JP6125984B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体装置に関する。
従来から、第1の半導体素子の下面側の電極と電気的に接続される第1の厚板部と、第1の半導体素子と並列に配置された第2の半導体の下面側の電極と接続される第2の厚板部と、第1の半導体素子の上面側の電極と接続される第3の厚板部と、第2の半導体素子の上面側の電極と接続される第4の厚板部と、第2の厚板部に設けられる第1の薄板部と、第3の厚板部に設けられる第2の薄板部とを有し、第1の薄板部と第2の薄板部とが、固着されて電気的に接続されている半導体装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012-235081号公報
ところで、この種の半導体装置では、半導体素子等が樹脂により封止される。樹脂部から露出する端子は、上下アームの高電位側の電位を持つ第1端子と、上下アームの低電位側の電位を持つ第2端子と、上下アームの中点電位を持つ第3端子とを含む。かかる構成においては、高電位側の電位を持つ部位(例えば、第1端子)と低電位側の電位を持つ部位(例えば、第2端子)との間で短絡が生じないようにすることが有用である。
そこで、本開示は、高電位側の電位を持つ部位と低電位側の電位を持つ部位との間の短絡の可能性を低減することができる半導体装置の提供を目的とする。
本開示の一局面によれば、第1方向で両側に電極を有し、上下アームの上アームを形成する第1スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子に対して第2方向に並んで配置され、前記第1方向で両側に電極を有し、前記上下アームの下アームを形成する第2スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子における前記第1方向で第1側の電極に電気的に接続される第1金属部材と、
前記第2スイッチング素子における前記第1方向で第1側の電極に電気的に接続される第2金属部材と、
前記上下アームの高電位側の電位を持つ第1端子と、
前記上下アームの低電位側の電位を持つ第2端子と、
前記上下アームの中点電位を持つ第3端子と、
前記第1スイッチング素子と、前記第2スイッチング素子と、前記第1金属部材の少なくとも一部と、前記第2金属部材の少なくとも一部と、前記第1端子の一部と、前記第2端子の一部と、前記第3端子の一部とを一体的に覆う樹脂部とを備え、
前記第1端子と同電位となる部分を第1電位部、前記第2端子と同電位となる部分を第2電位部、及び、前記第3端子と同電位となる部分を第3電位部としたとき、前記樹脂部における前記第1電位部と前記第2電位部との間は、前記樹脂部における前記第1電位部と前記第3電位部との間よりも高いCTI(Comparative Tracking Index)の材料を含み、又は、前記樹脂部における前記第2電位部と前記第3電位部との間よりも高いCTIの材料を含み、
前記樹脂部における前記第1電位部と前記第2電位部との間の沿面距離の最小値をLとし、前記第1電位部と前記第2電位部との間の材料に対して許容される最小沿面距離をLminとし、
前記樹脂部における前記第1電位部と前記第3電位部との間の沿面距離の最小値をLとし、前記第1電位部と前記第3電位部との間の材料に対して許容される最小沿面距離をLminとし、
前記樹脂部の表面に沿った前記第2電位部と前記第3電位部との間の沿面距離の最小値をLとし、前記第2電位部と前記第3電位部との間の材料に対して許容される最小沿面距離をLminとしたとき、以下の2式の少なくともいずれか一方を満足する、
(L−Lmin)/Lmin<(L−Lmin)/Lmin
(L−Lmin)/Lmin<(L−Lmin)/Lmin、
半導体装置が提供される。
本開示によれば、高電位側の電位を持つ部位と低電位側の電位を持つ部位との間の短絡の可能性を低減することができる半導体装置が得られる。
一実施例(第1実施例)による半導体装置を示す上面図である。 図1の半導体装置において樹脂部を省略した図である。 図2のIV−IV線に沿う断面図である。 図2のV−V線に沿う断面図である。 高電位電源端子及び低電位電源端子間における磁束相殺の原理を概略的に示す図である。 図1の半導体装置における各沿面距離の関係を示す図である。 第1実施例に対する変形例による半導体装置を示す図である。 第1実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す図である。 第1実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。 第1実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。 第1実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。 第1実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。 第1実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。 第2実施例による半導体装置を示す図である。 第2実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。 第3実施例による半導体装置13を示す図である。 第3実施例に対する他の変形例による半導体装置を示す上面図である。
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
図1は、一実施例(第1実施例)による半導体装置10を示す上面図である。図2は、図1の半導体装置において樹脂部を省略した図である。図3は、図1のIV−IV線に沿う断面図である。図4は、図1のV−V線に沿う断面図である。
半導体装置10は、典型的には、ハイブリッド車や電気自動車における走行モータ駆動用のインバータやコンバータのような電力変換装置で使用される。但し、半導体装置10は、車両における他の用途(例えば、電動ステアリング装置用)で使用されてよいし、車両用以外の用途(例えば、他の電動装置の電源装置等)に使用されてもよい。
