JP2001217389A - 低リアクタンスパワー回路実装構造 - Google Patents

低リアクタンスパワー回路実装構造

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JP2001217389A
JP2001217389A JP2000027214A JP2000027214A JP2001217389A JP 2001217389 A JP2001217389 A JP 2001217389A JP 2000027214 A JP2000027214 A JP 2000027214A JP 2000027214 A JP2000027214 A JP 2000027214A JP 2001217389 A JP2001217389 A JP 2001217389A
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wiring
power circuit
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low
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JP2000027214A
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Inventor
Atsuhiro Yoshizaki
敦浩 吉崎
Hirohisa Yamamura
博久 山村
Keiichi Masuno
敬一 増野
Kinji Mokuya
錦司 杢屋
Izumi Shimizu
泉 清水
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Hitachi Ltd
Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
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Hitachi Ltd
Hitachi Car Engineering Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
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    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/13Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】電流回路に寄生するリアクタンス成分の抑制
と、半導体素子発熱量の高効率小形の放熱を実現するパ
ワーエレクトロニクス回路の実装構造を提供すること。 【解決手段】電源から半導体素子までの大電流配線の往
路と復路を、平板導体よりなる平板配線で構成して該平
板導体を隣り合わせに配置し、両平板導体で平型半導体
素子をはさみ構造とする。該半導体素子の表面と裏面の
電極を両配線に接続することにより、半導体素子に大電
流を印加する配線を構成すると同時に、往路と帰路で構
成される配線ループ面積を最小にし、大電流回路に寄生
するリアクタンス成分を最少に抑制しその弊害を最少に
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーエレクトロ
ニクス回路の実装構造に関する。
【0002】
【従来の技術】パワー回路を構成するデバイスに半導体
素子をパッケージに包んだICも使用されるが特に大電
流を制御するシステムでは、発熱量が多いためその対策
のためにパッケージをしないで平型のシリコンチップそ
のままで実装されている。ここではその中で電流のスイ
ッチング素子として多く使われるIGBT(絶縁ゲート
型バイポーラトランジスター)を実装例に説明する。I
GBTは図7のような電極で構成され、各電極は図8の
ように平型シリコンチップ1の表面2と裏面3に配置さ
れている。2は半導体プロセス加工側で、エミッター電
極4とゲート電極5が配置され、3にはコレクター電極
6が配置されている。これらデバイスが実装されるパワ
ーエレクトロニクス回路例を三相のインバーター回路で
説明すると図9のように結線し実装する。直流電源10
より平滑用のコンデンサー11を経て正電圧配線12と
負電圧配線13で供給する直流電力にIGBT14,1
5,16,17,18,19を接続しこれらをスイッチ
ング制御し三相の交流電力20に変換し出力する。従来
IGBTの実装は図8のような平型半導体素子を図10
の断面図で示すようなモジュール21に実装している。
図10は図9の回路のうち、20の交流電力に変換する
14と15の実装構成例を示す。14のコレクターは2
2に出力され、14のエミッターは23に出力される。
同様に15のコレクターは24に出力され15のエミッ
ターは25に出力される。電流による14,15の発熱
量は銅などの高熱伝導材によるベース26を通し外部に
放熱する様構成されている。また22は端子27を通し
直流母線28に接続し12に接続される。また25は端
子29を通し直流母線30に接続し13に接続される。
また14,15の表面の電極4からの出力はアルミの直
径300ミクロン程度の細線によるワイヤーボンディン
グ接続31で複数本並列に直接外部配線に接続する方法
が一般的に採用されている。
【0003】この半導体素子の表面電極からの出力の方
法に関連するものに特開平9−275186号公報に記
載のように端子体を加圧接触する方法が論じられてい
る。しかし加圧接触法は接触抵抗を極力小さくするため
強い加圧力で押し付けておく必要が有り構造が強固で大
型となる。また加圧力で素子を破壊する事が無いよう、
押し付け電極を高精度に平坦度管理し品質管理する必要
がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は大電流
