JP2022064644A - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部装置への熱の伝達を抑制しつつ特性が改善された半導体装置および当該半導体装置を用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】半導体装置100は、半導体素子4と、導電経路部材3と、導電線12とを備える。導電経路部材3は、半導体素子4と接続されている。導電経路部材3は、括れ部11と、第1領域3aと、第2領域3bとを含む。括れ部11の断面積は、導電経路部材3において括れ部11を挟むように配置される第1領域および第2領域の断面積より小さい。導電線12は、括れ部11を跨ぐように、第1領域3aと第2領域3bとを接続する。【選択図】図1
Description
本開示は、半導体装置および電力変換装置に関する。
従来、電力変換装置などに用いられる半導体装置が知られている。当該半導体装置に関して、半導体装置が接続される外部装置の健全性を確保する観点から、当該外部装置への熱の伝達を抑制することが求められる。このような目的ため、半導体素子に接続されたリード部において、当該リード部の長手方向に沿って断面積が局所的に減少した括れ部が設けられた半導体装置が知られている(たとえば、特開2020-96085号公報参照)。
半導体装置においては、高電圧化または大電流化といった要請がある。この場合、上述のようにリード部に括れ部が形成された半導体装置では、当該括れ部の存在に起因して半導体装置の高電圧化または大電流化といった特性の改善に支障を来す可能性がある。この結果、外部装置への熱の伝達を抑制しつつ大電流化といった特性の改善を行うことは困難であった。
本開示の目的は、外部装置への熱の伝達を抑制しつつ特性が改善された半導体装置および当該半導体装置を用いた電力変換装置を提供することである。
本開示に係る半導体装置は、半導体素子と、導電経路部材と、導電線とを備える。導電経路部材は、半導体素子と接続されている。導電経路部材は、括れ部と、第1領域と、第2領域とを含む。括れ部の断面積は、導電経路部材において括れ部を挟むように配置される第1領域および第2領域の断面積より小さい。導電線は、括れ部を跨ぐように、第1領域と第2領域とを接続する。
本開示に係る電力変換装置は、主変換回路と制御回路とを備える。主変換回路は、上記半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。
上記によれば、外部装置への熱の伝達を抑制しつつ特性が改善された半導体装置および当該半導体装置を用いた電力変換装置を実現できる。
以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、Z方向が鉛直方向、XY面が水平面となるように、XYZ直交座標を規定する。また、方向に正負の符号を付ける場合は、+X、+Yおよび+Z方向が各図に示した直交座標の矢印方向を指すものとして以下で説明する。
実施の形態1.
<半導体装置の構成>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置の上面模式図である。図2は、図1の線分II-IIにおける断面模式図である。図3は、図2の領域IIIにおける部分平面模式図である。図4は、図3の線分IV-IVにおける断面模式図である。
<半導体装置の構成>
図1は、実施の形態1に係る半導体装置の上面模式図である。図2は、図1の線分II-IIにおける断面模式図である。図3は、図2の領域IIIにおける部分平面模式図である。図4は、図3の線分IV-IVにおける断面模式図である。
図1から図4に示した半導体装置100は、半導体素子4と、ヒートシンク1と、絶縁シート2と、パワーリードである複数の導電経路部材3と、導電線12と、制御リードである複数の制御端子部材5と、制御用素子6と、パワーワイヤ8と、信号ワイヤとしての素子用導電線9と、制御ワイヤ10と、封止樹脂7とを主に備える。ヒートシンク1は、たとえばXY平面に平行に配置された板状の形状を有する。なおヒートシンク1の形状は上述した板状に限らず任意の形状とすることができる。ヒートシンク1の上部表面上に絶縁シート2が配置されている。絶縁シート2上に導電経路部材3が配置されている。導電経路部材3は、ダイパッドであるパッド部30と、リード部33とを含む。パッド部30は平板状の形状を有する。リード部33はパッド部30に接続されている。リード部33は、内部パワーリード31と外部パワーリード32とを含む。内部パワーリード31はパッド部30に接続されている。外部パワーリード32は、内部パワーリード31においてパッド部30と接続された側と反対側に接続されている。
