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JP3941728B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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JP3941728B2
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御用インバータなどの電力変換装置に適用するＩＧＢＴモジュールを実施対象とした電力用半導体装置の組立構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭記のインバータに適用するＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor) モジュールを例に、絶縁基板に２組のＩＧＢＴを搭載し、ボンディングワイヤ方式により内部配線してインバータ回路の１相分を構成した電力用半導体装置の従来における組立構造を図２に、またその等価回路を図３に示す。各図において、１は絶縁基板（例えば、Direct Bonding Copper 基板）、２，３は絶縁基板１に搭載したＩＧＢＴ、４，５は前記ＩＧＢＴ２の側方に並置して逆並列に接続したＦＷＤ（フリーホイーリングダイオード）、６，７は＋極，−極の直流入力端子、８は交流出力端子、９はボンディングワイヤ（Alワイヤ）である。
【０００３】
ここで、２組のＩＧＢＴ２，３はコレクタ電極を下に向け、またＦＷＤ４，５はカソード電極を下に向けてそれぞれのチップを絶縁基板１の上面に形成した銅回路パターン１ａ，１ｂに振り分けて半田マウントし、さらにＩＧＢＴ２のチップ上面側のエミッタ電極，ＦＷＤ４のアノード電極と銅回路パターン１ｂとの間、およびＩＧＢＴ３のエミッタ電極，ＦＷＤ５のアノード電極との間がそれぞれボンディングワイヤ９で接続されている。また、＋極，−極のの入力端子４，５をそれぞれ銅回路パターン１ａ，１ｃに半田接合して外部に引き出し、出力端子を銅回路パターン１ｂに半田接合して引き出し、これでインバータ回路の１相分の上アームと下アームに対応するＩＧＢＴモジュールを構成している。
【０００４】
そして、上記のＩＧＢＴモジュールを用いて単相インバータのブリッジ回路を構築するには２基のモジュールを並列に接続し、３相ブリッジ回路を構成するには３基を並列に接続する。なお、インバータの動作，およびＩＧＢＴモジュールの通電制御については周知であり、ここでは説明を省略する。
ところで、昨今では電力変換装置の小型化，高密度化に合わせてＩＧＢＴモジュールを小型，コンパクトに構成する要求がますます高まっている。かかる点、前記構成のようにＩＧＢＴ，ＦＷＤの各チップを絶縁基板に平面的に並べて搭載した組立構造では絶縁基板のチップ実装面積が大きくなってパッケージが大形となる。また、主回路の内部配線にボンディングワイヤを採用したものでは、電流通電によるAlワイヤ自身のジュール発熱，およびその放熱性に問題があって小型，高密度化への対応が困難である。
【０００５】
一方、ＩＧＢＴモジュールを小形化するために、ＦＷＤをＩＧＢＴのチップの上に積み重ねて絶縁基板の実装面積を縮減するするようにした組立構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、配線抵抗の低減とジュール発熱量を低く抑えるために、ボンディングワイヤの代わりに幅広なリードフレーム（銅板）を採用した組立構造のＩＧＢＴモジュールも知られているる（例えば、特許文献２参照。）。
図４(a),(b) は上記構造を採用して絶縁基板に２組のＩＧＢＴ，ＦＷＤを実装して構成した２個組ＩＧＢＴモジュールの組立構造図であり、ＦＷＤ４，５はそれぞれアノード電極を下に向けてＩＧＢＴ２，３のエミッタ電極（上面）の上に配線用のリードフレーム１１，１２を挟んで積層，半田接合し、さらにＦＷＤのカソード電極（上面）に配線用のリードフレーム１３，１４を半田接合している。そして、リードフレーム１３，１４の他端を絶縁基板１の銅回路パターン１ａ，１ｂに半田付けしてＩＧＢＴ２，３と逆並列に接続し、またリードフレーム１１の他端は銅回路パターン１ｂに半田付けしてＩＧＢＴ２と３を直列に接続し、さらにリードフレーム１２の他端は銅回路パターン１ｃに半田付けした上で、この銅回路パターン１ｃから−極の入力端子７を引き出すようにしている。なお、図中で１ｄは絶縁基板（Direct Bonding Copper 基板）１のセラミック板、１ｅはその裏面側の形成した銅パターンであり、図示してないが絶縁基板１はパッケージの放熱用金属ベース板に搭載して半田接合している。
【０００６】
