特許 7490778 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240520BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240520BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022536007

(86)(22)【出願日】2020-07-13

(86)【国際出願番号】 JP2020027301

(87)【国際公開番号】W WO2022013930

(87)【国際公開日】2022-01-20

【審査請求日】2022-10-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081961

【弁理士】

【氏名又は名称】木内 光春

(74)【代理人】

【識別番号】100112564

【弁理士】

【氏名又は名称】大熊 考一

(74)【代理人】

【識別番号】100163500

【弁理士】

【氏名又は名称】片桐 貞典

(74)【代理人】

【識別番号】230115598

【弁護士】

【氏名又は名称】木内 加奈子

(72)【発明者】

【氏名】市倉 優太

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 尚威

(72)【発明者】

【氏名】田多 伸光

(72)【発明者】

【氏名】田代 匠太

(72)【発明者】

【氏名】久里 裕二

(72)【発明者】

【氏名】関谷 洋紀

(72)【発明者】

【氏名】丸山 裕

(72)【発明者】

【氏名】田中 翔

(72)【発明者】

【氏名】伊東 弘晃

(72)【発明者】

【氏名】水谷 麻美

(72)【発明者】

【氏名】飯尾 尚隆

【審査官】豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０２１８３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２５／００－２５／０７

Ｈ０１Ｌ２５／１０－２５／１１

Ｈ０１Ｌ２５／１６－２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子及び前記半導体素子に電気的に接続された導電部がケース内に実装された半導体モジュールと、
前記半導体モジュールに接合された下部バスバーと、
蓋部材を兼ねる上部バスバーと、
前記半導体モジュール、前記下部バスバー及び前記上部バスバーに直列に接続された端子と、
前記下部バスバーに前記上部バスバーを固定する絶縁物と、が備えられ、
前記半導体モジュールは前記下部バスバー及び前記上部バスバーに挟まれて並列に接続され、
前記端子は水平方向の長さ寸法をＬ１、垂直方向の長さ寸法をＬ２、
互いに隣接する前記端子間に作用する反発力を受ける間隔をｒ１、
互いに隣接する前記端子間に作用する吸引力を受ける間隔をｒ２として、
Ｌ１／ｒ１＝Ｌ２／ｒ２・ｓｉｎθとなるように、隣接する前記端子同士が配置される半導体装置。

【請求項2】

前記端子は、垂直方向に延びる垂直辺部と、水平方向に延びる水平辺部とを有するＬ字状部材からなる請求項１に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、電力制御用の半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統における送電システムには、大電力用の電力変換器が使用される。これらの電力変換器は、交流を直流に、直流を交流にする電圧の変換を行う。または、これらの電力変換器は、直流の電圧を昇圧、降圧する変換を行う。これらの電圧の変換は、電力変換器内に設けられた半導体装置により、供給された電力がスイッチングされることにより行われる。

【0003】

電力変換に使用される半導体装置は、スイッチングにより１０００Ｖを超える高電圧の開閉を行う。また、半導体装置は、スイッチングにより１０００Ａを超える大電流の開閉を行う。大電流の開閉を行うため、半導体装置には、電気的に並列に接続された複数のＩＧＢＴ等のいわゆるパワー素子と呼ばれるスイッチング用の半導体素子が回路基板に配置される。例えば、実装面積が半導体素子と同程度のサイズまで小型化された半導体モジュールとして、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平０８－３３０３３８号公報

【文献】特開２００６－０１３０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の半導体装置では、大電流が通電した際に電磁力によって構成部材の一部が跳ね上がり、半導体装置の通電経路が破断する可能性がある。近年の半導体装置は、大容量で長距離の送電に有利な高圧直流送電への適用を目指しており、さらなる信頼性の向上が求められている。そのため、半導体装置の通電経路の破断防止が急務となっている。

【0006】

本実施形態は、構成部材の跳ね上がりを抑えて通電経路の破断を防ぐことができる半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本実施形態の半導体装置は、半導体素子及び半導体素子に電気的に接続された導電部がケース内に実装された半導体モジュールと、半導体モジュールに接合された下部バスバーと、蓋部材を兼ねる上部バスバーと、半導体モジュール、下部バスバー及び上部バスバーに直列に接続された端子と、下部バスバーに上部バスバーを固定する絶縁物と、が備えられ、半導体モジュールは下部バスバー及び上部バスバーに挟まれて並列に接続され、端子は水平方向の長さ寸法をＬ１、垂直方向の長さ寸法をＬ２、互いに隣接する端子間に作用する反発力を受ける間隔をｒ１、互いに隣接する端子間に作用する吸引力を受ける間隔をｒ２として、Ｌ１／ｒ１＝Ｌ２／ｒ２・ｓｉｎθとなるように、隣接する端子同士が配置される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態にかかる半導体装置の正面断面図

