JP7025181B2 - Power modules and their manufacturing methods, graphite plates, and power supplies - Google Patents

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Description

本実施の形態は、パワーモジュールおよびその製造方法、グラファイトプレート、および電源装置に関する。 The present embodiment relates to a power module and its manufacturing method, a graphite plate, and a power supply device.

パワーモジュールの1つとして、従来から、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)のようなパワー素子(チップ)を含む半導体デバイスの外囲が樹脂でモールドされたパワーモジュールが知られている。 As one of the power modules, a power module in which the outer periphery of a semiconductor device including a power element (chip) such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is molded with a resin has been conventionally known. ..

動作状態において、半導体デバイスは発熱するため、基板の裏面側にヒートシンクやフィンなどの放熱器を配置して放熱させ、半導体デバイスを冷却するのが一般的である。 Since the semiconductor device generates heat in the operating state, it is common to dissipate heat by arranging a radiator such as a heat sink or fins on the back surface side of the substrate to cool the semiconductor device.

特に、近年においては、低熱抵抗化のために、厚銅化された基板や両面冷却構造も用いられてきている。 In particular, in recent years, thick copper substrates and double-sided cooling structures have also been used in order to reduce thermal resistance.

しかしながら、基板の厚銅化では信頼性が懸念されるし、両面冷却構造は冷却性能には優れるが、生産性の観点から片面冷却構造と比べて製造上高価となる。 However, there is a concern about reliability in thickening the substrate, and although the double-sided cooling structure is excellent in cooling performance, it is more expensive to manufacture than the single-sided cooling structure from the viewpoint of productivity.

そんな中、異方性な熱伝導率を持つグラファイトプレートのパワーモジュールへの適用の可能性が検討されている。 Under such circumstances, the possibility of applying graphite plates with anisotropic thermal conductivity to power modules is being investigated.

また、半導体デバイスは動作時に発熱するため、特に、高温動作用のインバータモジュールなどにおいては、高温に対するワイヤ接続の信頼性を確保することが重要となっている。 In addition, since semiconductor devices generate heat during operation, it is important to ensure the reliability of wire connection against high temperatures, especially in inverter modules for high temperature operation.

さらにまた、パワーモジュールに用いられる基板には絶縁基板が使われている。更なる低熱抵抗化のために厚銅基板等が開発されている。しかしながら、基板の厚銅化では信頼性が懸念されるし、両面冷却構造は冷却性能には優れるが、生産性の観点から片面冷却構造と比べて製造上高価となる。 Furthermore, an insulating substrate is used as the substrate used for the power module. Thick copper substrates and the like have been developed for further lowering the thermal resistance. However, there is a concern about reliability in thickening the substrate, and although the double-sided cooling structure is excellent in cooling performance, it is more expensive to manufacture than the single-sided cooling structure from the viewpoint of productivity.

この厚銅基板に対してさらに低熱抵抗化を行うため、異方性な熱伝導率を持つグラファイトプレートのパワーモジュールへの適用の可能性が検討されている。 In order to further reduce the thermal resistance of this thick copper substrate, the possibility of applying a graphite plate having an anisotropic thermal conductivity to a power module is being investigated.

さらにまた、近年、ハイブリッド自動車やEV(Electric Car)の普及が進むにつれ、パワーモジュールの需要も増加している。動作状態においてパワーモジュールは発熱するため、車載に使用されるパワーモジュールでは水冷システムが使用されている。現状では片面水冷システムが一般的に使用されているが、更なる低熱抵抗化を実現するために両面水冷システムなどが開発されている。そんな中、異方性な熱伝導率を持つグラファイトプレートのパワーモジュールへの適用の可能性も検討されている。 Furthermore, in recent years, with the spread of hybrid vehicles and EVs (Electric Cars), the demand for power modules has also increased. Since the power module generates heat in the operating state, a water cooling system is used in the power module used in the vehicle. Currently, a single-sided water cooling system is generally used, but a double-sided water cooling system has been developed in order to further reduce the thermal resistance. Meanwhile, the possibility of applying graphite plates with anisotropic thermal conductivity to power modules is also being investigated.

特開2007-019130号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-019130 特開2005-210035号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-210035 特開2013-118336号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-118336 特開2016-4796号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-4996 国際公開第2015/076257号International Publication No. 2015/076257

山田靖、久野敦輝、澤木聖斗、成田恭典、竹馬克洋、「炭素系異方伝熱材料のパワー半導体モジュールへの適用可能性」大同大学紀要 第50巻(2014) pp.133-pp.135Yasushi Yamada, Atsushi Kuno, Seito Sawaki, Yasunori Narita, Katsuhiro Takema, "Applicability of Carbon-based Heterogeneous Heat Transfer Materials to Power Semiconductor Modules" Bulletin of Daido University Vol. 50 (2014) pp. 133-pp. 135

しかしながら、両面水冷システムでは水冷機が二つ必要になり、流路の設計などが難しい。また、水冷機が高価なために低コスト化が難しい。 However, the double-sided water cooling system requires two water cooling machines, and it is difficult to design the flow path. Moreover, it is difficult to reduce the cost because the water cooler is expensive.

また、SiC MOSFET(Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いたインバータモジュールに対し、大電流を流した場合には、FETを流れる電流により発熱し、制御信号を直接入力するためにソースパッド電極上にボンディングされたソースセンス用ワイヤのボンディング部も高温となっていた。 In addition, when a large current is passed through an inverter module using a SiC MOSFET (Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), heat is generated by the current flowing through the FET, and the source pad electrode is used to directly input the control signal. The bonding portion of the source sense wire bonded above was also hot.

そのため、ソースセンス用ワイヤのボンディング部がジャンクション温度と同程度まで熱くなることにより、ワイヤの粒径が粗大化する傾向にある従来のケースタイプのパワーモジュールではワイヤの破断が生じやすい。 Therefore, the bonding portion of the source sense wire becomes hot to the same extent as the junction temperature, so that the wire is liable to break in the conventional case type power module in which the particle size of the wire tends to be coarse.

一方、モールドタイプのパワーモジュールの場合には、ワイヤの粒径の粗大化は起きにくいが、熱応力によりボンディング部の界面での破断が懸念されている。 On the other hand, in the case of a mold type power module, the grain size of the wire is unlikely to be coarsened, but there is a concern that the wire may break at the interface due to thermal stress.

どちらの場合も熱による劣化であり、高耐熱化に向けたワイヤ接続の対策が必要であった。 In both cases, the deterioration was caused by heat, and it was necessary to take measures for wire connection to increase the heat resistance.

本実施の形態は、安価で、両面冷却構造に劣らない冷却性能を発揮でき、かつ応力の低減可能なパワーモジュールを提供する。 This embodiment provides a power module that is inexpensive, can exhibit cooling performance comparable to that of a double-sided cooling structure, and can reduce stress.

また、本実施の形態は、一つの冷却器で両面冷却に近い冷却能力を有する安価なパワーモジュールおよびグラファイトプレートを提供する。 Further, the present embodiment provides an inexpensive power module and a graphite plate having a cooling capacity close to that of double-sided cooling in one cooler.

さらに、本実施の形態は、高温動作による熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能なパワーモジュールおよびその製造方法を提供する。 Further, the present embodiment provides a power module and a method for manufacturing the same, which can reduce the influence of heat due to high temperature operation, increase the heat resistance to wire connection, and improve the reliability.

さらにまた、本実施の形態は、低熱抵抗化が可能なパワーモジュールおよび電源装置を提供する。 Furthermore, the present embodiment provides a power module and a power supply device capable of reducing thermal resistance.

本実施の形態の一態様によれば、絶縁基板と、前記絶縁基板上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、一端が前記パワーデバイスの表面側に接続され、他端が前記絶縁基板に繋がる異方性な熱伝導率を備えるとともに、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高い第2の配向を備えるグラファイト配線とを備え、前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記絶縁基板へ伝達するパワーモジュールが提供される。 According to one aspect of the present embodiment, an insulating substrate, a power device arranged on the insulating substrate and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and one end thereof are connected to the front surface side of the power device. The other end is provided with an anisotropic thermal conductivity connected to the insulating substrate, and is provided with a graphite wiring having a second orientation in which the thermal conductivity is higher in the thickness direction than in the surface direction, and is provided on the surface side of the power device. A power module is provided that transfers heat to the insulating substrate via the graphite wiring.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板の第1面に配置された第1電極パターンおよび第2電極パターンと、前記第1面に対向する第2面に配置された第3電極パターンとを備える絶縁基板と、前記第1電極パターン上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、前記第3電極パターン上に配置される放熱器と、前記第2電極パターン上に配置されたブロック電極と、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線と、前記グラファイト配線の第1主面に配置された第1配線パターンおよび前記第1主面に対向する第2主面に配置された第2配線パターンとを備え、一端側が前記パワーデバイスの前記表面側に接続されると共に、前記一端側と同一平面で離れた位置の他端側が前記ブロック電極を介して前記第2電極パターンと接続される配線リード部とを備え、前記グラファイト配線は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高い第2の配向を備えると共に、前記第2の配向を有する複数のグラファイトシートを積層してなるプレート構造を備え、前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記絶縁基板へ伝達するパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the insulating substrate, the first electrode pattern and the second electrode pattern arranged on the first surface of the substrate, and the second surface facing the first surface. An insulating substrate having an arranged third electrode pattern, a power device arranged on the first electrode pattern and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and heat dissipation arranged on the third electrode pattern. A device, a block electrode arranged on the second electrode pattern, a graphite wiring having an anisotropic thermal conductivity, a first wiring pattern arranged on the first main surface of the graphite wiring, and the first one. A second wiring pattern arranged on a second main surface facing the main surface is provided, one end side is connected to the front surface side of the power device, and the other end side at a position separated from the one end side on the same plane is. The graphite wiring includes a wiring lead portion connected to the second electrode pattern via the block electrode, and the graphite wiring has a second orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than in the plane direction, and the second orientation . Provided is a power module having a plate structure in which a plurality of graphite sheets having the above-mentioned orientation are laminated, and transferring heat on the surface side of the power device to the insulating substrate via the graphite wiring.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板の第1面に配置された第1電極パターンおよび第2電極パターンと、前記第1面に対向する第2面に配置された第3電極パターンとを備える絶縁基板と、前記第1電極パターン上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、前記第3電極パターン上に配置される放熱器と、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線、および前記グラファイト配線の第1主面に配置され、一端側が前記パワーデバイスの前記表面側に接続されると共に、前記一端側と同一平面で離れた位置の他端側が前記第2電極パターンと接続されるように配線パターンの厚みが部分的に異なるL字の断面形状を有する第1配線パターンを有する配線リード部とを備え、前記グラファイト配線は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高い第2の配向を備えると共に、前記第2の配向を有する複数のグラファイトシートを積層してなるプレート構造を備え、前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記絶縁基板へ伝達するパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the insulating substrate, the first electrode pattern and the second electrode pattern arranged on the first surface of the substrate, and the second surface facing the first surface. An insulating substrate having an arranged third electrode pattern, a power device arranged on the first electrode pattern and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and heat dissipation arranged on the third electrode pattern. A device, a graphite wiring having an anisotropic thermal conductivity, and an arrangement on the first main surface of the graphite wiring, one end side of which is connected to the surface side of the power device and in the same plane as the one end side. The graphite wiring is provided with a wiring lead portion having a first wiring pattern having an L-shaped cross-sectional shape in which the thickness of the wiring pattern is partially different so that the other end side at a distant position is connected to the second electrode pattern. Has a second orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than in the plane direction, and has a plate structure in which a plurality of graphite sheets having the second orientation are laminated, and is provided on the surface side of the power device. A power module is provided that transfers heat to the insulating substrate via the graphite wiring.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板上に配置された熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板と、前記グラファイト基板上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、前記パワーデバイスの表面側に接続された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線とを備え、前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記基板へ伝達するパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, an insulating substrate, a graphite substrate having anisotropy in thermal expansion coefficient arranged on the substrate, and a surface side thereof arranged on the graphite substrate. A power device having an electrode on the back surface side and a graphite wiring having an anisotropic thermal conductivity connected to the front surface side of the power device are provided, and heat on the front surface side of the power device is transferred through the graphite wiring. A power module that transmits to the substrate is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板上に配置された熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板とを備えるグラファイト絶縁基板と、前記グラファイト絶縁基板上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、前記パワーデバイスの表面側に接続された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線とを備え、前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記基板へ伝達するパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the graphite insulating substrate including the insulating substrate, the graphite substrate having an anisotropic heat expansion coefficient arranged on the substrate, and the graphite insulating substrate. A power device arranged and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and a graphite wiring having an anisotropic thermal conductivity connected to the front surface side of the power device, the surface side of the power device. A power module is provided that transfers heat to the substrate via the graphite wiring.

本実施の形態の他の態様によれば、第1の電源端子と第2の電源端子との間に直列接続されるとともに第1面と該第1面に対向する第2面とを有する基板の前記第1面上に配置されたパワーデバイスと、前記基板の前記第2面側に配置された冷却器とを有し、該パワーデバイスの接続点を出力端子に接続するように構成されたパワーモジュールであって、前記パワーデバイスは第1面と該第1面に対向する第2面とを有し、前記冷却器の前記基板の前記第2面側と、前記パワーデバイスの前記第2面側とを熱的に接続するグラファイトプレートを備え、前記グラファイトプレートは、熱伝導配向の違う2種類のグラファイトプレートが熱伝導率の高い向きで貼り合わされた構造であるパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a substrate which is connected in series between a first power supply terminal and a second power supply terminal and has a first surface and a second surface facing the first surface. It has a power device arranged on the first surface and a cooler arranged on the second surface side of the substrate, and is configured to connect a connection point of the power device to an output terminal. A power module, the power device having a first surface and a second surface facing the first surface, the second surface side of the substrate of the cooler and the second surface of the power device. A power module is provided that includes a graphite plate that thermally connects to the surface side, and the graphite plate has a structure in which two types of graphite plates having different thermal conduction orientations are bonded together in a direction having a high thermal conductivity.

本実施の形態の他の態様によれば、前記パワーモジュールが備えるグラファイトプレートが提供される。 According to another aspect of this embodiment, a graphite plate included in the power module is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、第1主電極パターンおよび信号配線パターンを有する基板と、表面に主パッド電極を有し、前記基板上に配置される半導体デバイスと、前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間に接続されたリードフレームと、前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部と、前記第2接合部と前記信号配線パターンとの間に接続された第1ボンディングワイヤであって、一端が前記信号配線パターンに接続され、他端が前記第2接合部の前記リードフレームに接続される第1ボンディングワイヤとを備え、前記第2接合部は、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低いパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a substrate having a first main electrode pattern and a signal wiring pattern, a semiconductor device having a main pad electrode on the surface and arranged on the substrate, and the main pad electrode. The lead frame connected between the lead frame and the first main electrode pattern, and the first junction between the lead frame and the main pad electrode are separated from each other, and the lead frame and the first main electrode pattern are separated from each other. A first bonding wire connected between a junction and the second junction and the signal wiring pattern , one end of which is connected to the signal wiring pattern and the other end of the lead of the second junction. The second bonding portion includes a first bonding wire connected to the frame, and the second bonding portion is provided with a power module whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first bonding portion.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板上に配置された第1主電極パターン、第2主電極パターン、信号配線パターンおよび制御信号配線パターンとを備える絶縁基板と、表面側に主パッド電極および制御パッド電極を有すると共に、裏面側に主電極を有し、前記第2主電極パターン上にフェイスアップで配置される半導体デバイスと、前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間に接続されたリードフレームと、前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部と、前記信号配線パターンとの間に接続された第1ボンディングワイヤと、前記制御パッド電極と前記制御信号配線パターンとの間に接続された第2ボンディングワイヤとを備え、前記第1ボンディングワイヤは、一端が、前記信号配線パターンに接続され、他端が、前記第2接合部の前記第1主電極パターンに接続されるパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, an insulating substrate including an insulating substrate and a first main electrode pattern, a second main electrode pattern, a signal wiring pattern, and a control signal wiring pattern arranged on the substrate. A semiconductor device having a main pad electrode and a control pad electrode on the front surface side and a main electrode on the back surface side and arranged face-up on the second main electrode pattern, and the main pad electrode and the first. The lead frame connected between the 1 main electrode pattern and the first joint portion between the lead frame and the main pad electrode are separated from each other, and the temperature during operation of the semiconductor device is relative to that of the first joint portion. Between the second bonding portion between the lead frame and the first main electrode pattern, the first bonding wire connected between the signal wiring pattern, and the control pad electrode and the control signal wiring pattern. The first bonding wire is connected to the signal wiring pattern at one end and the first main electrode pattern at the second bonding portion at the other end. A power module is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板上に配置された第1主電極パターン、第2主電極パターン、信号配線パターン、制御信号配線パターン、および配線電極パターンとを備える絶縁基板と、表面に主パッド電極および制御パッド電極を有すると共に、裏面に主電極を有し、前記第2主電極パターン上にフェイスアップで配置される半導体デバイスと、前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間に接続されると共に、前記主パッド電極との接続端側が延長されて前記配線電極パターンと接続されたリードフレームと、前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部、前記第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部、および前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記配線電極パターンとの第3接合部と、一端が、前記信号配線パターンと接続されると共に、他端が前記第3接合部に接続された第1ボンディングワイヤと、前記制御パッド電極と前記制御信号配線パターンとの間に接続された第2ボンディングワイヤとを備え、前記第1ボンディングワイヤの他端が、前記第3接合部の前記リードフレームまたは前記接続電極パターンに接続されるパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the insulating substrate and the first main electrode pattern, the second main electrode pattern, the signal wiring pattern, the control signal wiring pattern, and the wiring electrode pattern arranged on the substrate. A semiconductor device having a main pad electrode and a control pad electrode on the front surface thereof, and having a main electrode on the back surface and arranged face-up on the second main electrode pattern, and the main pad electrode. And the lead frame connected between the first main electrode pattern and the connection end side with the main pad electrode extended and connected to the wiring electrode pattern, and the lead frame and the main pad electrode. A second junction between the lead frame and the first main electrode pattern, which is separated from the first junction and whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first junction. A third junction between the lead frame and the wiring electrode pattern, which has a relatively lower temperature during operation of the semiconductor device than the first junction, and one end thereof are connected to the signal wiring pattern and other. A first bonding wire whose end is connected to the third bonding portion and a second bonding wire connected between the control pad electrode and the control signal wiring pattern are provided, and the other end of the first bonding wire is provided. However, a power module connected to the lead frame of the third joint or the connection electrode pattern is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、導電性の基板と、前記基板上に、絶縁層を介して配置された主電極パターン、信号配線パターンおよび制御信号配線パターンと、表面に主パッド電極を有し、前記基板上に配置される半導体デバイスと、前記主パッド電極と前記主電極パターンとの間に接続されたリードフレームと、前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記主電極パターンとの第2接合部と、前記信号配線パターンとの間に接続された第1ボンディングワイヤとを備えるパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a conductive substrate, a main electrode pattern, a signal wiring pattern and a control signal wiring pattern arranged on the substrate via an insulating layer, and a main pad electrode on the surface thereof. A semiconductor device arranged on the substrate, a lead frame connected between the main pad electrode and the main electrode pattern, and a first joint portion between the lead frame and the main pad electrode. A second bonded portion between the lead frame and the main electrode pattern, which is separated and whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first bonding portion, and the signal wiring pattern. A power module comprising one bonding wire is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁性の基板と、前記基板上に配置された第1主電極パターン、第2主電極パターン、信号配線パターンおよび制御信号配線パターンとを有する絶縁基板の、前記第2主電極パターン上に、表面側に主パッド電極および制御パッド電極を有すると共に、裏面側に主電極を有する半導体デバイスをフェイスアップで配置する工程と、前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間にリードフレームを接続する工程と、前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部と、前記信号配線パターンとの間に、第1ボンディングワイヤを接続する工程であって、前記第1ボンディングワイヤの一端を前記信号配線パターンに接続し、前記第1ボンディングワイヤの他端を前記第2接合部の前記リードフレームに接続する工程と、前記制御パッド電極と前記制御信号配線パターンとの間に第2ボンディングワイヤを接続する工程とを有するパワーモジュールの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, an insulating substrate having an insulating substrate and a first main electrode pattern, a second main electrode pattern, a signal wiring pattern, and a control signal wiring pattern arranged on the substrate. A step of arranging a semiconductor device having a main pad electrode and a control pad electrode on the front surface side and having a main electrode on the back surface side face-up on the second main electrode pattern, and the main pad electrode and the first. The step of connecting the lead frame to the main electrode pattern and the first junction between the lead frame and the main pad electrode are separated from each other, and the temperature at the time of operation of the semiconductor device is relative to that of the first junction. In the step of connecting the first bonding wire between the second joint portion between the lead frame and the first main electrode pattern, which is relatively low, and the signal wiring pattern, one end of the first bonding wire is connected. The step of connecting to the signal wiring pattern and connecting the other end of the first bonding wire to the lead frame of the second bonding portion, and the second bonding wire between the control pad electrode and the control signal wiring pattern. A method of manufacturing a power module having a step of connecting the electrodes is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、基板と、前記基板の第1面に配置された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板と、前記基板の前記第1面に対向する第2面に配置された第1電極パターンと、前記グラファイト基板上に配置された第2電極パターンと、前記第2電極パターンを介して、前記グラファイト基板上に並べて配置され、動作時に発熱する複数の半導体デバイスとを備え、前記グラファイト基板は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が相対的に高い配向を備え、前記グラファイト基板の基板面上、前記複数の半導体デバイスの並びの方向が、前記グラファイト基板の熱伝導率が相対的に低い配向方向を基準として、-45度以上+45度以下となるパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a substrate, a graphite substrate having an anisotropic thermal conductivity arranged on the first surface of the substrate, and a second surface facing the first surface of the substrate. A plurality of semiconductors arranged side by side on the graphite substrate via the first electrode pattern arranged on the surface, the second electrode pattern arranged on the graphite substrate, and the second electrode pattern, and generate heat during operation. The graphite substrate is provided with a device, and the graphite substrate has an orientation in which the thermal conductivity is relatively higher in the thickness direction than in the plane direction, and the direction in which the plurality of semiconductor devices are arranged on the substrate surface of the graphite substrate is the graphite. A power module having a temperature of −45 degrees or more and +45 degrees or less based on an orientation direction in which the thermal conductivity of the substrate is relatively low is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、絶縁層と、前記絶縁層上に配置され、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板と、前記グラファイト基板上に配置され、動作時に発熱する半導体デバイスとを備え、前記グラファイト基板は、表面に前記グラファイト基板の表面電極層を備えるパワーモジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, an insulating layer, a graphite substrate arranged on the insulating layer and having an anisotropic thermal conductivity, and a semiconductor arranged on the graphite substrate and generating heat during operation. The graphite substrate is provided with a device, and the graphite substrate is provided with a power module having a surface electrode layer of the graphite substrate on the surface thereof.

本実施の形態の他の態様によれば、第1の電源と第2の電源との間に第1のスイッチングデバイスと第2のスイッチングデバイスとが直列接続され、その接続点の電圧を出力とする電源装置であって、前記各スイッチングデバイスはそれぞれ複数のチップからなり、グラファイト基板上にそれぞれ並べて配置され、前記複数のチップの並び方向のチップ間の間隔距離は、前記各チップから前記グラファイト基板の長手方向の両端面までのそれぞれの距離よりも短い電源装置が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the first switching device and the second switching device are connected in series between the first power supply and the second power supply, and the voltage at the connection point is output. Each of the switching devices is composed of a plurality of chips and is arranged side by side on a graphite substrate. The distance between the chips in the arrangement direction of the plurality of chips is the distance between the chips and the graphite substrate. A power supply device that is shorter than the respective distances to both end faces in the longitudinal direction of the power supply is provided.

本実施の形態によれば、安価で、両面冷却構造に劣らない冷却性能を発揮でき、かつ応力の低減可能なパワーモジュールを提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a power module that is inexpensive, can exhibit cooling performance comparable to that of a double-sided cooling structure, and can reduce stress.

また、本実施の形態によれば、一つの冷却器で両面冷却に近い冷却能力を有する安価なパワーモジュールおよびグラファイトプレートを提供することができる。 Further, according to the present embodiment, it is possible to provide an inexpensive power module and a graphite plate having a cooling capacity close to that of double-sided cooling with one cooler.

さらに、本実施の形態によれば、高温動作による熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能なパワーモジュールおよびその製造方法を提供することができる。 Further, according to the present embodiment, it is possible to provide a power module capable of reducing the influence of heat due to high temperature operation, increasing heat resistance to wire connection, and improving reliability, and a method for manufacturing the power module.

さらにまた、本実施の形態によれば、低熱抵抗化が可能なパワーモジュールおよび電源装置を提供することができる。 Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to provide a power module and a power supply device capable of reducing thermal resistance.

(a)第1の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図1(a)のI-I線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of the power module according to the first embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the line II of FIG. 1 (a). 第1の実施の形態における比較例1に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的断面構造図。The schematic cross-sectional structure diagram which shows the schematic structure of the power module which concerns on the comparative example 1 in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における比較例2に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的断面構造図。The schematic cross-sectional structure diagram which shows the schematic structure of the power module which concerns on the comparative example 2 in 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るパワーモジュール(PM1)の熱抵抗特性について、第1の実施の形態における比較例1(PM11)・第1の実施の形態における比較例2(PM12)と対比して示す図。The thermal resistance characteristics of the power module (PM1) according to the first embodiment are compared with Comparative Example 1 (PM11) in the first embodiment and Comparative Example 2 (PM12) in the first embodiment. The figure which shows. 第1の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能なグラファイトプレートを構成するグラファイトシートの積層構造の模式的鳥瞰構成図。FIG. 3 is a schematic bird's-eye view configuration diagram of a laminated structure of graphite sheets constituting a graphite plate applicable to the power module according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能なグラファイトプレートの一例であって、(a)XY配向のグラファイトプレートを例示する模式的鳥瞰構成図、(b)XZ配向のグラファイトプレートを例示する模式的鳥瞰構成図。An example of a graphite plate applicable to the power module according to the first embodiment is a schematic bird's-eye view configuration diagram illustrating (a) an XY-oriented graphite plate, and (b) an XZ-oriented graphite plate. Schematic bird's-eye view configuration diagram. (a)第2の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図7(a)のII-II線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of the power module according to the second embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along line II-II of FIG. 7 (a). 第2の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的鳥瞰構成図。A schematic bird's-eye view configuration diagram showing a schematic configuration of a power module according to a second embodiment. 第2の実施の形態に係るパワーモジュールに適用されるグラファイトプレートを備えた上部配線の、(a)模式的鳥瞰構成図、(b)模式的正面構成図。(A) Schematic bird's-eye view configuration diagram, (b) Schematic front configuration diagram of the upper wiring provided with the graphite plate applied to the power module according to the second embodiment. 第2の実施の形態の変形例に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的鳥瞰構成図。A schematic bird's-eye view configuration diagram showing a schematic configuration of a power module according to a modified example of the second embodiment. (a)第3の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図11(a)のIII-III線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of a power module according to a third embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along lines III-III of FIG. 11 (a). 第3の実施の形態に係るパワーモジュールに適用されるグラファイトプレートを備えた上部配線の、(a)模式的鳥瞰構成図、(b)模式的正面構成図。(A) Schematic bird's-eye view configuration diagram, (b) Schematic front configuration diagram of the upper wiring provided with the graphite plate applied to the power module according to the third embodiment. (a)第4の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図13(a)のIV-IV線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of the power module according to the fourth embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the IV-IV line of FIG. 13 (a). 第4の実施の形態に係るパワーモジュールを例に、(a)上部配線の幅と熱抵抗との関係を説明するための特性図(その1)、(b)上部配線の幅と熱抵抗との関係を説明するための特性図(その2)。Taking the power module according to the fourth embodiment as an example, (a) a characteristic diagram for explaining the relationship between the width of the upper wiring and the thermal resistance (No. 1), (b) the width and the thermal resistance of the upper wiring. Characteristic diagram for explaining the relationship (No. 2). 第4の実施の形態に係るパワーモジュールを例に、(a)上部配線の厚さと熱抵抗との関係を説明するための特性図(その1)、(b)上部配線の厚さと熱抵抗との関係を説明するための特性図(その2)、(c)上部配線の厚さと熱抵抗との関係を説明するための特性図(その3)。Taking the power module according to the fourth embodiment as an example, (a) a characteristic diagram for explaining the relationship between the thickness of the upper wiring and the thermal resistance (No. 1), (b) the thickness and the thermal resistance of the upper wiring. (Part 2), (c) A characteristic diagram for explaining the relationship between the thickness of the upper wiring and the thermal resistance (No. 3). (a)第5の実施の形態に係るパワーモジュールの応力緩和構造について示す模式的断面構造図、(b)図16(a)の表示Aの部分を拡大して示す拡大図。(A) A schematic cross-sectional structure diagram showing a stress relaxation structure of a power module according to a fifth embodiment, and (b) an enlarged view showing an enlarged portion of display A in FIG. 16 (a). 第5の実施の形態に係るパワーモジュールを例に、応力緩和構造を説明するための特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining a stress relaxation structure by taking the power module according to the fifth embodiment as an example. (a)第6の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図18(a)のV-V線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of the power module according to the sixth embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the VV line of FIG. 18 (a). 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、(a)グラファイト基板とIGBTとの配置方向について説明する模式的平面パターン構成図、(b)グラファイト基板とSiC MOSFETとの配置方向について説明する模式的平面パターン構成図。In the power module according to the embodiment, (a) a schematic plan plan configuration diagram illustrating the arrangement direction of the graphite substrate and the IGBT, taking as an example a case where a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied, ( b) Schematic plane pattern configuration diagram illustrating the arrangement direction of the graphite substrate and the SiC MOSFET. 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合の、接合部にかかる応力についてシミュレーションを行うための、(a)シミュレーションモデルMDの模式的平面パターン構成図、(b)図20(a)のVI-VI線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration of (a) simulation model MD for simulating the stress applied to the joint when a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied to the power module according to the embodiment. FIG. (B) is a schematic cross-sectional structure diagram along the VI-VI line of FIG. 20 (a). 図20に示したシミュレーションモデルにおいて、熱抵抗が最も低くなる各部の厚みの一例について示す図。In the simulation model shown in FIG. 20, the figure which shows an example of the thickness of each part which has the lowest thermal resistance. 図20に示したシミュレーションモデルを用いて、接合部にかかる応力についてシミュレーションを行った際の結果(全体の反り形状)について示す図。The figure which shows the result (the whole warping shape) at the time of performing the simulation about the stress applied to the joint part using the simulation model shown in FIG. 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、デバイスの形状(シミュレーションモデルMD1~MD5)を変えてシミュレーションを行うための、(a)シミュレーションモデルMD2の模式的平面パターン構成図、(b)シミュレーションモデルMD3の模式的平面パターン構成図、(c)シミュレーションモデルMD4の模式的平面パターン構成図、(d)シミュレーションモデルMD5の模式的平面パターン構成図。(A) for performing simulation by changing the shape of the device (simulation models MD1 to MD5), taking as an example a case where a graphite substrate having an anisotropic thermal expansion coefficient is applied to the power module according to the embodiment. Schematic planar pattern configuration diagram of simulation model MD2, (b) Schematic planar pattern configuration diagram of simulation model MD3, (c) Schematic planar pattern configuration diagram of simulation model MD4, (d) Schematic planar pattern of simulation model MD5 Diagram. 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合について、デバイスの形状(シミュレーションモデルMD1~MD5)を変えてシミュレーションを行った際の、(a)エッジからの距離(Y)とミーゼス応力との関係を説明するための特性図、(b)シミュレーションモデルMDとミーゼス応力比との関係を説明するための特性図。(A) Edge when simulation is performed by changing the shape of the device (simulation models MD1 to MD5) in the case of applying a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion in the power module according to the embodiment. A characteristic diagram for explaining the relationship between the distance (Y) from and the Mieses stress, and (b) a characteristic diagram for explaining the relationship between the simulation model MD and the Mieses stress ratio. 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合の、接合部にかかる応力についてシミュレーションを行うための、(a)シミュレーションモデルMD1の模式的平面パターン構成図、(b)図25(a)のVII-VII線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration of simulation model MD1 for simulating the stress applied to the joint when a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied to the power module according to the embodiment. FIG. (B) is a schematic cross-sectional structure diagram along the line VII-VII of FIG. 25 (a). 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合について、デバイスの形状(シミュレーションモデルMD1~MD3)を変えてシミュレーションを行った際の、(a)エッジからの距離(X)とミーゼス応力との関係を説明するための特性図、(b)シミュレーションモデルMDとミーゼス応力比との関係を説明するための特性図。(A) Edge when simulation is performed by changing the shape of the device (simulation models MD1 to MD3) in the case where a graphite substrate having anisotropy in the thermal expansion coefficient is applied in the power module according to the embodiment. A characteristic diagram for explaining the relationship between the distance (X) from and the Mises stress, and (b) a characteristic diagram for explaining the relationship between the simulation model MD and the Mises stress ratio. 実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、(a)シミュレーションモデルMD1を用いてシミュレーションを行った際の結果について示す図、(b)シミュレーションモデルMD2を用いてシミュレーションを行った際の結果について示す図、(c)シミュレーションモデルMD3を用いてシミュレーションを行った際の結果について示す図。A diagram showing the results of (a) simulation using the simulation model MD1 as an example in the case where a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied to the power module according to the embodiment, (b). ) A diagram showing the results when simulation is performed using the simulation model MD2, and (c) a diagram showing the results when simulation is performed using the simulation model MD3. 実施の形態に係るパワーモジュールであって、ワンインワン(1 in 1)モジュールのSiC MOSFETの模式的回路表現図。FIG. 6 is a schematic circuit representation diagram of a SiC MOSFET of a one-in-one (1 in 1) module, which is a power module according to an embodiment. 実施の形態に係るパワーモジュールであって、1 in 1モジュールのSiC MOSFETの詳細回路表現図。FIG. 6 is a detailed circuit representation diagram of a 1 in 1 module SiC MOSFET, which is a power module according to an embodiment. 実施の形態に係るパワーモジュールであって、ツーインワン(2 in 1)モジュールのSiC MOSFETの模式的回路表現図。FIG. 6 is a schematic circuit representation diagram of a SiC MOSFET of a two-in-one (2 in 1) module, which is a power module according to an embodiment. 実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MOSFETの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of a SiC MOSFET including a source pad electrode SP and a gate pad electrode GP, which is an example of a semiconductor device applicable to the power module according to the embodiment. 実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、エミッタパッド電極EP、ゲートパッド電極GPを含むIGBTの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of an IGBT, which is an example of a semiconductor device applicable to a power module according to an embodiment, and includes an emitter pad electrode EP and a gate pad electrode GP. 実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC DI(Double Implanted) MOSFETの模式的断面構造図。An example of a semiconductor device applicable to a power module according to an embodiment, and is a schematic cross-sectional structure diagram of a SiC DI (Double Implanted) MOSFET. 実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC T(Trench) MOSFETの模式的断面構造図。An example of a semiconductor device applicable to a power module according to an embodiment, and is a schematic cross-sectional structure diagram of a SiC T (Trench) MOSFET. 実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータの回路構成において、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサを接続した回路構成例。An example of a circuit configuration in which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device and a snubber capacitor is connected between a power supply terminal PL and a ground terminal NL in a circuit configuration of a three-phase AC inverter configured by using the power module according to the embodiment. 実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータの回路構成において、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した3相交流インバータの回路構成図。FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a three-phase AC inverter to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device in a circuit configuration of a three-phase AC inverter configured by using the power module according to the embodiment. 第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造図。The schematic cross-sectional structure view of the power module which concerns on the comparative example in 7th Embodiment. 第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造図。The schematic cross-sectional structure view of the power module which concerns on the comparative example in 7th Embodiment. 第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造図。The schematic cross-sectional structure view of the power module which concerns on the comparative example in 7th Embodiment. 第7の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of the power module according to the seventh embodiment. 第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能なグラファイトプレートの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of a graphite plate applicable to the power module according to the seventh embodiment. 第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの熱抵抗シミュレーションの構造モデルを示す模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural diagram showing a structural model of thermal resistance simulation of a power module according to a comparative example in the seventh embodiment. 図42、図44、図45に示される構造モデルのSiCチップを上から見た場合の模式的上面構成図。FIG. 4 is a schematic top view of the SiC chip of the structural model shown in FIGS. 42, 44, and 45 when viewed from above. 第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの熱抵抗シミュレーションの構造モデルを示す模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural diagram showing a structural model of thermal resistance simulation of a power module according to a comparative example in the seventh embodiment. 第7の実施の形態に係るパワーモジュールの熱抵抗シミュレーションの構造モデルを示す模式的断面構造図。The schematic cross-sectional structure diagram which shows the structural model of the thermal resistance simulation of the power module which concerns on 7th Embodiment. (a)第7の実施の形態に係るパワーモジュールの具体例を示す模式的平面パターン構成図、(b)図46(a)のVIII-VIII線に沿う模式的断面構造図、(c)図46(a)に示されるパワーモジュールの模式的右側面構成図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a specific example of the power module according to the seventh embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the line VIII-VIII of FIG. 46 (a), (c). FIG. 4 is a schematic right side sectional view of the power module shown in 46 (a). (a)第7の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造図、(b)図47(a)中の表示Aの部分を拡大した拡大断面構造図。(A) Schematic cross-sectional structure diagram of the power module according to the seventh embodiment, (b) Enlarged cross-sectional structure diagram of the portion of display A in FIG. 47 (a). 第7の実施の形態に係るパワーモジュールが備えるグラファイトプレートの変形例を示す模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view showing a modified example of the graphite plate included in the power module according to the seventh embodiment. 図48に示されるグラファイトプレートを用いたパワーモジュールの模式的断面構造図。Schematic cross-sectional structural view of a power module using the graphite plate shown in FIG. 48. 図48に示されるグラファイトプレートを用いた別のパワーモジュールの模式的断面構造図。Schematic cross-sectional structural view of another power module using the graphite plate shown in FIG. 48. 第7の実施の形態に係るパワーモジュールの変形例を示す模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a modified example of the power module according to the seventh embodiment. (a)第7の実施の形態に係るパワーモジュールの変形例を示す模式的平面パターン構成図、(b)図52(a)のIX-IX線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a modified example of the power module according to the seventh embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the IX-IX line of FIG. 52 (a). 第7の実施の形態に係るパワーモジュールの詳細な断面構造図。A detailed cross-sectional structural view of the power module according to the seventh embodiment. 第7の実施の形態に係る別のパワーモジュールの詳細な断面構造図。A detailed cross-sectional structural view of another power module according to the seventh embodiment. 第8~第14の実施の形態の基礎となる基本技術に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用したワンインワン(1 in 1)モジュールの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structure diagram of a one-in-one (1 in 1) module to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to a basic technique which is a basis of the eighth to fourteenth embodiments. 第8~第14の実施の形態の基礎となる基本技術に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した1 in 1モジュールの模式的回路表現図。FIG. 6 is a schematic circuit representation diagram of a 1-in-1 module to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to the basic technology which is the basis of the 8th to 14th embodiments. 第8~第14の実施の形態の基礎となる基本技術に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用したツーインワン(2 in 1)モジュールの、(a)模式的平面パターン構成図、(b)図57(a)の要部(表示11A部分)を拡大して示す拡大図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram of a two-in-one (2 in 1) module to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to a basic technique which is a basis of the eighth to fourteenth embodiments. (B) An enlarged view showing an enlarged main part (display 11A part) of FIG. 57 (a). 第8の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した1 in 1モジュールの、(a)模式的断面構造図、(b)模式的回路表現図。A schematic cross-sectional structure diagram and a schematic circuit representation diagram of (a) a schematic cross-sectional structure diagram and (b) a schematic circuit representation diagram of a 1-in-1 module which is a power module according to an eighth embodiment and to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device. 第8の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの模式的平面パターン構成図。The schematic plane pattern block diagram of the semiconductor device applicable to the power module which concerns on 8th Embodiment. 第8の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した1 in 1モジュールを例に、(a)ターンオン時の寄生インダクタンスによるスイッチング損失について説明するための模式的回路図、(b)ターンオフ時の寄生インダクタンスによるスイッチング損失について説明するための模式的回路図。A schematic circuit diagram for explaining (a) switching loss due to parasitic inductance at the time of turn-on, taking as an example a 1 in 1 module to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to the eighth embodiment. , (B) Schematic circuit diagram for explaining switching loss due to parasitic inductance at turn-off. 第9の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した2 in 1モジュール(ハーフブリッジ内蔵モジュール)の模式的鳥瞰パターン構成図。FIG. 6 is a schematic bird's-eye view pattern configuration diagram of a 2 in 1 module (module with a built-in half bridge) to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to a ninth embodiment. 第9の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用したハーフブリッジ内蔵モジュールの、(a)模式的平面パターン構成図、(b)図62(a)の要部(表示1A部分)を拡大して示す拡大図。A power module according to a ninth embodiment, which is a module with a built-in half bridge to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, (a) a schematic planar pattern configuration diagram, and (b) a main part of FIG. 62 (a). Display 1A part) enlarged view. 第9の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用したハーフブリッジ内蔵モジュールの模式的回路表現図。FIG. 6 is a schematic circuit representation diagram of a power module according to a ninth embodiment, which is a module with a built-in half bridge to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device. 第9の実施の形態に係るパワーモジュールであって、モールドタイプのモジュールとして、ハーフブリッジ内蔵モジュールの樹脂モールド後の模式的鳥瞰構成図。FIG. 6 is a schematic bird's-eye view configuration diagram of a module with a built-in half bridge after resin molding as a mold type module, which is a power module according to a ninth embodiment. 第9の実施の形態に係るパワーモジュールであって、要部の構成を図62(b)の矢印B方向から示す模式的側面拡大図。9 is a power module according to a ninth embodiment, and is a schematic side enlarged view showing the configuration of a main part from the direction of arrow B in FIG. 62 (b). 第10の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した1 in 1モジュールの模式的平面パターン構成図。FIG. 6 is a schematic planar pattern configuration diagram of a 1-in-1 module to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to a tenth embodiment. 第10の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した1 in 1モジュールを例に、発熱時の温度拡散についてのシミュレーション結果を示す図。It is a figure which shows the simulation result about the thermal diffusivity at the time of heat generation, taking a 1 in 1 module which applied the SiC MOSFET as a semiconductor device as an example, which is the power module which concerns on the tenth embodiment. 第11の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用した1 in 1モジュールの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of a 1-in-1 module to which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, which is a power module according to the eleventh embodiment. 第12の実施の形態に係るパワーモジュールであって、シックスインワン(6 in 1)モジュールの模式的鳥瞰パターン構成図。FIG. 6 is a schematic bird's-eye view pattern configuration diagram of a six-in-one (6 in 1) module, which is a power module according to a twelfth embodiment. 第13の実施の形態に係るパワーモジュールの、(a)模式的平面パターン構成図、(b)図70(a)のXI-XI線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the XI-XI line of FIG. 70 (a) of the power module according to the thirteenth embodiment. 第14の実施の形態に係るパワーモジュールの、(a)模式的平面パターン構成図、(b)図71(a)のXII-XII線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along line XII-XII of FIG. 71 (a) of the power module according to the fourteenth embodiment. (a)第15の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図72(a)のXIII-XIII線に沿う模式的断面構造図。(A) Schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of the power module according to the fifteenth embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram along the line XIII-XIII of FIG. 72 (a). (a)第15の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュールであって、図72(a)と同様の模式的平面パターン構成のXIII-XIII線に沿う模式的断面構造図、(b)第15の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュールであって、図72(a)と同様の模式的平面パターン構成のXIII-XIII線に沿う模式的断面構造図。(A) A power module according to a modification 1 of the fifteenth embodiment, which is a schematic cross-sectional structure diagram along the line XIII-XIII having a schematic planar pattern configuration similar to that of FIG. 72 (a), (b). FIG. 6 is a schematic cross-sectional structure diagram along line XIII-XIII having a schematic planar pattern configuration similar to that of FIG. 72 (a), which is a power module according to the second modification of the fifteenth embodiment. (a)第15の実施の形態における比較例1に係るパワーモジュールの模式的断面構造図、(b)第15の実施の形態における比較例2に係るパワーモジュールの模式的断面構造図。(A) Schematic cross-sectional structure diagram of the power module according to Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment, (b) Schematic cross-sectional structure diagram of the power module according to Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment. 熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造であって、(a)第15の実施の形態に係るパワーモジュールの例、(b)第15の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュールの例、(c)第15の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュールの例。A schematic cross-sectional structure applied to a thermal resistance simulation, wherein (a) an example of a power module according to a fifteenth embodiment, and (b) an example of a power module according to a modification one of the fifteenth embodiment. (C) An example of a power module according to a modification 2 of the fifteenth embodiment. 熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造であって、(a)第15の実施の形態における比較例1に係るパワーモジュールの例、(b)第15の実施の形態における比較例2に係るパワーモジュールの例。A schematic cross-sectional structure applied to a thermal resistance simulation, wherein (a) an example of a power module according to Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment, and (b) a power according to Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment. Module example. 第15の実施の形態(E1)およびその変形例1・2(E2・E3)に係るパワーモジュールと第15の実施の形態における比較例1~4(C1~C4)に係るパワーモジュールとの熱抵抗シミュレーションの比較結果。Heat between the power module according to the fifteenth embodiment (E1) and its modifications 1 and 2 (E2 and E3) and the power module according to the comparative examples 1 to 4 (C1 to C4) in the fifteenth embodiment. Comparison result of resistance simulation. 第15の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、セラミックス基板(Al23/Si34/AlN)による熱抵抗シミュレーション結果。Thermal resistance simulation results using a ceramic substrate (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N) in the power module according to the fifteenth embodiment. 第15の実施の形態の変形例1に係るパワーモジュールにおいて、熱伝導層(熱伝導シート層/半田層/銀焼成層)とセラミックス基板(Al23/Si34/AlN)の組み合わせによる熱抵抗シミュレーション結果。In the power module according to the first modification of the fifteenth embodiment, the combination of the heat conductive layer (heat conductive sheet layer / solder layer / silver fired layer) and the ceramic substrate (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N). Thermal resistance simulation results by. 第15の実施の形態の変形例2に係るパワーモジュールにおいて、熱伝導層(熱伝導シート層/半田層/銀焼成層)とセラミックス基板(Al23/Si34/AlN)の組み合わせによる熱抵抗シミュレーション結果。In the power module according to the second modification of the fifteenth embodiment, the combination of the heat conductive layer (heat conductive sheet layer / solder layer / silver fired layer) and the ceramic substrate (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N). Thermal resistance simulation results by. 第15の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能なグラファイト基板の一例であって、(a)YZ配向のグラファイト基板の適用例を例示する模式的鳥瞰構成図、(b)YZ配向に対するデバイスの並びの方向について説明する図、(c)XZ配向のグラファイト基板の適用例を例示する模式的鳥瞰構成図、(d)XZ配向に対するデバイスの並びの方向について説明する図。An example of a graphite substrate applicable to the power module according to the fifteenth embodiment, (a) a schematic bird's-eye view configuration diagram illustrating an application example of a graphite substrate with YZ orientation, and (b) a device for YZ orientation. A diagram illustrating the alignment direction, (c) a schematic bird's-eye view configuration diagram illustrating an application example of an XZ-oriented graphite substrate, and (d) a diagram illustrating the arrangement direction of the devices with respect to the XZ orientation. 第15の実施の形態に係るパワーモジュールの熱抵抗特性について、(a)XZ配向の場合を例に説明する図、(b)YZ配向の場合を例に説明する図。The figure explaining the thermal resistance characteristic of the power module which concerns on 15th Embodiment by the case of (a) XZ orientation as an example, and (b) the figure explaining the case of YZ orientation as an example. (a)第16の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的鳥瞰パターン構成図、(b)模式的平面パターン構成図。(A) A schematic bird's-eye view pattern configuration diagram showing a schematic configuration of a power module according to a sixteenth embodiment, and (b) a schematic plane pattern configuration diagram. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、デバイス間距離を広くした場合を例に熱の干渉作用について説明するための、(a)模式的断面図、(b)図84(a)に対応する模式的平面図。In the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, (a) a schematic cross-sectional view, (b) FIG. 84 (a) for explaining the heat interference effect by taking the case where the distance between devices is widened as an example. ) Corresponding schematic plan view. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、デバイス間距離を狭くした場合を例に熱の干渉作用について説明するための、(a)模式的断面図、(b)図85(a)に対応する模式的平面図。In the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, (a) a schematic cross-sectional view, (b) FIG. 85 (a) for explaining the heat interference effect by taking the case where the distance between devices is narrowed as an example. ) Corresponding schematic plan view. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱の干渉作用について説明するために、(a)グラファイト基板を厚くした場合を例に示す模式的断面図、(b)グラファイト基板を薄くした場合を例に示す模式的断面図。In the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, in order to explain the heat interference effect, (a) a schematic cross-sectional view showing an example of a case where the graphite substrate is thickened, and (b) the graphite substrate being thinned. The schematic cross-sectional view which shows the case as an example. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、デバイスの配置例を示すものであって、(a)複数のデバイスを直線的に配置した例、(b)複数のデバイスを所定の角度を有して斜めに配置した例、(c)複数のデバイスを千鳥状に配置した例。In the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, examples of device arrangement are shown, in which (a) an example in which a plurality of devices are linearly arranged, and (b) a plurality of devices are arranged at a predetermined angle. An example in which the devices are arranged diagonally, and (c) an example in which a plurality of devices are arranged in a staggered pattern. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、デバイス配置のずれ量と熱抵抗との関係を説明するために、(a)シミュレーションに用いたシミュレーションモデルの模式的平面図、(b)シミュレーションの結果を規格化して示す特性図、(c)ずれ量の許容範囲を示す模式図。In the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, in order to explain the relationship between the amount of deviation of the device arrangement and the thermal resistance, (a) a schematic plan view of the simulation model used in the simulation, (b). A characteristic diagram showing the standardized simulation results, and (c) a schematic diagram showing an allowable range of deviation amount. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、デバイス配置のずれ量と熱抵抗との関係を説明するために、シミュレーションモデルの他の例を示す模式的平面図。In the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, a schematic plan view showing another example of the simulation model for explaining the relationship between the amount of deviation of the device arrangement and the thermal resistance. 第17の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す、(a)模式的鳥瞰パターン構成図、(b)模式的平面パターン構成図。A schematic bird's-eye view pattern configuration diagram and (b) a schematic plane pattern configuration diagram showing a schematic configuration of a power module according to a seventeenth embodiment. 第18の実施の形態に係るパワーモジュールの概略構成を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows the schematic structure of the power module which concerns on 18th Embodiment. 第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、(a)シミュレーションモデルMD1を用いてシミュレーションを行った際の結果について示す図、(b)シミュレーションモデルMD2を用いてシミュレーションを行った際の結果について示す図、(c)シミュレーションモデルMD3を用いてシミュレーションを行った際の結果について示す図。(A) Results of simulation using simulation model MD1 in the case of applying a graphite substrate having an anisotropic coefficient of thermal expansion in the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments. (B) A diagram showing the results when simulation is performed using the simulation model MD2, and (c) A diagram showing the results when simulation is performed using the simulation model MD3.

次に、図面を参照して、本実施の形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings described below, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and the relationship between the thickness of each component and the plane dimensions is different from the actual one. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined in consideration of the following explanation. In addition, it goes without saying that parts of the drawings having different dimensional relationships and ratios are included.

また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置などを特定するものではない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea, and do not specify the material, shape, structure, arrangement, etc. of each component. This embodiment can be modified in various ways within the scope of the claims.

なお、以下の説明において、便宜上、矩形状の紙面に直交する高さ(厚み)方向(モジュールの高さ(厚み)方向)をZ、紙面の一辺に沿う方向(高さ方向Zに直交する一方向)をX、一辺に直交する他辺に沿う方向(他方向)をYと定義するが、これに限定されず、X、Y、Zは任意に設定可能である。 In the following description, for convenience, the height (thickness) direction (the height (thickness) direction of the module) orthogonal to the rectangular paper surface is Z, and the direction along one side of the paper surface (one orthogonal to the height direction Z) is The direction) is defined as X, and the direction along the other side orthogonal to one side (other direction) is defined as Y, but the present invention is not limited to this, and X, Y, and Z can be arbitrarily set.

[第1の実施の形態]
(基本構成)
第1の実施の形態に係るパワーモジュール(PM;Power Module)1の模式的平面パターン構成は図1(a)に示すように表わされ、図1(a)のI-I線に沿う模式的断面構造は図1(b)に示すように表わされる。なお、図1(a)および図1(b)では、1 in 1(ワンインワン)モジュールタイプのPM1に適用した場合が例示されている。
[First Embodiment]
(Basic configuration)
The schematic plane pattern configuration of the power module (PM; Power Module) 1 according to the first embodiment is shown as shown in FIG. 1 (a), and is a schematic along the line II of FIG. 1 (a). The cross-sectional structure is represented as shown in FIG. 1 (b). In addition, in FIG. 1A and FIG. 1B, the case where it is applied to PM1 of a 1 in 1 (one-in-one) module type is illustrated.

ここで、図1において、絶縁基板20の上側をUP(U)側、絶縁基板20の下側をDOWN(D)側と定義する。この定義は、以降に示す全ての図面に適用する。 Here, in FIG. 1, the upper side of the insulating substrate 20 is defined as the UP (U) side, and the lower side of the insulating substrate 20 is defined as the DOWN (D) side. This definition applies to all drawings shown below.

第1の実施の形態に係るPM1は、図1(a)および図1(b)に示すように、例えば、SiN系のセラミックス基板21の上面(第1面)に設けられたCu箔などのドレイン電極パターン(第1電極パターン)23U1およびソース電極パターン(第2電極パターン)23U2と、セラミックス基板21の下面(第2面)に設けられたCu箔などの裏面電極パターン(第3電極パターン)23Dとを有する絶縁基板20と、ドレイン電極パターン23U1上に配置されるパワー素子系の半導体デバイス(パワーデバイス)10と、絶縁基板20の裏面電極パターン23D上に配置される放熱器41と、異方性な熱伝導率を備える導電性のグラファイトプレート(グラファイト配線)18GPおよび第1配線パターンとなるCu配線パターン16を下面(第1主面)に有し、半導体デバイス10のソースパッド電極(図示省略)とソース電極パターン23U2とを接続する上部配線(配線リード部)30とを備える。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the PM1 according to the first embodiment is, for example, a Cu foil provided on the upper surface (first surface) of the SiN-based ceramic substrate 21. The drain electrode pattern (first electrode pattern) 23U1 and the source electrode pattern (second electrode pattern) 23U2, and the back surface electrode pattern (third electrode pattern) such as Cu foil provided on the lower surface (second surface) of the ceramic substrate 21. The insulating substrate 20 having the 23D, the semiconductor device (power device) 10 of the power element system arranged on the drain electrode pattern 23U1, and the radiator 41 arranged on the back electrode pattern 23D of the insulating substrate 20 are different. A conductive graphite plate (graphite wiring) 18GP having a directional thermal conductivity and a Cu wiring pattern 16 as a first wiring pattern are provided on the lower surface (first main surface), and a source pad electrode (shown) of the semiconductor device 10 is provided. The upper wiring (wiring lead portion) 30 for connecting the source electrode pattern 23U2 and the source electrode pattern 23U2 is provided.

すなわち、第1の実施の形態に係るPM1は、絶縁基板20と、絶縁基板20上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有する半導体デバイス10と、一端が半導体デバイス10の表面側に接続され、他端が絶縁基板20に繋がる異方性な熱伝導率を備えるグラファイトプレート18GPとを備え、半導体デバイス10の表面側の熱をグラファイトプレート18GPを介して絶縁基板20へ伝達する。 That is, the PM1 according to the first embodiment has an insulating substrate 20, a semiconductor device 10 arranged on the insulating substrate 20 and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and one end on the front surface side of the semiconductor device 10. It is provided with a graphite plate 18GP having an anisotropic thermal conductivity whose other end is connected to the insulating substrate 20 and transfers heat on the surface side of the semiconductor device 10 to the insulating substrate 20 via the graphite plate 18GP.

グラファイトプレート18GPは、例えば、半導体デバイス10と接続される一端側と、一端側と同一平面で離れた位置の他端側とからなる長さGLと、その長さGLに平面視で直交する方向の幅GWとを有し、その幅GWは半導体デバイス10の幅CWよりも広い。これにより、グラファイトプレート18GPの高い熱伝導性(熱拡散性)の確保が容易となる。 The graphite plate 18GP has, for example, a length GL composed of one end side connected to the semiconductor device 10 and the other end side at a position separated from the one end side in the same plane, and a direction orthogonal to the length GL in a plan view. The width GW is wider than the width CW of the semiconductor device 10. This makes it easy to secure high thermal conductivity (heat diffusivity) of the graphite plate 18GP.

半導体デバイス10は、U側がソース電極、D側がドレイン電極となるように配置される。後述する他の半導体デバイスについても同様である。 The semiconductor device 10 is arranged so that the U side is the source electrode and the D side is the drain electrode. The same applies to other semiconductor devices described later.

上部配線30は、下層のCu配線パターン16がブロック電極29を介してソース電極パターン23U2と接続されている。 In the upper wiring 30, the lower Cu wiring pattern 16 is connected to the source electrode pattern 23U2 via the block electrode 29.

ブロック電極29は、例えばCu(金属柱)からなり、上部配線30のCu配線パターン16との間、およびソース電極パターン23U2との間が、それぞれ銀焼成部27を介して接合されている。 The block electrode 29 is made of, for example, Cu (metal column), and is joined to the Cu wiring pattern 16 of the upper wiring 30 and to the source electrode pattern 23U2, respectively, via the silver fired portion 27.

半導体デバイス10は、上部配線30のCu配線パターン16との間、およびドレイン電極パターン23U1との間が、それぞれ銀焼成部27を介して接合されている。 The semiconductor device 10 is joined to the Cu wiring pattern 16 of the upper wiring 30 and to the drain electrode pattern 23U1 via a silver firing portion 27, respectively.

ここで、図16に示すPM1以外では図示を省略しているが、実際には、半導体デバイス10の上面にはAl電極部61およびNiメッキ層63が順に形成されており、Al電極部61とNiメッキ層63と銀焼成部27とを介して、半導体デバイス10とCu配線パターン16との間が接合されるが、熱の観点からは、半導体デバイス10の上のAl電極61は厚みが薄いため、ほとんど無視できる。 Here, although the illustration is omitted except for PM1 shown in FIG. 16, in reality, the Al electrode portion 61 and the Ni plating layer 63 are sequentially formed on the upper surface of the semiconductor device 10, and the Al electrode portion 61 and the Al electrode portion 61 are formed. The semiconductor device 10 and the Cu wiring pattern 16 are bonded to each other via the Ni plating layer 63 and the silver fired portion 27, but from the viewpoint of heat, the Al electrode 61 on the semiconductor device 10 is thin. Therefore, it can be almost ignored.

放熱器41は、裏面電極パターン23Dとの間が、SnAgCu系はんだなどからなる接合部材26によって接合されている。 The radiator 41 is joined to the back surface electrode pattern 23D by a joining member 26 made of SnAgCu-based solder or the like.

放熱器41は、半導体デバイス10からの発熱を吸収して放熱するAl製のヒートシンクや、放熱フィンまたは放熱ピン、若しくは半導体デバイス10からの発熱を冷却する冷却器であっても良い。 The radiator 41 may be an Al heat sink that absorbs heat generated from the semiconductor device 10 and dissipates heat, a heat radiation fin or a heat dissipation pin, or a cooler that cools heat generated from the semiconductor device 10.

冷却器とした場合においては、冷却水として、例えば、水、または水とエチレングリコールとを50%ずつの割合で混合させた混合液や冷却気体(冷気)などの熱伝導率の良いものが用いられる。 In the case of a cooler, for example, water or a mixture of water and ethylene glycol at a ratio of 50% or a cooling gas (cold air) having good thermal conductivity is used as the cooling water. Be done.

上部配線30は、図示省略のゲートパッド電極とのワイヤボンディングのために、半導体デバイス10の上面に対して、ゲートパット電極を露出させるようにして接合されている。 The upper wiring 30 is bonded so as to expose the gate pad electrode to the upper surface of the semiconductor device 10 for wire bonding with the gate pad electrode (not shown).

なお、半導体デバイス10としては、パワーデバイスに限らず、例えばダイオードなどのFRDを含むものであっても良いし、1つまたは複数のチップの外囲がモールド樹脂やケースによって封止されたモジュールであっても良い。 The semiconductor device 10 is not limited to a power device, and may include an FRD such as a diode, for example, or is a module in which the outer periphery of one or a plurality of chips is sealed with a mold resin or a case. There may be.

絶縁基板20には、例えば、AMB(Active Metal Brazed、Active Metal Bond)基板を適用可能であるが、DBC(Direct Bonding Copper)基板、若しくはDBA(Direct Brazed Aluminum)基板なども適用できる。 For example, an AMB (Active Metal Brazed, Active Metal Bond) substrate can be applied to the insulating substrate 20, but a DBC (Direct Bonding Copper) substrate, a DBA (Direct Brazed Aluminum) substrate, or the like can also be applied.

第1の実施の形態に係るPM1は、片面冷却+上部配線構造において、上部配線30に高熱伝導材料であるグラファイトプレート18GPを採用したことにより、上部配線30での熱拡散効果が期待できる。 The PM1 according to the first embodiment can be expected to have a heat diffusion effect in the upper wiring 30 by adopting the graphite plate 18GP, which is a high thermal conductive material, for the upper wiring 30 in the one-sided cooling + upper wiring structure.

[第1の実施の形態における比較例]
(第1の実施の形態における比較例1)
第1の実施の形態における比較例1に係るPM11は、片面冷却+ワイヤボンディング構造であって、図2に示すように、セラミックス基板21上に設けられたドレイン電極パターン23Uを有する絶縁基板20と、ドレイン電極パターン23U上に銀焼成部27を介して配置されるパワー系の半導体デバイス10と、絶縁基板20の、ドレイン電極パターン23Uの対向面側の裏面電極パターン23D上に接合部材26を介して配置される放熱器41と、図示省略の半導体デバイス10のソースパッド電極とソース電極パターンとを接続するソースボンディングワイヤSWとを備える。
[Comparative example in the first embodiment]
(Comparative Example 1 in the First Embodiment)
PM11 according to Comparative Example 1 in the first embodiment has a single-sided cooling + wire bonding structure, and has an insulating substrate 20 having a drain electrode pattern 23U provided on the ceramic substrate 21 as shown in FIG. , The power-based semiconductor device 10 arranged on the drain electrode pattern 23U via the silver firing portion 27, and the insulating substrate 20 via the bonding member 26 on the back surface electrode pattern 23D on the facing surface side of the drain electrode pattern 23U. The radiator 41 is provided with a radiator 41, and a source bonding wire SW for connecting the source pad electrode and the source electrode pattern of the semiconductor device 10 (not shown).

(第1の実施の形態における比較例2)
第1の実施の形態における比較例2に係るPM12は、両面冷却構造であって、図3に示すように、セラミックス基板21Dの両面に設けられた電極パターン23D・24Dを有する下部絶縁基板20Dと、電極パターン24D上に銀焼成部27を介して配置されるパワー系の半導体デバイス10と、銀焼成部27を介して半導体デバイス10と対向して配置され、セラミックス基板21Uの両面に設けられた電極パターン23U・24Uを有する上部絶縁基板20Uと、下部絶縁基板20Dの電極パターン23D上に接合部材26を介して配置される下部放熱器41Dと、上部絶縁基板20Uの電極パターン23U上に接合部材26を介して配置される上部放熱器41Uとを備える。
(Comparative Example 2 in the First Embodiment)
PM12 according to Comparative Example 2 in the first embodiment has a double-sided cooling structure, and as shown in FIG. 3, has a lower insulating substrate 20D having electrode patterns 23D and 24D provided on both sides of the ceramic substrate 21D. The power-based semiconductor device 10 arranged on the electrode pattern 24D via the silver firing unit 27 and the semiconductor device 10 are arranged facing the semiconductor device 10 via the silver firing unit 27 and provided on both sides of the ceramic substrate 21U. The upper insulating substrate 20U having the electrode patterns 23U and 24U, the lower radiator 41D arranged on the electrode pattern 23D of the lower insulating substrate 20D via the joining member 26, and the joining member on the electrode pattern 23U of the upper insulating substrate 20U. It is provided with an upper radiator 41U arranged via 26.

[熱抵抗特性]
第1の実施の形態に係るPM1とPM11(比較例1)・PM12(比較例2)とを対象に行った熱シミュレーションの結果(熱抵抗特性)は、図4に示すように表わされる。
[Heat resistance characteristics]
The results (thermal resistance characteristics) of the thermal simulation performed on PM1 and PM11 (Comparative Example 1) and PM12 (Comparative Example 2) according to the first embodiment are shown in FIG.

