JP5293666B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などを複数個並置した半導体装置に関する。特に、IGBTのスイッチング時にゲート電圧に重畳される高周波ノイズを抑制した半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a plurality of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and the like are juxtaposed. In particular, the present invention relates to a semiconductor device that suppresses high-frequency noise superimposed on a gate voltage during IGBT switching.
IGBTは、パワースイッチングデバイスとしてモータPWM制御インバータの応用など広く使われている。また、このIGBTは電圧駆動型素子であり、電流駆動型素子と比べて扱い易いために、市場では高耐圧・大容量化への要求が強い。この市場の要求に応えるために、IGBTチップを複数個、同一パッケージ内に集積したモジュール構造が採用されている。 IGBTs are widely used as power switching devices such as motor PWM control inverters. In addition, since this IGBT is a voltage-driven element and is easier to handle than a current-driven element, there is a strong demand for high breakdown voltage and large capacity in the market. In order to meet this market demand, a module structure in which a plurality of IGBT chips are integrated in the same package is employed.
しかし、並列に配置されたIGBTチップ間に微妙な差異が生じ、これが原因でチップ間に相互干渉が生じ、高周波ノイズが発生し、ゲート回路を誤動作させることがある。これを解決する手法として、特許文献1では、複数個の半導体チップを同一平面に並べて組み込んだいわゆる平型IGBTにおいて、エミッタ電極と接触するコンタクト端子体の周りにパーマロイリングなどの環状磁性体を設置して、スイッチング時の半導体チップの相互干渉を防止し、高周波ノイズを低減することが特許文献1に開示されている。
However, there are subtle differences between IGBT chips arranged in parallel, which may cause mutual interference between the chips, generating high-frequency noise and causing the gate circuit to malfunction. As a technique for solving this, in
また、特許文献2には、IGBTなどの電力半導体素子がモジュールパッケージに内蔵され、このパッケージの外側に付いている端子に環状磁性材を配置して、電力用半導体素子のスイッチングに伴って端子に流れるノイズ電流を低減することが開示されている。
Further, in
さらに、特許文献3には、電動機を含む電動ユニットに対して一体的な取り付けが可能なインバータモジュールの入力端子および出力端子にフェライトコアを挿入して高周波のイズを低減することが開示されている。
Furthermore,
しかし、特許文献1では、平型IGBTのパッケージ内に複数個の半導体チップを収納し、これらのエミッタ電極に接触するコンタクト端子体の周りにそれぞれ環状磁性体を設置することは記載されているが、絶縁基板に複数個のチップが載置され、この半導体チップのエミッタ電極に複数本のワイヤボンデングがされているモジュールにおいて、エミッタ電極に接続する配線に環状磁性体を設置して、高周波ノイズを抑制することについては記載されていない。
However,
また、特許文献2、3では、モジュールパッケージの外側の端子に環状磁性体を設置することは記載されているが、複数個の半導体チップが併設されたモジュールで個々の半導体チップのエミッタ電極に接続する配線に環状磁性体を取り囲むように設置することについては記載されていない。
Further, in
この発明の目的は、導電パターン付絶縁基板に複数のスイッチング素子が固着したモジュールにおいて、ゲート電圧波形に高周波ノイズが抑制できる半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing high frequency noise in a gate voltage waveform in a module in which a plurality of switching elements are fixed to an insulating substrate with a conductive pattern.
特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、導電パターン付絶縁基板と、該基板に裏側が固着するスイッチング素子からなる複数の半導体チップと、前記導電パターンに固着する導体ブロックと、該導体ブロックを取り囲んで配置される環状磁性体と、前記半導体チップの表側の主電極と一方の端が接続し、他方の端が前記導体ブロックに接続するボンディングワイヤと、を具備する構成とする。
According to the patented invention in the range of
また、特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記スイッチング素子にダイオード(FWD)が逆並列接続すると構成とする。 According to the second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a diode (FWD) is connected in reverse parallel to the switching element.
また、特許請求の範囲の請求項3に記載の発明によれば、請求項1または2に記載の発明において、少なくとも前記スイッチング素子に流れる主電流を検出するために前記環状磁性体に1ターン以上の巻線を設け電流センス部とするとよい。
According to the invention described in
また、特許請求の範囲の請求項4に記載の発明によれば、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発明において、前記環状磁性体が、パーマロイコアもしくはフェライトコアであるとよい。
According to the invention described in
この発明によると、導電パターン付絶縁基板にIGBTチップなどのスイッチング素子が複数搭載されたモジュールにおいて、主電流の経路に環状磁性体を挿入することで、スイッチング時発生する高周波ノイズの伝播を抑制することができる。 According to the present invention, in a module in which a plurality of switching elements such as IGBT chips are mounted on an insulating substrate with a conductive pattern, the propagation of high-frequency noise generated during switching is suppressed by inserting an annular magnetic body in the main current path. be able to.
