JP7168828B2 - Semiconductor equipment and semiconductor systems - Google Patents

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本発明は半導体素子を搭載する半導体装置および半導体システムに関する。本発明は特に、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を抑制しつつ過電圧発生を抑制することが可能な半導体装置および半導体システムに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor system on which semiconductor elements are mounted. In particular, the present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor system capable of suppressing the occurrence of overvoltage while suppressing the influence of heat on gate drivers.

半導体素子を搭載した回路基板を積層することで半導体装置を三次元的に高密度実装する、いわゆる部品内蔵モジュール化技術が知られている。特に、スイッチング機能を備えたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ:Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体素子をモジュール化する場合には、半導体素子やその電気回路の構成部品が比較的大きな発熱量を持つ。そのため、半導体素子のスイッチング動作を制御するゲートドライバを半導体素子とともに基板に内蔵させる場合には、ゲートドライバに対して発熱の影響が及ばないような工夫が求められる。例えば、特許文献1に開示された半導体装置は、IGBTやMOSFETからなるスイッチングモジュール300と、このスイッチングモジュール300を駆動制御するゲートドライバ320を、ゲート配線バー108により接続した発明が開示されている。スイッチングモジュール300とゲートドライバ320をゲート配線バー108で接続することで、スイッチングモジュール300からの発熱の影響がゲートドライバ320に及ぶのを回避しようとしている。 2. Description of the Related Art A so-called part-embedded module technology is known, which three-dimensionally mounts a semiconductor device with high density by stacking circuit boards on which semiconductor elements are mounted. Especially when modularizing semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) with switching functions. However, semiconductor elements and their electrical circuit components generate a relatively large amount of heat. Therefore, when a gate driver for controlling the switching operation of the semiconductor element is built in the substrate together with the semiconductor element, it is necessary to devise a method to prevent heat generation from affecting the gate driver. For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which a switching module 300 made of IGBTs or MOSFETs and a gate driver 320 that drives and controls the switching module 300 are connected by a gate wiring bar 108 . By connecting the switching module 300 and the gate driver 320 with the gate wiring bar 108 , it is intended to prevent the gate driver 320 from being affected by the heat generated from the switching module 300 .

また、特許文献2には、放熱部材20に熱的に結合されるパワー素子11aが電気的に接合された第1導電層11と、パワー素子11aのスイッチング動作を制御する制御素子(ゲートドライバ)12a,12bが電気的に接合された第2導電層12と、第1導電層11と第2導電層12との間においてパワー素子11aが埋め込まれる樹脂層13とを有する電子機器が開示されている。第1導電層11、樹脂層13及び第2導電層12は、放熱部材20に近い方からこの順序で積層されている。 Further, Patent Document 2 discloses a first conductive layer 11 electrically connected to a power element 11a thermally coupled to a heat dissipation member 20, and a control element (gate driver) for controlling the switching operation of the power element 11a. An electronic device having a second conductive layer 12 in which 12a and 12b are electrically connected and a resin layer 13 in which a power element 11a is embedded between the first conductive layer 11 and the second conductive layer 12 is disclosed. there is The first conductive layer 11 , the resin layer 13 and the second conductive layer 12 are laminated in this order from the side closer to the heat dissipation member 20 .

WO2019/044832号公報WO2019/044832 特許第6308275号公報Japanese Patent No. 6308275

しかしながら、特許文献1の構成では、ゲート配線バー108を用いているため電気回路の配線長が長くなってしまい、電気回路の寄生インダクタンス成分が上昇してしまうので、過電圧が発生するなどの問題が生じる。また、特許文献2の構成では、パワー素子11aと制御素子12a,12bとが近接配置されているため両者を電気的に接続する配線の長さは短くなるものの、パワー素子11aの発熱による影響が制御素子12a,12bに及んでしまう問題があった。
そこで本発明は、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を抑制しつつ過電圧発生のリスクも抑制することが可能な半導体装置の提供を目的とする。
However, in the configuration of Patent Document 1, since the gate wiring bar 108 is used, the wiring length of the electric circuit becomes long, and the parasitic inductance component of the electric circuit increases, causing problems such as overvoltage. occur. In addition, in the configuration of Patent Document 2, since the power element 11a and the control elements 12a and 12b are arranged close to each other, the length of the wiring electrically connecting them is short, but the influence of the heat generated by the power element 11a is reduced. There is a problem that it extends to the control elements 12a and 12b.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the risk of overvoltage generation while suppressing the influence of heat on a gate driver.

本発明者らは、以下に示す半導体装置が、上記した従来の課題を解決できることを見出した。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、スイッチング素子である半導体素子および該半導体素子のゲートドライバを少なくとも有する半導体装置において、前記半導体素子および前記ゲートドライバを共通の筐体の内部に配置するとともに、前記半導体素子から前記ゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部が設けられていることを特徴とする半導体装置である。
The present inventors have found that the semiconductor device described below can solve the conventional problems described above.
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention is a semiconductor device having at least a semiconductor element that is a switching element and a gate driver for the semiconductor element, wherein the semiconductor element and the gate driver are arranged inside a common housing, The semiconductor device is characterized in that a heat shield is provided for shielding heat transfer from the semiconductor element to the gate driver.