以下の説明においては、便宜上、IGBT素子(Insulated Gate Bipolar Transistor)の厚み方向をZ方向とする。また、Z方向に直交し、上下アームを構成する2つのIGBT素子の並び方向をX方向とする。また、X方向及びZ方向の双方に直交する方向をY方向とする。また、以下の説明では、便宜上、Z方向が上下方向に対応し、第1ヒートシンク50に対して第1ターミナル60が存在する側を"上側"とするが、半導体装置10の搭載向きは任意である。
半導体装置10は、IGBT素子20,30、FWD(Free Wheel Diode)28,38、高電位電源端子40、低電位電源端子42、出力端子44、及び、ゲート端子46gを含む制御端子46を備える。更に、半導体装置10は、図1乃至図4に示すように、4つのヒートシンク50,52,54,56と、継手部58と、2つのターミナル60,62と、半田64と、樹脂部66とを備える。
IGBT素子20及びFWD28は、上下アームの上アームを形成し、IGBT素子30及びFWD38は、同上下アームにおける下アームを形成する。
IGBT素子20は、図2及び図3に示すように、下面側にコレクタ電極22を有し、上面側にエミッタ電極24及びゲート電極26を有する。
IGBT素子20の下面側には、第1ヒートシンク50が配置される。第1ヒートシンク50の上側の表面50aには、半田64を介して、IGBT素子20のコレクタ電極22が電気的且つ機械的に接続される。尚、図2に示す例では、第1ヒートシンク50の上側の表面50aには、FWD素子28のカソード電極も接続される。
第1ヒートシンク50は、図2に示すように、略矩形の金属板の形態であり、矩形の一辺から、Y方向に延在する高電位電源端子40が設けられる。第1ヒートシンク50は、高電位電源端子40等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。或いは、高電位電源端子40は、第1ヒートシンク50とは別体に形成され、第1ヒートシンク50に取り付けられてもよい。高電位電源端子40は、第1ヒートシンク50を介してIGBT素子20及びFWD素子28に電気的に接続される。尚、高電位電源端子40の一部は、図2に示すように、樹脂部66の側面(Y方向を法線とする側面)から外部に引き出される。
第1ヒートシンク50の下側の表面50bは、図3及び図4に示すように、樹脂部66の下側の表面66aから露出される。これにより、IGBT素子20及びFWD素子28で生じた熱を、第1ヒートシンク50の表面50bから外部に放熱することができる。尚、図3に示す例では、第1ヒートシンク50の下側の表面50bは、樹脂部66の下側の表面66aと面一であるが、Z方向にオフセットを有してもよい。
IGBT素子20の上面側には、Z方向でゲート電極26とは重ならないがエミッタ電極24と対向する態様で、第1ターミナル60が配置される。第1ターミナル60は、平らな金属板(金属ブロック)の形態であるが、曲げ加工部を備える形態であってもよい。第1ターミナル60の下側の表面は、半田64を介してIGBT素子20のエミッタ電極24と電気的且つ機械的に接続される。尚、第1ターミナル60の下側の表面には、FWD素子28のアノード電極も接続される。第1ターミナル60は、IGBT素子20及びFWD素子28と第2ヒートシンク52とを電気的に接続するための中継機能と共に、ゲート電極26にワイヤボンディングを行うための高さを確保する機能を有する。
ゲート電極26は、ボンディングワイヤ48を介して、上アームに係る制御端子46のうちのゲート端子46gと接続される。上アームに係る制御端子46は、第1ヒートシンク50及び高電位電源端子40等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。上アームに係る制御端子46は、ゲート端子46gに加えて、温度測定ダイオードやセンスエミッタ等に接続される端子を含んでよい。上アームに係る制御端子46は、図1及び図2に示すように、樹脂部66における高電位電源端子40の引き出し側とは反対側の側面(Y方向を法線とする側面)から外部に引き出される。
第1ターミナル60の上側の表面には、第2ヒートシンク52が配置される。第2ヒートシンク52の下側の表面52aは、半田64を介して第1ターミナル60の上側の表面に電気的且つ機械的に接続される。これにより、第2ヒートシンク52は、第1ターミナル60を介して、IGBT素子20のエミッタ電極24及びFWD素子28のアノード電極と電気的に接続される。
第2ヒートシンク52は、略矩形の金属板の形態であり、上面視(Z方向下向きのビュー)で、大部分が第1ヒートシンク50と重なる態様で配置される。図2に示すように、第2ヒートシンク52は、第1ヒートシンク50の外形と略同じ矩形形状を有する。第2ヒートシンク52の上側の表面52bは、樹脂部66の上側の表面66bから露出される。これにより、IGBT素子20及びFWD素子28で生じた熱を、第1ターミナル60を介して、第2ヒートシンク52の表面52bから外部に放熱することができる。尚、図3及び図4に示す例では、第2ヒートシンク52の上側の表面52bは、樹脂部66の上側の表面66bと面一であるが、Z方向にオフセットを有してもよい。
第2ヒートシンク52には、継手部58の一要素である第1継手部58aが一体的に設けられる。但し、第1継手部58aは、第2ヒートシンク52とは別体に形成され、第2ヒートシンク52に取り付けられてもよい。第1継手部58aは、IGBT素子30側に向かってX方向に延在する。
IGBT素子30は、図2及び図3に示すように、下面側にコレクタ電極32を有し、上面側にエミッタ電極34及びゲート電極36を有する。IGBT素子30は、IGBT素子20に対してX方向に並んで配置される。尚、図3に示す例では、IGBT素子30は、IGBT素子20に対してY方向にオフセットしない関係で配置されているが、Y方向にオフセットを有してもよい。
IGBT素子30の下面側には、第3ヒートシンク54が配置される。第3ヒートシンク54の上側の表面54aには、半田64を介して、IGBT素子30のコレクタ電極32が電気的且つ機械的に接続される。尚、図2に示す例では、第3ヒートシンク54の上側の表面54aには、FWD素子38のカソード電極も接続される。
