特開 2024-84689 パワーモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024084689

(43)【公開日】2024-06-25

(54)【発明の名称】パワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240618BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023183546

(22)【出願日】2023-10-25

(31)【優先権主張番号】202211602836.X

(32)【優先日】2022-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】502330713

【氏名又は名称】台達電子工業股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＤＥＬＴＡ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．２５２，ＳｈａｎＹｉｎｇ Ｒｄ．，Ｇｕｉｓｈａｎ Ｄｉｓｔ．，Ｔａｏｙｕａｎ Ｃｉｔｙ ３３３，Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】翁任賢

(72)【発明者】

【氏名】呉翰林

(72)【発明者】

【氏名】姜俊良

(72)【発明者】

【氏名】李泰廣

(57)【要約】      （修正有）

【課題】基板と、複数の半導体素子と、複数の端子と、パッケージとを含むパワーモジュールにおいて、体積を減少させ、電力密度を高める。
【解決手段】パワーモジュールにおいて、基板２は、第１金属表面２０を含み、複数の半導体素子３が第１金属表面上２０に設置される。端子４０～４６の端子方向は、第１金属表面２０の底辺に垂直であり、パッケージは第１金属表面２０と複数の半導体素子３を覆い、かつ、端子４０～４６を部分的に覆う。端子４０～４６は、同じ方向に沿ってパッケージの外に延び、正電圧端子４０と、負電圧端子４１と、を含み、正電圧端子４０の末端は第１金属表面２０の第１側辺２２の中間位置に貼り付けられ、負電圧端子４１の末端は第１金属表面２０の第２側辺２３の中間位置に貼り付けられ、第１側辺２２と第２側辺２３は、空間的に互いに対向している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、複数の半導体素子と、複数の端子と、パッケージとを含むパワーモジュールであって、
前記基板は、第１金属表面を含み、
前記複数の半導体素子は、前記第１金属表面上に設置され、
各前記端子の端子方向は、前記第１金属表面の底辺に垂直であり、
前記パッケージは、前記第１金属表面、前記複数の半導体素子を覆い、各前記端子を部分的に覆い、各前記端子は同じ方向に沿って前記パッケージの外に延び、
前記複数の端子は正電圧端子と負電圧端子とを含み、前記正電圧端子の末端は前記第１金属表面の第１側辺の中間位置に貼り付けられ、前記負電圧端子の末端は前記第１金属表面の第２側辺の中間位置に貼り付けられ、前記第１側辺及び前記第２側辺は、空間的に互いに対向している、パワーモジュール。

【請求項2】

前記複数の半導体素子の数は偶数個であり、前記複数の半導体素子は、前記第１金属表面上にマトリックスを形成するように配列され、
前記マトリックスの中心、前記第１金属表面の第１側辺の中間位置、及び前記第１金属表面の第２側辺の中間位置は、空間的に同じ水平線上にある、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項3】

前記複数の端子は、前記正電圧端子と前記負電圧端子との間に設置された相電圧端子をさらに含み、
前記相電圧端子の末端は、前記第１金属表面の前記水平線よりも前記底辺に近い位置に貼り付けられる、請求項２に記載のパワーモジュール。

【請求項4】

前記相電圧端子と前記正電圧端子との間の第１距離は、前記相電圧端子と前記負電圧端子との間の第２距離と同じである、請求項３に記載のパワーモジュール。

【請求項5】

前記複数の端子は、前記第１距離内に設置された第１ゲート端子及び第１ソース端子をさらに含み、
前記第１ゲート端子及び前記第１ソース端子の末端は、前記第１金属表面の前記底辺に隣接し、前記第１ゲート端子及び前記第１ソース端子の末端は、少なくとも１つのボンディングワイヤを介して前記第１金属表面に電気的に接続され、
前記パッケージは、前記第１ゲート端子及び前記第１ソース端子の末端を覆う、請求項４に記載のパワーモジュール。

【請求項6】

前記複数の端子は、前記第２距離内に設置された第２ゲート端子及び第２ソース端子をさらに含み、
前記第２ゲート端子及び前記第２ソース端子の末端は、前記第１金属表面の前記底辺に隣接し、前記第２ゲート端子及び前記第２ソース端子の末端は、少なくとも１つのボンディングワイヤを介して前記第１金属表面に電気的に接続され、
前記パッケージは、前記第２ゲート端子及び前記第２ソース端子の末端を覆う、請求項４に記載のパワーモジュール。

