KR20050081845A - 절연게이트 바이폴라 트랜지스터 모듈 - Google Patents

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모치즈키코우이치
토모마쓰요시후미
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

스위칭 손실을 현저하게 증대시키지 않고 게이트전압의 발진을 억제할 수 있는 IGBT 모듈을 제공한다. IGBT 모듈은, 복수개의 IGBT 칩(100)을 접속함으로써 구성된다. 또한 IGBT 칩(100)은, 복수개의 유닛셀(1)을 접속함으로써 구성된다. 유닛셀(1)은, 1개의 IGBT 소자(2)를 포함한다. IGBT 소자(2)의 게이트(G)에는, 게이트 패드(3) 및 게이트 저항(4)을 통해, 공통의 게이트 단자로부터 게이트 전압이 제공된다. IGBT 소자(2)의 에미터(E)에는, 에미터 패드(5)를 통해, 공통의 에미터 단자로부터 에미터 전압이 제공된다. IGBT 소자(2)의 컬렉터(C)에는, 공통의 컬렉터 단자로부터 컬렉터 전압이 제공된다. 게이트 패드(3), 게이트 저항(4) 및 에미터 패드(5)는, 유닛셀(1)마다 설치된다.

Description

절연게이트 바이폴라 트랜지스터 모듈{IGBT MODULE}
본 발명은, IGBT 모듈에 관한 것으로, 특히, IGBT 칩에서의 게이트 발진을 억제하는 기술에 관한 것이다.
종래부터, IGBT나 MOSFET 등의 게이트 절연형 반도체장치는, 전력변환장치로서 사용되고 있다. IGBT는, MOSFET가 갖는 고속동작특성과, 바이폴라 트랜지스터가 갖는 저온전압특성과의 양쪽의 특성을 겸비하고 있으므로, 인버터 등의 전력변환장치에 폭넓게 이용되고 있다. 더욱이 IGBT 칩은, 최근, 정격전류(칩이 흐르게 할 수 있는 평균적인 전류치)가 몇백암페어 정도인 것까지가 라인업되어 있고, 파워모듈의 소형화에 공헌하고 있다. 일반적으로, IGBT 칩의 정격전류는, 그 칩 면적에 비례한다.
또한, IGBT의 성능의 진보는 놀랍고, 해마다 개량이 진행되고 있다. 저손실화 등의 성능개선에 있어서는, IGBT 내에 구성되는 MOSFET부의 미세화 등에 의한 통전능력 향상이 매우 중요하다. 그러나, 미세화 등을 진행한 경우에는, 단락전류가 증가해버린다는 문제점이 있고, 또한, 최근은, 이 단락전류가 커지는(즉 전달 특성이 커짐) 것에 의한 게이트 전압의 발진형상이 문제로 되어 오고 있다.
이 게이트 발진은, IGBT의 기생용량, 전달특성 및 외부의 인덕턴스에 의해 발생하고, 어떤 반도체 소자에 있어서도 공진점이 존재한다. 게이트 발진을 제어하기 위해서는, 공진이 발생하지 않도록 실동작조건을 조정하는 것이 중요하다. 이와 같은 수법으로서는 소자 자신의 포화전류치를 하강시키는 수법을 생각할 수 있지만, 포화전류치를 하강시켰을 경우에는, IGBT의 성능은 저하해버리게 된다.
포화전류치를 하강시키지 않고 공진이 발생하지 않도록 실동작조건을 조정하는 수법으로서는, IGBT 칩 외부에 접속되는 스위칭 스피드 조정용의 게이트 저항의 저항값을 상승시키는 수법이 생각된다. 이것은, 공진회로에 있어서는, 저항이 공진에 대한 덤핑으로서 기능하는 것에 근거하고 있다. 특허문헌 1∼3에는, 게이트 저항의 저항값을 상승시킴으로써 성능개선을 도모한 IGBT나 MOSFET의 예가 개시되어 있다.
