JP2015144202A - semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば３相インバータ等の半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device such as a three-phase inverter.
従来の半導体装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の半導体装置は、電源調整用基板の回路パターン上にコンデンサが実装された電源調整モジュールと、電源調整モジュールの下方に配置され、絶縁金属基板の銅パターン上に半導体素子が実装された半導体モジュールと、直流電源に接続されると共に、電源調整用基板の回路パターン及び絶縁金属基板の銅パターンと電気的に接続された正極用電極部材及び負極用電極部材とを備えている。電源調整用基板の回路パターンは、銅で形成されている。
As a conventional semiconductor device, for example, one described in
上記従来技術の電源調整用基板（回路基板）では、基板上に外部電源に接続された一対の入力電極及び複数のコンデンサが搭載されており、基板内を大きな電流が流れる構成となっている。このように回路基板に大電流を流す場合には、コンデンサ等が接続される回路パターンを例えば厚い銅箔より形成されたベタパターンとすることで、十分な電流経路を確保するようにしている。 In the above-described conventional power supply adjustment board (circuit board), a pair of input electrodes connected to an external power supply and a plurality of capacitors are mounted on the board, and a large current flows through the board. In this way, when a large current flows through the circuit board, a sufficient current path is ensured by making the circuit pattern to which a capacitor or the like is connected a solid pattern formed of, for example, a thick copper foil.
一方で、近年の半導体装置の更なる小型化の要求に伴い、電極端子やコンデンサ等のようにベタパターンに接続される電子部品と、マイコンや制御ＩＣ等のように微細配線パターンに接続される電子部品とを同じ１つの基板上に搭載することで、基板を小型化することが考えられている。このとき、大電流を流す電子部品に合わせて、回路パターンを形成する銅箔を厚くすると、マイコンや制御ＩＣ等の電子部品を実装するための微細配線パターンを形成することが困難となってしまうという問題が発生する。また、微細配線パターンの形成が容易となるように回路パターンを形成する銅箔を薄くすると、ベタパターンに大電流を流すことが困難となり、電流を流した際の基板の発熱も大きくなってしまうという問題が発生する。 On the other hand, with recent demands for further downsizing of semiconductor devices, electronic components connected to solid patterns such as electrode terminals and capacitors, and fine wiring patterns such as microcomputers and control ICs are connected. It is considered to reduce the size of the substrate by mounting the electronic component on the same substrate. At this time, if the copper foil that forms the circuit pattern is made thicker in accordance with the electronic component through which a large current flows, it becomes difficult to form a fine wiring pattern for mounting the electronic component such as a microcomputer or a control IC. The problem occurs. In addition, if the copper foil forming the circuit pattern is made thin so that the fine wiring pattern can be easily formed, it becomes difficult to flow a large current through the solid pattern, and the heat generation of the substrate when the current flows is increased. The problem occurs.
本発明の目的は、回路パターンを形成する金属箔を厚くすること無く、基板に大電流を流すことができる半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of flowing a large current through a substrate without increasing the thickness of a metal foil forming a circuit pattern.
本発明の半導体装置は、主回路を構成する複数の半導体素子が搭載される第１回路基板と、第１回路基板に対して上下方向に近接配置され、複数の電子部品が搭載される第２回路基板と、第２回路基板上に設けられ、主回路に電圧を供給するための複数の電極部と、第２回路基板上に設けられ、電極部と電気的に接続された複数の電極パターンとを備え、電極パターンにおける電流が集中する電流集中部には、導電部材が接合されていることを特徴とするものである。 A semiconductor device according to the present invention includes a first circuit board on which a plurality of semiconductor elements constituting a main circuit are mounted, and a second circuit on which a plurality of electronic components are mounted in proximity to the first circuit board in the vertical direction. A circuit board, a plurality of electrode parts provided on the second circuit board for supplying a voltage to the main circuit, and a plurality of electrode patterns provided on the second circuit board and electrically connected to the electrode parts And a conductive member is bonded to the current concentration portion where the current in the electrode pattern is concentrated.