導電経路部材3のパッド部30には、半導体素子4が接合部材としてのはんだによって接続されている。なお、半導体素子4とパッド部30との接合部材としては、はんだに限らず、銀ペースト等のダイボンド材を用いてもよい。
導電経路部材3の内部パワーリード31は、図3および図4に示すように括れ部11と、第1領域3aと、第2領域3bとを含む。括れ部11の断面積は、導電経路部材3の内部パワーリード31において括れ部11を挟むように配置される第1領域および第2領域の断面積より小さい。導電線12は、括れ部11を跨ぐように、第1領域3aと第2領域3bとを接続する。なお、括れ部11および導電線12の構成の詳細については後述する。
半導体素子4は、素子用導電線9を介して制御端子部材5と電気的に接続されている。また、半導体素子4は、パワーワイヤ8を介して内部パワーリード31と電気的に接続されている。
制御端子部材5は、絶縁シート2と間隔を隔てて配置されている。制御端子部材5は内部制御リード51と外部制御リード52とを含む。内部制御リード51の上部表面には、接合部材としてのはんだを介して制御用素子6が接続されている。制御用素子6は、制御ワイヤ10を介して内部制御リード51と電気的に接続されている。なお、制御用素子6と内部制御リード51との接合部材としては、はんだに限らず、銀ペースト等のダイボンド材を用いてもよい。
封止樹脂7は、半導体素子4と、導電経路部材3のパッド部30および内部パワーリード31と、制御用素子6と、内部制御リード51と、導電線12とを少なくとも封止する。導電経路部材3の一部および制御端子部材5の一部は封止樹脂7の外部に突出する部分を含む。外部パワーリード32および外部制御リード52は封止樹脂7の外部に露出している。なお、本明細書においては、上述したパワーリードおよび制御リードを総称してリードと呼ぶことがある。ヒートシンク1の放熱面(ヒートシンク1において絶縁シート2が接続された表面と反対側の面)は封止樹脂7から露出している。封止樹脂7はトランスファーモールド成形されている。
上述した半導体装置100の構成をより詳しく説明する。ヒートシンク1は、例えば放熱フィン(図示せず)等を取り付けることにより、半導体装置100の内部で発生した熱を外部へ放熱する。ヒートシンク1は、例えばアルミニウム(Al)にマグネシウム(Mg)またはマンガン(Mn)を添加した合金で構成される。なお、ヒートシンク1の材料は、他の金属でもよいし、金属に限らず熱伝導率が高い無機物または有機物でもよい。
絶縁シート2は、たとえば絶縁性フィラーと樹脂とによって構成されるシートである。絶縁シート2はヒートシンク1の上部表面に接合されている。なお、絶縁シート2の代わりとして、セラミック基板、または層間に絶縁性部材を挟んだ金属基板、またはガラスエポキシ基板等を用いてもよい。
パワーリードとしての導電経路部材3は、たとえば銅(Cu)によって形成されている。導電経路部材3のパッド部30および内部パワーリード31は、境界線を示す図2のB-B線より封止樹脂7側に位置し、封止樹脂7の内部に封止して設けられる。導電経路部材3の外部パワーリード32は、図2のB-B線より外側に位置し、+X方向に向かって封止樹脂7から外部へ突出する。外部パワーリード32の先端部は、半導体装置100において、ヒートシンク1が設けられた側とは反対側である+Z方向へと屈曲している。導電経路部材3において、少なくとも外部パワーリード32の表面にはSnめっき層が形成されている。
半導体素子4は、たとえばSi(シリコン)を半導体材料とするIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor/絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)である。半導体素子4は、上述のように導電経路部材3のパッド部30上にはんだによって接合されている。また、半導体素子4のゲート電極は、パワーワイヤ8によって内部パワーリード31に、素子用導電線9によって内部制御リード51に、それぞれ電気的に接続される。制御用素子6と半導体素子4とは、素子用導電線9を介して互いに信号の送受信を行う。
