JP2017183518A - パワー半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上アーム側のＩＧＢＴと下アーム側のＩＧＢＴの間に中間接続部が配置されるため、パワー半導体装置がＩＧＢＴの並び方向に大きくなる欠点がある。
【解決手段】接続部３１０は、第１領域３０１の外側であって第１回路体３００Ｕの方向に突出した接続片３１１を第３導体部３４２Ｌに連接して一体的に有する。そして、接続片３１１を含む接続部３１０を第３導体部３４２Ｌとの連接部において、コレクタ面３４４と９０°の角度を有するように第４導体部３４１Ｌ側に曲げ加工形成する。その後、接続片３１１をその中間部分において第１回路体３００Ｕの方向に９０°の角度を有するように曲げ加工形成して、接続片３１１の側面３４６を第２導体部３４１Ｕの接続面３４３と対向させ、接続面３４３と接続する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、パワー半導体装置に関する。

パワー半導体装置の上アーム回路を構成するＩＧＢＴとダイオードは、上下から上アーム導体板で挟まれる様に金属接合材によって接合される。同様に、下アーム回路を構成するＩＧＢＴとダイオードは上下から下アーム導体板で挟まれる様に金属接合材によって接合される。パワー半導体装置は、上アーム回路と下アーム回路より成り、上アーム側のＩＧＢＴのエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴのコレクタ電極が中間接続部で接続され、上下アーム直列回路を形成している。特許文献１に記載のように、上アーム側のＩＧＢＴと下アーム側のＩＧＢＴは隣接して設けられ、その間に中間接続部が配置される。

特開２０１４−０４５１５７号公報

上述した特許文献１に記載の装置では、上アーム側のＩＧＢＴと下アーム側のＩＧＢＴの間に中間接続部が配置されるため、パワー半導体装置がＩＧＢＴの並び方向に大きくなる欠点がある。

本発明によるパワー半導体装置は、一方の面にコレクタ電極を設け、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を設けた第１半導体素子と、前記第１半導体素子のコレクタ電極と接続される第１導体部と、前記第１半導体素子を挟んで前記第１導体部と対向して配置され、前記第１半導体素子のエミッタ電極と接続される第２導体部と、より構成される第１回路体と、一方の面にコレクタ電極を設け、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を設けた第２半導体素子と、前記第２半導体素子のコレクタ電極と接続される第３導体部と、前記第２半導体素子を挟んで前記第３導体部と対向して配置され、前記第２半導体素子のエミッタ電極と接続される第４導体部と、より構成される第２回路体と、を備え、前記第１回路体と前記第２回路体とは第１領域を挟んで並列して設けられ、前記第１導体部と対向する前記第２導体部の接続面と前記第３導体部とを前記第１領域の外側から接続する接続部を有する。

本発明によれば、パワー半導体装置を小型にすることができる。

パワー半導体装置の回路構成図である。 パワー半導体装置の外観斜視図である。 封止材を除したパワー半導体装置の外観斜視図である。 パワー半導体装置の分解斜視図である。 パワー半導体装置の断面図である。 パワー半導体装置の導体部の平面図である。 パワー半導体装置の導体部の斜視図である。 第２の実施形態におけるパワー半導体装置の導体部の平面図である。 第２の実施形態におけるパワー半導体装置の導体部の斜視図である。

（第１の実施形態）
図１はパワー半導体装置３００の回路構成図である。
パワー半導体装置３００は、上アームである第１回路体３００Ｕ、下アームである第２回路体３００Ｌによって構成される。パワー半導体装置３００は、直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換装置（インバータ回路）に用いられ、図１に示すパワー半導体装置３００は、インバータ回路の１相分に相当する。

パワー半導体装置３００は、直流正極端子３１５と直流負極端子３１９を備え、直流正極端子３１５と直流負極端子３１９は、図示省略したバッテリに接続されて直流電力を入出力する。
パワー半導体装置３００は、交流電力を入出力する交流端子３２０を備える。この交流端子３２０は、図示省略したモータジェネレータに接続され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相のいずれかの交流電力を入出力する。

