(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された一対のローサイド側スイッチング回路とハイサイド側スイッチング回路とを備えた電力半導体装置であって、該電力半導体装置は、
ベース板と、
前記ベース板の上に設けられ、回路パターンが形成された絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記回路パターン上に実装された複数の電力半導体素子を含むローサイド側スイッチング回路及びハイサイド側スイッチング回路と、
前記ローサイド側スイッチング回路に接続されたローサイド側入力端子と、前記ハイサイド側スイッチング回路に接続されたハイサイド側入力端子と、前記ローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路とに接続された出力端子とからなる外部接続端子と
を備え、
前記外部接続端子の前記各端子を前記ベース板への射影成分の少なくとも一部が互いに重なるように、前記ベース板に垂直方向に所定の間隙を空けて積み重ね、前記ハイサイド側スイッチング回路と前記ローサイド側スイッチング回路との間に延在しており、
前記外部接続端子は、前記ローサイド側又はハイサイド側スイッチング回路の回路パターン上に配置されており、前記回路パターンと前記外部接続端子のうちの一つとを直接接続していることを特徴とする電力半導体装置。
【請求項２】
前記外部接続端子は、実質的に同一幅を有する前記各端子を前記ベース板への射影成分が相互に重なり合うように、積み重ねられたことを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
【請求項３】
前記外部接続端子の前記各端子を絶縁体を介して積重ねたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力半導体装置。
【請求項４】
前記外部接続端子は、前記ベース板と前記絶縁基板を介して対向するように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力半導体素子を備えた電力半導体装置及びその製造方法に関する。特にパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
直列接続された一対のハイサイド側スイッチング回路とローサイド側スイッチング回路とを有する電力半導体素子を備えた従来の電力半導体装置としては、例えば、図６に示すものがある。図６の（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。この従来の電力半導体装置５０は、金属ベース板５２上に、回路パターン５４が形成された絶縁基板５３上で、直列接続された一対のローサイド側スイッチング回路とハイサイド側スイッチング回路とを備え、さらにローサイド側スイッチング回路へのローサイド側入力端子５６ａと、ハイサイド側スイッチング回路へのハイサイド側入力端子５６ｃと、出力端子５６ｂとからなる外部接続端子を備えている。各端子のうち、ローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路の間に出力端子５６ｃが配置されている。また、ローサイド側入力端子５６ａは、ローサイド側スイッチング回路を挟んで出力端子５６ｃと平行に配置されている。さらに、ハイサイド側入力端子５６ｂは、ハイサイド側スイッチング回路を挟んで出力端子５６ｃと平行に配置されている。各端子は、それぞれローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路とワイヤ５８で接続されている。
【０００３】
なお、特開平１１−４５８４号公報には、２つのＩＧＢＴに共通する端子を２つのＩＧＢＴの間に延在させ、複数の端子を積層したインバータ装置が記載されている。さらに、特開２０００−２３４６２号公報には、主回路配線を階層状に平行に形成した電力変換器が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６に示すような従来の電力半導体装置では、各端子とローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路との間でワイヤボンディングを行う場合に、ワイヤボンディングマシンのボンディングヘッドを挿入する大きな開口を必要とする。また、各端子を並列して配置しているので、大電流を流すために各端子を幅広にすると、ローサイド側入力端子５６ａからハイサイド側入力端子５６ｃの下部の絶縁基板５３ａ、５３ｂ間の幅寸法Ｗｕは大きくなり、金属ベース板５２の面積も大きくなってしまう。このため、高性能化を実現しながら電力半導体装置を小型化することが困難となっていた。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、電力半導体素子及び外部接続端子の実装面積を小型化させた電力半導体装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力半導体装置は、直列接続された一対のローサイド側スイッチング回路とハイサイド側スイッチング回路とを備えた電力半導体装置であって、該電力半導体装置は、