なお、本実施の形態では、半導体素子4としてIGBTを備える半導体装置について説明するが、半導体素子4はこれに限られるものではなく、MOSFET(Metal―Oxide―Semiconductor Field―Effect Transistor/金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)またはダイオード等を半導体素子4として用いてもよい。また、本実施の形態では、半導体素子4がSiを半導体材料とする例について説明するが、半導体材料はこれに限られるものではなく、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)またはダイヤモンド(C)のようなワイドバンドギャップ半導体材料を半導体素子4の材料としてもよい。
制御端子部材5は、たとえば銅(Cu)によって形成されている。制御端子部材5の内部制御リード51は、図2のC-C線で示す境界線より封止樹脂7側に位置し、封止樹脂7の内部に設けられる。制御端子部材5の外部制御リード52は、図2のC-C線より外側(封止樹脂7が位置する側と反対側)に位置し、-X方向へ向かって封止樹脂7から外部へ突出する。内部制御リード51は、たとえば平板状の形状を有する。外部制御リード52の先端部は、+Z方向へと屈曲している。制御端子部材5において、少なくとも外部制御リード52の表面にはSnめっき層が形成されている。
封止樹脂7は、たとえばトランスファーモールドによって成形される。封止樹脂7は、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはアクリル樹脂等の絶縁性を有する樹脂、あるいはこれらいずれかの樹脂にフィラーが分散された絶縁性複合材料で形成される。
次に、本実施の形態に係る半導体装置100の括れ部11と導電線12との構成について、図3および図4を用いて説明する。図3では、図2の本実施の形態に係る半導体装置100の矢印Z1で示す方向から見た領域IIIの内部パワーリード31を示している。
図3および図4に示すように、半導体装置100は、内部パワーリード31の一部が細く括れた括れ部11を備える。括れ部11は、内部パワーリード31の延在方向に垂直な幅方向において中央部に配置されている。異なる観点から言えば、内部パワーリード31の幅方向における両側に切欠き部が形成されることで、幅方向の中央部に位置する残存部が括れ部11となっている。これにより、半導体素子4から外部パワーリード32への伝熱経路の断面積が括れ部11において減少する。この結果、半導体素子4で発生した熱が外部パワーリード32へ伝達することを抑制することができる。
一方、内部パワーリード31上に括れ部11を形成することで内部パワーリード31の断面積が減り、結果的に電流経路の断面積が減少する(通電能力が低下する)という問題が発生する。これを解決するため、本実施の形態では括れ部11を跨ぐように導電線12を接合している。これにより、電流経路のトータルの断面積を増加させる(通電能力を向上させる)ことができる。
導電線12の本数は特に限定されない。ただし、括れ部11を跨ぐために使用する導電線12の材料は、導電経路部材3を構成する材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質、例えばアルミニウム(Al)またはアルミニウム合金などで有ることが好ましい。また、導電線12の総断面積は、括れ部11の断面積より小さいことが好ましい。これらにより、半導体素子4で発生した熱が外部パワーリード32へ伝達することを抑制できる。
また、導電線12は括れ部11を跨ぐように配置されることから、導電線12を括れ部11の補強部材として作用させることができる。なお、図2および図3に示すように、導電線12において括れ部11上に配置された中央部分が括れ部11から離れるように、導電線12は屈曲しているが、導電線12が直線状の形状であってもよい。つまり、導電線12が括れ部11の表面に接触していてもよい。
