JP2024050019A - Power semiconductor module and power conversion device - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁基板のクラックを抑制可能なパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】絶縁基板の支持部材を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュール200であって、絶縁基板50と、導体層パターン11、導体層パターン12及び導体層パターン13を有し、導体層パターン11上に接合された第1の半導体チップ群31、32と、導体層パターン12上に接合された第2の半導体チップ群33、34と、導体層パターン11の反対側と導体層パターン12とを電気的に接続するリードフレーム21と、導体層パターン12の反対側と導体層パターン13と、を電気的に接続するリードフレーム22と、を備え、リードフレームの各々は、導体層パターン11と導体層パターン12との間のスリット71、72を跨いで配置され、かつ、絶縁基板の各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、リードフレームが一重となるように配置されている。【選択図】図1[Problem] To provide a power semiconductor module capable of suppressing cracks in an insulating substrate. [Solution] A resin-sealed power semiconductor module 200 that does not have a support member for the insulating substrate, the power semiconductor module 200 includes an insulating substrate 50, a conductor layer pattern 11, a conductor layer pattern 12, and a conductor layer pattern 13, a first semiconductor chip group 31, 32 bonded onto the conductor layer pattern 11, a second semiconductor chip group 33, 34 bonded onto the conductor layer pattern 12, a lead frame 21 that electrically connects the opposite side of the conductor layer pattern 11 to the conductor layer pattern 12, and a lead frame 22 that electrically connects the opposite side of the conductor layer pattern 12 to the conductor layer pattern 13, each of the lead frames being disposed across slits 71, 72 between the conductor layer pattern 11 and the conductor layer pattern 12, and being disposed so that the lead frames are in a single layer in a direction perpendicular to the arrangement surface of the insulating substrate on which each conductor layer pattern is disposed. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、パワー半導体モジュールの構造に係り、特に、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器を含まずに製造する樹脂封止型パワー半導体モジュールに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to the structure of a power semiconductor module, and in particular to a technology that is effective when applied to a resin-sealed power semiconductor module that is manufactured without including a base plate or heat sink that serves as a support member for an insulating substrate.
産業機器や電気鉄道車両、自動車、家電等の電力制御やモータ制御に、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子、フリーホイールダイオード等の半導体素子を用いたパワー半導体モジュールが使用されている。近年では、特に電気自動車の普及から車載インバータ向けのパワー半導体モジュールの必要性が高まっている。車載インバータの電力利用効率を高めながら低価格で提供するためには、パワー半導体モジュールは低損失を実現しながらも低コスト化が求められる。 Power semiconductor modules using switching elements such as power MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), as well as semiconductor elements such as freewheel diodes, are used for power control and motor control in industrial equipment, electric railway vehicles, automobiles, home appliances, etc. In recent years, the need for power semiconductor modules for vehicle-mounted inverters has increased, especially with the spread of electric vehicles. In order to provide vehicle-mounted inverters at a low price while increasing the power utilization efficiency, power semiconductor modules must achieve low loss while also reducing costs.
低損失特性の実現には、パワー半導体チップにGaN(窒化ガリウム)やSiC(炭化珪素)等の新材料や、逆方向導電性を備えた新型のSi(シリコン)製IGBTの適用など複数の選択肢がある。一方、パワー半導体モジュールの低コスト化の方法も様々な技術の方向性がある。モジュールを構成する部材自体を安価なものに置き換えることや、モジュールの外形を成型する方法を従来のケース方式から製造単価の安いモールド樹脂封止方式に変更するなどの製造工程の変更によっても低コスト化は可能である。しかしながら、実際には製造上の隘路が発生する。 There are several options for achieving low-loss characteristics, including the use of new materials such as GaN (gallium nitride) and SiC (silicon carbide) for power semiconductor chips, and the use of new Si (silicon) IGBTs with reverse conductivity. Meanwhile, there are various technological directions for reducing the cost of power semiconductor modules. Costs can also be reduced by replacing the components that make up the module with cheaper ones, or by changing the manufacturing process, such as changing the method of molding the module's exterior from the conventional case method to a molded resin sealing method, which has a lower manufacturing cost. However, in practice, manufacturing bottlenecks arise.
モジュール構成部材の一つである絶縁基板は、その絶縁特性の確保のためにセラミック基板が主に用いられる。靭性の高い窒化ケイ素(SiN)基板や熱伝導率の高い窒化アルミニウム(AlN)基板は優れた特徴を有しながらも価格が高いというジレンマがあり、特に量産個数の多い車載インバータ用パワー半導体モジュールには安価なアルミナ(Al2O3)基板の適用が望まれるものの、曲げ強度が弱いという問題がある。 Ceramic substrates are mainly used for insulating substrates, which are one of the components of the module, to ensure their insulating properties. Silicon nitride (SiN) substrates with high toughness and aluminum nitride (AlN) substrates with high thermal conductivity have excellent characteristics but are expensive, which is a dilemma. For power semiconductor modules for vehicle inverters, which are mass-produced in large quantities , it is desirable to use inexpensive alumina ( Al2O3 ) substrates, but they have a problem of weak bending strength.
また、モジュールの外形を成型する工程において、トランスファーモールド方式やポッティング方式による樹脂封止を導入して一層の低コスト化を図るためには、樹脂の冷却硬化工程で生じる収縮応力に耐え得るモジュール構造が必要となる。つまり、曲げ強度の弱い安価なセラミック基板を用いても、樹脂封止の過程で発生する応力によるセラミック基板のクラック等の不具合を抑制する技術が重要となる。 In addition, in order to further reduce costs by introducing resin sealing using transfer molding or potting methods in the process of molding the module's exterior, a module structure that can withstand the shrinkage stress that occurs during the resin cooling and hardening process is required. In other words, even if an inexpensive ceramic substrate with weak bending strength is used, it is important to have technology that can suppress defects such as cracks in the ceramic substrate caused by stress generated during the resin sealing process.
樹脂封止をするパワー半導体モジュールであっても、機械的な剛性の高いベース板や放熱器等の支持部材を備える構成の場合には、上記のような応力によるセラミック基板のクラック等の問題は顕在化しない。しかし、複数の小型パワー半導体モジュールを組合せて必要な定格電流を満足する車載インバータでは、絶縁基板上に半導体スイッチング素子を搭載して樹脂封止をするシンプルな構成が多用される。従って、パワー半導体モジュールの製造工程において、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器等を備えない場合には、セラミック基板のクラック等の応力による問題を克服して製造歩留まりを高める必要がある。 Even in the case of power semiconductor modules that are resin-sealed, problems such as cracks in the ceramic substrate caused by the above-mentioned stress do not become apparent if the module is configured to include support members such as a base plate or heat sink with high mechanical rigidity. However, in on-board inverters that combine multiple small power semiconductor modules to meet the required rated current, a simple configuration in which semiconductor switching elements are mounted on an insulating substrate and then resin-sealed is often used. Therefore, in the manufacturing process for power semiconductor modules, if a base plate or heat sink that serves as a support member for the insulating substrate is not provided, it is necessary to overcome problems caused by stress such as cracks in the ceramic substrate and increase the manufacturing yield.
