JP2006166509A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はパワー半導体装置に関し、特に、水冷ブロック一体型のパワー半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a water-cooled block integrated power semiconductor device.
従来、複数のパワーモジュールを含むパワー半導体装置では、平坦な冷却板の上に複数のパワーモジュールを並置するとともに、各パワーモジュールに、制御基板、主回路基板を接続していた(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、例えば10個のパワーモジュールを使用する場合のようにパワーモジュールが多くなると、パワーモジュールが配置される冷却板の面積が大きくなるとともに、制御基板、主回路基板も大きくなり、パワー半導体装置が大型化するという問題があった。 However, when the number of power modules increases, for example, when 10 power modules are used, the area of the cooling plate on which the power modules are arranged increases, and the control board and main circuit board also increase. There was a problem of increasing the size.
また、制御基板、主回路基板が大きくなることは、それぞれの基板に設けられた配線の引回し距離の増大につながり、特に、主回路基板に形成された閉回路では、配線の引回し距離が大きくなると閉回路のインダクタンスが大きくなり、パワー半導体装置のスイッチング時に大きなサージ電圧が発生し、パワー半導体装置のスイッチング損失が増えたり、耐電圧の高いパワーチップを用いる必要が生じるという問題もあった。 In addition, an increase in the size of the control board and the main circuit board leads to an increase in the routing distance of the wirings provided on the respective boards. In particular, in the closed circuit formed on the main circuit board, the wiring routing distance is increased. When it is increased, the inductance of the closed circuit is increased, and a large surge voltage is generated at the time of switching of the power semiconductor device, so that there is a problem that the switching loss of the power semiconductor device increases or a power chip having a high withstand voltage needs to be used.
特に、パワーモジュールの主端子と主回路基板とをボルトとナットで固定する場合、固定のための空間的なマージンが必要となり、主端子を長くする必要が生じ、インダクタンスが大きくなってサージ電圧が大きくなるという問題があった。 In particular, when the main terminal of the power module and the main circuit board are fixed with bolts and nuts, a space margin for fixing is required, the main terminal needs to be lengthened, the inductance increases, and the surge voltage is increased. There was a problem of getting bigger.
そこで、本発明は、パワーモジュールを含むパワー半導体装置において、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power semiconductor device including a power module, which can reduce the surge voltage and can be miniaturized.
本発明は、冷却面を備えた水冷ブロックと、冷却面上に配置され、パワー半導体素子を含む封止樹脂と、封止樹脂の第1側面から突出した主端子と、第1側面に対して略平行な第2側面から突出した制御端子とを備えたパワーモジュールと、パワーモジュールを挟んで配置された1対の主回路基板と制御端子であって、主端子に接続された主回路基板と制御端子に接続された制御基板とを含み、主端子が、冷却面に略平行な第1領域と、主回路基板と略同一平面となるように該第1領域から角度(曲げ角)θだけ屈曲した第2領域からなり、主回路基板と第2領域とが、これらを貫通するボルトとナットにより固定されたことを特徴とするパワー半導体装置である。 The present invention relates to a water cooling block having a cooling surface, a sealing resin disposed on the cooling surface and including a power semiconductor element, a main terminal protruding from the first side surface of the sealing resin, and a first side surface. A power module having a control terminal projecting from a substantially parallel second side surface, a pair of main circuit boards and a control terminal arranged across the power module, the main circuit board connected to the main terminal; And a control board connected to the control terminal, the main terminal being substantially parallel to the cooling surface, and an angle (bending angle) θ from the first area so as to be substantially flush with the main circuit board. A power semiconductor device comprising a bent second region, wherein the main circuit board and the second region are fixed by bolts and nuts penetrating them.
以上のように、本発明にかかるパワー半導体装置では、インダクタンスが小さくでき、サージ電圧が小さくかつ小型化が可能なパワー半導体装置を提供することができる。 As described above, the power semiconductor device according to the present invention can provide a power semiconductor device in which the inductance can be reduced, the surge voltage can be reduced, and the size can be reduced.
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, “top”, “bottom”, “left”, “right” and names including these terms are used as appropriate, but these directions facilitate understanding of the invention with reference to the drawings. Therefore, a mode in which the embodiment is inverted upside down or rotated in an arbitrary direction is naturally included in the technical scope of the present invention.