このように第２回路基板上に複数の電極部が設けられた半導体装置では、第２回路基板の電極パターン（回路パターン）に電流を流した時に電流が集中する部分（電流集中部）が存在する。電流集中部では発熱量が多くなるため、結果的に第２回路基板の温度が上昇する。そこで、本発明においては、電極パターンにおける電流が集中する電流集中部に導電部材を接合することにより、電流集中部の電気抵抗が下がるため、電流集中部での発熱量の増大が抑えられ、結果的に第２回路基板の温度上昇を抑えることができる。このように電極パターンにおける電流集中部のみに導電部材を接合するようにしたので、特に電極パターンを形成する金属箔を厚くしなくても、第２回路基板に大電流を流すことができる。 Thus, in a semiconductor device in which a plurality of electrode portions are provided on the second circuit board, there is a portion (current concentration portion) where the current concentrates when a current is applied to the electrode pattern (circuit pattern) of the second circuit substrate. To do. Since the heat generation amount increases in the current concentration portion, the temperature of the second circuit board increases as a result. Therefore, in the present invention, since the electrical resistance of the current concentrated portion is reduced by joining the conductive member to the current concentrated portion where the current in the electrode pattern is concentrated, the increase in the amount of heat generated in the current concentrated portion is suppressed, and as a result Therefore, the temperature rise of the second circuit board can be suppressed. As described above, since the conductive member is bonded only to the current concentration portion in the electrode pattern, a large current can be passed through the second circuit board without particularly increasing the thickness of the metal foil forming the electrode pattern.
導電部材は、電極パターンにおける電極部の近傍の部位に接合されていると良い。電極パターンにおける電極部の近傍は、特に電流が集中しやすい部位である。従って、電極パターンにおける電極部の近傍に導電部材を接合するのが良い。 The conductive member may be bonded to a portion near the electrode portion in the electrode pattern. The vicinity of the electrode portion in the electrode pattern is a portion where current tends to concentrate. Therefore, it is preferable to join the conductive member in the vicinity of the electrode portion in the electrode pattern.
導電部材は、ブロック状または板状をなしていると良い。この場合には、第１回路基板と第２回路基板との間の間隔が小さくても、基板の表面及び裏面にそれぞれ導電部材を簡単に固定することができる。 The conductive member may have a block shape or a plate shape. In this case, even if the distance between the first circuit board and the second circuit board is small, the conductive members can be easily fixed to the front surface and the back surface of the substrate, respectively.
導電部材は、衝立状をなしていても良い。この場合には、導電部材の断面積を大きくすることができる。従って、電流集中部の電気抵抗を十分に低下させて、電流集中部での発熱量の増大を一層抑えることができる。 The conductive member may have a screen shape. In this case, the cross-sectional area of the conductive member can be increased. Therefore, it is possible to sufficiently reduce the electric resistance of the current concentration portion and further suppress an increase in the amount of heat generated in the current concentration portion.
本発明によれば、回路パターンを形成する金属箔を厚くすること無く、基板に大電流を流すことができる。 According to the present invention, a large current can be passed through the substrate without increasing the thickness of the metal foil forming the circuit pattern.
以下、本発明に係る半導体装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図における寸法比率は、実際のものと異なる場合がある。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the dimension ratio in each figure may differ from an actual thing.
まず、本発明に係る半導体装置の第１実施形態を図１〜図４により説明する。図１は、本発明に係る半導体装置の第１実施形態としてインバータ装置を示す分解斜視図である。本実施形態のインバータ装置１は、例えば３相交流モータを駆動する３相インバータ装置である。
First, a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an exploded perspective view showing an inverter device as a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. The
図２は、インバータ装置１の回路図である。図２において、インバータ装置１は、主回路２と、この主回路２を制御する制御回路３と、主回路２及びバッテリ等の外部電源（図示せず）と接続され、主回路２に外部電源の電圧を供給するための入力端子としての正極電極端子４及び負極電極端子５とを有している。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
主回路２は、３相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に並列に接続されたフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（InsulatedGate Bipolar Transistor）が用いられる。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、並列接続された複数（例えば４つ）のスイッチング素子１５からなるスイッチング素子群１６（図１参照）を等価的に表したものである。なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及びフライホイールダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を含む群は、上アームとして構成され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６及びフライホイールダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６を含む群は、下アームとして構成されている。
The main circuit 2 has six switching elements Q1 to Q6 connected in a three-phase bridge, and flywheel diodes D1 to D6 connected in parallel to the switching elements Q1 to Q6. As the switching elements Q1 to Q6, for example, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used. The switching elements Q1 to Q6 equivalently represent a switching element group 16 (see FIG. 1) including a plurality (for example, four) of
なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としてＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、ＭＯＳＦＥＴが寄生ダイオードを備えるため、必ずしもフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６を接続しなくても良い。 When MOSFETs are used as the switching elements Q1 to Q6, the flywheel diodes D1 to D6 are not necessarily connected because the MOSFET includes a parasitic diode.
