JP4988784B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、Siを基体として用いる電力半導体素子と、ワイドギャップ半導体を基体として用いる電力半導体素子を備えるパワー半導体装置に関する。
シリコン(Si)よりもエネルギーバンドギャップが広い炭化ケイ素(SiC)や、窒化ガリウム(GaN)などを用いたワイドギャップ半導体素子が注目を浴びてきている。これらの半導体材料は、Siより約10倍の高い絶縁破壊電圧強度を持ち、耐圧を確保するためのドリフト層を1/10程度まで薄くできるため、電力半導体素子の低オン電圧化が可能であり、また、高温まで動作可能である。
鉄道,産業,自動車,家電および電源分野のインバータに用いられるパワー半導体モジュールのようなパワー半導体装置は、IGBTなどのスイッチング素子と還流用のダイオードが逆並列に接続される。このパワー半導体装置に、Siを基体として用いる電力半導体素子と、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子が搭載される場合、Siを基体として用いる電力半導体素子は、接合動作温度(Tj)が175℃以下に制限される。一方、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子は、接合動作温度(Tj)が200℃以上でも動作可能である。そのため、特許文献1に記載されるように、Siを基体として用いる電力半導体素子とSiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子の間に断熱材を挟んだパワー半導体装置が提案されている。
また、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子は欠陥の影響でリーク電流が大きくなり、特にSiCまたはGaNのショットキーバリアダイオードはリーク電流が大きくなる。
特開2004−47883号公報
特許文献1に記載されたパワー半導体装置では、コレクタ電極上に、Siを基体として用いる電力半導体素子と、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子が共に搭載されている。この場合、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体の発生熱が、コレクタ電極を介して、Siを基体として用いる電力半導体素子の搭載部分に伝熱しやすい。
また、Siを基体として用いる電力半導体素子とSiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子を搭載しているモジュールの正極側(コレクタ)の電圧端子や負極側(エミッタ)の電圧端子が共通化されており、正極側と負極側の端子間のリーク電流を測定すると、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子のリーク電流が、Siを基体として用いる電力半導体素子のリーク電流より大きくなり、Siを基体として用いる電力半導体素子のリーク電流特性を正確に測定することが難しい。
本発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、Siを基体として用いる電力半導体素子とワイドギャップ半導体を基体として用いる電力半導体素子が混在しても熱的及び電気的に高い信頼性を有するパワー半導体装置を提供する。
本発明によるパワー半導体装置は、Siを基体として用いる第一の電力半導体素子が搭載される第一の絶縁金属基板と、第一の絶縁金属基板が搭載される第一の放熱用金属ベースと、Siよりもエネルギーバンドギャップが広い半導体を基体として用いる第二の電力半導体素子が搭載される第二の絶縁金属基板と、第二の絶縁基板が搭載される第二の放熱用金属ベースとを備える。さらに、第一の電力半導体素子が接続される主端子が第一の絶縁金属板に接続され、第二の電力半導体素子が接続される主端子が第二の絶縁金属板に接続され、第一の絶縁金属板に接続される主端子と、第二の絶縁金属板に接続される主端子とが、内部導体によって互いに接続されずに、電気的に分離されている。
また、本発明によるパワー半導体装置は、Siを基体として用いる第一の電力半導体素子が接続される正負極主端子とSiよりもエネルギーバンドギャップが広い半導体を基体として用いる第二の電力半導体素子が接続される正負極主端子とが、電気的に分離されている。
ここで、好ましくは、第一の電力半導体素子はIGBTなどのスイッチング素子であり、第一の電力半導体素子はショットキーバリアダイオードなどのダイオードである。また、Siよりもエネルギーバンドギャップが広い半導体としては、SiC,GaN,ダイアモンドなどが適用できる。