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、サージ電圧を従来のものよりも低減できるようにする構成が示されている。セラミック基板を用い、基板上の回路パターン間を接続する電極バーを複数用いる。電極バー同士をラミネート構造に配置することでインダクタンスを低減してサージ電圧を抑制する。封止樹脂に関する記載は無いが、特許文献1の図1にはセラミック基板の平面中央に剛性を向上可能なラミネート電極バー構造を配置することが開示されている。
As background technology in this technical field, there is, for example, technology such as
また、特許文献2には、半導体モジュール100の外形を決める端子ケース88を熱硬化型樹脂で形成することが述べられており、セラミック基板上に配置した複数の半導体チップの熱平衡性を向上させるために、基板上の配線パターン間に生じたスリットを架橋状の部材で跨ぐ構造が開示されている。
上記特許文献1の図1を参照すると、ハーフブリッジ回路を構成するIGBT及びダイオードのチップ配置と、それらを電気的に接続する電極バー32,33,34の形状が示されている。複数の電極バーは絶縁物を挟み互いに近接させて配置することが述べられている。
Referring to Figure 1 of the above-mentioned
また、上記特許文献2の図2を参照すると、チップ接合部180、配線接合部182、脚部185と186、及び架橋部184で構成されるリードフレームによって、セラミック基板上の配線パターン間を接続する構造が述べられている。
Referring to FIG. 2 of the above-mentioned
しかしながら、セラミック基板のクラックを防止する観点では、上記の従来技術には複数の課題がある。 However, when it comes to preventing cracks in ceramic substrates, the above conventional techniques have several problems.
特許文献1の構成では、樹脂封止によってモジュール外形を成型することを仮定すると、セラミック基板の平面に対して電極バーを重ね合わせる構造となることから、モジュール全体を封止するためには樹脂厚を厚くせざるを得ないことが容易に推察できる。そのため、樹脂総量の増加による収縮応力の増大やコスト高騰の課題が発生する。従って、前述のように、小型で安価なパワー半導体モジュールを志向する車載インバータへの適用は難しいと言える。
In the configuration of
また、特許文献2には、架橋状の部分を含むリードフレームが、164-1~3の配線パターン間に生じるスリットを跨ぐことが示されており、セラミック基板に対して剛性を補強する構造と言える。しかし、そのリードフレームの配置は限定的であり、例えばセラミック基板中央部の最も長さの長いスリットについては、リードフレームは配置されていない。セラミック基板に対して剛性を補強するためには、樹脂封止後の冷却硬化時に最も大きな応力が生じて割れが発生しやすい箇所を同定した上で対策を施す必要がある。従って、基板中央部の長いスリットについて対処のない特許文献2の構成では、セラミック基板のクラック発生を防止することは困難であると考えられる。
そこで、本発明の目的は、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器を使用しない樹脂封止型パワー半導体モジュールにおいて、封止樹脂の冷却硬化時に発生しやすい絶縁基板のクラックを効果的に抑制可能なパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a power semiconductor module and a power conversion device using the same that can effectively suppress cracks in the insulating substrate that tend to occur when the sealing resin cools and hardens in a resin-sealed power semiconductor module that does not use a base plate or heat sink as a support member for the insulating substrate.
上記課題を解決するために、本発明は、絶縁基板の支持部材を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュールであって、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置された第1の導体層パターンと、前記絶縁基板上に配置され、前記第1の導体層パターンと電気的に絶縁された第2の導体層パターンと、前記絶縁基板上に配置され、前記第1の導体層パターンおよび前記第2の導体層パターンと電気的に絶縁された第3の導体層パターンと、前記第1の導体層パターン上に接合された1つ以上の半導体チップを有する第1の半導体チップ群と、前記第2の導体層パターン上に接合された1つ以上の半導体チップを有する第2の半導体チップ群と、前記第1の半導体チップ群の前記第1の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第2の導体層パターンとを電気的に接続する第1のリードフレームと、前記第2の半導体チップ群の前記第2の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第3の導体層パターンとを電気的に接続する第2のリードフレームと、を備え、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームの各々は、前記第1の導体層パターンと前記第2の導体層パターンとの間のスリットを跨いで配置され、かつ、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、リードフレームが一重となるように配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a resin-sealed power semiconductor module that does not have a support member for an insulating substrate, comprising an insulating substrate, a first conductor layer pattern disposed on the insulating substrate, a second conductor layer pattern disposed on the insulating substrate and electrically insulated from the first conductor layer pattern, a third conductor layer pattern disposed on the insulating substrate and electrically insulated from the first conductor layer pattern and the second conductor layer pattern, a first semiconductor chip group having one or more semiconductor chips bonded onto the first conductor layer pattern, and a second semiconductor chip group having one or more semiconductor chips bonded onto the second conductor layer pattern. , a first lead frame electrically connecting the second conductor layer pattern to the side opposite the bonding surface with the first conductor layer pattern of the first semiconductor chip group, and a second lead frame electrically connecting the third conductor layer pattern to the side opposite the bonding surface with the second conductor layer pattern of the second semiconductor chip group, each of the first lead frame and the second lead frame being arranged across the slit between the first conductor layer pattern and the second conductor layer pattern, and being arranged so that the lead frames are in a single layer in a direction perpendicular to the arrangement surface of each conductor layer pattern of the insulating substrate.
本発明によれば、絶縁基板の支持部材となるベース板や放熱器を使用しない樹脂封止型パワー半導体モジュールにおいて、封止樹脂の冷却硬化時に発生しやすい絶縁基板のクラックを効果的に抑制可能なパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置を実現することができる。 The present invention makes it possible to realize a power semiconductor module that can effectively suppress cracks in the insulating substrate that tend to occur when the sealing resin cools and hardens in a resin-sealed power semiconductor module that does not use a base plate or heat sink as a support member for the insulating substrate, and a power conversion device that uses the same.
これにより、パワー半導体モジュールの絶縁基板にアルミナ(Al2O3)基板を用いることができ、パワー半導体モジュールの製造歩留まり向上及び低コスト化、電力変換装置の低コスト化が図れる。 This allows an alumina (Al 2 O 3 ) substrate to be used as the insulating substrate of the power semiconductor module, thereby improving the manufacturing yield and reducing costs of the power semiconductor module, and reducing the cost of the power conversion device.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and advantages other than those described above will become clear from the description of the embodiments below.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成或いは類似の機能を備えた構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that in each drawing, the same reference numerals are used to designate the same configuration or configurations having similar functions, and detailed descriptions of overlapping parts will be omitted.