実施のための形態を以下の実施例で説明する。 The mode for implementation will be described in the following examples.
図1および図2は、この発明の第1実施例の半導体装置の構成図であり、図1(a)はチップが固着した絶縁基板の要部平面図、図1(b)は銅ブロックの周りに環状磁性体を配置した場合の斜視図、図1(c)は銅ブロックがない場合の環状磁性体の斜視図、図2は図1の要部断面図である。 FIGS. 1 and 2 are configuration diagrams of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view of an essential part of an insulating substrate to which a chip is fixed, and FIG. FIG. 1C is a perspective view of the annular magnetic body when there is no copper block, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of FIG.
3個のIGBTチップ6の裏側の図示しないコレクタ電極と3個のFWD(フリーホイール・ダイオード)チップ9の裏側の図示しないカソード電極を、絶縁基板1の導電パターン4に半田5で固着する。また、銅ブロック11は、図2に示すように導電パターン4に半田5で固着されている。それぞれのIGBTチップ6の表側のエミッタ電極7とFWDチップ9の表側のアノード電極10はワイヤ13で接続する。さらに、銅ブロック11とエミッタ電極7にワイヤ13をボンディングして互いを接続する。銅ブロック11には図1(b)に示すように環状磁性体12が予め嵌合されている。図1(c)で示すように銅ブロック11なしに直接導電パターン4にワイヤ13をボンディングする場合もある。その場合には環状磁性体12の内側の空間をワイヤ13が通るようにボンディングする。また、図1(c)の場合は、環状磁性体12は導電パターン4に図示しない絶縁膜を介して接着剤で固着される。
A collector electrode (not shown) on the back side of the three
尚、導電パターン付絶縁基板1はセラミックなどの絶縁基板1と、その裏面に固着される導電膜2と、その表側に固着される導電パターンとで構成される。尚、図中の符号の8はゲート電極パッドである。
The insulating substrate with a
つぎに、図2を用いて、この半導体装置の製造工程を説明する
まず、導電パターン付絶縁基板1の導電パターン4にIGBTチップ6のコレクタ電極とFWDチップ9のカソード電極を半田5を介して固着する。また、予め銅ブロック11に環状磁性体12を嵌合しておき、導電パターン4に半田5を介して銅ブロック11を固着する。ここで、環状磁性体12は、減衰したい高周波ノイズ、すなわち主電流の経路からゲート信号の回路への伝播を抑制したい高周波ノイズの周波数帯に応じてその材料を選択すればよい。この環状磁性体12は、例えば、パーマロイコアやフェライトコアである。
Next, the manufacturing process of the semiconductor device will be described with reference to FIG. Stick. Further, the annular
また、銅ブロック11を導電パターン4に固着し、その表面にワイヤ13をボンディングするのは、図1(c)のように環状磁性体12に囲まれた底の導電パターン4にワイヤ13をボンディングするより、作業が容易になるためである。
Also, the
この例では、環状磁性体12に、たて4mm×よこ10mm×高さ2mmのものを用いた。環状磁性体の大きさならびにその内部に嵌合されている銅ブロックの大きさは、これに限るものではなく、主回路に流れる電流(主電流)や、ワイヤボンディングの本数、導電パターンの面積や形状に応じて選定すればよい。
In this example, the annular
この環状磁性体12の設置位置は前記した位置に限るものではない。主電流が流れる経路に設ければよい。例えば、IGBTチップ6のエミッタ電極7とFWDチップ9のアノード電極10の接続箇所と導電パターン4とを結ぶ配線のどの箇所に設けても構わない。この配線に流れる電流はIGBTチップ6およびFWDチップ9に流れる電流(主電流)である。
The installation position of the annular
尚、銅ブロック11に環状磁性体12を予め嵌合して一体とした後、銅ブロック11を導電パターン4に半田5で固着してもよいし、銅ブロック11を導電パターン4に半田5で固着した後に、環状磁性体12を嵌合させてもよい。
In addition, after the annular
つぎに、IGBTチップ6のエミッタ電極7とFWDチップ9のアノード電極9を互いにワイヤ13で接続し、さらに環状磁性体12が嵌合された銅ブロック11の表面とIGBTチップ6のエミッタ電極7を複数のワイヤ13で接続する。尚、図ではエミッタ電極7上およびアノード電極9上が多数のワイヤaでボンディングされているのは、エミッタ電極7やアノード電極8の通電能力を補うためである。
Next, the
つぎに、導電パターン4に配線導体14の一方の端を固着し、他方の端を図示しないパッケージに固定した外部導出端子に接続する。
図3は、図1の半導体装置の等価回路である。3個のIGBT6(図1のIGBTチップと同一符号を付す)は並列接続され、それぞれのIGBT6にFWD9(図1のFWDチップと同一符号を付す)が逆並列に接続している。それぞれのIGBT6のエミッタに接続する配線には環状磁性体12が設置されている。
Next, one end of the