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、正極電極端子４と負極電極端子５との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点には、Ｕ相出力端子６が接続されている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４は、正極電極端子４と負極電極端子５との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点には、Ｖ相出力端子７が接続されている。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、正極電極端子４と負極電極端子５との間に直列接続されている。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の接続点には、Ｗ相出力端子８が接続されている。Ｕ相出力端子６、Ｖ相出力端子７及びＷ相出力端子８（以下、単に出力端子６〜８という）は、３相の交流出力を外部のモータ等の負荷に供給するための端子である。
The switching elements Q1 and Q2 are connected in series between the
また、正極電極端子４と負極電極端子５との間には、主回路２の他の電子部品を構成するコンデンサ９が接続されている。なお、図１では、主回路２に接続される複数のコンデンサ９を模式的に示している。
Further, a
制御回路３は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する回路である。制御回路３は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）の一部として構成することができ、例えば負荷状態や操作者の要求値に応じて各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を適宜スイッチングする。
The
図１に戻り、インバータ装置１は、ヒートシンク１０上に配置された下回路基板１１と、この下回路基板１１の上にスペーサブラケット１２を介して近接配置された上回路基板１３と、上記の正極電極端子４及び負極電極端子５と、上記の出力端子６〜８とを有している。下回路基板１１及び上回路基板１３は、図示しないケースに覆われる。下回路基板１１は、例えば絶縁金属基板（ＩＭＳ）である。上回路基板１３は、例えばプリント基板である。
Returning to FIG. 1, the
下回路基板１１の表面には、複数（ここでは４つ）のスイッチング素子１５からなるスイッチング素子群１６が下回路基板１１の長手方向に６列に並んで実装（搭載）されている。これらのスイッチング素子群１６は、上記のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を構成している。上アームのスイッチング素子群１６と下アームのスイッチング素子群１６とは、互いに隣り合うように配置されている。
On the surface of the
また、下回路基板１１の表面には、矩形状の正極中継電極１７及び負極中継電極１８が２つずつ交互に並んで実装されている。下回路基板１１の表面における正極中継電極１７と負極中継電極１８との間には、円柱状の出力端子６〜８がそれぞれ突設されている。
Further, two rectangular positive
上回路基板１３には、複数のコンデンサ９が実装されるコンデンサ実装領域１３ａと、制御回路３を構成するマイコンや制御ＩＣ等の電子部品１９が実装される制御回路実装領域１３ｂとが設けられている。制御回路実装領域１３ｂには、制御回路３を構成する電子部品１９を実装するための微細配線パターン（不図示）が形成されている。
The
上回路基板１３の表面におけるコンデンサ実装領域１３ａと制御回路実装領域１３ｂとの間の領域の両端部には、図１及び図３に示すように、円柱状の正極電極端子４及び負極電極端子５が突設されている。また、上回路基板１３における正極電極端子４と負極電極端子５との間には、出力端子６〜８を貫通させる３つの貫通孔２０が形成されている。
At both ends of the area between the
上回路基板１３の表面には、図３（ａ）及び図４に示すように、２つの正極電極パターン２１と負極電極パターン２２とが形成されている。なお、図３（ａ）は、上回路基板１３に部品が実装された状態の平面図である。図４は、図３のIV−IV線断面図である。
As shown in FIGS. 3A and 4, two
正極電極パターン２１は、略四角形状をなしている。負極電極パターン２２は、コンデンサ実装領域１３ａの大部分にわたって形成されたベタパターンである。負極電極パターン２２は、制御回路実装領域１３ｂ側に突出した２つの略四角形状のパターン突出部２２ａを有している。正極電極パターン２１及びパターン突出部２２ａは、貫通孔２０を挟んで交互に上回路基板１３の長手方向に沿って配置されている。上回路基板１３の一端側に位置する正極電極パターン２１には、正極電極端子４が接続固定されている。上回路基板１３の他端側に位置するパターン突出部２２ａには、負極電極端子５が接続固定されている。
The
上回路基板１３の裏面には、図３（ｂ）及び図４に示すように、正極電極パターン２３と２つの負極電極パターン２４とが形成されている。なお、図３（ｂ）は、上回路基板１３に部品が実装された状態の裏面図である。
