WO2019230176A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a semiconductor device.
- Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a semiconductor element having a main electrode formed on both surfaces, a conductive member, a sealing resin body, and a main terminal.
- the semiconductor device includes a first conductive member and a second conductive member as conductive members, and the conductive members are arranged so as to sandwich the semiconductor element.
- the sealing resin body seals a part of each conductive member and the semiconductor element.
- the main terminal is connected to the conductive member and protrudes from one side surface of the sealing resin body.
- a first main terminal extends from the first conductive member, and a second main terminal extends from the second conductive member in the same direction as the first main terminal.
- the first main terminal and the second main terminal are arranged side by side in the plate width direction. Since the first main terminal and the second main terminal have different potentials, a predetermined creepage distance must be ensured between the first main terminal and the second main terminal in order to ensure insulation. For this reason, it is difficult to reduce the inductance by bringing the first main terminal and the second main terminal close to each other in the plate width direction described above.
- a bus bar or the like is connected to the plate surface of the main terminal at the protruding portion of the sealing resin body. Therefore, it is preferable to arrange the main terminal so that it can be easily connected to the outside.
- An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device that can improve external connectivity while reducing inductance.
- a semiconductor device having a first main electrode on one side and a second main electrode on the back side opposite to the one side; A conductive member disposed so as to sandwich a semiconductor element, the first conductive member disposed on one side and connected to the first main electrode, and the rear surface side and connected to the second main electrode A second conductive member; An insulating member that integrally covers and protects at least a part of each conductive member and the semiconductor element; A main terminal connected to the conductive member and extending to the outside of the insulating member, the first main terminal connected to the first conductive member, and a second main terminal connected to the second conductive member; The main terminal is arranged as a projecting part to the outside of the insulating member so as to cancel the magnetic flux generated when the main current flows, and the plate surfaces of the first main terminal and the second main terminal are spaced apart from each other. And a plurality of non-opposing portions that are portions where the plate surfaces do not face each other in each of the
- the plate surfaces of the first main terminal and the second main terminal face each other while being separated from each other at the facing portion. Predetermined insulation can be ensured by the separation, and inductance can be reduced more than the conventional by opposing the plate surfaces.
- a partial non-opposing portion is provided for each of the first main terminal and the second main terminal.
- the plate surface of the first main terminal does not face the plate surface of the second main terminal.
- the plate surface of the second main terminal does not face the plate surface of the first main terminal. For this reason, it is easy to connect a bus bar or the like to the plate surface of the main terminal at the non-facing portion. Therefore, the connectivity between the main terminal and the outside can be improved.
- FIG. 1 It is a figure which shows the flow of the main electric current. It is sectional drawing which shows the semiconductor device of 2nd Embodiment, and respond
- the thickness direction of the switching element is indicated as the Z direction
- one direction orthogonal to the Z direction is indicated as the X direction
- a direction perpendicular to both the Z direction and the X direction is referred to as a Y direction.
- the shape along the XY plane defined by the X direction and the Y direction is a planar shape.
- a power conversion device 1 shown in FIG. 1 is mounted on, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle.
- the power conversion apparatus 1 is configured to convert a DC voltage supplied from a DC power supply 2 mounted on a vehicle into a three-phase AC and output it to a three-phase AC motor 3.
- the motor 3 functions as a vehicle driving source.
- the power conversion device 1 can also convert the power generated by the motor 3 into direct current and charge the direct current power source 2.
- the power conversion device 1 can perform bidirectional power conversion.
- the power converter 1 includes a smoothing capacitor 4 and an inverter 5 that is a power converter.
- the positive electrode side terminal of the smoothing capacitor 4 is connected to the positive electrode which is the high potential side electrode of the DC power source 2, and the negative electrode side terminal is connected to the negative electrode which is the low potential side electrode of the DC power source 2.
- the inverter 5 converts the input DC power into three-phase AC having a predetermined frequency and outputs it to the motor 3.
- the inverter 5 converts AC power generated by the motor 3 into DC power.
- the inverter 5 is configured with upper and lower arm circuits for three phases.
- the upper and lower arm circuits of each phase are formed by connecting two arms in series between a high potential power line 6 that is a positive power line and a low potential power line 7 that is a negative power line.
- the connection point between the upper arm and the lower arm is connected to the output line 8 to the motor 3.
- an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) is adopted as a semiconductor element constituting each arm.
- the semiconductor device 10 includes two IGBTs 30 connected in parallel. Each of the IGBTs 30 is connected in reverse parallel to a FWD 35 that is a reflux diode.
- One arm includes two IGBTs 30 connected in parallel.
- Reference numeral 31 shown in FIG. 1 is a gate electrode of the IGBT 30.
- the two IGBTs 30 connected in parallel are driven at the same timing by a common driver (not shown). In other words, the gate electrodes 31 of the two IGBTs 30 are electrically connected to the same driver.
- an n-channel type is adopted as the IGBT 30.
- the collector electrode 32 of the IGBT 30 is connected to the high potential power supply line 6.
- the emitter electrode 33 of the IGBT 30 is connected to the low potential power line 7.
- the emitter electrode 33 of the IGBT 30 in the upper arm and the collector electrode 32 of the IGBT 30 in the lower arm are connected to each other.
- the power conversion device 1 includes a boost converter that boosts the DC voltage supplied from the DC power supply 2, a drive circuit that drives the inverter 5 and the semiconductor elements that constitute the boost converter, and the like. You may prepare.
- the semiconductor device 10 includes a sealing resin body 20, an IGBT 30, a heat sink 40, a terminal 50, a main terminal 60, a terminal covering portion 70, and a signal terminal 80.
- the sealing resin body 20 is made of, for example, an epoxy resin.
- the sealing resin body 20 is formed by, for example, a transfer mold method. As shown in FIGS. 2 to 4 and 6, the sealing resin body 20 has one surface 21 and a back surface 22 opposite to the one surface 21 in the Z direction. The one surface 21 and the back surface 22 are, for example, flat surfaces.
- the sealing resin body 20 has a side surface that connects the one surface 21 and the back surface 22. In the present embodiment, the sealing resin body 20 has a substantially rectangular planar shape.
- the IGBT 30 as a semiconductor element is configured on a semiconductor substrate (semiconductor chip) such as Si, SiC, or GaN.
- the semiconductor device 10 includes two IGBTs 30.
- the two IGBTs 30 are connected in parallel to each other.
- one of the IGBTs 30 is also indicated as IGBT 30A, and the other is also indicated as IGBT 30B.
- the FWD 35 is integrally formed with the IGBT 30. That is, RC (Reverse-Conducting) -IGBT is adopted as the IGBT 30.
- the IGBT 30 has a vertical structure so that a main current flows in the Z direction.
- the IGBT 30 has the gate electrode 31 described above.
- the gate electrode 31 has a trench structure.
- the IGBT 30 has a collector electrode 32 on one surface side in the thickness direction thereof, that is, the Z direction, and an emitter electrode 33 on the back surface side opposite to the one surface.
- the collector electrode 32 also serves as the cathode electrode of the FWD 35, and the emitter electrode 33 also serves as the anode electrode of the FWD 35.
- the collector electrode 32 corresponds to the first main electrode
- the emitter electrode 33 corresponds to the second main electrode.
- the two IGBTs 30 have substantially the same planar shape, specifically a substantially rectangular shape, and have substantially the same size and thickness.
- the IGBTs 30A and 30B have the same configuration.
- the IGBTs 30A and 30B are arranged such that the collector electrodes 32 are on the same side in the Z direction and the emitter electrodes 33 are on the same side in the Z direction.
- the IGBTs 30A and 30B are located at substantially the same height in the Z direction and are arranged side by side in the X direction.
- the IGBT 30 has a pad 34 as a signal electrode on the back surface on which the emitter electrode 33 is formed.
- the pad 34 is formed at a position different from the emitter electrode 33.
- the pad 34 is electrically separated from the emitter electrode 33.
- the pad 34 is formed at the end opposite to the region where the emitter electrode 33 is formed in the Y direction.
- each of the IGBTs 30 has five pads 34.
- the five pads 34 for the gate electrode, for the Kelvin emitter for detecting the potential of the emitter electrode 33, for current sensing, for the anode potential of the temperature sensor (temperature sensing diode) for detecting the temperature of the IGBT 30, For cathode potential.
- the five pads 34 are collectively formed on one end side in the Y direction and formed side by side in the X direction in the substantially rectangular planar IGBT 30.
- the heat sink 40 is a conductive member disposed so as to sandwich the IGBT 30 in the Z direction.
- the heat sink 40 functions to dissipate the heat of the IGBT 30 to the outside of the semiconductor device 10 and also functions as a wiring for the main electrode. For this reason, in order to ensure thermal conductivity and electrical conductivity, it is formed using at least a metal material.
- the heat sink 40 is provided so as to include the two IGBTs 30 in a projection view from the Z direction.
- the heat sink 40 has a substantially rectangular planar shape with the X direction as the longitudinal direction.
- the thickness of the heat sink 40 is substantially constant, and the plate thickness direction is substantially parallel to the Z direction.
- the heat sink 40 is provided in pairs so as to sandwich the IGBT 30.
- the semiconductor device 10 includes a heat sink 40C disposed on the collector electrode 32 side of the IGBT 30 and a heat sink 40E disposed on the emitter electrode 33 side as a pair of heat sinks 40.
- the heat sink 40C corresponds to the first conductive member
- the heat sink 40E corresponds to the second conductive member.
- the heat sinks 40C and 40E substantially coincide with each other in the projection view from the Z direction.
- the heat sink 40C has a connection surface 41C on the IGBT 30 side and a heat radiation surface 42C opposite to the connection surface 41C in the Z direction.
- the heat sink 40E has a connection surface 41E on the IGBT 30 side and a heat dissipation surface 42E opposite to the connection surface 41E in the Z direction.
- the heat dissipation surface 42C corresponds to the first heat dissipation surface
- the heat dissipation surface 42E corresponds to the second heat dissipation surface.
- the collector electrodes 32 of the IGBTs 30 ⁇ / b> A and 30 ⁇ / b> B are individually connected via solder 90 to the connection surface 41 ⁇ / b> C of the heat sink 40 ⁇ / b> C.
- Most of the heat sink 40 ⁇ / b> C is covered with the sealing resin body 20.
- the heat radiating surface 42 ⁇ / b> C of the heat sink 40 ⁇ / b> C is exposed from the sealing resin body 20.
- the heat radiating surface 42 ⁇ / b> C is substantially flush with the one surface 21.
- a portion excluding the connection portion with the solder 90, the heat radiating surface 42 ⁇ / b> C, and the continuous portion of the main terminal 60 is covered with the sealing resin body 20.
- the terminal 50 is interposed between the IGBT 30 and the heat sink 40E.
- a terminal 50 is provided for each of the IGBTs 30A and 30B. Since the terminal 50 is located in the middle of the heat conduction and electrical conduction path between the emitter electrode 33 of the IGBT 30 and the heat sink 40E, the terminal 50 is formed using at least a metal material in order to ensure thermal conductivity and electrical conductivity.
- the terminal 50 is disposed to face the emitter electrode 33 of the corresponding IGBT 30, and is connected to the emitter electrode 33 via the solder 91.
- the emitter electrodes 33 of the IGBTs 30A and 30B are electrically connected to the connection surface 41E of the heat sink 40E through solders 92, respectively. Specifically, the emitter electrode 33 and the heat sink 40E are electrically connected via the solder 91, the terminal 50, and the solder 92.
- the heat sink 40E is also mostly covered with the sealing resin body 20.
- the heat radiation surface 42E of the heat sink 40E is exposed from the sealing resin body 20.
