KR101375502B1 - 전력용 반도체 모듈 - Google Patents

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야스시 나카야마
다카요시 미키
다케시 오이
가즈히로 다다
시오리 이다카
시게루 하세가와
다케시 다나카
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

Si 반도체로 제작된 스위칭 소자의 온도 상승이 낮게 억제되어, 모듈의 냉각 효율을 높일 수 있는 전력용 반도체 모듈을 얻기 위해서, Si 반도체로 제작된 스위칭 소자(4)와, 와이드 밴드갭 반도체로 제작된 다이오드(5)를 구비하며, 다이오드(5)는 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치되고, 스위칭 소자(4)는 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역의 양측 또는 주변에 배치된 것이다.

Description

전력용 반도체 모듈{POWER SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은 스위칭 소자와, 스위칭 소자에 대해 역병렬로 접속된 다이오드를 내장한 전력용 반도체 모듈에 관한 것이다.
스위칭 소자와, 스위칭 소자에 대해 역병렬로 접속된 다이오드를 내장한 전력용 반도체 모듈은, 직류-교류나 직류-직류 등의 변환을 행하는 전력 변환기 등에 널리 사용되고 있다. 종래, 스위칭 소자나 다이오드에는, Si(실리콘) 반도체가 이용되었지만, 최근에는, SiC(실리콘 카바이드) 반도체로 대표되는 와이드 밴드갭 반도체를 적용하는 개발이 진행되고 있다. SiC 반도체는 Si 반도체에 비해서, 저손실, 고온 동작 가능, 고내압 등의 특징이 있어, SiC 반도체를 이용함으로써 전력용 반도체 모듈의 소형화나 저손실화가 가능하게 되며, 또한 전력용 반도체 모듈에 부착하는 냉각기의 소형화나 전력용 반도체 모듈을 이용한 전력 변환기의 고효율화가 가능하게 된다.
스위칭 소자와 다이오드 모두에 SiC 반도체를 이용함으로써, 상술한 바와 같은 효과가 커진다. 그러나, 스위칭 소자는 다이오드에 비해서 구조가 복잡하기 때문에, 스위칭 소자에 SiC 반도체를 이용하는 것에 대해서는, 제조상의 과제도 남겨져 있다. 이 때문에, 스위칭 소자에는 Si 반도체를 이용하고, 다이오드에만 SiC 반도체를 이용하되, 동일한 금속 베이스 상에 Si제의 스위칭 소자 및 SiC제의 다이오드가 배치된 반도체 모듈이 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제 2004-95670호 공보(10~11페이지, 도 8)
Si제의 스위칭 소자와 SiC제의 다이오드를 동일한 전력용 반도체 모듈 내에 배치하는 경우, Si제의 스위칭 소자에 비해서 SiC제의 다이오드 쪽이, 손실이 작고, 고온에서의 동작이 가능하기 때문에, 이 특성을 고려해서, 열적으로 최적인 배치나 구조로 할 필요가 있다. 특허문헌 1에 개시된 종래의 반도체 모듈에서는, Si제의 스위칭 소자와 SiC제의 다이오드는 좌우로 분리되어 배치되어 있다. Si제의 스위칭 소자와 SiC제의 다이오드는 별개로 절연 기판 상에 배치되어 있지만, 복수의 Si제의 스위칭 소자를 배치하는 경우, Si제의 스위칭 소자끼리의 열 간섭에 의해서, 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치된 Si제의 스위칭 소자의 온도가 상승할 가능성이 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, Si 반도체로 제작된 스위칭 소자와, 보다 고온 이용 가능한 와이드 밴드갭 반도체로 제작된 다이오드를 동일한 전력용 반도체 모듈 내에 배치하는 경우, Si 반도체로 제작된 스위칭 소자의 온도 상승이 낮게 억제되어, 냉각 효율이 높은 전력용 반도체 모듈을 얻는 것이다.
본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈은, Si 반도체 소자와, 와이드 밴드갭 반도체 소자를 구비한 전력용 반도체 모듈로서, 와이드 밴드갭 반도체 소자는 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치되고, Si 반도체 소자는 중앙 영역의 양측 또는 주변에 배치된 것이다.
