JP2003086763A - 半導体パワーモジュール及び電力変換器 - Google Patents
半導体パワーモジュール及び電力変換器Info
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- JP2003086763A JP2003086763A JP2001276531A JP2001276531A JP2003086763A JP 2003086763 A JP2003086763 A JP 2003086763A JP 2001276531 A JP2001276531 A JP 2001276531A JP 2001276531 A JP2001276531 A JP 2001276531A JP 2003086763 A JP2003086763 A JP 2003086763A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱抵抗を増加させることなく、耐電圧を向上
させた半導体パワーモジュール、およびこの半導体パワ
ーモジュールで構成された電力変換器を提供する。 【解決手段】 半導体パワーモジュール５において、半
導体素子１が絶縁基板２に設けられた電気回路パターン
３１に接合し、絶縁基板２は金属基板４に接合してい
る。コレクタ電極に接続された電気回路パターン３１か
ら見て、接地電極である第１の金属基板４の対称位置
に、コレクタ電極と同電位の第２の金属基板３２を配置
することにより、最大電界が緩和されて、絶縁能力が向
上する。従って、半導体パワーモジュールの熱抵抗を増
加させることなく、耐電圧を向上させることができる。
させた半導体パワーモジュール、およびこの半導体パワ
ーモジュールで構成された電力変換器を提供する。 【解決手段】 半導体パワーモジュール５において、半
導体素子１が絶縁基板２に設けられた電気回路パターン
３１に接合し、絶縁基板２は金属基板４に接合してい
る。コレクタ電極に接続された電気回路パターン３１か
ら見て、接地電極である第１の金属基板４の対称位置
に、コレクタ電極と同電位の第２の金属基板３２を配置
することにより、最大電界が緩和されて、絶縁能力が向
上する。従って、半導体パワーモジュールの熱抵抗を増
加させることなく、耐電圧を向上させることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＧＢＴやＩＥＧ
Ｔなどの半導体パワーモジュール、およびこの半導体パ
ワーモジュールで構成された電力変換器に関するもので
ある。
Ｔなどの半導体パワーモジュール、およびこの半導体パ
ワーモジュールで構成された電力変換器に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＩＧＢＴやＩＥＧＴなどの半導体
パワーモジュールの高電圧化が進み、半導体パワーモジ
ュールの絶縁耐量不足や、部分放電が問題として浮上し
てきた。
パワーモジュールの高電圧化が進み、半導体パワーモジ
ュールの絶縁耐量不足や、部分放電が問題として浮上し
てきた。
【０００３】図７に、従来形態の半導体パワーモジュー
ルにおける電界解析の結果を示す。絶縁基板とコレクタ
電極に接続された電気回路パターン（図７において、コ
レクタ電極と表示）の接合面の端部のシリコンゲルにお
いて、最大電界となる。図７において高電界部として矢
印で示したこの端部の付近では、電気回路パターンのエ
ッチング残留による尖部や、脱法によって排除しきれな
かった残留ボイドが発生しやすいため、絶縁信頼性が劣
化しやすい。
ルにおける電界解析の結果を示す。絶縁基板とコレクタ
電極に接続された電気回路パターン（図７において、コ
レクタ電極と表示）の接合面の端部のシリコンゲルにお
いて、最大電界となる。図７において高電界部として矢
印で示したこの端部の付近では、電気回路パターンのエ
ッチング残留による尖部や、脱法によって排除しきれな
かった残留ボイドが発生しやすいため、絶縁信頼性が劣
化しやすい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
半導体パワーモジュールにおいては、電気回路パターン
と絶縁基板の接合端部に高い電界が発生し、電気回路パ
ターンのエッチング残留による尖部や、脱法によって排
除しきれなかった残留ボイドが発生しやすいことが、絶
