JP5944688B2 - パワーモジュール半導体装置 - Google Patents
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Description
(半導体装置の構成)
第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表される。また、第1の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成は、図2に示すように表される。図1および図2のI−I線に沿う第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的断面構造は、図3に示すように表される。また、図1〜図3に対応するインバータの模式的回路構成は、図4に示すように表される。
4)に使用する。ここで、補強材部分は、電極構造を兼任しても良く、あるいは別の樹脂で形成しても良い。
Rth=Σ(各部材の熱抵抗Rn)=Σ(各部材の熱抵抗率×厚さ/面積) …(1)
ここで、熱抵抗率は、熱伝導率χの逆数1/χで表される。例えば、Siの熱伝導率χは、約150W/mKであり、SiCの熱伝導率χは、約450W/mKである。SiCの熱伝導率χは、Siに比べて3倍であるため、熱抵抗率は1/3となるが、同じオン抵抗を有するデバイスを比較するために、SiCパワーMOSFETのチップ面積を、SiパワーMOSFETの約1/10とすると、熱抵抗Rthは、(10/3)倍となり、SiCを半導体材料として使用すると、SiCパワー半導体モジュールの熱抵抗Rthは増大する。一方、SiCは、高温動作可能であるため、熱抵抗Rthが増大したとしても使用可能ではあるが、熱破壊の限界は存在する。
第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、図5に示すように表される。第2の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1において、第1樹脂層12uは、第3樹脂層12aと第3樹脂層12a上に積層された第4樹脂層12bとを備える。ここで、第3樹脂層12aの線熱膨張係数は、第4樹脂層12bの線熱膨張係数よりも小さい。
第3の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的平面パターン構成は、図6に示すように表される。また、第3の実施の形態の変形例に係るパワーモジュール半導体装置の模式的平面パターン構成は、図7に示すように表される。図6および図7のゲートドライバ端子GD1・GD4が延伸する方向に沿う模式的断面構造は、図8に示すように表される。また、図6〜図8に対応するインバータの模式的回路構成は、図10に示すように表される。
第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1の模式的平面パターン構成は、図9に示すように表される。また、図9に対応するインバータの模式的回路構成は、図10と同様に表される。第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1は、第3の実施の形態とは異なる的平面パターン構成を備える。
第1〜第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1に適用する半導体デバイス100(Q1・Q4)の例として、SiC・MOSFETの模式的断面構造は、図11に示すように、n-高抵抗層からなる半導体基板26と、半導体基板26の表面側に形成されたpベース領域28と、pベース領域28の表面に形成されたソース領域30と、pベース領域28間の半導体基板26の表面上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極38と、ソース領域30およびpベース領域28に接続されたソース電極34と、半導体基板26の表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域24と、n+ドレイン領域24に接続されたドレインパッド電極36とを備える。
次に、図13を参照して、第1〜第4の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置1を用いて構成した3相交流インバータについて説明する。
第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の実装構造の模式的鳥瞰構造は、図15に示すように表される。実際は、ダイオードD4、半導体デバイスQ4、柱状電極184の上のこれらの上面を導通させる上面板電極と、モールド樹脂が存在するが、ここでは、図示を省略している。また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の実装構造の模式的裏面構造は、図16に示すように表され、模式的上面構造は、図17に示すように表される。また、第1の実施の形態に係るパワーモジュール半導体装置の実装構造の模式的上面内部詳細構造は、図18に示すように表される。
上記のように、第1〜第4の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
10…セラミック基板
10a、10b…銅プレート層
12、12u、12d、12a、12b…樹脂層
181、184、201、204…柱状電極
221、224…上面板電極
24…n+ドレイン領域
26…半導体基板
28…pベース領域
30…ソース領域
32…ゲート絶縁膜
34…ソース電極
36…ドレイン電極
38…ゲート電極
44…層間絶縁膜
46…蓄電池(E)
48…コンバータ
50…ゲートドライブ部
52…パワーモジュール部
54…三相モータ部
60、62、64、66…ダミー部材
100、Q1、Q4…半導体デバイス(SiCMOSFET、半導体チップ)
D1〜D6…ダイオード
GP…ゲートパッド電極
SP…ソースパッド電極
GD1、GD4…ゲートドライバ端子
GDR1、GDR4…ゲートドライバ
P…ドレイン端子電極
N…接地電位端子電極
O、U、V、W…出力端子電極
G1、G4…ゲート信号端子電極
S1、S4…ソース信号端子電極
A1、A4…アノード電極
K1、K4…カソード電極
D(K1)、D(K4)…ドレイン電極パターン
EP…接地パターン
FB…フィードバック端子
Vcc…電源電圧端子
Vin…信号入力端子
COM…共通端子
Fo…エラー出力端子
Gnd…接地端子
Cin…コンデンサ入力端子
Claims (32)
- セラミック基板と、
前記セラミック基板の表面上に配置された第1部材と、
前記セラミック基板の裏面上に配置された第2部材と
を備え、
前記第1部材は、前記セラミック基板の表面上に配置された第1銅プレート層の第1パターンと、前記第1パターン上に配置された第1半導体デバイスと、前記第1半導体デバイス上に配置された第1柱状電極と、前記セラミック基板の表面上に、前記第1銅プレート層、前記第1半導体デバイスおよび前記第1柱状電極を被覆して配置された第1樹脂層とを備え、
前記第2部材は、前記セラミック基板の裏面上に前記第1銅プレート層の領域と略同じ大きさの領域に配置された第2銅プレート層と、前記セラミック基板の裏面上に配置される第2樹脂層とを備え、