図4に示すように、第1の実施の形態における比較例2に係るPM12は、冷却性能に優れた両面冷却構造であるため、第1の実施の形態における比較例1に係るPM11より約40%もの熱抵抗の低減が可能となる。 As shown in FIG. 4, since the PM12 according to Comparative Example 2 in the first embodiment has a double-sided cooling structure having excellent cooling performance, it is about 40 more than PM11 according to Comparative Example 1 in the first embodiment. It is possible to reduce the thermal resistance by%.

これに対し、第1の実施の形態に係るPM1は、第1の実施の形態における比較例2に係るPM12には及ばないものの、第1の実施の形態における比較例1に係るPM11より熱抵抗を約20%も低減可能となる。 On the other hand, PM1 according to the first embodiment does not reach PM12 according to Comparative Example 2 in the first embodiment, but has higher thermal resistance than PM11 according to Comparative Example 1 in the first embodiment. Can be reduced by about 20%.

すなわち、上部配線30として、異方性な熱伝導率を有する高熱伝導材料のグラファイトプレート18GPにCu配線パターン16を貼り合わせた構造を採用したことにより、第1の実施の形態に係るPM1においては、上部配線30での冷却性能(熱拡散効果)の向上が期待できる。 That is, by adopting a structure in which the Cu wiring pattern 16 is bonded to the graphite plate 18GP of a high thermal conductivity material having an anisotropic thermal conductivity as the upper wiring 30, in PM1 according to the first embodiment. , Improvement of cooling performance (heat diffusion effect) in the upper wiring 30 can be expected.

なお、上記した熱シミュレーションに用いたPM1・PM11・PM12の各部の寸法(厚み)は以下の通りであり、放熱器41の裏面の温度を65℃で固定した。 The dimensions (thickness) of each part of PM1, PM11, and PM12 used in the above thermal simulation are as follows, and the temperature of the back surface of the radiator 41 was fixed at 65 ° C.

例えば、放熱器41・41D・41Uは1.0mm厚とし、接合部材26は0.2mm厚とし、セラミックス基板21・21D・21Uは0.25mm厚とし、電極パターン23D・23U1・23U2・23U・24D・24Uは1.0mm厚とし、半導体デバイス10は350μm厚のSiC MOSFETとした。また、銀焼成部27は60μm厚とし、ブロック電極29は350μm厚とし、Cu配線パターン16は0.2mm厚とし、グラファイトプレート18GPは0.7mm厚とした。 For example, the radiator 41, 41D, 41U has a thickness of 1.0 mm, the joining member 26 has a thickness of 0.2 mm, the ceramic substrate 21, 21D, 21U has a thickness of 0.25 mm, and the electrode patterns 23D, 23U1, 23U2, 23U, etc. The 24D and 24U were 1.0 mm thick, and the semiconductor device 10 was a 350 μm thick SiC MOSFET. The silver fired portion 27 was 60 μm thick, the block electrode 29 was 350 μm thick, the Cu wiring pattern 16 was 0.2 mm thick, and the graphite plate 18GP was 0.7 mm thick.

第1の実施の形態に係るPM1によれば、片面冷却構造を基本構造とし、半導体デバイス10上の上部配線30として、異方性な熱伝導率を持つグラファイトプレート18GPにCu配線パターン16を貼り合わせたグラファイト上部配線構造(グラファイト構造)を適用することによって、両面冷却構造に劣らない冷却性能を発揮できる。 According to PM1 according to the first embodiment, a single-sided cooling structure is used as a basic structure, and a Cu wiring pattern 16 is attached to a graphite plate 18GP having an anisotropic thermal conductivity as an upper wiring 30 on a semiconductor device 10. By applying the combined graphite upper wiring structure (graphite structure), cooling performance comparable to that of the double-sided cooling structure can be exhibited.

また、第1の実施の形態に係るPM1においては、グラファイトプレート18GPの上部配線30への適用により、応力の低減をも同時に図ることが可能となる。 Further, in PM1 according to the first embodiment, it is possible to reduce stress at the same time by applying the graphite plate 18GP to the upper wiring 30.

したがって、信頼性および生産性に優れ、両面冷却構造に比べて安価であり、両面冷却構造に劣らない冷却性能を発揮できると共に、応力の低減をも同時に図ることが可能なパワーモジュールを提供できる。 Therefore, it is possible to provide a power module which is excellent in reliability and productivity, is inexpensive as compared with the double-sided cooling structure, can exhibit cooling performance not inferior to the double-sided cooling structure, and can simultaneously reduce stress.

(グラファイトプレート18GP)
(基本構成)
第1の実施の形態に係るPM1においては、グラファイトプレート18GPとして、配向の異なる2種類のグラファイトプレートの使用が可能である。
(Graphite plate 18GP)
(Basic configuration)
In PM1 according to the first embodiment, it is possible to use two types of graphite plates having different orientations as the graphite plate 18GP.

グラファイトプレート18GPを構成するグラファイトシート(グラフェン)GSの模式的構成(積層構造例)は、図5に示すように表わされる。 A schematic configuration (example of laminated structure) of the graphite sheet (graphene) GS constituting the graphite plate 18GP is shown as shown in FIG.

グラファイトプレート18GPには、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いXY配向(第1の配向)を有するグラファイトプレート18GP(XY)と、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向(第2の配向)を有するグラファイトプレート18GP(XZ)とがあり、グラファイトプレート18GP(XY)は図6(a)に示すように表わされ、グラファイトプレート18GP(XZ)は図6(b)に示すように表わされる。 The graphite plate 18GP has an XY orientation (first orientation) having a higher thermal conductivity in the plane direction than the thickness direction, and an XZ orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than the plane direction. There is a graphite plate 18GP (XZ) with (second orientation), the graphite plate 18GP (XY) is represented as shown in FIG. 6 (a), and the graphite plate 18GP (XZ) is shown in FIG. 6 (b). It is expressed as shown in.

図5に示すように、n層からなる各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、1つの積層結晶構造の中に多数の六方晶系の共有結合を有し、各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSn間がファンデルワールス力によって結合されるようになっている。 As shown in FIG. 5, the graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., GSn on each surface composed of n layers have a large number of hexagonal covalent bonds in one laminated crystal structure, and each surface has a covalent bond. The graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., and GSn are bonded by a van der Waals force.

すなわち、炭素系異方伝熱材料であるグラファイトは、炭素原子の六角形網目構造の層状結晶体であって、熱伝導も異方性を持っており、図5に示すグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、結晶面方向(XY面上)に対して、Z軸の厚さ方向よりも大きな熱伝導度(高い熱伝導率)を有する。 That is, graphite, which is a carbon-based anisotropic heat transfer material, is a layered crystal having a hexagonal network structure of carbon atoms, and has anisotropy in heat conduction. Graphite sheets GS1, GS2, shown in FIG. GS3 ..... GSn has a higher thermal conductivity (high thermal conductivity) in the crystal plane direction (on the XY plane) than in the thickness direction of the Z axis.

したがって、図6(a)に示すように、XY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)は、例えば、X=1500(W/mK)、Y=1500(W/mK)、Z=5(W/mK)の熱伝導率を備える。 Therefore, as shown in FIG. 6A, the graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation has, for example, X = 1500 (W / mK), Y = 1500 (W / mK), Z = 5 (W /). It has a thermal conductivity of mK).

一方、図6(b)に示すように、XZ配向を有するグラファイトプレート18GP(XZ)は、例えば、X=1500(W/mK)、Y=5(W/mK)、Z=1500(W/mK)の熱伝導率を備える。 On the other hand, as shown in FIG. 6B, the graphite plate 18GP (XZ) having the XZ orientation has, for example, X = 1500 (W / mK), Y = 5 (W / mK), Z = 1500 (W /). It has a thermal conductivity of mK).

なお、グラファイトプレート18GP(XY)・18GP(XZ)は、共に、密度が2.2(g/cm3 )であり、厚さが2mm~10mmであり、大きさが40mm×40mm以下である。 Both the graphite plates 18GP (XY) and 18GP (XZ) have a density of 2.2 (g / cm 3 ), a thickness of 2 mm to 10 mm, and a size of 40 mm × 40 mm or less.

[第2の実施の形態]
(概略構成)
第2の実施の形態に係るPM1の模式的平面パターン構成は図7(a)に示すように表わされ、図7(a)のII-II線に沿う模式的断面構造は図7(b)に示すように表わされる。また、第2の実施の形態に係るPM1の模式的鳥瞰構成は、図8に示すように表わされる。なお、図7(a)・図7(b)および図8では、1 in 1モジュールタイプのPM1に適用した場合が例示されている。
[Second Embodiment]
(Rough configuration)
The schematic planar pattern configuration of PM1 according to the second embodiment is shown in FIG. 7 (a), and the schematic cross-sectional structure along the line II-II of FIG. 7 (a) is shown in FIG. 7 (b). ). Further, the schematic bird's-eye view configuration of PM1 according to the second embodiment is shown as shown in FIG. It should be noted that FIGS. 7 (a), 7 (b) and 8 show examples of application to PM1 of the 1 in 1 module type.

ここで、図7(a)・図7(b)および図8に示すように、第2の実施の形態に係るPM1は、上部配線(配線リード部)30Aの構成を除けば、第1の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。 Here, as shown in FIGS. 7 (a), 7 (b) and 8, the PM1 according to the second embodiment is the first PM1 except for the configuration of the upper wiring (wiring lead portion) 30A. It has almost the same configuration as PM1 according to the embodiment.

第2の実施の形態に係るPM1は、図7(a)・図7(b)および図8に示すように、絶縁性のセラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置されたドレイン電極パターン(第1電極パターン)23U1およびソース電極パターン(第2電極パターン)23U2と、セラミックス基板21の下面(第2面)に配置された裏面電極パターン(第3電極パターン)23Dとを備える絶縁基板20と、ドレイン電極パターン23U1上に配置され、その表面側と裏面側とに電極(図示省略)を有する半導体デバイス(パワーデバイス)10と、裏面電極パターン23D上に配置される放熱器41と、ソース電極パターン23U2上に配置されたブロック電極29と、異方性な熱伝導率を備えるグラファイトプレート(グラファイト配線)18GPと、グラファイトプレート18GPの下面(第1主面)に配置されたCu配線パターン(第1配線パターン)16Dおよび上面(第2主面)に配置されたCu配線パターン(第2配線パターン)16Uとを備え、一端側が半導体デバイス10の表面側のソースパッド電極と接続されると共に、一端側と同一平面で離れた位置の他端側がブロック電極29を介してソース電極パターン23U2と接続される上部配線(配線リード部)30Aとを備える。 As shown in FIGS. 7 (a), 7 (b) and 8, the PM1 according to the second embodiment is arranged on the insulating ceramic substrate 21 and the upper surface (first surface) of the ceramic substrate 21. The drain electrode pattern (first electrode pattern) 23U1 and the source electrode pattern (second electrode pattern) 23U2, and the back surface electrode pattern (third electrode pattern) 23D arranged on the lower surface (second surface) of the ceramic substrate 21. A semiconductor device (power device) 10 arranged on the drain electrode pattern 23U1 and having electrodes (not shown) on the front surface side and the back surface side thereof, and heat dissipation arranged on the back surface electrode pattern 23D. The vessel 41, the block electrode 29 arranged on the source electrode pattern 23U2, the graphite plate (graphite wiring) 18GP having an anisotropic thermal conductivity, and the lower surface (first main surface) of the graphite plate 18GP are arranged. It is provided with a Cu wiring pattern (first wiring pattern) 16D and a Cu wiring pattern (second wiring pattern) 16U arranged on the upper surface (second main surface), and one end side thereof is a source pad electrode on the front surface side of the semiconductor device 10. It also includes an upper wiring (wiring lead portion) 30A that is connected and the other end side at a position separated from one end side in the same plane is connected to the source electrode pattern 23U2 via the block electrode 29.

第2の実施の形態に係るPM1において、上部配線30Aの模式的鳥瞰構成は、図9(a)に示すように表わされ、模式的正面(側面)構成は、図9(b)に示すように表わされる。 In PM1 according to the second embodiment, the schematic bird's-eye view configuration of the upper wiring 30A is shown as shown in FIG. 9A, and the schematic front (side surface) configuration is shown in FIG. 9B. It is expressed as.

第2の実施の形態に係るPM1において、上部配線30Aは、図9(a)および図9(b)に示すように、例えばXY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)と、グラファイトプレート18GP(XY)の下面(第1主面)に貼り合わされたCu配線パターン16Dと、グラファイトプレート18GP(XY)の上面(第2主面)に貼り合わされたCu配線パターン16Uとを備える。下層のCu配線パターン16Dは、XZ面に対して、ブロック電極29と別体に形成された、ほぼI字状の断面形状を有する。 In PM1 according to the second embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, the upper wiring 30A is, for example, a graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation and a graphite plate 18GP (XY). ) Is provided with a Cu wiring pattern 16D bonded to the lower surface (first main surface) and a Cu wiring pattern 16U bonded to the upper surface (second main surface) of the graphite plate 18GP (XY). The Cu wiring pattern 16D in the lower layer has a substantially I-shaped cross-sectional shape formed separately from the block electrode 29 with respect to the XZ surface.

すなわち、第2の実施の形態に係るPM1は、絶縁性のセラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置されたドレイン電極パターン23U1およびソース電極パターン23U2と、上面に対向する下面(第2面)に配置された裏面電極パターン23Dとを備える絶縁基板20と、ドレイン電極パターン23U1上に配置され、その表面側にソース電極、裏面側にドレイン電極を有する半導体デバイス10と、裏面電極パターン23D上に配置される放熱器41と、ソース電極パターン23U2上に配置されたブロック電極29と、異方性な熱伝導率を備えるグラファイトプレート18GPと、グラファイトプレート18GPの下面(第1主面)に配置されたCu配線パターン16Dおよび下面に対向する上面(第2主面)に配置されたCu配線パターン16Uとを備え、一端側が半導体デバイス10の表面側に接続されると共に、一端側と同一平面で離れた位置の他端側がブロック電極29を介してCu電極パターン23U2と接続される上部配線30Aとを備え、グラファイトプレート18GPは、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いXY配向、または面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向のいずれかを備えると共に、XY配向を有する複数のグラファイトシートGSを積層してなるプレート構造(18GP(XY))、またはXZ配向を有する複数のグラファイトシートGSを積層してなるプレート構造(18GP(XZ))を備え、半導体デバイス10の表面側の熱をグラファイトプレート18GPを介して絶縁基板20へ伝達する。 That is, the PM1 according to the second embodiment faces the upper surface of the insulating ceramic substrate 21, the drain electrode pattern 23U1 and the source electrode pattern 23U2 arranged on the upper surface (first surface) of the ceramic substrate 21. An insulating substrate 20 having a back surface electrode pattern 23D arranged on the lower surface (second surface), a semiconductor device 10 arranged on the drain electrode pattern 23U1 and having a source electrode on the front surface side and a drain electrode on the back surface side. A radiator 41 arranged on the back surface electrode pattern 23D, a block electrode 29 arranged on the source electrode pattern 23U2, a graphite plate 18GP having an anisotropic thermal conductivity, and a lower surface of the graphite plate 18GP (first). It is provided with a Cu wiring pattern 16D arranged on the main surface) and a Cu wiring pattern 16U arranged on the upper surface (second main surface) facing the lower surface, and one end side is connected to the front surface side of the semiconductor device 10 and one end is connected. The other end side of the position distant from the side is provided with the upper wiring 30A connected to the Cu electrode pattern 23U2 via the block electrode 29, and the graphite plate 18GP has higher thermal conductivity in the surface direction than in the thickness direction. A plate structure (18GP (XY)) or XY, which has either an XY orientation or an XZ orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than the plane direction, and is formed by laminating a plurality of graphite sheets GS having the XY orientation. A plate structure (18GP (XZ)) formed by laminating a plurality of oriented graphite sheets GS is provided, and heat on the surface side of the semiconductor device 10 is transferred to the insulating substrate 20 via the graphite plate 18GP.

なお、XY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)は、例えば、X=1500(W/mK)、Y=1500(W/mK)、Z=5(W/mK)の熱伝導率を備える。 The graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation has, for example, a thermal conductivity of X = 1500 (W / mK), Y = 1500 (W / mK), and Z = 5 (W / mK).

したがって、グラファイトプレート18GP(XY)を適用した上部配線30Aは、XY面に対して、より高い熱拡散効果が期待できると共に、上層のCu配線パターン16Uを備えたことによって、同時に、反り(応力)をも効果的に抑えることが可能となる。 Therefore, the upper wiring 30A to which the graphite plate 18GP (XY) is applied can be expected to have a higher heat diffusion effect on the XY surface, and is provided with the Cu wiring pattern 16U in the upper layer, so that the warp (stress) is simultaneously obtained. Can be effectively suppressed.

(変形例)
第2の実施の形態の変形例に係るPM1の模式的鳥瞰構成は図10に示すように表わされる。
(Modification example)
The schematic bird's-eye view configuration of PM1 according to the modified example of the second embodiment is shown as shown in FIG.

ここで、第2の実施の形態の変形例に係るPM1は、例えば図10に示すように、半導体デバイス10の方向を第2の実施の形態に係るPM1の場合と異ならせるようにして配置した場合を例示したものであって、半導体デバイス10の向きを除けば、第2の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備えるため、詳細な説明は省略する。 Here, the PM1 according to the modified example of the second embodiment is arranged so that the direction of the semiconductor device 10 is different from that of the PM1 according to the second embodiment, for example, as shown in FIG. This is an example of the case, and since it has almost the same configuration as PM1 according to the second embodiment except for the orientation of the semiconductor device 10, detailed description thereof will be omitted.

すなわち、第2の実施の形態の変形例に係るPM1のように、半導体デバイス10は、ゲートパッド電極(図示省略)の向きが、上部配線30Aの延長方向と直交する方向となるように配置することも可能である。 That is, as in PM1 according to the modified example of the second embodiment, the semiconductor device 10 is arranged so that the direction of the gate pad electrode (not shown) is orthogonal to the extension direction of the upper wiring 30A. It is also possible.

上部配線30Aは、図示省略のゲートパッド電極とのワイヤボンディングのために、半導体デバイス10の上面に対して、ゲートパット電極(ゲートワイヤのボンディング面GB)を露出させるようにして接合される。 The upper wiring 30A is bonded so as to expose the gate pad electrode (bonding surface GB of the gate wire) to the upper surface of the semiconductor device 10 for wire bonding with the gate pad electrode (not shown).

なお、詳細な説明は省略するが、図10に示した第2の実施の形態の変形例に係るPM1の構成は、他の実施の形態に係る構成のPM1にも同様に適用可能である。 Although detailed description will be omitted, the configuration of PM1 according to the modified example of the second embodiment shown in FIG. 10 can be similarly applied to PM1 having the configuration according to another embodiment.

[第3の実施の形態]
第3の実施の形態に係るPM1の模式的平面パターン構成は図11(a)に示すように表わされ、図11(a)のIII-III線に沿う模式的断面構造は図11(b)に示すように表わされる。なお、図11(a)および図11(b)では、1 in 1モジュールタイプのPM1に適用した場合が例示されている。
[Third Embodiment]
The schematic planar pattern configuration of PM1 according to the third embodiment is shown in FIG. 11 (a), and the schematic cross-sectional structure along the line III-III in FIG. 11 (a) is shown in FIG. 11 (b). ). In addition, in FIG. 11A and FIG. 11B, the case where it is applied to PM1 of a 1 in 1 module type is exemplified.

ここで、図11(a)および図11(b)に示すように、第3の実施の形態に係るPM1は、上部配線(配線リード部)30Bの構成を除けば、第2の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。 Here, as shown in FIGS. 11A and 11B, the PM1 according to the third embodiment is the second embodiment except for the configuration of the upper wiring (wiring lead portion) 30B. It has almost the same configuration as PM1 according to the above.

すなわち、第3の実施の形態に係るPM1は、図11(a)および図11(b)に示すように、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置されたドレイン電極パターン(第1電極パターン)23U1およびソース電極パターン(第2電極パターン)23U1と、セラミックス基板21の下面(第2面)に配置された裏面電極パターン(第3電極パターン)23Dとを備える絶縁基板20と、ドレイン電極パターン23U1上に配置され、表面にソースパッド電極(図示省略)を有する半導体デバイス(パワーデバイス)10と、裏面電極パターン23D上に配置される放熱器41と、異方性な熱伝導率を備えるグラファイトプレート(グラファイト配線)18GPと、グラファイトプレート18GPの下面(第1主面)に配置され、一端側が半導体デバイス10のソースパッド電極と接続されると共に、他端側がソース電極パターン23U2と接続されるCu配線パターン(第1配線パターン)16D1と、グラファイトプレート18GPの上面(第2主面)に設けられたCu配線パターン(第2配線パターン)16Uとを有する上部配線(配線リード部)30Bとを備える。 That is, as shown in FIGS. 11A and 11B, the PM1 according to the third embodiment includes the ceramics substrate 21 and the drain electrodes arranged on the upper surface (first surface) of the ceramics substrate 21. An insulating substrate including a pattern (first electrode pattern) 23U1 and a source electrode pattern (second electrode pattern) 23U1 and a back surface electrode pattern (third electrode pattern) 23D arranged on the lower surface (second surface) of the ceramic substrate 21. 20 and a semiconductor device (power device) 10 arranged on the drain electrode pattern 23U1 and having a source pad electrode (not shown) on the front surface, and a radiator 41 arranged on the back surface electrode pattern 23D are anisotropic. A graphite plate (graphite wiring) 18GP having thermal conductivity and a lower surface (first main surface) of the graphite plate 18GP are arranged, one end side is connected to the source pad electrode of the semiconductor device 10, and the other end side is a source electrode pattern. Upper wiring (wiring lead) having a Cu wiring pattern (first wiring pattern) 16D1 connected to 23U2 and a Cu wiring pattern (second wiring pattern) 16U provided on the upper surface (second main surface) of the graphite plate 18GP. Part) 30B and the like.

第3の実施の形態に係るPM1において、上部配線30Bの模式的鳥瞰構成は、図12(a)に示すように表わされ、模式的正面(側面)構成は、図12(b)に示すように表わされる。 In PM1 according to the third embodiment, the schematic bird's-eye view configuration of the upper wiring 30B is shown as shown in FIG. 12 (a), and the schematic front (side surface) configuration is shown in FIG. 12 (b). It is expressed as.

すなわち、第3の実施の形態に係るPM1において、上部配線30Bは、図12(a)および図12(b)に示すように、例えばXY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)と、グラファイトプレート18GP(XY)の下面に貼り合わされたCu配線パターン16D1と、グラファイトプレート18GP(XY)の上面に貼り合わされたCu配線パターン16Uとを備える。下層のCu配線パターン16D1は、XZ面に対して、ブロック状の接続電極部(ブロック電極)と一体的に形成された、ほぼL字状の断面形状を有する。 That is, in PM1 according to the third embodiment, as shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), the upper wiring 30B is, for example, a graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation and a graphite plate 18GP. A Cu wiring pattern 16D1 bonded to the lower surface of (XY) and a Cu wiring pattern 16U bonded to the upper surface of the graphite plate 18GP (XY) are provided. The Cu wiring pattern 16D1 in the lower layer has a substantially L-shaped cross-sectional shape integrally formed with a block-shaped connection electrode portion (block electrode) with respect to the XZ surface.

したがって、グラファイトプレート18GPを適用した上部配線30Bは、Cu配線パターン16D1のように、下層のCu配線パターンとブロック電極とを一体形成しつつ、上層のCu配線パターン16Uと併用させることによって、XY面に対して、より高い熱拡散効果が期待できると共に、反り(応力)をより効果的に低減させることが可能となる。 Therefore, the upper wiring 30B to which the graphite plate 18GP is applied can be used in combination with the Cu wiring pattern 16U in the upper layer while integrally forming the Cu wiring pattern in the lower layer and the block electrode as in the Cu wiring pattern 16D1. On the other hand, a higher thermal diffusion effect can be expected, and warpage (stress) can be reduced more effectively.

第3の実施の形態に係るPM1によれば、グラファイトプレート18GPの上下両面にCu配線パターン16U・16D1を貼り付けてなる上部配線30Bの採用により、生産性の観点から片面冷却構造とした場合にも両面冷却構造に劣らない冷却性能を確保できる。 According to PM1 according to the third embodiment, when the single-sided cooling structure is adopted from the viewpoint of productivity by adopting the upper wiring 30B in which the Cu wiring patterns 16U and 16D1 are attached to both the upper and lower surfaces of the graphite plate 18GP. However, it is possible to secure cooling performance that is not inferior to the double-sided cooling structure.

同時に、応力に対する緩和効果も期待できる(例えば、グラファイトプレートとCu配線パターンとの貼り合わせにより、Cu配線パターンのみの場合と比較して、約50%の低減が可能)。 At the same time, a relaxation effect on stress can be expected (for example, by laminating a graphite plate and a Cu wiring pattern, a reduction of about 50% is possible as compared with the case of using only the Cu wiring pattern).

また、Cu配線パターン16D1の併用により、上部配線30Bとしての電気伝導性を損なうこともない。 Further, the combined use of the Cu wiring pattern 16D1 does not impair the electrical conductivity of the upper wiring 30B.

なお、詳細な説明は省略するが、第3の実施の形態に係るPM1の構成(上部配線構造)は、第1の実施の形態など、他の実施の形態に係る構成のPM1にも同様に適用可能である。 Although detailed description is omitted, the configuration (upper wiring structure) of PM1 according to the third embodiment is similarly the same as PM1 having the configuration according to other embodiments such as the first embodiment. Applicable.

すなわち、上部配線30Bは、グラファイトプレート18GPの上面にCu配線パターン16Uを備える構成としたが、上層のCu配線パターン16Uは必須の構成要件ではなく、Cu配線パターン16Uを省略した構成とすることも可能である。 That is, the upper wiring 30B has a configuration in which the Cu wiring pattern 16U is provided on the upper surface of the graphite plate 18GP, but the Cu wiring pattern 16U in the upper layer is not an indispensable configuration requirement, and the Cu wiring pattern 16U may be omitted. It is possible.

また、いずれの実施の形態に係るPM1においても、グラファイトプレート18GPとしては、XY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)に限らず、例えば、XZ配向を有するグラファイトプレート18GP(XZ)も適用可能である。 Further, in PM1 according to any of the embodiments, the graphite plate 18GP is not limited to the graphite plate 18GP (XY) having XY orientation, and for example, the graphite plate 18GP (XZ) having XZ orientation can be applied. ..

すなわち、第3の実施の形態に係るPM1は、絶縁性のセラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面に配置されたドレイン電極パターン23U1およびソース電極パターン23U2と、上面に対向する下面に配置された裏面電極パターン23Dとを備える絶縁基板20と、ドレイン電極パターン23U1上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有する半導体デバイス10と、裏面電極パターン23D上に配置される放熱器41と、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線18GP、およびグラファイト配線18GPの下面に配置され、一端側が半導体デバイス10の表面側に接続されると共に、一端側と同一平面で離れた位置の他端側がソース電極パターン23U2と接続されるように配線パターンの厚みが部分的に異なるL字の断面形状を有するCu配線パターン16D1を有する上部配線30Bとを備え、グラファイト配線18GPは、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いXY配向、または面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向のいずれかを備えると共に、XY配向を有する複数のグラファイトシートGSを積層してなるプレート構造(18GP(XY))、またはXZ配向を有する複数のグラファイトシートGSを積層してなるプレート構造(18GP(XZ))を備え、半導体デバイス10の表面側の熱をグラファイト配線18GPを介して絶縁基板20へ伝達する。 That is, the PM1 according to the third embodiment is arranged on the insulating ceramic substrate 21, the drain electrode pattern 23U1 and the source electrode pattern 23U2 arranged on the upper surface of the ceramic substrate 21, and the lower surface facing the upper surface. An insulating substrate 20 having a back surface electrode pattern 23D, a semiconductor device 10 arranged on the drain electrode pattern 23U1 and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and a radiator 41 arranged on the back surface electrode pattern 23D. , The graphite wiring 18GP having an anisotropic thermal conductivity, and the other end located on the lower surface of the graphite wiring 18GP, one end side connected to the front surface side of the semiconductor device 10 and the other end in the same plane as the one end side and distant from each other. The graphite wiring 18GP is provided with an upper wiring 30B having a Cu wiring pattern 16D1 having an L-shaped cross-sectional shape in which the thickness of the wiring pattern is partially different so that the side is connected to the source electrode pattern 23U2, and the graphite wiring 18GP is a surface rather than a thickness direction. A plate structure (18GP) in which a plurality of graphite sheets GS having either XY orientation having high thermal conductivity in the direction or XZ orientation having higher thermal conductivity in the thickness direction than the plane direction and having XY orientation are laminated. (XY)) or a plate structure (18GP (XZ)) formed by laminating a plurality of graphite sheets GS having XZ orientation, and heat on the surface side of the semiconductor device 10 is transferred to the insulating substrate 20 via the graphite wiring 18GP. introduce.

[熱抵抗特性]
次に、第4の実施の形態に係るPM1をモデルに、シミュレーションを行った際の結果(上部配線と熱抵抗との関係性)について説明する。
[Heat resistance characteristics]
Next, the result (relationship between the upper wiring and the thermal resistance) when the simulation is performed using PM1 according to the fourth embodiment as a model will be described.

[第4の実施の形態]
(概略構成)
第4の実施の形態に係るPM1の模式的平面パターン構成は図13(a)に示すように表わされ、図13(a)のIV-IV線に沿う模式的断面構造は図13(b)に示すように表わされる。なお、図13(a)および図13(b)では、1 in 1モジュールタイプのPM1に適用した場合が例示されている。
[Fourth Embodiment]
(Rough configuration)
The schematic planar pattern configuration of PM1 according to the fourth embodiment is shown in FIG. 13 (a), and the schematic cross-sectional structure along the IV-IV line in FIG. 13 (a) is shown in FIG. 13 (b). ). In addition, in FIG. 13A and FIG. 13B, the case where it is applied to PM1 of a 1 in 1 module type is exemplified.

ここで、図13(a)および図13(b)に示すように、第4の実施の形態に係るPM1は、ブロック電極29Aを除けば、第1の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。 Here, as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), the PM1 according to the fourth embodiment is substantially the same as the PM1 according to the first embodiment except for the block electrode 29A. It has a configuration.

すなわち、第4の実施の形態に係るPM1は、図13(a)および図13(b)に示すように、グラファイトプレート18GPの下面(第1主面)に、Cu配線パターン16を貼り合わせてなる上部配線30を備える。 That is, in the PM1 according to the fourth embodiment, as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), the Cu wiring pattern 16 is bonded to the lower surface (first main surface) of the graphite plate 18GP. The upper wiring 30 is provided.

上部配線30において、例えば、グラファイトプレート18GPの厚さtは0.7mm、Cu配線パターン16の厚さtcは0.2mmとされている。また、上部配線30は、幅(Y方向の長さ)がdとされている。 In the upper wiring 30, for example, the thickness t of the graphite plate 18GP is 0.7 mm, and the thickness tc of the Cu wiring pattern 16 is 0.2 mm. Further, the width (length in the Y direction) of the upper wiring 30 is d.

なお、グラファイトプレート18GPは、XY配向を有し、例えば、X=1500(W/mK)、Y=1500(W/mK)、Z=5(W/mK)の熱伝導率を備える。 The graphite plate 18GP has an XY orientation and has, for example, a thermal conductivity of X = 1500 (W / mK), Y = 1500 (W / mK), and Z = 5 (W / mK).

第4の実施の形態に係るPM1において、絶縁基板20は、例えば、SiN系のセラミックス基板21の厚さを0.25mmとし、上層のドレイン電極パターン23U1およびソース電極パターン23U2として、1.0mm厚のCu箔を、15mm×15mmのサイズで形成した。 In PM1 according to the fourth embodiment, the insulating substrate 20 has, for example, a SiN-based ceramic substrate 21 having a thickness of 0.25 mm, and the upper drain electrode pattern 23U1 and the source electrode pattern 23U2 having a thickness of 1.0 mm. Cu foil was formed in a size of 15 mm × 15 mm.

下層の裏面電極パターン23Dには、例えば、1.0mm厚のCu箔を用いた。 For the back surface electrode pattern 23D of the lower layer, for example, a Cu foil having a thickness of 1.0 mm was used.

半導体デバイス10としては、例えば、350μm厚で、5mm×5mmのサイズのSiC MOSFETを用いた。 As the semiconductor device 10, for example, a SiC MOSFET having a thickness of 350 μm and a size of 5 mm × 5 mm was used.

銀焼成部27は、厚さを60μmとした。 The silver fired portion 27 had a thickness of 60 μm.

ブロック電極29Aは、例えば、0.35mm厚のCu箔を、3.2mm×3.2mmのサイズで形成した。 For the block electrode 29A, for example, a Cu foil having a thickness of 0.35 mm was formed in a size of 3.2 mm × 3.2 mm.

なお、ブロック電極29Aは、上部配線30のY方向のほぼ中央部に配置されると共に、上部配線30のX方向のエッジからの距離がeに設定される。 The block electrode 29A is arranged substantially at the center of the upper wiring 30 in the Y direction, and the distance from the edge of the upper wiring 30 in the X direction is set to e.

このような構成のPM1をシミュレーションモデルとし、上部配線30の幅dをd1=3.2mm、d2=7.5mm、d3=10mm、d4=15mmとした場合の熱抵抗(℃/W)についてシミュレーションした結果は、図14(a)および図14(b)に示すように表わされる。 Using PM1 with such a configuration as a simulation model, the thermal resistance (° C./W) when the width d of the upper wiring 30 is d1 = 3.2 mm, d2 = 7.5 mm, d3 = 10 mm, and d4 = 15 mm is simulated. The results are shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b).

なお、図14(a)は、ブロック電極29Aの上部配線30のX方向のエッジからの距離eを0、2.5mm、5mm、7.5mm、10mmとした場合の結果であり、図14(b)は、距離eを0とした場合の結果である。 Note that FIG. 14A shows the results when the distance e from the edge of the upper wiring 30 of the block electrode 29A in the X direction is 0, 2.5 mm, 5 mm, 7.5 mm, and 10 mm, and is shown in FIG. 14 (a). b) is the result when the distance e is set to 0.

上部配線30は、図14(a)からも明らかなように、幅dが大きい程、熱の拡散領域が増加するため、熱抵抗は低減される(最大で、約6%の減少)。 As is clear from FIG. 14A, the heat diffusion region of the upper wiring 30 increases as the width d increases, so that the thermal resistance is reduced (up to a decrease of about 6%).

また、上部配線30の幅dは、図14(b)中に矢印で示すように、20mm以内(ブロック電極29からエッジまでの距離eは5mm程度まで)が効果的である。 Further, the width d of the upper wiring 30 is effectively within 20 mm (the distance e from the block electrode 29 to the edge is up to about 5 mm) as shown by an arrow in FIG. 14 (b).

図15(a)~図15(c)は、シミュレーションの結果として、上部配線30と熱抵抗との関係についてそれぞれ示すもので、図15(a)は、Cu配線パターン16の厚さtc(tc=5mm以下)と熱抵抗との関係を、図15(b)は、Cu配線パターン16の厚さtc(tc=10mm以下)と熱抵抗との関係を、図15(c)は、グラファイトプレート18GPの厚さt(Cu配線パターン16の厚さtc=0.2mm)と熱抵抗との関係を、それぞれ示す。 15 (a) to 15 (c) show the relationship between the upper wiring 30 and the thermal resistance as a result of the simulation, and FIG. 15 (a) shows the thickness ct (tk) of the Cu wiring pattern 16. = 5 mm or less) and thermal resistance, FIG. 15 (b) shows the relationship between the thickness ct (tc = 10 mm or less) of the Cu wiring pattern 16 and thermal resistance, and FIG. 15 (c) shows the graphite plate. The relationship between the thickness t of 18GP (thickness tc of Cu wiring pattern 16 = 0.2 mm) and the thermal resistance is shown.

図15(a)においては、グラファイトプレート18GPの厚さtを、t=3mmとした場合と、t=0(Cu配線パターン16単体)とした場合について示しており、図15(b)においては、グラファイトプレート18GPの厚さtを、t=0.7mmとした場合と、t=0とした場合について示している。 FIG. 15A shows a case where the thickness t of the graphite plate 18GP is t = 3 mm and a case where t = 0 (Cu wiring pattern 16 alone), and FIG. 15B shows. , The case where the thickness t of the graphite plate 18GP is t = 0.7 mm and the case where t = 0 is shown.

上部配線30は、図15(b)中に矢印で示すように、Cu配線パターン16の厚さtcが約9mm以下の場合に、Cu配線パターン16を単体で用いる場合よりも熱抵抗を低減できる。 As shown by an arrow in FIG. 15B, the upper wiring 30 can reduce the thermal resistance when the thickness ct of the Cu wiring pattern 16 is about 9 mm or less as compared with the case where the Cu wiring pattern 16 is used alone. ..

図15(c)中に矢印で示すように、グラファイトプレート18GPの厚さtとしては、1mm程度あれば熱抵抗の低減の効果が十分に期待できる。 As shown by an arrow in FIG. 15 (c), if the thickness t of the graphite plate 18GP is about 1 mm, the effect of reducing the thermal resistance can be sufficiently expected.

[応力緩和構造]
次に、第5の実施の形態に係るPM1をモデルに、グラファイト構造の適用によるPMの応力緩和構造について説明する。
[Stress relaxation structure]
Next, the stress relaxation structure of PM by applying the graphite structure will be described using PM1 according to the fifth embodiment as a model.

[第5の実施の形態]
(概略構成)
第5の実施の形態に係るPM1の応力緩和構造について、シミュレーションを行うためのモデルの模式的断面構造は、図16(a)に示すように表わされる。なお、図16(b)は、図16(a)中の表示Aの部分を拡大して示す拡大図である。
[Fifth Embodiment]
(Rough configuration)
A schematic cross-sectional structure of a model for performing a simulation of the stress relaxation structure of PM1 according to the fifth embodiment is shown as shown in FIG. 16 (a). Note that FIG. 16B is an enlarged view showing an enlarged portion of the display A in FIG. 16A.

ここで、グラファイトプレート18GPの熱膨張率(CTE)により、PM1におけるミーゼス応力の取得個所は、図16(b)中に示す表示Bにより表わされる。 Here, due to the thermal expansion coefficient (CTE) of the graphite plate 18GP, the location where the Mises stress is acquired in PM1 is represented by the display B shown in FIG. 16 (b).

図16(a)および図16(b)に示すPM1おいて、例えばX方向のサイズに関しては、裏面電極パターン23Dの長さx1=28mm、ドレイン電極パターン23U1の長さx2=15mm、ドレイン電極パターン23U1のエッジから半導体デバイス10までの距離(長さ)x3=5mm、半導体デバイス10の長さx4=5mm、裏面電極パターン23Dのエッジからセラミックス基板21のエッジまでの距離(長さ)x5=0.5mm、デバイス上Al電極部61の長さx6=4.94mm、デバイス上Niメッキ層63および銀焼成部27の長さx7=2.5mm、ソース電極パターン23U2の長さx8=12.5mm、両電極パターン23U1・23U2間の距離(長さ)x9=0.5mm、ブロック電極29の長さx10=2.5mmとした。 In PM1 shown in FIGS. 16A and 16B, for example, regarding the size in the X direction, the length of the back surface electrode pattern 23D x 1 = 28 mm, the length of the drain electrode pattern 23U1 x 2 = 15 mm, and the drain electrode pattern. Distance (length) x3 = 5 mm from the edge of 23U1 to the semiconductor device 10, length x4 = 5 mm of the semiconductor device 10, distance (length) x5 = 0 from the edge of the back surface electrode pattern 23D to the edge of the ceramic substrate 21. .5 mm, length of Al electrode portion 61 on device x6 = 4.94 mm, length of Ni plating layer 63 and silver fired portion 27 on device x7 = 2.5 mm, length of source electrode pattern 23U2 x8 = 12.5 mm The distance (length) between the two electrode patterns 23U1 and 23U2 (length) x9 = 0.5 mm, and the length of the block electrode 29 x10 = 2.5 mm.

一方、PM1の、例えばZ方向のサイズ(厚さ)に関しては、銀焼成部27の厚さt1・t6=0.1mm(Meshで、0.01)、デバイス上Niメッキ層63の厚さt2=3μm(Meshで、0.0005)、デバイス上Al電極部61の厚さt3=0.005mm(Meshで、0.0005)、半導体デバイス10の厚さt4=0.35mm、デバイス下銀焼成部27の厚さt5=0.05mm、電極パターン23U1・23U2の厚さt7=0.5mm、セラミックス基板21の厚さt8=0.32mm、裏面電極パターン23Dの厚さt9=0.5mmとした(銀焼成部-Al電極部の界面はMeshで、0.0001)。 On the other hand, regarding the size (thickness) of PM1 in the Z direction, for example, the thickness of the silver fired portion 27 is t1 · t6 = 0.1 mm (0.01 in Mesh), and the thickness of the Ni plating layer 63 on the device is t2. = 3 μm (0.0005 in Mesh), thickness t3 of Al electrode portion 61 on device t3 = 0.005 mm (0.0005 in Mesh), thickness t4 of semiconductor device 10 = 0.35 mm, firing of silver under device The thickness of the portion 27 is t5 = 0.05 mm, the thickness of the electrode patterns 23U1 and 23U2 is t7 = 0.5 mm, the thickness of the ceramic substrate 21 is t8 = 0.32 mm, and the thickness of the back surface electrode pattern 23D is t9 = 0.5 mm. (The interface between the silver fired part and the Al electrode part is Mesh, 0.0001).

なお、グラファイトプレート18GPのCTEは、X=0.1ppm/K、Y=0.1ppm/K、Z=25ppm/K、Cu配線パターン16U・16DのCTEは、17ppm/Kである。また、SiN系のセラミックス基板21の厚さt8=0.3mmとした場合のCTEは、3ppm/Kであり、電極パターン23U1・23U2・23Dの厚さt7=t9=0.3mmとした場合のCTEは、17ppm/Kであり、全体のCTEが8ppm/K~9ppm/K程度となるように調整される。 The CTE of the graphite plate 18GP is X = 0.1 ppm / K, Y = 0.1 ppm / K, Z = 25 ppm / K, and the CTE of the Cu wiring pattern 16U / 16D is 17 ppm / K. Further, the CTE when the thickness t8 = 0.3 mm of the SiN-based ceramic substrate 21 is 3 ppm / K, and the thickness t7 = t9 = 0.3 mm of the electrode patterns 23U1, 23U2, and 23D. The CTE is 17 ppm / K, and the total CTE is adjusted to be about 8 ppm / K to 9 ppm / K.

そして、上部配線30の、グラファイトプレート18GPの厚さtを、0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mmとし、Cu配線パターン16D・16Uの厚さtcを、0.1mm、0.3mm、0.5mmとした場合について検討した。 Then, the thickness t of the graphite plate 18GP of the upper wiring 30 is 0.1 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 0.7 mm, and the thickness ct of the Cu wiring pattern 16D / 16U is 0.1 mm, 0. The cases of 0.3 mm and 0.5 mm were examined.

なお、グラファイトプレート18GPの異方性(CTE X=0.1ppm/K、Y=0.1ppm/K、Z=25ppm/K)の効果をみるために、弾性率(ミーゼス応力)GPaは、Cuと同じ120GPaとした。 In order to see the effect of the anisotropy (CTE X = 0.1 ppm / K, Y = 0.1 ppm / K, Z = 25 ppm / K) of the graphite plate 18GP, the elastic modulus (Von Mises stress) GPa is Cu. It was set to 120 GPa, which is the same as the above.

図17は、CTE(ppm)とミーゼス応力との関係(グラファイト構造のミーゼス応力比)を示すもので、CTE 17ppm時を100とした場合のミーゼス応力比である。なお、図17においては、グラファイト構造をシミュレーションするために、CuとINVとを用いた。 FIG. 17 shows the relationship between CTE (ppm) and von Mises stress (von Mises stress ratio of graphite structure), and is the Mises stress ratio when CTE 17 ppm is 100. In FIG. 17, Cu and INV were used to simulate the graphite structure.

ここで、ミーゼス応力とは、物体内部に生じる応力状態を単一の値で示すために用いられる相当応力の1つである。ミーゼス応力の定義式を以下に示す。定義式中のσ1は最大主応力、σ2は中間主応力、σ3は最小主応力である。ここでは、各主応力σ1、σ2、σ3は、銀焼成部27に作用するX方向の主応力、Y方向の主応力、Z方向の主応力の中から選択される。 Here, the Mises stress is one of the equivalent stresses used to indicate the stress state generated inside the object with a single value. The definition formula of Mises stress is shown below. In the definition formula, σ1 is the maximum principal stress, σ2 is the intermediate principal stress, and σ3 is the minimum principal stress. Here, each of the principal stresses σ1, σ2, and σ3 is selected from the principal stress in the X direction, the principal stress in the Y direction, and the principal stress in the Z direction acting on the silver fired portion 27.

Figure 0007025181000001
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図17において、Cuは、シミュレーションモデルをCuの単体とした場合であり、Super Invarは、INVの単体とした場合であり、CIC1は、CuとINVとCuとの厚さの比を1:1:1とした場合であり、CIC3は、CuとINVとCuとの厚さの比を1:3:1とした場合である。 In FIG. 17, Cu is a case where the simulation model is a simple substance of Cu, Super Invar is a case where a simple substance of INV is used, and CIC1 has a thickness ratio of Cu, INV, and Cu of 1: 1. In the case of CIC3, the thickness ratio of Cu, INV, and Cu is 1: 3: 1.

図17からも明らかなように、グラファイト構造は、ミーゼス応力比を約50%も低減可能である。 As is clear from FIG. 17, the graphite structure can reduce the Mises stress ratio by about 50%.

すなわち、CuとINVのCTEを変化させることによって、シミュレーションモデルにおけるミーゼス応力比は低減可能である。これは、Cu配線パターン16の厚みを変化させても、Al電極部61のミーゼス応力の変化は小さいが、上部配線30のCTEを変化させることによって、Al電極部61にかかるミーゼス応力を大きく改善できる可能性を示唆する。 That is, the Mises stress ratio in the simulation model can be reduced by changing the CTE of Cu and INV. This is because the change in the Mises stress of the Al electrode portion 61 is small even if the thickness of the Cu wiring pattern 16 is changed, but the Mises stress applied to the Al electrode portion 61 is greatly improved by changing the CTE of the upper wiring 30. Suggest the possibility of doing so.

したがって、グラファイトプレート18GPにCu配線パターン16D・16Uを貼り合わせたグラファイト構造の上部配線30は、応力の観点においても優れた構造となり得る。 Therefore, the upper wiring 30 having a graphite structure in which the Cu wiring patterns 16D and 16U are bonded to the graphite plate 18GP can have an excellent structure in terms of stress.

なお、図17において、ミーゼス応力比が80を超える(CTE 約10ppm以上)と、モデルには破壊がみられる。 In FIG. 17, when the Mises stress ratio exceeds 80 (CTE of about 10 ppm or more), the model is broken.

[第6の実施の形態]
(概略構成)
第6の実施の形態に係るPM1の模式的平面パターン構成は図18(a)に示すように表わされ、図18(a)のV-V線に沿う模式的断面構造は図18(b)に示すように表わされる。なお、図18(a)および図18(b)では、1 in 1モジュールタイプのPM1に適用した場合が例示されている。
[Sixth Embodiment]
(Rough configuration)
The schematic planar pattern configuration of PM1 according to the sixth embodiment is shown in FIG. 18 (a), and the schematic cross-sectional structure along the VV line of FIG. 18 (a) is shown in FIG. 18 (b). ). In addition, in FIG. 18A and FIG. 18B, the case where it is applied to PM1 of a 1 in 1 module type is exemplified.

ここで、図18(a)および図18(b)に示すように、第6の実施の形態に係るPM1は、グラファイト基板18GH1・18GH2の構成を除けば、第1の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。 Here, as shown in FIGS. 18A and 18B, the PM1 according to the sixth embodiment is the PM1 according to the first embodiment except for the configuration of the graphite substrates 18GH1 and 18GH2. It has almost the same configuration as.

第6の実施の形態に係るPM1は、図18(a)および図18(b)に示すように、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置された、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板18GH1・18GH2をさらに備え、グラファイト基板18GH1上には半導体デバイス(パワーデバイス)10が接合されるドレイン電極パターン(第1電極パターン)22U1が、グラファイト基板18GH2上にはブロック電極29が接合されるソース電極パターン(第2電極パターン)22U2が、それぞれ配置されている。 As shown in FIGS. 18A and 18B, PM1 according to the sixth embodiment has an anisotropic coefficient of thermal expansion arranged on the upper surface (first surface) of the ceramic substrate 21. The graphite substrates 18GH1 and 18GH2 to be provided are further provided, a drain electrode pattern (first electrode pattern) 22U1 to which a semiconductor device (power device) 10 is bonded is bonded to the graphite substrate 18GH1, and a block electrode 29 is bonded to the graphite substrate 18GH2. The source electrode pattern (second electrode pattern) 22U2 to be formed is arranged respectively.

すなわち、第6の実施の形態に係るPM1は、絶縁性のセラミックス基板21と、セラミックス基板21上に配置された熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板18GH1・18GH2と、グラファイト基板18GH1・18GH2上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有する半導体デバイス10と、半導体デバイス10の表面側に接続された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線30とを備え、半導体デバイス10の表面側の熱をグラファイト配線30を介してセラミックス基板21へ伝達する。 That is, PM1 according to the sixth embodiment includes an insulating ceramic substrate 21, graphite substrates 18GH1 and 18GH2 having an anisotropic thermal expansion coefficient arranged on the ceramic substrate 21, and graphite substrates 18GH1 and 18GH2. The semiconductor device 10 is provided with a semiconductor device 10 arranged on the surface and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and a graphite wiring 30 having an anisotropic thermal conductivity connected to the front surface side of the semiconductor device 10. The heat on the surface side of the above is transferred to the ceramic substrate 21 via the graphite wiring 30.

また、第6の実施の形態に係るPM1は、絶縁性のセラミックス基板21と、セラミックス基板21上に配置された熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板18GH1・18GH2とを備えるグラファイト絶縁基板20Aと、グラファイト絶縁基板20A上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有する半導体デバイス10と、半導体デバイス10の表面側に接続された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線30とを備え、半導体デバイス10の表面側の熱をグラファイト配線30を介してセラミックス基板21へ伝達する。 Further, PM1 according to the sixth embodiment is a graphite insulating substrate 20A including an insulating ceramic substrate 21 and graphite substrates 18GH1 and 18GH2 having an anisotropic thermal expansion coefficient arranged on the ceramic substrate 21. A semiconductor device 10 arranged on the graphite insulating substrate 20A and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof, and a graphite wiring 30 having an anisotropic thermal conductivity connected to the front surface side of the semiconductor device 10. The heat on the surface side of the semiconductor device 10 is transferred to the ceramic substrate 21 via the graphite wiring 30.

第6の実施の形態に係るPM1においては、グラファイト構造による熱拡散効果に加え、ドレイン電極パターン22U1上に接合される半導体デバイス10の形状(向きや縦横のサイズ)を変えることによって、接合部(銀焼成部27やAl電極部61)にかかる応力についての低減が可能である。 In PM1 according to the sixth embodiment, in addition to the heat diffusion effect due to the graphite structure, the joint portion (direction and vertical / horizontal size) of the semiconductor device 10 bonded on the drain electrode pattern 22U1 is changed. It is possible to reduce the stress applied to the silver fired portion 27 and the Al electrode portion 61).

グラファイト基板18GH1上に正方形などのデバイス(モジュール)を接合すると、グラファイト基板18GH1上には熱伝導率・熱膨張係数に異方性があるため、熱膨張係数が大きい方位では、双方の熱膨張係数の差から接合部に大きな応力が生じるが、デバイスの形状をグラファイト基板18GH1の熱膨張係数とうまくマッチングさせることで、接合部にかかる応力を低減できる。 When a device (module) such as a square is bonded on the graphite substrate 18GH1, the thermal conductivity and the coefficient of thermal expansion are anisotropic on the graphite substrate 18GH1, so in the direction where the coefficient of thermal expansion is large, both coefficients of thermal expansion A large stress is generated at the joint due to the difference between the above, but the stress applied to the joint can be reduced by matching the shape of the device with the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1.

以下に、第6の実施の形態に係るPM1において、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板18GH1を適用した場合を例に、接合部にかかる応力について説明する。 Hereinafter, the stress applied to the joint portion will be described by taking as an example the case where the graphite substrate 18GH1 having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied in PM1 according to the sixth embodiment.

FRD SC1およびIGBT SC2を例に、グラファイト基板18GH1に対する配置を説明する模式的平面パターン構成(PMa)は図19(a)に示すように表わされ、SiC MOSFET SC3を例に、グラファイト基板18GH1に対する配置を説明する模式的平面パターン構成(PMb)は、図19(b)に示すように表わされる。 A schematic planar pattern configuration (PMa) illustrating an arrangement with respect to the graphite substrate 18GH1 using FRD SC1 and IGBT SC2 as an example is shown as shown in FIG. 19A, and with SiC MOSFET SC3 as an example, with respect to the graphite substrate 18GH1. A schematic planar pattern configuration (PMb) illustrating the arrangement is represented as shown in FIG. 19 (b).

なお、半導体デバイス10は、実際にはグラファイト基板18GH1上のドレイン電極パターン22U1に接合されるが、ここでの説明では図示を省略している。 The semiconductor device 10 is actually bonded to the drain electrode pattern 22U1 on the graphite substrate 18GH1, but is not shown here in the description.

ダイオードなどを備えるIGBTの場合、図19(a)に示すように、グラファイト基板18GH1上には、半導体デバイス10として、FRD SC1およびIGBT SC2が接合される。 In the case of an IGBT including a diode or the like, as shown in FIG. 19A, the FRD SC1 and the IGBT SC2 are bonded as the semiconductor device 10 on the graphite substrate 18GH1.

SiC MOSFETの場合、図19(b)に示すように、グラファイト基板18GH1上には、半導体デバイス10として、SiC MOS SC3が接合される。 In the case of the SiC MOSFET, as shown in FIG. 19B, the SiC MOS SC3 is bonded as the semiconductor device 10 on the graphite substrate 18GH1.

ここで、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.5ppm/K、Y=25ppm/K、z=0.5ppm/Kとした場合、FRD SC1・IGBT SC2・SiC MOS SC3としては、いずれも、長手(X)方向H1および短手(Y)方向C1を有する長方形のデバイス(H1>C1)を用い、それぞれの短手方向C1を熱膨張係数の大きい方位(Y)に対応させる。これにより、グラファイト基板18GH1・18GH2による熱拡散効果と共に、接合部にかかる応力をも低減可能となる。 Here, when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.5 ppm / K, Y = 25 ppm / K, z = 0.5 ppm / K, it is used as FRD SC1, IGBT SC2, SiC MOS SC3. All use a rectangular device (H1> C1) having a longitudinal (X) direction H1 and a lateral (Y) direction C1, and each lateral direction C1 corresponds to an orientation (Y) having a large coefficient of thermal expansion. Let me. This makes it possible to reduce the stress applied to the joint as well as the heat diffusion effect of the graphite substrates 18GH1 and 18GH2.

なお、第6の実施の形態に係るPM1の構成は、他の実施の形態に係る構成のPM1にも同様に適用可能である。 The configuration of PM1 according to the sixth embodiment can be similarly applied to PM1 having the configuration according to another embodiment.

[応力低減効果]
以下に、第1~第6の実施の形態に係るPMにおいて、グラファイト基板の適用による応力低減効果について、さらに説明する。
[Stress reduction effect]
Hereinafter, the stress reducing effect by applying the graphite substrate in the PM according to the first to sixth embodiments will be further described.

(実施例1)
熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、接合部にかかる応力についてシミュレーションを行うための、シミュレーションモデルMDの模式的平面パターン構成は、図20(a)に示すように表わされ、図20(a)のVI-VI線に沿う模式的断面構造は、図20(b)に示すように表わされる。
(Example 1)
The schematic plane pattern configuration of the simulation model MD for simulating the stress applied to the joint is shown in FIG. 20 (a), taking as an example the case where a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied. The schematic cross-sectional structure along the VI-VI line of FIG. 20 (a) is represented by FIG. 20 (b).

ここでは、図20(a)・図20(b)に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、下面Cu箔(裏面電極パターン23D)/Si基板(セラミックス基板21)/グラファイトプレート(グラファイト基板18GH1・18GH2)/上面Cu箔(電極パターン22U1・22U2)からなる積層基板構造を、グラファイト絶縁基板と称する。 Here, in the simulation model MD having the configurations shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), the lower surface Cu foil (back surface electrode pattern 23D) / Si 3N 4 substrate (ceramics substrate 21) / graphite plate (graphite substrate). A laminated substrate structure composed of 18GH1 and 18GH2) / upper surface Cu foil (electrode patterns 22U1 and 22U2) is referred to as a graphite insulating substrate.

グラファイト絶縁基板が備えるグラファイトプレートは、熱伝導率・熱膨張係数に異方性があるため、正方形などのデバイスをダイ・ボンディングすると、熱膨張係数が大きい方位では熱膨張係数の差から接合部に大きな応力を生じるが、デバイスの形状をグラファイトプレートの熱膨張係数とうまくマッチングさせることで、接合部にかかる応力の低減が可能である。 Since the graphite plate of the graphite insulating substrate has anisotropy in thermal conductivity and coefficient of thermal expansion, when a device such as a square is die-bonded, the difference in the coefficient of thermal expansion causes the joint to be formed in the direction where the coefficient of thermal expansion is large. Although a large amount of stress is generated, it is possible to reduce the stress applied to the joint by matching the shape of the device with the coefficient of thermal expansion of the graphite plate.

シミュレーションモデルMDにおいては、図20(a)・図20(b)に示すように、例えば、10mm(GX)×21mm(LY1)のSiN系のセラミックス基板21を用い、半導体デバイス10が接合されるドレイン電極パターン22U1およびブロック電極(図示省略)が接合されるソース電極パターン22U2として、10mm(GX)×10mm(LY)のCu箔を用いた。 In the simulation model MD, as shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), for example, a SiN-based ceramic substrate 21 of 10 mm (GX) × 21 mm (LY1) is used, and the semiconductor device 10 is bonded. As the source electrode pattern 22U2 to which the drain electrode pattern 22U1 and the block electrode (not shown) are joined, a Cu foil of 10 mm (GX) × 10 mm (LY) was used.

ドレイン電極パターン22U1およびソース電極パターン22U2は、距離LY2=1mmだけ離間されている。 The drain electrode pattern 22U1 and the source electrode pattern 22U2 are separated by a distance LY2 = 1 mm.

裏面電極パターン23Dは、セラミックス基板21と同一寸法(10mm×21mm)とした。 The back surface electrode pattern 23D has the same dimensions (10 mm × 21 mm) as the ceramic substrate 21.

グラファイト基板18GH1・18GH2は、ドレイン電極パターン22U1およびソース電極パターン22U2と同一寸法(10mm×21mm)とした。 The graphite substrates 18GH1 and 18GH2 have the same dimensions (10 mm × 21 mm) as the drain electrode pattern 22U1 and the source electrode pattern 22U2.

半導体デバイス10としては、5mm(H1)×5mm(C1)を有する正方形のSiC MOSFETを用い(H1=C1)、ドレイン電極パターン22U1のエッジからの距離X1(2.5mm)・Y1(2.5mm)により、ドレイン電極パターン22U1上のほぼ中央部に、銀焼成部27を用いて接合させた。 As the semiconductor device 10, a square SiC MOSFET having 5 mm (H1) × 5 mm (C1) is used (H1 = C1), and the distance from the edge of the drain electrode pattern 22U1 is X1 (2.5 mm) and Y1 (2.5 mm). ), The silver fired portion 27 was used to bond the drain electrode pattern 22U1 to the substantially central portion.

グラファイト基板18GH1・18GH2の熱膨張係数の配向は、例えばX=25ppm/K、Y=0.1ppm/K、Z=0.1ppm/Kとした。 The orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrates 18GH1 and 18GH2 was, for example, X = 25 ppm / K, Y = 0.1 ppm / K, and Z = 0.1 ppm / K.

なお、図21に示すように、熱抵抗が最も低くなるように、各部の厚み(mm)が最適化される。本シミュレーションモデルMDの場合、例えば、半導体デバイス10は約0.35mm厚、グラファイト基板18GH1・18GH2は約1.5mm厚、セラミックス基板21は約0.32mm厚、ドレイン電極パターン22U1・22U2は約0.3mm厚、裏面電極パターン23Dは約0.2mm厚、銀焼成部27は約0.05mm厚とされ、最適化される。 As shown in FIG. 21, the thickness (mm) of each part is optimized so that the thermal resistance is the lowest. In the case of this simulation model MD, for example, the semiconductor device 10 is about 0.35 mm thick, the graphite substrates 18GH1 and 18GH2 are about 1.5 mm thick, the ceramic substrate 21 is about 0.32 mm thick, and the drain electrode patterns 22U1 and 22U2 are about 0. The thickness of the back electrode pattern 23D is about 0.2 mm, the thickness of the silver fired portion 27 is about 0.05 mm, and the thickness is optimized.

このような構成において、例えば、無応力時を200℃とし、25℃時のミーゼス応力を算出することにより、銀焼成部27にかかる応力が求められる。 In such a configuration, for example, the stress applied to the silver calcined portion 27 can be obtained by calculating the Mises stress at 25 ° C., where no stress is set to 200 ° C.

なお、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、グラファイト基板18GH1・18GH2の熱膨張係数の配向を、例えばX=25ppm/K、Y=0.5ppm/K、Z=0.5ppm/Kとした場合の、銀焼成部27にかかる応力についてシミュレーションを行った際の結果(全体の反り形状)を、図22に示す。 In the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20, the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrates 18GH1 and 18GH2 is set to, for example, X = 25ppm / K, Y = 0.5ppm / K, Z = 0.5ppm / K. FIG. 22 shows the result (overall warped shape) when a simulation was performed on the stress applied to the silver fired portion 27 in the case of the above.

シミュレーションモデルMDの反りは、最大値で26.322μm、最小値で0.079μmであった。 The warp of the simulation model MD was 26.322 μm at the maximum value and 0.079 μm at the minimum value.

次に、異なる構成のシミュレーションモデルについて説明する。なお、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、正方形の半導体デバイス10が接合された場合をシミュレーションモデルMD1とする。 Next, simulation models with different configurations will be described. In the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20, the case where the square semiconductor devices 10 are joined is referred to as the simulation model MD1.

図23(a)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、縦長の半導体デバイス(H2×C2、H2>C2)10aが接合された場合(シミュレーションモデルMD2)を例示するものであって、半導体デバイス10aとしては、6.25mm(H2)×4mm(C2)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、ドレイン電極パターン22U1のエッジからの距離X2(1.875mm)・Y2(3mm)により、ドレイン電極パターン22U1上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23A illustrates a case (simulation model MD2) in which vertically long semiconductor devices (H2 × C2, H2> C2) 10a are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device 10a, a rectangular SiC MOSFET having 6.25 mm (H2) × 4 mm (C2) is used, and the drain electrode pattern 22U1 is drained by the distances X2 (1.875 mm) and Y2 (3 mm) from the edge. It is joined to the substantially central portion on the electrode pattern 22U1.

図23(b)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、横長の半導体デバイス(H3×C3、H3<C3)10bが接合された場合(シミュレーションモデルMD3)を例示するものであって、半導体デバイス10bとしては、4mm(H3)×6.25mm(C3)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、ドレイン電極パターン22U1のエッジからの距離X3(3mm)・Y3(1.875mm)により、ドレイン電極パターン22U1上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23 (b) illustrates a case (simulation model MD3) in which horizontally long semiconductor devices (H3 × C3, H3 <C3) 10b are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device 10b, a rectangular SiC MOSFET having 4 mm (H3) × 6.25 mm (C3) is used, and the drain electrode pattern 22U1 is drained by the distance X3 (3 mm) and Y3 (1.875 mm) from the edge. It is joined to the substantially central portion on the electrode pattern 22U1.

図23(c)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、縦長の半導体デバイス(H4×C4、H4≫C4)10cが接合された場合(シミュレーションモデルMD4)を例示するものであって、半導体デバイス10cとしては、8.33mm(H4)×3mm(C4)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、ドレイン電極パターン22U1のエッジからの距離X4(0.835mm)・Y4(3.5mm)により、ドレイン電極パターン22U1上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23 (c) illustrates a case (simulation model MD4) in which vertically long semiconductor devices (H4 × C4, H4 >> C4) 10c are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device 10c, a rectangular SiC MOSFET having 8.33 mm (H4) × 3 mm (C4) is used, and the distance from the edge of the drain electrode pattern 22U1 is X4 (0.835 mm) and Y4 (3.5 mm). , Joined approximately in the center of the drain electrode pattern 22U1.

