JP2015207685A - 半導体モジュール及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１ｉｎ１タイプの半導体モジュールであってもインダクタンスを低減させることができる。
【解決手段】本発明の半導体モジュール１は、縦型の半導体素子３と、半導体素子の一方の主面に接続されて半導体素子を支持固定する第１主電極５と、半導体素子の他方の主面に接続されて外部への接続端子が設けられた第２主電極７とを備え、第２主電極７は、接続端子が設けられた方向とは異なる方向に延在して半導体モジュール１の側壁まで延びている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換用の半導体モジュールと、半導体モジュールを複数近接して配置した半導体装置に関する。

従来、３相のインバータを構成する半導体モジュールとしては、ＩＧＢＴ等の複数の半導体素子を上下アームで１パッケージにした２ｉｎ１タイプの半導体モジュールがあった。この２ｉｎ１タイプの半導体モジュールでは、上アームのエミッタ電極と下アームのコレクタ電極をパッケージ内で接続していた。

また、従来では、特許文献１に開示されているように、上アームと下アームで個別にパッケージした１ｉｎ１タイプの半導体モジュールもあった。

特開２００８−２１７９６号公報

しかしながら、上述した従来の１ｉｎ１タイプの半導体モジュールでは、エミッタ電極とコレクタ電極が独立してモジュールの外部に設けられていたため、２ｉｎ１タイプの半導体モジュールと比較してインダクタンスが大きくなってしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、１ｉｎ１タイプのパッケージであってもインダクタンスを低減させることのできる半導体モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体モジュール及び半導体装置は、縦型の半導体素子と、半導体素子の一方の主面に接続された第１主電極と、半導体素子の他方の主面に接続された第２主電極とを備える。そして、第１主電極は半導体素子を支持固定し、第２主電極は外部への接続端子が設けられ、接続端子が設けられた方向とは異なる方向に延在して半導体モジュールの側壁まで延びている。

本発明の一態様に係る半導体モジュール及び半導体装置では、第２主電極に流れる電流が他の電流に対して反対方向に流れるように配置されるので、相互インダクタンスの打ち消し合う効果によってインダクタンスを低減させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの構造を示す断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの構造を示す上面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の構造を示す上面図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の回路構成を示す回路図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの変形例の構造を示す断面図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの変形例の構造を示す断面図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの変形例の構造を示す断面図である。 図９は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の変形例の構造を示す断面図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの構造を示す断面図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの構造を示す上面図である。 図１２は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の構造を示す上面図である。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の構造を示す断面図である。 図１４は、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの変形例の構造を示す断面図である。 図１５は、本発明の第３実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の構造を示す断面図である。 図１６は、本発明の第３実施形態に係る半導体モジュールを２つ並べて配置した半導体装置の構造を示す断面図である。

以下、本発明を適用した第１〜第３実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［半導体モジュールの構成］
図１は本実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す断面図であり、図２は上面図である。図１は図２のＸ−Ｘ線における断面図であり、図２は樹脂１１を透過して示した上面図である。

図１、２に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子３と、第１主電極５と、第２主電極７とを備えている。

半導体モジュール１は、インバータの上下アームのいずれかを構成する１ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールであり、上述した各構成要素を樹脂１１で封止することによって構成されている。樹脂１１は、トランスファーモールド法でエポキシ等の熱硬化性樹脂を用いて成形することが望ましいが、ＰＰＳやゲル等を用いて封止してもよい。トランスファーモールド法では、樹脂を充填して硬化させた後に金型から抜く必要があるため、半導体モジュール１の側壁２１には角度がついたテーパー１３が形成される。このように半導体モジュール１をトランスファーモールド法で樹脂封止して形成することにより量産性を向上させることができる。

半導体素子３は、半導体基板の表面から裏面に電流が流れる縦型のＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子である。スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる場合には、還流用のダイオードが必要であるが、ＭＯＳＦＥＴを用いれば素子内に内蔵されるＰＮダイオードで還流できるためダイオードは不要にすることもできる。また、半導体素子３は、接合材９を介して第１主電極５及び第２主電極７に電気的に接続されている。接合材９は半田等の電気的に導通できるものであればよい。