FIG. 3 is an equivalent circuit of the semiconductor device of FIG. Three IGBTs 6 (same reference numerals as the IGBT chip in FIG. 1) are connected in parallel, and FWDs 9 (same reference numerals as the FWD chip in FIG. 1) are connected in antiparallel to each
図3に示すFWD9を逆並列接続したIGBT6を図示しないインバータ回路に適用し、インダクタンス負荷を接続した場合、IGBT6がスイッチ・オンしFWD9が逆回復するときIGBT6のゲート配線8aに高周波ノイズが重する場合が多い。これを模擬するために図4に示す試験回路で高周波ノイズを測定した。そのときの波形を図5に示す。
When the
図5は、IGBTがスイッチングするときのゲート電圧波形とFWDの電圧電流波形を示す図であり、同図(a)は環状磁性体が設置されない場合、同図(b)は、環状磁性体が設置された場合である。尚、環状磁性体12が設置されていない従来の半導体装置の要部平面図を図6に示す。
FIG. 5 is a diagram showing a gate voltage waveform and a voltage / current waveform of FWD when the IGBT is switched. FIG. 5A shows a case where no annular magnetic body is installed, and FIG. This is the case. FIG. 6 shows a plan view of the main part of a conventional semiconductor device in which the annular
この例では、環状磁性材料にパーマロイリングを用いているが、ゲート電圧に重畳していた985MHz付近の高周波ノイズが減衰していることがわかる。
図4の試験回路において、IGBTをオンさせ、負荷のコイル(L負荷)に電流を流し、その後でIGBTをオフさせる。すると、コイルに流れている電流はFWDを通して還流電流となってFWDとコイルを循環する。つぎに、IGBTをオンさせると、FWDに流れる電流は減少し、逆回復電流が流れてFWDに流れる電流は零となり、還流電流はIGBTとコイルを通して流れるようになる。尚、点線で示したFWDはこの試験では利用しない。
In this example, a permalloy ring is used for the annular magnetic material, but it can be seen that high-frequency noise around 985 MHz that is superimposed on the gate voltage is attenuated.
In the test circuit of FIG. 4, the IGBT is turned on, a current is passed through the load coil (L load), and then the IGBT is turned off. Then, the current flowing through the coil becomes a return current through the FWD and circulates between the FWD and the coil. Next, when the IGBT is turned on, the current flowing through the FWD decreases, the reverse recovery current flows, the current flowing through the FWD becomes zero, and the return current flows through the IGBT and the coil. Note that the FWD indicated by the dotted line is not used in this test.
FWDが逆回復するときに、環状磁性体12が設置されない場合は図5(a)に示すようにゲート電圧波形に895MHz程度の高周波ノイズが重畳されている。一方、環状磁性体12を設置すると図5(b)に示すようにこの高周波ノイズは抑制される。
When the annular
図1で示すようにIGBTチップ6とFWDチップ9に接続するそれぞれの配線経路の中で、IGBTチップ6とFWDチップ9にできるだけ近い箇所にそれぞれ環状磁性体12を設置することで、IGBTチップ6のスイッチングによって発生する高周波のノイズが、モジュールの内外へ伝播するのを防ぐことができる。そして、この高周波のノイズがゲート電圧波形に重畳されることも効果的に抑制することができる。
As shown in FIG. 1, in each wiring path connected to the
図7は、この発明の第2実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)はチップが固着した絶縁基板の要部平面図、同図(b)は銅ブロックに設置された環状磁性体の斜視図である。 FIG. 7 is a block diagram of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 7A is a plan view of the main part of an insulating substrate to which a chip is fixed, and FIG. It is a perspective view of an annular magnetic body.
