(57)【要約】      （修正有）【課題】平滑コンデンサを備えるパワー半導体装置の配線低インダクタンスを図るとともに小型化を図る。【解決手段】パワー半導体装置は、パワー半導体回路部２と、複数の平滑コンデンサ１４と、正極導体部３１及び負極導体部３２と、封止材１３と、を備える。平滑コンデンサ１４は、正極導体部３１と負極導体部３２により挟まれるコンデンサ回路部３を構成する。パワー半導体回路部２は、封止材１３から露出する第１露出面と、封止材１３から露出しかつ当該第１露出面とは反対側に設けられる第２露出面とを有し、第１露出面と重なる平面を第１平面Ｆ１、第２露出面と重なる平面を第２平面Ｆ２と定義するときコンデンサ回路部３は、第１平面Ｆ１と第２平面Ｆ２の間の空間に納まるように形成され、正極導体部３１又は負極導体部３２は、複数の平滑コンデンサ１４の一部を収納する凹部４１を形成する。【選択図】図４
2020120455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体回路部と、
複数の平滑コンデンサと、
前記パワー半導体回路部及び前記複数の平滑コンデンサを接続する正極導体部及び負極導体部と、
前記パワー半導体回路部と前記コンデンサと前記正極導体部と負極導体部を封止する封止材と、を備え、
前記平滑コンデンサは、前記正極導体部と前記負極導体部により挟まれるコンデンサ回路部を構成し、
前記パワー半導体回路部は、前記封止材から露出する第１露出面と、前記封止材から露出しかつ当該第１露出面とは反対側に設けられる第２露出面とを有し、
前記第１露出面を重なる平面を第１平面、前記第２露出面を重なる平面を第２平面と定義し、
前記コンデンサ回路部は、前記第１平面と前記第２平面の間の空間に納まるように形成され、
前記正極導体部又は前記負極導体部は、前記複数の平滑コンデンサの一部を収納する凹部を形成するパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体装置であって、
前記コンデンサ回路部は、前記第１平面と前記第２平面の間の空間より小さくなるように形成されるパワー半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパワー半導体装置であって、
前記正極導体部又は前記負極導体部は、前記パワー半導体回路部と前記コンデンサ回路部の間に設けられかつ前記複数の平滑コンデンサの配列方向に対して角度を有するように形成される傾斜部を有するパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載のいずれかのパワー半導体装置であって、
前記平滑コンデンサは、当該平滑コンデンサの長手方向が半導体素子の電極面に直角になるように配置され、かつ前記正極導体部と前記負極導体部に挟まる空間に配置されるパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に係り、特に直流電力から交流電力に変換する電力変換装置に用いられるパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境規制の高まりを背景にＥＶ向けのインバータ市場が世界的に急伸している。一方，ＳｉＣなど高キャリア周波数駆動のインバータが注目されており，高キャリア周波数駆動を実現するための低インダクタンス構造が必要とされている。
【０００３】
特許文献１に記載されたパワー半導体装置は、負極導体部と正極導体部が同一の面にてパワー半導体素子部とコンデンサを配置しているために、コンデンサの厚みをパワー半導体素子部の厚みに調整する必要があり設計自由度が低く、コンデンサの大きさと１台のパワー半導体装置当たりに利用できるコンデンサの数に制限があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８９２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明に係る課題は、平滑コンデンサを備えるパワー半導体装置の配線低インダクタンスを図るとともに小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るパワー半導体装置は、パワー半導体回路部と、複数の平滑コンデンサと、前記パワー半導体回路部及び前記複数の平滑コンデンサを接続する正極導体部及び負極導体部と、前記パワー半導体回路部と前記コンデンサと前記正極導体部と負極導体部を封止する封止材と、を備え、前記平滑コンデンサは、前記正極導体部と前記負極導体部により挟まれるコンデンサ回路部を構成し、前記パワー半導体回路部は、前記封止材から露出する第１露出面と、前記封止材から露出しかつ当該第１露出面とは反対側に設けられる第２露出面とを有し、前記第１露出面を重なる平面を第１平面、前記第２露出面を重なる平面を第２平面と定義し、前記コンデンサ回路部は、前記第１平面と前記第２平面の間の空間に納まるように形成され、前記正極導体部又は前記負極導体部は、前記複数の平滑コンデンサの一部を収納する凹部を形成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、平滑コンデンサを備えるパワー半導体装置の配線インダクタンスを低減する小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１（ａ）】本実施形態に係るパワー半導体装置１の一方側から見た全体斜視図である。
