JP6645707B2 - Semiconductor power module - Google Patents
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Description
本願は、半導体パワーモジュールに関するものである。 The present application relates to a semiconductor power module.
半導体パワーモジュールを大容量化するためには、絶縁基板上に多数の半導体素子を並列接続する必要がある。SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)を用いた次世代半導体素子は、大きくなるほど製造歩留りが低いため、サイズの小さい半導体素子を複数個、並列接続して使用することが求められる。 In order to increase the capacity of a semiconductor power module, it is necessary to connect a large number of semiconductor elements in parallel on an insulating substrate. Since the production yield of a next-generation semiconductor device using SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride) decreases as the size increases, it is required to use a plurality of small-sized semiconductor devices in parallel.
しかし、複数の半導体素子を並列接続して使用した場合、半導体素子の電気的な特性差、制御配線長の差によるインダクタンス差によって、素子毎の閾値電圧(Vth:threshold Voltage)に差が発生し、同時タイミングで半導体素子を駆動することは難しい。特にインダクタンス差を揃える為に、制御配線長を全ての半導体素子間で等しくした場合、半導体素子に対する制御配線が複雑化し、半導体パワーモジュールの実装面積が大型化することになる。 However, when a plurality of semiconductor elements are used in parallel, a difference in threshold voltage (Vth: threshold voltage) for each element occurs due to a difference in electrical characteristics of the semiconductor elements and a difference in inductance due to a difference in control wiring length. It is difficult to drive semiconductor elements at the same time. In particular, when the control wiring length is made equal among all the semiconductor elements in order to make the inductance difference uniform, the control wiring for the semiconductor elements becomes complicated and the mounting area of the semiconductor power module becomes large.
これらの問題に対して、基板上に制御配線専用の配線基板を設けて配線し、サイズアップを防止する構造として、例えば特許文献1のような技術が提案されている。
To solve these problems, for example, a technique as disclosed in
上記特許文献1に示すように、基板上に制御配線用の配線基板を設けて半導体パワーモジュールのサイズアップを防止することはできる。しかし、特許文献1には、次の(1)〜(4)に示すような課題があった。
(1)ケース(樹脂)、ベース(ダイレクトボンデッドカッパー基板=DBC基板)とは別に、中継配線基板を用意しているため、部品点数の増加によるコスト高となっている。また、中継基板とケースにインサートされた制御端子間をワイヤボンドで接続するため、組み立て工数が増加し、コスト高になる。
(2)ベース上に中継基板を実装しているため、半導体パワーモジュールの実装面積が大型化している。
(3)制御配線インダクタンスを揃えることは可能であるが、半導体素子毎の電気的特性差を吸収することができない。そのため、複数の半導体素子のセットを、それぞれの半導体素子の実装位置も勘案した上で予め選定してから半導体パワーモジュールを形成しなければならず、コスト高になる。
(4)主回路配線インダクタンスによる、電流偏差の影響を考慮しておらず、半導体素子を同時に駆動させた場合でも、それぞれの半導体素子を流れる電流にばらつきが発生してしまう。
As described in
(1) Since a relay wiring board is prepared separately from the case (resin) and the base (direct bonded copper board = DBC board), the cost is increased due to an increase in the number of parts. In addition, since the relay board and the control terminal inserted into the case are connected by wire bonding, the number of assembling steps is increased and the cost is increased.
(2) Since the relay board is mounted on the base, the mounting area of the semiconductor power module is increased.
(3) It is possible to make the control wiring inductances uniform, but it is not possible to absorb the difference in electrical characteristics of each semiconductor element. Therefore, a semiconductor power module must be formed after selecting a set of a plurality of semiconductor elements in advance in consideration of the mounting position of each semiconductor element, resulting in an increase in cost.
(4) Even when the semiconductor elements are driven simultaneously without considering the influence of the current deviation due to the main circuit wiring inductance, variations occur in the current flowing through each semiconductor element.
本願は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、実装面積を低減し、製造コストを低減し、信頼性を向上できる半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。 The present application has been made in view of these problems, and has as its object to provide a semiconductor power module that can reduce a mounting area, reduce a manufacturing cost, and improve reliability.
