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JP2005129826A - パワー半導体装置 - Google Patents

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electrode
gate
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泰 中島
Takanobu Yoshida
貴信 吉田
Hiroaki Maeda
浩明 前田
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

【課題】 ゲート発振を防止し、かつ小型化を可能とした自己消弧型パワー半導体装置を提供する。
【解決手段】 複数のパワー半導体素子２を有する自己消弧型パワー半導体装置が、放熱板１と、放熱板１上に配置された複数のパワー半導体素子２と、複数のパワー半導体素子２のゲート電極Ｇが並列に接続されたリードフレーム３と、放熱板１上に、パワー半導体素子２を覆うように設けられた封止樹脂とを含む。ゲート電極Ｇとリードフレーム３とは、金属抵抗体５を介して接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体装置に関し、特に、自己消弧（ターンオフ）型パワー半導体装置に関する。
自己消弧型パワー半導体装置では、複数の半導体素子（例えばＩＧＢＴ）を並列動作させる場合、２つのパワー半導体素子のゲート間にＣ成分及びＬ成分が形成され、ゲート発振が発生するという問題があった。これに対して、パワー半導体素子が載置される絶縁基板上にチップ状の抵抗体を載置し、抵抗体をゲート配線中に接続することにより、ゲート発振を防止していた（例えば、特許文献１）。
特開平８−１９１２３９号公報
しかしながら、かかる構造では、複数のチップ状の抵抗体が絶縁基板上にはんだ付け等で載置されるため、絶縁基板の面積が大きくなり、自己消弧型パワー半導体装置の小型化、低コスト化が困難であった。
そこで、本発明は、ゲート発振が防止できかつ小型化の可能な自己消弧型パワー半導体装置の提供を目的とする。
本発明は、複数のパワー半導体素子を有する自己消弧型パワー半導体装置であって、放熱板と、放熱板上に配置された複数のパワー半導体素子と、複数のパワー半導体素子のゲート電極が並列に接続されたリードフレームと、放熱板上に、パワー半導体素子を覆うように設けられた封止樹脂とを含み、ゲート電極とリードフレームとが、金属抵抗体を介して接続されたことを特徴とするパワー半導体装置である。
本発明にかかるパワー半導体装置では、素子サイズを大きくすることなくパワー半導体素子のゲート間で発生するゲート発振を防止できる。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる自己消弧型パワー半導体装置の内部構造の斜視図であり、図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。
パワー半導体装置１００は、例えば銅からなる放熱板１を含む。放熱板１の上には、例えばＩＧＢＴやＦＥＴのようなパワー半導体素子２が、半田等により固着されている。また、放熱板１の上には、例えば銅からなるリードフレーム３のコレクタ端子（Ｃ）が、超音波溶接により接合されている。図１に示すように、リードフレーム３は、ゲート端子（Ｇ）、エミッタ端子（Ｅ）、およびコレクタ端子（Ｃ）に分かれている。ゲート端子（Ｇ）、エミッタ端子（Ｅ）は放熱板１に接触せず、中空に浮いた構造となっている。
リードフレーム３のエミッタ端子（Ｅ）は、パワー半導体素子２の表面に設けられたエミッタ電極に、アルミニウム等のボンディングワイヤで接続されている。また、コレクタ端子（Ｃ）は、パワー半導体素子２の裏面に設けられたコレクタ電極と電気的に接続されている。
一方、ゲート端子（Ｇ）に該当するリードフレーム３の先端には金属板５が、例えば超音波溶接により固着されている。金属板５は、抵抗値が略０．１Ω〜略１００Ωであり、例えば、コンスタンタン、クロメル、マンガニンから選択された金属の、矩形形状の板からなる。ゲート端子（Ｇ）は、金属板５を介して、アルミニウム等のボンディングワイヤ４で、パワー半導体素子２の表面に設けられたゲート電極に接続されている。
放熱板１の上には、パワー半導体素子２、ボンディングワイヤ４等を埋め込むように、例えばエポキシ樹脂からなるモールド樹脂６が設けられている。更に、放熱板１の裏面には、絶縁樹脂層７が設けられている。絶縁樹脂層７は、例えば酸化物や窒化物のフィラーを混入したシリコーン樹脂やエポキシ樹脂からなる。ただし、図１では、モールド樹脂６、絶縁樹脂層７を省略してある。
図３は、パワー半導体装置１００の回路図である。図３からわかるように、ゲート端子（Ｇ）であるリードフレーム３は２つに分岐し、その先端で抵抗体である金属板５を介してそれぞれのパワー半導体素子２のゲート電極に接続されている。上述のように、金属板５は、略０．１Ω〜略１０Ωの抵抗値を備えた抵抗体であり、ゲート抵抗として機能する。従って、金属板５を配置することにより、複数（ここでは２つ）のパワー半導体素子２を並列動作させる場合に、パワー半導体素子２のゲート間で発生するゲート発振を防止できる。
即ち、ゲート回路は、容量（Ｃ）成分及びコイル（Ｌ）成分を持つため、共振周波数に近い電流が流れたときに発振現象が生じるおそれがある。これに対して、パワー半導体装置１００では、抵抗成分を有する金属板５を設けることにより、発振のエネルギを熱に変換して消費し、ゲート発振を防止する。
また、例えばリードフレームの二つの電極の間にチップ抵抗体を半田付け等で配置し、リードフレームの各電極とチップ抵抗体とをボンディングワイヤで接合する構造に比べて、リードフレームの形状が簡単になり、製造工程も簡略化できる。また、素子サイズの小型化も可能となる。
