JP5561380B2 - 半導体装置の内部配線構造 - Google Patents

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Description

この発明は、パワー半導体モジュールなどの半導体装置の内部配線構造に関する。
図8は、従来のパワー半導体モジュールの模式的な要部断面図である。このパワー半導体モジュール500は、IGBTチップ55aとFWDチップ55bである半導体チップ55が各6個樹脂ケース内に収納された三相インバータ回路を構成している。但し、図8では、模式的に1個のIGBTチップ55aと1個のFWDチップ55bの要部断面図を示した。また、IGBTチップ55aおよびFWDチップ55bはボンディングワイヤ56cで接続され、導電パターン付絶縁基板53の導電パターンと外部導出端子57を接続する配線導体56は、例えば、銅板など平板が用いられる。さらに詳しく説明する。
このパワー半導体モジュール500は、放熱用ベース51と、この放熱用ベース51上に裏面の導電膜が半田52を介して固着した導電パターン付絶縁基板53と、この導電パターン付絶縁基板53の表面の導電パターンに半田54を介して固着したIGBTチップ55aやFWDチップ55bなどの半導体チップ55とからなる。
また、半導体チップ55同士および半導体チップ55と導電パターンを接続するボンディングワイヤ56cと、導電パターン付絶縁基板53の導電パターンに一端が固着した配線導体56と、配線導体56の他端が接続した外部導出端子57と、外部導出端子57が固着し放熱用ベース51の外周に固着した樹脂ケース58と、樹脂ケース58内を充填するゲル59とからなる。
このパワー半導体モジュール500は、前記したように三相インバータ回路を構成しているため、配線導体56は、P端子配線、N端子配線、U端子配線、V端子配線、W端子配線として銅板などの平板で樹脂ケース58内に配置される。
このパワー半導体モジュール500の内部配線構造において、前記の各端子配線を構成する配線導体56である銅板は部分的には対向して平行に配置され、互いの配線導体56に流れる電流の向きが同じである箇所(例えばA部)が存在する場合がある。
図9は、第1、第2配線導体56a,56bが対向して平行に配置され、第1、第2配線導体56a,56bに流れる電流60a(実線の矢印)、電流60b(点線矢印)が同じである箇所(A部)の要部斜視図である。この箇所の第1、第2配線導体56a,56bの配線インダクタンスLは、自己インダクタンスLsと相互インダクタンスMの和からなり、L=Ls±Mとなる。プラスは対向して平行する配線導体56a,56bに流れる電流が同じ向きの場合であり、−は逆向きの場合である。
Ls=(μT/2π)×(log(2T/a)−(3/4))
M=(μT/2π)×(log(2T/d)−(3/4))
但し、Tは配線導体の長さ、aは配線導体(断面が円形の場合)の半径(図9では断面積を等価円に換算しその半径)、μは配線導体の誘磁率、dは配線導体の中心軸間隔である。
前記の箇所では、相互インダクタンスMが大きくなり、配線導体56a,56bの配線インダクタンスLは大きくなる。
また、特許文献1では、従来の単体の直線状の配線導体に対し、単体の配線導体の側面にスリット(切り込み)を形成することにより、単体の配線導体を流れる電流を蛇行させて単体の配線導体の高周波抵抗分を大きくし、放射ノイズの低減効果を増大させるようにする。この構造とすることで、回路や装置を特に大型化することなく、IGBTなどの半導体素子(半導体チップ)のスイッチングによる放射ノイズを低減できる。また、スリットの他に、表皮効果を利用する別の例なども記載されている。
このように、単体の配線導体でも電流の流れる向きが逆向きになるスリットを形成することで、放射ノイズの低減を図ることができることが記載されている。
