JP4164409B2 - 半導体パワーモジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パワーモジュールに関し、特に、小型化が図られる半導体パワーモジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、インバータあるいはインバータを構成する素子として、家電、産業、自動車、鉄鋼および電鉄などの分野において幅広く使用されている。
【0003】
省エネルギー化の要求に応じて電力変換機器のインバータ化がさらに進むことが予想され、これに対応するため半導体パワーモジュールがより多く使用されることが推測される。このような状況のもとで、半導体パワーモジュールをより小型にしたり、電力損失を低減することなどが望まれている。
【0004】
SiC(炭化珪素)は、その最大電界強度がSi(珪素)の最大電界強度に比べて約10倍ほど高く、電力損失の低減が可能な次世代の半導体パワーモジュールに使用される材料として開発が進められている。
【0005】
たとえば、非特許文献1には、Si−IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とSiCダイオードとを組合わせた半導体パワーモジュールが挙げられており、その半導体パワーモジュールの場合では、Si−IGBTとSiダイオードとを組み合わせた半導体パワーモジュールの場合と比較して、半導体パワーモジュール全体の電力損失が30%低下するという報告がなされている。
【0006】
SiCダイオードを搭載することにより、半導パワーモジュール全体の電力損失を低減することが可能になる。その理由は、SiCダイオードのリカバリー電荷が小さいことと、電流キャリア密度を大きくすることができることによる。
【0007】
また、特許文献1には、このようなSiCダイオードを適用した半導体パワーモジュールが提案されている。その半導体パワーモジュールでは、P側IGBTとN側IGBTとの2つのIGBTが直列に接続されている。そのP側IGBTにP側SiCダイオードが並列に接続され、N側IGBTにN側SiCダイオードが並列に接続されている。
【0008】
【特許文献1】
特表平11−510000号公報
【0009】
【非特許文献1】
H.-R. Chang, R. N. Gupta, C. Winterhalter, and E. Hanna, 35th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit , Collection of Technical Papers. Vol. 1 ,pp. 174-179 (2000).
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の半導体パワーモジュールでは、2つのIGBTと2つのSiCダイオードは、所定の絶縁基板上の同一平面上にダイボンディングされて、所定のワイヤボンディングにより互いに電気的に接続されることになる。その結果、半導体パワーモジュールの小型化を図るには限界があった。
【0011】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、さらなる小型化が図られる半導体パワーモジュールを提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体パワーモジュールは、主表面を有する基板と電極板と素子間配線板とスイッチング素子と接続導電体とSiCダイオードと他の接続導電体とを備えている。電極板は基板の主表面において所定の領域に形成されている。素子間配線板は、基板の主表面において電極板と隔てられた所定の領域に形成されている。スイッチング素子は一端子および他の端子を有し、一端子を電極板に接触させて電極板上に配設されている。接続導電体は、スイッチング素子の他の端子と素子間配線板との間を跨ぐように配設され、他の端子に接触する第1の領域および第1の領域とは封止樹脂が充填される態様で離間された第2の領域を有して、他の端子と素子間配線板とを電気的に接続している。SiCダイオード素子は第1の極および第2の極を有し、第1の極を第2の領域に接触させて接続導電体上に配設されている。他の接続導電体は、SiCダイオード素子における第2の極と電極板とを電気的に接続している。
【0013】
この構成によれば、SiCダイオードが、スイッチング素子の他の端子と素子間配線板との間を跨ぐように配設された接続導電体上に配設されることで、SiCダイオードはスイッチング素子よりも上方に配置されることになる。その結果、スイッチング素子およびSiCダイオードが、基板上の同一平面上にそれぞれ搭載される半導体パワーモジュールと比べると、スイッチング素子が配設される電極板の領域を削減することができて、半導体パワーモジュールのさらなる小型化を図ることが可能になる。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施の形態1
本発明の実施の形態1に係る半導体パワーモジュールについて、まず、その等価回路について説明する。この等価回路はハーフブリッジ回路である。