【図１（ｂ）】本実施形態に係るパワー半導体装置１の他方側から見た全体斜視図である。
【図２（ａ）】本実施形態に係るパワー半導体装置１の回路図である。
【図２（ｂ）】本実施形態に係るパワー半導体装置１を用いた電力変換装置の回路図である。
【図３】封止部材１３及びエミッタ側セラミクス基板３６を取り除きかつ正極導体部３１及び負極導体部３２を透過してパワー半導体素子とコンデンサ１４の配置を示したパワー半導体装置１の透過平面図である。
【図４】図１（ａ）の平面Ｓ１に対して矢印方向ａから見たパワー半導体装置１の断面図である。
【図５】図１（ａ）の平面Ｓ２に対して矢印方向ｂから見たパワー半導体装置１の断面図である。
【図６】他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
【図７】正極導体部３１に形成された凹部４１に複数のコンデンサ１４を収納したときの変形例を示す斜視図である。
【図８】図１ないし７に示された２ｉｎ１のパワー半導体装置１を組み合わせて６ｉｎ１のパワー半導体装置を構成した全体斜視図である。
【図９（ａ）】パワー半導体装置１の製造工程を示す断面図である。
【図９（ｂ）】パワー半導体装置１の製造工程を示す断面図である。
【図９（ｃ）】パワー半導体装置１の製造工程を示す断面図である。
【図９（ｄ）】パワー半導体装置１の製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る構造体の実施の形態として、車両搭載用の電力変換装置に用いられるパワー半導体装置について説明する。パワー半導体素子、パワー半導体素子を搭載する導体部、当該導体板と電気的に接続される絶縁樹脂板としてのセラミクス基板、図面を参照して説明する。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。
【００１０】
図１（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体装置１の一方側から見た全体斜視図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体装置１の他方側から見た全体斜視図である。図４は、図１（ａ）の平面Ｓ１に対して矢印方向ａから見たパワー半導体装置１の断面図である。図５は、図１（ａ）の平面Ｓ２に対して矢印方向ｂから見たパワー半導体装置１の断面図である。
【００１１】
パワー半導体装置１は、直流電圧が印加される正極端子２１および負極端子２２と、交流電圧が出力される交流出力端子２３と、パワー半導体素子を制御する制御信号を伝達する制御用端子２４と、を備える。
【００１２】
パワー半導体素子は、図４に示される上アームのＩＧＢＴ１０Ｕ及び上アームのダイオード１１Ｕと、図５に示される下アームのＩＧＢＴ１０Ｌ及び下アームのダイオード１１Ｌと、により構成される。
【００１３】
図４及び図５に示されるように、封止部材１３は、パワー半導体素子、正極導体部３１及び負極導体部３２と、コレクタ側セラミクス基板３３と、エミッタ側セラミクス基板３６と、コンデンサ１４と、を封止する。封止部材１３は、絶縁性の樹脂等により構成される。
【００１４】
図１（ａ）に示されるように、正極端子２１及び負極端子２２は、封止部材１３の一方の側面から同一方向に突出する。交流出力端子２３及び制御用端子２４は、封止部材１３の一方の側面とは反対側の他方の側面から同一方向に突出する。
【００１５】
図１（ａ）に示されるように、エミッタ側セラミクス基板３６の金属メタライズ部３８が封止部材１３の主表面から露出する。図１（ｂ）に示されるように、コレクタ側セラミクス基板３３の金属メタライズ部３５が封止部材１３の主表面から露出する。
【００１６】
図２（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体装置１の回路図である。図２（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体装置１を用いた電力変換装置の回路図である。
【００１７】
正極導体部３１は、正極端子２１を介してバッテリ５とコンデンサ１４の正極側に接続される。負極端子部３２は、負極端子２２を介してバッテリ５とコンデンサ１４の負極側に接続される。
【００１８】
本実施形態のパワー半導体装置１は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。２ｉｎ１構造の他にも、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造、６ｉｎ１構造等を用いた場合、パワー半導体装置を小型化することができる。上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用ＩＧＢＴ１０Ｕと上アーム用ダイオード１１Ｕとを備え、下アーム回路は、下アーム用ＩＧＢＴ１０Ｌと下アームダイオード１１Ｌとを備える。