図23(d)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、横長の半導体デバイス(H5×C5、H5≪C5)10dが接合された場合(シミュレーションモデルMD5)を例示するものであって、半導体デバイス10dとしては、3mm(H5)×8.33mm(C5)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、ドレイン電極パターン22U1のエッジからの距離X5(3.5mm)・Y5(0.835mm)により、ドレイン電極パターン22U1上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23 (d) illustrates a case (simulation model MD5) in which horizontally long semiconductor devices (H5 × C5, H5 << C5) 10d are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device 10d, a rectangular SiC MOSFET having 3 mm (H5) × 8.33 mm (C5) is used, and the distance from the edge of the drain electrode pattern 22U1 is X5 (3.5 mm) and Y5 (0.835 mm). , Joined approximately in the center of the drain electrode pattern 22U1.

図24(a)は、第1~第6の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合について、シミュレーションモデルMD1~MD5を用いてシミュレーションを行った際の、エッジ(図20(a)・図20(b)のEDG)からの距離(Y1~Y5)とミーゼス応力(GPa)との関係を説明するための特性図であり、図24(b)は、シミュレーションモデルMD1~MD5とミーゼス応力比との関係を説明するための特性図である。 FIG. 24A shows a case where a graphite substrate having an anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied in the power module according to the first to sixth embodiments, and simulations are performed using the simulation models MD1 to MD5. It is a characteristic diagram for explaining the relationship between the distance (Y1 to Y5) from the edge (EDG in FIGS. 20 (a) and 20 (b)) and the Mises stress (GPa) at that time, and is a characteristic diagram in FIG. 24 (. b) is a characteristic diagram for explaining the relationship between the simulation models MD1 to MD5 and the Mises stress ratio.

なお、図24(a)・図24(b)は、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=25ppm/K、Y=0.5ppm/K、Z=0.5ppm/Kとした場合の例であり、図24(a)は、銀焼成部27にかかるミーゼス応力であり、図24(b)は、シミュレーションモデルMD1の場合を1GPaとしている。 In FIGS. 24 (a) and 24 (b), the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 25 ppm / K, Y = 0.5 ppm / K, and Z = 0.5 ppm / K. As an example of the case, FIG. 24 (a) shows the Mises stress applied to the silver firing portion 27, and FIG. 24 (b) shows the case of the simulation model MD1 as 1 GPa.

図24(a)および図24(b)から、シミュレーションモデルMD1のミーゼス応力比を1とすると、シミュレーションモデルMD2・MD4のミーゼス応力比は1.05、シミュレーションモデルMD3のミーゼス応力比は0.83、シミュレーションモデルMD5のミーゼス応力比は0.84となる。 From FIGS. 24 (a) and 24 (b), assuming that the Mieses stress ratio of the simulation model MD1 is 1, the Mieses stress ratio of the simulation models MD2 and MD4 is 1.05, and the Mieses stress ratio of the simulation model MD3 is 0.83. , The Mieses stress ratio of the simulation model MD5 is 0.84.

すなわち、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=25ppm/K、Y=0.5ppm/K、Z=0.5ppm/Kとし、無応力時を200℃とした場合の、シミュレーションモデルMD1~MD5の銀焼成部27にかかる応力(25℃時)は、モデルMD3・MD5の半導体デバイス10b・10dのように、熱膨張係数の大きい方位(X)のサイズを小さくすることにより低減可能となる。 That is, a simulation model when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 25 ppm / K, Y = 0.5 ppm / K, Z = 0.5 ppm / K, and the stress-free state is 200 ° C. The stress (at 25 ° C.) applied to the silver fired portions 27 of MD1 to MD5 can be reduced by reducing the size of the direction (X) having a large coefficient of thermal expansion like the semiconductor devices 10b and 10d of the models MD3 and MD5. Will be.

(実施例2)
次に、ソース電極パターンがない場合を例に、銀焼成部27にかかる応力について説明する。
(Example 2)
Next, the stress applied to the silver fired portion 27 will be described by taking the case where there is no source electrode pattern as an example.

ソース電極パターンがない場合の、シミュレーションモデルMD1の模式的平面パターン構成は、図25(a)に示すように表わされ、図25(a)のVII-VII線に沿う模式的断面構造は、図25(b)に示すように表わされる。 The schematic planar pattern configuration of the simulation model MD1 in the absence of the source electrode pattern is represented as shown in FIG. 25 (a), and the schematic cross-sectional structure along the VII-VII line of FIG. 25 (a) is shown. It is represented as shown in FIG. 25 (b).

グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向は、例えばX=0.1ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.1ppm/Kであり、各部(10・18GH1・21・22U1・27)の厚み(mm)は、図21に示したように、熱抵抗が最も低くなるように最適化される。 The orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.1ppm / K, Y = 25ppm / K, Z = 0.1ppm / K, and the thickness of each part (10.18GH1.21.22U1.27). (Mm) is optimized to have the lowest thermal resistance, as shown in FIG.

なお、シミュレーションモデルMD2・MD3の場合も、半導体デバイス10a・10bの形状が異なるだけで、ほぼ同様である。 The simulation models MD2 and MD3 are almost the same except that the shapes of the semiconductor devices 10a and 10b are different.

図26(a)は、第1~第6の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合について、シミュレーションモデルMD1~MD3を用いてシミュレーションを行った際の、エッジ(図25(a)・図25(b)のEDG)からの距離(X1~X3)とミーゼス応力との関係を説明するための特性図であり、図26(b)は、シミュレーションモデルMD1~MD3とミーゼス応力比との関係を説明するための特性図である。 FIG. 26A shows a case where a graphite substrate having an anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied in the power module according to the first to sixth embodiments, and simulations are performed using simulation models MD1 to MD3. FIG. 26 (b) is a characteristic diagram for explaining the relationship between the distance (X1 to X3) from the edge (EDG in FIGS. 25 (a) and 25 (b)) and the Mises stress at the time. , Is a characteristic diagram for explaining the relationship between the simulation models MD1 to MD3 and the Mises stress ratio.

なお、図26(a)・図26(b)は、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.5ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.5ppm/Kとした場合の例であり、図26(a)は、銀焼成部27にかかるミーゼス応力であり、図26(b)は、シミュレーションモデルMD1の場合を1としている。 In FIGS. 26 (a) and 26 (b), the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.5 ppm / K, Y = 25 ppm / K, and Z = 0.5 ppm / K. As an example of the case, FIG. 26A shows the Mises stress applied to the silver firing portion 27, and FIG. 26B shows the case of the simulation model MD1 as 1.

図26(a)および図26(b)から、シミュレーションモデルMD1のミーゼス応力比を1とすると、シミュレーションモデルMD2のミーゼス応力比は0.96、シミュレーションモデルMD3のミーゼス応力比は1.02となる。 From FIGS. 26 (a) and 26 (b), assuming that the von Mises stress ratio of the simulation model MD1 is 1, the von Mises stress ratio of the simulation model MD2 is 0.96 and the von Mises stress ratio of the simulation model MD3 is 1.02. ..

すなわち、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.5ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.5ppm/Kとし、無応力時を200℃とした場合の、シミュレーションモデルMD1~MD3の銀焼成部27にかかる応力(25℃時)は、モデルMD2の半導体デバイス10aのように、熱膨張係数の大きい方位(Y)のサイズを小さくすることにより低減可能となる。 That is, a simulation model when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.5 ppm / K, Y = 25 ppm / K, Z = 0.5 ppm / K, and the stress-free state is 200 ° C. The stress (at 25 ° C.) applied to the silver fired portions 27 of MD1 to MD3 can be reduced by reducing the size of the direction (Y) having a large coefficient of thermal expansion like the semiconductor device 10a of the model MD2.

図25に示した構成のシミュレーションモデルMD1~MD3において、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.1ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.1ppm/Kとした場合の、銀焼成部27にかかる応力についてシミュレーションを行った際の結果(全体の反り形状)を、図27(a)~図27(c)に示す。 In the simulation models MD1 to MD3 having the configuration shown in FIG. 25, when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.1 ppm / K, Y = 25 ppm / K, Z = 0.1 ppm / K. The results (overall warped shape) of the above when the stress applied to the silver fired portion 27 was simulated are shown in FIGS. 27 (a) to 27 (c).

シミュレーションモデルMD1の反りは、最大値で22.599μm、最小値で0.128μmであり、シミュレーションモデルMD2の反りは、最大値で22.313μm、最小値で0.146μmであり、シミュレーションモデルMD3の反りは、最大値で22.972μm、最小値で0.322μmであった。 The maximum value of the warp of the simulation model MD1 is 22.599 μm and the minimum value is 0.128 μm, and the maximum value of the warp of the simulation model MD2 is 22.313 μm and the minimum value is 0.146 μm. The maximum value of the warp was 22.972 μm and the minimum value was 0.322 μm.

なお、第1~第6の実施の形態に係るPM1においては、半導体デバイスとして、1 in 1モジュールタイプに適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば2 in 1(ツーインワン)モジュールタイプのPMや、4 in 1(フォーインワン)モジュールタイプのPM、6 in 1 (シックスインワン)モジュールタイプのPMや、6 in 1モジュールにスナバコンデンサなどを備えた7 in 1(セブンインワン)モジュールタイプのPM、8 in 1(エイトインワン)モジュールタイプのPM、12 in 1(トゥエルブインワン)モジュールタイプのPM、14 in 1(フォーティーンインワン)モジュールタイプのPMなどにも適用できる。 In PM1 according to the first to sixth embodiments, the case where it is applied to the 1 in 1 module type as a semiconductor device has been described, but the present invention is not limited to this, and for example, a 2 in 1 (two-in-one) module type. PM, 4 in 1 (four-in-one) module type PM, 6 in 1 (six-in-one) module type PM, and 7 in 1 (seven-in-one) module type PM equipped with a snubber capacitor in the 6 in 1 module. , 8 in 1 (eight-in-one) module type PM, 12 in 1 (twelve-in-one) module type PM, 14 in 1 (fourteen-in-one) module type PM, and the like.

(半導体デバイスの具体例)
第1~第6の実施の形態に係るPM1であって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のSiC MOSFETの模式的回路表現は、図28に示すように表される。
(Specific examples of semiconductor devices)
The schematic circuit representation of the SiC MOSFET of the 1 in 1 module 50 of PM1 according to the first to sixth embodiments, which is applicable as a semiconductor device, is shown as shown in FIG. 28.

図28には、MOSFET Qに逆並列接続されるダイオードDIが示されている。MOSFET Qの主電極は、ドレイン端子DTおよびソース端子STで表される。また、第1~第6の実施の形態に係るPM1であって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のIGBTを(図示せず)を実現することもできる。 FIG. 28 shows a diode DI connected in antiparallel to MOSFET Q. The main electrode of MOSFET Q is represented by a drain terminal DT and a source terminal ST. Further, it is also possible to realize (not shown) an IGBT of the 1 in 1 module 50 which is PM1 according to the first to sixth embodiments and can be applied as a semiconductor device.

また、第1~第6の実施の形態に係るPM1であって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のSiC MOSFETの詳細回路表現は、図29に示すように表される。 Further, the detailed circuit representation of the SiC MOSFET of the 1 in 1 module 50 of PM1 according to the first to sixth embodiments, which is applicable as a semiconductor device, is shown as shown in FIG. 29.

第1~第6の実施の形態に係るPM1は、例えば、半導体デバイスが1 in 1モジュール50の構成を備える。すなわち、1個のMOSFET Qが1つのモジュールに内蔵されている。一例として、5チップ(MOSFET×5)搭載可能であり、それぞれのMOSFET Qは、5個まで並列接続可能である。なお、5チップの内、一部をダイオードDI用として搭載することも可能である。 In PM1 according to the first to sixth embodiments, for example, the semiconductor device has a configuration of a 1 in 1 module 50. That is, one MOSFET Q is built in one module. As an example, 5 chips (MOSFETs × 5) can be mounted, and up to 5 MOSFETs Q can be connected in parallel. It is also possible to mount a part of the five chips for diode DI.

さらに詳細には、図29に示すように、MOSFET Qに並列にセンス用MOSFET Qsが接続される。センス用MOSFET Qsは、MOSFET Qと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。 More specifically, as shown in FIG. 29, sense MOSFETs Qs are connected in parallel with MOSFET Qs. The sense MOSFET Qs are formed as fine transistors in the same chip as the MOSFET Q.

図29において、SSは、ソースセンス端子、CSは、電流センス端子であり、Gは、ゲート信号端子である。なお、第1~第6の実施の形態においても、半導体デバイスQには、センス用MOSFET Qsが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されていても良い。 In FIG. 29, SS is a source sense terminal, CS is a current sense terminal, and G is a gate signal terminal. Also in the first to sixth embodiments, the sense MOSFET Qs may be formed as fine transistors in the same chip in the semiconductor device Q.

(回路構成)
次に、第1~第6の実施の形態に係るPM1において、半導体デバイスの回路構成例について、より具体的に説明する。
(Circuit configuration)
Next, in PM1 according to the first to sixth embodiments, a circuit configuration example of the semiconductor device will be described more specifically.

ここでは、第1~第6の実施の形態に係るPM1の半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、2個の半導体デバイスQ1・Q4が1つのモールド樹脂内に封止された半導体パッケージ装置、いわゆる2 in 1タイプのモジュールについて説明する。 Here, a module applicable as a semiconductor device of PM1 according to the first to sixth embodiments, a semiconductor package device in which two semiconductor devices Q1 and Q4 are sealed in one mold resin. A so-called 2 in 1 type module will be described.

半導体デバイスQ1・Q4として、SiC MOSFETを適用した2 in 1モジュール130Aの回路構成は、例えば図30に示すように表わされる。 The circuit configuration of the 2 in 1 module 130A to which the SiC MOSFET is applied as the semiconductor devices Q1 and Q4 is shown, for example, as shown in FIG.

すなわち、2 in 1モジュール130Aは、図30に示すように、2個のSiC MOSFET Q1・Q4が1つのモジュールとして内蔵された、ハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。 That is, as shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A includes a half-bridge built-in module in which two SiC MOSFETs Q1 and Q4 are built in as one module.

ここで、モジュールは、1つの大きなトランジスタとみなすことができるが、内蔵されているトランジスタが1チップまたは複数チップの場合がある。すなわち、モジュールには、1 in 1、2 in 1、4 in 1、6 in 1などがあり、例えば、1つのモジュール上において、2個分のトランジスタ(チップ)を内蔵したモジュールは2 in 1、2 in 1を2組み内蔵したモジュールは4 in 1、2 in 1を3組み内蔵したモジュールは6 in 1と呼ばれている。 Here, the module can be regarded as one large transistor, but the built-in transistor may be one chip or a plurality of chips. That is, there are 1 in 1, 2 in 1, 4 in 1, 6 in 1 modules, etc. For example, a module containing two transistors (chips) on one module is 2 in 1, A module containing two sets of 2 in 1 is called 4 in 1, and a module containing three sets of 2 in 1 is called 6 in 1.

図30に示すように、2 in 1モジュール130Aは、2個のSiC MOSFET Q1・Q4と、SiC MOSFET Q1・Q4に逆並列接続されるダイオードDI1・DI4が1つのモジュールとして内蔵されている。 As shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A contains two SiC MOSFETs Q1 and Q4 and diodes DI1 and DI4 connected in antiparallel to the SiC MOSFETs Q1 and Q4 as one module.

図30において、G1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号用のリード端子であり、S1は、SiC MOSFET Q1のソース信号用のリード端子である。同様に、G4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号用のリード端子であり、S4は、SiC MOSFET Q4のソース信号用のリード端子である。 In FIG. 30, G1 is a lead terminal for the gate signal of the SiC MOSFET Q1, and S1 is a lead terminal for the source signal of the SiC MOSFET Q1. Similarly, G4 is a lead terminal for the gate signal of the SiC MOSFET Q4, and S4 is a lead terminal for the source signal of the SiC MOSFET Q4.

また、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極である。 Further, P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode.

また、第1~第6の実施の形態に係るPM1の半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、半導体デバイスQ1・Q4として、IGBTを適用した2 in 1モジュール(図示せず)を実現することもできる。 Further, a module applicable as a semiconductor device of PM1 according to the first to sixth embodiments, in which a 2 in 1 module (not shown) to which an IGBT is applied is realized as the semiconductor devices Q1 and Q4. You can also.

第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ2・Q5、および半導体デバイスQ3・Q6についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices Q2 and Q5 and the semiconductor devices Q3 and Q6 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments.

(デバイス構造)
第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ1・Q4の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MOSFET 130Aの模式的断面構造は、図31に示すように表わされる。
(Device structure)
An example of the semiconductor devices Q1 and Q4 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC MOSFET 130A including the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP is shown in FIG. 31. It is expressed as shown in.

図31に示すように、SiC MOSFET 130Aは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 As shown in FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is formed on the surface of the semiconductor layer 31 composed of the n-high resistance layer, the p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図31に示すように、SiC MOSFET 130Aの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 31, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the SiC MOSFET 130A.

なお、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。 Although not shown, a transistor structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP.

さらに、図31に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にソースパッド電極SPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 31, in the transistor structure in the central portion, the source pad electrode SP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図31において、SiC MOSFET 130Aは、プレーナゲート型のnチャネル縦型SiC MOSFETで構成されているが、後述する図34に示すように、トレンチゲート型のnチャネル縦型SiC T(Trench) MOSFET 130Cなどで構成されていても良い。 In FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is composed of a planar gate type n-channel vertical SiC MOSFET, and as shown in FIG. 34 described later, a trench gate type n-channel vertical SiC T (Trench) MOSFET 130C. It may be composed of such as.

または、第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ1・Q4としては、SiC MOSFET 130Aの代わりに、GaN系FETなどを採用することもできる。 Alternatively, as the semiconductor devices Q1 and Q4 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments, a GaN-based FET or the like can be adopted instead of the SiC MOSFET 130A.

第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ2・Q5、および半導体デバイスQ3・Q6についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices Q2 and Q5 and the semiconductor devices Q3 and Q6 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments.

さらには、第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ1~Q6には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV~8eVのワイドバンドギャップ型と称される半導体を用いることができる。 Further, the semiconductor devices Q1 to Q6 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments include semiconductors having a bandgap energy of, for example, 1.1 eV to 8 eV, which is called a wide bandgap type. Can be used.

同様に、第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ1・Q4の例であって、エミッタパッド電極EP、ゲートパッド電極GPを含むIGBT 130Bの模式的断面構造は、図32に示すように表わされる。 Similarly, in the example of the semiconductor devices Q1 and Q4 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the IGBT 130B including the emitter pad electrode EP and the gate pad electrode GP is It is represented as shown in FIG.

図32に示すように、IGBT 130Bは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたエミッタ領域33Eと、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eと、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたp+ コレクタ領域37Pと、p+ コレクタ領域37Pに接続されたコレクタ電極38Cとを備える。 As shown in FIG. 32, the IGBT 130B has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and an emitter formed on the surface of the p-body region 32. Connected to the region 33E, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p-body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter region 33E and the p-body region 32. The emitter electrode 36E is provided, a p + collector region 37P arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a collector electrode 38C connected to the p + collector region 37P.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、エミッタパッド電極EPは、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eに接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPは、図32に示すように、IGBT 130Bの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter pad electrode EP is connected to the emitter electrode 36E connected to the emitter region 33E and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 32, the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the IGBT 130B.

なお、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のIGBT構造が形成されていても良い。 Although not shown, an IGBT structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP.

さらに、図32に示すように、中央部のIGBT構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にエミッタパッド電極EPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 32, even in the central IGBT structure, the emitter pad electrode EP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図32において、IGBT 130Bは、プレーナゲート型のnチャネル縦型IGBTで構成されているが、トレンチゲート型のnチャネル縦型IGBTなどで構成されていても良い。 In FIG. 32, the IGBT 130B is composed of a planar gate type n-channel vertical IGBT, but may be composed of a trench gate type n-channel vertical IGBT or the like.

第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスQ2・Q5、および半導体デバイスQ3・Q6についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices Q2 and Q5 and the semiconductor devices Q3 and Q6 applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments.

半導体デバイスQ1~Q6としては、SiC DI MOSFET、SiC T MOSFETなどのSiC系パワーデバイス、或いはGaN系高電子移動度トランジスタ(HEMT: High Electron Mobility Transistor)などのGaN系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Si系MOSFETやIGBTなどのパワーデバイスも適用可能である。 As the semiconductor devices Q1 to Q6, a SiC power device such as a SiC DI MOSFET or a SiC T MOSFET, or a GaN power device such as a GaN high electron mobility transistor (HEMT) can be applied. In some cases, power devices such as Si-based MOSFETs and IGBTs can also be applied.

―SiC DI MOSFET―
第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC DI MOSFET 130Dの模式的断面構造は、図33に示すように表わされる。
―SiC DI MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC DI MOSFET 130D is represented as shown in FIG. 33.

図33に示すSiC DI MOSFET 130Dは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC DI MOSFET 130D shown in FIG. 33 has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and n + formed on the surface of the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図33において、SiC DI MOSFET 130Dは、pボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33が、ダブルイオン注入(DII)で形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 33, in the SiC DI MOSFET 130D, a p-body region 32 and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32 are formed by double ion implantation (DII), and the source pad electrode SP is a source. It is connected to the source electrode 36 connected to the region 33 and the p-body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図33に示すように、SiC DI MOSFET 130Dの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 33, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 so as to cover the surface of the SiC DI MOSFET 130D.

SiC DI MOSFET 130Dは、図33に示すように、pボディ領域32に挟まれたn- 高抵抗層からなる半導体層31内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETが形成される。また、pボディ領域32/半導体層31間には、図33に示すように、ボディダイオードBDが形成される。 As shown in FIG. 33, the SiC DI MOSFET 130D is a junction type because a depletion layer as shown by a broken line is formed in a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer sandwiched between p body regions 32. A channel resistance R JFET is formed due to the FET (JFET) effect. Further, as shown in FIG. 33, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31.

―SiC T MOSFET―
第1~第6の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC T MOSFETの模式的断面構造は、図34に示すように表わされる。
―SiC T MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to PM1 according to the first to sixth embodiments, a schematic cross-sectional structure of a SiC T MOSFET is represented as shown in FIG. 34.

図34に示すSiC T MOSFET 130Cは、n層からなる半導体層31Nと、半導体層31Nの表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介して形成されたトレンチゲート電極35TGと、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31Nの表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC T MOSFET 130C shown in FIG. 34 has a semiconductor layer 31N composed of n layers, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31N, and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32. The trench gate electrode 35TG formed through the p-body region 32 and formed through the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B in the trench formed up to the semiconductor layer 31N, and the source region 33 and the p-body region. It includes a source electrode 36 connected to 32, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31N, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図34において、SiC T MOSFET 130Cは、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介してトレンチゲート電極35TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 34, the SiC T MOSFET 130C penetrates the p-body region 32, and the trench gate electrode 35TG is formed in the trench formed up to the semiconductor layer 31N via the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B. The source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたトレンチゲート電極35TGに接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図34に示すように、SiC T MOSFET 130Cの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39U上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the trench gate electrode 35TG arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 34, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39U so as to cover the surface of the SiC T MOSFET 130C.

SiC T MOSFET 130Cでは、SiC DI MOSFET 130Dのような接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETは形成されない。また、pボディ領域32/半導体層31N間には、図33と同様に、ボディダイオードBDが形成される。 In the SiC T MOSFET 130C, the channel resistance R JFET associated with the junction FET (JFET) effect such as the SiC DI MOSFET 130D is not formed. Further, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31N, as in FIG. 33.

(応用例)
第1~第6の実施の形態に係るPM1を用いて構成される3相交流インバータ40Aであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成例は、図35に示すように表わされる。
(Application example)
It is a three-phase AC inverter 40A configured by using PM1 according to the first to sixth embodiments, a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, and a snubber capacitor C is connected between a power supply terminal PL and a ground terminal NL. An example of the circuit configuration is shown in FIG. 35.

同様に、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した3相交流インバータ(図示せず)を実現することもできる。 Similarly, an IGBT can be applied as a semiconductor device to realize a three-phase AC inverter (not shown) in which a snubber capacitor C is connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

PM1を電源Eと接続し、スイッチング動作を行うと、接続ラインの有するインダクタンスLによって、SiC MOSFETやIGBTのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ldi/dtを生ずる。例えば、電流変化di=300Aとし、スイッチングに伴う時間変化dt=100nsecとすると、di/dt=3×10(A/s)となる。 When the PM1 is connected to the power supply E and the switching operation is performed, the switching speed of the SiC MOSFET or the IGBT is high due to the inductance L of the connection line, so that a large surge voltage Ldi / dt is generated. For example, if the current change di = 300A and the time change dt = 100nsec accompanying switching, then di / dt = 3 × 10 9 (A / s).

インダクタンスLの値により、サージ電圧Ldi/dtの値は変化するが、電源Eに、このサージ電圧Ldi/dtが重畳される。電源端子PL・接地端子NL間に接続されるスナバコンデンサCによって、このサージ電圧Ldi/dtを吸収することができる。 The value of the surge voltage Ldi / dt changes depending on the value of the inductance L, but the surge voltage Ldi / dt is superimposed on the power supply E. This surge voltage Ldi / dt can be absorbed by the snubber capacitor C connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

(具体例)
次に、図36を参照して、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、第1~第6の実施の形態に係るPM1を用いて構成した3相交流インバータ42Aについて説明する。
(Concrete example)
Next, with reference to FIG. 36, a three-phase AC inverter 42A configured by applying a SiC MOSFET as a semiconductor device and using PM1 according to the first to sixth embodiments will be described.

図36に示すように、3相交流インバータ42Aは、ゲートドライバ(GD)180に接続されたパワーモジュール部130と、3相交流モータ部51と、電源もしくは蓄電池(E)53と、コンバータ55とを備える。パワーモジュール部130は、3相交流モータ部51のU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。 As shown in FIG. 36, the three-phase AC inverter 42A includes a power module unit 130 connected to the gate driver (GD) 180, a three-phase AC motor unit 51, a power supply or storage battery (E) 53, and a converter 55. To prepare for. The power module unit 130 is connected to a U-phase, V-phase, and W-phase inverter corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-phase AC motor unit 51.

ここで、GD180は、SiC MOSFET Q1・Q4、SiC MOSFET Q2・Q5、およびSiC MOSFET Q3・Q6に接続されている。 Here, the GD180 is connected to the SiC MOSFETs Q1 and Q4, the SiC MOSFETs Q2 and Q5, and the SiC MOSFETs Q3 and Q6.

パワーモジュール部130は、電源もしくは蓄電池(E)53が接続されたコンバータ55のプラス端子(+)Pとマイナス端子(-)Nとの間に接続され、インバータ構成のSiC MOSFET Q1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6を備える。また、SiC MOSFET Q1~Q6のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードDI1~DI6がそれぞれ逆並列に接続されている。 The power module unit 130 is connected between the positive terminal (+) P and the negative terminal (-) N of the converter 55 to which the power supply or the storage battery (E) 53 is connected, and is connected to the SiC MOSFETs Q1, Q4, and Q2 having an inverter configuration. -Provides Q5 and Q3 / Q6. Further, freewheel diodes DI1 to DI6 are connected in antiparallel between the source and drain of the SiC MOSFETs Q1 to Q6, respectively.

また、図示しないが、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、第1~第6の実施の形態に係るPM1を用いて構成した3相交流インバータを実現することもできる。 Further, although not shown, it is also possible to apply an IGBT as a semiconductor device and realize a three-phase AC inverter configured by using PM1 according to the first to sixth embodiments.

以上説明したように、第1~第6の実施の形態によれば、安価であり、両面冷却構造に劣らない冷却性能を発揮できると共に、応力の低減をも同時に図ることが可能なPMを実現できる。 As described above, according to the first to sixth embodiments, PM is realized which is inexpensive, can exhibit cooling performance not inferior to the double-sided cooling structure, and can simultaneously reduce stress. can.

なお、第1~第6の実施の形態に係るPMにおいて、半導体デバイスとして適用可能なモジュールとしては、例えば、4端子電極構造などのモールド型パワーモジュールであっても良い。 In the PM according to the first to sixth embodiments, the module applicable as a semiconductor device may be, for example, a molded power module having a 4-terminal electrode structure or the like.

また、第1~第6の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスとしては、SiC系パワーデバイスに限らず、GaN系やSi系のパワーデバイスなどのワイドバンドギャップ型と称されるパワーデバイスも採用可能である。 Further, the semiconductor device applicable to the PM according to the first to sixth embodiments is not limited to the SiC-based power device, but is a power called a wide bandgap type such as a GaN-based power device or a Si-based power device. Devices can also be adopted.

また、樹脂モールドされたモールド型パワーモジュールに限らず、ケース型のパッケージによってパッケージングされたパワーモジュールにも適用可能である。 Further, it can be applied not only to a resin-molded mold-type power module but also to a power module packaged by a case-type package.

[第7の実施の形態における比較例]
まず、第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールについて説明する。ここでは、パワーモジュールの1つとして、IGBTのようなパワー素子(チップ)を含むパワーデバイス(半導体デバイス)の外囲が樹脂でモールドされたパワーモジュールを例示する。
[Comparative example in the seventh embodiment]
First, the power module according to the comparative example in the seventh embodiment will be described. Here, as one of the power modules, a power module in which the outer circumference of a power device (semiconductor device) including a power element (chip) such as an IGBT is molded with a resin is exemplified.

(片面冷却構造:空冷)
第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造は、図37に示すように表される。この第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールでは、片面冷却構造(空冷)を採用している。具体的には、図37に示すように、パワーモジュール107の下面に接合材106を介してヒートシンク105が配置されている。片面冷却構造(空冷)のため、冷却能力が低い。このようなパワーモジュールは、産機パワーモジュールなどに使用される。
(Single-sided cooling structure: air cooling)
The schematic cross-sectional structure of the power module according to the comparative example in the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 37. The power module according to the comparative example in the seventh embodiment employs a single-sided cooling structure (air cooling). Specifically, as shown in FIG. 37, the heat sink 105 is arranged on the lower surface of the power module 107 via the bonding material 106. Due to the single-sided cooling structure (air cooling), the cooling capacity is low. Such power modules are used for industrial machine power modules and the like.

(片面冷却構造:水冷)
第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造は、図38に示すように表される。この第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールでは、片面冷却構造(水冷)を採用している。具体的には、図38に示すように、パワーモジュール113の下面に接合材112を介して水冷機111が配置されている。片面冷却構造(水冷)のため、冷却能力は片面冷却構造(空冷)より高いが両面冷却構造(水冷)には劣る。このようなパワーモジュールは、現在の一般的な車載モジュールに使用される。
(Single-sided cooling structure: water cooling)
The schematic cross-sectional structure of the power module according to the comparative example in the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 38. The power module according to the comparative example in the seventh embodiment employs a single-sided cooling structure (water cooling). Specifically, as shown in FIG. 38, the water cooler 111 is arranged on the lower surface of the power module 113 via the bonding material 112. Due to the single-sided cooling structure (water cooling), the cooling capacity is higher than that of the single-sided cooling structure (air cooling), but inferior to that of the double-sided cooling structure (water cooling). Such power modules are used in today's general in-vehicle modules.

(両面冷却構造:水冷)
第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造は、図39に示すように表される。この第7の実施の形態における比較例に係るパワーモジュールでは、両面冷却構造(水冷)を採用している。具体的には、図39に示すように、パワーモジュール123の下面に接合材122Aを介して水冷機121が配置されている。また、パワーモジュール123の上面に接合材122Bを介して水冷機124が配置されている。両面水冷のため、冷却能力は非常に高いが、冷却器が二つ必要なため、組立が難しくなるとともに非常に高価である。このようなパワーモジュールは、次世代の車載モジュールに使用される。
(Double-sided cooling structure: water cooling)
The schematic cross-sectional structure of the power module according to the comparative example in the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 39. The power module according to the comparative example in the seventh embodiment employs a double-sided cooling structure (water cooling). Specifically, as shown in FIG. 39, the water cooler 121 is arranged on the lower surface of the power module 123 via the bonding material 122A. Further, a water cooler 124 is arranged on the upper surface of the power module 123 via the bonding material 122B. Since it is water-cooled on both sides, the cooling capacity is very high, but since it requires two coolers, it is difficult to assemble and it is very expensive. Such power modules will be used in next-generation in-vehicle modules.

[第7の実施の形態]
次に、第7の実施の形態に係るパワーモジュールについて説明する。ここでも、パワーデバイスの外囲が樹脂でモールドされたパワーモジュール1を例示する。
[7th Embodiment]
Next, the power module according to the seventh embodiment will be described. Here, too, the power module 1 in which the outer circumference of the power device is molded with resin is illustrated.

(基本構造)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造は、図40に示すように表される。また、図40に示されるパワーモジュールが備えるグラファイトプレート18GPの模式的断面構造は、図41に示すように表される。図中の矢印は、グラファイトプレート18GPにおける高熱伝導率の方向を表している。
(Basic structure)
The schematic cross-sectional structure of the power module according to the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 40. Further, the schematic cross-sectional structure of the graphite plate 18GP included in the power module shown in FIG. 40 is represented as shown in FIG. 41. The arrows in the figure indicate the direction of high thermal conductivity in the graphite plate 18GP.

図40および図41に示すように、第7の実施の形態に係るパワーモジュールは、下面(第1面)と下面に対向する上面(第2面)とを有し、後述するような動作時に発熱する半導体回路を封止するパワーモジュール1であって、パワーモジュール1の下面側に配置された水冷用の冷却器28と、冷却器28のパワーモジュール1の下面が接合された面に一方面が接合され、パワーモジュール1の上面に他方面が接合されたグラファイトプレート18GPとを備え、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の間にパワーモジュール1が配置されている。グラファイトプレート18GPは、熱伝導配向の違う2種類のグラファイトプレート18GPが熱伝導率の高い向きで貼り合わされた構造である。 As shown in FIGS. 40 and 41, the power module according to the seventh embodiment has a lower surface (first surface) and an upper surface (second surface) facing the lower surface, and is used during an operation as described later. A power module 1 that encloses a semiconductor circuit that generates heat, one side of which is a surface to which a water cooling cooler 28 arranged on the lower surface side of the power module 1 and a lower surface of the power module 1 of the cooler 28 are joined. A graphite plate 18GP with the other surface bonded to the upper surface of the power module 1 is provided, and the power module 1 is arranged between the second graphite plates 18GP (XZ) 1 and 18GP (XZ) 2. .. The graphite plate 18GP has a structure in which two types of graphite plates 18GP having different thermal conductivity orientations are bonded together in a direction having high thermal conductivity.

詳細については後述するが、グラファイトプレート18GPは、第1のグラファイトプレート18GP(XY)に第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2が直交する向きで貼り合わされた構造をしている。ここでいう直交は、略直交であればよく、ある程度の誤差を含んでいてもよい。 Although the details will be described later, the graphite plate 18GP has a structure in which the second graphite plates 18GP (XZ) 1 and 18GP (XZ) 2 are bonded to the first graphite plate 18GP (XY) in orthogonal directions. There is. The orthogonality referred to here may be substantially orthogonal and may include some error.

また、第1のグラファイトプレート18GP(XY)は、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いXY配向(第1の配向)を備えている。 Further, the first graphite plate 18GP (XY) has an XY orientation (first orientation) in which the thermal conductivity is higher in the plane direction than in the thickness direction.

また、第1のグラファイトプレート18GP(XY)は、XY配向を有する複数のグラファイトシートGSを積層してなるプレート構造を備えてもよい(図6参照)。 Further, the first graphite plate 18GP (XY) may have a plate structure in which a plurality of graphite sheets GS having XY orientation are laminated (see FIG. 6).

また、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向(第2の配向)を備えてもよい。 Further, the second graphite plates 18GP (XZ) 1 and 18GP (XZ) 2 may have an XZ orientation (second orientation) in which the thermal conductivity is higher in the thickness direction than in the plane direction.

また、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2は、XZ配向を有する複数のグラファイトシートGSを積層してなるプレート構造を備えている(図6参照)。 Further, the second graphite plates 18GP (XZ) 1 and 18GP (XZ) 2 have a plate structure in which a plurality of graphite sheets GS having XZ orientation are laminated (see FIG. 6).

また、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の上面(一方面)は、第1のグラファイトプレート18GP(XY)に貼り合わされ、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の下面(他方面)は、冷却器28に接合されている。 Further, the upper surface (one side) of the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 is bonded to the first graphite plate 18GP (XY), and the second graphite plates 18GP (XZ) 1, The lower surface (the other surface) of 18GP (XZ) 2 is joined to the cooler 28.

また、1つの第1のグラファイトプレート18GP(XY)の同一面に複数の第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2が貼り合わされていてもよい。 Further, a plurality of second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 may be bonded to the same surface of one first graphite plate 18GP (XY).

また、複数のパワーモジュール11,12,13が内蔵され、複数のパワーモジュール11,12,13の各連結部に第2のグラファイトプレート18GP(XZ)3,18GP(XZ)4が配置されていてもよい(図52参照)。 In addition, a plurality of power modules 1 1 , 1 2 and 1 3 are built in, and a second graphite plate 18GP (XZ) 3, 18GP (XZ) is connected to each of the plurality of power modules 1 1 , 1 2 and 1 3 . 4 may be arranged (see FIG. 52).

また、グラファイトプレート18GPの少なくとも一部の両面にCu層5のような金属層が形成されていてもよい(図49、図52参照)。 Further, a metal layer such as the Cu layer 5 may be formed on both sides of at least a part of the graphite plate 18GP (see FIGS. 49 and 52).

また、パワーモジュール1は、パワー端子P,N、出力端子Oおよび信号部端子RTを有し、各端子P,N,Oの一部を除きモールド樹脂により被覆されている(図46参照)。 Further, the power module 1 has a power terminal P, N, an output terminal O, and a signal unit terminal RT, and is covered with a mold resin except for a part of each terminal P, N, O (see FIG. 46).

また、モールド樹脂の上面から上部電極1Iが露出し、モールド樹脂の下面から下部電極1Aが露出していてもよい(図53参照)。 Further, the upper electrode 1I may be exposed from the upper surface of the mold resin, and the lower electrode 1A may be exposed from the lower surface of the mold resin (see FIG. 53).

また、上部電極1Iとグラファイトプレート18GPの接合材3Dとしてはんだまたは銀焼成が用いられているが、他の熱伝導性の良い接合材でもよい(図53参照)。 Further, although solder or silver firing is used as the bonding material 3D of the upper electrode 1I and the graphite plate 18GP, other bonding materials having good thermal conductivity may be used (see FIG. 53).

また、下部電極1Aと冷却器28の接合材3Aとしてはんだまたは銀焼成が用いられているが、他の熱伝導性の良い接合材でもよい(図53参照)。 Further, although solder or silver firing is used as the bonding material 3A between the lower electrode 1A and the cooler 28, other bonding materials having good thermal conductivity may be used (see FIG. 53).

また、グラファイトプレート18GPのパワーモジュール1の上面との接合面と反対側の面に放熱器Fが配置されていてもよい(図52参照)。 Further, the radiator F may be arranged on the surface of the graphite plate 18GP opposite to the joint surface with the upper surface of the power module 1 (see FIG. 52).

また、冷却器28は、内部に冷却液WRが流れる水冷機であり、冷却液WRとしては、例えば、水または水とエチレングリコールとを50%ずつの割合で混合させた混合液が用いられる。 Further, the cooler 28 is a water cooler in which a coolant WR flows inside, and as the coolant WR, for example, water or a mixed solution of water and ethylene glycol mixed at a ratio of 50% each is used.

また、パワーモジュール1は、Si系またはSiC系のIGBT、ダイオード、MOSFET、GaN系FETのいずれかのパワー半導体を備えている。 Further, the power module 1 includes a power semiconductor of any one of a Si-based or SiC-based IGBT, a diode, a MOSFET, and a GaN-based FET.

また、パワーモジュール1は、ワンインワンモジュール、ツーインワンモジュール、フォーインワンモジュール、シックスインワンモジュール、セブンインワンモジュール、エイトインワンモジュール、トゥエルブインワンモジュール、またはフォーティーンインワンモジュールのいずれかを構成してもよい。 Further, the power module 1 may be configured as any one of a one-in-one module, a two-in-one module, a four-in-one module, a six-in-one module, a seven-in-one module, an eight-in-one module, a twelve-in-one module, or a fourteen-in-one module.

また、パワーモジュール1は、シックスインワンモジュールタイプを用いてインバータまたはコンバータを構成してもよい。 Further, the power module 1 may be configured as an inverter or a converter by using a six-in-one module type.

また、第1の電源端子Pと第2の電源端子Nとの間に直列接続されるとともに上面(第1面)と上面に対向する下面(第2面)とを有する基板(例えば下部絶縁基板20D)の上面上に配置されたパワーデバイス1Eと、基板の下面側に配置された冷却器28とを有し、該パワーデバイス1Eの接続点を出力端子Oに接続するように構成されたパワーモジュール1であって、パワーデバイス1Eは下面(第1面)と下面に対向する上面(第2面)とを有し、冷却器28の基板の下面側と、パワーデバイス1Eの上面側とを熱的に接続するグラファイトプレート18GPを備え、グラファイトプレート18GPは、熱伝導配向の違う2種類のグラファイトプレート18GPが熱伝導率の高い向きで貼り合わされた構造である(図53参照)。 Further, a substrate (for example, a lower insulating substrate) which is connected in series between the first power supply terminal P and the second power supply terminal N and has an upper surface (first surface) and a lower surface (second surface) facing the upper surface. 20D) has a power device 1E arranged on the upper surface and a cooler 28 arranged on the lower surface side of the substrate, and is configured to connect the connection point of the power device 1E to the output terminal O. In the module 1, the power device 1E has a lower surface (first surface) and an upper surface (second surface) facing the lower surface, and has a lower surface side of the substrate of the cooler 28 and an upper surface side of the power device 1E. A graphite plate 18GP that is thermally connected is provided, and the graphite plate 18GP has a structure in which two types of graphite plates 18GP having different thermal conduction orientations are bonded together in a direction having high thermal conductivity (see FIG. 53).

なお、図41に示す第1のグラファイトプレート18GP(XY)と第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2との接合面7A,7Bは、ロウ付けで接合しているが、他の熱伝導性の良い接合法でもよい。 The joining surfaces 7A and 7B of the first graphite plate 18GP (XY) and the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 shown in FIG. 41 are joined by brazing. Other bonding methods with good thermal conductivity may be used.

(グラファイトプレート)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールにおいては、グラファイトプレート18GPとして、配向の異なる2種類のグラファイトプレートを使用している。
(Graphite plate)
In the power module according to the seventh embodiment, two types of graphite plates having different orientations are used as the graphite plate 18GP.

グラファイトプレート18GPを構成するグラファイトシート(グラフェン)GSの模式的構成(積層構造例)は、図5に示すように表わされる。 A schematic configuration (example of laminated structure) of the graphite sheet (graphene) GS constituting the graphite plate 18GP is shown as shown in FIG.

グラファイトプレート18GPには、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いXY配向(第1の配向)を有する第1のグラファイトプレート18GP(XY)と、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向(第2の配向)を有する第2のグラファイトプレート18GP(XZ)とがあり、第1のグラファイトプレート18GP(XY)は図6(a)に示すように表わされ、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)は図6(b)に示すように表わされる。 The graphite plate 18GP has a first graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation (first orientation) having a higher thermal conductivity in the plane direction than the thickness direction, and the graphite plate 18GP has a thermal conductivity in the thickness direction rather than the plane direction. There is a second graphite plate 18GP (XZ) with a high XZ orientation (second orientation), the first graphite plate 18GP (XY) is represented as shown in FIG. 6 (a) and the second The graphite plate 18GP (XZ) is represented as shown in FIG. 6 (b).

図5に示すように、n層からなる各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、1つの積層結晶構造の中に多数の六方晶系の共有結合を有し、各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSn間がファンデルワールス力によって結合されるようになっている。 As shown in FIG. 5, the graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., GSn on each surface composed of n layers have a large number of hexagonal covalent bonds in one laminated crystal structure, and each surface has a covalent bond. The graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., and GSn are bonded by a van der Waals force.

すなわち、炭素系異方伝熱材料であるグラファイトは、炭素原子の六角形網目構造の層状結晶体であって、熱伝導も異方性を持っており、図5に示すグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、結晶面方向(XY面上)に対して、Z軸の厚さ方向よりも大きな熱伝導度(高い熱伝導率)を有する。 That is, graphite, which is a carbon-based anisotropic heat transfer material, is a layered crystal having a hexagonal network structure of carbon atoms, and has anisotropy in heat conduction. Graphite sheets GS1, GS2, shown in FIG. GS3 ..... GSn has a higher thermal conductivity (high thermal conductivity) in the crystal plane direction (on the XY plane) than in the thickness direction of the Z axis.

したがって、図6(a)に示すように、XY配向を有する第1のグラファイトプレート18GP(XY)は、例えば、X=1500(W/mK)程度、Y=1500(W/mK)程度、Z=5(W/mK)程度の熱伝導率を備える。 Therefore, as shown in FIG. 6A, the first graphite plate 18GP (XY) having XY orientation is, for example, X = 1500 (W / mK), Y = 1500 (W / mK), Z. It has a thermal conductivity of about 5 (W / mK).

一方、図6(b)に示すように、XZ配向を有する第2のグラファイトプレート18GP(XZ)は、例えば、X=1500(W/mK)程度、Y=5(W/mK)程度、Z=1500(W/mK)程度の熱伝導率を備える。 On the other hand, as shown in FIG. 6B, the second graphite plate 18GP (XZ) having the XZ orientation has, for example, X = 1500 (W / mK), Y = 5 (W / mK), Z. = It has a thermal conductivity of about 1500 (W / mK).

なお、第1のグラファイトプレート18GP(XY)と第2のグラファイトプレート18GP(XZ)は、共に、密度が2.2(g/cm3 )程度であり、厚さが0.7mm~10mm程度であり、大きさが40mm×40mm程度以下である。 Both the first graphite plate 18GP (XY) and the second graphite plate 18GP (XZ) have a density of about 2.2 (g / cm 3 ) and a thickness of about 0.7 mm to 10 mm. Yes, the size is about 40 mm × 40 mm or less.

[熱抵抗比較]
次に、冷却構造と熱抵抗との関係性について説明する。
[Comparison of thermal resistance]
Next, the relationship between the cooling structure and the thermal resistance will be described.

(片面冷却構造)
第7の実施の形態における比較例に係る片面冷却構造のパワーモジュールの熱抵抗シミュレーションの構造モデルを示す模式的断面構造は、図42に示すように表される。また、図42に示される構造モデルのSiCチップ113Eを上から見た場合の模式的上面構成は、図43に示すように表される。
(Single-sided cooling structure)
A schematic cross-sectional structure showing a structural model of thermal resistance simulation of a power module having a single-sided cooling structure according to a comparative example in the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 42. Further, a schematic upper surface configuration when the SiC chip 113E of the structural model shown in FIG. 42 is viewed from above is shown as shown in FIG. 43.

この片面冷却構造の熱抵抗シミュレーションでは、図42に示すように、例えば、SiCチップ113Eの厚さは0.35mm、銀焼成部113Dの厚さは0.06mm、Cu層113Cの厚さは1.0mm、Si層113Bの厚さは0.25mm、Cu層113Aの厚さは1.0mm、SnAgはんだ112の厚さは0.2mm、冷却器(Al層)111の厚さは1.0mmとした。また、図43に示すように、例えば、SiCチップ113Eのサイズは5mm×5mm、Si層113Bのサイズは15mm×15mm、冷却器(Al層)111のサイズは25mm×25mmとした。このような片面冷却構造を採用した場合、例えば、熱抵抗は0.304(℃/W)であった。 In the thermal resistance simulation of this single-sided cooling structure, for example, as shown in FIG. 42, the thickness of the SiC chip 113E is 0.35 mm, the thickness of the silver firing portion 113D is 0.06 mm, and the thickness of the Cu layer 113C is 1. 0.0 mm, Si 3 N 4 layer 113B thickness is 0.25 mm, Cu layer 113A thickness is 1.0 mm, SnAg solder 112 thickness is 0.2 mm, cooler (Al layer) 111 thickness is It was set to 1.0 mm. Further, as shown in FIG. 43, for example, the size of the SiC chip 113E is 5 mm × 5 mm, the size of the Si 3N 4 layer 113B is 15 mm × 15 mm, and the size of the cooler (Al layer) 111 is 25 mm × 25 mm. When such a single-sided cooling structure is adopted, for example, the thermal resistance is 0.304 (° C./W).

(両面冷却構造)
第7の実施の形態における比較例に係る両面冷却構造のパワーモジュールの熱抵抗シミュレーションの構造モデルを示す模式的断面構造は、図44に示すように表される。ここでも、SiCチップ123Eを上から見た場合の模式的上面構成については、図43を用いて説明する。
(Double-sided cooling structure)
The schematic cross-sectional structure showing the structural model of the thermal resistance simulation of the power module of the double-sided cooling structure according to the comparative example in the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 44. Here, too, a schematic upper surface configuration when the SiC chip 123E is viewed from above will be described with reference to FIG. 43.

この両面冷却構造の熱抵抗シミュレーションでは、図44に示すように、例えば、冷却器(Al層)124の厚さは1.0mm、SnAgはんだ122Bの厚さは0.2mm、Cu層123Iの厚さは1.5mm、Si層123Hの厚さは0.25mm、Cu層123Gの厚さは1.5mm、銀焼成部123Fの厚さは0.06mm、SiCチップ123Eの厚さは0.35mm、銀焼成部123Dの厚さは0.06mm、Cu層123Cの厚さは1.0mm、Si層123Bの厚さは0.25mm、Cu層123Aの厚さは1.0mm、SnAgはんだ122Aの厚さは0.2mm、冷却器(Al層)121の厚さは1.0mmとした。また、図43に示すように、例えば、SiCチップ123Eのサイズは5mm×5mm、Si層123Bのサイズは15mm×15mm、冷却器(Al層)121のサイズは25mm×25mmとした。更に、図示は省略しているが、例えば、SiCチップ123E上の接合部(銀焼成部123F)のサイズは3mm×3mmとした。このような両面冷却構造を採用した場合、例えば、熱抵抗は0.184(℃/W)となり、片面冷却構造に比べ40%程度減少した。 In the thermal resistance simulation of this double-sided cooling structure, as shown in FIG. 44, for example, the thickness of the cooler (Al layer) 124 is 1.0 mm, the thickness of the SnAg solder 122B is 0.2 mm, and the thickness of the Cu layer 123I. The solder is 1.5 mm, the thickness of the Si 3N 4 layer 123H is 0.25 mm, the thickness of the Cu layer 123G is 1.5 mm, the thickness of the silver fired portion 123F is 0.06 mm, and the thickness of the SiC chip 123E is The thickness of the silver fired portion 123D is 0.06 mm, the thickness of the Cu layer 123C is 1.0 mm, the thickness of the Si 3N 4 layer 123B is 0.25 mm, and the thickness of the Cu layer 123A is 1. The thickness of the 0 mm, SnAg solder 122A was 0.2 mm, and the thickness of the cooler (Al layer) 121 was 1.0 mm. Further, as shown in FIG. 43, for example, the size of the SiC chip 123E is 5 mm × 5 mm, the size of the Si 3N 4 layer 123B is 15 mm × 15 mm, and the size of the cooler (Al layer) 121 is 25 mm × 25 mm. Further, although not shown, the size of the joint portion (silver fired portion 123F) on the SiC chip 123E is set to 3 mm × 3 mm, for example. When such a double-sided cooling structure is adopted, for example, the thermal resistance is 0.184 (° C./W), which is about 40% lower than that of the single-sided cooling structure.

(半両面冷却構造)
第7の実施の形態に係る半両面冷却構造のパワーモジュールの熱抵抗シミュレーションの構造モデルを示す模式的断面構造は、図45に示すように表される。ここでも、SiCチップ1Eを上から見た場合の模式的上面構成については、図43を用いて説明する。
(Half-sided cooling structure)
The schematic cross-sectional structure showing the structural model of the thermal resistance simulation of the power module of the half-sided cooling structure according to the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 45. Here, too, a schematic upper surface configuration when the SiC chip 1E is viewed from above will be described with reference to FIG. 43.

この半両面冷却構造の熱抵抗シミュレーションでは、図45に示すように、例えば、第1のグラファイトプレート18GP(XY)の厚さは1.0mm、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)の幅は2mm、SnAgはんだ3Dの厚さは0.2mm、Cu層1Iの厚さは1.5mm、Si層1Hの厚さは0.25mm、Cu層1Gの厚さは1.5mm、銀焼成部1Fの厚さは0.06mm、SiCチップ1Eの厚さは0.35mm、銀焼成部1Dの厚さは0.06mm、Cu層1Cの厚さは1.0mm、Si層1Bの厚さは0.25mm、Cu層1Aの厚さは1.0mm、SnAgはんだ3A,3B,3Cの厚さは0.2mm、冷却器(Al層)2の厚さは1.0mmとした。また、図43に示すように、例えば、SiCチップ1Eのサイズは5mm×5mm、Si層1Bのサイズは15mm×15mm、冷却器(Al層)2のサイズは25mm×25mmとした。更に、図示は省略しているが、例えば、SiCチップ1E上の接合部(銀焼成部1F)のサイズは3mm×3mmとした。このような半両面冷却構造を採用した場合、例えば、熱抵抗は0.209(℃/W)となり、片面冷却構造に比べ32%程度減少した。すなわち、一つの冷却器で両面冷却に近い冷却能力を有することが分かった。 In the thermal resistance simulation of this half-sided cooling structure, for example, as shown in FIG. 45, the thickness of the first graphite plate 18GP (XY) is 1.0 mm, and the width of the second graphite plate 18GP (XZ) is 2 mm. , SnAg solder 3D has a thickness of 0.2 mm, Cu layer 1I has a thickness of 1.5 mm, Si 3N 4 layer 1H has a thickness of 0.25 mm, Cu layer 1G has a thickness of 1.5 mm, and is fired with silver. The thickness of the portion 1F is 0.06 mm, the thickness of the SiC chip 1E is 0.35 mm, the thickness of the silver fired portion 1D is 0.06 mm, the thickness of the Cu layer 1C is 1.0 mm, and the thickness of the Si 3N 4 layer 1B. The thickness of the Cu layer 1A was 1.0 mm, the thickness of the SnAg solders 3A, 3B, and 3C was 0.2 mm, and the thickness of the cooler (Al layer) 2 was 1.0 mm. .. Further, as shown in FIG. 43, for example, the size of the SiC chip 1E is 5 mm × 5 mm, the size of the Si 3N 4 layer 1B is 15 mm × 15 mm, and the size of the cooler (Al layer) 2 is 25 mm × 25 mm. Further, although not shown, the size of the joint portion (silver fired portion 1F) on the SiC chip 1E is, for example, 3 mm × 3 mm. When such a half-sided cooling structure is adopted, for example, the thermal resistance is 0.209 (° C./W), which is about 32% lower than that of the single-sided cooling structure. That is, it was found that one cooler has a cooling capacity close to that of double-sided cooling.

以上のように、第7の実施の形態に係るパワーモジュールでは、グラファイトの異方性熱伝導率を生かして、配向の違う二つのグラファイトプレート18GPを貼り合わせ、両面冷却の2つの冷却器の役割を、冷却器(水冷機)2のみで果たさせている。そのため、例えば、1500W/m・K程度の高い熱伝導率でXY方向に熱を拡げ、また、1500W/m・K程度の高い熱伝導率でパワーモジュールの上部までほぼ冷却器28の温度になる。これにより、一つの冷却器28で模擬的に両面冷却器に匹敵する冷却能力を有することが可能となる。 As described above, in the power module according to the seventh embodiment, two graphite plates 18GP having different orientations are bonded together by utilizing the anisotropic thermal conductivity of graphite, and the roles of the two coolers for double-sided cooling are used. Is fulfilled only by the cooler (water cooler) 2. Therefore, for example, heat is spread in the XY direction with a high thermal conductivity of about 1500 W / m · K, and the temperature of the cooler 28 reaches almost the upper part of the power module with a high thermal conductivity of about 1500 W / m · K. .. This makes it possible for one cooler 28 to have a cooling capacity comparable to that of a double-sided cooler in a simulated manner.

なお、接合材3A,3B,3C,3Dは、はんだや銀焼成に限定されるものではなく、コンパウンドやグリースでもよい。ただし、コンパウンドやグリースを用いた場合は熱抵抗が大きくなるため、はんだや銀焼成を用いるのが望ましい。 The bonding materials 3A, 3B, 3C, and 3D are not limited to solder and silver firing, and may be compounds or grease. However, when a compound or grease is used, the thermal resistance increases, so it is desirable to use solder or silver firing.

[具体例]
次に、第7の実施の形態に係るパワーモジュールの具体例について説明する。
[Concrete example]
Next, a specific example of the power module according to the seventh embodiment will be described.

第7の実施の形態に係るパワーモジュールの具体例を示す模式的平面パターン構成は、図46(a)に示すように表わされる。また、図46(a)のVIII-VIII線に沿う模式的断面構造は、図46(b)に示すように表わされる。更に、図46(a)に示されるパワーモジュールの模式的右側面構成は、図46(c)に示すように表される。ここでいう「右側面」とは、端子のない側から見た側面である。 A schematic plane pattern configuration showing a specific example of the power module according to the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 46 (a). Further, the schematic cross-sectional structure along the line VIII-VIII of FIG. 46 (a) is represented as shown in FIG. 46 (b). Further, the schematic right side configuration of the power module shown in FIG. 46 (a) is represented as shown in FIG. 46 (c). The "right side" here is the side seen from the side without terminals.

このパワーモジュールにおいては、パワーデバイスとして、図30に示す2 in 1モジュールタイプのパワーモジュールを採用している。具体的には、図46に示すように、パワーデバイスが封止されたパワーモジュール1を備え、パワーデバイスへ電源を供給するパワー端子P,Nと、パワーデバイスからの出力を行う出力端子Oと、パワーデバイスの動作を制御する信号部端子RTとを有する。信号部端子RTは、折り曲げてゲートドライブと接続される。パワー端子P,N、出力端子Oおよび信号部端子RTの一部を除きモールド樹脂により被覆されていてもよい。 In this power module, a 2 in 1 module type power module shown in FIG. 30 is adopted as a power device. Specifically, as shown in FIG. 46, a power module 1 in which a power device is sealed is provided, and power terminals P and N for supplying power to the power device and output terminals O for outputting power from the power device. It has a signal unit terminal RT that controls the operation of the power device. The signal unit terminal RT is bent and connected to the gate drive. The power terminals P and N, the output terminal O, and a part of the signal unit terminal RT may be covered with a mold resin.

この例では、第1のグラファイトプレート18GP(XY)は、パワーモジュール1の上面よりも大きいサイズとし、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2は、パワーモジュール1と同程度の高さとしている。このようなグラファイトプレート18GPによれば、パワーモジュール1の上面側を効果的に冷却することが可能である。 In this example, the first graphite plate 18GP (XY) has a size larger than the upper surface of the power module 1, and the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 have the same size as the power module 1. It is said to be the height of. According to such a graphite plate 18GP, it is possible to effectively cool the upper surface side of the power module 1.

また、第1のグラファイトプレート18GP(XY)の両端部に第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2を貼り合せている。これにより、冷却器28と接合されたループ状のグラファイトプレート18GPが構成され、そのループの内側にパワーモジュール1を配置することができる。このようなグラファイトプレート18GPによれば、高い熱伝導率でXY方向およびXZ方向に熱を拡げ、高い冷却能力を発揮することが可能である。 Further, the second graphite plates 18GP (XZ) 1 and 18GP (XZ) 2 are bonded to both ends of the first graphite plate 18GP (XY). As a result, a loop-shaped graphite plate 18GP joined to the cooler 28 is configured, and the power module 1 can be arranged inside the loop. According to such a graphite plate 18GP, it is possible to spread heat in the XY and XZ directions with high thermal conductivity and exhibit high cooling capacity.

もちろん、第1のグラファイトプレート18GP(XY)および第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2のサイズ、数、形状、位置関係等は適宜変更することが可能である。例えば、図46(b)に示すように、第1のグラファイトプレート18GP(XY)のX方向における両端部は、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2よりも外方に向けて僅かに突出していてもよいし、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)の端面が第1のグラファイトプレート18GP(XY)の外側の面と面一になる
ようにしても良い。
Of course, the size, number, shape, positional relationship, etc. of the first graphite plate 18GP (XY) and the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 can be appropriately changed. For example, as shown in FIG. 46 (b), both ends of the first graphite plate 18GP (XY) in the X direction are outward from the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2. It may project slightly toward the surface, or the end face of the second graphite plate 18GP (XZ) may be flush with the outer surface of the first graphite plate 18GP (XY).

[変形例]
次に、第7の実施の形態に係るパワーモジュールの変形例について説明する。
[Modification example]
Next, a modification of the power module according to the seventh embodiment will be described.

(応力低減構造)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造は、図47(a)に示すように表される。また、図47(a)中の表示Aの部分を拡大した拡大断面構造は、図47(b)に示すように表される。
(Stress reduction structure)
The schematic cross-sectional structure of the power module according to the seventh embodiment is shown in FIG. 47 (a). Further, an enlarged cross-sectional structure obtained by enlarging the portion of the display A in FIG. 47 (a) is shown as shown in FIG. 47 (b).

パワーモジュール1自体の合成的な熱膨張率(CTE)は、モールドの樹脂が支配的になるため、図47(b)中に示す表示Bの部分に最もストレスがかかる。表示Bの部分とは、パワーモジュール1とグラファイトプレート18GPとを接合する接合材3Dのグラファイトプレート18GPとの接合部分(以下、単に「接合部」という。)である。接合部にかかるミーゼス応力は、以下の定義式により求めることができる。 The synthetic thermal expansion rate (CTE) of the power module 1 itself is dominated by the resin of the mold, so that the portion of display B shown in FIG. 47 (b) is most stressed. The portion of the display B is a joint portion (hereinafter, simply referred to as “joint portion”) of the bonding material 3D that joins the power module 1 and the graphite plate 18GP with the graphite plate 18GP. The Mises stress applied to the joint can be obtained by the following definition formula.

Figure 0007025181000002
Figure 0007025181000002

ここで、ミーゼス応力とは、物体内部に生じる応力状態を単一の値で示すために用いられる相当応力の1つである。定義式中のσ1は最大主応力、σ2は中間主応力、σ3は最小主応力である。ここでは、各主応力σ1、σ2、σ3は、接合部に作用するX方向の主応力、Y方向の主応力、Z方向の主応力の中から選択される。 Here, the Mises stress is one of the equivalent stresses used to indicate the stress state generated inside the object with a single value. In the definition formula, σ1 is the maximum principal stress, σ2 is the intermediate principal stress, and σ3 is the minimum principal stress. Here, each of the principal stresses σ1, σ2, and σ3 is selected from the principal stress in the X direction, the principal stress in the Y direction, and the principal stress in the Z direction acting on the joint portion.

第7の実施の形態に係るパワーモジュールが備えるグラファイトプレート18GPの変形例を示す模式的断面構造は、図48に示すように表される。図48に示すように、グラファイトプレート18GPの両面にグラファイトプレート18GPよりも薄いCu層5が形成されている。ここでは、Cu層5を例示しているが、Cuに代えて、その他の金属やセラミックなどを採用してもよい。 A schematic cross-sectional structure showing a modification of the graphite plate 18GP included in the power module according to the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 48. As shown in FIG. 48, Cu layers 5 thinner than the graphite plate 18GP are formed on both sides of the graphite plate 18GP. Here, the Cu layer 5 is illustrated, but other metals, ceramics, and the like may be used instead of Cu.

図48に示されるグラファイトプレート18GPを用いたパワーモジュールの模式的断面構造は、図49に示すように表される。図49に示すように、第1のグラファイトプレート18GP(XY)の上面および下面にCu層5Aが形成されている。また、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の側面にCu層5B1,5C1が形成されている。これにより、パワーモジュール1の合成的なCTEに合わせることで、接合部にかかるミーゼス応力を低減することが可能となる。 The schematic cross-sectional structure of the power module using the graphite plate 18GP shown in FIG. 48 is represented as shown in FIG. As shown in FIG. 49, the Cu layer 5A is formed on the upper surface and the lower surface of the first graphite plate 18GP (XY). Further, Cu layers 5B1, 5C1 are formed on the side surfaces of the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2. This makes it possible to reduce the Mises stress applied to the joint portion by matching it with the synthetic CTE of the power module 1.