ベース板と、
前記ベース板の上に設けられ、回路パターンが形成された絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記回路パターン上に実装された複数の電力半導体素子を含むローサイド側スイッチング回路及びハイサイド側スイッチング回路と、
前記ローサイド側スイッチング回路に接続されたローサイド側入力端子と、前記ハイサイド側スイッチング回路に接続されたハイサイド側入力端子と、前記ローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路とに接続された出力端子とからなる外部接続端子と
を備え、
前記外部接続端子の前記各端子を前記ベース板への射影成分の少なくとも一部が互いに重なるように、前記ベース板に垂直方向に所定の間隙を空けて積み重ね、前記ハイサイド側スイッチング回路と前記ローサイド側スイッチング回路との間に延在していることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記外部接続端子は、実質的に同一幅を有する前記各端子を前記ベース板への射影成分が相互に重なり合うように、積み重ねられたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記外部接続端子の前記各端子を絶縁体を介して積重ねられたことを特徴とする。
【０００９】
またさらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記外部接続端子は、前記ベース板と前記絶縁基板を介して対向するように配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記外部接続端子は、前記ローサイド側又はハイサイド側スイッチング回路の回路パターン上に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る電力半導体装置の製造方法は、ベース板を準備するベース板準備工程と、
回路パターンが形成された絶縁基板を前記ベース板に配置する絶縁基板配置工程と、
複数の電力半導体素子をローサイド側及びハイサイド側の２群に分けて、所定間隔を空けてそれぞれ前記回路パターン上に実装し、ローサイド側スイッチング回路及びハイサイド側スイッチング回路をそれぞれ構成させる電力半導体素子実装工程と、
第１外部接続端子を前記ローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路の間に、間隙を介して前記金属ベース板と対向するように配置し、前記第１外部接続端子と対応する前記ローサイド側又はハイサイド側スイッチング回路に含まれる前記電力半導体素子とを電気的に接続する第１外部接続端子配置工程と、
第２外部接続端子を、間隙を介して前記第１外部接続端子と対向させ、少なくとも一部分が重なるように配置し、前記第２外部接続端子と対応する前記ローサイド側又はハイサイド側スイッチング回路に含まれる前記電力半導体素子とを電気的に接続する第２外部接続端子配置工程と、
第３外部接続端子を、間隙を介して前記第２外部接続端子と対向させ、少なくとも一部分が重なるように配置し、前記第３外部接続端子と対応する前記ローサイド側又はハイサイド側スイッチング回路に含まれる前記電力半導体素子とを電気的に接続する第３外部接続端子配置工程と
を含むことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る電力半導体装置について、添付図面を用いて以下に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一符号を付している。
