JP5464159B2 - パワーモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、複数の半導体装置を有するパワーモジュールに関する。
特許文献1には、インバータ回路を構成するように複数の半導体装置が配置されたパワーモジュールが開示されている。このパワーモジュールは、各半導体装置を電源又はアースと接続するために、電源ライン用のバスバーとアースライン用のバスバーを備えている。
特開2007−220976号公報 特開2005−117728号公報 特開平08−097459号公報 特開2003−229534号公報 特開平07−221264号公報
特許文献1に開示されるパワーモジュールは、バスバーを備えるため小型化できない。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、小型化したパワーモジュールを提供することを目的とする。
本願の発明に係るパワーモジュールは、モールド樹脂から外部に伸びるコレクタ端子と、該モールド樹脂から外部に伸びるエミッタ端子とを有し、該コレクタ端子と該エミッタ端子のうち少なくとも一方が該モールド樹脂の相対する2つの面から外部に伸びる両側延在端子である第1半導体装置と、該第1半導体装置と同様の構成である第2半導体装置と、を備える。そして、該第1半導体装置の該両側延在端子と該第2半導体装置の両側延在端子とが接続され、該第1半導体装置は、2つのパワー半導体素子が直列接続されたアームを備え、該アームの中点端子は、該モールド樹脂内の該アームの中点の直上から外部に伸びることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、端子をモールド樹脂の左右両方向に伸ばした半導体装置を複数備え、それらの半導体装置の当該端子同士を接続するのでバスバーが不要となり小型化ができる。
本発明の実施の形態1に係るパワーモジュールの平面図である。 第1乃至第4半導体装置の拡大図である。 図2の構造の回路図である。 半導体装置の拡大図である。 図4の構造の回路図である。 比較例に係るパワーモジュールの平面図である。 本発明の実施の形態1に係るパワーモジュールの変形例を示す平面図である。 図7の構造の回路図である。 本発明の実施の形態2に係るパワーモジュールの平面図である。 第1半導体装置の拡大図である。 第3半導体装置の拡大図である。 半導体装置の中点端子を両側延在端子とは異なる方向に伸ばすこととした変形例を示す平面図である。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置の平面図である。 半導体装置の斜視図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置の平面図である。 本発明の実施の形態4の変形例に係る半導体装置を示す平面図である。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係るパワーモジュールの平面図である。パワーモジュール10は75A以上の大電流をスイッチングするものである。パワーモジュール10は、第1半導体装置12、及びそれと同一構成の第2半導体装置14を備えている。また、第1半導体装置12及び第2半導体装置14の他にも、これらと同一構成の半導体装置を4つ備えている。パワーモジュール10は第3半導体装置16、及びそれと同一構成の第4半導体装置18を備えている。また、第3半導体装置16及び第4半導体装置18の他にも、これらと同一構成の半導体装置を4つ備えている。さらにこれらの半導体装置よりも大きい半導体装置20、及び半導体装置22を備えている。上述の全ての半導体装置はケース24に搭載されている。ケース24には固定部分26が形成されており、パワーモジュール10を外部機器等に固定できるようになっている。
図2は第1乃至第4半導体装置12、14、16、及び18の拡大図である。第1半導体装置12は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂12aを備えている。モールド樹脂12aから外部に伸びる端子は、コレクタ端子12bと12c、エミッタ端子12d、及びゲートエミッタ中継端子12eである。コレクタ端子12bと12cはモールド樹脂12aの相対する2つの面から外部に伸びる端子である。このように1つの端子がモールド樹脂12aの相対する2つの面から外部に伸びる場合には、その端子を「両側延在端子」と称することがある。両側延在端子の一方と他方は、これらの間に大電流を流すことができるように半導体装置の内部で電気的に接続されている。エミッタ端子12dは、モールド樹脂12aのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。ゲートエミッタ中継端子12eは、パワー半導体素子を制御するためのゲート端子、電流検出出力端子、温度検出出力端子などを有し、コレクタ端子やエミッタ端子と比べて細いリードで構成される。
第1半導体装置12のコレクタ端子12cと第2半導体装置14のコレクタ端子14bがはんだにより直接接続されている。すなわち、第1半導体装置12の両側延在端子と第2半導体装置14の両側延在端子がはんだにより接続されている。なお、以後端子同士が接続される場合ははんだが用いられるものとするが、溶接、ネジ止め等の他の接続方法を用いてもよい。