[특허문헌 1] 일본특허공개 2003-152183호 공보
[특허문헌 2] 일본특허공개 2001-15672호 공보
[특허문헌 3] 일본특허공개평 02-42764호 공보
상기한 바와 같이, 게이트 저항값을 상승시킴으로써, 게이트 전압의 발진은 는 억제할 수 있다. 그러나, 게이트 저항값이 오르면, 스위칭 스피드가 저하하고, 스위칭 손실이 증대한다. 특히, IGBT 모듈의 대용량화에 따른, 복수개의 면적이 큰 IGBT 칩을 병렬접속하는 경우가 많아져 있지만, 이러한 경우에서는, 거기에 따른 게이트 저항값도 커지므로, 스위칭 손실이 현저하게 증대해 버린다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스위칭 손실을 현저하게 증대시키지 않고 게이트 전압의 발진을 억제할 수 있는 IGBT 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 IGBT 모듈은, 제1단 및 제2단을 갖는 저항과, 컬렉터, 에미터, 저항의 제1단에 접속된 게이트를 갖는 IGBT 소자를 포함하는 복수의 쌍을 구비하고, 쌍은 저항의 제2단끼리, 컬렉터끼리, 에미터끼리가 각각 공통으로 접속되고, IGBT 소자는 복수개마다 다른 반도체 칩에 내장된다.
본 발명에 관한 IGBT 모듈은, 제1단 및 제2단을 갖는 저항과, 컬렉터, 에미터, 저항의 제1단에 접속된 게이트를 갖는 IGBT 소자를 포함하는 복수의 쌍을 구비하고, 쌍은 저항의 제2단끼리, 컬렉터끼리, 에미터끼리가 각각 공통으로 접속되며, IGBT 소자는 복수개마다 다른 반도체 칩에 내장된다. 즉, 반도체 칩을 쌍 단위로 분할함으로써, 정격전류를 감소하고, 조끼리의 언밸런스를 감소할 수 있다. 또한 이 분할에 있어서는, 본딩 와이어의 추가는 동반하지 않으므로, 인덕턴스의 증가를 따르지 않는다. 따라서, 게이트 발진을 억제할 수 있다.
또한, 반도체 칩에 있어서는, 저항이 쌍마다 설치되어 있으므로, 복수개의 쌍에 대하여 저항이 공통으로 설치되는 경우에 비해, 1개의 반도체 칩(100)에서의 저항에 의한 저항값을 감소할 수 있다. 따라서, 스위칭 스피드의 저하 및 스위칭 손실의 증대를 방지 할 수 있다. 따라서, 스위칭 동작시의 소비 전류를 감소할 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
(실시예 1)
도 1은, 본 실시예에 관한 IGBT 모듈의 구성을 나타내는 등가회로도이다.
이 IGBT 모듈은, 복수개의 IGBT 칩(100)(반도체 칩)을 접속함으로써 구성된다(도 1에서는, 2개의 IGBT 칩(100)을 나타내고 있다). 또한 IGBT 칩(100)은, 복수개의 유닛셀(1)을 접속함으로써 구성된다(도 1에서는, 2개의 유닛셀(1)을 나타내고 있다).
유닛셀(1)은, 1개의 IGBT 소자(2)를 포함한다. IGBT 소자(2)의 게이트 G에는, 게이트 패드(3) 및 게이트 저항(4)을 통해, 공통의 게이트 단자로부터 게이트 전압이 제공된다. 여기서, 게이트 G와 게이트 패드(3)와는, IGBT 칩(100) 내부의 배선층(도시하지 않음)에 의해 접속된다. 또한 게이트 패드(3)와 게이트 저항(4)과는, IGBT 칩(100) 외부의 본딩와이어(도시하지 않음)를 사용하여 접속된다. 즉, 도 1에서는, 게이트 저항(4)은, 그 제1단에는 게이트 패드(3)가 접속되고, 그 제2단에는 게이트 단자가 접속되어 있다.
IGBT 소자(2)의 에미터 E에는, 에미터 패드(5)를 통해, 공통의 에미터 단자로부터 에미터 전압이 제공된다. IGBT 소자(2)의 컬렉터 C에는, 공통의 컬렉터 단자로부터 컬렉터 전압이 제공된다. 게이트 패드(3), 게이트 저항(4) 및 에미터 패드(5)는, 유닛셀(1)마다 설치된다.
다음에, 도 2, 도 3을 사용하여, 일반적인 IGBT 모듈의 동작특성에 대하여 설명한다. 여기서, 도 2에서의 곡선 및 도 3에서의 각 직선은, 실측값에 근거하여 도출된 식을 나타내고 있다.