上記のように構成された本発明の実施形態によれば、半導体素子からゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部を設けることにより、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を緩和することが可能となる。また、熱遮蔽部を設けることにより、半導体素子とゲートドライバを近接配置することができる。そのため、半導体素子とゲートドライバを共通の筐体の内部に配置することが可能となる。これにより、電気回路長を必要以上に長くする必要がなくなるので、インダクタンスの増加による過電圧発生を回避することができる。 According to the embodiment of the present invention configured as described above, by providing the heat shield portion for shielding the heat transfer from the semiconductor element to the gate driver, the influence of heat on the gate driver can be mitigated. It becomes possible. Also, by providing the heat shield, the semiconductor element and the gate driver can be arranged close to each other. Therefore, it is possible to dispose the semiconductor element and the gate driver inside a common housing. This eliminates the need to increase the length of the electric circuit more than necessary, thereby avoiding the occurrence of overvoltage due to an increase in inductance.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施形態における要部の拡大断面図である。1 is an enlarged cross-sectional view of a main part in a first embodiment of the invention; FIG. 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の部分的な回路図である。1 is a partial circuit diagram of a semiconductor device according to a first embodiment of the invention; FIG. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の要部の拡大断面図である。FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention; 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の要部の拡大断面図である。FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a third embodiment of the invention; 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の要部の拡大断面図である。FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the invention; 実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。1 is a block configuration diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment; FIG. 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図である。FIG. 3 is a block configuration diagram showing another example of a control system employing the semiconductor device according to the embodiment of the invention; 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of a control system employing the semiconductor device according to the embodiment of the invention;

以下、本発明に係る幾つかの実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、同一構成要素には同一符号を付すことで、重複する説明を省略する。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the overlapping description is abbreviate|omitted by attaching|subjecting the same code|symbol to the same component.

図1は本発明に係る半導体装置の第1実施形態を示す断面図である。図1に示すように半導体装置110は、回路基板1に配置されている第1および第2の半導体素子2,3を有する。本実施形態においては、第1の半導体素子2は、スイッチング機能を有するパワー半導体素子(スイッチング素子)であるIGBT(絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ:Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等のスイッチング素子である。また、第2の半導体素子3は、半導体部品であるSBD(Schottky Barrier Diode)やPiNダイオードなどのダイオードが挙げられる。本発明の実施形態においては、第1および第2の半導体素子は、上記の素子に限定されるものではない。また、回路基板1上にはさらにゲートドライバ4が配置されている。ゲートドライバ4は、第1の半導体素子2に設けられたゲート電極のスイッチング動作を制御するための駆動回路を内蔵したICで構成されている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. As shown in FIG. 1, semiconductor device 110 has first and second semiconductor elements 2 and 3 arranged on circuit board 1 . In this embodiment, the first semiconductor element 2 is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), which is a power semiconductor element (switching element) having a switching function, or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Transistor). Effect transistor: A switching element such as a Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor. The second semiconductor element 3 may be a semiconductor component such as an SBD (Schottky Barrier Diode) or a diode such as a PiN diode. In embodiments of the present invention, the first and second semiconductor elements are not limited to the above elements. A gate driver 4 is further arranged on the circuit board 1 . The gate driver 4 is composed of an IC incorporating a driving circuit for controlling switching operation of the gate electrodes provided in the first semiconductor element 2 .

第1の半導体素子2とゲートドライバ4の間は、回路基板1に直接接続されていない領域である離間部5が所定長だけ形成されている。離間部5は、例えば、平板状の回路基板1を部分的に穿孔したり除去したりすることにより形成されている。 Between the first semiconductor element 2 and the gate driver 4, a spaced portion 5, which is a region not directly connected to the circuit board 1, is formed with a predetermined length. The spacing portion 5 is formed, for example, by partially punching or removing the flat circuit board 1 .

第1および第2の半導体素子2,3の上面は、ビア7を介して上部配線層8と接続されている。また、第1および第2の半導体素子2,3の下面は、ビア9を介して下部配線層10と接続されており、さらにビア11を介して下部配線層12と接続されている。上部配線層8と下部配線層12とは、スルーホール13を介して接続されている。 The upper surfaces of the first and second semiconductor elements 2 and 3 are connected to the upper wiring layer 8 via vias 7 . The lower surfaces of the first and second semiconductor elements 2 and 3 are connected to a lower wiring layer 10 through vias 9 and further connected to a lower wiring layer 12 through vias 11 . The upper wiring layer 8 and the lower wiring layer 12 are connected via through holes 13 .

ここで、ビア6,7,9,11および上部配線層8、下部配線層10,12は、銅(Cu)などの電気伝導性および熱伝導性に優れた材料を主成分として含んでいる。また、離間部5を含む図1中の空白部には、エポキシ樹脂やプリプレグなどの電気絶縁材料が充填されている。具体的には、半導体装置110の内部に電気絶縁材料を充填した後に、レーザ加工やドリル加工を施すことで複数の孔を形成し、さらにこれら孔の表面に銅をめっき加工することにより、ビアやスルーホールが成形される。この工程を繰り返すことで、複数段の配線層やビアが順次形成される。半導体装置110の最上部には、銅(Cu)などの熱伝導性に優れた材料を主成分として含む筐体壁14が設けられ、必要に応じて筐体壁14上にヒートシンクなどの放熱手段が設けられる。本発明の実施形態では、筐体壁14と下部配線層12によって筐体が規定され、筐体の厚みは200μm~500μm程度である。本発明の実施形態において、筐体の寸法は上記した寸法に限定されるものではない。 Here, the vias 6, 7, 9, 11, the upper wiring layer 8, and the lower wiring layers 10, 12 mainly contain a material such as copper (Cu) having excellent electrical and thermal conductivity. 1, including the spacing portion 5, is filled with an electrically insulating material such as epoxy resin or prepreg. Specifically, after filling the interior of the semiconductor device 110 with an electrical insulating material, a plurality of holes are formed by laser processing or drilling, and the surfaces of these holes are plated with copper to form vias. and through holes are formed. By repeating this process, multiple stages of wiring layers and vias are sequentially formed. At the top of the semiconductor device 110, a housing wall 14 containing a material having excellent thermal conductivity such as copper (Cu) as a main component is provided. is provided. In the embodiment of the present invention, the housing is defined by the housing wall 14 and the lower wiring layer 12, and the thickness of the housing is about 200 μm to 500 μm. In the embodiments of the present invention, the dimensions of the housing are not limited to those described above.