本願に開示される半導体パワーモジュールは、
複数の半導体素子を電気的に並列に実装して1アームを構成する半導体パワーモジュールにおいて、
絶縁基板に実装されている複数の前記半導体素子と、
前記半導体素子の上電極にそれぞれ接続されているバスバと、
外部の制御基板と全ての前記半導体素子との間で、温度センス信号及び電流センス信号の少なくとも一方と、前記半導体素子のゲート信号及び制御ソース信号とを中継し、分配する、モールド樹脂に一体成型された第一制御配線と、
前記第一制御配線上に実装された電子部品とを有するものである。
The semiconductor power module disclosed in the present application is:
In a semiconductor power module in which a plurality of semiconductor elements are electrically mounted in parallel to constitute one arm,
A plurality of the semiconductor elements mounted on an insulating substrate,
Bus bars connected to the upper electrode of the semiconductor element,
Between an external control board and all the semiconductor elements, relays at least one of the temperature sensing signal and the current sense signal and a gate signal and a control source signal of the semiconductor device, distributes, integrally molded resin Molded first control wiring,
Electronic components mounted on the first control wiring.
本願に開示される半導体パワーモジュールによれば、半導体パワーモジュールの電子部品の実装面積を小さくし、半導体パワーモジュールの小型化、部品点数削減、ワイヤ本数を削減することができる。これにより、部品コスト、製品の製造コストを低減できる。 According to the semiconductor power module disclosed in the present application, the mounting area of electronic components of the semiconductor power module can be reduced, and the semiconductor power module can be reduced in size, the number of components, and the number of wires can be reduced. As a result, component costs and product manufacturing costs can be reduced.
さらに、樹脂と一体化された信号配線上に電子部品を実装するため、半導体素子のそれぞれの素子特性を考慮して、それぞれの半導体素子の近傍に実装されるべき電子部品の定数を分別して決定できるので、半導体素子の個別の特性による素子の選定、ペアリング、並び替え等の工程が不要となり、半導体パワーモジュールの素子コストを低減しつつ、半導体素子の損失を均一化して信頼性の高い半導体パワーモジュールを提供することができる。特に、SiCウェハは高価であるため、コスト低減の効果が顕著である。 Furthermore, in order to mount the electronic components on the signal wiring integrated with the resin, the constants of the electronic components to be mounted in the vicinity of the respective semiconductor devices are determined separately in consideration of the respective device characteristics of the semiconductor devices. This eliminates the need for processes such as device selection, pairing, and rearrangement based on individual characteristics of the semiconductor device, thereby reducing the cost of the semiconductor power module and uniformizing the loss of the semiconductor device to achieve a highly reliable semiconductor. A power module can be provided. In particular, since the SiC wafer is expensive, the effect of cost reduction is remarkable.
また、電子部品を半導体素子近傍に実装できるため、ノイズ発生源になる信号配線ループを小さくしてノイズを低減できる。また、多並列チップ間の電流ばらつきの原因となる、信号配線インダクタンスの低減により、耐用温度が低い半導体素子でも使用が可能となり、半導体素子の選択枝が拡大し、半導体パワーモジュールのコスト低減、外部の制御基板の小型化が可能であり、半導体パワーモジュールを含むユニット全体の小型化、低コスト化が可能である。 Also, since the electronic component can be mounted near the semiconductor element, the noise can be reduced by reducing the signal wiring loop that is a noise generation source. In addition, a reduction in signal wiring inductance, which causes current variation between multiple parallel chips, enables the use of semiconductor elements having a low withstand temperature, thereby increasing the options for semiconductor elements, reducing the cost of semiconductor power modules, and reducing external costs. Therefore, the size of the control board can be reduced, and the entire unit including the semiconductor power module can be reduced in size and cost.
実施の形態1.
以下、実施の形態1による半導体パワーモジュールを図1〜図4を用いて説明する。各図において、同じものには同じ符号を付している。
図1は、例えば電力変換装置であるモーター駆動用インバータ90の回路図である。
Hereinafter, the semiconductor power module according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 is a circuit diagram of a
モーター駆動用インバータ90は、U層、V層、W層の3つの層で構成されており、各層は上アームと下アームの2つのアームで構成されている。図1においてQ1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6は、半導体パワーモジュールの最小単位である1アームを示している。
The
図2は、半導体パワーモジュール100の斜視図である。
図3は、半導体パワーモジュール100の上面図である。
図4は、半導体パワーモジュール100の断面図であり、図3のA−A線による断面を示している。
FIG. 2 is a perspective view of the
FIG. 3 is a top view of the
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
半導体パワーモジュール100内のスイッチング回路は、半導体素子2a、2b、2c、2d、2e、2fで構成されている。半導体素子2a〜2fは、例えば、電圧駆動型のMOS−FET(METAL−OXIDE−SEMICONDUCTO FIELD−EFFECT TRANSISTOR)、IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)、ダイオードであり、シリコンの他に、窒化ケイ素、窒化ガリウム、炭化ケイ素といった次世代半導体が使用されている。
The switching circuit in the
本明細書においては、図3の紙面上側を一端側とし、紙面下側を他端側とする。
また、本明細書において右側というときは、半導体パワーモジュール100の図3における紙面右側部分を指し、左側というときは、半導体パワーモジュール100の図3における紙面左側部分を指すものとする。
また、図3において見えている側を上(上面)とし、見えていない側を下(下面)とする。
また、図3において、紙面上下方向を長手方向、紙面左右方向を短手方向とする。
In this specification, the upper side in FIG. 3 is defined as one end, and the lower side in FIG. 3 is defined as the other end.