図1から図7B、及び図10を参照して、本発明の実施例1のパワー半導体モジュールについて説明する。本実施例では、セラミック絶縁基板を用いて構成するパワー半導体モジュールにおいて、封止樹脂が冷却硬化する際のセラミック絶縁基板のクラックの発生を抑制するモジュール構造を示すとともに、セミック絶縁基板に加わる応力の低減効果について説明する。 A power semiconductor module according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 7B and 10. In this embodiment, a module structure is shown that suppresses the occurrence of cracks in the ceramic insulating substrate when the sealing resin cools and hardens in a power semiconductor module that uses a ceramic insulating substrate, and the effect of reducing stress applied to the ceramic insulating substrate is described.
≪概略構成≫
図1に、本実施例のパワー半導体モジュール200の概略構成を示す。なお、図1の平面図では、本来封止樹脂60があるために見えない下層の部品配置について、便宜上、透過させた前提でその配置を明示することを、予め述べておく。図1は、パワー半導体モジュール200を上方から見た平面図を示し、図2及び図3は、それぞれ平面図に記載した断面線A-A’及び断面線B-B’における断面構造図を示している。
<Overview of the device>
Fig. 1 shows a schematic configuration of a
≪平面構成≫
図1に示す本実施例のパワー半導体モジュール200は、ハーフブリッジ回路を1枚の絶縁基板(セラミック基板)50上に構成する。点線で示す樹脂封止60の範囲がパワー半導体モジュールの外形を示している。
<Plane composition>
1, a
本実施例のパワー半導体モジュール200は、図1に示すように、IGBTチップとダイオードチップの組み合わせを2組備えた(符号31と32,符号33と34)、いわゆる2in1タイプのパワー半導体モジュールであり、3つの外部主端子1,2,3を有している。
As shown in FIG. 1, the
外部主端子1は高電圧電源端子として、外部主端子3は低電圧電源端子として直流電圧を絶縁基板50上のハーフブリッジ回路に供給し、外部主端子2は交流電圧端子として機能し、負荷電流を外部に供給する。
External main terminal 1 functions as a high-voltage power supply terminal, and external
3つの外部主端子1,2,3はそれぞれ、絶縁基板50上に配置され互いに電気的に絶縁された3つの導体層パターン11,12,13に接続されている。
The three external
導体層パターン11は、絶縁基板50のY方向の一辺に沿って延在するように、絶縁基板50の一方の領域(図1では絶縁基板50の右側の領域)に配置されている。導体層パターン12は、絶縁基板50のY方向の他方の辺に沿って延在するように、絶縁基板50の他方の領域(図1では絶縁基板50の左側の領域)に配置されている。導体層パターン11と導体層パターン12との間には、スリット71が形成されており、スリット71により導体層パターン11と導体層パターン12とが分離されるとともに、電気的に絶縁されている。
The
導体層パターン13は、絶縁基板50のX方向の一辺に沿って延在し、一部が絶縁基板50の一方の領域(図1では絶縁基板50の右側の領域)に配置され、他の一部が他方の領域(図1では絶縁基板50の左側の領域)に配置されている。導体層パターン11及び導体層パターン12と、導体層パターン13との間には、スリット72が形成されており、スリット72により導体層パターン11及び導体層パターン12と導体層パターン13とが分離されるとともに、電気的に絶縁されている。
The
外部主端子1は、絶縁基板50上に接合された導体層パターン11に電気的に接続される。図1では、導体層パターン11に半導体スイッチング素子としてIGBTチップ31と、半導体ダイオード素子としてダイオードチップ32をそれぞれ1チップずつ逆並列接続して、上アーム回路を構成している。IGBTチップ31のコレクタ電極とダイオードチップ32のカソード電極を、半田及び焼結材料を介して導体層パターン11に、電気的かつ機械的に接続する。信号端子5,6はIGBTチップ31のスイッチングを制御するゲート制御端子とエミッタセンス端子である。導体層パターン15,16に接続されたそれぞれの端子は、ボンディングワイヤ25,26を介してIGBTチップ31上のゲート電極303とエミッタ電極302に接続される。
The external
IGBTチップ31のエミッタ電極302とダイオードチップ32のアノード電極304は共に、リードフレーム21を介して、交流電圧端子の電位が印加される導体層パターン12に電気的かつ機械的に接続される。その接続方法は、IGBTチップ31のコレクタ電極とダイオードチップ32のカソード電極と同様に、半田及び焼結材料を介する方法である。
The
導体層パターン12には下アーム回路を構成するIGBTチップ33のコレクタ電極とダイオードチップ34のカソード電極とともに、交流電圧端子である外部主端子2が接続される。リードフレーム22は、IGBTチップ33のエミッタ電極302とダイオードチップ34のアノード電極304を接続するとともに、導体層パターン13に接続する。上アーム回路と同様に、信号端子(ゲート制御端子)7と信号端子(エミッタセンス端子)8がIGBTチップ33のスイッチングを制御する。
The
ここで、上記の焼結材料とは、0.1nm以上10nm以下の粒径を有する単結晶が複数集合したものであり、表面に酸化銅を含んで構成される酸化銅層が形成された銅ナノ粒子を含む焼結銅接合材料を含むものである。焼結銅接合技術は、上記の銅ナノ粒子を半導体チップの接合材料として用い、銅ナノ粒子を互いに焼結することにより焼結銅接合層を形成するものである。銅は、従来の半田や銀に比べて、破壊耐力が高く、例えば175℃以上の高温使用においても接合の破壊寿命を長くすることができる。また、焼結銅接合材料は、銅やニッケルなどの非貴金属に対する接合性が高く、接合の相手となる電極材料に高価な金や銀のめっき膜を必要としないため、接合に要するコストを抑えることができる。 Here, the sintered material is a sintered copper bonding material containing copper nanoparticles formed of a plurality of single crystals having a grain size of 0.1 nm to 10 nm, and a copper oxide layer formed on the surface containing copper oxide. The sintered copper bonding technology uses the copper nanoparticles as a bonding material for a semiconductor chip, and forms a sintered copper bonding layer by sintering the copper nanoparticles together. Copper has a higher fracture resistance than conventional solder and silver, and can extend the fracture life of the bond even when used at high temperatures, for example, at 175°C or higher. In addition, the sintered copper bonding material has high bonding properties with non-precious metals such as copper and nickel, and does not require expensive gold or silver plating films on the electrode material to be bonded, so the cost required for bonding can be reduced.
