JP5024439B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、本発明は、インバータ装置などに適用するインテリジエントパワーモジュール（Intelligent Power Module）を対象とした半導体装置に関し、詳しくはサイリスタを内蔵した構造に関するものである。

ＩＧＢＴは、近年の飛躍的なパワーエレクトロニクスの発展に伴って、主に産業分野において、従来のバイポーラトランジスタに代わって大きな注目を浴び、改良を加えることによって発展してきた。ＩＧＢＴは特にインバータ装置へ適用する目的で、複数個のＩＧＢＴチップ、ダイオードチップを搭載し、絶縁板およびベース板とともにパッケージ化されたＩＧＢＴモジュールとして産業、交通、家電などの幅広い分野で適用されてきている。

また、ＩＧＢＴモジュールはインバータ装置の小型化、高性能化への要求からさらなるハイブリッド化を行うことを目的に、インバータ回路に加え、入力電流の整流回路、回生用のダイナミックブレーキ回路を１つのパッケージ内に納めたパワー集積モジュール（Power Integrated Module）に発展してきている。

図６は電圧形インバータの回路構成図である。インバータ回路には、用途により幾つかの種類があるが、電圧形インバータ方式は、現在市場で最も多く適用されているものである。この中で、パワー半導体デバイスが適用されているのは、交流電流をダイオードを用いて整流し直流電流に変換するコンバータ回路部１、直流電流をＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により交流電流を出力するインバータ回路部２、出力端子が接続されるモータの回生動作時に発生するエネルギによる電圧の上昇を抑制するダイナミックブレーキ回路部３である。

これらの各回路部は、インバータ装置の容量に応じて、単独のトランジスタチップを内蔵するデイスクリートトランジスタ、ダイオード製品や、１個〜７個組のトランジスタモジュールやダイオードモジュール等が選定されるが、比較的小容量の分野においては、それぞれの部品への回路配線が複雑になることや、インバータ装置への実装の手間がかかること、さらにこの部分がインバータ装置の主回路にあたることから、絶縁や放熱設計に多大な労力がかかることが問題となっていた。

このため、インバータの主回路部を１つのパッケージに納めたパワー集積モジュールが製品化されてきた。このパワー集積モジュールにおいては以下の事項の更なる改善が望まれている。
（１）低損失化による高効率化
（２）モジュール外形の小型化
（３）ピン形状端子によるはんだ付け実装の容易化
（４）温度センサ内蔵によるチップ温度保護の確実化
（５）系列充実による同一外形インバータへの適用拡大
（６）周辺回路部を１パッケージに取り込んだ高機能化

近年、インバータ装置のさらなる小型化、簡素化の要求は強く、製品の小型化の課題はもちろんのこと、装置全体としての小型化が一番の課題であり、製品開発においては周辺回路を踏まえた総合設計が重要となる。

図６に示すように、従来インバータ装置では、中間コンデンサ４の突入電流を抑制する回路として充電抵抗５と電磁開閉器等のメカニカルリレー６が、コンバータ回路部１とインバータ回路部２との間に適用されていた。しかし、この電磁開閉器等のメカニカルリレー６を用いたものでは小型化が困難であるという課題があった。本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は更なる装置の小型化と簡素化を図ることである。

本発明では、コンバータ回路部とインバータ回路部とサイリスタとを共通の１つの枠体に内蔵した半導体装置において、コンバータ回路部とインバータ回路部との間にサイリスタが挿入され、該サイリスタは、前記枠体内であって、前記インバータ回路部が搭載される回路基板とは異なる回路基板に実装されるものとする。

また、前記サイリスタは、該サイリスタの外周端に形成されたパッシベーション膜の内側に位置するモリブデンの台座を介して回路基板に実装し、該回路基板上の回路パターンとの絶縁耐圧を確保するものとする。

以上述べたように、本発明の構成によれば次記の効果を奏する。サイリスタチップをインバータ回路部及びダイナミックブレーキ回路部が搭載される回路基板とは別の絶縁基板に搭載したことにより、インバータ回路部、ダイナミックブレーキ回路部からの熱の影響を抑制できる。

また、サイリスタチップは、モリブデンの台座を介して絶縁基板に実装することにより、絶縁耐圧の向上、熱抵抗低減、熱応力の緩和が図られる。更に全ての端子をモジュールの外周端の４辺に配列する、あるいは各ピン端子を２本１組で設けることで、外部配線の自由度を高める。

モジュールの一例を示す外形図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）の中央部を開口させた透視図 本発明の実施例のモジュールの外形図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）の中央部を開口させた透視図 図１、図２のモジュールの回路構成図 突入電流抑制回路の要部回路と動作波形を示した図 図１、図２のモジュールに内蔵させるサイリスタチップ１２の外形図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図 電圧形インバータの回路構成図