尚、図２では、２つの半導体素子３を設けている。これらの半導体素子３が２つともスイッチング素子で信号端子１５に接続する必要がある場合には、それぞれの半導体素子３のボンディングパッド１９が信号端子１５のある同一の方向を向くように、半導体素子３を配置する。これにより、ボンディングパッド１９と信号端子１５との間をワイヤボンディングによって接続する際に容易に接続することができ、ワイヤの長さも短くできる。また、半導体素子３を信号端子１５に対して平行に配置すれば、信号端子１５とボンディングパッド１９を接続するワイヤの長さを揃えることができる。さらに、第２主電極７の形状についても四角形のシンプルな形状にできるので、加工費を抑えることができる。

第１主電極５は、半導体素子３を支持固定するダイパッドであり、銅やアルミニウム等の金属で形成され、半導体素子３の一方の主面に接続されている。第１主電極５には外部への接続端子であるパワー端子１７が設けられており、電源からの大電流が流される構成となっている。第１主電極５の下面は樹脂１１から露出しており、この露出部は絶縁材を介して冷却器に接続される。絶縁材としては絶縁シートや絶縁基板等を用いればよく、冷却器は空冷であっても水冷であってもよい。

また、第１主電極５上には信号端子１５が設けられている。信号端子１５は、図示しない絶縁基板によって第１主電極５と絶縁されており、半導体素子３のボンディングパッド１９に接続されている。ボンディングパッド１９と信号端子１５との間の接続方法は、ワイヤボンディング装置でアルミニウム等のワイヤで接続すればよい。信号端子１５は、ゲート制御や温度センシング、電流センシング等の信号を送受信するためのものであり、図２では２本の信号端子を記載しているが、必要に応じて数は調整すればよい。また、信号端子１５はインバータの制御基板に接続する必要があるため、樹脂１１から露出しているが、各部との絶縁距離を確保した上で制御基板の位置に応じて露出する位置を変更することができる。

第２主電極７は、銅やアルミニウム等の金属で形成され、半導体素子３の他方の主面に接続されている。第２主電極７には外部への接続端子であるパワー端子１８が設けられており、電源からの大電流が流される構成となっている。第２主電極７の形状は、パワー端子１７、１８が設けられた方向とは異なる方向に延在し、半導体モジュール１の側壁２１まで延びている。このとき、第２主電極７は、できるだけ側壁２１の表面近くまで伸びており、少なくとも第１主電極５よりも外側まで伸びている。尚、側壁２１がテーパー形状をしているので、第２主電極７は、テーパー１３によって側壁２１が最も外側に突出した部分にまで伸びるように形成することが好ましい。

このように第２主電極７の幅を広げたことにより、熱容量を確保できるので、熱抵抗を低減することができる。また、第２主電極７は、ボンディングパッド１９上には形成されていないので、ボンディングパッド１９と信号端子１５をワイヤで接続する工程を、半導体素子３と第２主電極７を接続する工程の前でも後でも実施することができる。したがって、工程の自由度を向上させることができる。

［半導体装置の構成］
次に、上述した半導体モジュールを複数近接して配置した半導体装置の構成について、図３、４を参照して説明する。図３は２つの半導体モジュールを近接して配置した半導体装置の構成を示す上面図であり、図４は図３のＹ−Ｙ線における断面図である。尚、図３では樹脂１１を透過して示している。

図３、４に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００は、１ｉｎ１タイプの半導体モジュール１Ａ、１Ｂによってそれぞれインバータの上アームと下アームを個別に構成し、２つの半導体モジュール１Ａ、１Ｂを近接して配置して上下アームを構成している。

