JP2014056920A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 配線数を少なく、ビームリードの温度上昇を抑制し、製造コストの増大を抑えることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】
半導体装置は、上アーム10および下アーム11を、それぞれ複数のパワー素子1a〜1dと複数の整流素子2a〜2dとを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、この片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリード3a〜3dで流す。片方のアームのパワー素子1a、1b（1c、1d）の一部と整流素子2a、2b(2c、2d)の一部とをペアとして、このペアを共通のビームリード3a〜3dで接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー素子と整流素子を有するパワー・モジュールにおいて素子をビームリードで配線する半導体装置に関する。
従来の上記のような半導体装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この従来の半導体装置は、正極側回路と負極側回路からなる対アーム構成を有する。複数の第１半導体（パワー半導体）の裏面に第１金属ブロック、複数の第２半導体（整流素子）の裏面に第２金属ブロックがそれぞれ接続され、第１、第２半導体素子表面と第１、第２金属ブロックとがリードフレームで接続される。第１、第２金属ブロックは、主電流が流れる主電極の一部を構成する。第１、第２半導体素子と第１、第２金属ブロックとリードフレームとは、一体に筐体にて覆われる。筐体内部においてリードフレームから構成される主電極および制御用電極が、第１、第２半導体素子および第１、第２金属ブロックへの接続部分を除き、ほぼ同一平面上に配置される。
特開２００４−２２９６０号公報
しかしながら、上記従来の半導体装置には、以下に説明するような問題がある。
上記従来の半導体装置にあっては、たとえば図２に示すように、正極側入力端子P、負極側入力端子N、出力端子Oを備え、かつ、上下アームの各々に、絶縁ゲート・バイポーラ方トランジスタ（IGBT: Insulated gate bipolar transistor）および回流ダイオード（FWD：Free Wheeling Diode）を２個ずつ用いている。
このように２チップ並列接続のパワー・モジュールをビームリードで配線する場合、基本的に下記の二つの方法がある。
以下、それらの方法で構成した半導体装置のレイアウトをそれぞれ図３、図４に示す。なお、これらの図中、実線での矢印は、IGBT動作時の電流の向きを、また点線での矢印は、FWD動作時の電流の向きを、それぞれ示している。
まず、１つ目の方法では、図３に示すように、２チップ１組で配列したIGBTを、それぞれ個別のビームリードにより接続する場合である。
同図に示すように、上側アームでは、絶縁基板100上の正極側パターン上に固着されたIGBT101a、101bおよびダイオード102a、102ｂの各素子は、絶縁基板100上の出力極側パターン104cに、それぞれ独立したビームリード103a〜103dにより、個別に接続される。
一方、下アームでは、出力極側パターン104c上に固着されたIGBT101c、101dおよびダイオード102c、102dの各素子は、絶縁基板100上に設けた負極側パターン104bに、それぞれ独立したビームリード103e〜103hにより、個別により接続される。
なお、正極側入力端子Pは、絶縁基板100の一端側で正極側パターン104aに接続され、負極側入力端子Nは絶縁基板100の同じく一端側で負極側パターン104bに接続され、出力端子Oは絶縁基板100の他端側で出力極側パターン104cに接続される。
このように、各素子を個別のビームリードでそれぞれ個別に配線すると、配線数、および制作工程が多くなってしまい、製造コストが増えてしまうといった問題がある。
２つ目の方法では、図４に示すように、各素子とパターンとの間の接続は、上記図３のものと同じであるが、ビームリードの配線方法が異なる。
すなわち、上アームでは、正極側パターン104a上に２チップ１組としてIGBT101a、101bがまとめられ、出力極側パターン104cにビームリード103iにより接続される。また同じく正極側パターン104c上にチップ１組としてまとめられたダイオード102a、102bが、出力極側パターン104cにビームリード103jにより接続される。
一方、下アームでは、出力極側パターン104c上に２チップ１組としてIGBT101c、101dがまとめられ、負極側パターン104bにビームリード100kにより接続される。また、同じく出力極側パターン104c上に２チップ１組としてダイオード102c、102dがまとめられ、負極側パターン104bにビームリード103lにより接続される。
しかしながら、このような構成にあっては、同じビームリードで接続されている複数のIGBTやダイオードに同時に電流が流れるので、この高電流量によりビームリードが高温になってしまうといった問題がある。
