JP3629222B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電流を高速スイッチングする半導体装置に係り、特に、電気車駆動装置や車載用モ−タ制御装置に用いる好適な半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気車、特に電気自動車では、駆動装置の小型軽量化が要求されている。かかる駆動装置では、バッテリー等の直流電源からモーターを駆動する交流を得るために、大電流を高速スイッチングする半導体装置が用いられている。特に、最近のパワ−エレクトロニクスの進歩によって、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの高速大電力半導体が開発されるにいたり、その発生損失の低減のため、内部インダクタンスを小さくすることが重要視されている。
【0003】
そこで、例えば、特公平5−25392号公報に記載されているように、トランジスタのコレクタに至る通電路とエミッタに至る通電路とが互いに平行になるように近接することにより、磁界をキャンセルしてインダクタンスを小さくすることが知られている。
【0004】
さらに、例えば、特開平6−69415号公報に記載のように、トランジスタとダイオードの直列回路を並列に配置する2回路内蔵方式が知られている。かかる2回路内蔵方式においても、トランジスタのコレクタに至る通電路とエミッタに至る通電路とを近接平行として、インダクタンスを小さくすることが知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、2回路内蔵方式にあっては、第1の回路と第2の回路を接続するために、ジャンパープレートを用いているため、このジャンパープレートによるインダクタンスの増加が生じるという問題があった。
【0006】
本発明の目的は、内部インダクタンスの小さな2回路内蔵方式の半導体装置を提供するにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、絶縁基板上に固定された正極ブスバーおよび出力ブスバーと、電気的に絶縁されて少なくとも前記正極ブスバーに近接配置された負極ブスバーと、前記正極ブスバーおよび前記出力ブスバーと電気的に接続されるとともに、前記正極ブスバー上に固着された正極側のIGBTチップおよびダイオードチップと、前記出力ブスバーおよび前記負極ブスバーと電気的に接続されるとともに、前記出力ブスバー上に固着された負極側のIGBTチップおよびダイオードチップとを有するようにしたものであり、かかる構成とすることにより、インダクタンスを低減し得るものとなる。
【0008】
上記半導体装置において、好ましくは、前記負極ブスバーは、少なくとも前記正極ブスバーの上方に近接配置したものである。
【0009】
上記半導体装置において、好ましくは、前記電気的な接続は、ワイヤボンディングで行うようにしたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図1乃至図3を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による半導体装置の平面図であり、図2は、図1のX−X断面図であり、図3は、本発明の一実施の形態による半導体装置の回路図である。
【0011】
図1において、四角形の絶縁板10の上には、四角形の枠状のケース12が固定されている。絶縁板10は、例えば、窒化アルミ板からなる。絶縁板10の上であって、図面に向かって左側の方には、長方形の正電極端子として用いられる正極ブスバー20が、接合されている。接合は、銀ローなどのロー材を用いている。また、正極ブスバー20の右側であって、絶縁板10の上には、出力端子として用いられる出力ブスバー22が、ロー付けにより接合されている。正極ブスバー20と出力ブスバー22は、同一の絶縁板10上に取り付けられているため、互いに平行である。また、長方形の正極ブスバー20の長軸方向と出力ブスバー22の長軸方向は互いに平行であり、この点においても、正極ブスバー20と出力ブスバー22は、互いに平行である。
【0012】
正極ブスバー20の上には、図示しない半田により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ30A,30Bと転流用のダイオード42A,42Bが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ30A,30Bのコレクタとダイオード42A,42Bのアノードが、正極ブスバー20に接続されている。
【0013】
ここで、IGBTチップ30A,30Bのそれぞれの電流容量を100Aとすると、パワーモジュール全体の電流容量を200Aとするために、IGBTチップ30AとIGBTチップ30Bは互いに平行に接続されている。従って、パワーモジュール全体の電流容量が100Aでよい時には、IGBTチップ30Aだけを用いればよい。
【0014】
