WO2020195140A1 - パワー半導体装置 - Google Patents

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WO2020195140A1
WO2020195140A1 PCT/JP2020/003314 JP2020003314W WO2020195140A1 WO 2020195140 A1 WO2020195140 A1 WO 2020195140A1 JP 2020003314 W JP2020003314 W JP 2020003314W WO 2020195140 A1 WO2020195140 A1 WO 2020195140A1
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power semiconductor
semiconductor element
semiconductor device
intermediate substrate
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仁徳 長崎
加藤　徹
高志 平尾
信太朗 田中
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device that controls an in-vehicle drive motor.
  • in-vehicle power conversion devices have been required to have high output densities.
  • One method for reducing the loss is to reduce the switching loss by increasing the switching speed, but the surge voltage increases as the switching speed increases.
  • Patent Document 1 discloses a structure in which a power semiconductor element is cooled from both sides in order to improve heat dissipation.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which a power semiconductor element of one arm, which is one of the upper and lower arms, is inverted in order to reduce inductance and improve cooling performance.
  • An object of the present invention is to improve the productivity of a power semiconductor device while suppressing an increase in main circuit inductance.
  • the power semiconductor device includes a first submodule having a first power semiconductor element, a second submodule having a second power semiconductor element, a positive conductor portion and a negative conductor portion, and a first submodule.
  • An intermediate substrate that forms a negative electrode side facing portion facing the negative electrode side conductor portion and a positive electrode side facing portion facing the positive electrode side conductor portion sandwiching a second submodule, and a first power semiconductor element or a second power semiconductor.
  • a plurality of signal terminals for transmitting signals for controlling the element are provided, and the second submodule is arranged so that the directions of the electrode surface of the second power semiconductor element and the electrode surface of the first power semiconductor element are reversed.
  • a signal relay conductor portion is arranged in the space between a part of the second submodule and the intermediate substrate in the height direction of the second submodule, and the intermediate substrate is connected to the signal relay conductor portion. It has a wiring that is electrically connected to the signal terminal.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the cross section of the submodule 400 shown in FIG. 5 passing through the one-point chain line DD'viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow, passing through the alternate long and short dash line AA'.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 as viewed from the direction of an arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the second embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the second embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the third embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the third embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the third embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the fourth embodiment, as viewed from the direction of the arrow, passing through the one-point chain line AA'. It is sectional drawing of the 1st submodule and the 2nd submodule which shows the manufacturing process of the power semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a top view of the 1st submodule and the 2nd submodule which shows the manufacturing process of the power semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the power semiconductor device which concerns on Embodiment 2, with the 1st submodule and the 2nd submodule mounted on the AC output side substrate 801 and the DC input side substrate 802.
  • FIG. 16 (b-1) shows the manufacturing process of the power semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 16B is a top view showing the manufacturing process of the power semiconductor device according to the second embodiment, in which the wire bonding 601 is connected to FIG. 16 (b-2).
  • FIG. 16 (c-1) is a cross-sectional view in which the cooling metal portion 207 is mounted, showing the manufacturing process of the power semiconductor device according to the second embodiment.
  • 16 (c-2) is a top view in which the cooling metal portion 207 is mounted, showing the manufacturing process of the power semiconductor device according to the second embodiment. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the power semiconductor device which concerns on Embodiment 2, and is resin-sealed FIG. 16 (d-1). 16 (d-2) is a top view of the power semiconductor device according to the second embodiment, which is resin-sealed.
  • FIG. 1 is an external front view of the power semiconductor device 100 according to the first embodiment.
  • the power semiconductor device 100 includes a high potential side terminal 201, a low potential side terminal 202, an AC output terminal 203, positive electrode sense terminals 204U and 204L, negative electrode sense terminals 205U and 205L, and a cooling metal portion 207.
  • a part of each is resin-sealed with a molding material 206. As a result, the insulation between each member is ensured.
  • the high potential side terminal 201, the low potential side terminal 202, the AC output terminal 203, the positive electrode sense terminal 204, and the negative electrode sense terminal 205 project from the molding material 206 and are connected to external devices, respectively.
  • the cooling metal portion 207 is provided with fins on its surface. Thereby, the cooling performance can be improved.
  • FIG. 3 is an internal structural diagram in which the high potential side wiring 301 and the low potential side wiring 302 are removed from the power semiconductor device 100 shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line AA'of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line BB'of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line CC'of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow.
  • a high potential side wiring 301 and a low potential side wiring 302 are formed on the surface of the insulating layer 306 on the upper side when viewed in the cross-sectional direction. Further, a solder bonding pattern 307 for thermally connecting the cooling metal portion 207 is formed on the surface on the opposite side. The solder bonding pattern 307 is thermally connected to the cooling metal portion 207 via the solder material 602.
  • an AC output wiring 303 As shown in FIGS. 3 and 8, on one surface of the insulating layer 306 on the lower side when viewed from the cross-sectional direction, an AC output wiring 303, a positive electrode sense wiring 304U (see FIG. 3), and a negative electrode sense wiring 305U (FIG. 3). 3), a high potential side terminal joining pattern 308 (see FIG. 3), and a low potential side terminal joining pattern 309 (see FIG. 3) are formed.
  • a solder bonding pattern 307 for thermally connecting the cooling metal portion 207 is formed. The solder bonding pattern 307 is thermally connected to the cooling metal portion 207 via the solder material 602.
