JP2012190833A - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、バスバーを省略して小型化したパワーモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明にかかるパワーモジュールは、モールド樹脂から外部に伸びるコレクタ端子と、該モールド樹脂から外部に伸びるエミッタ端子とを有し、該コレクタ端子と該エミッタ端子のうち少なくとも一方が該モールド樹脂の相対する２つの面から外部に伸びる両側延在端子である第１半導体装置と、該第１半導体装置と同様の構成である第２半導体装置と、を備える。そして、該第１半導体装置の該両側延在端子と該第２半導体装置の両側延在端子とが接続されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体装置を有するパワーモジュールに関する。

特許文献１には、インバータ回路を構成するように複数の半導体装置が配置されたパワーモジュールが開示されている。このパワーモジュールは、各半導体装置を電源又はアースと接続するために、電源ライン用のバスバーとアースライン用のバスバーを備えている。

特開２００７−２２０９７６号公報 特開２００５−１１７７２８号公報 特開平０８−０９７４５９号公報 特開２００３−２２９５３４号公報 特開平０７−２２１２６４号公報

特許文献１に開示されるパワーモジュールは、バスバーを備えるため小型化できない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、小型化したパワーモジュールを提供することを目的とする。

本願の発明に係るパワーモジュールは、モールド樹脂から外部に伸びるコレクタ端子と、該モールド樹脂から外部に伸びるエミッタ端子とを有し、該コレクタ端子と該エミッタ端子のうち少なくとも一方が該モールド樹脂の相対する２つの面から外部に伸びる両側延在端子である第１半導体装置と、該第１半導体装置と同様の構成である第２半導体装置と、を備える。そして、該第１半導体装置の該両側延在端子と該第２半導体装置の両側延在端子とが接続されたことを特徴とする。

本発明に係るパワーモジュールは、端子をモールド樹脂の左右両方向に伸ばした半導体装置を複数備え、それらの半導体装置の当該端子同士を接続するのでバスバーが不要となり小型化ができる。

本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの平面図である。 第１乃至第４半導体装置の拡大図である。 図２の構造の回路図である。 半導体装置の拡大図である。 図４の構造の回路図である。 比較例に係るパワーモジュールの平面図である。 本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの変形例を示す平面図である。 図７の構造の回路図である。 本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの平面図である。 第１半導体装置の拡大図である。 第３半導体装置の拡大図である。 半導体装置の中点端子を両側延在端子とは異なる方向に伸ばすこととした変形例を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の平面図である。 半導体装置の斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の平面図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係る半導体装置を示す平面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの平面図である。パワーモジュール１０は７５Ａ以上の大電流をスイッチングするものである。パワーモジュール１０は、第１半導体装置１２、及びそれと同一構成の第２半導体装置１４を備えている。また、第１半導体装置１２及び第２半導体装置１４の他にも、これらと同一構成の半導体装置を４つ備えている。パワーモジュール１０は第３半導体装置１６、及びそれと同一構成の第４半導体装置１８を備えている。また、第３半導体装置１６及び第４半導体装置１８の他にも、これらと同一構成の半導体装置を４つ備えている。さらにこれらの半導体装置よりも大きい半導体装置２０、及び半導体装置２２を備えている。上述の全ての半導体装置はケース２４に搭載されている。ケース２４には固定部分２６が形成されており、パワーモジュール１０を外部機器等に固定できるようになっている。

図２は第１乃至第４半導体装置１２、１４、１６、及び１８の拡大図である。第１半導体装置１２は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂１２ａを備えている。モールド樹脂１２ａから外部に伸びる端子は、コレクタ端子１２ｂと１２ｃ、エミッタ端子１２ｄ、及びゲートエミッタ中継端子１２ｅである。コレクタ端子１２ｂと１２ｃはモールド樹脂１２ａの相対する２つの面から外部に伸びる端子である。このように１つの端子がモールド樹脂１２ａの相対する２つの面から外部に伸びる場合には、その端子を「両側延在端子」と称することがある。両側延在端子の一方と他方は、これらの間に大電流を流すことができるように半導体装置の内部で電気的に接続されている。エミッタ端子１２ｄは、モールド樹脂１２ａのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。ゲートエミッタ中継端子１２ｅは、パワー半導体素子を制御するためのゲート端子、電流検出出力端子、温度検出出力端子などを有し、コレクタ端子やエミッタ端子と比べて細いリードで構成される。

