JP7343522B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1~図9は、本開示の第1実施形態に係る電力変換装置A1を示している。本実施形態の電力変換装置A1は、半導体装置B1、基板H、接続端子T1,T2,T3,T4,T5、複数の抵抗器Rおよび複数のコンデンサCを備える。電力変換装置A1は、たとえばパワー電源である電源E3からの直流電力を、モータM1を駆動するための三相交流電力に変換する。ただし、本開示の電力変換装置の用途や機能はなんら限定されない。
基板Hには、半導体装置B1、複数の抵抗器Rおよび複数のコンデンサCが搭載されている。本実施形態の基板Hは、基材J、導電部Kおよび絶縁層Lを有する。基板Hは、本開示の第1基板に相当する。
接続端子T1,T2,T3,T4,T5は、基板Hに取り付けられており、各々が導電部Kに導通している。
複数の抵抗器Rおよび複数のコンデンサCは、基板Hに実装されており、半導体装置B1とともに、図2に示す電力変換装置A1の回路を構成している。なお、図示された電力変換装置A1における複数の抵抗器Rおよび複数のコンデンサCの個数および配置等は一例であり、これに限定されない。図示された複数の抵抗器Rおよび複数のコンデンサCの他に、抵抗器やコンデンサが用いられていてもよいし、抵抗器やコンデンサとは異なる種類の電子部品が用いられていてもよい。以降の説明においては、複数の抵抗器Rおよび複数のコンデンサCに適宜数字を加えた符号によって個体を区別する。
図1に示すように、半導体装置B1は、リード1A,1B,1C,1D,1E,1F,1Gおよびリード2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,2H,2I,2J,2K,2L,2M,2N,2O,2P,2Q,2R,2S,2T,2Uを有する。これらの詳細は、後述する。
基板3の材質は特に限定されない。基板3の材質としては、たとえば、樹脂7の材質よりも熱伝導率が高い材質が好ましい。基板3の材質としては、たとえばアルミナ(Al2O3)窒化珪素(SiN)、窒化アルミ(AlN)、ジルコニア入りアルミナ等のセラミックが例示される。基板3の厚さは特に限定されず、たとえば0.1mm~1.0mm程度である。基板3は、本開示の第2基板に相当する。
導電部5は、基板3上に形成されている。本実施形態においては、導電部5は、基板3の第1面31上に形成されている。導電部5は、導電性材料からなる。導電部5を構成する導電性材料は特に限定されない。導電部5の導電性材料としては、たとえば銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)等を含むものが挙げられる。以降の説明においては、導電部5が銀を含む場合を例に説明する。なお、導電部5は、銀に代えて銅を含んでいてもよいし、銀または銅に代えて金を含んでいてもよい。あるいは、導電部5は、Ag-PtやAg-Pdを含んでいてもよい。また、導電部5の形成手法は限定されず、たとえばこれらの金属を含むペーストを焼成することによって形成される。導電部5の厚さは特に限定されず、たとえば5μm~30μm程度である。導電部5は、本開示の第2導電部に相当する。
複数の接合部6は、基板3上に形成されている。本実施形態においては、複数の接合部6は、基板3の第1面31上に形成されている。接合部6は、たとえば導電性材料からなる。接合部6を構成する導電性材料は特に限定されない。接合部6の導電性材料としては、たとえば銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)等を含むものが挙げられる。以降の説明においては、接合部6が銀を含む場合を例に説明する。この例における接合部6は、導電部5を構成する導電性材料と同じものを含む。なお、接合部6は、銀に代えて銅を含んでいてもよいし、銀または銅に代えて金を含んでいてもよい。あるいは、導電部5は、Ag-PtやAg-Pdを含んでいてもよい。また接合部6の形成手法は限定されず、たとえば導電部5と同様に、これらの金属を含むペーストを焼成することによって形成される。接合部6の厚さは特に限定されず、たとえば5μm~30μm程度である。
