TW201521180A - 半導體裝置 - Google Patents

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TW201521180A
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switching
capacitor
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高尾和人
四戶孝
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東芝股份有限公司
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Abstract

實施形態的半導體裝置係具備：基板；複數的電路單元，其係排列配置於前述基板上方，各電路單元係具有：第1電極，第2電極，在前述第1電極及前述第2電極間電性串聯的第1開關元件與第2開關元件，在前述第1電極及前述第2電極間對於前述第1開關元件與前述第2開關元件電性並聯的電容器，在前述第1開關元件與前述第2開關元件之間連接的交流電極；及框體，其係包圍前述複數的電路單元，對前述各電路單元的第1電極賦予共通的電位，對前述各電路單元的第2電極賦予共通的電位，前述各電路單元的前述交流電極係互相連接。

Description

半導體裝置
本申請案是以2013年11月29日申請之日本特願2013-248104作為優先權的基礎。記載於此日本特願2013-248104的全部內容是編入本申請案中。
實施形態是有關半導體裝置。
期待SiC(碳化矽)作為次世代的功率半導體裝置用的材料。SiC與Si(矽)作比較，能隙為3倍，破壞電場強度約10倍，及熱傳導率約3倍，具有良好的物性。若活用此特性，則可實現低損失且可高溫動作的功率半導體裝置。
不過，例如，在電壓型電力變換模組之類的功率半導體模組中，隨著開關動作形成高速，關閉時的過電壓所造成的元件破壞會成為問題。關閉時的過電壓是與流動於電路的電流的時間變化率(di/dt)成比例。
為了抑制過電壓，一旦拉長開關時間，則開 關動作會變慢。同時，以電流與電壓的乘積的時間積分(ʃixvxdt)表示的開關損失會變大。為了抑制過電壓，且減少開關損失，最好使功率半導體模組的寄生電感減低。
實施形態的半導體裝置係具備：基板；複數的電路單元，其係排列配置於前述基板上方，各電路單元係具有：第1電極，第2電極，在前述第1電極及前述第2電極間電性串聯的第1開關元件與第2開關元件，在前述第1電極及前述第2電極間對於前述第1開關元件與前述第2開關元件電性並聯的電容器，在前述第1開關元件與前述第2開關元件之間連接的交流電極；及框體，其係包圍前述複數的電路單元，對前述各電路單元的第1電極賦予共通的電位，對前述各電路單元的第2電極賦予共通的電位，前述各電路單元的前述交流電極係互相連接。
10‧‧‧第1電路單元
11a~d‧‧‧第1電極
12a~d‧‧‧第2電極
13‧‧‧第1開關元件
13a‧‧‧第1閘極電極
14‧‧‧第2開關元件
14a‧‧‧第2閘極電極
15‧‧‧電容器
17‧‧‧絕緣體
20‧‧‧第2電路單元
23‧‧‧第1開關元件
23a‧‧‧第1閘極電極
24‧‧‧第2開關元件
24a‧‧‧第2閘極電極
25‧‧‧電容器
27‧‧‧絕緣體
30‧‧‧第3電路單元
33‧‧‧第1開關元件
33a‧‧‧第1閘極電極
34‧‧‧第2開關元件
34a‧‧‧第2閘極電極
35‧‧‧電容器
37‧‧‧絕緣體
40‧‧‧第4電路單元
43‧‧‧第1開關元件
43a‧‧‧第1閘極電極
44‧‧‧第2開關元件
44a‧‧‧第2閘極電極
45‧‧‧電容器
47‧‧‧絕緣體
50‧‧‧框體
70‧‧‧磁氣遮蔽板
80‧‧‧基板
100‧‧‧半導體裝置
200‧‧‧半導體裝置
圖1是第1實施形態的半導體裝置的電路圖。
圖2A，B是第1實施形態的半導體裝置的模式圖。
圖3是使用第1實施形態的半導體裝置的反 相電路的電路圖。
