KR940008343B1 - 대전력 반도체장치 - Google Patents

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마코토 히데시마
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가부시키가이샤 도시바
아오이 죠이치
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Abstract

내용 없음.

Description

대전력 반도체장치
제1도(a)는 본 발명에 따른 제1실시예의 반도체장치쌍과 그 제1실장예를 나타낸 정면도.
제1도(b)는 제1도(a)의 실장 장치의 평면도.
제2도는 본 발명의 반도체장치의 내부구성을 설명하기 위한 사시도.
제3도(a) 및 (b)는 제1실시예의 한쪽의 반도체장치의 외형을 나타낸 평면도 및 정면도.
제4도(a) 및 (b)는 제1실시예의 다른쪽의 반도체장치의 외형을 나타낸 평면도 및 정면도.
제5도는 본 발명이 관련된 응용회로의 회로도.
제6도(a) 및 (b)는 종래의 반도체장치에 관한 외형을 나타낸 평면도 및 정면도.
제6도(c)는 본 발명의 반도체장치가 관련된 등가회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 직류전원 2 : 리액터(reactor)
3 : 저항 41 : 방열 금속판
42 : 절연기판 43, 44, 45 : 금속판
46 : 반도체편(半導體片) 48 : 수지 케이싱(resin casing)
61(61a), 62(62a) : 반도체장치쌍(제1발명)
63, 64, 65, 73, 74, 75 : 도체 71, 72 : 반도체장치(제2발명)
C : 콜렉터단자 E :에미터단자
Es, G : 신호입력단자
[산업상의 이용분야]
본 발명은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 MOSFET 등과 같은 대전력 고속스위칭 반도체장치의 단자배열에 관한 것으로, 특히 대전력 용량의 모듈형 반도체장치에 사용되는 기술에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
최근, 제5도에 나타낸 바와 같은 브리지형의 쵸퍼회로나 인버터회로가 많이 채용되고 있다. 그중에, 상기 회로의 Q1∼Q4로서 사용되는 반도체장치는 보다 고속의 스위칭성능을 갖춤과 더불어 대전력의 스위칭이 가능하게 되고 있다.
제6도(a) 및 (b)는 이들 고속 대전력 스위칭소자의 대표예인 IGBT의 모듈외형도이고, 제6도(c)는 그 등가회로도이다. 제6도(a) 및 (b)의 모듈에 있어서, 주전류단자인 콜렉터(C)와 에미터(E) 및 구동회로의 입력단자인 게이트(G)와 에미터(Es)가, 제6도(c)에 도시된 종래의 바이폴라 트랜지스터의 주전류단자인 콜렉터(C)와 에미터(E) 및 신호입력단자인 베이스(B)와 에미터(Es)에 대응하여 사용되고 있다. 당해 모듈의 케이스내에는 복수개 일반적으로는 4개의 IGBT칩이 병렬동작하도록 조립되어 있고, 이로써 대전류의 반도체 스위칭 모듈이 실현되고 있다.
더욱이 대용량의 인버터 등의 회로에서는, 제5도의 Q1∼Q4각각을 상기 제6도에 나타낸 모듈 복수개를 병렬로 접속함으로써 구성하는 경우가 적지 않다. 이 경우에 복수개의 모듈을 접속하지 않고 제6도의 모듈 몇 개를 1개의 모듈 케이스내에 밀봉한 초대형의 반도체장치를 공급하는 것고 고려할 수 있지만, 다음과 같은 이유로 바람직하지 않다.
첫 번째로, 모듈 반도체장치의 범용성이 저하하는 것이다. 두 번째로, 모듈 반도체장치내에서의 IGBT칩의 병렬수가 지나치게 증가하여 반도체장치의 생산성이 저하하는 것이고, 세 번째로는 단일의 모듈이 취급하는 전류치의 증대에 따라 모듈 반도체장치 내부에서의 배선에 대한 제약이 증가하는 것이다. 따라서, 제6도에 나타낸 4개의 IGBT칩을 접속한 정도의 모듈 반도체장치를 병렬로 사용해서 대용량의 용도에 이용하는 것이 경제적인 수법이다.
