JP5287359B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、サージ電圧を抑制できる半導体モジュールに関する。
従来から、IGBT素子やフライホイールダイオード等の半導体素子を樹脂で封止して1パッケージにした半導体モジュールが知られている。
この半導体モジュールは、例えば車両用のインバータ回路に用いられる。インバータ回路を使って、車両に搭載した直流電源を交流に変換し、この交流電圧を用いて三相交流モータを駆動して、車両を走行させる。
半導体モジュールは高電圧下で使用され、大電流が流れる。この半導体モジュールは、配線等が寄生インダクタンスを有するため、IGBT素子をオンオフ動作する際にサージ電圧が発生するという問題がある。特に大電流を流す場合は、サージ電圧が高くなりやすい。サージ電圧が高くなると、半導体素子が破壊されるおそれがある。
この問題を解決するため、コンデンサを内蔵した半導体モジュールが開示されている。コンデンサを内蔵すると、発生したサージ電圧をコンデンサによって吸収できる。
特許第3841007号公報 特許第4192396号公報
しかしながら、コンデンサを内蔵しても、サージ電圧を十分に低減できない場合がある。例えば、コンデンサの位置によっては、そのコンデンサを接続する配線と、他の配線との間隔が広くなり、ループインダクタンスが大きくなってしまう場合がある。ループインダクタンスが大きくなると、サージ電圧も大きくなり、半導体素子が破壊されるおそれが生じる。
そのため、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールが望まれている。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールを提供しようとするものである。
本発明の第1の態様は、半導体スイッチング素子を有する半導体モジュールであって、
ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップと、
ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップと、
上記ハイサイド側半導体チップおよび上記ローサイド側半導体チップの交流出力側の主電極面に電気接続した金属製のミドルサイド板と、
上記ミドルサイド板との間で上記ハイサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ハイサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のハイサイド板と、
該ハイサイド板に隣接配置され、上記ミドルサイド板との間で上記ローサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ローサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のローサイド板と、
上記ハイサイド板およびローサイド板からなる金属板対と、上記ミドルサイド板との間に設けられた一枚の導電板とを備え、
上記ハイサイド板と上記ローサイド板とを、上記導電板および少なくとも1個のコンデンサを用いて電気接続するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュールにある(請求項1)。
また、本発明の第2の態様は、半導体スイッチング素子を有する半導体モジュールであって、
ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップと、
ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップと、
上記ハイサイド側半導体チップおよび上記ローサイド側半導体チップの交流出力側の主電極面に電気接続した金属製のミドルサイド板と、
上記ミドルサイド板との間で上記ハイサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ハイサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のハイサイド板と、
該ハイサイド板に隣接配置され、上記ミドルサイド板との間で上記ローサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ローサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のローサイド板と、
上記ハイサイド板と上記ミドルサイド板との間、および上記ローサイド板と上記ミドルサイド板との間の、それぞれの間に設けられた導電板とを備え、
上記ハイサイド板と上記ローサイド板とを、複数の上記導電板および少なくとも1個のコンデンサを用いて電気接続するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュールにある(請求項6)。
本発明の作用効果につき説明する。
本発明では、ハイサイド板およびローサイド板と、ミドルサイド板との間に導電板を設け、ハイサイド板とローサイド板とを、コンデンサおよび導電板を介して接続するように構成した。