第3ヒートシンク54は、図2に示すように、略矩形の金属板の形態であり、矩形の一辺から、Y方向に延在する出力端子44が設けられる。第3ヒートシンク54は、出力端子44等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。或いは、出力端子44は、第3ヒートシンク54とは別体に形成され、第3ヒートシンク54に取り付けられてもよい。出力端子44は、第3ヒートシンク54を介してIGBT素子30及びFWD素子38に電気的に接続される。尚、出力端子44の一部は、図2に示すように、樹脂部66の側面(Y方向を法線とする側面)から外部に引き出される。出力端子44が引き出される樹脂部66の側面は、高電位電源端子40が引き出される樹脂部66の側面と同じである。
第3ヒートシンク54の下側の表面54bは、図3及び図4に示すように、樹脂部66の下側の表面66aから露出される。これにより、IGBT素子30及びFWD素子38で生じた熱を、第3ヒートシンク54の表面54bから外部に放熱することができる。尚、図3及び図4に示す例では、第3ヒートシンク54の下側の表面54bは、樹脂部66の下側の表面66aと面一であるが、Z方向にオフセットを有してもよい。
第3ヒートシンク54には、継手部58の一要素である第2継手部58bが一体的に設けられる。但し、第2継手部58bは、第3ヒートシンク54とは別体に形成され、第3ヒートシンク54に取り付けられてもよい。図3に示す例では、第2継手部58bは、第4ヒートシンク56の下側の表面56aに向かって上方向に延在するとともに、IGBT素子20側に向かってX方向に延在する。第2継手部58bは、図3に示すように、半田64を介して第1継手部58aに電気的且つ機械的に接続される。第2継手部58b及び第1継手部58aは、X方向で第2ヒートシンク52と第3ヒートシンク54との間に形成され、X方向で第2ヒートシンク52と第3ヒートシンク54との間で互いに電気的且つ機械的に接続される。
IGBT素子30の上面側には、Z方向でゲート電極36とは重ならないがエミッタ電極34と対向する態様で、第2ターミナル62が配置される。第2ターミナル62は、平らな金属板(金属ブロック)の形態であるが、曲げ加工部を備える形態であってもよい。第2ターミナル62の下側の表面は、半田64を介してIGBT素子30のエミッタ電極34と電気的且つ機械的に接続される。尚、第2ターミナル62の下側の表面には、FWD素子38のアノード電極も接続される。第2ターミナル62は、IGBT素子30及びFWD素子38と第4ヒートシンク56とを電気的に接続するための中継機能と共に、ゲート電極36にワイヤボンディングを行うための高さを確保する機能を有する。
ゲート電極36は、ボンディングワイヤ48を介して、下アームに係る制御端子46のうちのゲート端子46gと接続される。下アームに係る制御端子46は、第3ヒートシンク54及び出力端子44等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。下アームに係る制御端子46は、ゲート端子46gに加えて、温度測定ダイオードやセンスエミッタ等に接続される端子を含んでよい。下アームに係る制御端子46は、図1及び図2に示すように、樹脂部66における高電位電源端子40の引き出し側とは反対側の側面(Y方向を法線とする側面)から外部に引き出される。
第2ターミナル62の上側の表面には、第4ヒートシンク56が配置される。第4ヒートシンク56の下側の表面56aは、半田64を介して第2ターミナル62の上側の表面に電気的且つ機械的に接続される。これにより、第4ヒートシンク56は、第2ターミナル62を介して、IGBT素子30のエミッタ電極34及びFWD素子38のアノード電極と電気的に接続される。
第4ヒートシンク56は、略矩形の金属板の形態であり、上面視(Z方向下向きのビュー)で、大部分が第3ヒートシンク54と重なる態様で配置される。図2に示すように、第4ヒートシンク56は、第3ヒートシンク54の外形と略同じ矩形形状を有する。第4ヒートシンク56の上側の表面56bは、樹脂部66の上側の表面66bから露出される。これにより、IGBT素子30及びFWD素子38で生じた熱を、第2ターミナル62を介して、第4ヒートシンク56の表面56bから外部に放熱することができる。尚、図3及び図4に示す例では、第4ヒートシンク56の上側の表面56bは、樹脂部66の上側の表面66bと面一であるが、Z方向にオフセットを有してもよい。
第4ヒートシンク56は、表面56a,56bを画成する本体部56cと、本体部56cの側面からIGBT素子20側に向かってX方向に延在する延設部56dとを含む。延設部56dは、本体部56cと一体的に形成される。但し、延設部56dは、本体部56cとは別体に形成され、本体部56に取り付けられてもよい。延設部56dは、継手部58と同様、X方向で第4ヒートシンク56の本体部56cと第2ヒートシンク52(第1継手部58aを除く本体部)の間に形成される。但し、延設部56dは、継手部58と干渉しないように、継手部58に対してY方向でオフセットを有する。
低電位電源端子42は、第4ヒートシンク56と電気的に接続される。具体的には、低電位電源端子42は、図4に示すように、第4ヒートシンク56の延設部56dに半田64を介して電気的且つ機械的に接続される。低電位電源端子42は、第3ヒートシンク54、出力端子44、及び、下アームに係る制御端子46等と共に単一の異形リードフレームにより形成されてよい。低電位電源端子42の一部は、図2に示すように、樹脂部66の側面(Y方向を法線とする側面)から外部に引き出される。低電位電源端子42が引き出される樹脂部66の側面は、高電位電源端子40及び出力端子44が引き出される樹脂部66の側面と同じである。
低電位電源端子42は、X方向において、第4ヒートシンク56の本体部56cと第2ヒートシンク52(第1継手部58aを除く本体部)の間の領域70、即ち、延設部56dが設けられる領域70に配置される。これにより、高電位電源端子40、低電位電源端子42、及び出力端子44は、図2に示すように、低電位電源端子42がX方向で出力端子44と高電位電源端子40との間に位置する位置関係で配置される。図示の例では、低電位電源端子42の全体が、第4ヒートシンク56の本体部56cと第2ヒートシンク52(第1継手部58aを除く本体部)の間の領域に配置される。