第1の半導体素子2とゲートドライバ4をつなぐ電気回路は、ビア6a,6bを介して、回路基板1の厚み方向の上方に離間して配置された筐体壁14の高さに設けられた抵抗接続部15まで延伸されている。抵抗接続部15の下部には、離間部5に充填された電気絶縁材料の一部に空間部(熱遮蔽部)18が設けられている。 An electric circuit connecting the first semiconductor element 2 and the gate driver 4 is provided at the height of the housing wall 14 spaced apart above the circuit board 1 in the thickness direction through vias 6a and 6b. It extends up to the resistor connection portion 15 . A space portion (heat shielding portion) 18 is provided in a portion of the electrical insulating material filled in the spacing portion 5 below the resistance connection portion 15 .

図2の部分拡大図に示すように、空間部18は、断面略矩形状をなしている。また、空間部18は、紙面垂直方向に向けて所定長さの奥行を持つように延設され、その内部には空気(乾燥空気)などの気体が充填されている。本発明の実施形態においては、空間部(熱遮蔽部)18の熱伝導率が0.1W/m・K以下の気体であるのが好ましい。空間部18の奥行方向の長さは、第1の半導体素子2とゲートドライバ4との対向面の全長に亘っているのが特に好ましい。また、空間部18の上下方向の長さも、第1の半導体素子2とゲートドライバ4との対向面(厚み)の全長に亘っているのが特に好ましい。 As shown in the partial enlarged view of FIG. 2, the space 18 has a substantially rectangular cross section. The space 18 extends in a direction perpendicular to the plane of the drawing so as to have a predetermined depth, and is filled with a gas such as air (dry air). In the embodiment of the present invention, it is preferable that the space portion (heat shielding portion) 18 is a gas having a thermal conductivity of 0.1 W/m·K or less. It is particularly preferable that the length of the space 18 in the depth direction extends over the entire length of the opposed surfaces of the first semiconductor element 2 and the gate driver 4 . Moreover, it is particularly preferable that the vertical length of the space portion 18 extends over the entire length of the facing surface (thickness) between the first semiconductor element 2 and the gate driver 4 .

空間部18は開空間であっても閉空間であってもよく、開空間の場合には筐体の外部に通じる導通口を有するものであってもよい。空間部18は、半導体製造工程におけるエッチング工程やレーザ開口工程、ドリル開口工程などの公知の工程によって製作することができる。 The space 18 may be either an open space or a closed space, and in the case of an open space, it may have a conduit leading to the outside of the housing. The space 18 can be manufactured by a known process such as an etching process, a laser opening process, a drill opening process, etc. in the semiconductor manufacturing process.

抵抗接続部15は、任意の抵抗値を持つ電子部品であるゲート抵抗16を接続可能な状態に設けられている。すなわち、第1の半導体素子2とゲートドライバ4とをつなぐ電気回路の一部に抵抗接続部15が設けられており、その抵抗接続部15が筐体から露出するように構成されている。また、このことにより、第1の半導体素子2とゲートドライバ4とを電気的に接続する配線の少なくとも一部が筐体の外部に配置されている構成を得ることができる。このような構成によれば、ゲートドライバ4と第1の半導体素子2との間に熱遮蔽部を容易に設けることができる。抵抗接続部15にゲート抵抗16を載置固定することで、ゲート抵抗16の端子16a,16bによって電気接点が接続され、ゲート抵抗16が電気回路の一部を電気的に接続するよう構成されている。ゲート抵抗16の端子16a,16bと抵抗接続部15とは、半田付けなどの公知の接続方法を用いて接続することができる。また、一旦接続されたゲート抵抗を、半田を溶融することにより抵抗接続部15上から取外した上で、異なる抵抗値のゲート抵抗を新たに接続することも可能である。 The resistance connecting portion 15 is provided in a state in which a gate resistance 16, which is an electronic component having an arbitrary resistance value, can be connected. That is, a resistance connection portion 15 is provided in a part of the electric circuit connecting the first semiconductor element 2 and the gate driver 4, and the resistance connection portion 15 is exposed from the housing. In addition, as a result, it is possible to obtain a configuration in which at least part of the wiring that electrically connects the first semiconductor element 2 and the gate driver 4 is arranged outside the housing. With such a configuration, a heat shield can be easily provided between the gate driver 4 and the first semiconductor element 2 . By placing and fixing the gate resistor 16 on the resistor connection portion 15, the electrical contacts are connected by the terminals 16a and 16b of the gate resistor 16, and the gate resistor 16 is configured to electrically connect a part of the electric circuit. there is The terminals 16a and 16b of the gate resistor 16 and the resistor connection portion 15 can be connected using a known connection method such as soldering. It is also possible to remove the once-connected gate resistor from the resistor connection portion 15 by melting the solder, and then newly connect a gate resistor with a different resistance value.

