JP5147996B2 - 電力用半導体モジュール - Google Patents

電力用半導体モジュール Download PDF

Info

Publication number
JP5147996B2
JP5147996B2 JP2011549927A JP2011549927A JP5147996B2 JP 5147996 B2 JP5147996 B2 JP 5147996B2 JP 2011549927 A JP2011549927 A JP 2011549927A JP 2011549927 A JP2011549927 A JP 2011549927A JP 5147996 B2 JP5147996 B2 JP 5147996B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power semiconductor
semiconductor module
switching element
diode
band gap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011549927A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2011086896A1 (ja
Inventor
靖 中山
隆義 三木
健史 大井
和弘 多田
志織 井高
滋 長谷川
毅 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2011549927A priority Critical patent/JP5147996B2/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5147996B2 publication Critical patent/JP5147996B2/ja
Publication of JPWO2011086896A1 publication Critical patent/JPWO2011086896A1/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/24—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device solid or gel at the normal operating temperature of the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3135—Double encapsulation or coating and encapsulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/48139—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate with an intermediate bond, e.g. continuous wire daisy chain
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4912—Layout
    • H01L2224/49175—Parallel arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1608—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00014—Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01004—Beryllium [Be]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253—Silicon [Si]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10254—Diamond [C]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/1026—Compound semiconductors
    • H01L2924/1027—IV
    • H01L2924/10272—Silicon Carbide [SiC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/1026—Compound semiconductors
    • H01L2924/1032—III-V
    • H01L2924/1033—Gallium nitride [GaN]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/12—Passive devices, e.g. 2 terminal devices
    • H01L2924/1203—Rectifying Diode
    • H01L2924/12031—PIN diode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/12—Passive devices, e.g. 2 terminal devices
    • H01L2924/1203—Rectifying Diode
    • H01L2924/12032—Schottky diode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151—Die mounting substrate
    • H01L2924/153—Connection portion
    • H01L2924/1531—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