縁耐量の向上を妨げている。単純には、絶縁基板を厚く
することで、半導体パワーモジュールの高電圧化は可能
であるが、その反面、半導体パワーモジュールの熱抵抗
が大きく増加してしまう。
半導体パワーモジュールにおいては、電気回路パターン
と絶縁基板の接合端部に高い電界が発生し、電気回路パ
ターンのエッチング残留による尖部や、脱法によって排
除しきれなかった残留ボイドが発生しやすいことが、絶
縁耐量の向上を妨げている。単純には、絶縁基板を厚く
することで、半導体パワーモジュールの高電圧化は可能
であるが、その反面、半導体パワーモジュールの熱抵抗
が大きく増加してしまう。
【０００５】半導体素子の使用可能な温度上限は決めら
れており、半導体パワーモジュールの熱抵抗の増加によ
る冷却能力の低下をカバーするため、冷却器を大型化し
て冷却能力を強化するか、半導体素子の通電容量を抑え
て発生損失を抑制しなければならない。どちらにして
も、半導体パワーモジュールで構成された電力変換器の
パワー密度は低下してしまう。
れており、半導体パワーモジュールの熱抵抗の増加によ
る冷却能力の低下をカバーするため、冷却器を大型化し
て冷却能力を強化するか、半導体素子の通電容量を抑え
て発生損失を抑制しなければならない。どちらにして
も、半導体パワーモジュールで構成された電力変換器の
パワー密度は低下してしまう。
【０００６】よって本発明は、熱抵抗を増加させること
なく、耐電圧を向上させた半導体パワーモジュール、お
よびこの半導体パワーモジュールで構成された電力変換
器を提供することを目的とする。
なく、耐電圧を向上させた半導体パワーモジュール、お
よびこの半導体パワーモジュールで構成された電力変換
器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体パワ
ーモジュールは、半導体素子が絶縁基板に設けられた電
気回路パターンの導体層に接合し、かつ絶縁基板が金属
基板に接合する半導体パワーモジュールにおいて、電気
回路パターンの導体層から見て、絶縁基板に接合した金
属基板である第１の金属基板の対称となる位置に、第２
の金属基板を配置したことを特徴とする。
ーモジュールは、半導体素子が絶縁基板に設けられた電
気回路パターンの導体層に接合し、かつ絶縁基板が金属
基板に接合する半導体パワーモジュールにおいて、電気
回路パターンの導体層から見て、絶縁基板に接合した金
属基板である第１の金属基板の対称となる位置に、第２
の金属基板を配置したことを特徴とする。
【０００８】このように、電気回路パターンの導体層か
ら見て、第１の金属基板（ベース基板）の対称となる位
置に、第２の金属基板を配置したことにより、最大電界
を緩和させ、絶縁能力を向上させることができる。
ら見て、第１の金属基板（ベース基板）の対称となる位
置に、第２の金属基板を配置したことにより、最大電界
を緩和させ、絶縁能力を向上させることができる。
【０００９】また、本発明に係る半導体パワーモジュー
ルは、半導体素子が絶縁基板に設けられた電気回路パタ
ーンの導体層に接合し、かつ絶縁基板が金属基板に接合
する半導体パワーモジュールにおいて、電気回路パター
ンの導体層から見て、絶縁基板に接合した金属基板であ
る第１の金属基板の対称となる位置に、所定の開口面を
有する第２の金属基板を配置したことを特徴とする。
ルは、半導体素子が絶縁基板に設けられた電気回路パタ
ーンの導体層に接合し、かつ絶縁基板が金属基板に接合
する半導体パワーモジュールにおいて、電気回路パター
ンの導体層から見て、絶縁基板に接合した金属基板であ
る第１の金属基板の対称となる位置に、所定の開口面を
有する第２の金属基板を配置したことを特徴とする。
【００１０】このように、電気回路パターンの導体層か
ら見て、第１の金属基板（ベース基板）の対称となる位
置に、所定の開口面を有する第２の金属基板を配置した
ことにより、最大電界を緩和させ、絶縁能力を向上させ
ることができるとともに、開口面を通して半導体素子と
のボンディングワイヤによる配線接続を行なうことがで
きる。
ら見て、第１の金属基板（ベース基板）の対称となる位
置に、所定の開口面を有する第２の金属基板を配置した
ことにより、最大電界を緩和させ、絶縁能力を向上させ
ることができるとともに、開口面を通して半導体素子と
のボンディングワイヤによる配線接続を行なうことがで