  • FIG. 2 is an internal structural diagram in which the molding material 206, the cooling metal portion 207, the insulating layer 306, the solder bonding pattern 307, and the solder material 602 are removed from the power semiconductor device 100 shown in FIG.
  • the low-potential side terminal 202 is electrically connected to the low-potential side terminal joining pattern 309 and the low-potential side wiring 302 via the solder material 602. Further, the low potential side terminal 202 is electrically connected to the low potential side of a capacitor (not shown) for smoothing the DC voltage from the battery by screwing, laser welding, or the like.
  • FIG. 5 is an external front view of the sub-module 400 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is an internal structural diagram in which the low potential side conductor portion 403 in the submodule is removed from the submodule 400 shown in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the cross section of the submodule 400 passing through the alternate long and short dash line DD'shown in FIG. 5 as viewed from the direction of the arrow.
  • the power semiconductor element 500 for example, a MOSFET or an IGBT is used.
  • the power semiconductor device 100 is composed of a first power semiconductor element 505 that constitutes an upper arm of an inverter circuit and a second power semiconductor element 506 that constitutes a lower arm of an inverter circuit. 5 to 7 show the sub-module 400 constituting the upper arm.
  • the first power semiconductor element 505 includes a positive electrode sense electrode 503, a negative electrode sense electrode 504, a low potential side electrode 501, and a high potential side electrode 502 (the back surface side of the power semiconductor element 500). , Are provided respectively.
  • the positive electrode sense electrode 503 corresponds to the gate electrode
  • the negative electrode sense electrode 504 corresponds to the Kelvin emitter electrode
  • the low potential side electrode 501 corresponds to the emitter electrode
  • the high potential side electrode 502 corresponds to the collector electrode.
  • the positive electrode sense electrode 503 corresponds to the gate electrode
  • the negative electrode sense electrode 504 corresponds to the Kelvin source electrode
  • the low potential side electrode 501 corresponds to the source electrode
  • the high potential side electrode 502 corresponds to the drain electrode.
  • the power semiconductor element there is also a power semiconductor element that does not have the negative electrode sense electrode 504 and uses the low potential side electrode 501 as the negative electrode sense electrode, and such a semiconductor element can also be used in this embodiment. it can.
  • the high potential side conductor portion 404 in the submodule includes an insulating layer 407 in the submodule, a positive electrode sense wiring 405 in the submodule, and a negative electrode sense wiring 406 in the submodule.
  • the insulating layer 407 in the sub-module is formed on the surface of the high potential side conductor portion 404 in a region where the first power semiconductor element 505 is not mounted.
  • the insulation layer 407 in the submodule insulates the high potential side conductor portion 404, the positive electrode sense wiring 405 in the submodule, and the negative electrode sense wiring 406 in the submodule.
  • the positive electrode sense wiring 405 in the submodule and the negative electrode sense wiring 406 in the submodule are formed on the surface of the insulating layer 407 in the submodule, and each transmit an electric signal to the power semiconductor 500.
  • the insulating layer 407 in the submodule is formed in a T shape, but it does not necessarily have to be in a T shape, and various shapes are assumed depending on the arrangement of the first power semiconductor element 505. ..
  • the high potential side electrode 502 is connected to the high potential side conductor portion 404 in the submodule via the solder material 602.
  • the low potential side conductor portion 403 in the submodule is electrically connected to the low potential side electrode 501 via the solder material 602.
  • the positive electrode sense electrode 503 is electrically connected to the positive electrode sense wiring 405 in the submodule via wire bonding 601.
  • the negative electrode sense electrode 504 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406 in the submodule via wire bonding 601.
  • the low-potential side conductor portion 403L in the sub-module of the first sub-module 401 is electrically connected to the low-potential side wiring 302 via the solder material 602.
  • the high potential side conductor portion 404L in the submodule of the first submodule 401 is electrically connected to the AC output wiring 303 via the solder material 602.
  • FIG. 3 is an internal structural diagram in which the high potential side wiring 301 and the low potential side wiring 302 are removed from the power semiconductor device 100 shown in FIG.
  • FIG. 4 is an internal structure diagram in which the first submodule 401 and the second submodule 402 are removed from the power semiconductor device 100 shown in FIG.
  • the AC output terminal 203 is electrically connected to the AC output wiring 303 via the solder material 602. Further, the AC output terminal 203 is electrically connected to a bus bar (not shown) connected to the motor by screwing, laser welding, or the like.
  • the positive electrode sense terminal 204L is electrically connected to the positive electrode sense wiring 405L in the submodule via wire bonding 601. Further, the negative electrode sense terminal 205L is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406L in the submodule via wire bonding 601. The positive electrode sense terminal 204L and the negative electrode sense terminal 205L are electrically connected to a control board (not shown) and have a function of sending a control signal to the power semiconductor element 500.
  • the positive electrode sense terminal 204U is electrically connected to the positive electrode sense wiring 304U via wire bonding 601.
  • the negative electrode sense wiring 304U is electrically connected to the signal relay conductor 701 via the solder material 602.
  • the negative electrode sense terminal 205U is electrically connected to the negative electrode sense wiring 305U via wire bonding 601.
  • the negative electrode sense wiring 305U is electrically connected to the signal relay conductor 701 via the solder material 602.
  • the signal relay conductor 701 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406U in the submodule via the solder material 602.
  • the positive electrode sense terminal 204U and the negative electrode sense terminal 205U are electrically connected to a control board (not shown) and have a function of sending a control signal to the power semiconductor element 500.