이하, 제5도를 참조하여 전류(電流)동작과 서어지 발생의 매커니즘에 대해 설명한다.
제5도의 회로는, 직류전원(1)으로부터의 P모선(母線)과 N모선의 사이에 IGBT(Q1,Q2)를 직렬로 접속하고, 또 마찬가지로 IGBT(Q3,Q4)를 직렬로 접속하며, 각각의 중앙점간에 리액터(2)와 저항(3)의 부하를 접속한 소위 브리지회로이다.
상기 IGBT(Q1)와 IGBT(Q4)가 턴온상태에 있고, 전류가 실선의 화살표의 회로로 흐르고 있는 것으로 한다. 다음에, IGBT(Q1)를 턴오프시키면, 부하전류는 점선의 화살표의 회로로 전류(轉流)한다. 이때, 회로의 인덕턴스(L)와 전류의 변화율 di/dt에 의해 -L(di/dt)의 역기전력(逆起電力)이 서어지 전압으로서 발생하여 턴오프되어 있는 IGBT(Q1)에 인가된다.
이 경우의 인덕턴스(L)는, a→b의 P모선 인덕턴스분과 h→i의 N모선 인덕턴스분, b→c, d→e의 배선 인덕턴스분, e→f, g→h의 배선 인덕턴스분이 관계한다.
예컨대, 인덕턴스(L)가 0.2uH이고, IGBT가 400A의 전류를 0.3㎲의 시간을 턴오프시키면,
V=L(di/dt)=0.2×10-6×400÷(0.3×10-6)≒270V
의 서어지 전압이 발생하게 된다. 제5도의 회로에서 500V의 IGBT 소자를 사용하기 위해서는, 전원(1)의 전압을 230V 이하로 할 필요가 있다. 따라서, IGBT의 이용률이 악화된다.
제6도의 종래형의 모듈 반도체장치를 이용한 경우에 있어서도, 배선 인덕턴스분을 가능한 한 감소시키기 위해 Q1을 구성하는 모듈의 콜렉터(C)와 Q2를 구성하는 모듈의 에미터(E)간을 동판으로 접속하고, G와 Es 단자 부분만 구멍을 뚫어서 사용하고는 있었지만, 배선이 길고 또 표면적이 좁아 역시 전류(轉流) 인덕턴스가 증가해 버린다. 따라서, 모듈 반도체장치가 고속화함에 따라 전류인덕턴스의 감소가 더 요구되고 있다.
[발명의 목적]
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 전류(轉流)인덕턴스를 극소로 하기 위해 전류회로(轉流回路)의 배선길이를 짧게 하고, 표면적을 넓게 하며, 게다가 전류전류(轉流電流)에 의해 발생하는 자속(磁束)이 소멸시켜지는 브리지 접속구성을 가능하게 하는 모듈형 반도체장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
[발명의 구성]
상기한 목적을 달성하기 위해 제1의 본 발명은, 콜렉터 주전류단자와 에미터 주전류단자의 배열의 한쪽측에 신호입력단자를 갖춘 모듈 반도체장치와, 상기 배열의 다른쪽측에 신호입력단자를 갖춘 모듈 반도체장치에 의해 구성되는 모듈 반도체장치쌍으로서, 2종류의 상보형 모듈 모듈 반도체장치는 서로 동등한 전기적 특성을 갖는 것이다.
또 제2의 본 발명은, 콜렉터 주전류단자와 에미터 주전류단자의 배열의 양측에 완전히 등가인 2조의 신호입력단자를 갖춘 모듈 반도체장치로서, 1종류의 모듈 반도체장치에 의해 제1의 발명과 동등한 반도체장치쌍을 구성할 수 있는 것이다.
[실시예]
이하, 실시예에 의거 본 발명을 구체적으로 설명한다.
우선, 제1발명의 실시예로서 제1실시예를 설명한다.
제1발명은, 등가의 전기적인 특성을 갖는 모듈 반도체장치의 1쌍에 의해 구성되는데, 제2도는 개개의 모듈 반도체장치의 내부구성을 나타낸 사시도이다.