본 발명에 따른 전력용 반도체 모듈은, 와이드 밴드갭 반도체 소자가 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치되고, Si 반도체 소자가 중앙 영역의 양측 또는 주변에 배치되기 때문에, Si 반도체 소자의 온도 상승이 낮게 억제되어, 전력용 반도체 모듈의 냉각 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도,
도 6은 본 발명의 실시예 5에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 단면도이다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 실시예 1에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 단면도로, 전력용 반도체 모듈의 단면을 간략화해서 나타낸 도면이다. 도 1에 있어서, 전력용 반도체 모듈(100)은, 베이스판(1), 절연 기판(2), 도체 패턴(3), Si 반도체로 제작된 Si제의 스위칭 소자(4), 와이드 밴드갭 반도체인 SiC 반도체로 제작된 SiC제의 다이오드(5), 와이어 배선(6), 주전극(7, 8), 제어 단자(9, 10), 케이스(11), 절연 밀봉재(12) 등에 의해서 구성되어 있다. Si제의 스위칭 소자(4)가 Si 반도체 소자이고, SiC제의 다이오드(5)가 와이드 밴드갭 반도체 소자이다.
베이스판(1)은 전력용 반도체 모듈(100)을 외부의 냉각기에 부착하는 것으로, 베이스판(1)의 한쪽면(도 1에서는 하측)에, 도시하지 않은 냉각기가 외부로부터 부착된다. 베이스판(1)을 거쳐서, 전력용 반도체 모듈(100) 내부에서 발생한 열은 외부로 방출된다. 베이스판(1)의 다른쪽면(도 1에서는 상측)에는 절연 기판(2)이 땜납 등에 의해 설치되어 있다. 절연 기판(2)의 한쪽면(도 1에서는 하측)은 베이스판(1)에 부착되는 면이지만, 절연 기판(2)의 다른쪽면(도 1에서는 상측)에는 전류 경로가 되는 도체 패턴(3)이 형성되어 있다.
도체 패턴(3) 상에는 Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 실장되어 있다. Si제의 스위칭 소자(4)는 온/오프 제어 가능한 반도체 소자이면 되고, 예컨대, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 등이 이용된다. 또한, SiC제의 다이오드(5)로서는, 예컨대 쇼트키 배리어 다이오드나 PiN(p-intrinsic-n) 다이오드 등이 이용된다.
Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)는 전기적으로는 역병렬로 접속되어 있고, 예컨대 Si제의 스위칭 소자(4)로서 IGBT를 이용하는 경우에는, IGBT의 컬렉터와 SiC제의 다이오드(5)의 캐소드가 도체 패턴(3)을 통해서 전기적으로 접속된다. Si제의 스위칭 소자(4) 및 SiC제의 다이오드(5)에는 와이어 배선(6)이 실시되어 있고, 도체 패턴(3) 및 와이어 배선(6)을 통해서 전기적으로 주전극(7, 8) 및 제어 단자(9, 10)에 접속되어 있다. 주전극(7, 8)은 도시하지 않은 외부 회로에 접속되며, 전력 변환기 등의 주회로를 구성한다. 제어 단자(9, 10)에는, Si제의 스위칭 소자(4)를 온/오프 제어하는 제어 신호가 외부 회로로부터 인가된다. 한편, 도 1에서는 전력용 반도체 모듈 내의 구성을 알기 쉽게 하기 위해서, 주전극(7, 8) 및 제어 단자(9, 10)를 간략화해서 기재하고 있다.
Si제의 스위칭 소자(4)나 SiC제의 다이오드(5) 등의 전력용 반도체 모듈(100)을 구성하는 부품류는 케이스(11) 내에 수납되어 있다. 그리고, 전력용 반도체 모듈(100) 내부의 절연을 유지하기 위해서, 케이스(11) 내에는 절연 밀봉재(12)가 충전되어 있다.
도 2는, 도 1에 나타낸 상태에서, 주전극(7, 8), 제어 단자(9, 10), 케이스(11) 및 절연 밀봉재(12)를 제거한 상태에서 전력용 반도체 모듈(100)을 상면에서 본 경우의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도이다. 도 2에 있어서, 도 1과 동일한 부호를 붙인 것은 동일 또는 이에 상당하는 것으로, 이는 명세서 전체에서 공통이다.
도 1에 나타낸 주전극(7)은 도체 패턴(3) 상의 주전극 부착점(13)에 접속되고, 주전극(8), 제어 단자(9, 10)는 각각, 주전극 부착점(14), 제어 단자 부착점(15, 16)에 접속되어, 도체 패턴(3) 및 와이어 배선(6)을 통해서 Si제의 스위칭 소자(4)나 SiC제의 다이오드(5)와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 베이스판(1)에는 부착 구멍(17)이 마련되어 있어서, 전력용 반도체 모듈(100)은 부착 구멍(17)을 이용해서 외부의 냉각기 등에 부착된다.
