JPWO2010004609A1 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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哲次郎 角田
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Abstract

取り付け面積を小さくすることができる電力用半導体装置を得る。このため、第１の金属板がパワーチップの第１の電力端子に接続され、第１の金属板に対向する第２の金属板がパワーチップの第２の電力端子に接続されている。第１の金属板及び第２の金属板の外側から絶縁カバーがパワーチップを覆っている。パワーチップの信号端子に接続された信号用外部端子が絶縁カバーの上面から導出している。第１，第２の金属板は、絶縁カバーの下面から導出した第１，第２の電力用外部端子を有する。第１の電力用外部端子と第２の電力用外部端子は、それぞれ反対方向に折り曲げられている。第１の電力用外部端子又は第２の電力用外部端子の折り曲げられた方向において、絶縁カバーを挟んで第１の電力用外部端子の反対側には第２の電力用外部端子は存在せず、絶縁カバーを挟んで第２の電力用外部端子の反対側には第１の電力用外部端子は存在しない。

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップなどのパワーチップが搭載された電力用半導体装置に関し、特に取り付け面積を小さくすることができる電力用半導体装置に関するものである。
パワーチップを挟んだ２枚の金属板により、パワーチップへの電力供給とパワーチップからの放熱を行う電力用半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００４−６９６７号公報 特開２００６−１９０９７２号公報
複数の電力用半導体装置を接続することで電力システムが構成される。この際に、電力用半導体装置の取り付け面積を小さくして、小型の電力システムを構成することが求められている。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、取り付け面積を小さくすることができる電力用半導体装置を得るものである。
本発明は、第１の主面に第１の電力端子及び信号端子が形成され、前記第１の主面に対向する第２の主面に第２の電力端子が形成されたパワーチップと、前記パワーチップの前記第１の電力端子に接続された第１の金属板と、前記第１の金属板に対向するように配置され、前記パワーチップの前記第２の電力端子に接続された第２の金属板と、前記第１の金属板及び前記第２の金属板の外側から前記パワーチップを覆う絶縁カバーと、前記パワーチップの前記信号端子に接続され、前記絶縁カバーの上面から導出した信号用外部端子とを備え、前記第１の金属板は、前記絶縁カバーの下面から導出した第１の電力用外部端子を有し、前記第２の金属板は、前記絶縁カバーの下面から導出した第２の電力用外部端子を有し、前記第１の電力用外部端子と前記第２の電力用外部端子は、それぞれ反対方向に折り曲げられ、前記第１の電力用外部端子又は前記第２の電力用外部端子の折り曲げられた方向において、前記絶縁カバーを挟んで前記第１の電力用外部端子の反対側には前記第２の電力用外部端子は存在せず、前記絶縁カバーを挟んで前記第２の電力用外部端子の反対側には前記第１の電力用外部端子は存在しないことを特徴とする電力用半導体装置である。
本発明により、取り付け面積を小さくすることができる。これにより、小型の電力システムを構成することができる。
本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す上面図である。 図１の電力用半導体装置の内部を示す斜視図である。 図３のＡ−Ａ´における断面図である。 図４の要部を拡大した断面図である。 図１の電力用半導体装置の回路図である。 図１の電力用半導体装置をヒートシンク上に搭載した状態の一例を示す斜視図である。 図１の電力用半導体装置をヒートシンク上に搭載した状態の他の例を示す斜視図である。 図１の電力用半導体装置のレイアウトの一例を示す上面図である。 図１の電力用半導体装置のレイアウトの他の例を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。 図１４のＢ−Ｂ´における断面図である。 本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。 本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。
符号の説明
１０ 電力用半導体装置
１２ 絶縁カバー
１６ 信号用外部端子
１８ 第１の電力用外部端子
２０ 第２の電力用外部端子
２６ ＩＧＢＴチップ（パワーチップ）
２６ａ エミッタ（第１の電力端子）
２６ｂ ゲート（信号端子）
２６ｃ コレクタ（第２の電力端子）
３０ 第１の金属板
３０ａ，３０ｂ 凸部
３０ｃ，３０ｄ 弾性部
３２ 第２の金属板
５８，６０，６６，６８ 応力緩和用金属板
７４，８４ 絶縁ガイド