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。なお、図６に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図１は、本発明を適用するモジュールの一例を示す外形図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）の中央部を開口させた透視図である。図１において、７は側壁を含めたモジュールの枠体である。８は銅ベースであり、この銅ベース面を放熱体上に載せて９のねじ穴でねじ締めして固定する。端子１０は上に載せるプリント板（図示せず）にはんだ付け実装が容易なようにピン形状としてある。

従来、パワーモジュールとインバータ装置周辺回路との接続は、制御端子部ではコネクタまたははんだ付けとし、主回路部端子ではバスバーまたはプリント基板にねじ止めが主流であった。しかし、パワー集積モジュールが適用される容量帯においては、生産コスト削減への強い要求があり、プリント基板へ主回路、制御回路ともに配線し、パワーモジュールも一括してはんだフローを行う方式が主流となってきている。

図１の例では、同一面上に主回路、制御回路両方の端子を配列し、全端子を４隅に配置した上で、細形のピン形状としている。そして、コネクタ接続にも対応するように、制御端子のピン端子は汎用コネクタが使用可能な２．５４ｍｍピッチの金めっき端子とし、コネクタ実装時に確実な実装を行う為のガイドピン１１を備えている。

この４隅に配置される端子のうち、Ｇがサイリスタチップ１２のゲートに接続されるピン端子であり、Ｋがサイリスタチップ１２のカソードに接続されるピン端子であり、Ｐ（Ａ）がサイリスタチップ１２のアノードに接続されるピン端子である。そして、このＰ（Ａ）端子に隣接してその近傍に設けられているのがインバータ回路部の入力側端子であるＰ１のピン端子である。

このように、モジュールでのサイリスタ出力端子Ｋを直流中間端子Ｐ（Ａ）、Ｐ１の近傍に配置したことにより、コンバータ回路部との配線が短くすることができ、コンバータ回路部とインバータ回路部との間の内部配線インピーダンスを低減することができる。

図２は本発明の第１の実施例を示すモジュールの外形図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）の中央部を開口させた透視図である。図２において、図１と異なる点は、各ピン端子をそれぞれ２本ずつ立ち上げている点である。これにより、大容量化にも対応することができる。また、（ｃ）に示すように、サイリスタチップ１２は、６個のダイオードチップ１３の搭載される絶縁基板１４に搭載されており、インバータ回路部の搭載される基板１５と隔てられている。このように、サイリスタチップ１２をインバータ回路部及びダイナミックブレーキ回路部が搭載される回路基板１５とは別の絶縁基板１４に搭載したことにより、インバータ回路部、ダイナミックブレーキ回路部からの熱の影響を抑制できる。なお、１６は各部を接続するためのボンデイングワイヤである。

図３は、図１、図２のモジュールの回路構成図である。この回路図では、新たにサイリスタ１２とモジュール内の温度検出のためのサーミスタ１７が設けられている。回路図の各部に記載されている数字は、図１、図２にモジュールの側壁に記載されているピン端子の数字に対応している。

図４は、突入電流抑制回路の要部回路と動作波形を示した図である。図４において、図６にて説明したが、コンバータ回路部とインバータ回路部との間には、中間コンデンサが接続される。この中間コンデンサの突入電流を抑制する回路として、充電抵抗とサイリスタの並列回路からなる突入電流抑制回路が用いられている。即ち、インバータ装置の動作開始時は、サイリスタはオンさせず、充電抵抗を介しての電流ｉ１を中間コンデンサに供給する。そして、電流ｉ１で所定の電荷が中間コンデンサに蓄積された時点でサイリスタをオンさせて、サイリスタを介して電流ｉ２（ｉ１＞＞ｉ２）を流すようにする。以後サイリスタはインバータ装置の停止時まで導通させておく。

図５は、第２の実施例を示す図であり、図１、図２のモジュールに内蔵させるサイリスタチップ１２の外形図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。図５において、１８はパッシベーション膜であり、１９ははんだであり、２０はモリブデンの台座である。サイリスタチップ１２は、チップの外周端にパッシベーション膜１８を備えているが、絶縁基板へ実装した時の充分な絶縁耐圧を確保することができない。そこで、本発明では、サイリスタチップ１２の下面側にモリブデンの台座２０をはんだ１９で接合することによって、絶縁基板上の配線パターンとの絶縁耐圧を確保している。

１ コンバータ回路部
２ インバータ回路部
３ ダイナミックブレーキ回路部
４ 中間コンデンサ
５ 充電抵抗
１２ サイリスタチップ

Claims (2)

1. コンバータ回路部とインバータ回路部とサイリスタとを共通の１つの枠体に内蔵した半導体装置において、
   コンバータ回路部とインバータ回路部との間にサイリスタが挿入され、
   該サイリスタは、前記枠体内であって、前記インバータ回路部が搭載される回路基板とは異なる回路基板に実装されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記サイリスタは、該サイリスタの外周端に形成されたパッシベーション膜の内側に位置するモリブデンの台座を介して回路基板に実装し、該回路基板上の回路パターンとの絶縁耐圧を確保することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。