【００１９】
図２（ｂ）に示されるように、電力変換装置を含む電動システムは、複数のパワー半導体回路部２と、複数のコンデンサ１４と、モータ４、バッテリ５と、を備えている。
【００２０】
ＩＧＢＴは駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ５から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。パワー半導体素子とコンデンサ１４間のＬ成分（インダクタンス）を低減すると、サージ電圧を抑えられるため、耐圧が向上する。２ｉｎ１から６ｉｎ１にしたとき、コンデンサ１４が並列に接続されるために、パワー半導体装置のコンデンサ容量が増加する。
【００２１】
図３は、封止部材１３及びエミッタ側セラミクス基板３６を取り除きかつ正極導体部３１及び負極導体部３２を透過してパワー半導体素子とコンデンサ１４の配置を示したパワー半導体装置１の透過平面図である。
【００２２】
図３中に示される矢印は、正極端子２１および負極端子２２までパワー半導体素子を経由する電流の流れを示す。
【００２３】
図４及び図５に示されるように、複数のコンデンサ１４は、当該コンデンサ１４の正極側電極と負極側電極の配列方向が上アームＩＧＢＴ１０Ｕのエミッタ電極とコレクタ電極の配列方向に平行になるように配置される。
【００２４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示された金属メタライズ部３５と金属メタライズ部３８の露出部は、パワー半導体素子と正極導体部３１と負極導体部３２とコンデンサ１４の熱を放熱する。
【００２５】
図４及び図５に示されるように、パワー半導体回路部２は、エミッタ側セラミクス基板３６と、負極導体部３２の一部と、ＩＧＢＴ及びダイオードと、正極導体部３１の一部と、コレクタ側セラミクス基板３３と、により構成される。
【００２６】
エミッタ側セラミクス基板３６は、ＩＧＢＴ１０Ｌとダイオード１１Ｌの放熱面を形成する金属メタライズ部３８と、はんだ１２を介して負極導体部３２や交流出力端子２３と接続される金属回路部３７と、により構成される。
【００２７】
コレクタ側セラミクス基板３３は、ＩＧＢＴ１０Ｌとダイオード１１Ｌの放熱面を形成する金属メタライズ部３５と、はんだ１２を介して正極導体部３１や交流出力端子２３や制御用端子２４と接続される金属回路部３４と、により構成される。
【００２８】
ボンディングワイヤ１５は、制御用端子２４と接続される金属回路部３４とＩＧＢＴ１０Ｌの制御電極とを接続する配線であり、ＡＩ等により構成される。またはんだ１２は、金属を溶融させて固化した接合材を想定しており、焼結材等の接合部材を用いてもよい。接合部材として焼結材を用いることにより、歩留まりや組立性を向上する効果がある。
【００２９】
図４及び図５に示されるように、コンデンサ回路部３は、負極導体部３２の一部と、複数のコンデンサ１４と、正極導体部３１の一部と、により構成される。正極導体部３１のベント部４２は、コンデンサ回路部３とパワー半導体回路部２の間に形成される。
【００３０】
図４に示されるように、正極導体部３１に形成されたベント部４２は、複数のコンデンサ１４の配列方向と平行な面に対して傾斜するように角度を有する。これにより、パワー半導体装置１は、ディスクリートのコンデンサの大きさに合わせ易くなり、組立性を向上しながらパワー半導体装置１の大型化抑制に寄与する。
【００３１】
ここで、封止部材１３から露出する金属メタライズ部３８の面を第１露出面と、封止部材１３から露出する金属メタライズ部３５の面を第２露出面と、定義する。さらに第１露出面を重なる平面を第１平面Ｆ１、第２露出面を重なる平面を第２平面Ｆ２と定義する。
【００３２】
本実施形態に係るコンデンサ回路部３は、第１平面Ｆ１と第２平面Ｆ２の間の空間のよりも小さく形成される。さらに正極導体部３１及び負極導体部３２は、それぞれのコンデンサ１４の一部を収納するための凹部４１を形成する。
【００３３】
これによりコンデンサ回路部３の高さ方向の大型化を抑制しかつパワー半導体装置１の大型化抑制に寄与する。なお、凹部４１は、正極導体部３１と負極導体部３２のいずれか一方に形成されるようにして良い。
【００３４】
ベント部４２は正極導体部３１と負極導体部３２の間の距離を変えられるため、コンデンサ１４を搭載するための設計自由度が大きくなり、ディスクリートタイプのコンデンサを利用できる。
【００３５】
またパワー半導体素子の間にコンデンサを配置しないため、パワー半導体装置１台あたりに利用できるコンデンサ数の制限が少なくなる。正極導体部３１または負極導体部３２に凹部４１を設けることで、正極導体部３１と負極導体部３２の距離が狭まりインダクタンスが低下するために、サージ電圧が低下し、耐圧が向上する。凹部４１はコンデンサ１４の位置決めと搭載を容易にする。コンデンサ１４をはんだ等の接合材で組み立てる際に、コンデンサの位置決めをするための冶具は不要となる。