As shown in FIGS. 3B and 4, a
正極電極パターン２３は、コンデンサ実装領域３ａの大部分にわたって形成されたベタパターンである。正極電極パターン２３は、制御回路実装領域１３ｂ側に突出した２つの略四角形状のパターン突出部２３ａを有している。負極電極パターン２４は、略四角形状をなしている。パターン突出部２３ａ及び負極電極パターン２４は、貫通孔２０を挟んで交互に上回路基板１３の長手方向に沿って配置されている。正極電極パターン２３は、正極中継電極１７と電気的に接続される。負極電極パターン２４は、負極中継電極１８と電気的に接続される。
The
正極電極パターン２１，２３及び負極電極パターン２２，２４は、薄い銅箔で形成されている。銅箔の厚みは、例えば７０μｍ程度である。正極電極パターン２３は正極電極パターン２１と電気的に接続され、負極電極パターン２４は負極電極パターン２２と電気的に接続されている。なお、正極電極パターン２１，２３及び負極電極パターン２２，２４を銅箔以外の金属箔で形成しても良い。
The
上回路基板１３の表面に形成された負極電極パターン２２には、複数（ここでは３つ）のブロック状の導電部材２５が半田付けにより接合されている。導電部材２５は、負極電極パターン２２に電流を流した時に電流が集中しやすい部位（電流集中部）、つまり正極電極端子４、負極電極端子５、正極中継電極１７及び負極中継電極１８といった電極部の近傍に配置されている。このとき、導電部材２５は、コンデンサ９に干渉しないようにスペースの空いた部位に効率的に配置されている。導電部材２５は、負極電極パターン２２の金属材料と同じ銅で形成されている。
A plurality (three in this case) of block-shaped
上回路基板１３の裏面に形成された正極電極パターン２３には、複数（ここでは３つ）のブロック状の導電部材２６が半田付けにより接合されている。導電部材２６は、導電部材２５と同様に、正極電極パターン２３に電流を流した時に電流が集中しやすい電極部の近傍に配置されている。このとき、導電部材２６は、コンデンサ９の端子に干渉しないようにスペースの空いた部位に導電部材２５よりも大きな寸法を持って効率的に配置されている。導電部材２６も、導電部材２５と同様に銅で形成されている。
A plurality (three in this case) of block-shaped
導電部材２５，２６をブロック状とすることにより、導電部材２５，２６を負極電極パターン２２及び正極電極パターン２３にそれぞれ簡単に接合することができる。また、上回路基板１３と下回路基板１１との間のスペースが狭くても、上回路基板１３の裏面に導電部材２６を設けることができる。なお、導電部材２５，２６は、板状であっても良い。
By making the
ところで、上回路基板１３に大電流を流すためには、正極電極パターン２１，２３及び負極電極パターン２２，２４を形成する銅箔を厚くすることが考えられる。しかし、上回路基板１３には、ベタパターンに接続されるコンデンサ９だけでなく、微細配線パターンに接続される電子部品１９も実装されるため、銅箔を厚くし過ぎると、エッチング加工技術の限界によって上回路基板１３に微細配線パターンを精度良く形成することができないという問題が発生する。
By the way, in order to flow a large current through the
これに対し本実施形態では、正極電極パターン２１，２３及び負極電極パターン２２，２４を形成する銅箔を厚くすること無く、負極電極パターン２２及び正極電極パターン２３において電流が集中しやすい電極部の近傍に導電部材２５，２６をそれぞれ接合している。そのような構成とすることにより、負極電極パターン２２及び正極電極パターン２３において導電部材２５，２６が接合された部分の電気抵抗値が下がり、当該部分における発熱量の増大が抑えられるため、上回路基板１３の温度上昇を抑制することができる。また、導電部材２５，２６を、上回路基板１３に発生する熱を貯める熱マスとして利用することもできる。
On the other hand, in the present embodiment, without thickening the copper foils forming the
従って、本実施形態によれば、正極電極パターン２１，２３及び負極電極パターン２２，２４を形成する銅箔を厚くしなくても、上回路基板１３に大電流を流すことが可能となる。また、銅箔を厚くする必要が無いため、上回路基板１３に微細配線パターンを精度良く加工してマイコン等を実装することができる。
Therefore, according to the present embodiment, a large current can be passed through the
本発明に係る半導体装置の第２実施形態を図５及び図６により説明する。図中、上記第１実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図５及び図６は、上記第１実施形態における図３及び図４に対応する図である。 A second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the figure, the same or equivalent elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. 5 and 6 correspond to FIGS. 3 and 4 in the first embodiment.
