JP6383265B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、フリーホイールダイオードと、スイッチング半導体素子を制御する制御ICとを備えるパワーモジュールにおいて、前記フリーホイールダイオード上に前記制御ICを配置するパワーモジュールが記載されている。
例えば、従来の半導体装置を三相直流モータ駆動回路に適用した場合、インバータICの他にダイオード4個、コイル1個、コンデンサ1個が必要であり、各部材は個別にモータ基板に実装されるため実装面積の縮小化は困難であった。このような小型高集積化に加え、高放熱化(低熱抵抗)、低インダクタンス化、および低インピーダンス化のそれぞれにおいて課題があった。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の縦構造を模式的に示す図、図2は、図1の平面図である。本実施形態の半導体装置は、例えば家庭用エアコンの室内外機に搭載されるファンモータ用として、三相直流モータを駆動する半導体装置に用いられる。
図1および図2に示すように、本実施形態の半導体装置100は、略直方体状の形状を有している。
インバータICチップ1は、略長方形板状の形状を有しており、図1に示すように、半導体装置100の上面中央部を覆うように配置されている。また、基板8は、半導体装置100の下面全体を覆う長方形板状の形状を有している。なお、上下とは、図面説明上のものである。
図1において、インバータICチップ1は、その内部に出力回路2と制御回路3とを有している。なお、出力回路2、制御回路3の機能については後述する。
図2においては、インバータICチップ1を取り去った状態の半導体装置100を示す。ただし、インバータICチップ1、およびその内部の出力回路2、制御回路3の位置を、それぞれの符号とともに破線で示す。図示のように、制御回路3の下方には、ダイオードチップ4a,4b,4c,4dが配置される。
図1を参照して、各ダイオードチップの配置状態の詳細を説明する。インバータICチップ1と基板8との間には、ダイオードチップ4a,4b,4c,4dが配置される。各ダイオードチップ4a,4b,4c,4dは、各々P極面5a,5b,5c,5dと、N極面6a,6b,6c,6dとを有する。
ダイオードチップ4a,4cのP極面5a,5cは、インバータICチップ1に接合され、電気的に接続されている。ダイオードチップ4b,4dは、そのN極面6b,6dが基板8に接しており、電気的に接続されている。ダイオードチップ4a,4cは、そのN極面6a,6cがバンプ7を介して基板8に電気的に接続されている。バンプ7は、金属または導電性接着材等である。
インバータICチップ1と基板8の間には、樹脂11が充填され、上述した各構成要素が一体化した半導体装置100が構成されている。そして、図1に示すように、インバータICチップ1は、その上面を露出させている。
なお、本実施形態では、P極またはN極のうちの一方である第1の極をP極面とし、P極またはN極のうちの他方である第2の極をN極面とした例であるが、P極とN極の極性を逆に構成する態様でもよい。
半導体装置100は、インバータICチップ1とダイオードチップ4a,4b,4c,4dの積層構造を採り、モータ駆動に必要な機能を一つのパッケージに収めている。
ダイオードチップ4a,4b,4c,4dは、2つずつ2組に分かれて積層される。図1および図2では、ダイオードチップ4a,4b,4c,4dは、ダイオードチップ4a,4bの組と、ダイオードチップ4c,4dの組との2組に分かれて積層される。ここで、ダイオードチップ4a,4b(4c,4d)は、2つのチップをダイオードチップ4aのN極面6aと、ダイオードチップ4bのP極面5bとを接合(縦積層)することができる。
このように、インバータICチップ1は、出力回路2の部分と制御回路3の部分の両方が備わって構成される。ただし、必ずしも出力回路2部分と制御回路3部分が一体となったインバータICチップ1に限定されるものではない。
(1)ダイオードチップ4a,4b,4c,4dは、インバータICチップ1の低圧回路面(制御回路3部分)に積層する(図2の符号a参照)。
(2)インバータICチップ1は、裏面がパッケージ外に露出する(図1の符号b参照)。
(3)ダイオードチップ4a,4cは、P極面がインバータICチップ1に接続する(図1の符号c参照)。
図3は、三相直流モータの駆動回路の一例を示す回路図である。
図3に示すように、三相直流モータの駆動回路200は、モータ206への電流をオン・オフ制御するインバータIC201と、ダイオードブリッジ回路からなる整流回路202と、交流電源203と、整流された直流電圧や電流の安定化を図るコイル204とコンデンサ205を含んで構成される。
三相直流モータの駆動回路200は、一般的な家庭用交流電源203をダイオードブリッジ回路からなる整流回路202で直流変換し、コイル204やコンデンサ205を介してインバータIC201に接続され、このインバータIC201によってモータ206を駆動する。コイル204は、例えば一般的な電源コイル等が用いられる。また、コンデンサ205は、例えば一般的なセラミックコンデンサ、電界コンデンサおよびフィルムコンデンサ等が用いられる。
図4および図5に示すように、交流電源203は、半導体装置100に備えられた基板8から基板電極10とバンプ7を介して下段側のダイオードチップ4bと4dのN極面6bと6dへと繋がり、P極面5bと5dと積層接続された上段側のダイオードチップ4aと4cのN極面6aと6cとP極面5aと5cを介してインバータICチップ1の制御回路3部分に設けられた回路配線9に繋がる。そして、再びダイオードチップ4a,4b,4c,4d、基板8等を介して、半導体装置100とは別に備えられたコイル204とコンデンサ205に繋がる。すなわち、ダイオードチップ4a,4b,4c,4dは、ダイオードブリッジ回路を構成しており、交流を直流に変換する整流回路202に相当する。
整流された直流は、再び半導体装置100の外周部に備え付けられたバンプ7を介してインバータICチップ1に繋がり、このインバータICチップ1の出力回路2と制御回路3によって交流に変換され、変換された主電流は再びバンプ7を介してモータ206へ供給されモータ206を駆動する。このとき、例えば三相直流モータであれば、位相の異なる3つの主電流がモータへと供給される。