【００３６】
図６は、他の実施形態に係るパワー半導体装置の断面図である。
【００３７】
本実施形態に係るコンデンサ回路部３は、第１平面Ｆ１と重なりかつ封止部材１３から露出する負極導体部３２と、第２平面Ｆ２と重なりかつ封止部材１３から露出する正極導体部３１と、を有する。さらに正極導体部３１及び負極導体部３２は、それぞれのコンデンサ１４の一部を収納するための凹部４１を形成する。これにより、コンデンサ回路部３の冷却性能を向上させる。
【００３８】
図７は、正極導体部３１に形成された凹部４１に複数のコンデンサ１４を収納したときの変形例を示す斜視図である。
【００３９】
図７に示される矢印は、電流の流れを示す。本実施形態においては、凹部４１は、複数のコンデンサ１４の配列に沿って形成される長手方向と、当該配列方向に対して直角方向に形成される短手方向と、を有する。
【００４０】
そして、凹部４１の長手方向が電流の流れに平行になるように配置されることで、配線インダクタンスが低減する。また凹部４１の面積が広くなるほど、はんだや焼結材等の接合材の収納が容易となり、組立性が向上する。
【００４１】
図８は、図１ないし７に示された２ｉｎ１のパワー半導体装置１を組み合わせて６ｉｎ１のパワー半導体装置を構成した全体斜視図である。
【００４２】
ここで２ｉｎ１とは、封止部材により包まれた１つのパワー半導体装置を１つのモジュールとして、１つのモジュール内に、上アームと下アームの回路単位を２つ内蔵させるものを言う。つまり６ｉｎ１は、１つのパワー半導体装置に上アームを３つ、下アームを３つ有する。２ｉｎ１から６ｉｎ１に一体化することで、パワー半導体装置を小型にすることができる。
【００４３】
図９（ａ）ないし図９（ｄ）は、パワー半導体装置１の製造工程を示す断面図である。
【００４４】
図９（ａ）に示されるように、コレクタ側セラミクス基板の金属回路部３４に、はんだ１２を介して、正極導体部３１、制御端子２４等の端子を搭載する。なお、はんだ１２は、焼結材等により構成しても良い。
【００４５】
はんだ１２を介して、正極導体部３１にパワー半導体素子を搭載し、さらに正極導体部３１の凹部４１にコンデンサ１４を搭載する。さらにパワー半導体素子のエミッタ電極面とコンデンサ１４にはんだ１２を介して、負極側導体３２を搭載し接続する。
【００４６】
正極導体部３１と負極導体部３２は、電気伝導性を有する金属材料であれば特に制約されないが、電気伝導性が高い銅が望ましい。軽量化や低コスト化のためにアルミを用いてもよい。
【００４７】
図９（ｂ）に示されるように、上アームＩＧＢＴ１０Ｕ及び下アームＩＧＢＴ１０Ｌとセラミクス基板の金属回路部３４の間にＡｌワイヤボンディング１５を接続する。
【００４８】
図９（ｃ）に示されるように、はんだ１２を介して負極導体部３２にエミッタ側セラミクス基板３６を搭載する。
【００４９】
図９（ｄ）に示されるように、トランスファーモールドにより樹脂封止し、封止部材１３として機能するトランスファーモールド部を形成する。コンデンサ１４を正極端子２１と負極端子２２の間に近接配置するとインダクタンスは低減するが、絶縁性が低下する。絶縁性を確保するためにコンデンサ１４を一括で封止することが望ましい。
【符号の説明】
【００５０】
１…パワー半導体装置、２…パワー半導体回路部、３…コンデンサ回路部、４…モータ、５…バッテリ、１０Ｕ…上アームのＩＧＢＴ、１０Ｌ…下アームのＩＧＢＴ、１１Ｕ…上アームのダイオード、１１Ｌ…下アームのダイオード、１２…はんだ、１３…封止部材、１４…コンデンサ、１５…ボンディングワイヤ、２１…正極端子、２２…負極端子、２３…交流出力端子、２４…制御用端子、３１…正極導体部、３２…負極導体部、３３…コレクタ側セラミクス基板、３４…コレクタ側セラミクス基板の金属回路部、３５…コレクタ側セラミクス基板の金属メタライズ部、３６…エミッタ側セラミクス基板、３７…エミッタ側セラミクス基板の金属回路部、３８…エミッタ側セラミクス基板の金属メタライズ部、４１…凹部、４２…ベント部、Ｆ１…第１平面、Ｆ２…第２平面
【図１（ａ）】
2020120455.tif 000003
【図１（ｂ）】
2020120455.tif 000004
【図２（ａ）】
2020120455.tif 000005
【図２（ｂ）】
2020120455.tif 000006
【図３】
2020120455.tif 000007
【図４】
2020120455.tif 000008
【図５】
2020120455.tif 000009
【図６】
2020120455.tif 000010
【図７】
2020120455.tif 000011
【図８】
2020120455.tif 000012
【図９（ａ）】
2020120455.tif 000013
【図９（ｂ）】
2020120455.tif 000014
【図９（ｃ）】
2020120455.tif 000015
【図９（ｄ）】
2020120455.tif 000016