JP2017199827A - パワー半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】実装面積の縮小による装置全体の小型軽量化が可能で、ノイズの影響を受け難いパワー半導体装置を得る。【解決手段】パワー半導体装置は、リードフレーム上に搭載されたパワー半導体素子を樹脂により封止したモジュールと、モジュールの一端面から突出させると共に、リードフレームにより形成されたＰ端子と、一端面に対向するモジュールの他端面から突出して形成されたＮ端子と、他端面から突出して形成され、Ｎ端子を挟む両側に配置された第１および第２のＡＣ端子とを備えたものである。【選択図】図１

Description

この発明は、パワー半導体装置に関するものであり、例えば、Ｐ端子、Ｎ端子、ＡＣ端子の主端子と信号端子を有するパワー半導体素子とその他電子部品とリードフレームをモールド樹脂にて封止したパワー半導体装置に関するものである。
従来、電力変換用のパワー半導体装置は、輸送用機器、生活家電など様々な製品に組み込まれている。また、これまでパワー半導体装置を備えていなかった製品においても、さらなる省電力化、高効率化などの要求から、パワー半導体装置が組み込まれるケースが増加している。これらの製品では、さらなる小型化、耐久性の向上が求められており、当該製品に搭載されるパワー半導体装置に対してもさらなる小型化、高耐久化などが求められている。パワー半導体装置は、Ｐ端子、Ｎ端子、ＡＣ端子からなる主端子と信号端子を備え、パワー半導体素子とその他電子部品とリードフレームをモールド樹脂にて封止された構成が一般的である。
パワー半導体装置は、家庭用電化製品あるいはコンピュータなどに使用される半導体素子に比べて、高電圧、大電流、高周波動作が可能である。しかし、パワー半導体装置は、その反面、熱を発して高温になりやすく電力損失の低減が課題である。例えば、電力変換装置として幅広く利用されているスイッチング電源は、大電流回路を高速に繰り返し開閉し続けることで電力を制御しているが、スイッチング素子として使われるパワー半導体装置のオン抵抗や順方向電圧降下により電力が損失する。オン抵抗は、半導体素子の動作時の入力抵抗で、オン抵抗が大きいと電流が流れた時に発熱して電力をロスする。また、発熱により動作不安定になるなど、性能劣化による信頼性の低下につながる。
従って、オン抵抗が小さいほど省エネ、高信頼性で、熱を放出するための冷却機器も小型化にできるため、装置全体の小型軽量化が図られる。パワー半導体装置のオン抵抗による電力損失や信頼性、耐久性、サイズの小型化などに影響を与えるものの１つが、半導体素子の電流経路における抵抗やインダクタンスを軽減することなど、主端子および信号端子の配線構造や配置など含めたモジュール構造に因るものである。
例えば、特許文献１に開示された半導体装置では、モジュールの片方にインバータグランド端子、巻線端子、インバータ入力の順で配列されていることで、電流が端子間で逆方向に流れインダクタンスを低減することが可能である。
特許第５０６７６７９号公報
しかしながら、特許文献１に示された半導体装置では、機電一体型製品などに円周状に配置しようとした場合に、すべての端子が片方から出ているために外部配線が煩雑になり結果としてインバータサイズが増大するという問題がある。
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、電力損失の低減とそれに伴う省エネ化、さらには電力制御装置の小型軽量化が可能なパワー半導体装置を得ることを目的としている。
この発明に係るパワー半導体装置は、リードフレーム上に搭載されたパワー半導体素子を樹脂により封止したモジュールと、前記モジュールの一端面から突出させると共に、前記リードフレームにより形成されたＰ端子と、前記一端面に対向する前記モジュールの他端面から突出して形成されたＮ端子と、前記他端面から突出して形成され、前記Ｎ端子を挟む両側に配置された第１および第２のＡＣ端子と、を備えたものである。
この発明によるパワー半導体装置によれば、Ｐ端子とＡＣ端子が反対側の面に配置されることで、電流経路は折り返しのない一方向のみの経路となり、モジュール内の配線インダクタンスを小さくできる。また、ＡＣ端子からＮ端子への電流経路は、２個のＡＣ端子とＮ端子がそれぞれ隣り合った状態に配置されているので、入力側と出力側の経路がとなりあった逆方向に通電される位置関係となり、インダクタンスが低減できるためパワー半導体装置の発熱量を低減することができる。さらにまた、主端子であるＮ端子とＰ端子の距離を離すことができ、主端子間に大電流が流れる際に発生する放射ノイズが信号端子へ与える影響を低減することができる。