また、出力ブスバー22の上には、図示しない半田により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ32A,32Bと転流用のダイオード40A,40Bが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ32A,32Bのコレクタとダイオード40A,40Bのアノードが、出力ブスバー22に接続されている。
【0015】
ここで、IGBTチップ32A,32Bのそれぞれの電流容量を100Aとすると、パワーモジュール全体の電流容量を200Aとするために、IGBTチップ32AとIGBTチップ32Bは互いに平行に接続されている。従って、パワーモジュール全体の電流容量が100Aでよい時には、IGBTチップ30Aだけを用いればよい。
【0016】
出力ブスバー22は、一体的に形成された凹凸状の接続端子部22x1,22x2,22x3,22x4を有しており、IGBTチップ30Aのエミッタが、アルミワイヤ50A1によって、出力ブスバー22の接続端子部22x2に接続され、IGBTチップ30Bのエミッタが、アルミワイヤ50A2によって、出力ブスバー22の接続端子部22x3に接続されている。また、ダイオード42Bのアノードが、アルミワイヤ50A4によって、出力ブスバー22の接続端子22x1に接続され、ダイオード42Aのアノードが、アルミワイヤ50A3によって、出力ブスバー22の接続端子22x4に接続されている。ここで、アルミワイヤ50A1,50A2,50A3,50A4は、それぞれ、2本づつの線で表しているが、実際には、複数本平行に用いられている。アルミワイヤ50A1,50A2,50A3,50A4は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0017】
正極ブスバー20の上には、3本の円柱形の絶縁物60A,60B,60Cが固定されている。また、出力ブスバー22の上には、3本の円柱形の絶縁物60D,60E,60Fが固定されている。そして、6本の絶縁物60A,60B,60C,60D,60E,60Fの上には、負極ブスバー24が固定されている。従って、負極ブスバー24は、正極ブスバー20と互いに平行になっており、また、負極ブスバー24と正極ブスバー20を流れる電流の向きは、逆方向となっている。負極ブスバー24は、ケース12によっても保持されている。
【0018】
負極ブスバー24の右側には、一体的に形成された凹凸状の接続端子部24x1,24x2,24x3,24x4を有しており、IGBTチップ32Aのエミッタが、アルミワイヤ50B1によって、負極ブスバー24の接続端子部24x2に接続され、IGBTチップ32Bのエミッタが、アルミワイヤ50B2によって、負極ブスバー24の接続端子部24x3に接続されている。また、ダイオード40Aのアノードが、アルミワイヤ50B3によって、負極ブスバー24の接続端子24x1に接続され、ダイオード40Bのアノードが、アルミワイヤ50B4によって、負極ブスバー24の接続端子24x4に接続されている。ここで、アルミワイヤ50B1,50B2,50B3,50B4は、それぞれ、2本づつの線で表しているが、実際には、複数本平行に用いられている。アルミワイヤ50B1,50B2,50B3,50B4は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0019】
ここで、アルミワイヤ50A1,50A2,50A3,50A4とアルミワイヤ50B1,50B2,50B3,50B4は、それぞれ、平行に保たれている。即ち、この点については、図2を用いて詳述するが、アルミワイヤ50A1とアルミワイヤ50B1が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっており、また、アルミワイヤ50A2とアルミワイヤ50B2が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっている。さらに、アルミワイヤ50A3とアルミワイヤ50B3が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっており、また、アルミワイヤ50A4とアルミワイヤ50B4が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっている。
【0020】
従って、IGBTチップ30Aのエミッタは、ダイオード40Aのカソードに接続され、第1の直列回路を構成している。また、IGBTチップ30Bのエミッタは、ダイオード40Bのカソードに接続され、これも、第1の直列回路を構成している。IGBTチップ30Aとダイオード40Aの直列回路は、IGBTチップ30Bとダイオード40Bの直列回路と並列接続されている。IGBTチップ30Aとダイオード40Aの直列回路の電流容量を100Aとし、IGBTチップ30Bとダイオード40Bの直列回路の電流容量を100Aとすると、これらの回路は並列接続されており、電流容量を200Aとしている。従って、電流容量を100Aでよい時には、IGBTチップ30Aとダイオード40Aの直列回路だけを用いればよい。