図48に示されるグラファイトプレート18GPを用いた別のパワーモジュールの模式的断面構造は、図52に示すように表される。図49と異なる点は、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の上面および下面にCu層5B2,5C2が形成されている点である。この場合も、パワーモジュール1の合成的なCTEに合わせることで、接合部にかかるミーゼス応力を低減することが可能となる。 The schematic cross-sectional structure of another power module using the graphite plate 18GP shown in FIG. 48 is represented as shown in FIG. The difference from FIG. 49 is that Cu layers 5B2, 5C2 are formed on the upper surface and the lower surface of the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2. In this case as well, it is possible to reduce the Mises stress applied to the joint portion by adjusting to the synthetic CTE of the power module 1.

(放熱器)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールの変形例を示す模式的断面構造は、図52に示すように表される。図52に示すように、第1のグラファイトプレート18GP(XY)上に金属、セラミック、グラファイトなどからなる放熱器(フィン)Fが配置されていてもよい。これにより、第1のグラファイトプレート18GP(XY)の上面からも放熱を行うことができるため、より冷却能力を高めることが可能である。
(Heat sink)
A schematic cross-sectional structure showing a modification of the power module according to the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 52. As shown in FIG. 52, a radiator (fin) F made of metal, ceramic, graphite or the like may be arranged on the first graphite plate 18GP (XY). As a result, heat can be dissipated from the upper surface of the first graphite plate 18GP (XY), so that the cooling capacity can be further increased.

(6in1モジュール)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールの変形例を示す模式的平面パターン構成は、図52(a)に示すように表わされる。また、図52(a)のIX-IX線に沿う模式的断面構造は、図52(b)に示すように表わされる。
(6in1 module)
A schematic plane pattern configuration showing a modification of the power module according to the seventh embodiment is shown as shown in FIG. 52 (a). Further, the schematic cross-sectional structure along the IX-IX line of FIG. 52 (a) is represented as shown in FIG. 52 (b).

このパワーモジュールにおいては、パワーデバイスとして、6 in 1 (シックスインワン)モジュールタイプのパワーモジュールを採用している。具体的には、図52に示すように、パワーデバイスが封止されたパワーモジュール11,12,13を備え、パワーデバイスへ電源を供給するパワー端子(P1,N1),(P2,N2),(P3,N3)と、パワーデバイスからの出力を行う出力端子O1,O2,O3と、パワーデバイスの動作を制御する信号部端子RT1,RT2,RT3とを有する。信号部端子RT1,RT2,RT3は、折り曲げてゲートドライブ回路と接続される。パワー端子(P1,N1),(P2,N2),(P3,N3)、出力端子O1,O2,O3および信号部端子RT1,RT2,RT3の一部を除きモールド樹脂により被覆されている。 In this power module, a 6 in 1 (six-in-one) module type power module is adopted as a power device. Specifically, as shown in FIG. 52, power terminals (P 1, N 1), which include power modules 1 1 , 1 2 and 13 in which the power device is sealed and supply power to the power device, (P 1 , N 1 ), ( P 2 , N 2 ), (P 3 , N 3 ), output terminals O 1 , O 2 , O 3 that output from the power device, and signal terminal RT 1 , RT 2 that controls the operation of the power device. , RT 3 and. The signal terminals RT 1 , RT 2 , and RT 3 are bent and connected to the gate drive circuit. One of the power terminals (P 1 , N 1 ), (P 2 , N 2 ), (P 3 , N 3 ), output terminals O 1 , O 2 , O 3 and signal terminal RT 1 , RT 2 , RT 3 Except for the part, it is covered with mold resin.

このような6 in 1モジュールタイプにおいては、第1のグラファイトプレート18GP(XY)がX方向に長くなる。そのため、第1のグラファイトプレート18GP(XY)の両端部に第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2を貼り合せるだけでなく、パワーモジュール11,12,13の各連結部にも第2のグラファイトプレート18GP(XZ)3,18GP(XZ)4を貼り合せるのが望ましい。これにより、4つの第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2,18GP(XZ)3,18GP(XZ)4を通じて熱が伝導するため、2 in 1モジュールタイプと比べても冷却能力が低下しない。また、パワーモジュール11,12,13の各連結部に第2のグラファイトプレート18GP(XZ)3,18GP(XZ)4を貼り合せるようにしているため、各パワーモジュール11,12,13をむらなく冷却できる効果もある。このようなパワーモジュールは、エアコン等のインバータ回路または電源装置等のコンバータ回路に適用するのが好適である。 In such a 6 in 1 module type, the first graphite plate 18GP (XY) becomes longer in the X direction. Therefore, not only the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 are bonded to both ends of the first graphite plate 18GP (XY), but also the power modules 1 1 , 1 2 and 1 3 are respectively. It is desirable to attach the second graphite plates 18GP (XZ) 3 and 18GP (XZ) 4 to the connecting portion as well. As a result, heat is conducted through the four second graphite plates 18GP (XZ) 1,18GP (XZ) 2,18GP (XZ) 3,18GP (XZ) 4, so that it is cooler than the 2 in 1 module type. The ability does not decrease. Further, since the second graphite plates 18GP (XZ) 3, 18GP (XZ) 4 are bonded to the connecting portions of the power modules 1 1 , 1 2 and 1 3 , each power module 1 1 and 1 2 are attached. , 1 3 can be cooled evenly. Such a power module is preferably applied to an inverter circuit such as an air conditioner or a converter circuit such as a power supply device.

なお、第7の実施の形態に係るパワーモジュールにおいては、パワーデバイスとして、2 in 1モジュールタイプと6 in 1モジュールタイプに適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば1 in 1(ワンインワン)モジュールタイプのパワーモジュールや、4 in 1(フォーインワン)モジュールタイプのパワーモジュール、6 in 1モジュールにスナバコンデンサなどを備えた7 in 1(セブンインワン)モジュールタイプのパワーモジュール、8 in 1(エイトインワン)モジュールタイプのパワーモジュール、12 in 1(トゥエルブインワン)モジュールタイプのパワーモジュール、14 in 1(フォーティーンインワン)モジュールタイプのパワーモジュールなどにも適用できる。 In the power module according to the seventh embodiment, the case where the power device is applied to the 2 in 1 module type and the 6 in 1 module type has been described, but the present invention is not limited to this, and for example, 1 in 1 (one). In-one module type power module, 4 in 1 (four-in-one) module type power module, 7 in 1 (seven-in-one) module type power module equipped with a snubber capacitor in 6 in 1 module, 8 in 1 (8 in 1) It can also be applied to an eight-in-one module type power module, a 12-in-1 (twelve-in-one) module type power module, a 14-in-1 (fourteen-in-one) module type power module, and the like.

[詳細な断面構造例]
次に、第7の実施の形態に係るパワーモジュールの詳細な断面構造例について説明する。なお、以下では、図45に示されるパワーモジュールに対応する各部については同じ符号を用いて説明することにする。
[Detailed cross-sectional structure example]
Next, a detailed cross-sectional structure example of the power module according to the seventh embodiment will be described. In the following, each part corresponding to the power module shown in FIG. 45 will be described with reference to the same reference numerals.

(詳細な断面構造例1)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールの詳細な断面構造は、図53に示すように表される。図53に示すように、第7の実施の形態に係るパワーモジュールは、セラミックス基板1Bの両面に設けられた電極パターン1A・1Cを有する下部絶縁基板20Dと、電極パターン1C上に接合材1Dを介して配置されるパワーデバイス1Eと、パワーデバイス1E上に接合材1Fを介して配置される金属1Jと、接合材1Kを介して金属1Jと対向して配置され、セラミックス基板1Hの両面に設けられた電極パターン1G・1Iを有する上部絶縁基板20Uと、下部絶縁基板20Dの電極パターン1A上に接合材3Aを介して配置される冷却器28と、上部絶縁基板20Uの電極パターン1I上に接合材3Dを介して配置される第1のグラファイトプレート18GP(XY)と、上面が第1のグラファイトプレート18GP(XY)に直交する向きで貼り合わされ、下面が接合材3B,3Cを介して冷却器28に接合される第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2とを備え、モールド樹脂6の上面から電極パターン(上部電極)1Iが露出し、モールド樹脂6の下面から電極パターン(下部電極)1Aが露出している。すなわち、モールド樹脂6の上面および下面から金属が露出しているため、はんだや銀焼成などの接合材3D,3Aを用いて第1のグラファイトプレート18GP(XY)および冷却器28と強固に接合することができる。
(Detailed cross-sectional structure example 1)
The detailed cross-sectional structure of the power module according to the seventh embodiment is shown in FIG. 53. As shown in FIG. 53, the power module according to the seventh embodiment has a lower insulating substrate 20D having electrode patterns 1A and 1C provided on both sides of the ceramic substrate 1B, and a bonding material 1D on the electrode pattern 1C. The power device 1E arranged via the power device 1E, the metal 1J arranged on the power device 1E via the bonding material 1F, and the metal 1J arranged facing the metal 1J via the bonding material 1K are provided on both sides of the ceramic substrate 1H. The upper insulating substrate 20U having the electrode patterns 1G and 1I, the cooler 28 arranged on the electrode pattern 1A of the lower insulating substrate 20D via the bonding material 3A, and the electrode pattern 1I of the upper insulating substrate 20U are bonded. The first graphite plate 18GP (XY) arranged via the material 3D and the upper surface are bonded in a direction orthogonal to the first graphite plate 18GP (XY), and the lower surface is a cooler via the bonding materials 3B and 3C. A second graphite plate 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2 joined to 28 is provided, an electrode pattern (upper electrode) 1I is exposed from the upper surface of the mold resin 6, and an electrode pattern is exposed from the lower surface of the mold resin 6. (Lower electrode) 1A is exposed. That is, since the metal is exposed from the upper surface and the lower surface of the mold resin 6, it is firmly bonded to the first graphite plate 18GP (XY) and the cooler 28 by using the bonding materials 3D and 3A such as solder and silver firing. be able to.

なお、セラミックス基板1B・1Hは、例えばSiN層,AlN層などである。電極パターン1A・1C・1G・1Iは、例えばCu層,Al層などである。パワーデバイス1Eは、例えばSiCチップやSiによるIGBTなどである。金属1Jは、例えばCu層,CuMo層などである。 The ceramic substrates 1B and 1H are, for example, a SiN layer and an AlN layer. The electrode patterns 1A, 1C, 1G, and 1I are, for example, a Cu layer and an Al layer. The power device 1E is, for example, a SiC chip, an IGBT made of Si, or the like. The metal 1J is, for example, a Cu layer, a CuMo layer, or the like.

(詳細な断面構造例2)
第7の実施の形態に係る別のパワーモジュールの詳細な断面構造は、図54に示すように表される。図53と異なる点は、第1のグラファイトプレート18GP(XY)の両面にCu層5Aが形成されている点である。既に説明した通り、Cuに代えて、その他の金属やセラミックなどを採用してもよい。このようなパワーモジュールによれば、パワーモジュール1の合成的なCTEに合わせることで、接合部にかかるミーゼス応力を低減することが可能となる。
(Detailed cross-sectional structure example 2)
The detailed cross-sectional structure of another power module according to the seventh embodiment is shown in FIG. 54. The difference from FIG. 53 is that the Cu layer 5A is formed on both sides of the first graphite plate 18GP (XY). As described above, other metals, ceramics, and the like may be used instead of Cu. According to such a power module, it is possible to reduce the Mises stress applied to the joint portion by matching the synthetic CTE of the power module 1.

もちろん、このようなパワーモジュールにおいても、図49を用いて説明したように、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の側面にCu層5B1,5C1が形成されていてもよい。また、図52を用いて説明したように、第2のグラファイトプレート18GP(XZ)1,18GP(XZ)2の上面および下面にCu層5B2,5C2が形成されていてもよい。 Of course, even in such a power module, as described with reference to FIG. 49, even if the Cu layers 5B1, 5C1 are formed on the side surfaces of the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2. good. Further, as described with reference to FIG. 52, Cu layers 5B2, 5C2 may be formed on the upper surface and the lower surface of the second graphite plates 18GP (XZ) 1, 18GP (XZ) 2.

[半導体デバイスの具体例]
第7の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイス(パワーデバイス)として適用可能な1 in 1モジュール50のSiC MOSFETの模式的回路表現は、図28に示すように表される。
[Specific examples of semiconductor devices]
The schematic circuit representation of the SiC MOSFET of the 1 in 1 module 50, which is the power module according to the seventh embodiment and can be applied as a semiconductor device (power device), is shown as shown in FIG. 28.

図28には、MOSFET Qに逆並列接続されるダイオードDIが示されている。MOSFET Qの主電極は、ドレイン端子DTおよびソース端子STで表される。また、第7の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のIGBTを(図示せず)を実現することもできる。 FIG. 28 shows a diode DI connected in antiparallel to MOSFET Q. The main electrode of MOSFET Q is represented by a drain terminal DT and a source terminal ST. Further, it is also possible to realize (not shown) an IGBT of 1 in 1 module 50, which is a power module according to the seventh embodiment and can be applied as a semiconductor device.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュールであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のSiC MOSFETの詳細回路表現は、図29に示すように表される。 Further, a detailed circuit representation of the SiC MOSFET of the 1 in 1 module 50, which is the power module according to the seventh embodiment and can be applied as a semiconductor device, is shown as shown in FIG. 29.

第7の実施の形態に係るパワーモジュールは、例えば、複数個の半導体デバイスが1 in 1モジュール50の構成を備える。すなわち、1種のMOSFET Qチップが1つのモジュールに複数個並列に接続されて内蔵されている。一例として、5チップ(MOSFET×5)搭載可能であり、それぞれのMOSFET Qは、5個まで並列接続可能である。なお、5チップの内、一部をダイオードDI用として搭載することも可能である。 The power module according to the seventh embodiment includes, for example, a configuration in which a plurality of semiconductor devices are 1 in 1 module 50. That is, a plurality of MOSFET Q chips of one type are connected in parallel to one module and built in. As an example, 5 chips (MOSFETs × 5) can be mounted, and up to 5 MOSFETs Q can be connected in parallel. It is also possible to mount a part of the five chips for diode DI.

さらに詳細には、図29に示すように、MOSFET Qに並列にセンス用MOSFET Qsが接続される。センス用MOSFET Qsは、MOSFET Qと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。 More specifically, as shown in FIG. 29, sense MOSFETs Qs are connected in parallel with MOSFET Qs. The sense MOSFET Qs are formed as fine transistors in the same chip as the MOSFET Q.

図29において、SSは、ソースセンス端子、CSは、電流センス端子であり、Gは、ゲート信号端子である。なお、第7の実施の形態においても、半導体デバイスQには、センス用MOSFET Qsが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されていても良い。 In FIG. 29, SS is a source sense terminal, CS is a current sense terminal, and G is a gate signal terminal. Also in the seventh embodiment, the sense MOSFET Qs may be formed as fine transistors in the same chip in the semiconductor device Q.

(回路構成)
次に、第7の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、半導体デバイスの回路構成例について、より具体的に説明する。
(Circuit configuration)
Next, in the power module according to the seventh embodiment, a circuit configuration example of the semiconductor device will be described more specifically.

ここでは、第7の実施の形態に係るパワーモジュールの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、2種類の半導体デバイスQ1・Q4が1つのモールド樹脂内に封止された半導体パッケージ装置、いわゆる2 in 1タイプのモジュールについて説明する。 Here, it is a module applicable as a semiconductor device of the power module according to the seventh embodiment, and is a semiconductor package device in which two types of semiconductor devices Q1 and Q4 are sealed in one mold resin, so-called 2. An in 1 type module will be described.

半導体デバイスQ1・Q4として、SiC MOSFETを適用した2 in 1モジュール130Aの回路構成は、例えば図30に示すように表わされる。 The circuit configuration of the 2 in 1 module 130A to which the SiC MOSFET is applied as the semiconductor devices Q1 and Q4 is shown, for example, as shown in FIG.

すなわち、2 in 1モジュール130Aは、図30に示すように、2種類のSiC MOSFET Q1・Q4が各パワーデバイスへ電源を供給するパワー端子P,Nとの間に直列接続され、その接続点が出力端子Oに接続され、各パワーデバイスの動作を制御するための信号が信号部端子G1,G2に接続されるように1つのモジュールとして内蔵された、ハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。 That is, in the 2 in 1 module 130A, as shown in FIG. 30, two types of SiC MOSFETs Q1 and Q4 are connected in series with the power terminals P and N that supply power to each power device, and the connection points thereof are connected. It includes a half-bridge built-in module that is connected to the output terminal O and is built in as one module so that signals for controlling the operation of each power device are connected to the signal unit terminals G1 and G2.

ここで、モジュールは、1つの大きなトランジスタとみなすことができるが、1チップ内に複数のトランジスタセルを並列接続したトランジスタチップが1チップまたは複数チップを並列接続する場合がある。すなわち、モジュールには、1 in 1、2 in 1、4 in 1、6 in 1などがあり、例えば、1つのモジュール上において、2個分のトランジスタ(チップ)を内蔵したモジュールは2 in 1、2 in 1を2組み内蔵したモジュールは4 in 1、2 in 1を3組み内蔵したモジュールは6 in 1と呼ばれている。 Here, the module can be regarded as one large transistor, but a transistor chip in which a plurality of transistor cells are connected in parallel in one chip may connect one chip or a plurality of chips in parallel. That is, there are 1 in 1, 2 in 1, 4 in 1, 6 in 1 modules, etc. For example, a module containing two transistors (chips) on one module is 2 in 1, A module containing two sets of 2 in 1 is called 4 in 1, and a module containing three sets of 2 in 1 is called 6 in 1.

図30に示すように、2 in 1モジュール130Aは、2個のSiC MOSFET Q1・Q4と、SiC MOSFET Q1・Q4に逆並列接続されるダイオードDI1・DI4が1つのモジュールとして内蔵されている。 As shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A contains two SiC MOSFETs Q1 and Q4 and diodes DI1 and DI4 connected in antiparallel to the SiC MOSFETs Q1 and Q4 as one module.

図30において、G1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号用のリード端子であり、S1は、SiC MOSFET Q1のソース信号用のリード端子である。同様に、G4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号用のリード端子であり、S4は、SiC MOSFET Q4のソース信号用のリード端子である。 In FIG. 30, G1 is a lead terminal for the gate signal of the SiC MOSFET Q1, and S1 is a lead terminal for the source signal of the SiC MOSFET Q1. Similarly, G4 is a lead terminal for the gate signal of the SiC MOSFET Q4, and S4 is a lead terminal for the source signal of the SiC MOSFET Q4.

また、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極である。 Further, P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュールの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、半導体デバイスQ1・Q4として、IGBTを適用した2 in 1モジュール(図示せず)を実現することもできる。 Further, it is a module applicable as a semiconductor device of the power module according to the seventh embodiment, and it is also possible to realize a 2 in 1 module (not shown) to which an IGBT is applied as the semiconductor devices Q1 and Q4. ..

また、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極である。 Further, P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode.

第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ2・Q5、および半導体デバイスQ3・Q6についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices Q2 and Q5 and the semiconductor devices Q3 and Q6 applicable to the power module according to the seventh embodiment.

(デバイス構造)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ1・Q4の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MOSFET 130Aの模式的断面構造は、図31に示すように表わされる。
(Device structure)
An example of the semiconductor devices Q1 and Q4 applicable to the power module according to the seventh embodiment, the schematic cross-sectional structure of the SiC MOSFET 130A including the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP is shown in FIG. 31. It is expressed as.

図31に示すように、SiC MOSFET 130Aは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 As shown in FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is formed on the surface of the semiconductor layer 31 composed of the n-high resistance layer, the p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図31に示すように、SiC MOSFET 130Aの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 31, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the SiC MOSFET 130A.

なお、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。 Although not shown, a transistor structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP.

さらに、図31に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にソースパッド電極SPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 31, in the transistor structure in the central portion, the source pad electrode SP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図31において、SiC MOSFET 130Aは、プレーナゲート型のnチャネル縦型SiC MOSFETで構成されているが、後述する図34に示すように、トレンチゲート型のnチャネル縦型SiC T(Trench) MOSFET 130Cなどで構成されていても良い。 In FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is composed of a planar gate type n-channel vertical SiC MOSFET, and as shown in FIG. 34 described later, a trench gate type n-channel vertical SiC T (Trench) MOSFET 130C. It may be composed of such as.

または、第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ1・Q4としては、SiC MOSFET 130Aの代わりに、GaN系FETなどを採用することもできる。 Alternatively, as the semiconductor devices Q1 and Q4 applicable to the power module according to the seventh embodiment, a GaN-based FET or the like can be adopted instead of the SiC MOSFET 130A.

第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ2・Q5、および半導体デバイスQ3・Q6についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices Q2 and Q5 and the semiconductor devices Q3 and Q6 applicable to the power module according to the seventh embodiment.

さらには、第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ1~Q6には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV~8eVのワイドバンドギャップ型と称される半導体を用いることができる。 Further, for the semiconductor devices Q1 to Q6 applicable to the power module according to the seventh embodiment, semiconductors having a bandgap energy of, for example, 1.1 eV to 8 eV, which is called a wide bandgap type, are used. Can be done.

同様に、第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ1・Q4の例であって、エミッタパッド電極EP、ゲートパッド電極GPを含むIGBT 130Bの模式的断面構造は、図32に示すように表わされる。 Similarly, an example of the semiconductor devices Q1 and Q4 applicable to the power module according to the seventh embodiment, the schematic cross-sectional structure of the IGBT 130B including the emitter pad electrode EP and the gate pad electrode GP is shown in FIG. 32. It is expressed as shown in.

図32に示すように、IGBT 130Bは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたエミッタ領域33Eと、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eと、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたp+ コレクタ領域37Pと、p+ コレクタ領域37Pに接続されたコレクタ電極38Cとを備える。 As shown in FIG. 32, the IGBT 130B has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and an emitter formed on the surface of the p-body region 32. Connected to the region 33E, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p-body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter region 33E and the p-body region 32. The emitter electrode 36E is provided, a p + collector region 37P arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a collector electrode 38C connected to the p + collector region 37P.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、エミッタパッド電極EPは、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eに接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPは、図32に示すように、IGBT 130Bの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter pad electrode EP is connected to the emitter electrode 36E connected to the emitter region 33E and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 32, the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the IGBT 130B.

なお、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のIGBT構造が形成されていても良い。 Although not shown, an IGBT structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP.

さらに、図32に示すように、中央部のIGBT構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にエミッタパッド電極EPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 32, even in the central IGBT structure, the emitter pad electrode EP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図32において、IGBT 130Bは、プレーナゲート型のnチャネル縦型IGBTで構成されているが、トレンチゲート型のnチャネル縦型IGBTなどで構成されていても良い。 In FIG. 32, the IGBT 130B is composed of a planar gate type n-channel vertical IGBT, but may be composed of a trench gate type n-channel vertical IGBT or the like.

第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスQ2・Q5、および半導体デバイスQ3・Q6についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices Q2 and Q5 and the semiconductor devices Q3 and Q6 applicable to the power module according to the seventh embodiment.

半導体デバイスQ1~Q6としては、SiC DI MOSFET、SiC T MOSFETなどのSiC系パワーデバイス、或いはGaN系HEMTなどのGaN系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Si系MOSFETやIGBTなどのパワーデバイスも適用可能である。 As the semiconductor devices Q1 to Q6, a SiC-based power device such as a SiC DI MOSFET or a SiC T MOSFET, or a GaN-based power device such as a GaN-based HEMT can be applied. In some cases, power devices such as Si-based MOSFETs and IGBTs can also be applied.

―SiC DI MOSFET―
第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC DI MOSFET 130Dの模式的断面構造は、図33に示すように表わされる。
―SiC DI MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to the power module according to the seventh embodiment, the schematic cross-sectional structure of the SiC DI MOSFET 130D is represented as shown in FIG. 33.

図33に示すSiC DI MOSFET 130Dは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC DI MOSFET 130D shown in FIG. 33 has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and n + formed on the surface of the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図33において、SiC DI MOSFET 130Dは、pボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33が、ダブルイオン注入(DII)で形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 33, in the SiC DI MOSFET 130D, a p-body region 32 and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32 are formed by double ion implantation (DII), and the source pad electrode SP is a source. It is connected to the source electrode 36 connected to the region 33 and the p-body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図33に示すように、SiC DI MOSFET 130Dの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 33, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 so as to cover the surface of the SiC DI MOSFET 130D.

SiC DI MOSFET 130Dは、図33に示すように、pボディ領域32に挟まれたn- 高抵抗層からなる半導体層31内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETが形成される。また、pボディ領域32/半導体層31間には、図33に示すように、ボディダイオードBDが形成される。 As shown in FIG. 33, the SiC DI MOSFET 130D is a junction type because a depletion layer as shown by a broken line is formed in a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer sandwiched between p body regions 32. A channel resistance R JFET is formed due to the FET (JFET) effect. Further, as shown in FIG. 33, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31.

―SiC T MOSFET―
第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC T MOSFETの模式的断面構造は、図34に示すように表わされる。
―SiC T MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to the power module according to the seventh embodiment, the schematic cross-sectional structure of the SiC T MOSFET is represented as shown in FIG. 34.

図34に示すSiC T MOSFET 130Cは、n層からなる半導体層31Nと、半導体層31Nの表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介して形成されたトレンチゲート電極35TGと、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31Nの表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC T MOSFET 130C shown in FIG. 34 has a semiconductor layer 31N composed of n layers, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31N, and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32. The trench gate electrode 35TG formed through the p-body region 32 and formed through the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B in the trench formed up to the semiconductor layer 31N, and the source region 33 and the p-body region. It includes a source electrode 36 connected to 32, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31N, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図34において、SiC T MOSFET 130Cは、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介してトレンチゲート電極35TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 34, the SiC T MOSFET 130C penetrates the p-body region 32, and the trench gate electrode 35TG is formed in the trench formed up to the semiconductor layer 31N via the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B. The source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたトレンチゲート電極35TGに接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図34に示すように、SiC T MOSFET 130Cの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39U上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the trench gate electrode 35TG arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 34, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39U so as to cover the surface of the SiC T MOSFET 130C.

SiC T MOSFET 130Cでは、SiC DI MOSFET 130Dのような接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETは形成されない。また、pボディ領域32/半導体層31N間には、図33と同様に、ボディダイオードBDが形成される。 In the SiC T MOSFET 130C, the channel resistance R JFET associated with the junction FET (JFET) effect such as the SiC DI MOSFET 130D is not formed. Further, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31N, as in FIG. 33.

(応用例)
第7の実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成される3相交流インバータ40Aであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成例は、図35に示すように表わされる。
(Application example)
A circuit of a three-phase AC inverter 40A configured by using the power module according to the seventh embodiment, in which a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device and a snubber capacitor C is connected between a power supply terminal PL and a ground terminal NL. The configuration example is shown as shown in FIG. 35.

同様に、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した3相交流インバータ(図示せず)を実現することもできる。 Similarly, an IGBT can be applied as a semiconductor device to realize a three-phase AC inverter (not shown) in which a snubber capacitor C is connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

パワーモジュールを電源Eと接続し、スイッチング動作を行うと、接続ラインの有するインダクタンスLによって、SiC MOSFETやIGBTのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ldi/dtを生ずる。例えば、電流変化di=300Aとし、スイッチングに伴う時間変化dt=100nsecとすると、di/dt=3×10(A/s)となる。 When the power module is connected to the power supply E and the switching operation is performed, the switching speed of the SiC MOSFET or the IGBT is high due to the inductance L of the connection line, so that a large surge voltage Ldi / dt is generated. For example, if the current change di = 300A and the time change dt = 100nsec accompanying switching, then di / dt = 3 × 10 9 (A / s).

インダクタンスLの値により、サージ電圧Ldi/dtの値は変化するが、電源Eに、このサージ電圧Ldi/dtが重畳される。電源端子PL・接地端子NL間に接続されるスナバコンデンサCによって、このサージ電圧Ldi/dtを吸収することができる。 The value of the surge voltage Ldi / dt changes depending on the value of the inductance L, but the surge voltage Ldi / dt is superimposed on the power supply E. This surge voltage Ldi / dt can be absorbed by the snubber capacitor C connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

(具体例)
次に、図36を参照して、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、第7の実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータ42Aについて説明する。
(Concrete example)
Next, with reference to FIG. 36, a three-phase AC inverter 42A configured by applying a SiC MOSFET as a semiconductor device and using the power module according to the seventh embodiment will be described.

図36に示すように、3相交流インバータ42Aは、ゲートドライバ(GD)180に接続されたパワーモジュール部130と、3相交流モータ部51と、電源もしくは蓄電池(E)53と、コンバータ55とを備える。パワーモジュール部130は、3相交流モータ部51のU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。 As shown in FIG. 36, the three-phase AC inverter 42A includes a power module unit 130 connected to the gate driver (GD) 180, a three-phase AC motor unit 51, a power supply or storage battery (E) 53, and a converter 55. To prepare for. The power module unit 130 is connected to the U-phase, V-phase, and W-phase inverters corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-phase AC motor unit 51.

ここで、GD180は、SiC MOSFET Q1・Q4、SiC MOSFET Q2・Q5、およびSiC MOSFET Q3・Q6に接続されている。 Here, the GD180 is connected to the SiC MOSFETs Q1 and Q4, the SiC MOSFETs Q2 and Q5, and the SiC MOSFETs Q3 and Q6.

パワーモジュール部130は、電源もしくは蓄電池(E)53が接続されたコンバータ55のプラス端子(+)Pとマイナス端子(-)Nとの間に接続され、インバータ構成のSiC MOSFET Q1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6を備える。また、SiC MOSFET Q1~Q6のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードDI1~DI6がそれぞれ逆並列に接続されている。 The power module unit 130 is connected between the positive terminal (+) P and the negative terminal (-) N of the converter 55 to which the power supply or the storage battery (E) 53 is connected, and is connected to the SiC MOSFETs Q1, Q4, and Q2 having an inverter configuration. -Provides Q5 and Q3 / Q6. Further, freewheel diodes DI1 to DI6 are connected in antiparallel between the source and drain of the SiC MOSFETs Q1 to Q6, respectively.

また、図示しないが、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、第7の実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータを実現することもできる。 Further, although not shown, it is also possible to apply an IGBT as a semiconductor device and realize a three-phase AC inverter configured by using the power module according to the seventh embodiment.

以上説明したように、第7の実施の形態によれば、一つの冷却器で両面冷却に近い冷却能力を有する安価なパワーモジュールおよびグラファイトプレートを提供することができる。 As described above, according to the seventh embodiment, it is possible to provide an inexpensive power module and a graphite plate having a cooling capacity close to double-sided cooling with one cooler.

なお、第7の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、半導体デバイスとして適用可能なモジュールとしては、例えば、4端子電極構造などのモールド型パワーモジュールであっても良い。 In the power module according to the seventh embodiment, the module applicable as a semiconductor device may be, for example, a molded power module having a 4-terminal electrode structure or the like.

また、第7の実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスとしては、SiC系パワーデバイスに限らず、Si系パワーデバイスや、GaN系などのワイドバンドギャップ型と称されるパワーデバイスも採用可能である。 Further, the semiconductor device applicable to the power module according to the seventh embodiment is not limited to the SiC-based power device, but also a Si-based power device and a power device called a wide bandgap type such as a GaN-based power device. It can be adopted.

また、樹脂モールドされたモールド型パワーモジュールに限らず、ケース型のパッケージによってパッケージングされたパワーモジュールにも適用可能である。 Further, it can be applied not only to a resin-molded mold-type power module but also to a power module packaged by a case-type package.

[第8~第14の実施の形態における基本技術]
第8~第14の実施の形態に係るパワーモジュールを説明する前に、基礎となる基本技術について簡単に説明する。なお、ここでは、パワー素子系の半導体デバイス(パワーデバイス)として、SiC MOSFETを適用した場合を例に説明する。
[Basic technology in the 8th to 14th embodiments]
Before explaining the power module according to the 8th to 14th embodiments, the basic basic technique will be briefly described. Here, a case where a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device (power device) of a power element system will be described as an example.

第8~第14の実施の形態に係るパワーモジュール(PM)11の基礎となる基本技術に係るPM11であって、半導体デバイスにSiC MOSFET Q1を適用した1 in 1モジュールの模式的断面構造は、図55に示すように表わされ、PM11の模式的回路構成は、図56に示すように表わされる。 The PM11 according to the basic technology which is the basis of the power module (PM) 11 according to the eighth to the fourteenth embodiments, and the schematic cross-sectional structure of the 1 in 1 module to which the SiC MOSFET Q1 is applied to the semiconductor device is. It is represented as shown in FIG. 55, and the schematic circuit configuration of PM11 is represented as shown in FIG. 56.

また、第8~第14の実施の形態の基本技術に係るPM11であって、半導体デバイスとしてSiC MOSFET Q1・Q4を適用した2 in 1モジュールの模式的平面パターン構成は、図57(a)に示すように表わされ、図57(a)の表示11A部分(要部)の拡大構成は、図57(b)に示すように表わされる。 Further, FIG. 57 (a) shows a schematic planar pattern configuration of a 2 in 1 module to which the SiC MOSFETs Q1 and Q4 are applied as semiconductor devices in PM11 according to the basic technology of the 8th to 14th embodiments. It is represented as shown, and the enlarged configuration of the display 11A portion (main part) of FIG. 57 (a) is represented as shown in FIG. 57 (b).

なお、基本的な構成に関しては、2 in 1モジュールも1 in 1モジュールもほぼ同様なので、ここでは図55に示した1 in 1モジュールを参照して具体的に説明し、2 in 1モジュールについては簡単な説明にとどめる。 Since the basic configuration is almost the same for both the 2 in 1 module and the 1 in 1 module, a specific description will be given here with reference to the 1 in 1 module shown in FIG. 55, and the 2 in 1 module will be described. Just a brief explanation.

図55に示すように、基本技術に係る1 in 1モジュールタイプのPM11は、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面側に設けられたドレイン電極パターン25D1およびソース電極パターン25S1とソース信号電極パターンSL1およびゲート信号電極パターンGL1と、セラミックス基板21の下面側に設けられた裏面電極パターン23Rとを有する絶縁基板20を備える。 As shown in FIG. 55, the 1 in 1 module type PM11 according to the basic technique includes a ceramic substrate 21, a drain electrode pattern 25D1 and a source electrode pattern 25S1 provided on the upper surface side of the ceramic substrate 21, and a source signal electrode pattern SL1. Further, an insulating substrate 20 having a gate signal electrode pattern GL1 and a back surface electrode pattern 23R provided on the lower surface side of the ceramic substrate 21 is provided.

ここで、図55において、絶縁基板20の上側をU(UP)側、絶縁基板20の下側をD(DOWN)側と定義する。この定義は、以降に示す全ての図面に適用する。 Here, in FIG. 55, the upper side of the insulating substrate 20 is defined as the U (UP) side, and the lower side of the insulating substrate 20 is defined as the D (DOWN) side. This definition applies to all drawings shown below.

1 in 1モジュールタイプのPM11は、図55に示すように、ドレイン電極パターン25D1上にフェイスアップで配置されるSiC MOSFET Q1を半導体デバイスとして備える。SiC MOSFET Q1は、表面側に、ソースパッド電極SP1、ソースセンスパッド電極SSP1およびゲートパッド電極GP1を有し、裏面側に、ドレイン電極38を備える。 As shown in FIG. 55, the 1-in-1 module type PM11 includes a SiC MOSFET Q1 arranged face-up on the drain electrode pattern 25D1 as a semiconductor device. The SiC MOSFET Q1 has a source pad electrode SP1, a source sense pad electrode SSP1 and a gate pad electrode GP1 on the front surface side, and has a drain electrode 38 on the back surface side.

また、1 in 1モジュールタイプのPM11は、図55に示すように、SiC MOSFET Q1のソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されて、ソースパワーライン配線用の主配線となるリードフレームSM1を備える。 Further, as shown in FIG. 55, the 1 in 1 module type PM11 is connected between the source pad electrode SP1 of the SiC MOSFET Q1 and the source electrode pattern 25S1 and serves as the main wiring for the source power line wiring. The frame SM1 is provided.

また、1 in 1モジュールタイプのPM11は、図55に示すように、ソースセンスパッド電極SSP1をソース信号電極パターンSL1に接続するソースセンス用ボンディングワイヤSSW1と、ゲートパッド電極GP1をゲート信号電極パターンGL1に接続するゲート信号用ボンディングワイヤGW1とを備える。 Further, in the 1 in 1 module type PM11, as shown in FIG. 55, the source sense bonding wire SSW1 for connecting the source sense pad electrode SSP1 to the source signal electrode pattern SL1 and the gate pad electrode GP1 are connected to the gate signal electrode pattern GL1. It is provided with a bonding wire GW1 for a gate signal to be connected to.

1 in 1モジュールタイプのPM11では、ソース信号電極パターンSL1に接続されるソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の、SiC MOSFET Q1上でのワイヤ・ボンディング部の位置が、SiC MOSFET Q1のソースセンスパッド電極SSP1上となっている。すなわち、基本技術に係るPM11では、図56に示すように、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1がSiC MOSFET Q1により近い、リードフレームSM1の内側に接続される。 In the 1 in 1 module type PM11, the position of the wire bonding portion on the SiC MOSFET Q1 of the source sense bonding wire SSW1 connected to the source signal electrode pattern SL1 is on the source sense pad electrode SSP1 of the SiC MOSFET Q1. It has become. That is, in PM11 according to the basic technique, as shown in FIG. 56, the source sense bonding wire SSW1 is connected to the inside of the lead frame SM1 which is closer to the SiC MOSFET Q1.

このため、半導体デバイスとして、例えばSiC MOSFET Q1が適用されるPM11においては、SiC MOSFET Q1の高温になる動作による熱の影響でソースセンスパッド電極SSP1の温度が大きく上昇し、ソースセンスパッド電極SSP1とソースセンス用ボンディングワイヤSSW1との接合界面への応力集中やソースセンス用ボンディングワイヤSSW1内の局所的な粒径変化などから、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の接続性を劣化させる。 Therefore, as a semiconductor device, for example, in PM11 to which the SiC MOSFET Q1 is applied, the temperature of the source sense pad electrode SSP1 rises significantly due to the influence of heat due to the operation of the SiC MOSFET Q1 to become high in temperature, and the source sense pad electrode SSP1 and the source sense pad electrode SSP1. The connectivity of the source sense bonding wire SSW1 is deteriorated due to stress concentration on the bonding interface with the source sense bonding wire SSW1 and local particle size change in the source sense bonding wire SSW1.

なお、ゲート信号用ボンディングワイヤGW1の場合は、ボンディングされるゲートパッド電極GP1の直下には、基本的にMOSFET構造のセルが存在せず、そこでの温度上昇がソースセンスパッド電極SSP1に比べて大きくないため、劣化が抑制される。 In the case of the bonding wire GW1 for the gate signal, there is basically no cell having a MOSFET structure directly under the gate pad electrode GP1 to be bonded, and the temperature rise there is larger than that of the source sense pad electrode SSP1. Since there is no such thing, deterioration is suppressed.

基本技術に係る2 in 1モジュールタイプのPM11の場合も同様に、図57(a)および図57(b)に示すように、ソース信号電極パターンSL1・SL4に接続されるソースセンス用ボンディングワイヤSSW1・SSW4の、SiC MOSFET Q1・Q4上でのワイヤ・ボンディング部の位置が、SiC MOSFET Q1においてはソースセンスパッド電極SSP1(図示省略)上となっており、SiC MOSFET Q4においてはソースセンスパッド電極SSP4上となっているため、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1・SSW4の接続性の劣化が課題となっている。 Similarly, in the case of the 2 in 1 module type PM11 according to the basic technique, as shown in FIGS. 57 (a) and 57 (b), the source sense bonding wire SSW1 connected to the source signal electrode patterns SL1 and SL4. The position of the wire bonding portion of the SSW4 on the SiC MOSFETs Q1 and Q4 is on the source sense pad electrode SSP1 (not shown) in the SiC MOSFET Q1 and the source sense pad electrode SSP4 in the SiC MOSFET Q4. Since it is above, deterioration of the connectivity of the source sense bonding wires SSW1 and SSW4 is a problem.

このように、高温動作するSiC MOSFET Qが半導体デバイスとして搭載されるPM11においては、ソースセンス用ボンディングワイヤSSWの接続性の劣化が問題となる。 As described above, in the PM11 in which the SiC MOSFET Q operating at a high temperature is mounted as a semiconductor device, deterioration of the connectivity of the bonding wire SSW for source sense becomes a problem.

[第8の実施の形態]
第8の実施の形態に係るPM1の模式的断面構造は、図58(a)に示すように表わされ、PM1の模式的回路構成は、図58(b)に示すように表わされる。また、第8の実施の形態に係るPM1に適用可能な半導体デバイスの模式的平面パターン構成は、図59に示すように表わされる。
[Eighth Embodiment]
The schematic cross-sectional structure of PM1 according to the eighth embodiment is shown as shown in FIG. 58 (a), and the schematic circuit configuration of PM1 is shown as shown in FIG. 58 (b). Further, a schematic planar pattern configuration of the semiconductor device applicable to PM1 according to the eighth embodiment is shown as shown in FIG. 59.

なお、ここでは、パワー素子系の半導体デバイス(パワーデバイス)として、SiC MOSFET Q1を適用した1 in 1モジュールを例に説明する。 Here, a 1-in-1 module to which the SiC MOSFET Q1 is applied will be described as an example as a power device-based semiconductor device (power device).

図58(a)および図58(b)に示すように、第8の実施の形態に係るPM1は、SiN系のセラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(U)側に設けられたCu箔などのドレイン電極パターン(第2主電極パターン)25D1およびソース電極パターン(第1主電極パターン)25S1とソース信号電極パターン(信号配線パターン)SL1およびゲート信号電極パターン(制御信号配線パターン)GL1と、セラミックス基板21の下面(D)側に設けられたCu箔などの裏面電極パターン23Rと、を有する絶縁基板20を備える。 As shown in FIGS. 58 (a) and 58 (b), the PM1 according to the eighth embodiment has a SiN-based ceramic substrate 21 and a Cu foil provided on the upper surface (U) side of the ceramic substrate 21. Drain electrode pattern (second main electrode pattern) 25D1, source electrode pattern (first main electrode pattern) 25S1, source signal electrode pattern (signal wiring pattern) SL1, gate signal electrode pattern (control signal wiring pattern) GL1 and the like. An insulating substrate 20 having a back surface electrode pattern 23R such as a Cu foil provided on the lower surface (D) side of the ceramic substrate 21 is provided.

ここで、図58(b)に示すように、ソース信号電極パターンSL1には、ソースセンス端子SS1(SST1)が、ゲート信号電極パターンGL1には、ゲート端子G1(GT1)が、それぞれ接続される。 Here, as shown in FIG. 58 (b), the source sense terminal SS1 (SST1) is connected to the source signal electrode pattern SL1, and the gate terminal G1 (GT1) is connected to the gate signal electrode pattern GL1. ..

また、第8の実施の形態に係るPM1は、ドレイン電極パターン25D1上に配置されるSiC MOSFET Q1を半導体デバイスとして備える。SiC MOSFET Q1は、例えば図59に示すように、SiC MOSFET Q1の表面上において、2個のソースパッド電極(主パッド電極)SP1と、1個のゲートパッド電極(制御パッド電極)GP1と、1個のカレントセンスパッド電極CS1と、1個のソースセンスパッド電極SSP1とを備え、周辺部および中央部には、ゲートフィンガー電極GFが配置されている。 Further, the PM1 according to the eighth embodiment includes a SiC MOSFET Q1 arranged on the drain electrode pattern 25D1 as a semiconductor device. As shown in FIG. 59, for example, the SiC MOSFET Q1 has two source pad electrodes (main pad electrodes) SP1 and one gate pad electrode (control pad electrode) GP1 and one on the surface of the SiC MOSFET Q1. A current sense pad electrode CS1 and one source sense pad electrode SSP1 are provided, and a gate finger electrode GF is arranged in a peripheral portion and a central portion.

ソースパッド電極SP1、ゲートパッド電極GP1、カレントセンスパッド電極CS1、およびソースセンスパッド電極SSP1の表面を除く、SiC MOSFET Q1の表面上には、ポリイミド樹脂などで形成される表面保護膜PEが配置されている。 A surface protective film PE formed of polyimide resin or the like is arranged on the surface of the SiC MOSFET Q1 excluding the surfaces of the source pad electrode SP1, the gate pad electrode GP1, the current sense pad electrode CS1, and the source sense pad electrode SSP1. ing.

また、図59では、図示を省略しているが、SiC MOSFET Q1の表面側に対向する裏面側にはドレイン電極(主電極)38を備える。 Further, although not shown in FIG. 59, a drain electrode (main electrode) 38 is provided on the back surface side of the SiC MOSFET Q1 facing the front surface side.

なお、他の構成例として、必ずしも2個のソースパッド電極SP1が必要なわけではなく、1個のソースパッド電極SP1を備えた構成であっても良い。また、ソースセンスパッド電極SSP1は省略することが可能である。 As another configuration example, two source pad electrodes SP1 are not always required, and a configuration including one source pad electrode SP1 may be used. Further, the source sense pad electrode SSP1 can be omitted.

SiC MOSFET Q1は、図58(a)に示すように、ドレイン電極38が銀焼成やはんだなどの接合部材27を用いてドレイン電極パターン25D1に接合されることによって、絶縁基板20上にフェイスアップで実装されている。 As shown in FIG. 58A, the SiC MOSFET Q1 is face-up on the insulating substrate 20 by bonding the drain electrode 38 to the drain electrode pattern 25D1 using a bonding member 27 such as silver firing or solder. It has been implemented.

また、第8の実施の形態に係るPM1は、SiC MOSFET Q1のソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されて、ソースパワーライン配線用の主配線となるリードフレームSM1を備える。リードフレームSM1は、寄生インダクタンスLsmと寄生抵抗Rsmとを備える。 Further, the PM1 according to the eighth embodiment includes a lead frame SM1 which is connected between the source pad electrode SP1 of the SiC MOSFET Q1 and the source electrode pattern 25S1 and is the main wiring for the source power line wiring. The lead frame SM1 includes a parasitic inductance Lsm and a parasitic resistance Rsm.

リードフレームSM1としては、Cu、Al、クラッド材(例えば、Cu/インバー/Cuの積層体)、若しくはCuMoのいずれかを備える。 The lead frame SM1 includes any of Cu, Al, a clad material (for example, a Cu / Invar / Cu laminate), or CuMo.

リードフレームSM1のソース電極パターン25S1との接続、およびリードフレームSM1のソースパッド電極SP1との接続には、接合部材27が用いられる。 A joining member 27 is used for the connection of the lead frame SM1 with the source electrode pattern 25S1 and the connection of the lead frame SM1 with the source pad electrode SP1.

なお、以下の説明では、ソースパッド電極SP1とリードフレームSM1との接合部をデバイス側接合部(第1接合部)DCとし、デバイス側接合部DCと離隔し、デバイス側接合部DCよりも発熱の影響が小さくて相対的に温度が低いリードフレームSM1とソース電極パターン25S1との接合部を、ランド側接合部(第2接合部)SCとする。 In the following description, the junction between the source pad electrode SP1 and the lead frame SM1 is defined as the device-side junction (first junction) DC, separated from the device-side junction DC, and generates more heat than the device-side junction DC. The joint portion between the lead frame SM1 and the source electrode pattern 25S1 which are less affected by the above and have a relatively low temperature is referred to as a land side joint portion (second joint portion) SC.

図58(a)に示すように、第8の実施の形態に係るPM1の場合、ソース電極パターン25S1とソース信号電極パターンSL1との間にドレイン電極パターン25D1が位置し、ランド側接合部SCよりも、ソース信号電極パターンSL1に近接してデバイス側接合部DCが配置されている。 As shown in FIG. 58 (a), in the case of PM1 according to the eighth embodiment, the drain electrode pattern 25D1 is located between the source electrode pattern 25S1 and the source signal electrode pattern SL1, and the drain electrode pattern 25D1 is located from the land side junction SC. Also, the device-side junction DC is arranged close to the source signal electrode pattern SL1.

第8の実施の形態に係るPM1は、ランド側接合部SC側において、リードフレームSM1をソース信号電極パターンSL1に接続するソースセンス用ボンディングワイヤ(第1ボンディングワイヤ)SSW1と、デバイス側接合部DC側において、ゲートパッド電極GP1をゲート信号電極パターンGL1に接続するゲート信号用ボンディングワイヤ(第2ボンディングワイヤ)GW1とを備える。 The PM1 according to the eighth embodiment has a source sense bonding wire (first bonding wire) SSW1 for connecting the lead frame SM1 to the source signal electrode pattern SL1 on the land side bonding portion SC side, and a device side bonding portion DC. On the side, a gate signal bonding wire (second bonding wire) GW1 for connecting the gate pad electrode GP1 to the gate signal electrode pattern GL1 is provided.

すなわち、第8の実施の形態に係るPM1では、図58(b)に示すように、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1が、SiC MOSFET Q1により遠い、ランド側接合部SC側(リードフレームSM1のSiC MOSFET Q1から見て外側)に接続される。 That is, in PM1 according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 58 (b), the source sense bonding wire SSW1 is farther from the SiC MOSFET Q1 on the land side junction SC side (SiC MOSFET of the lead frame SM1). It is connected to (outside when viewed from Q1).

ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1およびゲート信号用ボンディングワイヤGW1は、Al、Cu、クラッド材、またはこれらを1つ以上有する合金を備える。 The bonding wire SSW1 for source sense and the bonding wire GW1 for gate signal include Al, Cu, a clad material, or an alloy having one or more of them.

ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1は、φ=150μm程度のワイヤ径を備えてウエッジボンディングされ、ゲート信号用ボンディングワイヤGW1は、φ=150μm程度のワイヤ径を備えてウエッジボンディングされる。 The source sense bonding wire SSW1 is wedge-bonded with a wire diameter of about φ = 150 μm, and the gate signal bonding wire GW1 is wedge-bonded with a wire diameter of about φ = 150 μm.

そして、第8の実施の形態に係るPM1は、SiC MOSFET Q1の外囲が全体的にモールド樹脂によって封止(樹脂モールド)されてモールド型パッケージタイプのパワーモジュール、若しくは、ケース内に収納されてケース型パッケージタイプのパワーモジュールとなる。 Then, in the PM1 according to the eighth embodiment, the outer periphery of the SiC MOSFET Q1 is entirely sealed (resin-molded) with a mold resin and housed in a mold-type package type power module or a case. It is a case type package type power module.

なお、上記した第8の実施の形態に係るPM1では、ランド側接合部SC側において、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1をリードフレームSM1と接続するようにしたが、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1はソース電極パターン25S1と接続するようにしても良い(後述する他の実施の形態においても同様である)。 In the PM1 according to the eighth embodiment described above, the source sense bonding wire SSW1 is connected to the lead frame SM1 on the land side joint SC side, but the source sense bonding wire SSW1 is a source electrode. It may be connected to the pattern 25S1 (the same applies to other embodiments described later).

すなわち、第8の実施の形態に係るPM1は、ソース電極パターン25S1およびソース信号電極パターンSL1を有するセラミックス基板21と、表面にソースパッド電極SP1を有し、セラミックス基板21上に配置されるSiC MOSFET Q1と、ソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されたリードフレームSM1と、リードフレームSM1とソースパッド電極SP1とのデバイス側接合部DCと離隔し、リードフレームSM1とソース電極パターン25S1とのランド側接合部SCと、ランド側接合部SCとソース信号電極パターンSL1との間に接続されたソースセンス用ボンディングワイヤSSW1とを備え、ランド側接合部SCは、デバイス側接合部DCよりも半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い。 That is, the PM1 according to the eighth embodiment has a ceramics substrate 21 having a source electrode pattern 25S1 and a source signal electrode pattern SL1 and a source pad electrode SP1 on the surface thereof, and is a SiC MOSFET arranged on the ceramics substrate 21. The lead frame SM1 connected between the Q1 and the source pad electrode SP1 and the source electrode pattern 25S1 and the device-side junction DC between the lead frame SM1 and the source pad electrode SP1 are separated from each other, and the lead frame SM1 and the source electrode pattern are separated. A land-side junction SC with 25S1 and a source sense bonding wire SSW1 connected between the land-side junction SC and the source signal electrode pattern SL1 are provided, and the land-side junction SC is a device-side junction DC. The temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the above.

また、第8の実施の形態に係るPM1は、絶縁性のセラミックス基板21と、セラミックス基板21上に配置されたソース電極パターン25S1、ドレイン電極パターン25D1、ソース信号電極パターンSL1およびゲート信号電極パターンGL1とを備える絶縁基板20と、表面側にソースパッド電極SP1およびゲートパッド電極GP1を有すると共に、裏面側にドレイン電極38を有し、ドレイン電極パターン25D1上にフェイスアップで配置されたSiC MOSFET Q1と、ソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されたリードフレームSM1と、リードフレームSM1とソースパッド電極SP1とのデバイス側接合部DCと離隔し、デバイス側接合部DCよりも半導体デバイス動作時における温度が相対的に低いリードフレームSM1とソース電極パターン25S1とのランド側接合部SCと、ソース信号電極パターンSL1との間に接続されたソースセンス用ボンディングワイヤSSW1と、ゲートパッド電極GP1とゲート信号電極パターンGL1との間に接続されたゲート信号用ボンディングワイヤGW1とを備え、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1は、一端が、ソース信号電極パターンSL1に接続され、他端が、ランド側接合部SCのリードフレームSM1またはソース電極パターン25S1に接続される。 Further, PM1 according to the eighth embodiment includes an insulating ceramic substrate 21, a source electrode pattern 25S1 arranged on the ceramic substrate 21, a drain electrode pattern 25D1, a source signal electrode pattern SL1, and a gate signal electrode pattern GL1. An insulating substrate 20 having a source pad electrode SP1 and a gate pad electrode GP1 on the front surface side, and a drain electrode 38 on the back surface side, and a SiC MOSFET Q1 arranged face-up on the drain electrode pattern 25D1. , The lead frame SM1 connected between the source pad electrode SP1 and the source electrode pattern 25S1 and the device-side junction DC between the lead frame SM1 and the source pad electrode SP1 are separated from each other, and the semiconductor device is more than the device-side junction DC. The source sense bonding wire SSW1 connected between the land-side junction SC between the lead frame SM1 and the source electrode pattern 25S1 whose temperature during operation is relatively low, the source signal electrode pattern SL1, and the gate pad electrode GP1. The gate signal bonding wire GW1 connected between the gate signal electrode pattern GL1 and the gate signal electrode pattern GL1 is provided, and one end of the source sense bonding wire SSW1 is connected to the source signal electrode pattern SL1 and the other end is connected to the land side. It is connected to the lead frame SM1 of the unit SC or the source electrode pattern 25S1.

なお、絶縁基板20には、例えば、AMB基板を適用可能であるが、DBC基板、若しくはDBA基板なども適用できる。 For example, an AMB substrate can be applied to the insulating substrate 20, but a DBC substrate, a DBA substrate, or the like can also be applied.

また、冷却効果を高めるために、絶縁基板20の裏面電極パターン23R上にヒートシンクや冷却器などの放熱器(図示省略)を配置するようにしても良い。 Further, in order to enhance the cooling effect, a radiator (not shown) such as a heat sink or a cooler may be arranged on the back electrode pattern 23R of the insulating substrate 20.

(製造方法)
第8の実施の形態に係るPM1は、例えば、セラミックス基板21と、セラミックス基板21上に配置されたソース電極パターン25S1、ドレイン電極パターン25D1、ソース信号電極パターンSL1およびゲート信号電極パターンGL1とを有する絶縁基板20の、ドレイン電極パターン25D1上に、表面側にソースパッド電極SP1およびゲートパッド電極GP1を有すると共に、裏面側にドレイン電極38を有するSiC MOSFET Q1をフェイスアップで配置する工程と、ソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間にリードフレームSM1を接続する工程と、リードフレームSM1とソースパッド電極SP1とのデバイス側接合部DCと離隔し、デバイス側接合部DCよりも相対的に温度が低いリードフレームSM1とソース電極パターン25S1とのランド側接合部SCと、ソース信号電極パターンSL1との間に、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を接続する工程と、ゲートパッド電極GP1とゲート信号電極パターンGL1との間にゲート信号用ボンディングワイヤGW1を接続する工程とを有する。
(Production method)
The PM1 according to the eighth embodiment has, for example, a ceramics substrate 21, a source electrode pattern 25S1 arranged on the ceramics substrate 21, a drain electrode pattern 25D1, a source signal electrode pattern SL1, and a gate signal electrode pattern GL1. A process of arranging a SiC MOSFET Q1 having a source pad electrode SP1 and a gate pad electrode GP1 on the front surface side and a drain electrode 38 on the back surface side face-up on the drain electrode pattern 25D1 of the insulating substrate 20 and a source pad. The step of connecting the lead frame SM1 between the electrode SP1 and the source electrode pattern 25S1 and the device-side junction DC between the lead frame SM1 and the source pad electrode SP1 are separated from each other, and the temperature is relatively higher than the device-side junction DC. The process of connecting the source sense bonding wire SSW1 between the land-side junction SC of the lead frame SM1 and the source electrode pattern 25S1 and the source signal electrode pattern SL1, and the gate pad electrode GP1 and the gate signal electrode pattern. It has a step of connecting the bonding wire GW1 for a gate signal to the GL1.

-スイッチング損失から見たソースセンス端子の役割説明-
ここで、第8の実施の形態に係るPM1において、半導体デバイスとして、SiC MOSFETを適用したSiCパワーモジュールを例に、リードフレームSMの寄生インダクタンスによるスイッチング損失について説明する。
-Explanation of the role of the source sense terminal from the viewpoint of switching loss-
Here, in PM1 according to the eighth embodiment, the switching loss due to the parasitic inductance of the lead frame SM will be described by taking a SiC power module to which a SiC MOSFET is applied as an example as a semiconductor device.

図60(a)および図60(b)に示すように、半導体デバイスとしてSiC MOSFET Q1を適用したSiCパワーモジュールSPM1においては、SiC MOSFET Q1のドレイン(D1)-ソース(S1)間に流れる電流Idに対して、リードフレームSM1の寄生インダクタンスLsmにより、-Lsm・d(Id)/dtだけ起電する。なお、ゲート(G1)の起電圧Esを、例えば、Lg・(di/dt)と仮定する。ただし、diは、スイッチングに伴う電流変化であり、dtは、スイッチングに伴う時間変化である。 As shown in FIGS. 60 (a) and 60 (b), in the SiC power module SPM1 to which the SiC MOSFET Q1 is applied as a semiconductor device, the current Id flowing between the drain (D1) and the source (S1) of the SiC MOSFET Q1. On the other hand, due to the parasitic inductance Lsm of the lead frame SM1, an electric current is generated by −Lsm · d (Id) / dt. The electromotive voltage Es of the gate (G1) is assumed to be, for example, Lg · (di / dt). However, di is a change in current due to switching, and dt is a change in time due to switching.

すると、ターンオン時の電流立ち上がり時には、図60(a)に示すように、起電圧Esが、ゲート(G1)-ソース(S1)間寄生容量に印加される電圧の増加を抑制する方向に発生する。そのため、負荷電流を流すのに必要なゲート-ソース間寄生容量の印加電圧に到達させるまでの蓄積時間が長くなり、結果として、スイッチング時間の長時間化、スイッチング損失の増大に繋がる。 Then, at the time of current rise at the time of turn-on, as shown in FIG. 60 (a), the electromotive voltage Es is generated in the direction of suppressing the increase of the voltage applied to the parasitic capacitance between the gate (G1) and the source (S1). .. Therefore, the accumulation time until the applied voltage of the gate-source parasitic capacitance required for passing the load current is reached becomes long, and as a result, the switching time becomes long and the switching loss increases.

一方、ターンオフ時の電流立ち上がり時には、図60(b)に示すように、起電圧Esが、ゲート-ソース間寄生容量に印加される電圧の減少を抑制する方向に発生する。そのため、ゲート閾値を下回るまでの放電時間が長くなり、結果として、スイッチング時間の長時間化、スイッチング損失の増大に繋がる。 On the other hand, when the current rises at the time of turn-off, as shown in FIG. 60 (b), the electromotive voltage Es is generated in the direction of suppressing the decrease of the voltage applied to the gate-source parasitic capacitance. Therefore, the discharge time until the value falls below the gate threshold becomes long, and as a result, the switching time becomes long and the switching loss increases.

これに対し、モータ駆動における3相ブリッジ回路(モジュール)の損失は導通損失が主であるため、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1のワイヤ・ボンディング部の位置の、ランド側接合部SC側への変更による全体の損失増加への影響は小さく、大きなトレ-ドオフなく、高温動作に対するワイヤ接続の高耐熱化および信頼性の確保といったメリットが得られる。 On the other hand, since the loss of the three-phase bridge circuit (module) in the motor drive is mainly conduction loss, the position of the wire bonding portion of the source sense bonding wire SSW1 is changed to the land side bonding portion SC side. The effect on the increase in overall loss is small, and there are merits such as high heat resistance of wire connection and ensuring reliability for high temperature operation without a large trade-off.

特に、高速スイッチング動作(高周波駆動)を必要としない、例えば5kHz~10kHz程度の低周波駆動するモータや(高温でも動作する)インバータ用向けSiCパワーモジュールSPM1では、ワイヤ・ボンディング部の位置の変更によるインダクタンス増加の発生損失に対する影響は小さい。 In particular, in the SiC power module SPM1 for motors that do not require high-speed switching operation (high-frequency drive), for example, low-frequency drive of about 5 kHz to 10 kHz and inverters (which operate even at high temperatures), the position of the wire bonding section is changed. The effect of increased inductance on the generated loss is small.

このように、ソースパワーライン配線用の主配線に、細線ワイヤでなく、リードフレームSM1を適用することによって寄生インダクタンス(Ls)を低減させると共に、大電流が集中して流れ、発熱により高温となる領域(デバイス側接合部DC)を避け、発熱の影響がより小さく、デバイス側接合部DCよりも相対的に温度の低いランド側接合部SC側にソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を接続することで、寄生インダクタンスLsによるスイッチング損失の増加は抑制できることから、大きなトレードオフなく導入することができる。 In this way, by applying the lead frame SM1 instead of the thin wire to the main wiring for the source power line wiring, the parasitic inductance (Ls) is reduced, and a large current flows in a concentrated manner, resulting in high temperature due to heat generation. By connecting the source sense bonding wire SSW1 to the land-side junction SC side, which avoids the region (device-side junction DC), has a smaller effect of heat generation, and has a relatively lower temperature than the device-side junction DC. Since the increase in switching loss due to the parasitic inductance Ls can be suppressed, it can be introduced without a large trade-off.

すなわち、高温になりやすいインバータ用向けSiCパワーモジュールSPM1においては、信号検知のために必要なソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の、SiCパワーモジュールSPM1の動作中でもデバイス側接合部DCに比べて高温にならない、ランド側接合部SC側へのワイヤ・ボンディングが有効となる。 That is, in the SiC power module SPM1 for an inverter, which tends to have a high temperature, the temperature of the source sense bonding wire SSW1 required for signal detection does not become higher than that of the device-side bonding portion DC even during the operation of the SiC power module SPM1. Wire bonding to the land side joint SC side is effective.

なお、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の、ランド側接合部SCへのワイヤ・ボンディング部の位置の変更は、ケースおよびモールドの両タイプのモジュールへの適用が可能である。 The change in the position of the wire bonding portion of the source sense bonding wire SSW1 to the land side bonding portion SC can be applied to both the case and mold type modules.

したがって、SiC MOSFET Q1に大電流が流れることにより、ソースパッド電極SP1がジャンクション温度と同程度まで熱くなったとしても、ワイヤの粒径の粗大化が起こりやすいケースタイプのモジュールでのワイヤSSW1の破断や、モールドタイプのモジュールでの熱応力によるワイヤSSW1の接合面(界面)での破断を回避できる。 Therefore, even if the source pad electrode SP1 becomes hot to the same extent as the junction temperature due to the large current flowing through the SiC MOSFET Q1, the wire SSW1 is broken in the case type module in which the grain size of the wire tends to be coarsened. Further, it is possible to avoid breakage of the wire SSW1 at the joint surface (intersection) due to thermal stress in the mold type module.

上記したように、第8の実施の形態に係るPM1によれば、ソースパワーライン配線用の主配線にリードフレームSM1を適用し、デバイス側接合部DCよりもSiC MOSFET Q1の動作時における温度が相対的に低いランド側接合部SC側にソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を接続することで、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能となる。 As described above, according to PM1 according to the eighth embodiment, the lead frame SM1 is applied to the main wiring for the source power line wiring, and the temperature at the time of operation of the SiC MOSFET Q1 is higher than that of the device-side junction DC. By connecting the source sense bonding wire SSW1 to the relatively low land side joint SC side, the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature can be reduced, and the heat resistance and reliability for the wire connectivity can be improved. It will be possible to improve.