上記の構成によれば、図２の構成と比べて絶縁基板１のチップ実装面積がほぼ半分となるのでモジュールを小型に構成できる。また、内部配線としてボンディングワイヤの代わりに幅広なリードフレーム（例えば、幅７mm，厚さ０．５mmの銅板）を用いたことで、配線抵抗，および通電に伴うジュール発熱量が低減し、さらにリードフレーム自身を熱伝導体として放熱性を高めることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１６４８００号公報
【特許文献２】
特開２００２−７６２５４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４のモジュール組立構造についても、次記のようにさらに改良すべき課題がある。すなわち、
(1) 絶縁基板１に対して二組のＩＧＢＴ２，３を左右に並べて搭載していることから、パッケージの小型，コンパクト化には限界がある。
(2) また、ＩＧＢＴのスイッチング動作時には主回路のインダクタンス成分により急峻なサージ電圧が発生する。このサージ電圧d は、素子の特性で決まる電流変化を(di/dt),インダクタンスをLとして、d ＝L(di/dt)で表されるようにインダクタンスL の値に比例し、このサージ電圧が高くなるとスイッチング損失が大きくなって電力変換装置の動作特性が悪化する。
【０００９】
したがって、内部の配線インダクタンスを低減することが重要であり、その配線インダクタンス低減手段として、ＩＧＢＴの単独モジュールについては、配線導体の相互誘導作用を利用してコレクタ電極とエミッタ電極を近接配置するなどの配線インダクタンス低減手段が従来から採用されている。
ところで、図４に示した２個組ＩＧＢＴモジュールの構成では、主回路電流の通電路となる絶縁基板１の銅回路パターン１ａ，１ｂをＩＧＢＴ２，３の配列に合わせて左右に離間して形成してことから、銅回路パターン間の電磁的な結合度（相互誘導作用）が小さく、そのためにモジュール内部の配線インダクタンス（浮遊インダクタンス）が電力変換装置（インバータ）の動作特性に及ぼす影響が大きくなるといった問題がある。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、図４に示した組立構造をさらに改良してパッケージの小型，コンパクト化を達成し、併せて配線インダクタンスを低減して動作特性の向上化が図れるようにした電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板の銅回路パターン上に二組のパワー半導体チップおよび該パワー半導体チップに逆並列接続するダイオードチップを搭載し、かつ前記パワー半導体チップの間を直列に配線した上で、銅回路パターンから入力端子および出力端子を引き出した電力用半導体装置において、
前記の絶縁基板を二枚に分けて各絶縁基板に一組のパワー半導体チップ，ダイオードチップ，および配線用リードフレームを上下に積層して実装した上で、双方の絶縁基板を上下向かい合わせに重ねて近接配置し、かつ入，出力端子を通じて各絶縁基板の銅回路パターンおよびリードフレームに流れる電流が逆向きとなるように絶縁基板の間を接続するものとし（請求項１）、その具体的な接続手段として上下に並ぶ絶縁基板の銅回路パターンの間をコ字形に屈曲した出力端子を介して接続する（請求項２）。
【００１２】
上記構成のように、二組のパワー半導体チップ（ＩＧＢＴ），ダイオード（ＦＷＤ）を２枚の絶縁基板に振り分けて積み重ね実装した上で、各絶縁基板を上下向かい合わせに配置したことにより、一枚の絶縁基板に二組のパワー半導体チップ，ダイオードを左右に並置して実装した従来構成と比べて、パッケージが占有する底面積が半分に縮小して半導体装置のパッケージを小型，コンパクトに構成できる。
また、向かい合わせに接近して配置した絶縁基板について、各絶縁基板の銅回路パターン，配線用リードフレームに流れる主回路電流が互いに逆向きとなるように絶縁基板の間を配線したことにより、銅回路パターン間の相互誘導作用と相まってトータル的なモジュール内部の配線インダクタンスを低減できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例において、図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
図示実施例においては、絶縁基板を二枚の絶縁基板１Ａと１Ｂとに分割した上で、各絶縁基板に振り分けてインバータ回路１相分の上アーム，下アームに対応するＩＧＢＴ，ＦＷＤ，および配線用のリードフレームが次記のように実装されている。すなわち、絶縁基板１Ａには銅回路パターン１Ａ-a，１Ａ-bを形成し、ここに図４と同様にＩＧＢＴ２，ＦＷＤ４，リードフレーム１１，１３を積層して実装し、一方の絶縁基板１Ｂには銅回路パターン１Ｂ-a，１Ｂ-bを形成し、ここにＩＧＢＴ３，ＦＷＤ５，リードフレーム１２，１４を前記と同様に積層して実装する。そして、絶縁基板１Ａは実装面を上に、絶縁基板１Ｂは実装面を下に向けて、双方の基板が上下に向き合うよう近接配置した上で、絶縁基板１Ａの銅回路パターン１Ａ-bと絶縁基板１Ｂの銅回路パターン１Ｂ-aとの間に断面コ字形に屈曲した出力端子８を介して直列に接続し、さらに絶縁基板１Ａの銅回路パターン１Ａ-a，１Ｂ-bから＋極, −極の入力端子６，７を外部に引き出して２個組のＩＧＢＴモジュールを構成している。
