JP6705393B2 - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関する。
電力制御用の半導体装置は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＦＷＤｉ等のスイッチングデバイスを筺体内に搭載しており、いわゆるパワーモジュールと呼ばれている。パワーモジュールの中には、駆動／保護回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）がある。ＩＰＭでは１パッケージに制御基板とパワー配線部が納められている。
パワーモジュールはインバータ又はパワーコンディショナーの筺体内に構成されており、パワーモジュールのサイズが筺体サイズに影響を及ぼしてしまう。それらの製品の小型化要求もありパワーモジュールの低背化が求められている。例えば、低背化のためにベース板の回路パターン上に中継端子を直接的に固定した半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５−１４２０１８号公報
しかし、中継端子を工程するために品種ごとに専用パターンを設ける必要がある。このため、余分なスペースが必要となり、半導体装置の小型化の阻害になっている。また、回路パターンと中継端子をはんだ付けしているため、熱ストレスによるはんだの脆化が懸念される。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は設計の自由度が高く、低背化を実現することができる半導体装置及び電力変換装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、金属ベース板と、前記金属ベース板の上に設けられた絶縁膜とを有するベース板と、前記ベース板の上に設けられた半導体チップと、前記半導体チップの上方に配置された制御基板と、前記半導体チップの信号電極に信号配線ワイヤにより接続され、前記制御基板まで延びて前記制御基板に接続された中継端子とを備え、前記中継端子は前記ベース板の前記絶縁膜に直接的に固定され、複数の前記中継端子が、前記ベース板の上面においてジグザグに配置されていることを特徴とする。
本発明では、中継端子が回路パターンではなく、ベース板の絶縁膜に直接的に固定されている。このため、品種ごとに専用パターンを設ける必要がなく、ベース板の上面の任意の箇所に中継端子を配置することができる。従って、製品内の素子レイアウトを任意に決定できるため、設計の自由度が向上する。また、信号配線ワイヤの高さを低くすることができるため、低背化を実現することができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す回路図である。 比較例に係る半導体装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係る複数の中継端子と制御基板の接続部を拡大した平面図である。 比較例に係る複数の中継端子と制御基板の接続部を拡大した平面図である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。ベース板１は、金属ベース板２と、金属ベース板２の上に設けられた樹脂絶縁膜３とを有する樹脂絶縁金属基板である。回路パターン４がベース板１の上面に設けられている。
半導体チップ５，６がベース板１の上に設けられている。半導体チップ５はスイッチングするＩＧＢＴであり、半導体チップ６は電流を還流させるダイオードである。主配線ワイヤ７が半導体チップ５の主電極８を、半導体チップ６の上面電極、回路パターン４、及び主電極端子９に順に接続する。主電極端子９はケース１０の段差部に設けられている。
制御基板１１が半導体チップ５，６の上方に配置されている。中継端子１２が、半導体チップ５の信号電極１３に信号配線ワイヤ１４により接続され、制御基板１１まで延びて制御基板１１に接続されている。中継端子１２はベース板１の樹脂絶縁膜３に直接的に固定されている。ケース１０の接着時に中継端子１２も接着剤により固定する。接着剤は絶縁性のものが好ましく、熱ストレスによりクラック等の劣化が起こりにくい材料が好ましい。
本実施の形態では、中継端子１２が回路パターン４ではなく、ベース板１の樹脂絶縁膜３に直接的に固定されている。このため、品種ごとに専用パターンを設ける必要がなく、ベース板１の上面の任意の箇所に中継端子１２を配置することができる。従って、製品内の素子レイアウトを任意に決定できるため、設計の自由度が向上する。また、信号配線ワイヤ１４の高さを低くすることができるため、低背化を実現することができる。
なお、半導体チップ５の端面と信号配線ワイヤ１４の距離が近いと高電圧が印加された際にショートする可能性がある。そこで、両者の距離を確保するためにワイヤ高さが高くなる。従って、上記のように中継端子１２をベース板１の樹脂絶縁膜３に設けて、信号配線ワイヤ１４の高さを低くする必要がある。一方、主電極端子９に接続された主配線ワイヤ７は回路パターン４に接続されているため、ワイヤ高さを低く設定できる。従って、主電極端子９はケース１０の段差部に設けることができる。
また、本発明はベース板−絶縁基板構造のパワーモジュールにも適用できるが、ベース板の金属と絶縁基板の主剤であるセラミックとは線膨張係数の違いが大きい。製造プロセスで熱処理を実施した際に線膨張係数差に応じた応力が発生し、ベース板の反りが大きくなる。一方、樹脂絶縁金属基板では、樹脂絶縁膜３が薄く、線膨張係数差もセラミックほど大きくないため、ベース板１の反りが小さい。この結果、中継端子１２の位置精度を向上することができる。
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。主電極端子９もベース板１の樹脂絶縁膜３に直接的に固定されている。このように全端子がベース板１の樹脂絶縁膜３に直接的に固定されていれば更なる低背化が可能となる。
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す平面図である。ベース板１の上面において中継端子１２を回路パターン４よりもベース板１の内側に配置している。図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す回路図である。図中の矢印が主配線ワイヤ７に対応する。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図５は、比較例に係る半導体装置を示す平面図である。比較例では、中継端子１２がベース板１の上面の外周に配置されている。この場合、半導体チップ５の信号電極１３と中継端子１２をワイヤ接続するために、半導体チップ５も外周付近に配置する必要がある。これにより、半導体チップ５の主電極８に接続される主配線ワイヤ７が長くなる。この結果、主配線ワイヤ７のインダクタンスが高くなり、通電時の発熱が大きくなって半導体装置の寿命低下、スイッチング時のサージ電圧増加などの問題が生じる。