圖4A，B是第2實施形態的半導體裝置的模式圖。
以下，一面參照圖面，一面說明本發明的實施形態。另外，在以下的說明中，在同一的構件等附上同一的符號，有關一度說明過的構件等是適當省略其說明。
(第1實施形態)
本實施形態的半導體裝置係具備：基板；複數的電路單元，其係排列配置於前述基板上方，各電路單元係具有：第1電極，第2電極，在前述第1電極及前述第2電極間電性串聯的第1開關元件與第2開關元件，在前述第1電極及前述第2電極間對於前述第1開關元件與前述第2開關元件電性並聯的電容器，在前述第1開關元件與前述第2開關元件之間連接的交流電極；及框體，其係包圍前述複數的電路單元，對前述各電路單元的第1電極賦予共通的電位，對前述各電路單元的第2電極賦予共通的電位，前述各電路單元的前述交流電極係互相連接。
圖1是本實施形態的半導體裝置的電路圖。圖2A，B是本實施形態的半導體裝置的模式圖。圖2A為 上面圖，圖2B為圖2A的AA剖面圖。圖2A是圖2B的半導體裝置的電容器領域β被省略而顯示者。
本實施形態的半導體裝置100是收於1個的樹脂封裝內之功率半導體模組(以下，亦簡稱模組)。本實施形態的半導體裝置是在基板80上排列配置4個的電路單元，亦即，第1電路單元10，第2電路單元20，第3電路單元30，第4電路單元40
第1電路單元10是具備第1電極11a，第2電極12a。而且，具備：連接第1電極11a與外部的電路之第1電極端子11b，及連接第2電極12a與外部的電路之第2電極端子12b。
而且，在第1電極11a與第2電極12a之間，具備電性串聯的第1開關元件13及第2開關元件14。第1開關元件13與第2開關元件14是例如SiC(碳化矽)的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。
第1開關元件13的源極側是成為第1電極11a。又，第2開關元件14的汲極側是成為第2電極12a。在第1開關元件13是設有控制第1開關元件13的第1閘極電極13a，在第2開關元件14是設有控制第2開關元件14的第2閘極電極14a。
即使設成分別與第1開關元件13及第2開關元件14並列地設置未圖示的還流二極體之構成也無妨。
而且，具備對於第1開關元件13及第2開關 元件14電性並聯的電容器15。電容器15是具備：對於第1開關元件13及第2開關元件14的開關時的過渡性的電流，以低阻抗來連接第1電極11a與第2電極12a間，藉此使第1開關元件13，第2開關元件14，電容器15的電路迴路的寄生電感減低之機能。
而且，具備連接於第1開關元件13與第2開關元件14之間的交流電極16。交流電極16是被連接至負荷。
與第1電路單元10同樣，第2電路單元20是具備第1電極21a，第2電極22a。而且，具備：連接第1電極21a與外部的電路之第1電極端子21b，及連接第2電極22a與外部的電路之第2電極端子22b。
而且，在第1電極21a與第2電極22a之間，具備電性串聯的第1開關元件23及第2開關元件24。第1開關元件23及第2開關元件24是例如SiC的MOSFET。
第1開關元件23的源極側是成為第1電極21a。又，第2開關元件24的汲極側是成為第2電極22a。在第1開關元件23是設有控制第1開關元件23的第1閘極電極23a，在第2開關元件24是設有控制第2開關元件24的第2閘極電極24a。
即使設成分別與第1開關元件23及第2開關元件24並列地設置未圖示的還流二極體之構成也無妨。
而且，具備對於第1開關元件23及第2開關 元件24電性並聯的電容器25。電容器25是具備：對於第1開關元件23及第2開關元件24的開關時的過渡性的電流，以低阻抗來連接第1電極21a與第2電極22a間，藉此使第1開關元件23，第2開關元件24，電容器25的電路迴路的寄生電感減低之機能。
而且，具備連接於第1開關元件23與第2開關元件24之間的交流電極26。交流電極26是被連接至負荷。
與第1電路單元10同樣，第3電路單元30是具備第1電極31a，第2電極32a。而且，具備：連接第1電極31a與外部的電路之第1電極端子31b，及連接第2電極32a與外部的電路之第2電極端子32b。