図5および図7は、実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。図6は、図5の線分VI-VIにおける断面模式図である。図8は、図7の線分VIII-VIIIにおける断面模式図である。なお、図5および図7は図3に対応し、図6および図8は図4に対応する。
図5および図6に示した半導体装置は、基本的に図1から図4に示した半導体装置100と同様の構成を備えるが、内部パワーリード31における括れ部11と導電線12との配置が図1から図4に示した半導体装置100と異なっている。すなわち、図5および図6に示した半導体装置では、括れ部11と導電線12とが内部パワーリード31の平面視において重ならないように配置されている。図5および図6から分かるように、括れ部11は内部パワーリード31の幅方向(Y方向)における一端側(+Y方向側)に配置されている。一方、導電線12は、内部パワーリード31の幅方向における他端側(-Y方向側)に配置されている。
ここで、括れ部11と重なる位置に導電線12を接合すると、導電線12のサイズによっては、封止樹脂7による封止工程において、括れ部11と導電線12との間に樹脂が未充填となり、ボイドが形成される可能性がある。そこで、図5および図6に示すように、例えば図4(A)に示すようにくびれを内部パワーリード31の+Y方向側に、ワイヤを-Y方向側に設けても良い。これにより、樹脂が未充填となる領域の発生を抑制し、ボイドの発生を低減することができる。なお、図5および図6に示した導電線12は図2から図4に示した導電線12と同様に屈曲している。つまり図5および図6に示した導電線12において、導電経路部材の第1領域3aおよび第2領域3bに接続された両端部に挟まれた中央部分(括れ部11と対向する部分)が括れ部11の表面から離れるように、導電線12は屈曲している。しかし、図5および図6に示した構成において導電線12は直線状の形状であってもよい。つまり、導電線12の中央部分が括れ部11の表面と同じ高さに配置されていてもよい。
図7および図8に示した半導体装置は、基本的に図1から図4に示した半導体装置100と同様の構成を備えるが、内部パワーリード31における括れ部11と導電線12との配置および導電線12の数が図1から図4に示した半導体装置100と異なっている。すなわち、図7および図8に示した半導体装置では、括れ部11の配置は図1から図4に示した半導体装置100における括れ部11の配置と同様であるが、複数の導電線12が括れ部11と重ならない位置に配置されている。図7および図8から分かるように、2本の導電線12が、導電経路部材3の幅方向(Y方向)において括れ部11を挟むように配置されている。異なる観点から言えば、括れ部11から見て幅方向の一端側(+Y方向側)に第1の導電線12が配置され、括れ部11から見て幅方向の他端側(-Y方向側)に第2の導電線12が配置されている。
このような構成によっても、図5および図6に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。さらに、複数の導電線12を配置する場合、これらの導電線12が密集すると、封止樹脂7による封止工程において導電線12の下側にボイドが発生する可能性がある。そこで、複数の導電線12を、互いに間隔を隔てて(たとえば括れ部11をはさむ様に間隔を隔てて)配置することで、上記ボイドの発生を抑制できる。なお、図7および図8に示した導電線12は図2から図4に示した導電線12と同様に屈曲しているが、当該導電線12は直線状の形状であってもよい。
<作用効果>
本開示に係る半導体装置100は、半導体素子4と、導電経路部材3と、導電線12とを備える。導電経路部材3は、半導体素子4と接続されている。導電経路部材3は、括れ部11と、第1領域3aと、第2領域3bとを含む。括れ部11の断面積は、導電経路部材3において括れ部11を挟むように配置される第1領域および第2領域の断面積より小さい。導電線12は、括れ部11を跨ぐように、第1領域3aと第2領域3bとを接続する。
本開示に係る半導体装置100は、半導体素子4と、導電経路部材3と、導電線12とを備える。導電経路部材3は、半導体素子4と接続されている。導電経路部材3は、括れ部11と、第1領域3aと、第2領域3bとを含む。括れ部11の断面積は、導電経路部材3において括れ部11を挟むように配置される第1領域および第2領域の断面積より小さい。導電線12は、括れ部11を跨ぐように、第1領域3aと第2領域3bとを接続する。