なお、制御回路部分、ダイオードチップ、出力回路部分の発熱は、何れも「一方の面」、「他方の面」の双方から放出される。本実施形態は、熱伝導(または熱抵抗)としてどちらが大きいのかに着目したものである。
かかる特徴を有する半導体装置100は、家電用、自動車用および産業用のモータドライブや電源用途の半導体装置、特にインバータICの小型高集積化、高機能化、高放熱化、低インダクタンスおよび低インピーダンス化に適用して有効である。
第2の実施形態は、本発明に係る半導体装置にコイルとコンデンサを内蔵してオールインワン化した例である。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置300の縦構造と三相直流モータの駆動回路200との関係を示した概略図である。
本実施形態に係る半導体装置300は、第1の実施形態に係る半導体装置100にコイル204とコンデンサ205を内蔵したものに相当する。以下、第1の実施形態と相違する事項を中心に説明する。
したがって、半導体装置300は、第1の実施形態に係る半導体装置100に比べ、基板8を一回り大きくし、封止樹脂11ですることで実現できる。
図7は、半導体装置の鋼板モータへの実装例を示す概略図である。
図7に示すように、鋼板モータ400は、モールドモータであり、シャフト401、軸受402、軸受402に固定されたロータ403、ロータ403の外周部に配置されたコイル404、および各部を収容して密閉し鋼板モータ外形を構成する鋼板405を備える。鋼板405は、シャフト401に対して同心円状に延びる有底円筒形の筺体本体405aと、筺体本体405aの円形開口部を塞ぐ蓋部405bと、からなる。
また、鋼板モータ400は、筺体内部の軸受402の外周側に同心円形状のモータ基板406を備え、モータ基板406上に半導体装置100(または、半導体装置300)を載置する。半導体装置100(300)は、基板8の配線が基板電極10(図示省略)を介してモータ基板406の配線に接続される。また、半導体装置100(300)は、インバータICチップ1の裏面がパッケージ外に露出しており、この露出したインバータICチップ1の裏面が鋼板405の蓋部405bに面接触するように配置される。
図8は、半導体装置の放熱フィンの取付け例を示す概略図である。
図8に示すように、半導体装置100(または、半導体装置300)のインバータICチップ1の裏面(露出側)に放熱フィン500aを有する放熱部材500を取付けることも可能である。図7の符号fに示すように、半導体装置100(300)の制御回路3(図示省略)とダイオードチップ4a,4b,4c,4d(図示省略)の発熱は、基板8に放出される。また、図7の符号gに示すように、半導体装置100(300)のインバータICチップ1の発熱は、パッケージ外に露出した裏面を介して放熱部材500に放熱される。一つのパッケージ構成において、放熱経路が分離されるので、高放熱化および低熱抵抗化を実現することができる。
また、上記各実施形態において、P極とN極を逆にした構成も可能である。ただし、P極とN極を逆に構成すると、インダクタンスが多少増える。
2 出力回路
3 制御回路
4a,4b,4c,4d ダイオードチップ
5a,5b,5c,5d P極面(P極)
6a,6b,6c,6d N極面(N極)
7 バンプ
8 基板
9 回路配線
10 基板電極
11 封止樹脂
100,300 半導体装置
200 三相直流モータ駆動回路
201 インバータIC
202 整流回路(ダイオードブリッジ回路)
203 交流電源
204 コイル
205 コンデンサ
206 モータ(三相直流モータ)
Claims (7)
- ダイオードチップと、
前記ダイオードチップのP極またはN極のうちの一方である第1の極と電気的に接続され、かつ出力回路部分および制御回路部分を備えたインバータICチップと、
前記ダイオードチップのP極またはN極のうちの他方である第2の極と直接またはバンプを介して電気的に接続され、かつ前記インバータICチップとバンプを介して電気的に接続される基板と、を備え、
前記ダイオードチップと前記インバータICチップと前記基板とが積層されてなる積層体を封止して一体化し、
前記インバータICチップの一方の面の前記制御回路部分に前記ダイオードチップを積層し、前記インバータICチップの他方の面が外部側に位置することを特徴とする半導体装置。 - 前記インバータICチップは、前記出力回路部分と前記制御回路部分が共通の半導体基板上に一体的に形成されてなるインバータICで構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記基板側に、前記インバータICチップと前記ダイオードチップとを縦積層することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ダイオードチップは、前記インバータICチップの低圧回路部分に積層することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記ダイオードチップは、入力側で交流を整流するブリッジ構成のダイオードであり、交流入力側のダイオード同士を縦積層することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記インバータICチップの前記出力回路部分の発熱は、前記インバータICチップの前記他方の面に放出させ、前記インバータICチップの前記制御回路部分および前記ダイオードチップの発熱は、前記基板に放出させることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記インバータICチップの外周部の前記基板上に受動部品を載置し、前記封止で一体化することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
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