  • the low potential side conductor portion 403U in the submodule of the second submodule 402 is electrically connected to the AC output wiring 303 via the solder material 602.
  • the high potential side conductor portion 404U in the sub module of the second sub module 402 is electrically connected to the high potential side wiring 301 via the solder material 602.
  • the second sub-module 402 is electrically connected to the AC output wiring 303 via the solder material 602 in the direction reversed from that of the first sub-module 401.
  • the current path inside the power semiconductor device is shortened, and the effect of reducing the inductance can be expected.
  • relay terminal 701 when the relay terminal 701 is not used, it is necessary to invert the power semiconductor device 100 and perform wireless bonding, which may reduce the productivity.
  • the signal relay conductor 701 the height of the high potential side terminal 201, the low potential side terminal 202, the AC output terminal 203, the positive electrode sense terminal 204, and the negative electrode sense terminal 205 as seen from the AA'cross-sectional direction.
  • the thickness and thickness can be the same, and productivity during the molding process can be ensured.
  • the negative electrode sense wiring 305U is electrically connected to the signal relay conductor 701 via the solder material 602.
  • the signal relay conductor 701 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406U in the submodule via the solder material 602.
  • the positive electrode sense wiring 304U is also connected to the positive electrode sense wiring 405 in the submodule via the signal relay conductor 701 with the same connection.
  • the heights of the positive electrode sense terminal 204U, the negative electrode sense terminal 205U, the high potential side terminal 201, and the low potential side terminal 202 can all be made uniform.
  • the heights of the terminals can be made uniform, and the productivity at the time of the molding process can be ensured.
  • Embodiment 2 Embodiment 2 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 according to the second embodiment as viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the one-dot chain line BB'of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the second embodiment as viewed from the direction of the arrow.
  • the non-laminated portion 702 is provided on the upper portion of the wire bonding 601 viewed from the direction perpendicular to the electrode surface of the power semiconductor element 500. This makes it easier to bond the wire bonding 601 even after soldering the parts other than the molding material 206. Therefore, productivity can be ensured.
  • FIG. 16 shows the manufacturing process of the power semiconductor device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 16A-1 is a cross-sectional view of the first submodule 401 and the second submodule 402 showing the manufacturing process.
  • FIG. 16A-2 is a top view of the first submodule 401 and the second submodule 402 showing the manufacturing process.
  • FIG. 16B-1 is a cross-sectional view showing the manufacturing process in which the first submodule 401 and the second submodule 402 are mounted on the AC output side substrate 801 and the DC input side substrate 802.
  • FIG. 16B-2 is a top view showing the manufacturing process in which the first submodule 401 and the second submodule 402 are mounted on the AC output side substrate 801 and the DC input side substrate 802.
  • FIG. 16 (c-1) is a cross-sectional view showing a manufacturing process in which wire bonding 601 is connected to FIG. 16 (b-1).
  • FIG. 16 (c-2) is a top view showing the manufacturing process in which the wire bonding 601 is connected to FIG. 16 (b-2).
  • the DC input side substrate 802 is smaller than the AC output side substrate 801, it has a non-laminated portion 702, and even when the submodule is simultaneously mounted on the DC input side substrate 802 and the AC output side substrate 801, the wire bonding 601 Can be connected.
  • FIG. 16 (d-1) is a cross-sectional view showing the manufacturing process in which the cooling metal portion 207 is mounted on FIG. 16 (c-1).
  • FIG. 16 (d-2) is a top view showing the manufacturing process in which the cooling metal portion 207 is mounted on FIG. 16 (c-2).
  • FIG. 16 (e-1) is a cross-sectional view showing the manufacturing process in which FIG. 16 (d-1) is resin-sealed.
  • FIG. 16 (e-2) is a top view of FIG. 16 (d-2) resin-sealed showing the manufacturing process.
  • the process can be shortened as compared with the normal manufacturing process in which the DC input side substrate 802 and the AC output side substrate 801 are mounted one side at a time, and the substrate shaving generated when the DC input side substrate 802 and the AC output side substrate 801 are mounted one side at a time can be suppressed. Will be possible.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the one-dot chain line AA'of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the third embodiment as viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the one-dot chain line BB'of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the third embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • the signal relay conductor 703 has a hook shape.
  • the wire bonding step can be shortened while keeping the shapes of the upper and lower arms the same.
  • the negative electrode sense terminal 205U is electrically connected to the negative electrode sense wiring 305U via the solder material 602.
  • the negative electrode sense wiring 305U is electrically connected to the hook-shaped signal relay conductor 703 via the solder material 602.
  • the signal relay conductor 703 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406U in the submodule and the fixing wiring 704 via the solder material 602.
  • the positive electrode sense terminal 205U is electrically connected to the positive electrode sense wiring 305U via the solder material 602.
  • the positive electrode sense wiring 305U is electrically connected to the signal relay conductor 703 via the solder material 602.
  • the hook-shaped signal relay conductor 703 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406U in the submodule and the fixing wiring 704 via the solder material 602.
  • the negative electrode sense terminal 205L is electrically connected to the negative electrode sense wiring 305L via the solder material 602.
  • the negative electrode sense wiring 305L is electrically connected to the signal relay conductor 703 via the solder material 602.
  • the signal relay conductor 703 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 406L in the submodule and the fixing wiring 704 via the solder material 602.
  • the positive electrode sense terminal 204L is electrically connected to the positive electrode sense wiring 304L via the solder material 602.