【0015】
図1に示すように、P側IGBT2aとN側IGBT2bとが直列に接続されている。そのP側IGBT2aおよびN側IGBT2bに、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bがそれぞれ並列に接続されている。
【0016】
また、P側IGBT2aのゲートGにはP側ゲート接続線10aが接続され、N側IGBT2bのゲートGにはN側ゲート接続線10bが接続されている。
【0017】
さらに、P側IGBT2aのコレクタCとP側SiCダイオード1aのカソードには、P側外部接続用導電体3が接続されている。N側IGBT2bのエミッタEとN側SiCダイオード1bのアノードには、N側外部接続用導電体12が接続されている。
【0018】
P側IGBT2aのエミッタE、P側SiCダイオード1aのアノード、N側IGBT2bのコレクタCおよびN側SiCダイオード1bのカソードには、AC外部接続用導電体8が接続されている。
【0019】
P側外部接続用導電体3は電源(図示せず)の正極側と負荷(図示せず)に接続され、N側外部接続用導電体12は、電源の負極側と負荷に接続される。また、AC外部接続用導電体8は負荷に接続される。
【0020】
次に、動作について説明する。P側外部接続用導電体3とAC外部接続用導電体8との間に負荷が接続された場合には、半導体パワーモジュールのスイッチング動作はN側IGBT2bによって行われる。このとき、P側IGBT2aはオフ状態とされる。
【0021】
N側IGBT2bがオン状態の場合には、電流はP側外部接続用導電体3から負荷を流れ、AC外部接続用導電体8からN側IGBT2bに流れる。このとき、半導体パワーモジュールの電力損失は、N側IGBT2bにおいて生じることになる。
【0022】
一方、N側IGBT2bがオフ状態の場合には、負荷のインダクタンス成分によって、電流はP側SiCダイオード1aを流れる。このとき、半導体パワーモジュールの電力損失は、P側SiCダイオード1aにおいて生じることになる。
【0023】
この電力損失は定常状態における損失(定常損失)である。半導体パワーモジュールでは、定常損失の他にスイッチング時に生じるスイッチング損失がある。
【0024】
この電力損失は、半導体スイッチング素子(この場合IGBT)が理想的なスイッチング素子とは異なり、スイッチング時の電流および電圧の変化に有限の時間を要し、しかも、電圧と電流が同時に半導体スイッチング素子に印加されるために生じる電力損失である。
【0025】
試算によれば、SiCダイオードを搭載した定格1200V−300Aの半導体パワーモジュールにおけるスイッチング損失は、典型的な動作条件のもとで生じる全電力損失のおよそ50%にあたる。また、定常損失とスイッチング損失とを合わせた全電力損失に対するSiCダイオードによる電力損失の割合は、およそ13%程度になる。
【0026】
一方、SiCダイオードを使用せずに、Siダイオードを使用した半導体パワーモジュールでは、上記と同様な動作条件のもとで、Siダイオードにおける電力損失の割合は、およそ30%程度になる。
【0027】
次に、半導体パワーモジュールの構造について説明する。まず、基板として、セラミック基板の表面に銅回路板を直接接合したDBC(登録商標:Direct Bonded Copper)基板(以下、単に「基板」と記す。)が用いられる。
【0028】
図2に示すように、その基板1の表面における所定の領域には、電極板としてのP側コレクタ電極板4、中継電極板14および素子間配線板としてのN側コレクタ電極板9がそれぞれ距離を隔てて接合形成されている。
【0029】
P側コレクタ電極板4の表面にP側IGBT2aのコレクタ電極が接触するように、P側IGBT2aがP側コレクタ電極板4の表面にダイボンディングされている。
【0030】
P側IGBT2aのエミッタ電極5aとN側コレクタ電極板9との間を跨ぐように、エミッタ電極5aとN側コレクタ電極板9とを電気的に接続する接続導電体としてのP側接続導電体7aが配設されている。
【0031】
そのP側接続導電体7aの表面にP側SiCダイオード1aのアノード電極(図示せず)が接触するように、P側SiCダイオード1aがP側接続導電体7a上に配設されている。
【0032】
P側SiCダイオード1aのカソード電極とP側コレクタ電極板4とを接続する他の接合導電体としてのP側カソード接続用導電体6aが配設されている。
【0033】
N側IGBT2bおよびN側SiCダイオード1bについても、P側IGBT2aおよびP側SiCダイオード1aと同様に、基板1上に配設されている。N側コレクタ電極板9の表面にN側IGBT2bのコレクタ電極が接触するように、N側IGBT2bがN側コレクタ電極板9の表面にダイボンディングされている。
【0034】
N側IGBT2bのエミッタ電極5bと中継電極板14との間を跨ぐように、エミッタ電極5bと中継電極板14とを電気的に接続する接合導電体としてのN側接続導電体7bが配設されている。
【0035】
