JPH1093085A - 半導体デバイスのパッケージ及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加圧型ＩＧＢＴパッケージの電流集中や熱集中
を防止すると共に、均一な加圧特性を実現する。 【解決手段】少なくとも四つ以上のダイオードチップを
含むＩＧＢＴパッケージにおいて、任意の角を中心に四
つのチップを選んだとき、ダイオードチップが三つ以下
になるように、ＩＧＢＴチップとダイオードチップを分
散配置する。 【効果】Ｉ電流や発熱部の集中が回避できるため、イン
ダクタンスの低減や冷却設備の小型化が図れる。また、
スタックのように多数のＩＧＢＴパッケージを同時加圧
したときに発生する歪みを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速スイッチング
素子ＩＧＢＴと逆並列にダイオードを接続して構成した
ＩＧＢＴパッケージ、及びこれを用いたインバータ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力変換装置の応用範囲の拡大に伴い装
置の高性能，低雑音，小型化がますます重要になってい
る。これを実現する制御素子としてパワーＭＯＳ−ＦＥ
Ｔの高速スイッチング特性とバイポーラトランジスタの
高電力制御性を兼ね備えたIGBT(Insulated Gate Bipola
r Transistor）が開発され、電力変換装置のキーデバイ
スとして幅広く実用化されている。

【０００３】ＩＧＢＴは飽和特性を有することから、Ｍ
ＯＳ−ＦＥＴのように素子を複数個並列接続して、大き
な電流容量を得ることが可能である。そのため、複数の
IGBTチップを複数のダイオードと共に共通のベース上に
マウントすることで、大電流容量のＩＧＢＴモジュール
が実現されている。ここで、ＩＧＢＴモジュール内のダ
イオードはフリーフォイールダイオードとして使用され
るため、ＩＧＢＴチップに対し逆並列に接続されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＩＧＢ
Ｔモジュールは、ＩＧＢＴやダイオードの一方の主電極
が共通のベース電極上に半田等によりマウントされ、他
方の主電極がワイヤボンディングで配線された構造にな
っている。そのため、動作時の電力損失によるチップの
温度上昇や過電流によるワイヤの接続点の部分的な温度
上昇の繰り返しにより、ワイヤが外れるといった信頼性
上の問題を抱えていた。また、従来のIGBTモジュール
は、ワイヤで配線した他方の主電極からチップ内で発生
する熱を取り去ることができず、熱冷却効果が劣るとい
った問題も抱えていた。

【０００５】これに対し、従来ＧＴＯ(Gate Turn Off T
hyristor）のように半導体素子の両側の主電極を金属で
圧接することで放熱や断線の問題を解決した、新しいタ
イプのＩＧＢＴパッケージ（以後、圧接ＩＧＢＴパッケ
ージと記述）を実用化する試みが進められている。これ
らは、例えば、特開平8−88240号や文献ＥＰＥ'９５,Vo
l.1, p.１０５１（１９９５）などで報告されている。

【０００６】圧接ＩＧＢＴパッケージでは、通常１から
２cm角のチップを複数個同時に加圧する。同時に加圧す
る必要のあるチップ数は、耐圧，電流容量およびチップ
サイズにより異なるが、耐圧数ｋＶ，電流数百Ａ程度の
ＩＧＢＴパッケージを実現する場合、１０から３０個の
ＩＧＢＴおよび５から１５個程度のダイオードが必要に
なる。