Further, in this specification, the right side means the right side of the
In FIG. 3, the visible side is the upper side (upper surface), and the invisible side is the lower side (lower surface).
In addition, in FIG. 3, the vertical direction in the drawing is the longitudinal direction, and the horizontal direction in the drawing is the lateral direction.
図2において、半導体パワーモジュール100は、図1に示す半導体パワーモジュールのQ1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6で示される1アーム分を構成するモジュールである。なお、最終的なモジュール形態は、Q1のみの1in1構成、Q1とQ4の上下アームを1セットとする2in1構成、Q1〜Q6をセットとする6in1構成等が考えられ、それらセットを例えば絶縁封止ゲル等の封止剤を用いて封止する。
In FIG. 2, a
図2〜図4に示すように、半導体パワーモジュール100は、セラミック基板50aと、セラミック基板50aの上面側に設けられた主配線銅パターン50bと、主配線銅パターン50bを設けた面とは反対側の下面に設けた放熱用銅パターン50cとからなる絶縁基板50を有する。主配線銅パターン50bは、セラミック基板50aにより絶縁されており、セラミック基板50aは、放熱用銅パターン50cを介して図示しない冷却用ヒートシンクに、例えば半田などにより接合されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
そして、半導体素子2a〜2fが、主配線銅パターン50b上に、半田等の金属接合材40により接合されている。半導体素子2a、2b、2cは、半導体パワーモジュール100の一端側から他端側に向かって長手方向に整列して配置されている。半導体素子2d、2e、2fは、半導体素子2a、2b、2cの列の右側に、この列と平行に、半導体パワーモジュール100の一端側から他端側に向かって長手方向に整列して配置されている。
The
制御配線モールド成形体1は、モールド樹脂11とモールド樹脂11に一体としてインサート成形された信号配線1a、1b、1c(第一制御配線)と、信号配線1a、1b、1cの一端側の端部に接続され、絶縁基板に対して垂直に立ち上がり、モールド樹脂11に一部を一体としてインサート成形された端子10a、10b、10cとからなる。絶縁基板50と制御配線モールド成形体1とは、制御配線モールド成形体1のモールド樹脂11によって絶縁されている。本実施の形態では、例として信号配線1aを温度センス配線、信号配線1bを制御ソース配線、信号配線1cをゲート配線として記載するが、他に、電流センス信号を採用することも可能である。
The control wiring molded
信号配線1a、1b、1cは、上述のようにモールド樹脂11によってモールドされているが、それぞれの上面は、モールド樹脂11から露出している。そして、モールド樹脂11には、制御配線モールド成形体1を、絶縁基板50の上から被せたときに、半導体素子2a〜2fの周囲をモールド樹脂11が取り囲むように、2列の穴が設けられている。すなわち2つの穴が、半導体パワーモジュール100の他端側から一端側に向かって長手方向に2個に整列して配置されている。
The
信号配線1aは、半導体パワーモジュール100の上記一端側の左隅部分から、半導体素子2aの近傍まで配設されている。信号配線1cは、半導体パワーモジュール100の上記一端側の左隅部分から、長手方向に3個ずつ、2列に並んだ穴の列の間に、それぞれの列と平行に配設されている。そして、信号配線1bは、半導体パワーモジュール100の上記一端側の左隅部分から、長手方向に3個ずつ、2列に並んだ穴の列の間に、それぞれの列と平行に配設されている。
The
信号配線1a及び信号配線1cは、それぞれモールド樹脂11に埋め込まれた1本の配線であるが、信号配線1bは、モールド樹脂11に埋め込まれ、信号配線1cを挟んで2分割された配線を、バイパスワイヤ30hによって接合して構成されている。
The
信号配線1a、1b、1cの一端側の端部は、外部の制御基板に接続される端子10a、10b、10cに接続されている。端子10a、10b、10cの信号配線1a、1b、1c側の所定の範囲も、上述のモールド樹脂11によって覆われている。
One ends of the
なお、本実施の形態では、信号配線1bは、信号配線1cを跨ぐ構成としているが、信号配線1bと信号配線1cの位置を入れ替えて、信号配線1bが信号配線1cを跨がない構成とすることも可能である。
In the present embodiment, the
このように、制御配線モールド成形体1を、信号配線1a、1b、1cと、端子10a、10b、10cとを、モールド樹脂11にインサート成形して一体化することにより、制御信号の統合および、中継、分配を、制御配線モールド成形体1上で行う事ができ、半導体パワーモジュール100の実装面積の小型化が可能となる。
As described above, by integrating the control wiring molded
半導体パワーモジュール100の一端側の端子10a、10b、10cの右には、図1のPまたはNで示す直流電流の入出力配線を接続する入力配線3を備える。主回路配線40a、40bは、図1のU、V、Wで示す出力電流用の配線である。
On the right side of the