半導体モジュール１Ａのパワー端子１７Ｐは電源のＰ側に接続され、半導体モジュール１Ｂのパワー端子１７Ｎは電源のＮ側に接続される。また、半導体モジュール１Ａ、１Ｂのパワー端子１８Ａ、１８Ｂはインバータの出力端子に接続され、モーター等の負荷に電力を供給する。この場合の回路図を図５に示す。３相のインバータを構成する場合には、図３、４に示した構成の半導体装置１００を１つの上下アームとし、これを３つ配置してＵＶＷの３相の交流を出力する。

図３、４に示す配置では、半導体モジュール１Ａに対して、半導体モジュール１Ｂを平面的に１８０度回転させて配置している。このような配置により、近接して配置された２つの半導体モジュール１Ａ、１Ｂでは、第２主電極７が延在して伸びている方向の側壁２１が対面して配置される。そして、上下アーム間に電流を流すと、半導体モジュール１Ａの第２主電極７に流れる電流と半導体モジュール１Ｂの第２主電極７に流れる電流は反対方向に流れる。これにより相互インダクタンスの打ち消し合う効果によってインダクタンスを低減させることができる。

また、対面している側壁２１の間の距離を絶縁距離に設定することにより、必要な絶縁距離を確保した上で最短距離に配置できるので、相互インダクタンスによるインダクタンス低減の効果を最大にすることができる。尚、第１主電極５を流れる電流についても、半導体モジュール１Ａと半導体モジュール１Ｂで逆向きになるので、相互インダクタンスが発生してインダクタンスを低減することができる。

さらに、同一構造の半導体モジュールを１８０度回転させて配置しているので、上アームと下アームで内部構造を変更することなく、１種類の半導体モジュールを用いて上下アームの各第２主電極７に流れる電流を逆向きに流すことができる。

［変形例］
上述した実施形態では、半導体素子３に半田等の接合材９で直接第２主電極７を接続していたが、図６に示すように、銅や銅モリブデンからなる導電性の柱２３を第２主電極７との間に挟んで接続してもよい。このように柱２３を設けたことにより、応力吸収や第２主電極７の高さ調整を行うことができる。

また、別の変形例としては、上述した実施形態では、ボンディングパッド１９の上に第２主電極７を形成しない形状としていたが、図７に示すように第２主電極７を半導体素子３から側壁２１の反対方向にも延長させて形成してもよい。その結果、第２主電極７はボンディングパッド１９上に形成されることになる。また、図８に示すように、第２主電極７を樹脂１１から露出させてもよい。このように第２主電極７を樹脂１１から露出させることにより、第２主電極７も絶縁材を介して冷却器に接続することができ、第１主電極５と共に両面を冷却することができる。尚、図示していないが、図１で示した形状の第２主電極７についても同様に樹脂１１から露出させてもよい。

さらに、別の変形例としては、２つの半導体モジュール１Ａ、１Ｂを図４で示したように平面上に設置するのではなく、図９に示すように山型の形状をした２つの斜面上にそれぞれ配置してもよい。このとき２つの斜面間の角度は、２つの側壁２１が平行になるような角度とする。これにより、半導体モジュール１Ａ、１Ｂ間の距離をより近づけることができるので、相互インダクタンスによる打ち消し合う効果を高めてインダクタンスをさらに低減させることができる。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る半導体モジュール１では、第２主電極を接続端子が設けられた方向とは異なる方向に延在し、半導体モジュールの側壁まで延ばしている。これにより、第２主電極が延在して延びている方向の側壁を、バスバー等の電流が流れている部分に近接して電流が逆方向に流れるように配置すれば、相互インダクタンスの打消し合う効果によってインダクタンスを低減させることができる。

また、本実施形態に係る半導体モジュール１では、側壁がテーパー形状をしており、テーパー形状によって側壁が最も外側に突出した部分にまで、第２主電極が延びている。これにより、第２主電極をバスバー等の電流が流れている部分により近づけることができるので、相互インダクタンスによる打ち消し合う効果を高めてインダクタンスをさらに低減させることができる。

