JP5817696B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

昨今、例えばハイブリッド車や電気自動車を多様な車種に展開する上で、半導体装置の低コスト小型化が重要となっている。従来、このような小型化が図られた半導体装置として、スイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）と整流素子（ダイオード素子）とが積層された半導体装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された半導体装置では、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電極を放熱板に搭載し、エミッタ電極に素子間接続導体を導電性樹脂により接合し、さらにその上に、ダイオード素子のアノード電極を導電性樹脂により接合することで、ＩＧＢＴ素子とダイオード素子とを縦方向に積層して接続している。

特開２０００−１６４８００号公報

上述した特許文献１に記載された半導体装置では、コレクタ電極が設けられた面と対向する反対側の面にエミッタ電極が設けられたＩＧＢＴ素子（いわゆる縦型ＩＧＢＴ素子）が用いられている。ここで、半導体装置には素子を冷却するための放熱板が設けられるところ、放熱板はＩＧＢＴ素子のコレクタ電極に接していることから、何ら絶縁処理を行わない場合には放熱板に電流が流れてしまう虞がある。よって、通常、ＩＧＢＴ素子と放熱板との間には、グリスを介してセラミック基板等の絶縁部材が配置され、放熱板に電流が流れないようにされるため、半導体装置は部品点数や加工点数が多い構成となっていた。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、構成の簡易化が可能な半導体装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、エミッタ電極とゲート電極とコレクタ電極とがともに設けられた第１電極面を有するスイッチング素子と、スイッチング素子に積層されるように配置され、アノード電極とカソード電極とがともに設けられた第２電極面を有する整流素子と、コレクタ電極及びカソード電極に接続された第１出力バスバと、エミッタ電極及びアノード電極に接続された第２出力バスバと、を備え、スイッチング素子及び整流素子は、第１電極面と第２電極面とが対向するように向き合って配置され、第１及び第２出力バスバは、スイッチング素子及び整流素子に挟まれるように配置されている、ことを特徴とする。

この半導体装置において、スイッチング素子は第１電極面にエミッタ電極とゲート電極とコレクタ電極とがともに設けられた、いわゆる横型スイッチング素子とされている。また同様に、整流素子は、第２電極面にアノード電極とカソード電極とがともに設けられたいわゆる横型整流素子とされている。そして、スイッチング素子及び整流素子は、第１電極面と第２電極面とが対向するように向き合って配置されるとともに、その素子間に、第１及び第２出力バスバを挟んでいる。このような構成を採用することで、例えば、スイッチング素子及び整流素子のそれぞれにおいて各電極面（第１及び第２電極面）とは反対側の面に放熱板を設けることにより、電極の電流が放熱板に流れないようにしてスイッチング素子及び整流素子を冷却可能となる。すなわち、絶縁部材を用いずにスイッチング素子及び整流素子を冷却することができ、その結果、構成の簡易化が可能となる。

また、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、スイッチング素子が接続された第１放熱板と、整流素子が接続された第２放熱板と、を更に備え、第１放熱板は、スイッチング素子の第１電極面と反対側の面と接しており、第２放熱板は、整流素子の第２電極面と反対側の面と接している構成が挙げられる。

また、ゲート電極に接続された信号ターミナルを更に備え、信号ターミナルは、第１及び第２出力バスバよりも厚さが薄い、ことが好ましい。一般的に、ゲート電極に接続された信号ターミナルがエミッタ電極又はコレクタ電極と導通することを防止するため、電極と放熱板との間に金属スペーサ等を配置し、信号ターミナルと放熱板とを接しないよう離す場合がある。この点、本発明は、ゲート電極と接続された信号ターミナルの厚さを第１及び第２出力バスバよりも薄い構成とすることで、信号ターミナルとアノード電極及びカソード電極との間隔を離すことができる。よって、信号ターミナルと電極との接触を防止するための金属スペーサ等が不要となり、構成の一層の簡易化が図れる。

本発明によれば、構成の簡易化が可能な半導体装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。 （ａ）は図１の半導体装置の横型ＩＧＢＴ素子を示す断面図、（ｂ）は図１の半導体装置の横型ダイオード素子を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す概略平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る半導体装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。図２の（ａ）は図１の半導体装置の横型ＩＧＢＴ素子を示す断面図、（ｂ）は図１の半導体装置の横型ダイオード素子を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子１０と、整流素子であるダイオード素子２０と、第１出力バスバ３１と、第２出力バスバ３２と、放熱板３３と、冷却器３４と、信号ターミナル３５と、を備えている。半導体装置１は、全体をモールド樹脂で成形することでパワーモジュールとして用いられる。

ＩＧＢＴ素子１０は、図２（ａ）に示すように、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２とゲート電極１３とがともに設けられた第１電極面１５を有する、いわゆる横型ＩＧＢＴ素子である。図１に示すように、エミッタ電極１１は第２出力バスバ３２に、コレクタ電極１２は第１出力バスバ３１に、ゲート電極１３は信号ターミナル３５に、それぞれ半田３６で接続されている。また、ＩＧＢＴ素子１０において、第１電極面１５と反対側の面は絶縁面１７となっており、絶縁面１７は放熱板３３に半田３６で接続されている。