Si제의 스위칭 소자(4), SiC제의 다이오드(5)는, 전력용 반도체 모듈(100)에 각각 복수개(도 2에서는, Si제의 스위칭 소자(4)가 16개, SiC제의 다이오드(5)가 32개) 배치되어 있다. 도 2에 있어서, 복수의 SiC제의 다이오드(5)는, 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 함께 배치되어 있다. 본 실시예에 있어서의, 중앙 영역이란, 전력용 반도체 모듈(100)을 상면으로부터 봐서 좌우를 분단하는 띠 형상의 영역이다. 복수의 Si제의 스위칭 소자(4)는, 이 중앙 영역의 양측의 영역으로 분리되어 배치(전력용 반도체 모듈(100)의 양 사이드에 배치)되어 있다. 즉, SiC제의 다이오드(5)는, 복수의 Si제의 스위칭 소자(4) 사이에 끼워지도록 배치되어 있다. 일례로서, 도 2에서는, 전력용 반도체 모듈(100) 양측으로 8개씩 분리되어 Si제의 스위칭 소자(4)가 배치되고, 그 사이에 32개의 SiC제의 다이오드(5)가 배치되어 있다.
일반적으로, 스위칭 소자나 다이오드 등의 반도체 소자를 동일한 전력용 반도체 모듈 내에 다수 실장하는 경우, 각 반도체 소자의 손실이 같아도, 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 실장된 반도체 소자는 방열이 잘 안되기 때문에, 온도가 쉽게 상승한다. 한편, 전력용 반도체 모듈의 양 사이드 또는 주변부에 실장된 반도체 소자는 쉽게 방열해서, 온도가 거의 상승되지 않는다. 이 때문에, 예컨대 다이오드에 스위칭 소자와 같은 Si 반도체를 이용해서 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 실장한 경우, 다이오드의 온도가 과도하게 상승한다는 문제가 있다. 그러나 SiC제의 다이오드는 저손실이라는 특징이 있기 때문에, 본 실시예와 같이, SiC제의 다이오드(5)를 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치해도, 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, SiC제의 다이오드(5)는 고온 이용이 가능하기 때문에, 온도가 상승하기 쉬운 중앙 영역에 배치해도, 정상적으로 동작시킬 수 있다. 또한, Si제의 스위칭 소자(4)를 중앙 영역의 양측에 배치했기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)로부터 쉽게 방열하여, 온도 상승을 억제할 수 있다. 이 때문에, 예컨대 외부에 마련하는 냉각기의 소형화나, Si제의 스위칭 소자(4)의 배치 영역을 줄여서 전력용 반도체 모듈(100) 자체를 소형화하는 것이 가능하게 된다.
또한, SiC제의 다이오드(5)는 고온 이용 가능이라는 특징이 있어, 고온 이용하는 경우에는, 예컨대 다이오드의 배치 영역을 줄일 수 있는 등의 이점이 있다. 단, 반드시 고온에서 이용할 필요는 없고, Si제의 스위칭 소자(4)와 같은 온도 범위에서 이용해도 된다. 이 경우에도, 손실이 낮다는 점에서, 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치할 수 있다. 또한, 절연 밀봉재나 땜납 등의 다이오드주변 부품에 대해서도, Si제의 스위칭 소자(4)와 같은 온도 범위에서 사용할 수 있는 것을 이용할 수 있게 된다. 또한, 고온까지 이용하지 않기 때문에, 히트 사이클에 대한 신뢰성도 향상시킨다.
또한, 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 SiC제의 다이오드(5)를 배치하고, 양측에 Si제의 스위칭 소자(4)를 배치하기 때문에, SiC제의 다이오드(5)의 방열성이 나빠지고, Si제의 스위칭 소자(4)의 방열성이 좋아진다. 이 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)의 방열성을 SiC제의 다이오드(5)의 방열성보다 좋게 하기 위해서, Si제의 스위칭 소자(4) 바로 아래의 냉각 성능을 SiC제의 다이오드(5) 바로 아래의 냉각 성능보다 높이는 것과 같은 특별한 냉각기를 설치할 필요없이, 각각 사용 가능한 온도 범위에서 쓸 수 있기 때문에, 범용성이 높아진다.