図3は本実施形態に係る半導体装置110の回路構成を示している。図3は、図2に示した構成要素、すなわち第1の半導体素子2、第2の半導体素子3、ゲートドライバ4、ゲート抵抗16を抽出したものである。ここでは、半導体素子2としてMOSFETを例示しており、MOSFETのゲート電極Gに対して、ゲートドライバ4から制御信号を供給することでMOSFET2のスイッチング制御が行われる。また、第2の半導体素子3はSBDであり、MOSFETのソース電極Sの電流をドレイン電極Dに還流するための高耐圧還流ダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)として機能する。ゲートドライバ4とMOSFET2との間に設けられるゲート抵抗(R1)16としては、図示しない制御対象に適したMOSFET2のスイッチング速度を実現するために適切な抵抗値を備えたものが選定されている。なお、抵抗(R2)17は、ゲート電極Gの入力信号がオープンになった場合にゲート電極G・ソース電極Sの間の電圧を0Vとするために設けられている。 FIG. 3 shows the circuit configuration of the semiconductor device 110 according to this embodiment. FIG. 3 extracts the components shown in FIG. 2, that is, the first semiconductor element 2, the second semiconductor element 3, the gate driver 4, and the gate resistor 16. Here, a MOSFET is exemplified as the semiconductor element 2, and switching control of the MOSFET 2 is performed by supplying a control signal from the gate driver 4 to the gate electrode G of the MOSFET. The second semiconductor element 3 is an SBD, and functions as a freewheeling diode (FWD) for returning the current of the source electrode S of the MOSFET to the drain electrode D. As the gate resistor (R1) 16 provided between the gate driver 4 and the MOSFET 2, one having an appropriate resistance value is selected in order to achieve a switching speed of the MOSFET 2 suitable for the controlled object (not shown). The resistor (R2) 17 is provided to set the voltage between the gate electrode G and the source electrode S to 0 V when the input signal to the gate electrode G is open.

続いて、上述のように構成された本実施形態の作用について詳しく説明する。 Next, the operation of this embodiment configured as described above will be described in detail.

本発明の実施形態は、半導体素子からゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部を設けたことを特徴としている。熱遮蔽部として、例えば、半導体素子2とゲートドライバ4との間に空間部18が設けられており、当該空間部18に気体としての空気が充填されている。熱遮蔽部の周囲に充填された熱硬化性樹脂の熱伝導率は、例えばエポキシ樹脂の場合には約300mW/m・K、プリプレグの場合には約400mW/m・Kと非常に高い。一方、空気の熱伝導率は、常圧時の室温において約25mW/m・Kであり、熱硬化性樹脂よりも1/10以上も低い熱伝導率であることから、熱遮蔽効果が遥かに高い。したがって、MOSFET2からの発熱は、回路基板1を経由して、ビアなどの銅で構成される経路を伝わるか、もしくは熱硬化性樹脂を伝わって下部配線層12もしくは筐体壁14を伝わることで、最終的に筐体外部に放熱される。そして、熱伝導率の低い空間部18が熱遮蔽構造として機能することにより、MOSFET2からゲートドライバ4に向かう放熱は抑制される。したがって、熱遮蔽部を設けることによってMOSFET2の発熱がゲートドライバ4に伝わりにくくなり、ゲートドライバへの悪影響を抑制することができる。 An embodiment of the present invention is characterized by providing a heat shield for shielding heat transfer from the semiconductor element to the gate driver. As a heat shield, for example, a space 18 is provided between the semiconductor element 2 and the gate driver 4, and the space 18 is filled with air as gas. The thermal conductivity of the thermosetting resin filled around the heat shield is very high, such as about 300 mW/m·K for epoxy resin and about 400 mW/m·K for prepreg. On the other hand, the thermal conductivity of air is about 25 mW/m K at room temperature under normal pressure, which is 1/10 or more lower than that of thermosetting resin, so the heat shielding effect is far superior. high. Therefore, the heat generated from the MOSFET 2 is transmitted through the circuit board 1 via a copper path such as a via, or is transmitted through the thermosetting resin to the lower wiring layer 12 or the housing wall 14. , the heat is finally dissipated to the outside of the housing. Further, the space portion 18 having a low thermal conductivity functions as a heat shield structure, thereby suppressing heat dissipation from the MOSFET 2 toward the gate driver 4 . Therefore, the provision of the heat shield makes it difficult for the heat generated by the MOSFET 2 to be transmitted to the gate driver 4, thereby suppressing adverse effects on the gate driver.

また、図3の回路構成からも判るように、MOSFET2とゲートドライバ4の間にゲート抵抗16が設けられている。実際の回路配置においても、通常、MOSFET2とゲートドライバ4の間、すなわち本実施形態における空間部18の位置にゲート抵抗が配置される。これに対して本実施形態では、MOSFET2のゲート抵抗16を筐体から露出した状態で接続することにより、半導体素子2とゲートドライバ4の間に熱遮蔽部を設けるための領域を容易に確保できる。また同時に、ゲート抵抗16の発熱によるゲートドライバ4への悪影響を抑制することもできるようになる。 Also, as can be seen from the circuit configuration of FIG. 3, a gate resistor 16 is provided between the MOSFET 2 and the gate driver 4 . In an actual circuit arrangement, gate resistors are usually arranged between the MOSFET 2 and the gate driver 4, that is, at the position of the space 18 in this embodiment. On the other hand, in this embodiment, by connecting the gate resistor 16 of the MOSFET 2 in a state of being exposed from the housing, it is possible to easily secure an area for providing a heat shield between the semiconductor element 2 and the gate driver 4. . At the same time, it is possible to suppress adverse effects on the gate driver 4 due to heat generation of the gate resistor 16 .

そして、このような構成からなる本発明の第1実施形態によれば、半導体素子からゲートドライバへの伝熱を遮蔽する熱遮蔽部を設けることで、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を緩和することが可能となる。また、熱遮蔽部を設けることで、半導体素子とゲートドライバを近接配置することができるため、両者を共通の筐体の内部に配置することが可能となる。これにより、電気回路長を必要以上に長くする必要がなくなるので、インダクタンスの増加による過電圧発生を回避することができる。 According to the first embodiment of the present invention having such a configuration, by providing a heat shield portion for shielding heat transfer from the semiconductor element to the gate driver, the influence of heat on the gate driver can be alleviated. becomes possible. Moreover, since the semiconductor element and the gate driver can be arranged close to each other by providing the heat shield portion, both can be arranged inside a common housing. This eliminates the need to increase the length of the electric circuit more than necessary, thereby avoiding the occurrence of overvoltage due to an increase in inductance.