而且，在第1電極31a與第2電極32a之間，具備電性串聯的第1開關元件33及第2開關元件34。第1開關元件33及第2開關元件34是例如SiC的MOSFET。
第1開關元件33的源極側是成為第1電極31a。又，第2開關元件34的汲極側是成為第2電極32a。在第1開關元件33是設有控制第1開關元件33的第1閘極電極33a，在第2開關元件34是設有控制第2開關元件34的第2閘極電極34a。
即使設成分別與第1開關元件33及第2開關元件34並列地設置未圖示的還流二極體之構成也無妨。
而且，具備對於第1開關元件33及第2開關 元件34電性並聯的電容器35。電容器35是具備：對於第1開關元件33及第2開關元件34的開關時的過渡性的電流，以低阻抗來連接第1電極31a與第2電極32a間，藉此使第1開關元件33，第2開關元件34，電容器35的電路迴路的寄生電感減低之機能。
而且，具備連接於第1開關元件33與第2開關元件34之間的交流電極36。交流電極36是被連接至負荷。
與第1電路單元10同樣，第4電路單元40是具備第1電極41a，第2電極42a。而且，具備：連接第1電極41a與外部的電路之第1電極端子41b，及連接第2電極42a與外部的電路之第2電極端子42b。
而且，在第1電極41a與第2電極42a之間，具備電性串聯的第1開關元件43及第2開關元件44。第1開關元件43及第2開關元件44是例如SiC的MOSFET。
第1開關元件43的源極側是成為第1電極41a。又，第2開關元件44的汲極側是成為第2電極42a。在第1開關元件43是設有控制第1開關元件43的第1閘極電極43a，在第2開關元件44是設有控制第2開關元件44的第2閘極電極44a。
即使設成分別與第1開關元件43及第2開關元件44並列地設置未圖示的還流二極體之構成也無妨。
而且，具備對於第1開關元件43及第2開關 元件44電性並聯的電容器45。電容器45是具備：對於第1開關元件43及第2開關元件44的開關時的過渡性的電流，以低阻抗來連接第1電極41a與第2電極42a間，藉此使第1開關元件43，第2開關元件44，電容器45的電路迴路的寄生電感減低之機能。
而且，具備連接於第1開關元件43與第2開關元件44之間的交流電極46。交流電極46是被連接至負荷。
本實施形態的半導體裝置100是具備包圍第1電路單元10，第2電路單元20，第3電路單元30，第4電路單元40的至少側面之框體50。框體50是具備機械性地保護第1~第4電路單元10，20，30，40之機能。框體50是例如環氧樹脂等的樹脂。
在各電路單元的第1電極11a，21a，31a，41a是經由第1電極端子11b，21b，31b，41b來從外部賦予共通的電位。在此是設為接地電位。第1電極11a，21a，31a，41a是亦可設為在模組100內互相連接的構成。
並且，在各電路單元的第2電極12a，22a，32a，42a是經由第2電極端子12b，22b，32b，42b來從外部賦予共通的電位。在此是施加正電壓。第2電極12a，22a，32a，42a是亦可設為在模組100內互相連接的構成。
而且，各電路單元的交流電極16，26，36， 46會互相連接，連接至交流電極端子52。
各電路單元的第1閘極電極13a，23a，33a，43a會互相連接，連接至第1閘極電極端子54。又，各電路單元的第1開關元件13，23，33，43的源極側會互相連接，連接至閘極控制電路用的第1源極端子56。第1閘極電極端子54與閘極控制電路用的第1源極端子56是連接至未圖示的第1閘極控制電路。
又，各電路單元的第2閘極電極14a，24a，34a，44a會互相連接，連接至第2閘極電極端子58。又，各電路單元的第2開關元件14，24，34，44的源極側會互相連接，連接至閘極控制電路用的第2源極端子60。第2閘極電極端子58與閘極控制電路用的第2源極端子60是連接至未圖示的第2閘極控制電路。
如圖2B所示般，半導體裝置100是具備：開關元件領域α，其係配置有第1開關元件13，23，33，43及第2開關元件14，24，34，44；及電容器領域β，其係配置有電容器15，25，35，45，在開關元件領域α的上方。