- the heat radiation surface 42E is substantially flush with the back surface 22.
- a portion excluding a connection portion with the solder 92, a heat radiating surface 42E, and a continuous portion of a main terminal 60 described later is covered with the sealing resin body 20.
- the main terminal 60 is a terminal through which a main current flows among external connection terminals for electrically connecting the semiconductor device 10 and an external device.
- the main terminal 60 is connected to the corresponding heat sink 40 inside the sealing resin body 20.
- the main terminals 60 are extended from the corresponding heat sinks 40 and project outward from one side surface 23 of the sealing resin body 20 as shown in FIGS. 5 and 7 to 9.
- the main terminal 60 extends over the inside and outside of the sealing resin body 20.
- the main terminal 60 has a protruding portion 61 that is a portion protruding outside the sealing resin body 20.
- the main terminal 60 is a terminal electrically connected to the main electrode of the IGBT 30.
- the semiconductor device 10 has, as main terminals 60, a main terminal 60C electrically connected to the collector electrode 32 and a main terminal 60E electrically connected to the emitter electrode 33.
- the main terminal 60C corresponds to the first main terminal, and the main terminal 60E corresponds to the second main terminal.
- the main terminal 60C is also called a collector terminal, and the main terminal 60E is also called an emitter terminal.
- the main terminal 60C is connected to the heat sink 40C.
- the main terminal 60C extends in the Y direction from the heat sink 40C and protrudes from the side surface 23 of the sealing resin body 20 to the outside.
- the main terminal 60E is connected to the heat sink 40E.
- the main terminal 60E extends from the heat sink 40E in the same direction as the main terminal 60E, and protrudes from the same side surface 23 as the main terminal 60C.
- the main terminals 60C and 60E are connected to the side surfaces 43C and 43E of the corresponding heat sinks 40C and 40E, respectively.
- the side surface 43C is a surface on the side surface 23 side among the side surfaces of the heat sink 40C.
- the side surface 43E is a surface on the side surface 23 side among the side surfaces of the heat sink 40E.
- the main terminals 60C and 60E are connected to the heat sinks 40C and 40E on the same side in the Y direction.
- the main terminals 60C and 60E extend in substantially the same direction over the entire length thereof.
- the main terminal 60 is integrally provided with the corresponding heat sink 40 by processing the same metal plate.
- the main terminal 60C is thinner than the heat sink 40C, and is connected to the connection surface 41C of the heat sink 40C substantially flush.
- the main terminal 60E is thinner than the heat sink 40E, and is substantially flush with the connection surface 41E of the heat sink 40E.
- the plate thickness direction of the main terminals 60C and 60E substantially coincides with the Z direction.
- the plate thickness of the main terminal 60 is substantially constant, and the plate thickness of the main terminals 60C and 60E is substantially the same.
- the terminal covering portion 70 is formed using a resin material and covers a part of the protruding portion 61 in the main terminal 60. Details of the main terminal 60 and the terminal cover 70 will be described later.
- the signal terminal 80 is electrically connected to the pad 34 of the corresponding IGBT 30 through the bonding wire 93.
- the signal terminal 80 is connected to the bonding wire 93 inside the sealing resin body 20, and protrudes to the outside from the side surface of the sealing resin body 20, specifically, the side surface 24 opposite to the side surface 23.
- the signal terminal 80 corresponding to each of the IGBTs 30 extends in the Y direction.
- two IGBTs 30 are connected in parallel between the heat sinks 40C and 40E, that is, between the main terminals 60C and 60E.
- the sealing resin body 20 integrally seals the IGBT 30 (30A, 30B), a part of each heat sink 40, a part of each of the terminal 50 and the main terminal 60, and a part of the signal terminal 80. Yes. That is, the elements constituting one arm are sealed. For this reason, the semiconductor device 10 is also referred to as a 1 in 1 package.
- the sealing resin body 20 integrally covers and protects at least a part of the heat sinks 40C and 40E and the IGBTs 30A and 30B.
- the sealing resin body 20 corresponds to an insulating member.
- the semiconductor device 10 has a double-sided heat dissipation structure in which both the heat dissipation surfaces 42C and 42E are exposed from the sealing resin body 20.
- Such a semiconductor device 10 can be formed, for example, by cutting the heat sink 40 together with the sealing resin body 20.
- the sealing surfaces 20C and 42E may be formed by molding the sealing resin body 20 such that the heat radiating surfaces 42C and 42E come into contact with the cavity wall surface of the mold for molding the sealing resin body 20.
- the semiconductor device 10 has the main terminal 60C connected to the heat sink 40C and the main terminal 60E connected to the heat sink 40E as the main terminals 60.
- the main terminal 60 has a facing portion 62 as a protruding portion 61, which is a portion where the plate surfaces of the main terminals 60 ⁇ / b> C and 60 ⁇ / b> E are spaced apart from each other.
- the plate surface is a surface of each main terminal 60 in the plate thickness direction. Since the facing portions 62 are portions that overlap each other in the projection view in the Z direction, they are also referred to as overlapping portions (overlapping portions). Also referred to as a laminated portion.
- the facing portion 62 is provided on the protruding tip side with respect to the bent portion of the main terminal 60. Due to the bent portion, the facing distance between the main terminals 60C and 60E at the facing portion 62 is shorter than the facing distance between the heat sinks 40C and 40E, that is, the distance between the connection surfaces 41C and 41E. In the protruding portion 61 of the main terminal 60, the facing portion 62 occupies the main portion. A part of the protruding portion 61 which is the remaining portion is a non-facing portion 63C, 63E which is a portion where the plate surfaces do not face each other at the main terminals 60C, 60E.
- the main terminals 60C and 60E are arranged so as to cancel each other the magnetic flux generated when the main current flows.
- the main current may be arranged so that the direction of the main current is substantially opposite. That is, it is preferable that the extending direction with respect to the corresponding heat sink 40 is substantially matched in the facing portion 62.
- the non-facing portion 63C is a part of the protruding portion 61 in the main terminal 60C.
- the plate surface of the main terminal 60C does not face the plate surface of the main terminal 60E.
- the non-facing portion 63E is a part of the protruding portion 61 in the main terminal 60E.
- the plate surface of the main terminal 60E does not face the plate surface of the main terminal 60C.
- the non-facing portion 63C corresponds to the first non-facing portion
- the non-facing portion 63E corresponds to the second non-facing portion.
- the non-facing portions 63C and 63E are also referred to as non-overlapping portions and non-stacking portions.
- the main terminal 60 includes the facing portion 62 and the non-facing portions 63C and 63E as the protruding portion 61.
- a protruding portion 61 is a portion on the protruding tip side with respect to the bent portion.
- the protrusion 61 of the main terminal 60E extends in the Y direction without having a bent portion, and has a flat plate shape in which the plate thickness direction substantially coincides with the Z direction. That is, the plate thickness is substantially uniform. And as shown in FIG. 5, it is set as the shape which notched one of the four corners from the planar substantially rectangular shape.
- the protruding portion 61 of the main terminal 60C has a flat plate shape in which the plate thickness direction substantially coincides with the Z direction similarly to the main terminal 60E. That is, the plate thickness is substantially uniform. And it is set as the shape which notched one of the four corners from the planar substantially rectangular shape.
- the plate thickness directions of the main terminals 60C and 60E coincide with each other. Therefore, in the facing portion 62, the plate surfaces of the main terminals 60C and 60E are opposed in the plate thickness direction. In the facing portion 62, the gap between the main terminals 60C and 60E is substantially constant over the entire area. As shown in FIG. 8, the main terminals 60 ⁇ / b> C and 60 ⁇ / b> E are opposed to each other through the sealing resin body 20 even inside the sealing resin body 20.
- the main terminal 60C has a notch 64C, and the main terminal 60E has a notch 64E.
- the cutout portion 64C corresponds to the first cutout portion, and the cutout portion 64E corresponds to the second cutout portion.
- the cutout portion 64C is provided on one end side of the main terminal 60C in the plate width direction orthogonal to the plate thickness direction and the extending direction of the main terminal 60, that is, the X direction.
- the notch 64E is provided at the end of the main terminal 60E opposite to the notch 64C.
- the projecting length of the projecting portion 61 is substantially equal at the main terminals 60C and 60E.
- the notches 64 ⁇ / b> C and 64 ⁇ / b> E are provided at the protruding tip of the protruding portion 61.
- the notches 64C and 64E have a substantially arc shape.
- the protrusions 61 of the main terminals 60C and 60E are arranged in line symmetry with respect to the center line CL passing through the elemental center of the IGBT 30.
- the elemental center is the center of the entire IGBT 30. In the case of this embodiment, since it has two IGBT30A, 30B, it is a center position between centers in the arrangement direction of IGBT30A, 30B. In addition, when there is one IGBT 30, it is the center of the IGBT 30.
- the center line is a virtual line that is orthogonal to the plate width direction and passes through the elemental center.
- tip contains the opposing part 62 and the non-opposing parts 63C and 63E.
- a facing portion 62 is provided between the non-facing portions 63C and 63E in the X direction.
- the opposing portion 62 extends from the side surface 23 to the protruding tip at the center in the X direction that is the plate width direction.
- the opposing portion 62 is formed from the side surface 23 to the middle, and the non-facing portions 63C and 63E are formed from the middle to the protruding tip.
- the non-facing portion 63C is disposed at a position farther from the heat radiation surface 42E of the heat sink 40E than the non-facing portion 63E in the Z direction.
- the non-facing portion 63E is disposed at a position farther from the heat radiation surface 42C of the heat sink 40C than the non-facing portion 63C.
- the terminal covering portion 70 covers at least a part of the main terminals 60C and 60E at the facing portion 62.
- the terminal covering portion 70 is continuous with the sealing resin body 20.
- the sealing resin body 20 corresponds to the first resin portion, and the terminal covering portion 70 corresponds to the second resin portion.
- the terminal covering part 70 has at least an interposition part 71 as shown in FIGS.
- the terminal covering portion 70 includes the back surface covering portions 72 and 73 in addition to the interposition portion 71. Further, the terminal covering portion 70 is integrally molded using the same material as that of the sealing resin body 20. The sealing resin body 20 and the terminal covering portion 70 are an integrally molded product.
- the interposition part 71 is arranged in the facing part 62 between the facing surfaces of the main terminals 60C and 60E.
- the opposing surfaces are surfaces that face each other among the plate surfaces.
- the interposition portion 71 is disposed over the entire facing region. That is, the entire opposing region is filled with resin.
- the back surface covering portions 72 and 73 cover the back surface opposite to the facing surface of the main terminal 60 in the facing portion 62.
- the back surface covering portion 72 covers the back surface of the main terminal 60C
- the back surface covering portion 73 covers the back surface of the main terminal 60E.
- the terminal covering portion 70 covers the entire facing portion 62.
- the terminal covering portion 70 also covers an end surface connecting the facing surface and the back surface in the facing portion 62.
- the terminal covering portion 70 has a shape obtained by cutting out two corners from a substantially rectangular shape in a plane, in other words, a substantially convex shape.
- the non-facing parts 63C and 63E are exposed by the notch part 74 of the terminal covering part 70 so as to be connectable to the outside.
- the notch 74 has a substantially arc shape along the notches 64C and 64E.
- the terminal covering portion 70 also covers the end surfaces of the notches 64C and 64E. It also covers the protruding tip surface. For this reason, the exposed portions of the non-facing portions 63C and 63E also have a substantially arc shape at the end on the terminal covering portion 70 side.
- the thickness of the terminal coating part 70 is made thinner than the thickness of the sealing resin body 20.