도 2에서, 횡축은 게이트 저항값(상대값)을 나타내고, 종축은 턴온시의 스위칭 손실(상대값)을 나타내고 있다. ◇표에 의해 나타내는 실측값이 나타내는 바와 같이 게이트 저항값이 커지면, 스위칭 스피드가 저하하고, 스위칭 손실은 증대한다. 그러나, 또한 도 2에 나타내는 바와 같이 게이트 저항값이 커지면, 실동작조건에서 발진이 발생하기 어려워져 가는 것을 알 수 있다. 즉, 발진을 억제하려면 게이트 저항값을 크게 하는 것이 유효하지만, 그 경우에는 스위칭 손실이 증대해버린다는 문제점이 발생한다.
도 3에서, 횡축은 칩 면적(상대값)을 나타내고, 종축은 게이트 전압의 발진개시시의 전류밀도(상대값)를 나타내고 있다. ◇표는, 1장의 IGBT 칩을 사용한 경우의 실측값을 나타내고, □표는, 비교적으로 작은 복수의 IGBT 칩을 병렬로 접속해 사용했을 경우의 실측값을 나타내고 있다. 여기서, 복수의 IGBT 칩을 사용한 경우에는, 각 칩의 면적의 합계의 면적이 횡축을 나타내고 있다. 또한 ◇표 및 □표로 나타내는 실측값은 어느 것이나, 각 IGBT 칩에 게이트 저항을 접속하지 않는 상태로 얻어진 것이다. 이 도 3에서는, 이하의 2개의 결과를 얻을 수 있다.
제1 결과로서는, ◇표 및 □표로 나타나는 실측값에 있어서는, 칩 면적이 커지면, 게이트 전압의 발진개시시의 전류밀도가 작게 되어 있다. 바꿔 말하면, 칩 면적이 커지면, 게이트 전압의 발진이 발생하기 쉽게 되어 있다. 이것은, 칩 내에 구성되어 있는 유닛셀을 흐르는 전류끼리의 언밸런스가, 게이트 전압의 발진의 요인으로 되어 있는 것에 따른다.
제2 결과로서는 ◇표 및 □표를 비교하면, 복수의 칩을 접속하여 사용한 경우인 쪽이, 게이트 전압의 발진이 발생하기 쉽게 되어 있다. 이것은, 각 칩의 게이트 단자끼리 또는 에미터 단자끼리를 접속하는 본딩 와이어에 의한 인덕턴스에 기인하는 것이다.
한편, 도 1에 나타나는 IGBT 모듈에 있어서는, IGBT 칩(100) 내의 인접하는 유닛셀(1)끼리를 게이트 패드(3), 게이트 저항(4) 및 에미터 패드(5)에서 분리함으로써, IGBT 칩(100)을 유닛셀(1) 단위로 분할하고 있다. 이 분할에 의해, 1개의 IGBT 칩(100)에 있어서, 정격전류를 감소(즉, 칩 면적을 감소)하고, 제1 결과에 나타나는 언밸런스를 감소할 수 있다. 또한, 이 분할에 있어서는, 본딩와이어의 추가는 동반하지 않으므로, 제2 결과에 나타나는 인덕턴스의 증가를 동반하지 않는다. 따라서, 게이트 전압의 발진을 제어할 수 있다.
또한, IGBT 칩(100)에서는, 게이트 저항(4)이 유닛셀(1)마다 설치되어 있으므로, 복수개의 유닛셀(1)에 대하여 게이트 저항(4)이 공통으로 설치되어 있는 경우에 비해, 1개의 IGBT 칩(100)에서의 게이트 저항(4)에 의한 저항값을 감소할 수 있다. 따라서, 스위칭 스피드의 저하 및 스위칭 손실의 증대를 방지할 수 있다. 따라서, 스위칭 동작시의 소비전류를 감소할 수 있다.
(실시예 2)
실시예 1에 관한 IGBT 모듈에 있어서는, 게이트 저항(4)은, 게이트 패드(3)의 외측에(즉 IGBT 칩(100)의 외부에) 배치된다. 그러나, 게이트 저항(4)은, 게이트 패드(3)의 내측에(즉 IGBT 칩(100)의 내부에) 배치되어도 된다.
도 4는, 실시예 2에 관한 IGBT 모듈의 구성을 나타내는 등가회로도이다. 도 4에 나타나는 IGBT 칩(200)은, 도 1에 나타나는 IGBT 칩(100)에서, 게이트 저항(4)을, 게이트 패드(3)의 외측이 아니라 게이트 패드(3)의 내측에 배치시킨 것이다. 도 4에서는, 간단화를 위해, 복수개의 IGBT 칩(200) 중 1개만을 도시하고 있다.