実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかるパワー半導体装置の概略図である。
パワー半導体装置100は、水冷ブロック10を含む。水冷ブロック10は、例えばPPS(Polyphenylene Sulfide)、エポキシ樹脂、Al2O3等のセラミックからなる。水冷ブロック10の冷却面12には冷媒の流路11が設けられている。冷却面12の上には、パワーモジュール20が配置され、水冷ブロック10とパワーモジュール20とがサブモジュール40を構成している。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, the whole being represented by 100.
The
図2は、パワーモジュール20の断面図である。パワーモジュール20は、例えば銅からなる放熱板21を含む。放熱板21の上には、例えば半田22によりパワー半導体素子23が固定されている。パワー半導体素子23は、例えば、IGBT、パワーFET、ダイオード等からなる。更にパワーモジュール20は、パワー半導体素子23とアルミニウム等の金属ワイヤや金属リード26で接続された主端子24および制御端子25を含む。主端子24、制御端子25は、例えば銅からなり、パワーモジュール20の対向する側面にそれぞれ設けられている。パワー半導体素子23等は、例えばエポキシ樹脂からなる封止樹脂27により封止されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
図3は、パワー半導体装置100に用いられる他のパワーモジュール30の断面図である。図3中、図2と同一符号は同一又は相当箇所を示す。パワーモジュール30は、放熱板21の裏面に、例えば厚み100μmの銅箔からなる保護膜29で覆われた絶縁層28が取り付けられている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of another
また、図4は、パワー半導体装置100に用いられる他の水冷ブロック15の断面図である(パワーモジュール20を含む)。水冷ブロック15には、冷却液の入口16、出口17が設けられており、パワーモジュール20の裏面と水冷ブロック15とで形成されるダクト部17に接続されている。入口16からダクト部17を通って出口18に冷却液を流すことにより、パワーモジュール20からの熱を奪い、ラジエータ等の熱交換器(図示せず)に輸送する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of another
本実施の形態にかかるパワー半導体装置100では、バスバー基板からなる主回路基板50と、制御基板60とが略平行に配置され、その間に複数のサブモジュール40が階段状に配置されている。サブモジュール40の水冷ブロック10には、傾斜面13が設けられ、傾斜面13に沿って主端子24が折り曲げられている。傾斜面13には凹部14が設けられ、ナット52がはめ込まれている。主端子24には孔部53が設けられており、主回路基板50と孔部53とを貫通するボルト51と、ナット52により、主端子24が主回路基板50に固定される。なお、ボルト51とナット52は、水冷ブロック10の流路11と干渉しない位置に配置されている。
In the
一方、制御端子25は、制御基板60に略垂直となるように折り曲げられ、制御基板60を貫通した状態で固定されている。
On the other hand, the
一般に、パワー半導体装置では大電流をスイッチング動作させるが、このとき電気回路のインダクタンスが大きいと、スイッチングした時のサージ電圧が大きくなってしまう。サージ電圧が大きくなると、かかるサージ電圧によるパワー半導体素子の破壊が問題となるため、パワー半導体素子の耐電圧レベルを大きくする必要が生じる。この結果、パワー半導体素子のガードリングの幅を大きくしたり、チップの厚みを大きくしたりする必要が生じ、パワー半導体素子が大きくなってしまう。 Generally, in a power semiconductor device, a large current is switched, but if the inductance of the electric circuit is large at this time, the surge voltage at the time of switching becomes large. When the surge voltage increases, the breakdown of the power semiconductor element due to the surge voltage becomes a problem, so that the withstand voltage level of the power semiconductor element needs to be increased. As a result, it is necessary to increase the width of the guard ring of the power semiconductor element or increase the thickness of the chip, and the power semiconductor element becomes large.
また、サージ電圧が大きくなると、スイッチング時のスイッチング損失が大きくなり、パワー半導体装置の発熱量が大きくなるという問題がある。このような問題点を解決するために、パワー半導体装置の有するインダクタンスは、小さいほうが好ましい。 Further, when the surge voltage increases, there is a problem that switching loss at the time of switching increases and the amount of heat generated by the power semiconductor device increases. In order to solve such a problem, the power semiconductor device preferably has a small inductance.
