JP4660214B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、両端に電源からの電力線が接続される直列接続の両半導体スイッチング素子の互いの接続点から負荷への出力線を引き出した回路を有し、前記両半導体スイッチング素子が相補的に開閉制御されることにより、前記電源の電力を変換して前記負荷へ出力する電力用半導体装置に係り、特に大電力用途に適した配線構造を有するものに関する。 The present invention has a circuit in which an output line to a load is drawn from a connection point of two series-connected semiconductor switching elements in which power lines from a power source are connected to both ends, and both the semiconductor switching elements are complementarily opened and closed The present invention relates to a power semiconductor device that converts the power of the power source by being controlled and outputs the converted power to the load, and particularly relates to a device having a wiring structure suitable for high power use.
従来、電力用半導体装置において、より大電流をより高周波数で変換することが要求されるに伴なって増大する電力損失、発熱、破壊、ノイズによる誤動作等の諸問題を解決するために、配線インダクタンスの低減が一解決手法となっている(特許文献1〜5等)。
特許文献1段落0005には、インダクタンスをLとしたとき、−L(di/dt)なるサージ電圧が発生し、誤動作、破壊等を引き起こし得ることが記載されている。
半導体スイッチング素子としては、主にMOSFET、IGBTなどのトランジスタが用いられている。大電力用途の半導体装置としては、電動ホークリフトなどの3相モータ駆動回路が挙げられる。車両やリフトなどの電動機の高出力化、騒音対策等により 大電流を高周波数(ホークリフトにいては10kHz以上)で変換することが要求されている。
Conventionally, in order to solve various problems such as power loss, heat generation, destruction, malfunction due to noise, etc., which are increased as a larger current is required to be converted at a higher frequency in a power semiconductor device. Reduction of inductance is one solution (
As semiconductor switching elements, transistors such as MOSFETs and IGBTs are mainly used. As a semiconductor device for high power use, there is a three-phase motor drive circuit such as an electric hawk lift. It is required to convert a large current at a high frequency (more than 10 kHz for a hawk lift) to increase the output of electric motors such as vehicles and lifts and to prevent noise.
互いの接続点に出力線が接続され両端に電力線が接続される直列両半導体スイッチング素子の回路は、特許文献1〜3に記載されている。
特許文献1においては、その図10に回路図が示され、その図1〜3等に装置外観図が示されている。特許文献1の図11に示されるように、3相モータの駆動回路においては、直列両半導体スイッチング素子の回路がu相、v相、w相に対応して3セット構成される。
特許文献1〜3記載の装置においては、電力線の高電位側をP、低電位側をN、出力線をUとして、これら3電極に対応する平板状の電極導出端子(電極を外部への導出する導体)が平行配置されている。
特許文献1記載の装置にあっては、電極導出端子の相互に平行に配置された部分は、半導体スイッチング素子の実装基板に対して垂直に縦置きされており、P,N電極導出端子が比較的近接して配置されている。
特許文献2記載の装置及び特許文献3図1記載の装置にあっては、電極導出端子の相互に平行に配置された部分は、絶縁物を介して積層配置され、かつ、半導体スイッチング素子の実装基板に対して平行に配置されており、P,U,N又はN,U,Pの順で3層が平積みされている。
In
In the devices described in
In the device described in
In the device described in Patent Document 2 and the device described in
ここで、ノイマンの定理より、長さl、半径a、誘磁率μの丸棒導線の自己インダクタンスLsは次式(1)で表され、中心軸間間隔dで平行する長さl、誘磁率μの2つの丸棒導線間に働く相互インダクタンスMは次式(2)で表される。
特許文献1段落0040には、互いに平行で短い方の端子幅の1/5倍以下の距離d隔てたE2端子(同文献中符号5)、C1端子(同文献中符号7)を流れる電流が逆向きであるため、負の相互インダクタンスが働き、両端子のインダクタンスを低減するように作用することが記載されている。ここで、E2端子、C1端子は、上記P,N電極導出端子に相当するものである(E2端子がN、C1端子がP)。
これは、電流が逆向きのため式(3)がL=Ls−Mとなり、0<M<2Lsであれば、Lが低減されるということを述べていると解される(但し、同文献においては、Mの有効範囲にまでは触れていない。)。
In
This is interpreted as stating that L is reduced if the equation (3) becomes L = Ls−M because the current is in the reverse direction, and 0 <M <2Ls (however, the same document) Does not touch the effective range of M).
特許文献2段落0006には、漏れ電流が無いと考えると、出力線Uに流れるのと同じ電流がP電力線又はN電力線のどちらかをU出力線と反対方向に流れるため、配線のインダクタンスが効果的に低減できることが記載されている。
これは、電流が逆向きのため式(3)がL=Ls−Mとなり、0<M<2Lsであれば、Lが低減されるということを述べていると解される(但し、同文献においては、Mの有効範囲にまでは触れていない。)。
In Patent Document 2, paragraph 0006, assuming that there is no leakage current, the same current that flows in the output line U flows in either the P power line or the N power line in the opposite direction to the U output line, so that the inductance of the wiring is effective. It is described that it can be reduced.
This is interpreted as stating that L is reduced if the equation (3) becomes L = Ls−M because the current is in the reverse direction, and 0 <M <2Ls (however, the same document) Does not touch the effective range of M).
特許文献3段落0016には、U電極を導出する電極バー(同文献中符号35)とP電極を導出する電極バー(同文献中符号36)及び、U電極を導出する電極バー(同文献中符号35)とN電極を導出する電極バー(同文献中符号37)との重なり合う部分で、スイッチングするときの電流が反対側に流れるため、そのときのインダクタンス値はほぼ0となることが記載されている。
これは、電流が逆向きのため式(3)がL=Ls−Mとなり、0<M<2Lsであれば、Lが低減されるということを述べていると解される(但し、同文献においては、Mの有効範囲にまでは触れていない。)。電流が逆向きでLsとMの値が等しければ、Lは0となる。
This is interpreted as stating that L is reduced if the equation (3) becomes L = Ls−M because the current is in the reverse direction, and 0 <M <2Ls (however, the same document) Does not touch the effective range of M). If the current is reversed and the values of Ls and M are equal, L is 0.
また、特許文献1〜3記載の発明においては、P,U,Nの電極導出端子を幅広な平板状とすることにより、自己インダクタンスを低減することが意図されていると解される(特許文献1段落0043等)。
なお、式(1)は、丸棒導線に関するものであるが、式(1)中における半径aは導線の断面積に関するパラメータであるので、平板状導線においては、厚みと幅に置き換えて換算することができ、厚みが一定であれば、自己インダクタンスLsは、導線の幅の増大により減少する。
Further, in the inventions described in
In addition, although Formula (1) is related with a round bar conducting wire, the radius a in Formula (1) is a parameter relating to the cross-sectional area of the conducting wire. If the thickness is constant, the self-inductance Ls decreases as the width of the conductor increases.
以上のように、特許文献1〜3記載の発明においては、共通して、幅広電極により自己インダクタンスLsを小さくするとともに、逆方向電流により相互インダクタンスMを打ち消すように作用させて相殺し、インダクタンスLを低減するという理論に基づくものと解される。
そして、インダクタンスLを低減することにより、サージ電圧−L(di/dt)を小さくして、破損を防止し、磁気的に作用するノイズを低減して誤動作を防止し、インダクタンス分のスイッチング損失を低減し、結果、発熱量の低減を図らんとするものと解される。
By reducing the inductance L, the surge voltage -L (di / dt) is reduced to prevent breakage, magnetically acting noise is reduced to prevent malfunction, and the switching loss corresponding to the inductance is reduced. As a result, it is understood that the amount of generated heat is reduced.
特許文献1記載の3電極を回路基板に対して垂直配置した構成に対し、3電極を平積みにした3層配線を有する特許文献2,3記載の発明の方が、装置の薄型化等に有利である。
In contrast to the configuration in which the three electrodes described in
しかし、相互インダクタンスMの発生によるインダクタンスLの低減効果は、隣接する導線内に流れる電流が同時点で逆向きで、かつ、相互インダクタンスMの値が0<M<2Lsである場合に限られる。
3相モータ等の駆動動作の下、P,N,Uの3層配線のすべての部分で、すべての時に、電流を逆向きに流すことは不可能であり、相互インダクタンスMの値を相殺作用のある0<M<2Lsの範囲に収めるには、間隔dの範囲が限定され、インダクタンスの相殺効果を実効性の高いものにすることは難しい。0<M<2Lsの範囲に無い場合は、インダクタンスを強め合ってしまう。
また、特許文献2,3の発明においては、3層配線をP,U,Nの順で積層しているが、U電極は、P,U電極に対して2倍の周波数で電流が動くため、最も発熱量が大きくなりやすく、P,U電極の中間に挟むことによって、熱分散性、放熱性の上で不利となり、ノイズの影響が比較的大きくなる。
このような熱対策にとって不利な配置が強いられるため、熱設計的な利得を得ながらインダクタンスの相殺効果を実効あらしめることは難しい。また、ノイズ対策を優先した配置も制限される。
However, the effect of reducing the inductance L due to the generation of the mutual inductance M is limited to the case where the currents flowing in the adjacent conductors are opposite at the same point and the value of the mutual inductance M is 0 <M <2Ls.