主回路配線40aは、例えば銅製のバスバである。主回路配線40aは、半導体パワーモジュール100の実装面積の小型化のため、長手方向に一列に並び、絶縁基板50に電気的に並列に接続された半導体素子2a、2b、2cの上電極に金属接合材40を用いて接続されている。主回路配線40bも同様に、半導体素子2d、2e、2fの上電極に金属接合材40を用いて接続されている。なお、主回路配線40a、40bとして、アルミワイヤを用いても良い。
The
半導体素子2a〜2fが接続された絶縁基板50に、制御配線モールド成形体1を被せると、図3に示すように、信号配線1bと信号配線1cとが、半導体素子2a、2b、2cの列と、半導体素子2d、2e、2fの列の間に2列に並んで長手方向に配置される。信号配線1aは、半導体素子2aの温度センスパッドとワイヤ32を用いて電気的に接続されている。
When the
半導体素子2a、2b、2c、2d、2e、2fの各ゲートパッドと、信号配線1cとは、ワイヤ30a、30b、30c、30d、30e、30fを用いて最短距離で電気的に接続されている。同様に、半導体素子2a、2b、2c、2d、2e、2fの各ソース(エミッタ)パッドと信号配線1bとは、ワイヤ31a、31b、31c、31d、31e、31fを用いて略最短距離で電気的に接続されている。
Each of the gate pads of the
このように、半導体素子2a〜2fのゲート、ソース(エミッタ)信号を統合、分配し、外部の制御基板への接続機能を統合することにより、部品点数の削減による半導体パワーモジュール100の製造コストの低減、組立工数の削減によるコスト低減が可能となる。また、各部品を接続するワイヤ経路を単純化して、ワイヤの長さを短くすることにより、ワイヤの耐振性の向上はもちろん、ワイヤ本数を減少させることで、ワイヤ自体のコストの低減、ワイヤの実装コスト低減が可能となる。
As described above, by integrating and distributing the gate and source (emitter) signals of the
図3に示すように、信号配線1a、1b、1cが、外部制御基板に接続される端子10a、10b、10cに接続される場所は、半導体パワーモジュール100の長手方向、一端側であり、主回路配線40a、40bの外部への出力側端部は、半導体パワーモジュール100の長手方向、他端側に配置されている。
As shown in FIG. 3, the location where the
ところで、半導体素子2a〜2fの内、素子上の上電極に接続された主回路配線40a、40bのインダクタンスが小さい半導体素子は、大きい半導体素子に対して、ゲート電位の立ち上がりに時間に差がないと仮定した場合、ソース電位が時間遅れなく変化するため、電流が多く流れる。配線インダクタンスは、配線の長さから決まる自己インダクタンスによって決まる。
By the way, among the
物理的に3個ずつ二列に並び、電気的に並列に接続されている6個の半導体素子2a〜2fの中で、半導体素子2cおよび半導体素子2fは、主回路配線40a、40bの出力端子からの配線長が最短で接続されているため、主回路配線40a、40bの自己インダクタンスが小さく、自己インダクタンスが大きい半導体素子2a、2dと比べてソース電位が時間遅れなく変化するため、電流が多く流れ、半導体素子2c、2fの損失が最も大きくなる。
Of the six
一方、ゲート電位の立ち上がりも前記ソース電位と同じように、配線インダクタンスの小さい半導体素子のゲート電位立ち上がりが最も早くなり、半導体素子2a、2dの駆動時に最も早く電流が流れ始めるため、半導体素子2a、2dの損失が最も大きくなる。
On the other hand, as in the case of the source potential, the rise of the gate potential of the semiconductor element having a small wiring inductance has the fastest rise of the gate potential, and the current starts flowing at the time of driving the
以上2つの特性を考慮して、主回路配線インダクタンスが最大の半導体素子2cおよび2fのゲート配線が、信号配線1cの入力端子から最も遠くなるように配置することで、各半導体素子2a〜2fの損失をバランス化し、耐用温度が低い半導体素子2a〜2fでも使用が可能となる。このように、半導体素子2a〜2fの耐用温度マージンを小さくすることで半導体素子2a〜2fの選択枝が拡大し、半導体パワーモジュール100の製造コストを低減することができる。
In consideration of the above two characteristics, the gate wiring of the
半導体素子は、一般的にターンオンまたはターンオフ時のドレイン(ベース)−ソース(エミッタ)間の半導体素子の寄生容量(C)と、信号配線インダクタンス(L)とにより、LC回路が形成されることによってゲート電位が振動する。 Generally, a semiconductor element is formed by forming an LC circuit by a parasitic capacitance (C) of a semiconductor element between a drain (base) and a source (emitter) at the time of turn-on or turn-off, and a signal wiring inductance (L). The gate potential oscillates.