この発明は、スイッチング素子とスイッチング素子に対して逆並列に接続されたダイオードとを内蔵した電力用半導体モジュールに関する。
スイッチング素子とスイッチング素子に対して逆並列に接続されたダイオードとを内蔵した電力用半導体モジュールは、直流−交流や直流−直流などの変換を行う電力変換器などに広く用いられている。従来、スイッチング素子やダイオードには、Ｓｉ（シリコン）半導体が用いられてきたが、最近では、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体を適用する開発が進められている。ＳｉＣ半導体はＳｉ半導体に比べ、低損失、高温動作可能、高耐圧といった特徴があり、ＳｉＣ半導体を用いることにより、電力用半導体モジュールの小型化や低損失化が可能となり、また、電力用半導体モジュールに取り付ける冷却器の小型化や電力用半導体モジュールを用いた電力変換器の高効率化が可能となる。
スイッチング素子およびダイオードの双方にＳｉＣ半導体を用いることにより、上述のような効果が大きくなる。しかしながら、スイッチング素子はダイオードに比べて構造が複雑であるため、スイッチング素子にＳｉＣ半導体を用いることについては製造上の課題も残されている。このため、スイッチング素子にはＳｉ半導体を用い、ダイオードのみにＳｉＣ半導体を用いて、同一の金属ベース上にＳｉ製スイッチング素子およびＳｉＣ製ダイオードが配置された半導体モジュールが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−９５６７０号公報（第１０−１１頁、第８図）
Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードを同一の電力用半導体モジュール内に配置する場合、Ｓｉ製スイッチング素子に比べてＳｉＣ製ダイオードの方が、損失が小さく、高温での動作が可能であるため、その特性を考慮し、熱的に最適な配置や構造とする必要がある。特許文献１に示された従来の半導体モジュールでは、Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードは左右に分かれて配置されている。Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードは別々の絶縁基板上に配置されているが、複数のＳｉ製スイッチング素子を配置する場合、Ｓｉ製スイッチング素子同士の熱干渉により、電力用半導体モジュールの中央領域に配置されたＳｉ製スイッチング素子の温度が上昇する可能性があるという問題点があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、Ｓｉ半導体で作製されたスイッチング素子と、より高温利用可能なワイドバンドギャップ半導体で作製されたダイオードとを同一の電力用半導体モジュール内に配置する場合、Ｓｉ半導体で作製されたスイッチング素子の温度上昇が低く抑えられ、冷却効率の高い電力用半導体モジュールを得るものである。
この発明に係る電力用半導体モジュールは、Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、前記電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、前記Ｓｉ半導体素子は、前記中央領域の両側または周辺に配置され、前記ワイドバンドギャップ半導体素子の素子数を前記Ｓｉ半導体素子の素子数よりも多くしたものである。
この発明に係る電力用半導体モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体素子が電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、Ｓｉ半導体素子が中央領域の両側または周辺に配置されるので、Ｓｉ半導体素子の温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュールの冷却効率を高くすることができる。
この発明の実施の形態１における電力用半導体モジュールの断面図である。 この発明の実施の形態１における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。 この発明の実施の形態２における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。 この発明の実施の形態３における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。 この発明の実施の形態４における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。 この発明の実施の形態５における電力用半導体モジュールの断面図である。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における電力用半導体モジュールの断面図であり、電力用半導体モジュールの断面を簡略化して示した図である。図１において、電力用半導体モジュール１００は、ベース板１、絶縁基板２、導体パターン３、Ｓｉ半導体で作製されたＳｉ製スイッチング素子４、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製ダイオード５、ワイヤ配線６、主電極７，８、制御端子９，１０、ケース１１、絶縁封止材１２などによって構成されている。Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉ半導体素子であり、ＳｉＣ製ダイオード５がワイドバンドギャップ半導体素子である。
ベース板１は、電力用半導体モジュール１００を外部の冷却器へ取り付けるものであり、ベース板１の一方の面（図１においては下側）に図示しない冷却器が外部から取り付けられる。ベース板１を介して、電力用半導体モジュール１００内部で発生した熱は外部へ放出される。ベース板１の他方の面（図１においては上側）には絶縁基板２が半田などにより設置されている。絶縁基板２の一方の面（図１においては下側）はベース板１に取り付けられる面であるが、絶縁基板２の他方の面（図１においては上側）には電流経路となる導体パターン３が形成されている。
導体パターン３上にはＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が実装されている。Ｓｉ製スイッチング素子４はオン／オフ制御可能な半導体素子であれば良く、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが用いられる。また、ＳｉＣ製ダイオード５としては、例えばショットキーバリアダイオードやＰｉＮ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）ダイオードなどが用いられる。
Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５は電気的には逆並列に接続されており、例えばＳｉ製スイッチング素子４としてＩＧＢＴを用いる場合には、ＩＧＢＴのコレクタとＳｉＣ製ダイオード５のカソードが導体パターン３を介して電気的に接続される。Ｓｉ製スイッチング素子４およびＳｉＣ製ダイオード５にはワイヤ配線６が施されており、導体パターン３およびワイヤ配線６を介して電気的に主電極７，８および制御端子９，１０に接続されている。主電極７，８は、図示しない外部回路に接続され、電力変換器などの主回路を構成する。制御端子９，１０には、Ｓｉ製スイッチング素子４をオン／オフ制御する制御信号が外部回路から与えられる。なお、図１では電力用半導体モジュール内の構成をわかりやすくするために、主電極７，８および制御端子９，１０を簡略化して記載している。
Ｓｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５などの電力用半導体モジュール１００を構成する部品類はケース１１内に収納されている。そして、電力用半導体モジュール１００内部の絶縁を保つため、ケース１１内には絶縁封止材１２が充填されている。