本発明の特徴は、導体層パターン11と導体層パターン12の間に発生するスリット71に対するリードフレーム21とリードフレーム22の配置形態にある。リードフレーム21とリードフレーム22は、それぞれ複数の半導体チップの配置方向(図1中のY方向)に伸展した後にL字型となり、スリット71に対して直角に跨ぐ形状とする。なお、角度は必ずしも直角(90°)に限定されるものではなく、略直角或いは斜めに跨ぐ形状であっても良い。
The feature of the present invention is the arrangement of lead frames 21 and 22 relative to slit 71 that occurs between
IGBTチップ31とダイオードチップ32、IGBTチップ33とダイオードチップ34の二組のチップ群は、スリット71の基板中心位置を起点に概ね点対称であることから、L字形状を備える2つのリードフレーム21,22も、図1に示すように、スリット71の基板中心位置を起点とした点対称の配置となる。リードフレーム21とリードフレーム22により所謂架橋上の補強構造を付加した構造となり、この配置を取ることによりスリット71の長さは、図1に示す距離Y1からY2へと短くすることが可能になる。
The two chip groups,
≪断面構成≫
図2及び図3は、それぞれ図1に示す断面線A-A’及び断面線B-B’におけるモジュール構造を示している。なお、パワー半導体モジュール200の内部構造を分かり易くするために、A-A’断面及びB-B’断面から見た奥行方向の構成部品も一部示している。図2のA-A’断面図では、リードフレーム21及びリードフレーム22と、スリット71及びスリット72との配置関係を示している。また、導体層パターン14は、絶縁基板50の下部平面に接合される導体層パターンである。
<Cross-section structure>
2 and 3 show the module structure at the cross-sectional lines A-A' and B-B' shown in FIG. 1, respectively. In order to make the internal structure of the
図2のA-A’断面図は、リードフレーム22からリードフレーム21に向かう方向を視野としており、半導体チップ(ダイオードチップ32,IGBTチップ33)とリードフレーム21,22で構成する導体によるブリッジ構造がスリット71を跨ぐことが分かる。封止樹脂60により形成されるパワー半導体モジュール200の外形の内、図示する長さZ1をパワー半導体モジュール200の高さと定義する。
The A-A' cross-sectional view in FIG. 2 is viewed from the
図3のB-B’断面図は、リードフレーム21,22がスリット71上に配置されていない領域の断面構成を示す。リードフレーム21とリードフレーム22の断面形状は上下2段階の形状としており、半導体チップ(IGBTチップ31,ダイオードチップ34)の各電極に接続する下半分は、半導体チップの電極の幅に合わせた形状に設定する。
The B-B' cross-sectional view in FIG. 3 shows the cross-sectional configuration of the area where the lead frames 21 and 22 are not placed on the
本実施例のパワー半導体モジュール200では、図3に示すように、封止樹脂60の外形形状に特徴を設けて、スリット71に機械的ストレスを与える収縮応力を抑制している。リードフレーム21とリードフレーム22が、絶縁基板50の中央を囲う形状となることから、リードフレームの無い中央部分について、封止樹脂60の形状を部分的に変形し、図3に示すような凹部形状61(幅X4)を設ける。凹部形状61におけるパワー半導体モジュール200の高さをZ1aと定義する。
In the
このように、絶縁基板50上に発生するスリット71を跨ぐ剛性強化用のリードフレームの配置と、リードフレームによる剛性強化が及ばない基板中央部では封止樹脂60の厚さを薄く抑える形状にすることを同時に実現できるのが本実施例の構造である。
In this way, the structure of this embodiment allows for the placement of a lead frame to reinforce the rigidity across the
図10に、パワー半導体モジュール200の成型後の外形図を示す。図中の中央に凹部形状61があり、その平面形状は長方形(矩形)である。凹部形状61は、リードフレーム21とリードフレーム22によって囲われた略矩形の領域に形成されている。その短辺の長さX4は、リードフレーム間の間隔を反映して決まる値であるが、薄層化の効果を得るためには4mm以上に設定するのが望ましい。また、上記のパワー半導体モジュール200の高さZ1及びZ1aの値を例示すると、Z1=5mm、Z1a=3mmとすることができ、その結果、凹部形状61の凹部高さは差分の2mmとなる。この凹部形状61の凹部高さ(深さ)は、2mm以上とするのが望ましい。
Figure 10 shows an outline diagram of the
なお、図10に示すパワー半導体モジュール200の外形形状は、後述する実施例2(図8)のパワー半導体モジュール202でも同様である。
The external shape of the
剛性の定量評価の一例として以下に概算を示す。 The following is an approximate calculation as an example of a quantitative evaluation of stiffness.
絶縁基板50にアルミナ(Al2O3)基板を用いることを想定し、その厚みを0.3mm、ヤング率を300GPaとする。リードフレームは銅製として、厚みを1.5mm、ヤング率を130GPaとする。剛性は、厚みとヤング率の積で概算できることから、アルミナ基板とリードフレームが仮に同じ幅であった場合には、銅製のリードフレームの剛性がアルミナ基板の200%強となるが、リードフレームの幅の総和がアルミナ基板の剛性に支配的なスリット71の幅の40%と仮定すると、リードフレーム導入による剛性の強化分は導入前の80%増と概算できる。
It is assumed that an alumina ( Al2O3 ) substrate is used for the insulating
また、リードフレームは、パワー半導体チップ(IGBTチップ及びダイオードチップ)とその接合材を介して剛性を発揮するため、チップ種やダイボンド接合材の選定が重要である。Siチップに替えて硬度の高いSiCチップ、半田に替えて2倍以上の接合強度が確保できる焼結銅や焼結銀による接合方法を選択することで、本発明の効果をより顕著にすることは言うまでもない。 In addition, since the lead frame exerts its rigidity through the power semiconductor chips (IGBT chips and diode chips) and their bonding material, the selection of the chip type and die bond bonding material is important. It goes without saying that the effect of the present invention will be more pronounced by selecting a bonding method using SiC chips, which have high hardness, instead of Si chips, and sintered copper or sintered silver, which can ensure more than twice the bonding strength instead of solder.
≪従来のリードフレーム構成例≫
本実施例の構成と作用効果をより分かり易くするために、図4及び図5を用いて、従来のパワー半導体モジュールの構成例について説明する。
<Example of conventional lead frame configuration>
In order to make the configuration and the effects of this embodiment easier to understand, a configuration example of a conventional power semiconductor module will be described with reference to Figs.