複数の半導体素子を電気的に並列に接続して使用する半導体パワーモジュールにおいては、この振動が、半導体素子間で励振されるため、ゲート電位の振動が無い場合と比較して、半導体素子毎のゲート電位差が大きくなる。 In a semiconductor power module in which a plurality of semiconductor elements are electrically connected in parallel and used, this vibration is excited between the semiconductor elements. The gate potential difference increases.
半導体素子毎のゲート電位差が大きくなると、半導体素子毎に流れるターンオン、ターンオフ時の電流値差が大きくなり、半導体素子毎の損失差が大きくなるため、特に複数の半導体素子を電気的に並列に接続して使用する半導体パワーモジュールにおいては、信号配線インダクタンス(L)の低減が重要である。 If the gate potential difference of each semiconductor element increases, the difference in the current value at the time of turn-on and turn-off that flows for each semiconductor element increases, and the loss difference of each semiconductor element increases.In particular, a plurality of semiconductor elements are electrically connected in parallel. In a semiconductor power module used as such, it is important to reduce the signal wiring inductance (L).
そこで、本実施の形態では、半導体パワーモジュール100内の信号配線1c上に、電子部品である抵抗体5a、5b、5c、5d、5e、5fを実装し、半導体素子2a、2b、2c、2d、2e、2fのゲートパッドに接続されるワイヤ30a、30b、30c、30d、30e、30fと信号配線1cとの間に抵抗体5a、5b、5c、5d、5e、5fを直列に入れ、RLC回路を形成することによりゲート電位の振動を小さくしている。
Therefore, in the present embodiment,
これにより、半導体素子2a〜2fに流れる電流のばらつきの拡大を抑制し、半導体パワーモジュール100の動作時における各半導体素子2a〜2fの温度を均一化することで、要求される温度マージンを小さくし、半導体パワーモジュール100の製造コストを低減することができる。なお、抵抗体5a〜5fは、ワイヤ30a〜30fの長さを最短とするために、半導体パワーモジュール100の一端から見て、各半導体素子2a〜2fが長手方向に実装されている範囲内の信号配線1c上に実装されている。
This suppresses an increase in variation in the current flowing through the
抵抗体5a、5b、5c、5d、5e、5fは、直方体の形状をしており、平行な上下面にそれぞれ表面電極が形成されており、2つの表面電極の内、一方の表面電極が、制御配線モールド成形体1内の信号配線1cに半田で接続されており、もう一方の表面電極と半導体素子2a〜2fとが、ワイヤ30a〜30fで接続されている。
Each of the
例えば、抵抗体として一般的なチップ抵抗体を用い、ワイヤ30a〜30fと信号配線1c間に直列にチップ抵抗体を配線するとした場合、信号配線1cを複数の島に分離し、それぞれに抵抗体用のパッドを設ける必要がある。しかし、上述のような抵抗体5a〜5fを用いることにより、信号配線1c上に、直接、一方の表面電極を用いて抵抗体5a〜5fを実装し、上面側の表面電極を直接ワイヤ30a〜30fと接続できるので、信号配線1cを複数の島に分離する必要がなく、半導体パワーモジュール100の実装面積をより小さくすることが可能であるという効果がある。
For example, when a general chip resistor is used as a resistor and a chip resistor is wired in series between the
一般に、半導体素子が駆動する際には、ドレイン(ベース)−ソース(エミッタ)間に電圧が印加される。その際、変位電流(=半導体素子の寄生容量Cgs×半導体素子のゲートにかかる電圧ΔVgs)が半導体素子のゲート側に流れ込む。半導体素子の容量が小さい場合、半導体素子のゲートにかかる電圧が大きくなる現象をゲート浮き上がりといい、ゲート浮き上がりが発生すると予期せぬタイミングでチップがONしてしまい、誤動作の原因となる。 Generally, when a semiconductor element is driven, a voltage is applied between a drain (base) and a source (emitter). At this time, a displacement current (= parasitic capacitance Cgs of the semiconductor element × voltage ΔVgs applied to the gate of the semiconductor element) flows into the gate side of the semiconductor element. When the capacitance of the semiconductor element is small, a phenomenon in which the voltage applied to the gate of the semiconductor element increases is called gate floating. When the gate floating occurs, the chip turns on at an unexpected timing and causes a malfunction.