これを避けるには、ビームリードを太くせざるを得ず、制作コストが増えてしまうといった問題がある。
本発明は、上記問題にかんがみなされたもので、上アームと下アームとをそれぞれ複数のパワー素子と複数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールの上記素子をビームリードで配線するようにした半導体装置において、その配線数を少なくしながらビームリードの温度上昇を抑制して、製造コストの増大を抑えることができるようにした半導体装置を提供することにある。
この目的のため、請求項１に記載の本発明による半導体装置は、
上アームおよび下アームを、それぞれ複数のパワー素子と複数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、このパワー・モジュールの片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリードで流すようにした半導体装置であって、
片方のアームのパワー素子の一部と整流素子の一部とをペアとして、このペアを共通のビームリードで接続した、
ことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明の半導体装置は、
上アームおよび下アームを、それぞれ複数のパワー素子とこのパワー素子と同数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、このパワー・モジュールの片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリードで流すようにし半半導体装置であって、
片方のアームのパワー素子の一部とこれと同数の整流素子とをペアとして、このペアを共通のビームリードで接続した、
ことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明の半導体装置は、
上アームおよび下アームを、それぞれ２チップのパワー素子と２チップの整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、このパワー・モジュールの片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリードで流すようにした半導体装置であって、
片方のアームの１つのパワー素子と１つの整流素子とをペアとして、このペアを共通のビームリードで接続した、
ことを特徴とする。
請求項１に記載の本発明の半導体装置にあっては、上アームおよび下アームを、それぞれ複数のパワー素子と複数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールの片方のアームの電流を複数に分けて配線したビームリードで流すようにした半導体装置であって、片方のアームを構成パワー素子の一部および整流素子の一部をペアとしてこれを共通のビームリードで接続したので、そのペアとなる素子同士は同時にONとなることがない。
この結果、ビームリードを流れる最大電流量を小さくすることができる。
したがって、配線数を少なくしながらビームリードの温度上昇を抑制することができ、この結果、製造コストの増大を抑えることができる。
請求項２に記載の本発明の半導体装置にあっては、上アームおよび下アームを、それぞれ複数のパワー素子とこのパワー素子と同数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールの片方のアームの電流を複数に分けて配線したビームリードで流す半導体装置であって、片方のアームのパワー素子の一部とこれと同数の整流素子とをペアとして、このペアを共通のビームリードで接続したので、そのペアとなる素子同士は同時にONとなることがない。
この結果、ビームリードを流れる最大電流量を小さくでき、同数のパワー素子と整流素子ではほぼ同じ電流量が流れることとなり、ビームリード間で電流が偏らないようにすることができる。
したがって、配線数を少なくしながらビームリードの温度上昇を抑制することができ、この結果、製造コストの増大を抑えることができる。
請求項３に記載の本発明の半導体装置にあっては、上アームおよび下アームを、それぞれ２チップのパワー素子と２チップの整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールの片方のアームの電流を２つに分けて配線したビームリードで流す半導体装置であって、片方のアームの１つのパワー素子と１つの整流素子とをペアとして、このペアを共通のビームリードで接続したので、そのペアとなる素子同士は同時にONとなることがない。
この結果、ビームリードを流れる最大電流量を小さくできる上、ビームリード間で電流が偏らないようにすることができ、
したがって、上記２チップのような構成のパワー・モジュールにおいても、配線数を少なくしながらビームリードの温度上昇を抑制することができ、この結果、製造コストの増大を抑えることができる。