- the surface of the back surface covering portion 72 is not substantially flush with the one surface 21 in the Z direction, but is shifted to the back surface 22 side.
- the surface of the back surface covering portion 73 is not substantially flush with the back surface 22 in the Z direction, but is shifted to the one surface 21 side.
- the length in the X direction that is, the width of the terminal covering portion 70 is made narrower than the width of the sealing resin body 20.
- the terminal covering portion 70 is also provided so as to be line symmetric with respect to the center line CL.
- the main terminal 60 has the facing portion 62 as the protruding portion 61.
- the main terminals 60C and 60E are arranged so as to cancel the magnetic fluxes generated when the main current flows.
- the plate surfaces of the main terminals 60C and 60E are facing each other while being separated from each other.
- the plate surfaces are not opposed to each other in the whole area, but non-facing portions 63C and 63E are locally provided on the main terminals 60C and 60E, respectively.
- the plate surface of the non-facing portion 63C in the main terminal 60C does not face the plate surface of the main terminal 60E.
- the plate surface of the non-facing portion 63E in the main terminal 60E does not face the plate surface of the main terminal 60C.
- a bus bar can be connected to the same side of the plate surface. Therefore, the connectivity between the main terminal 60 and the outside can be improved.
- the semiconductor device 10 of the present embodiment it is possible to improve the connectivity with the outside while reducing the inductance.
- the non-opposing portions 63C and 63E may be provided by the through holes 65 as in the first modification shown in FIG. In this case, the counterpart main terminal 60 is present surrounding the non-facing portions 63C and 63E in the projection view in the Z direction. Further, as in the second modified example shown in FIG. 11, the non-opposing portions 63C and 63E may be provided by disposing the main terminals 60C and 60E by shifting in the plate width direction. In this case, the non-facing portions 63C and 63E are provided from the side surface 23 to the protruding tip. 10 and 11, only the sealing resin body 20 and the main terminal 60 are illustrated for convenience.
- the non-opposing parts 63C and 63E are provided by the notches 64C and 64E.
- the non-facing portions 63C and 63E are provided at the end portions of the main terminals 60C and 60E. Therefore, the connectivity with the outside can be improved as compared with the first modification.
- a physique can be reduced in a X direction and a Y direction rather than a 1st modification.
- the non-facing portions 63C and 63E are locally provided, and the facing portion 62 can be made larger accordingly. Therefore, inductance can be reduced.
- notches 64C and 64E may be provided on the same side in the plate width direction. In this case, the notches 64C and 64E are provided at positions that do not overlap in the Y direction that is the extending direction. As in the fourth modification shown in FIG. 13, the notches 64 ⁇ / b> C and 64 ⁇ / b> E may be provided at a protruding tip and not at the end in the plate width direction. 12 and 13, only the sealing resin body 20 and the main terminal 60 are illustrated for convenience.
- the main terminals 60C and 60E are extended in the same direction from the same side surface 23 of the sealing resin body 20, and the notch portion 64C is one end side of the main terminal 60C in the plate width direction.
- the notch 64E is provided at the end of the main terminal 60E opposite to the notch 64C. Since the notches 64C and 64E can be provided at substantially the same position in the extending direction, the physique in the Y direction can be reduced while reducing the inductance as compared with the third modification. Further, when the non-opposing portions 63C and 63E are provided at the same position, the physique in the X direction can be made smaller than in the fourth modification.
- the notches 64C and 64E may be provided in the middle of the extension while being provided at both ends in the plate width direction.
- FIG. 14 only the sealing resin body 20 and the main terminal 60 are illustrated for convenience.
- the notches 64C and 64E are provided at both ends in the plate width direction and at the projecting tips. Therefore, as compared with the fifth modification, the size in the Y direction can be reduced while reducing the inductance.
- the non-opposing portions 63C and 63E are arranged symmetrically with respect to the center line CL of the IGBT 30. Therefore, the first component including the heat sink 40C and the main terminal 60C and the second component including the heat sink 40E and the main terminal 60E can be shared. That is, the number of parts can be reduced.
- the protruding portion 61 of the main terminal 60 is not covered with resin, and air (gas) is interposed between the facing surfaces of the main terminals 60C and 60E in the facing portion 62. Good. In this case, a predetermined gap (space distance) is ensured between the opposing surfaces for insulation between the main terminals 60C and 60E.
- the configuration shown in FIG. 15 can also be applied depending on the voltage region to be used.
- FIG. 15 corresponds to FIG.
- the terminal covering portion 70 is provided continuously to the sealing resin body 20.
- the terminal covering part 70 has an interposition part 71 arranged between the main terminals 60C and 60E.
- the resin is filled between the opposing surfaces, it is not space insulation but interlayer insulation. Therefore, the opposing surfaces of the main terminals 60C and 60E are made closer to each other by the insulating ability of the resin as compared with the sixth modification. Can do. Therefore, the inductance can be further reduced.
- the terminal covering portion 70 covers not only between the opposing surfaces but also the back surface opposite to the opposing surfaces. That is, the terminal covering portion 70 covers the entire facing portion 62 together with the side surface 23 of the sealing resin body 20.
- the creepage distances of the non-opposing portions 63C and 63E are determined by the sum of the lengths d1, d2, and d3 as shown in FIG.
- d1 is the length in the Z direction from the non-facing portion 63C to the surface of the back surface covering portion 73.
- d2 is the length of the back surface covering portion 73 in the X direction, that is, the width.
- d3 is the length in the Z direction from the surface of the back surface covering portion 73 to the non-facing portion 63E. Even if the length d2 is increased, the influence on the inductance is small because the portion covers the facing portion 62. For this reason, it is easy to earn a creepage distance by the length d2.
- the creeping distance between the non-facing portion 63E and the heat radiation surface 42C of the heat sink 40C is determined by the sum of lengths d5, d6, d7, and d8, as shown in FIG. 9, for example.
- d5 is the length in the Z direction from the non-facing portion 63E to the surface of the back surface covering portion 72.
- d6 is the shortest length in the Y direction from the notch 74 to the side surface 23.
- d7 is the length in the Z direction from the surface of the back surface covering portion 72 to the one surface 21.
- the length d8 is the shortest length in the X direction from the side surface 23 to the heat radiation surface 42C.
- the lengths d6 and d8 are portions that cover the opposing portions of the main terminals 60C and 60E, even if the lengths d6 and d8 are increased, the influence on the inductance is small. For this reason, it is easy to earn a creepage distance by the lengths d6 and d8. Although the description is omitted, the same applies to the creeping distance between the non-facing portion 63C and the heat radiation surface 42E of the heat sink 40E.
- FIG. 16 shows the magnetic field analysis result of the inductance of one arm of the upper and lower arm circuits constituting the main circuit, specifically, the inductance between the main terminals 60C and 60E.
- a configuration in which the main terminals were arranged side by side in the plate width direction was taken as a comparative example.
- the result of the comparative example is indicated by a white circle
- the result of the configuration shown in the present embodiment is indicated by a white triangle.
- the main circuit is a circuit including the smoothing capacitor 4 and upper and lower arm circuits.
- the gap between the opposing surfaces of the main terminals is almost zero (0). It is clear from FIG. 16 that according to the configuration of the present embodiment, the inductance of the main circuit can be significantly reduced as compared with the comparative example. Further, it is apparent that the inductance of the main circuit can be effectively reduced as the gap between the main terminals 60C and 60E is reduced in the facing portion 62.
- the thickness of the terminal covering portion 70 is made thinner than the thickness of the sealing resin body 20. According to this, the resin amount of the terminal coating
- the thickness of the terminal covering portion 70 may be substantially equal to the thickness of the sealing resin body 20. According to this, the creeping distance between the non-facing parts 63C and 63E can be earned. Specifically, the lengths d1 and d3 in the Z direction described above can be increased. Thereby, since the length d2 in the X direction can be shortened, the area occupied by the facing portion 62, and thus the main terminal 60, can also be reduced.
- the terminal covering portion 70 is formed integrally with the sealing resin body 20. Since the terminal covering portion 70 is formed in the same process as the sealing resin body 20, the manufacturing process can be simplified.
- the non-facing portions 63C and 63E at both ends are respectively formed as upper molds for molding. 100 and the lower mold 101 can be clamped. Thereby, the gap of the opposing part 62, ie, the insulation distance, can be stabilized.
- the non-facing portion 63C of the collector-side main terminal 60C is disposed at a position farther from the heat radiation surface 42E of the emitter-side heat sink 40E in the Z direction than the non-facing portion 63E of the emitter-side main terminal 60E.
- the non-facing portion 63E is disposed at a position farther from the heat radiation surface 42C of the collector-side heat sink 40C in the Z direction than the non-facing portion 63C. According to this, the creeping distance between the heat radiating surfaces 42C and 42E and the main terminal 60 can be earned.
- the notches 64C and 64E have a substantially arc shape.
- the notch portion 74 of the terminal covering portion 70 also has a substantially arc shape along the notch portions 64C and 64E. Therefore, when a bus bar (not shown) is connected to the exposed portions of the non-facing portions 63C and 63E by arc connection such as friction stir welding and bolt fastening, the end portion of the terminal covering portion 70 from the connection portion (notch portion 74). Can be made approximately equal over the entire length of the arc. Thereby, it can suppress that stress becomes high locally in the edge part of the terminal coating
- the heat transfer distance can be made uniform. The distance from the connecting portion to the terminal covering portion 70 is determined in consideration of heat and fastening stress.
- the planar shape of the exposed portions of the non-opposing portions 63C and 63E is not limited to the above example.
- a substantially rectangular plane shape can be adopted.
- it is effective when running friction stir welding or laser welding in a line.
- it is preferable to provide the non-opposing portions 63C and 63E so that the distance from the planar rectangular connection portion 66C to the end portion (notch portion 74) of the terminal covering portion 70 is equal.
- the distance dx in the X direction and the distance dy in the Y direction are substantially equal.
- FIG. 20 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device 10 in consideration of the inductance of the main circuit wiring.
- Reference numeral 66C denotes a bus bar connecting portion in the non-facing portion 63C of the main terminal 60C
- reference numeral 66E denotes a bus bar connecting portion in the non-facing portion 63E of the main terminal 60E.
- Symbol Lc1 indicates the inductance of the wiring between the connection portion 66C and the collector electrode of the IGBT 30A.
- Symbol Lc2 indicates the inductance of the wiring between the connection portion 66C and the collector electrode of the IGBT 30B.
- Reference numeral Le1 indicates the inductance of the wiring between the connection portion 66E and the emitter electrode of the IGBT 30A.
- Reference numeral Le2 represents the inductance of the wiring between the connection portion 66E and the emitter electrode of the IGBT 30B.
- FIG. 21 shows the flow of the main current in the semiconductor device 10 of the present embodiment.
- the broken line arrow indicates the main current flow on the IGBT 30A side
- the alternate long and short dash line arrow indicates the main current flow on the IGBT 30B side.
- the IGBTs 30 ⁇ / b> A and 30 ⁇ / b> B are arranged side by side in the X direction that is the plate width direction of the main terminal 60.
- the non-facing portions 63C and 63E are arranged symmetrically with respect to the center line CL of the IGBT 30. Therefore, the main currents of the IGBTs 30A and 30B flow so as to be line symmetric with respect to the center line CL.
- the main circuit inductance By arranging the main circuit inductance, current imbalance during conduction of the FWD 35 can be suppressed.
- the semiconductor device 10 of the present embodiment has a terminal covering portion 70A as shown in FIG. FIG. 22 corresponds to FIG.
- the basic configuration of the terminal covering portion 70A is the same as the terminal covering portion 70 shown in the preceding embodiment. For this reason, A is given to the end of the code of the corresponding element.
