(57)【要約】【課題】本発明は低インダクタンスを実現すると同時に組立性と放熱性を向上させた半導体モジュールの提供を目的とする。【解決手段】半導体モジュール１００は、直列に接続された第１、第２の半導体素子１３、１１と、絶縁基板と、絶縁基板の第１主面、第２主面側に形成された第１、第２の金属パターン８，９と、第１から第３の電極板２，１，３と、を備え、第１、第２の半導体素子１３，１１のそれぞれは上面電極と下面電極とを備え、第１の半導体素子１３の下面電極、上面電極は第１の金属パターン８、第１の電極板２とそれぞれ接合され、第１の金属パターン８と第３の電極板３は接合され、第２の半導体素子１１の上面電極は第３の電極板３と接合され、第２の半導体素子１１の下面電極は第２の金属パターン９と電気的に接続され、第２の金属パターン９と第２の電極板１は接合され、第１の電極板２の一端と第２の電極板１の一端とは同じ側に引き出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された第１、第２の半導体素子と、
絶縁基板と、
前記絶縁基板の第１主面に形成された第１の金属パターンと、
前記絶縁基板の第２主面側に形成された第２の金属パターンと、
第１の電極板と、
第２の電極板と、
第３の電極板と、
を備え、
前記第１、第２の半導体素子のそれぞれは上面電極と下面電極とを備え、
前記第１の半導体素子の前記下面電極は前記第１の金属パターンと接合され、
前記第１の半導体素子の前記上面電極は前記第１の電極板と接合され、
前記第１の金属パターンと前記第３の電極板は接合され、
前記第２の半導体素子の前記上面電極は前記第３の電極板と接合され、
前記第２の半導体素子の前記下面電極は前記第２の金属パターンと電気的に接続され、
前記第２の金属パターンと前記第２の電極板は接合され、
前記第１の電極板の一端と、前記第２の電極板の一端とは同じ側に引き出される、
半導体モジュール。
【請求項２】
前記絶縁基板の第１主面に、前記第１の金属パターンとは別に形成された第３の金属パターンをさらに備え、
前記第２の半導体素子の前記下面電極は前記第３の金属パターンと接合され、
前記第３の金属パターンと前記第２の金属パターンとは電気的に接続される、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記絶縁基板の第１主面に、前記第１の金属パターンとは別に形成された第３の金属パターンをさらに備え、
前記第２の半導体素子の前記下面電極は前記第３の金属パターンと接合され、
前記第３の金属パターンと前記第２の金属パターンとは同じ材質であり、
前記第３の金属パターンと前記第２の金属パターンとは一体的に接合されている、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第２の金属パターンは、平面視で前記絶縁基板と重ならない延在領域を備え、
前記第２の半導体素子の前記下面電極は前記第２の金属パターンの前記延在領域と接合される、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
スイッチング素子としての前記第１の半導体素子と並列接続された第１の還流ダイオードと、
スイッチング素子としての前記第２の半導体素子と並列接続された第２の還流ダイオードと、
をさらに備え、
前記第１、第２の還流ダイオードのそれぞれは上面電極と下面電極とを備え、
前記第１の還流ダイオードの前記下面電極は前記第１の金属パターンと接合され、
前記第１の還流ダイオードの前記上面電極は前記第１の電極板と接合され、
前記第２の還流ダイオードの前記上面電極は前記第３の電極板と接合され、
前記第２の還流ダイオードの前記下面電極は前記第２の金属パターンと電気的に接続される、
請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体モジュールの複数と、
ケースと、
を備え、
前記ケースに前記半導体モジュールの複数が並列接続されて格納される、
半導体装置。
【請求項７】
前記第２の金属パターンの前記絶縁基板と反対側の面に絶縁材を介して保持されたヒートシンクをさらに備える、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記第１、第２の半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体モジュールおよび半導体装置に関し、例えば大電流を扱う電力用途の半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力用途の半導体モジュールの大容量化が進んでいる。大容量の半導体モジュールは配線長が長くなるため、寄生インダクタンスが大きくなる。このような半導体モジュールを、スイッチングロスが小さい、早いスイッチングスピードで動作させると、サージ電圧が大きくなる。そこで、低インダクタンスの半導体モジュールが求められていた。特許文献１においては、絶縁基板を２枚重ねて電流経路を平行に配線することでインダクタンスを低減していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４５９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、電力用途の半導体モジュールの使用上、Ｐ電極とＮ電極は同一方向に揃えてパッケージから引き出された方が望ましい。特許文献１では、Ｐ電極とＮ電極を揃えるためにＮ側(ＧＮＤ)がヒートシンクの直上を通る構成となっていた。また、上アームの配線とＡＣ電極は同電位ながら２つ以上の部品で構成されていた。また、下アームの配線とＮ電極14も同様に同電位ながら２つ以上の部品から構成されていた。