【図2】図１のＡ－Ａ断面図

【図3】図１のＢ－Ｂ断面図

【図4】第１実施形態にかかる半導体装置の適用想定回路図

【図5】第１実施形態にかかる半導体装置の内部回路図

【図6】第１実施形態にかかる半導体装置の回路図

【図7】第１実施形態にかかる半導体装置の要部上面図

【発明を実施するための形態】

【0009】

［第１実施形態］
［構成］
以下、図１～図７を参照して本実施形態の半導体装置１の構成を説明する。本実施形態において、同一構成の装置や部材が複数ある場合にはそれらについて同一の番号を付して説明を行う。図７においてＸ軸、Ｙ軸は、相互に直交する。

【0010】

図１に示すように、半導体装置１は、複数のＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）２と、互いに向かい合う下側のＣバスバー３及び上側のＥバスバー４と、端子５と、端子５をＣＳＰ２に接続する接続導体７と、バスバー３、４を繋ぐ絶縁物６と、端子５をＥバスバー４に接続する端子支持部８と、を備えている。ＣＳＰ２は、ステンレス製のケース２３内に半導体素子２１及び導体２２が実装された半導体モジュールである。ＣＳＰ２は、実装面積が半導体素子２１と同程度のサイズまで小型化されている。

【0011】

図１～図３に示すように、Ｃバスバー３の上面には２つのＣＳＰ２、２が互いに向かい合うようにして接合されている。図１～図３では便宜的に２つのＣＳＰ２、２を１組だけ示したが、２つのＣＳＰ２、２を複数組、設けてもよい。

【0012】

ＣＳＰ２に実装される半導体素子２１は、いわゆるパワー素子と呼ばれるスイッチング用の半導体素子である。例えば半導体素子２１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により構成されており、シリコン等により形成された半導体層に、銅やアルミニウム等からなる正側電極、負側電極、制御電極が配置されている。

【0013】

正側電極はＩＧＢＴのコレクタ、負側電極はＩＧＢＴのエミッタ、制御電極はＩＧＢＴのゲートである。すなわち、正側電極は電力供給源となる外部装置からの電流を入力し、負側電極は負荷となる外部装置への電流を出力し、制御電極は制御信号を入力して正側電極及び負側電極間の電流を制御する。

【0014】

Ｃバスバー３及びＥバスバー４にはアルミニウムや銅等の金属材料やカーボンやセラミック等の非金属材料が含まれる。Ｃバスバー３上の側縁部においてＣＳＰ２よりも外側に、絶縁物６が垂直に立てられている。絶縁物６はエポキシやポリイミド等の絶縁性樹脂材料からなる。２つの絶縁物６、６は互いに向かい合う側壁部となって、各絶縁物６の上部にＥバスバー４が水平に固定されている(図１に図示)。半導体装置１は、Ｃバスバー３、Ｅバスバー４及び絶縁物６によって囲まれた箱状部材となる。Ｃバスバー３は半導体装置１の底面部材となり、Ｅバスバー４は半導体装置１の蓋部材を兼ねる。

【0015】

接続導体７は、端子５をＣＳＰ２に接続するための板状の部材であり、各ＣＳＰ２のケース２３から水平方向に延びて取り付けられている(図１参照)。また図２、図３に示すように、接続導体７、７は互いに平行で、且つ図１において奥行き方向にずらして配置されている。図１において左側の接続導体７は右側の端子支持部８の取付孔８１と同一線上に配置され、右側の接続導体７は左側の端子支持部８の取付孔８１と同一線上に配置されている。

【0016】

Ｅバスバー４の下面には下方に突出して２つの端子支持部８、８が設けられる。２つの端子支持部８、８は、２つのＣＳＰ２、２に対応して互いに向き合いようにして設けられるブロック状の部材である。端子支持部８、８はＥバスバー４と同様、アルミニウム等の金属材料からなる。端子支持部８、８の互いに向かい合う側面部には取付孔８１、８１が開けられている。取付孔８１、８１は同一水平面に設けられるが、奥行き方向にずらして形成される。すなわち、図１に示した端子支持部８、８のうち、左側に位置する端子支持部８の取付孔８１は奥寄り(図２の上側方向)に設けられ、右側に位置する端子支持部８の取付穴８１は手前寄り(図２の下側方向)に配置されている。