- the terminal covering portion 70A has an interposition portion 71A and back surface covering portions 72A and 73A.
- the terminal covering portion 70 ⁇ / b> A is provided separately from the sealing resin body 20.
- the sealing resin body 20 is a primary molded body, and the terminal covering portion 70A is a secondary molded body.
- the terminal covering portion 70 ⁇ / b> A is formed after the sealing resin body 20 is molded.
- the semiconductor device 10 is secondarily sealed.
- Other configurations are the same as those of the preceding embodiment.
- a material different from that of the sealing resin body 20 can be used as the material of the terminal covering portion 70A.
- a material having better insulating properties than the sealing resin body 20 may be used.
- a material having a Young's modulus smaller than that of the sealing resin body 20 may be used. Thereby, resin becomes easy to flow between the opposing surfaces between the main terminals 60C and 60E at the time of molding. Therefore, the opposing surfaces of the main terminals 60C and 60E can be made closer to each other in the opposing portion 62, and inductance can be reduced.
- At least one of the notches 64C and 64E is provided in plural. Such a configuration may be adopted.
- the semiconductor device 10A shown in FIG. 23 constitutes the upper arm of the upper and lower arm circuit.
- the semiconductor device 10A has two notches 64C and one notch 64E.
- the cutout portions 64C are provided at two locations on the projecting tip side of the four corners of the substantially rectangular plane in the main terminal 60C.
- the cutout portion 64E is provided at the central portion of the protruding tip of the main terminal 60E.
- Other configurations are the same as those of the preceding embodiment (first embodiment).
- the semiconductor device 10B shown in FIG. 24 constitutes the lower arm of the upper and lower arm circuit.
- the semiconductor device 10B has two notches 64E and one notch 64C.
- the notches 64E are provided at two locations on the projecting tip side of the four corners of the substantially rectangular plane in the main terminal 60E.
- the cutout portion 64C is provided at the central portion of the protruding tip of the main terminal 60C.
- Other configurations are the same as those of the preceding embodiment (first embodiment).
- the semiconductor devices 10A and 10B have the same configuration except that the non-facing portions 63C and 63E and the notches 64C and 64E are different.
- 24 and 25 correspond to FIG. 10 and only the sealing resin body 20 and the main terminal 60 are shown for convenience.
- the upper and lower arm circuits are configured by connecting the semiconductor devices 10A and 10B as shown in FIG.
- the non-facing portion 63E of the semiconductor device 10A on the upper arm side and the non-facing portion 63C of the semiconductor device 10B on the lower arm side are respectively connected by a bus bar or the like.
- the non-facing portion 63C of the semiconductor device 10A functions as a P terminal which is a high potential side terminal in the upper and lower arm circuits.
- the non-facing portion 63E of the semiconductor device 10B functions as an N terminal which is a low potential side terminal.
- the non-facing portion 63E of the semiconductor device 10A and the non-facing portion 63C of the semiconductor device 10B function as O terminals that are output terminals.
- Semiconductor devices 10A and 10B are stacked in the Z direction via a cooler.
- the non-facing portion 63E of the semiconductor device 10A and the non-facing portion 63C of the semiconductor device 10B face each other. Therefore, the distance between external connections can be shortened. Thereby, the inductance of the main circuit can be reduced.
- the inductance can be reduced.
- the degree of freedom of connection can be improved.
- a broken line arrow indicates the flow of the emitter current on the IGBT 30A side
- an alternate long and short dash line arrow indicates the flow of the emitter current on the IGBT 30B side.
- the IGBTs 30 ⁇ / b> A and 30 ⁇ / b> B are arranged side by side in the X direction that is the plate width direction of the main terminal 60.
- the non-facing part 63E of the main terminal 60E is arrange
- Other configurations are the same as those of the preceding embodiment (first embodiment).
- the emitter currents of the IGBTs 30A and 30B flow so as to be line-symmetric with respect to the center line CL. That is, the inductance Le1 on the IGBT 30A side and the inductance Le2 on the IGBT 30B side are substantially equal. Thereby, it can suppress that the gate voltage Vge of IGBT30A and the gate voltage Vge of IGBT30B become unbalanced. Therefore, it is possible to suppress a shift in the on-timing of the IGBTs 30A and 30B, and thus to suppress current imbalance when the IGBTs 30A and 30B are conductive.
- the semiconductor device 10 of this embodiment has only one IGBT 30.
- a terminal covering portion 70 shown in FIG. 27 is formed integrally with the sealing resin body 20.
- the terminal covering portion 70 has substantially the same thickness as the sealing resin body 20.
- Other configurations are the same as those of the preceding embodiment (first embodiment).
- Such a semiconductor device 10 can also achieve the same effects as those of the previous embodiment.
- the present invention is not limited to this.
- it can be applied to a boost converter. It can also be applied to both the inverter 5 and the boost converter.
- the FWD 35 may be a separate chip.
- IGBT30 was shown as a semiconductor element, it is not limited to this.
- a MOSFET can be adopted.
- the example provided with the terminal 50 was shown as the semiconductor device 10 of a double-sided heat dissipation structure, it is not limited to this.
- the terminal 50 may not be provided.
- a convex portion protruding toward the emitter electrode 33 may be provided on the heat sink 40E.
- the heat radiating surfaces 42C and 42E are exposed from the sealing resin body 20
- a configuration in which the heat radiating surfaces 42C and 42E are not exposed from the sealing resin body 20 may be employed.
- the heat radiation surfaces 42C and 42E may be completely covered by the insulating member 94.
- an insulating sheet is attached to the heat radiation surfaces 42 ⁇ / b> C and 42 ⁇ / b> E and the sealing resin body 20.
- the insulating sheet for example, an organic base material such as epoxy or silicone containing a large amount of an inorganic high thermal conductive filler such as boron nitride (BN) can be used.