【０００５】
半導体モジュールを構成する部品点数が多くなると、製造工程数が増えるため組立性が悪くなる。特に、半導体素子を２並列以上で構成する大容量製品への適用が不向きになることが問題であった。また、絶縁基板を２枚重ねた構造のため、放熱性が悪化することも問題であった。
【０００６】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、低インダクタンスを実現すると同時に組立性と放熱性を向上させた半導体モジュールおよび半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体モジュールは、直列に接続された第１、第２の半導体素子と、絶縁基板と、絶縁基板の第１主面に形成された第１の金属パターンと、絶縁基板の第２主面側に形成された第２の金属パターンと、第１の電極板と、第２の電極板と、第３の電極板と、を備え、第１、第２の半導体素子のそれぞれは上面電極と下面電極とを備え、第１の半導体素子の下面電極は第１の金属パターンと接合され、第１の半導体素子の上面電極は第１の電極板と接合され、第１の金属パターンと第３の電極板は接合され、第２の半導体素子の上面電極は第３の電極板と接合され、第２の半導体素子の下面電極は第２の金属パターンと電気的に接続され、第２の金属パターンと第２の電極板は接合され、第１の電極板の一端と、第２の電極板の一端とは同じ側に引き出される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体モジュールでは、ＡＣ電極とＮ電極の配線のそれぞれを、単一の第３の電極板、単一の第１の電極板として構成できる。よって、ＡＣ電極、Ｎ電極の配線長の短縮と配線の簡略化ができる。従って、半導体モジュールを構成する部品点数の削減が可能となる。
【０００９】
また、第１、第３の電極板を、ワイヤなどの部材を介さず、直接半導体素子に接合することで製造工程においてスループットの向上が可能である。つまり、ワイヤボンディングを用いる配線方式に比べ、組立性の向上に寄与できる。
【００１０】
一般に、ワイヤ接続による配線では、配線抵抗が大きくなるためジュール熱による配線の発熱が問題となる。本発明では、第１から第３の電極板による配線を行うことで配線抵抗を下げることができ、ジュール熱による発熱の影響は微小となる。さらに、第１から第３の電極板からの放熱が期待できるため、課題であった熱抵抗の削減に寄与できる。
【００１１】
また、本発明では、第１の電極板と、第２の電極板が接続する第２の金属パターンとを平行に配線することにより、さらなるＰＮ電極間インダクタンスの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る半導体モジュールの断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体モジュールの平面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体モジュールの結線図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置の結線図である。
【図５】実施の形態２に係る半導体モジュールの断面図である。
【図６】実施の形態３に係る半導体モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１＞
図１、図２のそれぞれは、本実施の形態１における半導体モジュール１００の断面図と平面図である。また、図３は、半導体モジュール１００の結線図である。
【００１４】
図１に示すように半導体モジュール１００は、スイッチング素子としての第１、第２の半導体素子１３，１１と、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）と、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）の第１主面（即ち上面）に形成された第１の金属パターン８と、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）の第２主面（下面）側に形成された第２の金属パターン９を備える。
【００１５】
半導体モジュール１００はさらに、Ｎ電極に対応した第１の電極板２と、Ｐ電極に対応した第２の電極板１と、ＡＣ電極に対応した第３の電極板３を備える。