が流れる線路が12から28を経て22を通り14に至
り、さらに23を経て24を通し15,31,25から
30に接続され13を経て電源10に還流している。こ
れらの電流の通路は電源10より出て回路を通り電源に
戻る大きいループ回路を構成する事になる。この配線が
電流回路に比較的大きい直列の寄生リアクタンス成分を
生じる。これを図9の直列リアクタンス40にまとめて
図示する。この結果、図11に示すようにトランジスタ
素子がスイッチングする時電流が急変41し、この時4
0に貯えられたリアクタンスエネルギーがトランジスタ
ーのコレクター,エミッター間の電圧42に重畳し43
の様にはね上がり電圧が大きくなる。また大きい電磁ノ
イズを発生する事となる。このため、図12に示すよう
にトランジスターと並列に大容量の抵抗とコンデンサー
よりなるスナバー44を設けるなど、保護回路が必要と
なっている。また図10に示したように、大型のモジュ
ールで構成し、大電流の印加によるトランジスター素子
の大きい発熱量を放熱するベース構造とトランジスター
の大電流を導入する配線構造などを要し、このため大き
い設置スペースを要し、また高価な構成となる。
【0005】本発明の目的は電源から半導体素子までの
配線ループを最小に構成して回路に寄生するリアクタン
ス成分を抑制し、パワー回路特有の半導体素子の過電圧
保護を不要とし、かつ半導体素子の発熱量を小型高効率
に放熱する実装構成を提供する事にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、電源から半導体素子までの大電流配線の往路と復路
を、平板導体よりなる平板配線で構成して該平板導体を
隣り合わせに配置し、両平板導体で平型半導体素子をは
さみ構造とする。該半導体素子の表面と裏面の電極を両
配線に接続することにより、半導体素子に大電流を印加
する配線を構成すると同時に、往路と復路で構成される
配線ループ面積を最小にし、大電流回路に寄生するリア
クタンス成分を最少に抑制し大電流スイッチング時に生
ずる誘導電圧の弊害を最少にし、安定動作できるように
した。さらに半導体素子を挟んだ配線と該半導体素子の
電極部を、はんだ接合や金属間の合金層の生成による金
属接合で直接接合する事により、大電流の導通性能を確
保し、かつ半導体素子の大電流印加による発熱量を該金
属接合面と接合した両配線平面を経て外側に導引し、両
面より冷却する事を可能とし、従来の片面冷却の方法に
比べ、倍の高効率冷却を両面配線に兼ね備える構成と
し、小形、高効率冷却性能の実装構成とした。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図9の回
路を例に、図1により説明する。回路実装の基本構造を
平板配線材の積層構造とする。電気伝導性が良く、また
熱伝導性能が優れた材料(例えば銅材)の正極直流母線
50と同じく負極直流母線51および交流出力母線5
2,53,54を積層構造とし14,15,16,1
7,18,19を挟み接続する。電流は14がONの時
50を通して往路電流55が流れ、52に出力する。同
時に53,54を通して復路電流56が流れ戻り電流と
なるよう制御される。この積層構造および電流の流れは
図2のようになる。50,51,52,53,54は積
層構造で電流55の例では14を通して50から52へ
往復電流として流れる。このように全ての電流は往路電
流,復路電流としてこの積層配線に流れとなる。この結
果この回路に寄生するリアクタンス成分は従来の単線配
線構成に比べ1/10程度に抑制できる。このような電
気回路により全体の実施例を図3に示す。50,51,
52,53,54の各母線を積層配線し母線に接続する
半導体素子を積層配線57で挟み半導体素子接続部58
で接続するよう構成する。ここでは58の実装デバイス
を14で例示したが、トランジスターやダイオードなど
複数のデバイスを一緒に実装が出来る事は言うまでもな
い。また電源用コンデンサー11も50,51間に接続
する。58は素子の発熱量の放熱を考慮し図4のように
構成する。絶縁特性と高伝熱特性を兼ね備えた素材(例
えば窒化アルミや窒化シリコンまたはアルミナなど)6
3に配線パターン60を金属溶着や金属溶接や金属蒸着
またはメッキ加工などによるメタライズ加工で生成し、
半導体素子14の裏面3を60にはんだ接合や金属間の
合金生成等による金属接合する。14の表面電極は半導
体素子の熱膨張率に近い導電材からなる接合電極61と
金属接合し、61を介し、もう一方の配線パターン62
と金属接合する。62と絶縁材64は、60と63に同
じくメタライズ加工し、直接接合しておく。このように
半導体素子を、57の延長部分である60と62に電気
的に接続し、かつ各接合面を金属接合で直接接合し、こ
の間の低熱抵抗性を確保し、63と64より両面に小形
で効率の良い放熱機能を持たせる様に構成する。図5に
この変形例を示す。全ての接合方法は同様に金属結合と
し、絶縁特性と高伝熱特性を兼ね備えた素材65を設
け、配線パターン60,62を65にメタライズ加工で
生成しておき14,61と電気的に接続し、その外部に
伝熱特性が良好な金属(銅,アルミ等)またはセラミッ
クによる両面放熱面66をメタライズ加工で65に接合
し、14から66までを高い伝熱特性で接合することに
より、小型高効率の放熱機能を実現出来る。また図6に
他の変形例を示す。電気的接続は図5,図6の例と同じ
にし、65の外側に70,72の穴を設けた外枠71,
73を65に接合し、伝熱特性が良好な金属またはセラ
ミック材より成る放熱フィン74を70,72の中で6
5に直接メタライズ加工で接合する事により、14の発
熱量を、各接合面を経ても、効率よく74に伝える、小
型,高効率の放熱機構を実現する構造である。
【0008】尚図4,図5,図6の説明で用いた接合電
極61は、半導体素子が高電圧耐圧の素子では半導体素