なお、SiC MOSFET Q1としては、SiC DI MOSFET、SiC T MOSFETなどのSiC系パワーデバイス、あるいはGaN系HEMTなどのGaN系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Si系MOSFETやSi系IGBTやSiC系IGBTなどのパワーデバイスも適用可能である。 As the SiC MOSFET Q1, a SiC-based power device such as a SiC DI MOSFET or a SiC T MOSFET, or a GaN-based power device such as a GaN-based HEMT can be applied. In some cases, power devices such as Si-based MOSFETs, Si-based IGBTs, and SiC-based IGBTs can also be applied.

また、SiC MOSFET Q1としては、1チップ(デバイス)からなるものに限らず、複数チップを並列接続してなる構成とするようにしても良い。 Further, the SiC MOSFET Q1 is not limited to one consisting of one chip (device), and may be configured by connecting a plurality of chips in parallel.

SiC MOSFET Q1を、複数チップを並列接続してなる構成とした場合、リードフレームSM1やソースセンス用ボンディングワイヤSSW1などは複数チップに共通に接続される。 When the SiC MOSFET Q1 is configured by connecting a plurality of chips in parallel, the lead frame SM1 and the source sense bonding wire SSW1 are commonly connected to the plurality of chips.

[第9の実施の形態]
第9の実施の形態に係るPM1であって、樹脂モールド前の模式的鳥瞰パターン構成は図61に示すように表される。なお、ここでは、パワー素子系の半導体デバイス(パワーデバイス)として、SiC MOSFET Q1・Q4を適用した、2 in 1モジュールタイプのハーフブリッジ内蔵モジュールを例に説明する。
[9th embodiment]
In PM1 according to the ninth embodiment, a schematic bird's-eye view pattern configuration before the resin mold is shown as shown in FIG. Here, as a power device-based semiconductor device (power device), a 2 in 1 module type half-bridge built-in module to which SiC MOSFETs Q1 and Q4 are applied will be described as an example.

また、第9の実施の形態に係るPM1であって、SiC MOSFET Q1・Q4を適用したハーフブリッジ内蔵モジュールの模式的平面パターン構成は、図62(a)に示すように表わされ、図62(a)の表示1A部分(要部)の拡大構成は、図62(b)に示すように表わされる。 Further, the schematic plane pattern configuration of the half-bridge built-in module to which the SiC MOSFETs Q1 and Q4 are applied in the PM1 according to the ninth embodiment is shown in FIG. 62A, and is shown in FIG. 62. The enlarged configuration of the display 1A portion (main part) of (a) is shown as shown in FIG. 62 (b).

さらに、第9の実施の形態に係るPM1であって、SiC MISFET Q1・Q4を適用したハーフブリッジ内蔵モジュールの回路構成は、図63に示すように表される。 Further, the circuit configuration of the half-bridge built-in module to which the SiC MISFETs Q1 and Q4 are applied in the PM1 according to the ninth embodiment is shown as shown in FIG. 63.

そして、第9の実施の形態に係るPM1であって、モールドタイプのモジュールとして、ハーフブリッジ内蔵モジュールの樹脂モールド後の模式的鳥瞰構成は、図64に示すように表わされる。 The PM1 according to the ninth embodiment, as a mold type module, has a schematic bird's-eye view configuration after resin molding of the module with a built-in half bridge, as shown in FIG. 64.

なお、第9の実施の形態に係るPM1において、図62(b)の矢印B方向から見た要部の模式的側面構成は、図65に示すように表わされる。 In PM1 according to the ninth embodiment, the schematic side surface configuration of the main part seen from the direction of arrow B in FIG. 62B is shown as shown in FIG. 65.

すなわち、第9の実施の形態に係るPM1は、直列接続された2個のSiC MOSFET Q1・Q4が、1つのモジュールに内蔵されたハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。 That is, the PM1 according to the ninth embodiment has a configuration of a half-bridge built-in module in which two SiC MOSFETs Q1 and Q4 connected in series are built in one module.

第9の実施の形態に係るPM1は、図64に示すように、樹脂モールド層115に被覆されたセラミックス基板21の第1の辺に配置された正側電源入力端子電極(正側電力端子)Pおよび負側電源入力端子電極(負側電力端子)Nと、第1の辺に隣接する第2の辺に配置されたゲート端子(ゲート)GT1・ソースセンス端子SST1と、第1の辺に対向する第3の辺に配置された出力端子電極(出力端子)Oと、第2の辺に対向する第4の辺に配置されたゲート端子GT4・ソースセンス端子SST4とを備える。 As shown in FIG. 64, PM1 according to the ninth embodiment is a positive power input terminal electrode (positive power terminal) arranged on the first side of the ceramic substrate 21 coated with the resin mold layer 115. P and negative power input terminal electrode (negative power terminal) N, gate terminal (gate) GT1 and source sense terminal SST1 arranged on the second side adjacent to the first side, and on the first side It includes an output terminal electrode (output terminal) O arranged on the third side facing each other, and a gate terminal GT4 and a source sense terminal SST4 arranged on the fourth side facing the second side.

なお、第9の実施の形態に係るPM1は、2個の出力端子Oを備えた4電力端子構造のパワーモジュールとなっている。 The PM1 according to the ninth embodiment is a power module having a four-power terminal structure including two output terminals O.

ここで、図61~図65に示すように、ゲート端子GT1・ソースセンス端子SST1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号電極パターンGL1・ソース信号電極パターンSL1に接続され、ゲート端子GT4・ソースセンス端子SST4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号電極パターンGL4・ソース信号電極パターンSL4に接続される。 Here, as shown in FIGS. 61 to 65, the gate terminal GT1 and the source sense terminal SST1 are connected to the gate signal electrode pattern GL1 and the source signal electrode pattern SL1 of the SiC MOSFET Q1 and are connected to the gate terminal GT4 and the source sense terminal SST4. Is connected to the gate signal electrode pattern GL4 and the source signal electrode pattern SL4 of the SiC MOSFET Q4.

図61~図65に示すように、ゲート信号電極パターンGL1・GL4およびソース信号電極パターンSL1・SL4には、外部取り出し用のゲート端子GT1・GT4およびソースセンス端子SST1・SST4がはんだ付けなどによって接続される。 As shown in FIGS. 61 to 65, gate terminals GT1 and GT4 for external extraction and source sense terminals SST1 and SST4 are connected to the gate signal electrode patterns GL1 and GL4 and the source signal electrode patterns SL1 and SL4 by soldering or the like. Will be done.

なお、図61~図65に示すように、ゲート信号電極パターンGL1・GL4およびソース信号電極パターンSL1・SL4は信号基板261・264上に配置され、信号基板261・264はセラミックス基板21上にはんだ付けなどによって接続されている。 As shown in FIGS. 61 to 65, the gate signal electrode patterns GL1 and GL4 and the source signal electrode patterns SL1 and SL4 are arranged on the signal boards 261, 264, and the signal boards 261, 264 are soldered on the ceramic board 21. It is connected by soldering.

信号基板261・264は、セラミックス基板で形成可能である。セラミックス基板は、例えば、Al、AlN、SiN、AlSiC、若しくは、少なくとも表面が絶縁性のSiCなどで形成されていても良い。 The signal substrates 261, 264 can be formed of a ceramic substrate. The ceramic substrate may be formed of, for example, Al 2 O 3 , AlN, SiN, AlSiC, or at least an insulating SiC on the surface.

また、図61~図65においては、図示を省略しているが、SiC MOSFET Q1・Q4のD1・S1間およびD4・S4間に、逆並列にダイオードが接続されていても良い。 Further, although not shown in FIGS. 61 to 65, diodes may be connected in antiparallel between D1 and S1 and between D4 and S4 of the SiC MOSFETs Q1 and Q4.

正側電力端子P・負側電力端子N、外部取り出し用のゲート端子GT1・GT4およびソースセンス端子SST1・SST4は、例えば、Cuで形成可能である。 The positive power terminal P / negative power terminal N, the gate terminals GT1 / GT4 for external extraction, and the source sense terminals SST1 / SST4 can be formed by, for example, Cu.

主配線導体である電極パターン25D1・25D4・25DNは、例えば、Cuによって形成可能である。 The electrode patterns 25D1, 25D4, and 25DN, which are the main wiring conductors, can be formed by, for example, Cu.

ここで、図61~図65に示された例では、2 in 1モジュールタイプのハーフブリッジ内蔵モジュールにおいて、電極パターン25D1が、ハイ(High)側デバイス(SiC MOSFET Q1)用のドレイン電極パターンとして機能する。 Here, in the examples shown in FIGS. 61 to 65, in the module with a built-in half bridge of the 2 in 1 module type, the electrode pattern 25D1 functions as a drain electrode pattern for the high side device (SiC MOSFET Q1). do.

また、電極パターン25D4が、ロウ(Low)側デバイス(SiC MOSFET Q4)用のドレイン電極パターンとして機能すると共に、ハイ側デバイス用のソース電極パターン(25S1)としても機能する。すなわち、ドレイン電極パターン25D4は、SiC MOSFET Q4のドレイン電極であると同時に、SiC MISFET Q1のソース電極となる。 Further, the electrode pattern 25D4 functions as a drain electrode pattern for the low side device (SiC MOSFET Q4) and also functions as a source electrode pattern (25S1) for the high side device. That is, the drain electrode pattern 25D4 is a drain electrode of the SiC MOSFET Q4 and at the same time a source electrode of the SiC MISFET Q1.

さらに、負側電力端子Nに接続される電極パターン25DNが、ロウ側デバイス用のソース電極パターン(25S4)としても機能する。 Further, the electrode pattern 25DN connected to the negative power terminal N also functions as a source electrode pattern (25S4) for the row side device.

すなわち、第9の実施の形態に係るPM1においては、図61~図65に示すように、SiC MOSFET Q1は電極パターン25D1上に搭載されて、ドレインD1が電極パターン25D1と接続されると共に、ソースS1がリードフレームSM1を介して電極パターン25D4と接続される。同様に、SiC MOSFET Q4は電極パターン25D4上に搭載されて、ドレインD4が電極パターン25D4と接続されると共に、ソースS4がリードフレームSM4を介して電極パターン25DNと接続される。 That is, in PM1 according to the ninth embodiment, as shown in FIGS. 61 to 65, the SiC MOSFET Q1 is mounted on the electrode pattern 25D1, the drain D1 is connected to the electrode pattern 25D1, and the source is connected. S1 is connected to the electrode pattern 25D4 via the lead frame SM1. Similarly, the SiC MOSFET Q4 is mounted on the electrode pattern 25D4, the drain D4 is connected to the electrode pattern 25D4, and the source S4 is connected to the electrode pattern 25DN via the lead frame SM4.

また、図61~図65に示すように、第9の実施の形態に係るPM1にあっては、ランド側接合部SC側において、リードフレームSM1をソース信号電極パターンSL1に接続するソースセンス用ボンディングワイヤ(第1ボンディングワイヤ)SSW1と、ランド側接合部SCに対向するデバイス側接合部DC側において、ゲートパッド電極GP1をゲート信号電極パターンGL1に接続するゲート信号用ボンディングワイヤ(第2ボンディングワイヤ)GW1とを備える。 Further, as shown in FIGS. 61 to 65, in the PM1 according to the ninth embodiment, the source sense bonding for connecting the lead frame SM1 to the source signal electrode pattern SL1 on the land side bonding portion SC side. A gate signal bonding wire (second bonding wire) that connects the gate pad electrode GP1 to the gate signal electrode pattern GL1 on the device-side bonding portion DC side facing the wire (first bonding wire) SSW1 and the land-side bonding portion SC. It is equipped with GW1.

同様に、ランド側接合部SC側において、リードフレームSM4をソース信号電極パターンSL4に接続するソースセンス用ボンディングワイヤ(第1ボンディングワイヤ)SSW4と、ランド側接合部SCに対向するデバイス側接合部DC側において、ゲートパッド電極GP4をゲート信号電極パターンGL4に接続するゲート信号用ボンディングワイヤ(第2ボンディングワイヤ)GW4とを備える。 Similarly, on the land-side bonding portion SC side, the source sense bonding wire (first bonding wire) SSW4 for connecting the lead frame SM4 to the source signal electrode pattern SL4 and the device-side bonding portion DC facing the land-side bonding portion SC. On the side, a gate signal bonding wire (second bonding wire) GW4 for connecting the gate pad electrode GP4 to the gate signal electrode pattern GL4 is provided.

すなわち、SiC MOSFET Q1・Q4の各ソース信号電極パターンSL1・SL4には、図63に示すように、ランド側接合部SC側において、リードフレームSM1・SM4またはソース電極パターン25S1・25S4を接続するための、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1・SSW4がウエッジボンディングされる。 That is, as shown in FIG. 63, the lead frames SM1 and SM4 or the source electrode patterns 25S1 and 25S4 are connected to the source signal electrode patterns SL1 and SL4 of the SiC MOSFETs Q1 and Q4 on the land side junction SC side. The source sense bonding wires SSW1 and SSW4 are wedge-bonded.

その他の構成および製造の方法などは第8の実施の形態の場合と、ほぼ同様である。 Other configurations, manufacturing methods, and the like are substantially the same as in the case of the eighth embodiment.

上記したように、第9の実施の形態に係るPM1によっても、ソースパワーライン配線用の主配線にリードフレームSM1・SM4を適用し、デバイス側接合部DCよりもSiC MOSFET Q1・Q4の動作時における温度が相対的に低いランド側接合部SC側にソースセンス用ボンディングワイヤSSW1・SSW4を接続することで、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能となる。 As described above, also by PM1 according to the ninth embodiment, the lead frames SM1 and SM4 are applied to the main wiring for the source power line wiring, and the SiC MOSFETs Q1 and Q4 are operated rather than the device-side junction DC. By connecting the source sense bonding wires SSW1 and SSW4 to the land side joint SC side where the temperature is relatively low, the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature can be reduced, and the heat resistance to the wire connectivity is high. It is possible to improve the reliability and reliability.

第9の実施の形態によれば、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能なPMとして、2 in 1モジュールタイプのハーフブリッジ内蔵モジュールを提供することが可能となる。 According to the ninth embodiment, the 2 in 1 module is a PM capable of reducing the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature, increasing the heat resistance of the wire connection, and improving the reliability. It will be possible to provide a type of module with a built-in half bridge.

[第10の実施の形態]
第10の実施の形態に係るPM1の模式的平面パターン構成は、図66に示すように表わされる。また、第10の実施の形態に係るPM1の発熱時の温度拡散(温度分布)に関するシミュレーション結果は、図67に示すように表わされる。
[10th Embodiment]
The schematic planar pattern configuration of PM1 according to the tenth embodiment is shown as shown in FIG. 66. Further, the simulation result regarding the temperature diffusion (temperature distribution) at the time of heat generation of PM1 according to the tenth embodiment is shown as shown in FIG. 67.

ここで、第10の実施の形態に係るPM1は、図66に示すように、ソースパッド電極SP1とリードフレームSM1との接合部であるデバイス側接合部DC、およびリードフレームSM1とソース電極パターン25S1との接合部であるランド側接合部SCの配置の違いを除けば、第8の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。 Here, as shown in FIG. 66, the PM1 according to the tenth embodiment includes a device-side junction DC which is a junction between the source pad electrode SP1 and the lead frame SM1, and the lead frame SM1 and the source electrode pattern 25S1. Except for the difference in the arrangement of the land-side joint SC, which is the joint with the PM1, the configuration is substantially the same as that of PM1 according to the eighth embodiment.

すなわち、第10の実施の形態に係るPM1は、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(U)側に設けられたドレイン電極パターン(第2主電極パターン)25D1およびソース電極パターン(第1主電極パターン)25S1とソース信号電極パターン(信号配線パターン)SL1と、セラミックス基板21の下面(D)側に配置された裏面電極パターン23Rとを備える絶縁基板20と、ドレイン電極パターン25D1上にフェイスアップで配置され、表面にソースパッド電極(主パッド電極)SP1を有するパワー素子系の半導体デバイス(SiC MOSFET)Q1と、ソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されて、ソースパワーライン配線用の主配線となるリードフレームSM1と、ランド側接合部SCとソース信号電極パターンSL1との間を接続するソースセンス用ボンディングワイヤSSW1とを備える。 That is, the PM1 according to the tenth embodiment includes the ceramics substrate 21, the drain electrode pattern (second main electrode pattern) 25D1 provided on the upper surface (U) side of the ceramics substrate 21, and the source electrode pattern (first main electrode). An insulating substrate 20 having an electrode pattern) 25S1, a source signal electrode pattern (signal wiring pattern) SL1, and a back surface electrode pattern 23R arranged on the lower surface (D) side of the ceramic substrate 21, and face-up on the drain electrode pattern 25D1. A power element-based semiconductor device (SiC MOSFET) Q1 having a source pad electrode (main pad electrode) SP1 on the surface, and a source power line connected between the source pad electrode SP1 and the source electrode pattern 25S1. It includes a lead frame SM1 that is the main wiring for wiring, and a source sense bonding wire SSW1 that connects between the land side junction SC and the source signal electrode pattern SL1.

第10の実施の形態に係るPM1の場合、ドレイン電極パターン25D1とソース信号電極パターンSL1との間にソース電極パターン25S1が位置し、デバイス側接合部DCよりも、ソース信号電極パターンSL1に近接してランド側接合部SCが配置されている。 In the case of PM1 according to the tenth embodiment, the source electrode pattern 25S1 is located between the drain electrode pattern 25D1 and the source signal electrode pattern SL1, and is closer to the source signal electrode pattern SL1 than the device-side junction DC. The land side joint SC is arranged.

なお、図66および図67では、SiC MOSFET Q1上のゲートパッド電極(GP1)、セラミックス基板21上のゲート信号電極パターン(GL1)、およびゲートパッド電極(GP1)とゲート信号電極パターン(GL1)との間を接続するゲート信号用ボンディングワイヤ(GW1)、並びにパッケージ(樹脂モールド層115)については、図示を省略している。 In FIGS. 66 and 67, the gate pad electrode (GP1) on the SiC MOSFET Q1, the gate signal electrode pattern (GL1) on the ceramic substrate 21, and the gate pad electrode (GP1) and the gate signal electrode pattern (GL1) are shown. The gate signal bonding wire (GW1) and the package (resin mold layer 115) connecting between them are not shown.

また、図67中に示すBEは、リードフレームSM1をソース電極パターン25S1に接続するための金属柱からなるブロック電極である。ブロック電極BEとしては、Cuなどにより形成可能である。ブロック電極BEは、リードフレームSM1の一部として一体的に形成されるものであっても良い。 Further, the BE shown in FIG. 67 is a block electrode made of a metal column for connecting the lead frame SM1 to the source electrode pattern 25S1. The block electrode BE can be formed of Cu or the like. The block electrode BE may be integrally formed as a part of the lead frame SM1.

第10の実施の形態に係るPM1の、発熱時の温度拡散(温度分布)に関するシミュレーション結果は、図67に示すように表わされる。なお、図67は、図66のX-X線に沿う断面に対応しており、色の薄い部分ほど高い温度を示している。また、本シミュレーション結果は、SiC MOSFET Q1の動作からある程度の時間が経過した後の、これ以上は温度が変化しない飽和時を示している。 The simulation result regarding the temperature diffusion (temperature distribution) at the time of heat generation of PM1 according to the tenth embodiment is shown as shown in FIG. 67. Note that FIG. 67 corresponds to the cross section along the X-ray line of FIG. 66, and the lighter the color, the higher the temperature. In addition, this simulation result shows the saturation time in which the temperature does not change any more after a certain time has passed from the operation of the SiC MOSFET Q1.

図67からも明らかなように、SiC MOSFET Q1の動作によって温度が上昇するのは、ほぼデバイス側接合部DCの付近であり、図中に表示1Cで示す領域(ランド側接合部SC付近)まで熱が大幅に上昇することはない。 As is clear from FIG. 67, the temperature rises due to the operation of the SiC MOSFET Q1 almost in the vicinity of the device-side junction DC, up to the region shown by display 1C in the figure (near the land-side junction SC). The heat does not rise significantly.

したがって、SiC MOSFET Q1に大電流が流れて高温により動作することによって、ソースパッド電極SP1がジャンクション温度と同程度まで熱くなったとしても、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の破断や、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の接合面での破断を回避できる。 Therefore, even if the source pad electrode SP1 becomes hot to the same level as the junction temperature due to a large current flowing through the SiC MOSFET Q1 and operating at a high temperature, the source sense bonding wire SSW1 may be broken or the source sense bonding wire may be broken. It is possible to avoid breakage of the SSW1 at the joint surface.

第10の実施の形態に示したPM1は、実施の形態に示す他のパワーモジュールにも適用可能である。 The PM1 shown in the tenth embodiment is also applicable to other power modules shown in the tenth embodiment.

[第11の実施の形態]
第11の実施の形態に係るPM1の模式的断面構造は、図68に示すように表わされる。
[Eleventh Embodiment]
The schematic cross-sectional structure of PM1 according to the eleventh embodiment is represented as shown in FIG. 68.

ここで、図68に示すように、第11の実施の形態に係るPM1は、リードフレームSM1の構成を除けば、第8の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。そのため、重複説明を避け、異なる部分について説明する。 Here, as shown in FIG. 68, the PM1 according to the eleventh embodiment has substantially the same configuration as the PM1 according to the eighth embodiment except for the configuration of the lead frame SM1. Therefore, avoid duplicate explanations and explain different parts.

すなわち、第11の実施の形態に係るPM1は、図68に示すように、リードフレームSM1に代えて、ソースパワーライン配線用の主配線として配線リード部(リードフレーム)30SMを採用した場合の例であって、配線リード部30SMは、異方性な熱伝導率・熱膨張係数を備えるグラファイトプレート(グラファイト配線)18GP(XZ)と、グラファイトプレート18GP(XZ)の下面側に配置された下部Cu配線パターン16Dおよび上面側に配置された上部Cu配線パターン16Uとを備え、一端側が半導体デバイス(SiC MOSFET)Q1のソースパッド電極SP1と接続されると共に、他端側がブロック電極BEを介して、セラミックス基板21上のソース電極パターン25S1と接続される。 That is, as shown in FIG. 68, PM1 according to the eleventh embodiment is an example in which a wiring lead portion (lead frame) 30SM is adopted as the main wiring for source power line wiring instead of the lead frame SM1. The wiring lead portion 30SM is a graphite plate (graphite wiring) 18GP (XZ) having an anisotropic thermal conductivity and thermal expansion coefficient, and a lower Cu arranged on the lower surface side of the graphite plate 18GP (XZ). It is provided with a wiring pattern 16D and an upper Cu wiring pattern 16U arranged on the upper surface side, one end side is connected to the source pad electrode SP1 of the semiconductor device (SiC MOSFET) Q1, and the other end side is ceramics via a block electrode BE. It is connected to the source electrode pattern 25S1 on the substrate 21.

グラファイトプレート18GP(XZ)は、面方向よりも厚み方向に相対的に熱伝導率が高いXZ配向を備える。前記XZ配向は、配線リード部30SMの延長方向である図示Y方向に直交する図示XZ面の方向に実質的に一致する。すなわち、グラファイト配線18GP(XZ)は、面方向に相対的に熱伝導率が低い配向を備え、面方向よりも厚み方向に相対的に熱伝導率が高いXZ配向を備える。 The graphite plate 18GP (XZ) has an XZ orientation having a relatively high thermal conductivity in the thickness direction rather than the plane direction. The XZ orientation substantially coincides with the direction of the illustrated XZ plane orthogonal to the illustrated Y direction, which is the extension direction of the wiring lead portion 30SM. That is, the graphite wiring 18GP (XZ) has an orientation having a relatively low thermal conductivity in the plane direction and an XZ orientation having a relatively high thermal conductivity in the thickness direction rather than the plane direction.

そして、ランド側接合部SC側において、配線リード部30SMまたはソース電極パターン25S1をソース信号電極パターンSL1に接続するための、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1がウエッジボンディングされる。 Then, on the land side bonding portion SC side, the source sense bonding wire SSW1 for connecting the wiring lead portion 30SM or the source electrode pattern 25S1 to the source signal electrode pattern SL1 is wedge-bonded.

ここで、グラファイトプレート18GP(XZ)について簡単に説明すると、グラファイトプレートを構成するグラファイトシート(グラフェン)GSの模式的構成(積層構造例)は、図5に示すように表わされる。 Here, the graphite plate 18GP (XZ) will be briefly described. The schematic configuration (laminated structure example) of the graphite sheet (graphene) GS constituting the graphite plate is shown as shown in FIG.

グラファイトプレートには、厚み方向よりも面方向に熱伝導率が高いXY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)と、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向を有するグラファイトプレート18GP(XZ)とがあり、グラファイトプレート18GP(XY)は図6(a)に示すように表わされ、グラファイトプレート18GP(XZ)は図6(b)に示すように表わされる。 The graphite plates include a graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation having a higher thermal conductivity in the plane direction than a thickness direction, and a graphite plate 18GP (XZ) having an XZ orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than the plane direction. ), The graphite plate 18GP (XY) is represented as shown in FIG. 6 (a), and the graphite plate 18GP (XZ) is represented as shown in FIG. 6 (b).

図5に示すように、n層からなる各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、1つの積層結晶構造の中に多数の六方晶系の共有結合を有し、各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSn間がファンデルワールス力によって結合されるようになっている。 As shown in FIG. 5, the graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., GSn on each surface composed of n layers have a large number of hexagonal covalent bonds in one laminated crystal structure, and each surface has a covalent bond. Graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., GSn are bonded by van der Waals force.

すなわち、炭素系異方伝熱材料であるグラファイトは、炭素原子の六角形網目構造の層状結晶体であって、熱伝導も異方性を持っており、図5に示すグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、結晶面方向(XY面上)に対して、Z軸の厚さ方向よりも大きな熱伝導度(高い熱伝導率)を有する。 That is, graphite, which is a carbon-based anisotropic heat transfer material, is a layered crystal having a hexagonal network structure of carbon atoms, and has anisotropy in heat conduction. Graphite sheets GS1, GS2, shown in FIG. GS3 ..... GSn has a higher thermal conductivity (high thermal conductivity) in the crystal plane direction (on the XY plane) than in the thickness direction of the Z axis.

したがって、図6(a)に示すように、XY配向を有するグラファイトプレート18GP(XY)は、例えば、X=1500(W/mK)、Y=1500(W/mK)、Z=5(W/mK)の熱伝導率を備える。 Therefore, as shown in FIG. 6A, the graphite plate 18GP (XY) having an XY orientation has, for example, X = 1500 (W / mK), Y = 1500 (W / mK), Z = 5 (W /). It has a thermal conductivity of mK).

一方、図6(b)に示すように、XZ配向を有するグラファイトプレート18GP(XZ)は、例えば、X=1500(W/mK)、Y=5(W/mK)、Z=1500(W/mK)の熱伝導率を備える。 On the other hand, as shown in FIG. 6B, the graphite plate 18GP (XZ) having the XZ orientation has, for example, X = 1500 (W / mK), Y = 5 (W / mK), Z = 1500 (W /). It has a thermal conductivity of mK).

なお、グラファイトプレート18GP(XY)・18GP(XZ)は、共に、密度が2.2(g/cm3 )程度であり、厚さが0.7mm~10mm程度であり、大きさが40mm×40mm程度以下である。 Both the graphite plates 18GP (XY) and 18GP (XZ) have a density of about 2.2 (g / cm 3 ), a thickness of about 0.7 mm to 10 mm, and a size of 40 mm × 40 mm. It is below the degree.

第11の実施の形態に係るPM1によれば、グラファイトプレート18GP(XZ)の採用により、SiC MOSFET Q1が高温により動作することによってデバイス側接合部DC側で発生する熱が、配線リード部30SMを介して、ランド側接合部SC側へと伝達されるのを抑制できるようになる。 According to PM1 according to the eleventh embodiment, due to the adoption of the graphite plate 18GP (XZ), the heat generated on the device side junction DC side due to the operation of the SiC MOSFET Q1 at a high temperature causes the wiring lead portion 30SM. Through this, it becomes possible to suppress transmission to the land side joint SC side.

したがって、第11の実施の形態に係るPM1によっても、ソースパワーライン配線用の主配線にリードフレームSM1にグラファイトプレート18GP(XZ)を採用すると共に、デバイス側接合部DCよりもSiC MOSFET Q1の動作時における温度が相対的に低いランド側接合部SC側にソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を接続することで、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響をより効果的に軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能となる。 Therefore, also in the PM1 according to the eleventh embodiment, the graphite plate 18GP (XZ) is adopted as the lead frame SM1 for the main wiring for the source power line wiring, and the operation of the SiC MOSFET Q1 is performed rather than the device-side bonding portion DC. By connecting the source sense bonding wire SSW1 to the land side joint SC side where the temperature is relatively low at the time, the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature can be reduced more effectively, and the wire connectivity can be reduced. It is possible to improve the heat resistance and reliability of the wire.

また、第11の実施の形態に係るPM1のように、配線リード部30SMにグラファイトプレート18GPを採用したことにより、さらに配線リード部30SMの分だけ増加する共通Ls(抵抗)を抑制することが可能となる。 Further, by adopting the graphite plate 18GP for the wiring lead portion 30SM as in PM1 according to the eleventh embodiment, it is possible to further suppress the common Ls (resistance) that increases by the amount of the wiring lead portion 30SM. Will be.

なお、第11の実施の形態に示したPM1は、実施の形態に示す他のパワーモジュールにも適用可能である。 The PM1 shown in the eleventh embodiment can be applied to other power modules shown in the embodiment.

[第12の実施の形態]
第12の実施の形態に係るPM2であって、シックスインワン(6 in 1)モジュールの模式的鳥瞰パターン構成は、図69に示すように表わされる。
[Twelfth Embodiment]
In PM2 according to the twelfth embodiment, the schematic bird's-eye view pattern configuration of the six-in-one (6 in 1) module is represented as shown in FIG. 69.

なお、第12の実施の形態に係るPM2は、例えば図59に示したPM1を3個、共通のセラミックス基板21A上に並列に配置し、6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュールを構成した場合の例である。 The PM2 according to the twelfth embodiment is an example in which, for example, three PM1s shown in FIG. 59 are arranged in parallel on a common ceramic substrate 21A to form a 6 in 1 module type switching module. Is.

ここで、6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュールの場合、基本的な構造は、1 in 1モジュールタイプのPMや2 in 1モジュールタイプのPMと同様である。すなわち、第12の実施の形態に係るPM2であって、6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュールは、図69に示すように、2 in 1モジュールタイプのPM1・1・1を備える。 Here, in the case of a 6 in 1 module type switching module, the basic structure is the same as that of the 1 in 1 module type PM and the 2 in 1 module type PM. That is, in the PM2 according to the twelfth embodiment, the 6 in 1 module type switching module includes the 2 in 1 module type PM1 1 , 1, 2 , and 1 3 as shown in FIG. 69.

PM1は、半導体デバイスとして、例えばSiC MOSFET Q1・Q4を搭載し、PM1は、例えばSiC MOSFET Q2・Q5を搭載し、PM1は、例えばSiC MOSFET Q3・Q6を搭載し、PM1・1・1はPM1と同様であり、詳しい説明は省略する。 PM1 1 is equipped with, for example, SiC MOSFETs Q1 and Q4 as semiconductor devices, PM1 2 is equipped with, for example, SiC MOSFETs Q2 and Q5, and PM1 3 is equipped with, for example, SiC MOSFETs Q3 and Q6. 2・ 1 3 is the same as PM1, and detailed description thereof will be omitted.

なお、第12の実施の形態に係るPM2であって、6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュールは、例えば、2 in 1モジュールタイプのPM1・1・1を、図示省略の共通のモールド樹脂またはケースによって一体的に封止してなる構成を備える。 In the PM2 according to the twelfth embodiment, the 6 in 1 module type switching module is, for example, a 2 in 1 module type PM1 1 , 1, 2 , 1 3 which is a common mold resin (not shown). Alternatively, it has a configuration in which it is integrally sealed by a case.

すなわち、6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュール(第12の実施の形態に係るPM2)においては、PM1・1・1を共通のセラミックス基板21A上に並列に配置して一体型のパッケージ(図示省略の樹脂モールド層)として封止すると共に、裏面電極パターン23Rを共通化(一体化)することが可能である。 That is, in the 6 in 1 module type switching module (PM2 according to the twelfth embodiment), PM1 1 , 1, 2 , and 1 3 are arranged in parallel on a common ceramic substrate 21A to form an integrated package (integrated package). It is possible to seal as a resin mold layer (not shown) and to standardize (integrate) the back surface electrode pattern 23R.

若しくは、個別のモールド樹脂またはケースによって別体として封止した2 in 1モジュールタイプのPM1・1・1を、さらに共通のセラミックス基板21A上に並列に配置して、6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュールとすることも可能である。 Alternatively, 2 in 1 module type PM1 1 , 1 2 and 1 3 sealed separately by individual mold resin or case are further arranged in parallel on a common ceramic substrate 21A to form a 6 in 1 module type. It is also possible to use the switching module of.

このような第12の実施の形態に係るPM2の構成(6 in 1モジュールタイプのスイッチングモジュール)とした場合にも、図69に示すように、PM1・1・1において、ソースパッド電極SP1・SP4、SP2・SP5、SP3・SP6とソース電極パターン25S1(25D4)・25S4(25DN)、25S2(25D5)・25S5(25DN)、25S3(25D6)・25S6(25DN)との間に接続されるリードフレームSM1・SM4、SM2・SM5、SM3・SM6と、ランド側接合部SCのリードフレームSM1・SM4、SM2・SM5、SM3・SM6とソース信号電極パターンSL1・SL4、SL2・SL5、SL3・SL6との間を接続するソースセンス用ボンディングワイヤSSW1・SSW4、SSW2・SSW5、SSW3・SSW6とを備えることにより、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能となる。 Even when the PM2 configuration (6 in 1 module type switching module) according to the twelfth embodiment is used, as shown in FIG. 69, the source pad electrodes are set in PM1 1・ 1 2・ 1 3 . Connected between SP1 / SP4, SP2 / SP5, SP3 / SP6 and the source electrode patterns 25S1 (25D4) / 25S4 (25DN), 25S2 (25D5) / 25S5 (25DN), 25S3 (25D6) / 25S6 (25DN). Lead frames SM1 / SM4, SM2 / SM5, SM3 / SM6, and lead frames SM1 / SM4, SM2 / SM5, SM3 / SM6 of the land side junction SC and source signal electrode patterns SL1 / SL4, SL2 / SL5, SL3. By providing the source sense bonding wires SSW1 / SSW4, SSW2 / SSW5, and SSW3 / SSW6 for connecting to the SL6, the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature can be reduced, and the wire connectivity is high. It is possible to improve heat resistance and reliability.

なお、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1・SSW4、SSW2・SSW5、SSW3・SSW6は、ランド側接合部SC側において、ソース電極パターン25S1(25D4)・25S4(25DN)、25S2(25D5)・25S5(25DN)、25S3(25D6)・25S6(25DN)と接続されても良い。 The source sense bonding wires SSW1 / SSW4, SSW2 / SSW5, SSW3 / SSW6 have source electrode patterns 25S1 (25D4) / 25S4 (25DN), 25S2 (25D5) / 25S5 (25DN) on the land side bonding portion SC side. , 25S3 (25D6) and 25S6 (25DN) may be connected.

[第13の実施の形態]
第13の実施の形態に係るPM1であって、1 in 1モジュールの模式的平面パターン構成は、図70(a)に示すように表わされ、図70(a)のXI-XI線に沿う模式的断面構造は、図70(b)に示すように表わされる。
[13th Embodiment]
In PM1 according to the thirteenth embodiment, the schematic plane pattern configuration of the 1 in 1 module is represented as shown in FIG. 70 (a), and is along the XI-XI line of FIG. 70 (a). The schematic cross-sectional structure is represented as shown in FIG. 70 (b).

ここで、図70(a)および図70(b)に示すように、第13の実施の形態に係るPM1は、リードフレームSMの構成を除けば、第8の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備えるので、重複説明を避け、異なる部分について説明する。 Here, as shown in FIGS. 70 (a) and 70 (b), the PM1 according to the thirteenth embodiment is almost the same as the PM1 according to the eighth embodiment except for the configuration of the lead frame SM. Since it has the same configuration, duplicate explanations will be avoided and different parts will be explained.

第13の実施の形態に係るPM1は、図70(a)および図70(b)に示すように、ソースパワーライン配線用の主配線として延長リードフレーム(リードフレーム)SML1を採用した場合の例であって、延長リードフレームSML1は、一端側がセラミックス基板21上のソース電極パターン25S1と接続され、SiC MOSFET(半導体デバイス)Q1のソースパッド電極SP1と接続される他端側が延長されて、ソース電極パターン25S1とは別の電極パターン(配線電極パターン)25K1に接続されている。 As shown in FIGS. 70 (a) and 70 (b), PM1 according to the thirteenth embodiment is an example in which an extended lead frame (lead frame) SML1 is adopted as the main wiring for the source power line wiring. In the extended lead frame SML1, one end side is connected to the source electrode pattern 25S1 on the ceramic substrate 21, and the other end side connected to the source pad electrode SP1 of the SiC MOSFET (semiconductor device) Q1 is extended to extend the source electrode. It is connected to an electrode pattern (wiring electrode pattern) 25K1 different from the pattern 25S1.

そして、別の電極パターン25K1との第2のランド側接合部(第3接合部)SB側において、延長リードフレームSML1または別の電極パターン25K1が、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を介して、ソース信号電極パターンSL1と接続されている。 Then, on the SB side of the second land-side junction (third junction) with another electrode pattern 25K1, the extension lead frame SML1 or another electrode pattern 25K1 transmits a source signal via the source sense bonding wire SSW1. It is connected to the electrode pattern SL1.

すなわち、第13の実施の形態に係るPM1は、セラミックス基板21と、セラミックス基板21上に配置されたドレイン電極パターン25D1、ソース電極パターン25S1、ソース信号電極パターンSL1、ゲート信号電極パターンGL1、および電極パターン25K1とを備える絶縁基板20と、表面にソースパッド電極SP1およびゲートパッド電極GP1を有すると共に、裏面にドレイン電極38を有し、ドレイン電極パターン25D1上にフェイスアップで配置されるSiC MOSFET Q1と、ソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されると共に、ソースパッド電極SP1との接続端側が延長されて電極パターン25K1と接続された延長リードフレームSML1と、延長リードフレームSML1とソースパッド電極SP1とのデバイス側接合部DC、デバイス側接合部DCと離隔し、デバイス側接合部DCよりもデバイス動作時における温度が相対的に低い延長リードフレームSML1とソース電極パターン25S1とのランド側接合部SC、およびデバイス側接合部DCよりもデバイス動作時における温度が相対的に低い延長リードフレームSML1と電極パターン25K1との第2のランド側接合部SBと、一端が、ソース信号電極パターンSL1と接続されると共に、他端が第2のランド側接合部SBに接続されたソースセンス用ボンディングワイヤSSW1と、ゲートパッド電極GP1とゲート信号電極パターンGL1との間に接続されたゲート信号用ボンディングワイヤGW1とを備え、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1の他端が、第2のランド側接合部SBの延長リードフレームSML1または電極パターン25K1に接続される。 That is, the PM1 according to the thirteenth embodiment includes the ceramic substrate 21, the drain electrode pattern 25D1 arranged on the ceramic substrate 21, the source electrode pattern 25S1, the source signal electrode pattern SL1, the gate signal electrode pattern GL1, and the electrodes. An insulating substrate 20 having a pattern 25K1 and a SiC MOSFET Q1 having a source pad electrode SP1 and a gate pad electrode GP1 on the front surface and a drain electrode 38 on the back surface and arranged face-up on the drain electrode pattern 25D1. , An extended lead frame SML1 connected between the source pad electrode SP1 and the source electrode pattern 25S1 and having an extended connection end side with the source pad electrode SP1 connected to the electrode pattern 25K1, an extended lead frame SML1 and a source. The land side of the extended lead frame SML1 and the source electrode pattern 25S1, which are separated from the device-side junction DC and the device-side junction DC with the pad electrode SP1 and whose temperature during device operation is relatively lower than that of the device-side junction DC. The second land-side joint SB of the extended lead frame SML1 and the electrode pattern 25K1 whose temperature during device operation is relatively lower than that of the joint SC and the device-side joint DC, and one end of the source signal electrode pattern SL1. Bonding for gate signal connected between the source sense bonding wire SSW1 whose other end is connected to the second land side joint SB and the gate pad electrode GP1 and the gate signal electrode pattern GL1. A wire GW1 is provided, and the other end of the source sense bonding wire SSW1 is connected to the extension lead frame SML1 or the electrode pattern 25K1 of the second land-side joint SB.

このような構成とした場合にも、デバイス側接合部DCよりもSiC MOSFET Q1の動作時における温度が相対的に低い第2のランド側接合部SB側にソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を接続することで、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能となる。 Even in such a configuration, the source sense bonding wire SSW1 should be connected to the second land-side junction SB, which has a relatively lower temperature during operation of the SiC MOSFET Q1 than the device-side junction DC. Therefore, it is possible to reduce the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature, and it is possible to improve the heat resistance and reliability of the wire connection.

第13の実施の形態に係るPM1によれば、延長リードフレームSML1の長さに応じてモジュール(図示省略の樹脂モールド層)が長くなるものの、ゲート信号電極パターンGL1およびソース信号電極パターンSL1が接合部SB・DC間に存在するため、ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1およびゲート信号用ボンディングワイヤGW1のワイヤ長を共に短くできる。 According to PM1 according to the thirteenth embodiment, although the module (resin mold layer (not shown) becomes longer according to the length of the extended lead frame SML1, the gate signal electrode pattern GL1 and the source signal electrode pattern SL1 are bonded. Since it exists between the SB and DC, the wire lengths of the source sense bonding wire SSW1 and the gate signal bonding wire GW1 can both be shortened.

第13の実施の形態に示したPM1は、実施の形態に示す他のパワーモジュールにも適用可能である。 The PM1 shown in the thirteenth embodiment is also applicable to other power modules shown in the thirteenth embodiment.

[第14の実施の形態]
第14の実施の形態に係るPM1であって、1 in 1モジュールの模式的平面パターン構成は、図71(a)に示すように表わされ、図71(a)のXII-XII線に沿う模式的断面構造は、図71(b)に示すように表わされる。
[14th Embodiment]
In PM1 according to the fourteenth embodiment, the schematic plane pattern configuration of the 1 in 1 module is represented as shown in FIG. 71 (a) and is along the XII-XII line of FIG. 71 (a). The schematic cross-sectional structure is represented as shown in FIG. 71 (b).

ここで、図71(a)および図71(b)に示すように、第14の実施の形態に係るPM1は、絶縁基板20の構成を除けば、第8の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備えるので、重複説明を避け、異なる部分について説明する。 Here, as shown in FIGS. 71 (a) and 71 (b), the PM1 according to the 14th embodiment is almost the same as the PM1 according to the 8th embodiment except for the configuration of the insulating substrate 20. Since it has the same configuration, duplicate explanations will be avoided and different parts will be explained.

第14の実施の形態に係るPM1においては、図71(a)および図71(b)に示すように、導電性を有する金属板(例えば、厚銅基板)45を備える。厚銅基板45の上面(U)側には、はんだ層29を介して、SiC MOSFET(半導体デバイス) Q1が配置される。 In PM1 according to the fourteenth embodiment, as shown in FIGS. 71 (a) and 71 (b), a conductive metal plate (for example, a thick copper substrate) 45 is provided. A SiC MOSFET (semiconductor device) Q1 is arranged on the upper surface (U) side of the thick copper substrate 45 via the solder layer 29.

また、厚銅基板45は単体では絶縁状態を保持できないため、厚銅基板45のU側であって、SiC MOSFET Q1の両側には、無機系接着剤などからなる接着絶縁層43・44が配置されている。接着絶縁層43上には、ソース信号電極パターンSL1およびゲート信号電極パターンGL1が配置されている。接着絶縁層44上には、ソース電極パターン25S1が配置されている。 Further, since the thick copper substrate 45 cannot maintain the insulating state by itself, the adhesive insulating layers 43 and 44 made of an inorganic adhesive or the like are arranged on both sides of the SiC MOSFET Q1 on the U side of the thick copper substrate 45. Has been done. The source signal electrode pattern SL1 and the gate signal electrode pattern GL1 are arranged on the adhesive insulating layer 43. The source electrode pattern 25S1 is arranged on the adhesive insulating layer 44.

厚銅基板45の下面(D)側には、絶縁層(例えば、絶縁基板や絶縁樹脂シートなど)47を介して、水冷(液冷)式の冷却器49を配置するようにしても良い。冷却器49とした場合においては、冷媒として、熱伝導率の良い、例えば水、または水とエチレングリコールとを50%ずつの割合で混合させた混合液、若しくは冷却気体(冷気)などが用いられる。 A water-cooled (liquid-cooled) cooler 49 may be arranged on the lower surface (D) side of the thick copper substrate 45 via an insulating layer (for example, an insulating substrate, an insulating resin sheet, etc.) 47. In the case of the cooler 49, as the refrigerant, for example, water having good thermal conductivity, a mixed liquid in which water and ethylene glycol are mixed at a ratio of 50% each, or a cooling gas (cold air) is used. ..

すなわち、第14の実施の形態に係るPM1は、導電性の厚銅基板45と、厚銅基板45上に、接着絶縁層43・44を介して配置されたソース電極パターン25S1、ソース信号電極パターンSL1およびゲート信号電極パターンGL1と、表面に主パッド電極を有し、前記基板上に配置されるSiC MOSFET Q1と、ソースパッド電極SP1とソース電極パターン25S1との間に接続されたリードフレームSM1と、リードフレームSM1とソースパッド電極SP1とのデバイス側接合部DCと離隔し、デバイス側接合部DCよりもデバイス動作時における温度が相対的に低いリードフレームSM1とソース電極パターン25S1とのランド側接合部SCと、ソース信号電極パターンSL1との間に接続されたソースセンス用ボンディングワイヤSSW1とを備える。 That is, the PM1 according to the fourteenth embodiment has a conductive thick copper substrate 45, a source electrode pattern 25S1 arranged on the thick copper substrate 45 via the adhesive insulating layers 43 and 44, and a source signal electrode pattern. The SL1 and the gate signal electrode pattern GL1, the SiC MOSFET Q1 having the main pad electrode on the surface and arranged on the substrate, and the lead frame SM1 connected between the source pad electrode SP1 and the source electrode pattern 25S1. , The land-side junction between the lead frame SM1 and the source electrode pattern 25S1, which is separated from the device-side junction DC between the lead frame SM1 and the source pad electrode SP1 and whose temperature during device operation is relatively lower than that of the device-side junction DC. A source sense bonding wire SSW1 connected between the unit SC and the source signal electrode pattern SL1 is provided.

ソースセンス用ボンディングワイヤSSW1は、一端が、ソース信号電極パターンSL1に接続され、他端が、ランド側接合部SC側において、リードフレームSM1またはソース電極パターン25S1と接続される。 One end of the source sense bonding wire SSW1 is connected to the source signal electrode pattern SL1, and the other end is connected to the lead frame SM1 or the source electrode pattern 25S1 on the land side bonding portion SC side.

第14の実施の形態に係るPM1は、SiC MOSFET Q1の表面のゲートパッド電極GP1とゲート信号電極パターンGL1との間がゲート信号用ボンディングワイヤGW1により接続される。 In the PM1 according to the fourteenth embodiment, the gate pad electrode GP1 on the surface of the SiC MOSFET Q1 and the gate signal electrode pattern GL1 are connected by a gate signal bonding wire GW1.

第14の実施の形態に係るPM1によっても、ソースパワーライン配線用の主配線にリードフレームSM1を適用し、デバイス側接合部DCよりもSiC MOSFET Q1の動作時における温度が相対的に低いランド側接合部SC側にソースセンス用ボンディングワイヤSSW1を接続することで、高温になる動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続性に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能となる。 Also in PM1 according to the fourteenth embodiment, the lead frame SM1 is applied to the main wiring for the source power line wiring, and the land side where the temperature during operation of the SiC MOSFET Q1 is relatively lower than that of the device side junction DC. By connecting the source sense bonding wire SSW1 to the joint SC side, it is possible to reduce the influence of heat on the wire connection due to the operation of high temperature, and it is possible to improve the heat resistance and reliability of the wire connectivity. Become.

また、第14の実施の形態に係るPM1によれば、厚銅基板45の採用により、低コストで、基板全体の反りを低減可能となる。 Further, according to PM1 according to the fourteenth embodiment, the adoption of the thick copper substrate 45 makes it possible to reduce the warp of the entire substrate at low cost.

なお、第14の実施の形態に示したPM1は、第8~第14の実施の形態に示す他のパワーモジュールにも適用可能である。 The PM1 shown in the 14th embodiment can be applied to other power modules shown in the 8th to 14th embodiments.

(パワーモジュールの具体例)
以下に、第8~第14の実施の形態に係るPMの具体例について説明する。もちろん、以下に説明するPMにおいても、ソースパワーライン配線用の主配線となるリードフレームSMを採用し、リードフレームSMのランド側接合部SC・SBとソース信号電極パターンSLとの間を接続するソースセンス用ボンディングワイヤSSWを備えている。ソースパワーライン配線用の主配線としては、配線リード部30SMや延長リードフレームSMLであっても良い。
(Specific example of power module)
Hereinafter, specific examples of PM according to the eighth to fourteenth embodiments will be described. Of course, also in the PM described below, the lead frame SM which is the main wiring for the source power line wiring is adopted, and the land side junction SC / SB of the lead frame SM and the source signal electrode pattern SL are connected. A bonding wire SSW for source sense is provided. The main wiring for the source power line wiring may be a wiring lead portion 30SM or an extension lead frame SML.

なお、上述した第8~第14の実施の形態のうちのいくつかの実施の形態においては、半導体デバイスとして、SiC MOSFETを例に説明したが、PM内に配置されるパワー素子(スイッチング素子)は、SiC MOSFET以外の素子であってもよい。 Although a SiC MOSFET has been described as an example as a semiconductor device in some of the above-described eighth to fourteenth embodiments, a power element (switching element) arranged in the PM has been described as an example. May be an element other than the SiC MOSFET.

たとえば、スイッチング素子としては、Si-IGBT、SiC-IGBT、SiC-バイポーラトランジスタ、SiC-JFETなどであってもよい。 For example, the switching element may be a SiC-IGBT, a SiC-IGBT, a SiC-bipolar transistor, a SiC-JFET, or the like.

図32において、スイッチング素子がSiC-IGBTの場合には、ソースパッド電極SP、ドレイン電極38、ゲートパッド電極GPおよびソースセンスパッド電極SSPが、それぞれ、SiC-IGBTのエミッタパッド電極、コレクタ電極、ゲートパッド電極およびエミッタセンスパッド電極に対応する。 In FIG. 32, when the switching element is a SiC-IGBT, the source pad electrode SP, the drain electrode 38, the gate pad electrode GP, and the source sense pad electrode SSP are the emitter pad electrode, collector electrode, and gate of the SiC-IGBT, respectively. Corresponds to pad electrodes and emitter sense pad electrodes.

また、スイッチング素子がSiC-バイポーラトランジスタの場合には、ソースパッド電極SP、ドレイン電極38、ゲートパッド電極GPおよびソースセンスパッド電極SSPが、それぞれ、SiC-バイポーラトランジスタのエミッタパッド電極、コレクタ電極、ベースパッド電極およびエミッタセンスパッド電極に対応する(図示省略)。 When the switching element is a SiC-bipolar transistor, the source pad electrode SP, the drain electrode 38, the gate pad electrode GP, and the source sense pad electrode SSP are the emitter pad electrode, collector electrode, and base of the SiC-bipolar transistor, respectively. Corresponds to pad electrodes and emitter sense pad electrodes (not shown).

第8~第14の実施の形態に係るPMとしては、1 in 1モジュールタイプ、2 in 1モジュールタイプ、および6 in 1モジュールタイプのPMに限らず、例えば、4 in 1(フォーインワン)モジュールタイプのPMや、6 in 1モジュールにスナバコンデンサなどを備えた7 in 1(セブンインワン)モジュールタイプのPM、8 in 1(エイトインワン)モジュールタイプのPM、12 in 1(トゥエルブインワン)モジュールタイプのPM、14 in 1(フォーティーンインワン)モジュールタイプのPMなどにも適用できる。 The PM according to the eighth to fourteenth embodiments is not limited to the 1 in 1 module type, the 2 in 1 module type, and the 6 in 1 module type PM, and is not limited to, for example, a 4 in 1 (four-in-one) module type. PM, 7 in 1 (seven in one) module type PM equipped with a snubber capacitor in 6 in 1 module, 8 in 1 (eight in one) module type PM, 12 in 1 (twelve in one) module type PM , 14 in 1 (fourteen in one) It can also be applied to module type PM.

(半導体デバイスの具体例)
第8~第14の実施の形態に係るPMであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュールタイプのPM50のSiC MOSFETの模式的回路表現は、図28に示すように表される。
(Specific examples of semiconductor devices)
Schematic circuit representations of the 1 in 1 module type PM50 SiC MOSFETs of the PMs according to the eighth to fourteenth embodiments, which are applicable as semiconductor devices, are shown as shown in FIG. 28.

図28には、SiC MOSFET Qに逆並列接続されるダイオードDIが示されている。SiC MOSFET Qの主電極は、ドレイン端子DTおよびソース端子STで表される。また、第8~第14の実施の形態に係るPMであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のIGBTを(図示せず)を実現することもできる。 FIG. 28 shows a diode DI connected in antiparallel to the SiC MOSFET Q. The main electrode of the SiC MOSFET Q is represented by a drain terminal DT and a source terminal ST. Further, it is also possible to realize (not shown) the IGBT of the 1 in 1 module 50 which is the PM according to the 8th to 14th embodiments and can be applied as a semiconductor device.

また、第8~第14の実施の形態に係るPMであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュールタイプのPM50のSiC MOSFETの詳細回路表現は、図29に示すように表される。 Further, the detailed circuit representation of the 1 in 1 module type PM50 SiC MOSFET which is the PM according to the 8th to 14th embodiments and can be applied as a semiconductor device is shown as shown in FIG. 29.

第8~第14の実施の形態に係るPMは、例えば、半導体デバイスが1 in 1モジュールタイプのPM50の構成を備える。すなわち、複数個のMOSFETセルを並列接続したSiC MOSFET Qが1つのモジュールに内蔵されている。また、1つのモジュール内に複数個のSiC MOSFETチップを搭載可能であり、一例として、5チップ(MOSFET×5)を並列接続可能である。なお、5チップの内、一部をダイオードDI用として搭載することも可能である。 The PM according to the eighth to fourteenth embodiments includes, for example, a PM50 in which the semiconductor device is a 1 in 1 module type. That is, a SiC MOSFET Q in which a plurality of MOSFET cells are connected in parallel is built in one module. Further, a plurality of SiC MOSFET chips can be mounted in one module, and as an example, 5 chips (MOSFETs × 5) can be connected in parallel. It is also possible to mount a part of the five chips for diode DI.

さらに詳細には、図29に示すように、SiC MOSFET Qに並列にセンス用MOSFET Qsが接続される。センス用MOSFET Qsは、SiC MOSFET Qと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。 More specifically, as shown in FIG. 29, sense MOSFETs Qs are connected in parallel with the SiC MOSFET Q. The sense MOSFET Qs are formed as fine transistors in the same chip as the SiC MOSFET Q.

図29において、SSは、ソースセンス端子、CSは、電流(カレント)センス端子であり、Gは、ゲート端子である。なお、第8~第14の実施の形態においても、SiC MOSFET Qには、センス用MOSFET Qsが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されていても良い。 In FIG. 29, SS is a source sense terminal, CS is a current sense terminal, and G is a gate terminal. Also in the eighth to fourteenth embodiments, the sense MOSFET Qs may be formed as fine transistors in the same chip in the SiC MOSFET Q.

(回路構成)
次に、第8~第14の実施の形態に係るPMにおいて、半導体デバイスの回路構成例について、より具体的に説明する。
(Circuit configuration)
Next, in PM according to the 8th to 14th embodiments, a circuit configuration example of a semiconductor device will be described more specifically.

ここでは、第8~第14の実施の形態に係るPMの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、2個の半導体デバイスが1つのモールド樹脂内に封止されたPM、いわゆる2 in 1モジュールタイプのPMについて説明する。 Here, it is a module applicable as a semiconductor device of PM according to the 8th to 14th embodiments, and is a PM in which two semiconductor devices are sealed in one mold resin, a so-called 2 in 1 module. The type of PM will be described.

半導体デバイスとして、SiC MOSFET Q1・Q4を適用した2 in 1モジュールタイプのPM(2 in 1モジュール)130Aの回路構成は、例えば図30に示すように表わされる。 The circuit configuration of the 2 in 1 module type PM (2 in 1 module) 130A to which the SiC MOSFETs Q1 and Q4 are applied as the semiconductor device is shown, for example, as shown in FIG.

すなわち、2 in 1モジュール130Aは、図30に示すように、2個のSiC MOSFET Q1・Q4が1つのモジュールとして内蔵された、ハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。 That is, as shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A includes a half-bridge built-in module in which two SiC MOSFETs Q1 and Q4 are built in as one module.

ここで、モジュールは、1つの大きなトランジスタとみなすことができるが、内蔵されているトランジスタが1チップまたは複数チップの場合がある。すなわち、モジュールには、1 in 1、2 in 1、4 in 1、6 in 1などがあり、例えば、1つのモジュール上において、2個分のトランジスタ(チップ)を内蔵したモジュールは2 in 1、2 in 1を2組み内蔵したモジュールは4 in 1、2 in 1を3組み内蔵したモジュールは6 in 1と呼ばれている。 Here, the module can be regarded as one large transistor, but the built-in transistor may be one chip or a plurality of chips. That is, there are 1 in 1, 2 in 1, 4 in 1, 6 in 1 modules, etc. For example, a module containing two transistors (chips) on one module is 2 in 1, A module containing two sets of 2 in 1 is called 4 in 1, and a module containing three sets of 2 in 1 is called 6 in 1.

図30に示すように、2 in 1モジュール130Aは、2個のSiC MOSFET Q1・Q4と、SiC MOSFET Q1・Q4に逆並列接続されるダイオードDI1・DI4が、1つのモジュールとして内蔵されている。なお、ダイオードDI1・DI4は、寄生ダイオードを用いることにより省略することもできる。 As shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A contains two SiC MOSFETs Q1 and Q4 and diodes DI1 and DI4 connected in antiparallel to the SiC MOSFETs Q1 and Q4 as one module. The diodes DI1 and DI4 can be omitted by using a parasitic diode.

図30において、G1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号用のリード端子(いわゆる、ゲート端子)であり、S1は、SiC MOSFET Q1のソース信号用のリード端子(いわゆる、ソースセンス端子)である。同様に、G4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号用のリード端子であり、S4は、SiC MOSFET Q4のソース信号用のリード端子である。 In FIG. 30, G1 is a lead terminal (so-called gate terminal) for the gate signal of the SiC MOSFET Q1, and S1 is a lead terminal (so-called source sense terminal) for the source signal of the SiC MOSFET Q1. Similarly, G4 is a lead terminal for the gate signal of the SiC MOSFET Q4, and S4 is a lead terminal for the source signal of the SiC MOSFET Q4.

また、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極である。 Further, P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode.

また、第8~第14の実施の形態に係るパワーモジュールの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、半導体デバイスQ1・Q4として、IGBTを適用した2 in 1モジュール(図示せず)を実現することもできる。 Further, it is a module applicable as a semiconductor device of the power module according to the 8th to 14th embodiments, and realizes a 2 in 1 module (not shown) to which an IGBT is applied as the semiconductor devices Q1 and Q4. You can also do it.

また、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極である。 Further, P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode.

図69に示す、第12の実施の形態に係るPM2に適用可能な半導体デバイス(Q2・Q5)、および半導体デバイス(Q3・Q6)についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices (Q2 and Q5) and the semiconductor devices (Q3 and Q6) applicable to PM2 according to the twelfth embodiment shown in FIG. 69.

(デバイス構造)
第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q1・Q4)の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MOSFET 130Aの模式的断面構造は、図31に示すように表わされる。
(Device structure)
An example of the semiconductor devices (Q1 and Q4) applicable to the PM according to the eighth to fourteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC MOSFET 130A including the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP is as follows. It is represented as shown in FIG.

図31に示すように、SiC MOSFET 130Aは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 As shown in FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is formed on the surface of the semiconductor layer 31 composed of the n-high resistance layer, the p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図31に示すように、SiC MOSFET 130Aの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 31, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the SiC MOSFET 130A.

なお、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。 Although not shown, a transistor structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP.

さらに、図31に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にソースパッド電極SPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 31, in the transistor structure in the central portion, the source pad electrode SP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図31において、SiC MOSFET 130Aは、プレーナゲート型のnチャネル縦型SiC MOSFETで構成されているが、後述する図34に示すように、トレンチゲート型のnチャネル縦型SiC T MOSFET 130Cなどで構成されていても良い。 In FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is composed of a planar gate type n-channel vertical SiC MOSFET, but as shown in FIG. 34 described later, it is configured by a trench gate type n-channel vertical SiC T MOSFET 130C or the like. It may have been done.

または、第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスとしては、SiC MOSFET 130Aの代わりに、GaN系FETなどを採用することもできる。 Alternatively, as the semiconductor device applicable to the PM according to the eighth to fourteenth embodiments, a GaN-based FET or the like can be adopted instead of the SiC MOSFET 130A.

第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q2・Q5、Q3・Q6)についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices (Q2 / Q5, Q3 / Q6) applicable to the PM according to the eighth to fourteenth embodiments.

さらには、第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスQ1~Q6には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV~8eVのワイドバンドギャップ型と称される半導体を用いることができる。 Further, the semiconductor devices Q1 to Q6 applicable to the PM according to the eighth to fourteenth embodiments include semiconductors having a bandgap energy of, for example, 1.1 eV to 8 eV, which is called a wide bandgap type. Can be used.

同様に、第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q1・Q4)の例であって、エミッタパッド電極EP、ゲートパッド電極GPを含むIGBT 130Bの模式的断面構造は、図32に示すように表わされる。 Similarly, it is an example of semiconductor devices (Q1 and Q4) applicable to PM according to the eighth to fourteenth embodiments, and is a schematic cross-sectional structure of an IGBT 130B including an emitter pad electrode EP and a gate pad electrode GP. Is represented as shown in FIG.

図32に示すように、IGBT 130Bは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたエミッタ領域33Eと、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eと、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたp+ コレクタ領域37Pと、p+ コレクタ領域37Pに接続されたコレクタ電極38Cとを備える。 As shown in FIG. 32, the IGBT 130B has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and an emitter formed on the surface of the p-body region 32. Connected to the region 33E, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p-body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter region 33E and the p-body region 32. The emitter electrode 36E is provided, a p + collector region 37P arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a collector electrode 38C connected to the p + collector region 37P.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、エミッタパッド電極EPは、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eに接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPは、図32に示すように、IGBT 130Bの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter pad electrode EP is connected to the emitter electrode 36E connected to the emitter region 33E and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 32, the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the IGBT 130B.

なお、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のIGBT構造が形成されていても良い。 Although not shown, an IGBT structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP.

さらに、図32に示すように、中央部のIGBT構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にエミッタパッド電極EPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 32, even in the central IGBT structure, the emitter pad electrode EP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図32において、IGBT 130Bは、プレーナゲート型のnチャネル縦型IGBTで構成されているが、トレンチゲート型のnチャネル縦型IGBTなどで構成されていても良い。 In FIG. 32, the IGBT 130B is composed of a planar gate type n-channel vertical IGBT, but may be composed of a trench gate type n-channel vertical IGBT or the like.

第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q2・Q5、Q3・Q6)についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices (Q2 / Q5, Q3 / Q6) applicable to the PM according to the eighth to fourteenth embodiments.

半導体デバイスQ1~Q6としては、SiC DI MOSFET、SiC T MOSFETなどのSiC系パワーデバイス、或いはGaN系HEMTなどのGaN系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Si系MOSFETやIGBTなどのパワーデバイスも適用可能である。 As the semiconductor devices Q1 to Q6, a SiC-based power device such as a SiC DI MOSFET or a SiC T MOSFET, or a GaN-based power device such as a GaN-based HEMT can be applied. In some cases, power devices such as Si-based MOSFETs and IGBTs can also be applied.

―SiC DI MOSFET―
第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC DI MOSFET 130Dの模式的断面構造は、図33に示すように表わされる。
―SiC DI MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to PM according to the eighth to fourteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC DI MOSFET 130D is represented as shown in FIG. 33.

図33に示すSiC DI MOSFET 130Dは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC DI MOSFET 130D shown in FIG. 33 has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and n + formed on the surface of the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図33において、SiC DI MOSFET 130Dは、pボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33が、ダブルイオン注入(DII)で形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 33, in the SiC DI MOSFET 130D, a p-body region 32 and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32 are formed by double ion implantation (DII), and the source pad electrode SP is a source. It is connected to the source electrode 36 connected to the region 33 and the p-body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図33に示すように、SiC DI MOSFET 130Dの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 33, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 so as to cover the surface of the SiC DI MOSFET 130D.