ここで、括れ部11とは、導電経路部材3において隣接する領域(第1領域3aおよび第2領域3b)より断面積が小さくなっている部分を意味し、たとえば導電経路部材3の平面視において幅が局所的に狭くなっている部分を括れ部11としてもよい(第1領域3aから第2領域3bに向かう方向に垂直な幅方向において、第1領域3aおよび第2領域3bの幅より括れ部11の幅が狭くなっていてもよい)。あるいは、導電経路部材3の厚みに関して、括れ部11の厚みが第1領域3aおよび第2領域3bの厚みより薄くなっていてもよい。また、括れ部11の断面積、第1領域3aの断面積および第2領域3bの断面積は、第1領域3aから第2領域3bに向かう方向に垂直な断面における面積である。
このようにすれば、半導体装置100において、内部パワーリード31の一部が細くくびれた括れ部11を備える。
このように、本実施の形態の半導体装置100は、括れ部11を跨ぐように導電線12を導電経路部材3に接合することで、半導体素子4から当該導電経路部材3の先端側への熱の伝達を抑制するとともに、導電経路部材3における電流経路を増加させる(通電能力を向上させる)ことにより大電流化といった特性の改善が可能となる、という効果を奏する。
また、本実施の形態の半導体装置100では、括れ部11を跨ぐように導電線12を導電経路部材3に接合するため、当該導電線12も放熱部として作用する。このため、導電線12が配置されていない場合より導電経路部材3での放熱部が分散して配置されることになり、効率的な放熱が可能となる。この結果、導電経路部材3(たとえば括れ部11から見てパッド部30と反対側に位置する外部パワーリード32)の温度上昇を抑制できる。
また、上記半導体装置100では、括れ部11を跨ぐように導電線12を導電経路部材3に接合するため、括れ部11の機械強度を向上させる補強材として導電線12を作用させることができる。
上記半導体装置100において、導電線12を構成する材料の熱伝導率は、導電経路部材3を構成する材料の熱伝導率より低い。
この場合、導電線12を介した熱の伝達を抑制できる。このため、半導体素子4から発生した熱が、括れ部11から見て半導体素子4と反対側の領域(外部パワーリード32)に導電線12を介して伝わることを抑制できる。
上記半導体装置100において、導電線12の断面積は括れ部11の断面積より小さくてもよい。導電線12の断面積とは、導電線12の延在方向に対して垂直な断面における導電線12の面積である。
上記半導体装置100において、導電経路部材3は、パッド部30とリード部33とを含む。パッド部30には半導体素子4が接続されている。リード部33は、パッド部30に接続されている。括れ部11はパッド部30およびリード部33の少なくともいずれか一方に形成されている。リード部33は、半導体装置100を外部と接続する外部リード(外部パワーリード32)と、当該外部リードよりパッド部30側に位置し、パッド部30に接続された内部リード(内部パワーリード31)とを含んでいてもよい。括れ部11は、パッド部30に形成されていてもよいし、内部リードに形成されていてもよい。括れ部11はパッド部30と内部リードとの両方に形成されてもよい。
この場合、半導体素子4からパッド部30およびリード部33への熱の伝達を抑制するとともに、導電経路部材3におけるパッド部30またはリード部33での電流経路を増加させる(通電能力を向上させる)ことにより大電流化といった特性の改善が可能となる。
上記半導体装置100は、半導体素子4と直接接続された素子用導電線9を備える。導電線12を構成する材料と素子用導電線9を構成する材料とは異なる。つまり、導電線12と素子用導電線9とは互いに異なる材料により構成される。たとえば、素子用導電線9を構成する材料を金、銅、または銅合金などの金属としてもよい。
この場合、素子用導電線9については導電線12と求められる特性が異なるため、導電線12を構成する材料とは独立して材料を選択することで、半導体装置の設計の自由度を大きくできる。
上記半導体装置100は、封止樹脂7を備える。封止樹脂7は、半導体素子4と導電経路部材3の少なくとも一部と導電線12とを封止する。導電経路部材3の平面視において、導電線12は括れ部11と重ならない位置に配置されている。
この場合、封止樹脂7による封止工程において、導電線12と括れ部11との間にボイドが発生するといった問題の発生を抑制できる。
実施の形態2.