そこで、誤動作を抑制するために、半導体パワーモジュール100内の信号配線1b、1c間をバイパス接続するように、信号配線1b、1c間に、電子部品であるコンデンサ6a、6b、6cを実装する。これにより、半導体素子2aのゲートパッドは、ワイヤ30a、抵抗体5a、信号配線1c、信号配線1b、コンデンサ6a、ワイヤ31aを介して半導体素子2aのソース(エミッタ)パッドに接続され、半導体素子2aのゲートにかかる電圧ΔVgsを低減できる。半導体素子2b〜2fについても同様であり、全ての半導体素子2a〜2fのゲート−ソース(エミッタ)間にコンデンサ6a、6b、6cを並列に入れることができる。
Therefore, in order to suppress malfunction,
例えば、半導体素子2c、2fに注目した場合、外部の制御基板上のゲート−ソース(エミッタ)配線間にコンデンサを入れる場合と比べて、半導体素子2c、2fと信号配線1b、1c、コンデンサ6cが作る電流ループが小さくなり、信号配線インダクタンス(L)を小さくしつつ、容量(C)を大きくしてゲート電位の浮きを防止することができ、半導体パワーモジュール100の信頼性を向上できる。
For example, when attention is paid to the
また、コンデンサ6a、6b、6cに替えてゲート駆動用のドライバIC(INTEGRATED CIRCUIT)を用いてもよい。外部の制御基板上のゲート−ソース(エミッタ)間にドライバICを実装する場合と比較して、半導体素子2a、2b、2c、2d、2e、2fと信号配線1b、1cとドライバICの作るゲート−ソース(エミッタ)の一巡電流ループを短くでき、電磁ノイズ発生源となる半導体素子のゲート−ソース(エミッタ)間の電流ループを小さくできる。これにより、半導体パワーモジュール100が発生させるノイズを低減でき、半導体パワーモジュール100の信頼性を向上できる。また、半導体パワーモジュール100を含むユニット全体のノイズ対策部品を減らすことにより、本製品を利用する機器の製造コストの低減が可能である。
Further, a driver IC (INTEGRATED CIRCUIT) for driving the gate may be used instead of the
また、上述のように信号配線1b、1c上に、直接、各電子部品を実装することによって、外部の制御基板の基板サイズを小型化でき、半導体パワーモジュール100を含むユニット全体の小型化、コスト低減が可能である。
Further, by mounting each electronic component directly on the
また、信号配線1b、1c上に実装された電子部品は、制御配線モールド成形体1のモールド樹脂11によって半導体素子2a〜2fの発熱による温度上昇の影響を受けにくくなっており、半導体素子2a〜2fが動作した場合であっても、一般的な使用温度範囲が120度C以下の電子部品が使用可能であり、電子部品の選択肢を広げることができる。
Further, the electronic components mounted on the
また、各電子部品は、半導体素子2a〜2fのそれぞれの素子特性を考慮して、それぞれの半導体素子2a〜2fの近傍に実装されるべき電子部品の定数を分別して決定できる。これにより、半導体素子の個別の特性による素子の選定、ペアリング、並び替え等の工程が不要となり、半導体パワーモジュール100の半導体素子2a〜2fのコストを低減しつつ、半導体素子2a〜2fの損失を均一化して信頼性の高い半導体パワーモジュール100を提供することができる。
Further, for each electronic component, the constant of the electronic component to be mounted in the vicinity of each of the
このように、本実施の形態1による半導体パワーモジュール100によれば、信号配線1a、1b、1cがインサートされた制御配線モールド成形体1を絶縁基板50上に重ねて配置することで、半導体パワーモジュール100の各部材の実装面積を低減しつつ、制御配線モールド成形体1を形成するモールド樹脂11を用いて、絶縁基板50の主配線銅パターン50bと信号配線1a、1b、1cとの絶縁を行うことで、セラミック等の絶縁材を使用するより安価に、半導体パワーモジュールの100の部材間の絶縁を確保することができる。
As described above, according to the
また、信号配線1a、1b、1cを制御配線モールド成形体1にインサートして、モールド樹脂11で部材間の絶縁を確保した場合は、絶縁基板をパターニングしてモジュール封止剤で絶縁を確保した場合と比較して、封止時に発生する気泡による絶縁信頼性の低下が発生しないため、半導体パワーモジュール100の信頼性を向上できる。
When the
なお、本実施の形態では、半導体パワーモジュール100をインバータに使用する場合を想定して、直流側を入力側とし、交流側を出力側として入出力の別を記載したが、半導体パワーモジュール100をコンバータに使用する場合は、入出力の別は反対になる。
In the present embodiment, assuming that the
実施の形態2.