換言之，電容器15，25，35，45相對於第1開關元件13，23，33，43及第2開關元件14，24，34，44，設在與基板80相反側。藉由如此使開關元件領域α與電容器領域β層疊的構成，可縮小半導體裝置100的尺寸。
由使放熱性提升的觀點來看，基板80是金屬等的導體。例如，基板80為銅。
並且，當基板80為導體時，在基板80與第1開關元件13，23，33，43及第2開關元件14，24，34，44之間是例如設有在表面電極與背面電極之間夾著陶瓷絕緣體的絕緣體17，27，37，47。
例如，將模組的接地電位的端子及施加正電壓的端子一起連接至1個的電容器時，寄生電感的自己電感成分會變大。又，由於在連接配線的寄生電感流動有開關元件4個分量的電流，所以電流的時間變化率(di/dt)會變大。因此，難以抑制配線電感(寄生電感)和與流動於模組的電流的時間變化率(di/dt)成比例的關閉時的過電壓。
本實施形態的半導體裝置100是將模組分割成複數的並聯的電路單元。而且，電容器也分割成各個的電路單元而連接內藏。因此，相較於一起連接至1個的電容器的情況，電路單元的分割數量，寄生電感的自己電感成分會變小。又，由於在各個的電路單元是流動對應於開關元件數的電流，因此電流的時間變化率(di/dt)會變小。
藉由此構成，寄生電感與電路單元的di/dt會變小，結果可抑制過電壓。並且，在抑制過電壓之下，也可提升開關速度，可降低開關損失(ʃixvxdt)。
另外，在此是電路單元為舉4個的情況為例進行說明，但電路單元的數量並不是限定於4個，亦可設為任意的數量，只要是複數。例如，只要按照模組的必要 的容量來選擇所被並列配置的電路單元的數量即可。
由抑制過電壓，減低開關損失的觀點來看，最好以流動於各電路單元的電流能夠為100A(安培)以下的方式選擇分割數。
圖3是使用本實施形態的半導體裝置的反相電路的電路圖。藉由將與本實施形態的模組100同一構成的3個模組100a，100b，100c並聯於負電壓端子(N)與正電壓端子(P)之間，可實現具備3個交流電極端子U，V，W的三相反相電路。在此三相反相電路中也可實現過電壓的抑制及開關損失的減低。
(第2實施形態)
本實施形態的半導體裝置是除了在鄰接的電路單元之間具有導體的磁氣遮蔽板以外，與第1實施形態同樣。因此，有關與第1實施形態重複的內容是省略記述。
圖4A，B是本實施形態的半導體裝置的模式圖。圖4A為上面圖，圖4B是圖4A的AA剖面圖。圖4A是圖4B的半導體裝置的電容器領域β被省略表示。
本實施形態的半導體裝置200是在鄰接的電路單元之間，亦即，第1電路單元10與第2電路單元20，第2電路單元20與第3電路單元30，第3電路單元30與第4電路單元40之間設有磁氣遮蔽板70。由使磁氣的遮蔽特性提升的觀點來看，如圖4A所示般，最好磁氣遮蔽板70是在框體50的對向的內側面間連續設置。
磁氣遮蔽板70是例如為金屬。金屬是例如為鋁。
磁氣遮蔽板70是例如為平板或是網眼狀也無妨。
若根據本實施形態的半導體裝置200，則藉由設置磁氣遮蔽板70，電路單元間的磁束的交錯會被抑制。因此，寄生電感的相互電感成分會被抑制，寄生電感會減低。因此，更進一步，配線電感(寄生電感)和與流動於模組的電流的時間變化率(di/dt)成比例的關閉時的過電壓會被抑制。並且，在抑制過電壓之下，更可提升開關速度，可降低開關損失(ʃixvxdt)。
以上，在實施形態中是舉MOSFET為例說明有關第1開關元件及第2開關元件，但亦可適用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)或HEMT(High Electron Mobility Transistor)等。
又，第1開關元件及第2開關元件的半導體材料，雖舉SiC(碳化矽)為例進行說明，但亦可適用Si(矽)或GaN(氮化鎵)等。