【００１６】
半導体モジュール１００はさらに、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）の第１主面に、第１の金属パターン８とは別に形成された第３の金属パターン７を備える。
【００１７】
半導体モジュール１００はさらに、第２のセラミック基板６とその裏面に配置されたヒートシンク１０を備える。ヒートシンク１０には複数のフィン１０ａが設けられている。
【００１８】
半導体モジュール１００はさらに、第１の半導体素子１３と並列接続された第１の還流ダイオード１４と、第２の半導体素子１１と並列接続された第２の還流ダイオード１２とをさらに備える。
【００１９】
第１のセラミック基板５の上面には、第１、第３の金属パターン７，８が形成されている。また、第２のセラミック基板６の上面には、第２の金属パターン９が形成されている。第２のセラミック基板６の下面にはヒートシンク１０が設けられている。
【００２０】
本実施の形態１において、例えば、第１の半導体素子１３、第２の半導体素子１１のそれぞれは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴとも記載）である。なお、第１、第２の半導体素子１３，１１のそれぞれは例えばワイドバンドギャップ半導体素子（例えば、ＳｉＣ半導体素子、ＧａＮ半導体素子など）である。第１、第２の半導体素子１３，１１のそれぞれは、主電極として上面電極と下面電極を備える。また、第１、第２の還流ダイオード１４，１２は上面電極と下面電極を備える。
【００２１】
図１に示すように、第１の半導体素子１３の下面電極および第１の還流ダイオード１４の下面電極は、第１の金属パターン８とはんだ１９，２１により接合されている。また、第１の半導体素子１３の上面電極および第１の還流ダイオード１４の上面電極は、第１の電極板２とはんだ２０，２２により接合されている。
【００２２】
第１の金属パターン８と第３の電極板３は、例えば、はんだにより接合されている。また、第２の半導体素子１１の上面電極および第２の還流ダイオード１２の上面電極は、第３の電極板３とはんだ１６，１８により接合されている。
【００２３】
第２の半導体素子１１の下面電極および第２の還流ダイオード１２の下面電極は、第３の金属パターン７とはんだ１５，１７により接合されている。
【００２４】
第３の金属パターン７と第２の金属パターン９は、板状の金属部材４により電気的に接続されている。また、第２の金属パターン９と第２の電極板１は、例えば、はんだにより接合されている。
【００２５】
第１の電極板２の一端と、第２の電極板１の一端は、ケースの同じ側（即ちケース２４ｂ）側に引き出される。また、第３の電極板３の一端は、ケース２４ａ側に引き出される。
【００２６】
なお、電極板と金属パターンの接合（例えば第２の電極板１と第３の金属パターンの接合）は、はんだ接合に限らず、例えば超音波による直接接合でもよい。
【００２７】
同様に、半導体素子、還流ダイオードの電極と金属パターンもしくは電極板との接合は、はんだによる接合であるが、他の方法による接合、例えば超音波による直接接合でもよい。
【００２８】
図１および図２に示すように、本実施の形態１における半導体モジュール１００は、上下２つのアームの半導体素子が１つのケースに搭載された、２ｉｎ１構造である。ＡＣ電極としての第１の電極板３は、第１の金属パターン８と共通電位である。Ｎ電極としての第１の電極板２は、ＧＮＤと共通電位である。Ｐ電極としての第２の電極板１と、第２の金属パターン９と、金属部材４と、第３の金属パターン７とは共通電位である。
【００２９】
第１、第２の半導体素子１３，１１、第１、第２の還流ダイオード１４，１２、第１から第３の電極板２，３，１、第１から第３の金属パターン８，９，７は、ケース２４に収納されている。ケース２４内部はゲル２３で封止されている。ゲル２３は樹脂でもよい。
【００３０】
図４は、本実施の形態１における半導体装置の結線図である。本実施の形態１における半導体装置は、１つのケースに半導体モジュール１００を３つ格納した構成である。例えば、図４のように６ｉｎ１構造とすることにより、半導体装置を３相モータの駆動に利用することができる。
【００３１】
＜効果＞
本実施の形態１における半導体モジュール１００は、直列に接続された第１、第２の半導体素子１３、１１と、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）と、絶縁基板の第１主面に形成された第１の金属パターン８と、絶縁基板の第２主面側に形成された第２の金属パターン９と、第１の電極板２と、第２の電極板１と、第３の電極板３と、を備え、第１、第２の半導体素子１３，１１のそれぞれは上面電極と下面電極とを備え、第１の半導体素子１３の下面電極は第１の金属パターン８と接合され、第１の半導体素子１３の上面電極は第１の電極板２と接合され、第１の金属パターン８と第３の電極板３は接合され、第２の半導体素子１１の上面電極は第３の電極板３と接合され、第２の半導体素子１１の下面電極は第２の金属パターン９と電気的に接続され、第２の金属パターン９と第２の電極板１は接合され、第１の電極板２の一端と、第２の電極板１の一端とは同じ側に引き出される。