제2도에 있어서, 방열용 기판(41)상에는 절연기판(42)이 납땜되어 있다. 본 예에서는 완전히 동일한 2매의 절연기판을 이용하는데, 각각의 절연기판(42)상에는 금속판(43)이 접착됨과 더불어 각 금속판(43)상에는 각각 2개의 반도체칩(46)이 탑재되어 있다. 상기 반도체칩(46)의 전극, 본 예에서는 에미터와 게이트가 절연기판(42)상에 접착된 중계금속판(中繼金屬板 : 44, 45)에 각각 금속세선(金屬細線 ; 47)에 의해 접속된다.
그런 다음에, 각각 2개의 중계금속판(44, 45)에 대해 1쌍의 외부단자 금속리이드를 납땜에 의해 접속되어 각각 에미터와 콜렉터의 주전류 외부단자를 형성하고, 각각 2개의 중계금속판(44, 45)에 접속시켜서 각각 에미터와 게이트의 신호입력 외부단자를 형성한다.
상기 에미터와 콜렉터의 주전류 외부단자를 형성함에 있어서, 외부단자 금속리이드를 2종류 준비하고, 반도체장치의 바깥으로 도출되는 콜렉터와 에미터의 주전류단자의 배열이 서로 역으로 되는 2종류로 한 점에 특징이 있다. 또한, 중계금속판에 외부단자를 접속하지 않고 중계금속판 자체를 외부단자 리이드로서 도출해도 좋다.
이와 같이 방열용 기판(41)상에 조립된 반도체칩의 조(祖)의 1종류는 제3도와 같은 외부단자 배치의 모듈 반도체장치(61)로 구성되고, 다른 종류의 것은 제4도와 같은 외부단자 배치의 모듈 반도체장치(62)로 구성된다.
즉, 제3도(a)(평면도)와 제3도(b)(정면도)의 모듈 반도체장치(61)에 있어서는, 제6도에 나타낸 종래의 외부단자 배열과 동일하지만, 제4도(a) 및 (b)의 모듈 반도체장치(62)는 모듈 반도체장치(61)와 상보적인 단자배열, 즉 주전류 외부단자인 콜렉터(C)와 에미터(E)의 순번이 신호입력단자(Es, G)에 대해 역으로 되어 있다. 한편, 제3도 및 제4도에 있어서, 참조부호 48은 금속방열기판(41)에 접속시킨 수지 케이싱(resin casing)으로, 이 케이싱(48)의 내부는 수지로 밀봉되어 있다.
본 제1실시예의 반도체장치쌍(61, 62)은 예컨대 제1도에 나타낸 제1실장예와 같은 하프·브리지(half bridge)회로를 구성할 수 있다. 제1도의 실장예에서는, 모듈 반도체장치〔61(61a), 62(62a)〕을, 모듈 반도체장치(61)의 콜레터단자(C)와 모듈 반도체장치(62)의 에미터단자(E)간을 도체(64)로 접속하여 출력전극을 인출한다.
직류전원의 정(P)전극은 도체(65)에 접속되고, 부(N)전극은 도체(63)에 접속된다. 각각의 도체(65, 63)는 도체(64)와 극력 평행하고 또한 근접하여 배치되며, 각각 모듈 반도체장치(62)의 콜레터단자(C)와 모듈 반도체장치(61)의 에미터단자(E)에 접속된다.
이상 제1실시예에 나타낸 제1발명의 반도체장치쌍은, 그 반도체장치쌍을 구성하는 한쪽의 반도체장치가 전류입력단자〔상기 실시예에서 콜레터단자(C)에 상당〕에 대해 전류출력단자〔상기 실시예에서 에미터단자(E)에 상당〕와 반대측에 신호입력단자(상기 실시예에서 Es, G에 상당)가 배치되고, 다른쪽의 반도체장치는 전류출력단자에 대해 전류입력단자와 반대측에 신호입력단자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하기 때문에, 다음과 같은 작용·효과를 얻을 수 있다.