以下、実施の形態2による半導体パワーモジュール200を実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図5は、半導体パワーモジュール200の斜視図である。
図6は、電子部品を取り付けた絶縁基板250の上面図である。
図7は、制御配線モールド成形体201の斜視図である。
信号配線201cは、絶縁基板50の主配線銅パターン50bに、例えばエッチングを用いて島状に形成された、入力配線3とは電気的に絶縁された制御配線パターン(第二制御配線)である。
Embodiment 2 FIG.
Hereinafter, the
FIG. 5 is a perspective view of the
FIG. 6 is a top view of the insulating
FIG. 7 is a perspective view of the control wiring molded
The
信号配線201cの一端には、信号配線201cと、実施の形態1の信号配線1cに相当する信号配線とを接続する接続部201cINを備える。接続部201cINは、例えば半田のような接続部材からなる。信号配線201cは、実施の形態1と同様に、3個ずつ、2列に長手方向に並んだ半導体素子2a〜2fの間に、半導体の列と平行に延びている。
At one end of the
そして、制御配線モールド成形体201としてモールド樹脂211と一体成形された信号配線201bが、モールド樹脂211を介して、信号配線201cと平行に、かつ信号配線201cと絶縁されて、絶縁基板250の上層に配設されている。
Then, the
図7に示すように、制御配線モールド成形体201には、信号配線201c上に実装される抵抗体5g〜5iが通る、半導体パワーモジュール200の短手方向に凹んだ溝M1、M2、M3を備える。抵抗体5g〜5iを実装する部分の溝M1〜M3は、モールド樹脂211だけでなく信号配線201bにも同じ位置に溝を設けている。抵抗体5g、5h、5iは、信号配線201c上に実装されている。実施の形態1では、各半導体素子2a〜2f用に独立した抵抗体を用いたが、本実施の形態では、2つの抵抗体を1つに纏めたタイプの抵抗体5g〜5iを使用している。
As shown in FIG. 7, grooves M1, M2, and M3, which are recessed in the lateral direction of the
また、モールド樹脂211の、コンデンサ206a〜206cが実装される位置の真上、かつ、信号配線201bの下に存在する部分には切り欠きK1、K2、K3を設けている。
Further, cutouts K1, K2, and K3 are provided in portions of the
コンデンサ206a、206b、206cは、直方体の形状をしており、コンデンサ206a〜206cの平行な上下面にそれぞれ表面電極が形成されている。2つの表面電極の内、一方の表面電極が、信号配線201cと半田で接続されており、もう一方の表面電極は、制御配線モールド成形体201を絶縁基板250に装着する際に、制御配線モールド成形体201内に一体成形させている信号配線201bの下面に、直接、半田で接続される。
The
このように実施の形態1で用いたコンデンサ6a〜6cは、各コンデンサの一面に信号配線1bと信号配線1cへ接続する電極が設けられていたのに対して、本実施の形態で用いるコンデンサ206a〜206cは、コンデンサの表裏の面に表面電極を有し、信号配線201cと信号配線201bとの間に収納されている。
As described above, in the
半導体素子2a〜2fと抵抗体5g、5h、5iとは、ワイヤ230a、230b、230c、230d、230e、230fによって接続されている。また、半導体素子2a〜2fと信号配線201bとは、ワイヤ231a、231b、231c、231d、231e、231fによって接続されている。
The
このように、本実施の形態による半導体パワーモジュール200によれば、信号配線201bと信号配線201cとを2層に構成できるので、半導体パワーモジュール200を構成する電子部品の実装面積をより小さくすることができる。
As described above, according to the
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。 Although this application describes exemplary embodiments, the various features, aspects, and functions described in the embodiments are not limited to the application of any particular embodiment, but may be used alone or Various combinations can be applied to the embodiments.
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。 Accordingly, innumerable modifications not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted.