この発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置を模式的に示す外形図である。 図１のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す平面図である。 図１のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す回路図である。 図１のＡ−Ａ線の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置を模式的に示す外形図である。 図５のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す平面図である。
実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
図１は、この発明の実施の形態１におけるパワー半導体装置を模式的に示す外形図である。また、図２は、図１のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す平面図である。さらにまた、図３は、図１のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す回路図である。また、図４は図１のＡ−Ａ線の断面図である。図４においては、図１で示すパワー半導体装置１が冷却器８上に搭載されている。
図１に示すように、パワー半導体装置１は、パワー半導体素子１６と抵抗などのその他電子部品、そしてリードフレーム１０をモールド成形された樹脂１５（以下、モールド樹脂と称す）で封止したモジュール６を備えている。
そして、モジュール６の側面から突出して形成されたＰ端子２、Ｎ端子３、Ｎ端子３を挟んだ両側から突出して形成された２本のＡＣ端子４を備えている。さらにまた、パワー半導体装置１は、複数本の信号端子５を備えている。
主端子であるＰ端子２、Ｎ端子３、ＡＣ端子４は、パワー半導体装置１の主電源を入力するための電源端子である。また、Ｐ端子２はプラス端子であり、Ｎ端子３はマイナス端子である。また、ＡＣ端子は中間電位端子である。
主端子は金属製であり、例えば、銅やステンレス鋼を基材とした合金から形成されている。主端子の表面は、基材の金属が露出していても良いし、当該表面の少なくとも一部にめっき処理が施されていても良い。主端子は、リードフレーム１０から形成されている。
また、Ｐ端子２とＮ端子３は、モジュール６の中心線７上に配置されている。一方のＡＣ端子４とＮ端子３の長さと他方のＡＣ端子４とＮ端子３の長さは同じであり、２本のＡＣ端子４とＮ端子３の間隔は、同間隔である。
信号端子５は、主端子が突出して形成されたモジュール６の側面とは異なる側面に配置され、モールド樹脂で封止されたモジュール６の側面から突出して形成されている。信号端子５は、パワー半導体素子１６の動作を制御する信号を入力するための端子である。
信号端子５は、主端子と同様に金属製であり、合金で形成されている。また、リード１４の表面の少なくとも一部または全体にめっき処理が施されていてもよい。
図４に示すように、パワー半導体素子１６は、パワー半導体素子１６の上面および下面にそれぞれ設けられた上面電極および下面電極（図示なし）を備えている。パワー半導体素子１６の下面電極は、リードフレーム１０の内部端子上に導電性部材１１を介して接合されることによって、リードフレーム１０と機械的及び電気的に接続されている。また、パワー半導体素子１６の上面電極は、インナーリード１２の下部と導電性部材を介して接合されることによって、インナーリード１２と機械的及び電気的に接続されている。さらにまた、パワー半導体素子１６は、ワイヤ１３により外部端子であるリード１４に接続されている。
パワー半導体素子１６は、オン時にはその厚さ方向に電流を流し、オフ時には当該電流を遮断する。
なお、パワー半導体素子１６の材料としては、例えば、Ｓｉのみならず、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどが用いられても良い。また、パワー半導体素子１６の上面電極の表面には、Ｎｉめっき層などのはんだ付けができる層が設けられてもよい。
パワー半導体装置１は、電力の制御または供給を行う半導体装置であり、大きな電圧、電流を扱うことが特徴である。パワー半導体装置１は、電圧、周波数の変換、直流を交流に、そして交流を直流に変換するなどの電力変換用途に用いられている。また、パワー半導体装置１は、エアコン、冷蔵庫、洗濯機など家電製品のインバータ、ハイブリッド自動車、鉄道車両の駆動系装置、照明機器の照度制御用途などに使用されている。
導電性部材１１は、リードフレーム１０の内部端子とパワー半導体素子１６の下面電極との間に配設される。導電性部材には、例えば、はんだやＡｇ（銀）ペーストなどが用いられる。
モールド成形された樹脂１５は、パワー半導体素子１６とその他の電子部品及びインナーリード１２などを覆い、パワー半導体素子１６を光、熱、湿度、振動などの外部環境要因から保護することを目的として、パッケージ用封止材料として使用される。
