JP3705755B2

JP3705755B2 - Power semiconductor device

Info

Publication number: JP3705755B2
Application number: JP2001226342A
Authority: JP
Inventors: 義彦小池; 康宏根本; 雅人三浦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JP2003046035A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、底面金属基板を備えた樹脂封止方式の内部絶縁型パワー半導体装置に係り、特に、高信頼性で高耐圧が要求される電力変換装置に好適なパワー半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴ、ダイオード、ＧＴＯなど各種のパワー半導体素子は、その耐圧や電流容量に応じて、従来からインバータ装置などの電力機器に広く用いられているが、中でもＩＧＢＴは、電圧制御型の半導体素子であり、制御が容易であることや、大電流の高周波動作が可能であることなどの特徴を有していることから、近年、重用されるようになっている。
【０００３】
ところで、近年は、このようなパワー半導体素子については、それらの素子を複数個、モジュール化して使用するのが一般的であるが、このときのモジュール構造の一種に、合成樹脂の絶縁容器を用いた密封方式のパワー半導体モジュールが知られている。
【０００４】
そして、このモジュール構造の半導体装置は、多くの場合、モジュールの底面金属基板とモジュール内の電流通電部がモジュールの内部で電気的に絶縁されている、いわゆる内部絶縁構造に作られており、このため、インバータ装置などに対する実装が容易になっていることもあり、近年、急速に応用範囲拡がってきている。
【０００５】
ところで、これらの半導体装置モジュールについては、その外部絶縁性に関する指針として、日本国内では、ＪＥＭ規格(日本電機工業会標準規格)が、そして海外では、ＩＥＣ規格(International Electro technical Commission)などがあり、これらにより、当該半導体装置が使用される環境、印加電圧などに応じて絶縁に必要な沿面距離や空間距離が規定されている。
【０００６】
ここで、半導体装置の大きさに制約が無い場合には、特に問題は無く、底面金属基板と端子の間、端子相互間などでの絶縁距離については、半導体モジュール自体を大型化すればよく、この場合、必要な絶縁距離は容易に確保できる。
しかし、半導体装置に小型化、薄型化が要求される場合は、各部分で必要とする沿面距離や空間距離を平坦な絶縁面によって確保するのが難しくなる。
【０００７】
そこで、一般的には、例えば特開平１-１４４６６２号公報に示されているように、主端子間の絶縁面にストライプ状の溝を設けて沿面距離を確保する方法が用いられており、このとき、特に底面金属板に近接する端子については、該当する端子の周辺を溝で囲むなどの方法により沿面距離を確保していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、沿面距離や空間距離の確保に充分な配慮がされているとは言えず、このため、小型化に問題点があった。
詳しく説明すると、一般的に必要とする絶縁距離は、当該半導体装置の定格電圧や絶縁定格の向上に伴って大きくなり、従って、高耐圧になるにつれ、絶縁距離、すなわち底面金属基板と各端子までの距離が多く必要になり、これを確保するため半導体モジュールの高さが増加する。
【０００９】
また、例えば２in１モジュールのように、同一モジュール内部に異なった電圧部分が複数箇所ある場合は、異った電圧間の端子についての間隔は更に広くする必要があるが、これらは何れも半導体装置の小型化に障害となる。
更に、このように絶縁距離の確保を、半導体モジュールの高さの増加と各端子の隔離に依存した場合には、端子の位置に制約を受けてしまう。
【００１０】
一方、半導体装置の側面に凹凸を付けることで沿面距離を確保する従来技術の場合は、凹凸によりモジュール内部にデッドスペースが発生してしまうので、半導体装置内の部品配置が制約され、且つ、樹脂部品の成型に必要な金型の形状が複雑になり、設計が難しくなってしまうという問題もある。
【００１１】
本発明の目的は、高耐圧仕様のモジュール化された薄型で小型のパワー半導体装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、底面金属基板を備えた一方の面と、該一方の面に対向し複数の端子が配置された他方の面と、前記一方の面と前記他方の面とを結ぶ外周面とを備え、複数のＩＧＢＴ素子を内蔵させた樹脂封止方式の内部絶縁型パワー半導体装置において、前記複数の端子のうち、前記ＩＧＢＴ素子の制御端子は、前記他方の面にそのまま配置し、前記ＩＧＢＴ素子に主電流を流す主端子は、前記他方の面から離間させた面に配置し、前記他方の面と前記外周面との接続部の全周に、当該外周面から延在させた絶縁壁部を設け、前記一方の面から測った前記他方の面の高さをＨ１とし、前記一方の面から測った前記主端子が配置されている面の高さをＨ２とし、前記一方の面から測った前記絶縁壁部の端部の高さをＨ３としたとき、Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２の関係が満たされているようにして達成される。
【００１３】
このとき、前記周絶縁壁部と、前記端子の中で最も低い位置にある端子の高さの差が、前記底面金属基板の底面から当該半導体装置の最上面までの高さの５％以上あるようにしても上記目的が達成でき、このとき、前記絶縁壁部の最大の高さにある部分と、前記端子の中で最低の高さにある端子との高さの差が、２ｍｍから２０ｍｍの範囲にあるようにしても、同じく上記目的が達成できる。
【００１４】
また、このとき、前記底面金属基板と同電位にある部分と前記各端子までの絶縁距離が、沿面距離では５３ｍｍ以上、空間距離では３２ｍｍ以上であるようにしてもよく、更には、当該パワー半導体装置が絶縁定格９ｋＶｒｍｓ以上であるようにしてもよい。
【００１５】
この結果、本発明によれば、半導体装置全体のサイズが小型化でき、モジュール内部のレイアウトに制限を与えないで絶縁距離を確保し、高絶縁仕様のパワー半導体装置を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるパワー半導体装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は本発明をＩＧＢＴモジュールに適用した場合の一実施形態に係るパワー半導体装置の斜視図で、図２は等価回路、それに図３は正面図と横側面図及び縦側面図であり、以下、これらの図を参照して説明する。なお、この図において、１０はモジュールで、パワー半導体装置を表わし、４０９は端子ブロックで、４１２はケースを表わす。
【００１７】
ここで、このようなモジュール１０の場合、その内部と外部の双方で絶縁を確保する必要があるが、この実施形態の場合、まず、モジュールの内部での絶縁については、後述するように、内部にある絶縁基板により確保するが、モジュール外部の絶縁については、端子ブロック４０９とケース４１２の表面での沿面距離と空間距離によって確保するようになっている。
【００１８】
そして、このモジュール１０の場合、モジュール外部の絶縁には、素子主耐圧に関する絶縁(各端子相互間での絶縁のこと)と、モジュールとしての絶縁(モジュールの導体部分と各端子の間での絶縁のこと)の２種類がある。