樹脂部66は、IGBT素子20,30、FWD素子28,38、高電位電源端子40の一部、低電位電源端子42の一部、出力端子44の一部、制御端子46の一部、各ヒートシンク50,52,54,56における表面50b、52b、54b、56bを除く部分、継手部58、及び各ターミナル60,62を一体的に封止する。図示の例では、樹脂部66は、略直方体の外形に形成される。尚、上述の如く、高電位電源端子40、低電位電源端子42、及び出力端子44は、図2に示すように、樹脂部66の側面からY方向に引き出される。樹脂部66の側面における高電位電源端子40、低電位電源端子42、及び出力端子44の引き出し位置は、Z方向の任意の位置であってよいが、例えば、樹脂部66の側面におけるZ方向の中央付近であってよい(図6(C)参照)。
このように構成される半導体装置10は、上下アームを形成する2つのIGBT素子20,30を一体的に含む(単一の樹脂部66内に含む)所謂2in1パッケージである。また、各IGBT素子20,30のZ方向の両側にヒートシンク50,52,54,56が配置され、IGBT素子20,30の熱をZ方向の両側から放熱することができ、放熱性が良好な構成である。
また、高電位電源端子40及び低電位電源端子42は、X方向で隣接して(間に出力端子44を介さずに)配置されるので、X方向で高電位電源端子40及び低電位電源端子42の間に出力端子44が配置される構成に比べて、X方向で高電位電源端子40及び低電位電源端子42の間の距離を短くできる。これにより、IGBT素子20,30のスイッチング時に生じるサージ電圧を低減することができる。具体的には、図5に示すように、高電位電源端子40及び低電位電源端子42に流れる電流の方向は逆であるので、高電位電源端子40及び低電位電源端子42を近接して配置した場合には、磁束を打ち消しあう効果を高めることができる。これにより、寄生インダクタンスが低減されるので、サージ電圧を低減することができる。
また、第1ヒートシンク50、第3ヒートシンク54、高電位電源端子40、低電位電源端子42、出力端子44、及び、上下アームに係る制御端子46は、単一の異形リードフレームを用いて形成することができるので、生産性が良好な構成となる。但し、製造方法に任意である。
また、X方向で領域70を利用して、継手部58により、IGBT素子20のエミッタ電極24及びFWD素子28のアノード電極とIGBT素子30のコレクタ電極32及びFWD素子38のカソード電極とをそれぞれ接続する。また、低電位電源端子42は、継手部58が利用するスペース(領域70)を利用して配置することができる。これにより、X方向の小型化が可能な構成となる。
図6は、半導体装置10における各沿面距離の関係を示す図であり、(A)は、上側から視た平面図を示し、(B)は、下側から視た平面図を示し、(C)は、上側から視た斜視図を示す。
本実施例では、各沿面距離は、次のような関係を満たすように設定される。半導体装置10における樹脂部66で封止されていない導体部位(即ち、樹脂部66から露出する導体部位)のうちの、高電位電源端子40と同電位となる部分を第1電位部P、低電位電源端子42と同電位となる部分を第2電位部N、及び、出力端子44と同電位となる部分を第3電位部Oとしたとき、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の第1沿面距離L1、L6、L7は、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の第2沿面距離L3、L9よりも長く、又は、第2電位部Nと第3電位部Oとの間の第3沿面距離L2、L4、L5、L8よりも長い。即ち、L1、L6、L7のうちの最小値は、L3、L9、L2、L4、L5、L8のうちの最小値よりも大きい。但し、各沿面距離は、下限値(例えば、JIS規定に基づく最小沿面距離)以上になるように設定される。尚、図6(A)及び(B)において、L1,L3,L4等は平面的に示されているが、実際には、図6(C)に示すように、樹脂部66の2面(上側の表面と側面)に沿った距離である。
従って、本実施例によれば、第1電位部Pと第2電位部Nとの間よりも、第1電位部Pと第3電位部Oとの間又は第2電位部Nと第3電位部Oとの間の方が、沿面距離が短いため、樹脂部66の劣化による絶縁性能が悪くなった場合でも、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の短絡(上下アームの短絡)の可能性を低減することができる。即ち、樹脂部66の劣化による絶縁性能が悪くなった場合でも、第1電位部Pと第2電位部Nとの間が短絡するよりも先に、第1電位部Pと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子20のコレクタ−エミッタ間)又は第2電位部Nと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子30のコレクタ−エミッタ間)を短絡させることができる。尚、第1電位部Pと第3電位部Oとの間又は第2電位部Nと第3電位部Oとの間が短絡した場合(即ちコレクタ−エミッタ間の短絡が発生した場合)は、保護機能が働き、上下アームの短絡を防止することが可能である。例えば、第1電位部Pと第3電位部Oとの間が短絡した場合は、IGBT素子30がオフに維持され、上下アームの短絡が防止される。また、第2電位部Nと第3電位部Oとの間が短絡した場合は、IGBT素子20がオフに維持され、上下アームの短絡が防止される。
図7は、第1実施例に対する変形例による半導体装置10Aを示す図であり、(A)は、上面図であり、(B)は、断面図である。
半導体装置10Aは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、第2ヒートシンク52の全体及び第4ヒートシンク56の全体が樹脂部66内に封止されている点が異なる。この場合は、第2ヒートシンク52及び第4ヒートシンク56に係る沿面距離(図6におけるL1、L2等)は発生しないので、考慮されないことになる。
尚、図7に示す例では、第2ヒートシンク52及び第4ヒートシンク56は、実質的にバスバとして機能する(実質的には、第1ヒートシンク50及び第3ヒートシンク54による片面放熱となる)。各ターミナル60,62は、省略されてもよい。
図8は、第1実施例に対する他の変形例による半導体装置10Bを示す図であり、(A)は、上面図であり、(B)は、断面図である。