図２は、図１に示した状態から主電極７，８、制御端子９，１０、ケース１１、および絶縁封止材１２を外した状態で電力用半導体モジュール１００を上面から見た場合の電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。
図１に示した主電極７は、導体パターン３上の主電極取り付け点１３に接続され、主電極８、制御端子９，１０はそれぞれ、主電極取り付け点１４、制御端子取り付け点１５，１６に接続され、導体パターン３およびワイヤ配線６を介して、Ｓｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５と電気的に接続されている。また、ベース板１には取り付け穴１７が設けられており、電力用半導体モジュール１００は取り付け穴１７を利用して外部の冷却器などに取り付けられる。
Ｓｉ製スイッチング素子４、ＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール１００にそれぞれ複数個（図２では、Ｓｉ製スイッチング素子４が１６個、ＳｉＣ製ダイオード５が３２個）配置されている。図２において、複数のＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール１００の中央領域にまとまって配置されている。本実施の形態における、中央領域とは、電力用半導体モジュール１００を上面から見て左右を分断する帯状の領域のことである。複数のＳｉ製スイッチング素子４は、この中央領域の両側の領域に分かれて配置（電力用半導体モジュール１００の両サイドに配置）されている。つまり、ＳｉＣ製ダイオード５は、複数のＳｉ製スイッチング素子４の間に挟まれるように配置されている。一例として、図２では、電力用半導体モジュール１００の両側に８個ずつ分かれてＳｉ製スイッチング素子４が配置され、その間に３２個のＳｉＣ製ダイオード５が配置されている。
一般に、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子を同一の電力用半導体モジュール内に多数実装する場合、各半導体素子の損失が同じであっても、電力用半導体モジュールの中央領域に実装された半導体素子は放熱しにくいため、温度が上昇しやすい。一方、電力用半導体モジュールの両サイドまたは周辺部に実装された半導体素子は放熱しやすく、温度上昇しにくい。このため、例えばダイオードにスイッチング素子と同じＳｉ半導体を用いて電力用半導体モジュールの中央領域に実装した場合、ダイオードの温度が上昇しすぎるという問題がある。しかしながら、ＳｉＣ製ダイオードは低損失という特徴があるため、本実施の形態のように、ＳｉＣ製ダイオード５を電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置しても、温度上昇を抑制することができる。また、ＳｉＣ製ダイオード５は高温利用可能であるため、温度が上昇しやすい中央領域に配置しても、正常に動作させることができる。さらに、Ｓｉ製スイッチング素子４を中央領域の両側に配置したため、Ｓｉ製スイッチング素子４からの放熱がしやすく、温度上昇を抑制することができる。このため、例えば外部に設ける冷却器の小型化や、Ｓｉ製スイッチング素子４の配置領域を小さくして電力用半導体モジュール１００自体を小型化することが可能となる。
なお、ＳｉＣ製ダイオード５は高温利用可能という特徴があり、高温利用する場合には、例えばダイオードの配置領域を小さくできるなどの利点がある。ただし、必ずしも高温で利用する必要はなく、Ｓｉ製スイッチング素子４と同じ温度範囲で用いても良い。その場合でも、損失が低いことから、電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置することができる。また、絶縁封止材や半田などのダイオード周辺部品についてもＳｉ製スイッチング素子４と同じ温度範囲で使用できるものが使用可能となる。また、高温まで利用しないため、ヒートサイクルに対する信頼性も向上する。
また、電力用半導体モジュール１００の中央領域にＳｉＣ製ダイオード５を配置し、両側にＳｉ製スイッチング素子４を配置するため、ＳｉＣ製ダイオード５の放熱性が悪く、Ｓｉ製スイッチング素子４の放熱性が良くなる。このため、Ｓｉ製スイッチング素子４の放熱性をＳｉＣ製ダイオード５の放熱性より良くするために、Ｓｉ製スイッチング素子４直下の冷却性能をＳｉＣ製ダイオード５直下の冷却性能より高めるような特別な冷却器を設置する必要がなく、それぞれ使用可能な温度範囲で使えるため、汎用性が高くなる。
本実施の形態における電力用半導体モジュール１００では、同じベース板１、絶縁基板２上にＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５を配置している。Ｓｉ製スイッチング素子、ＳｉＣ製ダイオードをそれぞれ別々の絶縁基板、ベース板上に配置した場合には、熱干渉の影響が抑えられるという利点がある。しかしながら、スイッチング素子の損失が大きくなる運転条件とダイオードの損失が大きくなる運転条件が異なる場合が考えられる。例えば、電力用半導体モジュールをインバータとしてモータ駆動に用いる場合、インバータ側からモータ側にエネルギーを供給する力行運転では、ダイオードに比べてスイッチング素子の通電時間が長く、スイッチング素子の損失が大きくなり、モータ側からインバータ側へエネルギーを供給する回生運転では、スイッチング素子に比べてダイオードの通電時間が長く、ダイオードの損失が大きくなる。
このため、ＳｉＣ製ダイオード５に比べてＳｉ製スイッチング素子４の損失が大きい条件では、ＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響は小さく、Ｓｉ製スイッチング素子４から、絶縁基板２、ベース板１全体を使って放熱できるので、同じベース板１、絶縁基板２上にＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５を配置した方が、電力用半導体モジュール１００全体の放熱性が向上する。また、同じベース板１、絶縁基板２上にＳｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５を配置した方が、部品点数が減り、配線も容易という利点もある。
本実施の形態における電力用半導体モジュールの構成は一例であり、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域の両側に配置されればよいので、電力用半導体モジュール１００を構成する他の部品類の配置などに特に制約はない。例えば、主電極７，８や制御電極９，１０とＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５との間の接続についても、電気的に接続されていれば良く、主電極７，８に直接ワイヤ配線にて接続したり、ワイヤ配線を使わずにブスバーを用いた配線にしても良い。このような場合、電力用半導体モジュール１００内部のＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５の配置が多少変わる可能性があるが、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール１００の中央領域に、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域の両側に配置されていれば良い。
以上のように、低損失で高温利用可能なワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製ダイオード５を、温度が上昇しやすい電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置し、Ｓｉ半導体で作製されたＳｉ製スイッチング素子４を高温になりにくい電力用半導体モジュール１００の両サイドに配置するので、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュール１００の冷却効率を高くすることができる。