100,200 半導体パワーモジュール、1,201 制御配線モールド成形体、
11,211 モールド樹脂、10a,10b,10c 端子、
1a,1b,1c,201b,201c 信号配線、201cIN 接続部、
2a,2b,2c,2d,2e,2f 半導体素子、3 入力配線、
5a,5b,5c,5d,5e,5f,5g,5h,5i 抵抗体、
6a,6b,6c,206a,206b,206c コンデンサ、
30a,30b,30c,30d,30e,30f,32 ワイヤ、
230a,230b,230c,230d,230e,230f,32 ワイヤ、
31a,31b,31c,31d,31e,31f ワイヤ、30h バイパスワイヤ、231a,231b,231c,231d,231e,231f ワイヤ、
40 金属接合材、40a 主回路配線、40b 主回路配線、
50,250 絶縁基板、50a セラミック基板、50b 主配線銅パターン、
50c 放熱用銅パターン、90 モーター駆動用インバータ。
100,200 semiconductor power module, 1,201 control wiring molded body,
11, 211 mold resin, 10a, 10b, 10c terminals,
1a, 1b, 1c, 201b, 201c signal wiring, 201cIN connection part,
2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f semiconductor element, 3 input wirings,
5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i resistors,
6a, 6b, 6c, 206a, 206b, 206c capacitors,
30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f, 32 wires,
230a, 230b, 230c, 230d, 230e, 230f, 32 wires,
31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f wire, 30h bypass wire, 231a, 231b, 231c, 231d, 231e, 231f wire,
40 metal bonding material, 40a main circuit wiring, 40b main circuit wiring,
50, 250 insulating substrate, 50a ceramic substrate, 50b main wiring copper pattern,
50c heat dissipation copper pattern, 90 motor drive inverter.
Claims (12)
絶縁基板に実装されている複数の前記半導体素子と、
前記半導体素子の上電極にそれぞれ接続されているバスバと、
外部の制御基板と全ての前記半導体素子との間で、温度センス信号及び電流センス信号の少なくとも一方と、前記半導体素子のゲート信号及び制御ソース信号とを中継し、分配する、モールド樹脂に一体成型された第一制御配線と、
前記第一制御配線上に実装された電子部品とを有する半導体パワーモジュール。 In a semiconductor power module in which a plurality of semiconductor elements are electrically mounted in parallel to constitute one arm,
A plurality of the semiconductor elements mounted on an insulating substrate,
Bus bars connected to the upper electrode of the semiconductor element,
Between an external control board and all the semiconductor elements, relays at least one of the temperature sensing signal and the current sense signal and a gate signal and a control source signal of the semiconductor device, distributes, integrally molded resin Molded first control wiring,
A semiconductor power module comprising: an electronic component mounted on the first control wiring.
前記表面電極の内、一方の表面電極が前記第一制御配線と電気的に接続されている請求項1に記載の半導体パワーモジュール。 The electronic component has surface electrodes formed on upper and lower surfaces parallel to the insulating substrate,
2. The semiconductor power module according to claim 1, wherein one of the surface electrodes is electrically connected to the first control wiring.
前記第一制御配線は、前記半導体パワーモジュールの長手方向と平行に配置され、
前記第一制御配線に接続された、前記制御基板に接続する端子は、前記半導体パワーモジュールの長手方向の一端側に配置され、
前記バスバの外部の交流線に接続される入出力側端部は、前記半導体パワーモジュールの長手方向の他端側に配置されている請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の半導体パワーモジュール。 A plurality of the semiconductor elements are arranged in a longitudinal direction of the semiconductor power module,
The first control wiring is arranged in parallel with a longitudinal direction of the semiconductor power module,
A terminal connected to the control board, which is connected to the first control wiring, is arranged on one end side in a longitudinal direction of the semiconductor power module,
8. The semiconductor according to claim 2, wherein an input / output end connected to an external AC line of the bus bar is arranged at the other end in the longitudinal direction of the semiconductor power module. 9. Power module.
前記第一制御配線の少なくとも一本が、前記第二制御配線と電気的に接続されており、
前記第二制御配線に前記電子部品の前記表面電極が接続され、
前記第二制御配線の上層に前記モールド樹脂を介して前記第一制御配線が配設されている請求項2から請求項8のいずれか1項に記載の半導体パワーモジュール。 On the insulating substrate, an island-shaped wiring pattern is provided as a second control wiring that is not electrically connected to the input / output wiring of the semiconductor power module,
At least one of the first control wires is electrically connected to the second control wire,
The surface electrode of the electronic component is connected to the second control wiring,
The semiconductor power module according to any one of claims 2 to 8, wherein the first control wiring is provided above the second control wiring via the molding resin.
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