Under the driving operation of a three-phase motor or the like, it is impossible to flow a current in all directions of the three-layer wiring of P, N, and U at all times, and the mutual inductance M value is canceled out. In order to be within the range of 0 <M <2Ls, it is difficult to make the inductance canceling effect highly effective because the range of the distance d is limited. If it is not in the range of 0 <M <2Ls, the inductances are strengthened.
In the inventions of
Since such a disadvantageous arrangement for heat countermeasures is forced, it is difficult to effectively exhibit the inductance canceling effect while obtaining a thermal design gain. In addition, the arrangement giving priority to noise countermeasures is also limited.
上述したように特許文献1記載の3電極を回路基板に対して垂直配置した構成に対し、3電極を平積みにした3層配線を有する特許文献2,3記載の発明の方が、装置の薄型化等に有利である。
さらには、特許文献2記載の3つの電極導出端子を回路基板上に半導体素子と隣接させて設置した構成に対し、回路基板と間隔を空けて回路基板上空に配置した特許文献3の構成の方が、電極導出端子の配線幅拡大と装置小面積化に有利である。
As described above, the inventions described in
Furthermore, in contrast to the configuration in which the three electrode lead-out terminals described in Patent Document 2 are installed adjacent to the semiconductor element on the circuit board, the configuration in
また、特許文献3記載の装置においては、電極導出端子(同公報中「電極バー」)の端部の回路基板方向に突出した枝部が半導体チップ表面の電極に直接接続されており、半導体チップ表面の電極にボンディングワイヤを接続する特許文献1,2記載の装置に比較して簡素となるものの、電極導出端子の寸法精度及び電極導出端子の一端を保持するケースの寸法精度が厳しく求められる。また、半導体チップを損傷しないように組立作業に慎重を要し、半導体チップへ負荷される組立応力、熱応力等が増大し、環境温度変化、ホークリフトに搭載される場合のように使用時に加わる振動等による装置故障が懸念される。
特許文献2記載の装置においては、ボンディングワイヤの一端を半導体チップ表面の電極にボンディングするが、他端が電極導出端子(同公報中「3層幅広電極」)にボンディングされるワイヤと、他端が回路基板上の導体パターンにボンディングされるワイヤとがあるため、電極導出端子の配置前にすべてのワイヤボンディングを実施できず、すなわち、回路基板単体での実装工程においてワイヤボンディングを済ませることができない。また、電極導出端子にボンディングワイヤが接続されるから、電極導出端子の寸法精度、配置精度、ワイヤのボンディング精度等がその分厳しく求められる。
特許文献1記載の装置においては、ボンディングワイヤの両端を半導体チップ又は回路基板上にボンディングするから、回路基板単体での実装工程においてワイヤボンディングを済ませることができ、電極導出端子に対し半導体チップへの直接接続やワイヤボンディングを考慮した精度は求められないものの、回路面積が増大する。回路面積が増大する上に、電極導出端子が回路面に垂直に立設されているから、装置が大型化する。
Further, in the apparatus described in
In the device described in Patent Document 2, one end of a bonding wire is bonded to an electrode on the surface of a semiconductor chip, and the other end is bonded to an electrode lead-out terminal (“3-layer wide electrode” in the same publication), and the other end Since there is a wire bonded to the conductor pattern on the circuit board, all wire bonding cannot be performed before the electrode lead-out terminals are arranged, that is, the wire bonding cannot be completed in the mounting process of the circuit board alone. . Further, since the bonding wire is connected to the electrode lead-out terminal, the dimensional accuracy, the placement accuracy, the wire bonding accuracy, etc. of the electrode lead-out terminal are strictly required.
In the apparatus described in
また、特許文献3記載の装置においては、特許文献3の図1に示されるように、電極導出端子(同公報中「電極バー」)の端部の回路基板方向に突出した枝部の下端が、半導体素子表面と平行になるように外側に折り曲げられており、半導体素子上空の空間は、3層配線の積層空間としては利用されていない。
さらに、特許文献3の図1に示されるように、P,N電極に対してU電極の取り出し方向が異なり、装置内部空間にて、U電極を取り出す電極導出端子が迂回しており、その分、3つの電極導出端子の配線幅が減少する。
したがって、特許文献3記載の装置においても、一定の装置内空間において、配線幅を拡大することに対し不利な構造が見られる。
In the device described in
Further, as shown in FIG. 1 of
Therefore, the device described in
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、薄型化、熱対策、ノイズ対策の点で電極導出端子の形状、配置が良好な電力用半導体装置を提供することを課題とする。
また、熱分散性、放熱性が高められ、配線抵抗、特に熱抵抗分が低下された電力用半導体装置を提供することを課題とする。
さらに、製造歩留まり良好で、使用時の環境に耐え、信頼性の高い電力用半導体装置を提供することを課題とする。
結果として、より大電流をより高周波数で変換することに耐えられる電力用半導体装置を提供することを課題とする。
The present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a power semiconductor device in which the shape and arrangement of electrode lead-out terminals are good in terms of thinning, thermal countermeasures, and noise countermeasures. And
It is another object of the present invention to provide a power semiconductor device in which heat dispersibility and heat dissipation are improved and wiring resistance, particularly heat resistance, is reduced.
It is another object of the present invention to provide a highly reliable power semiconductor device that has a good manufacturing yield, can withstand the environment during use, and has high reliability.
As a result, an object of the present invention is to provide a power semiconductor device that can withstand a larger current at a higher frequency.
以上の課題を解決するための請求項1記載の発明は、両端に電源からの電力線が接続される直列接続の両半導体スイッチング素子の互いの接続点から負荷への出力線を引き出した回路を有し、前記両半導体スイッチング素子が相補的に開閉制御されることにより、前記電源の電力を変換して前記負荷へ出力する電力用半導体装置であって、
前記電力線の高電位側をP、低電位側をN、前記出力線をUとして、P,N,Uの3電極に対応する3つの電極導出端子を有し、
前記3つの電極導出端子が、前記半導体スイッチング素子が実装される回路基板の上空で、前記回路基板に近い方からP,N,Uの順に間隔隔てて積層され、少なくともその積層部で前記回路基板と平行な平板状に形成されてなることを特徴とする電力用半導体装置である。
The invention described in
The high potential side of the power line is P, the low potential side is N, the output line is U, and there are three electrode lead-out terminals corresponding to three electrodes of P, N, U,
The three electrode lead-out terminals are stacked above the circuit board on which the semiconductor switching element is mounted, and are stacked at intervals in the order of P, N, U from the side closer to the circuit board, and at least in the stacked portion, the circuit board It is formed in a flat plate shape parallel to the power semiconductor device.
請求項1記載の発明によれば、電極導出端子が回路基板と平行に、回路基板に近い方からP,N,Uの順で積層配置されるので、P,N電極導出端子に対し2倍の周波数の電流が流れ最も発熱量が大きいU電極導出端子が3層のうち最上に配置されて、U電極導出端子を回路基板の裏面と反対側の装置表面側へ配置することができる。
これにより、最も発熱量が大きいU電極導出端子を回路基板から離れた装置表面側へ配置して熱の集中を防ぐことができるとともに、U電極導出端子の装置表面側からの放熱を促すことができ、放熱性が向上する。
U電極導出端子と回路基板の間には、比較的低温のP,N電極導出端子が介在するため、U電極導出端子から回路基板への輻射熱が防止できる。
また、P電極導出端子が回路基板に最も近接配置される。さらにN電極導出端子がP電極導出端子上に配置される。高電位のP電極導出端子、低電位のN電極導出端子は、ともに電位が比較的安定しており、従って、回路基板との間に磁界の変化を顕著にもたらすことなく、回路基板に対しノイズの影響を抑えることができる。ともにノイズ源となりやすい回路基板とU電極導出端子とは、P,N電極導出端子を介して離間されているので、相互にノイズの影響が抑えられる。
また、P,N,U3つの電極導出端子が積層する積層部は、回路基板と平行な平板状に形成され、回路基板の上空に配置されるから、装置薄型化、小型化に有利である。
以上のように、薄型化、熱対策、ノイズ対策の点で電極導出端子の形状、配置が良好であり、結果として、小型でも、より大電流をより高周波数で変換することに耐えられる。
According to the first aspect of the present invention, since the electrode lead-out terminals are arranged in the order of P, N, and U from the side close to the circuit board in parallel with the circuit board, the electrode lead-out terminals are doubled with respect to the P and N electrode lead-out terminals. The U electrode lead-out terminal that flows the current of the highest frequency and generates the largest amount of heat is placed at the top of the three layers, and the U electrode lead-out terminal can be placed on the device surface side opposite to the back surface of the circuit board.
As a result, the U electrode lead-out terminal having the largest heat generation amount can be arranged on the device surface side away from the circuit board to prevent heat concentration, and the heat radiation from the device surface side of the U electrode lead-out terminal can be promoted. And heat dissipation is improved.