本発明の実施例１の半導体装置におけるパワー素子や整流素子等のレイアウトおよび、その電流の流れを示す図である。 従来技術にあって２チップ１組のパワー素子をそれぞれ個別のビームリードで接続した場合のインバータを構成する半導体装置の回路図である。 従来技術にあって２チップ１組のパワー素子をそれぞれ個別のビームリードで接続した場合のレイアウトと電流の向きを示す図である。 従来技術にあって２チップ１組のパワー素子をまとめて１つのビームリードで接続した場合のレイアウトと電流の向きを示す図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
まず、実施例１の半導体装置の全体構成を説明する。
この実施例１の半導体装置は、たとえば電気自動車に搭載される走行用の電気モータへ供給する電力を制御するインバータに用いられる。
実施例１の半導体装置も、図１に示すように、上アーム10が２個のIGBT1a、1bと２個のダイオード2a、2bとの並列接続で構成され、下アーム11が２個のIGBT1c、1dと２個のダイオード2c、2dとの並列接続で構成されており、上記インバータの一部である。
絶縁基板5の上には、同図中の右側に通電可能な金属で構成された長方形状の正極側パターン4aと、同図中の左上からほぼ中央近くまで水平方向に延び、ここで下方へ曲がって垂直下方に向かう逆L字状で、通電可能な金属で構成された負極側パターン4bと、同図中ほぼ中央位置で同図中上端から下端に向けて延び、ここから左側へ曲がって左端まで水平方向に延び、左下端から垂直上昇して負極側パターン4b近くまで延びるＵ字状で、通電可能な金属で構成された出力極側パターン4cと、が固着されている。
なお、絶縁基板5の一端側（同図中、上端側）には正極入力端子Pが設けられて正極側パターン4aに接続され、また絶縁基板5の同じく一端側には負極入力端子Nが設けられて負極側パターン4ｂに接続されるとともに、絶縁基板5の他端側（同図中、下端側）には出力端子Oが設けられて出力極側パターン4cに接続される。
上アーム側では、IGBT1aとダイオード2aとがペアとなって、IGBT1aのコレクタ側およびダイオード2aのカソード側が、絶縁基板5上に設けた正極側パターン4a上に固着されるとともに、そのIGBT1aのエミッタ側およびそのダイオード2aのアノード側が、ビームリード3aの一端側で互いに連結されてまとめられ、ビームリード3aの他端側が絶縁基板5上に設けた出力極側パターン4cに接続されて、これらがビームリード3aで互いに通電可能となるようにされている。
同様に、上アームのIGBT1bとダイオード2bとが別のペアとなって、IGBT1bのコレクタ側とダイオード2bのカソード側とが正極側パターン4a上に固着されるとともに、そのIGBT1bのエミッタ側およびそのダイオード2bのアノード側がまとめられてビームリード3bの一端側で互いに連結され、ビームリード3bの他端側が出力極側パターン4cに接続されて、これらがビームリード3bで互いに通電可能となるようにされている。
一方、下アームでは、IGBT1c とダイオード2cとがペアとなって、IGBT1cのコレクタ側とダイオード2cのカソード側が、出力極側パターン4cに固着されるとともに、そのIGBT1cのエミッタ側とそのダイオード2cのアノード側とがビームリード3cの一端側に互いに連結されてまとめられ、ビームリード3cの他端側が絶縁基板5上に設けた負極側パターン4bに接続されて、これらがビームリード3cで互いに通電可能となるようにされている。
同様に、下アームのIGBT1dとダイオード2dとが別のペアとなって、IGBT1dのコレクタ側とダイオード2dのカソード側とが出力極側パターン4c上に固着されるとともに、そのIGBT1dのエミッタ側およびそのダイオード2dのアノード側は、まとめられてビームリード3dの一端側で互いに連結され、ビームリード3dの他端側が負極側パターン4bに接続されて、これらがビームリード3dで互いに通電可能となるようにされている。
なお、図示しないが、IGBT1a〜1dは、それぞれそれらのゲートに図示しないコントロール・ユニットにてアクセル・ペダルの踏む込み量や車速等に応じて決定された制御用のゲート信号が印加可能とされている。
そして、上記上アーム10と下アーム11の組は、同様のものが３組設けられて、これらの出力端子が三相交流電気モータのそれぞれのコイルに接続される。
次に、上記のように構成された半導体装置であるインバータの作用について説明する。
上記半導体装置にあっては、上アーム10のIGBT1a、1bと下アーム11のダイオード2c、2dとが、降圧チョッパを構成し、また下アーム11のIGBT1c、1dと上アーム10のダイオード2a、2bとが、昇圧チョッパを構成する。
上下アーム10、11のIGBT1a、1bと1c、1dを相補的にスイッチングすると、電流の極性によらず電力変換を行うことが可能となる。
すなわち、上アーム10のIGBT1a、1bをONにして下アーム11のIGBT1c、1dをOFFにすると、出力端子Oに接続された電気モータのコイルには、上アーム10のIGBT1a、1bを通じて正のリアクトル電流が流れ、反対に下アーム11のIGBT1c、1dをONにして上アーム10のIGBT1a、1bをOFFにすると、IGBT1c、1dを通じて負のリアクトル電流が流れる。
ダイオード2a〜2dは、電気モータで発生する誘起電圧のエネルギを直流電源に流すことで、モータの端子電圧が誘起電圧により上昇し、IGBT1a〜1dを過電圧で破壊してしまうのを、防止するため、用いられている。