  • the positive electrode sense wiring 304L is electrically connected to the hook-shaped signal relay conductor 703 via the solder material 602.
  • the hook-shaped signal relay conductor 703 is electrically connected to the positive electrode sense wiring 406L in the submodule and the fixing wiring 704 via the solder material 602.
  • the heights of the positive electrode sense terminal 204L, the negative electrode sense terminal 205L, and the AC output terminal 203 can all be made uniform.
  • the wire bonding step can be shortened while keeping the shapes of the upper and lower arms the same. Therefore, productivity is improved.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the power semiconductor device 100 shown in FIG. 1 according to the fourth embodiment as viewed from the direction of an arrow.
  • the fourth embodiment has equivalent connections to the first embodiment except for the signal relay conductor 701.
  • the signal relay wire 705 is provided instead of the signal relay conductor 701 of the first embodiment.
  • the signal relay wire 705 is electrically connected to the negative electrode sense wiring 305U and the negative electrode sense wiring 406U in the submodule by, for example, ultrasonic bonding.
  • the signal relay wire 705 is electrically connected to the positive electrode sense wiring 304U and the positive electrode sense wiring 405U in the submodule by ultrasonic bonding.
  • the signal relay wire 705 it is possible to electrically connect without using the solder material 602 used for connecting the signal relay conductor 701 of the first embodiment, and it is possible to prevent a decrease in yield due to unbonded solder material. it can.

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Abstract

第１パワー半導体素子を有する第１サブモジュールと、第２パワー半導体素子を有する第２サブモジュールと、正極側導体部及び負極側導体部と、第１サブモジュールを挟んで負極側導体部と対向する負極側対向部と第２サブモジュールを挟んで正極側導体部と対向する正極側対向部を形成する中間基板と、第１パワー半導体素子又は第２パワー半導体素子を制御するため信号を伝達する複数の信号端子と、を備えたパワー半導体装置であって、第２サブモジュールは、第２パワー半導体素子の電極面と第１パワー半導体素子の電極面の向きが反転するように配置され、第２サブモジュールの高さ方向であって当該第２サブモジュールの一部と中間基板に挟まれた空間には信号中継導体部が配置され、中間基板は、信号中継導体部と接続されかつ信号端子と電気的に接続される配線を有する。これにより、主回路インダクタンスの増大を抑制しながら、パワー半導体装置の生産性を向上させる。

Description

パワー半導体装置
　本発明は、パワー半導体装置に関し、特に車載用駆動用のモータを制御するパワー半導体装置に関する。
　近年、車載用の電力変換装置では、高出力密度化が要求されている。高出力密度化のためには、損失を低減し発熱を抑える必要がある。損失を低減するための一つの手法として、スイッチング速度を上げることでスイッチング損失を低減する手法があるが、スイッチング速度が上がることによってサージ電圧が大きくなる。
　そこで、サージ電圧の原因である主回路の寄生インダクタンスの低減が必要となる。特許文献１では、放熱性を高めるためにパワー半導体素子を両面から冷却する構造が開示されている。特許文献２では、インダクタンスの低減や冷却性能向上のために、上下アームの一方である片アームのパワー半導体素子を反転させた構造が開示されている。
　しかしながら、特許文献１のような両面冷却構造に特許文献２のような、片アームのパワー半導体素子を反転させた構造を適用させようとした場合、上下アームを含むパワー半導体装置の生産性の更なる向上が求められている。
特開２０１４－２３３２７号公報 特開２０１７－１８３４３０号公報
　本発明の課題は、主回路インダクタンスの増大を抑制しながら、パワー半導体装置の生産性を向上させることである。