また、特許文献2では、図10に示すように、絶縁板71の第1の主面に金属箔である裏面導電膜72が形成され、絶縁板71の第2の主面に、少なくとも一つの別の金属箔である導電パターン73が形成されたパワー半導体モジュール600が開示されている。また、別の金属箔上に接合された(少なくとも一つの)半導体素子である半導体チップ74と、半導体素子が配置された絶縁板71の主面に対向するようにプリント基板75が配置される。そして、プリント基板75の第1の主面(表側)に形成された配線導体76である金属箔またはプリント基板75の第2の主面(裏側)に形成された別の配線導体77である金属箔と、半導体素子の主電極とが複数のポスト電極78により電気的に接続される。配線導体76,77を同一方向に電流が流れる2層の金属箔とすることで、接触信頼性を高めて、優れた動作特性を有し、且つ高い生産性を有する半導体装置が実現できることが記載されている。
この場合、プリント基板75を挟んで形成される前記の金属箔である配線導体76,77には電流が同一の向きに常に流れることになる。
特開2006−60986号公報 特開2009−64852号公報
前記したように、配線インダクタンスLが大きくなると、半導体チップ55,74がオン・オフするとき、半導体チップ55,74に大きなサージ電圧(−L(di/dt))が印加され、半導体チップ55,74は破損したり、磁気的に作用するノイズが大きくなり誤動作することがある。また、スイッチング損失が増大して、半導体チップ55,74の発熱量を増大させる。
図11は、対向して平行に配置される2個の配線導体の模式的な斜視図である。例えば、配線導体56a,56bの長さTが5mm、幅W1が1mm、厚さW2が0.18mm、隙間tが0.05mmと設定したとき、相互インダクタンスMは図12に示すように2.0nHと大きい。
また、前記の特許文献2では、プリント基板75の第1の主面に形成された配線導体76である金属箔とプリント基板75の第2の主面に形成された配線導体77である別の金属箔とは近接して対向し、電流の向きが同じであるために、相互インダクタンスMが大きくなる。この上下に対向して配置される配線導体76,77である金属箔を特許文献2の図18に示すように互いに絡まるように配置することで、相互インダクタンスMを小さくできることが記載されている。
しかし、特許文献1、2を含めた従来例では、対向して平行に配置され、入力(および出力)される電流の向きが同じ方向である2個の配線導体において、電流の流れる向きが部分的に逆方向になる箇所を作って、2個の配線導体の間の相互インダクタンスMを低減することについては記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、対向して配置され、電流の流れる向きが同じ方向である2個の配線導体で、この配線導体間の相互インダクタンスを低減でき、また熱放散効果を大きくできる電力用半導体装置の内部配線構造を提供することである。
前記の目的を達成するために、請求の範囲の第1項に記載の発明によれば、ケース内に対向して平行に配置され、入力部から出力部に向かう方向が同じである第1配線導体および第2配線導体を有する半導体装置の内部配線構造において、前記第1配線導体と前記第2配線導体がそれぞれ平板から形成され、前記第1配線導体には、互いに対向する側壁の一方から他方に向かって平行に延びる複数の直線に沿って両側壁間の第1の中央点を超えて一方の側壁から他方の側壁へまたは他方の側壁から一方の側壁へ向かって交互に第1の切り込みが入れられ、前記第2配線導体には、前記複数の直線直下に前記第1の切り込みが入れられる側とは反対側の側壁から両側壁間の第2の中央点を超えるようにして、一方の側壁から他方の側壁へまたは他方の側壁から一方の側壁へ向かって交互に第2の切り込みが入れられ、前記第1の切り込みの長さと該第1の切り込み直下の前記第2の切り込みの長さが等しく、前記第1の中央点と前記第2の中央点とが互いに重なり、前記第1の切り込みと前記第2の切り込みが部分的に互いに重なり、前記第1の切り込みに沿って前記第1配線導体を流れる電流の向きと前記第2の切り込みに沿って前記第2配線導体を流れる電流の向きが互いに逆向きになり、前記第1配線導体と前記第2配線導体の間の相互インダクタンスが小さくなる構成とする。
また、請求の範囲の第2項記載の発明によれば、第1項に記載の発明において、前記第1配線導体と前記第2配線導体を絶縁板の表側および裏側にそれぞれ形成するとよい。