第１半導体装置１２のコレクタ端子１２ｃと第２半導体装置１４のコレクタ端子１４ｂがはんだにより直接接続されている。すなわち、第１半導体装置１２の両側延在端子と第２半導体装置１４の両側延在端子がはんだにより接続されている。なお、以後端子同士が接続される場合ははんだが用いられるものとするが、溶接、ネジ止め等の他の接続方法を用いてもよい。

第３半導体装置１６は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂１６ａを備えている。モールド樹脂１６ａから外部に伸びる端子は、エミッタ端子１６ｂと１６ｃ、コレクタ端子１６ｄ、及びゲートエミッタ中継端子１６ｅである。エミッタ端子１６ｂと１６ｃは両側延在端子である。コレクタ端子１６ｄはモールド樹脂１６ａのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。

第３半導体装置１６のエミッタ端子１６ｃと第４半導体装置１８のエミッタ端子１８ｂが接続されている。すなわち、第３半導体装置１６の両側延在端子と第４半導体装置１８の両側延在端子が接続されている。

第１半導体装置１２のエミッタ端子１２ｄは第３半導体装置１６のコレクタ端子１６ｄと接続され、第２半導体装置１４のエミッタ端子１４ｄは第４半導体装置１８のコレクタ端子１８ｄと接続されている。

図３は図２の構造の回路図である。第１乃至第４半導体装置１２、１４、１６、及び１８はパワー半導体素子としてそれぞれＩＧＢＴとＦｗＤｉ（フリーホイールダイオード）を備えている。そして、第１半導体装置１２と第３半導体装置１６が１つのアームを構成し、第２半導体装置１４と第４半導体装置１８が別のアームを構成している。そして、パワーモジュール１０は、図１に示すようにコレクタ端子を両側延在端子とする半導体装置を６つ、エミッタ端子を両側延在端子とする半導体装置を６つ有することによりインバータ部を構成している。

図４は半導体装置２０及び２２の拡大図である。半導体装置２０と２２はパワーモジュールのコンバータ部を構成している。半導体装置２０は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂２０ａを備えている。モールド樹脂２０ａから外部に伸びる端子はコレクタ端子２０ｂと２０ｃ、エミッタ端子２０ｄと２０ｅ、及びゲートエミッタ中継端子２０ｆと２０ｇである。コレクタ端子２０ｂと２０ｃが両側延在端子となっている。エミッタ端子２０ｄと２０ｅはモールド樹脂２０ａのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。

半導体装置２２は、パワー半導体素子を覆うモールド樹脂２２ａを備えている。モールド樹脂２２ａから外部に伸びる端子はエミッタ端子２２ｂと２２ｃ、コレクタ端子２２ｄと２２ｅ、及びゲートエミッタ中継端子２２ｆと２２ｇである。エミッタ端子２２ｂと２２ｃが両側延在端子となっている。コレクタ端子２２ｄと２２ｅはモールド樹脂２２ａのうち両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。そして、半導体装置２０のエミッタ端子２０ｄと２０ｅがそれぞれ半導体装置２２のコレクタ端子２２ｄと２２ｅと接続されている。

図５は図４の構造の回路図である。半導体装置２０と２２はそれぞれ２つのＩＧＢＴと２つのＦｗＤｉを備えている。半導体装置２０のエミッタ端子２０ｄと半導体装置２２のコレクタ端子２２ｄが接続されることで１つのアームが形成され、半導体装置２０のエミッタ端子２０ｅと半導体装置２２のコレクタ端子２２ｅが接続されることで別のアームが形成されている。

ここで、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール１０の説明に先立って、その理解を容易にするため、比較例について説明する。図６は比較例に係るパワーモジュールの平面図である。パワーモジュール１００は半導体装置１０２と１０４を備えている。そしてこれらの半導体装置は、電源ライン用のバスバー１０６とアースライン用のバスバー１０８により相互に接続されている。パワーモジュール１００が備える他の半導体装置も同様である。パワーモジュール１００の全ての半導体装置及び全てのバスバーはケース１１０に搭載されている。比較例のように各半導体装置の接続にバスバーを用いると、ケース内にバスバーを収納するスペースが必要となる。そのため、パワーモジュール１００を小型化できなかった。