　本発明に係るパワー半導体装置は、第１パワー半導体素子を有する第１サブモジュールと、第２パワー半導体素子を有する第２サブモジュールと、正極側導体部及び負極側導体部と、第１サブモジュールを挟んで負極側導体部と対向する負極側対向部と第２サブモジュールを挟んで正極側導体部と対向する正極側対向部を形成する中間基板と、第１パワー半導体素子又は第２パワー半導体素子を制御するため信号を伝達する複数の信号端子と、を備え、第２サブモジュールは、第２パワー半導体素子の電極面と第１パワー半導体素子の電極面の向きが反転するように配置され、第２サブモジュールの高さ方向であって当該第２サブモジュールの一部と中間基板に挟まれた空間には信号中継導体部が配置され、中間基板は、信号中継導体部と接続されかつ信号端子と電気的に接続される配線を有する。
　本発明によれば、主回路インダクタンスの増大を抑制しながら、パワー半導体装置の生産性を向上させることができる。
本実施形態に係るパワー半導体装置１００の外観正面図である。 図１に示されたパワー半導体装置１００からモールド材２０６、冷却金属部２０７、絶縁層３０６、はんだ接合用パターン３０７、はんだ材６０２を取り除いた内部構造図である。 図２に示されたパワー半導体装置１００から高電位側配線３０１及び低電位側配線３０２を取り除いた内部構造図である。 図３に示されたパワー半導体装置１００から第一サブモジュール４０１及び第二サブモジュール４０２を取り除いた内部構造図である。 本実施形態に係るサブモジュール４００の外観正面図である。 図５に示されたサブモジュール４００からサブモジュール内低電位側導体部４０３を取り除いた内部構造図である。 図５に示されたサブモジュール４００の一点鎖線Ｄ－Ｄ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｃ－Ｃ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 実施形態２に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 実施形態２に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 実施形態３に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 実施形態３に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 実施形態４に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、第一サブモジュールおよび第二サブモジュールの断面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、第一サブモジュールおよび第二サブモジュールの上面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、交流出力側基板８０１および直流入力側基板８０２に第一サブモジュールおよび第二サブモジュールを搭載した断面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、交流出力側基板８０１および直流入力側基板８０２に第一サブモジュールおよび第二サブモジュールを搭載した上面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、図１６（ｂ－１）にワイヤボンディング６０１を接続した断面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、図１６（ｂ－２）にワイヤボンディング６０１を接続した上面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、図１６（ｃ－１）に冷却金属部２０７を実装した断面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、図１６（ｃ－２）に冷却金属部２０７を実装した上面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、図１６（ｄ－１）を樹脂封止した断面図である。 実施形態２に係るパワー半導体装置の製造工程を示す、図１６（ｄ－２）を樹脂封止した上面図である。
　以下、図面を参照して、本発明に係るパワー半導体装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
　［実施形態１］
　本実施形態１に係るパワー半導体装置１００を図１から１０を用いて説明する。
　図１は、本実施形態１に係るパワー半導体装置１００の外観正面図である。図１に示されるように、パワー半導体装置１００は、高電位側端子２０１、低電位側端子２０２、交流出力端子２０３、正極センス端子２０４Ｕ及び２０４Ｌ、負極センス端子２０５Ｕ及び２０５Ｌ及び冷却金属部２０７を有する。それぞれの一部が、モールド材２０６によって樹脂封止されている。これにより、各部材間の絶縁性を確保している。
　高電位側端子２０１、低電位側端子２０２、交流出力端子２０３、正極センス端子２０４、負極センス端子２０５は、モールド材２０６から突出しており、それぞれ外部装置と接続される。冷却金属部２０７は、表面にフィンを備える。これにより、冷却性能を向上することができる。
　次に、パワー半導体１００の積層構造について、図３、図８から図１０を用いて説明する。
　図３は、図２に示されたパワー半導体装置１００から高電位側配線３０１及び低電位側配線３０２を取り除いた内部構造図である。図８は、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。図９は、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。図１０は、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｃ－Ｃ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。
　図８、図９及び図１０に示されるように、断面方向から見て上側の絶縁層３０６の表面には、高電位側配線３０１と、低電位側配線３０２が形成される。また、その逆側の表面には、冷却金属部２０７を熱的に接続するための半田接合用パターン３０７が形成される。半田接合用パターン３０７は、半田材６０２を介して、冷却金属部２０７と熱的に接続される。
　図３及び図８に示されるように、断面方向から見て下側の絶縁層３０６の一方の表面には、交流出力配線３０３、正極センス配線３０４Ｕ（図３参照）、負極センス配線３０５Ｕ（図３参照）、高電位側端子接合用パターン３０８（図３参照）、低電位側端子接合用パターン３０９（図３参照）が形成される。他方の表面には、冷却金属部２０７を熱的に接続するための半田接合用パターン３０７が形成されている。半田接合用パターン３０７は、半田材６０２を介して、冷却金属部２０７と熱的に接続される。