子の周辺に、耐圧を維持するためガードリングを配置す
る素子が多く、この場合、そのガードリング部と配線パ
ターン間に隔離距離を持たせる目的で61を設けたもの
で、14が、このガードリングが不要な素子であれば6
1を設けず、14を直接62に電気的に接続する事が出
来る。
【0009】
【発明の効果】(1)本発明によれば電源より半導体素
子までのパワー回路全体の寄生するリアクタンス成分を
従来の構成に比べ1/10程度に低減できるため、常識
的になされている電流のスイッチング動作時に発生する
跳ね上がり電圧の対策は不用になる。 (2)上記の結果、パワー回路から発する電磁ノイズも
同様に低減できる。 (3)パワー回路全域を積層配線と出来るため、配線の
占めるスペースを従来配線の1/3程度縮小できる。配
線作業経費の節減とともに配線の配置構成が確定し、信
頼度が確保できる。 (4)半導体素子実装が従来のモジュール方式に比べ、
占有実装体積は約1/10に小型化できる。 (5)半導体素子の冷却性能が従来のモジュール方式の
片面冷却に比べ、本発明は両面冷却が出来るため、2倍
の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の配置構成図である。
【図2】本発明の積層配線の断面図である。
【図3】本発明の実施例の構成図である。
【図4】本発明の半導体素子接続部の実施例断面図であ
る。
【図5】図4の変形例断面図である。
【図6】図5の変形例断面図である。
【図7】本発明を構成する半導体素子の例のIGBTの
電極構成図である。
【図8】IGBTの電極の配置図である。
【図9】本発明の一実施例のインバータ回路である。
【図10】従来の半導体実装モジュールの断面図であ
る。
【図11】スイッチング時のIGBTの電圧,電流波形
図である。
【図12】保護回路図である。
【符号の説明】 1…平型シリコンチップ、2…表面、3…裏面、4…エ
ミッター電極、5…ゲート電極、6…コレクター電極、
10…直流電源、11…平滑用コンデンサー、12…正
電圧配線、13…負電圧配線、14,15,16,1
7,18,19…IGBT、20…三相の交流電力、2
6…高熱伝導材によるベース、27…端子、28…直流
母線、29…端子、30…直流母線、31…ワイヤーボ
ンディング接続、40…直列リアクタンス、41…電流
の急変、42…コレクター,エミッター間の電圧、43
…はね上がり電圧、44…スナバー、50…正極直流母
線、51…負極直流母線、52,53,54…交流出力
母線、55…往路電流、56…帰路電流、57…積層配
線、58…半導体素子接続部、60…配線パターン、6
1…接合電極、62…配線パターン、63,64,65
…絶縁特性と高伝熱特性を兼ね備えた素材、66…両面
放熱面、70,72…穴、71,73…外枠、74…放
熱フィン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山村 博久 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 増野 敬一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 杢屋 錦司 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 清水 泉 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電源とパワー回路配線とパワー回路電流を
    制御する半導体素子よりなるパワー回路構成において、
    電源より電流を供給する配線に平板導体を隣り合わせに
    配置した積層配線で母線を構成し、該母線より積層配線
    のまま分岐し延長した半導体素子接続部で平型チップの
    半導体素子を平板導体で挟み、該半導体素子の入出力電
    極と電気的に接続するよう構成することを特徴とする低
    リアクタンスパワー回路実装構造。
  2. 【請求項2】請求項1において、半導体素子接続部に熱
    伝導率が良好な絶縁板にメタライズ加工した配線パター
    ンを設け、平型の半導体素子の電極と両面で金属接合
    し、該配線パターンと積層配線を接続する様構成するこ
    とを特徴とする低リアクタンスパワー回路実装構造。
  3. 【請求項3】請求項1において、半導体素子接続部に熱
    伝導率が良好な絶縁板にメタライズ加工した配線パター
    ンを設け、平型の半導体素子の電極と両面で金属接合
    し、該配線パターンと積層配線を接続する様構成し、両
    面絶縁板の外側に高伝熱特性の金属による放熱面をメタ
    ライズ加工で接合したことを特徴とする低リアクタンス
    パワー回路実装構造。
  4. 【請求項4】請求項1において、半導体素子接続部に熱
    伝導率が良好な絶縁板にメタライズ加工した配線パター
    ンを設け、平型の半導体素子の電極と両面で金属接合
    し、該配線パターンと積層配線を接続する様構成し、両
    面絶縁板の外側に高伝熱特性材による放熱フィンをメタ
    ライズ加工で接合したことを特徴とする低リアクタンス
    パワー回路実装構造。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010016947A (ja) * 2008-07-02 2010-01-21 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 電力変換装置のパワーモジュール
JP2014116272A (ja) * 2012-12-12 2014-06-26 Nichicon Corp 電磁石用電源装置

Cited By (2)

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