【００１９】
ここで、このモジュールを電力変換装置などに装着して動作させたとき、装置内の他の機器、例えば冷却フィンなどとモジュールの各端子間の絶縁が確保されるようにする必要があるが、これのことを、ここではモジュールとしての絶縁と呼んでいるのであり、これは、上記したように、モジュールの導体部分と各端子の間での絶縁のことになる。
【００２０】
そして、まず、素子主耐圧に関する絶縁については、半導体素子のコレクタとエミッタの端子間に充分な絶縁を確保する必要がある。これは、これらの間に半導体素子の耐圧に相当する電圧の印加が想定されるからである。
【００２１】
このことは、図１において、コレクタ主端子１０１及びコレクタセンス端子１０５とエミッタ主端子１０２及びエミッタセンス端子１０４の間に充分な絶縁を確保する必要があることを意味する。また、ここで、ゲート端子１０３も、コレクタ主端子１０１及びコレクタセンス端子１０５に対して充分な絶縁の確保を要する。
【００２２】
そこで、この実施形態では、まず、コレクタ主端子１０１とエミッタ主端子１０２の間の絶縁は、これらの間に間隔Ｗ１を設けた上で、各主端子の位置を高さｈ１にすることにより確保されるようにしている。
【００２３】
また、このとき、エミッタセンス端子１０４とコレクタセンス端子１０５の間には、間隔Ｗ２を設けると共に、この間に絶縁確保用の溝１１０を設けることにより、必要な絶縁が確保されるようにしてある。
【００２４】
次に、モジュールとしての絶縁については、図１において、コレクタ主端子１０１、エミッタ主端子１０２、ゲート端子１０３、エミッタセンス端子１０４、それにコレクタセンス端子１０５の全ての端子を、モジュールの底面にある金属基板１０６とモジュール取付けボルト受け用金属カラー１０７から絶縁することを意味する。
【００２５】
そこで、この実施形態では、金属基板１０６の底面からモジュールの端子が配置されている部分の高さよりも高く形成した絶縁壁部１０８をモジュールの外周部分に設け、これによりモジュールとしての絶縁が確保されるようにする。
【００２６】
そして、この実施形態では、ゲート端子１０３とエミッタセンス端子１０４、それにコレクタセンス端子１０５が配置される部分の高さＨ１と、コレクタ主端子１０１とエミッタ主端子１０２が配置される部分の高さＨ２を異なった寸法にしてあり、これにより、図１に示すように、Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２の関係が成り立つようにしてある(ここで、Ｈ４については後述する)。
【００２７】
このように、ケース外周の高さＨ３を、端子高さの中で一番低い高さＨ１より高くすることで、底面金属基板１０６から端子までの沿面距離と空間距離を、双方共に充分に長くすることができる(Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２)。
【００２８】
更に、ゲート端子１０３やエミッタセンス端子１０４など、モジュールの外周に近い位置に配置された端子がある場合、この実施形態では、絶縁壁部１０８の一部を更に高くて、高さＨ４(Ｈ２＜Ｈ４)の絶縁壁１０９を設け、これにより、同じく充分な絶縁距離が確保できるようにしてある。
【００２９】
次に、この本発明の実施形態に係るＩＧＢＴモジュールについて、製造工程も含めて更に詳細に説明する。
まず、この実施形態では、図４に示すように、半導体素子４０１と底面金属基板１０６の間に複合絶縁基板４０３を配置し、これよりモジュール内部の絶縁が確保されるようにしている。ここで、この図４は、図３のＡ−Ａ線による断面図である。
【００３０】
まず、複合絶縁基板４０３は、例えばＡlＮ(窒化アルミニウム)の絶縁基板４０４の一方と他方の面に、例えばモジュール内部の回路パターンを形成している銅箔４０５と、半田接合用の銅箔４０６を予め銀ろう等の高融点接合材で接合させたものである。
【００３１】
そして、この実施形態におけるモジュール内部の絶縁は、この絶縁基板４０４の絶縁耐量(ＡlＮ基板自体の厚さ、銅箔４０５から銅箔４０６までの沿面距離Ｗ３、回路パターン間の沿面距離Ｗ４)によって確保されるようにしてある。
【００３２】
ここで、このモジュールに搭載される複数のＩＧＢＴなどの半導体素子４０１は、半田４０２によって複合基板４０３の一方の銅箔４０５に接合される。そして、複合絶縁基板４０３は、その銅箔４０６が半田４０７により接合されることにより、例えば銅の底面金属基板１０６に取付けられる。
【００３３】
そして、複合絶縁基板４０３上の銅箔４０５により形成されている回路パターンの所定の部分には、半田４０８によりコレクタ主端子１０１が接合され、その他、この図４には表わされていないが、エミッタ主端子１０２、ゲート端子１０３、エミッタセンス端子１０４、コレクタセンス端子１０５も、この銅箔４０５の回路パターンに夫々接合されている。
【００３４】
このとき、これらの端子は、予めＰＰＳ(ポリフェニレン・サルファイド)などの合成樹脂で作られた端子ブロック４０９に一体化されているが、この端子ブロック４０９には、各端子に対応してナット４１０が設けてあり、モジュール実装後、これに配線接続用のボルトを係合させ、導線を取付け、このＩＧＢＴモジュールに対する外部回路の接続が得られるようになっている。
【００３５】
次に、端子ブロック４０９が取付けられている側から、底面金属基板１０６に合成樹脂(ＰＰＳ)のケース４１２を被せ、シリコーン樹脂４１１により接合させるのであるが、このケース４１２には、既に説明したように、モジュール外部の絶縁距離確保のための絶縁壁部１０８が設けられている。
【００３６】
このとき、ケース４１２の内側と端子ブロック４０９の外側には、モジュールの全周に渡ってクランク構造部４１３が形成してあり、この部分で相互に係合するようになっていて、ここに熱硬化型のエポキシ樹脂４１４を注入、硬化させることにより一体化され、内部が密封されるようになっている
次に、端子ブロック４０９に設けてある注入口３０１(図３)からモジュール内にシリコーンゲル４１５を注入し、内部に充填させ、半導体素子４０１の周辺を封止する。そして、このシリコーンゲル４１５の注入後、注入口３０１にはシリコーンゴム製のキャップを装着し、モジュール内を密封するのであるが、このとき、シリコーンゲル４１５の熱変形を吸収するのに必要な空間４１６がモジュールの中に残されるようにする。
【００３７】
以上の結果、この実施形態によれば、モジュールを薄型化し小型化しても、各端子間及び各端子と共通電位点の間に必要な沿面距離と空間距離が容易に得られることになり、従って、この実施形態によれば、容易にモジュールの薄型化と小型化を図ることができる。
【００３８】
ところで、この実施形態では、ケース外周部に高さの異なる絶縁壁部を設け、これにより必要とする絶縁距離が得られるようにしたものなので、ケースの形状を変えるだけで、モジュールとしての絶縁距離が容易に変更することができ、これにより各種の絶縁定格に対応したモジュールが、大きな変更を要すること無く容易に得ることができる。
【００３９】
そこで、まず、この点について説明すると、このモジュールにおける絶縁距離(沿面距離、空間距離)は、そのモジュールの用途に応じて各種規格によって定められている。
【００４０】
例えば、鉄道車両用のＩＧＢＴモジュールの場合は、モジュールに使用される樹脂の材質や、モジュールが実装される場所の環境によっても異なるが、ＩＥＣ規格(ＩＥＣ‐６００７７‐１１９９９)があり、これにより、以下の表１に示すように、架線電圧に応じた絶縁距離が規定されている。
【００４１】
【表１】