ここで、例えば、パワーモジュール20の主端子24(P端子およびN端子)から平滑コンデンサ(図示しない)までの距離が大きいとインダクタンスが大きくなる。主回路基板50を構成するバスバーは、通常、平行平板と呼ばれる、絶縁層を挟んでPの導波路とNの導波路が対向配置された配線構造からなる。かかる配線構造では、配線の引き回し距離が大きくなってもインダクタンスはほとんど増大しない。
Here, for example, when the distance from the main terminal 24 (P terminal and N terminal) of the
このため、平滑コンデンサに接続された回路のインダクタンスを小さくするためには、主回路基板50のバスバーに接続されるパワーモジュールの主端子24を短くすることが有効である。具体的には、パワーモジュール20の封止樹脂27から外部に露出した主端子24の根元部分を、バスバーに近づけることが望ましい。
For this reason, in order to reduce the inductance of the circuit connected to the smoothing capacitor, it is effective to shorten the
ここで、複数のサブモジュール40を階段状にずらさずに、同一平面上に並べた場合、主端子24を主回路基板50に接続するには、主端子24をサブモジュール40の上面よりも高い位置まで延ばす必要があり、本実施の形態にかかるパワー半導体装置100より主端子24が長くなり、インダクタンスが増加する。
Here, when the plurality of
また、複数のサブモジュール40を階段状にずらさずに、縦に重ねた場合、ナット部分とサブモジュール40との間に干渉を避けるために、主端子24を長くするか、又は水冷ブロックとパワー半導体装置を主端子24と反対側にずらす必要が生じ、その結果、インダクタンスが増加する。
Further, when the plurality of
このように、本発明にかかるパワー半導体装置100では、複数のサブモジュール40を階段状に配置し、階段の傾斜方向と略平行に主端子を折り曲げるとともに、制御端子を階段の傾斜方向と垂直に曲げる構成とすることにより、インダクタンスが小さくかつ組み立てやすい、小型のパワー半導体装置が得られる。
Thus, in the
また、サブモジュール40を同一平面上に配置した場合よりも制御基板60の面積も小さくできる。
Further, the area of the
図5は、主端子24の曲げ角θが異なるサブモジュール40の概略図である。図5中、図1、2と同一符号は同一又は相当箇所を示す。また、図6は、曲げ角θと、主端子24のネジ孔からパワーチップ23までの距離の関係である。
FIG. 5 is a schematic view of the
サブモジュール40の主端子24に主回路基板(図示せず)を、ボルト51とナット52で固定するためには、主端子24を曲げて、主回路基板とサブモジュール40とが接触しないようにする必要がある。また、パワー半導体装置のインダクタンスを小さくするためには、主回路基板と主端子24との接続部、即ち主端子24に設けられたネジ孔からパワー半導体装置23までの距離を小さくする必要がある。
In order to fix a main circuit board (not shown) to the
図5では、パワーモジュール20の側面から突出した主端子24を、封止樹脂27の近傍で、曲げ角(主端子24の突出方向に対する角度)θだけ下方に曲げている。主端子24の曲げ位置は、ナット24が取り付けられる領域を考慮して決定される。
曲げ角θが大きいほど、主回路基板が取り付け易くなる一方、ボルト51やナット52と、サブモジュール40との間の距離が小さくなる。両者の間の距離は、所定の絶縁距離以上とすることが好ましい。
In FIG. 5, the
The larger the bending angle θ, the easier the main circuit board can be attached, while the distance between the
図5(a)に示すように、曲げ角θが大きい場合(例えばθ=80)、ナット52やボルト51の先端部はパワーモジュール20の下部に回り込む。この結果、ボルト51の先端部と水冷ブロック10との間の絶縁距離a’を確保するためには、水冷ブロック10を右の方向に移動させる必要がある。この結果、水冷ブロック10に設けられた流路も右に移動し、パワー半導体素子23の位置も流路の移動に伴って右に移動する。この結果、主端子24に設けられたネジ孔からパワー半導体装置23までの距離が大きくなる(図6のA参照)。
As shown in FIG. 5A, when the bending angle θ is large (for example, θ = 80), the tips of the
図5(b)に示すように、曲げ角θが中程度の場合(例えばθ=50)、主回路基板も取り付け易くなるとともに、絶縁距離b、b’も確保できる。この結果、主端子24に設けられたネジ孔からパワー半導体装置23までの距離を小さくできる(図6のB参照)。
As shown in FIG. 5B, when the bending angle θ is medium (for example, θ = 50), the main circuit board can be easily attached and the insulation distances b and b ′ can be secured. As a result, the distance from the screw hole provided in the
図5(c)に示すように、曲げ角θが小さい場合(例えばθ=18)、絶縁距離は容易に確保できるが、主回路基板とパワーモジュール20との接触を避けるために、主端子24を一端上方に折り曲げた後に、曲げ角θを確保するために、再度折り曲げる必要がある。この結果、主端子24に設けられたネジ孔からパワー半導体装置23までの距離が大きくなる(図6のC参照)。
As shown in FIG. 5C, when the bending angle θ is small (for example, θ = 18), the insulation distance can be easily secured, but in order to avoid contact between the main circuit board and the
以上に説明したように、曲げ角θ=80の場合(図6のA)に比較して、曲げ角θ=50とした場合(図6のB)、主端子24に設けられたネジ孔からパワー半導体装置23までの距離が、約20%短縮することができる。この結果、かかる配線に発生するインダクタンスを低減することが可能となる。実際には、曲げ角θは、40°から60°の範囲で用いることで、インダクタンスを低減できる。