複数のリード1は、金属を含んで構成されており、たとえば基板3よりも放熱特性に優れている。リード1を構成する金属は特に限定されず、たとえば銅(Cu)、アルミニウム、鉄(Fe)、無酸素銅、またはこれらの合金(たとえば、Cu-Sn合金、Cu-Zr合金、Cu-Fe合金等)である。また、複数のリード1には、ニッケル(Ni)めっきが施されていてもよい。複数のリード1は、たとえば、金型を金属板に押し付けるプレス加工により形成されていてもよいし、金属板をエッチングでパターニングすることにより形成されていても良いし、これに限られない。リード1の厚さは特に限定されず、たとえば0.4mm~0.8mm程度である。
複数のリード2は、金属を含んで構成されており、たとえば基板3よりも放熱特性に優れている。リード2を構成する金属は特に限定されず、たとえば銅(Cu)、アルミニウム、鉄(Fe)、無酸素銅、またはこれらの合金(たとえば、Cu-Sn合金、Cu-Zr合金、Cu-Fe合金等)である。また、複数のリード2には、ニッケル(Ni)めっきが施されていてもよい。複数のリード2は、たとえば、金型を金属板に押し付けるプレス加工により形成されていてもよいし、金属板をエッチングでパターニングすることにより形成されていても良いし、これに限られない。リード2の厚さは特に限定されず、たとえば0.4mm~0.8mm程度である。複数のリード2は、z方向視において基板3の第2領域30Bと重なるように配置されている。
半導体チップ4A~4Fは、複数のリード1上に配置されており、本開示の半導体チップの一例である。半導体チップ4A~4Fの種類や機能は特に限定されず、本実施形態においては、半導体チップ4A~4Fがトランジスタである場合を例に説明する。また、図示された例においては、6つの半導体チップ4A~4Fを備えているがこれは一例であり、半導体チップの個数は、何ら限定されない。半導体チップ4A~4Fは、本開示の2次側電力回路を構成する。本実施形態においては、半導体チップ4A~4Fは、IGBTからなるトランジスタである。
ダイオード41A,41B,41Cは、リード1Aの第1部11Aに搭載されている。ダイオード41Dは、リード1Bの第1部11Bに搭載されている。ダイオード41Eは、リード1Cの第1部11Cに搭載されている。ダイオード41Fは、リード1Dの第1部11Dに搭載されている。
制御チップ4G,4Hは、半導体チップ4A~4Fのうち少なくともいずれかの駆動を制御するためのものである。図14に示すように、制御チップ4G,4Hは、導電部5と半導体チップ4A~4Fのうち少なくともいずれかとに電気的に接続されており、基板3上に配置されている。本実施形態においては、制御チップ4Gは、3つの半導体チップ4A,4B,4Cの駆動を制御する。制御チップ4Hは、3つの半導体チップ4D,4E,4Fの駆動を制御する。制御チップ4G,4Hの形状やサイズは特に限定されない。図示された例においては、制御チップ4G,4Hは、z方向視において矩形状であり、x方向を長手方向とする長矩形状である。制御チップ4G,4Hは、本開示の2次側電力回路を制御するチップである。
伝達回路チップ4Iは、本開示の伝達回路を備えるものである。伝達回路チップ4Iは、少なくとも2つの互いに離間するコイルが対向して配置されたトランス構造を有して電気信号を伝達する。本実施形態においては、図15に示すように、伝達回路チップ4Iは、たとえば導電性接合材84を介して第3基部58に実装されている。伝達回路チップ4Iは、x方向視において制御チップ4Hと1次側回路チップ4Jとの間に位置する。
1次側回路チップ4Jは、伝達回路チップ4Iを介して制御チップ4Hに指令信号を送るものである。本実施形態においては、図15に示すように、1次側回路チップ4Jは、たとえば導電性接合材84を介して第3基部58に実装されている。1次側回路チップ4Jは、y方向において伝達回路チップ4Iよりも第5面35側に位置している。1次側回路チップ4Jは、本開示の1次側制御回路を含むチップの一例である。
ダイオード49U,49V,49Wは、制御チップ4Gと電気的に接続されている。本実施形態においては、ダイオード49U,49V,49Wは、たとえば、制御チップ4Gにより高い電圧を印加するための、いわゆるブートダイオードとして機能する。ダイオード49Uは、導電部5の配線部50Bに導電性接合材を介して接合されている。この導電性接合材はたとえば上述した導電性接合材84と同様の材質からなる。ダイオード49Vは、導電部5の配線部50Dに上述した導電性接合材を介して接合されている。ダイオード49Wは、導電部5の配線部50Fに上述した導電性接合材85を介して接合されている。
