとえば、前述したフレーム210の代わりに、平面視においてY方向の幅が短い矩形状の4つのフレームを用いることができる。この場合、4つのフレームはY方向に間隔をおいて配置される。最も−Y方向側にある一方の第1ダイオードDi1およびその+X側にある第1トランジスタTr1は、最も−Y方向側に配置されるフレームによって第1上部導体層24に接続される。最も+Y方向側にある他方の第1ダイオードDi1およびその+X側にある第1トランジスタTr1は、最も+Y方向側に配置されるフレームによって第1上部導体層24に接続される。そして、2つの第1ダイオードDi1の間にある2つの第1トランジスタTr1は、それぞれ、残りの2つのフレームによって、第1上部導体層24に接続される。
[第6の実施形態]
図37は、この発明の第6の実施形態を示している。図37は、ケース内に収容されたパワーモジュール回路の構成を示す図解的な斜視図である。第6の実施形態に係るパワーモジュールは、図34に示される第5の実施形態に係るパワーモジュールとほぼ同様の構成を有している。図37において、図34と同じ部分には、図34と同じ参照符号を付してある。
[第7の実施形態]
図38は、この発明の第7の実施形態を示している。図38は、ケース内に収容されたパワーモジュール回路の構成を示す図解的な斜視図である。第7の実施形態に係るパワーモジュールでは、端子P,N,OUTの形状および配置は、図13に示されるパワーモジュールにおける端子P,N,OUTの形状および配置と同じである。図38において、図13と同じ部分には、図13と同じ参照符号を付してある。
本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
2 放熱ベース
3 ケース
4 枠部
5 天板
6,7 側板
8,9 端板
20 第1基板アッセンブリ
Tr1 第1スイッチング素子
Di1 第1ダイオード素子
21 第1下部基板
22 第1上部基板
23 第1下部導体層
23a 切欠き
24 第1上部導体層
25,26 ワイヤ
27,28 制御用導体層
SS1 ソースセンス端子
G1 ゲート端子
31,32 ワイヤ
40 第2基板アッセンブリ
Tr2 第2スイッチング素子
Di2 第2ダイオード素子
41 第2下部基板
42 第2上部基板
43 第2下部導体層
43a 切欠き
44 第2上部導体層
45,46 ワイヤ
47,48 制御用導体層
SS2 ソースセンス端子
G2 ゲート端子
51,52 ワイヤ
P 第1電源端子
N 第2電源端子
OUT 出力端子
61 第1端子接合領域
62 第1素子接合領域
63 第1基板接合領域
71 第2端子接合領域
72 第2素子接合領域
73 第2基板接合領域
81 上アーム回路
82 下アーム回路
110 台座
111 天板の下面
113 端子抑え
120 パワーモジュール
123 ケース
124 枠部
125 天板
126,127 側板
128,129 端板
135,136 ボルト
140,141,142 スリット状挿通孔
Claims (18)
- 表面に下部導体層が形成された下部基板と、
前記下部導体層に素子接合領域で接合されたスイッチング素子と、
前記下部導体層に端子接合領域で接合された端子と、
前記素子接合領域と前記端子接合領域との間の基板接合領域において前記基板に積層され、表面に上部導体層を有する上部基板と、
前記スイッチング素子と前記上部導体層とを接続するスイッチング素子接続部材とを含む、半導体装置。 - 前記上部導体層は矩形に形成されており、当該矩形の上部導体層の一辺に複数の前記スイッチング素子が対向しており、前記複数のスイッチング素子は前記一辺の両端部に対向する一対のスイッチング素子を含む、請求項1記載の半導体装置。
- 前記素子接合領域において前記下部導体層に接合されたダイオード素子と、
前記ダイオード素子と前記上部導体層とを接続するダイオード素子接続部材とをさらに含む、請求項1または2記載の半導体素子。 - 前記上部導体層は矩形に形成されており、当該矩形の上部導体層の一辺に複数の前記ダイオード素子が対向しており、前記複数のダイオード素子は前記一辺の両端部に対向する一対のダイオード素子を含む、請求項3記載の半導体装置。
- 前記スイッチング素子が、SiC半導体を用いた素子である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記スイッチング素子が、複数のスイッチング素子を含み、
前記素子接合領域は、前記上部導体層の一辺に沿う第1領域と、この第1領域から前記上部基板から離れる方向に延びた第2領域と、前記第1領域から前記第2領域とは別の位置で前記第1領域から離れる方向に延びた第3領域とを含み、
前記1領域、第2領域および第3領域にそれぞれ少なくとも一つの前記スイッチング素子が接合されており、
前記第1領域に対向して配置された第1制御用導体層と、
前記第1制御用導体層に対して前記第1領域とは反対側から対向し、さらに前記第1制御用導体層と前記第2領域および第3領域との間に延びて配置された第2制御用導体層と、