さらに、本実施形態に係る半導体モジュール１では、半導体モジュールが半導体素子を複数備えている場合に、複数の半導体素子のボンディングパッドが同一方向を向くように、半導体素子を配置する。これにより、ボンディングパッドと信号端子を接続するワイヤボンディングの工程を容易に行うことができる。

また、本実施形態に係る半導体モジュール１では、第２主電極が半導体素子のボンディングパッド上には形成されていない。これにより、ボンディングパッドと信号端子を接続する工程は、半導体素子と第２主電極を接続する工程の前でも後でも実施することができ、工程の自由度を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る半導体装置１００では、近接して配置された２つの半導体モジュールにおいて、第２主電極が延在して延びている方向の側壁を対面して配置し、第２主電極にそれぞれ反対方向に電流を流している。これにより、相互インダクタンスの打ち消し合う効果によってインダクタンスを低減させることができる。

また、本実施形態に係る半導体装置１００では、近接して配置された２つの半導体モジュールにおいて、対面している側壁間の距離を絶縁距離とする。これにより、必要な絶縁距離を確保した上で最短距離に配置できるので、相互インダクタンスによるインダクタンス低減の効果を最大にすることができる。

さらに、本実施形態に係る半導体装置１００では、近接して配置された２つの半導体モジュールを平面的に１８０度回転させて配置する。これにより、同一構造の半導体モジュールによって、各半導体モジュールの第２主電極に流れる電流を逆向きに流すことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体モジュール及び半導体装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［半導体モジュールの構成］
図１０は本実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す断面図であり、図１１は上面図である。図１０は図１１のＸ−Ｘ線における断面図であり、図１１は樹脂１１を透過して示した上面図である。

図１０、１１に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール５１は、第２主電極５７の形状が第１実施形態と相違している。すなわち、第２主電極５７は、パワー端子１７、１８が設けられた方向とは異なる方向に延在して側壁２１まで延びるとともに、その反対方向にも延在して側壁２５まで延びている。そして、第２主電極５７は、半導体素子３に対して左右対称な形状をしている。

このように第２主電極５７を側壁２１から側壁２５まで延在させて拡大することにより、熱容量を増加させて熱抵抗を低減することができる。

［半導体装置の構成］
次に、上述した半導体モジュールを複数近接して配置した半導体装置の構成について、図１２、１３を参照して説明する。図１２は２つの半導体モジュールを近接して配置した半導体装置の構成を示す上面図であり、図１３は図１２のＹ−Ｙ線における断面図である。尚、図１２では樹脂１１を透過して示している。

図１２、１３に示すように、本実施形態に係る半導体装置１１０は、第１実施形態と同様に半導体モジュール５１Ａに対して、半導体モジュール５１Ｂを平面的に１８０度回転させて配置している。このような配置により、近接して配置された２つの半導体モジュール５１Ａ、５１Ｂでは、第２主電極５７が延在して伸びている方向の側壁２１が対面して配置される。そして、上下アーム間に電流を流すと、半導体モジュール５１Ａの第２主電極５７に流れる電流と半導体モジュール５１Ｂの第２主電極５７に流れる電流は反対方向に流れる。これにより相互インダクタンスの打ち消し合う効果によってインダクタンスを低減させることができる。また、半導体モジュール５１Ａ、５１Ｂの側壁２５をバスバー等の電流が流れる部分の近傍に配置し、電流が反対方向に流れるようにすれば、さらにインダクタンスを低減することができる。