【００１４】
なお、前記リードフレーム１１〜１４とＩＧＢＴ，ＦＷＤとは半田付け，あるいは導電性接着剤で接合するものとし、半田接合の場合には半田の密着性を高めるために、あらかじめ半田接合面にＡｕ／Ｎｉなどのめっき処理を施しておくのが良い。
上記した組立構造によれば、二枚の絶縁基板１Ａと１Ｂを上下に重ねた分だけモジュールの高さが増すが、モジュールが占有する底面積は図４に示した従来構造の約半分となってパッケージを小型，コンパクトに構成できる。
また、絶縁基板１Ａ，１Ｂの電流経路は以下のようになる。すなわち、インバータの上アームを形成する絶縁基板１Ａの回路では、＋極の入力端子６から流入した電流は絶縁基板１Ａの銅回路パターン１Ａ-a→ＩＧＢＴ２のコレクタ電極→ＩＧＢＴ２のエミッタ電極→リードフレーム１１→銅回路パターン１Ａ-b→出力端子８を通じてモータなどの負荷（図示せず）に出力される。一方、インバータの下アームを形成する絶縁基板１Ｂの回路では、負荷側から戻ってきた電流は、出力端子８→絶縁基板１Ｂの銅回路パターン１Ｂ-a→ＩＧＢＴ3 →リードフレーム１２→銅回路パターン１Ｂ-b→−極の入力端子７の経路を流れる。また、逆回復時の電流は、前記とは逆にＦＷＤ４，５を通る経路となる。
【００１５】
上記の電流経路から判るように、＋極の端子６から絶縁基板１Ａの回路を経て出力端子８に流れる電流と、出力端子８から絶縁基板１Ｂの回路を経て−極の端子に流れる電流との向きが逆で、かつ絶縁基板１Ａと１Ｂとが向かい合って近接配置されていることから電磁的な結合が高くなり、その相互誘導作用により配線インダクタンスが図４の構成と比べて低減する。なお、この点について発明者が試算したところによれば、図４の従来構造では入力端子から出力端子に至る電流経路での配線インダクタンスは10.32nH であったが、図１に示す実施例の構造とすることで、同じ経路のインダクタンスは0.12nHであり、従来の約1.2%にまで低減できることが確認されている。これにより、スイッチング動作に伴うサージ電圧が低くなってインバータの動作特性が向上する。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、絶縁基板の銅回路パターン上に二組のパワー半導体チップおよび該パワー半導体チップに逆並列接続するダイオードチップを搭載し、かつ前記パワー半導体チップの間を直列に配線した上で、銅回路パターンから入力端子および出力端子を引き出した電力用半導体装置において、前記の絶縁基板を二枚に分けて各絶縁基板に一組のパワー半導体チップ，ダイオードチップ，および配線用リードフレームを上下に積層して実装した上で、双方の絶縁基板を上下向かい合わせに重ねて近接配置し、かつ入，出力端子を通じて各絶縁基板の銅回路パターンおよびリードフレームに流れる電流が逆向きとなるように絶縁基板の間を接続したことにより、
パッケージの小型化，高密度化と併せて、内部の配線インダクタンスを低減してスイッチング動作特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるＩＧＢＴモジュールの組立構造を表す側面図
【図２】従来における２個組ＩＧＢＴモジュールの組立構造を表す平面図
【図３】図２の等価回路図
【図４】図２と異なる従来例の２個組ＩＧＢＴモジュール組立構造図で、(a),(b) はそれぞれ平面図および側面図
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ 絶縁基板
１Ａ-a, １Ａ-b, １Ｂ-a, １Ｂ-b 銅回路パターン
２，３ ＩＧＢＴ（パワー半導体チップ）
４，５ ＦＷＤ（ダイオードチップ）
６，７ 入力端子
８ 出力端子
１１〜１４ 配線用のリードフレーム

Claims (2)

  1. 電力変換装置に適用する電力用半導体装置であって、絶縁基板の銅回路パターン上に二組のパワー半導体チップおよび該パワー半導体チップに逆並列接続するダイオードチップを搭載し、かつ前記パワー半導体チップの間を直列に配線した上で、銅回路パターンから入力端子および出力端子を引き出したものにおいて、
    前記の絶縁基板を二枚に分けて各絶縁基板に一組のパワー半導体チップ，ダイオードチップ，および配線用リードフレームを上下に積層して実装した上で、双方の絶縁基板を上下向かい合わせに重ねて近接配置し、かつ入，出力端子を通じて各絶縁基板の銅回路パターンおよびリードフレームに流れる電流が逆向きとなるように絶縁基板の間を接続したことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、二分して上下に並ぶ絶縁基板の銅回路パターンの間をコ字形に屈曲した出力端子を介して接続したことを特徴とする電力用半導体装置。
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