【請求項7】

各前記半導体素子は、少なくとも１つのボンディングワイヤを介して前記第１金属表面に電気的に接続され、
前記正電圧端子が電源電流を受信すると、前記電源電流は、前記第１金属表面及び前記少なくとも１つのボンディングワイヤを経て、前記水平線よりも遠い前記半導体素子に流れる、請求項３に記載のパワーモジュール。

【請求項8】

前記電源電流は、前記水平線よりも遠い前記半導体素子を流れた後、前記相電圧端子を経て前記パワーモジュールから流出する、請求項７に記載のパワーモジュール。

【請求項9】

前記電源電流は、前記水平線よりも遠い前記半導体素子を流れた後、前記負電圧端子を経て前記パワーモジュールから流出する、請求項７に記載のパワーモジュール。

【請求項10】

前記負電圧端子が前記電源電流を受信すると、前記電源電流は、前記第１金属表面及び前記少なくとも１つのボンディングワイヤを経て、前記水平線よりも近い前記半導体素子を流れ、
前記電源電流は、前記水平線よりも近い前記半導体素子を流れた後、前記相電圧端子を経て前記パワーモジュールから流出する、請求項７に記載のパワーモジュール。

【請求項11】

前記相電圧端子が前記電源電流を受信すると、前記電源電流は、前記第１金属表面及び前記少なくとも１つのボンディングワイヤを経て、前記水平線よりも近い前記半導体素子を流れ、
前記電源電流は、前記水平線よりも近い前記半導体素子を流れた後、前記負電圧端子を経て前記パワーモジュールから流出する、請求項７に記載のパワーモジュール。

【請求項12】

前記正電圧端子、前記負電圧端子、及び前記相電圧端子は、他の端子より断面積が大きい、請求項３に記載のパワーモジュール。

【請求項13】

前記複数の端子の数は奇数個で、３個以上である、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項14】

前記基板は、熱伝導性絶縁板と第２金属表面とをさらに含み、
前記第１金属表面は、前記熱伝導性絶縁板の第１面に貼り付けられ、前記第２金属表面は、前記熱伝導性絶縁板の第２面に貼り付けられ、前記第１面と前記第２面は対向しており、前記第２金属表面は前記パッケージから露出する、請求項１に記載のパワーモジュール。

【請求項15】

前記パッケージはエポキシ樹脂で製造される、請求項１に記載のパワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワーモジュール、特に１つの基板上に複数の半導体素子を設置したパワーモジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

既存の充電ステーション設備では、電源変換ユニットに、ＴＯ２４７構造のディスクリート部品を複数使用する必要がある。各ＴＯ２４７構造のディスクリート部品は、１つのＭＯＳＦＥＴチップを有し、ディスクリート部品のサイズ及び電力密度は固定されている。

【0003】

各ディスクリート部品のサイズ及び電力密度が固定されているため、上昇する電力需要を満たすための設備は、電力需要が低い従来の設備と比べて、より多くのディスクリート部品を同時に使用して、高電力需要を満たす必要がある。しかし、設備により多くのディスクリート部品を使用すると、体積が増加し、電子部品の数が増えるため、設備内部の放熱がより困難になる。

【0004】

そこで、上記の従来技術を改善できるパワーモジュールをどのように開発するかは、現在急務となっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、１つの基板上に複数の半導体素子を設置することにより、従来の多くのディスクリート部品を１つのパワーモジュールに置き換えて、体積を減少させ、電力密度を高める、パワーモジュールを提供することである。さらに、本発明のパワーモジュールの正電圧及び負電圧端子が、それぞれ金属表面の側辺の中間位置に貼り付けられているため、パワーモジュールの構造的安定性が向上し、耐用年数が延長される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の構想によれば、本発明は、基板と、複数の半導体素子と、複数の端子と、パッケージとを含むパワーモジュールを提供する。基板は第１金属表面を含み、複数の半導体素子は第１金属表面上に設置される。各端子の端子方向は第１金属表面の底辺に垂直である。パッケージは、第１金属表面と複数の半導体素子を覆い、各端子を部分的に覆い、各端子は同じ方向に沿ってパッケージの外に延びる。複数の端子は正電圧端子と負電圧端子とを含み、正電圧端子の末端は第１金属表面の第１側辺の中間位置に貼り付けられ、負電圧端子の末端は第１金属表面の第２側辺の中間位置に貼り付けられ、第１側辺と第２側辺は、空間的に互いに対向している。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の好ましい実施形態のパワーモジュールの立体構造概略図である。