図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す斜視図であり、図２は上面図である。電力用半導体装置１０の絶縁カバー１２の上面から信号用外部端子１４，１６が導出し、絶縁カバー１２の下面から第１，第２の電力用外部端子１８，２０が導出している。第１，第２の電力用外部端子１８，２０は、それぞれ反対方向に折り曲げられている。また、第１の電力用外部端子１８又は第２の電力用外部端子２０の折り曲げられた方向において、絶縁カバー１２を挟んで第１の電力用外部端子１８の反対側には第２の電力用外部端子２０は存在せず、絶縁カバー１２を挟んで第２の電力用外部端子２０の反対側には第１の電力用外部端子１８は存在しない。第１，第２の電力用外部端子１８，２０には、それぞれ取り付け穴２２，２４が形成されている。
図３は、図１の電力用半導体装置の内部を示す斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ´における断面図である。図５は、図４の要部を拡大した断面図である。図６は、図１の電力用半導体装置の回路図である。
４つのＩＧＢＴチップ２６と４つのフリーホイールダイオードチップ２８が並列に接続されている。ＩＧＢＴチップ２６（パワーチップ）の第１の主面にエミッタ２６ａ（第１の電力端子）及びゲート２６ｂ（信号端子）が形成され、第１の主面に対向する第２の主面にコレクタ２６ｃ（第２の電力端子）が形成されている。フリーホイールダイオードチップ２８の第１の主面にアノード２８ａが形成され、第２の主面にカソード２８ｂが形成されている。
第１の金属板３０と第２の金属板３２が対向するように配置されている。第１の金属板３０の凸部３０ａはＩＧＢＴチップ２６のエミッタ２６ａにはんだ３４により接続され、第１の金属板３０の凸部３０ｂはフリーホイールダイオードチップ２８のアノード２８ａにはんだ３６により接続されている。第２の金属板３２は、ＩＧＢＴチップ２６のコレクタ２６ｃとフリーホイールダイオードチップ２８のカソード２８ｂにそれぞれはんだ３８，４０により接続されている。信号用外部端子１６は絶縁板４２により第１の金属板３０と隔離され、信号用外部端子１６の凸部１６ａはＩＧＢＴチップ２６のゲート２６ｂにはんだ４４により接続されている。
第１，第２の金属板３０，３２の外側からＩＧＢＴチップ２６を樹脂製の絶縁カバー１２が覆うことで、図１の電力用半導体装置１０が形成される。第１，第２の金属板３０，３２は、それぞれ絶縁カバー１２の下面から導出した第１，第２の電力用外部端子１８，２０を有する。
上記の構成であれば、ＩＧＢＴチップ２６に対するワイヤーボンディングが不要であるため、製造が容易となり、製造コストを低減することができる。また、ＩＧＢＴチップ２６から第１，第２の電力用外部端子１８，２０までの配線が簡単であり、第１，第２の金属板３０，３２が広い面積で電流を流すため、内部配線の抵抗および自己インダクタンスを低くできる。そして、第１，第２の金属板３０，３２が相互に対向し、電流を逆方向に流すため、相互インダクタンスも低くすることができる。
また、凸部３０ａ，３０ｂを設けたことでＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０との接続が容易になる。また、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を向上することができる。
図７は、図１の電力用半導体装置をヒートシンク上に搭載した状態の一例を示す斜視図である。冷却部材であるヒートシンク４６上に、絶縁シート４８ａ，４８ｂを介して、パスバーなどの外部配線５０，５２がそれぞれ搭載されている。そして、取り付け穴２２，２４にそれぞれ挿入された絶縁性のネジ５４ａ，５４ｂにより、第１，第２の電力用外部端子１８，２０がそれぞれ外部配線５０，５２に電気的に接続され、かつヒートシンク４６に固定されている。なお、図８に示すようにヒートシンク４６上の全面に絶縁シート４８を配置してもよい。
このように電力用半導体装置１０はヒートシンク４６の上面に対して垂直に立てて取り付けられるため、取り付け面積が小さい。また、信号用外部端子１４，１６は、絶縁カバー１２の第１，第２の電力用外部端子１８，２０とは反対側から導出しているため、信号用外部端子１４，１６への接続が容易である。
図９は、図１の電力用半導体装置のレイアウトの一例を示す上面図である。４個の電力用半導体装置１０を外部配線５６を介して直列接続している。また、図１０は、図１の電力用半導体装置のレイアウトの他の例を示す上面図である。３個の電力用半導体装置１０を外部配線５６を介して並列接続したものを２つ直列接続している。このように、一方の電力用半導体装置１０の第１の電力用外部端子１８と他方の電力用半導体装置１０の第２の電力用外部端子２０は重ならなようにしながら、２つの電力用半導体装置１０を近接配置することができる。よって、特に直列接続において取り付け面積を小さくすることができる。これにより、小型の電力システムを構成することができる。
実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。第１の金属板３０の弾性部３０ｃはＩＧＢＴチップ２６のエミッタ２６ａにはんだ３４により接続され、第１の金属板３０の弾性部３０ｄはフリーホイールダイオードチップ２８のアノード２８ａにはんだ３６により接続されている。信号用外部端子１６の弾性部１６ｂはＩＧＢＴチップ２６のゲート２６ｂにはんだ４４により接続されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