- an inorganic substrate made of SiN or the like can also be employed.
- the sealing resin body 20 may be molded in a state where the insulating member 94 is bonded to the heat radiation surfaces 42C and 42E.
- the present invention is not limited to this.
- the present invention can also be applied to a configuration in which three or more IGBTs 30 are connected in parallel.
- the non-facing portions 63C and 63E may be bent with respect to the facing portion 62.
- the plate surfaces on the same side of the non-facing portions 63C and 63E in the Z direction may be flush with each other by at least one bend.
- at least one of the non-facing portions 63C and 63E is made thicker than the plate thickness of the main terminal 60 of the facing portion 62, thereby achieving the above-described flush relationship. Good.
- terminal covering portions 70 and 70A a configuration having only the interposition portions 71 and 71A may be employed.
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Abstract
半導体装置は、一面側に第1主電極(32)を、裏面側に第2主電極(33)を有する半導体素子(30,30A,30B)と、半導体素子を挟むように配置された導電部材(40)であって、一面側に配置され第1主電極と接続された第1導電部材(40C)、及び、裏面側に配置され第2主電極と接続された第2導電部材(40E)と、導電部材それぞれの少なくとも一部及び半導体素子を一体的に覆って保護する絶縁部材(20)と、導電部材に連なり絶縁部材の外へ延設された主端子(60)であって、第1導電部材に連なる第1主端子(60C)、及び、第2導電部材に連なる第2主端子(60E)と、を備える。主端子は、絶縁部材の外への突出部分として、主電流が流れたときに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置され、第1主端子及び第2主端子の板面同士が離間して対向する対向部(62)と、第1主端子及び第2主端子それぞれにおいて板面が対向しない複数の非対向部(63C,63E)と、を有する。
Description
本出願は、2018年5月28日に出願された日本出願番号2018-101717号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、半導体装置に関する。
特許文献1には、両面に主電極が形成された半導体素子、導電部材、封止樹脂体、及び主端子を備える半導体装置が開示されている。半導体装置は、導電部材として第1導電部材及び第2導電部材を備えており、導電部材は半導体素子を挟むように配置されている。封止樹脂体は、導電部材それぞれの一部及び半導体素子を封止している。主端子は、導電部材に連なっており、封止樹脂体の一側面から外部に突出している。第1導電部材から第1主端子が延設され、第2導電部材から第1主端子と同じ方向に第2主端子が延設されている。半導体素子にIGBTが形成されている場合、たとえば第1主端子はコレクタ電極に接続され、第2主端子はエミッタ電極に接続されている。
上記した半導体装置では、第1主端子及び第2主端子が、板幅方向に横並びで配置されている。第1主端子と第2主端子とは電位が異なるため、絶縁を確保するために、第1主端子と第2主端子との間に所定の沿面距離を確保しなければならない。このため、第1主端子及び第2主端子を上記した板幅方向において近づけ、インダクタンスを低減することが困難である。
また、この種の半導体装置では、封止樹脂体の外への突出部分において、主端子の板面にバスバーなどが接続される。したがって、外部との接続をしやすいように、主端子を配置することが好ましい。
本開示は、インダクタンスを低減しつつ外部との接続性を向上できる半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る半導体装置は、
一面側に第1主電極を有し、一面とは反対の裏面側に第2主電極を有する少なくとも1つの半導体素子と、
半導体素子を挟むように配置された導電部材であって、一面側に配置され、第1主電極と接続された第1導電部材、及び、裏面側に配置され、第2主電極と接続された第2導電部材と、
導電部材それぞれの少なくとも一部及び半導体素子を一体的に覆って保護する絶縁部材と、
導電部材に連なり、絶縁部材の外へ延設された主端子であって、第1導電部材に連なる第1主端子、及び、第2導電部材に連なる第2主端子と、を備え、
主端子は、絶縁部材の外への突出部分として、主電流が流れたときに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置され、第1主端子及び第2主端子の板面同士が離間して対向する部分である対向部と、第1主端子及び第2主端子それぞれにおいて板面が対向しない部分である複数の非対向部と、を有する。
一面側に第1主電極を有し、一面とは反対の裏面側に第2主電極を有する少なくとも1つの半導体素子と、
半導体素子を挟むように配置された導電部材であって、一面側に配置され、第1主電極と接続された第1導電部材、及び、裏面側に配置され、第2主電極と接続された第2導電部材と、
導電部材それぞれの少なくとも一部及び半導体素子を一体的に覆って保護する絶縁部材と、
導電部材に連なり、絶縁部材の外へ延設された主端子であって、第1導電部材に連なる第1主端子、及び、第2導電部材に連なる第2主端子と、を備え、
主端子は、絶縁部材の外への突出部分として、主電流が流れたときに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置され、第1主端子及び第2主端子の板面同士が離間して対向する部分である対向部と、第1主端子及び第2主端子それぞれにおいて板面が対向しない部分である複数の非対向部と、を有する。
この半導体装置によれば、対向部において、第1主端子及び第2主端子の板面同士が離間しつつ対向している。離間によって所定の絶縁を確保し、板面同士の対向によって従来よりもインダクタンスを低減することができる。
また、突出部分において、第1主端子及び第2主端子のそれぞれに部分的な非対向部を設けている。第1主端子の非対向部において、第1主端子の板面は第2主端子の板面と対向していない。第2主端子の非対向部において、第2主端子の板面は第1主端子の板面と対向していない。このため、非対向部において、主端子の板面にバスバーなどを接続しやすい。したがって、主端子と外部との接続性を向上することができる。
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
第1実施形態の半導体装置が適用される電力変換装置の概略構成を示す図である。
半導体装置を示す斜視図である。
半導体装置を示す斜視図である。
半導体装置を示す斜視図である。
主端子及び端子被覆部の配置を示す平面図である。
図5のVI-VI線に沿う断面図である。
図5のVII-VII線に沿う断面図である。
図5のVIII-VIII線に沿う断面図である。
図5のIX-IX線に沿う断面図である。
第1変形例を示す平面図である。
第2変形例を示す平面図である。
第3変形例を示す平面図である。
第4変形例を示す平面図である。
第5変形例を示す平面図である。
第6変形例を示す平面図であり、図9に対応している。
ギャップと主回路インダクタンスとの関係を示す磁場解析結果を示す図である。
第7変形例を示す断面図であり、図7に対応している。
成形時の効果を示す図である。
第8変形例を示す平面図である。
インダクタンスを考慮した半導体装置の等価回路図である。
主電流の流れを示す図である。
第2実施形態の半導体装置を示す断面図であり、図9に対応している。
第3実施形態において、上アーム側の半導体装置を示す平面図であり、図10に対応している。
第3実施形態において、下アーム側の半導体装置を示す平面図であり、図10に対応している。
上アームと下アームの接続状態を示す図である。
第4実施形態の半導体装置を示す平面図であり、図5に対応している。
第5実施形態の半導体装置を示す斜視図である。
第9変形例を示す断面図であり、図8に対応している。
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び/又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、スイッチング素子の厚み方向をZ方向、Z方向に直交する一方向をX方向と示す。また、Z方向及びX方向の両方向に直交する方向をY方向と示す。特に断わりのない限り、上記したX方向及びY方向により規定されるXY面に沿う形状を平面形状とする。
(第1実施形態)
(電力変換装置の概略構成)
図1に示す電力変換装置1は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置1は、車両に搭載された直流電源2から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、三相交流方式のモータ3に出力するように構成されている。モータ3は、車両の走行駆動源として機能する。電力変換装置1は、モータ3により発電された電力を、直流に変換して直流電源2に充電することもできる。このように、電力変換装置1は、双方向の電力変換が可能となっている。
(電力変換装置の概略構成)
図1に示す電力変換装置1は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置1は、車両に搭載された直流電源2から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、三相交流方式のモータ3に出力するように構成されている。モータ3は、車両の走行駆動源として機能する。電力変換装置1は、モータ3により発電された電力を、直流に変換して直流電源2に充電することもできる。このように、電力変換装置1は、双方向の電力変換が可能となっている。
電力変換装置1は、平滑コンデンサ4と、電力変換器であるインバータ5を有している。平滑コンデンサ4の正極側端子は、直流電源2の高電位側の電極である正極に接続され、負極側端子は、直流電源2の低電位側の電極である負極に接続されている。インバータ5は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータ3に出力する。インバータ5は、モータ3により発電された交流電力を、直流電力に変換する。
インバータ5は、三相分の上下アーム回路を備えて構成されている。各相の上下アーム回路は、正極側の電源ラインである高電位電源ライン6と、負極側の電源ラインである低電位電源ライン7との間で、2つのアームが直列に接続されてなる。各相の上下アーム回路において、上アームと下アームの接続点は、モータ3への出力ライン8に接続されている。
本実施形態では、各アームを構成する半導体素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下、IGBTと示す)を採用している。半導体装置10は、並列接続された2つのIGBT30を備えている。IGBT30のそれぞれには、還流用のダイオードであるFWD35が逆並列に接続されている。1つのアームは、並列接続された2つのIGBT30を有して構成されている。図1に示す符号31は、IGBT30のゲート電極である。並列接続された2つのIGBT30は、図示しない共通のドライバにより同じタイミングで駆動する。換言すれば、2つのIGBT30のゲート電極31は、互いに同じドライバに電気的に接続される。
また、IGBT30として、nチャネル型を採用している。上アームにおいて、IGBT30のコレクタ電極32が、高電位電源ライン6に接続されている。下アームにおいて、IGBT30のエミッタ電極33が、低電位電源ライン7に接続されている。そして、上アームにおけるIGBT30のエミッタ電極33と、下アームにおけるIGBT30のコレクタ電極32が相互に接続されている。
電力変換装置1は、上記した平滑コンデンサ4及びインバータ5に加えて、直流電源2から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ、インバータ5や昇圧コンバータを構成する半導体素子を駆動する駆動回路などを備えてもよい。
(半導体装置の概略構成)
図2~図9に示すように、半導体装置10は、封止樹脂体20、IGBT30、ヒートシンク40、ターミナル50、主端子60、端子被覆部70、及び信号端子80を備えている。
図2~図9に示すように、半導体装置10は、封止樹脂体20、IGBT30、ヒートシンク40、ターミナル50、主端子60、端子被覆部70、及び信号端子80を備えている。
封止樹脂体20は、たとえばエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂体20は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。図2~図4及び図6に示すように、封止樹脂体20は、Z方向において、一面21と、一面21と反対の裏面22を有している。一面21及び裏面22は、たとえば平坦面となっている。封止樹脂体20は、一面21と裏面22とをつなぐ側面を有している。本実施形態では、封止樹脂体20が、平面略矩形状をなしている。