そこで、まず、本発明の実施形態によるモジュールの薄型化について、図５により、従来技術のモジュールと比較して説明する。
いま、図５の(a)に示すモジュールが、表１で規定されている１.５ｋＶ架線用のＩＧＢＴモジュールを従来技術によって作成した場合のモジュールであるとする。そして、この１.５ｋＶ架線用のＩＧＢＴモジュールを、３ｋＶ架線用に対応させて絶縁性を向上させるためには、底面金属基板１０６に最も近いゲート端子１０３までの絶縁距離を、新たに３ｋＶ用に確保する必要がある。
【００４２】
このとき、本発明の実施形態によれば、図５(b)に示すように、ケースの外周部に所定の高さＨ３の絶縁壁部を設けるだけで対応でき、このとき、コレクタ主端子１０１とエミッタ主端子１０２の高さＨ２については変更を要しないため、モジュールの実装に際して、外部回路や他の部品などについてはそのまま共用することができ、従って、定格仕様の変更に容易に対応することができる。
【００４３】
また、このとき、端子ブロックのゲート端子１０３が配置されていない部分については、その他の端子の位置に応じてケース外周(絶縁壁部)の高さを低くすることもできる。
【００４４】
一方、従来技術の場合は、図５(c)に示すように、ゲート端子１０３がある位置までモジュールの高さを増加させる必要があり、このため、コレクタ主端子１０１とエミッタ主端子１０２の高さがＨ２からＨ５まで増加し、この結果、モジュールが高くなってしまうので、モジュール実装後の回路を共用することができず、大幅な変更を要することになる。
【００４５】
従って、従来技術では定格仕様の変更に対応するのが困難な上、コレクタ主端子１０１とエミッタ主端子１０２のモジュール内部に接続されている部分が長くなってモジュールの内部インダクタンスが増加してしまうという好ましくない特性になってしまう。
【００４６】
また、このように、モジュール容積が大きくなることから、従来技術では、温度サイクルによる変位量が増加し、モジュールの信頼性(端子接合に使用している半田や樹脂材の耐量)が低下する上、モジュール重量が増加するなど種々の問題が生じる。
【００４７】
ここで、図５の(d)は、ケースの側面に凹凸５０１を設け、沿面距離を確保するようにした従来技術によるモジュールの一例であるが、この場合、凹凸５０１では空間距離が確保できないので、モジュールの高さを増加させる必要があり、薄型化には対応できない。
【００４８】
しかも、この場合、凹凸５０１が、図示のように、３本設けられている場合でいえば、約９ｍｍ、モジュール内部の有効領域が小さくなる。すなわち、外側の幅が寸法Ｌ1から寸法Ｌ２に減少してしまうので、その分、内部の幅も小さくなってしまう。更に、この場合、ケースの外形が複雑になった分、ケース形成用の金型も複雑になり、形成も難しくなるなど種々の問題が生じてしまう。
しかるに、本発明の実施形態によれば、上記した問題の虞れは全く生ぜず、上記したように、定格仕様の変更に容易に対応することができる。
【００４９】
次に、この実施形態における絶縁壁部の高さによるモジュールの沿面距離と空間距離の増加について、図６により説明する。
ここで、図６(a)は絶縁壁部１０８の高さと絶縁距離の関係を示したもので、同図(b)は、この実施形態によるモジュールのゲート端子１０３を含む一部の断面であり、このとき実線で示してある沿面距離６０１は、絶縁壁部１０８の高さ(Ｈ３−Ｈ１)の増加に比例して大きくなるが、破線で示した空間距離６０２は、端子１０３から絶縁壁部１０８までの距離Ｘに依存し、距離Ｘが大きくなるにつれ、増加の割合は小さくなり、一方、絶縁壁部１０８の高さが低いときも増加の割合が小さい。
【００５０】
このようなモジュールの場合、絶縁壁部１０８と端子１０３の絶縁距離としては、沿面距離と空間距離の双方を確保する必要があり、従って、この絶縁壁部１０８の高さ(Ｈ３−Ｈ１)は、モジュール全体の高さの５％以上、具体的には２ｍｍ以上とすることが望ましく、これにより絶縁壁部の高さに応じた沿面距離と空間距離の双方の延長効果を得ることができる。
【００５１】
一方、この絶縁壁部を高くした場合、モジュール実装時のボルト締め付けや、配線作業の弊害になる虞れが生じ、また、高くするにつれ、壁部自体の機械的強度確保のため、壁の厚さを増す必要があり、モジュール上面内にデッドスペースが多く生じる。このため、壁部の高さは２０ｍｍ以下にするのが望ましい。
【００５２】
次に、これら本発明の実施形態における絶縁距離について、更に詳細に説明する。
まず図７は、図３のＢ−Ｂ断面図で、コレクタセンス端子１０５と底部金属基板１０６の間の断面構造を示したものであるが、ここで、半導体装置は、通常、冷却フィンに取付けて使用され、この実施形態によるＩＧＢＴモジュールもＡｌ(アルミニウム)などからなる金属製の冷却フィン７０１上に配置され、金属製カラー１０７とボルト７０２により相互に結合される。
【００５３】
そうすると、この場合、冷却フィン７０１は共通電位になっており、これと底面金属基板１０６、取付けボルト７０２、金属製カラー１０７は同電位になり、従って、モジュール外部の絶縁距離の確保には、このフィン側電位点と各端子間の空間距離と沿面距離の双方の確保を要する。このとき、図示の例では、コレクタセンス端子１０５からの沿面距離は実線６０１で表わされ、空間距離は破線６０２で表わされる。
【００５４】
このとき、上記実施形態によれば、コレクタセンス端子１０５の高さＨ１より高い寸法Ｈ３の絶縁壁部１０８をモジュール上面の周辺部に設けることにより、沿面距離と空間距離を共に長くできることが判る。
【００５５】
次に図８は、図３のＣ−Ｃ断面図で、エミッタ主端子１０２と底部金属基板１０６の間の断面構造を示したものであり、この場合も沿面距離は実線６０１で、空間距離は破線６０２で、夫々示してある。
【００５６】
このときも、この実施形態では、主端子高さＨ２に対して低いが、ゲート端子１０３高さＨ１よりケース外周高さＨ３を高くすることで、沿面距離、空間距離の双方とも長く取ることができることが判る。
【００５７】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
ここで、これまで説明した実施形態では、モジュールのケース４１２に絶縁壁１０８を設けていたが、このようなモジュールとしては、モジュールの上面に後でケース蓋を取付けて封止する方式のものがあり、本発明は、このようなモジュールにも適用することができる。
【００５８】
そこで、このような、後でケース蓋を取付ける方式の半導体モジュールに本発明を適用した場合の実施形態について、図９(a)により説明すると、この実施形態では、予めケース蓋９０１の外周部に突出部９０３を設けておき、このケース蓋９０１をケース４１２に取付けたとき、その上端部に絶縁壁部１０８が形成されるようにしたもので、これによっても同じように絶縁距離を長くすることができる。
【００５９】
一方、図９(b)は、モジュール組立後、ケース４１２の上端部に絶縁壁部１０８となる枠部材９０２を取付け、これにより絶縁壁部１０８が形成されるようにしたものであり、この場合も、枠部材９０２とケース４１２がエポキシ樹脂などで完全に一体化されるようにしてやれば、同じように絶縁距離を長くすることができる。なお、この場合、部材９０２の材質については、絶縁規格を満足する材料であればケース側４１２や上面の樹脂材と同一にする必要はない。
【００６０】
次に、以上に説明した本発明の実施形態に係るモジュール１０の実装例について説明する。
図１０は、本発明の実施形態に係るモジュール１０の実装に際してのゲート配線１００１とエミッタセンス配線１００２の接続状況の一例を示したもので、このとき、特に図１により説明したように、モジュール１０の取付ボルト７０２に近い部分に、ケース２０の外周の高さを一部だけ高くした絶縁壁部１０９が設けられていることから、充分な絶縁距離が確保されていることが判る。
【００６１】
この絶縁壁部１０９の幅Ｗは、沿面距離６０１が、図示のように、絶縁壁部１０９を迂回する経路になったときでも、規格で規定された沿面距離が確保できるよな寸法にしておく必要があり、このことは、空間距離に関しても同じであることは言うまでもない。
【００６２】
しかも、本発明の実施形態の場合、絶縁壁部１０８の全体を高くするのではなく、必要な部分だけが絶縁壁部１０９として高くしてあり、従って、この幅Ｗを必要な範囲で最小に抑えておくことにより、配線の引き回しを妨害する虞れがなく、配線が容易になるので、モジュール実装時の障害になることはない。
【００６３】
次に、図１１は、本発明の実施形態に係るモジュール１０をモータ駆動用のインバータ装置に実装した場合の等価回路と横方向からの一部側面図を示したもので、この場合、一般的に、各モジュール１０は、例えばＡｌからなる金属製の冷却フィン７０１にボルト７０２で実装される。
【００６４】
各モジュール１０間の接続については、中間電位になる配線部分が１本のブスバー１１０３により配線される。そして、コレクタ側とエミッタ側を夫々ブスバー１１０４、１１０５で配線し、これらをＵ相とＶ相、Ｗ相の上アームと下アームについて３相分配線した上で、直流電源電圧１１０６を供給し、中間電位になるブスバー１１０３の各相をモータ１１０７に接続し、このモータ１１０７を３相交流により駆動するのである。
【００６５】
このとき、直流電源電圧１１０６が高く、モジュール１０の絶縁距離が必要な場合、モジュール実装後、各ブスバーとモジュールを実装した後のボルト７０２との空間距離も考慮する必要があるが、この実装例では、折曲部１１０８で示すように、ブスバーを曲げて立ち上げることにより、必要とする空間距離Ｈ６を確保しており、従って、ケース外周の高さＨ４が主端子高さＨ２より高くなっていても弊害は生じない。
【００６６】
なお、ケース外周の高さＨ４が必要以上に高いと、ブスバーを大きく迂回させる必要が生じてしまうので、このケース外周高さＨ４は、絶縁規格により設定された値に応じて最小限に抑えることが望ましい。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果がある。
(1) ケースの変更だけで高絶縁の半導体モジュールが提供できる。
(2) 半導体モジュール内部の配線によるインダクタンスを小さくできる。
(3) 半導体モジュール内部の樹脂量が低減でき、温度サイクルによる応力歪を小さくすることで長寿命化できる。
【００６８】
(4) 半導体素子の定格が同じで、絶縁定格を向上させた製品の端子位置を共通化でき、半導体モジュールの実装配線を共通化できる。
(5) 半導体モジュールの側面に凹凸を設ける必要がないので、内部のデッドスペースが抑えられ、樹脂ケース形成用の金型設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワー半導体装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態の等価回路図である。
【図３】本発明の一実施形態の３面図である。
【図４】本発明の一実施形態における或る一部の断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るモジュールと従来技術によるモジュールの比較説明図である。
【図６】本発明の実施形態における絶縁壁高さと絶縁距離を示す特性図である。
【図７】本発明の一実施形態における他の一部の断面図である。
【図８】本発明の一実施形態における別の一部の断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態を説明するための断面図である。
【図１０】本発明に係るモジュールの実装状態の一例を示す説明図である。
【図１１】本発明に係るモジュールの実施形態の他の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１コレクタ主端子
１０２エミッタ主端子
１０３ゲート端子
１０４エミッタセンス端子
１０５コレクタセンス端子
１０６底面金属基板
１０７金属カラー
１０８モジュール外周に設けた高さＨ３の絶縁壁部
１０９モジュール外周に設けた高さＨ４(Ｈ４＞Ｈ３)の絶縁壁部
１１０絶縁確保溝
３０１シリコーンゲル注入口
４０１半導体素子
４０２、４０７、４０８半田
４０３複合絶縁基板
４０４絶縁基板
４０５、４０６銅箔
４０９端子ブロック
４１０ナット
４１１シリコーン樹脂
４１２ケース