図４は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示した上面図であり、図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。ただし、図１のパワー半導体装置１００とは異なり、Ｌ字型のリードフレーム３が２つの電極板５を有し、ボンディングワイヤ４を介してそれぞれのパワー半導体素子２のゲート電極１２に接続されている。
なお、各パワー半導体素子２には、合計５つの電極が設けられており、かかる５つの電極は、ゲート電極１２、電流センサ用電極、電圧センサ用電極、温度センサのアノード電極とカソード電極からなる。
また、Ｌ字型のリードフレーム３を用いた場合は、２つの電極板５の抵抗値を調整して、リードフレーム３の先端からそれぞれのゲート電極１２までの抵抗値が略等しくなるようにしてある。
一方、図５は、図４の比較例であり、図５中、図４と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図５の構造では、ゲート端子（Ｇ）のリードフレーム３は、金属板５を介して、一旦他のリードフレーム（吊りリード）に接続され、更にボンディングワイヤ４を介してそれぞれのパワー半導体素子２のゲート電極１２に接続されている。
図４と図５とを比較するとわかるように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、比較例に比べてリードフレーム３の数を２本少なくできる。このため、パワー半導体装置の小型化や製造コストの削減が可能となる。
実施の形態２．
図６は、本実施の形態にかかる自己消弧型パワー半導体装置に含まれる金属抵抗体１５の拡大図である。金属抵抗体１５は、導体部１５ａと、その両側に設けられた電極部１５ｂからなる。導体部１５ａの断面積は、電極部１５ｂの断面積より小さくなっている。
一方の電極部１５ｂは、ゲート端子（Ｇ）のリードフレーム３に固着されている。また、他方の電極部１５ｂは、ボンディングワイヤ４を介してパワー半導体素子のゲート電極（図示せず）に接続されている。
このように、導体部１５ａに比べて、電極部１５ｂの断面積を大きくし、広い電極部１５ｂを設けることにより、金属抵抗体１５とリードフレーム３との相対的な位置が多少変動しても、ボンディングワイヤ４の長さを変えずに両者を接続でき、ゲート電極とリードフレーム３との間の抵抗値の変動を防止できる。
また、画像認識を用いて金属抵抗体１５の位置の検出を行なう場合も、角が多い形状の方が、検出が容易となり生産性が高まる。
また、図６に示すように、リードフレーム３と接合する電極部１５ｂには、超音波接合を行なう際に、ツールにより圧痕１５ｃが形成される。このため、電極部１５ｂを覆うモールド樹脂との密着性が高まる。
従来のようにチップ状の抵抗体を半田付けした構造では、半田表面とモールド樹脂との接着性が低いため、剥離の起点となり、信頼性に問題が生じていた。これに対して、本実施の形態にかかる構造では、金属抵抗体１５をリードフレーム３に超音波接合するため、半田接合した場合のようにモールド樹脂との密着性が損なわれることなく抵抗体を内蔵できる。更に、ツールの圧痕１５ｃでモールド樹脂との密着性が向上するため、信頼性を高くできる。
実施の形態３．
図７は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示した上面図であり、図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図７に示すように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、パワー半導体素子２を制御するためのＩＣ１０がリードフレーム３に搭載されている。ＩＣ１０は複数の電極を有し、それぞれがリードフレーム３にボンディングワイヤで接続されている。
パワー半導体素子２では、パワー半導体素子２に含まれる複数のゲート電極に対して、ゲート電圧を与えるための電荷を瞬時に移動させる必要がある。具体的には、数マイクロ秒の間に１Ａ程度の電流を流す必要がある。
この時、ゲート発振を防止するためのゲート抵抗をＩＣ１０に内蔵される構成では、ＩＣ１０の発熱が大きく、ＩＣ１０の温度が上昇して誤動作が発生する。このため、ＩＣ１０を放熱板に搭載して、放熱を確保する必要がある。
これに対して、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、ゲート抵抗をＩＣ１０から分離し、ＩＣ１０の外部に金属板５として設けている。かかる構造では、大きなゲート電流が金属板５に流れて金属板５の温度が上昇しても、ＩＣ１０の制御性には影響しない。このため、ＩＣ１０を冷却するための放熱板が不要となり、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
図８は、図７の比較例であり、図７中、図８と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図８の構造ではリードフレーム３に載置された金属板５が、更に他のリードフレーム（吊りリード）を介してボンディングワイヤ４で電極１２に接続されている。これに対して、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、リードフレーム３に載置された金属板５が、直接、ボンディングワイヤ４で電極１２に接続されているため、リードフレームの本数が、それぞれ１本ずつ少なくなり、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
実施の形態４．