Since a relatively low temperature P and N electrode lead-out terminal is interposed between the U electrode lead-out terminal and the circuit board, radiation heat from the U electrode lead-out terminal to the circuit board can be prevented.
Further, the P electrode lead-out terminal is disposed closest to the circuit board. Further, an N electrode lead-out terminal is disposed on the P electrode lead-out terminal. Both the high-potential P-electrode lead terminal and the low-potential N-electrode lead terminal are relatively stable in potential, and therefore, noise is not caused to the circuit board without causing a significant change in the magnetic field with the circuit board. The influence of can be suppressed. Since both the circuit board that is likely to be a noise source and the U electrode lead-out terminal are separated via the P and N electrode lead-out terminals, the influence of noise can be suppressed.
In addition, the laminated portion where the three electrode lead-out terminals P, N, and U are laminated is formed in a flat plate shape parallel to the circuit board, and is disposed above the circuit board, which is advantageous for reducing the thickness and size of the device.
As described above, the shape and arrangement of the electrode lead-out terminals are good in terms of thinning, heat countermeasures, and noise countermeasures. As a result, even with a small size, a larger current can be converted at a higher frequency.
請求項2記載の発明は、前記積層部が1又は2個以上の前記半導体スイッチング素子の上空に配置されてなることを特徴とする請求項1記載の電力用半導体装置である。 According to a second aspect of the present invention, in the power semiconductor device according to the first aspect, the stacked portion is disposed above one or more of the semiconductor switching elements.
請求項2に記載の発明によれば、P,N,U3つの電極導出端子の積層部が1又は2個以上の半導体スイッチング素子の上空に配置されているので、半導体スイッチング素子の上方空間をも利用して積層部の配線幅を広く形成することができる。
配線幅を広くとることにより電極導出端子の熱容量が増大され熱分散性が高められ、配線抵抗、特に熱抵抗分が低下される。結果として、より大電流をより高周波数で変換することに耐えられる。
U出力線が接続される両半導体スイッチング素子の一方は、P−U間に接続され、他方はU−N間に接続される。したがって、半導体スイッチング素子は最少で2個である。P−U間に接続される半導体スイッチング素子を複数並列に設けても良いし、U−N間に接続される半導体スイッチング素子を複数並列に設けてもよい。したがって、半導体スイッチング素子の総数は3個以上となる場合がある。その場合、積層部を3個以上の半導体スイッチング素子の上空に配置することもできる。
According to the second aspect of the present invention, since the stacked portion of the P, N, and U three electrode lead-out terminals is disposed above one or more semiconductor switching elements, the space above the semiconductor switching elements is also increased. By utilizing this, the wiring width of the laminated portion can be formed wide.
By increasing the wiring width, the heat capacity of the electrode lead-out terminal is increased, the heat dispersibility is improved, and the wiring resistance, particularly the thermal resistance component, is reduced. As a result, it can withstand higher currents at higher frequencies.
One of the semiconductor switching elements to which the U output line is connected is connected between P-U and the other is connected between U-N. Therefore, the minimum number of semiconductor switching elements is two. A plurality of semiconductor switching elements connected between P-U may be provided in parallel, or a plurality of semiconductor switching elements connected between U-N may be provided in parallel. Therefore, the total number of semiconductor switching elements may be 3 or more. In that case, the stacked portion can be disposed above three or more semiconductor switching elements.
請求項3記載の発明は、P,N,Uの各電極導出端子の外部配線が接続される外端接続部は、前記回路基板を垂直視したとき、前記回路基板の一辺に隣接してその外側に配置されており、前記積層部は前記一辺側からその対辺側へ延出するように形成されてなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電力用半導体装置である。
According to a third aspect of the present invention, the outer end connecting portion to which the external wiring of each of the P, N, and U electrode lead-out terminals is connected is adjacent to one side of the circuit board when the circuit board is viewed vertically. 3. The power semiconductor device according to
請求項3記載の発明によれば、P,N,Uの各電極導出端子は、内部への延出方向と逆側に取り出されるので、迂回することはない。迂回配線がない分、限られた装置内部空間で、3つの電極導出端子の配線幅を大きく取れる。 According to the third aspect of the present invention, the P, N, and U electrode lead-out terminals are taken out in the direction opposite to the extending direction to the inside, so that they are not detoured. Since there is no detour wiring, the wiring width of the three electrode lead-out terminals can be increased in a limited device internal space.
請求項4記載の発明は、P,N,Uの各電極導出端子の前記回路基板に接続する内端接続部は、前記積層部の側縁から1又は2以上突出形成され、前記回路基板側に折り曲げられ、さらにそれより先で内側に折り曲がられてなる突起であることを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3記載の電力用半導体装置である。
According to a fourth aspect of the present invention, one or more inner end connection portions connected to the circuit board of the electrode lead-out terminals of P, N, and U are formed so as to protrude from the side edge of the laminated portion, and the
請求項4記載の発明によれば、積層部の側縁から突出形成される突起状の内端接続部の下端が内折りに形成されるため、外折りとする場合に比較して、他の構造が同じとき、積層部の幅をより大きくとることができる。
According to invention of
請求項5記載の発明は、P,N,U各電極の内端接続部の内側に折り曲げられた下端部はそれぞれ前記回路基板上の導体パターンに接合され、
P−U間に接続される前記半導体スイッチング素子は、P電極の内端接続部が接合する導体パターンに接合され、
前記P−U間に接続される前記半導体スイッチング素子の表面主電極とU電極の内端接続部が接合する導体パターンとがボンディングワイヤを介して接続され、
U−N間に接続される前記半導体スイッチング素子は、U電極の内端接続部が接合する導体パターンに接合され、
前記U−N間に接続される前記半導体スイッチング素子の表面主電極とN電極の内端接続部が接合する導体パターンとがボンディングワイヤを介して接続されてなることを特徴とする請求項4記載の電力用半導体装置である。
In the invention according to
The semiconductor switching element connected between P-U is joined to a conductor pattern to which the inner end connection portion of the P electrode is joined,
The surface main electrode of the semiconductor switching element connected between the P-U and the conductor pattern to which the inner end connection portion of the U electrode is connected via a bonding wire,
The semiconductor switching element connected between U and N is joined to a conductor pattern to which the inner end connection portion of the U electrode is joined,
5. The main surface electrode of the semiconductor switching element connected between the U and N and a conductor pattern to which an inner end connection portion of the N electrode is joined are connected via a bonding wire. This is a power semiconductor device.
請求項5記載の発明によれば、P,N,U各電極の内端接続部はそれぞれ回路基板上の導体パターンに接合される。これは、半田などの導電性の接合剤によって接合することができる。
そして、各電極導出端子は、回路基板上の導体パターンやボンディングワイヤを介して半導体スイッチング素子の電極と電気的に接続される。
したがって、回路基板単体での実装工程においてワイヤボンディングを済ませることができ、電極導出端子に対し半導体チップへの直接接続やワイヤボンディングを考慮した精度は求められず、歩留まり良く比較的容易に信頼性の高い製品を製造できる。ボンディングワイヤと、中継のボンディング領域を回路基板上に設ける分、回路面積が増大するが、回路面上方空間を電極導出端子の配置領域として有効に利用するので、電極導出端子をより幅広に形成しやすくなる。
According to the fifth aspect of the present invention, the inner end connecting portions of the P, N, and U electrodes are respectively joined to the conductor pattern on the circuit board. This can be bonded by a conductive bonding agent such as solder.
Each electrode lead-out terminal is electrically connected to the electrode of the semiconductor switching element via a conductor pattern or a bonding wire on the circuit board.
Therefore, wire bonding can be completed in the mounting process of the circuit board alone, and the accuracy in consideration of direct connection to the semiconductor chip and wire bonding is not required for the electrode lead-out terminal, and the yield is relatively easy and reliable. High product can be manufactured. The circuit area increases by providing the bonding wire and the relay bonding area on the circuit board, but the space above the circuit surface is effectively used as the arrangement area for the electrode lead-out terminal, so the electrode lead-out terminal is formed wider. It becomes easy.