<半導体装置の構成>
図9は、実施の形態2に係る半導体装置の断面模式図である。図10は、図9の領域Xにおける部分平面模式図である。図10は、図9の矢印Z2で示す方向から見た領域X内のパッド部30および内部パワーリードを示している。
<半導体装置の構成>
図9は、実施の形態2に係る半導体装置の断面模式図である。図10は、図9の領域Xにおける部分平面模式図である。図10は、図9の矢印Z2で示す方向から見た領域X内のパッド部30および内部パワーリードを示している。
図9および図10に示した半導体装置100は、基本的に図1から図4に示した半導体装置100と同様の構成を備えるが、括れ部11がパッド部30に形成されている点、導電線12がパッド部30と内部パワーリードの平面部31bとを接続している点が、図1から図4に示した半導体装置100と異なっている。すなわち、図9および図10に示した半導体装置では、括れ部11がパッド部30においてリード部33と接続される部分に形成されている。異なる観点から言えば、パッド部30とリード部33との境界となるD-D線から見て-X方向側(パッド部30側)に括れ部11が形成されている。括れ部11を跨ぐように、導電線12が配置されている。
リード部33は、内部パワーリードと外部パワーリード32とを含む。内部パワーリードは、傾斜部31aと、平面部31bとを含む。平面部31bは、絶縁シート2から離れるとともに、絶縁シート2の表面と平行に延びる平板状の形状を有する。パッド部30と内部パワーリードの平面部31bとは、傾斜部31aにより接続されている。つまり、導電経路部材3には、パッド部30と接続されたリード部33において傾斜部31aを含む段差部が形成されている。傾斜部31aと平面部31bとの境界となるE-E線から見て+X方向側(平面部31b側)と、パッド部30において括れ部11より-X方向側とを接続するように導電線12が設けられている。異なる観点から言えば、導電線12は括れ部11と段差部とを跨ぐように、導電経路部材3に接続されている。
図9および図10に示した半導体装置100における導電線12は、なるべく屈曲させることなく、可能な限り直線的な形状とすることが好ましい。これにより、導電線12の電気抵抗値を低減できる。このため、括れ部11を介してパッド部30から平面部31bにまで電流が流れる場合の電気抵抗値より導電線12の電気抵抗値を低くすることができる。この結果、括れ部11より導電線12を電流が優先的に流れるようにすることができる。
ここで使用する導電線12を構成する材料の熱伝導率は、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金など、導電経路部材3を構成する材料の熱伝導率より低いことが好ましい。また、導電線12の断面積は、括れ部11の断面積より大きくすることが好ましい。このようにすれば、ワイヤで発生するジュール熱を低減し、さらにワイヤの放熱性を上げることが可能となる。
なお、括れ部11と導電線12との相対的な位置関係は、図9および図10に示すように括れ部11と導電線12とが平面視において重なるようにしてもよいし、図5から図8に示したいずれかの構成としてもよい。
図11は、実施の形態2に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。図11に示した半導体装置は、基本的には図9および図10に示した半導体装置100と同様の構成を備えるが、括れ部11の構成が図9および図10に示した半導体装置100と異なっている。図11に示した半導体装置では、括れ部11が切断部11aにおいて切断されている。切断部11aは、たとえばレーザ光を照射することで括れ部11を局所的に溶断することで形成してもよい。括れ部11の切断は、括れ部11を跨ぐように導電線12を導電経路部材3に接続した後実施してもよい。この結果、パッド部30(図9参照)とリード部33とは導電線12によってのみ電気的に接続されている。
図11のような構成とすることで、括れ部11を含む電流経路は無くなるが、括れ部11を含む電流経路より距離の短い導電線12を含む電流経路を介して電流を流すことができる。ここで、導電線12を構成する材料の熱伝導率を、導電経路部材3を構成する材料の熱伝導率と同様またはそれ以下とする。この結果、導電線12自体のジュール熱発生を抑制することに繋がる。よって、括れ部11を電流経路とした場合よりも、外部パワーリード32の温度を低減することができる。
<作用効果>
上記半導体装置100において、導電経路部材3は段差部を有する。導電線12は、段差部と括れ部11とを跨ぐように、導電経路部材3に接続されている。導電線12は直線状の形状を有する。つまり、導電線12は屈曲していない。ここで、導電線12が直線状の形状を有するとは、明確な屈曲部を有さないという意味であり、直線である場合に加えて、わずかに曲がっている状態も含むものとする。導電線12が接続された導電経路部材3の2カ所の間の延面距離より、導電線12の長さが短ければよい。
上記半導体装置100において、導電経路部材3は段差部を有する。導電線12は、段差部と括れ部11とを跨ぐように、導電経路部材3に接続されている。導電線12は直線状の形状を有する。つまり、導電線12は屈曲していない。ここで、導電線12が直線状の形状を有するとは、明確な屈曲部を有さないという意味であり、直線である場合に加えて、わずかに曲がっている状態も含むものとする。導電線12が接続された導電経路部材3の2カ所の間の延面距離より、導電線12の長さが短ければよい。
この場合、導電線12をパッド部30上から内部パワーリードの平面部31b上まで直線的に配置することで、導電経路部材3の括れ部11を経由する導電経路より導電線12を介した電流経路の長さを短くすることができる。このため、導電線12で発生するジュール熱を低減できる。
実施の形態3.