また、請求の範囲の第3項記載の発明によれば、第1項に記載の発明において、前記第1の切り込み同士の間の間隔が等しく、前記第1の切り込みの底端部とこれと対向する前記第1配線導体の側壁の間の間隔が前記第1の切り込み同士の間の間隔に等しいとよい。
この発明によれば、2枚の平板の側壁から交互に切り込みをそれぞれの平板に入れて2個の配線導体を形成し、切り込みに沿って流れる電流が互いに逆向きに流れるように、2個の配線導体を対向させて平行に配置することで、相互インダクタンスMを小さくすることができる。
また、切り込みを入れて形成される配線導体の平面の面積が大きくなるので、放熱性を向上させることができる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
この発明の第1実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の要部斜視図である。 この発明の第1実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の要部構成図であり、(a)は第1配線導体の要部平面図、(b)は第2配線導体の要部平面図、(c)は第1配線導体と第2配線導体を対向させて上下に平行に重ね合せて配置した要部平面図である。 この発明の第2実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は要部斜視図である。 図3の配線導体について相互インダクタンスを計算した結果を示す図である。 図4の計算に用いた諸元を示す図である。 この発明の第3実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図である。 図6の配線導体の構成図であり、(a)は第1配線導体の要部平面図、(b)は第2配線導体の要部平面図である。 従来のパワー半導体モジュールの模式的な要部断面図である。 2個の配線導体が対向して平行に配置され、配線導体に流れる電流の向きが同じである箇所の要部斜視図である。 特許文献2に示すパワー半導体モジュールの構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のX−X線で切断した要部断面図である。 対向して平行に配置される2個の配線導体の模式的な斜視図である。 従来の内部配線構造の相互インダクタンスの値を示す図である。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
図1および図2は、この発明の第1実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の要部構成図であり、図1は要部斜視図、図2(a)は第1配線導体の要部平面図、図2(b)は第2配線導体の要部平面図、図2(c)は第1配線導体と第2配線導体を対向させて上下に平行に重ね合せて配置した要部平面図である。尚、この第1配線導体4aと第2配線導体4bは、図9に示す第1配線導体56aと第2配線導体56bに対応し、2個の配線導体4a,4bがそれぞれ対向して平行に重ねて配置され、互いの入力部11a,11bへ流れ込む電流の向きが同一であり、また、出力部12a,12bから流れ出す電流の向きも同一である。また、入力部11aと入力部11bを合せて入力部IN1とし、出力部12aと出力部12bを合せて出力部OUT1とする。
この電力用半導体装置100の第1配線導体4aと第2配線導体4bは、外周形状が同一の第1平板1aと第2平板1bからそれぞれ形成される。第1配線導体4aは、第1平板1aの互いに対向する側壁2a,3aの一方から他方に向かって平行に延びる複数の直線5a上に両側壁2a,3a間の中央点6aを超えて一方の側壁2aから他方の側壁3aへまたは他方の側壁3aから一方の側壁2aへ向かって交互に第1の切り込み7aを入れて形成される。
また、第2配線導体4bは、前記直線5aが投影される第2平板1b上の直線5bに沿って第1平板1aに形成され第1の切り込み7aが接する側の側壁2aとは反対の側壁3a下の側壁3bから中央点6bを超えて一方の側壁3bから他方の側壁2bへまたは他方の側壁2bから一方の側壁3bへ向かって交互に第2の切り込み7bを入れて形成される。