半導体装置10Bは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、各ヒートシンク50,52,54,56の全体が樹脂部66内に封止されている点が異なる。この場合は、各ヒートシンク50,52,54,56に係る沿面距離(図6におけるL1、L2等)は発生しないので、考慮されないことになる。即ち、高電位電源端子40、低電位電源端子42及び出力端子44に係る沿面距離(例えば、図6におけるL5、L6)が考慮されればよい。即ち、この場合は、L6>L5に設定されればよい。
尚、図8に示す例では、第2ヒートシンク52及び第4ヒートシンク56等は、実質的にバスバとして機能する。各ターミナル60,62は、省略されてもよい。
図9は、第1実施例に対する他の変形例による半導体装置10Cを示す上面図である。
半導体装置10Cは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、樹脂部66から新たな端子47,49が露出されている点が異なる。図9に示す例では、端子47は、端子47は、第3ヒートシンク54に形成されてよく、第3電位部Oを形成する。端子49は、第1ヒートシンク50に形成されてよく、第1電位部Pを形成する。端子47,49は、電圧検出用に利用されてよい。この場合は、端子47,49に係る沿面距離が追加的に考慮されればよい。例えば、端子47と制御端子46(第2電位部Nを形成)との間の沿面距離L10、端子47と第4ヒートシンク56の表面56bとの間の沿面距離L11、端子49と制御端子46(第3電位部Oを形成)との間の沿面距離L12、端子49と第2ヒートシンク52の表面52bとの間の沿面距離L13等が追加的に考慮されてよい。
このように、樹脂部66から露出する端子の数や種類、露出する側等は任意である。
図10は、第1実施例に対する他の変形例による半導体装置10Dを示す上面図である。
半導体装置10Dは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、樹脂部66が樹脂部66Dに置き換えられた点が異なる。樹脂部66Dは、側面に凹部67を備える。凹部67は、低電位電源端子42と高電位電源端子40との間に形成される。これにより、低電位電源端子42と高電位電源端子40との間の沿面距離を効率的に大きくすることができ、上述の各沿面距離の関係が満たされ易くなる。尚、凹部67は、Z方向において沿面距離を画成する位置範囲のみに形成されてもよい。また、低電位電源端子42と高電位電源端子40との間に、凹部67に代えて、凸部を形成してもよい。また、同様の考え方で、樹脂部66D(又は樹脂部66)の上側の表面66b又は下側の表面66aに、凹部や凸部を形成し、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の沿面距離を増加することも可能である。
図11は、第1実施例に対する他の変形例による半導体装置10Eを示す上面図である。
半導体装置10Eは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、X方向での高電位電源端子40、低電位電源端子42及び出力端子44の配置が異なる。即ち、図11に示す例では、出力端子44がX方向で高電位電源端子40及び低電位電源端子42の間に配置される。このように、高電位電源端子40、低電位電源端子42及び出力端子44の配置順については任意である。尚、図11に示す例では、上述の如く、寄生インダクタンスの観点から、上述した第1実施例による半導体装置10よりも不利な構成となるが、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の必要な沿面距離の確保の観点からは有利な構成となる。換言すると、上述した第1実施例による半導体装置10では、寄生インダクタンスを低減しつつ、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の適切な沿面距離を維持することを可能としている。
図12は、第1実施例に対する他の変形例による半導体装置10Fを示す図であり、(A)は、上面図であり、(B)は、断面図であり、(C)は、プリント基板実装状態を概略的に示す断面図である。
半導体装置10Fは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、図12に示すように表面実装型である点が異なる。即ち、半導体装置10Fは、プリント基板90の表面上に実装される。プリント基板90には、導体部(又は導体パターン)92,94,96が形成される。第1ヒートシンク50の下側の表面50bは、半田(又は導体バンプ等)80を介して、導体部92に電気的且つ機械的に接続される。また、IGBT素子20に係る制御端子46は、半田(又は導体バンプ等)80を介して、導体部96に電気的且つ機械的に接続される。同様に、第3ヒートシンク54の下側の表面54bは、半田(又は導体バンプ等)80を介して、導体部94に電気的且つ機械的に接続される。また、IGBT素子30に係る制御端子46は、半田(又は導体バンプ等)80を介して、導体部96に電気的且つ機械的に接続される。
図12に示す例においても、半導体装置10Fにおける各沿面距離は、上述した関係を有するように設定される。特に、半導体装置10Fの場合は、高電位電源端子40及び出力端子44の機能(外部接続機能)が、第1ヒートシンク50の下側の表面50b及び第3ヒートシンク54の下側の表面54bにより実現され、高電位電源端子40及び出力端子44が不要である。従って、高電位電源端子40及び出力端子44に係る沿面距離は発生しないので、考慮されないことになる。
図13は、第1実施例に対する他の変形例による半導体装置10Gを示す図であり、(A)は、上側から視た平面図を示し、(B)は、下側から視た平面図を示す。尚、図13において、樹脂部66については内部が見えるように透視状態で示されている。
半導体装置10Gは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、図13に示すように、3相(U相、V相、W相)の各上下アームのIGBT素子20,30を一体的に含む(単一の樹脂部66内に含む)所謂6in1パッケージである点が主に異なる。また、半導体装置10Gは、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、図13に示すように、片面放熱構成である点が、両面放熱構成である上述した第1実施例による半導体装置10と異なる。但し、半導体装置10Gは、両面放熱構成を採ることもできる。即ち、6in1パッケージで両面放熱構成を採ることもできる。