【０００７】ところで、ＩＧＢＴは、通常、インバータ
やコンバータ回路などの電力変換装置に使用され、スイ
ッチング動作を繰り返すことで電力変換を行う。この場
合、ＩＧＢＴパッケージに組み込まれたＩＧＢＴとダイ
オードは同時にスイッチング動作を繰り返すことがな
い。例えば、インバータ出力の基本周波数が１０Ｈｚの
場合、５０ｍｓの間はＩＧＢＴだけがスイッチング動作
を行い、また残りの５０ｍｓはダイオードだけがスイッ
チング動作する。したがって、ＩＧＢＴが動作している
期間はＩＧＢＴチップのみが損失を発生し、またダイオ
ードが動作している期間はダイオードチップのみが損失
を発生する。以上の動作説明から明らかなように、ＩＧ
ＢＴパッケージではＩＧＢＴに電流が流れ損失が発生す
る期間とダイオードに電流が流れ損失が発生する期間は
異なることになる。このため、複数のＩＧＢＴとダイオ
ードチップを並列接続する圧接ＩＧＢＴパッケージで
は、ＩＧＢＴチップだけをパッケージの一部分に集中し
て配置すると、熱が集中的に発生するため放熱特性が悪
くなる。また、電流も部分的に流れるため電流集中を発
生しやすい。さらに、圧接ＩＧＢＴパッケージではＩＧ
ＢＴチップとダイオードチップを同時に加圧する必要が
あるが、ＩＧＢＴとダイオードチップではチップの厚み
が異なりやすいため、チップの加圧力の不均一性が発生
しやすい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題を解
決するものであって、ＩＧＢＴチップとダイオードチッ
プを集中的に配置するのではなく、均一に分散して配置
することによって実現する。

【０００９】具体的な一手段としては、例えばチップ形
状が四角形のチップを均一に並べたパッケージの場合、
配置されたチップ群の中から任意のチップの一つの角を
中心に四つのチップを四角形をなすように選んだとき、
ダイオードチップの数が３個以下であるように配置す
る。したがって、ＩＧＢＴチップとダイオードチップが
分散配置されるため、熱の発生部が分散され、冷却効率
が改善される。また、厚みの異なりやすい２種類のチッ
プが分散配置されるため均一加圧が可能となる。本発明
のＩＧＢＴスタックは、上述の圧接ＩＧＢＴパッケージ
を複数個直列に同時加圧するものである。上記の圧接Ｉ
ＧＢＴパッケージは、加圧力の偏りがなくまた放熱特性
に優れていることから、圧接パッケージの直列数を多く
しても加圧力の偏りや電流および熱の部分的な集中のな
いＩＧＢＴスタックを提供できる。

【００１０】尚、本発明の電力変換回路は上述のＩＧＢ
Ｔスタックを含むものであって、スタック当たりに含ま
れる圧接ＩＧＢＴパッケージの数を多くできることか
ら、直列接続するスタック数が少なくなるため電力変換
回路を小型にすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例を示す
圧接ＩＧＢＴパッケージの断面図と平面図である。図１
（ａ）に示す本発明の実施例の断面図で、１４はダイオ
ードチップ、１１はＩＧＢＴチップである。ＩＧＢＴの
コレクタ電極とダイオードのカソード電極は、モリブデ
ンなどの金属１２を通してコレクタ電極板１５に接して
いる。また、ＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのア
ノード電極は金属１３を通してエミッタ電極板１６に接
している。ここで、金属１２と１３は、ＩＧＢＴとダイ
オードの基板材料と熱膨張係数の合った材料であること
がよい。例えばＩＧＢＴとダイオードがシリコンの場
合、モリブデンなどの金属であることがよい。また、コ
レクタ金属板１５とエミッタ電極板１６は電気抵抗と熱
伝導性に優れた金属、例えば銅などがよい。図１の実施
例で電流は、ＩＧＢＴが動作しているときはコレクタ電
極板１５からエミッタ電極板１６へ、ダイオードが動作
しているときはエミッタ電極板１６からコレクタ電極板
１５へ流れる。