ところが、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール１０によれば、バスバーを用いる必要がないのでパワーモジュールを小型化できる。つまり、コレクタ端子同士を接続すべき複数の半導体装置（上アーム）は、コレクタ端子を両側延在端子としている。そして、両側延在端子はモールド樹脂の相対する２つの面から外部に伸びているので、両側延在端子同士を接続すればこれらの両側延在端子が電源ライン用のバスバーとして機能する。同様に、エミッタ端子同士を接続すべき複数の半導体装置（下アーム）は、エミッタ端子を両側延在端子としている。そのため、両側延在端子同士を接続すればこれらの両側延在端子がアースライン用のバスバーとして機能する。よって、バスバーを省略できる。

そして、半導体装置１２などの上アームを構成する半導体装置のエミッタ端子は、両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びており、半導体装置１６などの下アームを構成する半導体装置のコレクタ端子は両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。よって上アームのエミッタ端子と下アームのコレクタ端子を直接接続できる。

このように、本発明の実施の形態１に係る半導体装置は、モールド樹脂に覆われたパワー半導体素子のコレクタ端子とエミッタ端子のうち少なくとも一方の端子を両側延在端子とするものである。そして、半導体装置の両側延在端子同士を接続することでバスバーを省略し、パワーモジュール１０を小型化できる。

本発明の実施の形態１に係るパワーモジュール１０では、半導体装置には１又は２のＩＧＢＴが含まれるが本発明はこれに限定されない。たとえば、図７及び図８に示すように１つの半導体装置に３つのＩＧＢＴを含む構成としてもよい。図７は本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの変形例を示す平面図である。また、図８は図７の構造の回路図である。半導体装置５０は両側延在端子であるコレクタ電極５０ｂと５０ｃを備えている。これらは２つのパワー半導体素子が直列接続された相（アーム）の高圧ライン（高圧側電源ライン、Ｐライン）を構成している。

また半導体装置５２は両側延在端子であるエミッタ電極５２ｂと５２ｃを備えている。これらは２つのパワー半導体素子が直列接続された相（アーム）の低圧ライン（低圧側電源ライン、Ｎライン）を構成している。そして、半導体装置５０のエミッタ電極５０ｄ、５０ｅ、及び５０ｆはそれぞれ、半導体装置５２のコレクタ電極５２ｄ、５２ｅ、及び５２ｆに接続されている。このように、半導体装置を３相交流インバータを構成するように形成し、ＰラインとＮラインを両側延在端子としてもよい。なお、５０ａと５２ａはモールド樹脂であり、５０ｇと５２ｇはゲートエミッタ中継端子である。

その他にも様々な変形が可能である。たとえば、パワーモジュール１０は７５Ａ以上の大電流をスイッチングするものとしたが、コレクタ端子とエミッタ端子を有する半導体装置を複数搭載するものであれば本発明の効果を得ることができるのでこれに限定されない。また、端子同士の接続ははんだに限定されず、溶接又はねじ止めなどの方法を用いてもよい。また、パワー半導体素子はＩＧＢＴやＦｗＤｉに限定されずパワーＭＯＳＦＥＴなどを用いてよい。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの平面図である。パワーモジュール２００は第１半導体装置２０２、第２半導体装置２０４、及び第３半導体装置２０６を備えている。上述の全ての半導体装置はケース２０８に搭載されている。ケース２０８には固定部分２６が形成されておりパワーモジュール２００を外部機器等に固定できるようになっている。

図１０は第１半導体装置２０２の拡大図である。第１半導体装置２０２は図８に示すような３相インバータ回路（２つのパワー半導体素子が直列接続されて１つの相（アーム）を構成し、この相（アーム）を３つ有する回路）を構成するものである。すなわち、第１半導体装置２０２は、図７に示す半導体装置５０と５２を一体としたものである。図１０に示すように第１半導体装置２０２は、モールド樹脂２０２ａを備えている。モールド樹脂２０２ａから外部に伸びる端子は、コレクタ端子２０２ｂと２０２ｃ、エミッタ端子２０２ｄと２０２ｅ、中点端子２０２ｆ、２０２ｇ、及び２０２ｈ、並びにゲートエミッタ中継端子２０２ｉである。