Siを基体として用いる電力半導体素子とSiよりもエネルギーバンドギャップが広い半導体を基体として用いる電力半導体素子を、それぞれ別の絶縁金属基板に搭載し、さらにこれら絶縁金属基板がそれぞれ別の放熱用金属ベースに搭載されるので、両電力半導体素子間における熱の伝わりが抑制される。また、両電力半導体素子が接続される正負極主端子を互いに電気的に分離するので、両電力半導体素子のリーク電流を正確に検査することができる。
本発明の第1の実施形態であるパワー半導体装置の実装配置。 第1の実施形態のパワー半導体装置の回路図。 従来のパワー半導体装置の実装配置例。 従来のパワー半導体装置の回路図。 従来のパワー半導体装置の漏れ電流の実測例。 第1の実施形態であるパワー半導体装置の漏れ電流の実測例。 本発明の第2の実施形態であるパワー半導体装置の実装配置。 従来のパワー半導体装置の実装配置例。 本発明の実施形態をインバータに適用した場合の電力損失。 SiC−SBD適用時の電圧・電流波形。 本発明の第3の実施形態であるパワー半導体装置の実装配置。
本発明の実施形態を、図面を使用して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態であるパワー半導体装置の実装配置を示す。本実施形態においては、Siを基体とするスイッチング素子であるIGBT(以下Si−IGBTと記す)11が絶縁金属基板32上に半田などにより接着されて搭載され、SiCを基体とするダイオードであるショットキーバリアダイオード(以下SiC−SBDと記す)12が異なる絶縁金属基板31上に半田などにより接着されて搭載されている。また、Si−IGBT11が搭載された絶縁金属基板32は、放熱用金属ベース39に半田接着され、SiC−SBD12が搭載された絶縁金属基板31は、放熱用金属ベース38に半田接着され、樹脂ケース40により、モジュールとして一体化されている。ここで、絶縁金属基板31が搭載された放熱用ベース38と絶縁金属基板32が搭載された放熱用金属ベース39とは、モジュール内で略同一平面上に配置され、これらの間には樹脂ケース40の一部が介在している。さらに、本実施形態のパワー半導体装置をインバータなどの電力変換装置に適用した場合、放熱用金属ベース38,39は、絶縁金属基板31,32の搭載面の裏面において放熱フィンの表面と接触する。また、コレクタ端子22,エミッタ端子21,エミッタ制御端子23およびゲート制御端子24が、絶縁金属基板32に半田接着などにより接続されている。また、カソード端子25およびアノード端子26が、絶縁金属基板31に半田接着などにより接続されている。
図3は、従来のパワー半導体装置の実装配置例を示す。従来のパワー半導体の実装方式では、Si−IGBT11とSiC−SBD12が同一の絶縁金属基板31に搭載される。この場合、Si−IGBT11やSiC−SBD12の発熱により、絶縁金属基板31を介して、お互いのチップに、熱が伝わりやすくなっている。このため、一般にSiC−SBDではSi−IGBTよりも高温動作が可能であるが、SiC−SBD12の動作温度がSi−IGBT11の動作温度によって制限される。これに対し、図1の実施形態では、Si−IGBT11が搭載された絶縁金属基板32及び放熱用金属ベース39と、SiC−SBD12が搭載された絶縁金属基板31及び放熱用金属ベース38を分けることによって、SiC−SBD12を、Si−IGBT11の動作温度の制限を受けずに高温まで動作することが可能になる。
図2は、図1のパワー半導体装置の回路図を示す。Si−IGBT11に接続しているコレクタ端子22およびエミッタ端子21と、SiC−SBD12に接続しているカソード端子25およびアノード端子26を分けている。すなわち、外部配線が接続されていないパワー半導体装置においては、Si−IGBT11側の正負極主端子とSiC−SBD12側の正負極主端子が内部導体によって互いに接続されず、電気的に分離されている。
図4は、図3における従来のパワー半導体装置の回路図を示す、従来のパワー半導体装置では、Si−IGBT11のコレクタ端子とSiC−SBD12のカソード端子を、共にコレクタ端子22に接続し、Si−IGBT11のエミッタ端子とSiC−SBD12のアノード端子を、共にエミッタ端子21に接続している。SiC−SBD12では、オフ状態での漏れ電流(リーク電流)が、Si−IGBTよりも1桁程度大きくなる。そのため、従来のパワー半導体装置において、コレクタ端子とエミッタ端子間の漏れ電流を測定した場合、図5に示すように、ほとんどSiC−SBDの漏れ電流のみが測定され、Si−IGBT11の漏れ電流を測定することが難しい。そのため、このモジュールの検査工程において、Si−IGBT11の漏れ電流の検査を正確に実施することが難しい。