４１３クランク構造部
４１４エポキシ樹脂
４１５シリコーンゲル
４１６モジュール内部空間
５０１ケース側面の凹凸
６０１沿面距離
６０２空間距離
７０１冷却フィン
７０２モジュール取付ボルト
９０１ケース蓋
９０２枠部材(後付け絶縁壁)
９０３突出部
１００１ゲート配線
１００２エミッタセンス配線
１１０２ＩＧＢＴモジュール
１１０３〜１１０５ブスバー
１１０６直流電源電圧
１１０７モータ
１１０８折曲部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a resin-sealed internal insulating power semiconductor device including a bottom metal substrate, and more particularly to a power semiconductor device suitable for a power conversion device that requires high reliability and high withstand voltage.
[0002]
[Prior art]
Various power semiconductor elements such as IGBTs, diodes, and GTOs have been widely used in power devices such as inverter devices according to their withstand voltages and current capacities, but IGBTs are voltage-controlled semiconductor elements. In recent years, it has been frequently used because it has features such as easy control and high-frequency operation with a large current.
[0003]
By the way, in recent years, for such power semiconductor elements, it is common to use a plurality of such elements in a modular form. However, a synthetic resin insulating container is used as a kind of module structure at this time. A sealed power semiconductor module is known.
[0004]
In many cases, the module-structured semiconductor device has a so-called internal insulation structure in which the bottom metal substrate of the module and the current conducting portion in the module are electrically insulated inside the module. For this reason, mounting on an inverter device or the like may be easy, and in recent years, the application range has been rapidly expanded.
[0005]
By the way, as for these semiconductor device modules, there are JEM standards (Japan Electrical Manufacturers Association standard) in Japan, and IEC standards (International Electro technical Commission), etc. Accordingly, the creepage distance and the spatial distance necessary for insulation are defined according to the environment in which the semiconductor device is used, the applied voltage, and the like.
[0006]
Here, when there is no restriction on the size of the semiconductor device, there is no particular problem, and for the insulation distance between the bottom metal substrate and the terminals, between the terminals, etc., the semiconductor module itself may be enlarged. In this case, the necessary insulation distance can be easily secured.
However, when the semiconductor device is required to be reduced in size and thickness, it is difficult to secure a creepage distance and a spatial distance required for each portion by a flat insulating surface.
[0007]
Therefore, generally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-114462, a method of ensuring a creepage distance by providing a stripe-shaped groove on the insulating surface between the main terminals is used. In particular, the creepage distance has been secured by a method such as surrounding the periphery of the corresponding terminal with a groove, especially for the terminal close to the bottom metal plate.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The above prior art cannot be said to be sufficiently considered to ensure the creepage distance and the spatial distance, and there is a problem in miniaturization.
In detail, the insulation distance generally required increases as the rated voltage and insulation rating of the semiconductor device increase, and as the breakdown voltage becomes higher, the insulation distance, that is, the bottom metal substrate and each terminal. In order to ensure this, the height of the semiconductor module increases.
[0009]
In addition, when there are a plurality of different voltage portions in the same module, for example, in a 2 in 1 module, it is necessary to further increase the interval between terminals of different voltages. It becomes an obstacle to miniaturization.
Furthermore, when securing the insulation distance in this way depends on the increase in the height of the semiconductor module and the isolation of each terminal, the position of the terminal is restricted.
[0010]
On the other hand, in the case of the prior art in which the creepage distance is secured by providing unevenness on the side surface of the semiconductor device, dead space is generated inside the module due to the unevenness, so that the arrangement of components in the semiconductor device is restricted and the resin There is also a problem that the shape of the mold necessary for molding the parts becomes complicated and the design becomes difficult.
[0011]
An object of the present invention is to provide a thin and small power semiconductor device that is modularized with a high breakdown voltage specification.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The above purpose comprises a bottom metal substrate One surface, the other surface facing the one surface and having a plurality of terminals disposed thereon, and an outer peripheral surface connecting the one surface and the other surface, and incorporating a plurality of IGBT elements. The In resin-sealed internal insulating power semiconductor devices, Among the plurality of terminals, the control terminal of the IGBT element is arranged on the other surface as it is, and the main terminal for supplying a main current to the IGBT element is arranged on a surface separated from the other surface, An insulating wall portion extending from the outer peripheral surface is provided on the entire periphery of the connection portion between the other surface and the outer peripheral surface, and the height of the other surface measured from the one surface is H1, H1 <H3 <H2 where H2 is the height of the surface on which the main terminal is measured from the surface of the surface, and H3 is the height of the end of the insulating wall portion measured from the one surface. Relationship is satisfied Is achieved in this way.