본 실시예에 있어서의 전력용 반도체 모듈(100)에서는, 같은 베이스판(1), 절연 기판(2) 상에 Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)를 배치하고 있다. Si제의 스위칭 소자, SiC제의 다이오드를 각각 별개의 절연 기판, 베이스판 상에 배치한 경우에는, 열 간섭의 영향이 억제된다는 이점이 있다. 그러나, 스위칭 소자의 손실이 커지는 운전 조건과 다이오드의 손실이 커지는 운전 조건이 다른 경우를 생각할 수 있다. 예컨대, 전력용 반도체 모듈을 인버터로 해서 모터 구동에 이용하는 경우, 인버터측으로부터 모터측에 에너지를 공급하는 역행 운전에서는, 다이오드에 비해서 스위칭 소자의 통전 시간이 길어서 스위칭 소자의 손실이 커지고, 모터측으로부터 인버터측에 에너지를 공급하는 회생 운전에서는, 스위칭 소자에 비해서 다이오드의 통전 시간이 길어서 다이오드의 손실이 커진다.
이 때문에, SiC제의 다이오드(5)에 비해서 Si제의 스위칭 소자(4)의 손실이 큰 조건에서는, SiC제의 다이오드(5)로부터의 열 간섭의 영향은 작고, Si제의 스위칭 소자(4)로부터 절연 기판(2), 베이스판(1) 전체를 이용해서 방열할 수 있기 때문에, 같은 베이스판(1), 절연 기판(2) 상에 Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)를 배치하는 쪽이, 전력용 반도체 모듈(100) 전체의 방열성이 향상된다. 또한, 같은 베이스판(1), 절연 기판(2) 상에 Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)를 배치하는 쪽이, 부품 점수가 줄어서, 배선도 용이하다는 이점도 있다.
본 실시예에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 구성은 일례로, SiC제의 다이오드(5)가 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치되고, Si제의 스위칭 소자(4)가 중앙 영역의 양측에 배치되면 되기 때문에, 전력용 반도체 모듈(100)을 구성하는 다른 부품류의 배치 등에 특별히 제약은 없다. 예컨대, 주전극(7, 8)이나 제어 단자(9, 10)와 Si제의 스위칭 소자(4)나 SiC제의 다이오드(5) 사이의 접속에 대해서도, 전기적으로 접속되어 있으면 되고, 주전극(7, 8)에 직접 와이어 배선으로 접속하거나, 와이어 배선을 사용하지 않고 버스바를 이용한 배선으로 해도 된다. 이러한 경우, 전력용 반도체 모듈(100) 내부의 Si제의 스위칭 소자(4)나 SiC제의 다이오드(5)의 배치가 다소 달라질 가능성이 있지만, SiC제의 다이오드(5)가 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에, Si제의 스위칭 소자(4)가 중앙 영역의 양측에 배치되어 있으면 된다.
이상과 같이, 저손실로 고온 이용 가능한 와이드 밴드갭 반도체인 SiC 반도체로 제작된 SiC제의 다이오드(5)를, 온도가 쉽게 상승하는 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치하고, Si 반도체로 제작된 Si제의 스위칭 소자(4)를 고온이 되기 어려운 전력용 반도체 모듈(100)의 양 사이드에 배치하기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승이 낮게 억제되어, 전력용 반도체 모듈(100)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, SiC제의 다이오드(5)를 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치하고, Si제의 스위칭 소자(4)를 전력용 반도체 모듈(100)의 양 사이드에 배치하고 있는 경우에 대해서 설명했다. 그러나, SiC 반도체로 제작된 SiC제의 스위칭 소자 및 Si 반도체로 제작된 Si제의 다이오드를 이용하되, SiC제의 스위칭 소자를 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치하고, Si제의 다이오드를 전력용 반도체의 양 사이드에 배치해도 된다. 이 경우에는, SiC제의 스위칭 소자 및 Si제의 다이오드의 배치에 따라, 도체 패턴, 와이어 배선, 주전극, 제어 단자 등도 적정하게 배치된다. 이와 같이, 저손실로 고온 이용 가능한 와이드갭 반도체인 SiC제의 스위칭 소자를 온도가 쉽게 상승하는 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치하고, Si제의 다이오드를 고온이 잘 되지 않는 전력 반도체 모듈의 양 사이드에 배치하기 때문에, Si제의 다이오드의 온도 상승이 낮게 억제되어, 전력용 반도체 모듈의 냉각 효율을 높일 수 있다.