これに対し、本発明による実施形態では、Si−IGBT11のコレクタ端子とSiC−SBD12のカソード端子を分けることと、Si−IGBT11のエミッタ端子とSiC−SBD12のアノード端子を分けることによって、図6に示すように、Si−IGBTの漏れ電流を正確に測定することが可能になる。また、Si−IGBT11側の正負極主端子とSiC−SBD12側の正負極主端子がパワー半導体装置内で互いに分離され内部導体すなわち熱伝導体によって互いに接続されていないので、主端子間での熱の伝導を防止できる。これにより、別々の絶縁金属基板31,32および別々の放熱用金属ベース38,39を用いることと相俟って、SiC−SBD12を、Si−IGBT11の動作温度の制限を受けずに高温まで動作することができる。
本実施形態においては、Si−IGBT11とSiC−SBD12を別々の絶縁金属基板に搭載することにより両者の距離は増加するが、それぞれの素子に別の主端子を設けることによりモジュール外部の低インダクタンス配線で接続できることと、SiC−SBDでは逆回復電流(リカバリー電流)が小さくなることから、Si−IGBT11とSiC−SBD12間の配線インダンタンスの影響を低減できる。
なお、Si−IGBT11のコレクタ端子とSiC−SBD12のカソード端子を分けていれば、Si−IGBT11のエミッタ端子とSiC−SBD12のアノード端子を分けなくても良く、Si−IGBTの漏れ電流を正確に測定することは可能である。また、Si−IGBT11のエミッタ端子とSiC−SBD12のアノード端子の方だけを分けても良い。
本実施形態では、Siを基体として用いる電力半導体素子をIGBTとしたが、MOS−FET,MIS−FET,接合型FETなどのスイッチング素子でも良い。さらに、SiCを基体として用いる電力半導体素子をショットキーバリアダイオードとしたが、pinダイオードでも良い。さらに、GaNなどSiC以外のワイドギャップ半導体基体を用いても良い。
図7は、本発明の第2の実施形態であるパワー半導体装置の実装配置を示す。第1の実施形態と同じ部品や同じ機能を示す端子には、同一の符号を記す。
図8は、従来のパワー半導体装置の実装例を示す。この実装例では、一つの絶縁金属基板32上に4個のSi−IGBT11と2個のSiC−SBD12を搭載し、6個の絶縁金属基板32を放熱用金属ベース38に搭載し、パワー半導体モジュールを構成している。この場合、Si−IGBT11やSiC−SBD12の発熱により、絶縁金属基板32を介して、お互いのチップに、熱が伝わりやすくなっている。
これに対し、図7の実施形態では、6個のSi−IGBT11を搭載した絶縁金属基板32が4個、第1の実施形態と同様に放熱用金属ベース39上に搭載され、6個のSiC−SBD12を搭載した絶縁金属基板が2個、同様に放熱用金属ベース38上に搭載されて、パワー半導体モジュールを構成している。本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、Si−IGBT11が搭載された絶縁金属基板32及び放熱用金属ベース39と、SiC−SBD12が搭載された絶縁金属基板31及び放熱用金属ベース38を分けることによって、SiC−SBD12を高温まで動作することが可能になる。
また、Si−IGBT11のコレクタ端子とSiC−SBD12のカソード端子を分けることと、Si−IGBT11のエミッタ端子とSiC−SBD12のアノード端子を分けることによって、第1の実施形態と同様に、Si−IGBTの漏れ電流を正確に測定することが可能になる。
図9は、第1及び第2の実施形態を電力変換装置であるインバータに適用した場合の電力損失低減効果を示す。従来のインバータの電力損失計算例を図9の左側に示す。インバータの損失は、主にスイッチング素子とダイオードで発生する。スイッチング素子による損失は、導通損失とターンオン損失とターンオフ損失の和で表され、ダイオードによる損失は、導通損失とリカバリ損失の和で表される。なお、従来のインバータでは、Si−IGBTとシリコンPiNダイオード(以下Si−PiNダイオードと記す)が用いられている。インバータ周波数によって、導通損失とスイッチング損失の割合は変化するが、インバータ周波数が変化しても、IGBTの損失とダイオードの損失は、凡そ2:1である。そのため、IGBTとダイオードのチップサイズは2:1に設定することで、チップと絶縁金属基板の熱抵抗は1:2になり、チップの接合温度をほぼ同等の値にできる。