① 중계금속판에 접속하는 외부단자 금속리이드를 2종류 준비하는 것만으로 다른 부재를 모두 공통으로 사용하여 용이하게 반도체장치쌍을 형성할 수 있다. 또, 한쌍의 반도체장치의 전기적인 특성은 양자간에서 변하지 않는다.
② 브리지접 속의 경우의 소자간 접속거리를 극소로 할 수 있고, 또한 신호입력단자를 버스 바〔bus bar ; 도체(63, 64, 65)〕의 바깥쪽을 배치할 수 있으므로, 버스 바에 구멍을 뚫을 필요가 없어서 그 만큼 넓은 면적으로 할 수 있게 된다.
③ 브리지의 P측 전극과 N측 전극에 통하는 버스 바(63, 65)를 제1실장예와 같이 소자간 접속전극으로 되는 버스 바(64)와 평행하게 세우는 것이 가능하게 되고, 그에 따라 각각의 버스 바로부터 통전시에 발생하는 자속을 소멸하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 전류(轉流)인덕턴스를 극소로 할 수 있게 된다.
이하, ③항에 대해 제5도를 참조하여 상세히 설명한다.
IGBT(Q1, Q4)가 턴온되어 전류가 실선의 화살표방향으로 흐르고 있는 상태로부터 IGBT(Q1)가 턴오프되어 전류가 점선의 화살표방향으로 전류(轉流)하는 경우, a-b간과 h-i간의 도체 버스를 밀착하여 배선하면, 그 사이의 자속은 소멸되므로 인덕턴스는 극소로 된다. 한편, IGBT(Q1)의 b-c간과 d-e간을 밀착하여 제1도와 같이 전류방향이 역으로 되도록 배선함으로써, 그 사이의 인덕턴스도 극소로 된다. 또한, IGBT(Q2)의 e-f간과 g-h간을 밀착하여 자속을 소멸하도록 하면 그 사이의 인덕턴스도 극소로 된다.
이렇게하여, 본 발명의 반도체장치쌍을 이용함으로써 제5도와 같은 브리지회로는, 예컨대 Q1∼Q4가 각각 복수개의 모듈 반도체장치에 의해 병렬로 접속되는 경우에 있어서도, 그 병렬수에 관계없이 제1도와 같은 버스 바 배선이 가능하게 되어 전류회로의 인덕턴스를 극소로 할 수 있고, 그 결과로서 IGBT를 턴온, 턴오프시킨 경우에 발생하는 전류(轉流)시의 시어지 전압을 매우 작게 할 수 있게 된다.
이상의 실시예에서는 신호단자(Es, G)가 스크류단자인 예에 관해 설명했지만, 파스톤형 등의 단자형상이어도 상관없다. 또한, 상시 설명에서는 모듈형 반도체장치로서 IGBT를 예로 들어 설명했지만, 일반적인 MOSFET나 바이폴라 트랜지스터 등에도 본 발명을 적용할 수 있다. 단, 대전류 용량이고 또한 고속 스위칭 성능을 갖춘 IGBT 소자에 대해 본 발명의 효과가 가장 현저하다는 것은 말할 나위도 없다.
한편, 본원 청구범위의 각 구성요건에 병기한 도면참조부호는 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본원 발명의 기술적 범위를 도면에 도시된 실시예에 한정할 의도로 병기한 것은 아니다.