請求項6記載の発明は、P,N,Uの各電極導出端子の外部配線が接続される外端接続部は前記回路基板の一辺に沿ってP,N,Uの順で異なる位置に配置され、
N電極の外端接続部は前記一辺に沿った前記積層部の形成範囲内に在り、
P電極の外端接続部及びU電極の外端接続部の全部又は一部は、前記一辺に沿った前記積層部の形成範囲外に在り、
P電極導出端子及びU電極導出端子には、前記一辺側の前記積層部の端部から前記一辺に沿った方向に前記範囲外まで突出し外端接続部に連結する部分が形成されていることを特徴とする請求項5記載の電力用半導体装置である。
According to a sixth aspect of the present invention, the outer end connection portions to which the external wirings of the P, N, and U electrode lead-out terminals are connected are arranged at different positions in the order of P, N, and U along one side of the circuit board. And
The outer end connection portion of the N electrode is within the formation range of the stacked portion along the one side,
All or part of the outer end connection portion of the P electrode and the outer end connection portion of the U electrode are outside the formation range of the stacked portion along the one side,
The P-electrode lead-out terminal and the U-electrode lead-out terminal have a portion that protrudes out of the range in the direction along the one side from the end of the stacked portion on the one side and is connected to the outer end connection portion. 6. The power semiconductor device according to
請求項6記載の発明によれば、まず、P,N,U各電極の外端接続部が回路基板の一辺に沿って異なる位置に配置されるため、外部配線の接続がしやすい。さらに、P電極の外端接続部及びU電極の外端接続部の全部又は一部は前記一辺に沿った積層部の形成範囲外に在るため、3つの外端接続部が広範囲に分散し、各外端接続部をそれぞれ大きくしても十分な間隔を取ることができ、外部配線の接続がしやすい。
さらに、P電極導出端子及びU電極導出端子には、前記一辺側の前記積層部の端部から前記一辺に沿った方向に前記範囲外まで突出し外端接続部に連結する部分が形成されている。そのため、P電極の外端接続部及びU電極の外端接続部の全部又は一部が前記一辺に沿った積層部の形成範囲外に在っても、この外端接続部に連結する部分で配線幅を狭小にすることがない。また、P電極導出端子及びU電極導出端子をN電極導出端子より容積的に大きくすることができる。
固体内の熱伝導としては、N電極導出端子はボンディングワイヤを介してしか半導体スイッチング素子から熱伝導しないが、P電極導出端子及びU電極導出端子は、ボンディングワイヤを介さず、回路上の導体パターンを介して半導体スイッチング素子から熱伝導するため、N電極導出端子より発熱量が大きい(上述したようにU電極導出端子は最も発熱量が大きい。)。
したがって、P電極導出端子及びU電極導出端子をN電極導出端子より大きくすることにより、N電極導出端子と同一又は小さくする場合に比較して、温度の不均衡を抑えることができる。
According to the sixth aspect of the invention, first, the outer end connecting portions of the P, N, and U electrodes are arranged at different positions along one side of the circuit board, so that the external wiring can be easily connected. Furthermore, since all or part of the outer end connection portion of the P electrode and the outer end connection portion of the U electrode are outside the formation range of the laminated portion along the one side, the three outer end connection portions are widely dispersed. Even if each outer end connection portion is enlarged, a sufficient interval can be secured, and external wiring can be easily connected.
Furthermore, the P electrode lead-out terminal and the U electrode lead-out terminal are formed with a portion that protrudes out of the range in the direction along the one side from the end of the laminated portion on the one side and is connected to the outer end connecting portion. . Therefore, even if all or part of the outer end connection portion of the P electrode and the outer end connection portion of the U electrode are outside the formation range of the laminated portion along the one side, the portion connected to the outer end connection portion The wiring width is not reduced. Further, the P electrode lead terminal and the U electrode lead terminal can be made larger in volume than the N electrode lead terminal.
As for heat conduction in the solid, the N electrode lead-out terminal conducts heat only from the semiconductor switching element through the bonding wire, but the P electrode lead-out terminal and the U electrode lead-out terminal do not go through the bonding wire, and the conductor pattern on the circuit. Therefore, the heat generation amount is larger than that of the N electrode lead terminal (as described above, the U electrode lead terminal has the largest heat generation amount).
Therefore, by making the P electrode lead-out terminal and the U electrode lead-out terminal larger than the N electrode lead-out terminal, temperature imbalance can be suppressed as compared with the case where it is the same or smaller than the N electrode lead-out terminal.
請求項7記載の発明は、P電極導出端子及びU電極導出端子の前記一辺に沿って自己の外端接続部から前記積層部へ至る部分に前記一辺に沿った折りが形成されていることを特徴とする請求項6記載の電力用半導体装置である。
According to a seventh aspect of the present invention, a fold along the one side is formed in a portion from the outer end connecting portion to the laminated portion along the one side of the P electrode lead terminal and the U electrode lead terminal. The power semiconductor device according to
請求項7記載の発明によれば、前記一辺に沿った折りが入ることにより、限られたスペース内で外端接続部から積層部へ至る部分の断面積を大きくとることができ、電流と熱の集中を防ぐことができる。 According to the seventh aspect of the present invention, by folding along the one side, the cross-sectional area of the portion from the outer end connecting portion to the laminated portion can be increased within a limited space, and the current and heat can be increased. Can be prevented.
請求項8記載の発明は、P電極の内端接続部は前記積層部分を介して自己の外端接続部の逆側に形成されていることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の電力用半導体装置である。 The invention according to claim 8 is characterized in that the inner end connection portion of the P electrode is formed on the opposite side of its outer end connection portion through the laminated portion. This is a power semiconductor device.
同一側に内端接続部と外端接続部を形成すると、積層部を拡幅するに従い内端接続部及び外端接続部と逆側の端部の電流密度が低下する。これに対し、請求項8記載の発明によれば、P電極の内端接続部と外端接続部とが積層部を介して相互に逆側に配置されるため、積層部を拡幅しても電流の経路の偏在化が抑えられ、電極導出端子内の電流密度を不均一化することを防止できる。 When the inner end connecting portion and the outer end connecting portion are formed on the same side, the current density at the end opposite to the inner end connecting portion and the outer end connecting portion decreases as the laminated portion is widened. On the other hand, according to the invention described in claim 8, since the inner end connecting portion and the outer end connecting portion of the P electrode are arranged on the opposite sides of each other through the laminated portion, even if the laminated portion is widened, The uneven distribution of the current path can be suppressed, and the current density in the electrode lead-out terminal can be prevented from becoming non-uniform.
請求項9記載の発明は、N電極の内端接続部は前記積層部分を介してP電極の内端接続部の逆側に形成されていることを特徴とする請求項8記載の電力用半導体装置である。
The power semiconductor according to
請求項9記載の発明によれば、P電極の内端接続部とN電極の内端接続部とが積層部を介して相互に逆側に配置されるため、P−U間に接続される半導体スイッチング素子の搭載領域と、U−N間に接続される半導体スイッチング素子の搭載領域とを積層部直下領域に境界を置いて分割配置したとき、左右対称的な最適配線構造を構成することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, the inner end connecting portion of the P electrode and the inner end connecting portion of the N electrode are disposed on the opposite sides of each other through the stacked portion. When the mounting region of the semiconductor switching element and the mounting region of the semiconductor switching element connected between U and N are divided and arranged with the boundary immediately below the stacked portion, a symmetrical optimal wiring structure can be configured. it can.
請求項10記載の発明は、U電極の内端接続部は前記積層部分の両側に形成されており、
前記P−U間に接続される前記半導体スイッチング素子の表面主電極と前記ボンディングワイヤを介して接続される前記導体パターンに接合するU電極の内端接続部が、P電極の内端接続部と同じ側に形成され、
前記U−N間に接続される前記半導体スイッチング素子が接合された前記導体パターンに接合するU電極の内端接続部が、N電極の内端接続部と同じ側に形成されてなることを特徴とする請求項9記載の電力用半導体装置である。
In the invention according to
The inner end connection portion of the U electrode joined to the surface main electrode of the semiconductor switching element connected between the P-U and the conductor pattern connected via the bonding wire is an inner end connection portion of the P electrode. Formed on the same side,
The inner end connection portion of the U electrode joined to the conductor pattern to which the semiconductor switching element connected between U and N is joined is formed on the same side as the inner end connection portion of the N electrode. A power semiconductor device according to
請求項10記載の発明によれば、P−U間に接続される半導体スイッチング素子の搭載領域と、U−N間に接続される半導体スイッチング素子の搭載領域とを積層部直下領域に境界を置いて分割配置したとき、U電極の内端接続部を最短で接続することができる。 According to the tenth aspect of the present invention, the mounting region of the semiconductor switching element connected between P-U and the mounting region of the semiconductor switching element connected between U-N are placed in the region immediately below the stacked portion. Thus, the inner end connection part of the U electrode can be connected in the shortest time.
請求項11記載の発明は、P電極の一つの内端接続部が前記積層部の先端側に位置し、P電極の内端接続部と同じ側に形成されたU電極の1又は2以上の内端接続部のすべては、前記先端側に位置するP電極の一つの内端接続部より前記積層部の基端側に位置することを特徴とする請求項10記載の電力用半導体装置である。
The invention according to
請求項11記載の発明よれば、P−U間に接続される半導体スイッチング素子の表面主電極とボンディングワイヤを介して接続される導体パターンに接合するU電極の内端接続部よりも発熱量が大きくなりやすいP電極の内端接続部の少なくとも一つを、最も先端側に配置するので、積層部に配置されるP電極導出端子中において実質的な電流経路断面積をより大きくでき、より広く電流を分散することができて、電流や熱の集中を緩和することができる。
なお、半導体スイッチング素子と回路基板上の導体パターンを介して接続する内端接続部の方が、半導体スイッチング素子と回路基板上の導体パターン及びボンディングワイヤを介して接続する内端接続部より発熱量が大きくなる。発熱量が大きくなる電極導出端子中の実質的な電流経路断面積をより大きくすることが好ましい。
According to the eleventh aspect of the present invention, the amount of heat generated is larger than that of the inner end connection portion of the U electrode joined to the surface main electrode of the semiconductor switching element connected between P and U and the conductor pattern connected via the bonding wire. Since at least one of the inner end connection portions of the P electrode that tends to be large is disposed on the most distal side, the substantial current path cross-sectional area can be increased in the P electrode lead-out terminal disposed in the stacked portion, The current can be dispersed, and the concentration of current and heat can be reduced.