これに対して、本実施の形態では、ベース板１の上面において中継端子１２を回路パターン４よりもベース板１の内側に配置している。これにより、配列の自由度が高くなり、回路パターン４の直近に半導体チップ５を配置することができるため、主配線ワイヤ７を短くしてインダクタンスを低減することができる。また、信号配線ワイヤ１４も短くできるため、信号配線ワイヤ１４による信号電圧のドロップの影響が小さくなる。また、余分な回路パターンを削減することにより装置を小型化できる。
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す平面図である。図７は、本発明の実施の形態４に係る複数の中継端子と制御基板の接続部を拡大した平面図である。複数の中継端子１２が、ベース板１の上面においてジグザグに配置されている。複数の中継端子１２の先端が制御基板１１の複数のスルーホール１３をそれぞれ貫通して制御基板１１に接続されている。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図８は、比較例に係る複数の中継端子と制御基板の接続部を拡大した平面図である。比較例では、複数の中継端子１２が直線状に配置されている。隣接する中継端子１２間の絶縁距離を確保しようとすると、端子ピッチが広くなってしまう。
これに対して、本実施の形態では、隣接する中継端子１２間の絶縁距離を確保しつつ、端子ピッチを縮小することができる。この結果、装置内部の高密度化と電子部品の近接配置が可能となり、半導体装置自体の小型化と電子部品実装エリアの拡大が可能になる。
なお、半導体チップ５，６は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。なお、半導体チップ５，６の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、何れか一方がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、この実施の形態に記載の効果を得ることができる。
実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜４にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置、サーボアンプ、電源ユニットなどである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図９は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。この電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を備える。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができ、交流系統に接続された整流回路又はＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベータ、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００を詳細に説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜４のいずれかに相当する半導体装置２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、半導体装置２０２として実施の形態１〜４に係る半導体装置を適用するため、半導体装置２０２自体が低背化され、半導体装置２０２の端子を狭ピッチ化できるため、電力変換装置の小型化が可能になる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベル又はマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機、レーザー加工機、又は誘導加熱調理器もしくは非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システム又は蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
１ ベース板、２ 金属ベース板、３ 樹脂絶縁膜、４ 回路パターン、５ 半導体チップ、７ 主配線ワイヤ、８ 主電極、９ 主電極端子、１１ 制御基板、１２ 中継端子、１３ 信号電極、１４ 信号配線ワイヤ、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路

Claims (5)

  1. 金属ベース板と、前記金属ベース板の上に設けられた絶縁膜とを有するベース板と、
    前記ベース板の上に設けられた半導体チップと、
    前記半導体チップの上方に配置された制御基板と、
    前記半導体チップの信号電極に信号配線ワイヤにより接続され、前記制御基板まで延びて前記制御基板に接続された中継端子とを備え、
    前記中継端子は前記ベース板の前記絶縁膜に直接的に固定され、
    複数の前記中継端子が、前記ベース板の上面においてジグザグに配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体チップの主電極に主配線ワイヤにより接続され、前記ベース板の前記絶縁膜に直接的に固定された主電極端子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ベース板の上面に設けられた回路パターンと、
    前記半導体チップの主電極と前記回路パターンを接続する主配線ワイヤとを備え、
    前記中継端子は、前記ベース板の上面において前記回路パターンよりも前記ベース板の内側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
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