パワー半導体装置３００は、バッテリから供給された直流電力を三相交流電力に変換する半導体素子を備える。半導体素子は、図示省略したドライバ回路からの制御信号を受ける信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌを備え、信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌより受けた制御信号に応じて、導通あるいは遮断動作を行い、供給された直流電力を交流電力に変換する。

半導体素子は、第１半導体素子３２８、第２半導体素子３３０、第３半導体素子１５６、第４半導体素子１６６からなる。第１半導体素子３２８、第２半導体素子３３０は、例えばＩＧＢＴであるが、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いてもよい。第３半導体素子１５６、第４半導体素子１６６は、例えばダイオードである。

第１導体部３４２Ｕは、直流正極端子３１５に接続され、更に、第１半導体素子３２８のコレクタ電極および第３半導体素子１５６のカソード電極に接続される。第２導体部３４１Ｕは、接続部３１０を介して交流端子３２０に接続され、更に、第１半導体素子３２８のエミッタ電極および第３半導体素子１５６のアノード電極に接続される。第１半導体素子３２８、第３半導体素子１５６、第１導体部３４２Ｕ、および第２導体部３４１Ｕは、インバータ回路の第１回路体３００Ｕを構成する。

第３導体部３４２Ｌは、接続部３１０を介して交流端子３２０に接続され、更に、第２半導体素子３３０のコレクタ電極および第４半導体素子１６６のカソード電極に接続される。第４導体部３４１Ｌは、直流負極端子３１９に接続され、更に、第２半導体素子３３０のエミッタ電極および第４半導体素子１６６のアノード電極に接続される。第２半導体素子３３０、第４半導体素子１６６、第３導体部３４２Ｌ、および第４導体部３４１Ｌは、インバータ回路の第２回路体３００Ｌを構成する。

図２はパワー半導体装置３００の外観斜視図である。
パワー半導体装置３００には、上記の第１回路体３００Ｕ、第２回路体３００Ｌが封止材３５０で封止されている。封止材３５０は、たとえばトランスファーモールドで成形される樹脂材である。パワー半導体装置３００は、信号端子３２５Ｕ、信号端子３２５Ｌ、直流正極端子３１５、直流負極端子３１９、交流端子３２０が一側面から突出するように封止材３５０でモールドされる。なお、後述する接続部３１０も封止材３５０でモールドされる。

第２導体部３４１Ｕ、第４導体部３４１Ｌの外表面は封止材から一方面側に露出し、略同一平面に配置される。同様に、第１導体部３４２Ｕ、第３導体部３４２Ｌの外表面は封止材から他方面側に露出し、略同一平面に配置される。なお、封止材３５０でモールドされたパワー半導体装置３００は、図示省略する絶縁性の放熱装置に嵌装される。

図３は、図２に示す状態から封止材３５０を除したパワー半導体装置３００の外観斜視図である。
第１半導体素子３２８は、信号端子３２５Ｕとボンディングワイヤ３２４Ｕで接続される。第２半導体素子３３０は、信号端子３２５Ｌとボンディングワイヤ３２４Ｌで接続される。信号端子３２５Ｕは、第１半導体素子３２８とはんだ付けで接合してもよく、信号端子３２５Ｌは、第２半導体素子３３０とはんだ付けで接合してもよい。第１導体部３４２Ｕは、一側面に突出して直流正極端子３１５を形成する。第２導体部３４１Ｕは、接続部３１０を介して第３導体部３４２Ｌと接続される。第３導体部３４２Ｌは、一側面に突出して交流端子３２０を形成する。第４導体部３４１Ｌは、一側面に突出した直流負極端子３１９に接続される。接続部３１０の詳細は後述する。

図４はパワー半導体装置３００の分解斜視図である。
第１半導体素子３２８は、第１導体部３４２Ｕと第２導体部３４１Ｕとはんだ材３６０で接合される。第２半導体素子３３０は、第３導体部３４２Ｌと第４導体部３４１Ｌとはんだ材３６０で接合される。第３半導体素子１５６は、第１導体部３４２Ｕと第２導体部３４１Ｕとはんだ材３６０で接合される。第４半導体素子１６６は、第３導体部３４２Ｌと第４導体部３４１Ｌとはんだ材３６０で接合される。