The inner end connection portion connected to the semiconductor switching element via the conductor pattern on the circuit board generates more heat than the inner end connection portion connected to the semiconductor switching element via the conductor pattern and bonding wire on the circuit board. Becomes larger. It is preferable to increase the substantial current path cross-sectional area in the electrode lead-out terminal where the heat generation amount is large.
請求項12記載の発明は、N電極の内端接続部と同じ側に形成されたU電極の一つの内端接続部が前記積層部の先端側に位置し、N電極の1又は2以上の内端接続部のすべては、前記先端側に位置するU電極の一つの内端接続部より前記積層部の基端側に位置することを特徴とする請求項10記載の電力用半導体装置である。
The invention according to claim 12 is characterized in that one inner end connection portion of the U electrode formed on the same side as the inner end connection portion of the N electrode is located on the tip side of the stacked portion, and one or more of the N electrodes are provided. 11. The power semiconductor device according to
請求項12記載の発明によれば、U−N間に接続される半導体スイッチング素子が接合された導体パターンに接合する発熱量が最も大きいU電極の内端接続部の少なくとも一つを、最も先端側に配置するので、積層部に配置されるU電極導出端子中において実質的な電流経路断面積をより大きくでき、より広く電流を分散することができて、電流や熱の集中を緩和することができる。 According to the twelfth aspect of the invention, at least one of the inner end connection portions of the U electrode that generates the largest amount of heat to be bonded to the conductor pattern to which the semiconductor switching element connected between U and N is bonded is the most distal end. Since it is arranged on the side, the substantial current path cross-sectional area can be increased in the U electrode lead-out terminal arranged in the laminated portion, the current can be spread more widely, and the concentration of current and heat can be reduced. Can do.
請求項13記載の発明は、P,N,U各電極の内端接続部は、それぞれ同一側縁に2以上ずつ、先端側と基端側に振り分けられて設けられていることを特徴とする請求項4から請求項12のうちいずれか一に記載の電力用半導体装置である。
The invention according to
請求項13記載の発明によれば、積層部から内端接続部、内端接続部から積層部への電流経路が必ず2以上、先端側と基端側に確保されるので、積層部に配置される各電極導出端子中において実質的な電流経路断面積をより大きくでき、より広く電流を分散することができて、電流や熱の集中を緩和することができる。 According to the thirteenth aspect of the present invention, since there are always two or more current paths from the laminated portion to the inner end connecting portion and from the inner end connected portion to the laminated portion, the distal end side and the proximal end side are secured. In each electrode lead-out terminal, the substantial current path cross-sectional area can be increased, the current can be more widely dispersed, and the concentration of current and heat can be reduced.
請求項14記載の発明は、前記回路基板の裏面に面を接触させる放熱板と、前記回路基板の周囲の前記放熱板の縁部に固定され前記回路基板を包囲する枠状の絶縁性ケースとを有し、前記3つの電極導出端子が前記絶縁性ケースに一部を埋没して保持されてなることを特徴とする請求項1から請求項13のうちいずれか一に記載の電力用半導体装置である。
The invention according to
請求項14記載の発明によれば、放熱板により回路基板の裏面からの放熱性が良く、絶縁性ケースに3つの電極導出端子が埋没保持されているので、電極導出端子の保持性が良い。また、電極導出端子を絶縁性ケースの所定位置に埋没保持した後に、それにより一体化された絶縁性ケース及び電極導出端子を、回路基板が所定位置に固定された放熱板上に載置することによって、簡単、正確に回路基板上に各電極導出端子を配置することができ、さらに、半田熱処理等の必要な工程を経て各内端接続部と回路基板との接合を一括して処理することができる。 According to the fourteenth aspect of the present invention, the heat dissipation from the back surface of the circuit board is good by the heat radiating plate, and the three electrode lead-out terminals are buried and held in the insulating case. Also, after the electrode lead-out terminal is buried and held in a predetermined position of the insulating case, the insulating case integrated with the electrode lead-out terminal and the electrode lead-out terminal are placed on a heat sink with the circuit board fixed at the predetermined position. The electrode lead-out terminals can be arranged on the circuit board simply and accurately, and the joining of each inner end connection portion and the circuit board can be collectively processed through necessary processes such as solder heat treatment. Can do.
請求項15記載の発明は、前記3つの電極導出端子の相互間の間隔が絶縁材を介して保持されてなることを特徴とする請求項1から請求項14のうちいずれか一に記載の電力用半導体装置である。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the electric power according to any one of the first to fourteenth aspects, an interval between the three electrode lead-out terminals is held via an insulating material. Semiconductor device.
請求項15記載の発明は、電極導出端子の相互間の間隔が絶縁材を介して保持されるので、狭い間隔でも確実に絶縁し、一定の間隔に保持することができる。 According to the fifteenth aspect of the present invention, since the distance between the electrode lead-out terminals is held via the insulating material, it is possible to reliably insulate even at a narrow distance and hold it at a constant distance.
請求項16記載の発明は、前記半導体スイッチング素子はMOSFETであることを特徴とする請求項1から請求項15のうちいずれか一に記載の電力用半導体装置である。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the power semiconductor device according to any one of the first to fifteenth aspects, the semiconductor switching element is a MOSFET.
請求項16記載の発明によれば、MOSFETは、元来その構造中にダイオードを含んでいるので、通常、外付けのダイオード素子を設けなくても十分に耐えられる。 According to the sixteenth aspect of the present invention, since the MOSFET originally includes a diode in its structure, the MOSFET can normally withstand even without providing an external diode element.
上述したように本発明によれば、その電極導出端子の形状、配置により薄型化、熱対策、ノイズ対策が優れたものとなる。
特に、電極導出端子の幅を広くしやすく、電流密度の不均衡を抑えつつ電極導出端子中の実質的な電流経路断面積を大きく取ることができる。このように電極導出端子の断面積を効果的に大きくすることにより電極導出端子の熱容量が増大され熱分散性、放熱性が高められ、配線抵抗、特に熱抵抗分が低下するという効果がある。
3つの電極導出端子は積層構造を構成するので、部分的に相互インダクタンスによるインダクタンスの相殺作用を生ぜしめることもでき、また、電極導出端子を幅広とすることにより自己インダクタンスが減少し、自己インダクタンスの減少又は自己インダクタンスの減少と相互インダクタンスによるインダクタンスの相殺作用によりインダクタンスが低減されるという効果がある。
さらに本発明によれば、製造歩留まり良好で、使用時の環境に耐え、信頼性の高い電力用半導体装置が得られる。
結果として本発明によれば、小型でも、より大電流をより高周波数で変換することに耐えられるという効果がある。
As described above, according to the present invention, the shape and arrangement of the electrode lead-out terminals are excellent in thickness reduction, heat countermeasures, and noise countermeasures.
In particular, the width of the electrode lead-out terminal can be easily increased, and a substantial current path cross-sectional area in the electrode lead-out terminal can be increased while suppressing an imbalance in current density. By effectively increasing the cross-sectional area of the electrode lead-out terminal in this manner, the heat capacity of the electrode lead-out terminal is increased, heat dispersibility and heat dissipation are improved, and the wiring resistance, particularly the heat resistance, is reduced.
Since the three electrode lead-out terminals form a laminated structure, it is possible to partially cancel the inductance due to mutual inductance. Also, by widening the electrode lead-out terminals, the self-inductance is reduced and the self-inductance is reduced. There is an effect that the inductance is reduced by a reduction or self-inductance reduction and an inductance canceling action by mutual inductance.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to obtain a power semiconductor device that has a good manufacturing yield, can withstand the environment during use, and has high reliability.
As a result, according to the present invention, even if it is small, there is an effect that it can withstand conversion of a larger current at a higher frequency.
以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
図1は、本実施形態の電力用半導体装置の平面図(一部透過)である。図2は、図1におけるA−A断面図である。図3は、図1におけるB−B断面図である。図4は、電極導出端子インサート型のケースの平面図(a)及び正面図(b)である。図5は、P電極導出端子の平面図である。図6は、N電極導出端子の平面図である。図7は、U電極導出端子の平面図である。図8は、P,N,Uの3電極導出端子及び絶縁材の分解斜視図である。図9は、回路基板(ボンディングワイヤ無し)の平面図である。図10は、本実施形態の電力用半導体装置の等価回路図である。図11は、3相モータの駆動回路の回路図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following is one embodiment of the present invention and does not limit the present invention.