ダイオード素子２０は、図１に示すように、ＩＧＢＴ素子１０に積層するように配置されている。また、ダイオード素子２０は、図２（ｂ）に示すように、カソード電極２１とアノード電極２２とがともに設けられた第２電極面２５を有する、いわゆる横型ダイオード素子である。図１に示すように、カソード電極２１は第１出力バスバ３１に、アノード電極２２は第２出力バスバ３２に、それぞれ半田３６で接続されている。また、ダイオード素子２０において、第２電極面２５と反対側の面は絶縁面２７となっており、絶縁面２７は放熱板３３に半田３６で接続されている。ＩＧＢＴ素子１０及びダイオード素子２０は、第１電極面１５と第２電極面２５とが対向するように向き合って配置されている。

第１出力バスバ３１及び第２出力バスバ３２は、ＩＧＢＴ素子１０及びダイオード素子２０に電力を供給するために用いられる配線用材料である。第１出力バスバ３１及び第２出力バスバ３２としては、例えば銅やアルミニウム等の導体が用いられる。

第１出力バスバ３１は、コレクタ電極１２及びカソード電極２１に対して半田３６で接続されている。また、第２出力バスバ３２は、エミッタ電極１１及びアノード電極２２に対して半田３６で接続されている。すなわち、コレクタ電極１２とカソード電極２１とは、第１出力バスバを介して互いに導通されており、エミッタ電極１１とアノード電極２２とは、第２出力バスバを介して互いに導通されている。

また、第１出力バスバ３１及び第２出力バスバ３２の一端側は、ＩＧＢＴ素子１０及びダイオード素子２０に挟まれるようにして配置されており、他端側は、ＩＧＢＴ素子１０及びダイオード素子２０の積層方向に交差する方向に向かって延伸している。

放熱板３３は、熱伝導率が高い素材で構成され、例えば銅やアルミニウムで構成される。また、熱膨張率の制御が容易な素材（例えば、アルミ炭化珪素（ＡｌＳｉＣ）や銅モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）等）で構成されると、半田応力を低減するのに好ましい。放熱板３３は、ＩＧＢＴ素子１０に接続された第１放熱板３３ａと、ダイオード素子２０に接続された第２放熱板３３ｂとを含んでいる。第１放熱板３３ａは、ＩＧＢＴ素子１０の絶縁面１７と接続されている。また、第２放熱板３３ｂは、ダイオード素子２０の絶縁面２７と接続されている。

第１放熱板３３ａにおいてＩＧＢＴ素子１０に接続されている面と反対側の面は、グリス３７を介して冷却器３４に接続されている。同様に、第２放熱板３３ｂにおいてダイオード素子２０に接続されている面と反対側の面は、グリス３７を介して冷却器３４に接続されている。なお、グリス３７は、放熱板３３と冷却器３４との間の細かな凸凹による空気層を排除するために用いられている。

冷却器３４は、例えば、冷却媒体が流通する流路を内部に有し、ＩＧＢＴ素子１０及びダイオード素子２０から放熱板３３を介して放出される熱量を吸収し冷却する。冷却器３４は、グリス３７を介して放熱板３３と接続されている。

信号ターミナル３５は、ゲート電極１３に信号を与えることで、ＩＧＢＴ素子１０のＯＮ・ＯＦＦ状態を制御するものである。信号ターミナル３５は、ゲート電極１３に半田３６で接続されている。この信号ターミナル３５の厚さは、第１出力バスバ３１の厚さ及び第２出力バスバ３２の厚さよりも薄くされている。

つぎに、図３を参照して従来の半導体装置の一例を説明する。図３は、従来の半導体装置を示す概略平面図である。図３に示すように、半導体装置１００のＩＧＢＴ素子１０ｘは、いわゆる縦型ＩＧＢＴ素子であり、本実施形態に係る半導体装置１のＩＧＢＴ素子１０のように、すべての電極（エミッタ電極１１、コレクタ電極１２、ゲート電極１３）が同一面上に設けられている構成ではない。すなわち、エミッタ電極１１（及びゲート電極１３）と、コレクタ電極１２とが対向する面にそれぞれ設けられている。

同様に、半導体装置１００のダイオード素子２０ｘについても、いわゆる縦型ダイオード素子であり、本実施形態に係る半導体装置１のダイオード素子２０のように、すべての電極（カソード電極２１、アノード電極２２）を同一面上に設けられている構成ではない。すなわち、カソード電極２１と、アノード電極２２とがが対向する面にそれぞれ設けられている。