［変形例］
上述した実施形態では、第２主電極５７を樹脂１１から露出させていないが、図１４に示すように、第２主電極５７を樹脂１１から露出させてもよい。このように第２主電極５７を樹脂１１から露出させることにより、第２主電極５７も絶縁材を介して冷却器に接続することができ、第１主電極５と共に両面を冷却することができる。特に、第２主電極５７は、側壁２１から側壁２５まで形成されているので面積が広く、冷却効率をより高くすることができる。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る半導体モジュール５１では、接続端子が設けられた方向とは異なる方向に第２主電極を延在するとともに、その延在した方向の反対方向にも第２主電極を延在して半導体モジュールの側壁まで延ばしている。そして、第２主電極を半導体素子に対して左右対称としている。これにより、第２主電極の面積が拡大するので、熱容量を増加させて熱抵抗を低減することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。尚、第１及び第２実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［半導体装置の構成］
図１５、１６は２つの半導体モジュールを近接して配置した半導体装置の構成を示す断面図である。

図１５に示すように、本実施形態に係る半導体装置１２０は、第１実施形態で説明した半導体モジュール１Ａ、１Ｂを、上下を反対に配置して近接させている。

上述した第１実施形態のように半導体モジュール１Ａ、１Ｂを平面的に１８０度回転させて配置した場合と比較して、本実施形態ではテーパー１３の角度を調整すれば半導体モジュール１Ａ、１Ｂ間の距離をさらに狭めることができる。

また、半導体モジュール１Ａの第２主電極７は、隣接する半導体モジュール１Ｂの第２主電極７だけでなく第１主電極５に対しても近接して配置される。したがって、第１主電極５に流れる電流についても、第２主電極７に流れる電流と反対方向に流れるようにすれば、相互インダクタンスの打ち消し合う効果によってさらにインダクタンスを低減することができる。

尚、図１６に示す半導体装置１３０は、図１５と同様に第２実施形態で説明した半導体モジュール５１Ａ、５１Ｂを、上下を反対に配置して近接させている。

［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る半導体装置１２０、１３０では、近接して配置された２つの半導体モジュールの上下を反対に配置する。これにより、同一構造の半導体モジュールによって、各半導体モジュールの第２主電極に流れる電流を逆向きに流すことができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、１Ａ、１Ｂ、５１、５１Ａ、５１Ｂ 半導体モジュール
３ 半導体素子
５ 第１主電極
７、５７ 第２主電極
９ 接合材
１１ 樹脂
１３ テーパー
１５ 信号端子
１７、１７Ｐ、１７Ｎ、１８、１８Ａ、１８Ｂ パワー端子
１９ ボンディングパッド
２１、２５ 側壁
２３ 柱
１００、１１０、１２０、１３０ 半導体装置

Claims (9)

1. 半導体モジュールであって、
   縦型の半導体素子と、
   前記半導体素子の一方の主面に接続され、前記半導体素子を支持固定する第１主電極と、
   前記半導体素子の他方の主面に接続され、外部への接続端子が設けられた第２主電極とを備え、
   前記第２主電極は、前記接続端子が設けられた方向とは異なる方向に延在し、前記半導体モジュールの側壁まで延びていることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記半導体モジュールは側壁がテーパー形状をしており、前記テーパー形状によって側壁が最も外側に突出した部分まで、前記第２主電極が延びていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記半導体モジュールが前記半導体素子を複数備えている場合に、前記複数の半導体素子のボンディングパッドが同一方向を向くように、前記半導体素子が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
4. 前記第２主電極は、前記半導体素子のボンディングパッド上には形成されていないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記第２主電極は、前記接続端子が設けられた方向とは異なる方向に延在するとともに、その延在した方向の反対方向にも延在して前記半導体モジュールの側壁まで延び、前記半導体素子に対して左右対称であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載された半導体モジュールを複数近接して配置した半導体装置であって、
   近接して配置された２つの半導体モジュールは、前記第２主電極が延在して延びている方向の側壁を対面して配置され、
   前記近接して配置された２つの半導体モジュールの第２主電極にはそれぞれ反対方向に電流が流されることを特徴とする半導体装置。
7. 前記近接して配置された２つの半導体モジュールは、対面している側壁間の距離が絶縁距離であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記近接して配置された２つの半導体モジュールは、平面的に１８０度回転して配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
9. 前記近接して配置された２つの半導体モジュールは、上下を反対に配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。

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