【００３２】
従って、本実施の形態１における半導体モジュール１００では、図１に示すように、Ｐ電極１を第１のセラミック基板５の第２主面側の第２の金属パターン９に配線することで、ＡＣ電極とＮ電極の配線のそれぞれを、単一の第３の電極板３、単一の第１の電極板２として構成できる。よって、ＡＣ電極、Ｎ電極の配線長の短縮と配線の簡略化ができる。従って、半導体モジュール１００を構成する部品点数の削減が可能となる。
【００３３】
また、第１、第３の電極板２，３を、ワイヤなどの部材を介さず、直接半導体素子に接合することで製造工程においてスループットの向上が可能である。つまり、ワイヤボンディングを用いる配線方式に比べ、組立性の向上に寄与できる。
【００３４】
一般に、ワイヤ接続による配線では、配線抵抗が大きくなるためジュール熱による配線の発熱が問題となる。本実施の形態１では、第１から第３の電極板２，３、１による配線を行うことで配線抵抗を下げることができ、ジュール熱による発熱の影響は微小となる。さらに、第１から第３の電極板２，３，１からの放熱が期待できるため、課題であった熱抵抗の削減に寄与できる。
【００３５】
また、本実施の形態１では、第１の電極板２と、第２の電極板１が接続する第２の金属パターン９とが平行に配線されるため、さらなるＰＮ電極間インダクタンスの低減を図ることができる。
【００３６】
配線長の長いＰ電極を採用すると全体としてのＰＮ電極間の電流経路は長くなる。本実施の形態１では、電極板として配線するため、ジュール熱の低減、他電極間インダクタンスの低減が可能である。
【００３７】
本構造では、ＡＣ電極に第３の電極板３を用い、Ｎ電極に第１の電極板２を用いるため、製造工程において配線を行い易くなる。よって、大容量のモジュールにおけるチップの並列接続が容易に達成可能な構造である。特に、大電流で使用するモジュールでは熱抵抗の低減、小型化、低インダクタンス、組立性の向上が達成できる本構造が最適である。
【００３８】
また、本実施の形態１における半導体モジュール１００は、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）の第１主面に、第１の金属パターン８とは別に形成された第３の金属パターン７をさらに備え、第２の半導体素子１１の下面電極は第３の金属パターン７と接合され、第３の金属パターン７と第２の金属パターン９とは電気的に接続される。
【００３９】
従って、第１のセラミック基板５の第１主面に、第３の金属パターン７を設けて、第３の金属パターンと第２の半導体素子１１の下面電極とを接合し、かつ、第３の金属パターンと第２の金属パターンとを電気的に接続する。この構成により、第２の半導体素子１１の下面電極と第２の金属パターンとを電気的に接続することが可能である。
【００４０】
また、本実施の形態１における半導体モジュール１００は、スイッチング素子としての第１の半導体素子１３と並列接続された第１の還流ダイオード１４と、スイッチング素子としての第２の半導体素子１１と並列接続された第２の還流ダイオード１２と、をさらに備え、第１、第２の還流ダイオード１４，１２のそれぞれは上面電極と下面電極とを備え、第１の還流ダイオード１４の下面電極は第１の金属パターン８と接合され、第１の還流ダイオード１４の上面電極は第１の電極板２と接合され、第２の還流ダイオード１２の上面電極は第３の電極板３と接合され、第２の還流ダイオード１２の下面電極は第２の金属パターン９と電気的に接続される。
【００４１】
従って、第１、第２の半導体素子１３，１１が例えばＩＧＢＴの場合、各ＩＧＢＴと並列に接続した還流ダイオードを半導体モジュール１００に内蔵することにより、ＩＧＢＴをサージ電流から保護することができる。
【００４２】
また、本実施の形態１における半導体装置は、半導体モジュール１００の複数と、ケースと、を備え、ケースに半導体モジュール１００の複数が並列接続されて格納される。
【００４３】
従って、例えば半導体モジュール１００を３つ並列にケースに格納して６ｉｎ１構造とすることにより、３相モータを駆動するためのインバータを構成することができる。また、複数の半導体モジュール１００をケースに格納することにより、半導体装置の小型化および生産性の向上が可能である。
【００４４】
また、本実施の形態１における半導体モジュール１００において、第２の金属パターン９の絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）と反対側の面に絶縁材（即ち第２のセラミック基板６）を介して保持されたヒートシンク１０をさらに備える。
【００４５】
従って、半導体モジュール１００にヒートシンク１０を組み合わせることで、放熱性をさらに向上させることが可能である。
【００４６】
また、本実施の形態１における半導体モジュール１００において、第１、第２の半導体素子１３、１１は、ワイドバンドギャップ半導体素子である。