このように、従来の半導体装置１００のＩＧＢＴ素子１０ｘ及びダイオード素子２０ｘでは、上述したように対向する面にそれぞれ電極が設けられているため、何ら絶縁処理を行わない場合には、ＩＧＢＴ素子１０ｘ及びダイオード素子２０ｘと接続された放熱板３３には電流が流れる場合がある。よって、半導体装置１００では、放熱板３３に電流が流れることを防止するために放熱板３３と冷却器３４との間に絶縁部材１０１を配置している。この場合、放熱板３３と絶縁部材１０１が接する箇所、及び、絶縁部材１０１と冷却器３４が接する箇所のそれぞれにおいてグリス３７を用いるため、一の半導体装置１００におけるグリス３７は４層となる。

これに対し、本実施形態に係る半導体装置１は、ＩＧＢＴ素子１０の第１電極面１５とダイオード素子２０の第２電極面２５とが対向するように向き合って配置されるとともに、その素子間に、第１出力バスバ３１及び第２出力バスバを挟んでいる。そして、第１放熱板３３ａはＩＧＢＴ素子１０の絶縁面１７と接しており、第２放熱板３３ｂは、ダイオード素子２０の絶縁面２７と接している。そのため、第１放熱板３３ａ及び第２放熱板３３ｂに電流が流れないようにして、ＩＧＢＴ素子１０及びダイオード素子２０を冷却することができる。よって、絶縁処理は不要であり、半導体装置１００のように、第１放熱板３３ａ及び第２放熱板３３ｂと冷却器３４との間に絶縁部材１０１を配置する必要がない。

また、半導体装置１では、絶縁部材１０１が不要となることから、第１放熱板３３ａ及び第２放熱板３３ｂと冷却器３４とが接する箇所においてのみ、グリス３７が必要となり、グリス３７を２層とすることができる。従って本発明によれば、絶縁部材１０１を不要にできると共に、グリス３７を２層削減することができ、その結果構成の簡易化を図ることができる。

なお、グリス３７は熱伝導率が低くグリス３７の厚さが厚いと放熱性能が低下してしまう虞があるところ、本実施形態に係る半導体装置１では、グリス３７の層数を少なくできるため、放熱性能の向上を期待できる。

また、従来例である半導体装置１００は、エミッタ電極１１と放熱板３３との間、及び、カソード電極２２と放熱板３３との間に、それぞれ金属スペーサ１０２を半田３６を介して挟んでいる。当該金属スペーサ１０２は、信号ターミナル３５が、電位が異なる電極（エミッタ電極１１又はコレクタ電極１２）と導通することを防止するために、信号ターミナル３５と放熱板３３とを接しないように離すものである。

この点、本実施形態に係る半導体装置１は、ＩＧＢＴ素子１０とダイオード素子２０との間に第１出力バスバ３１及び第２出力バスバ３２が挟まれており、かつ、ゲート電極１３に接続された信号ターミナル３５の厚さが、第１出力バスバ３１の厚さ及び第２出力バスバ３２の厚さよりも薄くされていることから、金属スペーサ１０２を用いなくとも、信号ターミナル３５と、信号ターミナル３５と電位が異なる電極とを離すことができる。よって、半導体装置１では、例えば半導体装置１００で必要な、金属スペーサ１０２、及び半田３６が不要となり、部品点数、ひいては加工点数を削減することができる。すなわち、構成の一層の簡易化を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る半導体装置は、実施形態に係る上記半導体装置１に限られたものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子１０、整流素子としてダイオード素子２０を例示して説明を行ったが、これに限定されるものではなく、種々のスイッチング素子、及び整流素子を用いることができる。

１，１００…半導体装置、１０，１０ｘ…ＩＧＢＴ素子、１１…エミッタ電極、１２…コレクタ電極、１３…ゲート電極、１５…第１電極面、１７，２７…絶縁面、２５…第２電極面、２０，２０ｘ…ダイオード素子、２１…カソード電極、２２…アノード電極、３１…第１出力バスバ、３２…第２出力バスバ、３３…放熱板、３３ａ…第１放熱板、３３ｂ…第２放熱板、３４…冷却器、３５…信号ターミナル、３６…半田、３７…グリス、１０１…絶縁部材、１０２…金属スペーサ。

Claims (3)

1. エミッタ電極とゲート電極とコレクタ電極とがともに設けられた第１電極面を有するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に積層されるように配置され、アノード電極とカソード電極とがともに設けられた第２電極面を有する整流素子と、
   前記コレクタ電極及び前記カソード電極に接続された第１出力バスバと、
   前記エミッタ電極及び前記アノード電極に接続された第２出力バスバと、を備え、
   前記スイッチング素子及び前記整流素子は、前記第１電極面と前記第２電極面とが対向するように向き合って配置され、
   前記第１及び第２出力バスバは、前記スイッチング素子及び前記整流素子に挟まれるように配置されている、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記スイッチング素子が接続された第１放熱板と、
   前記整流素子が接続された第２放熱板と、を更に備え、
   前記第１放熱板は、前記スイッチング素子において前記第１電極面の反対側の面と接しており、
   前記第２放熱板は、前記整流素子において前記第２電極面の反対側の面と接している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ゲート電極に接続された信号ターミナルを更に備え、
   前記信号ターミナルは、前記第１及び第２出力バスバよりも厚さが薄い、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
   

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