第3半導体装置16は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂16aを備えている。モールド樹脂16aから外部に伸びる端子は、エミッタ端子16bと16c、コレクタ端子16d、及びゲートエミッタ中継端子16eである。エミッタ端子16bと16cは両側延在端子である。コレクタ端子16dはモールド樹脂16aのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。
第3半導体装置16のエミッタ端子16cと第4半導体装置18のエミッタ端子18bが接続されている。すなわち、第3半導体装置16の両側延在端子と第4半導体装置18の両側延在端子が接続されている。
第1半導体装置12のエミッタ端子12dは第3半導体装置16のコレクタ端子16dと接続され、第2半導体装置14のエミッタ端子14dは第4半導体装置18のコレクタ端子18dと接続されている。
図3は図2の構造の回路図である。第1乃至第4半導体装置12、14、16、及び18はパワー半導体素子としてそれぞれIGBTとFwDi(フリーホイールダイオード)を備えている。そして、第1半導体装置12と第3半導体装置16が1つのアームを構成し、第2半導体装置14と第4半導体装置18が別のアームを構成している。そして、パワーモジュール10は、図1に示すようにコレクタ端子を両側延在端子とする半導体装置を6つ、エミッタ端子を両側延在端子とする半導体装置を6つ有することによりインバータ部を構成している。
図4は半導体装置20及び22の拡大図である。半導体装置20と22はパワーモジュールのコンバータ部を構成している。半導体装置20は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂20aを備えている。モールド樹脂20aから外部に伸びる端子はコレクタ端子20bと20c、エミッタ端子20dと20e、及びゲートエミッタ中継端子20fと20gである。コレクタ端子20bと20cが両側延在端子となっている。エミッタ端子20dと20eはモールド樹脂20aのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。
半導体装置22は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂22aを備えている。モールド樹脂22aから外部に伸びる端子はエミッタ端子22bと22c、コレクタ端子22dと22e、及びゲートエミッタ中継端子22fと22gである。エミッタ端子22bと22cが両側延在端子となっている。コレクタ端子22dと22eはモールド樹脂22aのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。そして、半導体装置20のエミッタ端子20dと20eがそれぞれ半導体装置22のコレクタ端子22dと22eと接続されている。
図5は図4の構造の回路図である。半導体装置20と22はそれぞれ2つのIGBTと2つのFwDiを備えている。半導体装置20のエミッタ端子20dと半導体装置22のコレクタ端子22dが接続されることで1つのアームが形成され、半導体装置20のエミッタ端子20eと半導体装置22のコレクタ端子22eが接続されることで別のアームが形成されている。
ここで、本発明の実施の形態1に係るパワーモジュール10の説明に先立って、その理解を容易にするため、比較例について説明する。図6は比較例に係るパワーモジュールの平面図である。パワーモジュール100は半導体装置102と104を備えている。そしてこれらの半導体装置は、電源ライン用のバスバー106とアースライン用のバスバー108により相互に接続されている。パワーモジュール100が備える他の半導体装置も同様である。パワーモジュール100の全ての半導体装置及び全てのバスバーはケース110に搭載されている。比較例のように各半導体装置の接続にバスバーを用いると、ケース内にバスバーを収納するスペースが必要となる。そのため、パワーモジュール100を小型化できなかった。
ところが、本発明の実施の形態1に係るパワーモジュール10によれば、バスバーを用いる必要がないのでパワーモジュールを小型化できる。つまり、コレクタ端子同士を接続すべき複数の半導体装置(上アーム)は、コレクタ端子を両側延在端子としている。そして、両側延在端子はモールド樹脂の相対する2つの面から外部に伸びているので、両側延在端子同士を接続すればこれらの両側延在端子が電源ライン用のバスバーとして機能する。同様に、エミッタ端子同士を接続すべき複数の半導体装置(下アーム)は、エミッタ端子を両側延在端子としている。そのため、両側延在端子同士を接続すればこれらの両側延在端子がアースライン用のバスバーとして機能する。よって、バスバーを省略できる。
そして、半導体装置12などの上アームを構成する半導体装置のエミッタ端子は、両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びており、半導体装置16などの下アームを構成する半導体装置のコレクタ端子は両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。よって上アームのエミッタ端子と下アームのコレクタ端子を直接接続できる。
このように、本発明の実施の形態1に係る半導体装置は、モールド樹脂に覆われたパワー半導体素子のコレクタ端子とエミッタ端子のうち少なくとも一方の端子を両側延在端子とするものである。そして、半導体装置の両側延在端子同士を接続することでバスバーを省略し、パワーモジュール10を小型化できる。