また、本発明の実施形態においては、半導体素子2,3が縦型デバイスであっても横型デバイスであっても、あるいは縦型デバイスと横型デバイスの組合せであっても有効である。すなわち、半導体素子2,3の上面もしくは下面のいずれの面での発熱が支配的であったとしても、熱遮蔽部の存在によりゲートドライバに及ぶ熱の影響を緩和することが可能となる。 Further, in the embodiments of the present invention, it is effective whether the semiconductor elements 2 and 3 are vertical devices, horizontal devices, or a combination of vertical devices and horizontal devices. That is, even if the heat generation is dominant on either the top surface or the bottom surface of the semiconductor elements 2 and 3, the presence of the heat shielding portion can mitigate the influence of the heat on the gate driver.

なお、以下の各実施形態においては、図1に描かれた半導体装置110とほぼ同一の構成要素を備えているため、異なる部分のみを説明する。 In addition, in each of the following embodiments, since substantially the same components as the semiconductor device 110 depicted in FIG. 1 are provided, only different parts will be described.

図4は本発明の第2実施形態に係る半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図4に示されるように、第2実施形態に係る半導体装置120は、ゲート抵抗16を載置する抵抗接続部15の高さまで縦方向に孔設された空間部19を有する。空間部19の上端部19aは筐体の外部に導通している。空間部19は、ゲート抵抗16が抵抗接続部15に載置される前に、筐体外部から穿孔もしくはダイシングなどの方法により、樹脂やプリプレグが充填された離間部5に向けて上端部19aから下端部19bに向けて加工することにより形成される。図4には図示されていないが、空間部19は紙面垂直方向に延設するように形成され、少なくとも半導体素子2とゲートドライバ4の対向面の全長に亘って空間部19が延設されている。 FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention. As shown in FIG. 4, the semiconductor device 120 according to the second embodiment has a space portion 19 formed vertically up to the height of the resistance connection portion 15 on which the gate resistance 16 is mounted. An upper end portion 19a of the space portion 19 is electrically connected to the outside of the housing. Before the gate resistor 16 is mounted on the resistor connection portion 15, the space portion 19 is formed by drilling or dicing from the outside of the housing so that the space portion 19 is formed from the upper end portion 19a toward the separation portion 5 filled with resin or prepreg. It is formed by processing toward the lower end portion 19b. Although not shown in FIG. 4, the space 19 is formed so as to extend in the direction perpendicular to the plane of the drawing, and the space 19 extends over at least the entire length of the facing surface between the semiconductor element 2 and the gate driver 4. there is

このような構成からなる本発明の第2実施形態によれば、開放された空間部19の上端部19aの温度は、閉塞した下端部19bの温度よりも低くなるため、空間部19内で空気の対流が発生する。そして、半導体素子2の発熱の影響で高温となった下端部19bの空気が、対流によって上端部19aに運ばれて筐体外部に放出され易くなり、放出された高温の空気に代えて筐体外部の低温の空気を取り込むことができる。したがって、ゲートドライバ4への熱遮蔽だけでなく、離間部5付近を冷却することも可能となり、ゲートドライバ4を安定的動作維持させることができる。 According to the second embodiment of the present invention having such a configuration, the temperature of the upper end portion 19a of the open space portion 19 is lower than the temperature of the closed lower end portion 19b. of convection occurs. The air at the lower end portion 19b, which has become hot due to the heat generated by the semiconductor element 2, is carried to the upper end portion 19a by convection and is easily discharged to the outside of the housing. It can take in cold air from the outside. Therefore, it becomes possible not only to shield the gate driver 4 from heat, but also to cool the vicinity of the spaced portion 5, so that the stable operation of the gate driver 4 can be maintained.

図5は本発明の第3実施形態に係る半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図5に示されるように、第3実施形態に係る半導体装置130は、離間部5の横方向に拡大して設けられた空間部20を有する。すなわち、半導体素子2とゲートドライバ4との離間距離に占める空間部20の割合を大きくしている。これによって、半導体素子2の発熱の影響をゲートドライバ4に対してより一層伝わりにくくすることができる。 FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing essential parts of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the semiconductor device 130 according to the third embodiment has a space portion 20 provided by enlarging the spacing portion 5 in the lateral direction. That is, the ratio of the space 20 to the distance between the semiconductor element 2 and the gate driver 4 is increased. As a result, the influence of the heat generated by the semiconductor element 2 can be made more difficult to be transmitted to the gate driver 4 .

図6は本発明の第4実施形態に係る半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図6に示されるように、第4実施形態に係る半導体装置140は、離間部5の横方向にさらに拡大して設けられた空間部20を有する。すなわち、半導体素子2とゲートドライバ4のそれぞれの側面は空間部20に露出しており、離間部5の横方向が実質的に空気層のみに占有される大きさに拡大されたものである。これによって、半導体素子2の発熱の影響をゲートドライバ4に対してより一層伝わりにくくすることができる。 FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing essential parts of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a semiconductor device 140 according to the fourth embodiment has a space portion 20 provided by expanding the spacing portion 5 in the lateral direction. That is, the side surfaces of the semiconductor element 2 and the gate driver 4 are exposed in the space 20, and the lateral direction of the space 5 is enlarged to a size that is substantially occupied only by the air layer. As a result, the influence of the heat generated by the semiconductor element 2 can be made more difficult to be transmitted to the gate driver 4 .