【００１２】図１（ｂ）は、本発明のＩＧＢＴパッケー
ジにおける、ＩＧＢＴとダイオードの配置パターンの一
例を示す。１９９１と１９９２は、任意のチップの一つ
の角を中心に四つのチップを四角形をなすように選んだ
一例を示している。１９９１はダイオードチップが一つ
の場合、１９９２はダイオードチップが二つの場合であ
る。いずれの場合も、ダイオードチップは三つ以下であ
り、本発明の範囲を満たしている。ここでは、ダイオー
ドチップが一つの場合と二つの場合を示しているが、三
つの場合が含まれる配置であっても良い。また、本発明
は、四つのチップを選び出しその中に三つ以下のダイオ
ードが含まれることを対象としており、少なくとも四つ
以上のダイオードチップが含まれるＩＧＢＴパッケージ
を対象としている。例えば、ダイオードチップの総数が
三つのＩＧＢＴパッケージの場合に、任意のチップの一
つの角を中心に四つのチップを四角形をなすように選ん
だ中に三つのダイオードチップが含まれた場合、他の領
域はＩＧＢＴチップのみとなり、ダイオードチップとＩ
ＧＢＴチップはそれぞれ集中して配置されたことにな
る。これは、本発明の主旨に反するものであり本発明で
は、四つ以上のダイオードチップを含むＩＧＢＴパッケ
ージを対象とする。

【００１３】また、ダイオードの損失は通常ＩＧＢＴの
約半分であり、通常ダイオードにはＩＧＢＴの倍の電流
を導通するようにしてＩＧＢＴパッケージを作成する。
このようにすることにより、ＩＧＢＴチップとダイオー
ドチップの発熱量が同等となり、最も少ないチップ数で
ＩＧＢＴパッケージを構成できることになる。つまり、
ダイオードチップがＩＧＢＴチップの半分の個数になる
ようなＩＧＢＴパッケージであることが最も良い。した
がって、１９９１と１９９２に示したような四つの組を
任意の場所で選んだ場合、その中にダイオードチップが
一つまたは二つ含まれるようなダイオードの配置である
ことが好ましい。

【００１４】図２は、本発明の他の実施例を示す平面図
である。図１（ｂ）では縦横いずれのラインにもダイオ
ードチップが含まれたが、図２ではダイオードが含まれ
るラインと含まれるラインが交互に配置された構成とな
っている。図２の配置法は、ダイオードチップが隣接す
る部分がないため、電流通路や発熱部が最もよく分散さ
れる。

【００１５】図３は、本発明の他の実施例を示す平面図
である。この例では、縦列にはどの列にもダイオードチ
ップがあるが、横の列ではダイオードチップがある列と
ない列が交互に配置された分布となっている。この場合
も、１９９１内に含まれるダイオードチップ数は三つ以
下であり、本発明の範囲を満足する。

【００１６】図１から図３は、ＩＧＢＴパッケージが四
角形であることを想定しているが、パッケージの形状は
四角形にとらわれることはない。図４は、図１のダイオ
ードの配置法で円形のＩＧＢＴパッケージを実現した場
合の一例である。この場合も、ダイオードチップは三つ
以下であり本発明を満足している。両側から圧力を加え
てチップを固定するパッケージの場合、パッケージ形状
が四角形であると、角部の圧力が高まりやすく、パッケ
ージ全体で均一に加圧することが難しい。これに対し、
円形のパッケージは均一に加圧しやすく、圧接型のＩＧ
ＢＴパッケージでは望ましい形状である。

【００１７】図５は、図２で示したダイオードの配置法
で円形のパッケージを実現した実施例である。この場合
も、１９９１の中に含まれるダイオードチップの数は三
つ以下であり、本発明の範囲を満足している。

【００１８】また、図６は図３の配置法で円形のパッケ
ージを実現したものであり、この場合も、本発明の範囲
を満足している。

【００１９】尚、本発明のＩＧＢＴチップとダイオード
チップの配置方法は、コレクタ電極板１５とエミッタ電
極板１６側から加圧するタイプのパッケージにおいて有
効である。しかし、これに限定されることはなく、例え
ばエミッタ電極側をワイヤで配線するタイプのパッケー
ジであっても良い。