As described above, when the bending angle θ = 50 (B in FIG. 6) compared to the bending angle θ = 80 (A in FIG. 6), the screw hole provided in the
なお、本実施の形態1では、複数のサブモジュール40が、主回路基板50と制御基板60との間に階段状に配置された構造について説明したが、サブモジュール40は1つであっても良い。
In the first embodiment, the structure in which the plurality of
実施の形態2.
図7は、全体が200で表される、本発明の実施の形態2にかかるパワー半導体装置の概略図である。図7中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram of a power semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the whole being represented by 200. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
パワー半導体装置200では、サブモジュール40が1つだけであり、パワーモジュール20の側面に対して垂直に制御端子25が形成され、かかる制御端子25に略直交するように制御基板60が設けられている。制御基板60は、水冷ブロック40の側面に固定されても良い。
In the
実施の形態3.
図8は、全体が300で表される、本発明の実施の形態3にかかるパワー半導体装置の概略図である。図8中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram of the power semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the whole being represented by 300. 8, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
パワー半導体装置300では、水冷ジャケット10にナット52を収納しない構造となっている。他の構造は、図1に示したパワー半導体装置100と同様である。
The
10 水冷ブロック、11 流路、12 冷却面、13 傾斜面、14 凹部、20 パワーモジュール、24 主端子、25 制御端子、40 サブモジュール、50 主回路基板、51 ボルト、52 ナット、53 孔部、60 制御基板、100 パワー半導体装置。
10 water cooling block, 11 flow path, 12 cooling surface, 13 inclined surface, 14 recess, 20 power module, 24 main terminal, 25 control terminal, 40 submodule, 50 main circuit board, 51 bolt, 52 nut, 53 hole, 60 control board, 100 power semiconductor device.
Claims (8)
該冷却面上に配置され、パワー半導体素子を含む封止樹脂と、該封止樹脂の第1側面から突出した主端子と、該第1側面に対して略平行な第2側面から突出した制御端子とを備えたパワーモジュールと、
該パワーモジュールを挟んで配置された1対の主回路基板と制御端子であって、該主端子に接続された主回路基板と該制御端子に接続された制御基板とを含み、
該主端子が、該冷却面に略平行な第1領域と、該主回路基板と略同一平面となるように該第1領域から角度θだけ屈曲した第2領域からなり、
該主回路基板と該第2領域とが、これらを貫通するボルトとナットにより固定されたことを特徴とするパワー半導体装置。 A water cooling block with a cooling surface;
A sealing resin disposed on the cooling surface and including a power semiconductor element, a main terminal protruding from the first side surface of the sealing resin, and a control protruding from a second side surface substantially parallel to the first side surface A power module with terminals,
A pair of main circuit boards and control terminals arranged across the power module, the main circuit board connected to the main terminals, and a control board connected to the control terminals,
The main terminal comprises a first region substantially parallel to the cooling surface and a second region bent by an angle θ from the first region so as to be substantially flush with the main circuit board;
The power semiconductor device, wherein the main circuit board and the second region are fixed by bolts and nuts penetrating them.
The power semiconductor device according to claim 1, wherein the angle θ is approximately 50 ° or less.
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- 2004-12-03 JP JP2004350636A patent/JP2006166509A/en active Pending
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JP2013016606A (en) * | 2011-07-04 | 2013-01-24 | Daikin Ind Ltd | Cooling structure of power module |
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