【0021】
また、IGBTチップ32Aのコレクタは、ダイオード42Aのアノードに接続され、第2の直列回路を構成している。また、IGBTチップ32Bのコレクタは、ダイオード42Bのアノードに接続され、これも、第2の直列回路を構成している。IGBTチップ32Aとダイオード42Aの直列回路は、IGBTチップ32Bとダイオード42Bの直列回路と並列接続されている。IGBTチップ32Aとダイオード42Aの直列回路の電流容量を100Aとし、IGBTチップ32Bとダイオード42Bの直列回路の電流容量を100Aとすると、これらの回路は並列接続されており、電流容量を200Aとしている。従って、電流容量を100Aでよい時には、IGBTチップ32Aとダイオード42Aの直列回路だけを用いればよい。
【0022】
第1の直列回路と第2の直列回路は、それぞれ、正極ブスバー20と負極ブスバー24に対して並列接続されているとともに、第1の直列回路のIGBTチップのエミッタとダイオードのアノードの接続点及び、第2の直列回路のダイオードのカソードとIGBTチップのコレクタの接続点は、出力ブスバー22に共通接続されている。
【0023】
さらに、正極ブスバー20の左側であって、絶縁板10の上には、端子台70が取り付けられている。端子台70のうえには、半田により、ゲート抵抗74A,74Bが固定されている。ゲート抵抗74Aは、アルミワイヤ78A1によりIGBTチップ30Aのベースに接続されている。ゲート抵抗74Bは、アルミワイヤ78B1によりIGBTチップ30Bのベースに接続されている。また、出力ブスバー22の右側であって、絶縁板10の上には、端子台72が取り付けられている。端子台72のうえには、半田により、ゲート抵抗76A,76Bが固定されている。ゲート抵抗76Aは、アルミワイヤ78A2によりIGBTチップ32Aのベースに接続されている。ゲート抵抗76Bは、アルミワイヤ78B2によりIGBTチップ32Bのベースに接続されている。
【0024】
IGBTチップからの放熱は、絶縁板10を介して行われる。
【0025】
次に、図2を用いて、図1に示した本発明の一実施の形態による半導体装置の断面構造について説明する。
【0026】
絶縁板10の上には、枠状のケース12が固定されている。絶縁板10の上であって、図面に向かって左側の方には、正電極端子として用いられる正極ブスバー20が、接合されている。接合は、銀ローなどのロー材を用いている。また、正極ブスバー20の右側であって、絶縁板10の上には、出力端子として用いられる出力ブスバー22が、ロー付けにより接合されている。正極ブスバー20と出力ブスバー22は、同一の絶縁板10上に取り付けられているため、互いに平行である。また、正極ブスバー20の長軸方向(図面に直交する方向)と出力ブスバー22の長軸方向(図面に直交する方向)は互いに平行であり、この点においても、正極ブスバー20と出力ブスバー22は、互いに平行である。
【0027】
正極ブスバー20の上には、半田80により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ30Aと図示しない転流用のダイオードが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ30Aのコレクタとダイオードのアノードが、正極ブスバー20に接続されている。
【0028】
また、出力ブスバー22の上には、半田82により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ32Aと図示しない転流用のダイオードが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ32Aのコレクタとダイオードのアノードが、出力ブスバー22に接続されている。
【0029】
出力ブスバー22は、一体的に形成された凹凸状の接続端子部22x2を有しており、IGBTチップ30Aのエミッタが、アルミワイヤ50A1によって、出力ブスバー22の接続端子部22x2に接続されている。また、図示しないダイオードのカソードが、アルミワイヤによって、出力ブスバー22の接続端子に接続されている。ここで、アルミワイヤ50A1は複数本平行に用いられている。アルミワイヤ50A1は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0030】
正極ブスバー20の上には、円柱形の絶縁物60Bが固定されている。また、出力ブスバー22の上には、円柱形の絶縁物60Eが固定されている。そして、これらの絶縁物60B,60Eの上には、負極ブスバー24が固定されている。従って、負極ブスバー24は、正極ブスバー20と互いに平行になっており、また、負極ブスバー24と正極ブスバー20を流れる電流の向きは、逆方向となっている。
【0031】