前記第1部材の発生応力と、前記第2部材の発生応力がバランスするように、前記第1部材と前記第2部材の線熱膨張係数を調整することを特徴とするパワーモジュール半導体装置。 - 前記セラミック基板の側面および裏面の少なくとも一部は、前記第1樹脂層とは別の樹脂層である前記第2樹脂層によって覆われることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1パターン上に前記第1半導体デバイスに隣接して配置された第1ダイオードを備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1柱状電極上に配置され、かつ前記第1ダイオードのアノード電極に接続された第1上面板電極を備えることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1銅プレート層の第2パターン上に配置された第2半導体デバイスを備えることを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第2パターン上に前記第2半導体デバイスに隣接して配置された第2ダイオードを備えることを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第2半導体デバイス上に配置された第2柱状電極を備えることを特徴とする請求項6に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第2柱状電極上に配置され、かつ前記第2ダイオードのアノード電極に接続された第2上面板電極を備えることを特徴とする請求項7に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第2パターン上に配置され、線熱膨張係数調整用の第3柱状電極を備えることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1上面板電極は、前記第3柱状電極に接続されたことを特徴とする請求項9に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1銅プレート層の第3パターン上に配置され、線熱膨張係数調整用の第4柱状電極を備えることを特徴とする請求項5〜10のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1パターンはドレイン端子電極に接続され、前記第2パターンは出力端子電極に接続され、前記第3パターンは、接地電位端子電極に接続されることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1樹脂層の厚さは、前記第2樹脂層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記セラミック基板の表面上に配置された部材の線熱膨張係数は、前記セラミック基板の裏面上に配置された部材の線熱膨張係数よりも低いことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記セラミック基板は、SiNであることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1柱状電極は、CuMoであることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1上面板電極は、CuMoであることを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第2柱状電極は、CuMoであることを特徴とする請求項7または8に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1樹脂層は、第3樹脂層と前記第3樹脂層上に積層された第4樹脂層とを備えることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第4樹脂層の線熱膨張係数は、前記第3樹脂層の線熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項19に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第3樹脂層および前記第4樹脂層は、ガラスフィラーの含有量の異なるエポキシ系樹脂で形成されたことを特徴とする請求項19または20に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第3樹脂層のガラスフィラーの含有量は、前記第4樹脂層のガラスフィラーの含有量よりも多いことを特徴とする請求項21に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記セラミック基板の表面上に配置され、前記第1半導体デバイスを駆動するゲートドライバを備え、
前記ゲートドライバのパッケージ材は、線熱膨張係数調整用のエポキシ系樹脂もしくはシリコーン系樹脂で形成されたことを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。 - 前記第1上面板電極は、前記第1柱状電極と面一になるように柱の高さが調整されていることを特徴とする請求項4に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1樹脂層および前記第2樹脂層は、トランスファモールド樹脂であることを特徴とする請求項1〜24のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1半導体デバイスには、SiC系、GaN系、若しくはAlN系のいずれかのパワーデバイスであることを特徴とする請求項1〜25のいずれか1項に記載のパワーモジュール半導体装置。
- セラミック基板と、
前記セラミック基板の表面上に配置され、第1の厚さを有する第1樹脂層と、
前記セラミック基板の裏面上に配置され、前記第1の厚さよりも薄い第2の厚さを有する第2樹脂層と、
前記セラミック基板の表面上に、前記セラミック基板の厚み方向から見た平面視で離間した位置に配置され、前記第1樹脂層により樹脂モールドされた複数の半導体チップと、
前記複数の半導体チップ上にそれぞれ配置され、前記第1樹脂層よりも線膨張係数の低い第1低CTE部材と
を備え、
前記第1樹脂層は、第3樹脂層と、前記第3樹脂層上に積層されるとともに前記第3樹脂層よりも線膨張係数が大きい第4樹脂層とからなることを特徴とするパワーモジュール半導体装置。 - 前記セラミック基板上に配置された導電層と、
前記導電層上の、前記複数の半導体チップが配置された位置以外の箇所に配置され、前記第1低CTE部材と異なる第2低CTE部材と
を備え、
前記第2樹脂層は、前記第1樹脂層とは別の樹脂層であることを特徴とする請求項27に記載のパワーモジュール半導体装置。 - 前記第1低CTE部材同士を接続する上面板電極を備えることを特徴とする請求項27または28に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第1低CTE部材と前記第2低CTE部材とを接続する上面板電極を備えることを特徴とする請求項27または28に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記第2低CTE部材を、前記セラミック基板の厚み方向から見た平面視で、前記セラミック基板の中心に対して線対称の位置に配置することを特徴とする請求項28に記載のパワーモジュール半導体装置。
- 前記上面板電極を、前記セラミック基板の厚み方向から見た平面視で、前記セラミック基板の中心を通る線を跨ぐように配置することを特徴とする請求項29または30に記載のパワーモジュール半導体装置。
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