きる。
【００１１】また、本発明に係る電力変換器は、上記の
いずれかに該当する半導体パワーモジュールで構成され
たことを特徴とする。
いずれかに該当する半導体パワーモジュールで構成され
たことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
て、図面を参照して説明する。
【００１３】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係る半導体パワーモジュールの構成を示す
もので、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は主要部の断
面図である。図１において、半導体パワーモジュール５
は、半導体素子１と、絶縁基板２と、接地電極である第
１の金属基板（図では、接地電極と表示）４と、コレク
タ電極に接続された電気回路パターン（図では、コレク
タ電極と表示）３１と、コレクタ電極と同電位の第２の
金属基板（図では、コレクタ電極と表示）３２から構成
されている。
の実施形態に係る半導体パワーモジュールの構成を示す
もので、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は主要部の断
面図である。図１において、半導体パワーモジュール５
は、半導体素子１と、絶縁基板２と、接地電極である第
１の金属基板（図では、接地電極と表示）４と、コレク
タ電極に接続された電気回路パターン（図では、コレク
タ電極と表示）３１と、コレクタ電極と同電位の第２の
金属基板（図では、コレクタ電極と表示）３２から構成
されている。
【００１４】即ち、例えば電力変換器を構成する半導体
パワーモジュール５においては、半導体素子１が絶縁基
板２に設けられた電気回路パターン３１に接合し、絶縁
基板２は接続用の電気回路パターンを介して第１の金属
基板４に接合している。
パワーモジュール５においては、半導体素子１が絶縁基
板２に設けられた電気回路パターン３１に接合し、絶縁
基板２は接続用の電気回路パターンを介して第１の金属
基板４に接合している。
【００１５】そしてコレクタ電極に接続された電気回路
パターン３１から見て、接地電極である第１の金属基板
４の対称位置に、コレクタ電極と同電位の第２の金属基
板３２を配置することで、最大電界が緩和されて、絶縁
能力が向上している。このコレクタ電極と同電位の第２
の金属基板３２の配置は、完全対称である必要はなく、
ほぼ対称となる位置に存在すれば効果がある。
パターン３１から見て、接地電極である第１の金属基板
４の対称位置に、コレクタ電極と同電位の第２の金属基
板３２を配置することで、最大電界が緩和されて、絶縁
能力が向上している。このコレクタ電極と同電位の第２
の金属基板３２の配置は、完全対称である必要はなく、
ほぼ対称となる位置に存在すれば効果がある。
【００１６】この第１の実施形態の効果を示すため、図
２に電界解析の結果、図３にコレクタ電極に電圧１ｋＶ
を印加した際の絶縁基板２とシリコンゲル６の界面上の
最大電界強度に関して、絶縁基板２と第２の金属基板３
２との間隔距離による特性図を示す。図２から分かるよ
うに、絶縁基板２とコレクタ電極に接続された電気回路
パターン３１の接合面の端部付近は電界がほぼ均等にな
っており、図７の従来例のものに比して、最大電界が緩
和されている。また、図３に示すように、絶縁基板２の
厚さが０．５ｍｍの場合、第２の金属基板３２がほぼ対
称位置、即ち間隔距離Ｈが１ｍｍ前後の場合に最大電界
強度Ｅが低下している。
２に電界解析の結果、図３にコレクタ電極に電圧１ｋＶ
を印加した際の絶縁基板２とシリコンゲル６の界面上の
最大電界強度に関して、絶縁基板２と第２の金属基板３
２との間隔距離による特性図を示す。図２から分かるよ
うに、絶縁基板２とコレクタ電極に接続された電気回路
パターン３１の接合面の端部付近は電界がほぼ均等にな
っており、図７の従来例のものに比して、最大電界が緩
和されている。また、図３に示すように、絶縁基板２の
厚さが０．５ｍｍの場合、第２の金属基板３２がほぼ対
称位置、即ち間隔距離Ｈが１ｍｍ前後の場合に最大電界
強度Ｅが低下している。
【００１７】（第２の実施形態）図４は、本発明の第２
の実施形態に係る半導体パワーモジュールの構成を示す