FIG. 1 is a plan view (partially transparent) of the power semiconductor device of this embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. FIG. 4 is a plan view (a) and a front view (b) of an electrode lead-out terminal insert type case. FIG. 5 is a plan view of the P electrode lead-out terminal. FIG. 6 is a plan view of the N electrode lead-out terminal. FIG. 7 is a plan view of the U electrode lead-out terminal. FIG. 8 is an exploded perspective view of the three-electrode lead terminals P, N, and U and the insulating material. FIG. 9 is a plan view of a circuit board (without bonding wires). FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the power semiconductor device of this embodiment. FIG. 11 is a circuit diagram of a drive circuit for a three-phase motor.
図1〜3に示すように本実施形態の電力用半導体装置は、放熱板1と、2つの回路基板2H、2Lと、ケース3とが組立てられて構成され、図10に示す回路を構成する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the power semiconductor device of the present embodiment is configured by assembling the
図4に示すようにケース3には、積層部11を構成するP,N,U各電極の電極導出端子4〜6及び制御用電極導出端子7H,7L,8H,8Lが保持されている。P,N,U各電極の電極導出端子4〜6及び制御用電極導出端子7、8は、銅板などの金属板をプレス成型して作製されるものであり、ニッケルめっき等が施される。ケース3は、樹脂成型品である。
図5及び図8(e)に示すように、P電極導出端子4は、平行平板部4aと、垂直平板部4bと、外端接続部4cと、2つの内端接続部4d,4eとに分けて捉えることができる。
図6及び図8(c)に示すように、N電極導出端子5は、平行平板部5aと、垂直平板部5bと、外端接続部5cと、2つの内端接続部5d,5eとに分けて捉えることができる。
図7及び図8(a)に示すように、U電極導出端子6は、平行平板部6aと、垂直平板部6bと、外端接続部6cと、4つの内端接続部6d〜6gとに分けて捉えることができる。
各平行平板部4a,5a,6aは、回路基板2H、2Lに平行に配置される平板状部分である。
各垂直平板部4b,5b,6bは、回路基板2H、2Lに対し垂直に配置され、図8に示すように各平行平板部4a,5a,6aの端部と外端接続部4c,5c,6cの端部とを連結する平板状部分である。
P電極の外端接続部4cは、電源の高電位側からの外部配線が接続される。N電極の外端接続部5cは、電源の低電位側からの外部配線が接続される。U電極の外端接続部6cには、3相モータなどの出力先の装置が接続される。
As shown in FIG. 4, the
As shown in FIGS. 5 and 8 (e), the P electrode lead-out
As shown in FIGS. 6 and 8 (c), the N electrode lead-out
As shown in FIGS. 7 and 8 (a), the U electrode lead-out
Each parallel
The vertical
An external wiring from the high potential side of the power source is connected to the outer
3つの外端接続部4c,5c,6cは、ケース3の上端面上に同一高さで配置される。各平行平板部4a,5a,6aは、回路基板2H、2Lに近い方からP,N,Uの順に間隔隔てて積層され、その間隔は、絶縁材9,10によって保持される。したがって、外端接続部4c,5c,6cと平行平板部4a,5a,6aとの高低差は、P,N,Uの順で大きい。
図8に示すように絶縁材9,10は、均一な厚さで断面L字状に形成されており、垂直平板部4b,5b,6bの相互間の間隔も絶縁材9,10によって保持される。
The three outer
As shown in FIG. 8, the insulating
各平行平板部4a,5a,6aの先端は、同一位置に配置される。したがって、平行平板部の長さは、P,N,Uの順で長い。P,N,Uの3層は、N電極の平行平板部5aのほぼ全体において積層している。平行平板部5aの垂直平板部5bに近接する絶縁材10の厚み相当の範囲は積層部11から除かれる。
なお、3つの垂直平板部4b,5b,6bは、回路基板2H,2Lと平行な方向に部分的に積層している。
The tips of the
The three vertical
各外端接続部4c,5c,6cには、ケース3の縁に沿った同位置に揃うように、ボルト挿入孔4k,5k,6kがプレス形成時に空けられている。これらのボルト挿入孔4k,5k,6kに連通するナット23が1つずつ、計3つケース3に埋め込まれている。これらのボルト挿入孔4k,5k,6k及び3つのナット23は、外部配線の端部に設けたリング状の端子を外端接続部4c,5c,6cにボルト締めにより圧着接続するための構造である。
各内端接続部4d,4e,5d,5e,6d〜6gは、積層部11の側縁、すなわち、各平行平板部4a,5a,6aの側縁から同一面内で突出形成された突起状部分で、途中で回路基板2H、2L側に折り曲げられ、さらにそれより先で内側に折り曲がられて形成されている。
積層部11の片側に配置された4つの内端接続部4d,4e,6d,6eについては、先端側からP電極の先端側内端接続部4d、U電極の先端側内端接続部6d、U電極の基端側内端接続部6e、P電極の基端側内端接続部4eの順で配置されている。
積層部11の他の片側に配置された4つの内端接続部5d,5e,6f,6gについては、先端側からU電極の先端側内端接続部6f、N電極の先端側内端接続部5d、N電極の基端側内端接続部5e、U電極の基端側内端接続部6gの順で配置されている。
最も先端側の内端接続部4d,6fの先端側端面は、平行平板部4a、6aの先端、すなわち、積層部11の先端に一致する。
片側4つの内端接続部4d,4e,6d,6eは均等な間隔に配置されず、内端接続部6dと内端接続部6eとの間が相対的に大きく開くことによって、先端側内端接続部4d, 6dと基端側内端接続部4e,6eとが先端側と基端側に偏在するように配置されている。
同様に、他の片側4つの内端接続部5d,5e,6f,6gは均等な間隔に配置されず、内端接続部5dと内端接続部5eとの間が相対的に大きく開くことによって、先端側内端接続部5d, 6fと基端側内端接続部5e,6gとが先端側と基端側に偏在するように配置されている。
Each of the inner
For the four inner
Regarding the four inner
The front end side end surfaces of the inner
The four inner
Similarly, the other four inner
図4、図5等に示すように、P電極導出端子4の平行平板部4aの基端部は、積層部11の基端部より内端接続部4eの逆側に突出形成され、積層部11と同一幅の先端部より拡幅されている。この拡幅された平行平板部4aの基端部に同一幅で直角な折りを介して連続して垂直平板部4bが形成され、さらに垂直平板部4bの内端接続部4eと逆側の端部に直角な折りを介して外端接続部4cが連結されている。これら2回の折りが相互逆方向となることにより、P電極導出端子4は断面クランク状に形成されている。
内端接続部4eの逆側に平行平板部4aの基端部を拡幅したため、平行平板部4aの積層部11から突出する部分と内端接続部4eとが干渉せず、2つの内端接続部4d,4eの間隔を広く取りつつ、平行平板部4aの積層部11から突出する部分を大きく形成することができる。平行平板部4aの積層部11から突出する部分と垂直平板部4bとにより積層部11から外端接続部4cまでの電流経路の断面積が大きくとられている。
As shown in FIG. 4, FIG. 5, etc., the base end portion of the
Since the base end portion of the
図4、図6等に示すように、N電極導出端子5の平行平板部5aは全体として積層部11と同一幅で形成されている。平行平板部5aに同一幅で直角な折りを介して連続して垂直平板部5bが形成され、さらに垂直平板部5bの中央部に直角な折りを介して外端接続部5cが連結されている。これら2回の折りが相互逆方向となることにより、U電極導出端子5は断面クランク状に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 6, the
図4、図7等に示すように、U電極導出端子6の平行平板部6aの基端部は、積層部11の基端部より内端接続部6gの逆側に突出形成され、積層部11と同一幅の先端部より拡幅されている。この拡幅された平行平板部6aの基端部に同一幅で直角な折りを介して連続して垂直平板部6bが形成され、さらに垂直平板部6bの内端接続部6gと逆側の端部に直角な折りを介して外端接続部6cが連結されている。これら2回の折りが相互逆方向となることにより、U電極導出端子6は断面クランク状に形成されている。
内端接続部6gの逆側に平行平板部6aを拡幅したため、平行平板部6aの積層部11から突出する部分と内端接続部6gとが干渉せず、2つの内端接続部6f, 6gの間隔を広く取りつつ、平行平板部6aの積層部11から突出する部分を大きく形成することができる。平行平板部6aの積層部11から突出する部分と垂直平板部6bとにより積層部11から外端接続部6cまでの電流経路の断面積が大きくとられている。
As shown in FIG. 4, FIG. 7, etc., the base end portion of the parallel
Since the parallel
図9に示すように、2つの回路基板2H、2Lは、同一の回路パターンを有するものである。回路基板2HはP−U間に接続されるもので、P−U間に接続されるMOSFET素子12Hが16個実装される。回路基板2LはU−N間に接続されるもので、U−N間に接続されるMOSFET素子12Lが16個実装される。
回路基板2H、2Lは、それぞれ絶縁基板13と絶縁基板13上の導体パターン14,15,16とを有する。導体パターン14は、MOSFET素子12H(12L)のゲート電極、導体パターン15は、MOSFET素子12H(12L)のソース電極, 導体パターン16は、MOSFET素子12H(12L)のドレイン電極と接続する。ゲート用導体パターン14の周りに、ソース用導体パターン15が環状に形成され、さらにソース用導体パターン15の周りに、ドレイン用導体パターン16が環状に形成された回路パターンを有する。
