JP6399962B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の自己インダクタンス低減に関するものである。

ＩＧＢＴモジュールまたはＳｉＣモジュールなどのパワーモジュールにおいて、互いの合計電流が相殺して概ねゼロとなるように複数の端子（電極）を配置した構成がある。この構成では、半導体装置の自己インダクタンスを低減させるために、複数の端子が絶縁材を介して互いに接近して配置されたり、複数の端子の接近部分が平行に配置されたりしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２１１０７号公報

しかしながら、外部回路と接続するための端子は絶縁性を有する樹脂ケース内から外部に開放される必要があり、複数の端子間は沿面距離確保のために互いに離して配置される必要がある。または沿面距離確保のために樹脂ケースの上面に凹凸が設けられることから、半導体装置の自己インダクタンスを一定以上低減させることが困難であった。

そこで、本発明は、自己インダクタンスを低減させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子を収容する樹脂ケースと、前記半導体素子と接続されるとともに前記樹脂ケース内に配置され、かつ、絶縁材を介して互いに平行に配置される２枚の平板によって構成される平行平板と、前記平行平板の上端の電極引き出し部からそれぞれ引き出されて前記樹脂ケースの上面に予め定められた間隔をあけて配置される２つの電極と、２つの前記電極引き出し部の間における前記予め定められた間隔の領域に、前記平板の主面に対して立設状に配置され、かつ、前記２つの電極よりも下方に位置する金属板とを備え、２つの前記電極および前記金属板は別体である。

本発明によれば、金属板は、２つの電極引き出し部の間における予め定められた間隔の領域に、平板の主面に対して立設状に配置され、かつ、２つの電極よりも下方に位置する。平行平板における２つの電極引き出し部の間は磁束が集中し易いが、この部分に金属板が配置されることで磁束の集中が緩和され、半導体装置の自己インダクタンスを低減させることができる。

実施の形態１に係る半導体装置の斜視図である。 実施の形態１に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態２に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態２の変形例に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態３に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態３に係る半導体装置の電極引き出し部の間を示す拡大斜視図である。 実施の形態３の変形例に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態４に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態４の変形例に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 実施の形態５に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。 前提技術に係る半導体装置の斜視図である。 前提技術に係る半導体装置の平行平板および電極の斜視図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の斜視図であり、図２は、実施の形態１に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。

図１と図２に示すように、半導体装置は、ＩＧＢＴモジュールまたはＳｉＣモジュールなどのパワーモジュールであり、樹脂ケース５、平行平板１０、電極１，２および金属板７を備えている。樹脂ケース５は箱状に形成され、内部に半導体素子（図示省略）が収容されている。樹脂ケース５において後部の上面が前部の上面よりも高い高さ位置になるように形成されている。樹脂ケース５の前部の上端部に蓋６が配置され、蓋６が樹脂ケース５の前部の上面を形成している。

平行平板１０は、半導体素子と接続されるとともに樹脂ケース５の後部の内部に配置されている。平行平板１０は、絶縁材３を介して互いに平行に配置される２枚の平板１１，１２によって構成されている。平板１１は、樹脂ケース５の幅方向に延びるように形成され、主面が前方または後方を向くように配置されている。平板１１の幅方向左端部の上端（電源引き出し部１１ａ）から前方に向けて電極１が引き出されている。平板１２は、樹脂ケース５の幅方向に延びるように形成され、主面が前方または後方を向くように配置されている。平板１２の幅方向右端部の上端（電源引き出し部１２ａ）から前方に向けて電極２が引き出されている。電極１および電極２は、樹脂ケース５の後部の上面に予め定められた間隔をあけて配置され、樹脂ケース５の後部の上端部における電極１と電極２との間に蓋６ａが配置されている。

金属板７は、銅またはアルミニウム合金などの非磁性材料で構成され、１ＭＨｚでの表皮深さが自身の厚み以下であり、かつ、電極１，２とは独立している。また、金属板７の厚みは電極１の厚みよりも薄くなるように形成されている。金属板７は、２つの電極引き出し部１１ａ，１２ａの間における予め定められた間隔の領域に、平板１２の主面に対して立設状に配置されている。より具体的には、金属板７は、平板１２における電極１の電極２側端部に対応する位置に、電極１の裏面と金属板７の上端との間に１ｍｍ以下（例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下）の間隔をあけて垂直に配置され固定されている。そのため、金属板７の垂直面は半導体装置の幅方向（左右方向）を向いている。２つの電極引き出し部１１ａ，１２ａの間における予め定められた間隔の領域に金属板７が配置されることで、この部分の磁束の集中を緩和し、半導体装置の自己インダクタンスを低減可能としている。なお、金属板７は、平板１２における電極２の電極１側端部に対応する位置にも配置してもよい。