(실시예 2)
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 실시예 2에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도이다. 도 2와 마찬가지로, 주전극, 제어 단자, 케이스 및 절연 밀봉재를 제거한 상태에서 전력용 반도체 모듈(200)을 상면으로부터 본 도면이다. 실시예 1에서는, SiC제의 다이오드(5)가 전력용 반도체 모듈(100)의 중앙 영역에 배치되고, Si제의 스위칭 소자(4)가 중앙 영역의 양측에 배치되어 있지만, 본 실시예에서는, Si제의 스위칭 소자(4)가 중앙 영역을 둘러싸는 주변부에 배치(전력용 반도체 모듈(200)의 주변부에 배치)되어 있다는 점이 실시예 1과 다르다.
Si제의 스위칭 소자(4), SiC제의 다이오드(5)는, 전력용 반도체 모듈(200)에 각각 복수개(도 3에서는, Si제의 스위칭 소자(4)가 16개, SiC제의 다이오드(5)가 32개) 배치되어 있다. 도 3에 있어서, 복수의 SiC제의 다이오드(5)는, 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 모두 배치되어 있다. 본 실시예에 있어서의, 중앙 영역이란, 전력용 반도체 모듈(200)을 상면으로부터 봐서 중심부의 영역이다. 복수의 Si제의 스위칭 소자(4)는, 이 중앙 영역을 둘러싸는 주변부에 배치되어 있다. 즉, Si제의 스위칭 소자(4)로 둘러싸이도록 SiC제의 다이오드(5)가 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 배치되어 있다. 일례로서, 도 3에서는, 외주를 형성하도록 16개의 Si제의 스위칭 소자(4)가 배치되고, 16개의 Si제의 스위칭 소자(4)로 둘러싸이도록 32개의 SiC제의 다이오드(5)가 배치되어 있다. 한편, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)의 배치 변경에 따라서, 와이어 배선(6) 등의 배선 패턴도 변경되어 있다.
본 실시예에 의하면, 저손실, 고온 이용 가능 등의 특징을 가진 SiC제의 다이오드(5)를 이용하고 있기 때문에, SiC제의 다이오드를 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 배치하여, 모든 Si제의 스위칭 소자(4)를 중앙 영역의 주변부에 배치할 수 있다. 이 때문에, 실시예 1의 구성보다 Si제의 스위칭 소자(4)의 방열성이 더 좋아서, Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 한편, SiC제의 다이오드(5)는 고온 이용 가능이라는 특징이 있지만, 반드시 고온에서 사용할 필요는 없고, Si제의 스위칭 소자(4)와 같은 온도 범위에서 이용해도 된다.
본 실시예에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 구성은 일례로, SiC제의 다이오드(5)가 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 배치되고, Si제의 스위칭 소자(4)가 중앙 영역을 둘러싸는 주변부에 배치되면 되기 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 전력용 반도체 모듈(200)을 구성하는 다른 부품류의 배치 등에 특별히 제약은 없다. 예컨대, 주전극(7, 8)이나 제어 단자(9, 10)와 Si제의 스위칭 소자(4)나 SiC제의 다이오드(5) 사이의 접속에 대해서도, 전기적으로 접속되어 있으면 되고, 주전극(7, 8)에 직접 와이어 배선으로 접속하거나, 와이어 배선을 사용하지 않고 버스바를 이용한 배선으로 해도 된다. 이러한 경우, 전력용 반도체 모듈(200) 내부의 Si제의 스위칭 소자(4)나 SiC제의 다이오드(5)의 배치가 다소 달라질 가능성이 있지만, SiC제의 다이오드(5)가 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 배치되고, Si제의 스위칭 소자(4)가 중앙 영역을 둘러싸는 주변부에 배치되어 있으면 된다.