【００２０】図７から図９は、本発明の圧接ＩＧＢＴパ
ッケージを用いたインバータ回路の一実施例を示してい
る。図７は、本発明のダイオードを使用した三相誘導電
動機を駆動するためのインバータ回路の一例である。ま
た、図８と図９は、図７のインバータ回路の具体的な部
品の配置図である。２個のスイッチング素子（例えばIG
BT11とIGBT12）が直列に接続されている。また、それぞ
れのスイッチング素子にはフライフォイールダイオード
ＤＦが並列に接続されている。さらに、それぞれのスイ
ッチング素子には、スイッチング時の急激な電圧の上昇
からスイッチング素子を保護するために、いわゆるスナ
バ回路Ｓが並列に接続されている。このスナバ回路は抵
抗ＲＳとコンデンサＣＳを直列に接続したものである。
各相における２個のスイッチング素子の接続点は、それ
ぞれ交流端子Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５に接続される。各交流端
子に三相誘導電動機が接続される。上アーム側のスイッ
チング素子のアノード端子は３個とも共通であり、直流
端子Ｔ１において直流電圧源の高電位側と接続されてい
る。下アーム側のスイッチング素子のカソード電極は３
個とも共通であり直流端子Ｔ２において直流電圧源の低
電位側と接続されている。このような構成の装置におい
て各スイッチング素子のスイッチングにより直流を交流
に変換することにより、三相誘導電動機を駆動する。
尚、スナバ回路は、ダイオードと抵抗の並列回路にコン
デンサを直列に配置した構成の回路であってもよい。

【００２１】ところで本発明は、ＩＧＢＴパッケージに
おいて、ＩＧＢＴとダイオードが同時に動作することが
ないことに注目したものである。以下、図７の三相イン
バータ回路を用いて、この説明をする。図７は三相イン
バータであるが、一相分を考えれば三相の場合は容易に
理解できるので、ここでは一相分で説明をする。

【００２２】図７（ｂ）は、図７（ａ）のインバータ回
路図中に示している点の電圧Ｖ１と電流Ｉ１である。Ｉ
１は出力端子Ｔ３へ向かう時の電流を正、この逆を負と
定義している。図７のＡ期間は電流が正、Ｂ期間は電流
が負の場合である。IGBT11とIGBT12の接続点の電圧Ｖ１
は、IGBT11とIGBT12がスイッチング動作することで周期
的に変動し、IGBT11がオンでIGBT12がオフのとき直流電
圧Ｖｃｃ、また、この逆のとき、０Ｖとなる。IGBT11の
オン期間が長く、IGBT12のオフ期間が短かいときＶ１の
平均電圧は増加し、また、この逆の時減少する。図７
（ｂ）はこの様子を示しており、電圧Ｖ１の平均値の波
形である。

【００２３】はじめに、電流Ｉ１が正の電流（出力端子
Ｔ３に向かって流れる）の場合について説明する。IGBT
11がオンでIGBT12がオフの場合、電流はIGBT11を流れて
出力へ供給される。次に、IGBT11がオフでIGBT12がオン
になると、出力電流はダイオードＤＦ１２を流れて供給
される。このとき、IGBT12のゲート信号はオン状態でも
IGBT12はエミッタ電極からコレクタに向かう電流が流れ
ない構造のため、IGBT12を電流が流れることはない。再
び、IGBT11がオンでIGBT12がオフの状態になると電流は
IGBT11から供給され、ダイオードＤＦ１２はオフ状態と
なる。以後、これを繰り返す。つまり、電流Ｉ１が正の
時は、IGBT11とＤＦ１２がオン状態とオフ状態を繰り返
す。

【００２４】次に、出力電流が負の電流の時について説
明する。IGBT11がオンでIGBT12がオフの場合、電流はダ
イオードＤＦ１１を流れるためIGBT11のゲート信号がオ
ン状態であっても、IGBT11を電流は流れずIGBT11は非動
作状態である。次に、IGBT11がオフでIGBT12がオンにな
ると電流はIGBT12を流れ、ダイオードＤＦ１１はオフ状
態になる。次に、再びIGBT11がオンでIGBT12がオフにな
ると、電流はダイオードＤＦ１１を流れ、以後、上記の
状態を繰り返す。つまり、電流Ｉ１が負の時は、IGBT12
とダイオードＤＦ１２が動作する。尚、実際のインバー
タ動作においては、IGBT11とIGBT12が同時にオン状態に
なると、直流端子Ｔ１とＴ２が短絡され大電流が流れる
ことから、IGBT11とIGBT12を共にオフとする時間を設け
て、これを防止している。