【００１３】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置について図１を用いて説明する。この電力半導体装置１０は、金属ベース板２上に回路パターン４が形成された絶縁基板３上で、直列接続された一対のローサイド側スイッチング回路とハイサイド側スイッチング回路とを備え、さらにローサイド側スイッチング回路へのローサイド側入力端子６ａと、ハイサイド側スイッチング回路へのハイサイド側入力端子６ｃと、出力端子６ｂとからなる外部接続端子を備えている。この外部接続端子は、各端子の金属ベース板への射影成分の少なくとも一部が互いに重なるように所定間隔を空けて積重ねられている。また、各端子６は細長平板形状であり、その長手方向がローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路の間に延在している。このように、各端子６を金属ベース板２に垂直方向に積重ねる立体構造とすることによって金属ベース板２の面積を小さくでき、金属ベース板２の周囲を囲む枠体１を小型化できる。これによって、小型、高性能の電力半導体装置を提供することができる。
【００１４】
さらに、この電力半導体装置１０の具体的な構成について、図１を用いて説明する。この電力半導体装置１０は、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、金属ベース板２と、該金属ベース板２上に配置された回路パターンが形成されたローサイド側の絶縁基板３ａとハイサイド側の絶縁基板３ｂと、各絶縁基板３ａ、３ｂの回路パターン４ａ、４ｂ上に実装され、ローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路をそれぞれ構成する複数の電力半導体素子５ａ、５ｂと、ローサイド側入力端子６ａと、ハイサイド側入力端子６ｃと、出力端子６ｂとからなる外部接続端子とを備えている。以下に、各構成部材について説明する。まず、この金属ベース板２は、周囲を樹脂製の枠体１で囲んでいる。また、ローサイド側及びハイサイド側でそれぞれ回路パターン４ａ、４ｂが形成されている絶縁基板３ａ、３ｂの裏面を金属ベース板２の内側主面上に固着している。さらに、ローサイド側の回路パターン４ａの上には電力半導体素子５ａが実装されてローサイド側スイッチング回路が構成され、一方、ハイサイド側の回路パターン４ｂ上には電力半導体素子５ｂが実装されてハイサイド側スイッチング回路が構成されている。また、この電力半導体素子５ａ、５ｂとしては、ＩＧＢＴ及びフライホイールダイオードから構成されている。なお、この電力半導体装置１０の回路図の一例を図２に示す。
【００１５】
次に、この電力半導体装置１０における外部接続端子について説明する。この外部接続端子は、ローサイド側入力端子（Ｎ端子）６ａと、ハイサイド側入力端子（Ｐ端子）６ｃと、出力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ端子のいずれか）６ｂの３つの端子からなる。各端子６ａ、６ｂ、６ｃは細長平板形状であって、その長手方向はハイサイド側及びローサイド側スイッチング回路間に延在させている。また、各端子６ａ、６ｂ、６ｃは、金属ベース板２への射影成分の少なくとも一部が互いに重なるように金属ベース板２に垂直方向に所定の間隙を空けて積重ねられている。それぞれの端子間には絶縁体としての樹脂層９が充填されている。また、各端子６ａ、６ｂ、６ｃは、電力半導体素子５ａ、５ｂとワイヤ８でボンディングされ、電気的に接続されている。さらに、各端子６ａ、６ｂ、６ｃは、枠体１から外側に露出させた接続用端部７ａ、７ｂ、７ｃで外部との接続をとることができる。
【００１６】
このように、外部接続端子の各端子を立体的に構成することによって、各端子６ａ、６ｂ、６ｃが大電流を流すことのできる比較的大きな断面積とした場合にも、金属ベース板２上に占める面積を抑制することができる。具体的には、この電力半導体装置の幅寸法Ｗ１は、図５の（ａ）に示すように、ローサイド側及びハイサイド側の絶縁基板３ａ、３ｂ間の幅寸法として表わされ、従来の電力半導体装置の幅寸法Ｗｕと比較して、Ｗ１＜Ｗｕとなり、大幅に縮小することができる。これによって金属ベース板の面積を縮小でき、枠体を小型化できる。さらに、各端子を立体的に配置したので、漏洩インダクタンスを低減できる。そこで、小型、高性能の電力半導体装置を提供できる。
【００１７】
なお、各電力半導体素子５ａ、５ｂやワイヤ８をシリコンゲルやエポキシ樹脂等で封止してもよい。これによって電力半導体素子５ａ、５ｂやその他の電子部材（図示せす）等の気密性、耐湿性、電気的絶縁性等を改善することができる。
【００１８】
次に、この電力半導体装置の製造方法について説明する。この電力半導体装置１０は、次の各工程によって得られる。
（１）金属ベース板２を準備する。この金属ベース板２は、樹脂製の枠体１に組み込んだものを用いている。
（２）回路パターン４が形成された絶縁基板３を金属ベース板２に配置する。この場合、絶縁基板３ａ、３ｂは、ローサイド側とハイサイド側のそれぞれに配置する。なお、別個の絶縁基板とせず、共通の絶縁基板としてもよい。