도 1에서는, 게이트 저항(4)은, 본딩와이어를 사용하여, 게이트 패드(3)의 외측에 접속된다.
한편, 도 4에서는, 게이트 저항(4)은, 게이트 패드(3)의 내측에(즉 IGBT 칩(200)의 내부에) 배치되므로, 본딩 와이어에 의해서가 아니라, 이하에서 설명하는 바와 같이, IGBT 칩(200) 내의 배선층으로 이루어지는 게이트 배선에 의해, IGBT 소자(2)의 게이트 G에 접속된다.
즉, 도 4에서는, 게이트 저항(4)은, 그 제1단에는 IGBT 소자(2)의 게이트 G가 접속되고, 그 제2단에는 게이트 패드(3)가 접속되어 있다.
도 5a는, 본 실시예에 관한 IGBT 모듈에서의 IGBT 칩(200)의 일부의 영역의 평면도이고, 도 5b는, 도 5a의 A-B 단면도이다.
도 5a에 나타내는 바와 같이 게이트 패드(3) 및 게이트 배선(6)은, 폴리실리콘영역(8)에 둘러싸여져 있다. 게이트 패드(3) 및 게이트 배선(6)은, 알루미늄을 포함하는 폴리실리콘인 알루미늄 실리콘으로 형성된다.
또한, 도 5b에 나타내는 바와 같이 실리콘으로 이루어지는 기판(13) 상에는, 절연막(14), 폴리실리콘영역(8), 층간절연막(7)이 이 순서대로 형성되어 있다. 층간절연막(7) 상에는, 게이트 패드(3)로부터 연장되는 알루미늄 실리콘영역 11 및 게이트 배선(6)으로부터 연장되는 알루미늄 실리콘영역 12가 형성되어 있다. 알루미늄 실리콘영역(11, 12)은, 각각, 층간절연막(7) 상에 개구된 콘택영역(9, 10)에서, 폴리실리콘영역(8)과 접속된다. 이에 따라 게이트 패드(3)와 게이트 배선(6)과는 전기적으로 도통된다. 이때, 도시의 형편상, 도 5b에 표시되는 층간절연막(7) 중 일부의 영역에 대해서는, 도 5a에서 생략하고 있다.
도 5b에서의 폴리실리콘영역(8)은, 도 4에서의 게이트 저항(4)으로서 사용하는 것이 가능하다. 일반적인 IGBT 칩에서는, 폴리실리콘영역을 갖는 것이 많으므로, 이것을 저항으로서 사용함으로써, 게이트 저항(4)을 새롭게 형성하는 공정을 불필요하게 할 수 있다. 또한 저항 칩이나 와이어 등의 부품을 불필요하게 할 수 있다. 또한, 이들 부품을 설치하기 위한 스페이스를 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 관한 IGBT 모듈은, 공정수, 부품수 및 스페이스를 감소할 수 있으므로, 실시예 1의 효과에 더하여, 제조 비용을 감소하여 생산성을 높일 수 있다는 효과를 갖는다.
또한, 게이트 패드(3)에 접속되는 본딩 와이어가, 게이트 저항(4)의 내측에서가 아니라 외측에 배치되게 되므로, 실시예 1에 비해, 인덕턴스를 감소할 수 있다. 따라서, 게이트 전압의 발진을 더욱 억제 할 수 있다.
이때, 상기한 폴리실리콘영역 10은, IGBT 칩(200) 상에 형성된 트렌치 내에 충전함으로써 형성되어도 된다. 적절한 치수의 트렌치를 형성함으로써 저항값의 변동을 감소 할 수 있으므로, 병렬접속한 경우의 밸런스를 높일 수 있다.
(실시예 3)
실시예 1, 2에 관한 IGBT 모듈에 있어서는, 게이트 저항(4)에 대하여 동일수의 게이트 패드(3)가 접속된다. 그러나, 실시예 2에 관한 IGBT 모듈에 있어서는, 게이트 저항(4)이 IGBT 칩(200)의 내부에 배치되어 있으므로, 게이트 패드(3)로서는, 1개의 IGBT 칩(200)에 대하여 1개가 설치되어 있으면 된다.