[0013]
At this time, the difference in height between the peripheral insulating wall and the lowest terminal among the terminals is 5% or more of the height from the bottom surface of the bottom metal substrate to the top surface of the semiconductor device. In this case, the above object can be achieved, and at this time, the difference in height between the maximum height of the insulating wall and the minimum height of the terminals is 2 mm to 20 mm. Even if it exists in the range of the above, the said objective can be achieved similarly.
[0014]
At this time, the insulation distance between the portion having the same potential as the bottom metal substrate and each terminal may be 53 mm or more in creeping distance and 32 mm or more in spatial distance. The device may have an insulation rating of 9 kVrms or higher.
[0015]
As a result, according to the present invention, the size of the entire semiconductor device can be reduced, an insulation distance can be secured without restricting the layout inside the module, and a power semiconductor device with high insulation specifications can be provided.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a power semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.
1 is a perspective view of a power semiconductor device according to an embodiment when the present invention is applied to an IGBT module, FIG. 2 is an equivalent circuit, and FIG. 3 is a front view, a lateral side view, and a vertical side view. This will be described with reference to these drawings. In this figure, 10 is a module and represents a power semiconductor device, 409 is a terminal block, and 412 is a case.
[0017]
Here, in the case of such a module 10, it is necessary to ensure insulation both inside and outside. In the case of this embodiment, first, regarding insulation inside the module, as will be described later, The insulation outside the module is secured by the creepage distance and the spatial distance on the surfaces of the terminal block 409 and the case 412.
[0018]
In the case of the module 10, the insulation outside the module includes insulation related to the element main breakdown voltage (insulation between terminals) and insulation as a module (insulation between the conductor portion of the module and each terminal). There are two types.
[0019]
Here, when this module is mounted on a power conversion device or the like and operated, it is necessary to ensure insulation between other devices in the device, such as cooling fins, and each terminal of the module. This is called insulation as a module here, and as described above, this is insulation between the conductor portion of the module and each terminal.
[0020]
First, regarding the insulation related to the element main withstand voltage, it is necessary to ensure sufficient insulation between the collector and emitter terminals of the semiconductor element. This is because it is assumed that a voltage corresponding to the breakdown voltage of the semiconductor element is applied between them.
[0021]
This means that sufficient insulation must be ensured between the collector main terminal 101 and the collector sense terminal 105 and the emitter main terminal 102 and the emitter sense terminal 104 in FIG. Here, the gate terminal 103 also needs to ensure sufficient insulation with respect to the collector main terminal 101 and the collector sense terminal 105.
[0022]
Therefore, in this embodiment, first, the insulation between the collector main terminal 101 and the emitter main terminal 102 is ensured by providing the interval W1 between them and setting the position of each main terminal to the height h1. To be.
[0023]
At this time, a gap W2 is provided between the emitter sense terminal 104 and the collector sense terminal 105, and a groove 110 for ensuring insulation is provided between them to ensure necessary insulation.
[0024]
Next, regarding insulation as a module, in FIG. 1, the collector main terminal 101, the emitter main terminal 102, the gate terminal 103, the emitter sense terminal 104, and all the collector sense terminals 105 are connected to the metal on the bottom surface of the module. It means to insulate from the substrate 106 and the metal collar 107 for receiving the module mounting bolt.
[0025]
Therefore, in this embodiment, an insulating wall portion 108 formed higher than the height of the portion where the module terminals are disposed from the bottom surface of the metal substrate 106 is provided on the outer peripheral portion of the module, thereby ensuring insulation as the module. So that
[0026]
In this embodiment, the height H1 of the portion where the gate terminal 103, the emitter sense terminal 104, and the collector sense terminal 105 are disposed, and the height H2 of the portion where the collector main terminal 101 and the emitter main terminal 102 are disposed. Thus, the relationship of H1 <H3 <H2 is established as shown in FIG. 1 (H4 will be described later).