なお、本実施の形態では、ＳｉＣ製ダイオード５を電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置し、Ｓｉ製スイッチング素子４を電力用半導体モジュール１００の両サイドに配置している場合について説明した。しかしながら、ＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ半導体で作製されたＳｉ製ダイオードを用い、ＳｉＣ製スイッチング素子を電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを電力用半導体の両サイドに配置してもよい。この場合には、ＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ製ダイオードの配置に応じて、導体パターン、ワイヤ配線、主電極、制御端子等も適正に配置される。このように、低損失で高温利用可能なワイドギャップ半導体であるＳｉＣ製スイッチング素子を温度が上昇しやすい電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを高温になりにくい電力半導体モジュールの両サイドに配置するので、Ｓｉ製ダイオードの温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュールの冷却効率を高くすることができる。
実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。図２と同様に、主電極、制御端子、ケース、および絶縁封止材を外した状態で電力用半導体モジュール２００を上面から見た図である。実施の形態１では、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール１００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域の両側に配置されていたが、本実施の形態では、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域を囲む周辺部に配置（電力用半導体モジュール２００の周辺部に配置）されている点が実施の形態１と異なる。
Ｓｉ製スイッチング素子４、ＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール２００にそれぞれ複数個（図３では、Ｓｉ製スイッチング素子４が１６個、ＳｉＣ製ダイオード５が３２個）配置されている。図３において、複数のＳｉＣ製ダイオード５は、電力用半導体モジュール２００の中央領域にまとまって配置されている。本実施の形態における、中央領域とは、電力用半導体モジュール２００を上面から見て中心部の領域のことである。複数のＳｉ製スイッチング素子４は、この中央領域を囲む周辺部に配置されている。つまり、Ｓｉ製スイッチング素子４に囲まれるようにＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置されている。一例として、図３では、外周を形成するように１６個のＳｉ製スイッチング素子４が配置され、１６個のＳｉ製スイッチング素子４に囲まれるように３２個のＳｉＣ製ダイオード５が配置されている。なお、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５の配置変更に伴い、ワイヤ配線６などの配線パターンも変更されている。
本実施の形態によれば、低損失、高温利用可能といった特徴を有するＳｉＣ製ダイオード５を用いているので、ＳｉＣ製ダイオードを電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置し、全てのＳｉ製スイッチング素子４を中央領域の周辺部に配置することができる。このため、実施の形態１の構成よりも更にＳｉ製スイッチング素子４の放熱性が良く、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。なお、ＳｉＣ製ダイオード５は高温利用可能という特徴があるが、必ずしも高温で使う必要はなく、Ｓｉ製スイッチング素子４と同じ温度範囲で用いても良い。
本実施の形態における電力用半導体モジュールの構成は一例であり、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域を囲む周辺部に配置されればよいので、実施の形態１と同様に、電力用半導体モジュール２００を構成する他の部品類の配置などに特に制約はない。例えば、主電極７，８や制御電極９，１０とＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５との間の接続についても、電気的に接続されていれば良く、主電極７，８に直接ワイヤ配線にて接続したり、ワイヤ配線を使わずにブスバーを用いた配線にしても良い。このような場合、電力用半導体モジュール２００内部のＳｉ製スイッチング素子４やＳｉＣ製ダイオード５の配置が多少変わる可能性があるが、ＳｉＣ製ダイオード５が電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置され、Ｓｉ製スイッチング素子４が中央領域を囲む周辺部に配置されていれば良い。
以上のように、低損失で高温利用可能なワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製ダイオード５を、温度が上昇しやすい電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置し、Ｓｉ半導体で作製されたＳｉ製スイッチング素子４を高温になりにくい電力用半導体モジュール２００の周辺部に配置するので、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュール２００の冷却効率を高くすることができる。
なお、本実施の形態では、ＳｉＣ製ダイオード５を電力用半導体モジュール２００の中央領域に配置し、Ｓｉ製スイッチング素子４を電力用半導体モジュール２００の周辺部に配置している場合について説明した。しかしながら、ＳｉＣ半導体で作製されたＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ半導体で作製されたＳｉ製ダイオードを用い、ＳｉＣ製スイッチング素子を電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを電力用半導体の周辺部に配置してもよい。この場合には、ＳｉＣ製スイッチング素子およびＳｉ製ダイオードの配置に応じて、導体パターン、ワイヤ配線、主電極、制御端子等も適正に配置される。このように、低損失で高温利用可能なワイドギャップ半導体であるＳｉＣ製スイッチング素子を温度が上昇しやすい電力用半導体モジュールの中央領域に配置し、Ｓｉ製ダイオードを高温になりにくい電力半導体モジュールの周辺部に配置するので、Ｓｉ製ダイオードの温度上昇が低く抑えられ、電力用半導体モジュールの冷却効率を高くすることができる。
実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３における電力用半導体モジュールの内部配置を示す上面図である。図２と同様に、主電極、制御端子、ケース、および絶縁封止材を外した状態で電力用半導体モジュール３００を上面から見た図である。本実施の形態では、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９上に実装されている点が実施の形態１と異なる。Ｓｉ製スイッチング素子４は、スイッチング素子用絶縁基板１８に、ＳｉＣ製ダイオード５は、ダイオード用絶縁基板１９にそれぞれ実装されている。また、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９に実装されるため、スイッチング素子用絶縁基板１８の導体パターンとダイオード用絶縁基板１９の導体パターンを電気的に接続するワイヤ配線２０を別途設けている。なお、ワイヤ配線を用いなくても、電気的に接続されれば良く、例えば、主電極７，８に直接ワイヤ配線にて接続したり、ワイヤ配線を使わずにブスバーを用いた配線にしても良い。