【００４７】
ＳｉＣやＧａＮといったワイドバンドギャップ半導体は、アプリケーション上、高キャリア周波数で駆動し、パワーロスを低減することを目的としている。半導体モジュール１００は低インダクタンス構造であることから、高いキャリア周波数で駆動したとしてもサージ電圧を低減することができる。このことから、半導体モジュール１００はワイドバンドギャップ半導体の適用において特に有利となる。
【００４８】
＜実施の形態２＞
図５は、本実施の形態２における半導体モジュール２００の断面図である。本実施の形態２における半導体モジュール２００は、半導体モジュール１００の金属部材４を備えない代わりに、第２の金属パターン９と第３の金属パターン７とを接合部２５において一体的に接合した構成を有する。その他の構成は実施の形態１と同じため、説明を省略する。
【００４９】
なお、図５において第１のセラミック基板５の縁の外側において接合しているが、第１のセラミック基板５にスルーホールを設けて、第２の金属パターン９と第３の金属パターン７とを接合してもよい。
【００５０】
＜効果＞
本実施の形態２における半導体モジュール２００は、絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）の第１主面に、第１の金属パターン８とは別に形成された第３の金属パターン７をさらに備え、第２の半導体素子１１の下面電極は第３の金属パターン７と接合され、第３の金属パターン７と第２の金属パターン９とは同じ材質であり、第３の金属パターン７と第２の金属パターン９とは一体的に接合されている。
【００５１】
従って、本実施の形態２では、実施の形態１における金属部材４を備えない構成となるため、半導体モジュール２００を構成する部品点数をより削減することが可能となる。
【００５２】
＜実施の形態３＞
図６は、本実施の形態３における半導体モジュール３００の断面図である。半導体モジュール１００においては、第２の半導体素子１１の下面電極および第２の還流ダイオード１２の下面電極は第３の金属パターン７に接合されていた。一方、本実施の形態３の半導体モジュール３００は、第３の金属パターン７を備えない構成となり、第２の半導体素子１１の下面電極および第２の還流ダイオード１２の下面電極は、第２の金属パターン９に接合される。
【００５３】
つまり、図６に示すように、本実施の形態３において、第２の金属パターン９は、平面視で絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５ａ）と重ならない延在領域９ａを備える。第２の半導体素子１１の下面電極は第２の金属パターン９の延在領域９ａと、はんだ１５を介して接合される。その他の構成は実施の形態１と同じため、説明を省略する。
【００５４】
＜効果＞
本実施の形態３における半導体モジュール３００において、第２の金属パターン９は、平面視で絶縁基板（即ち第１のセラミック基板５）と重ならない延在領域９ａを備え、第２の半導体素子１１の下面電極は第２の金属パターン９の延在領域９ａと接合される。
【００５５】
従って、本実施の形態３では、実施の形態１における第１のセラミック基板５を縮小して第１のセラミック基板５ａとし、また、第１のセラミック基板５の縮小した領域に形成されていた第３の金属パターン７を省略した構成である。よって、第１、第２のセラミック基板５ａ，６が２枚重なる領域が縮小されるため、熱抵抗を改善することが可能である。また、半導体モジュール３００を構成する部品点数の削減が可能である。
【００５６】
本実施の形態３においてはＰ電極とＮ電極のカップリング領域が減少するが、インダクタンスを低減することができる。本実施の形態３の半導体モジュール３００は、低インダクタンス、低熱抵抗を達成することができるため、キャリア周波数が高く、下アームの使用条件が厳しい昇圧コンバータなどに適用するのが特に効果的である。
【００５７】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  第２の電極板、２  第１の電極板、３  第３の電極板、４  金属部材、５，５ａ  第１のセラミック基板、６  第２のセラミック基板、７  第３の金属パターン、８  第１の金属パターン、９  第２の金属パターン、９ａ  延在領域、１０  ヒートシンク、１０ａ  フィン、１１  第２の半導体素子、１２  第２の還流ダイオード、１３  第１の半導体素子、１４  第２の還流ダイオード、１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２  はんだ、２３  ゲル、２４，２４ａ，２４ｂ  ケース、２５  接合部。
【図１】
2016115900.tif 000003
【図２】
2016115900.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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