各相のIGBT素子20は、共通の第1ヒートシンク50Aの表面に実装される。各相のIGBT素子20は、共通の第1ヒートシンク50A上に実装される。また、各相のIGBT素子30は、それぞれ、別々の第3ヒートシンク54上に実装される。高電位電源端子400は、バスバの形態であり、一端は、第1ヒートシンク50Aに電気的且つ機械的に接続される。高電位電源端子400の他端は、樹脂部66から外部へ露出される。低電位電源端子420は、バスバの形態であり、一端は、各相のIGBT素子30のエミッタ電極に電気的且つ機械的に接続される。低電位電源端子420の他端は、樹脂部66から外部へ露出される。高電位電源端子400及び低電位電源端子420は、好ましくは、図13に示すように、隣接して樹脂部66から外部へ露出する。これにより、上述の如く磁束を打ち消しあう効果を高め、寄生インダクタンスを低減することができる。但し、この場合も、高電位電源端子400及び低電位電源端子420の間の沿面距離L14は、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の各沿面距離(例えば、L16)の最小値又は第2電位部Nと第3電位部Oとの間の各沿面距離(例えば、L15)の最小値よりも大きく設定される。尚、図13に示す例では、各相の出力端子440は、樹脂部66における高電位電源端子400及び低電位電源端子420が露出する側面とはY方向で逆側の側面で樹脂部66から外部へ露出される。
尚、図13に示す例は、所謂6in1パッケージにおける片面放熱構成であるが、2in1パッケージにおける片面放熱構成においても、高電位電源端子、低電位電源端子及び出力端子に関して同様の構成を採用することも可能である。この場合、出力端子440は1本となり、低電位電源端子420は、単一のIGBT素子30のエミッタ電極に接続されることになる。
次に、他の一実施例(第2実施例)について説明する。
図14は、第2実施例による半導体装置12を示す図であり、(A)は、上面図であり、(B)は、(A)の矢視Yから見た側面図である。第2実施例による半導体装置12は、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、樹脂部66が樹脂部660に置換された点が主に異なる。その他の構成は、同様であってよく、説明は省略する。また、上述した第1実施例に対する各種変形例についても、以下で説明する考え方(高CTI部662の形成)を適用することが可能である。
樹脂部660は、本体部661と、高CTI(Comparative Tracking Index)部662とを備える。高CTI部662は、本体部661よりもCTIが高い材料から形成される。材料グループIは、CTIが600以上の材料グループであり、材料グループIIは、CTIが400以上600未満の材料グループである、といった具合に、材料グループとCTIとの関係は決まっている。どの材料グループを選択するかは、JIS C 60664(IEC60664)の機能絶縁を適用して決定されてよい。例えば、JIS C 60664によれば、使用する電圧実効値や汚染度が決まると、材料グループI,II,III等に関して、遵守すべき最小沿面距離が決まる。例えば、汚染度2、電圧実効値800Vとしたとき、樹脂の材料グループIに係る最小沿面距離は4.0mmであり、樹脂の材料グループIIIに係る最小沿面距離は8.0mmである。このとき、例えば図14に示す例において、樹脂部660における高CTI部662を除く部位(即ち本体部661)は、材料グループIIIの材料により形成されている場合であって、沿面距離L6が8.0mmより小さいが4.0mm以上である場合には、高CTI部662は、材料グループIの材料により形成されてよい。
高CTI部662は、樹脂部660における必要な場所のみに形成されればよい。例えば、第1沿面距離が、本体部661の材料グループに係る最小沿面距離よりも小さい場合は、当該第1沿面距離を画成する部位は、当該第1沿面距離以下となる最小沿面距離を持つ材料グループの材料(より高いCTIの材料グループの材料)により形成され、高CTI部662となる。
高CTI部662は、図14(A)にて点線で示すように、樹脂部660の表層部分のみに形成されればよいが、ある程度の深さ(Y方向)で形成されてもよい。高CTI部662は、本体部661の成形後、対応するCTIを持つ樹脂材料をポッティングして追加的に形成してもよいし、本体部661の成形後、対応するCTIを持つ樹脂材料をコーティングして形成してもよい。尚、図14に示す例では、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の沿面距離L6が、本体部661の材料グループに係る最小沿面距離よりも小さいため、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間に、高CTI部662が形成されている。図14に示す例では、高CTI部662は、図14(B)に示すように、側面視で高電位電源端子40と低電位電源端子42の双方の周囲を囲む態様で形成されている。但し、図15に示すように、X方向で高電位電源端子40と低電位電源端子42の間の全領域のみに形成されてもよいし、或いは、必要な絶縁性が満たされることを条件として、X方向で高電位電源端子40と低電位電源端子42の間の一部の領域のみに形成されてもよい。