이상과 같이, 저손실로 고온 이용 가능한 와이드 밴드갭 반도체인 SiC 반도체로 제작된 SiC제의 다이오드(5)를, 온도가 쉽게 상승하는 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 배치하고, Si 반도체로 제작된 Si제의 스위칭 소자(4)를 고온이 잘 되지 않는 전력용 반도체 모듈(200)의 주변부에 배치하기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승이 낮게 억제되어, 전력용 반도체 모듈(200)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, SiC제의 다이오드(5)를 전력용 반도체 모듈(200)의 중앙 영역에 배치하고, Si제의 스위칭 소자(4)를 전력용 반도체 모듈(200)의 주변부에 배치하는 경우에 대해서 설명했다. 그러나, SiC 반도체로 제작된 SiC제의 스위칭 소자 및 Si 반도체로 제작된 Si제의 다이오드를 이용하되, SiC제의 스위칭 소자를 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치하고, Si제의 다이오드를 전력용 반도체의 주변부에 배치해도 된다. 이 경우에는, SiC제의 스위칭 소자 및 Si제의 다이오드의 배치에 따라, 도체 패턴, 와이어 배선, 주전극, 제어 단자 등도 적정하게 배치된다. 이와 같이, 저손실로 고온 이용 가능한 와이드갭 반도체인 SiC제의 스위칭 소자를 온도가 쉽게 상승하는 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치하고, Si제의 다이오드를 고온이 잘 되지 않는 전력 반도체 모듈의 주변부에 배치하기 때문에, Si제의 다이오드의 온도 상승이 낮게 억제되어, 전력용 반도체 모듈의 냉각 효율을 높일 수 있다.
(실시예 3)
도 4는, 본 발명을 실시하기 위한 실시예 3에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 내부 배치를 나타내는 평면도이다. 도 2와 마찬가지로, 주전극, 제어 단자, 케이스 및 절연 밀봉재를 제거한 상태에서 전력용 반도체 모듈(300)을 상면으로부터 본 도면이다. 본 실시예에서는, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 별개의 절연 기판(18, 19) 상에 실장되어 있다는 점이 실시예 1과 다르다. Si제의 스위칭 소자(4)는 스위칭 소자용 절연 기판(18)에, SiC제의 다이오드(5)는 다이오드용 절연 기판(19)에 각각 실장되어 있다. 또한, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 별개의 절연 기판(18, 19)에 실장되기 때문에, 스위칭 소자용 절연 기판(18)의 도체 패턴과 다이오드용 절연 기판(19)의 도체 패턴을 전기적으로 접속하는 와이어 배선(20)을 별도로 마련하고 있다. 또한, 와이어 배선을 이용하지 않아도, 전기적으로 접속되면 되고, 예컨대 주전극(7, 8)에 직접 와이어 배선으로 접속하거나, 와이어 배선을 사용하지 않고 버스바를 이용한 배선으로 해도 된다.
실시예 1, 2에 있어서의 전력용 반도체 모듈과 같이, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 동일한 절연 기판(2) 상에 실장되어 있는 경우, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 동시에 발열하는 조건으로 동작시키면, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)의 열 간섭에 의해, 온도가 상승한다. 본 실시예는, 이러한 열 간섭의 영향을 경감하기 위한 것으로, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 별개의 절연 기판(18, 19) 상에 실장되어 있기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)가 SiC제의 다이오드(5)로부터의 열 간섭의 영향을 거의 받지 않게 되어, Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
또한, 스위칭 소자용 절연 기판(18)과 다이오드용 절연 기판(19)은 같은 재질이어도 되고, SiC제의 다이오드(5)를 고온에서 이용하는 경우에는 내열성이나 히트 사이클성을 고려하여 다른 재질의 것을 이용해도 된다.
이상과 같이, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 별개의 절연 기판(18, 19) 상에 실장되어 있기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)가 SiC제의 다이오드(5)로부터의 열 간섭의 영향을 거의 받지 않게 되어, Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
(실시예 4)
도 5는 본 발명을 실시하기 위한 실시예 4에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 단면도로, 전력용 반도체 모듈의 단면을 간략화해서 나타낸 도면이다. 도 2와 같이, 주전극, 제어 단자, 케이스 및 절연 밀봉재를 제거한 상태에서 전력용 반도체 모듈(400)을 상면으로부터 본 도면이다. 본 실시예에서는, Si제의 스위칭 소자(4)가 실장된 스위칭 소자용 절연 기판(18)과 SiC제의 다이오드(5)가 실장된 다이오드용 절연 기판(19)이 별개의 베이스판(21, 22) 상에 부착되어 있다는 점이 실시예 3과 다르다. Si제의 스위칭 소자(4)가 실장된 스위칭 소자용 절연 기판(18)이 스위칭 소자용 베이스판(21)에 부착되고, SiC제의 다이오드(5)가 실장된 다이오드용 절연 기판(19)은 다이오드용 베이스판(22)에 부착되어 있다. 도 5에서는, 다이오드용 베이스판(22) 양측에 스위칭 소자용 베이스판(21)이 마련되어 있다. 스위칭 소자용 베이스판(21)과 다이오드용 베이스판(22)의 사이는 수지 등의 단열성 재료(23)에 의해서 접속되어 있다. 또한, 각 베이스판(21, 22)에는 부착 구멍(17)이 마련되어 있다.