第４導体部３４１Ｌは、直流負極端子３１９と接続する負極端子接続部３１９aを備える。負極端子接続部３１９aは、第４導体部３４１Ｌの露出部より第３導体部３４２Ｌに近い面に配置される。負極端子接続部３１９aは直流負極端子３１９とはんだ材３６０で接続される。
接続部３１０は、第３導体部３４２Ｌと一体の部材で成形され、第１回路体３００Ｕの方向に突出した接続片を有する。接続片は、折り曲げられて第２導体部３４１Ｕとはんだ材などで接続される。

図５は、図２に示したＡ面におけるパワー半導体装置３００の断面図である。
第１半導体素子３２８、第２半導体素子３３０は、一方の面にコレクタ電極が形成される。第１半導体素子３２８、第２半導体素子３３０は、コレクタ電極が形成される面とは反対の他方の面にエミッタ電極およびゲート電極が形成される。

第１半導体素子３２８は、第１導体部３４２Ｕと第２導体部３４１Ｕに挟まれるように配置される。第１導体部３４２Ｕは、第１半導体素子３２８のコレクタ電極にはんだ材３６０を介して接続される。第２導体部３４１Ｕは、 第１半導体素子３２８のエミッタ電極にはんだ材３６０を介して接続される。第１回路体３００Ｕは、第１半導体素子３２８と第１導体部３４２Ｕと第２導体部３４１Ｕで構成され、インバータ回路の上アームを構成する。

第２半導体素子３３０は、第３導体部３４２Ｌと第４導体部３４１Ｌに挟まれるように配置される。第３導体部３４２Ｌは、第２半導体素子３３０のコレクタ電極にはんだ材３６０を介して接続される。第４導体部３４１Ｌは、第２半導体素子３３０のエミッタ電極にはんだ材３６０を介して接続される。第２回路体３００Ｌは、第２半導体素子３３０と第３導体部３４２Ｌと第４導体部３４１Ｌで構成され、インバータ回路の下アームを構成する。

第２半導体素子３３０は、図２、図３に示す接続部３１０により第１半導体素子３２８と電気的に直列に接続される。第２導体部３４１Ｕにおける接続部３１０との接続面３４３は、第１導体部３４２Ｕと対向する面にあり、接続面３４３には第３導体部３４２Ｌから延びた接続部３１０がはんだ材３６０を介して接続される。第１回路体３００Ｕと第２回路体３００Ｌとは第１領域３０１を挟んで並列して設けられており、接続部３１０は第１領域３０１を迂回するように第１領域３０１の外側から回り込んで第２導体部３４１Ｕに接続する。従来のように第１領域３０１に接続部３１０を設けた場合には、第１領域３０１に接続部３１０の突出する空間を必要とし、そのためパワー半導体装置３００の第１回路体３００Ｕと第２回路体３００Ｌの並び方向の体格が大きくなっていた。

図６は、図５に示すＢ面をＣ方向から見たパワー半導体装置３００の平面図である。図７は、図６に示すＤ方向から見たパワー半導体装置３００の導体部の斜視図である。
図６、図７に示すように、第３導体部３４２Ｌは、第２半導体素子３３０のコレクタ電極との接続面に平行なコレクタ面３４４を有する。コレクタ面３４４は、第４導体部３４１Ｌと対向する面である。接続部３１０は、図６の２点鎖線で示すように、第１領域３０１の外側であって第１回路体３００Ｕの方向に突出した接続片３１１を第３導体部３４２Ｌに連接して一体的に有する。そして、接続片３１１を含む接続部３１０を第３導体部３４２Ｌとの連接部において、コレクタ面３４４に対して９０°の角度で第４導体部３４１Ｌ側に折り曲げ加工形成する。その後、接続片３１１をその中間部分において第１回路体３００Ｕの方向に９０°の角度を有するように折り曲げ加工形成する。これにより、コレクタ面３４４に対して所定の角度、具体的には９０°の角度で形成された接続片３１１の側面３４６を第２導体部３４１Ｕの接続面３４３と対向させる。その後、側面３４６を接続面３４３と接続することで、パワー半導体装置３００が形成される。