第2実施例による半導体装置12では、上述した第1実施例による半導体装置10とは異なり、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の第1沿面距離が、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の第2沿面距離の最小値よりも小さく、且つ、第2電位部Nと第3電位部Oとの間の第3沿面距離の最小値よりも小さくてもよい。しかしながら、本実施例2では、各沿面距離は、次のような関係を満たすように設定される。第1電位部Pと第2電位部Nとの間の沿面距離の最小値をLとし、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の材料(即ち高CTI部662の材料)に係る最小沿面距離をLminとし、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の沿面距離の最小値をLとし、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の材料(即ち本体部661の材料)に係る最小沿面距離をLminとし、第2電位部Nと第3電位部Oとの間の沿面距離の最小値をLとし、第2電位部Nと第3電位部Oとの間のCTIの材料(即ち本体部661の材料)に係る最小沿面距離をLminとしたとき、以下の2式の少なくともいずれか一方を満足する。
(L−Lmin)/Lmin<(L−Lmin)/Lmin
(L−Lmin)/Lmin<(L−Lmin)/Lmin
上記の2式は、最小沿面距離は電圧実効値に対して1次の比例式で表されることに基づく。即ち、最小沿面距離は、電圧実効値が増加するに従って比例的に増加する。上記の2式における(L−Lmin)/Lmin(k=1,2,3)は、最小沿面距離に対する余裕度を表す。例えば、汚染度2、電圧実効値800Vとしたとき、樹脂の材料グループIに係る最小沿面距離は4.0mmである。このとき、沿面距離が6mmであると、余裕度は1.5となる。この余裕度は、最小沿面距離が電圧実効値に対して比例関係であることから、電圧実効値が異なる場合であっても比較可能なパラメータである。この余裕度は、1に近いほど短絡しやすいことを示す指標となる。従って、上記の2式のいずれかを満たす場合は、上述した第1実施例と同様の効果を得ることができる。即ち、樹脂部66の劣化による絶縁性能が悪くなった場合でも、第1電位部Pと第2電位部Nとの間が短絡するよりも先に、第1電位部Pと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子20のコレクタ−エミッタ間)又は第2電位部Nと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子30のコレクタ−エミッタ間)を短絡させることができる。
また、第2実施例によれば、樹脂部660をCTIの異なる材料により形成することで、生産性の観点からは不利になるが、沿面距離の制約を低減することができる。これにより、例えば、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間を比較的高いCTIの材料により形成することで、比較的低いCTIの材料により形成した場合に比べて高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の沿面距離を小さくすることができ、寄生インダクタンスを更に低減することができる。
尚、図14及び図15に示す例では、高CTI部662は、高電位電源端子40と低電位電源端子42の間に形成されているが、他の第1電位部Pと第2電位部Nとの間に形成されてもよい。
次に、他の一実施例(第3実施例)について説明する。
図16は、第3実施例による半導体装置13を示す図である。半導体装置13は、上述した第1実施例による半導体装置10に対して、以下で説明する空間距離の関係を満たす点が異なる。尚、上述した第1実施例に対する各種変形例についても、以下で説明する空間距離の考え方を適用することが可能である。尚、半導体装置13においては、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の第1沿面距離が、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の第2沿面距離の最小値よりも小さく、且つ、第2電位部Nと第3電位部Oとの間の第3沿面距離の最小値よりも小さくてもよいが、好ましくは、上述した第1実施例と同様の沿面距離の関係を有する。
具体的には、第1電位部Pと第2電位部Nとの間の第1空間距離(複数存在する場合は、その最小値)は、第1電位部Pと第3電位部Oとの間の第2空間距離(複数存在する場合は、その最小値)よりも長く、又は、第2電位部Nと第3電位部Oとの間の第3空間距離(複数存在する場合は、その最小値)よりも長い。但し、第2空間距離及び第3空間距離は、下限値(例えば、JIS規定に基づく最小空間距離)以上になるように設定される。これにより、空間放電による第1電位部Pと第2電位部Nとの間の短絡の可能性を低減することができる。即ち、空間放電が生じた場合でも、第1電位部Pと第2電位部Nとの間が短絡するよりも先に、第1電位部Pと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子20のコレクタ−エミッタ間)又は第2電位部Nと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子30のコレクタ−エミッタ間)を短絡させることができる。
図16に示す例では、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の第1空間距離Ls1は、低電位電源端子42と出力端子44との間の第3空間距離Ls3よりも長くなるように、高電位電源端子40、低電位電源端子42及び出力端子44が形成される。これにより、第1電位部Pと第2電位部Nとの間が短絡するよりも先に、第2電位部Nと第3電位部Oとの間(例えば、IGBT素子30のコレクタ−エミッタ間)を短絡させることができる。
尚、図16に示す例では、高電位電源端子40、低電位電源端子42及び出力端子44の位置関係から、高電位電源端子40と出力端子44との間の第2空間距離Ls2は十分に長いので、第2空間距離Ls2は実質的に考慮されなくてよい。しかしながら、例えば図9に示した構成においては、端子49と制御端子46(第3電位部Oを形成)との間の第2空間距離が小さくなりうるので、第1空間距離は、かかる第2空間距離よりも大きく設定されてもよい。
図17は、第3実施例に対する他の変形例による半導体装置13Bを示す上面図である。半導体装置10Fは、上述した第3実施例による半導体装置13に対して、図17に示すように、低電位電源端子42及び出力端子44が、低電位電源端子42B及び出力端子44Bに置換された点が異なる。