第1ワイヤ91A~91Fは、半導体チップ4A~4Fのいずれかと、複数のリード1のいずれかとに接続されている。第1ワイヤ91A~91Fの材質は特に限定されず、たとえば、アルミニウム(Al)や銅(Cu)からなる。また、第1ワイヤ91A~91Fの線径は特に限定されず、たとえば250~500μm程度である。第1ワイヤ91A~91Fは、本開示の第1導電部材に相当する。なお、第1ワイヤ91A~91Fに代えて、たとえばCuからなるリードを用いてもよい。
複数の第2ワイヤ92は、図14に示すように、制御チップ4G,4Hのいずれかに接続されている。第2ワイヤ92の材質は特に限定されず、たとえば金(Au)からなる。第2ワイヤ92の線径は特に限定されず、本実施形態においては、第1ワイヤ91A~91Fの線径よりも細い。第2ワイヤ92の線径は、たとえば10μm~50μm程度である。第2ワイヤ92は、本開示の第2導電部材に相当する。以降においては、制御チップ4Gに接続された第2ワイヤ92を第2ワイヤ92Gとし、制御チップ4Hに接続された第2ワイヤ92を第2ワイヤ92Hとする。
複数の第3ワイヤ93は、図14に示すように、制御チップ4G,4Hのいずれかに接続されている。第3ワイヤ93の材質は特に限定されず、たとえば第2ワイヤ92と同様の材質からなる。
複数の第4ワイヤ94は、図14に示すように、伝達回路チップ4Iと1次側回路チップ4Jとに接続されている。第4ワイヤ94の材質は特に限定されず、たとえば第2ワイヤ92と同様の材質からなる。
複数の第5ワイヤ95は、図14に示すように、1次側回路チップ4Jと導電部5とに接続されている。第5ワイヤ95の材質は特に限定されず、たとえば第2ワイヤ92と同様の材質からなる。
複数の第6ワイヤ96は、図14に示すように、制御チップ4Gと導電部5とに接続されている。第6ワイヤ96の材質は特に限定されず、たとえば第2ワイヤ92と同様の材質からなる。
複数の第7ワイヤ97は、図14に示すように、制御チップ4Hと導電部5とに接続されている。第7ワイヤ97の材質は特に限定されず、たとえば第2ワイヤ92と同様の材質からなる。
樹脂7は、半導体チップ4A~4F、制御チップ4G,4H、伝達回路チップ4Iおよび1次側回路チップ4Jと、複数のリード1の一部ずつおよび複数のリード2の一部ずつと、を少なくとも覆っている。また、本実施形態においては、樹脂7は、ダイオード41A~41F、ダイオード49U,49V,49W、複数の第1ワイヤ91A~91F、複数の第2ワイヤ92、複数の第3ワイヤ93、複数の第4ワイヤ94、複数の第5ワイヤ95、複数の第6ワイヤ96および複数の第7ワイヤ97を覆っている。樹脂7の材質は特に限定されない。樹脂7の材質は特に限定されず、たとえばエポキシ樹脂、シリコーンゲル等の絶縁材料が適宜用いられる。
次に、半導体装置B1の回路構成について説明する。
1次側制御回路を構成する制御チップ、2次側電力回路を構成する半導体チップおよび前記1次側制御回路と前記2次側電力回路とを電気的に絶縁し且つ前記1次側制御回路と前記2次側電力回路との信号伝達機能を有する伝達回路、を備える半導体装置と、
前記半導体装置が搭載された第1基板と、を備え、
前記第1基板は、第1導電部を有し、
前記第1基板に設けられ且つ前記第1導電部に導通する第1接続端子を備え、
少なくとも一部が前記第1基板の前記第1導電部によって構成され且つ前記半導体装置の前記1次側制御回路と前記第1接続端子とを電気的に導通させる第1導通経路を備える、電力変換装置。
〔付記2〕
前記第1基板は、厚さ方向において互いに反対側を向く主面および裏面を有する基材を含み、
前記第1導電部は、前記主面上に配置された主面部、前記裏面上に配置された裏面部および前記基材を貫通し且つ前記主面部の一部と前記裏面部の一部とを導通させる複数の貫通部を含む、付記1に記載の電力変換装置。
〔付記3〕
前記主面部は、前記第1導通経路を構成する第1主面配線を含み、
前記裏面部は、前記第1導通経路を構成する第1裏面配線を含み、
前記複数の貫通部は、前記第1導通経路を構成する第1貫通部を含む、付記2に記載の電力変換装置。
〔付記4〕
前記第1主面配線に直列に接続され且つ前記第1導通経路を構成する第1抵抗器を備える、付記3に記載の電力変換装置。
〔付記5〕
前記主面部は、前記第1主面配線に繋がり且つグラウンド接続される第2主面配線を含む、付記4に記載の電力変換装置。
〔付記6〕