【００２５】以上の説明から明らかなうように、インバ
ータ装置では、上アームのＩＧＢＴと下アームのダイオ
ード、または上アームのダイオードと下アームのＩＧＢ
Ｔが組となって動作することはあっても、上アームのＩ
ＧＢＴとダイオード、または下アームのＩＧＢＴとダイ
オードが同時に動作することはない。そして、同時に動
作しているＩＧＢＴとダイオードの組は、出力の基本周
期の半分の時間ごとに切り替わる。したがって、ＩＧＢ
Ｔとダイオードを同一パッケージに含む構造のＩＧＢＴ
パッケージでは、ＩＧＢＴとダイオードが動作して損失
を発生する期間がインバータ出力の基本周期の半周周期
ごとに切り替わることから、これらのチップは分散配置
された方が熱の集中がなく、冷却効果に優れたパッケー
ジとなる。

【００２６】図８は、本発明の一実施例であって、図１
のパッケージで図７のインバータ装置を実現したもので
あて、ＩＧＢＴスタックと呼ぶ。１は、図１に示した本
発明のＩＧＢＴパッケージで、これらの間に金属板８９
２を挟んで多数配置した構造となっている。８１は、図
７のインバータの上アーム、８２は下アームを示してい
る。上アームは、上から順に、金属板８９１，絶縁物８
３，金属板８９２，ＩＧＢＴパッケージ１，金属板８９
３となっており、ＩＧＢＴパッケージが多数直列に接続
された構造となっている。この直列数は、必要に応じて
調整することが可能で、例えばＩＧＢＴパッケージの直
列数が一つであっても良い。さらに、８３１はＩＧＢＴ
パッケージの周辺を覆うもので通常セラミックなどの絶
縁物であることがよい。８４はＩＧＢＴスタックを固定
するネジであって、金属棒８８を固定することでスタッ
ク８７全体を固定している。

【００２７】一つのＩＧＢＴパッケージの両端の金属板
間にはスナバ抵抗８６とスナバコンデンサ８５が直列に
接続され、スナバ回路を構成している。スナバ回路の構
成は、図８の構成に限定されるものではない。例えば、
スナバ抵抗と並列にスナバダイオードが挿入された構成
のスナバ回路であっても良い。尚、前述したスナバ回路
構成の場合、スナバコンデンサとスナバ抵抗の積である
時定数には、使用しているＩＧＢＴの耐圧クラスによっ
てふさわしい値がある。例えば、耐圧が1000以上から２
０００Ｖ以下では、０.１ から１μｓ、２０００Ｖ以上
から４０００Ｖでは０.５μｓから２μｓ、４０００Ｖ
以上６０００Ｖ以上では０.８から４μｓ、６０００Ｖ
以上から１００００Ｖ以下では、１.５μｓ から６μｓ
程度に設定することがよい。このような値に設定するこ
とで、ＩＧＢＴがターンオフする時に発生してＩＧＢＴ
を破壊に導くはね上がり電圧を有効に防止できると共
に、スナバ回路が発生するスナバ損失も最小限になる。
スタック８７の中心部からは、金属板を通して、インバ
ータ出力がＴ３として外部に出力される。また、これら
のスタック８７は、三相出力の場合、三つ併設される。
尚、図８のスタックの電流は、ＩＧＢＴ動作時、上から
下へ、ダイオード動作時、下から上へ流れる。