図1との違いは、環状磁性体12に1ターン以上の巻線15を設けて、IGBTチップ6とFWDチップ9に流れる主電流を検出できるようにした点である。巻線15は、銅ブ
ロック11とは絶縁されている。例えば、巻線15を環状磁性体12に予め巻き回しておき、その後銅ブロック11を嵌め込めばよい。この巻線15は全ての環状磁性体12に設けて各IGBTチップ6に流れる主電流を検出するようにした場合や代表して1個の環状磁性体12に設けてモジュールに流れる主電流を検出するようにした場合がある。この巻線15は電流センス部となる。図7のように、巻線15の両端を端子14へ接続して外部へ導出すればよい。
The difference from FIG. 1 is that the main current flowing through the
本発明の半導体装置は、ゲート電圧波形に重畳される高周波ノイズを抑制しながら主電流を検出することができる。各チップの主電流を検出することで、チップに過大な電流が流れるのを抑制できる。また各IGBTチップに流れる電流がアンバランスな場合、ゲート電圧を調整して、各IGBTチップに均一な電流を流すこともできる。 The semiconductor device of the present invention can detect the main current while suppressing high frequency noise superimposed on the gate voltage waveform. By detecting the main current of each chip, it is possible to suppress an excessive current from flowing through the chip. Further, when the current flowing through each IGBT chip is unbalanced, the gate voltage can be adjusted to allow a uniform current to flow through each IGBT chip.
図8は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部平面図である。この図はチップが固着した絶縁基板の平面図である。
図1との違いは、IGBTチップ6のみ導電パターン付絶縁基板1に固着されている点である。この場合も環状磁性体12を設けることで、IGBTチップ6のスイッチング時にゲート電圧波形に重畳される高周波ノイズを抑制できる。
FIG. 8 is a plan view of an essential part of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. This figure is a plan view of an insulating substrate to which a chip is fixed.
The difference from FIG. 1 is that only the
ここで、上記の各例では、IGBT6とFWD9をそれぞれ3個用い、図3に示すように、IGBT6とFWD9の逆並列回路を3組並列に接続した構成で説明したが、これに限るものではない。
Here, in each of the above examples, three
例えば、IGBT6とFWD9をそれぞれ1個用い、IGBT6とFWD9の逆並列回路を1組のみで構成する半導体装置に適用してもよい。
あるいは、IGBT6とFWD9の逆並列回路を直列に接続して、インバータや整流回路などの電力変換装置の1アームを構成した半導体装置に適用してもよい。
For example, the present invention may be applied to a semiconductor device in which one
Or you may apply to the semiconductor device which connected the antiparallel circuit of IGBT6 and FWD9 in series, and comprised 1 arm of power converters, such as an inverter and a rectifier circuit.
いずれの構成においても、主電流の経路に、その経路を取り囲むように環状の磁性部材を配置することにより、IGBTなどのスイッチング素子のスイッチングに伴って発生する高周波がノイズをゲート回路などへ伝播することを防ぐことができる。 In any configuration, by arranging an annular magnetic member in the main current path so as to surround the path, a high frequency generated by switching of a switching element such as an IGBT propagates noise to a gate circuit or the like. Can be prevented.
このように、ゲート回路への高周波ノイズの伝播を防ぐことができるので、ゲート電圧に高周波ノイズが重畳されるのを防止でき、高周波ノイズによるスイッチング素子の誤動作を防止することができる。 As described above, since the propagation of the high frequency noise to the gate circuit can be prevented, the high frequency noise can be prevented from being superimposed on the gate voltage, and the malfunction of the switching element due to the high frequency noise can be prevented.
また、絶縁基板上の導電パターンに環状磁性体を固着し、その内側へワイヤボンディングを行なうか、環状磁性体の内側に嵌合された銅ブロックにワイヤボンディングを行なうことで、容易に主電流が流れる経路を取り囲むように環状磁性体を配置することができる。 In addition, the main current can be easily generated by fixing the annular magnetic body to the conductive pattern on the insulating substrate and wire bonding inside it, or wire bonding to the copper block fitted inside the annular magnetic body. An annular magnetic body can be arranged so as to surround the flow path.
1 導電パターン付絶縁基板
2 導電膜
3 絶縁基板
4 導電パターン
5 半田
6 IGBTチップ/IGBT
7 エミッタ電極
8 ゲート電極パッド
9 FWDチップ/FWD
10 アノード電極
11 銅ブロック
12 環状磁性体
13、a ワイヤ
14 配線導体
15 巻線
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