図4は、従来のパワー半導体モジュール201の平面図であり、図5は、図4のC-C’断面図である。なお、図2及び図3と同様に、パワー半導体モジュール201の内部構造を分かり易くするために、C-C’断面から見た奥行方向の構成部品も一部示している。
Figure 4 is a plan view of a conventional
図4に示す従来のパワー半導体モジュール201は、図1と同様のハーフブリッジ回路を絶縁基板50上で実現するモジュール構成を例示するものである。リードフレーム21とリードフレーム22を採用するものの、従来例の形態を示している。
The conventional
本実施例(図1)の構成と異なり、剛性の補強構造は無く、絶縁基板50の中央に長さY3のスリット71が発生している。封止樹脂60が冷却硬化することにより、スリット71を中心に応力が発生してしまい、絶縁基板50の中心部分にクラックが発生するリスクが高い。
Unlike the configuration of this embodiment (Figure 1), there is no rigid reinforcement structure, and a
≪解析結果による定性的傾向≫
図6から図7Bを用いて、絶縁基板50の中央部における応力について説明する。
Qualitative trends based on analysis results
The stress at the center of the insulating
図6は、セラミック基板の中央部における応力Nを、シミュレータを用いて解析した結果を示している。図7A及び図7Bは、図6の解析モデルの概要を示す図であり、それぞれ従来例の構造、本発明の構造を模した断面構造を示している。 Figure 6 shows the results of an analysis of the stress N at the center of the ceramic substrate using a simulator. Figures 7A and 7B are diagrams showing an overview of the analysis model of Figure 6, showing cross-sectional structures that mimic the structure of a conventional example and the structure of the present invention, respectively.
アルミナ(Al2O3)を想定した絶縁基板(セラミック基板)50に対し、厚み0.4mmの銅製の導体層パターン11,12,14を配置した。応力Nの観測位置は、厚み0.3mmの絶縁基板(セラミック基板)50の中央部分で、かつ、スリット71の直下である。
Copper
本発明の構造を模した図7Bは、スリット71を塞ぐ形でリードフレーム相当の銅製の板LFが追加で配置された構成を示している。図7A及び図7Bでは、封止樹脂60として、共にエポキシ樹脂が厚みTで導体層パターン11,12上に配置されることを想定し、そのT値を変化させた場合の応力Nの依存性を図6に示す。ここでは、4mm~7mmのT値を用いている。現実的なT値は4mm程度であり、絶縁基板50と導体層パターン11,12の厚みを考慮すると、樹脂封止されたパワー半導体モジュールの全体の厚みは5mm前後である。
Figure 7B, which is a model of the structure of the present invention, shows a configuration in which a copper plate LF equivalent to a lead frame is additionally placed to cover the
図6の横軸に示す樹脂の厚みTの変化に対し、図7Aに示す従来例の構造を模した断面構造の場合(図中▲のプロット)では、樹脂の厚みTが薄くなった場合でも応力Nは減少することなく、高止まりすることが分かる。一方、図7Bに示す本発明の構造を模した断面構造(図中〇のプロット)では、従来例の構造に比べて、応力N自体が低下するとともに、樹脂の厚みTが薄くなるのに従い、応力Nが減少することが分かる。 In relation to the change in resin thickness T shown on the horizontal axis of Figure 6, in the case of the cross-sectional structure simulating the conventional structure shown in Figure 7A (plotted with ▲ in the figure), it can be seen that stress N does not decrease but remains high even when the resin thickness T becomes thinner. On the other hand, in the cross-sectional structure simulating the structure of the present invention shown in Figure 7B (plotted with ◯ in the figure), it can be seen that stress N itself is lower than in the conventional structure, and that stress N decreases as the resin thickness T becomes thinner.
この傾向は、本実施例で説明した剛性を補強する構造のリードフレームの追加と部分的な樹脂厚の薄層化を合わせた施策に効果があることを定性的に示すものである。また、図6の従来例のデータが示すように、樹脂の厚みTを単純に薄層化しても応力低減効果は期待できないことも判明した。これらの解析結果の傾向は、樹脂や銅製導電層パターンの熱膨張率やそれぞれの厚みとの関係により変動し恒常的な傾向ではないものの、本発明の効果を示している。 This tendency qualitatively indicates that the combined measures of adding a lead frame with a structure that reinforces rigidity and partially thinning the resin thickness, as described in this embodiment, are effective. In addition, as shown by the data for the conventional example in Figure 6, it was also found that simply thinning the resin thickness T cannot be expected to have a stress reduction effect. Although the tendency of these analysis results fluctuates depending on the thermal expansion coefficient of the resin and the copper conductive layer pattern and their relationship with their respective thicknesses and is not a constant tendency, it does indicate the effect of the present invention.
以上説明したように、本実施例のパワー半導体モジュールは、絶縁基板50の支持部材となるベース板や放熱器等を有しない樹脂封止型のパワー半導体モジュールであって、絶縁基板50と、絶縁基板50上に配置された第1の導体層パターン11と、絶縁基板50上に配置され、第1の導体層パターン11と電気的に絶縁された第2の導体層パターン12と、絶縁基板50上に配置され、第1の導体層パターン11及び第2の導体層パターン12と電気的に絶縁された第3の導体層パターン13と、第1の導体層パターン11上に接合された1つ以上の半導体チップを有する第1の半導体チップ群(IGBTチップ31,ダイオードチップ32)と、第2の導体層パターン12上に接合された1つ以上の半導体チップを有する第2の半導体チップ群(IGBTチップ33,ダイオードチップ34)と、第1の半導体チップ群の第1の導体層パターン11との接合面の反対側と第2の導体層パターン12とを電気的に接続する第1のリードフレーム21と、第2の半導体チップ群の第2の導体層パターン12との接合面の反対側と第3の導体層パターン13とを電気的に接続する第2のリードフレーム22を備えており、第1のリードフレーム21及び第2のリードフレーム22の各々は、第1の導体層パターン11と第2の導体層パターン12との間のスリット71を跨いで配置され、かつ、絶縁基板50の各導体層パターン11,12,13の配置面に垂直な方向において、互いに重ならないように、すなわち、リードフレーム21,22が一重となるように配置されている。
As described above, the power semiconductor module of this embodiment is a resin-sealed power semiconductor module that does not have a base plate or a heat sink that serves as a support member for the insulating
また、スリット71は、絶縁基板50の中央部に配置され、絶縁基板50上に形成される各導体層パターン11,12,13間の複数のスリットの内、長さが最も長い。
The
また、スリット71の少なくとも一部を含む領域の封止樹脂60の厚みは、他の領域の封止樹脂60の厚みよりも薄い。
In addition, the thickness of the sealing
また、絶縁基板50の各導体層パターン11,12,13の配置面に垂直な方向において、第1のリードフレーム21及び第2のリードフレーム22上には、封止樹脂60のみが配置されている。
In addition, in a direction perpendicular to the arrangement surface of each
これにより、封止樹脂60の冷却硬化時に発生しやすい絶縁基板50のクラックを効果的に抑制することができる。
This effectively prevents cracks in the insulating
図8及び図9、図12から図14を参照して、本発明の実施例2のパワー半導体モジュールについて説明する。なお、図12及び図13は、実施例1に関する図であり、本実施例との比較のために示している。 The power semiconductor module of the second embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 8, 9, 12 to 14. Note that Figures 12 and 13 are figures relating to the first embodiment, and are shown for comparison with this embodiment.