自己インダクタンスが問題となる現象の周波数帯域は概ね１０ＭＨｚ以上であり、１ＭＨｚ以上で効果が生じれば主要となる用途において十分な効果が期待できる。金属板は表皮効果の制限の範囲で高周波磁束の侵入を阻む性質があり、したがって、非磁性かつ１０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する金属板を配置することで磁束の集中を緩和できる。単純に考えれば、金属板は広い面にて覆うことが有効であるかのように感じる。しかし、本願の発明者が詳細に電磁界シミュレーションを繰り返した結果、金属板が少なくとも電極の基端部付近に配置されていない場合は効果が小さい、すなわち金属板の一部が電極の基端部付近に配置されていることが必須要件であることを見出した。

次に、実施の形態１に係る半導体装置から得られる効果について、前提技術に係る半導体装置の場合と対比しながら説明する。図１１は、前提技術に係る半導体装置の斜視図であり、図１２は、前提技術に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。

最初に、前提技術に係る半導体装置について説明する。図１１と図１２に示すように、前提技術に係る半導体装置は、樹脂ケース５、平行平板１０および電極１，２を備えている。樹脂ケース５の前部の上端部に蓋６が配置され、蓋６が樹脂ケース５の前部の上面を形成している。

平行平板１０は、半導体素子と接続されるとともに樹脂ケース５の後部の内部に配置されている。平行平板１０は、絶縁材３を介して互いに平行に配置される２枚の平板１１，１２によって構成されている。平板１１は、樹脂ケース５の幅方向に延びるように形成され、主面が前方または後方を向くように配置されている。平板１１の幅方向左端部の上端（電源引き出し部１１ａ）から前方に向けて電極１が引き出されている。平板１２は、樹脂ケース５の幅方向に延びるように形成され、主面が前方または後方を向くように配置されている。平板１２の幅方向右端部の上端（電源引き出し部１２ａ）から前方に向けて電極２が引き出されている。電極１および電極２は、樹脂ケース５の後部の上面に予め定められた間隔をあけて配置されている。

ここで、前提技術においては、電極１と電極２との間隔は、実施の形態１の場合と比較して狭くなっている。これは、平行平板１０における電極引き出し部１１ａ，１２ａの間の間隔が狭い方が半導体装置の自己インダクタンスを低減させることができるからである。

しかし、図１１に示すように、前提技術に係る半導体装置では、電極１と電極２との間の沿面距離を稼ぐために、樹脂ケース５の上面における電極引き出し部１１ａ，１２ａの間の部分に対応する領域５ａは凹凸形状に形成されている。そのため、平行平板１０における電極引き出し部１１ａ，１２ａの間の部分と、電極引き出し部１１ａ，１２ａに接続されるブスバーとの距離が長くなり、自己インダクタンスを一定以上低減させることが困難であった。

これに対して、実施の形態１に係る半導体装置では、金属板７は、２つの電極引き出し部１１ａ，１２ａの間における予め定められた間隔の領域に、平板１２の主面に対して立設状に配置される。平行平板１０における２つの電極引き出し部１１ａ，１２ａの間は磁束が集中し易いが、この部分に金属板７が配置されることで磁束の集中が緩和され、半導体装置の自己インダクタンスを低減させることができる。

金属板７と電極１との間隔は１ｍｍ以下であるため、磁束密度が増加しにくい状態となり、半導体装置の自己インダクタンスを一層低減させることができる。ここで、２つの電極１，２が接近する部分、すなわち２つの電極１，２の間は磁束密度が増加しにくい状態になっている。磁束は発生消失がなく一巡するため、磁束密度が増加しにくい状態の部分から磁束を誘導して集中する部分へと向かわないようにすれば、全体として自己インダクタンスを低減できる。したがって、２つの電極１，２が接近する部分に金属板７を十分に接近させれば、全体として自己インダクタンスを低減できる。金属板７を電極１に接近させるためには概ね同電位である必要がある。