導体パターン14上には各MOSFET素子12H(12L)に対応した16個のゲート抵抗素子17H(17L)が付設されている。
MOSFET素子12H(12L)は、そのドレイン電極を有する裏面を導体パターン16に接合している。MOSFET素子12H(12L)のゲート電極、ソース電極はチップ表面に形成されており、図1の組立図に示すように、ボンディングワイヤ18を介して、導体パターン14,15にそれぞれ接続される。
As shown in FIG. 9, the two
The
On the
内端接続部の接続領域24を図9において囲み破線で示す。P電極導出端子4の内端接続部4d,4eは回路基板2H側のドレイン用導体パターン16に半田付けにより接合される。
U電極導出端子6の2つの内端接続部6d,6eは回路基板2H側のソース用導体パターン15に半田付けにより接合される。
制御用電極導出端子7Hは、回路基板2H側のゲート用導体パターン14に半田を介して接合される。制御用電極導出端子8Hは、回路基板2H側のソース用導体パターン15に半田付けにより接合される。
The connection region 24 of the inner end connection portion is shown by a surrounding broken line in FIG. Inner
The two inner
The control electrode lead-out terminal 7H is joined to the
U電極導出端子6の他の2つの内端接続部6f,6gは回路基板2L側のドレイン用導体パターン16に半田付けにより接合される。
N電極導出端子5の内端接続部5d,5eは回路基板2L側のソース用導体パターン15に半田付けにより接合される。
制御用電極導出端子7Lは、回路基板2L側のソース用導体パターン15に半田付けにより接合される。制御用電極導出端子8Lは、回路基板2L側のゲート用導体パターン14に半田付けにより接合される。
The other two inner
The inner
The control electrode lead-out terminal 7L is joined to the
制御用電極導出端子7H,8Hは回路基板2H上に架設され、制御用電極導出端子7L,8Lは、回路基板2H,2L上に架設されるとともに、積層部11と立体交差している。
上記のような環状の導体パターン15,16を有する回路基板を利用しない場合は、ゲート用導体パターン、ソース用導体パターンを回路基板上で引き回し、制御用電極導出端子7H,7L,8H,8Lのケース3に保持される外端接続部付近にまで引き回し、上記の架設構造や交差構造を排しても良い。また、2枚の回路基板2H,2Lに相当する回路を一枚の回路基板に構成しても良い。一枚の回路基板にした方が導体パターンの引き回しの自由度は増す。
The control electrode lead-out
When the circuit board having the
制御用電極導出端子7Hの内端接続部は、比較的広い間隔を隔てた内端接続部6dと6eの間を通して回路基板2Hに落とされる。制御用電極導出端子7L,8Lの内端接続部は、比較的広い間隔を隔てた内端接続部5dと5eの間を通して回路基板2Lに落とされる。
電極導出端子4〜6の回路基板2L上空に位置する一側縁には、同一位置に凹部4h,5h,6hが形成されている。これにより、制御用電極導出端子7Lの内端接続部が電極導出端子4〜6に接触しないように回避されている。上記の架設構造や交差構造を排した場合は、このような凹部4h,5h,6hを設けずに、平行平板部4a,5a,6aをさらに幅広に形成することができる。
The inner end connection portion of the control electrode lead-out terminal 7H is dropped onto the
製造にあたって、絶縁材9,10は、電極導出端子の表面に樹脂を塗布する方法、予め形成したフィルム状の樹脂を電極導出端子の表面に貼付する方法などによって電極導出端子を積層する前に形成することが好ましい。
そのような方法によってP電極導出端子4とN電極導出端子5の合わせ面の一方に絶縁材9を形成した後に、P電極導出端子4とN電極導出端子5とを合わせる。一方、同様にしてN電極導出端子5とU電極導出端子6の合わせ面の一方に絶縁材10を形成した後に、N電極導出端子5とU電極導出端子6とを合わせ、結果的に3つの電極導出端子4〜6を3層に積層する。このように電極導出端子を積層する前に絶縁材9,10を設置する方法により絶縁材9,10を薄く形成することができる。装置薄型化のため、相互インダクタンスによるインダクタンスの相殺作用を図るために、絶縁材9,10の厚みとしては0.5(mm)程度が好ましい。この場合、上記方法によって絶縁材9,10を歩留まり良く形成することができる。
その後、ケース3を成型する成型型内に、ナット23、絶縁材9,10を挟持した3層の電極導出端子4〜6及び制御用電極導出端子7H,7L,8H,8Lを配置し、ケース3を樹脂成型する。
これにより、図4に示すように電極導出端子4〜6及び制御用電極導出端子7H,7L,8H,8Lは、ケース3の上端面に露出する外端接続部に隣接する一部を枠状のケース3に埋没させた態様でケース3に保持され固定される。電極導出端子4〜6については、垂直平板部4b,5b,6bのほぼ全部とこれに連続する平行平板部4a,5a,6aの基端側の一部とがケース3に埋没した状態で保持される。また、平行平板部4a,5a,6aの先端の一部も、ケース3の内壁に突出形成された保持部19に上下に挟まれる態様で保持される。
In manufacturing, the insulating
After the insulating
Thereafter, the three layers of electrode lead-out
As a result, as shown in FIG. 4, the electrode lead-out
次の方法により3つの電極導出端子4〜6を積層した後に、絶縁材9,10を形成することもできる。すなわち、ケース3を成型する成型型内に、ナット23、絶縁材9,10を挟持せず隙間を有した3層の電極導出端子4〜6及び制御用電極導出端子7H,7L,8H,8Lを配置し、ケース3を樹脂成型する。この樹脂成型時に、電極導出端子4〜6間の隙間に樹脂を充填し絶縁材9,10をケース3の一部として樹脂成型する。
この方法は、電極導出端子4〜6間の間隔を狭くすると樹脂充填が難しくなるため、絶縁材9,10を薄く形成することにはむかない。
しかし、ケース3と絶縁材9,10の形成工程が一括されるため工程は簡素化する。
したがって、絶縁材9,10を比較的厚く形成する場合に、樹脂充填に問題が生じないほど電極導出端子間に間隔がとれるときは有利に利用できる。
The insulating
In this method, if the interval between the electrode lead-out
However, the process is simplified because the process of forming the
Therefore, when the insulating
以上のようにして作製した電極導出端子インサート型のケース3と、ダイボンディング及びワイヤボンディング済みの回路基板2H,2Lを図1に示すように放熱板1上に配置する。回路基板2H,2Lはケース3に包囲される。ケース3は、回路基板2H,2L周囲の放熱板1の周縁部に合わさる。放熱板1と回路基板2H,2Lとの固定は、半田その他熱伝導性の良い接合材により行うことが好ましい。放熱板1とケース3との固定は、それぞれ4角に設けられた孔20,21にボルトを挿入してボルト、ナットで締結することにより行う。
なお、回路基板2H,2Lは、放熱板1をベースとして放熱板1上に被着形成したセラミック基板等の絶縁層及びさらにその上に形成した導体パターン層によりなる形成当初より放熱板と一体のものでも良い。
The electrode lead-out terminal
The
回路基板2H,2Lとケース3の配置を決め、各内端接続部と回路基板とを半田付けする。その後、図2、図3に示されるように、ケース3の上端開口部に樹脂製の蓋22を被せる。
すべての電極導出端子4〜6,7H,8H,7L,8Lの外端接続部は枠状のケース3の上端面に配置される。そのため、蓋22は電極導出端子に干渉せず容易に着脱可能である。蓋22を外せば、内部の検査、修理がしやすい。蓋22上に又は蓋22に代えて他の装置、例えば制御用電極導出端子7H,8H,7L,8Lに接続する制御回路基板などを配置できる。
The arrangement of the
The outer end connection portions of all the
改めて図1の平面図を観察すると、P,N,Uの各電極導出端子4〜6の外端接続部4c,5c,6cは、回路基板2H,2Lの一辺に隣接してその外側に配置されており、積層部11は前記一辺側からその対辺側へ延出するように形成されている。外端接続部4c,5c,6cは前記一辺に沿って図面上右から左にP,N,Uの順で異なる位置に配置されている。
図2の断面図に示されるように、3つの外端接続部4c,5c,6cの外側端部は同一位置に揃えられており、3つの外端接続部4c,5c,6cはU,N,Pの順で長く形成されている。
各電極導出端子4〜6は、U,N,Pの順で内側に近い位置で、各外端接続部4c,5c,6cの内側端部から直角下方に曲がりケース3に没入し、3層に積層しつつ、ケース3の部材中においてU,N,Pの順で高い位置で直角内方に曲がり、回路基板2H,2Lと平行にケース3の内面から突出して反対側の保持部19まで渡るように延出形成されている。かかる構造により、積層部11がケース3のほぼ内寸相当の長さに形成されている。
図1に示されるように、中央側に配置される8個のMOSFET素子12H及び8個のMOSFET素子12Lの上空にも積層部11が配置され、積層部11は幅広に形成されている。
When the plan view of FIG. 1 is observed again, the outer
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the outer end portions of the three outer
The electrode lead-out
As shown in FIG. 1, the
本実施形態の電力用半導体装置を図11に示すような3相モータの駆動回路に用いる。本実施形態の電力用半導体装置がu相、v相、w相の3相に対応して3つ並列に接続される。
各相に対応した電力用半導体装置の制御用電極導出端子7H,7L,8H,8Lに図示しない制御回路からの制御信号線が接続され、この制御回路の制御によりMOSFET素子12HとMOSFET素子12Lとが交互にスイッチングする。周知のようにu相、v相、w相の各相に対応した電力用半導体装置は相互に120°ずれた位相で制御され、図11の回路全体で位相が120°ずれた3相の交流電流を3相モータMへ出力し、3相モータMを駆動する。
The power semiconductor device of the present embodiment is used in a drive circuit for a three-phase motor as shown in FIG. Three power semiconductor devices of this embodiment are connected in parallel corresponding to three phases of u phase, v phase, and w phase.