前記第2主面配線に直列に接続された第1コンデンサを備える、付記5に記載の電力変換装置。
〔付記7〕
前記第1接続端子は、前記半導体装置に対して第1方向一方側に位置しており、
前記第1主面配線は、前記第1方向に沿って延びている、付記3ないし6のいずれかに記載の電力変換装置。
〔付記8〕
前記第1裏面配線は、前記第1方向に沿って延びている、付記3ないし7のいずれかに記載の電力変換装置。
〔付記9〕
前記第1方向と直角である第2方向に配列された複数の前記第1導通経路を備える、付記3ないし8のいずれかに記載の電力変換装置。
〔付記10〕
前記第2主面配線は、複数の前記第1主面配線に繋がり且つ交差する、付記5または6に記載の電力変換装置。
〔付記11〕
前記第1基板に設けられ且つ前記第1導電部に導通する第2接続端子を備え、
少なくとも一部が前記第1基板の前記第1導電部によって構成され、且つ前記半導体装置の前記2次側電力回路と前記第2接続端子とを導通させる第2導通経路を備える、付記3ないし10のいずれかに記載の電力変換装置。
〔付記12〕
前記主面部は、前記第2導通経路を構成する第3主面配線を含み、
前記裏面部は、前記第2導通経路を構成する第2裏面配線を含み、
前記貫通部は、前記第2導通経路を構成する第2貫通部を含む、付記11に記載の電力変換装置。
〔付記13〕
前記第3主面配線の前記第2方向における幅は、前記第1主面配線の前記第2方向における幅よりも広い、付記12に記載の電力変換装置。
〔付記14〕
前記半導体装置は、
第2基板と、
前記第2基板上に形成された導電性材料からなる第2導電部と、
前記第2基板上に配置された、前記第2基板よりも放熱性の高い第1リードと、
前記第1リード上に配置された前記2次側電力回路を構成する前記半導体チップと、
前記第2導電部と前記半導体チップとに電気的に接続され、且つ平面視において前記半導体チップと前記第1リードと離間して前記第2基板上に配置された、前記半導体チップの駆動を制御する前記制御チップと、
前記第1リードと離間し、且つ前記第2導電部上に前記第2導電部と電気的に接続されて配置された第2リードと、
前記第2導電部と前記第2リードとに電気的に接続され、且つ平面視において前記半導体チップと離間して前記第2基板上に配置された、前記伝達回路を含む伝達回路チップと、
前記半導体チップ、前記制御チップおよび前記伝達回路チップと、前記第2基板の少なくとも一部と、前記第1リードの一部と、前記第2リードの一部とを覆う樹脂と、
を備える、付記1ないし13のいずれかに記載の電力変換装置。
〔付記15〕
前記伝達回路チップは、少なくとも2つの互いに離間するコイルが対向して配置されたトランス構造を有して電気信号を伝達する、付記14に記載の電力変換装置。
〔付記16〕
前記第2基板は、セラミックを含んでいる、付記14または15に記載の電力変換装置。
〔付記17〕
前記第2導電部は、銀を含んでいる、付記14ないし16のいずれかに記載の電力変換装置。
Claims (18)
- 1次側制御回路を構成する制御チップ、2次側電力回路を構成する半導体チップおよび前記1次側制御回路と前記2次側電力回路とを電気的に絶縁し且つ前記1次側制御回路と前記2次側電力回路との信号伝達機能を有する伝達回路、を備える半導体装置と、
前記半導体装置が搭載された第1基板と、を備え、
前記第1基板は、第1導電部を有し、
前記第1基板に設けられ且つ前記第1導電部に導通するとともに、前記半導体装置に対して第1方向一方側に位置する第1接続端子を備え、
前記第1基板は、前記半導体装置に対して前記第1方向一方側に位置し且つ前記第1方向と直角である第2方向に延びる面を有し、
少なくとも一部が前記第1基板の前記第1導電部によって構成され且つ前記半導体装置の前記1次側制御回路と前記第1接続端子とを電気的に導通させる第1導通経路を備え、
前記半導体装置は、第2基板と、前記第2基板の少なくとも一部を覆う樹脂と、をさらに備える、電力変換装置。 - 前記第1基板は、厚さ方向において互いに反対側を向く主面および裏面を有する基材を含み、
前記第1導電部は、前記主面上に配置された主面部、前記裏面上に配置された裏面部および前記基材を貫通し且つ前記主面部の一部と前記裏面部の一部とを導通させる複数の貫通部を含む、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記主面部は、前記第1導通経路を構成する第1主面配線を含み、