金属板７の厚みは電極１の厚みよりも薄いため、半導体装置の製造コストが上昇することを抑制できる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置について説明する。図３は、実施の形態２に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態２では、金属板７は電極１の裏面に接触した状態で配置されている。以下、具体的に説明する。半導体装置は、金属部材１７をさらに備え、金属部材１７は、銅またはアルミニウム合金などの非磁性材料で構成されている。金属部材１７は、電極１よりも大きな平面視輪郭、すなわち、電極１の長さよりも長く形成され、電極１の裏面に接触した状態で固定されている。金属板７は、金属部材１７の一部で構成されている。より具体的には、金属部材１７の電極２側の部分を下方に垂直に曲げることで金属板７が形成されている。また、金属板７を含む金属部材１７は、平板１２および電極１に対して交換可能に構成されている。

金属板７は電極１よりも軟らかい材質で構成されている。これは、電極１を、電極１に接続される外部配線に押し付ける力を、金属板７の変形によって均一化されることで、電極１と外部配線との接触状態を向上させるためである。電極１がニッケルメッキ処理を施した銅板の場合、金属板７はニッケルメッキ処理を施していない銅板、また電極１が圧延銅板の場合、金属板７は焼鈍銅板、さらに電極１が銅の場合、金属板はアルミニウム合金で構成されることが好ましい。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置では、金属板７は、電極１に接触した状態で配置されるため、電極１と金属板７との間からの磁束の漏れを抑制し、半導体装置の自己インダクタンスを一層低減させることができる。ここで、絶縁材を用いて電極１と金属板７とを絶縁する場合、電極１と金属板７との間に絶縁材を配置するためのスペースが必要となり、そのスペースに磁束が漏れる。また、回路に接続されない金属板７は電位が不定となるので、パーシャルディスチャージによって絶縁材３の劣化を促進させる。電極１と絶縁筺体部品である樹脂ケース５を一体化する段階では金属板７は分離していた方が好ましいが、半導体装置の使用時には電気的に接続した方が磁束緩和の観点からも絶縁材３の劣化抑制の観点からも好ましい。

電極１の裏面に接触した状態で配置され、かつ、電極１よりも大きな平面視輪郭を有する金属部材１７をさらに備え、金属板７は、金属部材１７の一部で構成されるため、電極１の放熱効果を向上させることが可能となる。

金属板７は、平板１２に対して交換可能に構成されるため、種々の寸法の金属板７を用意しておくことで、自己インダクタンスの低減効果の高い構造と低い構造とを容易に実現できる。

金属板７は電極１よりも軟らかいため、電極１を外部配線に押し付ける力を、金属板７の変形によって均一化されることで、電極１と外部配線との接触状態を向上させることが可能となる。

なお、金属板は、平板１２における電極２の電極１側端部に対応する位置にも配置してもよい。図４は、実施の形態２の変形例に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。

図４に示すように、半導体装置は、金属部材１８をさらに備えている。金属部材１８は、銅またはアルミニウム合金などの非磁性材料で構成されている。金属部材１８は、電極２よりも大きな平面視輪郭、すなわち、電極２の長さよりも長く形成され、電極２の裏面に接触した状態で配置されている。金属板８は、金属部材１８の一部で構成されている。より具体的には、金属部材１８の電極１側部分を下方に垂直に曲げることで金属板８が形成されている。また、２つの金属板７，８は互いに対向するように配置され、２つの金属板７，８の垂直面が対面している。

以上のように、実施の形態２の変形例に係る半導体装置は、２つの金属板７，８を備え、２つの金属板７，８は、２つの電極１，２にそれぞれ対応して配置されるため、金属板７のみを配置した場合よりも半導体装置の自己インダクタンスを一層低減させることができる。

２つの金属板７，８は互いに対向するように配置されるため、電極１，２から離れようとする磁束を阻害することができることから、半導体装置の自己インダクタンスを一層低減させることができる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置について説明する。図５は、実施の形態３に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図であり、図６は、実施の形態３に係る半導体装置の電極引き出し部１１ａ，１２ａの間を示す拡大斜視図であり、図７は、実施の形態３の変形例に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態３では、２つの金属板７，８のうち少なくとも一方は、先端部が基端部よりも他方の金属板に接近するように配置されている。より具体的には、図５に示すように、金属板８は、上下方向中央部で電極１側に曲げられることで先端部が基端部よりも他方の金属板７に接近している。そのため、図６に示すように、２つの金属板７，８の間隔ｂは、２つの電極１，２の間隔ａよりも小さい。