　図２は、図１に示されるパワー半導体装置１００からモールド材２０６、冷却金属部２０７、絶縁層３０６、はんだ接合用パターン３０７、はんだ材６０２を取り除いた内部構造図である。
　図２及び図３に示されるように、低電位側端子２０２は、半田材６０２を介して低電位側端子接合用パターン３０９および低電位側配線３０２と電気的に接続される。また、低電位側端子２０２は、バッテリーからの直流電圧を平滑化するキャパシタ（不図示）の低電位側と、ねじ止め、レーザー溶接、などによって電気的に接続される。
　ここで、図５、図６及び図７を用いて、サブモジュール４００の構造について説明する。
　図５は、本実施形態に係るサブモジュール４００の外観正面図である。図６は、図５に示されたサブモジュール４００からサブモジュール内低電位側導体部４０３を取り除いた内部構造図である。図７は、図５に示されたサブモジュール４００の一点鎖線Ｄ－Ｄ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。
　パワー半導体素子５００は、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴが用いられる。パワー半導体装置１００は、インバータ回路の上アームを構成する第１パワー半導体素子５０５と、インバータ回路の下アームを構成する第２パワー半導体素子５０６と、により構成される。図５ないし図７は、上アームを構成するサブモジュール４００を示す。
　図６に示されるように、第１パワー半導体素子５０５は、正極センス電極５０３と、負極センス電極５０４と、低電位側電極５０１と、高電位側電極５０２（パワー半導体素子５００の裏面側）と、をそれぞれ備える。これらの電極は、ＩＧＢＴの場合には、正極センス電極５０３がゲート電極、負極センス電極５０４がケルビンエミッタ電極、低電位側電極５０１がエミッタ電極、高電位側電極５０２がコレクタ電極に相当する。また、ＭＯＳＦＥＴの場合には、正極センス電極５０３がゲート電極、負極センス電極５０４がケルビンソース電極、低電位側電極５０１がソース電極、高電位側電極５０２がドレイン電極に相当する。
　また、パワー半導体素子の種類によっては、負極センス電極５０４を持たず、低電位側電極５０１を負極センス電極として用いるパワー半導体素子もあり、本実施形態においても、そのような半導体素子を用いることができる。
　図７に示されるように、サブモジュール内高電位側導体部４０４は、サブモジュール内絶縁層４０７と、サブモジュール内正極センス配線４０５と、サブモジュール内負極センス配線４０６を備える。
　サブモジュール内絶縁層４０７は、高電位側導体部４０４の表面の、第１パワー半導体素子５０５が実装されていない領域に形成される。サブモジュール内絶縁層４０７は、高電位側導体部４０４と、サブモジュール内正極センス配線４０５およびサブモジュール内負極センス配線４０６を絶縁する。
　サブモジュール内正極センス配線４０５と、サブモジュール内負極センス配線４０６は、サブモジュール内絶縁層４０７の表面に形成され、それぞれパワー半導体５００に電気的な信号を伝達する。
　なお本実施形態において、サブモジュール内絶縁層４０７は、Ｔ字型に形成されているが、必ずしもＴ字型である必要はなく、第１パワー半導体素子５０５の配置によって様々な形が想定される。
　サブモジュール内高電位側導体部４０４には、半田材６０２を介して高電位側電極５０２が接続される。
　低電位側電極５０１には、半田材６０２を介してサブモジュール内低電位側導体部４０３が電気的に接続される。正極センス電極５０３は、ワイヤボンディング６０１を介してサブモジュール内正極センス配線４０５と電気的に接続される。負極センス電極５０４は、ワイヤボンディング６０１を介してサブモジュール内負極センス配線４０６と電気的に接続される。
　図９及び図１０に示されるように、第１サブモジュール４０１のサブモジュール内低電位側導体部４０３Ｌは、半田材６０２を介して低電位側配線３０２と電気的に接続される。第１サブモジュール４０１のサブモジュール内高電位側導体部４０４Ｌは、半田材６０２を介して交流出力配線３０３と電気的に接続される。
　図３は、図２に示されたパワー半導体装置１００から高電位側配線３０１及び低電位側配線３０２を取り除いた内部構造図である。図４は、図３に示されたパワー半導体装置１００から第１サブモジュール４０１及び第２サブモジュール４０２を取り除いた内部構造図である。
　図３に示されるように、交流出力端子２０３は、半田材６０２を介して交流出力配線３０３と電気的に接続される。また、交流出力端子２０３は、モータと接続されるバスバー（不図示）と、ねじ止め、レーザー溶接、などによって電気的に接続される。
　正極センス端子２０４Ｌは、ワイヤボンディング６０１を介して、サブモジュール内正極センス配線４０５Ｌと電気的に接続される。また、負極センス端子２０５Ｌは、ワイヤボンディング６０１を介して、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｌと電気的に接続される。正極センス端子２０４Ｌ及び負極センス端子２０５Ｌは、制御基板（不図示）と電気的に接続され、パワー半導体素子５００に制御信号を送る機能を有する。
　図３及び図８に示されるように、正極センス端子２０４Ｕは、ワイヤボンディング６０１を介して、正極センス配線３０４Ｕと電気的に接続される。負極センス配線３０４Ｕは、半田材６０２を介して、信号中継導体７０１と電気的に接続される。負極センス端子２０５Ｕは、ワイヤボンディング６０１を介して、負極センス配線３０５Ｕと電気的に接続される。
　図８に示されるように、負極センス配線３０５Ｕは、半田材６０２を介して、信号中継導体７０１と電気的に接続される。信号中継導体７０１は、半田材６０２を介して、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｕと電気的に接続される。正極センス端子２０４Ｕ及び負極センス端子２０５Ｕは、制御基板（不図示）と電気的に接続され、パワー半導体素子５００に制御信号を送る機能を有する。
　図８に示されるように、第２サブモジュール４０２のサブモジュール内低電位側導体部４０３Ｕは、半田材６０２を介して交流出力配線３０３と電気的に接続される。第２サブモジュール４０２のサブモジュール内高電位側導体部４０４Ｕは、半田材６０２を介して高電位側配線３０１と電気的に接続される。
　このように、第２サブモジュール４０２は、第１サブモジュール４０１と反転させた向きで半田材６０２を介して交流出力配線３０３と電気的に接続される。第２サブモジュール４０２を反転させて接続することによって、パワー半導体装置内部の電流経路が短くなり、インダクタンスを低減する効果が見込める。