Claims (11)

  1. 제1 및 제2케이싱(48)과, 이 제1 및 제2케이싱(48)내에 각각 밀봉되며 등가의 전기적인 특성을 갖는 제1 및 제2의 전력용 반도체장치(61, 61a, 62, 62a) 및, 상기 제1 및 제2케이싱(48)의 각각의 상면에 설치된 상기 전력용 반도체장치의 주전류입력단자(C)와 주전류출력단자(E) 및 신호입력단자(Es, G)로 이루어진 외부단자를 갖춘 반도체장치에 있어서, 상기 제1케이싱의 상기 외부단자는 상기 주전류입력단자(C)에 대해 주전류출력단자(E)의 반대측에 신호입력단자(Es, G)가 배치되는 단자배열을 갖추고, 상기 제2케이싱의 상기 외부단자는 상기 주전류출력단자(E)에 대해 주전류입력단자(C)의 반대측에 신호입력단자(Es, G)가 배치되는 단자배열을 갖추고 있으며, 상기 제1 및 제2케이싱은 상기 제1케이싱의 주전류입력단자(C) 및 상기 제2케이싱의 주전류출력단자(E)가 서로 대향하고 또한 근접하여 배치되도록 쌍으로 평면상에 형성되고, 상기 대향하는 전류입력단자(C)와 전류출력단자(E)를 전기적으로 상호접속하는 제1의 버스 바(64)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2케이싱(48)이 각각 수지로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2케이싱(48)내에 밀봉된 상기 제1 및 제2의 전력용 반도체장치(61, 61a, 62, 62a)는 각각, 실제로 등가의 전기적인 특성을 갖는 한쌍의 반도체칩(46)을 구비한 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반도체칩(46)은, 상기 제1 및 제2케이싱(48)내에 공통인 상기 전력용 반도체장치용의 레이아웃을 갖는 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 외부단자(E, C, G, Es)는 스크류단자인 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1의 버스 바는 전극으로서 위쪽을 향하여 외부로 인출되고, 제2의 버스 바(63)는 그 한쪽에서 상기 제1의 버스 바(64)의 평행하고 또한 근접하여 배치되며, 전력용 반도체장치(61, 61a)의 전류출력단자(E)에 전기적으로 접속되어 상기 제1케이싱(48)의 외부로 인출되고, 제3의 버스 바(65)는 그 다른쪽에서 상기 제1의 버스 바(64)와 평행하고 또한 근접하여 배치되며, 전력용 반도체장치(62, 62a)의 전류입력단자(C)에 전기적으로 접속되어 상기 제2케이싱(48)의 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  7. 표면이 평평한 그 상면에 돌출한 중앙부를 각각 갖추고 있으며, 상기 돌출한 중앙부가 그보다도 낮은 평면에서 상기 상면의 2개의 평면 가까이에 대향하는 측에 인접하여 배치되고, 각각 그 안에 밀봉되는 전력용 반도체장치(61, 61a, 62, 62a)를 형성하기 위한 적어도 한쌍의 반도체칩(46)을 갖추고 있으며, 각각 그 돌출한 중앙부상에 형성된 주전류입력단자(C)와 주전류출력단자(E)를 갖춘 제1 및 제2케이싱(48)과, 각 쌍(G, Es)이 돌출한 중앙부의 양측상에 위치한 하부평면의 1개상에 배치되는 2쌍의 내부접속 신호입력단자를 갖춘 반도체장치에 있어서, 상기 제1 및 제2케이싱의 하나의 상기 주전류입력단자의 하나가 상기 제1 및 제2케이싱의 다른 하나의 상기 주전류출력단자의 하나애 대향하도록, 상기 제1케이싱의 상기 쌍의 신호입력단자(G, Es)의 하나가 상기 제2케이싱의 상기 쌍의 신호입력단자(G, Es)의 하나에 대향하고, 상기 대향하는 전류입력단자(C)와 전류출력단자(E)를 전기적으로 상호접속하는 제1의 버스 바(64)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 케이싱(48)이 수지로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 케이싱내에 밀봉된 전력용 반도체장치(61, 61a, 62, 62a)를 형성하는 상기 반도체칩(46)은, 2개 이상이고, 등가의 전기적인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 전류입력단자(C)와 전류출력단자(E) 및 상기 2쌍의 신호입력단자(G, Es)는 각각 스크류단자인 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1의 버스 바(64)는 전극으로서 위쪽을 향하여 외부로 인출되고, 제2의 버스 바(63)는 그 한쪽에서 상기 제1의 버스 바(64)와 평행하고 또한 근접하여 배치되며, 상기 케이싱의 상기 하나의 주전류입력단자(E)에 전기적으로 접속되고, 제3의 버스 바(65)는 그 다른쪽에서 상기 제1의 버스 바(64)와 평행하고 또한 근접하여 배치되며, 상기 케이싱의 상기 다른 하나의 주전류입력단자(C)에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 고전력의 모듈형 반도체장치.
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