本実施形態によれば、接続部３１０は第１領域３０１を迂回するように第１領域３０１の外側から回り込んで第２導体部３４１Ｕに接続するので、パワー半導体装置３００の第１回路体３００Ｕと第２回路体３００Ｌの並び方向の体格を小さくすることができる。さらに、第１半導体素子３２８のエミッタ電極と第２導体部３４１Ｕとの接合面が小さいため、第２導体部３４１Ｕの端に接続面３４３を設けることができ、第１回路体３００Ｕと第２回路体３００Ｌの並び方向の小型化が可能である。

また、加工前の接続部３１０の形状は、第１導体部３４２Ｕと第３導体部３４２Ｌとで重なっていないため、第１導体部３４２Ｕ、第３導体部３４２Ｌ、接続部３１０を一体の部材で構成して、その後、加工することで部材構成を簡素化でき、生産性を向上することができる。
また、第１回路体３００Ｕ、第２回路体３００Ｌ、及び接続部３１０を封止材３５０で封止するので、接続部３１０の接続の信頼性を向上することができる。

（第２の実施形態）
次に、接続部３１０の第２の実施形態について説明する。接続部３１０の構成を除いて、その他の構成は、図１〜図５と同様であるのでその説明を省略する。
図８は、図５に示すＢ面をＣ方向から見たパワー半導体装置３００の平面図である。図９は、図８に示すＥ方向から見たパワー半導体装置３００の導体部の斜視図である。

図８、図９に示すように、第３導体部３４２Ｌは、第２半導体素子３３０のコレクタ電極との接続面に平行なコレクタ面３４４を有する。コレクタ面３４４は、第４導体部３４１Ｌと対向する面である。接続部３１０は、第１領域３０１の外側であって第１回路体３００Ｕの方向に突出した接続片３１２を第３導体部３４２Ｌに連接して一体的に有する。接続片３１２は、曲げ加工する前は図８の２点鎖線で示す形状である。そして、接続片３１２の長手方向との角度θが略４５度となる接続部曲げ面３１３を有する。そして、接続片３１２の接続部曲げ面３１３の曲げ線３１３ａに沿って接続片３１２をコレクタ面３４４と９０°の角度を有するように第４導体部３４１Ｌ側に折り曲げ加工形成する。その後、図９に示すように、接続片３１２を曲げ線３１３ｂに沿って第１回路体３００Ｕの方向に９０°の角度を有するように折り曲げ加工形成する。これにより、コレクタ面３４４と反対側の接続片３１２の裏面３４８を第２導体部３４１Ｕの接続面３４３と対向させる。その後、裏面３４８を接続面３４３と接続することで、パワー半導体装置３００が形成される。

本実施形態によれば、接続部３１０は第１領域３０１を迂回するように第１領域３０１の外側から回り込んで第２導体部３４１Ｕに接続するので、パワー半導体装置３００の第１回路体３００Ｕと第２回路体３００Ｌの並び方向の体格を小さくすることができる。さらに、接続片３１２の裏面３４８を第２導体部３４１Ｕの接続面３４３と接続するので、第１の実施形態と比較して、接続面積が大きくなり、配線抵抗が小さくなるため、配線の損失を小さくできる。