【００２８】本発明のＩＧＢＴパッケージはＩＧＢＴチ
ップとダイオードチップが分散配置されているためチッ
プの加圧力が均一になり、多数のＩＧＢＴパッケージを
直列配置したスタックを同時加圧しても、スタックが歪
むなどの問題を発生しない、また、ＩＧＢＴパッケージ
内で電流が分散して流れるため、スタック部分のインダ
クタンスが小さくなる。さらに、発熱部が集中すること
がないので、冷却特性に優れたＩＧＢＴスタックが実現
でき、スタックの冷却設備を小型化にできる。図９は、
上アームと下アームが分離された構造のインバータ装置
の実施例である。このような構成は、一スタックあたり
のＩＧＢＴパッケージの個数を少なくできるため、均一
な加圧ができるなどのメリットがある。本構造は、図８
のスタックから容易に理解できることから、詳細な説明
は省略する。本発明のパッケージはこのような構造のイ
ンバータ装置でも有効に効果を発揮し、加圧時のスタッ
クの歪みがなくなり、また電流や発熱の集中のないスタ
ックを提供する。

【００２９】尚、上アームと下アームのスタックを分割
して、それぞれ複数のスタックとしてもよい。例えば、
片方のＩＧＢＴパッケージの直列数が２０個程度になる
場合であれば、５個ずつ４つのスタックに分割すること
が良い。

【００３０】これまでの実施例ではＩＧＢＴで説明して
きたが、本発明はＩＧＢＴチップに限定されるものでは
なく、スイッチング素子はいかなる素子であってもよ
い。例えば、スイッチング素子は、MOSFET，ＧＴＯ，Ｍ
ＣＴ（ＭＯＳ ControlledThyristor)などであってもよ
い。本発明は、スイッチング素子チップとダイオードチ
ップを複数個同一のパッケージに組み込む場合に有効で
ある。

【００３１】

【発明の効果】ＩＧＢＴチップとダイオードチップを分
散して配置したパッケージとしたことにより、電流や発
熱部の集中が回避できる。このため、インダクタンスの
低減や冷却設備の小型化が図れる。また、高さの異なり
やすいＩＧＢＴとダイオードチップが分散配置されるこ
とにより、スタックのように多数のパッケージを同時加
圧したときに発生する歪みを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＩＧＢＴとダイオードチップの配置法
の一実施例。

【図２】本発明のチップ配置法の他の実施例。

【図３】本発明のチップ配置法の他の実施例。

【図４】本発明で円形のパッケージを実現した場合のチ
ップ配置法の一実施例。

【図５】本発明で円形のパッケージを実現した場合のチ
ップ配置法の他の実施例。

【図６】本発明で円形のパッケージを実現した場合のチ
ップ配置法の他の実施例。

【図７】本発明のインバータ回路の動作を説明するため
の図。

【図８】本発明のインバータ回路の具体的な一実施例。

【図９】本発明のインバータ回路の具体的な他の実施
例。

【符号の説明】

１…本発明のＩＧＢＴパッケージ、１１…ＩＧＢＴチッ
プ、１４…ダイオードチップ、１２…モリブデンなどの
金属、１５…コレクタ電極板、１６…エミッタ電極板、
IGBT11…スイッチング素子、ＤＦ１１…フリーフォイー
ルダイオード、８１…上アーム、８２…下アーム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の自励式のスイッチング動作をするス
   イッチング素子のチップとこれと逆並列に接続される少
   なくとも四つ以上のダイオードチップを含むパッケージ
   において、パッケージ内のいかなるチップの角を中心に
   連続する四つのチップを選んでも、その中に含まれるダ
   イオードチップの数が三つ以下になるようにスイッチン
   グ素子とダイオードを配置したことを特徴とするパッケ
   ージ。
2. 【請求項２】請求項１において、スイッチング素子が絶
   縁ゲート構造を有する素子であることを特徴とするスイ
   ッチング素子のパッケージ。
3. 【請求項３】請求項１において、スイッチング素子がＩ
   ＧＢＴであることを特徴とするスイッチング素子のパッ
   ケージ。