このようにすると、導電板に流れる電流と、ミドルサイド板に流れる電流の向きが逆向きになり、かつ、導電板とミドルサイド板との間隔が狭くなり、半導体チップ内を流れる電流が一周(ループ)する面積を小さくすることができる。そのため、導電板に流れる電流により発生した磁界と、ミドルサイド板に流れる電流により発生した磁界とが互いに打ち消しあう。これにより、実効インダクタンスを低減でき、サージ電圧を抑制することが可能となる。
さらに、本発明はコンデンサを内蔵しているため、従来のようにコンデンサを内蔵せず、外部にのみ設けた場合と比較して、半導体チップと内蔵コンデンサとの距離を短くすることができる。そのため、電流の流れる経路が短くなり、寄生インダクタンスを低減できる。これにより、サージ電圧を低減することが可能となる。
また、半導体モジュールを用いてインバータ回路を構成すると、半導体モジュール同士を繋ぐ配線の寄生インダクタンスに起因してサージ電圧が発生するが、本例によると、半導体モジュールに内蔵したコンデンサによりサージ電圧を吸収することができる。そのため、半導体素子に高いサージ電圧が加わりにくくなる。
以上のごとく、本発明によれば、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュールを提供することができる。
実施例1における、半導体モジュールの分解斜視図。 実施例1における、半導体モジュールの一部透視斜視図。 実施例1における、半導体モジュールの断面図であって、図4のB−B断面図。 図3のA−A断面図。 実施例1における、半導体モジュールの断面図と、回路図とを重ねた図。 実施例1における、インバータの回路図。 実施例1における、半導体モジュールと冷却管とを積層した斜視図。 実施例1における、コンデンサの数を変更した半導体モジュールの断面図。 実施例1における、コンデンサの数を1個にした半導体モジュールの断面図。 実施例1における、半導体モジュールの製造工程説明図。 図10に続く図。 図11に続く図。 実施例1における、半導体モジュール内を流れる電流の向きについての説明図。 比較例における、半導体モジュール内を流れる電流の向きについての説明図。
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記導電板は、上記ミドルサイド板に対して平行に設けられていることが好ましい(請求項2)。
上述したように、導電板とミドルサイド板は近接している。また、上記構成にすると、導電板に流れる電流と、ミドルサイド板に流れる電流とが逆向きで、かつ平行になる。これにより、導電板とミドルサイド板に流れる電流によって発生した磁界が各々効果的に打ち消しあい、実効インダクタンスをより小さくすることが可能となる。そのため、サージ電圧を効果的に低減できる。
また、複数個の上記コンデンサが、上記導電板を介して直列接続されていることが好ましい(請求項3)。
このようにすると、例えば一方のコンデンサが壊れてショートした場合でも、他方のコンデンサが破壊されなければ半導体モジュール全体としては短絡故障しないため、信頼性を高めることができる。また、コンデンサ1個に加わる電圧が低くなるので、耐圧の低いコンデンサを使用することも可能となる。
また、上記導電板と上記ミドルサイド板との間に、絶縁部材が介在するよう構成されていることが好ましい(請求項4)。
この構成によると、絶縁部材を介在させることにより、導電板とミドルサイド板とのショートを防止でき、信頼性を高めることが可能となる。
また、薄い絶縁部材を用いることにより、導電板とミドルサイド板との絶縁距離を短くすることができる。これにより、実効インダクタンスを効果的に低減することが可能となる。
さらに、はんだ付け(リフロー)を使って容易に組付けることができるというメリットもある。例えば、ミドルサイド板の上に半導体チップと、絶縁層を有する導電板と、コンデンサとを配置して、その間にはんだを介在させ、熱処理炉に入れてリフローするのである。このようにすると、ミドルサイド板と半導体チップ等を一度に接続することが可能となる。そのため、組み付け性を向上できる。
また、上記ハイサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるハイ側コンデンサ群と、上記ローサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるロー側コンデンサ群とを備え、これらハイ側コンデンサ群とロー側コンデンサ群とが上記導電板を介して直列接続されていることが好ましい(請求項5)。
このようにすると、個々のコンデンサの容量が小さい場合でも、並列接続しているので、全体の容量を大きくすることができる。例えばセラミックコンデンサ等のように、耐熱性に優れているが、容量が小さいコンデンサを使用したい場合に効果がある。また、複数個のコンデンサを用いているので、いずれか1個のコンデンサが破壊した場合でも正常に動作でき、信頼性を向上できる。
(実施例1)
本例の実施例にかかる半導体モジュールにつき、図1〜図14を用いて説明する。
図1は本例に係る半導体モジュール1の、封止部材を省略した分解斜視図である。また、図2は半導体モジュール1の一部透視斜視図であり、図3はその断面図である。
図1、図2に示すごとく、本例の半導体モジュール1は、ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップ2と、ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップ3とを備える。