（３）複数の電力半導体素子５ａ、５ｂをローサイド側及びハイサイド側の２群に分けて、所定間隔を空けてそれぞれ前記回路パターン上に実装する。これによって、ローサイド側スイッチング回路及びハイサイド側スイッチング回路をそれぞれ構成させる。
（４）３つの細長平板形状の端子６ａ、６ｂ、６ｃからなる外部接続端子を、各端子の金属ベース板２への射影部分の少なくとも一部が互いに重なるように金属ベース板２の垂直方向に積重ねて、ローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路の間に配置する。また、各端子６ａ、６ｂ、６ｃは、枠体１の成型時に組み込んで一体として成型してもよい。この場合に、各端子６ａ、６ｂ、６ｃ間のそれぞれの間隙と、端子６ａと金属ベース板２との間には樹脂層９が充填される。なお、外部接続端子の積重ね構造は図１の場合に限られず、種々の形状とすることができる。
（５）ローサイド側スイッチング回路及びハイサイド側スイッチング回路と外部接続端子の各端子６ａ、６ｂ、６ｃとをワイヤ８で電気的に接続する。
【００１９】
なお、電力半導体素子５ａ、５ｂ等を封止する場合には、枠体１と絶縁基板３ａ、３ｂとで区画される枠体１の内部領域に電力半導体素子５ａ、５ｂやワイヤ８を覆うようにシリコンゲルやエポキシ系封止樹脂を充填し、他方の開口部を樹脂材の蓋で覆ってもよい。これによって電力半導体素子等に対する気密性、耐湿性、電気的絶縁性を向上させることができる。
【００２０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電力半導体装置について、図３を用いて説明する。この電力半導体装置は、実施の形態１に係る電力半導体装置と比較すると、図３の（ａ）の平面図及び（ｂ）の断面図に示すように、外部接続端子の各端子６ａ、６ｂ、６ｃの幅を実質的に同一にし、金属ベース板２への射影成分が相互に重なり合うように、各端子間に所定の空隙を空けて積み重ねている点で相違する。なお、この場合にも端子６ａは、樹脂層９を介して金属ベース板２の上に設けられている。これによって、さらに金属ベース板２の面積を縮小し、枠体を小型化できる。そこで、小型、高性能の電力半導体装置を提供することができる。
【００２１】
具体的には、この電力半導体装置の絶縁基板３ａと絶縁基板３ｂとの幅寸法Ｗ２は、実施の形態１に係る電力半導体装置の幅寸法Ｗ１と比較すると、Ｗ２＜Ｗ１と、さらに小さい。そこで、金属ベース板２の面積を縮小することができる。
【００２２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る電力半導体装置について、図４を用いて説明する。この電力半導体装置は、実施の形態２に係る電力半導体装置と比較すると、図４の（ａ）の平面図及び（ｂ）の断面図に示すように、外部接続端子のうち、ローサイド側入力端子６ａと金属ベース板２との間にも樹脂層を設けることなく空隙部としている点で相違する。これによって、金属ベース板２上での沿面放電を抑え、電極間の間隙を短くすることができる。これによって、信頼性の高い小型化された電力半導体装置を提供することができる。
【００２３】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る電力半導体装置について、図５（ｄ）を用いて説明する。この電力半導体装置は、実施の形態３に係る電力半導体装置と比較すると、図５の（ｄ）の断面図に示すように、ローサイド側及びハイサイド側の絶縁基板を共通の絶縁基板とし、ローサイド側とハイサイド側との間の外部接続端子の積重ね構造体を共通の絶縁基板３上に配置している点で相違する。これによって、部品点数を減らすことができるので、製造工程を簡略化できる。また、電力半導体装置の絶縁基板３の幅寸法Ｗ４は、実施の形態３に係る電力半導体装置における幅寸法Ｗ３と比較すると、ほぼ同程度であり、従来に比べて金属ベース板２の面積を縮小でき、枠体１を小型化できる。
【００２４】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る電力半導体装置について、図５（ｅ）を用いて説明する。この電力半導体装置は、実施の形態４に係る電力半導体装置と比較すると、図５の（ｅ）の断面図に示すように、ローサイド側の回路パターン４ａ上に外部接続端子６ａ、６ｂ、６ｃの積重ね構造体を設けている点で相違する。このように回路パターン４ａと外部接続端子６ａとを直接接続するので、ワイヤボンディングが不要となり、製造工程を簡略化できる。
【００２５】