第1の切り込み7aの長さおよび幅とこの第1の切り込み7a直下の第2の切り込み7bの長さおよび幅を等しくし、第1の切り込み7aと第2の切り込み7bが中央付近で部分的に互いに隙間を設けて重なるようにする。第1の切り込み7aに沿って第1配線導体4aの第1箇所10aを流れる電流I1の向きと第2の切り込み7bに沿って第2配線導体4bの第2箇所10bを流れる電流I2の向きが互いに逆向きになる。
そのため、第1配線導体4aと第2配線導体4bの間の相互インダクタンスを小さくすることができる。
尚、電流I1,I2は入力部11a,11bから流入し出力部12a,12bから流出する。また、平板1a,1bに切り込み7a,7bを形成することで、電流I1,I2は蛇行して流れるようになる。また、切り込み7a,7bは箇所8a,8bで側壁2a,2bにそれぞれ接する。
前記したように、電流I1,I2が蛇行して流れる第1、第2箇所10a,10bでは第1配線導体4aの電流I1と第2配線導体4bの電流I2の向きは逆向きとなり、相互インダクタンスMは小さくなる。
一方、第1配線導体4aと第2配線導体4bの切り込み7a,7bの底9a,9bに流れる電流I1,I2は同一方向に流れるが離れているため、この箇所での相互インダクタンスMも小さくなる。
尚、前記の第1、第2平板1a,1bは、通常、大きな平板から切り出して形成する。
また、第1、第2配線導体4a,4bを大きな平板から第1、第2平板1a,1bの段階を経ないで直接打ち出しにより形成する場合もある。
図3は、この発明の第2実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は要部斜視図である。この電力用半導体装置200の内部配線構造と図1の電力用半導体装置100の内部配線構造との違いは、入力部IN1と出力部OUT1を中央に絞って入力部IN2と出力部OUT2にした点である。以下に詳しく説明する。
図1の第1平板1aおよび第2平板1bの隅を切り落として入力部IN1と出力部OUT1を中央に絞り、図3の入力部IN2と出力部OUT2にする。入力部IN2と出力部OUT2とすることで、入力部IN2近傍と出力部OUT2近傍では、相手側の配線導体が無いため、図1の場合より図3の場合の方が相互インダクタンスMを小さくできる。入力部IN2の幅寸法と、切り込み7a,7bに挟まれる間の幅寸法と、切り込み7a,7bの底端部とこれに対向する配線導体の側壁3aの間の幅寸法をすべて同一にする。これらの寸法を配線導体4a,4bの幅W1にする。
尚、図中の符号でTは配線導体の長さ、W1は配線導体の幅、W2は配線導体の厚さ、tは第1、第2配線導体の間の隙間、Sは切り込みの幅、Tsは切り込みの長さ、Ts1は切り込みが重なった箇所の長さである。
図4は、図3の配線導体について相互インダクタンスを計算した結果を示す図である。比較の意味で従来の切り込みがない平板状の配線導体についても示した。
また、図5には計算に用いた諸元を示す。図5の切り込みのパターンは図4の切り込みのパターンに相当する。配線導体の材料は鋼材、配線長さTが5mm、配線幅W1が1mm、配線厚さW2が0.18mmである場合である。また、対向する配線導体の隙間tは0.05mmであり、切り込みの幅Sは0.2mmであり、切り込みの長さTsは3mmであり、切り込みが重なって空洞となる箇所(接続導体がない箇所)の長さTs1は2mmである。
図4から分かるように、切り込み7aを形成した第1配線導体4aと第2配線導体4bの間の相互インダクタンスは、切り込みが入らない平板で形成された従来の配線導体56a,56b間の相互インダクタンスの約半分になる。
このように、切り込み7a,7bを入れることで切り込みに沿って流れる電流I1,I2の向きが第1配線導体4aと第2配線導体4bで逆向きになり、相互インダクタンスMを減少させることができる。
このことは、広い面積が必要となる配線導体4a,4bの場合、切り込み7a,7bの長さTsを長くして切り込み7a,7bの幅Sを狭くすると、相互インダクタンスMの低減効果をより大きくすることができる。
さらに、同一の電流密度を流す場合、切り込み7a,7bを形成した配線導体4a,4bの面積は切り込みがない場合(平板状)の配線導体に比べて、大きくなるので放熱性を向上させることができる。