雖說明本發明的幾個實施形態，但該等的實施形態作為例子提示者，不是意圖限定發明的範圍。該等新穎的半導體裝置的實施形態是可以其他各種的形態實施，可在不脫離發明的主旨範圍進行各種的省略，置換，變更。該等實施形態或其變形是發明的範圍或主旨所包含，且為記載於申請專利範圍的發明及其均等的範圍所包 含。
10‧‧‧第1電路單元
11a、b‧‧‧第1電極
12a、b‧‧‧第2電極
13‧‧‧第1開關元件
13a‧‧‧第1閘極電極
14‧‧‧第2開關元件
14a‧‧‧第2閘極電極
15‧‧‧電容器
16‧‧‧交流電極
20‧‧‧第2電路單元
21a‧‧‧第1電極
21b‧‧‧第1電極端子
22a‧‧‧第2電極
22b‧‧‧第2電極端子
23‧‧‧第1開關元件
23a‧‧‧第1閘極電極
24‧‧‧第2開關元件
24a‧‧‧第2閘極電極
25‧‧‧電容器
26‧‧‧交流電極
30‧‧‧第3電路單元
31a‧‧‧第1電極
31b‧‧‧第1電極端子
32a‧‧‧第2電極
32b‧‧‧第2電極端子
33‧‧‧第1開關元件
33a‧‧‧第1閘極電極
34‧‧‧第2開關元件
34a‧‧‧第2閘極電極
35‧‧‧電容器
36‧‧‧交流電極
40‧‧‧第4電路單元
41a‧‧‧第1電極
41b‧‧‧第1電極端子
42a‧‧‧第2電極
42b‧‧‧第2電極端子
43‧‧‧第1開關元件
43a‧‧‧第1閘極電極
44‧‧‧第2開關元件
44a‧‧‧第2閘極電極
45‧‧‧電容器
46‧‧‧交流電極
52‧‧‧交流電極端子
54‧‧‧第1閘極電極端子
56‧‧‧第1源極端子
58‧‧‧第2閘極電極端子
60‧‧‧第2源極端子
100‧‧‧半導體裝置

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置，其特徵係具備：基板；複數的電路單元，其係排列配置於前述基板上方，各電路單元係具有：第1電極，第2電極，在前述第1電極及前述第2電極間電性串聯的第1開關元件與第2開關元件，在前述第1電極及前述第2電極間對於前述第1開關元件與前述第2開關元件電性並聯的電容器，在前述第1開關元件與前述第2開關元件之間連接的交流電極；及框體，其係包圍前述複數的電路單元，對前述各電路單元的第1電極賦予共通的電位，對前述各電路單元的第2電極賦予共通的電位，前述各電路單元的前述交流電極係互相連接。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，在鄰接的前述電路單元之間具備導體的磁氣遮蔽板。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，前述第1開關元件及前述第2開關元件為MOSFET或IGBT。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，前述框體為樹脂。
  5. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中，前述磁氣遮蔽板係於前述框體的對向的內側面間連續設置。
  6. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中，前述磁氣遮蔽板為鋁。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，前述基板 為導體。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，前述基板為導體，在前述基板與前述第1開關元件及前述第2開關元件之間設有絕緣體。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，前述電容器係設在前述第1開關元件及前述第2開關元件的上方。
  10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，前述電路單元係具有：控制前述第1開關元件的第1閘極電極，及控制前述第2開關元件的第2閘極電極。
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