本発明の実施形態に係る半導体装置は、パワー半導体の半導体材料として広く知られている炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)などが用いられた半導体素子を含む場合に有用である。特に、バンドギャップの高いコランダム構造の酸化ガリウム(α-Ga2O3)や、βガリア構造の酸化ガリウム(β-Ga2O3)が用いられた半導体素子を含む場合に極めて有用であり、半導体装置の高密度化のみならず信頼性向上にも貢献する。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor element using silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga2O3), etc., which are widely known as semiconductor materials for power semiconductors. Useful. In particular, it is extremely useful when including a semiconductor element using gallium oxide (α-GaO) with a corundum structure having a high bandgap or gallium oxide (β-GaO) with a β-gallia structure, increasing the density of the semiconductor device. It also contributes to reliability improvement.

なお、上述した本発明に係る複数の実施形態を組合せたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用することももちろん可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。例えば、空間部の延設長さや形状などは、筐体の内部構造や半導体素子の発熱量などに応じて任意の構造となるように設計できる。また、空間部には空気を充填する以外にも、その他の気体もしくは熱伝導率の低い流体(液体を含む)によって満たされていてもよい。熱伝導率は0.1W/m・K以下であることが好ましく、上述した空気(乾燥空気)の他に、アルゴン(Ar)ガス、窒素(N2)ガス、酸素(H2O)、二酸化炭素(CO2)などの気体を選択してもよい。これらの気体は半導体製造の過程で広く利用されるため入手が容易である。 Of course, it is possible to combine multiple embodiments according to the present invention described above, or to apply some of the constituent elements to other embodiments, and such things also belong to the embodiments of the present invention. For example, the extension length and shape of the space can be designed to be any structure according to the internal structure of the housing, the amount of heat generated by the semiconductor element, and the like. In addition, the space may be filled with other gases or fluids (including liquids) with low thermal conductivity instead of being filled with air. The thermal conductivity is preferably 0.1 W / m · K or less, and in addition to the air (dry air) described above, argon (Ar) gas, nitrogen (N2) gas, oxygen (H2O), carbon dioxide (CO2 ) may be selected. These gases are widely used in the process of manufacturing semiconductors and are readily available.

なお、本発明の実施形態においては、第1の半導体素子1および第2の半導体素子に加えて、さらに他の半導体素子がさらに内蔵されていてもよい。また、他の受動部品(例えば、コンデンサ、コイルまたは抵抗等)が半導体装置にさらに内蔵されていてもよい。本発明の実施形態においては、上記した半導体装置をサブモジュールとした上で、これらサブモジュールを複数組み合わせてモジュールを形成して使用してもよい。 In addition to the first semiconductor element 1 and the second semiconductor element, other semiconductor elements may be incorporated in the embodiment of the present invention. Also, other passive components (for example, capacitors, coils, resistors, etc.) may be further incorporated in the semiconductor device. In the embodiment of the present invention, the semiconductor device described above may be used as a submodule, and a plurality of these submodules may be combined to form a module for use.

上述した本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。図7は、本発明の実施形態に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図8は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車(Electric Vehicle)への搭載に適した制御システムである。 The semiconductor device according to the embodiment of the present invention described above can be applied to power converters such as inverters and converters in order to exhibit the functions described above. FIG. 7 is a block configuration diagram showing an example of a control system using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a circuit diagram of the same control system, which is particularly suitable for mounting on an electric vehicle. control system.

図7に示すように、制御システム500はバッテリー(電源)501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ(駆動対象)505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。 As shown in FIG. 7, the control system 500 has a battery (power source) 501, a step-up converter 502, a step-down converter 503, an inverter 504, a motor (to be driven) 505, and a drive control section 506, which are mounted on an electric vehicle. It becomes The battery 501 is composed of a storage battery such as a nickel-metal hydride battery or a lithium-ion battery, and stores electric power by charging at a power supply station or regenerative energy during deceleration, and is necessary for the operation of the running system and electrical system of the electric vehicle. DC voltage can be output. The boost converter 502 is a voltage conversion device equipped with a chopper circuit, for example, and boosts the DC voltage of, for example, 200 V supplied from the battery 501 to, for example, 650 V by switching operation of the chopper circuit, and outputs it to a running system such as a motor. be able to. The step-down converter 503 is also a voltage conversion device equipped with a chopper circuit. It can be output to the electrical system including

インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。 Inverter 504 converts the DC voltage supplied from boost converter 502 into a three-phase AC voltage by switching operation, and outputs the three-phase AC voltage to motor 505 . The motor 505 is a three-phase AC motor that constitutes the running system of the electric vehicle, and is rotationally driven by the three-phase AC voltage output from the inverter 504. The rotational driving force is transmitted to the wheels of the electric vehicle via a transmission or the like (not shown). to

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量(アクセル量)などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はCPU(Central Processing Unit)などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。 On the other hand, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the number of revolutions and torque of the wheels and the amount of depression of the accelerator pedal (acceleration amount) from the running electric vehicle. is entered. At the same time, the output voltage value of inverter 504 is also input to drive control section 506 . The drive control unit 506 has the function of a controller that includes an arithmetic unit such as a CPU (Central Processing Unit) and a data storage unit such as a memory. By outputting it as a feedback signal, the switching operation of the switching element is controlled. As a result, the AC voltage applied to the motor 505 by the inverter 504 is corrected instantaneously, so that the operation control of the electric vehicle can be accurately executed, and safe and comfortable operation of the electric vehicle is realized. It is also possible to control the output voltage to inverter 504 by giving the feedback signal from drive control section 506 to boost converter 502 .