[0027]
Thus, by making the height H3 of the outer periphery of the case higher than the lowest height H1 among the terminal heights, both the creepage distance and the spatial distance from the bottom metal substrate 106 to the terminal are sufficiently long. (H1 <H3 <H2).
[0028]
Further, when there are terminals arranged at positions close to the outer periphery of the module, such as the gate terminal 103 and the emitter sense terminal 104, in this embodiment, a part of the insulating wall portion 108 is further increased to a height H4 (H2 <H2 < An insulating wall 109 of H4) is provided so that a sufficient insulating distance can be secured.
[0029]
Next, the IGBT module according to the embodiment of the present invention will be described in more detail including the manufacturing process.
First, in this embodiment, as shown in FIG. 4, a composite insulating substrate 403 is disposed between the semiconductor element 401 and the bottom metal substrate 106, thereby ensuring insulation inside the module. Here, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
[0030]
First, the composite insulating substrate 403 includes, for example, a copper foil 405 forming a circuit pattern inside the module, and a copper foil 406 for solder bonding on one and the other surfaces of an insulating substrate 404 made of, for example, AlN (aluminum nitride). Pre-bonded with a high melting point bonding material such as silver solder.
[0031]
Insulation inside the module in this embodiment is ensured by the dielectric strength of the insulating substrate 404 (the thickness of the AlN substrate itself, the creepage distance W3 from the copper foil 405 to the copper foil 406, the creepage distance W4 between circuit patterns). It is supposed to be.
[0032]
Here, a plurality of semiconductor elements 401 such as IGBTs mounted on this module are joined to one copper foil 405 of the composite substrate 403 by solder 402. The composite insulating substrate 403 is attached to the bottom metal substrate 106 of copper, for example, by bonding the copper foil 406 with the solder 407.
[0033]
Then, the collector main terminal 101 is joined to the predetermined portion of the circuit pattern formed by the copper foil 405 on the composite insulating substrate 403 by the solder 408, and the others are not shown in FIG. The emitter main terminal 102, the gate terminal 103, the emitter sense terminal 104, and the collector sense terminal 105 are also joined to the circuit pattern of the copper foil 405, respectively.
[0034]
At this time, these terminals are integrated with a terminal block 409 made of a synthetic resin such as PPS (polyphenylene sulfide) in advance, and the terminal block 409 has a nut 410 corresponding to each terminal. After the module is mounted, a wiring connection bolt is engaged with this, a conductive wire is attached, and connection of an external circuit to the IGBT module can be obtained.
[0035]
Next, a synthetic resin (PPS) case 412 is placed on the bottom metal substrate 106 from the side where the terminal block 409 is attached, and is joined by the silicone resin 411. This case 412 has already been described. Further, an insulating wall portion 108 is provided for securing an insulating distance outside the module.
[0036]
At this time, a crank structure portion 413 is formed on the inner side of the case 412 and the outer side of the terminal block 409 over the entire circumference of the module, and these portions are engaged with each other. It is integrated by injecting and curing a curable epoxy resin 414, and the inside is sealed.
Next, a silicone gel 415 is injected into the module from an injection port 301 (FIG. 3) provided in the terminal block 409, the inside is filled, and the periphery of the semiconductor element 401 is sealed. After the silicone gel 415 is injected, a cap made of silicone rubber is attached to the injection port 301 to seal the inside of the module. At this time, a space necessary for absorbing the thermal deformation of the silicone gel 415 is obtained. 416 is left in the module.
[0037]
As a result, according to this embodiment, even if the module is thinned and miniaturized, the necessary creepage distance and space distance between the terminals and between the terminals and the common potential point can be easily obtained. According to this embodiment, the module can be easily reduced in thickness and size.
[0038]
By the way, in this embodiment, since the insulating wall portions having different heights are provided on the outer peripheral portion of the case so that the required insulating distance can be obtained, the insulating distance as a module can be obtained simply by changing the shape of the case. Therefore, modules corresponding to various insulation ratings can be easily obtained without requiring major changes.
[0039]
First, this point will be described. The insulation distance (creeping distance, spatial distance) in this module is determined by various standards according to the use of the module.
[0040]
For example, in the case of an IGBT module for a railway vehicle, there is an IEC standard (IEC-60077-1 1999), which differs depending on the resin material used in the module and the environment where the module is mounted. As shown in Table 1 below, the insulation distance according to the overhead wire voltage is defined.
[0041]
[Table 1]