실시예 1~3에 있어서의 전력용 반도체 모듈과 같이, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 동일한 베이스판(1) 상에 실장되어 있는 경우, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 동시에 발열하는 조건에서 동작시키면, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)의 열 간섭에 의해, 온도가 상승한다. 본 실시예는, 이러한 열 간섭의 영향을 경감하기 위한 것으로, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 별개의 베이스판(21, 22) 상에 실장되어 있기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)가 SiC제의 다이오드(5)로부터의 열 간섭의 영향을 거의 받지 않게 되어, 실시예 3에서 나타낸 전력용 반도체 모듈(300)보다 더 Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
이상과 같이, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 별개의 베이스판(21, 22) 상에 실장되어 있기 때문에, Si제의 스위칭 소자(4)가 SiC제의 다이오드(5)로부터의 열 간섭의 영향을 거의 받지 않게 되어, Si제의 스위칭 소자(4)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
(실시예 5)
도 6은 본 발명을 실시하기 위한 실시예 5에 있어서의 전력용 반도체 모듈의 단면도로, 전력용 반도체 모듈의 단면을 간략화해서 나타낸 도면이다. 도 6에는 주전극 및 제어 단자를 나타내고 있지 않다. 본 실시예에 있어서의 전력용 반도체 모듈(500)에서는, 케이스(11) 내에 충전되는 절연 밀봉재를 1종류로 하지 않고, 고내열 절연 밀봉재(24)와 저내열 절연 밀봉재(25)의 2종류를 이용하고 있다는 점이 실시예 1~4와 다르다. SiC제의 다이오드(5)의 주변에는 고내열 절연 밀봉재(24)를 이용하고, Si제의 스위칭 소자(4)의 주변 등, 그 이외의 부분에는 고내열 밀봉재(24)에 비해서 내열성이 낮은 저내열 절연 밀봉재(25)를 이용하고 있다.
고내열 절연 밀봉재(24)로서는, 예컨대 불소계 수지나 폴리이미드, 폴리아마이드, 에폭시, 나아가서는 가교 밀도를 높이거나 금속 산화물을 첨가하거나 한 내열성을 높인 실리콘계 수지가 이용된다. 저내열 절연 밀봉재(25)로서는, 실리콘겔, 실리콘 고무 등이 이용된다. 고내열 절연 밀봉재(24)는, SiC제의 다이오드(5)와 SiC제의 다이오드(5)에 접속되는 와이어 배선(6)을 덮는 것이 바람직하고, 히트 사이클에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는, 와이어 배선이 다른 2종류의 절연 밀봉재(24, 25) 사이에 걸쳐있지 않는 쪽이 바람직하다.
이와 같이, SiC제의 다이오드(5) 주변에 고내열 절연 밀봉재(24)를 이용함으로써, SiC제의 다이오드(5)를 고온까지 이용 가능하게 된다. 또한, Si제의 스위칭 소자(4)의 주변 등, 그 이외의 부분에 저내열 절연 밀봉재(25)를 이용하고 있지만, 저내열 절연 밀봉재(25)는 고내열 절연 밀봉재(24)에 비하면 염가이기 때문에, 고내열 절연 밀봉재(24)만을 이용하는 경우에 비해서, 제조 비용을 억제할 수 있다. 또한, 불소계 수지나 폴리이미드, 폴리아마이드 등, 고내열 절연 밀봉재에 의해서는 후막(厚膜)화가 곤란한 경우도 있어, 본 실시예와 같이 고내열 절연 밀봉재(24)를 SiC제의 다이오드(5) 주변만을 덮도록 한정함으로써 후막화가 곤란한 고내열 절연 밀봉재를 이용하는 것도 가능하게 된다.