実施の形態１、２における電力用半導体モジュールのように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同一の絶縁基板２上に実装されている場合、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同時に発熱する条件で動作させると、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５の熱干渉により、温度が上昇する。本実施の形態は、このような熱干渉の影響を軽減するためのものであり、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
なお、スイッチング素子用絶縁基板１８とダイオード用絶縁基板１９は同じ材質であっても良いし、ＳｉＣ製ダイオード５を高温で利用する場合には耐熱性やヒートサイクル性を考慮して異なる材質のものを用いても良い。
以上のように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々の絶縁基板１８，１９上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
実施の形態４．
図５は、この発明を実施するための実施の形態４における電力用半導体モジュールの断面図であり、電力用半導体モジュールの断面を簡略化して示した図である。図２と同様に、主電極、制御端子、ケース、および絶縁封止材を外した状態で電力用半導体モジュール４００を上面から見た図である。本実施の形態では、Ｓｉ製スイッチング素子４が実装されたスイッチング素子用絶縁基板１８とＳｉＣ製ダイオード５が実装されたダイオード用絶縁基板１９が別々のベース板２１，２２上に取り付けられている点が実施の形態３と異なる。Ｓｉ製スイッチング素子４が実装されたスイッチング素子用絶縁基板１８がスイッチング素子用ベース板２１に取り付けられ、ＳｉＣ製ダイオード５が実装されたダイオード用絶縁基板１９は、ダイオード用ベース板２２に取り付けられている。図５では、ダイオード用ベース板２２の両側にスイッチング素子用ベース板２１が設けられている。スイッチング素子用ベース板２１とダイオード用ベース板２２との間は樹脂などの断熱性材料２３によって接続されている。また、各ベース板２１，２２には、取り付け穴１７が設けられている。
実施の形態１〜３における電力用半導体モジュールのように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同一のベース板１上に実装されている場合、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同時に発熱する条件で動作させると、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５の熱干渉により、温度が上昇する。本実施の形態は、このような熱干渉の影響を軽減するためのものであり、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々のベース板２１，２２上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、実施の形態３で示した電力用半導体モジュール３００よりさらに、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
以上のように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が別々のベース板２１，２２上に実装されているので、Ｓｉ製スイッチング素子４がＳｉＣ製ダイオード５からの熱干渉の影響を受けにくくなり、Ｓｉ製スイッチング素子４の温度上昇を抑制することができる。
実施の形態５．
図６は、この発明を実施するための実施の形態５における電力用半導体モジュールの断面図であり、電力用半導体モジュールの断面を簡略化して示した図である。図６には、主電極および制御端子を示していない。本実施の形態における電力用半導体モジュール５００では、ケース１１内に充填される絶縁封止材を１種類とせずに、高耐熱絶縁封止材２４と低耐熱絶縁封止材２５の２種類を用いている点が実施の形態１〜４と異なる。ＳｉＣ製ダイオード５の周辺には高耐熱絶縁封止材２４を用い、Ｓｉ製スイッチング素子４の周辺など、それ以外の部分には高耐熱封止材２４に比べて耐熱性の低い低耐熱絶縁封止材２５を用いている。
高耐熱絶縁封止材２４としては、例えばフッ素系樹脂やポリイミド、ポリアミド、エポキシ、さらには、架橋密度を上げたり、金属酸化物を添加したりした耐熱性を高めたシリコーン系樹脂が用いられる。低耐熱絶縁封止材２５としては、シリコーンゲル、シリコーンゴムなどが用いられる。高耐熱絶縁封止材２４は、ＳｉＣ製ダイオード５とＳｉＣ製ダイオード５に接続されるワイヤ配線６を覆うことが望ましく、ヒートサイクルに対する信頼性を確保するためには、ワイヤ配線が異なる２種類の絶縁封止材２４，２５間にまたがらない方が望ましい。
このように、ＳｉＣ製ダイオード５の周辺に高耐熱絶縁封止材２４を用いることにより、ＳｉＣ製ダイオード５を高温まで利用可能となる。また、Ｓｉ製スイッチング素子４の周辺など、それ以外の部分に低耐熱絶縁封止材２５を用いているが、低耐熱絶縁封止材２５は高耐熱絶縁封止材２４に比べれば安価なため、高耐熱絶縁封止材２４のみを用いる場合に比べて、製造コストを抑えることができる。また、フッ素系樹脂やポリイミド、ポリアミドなど、高耐熱絶縁封止材によっては厚膜化が困難な場合もあり、本実施の形態のように高耐熱絶縁封止材２４をＳｉＣ製ダイオード５周辺のみを覆うように限定することにより、厚膜化の困難な高耐熱絶縁封止材を用いることも可能となる。
図６は、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が、別々のベース板２１，２２や絶縁基板１８，１９に実装されている場合を示しているが、実施の形態１〜３における電力用半導体モジュールのように、Ｓｉ製スイッチング素子４とＳｉＣ製ダイオード５が同一のベース板１に取り付けられた同一の絶縁基板２に実装される場合や、ベース板１は同一であるが別々の絶縁基板１８，１９上に実装される場合など、Ｓｉ製スイッチング素子とＳｉＣ製ダイオードの配置などが異なる場合においても適用することができる。
以上のように、ＳｉＣ製ダイオード５が配置された領域を覆う高耐熱絶縁封止材２４は、Ｓｉ製スイッチング素子４が配置された領域を覆う低耐熱絶縁封止材２５よりも高耐熱特性を有するので、ＳｉＣ製ダイオード５を高温まで利用可能となる。
なお、全ての実施の形態において、ダイオードにＳｉＣ半導体を用いる場合について説明を行ったが、Ｓｉ製スイッチング素子に比べてダイオードの方が低損失、高温利用可能といった特徴を有していれば良く、例えばダイオードに窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドなど他のワイドバンドギャップ半導体を用いても良い。
１ ベース板、２ 絶縁基板、３ 導体パターン、４ Ｓｉ製スイッチング素子、５ ＳｉＣ製ダイオード、６，２０ ワイヤ配線、７，８ 主電極、９，１０ 制御端子、１１ ケース、１２ 絶縁封止材、１３，１４ 主電極取り付け点、１５，１６ 制御端子取り付け点、１７ 取り付け穴、１８ スイッチング素子用絶縁基板、１９ ダイオード用絶縁基板、２１ スイッチング素子用ベース板、２２ ダイオード用ベース板、２３ 断熱性材料、２４ 高耐熱絶縁封止材、２５ 低耐熱絶縁封止材、１００，２００，３００，４００，５００ 電力用半導体モジュール。