尚、前記の第1配線導体4aを形成する第1平板1aの外形寸法と第2配線導体4bを形成する第2平板1bの外形寸法が同一の場合について説明したが、異なった場合、例えば配線の幅W1や厚さW2が異なる場合でも本発明による効果は得られる。
さらに説明を加えると、第1および第2実施例の内部配線構造は、同じ形状の第1配線導体4aおよび第2配線導体4bを互いに180度回転して重ねた構造をしている。第1配線導体4aおよび第2配線導体4bは、第1実施例では一定幅の帯状導体をW字状に90度ずつ折り曲げた形状を、第2実施例では幅W1の帯状導体をΩ字状に90度ずつ折り曲げた形状をしていて、それぞれ全体として平板形状をなしている。
第2実施例の第1配線導体4aは、幅W1の帯状導体を対称性を有するように折り曲げた形状をしており、その両端を結ぶ線と帯状導体が2回以上交差する形状をしている。帯状導体の端部は入力部IN2および出力部OUT2に相当し、折れ曲がった帯状導体の間に形成される隙間が切り込み7a,7bに相当する。第2配線導体4bも同じ形状である。第2配線導体4bは、第1配線導体4aに対して180度面内に回転され、それぞれの両端部が重なり、かつ、帯状導体全体に渡って互いに平行になるよう配置されている。第1配線導体4aおよび第2配線導体4bの端部は、それぞれ共通の外部入出力端子に電気的に接続されている。
このような内部配線構造によれば、第1配線導体4aおよび第2配線導体4bに互いに逆方向に電流が流れる経路が形成される。平板形状の側面から形成された切り込み7a,7bの先端が、中央点、すなわち平板形状の主面を2等分する線上の点を超えていると、言い換えれば、切り込みの長さTsが幅W1より大きいと逆方向電流が流れる経路が長くなり相互インダクタンス低減への寄与が大きくなり好ましい。
なお、第1実施例は、帯状導体の一の側面とこれに対向する他の側面がそれぞれ入力部と出力部に相当し、この点で第2実施例と異なるが、第1配線導体4aおよび第2配線導体4bに逆方向に電流が流れる経路が形成されている点で第2実施例と共通している。
図6は、この発明の第3実施例の電力用半導体装置の内部配線構造の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図である。ここでは、電力用半導体装置の内部配線構造としてパワー半導体モジュールの内部配線構造を例として挙げた。
図7は、図6の配線導体の構成図であり、同図(a)は第1配線導体76aの要部平面図、同図(b)は第2配線導体77aの要部平面図である。この電力用半導体装置200と図10のパワー半導体モジュール600との違いは、配線導体76,77を第1、第2配線導体76a,77aに変更した点である。尚、図10の構成と同一部位には同一の符号を付した。
電力用半導体装置300では、絶縁板71の第1の主面に金属箔である裏面導電膜72が形成され、絶縁板71の第2の主面に、少なくとも一つの別の金属箔である導電パターン73が形成される。また、別の金属箔上に接合された半導体素子である半導体チップ74と、半導体チップ74が配置された絶縁板71の主面に対向するようにプリント基板75が配置される。そして、プリント基板75の第1の主面(表側)に形成された第1配線導体76aである金属箔またはプリント基板75の第2の主面(裏側)に形成された別の第2配線導体77aである金属箔と、半導体チップ74の主電極とが複数のポスト電極78(ポストピン)により電気的に接続される。このように、2枚の配線導体76a,77aがポスト電極に接続することで、前記したように高い信頼性が得られる。配線導体76a,77aは符号INの部分において例えば外部接続端子に接続されている。
この構成において、プリント基板75の表側に配置される金属箔にその対向する側壁から交互に切り込み30aを入れて第1配線導体76aとする。また、プリント基板75の裏側に配置される金属箔にその対向する側壁から交互に切り込み30bを入れて第2配線導体77aとする。プリント基板75には公知のものが用いられる他、ポリイミド等の樹脂フィルムも用いられる。切り込み30a,30bとも対向する側壁の中央点29a,29bより奥に入れる。また、切り込み30aと切り込み30bを重ね、中央点29a,29bが重なるよう第1配線導体76aと第2配線導体77aを配置する。