コレクタ端子２０２ｂと２０２ｃ、及びエミッタ端子２０２ｄと２０２ｅは両側延在端子である。モールド樹脂２０２ａの面のうちコレクタ端子２０２ｂが外部に伸びる面とエミッタ端子２０２ｄが外部に伸びる面は一致し、モールド樹脂２０２ａの面のうちコレクタ端子２０２ｃが外部に伸びる面とエミッタ端子２０２ｅが外部に伸びる面は一致している。中点端子２０２ｆ、２０２ｇ、及び２０２ｈは、モールド樹脂２０２ａの両側延在端子が外部に伸びる面とは別の面から外部に伸びている。

第２半導体装置２０４は第１半導体装置２０２と同様の構成である。第１半導体装置２０２のコレクタ端子と第２半導体装置２０４のコレクタ端子が接続され、第１半導体装置２０２のエミッタ端子と第２半導体装置２０４のエミッタ端子が接続されている。

図１１は第３半導体装置２０６の拡大図である。第３半導体装置２０６は１つの相（アーム）を構成するものである。図１１に示すように第３半導体装置２０６はモールド樹脂２０６ａを備えている。モールド樹脂２０６ａから外部に伸びる端子は、コレクタ端子２０６ｂと２０６ｃ、エミッタ端子２０６ｄと２０６ｅ、中点端子２０６ｆ、及びゲートエミッタ中継端子２０６ｇである。コレクタ端子２０６ｂと２０６ｃ、及びエミッタ端子２０６ｄと２０６ｅは両側延在端子である。モールド樹脂２０６ａの面のうちコレクタ端子２０６ｂが外部に伸びる面とエミッタ端子２０６ｄが外部に伸びる面は一致し、モールド樹脂２０６ａの面のうちコレクタ端子２０６ｃが外部に伸びる面とエミッタ端子２０６ｅが外部に伸びる面は一致している。

そして、図９に示すように、第３半導体装置２０６のコレクタ端子２０６ｃと第１半導体装置２０２のコレクタ端子２０２ｂが接続され、第３半導体装置２０６のエミッタ端子２０６ｅと第１半導体装置２０２のエミッタ端子２０２ｄが接続されている。第１半導体装置２０２の中点端子２０２ｆ、２０２ｇ、及び２０２ｈは、導体を介してケース２０８の側面の外部接続用の端子にそれぞれ接続されている。第２半導体装置２０４と第３半導体装置２０６の中点端子、さらにはケースの側面側にあるエミッタ端子とコレクタ端子についても同様である。

本発明の実施の形態２に係るパワーモジュール２００によれば、３相インバータ回路を１つの半導体装置２０２で構成し、コンバータ部も１つの半導体装置２０６で構成したことにより全体の構成を簡素化し、かつ小型化することができる。このような構成により、たとえば走行と回生システムを実現するＨＥＶ−ＩＰＭを容易に製造することができる。インバータを第１半導体装置２０２と第２半導体装置２０４の２系統（例えば走行用と回生用）で構成したが、第１半導体装置２０２のみとしてもよい。

本発明の実施の形態２に係るパワーモジュール２００は様々な変形が可能である。たとえば、図１１に示すように、中点端子２０６ｆはコレクタ端子２０６ｂと同一方向に伸ばさなくてもよい。中点端子２０６ｆをコレクタ端子２０６ｂと同一方向に伸ばさない例を図１２に示す。図１２は中点端子２０６ｆを両側延在端子とは異なる方向に伸ばすこととした変形例を示す平面図である。その他、少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態３．
図１３は本発明の実施の形態３に係る半導体装置の平面図である。本発明の実施の形態３に係る半導体装置３００は３相インバータ回路を構成するものである。そして、各相（各アーム）の中点端子３００ａ、３００ｂ、及び３００ｃは、モールド樹脂２０２ａ内の各相（各アーム）の中点の直上からモールド樹脂２０２ａの最も大きな面の外部に伸びている。図１４は半導体装置３００の斜視図である。中点端子３００ａ、３００ｂ、及び３００ｃはモールド樹脂２０２ａの中央、かつ両側延在端子が伸びる面とは別の面に対して垂直に外部に伸びている。なお、半導体装置３００は中点端子３００ａ、３００ｂ、及び３００ｃ以外は実施の形態２で図１０を参照して説明した半導体装置２０２と同様である。よって、半導体装置２０２と同様の部分はこれと同様の符号を付して説明を省略する。