また、図3に示すごとく、ハイサイド側半導体チップ2およびローサイド側半導体チップ3の交流出力側の主電極面20,30に接続した金属製のミドルサイド板6を備える。さらに、ミドルサイド板6との間でハイサイド側半導体チップ2を挟持するとともに、ハイサイド側半導体チップ2の直流入力側の主電極面21に接続した金属製のハイサイド板4を備える。また、ハイサイド板4に隣接配置され、ミドルサイド板6との間でローサイド側半導体チップ3を挟持するとともに、ローサイド側半導体チップ3の直流入力側の主電極面31に接続した金属製のローサイド板5を備える。
さらに、図1、図3に示すごとく、ハイサイド板4およびローサイド板5と、ミドルサイド板6との間に設けられた導電板7を備える。そして、ハイサイド板4とローサイド板5とを、導電板7および少なくとも1個のコンデンサ8を用いて接続するよう構成されている。
以下、詳説する。
図1に示すごとく、ハイサイド板4、ローサイド板5、ミドルサイド板6には、その側面から突出するパワー端子12a,12b,12cが形成されている。また、本例の半導体モジュール1は複数本の信号端子11を備えている。この信号端子11は、ハイサイド側半導体チップ2およびローサイド側半導体チップ3と、ワイヤ14により接続されている。
また、ハイサイド側半導体チップ2とミドルサイド板6との間には銅ブロック13aが設けられている。この銅ブロック13aにより、ハイサイド側半導体チップ2とミドルサイド板6との間隔を広くし、ワイヤ14とミドルサイド板6とが接触しないようにしている。同様に、ローサイド側半導体チップ3とローサイド板5との間に銅ブロック13bが設けられている。
また、図2、図3に示すごとく、半導体チップ2,3、コンデンサ8等は、樹脂製の封止部材15により封止されている。この封止部材15から、ハイサイド板4、ローサイド板5、ミドルサイド板6の表面が露出している。
図3に示すごとく、導電板7は、ミドルサイド板6に対して平行に設けられている。また、複数個のコンデンサ8a,8bが、導電板7を介して直列接続されている。ハイサイド板4および導電板7により、一方のコンデンサ8aを挟持し、電気的に接続している。また、ローサイド板5および導電板7により、他方のコンデンサ8bを挟持し、電気的に接続している。
また、図3に示すごとく、導電板7とミドルサイド板6との間に、絶縁部材10が介在している。この絶縁部材10により、導電板7とミドルサイド板6との短絡を防止している。
さらに、図3、図4に示すごとく、本例の半導体モジュール1は、ハイサイド板4と導電板7との間に介在し、互いに並列接続された複数個のコンデンサ8からなるハイ側コンデンサ群80と、ローサイド板5と導電板7との間に介在し、互いに並列接続された複数個のコンデンサ8からなるロー側コンデンサ群81とを備える。そして、これらハイ側コンデンサ群80とロー側コンデンサ群81とが導電板7を介して直列接続されている。
図5に、半導体モジュール1と回路図とを重ねた図を示す。このように、ハイサイド側半導体チップ2はIGBT素子2aとフライホイールダイオード2bを備えている。そして、IGBT素子2aのエミッタがミドルサイド板6に接続され、コレクタがハイサイド板4に接続されている。同様に、ローサイド側半導体チップ3はIGBT素子3aとフライホイールダイオード3bを備えている。このIGBT素子3aのエミッタがローサイド板5に接続され、コレクタがミドルサイド板6に接続されている。
図6に、半導体モジュール1を使った車両用インバータ回路16の回路図を示す。同図に示すごとく、半導体モジュール1を複数個接続して、直流電源18の電圧を交流に変換するインバータ回路16を構成している。半導体モジュール1のハイサイド板4とローサイド板5との間に、直流電圧を印加する。そして、IGBT素子2a,3aをスイッチング動作させることにより、交流電圧を出力する。この交流電圧を用いて三相交流モータ17を駆動し、車両を走行させる。
なお、図示しないが、直流電源18の電圧を昇圧するための昇圧回路も搭載されている。この昇圧回路により昇圧した電圧を、平滑コンデンサ19によって平滑している。
また、直流電源18と半導体モジュール1とを接続する配線40は、銅板からなるバスバー40を用いている。このバスバー40自身も寄生インダクタンスを有しているため、IGBT素子2a,3aをスイッチング動作させると、サージ電圧が発生するが、そのサージ電圧をコンデンサ8a,8bで吸収している。なお、コンデンサ8a,8bは、上述した導電板7により接続されている。
図7に、半導体モジュール1の配置例を示す。半導体モジュール1には大きな電流を流すため、発熱量が大きい。そのため、本例では図7に示すごとく、半導体モジュール1と冷却管41とを交互に複数個積層し、この冷却管41によって半導体モジュール1を両面から冷却するようにしている。個々の冷却管41は、接続管45によって接続されている。また、冷媒導入口42および冷媒導出口43を備えており、この冷媒導入口42に冷媒44を導入することにより、接続管45を通って全ての冷却管41に冷媒44が流れるようになっている。これにより、半導体モジュール1を冷却している。上述したハイサイド板4、ローサイド板5、ミドルサイド板6は、半導体チップ2,3を冷却するための放熱板を兼ねている。