【図2】図１のパワーモジュールの部分立体構造概略図である。

【図3】図２のパワーモジュールの平面図である。

【図4】図３のパワーモジュールが電源電流を受信するときの電流の流れを示す概略図である。

【図5】本発明の別の好ましい実施形態のパワーモジュールが電源電流を受信するときの電流の流れを示す概略図である。

【図6】本発明の別の好ましい実施形態のパワーモジュールが電源電流を受信するときの電流の流れを示す概略図である。

【図7】図１のパワーモジュールの断面構造概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明の特徴と利点を示すいくつかの典型的な実施形態について、後述の説明において詳細に記述する。本発明は異なる態様において様々な変更を加えることができ、いずれも本発明の範囲から逸脱することなく、かつその説明及び図面は本質的に説明するために用いられものであり、本発明を限定する意図はないことを理解されたい。

【0009】

図１は本発明の好ましい実施形態のパワーモジュール１の立体構造概略図であり、図２は図１のパワーモジュール１の部分立体構造概略図であり、図３は図２のパワーモジュール１の平面図である。図１、図２及び図３に示すように、パワーモジュール１は、基板２、複数の半導体素子３、複数の端子、及びパッケージ５を含む。いくつかの実施形態では、半導体素子３は能動デバイス（ａｃｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅ）であってもよい。実際には、前記能動デバイスは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）パワートランジスタ、窒化ガリウム（ＧａＮ）パワートランジスタ、カスケード（ｃａｓｃａｄｅ）構造を有する半導体素子または他の能動デバイスであってもよい。基板２は第１金属表面２０を含み、複数の半導体素子３は第１金属表面２０上に設置される。いくつかの実施形態では、端子の数は奇数個で、３個以上である。各端子の端子方向は、第１金属表面２０の底辺２１に垂直である。パッケージ５は、第１金属表面２０と複数の半導体素子３を覆い、各端子を部分的に覆い、各端子は同じ方向に沿ってパッケージ５の外に延びる。複数の端子は正電圧端子４０及び負電圧端子４１を含み、正電圧端子４０の末端４００は、第１金属表面２０の第１側辺２２の中間位置（例えば、第１側辺２２の中間点であるが、これに限定されない）に貼り付けられ、負電圧端子４１の末端４１０は、第１金属表面２０の第２側辺２３の中間位置（例えば、第２側辺２３の中間点であるが、これに限定されない）に貼り付けられる。正電圧端子４０の末端４００及び負電圧端子４１の末端４１０が、それぞれ第１側辺２２及び第２側辺２３の中間位置に貼り付けられているため、パワーモジュール１が組立中に外力の影響を受けると、パワーモジュール１の構造は比較的安定しており、パワーモジュール１の信頼性と耐用年数が向上する。第１側辺２２及び第２側辺２３は、空間的に互いに対向しており、第１金属表面２０の底辺２１とともに、第１金属表面２０の４辺のうちの３辺を構成している。本発明のパワーモジュール１は、１つの基板上に複数の半導体素子を設置することにより、従来の多くのディスクリート部品を１つのパワーモジュールに置き換えて、体積を減少させ、電力密度を高める。また、本発明のパワーモジュール１の正電圧及び負電圧端子が、それぞれ金属表面の側辺の中間位置に貼り付けられているため、パワーモジュール１の構造的安定性が増加し、耐用年数が延長される。

【0010】

いくつかの実施形態では、正電圧端子４０の末端４００は２つの半導体素子３の間に設置され、負電圧端子４１の末端４１０は２つの半導体素子３の間に設置される。正電圧端子４０及び負電圧端子４１の末端４００及び４１０が、それぞれ２つの半導体素子３の間に設置されるため、パワーモジュール１の放熱効果を高めることができる。

【0011】

いくつかの実施形態では、半導体素子３の数は偶数個であり、図１～図３に示すパワーモジュール１は、第１金属表面２０上にマトリックスを形成するように配列された４つの半導体素子３を含む。マトリックスの中心Ｏ、第１側辺２２及び第２側辺２３の中間位置は、空間的に同じ水平線Ｌ上にある。