そのN側接続導電体7bの表面にN側SiCダイオード1bのアノード電極(図示せず)が接触するように、N側SiCダイオード1bがN側接続導電体7b上に配設されている。
【0036】
N側SiCダイオード1bのカソード電極とN側コレクタ電極板9とを接続する他の接合導電体としてのN側カソード接続用導電体6bが配設されている。
【0037】
半導体パワーモジュールへの電流の入出力は、P側外部接続用導電体3、N側外部接続用導電体12およびAC外部接続用導電体8を介して行なわれる。
【0038】
そのP側外部接続用導電体3はP側コレクタ電極板4に接続されている。AC外部接続用導電体8はN側コレクタ電極板9に接続されている。N側外部接続用導電体12は中継電極板14に接続されている。
【0039】
上述した半導体パワーモジュールの効果について、比較例となる半導体パワーモジュールを挙げて説明する。なお、比較例となる半導体パワーモジュールの等価回路は、図1に示す等価回路と同じである。
【0040】
図3に示すように、基板1の表面における所定の領域には、P側コレクタ電極板4、中継電極板14およびN側コレクタ電極板9が接合形成されている。P側IGBT2aおよびP側SiCダイオード1aが、P側コレクタ電極板4の同一表面においてP側IGBT2aのコレクタ電極(図示せず)およびP側SiCダイオード1aのカソード電極(図示せず)がそれぞれ接触するようにダイボンディングされている。
【0041】
P側IGBT2aのエミッタ電極5aとP側SiCダイオード1aのアノード電極13aとは、複数のワイヤ106aによって電気的に接続されている。また、P側SiCダイオード1aのアノード電極13aは、複数のワイヤ107aによってN側コレクタ電極板9と電気的に接続されている。
【0042】
N側IGBT2bおよびN側SiCダイオード1bが、そのN側コレクタ電極板9の同一表面においてN側IGBT2bのコレクタ電極(図示せず)およびN側SiCダイオード1bのカソード電極(図示せず)がそれぞれ接触するようにダイボンディングされている。
【0043】
N側IGBT2bのエミッタ電極5bとN側SiCダイオード1bのアノード電極13bとは、複数のワイヤ106bによって電気的に接続されている。また、N側SiCダイオード1bのアノード電極13bは、複数のワイヤ107bによって中継電極板14と電気的に接続されている。
【0044】
P側コレクタ電極板4には、P側外部接続用の複数のワイヤ103がボンディングされている。中継電極板14には、N側外部接続用の複数のワイヤ112がボンディングされている。N側コレクタ電極板9には、AC外部接続用の複数のワイヤ108がボンディングされている。
【0045】
この比較例となる半導体パワーモジュールでは、本来、Siダイオードがダイボンディングされていた位置に、SiCダイオードがダイボンディングされたものである。
【0046】
Siダイオードを搭載した半導体パワーモジュールでは、Siダイオードの電力損失に基づいて、Siダイオードにおいて発生する熱をIGBTに直接伝導させずに基板を介して外方へ逃すために、SiダイオードとIGBTとは基板上の同一平面上にダイボンディングされていた。
【0047】
そのため、Siダイオードの代わりにSiCダイオードが搭載された比較例となるこの半導体パワーモジュールでは、P側IGBT2aおよびP側SiCダイオード1aは、P側コレクタ電極板4の同一表面上にダイボンディングされ、N側IGBT2bおよびN側SiCダイオード1bは、N側コレクタ電極板9の同一表面上にダイボンディングされている。
【0048】
つまり、比較例となる半導体パワーモジュールでは、P側IGBT2a、P側SiCダイオード1a、N側IGBT2bおよびN側SiCダイオード1bは、基板1上の同一平面上にそれぞれ搭載されていることになる。
【0049】
このように比較例となる半導体パワーモジュールでは、P側IGBT2a、P側SiCダイオード1a、N側IGBT2bおよびN側SiCダイオード1bを、基板1上の同一平面上にそれぞれ搭載するために、半導体パワーモジュールの小型化を図るのが阻害されていた。
【0050】
一方、上述した本半導体パワーモジュールでは、SiCダイオードはSiダイオードよりも電力損失が小さいことで、そのサイズがより小さくなって、図2に示すように、P側SiCダイオード1aは、P側IGBT2aのエミッタ電極5aとN側コレクタ電極板9との間を跨ぐように配設されたP側接続導電体7aの表面に配設され、N側SiCダイオード1bは、N側IGBT2bのエミッタ電極5bと中継電極板14との間を跨ぐように配設されたN側接続導電体7bの表面に配設されている。
【0051】
これにより、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bは、P側IGBT2aおよびN側IGBT2bよりもそれぞれ上方に位置することになる。
【0052】
その結果、P側IGBT2a、P側SiCダイオード1a、N側IGBT2bおよびN側SiCダイオード1bが、基板1上の同一平面上にそれぞれ搭載されている図3に示された半導体パワーモジュールと比べると、P側コレクタ電極板4の領域およびN側コレクタ電極板9の領域をそれぞれ削減することができる。その結果、半導体パワーモジュールのさらなる小型化を図ることが可能になる。