次に、コンデンサの数を変更した例を図8に示す。同図に示すごとく、この半導体モジュール1は、3個のコンデンサ8a,8b,8cを直列に接続している。コンデンサ8bは絶縁部材10の上に載置されており、コンデンサ8aと8bとの間を導電板7aが接続している。また、コンデンサ8bとコンデンサ8cの間を導電板7bが接続している。
さらに、図9に示すごとく、コンデンサ8を一個だけ設けることもできる。この例では、ローサイド板5と導電板7との間にコンデンサ8を設け、ハイサイド板4と導電板7との間は導電性プラグ70によって接続している。このようにすると、コンデンサ8を2個直列にした場合と比較して、容量を大きくできるというメリットがある。
本例に係る半導体モジュール1の製造方法について説明する。まず図10(A)に示すごとく、ミドルサイド板6の上にローサイド側半導体チップ3と銅ブロック13を配置し、これらの間にはんだペースト50を介在させる。また、ミドルサイド板6の別の位置に絶縁部材10、導電板7、コンデンサ8を配置し、これらの間にはんだペースト50を介在させる。このようにして部材100を構成する。また、図10(B)に示すごとく、ハイサイド板4の上にハイサイド側半導体チップ2と銅ブロック13を配置し、これらの間にはんだペースト50を介在させる。このようにして部材101を構成する。
次に、部材100と部材101をリフロー炉に入れ、所定温度で第1の熱処理を行う。これにより、はんだペースト50が溶融し、各部品が接続されて一体となる。
その後、図11に示すごとく、部材100上にローサイド板5および部材101を載置する。図示するごとく、ミドルサイド板6の所定位置、コンデンサ8a,8b、銅ブロック13上にはんだペースト50を配置する。そして、この状態でリフロー炉に入れ、所定温度で第2の熱処理を行う。これにより、図12に示すごとく、はんだペースト50が溶融し、部材100,101およびローサイド板5が接続されて一体となる。
次に、本例の作用効果につき説明する。
本例では図3に示すごとく、ハイサイド板4およびローサイド板5と、ミドルサイド板6との間に導電板7を設け、ハイサイド板4とローサイド板5とを、コンデンサ8および導電板7を介して接続するように構成した。
このようにすると、導電板7とミドルサイド板6との間隔を狭くすることができる。また、高周波電流の流れる向きは、図13(A),図13(B)のどちらかとなる。すなわち、導電板7に流れる電流i1と、ミドルサイド板6に流れる電流i2の向きが常に逆向きになる。そのため、導電板7に流れる電流i1により発生した磁界φ1と、ミドルサイド板6に流れる電流i2により発生した磁界φ2とが互いに打ち消しあう。これにより、実効インダクタンスを低減でき、サージ電圧を抑制することが可能となる。
また、本例によると、図13に示すごとく、ハイサイド側半導体チップ2とコンデンサ8aの間隔が狭くなる。また、ローサイド側半導体チップ3とコンデンサ8bとの間隔が狭くなる。すなわち、図14のように、ハイサイド板92とローサイド板93との間にコンデンサ91を設けた場合と比較して、電流が流れるループの面積S(図の斜線部)を小さくすることができる。これにより、ループインダクタンスを小さくすることができ、サージ電圧を抑制しやすくなる。
さらに、本例はコンデンサ8を内蔵しているため、従来のようにコンデンサ8を内蔵せず、外部にのみ設けた場合と比較して、半導体チップ2,3とコンデンサ8a,8bとの距離を短くすることができる。そのため、電流の流れる経路が短くなり、寄生インダクタンスを低減できる。これにより、サージ電圧を低減することが可能となる。
また、図3に示すごとく、導電板7は、ミドルサイド板6に対して平行に設けられている。
上述したように、導電板7とミドルサイド板6は近接している。また、上記構成にすると、導電板7に流れる電流i1(図13参照)と、ミドルサイド板6に流れる電流i2とが逆向きで、かつ平行になる。これにより、導電板7とミドルサイド板6に流れる電流i1,i2によって発生した磁界φ1,φ2が各々効果的に打ち消しあい、実効インダクタンスをより小さくすることが可能となる。そのため、サージ電圧を効果的に低減できる。
また本例では、図3に示すごとく、複数個のコンデンサ8a,8bが、導電板7を介して直列接続されている。
このようにすると、例えば一方のコンデンサ8aが壊れてショートした場合でも、他方のコンデンサ8bが破壊されなければ半導体モジュール1全体としては短絡故障しないため、信頼性を高めることができる。また、コンデンサ1個に加わる電圧が低くなるので、耐圧の低いコンデンサ8を使用することも可能となる。
また、図3に示すごとく、本例の半導体モジュール1は、導電板7とミドルサイド板6との間に絶縁部材10が介在している。
この構成によると、絶縁部材10を介在させることにより、導電板7とミドルサイド板6とのショートを防止でき、信頼性を高めることが可能となる。
また、薄い絶縁部材10を用いることにより、導電板7とミドルサイド板6との絶縁距離を短くすることができる。これにより、ループインダクタンスを効果的に低減することが可能となる。
さらに、はんだ付け(リフロー)を使って容易に組付けることができるというメリットもある。すなわち、図10〜図12に示すごとく、第1の熱処理(図10)と、第2の熱処理(図11、図12)とを行うだけで、ハイサイド板4、ローサイド板5、ミドルサイド板6、半導体チップ2,3等を一括してはんだ付けできる。そのため、組み付け性を向上できる。