<半導体装置の構成>
図12は、実施の形態3に係る半導体装置の断面模式図である。図12に示した半導体装置100は、基本的に図1から図4に示した半導体装置100と同様の構成を備えるが、2つの括れ部11がパッド部30に形成されている点、2本の導電線12が配置されている点が、図1から図4に示した半導体装置100と異なっている。すなわち、図12に示した半導体装置において、括れ部11が、第1括れ部11aと、第2括れ部11bとを含む。第1括れ部11aは導電経路部材3のパッド部30に形成されている。第2括れ部11bは、第1括れ部11aと離れた位置であって、内部パワーリードの平面部31bに形成されている。導電線12は、第1導電線12aと第2導電線12bとを含む。第1導電線12aは、第1括れ部11aを跨ぐように配置されている。第1導電線12aは、パッド部30と、内部パワーリードの平面部31bとをつなぐように、直線状に形成されている。第1導電線12aの構成は、図9および図10に示した半導体装置100における導電線12の構成と同様である。第2導電線12bは、第2括れ部11bを跨ぐように配置されている。第2導電線12bの構成は、図1から図4に示した半導体装置100の導電線12の構成と同様である。第1導電線12aの長さは第2導電線12bの長さと異なる。
<半導体装置の構成>
図12は、実施の形態3に係る半導体装置の断面模式図である。図12に示した半導体装置100は、基本的に図1から図4に示した半導体装置100と同様の構成を備えるが、2つの括れ部11がパッド部30に形成されている点、2本の導電線12が配置されている点が、図1から図4に示した半導体装置100と異なっている。すなわち、図12に示した半導体装置において、括れ部11が、第1括れ部11aと、第2括れ部11bとを含む。第1括れ部11aは導電経路部材3のパッド部30に形成されている。第2括れ部11bは、第1括れ部11aと離れた位置であって、内部パワーリードの平面部31bに形成されている。導電線12は、第1導電線12aと第2導電線12bとを含む。第1導電線12aは、第1括れ部11aを跨ぐように配置されている。第1導電線12aは、パッド部30と、内部パワーリードの平面部31bとをつなぐように、直線状に形成されている。第1導電線12aの構成は、図9および図10に示した半導体装置100における導電線12の構成と同様である。第2導電線12bは、第2括れ部11bを跨ぐように配置されている。第2導電線12bの構成は、図1から図4に示した半導体装置100の導電線12の構成と同様である。第1導電線12aの長さは第2導電線12bの長さと異なる。
このような構成によっても、図1から図4または図9および図10に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、第1導電線12aおよび第2導電線12bと第1括れ部11aおよび第2括れ部11bとの相対的な位置関係は、図5から図8に示した任意の位置関係を採用できる。なお、図12に示した第2導電線12bは図2から図4に示した導電線12と同様に屈曲しているが、当該第2導電線12bは直線状の形状であってもよい。
<作用効果>
本実施の形態に係る半導体装置100において、括れ部11は、第1括れ部11aと、第2括れ部11bとを含む。第1括れ部11aは導電経路部材3に形成されている。第2括れ部11bは、第1括れ部11aと離れた位置に形成されている。導電線12は、第1導電線12aと第2導電線12bとを含む。第1導電線12aは、第1括れ部11aを跨ぐように配置されている。第2導電線12bは、第2括れ部11bを跨ぐように配置されている。この場合、半導体素子4から当該導電経路部材3の先端側への熱の伝達をより抑制することができる。
本実施の形態に係る半導体装置100において、括れ部11は、第1括れ部11aと、第2括れ部11bとを含む。第1括れ部11aは導電経路部材3に形成されている。第2括れ部11bは、第1括れ部11aと離れた位置に形成されている。導電線12は、第1導電線12aと第2導電線12bとを含む。第1導電線12aは、第1括れ部11aを跨ぐように配置されている。第2導電線12bは、第2括れ部11bを跨ぐように配置されている。この場合、半導体素子4から当該導電経路部材3の先端側への熱の伝達をより抑制することができる。
上記半導体装置100において、第1導電線12aの長さは第2導電線12bの長さと異なる。この場合、たとえば第1導電線12aの長さを相対的に短くすることで、第1導電線12aでのジュール熱の発生を抑制できる。
実施の形態4.