【0012】

いくつかの実施形態では、複数の端子は、正電圧端子４０と負電圧端子４１との間に設置された相電圧端子４２をさらに含む。相電圧端子４２の末端４２０は第１金属表面２０に貼り付けられ、末端４２０が第１金属表面２０に貼り付けられる位置は、水平線Ｌよりも底辺２１に近い。相電圧端子４２と正電圧端子４０との間の第１距離Ｒ１は、相電圧端子４２と負電圧端子４１との間の第２距離Ｒ２と同じである。

【0013】

いくつかの実施形態では、正電圧端子４０、負電圧端子４１、及び相電圧端子４２は同じ断面積を有し、かつ他の端子より断面積が大きいため、正電圧端子４０、負電圧端子４１、及び相電圧端子４２は、パワーモジュール１の外部から入力される電源電流に耐えることができる。

【0014】

いくつかの実施形態では、複数の端子は、第１ゲート端子４３及び第１ソース端子４４をさらに含み、第１ゲート端子４３及び第１ソース端子４４は、第１距離Ｒ１内に設置され、すなわち、第１ゲート端子４３及び第１ソース端子４４は、相電圧端子４２と正電圧端子４０との間に位置する。第１ゲート端子４３の末端４３０及び第１ソース端子４４の末端４４０は、第１金属表面２０の底辺２１に隣接し（ここでの隣接とは、近接しているが、接触していないという状態である）、少なくとも１つのボンディングワイヤ６を介して第１金属表面２０に電気的に接続される。本発明の複数のボンディングワイヤ６のうち、一部のボンディングワイヤ６は信号伝送に使用され、一部のボンディングワイヤ６は電力伝送に使用される。いくつかの実施形態では、ボンディングワイヤ６の信号は、第１金属表面２０上の半導体素子３によって提供される。パッケージ５は、第１ゲート端子４３の末端４３０及び第１ソース端子４４の末端４４０を覆う。なお、図面を簡潔にするために、図面には一部のボンディングワイヤ６のみに符号を付している。

【0015】

いくつかの実施形態では、複数の端子は、第２ゲート端子４５及び第２ソース端子４６をさらに含み、第２ゲート端子４５及び第２ソース端子４６は、第２距離Ｒ２内に設置され、すなわち、第２ゲート端子４５及び第２ソース端子４６は、相電圧端子４２と負電圧端子４１との間に位置する。第２ゲート端子４５の末端４５０及び第２ソース端子４６の末端４６０は、第１金属表面２０の底辺２１に隣接し（ここでの隣接とは、近接しているが、接触していないという状態である）、少なくとも１つのボンディングワイヤ６を介して第１金属表面２０に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、ボンディングワイヤ６の信号は、第１金属表面２０上の半導体素子３によって提供される。パッケージ５は、第２ゲート端子４５の末端４５０及び第２ソース端子４６の末端４６０を覆う。

【0016】

図４を参照し、図４は図３のパワーモジュール１が電源電流を受信するときの電流の流れを示す概略図である。各半導体素子３は、それぞれ少なくとも１つのボンディングワイヤ６を介して第１金属表面２０に電気的に接続される。図４において、実線矢印方向は、電源電流が正電圧端子４０及び相電圧端子４２を経てパワーモジュール１にそれぞれ流入及び流出する方向を表す。正電圧端子４０が電源電流を受信すると、電源電流は、第１金属表面２０及び少なくとも１つのボンディングワイヤ６を経て、水平線Ｌよりも遠い半導体素子３（すなわち、水平線Ｌに対して底辺２１とは異なる側にある半導体素子３）を流れ、その後、相電圧端子４２を経てパワーモジュール１から流出する。

【0017】

本発明のパワーモジュールの端子設置位置は、図３及び図４に示すパワーモジュール１に限定されない。図５を参照し、図５に示すパワーモジュール１と図４に示すパワーモジュール１との違いは、本実施形態の端子設置位置が異なることにある。図５に示す実施形態では、負電圧端子４１は、相電圧端子４２と正電圧端子４０との間に設置され、第２ゲート端子４５及び第２ソース端子４６は、正電圧端子４０と負電圧端子４１との間に位置し、第１ゲート端子４３及び第１ソース端子４４は、負電圧端子４１と相電圧端子４２との間に位置する。図５において、実線矢印方向は、電源電流が正電圧端子４０及び相電圧端子４２を経てパワーモジュール１にそれぞれ流入及び流出する方向を表す。図５に示す実施形態では、電源電流は、水平線Ｌよりも遠い半導体素子３を流れた後、相電圧端子４２を経てパワーモジュール１から流出する。