図8は、本実施例のパワー半導体モジュール202の平面図である。実施例1(図1)の構成に対して、外部主端子1及び外部主端子3の端子形状とその周囲の導体層パターンの形状を変更している。スリット71に対するリードフレーム21とリードフレーム22Aの形状は、実施例1(図1)と同様である。
Figure 8 is a plan view of the
リードフレーム22Aは、L字形状のフレーム形状を備えながら、実施例1(図1)で示した外部主端子3の機能も兼ねる形状とする。このような形状とすることで、IGBTチップ33から外部主端子3Aまでの経路を一様に、かつ厚い導体で構成できる。例えば、導体層パターン11~13が銅製の回路パターンであって、その厚みが0.4mmとする。一方、リードフレーム21及びリードフレーム22Aは、導体層パターン11~13の厚みに関わらず、厚銅リードフレームを利用できることから、その厚みは1.0mm~1.5mmに設定することが可能である。
The
外部主端子1Aは、実施例1(図1)の外部主端子1と比較して、絶縁基板50上の長さをダイオードチップ32の近傍まで伸長させると共に、導体層パターン13の上部を通過する形状とする。
Compared to the external
図8の断面線D-D’での断面図を図9に示す。上述したような本実施例の形態を取ることによって、高電圧電源端子である外部主端子1Aに対して、低電圧電源端子である外部主端子3A(リードフレーム22Aが兼ねる)は、(1)厚い導体断面形状同士で平行配置できる、(2)導体層パターン13と平面的に平行配置する領域が発生する、という2点の特徴を備えることができる。つまり、外部主端子1Aが、リードフレーム22Aと厚い導体断面形状同士で平行配置でき、なおかつ、導体層パターン13とは広い幅で平行配置できる。
Figure 9 shows a cross-sectional view taken along the line D-D' in Figure 8. By adopting the configuration of this embodiment as described above, the external
外部主端子1Aと外部主端子3Aは、パワー半導体モジュール202のスイッチング特性に影響を与える主回路インダクタンスLsを構成する配線経路である。図14に、図8に示す本実施例のパワー半導体モジュール202の主回路インダクタンス経路の等価回路を示す。外部主端子1Aは図中のTerm1Aに、外部主端子3AはTerm3Aにそれぞれ対応する。
The external
Term1Aは、外部主端子1Aで発生するインダクタンスに相当するL1AとL1Bを経由して、IGBTチップ31とダイオードチップ32に接続される。これらの半導体チップは、リードフレーム21に相当するインダクタンスL21を介して、IGBTチップ33とダイオードチップ34に接続され、さらにリードフレーム22Aと導体層パターン13に対応するインダクタンスL22A,L22B,L13、そして外部主端子3Aのインダクタンスを示すL3を介してTerm3Aに接続される。
Term1A is connected to
上記のTerm1AからTerm3Aに至る経路の総インダクタンスが主回路インダクタンスLsであり、その値が小さいほど、スイッチング時のサージ電圧等を削減できることから、スイッチング損失を小さくすることができる。 The total inductance of the path from Term1A to Term3A is the main circuit inductance Ls, and the smaller this value is, the more the surge voltage during switching can be reduced, thereby reducing switching losses.
図9及び図14に示す等価回路から、本実施例の構成では、インダクタンスL1A及びL1Bに対して、相互インダクタンスM1-13,M1-22,M1-3が導体層パターン13とリードフレーム22A(外部主端子3Aを兼ねる)との間に発生する。図9に示すように、外部主端子1Aと外部主端子3Aについては、互いに通流する電流が逆方向に流れることから、相互インダクタンスMが発生して上記の主回路インダクタンスLsの値を減少させる効果がある。主回路インダクタンスLsの値が減少するのは、相互インダクタンスMの符号がLsを構成する導体層パターンとリードフレームの自己インダクタンスと逆の負性だからである。
From the equivalent circuits shown in Figures 9 and 14, in the configuration of this embodiment, mutual inductances M1-13, M1-22, and M1-3 are generated between the
ここで、図12及び図13を用いて、実施例1(図1)の構成と比較する。 Here, we will compare the configuration with that of Example 1 (Figure 1) using Figures 12 and 13.
図12に示す実施例1の断面構造(図1のA-A’断面)では、導体層パターン11に対して、導体層パターン13とリードフレーム22の積層構造との間に相互インダクタンスM11-13が発生する。
In the cross-sectional structure of Example 1 shown in Figure 12 (cross-section A-A' in Figure 1), a mutual inductance M11-13 occurs between the
図13に、実施例1(図1)のパワー半導体モジュール200の主回路インダクタンス経路の等価回路を示す。主回路インダクタンスの経路に着目すると、外部主端子1と導体層パターン11に発生するインダクタンスL1及びL11に対して、導体層パターン13と外部主端子3との間に、上記のM11-13に加え、相互インダクタンスM1-3が発生する。
Figure 13 shows an equivalent circuit of the main circuit inductance path of the
実施例1(図1)と実施例2(図8)とを比較すると、外部主端子や導体層パターン、及びリードフレームの長さは同等であるが、図13と図14の比較から分かるように、相互インダクタンスが異なっている。実施例1と実施例2の相互インダクタンスの差分について大小の比較をすると式(1)の関係が成立する。 Comparing Example 1 (Fig. 1) and Example 2 (Fig. 8), the lengths of the external main terminals, conductor layer patterns, and lead frames are equivalent, but as can be seen from a comparison of Fig. 13 and Fig. 14, the mutual inductance is different. When comparing the magnitude of the difference in mutual inductance between Example 1 and Example 2, the relationship of formula (1) holds.
|M1-13 + M1-22| > |M11-13| ・・・(式1)
すなわち、実施例1(図1)に示す外部主端子1と外部主端子3、及び周辺の導体層パターンとリードフレームの配置形態よりも、本実施例(図8)のような配置とすることで、主回路インダクタンスLsに影響を与える相互インダクタンスの値を大きくすることができるため、本実施例では、主回路インダクタンスLsを実施例1より小さく抑えることが可能となる。
|M1-13 + M1-22| > |M11-13| ... (Equation 1)
In other words, by arranging the external
以上説明したように、本実施例のパワー半導体モジュールは、第1の導体層パターン11と電気的に接続された外部主端子1Aを有しており、外部主端子1Aの一部は、絶縁基板50の各導体層パターン11,12,13の配置面において、第2のリードフレーム22Aと封止樹脂60を隔てて対向し、かつ、第3の導体層パターン13と封止樹脂60を隔てて対向するように構成されている。
As described above, the power semiconductor module of this embodiment has an external
また、外部主端子3Aは、第2のリードフレーム22Aと一体で成形されている。
In addition, the external
本実施例では、絶縁基板(セラミック基板)50への応力を緩和しつつ、外部主端子の形状の変更により、主回路インダクタンスLsを低減することができる。 In this embodiment, the main circuit inductance Ls can be reduced by changing the shape of the external main terminal while mitigating stress on the insulating substrate (ceramic substrate) 50.