本発明の実施の形態1に係るパワーモジュール10では、半導体装置には1又は2のIGBTが含まれるが本発明はこれに限定されない。たとえば、図7及び図8に示すように1つの半導体装置に3つのIGBTを含む構成としてもよい。図7は本発明の実施の形態1に係るパワーモジュールの変形例を示す平面図である。また、図8は図7の構造の回路図である。半導体装置50は両側延在端子であるコレクタ電極50bと50cを備えている。これらは2つのパワー半導体素子が直列接続された相(アーム)の高圧ライン(高圧側電源ライン、Pライン)を構成している。
また半導体装置52は両側延在端子であるエミッタ電極52bと52cを備えている。これらは2つのパワー半導体素子が直列接続された相(アーム)の低圧ライン(低圧側電源ライン、Nライン)を構成している。そして、半導体装置50のエミッタ電極50d、50e、及び50fはそれぞれ、半導体装置52のコレクタ電極52d、52e、及び52fに接続されている。このように、半導体装置を3相交流インバータを構成するように形成し、PラインとNラインを両側延在端子としてもよい。なお、50aと52aはモールド樹脂であり、50gと52gはゲートエミッタ中継端子である。
その他にも様々な変形が可能である。たとえば、パワーモジュール10は75A以上の大電流をスイッチングするものとしたが、コレクタ端子とエミッタ端子を有する半導体装置を複数搭載するものであれば本発明の効果を得ることができるのでこれに限定されない。また、端子同士の接続ははんだに限定されず、溶接又はねじ止めなどの方法を用いてもよい。また、パワー半導体素子はIGBTやFwDiに限定されずパワーMOSFETなどを用いてよい。
実施の形態2.
図9は本発明の実施の形態2に係るパワーモジュールの平面図である。パワーモジュール200は第1半導体装置202、第2半導体装置204、及び第3半導体装置206を備えている。上述の全ての半導体装置はケース208に搭載されている。ケース208には固定部分26が形成されておりパワーモジュール200を外部機器等に固定できるようになっている。
図10は第1半導体装置202の拡大図である。第1半導体装置202は図8に示すような3相インバータ回路(2つのパワー半導体素子が直列接続されて1つの相(アーム)を構成し、この相(アーム)を3つ有する回路)を構成するものである。すなわち、第1半導体装置202は、図7に示す半導体装置50と52を一体としたものである。図10に示すように第1半導体装置202は、モールド樹脂202aを備えている。モールド樹脂202aから外部に伸びる端子は、コレクタ端子202bと202c、エミッタ端子202dと202e、中点端子202f、202g、及び202h、並びにゲートエミッタ中継端子202iである。
コレクタ端子202bと202c、及びエミッタ端子202dと202eは両側延在端子である。モールド樹脂202aの面のうちコレクタ端子202bが外部に伸びる面とエミッタ端子202dが外部に伸びる面は一致し、モールド樹脂202aの面のうちコレクタ端子202cが外部に伸びる面とエミッタ端子202eが外部に伸びる面は一致している。中点端子202f、202g、及び202hは、モールド樹脂202aの両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。
第2半導体装置204は第1半導体装置202と同様の構成である。第1半導体装置202のコレクタ端子と第2半導体装置204のコレクタ端子が接続され、第1半導体装置202のエミッタ端子と第2半導体装置204のエミッタ端子が接続されている。
図11は第3半導体装置206の拡大図である。第3半導体装置206は1つの相(アーム)を構成するものである。図11に示すように第3半導体装置206はモールド樹脂206aを備えている。モールド樹脂206aから外部に伸びる端子は、コレクタ端子206bと206c、エミッタ端子206dと206e、中点端子206f、及びゲートエミッタ中継端子206gである。コレクタ端子206bと206c、及びエミッタ端子206dと206eは両側延在端子である。モールド樹脂206aの面のうちコレクタ端子206bが外部に伸びる面とエミッタ端子206dが外部に伸びる面は一致し、モールド樹脂206aの面のうちコレクタ端子206cが外部に伸びる面とエミッタ端子206eが外部に伸びる面は一致している。
そして、図9に示すように、第3半導体装置206のコレクタ端子206cと第1半導体装置202のコレクタ端子202bが接続され、第3半導体装置206のエミッタ端子206eと第1半導体装置202のエミッタ端子202dが接続されている。第1半導体装置202の中点端子202f、202g、及び202hは、導体を介してケース208の側面の外部接続用の端子にそれぞれ接続されている。第2半導体装置204と第3半導体装置206の中点端子、さらにはケースの側面側にあるエミッタ端子とコレクタ端子についても同様である。
本発明の実施の形態2に係るパワーモジュール200によれば、3相インバータ回路を1つの半導体装置202で構成し、コンバータ部も1つの半導体装置206で構成したことにより全体の構成を簡素化し、かつ小型化することができる。このような構成により、たとえば走行と回生システムを実現するHEV−IPMを容易に製造することができる。インバータを第1半導体装置202と第2半導体装置204の2系統(例えば走行用と回生用)で構成したが、第1半導体装置202のみとしてもよい。
本発明の実施の形態2に係るパワーモジュール200は様々な変形が可能である。たとえば、図11に示すように、中点端子206fはコレクタ端子206bと同一方向に伸ばさなくてもよい。中点端子206fをコレクタ端子206bと同一方向に伸ばさない例を図12に示す。図12は中点端子206fを両側延在端子とは異なる方向に伸ばすこととした変形例を示す平面図である。その他、少なくとも実施の形態1と同程度の変形は可能である。
実施の形態3.