Claims (11)

  1. Ｓｉ半導体素子と、ワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、
    前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、前記電力用半導体モジュールの中央領域に配置され、
    前記Ｓｉ半導体素子は、前記中央領域の両側または周辺に配置され、前記ワイドバンドギャップ半導体素子の素子数を前記Ｓｉ半導体素子の素子数よりも多くしたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 複数のＳｉ半導体素子と、複数のワイドバンドギャップ半導体素子とを備えた電力用半導体モジュールであって、
    前記複数のワイドバンドギャップ半導体素子は、前記複数のＳｉ半導体素子に挟まれるように又は囲まれるように配置され、前記ワイドバンドギャップ半導体素子の素子数を前記Ｓｉ半導体素子の素子数よりも多くしたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
  3. 前記Ｓｉ半導体素子はスイッチング素子であり、前記ワイドバンドギャップ半導体素子はダイオードであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
  4. 前記Ｓｉ半導体素子はダイオードであり、前記ワイドバンドギャップ半導体素子はスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
  5. 前記Ｓｉ半導体素子および前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、同一の絶縁基板に実装されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  6. 前記Ｓｉ半導体素子および前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、それぞれ別々の絶縁基板に実装されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  7. 前記Ｓｉ半導体素子が実装された絶縁基板および前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装された絶縁基板は、同一のベース板上に設置されたことを特徴とする請求項５または６に記載の電力用半導体モジュール。
  8. 前記Ｓｉ半導体素子が実装された絶縁基板および前記ワイドバンドギャップ半導体素子が実装された絶縁基板は、それぞれ別々のベース板上に設置されたことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体モジュール。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、前記Ｓｉ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材よりも高耐熱特性を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  10. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、フッ素系樹脂、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、高耐熱シリコーン系樹脂のいずれかで形成され、前記Ｓｉ半導体素子が配置された領域を覆う絶縁封止材は、シリコーンゲルまたはシリコーンゴムで形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  11. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドで作製されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
JP2011549927A 2010-01-15 2011-01-12 電力用半導体モジュール Active JP5147996B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011549927A JP5147996B2 (ja) 2010-01-15 2011-01-12 電力用半導体モジュール