負極ブスバー24の右側には、一体的に形成された凹凸状の接続端子部24x2を有しており、IGBTチップ32Aのエミッタが、アルミワイヤ50B1によって、負極ブスバー24の接続端子部24x2に接続されている。また、図示しないダイオードのカソードが、アルミワイヤによって、負極ブスバー24の接続端子に接続されている。ここで、アルミワイヤ50B1複数本平行に用いられている。アルミワイヤ50B1は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0032】
また、負極ブスバー24は、絶縁物60B,60Eを介して、正極ブスバー20や出力ブスバー22とは、異なる平面上に支持されているので、負極ブスバー24とIGBTチップ32Aのエミッタの間には、段差があり、従来のワイヤボンデイング技術では、このような段差がある場合には、アルミワイヤによるボンデイングが不可能であったが、近年、このような段差のある箇所にも適用可能なボンデイング技術が開発されたため、このような配置が可能となっている。また、正極ブスバー20と負極ブスバー24の間には、円柱状の絶縁物60B,60Eを用いているため、超音波ボンデイング時の共振現象を防止できる。
【0033】
ここで、アルミワイヤ50A1とアルミワイヤ50B1は、それぞれ、平行に保たれている。即ち、アルミワイヤ50A1とアルミワイヤ50B1が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっている。
【0034】
従って、IGBTチップ30Aのエミッタは、出力ブスバー22の上に固定された図示しないダイオードのカソードに接続され、第1の直列回路を構成している。また、IGBTチップ32Aのコレクタは、正極ブスバー20の上に固定された図示しないダイオードのアノードに接続され、第2の直列回路を構成している。
【0035】
第1の直列回路と第2の直列回路は、それぞれ、正極ブスバー20と負極ブスバー24に対して並列接続されているとともに、第1の直列回路のIGBTチップのエミッタとダイオードのカソードの接続点及び、第2の直列回路のダイオードのアノードとIGBTチップのコレクタの接続点は、出力ブスバー22に共通接続されている。
【0036】
さらに、正極ブスバー20の左側であって、絶縁板10の上には、端子台70が取り付けられている。端子台70のうえには、半田により、ゲート抵抗74Aが固定されている。ゲート抵抗74Aは、アルミワイヤ78A1によりIGBTチップ30Aのベースに接続されている。また、出力ブスバー22の右側であって、絶縁板10の上には、端子台72が取り付けられている。端子台72のうえには、半田により、ゲート抵抗76Aが固定されている。ゲート抵抗76Aは、アルミワイヤ78A2によりIGBTチップ32Aのベースに接続されている。絶縁板10の裏には、銅パターン90が形成されており、IGBTチップからの放熱は、絶縁板10を介して行われる。
【0037】
正極ブスバー20と出力ブスバー22は、絶縁板10の上に、0.4mm程度に薄くした部分をロー付けにより、接合している。
【0038】
IGBTチップ30A,32Aの表面は、チップ保護のためのコーテイング剤で覆われ、さらに、絶縁板10の上に固定された枠状のケース12によって形成される空間には、チップ保護のために、ゲル100が充填されている。
【0039】
本実施の形態によれば、正極ブスバー20と出力ブスバー22が互いに平行に配置されているため、インダクタンスを低減することができる。
【0040】
また、IGBTチップが正極ブスバー20及び出力ブスバー22の上に直接ついているので、配線距離をさらに、短くできる。
【0041】
また、負極ブスバー24を正極ブスバー20の上に平行に配置され、しかも、正極ブスバー20を流れる電流の向きと負極ブスバー24を流れる電流の向きが逆方向であるため、インダクタンスを低減することができる。
【0042】
また、負極ブスバー24を正極ブスバー20の上に平行に配置したため、従来のようなジャンパープレートを使用する必要がないため、インダクタンスを低減できる。
【0043】
また、負極ブスバー24を正極ブスバー20の上に平行に配置し、さらに、負極ブスバー24と出力ブスバー22の上に固定されたIGBTチップのエミッタを接続するアルミワイヤと、正極ブスバー20の上に固定されたIGBTチップのエミッタと出力ブスバー22を接続するアルミワイヤとを互いに平行にし、しかも、それらを流れる電流の向きを逆方向とすることにより、さらに、インダクタンスを低減できる。
【0044】
次に、図3を用いて本発明の一実施の形態による半導体装置の回路図について説明する。
【0045】
ここで、図1に示した平面図では、4個のIGBTチップと4個のダイオードが配置されているが、これは、第1の直列回路が並列配置され、さらに、第2の直列回路も並列配置されているためであり、ここでは、1個のIGBTチップとダイオードからなる第1の直列回路と1個のIGBTチップとダイオードからなる第2の直列回路だけについて説明する。
【0046】
図3において、太い実線は、ブスバーを表し、破線は、アルミワイヤを表している。
【0047】