各図において、本実施形態のインバータ装置１は、上記第１実施形態における導電部材２５，２６に代えて、上回路基板１３の長手方向に延びる衝立状の導電部材３１，３２を備えている。導電部材３１，３２は、導電部材２５，２６と同様に銅で形成されている。
In each drawing, the
導電部材３１は、上回路基板１３の表面に形成された負極電極パターン２２に半田付けにより直接接合されている。導電部材３１は、負極電極パターン２２に電流を流した時に電流が集中しやすい部位（電流集中部）、つまり正極電極端子４、負極電極端子５、正極中継電極１７及び負極中継電極１８といった電極部の近傍に配置されている。
The
導電部材３２は、上回路基板１３の表面に形成された各正極電極パターン２１に導電層３３を介して半田付けにより接合されている。導電部材３２は、各正極電極パターン２１をつなぐように配置されている。このとき、導電部材３２は導電層３３を介して各正極電極パターン２１に接合されているため、導電部材３２が負極電極パターン２２のパターン突出部２２ａに接触することは無い。なお、上回路基板１３の裏面には、導電部材が設けられていない。
The
このように本実施形態においては、上回路基板１３の表面に導電部材３１，３２を設けたので、上記第１実施形態と同様に、正極電極パターン２１，２３及び負極電極パターン２２，２４を形成する銅箔を厚くしなくても、上回路基板１３に大電流を流すことが可能となる。
Thus, in this embodiment, since the
また、本実施形態では、導電部材３１，３２を衝立状としたので、導電部材３１，３２の断面積が大きくなり、正極電極パターン２１及び負極電極パターン２２において導電部材３１，３２が接合された部分の電気抵抗値が十分に下がるようになる。従って、当該部分の発熱量の増大が十分に抑えられるため、正極電極パターン２１及び負極電極パターン２２を冷却することができる。その結果、熱設計的な余裕を得ることが可能となる。
Further, in the present embodiment, since the
なお、本実施形態では、上回路基板１３の表面のみに衝立状の導電部材３１，３２を設けたが、上回路基板１３と下回路基板１１との間に配置スペースがあれば、上回路基板１３の裏面にも衝立状の導電部材３１，３２を設けても良い。
In this embodiment, the screen-like
以上、本発明に係る半導体装置の好適な実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、上記実施形態では、導電部材を銅で形成したが、導電部材を形成する金属材料としては、銅の他に、鉄やアルミニウム等を用いても良い。この場合、導電部材を正極電極パターン及び負極電極パターンに接合する手段としては、特に上記の半田付けには限られず、導電性接着剤等を用いても良い。 Although several preferred embodiments of the semiconductor device according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the said embodiment, although the electrically-conductive member was formed with copper in the said embodiment, as a metal material which forms a electrically-conductive member, you may use iron, aluminum, etc. other than copper. In this case, the means for joining the conductive member to the positive electrode pattern and the negative electrode pattern is not particularly limited to the above soldering, and a conductive adhesive or the like may be used.
また、上記実施形態は、３相のインバータ装置１についてであるが、本発明の半導体装置は、そのようなインバータ装置１に限られず、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ等にも適用可能である。
Moreover, although the said embodiment is about the three-
１…インバータ装置（半導体装置）、２…主回路、４…正極電極端子（電極部）、５…負極電極端子（電極部）、９…コンデンサ（電子部品）、１１…下回路基板（第１回路基板）、１３…上回路基板（第２回路基板）、１５…スイッチング素子（半導体素子）、１７…正極中継電極（電極部）、１８…負極中継電極（電極部）、２１…正極電極パターン、２２…負極電極パターン、２３…正極電極パターン、２４…負極電極パターン、２５，２６…導電部材、３１，３２…導電部材。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第１回路基板に対して上下方向に近接配置され、複数の電子部品が搭載される第２回路基板と、
前記第２回路基板上に設けられ、前記主回路に電圧を供給するための複数の電極部と、
前記第２回路基板上に設けられ、前記電極部と電気的に接続された複数の電極パターンとを備え、
前記電極パターンにおける電流が集中する電流集中部には、導電部材が接合されていることを特徴とする半導体装置。 A first circuit board on which a plurality of semiconductor elements constituting a main circuit are mounted;
A second circuit board that is disposed close to the first circuit board in the vertical direction and on which a plurality of electronic components are mounted;
A plurality of electrode portions provided on the second circuit board for supplying a voltage to the main circuit;
A plurality of electrode patterns provided on the second circuit board and electrically connected to the electrode portion;
A semiconductor device, wherein a conductive member is bonded to a current concentration portion where current in the electrode pattern is concentrated.
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Applications Claiming Priority (1)
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