本発明の実施の形態３に係る半導体装置によれば、モールド樹脂２０２ａ内の各相（各アーム）の中点から各中点端子までの長さを短くできるので配線インダクタンスを低減できる。また、半導体装置３００は３相インバータ回路を構成することとしたが、インバータ回路の１つ以上のアームを構成するものであれば本発明の効果を得ることができるのでこれに限定されない。その他、少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態４．
図１５は本発明の実施の形態４に係る半導体装置の平面図である。本発明の実施の形態４に係る半導体装置４００は１つの相（アーム）を有するインバータ回路を構成するものである。そして、コレクタ端子４００ｂと４００ｃ、エミッタ端子４００ｄと４００ｅ、中点端子４００ｆと４００ｇ、及びゲートエミッタ中継端子４００ｈはモールド樹脂４００ａから外部に伸びている。この半導体装置４００は、コレクタ端子４００ｂと４００ｃ、及びエミッタ端子４００ｄと４００ｅに加えて、中点端子４００ｆと４００ｇも両側延在端子になっていることが特徴である。

本発明の実施の形態４に係る半導体装置４００によれば、中点端子４００ｆと４００ｇを両側延在端子としたので、コレクタ端子、エミッタ端子、及び中点端子をそれぞれ互いに接続することで複数の半導体装置４００を並列接続でき、容易に電流容量の増大を図ることが可能となり、パワーモジュールの多様なシステム化に対応できる。

本発明の実施の形態４に係る半導体装置４００は１つの相（アーム）を有するインバータ回路を構成するものとしたが本発明はこれに限定されない。たとえばインバータ回路の２つの相の上アーム、下アーム、又はそれらの両方を構成する半導体装置であっても、中点端子となるべき端子を両側延在端子にすることで本発明の効果を得ることができる。ここで、上アームを構成する半導体装置を図１６に示す。図１６は本発明の実施の形態４の変形例に係る半導体装置を示す平面図である。半導体装置４０２はエミッタ端子４０２ａと４０２ｂが両側延在端子である点を除いて図２に示す半導体装置１２と同様である。半導体装置１２と同様の部分は同様の符号を付して説明を省略する。なお、本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

１０ パワーモジュール、 １２，１４，１６，１８ 半導体装置、 ２４ ケース

Claims (5)

1. モールド樹脂から外部に伸びるコレクタ端子と、前記モールド樹脂から外部に伸びるエミッタ端子とを有し、前記コレクタ端子と前記エミッタ端子のうち少なくとも一方が前記モールド樹脂の相対する２つの面から外部に伸びる両側延在端子である第１半導体装置と、
   前記第１半導体装置と同様の構成である第２半導体装置と、を備え、
   前記第１半導体装置の前記両側延在端子と前記第２半導体装置の両側延在端子とが接続されたことを特徴とするパワーモジュール。
2. モールド樹脂の相対する２つの面から外部に伸びる両側延在端子であるエミッタ端子と、前記モールド樹脂から外部に伸びるコレクタ端子とを有する第３半導体装置をさらに備え、
   前記第１半導体装置の前記両側延在端子は、前記コレクタ端子であり、
   前記第１半導体装置の前記エミッタ端子と前記第３半導体装置の前記コレクタ端子が接続されたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第１半導体装置は、２つのパワー半導体素子が直列接続されたアームを有し、前記コレクタ端子は前記アームの高圧ラインであるＰラインであり、前記エミッタ端子は前記アームの低圧ラインであるＮラインであり、
   前記Ｐラインと前記Ｎラインはいずれも前記両側延在端子であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
4. 前記第１半導体装置は、２つのパワー半導体素子が直列接続されたアームを備え、
   前記アームの中点端子は、前記モールド樹脂内の前記アームの中点の直上から外部に伸びることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
5. 前記第１半導体装置は、直列接続された２つのパワー半導体素子の上アーム、下アーム、又はそれらの両方を構成し、
   前記２つのパワー半導体素子の中点端子は、両側延在端子であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。

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