もので、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は主要部の断
面図である。図４において、半導体パワーモジュール５
は、半導体素子１と、絶縁基板２と、接地電極である第
１の金属基板（図では、接地電極と表示）４と、コレク
タ電極に接続された電気回路パターン（図では、コレク
タ電極と表示）３１と、コレクタ電極と同電位の第２の
金属基板（図では、コレクタ電極と表示）３２から構成
されている。
の実施形態に係る半導体パワーモジュールの構成を示す
もので、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は主要部の断
面図である。図４において、半導体パワーモジュール５
は、半導体素子１と、絶縁基板２と、接地電極である第
１の金属基板（図では、接地電極と表示）４と、コレク
タ電極に接続された電気回路パターン（図では、コレク
タ電極と表示）３１と、コレクタ電極と同電位の第２の
金属基板（図では、コレクタ電極と表示）３２から構成
されている。
【００１８】即ち、例えば電力変換器を構成する半導体
パワーモジュール５においては、半導体素子１が絶縁基
板２に設けられた電気回路パターン３１に接合し、絶縁
基板２は接続用の電気回路パターンを介して第１の金属
基板４に接合している。
パワーモジュール５においては、半導体素子１が絶縁基
板２に設けられた電気回路パターン３１に接合し、絶縁
基板２は接続用の電気回路パターンを介して第１の金属
基板４に接合している。
【００１９】そしてコレクタ電極に接続された電気回路
パターン３１から見て、接地電極である第１の金属基板
４の対称位置に、所定の開口面を有し、コレクタ電極と
同電位の第２の金属基板３２を配置している。図示のも
のは、第２の金属基板３２の開口面の大きさが、電気回
路パターン３１の外周の投射面以上である場合を示して
いる。このようにコレクタ電極に接続された電気回路パ
ターン３１から見て、接地電極である第１の金属基板４
の対称位置で、かつ電気回路パターン３１の外周の投射
面より外側の位置に、コレクタ電極と同電位の第２の金
属基板３２を配置することで、最大電界が緩和されて、
絶縁能力が向上している。このコレクタ電極と同電位の
第２の金属基板３２の配置は、電気回路パターン３１の
外周の投射面に一致する必要はなく、その外側となる位
置に存在すれば効果がある。
パターン３１から見て、接地電極である第１の金属基板
４の対称位置に、所定の開口面を有し、コレクタ電極と
同電位の第２の金属基板３２を配置している。図示のも
のは、第２の金属基板３２の開口面の大きさが、電気回
路パターン３１の外周の投射面以上である場合を示して
いる。このようにコレクタ電極に接続された電気回路パ
ターン３１から見て、接地電極である第１の金属基板４
の対称位置で、かつ電気回路パターン３１の外周の投射
面より外側の位置に、コレクタ電極と同電位の第２の金
属基板３２を配置することで、最大電界が緩和されて、
絶縁能力が向上している。このコレクタ電極と同電位の
第２の金属基板３２の配置は、電気回路パターン３１の
外周の投射面に一致する必要はなく、その外側となる位
置に存在すれば効果がある。
【００２０】この第２の実施形態の効果を示すため、図
５に電界解析の結果、図６にコレクタ電極に電圧１ｋＶ
を印加した際の絶縁基板２とシリコンゲル６の界面上の
最大電界強度に関して、電気回路パターン３１の外周の
投射面と第２の金属基板３２との間隔距離による特性図
を示す。図５から分かるように、絶縁基板２とコレクタ
電極に接続された電気回路パターン３１の接合面の端部
付近は電界がほぼ均等になっており、図７の従来例のも
のに比して、最大電界が緩和されている。また、図６に
示すように、電気回路パターン３１の外周の投射面と、
第２の金属基板３２との間隔距離Ｗが０〜２ｍｍ位まで
の範囲で最大電界強度Ｅが低下している。
５に電界解析の結果、図６にコレクタ電極に電圧１ｋＶ
を印加した際の絶縁基板２とシリコンゲル６の界面上の
最大電界強度に関して、電気回路パターン３１の外周の
投射面と第２の金属基板３２との間隔距離による特性図
を示す。図５から分かるように、絶縁基板２とコレクタ
電極に接続された電気回路パターン３１の接合面の端部
付近は電界がほぼ均等になっており、図７の従来例のも
のに比して、最大電界が緩和されている。また、図６に