【0053】
なお、本半導体パワーモジュールでは、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bにおいて発生する熱は、P側接続導電体7aおよびN側接続導電体7bを介して外方に流れることになる。
【0054】
このとき、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bにおいて生じる電力損失は、全電力損失の約13%程度であり、また、SiCダイオードのエネルギーバンドギャップが比較的大きいことで、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bは比較的高温のもとでも使用することが可能である。(たとえば、K. Shenai, R. S. Scott, B. J. Baliga, "Optimum semiconductors for high-power electronics", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 43, on. 9, pp. 1811-1823, Sept., 1989)これにより、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bにおいて発生する熱がP側接続導電体7aおよびN側接続導電体7bを介して外方に流れる構造であっても、十分に半導体パワーモジュールとしての機能を発揮することができる。
【0055】
また、P側接続導電体7aおよびN側接続導電体7b等として平板状の部材を適用することで、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bをP側接続導電体7aおよびN側接続導電体7bへそれぞれ容易に配設することができる。
【0056】
実施の形態2
上述した半導体パワーモジュールでは、P側SiCダイオード1aおよびN側SiCダイオード1bは、P側IGBT2aおよびN側IGBT2bに対して実質的にそれぞれの直上に配置される場合を例に挙げて説明した。ここでは、その配置のバリエーションの一例について説明する。
【0057】
図4に示すように、P側SiCダイオード1aは、P側IGBT2aのエミッタ電極5aとN側コレクタ電極板9との間を跨ぐように配設されたP側接続導電体7aの表面に配設され、N側SiCダイオード1bは、N側IGBT2bのエミッタ電極5bと中継電極板14との間を跨ぐように配設されたN側接続導電体7bの表面に配設されている。
【0058】
このとき、P側SiCダイオード1aはP側IGBT2aに対してN側コレクタ電極板9の側のP側接続導電体7aの部分に配設され、N側SiCダイオード1bはN側IGBT2bに対して中継電極板14の側のN側接続導電体7bの部分に配設されている。
【0059】
なお、これ以外の構成については図2に示す半導体パワーモジュールの構造と同様なので、同一部材には同一符合を付しその説明を省略する。
【0060】
上述した半導体パワーモジュールでは、前述した小型化を図ることができる効果に加えて次のような効果を得ることができる。
【0061】
すなわち、P側接続導電体7aにおけるP側SiCダイオード1aとP側IGBT2aとの間の距離が延びるとともに、P側SiCダイオード1aとN側コレクタ電極板9との間の距離が縮まる。
【0062】
また、N側接続導電体7bにおけるN側SiCダイオード1bとN側IGBT2bとの間の距離が延びるとともに、N側SiCダイオード1bと中継電極板14との間の距離が縮まる。
【0063】
これにより、P側SiCダイオード1aにおいて発生する熱をP側接続導電体7aを介してN側コレクタ電極板9へ確実に逃がすことができるとともに、N側SiCダイオード1bにおいて発生する熱をN側接続導電体7bを介して中継電極板14へ確実に逃がすことができ、その結果、半導体パワーモジュールの動作がより安定する。
【0064】
実施の形態3
半導体パワーモジュールでは、基板上に搭載されたSiCダイオードおよびIGBTは、たとえばゲル状の樹脂によって最終的に封止されることになる。ここでは、前述した各実施の形態における半導体パワーモジュールに対して、その樹脂の封止がより良好に行なわれる半導体パワーモジュールについて説明する。
【0065】
図5および図6にそれぞれ示すように、P側SiCダイオード1aが配設されるP側接続導電体7aには、P側接続導電体7aを貫通する開口部77aが形成されている。また、P側カソード接続用導電体6aには、P側カソード接続用導電体6aを貫通する開口部66aが形成されている。
【0066】
一方、N側SiCダイオード1bが配設されるN側接続導電体7bにも、N側接続導電体7bを貫通する開口部77bが形成されている。また、N側カソード接続用導電体6bにも、N側カソード接続用導電体6bを貫通する開口部66bが形成されている。
【0067】