IGBTチップ30Aとダイオード40Aからなる直列回路により第1の回路を構成している。また、IGBTチップ32Bとダイオード42Bからなる直列回路により第2の回路を構成している。
【0048】
正極ブスバー20は、IGBTチップ30Aのコレクタ及びダイオード42Aのカソードに接続されている。負極ブスバー24は、ダイオード40Aのアノード側にアルミワイヤ50B3を介して接続され、IGBTチップ32Bのエミッタ側にアルミワイヤ50B2を介して接続されている。
【0049】
また、出力ブスバー22は、IGBTチップ30Aに対してアルミワイヤ50A1を介した点とダイオード40Aのカソードの接続点及びIGBTチップ32Aのコレクタとダイオード42Aのアノード側にアルミワイヤ50A3を介した点との接続点に接続されている。
【0050】
IGBTチップ30Aのベースに信号が印加されると、正の半波が出力ブスバー22を介して取り出され、IGBTチップ32Aのベースに信号が印加されると、負の半波が出力ブスバー22を介して取り出されて、交流信号を得られる。
【0051】
ダイオード40A及びダイオード42Aは、転流用のダイオードである。
【0052】
ここで、本実施の形態によれば、正極ブスバーと負極ブスバーは、互いに平行に配置されるとともに、それぞれを流れる電流の方向は逆方向であるため、インダクタンスを低減できる。
【0053】
また、出力ブスバーと正極ブスバーも互いに平行に配置されており、インダクタンスを低減できる。
【0054】
また、アルミワイヤは、対アームであるアルミワイヤと互いに平行であり、しかも、流れる電流の方向は、逆方向となっており、インダクタンスを低減できる。
【0055】
また、正極から電流が流れチップを通って出力端子に戻ってくるまでの往復線間は、ワイヤ高さと絶縁物高さ程度に小さくできるので、磁界キャンセリング作用により、インダクタンスを低減できる。そのため、各部における自己インダクタンスおよび相互インダクタンスが大きく減少し、それによりサ−ジ電圧を低減でき、スイッチング損失を低減できる。複数チップで遠い位置のチップのインダクタンスが大きく、電流アンバランスが発生しやすいため、極力内部わん曲をなくし、近接並行としインダクタンスを低減している。
【0056】
チップの線膨張係数は、銅の約1/6倍で、窒化アルミの線膨張係数は、銅の約1/5倍で、チップ、銅、窒化アルミの順に接続されているため、熱ストレスの影響をうけることが予想されるが、ブスバーのIGBTチップマウント部の厚さを最適とすることにより熱応力作用によりはんだ寿命に影響しないようすることが可能である。
【0057】
以下、本発明の他の実施の形態について、図4及び図5を用いて説明する。 図4は、本発明の他の実施の形態による半導体装置の平面図であり、図5は、図4のY−Y断面図である。
【0058】
本実施の形態では、IGBTチップとこれに直列配置されるダイオードを近接させる配置としている。また、ブスバーを上下対称に、即ち、対アームを形成する第1の直列回路と第2の直列回路を対称に配置し、これに対してブスバーを対称に配置している。なお、ここでは、2個のIGBTチップと2個のダイオードからなる配置を示しているが、図1と同様にして、4個のIGBTチップと4個のダイオードからなる配置としてもよい。
【0059】
図4において、四角形の絶縁板110の上であって、図面に向かって左側の方には、長方形の正電極端子として用いられる正極ブスバー120Bが、接合されている。接合は、銀ローなどのロー材を用いている。絶縁板110は、例えば、窒化アルミ板からなる。また、正極ブスバー120の右側であって、絶縁板110の上には、出力端子として用いられる出力ブスバー122Aが、ロー付けにより接合されている。正極ブスバー120Bと出力ブスバー122Aは、同一の絶縁板110上に取り付けられているため、互いに平行である。また、長方形の正極ブスバー120Bの長軸方向と出力ブスバー122Aの長軸方向は互いに平行であり、この点においても、正極ブスバー120Bと出力ブスバー122Aは、互いに平行である。
【0060】
正極ブスバー120Bの上には、図示しない半田により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ130Aと転流用のダイオード142Bが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ130Aのコレクタとダイオード142Bのカソードが、正極ブスバー120Bに接続されている。
【0061】
また、出力ブスバー122Aの上には、図示しない半田により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ132Bと転流用のダイオード140Aが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ132Bのコレクタとダイオード140Aのカソードが、出力ブスバー122Aに接続されている。
【0062】