本実施の形態は、上述した実施の形態1から実施の形態3のいずれかに係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態4として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
本実施の形態は、上述した実施の形態1から実施の形態3のいずれかに係る半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態4として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
図13は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図13に示す電力変換システムは、電源400、電力変換装置200、負荷300から構成される。電源400は、直流電源であり、電力変換装置200に直流電力を供給する。電源400は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。また、電源400を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置200は、電源400と負荷300の間に接続された三相のインバータであり、電源400から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷300に交流電力を供給する。電力変換装置200は、図13に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路201と、主変換回路201を制御する制御信号を主変換回路201に出力する制御回路203とを備えている。
負荷300は、電力変換装置200から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷300は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置200の詳細を説明する。主変換回路201は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており(図示せず)、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源400から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷300に供給する。主変換回路201の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路201は2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路201の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態1から実施の形態3のいずれかの半導体装置に相当する半導体装置202が有するスイッチング素子又は還流ダイオードである。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路201の3つの出力端子は、負荷300に接続される。
また、主変換回路201は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路(図示なし)を備えているが、駆動回路は半導体装置202に内蔵されていてもよいし、半導体装置202とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路201のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路201のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路203からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号(オン信号)であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号(オフ信号)となる。
制御回路203は、負荷300に所望の電力が供給されるよう主変換回路201のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷300に供給すべき電力に基づいて主変換回路201の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間(オン時間)を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するPWM制御によって主変換回路201を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路201が備える駆動回路に制御指令(制御信号)を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201を構成する半導体装置202として実施の形態1から実施の形態3のいずれかに係る半導体装置を適用するため、信頼性を向上させることができる。
本実施の形態では、2レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、2レベルの電力変換装置としたが3レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはDC/DCコンバータやAC/DCコンバータに本開示を適用することも可能である。
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザ加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
1 ヒートシンク、2 絶縁シート、3 導電経路部材、3a 第1領域、3b 第2領域、4 半導体素子、5 制御端子部材、6 制御用素子、7 封止樹脂、8 パワーワイヤ、9 素子用導電線、10 制御ワイヤ、11 括れ部、11a 第1括れ部、11b 第2括れ部、11a 切断部、12 導電線、12a 第1導電線、12b 第2導電線、30 パッド部、31 内部パワーリード、31a 傾斜部、31b 平面部、32 外部パワーリード、33 リード部、51 内部制御リード、52 外部制御リード、100,202 半導体装置、200 電力変換装置、201 主変換回路、203 制御回路、300 負荷、400 電源。
Claims (8)
- 半導体素子と、
前記半導体素子と接続された導電経路部材とを備え、
前記導電経路部材は、括れ部と、第1領域と、第2領域とを含み、
前記括れ部の断面積は、前記導電経路部材において前記括れ部を挟むように配置される前記第1領域および前記第2領域の断面積より小さく、さらに、
前記括れ部を跨ぐように、前記第1領域と前記第2領域とを接続する導電線を備える、半導体装置。 - 前記導電線を構成する材料の熱伝導率は、前記導電経路部材を構成する材料の熱伝導率より低い、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記導電経路部材は、前記半導体素子が接続されたパッド部と、前記パッド部に接続されたリード部とを含み、
前記括れ部は前記パッド部および前記リード部の少なくともいずれか一方に形成されている、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - 前記括れ部は、
前記導電経路部材に形成された第1括れ部と、
前記第1括れ部と離れた位置に形成された第2括れ部とを含み、
前記導電線は、
前記第1括れ部を跨ぐように配置された第1導電線と、
前記第2括れ部を跨ぐように配置された第2導電線とを含む、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1導電線の長さは前記第2導電線の長さと異なる、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子と直接接続された素子用導電線を備え、
前記導電線と前記素子用導電線とは互いに異なる材料により構成される、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記半導体素子と前記導電経路部材の少なくとも一部と前記導電線とを封止する封止樹脂を備え、
前記導電経路部材の平面視において、前記導電線は前記括れ部と重ならない位置に配置されている、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
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