モールド成形された樹脂１５（モールド樹脂）は、高分子内に残存させたエポキシ基で架橋ネットワーク化させて硬化させることが可能な熱硬化性のエポキシ樹脂にシリカ充填材等を加えた物が一般的である。
インナーリード１２は、パワー半導体素子１６の下面電極と導電性部材１１を介して接合されている。さらに、パワー半導体素子１６の上面電極とも導電性部材１１を介して接合されている。インナーリード１２は、切削加工、押出し加工、引抜き加工、鋳造、鍛造、つぶし加工、放電加工などの加工方法で成型されている。
比較例としての特許文献１では、モジュールの片方にインバータグランド端子、巻線端子、インバータ入力の順で配列されていることで、電流が端子間で逆方向に流れインダクタンスが低減される。しかしながら、比較例としての特許文献１では、機電一体型製品などのようにパワー半導体装置を円形配置しようとした場合に、すべての端子が片方から出ているために、外部配線が煩雑になり、結果としてインバータサイズが増大するという問題があった。
この発明の実施の形態１に係るパワー半導体装置においては、図１に示すように、Ｐ端子２とＡＣ端子４が反対側の面に配置されることで、電流経路は折り返しのない一方向のみの経路となり、パワー半導体装置１内の配線インダクタンスが小さくできる。また、ＡＣ端子４からＮ端子３への電流経路は、２本のＡＣ端子４とＮ端子３がそれぞれ隣り合った状態に配置されているので、入力側と出力側の経路がとなりあった逆方向に通電される位置関係となり、インダクタンスが低減できるため、パワー半導体装置１の発熱量を低減することができる。さらにまた、主端子であるＮ端子とＰ端子の距離を離すことができ、主端子間に大電流が流れる際に発生する放射ノイズが信号端子へ与える影響を低減することができる。
また、図２は、図１のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す平面図である。例えば、図２においては、６個のパワー半導体装置１を冷却器８の凸部（図示なし）上に搭載している。図２に示すように、複数本の信号端子５を有するパワー半導体装置１は、モーター等の回転機の周りに、Ｐ端子２を回転軸中心側２０に向けて円周状に実装配置されている。また、Ｎ端子３は、回転機外周側２１に配置されている。これにより、パワー半導体装置１の配置密度を向上させることができ、小型なインバータが得られる。さらに、信号端子５と主端子の距離を離すことができ、ノイズの影響を受け難い効果がある。
さらに、図３は、図１のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す回路図である。図３に示すように、回転電機は、例えば、直流電源２２とパワー半導体素子１６を搭載したパワー半導体装置１と三相モーター２３（三相交流回路）の２相分を備え、六相分相当の電力変換回路を構成することができる。そのため、この発明の実施の形態１においては、回転電機の組立製造工程における生産性向上が見込まれる。
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置を模式的に示す外形図である。また、図６は、図５のパワー半導体装置を配置した回転電機を示す平面図である。図５に示すように、実施の形態２においては、実施の形態１に係るパワー半導体装置１に示した外形形状を一般的な四角形タイプから台形タイプにすることが可能である。これにより、モジュールサイズを小型化することによるパワー半導体装置１の通電抵抗の低減とそれに伴う発熱量低減によるパワー半導体装置１の耐久性や信頼性の向上にもつながる。
さらには、サイズの小型化による使用部材の低減、さらにはモーター等の被実装体の小型軽量化にともなうコスト低減も可能となる。
さらに、図６に示すように、モータージェネレーターなどに搭載する場合、回転軸中心側２０（回転軸の内周側）にＰ端子２を、回転機外周側２１にＮ端子３およびＡＣ端子４を向けてパワー半導体装置１を配置する。これにより、小型なインバータを得られ、パワー半導体装置１内の配線の経路が最短距離となるため、パワー半導体装置１内部のインダクタンスを低減でき、スイッチング損失を小さくできる。さらに、信号端子５と主端子の距離を離すことができ、ノイズの影響を受け難い効果がある。また、パワー半導体装置１のＰ端子２とＮ端子３を分離できるため、Ｐ端子２とＮ端子３との間の短絡を防止できる。
また、この発明の実施の形態２では、主端子に入力される大電流の通過経路と、微弱な電流を取り出す信号端子５間の距離を離すことで、主端子に流れる大電流の磁界を受けにくくして、信号線に印加される放射ノイズの影響を低減することができる。さらに、製造工程におけるパワー半導体素子１６とインナーリード１２を接続するための導電性部材１１、一例として噴流はんだ付け工程の作業性が改善される。