SiC DI MOSFET 130Dは、図33に示すように、pボディ領域32に挟まれたn- 高抵抗層からなる半導体層31内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETが形成される。また、pボディ領域32/半導体層31間には、図33に示すように、ボディダイオードBDが形成される。 As shown in FIG. 33, the SiC DI MOSFET 130D is a junction type because a depletion layer as shown by a broken line is formed in a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer sandwiched between p body regions 32. A channel resistance R JFET is formed due to the FET (JFET) effect. Further, as shown in FIG. 33, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31.

―SiC T MOSFET―
第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC T MOSFETの模式的断面構造は、図34に示すように表わされる。
―SiC T MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to the PM according to the eighth to fourteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC T MOSFET is represented as shown in FIG. 34.

図34に示すSiC T MOSFET 130Cは、n層からなる半導体層31Nと、半導体層31Nの表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介して形成されたトレンチゲート電極35TGと、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31Nの表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC T MOSFET 130C shown in FIG. 34 has a semiconductor layer 31N composed of n layers, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31N, and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32. The trench gate electrode 35TG formed through the p-body region 32 and formed through the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B in the trench formed up to the semiconductor layer 31N, and the source region 33 and the p-body region. It includes a source electrode 36 connected to 32, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31N, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図34において、SiC T MOSFET 130Cは、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介してトレンチゲート電極35TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 34, the SiC T MOSFET 130C penetrates the p-body region 32, and the trench gate electrode 35TG is formed in the trench formed up to the semiconductor layer 31N via the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B. The source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたトレンチゲート電極35TGに接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図34に示すように、SiC T MOSFET 130Cの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39U上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the trench gate electrode 35TG arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 34, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39U so as to cover the surface of the SiC T MOSFET 130C.

SiC T MOSFET 130Cでは、SiC DI MOSFET 130Dのような接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETは形成されない。また、pボディ領域32/半導体層31N間には、図33と同様に、ボディダイオードBDが形成される。 In the SiC T MOSFET 130C, the channel resistance R JFET associated with the junction FET (JFET) effect such as the SiC DI MOSFET 130D is not formed. Further, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31N, as in FIG. 33.

(応用例)
第8~第14の実施の形態に係るPMを用いて構成される3相交流インバータ40Aであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成例は、図35に示すように表わされる。
(Application example)
It is a three-phase AC inverter 40A configured by using PM according to the eighth to fourteenth embodiments, a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, and a snubber capacitor C is connected between a power supply terminal PL and a ground terminal NL. An example of the circuit configuration is shown in FIG. 35.

同様に、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した3相交流インバータ(図示せず)を実現することもできる。 Similarly, an IGBT can be applied as a semiconductor device to realize a three-phase AC inverter (not shown) in which a snubber capacitor C is connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

PMを電源Eと接続し、スイッチング動作を行うと、SiC MOSFETやIGBTのスイッチング速度が速いため、接続ラインの有するインダクタンスLによって、大きなサージ電圧-Ldi/dtを生ずる。例えば、電流変化di=300Aとし、スイッチングに伴う時間変化dt=100nsecとすると、di/dt=3×10(A/s)となる。 When the PM is connected to the power supply E and the switching operation is performed, since the switching speed of the SiC MOSFET or the IGBT is high, a large surge voltage −Ldi / dt is generated by the inductance L of the connection line. For example, if the current change di = 300A and the time change dt = 100nsec accompanying switching, then di / dt = 3 × 10 9 (A / s).

インダクタンスLの値により、サージ電圧-Ldi/dtの値は変化するが、電源Eに、このサージ電圧-Ldi/dtが重畳される。電源端子PL・接地端子NL間に接続されるスナバコンデンサCは、このサージ電圧-Ldi/dtの大きさに影響するインダクタンスLの値を低減することを目的に設けられる。 The value of the surge voltage −Ldi / dt changes depending on the value of the inductance L, but the surge voltage −Ldi / dt is superimposed on the power supply E. The snubber capacitor C connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL is provided for the purpose of reducing the value of the inductance L that affects the magnitude of the surge voltage −Ldi / dt.

(具体例)
次に、図36を参照して、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、第8~第14の実施の形態に係るPMを用いて構成した3相交流インバータ42Aについて説明する。
(Concrete example)
Next, with reference to FIG. 36, a three-phase AC inverter 42A configured by applying a SiC MOSFET as a semiconductor device and using PM according to the eighth to fourteenth embodiments will be described.

図36に示すように、3相交流インバータ42Aは、ゲートドライバ(GD)180に接続されたパワーモジュール部130と、3相交流モータ部51と、電源、若しくは蓄電池(E)53と、コンバータ55とを備える。パワーモジュール部130は、3相交流モータ部51のU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。 As shown in FIG. 36, the three-phase AC inverter 42A includes a power module unit 130 connected to the gate driver (GD) 180, a three-phase AC motor unit 51, a power supply, or a storage battery (E) 53, and a converter 55. And prepare. The power module unit 130 is connected to a U-phase, V-phase, and W-phase inverter corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-phase AC motor unit 51.

パワーモジュール部130は、電源、若しくは蓄電池(E)53が接続されたコンバータ55のプラス端子(+)Pとマイナス端子(-)Nとの間に接続されると共に、インバータ構成のSiC MOSFET Q1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6を備え、GD180からの制御信号は、SiC MOSFET Q1・Q4、SiC MOSFET Q2・Q5、およびSiC MOSFET Q3・Q6のゲートにそれぞれ供給される。また、SiC MOSFET Q1~Q6のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードDI1~DI6がそれぞれ逆並列に接続されている。 The power module unit 130 is connected between the positive terminal (+) P and the negative terminal (-) N of the converter 55 to which the power supply or the storage battery (E) 53 is connected, and the SiC MOSFET Q1 with an inverter configuration. It includes Q4, Q2 / Q5, and Q3 / Q6, and the control signal from the GD180 is supplied to the gates of the SiC MOSFETs Q1 / Q4, the SiC MOSFETs Q2 / Q5, and the SiC MOSFETs Q3 / Q6, respectively. Further, freewheel diodes DI1 to DI6 are connected in antiparallel between the source and drain of the SiC MOSFETs Q1 to Q6, respectively.

また、図示しないが、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、第8~第14の実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータを実現することもできる。 Further, although not shown, it is also possible to apply an IGBT as a semiconductor device and realize a three-phase AC inverter configured by using the power module according to the eighth to fourteenth embodiments.

以上説明したように、第8~第14の実施の形態によれば、高温での動作によるワイヤ接続への熱の影響を軽減でき、ワイヤ接続に対する高耐熱化および信頼性を向上させることが可能なPMおよびその製造方法を実現できる。 As described above, according to the eighth to fourteenth embodiments, it is possible to reduce the influence of heat on the wire connection due to the operation at a high temperature, and to improve the heat resistance and reliability of the wire connection. PM and its manufacturing method can be realized.

なお、第8~第14の実施の形態に係るPMにおいて、半導体デバイスとして適用可能なモジュールとしては、例えば、3電力端子構造などのパワーモジュールであっても良い。 In the PM according to the eighth to fourteenth embodiments, the module applicable as a semiconductor device may be, for example, a power module having a three-power terminal structure.

また、第8~第14の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスとしては、SiC系パワーデバイスに限らず、GaN系やSi系のパワーデバイスなどのワイドバンドギャップ型と称されるパワーデバイスも採用可能である。 Further, the semiconductor device applicable to the PM according to the 8th to 14th embodiments is not limited to the SiC-based power device, but is a power called a wide bandgap type such as a GaN-based power device or a Si-based power device. Devices can also be adopted.

また、第8~第14の各実施の形態に係るPMは、1 in 1モジュールや2 in 1モジュール、または6 in 1モジュールによらず、いずれも、4 in 1モジュールタイプのPMや、7 in 1モジュールタイプのPM、8 in 1モジュールタイプのPM、12 in 1モジュールタイプのPM、14 in 1モジュールタイプのPMなどにも適用できる。 Further, the PM according to each of the 8th to 14th embodiments is not limited to the 1 in 1 module, the 2 in 1 module, or the 6 in 1 module, and all of them are the 4 in 1 module type PM and the 7 in. It can also be applied to 1-module type PM, 8 in 1 module type PM, 12 in 1 module type PM, 14 in 1 module type PM, and the like.

[第15の実施の形態]
(基本構成)
第15の実施の形態に係るパワーモジュール(PM)1の模式的平面パターン構成は図72(a)に示すように表わされ、図72(a)のXIII-XIII線に沿う模式的断面構造は図72(b)に示すように表される。なお、図72(a)および図72(b)では、複数の半導体デバイス(パワートランジスタデバイス)Qの一例として、例えば3個の半導体デバイス(モジュール)Q11・Q12・Q13を搭載した場合が例示されている。
[Fifteenth Embodiment]
(Basic configuration)
The schematic planar pattern configuration of the power module (PM) 1 according to the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 72 (a), and has a schematic cross-sectional structure along the line XIII-XIII of FIG. 72 (a). Is represented as shown in FIG. 72 (b). In addition, in FIG. 72 (a) and FIG. 72 (b), the case where three semiconductor devices (modules) Q11, Q12, and Q13 are mounted is exemplified as an example of a plurality of semiconductor devices (power transistor devices) Q. ing.

第15の実施の形態に係るPM1は、図72(b)に示すように、絶縁層21と、絶縁層21上に配置され、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板18GHと、グラファイト基板18GH上に配置され、動作時に発熱する半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備える。 As shown in FIG. 72B, PM1 according to the fifteenth embodiment includes an insulating layer 21, a graphite substrate 18GH arranged on the insulating layer 21 and having an anisotropic thermal conductivity, and a graphite substrate. It includes semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 that are arranged on 18GH and generate heat during operation.

グラファイト基板18GHは、表面にグラファイト基板の表面電極層23を備える。すなわち、グラファイト基板18GHは一方の面を金属と接合された複合材を備えていても良い。 The graphite substrate 18GH is provided with a surface electrode layer 23 of the graphite substrate on the surface thereof. That is, the graphite substrate 18GH may include a composite material having one surface bonded to a metal.

半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、表面電極層23と銀焼成層27を介して接合されていても良い。 The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 may be bonded to each other via the surface electrode layer 23 and the silver fired layer 27.

また、グラファイト基板18GHのグラファイトは厚み方向に高熱伝導率が配向されている。 Further, the graphite of the graphite substrate 18GH is oriented with high thermal conductivity in the thickness direction.

絶縁層21はセラミックス基板を備えていても良い。また、セラミックス基板の裏面には、銅箔層22が配置されていても良い。すなわち、絶縁層21はセラミックス基板と金属の複合材を備えていても良い。 The insulating layer 21 may include a ceramic substrate. Further, the copper foil layer 22 may be arranged on the back surface of the ceramic substrate. That is, the insulating layer 21 may include a ceramic substrate and a metal composite material.

(変形例1)
第15の実施の形態の変形例1に係るPM1であって、図72(a)と同様の模式的平面パターン構成のXIII-XIII線に沿う模式的断面構造は、図73(a)に示すように表される。なお、図73(a)では、複数の半導体デバイス(パワートランジスタデバイス)Qの一例として、例えば3個の半導体デバイス(モジュール)Q11・Q12・Q13を搭載した場合が例示されている。
(Modification 1)
FIG. 73 (a) shows PM1 according to the first modification of the fifteenth embodiment, and the schematic cross-sectional structure along the line XIII-XIII having the same schematic planar pattern configuration as that of FIG. 72 (a). It is expressed as. In addition, in FIG. 73A, as an example of a plurality of semiconductor devices (power transistor devices) Q, for example, a case where three semiconductor devices (modules) Q11, Q12, and Q13 are mounted is exemplified.

第15の実施の形態の変形例1に係るPM1は、図73(a)に示すように、絶縁層21と、絶縁層21上に配置されたグラファイト基板18GHと、グラファイト基板18GH上に配置された半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備える。 As shown in FIG. 73A, the PM1 according to the first modification of the fifteenth embodiment is arranged on the insulating layer 21, the graphite substrate 18GH arranged on the insulating layer 21, and the graphite substrate 18GH. The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are provided.

グラファイト基板18GHは、表面にグラファイト基板の表面電極層23を備える。また、グラファイト基板18GHは、裏面にグラファイト基板の裏面電極層24を備える。すなわち、グラファイト基板18GHは表面・裏面の両方の面を金属と接合された複合材を備えていても良い。 The graphite substrate 18GH is provided with a surface electrode layer 23 of the graphite substrate on the surface thereof. Further, the graphite substrate 18GH is provided with a back surface electrode layer 24 of the graphite substrate on the back surface. That is, the graphite substrate 18GH may include a composite material in which both the front surface and the back surface are bonded to a metal.

半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、表面電極層23と銀焼成層27を介して接合されていても良い。 The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 may be bonded to each other via the surface electrode layer 23 and the silver fired layer 27.

グラファイト基板18GHのグラファイトは厚み方向に高熱伝導率が配向されている。 The graphite of the graphite substrate 18GH is oriented with high thermal conductivity in the thickness direction.

また、図73(a)に示すように、絶縁層21とグラファイト基板18GHは、熱伝導層25を介して接触している。 Further, as shown in FIG. 73A, the insulating layer 21 and the graphite substrate 18GH are in contact with each other via the heat conductive layer 25.

絶縁層21はセラミックス基板を備えていても良い。また、セラミックス基板は、裏面にセラミックス基板の裏面電極層22を備えていても良い。すなわち、絶縁層21はセラミックス基板と金属の複合材を備えていても良い。 The insulating layer 21 may include a ceramic substrate. Further, the ceramic substrate may be provided with the back surface electrode layer 22 of the ceramic substrate on the back surface. That is, the insulating layer 21 may include a ceramic substrate and a metal composite material.

熱伝導層25は、熱伝導シート層、半田層、若しくは銀焼成層のいずれかを備えていても良い。 The heat conductive layer 25 may include any of a heat conductive sheet layer, a solder layer, and a silver fired layer.

セラミックス基板は、Al23、Si34、若しくはAlNのいずれかを備えていても良い。 The ceramic substrate may include any of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , or Al N.

(変形例2)
第15の実施の形態の変形例2に係るPM1であって、図72(a)と同様の模式的平面パターン構成のXIII-XIII線に沿う模式的断面構造は、図73(b)に示すように表される。なお、図73(b)では、複数の半導体デバイス(パワートランジスタデバイス)Qの一例として、例えば3個の半導体デバイス(モジュール)Q11・Q12・Q13を搭載した場合が例示されている。
(Modification 2)
FIG. 73 (b) shows PM1 according to the second modification of the fifteenth embodiment, and the schematic cross-sectional structure along the line XIII-XIII having the same schematic planar pattern configuration as that of FIG. 72 (a). It is expressed as. In addition, in FIG. 73B, as an example of a plurality of semiconductor devices (power transistor devices) Q, for example, a case where three semiconductor devices (modules) Q11, Q12, and Q13 are mounted is exemplified.

第15の実施の形態の変形例2に係るPM1は、図73(b)に示すように、絶縁層21と、絶縁層21上に配置されたグラファイト基板18GHと、グラファイト基板18GH上に配置された半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備える。 As shown in FIG. 73B, PM1 according to the second modification of the fifteenth embodiment is arranged on the insulating layer 21, the graphite substrate 18GH arranged on the insulating layer 21, and the graphite substrate 18GH. The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are provided.

グラファイト基板18GHは、表面にグラファイト基板の表面電極層23を備える。また、グラファイト基板18GHは、裏面にグラファイト基板の裏面電極層24を備える。すなわち、グラファイト基板18GHは表面・裏面の両方の面を金属と接合された複合材を備えていても良い。 The graphite substrate 18GH is provided with a surface electrode layer 23 of the graphite substrate on the surface thereof. Further, the graphite substrate 18GH is provided with a back surface electrode layer 24 of the graphite substrate on the back surface. That is, the graphite substrate 18GH may include a composite material in which both the front surface and the back surface are bonded to a metal.

半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、表面電極層23と銀焼成層27を介して接合されていても良い。 The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 may be bonded to each other via the surface electrode layer 23 and the silver fired layer 27.

グラファイト基板18GHのグラファイトは厚み方向に高熱伝導率が配向されている。 The graphite of the graphite substrate 18GH is oriented with high thermal conductivity in the thickness direction.

また、図73(b)に示すように、絶縁層21とグラファイト基板18GHは、熱伝導層25を介して接触している。 Further, as shown in FIG. 73 (b), the insulating layer 21 and the graphite substrate 18GH are in contact with each other via the heat conductive layer 25.

絶縁層21はセラミックス基板を備えていても良い。また、セラミックス基板の表面には、セラミックス基板の表面電極層36が配置され、裏面には、セラミックス基板の裏面電極層22が配置されていても良い。結果として、絶縁層21はセラミックス基板と金属の複合材を備え、DBC基板を備えていても良い。 The insulating layer 21 may include a ceramic substrate. Further, the front surface electrode layer 36 of the ceramic substrate may be arranged on the front surface of the ceramic substrate, and the back surface electrode layer 22 of the ceramic substrate may be arranged on the back surface. As a result, the insulating layer 21 includes a ceramic substrate and a metal composite material, and may include a DBC substrate.

熱伝導層25は、熱伝導シート層、半田層、若しくは銀焼成層のいずれかを備えていても良い。 The heat conductive layer 25 may include any of a heat conductive sheet layer, a solder layer, and a silver fired layer.

セラミックス基板は、Al23、Si34、若しくはAlNのいずれかを備えていても良い。 The ceramic substrate may include any of Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , or Al N.

第15の実施の形態およびその変形例1・2に係るPM1は、グラファイト基板18GHと絶縁層(セラミックス基板)との貼り合せ構造を備える。 The PM1 according to the fifteenth embodiment and the first and second modifications thereof has a laminated structure of a graphite substrate 18GH and an insulating layer (ceramic substrate).

第15の実施の形態およびその変形例1・2に係るPM1は、グラファイトプレートに対して、低コストのセラミックス基板、例えばAl23を貼り合せたDBC基板を用いたパワーモジュール構造を備えていても良い。また、貼り合せ方として、カーボンシートや半田層、若しくは銀焼成層で接合するような縦構造を備えていても良い。これにより、低コストかつ信頼性を確保した基板構造が得られる。また、グラファイトプレートとAl23のセラミックス基板をロウ付けなどで接合する縦構造を備えていても良い。 The PM1 according to the fifteenth embodiment and the modifications 1 and 2 thereof has a power module structure using a low-cost ceramic substrate, for example, a DBC substrate to which Al 2 O 3 is bonded to a graphite plate. May be. Further, as a bonding method, a vertical structure may be provided such that the carbon sheet, the solder layer, or the silver fired layer is used for bonding. As a result, a substrate structure that ensures low cost and reliability can be obtained. Further, it may have a vertical structure in which a graphite plate and an Al 2 O 3 ceramic substrate are joined by brazing or the like.

(第15の実施の形態における比較例1)
第15の実施の形態における比較例1に係るPM1Aの模式的断面構造は、図74(a)に示すように表される。なお、図74(a)では、複数の半導体デバイス(パワートランジスタデバイス)Qの一例として、例えば3個の半導体デバイス(モジュール)Q11・Q12・Q13を搭載した場合が示されている。
(Comparative Example 1 in the Fifteenth Embodiment)
The schematic cross-sectional structure of PM1A according to Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 74 (a). Note that FIG. 74 (a) shows, for example, a case where three semiconductor devices (modules) Q11, Q12, and Q13 are mounted as an example of a plurality of semiconductor devices (power transistor devices) Q.

第15の実施の形態における比較例1に係るPM1Aは、図74(a)に示すように、絶縁層21Nと、絶縁層21Nの表面に配置された厚銅層22Uと、絶縁層21Nの裏面に配置された厚銅層22Dと、厚銅層22U上に半田層27Sを介して配置された半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備える。厚銅層22U/絶縁層21N/厚銅層22Dによって、結果として、厚銅絶縁基板が構成されている。絶縁層21Nとしては、例えば、SiN系セラミックス層などが適用可能である。 As shown in FIG. 74 (a), PM1A according to Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment has an insulating layer 21N, a thick copper layer 22U arranged on the surface of the insulating layer 21N, and a back surface of the insulating layer 21N. The thick copper layer 22D arranged in the above, and the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 arranged on the thick copper layer 22U via the solder layer 27S are provided. As a result, the thick copper insulating substrate is composed of the thick copper layer 22U / the insulating layer 21N / the thick copper layer 22D. As the insulating layer 21N, for example, a SiN-based ceramic layer or the like can be applied.

(第15の実施の形態における比較例2)
第15の実施の形態における比較例2に係るPM1Aの模式的断面構造は、図74(b)に示すように表される。図74(a)と同様に、図74(b)では、複数の半導体デバイス(パワートランジスタデバイス)Qの一例として、例えば3個の半導体デバイス(モジュール)Q11・Q12・Q13を搭載した場合が示されている。
(Comparative Example 2 in the Fifteenth Embodiment)
The schematic cross-sectional structure of PM1A according to Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 74 (b). Similar to FIG. 74 (a), FIG. 74 (b) shows a case where, for example, three semiconductor devices (modules) Q11, Q12, and Q13 are mounted as an example of a plurality of semiconductor devices (power transistor devices) Q. Has been done.

第15の実施の形態における比較例2に係るPM1Aは、図74(b)に示すように、絶縁層21Sと、絶縁層21Sの表面に配置された厚銅層22Uと、絶縁層21Sの裏面に配置された銅箔層22Cと、厚銅層22U上に半田層27Sを介して配置された半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備える。厚銅層22U/絶縁層21S/銅箔層22Cによって、結果として、厚銅+絶縁シートからなる厚銅絶縁シート基板が構成されている。絶縁層21Sとしては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂をベース樹脂とした半硬化材料のシート層などが適用可能である。 As shown in FIG. 74B, PM1A according to Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment has an insulating layer 21S, a thick copper layer 22U arranged on the surface of the insulating layer 21S, and a back surface of the insulating layer 21S. The copper foil layer 22C arranged in the above and the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 arranged on the thick copper layer 22U via the solder layer 27S are provided. The thick copper layer 22U / insulating layer 21S / copper foil layer 22C constitutes a thick copper insulating sheet substrate composed of thick copper + an insulating sheet as a result. As the insulating layer 21S, for example, an epoxy resin, a sheet layer of a semi-curing material using a polyimide resin as a base resin, or the like can be applied.

(熱抵抗シミュレーション)
熱抵抗シミュレーションにおいて、境界条件は、裏面65℃、熱伝達率=5000(W/m2K)、SiC半導体デバイスQの発熱量を100Wとした。
(Thermal resistance simulation)
In the thermal resistance simulation, the boundary conditions were 65 ° C. on the back surface, heat transfer coefficient = 5000 (W / m 2 K), and the calorific value of the SiC semiconductor device Q was 100 W.

裏面65℃とは、冷却器28の下層面に境界条件として65℃固定を想定している。水冷式と仮定し、熱伝達率=5000(W/m2K)と設定している。すなわち、アルミニウム製の冷却器28において、冷却水温度を65℃固定とする。熱伝達率とは2つの物体の接触面を通過する熱の伝わり易さのことであり、熱伝導率とは異なる。 The back surface of 65 ° C. is assumed to be fixed at 65 ° C. as a boundary condition on the lower surface of the cooler 28. Assuming a water-cooled type, the heat transfer coefficient is set to 5000 (W / m 2 K). That is, in the aluminum cooler 28, the cooling water temperature is fixed at 65 ° C. The heat transfer coefficient is the ease with which heat is transferred through the contact surfaces of two objects, and is different from the thermal conductivity.

熱抵抗Rthjw(℃/W)は、SiC半導体デバイスQのTj(ジャンクション温度)とTw(冷却水温度)間の熱抵抗を表す。 The thermal resistance Rthjw (° C./W) represents the thermal resistance between Tj (junction temperature) and Tw (cooling water temperature) of the SiC semiconductor device Q.

―第15の実施の形態―
第15の実施の形態に係るPM1の熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造は、図75(a)に示すように表され、熱伝導層25Tと冷却器28が追加されている。熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.03mm)、グラファイト基板18GHの表面電極層23(Cu/1mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、セラミックス基板21(Al23/0.32mm)、セラミックス基板21の裏面電極層22(Cu/0.5mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。
-Fifteenth embodiment-
The schematic cross-sectional structure applied to the thermal resistance simulation of PM1 according to the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 75 (a), and a heat conductive layer 25T and a cooler 28 are added. The material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.03 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 1 mm) of the graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the ceramic substrate. 21 (Al 2 O 3 / 0.32 mm), back electrode layer 22 (Cu / 0.5 mm) of ceramic substrate 21, heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), cooler 28 (Al / 1 mm). be.

絶縁層21として、セラミックス基板(Si34)を適用する例では、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.08mm)、グラファイト基板18GHの表面電極層23(Cu/1mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、セラミックス基板21(Si34/0.32mm)、セラミックス基板21の裏面電極層22(Cu/0.5mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。 An example in which a ceramic substrate (Si 3 N 4 ) is applied as the insulating layer 21 is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.08 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 1 mm) of the graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the ceramic substrate. 21 (Si 3 N 4 / 0.32 mm), back electrode layer 22 (Cu / 0.5 mm) of ceramic substrate 21, heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), cooler 28 (Al / 1 mm). be.

―変形例1―
第15の実施の形態の変形例1に係るPM1の熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造は、図75(b)に示すように表され、熱伝導層25Tと冷却器28が追加されている。熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.03mm)、グラファイト基板18GHの表面電極層23(Cu/0.7mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、グラファイト基板18GHの裏面電極層24(Cu/0.7mm)、熱伝導層25(カーボンシート/0.2mm)、セラミックス基板21(Al23/0.32mm)、セラミックス基板21の裏面電極層22(Cu/0.1mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。
-Modification example 1-
The schematic cross-sectional structure applied to the thermal resistance simulation of PM1 according to the first modification of the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 75 (b), and the heat conductive layer 25T and the cooler 28 are added. There is. The material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.03 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 0.7 mm) of the graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the like. Back electrode layer 24 (Cu / 0.7 mm) of graphite substrate 18GH, heat conductive layer 25 (carbon sheet / 0.2 mm), ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 / 0.32 mm), back electrode layer of ceramic substrate 21 22 (Cu / 0.1 mm), heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), cooler 28 (Al / 1 mm).

―変形例2―
第15の実施の形態の変形例2に係るPM1の熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造は、図75(c)に示すように表され、熱伝導層25Tと冷却器28が追加されている。熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.03mm)、グラファイト基板18GHの表面電極層23(Cu/0.7mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、グラファイト基板18GHの裏面電極層24(Cu/0.7mm)、熱伝導層25(カーボンシート/0.2mm)、セラミックス基板21の表面電極層36(Cu/0.1mm)、セラミックス基板21(Al23/0.32mm)、セラミックス基板21の裏面電極層22(Cu/0.1mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。
-Modification example 2-
The schematic cross-sectional structure applied to the thermal resistance simulation of PM1 according to the second modification of the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 75 (c), and the heat conductive layer 25T and the cooler 28 are added. There is. The material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.03 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 0.7 mm) of the graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the like. Back electrode layer 24 (Cu / 0.7 mm) of graphite substrate 18GH, heat conductive layer 25 (carbon sheet / 0.2 mm), front electrode layer 36 (Cu / 0.1 mm) of ceramic substrate 21, ceramic substrate 21 (Al). 2 O 3 / 0.32 mm), the back electrode layer 22 (Cu / 0.1 mm) of the ceramic substrate 21, the heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), and the cooler 28 (Al / 1 mm).

―第15の実施の形態における比較例1―
第15の実施の形態における比較例1に係るPM1Aの熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造は、図76(a)に示すように表される。熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、半田層27S(半田/0.15mm)、厚銅層22U(Cu/1.5mm)、絶縁層21N(Si34/0.32mm)、厚銅層22D(Cu/1.5mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。
-Comparative Example 1 in the Fifteenth Embodiment-
The schematic cross-sectional structure applied to the thermal resistance simulation of PM1A according to Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment is shown in FIG. 76 (a). The material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the solder layer 27S (solder / 0.15 mm), the thick copper layer 22U (Cu / 1.5 mm), the insulating layer 21N (Si 3 N 4 / 0.32 mm), The thick copper layer 22D (Cu / 1.5 mm), the heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), and the cooler 28 (Al / 1 mm).

―第15の実施の形態における比較例2―
第15の実施の形態における比較例2に係るPM1Aの熱抵抗シミュレーションに適用する模式的断面構造は、図76(b)に示すように表される。すなわち、熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、半田層27S(半田/0.15mm)、厚銅層22U(Cu/3mm)、絶縁層21S(樹脂シート/0.1mm)、銅箔層22C(Cu/0.3mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。
-Comparative Example 2 in the Fifteenth Embodiment-
The schematic cross-sectional structure applied to the thermal resistance simulation of PM1A according to Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment is shown in FIG. 76 (b). That is, the material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. Semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), solder layer 27S (solder / 0.15 mm), thick copper layer 22U (Cu / 3 mm), insulating layer 21S (resin sheet / 0.1 mm), copper foil layer 22C (Cu). /0.3 mm), heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), cooler 28 (Al / 1 mm).

(熱抵抗シミュレーションの比較結果)
第15の実施の形態およびその変形例1~2に係るPM1と第15の実施の形態における比較例1~4に係るPM1Aとの熱抵抗シミュレーションの比較結果は、図77に示すように表される。
(Comparison result of thermal resistance simulation)
The comparison result of the thermal resistance simulation between PM1 according to the fifteenth embodiment and the modified examples 1 and 2 and PM1A according to the comparative examples 1 to 4 in the fifteenth embodiment is shown as shown in FIG. 77. To.

図77のC1は、第15の実施の形態における比較例1において、図76(a)に示すように、チップ下接合層として、半田層27Sを適用する例に対応している。 C1 of FIG. 77 corresponds to an example in which the solder layer 27S is applied as the chip bottom bonding layer in Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment, as shown in FIG. 76 (a).

図77のC2は、第15の実施の形態における比較例2において、図76(b)に示すように、チップ下接合層として、半田層27Sを適用する例に対応している。 C2 of FIG. 77 corresponds to an example in which the solder layer 27S is applied as the chip bottom bonding layer in Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment, as shown in FIG. 76 (b).

図77のC3は第15の実施の形態における比較例3を表し、第15の実施の形態における比較例1において、チップ下接合層として、銀焼成層27を適用する例に対応している。 C3 in FIG. 77 represents Comparative Example 3 in the fifteenth embodiment, and corresponds to the example in which the silver fired layer 27 is applied as the subchip bonding layer in Comparative Example 1 in the fifteenth embodiment.

図77のC4は第15の実施の形態における比較例4を表し、第15の実施の形態における比較例2において、チップ下接合層として、銀焼成層27を適用する例に対応している。 C4 in FIG. 77 represents Comparative Example 4 in the fifteenth embodiment, and corresponds to the example in which the silver fired layer 27 is applied as the subchip bonding layer in Comparative Example 2 in the fifteenth embodiment.

第15の実施の形態における比較例1~4に係るPM1Aの熱抵抗シミュレーション結果によれば、熱抵抗Rthjw(℃/W)の値は、C1/C2/C3/C4に対して、約0.85(℃/W)/0.83(℃/W)/0.75(℃/W)/0.73(℃/W)が得られている。 According to the thermal resistance simulation results of PM1A according to Comparative Examples 1 to 4 in the fifteenth embodiment, the value of the thermal resistance Rthjw (° C./W) is about 0. 85 (° C./W)/0.83 (° C./W)/0.75 (° C./W)/0.73 (° C./W) has been obtained.

図77のE1は第15の実施の形態において、Cu(23)/グラファイト基板(18GH)/セラミックス基板21(Al23)/Cu(22)なる構造例に対応している。 E1 of FIG. 77 corresponds to a structural example of Cu (23) / graphite substrate (18GH) / ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 ) / Cu (22) in the fifteenth embodiment.

図77のE2は第15の実施の形態の変形例1において、Cu(23)/グラファイト基板(18GH)/Cu(24)/熱伝導層(カーボンシート:25)/セラミックス基板21(Al23)/Cu(22)なる構造例に対応している。 E2 of FIG. 77 shows Cu (23) / graphite substrate (18GH) / Cu (24) / heat conductive layer (carbon sheet: 25) / ceramic substrate 21 (Al 2 O) in the first modification of the fifteenth embodiment. 3 ) / Cu (22) corresponds to the structural example.

図77のE3は第15の実施の形態の変形例2において、Cu(23)/グラファイト基板(18GH)/Cu(24)/熱伝導層(カーボンシート:25)/Cu(36)/セラミックス基板21(Al23)/Cu(22)なる構造例に対応している。 E3 of FIG. 77 shows Cu (23) / graphite substrate (18GH) / Cu (24) / heat conductive layer (carbon sheet: 25) / Cu (36) / ceramic substrate in the second modification of the fifteenth embodiment. It corresponds to the structural example of 21 (Al 2 O 3 ) / Cu (22).

第15の実施の形態およびその変形例1~2に係るPM1の熱抵抗シミュレーション結果によれば、熱抵抗Rthjw(℃/W)の値は、E1/E2/E3に対して、約0.73(℃/W)/0.74(℃/W)/0.74(℃/W)が得られている。 According to the thermal resistance simulation results of PM1 according to the fifteenth embodiment and the modified examples 1 and 2, the value of the thermal resistance Rthjw (° C./W) is about 0.73 with respect to E1 / E2 / E3. (° C./W) /0.74 (° C./W)/0.74 (° C./W) is obtained.

第15の実施の形態における比較例1・2に係るPM1Aでは、第15の実施の形態における比較例3・4(チップ下を銀焼成層で接合した場合)或いは、第15の実施の形態およびその変形例1・2に係るPM1に比較し、熱抵抗が相対的に高い結果が得られている。 In PM1A according to Comparative Examples 1 and 2 in the fifteenth embodiment, Comparative Examples 3.4 (when the bottom of the chip is joined with a silver firing layer) in the fifteenth embodiment, or the fifteenth embodiment and Compared with PM1 according to the modified examples 1 and 2, the result that the thermal resistance is relatively high is obtained.

一方、第15の実施の形態における比較例3・4(チップ下を銀焼成層で接合した場合)では、第15の実施の形態およびその変形例1・2に係るPM1と同程度の熱抵抗シミュレーション結果が得られている。しかしながら、第15の実施の形態における比較例1・2に係るPM1Aの半田層27Sを銀焼成層27に置換した第15の実施の形態における比較例3・4(チップ下を銀焼成層で接合した場合)では、信頼性が低下する。この理由は、以下の通りである。 On the other hand, in Comparative Examples 3 and 4 (when the bottom of the chip is joined with a silver fired layer) in the 15th embodiment, the thermal resistance is about the same as that of PM1 according to the 15th embodiment and its modifications 1 and 2. Simulation results are obtained. However, Comparative Example 3 and 4 in the 15th embodiment in which the solder layer 27S of PM1A according to Comparative Examples 1 and 2 in the 15th embodiment was replaced with the silver fired layer 27 (the bottom of the chip is bonded with the silver fired layer). If this is the case), the reliability will decrease. The reason for this is as follows.

第15の実施の形態における比較例1~4の構造の場合、厚さ2mm以上の銅板を基板に使用するため、環境温度やデバイスの発熱による温度変化により熱応力が接合部である半田層27Sや銀焼成層27にかかる。この際に、銅(Cu)とSiCの線膨張係数(温度変化に対する材料の伸び率)が大きく異なるため(銅の線膨張係数は、例えば約16.5ppm/K、SiCの線膨張係数は、例えば約3ppm/K)、銀焼成層からなる接合部を有する第15の実施の形態における比較例3・4にかかるPM1Aの信頼性が低下する。銀焼成層よりも半田層の方が信頼性が保持可能なのは、弾性率が低いためである。ただし、半田は融点が低く、SiCデバイスを高温駆動化するためには適していない。ここで、ppmは10-6を表す。以下同様である。 In the case of the structures of Comparative Examples 1 to 4 in the fifteenth embodiment, since a copper plate having a thickness of 2 mm or more is used for the substrate, the solder layer 27S whose thermal stress is a joint due to a temperature change due to the environmental temperature or heat generation of the device. It is applied to the silver fired layer 27. At this time, since the linear expansion coefficient of copper (Cu) and SiC (the elongation rate of the material with respect to the temperature change) is significantly different (the linear expansion coefficient of copper is, for example, about 16.5 ppm / K, and the linear expansion coefficient of SiC is For example, about 3 ppm / K), the reliability of PM1A according to Comparative Examples 3 and 4 in the fifteenth embodiment having a joint portion made of a fired silver layer is lowered. The reason why the solder layer can maintain the reliability more than the silver fired layer is that the elastic modulus is low. However, solder has a low melting point and is not suitable for driving a SiC device at a high temperature. Here, ppm represents 10 -6 . The same applies hereinafter.

一方、図77に示す第15の実施の形態およびその変形例1~2に係るPM1では、チップ下を銀焼成層で接合した場合、信頼性を保持可能である。この理由は、以下の通りである。即ち、グラファイトは低熱伝導方向に例えば約25.2ppm/K、高熱伝導方向に例えば約-0.6ppm/Kと異方性をもっており、銅との複合基板(Cu/グラファイト/Cu)とすると、合成的な線膨張係数は銅より低くなる。更に、材料の弾性率が銅の120GPaに比べてグラファイトは50GPaと柔らかいこともあり、チップ下接合部にかかる熱応力を下げることができる。結果として、第15の実施の形態およびその変形例1~2に係るPM1では、第15の実施の形態における比較例3・4(チップ下を銀焼成層で接合した場合)よりも銀焼成接合部の信頼性がもつことになる。すなわち、第15の実施の形態およびその変形例1~2に係るPM1では、相対的に熱抵抗が低くかつ高信頼性が得られる。 On the other hand, in PM1 according to the fifteenth embodiment shown in FIG. 77 and the modified examples 1 and 2 thereof, reliability can be maintained when the bottom of the chip is joined with a silver firing layer. The reason for this is as follows. That is, graphite has anisotropy of, for example, about 25.2 ppm / K in the low heat conduction direction and about -0.6 ppm / K in the high heat conduction direction, and if it is a composite substrate with copper (Cu / graphite / Cu), The synthetic linear expansion coefficient is lower than that of copper. Further, since the elastic modulus of the material is as soft as 50 GPa as compared with 120 GPa of copper, the thermal stress applied to the joint under the chip can be reduced. As a result, in PM1 according to the fifteenth embodiment and the modified examples 1 and 2, the silver firing joint is performed as compared with the comparative examples 3.4 (when the bottom of the chip is bonded with the silver firing layer) in the fifteenth embodiment. The reliability of the department will be maintained. That is, in PM1 according to the fifteenth embodiment and the modified examples 1 and 2, the thermal resistance is relatively low and high reliability can be obtained.

(第15の実施の形態:セラミックス基板依存性)
第15の実施の形態に係るPM1において、セラミックス基板21の材料をAl23/Si34/AlNと変化させた場合の熱抵抗シミュレーション結果は、図78に示すように表される。図78において、E11/E12/E13は、セラミックス基板21として、Al23/Si34/AlNを用いた例に対応している。熱抵抗シミュレーション結果により、熱抵抗Rthjw(℃/W)の値は、E11/E12/E13に対して、約0.73(℃/W)/0.67(℃/W)/0.64(℃/W)が得られている。
(Fifteenth Embodiment: Dependence on Ceramic Substrate)
The thermal resistance simulation result when the material of the ceramic substrate 21 is changed to Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N in PM1 according to the fifteenth embodiment is shown in FIG. 78. In FIG. 78, E11 / E12 / E13 correspond to an example in which Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N is used as the ceramic substrate 21. According to the thermal resistance simulation result, the value of thermal resistance Rthjw (° C./W) is about 0.73 (° C./W)/0.67 (° C./W)/0.64 (° C./W) /0.64 (° C./W) /0.64 (° C./W) /0.64 (° C./W) /0.64 (° C./W) ° C / W) has been obtained.

図78の例では、熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.03mm)、グラファイト基板の表面電極層23(Cu/1mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、セラミックス基板21(Al23/Si34/AlN 0.32mm)、セラミックス基板の裏面電極層22(Cu/1mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。 In the example of FIG. 78, the material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.03 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 1 mm) of the graphite substrate, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the ceramic substrate 21. (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / AlN 0.32 mm), back electrode layer 22 (Cu / 1 mm) of ceramic substrate, heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), cooler 28 (Al / 1 mm) ).

(第15の実施の形態の変形例1:熱伝導層とセラミックス基板の組み合わせ依存性)
第15の実施の形態の変形例1に係るPM1において、熱伝導層25(熱伝導シート層/半田層/銀焼成層)とセラミックス基板21(Al23/Si34/AlN)の組み合わせによる熱抵抗シミュレーション結果は、図79に示すように表される。
(Variation Example 1: Dependency of Combination between Thermal Conductive Layer and Ceramic Substrate)
In PM1 according to the first modification of the fifteenth embodiment, the heat conductive layer 25 (heat conductive sheet layer / solder layer / silver fired layer) and the ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N) The thermal resistance simulation result by the combination is shown as shown in FIG. 79.

図79のE21は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、熱伝導シート層/Al23に対応している。 E21 in FIG. 79 corresponds to the heat conductive sheet layer / Al 2 O 3 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE22は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、半田層/Al23に対応している。 E22 in FIG. 79 corresponds to the solder layer / Al 2 O 3 as a combination of the heat conductive layer 25 / the ceramic substrate 21.

図79のE23は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、銀焼成層/Al23に対応している。 E23 in FIG. 79 corresponds to the silver fired layer / Al 2 O 3 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE24は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、熱伝導シート層/Si34に対応している。 E24 in FIG. 79 corresponds to the heat conductive sheet layer / Si 3 N 4 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE25は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、半田層/Si34に対応している。 E25 in FIG. 79 corresponds to the solder layer / Si 3 N 4 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE26は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、銀焼成層/Si34に対応している。 E26 in FIG. 79 corresponds to the silver fired layer / Si 3 N 4 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE27は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、熱伝導シート層/AlNに対応している。 E27 in FIG. 79 corresponds to the heat conductive sheet layer / AlN as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE28は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、半田層/AlNに対応している。 E28 in FIG. 79 corresponds to the solder layer / AlN as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79のE29は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、銀焼成層/AlNに対応している。 E29 in FIG. 79 corresponds to the silver fired layer / AlN as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図79の例では、熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.03mm)、グラファイト基板18GHの表面電極層23(Cu/0.8mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、グラファイト基板18GHの裏面電極層24(Cu/0.8mm)、熱伝導層25(熱伝導シート層/0.2mm/半田層/銀焼成層)、セラミックス基板21(Al23/0.32mm/Si34/AlN)セラミックス基板21の裏面電極層22(Cu/0.1mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。 In the example of FIG. 79, the material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.03 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 0.8 mm) of the graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the like. Backside electrode layer 24 (Cu / 0.8 mm) of graphite substrate 18GH, heat conductive layer 25 (heat conductive sheet layer / 0.2 mm / solder layer / silver fired layer), ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 / 0.32 mm) / Si 3 N 4 / AlN) The back surface electrode layer 22 (Cu / 0.1 mm) of the ceramic substrate 21, the heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0.2 mm), and the cooler 28 (Al / 1 mm).

第15の実施の形態の変形例1に係るPM1において、熱伝導層25(熱伝導シート層/半田層/銀焼成層)とセラミックス基板21(Al23/Si34/AlN)の組み合わせによる熱抵抗シミュレーション結果によれば、熱抵抗Rthjw(℃/W)の値は、E21/E22/E23/E24/E25/E26/E27/E28/E29に対して、約0.75(℃/W)/0.73(℃/W)/0.72(℃/W)/0.70(℃/W)/0.68(℃/W)/0.67(℃/W) /0.68(℃/W)/0.66(℃/W)/0.65(℃/W)が得られている。 In PM1 according to the first modification of the fifteenth embodiment, the heat conductive layer 25 (heat conductive sheet layer / solder layer / silver fired layer) and the ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N) According to the thermal resistance simulation result by the combination, the value of the thermal resistance Rthjw (° C./W) is about 0.75 (° C./W) with respect to E21 / E22 / E23 / E24 / E25 / E26 / E27 / E28 / E29. W) /0.73 (° C./W)/0.72 (° C./W)/0.70 (° C./W)/0.68 (° C./W)/0.67 (° C./W) /0. 68 (° C./W)/0.66 (° C./W)/0.65 (° C./W) has been obtained.

(第15の実施の形態の変形例2:熱伝導層とセラミックス基板の組み合わせ依存性)
第15の実施の形態の変形例2に係るPM1において、熱伝導層(熱伝導シート層/半田層/銀焼成層)とセラミックス基板(Al23/Si34/AlN)の組み合わせによる熱抵抗シミュレーション結果は、図80に示すように表される。
(Variation Example 2: Dependency of Combination of Thermal Conductive Layer and Ceramic Substrate in Fifteenth Embodiment)
In PM1 according to the second modification of the fifteenth embodiment, the combination of the heat conductive layer (heat conductive sheet layer / solder layer / silver fired layer) and the ceramic substrate (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N) is used. The thermal resistance simulation result is shown in FIG. 80.

図80のE31は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、熱伝導シート層/Al23に対応している。 E31 in FIG. 80 corresponds to the heat conductive sheet layer / Al 2 O 3 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE32は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、半田層/Al23に対応している。 E32 in FIG. 80 corresponds to the solder layer / Al 2 O 3 as a combination of the heat conductive layer 25 / the ceramic substrate 21.

図80のE33は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、銀焼成層/Al23に対応している。 E33 in FIG. 80 corresponds to the silver fired layer / Al 2 O 3 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE34は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、熱伝導シート層/Si34に対応している。 E34 in FIG. 80 corresponds to the heat conductive sheet layer / Si 3 N 4 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE35は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、半田層/Si34に対応している。 E35 in FIG. 80 corresponds to the solder layer / Si 3 N 4 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE36は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、銀焼成層/Si34に対応している。 E36 in FIG. 80 corresponds to the silver fired layer / Si 3 N 4 as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE37は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、熱伝導シート層/AlNに対応している。 E37 in FIG. 80 corresponds to the heat conductive sheet layer / AlN as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE38は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、半田層/AlNに対応している。 E38 in FIG. 80 corresponds to the solder layer / AlN as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80のE39は、熱伝導層25/セラミックス基板21の組み合わせとして、銀焼成層/AlNに対応している。 E39 in FIG. 80 corresponds to the silver fired layer / AlN as a combination of the heat conductive layer 25 / ceramic substrate 21.

図80の例では、熱抵抗シミュレーションに適用する各層の材質/厚さは、以下の通りである。すなわち、半導体デバイスQ(SiC/0.25mm)、銀焼成層27(銀/0.03mm)、グラファイト基板18GHの表面電極層23(Cu/0.8mm)、グラファイト基板18GH(グラファイト/3mm)、グラファイト基板18GHの裏面電極層24(Cu/0.8mm)、熱伝導層25(熱伝導シート層/0.2mm/半田層/銀焼成層)、セラミックス基板21の表面電極層36(Cu/0.1mm)、セラミックス基板21(Al23/0.32mm/Si34/AlN)、セラミックス基板21の裏面電極層22(Cu/0.1mm)、熱伝導層25T(カーボンシート/0.2mm)、冷却器28(Al/1mm)である。 In the example of FIG. 80, the material / thickness of each layer applied to the thermal resistance simulation is as follows. That is, the semiconductor device Q (SiC / 0.25 mm), the silver fired layer 27 (silver / 0.03 mm), the surface electrode layer 23 (Cu / 0.8 mm) of the graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH (graphite / 3 mm), and the like. Backside electrode layer 24 (Cu / 0.8 mm) of graphite substrate 18GH, heat conduction layer 25 (heat conduction sheet layer / 0.2 mm / solder layer / silver fired layer), surface electrode layer 36 (Cu / 0) of ceramics substrate 21 .1 mm), ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 / 0.32 mm / Si 3 N 4 / AlN), back electrode layer 22 (Cu / 0.1 mm) of the ceramic substrate 21, heat conductive layer 25T (carbon sheet / 0). .2 mm), cooler 28 (Al / 1 mm).

第15の実施の形態の変形例2に係るPM1において、熱伝導層25(熱伝導シート層/半田層/銀焼成層)とセラミックス基板21(Al23/Si34/AlN)の組み合わせによる熱抵抗シミュレーション結果によれば、熱抵抗Rthjw(℃/W)の値は、E31/E32/E33/E34/E35/E36/E37/E38/E39に対して、約0.75(℃/W)/0.73(℃/W)/0.72(℃/W)/0.70(℃/W)/0.68(℃/W)/0.67(℃/W) /0.68(℃/W)/0.66(℃/W)/0.65(℃/W)が得られている。 In PM1 according to the second modification of the fifteenth embodiment, the heat conductive layer 25 (heat conductive sheet layer / solder layer / silver fired layer) and the ceramic substrate 21 (Al 2 O 3 / Si 3 N 4 / Al N) According to the results of the thermal resistance simulation by the combination, the value of the thermal resistance Rthjw (° C./W) is about 0.75 (° C./E39) with respect to E31 / E32 / E33 / E34 / E35 / E36 / E37 / E38 / E39. W) /0.73 (° C./W)/0.72 (° C./W)/0.70 (° C./W)/0.68 (° C./W)/0.67 (° C./W) /0. 68 (° C./W)/0.66 (° C./W)/0.65 (° C./W) has been obtained.

第15の実施の形態に係るPM1は、図72(a)および図72(b)に示すように、例えば、SiN系のセラミックス基板21の上面(第1面)に設けられた導電性のグラファイト基板(グラファイトプレート)18GHと、セラミックス基板21の下面(第2面)に設けられたCu箔などの裏面電極パターン(第1電極パターン)22と、グラファイト基板18GH上に配置されたCu箔などの表面電極パターン(第2電極パターン)23とを有するグラファイト絶縁基板20と、表面電極パターン23上に図示矢印X方向に沿って並べて配置された3個の半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備える。 As shown in FIGS. 72 (a) and 72 (b), PM1 according to the fifteenth embodiment is, for example, conductive graphite provided on the upper surface (first surface) of the SiN-based ceramic substrate 21. The substrate (graphite plate) 18GH, the back surface electrode pattern (first electrode pattern) 22 such as Cu foil provided on the lower surface (second surface) of the ceramic substrate 21, and the Cu foil arranged on the graphite substrate 18GH. It includes a graphite insulating substrate 20 having a surface electrode pattern (second electrode pattern) 23, and three semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 arranged side by side along the X direction of the illustrated arrow on the surface electrode pattern 23.

第15の実施の形態に係るPM1は、図示していないが、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の外囲が全体的にモールド樹脂によって封止(樹脂モールド)されてモールド型パッケージタイプのパワーモジュール、若しくはケース内に収納されてケース型パッケージタイプのパワーモジュールとなる。 Although not shown, PM1 according to the fifteenth embodiment is a mold-type package type power module in which the outer periphery of the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 is entirely sealed (resin-molded) with a mold resin. Alternatively, it is housed in a case and becomes a case-type package type power module.

グラファイト基板18GHは、セラミックス基板21よりも厚く、略均一な厚さを有するプレート型構造を備える。 The graphite substrate 18GH has a plate-type structure that is thicker than the ceramic substrate 21 and has a substantially uniform thickness.

第15の実施の形態に係るPM1において、グラファイト基板18GHは、グラファイト熱伝導率配向として、面方向(XY面)よりも厚み方向(XZ面、YZ面)に熱伝導率が高い異方性な熱伝導率を備える。 In PM1 according to the fifteenth embodiment, the graphite substrate 18GH has an anisotropic heat conductivity in the thickness direction (XZ plane, YZ plane) rather than the plane direction (XY plane) as the graphite thermal conductivity orientation. It has thermal conductivity.

すなわち、グラファイト基板18GHには、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の配置の方向(面方向)に対し、最も熱拡散が良好となる配向方向が存在する。 That is, the graphite substrate 18GH has an orientation direction in which heat diffusion is most favorable with respect to the arrangement direction (plane direction) of the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13.

グラファイト基板18GHにおいて、最も熱拡散が良好となる配向方向とは、熱伝導率が相対的に高い方向であって、例えば、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の配置の方向をX方向とすると、X方向にほぼ垂直なYZ方向(X方向と実質的に直交するYZ面)となる。 In the graphite substrate 18GH, the orientation direction in which the heat diffusion is the best is the direction in which the thermal conductivity is relatively high. For example, when the direction of arrangement of the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 is the X direction, X is used. The YZ direction is substantially perpendicular to the direction (YZ plane substantially orthogonal to the X direction).

なお、配向方向は、グラファイト基板18GHの配向がXZ方向の場合にはGH(XZ)と表記し、YZ方向の場合にはGH(YZ)と表記する。 The orientation direction is expressed as GH (XZ) when the orientation of the graphite substrate 18GH is in the XZ direction, and is expressed as GH (YZ) when the orientation is in the YZ direction.

すなわち、第15の実施の形態に係るPM1は、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板18GHと、グラファイト基板18GH上に並べて配置され、動作時に発熱する3個の半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備え、グラファイト基板18GHの平面上、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の並びの方向が、グラファイト基板18GHの熱伝導率が相対的に低いX方向(並びの方向)を基準として、-45度以上+45度以下の範囲(許容されるずれ量:図81参照)とされる。 That is, the PM1 according to the fifteenth embodiment is arranged side by side on the graphite substrate 18GH having an anisotropic thermal conductivity and the graphite substrate 18GH, and three semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 that generate heat during operation. The direction of alignment of the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 on the plane of the graphite substrate 18GH is -45 degrees with respect to the X direction (alignment direction) in which the thermal conductivity of the graphite substrate 18GH is relatively low. The range is +45 degrees or less (allowable deviation amount: see FIG. 81).

また、第15の実施の形態に係るPM1は、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面に配置された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板18GHと、セラミックス基板21の上面に対向する下面に配置された裏面電極パターン22と、グラファイト基板18GH上に配置された表面電極パターン23と、表面電極パターン23を介して、グラファイト基板18GH上に並べて配置され、動作時に発熱する3個の半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備え、グラファイト基板18GHは、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が相対的に高い配向を備え、グラファイト基板18GHの平面上、3個の半導体デバイスQ11・Q12・Q13の並びの方向が、グラファイト基板18GHの熱伝導率が相対的に低い配向方向を基準として、-45度以上+45度以下の範囲とされる。 Further, PM1 according to the fifteenth embodiment includes a ceramic substrate 21, a graphite substrate 18GH having an anisotropic thermal conductivity arranged on the upper surface of the ceramic substrate 21, and a lower surface facing the upper surface of the ceramic substrate 21. Three semiconductor devices arranged side by side on the graphite substrate 18GH via the back electrode pattern 22 arranged on the graphite substrate 18GH, the surface electrode pattern 23 arranged on the graphite substrate 18GH, and the surface electrode pattern 23, and generating heat during operation. With Q11, Q12, and Q13, the graphite substrate 18GH has an orientation in which the thermal conductivity is relatively higher in the thickness direction than in the plane direction, and three semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are provided on the plane of the graphite substrate 18GH. The direction of arrangement is in the range of −45 degrees or more and +45 degrees or less with respect to the orientation direction in which the heat conductivity of the graphite substrate 18GH is relatively low.

もしくは、第15の実施の形態に係るPM1は、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面に配置された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板18GHとを備えるグラファイト絶縁基板20と、グラファイト基板18GH上に並べて配置され、動作時に発熱する3個の半導体デバイスQ11・Q12・Q13とを備え、グラファイト基板18GHは、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が相対的に高い配向を備え、グラファイト基板18GHの平面上、3個の半導体デバイスQ11・Q12・Q13の並びの方向が、グラファイト基板18GHの熱伝導率が相対的に低い配向方向を基準として、-45度以上+45度以下の範囲とされる。 Alternatively, PM1 according to the fifteenth embodiment includes a graphite insulating substrate 20 including a ceramic substrate 21 and a graphite substrate 18GH having an anisotropic thermal conductivity arranged on the upper surface of the ceramic substrate 21, and a graphite substrate. The graphite substrate 18GH has three semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 that are arranged side by side on the 18GH and generate heat during operation, and the graphite substrate 18GH has an orientation in which the thermal conductivity is relatively higher in the thickness direction than in the plane direction, and graphite. The direction of arrangement of the three semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 on the plane of the substrate 18GH is in the range of -45 degrees or more and +45 degrees or less with respect to the orientation direction in which the thermal conductivity of the graphite substrate 18GH is relatively low. Will be done.

第15の実施の形態に係るPM1において、半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、それぞれ、表面電極パターン23上に銀焼成層27を介して接合されている。なお、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の接合には、銀焼成以外に、SnAgCu系の半田などを用いることも可能である。すなわち、グラファイト基板18GH上に表面電極パターン23を配置したことにより、半田接合に限らず、銀焼成による接合が可能である。 In PM1 according to the fifteenth embodiment, the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are respectively bonded to the surface electrode pattern 23 via the silver firing layer 27. In addition to silver firing, SnAgCu-based solder or the like can also be used for joining the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13. That is, by arranging the surface electrode pattern 23 on the graphite substrate 18GH, not only solder bonding but also bonding by silver firing is possible.

図72(a)および図72(b)に示した第15の実施の形態に係るPM1においては、例えば、セラミックス基板21の厚さが約0.32mm、グラファイト基板18GHの厚さ(H)が約2.5mm、裏面電極パターン22の厚さが約0.2mm、表面電極パターン23の厚さが約0.3mm、銀焼成層27の厚さが約60μm、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の厚さが約350μmとされている。 In PM1 according to the fifteenth embodiment shown in FIGS. 72 (a) and 72 (b), for example, the thickness of the ceramic substrate 21 is about 0.32 mm and the thickness (H) of the graphite substrate 18GH is about 0.32 mm. Approximately 2.5 mm, the thickness of the back surface electrode pattern 22 is approximately 0.2 mm, the thickness of the front surface electrode pattern 23 is approximately 0.3 mm, the thickness of the silver fired layer 27 is approximately 60 μm, and the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13. The thickness is said to be about 350 μm.

裏面電極パターン22の熱伝達率は、約30000(W/mK)である。 The heat transfer coefficient of the back surface electrode pattern 22 is about 30,000 (W / m 2 K).

また、半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、X方向およびY方向のサイズ(C1×L1)が5mm×5mm程度とされている。半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、X方向に対しては、表面電極パターン23の各エッジからの距離がX1、各半導体デバイスQ11・Q12・Q13間の間隔距離がX2とされ、Y方向に対しては、表面電極パターン23の各エッジからの距離がY1とされている。 Further, the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 have a size (C1 × L1) of about 5 mm × 5 mm in the X direction and the Y direction. In the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13, the distance from each edge of the surface electrode pattern 23 is X1 and the distance between the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 is X2 in the X direction, and the distance between the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 is X2. Therefore, the distance from each edge of the surface electrode pattern 23 is set to Y1.

第15の実施の形態に係るPM1において、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の並びの方向の間隔距離X2は、半導体デバイスQ11・Q12・Q13からグラファイト基板18GHのエッジまでの距離Y1よりも短い。 In PM1 according to the fifteenth embodiment, the distance X2 in the direction of arrangement of the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 is shorter than the distance Y1 from the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 to the edge of the graphite substrate 18GH.

なお、半導体デバイスQ11・Q12・Q13としては、SiC MOSFETやIGBTといったパワートランジスタデバイスに限らず、例えばFRD(Fast Recovery Diode)やショットキーバリアダイオードなどを含むものであっても良いし、1つまたは複数のチップの外囲がモールド樹脂やケースによって封止されたモジュールタイプであっても良い。 The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are not limited to power transistor devices such as SiC MOSFETs and IGBTs, and may include, for example, FRD (Fast Recovery Diode), Schottky barrier diode, or the like. A module type in which the outer periphery of a plurality of chips is sealed with a molding resin or a case may be used.

SiC MOSFETの場合には、上側がソース電極、下側がドレイン電極となるように配置される。IGBTの場合には、上側がエミッタ電極、下側がコレクタ電極となるように配置される。後述する他の半導体デバイスについても同様である。 In the case of a SiC MOSFET, the upper side is a source electrode and the lower side is a drain electrode. In the case of an IGBT, the upper side is an emitter electrode and the lower side is a collector electrode. The same applies to other semiconductor devices described later.

また、図示していないが、裏面電極パターン22に、放熱器としてのAl製のヒートシンクや放熱フィンまたは放熱ピン、もしくは冷却器を接合するようにしても良い。液冷(水冷)式とした場合においては、冷媒として、例えば、水、または水とエチレングリコールとを50%ずつの割合で混合させた混合液や冷却気体(冷気)などの熱伝導率の良いものが用いられる。 Further, although not shown, a heat sink made of Al as a radiator, a radiator fin, a radiator pin, or a cooler may be joined to the back surface electrode pattern 22. In the case of the liquid cooling (water cooling) type, as a refrigerant, for example, water, a mixed liquid in which water and ethylene glycol are mixed at a ratio of 50% each, or a cooling gas (cold air) has good thermal conductivity. Things are used.

第15の実施の形態に係るPM1によれば、複数の半導体デバイスQを並べて配置した場合のモジュール構造において、グラファイト基板18GHの配向方向を、最も熱拡散が良好となる方向に近似(実質的に一致)させることによって、さらなる低熱抵抗化を図ることができる。 According to PM1 according to the fifteenth embodiment, in the modular structure when a plurality of semiconductor devices Q are arranged side by side, the orientation direction of the graphite substrate 18GH is approximated to the direction in which the heat diffusion is the best (substantially). By making them match), it is possible to further reduce the thermal resistance.

なお、複数の半導体デバイスQは、3個に限定されないことは勿論であり、並べて配置される場合に限定されるものでもない。 It should be noted that the plurality of semiconductor devices Q are not limited to three, and are not limited to the case where they are arranged side by side.

また、グラファイト絶縁基板20としては、グラファイト基板18GHの上面に絶縁性の基板などが配置された構成とすることも可能であり、グラファイトプレートを備えた、例えばAMB基板、DBC基板、もしくはDBA基板などの絶縁基板を適用できる。 Further, the graphite insulating substrate 20 may be configured such that an insulating substrate or the like is arranged on the upper surface of the graphite substrate 18GH, and is provided with a graphite plate, for example, an AMB substrate, a DBC substrate, a DBA substrate, or the like. Insulation substrate can be applied.

(グラファイトプレート)
(基本構成)
第15の実施の形態に係るPM1においては、グラファイト基板18GHとして、配向の異なる2種類のグラファイトプレートの使用が可能である。
(Graphite plate)
(Basic configuration)
In PM1 according to the fifteenth embodiment, it is possible to use two types of graphite plates having different orientations as the graphite substrate 18GH.

グラファイト基板18GHとして適用可能なグラファイトプレートを構成するグラファイトシート(グラフェン)GSの模式的構成(積層構造例)は、図5に示すように表される。 The schematic configuration (laminated structure example) of the graphite sheet (graphene) GS constituting the graphite plate applicable as the graphite substrate 18GH is shown as shown in FIG.

グラファイト基板18GHには、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いXZ配向を有するグラファイトプレート18GH(XZ)と、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高いYZ配向を有するグラファイトプレート18GH(YZ)とを適用可能であり、グラファイトプレート18GH(YZ)は図81(a)に示すように表わされ、グラファイトプレート18GH(XZ)は図81(b)に示すように表される。 The graphite substrate 18GH includes a graphite plate 18GH (XZ) having an XZ orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than a plane direction and a graphite plate 18GH having a YZ orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than the plane direction (XZ). YZ) is applicable, the graphite plate 18GH (YZ) is represented as shown in FIG. 81 (a), and the graphite plate 18GH (XZ) is represented as shown in FIG. 81 (b).

図73に示すように、n層からなる各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、1つの積層結晶構造の中に多数の六方晶系の共有結合を有し、各面のグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSn間がファンデルワールス力によって結合されている。 As shown in FIG. 73, the graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., GSn on each surface composed of n layers have a large number of hexagonal covalent bonds in one laminated crystal structure, and each surface has a covalent bond. The graphite sheets GS1, GS2, GS3, ..., and GSn are bonded by a van der Waals force.

すなわち、炭素系異方伝熱材料であるグラファイトは、炭素原子の六角形網目構造の層状結晶体であって、熱伝導も異方性を持っており、図5に示すグラファイトシートGS1・GS2・GS3・…・GSnは、結晶面方向(XY面上)に対して、Z軸の厚さ方向よりも大きな熱伝導度(高い熱伝導率)を有する。 That is, graphite, which is a carbon-based anisotropic heat transfer material, is a layered crystal having a hexagonal network structure of carbon atoms, and has anisotropy in heat conduction. Graphite sheets GS1, GS2, shown in FIG. GS3 ..... GSn has a higher thermal conductivity (high thermal conductivity) in the crystal plane direction (on the XY plane) than in the thickness direction of the Z axis.