【0017】

図１において左側の取付孔８１には左方向に向かって水平に延びる長孔８２が取付孔８１と連続して形成されている。図１において右側の取付孔８１には右方向に向かって水平に延びる長孔８２が取付孔８１と連続して形成されている。長孔８２、８２は取付孔８１よりも大きい径からなり、取付孔８１が開けられた側面部と反対側の側面部にまで達する貫通する孔である。つまり、図３に示すように、左側の接続導体７は右側の端子支持部８の取付孔８１及び長孔８２と同一線上に配置され、右側の接続導体７は左側の端子支持部８の取付孔８１及び長孔８２と同一線上に配置されている。

【0018】

図１～図３に示すように、接続導体７の先端部及び端子支持部８の取付孔８１に端子５が取り付けられる。端子５は、上方向に延びる垂直辺部５１と、水平方向に延びる水平辺部５２とを有するＬ字状部材からなる(図１参照)。図１の左側のＣＳＰ２に取り付けられる端子５は水平辺部５２が垂直辺部５１から図１の右側方向に延び、図１の右側のＣＳＰ２に取り付けられる端子５は水平辺部５２が垂直辺部５１から図１の左側方向に延びている。

【0019】

図４の回路図は半導体装置１を組み込む適用想定回路の回路図である。図５の内部回路図に示すように、半導体装置１ではＣＳＰ２がＣバスバー３及びＥバスバー４に挟まれて並列に接続されている。各ＣＳＰ２には端子５、Ｃバスバー３及びＥバスバー４が直列に接続されている。

【0020】

互いに隣接する端子５、５は、次の式(１)を満たすように配置されている(図６、図７参照)。
Ｌ１／ｒ１＝Ｌ２／ｒ２・ｓｉｎθ…(１)
Ｌ１：端子５の水平方向の長さ寸法
Ｌ２：垂直方向の長さ寸法
ｒ１：互いに隣接する端子５間に作用する反発力を受ける間隔
ｒ２：互いに隣接する端子５間に作用する吸引力を受ける間隔
図６に示したＩ１，Ｉ２は、抵抗３に流れる電流であり、矢印の向きに電流が流れる。図７に示したＦ１は、互いに隣接する端子５間に作用する反発力、図７に示したＦ２は、互いに隣接する端子５間に作用する吸引力である。なお、明細書では寸法に関して大文字Ｌで示したが、図６、図７ではＬを小文字で示すものとする。

【0021】

［作用］
半導体装置１では、大電流が通電した際に、端子５とＥバスバー４との間に大きな電磁力が発生する。Ｅバスバー４に対する電磁力はＣバスバー３から離れる向きに働く。そのため、Ｅバスバー４は跳ね上がって、半導体装置１の通電経路が破断する可能性がある。そこで本実施形態では、絶縁物６がＣバスバー３にＥバスバー４を固定し、Ｅバスバー４の跳ね上がりを抑えている。

【0022】

しかも、本実施形態ではＥバスバー４が箱状の半導体装置１の蓋部材となっている。そのため、Ｅバスバー４は剛性の高い構造を採用することかできる。従って、大電流が通電して端子５とＥバスバー４との間に電磁力が発生しても、Ｅバスバー４が跳ね上がることがない。

【0023】

半導体装置１では、上記の式(１)Ｌ１／ｒ１＝Ｌ２／ｒ２・ｓｉｎθを満たしたことで、互いに隣接する端子５、５を並列接続した場合、２つの端子５、５の水平辺部５２、５２に作用する反発力Ｆ１と、吸引力Ｆ１が、図７のＹ方向で釣り合う位置関係とすることができる。従って、端子５の水平辺部５２は、反発力Ｆ１や吸引力Ｆ１の影響を受けることがない。

【0024】

［効果］
本実施形態は、半導体素子２１及び半導体素子２１に電気的に接続された導電部２２がケース２３内に実装されたＣＳＰ２と、ＣＳＰ２に接合された下側のＣバスバー３と、半導体装置１の蓋部材を兼ねる上側のＥバスバー４と、ＣＳＰ２、Ｃバスバー３及びＥバスバー４に直列に接続された端子５と、Ｃバスバー３にＥバスバー４を固定する絶縁物６と、が備えられ、ＣＳＰ２はＣバスバー３及びＥバスバー４に挟まれて並列に接続される。