また、本例の半導体モジュール1は、図4に示すごとく、複数個のコンデンサ8を並列接続したハイ側コンデンサ群80と、ロー側コンデンサ群81とを有し、このハイ側コンデンサ群80とロー側コンデンサ群81とを直列接続した。
このようにすると、個々のコンデンサ8の容量が小さい場合でも、並列接続しているので、全体の容量を大きくすることができる。例えばセラミックコンデンサ8等のように、耐熱性に優れているが、容量が小さいコンデンサ8を使用したい場合に効果がある。また、複数個のコンデンサ8を用いているので、いずれか1個のコンデンサ8が破壊した場合でも正常に動作でき、信頼性を向上できる。
以上のごとく、本発明によれば、サージ電圧をより効果的に抑制できる半導体モジュール1を提供することができる。
1 半導体モジュール
2 ハイサイド側半導体チップ
20(ハイサイド側半導体チップの、交流出力側の)主電極面
21(ハイサイド側半導体チップの、直流入力側の)主電極面
3 ローサイド側半導体チップ
30(ローサイド側半導体チップの、交流出力側の)主電極面
31(ローサイド側半導体チップの、直流入力側の)主電極面
4 ハイサイド板
5 ローサイド板
6 ミドルサイド板
7 導電板
8 コンデンサ

Claims (6)

  1. 半導体スイッチング素子を有する半導体モジュールであって、
    ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップと、
    ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップと、
    上記ハイサイド側半導体チップおよび上記ローサイド側半導体チップの交流出力側の主電極面に電気接続した金属製のミドルサイド板と、
    上記ミドルサイド板との間で上記ハイサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ハイサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のハイサイド板と、
    該ハイサイド板に隣接配置され、上記ミドルサイド板との間で上記ローサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ローサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のローサイド板と、
    上記ハイサイド板およびローサイド板からなる金属板対と、上記ミドルサイド板との間に設けられた一枚の導電板とを備え、
    上記ハイサイド板と上記ローサイド板とを、上記導電板および少なくとも1個のコンデンサを用いて電気接続するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項1において、上記導電板は、上記ミドルサイド板に対して平行に設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項1または請求項2において、複数個の上記コンデンサが、上記導電板を介して直列接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか1項において、上記導電板と上記ミドルサイド板との間に、絶縁部材が介在するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか1項において、上記ハイサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるハイ側コンデンサ群と、上記ローサイド板と上記導電板との間に介在し、互いに並列接続された複数個の上記コンデンサからなるロー側コンデンサ群とを備え、これらハイ側コンデンサ群とロー側コンデンサ群とが上記導電板を介して直列接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
  6. 半導体スイッチング素子を有する半導体モジュールであって、
    ハイサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたハイサイド側半導体チップと、
    ローサイド側の半導体スイッチング素子が形成されたローサイド側半導体チップと、
    上記ハイサイド側半導体チップおよび上記ローサイド側半導体チップの交流出力側の主電極面に電気接続した金属製のミドルサイド板と、
    上記ミドルサイド板との間で上記ハイサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ハイサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のハイサイド板と、
    該ハイサイド板に隣接配置され、上記ミドルサイド板との間で上記ローサイド側半導体チップを挟持するとともに、該ローサイド側半導体チップの直流入力側の主電極面に電気接続した金属製のローサイド板と、
    上記ハイサイド板と上記ミドルサイド板との間、および上記ローサイド板と上記ミドルサイド板との間の、それぞれの間に設けられた導電板とを備え、
    上記ハイサイド板と上記ローサイド板とを、複数の上記導電板および少なくとも1個のコンデンサを用いて電気接続するよう構成されていることを特徴とする半導体モジュール。
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