一方、図81(a)に示すように、GH(YZ)配向を有するグラファイトプレート18GH(YZ)場合には、例えば、X=5(W/mK)、Y=1500(W/mK)、Z=1500(W/mK)の熱伝導率を備える。 On the other hand, as shown in FIG. 81 (a), in the case of a graphite plate 18GH (YZ) having a GH (YZ) orientation, for example, X = 5 (W / mK), Y = 1500 (W / mK), Z. = 1500 (W / mK) with thermal conductivity.

これに対し、図81(b)に示すように、GH(XZ)配向を有するグラファイトプレート18GH(XZ)の場合には、例えば、X=1500(W/mK)、Y=5(W/mK)、Z=1500(W/mK)の熱伝導率を備える。 On the other hand, as shown in FIG. 81 (b), in the case of the graphite plate 18GH (XZ) having the GH (XZ) orientation, for example, X = 1500 (W / mK) and Y = 5 (W / mK). ), Z = 1500 (W / mK).

なお、グラファイトプレート18GH(XZ)・18GH(YZ)は、共に、密度が2.2(g/cm3 )程度であり、厚さが0.7mm~10mm程度であり、大きさが40mm×40mm以下程度である。 Both the graphite plates 18GH (XZ) and 18GH (YZ) have a density of about 2.2 (g / cm 3 ), a thickness of about 0.7 mm to 10 mm, and a size of 40 mm × 40 mm. It is about the following.

ここで、グラファイトプレート18GH(YZ)をグラファイト基板18GHとして適用した第15の実施の形態に係るPM1においては、図81(a)および図81(b)に示すように、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の配置の方向PD1が、X方向にほぼ一致する、グラファイト基板18GHのGH(YZ)の配向方向TDと実質的に直交する熱伝導率の相対的に低い配向方向PDに対し、グラファイト基板18GHの平面(基板面)上において、時計方向に約-45度以上+45度以下の角度θの範囲、好ましくは、約-30度以上+30度以下の角度θの範囲とされる。 Here, in PM1 according to the fifteenth embodiment in which the graphite plate 18GH (YZ) is applied as the graphite substrate 18GH, as shown in FIGS. 81A and 81B, the semiconductor devices Q11 and Q12. The graphite substrate 18GH has a relatively low thermal conductivity that is substantially orthogonal to the GH (YZ) orientation direction TD of the graphite substrate 18GH, where the orientation PD1 of the arrangement of Q13 almost coincides with the X direction. On the plane (board surface) of the above, a range of an angle θ of about −45 degrees or more and +45 degrees or less, preferably a range of an angle θ of about −30 degrees or more and +30 degrees or less in the clockwise direction.

一方、グラファイトプレート18GH(XZ)をグラファイト基板18GHとして適用した第15の実施の形態に係るPM1においては、図81(c)および図81(d)に示すように、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の配置の方向PD1が、Y方向にほぼ一致する、グラファイト基板18GHのGH(XZ)配向の配向方向TDと実質的に直交する熱伝導率の相対的に低い配向方向PDに対し、グラファイト基板18GHの平面(基板面)上において、時計方向に約-45度以上+45度以下の角度θの範囲、好ましくは、約-30度以上+30度以下の角度θの範囲とされる。 On the other hand, in PM1 according to the fifteenth embodiment in which the graphite plate 18GH (XZ) is applied as the graphite substrate 18GH, the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are shown in FIGS. 81 (c) and 81 (d). The graphite substrate 18GH has a relatively low thermal conductivity that is substantially orthogonal to the GH (XZ) orientation orientation direction TD of the graphite substrate 18GH, in which the arrangement direction PD1 almost coincides with the Y direction. On the plane (board surface) of the above, the range of the angle θ of about −45 degrees or more and +45 degrees or less in the clockwise direction, preferably the range of the angle θ of about −30 degrees or more and +30 degrees or less.

(配向方向による熱抵抗シミュレーション)
第15の実施の形態に係るPM1の熱抵抗特性について、GH(XZ)配向を例にシミュレーションを行った結果は、図82(a)に示すように表わされ、GH(YZ)配向を例にシミュレーションを行った結果は、図82(b)に示すように表される。
(Simulation of thermal resistance by orientation direction)
The results of simulating the thermal resistance characteristics of PM1 according to the fifteenth embodiment using GH (XZ) orientation as an example are shown in FIG. 82 (a), and GH (YZ) orientation is an example. The result of the simulation is shown in FIG. 82 (b).

なお、両シミュレーションは、図72(a)および図72(b)に示したPM1において、X1を2mmとし、Y1を、2mm、4mm、6mm、8mm、10mmとした場合の熱抵抗(℃/W)について、X2を、2mm(図示(a))、4mm(図示(b))、6mm(図示(c))、8mm(図示(d))、10mm(図示(e))とした場合について実施した。 In both simulations, in PM1 shown in FIGS. 72 (a) and 72 (b), the thermal resistance (° C./W) when X1 is 2 mm and Y1 is 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, and 10 mm. ) Is 2 mm (shown (a)), 4 mm (shown (b)), 6 mm (shown (c)), 8 mm (shown (d)), and 10 mm (shown (e)). did.

図82(a)および図82(b)から明らかなように、複数の半導体デバイスQを配置したモジュール構造においては、グラファイト基板18GHがGH(XZ)配向ならばX方向の距離(X2)を伸ばすほど熱抵抗は下がり、GH(YZ)配向ならばY方向の距離(Y1)を伸ばすほど熱抵抗が下がる。 As is clear from FIGS. 82 (a) and 82 (b), in the modular structure in which a plurality of semiconductor devices Q are arranged, if the graphite substrate 18GH is oriented in GH (XZ), the distance (X2) in the X direction is extended. The thermal resistance decreases as the distance (Y1) in the Y direction increases in the case of GH (YZ) orientation.

また、以上の結果から、熱伝導率が低い配向方向に対しては、ある程度の距離(例えば、X2・Y1=4mm程度以上)の距離があれば熱干渉を防げることもわかった。 Further, from the above results, it was found that thermal interference can be prevented if there is a certain distance (for example, X2 · Y1 = about 4 mm or more) in the orientation direction with low thermal conductivity.

すなわち、図82(a)および図82(b)に示すように、複数の半導体デバイスQをX方向に配置したPM1においては、低熱抵抗化のためには、GH(YZ)配向のグラファイト基板18GHの方が有効であり、複数の半導体デバイスQをY方向に配置したPM1においては、低熱抵抗化のためには、GH(XZ)配向のグラファイト基板18GHの方が有効となる。 That is, as shown in FIGS. 82 (a) and 82 (b), in PM1 in which a plurality of semiconductor devices Q are arranged in the X direction, a GH (YZ) oriented graphite substrate 18GH is used to reduce thermal resistance. Is more effective, and in PM1 in which a plurality of semiconductor devices Q are arranged in the Y direction, the GH (XZ) oriented graphite substrate 18GH is more effective for lowering the thermal resistance.

第15の実施の形態に係るPM1によれば、異方性ではあるが高熱伝導率を有するグラファイトプレート18GH(XZ)・18GH(YZ)を用いたグラファイト絶縁基板20を使用し、そのグラファイト基板18GH上に複数の半導体デバイスQを並べて配置した場合のモジュール構造において、最も熱拡散が良好となるグラファイトプレート18GH(XZ)・18GH(YZ)配向の配向方向TDとして、複数の半導体デバイスQのY方向・X方向の配置の方向とほぼ垂直となるようにすることで、熱拡散性が良好で、構造的にも簡素であり、安価で、より低熱抵抗化が可能なパワーモジュールを提供できる。 According to PM1 according to the fifteenth embodiment, the graphite insulating substrate 20 using the graphite plates 18GH (XZ) and 18GH (YZ) which are anisotropic but have high thermal conductivity is used, and the graphite substrate 18GH is used. In the module structure when a plurality of semiconductor devices Q are arranged side by side, the Y direction of the plurality of semiconductor devices Q is set as the orientation direction TD of the graphite plates 18GH (XZ) and 18GH (YZ) orientations that have the best heat diffusion. -By making the arrangement substantially perpendicular to the X direction, it is possible to provide a power module having good thermal diffusivity, structurally simple, inexpensive, and capable of lowering thermal resistance.

[第16の実施の形態]
(概略構成)
第16の実施の形態に係るPM1であって、樹脂モールド前の模式的鳥瞰パターン構成は図83(a)に示すように表わされ、模式的平面パターン構成は図83(b)に示すように表される。なお、図83(a)および図83(b)は、PM1における半導体デバイスの配置の具体例を示すものであって、半導体デバイスQとして、SiC MOSFET Q1・Q4を適用した、2 in 1モジュールタイプのハーフブリッジ内蔵モジュールが例示されている。
[16th Embodiment]
(Rough configuration)
In PM1 according to the sixteenth embodiment, the schematic bird's-eye view pattern configuration before the resin mold is shown as shown in FIG. 83 (a), and the schematic plane pattern configuration is shown as shown in FIG. 83 (b). It is represented by. Note that FIGS. 83 (a) and 83 (b) show specific examples of the arrangement of semiconductor devices in PM1, and are 2 in 1 module types to which SiC MOSFETs Q1 and Q4 are applied as the semiconductor device Q. A module with a built-in half bridge is illustrated.

すなわち、第16の実施の形態に係るPM1は、例えば図30(a)に示すように、直列接続された2個のSiC MOSFET Q1・Q4が、1つのモジュールに内蔵されたハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。 That is, in the PM1 according to the 16th embodiment, for example, as shown in FIG. 30A, two SiC MOSFETs Q1 and Q4 connected in series are included in one module of a half-bridge built-in module. It has a configuration.

第16の実施の形態に係るPM1は、図示省略の樹脂モールド層に被覆されたセラミックス基板21の第1の辺に配置された正側電源入力端子電極(正側電力端子)Pおよび負側電源入力端子電極(負側電力端子)Nと、第1の辺に隣接する第2の辺に配置されたゲート端子GT1(ゲートG1)・ソースセンス端子SST1(ソースS1)と、第1の辺に対向する第3の辺に配置された出力端子電極(出力端子)Oと、第2の辺に対向する第4の辺に配置されたゲート端子GT4(ゲートG4)・ソースセンス端子SST4(ソースS4)とを備える。 The PM1 according to the sixteenth embodiment includes a positive power input terminal electrode (positive power terminal) P and a negative power supply arranged on the first side of a ceramics substrate 21 coated with a resin mold layer (not shown). On the first side of the input terminal electrode (negative power terminal) N, the gate terminal GT1 (gate G1) and the source sense terminal SST1 (source S1) arranged on the second side adjacent to the first side. The output terminal electrode (output terminal) O arranged on the third side facing each other, and the gate terminal GT4 (gate G4) and the source sense terminal SST4 (source S4) arranged on the fourth side facing the second side. ) And.

なお、第16の実施の形態に係るPM1は、2個の出力端子Oを備えた4電力端子構造のパワーモジュールとなっている。 The PM1 according to the 16th embodiment is a power module having a 4-power terminal structure provided with two output terminals O.

ここで、図83(a)および図83(b)に示すように、2個のSiC MOSFET Q1・Q4はそれぞれ3個のデバイス(チップ)を備え、SiC MOSFET Q1の各チップは、ゲート端子GT1・ソースセンス端子SST1に共通に接続され、SiC MOSFET Q4の各チップは、ゲート端子GT4・ソースセンス端子SST4に共通に接続される。 Here, as shown in FIGS. 83 (a) and 83 (b), the two SiC MOSFETs Q1 and Q4 each include three devices (chips), and each chip of the SiC MOSFET Q1 has a gate terminal GT1. -Commonly connected to the source sense terminal SST1, each chip of the SiC MOSFET Q4 is commonly connected to the gate terminal GT4 and the source sense terminal SST4.

ゲート端子GT1・ソースセンス端子SST1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号電極パターンGL1・ソース信号電極パターンSL1に接続され、ゲート端子GT4・ソースセンス端子SST4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号電極パターンGL4・ソース信号電極パターンSL4に接続される。 The gate terminal GT1 and the source sense terminal SST1 are connected to the gate signal electrode pattern GL1 and the source signal electrode pattern SL1 of the SiC MOSFET Q1, and the gate terminal GT4 and the source sense terminal SST4 are the gate signal electrode pattern GL4 and the source of the SiC MOSFET Q4. It is connected to the signal electrode pattern SL4.

図83(a)および図83(b)に示すように、ゲート信号電極パターンGL1・GL4およびソース信号電極パターンSL1・SL4には、外部取り出し用のゲート端子GT1・GT4およびソースセンス端子SST1・SST4が半田付けなどによって接続される。 As shown in FIGS. 83 (a) and 83 (b), the gate signal electrode patterns GL1 and GL4 and the source signal electrode patterns SL1 and SL4 have gate terminals GT1 and GT4 for external extraction and source sense terminals SST1 and SST4. Is connected by soldering or the like.

なお、図83(a)および図83(b)に示すように、ゲート信号電極パターンGL1・GL4およびソース信号電極パターンSL1・SL4は信号基板261・264上に配置され、信号基板261・264はセラミックス基板21上に半田付けなどによって接続されていても良い。 As shown in FIGS. 83 (a) and 83 (b), the gate signal electrode patterns GL1 and GL4 and the source signal electrode patterns SL1 and SL4 are arranged on the signal boards 261, 264, and the signal boards 261, 264 It may be connected to the ceramic substrate 21 by soldering or the like.

信号基板261・264は、セラミックス基板で形成可能である。セラミックス基板は、例えば、Al、AlN、SiN、AlSiC、若しくは、少なくとも表面が絶縁性のSiCなどで形成されていても良い。 The signal substrates 261, 264 can be formed of a ceramic substrate. The ceramic substrate may be formed of, for example, Al 2 O 3 , AlN, SiN, AlSiC, or at least an insulating SiC on the surface.

また、図83(a)および図83(b)においては図示を省略しているが、SiC MOSFET Q1・Q4のドレインD1・ソースS1間およびドレインD4・ソースS4間に、逆並列にダイオード(DI1・DI4)が接続されていても良い。 Although not shown in FIGS. 83 (a) and 83 (b), diodes (DI1) are arranged in antiparallel between the drain D1 and the source S1 of the SiC MOSFETs Q1 and Q4 and between the drain D4 and the source S4. -DI4) may be connected.

正側電力端子P・負側電力端子N、外部取り出し用のゲート端子GT1・GT4およびソースセンス端子SST1・SST4は、例えば、Cuで形成可能である。 The positive power terminal P / negative power terminal N, the gate terminals GT1 / GT4 for external extraction, and the source sense terminals SST1 / SST4 can be formed by, for example, Cu.

主配線導体である表面電極パターン23(23D1・23D4・23DN)は、例えば、Cuによって形成可能である。 The surface electrode pattern 23 (23D1, 23D4, 23DN) which is the main wiring conductor can be formed by, for example, Cu.

ここで、図83(a)および図83(b)に示された例では、2 in 1モジュールタイプのハーフブリッジ内蔵モジュールにおいて、表面電極パターン23D1が、ハイ(High)側デバイス(SiC MOSFET Q1)用のドレイン電極パターンとして機能する。 Here, in the example shown in FIGS. 83 (a) and 83 (b), in the module with a built-in half bridge of the 2 in 1 module type, the surface electrode pattern 23D1 is the high side device (SiC MOSFET Q1). Functions as a drain electrode pattern for.

また、表面電極パターン23D4が、ロウ(Low)側デバイス(SiC MOSFET Q4)用のドレイン電極パターンとして機能すると共に、ハイ側デバイス用のソース電極パターン(23S1)としても機能する。つまり、ドレイン電極パターン23D4は、SiC MOSFET Q4のドレイン電極であると同時に、SiC MISFET Q1のソース電極となる。 Further, the surface electrode pattern 23D4 functions as a drain electrode pattern for the low side device (SiC MOSFET Q4) and also functions as a source electrode pattern (23S1) for the high side device. That is, the drain electrode pattern 23D4 is a drain electrode of the SiC MOSFET Q4 and at the same time a source electrode of the SiC MISFET Q1.

さらに、負側電力端子Nに接続される表面電極パターン23DNが、ロウ側デバイス用のソース電極パターン(23S4)として機能する。 Further, the surface electrode pattern 23DN connected to the negative power terminal N functions as a source electrode pattern (23S4) for the row side device.

すなわち、第16の実施の形態に係るPM1においては、図83(a)および図83(b)に示すように、SiC MOSFET Q1は表面電極パターン23D1上に搭載されて、ドレインD1が表面電極パターン23D1と接続されると共に、ソースS1がボンディングワイヤ(図示省略のソース信号用ボンディングワイヤ)を介して表面電極パターン23D4と接続される。 That is, in the PM1 according to the sixteenth embodiment, as shown in FIGS. 83A and 83B, the SiC MOSFET Q1 is mounted on the surface electrode pattern 23D1 and the drain D1 is a surface electrode pattern. Along with being connected to the 23D1, the source S1 is connected to the surface electrode pattern 23D4 via a bonding wire (bonding wire for a source signal (not shown)).

同様に、SiC MOSFET Q4は表面電極パターン23D4上に搭載されて、ドレインD4が表面電極パターン23D4と接続されると共に、ソースS4がボンディングワイヤ(図示省略のソース信号用ボンディングワイヤ)を介して表面電極パターン23DNと接続される。 Similarly, the SiC MOSFET Q4 is mounted on the surface electrode pattern 23D4, the drain D4 is connected to the surface electrode pattern 23D4, and the source S4 is connected to the surface electrode via a bonding wire (bonding wire for a source signal (not shown)). It is connected to the pattern 23DN.

また、第16の実施の形態に係るPM1にあっては、図示していないが、SiC MOSFET Q1のソースセンスパッド電極をソース信号電極パターンSL1に接続するソースセンス用ボンディングワイヤと、ゲートパッド電極をゲート信号電極パターンGL1に接続するゲート信号用ボンディングワイヤとを備える。 Further, in PM1 according to the 16th embodiment, although not shown, a source sense bonding wire for connecting the source sense pad electrode of the SiC MOSFET Q1 to the source signal electrode pattern SL1 and a gate pad electrode are provided. A bonding wire for a gate signal connected to the gate signal electrode pattern GL1 is provided.

同様に、図示していないが、SiC MOSFET Q4のソースセンスパッド電極をソース信号電極パターンSL4に接続するソースセンス用ボンディングワイヤと、ゲートパッド電極をゲート信号電極パターンGL4に接続するゲート信号用ボンディングワイヤとを備える。 Similarly, although not shown, a source sense bonding wire that connects the source sense pad electrode of the SiC MOSFET Q4 to the source signal electrode pattern SL4 and a gate signal bonding wire that connects the gate pad electrode to the gate signal electrode pattern GL4. And.

つまり、SiC MOSFET Q1・Q4の各ソース信号電極パターンSL1・SL4には、ソースセンスパッド電極を接続するための、ソースセンス用ボンディングワイヤがウエッジボンディングされる。 That is, a source sense bonding wire for connecting the source sense pad electrode is wedge-bonded to the source signal electrode patterns SL1 and SL4 of the SiC MOSFETs Q1 and Q4.

その他の構成などは第15の実施の形態の場合と、ほぼ同様であり、セラミックス基板21の上面上で、表面電極パターン23D1・23D4・23DNの下面には、グラファイト絶縁基板を構成する、GH(YZ)配向を備えるグラファイト基板18GHが配置されている。 Other configurations and the like are substantially the same as in the case of the fifteenth embodiment, and a graphite insulating substrate is formed on the upper surface of the ceramic substrate 21 and on the lower surface of the surface electrode patterns 23D1, 23D4, 23DN. YZ) A graphite substrate 18GH with orientation is arranged.

すなわち、第16の実施の形態に係るPM1は、図83(a)および図83(b)に示すように、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置されたグラファイト基板18GHと、グラファイト基板18GH上に配置された表面電極パターン(第2電極パターン)23D1・23D4・23DNと、セラミックス基板21の下面(第2面)に配置された裏面電極パターン(第1電極パターン)(図示省略)とを備えるグラファイト絶縁基板と、表面電極パターン23D1・23D4上に図示矢印X方向に沿って並べて配置された複数のSiC MOSFET Q1・Q4とを備える。 That is, as shown in FIGS. 83 (a) and 83 (b), the PM1 according to the sixteenth embodiment includes the ceramic substrate 21 and the graphite substrate arranged on the upper surface (first surface) of the ceramic substrate 21. 18GH, a surface electrode pattern (second electrode pattern) 23D1, 23D4, 23DN arranged on the graphite substrate 18GH, and a back surface electrode pattern (first electrode pattern) arranged on the lower surface (second surface) of the ceramic substrate 21. It is provided with a graphite insulating substrate (not shown) and a plurality of SiC MOSFETs Q1 and Q4 arranged side by side along the X direction of the illustrated arrow on the surface electrode patterns 23D1 and 23D4.

第16の実施の形態に係るPM1において、グラファイト基板18GHのGH(YZ)配向は、複数のSiC MOSFET Q1・Q4の配置のX方向にほぼ直交する、Y方向にほぼ一致する配向方向TDとされる。つまり、X方向に並べて配置されるSiC MOSFET Q1・Q4の、GH(YZ)の配向方向TDに対する並びの方向PD1のずれの許容量(許容されるずれ量)は、X方向に対応する配向方向PDを基準とし、グラファイト基板18GHの平面(基板面)上において、時計方向に約-45度以上+45度以下の角度θの範囲、好ましくは、約-30度以上+30度以下の角度θの範囲とされる。 In PM1 according to the sixteenth embodiment, the GH (YZ) orientation of the graphite substrate 18GH is an orientation direction TD that is substantially orthogonal to the X direction of the arrangement of the plurality of SiC MOSFETs Q1 and Q4 and substantially coincides with the Y direction. Orthogonal. That is, the allowable amount of deviation (allowable deviation amount) of the alignment direction PD1 of the SiC MOSFETs Q1 and Q4 arranged side by side in the X direction with respect to the orientation direction TD of GH (YZ) is the orientation direction corresponding to the X direction. A range of an angle θ of about −45 degrees or more and +45 degrees or less in the clockwise direction, preferably a range of an angle θ of about -30 degrees or more and +30 degrees or less on the plane (board surface) of the graphite substrate 18GH with reference to PD. It is said that.

なお、図83(a)および図83(b)において、半導体デバイスQがSiC MOSFETの場合、GT1・GT4は、SiC MOSFET Q1・Q4のゲート信号用のリード端子(いわゆる、ゲート端子)であり、SST1・SST4は、SiC MOSFET Q1・Q4のソース信号用のリード端子(いわゆる、ソースセンス端子)である。 In FIGS. 83A and 83B, when the semiconductor device Q is a SiC MOSFET, the GT1 and GT4 are lead terminals (so-called gate terminals) for the gate signals of the SiC MOSFETs Q1 and Q4. The SST1 and SST4 are lead terminals (so-called source sense terminals) for the source signals of the SiC MOSFETs Q1 and Q4.

これに対し、IGBTの場合には、GT1・GT4は、IGBT Q1・Q4のゲート信号用のリード端子(いわゆる、図30(b)のゲート端子G1・G4)となり、SST1・SST4は、IGBT Q1・Q4のエミッタ信号用のリード端子(いわゆる、図30(b)のエミッタセンス端子E1・E4)となる。 On the other hand, in the case of the IGBT, the GT1 and GT4 are lead terminals for the gate signal of the IGBT Q1 and Q4 (so-called gate terminals G1 and G4 in FIG. 30B), and the SST1 and SST4 are IGBT Q1. The lead terminals for the emitter signal of Q4 (so-called emitter sense terminals E1 and E4 in FIG. 30B) are used.

第16の実施の形態に係るPM1によれば、グラファイト基板18GHを適用したグラファイト絶縁基板の採用により、複数の半導体デバイスQの配置の方向PD1を、グラファイト基板18GHのGH(XZ)・GH(YZ)配向の配向方向TDにほぼ直交する熱伝導率の相対的に低い配向方向PDにより近似させることによって、高い熱拡散効果が期待できる。 According to PM1 according to the sixteenth embodiment, by adopting the graphite insulating substrate to which the graphite substrate 18GH is applied, the direction PD1 of the arrangement of the plurality of semiconductor devices Q can be set to GH (XZ) and GH (YZ) of the graphite substrate 18GH. ) Orientation direction A high thermal diffusion effect can be expected by approximating the orientation direction PD, which has a relatively low thermal conductivity and is substantially orthogonal to the TD.

すなわち、第16の実施の形態に係るPM1によっても、熱拡散性が良好で、構造的にも簡素であり、安価で、より低熱抵抗化が可能なパワーモジュールとすることができる。 That is, the PM1 according to the 16th embodiment can also be a power module having good thermal diffusivity, structurally simple, inexpensive, and capable of lowering thermal resistance.

なお、2 in 1モジュールタイプのPM1としては、ソース電極パターンを半導体デバイスQ1・Q4の上方に備える構造のものにも適用可能であり、また、2 in 1モジュールタイプのものに限定されるものでもない。 The 2 in 1 module type PM1 can be applied to a structure having a source electrode pattern above the semiconductor devices Q1 and Q4, and is limited to a 2 in 1 module type PM1. do not have.

(熱の干渉作用)
以下に、第15~第18の実施の形態に係るPMでの熱の干渉作用について説明する。
(Heat interference)
Hereinafter, the heat interference action in PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments will be described.

PMにおいては、小型化のために半導体デバイスQを近接させて配置したり、高い熱拡散効果を得ようとグラファイト基板18GHを必要以上に厚くすると、熱の干渉作用を起こしやすくなる。 In PM, if the semiconductor device Q is arranged close to each other for miniaturization, or if the graphite substrate 18GH is made thicker than necessary in order to obtain a high heat diffusion effect, heat interference is likely to occur.

第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、デバイス間距離(例えば、図72(a)のX2)を広くした場合を例に、熱の干渉作用について説明するための模式的断面構造は、図84(a)に示すように表わされ、図84(a)に対応する模式的平面構成は、図84(b)に示すように表される。なお、図84(a)の断面構造は、図84(b)のXIV-XIV線に沿う断面に対応している。 In the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure for explaining the heat interference action is described by taking as an example the case where the distance between devices (for example, X2 in FIG. 72 (a)) is widened. , As shown in FIG. 84 (a), and the schematic planar configuration corresponding to FIG. 84 (a) is represented as shown in FIG. 84 (b). The cross-sectional structure of FIG. 84 (a) corresponds to the cross-section along the XIV-XIV line of FIG. 84 (b).

ここで、半導体デバイスQA・QBからの熱が下方に約45度の角度で拡散すると仮定すると、図84(a)および図84(b)に示すように、グラファイト基板18GHの厚さ(H)をH1mmとし、デバイス間距離をX2a(X2a>X2)mmとした場合、半導体デバイスQAからの熱T1と半導体デバイスQBからの熱T1とがグラファイト基板18GH内で干渉し合う領域はほとんどできない。 Here, assuming that the heat from the semiconductor devices QA and QB diffuses downward at an angle of about 45 degrees, the thickness (H) of the graphite substrate 18GH is shown in FIGS. 84 (a) and 84 (b). When H1 mm is set and the distance between devices is X2a (X2a> X2) mm, there is almost no region where the heat T1 from the semiconductor device QA and the heat T1 from the semiconductor device QB interfere with each other in the graphite substrate 18GH.

すなわち、半導体デバイスQA・QBの並びのX方向の間隔距離X2aとしては、半導体デバイスQA・QBからグラファイト基板18GHの上面(第1面)に対向する下面(第2面)側までの距離(H)の2倍程度以上長いことが望ましい。 That is, the distance X2a in the X direction of the arrangement of the semiconductor devices QA / QB is the distance (H) from the semiconductor devices QA / QB to the lower surface (second surface) side facing the upper surface (first surface) of the graphite substrate 18GH. It is desirable that it is at least twice as long as).

これに対し、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、デバイス間距離(X2)を狭くした場合を例に、熱の干渉作用について説明するための模式的断面構造は、図85(a)に示すように表わされ、図85(a)に対応する模式的平面構成は、図85(b)に示すように表される。なお、図85(a)の断面構造は、図85(b)のXV-XV線に沿う断面に対応している。 On the other hand, in the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure for explaining the heat interference effect is shown in FIG. 85, taking as an example the case where the distance between devices (X2) is narrowed. Represented as shown in a), the schematic planar configuration corresponding to FIG. 85 (a) is represented as shown in FIG. 85 (b). The cross-sectional structure of FIG. 85 (a) corresponds to the cross-section along the XV-XV line of FIG. 85 (b).

図85(a)および図85(b)に示すように、グラファイト基板18GHの厚さ(H)をH1mmとし、デバイス間距離をX2b(X2b<X2)mmとした場合、半導体デバイスQAからの熱T2と半導体デバイスQBからの熱T2とが、グラファイト基板18GH内で干渉し合う領域T3ができる。領域T3は、熱抵抗を上昇させる要因となり、望ましくない。 As shown in FIGS. 85 (a) and 85 (b), when the thickness (H) of the graphite substrate 18GH is H1 mm and the distance between devices is X2b (X2b <X2) mm, the heat from the semiconductor device QA A region T3 is formed in which T2 and heat T2 from the semiconductor device QB interfere with each other in the graphite substrate 18GH. The region T3 is not desirable because it causes an increase in thermal resistance.

なお、図86(a)に示すように、デバイス間距離をX2a(X2a>X2)mmとした場合に、高い熱拡散効果を期待して、グラファイト基板18GHの厚さ(H)をH2(H2>H1)mmまで厚くすると、半導体デバイスQAからの熱T1と半導体デバイスQBからの熱T1とが、グラファイト基板18GH内で干渉し合う領域T3ができる。 As shown in FIG. 86 (a), when the distance between devices is X2a (X2a> X2) mm, the thickness (H) of the graphite substrate 18GH is H2 (H2) in anticipation of a high heat diffusion effect. When the thickness is increased to> H1) mm, a region T3 is formed in which the heat T1 from the semiconductor device QA and the heat T1 from the semiconductor device QB interfere with each other in the graphite substrate 18GH.

逆に、図86(b)に示すように、デバイス間距離をX2b(X2b<X2)mmとした場合に、熱拡散効果を犠牲にして、グラファイト基板18GHの厚さ(H)をH3(H3<H1)mmまで薄くすると、半導体デバイスQAからの熱T1と半導体デバイスQBからの熱T1とが、グラファイト基板18GH内で干渉し合う領域はほとんどできない。 On the contrary, as shown in FIG. 86 (b), when the distance between devices is X2b (X2b <X2) mm, the thickness (H) of the graphite substrate 18GH is changed to H3 (H3) at the expense of the heat diffusion effect. When the thickness is reduced to <H1) mm, there is almost no region where the heat T1 from the semiconductor device QA and the heat T1 from the semiconductor device QB interfere with each other in the graphite substrate 18GH.

このように、グラファイト基板18GHの厚さ(H)と、半導体デバイスQA・QBのデバイス間距離(X2)との間には、トレードオフの関係があるため、グラファイト基板18GHの配向方向TDを、最も熱拡散が良好となる方向に近似(実質的に一致)させることによって、より効果的に低熱抵抗化が図れる。 As described above, since there is a trade-off relationship between the thickness (H) of the graphite substrate 18GH and the device-to-device distance (X2) of the semiconductor devices QA and QB, the orientation direction TD of the graphite substrate 18GH is set. By approximating (substantially matching) the direction in which the heat diffusion is the best, the heat resistance can be reduced more effectively.

なお、半導体デバイスQA・QBは、所定の角度を有して斜めに配置するようにした場合、同一直線上に直線的に配置される場合に比べ、デバイス間距離を若干は稼ぐことができるため、熱が干渉し合う領域を形成できにくくはなるものの、完全に抑制するのは難しい。 It should be noted that when the semiconductor devices QA and QB are arranged diagonally with a predetermined angle, the distance between the devices can be slightly increased as compared with the case where the semiconductor devices are arranged linearly on the same straight line. Although it becomes difficult to form a region where heat interferes with each other, it is difficult to completely suppress it.

(半導体デバイスの配置例)
図87(a)~図87(c)は、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の配置例を示すものである。
(Semiconductor device placement example)
87 (a) to 87 (c) show an arrangement example of the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 in the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments.

半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、例えば図87(a)に示すように、グラファイト基板18GHの基板面上、並びの配置の方向PDAが、X方向に対応する配向方向PDに沿ってほぼ直線状に配置される。 In the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13, for example, as shown in FIG. 87 (a), the orientation PDA of the arrangement arrangement on the substrate surface of the graphite substrate 18GH is substantially linear along the orientation direction PD corresponding to the X direction. Placed in.

また、半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、例えば図87(b)に示すように、グラファイト基板18GHの基板面上において、グラファイト基板18GHの一辺に対応するX方向に沿う配向方向PDに対し、所定の角度だけマイナス(-)方向に傾斜した配置の方向PDBにほぼ直線状に配置されても良い。 Further, as shown in FIG. 87 (b), for example, the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are predetermined with respect to the orientation direction PD along the X direction corresponding to one side of the graphite substrate 18GH on the substrate surface of the graphite substrate 18GH. It may be arranged substantially linearly in the direction PDB of the arrangement inclined in the minus (-) direction by the angle of.

また、半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、例えば図87(c)に示すように、グラファイト基板18GHの基板面上において、中央の半導体デバイスQ12に対し、半導体デバイスQ11がX方向に沿う配向方向PDから所定の角度だけプラス(+)方向に傾斜した配置の方向PDDに、半導体デバイスQ13が配向方向PDから所定の角度だけマイナス方向に傾斜した配置の方向PDCに、いわゆる千鳥状に配置することも可能である。 Further, in the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13, for example, as shown in FIG. 87 (c), the semiconductor device Q11 is oriented in the X direction with respect to the central semiconductor device Q12 on the substrate surface of the graphite substrate 18GH. It is also possible to arrange the semiconductor device Q13 in a so-called staggered pattern in the direction PDD of the arrangement inclined in the plus (+) direction by a predetermined angle, and in the direction PDC of the arrangement in which the semiconductor device Q13 is inclined in the minus direction by a predetermined angle from the orientation direction PD. It is possible.

さらには、図89に示すように、例えば図87(c)のグラファイト基板18GHの基板面上において、半導体デバイスQ11またはQ13のいずれか一方が半導体デバイスQ12と同じ直線上(配向方向PD)に配置され、半導体デバイスQ11またはQ13のいずれか他方が半導体デバイスQ12に対して所定の角度だけ傾斜した配置の方向PDDまたはPDCに配置される組み合わせとしても良い。 Further, as shown in FIG. 89, for example, on the substrate surface of the graphite substrate 18GH of FIG. 87 (c), either one of the semiconductor devices Q11 or Q13 is arranged on the same straight line as the semiconductor device Q12 (orientation direction PD). The combination may be such that either one of the semiconductor devices Q11 or Q13 is arranged in the direction PDD or PDC of the arrangement inclined by a predetermined angle with respect to the semiconductor device Q12.

(配置と熱抵抗との関係)
次に、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、半導体デバイスの配置のずれ量と熱抵抗との関係について説明する。
(Relationship between arrangement and thermal resistance)
Next, in the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the relationship between the amount of displacement of the arrangement of the semiconductor devices and the thermal resistance will be described.

第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、熱抵抗シミュレーションに用いたシミュレーションモデルの模式的平面構成は、図88(a)に示すように表わされ、熱抵抗シミュレーションの結果は、図88(b)に示すように表わされ、シミュレーション結果に基づく低熱抵抗化の効果(ずれ量の許容範囲)は、図88(c)に示すように表される。 In the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the schematic planar configuration of the simulation model used for the thermal resistance simulation is shown as shown in FIG. 88 (a), and the result of the thermal resistance simulation is shown in FIG. It is shown as shown in FIG. 88 (b), and the effect of lowering the thermal resistance (allowable range of the deviation amount) based on the simulation result is shown as shown in FIG. 88 (c).

シミュレーションモデルは、図88(a)に示すように、半導体デバイスQ11・Q12・Q13を図示矢印Y方向に沿って千鳥状(X方向に所定のずれ量をもって交互)に配置している。半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、X方向およびY方向のサイズ(C1×L1)が5mm×5mmとされている。 In the simulation model, as shown in FIG. 88 (a), the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are arranged in a staggered pattern (alternately with a predetermined deviation amount in the X direction) along the Y direction of the illustrated arrow. The semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 have a size (C1 × L1) of 5 mm × 5 mm in the X direction and the Y direction.

半導体デバイスQ11・Q13は、X方向に対しては、表面電極パターン23の近い方のエッジ(近エッジ)からの距離X1が2mm、Y方向に対しては、近エッジからの距離Y1が2mmとされている。 In the semiconductor devices Q11 and Q13, the distance X1 from the near edge (near edge) of the surface electrode pattern 23 is 2 mm in the X direction, and the distance Y1 from the near edge is 2 mm in the Y direction. Has been done.

半導体デバイスQ12は、Y方向に対しては、それぞれ隣接する半導体デバイスQ11・Q13との距離Y2が4mmとされている。 The semiconductor device Q12 has a distance Y2 of 4 mm from the adjacent semiconductor devices Q11 and Q13 in the Y direction.

シミュレーションは、半導体デバイスQ13のX1が2mmの場合をX2=0とし、X方向に0から1mmずつ増加させた場合の熱抵抗について、半導体デバイスQ11のX1が2mmの場合をX3=0とし、X3を、0mm(図示(a))、1mm(図示(b))、2mm(図示(c))、3mm(図示(d))、4mm(図示(e))、5mm(図示(f))、6mm(図示(g))、7mm(図示(h))、8mm(図示(i))、9mm(図示(j))とした場合について実施した。 In the simulation, when X1 of the semiconductor device Q13 is 2 mm, X2 = 0, and when the thermal resistance is increased by 1 mm from 0 in the X direction, when X1 of the semiconductor device Q11 is 2 mm, X3 = 0, and X3. 0 mm (illustration (a)), 1 mm (illustration (b)), 2 mm (illustration (c)), 3 mm (illustration (d)), 4 mm (illustration (e)), 5 mm (illustration (f)), It was carried out in the case of 6 mm (illustration (g)), 7 mm (illustration (h)), 8 mm (illustration (i)), and 9 mm (illustration (j)).

なお、図88(b)のシミュレーション結果は、X2=9mm、X3=9mmの時を1として規格化されている。 The simulation result of FIG. 88 (b) is standardized with the time of X2 = 9 mm and X3 = 9 mm as 1.

図88(b)の結果からも明らかなように、半導体デバイスQ11・Q12・Q13をY方向に千鳥状に配置した場合、中央に配置した半導体デバイスQ12に対し、半導体デバイスQ11・Q13のいずれか一方でもY方向の直線上(YZ方向)からX方向に外れると熱抵抗が増加する。 As is clear from the result of FIG. 88 (b), when the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are arranged in a staggered manner in the Y direction, any one of the semiconductor devices Q11 and Q13 is compared with the semiconductor device Q12 arranged in the center. On the other hand, the thermal resistance increases when the line deviates from the straight line in the Y direction (YZ direction) in the X direction.

このような特性を有するシミュレーションモデルにおいて、グラファイト基板18GHとして、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の配置されたY方向と実質的に直交するX方向に沿ったGH(XZ)配向を備えるようにした場合には、図88(c)中に斜線部YRで示すように、中央の半導体デバイスQ12に対する半導体デバイスQ11・Q13のずれ量が45度以下であれば、熱抵抗の増加は6%程度に抑えることができる。 In a simulation model having such characteristics, the graphite substrate 18GH is provided with a GH (XZ) orientation along the X direction substantially orthogonal to the Y direction in which the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 are arranged. As shown by the shaded area YR in FIG. 88 (c), if the amount of deviation of the semiconductor devices Q11 and Q13 with respect to the central semiconductor device Q12 is 45 degrees or less, the increase in thermal resistance is suppressed to about 6%. be able to.

すなわち、図87(b)および図87(c)に示した配置例の場合、熱抵抗の増加を抑えるためには、グラファイト基板18GHのGH(YZ)配向に対応する配向方向TDにほぼ直交する配向方向(X方向)PDを0とした際の、半導体デバイスQ11・Q12・Q13の並びの配置の方向PDD・PDCの角度が、グラファイト基板18GHの平面(基板面)上において、時計方向に約-45度以上+45度以下、好ましくは、約30度以上+30度以下になるように配置するのが望ましい。 That is, in the case of the arrangement examples shown in FIGS. 87 (b) and 87 (c), in order to suppress the increase in thermal resistance, the graphite substrate is substantially orthogonal to the orientation direction TD corresponding to the GH (YZ) orientation of the graphite substrate 18GH. When the orientation direction (X direction) PD is set to 0, the angle of the PDD / PDC in the arrangement of the semiconductor devices Q11 / Q12 / Q13 is approximately clockwise on the plane (board surface) of the graphite substrate 18GH. It is desirable to arrange it so that it is −45 degrees or more and +45 degrees or less, preferably about 30 degrees or more and +30 degrees or less.

図89は、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、熱抵抗シミュレーションに用いた他のモデル例を示すもので、中央の半導体デバイスQ12に対して、半導体デバイスQ11をX方向にずらさずに配置すると共に、半導体デバイスQ13を所定の角度によりX方向に斜めにずらして配置するようにした場合の例である。 FIG. 89 shows another model example used for the thermal resistance simulation in the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, in which the semiconductor device Q11 is displaced in the X direction with respect to the central semiconductor device Q12. This is an example in which the semiconductor device Q13 is arranged without being arranged and the semiconductor device Q13 is arranged diagonally in the X direction by a predetermined angle.

シミュレーションモデルにおいて、半導体デバイスQ11・Q12・Q13は、X方向およびY方向のサイズ(C1×L1)が5mm×5mmとされている。 In the simulation model, the semiconductor devices Q11, Q12, and Q13 have a size (C1 × L1) of 5 mm × 5 mm in the X direction and the Y direction.

半導体デバイスQ13は、X方向に対しては、表面電極パターン23の近エッジからの距離X1が2mm、Y方向に対しては、近エッジからの距離Y1が2mmとされている。 In the semiconductor device Q13, the distance X1 from the near edge of the surface electrode pattern 23 is 2 mm in the X direction, and the distance Y1 from the near edge is 2 mm in the Y direction.

半導体デバイスQ12は、Y方向に対しては、それぞれ隣接する半導体デバイスQ11・Q13との間隔距離Y2が約4mmとされている。 The semiconductor device Q12 has a distance Y2 between the adjacent semiconductor devices Q11 and Q13 of about 4 mm in the Y direction.

半導体デバイスQ11は、Y方向に対しては、近エッジからの距離Y1が2mmとされている。 The semiconductor device Q11 has a distance Y1 from the near edge of 2 mm in the Y direction.

このシミュレーションモデルの場合、半導体デバイスQ11の、中央の半導体デバイスQ12に対するX方向のずれ量が9以下となるように配置される。すなわち、半導体デバイスQ11(Q12)の、X方向に対する遠い方のエッジ(遠エッジ)からの距離11(X3=9)に対し、半導体デバイスQ13の、X方向に対する遠エッジからの距離が20(X2=18)とされる。これにより、図88(c)中に斜線部YRで示すように、中央の半導体デバイスQ12に対する半導体デバイスQ11・Q13のずれ量が45度以下となって、熱抵抗の増加を6%程度に抑えることが可能となる。 In the case of this simulation model, the semiconductor device Q11 is arranged so that the amount of deviation in the X direction with respect to the central semiconductor device Q12 is 9 or less. That is, the distance of the semiconductor device Q11 (Q12) from the far edge (far edge) in the X direction is 11 (X3 = 9), whereas the distance of the semiconductor device Q13 from the far edge in the X direction is 20 (X2). = 18). As a result, as shown by the shaded area YR in FIG. 88 (c), the amount of deviation of the semiconductor devices Q11 and Q13 with respect to the central semiconductor device Q12 becomes 45 degrees or less, and the increase in thermal resistance is suppressed to about 6%. It becomes possible.

[第17の実施の形態]
(概略構成)
第17の実施の形態に係るPM1の模式的鳥瞰パターン構成は図90(a)に示すように表わされ、模式的平面パターン構成は図90(b)に示すように表される。なお、図90(a)および図90(b)では、3電力端子構造のPM1に適用した場合が例示されている。
[17th Embodiment]
(Rough configuration)
The schematic bird's-eye view pattern configuration of PM1 according to the seventeenth embodiment is represented as shown in FIG. 90 (a), and the schematic planar pattern configuration is represented as shown in FIG. 90 (b). In addition, in FIG. 90 (a) and FIG. 90 (b), the case where it was applied to PM1 of a three-power terminal structure is exemplified.

ここで、図90(a)および図90(b)に示すように、第17の実施の形態に係るPM1は、電力端子構造を除けば、第16の実施の形態に係るPM1とほぼ同一の構成を備える。 Here, as shown in FIGS. 90 (a) and 90 (b), the PM1 according to the 17th embodiment is substantially the same as the PM1 according to the 16th embodiment except for the power terminal structure. It has a configuration.

すなわち、第17の実施の形態に係るPM1は、図90(a)および図90(b)に示すように、セラミックス基板21と、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置されたグラファイト基板18GHと、グラファイト基板18GH上に配置された表面電極パターン(第2電極パターン)23D1・23D4・23DNと、セラミックス基板21の下面(第2面)に配置された裏面電極パターン(第1電極パターン)(図示省略)とを備えるグラファイト絶縁基板と、表面電極パターン23D1・23D4上に図示矢印X方向に沿って並べて配置された複数の半導体デバイス(モジュール)Q1・Q4とを備える。 That is, as shown in FIGS. 90 (a) and 90 (b), the PM1 according to the 17th embodiment includes the ceramic substrate 21 and the graphite substrate arranged on the upper surface (first surface) of the ceramic substrate 21. 18GH, a surface electrode pattern (second electrode pattern) 23D1, 23D4, 23DN arranged on the graphite substrate 18GH, and a back surface electrode pattern (first electrode pattern) arranged on the lower surface (second surface) of the ceramic substrate 21. It includes a graphite insulating substrate provided with (not shown), and a plurality of semiconductor devices (modules) Q1 and Q4 arranged side by side along the X direction of the illustrated arrow on the surface electrode patterns 23D1 and 23D4.

第17の実施の形態に係るPM1において、グラファイト基板18GHの配向方向TDにおけるGH(YZ)配向は、複数の半導体デバイスQ1・Q4のX方向に沿う配向方向PDにほぼ直交する方向とされる。 In PM1 according to the seventeenth embodiment, the GH (YZ) orientation in the orientation direction TD of the graphite substrate 18GH is a direction substantially orthogonal to the orientation direction PD along the X direction of the plurality of semiconductor devices Q1 and Q4.

図90(a)および図90(b)において、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極であり、1個の出力端子電極Oを備えた3電力端子構造のPMとなっている。 In FIGS. 90 (a) and 90 (b), P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode, which is one output. It is a PM with a three-power terminal structure equipped with a terminal electrode O.

なお、図90(a)および図90(b)において、GL1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号用のリード端子(図示省略)が接続されるゲート信号電極パターンであり、SL1は、SiC MOSFET Q1のソース信号用のリード端子(図示省略)が接続されるソース信号電極パターンである。同様に、GL4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号用のリード端子(図示省略)が接続されるゲート信号電極パターンであり、SL4は、SiC MOSFET Q4のソース信号用のリード端子(図示省略)が接続されるソース信号電極パターンである。 In FIGS. 90 (a) and 90 (b), GL1 is a gate signal electrode pattern to which a lead terminal (not shown) for a gate signal of SiC MOSFET Q1 is connected, and SL1 is of SiC MOSFET Q1. This is a source signal electrode pattern to which a lead terminal for a source signal (not shown) is connected. Similarly, GL4 is a gate signal electrode pattern to which a lead terminal for a gate signal of SiC MOSFET Q4 (not shown) is connected, and SL4 is connected to a lead terminal for a source signal of SiC MOSFET Q4 (not shown). It is a source signal electrode pattern to be made.

また、図中におけるBW1は、SiC MOSFET Q1のソースパッド電極をソース電極としても機能する表面電極パターン23D4に共通に接続するためのソース信号用ボンディングワイヤであり、BW4は、SiC MOSFET Q4のソースパッド電極をソース電極としても機能する表面電極パターン23DNに共通に接続するためのソース信号用ボンディングワイヤである。 Further, BW1 in the figure is a bonding wire for a source signal for commonly connecting the source pad electrode of SiC MOSFET Q1 to the surface electrode pattern 23D4 which also functions as a source electrode, and BW4 is a source pad of SiC MOSFET Q4. A bonding wire for a source signal for commonly connecting an electrode to a surface electrode pattern 23DN that also functions as a source electrode.

第17の実施の形態に係るPM1によっても、グラファイト基板18GHの基板面上、複数の半導体デバイスQ1・Q4の配置の方向PD1を、グラファイト基板18GHのGH(YZ)配向に対応する配向方向(Y方向)TDにほぼ直交する配向方向(X方向)PDとすることにより、熱拡散性が良好で、構造的にも簡素であり、安価で、より低熱抵抗化が可能となる。 Also in the PM1 according to the seventeenth embodiment, the orientation direction PD1 of the arrangement of the plurality of semiconductor devices Q1 and Q4 on the substrate surface of the graphite substrate 18GH is set to the orientation direction (Y) corresponding to the GH (YZ) orientation of the graphite substrate 18GH. Direction) By setting the orientation direction (X direction) PD substantially orthogonal to the TD, the heat diffusivity is good, the structure is simple, the cost is low, and the heat resistance can be further reduced.

[第18の実施の形態]
(概略構成)
第18の実施の形態に係るPM1の模式的平面パターン構成は図91に示すように表される。なお、図91では、半導体デバイスQとして、例えばダイオードのFRD QA2やショットキーバリアダイオードなどを含むIGBT QA1を適用した場合が例示されている。
[18th Embodiment]
(Rough configuration)
The schematic planar pattern configuration of PM1 according to the eighteenth embodiment is shown as shown in FIG. Note that FIG. 91 illustrates a case where, for example, an IGBT QA1 including a diode FRD QA2 and a Schottky barrier diode is applied as the semiconductor device Q.

図91に示すように、第18の実施の形態に係るPM1は、セラミックス基板21の上面(第1面)に配置された、熱伝導率と熱膨張係数(熱膨張率(CTE))とに異方性を有するグラファイト基板18GHを備え、グラファイト基板18GH上にはIGBT QA1およびFRD QA2がラレルに並べて配置される表面電極パターン(第2電極パターン)(図示省略)が、セラミックス基板21の下面(第2面)には図示省略の裏面電極パターン(第1電極パターン)が、それぞれ配置されている。 As shown in FIG. 91, PM1 according to the eighteenth embodiment has a thermal conductivity and a thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient (CTE)) arranged on the upper surface (first surface) of the ceramic substrate 21. A surface electrode pattern (second electrode pattern) (not shown) in which the graphite substrate 18GH having anisotropy is provided and the IGBT QA1 and FRD QA2 are arranged side by side on the graphite substrate 18GH is the lower surface of the ceramic substrate 21 (not shown). A back surface electrode pattern (first electrode pattern) (not shown) is arranged on the second surface).

グラファイト基板18GHはXZ配向を備え、図示矢印で示すGH(XZ)の配向方向TDに対して、並べて配置されたIGBT QA1およびFRD QA2の並びの配置の方向PD1が実質的に直交する配向方向(Y方向)PDとされる。 The graphite substrate 18GH has an XZ orientation, and the orientation direction PD1 substantially orthogonal to the orientation direction TD of the GH (XZ) indicated by the arrow in the illustration is substantially orthogonal to the orientation direction PD1 of the arrangement arrangement of the IGBT QA1 and the FRD QA2 arranged side by side. Y direction) PD.

なお、IGBT QA1およびFRD QA2は、実際にはグラファイト基板18GH上の表面電極パターンに接合されるが、ここでの説明では図示を省略している。 The IGBT QA1 and FRD QA2 are actually bonded to the surface electrode pattern on the graphite substrate 18GH, but are not shown here in the description.

第18の実施の形態に係るPM1によっても、IGBT QA1およびFRD QA2の並びの配置の方向PD1を、グラファイト基板18GHのGH(XZ)の配向方向(X方向)TDにほぼ直交する配向方向(Y方向)PDとすることにより、熱拡散性が良好で、構造的にも簡素であり、安価で、より低熱抵抗化が可能となる。 Also in the PM1 according to the eighteenth embodiment, the orientation direction PD1 of the arrangement of the IGBT QA1 and the FRD QA2 is substantially orthogonal to the orientation direction (X direction) TD of the GH (XZ) of the graphite substrate 18GH. Direction) By using PD, the heat diffusivity is good, the structure is simple, the cost is low, and the heat resistance can be further reduced.

第18の実施の形態に係るPM1においては、グラファイト構造による熱拡散効果に加え、表面電極パターン上に接合される半導体デバイスQ(QA1・QA2)の向きや縦横のサイズといった形状を変えることによって、接合部(銀焼成層)にかかる応力についての低減が可能である。 In PM1 according to the eighteenth embodiment, in addition to the heat diffusion effect due to the graphite structure, the shape such as the orientation and the vertical and horizontal sizes of the semiconductor devices Q (QA1 and QA2) bonded on the surface electrode pattern is changed. It is possible to reduce the stress applied to the joint (silver fired layer).

すなわち、グラファイト基板18GH上に正方形などの半導体デバイスQを接合すると、グラファイト基板18GHには熱膨張係数に異方性があるため、熱膨張係数が大きい方位では、双方の熱膨張係数の差から接合部に大きな応力が生じるが、半導体デバイスQの形状をグラファイト基板18GHの熱膨張係数とうまくマッチングさせることで、接合部にかかる応力を低減できる。 That is, when a semiconductor device Q such as a square is bonded on a graphite substrate 18GH, the graphite substrate 18GH has an anisotropic coefficient of thermal expansion. Although a large stress is generated in the portion, the stress applied to the joint can be reduced by matching the shape of the semiconductor device Q with the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH.

なお、接合部にかかる応力の低減は、第18の実施の形態に係るPM1に限らず、他の実施の形態に係る構成のPMの場合も同様である。 The reduction of stress applied to the joint portion is not limited to PM1 according to the eighteenth embodiment, and is the same for PM having a configuration according to another embodiment.

(応力緩和構造)
ここで、実施の形態に係るPMにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、接合部にかかる応力について説明する。
(Stress relaxation structure)
Here, the stress applied to the joint portion will be described by taking as an example the case where a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied in the PM according to the embodiment.

FRD SC1およびIGBT SC2を例に、半導体デバイスQのグラファイト基板18GH1に対する配置を説明する模式的平面パターン構成(PMa)は図19(a)に示すように表わされ、SiC MOS SC3・SC4を例に、半導体デバイスQのグラファイト基板18GH1に対する配置を説明する模式的平面パターン構成(PMb)は、図19(b)に示すように表される。 Taking FRD SC1 and IGBT SC2 as examples, a schematic planar pattern configuration (PMa) illustrating the arrangement of the semiconductor device Q with respect to the graphite substrate 18GH1 is shown as shown in FIG. 19A, and SiC MOS SC3 / SC4 is taken as an example. A schematic planar pattern configuration (PMb) illustrating the arrangement of the semiconductor device Q with respect to the graphite substrate 18GH1 is shown in FIG. 19 (b).

なお、半導体デバイスQは、実際にはグラファイト基板18GH1上の表面電極パターンに接合されるが、ここでの説明では図示を省略している。 The semiconductor device Q is actually bonded to the surface electrode pattern on the graphite substrate 18GH1, but is not shown here in the description.

ダイオードなどを備えるIGBTの場合、図19(a)に示すように、グラファイト基板18GH1上には、半導体デバイスQとして、FRD SC1およびIGBT SC2が並べて配置される。 In the case of an IGBT including a diode or the like, as shown in FIG. 19A, the FRD SC1 and the IGBT SC2 are arranged side by side as the semiconductor device Q on the graphite substrate 18GH1.

SiC MOSFETの場合、図19(b)に示すように、グラファイト基板18GH1上には、半導体デバイスQとして、SiC MOS SC3・SC4が並べて配置される。 In the case of the SiC MOSFET, as shown in FIG. 19B, the SiC MOS SC3 and SC4 are arranged side by side as the semiconductor device Q on the graphite substrate 18GH1.

ここで、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.5ppm/K、Y=25ppm/K、z=0.5ppm/Kとした場合、FRD SC1、IGBT SC2、SiC MOS SC3・SC4としては、いずれも、X方向H1およびY方向C1を有する長方形のデバイス(H1>C1)を用い、それぞれのY方向C1を熱膨張係数の大きい方位に対応させる。これにより、グラファイト基板18GH1による熱拡散効果と共に、接合部にかかる応力をも低減可能となる。 Here, when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.5 ppm / K, Y = 25 ppm / K, z = 0.5 ppm / K, FRD SC1, IGBT SC2, SiC MOS SC3. As the SC4, a rectangular device (H1> C1) having an X direction H1 and a Y direction C1 is used, and each Y direction C1 is associated with an orientation having a large coefficient of thermal expansion. This makes it possible to reduce the stress applied to the joint as well as the heat diffusion effect of the graphite substrate 18GH1.

以下に、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、グラファイト基板の適用による応力低減効果について、さらに説明する。 Hereinafter, the stress reducing effect due to the application of the graphite substrate in the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments will be further described.

(実施例1)
熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合を例に、接合部にかかる応力についてシミュレーションを行うための、シミュレーションモデルMDの模式的平面パターン構成は、図20(a)に示すように表わされ、図20(a)のVI-VI線に沿う模式的断面構造は、図20(b)に示すように表される。
(Example 1)
The schematic plane pattern configuration of the simulation model MD for simulating the stress applied to the joint is shown in FIG. 20 (a), taking as an example the case where a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied. The schematic cross-sectional structure along the VI-VI line of FIG. 20 (a) is represented by FIG. 20 (b).

ここでは、図20(a)および図20(b)に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、下面Cu箔(裏面電極パターン22)/Si基板(セラミックス基板21)/グラファイトプレート(グラファイト基板18GH1・18GH2)/上面Cu箔(表面電極パターン231・232)からなる積層基板構造を、グラファイト絶縁基板20と称する。 Here, in the simulation model MD having the configurations shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), the lower surface Cu foil (back surface electrode pattern 22) / Si 3N 4 substrate (ceramics substrate 21) / graphite plate (graphite substrate). The laminated substrate structure composed of 18GH1 / 18GH2) / upper surface Cu foil (surface electrode pattern 231-232) is referred to as graphite insulating substrate 20.

グラファイトプレートは、熱伝導率・熱膨張係数に異方性があるため、正方形などのデバイスをダイ・ボンディングすると、熱膨張係数が大きい方位では熱膨張係数の差から接合部に大きな応力を生じるが、デバイスの形状をグラファイトプレートの熱膨張係数とうまくマッチングさせることで、接合部にかかる応力の低減が可能である。 Since the graphite plate has anisotropy in thermal conductivity and coefficient of thermal expansion, when a device such as a square is die-bonded, a large stress is generated at the joint due to the difference in the coefficient of thermal expansion in the direction where the coefficient of thermal expansion is large. By matching the shape of the device with the coefficient of thermal expansion of the graphite plate, it is possible to reduce the stress applied to the joint.

シミュレーションモデルMDにおいては、図20(a)および図20(b)に示すように、例えば、10mm(GX)×21mm(LY1)のSiN系のセラミックス基板21を用い、半導体デバイスQが接合される表面電極パターン231およびブロック電極(図示省略)が接合される表面電極パターン232として、10mm(GX)×10mm(LY)のCu箔を用いた。 In the simulation model MD, as shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), for example, a SiN-based ceramic substrate 21 of 10 mm (GX) × 21 mm (LY1) is used, and the semiconductor device Q is bonded. As the surface electrode pattern 232 to which the surface electrode pattern 231 and the block electrode (not shown) are joined, a Cu foil of 10 mm (GX) × 10 mm (LY) was used.

表面電極パターン231・232は、距離LY2=1mmだけ離隔されている。 The surface electrode patterns 231 and 232 are separated by a distance of LY2 = 1 mm.

裏面電極パターン22は、セラミックス基板21とほぼ同一寸法(10mm×21mm)とした。 The back surface electrode pattern 22 has substantially the same dimensions (10 mm × 21 mm) as the ceramic substrate 21.

グラファイト基板18GH1・18GH2は、表面電極パターン231・232とほぼ同一寸法(10mm×10mm)である。 The graphite substrates 18GH1 and 18GH2 have substantially the same dimensions (10 mm × 10 mm) as the surface electrode patterns 231 and 232.

半導体デバイスQとしては、5mm(H1)×5mm(C1)を有する正方形のSiC MOSFETを用い(H1=C1)、表面電極パターン231のエッジからの距離X1(2.5mm)・Y1(2.5mm)により、表面電極パターン231上のほぼ中央部に銀焼成層27を用いて接合される。 As the semiconductor device Q, a square SiC MOSFET having 5 mm (H1) × 5 mm (C1) is used (H1 = C1), and the distance from the edge of the surface electrode pattern 231 is X1 (2.5 mm) and Y1 (2.5 mm). ), The silver fired layer 27 is bonded to the substantially central portion on the surface electrode pattern 231.

グラファイト基板18GH1・18GH2の熱膨張係数の配向は、例えばX=25ppm/K、Y=0.1ppm/K、Z=0.1ppm/Kとした。 The orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrates 18GH1 and 18GH2 was, for example, X = 25 ppm / K, Y = 0.1 ppm / K, and Z = 0.1 ppm / K.

なお、図21に示すように、熱抵抗が最も低くなるように、各部の厚み(mm)が最適化される。本シミュレーションモデルMDの場合、例えば、半導体デバイスQは0.35mm厚、グラファイト基板18GH1・18GH2は1.5mm厚、セラミックス基板21は0.32mm厚、表面電極パターン231・232は0.3mm厚、裏面電極パターン22は0.2mm厚、銀焼成層27は0.05mm厚とされ、いずれも最適化される。 As shown in FIG. 21, the thickness (mm) of each part is optimized so that the thermal resistance is the lowest. In the case of this simulation model MD, for example, the semiconductor device Q is 0.35 mm thick, the graphite substrates 18GH1 and 18GH2 are 1.5 mm thick, the ceramic substrate 21 is 0.32 mm thick, and the surface electrode patterns 231 and 232 are 0.3 mm thick. The back surface electrode pattern 22 has a thickness of 0.2 mm, and the silver fired layer 27 has a thickness of 0.05 mm, both of which are optimized.

このような構成において、例えば、無応力時を200℃とし、25℃時のミーゼス応力を算出することにより、銀焼成層(接合部)27にかかる応力が求められる。 In such a configuration, for example, the stress applied to the silver fired layer (joint portion) 27 can be obtained by calculating the Mises stress at 25 ° C., where no stress is set to 200 ° C.

なお、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、グラファイト基板18GH1・18GH2の熱膨張係数の配向を、例えばX=25ppm/K、Y=0.5ppm/K、Z=0.5ppm/Kとした場合の、銀焼成層27にかかる応力についてシミュレーションを行った際の結果(全体の反り形状)を、図22に示す。 In the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20, the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrates 18GH1 and 18GH2 is set to, for example, X = 25ppm / K, Y = 0.5ppm / K, Z = 0.5ppm / K. FIG. 22 shows the result (overall warped shape) of the simulation of the stress applied to the silver fired layer 27 in the case of the above.

シミュレーションモデルMDの反りは、最大値で26.322μm、最小値で0.079μmであった。 The warp of the simulation model MD was 26.322 μm at the maximum value and 0.079 μm at the minimum value.

ここで、ミーゼス応力とは、物体内部に生じる応力状態を単一の値で示すために用いられる相当応力の1つである。ミーゼス応力の定義式を以下に示す。定義式中のσ1は最大主応力、σ2は中間主応力、σ3は最小主応力である。ここでは、各主応力σ1、σ2、σ3は、銀焼成層27に作用するX方向の主応力、Y方向の主応力、Z方向の主応力の中から選択される。 Here, the Mises stress is one of the equivalent stresses used to indicate the stress state generated inside the object with a single value. The definition formula of Mises stress is shown below. In the definition formula, σ1 is the maximum principal stress, σ2 is the intermediate principal stress, and σ3 is the minimum principal stress. Here, each of the principal stresses σ1, σ2, and σ3 is selected from the principal stress in the X direction, the principal stress in the Y direction, and the principal stress in the Z direction acting on the silver fired layer 27.