また、金属板８だけでなく金属板７も電極２側に曲げられていてもよい。より具体的には、図７に示すように、金属板７は、上下方向中央部で電極２側に曲げられることで先端部が基端部よりも他方の金属板８に接近している。

以上のように、実施の形態３およびその変形例に係る半導体装置では、２つの金属板７，８のうち少なくとも一方は、先端部が基端部よりも他方の金属板に接近するように配置されるため、磁束を遠回りさせることができ、半導体装置の自己インダクタンスを一層低減させることができる。ここで、電極１，２の基端部付近に金属板７，８が配置されていることが必須要件ではあるが、この部分で阻害した磁束をなるべく遠回りさせた方が自己インダクタンスの低減効果は高くなる。しかし、異電極間には沿面距離および空間距離の制約があるから、単純に接近させることはできない。この目的の実現方法として、絶縁材である蓋６に囲まれた状態で金属板７，８を接近させるべく、２つの金属板７，８のうち少なくとも一方を、先端部が基端部よりも他方の金属板に接近するように配置する。

２つの金属板７，８の間隔ｂは、２つの電極１，２の間隔ａよりも小さいため、磁束密度が増加しにくい状態となり、半導体装置の自己インダクタンスを一層低減させることができる。

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体装置について説明する。図８は、実施の形態４に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図であり、図９は、実施の形態４の変形例に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１から３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態４では、金属板１ａ，２ａは電極１，２の一部で構成されている。より具体的には、図８に示すように、金属板１ａは、電極１における電極２側部分を下方に曲げることで形成され、金属板２ａは、電極２における電極１側部分を下方に曲げることで形成されている。

以上のように、実施の形態４に係る半導体装置では、金属板１ａ，２ａは電極１，２の一部で構成されるため、金属板７，８を配置した場合と同様に、半導体装置の自己インダクタンスを低減させることができる。また、金属板７，８を配置した場合よりも部品点数が減少するという利点もある。

なお、金属板１ａ，２ａは電極１，２に対してそれぞれ傾斜状に形成されてもよい。図９は、実施の形態４の変形例に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。図９に示すように、金属板１ａは、電極２側へ行く程下方に傾斜する傾斜状に形成され、金属板２ａは、電極１側へ行く程下方に傾斜する傾斜状に形成されている。

以上のように、実施の形態４の変形例に係る半導体装置では、金属板１ａ，２ａは電極１，２に対して傾斜状に形成されるため、傾斜状の部分に絶縁壁を容易に配置でき沿面距離および空間距離を満足しながら金属板１ａ，２ａを他方の電極２，１にそれぞれ接近させることができる。

＜実施の形態５＞
次に、実施の形態５に係る半導体装置について説明する。図１０は、実施の形態５に係る半導体装置の平行平板１０および電極１，２の斜視図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１から４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態５では、図１０に示すように、金属板７，８に複数の円状の貫通穴７ａ，８ａがそれぞれ設けられている。これは、金属板７，８が樹脂ケース５にインサート成型される場合に、貫通穴７ａ，８ａを設けることで、インサート成型時の樹脂の流動性を向上させている。なお、貫通穴７ａ，８ａは、それぞれ複数ずつではなく１つずつ設けられてもよい。

また、実施の形態１で説明した図２の金属板７は、樹脂ケース５の蓋６ａにインサート成型されてもよい。金属板７が、樹脂ケース５の蓋６ａにインサート成型される場合、金属板７を２つの電極引き出し部１１ａ，１２ａの間における予め定められた間隔の領域に容易に配置することができる。

この場合にも、金属板７に貫通穴を設けることで、インサート成型時の樹脂の流動性を向上させることができる。また、金属板７は弾性力を有していることから、蓋６ａを樹脂ケース５に取り付ける際に用いられるナットのアウトサート化を図ることを可能としている。

蓋６ａは、樹脂ケース５に対して交換可能に構成されるため、金属板７が、樹脂ケース５の蓋６ａにインサート成型される場合、蓋６ａとともに金属板７も樹脂ケース５に対して交換可能となる。金属板７をインサート成型した蓋６ａと、金属板７と電極２に対応する金属板の一方のみをインサート成型した蓋６ａとを用意しておくことで、自己インダクタンスの低減を優先させた製品と製造コストを優先させた製品とを、蓋６ａを変更するだけで容易に実現できる。