Control signal lines from a control circuit (not shown) are connected to control
本実施形態に従った400〜600(A)/100,150(V)の定格容量を有する製品について内部インダクタンスを測定した。
各電極導出端子4〜6の板厚を1.5(mm)、絶縁材9,10の厚みを0.5(mm)とした。積層部11の幅は約29(mm)、長さは約61(mm)とし、1つの内端接続部の幅を4.4(mm)とした。その他は図1〜7に示すとおりのプロポーションのものを作製した。
LCZメータを用い、スイッチング周波数1kHz〜100kHzについてスイッチング時にかかるdi/dtの逆起電力から換算し以下の内部インダクタンスの値を得た。
P電極導出端子−U電極導出端子間は、15.30(nH)、U電極導出端子−N電極導出端子間は、6.80(nH)、P電極導出端子−N電極導出端子間は、22.10(nH)となり、周波数10〜12 kHzの高速運転に耐えられえる低インダクタンスを得た。
また、MOSFET素子の接合(junction)〜ケース(case)間の熱抵抗Rth(j〜c)を測定したところ、Rth(j〜c)=0.1(℃/W)となった。
また、MOSFET素子2H及び2Lをオンとして、P電極導出端子−N電極導出端子間に400(A)の直流電流を15分間通電したところ、P電極の外端接続部4cの表面温度及びN電極の外端接続部5cはともに74(℃)となった。
The internal inductance was measured for a product having a rated capacity of 400 to 600 (A) / 100,150 (V) according to the present embodiment.
The plate thickness of each electrode lead-out terminal 4-6 was 1.5 (mm), and the thickness of the insulating
Using an LCZ meter, the following internal inductance values were obtained by converting from the back electromotive force of di / dt applied at the switching frequency of 1 kHz to 100 kHz.
15.30 (nH) between the P electrode lead terminal and the U electrode lead terminal, 6.80 (nH) between the U electrode lead terminal and the N electrode lead terminal, and 22.10 (nH) between the P electrode lead terminal and the N electrode lead terminal Thus, a low inductance that can withstand high-speed operation at a frequency of 10 to 12 kHz was obtained.
Further, when the thermal resistance Rth (j to c) between the junction and the case of the MOSFET element was measured, Rth (j to c) = 0.1 (° C./W) was obtained.
Further, when the
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、半導体スイッチ素子はMOSFETに代えIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)としてもよい。IGBTとする場合は、IGBTと並列に外付けのダイオード素子が必要となる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and the semiconductor switch element may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) instead of the MOSFET. In the case of an IGBT, an external diode element is required in parallel with the IGBT.
1 放熱板
2H,2L 回路基板
3 ケース
4 P電極導出端子
5 N電極導出端子
6 U電極導出端子
4a,5a,6a 平行平板部
4b,5b,6b 垂直平板部
4c,5c,6c 外端接続部
4d,4e,5d,5e, 6d〜6g 内端接続部
7H,7L,8H,8L 制御用電極導出端子
9,10 絶縁材
11 積層部
12H,12L MOSFET素子
13 絶縁基板
14 ゲート用導体パターン
15 ソース用導体パターン
16 ドレイン用導体パターン
17H,17L ゲート抵抗素子
18 ボンディングワイヤ
20,21 孔
22 蓋
23 ナット
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記電力線の高電位側をP、低電位側をN、前記出力線をUとして、P,N,Uの3電極に対応する3つの電極導出端子を有し、
前記3つの電極導出端子が、前記半導体スイッチング素子が実装される回路基板の上空で、前記回路基板に近い方からP,N,Uの順に間隔隔てて積層され、少なくともその積層部で前記回路基板と平行な平板状に形成されてなることを特徴とする電力用半導体装置。 It has a circuit in which output lines to the load are drawn from the mutual connection points of both series-connected semiconductor switching elements connected to power lines from the power supply at both ends, and both the semiconductor switching elements are complementarily controlled to open and close The power semiconductor device that converts the power of the power source and outputs the power to the load,
The high potential side of the power line is P, the low potential side is N, the output line is U, and there are three electrode lead-out terminals corresponding to three electrodes of P, N, U,
The three electrode lead-out terminals are stacked above the circuit board on which the semiconductor switching element is mounted, and are stacked at intervals in the order of P, N, U from the side closer to the circuit board, and at least in the stacked portion, the circuit board A power semiconductor device, characterized in that the power semiconductor device is formed in a flat plate shape parallel to the substrate.
P−U間に接続される前記半導体スイッチング素子は、P電極の内端接続部が接合する導体パターンに接合され、
前記P−U間に接続される前記半導体スイッチング素子の表面主電極とU電極の内端接続部が接合する導体パターンとがボンディングワイヤを介して接続され、
U−N間に接続される前記半導体スイッチング素子は、U電極の内端接続部が接合する導体パターンに接合され、
前記U−N間に接続される前記半導体スイッチング素子の表面主電極とN電極の内端接続部が接合する導体パターンとがボンディングワイヤを介して接続されてなることを特徴とする請求項4記載の電力用半導体装置。 The lower end part bent inside the inner end connection part of each electrode of P, N, U is joined to the conductor pattern on the circuit board,
The semiconductor switching element connected between P-U is joined to a conductor pattern to which the inner end connection portion of the P electrode is joined,
The surface main electrode of the semiconductor switching element connected between the P-U and the conductor pattern to which the inner end connection portion of the U electrode is connected via a bonding wire,
The semiconductor switching element connected between U and N is joined to a conductor pattern to which the inner end connection portion of the U electrode is joined,
5. The main surface electrode of the semiconductor switching element connected between the U and N and a conductor pattern to which an inner end connection portion of the N electrode is joined are connected via a bonding wire. Power semiconductor devices.
N電極の外端接続部は前記一辺に沿った前記積層部の形成範囲内に在り、
P電極の外端接続部及びU電極の外端接続部の全部又は一部は、前記一辺に沿った前記積層部の形成範囲外に在り、
P電極導出端子及びU電極導出端子には、前記一辺側の前記積層部の端部から前記一辺に沿った方向に前記範囲外まで突出し外端接続部に連結する部分が形成されていることを特徴とする請求項5記載の電力用半導体装置。 Outer end connection portions to which external wirings of the electrode lead-out terminals of P, N, and U are connected are arranged at different positions in the order of P, N, and U along one side of the circuit board,
The outer end connection portion of the N electrode is within the formation range of the stacked portion along the one side,
All or part of the outer end connection portion of the P electrode and the outer end connection portion of the U electrode are outside the formation range of the stacked portion along the one side,
The P-electrode lead-out terminal and the U-electrode lead-out terminal have a portion that protrudes out of the range in the direction along the one side from the end of the stacked portion on the one side and is connected to the outer end connection portion. 6. The power semiconductor device according to claim 5, wherein:
前記P−U間に接続される前記半導体スイッチング素子の表面主電極と前記ボンディングワイヤを介して接続される前記導体パターンに接合するU電極の内端接続部が、P電極の内端接続部と同じ側に形成され、
前記U−N間に接続される前記半導体スイッチング素子が接合された前記導体パターンに接合するU電極の内端接続部が、N電極の内端接続部と同じ側に形成されてなることを特徴とする請求項9記載の電力用半導体装置。 The inner end connection part of the U electrode is formed on both sides of the laminated part,
The inner end connection portion of the U electrode joined to the surface main electrode of the semiconductor switching element connected between the P-U and the conductor pattern connected via the bonding wire is an inner end connection portion of the P electrode. Formed on the same side,
The inner end connection portion of the U electrode joined to the conductor pattern to which the semiconductor switching element connected between U and N is joined is formed on the same side as the inner end connection portion of the N electrode. A power semiconductor device according to claim 9.
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