半導体素子としてのIGBT30は、Si、SiC、GaNなどの半導体基板(半導体チップ)に構成されている。図5及び図6に示すように、半導体装置10は、2つのIGBT30を備えている。2つのIGBT30は、互いに並列に接続されている。以下において、区別のために、IGBT30の1つをIGBT30A、別の1つをIGBT30Bとも示す。本実施形態では、IGBT30にFWD35が一体的に形成されている。すなわち、IGBT30として、RC(Reverse Conducting)-IGBTを採用している。
IGBT30は、Z方向に主電流が流れるように縦型構造をなしている。図示を省略するが、IGBT30は、上記したゲート電極31を有している。ゲート電極31はトレンチ構造をなしている。また、IGBT30は、自身の厚み方向、すなわちZ方向において、一面側にコレクタ電極32を有し、一面と反対の裏面側にエミッタ電極33を有している。コレクタ電極32はFWD35のカソード電極も兼ねており、エミッタ電極33はFWD35のアノード電極も兼ねている。コレクタ電極32が第1主電極に相当し、エミッタ電極33が第2主電極に相当する。
2つのIGBT30は、互いにほぼ同じ平面形状、具体的には平面略矩形状をなすとともに、互いにほぼ同じ大きさとほぼ同じ厚みを有している。IGBT30A,30Bは、互いに同じ構成となっている。IGBT30A,30Bは、お互いのコレクタ電極32がZ方向において同じ側となり、お互いのエミッタ電極33がZ方向において同じ側となるように配置されている。IGBT30A,30Bは、Z方向においてほぼ同じ高さに位置するとともに、X方向において横並びで配置されている。
IGBT30は、エミッタ電極33が形成された裏面に、信号用の電極であるパッド34を有している。パッド34は、エミッタ電極33とは別の位置に形成されている。パッド34は、エミッタ電極33と電気的に分離されている。パッド34は、Y方向において、エミッタ電極33の形成領域とは反対側の端部に形成されている。
本実施形態では、IGBT30のそれぞれが、5つのパッド34を有している。具体的には、5つのパッド34として、ゲート電極用、エミッタ電極33の電位を検出するケルビンエミッタ用、電流センス用、IGBT30の温度を検出する温度センサ(感温ダイオード)のアノード電位用、同じくカソード電位用を有している。5つのパッド34は、平面略矩形状のIGBT30において、Y方向の一端側にまとめて形成されるとともに、X方向に並んで形成されている。
ヒートシンク40は、Z方向においてIGBT30を挟むように配置された導電部材である。ヒートシンク40は、IGBT30の熱を半導体装置10の外部に放熱する機能を果たすとともに、主電極の配線としての機能も果たす。このため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成されている。ヒートシンク40は、Z方向からの投影視において、2つのIGBT30を内包するように設けられている。ヒートシンク40は、X方向を長手方向にして平面略矩形状をなしている。ヒートシンク40の厚みはほぼ一定とされ、その板厚方向はZ方向に略平行となっている。
ヒートシンク40は、IGBT30を挟むように対をなして設けられている。半導体装置10は、一対のヒートシンク40として、IGBT30のコレクタ電極32側に配置されたヒートシンク40Cと、エミッタ電極33側に配置されたヒートシンク40Eを有している。ヒートシンク40Cが第1導電部材に相当し、ヒートシンク40Eが第2導電部材に相当する。ヒートシンク40C,40Eは、Z方向からの投影視において、互いにほぼ一致している。ヒートシンク40Cは、Z方向において、IGBT30側の接続面41Cと、接続面41Cと反対の放熱面42Cを有している。ヒートシンク40Eは、Z方向において、IGBT30側の接続面41Eと、接続面41Eと反対の放熱面42Eを有している。放熱面42Cが第1放熱面に相当し、放熱面42Eが第2放熱面に相当する。
ヒートシンク40Cの接続面41Cには、IGBT30A,30Bのコレクタ電極32が、それぞれ個別にはんだ90を介して接続されている。ヒートシンク40Cの大部分は封止樹脂体20によって覆われている。ヒートシンク40Cの放熱面42Cは、封止樹脂体20から露出されている。放熱面42Cは、一面21と略面一となっている。ヒートシンク40Cの表面のうち、はんだ90との接続部、放熱面42C、及び主端子60の連なる部分を除く部分が、封止樹脂体20によって覆われている。
ターミナル50は、IGBT30とヒートシンク40Eとの間に介在している。ターミナル50は、IGBT30A,30Bごとに設けられている。ターミナル50は、IGBT30のエミッタ電極33とヒートシンク40Eとの熱伝導、電気伝導経路の途中に位置するため、熱伝導性及び電気伝導性を確保すべく、少なくとも金属材料を用いて形成されている。ターミナル50は、対応するIGBT30のエミッタ電極33に対向配置され、はんだ91を介してエミッタ電極33と接続されている。
ヒートシンク40Eの接続面41Eには、IGBT30A,30Bのエミッタ電極33が、それぞれ個別にはんだ92を介して電気的に接続されている。具体的には、エミッタ電極33とヒートシンク40Eとは、はんだ91、ターミナル50、及びはんだ92を介して、電気的に接続されている。ヒートシンク40Eも、封止樹脂体20によって大部分が覆われている。ヒートシンク40Eの放熱面42Eは、封止樹脂体20から露出されている。放熱面42Eは、裏面22と略面一となっている。ヒートシンク40Eの表面のうち、はんだ92との接続部、放熱面42E、及び後述する主端子60の連なる部分を除く部分が、封止樹脂体20によって覆われている。
主端子60は、半導体装置10と外部機器とを電気的に接続するための外部接続端子のうち、主電流が流れる端子である。主端子60は、対応するヒートシンク40に封止樹脂体20の内部で連なっている。主端子60は、対応するヒートシンク40から延設され、図5、図7~図9に示すように、封止樹脂体20の1つの側面23から外部に突出している。主端子60は、封止樹脂体20の内外にわたって延設されている。主端子60は、封止樹脂体20の外へ突出した部分である突出部61を有している。
主端子60は、IGBT30の主電極と電気的に接続された端子である。半導体装置10は、主端子60として、コレクタ電極32と電気的に接続された主端子60Cと、エミッタ電極33と電気的に接続された主端子60Eを有している。主端子60Cが第1主端子に相当し、主端子60Eが第2主端子に相当する。主端子60Cはコレクタ端子、主端子60Eはエミッタ端子とも称される。
主端子60Cは、ヒートシンク40Cに連なっている。主端子60Cは、ヒートシンク40CからY方向に延設され、封止樹脂体20の側面23から外部に突出している。主端子60Eは、ヒートシンク40Eに連なっている。主端子60Eは、ヒートシンク40Eから主端子60Eと同じ方向に延設され、主端子60Cと同じ側面23から外部に突出している。
本実施形態では、図8及び図9に示すように、主端子60C,60Eが、対応するヒートシンク40C,40Eの側面43C,43Eにそれぞれ連なっている。側面43Cは、ヒートシンク40Cの側面のうち、側面23側の面である。側面43Eは、ヒートシンク40Eの側面のうち、側面23側の面である。主端子60C,60Eは、Y方向において互いに同じ側で、ヒートシンク40C,40Eに連なっている。主端子60C,60Eは、その全長においてほぼ同じ方向に延設されている。
また、同一の金属板を加工することで、主端子60は、対応するヒートシンク40と一体的に設けられている。主端子60Cは、ヒートシンク40Cよりも厚みが薄くされ、ヒートシンク40Cの接続面41Cに略面一で連なっている。主端子60Eは、ヒートシンク40Eよりも厚みが薄くされ、ヒートシンク40Eの接続面41Eに略面一で連なっている。突出部61において、主端子60C,60Eの板厚方向は、Z方向に略一致している。主端子60の板厚はほぼ一定とされており、主端子60C,60Eでほぼ同じ板厚とされている。
端子被覆部70は、樹脂材料を用いて形成され、主端子60における突出部61の一部を覆っている。主端子60及び端子被覆部70の詳細については、後述する。
信号端子80は、対応するIGBT30のパッド34に、ボンディングワイヤ93を介して電気的に接続されている。信号端子80は、封止樹脂体20の内部でボンディングワイヤ93と接続されており、封止樹脂体20の側面、詳しくは側面23と反対の側面24から外部に突出している。IGBT30のそれぞれに対応する信号端子80は、Y方向に延設されている。
以上のように構成される半導体装置10では、ヒートシンク40C,40Eの間、すなわち主端子60C,60Eの間で、2つのIGBT30が並列に接続されている。
また、封止樹脂体20により、IGBT30(30A,30B)、ヒートシンク40それぞれの一部、ターミナル50、主端子60それぞれの一部、及び信号端子80の一部が、一体的に封止されている。すなわち、1つのアームを構成する要素が封止されている。このため、半導体装置10は、1in1パッケージとも称される。封止樹脂体20が、ヒートシンク40C,40Eの少なくとも一部及びIGBT30A,30Bを一体的に覆って保護している。封止樹脂体20が絶縁部材に相当する。
また、ヒートシンク40Cの放熱面42Cが、封止樹脂体20の一面21と略面一とされている。また、ヒートシンク40Eの放熱面42Eが、封止樹脂体20の裏面22と略面一とされている。半導体装置10は、放熱面42C,42Eがともに封止樹脂体20から露出された両面放熱構造をなしている。このような半導体装置10は、たとえば、ヒートシンク40を、封止樹脂体20とともに切削加工することで形成することができる。また、放熱面42C,42Eが、封止樹脂体20を成形する型のキャビティ壁面に接触するようにして、封止樹脂体20を成形することによって形成することもできる。
(主端子及び端子被覆部の詳細)
上記したように、半導体装置10は、主端子60として、ヒートシンク40Cに連なる主端子60Cと、ヒートシンク40Eに連なる主端子60Eを有している。図5、図7~図9に示すように、主端子60は、突出部61として、主端子60C,60Eの板面同士が離間して対向する部分である対向部62を有している。板面とは、主端子60それぞれの板厚方向の面である。対向部62は、Z方向の投影視において互いにオーバーラップする部分であるため、重なり部(オーバーラップ部)とも称される。また、積層部とも称される。
上記したように、半導体装置10は、主端子60として、ヒートシンク40Cに連なる主端子60Cと、ヒートシンク40Eに連なる主端子60Eを有している。図5、図7~図9に示すように、主端子60は、突出部61として、主端子60C,60Eの板面同士が離間して対向する部分である対向部62を有している。板面とは、主端子60それぞれの板厚方向の面である。対向部62は、Z方向の投影視において互いにオーバーラップする部分であるため、重なり部(オーバーラップ部)とも称される。また、積層部とも称される。
対向部62は、主端子60の屈曲部よりも突出先端側に設けられている。屈曲部により、対向部62における主端子60C,60Eの対向距離は、ヒートシンク40C,40Eの対向距離、すなわち接続面41C,41E間の距離よりも短くされている。主端子60の突出部61において、対向部62が主たる部分を占めている。残りの部分である突出部61の一部分は、主端子60C,60Eそれぞれにおいて板面が対向しない部分である非対向部63C,63Eとされている。
対向部62において、主端子60C,60Eは、主電流が流れたときにそれぞれに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置されている。磁束打消しの効果を高めるには、主電流の向きが略逆向きとなるように配置するとよい。すなわち、対応するヒートシンク40を基準とする延設の向きを、対向部62において略一致させるとよい。
非対向部63Cは、主端子60Cにおける突出部61の一部分である。非対向部63Cにおいて、主端子60Cの板面は、主端子60Eの板面と対向していない。非対向部63Eは、主端子60Eにおける突出部61の一部分である。非対向部63Eにおいて、主端子60Eの板面は、主端子60Cの板面と対向していない。非対向部63Cが第1非対向部に相当し、非対向部63Eが第2非対向部に相当する。非対向部63C,63Eは、非重なり部、非積層部とも称される。このように、主端子60は、突出部61として、対向部62と、非対向部63C,63Eを有している。
本実施形態では、屈曲部を有する主端子60Eにおいて、屈曲部よりも突出先端側の部分が、突出部61とされている。主端子60Eの突出部61は、屈曲部を有さずにY方向に延設されており、板厚方向がZ方向に略一致する平板状をなしている。すなわち、板厚が略均一とされている。そして、図5に示すように、平面略矩形状から四隅の1つを切り欠いた形状とされている。また、主端子60Cの突出部61も、主端子60E同様に板厚方向がZ方向に略一致する平板状をなしている。すなわち、板厚が略均一とされている。そして、平面略矩形状から四隅の1つを切り欠いた形状とされている。
突出部61において、主端子60C,60Eの板厚方向は互いに一致している。よって、対向部62では、板厚方向において主端子60C,60Eの板面が対向している。対向部62において、主端子60C,60E間のギャップは全域においてほぼ一定とされている。図8に示すように、主端子60C,60Eは、封止樹脂体20の内部においても、封止樹脂体20を介して対向している。
主端子60Cは切り欠き部64Cを有し、主端子60Eは切り欠き部64Eを有している。切り欠き部64Cが第1切り欠き部に相当し、切り欠き部64Eが第2切り欠き部に相当する。切り欠き部64Cは、主端子60の板厚方向及び延設方向に直交する板幅方向、すなわちX方向において、主端子60Cの一端側に設けられている。切り欠き部64Eは、主端子60Eにおいて、切り欠き部64Cとは反対の端部に設けられている。突出部61の突出長さは、主端子60C,60Eにおいてほぼ等しくされている。切り欠き部64C,64Eは、突出部61の突出先端に設けられている。切り欠き部64C,64Eは、略円弧形状をなしている。
主端子60C,60Eの突出部61は、IGBT30の素子的中心を通る中心線CLに対して、線対称配置とされている。素子的中心とは、IGBT30全体の中心である。本実施形態の場合、2つのIGBT30A,30Bを有するため、IGBT30A,30Bの並び方向において中心間の中央位置である。なお、IGBT30が1つの場合、IGBT30の中心である。中心線は、板幅方向に直交し、素子的中心を通る仮想線である。
図2~図5、図9に示すように、突出部61のうち、側面23からY方向に所定の範囲の部分、具体的には、切り欠き部64C,64Eまでの部分は、すべて対向部62とされている。一方、切り欠き部64C,64Eから突出先端までの部分は、対向部62及び非対向部63C,63Eを含んでいる。