IGBTチップ130Aのエミッタが、アルミワイヤ150A1によって、出力ブスバー122Aに接続され、ダイオード142Bのアノードが、アルミワイヤ150A3によって、出力ブスバー122Aに接続されている。ここで、アルミワイヤ150A1,150A3は、それぞれ、2本づつの線で表しているが、実際には、複数本平行に用いられている。アルミワイヤ150A1,150A3は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0063】
正極ブスバー120Bと出力ブスバー122Aの上には、3本の円柱形の絶縁物160A,160B,160Cが固定されている。そして、この絶縁物160A,160B,160Cの上には、負極ブスバー124が固定されている。従って、負極ブスバー124は、正極ブスバー120Bと互いに平行になっており、また、負極ブスバー124と正極ブスバー120Bを流れる電流の向きは、逆方向となっている。
【0064】
負極ブスバー124には、IGBTチップ132Bのエミッタが、アルミワイヤ150B1によって接続され、ダイオード140Aのアノードが、アルミワイヤ150B3によって接続されている。ここで、アルミワイヤ150B1,150B3は、それぞれ、2本づつの線で表しているが、実際には、複数本平行に用いられている。アルミワイヤ150B1,150B3は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0065】
ここで、アルミワイヤ150A1,150A3とアルミワイヤ150B1,150B3は、それぞれ、平行に保たれている。即ち、この点については、図5を用いて詳述するが、アルミワイヤ150A1とアルミワイヤ150B1が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっており、また、アルミワイヤ50A3とアルミワイヤ50B3が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっている。
【0066】
従って、IGBTチップ130Aのエミッタは、ダイオード140Aのカソードに接続され、第1の直列回路を構成している。また、IGBTチップ132Bのコレクタは、ダイオード142Bのアノードに接続され、第2の直列回路を構成している。第1の直列回路を構成するIGBTチップ130Aとダイオード140Aは近接して配置されているため、インバータの転流動作時に、電流がIGBTチップからダイオードに移った時の交流分による磁界キャンセリングが行える。また、第2の直列回路を構成するIGBTチップ132Bとダイオード142Bも同じ理由から近接して配置されている。
【0067】
第1の直列回路と第2の直列回路は、それぞれ、正極ブスバー120Bと負極ブスバー124に対して並列接続されているとともに、第1の直列回路のIGBTチップのエミッタとダイオードのカソードの接続点及び、第2の直列回路のダイオードのアノードとIGBTチップのコレクタの接続点は、出力ブスバー122Aに共通接続されている。
【0068】
さらに、正極ブスバー120Bの左側であって、絶縁板110の上には、端子台170が取り付けられている。端子台170のうえには、半田により、ゲート抵抗174Aが固定されている。ゲート抵抗174Aは、アルミワイヤ178A1によりIGBTチップ130Aのベースに接続されている。また、出力ブスバー122Aの右側であって、絶縁板110の上には、端子台172が取り付けられている。端子台172のうえには、半田により、ゲート抵抗176B1が固定されている。ゲート抵抗176B1は、アルミワイヤ178B2によりIGBTチップ132Bのベースに接続されている。
【0069】
また、正極ブスバー120Bには、正極ブスバー120Aが接続されており、正極ブスバー120Aと負極ブスバー124の左側の端子部分は、互いに平行になっている。出力ブスバー122Aには、出力ブスバー122Bが接続されている。正極ブスバー120Aと出力ブスバー122Bの構成については、図5を用いて後述する。
【0070】
IGBTチップからの放熱は、絶縁板110を介して行われる。
【0071】
次に、図5を用いて、図4に示した本発明の他の実施の形態による半導体装置の断面構造について説明する。
【0072】
絶縁板110の上であって、図面に向かって左側の方には、正電極端子として用いられる正極ブスバー120Bが、接合されている。接合は、銀ローなどのロー材を用いている。正極ブスバー120Bには、入力端子として用いるL字状の正極ブスバー120Aが半田付けされている。また、正極ブスバー120Bの右側であって、絶縁板110の上には、出力端子として用いられる出力ブスバー122Aが、ロー付けにより接合されている。出力ブスバー122Aには、出力端子として用いるL字状の出力ブスバー122Bが半田付けされている。正極ブスバー120Bと出力ブスバー122Aは、同一の絶縁板110上に取り付けられているため、互いに平行である。また、正極ブスバー120Bの長軸方向(図面に直交する方向)と出力ブスバー122Aの長軸方向(図面に直交する方向)は互いに平行であり、この点においても、正極ブスバー120Bと出力ブスバー122Aは、互いに平行である。