本図に示すように、本発明の実施形態を用いた場合、主にリカバリ損失とターンオン損失が低減されて、全損失が従来よりも大幅に低減される。
図10は、SiC−SBD適用時の電圧・電流波形を示す、Si−PiNダイオードをSiC−SBDに代えた場合は、図10の上図に示すように、ダイオードのリカバリ電流がほぼゼロになるため、リカバリ損失を1/10程度に低減することができ、同時にターンオン時にも、リカバリ電流が重畳しないため、ターンオン損失を1/2程度に低減することが可能である。
この場合、ダイオードの損失を従来の半分程度に低減できるため、Si−IGBTの面積と比較して、SiC−SBDのチップサイズを1/4程度に低減することが可能である。従って、本発明の実施形態であるパワー半導体装置では、Siを基体として用いる電力半導体素子の素子面積と、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子の素子面積の比が、Siを基体として用いる電力半導体素子の素子損失と、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子の素子損失の比の0.8倍〜1.2倍となる。
前述した図7の実施形態では、上記のようにSiCチップサイズを1/4にしている。SiC−SBD,SiC−PiNダイオード,GaN−SBDやGaN−PiNダイオードを用いた場合、SiCまたはGaNを基体として用いる電力半導体素子の素子面積は、Siを基体として用いる電力半導体素子の素子面積の1/3以下に低減可能である。これによって、信頼性を確保しながら、パワー半導体装置を小型化することができる。
図11は、本発明の第3の実施形態であるパワー半導体装置の実装配置を示す。Siを基体として用いる電力半導体素子であるIGBTの素子面積を小さくしたため、パワー半導体装置が小型化されている。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、上記の実施形態に限らず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の実施形態が可能であることは言うまでもない。
11 Si−IGBT
12 SiC−SBD
21 エミッタ端子
22 コレクタ端子
23 エミッタ制御端子
24 ゲート制御端子
25 カソード端子
26 アノード端子
31,32 絶縁金属基板
38,39 放熱用金属ベース
33,34,35,36,37 絶縁基板上の配線パターン
40 樹脂ケース

Claims (5)

  1. Siを基体として用いる第一の電力半導体素子と、Siよりもエネルギーバンドギャップが広い半導体を基体として用いる第二の電力半導体素子と、を備えるパワー半導体装置において、
    前記第一の電力半導体素子が搭載される第一の絶縁金属基板と、
    前記第一の絶縁基板が搭載される第一の放熱用金属ベースと、
    前記第二の電力半導体素子が搭載される第二の絶縁金属基板と、
    前記第二の絶縁基板が搭載される第二の放熱用金属ベースと、
    を備え
    前記第一の電力半導体素子が接続される主端子が前記第一の絶縁金属板に接続され、前記第二の電力半導体素子が接続される主端子が前記第二の絶縁金属板に接続され、前記第一の絶縁金属板に接続される前記主端子と、前記第二の絶縁金属板に接続される前記主端子とが、内部導体によって互いに接続されずに、電気的に分離されていることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 請求項1に記載のパワー半導体装置において、前記第一の電力半導体素子がスイッチング素子であり、前記第二の電力半導体素子がダイオードであることを特徴とするパワー半導体装置。
  3. 請求項2に記載のパワー半導体装置において、前記第一の電力半導体素子がIGBTであり、前記第二の電力半導体素子がショットキーバリアダイオードであることを特徴とするパワー半導体装置。
  4. 請求項2または請求項3に記載のパワー半導体装置において、前記第一の電力半導体素子の素子面積と前記第二の電力半導体素子の素子面積の比が、前記第一の電力半導体素子の素子損失と前記第二の電力半導体素子の素子損失の比の0.8倍〜1.2倍であることを特徴とするパワー半導体装置。
  5. 請求項4に記載のパワー半導体装置において、前記第一の電力半導体素子の素子面積が、前記第二の電力半導体素子の素子面積の3倍以上であることを特徴とするパワー半導体装置。
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