突出先端側では、X方向において、非対向部63C,63Eの間に対向部62が設けられている。突出部61において、板幅方向であるX方向中央では、側面23から突出先端まで対向部62とされている。突出部61のX方向両端では、側面23から途中まで対向部62とされ、途中から突出先端まで非対向部63C,63Eとされている。
非対向部63Cは、Z方向において、非対向部63Eよりもヒートシンク40Eの放熱面42Eから離れた位置に配置されている。非対向部63Eは、非対向部63Cよりもヒートシンク40Cの放熱面42Cから離れた位置に配置されている。
端子被覆部70は、対向部62において、主端子60C,60Eの少なくとも一部を覆っている。端子被覆部70は、封止樹脂体20に連なっている。封止樹脂体20が第1樹脂部に相当し、端子被覆部70が第2樹脂部に相当する。端子被覆部70は、図7~図9に示すように、少なくとも介在部71を有している。
本実施形態では、端子被覆部70が、介在部71に加えて裏面被覆部72,73を有している。また、端子被覆部70が、封止樹脂体20と同じ材料を用いて一体的に成形されている。封止樹脂体20と端子被覆部70は、一体成形物である。
介在部71は、対向部62において、主端子60C,60Eの対向面間に配置されている。対向面とは、板面のうち、互いに向き合う面である。本実施形態では、対向部62において、対向領域全域に介在部71が配置されている。すなわち、対向領域全域に樹脂が充填されている。
裏面被覆部72,73は、対向部62において、主端子60の対向面とは反対の裏面を被覆している。裏面被覆部72は主端子60Cの裏面を被覆しており、裏面被覆部73は主端子60Eの裏面を被覆している。
端子被覆部70は、対向部62全体を被覆している。端子被覆部70は、対向部62において、対向面と裏面とをつなぐ端面も覆っている。端子被覆部70は、非対向部63C,63Eを露出させるため、平面略矩形状から四隅の2つを切り欠いた形状、換言すれば略凸形状をなしている。端子被覆部70の切り欠き部74により、非対向部63C,63Eが外部と接続可能に露出されている。切り欠き部74は、切り欠き部64C,64Eに沿って略円弧形状をなしている。端子被覆部70は、切り欠き部64C,64Eの端面も覆っている。また、突出先端面も覆っている。このため、非対向部63C,63Eの露出部分も、端子被覆部70側の端部において略円弧形状をなしている。
端子被覆部70の厚みは、封止樹脂体20の厚みよりも薄くされている。裏面被覆部72の表面は、Z方向において一面21と略面一ではなく、裏面22側にずれた位置とされている。同じく、裏面被覆部73の表面は、Z方向において裏面22と略面一ではなく、一面21側にずれた位置とされている。また、端子被覆部70のX方向の長さ、すなわち幅は、封止樹脂体20の幅よりも狭くされている。端子被覆部70も、中心線CLに対して線対称となるように設けられている。
(半導体装置の効果)
上記したように、主端子60は、突出部61として対向部62を有している。対向部62において、主端子60C,60Eは、主電流が流れたときに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置されている。対向部62では、主端子60C,60Eの板面同士が離間しつつ対向している。このように、離間配置、すなわち所定のギャップを有した配置としているため、主端子60C,60E間の絶縁を確保することができる。また、板面同士が対向するため、従来よりも磁束打消しの効果を高めて、インダクタンスを低減することができる。
上記したように、主端子60は、突出部61として対向部62を有している。対向部62において、主端子60C,60Eは、主電流が流れたときに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置されている。対向部62では、主端子60C,60Eの板面同士が離間しつつ対向している。このように、離間配置、すなわち所定のギャップを有した配置としているため、主端子60C,60E間の絶縁を確保することができる。また、板面同士が対向するため、従来よりも磁束打消しの効果を高めて、インダクタンスを低減することができる。
また、突出部61において、板面同士を全域で対向させるのではなく、主端子60C,60Eそれぞれに非対向部63C,63Eを局所的に設けている。主端子60Cにおける非対向部63Cの板面は、主端子60Eの板面と対向していない。主端子60Eにおける非対向部63Eの板面は、主端子60Cの板面と対向していない。このように、非対向部63C,63Eでは主端子60C,60Eの積層がないため、主端子60の板面にバスバーなどを接続しやすい。たとえば、板面の同じ側にバスバーを接続することができる。したがって、主端子60と外部との接続性を向上することができる。
以上より、本実施形態の半導体装置10によれば、インダクタンスを低減しつつ、外部との接続性を向上することができる。
図10に示す第1変形例のように、貫通孔65によって非対向部63C,63Eを設けてもよい。この場合、Z方向の投影視において非対向部63C,63Eを取り囲んで相手側の主端子60が存在することとなる。また、図11に示す第2変形例のように、主端子60C,60Eを板幅方向にずらして配置することで、非対向部63C,63Eを設けてもよい。この場合、非対向部63C,63Eは、側面23から突出先端まで設けられることとなる。図10及び図11では、便宜上、封止樹脂体20と主端子60のみを図示している。
これに対し、本実施形態では、切り欠き部64C,64Eによって、非対向部63C,63Eが設けられている。非対向部63C,63Eは、主端子60C,60Eの端部に設けられている。したがって、第1変形例に較べて、外部との接続性を向上することができる。また、非対向部63C,63Eを同じ位置に設ける場合、第1変形例よりも、X方向及びY方向において体格を小型化することができる。また、第2変形例に較べて、非対向部63C,63Eを局所的に設け、その分、対向部62を大きくとることができる。したがって、インダクタンスを低減することができる。
図12に示す第3変形例のように、板幅方向の同じ側に切り欠き部64C,64Eを設けてもよい。この場合、切り欠き部64C,64Eを、延設方向であるY方向において、重ならない位置に設けることとなる。図13に示す第4変形例のように、突出先端であって、板幅方向の端部ではない位置に、切り欠き部64C,64Eを設けてもよい。図12及び図13では、便宜上、封止樹脂体20と主端子60のみを図示している。
これに対し、本実施形態では、主端子60C,60Eが封止樹脂体20の同じ側面23から同じ方向に延設されており、板幅方向において、切り欠き部64Cが主端子60Cの一端側に設けられ、切り欠き部64Eが主端子60Eにおいて切り欠き部64Cとは反対の端部に設けられている。切り欠き部64C,64Eを延設方向においてほぼ同じ位置に設けることができるため、第3変形例に較べて、インダクタンスを低減しつつ、Y方向の体格を小型化することができる。また、非対向部63C,63Eを同じ位置に設ける場合、第4変形例よりもX方向の体格を小型化することができる。
図14に示す第5変形例のように、切り欠き部64C,64Eを板幅方向の両端に設けつつ、延設途中に設けてもよい。図14では、便宜上、封止樹脂体20と主端子60のみを図示している。
これに対し、本実施形態では、切り欠き部64C,64Eを板幅方向の両端に設けつつ、突出先端に設けている。したがって、第5変形例に較べて、インダクタンスを低減しつつ、Y方向の体格を小型化することができる。
本実施形態では、非対向部63C,63Eが、IGBT30の中心線CLに対して線対称配置とされている。したがって、ヒートシンク40C及び主端子60Cを含む第1部品と、ヒートシンク40E及び主端子60Eを含む第2部品とを、共通化することもできる。すなわち、部品点数を削減することもできる。
図15に示す第6変形例のように、主端子60の突出部61を樹脂によって覆わず、対向部62において、主端子60C,60Eの対向面間に空気(気体)が介在する構成としてもよい。この場合、主端子60C,60E間の絶縁のために、対向面間に所定のギャップ(空間距離)を確保することとなる。使用する電圧領域によっては、図15に示す構成も適用が可能である。図15は、図9に対応している。
これに対し、本実施形態では、封止樹脂体20に連なって端子被覆部70が設けられている。端子被覆部70は、主端子60C,60Eの間に配置された介在部71を有している。このように、対向面間に樹脂が充填されている、空間絶縁ではなく、層間絶縁となるため、樹脂の絶縁能力により、第6変形例に較べて主端子60C,60Eの対向面を近づけることができる。したがって、インダクタンスをさらに低減することができる。
特に本実施形態では、端子被覆部70が、対向面間だけでなく、対向面とは反対の裏面も覆っている。すなわち、端子被覆部70が、対向部62の全体を封止樹脂体20の側面23とともに覆っている。
このような構成では、非対向部63C,63Eの沿面距離が、たとえば図7に示すように、長さd1,d2,d3の和により決定される。d1は、非対向部63Cから裏面被覆部73の表面までのZ方向の長さである。d2は、裏面被覆部73のX方向の長さ、すなわち幅である。d3は、裏面被覆部73の表面から非対向部63EまでのZ方向の長さである。長さd2を長くしても、対向部62を覆う部分であるため、インダクタンスへの影響が小さい。このため、長さd2によって沿面距離を稼ぎやすい。
また、非対向部63Eとヒートシンク40Cの放熱面42Cとの沿面距離は、たとえば図9に示すように、長さd5,d6,d7,d8の和によって決定される。d5は、非対向部63Eから裏面被覆部72の表面までのZ方向の長さである。d6は、切り欠き部74から側面23までのY方向の最短長さである。d7は、裏面被覆部72の表面から一面21までのZ方向の長さである。長さd8は、側面23から放熱面42CまでのX方向の最短長さである。長さd6,d8は、主端子60C,60Eの対向箇所を覆う部分であるため、長さd6,d8を長くしても、インダクタンスへの影響が小さい。このため、長さd6、d8によって沿面距離を稼ぎやすい。説明は省略するが、非対向部63Cとヒートシンク40Eの放熱面42Eとの沿面距離についても同様である。
図16は、主回路を構成する上下アーム回路の一方のアームのインダクタンス、具体的には、主端子60C,60E間のインダクタンスの磁場解析結果を示している。その際、主端子が板幅方向に横並びで配置された構成を比較例とした。図16では、比較例の結果を白抜きの丸、本実施形態に示した構成の結果を白抜きの三角で示している。主回路とは、平滑コンデンサ4と上下アーム回路を含む回路である。
配置上、比較例では、主端子の対向面のギャップがほぼゼロ(0)となっている。本実施形態の構成によれば、比較例よりも、主回路のインダクタンスを大幅に低減できることが、図16からも明らかである。また、対向部62において主端子60C,60E間のギャップを小さくするほど、主回路のインダクタンスを効果的に低減できることが明らかである。
本実施形態では、端子被覆部70の厚みが、封止樹脂体20の厚みよりも薄くされている。これによれば、ヒートシンク40C,40Eの放熱面42C,42Eと非対向部63C,63Eとの沿面距離を確保しつつ、端子被覆部70の樹脂量を低減することができる。
図17に示す第7変形例のように、端子被覆部70の厚みを、封止樹脂体20の厚みとほぼ等しくしてもよい。これによれば、非対向部63C,63E間の沿面距離を稼ぐことができる。具体的には、上記したZ方向の長さd1,d3を長くすることができる。これにより、X方向の長さd2を短くすることができるため、対向部62、ひいては主端子60の占有面積を小さくすることもできる。
本実施形態では、端子被覆部70が、封止樹脂体20と一体的に成形されている。端子被覆部70を封止樹脂体20と同一の工程で形成するため、製造工程を簡素化することができる。本実施形態のように、板幅方向の両端に非対向部63C,63Eが設けられた構成においては、図18に示すように、両端の非対向部63C,63Eそれぞれを、成形用の上型100及び下型101によってクランプすることができる。これにより、対向部62のギャップ、すなわち絶縁距離を安定化させることができる。
本実施形態では、コレクタ側の主端子60Cの非対向部63Cが、エミッタ側の主端子60Eの非対向部63Eよりも、Z方向においてエミッタ側のヒートシンク40Eの放熱面42Eから離れた位置に配置されている。同様に、非対向部63Eが、非対向部63Cよりも、Z方向においてコレクタ側のヒートシンク40Cの放熱面42Cから離れた位置に配置されている。これによれば、放熱面42C,42Eと主端子60との間の沿面距離を稼ぐことができる。
本実施形態では、図5に示したように、切り欠き部64C,64Eが略円弧形状をなしている。また、端子被覆部70の切り欠き部74も切り欠き部64C,64Eに沿った略円弧形状をなしている。したがって、非対向部63C,63Eの露出部分に、摩擦撹拌接合、ボルト締結など、円弧状の接続によって図示しないバスバーを接続する場合、接続部から端子被覆部70の端部(切り欠き部74)までの距離を、弧の全長でほぼ等しくすることができる。これにより、端子被覆部70の端部において応力が局所的に高くなるのを抑制することができる。たとえば伝熱距離を均等にすることができる。接続部から端子被覆部70までの距離は、熱や締結の応力を考慮して決定される。
非対向部63C,63Eの露出部分の平面形状は、上記例に限定されない。図19に示す第8変形例のように、平面略矩形状を採用することもできる。たとえば、摩擦撹拌接合やレーザ溶接をライン状に走らせる場合に有効である。この場合、平面矩形状の接続部66Cから端子被覆部70の端部(切り欠き部74)までの距離が均等となるように、非対向部63C,63Eを設けることが好ましい。図19では、X方向の距離dxとY方向の距離dyがほぼ等しくされている。
図20は、主回路配線のインダクタンスを考慮した半導体装置10の等価回路図である。符号66Cは、主端子60Cの非対向部63Cにおけるバスバーの接続部を示し、符号66Eは、主端子60Eの非対向部63Eにおけるバスバーの接続部を示している。符号Lc1は、接続部66CとIGBT30Aのコレクタ電極との間の配線のインダクタンスを示している。符号Lc2は、接続部66CとIGBT30Bのコレクタ電極との間の配線のインダクタンスを示している。符号Le1は、接続部66EとIGBT30Aのエミッタ電極との間の配線のインダクタンスを示している。符号Le2は、接続部66EとIGBT30Bのエミッタ電極との間の配線のインダクタンスを示している。