【0073】
正極ブスバー120Bの上には、半田180により、図示しないパワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップと転流用のダイオード142Bが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ130Aのコレクタとダイオード142Bのカソードが、正極ブスバー120Bに接続されている。
【0074】
また、出力ブスバー122Aの上には、半田182により、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBTチップ132Bと図示しない転流用のダイオードが固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチップ132Bのコレクタとダイオード142Bのアノードが、出力ブスバー122Aに接続されている。
【0075】
出力ブスバー122Aには、ダイオード142Bのアノードが、アルミワイヤ150A3によって接続されている。ここで、アルミワイヤ150A3は複数本平行に用いられている。アルミワイヤ150A3は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0076】
正極ブスバー120B及び出力ブスバー122Aの上には、円柱形の絶縁物160Bが固定されている。そして、絶縁物160Bの上には、負極ブスバー124が固定されている。従って、負極ブスバー124は、正極ブスバー120B及び正極ブスバー120Aと互いに平行になっており、また、負極ブスバー124と正極ブスバー120A,120Bを流れる電流の向きは、逆方向となっている。また、正極ブスバー120Aと負極ブスバー124の間には、絶縁物製のスペーサ192を介して固定されている。
【0077】
負極ブスバー124の右側には、IGBTチップ132Bのエミッタが、アルミワイヤ150B1によって接続されている。また、図示しないダイオードのアノードが、アルミワイヤによって、負極ブスバー124の接続端子に接続されている。ここで、アルミワイヤ150B1は、複数本平行に用いられている。アルミワイヤ150B1は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用している。
【0078】
また、負極ブスバー124は、絶縁物160Bを介して、正極ブスバー120Bや出力ブスバー122Aとは、異なる平面上に支持されているので、負極ブスバー124とIGBTチップ132Bのエミッタの間には、段差があり、従来のワイヤボンデイング技術では、このような段差がある場合には、アルミワイヤによるボンデイングが不可能であったが、近年、このような段差のある箇所にも適用可能なボンデイング技術が開発されたため、このような配置が可能となっている。また、正極ブスバー120Bと負極ブスバー124の間には、円柱状の絶縁物160Bを用いているため、超音波ボンデイング時の共振現象を防止できる。
【0079】
ここで、アルミワイヤ150A3とアルミワイヤ150B1は、それぞれ、平行に保たれている。即ち、アルミワイヤ150A3とアルミワイヤ150B1が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっている。
【0080】
従って、IGBTチップ132Bのコレクタは、正極ブスバー120Bの上に固定された図示しないダイオードのアノードに接続され、第1の直列回路を構成している。また、正極ブスバー120Bの上に固定された図示しないIGBTチップのエミッタは、出力ブスバー122Aの上に固定されたダイオードのカソードに接続され、第2の直列回路を構成している。また、第1の直列回路と第2の直列回路は、それぞれ、正極ブスバー120Bと負極ブスバー124に対して並列接続されているとともに、第1の直列回路のIGBTチップのエミッタとダイオードのカソードの接続点及び、第2の直列回路のダイオードのアノードとIGBTチップのコレクタの接続点は、出力ブスバー122Aに共通接続されている。また、第1の回路と第2の回路は、対称配置されているため、正極ブスバー120A,120B及び負極ブスバー124を対称形にすることができ、第1及び第2の回路に均等に流れるため、電流配分が均等になり、電流アンバランスを小さくできる。
【0081】
さらに、正極ブスバー120Bの左側であって、絶縁板110の上には、端子台170が取り付けられている。端子台170のうえには、半田により、ゲート抵抗174Aが固定されている。ゲート抵抗174Aは、アルミワイヤ178A1によりIGBTチップ130Aのベースに接続されている。また、出力ブスバー122Aの右側であって、絶縁板110の上には、端子台172が取り付けられている。端子台172のうえには、半田により、ゲート抵抗176Bが固定されている。ゲート抵抗176Bは、アルミワイヤ178B2によりIGBTチップ132Bのベースに接続されている。絶縁板110の裏には、銅パターン190が形成されており、IGBTチップからの放熱は、絶縁板110を介して行われる。