図13は本発明の実施の形態3に係る半導体装置の平面図である。本発明の実施の形態3に係る半導体装置300は3相インバータ回路を構成するものである。そして、各相(各アーム)の中点端子300a、300b、及び300cは、モールド樹脂202a内の各相(各アーム)の中点の直上からモールド樹脂202aの最も大きな面の外部に伸びている。図14は半導体装置300の斜視図である。中点端子300a、300b、及び300cはモールド樹脂202aの中央、かつ両側延在端子が伸びる面とは別の面に対して垂直に外部に伸びている。なお、半導体装置300は中点端子300a、300b、及び300c以外は実施の形態2で図10を参照して説明した半導体装置202と同様である。よって、半導体装置202と同様の部分はこれと同様の符号を付して説明を省略する。
本発明の実施の形態3に係る半導体装置によれば、モールド樹脂202a内の各相(各アーム)の中点から各中点端子までの長さを短くできるので配線インダクタンスを低減できる。また、半導体装置300は3相インバータ回路を構成することとしたが、インバータ回路の1つ以上のアームを構成するものであれば本発明の効果を得ることができるのでこれに限定されない。その他、少なくとも実施の形態1と同程度の変形は可能である。
実施の形態4.
図15は本発明の実施の形態4に係る半導体装置の平面図である。本発明の実施の形態4に係る半導体装置400は1つの相(アーム)を有するインバータ回路を構成するものである。そして、コレクタ端子400bと400c、エミッタ端子400dと400e、中点端子400fと400g、及びゲートエミッタ中継端子400hはモールド樹脂400aから外部に伸びている。この半導体装置400は、コレクタ端子400bと400c、及びエミッタ端子400dと400eに加えて、中点端子400fと400gも両側延在端子になっていることが特徴である。
本発明の実施の形態4に係る半導体装置400によれば、中点端子400fと400gを両側延在端子としたので、コレクタ端子、エミッタ端子、及び中点端子をそれぞれ互いに接続することで複数の半導体装置400を並列接続でき、容易に電流容量の増大を図ることが可能となり、パワーモジュールの多様なシステム化に対応できる。
本発明の実施の形態4に係る半導体装置400は1つの相(アーム)を有するインバータ回路を構成するものとしたが本発明はこれに限定されない。たとえばインバータ回路の2つの相の上アーム、下アーム、又はそれらの両方を構成する半導体装置であっても、中点端子となるべき端子を両側延在端子にすることで本発明の効果を得ることができる。ここで、上アームを構成する半導体装置を図16に示す。図16は本発明の実施の形態4の変形例に係る半導体装置を示す平面図である。半導体装置402はエミッタ端子402aと402bが両側延在端子である点を除いて図2に示す半導体装置12と同様である。半導体装置12と同様の部分は同様の符号を付して説明を省略する。なお、本発明の実施の形態4に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態1と同程度の変形は可能である。
10 パワーモジュール、 12,14,16,18 半導体装置、 24 ケース

Claims (1)

  1. モールド樹脂から外部に伸びるコレクタ端子と、前記モールド樹脂から外部に伸びるエミッタ端子とを有し、前記コレクタ端子と前記エミッタ端子のうち少なくとも一方が前記モールド樹脂の相対する2つの面から外部に伸びる両側延在端子である第1半導体装置と、
    前記第1半導体装置と同様の構成である第2半導体装置と、を備え、
    前記第1半導体装置の前記両側延在端子と前記第2半導体装置の両側延在端子とが接続され
    前記第1半導体装置は、2つのパワー半導体素子が直列接続されたアームを備え、
    前記アームの中点端子は、前記モールド樹脂内の前記アームの中点の直上から外部に伸びることを特徴とするパワーモジュール。
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