このように弾性部３０ｃ，３０ｄを設けたことでＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０との接続が容易になる。また、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を向上することができる。
実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。第１の金属板３０に応力緩和用金属板５８，６０がはんだ６２，６４によりそれぞれ接続されている。第１の金属板３０は、応力緩和用金属板５８を介してＩＧＢＴチップ２６のエミッタ２６ａにはんだ３４により接続され、応力緩和用金属板６０を介してフリーホイールダイオードチップ２８のアノード２８ａにはんだ３６により接続されている。応力緩和用金属板５８，６０は、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０の中間の熱膨張係数を持つＭｏなどの物質により形成されている。その他の構成は実施の形態２と同様である。
このようにＩＧＢＴチップ２６と第１の金属板３０の間に応力緩和用金属板５８，６０を挿入することで、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０との熱膨張係数の差による応力を緩和することができるため、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を向上することができる。
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。第２の金属板３２に応力緩和用金属板６６，６８がはんだ７０，７２により接続されている。第２の金属板３２は、応力緩和用金属板６６を介してＩＧＢＴチップ２６のコレクタ２６ｃにはんだ３８により接続され、応力緩和用金属板６８を介してフリーホイールダイオードチップ２８のカソード２８ｂにはんだ４０により接続されている。応力緩和用金属板６６，６８は、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第２の金属板３２の中間の熱膨張係数を持つＭｏなどの物質により形成されている。その他の構成は実施の形態３と同様である。
このようにＩＧＢＴチップ２６と第２の金属板３２の間に応力緩和用金属板６６，６８を挿入することで、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第２の金属板３２との熱膨張係数の差による応力も緩和することができるため、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を実施の形態３よりも向上することができる。
実施の形態５．
図１４は、本発明の実施の形態５に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図であり、図１５は図１４のＢ−Ｂ´における断面図である。
ＩＧＢＴチップ２６及びフリーホイールダイオードチップ２８を取り囲む絶縁ガイド７４が、第１の金属板３０と第２の金属板３２の間に配置されている。そして、第１の金属板３０と第２の金属板３２は、絶縁ブッシュ７６及びバネ材７８を介してネジ８０によりネジ止めされている。これにより、第１の金属板３０の凸部３０ａはＩＧＢＴチップ２６のエミッタ２６ａに圧接され、第１の金属板３０の凸部３０ｂはフリーホイールダイオードチップ２８のアノード２８ａに圧接されている。第２の金属板３２は、ＩＧＢＴチップ２６のコレクタ２６ｃとフリーホイールダイオードチップ２８のカソード２８ｂに圧接されている。信号用外部端子１６の弾性部１６ｂはＩＧＢＴチップ２６のゲート２６ｂに圧接されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
このようにはんだなどを用いずにＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１，第２の金属板３０，３２を圧接するため、組立が容易である。また、絶縁ガイド７４により、圧接時におけるＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８の位置ずれを防ぐことができるため、信頼性の高い電力用半導体装置を実現することができる。
なお、本実施の形態ではネジ止めによる圧接構造について説明したが、これに限らず、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１，第２の金属板３０，３２を圧接できる他の構造でもよい。
実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。第１の金属板３０の弾性部３０ｃはＩＧＢＴチップ２６のエミッタ２６ａに圧接され、第１の金属板３０の弾性部３０ｄはフリーホイールダイオードチップ２８のアノード２８ａに圧接されている。その他の構成は実施の形態５と同様である。
このように弾性部３０ｃ，３０ｄを設けたことでＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０との接続が容易になる。また、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を向上することができる。