도 6은, 실시예 3에 관한 IGBT 모듈의 구성을 나타내는 등가회로도이다. 도 6에 표시되는 IGBT 칩(300)은, 도 4에 나타나는 IGBT 칩(200)에서, 게이트 패드(3)를, 1개의 IGBT 칩(200)에 대하여 1개로 정리한 것이다. 즉 도 6에서는, 복수의 게이트 저항(4)은, 그 제1단에는 대응하는 각 IGBT 소자(2)의 게이트 G가 각각 접속되고, 그 제2단에는 게이트 패드(3)가 공통으로 접속되어 있다.
따라서, 게이트 패드(3)의 개수를 감소할 수 있으므로, IGBT 칩(300)의 면적을 작게 할 수 있고, 또한 게이트 패드(3)에 접속되는 본딩 와이어의 개수를 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 관한 IGBT 모듈은, 실시예 2의 효과에 더하여, IGBT 모듈의 제조 비용을 감소할 수 있다는 효과를 갖는다.
이때, 본 실시예에 관한 IGBT 모듈에 있어서는, 실시예 2와 마찬가지로, IGBT 칩(300) 상의 폴리실리콘영역을 게이트 저항으로서 사용해도 된다.
또한, 게이트 저항(4)으로서는, 온도가 낮을 만큼 저항값이 커지는 부의 온도특성을 갖는 것을 사용해도 된다. 일반적인 IGBT 소자에서는, 채널영역의 이동의 온도특성에 따라, 온도가 낮은 만큼 포화전류가 커져 게이트 발진이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 부의 온도특성을 갖는 게이트 저항(4)을 사용함으로써, 게이트 전압의 발진을 더욱 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명에 관한 IGBT 모듈은, 제1단 및 제2단을 갖는 저항과, 컬렉터, 에미터, 저항의 제1단에 접속된 게이트를 갖는 IGBT 소자를 포함하는 복수의 쌍을 구비하고, 쌍은 저항의 제2단끼리, 컬렉터끼리, 에미터끼리가 각각 공통으로 접속되며, IGBT 소자는 복수개마다 다른 반도체 칩에 내장된다. 즉, 반도체 칩을 쌍 단위로 분할함으로써, 정격전류를 감소하고, 조끼리의 언밸런스를 감소할 수 있다. 또한 이 분할에 있어서는, 본딩 와이어의 추가는 동반하지 않으므로, 인덕턴스의 증가를 따르지 않는다. 따라서, 게이트 발진을 억제할 수 있다.
또한, 반도체 칩에 있어서는, 저항이 쌍마다 설치되어 있으므로, 복수개의 쌍에 대하여 저항이 공통으로 설치되는 경우에 비해, 1개의 반도체 칩(100)에서의 저항에 의한 저항값을 감소할 수 있다. 따라서, 스위칭 스피드의 저하 및 스위칭 손실의 증대를 방지 할 수 있다. 따라서, 스위칭 동작시의 소비 전류를 감소할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 관한 IGBT 모듈을 나타내는 회로도이다.
도 2는 실시예 1에 관한 IGBT 모듈의 유효성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 1에 관한 IGBT 모듈의 유효성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 관한 IGBT 모듈을 나타내는 회로도이다.
도 5는 실시예 2에 관한 IGBT 모듈을 나타내는 구성도이다.
도 6은 실시예 3에 관한 IGBT 모듈을 나타내는 회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 유닛셀 2 : IGBT 소자
3 : 게이트 패드 4 : 게이트 저항
5 : 에미터 패드 6 : 게이트 배선
7 : 층간절연막 8 : 폴리실리콘영역
9, 10 : 콘택영역 11, 12 : 알루미늄 실리콘영역
13 : 기판 14 : 절연막
100∼300 : IGBT 칩

Claims (3)

  1. 제1단 및 제2단을 갖는 저항과,
    컬렉터, 에미터, 상기 저항의 상기 제1단에 접속된 게이트를 갖는 IGBT 소자를 포함하는 복수의 쌍을 구비하고,
    상기 쌍은 상기 저항의 상기 제2단끼리, 상기 컬렉터끼리, 상기 에미터끼리가 각각 공통으로 접속되며,
    상기 IGBT 소자는 복수개마다 다른 반도체 칩에 내장된 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항은 상기 반도체 칩에 내장되고,
    상기 반도체 칩의 각각은, 상기 저항의 상기 제2단을 접속하는 패드를 구비한 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항은 상기 반도체 칩에 형성되는 트렌치의 충전재를 사용하여 구성된 것을 특징으로 하는 IGBT 모듈.
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