Figure 0007025181000003
Figure 0007025181000003

次に、異なる構成のシミュレーションモデルについて説明する。なお、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、正方形の半導体デバイスQが接合された場合をシミュレーションモデルMD1とする。 Next, simulation models with different configurations will be described. In the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20, the case where the square semiconductor device Q is joined is referred to as the simulation model MD1.

図23(a)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、縦長の半導体デバイス(H2×C2、H2>C2)Qaが接合された場合(シミュレーションモデルMD2)を例示するものであって、半導体デバイスQaとしては、6.25mm(H2)×4mm(C2)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、表面電極パターン231のエッジからの距離X2(1.875mm)・Y2(3mm)により、表面電極パターン232上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23A illustrates a case (simulation model MD2) in which vertically long semiconductor devices (H2 × C2, H2> C2) Qa are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device Qa, a rectangular SiC MOSFET having 6.25 mm (H2) × 4 mm (C2) is used, and the surface is measured by the distance X2 (1.875 mm) and Y2 (3 mm) from the edge of the surface electrode pattern 231. It is joined to the substantially central portion on the electrode pattern 232.

図23(b)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、横長の半導体デバイス(H3×C3、H3<C3)Qbが接合された場合(シミュレーションモデルMD3)を例示するものであって、半導体デバイスQbとしては、4mm(H3)×6.25mm(C3)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、表面電極パターン231のエッジからの距離X3(3mm)・Y3(1.875mm)により、表面電極パターン231上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23 (b) illustrates a case (simulation model MD3) in which horizontally long semiconductor devices (H3 × C3, H3 <C3) Qb are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device Qb, a rectangular SiC MOSFET having 4 mm (H3) × 6.25 mm (C3) is used, and the surface is measured by the distance X3 (3 mm) and Y3 (1.875 mm) from the edge of the surface electrode pattern 231. It is joined to the substantially central portion on the electrode pattern 231.

図23(c)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、縦長の半導体デバイス(H4×C4、H4≫C4)Qcが接合された場合(シミュレーションモデルMD4)を例示するものであって、半導体デバイスQcとしては、8.33mm(H4)×3mm(C4)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、表面電極パターン231のエッジからの距離X4(0.835mm)・Y4(3.5mm)により、表面電極パターン231上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23 (c) illustrates a case (simulation model MD4) in which vertically long semiconductor devices (H4 × C4, H4 >> C4) Qc are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device Qc, a rectangular SiC MOSFET having 8.33 mm (H4) × 3 mm (C4) is used, and the distance from the edge of the surface electrode pattern 231 is X4 (0.835 mm) and Y4 (3.5 mm). , Joined approximately in the center of the surface electrode pattern 231.

図23(d)は、図20に示した構成のシミュレーションモデルMDにおいて、横長の半導体デバイス(H5×C5、H5≪C5)Qdが接合された場合(シミュレーションモデルMD5)を例示するものであって、半導体デバイスQdとしては、3mm(H5)×8.33mm(C5)を有する長方形のSiC MOSFETを用い、表面電極パターン231のエッジからの距離X5(3.5mm)・Y5(0.835mm)により、表面電極パターン231上のほぼ中央部に接合される。 FIG. 23 (d) illustrates a case (simulation model MD5) in which horizontally long semiconductor devices (H5 × C5, H5 << C5) Qd are joined in the simulation model MD having the configuration shown in FIG. 20. As the semiconductor device Qd, a rectangular SiC MOSFET having 3 mm (H5) × 8.33 mm (C5) is used, and the distance from the edge of the surface electrode pattern 231 is X5 (3.5 mm) and Y5 (0.835 mm). , Joined approximately in the center of the surface electrode pattern 231.

図24(a)は、第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合について、シミュレーションモデルMD1~MD5を用いてシミュレーションを行った際の、銀焼成層27のエッジ(EDG)からの距離とミーゼス応力(GPa)との関係を説明するための特性図であり、図24(b)は、シミュレーションモデルMD1~MD5とミーゼス応力比との関係を説明するための特性図である。 FIG. 24A shows a case where a graphite substrate having an anisotropy in the coefficient of thermal expansion is applied in the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, and simulations are performed using the simulation models MD1 to MD5. FIG. 24 (b) is a characteristic diagram for explaining the relationship between the distance from the edge (EDG) of the silver fired layer 27 and the Mises stress (GPa), and FIG. 24 (b) shows the simulation models MD1 to MD5 and the Mises stress. It is a characteristic diagram for explaining the relationship with a ratio.

なお、図24(a)および図24(b)は、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=25ppm/K、Y=0.5ppm/K、Z=0.5ppm/Kとした場合の例であり、図24(a)は、銀焼成層27にかかるミーゼス応力であり、図24(b)は、シミュレーションモデルMD1の場合を1としている。 In FIGS. 24 (a) and 24 (b), the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 25 ppm / K, Y = 0.5 ppm / K, Z = 0.5 ppm / K. As an example of the case, FIG. 24A shows the Mises stress applied to the silver fired layer 27, and FIG. 24B shows the case of the simulation model MD1 as 1.

図24(a)および図24(b)から、シミュレーションモデルMD1のミーゼス応力比を1とすると、シミュレーションモデルMD2・MD4のミーゼス応力比は1.05、シミュレーションモデルMD3のミーゼス応力比は0.83、シミュレーションモデルMD5のミーゼス応力比は0.84となる。 From FIGS. 24 (a) and 24 (b), assuming that the Mieses stress ratio of the simulation model MD1 is 1, the Mieses stress ratio of the simulation models MD2 and MD4 is 1.05, and the Mieses stress ratio of the simulation model MD3 is 0.83. , The Mieses stress ratio of the simulation model MD5 is 0.84.

すなわち、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=25ppm/K、Y=0.5ppm/K、Z=0.5ppm/Kとし、無応力時を200℃とした場合の、シミュレーションモデルMD1~MD5の銀焼成層27にかかる応力(25℃時)は、モデルMD3・MD5の半導体デバイスQb・Qdのように、熱膨張係数の大きい方位(X)のサイズを小さくすることにより低減可能となる。 That is, a simulation model when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 25 ppm / K, Y = 0.5 ppm / K, Z = 0.5 ppm / K, and the stress-free state is 200 ° C. The stress (at 25 ° C.) applied to the silver fired layers 27 of MD1 to MD5 can be reduced by reducing the size of the direction (X) having a large coefficient of thermal expansion like the semiconductor devices Qb and Qd of the models MD3 and MD5. Will be.

(実施例2)
次に、表面電極パターン232がない場合を例に、銀焼成層27にかかる応力について説明する。
(Example 2)
Next, the stress applied to the silver fired layer 27 will be described by taking the case where the surface electrode pattern 232 is not present as an example.

表面電極パターン231しかない場合の、シミュレーションモデルMD1の模式的平面パターン構成は、図25(a)に示すように表わされ、図25(a)のVII-VII線に沿う模式的断面構造は、図25(b)に示すように表される。 The schematic planar pattern configuration of the simulation model MD1 when there is only the surface electrode pattern 231 is shown as shown in FIG. 25 (a), and the schematic cross-sectional structure along the VII-VII line of FIG. 25 (a) is shown. , As shown in FIG. 25 (b).

グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向は、例えばX=0.1ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.1ppm/Kであり、各部(Q・18GH・21・231・27)の厚み(mm)は、図21に示したように、熱抵抗が最も低くなるように最適化される。 The orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.1ppm / K, Y = 25ppm / K, Z = 0.1ppm / K, and the thickness of each part (Q.18GH.21.231.27). (Mm) is optimized to have the lowest thermal resistance, as shown in FIG.

なお、シミュレーションモデルMD2・MD3の場合も、図25(a)および図25(b)のMD1とは、半導体デバイスQa・Qbの形状が異なるだけで、ほぼ同様である。 The simulation models MD2 and MD3 are also substantially the same as the MD1 in FIGS. 25 (a) and 25 (b) except that the shapes of the semiconductor devices Qa and Qb are different.

図26(a)は、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板を適用した場合について、シミュレーションモデルMD1~MD3を用いてシミュレーションを行った際の、銀焼成層27のエッジ(EDG)からの距離とミーゼス応力との関係を説明するための特性図であり、図26(b)は、シミュレーションモデルMD1~MD3とミーゼス応力比との関係を説明するための特性図である。 In FIG. 26 (a), simulations were performed using simulation models MD1 to MD3 in the case of applying a graphite substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion in PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments. It is a characteristic diagram for explaining the relationship between the distance from the edge (EDG) of the silver fire layer 27 and the Mises stress, and FIG. 26 (b) shows the relationship between the simulation models MD1 to MD3 and the Mises stress ratio. It is a characteristic diagram for explaining.

なお、図26(a)および図26(b)は、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.5ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.5ppm/Kとした場合の例であり、図26(a)は、銀焼成層27にかかるミーゼス応力であり、図26(b)は、シミュレーションモデルMD1の場合を1としている。 In FIGS. 26 (a) and 26 (b), the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.5 ppm / K, Y = 25 ppm / K, and Z = 0.5 ppm / K. As an example of the case, FIG. 26A shows the Mises stress applied to the silver fired layer 27, and FIG. 26B shows the case of the simulation model MD1 as 1.

図26(a)および図26(b)から、シミュレーションモデルMD1のミーゼス応力比を1とすると、シミュレーションモデルMD2のミーゼス応力比は0.96、シミュレーションモデルMD3のミーゼス応力比は1.02となる。 From FIGS. 26 (a) and 26 (b), assuming that the von Mises stress ratio of the simulation model MD1 is 1, the von Mises stress ratio of the simulation model MD2 is 0.96 and the von Mises stress ratio of the simulation model MD3 is 1.02. ..

すなわち、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.5ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.5ppm/Kとし、無応力時を200℃とした場合の、シミュレーションモデルMD1~MD3の銀焼成層27にかかる応力(25℃時)は、モデルMD2の半導体デバイスQaのように、熱膨張係数の大きい方位(Y)のサイズを小さくすることにより低減可能となる。 That is, a simulation model when the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.5 ppm / K, Y = 25 ppm / K, Z = 0.5 ppm / K, and the stress-free state is 200 ° C. The stress (at 25 ° C.) applied to the silver fired layers 27 of MD1 to MD3 can be reduced by reducing the size of the direction (Y) having a large coefficient of thermal expansion like the semiconductor device Qa of the model MD2.

図23および図25に示した構成のシミュレーションモデルMD1~MD3において、グラファイト基板18GH1の熱膨張係数の配向を、例えばX=0.1ppm/K、Y=25ppm/K、Z=0.1ppm/Kとした場合の、銀焼成層27にかかる応力についてシミュレーションを行った際の結果(全体の反り形状)を、図92(a)~図92(c)に示す。 In the simulation models MD1 to MD3 having the configurations shown in FIGS. 23 and 25, the orientation of the coefficient of thermal expansion of the graphite substrate 18GH1 is, for example, X = 0.1 ppm / K, Y = 25 ppm / K, Z = 0.1 ppm / K. 92 (a) to 92 (c) show the results (overall warped shape) when a simulation was performed on the stress applied to the silver fired layer 27 in the case of.

シミュレーションモデルMD1の反りは、最大値で22.599μm、最小値で0.128μmであり、シミュレーションモデルMD2の反りは、最大値で22.313μm、最小値で0.146μmであり、シミュレーションモデルMD3の反りは、最大値で22.972μm、最小値で0.322μmであった。 The maximum value of the warp of the simulation model MD1 is 22.599 μm and the minimum value is 0.128 μm, and the maximum value of the warp of the simulation model MD2 is 22.313 μm and the minimum value is 0.146 μm. The maximum value of the warp was 22.972 μm and the minimum value was 0.322 μm.

なお、第15~第18の実施の形態に係るPM1においては、半導体デバイスとして、1 in 1モジュールタイプに適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば2 in 1(ツーインワン)モジュールタイプのPMや、4 in 1(フォーインワン)モジュールタイプのPM、6 in 1 (シックスインワン)モジュールタイプのPMや、6 in 1モジュールにスナバコンデンサなどを備えた7 in 1(セブンインワン)モジュールタイプのPM、8 in 1(エイトインワン)モジュールタイプのPM、12 in 1(トゥエルブインワン)モジュールタイプのPM、14 in 1(フォーティーンインワン)モジュールタイプのPMなどにも適用できる。 In PM1 according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the case where the capacitor is applied to the 1 in 1 module type has been described, but the present invention is not limited to this, and for example, the 2 in 1 (two-in-one) module type. PM, 4 in 1 (four-in-one) module type PM, 6 in 1 (six-in-one) module type PM, and 7 in 1 (seven-in-one) module type PM equipped with a snubber capacitor in the 6 in 1 module. , 8 in 1 (eight-in-one) module type PM, 12 in 1 (twelve-in-one) module type PM, 14 in 1 (fourteen-in-one) module type PM, and the like.

(半導体デバイスの具体例)
第15~第18の実施の形態に係るPMであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュールタイプのPM50のSiC MOSFETの模式的回路表現は、図28に示すように表される。
(Specific examples of semiconductor devices)
Schematic circuit representations of the 1 in 1 module type PM50 SiC MOSFETs of the PMs according to the fifteenth to eighteenth embodiments, which are applicable as semiconductor devices, are shown as shown in FIG. 28.

図28には、SiC MOSFET Qに逆並列接続されるダイオードDIが示されている。ダイオードDIとして寄生ダイオードを用いる場合には省略することもできる。SiC MOSFET Qの主電極は、ドレイン端子DTおよびソース端子STで表される。また、第15~第18の実施の形態に係るPMであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュール50のIGBTを(図示せず)を実現することもできる。 FIG. 28 shows a diode DI connected in antiparallel to the SiC MOSFET Q. When a parasitic diode is used as the diode DI, it can be omitted. The main electrode of the SiC MOSFET Q is represented by a drain terminal DT and a source terminal ST. Further, it is also possible to realize (not shown) the IGBT of the 1 in 1 module 50 which is the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments and can be applied as a semiconductor device.

また、第15~第18の実施の形態に係るPMであって、半導体デバイスとして適用可能な1 in 1モジュールタイプのPM50のSiC MOSFETの詳細回路表現は、図29に示すように表される。 Further, the detailed circuit representation of the 1 in 1 module type PM50 SiC MOSFET which is the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments and can be applied as a semiconductor device is shown as shown in FIG. 29.

第15~第18の実施の形態に係るPMは、例えば、半導体デバイスが1 in 1モジュールタイプのPM50の構成を備える。すなわち、1個のSiC MOSFET Qが1つのモジュールに内蔵されている。一例として、5チップ(MOSFET×5)搭載可能であり、それぞれのSiC MOSFET Qは、5個まで並列接続可能である。なお、5チップの内、一部をダイオードDI用として搭載することも可能である。 The PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments includes, for example, a PM50 in which the semiconductor device is a 1 in 1 module type. That is, one SiC MOSFET Q is built in one module. As an example, 5 chips (MOSFETs × 5) can be mounted, and up to 5 SiC MOSFETs Q can be connected in parallel. It is also possible to mount a part of the five chips for diode DI.

さらに詳細には、図29に示すように、SiC MOSFET Qに並列にセンス用MOSFET Qsが接続される。センス用MOSFET Qsは、SiC MOSFET Qと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。 More specifically, as shown in FIG. 29, sense MOSFETs Qs are connected in parallel with the SiC MOSFET Q. The sense MOSFET Qs are formed as fine transistors in the same chip as the SiC MOSFET Q.

図29において、SSは、ソースセンス端子、CSは、電流(カレント)センス端子であり、Gは、ゲート端子である。なお、第15~第18の実施の形態においても、SiC MOSFET Qには、センス用MOSFET Qsが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されていても良い。 In FIG. 29, SS is a source sense terminal, CS is a current sense terminal, and G is a gate terminal. Also in the fifteenth to eighteenth embodiments, the sense MOSFET Qs may be formed as fine transistors in the same chip in the SiC MOSFET Q.

(回路構成)
次に、第15~第18の実施の形態に係るPMにおいて、半導体デバイスの回路構成例について、より具体的に説明する。
(Circuit configuration)
Next, in the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, a circuit configuration example of the semiconductor device will be described more specifically.

ここでは、第15~第18の実施の形態に係るPMの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、2個の半導体デバイスが1つのモールド樹脂内に封止されたPM、いわゆる2 in 1モジュールタイプのPMについて説明する。 Here, it is a module applicable as a semiconductor device of PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, and is a PM in which two semiconductor devices are sealed in one mold resin, a so-called 2 in 1 module. The type of PM will be described.

半導体デバイスとして、SiC MOSFET Q1・Q4を適用した2 in 1モジュールタイプのPM(2 in 1モジュール)130Aの回路構成は、例えば図30に示すように表される。 The circuit configuration of the 2 in 1 module type PM (2 in 1 module) 130A to which the SiC MOSFETs Q1 and Q4 are applied as the semiconductor device is shown, for example, as shown in FIG.

すなわち、2 in 1モジュール130Aは、図30に示すように、2個のSiC MOSFET Q1・Q4が1つのモジュールとして内蔵された、ハーフブリッジ内蔵モジュールの構成を備える。 That is, as shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A includes a half-bridge built-in module in which two SiC MOSFETs Q1 and Q4 are built in as one module.

ここで、モジュールは、1つの大きなトランジスタとみなすことができるが、内蔵されているトランジスタが1チップまたは複数チップの場合がある。すなわち、モジュールには、1 in 1、2 in 1、4 in 1、6 in 1などがあり、例えば、1つのモジュール上において、2個分のトランジスタ(チップ)を内蔵したモジュールは2 in 1、2 in 1を2組み内蔵したモジュールは4 in 1、2 in 1を3組み内蔵したモジュールは6 in 1と呼ばれている。 Here, the module can be regarded as one large transistor, but the built-in transistor may be one chip or a plurality of chips. That is, there are 1 in 1, 2 in 1, 4 in 1, 6 in 1 modules, etc. For example, a module containing two transistors (chips) on one module is 2 in 1, A module containing two sets of 2 in 1 is called 4 in 1, and a module containing three sets of 2 in 1 is called 6 in 1.

図30に示すように、2 in 1モジュール130Aは、2個のSiC MOSFET Q1・Q4と、SiC MOSFET Q1・Q4に逆並列接続されるダイオードDI1・DI4が、1つのモジュールとして内蔵されている。 As shown in FIG. 30, the 2 in 1 module 130A contains two SiC MOSFETs Q1 and Q4 and diodes DI1 and DI4 connected in antiparallel to the SiC MOSFETs Q1 and Q4 as one module.

図30において、G1は、SiC MOSFET Q1のゲート信号用のリード端子(いわゆる、ゲート端子)であり、S1は、SiC MOSFET Q1のソース信号用のリード端子(いわゆる、ソースセンス端子)である。同様に、G4は、SiC MOSFET Q4のゲート信号用のリード端子であり、S4は、SiC MOSFET Q4のソース信号用のリード端子である。 In FIG. 30, G1 is a lead terminal (so-called gate terminal) for the gate signal of the SiC MOSFET Q1, and S1 is a lead terminal (so-called source sense terminal) for the source signal of the SiC MOSFET Q1. Similarly, G4 is a lead terminal for the gate signal of the SiC MOSFET Q4, and S4 is a lead terminal for the source signal of the SiC MOSFET Q4.

また、Pは、正側電源入力端子電極であり、Nは、負側電源入力端子電極であり、Oは、出力端子電極である。 Further, P is a positive power input terminal electrode, N is a negative power input terminal electrode, and O is an output terminal electrode.

また、第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールの半導体デバイスとして適用可能なモジュールであって、半導体デバイスQ1・Q4として、IGBTを適用した2 in 1モジュール(図示せず)を実現することもできる。 Further, it is a module applicable as a semiconductor device of the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments, and realizes a 2 in 1 module (not shown) to which an IGBT is applied as the semiconductor devices Q1 and Q4. You can also do it.

第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q2・Q5)、および半導体デバイス(Q3・Q6)についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices (Q2 and Q5) and the semiconductor devices (Q3 and Q6) applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments.

―電源装置―
第15~第18の実施の形態に係る2 in 1モジュール130Aによれば、正側電源入力端子電極(第1の電源)Pと負側電源入力端子電極(第2の電源)Nとの間にSiC MOSFET(第1のスイッチングデバイス)Q1とSiC MOSFET(第2のスイッチングデバイス)Q4とが直列接続され、その接続点の電圧を出力端子電極Oより出力する電源装置(電源回路)を構成できる。
-Power supply-
According to the 2 in 1 module 130A according to the fifteenth to eighteenth embodiments, between the positive power input terminal electrode (first power supply) P and the negative power input terminal electrode (second power supply) N. A power supply device (power supply circuit) can be configured in which a SiC MOSFET (first switching device) Q1 and a SiC MOSFET (second switching device) Q4 are connected in series and the voltage at the connection point is output from the output terminal electrode O. ..

特に、電源装置において、SiC MOSFET Q1・Q4をそれぞれ複数のチップにより構成すると共に、複数のチップの並び方向のチップ間距離(X2)を、各チップからグラファイト基板の端面までの距離(Y1)よりも短くすることにより、熱拡散性が良好で、構造的にも簡素であり、安価で、より低熱抵抗化が可能な電源装置とすることができる。 In particular, in the power supply device, the SiC MOSFETs Q1 and Q4 are each composed of a plurality of chips, and the distance between the chips (X2) in the arrangement direction of the plurality of chips is determined from the distance (Y1) from each chip to the end face of the graphite substrate. By shortening the ratio, it is possible to obtain a power supply device having good thermal diffusivity, structurally simple, inexpensive, and capable of lowering thermal resistance.

なお、ここでの詳細な説明は省略するが、他の実施の形態に係るPMの場合も同様に、例えば半導体デバイスとしてIGBT Q1・Q4を適用したPMにも適用可能である。また、複数のチップをグラファイト基板の配向方向と実質的に直交するようにそれぞれ並べて配置するようにしても良い。 Although detailed description thereof is omitted here, the PMs according to other embodiments can also be similarly applied to PMs to which the IGBTs Q1 and Q4 are applied as semiconductor devices, for example. Further, a plurality of chips may be arranged side by side so as to be substantially orthogonal to the orientation direction of the graphite substrate.

(デバイス構造)
第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q1・Q4)の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC MOSFET 130Aの模式的断面構造は、図31に示すように表される。
(Device structure)
An example of the semiconductor devices (Q1 and Q4) applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC MOSFET 130A including the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP is as follows. It is represented as shown in FIG.

図31に示すように、SiC MOSFET 130Aは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 As shown in FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is formed on the surface of the semiconductor layer 31 composed of the n-high resistance layer, the p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図31に示すように、SiC MOSFET 130Aの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 31, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the SiC MOSFET 130A.

なお、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。 Although not shown, a transistor structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP.

さらに、図31に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にソースパッド電極SPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 31, in the transistor structure in the central portion, the source pad electrode SP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図31において、SiC MOSFET 130Aは、プレーナゲート型のnチャネル縦型SiC MOSFETで構成されているが、後述する図34に示すように、トレンチゲート型のnチャネル縦型SiC T MOSFET 130Cなどで構成されていても良い。 In FIG. 31, the SiC MOSFET 130A is composed of a planar gate type n-channel vertical SiC MOSFET, but as shown in FIG. 34 described later, it is configured by a trench gate type n-channel vertical SiC T MOSFET 130C or the like. It may have been done.

または、第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスとしては、SiC MOSFET 130Aの代わりに、GaN系FETなどを採用することもできる。 Alternatively, as the semiconductor device applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, a GaN-based FET or the like can be adopted instead of the SiC MOSFET 130A.

第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q2・Q5、Q3・Q6)についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices (Q2 / Q5, Q3 / Q6) applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments.

さらには、第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスQ1~Q6には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV~8eVのワイドバンドギャップ型と称される半導体を用いることができる。 Further, the semiconductor devices Q1 to Q6 applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments include semiconductors having a bandgap energy of, for example, 1.1 eV to 8 eV, which is called a wide bandgap type. Can be used.

同様に、第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q1・Q4)の例であって、エミッタパッド電極EP、ゲートパッド電極GPを含むIGBT 130Bの模式的断面構造は、図32に示すように表される。 Similarly, it is an example of semiconductor devices (Q1 and Q4) applicable to PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, and is a schematic cross-sectional structure of an IGBT 130B including an emitter pad electrode EP and a gate pad electrode GP. Is represented as shown in FIG.

図32に示すように、IGBT 130Bは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたエミッタ領域33Eと、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eと、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたp+ コレクタ領域37Pと、p+ コレクタ領域37Pに接続されたコレクタ電極38Cとを備える。 As shown in FIG. 32, the IGBT 130B has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and an emitter formed on the surface of the p-body region 32. Connected to the region 33E, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p-body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter region 33E and the p-body region 32. The emitter electrode 36E is provided, a p + collector region 37P arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a collector electrode 38C connected to the p + collector region 37P.

ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続され、エミッタパッド電極EPは、エミッタ領域33Eおよびpボディ領域32に接続されたエミッタ電極36Eに接続される。また、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPは、図32に示すように、IGBT 130Bの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the emitter pad electrode EP is connected to the emitter electrode 36E connected to the emitter region 33E and the p body region 32. Further, as shown in FIG. 32, the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 covering the surface of the IGBT 130B.

なお、ゲートパッド電極GPおよびエミッタパッド電極EPの下方の半導体層31内には、図示していないが、微細構造のIGBT構造が形成されていても良い。 Although not shown, an IGBT structure having a fine structure may be formed in the semiconductor layer 31 below the gate pad electrode GP and the emitter pad electrode EP.

さらに、図32に示すように、中央部のIGBT構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜39上にエミッタパッド電極EPが延在して配置されていても良い。 Further, as shown in FIG. 32, even in the central IGBT structure, the emitter pad electrode EP may be extended and arranged on the passive interlayer insulating film 39.

図32において、IGBT 130Bは、プレーナゲート型のnチャネル縦型IGBTで構成されているが、トレンチゲート型のnチャネル縦型IGBTなどで構成されていても良い。 In FIG. 32, the IGBT 130B is composed of a planar gate type n-channel vertical IGBT, but may be composed of a trench gate type n-channel vertical IGBT or the like.

第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイス(Q2・Q5、Q3・Q6)についても同様である。 The same applies to the semiconductor devices (Q2 / Q5, Q3 / Q6) applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments.

半導体デバイスQ1~Q6としては、SiC DI MOSFET、SiC T MOSFETなどのSiC系パワーデバイス、或いはGaN系HEMTなどのGaN系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Si系MOSFETやIGBTなどのパワーデバイスも適用可能である。 As the semiconductor devices Q1 to Q6, a SiC-based power device such as a SiC DI MOSFET or a SiC T MOSFET, or a GaN-based power device such as a GaN-based HEMT can be applied. In some cases, power devices such as Si-based MOSFETs and IGBTs can also be applied.

―SiC DI MOSFET―
第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC DI MOSFET 130Dの模式的断面構造は、図33に示すように表される。
―SiC DI MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC DI MOSFET 130D is represented as shown in FIG. 33.

図33に示すSiC DI MOSFET 130Dは、n- 高抵抗層からなる半導体層31と、半導体層31の表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32間の半導体層31の表面上に配置されたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35と、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31の表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC DI MOSFET 130D shown in FIG. 33 has a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31, and n + formed on the surface of the p-body region 32. In the source region 33, the gate insulating film 34 arranged on the surface of the semiconductor layer 31 between the p body regions 32, the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34, and the source region 33 and the p body region 32. It includes a connected source electrode 36, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図33において、SiC DI MOSFET 130Dは、pボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33が、ダブルイオン注入(DII)で形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 33, in the SiC DI MOSFET 130D, a p-body region 32 and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32 are formed by double ion implantation (DII), and the source pad electrode SP is a source. It is connected to the source electrode 36 connected to the region 33 and the p-body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたゲート電極35に接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図33に示すように、SiC DI MOSFET 130Dの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the gate electrode 35 arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 33, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39 so as to cover the surface of the SiC DI MOSFET 130D.

SiC DI MOSFET 130Dは、図33に示すように、pボディ領域32に挟まれたn- 高抵抗層からなる半導体層31内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETが形成される。また、pボディ領域32/半導体層31間には、図33に示すように、ボディダイオードBDが形成される。 As shown in FIG. 33, the SiC DI MOSFET 130D is a junction type because a depletion layer as shown by a broken line is formed in a semiconductor layer 31 composed of an n-high resistance layer sandwiched between p body regions 32. A channel resistance R JFET is formed due to the FET (JFET) effect. Further, as shown in FIG. 33, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31.

―SiC T MOSFET―
第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC T MOSFETの模式的断面構造は、図34に示すように表される。
―SiC T MOSFET―
An example of a semiconductor device applicable to PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, a schematic cross-sectional structure of a SiC T MOSFET is represented as shown in FIG. 34.

図34に示すSiC T MOSFET 130Cは、n層からなる半導体層31Nと、半導体層31Nの表面側に形成されたpボディ領域32と、pボディ領域32の表面に形成されたn+ ソース領域33と、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介して形成されたトレンチゲート電極35TGと、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36と、半導体層31Nの表面と反対側の裏面に配置されたn+ ドレイン領域37と、n+ ドレイン領域37に接続されたドレイン電極38とを備える。 The SiC T MOSFET 130C shown in FIG. 34 has a semiconductor layer 31N composed of n layers, a p-body region 32 formed on the surface side of the semiconductor layer 31N, and an n + source region 33 formed on the surface of the p-body region 32. The trench gate electrode 35TG formed through the p-body region 32 and formed through the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B in the trench formed up to the semiconductor layer 31N, and the source region 33 and the p-body region. It includes a source electrode 36 connected to 32, an n + drain region 37 arranged on the back surface opposite to the front surface of the semiconductor layer 31N, and a drain electrode 38 connected to the n + drain region 37.

図34において、SiC T MOSFET 130Cは、pボディ領域32を貫通し、半導体層31Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜34および層間絶縁膜39U・39Bを介してトレンチゲート電極35TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域33およびpボディ領域32に接続されたソース電極36に接続される。 In FIG. 34, the SiC T MOSFET 130C penetrates the p-body region 32, and the trench gate electrode 35TG is formed in the trench formed up to the semiconductor layer 31N via the gate insulating film 34 and the interlayer insulating films 39U / 39B. The source pad electrode SP is connected to the source electrode 36 connected to the source region 33 and the p body region 32.

図示を省略するゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜34上に配置されたトレンチゲート電極35TGに接続される。また、ソースパッド電極SPおよびゲートパッド電極GPは、図34に示すように、SiC T MOSFET 130Cの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜39U上に配置される。 The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the trench gate electrode 35TG arranged on the gate insulating film 34. Further, as shown in FIG. 34, the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP are arranged on the passive interlayer insulating film 39U so as to cover the surface of the SiC T MOSFET 130C.

SiC T MOSFET 130Cでは、SiC DI MOSFET 130Dのような接合型FET(JFET)効果に伴うチャネル抵抗R JFETは形成されない。また、pボディ領域32/半導体層31N間には、図33と同様に、ボディダイオードBDが形成される。 In the SiC T MOSFET 130C, the channel resistance R JFET associated with the junction FET (JFET) effect such as the SiC DI MOSFET 130D is not formed. Further, a body diode BD is formed between the p-body region 32 and the semiconductor layer 31N, as in FIG. 33.

(応用例)
第15~第18の実施の形態に係るPMを用いて構成される3相交流インバータ40Aであって、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した回路構成例は、図35に示すように表される。
(Application example)
It is a three-phase AC inverter 40A configured by using PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments, a SiC MOSFET is applied as a semiconductor device, and a snubber capacitor C is connected between a power supply terminal PL and a ground terminal NL. An example of the circuit configuration is shown in FIG. 35.

同様に、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、電源端子PL・接地端子NL間にスナバコンデンサCを接続した3相交流インバータ(図示せず)を実現することもできる。 Similarly, an IGBT can be applied as a semiconductor device to realize a three-phase AC inverter (not shown) in which a snubber capacitor C is connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

PMを電源Eと接続し、スイッチング動作を行うと、接続ラインの有するインダクタンスLによって、SiC MOSFETやIGBTのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ldi/dtを生ずる。例えば、電流変化di=300Aとし、スイッチングに伴う時間変化dt=100nsecとすると、di/dt=3×10(A/s)となる。 When the PM is connected to the power supply E and the switching operation is performed, the switching speed of the SiC MOSFET or the IGBT is high due to the inductance L of the connection line, so that a large surge voltage Ldi / dt is generated. For example, if the current change di = 300A and the time change dt = 100nsec accompanying switching, then di / dt = 3 × 10 9 (A / s).

インダクタンスLの値により、サージ電圧Ldi/dtの値は変化するが、電源Eに、このサージ電圧Ldi/dtが重畳される。電源端子PL・接地端子NL間に接続されるスナバコンデンサCによって、このサージ電圧Ldi/dtを吸収することができる。 The value of the surge voltage Ldi / dt changes depending on the value of the inductance L, but the surge voltage Ldi / dt is superimposed on the power supply E. This surge voltage Ldi / dt can be absorbed by the snubber capacitor C connected between the power supply terminal PL and the ground terminal NL.

(具体例)
次に、図36を参照して、半導体デバイスとしてSiC MOSFETを適用し、第15~第18の実施の形態に係るPMを用いて構成した3相交流インバータ42Aについて説明する。
(Concrete example)
Next, with reference to FIG. 36, a three-phase AC inverter 42A configured by applying a SiC MOSFET as a semiconductor device and using PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments will be described.

図36に示すように、3相交流インバータ42Aは、ゲートドライバ(GD)180に接続されたパワーモジュール部130と、3相交流モータ部51と、電源もしくは蓄電池(E)53と、コンバータ55とを備える。パワーモジュール部130は、3相交流モータ部51のU相、V相、W相に対応して、U相、V相、W相のインバータが接続されている。 As shown in FIG. 36, the three-phase AC inverter 42A includes a power module unit 130 connected to the gate driver (GD) 180, a three-phase AC motor unit 51, a power supply or storage battery (E) 53, and a converter 55. To prepare for. The power module unit 130 is connected to the U-phase, V-phase, and W-phase inverters corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-phase AC motor unit 51.

ここで、GD180は、SiC MOSFET Q1・Q4、SiC MOSFET Q2・Q5、およびSiC MOSFET Q3・Q6に接続されている。 Here, the GD180 is connected to the SiC MOSFETs Q1 and Q4, the SiC MOSFETs Q2 and Q5, and the SiC MOSFETs Q3 and Q6.

パワーモジュール部130は、電源もしくは蓄電池(E)53が接続されたコンバータ55のプラス端子(+)Pとマイナス端子(-)Nとの間に接続され、インバータ構成のSiC MOSFET Q1・Q4、Q2・Q5、およびQ3・Q6を備える。また、SiC MOSFET Q1~Q6のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードDI1~DI6がそれぞれ逆並列に接続されている。 The power module unit 130 is connected between the positive terminal (+) P and the negative terminal (-) N of the converter 55 to which the power supply or the storage battery (E) 53 is connected, and is connected to the SiC MOSFETs Q1, Q4, and Q2 having an inverter configuration. -Provides Q5 and Q3 / Q6. Further, freewheel diodes DI1 to DI6 are connected in antiparallel between the source and drain of the SiC MOSFETs Q1 to Q6, respectively.

また、図示しないが、半導体デバイスとしてIGBTを適用し、第15~第18の実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した3相交流インバータを実現することもできる。 Further, although not shown, it is also possible to apply an IGBT as a semiconductor device and realize a three-phase AC inverter configured by using the power module according to the fifteenth to eighteenth embodiments.

以上説明したように、第15~第18の実施の形態によれば、熱拡散性が良好で、より低熱抵抗化が可能なPMおよび電源装置を実現できる。 As described above, according to the fifteenth to eighteenth embodiments, it is possible to realize a PM and a power supply device having good thermal diffusivity and capable of lower thermal resistance.

なお、第15~第18の実施の形態に係るPMに適用可能な半導体デバイスとしては、SiC系パワーデバイスに限らず、GaN系やSi系のパワーデバイスなどのワイドバンドギャップ型と称されるパワーデバイスも採用可能である。 The semiconductor device applicable to the PM according to the fifteenth to eighteenth embodiments is not limited to the SiC-based power device, but is a power called a wide bandgap type such as a GaN-based power device or a Si-based power device. Devices can also be adopted.

また、樹脂モールドされたモールド型パワーモジュールに限らず、ケース型のパッケージによってパッケージングされたパワーモジュールにも適用可能である。 Further, it can be applied not only to a resin-molded mold-type power module but also to a power module packaged by a case-type package.

[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態について記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As mentioned above, some embodiments have been described, but the statements and drawings that form part of the disclosure are exemplary and should not be understood as limiting. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.

このように、本実施の形態は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present embodiment includes various embodiments not described here.

本実施の形態のパワーモジュールは、例えばSi基板やSiC基板やGaN基板を用いたIGBTモジュール、ダイオードモジュール、MOSモジュール(Si、SiC、GaN)などの各種の半導体モジュール作製技術に利用することができ、HEV(Hybrid Electric Vehicle)/EV(Electric Vehicle)向けのインバータ、ロボットなどの産業機器や、産業向け或いは家電向けのインバータやコンバータなど、電源装置を含む、幅広い応用分野に適用可能である。 The power module of this embodiment can be used for various semiconductor module manufacturing techniques such as an IGBT module, a diode module, and a MOS module (Si, SiC, GaN) using a Si substrate, a SiC substrate, or a GaN substrate. It can be applied to a wide range of application fields including power supply devices such as inverters for HEVs (Hybrid Electric Vehicles) / EVs (Electric Vehicles), industrial equipment such as robots, and inverters and converters for industrial or home appliances.

1、1、1、1、2…PM(パワーモジュール)
1A…電極パターン(下部電極)
1E…パワーデバイス(半導体デバイス)
3A,3B,3C,3D,3E,3F…接合材
5,5A,5B1,5C1,5B2,5C2…Cu層
6…モールド樹脂
10、10a、10b、10c、10d…半導体デバイス
16、16D、16D1、16U…Cu配線パターン
18GP、18GP(XZ)、18GH(XZ)、18GH(YZ)…グラファイトプレート
18GP(XY)…第1のグラファイトプレート
18GP(XZ)1,18GP(XZ)2,18GP(XZ)3,18GP(XZ)4…第2のグラファイトプレート
18GH、18GH1・18GH2…グラファイト基板
20、20A…絶縁基板(グラファイト絶縁基板)
21、21、21A、21N…セラミックス基板(絶縁層)
21S…樹脂シート(絶縁層)
22…裏面電極パターン(セラミックス基板(絶縁層)の裏面電極層)
22U、22D…厚銅層
22C…銅箔層
22U1、23U1…ドレイン電極パターン
22U2、23U2…ソース電極パターン
23、231、232、23D、23D1、23D4、23DN、23R…裏面電極パターン
24…グラファイト基板の裏面電極層
25、25T…熱伝導層(熱伝導シート層、半田層、銀焼成層)
25D(25D1~25D6)…ドレイン電極パターン
25S(25S1~25S6)…ソース電極パターン
26…接合部材
27…銀焼成部(銀焼成層、接合部材)
27S…半田層
28…冷却器
29、29A…ブロック電極
30、30A、30B…上部配線
30SM…配線リード部
36…セラミックス基板の表面電極層
38…ドレイン電極
40A、40B、42A、42B…3相交流インバータ
41…放熱器
45…厚銅基板
61…Al電極部
63…Niメッキ層
130A…プレーナゲート型のnチャネル縦型SiC MOSFET
130B…プレーナゲート型のnチャネル縦型IGBT
130C…トレンチゲート型のnチャネル縦型SiC T MOSFET
130D…SiC DI MOSFET
CS…カレントセンス端子
CS1…カレントセンスパッド電極
D、D1、D4、DT…ドレイン、ドレイン端子
DC…デバイス側接合部
F…放熱器
G、G1、G4、GT、GT1、GT4…ゲート、ゲート端子
GL(GL1~GL6)…ゲート信号電極パターン
GP(GP1~GP6)…ゲートパッド電極
GS(GS1・GS2・GS3・…・GSn)…グラファイトシート
GW(GW1~GW6)…ゲート信号用ボンディングワイヤ
MD、MD1、MD2、MD3、MD4、MD5…シミュレーションモデル
Q、Q1~Q6、QA、QB、Qa、Qb、Qc、Qd、Q11~Q13…トランジスタ
O…出力端子(出力端子電極)
N…パワー端子(負側電源入力端子電極(負側電力端子))
P…パワー端子(正側電源入力端子電極(正側電力端子))
QA1…IGBT
QA2…FRD
RT…信号部端子
SB…第2のランド側接合部
SC…ランド側接合部
SM(SM1~SM6)…リードフレーム
SML、SML1…延長リードフレーム
S、S1~S6、ST…ソース、ソース端子
SL(SL1~SL6)…ソース信号電極パターン
SP(SP1~SP6)…ソースパッド電極
SS、SST、SST1~SST6…ソースセンス端子
SSP、SSP1、SSP4…ソースセンスパッド電極
SSW、SSW1~SSW4…ソースセンス用ボンディングワイヤ
SPM1…SiCパワーモジュール
TD…(熱伝導率の相対的に高い)配向方向
PD…(熱伝導率の相対的に低い)配向方向
PD1、PDA、PDB、PDC、PDD…配置の方向
WR…冷却液
1, 1 1 1 , 1 2 1, 1 3 , 2 ... PM (power module)
1A ... Electrode pattern (lower electrode)
1E ... Power device (semiconductor device)
3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F ... Bonding material 5,5A, 5B1, 5C1,5B2, 5C2 ... Cu layer 6 ... Mold resin 10, 10a, 10b, 10c, 10d ... Semiconductor devices 16, 16D, 16D1, 16U ... Cu wiring pattern 18GP, 18GP (XZ), 18GH (XZ), 18GH (YZ) ... Graphite plate 18GP (XY) ... First graphite plate 18GP (XZ) 1,18GP (XZ) 2,18GP (XZ) 3,18GP (XZ) 4 ... Second graphite plate 18GH, 18GH1 / 18GH2 ... Graphite substrate 20, 20A ... Insulated substrate (graphite insulating substrate)
21, 21, 21A, 21N ... Ceramic substrate (insulating layer)
21S ... Resin sheet (insulating layer)
22 ... Backside electrode pattern (backside electrode layer of ceramic substrate (insulation layer))
22U, 22D ... Thick copper layer 22C ... Copper foil layer 22U1, 23U1 ... Drain electrode pattern 22U2, 23U2 ... Source electrode pattern 23, 231, 232, 23D, 23D1, 23D4, 23DN, 23R ... Backside electrode pattern 24 ... Graphite substrate Backside electrode layers 25, 25T ... Heat conductive layer (heat conductive sheet layer, solder layer, silver fired layer)
25D (25D1 to 25D6) ... Drain electrode pattern 25S (25S1 to 25S6) ... Source electrode pattern 26 ... Joining member 27 ... Silver fired portion (silver fired layer, joining member)
27S ... Solder layer 28 ... Coolers 29, 29A ... Block electrodes 30, 30A, 30B ... Upper wiring 30SM ... Wiring lead portion 36 ... Surface electrode layer 38 of ceramic substrate ... Drain electrodes 40A, 40B, 42A, 42B ... Three-phase AC Inverter 41 ... Radiator 45 ... Thick copper substrate 61 ... Al electrode part 63 ... Ni plating layer 130A ... Planar gate type n-channel vertical SiC MOSFET
130B ... Planagate type n-channel vertical IGBT
130C ... Trench gate type n-channel vertical SiC T MOSFET
130D ... SiC DI MOSFET
CS ... Current sense terminal CS1 ... Current sense pad electrode D, D1, D4, DT ... Drain, Drain terminal DC ... Device side junction F ... Radiator G, G1, G4, GT, GT1, GT4 ... Gate, Gate terminal GL (GL1 to GL6) ... Gate signal electrode pattern GP (GP1 to GP6) ... Gate pad electrode GS (GS1, GS2, GS3 ..., GSn) ... Graphite sheet GW (GW1 to GW6) ... Bonding wire MD, MD1 for gate signal , MD2, MD3, MD4, MD5 ... Simulation model Q, Q1 to Q6, QA, QB, Qa, Qb, Qc, Qd, Q11 to Q13 ... Transistor O ... Output terminal (output terminal electrode)
N ... Power terminal (negative power input terminal electrode (negative power terminal))
P ... Power terminal (positive power input terminal electrode (positive power terminal))
QA1 ... IGBT
QA2 ... FRD
RT ... Signal unit terminal SB ... Second land side joint SC ... Land side joint SM (SM1 to SM6) ... Lead frame SML, SML1 ... Extended lead frame S, S1 to S6, ST ... Source, source terminal SL ( SL1 to SL6) ... Source signal electrode pattern SP (SP1 to SP6) ... Source pad electrode SS, SST, SST1 to SST6 ... Source sense terminal SSP, SSP1, SSP4 ... Source sense pad electrode SSW, SSW1 to SSW4 ... Bonding for source sense Wire SPM1 ... SiC power module TD ... (relatively high thermal conductivity) Orientation direction PD ... (relatively low thermal conductivity) orientation direction PD1, PDA, PDB, PDC, PDD ... Direction of arrangement WR ... Cooling liquid

Claims (23)

絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、
一端が前記パワーデバイスの表面側に接続され、他端が前記絶縁基板に繋がる異方性な熱伝導率を備えるとともに、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高い第2の配向を備えるグラファイト配線と
を備え、
前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記絶縁基板へ伝達することを特徴とするパワーモジュール。
Insulated board and
A power device arranged on the insulating substrate and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof.
Graphite having an anisotropic thermal conductivity, one end connected to the surface side of the power device and the other end connected to the insulating substrate, and a second orientation having a higher thermal conductivity in the thickness direction than in the plane direction. Equipped with wiring,
A power module characterized in that heat on the surface side of the power device is transferred to the insulating substrate via the graphite wiring.
前記絶縁基板は、絶縁性の基板と、前記基板の第1面に配置された第1電極パターンおよび第2電極パターンを備え、
前記パワーデバイスは、前記第1電極パターン上に配置され、
前記グラファイト配線の前記パワーデバイスとの接続部分と同一平面で離れた位置にある非接続部分は、前記第2電極パターンに接続されていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。
The insulating substrate includes an insulating substrate and a first electrode pattern and a second electrode pattern arranged on the first surface of the substrate.
The power device is arranged on the first electrode pattern and
The power module according to claim 1 , wherein the non-connecting portion of the graphite wiring at a position separated from the connecting portion of the power device in the same plane is connected to the second electrode pattern .
前記グラファイト配線は、前記第2の配向を有する複数のグラファイトシートを積層してなるプレート構造を備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。 The power module according to claim 1 , wherein the graphite wiring includes a plate structure in which a plurality of graphite sheets having the second orientation are laminated. 前記グラファイト配線は、第1主面に第1配線パターンを備えることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。 The power module according to claim 1 , wherein the graphite wiring includes a first wiring pattern on a first main surface . 絶縁性の基板と、前記基板の第1面に配置された第1電極パターンおよび第2電極パターンと、前記第1面に対向する第2面に配置された第3電極パターンとを備える絶縁基板と、
前記第1電極パターン上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、
前記第3電極パターン上に配置される放熱器と、
前記第2電極パターン上に配置されたブロック電極と、
異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線と、前記グラファイト配線の第1主面に配置された第1配線パターンおよび前記第1主面に対向する第2主面に配置された第2配線パターンとを備え、一端側が前記パワーデバイスの前記表面側に接続されると共に、前記一端側と同一平面で離れた位置の他端側が前記ブロック電極を介して前記第2電極パターンと接続される配線リード部と
を備え、
前記グラファイト配線は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高い第2の配向を備えると共に、前記第2の配向を有する複数のグラファイトシートを積層してなるプレート構造を備え、
前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記絶縁基板へ伝達することを特徴とするパワーモジュール。
An insulating substrate including an insulating substrate, a first electrode pattern and a second electrode pattern arranged on a first surface of the substrate, and a third electrode pattern arranged on a second surface facing the first surface. When,
A power device arranged on the first electrode pattern and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof,
A radiator arranged on the third electrode pattern and
The block electrode arranged on the second electrode pattern and
A graphite wiring having an anisotropic thermal conductivity, a first wiring pattern arranged on the first main surface of the graphite wiring, and a second wiring pattern arranged on the second main surface facing the first main surface. One end side is connected to the front surface side of the power device, and the other end side at a position separated from the one end side in the same plane is connected to the second electrode pattern via the block electrode. With a part,
The graphite wiring has a second orientation in which the thermal conductivity is higher in the thickness direction than in the plane direction, and has a plate structure in which a plurality of graphite sheets having the second orientation are laminated.
A power module characterized in that heat on the surface side of the power device is transferred to the insulating substrate via the graphite wiring.
絶縁性の基板と、前記基板の第1面に配置された第1電極パターンおよび第2電極パターンと、前記第1面に対向する第2面に配置された第3電極パターンとを備える絶縁基板と、
前記第1電極パターン上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、
前記第3電極パターン上に配置される放熱器と、
異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線、および前記グラファイト配線の第1主面に配置され、一端側が前記パワーデバイスの前記表面側に接続されると共に、前記一端側と同一平面で離れた位置の他端側が前記第2電極パターンと接続されるように配線パターンの厚みが部分的に異なるL字の断面形状を有する第1配線パターンを有する配線リード部と
を備え、
前記グラファイト配線は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が高い第2の配向を備えると共に、前記第2の配向を有する複数のグラファイトシートを積層してなるプレート構造を備え、
前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記絶縁基板へ伝達することを特徴とするパワーモジュール。
An insulating substrate including an insulating substrate, a first electrode pattern and a second electrode pattern arranged on a first surface of the substrate, and a third electrode pattern arranged on a second surface facing the first surface. When,
A power device arranged on the first electrode pattern and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof,
A radiator arranged on the third electrode pattern and
A graphite wiring having an anisotropic thermal conductivity, and a position arranged on the first main surface of the graphite wiring, one end side of which is connected to the front surface side of the power device, and a position separated from the one end side in the same plane. A wiring lead portion having a first wiring pattern having an L-shaped cross section in which the thickness of the wiring pattern is partially different so that the other end side of the wiring pattern is connected to the second electrode pattern is provided.
The graphite wiring has a second orientation in which the thermal conductivity is higher in the thickness direction than in the plane direction, and has a plate structure in which a plurality of graphite sheets having the second orientation are laminated.
A power module characterized in that heat on the surface side of the power device is transferred to the insulating substrate via the graphite wiring.
絶縁性の基板と、
前記基板上に配置された熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板と、
前記グラファイト基板上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、
前記パワーデバイスの表面側に接続された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線と
を備え、
前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記基板へ伝達することを特徴とするパワーモジュール。
Insulating board and
A graphite substrate arranged on the substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion,
A power device arranged on the graphite substrate and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof.
Equipped with graphite wiring with anisotropic thermal conductivity connected to the surface side of the power device.
A power module characterized in that heat on the surface side of the power device is transferred to the substrate via the graphite wiring.
絶縁性の基板と、前記基板上に配置された熱膨張係数に異方性を有するグラファイト基板とを備えるグラファイト絶縁基板と、
前記グラファイト絶縁基板上に配置され、その表面側と裏面側とに電極を有するパワーデバイスと、
前記パワーデバイスの表面側に接続された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト配線と
を備え、
前記パワーデバイスの表面側の熱を前記グラファイト配線を介して前記基板へ伝達することを特徴とするパワーモジュール。
A graphite insulating substrate comprising an insulating substrate and a graphite substrate arranged on the substrate having anisotropy in the coefficient of thermal expansion.
A power device arranged on the graphite insulating substrate and having electrodes on the front surface side and the back surface side thereof.
Equipped with graphite wiring with anisotropic thermal conductivity connected to the surface side of the power device.
A power module characterized in that heat on the surface side of the power device is transferred to the substrate via the graphite wiring.
第1の電源端子と第2の電源端子との間に直列接続されるとともに第1面と該第1面に対向する第2面とを有する基板の前記第1面上に配置されたパワーデバイスと、前記基板の前記第2面側に配置された冷却器とを有し、該パワーデバイスの接続点を出力端子に接続するように構成されたパワーモジュールであって、 A power device arranged in series between a first power supply terminal and a second power supply terminal and arranged on the first surface of a substrate having a first surface and a second surface facing the first surface. A power module having a cooler arranged on the second surface side of the substrate and configured to connect a connection point of the power device to an output terminal.
前記パワーデバイスは第1面と該第1面に対向する第2面とを有し、 The power device has a first surface and a second surface facing the first surface.
前記冷却器の前記基板の前記第2面側と、前記パワーデバイスの前記第2面側とを熱的に接続するグラファイトプレートを備え、 A graphite plate for thermally connecting the second surface side of the substrate of the cooler and the second surface side of the power device is provided.
前記グラファイトプレートは、熱伝導配向の違う2種類のグラファイトプレートが熱伝導率の高い向きで貼り合わされた構造である The graphite plate has a structure in which two types of graphite plates having different thermal conductivity orientations are bonded together in a direction having high thermal conductivity.
ことを特徴とするパワーモジュール。 A power module that features that.
請求項9に記載のパワーモジュールが備えるグラファイトプレート。 The graphite plate included in the power module according to claim 9. 第1主電極パターンおよび信号配線パターンを有する基板と、 A substrate having a first main electrode pattern and a signal wiring pattern,
表面に主パッド電極を有し、前記基板上に配置される半導体デバイスと、 A semiconductor device having a main pad electrode on the surface and arranged on the substrate,
前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間に接続されたリードフレームと、 A lead frame connected between the main pad electrode and the first main electrode pattern,
前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部と、 Separated from the first joint portion between the lead frame and the main pad electrode, and the second joint portion between the lead frame and the first main electrode pattern,
前記第2接合部と前記信号配線パターンとの間に接続された第1ボンディングワイヤであって、一端が前記信号配線パターンに接続され、他端が前記第2接合部の前記リードフレームに接続される第1ボンディングワイヤと A first bonding wire connected between the second junction and the signal wiring pattern, one end of which is connected to the signal wiring pattern and the other end of which is connected to the lead frame of the second junction. With the first bonding wire
を備え、 Equipped with
前記第2接合部は、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低いことを特徴とするパワーモジュール。 The second junction is a power module characterized in that the temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first junction.
前記リードフレームは、Cu、Al、クラッド材、若しくはCuMoのいずれかを備え、平板形状をしているに接続されることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール。 11. The power module according to claim 11, wherein the lead frame includes any of Cu, Al, a clad material, or CuMo, and is connected to a flat plate shape. 前記半導体デバイスは、複数個のデバイスを並列接続してなり、前記第1ボンディングワイヤは前記複数個のデバイスに共通接続されていることを特徴とする請求項11に記載のパワーモジュール。 The power module according to claim 11, wherein the semiconductor device is formed by connecting a plurality of devices in parallel, and the first bonding wire is commonly connected to the plurality of devices. 前記第1ボンディングワイヤは、Al、Cu、クラッド材、またはこれらを1つ以上有する合金を備えることを特徴とする請求項11~13のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 The power module according to any one of claims 11 to 13, wherein the first bonding wire includes Al, Cu, a clad material, or an alloy having one or more of them. 絶縁性の基板と、前記基板上に配置された第1主電極パターン、第2主電極パターン、信号配線パターンおよび制御信号配線パターンとを備える絶縁基板と、 An insulating substrate including an insulating substrate, a first main electrode pattern, a second main electrode pattern, a signal wiring pattern, and a control signal wiring pattern arranged on the substrate.
表面側に主パッド電極および制御パッド電極を有すると共に、裏面側に主電極を有し、前記第2主電極パターン上にフェイスアップで配置される半導体デバイスと、 A semiconductor device having a main pad electrode and a control pad electrode on the front surface side and a main electrode on the back surface side and arranged face-up on the second main electrode pattern.
前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間に接続されたリードフレームと、 A lead frame connected between the main pad electrode and the first main electrode pattern,
前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部と、前記信号配線パターンとの間に接続された第1ボンディングワイヤと、 A first of the lead frame and the first main electrode pattern, which is separated from the first joint portion between the lead frame and the main pad electrode and whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first joint portion. The first bonding wire connected between the two junctions and the signal wiring pattern,
前記制御パッド電極と前記制御信号配線パターンとの間に接続された第2ボンディングワイヤと A second bonding wire connected between the control pad electrode and the control signal wiring pattern
を備え、 Equipped with
前記第1ボンディングワイヤは、一端が、前記信号配線パターンに接続され、他端が、前記第2接合部の前記第1主電極パターンに接続されることを特徴とするパワーモジュール。 The first bonding wire is a power module having one end connected to the signal wiring pattern and the other end connected to the first main electrode pattern of the second bonding portion.
絶縁性の基板と、前記基板上に配置された第1主電極パターン、第2主電極パターン、信号配線パターン、制御信号配線パターン、および配線電極パターンとを備える絶縁基板と、 An insulating substrate including an insulating substrate, a first main electrode pattern, a second main electrode pattern, a signal wiring pattern, a control signal wiring pattern, and a wiring electrode pattern arranged on the substrate.
表面に主パッド電極および制御パッド電極を有すると共に、裏面に主電極を有し、前記第2主電極パターン上にフェイスアップで配置される半導体デバイスと、 A semiconductor device having a main pad electrode and a control pad electrode on the front surface and a main electrode on the back surface and arranged face-up on the second main electrode pattern.
前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間に接続されると共に、前記主パッド電極との接続端側が延長されて前記配線電極パターンと接続されたリードフレームと、 A lead frame connected between the main pad electrode and the first main electrode pattern, and the connection end side with the main pad electrode is extended to be connected to the wiring electrode pattern.
前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部、前記第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部、および前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記配線電極パターンとの第3接合部と、 The lead frame and the first joint portion, which are separated from the first joint portion between the lead frame and the main pad electrode and the first joint portion, and whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first joint portion. A second junction with the main electrode pattern, and a third junction between the lead frame and the wiring electrode pattern whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first junction.
一端が、前記信号配線パターンと接続されると共に、他端が前記第3接合部に接続された第1ボンディングワイヤと、 A first bonding wire having one end connected to the signal wiring pattern and the other end connected to the third bonding portion.
前記制御パッド電極と前記制御信号配線パターンとの間に接続された第2ボンディングワイヤと A second bonding wire connected between the control pad electrode and the control signal wiring pattern
を備え、 Equipped with
前記第1ボンディングワイヤの他端が、前記第3接合部の前記リードフレームまたは前記配線電極パターンに接続されることを特徴とするパワーモジュール。 A power module characterized in that the other end of the first bonding wire is connected to the lead frame or the wiring electrode pattern of the third bonding portion.
導電性の基板と、 With a conductive substrate
前記基板上に、絶縁層を介して配置された主電極パターン、信号配線パターンおよび制御信号配線パターンと、 A main electrode pattern, a signal wiring pattern, and a control signal wiring pattern arranged on the substrate via an insulating layer,
表面に主パッド電極を有し、前記基板上に配置される半導体デバイスと、 A semiconductor device having a main pad electrode on the surface and arranged on the substrate,
前記主パッド電極と前記主電極パターンとの間に接続されたリードフレームと、 A lead frame connected between the main pad electrode and the main electrode pattern,
前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記主電極パターンとの第2接合部と、前記信号配線パターンとの間に接続された第1ボンディングワイヤと The second junction between the lead frame and the main electrode pattern, which is separated from the first junction between the lead frame and the main pad electrode and whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first junction. With the first bonding wire connected between the unit and the signal wiring pattern
を備えることを特徴とするパワーモジュール。 A power module characterized by being equipped with.
基板と、 With the board
前記基板の第1面に配置された異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板と、 A graphite substrate having an anisotropic thermal conductivity arranged on the first surface of the substrate and
前記基板の前記第1面に対向する第2面に配置された第1電極パターンと、 A first electrode pattern arranged on a second surface facing the first surface of the substrate, and a first electrode pattern.
前記グラファイト基板上に配置された第2電極パターンと、 The second electrode pattern arranged on the graphite substrate and
前記第2電極パターンを介して、前記グラファイト基板上に並べて配置され、動作時に発熱する複数の半導体デバイスと With a plurality of semiconductor devices arranged side by side on the graphite substrate via the second electrode pattern and generating heat during operation.
を備え、 Equipped with
前記グラファイト基板は、面方向よりも厚み方向に熱伝導率が相対的に高い配向を備え、 The graphite substrate has an orientation in which the thermal conductivity is relatively high in the thickness direction rather than the plane direction.
前記グラファイト基板の基板面上、前記複数の半導体デバイスの並びの方向が、前記グラファイト基板の熱伝導率が相対的に低い配向方向を基準として、-45度以上+45度以下となることを特徴とするパワーモジュール。 The feature is that the alignment direction of the plurality of semiconductor devices on the substrate surface of the graphite substrate is −45 degrees or more and +45 degrees or less with respect to the orientation direction in which the thermal conductivity of the graphite substrate is relatively low. Power module to do.
前記複数の半導体デバイスの並びの方向は、前記グラファイト基板の熱伝導率が相対的に高い配向方向に実質的に直交することを特徴とする請求項18に記載のパワーモジュール。 The power module according to claim 18, wherein the arrangement direction of the plurality of semiconductor devices is substantially orthogonal to the orientation direction in which the thermal conductivity of the graphite substrate is relatively high. 絶縁層と、 Insulation layer and
前記絶縁層上に配置され、異方性な熱伝導率を備えるグラファイト基板と、 A graphite substrate arranged on the insulating layer and having an anisotropic thermal conductivity,
前記グラファイト基板上に配置され、動作時に発熱する半導体デバイスと With a semiconductor device that is placed on the graphite substrate and generates heat during operation
を備え、 Equipped with
前記グラファイト基板は、表面に前記グラファイト基板の表面電極層を備えることを特徴とするパワーモジュール。 The graphite substrate is a power module characterized by having a surface electrode layer of the graphite substrate on its surface.
前記グラファイト基板は、裏面に前記グラファイト基板の裏面電極層を備えることを特徴とする請求項20に記載のパワーモジュール。 The power module according to claim 20, wherein the graphite substrate includes a back surface electrode layer of the graphite substrate on the back surface. 第1の電源と第2の電源との間に第1のスイッチングデバイスと第2のスイッチングデバイスとが直列接続され、その接続点の電圧を出力とする電源装置であって、 A power supply device in which a first switching device and a second switching device are connected in series between a first power supply and a second power supply, and the voltage at the connection point is output.
前記各スイッチングデバイスはそれぞれ複数のチップからなり、グラファイト基板上にそれぞれ並べて配置され、 Each of the switching devices consists of a plurality of chips and is arranged side by side on a graphite substrate.
前記複数のチップの並び方向のチップ間の間隔距離は、前記各チップから前記グラファイト基板の長手方向の両端面までのそれぞれの距離よりも短いことを特徴とする電源装置。 A power supply device characterized in that the spacing distance between the chips in the arrangement direction of the plurality of chips is shorter than the respective distance from each of the chips to both end faces in the longitudinal direction of the graphite substrate.
絶縁性の基板と、前記基板上に配置された第1主電極パターン、第2主電極パターン、信号配線パターンおよび制御信号配線パターンとを有する絶縁基板の、前記第2主電極パターン上に、表面側に主パッド電極および制御パッド電極を有すると共に、裏面側に主電極を有する半導体デバイスをフェイスアップで配置する工程と、 A surface of an insulating substrate having an insulating substrate and an insulating substrate having a first main electrode pattern, a second main electrode pattern, a signal wiring pattern, and a control signal wiring pattern arranged on the substrate on the second main electrode pattern. A process of arranging a semiconductor device having a main pad electrode and a control pad electrode on the side and having a main electrode on the back side face-up,
前記主パッド電極と前記第1主電極パターンとの間にリードフレームを接続する工程と、 A step of connecting a lead frame between the main pad electrode and the first main electrode pattern, and
前記リードフレームと前記主パッド電極との第1接合部と離隔し、前記第1接合部よりも前記半導体デバイス動作時における温度が相対的に低い前記リードフレームと前記第1主電極パターンとの第2接合部と、前記信号配線パターンとの間に、第1ボンディングワイヤを接続する工程であって、前記第1ボンディングワイヤの一端を前記信号配線パターンに接続し、前記第1ボンディングワイヤの他端を前記第2接合部の前記リードフレームに接続する工程と、 A first of the lead frame and the first main electrode pattern, which is separated from the first bonding portion between the lead frame and the main pad electrode and whose temperature during operation of the semiconductor device is relatively lower than that of the first bonding portion. In the step of connecting the first bonding wire between the two bonding portions and the signal wiring pattern, one end of the first bonding wire is connected to the signal wiring pattern and the other end of the first bonding wire. In the step of connecting the wire to the lead frame of the second joint, and
前記制御パッド電極と前記制御信号配線パターンとの間に第2ボンディングワイヤを接続する工程と A step of connecting a second bonding wire between the control pad electrode and the control signal wiring pattern.
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 A method for manufacturing a power module, which comprises.
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