前記裏面部は、前記第1導通経路を構成する第1裏面配線を含み、
前記複数の貫通部は、前記第1導通経路を構成する第1貫通部を含む、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記第1主面配線に直列に接続され且つ前記第1導通経路を構成する第1抵抗器を備える、請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記主面部は、前記第1主面配線に繋がり且つグラウンド接続される第2主面配線を含む、請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記第2主面配線に直列に接続された第1コンデンサを備える、請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記第1主面配線は、前記第1方向に沿って延びている、請求項3ないし6のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第1裏面配線は、前記第1方向に沿って延びている、請求項3ないし7のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第2方向に配列された複数の前記第1導通経路を備える、請求項3ないし8のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第2主面配線は、複数の前記第1主面配線に繋がり且つ交差する、請求項5または6に記載の電力変換装置。
- 前記第1基板に設けられ且つ前記第1導電部に導通する第2接続端子を備え、
少なくとも一部が前記第1基板の前記第1導電部によって構成され、且つ前記半導体装置の前記2次側電力回路と前記第2接続端子とを導通させる第2導通経路を備える、請求項3ないし10のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記主面部は、前記第2導通経路を構成する第3主面配線を含み、
前記裏面部は、前記第2導通経路を構成する第2裏面配線を含み、
前記貫通部は、前記第2導通経路を構成する第2貫通部を含む、請求項11に記載の電力変換装置。 - 前記第3主面配線の前記第2方向における幅は、前記第1主面配線の前記第2方向における幅よりも広い、請求項12に記載の電力変換装置。
- 前記半導体装置は、
前記第2基板上に形成された導電性材料からなる第2導電部と、
前記第2基板上に配置された、前記第2基板よりも放熱性の高い第1リードと、
前記第1リード上に配置された前記2次側電力回路を構成する前記半導体チップと、
前記第2導電部と前記半導体チップとに電気的に接続され、且つ平面視において前記半導体チップと前記第1リードと離間して前記第2基板上に配置された、前記半導体チップの駆動を制御する前記制御チップと、
前記第1リードと離間し、且つ前記第2導電部上に前記第2導電部と電気的に接続されて配置された第2リードと、
前記第2導電部と前記第2リードとに電気的に接続され、且つ平面視において前記半導体チップと離間して前記第2基板上に配置された、前記伝達回路を含む伝達回路チップと、を備え、
前記樹脂は、前記半導体チップ、前記制御チップおよび前記伝達回路チップと、前記第1リードの一部と、前記第2リードの一部とを覆う、請求項1ないし13のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記伝達回路チップは、少なくとも2つの互いに離間するコイルが対向して配置されたトランス構造を有して電気信号を伝達する、請求項14に記載の電力変換装置。
- 前記第2基板は、セラミックを含んでいる、請求項14または15に記載の電力変換装置。
- 前記第2導電部は、銀を含んでいる、請求項14ないし16のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記半導体装置は、
複数の前記第1リードと、
前記複数の第1リード上にそれぞれ配置され、前記複数の第1リードにそれぞれ電気的に接続された複数の前記半導体チップと、を備え、
前記第2導電部は、複数の配線部を含み、
前記複数の配線部の最小間隔は、前記複数の第1リードの最小間隔よりも狭い、請求項14ないし17のいずれかに記載の電力変換装置。
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