도 6은 Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가, 별개의 베이스판(21, 22)이나 절연 기판(18, 19)에 실장되어 있는 경우를 나타내고 있지만, 실시예 1~3에 있어서의 전력용 반도체 모듈과 같이, Si제의 스위칭 소자(4)와 SiC제의 다이오드(5)가 동일한 베이스판(1)에 부착된, 동일한 절연 기판(2)에 실장되는 경우나, 베이스판(1)은 동일하지만 별개의 절연 기판(18, 19) 상에 실장되는 경우 등, Si제의 스위칭 소자와 SiC제의 다이오드의 배치 등이 다른 경우에도 적용할 수 있다.
이상과 같이, SiC제의 다이오드(5)가 배치된 영역을 덮는 고내열 절연 밀봉재(24)는, Si제의 스위칭 소자(4)가 배치된 영역을 덮는 저내열 절연 밀봉재(25)보다 고내열 특성을 갖기 때문에, SiC제의 다이오드(5)를 고온까지 이용 가능하게 된다.
또한, 모든 실시예에 있어서, 다이오드로 SiC 반도체를 이용하는 경우에 대해서 설명을 했지만, Si제의 스위칭 소자에 비해서 다이오드 쪽이 저손실, 고온 이용 가능 등의 특징을 갖고 있으면 되고, 예컨대 다이오드로 질화갈륨계 재료, 또는 다이아몬드 등 다른 와이드 밴드갭 반도체를 이용해도 된다.
1 : 베이스판 2 : 절연 기판
3 : 도체 패턴 4 : Si제의 스위칭 소자
5 : SiC제의 다이오드 6, 20 : 와이어 배선
7, 8 : 주전극 9, 10 : 제어 단자
11 : 케이스 12 : 절연 밀봉재
13, 14 : 주전극 부착점 15, 16 : 제어 단자 부착점
17 : 부착 구멍 18 : 스위칭 소자용 절연 기판
19 : 다이오드용 절연 기판 21 : 스위칭 소자용 베이스판
22 : 다이오드용 베이스판 23 : 단열성 재료
24 : 고내열 절연 밀봉재 25 : 저내열 절연 밀봉재
100, 200, 300, 400, 500 : 전력용 반도체 모듈

Claims (12)

  1. Si 반도체 소자와, 와이드 밴드갭 반도체 소자를 구비한 전력용 반도체 모듈로서,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자는 상기 전력용 반도체 모듈의 중앙 영역에 배치되고,
    상기 Si 반도체 소자는 상기 중앙 영역의 양측 또는 주변에 배치되며,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자의 소자수를 상기 Si 반도체 소자의 소자수보다 많게 한
    것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  2. 복수의 Si 반도체 소자와, 복수의 와이드 밴드갭 반도체 소자를 구비한 전력용 반도체 모듈로서,
    상기 복수의 와이드 밴드갭 반도체 소자는 상기 복수의 Si 반도체 소자 사이에 끼워지도록, 또는 둘러싸이도록 배치되고,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자의 소자수를 상기 Si 반도체 소자의 소자수보다 많게 한
    것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자는 스위칭 소자이고,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자는 다이오드인
    것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자는 다이오드이고,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자는 스위칭 소자인
    것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자 및 상기 와이드 밴드갭 반도체 소자는, 동일한 절연 기판에 실장된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자 및 상기 와이드 밴드갭 반도체 소자는, 각각 별개의 절연 기판에 실장된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자가 실장된 절연 기판 및 상기 와이드 밴드갭 반도체 소자가 실장된 절연 기판은 동일한 베이스판 상에 설치된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자가 실장된 절연 기판 및 상기 와이드 밴드갭 반도체 소자가 실장된 절연 기판은 동일한 베이스판 상에 설치된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 Si 반도체 소자가 실장된 절연 기판 및 상기 와이드 밴드갭 반도체 소자가 실장된 절연 기판은 각각 별개의 베이스판 상에 설치된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자가 배치된 영역을 덮는 절연 밀봉재는, 상기 Si 반도체 소자가 배치된 영역을 덮는 절연 밀봉재보다 고내열 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자가 배치된 영역을 덮는 절연 밀봉재는, 불소계 수지, 폴리이미드, 폴리아마이드, 에폭시, 고내열 실리콘계 수지 중 어느 하나로 형성되고,
    상기 Si 반도체 소자가 배치된 영역을 덮는 절연 밀봉재는, 실리콘겔 또는 실리콘 고무로 형성된
    것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 와이드 밴드갭 반도체 소자는, 실리콘 카바이드, 질화갈륨계 재료 또는 다이아몬드로 제작된 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 모듈.
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