示すように、電気回路パターン３１の外周の投射面と、
第２の金属基板３２との間隔距離Ｗが０〜２ｍｍ位まで
の範囲で最大電界強度Ｅが低下している。
【００２１】また、上記のように、コレクタ電極と同電
位の第２の金属基板３２において投射面が開いて開口面
を形成しているため、この開口面を通して、半導体素子
１とのボンディングワイヤによる配線接続や、真空脱法
によるボイド除去を簡易に行なうことができる。
位の第２の金属基板３２において投射面が開いて開口面
を形成しているため、この開口面を通して、半導体素子
１とのボンディングワイヤによる配線接続や、真空脱法
によるボイド除去を簡易に行なうことができる。
【００２２】なお、上述の説明では、第２の金属基板３
２の開口面の大きさが、電気回路パターン３１の外周の
投射面以上である場合について述べたが、第２の金属基
板３２の開口面の大きさは、電気回路パターン３１の外
周の投射面より小さくてもよい。
２の開口面の大きさが、電気回路パターン３１の外周の
投射面以上である場合について述べたが、第２の金属基
板３２の開口面の大きさは、電気回路パターン３１の外
周の投射面より小さくてもよい。
【００２３】（その他の実施形態）また、上述の第１ま
たは第２の実施形態において、コレクタ電極と同電位の
第２の金属基板３２が主回路の配線導体、あるいはゲー
ト回路基板の配線パターンの一部を兼ねることができれ
ば、配線の幅広化に伴って、パッケージ内部配線の低イ
ンダクタンス化も同時に達成できる。
たは第２の実施形態において、コレクタ電極と同電位の
第２の金属基板３２が主回路の配線導体、あるいはゲー
ト回路基板の配線パターンの一部を兼ねることができれ
ば、配線の幅広化に伴って、パッケージ内部配線の低イ
ンダクタンス化も同時に達成できる。
【００２４】なお、上述の第１または第２の実施形態で
は、エミッタ電極に高電圧が印加されないで、コレクタ
電極にのみ電圧が印加される場合について説明したが、
エミッタ電極に高電圧が印加される場合にも、同様の考
えを適用して実施することができる。
は、エミッタ電極に高電圧が印加されないで、コレクタ
電極にのみ電圧が印加される場合について説明したが、
エミッタ電極に高電圧が印加される場合にも、同様の考
えを適用して実施することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体パ
ワーモジュールによれば、半導体パワーモジュールの熱
抵抗を増加させることなく、耐電圧を向上することがで
きる。逆に半導体パワーモジュールの耐電圧が同じであ
れば、熱抵抗を減少することができ、その結果、電力変
換器のパワー密度向上が可能となる。
ワーモジュールによれば、半導体パワーモジュールの熱
抵抗を増加させることなく、耐電圧を向上することがで
きる。逆に半導体パワーモジュールの耐電圧が同じであ
れば、熱抵抗を減少することができ、その結果、電力変
換器のパワー密度向上が可能となる。
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る半導体パワー
モジュールの構成を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は主要部の断面図。
モジュールの構成を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は主要部の断面図。
【図２】 第１の実施形態の効果を示すための電界解析
の結果を示す図。
の結果を示す図。
【図３】 第１の実施形態の効果を示すための、最大電
界強度に関して、絶縁基板と第２の金属基板との間隔距
離による特性を示す図。
界強度に関して、絶縁基板と第２の金属基板との間隔距
離による特性を示す図。
【図４】 本発明の第２の実施形態に係る半導体パワー
モジュールの構成を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は主要部の断面図。
モジュールの構成を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）
は主要部の断面図。
【図５】 第２の実施形態の効果を示すための電界解析
の結果を示す図。
の結果を示す図。
【図６】 第２の実施形態の効果を示すための、最大電
界強度に関して、電気回路パターンの外周の投射面と第