従って、アルミナ(Al2O3)基板等の安価ではあるが、曲げ強度の弱い絶縁基板を樹脂封止型のパワー半導体モジュールに導入し、基板クラックのリスクを下げて高歩留まりで製造できることから、パワー半導体モジュールの低コスト化が可能となる。 Therefore, by introducing an insulating substrate such as an alumina ( Al2O3 ) substrate , which is inexpensive but has weak bending strength, into a resin-sealed power semiconductor module, the risk of substrate cracking can be reduced and manufacturing can be achieved with a high yield, thereby making it possible to reduce the cost of the power semiconductor module.
また、主回路インダクタンスを低減できることから、スイッチング損失を低減することができる。 In addition, since the main circuit inductance can be reduced, switching losses can be reduced.
図11を参照して、本発明の実施例3の電力変換装置について説明する。図11は、本実施例の電力変換装置の回路構成を示すブロック図である。 The power conversion device of the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11. FIG. 11 is a block diagram showing the circuit configuration of the power conversion device of this embodiment.
図11では、バッテリー250と、電力変換装置260と、負荷となる電動機270によって構成される電気自動車の車軸を駆動する3相交流電動機の例を示している。
Figure 11 shows an example of a three-phase AC motor that drives the axle of an electric vehicle, which is composed of a
本実施例の電力変換装置260は、2in1のパワー半導体モジュール200もしくはパワー半導体モジュール202によって構成される一相分のレグ回路を3つと、コンデンサ240と、制御回路230とを備えている。なお、電力変換装置260は、交流の相数に等しいゲート駆動回路210(210a~210c)を備えている。
The
電力変換装置260は、コンデンサ240により主電圧(Vcc)を保持し、制御回路230により生成された各パワー半導体モジュール200(202)内の半導体スイッチング素子のゲート駆動信号は、ゲート駆動回路210a,210b,210cを介して各パワー半導体モジュール200(202)へと入力される。
The
レグ回路220a,220b,220cは、それぞれ第1相のインバータレグ、第2相のインバータレグ、第3相のインバータレグを構成する。各インバータレグの出力が電動機270と接続される。
本実施例では、レグ回路220a,220b,220cは、同じ回路構成を有している。そこで、レグ回路220aを例にとって回路構成について説明する。
In this embodiment,
レグ回路220aは、パワー半導体モジュール200a(202a)によって構成される一対の上下アームと、パワー半導体モジュール200a(202a)をオン・オフ制御するゲート駆動回路210aと、を備えている。
The
本実施例によれば、電力変換装置260に搭載されるパワー半導体モジュール200もしくはパワー半導体モジュール202に、実施例1及び実施例2のいずれかで説明したパワー半導体モジュールが用いられており、電力変換装置260やそれを含んで構成する電気自動車用モータ駆動システムのコストを低減することができる。
According to this embodiment, the power semiconductor module described in either
また、実施例2で説明したパワー半導体モジュール202を用いることにより、主回路インダクタンスを低減できることから、従来のモジュール構成と比較して、スイッチング損失を低減することができる。
In addition, by using the
従って、電力変換装置260やそれを含んで構成する電気自動車用モータ駆動システムを、低コスト化できるとともに、低損失化することができる。
As a result, the
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modified examples. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
例えば、パワー半導体モジュール200やパワー半導体モジュール202を構成する部材の寸法や絶縁距離はその応用に応じて任意で良い。
For example, the dimensions and insulation distances of the components constituting
さらに、パワー半導体モジュール200及びパワー半導体モジュール202を構成する半導体スイッチング素子のチップ配置は図示した形態に限定されるものではない。
Furthermore, the chip arrangement of the semiconductor switching elements that constitute the
パワー半導体モジュール200もしくはパワー半導体モジュール202としては、各実施例で説明したIGBTとダイオードの並列接続の他に、複数のMOSFETチップの並列接続構成やJFET型(Junction Field Effect Transistor)等のユニポーラデバイスや、BJT(Bipolar Junction Transistor)等のバイポーラデバイスのいずれでも良い。なお、デバイスに応じて、主端子やセンス端子の名称が、上述の「コレクタ」及び「エミッタ」の他、「ドレイン」及び「ソース」と呼称される。
The
また、パワー半導体モジュール200もしくはパワー半導体モジュール202を適用する電力変換装置260は、電気自動車用モータ駆動システムの他、太陽光発電装置におけるPCS(Power Conditioning System)や鉄道車両電気システム等にも適用できる。
The
1,1A…外部主端子(高電圧電源端子)
2…外部主端子(交流電圧端子)
3,3A…外部主端子(低電圧電源端子)
5,7…信号端子(ゲート制御端子)
6,8…信号端子(エミッタセンス端子)
11…導体層パターン(高電圧電源端子の電位)
12…導体層パターン(交流電圧端子の電位)
13…導体層パターン(低電圧電源端子の電位)
14…導体層パターン
15,18…導体層パターン(ゲート電圧端子の電位)
16,19…導体層パターン(エミッタセンス電圧端子の電位)
21,22,22A…リードフレーム
25,27…(ゲート配線用)ボンディングワイヤ
26,28…(エミッタセンス配線用)ボンディングワイヤ
31,33…IGBTチップ
32,34…ダイオードチップ
50…絶縁基板(セラミック基板)
60…封止樹脂
61…(封止樹脂の)凹部形状
71,72…(導体層パターン間の)スリット
200,201,202…パワー半導体モジュール
210,210a~210c…ゲート駆動回路
220,220a~220c…レグ回路
230…制御回路
240…コンデンサ
250…バッテリー
260…電力変換装置
270…電動機
301…コレクタ電極
302…エミッタ電極
303…ゲート電極
304…アノード電極
305…カソード電極
X1,X4,Y1,Y2,Y3,Y4…距離
T…封止樹脂の厚み
1, 1A...External main terminal (high voltage power supply terminal)
2...External main terminal (AC voltage terminal)
3, 3A...External main terminal (low voltage power supply terminal)
5, 7...Signal terminals (gate control terminals)
6, 8...Signal terminals (emitter sense terminals)
11...Conductor layer pattern (potential of high voltage power supply terminal)
12...Conductor layer pattern (potential of AC voltage terminal)
13...Conductor layer pattern (electric potential of low voltage power supply terminal)
14...
16, 19...Conductor layer pattern (potential of emitter sense voltage terminal)
21, 22, 22A...