電流はINから、例えば図示しない外部接続端子を介して入り、半導体チップ74を介して導電パターン73へ流れて行く。切り込み30a,30bを入れることで第1配線導体76aと第2配線導体77aに流れる電流がそれぞれの蛇行した電流31a,31b(切り込み30a,30bに沿って流れる電流)となって流れる。この蛇行して流れる電流31a,31bの向きは互いに逆向きになるため、第1配線導体76aと第2配線導体77aの間の相互インダクタンスを減少させることができる。
本実施例の第1配線導体76aおよび第2配線導体77aは、互いに同じ形状ではないが、それぞれに帯状導体がU字状に屈曲した部分を備えている点で第1,2実施例の配線導体と共通している。第1配線導体76aおよび第2配線導体77aのそれぞれの屈曲部分が逆方向に電流が流れる経路を形成しており、この部分が相互インダクタンス減少に寄与している。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
1a 第1平板
1b 第2平板
2a,2b 第1平板の対向する側壁
3a,3b 第2平板の対向する側壁
4a,76a 第1配線導体
4b,77a 第2配線導体
5a,5b 直線
6a,6b,29a,29b 中央点
7a,7b,30a,30b 切り込み
8a,8b 箇所
9a,9b 底部
10a 第1箇所
10b 第2箇所
11a,11b,IN1,IN2 入力部
12a,12b,OUT1,OUT2 出力部
71 絶縁板
72 裏面導電膜
73 導電パターン
74 半導体チップ
75 プリント基板
78 ポスト電極
100,200,300 本発明の電力用半導体装置
I1,31a 第1配線導体に流れる電流
I2,31b 第2配線導体に流れる電流
T 配線導体の長さ
W1 配線導体の幅
W2 配線導体の厚さ
t 第1配線導体と第2配線導体の間の隙間
S 切り込みの幅
Ts 切り込みの長さ
Ts1 切り込みが重なった箇所の長さ

Claims (3)

  1. ケース内に対向して平行に配置され、入力部から出力部に向かう方向が同じである第1配線導体および第2配線導体を有する半導体装置の内部配線構造において、
    前記第1配線導体と前記第2配線導体がそれぞれ平板から形成され、
    前記第1配線導体には、互いに対向する側壁の一方から他方に向かって平行に延びる複数の直線に沿って両側壁間の第1の中央点を超えて一方の側壁から他方の側壁へまたは他方の側壁から一方の側壁へ向かって交互に第1の切り込みが入れられ、
    前記第2配線導体には、前記複数の直線直下に前記第1の切り込みが入れられる側とは反対側の側壁から両側壁間の第2の中央点を超えるようにして、一方の側壁から他方の側壁へまたは他方の側壁から一方の側壁へ向かって交互に第2の切り込みが入れられ、
    前記第1の切り込みの長さと該第1の切り込み直下の前記第2の切り込みの長さが等しく、前記第1の中央点と前記第2の中央点とが互いに重なり、前記第1の切り込みと前記第2の切り込みが部分的に互いに重なり、前記第1の切り込みに沿って前記第1配線導体を流れる電流の向きと前記第2の切り込みに沿って前記第2配線導体を流れる電流の向きが互いに逆向きになり、前記第1配線導体と前記第2配線導体の間の相互インダクタンスが小さくなることを特徴とする半導体装置の内部配線構造。
  2. 前記第1配線導体と前記第2配線導体を絶縁板の表側および裏側にそれぞれ形成することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の半導体装置の内部配線構造。
  3. 前記第1の切り込み同士の間の間隔が等しく、前記第1の切り込みの底端部とこれと対向する前記第1配線導体の側壁の間の間隔が前記第1の切り込み同士の間の間隔に等しいことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の半導体装置の内部配線構造。
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