　ここで、モールド工程においては、パワー半導体装置１００を金型で挟み込むため、端子の高さが揃っていない場合、樹脂漏れや位置ずれなどの問題が発生し、製造上に問題がある。
　また、中継端子７０１を用いない場合、パワー半導体装置１００を反転させ、ワイヤレスボンディングを行う必要があり、生産性が低下する虞がある。
　これに対し、信号中継導体７０１を有することによって、高電位側端子２０１、低電位側端子２０２、交流出力端子２０３、正極センス端子２０４、負極センス端子２０５、のＡ－Ａ’断面方向からみた高さおよび厚さを同一にすることができ、モールド工程時の生産性を確保することができる。
　図８に示されるように、負極センス配線３０５Ｕは、半田材６０２を介して、信号中継導体７０１と電気的に接続される。信号中継導体７０１は、半田材６０２を介して、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｕと電気的に接続される。これにより、負極センス配線３０５Ｕを基準にワイヤレスボンディングの高さを統一することができるため、生産性の低下を抑制することができる。
　正極センス配線３０４Ｕに関しても、同様の接続で信号中継導体７０１を介してサブモジュール内正極センス配線４０５と接続されている。これにより、正極センス端子２０４Ｕと、負極センス端子２０５Ｕと、高電位側端子２０１と、低電位側端子２０２の端子の高さを全て揃えることができる。
　したがって、本実施形態により、端子の高さを揃えることができ、モールド工程時の生産性を確保することができる。
　［実施形態２］
　本発明に係る実施形態２を図１１及び図１２を用いて説明する。
　図１１は、実施形態２に係るパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。図１２は、実施形態２に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。
　本実施形態では、図１１及び図１２に示されるように、パワー半導体素子５００の電極面に対して直角方向からみた　ワイヤボンディング６０１の上部に非積層部７０２を有する。これにより、モールド材２０６以外の部品をはんだ接合した後でもワイヤボンディング６０１を接合しやすくなる。よって、生産性を確保することができる。
　図１６に本実施形態に係るパワー半導体装置１００の製造工程を示す。
　図１６（ａ－１）は製造工程を示す、第１サブモジュール４０１および第２サブモジュール４０２の断面図である。図１６（ａ－２）は製造工程を示す、第１サブモジュール４０１および第２サブモジュール４０２の上面図である。図１６（ｂ－１）は製造工程を示す、交流出力側基板８０１および直流入力側基板８０２に第１サブモジュール４０１および第２サブモジュール４０２を搭載した断面図である。
　図１６（ｂ－２）は製造工程を示す、交流出力側基板８０１および直流入力側基板８０２に第１サブモジュール４０１および第２サブモジュール４０２を搭載した上面図である。図１６（ｃ－１）は製造工程を示す、図１６（ｂ－１）にワイヤボンディング６０１を接続した断面図である。図１６（ｃ－２）は製造工程を示す、図１６（ｂ－２）にワイヤボンディング６０１を接続した上面図である。
　直流入力側基板８０２が、交流出力側基板８０１より小さいことにより、非積層部７０２を有し、直流入力側基板８０２および交流出力側基板８０１にサブモジュールを同時に搭載した場合においても、ワイヤボンディング６０１を接続することが可能になる。
　図１６（ｄ－１）は製造工程を示す、図１６（ｃ－１）に冷却金属部２０７を実装した断面図である。図１６（ｄ－２）は製造工程を示す、図１６（ｃ－２）に冷却金属部２０７を実装した上面図である。
　図１６（ｅ－１）は製造工程を示す、図１６（ｄ－１）を樹脂封止した断面図である。図１６（ｅ－２）は製造工程を示す、図１６（ｄ－２）を樹脂封止した上面図である。
　以上の製造工程により、直流入力側基板８０２および交流出力側基板８０１を片側ずつ搭載する通常の製造工程よりも工程を短縮することができ、更に片側ずつ搭載する際に発生する基板剃りを抑制することが可能になる。
　［実施形態３］
　本発明に係る第３の実施形態を図１３及び図１４を用いて説明する。
　図１３は、実施形態３に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。図１４は、実施形態３に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。
　本実施形態では、信号中継導体７０３が鉤型となっている。これにより、上下アームの形状を同一にしながら、ワイヤボンディング工程を短縮することができる。
　図１３および図１４に示すように、負極センス端子２０５Ｕは、半田材６０２を介して、負極センス配線３０５Ｕと電気的に接続される。負極センス配線３０５Ｕは、半田材６０２を介して、鉤型の信号中継導体７０３と電気的に接続される。信号中継導体７０３は、半田材６０２を介して、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｕおよび、固定用配線７０４と電気的に接続される。
　正極センス端子２０５Ｕは、半田材６０２を介して、正極センス配線３０５Ｕと電気的に接続される。正極センス配線３０５Ｕは、半田材６０２を介して、信号中継導体７０３と電気的に接続される。鉤型の信号中継導体７０３は、半田材６０２を介して、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｕおよび、固定用配線７０４と電気的に接続される。
　不図示ではあるが、同様に、負極センス端子２０５Ｌは、半田材６０２を介して、負極センス配線３０５Ｌと電気的に接続される。負極センス配線３０５Ｌは、半田材６０２を介して、信号中継導体７０３と電気的に接続される。信号中継導体７０３は、半田材６０２を介して、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｌおよび、固定用配線７０４と電気的に接続される。
　図１４に示されるように、正極センス端子２０４Ｌは、半田材６０２を介して、正極センス配線３０４Ｌと電気的に接続される。正極センス配線３０４Ｌは、半田材６０２を介して、鉤型の信号中継導体７０３と電気的に接続される。鉤型の信号中継導体７０３は、半田材６０２を介して、サブモジュール内正極センス配線４０６Ｌおよび、固定用配線７０４と電気的に接続される。