図９は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示した上面図であり、図９中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図９に示すように、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、パワー半導体素子２を制御するためのＩＣ１０がリードフレーム３に搭載されており、かつ１つのＩＣ１０で、２つのパワー半導体素子２を制御する構造となっている。
本実施の形態にかかるパワー半導体装置においても、ゲート抵抗をＩＣ１０から分離して外部に金属板５として設けることにより、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
図１０は、図９の比較例であり、図１０中、図９と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。図１０の構造ではリードフレーム３に載置された金属板５が、更に他のリードフレーム（吊りリード）を介してボンディングワイヤ４で電極１２に接続されている。これに対して、本実施の形態にかかるパワー半導体装置では、金属板５が、直接、ボンディングワイヤ４で電極１２に接続されているため、リードフレームの本数が２本少なくなり、パワー半導体装置の小型化が可能となる。
実施の形態５．
図１１は、本実施の形態にかかるパワー半導体装置の一部の拡大図である。図１１は、パワー半導体素子２とリードフレーム３の接続部分であり、図１１中、図１と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
かかるパワー半導体装置では、実施の形態１等のように金属抵抗体として金属板５を用いる代りに、ボンディングワイヤを金属抵抗体として用いるものである。図１１に示すように、本実施の形態では、ボンディングワイヤ１４が、パワー半導体素子２の電極とリードフレーム３との間を直接、接続する。ボンディングワイヤ１４には、例えば、クロメル、コンスタンタン、マンガニンのような、電気抵抗率の変化が１００度あたり５％以下の材料が用いられる。また、ボンディングワイヤ１４は、例えば、抵抗値が略０．１Ω〜略１００Ωとなるように、その直径と長さが調整される。
このように、ボンディングワイヤ１４をゲート抵抗とすることにより、金属板が不要となるとともに、金属板をフレームに接合する工程も省略でき、製造コストの低減が可能となる。
また、リードフレーム３の先端の電極サイズは、好適には、パワー半導体素子２の表面の電極パッドサイズの３倍以上である。かかる構造とすることにより、パワー半導体素子２とリードフレーム３との位置関係が、例えば半田付けの位置精度などにより多少変動しても、ワイヤボンディング１４の長さを変えることなく両者の間を接続できる。即ち、ワイヤボンディング１４の有する抵抗値を常に一定とすることができる。
本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の内部構造の斜視図である。 図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の回路図である。 本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示す上面図である。 比較例の上面図である。 本発明の実施の形態２にかかるパワー半導体装置に含まれる金属抵抗体の拡大図である。 本発明の実施の形態３にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示す上面図である。 比較例の上面図である。 本発明の実施の形態４にかかるパワー半導体装置の一部を詳細に示す上面図である。 比較例の上面図である。 本発明の実施の形態５にかかるパワー半導体装置の一部の拡大図である。
符号の説明
１ 放熱板、２ パワー半導体素子、３ リードフレーム、４ ボンディングワイヤ、５ 金属板、６ モールド樹脂、７ 絶縁樹脂層、１０ ＩＣ、１２ 電極、１５金属抵抗体、１００ パワー半導体装置。

Claims (6)

  1. 複数のパワー半導体素子を有する自己消弧型パワー半導体装置であって、
    放熱板と、
    該放熱板上に配置された複数のパワー半導体素子と、
    複数の該パワー半導体素子のゲート電極が並列に接続されたリードフレームと、
    該放熱板上に、該パワー半導体素子を覆うように設けられた封止樹脂とを含み、
    該ゲート電極と該リードフレームとが、金属抵抗体を介して接続されたことを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 上記金属抵抗体が、導体部と該導体部の両側に設けられた電極部からなる金属板であり、
    一方の電極部が、上記リードフレームに固着され、他方の電極部が、ボンディングワイヤを介して上記ゲート電極に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
  3. 上記導体部の断面積が、上記電極部の断面積より小さいことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体装置。
  4. 上記金属抵抗体が、ボンディングワイヤからなることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体装置。
  5. 上記金属抵抗体が、コンスタンタン、クロメル、マンガニンからなる群から選択される材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパワー半導体装置。
  6. 上記金属抵抗体が、略０．１Ω〜略１００Ωの抵抗値を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパワー半導体装置。

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