First, the thinning of the module according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Assume that the module shown in FIG. 5A is a module in the case where an IGBT module for a 1.5 kV overhead line defined in Table 1 is produced by the conventional technique. And, in order to improve the insulation by making this IGBT module for 1.5 kV overhead wires compatible with 3 kV overhead wires, the insulation distance to the gate terminal 103 closest to the bottom metal substrate 106 is newly set for 3 kV. It is necessary to secure.
[0042]
At this time, according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5 (b), it is possible to cope with the problem by simply providing an insulating wall portion having a predetermined height H3 on the outer peripheral portion of the case. Since the height H2 of the emitter main terminal 102 does not need to be changed, the external circuit and other parts can be shared as they are when mounting the module, and therefore, the rating specification can be easily changed. Can do.
[0043]
At this time, the height of the outer periphery of the case (insulating wall portion) can be reduced in accordance with the position of other terminals in the portion of the terminal block where the gate terminal 103 is not disposed.
[0044]
On the other hand, in the case of the prior art, as shown in FIG. 5 (c), it is necessary to increase the height of the module to a position where the gate terminal 103 is located. For this reason, the heights of the collector main terminal 101 and the emitter main terminal 102 are increased. Increases from H2 to H5, and as a result, the module becomes higher, so that the circuit after the module is mounted cannot be shared and a large change is required.
[0045]
Therefore, it is difficult for the conventional technology to cope with the change of the rated specification, and the portion of the collector main terminal 101 and the emitter main terminal 102 connected to the inside of the module becomes long, and the internal inductance of the module increases. It becomes an undesirable characteristic.
[0046]
In addition, since the module volume is increased in this way, the amount of displacement due to the temperature cycle is increased in the conventional technology, and the reliability of the module (the resistance of solder and resin material used for terminal bonding) is reduced. Various problems occur, such as an increase in module weight.
[0047]
Here, FIG. 5D is an example of a module according to the prior art in which unevenness 501 is provided on the side surface of the case and the creepage distance is ensured. However, in this case, the unevenness 501 cannot secure a spatial distance. It is necessary to increase the height of the module, and it is not possible to cope with the thinning.
[0048]
Moreover, in this case, if there are three irregularities 501 as shown in the figure, the effective area inside the module is reduced by about 9 mm. That is, since the outer width is reduced from the dimension L1 to the dimension L2, the inner width is also reduced accordingly. Furthermore, in this case, since the outer shape of the case becomes complicated, the case forming mold becomes complicated, and various problems such as difficulty in formation occur.
However, according to the embodiment of the present invention, the above-described problem does not occur at all, and as described above, it is possible to easily cope with the change of the rated specification.
[0049]
Next, an increase in the creepage distance and the spatial distance of the module due to the height of the insulating wall portion in this embodiment will be described with reference to FIG.
Here, FIG. 6A shows the relationship between the height of the insulating wall portion 108 and the insulation distance, and FIG. 6B is a partial cross section including the gate terminal 103 of the module according to this embodiment. At this time, the creepage distance 601 indicated by the solid line increases in proportion to the increase in the height (H3−H1) of the insulating wall portion 108, but the spatial distance 602 indicated by the broken line increases from the terminal 103 to the insulating wall portion. Depending on the distance X to 108, the increasing rate decreases as the distance X increases, while the increasing rate is small even when the height of the insulating wall 108 is low.
[0050]
In the case of such a module, it is necessary to secure both the creepage distance and the spatial distance as the insulation distance between the insulating wall portion 108 and the terminal 103. Therefore, the height (H3-H1) of the insulating wall portion 108 is It is desirable that the height of the entire module be 5% or more, specifically 2 mm or more, so that the effect of extending both the creepage distance and the spatial distance according to the height of the insulating wall portion can be obtained.
[0051]
On the other hand, if this insulating wall is made tall, there is a risk of bolt tightening during module mounting and wiring work being adversely affected, and as it is made higher, the wall thickness is increased to ensure the mechanical strength of the wall itself. It is necessary to increase the thickness, and a lot of dead space is generated in the upper surface of the module. For this reason, it is desirable that the height of the wall portion be 20 mm or less.
[0052]
Next, the insulation distance in these embodiments of the present invention will be described in more detail.
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 3 and shows a cross-sectional structure between the collector sense terminal 105 and the bottom metal substrate 106. Here, the semiconductor device is usually attached to a cooling fin. The IGBT module according to this embodiment is also disposed on a metal cooling fin 701 made of Al (aluminum) or the like, and is coupled to each other by a metal collar 107 and a bolt 702.
[0053]
Then, in this case, the cooling fin 701 is at a common potential, and the bottom metal substrate 106, the mounting bolt 702, and the metal collar 107 are at the same potential. Therefore, in order to secure an insulation distance outside the module, this It is necessary to secure both a spatial distance and a creepage distance between the fin-side potential point and each terminal. At this time, in the illustrated example, the creeping distance from the collector sense terminal 105 is represented by a solid line 601 and the spatial distance is represented by a broken line 602.
[0054]
At this time, according to the above-described embodiment, it is understood that both the creepage distance and the spatial distance can be increased by providing the insulating wall portion 108 having the dimension H3 higher than the height H1 of the collector sense terminal 105 in the peripheral portion of the upper surface of the module.
[0055]
Next, FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 3 and shows a cross-sectional structure between the emitter main terminal 102 and the bottom metal substrate 106. In this case, the creepage distance is a solid line 601 and the spatial distance is Each is indicated by a broken line 602.
[0056]
At this time, in this embodiment, although it is lower than the main terminal height H2, both the creepage distance and the spatial distance can be increased by making the case outer peripheral height H3 higher than the gate terminal 103 height H1. I understand that I can do it.
[0057]
Next, another embodiment of the present invention will be described.
Here, in the embodiment described so far, the insulating wall 108 is provided in the module case 412. However, as such a module, there is a type in which a case lid is attached to the upper surface of the module and sealed later. The present invention can also be applied to such a module.
[0058]
Therefore, an embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor module of a type in which a case lid is attached later will be described with reference to FIG. 9A. In this embodiment, an outer peripheral portion of the case lid 901 is previously provided. Protrusion 903 When the case lid 901 is attached to the case 412, the insulating wall portion 108 is formed at the upper end portion of the case lid 901, so that the insulation distance can be similarly increased.
[0059]
On the other hand, FIG. 9B shows a case where a frame member 902 that becomes the insulating wall portion 108 is attached to the upper end portion of the case 412 after the module is assembled, whereby the insulating wall portion 108 is formed. However, if the frame member 902 and the case 412 are completely integrated with an epoxy resin or the like, the insulation distance can be similarly increased. In this case, the material of the member 902 does not have to be the same as the resin material on the case side 412 or the upper surface as long as the material satisfies the insulation standard.
[0060]
Next, a mounting example of the module 10 according to the embodiment of the present invention described above will be described.
FIG. 10 shows an example of a connection state between the gate wiring 1001 and the emitter sense wiring 1002 when the module 10 according to the embodiment of the present invention is mounted. At this time, as described with reference to FIG. Since the insulating wall 109 having a partly increased height on the outer periphery of the case 20 is provided in a portion close to the mounting bolt 702, it can be seen that a sufficient insulating distance is secured.
[0061]
The width W of the insulating wall 109 is set to such a dimension that the creepage distance specified by the standard can be secured even when the creeping distance 601 becomes a path that bypasses the insulating wall 109 as shown in the figure. Needless to say, this is the same for the spatial distance.
[0062]
In addition, in the case of the embodiment of the present invention, the entire insulating wall portion 108 is not made high, but only a necessary portion is made high as the insulating wall portion 109. Therefore, the width W is minimized within the necessary range. By suppressing the wiring, there is no possibility of obstructing the routing of the wiring, and the wiring becomes easy, so that there is no obstacle during the module mounting.
[0063]
Next, FIG. 11 shows an equivalent circuit when the module 10 according to the embodiment of the present invention is mounted on an inverter device for driving a motor, and a partial side view from the lateral direction. In addition, each module 10 is mounted on a metal cooling fin 701 made of, for example, Al with bolts 702.
[0064]
As for the connection between the modules 10, a wiring portion having an intermediate potential is wired by one bus bar 1103. Then, the collector side and the emitter side are wired with