２の金属基板との間隔距離による特性を示す図。
界強度に関して、電気回路パターンの外周の投射面と第
２の金属基板との間隔距離による特性を示す図。
【図７】 従来例における電界解析の結果を示す図。
１…半導体素子
２…絶縁基板
４…接地電極である第１の金属基板
５…半導体パワーモジュール
６…シリコンゲル
３１…コレクタ電極に接続された電気回路パターン
３２…コレクタ電極と同電位の第２の金属基板
Claims (5)
- 【請求項１】半導体素子が絶縁基板に設けられた電気回
路パターンの導体層に接合し、かつ絶縁基板が金属基板
に接合する半導体パワーモジュールにおいて、電気回路
パターンの導体層から見て、絶縁基板に接合した金属基
板である第１の金属基板の対称となる位置に、第２の金
属基板を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュ
ール。 - 【請求項２】半導体素子が絶縁基板に設けられた電気回
路パターンの導体層に接合し、かつ絶縁基板が金属基板
に接合する半導体パワーモジュールにおいて、電気回路
パターンの導体層から見て、絶縁基板に接合した金属基
板である第１の金属基板の対称となる位置に、所定の開
口面を有する第２の金属基板を配置したことを特徴とす
る半導体パワーモジュール。 - 【請求項３】前記第２の金属基板が、主回路の配線導体
を兼ねることを特徴とする請求項１または請求項２に記
載の半導体パワーモジュール。 - 【請求項４】前記第２の金属基板が、ゲート回路基板の
配線パターンの一部を兼ねることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の半導体パワーモジュール。 - 【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の
半導体パワーモジュールで構成されたことを特徴とする
電力変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001276531A JP2003086763A (ja) | 2001-09-12 | 2001-09-12 | 半導体パワーモジュール及び電力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001276531A JP2003086763A (ja) | 2001-09-12 | 2001-09-12 | 半導体パワーモジュール及び電力変換器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003086763A true JP2003086763A (ja) | 2003-03-20 |
Family
ID=19101213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001276531A Pending JP2003086763A (ja) | 2001-09-12 | 2001-09-12 | 半導体パワーモジュール及び電力変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003086763A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106057744A (zh) * | 2015-04-01 | 2016-10-26 | 富士电机株式会社 | 半导体模块 |
-
2001
- 2001-09-12 JP JP2001276531A patent/JP2003086763A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106057744A (zh) * | 2015-04-01 | 2016-10-26 | 富士电机株式会社 | 半导体模块 |
| JP2016195206A (ja) * | 2015-04-01 | 2016-11-17 | 富士電機株式会社 | 半導体モジュール |
| CN106057744B (zh) * | 2015-04-01 | 2020-05-15 | 富士电机株式会社 | 半导体模块 |
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