前記第1領域、第2領域および第3領域に配置されたスイッチング素子と前記第1制御用導体層および第2制御用導体層との間をそれぞれ接続する制御用配線部材とをさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 表面に第1下部導体層が形成された第1下部基板と、
前記第1下部導体層に第1素子接合領域で接合された第1スイッチング素子と、
前記第1下部導体層に第1端子接合領域で接合された第1電源端子と、
前記第1素子接合領域と前記第1端子接合領域との間の第1基板接合領域において前記第1下部基板に積層され、表面に第1上部導体層を有する第1上部基板と、
前記第1スイッチング素子と前記第1上部導体層とを接続する第1スイッチング素子接続部材と、
表面に第2下部導体層が形成された第2下部基板と、
前記第2下部導体層に第2素子接合領域で接合された第2スイッチング素子と、
前記第1上部導体層に電気的に接続され、かつ、前記第2下部導体層に第2端子接合領域で接合された出力端子と、
前記第2素子接合領域と前記第2端子接合領域との間の第2基板接合領域において前記第2下部基板に積層され、表面に第2上部導体層を有する第2上部基板と、
前記第2スイッチング素子と前記第2上部導体層とを接続する第2スイッチング素子接続部材と、
前記第2上部導体層に接合された第2電源端子と、
前記第1下部基板および前記第2下部基板を、前記第1および第2端子接合領域が隣り合うように保持する保持ベースとを含む、半導体装置。 - 前記第1電源端子および第2電源端子が、所定の間隔を開けて互いに対向する板状部分をそれぞれ有している、請求項7記載の半導体装置。
- 半導体素子と基板とを含む基板アッセンブリと、
前記基板アッセンブリに接合され、前記基板の主面と平行に延びる端子と、
前記配線基板を包囲する樹脂ケースとを含み、
前記樹脂ケースが、前記端子が挿通する挿通孔を有する第1ケース部品と、この第1ケース部品と組み合わされる第2ケース部品とを含む組立体からなる、半導体装置。 - 半導体素子と基板とを含む基板アッセンブリと、
前記基板に接合された接合部、前記接合部から前記基板の主面から離れる方向に立ち上がる第1立上部、前記第1立上部の上端から前記基板の主面に沿って延びる横行部、および前記横行部から前記基板の主面から離れる方向に立ち上がる第2立上部を有する端子と、
前記第2立上部と前記基板の主面との間に配置された端子台座と、
前記基板の主面とは反対側から前記横行部に当接または近接するように配置された端子抑えとを含む、半導体装置。 - 前記基板アッセンブリを包囲するケースをさらに含み、
前記ケースは、前記第2立上部を挿通させる挿通孔が形成されたケース板を含み、このケース板に前記端子抑えが備えられている、請求項10記載の半導体装置。 - 前記端子抑えは、前記ケース板の前記横行部に対向する内表面であり、前記内表面が前記横行部と略面一に配置されるように前記ケース板が前記ケースに組み付けられるようになっている、請求項10記載の半導体装置。
- 前記スイッチング素子接続部材は、板状体からなるスイッチング素子接続用フレームである、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記スイッチング素子と前記スイッチング素子接続用フレームとの間に介在される導電性を有するスイッチング素子接続用弾性部材と、
前記スイッチング素子接続用フレームによって前記スイッチング素子接続用弾性部材が前記スイッチング素子側に押圧された状態となるように、前記スイッチング素子接続用フレームを前記スイッチング素子側に押圧する押圧部材と、をさらに含む請求項13に記載に半導体装置。 - 前記ダイオード素子接続部材は、板状体からなるダイオード素子接続用フレームである、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記ダイオード素子と前記ダイオード素子接続用フレームとの間に介在される導電性を有するダイオード素子接続用弾性部材と、
前記ダイオード素子接続用フレームによって前記ダイオード素子接続用弾性部材が前記ダイオード素子側に押圧された状態となるように、前記ダイオード素子接続用フレームを前記ダイオード素子側に押圧する押圧部材と、をさらに含む請求項15に記載に半導体装置。 - 前記スイッチング素子接続部材および前記ダイオード素子接続部材は、板状体からなる単一の素子接続用フレームである、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記スイッチング素子と前記素子接続用フレームとの間に介在される導電性を有するスイッチング素子接続用弾性部材と、
前記ダイオード素子と前記素子接続用フレームとの間に介在される導電性を有するダイオード素子接続用弾性部材と、
前記素子接続用フレームによって、前記スイッチング素子接続用弾性部材が前記スイッチング素子側に押圧された状態となるとともに、前記ダイオード素子接続用弾性部材が前記ダイオード素子側に押圧された状態となるように、前記素子接続用フレームを前記スイッチング素子側および前記ダイオード素子側に押圧する押圧部材と、をさらに含む請求項17に記載に半導体装置。
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