　信号中継導体７０３を用いることにより、正極センス端子２０４Ｕ、負極センス端子２０５Ｕ、高電位側端子２０１、及び低電位側端子２０２の端子の高さを全て揃えることができる。正極センス端子２０４Ｌと、負極センス端子２０５Ｌと、交流出力端子２０３の端子の高さを全て揃えることができる。信号中継導体７０３を用いることによって、上下アームの形状を同一にしながら、ワイヤボンディング工程を短縮することができる。したがって、生産性が向上する。
　［実施形態４］
　図１５は、実施形態４に係る、図１に示されたパワー半導体装置１００の一点鎖線Ａ－Ａ’を通る断面を矢印方向から見た断面図である。実施形態４は、実施形態１と信号中継導体７０１を除いて同等の接続を有する。
　図１５に示されるように、実施形態１の信号中継導体７０１の代わりに、信号中継ワイヤ７０５を有する。信号中継ワイヤ７０５は、例えば超音波接合により負極センス配線３０５Ｕおよび、サブモジュール内負極センス配線４０６Ｕと電気的に接続される。
　信号中継ワイヤ７０５は、超音波接合により正極センス配線３０４Ｕおよび、サブモジュール内正極センス配線４０５Ｕと電気的に接続される。信号中継ワイヤ７０５を用いることによって、実施形態１の信号中継導体７０１の接続に用いている半田材６０２を用いずに電気的に接続することができ、半田材未接合による歩留り低下を防ぐことができる。
　上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるが、その範囲を限定するものではなく　本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
１００…パワー半導体装置、２０１…高電位側端子、２０２…低電位側端子、２０３…交流出力端子、２０４…正極センス端子、２０５…負極センス端子、２０６…モールド材、２０７…冷却金属部、３０１…高電位側配線、３０２…低電位側配線、３０３…交流出力配線、３０４…正極センス配線、３０５…負極センス配線、３０６…絶縁層、３０７…半田接合用パターン、３０８…高電位側端子接合用パターン、３０９…低電位側端子接合用パターン、４００…サブモジュール、４０１…第１サブモジュール、４０２…第２サブモジュール、４０３…サブモジュール内低電位側導体部、４０４…サブモジュール内高電位側導体部、４０５…サブモジュール内正極センス配線、４０６…サブモジュール内負極センス配線、４０７…サブモジュール内絶縁層、５００…パワー半導体素子、５０１…低電位側電極、５０２…高電位側電極、５０３…正極センス電極、５０４…負極センス電極、５０５…第１パワー半導体素子、５０６…第２パワー半導体素子、６０１…ワイヤボンディング、６０２…半田材、７０１…信号中継導体、７０２…非積層部、７０３…信号中継導体、７０４…固定用配線、７０５…信号中継ワイヤ、８０１…交流出力側基板、８０２…直流入力側基板、Ｕ…上アーム、Ｌ…下アーム

Claims (5)

  1. 　第１パワー半導体素子を有する第１サブモジュールと、
    　第２パワー半導体素子を有する第２サブモジュールと、
    　正極側導体部及び負極側導体部と、
    　前記第１サブモジュールを挟んで前記負極側導体部と対向する負極側対向部及び前記第２サブモジュールを挟んで前記正極側導体部と対向する正極側対向部を形成する中間基板と、
    　前記第１パワー半導体素子又は前記第２パワー半導体素子を制御するため信号を伝達する複数の信号端子と、を備え、
    　前記第２サブモジュールは、前記第２パワー半導体素子の電極面と前記第１パワー半導体素子の電極面の向きが反転するように配置され、
    　前記第２サブモジュールの高さ方向であって当該第２サブモジュールの一部と前記中間基板に挟まれた空間には信号中継導体部が配置され、
    　前記中間基板は、前記信号中継導体部と接続されかつ前記信号端子と電気的に接続される配線を有するパワー半導体装置。
  2. 　請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
    　前記中間基板に設けられる配線と前記信号端子を接続するボンディングワイヤを備え、
    　前記中間基板は、前記第１サブモジュールと前記第２サブモジュールを挟む第１中間基板と第２中間基板とにより構成され、
    　前記第２パワー半導体素子の電極面の直角方向から見た場合、
    　前記第１中間基板は、前記第２中間基板とは重ならない非積層部を有し、
    　前記配線とボンディングワイヤとの接続部が、前記非積層部に設けられるパワー半導体装置。
  3. 　請求項１又は２に記載されたパワー半導体装置であって、
    　前記第２サブモジュールの高さ方向であって当該第２サブモジュールの一部と前記中間基板に挟まれた空間に前記信号中継導体が配置され、
    　前記中間基板は、前記信号中継導体と接続されかつ前記信号端子と電気的に接続される配線を有するパワー半導体装置。
  4. 　請求項１に記載されたパワー半導体装置であって、
    　前記第２サブモジュールの高さ方向であって当該第２サブモジュールの一部と前記中間基板に挟まれた空間には信号中継ワイヤが配置され、
    　前記中間基板は、前記信号中継ワイヤと接続されかつ前記信号端子と電気的に接続される配線を有するパワー半導体装置。
  5. 　第１パワー半導体素子を有する第１サブモジュールと、
    　第２パワー半導体素子を有する第２サブモジュールと、
    　正極側導体部及び負極側導体部と、
    　前記第１サブモジュールと前記第２サブモジュールを挟む第１中間基板と第２中間基板と、
    　前記第１パワー半導体素子又は前記第２パワー半導体素子を制御するため信号を伝達する複数の信号端子と、を備えるパワー半導体装置の製造方法であって、
    　前記第１サブモジュールと前記第２サブモジュールを、前記第２パワー半導体素子の電極面と前記第１パワー半導体素子の電極面の向きが反転するように半田材を介して前記第１中間基板に並べて配置する第１工程と、
    　前記第１中間基板が配置された側とは反対側であって、前記第１サブモジュールと前記第２サブモジュールに半田材を介して前記第２中間基板を、当該第２中間基板と前記第１中間基板とは重ならない非積層部を設けるように配置する第２工程と、
    　前記半田材を溶融して前記第１サブモジュールと前記第２サブモジュールと前記第１中間基板と前記第２中間基板を接合する第３工程と、
    　ボンディングワイヤを介して、前記非積層部に設けられた配線と複数の信号端子を接続する第４工程と、を備えるパワー半導体装置の製造方法。
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