また、正のリアクトル電流が流れる上記前者の場合には、上アーム10のダイオード2a、2bはこれらを電流が流れるのを阻止し、負のリアクトル電流が流れる上記後者の場合には、下アーム11のダイオード2c、2dはこれらを電流が流れるのを阻止する。
したがって、上アーム10のIGBT1a、1bとダイオード2a、2bとの両方に同時に電流が流れることはなく、同様に、下アーム11のIGBT1c、1dとダイオード2c、2dとの両方に同時に電流が流れることもない。
そして、上アーム10のIGBT1a、1b同士は異なるビームリード3a、3bで個別に接続されており、これらと接続されたダイオード2a、2bはIGBT1a、1bがONのとき電流が流れないので、ビームリード3a、3bを流れる電流は小さくなる。
同様に、下アーム11のIGBT1c、1d同士は異なるビームリード3c、3dで個別に接続されており、これらと接続されたダイオード2c、2dはIGBT1c、1dがONのとき電流が流れないので、ビームリード3c、3dを流れる電流は小さくなる。
なお、図１中、実線での矢印は、IGBT動作時の電流の向きを、また点線での矢印は、FWD動作時の電流の向きを、それぞれ示している。
以上から分かるように、実施例１の半導体装置は、上アーム10および下アーム11を、それぞれ複数のIGBT1a〜1dと複数のダイオード2a〜2dとを並列接続して構成したパワー・モジュールの片方のアーム10（又は11）の電流を複数のビームリード3a〜3dに分けて配線し、この際、片方のアーム10（又は11）のIGBT1a、1b（および／または1c、1d）の一部とダイオード2a、2b(および／または2c、2d)の一部とをペアとして、このペアを共通のビームリード3a〜3dで接続したので、これらのペアにあってはIGBTとダイオードとが同時にONすることがないため、それら両方に同時に電流が流れることはない。
すなわち、ビームリード3a〜3dには同時に１チップ分（ペアのIGBTとダイオードのうちの一方）の電流しか流れない。
したがって、ビームリード3a〜3dに流れる電流量を抑え、均等化することができるので、ビームリード3a〜3dが高温になるのを防ぐことができ、ビームリード3a〜3dを大型化しなくて済む。
また、ビームリード3a〜3dも、これらを個別配線する場合に比べて、少なくて済み、製造コストの上昇を抑えることができる。
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
たとえば、実施例にあっては、各アームがそれぞれ２個ずつのICBTとダイオードとを有するように構成したが、これに限られず、３個以上ずつのパワー素子および整流素子で片方のアームが構成されたものも含み、複数組ある半導体装置であればよい。
また、片方のアームの複数のパワー素子および整流素子のうちの一部同士のみでのペアだけに適用するようにしてもよい。
1a、1b 上アーム側のIGBT（パワー素子）
1c、1d 下アーム側のIGBT（パワー素子）
2a、2b 上アーム側のダイオード（整流素子）
2c、2d 下アーム側のダイオード（整流素子）
3a〜3d ビームリード
4a 正極側パターン
4b 負極側パターン
4c 出力極側パターン
5 絶縁基板
10 上アーム
11 下アーム
N 負極側入力端子
P 正極側入力端子
O 出力端子

Claims (3)

  1. 上アームおよび下アームを、それぞれ複数のパワー素子と複数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、該パワー・モジュールの片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリードで流すようにした半導体装置であって、
    前記片方のアームの前記パワー素子の一部と前記整流素子の一部とをペアとして、該ペアを共通のビームリードで接続した、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 複上アームおよび下アームを、それぞれ数のパワー素子と該パワー素子と同数の整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、該パワー・モジュールの片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリードで流すようにした半導体装置であって、
    前記片方のアームの前記パワー素子の一部とこれと同数の前記整流素子とをペアとして、該ペアを共通のビームリードで接続した、
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 上アームおよび下アームを、それぞれ２チップのパワー素子と２チップの整流素子とを並列接続して構成したパワー・モジュールを備え、該パワー・モジュールの片方のアームの電流を、複数に分けて配線したビームリードで流すようにした半導体装置であって、
    前記片方のアームの１つの前記パワー素子と１つの前記整流素子とをペアとして、該ペアを共通のビームリードで接続した、
    ことを特徴とする半導体装置。
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