なお、これ以外の構成については、図2または図4にそれぞれ示す構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。
【0068】
上述した半導体パワーモジュールでは樹脂によって封止する際に、図7に示すように、たとえば開口部66b、77bから樹脂41が流れ込むことによって、N側カソード接続用導電体6bの内側の領域およびN側接続導電体7bの内側の領域に樹脂を確実に充填することができる。
【0069】
一方、樹脂が充填された後には、樹脂中に存在する気泡を真空引きによって除去するための脱泡処理が行なわれることになる。このとき、図8に示すように、たとえばN側カソード接続用導電体6bの内側の領域あるいはN側接続導電体7bの内側の領域に仮に気泡31が存在していた場合であっても、その気泡31を矢印43に示すように開口部66b、77bから容易に抜くことができる。
【0070】
これにより、半導体パワーモジュール内では気泡が生じることなく樹脂によって充填され、その結果、半導体パワーモジュール内の絶縁をより確実に行うことができる。
【0071】
なお、上述した各実施の形態における半導体パワーモジュールでは、半導体スイッチング素子としてIGBTを例に挙げて説明した。半導体スイッチング素子としてはIGBTの他に、たとえば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等を適用しても、半導体パワーモジュールの小型化を図ることができる。
【0072】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0073】
【発明の効果】
本発明に係る半導体パワーモジュールによれば、SiCダイオードは、スイッチング素子の他の端子と素子間配線板との間を跨ぐように配設された接続導電体上に配設されることで、SiCダイオードは、スイッチング素子よりも上方に配置されることになる。その結果、スイッチング素子およびSiCダイオードが、基板上の同一平面上にそれぞれ搭載される半導体パワーモジュールと比べると、半導体パワーモジュールのさらなる小型化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る半導体パワーモジュールの等価回路を示す図である。
【図2】 本発明の実施の形態1に係る半導体パワーモジュールの斜視図である。
【図3】 比較例に係る半導体パワーモジュールの斜視図である。
【図4】 本発明の実施の形態2に係る半導体パワーモジュールの斜視図である。
【図5】 本発明の実施の形態3に係る一半導体パワーモジュールの斜視図である。
【図6】 同実施の形態において、他の半導体パワーモジュールの斜視図である。
【図7】 同実施の形態において、半導体パワーモジュールの効果を説明するための一部分拡大斜視図である。
【図8】 同実施の形態において、半導体パワーモジュールの効果を説明するための他の部分拡大斜視図である。
【符号の説明】
1 基板、1a P側SiCダイオード、1b N側SiCダイオード、2aP側IGBT、2b N側IGBT、3 P側外部接続用導電体、4 P側コレクタ電極板、5a P側IGBTエミッタ電極、5b N側IGBTエミッタ電極、6a P側カソード接続用導電体、6b N側カソード接続用導電体、7a P側接続導電体、7b N側接続導電体、8 AC外部接続用導電体、9 N側コレクタ電極板、10a P側ゲート接続線、10b N側ゲート接続線、12 N側外部接続用導電体、13a アノード電極、13b カソード電極、14 中継電極板。
Claims (4)
- 主表面を有する基板と、
前記基板の主表面において所定の領域に形成された電極板と、
前記基板の主表面において前記電極板と隔てられた所定の領域に形成された素子間配線板と、
一端子および他の端子を有し、前記一端子を前記電極板に接触させて前記電極板上に配設されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の前記他の端子と前記素子間配線板との間を跨ぐように配設され、前記他の端子に接触する第1の領域および前記第1の領域とは封止樹脂が充填される態様で離間された第2の領域を有して、前記他の端子と前記素子間配線板とを電気的に接続する接続導電体と、
第1の極および第2の極を有し、前記第1の極を前記第2の領域に接触させて前記接続導電体上に配設されたSiCダイオード素子と、
前記SiCダイオード素子の前記第2の極と前記電極板とを電気的に接続する他の接続導電体と
を備えた、半導体パワーモジュール。 - 前記SiCダイオード素子は、前記スイッチング素子の直上以外の前記スイッチング素子よりも上方の所定の位置に配置された、請求項1記載の半導体パワーモジュール。
- 前記接続導電体および前記他の接続導電体は平板状部材により形成された、請求項1または2に記載の半導体パワーモジュール。
- 前記接続導電体および前記他の接続導電体に開口部が設けられた、請求項3記載の半導体パワーモジュール。
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