60... Sealing
Claims (12)
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置された第1の導体層パターンと、
前記絶縁基板上に配置され、前記第1の導体層パターンと電気的に絶縁された第2の導体層パターンと、
前記絶縁基板上に配置され、前記第1の導体層パターンおよび前記第2の導体層パターンと電気的に絶縁された第3の導体層パターンと、
前記第1の導体層パターン上に接合された1つ以上の半導体チップを有する第1の半導体チップ群と、
前記第2の導体層パターン上に接合された1つ以上の半導体チップを有する第2の半導体チップ群と、
前記第1の半導体チップ群の前記第1の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第2の導体層パターンとを電気的に接続する第1のリードフレームと、
前記第2の半導体チップ群の前記第2の導体層パターンとの接合面の反対側と前記第3の導体層パターンとを電気的に接続する第2のリードフレームと、を備え、
前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームの各々は、前記第1の導体層パターンと前記第2の導体層パターンとの間のスリットを跨いで配置され、かつ、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、リードフレームが一重となるように配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A resin-sealed power semiconductor module that does not have a support member for an insulating substrate,
An insulating substrate;
a first conductor layer pattern disposed on the insulating substrate;
a second conductor layer pattern disposed on the insulating substrate and electrically insulated from the first conductor layer pattern;
a third conductor layer pattern disposed on the insulating substrate and electrically insulated from the first conductor layer pattern and the second conductor layer pattern;
a first semiconductor chip group having one or more semiconductor chips bonded onto the first conductor layer pattern;
a second semiconductor chip group having one or more semiconductor chips bonded onto the second conductor layer pattern;
a first lead frame electrically connecting a surface of the first semiconductor chip group opposite to a surface to be bonded to the first conductor layer pattern and the second conductor layer pattern;
a second lead frame electrically connecting a surface of the second semiconductor chip group opposite to a bonding surface with the second conductor layer pattern to the third conductor layer pattern,
A power semiconductor module characterized in that each of the first lead frame and the second lead frame is arranged across a slit between the first conductor layer pattern and the second conductor layer pattern, and the lead frames are arranged in a single layer in a direction perpendicular to the arrangement surface of the insulating substrate on which each conductor layer pattern is arranged.
前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレームの各々は、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、互いに重ならないことを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
A power semiconductor module, characterized in that the first lead frame and the second lead frame do not overlap each other in a direction perpendicular to a surface of the insulating substrate on which the conductor layer patterns are arranged.
前記スリットは、前記絶縁基板の中央部に配置され、
前記絶縁基板上に形成される前記各導体層パターン間の複数のスリットの内、長さが最も長いことを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
the slit is disposed in a central portion of the insulating substrate,
A power semiconductor module, characterized in that among a plurality of slits between the respective conductor layer patterns formed on the insulating substrate, the slit has the longest length.
前記絶縁基板、前記第1の半導体チップ群、前記第2の半導体チップ群、前記第1のリードフレーム、前記第2のリードフレームを封止する封止樹脂を有し、
前記スリットの少なくとも一部を含む領域の封止樹脂の厚みは、他の領域の封止樹脂の厚みよりも薄いことを特徴とするパワー半導体モジュール。 4. The power semiconductor module according to claim 3,
a sealing resin that seals the insulating substrate, the first semiconductor chip group, the second semiconductor chip group, the first lead frame, and the second lead frame;
A power semiconductor module, characterized in that the thickness of the sealing resin in a region including at least a portion of the slit is thinner than the thickness of the sealing resin in other regions.
前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面に垂直な方向において、前記第1のリードフレームおよび前記第2のリードフレーム上には、封止樹脂のみが配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
A power semiconductor module, characterized in that in a direction perpendicular to the arrangement surface of the insulating substrate on which each of the conductor layer patterns is arranged, only a sealing resin is arranged on the first lead frame and the second lead frame.
前記封止樹脂は、表面に凹部を有し、
前記凹部は、前記封止樹脂の厚みが薄い領域であり、その深さは2mm以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 5. The power semiconductor module according to claim 4,
the sealing resin has a recess on a surface thereof;
The recess is an area where the sealing resin is thin, and has a depth of 2 mm or more.
前記封止樹脂は、表面に凹部を有し、
前記凹部は、前記封止樹脂の厚みが薄い領域であり、前記パワー半導体モジュールを平面視した際に、短辺が4mm以上の矩形形状であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 5. The power semiconductor module according to claim 4,
the sealing resin has a recess on a surface thereof;
The recess is a region where the sealing resin is thin, and is a rectangular shape with a short side of 4 mm or more when the power semiconductor module is viewed in a plan view.
前記第1の導体層パターンと電気的に接続された外部端子を有し、
前記外部端子の一部は、前記絶縁基板の前記各導体層パターンの配置面において、前記第2のリードフレームと封止樹脂を隔てて対向し、かつ、前記第3の導体層パターンと封止樹脂を隔てて対向することを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
an external terminal electrically connected to the first conductor layer pattern;
a portion of the external terminal facing the second lead frame across a sealing resin, and facing the third conductor layer pattern across a sealing resin, on a placement surface of the insulating substrate on which each conductor layer pattern is arranged.
前記絶縁基板は、アルミナ(Al2O3)を主成分とするセラミック基板であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
The power semiconductor module, wherein the insulating substrate is a ceramic substrate containing alumina (Al 2 O 3 ) as a main component.
前記第1の半導体チップ群と前記第1の導体層パターンとの接合、前記第1の半導体チップ群と前記第1のリードフレームとの接続、前記第2の半導体チップ群と前記第2の導体層パターンとの接合、前記第2の半導体チップ群と前記第2のリードフレームとの接続の内、少なくともいずれか1つは焼結銅による接合または接続であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
a bonding or connection between the first semiconductor chip group and the first conductor layer pattern, the connection between the first semiconductor chip group and the first lead frame, the bonding between the second semiconductor chip group and the second conductor layer pattern, and the connection between the second semiconductor chip group and the second lead frame, wherein at least one of these is a bonding or connection made by sintered copper.
前記第1の導体層パターンと電気的に接続された第1の外部端子と、
前記第3の導体層パターンと電気的に接続された第2の外部端子と、を有し、
前記第2の外部端子は、前記第2のリードフレームと一体で成形されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 2. The power semiconductor module according to claim 1,
a first external terminal electrically connected to the first conductor layer pattern;
a second external terminal electrically connected to the third conductor layer pattern;
The power semiconductor module, wherein the second external terminal is molded integrally with the second lead frame.
前記上下アームを駆動する駆動回路と、を備え、
前記上下アームに、請求項1から11のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールを用いることを特徴とする電力変換装置。 A main circuit having one or more pairs of upper and lower arms;
A drive circuit for driving the upper and lower arms,
A power conversion device using the power semiconductor module according to claim 1 in the upper and lower arms.
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