さらに、この発明の実施の形態２では、モーター等の回転機の周りに、Ｐ端子２を回転軸中心側２０に向けて円周状に実装配置されている。これにより、パワー半導体装置１の配置密度を向上させることができ、小型なインバータが得られる。また、パワー半導体装置１内の配線経路が最短距離となるため、パワー半導体装置１内部の抵抗またはインダクタンスを低減でき、パワー半導体装置１の発熱量を低減できるため、スイッチング損失を小さくできる。
また、この発明の実施の形態２では、パワー半導体素子１６の搭載面の裏側のリードフレーム１０の一部分をモールド成形された樹脂１５から露出し、絶縁性部材９を介してヒートスプレッダ、ヒートシンクなどの冷却器８と接着することで、パワー半導体素子１６自身の発した熱を効率よく外部に逃がすことができるため、パワー半導体装置１自身が発熱の影響を受けにくく、耐久性や信頼性の向上につながる。
また、この発明の実施の形態２では、パワー半導体素子１６を４個以上備えたパワー半導体装置１を３個以上組み合わせて搭載することによって、三相交流回路を並列接続した６相回路相当分以上の性能を備えた電力変換回路を構成することができる。
また、図５に示すように、この発明の実施の形態２に係るパワー半導体装置１では、モジュール６の形状を台形形状にすることで、一般的なパワー半導体装置１のモジュール６の形状である四角形形状をモーター等回転機の回転軸周りに実装する場合に比べて、実装面積を小さくする事ができ、被実装体の小型化軽量化が可能である。
また、この発明の実施の形態２では、モータージェネレーターなどの回転軸中心側２０に向けてＰ端子２を円周状に３個以上配置することで、電力変換回路を構成することができる。
なお、この発明は、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 パワー半導体装置、２ Ｐ端子、３ Ｎ端子、４ ＡＣ端子、５ 信号端子、６ モジュール、７ 中心線、８ 冷却器、９ 絶縁性部材、１０ リードフレーム、１１ 導電性部材、１２ インナーリード、１３ ワイヤ、１４ リード（外部端子）、１５ モールド成形された樹脂、１６ パワー半導体素子

Claims (8)

  1. リードフレーム上に搭載されたパワー半導体素子を樹脂により封止したモジュールと、
    前記モジュールの一端面から突出させると共に、前記リードフレームにより形成されたＰ端子と、
    前記一端面に対向する前記モジュールの他端面から突出して形成されたＮ端子と、
    前記他端面から突出して形成され、前記Ｎ端子を挟む両側に配置された第１および第２のＡＣ端子と、を備えたことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 前記Ｐ端子と前記Ｎ端子は、前記モジュールの前記一端面および前記他端面の中心線上に配置されており、
    前記第１および第２のＡＣ端子と前記Ｎ端子との間隔は、同間隔であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
  3. 前記Ｐ端子が配置された前記一端面、前記Ｎ端子および前記ＡＣ端子が配置された前記他端面とは異なる前記モジュールの側面から突出して形成された信号端子を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワー半導体装置。
  4. 前記リードフレームの前記パワー半導体素子の搭載面とは反対側の面は、前記面の一部分が前記樹脂から露出されており、
    前記リードフレームの前記一部分は、絶縁性部材を介して冷却部品と接合されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  5. 前記モジュールの外形は、前記他端面の長さが前記一端面の長さよりも長い台形型であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  6. 前記モジュールの前記Ｐ端子を回転機の回転軸側に向けて円周上に配置することで、電力変換回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  7. 前記パワー半導体素子を４個以上有する前記モジュールを３個以上組み合わせて搭載することによって、３相交流回路を並列接続した６相回路相当分以上の性能を備えた電力変換回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
  8. 前記モジュールを３個以上組み合わせることによって、モータージェネレーター用途の２並列の３相交流回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体装置。
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