【0025】

このような本実施形態では、絶縁物６がＣバスバー３にＥバスバー４を固定しており、Ｅバスバー４Ｅが半導体装置１の蓋部材を兼ねている。そのため、大電流が通電して端子５とＥバスバー４との間に電磁力が発生しても、Ｅバスバー４の跳ね上がりを抑えることができる。これにより、半導体装置１の通電経路の破断を防止することができ、信頼性が向上する。よって、本実施形態の半導体装置１は高圧直流送電への利用に好適である。

【0026】

また本実施形態では、端子５は垂直方向の長さ寸法をＬ１、水平方向の長さ寸法をＬ２、互いに隣接する端子５、５間に作用する反発力を受ける間隔をｒ１、互いに隣接する端子５、５間に作用する吸引力を受ける間隔をｒ２として、Ｌ１／ｒ１＝Ｌ２／ｒ２・ｓｉｎθとなるように、隣接する端子５、５同士が配置されている。

【0027】

このような本実施形態では、端子５、５同士を隣接させたとしても、２つの端子５、５の水平辺部５２に作用する反発力Ｆ１と吸引力Ｆ２が釣り合うので、端子５の水平辺部５２は、反発力Ｆ１及び吸引力Ｆ２の影響を受けることがない。その結果、端子５、５自体はもちろんのこと、それに接続された接続導体７、７、さらにはＣＳＰ２の損傷を防ぐことができる。また、端子５、５同士を隣接させた分だけ、向かい合うＣＳＰ２、２をコンパクトなスペースに設置することが可能である。これにより、半導体装置１の小型化に寄与することができる。

【0028】

本実施形態では、半導体素子２１に直列接続した端子５が短絡故障時のエネルギーを担うことができるため、ＣＳＰ２の許容エネルギーを向上させることができる。従って、ＣＳＰ２は、大電流故障時のエネルギーに耐えて、確実にショート故障となる半導体モジュールを実現することができる。従って、本実施形態によれば半導体装置１の爆発的な破損を回避することが可能である。

【0029】

しかも、本実施形態の端子５は、水平方向に延びる水平辺部５２を有するＬ字状部材からなる。このため、半導体装置１の高さ寸法を増大させることなく、端子５は十分に熱容量を確保することができる。従って、本実施形態ではＣＳＰ２の許容エネルギーを容易に向上させることができる。

【0030】

さらに本実施形態では、Ｅバスバー４下面に突出した端子支持部８、８がＥバスバー４と同様、アルミニウム等の金属材料からなる。そのため、端子支持部８が端子５を強固に保持することができる。従って、バスバー４及び端子５を下方に強く押さえることができ、Ｅバスバー４の跳ね上がりを確実に抑えることが可能である。

【0031】

［他の実施形態］
上記の実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。以下はその一例である。

【0032】

（１）上記実施形態では、半導体素子２は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるものとしたが、半導体素子２は、これに限られない。半導体素子２は、ＩＧＢＴの他、例えばＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｒａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎｏｆｆ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスター、サイリスタ、ＦＲＤ（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅ）等のダイオード、またはこれらが、混載されものであってもよい。

【0033】

（２）上記実施形態では、各半導体素子２１に端子５を直列接続したが、これに限らず、並列接続された複数の半導体素子２のいずれかに、端子５を直列接続するようにしてもよい。また、端子５は、抵抗値も適宜変更可能であり、材料も導電性であればよく、ニッケルを含む合金や銅、あるいは銅より抵抗値が高い材料であっても構わない。

【0034】

（３）上記実施形態では、半導体モジュール２は、半導体素子２１を２つ備えるものとしたが、半導体モジュール２が備える半導体素子２１の数はこれに限られない。半導体モジュール２は、半導体素子２１を１つまたは３つ以上備えるものであってもよい。また、半導体装置１は、任意の数量の半導体モジュール２を有するものであってよい。

【0035】

（４）他の実施形態としては、例えば、ＣＳＰ２の上面とＥバスバー４との間がエポキシ樹脂などで封止、固化されてもよい。このような実施形態によれば、ＣＳＰ２の上面とＥバスバー４との間にエポキシ樹脂などを封止、固化したことで、Ｅバスバー４を上方から押さえることができる。従って、大電流通電により端子５とＥバスバー４との間に電磁力が発生しても、Ｅバスバー４の跳ね上がりを抑えることができる。このような実施形態によれば、半導体装置１の通電経路の破断防止をより確実に行うことができ、信頼性がいっそう向上する。

【符号の説明】

【0036】

１…半導体装置
２…ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）
２１…半導体素子
２２…導体
２３…ステンレス製のケース
３…Ｃバスバー
４…Ｅバスバー
５…端子
６…絶縁物
７…接続導体
８…端子支持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】