以上のように、実施の形態５に係る半導体装置では、金属板７が樹脂ケース５の蓋６ａにインサート成型される場合、金属板７を２つの電極引き出し部１１ａ，１２ａの間における予め定められた間隔の領域に容易に配置することができる。

金属板７，８に貫通穴７ａ，８ａがそれぞれ設けられるため、インサート成型時の樹脂の流動性を向上させることができる。

金属板７は弾性力を有するため、蓋６ａを樹脂ケース５に取り付ける際に用いられるナットのアウトサート化を図ることができ、ナットの取り付けが簡単になる。

蓋６ａは、樹脂ケース５に対して交換可能に構成されるため、金属板７をインサート成型した蓋６ａと、金属板７と電極２に対応する金属板の一方のみをインサート成型した蓋６ａとを用意しておくことで、自己インダクタンスの低減を優先させた製品と製造コストを優先させた製品とを、蓋６ａを変更するだけで容易に実現できる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１，２ 電極、１ａ，２ａ 金属板、３ 絶縁材、５ 樹脂ケース、６ａ 蓋、７，８ 金属板、７ａ，８ａ 貫通穴、１０ 平行平板、１１，１２ 平板、１１ａ，１２ａ 電極引き出し部。

Claims (17)

1. 半導体素子を収容する樹脂ケースと、
   前記半導体素子と接続されるとともに前記樹脂ケース内に配置され、かつ、絶縁材を介して互いに平行に配置される２枚の平板によって構成される平行平板と、
   前記平行平板の上端の電極引き出し部からそれぞれ引き出されて前記樹脂ケースの上面に予め定められた間隔をあけて配置される２つの電極と、
   ２つの前記電極引き出し部の間における前記予め定められた間隔の領域に、前記平板の主面に対して立設状に配置され、かつ、前記２つの電極よりも下方に位置する金属板と、
   を備え、
   ２つの前記電極および前記金属板は別体である、半導体装置。
2. 前記金属板は、前記電極に接触した状態で配置される、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記金属板の上端と前記電極の下面との間隔は１ｍｍ以下である、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記金属板を２つ備え、
   前記２つの金属板は、前記２つの電極にそれぞれ対応して配置される、請求項２または請求項３記載の半導体装置。
5. 前記２つの金属板のうち少なくとも一方は、先端部が前記２つの電極にそれぞれ接続された基端部よりも他方の金属板に接近するように配置される、請求項４記載の半導体装置。
6. 前記２つの金属板の間隔は、前記２つの電極の間隔よりも小さい、請求項４または請求項５記載の半導体装置。
7. 前記２つの金属板は互いに対向するように配置される、請求項４記載の半導体装置。
8. 半導体素子を収容する樹脂ケースと、
   前記半導体素子と接続されるとともに前記樹脂ケース内に配置され、かつ、絶縁材を介して互いに平行に配置される２枚の平板によって構成される平行平板と、
   前記平行平板の上端の電極引き出し部からそれぞれ引き出されて前記樹脂ケースの上面に予め定められた間隔をあけて配置される２つの電極と、
   ２つの前記電極引き出し部の間における前記予め定められた間隔の領域に、前記平板の主面に対して立設状に配置され、かつ、前記２つの電極よりも下方に位置する金属板と、
   を備え、
   前記金属板は前記２つの電極における対向する側が下方に曲げられた形状である、半導体装置。
9. 前記金属板は前記電極に対して傾斜状に形成される、請求項８記載の半導体装置。
10. 前記金属板の厚みは前記電極の厚みよりも薄い、請求項１記載の半導体装置。
11. 前記金属板は前記樹脂ケースの蓋にインサート成型される、請求項１記載の半導体装置。
12. 前記金属板に貫通穴が設けられる、請求項１１記載の半導体装置。
13. 前記金属板は弾性力を有する、請求項１１記載の半導体装置。
14. 前記蓋は、前記樹脂ケースに対して取り外し可能に固定される、請求項１１記載の半導体装置。
15. 前記電極の裏面に接触した状態で配置され、かつ、前記電極よりも大きな平面視輪郭を有する金属部材をさらに備え、
    前記金属板は、前記金属部材の一部で構成される、請求項１記載の半導体装置。
16. 前記金属板は、前記平板に対して取り外し可能に固定される、請求項１記載の半導体装置。
17. 前記金属板は前記電極よりも軟らかい、請求項１記載の半導体装置。

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