また、加工前の接続部３１０の形状は、第１導体部３４２Ｕと第３導体部３４２Ｌとで重なっていないため、第１導体部３４２Ｕ、第３導体部３４２Ｌ、接続部３１０を一体の部材で構成した後に加工することで部材構成を簡素化でき、生産性を向上することができる。
また、第１回路体３００Ｕ、第２回路体３００Ｌ、及び接続部３１０を封止材３５０で封止するので、接続部３１０の接続の信頼性を向上することができる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）パワー半導体装置は、一方の面にコレクタ電極を設け、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を設けた第１半導体素子（３２８）と、第１半導体素子（３２８）のコレクタ電極と接続される第１導体部（３４２Ｕ）と、第１半導体素子（３２８）を挟んで第１導体部（３４２Ｕ）と対向して配置され、第１半導体素子（３２８）のエミッタ電極と接続される第２導体部（３４１Ｕ）と、より構成される第１回路体（３００Ｕ）と、一方の面にコレクタ電極を設け、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を設けた第２半導体素子（３３０）と、第２半導体素子（３３０）のコレクタ電極と接続される第３導体部（３４２Ｌ）と、第２半導体素子（３３０）を挟んで第３導体部（３４２Ｌ）と対向して配置され、第２半導体素子（３３０）のエミッタ電極と接続される第４導体部（３４１Ｌ）と、より構成される第２回路体（３００Ｌ）と、を備え、第１回路体（３００Ｕ）と第２回路体（３００Ｌ）とは第１領域（３０１）を挟んで並列して設けられ、第１導体部（３４２Ｕ）と対向する第２導体部（３４１Ｕ）の接続面と第３導体部（３４２Ｌ）とを第１領域の外側から接続する接続部（３１０）を有する。これにより、パワー半導体装置を小型にすることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した第１および第２の実施形態を次のように変形して実施することができる。
（１）接続部３１０は、接続片３１１、３１２を第３導体部３４２Ｌに連接して一体的に有する場合を説明した。しかし、第３導体部３４２Ｌとは分離した接続片３１１、３１２を用いても良い。この場合は、接続片３１１、３１２を第２導体部３４１Ｕの接続面３４３に接続すると共に、第３導体部３４２Ｌにも接続する。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と変形例とを組み合わせた構成としてもよい。

１５６…第３半導体素子
１６６…第４半導体素子
３００…パワー半導体装置
３００Ｕ…第１回路体
３００Ｌ…第２回路体
３０１…第１領域
３１０…接続部
３１１、３１２…接続片
３１３…接続部曲げ面
３１５…直流正極端子
３１９…直流負極端子
３１９a…負極端子接続部
３２０…交流端子
３２４Ｕ、３２４Ｌ…ボンディングワイヤ
３２５Ｕ、３２５Ｌ…信号端子
３２８…第１半導体素子
３３０…第２半導体素子
３４１Ｕ…第２導体部
３４１Ｌ…第４導体部
３４２Ｕ…第１導体部
３４２Ｌ…第３導体部
３４３…接続面
３４４…コレクタ面
３４６…側面
３４８…裏面
３５０…封止材
３６０…はんだ材

Claims (4)

1. 一方の面にコレクタ電極を設け、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を設けた第１半導体素子と、前記第１半導体素子のコレクタ電極と接続される第１導体部と、前記第１半導体素子を挟んで前記第１導体部と対向して配置され、前記第１半導体素子のエミッタ電極と接続される第２導体部と、より構成される第１回路体と、
   一方の面にコレクタ電極を設け、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を設けた第２半導体素子と、前記第２半導体素子のコレクタ電極と接続される第３導体部と、前記第２半導体素子を挟んで前記第３導体部と対向して配置され、前記第２半導体素子のエミッタ電極と接続される第４導体部と、より構成される第２回路体と、を備え、
   前記第１回路体と前記第２回路体とは第１領域を挟んで並列して設けられ、前記第１導体部と対向する前記第２導体部の接続面と前記第３導体部とを前記第１領域の外側から接続する接続部を有するパワー半導体装置。
2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
   前記第１回路体、前記第２回路体、及び前記接続部を封止する封止材を備えるパワー半導体装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のパワー半導体装置において、
   前記接続部は、前記第１領域の外側であって前記第１回路体の方向に突出した接続片を前記第３導体部に連接して一体的に有し、
   前記第３導体部は、前記第２半導体素子の前記コレクタ電極と接続される接続面と平行なコレクタ面を有し、
   前記接続片は、前記コレクタ面に対して所定の角度で形成された側面が前記第２導体部の前記接続面と対向するように折り曲げられており、
   前記接続片の前記側面が前記第２導体部の前記接続面と接続されているパワー半導体装置。
4. 請求項１または請求項２に記載のパワー半導体装置において、
   前記接続部は、前記第１領域の外側であって前記第１回路体の方向に突出した接続片を前記第３導体部に連接して一体的に有し、
   前記第３導体部は、前記第２半導体素子の前記コレクタ電極と接続される接続面と平行なコレクタ面を有し、
   前記接続片は、前記コレクタ面と反対側の裏面が前記第２導体部の前記接続面と対向するように折り曲げられており、
   前記接続片の前記裏面が前記第２導体部の前記接続面と接続されているパワー半導体装置。
   

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