実施の形態７．
図１７は、本発明の実施の形態７に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。第２の金属板３２は、応力緩和用金属板６６を介してＩＧＢＴチップ２６のコレクタ２６ｃに圧接され、応力緩和用金属板６８を介してフリーホイールダイオードチップ２８のカソード２８ｂに圧接されている。応力緩和用金属板６６，６８は、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第２の金属板３２の中間の熱膨張係数を持つＭｏなどの物質により形成されている。圧接時における位置ずれを防ぐために、絶縁ガイド７４が応力緩和用金属板６６，６８を取り囲んでいる。その他の構成は実施の形態５と同様である。
このようにＩＧＢＴチップ２６と第２の金属板３２の間に応力緩和用金属板６６，６８を挿入することで、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第２の金属板３２との熱膨張係数の差による応力を緩和することができるため、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を向上することができる。
実施の形態８．
図１８は、本発明の実施の形態８に係る電力用半導体装置の内部を示す断面図である。第１の金属板３０は、応力緩和用金属板５８を介してＩＧＢＴチップ２６のエミッタ２６ａに圧接され、応力緩和用金属板６０を介してフリーホイールダイオードチップ２８のアノード２８ａに圧接されている。応力緩和用金属板５８，６０は、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０の中間の熱膨張係数を持つＭｏなどの物質により形成されている。圧接時における位置ずれを防ぐために、絶縁ガイド８４が応力緩和用金属板５８，６０を取り囲んでいる。その他の構成は実施の形態７と同様である。
このようにＩＧＢＴチップ２６と第１の金属板３０の間に応力緩和用金属板５８，６０を挿入することで、ＩＧＢＴチップ２６やフリーホイールダイオードチップ２８と第１の金属板３０との熱膨張係数の差による応力も緩和することができるため、機械的ストレスや熱ストレスに対する耐量を実施の形態７よりも向上することができる。

Claims (6)

  1. 第１の主面に第１の電力端子及び信号端子が形成され、前記第１の主面に対向する第２の主面に第２の電力端子が形成されたパワーチップと、
    前記パワーチップの前記第１の電力端子に接続された第１の金属板と、
    前記第１の金属板に対向するように配置され、前記パワーチップの前記第２の電力端子に接続された第２の金属板と、
    前記第１の金属板及び前記第２の金属板の外側から前記パワーチップを覆う絶縁カバーと、
    前記パワーチップの前記信号端子に接続され、前記絶縁カバーの上面から突出した信号用外部端子とを備え、
    前記第１の金属板は、前記絶縁カバーの下面から突出した第１の電力用外部端子を有し、
    前記第２の金属板は、前記絶縁カバーの下面から突出した第２の電力用外部端子を有し、
    前記第１の電力用外部端子と前記第２の電力用外部端子は、それぞれ反対方向に折り曲げられ、
    前記第１の電力用外部端子又は前記第２の電力用外部端子の折り曲げられた方向において、前記絶縁カバーを挟んで前記第１の電力用外部端子の反対側には前記第２の電力用外部端子は存在せず、前記絶縁カバーを挟んで前記第２の電力用外部端子の反対側には前記第１の電力用外部端子は存在しないことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記第１の金属板は、前記パワーチップの前記第１の電力端子に接続される凸部を有することを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
  3. 前記第１の金属板は、前記パワーチップの前記第１の電力端子に接続される弾性部を有することを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
  4. 前記パワーチップと前記第１の金属板との間及び前記パワーチップと前記第２の金属板との間の何れか一方又は両方に挿入された応力緩和用金属板を更に備え、
    前記応力緩和用金属板は、前記パワーチップと前記第１，第２の金属板の中間の熱膨張係数を持つ物質により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記第１の金属板と前記第２の金属板の間に配置され、前記パワーチップを取り囲む絶縁ガイドを更に備え、
    前記パワーチップの前記第１の電力端子と前記第１の金属板は圧接され、
    前記パワーチップの前記第２の電力端子と前記第２の金属板は圧接されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記パワーチップを挟んで前記第１の金属板と前記第２の金属板がネジ止めされていることを特徴とする請求項５に記載の電力用半導体装置。
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