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010006952 2010-01-15
JP2010006952 2010-01-15
PCT/JP2011/000088 WO2011086896A1 (ja) 2010-01-15 2011-01-12 電力用半導体モジュール
JP2011549927A JP5147996B2 (ja) 2010-01-15 2011-01-12 電力用半導体モジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP5147996B2 true JP5147996B2 (ja) 2013-02-20
JPWO2011086896A1 JPWO2011086896A1 (ja) 2013-05-16

Family

ID=44304174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011549927A Active JP5147996B2 (ja) 2010-01-15 2011-01-12 電力用半導体モジュール

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9129885B2 (ja)
EP (1) EP2525404B1 (ja)
JP (1) JP5147996B2 (ja)
KR (1) KR101375502B1 (ja)
CN (2) CN102687270A (ja)
WO (1) WO2011086896A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9704814B2 (en) 2015-06-10 2017-07-11 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5790039B2 (ja) * 2010-07-23 2015-10-07 富士電機株式会社 半導体装置
JP5391162B2 (ja) * 2010-08-17 2014-01-15 三菱電機株式会社 電力用半導体装置
JP6253409B2 (ja) * 2011-07-11 2017-12-27 三菱電機株式会社 電力用半導体モジュール
US9739515B2 (en) * 2012-04-16 2017-08-22 Mitsubishi Electric Corporation Heat pump device, air conditioner, and freezer that efficiently heats refrigerant on standby
JP6102297B2 (ja) * 2013-02-06 2017-03-29 富士電機株式会社 半導体装置
JP5801339B2 (ja) * 2013-03-22 2015-10-28 株式会社東芝 半導体装置
DE102013205138A1 (de) * 2013-03-22 2014-09-25 Infineon Technologies Ag Halbleiterbauelement, Halbleitermodul sowie Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und eines Halbleitermoduls
CN105247675B (zh) * 2013-05-29 2019-11-15 三菱电机株式会社 半导体装置
WO2015121899A1 (ja) * 2014-02-11 2015-08-20 三菱電機株式会社 電力用半導体モジュール
WO2015136603A1 (ja) * 2014-03-10 2015-09-17 株式会社日立製作所 パワー半導体モジュール及びその製造検査方法
CN106536258B (zh) 2014-07-18 2018-09-28 三菱电机株式会社 车辆用辅助电源装置
CN104835794B (zh) * 2015-03-23 2018-02-02 广东美的制冷设备有限公司 智能功率模块及其制造方法
WO2016185924A1 (ja) * 2015-05-20 2016-11-24 三菱電機株式会社 電力変換装置およびこれを適用した車両駆動システム
DE102019135060A1 (de) * 2019-12-19 2021-06-24 Dspace Digital Signal Processing And Control Engineering Gmbh Mehrzonenkühlkörper für Platinen
JP7466483B2 (ja) 2021-03-17 2024-04-12 三菱電機株式会社 半導体装置
CN113707643A (zh) * 2021-08-30 2021-11-26 中国振华集团永光电子有限公司（国营第八七三厂） 一种高集成高可靠igbt功率模块及其制造方法
WO2024018810A1 (ja) * 2022-07-21 2024-01-25 ローム株式会社 半導体装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03126055U (ja) * 1990-03-30 1991-12-19
JP2000311972A (ja) * 1999-04-28 2000-11-07 Hitachi Ltd 半導体装置
JP2001245479A (ja) * 2000-02-29 2001-09-07 Mitsubishi Electric Corp 電力半導体モジュール
JP2008271207A (ja) * 2007-04-20 2008-11-06 Hitachi Ltd フリーホイールダイオードとを有する回路装置
WO2008142885A1 (ja) * 2007-05-22 2008-11-27 Aisin Aw Co., Ltd. 半導体モジュール及びインバータ装置
JP2009272482A (ja) * 2008-05-08 2009-11-19 Toyota Motor Corp 半導体装置
JP2010232576A (ja) * 2009-03-30 2010-10-14 Hitachi Ltd パワー半導体装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03126055A (ja) 1989-10-11 1991-05-29 Seiko Epson Corp 電子写真記録装置の現像器ユニット
JP3480811B2 (ja) * 1997-07-15 2003-12-22 株式会社東芝 電圧駆動型電力用半導体装置
JPH11274482A (ja) * 1998-03-20 1999-10-08 Toshiba Corp 半導体装置
US7012810B2 (en) * 2000-09-20 2006-03-14 Ballard Power Systems Corporation Leadframe-based module DC bus design to reduce module inductance
JP3621659B2 (ja) 2001-05-09 2005-02-16 三菱電機株式会社 電力変換システム
JP4540884B2 (ja) * 2001-06-19 2010-09-08 三菱電機株式会社 半導体装置
KR100700863B1 (ko) * 2002-06-13 2007-03-29 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 반도체디바이스 및 그 제조방법
JP2004095670A (ja) 2002-08-29 2004-03-25 Toshiba Corp 半導体装置
US7034345B2 (en) * 2003-03-27 2006-04-25 The Boeing Company High-power, integrated AC switch module with distributed array of hybrid devices
US6987670B2 (en) * 2003-05-16 2006-01-17 Ballard Power Systems Corporation Dual power module power system architecture
US7488973B2 (en) * 2003-07-30 2009-02-10 The Kansai Electric Power Co., Inc. High-heat-resistant semiconductor device
US7786486B2 (en) * 2005-08-02 2010-08-31 Satcon Technology Corporation Double-sided package for power module
JP5168866B2 (ja) * 2006-09-28 2013-03-27 三菱電機株式会社 パワー半導体モジュール
JP4471967B2 (ja) * 2006-12-28 2010-06-02 株式会社ルネサステクノロジ 双方向スイッチモジュール
US7791208B2 (en) * 2007-09-27 2010-09-07 Infineon Technologies Ag Power semiconductor arrangement
US7808101B2 (en) * 2008-02-08 2010-10-05 Fairchild Semiconductor Corporation 3D smart power module