bus bars

1104 and 1105, respectively, and the U-phase and V-phase, W-phase upper arm and lower arm are wired for three phases, and then the DC power supply voltage 1106 is supplied, Each phase of the bus bar 1103 having an intermediate potential is connected to a motor 1107, and the motor 1107 is driven by a three-phase alternating current.
[0065]
At this time, when the DC power supply voltage 1106 is high and the insulation distance of the module 10 is necessary, it is necessary to consider the spatial distance between each bus bar and the bolt 702 after mounting the module after mounting the module. Then, as shown by the bent portion 1108, the required space distance H6 is secured by bending the bus bar and rising, and therefore the height H4 of the outer periphery of the case is higher than the main terminal height H2. However, no harm will occur.
[0066]
Note that if the height H4 of the outer periphery of the case is higher than necessary, it will be necessary to largely bypass the bus bar. Therefore, the height H4 of the outer periphery of the case should be minimized according to the value set by the insulation standard. Is desirable.
[0067]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects.
(1) A highly insulated semiconductor module can be provided simply by changing the case.
(2) The inductance due to the wiring inside the semiconductor module can be reduced.
(3) The amount of resin inside the semiconductor module can be reduced, and the service life can be extended by reducing the stress strain due to the temperature cycle.
[0068]
(4) It is possible to share the terminal positions of products with the same semiconductor element rating and improved insulation rating, and to share the semiconductor module mounting wiring.
(5) Since it is not necessary to provide unevenness on the side surface of the semiconductor module, the internal dead space is suppressed, and the mold design for forming the resin case is facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a power semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a three-side view of an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a comparative explanatory diagram of a module according to an embodiment of the present invention and a conventional module.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an insulating wall height and an insulating distance in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is another partial cross-sectional view of an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a mounted state of a module according to the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing another example of an embodiment of a module according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101 Collector main terminal
102 Emitter main terminal
103 Gate terminal
104 Emitter sense terminal
105 Collector sense terminal
106 Bottom metal substrate
107 metal color
108 Insulating wall with height H3 provided on the outer periphery of module
109 Insulating wall of height H4 (H4> H3) provided on the outer periphery of the module
110 Insulation securing groove
301 Silicone gel inlet
401 Semiconductor element
402, 407, 408 Solder
403 Composite insulation substrate
404 Insulating substrate
405, 406 copper foil
409 terminal block
410 nut
411 Silicone resin
412 case
413 Crank structure
414 Epoxy resin
415 silicone gel
416 Module internal space
501 Unevenness on the side of the case
601 Creepage distance
602 Clearance
701 Cooling fin
702 Module mounting bolt
901 Case lid
902 Frame member (retrofitted insulation wall)
903 Protrusion
1001 Gate wiring
1002 Emitter sense wiring
1102 IGBT module
1103 to 1105 Busbar
1106 DC power supply voltage
1107 motor
1108 Folding part

Claims

底面金属基板を備えた一方の面と、該一方の面に対向し複数の端子が配置された他方の面と、前記一方の面と前記他方の面とを結ぶ外周面とを備え、複数のＩＧＢＴ素子を内蔵させた樹脂封止方式の内部絶縁型パワー半導体装置において、
前記複数の端子のうち、前記ＩＧＢＴ素子の制御端子は、前記他方の面にそのまま配置し、前記ＩＧＢＴ素子に主電流を流す主端子は、前記他方の面から離間させた面に配置し、
前記他方の面と前記外周面との接続部の全周に、当該外周面から延在させた絶縁壁部を設け、
前記一方の面から測った前記他方の面の高さをＨ１とし、前記一方の面から測った前記主端子が配置されている面の高さをＨ２とし、前記一方の面から測った前記絶縁壁部の端部の高さをＨ３としたとき、Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２の関係が満たされていることを特徴とするパワー半導体装置。One surface having a bottom metal substrate, the other surface facing the one surface and having a plurality of terminals disposed thereon, and an outer peripheral surface connecting the one surface and the other surface, In a resin-sealed internal insulating power semiconductor device incorporating an IGBT element ,
Among the plurality of terminals, the control terminal of the IGBT element is arranged on the other surface as it is, and the main terminal for supplying a main current to the IGBT element is arranged on a surface separated from the other surface,
An insulating wall extending from the outer peripheral surface is provided on the entire periphery of the connecting portion between the other surface and the outer peripheral surface,
The height of the other surface measured from the one surface is H1, the surface of the surface on which the main terminal is measured from the one surface is H2, and the insulation is measured from the one surface. A power semiconductor device characterized in that the relationship of H1 <H3 <H2 is satisfied when the height of the end of the wall portion is H3 .

請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記絶縁壁部に、前記一方の面から測った高さをＨ４としたとき、Ｈ４＞Ｈ２の関係が満たされている部分が備えられていることを特徴とするパワー半導体装置。The power semiconductor device according to claim 1,
Wherein the insulating wall portion, when the height above measured from one surface to the H4, H4> part relationship is satisfied in the H2 is feature a power semiconductor device according to claim Rukoto.

請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記高さＨ３と前記高さＨ１の差が、少なくとも前記高さＨ２の５％であることを特徴とするパワー半導体装置。 The power semiconductor device according to claim 1,
A power semiconductor device, wherein a difference between the height H3 and the height H1 is at least 5% of the height H2.

請求項２に記載のパワー半導体装置において、
前記高さＨ１と前記高さＨ４の差が２ｍｍから２０ｍｍの範囲にあることを特徴とするパワー半導体装置。The power semiconductor device according to claim 2 ,
A power semiconductor device , wherein a difference between the height H1 and the height H4 is in a range of 2 mm to 20 mm .

請求項１に記載のパワー半導体装置において、
前記底面金属板と同電位にある部分から前記各端子までの絶縁距離が、沿面距離では５３ｍｍ以上、空間距離では３２ｍｍ以上であることを特徴とするパワー半導体装置。The power semiconductor device according to claim 1,
A power semiconductor device, wherein an insulation distance from a portion having the same potential as the bottom metal plate to each terminal is a creepage distance of 53 mm or more and a spatial distance of 32 mm or more.

請求項１乃至請求項５に記載の何れかのパワー半導体装置において、
当該パワー半導体装置が絶縁定格９ｋＶｒｍｓ以上であることを特徴とするパワー半導体装置。 The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The power semiconductor device has an insulation rating of 9 kVrms or more .

請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体装置において、In the power semiconductor device according to claim 1 or 2,
前記絶縁壁部が前記外周面と一体に形成されていることを特徴とするパワー半導体装置。The power semiconductor device, wherein the insulating wall is formed integrally with the outer peripheral surface.

請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体装置において、In the power semiconductor device according to claim 1 or 2,
前記絶縁壁部が前記外周面と別体に形成されていることを特徴とするパワー半導体装置。The power semiconductor device, wherein the insulating wall is formed separately from the outer peripheral surface.

請求項８に記載のパワー半導体装置において、The power semiconductor device according to claim 8, wherein
前記絶縁壁部は、前記端子が配置されているケース蓋部と一体に形成されていることを特徴とするパワー半導体装置。The power semiconductor device, wherein the insulating wall portion is formed integrally with a case lid portion on which the terminal is disposed.