【0082】
正極ブスバー120Bと出力ブスバー122Aは、絶縁板110の上に、0.4mm程度に薄くした部分をロー付けにより、接合している。
【0083】
IGBTチップの表面は、チップ保護のためのコーテイング剤で覆われ、さらに、その上には、チップ保護のために、ゲル100が充填されている。
【0084】
本実施の形態によれば、第1の回路と第2の回路を対称に配置したため、正極ブスバー及び負極ブスバーからの電流が均等に流れるため、電流配分が均等になる。
【0085】
また、第1の回路を構成するIGBTチップとダイオードを近接して配置しているため、交流分による磁界キャンセリングが可能となる。
【0086】
また、正極ブスバーと出力ブスバーが互いに平行に配置されているため、インダクタンスを低減することができる。
【0087】
また、IGBTチップが正極ブスバー及び出力ブスバーの上に直接ついているので、配線距離をさらに、短くできる。
【0088】
また、負極ブスバーを正極ブスバーの上に平行に配置され、しかも、正極ブスバーを流れる電流の向きと負極ブスバーを流れる電流の向きが逆方向であるため、インダクタンスを低減することができる。
【0089】
また、負極ブスバーを正極ブスバーの上に平行に配置したため、従来のようなジャンパープレートを使用する必要がないため、インダクタンスを低減できる。
【0090】
また、負極ブスバーを正極ブスバーの上に平行に配置し、さらに、負極ブスバーと出力ブスバーの上に固定されたIGBTチップのエミッタを接続するアルミワイヤと、正極ブスバーの上に固定されたIGBTチップのエミッタと出力ブスバーを接続するアルミワイヤとを互いに平行にし、しかも、それらを流れる電流の向きを逆方向とすることにより、さらに、インダクタンスを低減できる。
【0091】
また、正極から電流が流れチップを通って出力端子に戻ってくるまでの往復線間は、ワイヤ高さと絶縁物高さ程度に小さくできるので、磁界キャンセリング作用により、インダクタンスを低減できる。そのため、各部における自己インダクタンスおよび相互インダクタンスが大きく減少し、それによりサ−ジ電圧を低減でき、スイッチング損失を低減できる。複数チップで遠い位置のチップのインダクタンスが大きく、電流アンバランスが発生しやすいため、極力内部わん曲をなくし、近接並行としインダクタンスを低減している。
【0092】
チップの線膨張係数は、銅の約1/6倍で、窒化アルミの線膨張係数は、銅の約1/5倍で、チップ、銅、窒化アルミの順に接続されているため、熱ストレスの影響をうけることが予想されるが、ブスバーのIGBTチップマウント部の厚さを最適とすることにより熱応力作用によりはんだ寿命に影響しないようすることが可能である。
【0093】
【発明の効果】
本発明によれば、2回路内蔵方式の半導体装置における内部インダクタンスを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による半導体装置の平面図である。
【図2】図1のX−X断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態による半導体装置の回路図である。
【図4】本発明の他の実施の形態による半導体装置の平面図である。
【図5】図4のY−Y断面図である。
【符号の説明】
10,110…絶縁板
12…ケ−ス
20,120A,120B…正極ブスバ−
22,124A,124B…出力ブスバ−
24,124…負極ブスバ−
30A,30B,32A,32B…IGBTチップ
40A,40B,42A,42B…ダイオ−ドチップ
50A1,50A2,50A3,50A4,50B1,50B2,50B3,50B4,78A1,78A2,78B1,78B2…アルミワイヤ
60A,60B,60C,60D,60E,60F…絶縁物
70,72…端子台
74A,74B,76A,76B…チップ抵抗
80,82,180,182…半田
90…銅板
100…ゲル
192…スペ−サ
Claims (3)
- 絶縁基板上に固定された正極ブスバーおよび出力ブスバーと、
電気的に絶縁されて少なくとも前記正極ブスバーに近接配置された負極ブスバーと、
前記正極ブスバーおよび前記出力ブスバーと電気的に接続されるとともに、前記正極ブスバー上に固着された正極側のIGBTチップおよびダイオードチップと、
前記出力ブスバーおよび前記負極ブスバーと電気的に接続されるとともに、前記出力ブスバー上に固着された負極側のIGBTチップおよびダイオードチップとを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記負極ブスバーは、少なくとも前記正極ブスバーの上方に近接配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記電気的な接続は、ワイヤボンディングで行われていることを特徴とする半導体装置。
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