低電位電源端子42Bは、出力端子44Bに向けてX方向に突出する凸部43を有し、出力端子44Bは、低電位電源端子42Bに向けてX方向に突出する凸部45を有する。このように、低電位電源端子42と出力端子44との間の第3空間距離Ls3を積極的に小さくしてもよい。但し、第3空間距離Ls3は、下限値(例えば、JIS規定に基づく最小空間距離)以上になるように設定される。これにより、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の第1空間距離Ls1を、低電位電源端子42と出力端子44との間の第3空間距離Ls3よりも長くすることが容易となる。
尚、図17に示す例において、凸部43及び凸部45のいずれか一方を省略してもよい。また、凸部43及び凸部45は、低電位電源端子42及び出力端子44の露出部分の全体に亘って形成されてもよい。即ち、低電位電源端子42及び出力端子44の露出部分の幅(X方向の幅)を広くすることで、高電位電源端子40と低電位電源端子42との間の第1空間距離Ls1を、低電位電源端子42と出力端子44との間の第3空間距離Ls3よりも長くなるようにしてもよい。
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
例えば、上述した実施例では、IGBT素子20,30がスイッチング素子として使用されているが、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)のような、IGBT素子以外の他のスイッチング素子が使用されてもよい。また、IGBT素子20,30は、FWD素子28、38を内蔵した逆導通IGBT(RC(Reverse Conducting)−IGBT)であってもよい。
10,12,13 半導体装置
20,30 IGBT素子
40 高電位電源端子
42 低電位電源端子
44 出力端子
50 第1ヒートシンク
52 第2ヒートシンク
54 第3ヒートシンク
56 第4ヒートシンク
66,660 樹脂部
662 高CTI部

Claims (5)

  1. 第1方向で両側に電極を有し、上下アームの上アームを形成する第1スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子に対して第2方向に並んで配置され、前記第1方向で両側に電極を有し、前記上下アームの下アームを形成する第2スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子における前記第1方向で第1側の電極に電気的に接続される第1金属部材と、
    前記第2スイッチング素子における前記第1方向で第1側の電極に電気的に接続される第2金属部材と、
    前記上下アームの高電位側の電位を持つ第1端子と、
    前記上下アームの低電位側の電位を持つ第2端子と、
    前記上下アームの中点電位を持つ第3端子と、
    前記第1スイッチング素子と、前記第2スイッチング素子と、前記第1金属部材の少なくとも一部と、前記第2金属部材の少なくとも一部と、前記第1端子の一部と、前記第2端子の一部と、前記第3端子の一部とを一体的に覆う樹脂部とを備え、
    前記第1端子と同電位となる部分を第1電位部、前記第2端子と同電位となる部分を第2電位部、及び、前記第3端子と同電位となる部分を第3電位部としたとき、前記樹脂部における前記第1電位部と前記第2電位部との間は、前記樹脂部における前記第1電位部と前記第3電位部との間よりも高いCTI(Comparative Tracking Index)の材料を含み、又は、前記樹脂部における前記第2電位部と前記第3電位部との間よりも高いCTIの材料を含み、
    前記樹脂部における前記第1電位部と前記第2電位部との間の沿面距離の最小値をLとし、前記第1電位部と前記第2電位部との間の材料に対して許容される最小沿面距離をLminとし、
    前記樹脂部における前記第1電位部と前記第3電位部との間の沿面距離の最小値をLとし、前記第1電位部と前記第3電位部との間の材料に対して許容される最小沿面距離をLminとし、
    前記樹脂部の表面に沿った前記第2電位部と前記第3電位部との間の沿面距離の最小値をLとし、前記第2電位部と前記第3電位部との間の材料に対して許容される最小沿面距離をLminとしたとき、以下の2式の少なくともいずれか一方を満足する、
    (L−Lmin)/Lmin<(L−Lmin)/Lmin
    (L−Lmin)/Lmin<(L−Lmin)/Lmin、
    半導体装置。
  2. 前記第1端子、前記第2端子及び前記第3端子は、前記第2端子が前記第1端子及び前記第3端子の間に位置する関係で、前記樹脂部における同一の側に延在する、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1端子、前記第2端子及び前記第3端子は、前記第1方向及び前記第2方向の双方に直角な第3方向に延在しつつ、前記第2方向に並んで配置され、前記第2端子は、前記第2方向で前記第1金属部材及び前記第2金属部材の間から前記第3方向に延在する、請求項に記載の半導体装置。
  4. 前記第1金属部材は、前記第1方向で第1側の表面が前記樹脂部から露出し、前記露出した前記第1金属部材の表面は、前記第1端子と共に前記第1電位部を形成し、
    前記第2金属部材は、前記第1方向で第1側の表面が前記樹脂部から露出し、前記露出した前記第2金属部材の表面は、前記第3端子と共に前記第3電位部を形成する、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記第1スイッチング素子における前記第1方向で第2側の電極に電気的に接続される第3金属部材と、
    前記第2スイッチング素子における前記第1方向で第2側の電極に電気的に接続される第4金属部材とを含み、
    前記第3金属部材は、前記第1方向で第2側の表面が前記樹脂部から露出し、前記露出した前記第3金属部材の表面は、前記第3端子と前記第2金属部材の表面と共に前記第3電位部を形成し、
    前記第4金属部材は、前記第1方向で第2側の表面が前記樹脂部から露出し、前記露出した前記第4金属部材の表面は、前記第2端子と共に前記第2電位部を形成する、請求項に記載の半導体装置。
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