図8は、図7における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ(コイルなど)を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 FIG. 8 shows a circuit configuration excluding the step-down converter 503 in FIG. As shown in the figure, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is employed as a Schottky barrier diode in boost converter 502 and inverter 504 for switching control. Boost converter 502 is incorporated in a chopper circuit to perform chopper control, and inverter 504 is incorporated in a switching circuit including IGBTs to perform switching control. By interposing an inductor (such as a coil) in the output of the battery 501, the current is stabilized. It is stabilizing the voltage.

また、図8中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU(Central Processing Unit)からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 Further, as indicated by the dotted line in FIG. 8, the drive control unit 506 is provided with an operation unit 507 made up of a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit 508 made up of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 506 is supplied to the calculation unit 507, and programmed calculation is performed as necessary to generate a feedback signal for each semiconductor element. Further, the storage unit 508 temporarily holds the calculation result by the calculation unit 507, accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and outputs them to the calculation unit 507 as appropriate. The calculation unit 507 and the storage unit 508 can employ known configurations, and their processing capabilities can be arbitrarily selected.

図7や図8に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム(Ga)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga)をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。 As shown in FIGS. 7 and 8, in the control system 500, the switching operations of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504 use diodes and switching elements such as thyristors, power transistors, IGBTs, MOSFETs, and the like. . By using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), especially corundum-type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements, the switching characteristics are greatly improved. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 500 can be realized. That is, each of the boost converter 502, the step-down converter 503, and the inverter 504 can expect the effect of the present invention. The effect of the present invention can be expected in any of the above.

なお、上述の制御システム500は本発明の実施形態に係る半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。 Note that the above-described control system 500 can apply not only the semiconductor device according to the embodiment of the present invention to the control system of an electric vehicle, but also various devices such as stepping up and stepping down power from a DC power supply and converting power from DC to AC. It can be applied to the control system of the application. It is also possible to use a power source such as a solar cell as the battery.

図9は、本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図10は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。 FIG. 9 is a block configuration diagram showing another example of a control system employing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a circuit diagram of the same control system, showing infrastructure equipment that operates on power from an AC power supply. This control system is suitable for installation in home appliances, etc.

図9に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源(電源)601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ(駆動対象)605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器(後述する)に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設(火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など)であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。 As shown in FIG. 9, the control system 600 receives power supplied from an external, for example, a three-phase AC power source (power source) 601, and includes an AC/DC converter 602, an inverter 604, a motor (to be driven) 605, It has a drive control unit 606, which can be mounted on various devices (described later). The three-phase AC power supply 601 is, for example, a power generation facility of an electric power company (a thermal power plant, a hydroelectric power plant, a geothermal power plant, a nuclear power plant, etc.), and its output is stepped down via a substation and supplied as an AC voltage. be. In addition, for example, in the form of a private power generator or the like, it is installed in a building or in a nearby facility and supplied by a power cable. AC/DC converter 602 is a voltage conversion device that converts AC voltage to DC voltage, and converts AC voltage of 100V or 200V supplied from three-phase AC power supply 601 to a predetermined DC voltage. Specifically, the voltage is converted into a generally used desired DC voltage such as 3.3V, 5V, or 12V. If the object to be driven is a motor, conversion to 12V is performed. A single-phase AC power supply can be used instead of the three-phase AC power supply. In that case, the same system configuration can be achieved by using a single-phase input AC/DC converter.

インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。 Inverter 604 converts the DC voltage supplied from AC/DC converter 602 into a three-phase AC voltage by switching operation, and outputs the three-phase AC voltage to motor 605 . The form of the motor 604 differs depending on the object to be controlled, but if the object to be controlled is a train, it drives the wheels; if it is factory equipment, it drives pumps and various power sources; It is a three-phase AC motor, and is rotationally driven by a three-phase AC voltage output from inverter 604, and transmits its rotational driving force to a drive target (not shown).

なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ602から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く(例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図9中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。 For example, in home appliances, there are many driven objects that can be directly supplied with the DC voltage output from the AC/DC converter 602 (for example, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.). The control system 600 does not require the inverter 604, and as shown in FIG. 9, the DC voltage is supplied from the AC/DC converter 602 to the driven object. In this case, for example, a personal computer is supplied with a DC voltage of 3.3V, and an LED lighting device is supplied with a DC voltage of 5V.

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。 On the other hand, various sensors (not shown) are used to measure actual values such as the rotational speed and torque of the object to be driven, or the temperature and flow rate of the surrounding environment of the object to be driven. At the same time, the output voltage value of inverter 604 is also input to drive control section 606 . Based on these measurement signals, drive control section 606 gives a feedback signal to inverter 604 to control the switching operation of the switching element. As a result, the AC voltage applied to the motor 605 by the inverter 604 is corrected instantaneously, so that the operation control of the object to be driven can be accurately executed, and stable operation of the object to be driven is realized. Further, as described above, when the object to be driven can be driven with a DC voltage, it is possible to feedback-control AC/DC converter 602 instead of feedback to the inverter.

図10は、図9の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、AC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ(電解コンデンサなど)を介在させることで電圧の安定化を図っている。 FIG. 10 shows the circuit configuration of FIG. As shown in the figure, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is employed as a Schottky barrier diode in an AC/DC converter 602 and an inverter 604 for switching control. The AC/DC converter 602 uses, for example, a Schottky barrier diode circuit configured in a bridge shape, and performs DC conversion by converting and rectifying the negative voltage component of the input voltage into a positive voltage. Also, the inverter 604 is incorporated in the switching circuit in the IGBT and performs switching control. A capacitor (such as an electrolytic capacitor) is interposed between the AC/DC converter 602 and the inverter 604 to stabilize the voltage.