具体的には、図５の（ｅ）に示すように、ローサイド側とハイサイド側の絶縁基板との間の幅寸法Ｗ５は、実施の形態４に係る電力半導体装置における幅寸法Ｗ４と比較するとさらに小さい。これによって、金属ベース板２の面積を小さくでき、枠体１を小型化し、小型で高性能、且つ安価な電力半導体装置を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る電力半導体装置によれば、外部接続端子を各端子のベース板への射影成分の少なくとも一部が互いに重なるように所定間隔を空けて積重ねられている。また、各端子は細長平板形状であり、その長手方向がローサイド側及びハイサイド側スイッチング回路の間に延在している。このように、各端子をベース板に垂直方向に積重ねる立体構造とすることによってベース板の面積を小さくでき、ベース板の周囲を囲む枠体を小型化できる。また、立体的に配置することで漏洩インダクタンスを低減できる。これによって、小型、高性能の電力半導体装置を提供することができる。
【００２７】
また、本発明に係る電力半導体装置によれば、外部接続端子の各端子の幅を実質的に同一にし、ベース板への射影成分が相互に重なり合うように、各端子間に所定の空隙を空けて積み重ねている点で相違する。これによって、さらに金属ベース板の面積を縮小し、枠体を小型化できる。そこで、小型、高性能の電力半導体装置を提供することができる。
【００２８】
さらに、本発明に係る電力半導体装置によれば、外部接続端子の各端子は絶縁体を介して積み重ねられているので、沿面放電を抑え、電極間の間隙を短くすることができる。また、各端子に大電流が流れた場合でも互いに接触することなく、電気的絶縁を確保できる。
【００２９】
またさらに、本発明に係る電力半導体装置によれば、ローサイド側及びハイサイド側の絶縁基板を共通の絶縁基板とし、ローサイド側とハイサイド側との間の外部接続端子は、金属ベース板と絶縁基板を介して対向するように配置されている。これによって、部品点数を減らすことができるので製造工程を簡略化できる。しかも、各端子と金属ベース板との間に絶縁体を充填したり、間隙を設けたりすることなく絶縁を確保できる。
【００３０】
また、本発明に係る電力半導体装置によれば、ローサイド側又はハイサイド側の回路パターン上に外部接続端子の積重ね構造体を設けている点で相違する。このように回路パターンと外部接続端子とを直接接続するので、ワイヤボンディングが不要となり、製造工程を簡略化できる。
【００３１】
本発明に係る電力半導体装置の製造方法によれば、外部接続端子の各端子をベース板に垂直方向に積重ねる立体構造とすることによってベース板の面積を小さくでき、ベース板の周囲を囲む枠体を小型化できる。また、立体的に配置することで漏洩インダクタンスを低減できる。これによって、小型、高性能の電力半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の回路図である。
【図３】  （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る電力半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図４】  （ａ）は、本発明の実施の形態３に係る電力半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図５】  （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電力半導体装置の断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る電力半導体装置の断面図であり、（ｃ）は、本発明の実施の形態３に係る電力半導体装置の断面図であり、（ｄ）は、本発明の実施の形態４に係る電力半導体装置の断面図であり、（ｅ）は、本発明の実施の形態５に係る電力半導体装置の断面図である。
【図６】  （ａ）は、従来の電力半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１  枠体、２  金属ベース板、３ａ、３ｂ  絶縁基板、４ａ、４ｂ  回路パターン、５ａ、５ｂ  電力半導体素子、６ａ  第１外部接続端子（ローサイド側入力端子）、６ｂ  第２外部接続端子（出力端子）、６ｃ  第３外部接続端子（ハイサイド側入力端子）、７ａ  第１接続端部、７ｂ  第２接続端部、７ｃ  第３接続端部、８  ワイヤ、９  絶縁体、１０  電力半導体装置、５０  電力半導体装置、５１  枠体、５２  金属ベース板、５３ａ、５３ｂ  絶縁基板、５４ａ、５４ｂ  回路パターン、５５ａ、５５ｂ  電力半導体素子、５６ａ  第１外部接続端子、５６ｂ  第２外部接続端子、５６ｃ  第３外部接続端子、５７ａ  第１接続端部、５７ｂ  第２接続端部、５７ｃ  第３接続端部、５８  ワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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