【0018】

いくつかの実施形態では、電源電流は、相電圧端子４２を経てパワーモジュール１に流入し、水平線Ｌよりも近い半導体素子３（すなわち、水平線Ｌに対して底辺２１と同じ側にある半導体素子３）を流れることができる。電源電流が相電圧端子４２を経てパワーモジュール１に流入する実施形態は、それぞれ図４及び図５に例示して説明する。

【0019】

図４及び図５を参照し、図４及び図５において、白抜き矢印方向は、電源電流が相電圧端子４２及び負電圧端子４１を経てパワーモジュール１にそれぞれ流入及び流出する方向を表す。図４に示す実施形態では、相電圧端子４２が電源電流を受信すると、電源電流は、第１金属表面２０及び少なくとも１つのボンディングワイヤ６を経て、水平線Ｌよりも近い半導体素子３を流れ、その後、負電圧端子４１を経てパワーモジュール１から流出する。

【0020】

本発明のパワーモジュールの第１金属表面２０上のボンディングワイヤ６の接続方式は、図３、図４及び図５に示すパワーモジュール１に限定されない。図６を参照し、図６に示すパワーモジュール１と図３、図４及び図５に示すパワーモジュール１との違いは、本実施形態のボンディングワイヤ６の接続方式が異なることだけである。異なる実施形態において、ボンディングワイヤ６の接続方式は、半導体素子３と複数の端子との間の配置関係によって異なる。

【0021】

再び図１を参照し、いくつかの実施形態では、パッケージ５は、取り外し可能な上部シーラント５０及び下部シーラント５１と、２つの固定部品５２とを有する。いくつかの実施形態では、上部シーラント５０及び下部シーラント５１は一体的に形成され、射出成形されたエポキシ樹脂（Ｅｐｏｘｙ）であり、上部シーラント５０及び下部シーラント５１はパッケージ５を形成する。いくつかの他の実施形態では、上部シーラント５０及び下部シーラント５１がパッケージ５を形成した後、２つの固定部品５２によって固着され、固定部品５２は、例えばロックねじであってもよいが、これに限定されない。

【0022】

図７を参照し、図７は図１のパワーモジュール１の断面構造概略図である。本発明の基板２は、熱伝導性絶縁板２４と第２金属表面２５とをさらに含み、熱伝導性絶縁板２４は、対向する第１面２４０と第２面２４１とを有し、第１金属表面２０は、熱伝導性絶縁板２４の第１面２４０に貼り付けられ、第２金属表面２５は、熱伝導性絶縁板２４の第２面２４１に貼り付けられ、パッケージ５から露出する。いくつかの実施形態では、パッケージ５はエポキシ樹脂で製造される。

【0023】

上記のように、本発明は、１つの基板上に複数の半導体素子を設置することにより、従来の多くのディスクリート部品を１つのパワーモジュールに置き換えて、体積を減少させ、電力密度を高める、パワーモジュールを提供する。また、本発明のパワーモジュールの正電圧及び負電圧端子が、それぞれ金属表面の側辺の中間位置に貼り付けられているため、パワーモジュールの構造的安定性が向上し、耐用年数が延長され、正電圧及び負電圧端子の末端が２つの半導体素子の間に設置されるため、パワーモジュールの放熱効果を高めることができる。

【0024】

上記は、本発明を説明するために提案された好ましい実施形態に過ぎず、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の範囲は特許出願の範囲によって決定されることに留意されたい。本発明は、当業者なら様々な修正を加えることができるが、特許請求の範囲によって定義される範囲から逸脱することはない。

【符号の説明】

【0025】

１：パワーモジュール
２：基板
２０：第１金属表面
２１：底辺
２２：第１側辺
２３：第２側辺
２４：熱伝導性絶縁板
２４０：第１面
２４１：第２面
２５：第２金属表面
３：半導体素子
４０：正電圧端子
４１：負電圧端子
４００、４１０：末端
４２：相電圧端子
４２０：末端
４３：第１ゲート端子
４４：第１ソース端子
４３０、４４０：末端
４５：第２ゲート端子
４６：第２ソース端子
４５０、４６０：末端
５：パッケージ
５０：上部シーラント
５１：下部シーラント
５２：固定部品
６：ボンディングワイヤ
Ｏ：マトリックスの中心
Ｌ：水平線
Ｒ１：第１距離
Ｒ２：第２距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】