図21は、本実施形態の半導体装置10において、主電流の流れを示している。破線矢印はIGBT30A側の主電流の流れを示しており、一点鎖線の矢印はIGBT30B側の主電流の流れを示している。上記したように、本実施形態では、IGBT30A,30Bが主端子60の板幅方向であるX方向に並んで配置されている。そして、IGBT30の中心線CLに対して、非対向部63C,63Eが線対称配置とされている。したがって、IGBT30A,30Bの主電流は、中心線CLに対して線対称となるように流れる。すなわち、IGBT30A側の主回路インダクタンス(=Lc1+Le1)と、IGBT30B側の主回路インダクタンス(=Lc2+Le2)がほぼ等しくなっている。このように、主回路インダクタンスを揃えることで、FWD35の導通時における電流アンバランスを抑制することができる。
(第2実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態の半導体装置10は、図22に示すように、端子被覆部70Aを有している。図22は、図9に対応している。端子被覆部70Aの基本構成は、先行実施形態に示した端子被覆部70と同じである。このため、対応する要素の符号に対して、末尾にAを付与している。端子被覆部70Aは、介在部71Aと、裏面被覆部72A,73Aを有している。
端子被覆部70Aは、封止樹脂体20とは別に設けられている。封止樹脂体20は一次成形体であり、端子被覆部70Aは二次成形体である。端子被覆部70Aは、封止樹脂体20の成形後に形成されている。半導体装置10は二次封止されている。それ以外の構成は、先行実施形態と同じである。
このように、二次成形体である端子被覆部70Aを採用した場合にも、先行実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、端子被覆部70Aの材料として、封止樹脂体20とは異なる材料を用いることもできる。使用する電圧領域が高い場合に、封止樹脂体20よりも絶縁特性に優れた材料を用いてもよい。
また、封止樹脂体20よりもヤング率よりも小さい材料を用いてもよい。これにより、成形時において主端子60C,60E間の対向面間に樹脂が流れ込みやすくなる。したがって、対向部62において主端子60C,60Eの対向面同士をさらに近づけて、インダクタンスを低減することができる。
変形例に示した構成と組み合わせることもできる。
(第3実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態では、切り欠き部64C,64Eの少なくとも一方が、複数設けられている。このような構成を採用してもよい。
たとえば図23に示す半導体装置10Aは、上下アーム回路の上アームを構成する。半導体装置10Aは、2つの切り欠き部64Cと、1つの切り欠き部64Eを有している。切り欠き部64Cは、主端子60Cにおいて、平面略矩形状の四隅のうち、突出先端側の2箇所に設けられている。切り欠き部64Eは、主端子60Eにおいて、突出先端の中央部分に設けられている。それ以外の構成は、先行実施形態(第1実施形態)と同じである。
図24に示す半導体装置10Bは、上下アーム回路の下アームを構成する。半導体装置10Bは、2つの切り欠き部64Eと、1つの切り欠き部64Cを有している。切り欠き部64Eは、主端子60Eにおいて、平面略矩形状の四隅のうち、突出先端側の2箇所に設けられている。切り欠き部64Cは、主端子60Cにおいて、突出先端の中央部分に設けられている。それ以外の構成は、先行実施形態(第1実施形態)と同じである。半導体装置10A,10Bは、非対向部63C,63E及び切り欠き部64C,64Eが異なる点を除けば、同じ構成となっている。図24及び図25は図10に対応しており、便宜上、封止樹脂体20と主端子60のみを図示している。
そして、半導体装置10A,10Bを、図25に示すように接続することで、上下アーム回路が構成される。上アーム側の半導体装置10Aの非対向部63Eと、下アーム側の半導体装置10Bの非対向部63Cとを、バスバーなどによってそれぞれ接続する。半導体装置10Aの非対向部63Cは、上下アーム回路において高電位側の端子であるP端子として機能する。半導体装置10Bの非対向部63Eを、低電位側の端子であるN端子として機能する。半導体装置10Aの非対向部63Eと、半導体装置10Bの非対向部63Cは、出力端子であるO端子として機能する。
半導体装置10A,10Bは、冷却器を介してZ方向に積層配置される。この積層構造において、半導体装置10Aの非対向部63Eと、半導体装置10Bの非対向部63Cが、対向する。したがって、外部接続間距離を短くすることができる。これにより、主回路のインダクタンスを低減することができる。
このように、切り欠き部64C,64Eの少なくとも一方を複数設けることで、インダクタンスの低減も可能である。また、接続の自由度を向上することもできる。
第2実施形態に示した構成、変形例に示した構成と組み合わせることもできる。
(第4実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
図26において、破線矢印はIGBT30A側のエミッタ電流の流れを示しており、一点鎖線の矢印はIGBT30B側のエミッタ電流の流れを示している。本実施形態でも、IGBT30A,30Bが主端子60の板幅方向であるX方向に並んで配置されている。そして、主端子60Eの非対向部63Eが、IGBT30の中心線CL上に配置されている。それ以外の構成は、先行実施形態(第1実施形態)と同じである。図26では、便宜上、封止樹脂体20に覆われる部分のうち、IGBT30のみを図示している。
上記配置により、IGBT30A,30Bのエミッタ電流は、中心線CLに対して線対称となるように流れる。すなわち、IGBT30A側のインダクタンスLe1と、IGBT30B側のインダクタンスLe2がほぼ等しくなっている。これにより、IGBT30Aのゲート電圧VgeとIGBT30Bのゲート電圧Vgeがアンバランスとなるのを抑制することができる。したがって、IGBT30A,30Bのオンタイミングのずれを抑制し、ひいてはIGBT30A,30Bの導通時における電流アンバランスを抑制することができる。
第2実施形態に示した構成、変形例に示した構成と組み合わせることもできる。
(第5実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は省略する。
図27に示すように、本実施形態の半導体装置10は、IGBT30を1つのみ有している。図27に示す端子被覆部70は、封止樹脂体20と一体的に成形されている。端子被覆部70は、封止樹脂体20とほぼ同じ厚みとされている。それ以外の構成は、先行実施形態(第1実施形態)と同じである。このような半導体装置10も、先行実施形態同様の効果を奏することができる。
第2実施形態に示した構成、変形例に示した構成と組み合わせることもできる。
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
半導体装置10,10A,10Bをインバータ5に適用する例を示したが、これに限定されない。たとえば昇圧コンバータに適用することもできる。また、インバータ5及び昇圧コンバータの両方に適用することもできる。
IGBT30と一体的にFWD35が形成される例を示したが、これに限定されない。FWD35を別チップとしてもよい。
半導体素子としてIGBT30の例を示したが、これに限定されない。たとえばMOSFETを採用することもできる。
両面放熱構造の半導体装置10として、ターミナル50を備える例を示したが、これに限定されない。ターミナル50を備えない構成としてもよい。たとえば、ターミナル50の代わりに、ヒートシンク40Eに、エミッタ電極33に向けて突出する凸部を設けてもよい。
また、放熱面42C,42Eが、封止樹脂体20から露出される例を示したが、封止樹脂体20から露出されない構成としてもよい。たとえば図28に示す第9変形例のように、絶縁部材94によって放熱面42C,42Eを完全に覆ってもよい。図28では、絶縁部材94として、絶縁シートを放熱面42C,42E及び封止樹脂体20に貼り付けている。絶縁シートは、たとえばエポキシやシリコーン等の有機母材に対し、窒化ホウ素(BN)等の無機系高熱伝導フィラーを多く含有させたものを採用することができる。絶縁シート以外にも、SiNなどからなる無機基板を採用することもできる。また、絶縁部材94を放熱面42C,42Eに貼り合わせた状態で、封止樹脂体20を成形してもよい。
2つのIGBT30が並列接続される例を示したが、これに限定されない。3つ以上のIGBT30が並列接続される構成にも適用できる。
主端子60C,60Eにおいて、突出部61が平板状とされる例を示したが、これに限定されない。たとえば、対向部62に対して非対向部63C,63Eを屈曲されてもよい。少なくとも一方の屈曲により、Z方向において、非対向部63C,63Eの同じ側の板面を面一の位置関係としてもよい。さらには、異形条を採用することで、非対向部63C,63Eの少なくとも一方を対向部62の主端子60の板厚よりも厚くし、これにより上記した面一の関係をなすようにしてもよい。
端子被覆部70,70Aとして、介在部71,71Aのみを有する構成を採用することもできる。
Claims (15)
- 一面側に第1主電極(32)を有し、前記一面とは反対の裏面側に第2主電極(33)を有する少なくとも1つの半導体素子(30,30A,30B)と、
前記半導体素子を挟むように配置された導電部材(40)であって、前記一面側に配置され、前記第1主電極と接続された第1導電部材(40C)、及び、前記裏面側に配置され、前記第2主電極と接続された第2導電部材(40E)と、
前記導電部材それぞれの少なくとも一部及び前記半導体素子を一体的に覆って保護する絶縁部材(20)と、
前記導電部材に連なり、前記絶縁部材の外へ延設された主端子(60)であって、前記第1導電部材に連なる第1主端子(60C)、及び、前記第2導電部材に連なる第2主端子(60E)と、
を備え、
前記主端子は、前記絶縁部材の外への突出部分として、主電流が流れたときに生じる磁束をお互いに打ち消すように配置され、前記第1主端子及び前記第2主端子の板面同士が離間して対向する部分である対向部(62)と、前記第1主端子及び前記第2主端子それぞれにおいて前記板面が対向しない部分である複数の非対向部(63C,63E)と、を有する半導体装置。 - 前記主端子は、前記突出部分に切り欠き部(64C,64E)をそれぞれ有し、
前記非対向部は、前記切り欠き部により、前記第1主端子及び前記第2主端子それぞれにおいて前記板面が対向しない部分とされている請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1主端子及び前記第2主端子は、前記絶縁部材の同じ面から突出して、同じ方向に延設されており、
前記主端子の板幅方向において、
前記切り欠き部である第1切り欠き部が、前記第1主端子の一方の端部に設けられ、
前記切り欠き部である第2切り欠き部が、前記第2主端子において前記第1切り欠き部側の端部とは反対の端部に設けられている請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1切り欠き部は、前記第1主端子の突出先端に設けられ、
前記第2切り欠き部は、前記第2主端子の突出先端に設けられている請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第1主端子の前記非対向部である第1非対向部、及び、前記第2主端子の前記非対向部である第2非対向部は、前記板幅方向において、前記半導体素子の素子的中心に対して線対称配置とされている請求項3又は請求項4に記載の半導体装置。
- 前記第1主端子及び前記第2主端子は、前記絶縁部材の同じ面から突出して同じ方向に延設されており、
前記切り欠き部である第1切り欠き部は、前記第1主端子の突出先端に設けられ、
前記切り欠き部である第2切り欠き部は、前記第2主端子の突出先端に設けられ、
前記第1切り欠き部及び前記第2切り欠き部の少なくとも一方が、複数設けられている請求項2に記載の半導体装置。 - 前記絶縁部材である第1樹脂部に連なり、前記対向部において、少なくとも前記第1主端子と前記第2主端子との間に配置された第2樹脂部(70,70A)をさらに備える請求項1~6いずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第2樹脂部は、前記対向部において、前記第1主端子における前記第2主端子側の面とは反対の面、及び、前記第2主端子における前記第1主端子側の面とは反対の面を覆っている請求項7に記載の半導体装置。
- 前記第1導電部材及び前記第2導電部材の少なくとも一方において、前記半導体素子側の面とは反対の面が前記第1樹脂部から露出され、
前記主端子の板厚方向において、前記第2樹脂部の厚みが、前記第1樹脂部よりも薄くされている請求項8に記載の半導体装置。 - 前記第1樹脂部と前記第2樹脂部とは、一体成形物である請求項7~9いずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1樹脂部は一次成形体であり、前記第2樹脂部は二次成形体である請求項7~9いずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第2樹脂部のヤング率は、前記第1樹脂部のヤング率よりも小さい請求項11に記載の半導体装置。
- 前記第1導電部材における前記半導体素子側の面とは反対の第1放熱面(42C)が前記絶縁部材から露出され、前記第2導電部材における前記半導体素子側の面とは反対の第2放熱面(42E)が前記絶縁部材から露出されており、
前記第1主端子の前記非対向部である第1非対向部は、前記第2主端子の前記非対向部である第2非対向部よりも、前記主端子の板厚方向において前記第2放熱面から離れた位置に配置され、前記第2非対向部は、前記第1非対向部よりも、前記板厚方向において前記第1放熱面から離れた位置に配置されている請求項1~12いずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記半導体素子を複数備え、
複数の前記半導体素子は、前記第1導電部材及び前記第2導電部材の間で互いに並列に接続されているとともに、前記板幅方向に並んで配置され、
複数の前記半導体素子の素子的中心を通り、且つ、前記板幅方向に直交する中心線に対して、前記第1非対向部及び前記第2非対向部が線対称配置とされている請求項5に記載の半導体装置。 - 前記半導体素子を複数備え、
複数の前記半導体素子は、前記第1導電部材及び前記第2導電部材の間で互いに並列に接続されているとともに、前記板幅方向に並んで配置され、
低電位側の前記導電部材の非対向部が、複数の前記半導体素子の素子的中心を通り、且つ、前記板幅方向に直交する中心線上に配置されている請求項5に記載の半導体装置。
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