また、図10中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。 Further, as indicated by the dotted line in FIG. 10, the drive control unit 606 is provided with an operation unit 607 made up of a CPU and a storage unit 608 made up of a non-volatile memory. The signal input to the drive control unit 606 is supplied to the calculation unit 607, and programmed calculation is performed as necessary to generate a feedback signal for each semiconductor element. Further, the storage unit 608 temporarily holds the result of calculation by the calculation unit 607, accumulates physical constants and functions required for drive control in the form of a table, and outputs them to the calculation unit 607 as appropriate. The calculation unit 607 and the storage unit 608 can employ known configurations, and their processing capabilities can be arbitrarily selected.

このような制御システム600においても、図7や図8に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム(Ga)、特にコランダム型酸化ガリウム(α-Ga)をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。 In such a control system 600, as in the control system 500 shown in FIGS. 7 and 8, the rectifying operation and switching operation of the AC/DC converter 602 and the inverter 604 are performed by diodes, switching elements such as thyristors and power transistors. , IGBT, MOSFET, etc. are used. Switching characteristics are improved by using gallium oxide (Ga 2 O 3 ), particularly corundum type gallium oxide (α-Ga 2 O 3 ), as the material for these semiconductor elements. Furthermore, by applying the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, extremely good switching characteristics can be expected, and further miniaturization and cost reduction of the control system 600 can be realized. That is, AC/DC converter 602 and inverter 604 can each be expected to have the effect of the present invention. can be expected.

なお、図9および図10では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器(例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など)や家電機器(例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など)といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。 In FIGS. 9 and 10, the motor 605 is exemplified as an object to be driven, but the object to be driven is not necessarily limited to one that operates mechanically, and many devices that require AC voltage can be targeted. In the control system 600, as long as the drive object is driven by inputting power from an AC power supply, it can be applied to infrastructure equipment (for example, power equipment such as buildings and factories, communication equipment, traffic control equipment, water and sewage treatment). Equipment, system equipment, labor-saving equipment, trains, etc.) and home appliances (e.g., refrigerators, washing machines, personal computers, LED lighting equipment, video equipment, audio equipment, etc.). can.

1 回路基板
2, 3 半導体素子
4 ゲートドライバ
5 離間部
6a, 6b, 7, 9, 11 ビア
13 スルーホール
15 抵抗接続部
16 ゲート抵抗
18 空間部(熱遮蔽部)
110, 120, 130, 140 半導体装置
500 制御システム
501 バッテリー(電源)
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ(駆動対象)
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源(電源)
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ(駆動対象)
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部



1 circuit board
2, 3 Semiconductor device
4 gate driver
5 Separation part
6a, 6b, 7, 9, 11 Via
13 through hole
15 Resistor connection
16 gate resistor
18 Space part (heat shield part)
110, 120, 130, 140 Semiconductor equipment
500 control system
501 battery (power supply)
502 Boost Converter
503 Buck Converter
504 Inverter
505 motor (driven)
506 drive controller
507 Calculator
508 Memory
600 control system
601 Three-phase AC power supply (power supply)
602 AC/DC converter
604 Inverter
605 motor (driven)
606 drive controller
607 Calculator
608 memory



Claims (12)

スイッチング素子である半導体素子および該半導体素子のゲートドライバを少なくとも有する半導体装置において、
前記半導体素子および前記ゲートドライバを共通の筐体の内部に配置するとともに、前記半導体素子から前記ゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部が設けられており、前記半導体素子と前記ゲートドライバとを電気的に接続する配線の少なくとも一部が前記筐体の外部に位置していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having at least a semiconductor element that is a switching element and a gate driver for the semiconductor element,
The semiconductor element and the gate driver are arranged in a common housing, and a heat shield is provided for shielding heat transfer from the semiconductor element to the gate driver. 1. A semiconductor device , wherein at least part of wiring electrically connecting to a driver is located outside the housing .
前記熱遮蔽部は、前記半導体素子と前記ゲートドライバの間に充填された電気絶縁材料に設けた空間部であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat shield is a space provided in an electrically insulating material filled between said semiconductor element and said gate driver. 前記熱遮蔽部の熱伝導率が、0.1W/m・K以下である請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said heat shield has a thermal conductivity of 0.1 W/m.K or less. 前記空間部には気体が満たされていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein said space is filled with gas. 前記空間部には空気が満たされていることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein said space is filled with air. 前記空間部は前記筐体の外部に導通していることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein said space is electrically connected to the outside of said housing. 前記半導体素子と前記ゲートドライバを搭載する基板を有し、前記半導体素子と前記ゲートドライバに電気的に接続されるゲート抵抗を前記基板の厚み方向に離間した位置に配置したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 A semiconductor device according to claim 1, further comprising a substrate on which said semiconductor element and said gate driver are mounted, wherein gate resistors electrically connected to said semiconductor element and said gate driver are arranged at positions spaced apart in the thickness direction of said substrate. Item 2. The semiconductor device according to item 1. 前記ゲート抵抗を前記筐体の外部に配置したことを特徴とする請求項記載の半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 7 , wherein said gate resistor is arranged outside said housing. 前記電気絶縁材料は熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 3. A semiconductor device according to claim 2, wherein said electrical insulating material is a thermosetting resin. 前記電気絶縁材料はプリプレグであることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 3. A semiconductor device according to claim 2, wherein said electrically insulating material is prepreg. 請求項1記載の半導体装置を用いた電力変換装置。 A power converter using the semiconductor device according to claim 1 . 請求項1記載の半導体装置を用いた制御システム。 A control system using the semiconductor device according to claim 1 .
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