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03126055U (ja) * 1990-03-30 1991-12-19
JP2000311972A (ja) * 1999-04-28 2000-11-07 Hitachi Ltd 半導体装置
JP2001245479A (ja) * 2000-02-29 2001-09-07 Mitsubishi Electric Corp 電力半導体モジュール
JP2008271207A (ja) * 2007-04-20 2008-11-06 Hitachi Ltd フリーホイールダイオードとを有する回路装置
WO2008142885A1 (ja) * 2007-05-22 2008-11-27 Aisin Aw Co., Ltd. 半導体モジュール及びインバータ装置
JP2009272482A (ja) * 2008-05-08 2009-11-19 Toyota Motor Corp 半導体装置
JP2010232576A (ja) * 2009-03-30 2010-10-14 Hitachi Ltd パワー半導体装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9704814B2 (en) 2015-06-10 2017-07-11 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
DE102016208032B4 (de) 2015-06-10 2024-09-12 Fuji Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120101121A (ko) 2012-09-12
JPWO2011086896A1 (ja) 2013-05-16
US9129885B2 (en) 2015-09-08
EP2525404A4 (en) 2014-01-01
KR101375502B1 (ko) 2014-03-18
EP2525404A1 (en) 2012-11-21
CN109166833B (zh) 2022-04-08
CN102687270A (zh) 2012-09-19
WO2011086896A1 (ja) 2011-07-21
EP2525404B1 (en) 2022-03-16
CN109166833A (zh) 2019-01-08
US20120286292A1 (en) 2012-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5147996B2 (ja) 電力用半導体モジュール
JP6230660B2 (ja) 電力用半導体モジュール
US9088226B2 (en) Power module for converting DC to AC
US8373197B2 (en) Circuit device
US20130241047A1 (en) Power semiconductor module and power unit device
JP2012105419A (ja) 電力変換装置
US10217690B2 (en) Semiconductor module that have multiple paths for heat dissipation
US7148562B2 (en) Power semiconductor device and power semiconductor module
JPWO2014097798A1 (ja) 半導体装置
JP7379886B2 (ja) 半導体装置
JP2012175070A (ja) 半導体パッケージ
JP2021141222A (ja) 半導体モジュール
WO2013172183A1 (ja) パワーモジュール
JP4146888B2 (ja) 半導体モジュールと半導体モジュールの製造方法
JP2010177619A (ja) 半導体モジュール
KR20140130862A (ko) 파워모듈 제조방법 및 이를 통해 재조된 고방열 파워모듈
US11450647B2 (en) Semiconductor module and semiconductor device including the same
WO2023195325A1 (ja) パワーモジュールおよび電力変換装置
WO2024190132A1 (ja) 放熱ベース、半導体モジュール、及びエネルギー変換装置
JP2023110166A (ja) 半導体モジュール
JP2022163881A (ja) 半導体モジュール
CN116936502A (zh) 一种集成氮化镓及驱动系统的封装结构及电路组件
JP2020136315A (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121030

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121127

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5147996

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151207

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250