WO2026014096A1 - Semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、半導体モジュールに関する。 This disclosure relates to a semiconductor module.
近年、大電流の電力を扱うパワー機能素子に注目が集まっている。パワー機能素子は、扱う電流の大きさに起因して発熱量が大きい。従って、発生する熱をパワー機能素子から排出することは、パワー機能素子を扱う上で重要な課題である。 In recent years, attention has been focused on power functional elements that handle large currents of electricity. Power functional elements generate a large amount of heat due to the magnitude of the current they handle. Therefore, discharging the generated heat from power functional elements is an important issue when handling power functional elements.
特許文献1、2、3は、パワー機能素子の冷却に関する技術を開示する。特許文献1は、放熱性の高い半導体装置を開示する。特許文献1の半導体装置は、半導体素子に接続されたリードフレームを有している。リードフレームは、電気的に互いに絶縁されている別の冷却器に接続されている。特許文献2は、高温に対応する信頼性の高い半導体装置を開示する。特許文献2の半導体装置は、半導体素子の電極に接続されたリードフレームを有している。リードフレームは、回路面を覆う被覆体に接している。特許文献3も半導体装置を開示する。特許文献3の半導体装置は、半導体素子に接続されたバスバーを有している。バスバーの一端は、半導体素子の接続端子に接続されている。バスバーの他端は基板に設けられた金属層に接続されている。 Patent Documents 1, 2, and 3 disclose technologies related to cooling power functional elements. Patent Document 1 discloses a semiconductor device with high heat dissipation properties. The semiconductor device in Patent Document 1 has a lead frame connected to a semiconductor element. The lead frame is connected to separate coolers that are electrically insulated from each other. Patent Document 2 discloses a highly reliable semiconductor device that can withstand high temperatures. The semiconductor device in Patent Document 2 has a lead frame connected to electrodes of the semiconductor element. The lead frame is in contact with a coating that covers the circuit surface. Patent Document 3 also discloses a semiconductor device. The semiconductor device in Patent Document 3 has a bus bar connected to a semiconductor element. One end of the bus bar is connected to a connection terminal of the semiconductor element. The other end of the bus bar is connected to a metal layer provided on a substrate.
半導体モジュールは、複数のパワー機能素子によって構成される。半導体モジュールは、出力の向上に伴い所望の冷却能力が要求される。半導体モジュールは、複数のパワー機能素子を相互に接続して所望の回路機能を発揮する。従って、複数のパワー半導体を接続するためのリードフレームなどの構成要素も多くなる。その結果、半導体モジュールは、小型化が難しかった。 Semiconductor modules are made up of multiple power functional elements. As output power increases, semiconductor modules are required to have the desired cooling capacity. Semiconductor modules interconnect multiple power functional elements to achieve the desired circuit function. This means that the number of components, such as lead frames for connecting multiple power semiconductors, also increases. As a result, it has been difficult to miniaturize semiconductor modules.
本開示は、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化が可能な半導体モジュールを説明する。 This disclosure describes a semiconductor module that has the desired cooling capacity and allows for miniaturization of electrical circuits.
本開示の一形態である半導体モジュールは、第1電極及び第1電極と対向する位置に設けられた第2電極を含む第1機能素子と、第3電極及び第3電極と対向する位置に設けられた第4電極を含む第2機能素子と、第1機能素子の第1電極が接続されると共に、第2機能素子の第3電極が接続されたリードフレームと、第1機能素子の第2電極が接続されると共に、第2機能素子の第4電極が接続された基板ユニットと、基板ユニットに取り付けられて基板ユニットが有する熱を放出する放熱ユニットと、を備える。リードフレームは、基板ユニットに対して熱的に接続される。リードフレームに接続された第1機能素子の第1電極が持つ機能は、リードフレームに接続された第2機能素子の第3電極が持つ機能と異なる。 A semiconductor module according to one embodiment of the present disclosure comprises: a first functional element including a first electrode and a second electrode provided opposite the first electrode; a second functional element including a third electrode and a fourth electrode provided opposite the third electrode; a lead frame to which the first electrode of the first functional element is connected and to which the third electrode of the second functional element is connected; a substrate unit to which the second electrode of the first functional element is connected and to which the fourth electrode of the second functional element is connected; and a heat dissipation unit attached to the substrate unit and dissipates heat generated by the substrate unit. The lead frame is thermally connected to the substrate unit. The function of the first electrode of the first functional element connected to the lead frame differs from the function of the third electrode of the second functional element connected to the lead frame.
半導体モジュールは、第1機能素子及び第2機能素子に接続された基板ユニットを介して、第1機能素子及び第2機能素子が発生した熱を放熱ユニットから放出する。第1機能素子及び第2機能素子に接続されたリードフレームは、基板ユニットに対して熱的に接続されている。従って、第1機能素子及び第2機能素子が発生する熱は、リードフレームを介して基板ユニットに伝わる。基板ユニットに伝わった熱は、基板ユニットに接続された放熱ユニットから放出される。従って、機能素子が発生する熱は、1つの放熱ユニットによって排出されるので、所望の冷却能力を簡易な構成によって実現することができる。リードフレームに接続された第1機能素子の第1電極が持つ機能は、リードフレームに接続された第2機能素子の第3電極が持つ機能と異なっている。このような機能素子の配置によれば、所望の機能を発揮する回路要素を形成することが可能になる。その結果、回路要素を形成するための接続部品を削減することができる。従って、半導体モジュールは、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化を実現することができる。 In a semiconductor module, heat generated by the first and second functional elements is dissipated from the heat dissipation unit via a substrate unit connected to the first and second functional elements. The lead frames connected to the first and second functional elements are thermally connected to the substrate unit. Therefore, heat generated by the first and second functional elements is transferred to the substrate unit via the lead frames. The heat transferred to the substrate unit is dissipated from the heat dissipation unit connected to the substrate unit. Therefore, heat generated by the functional elements is dissipated by a single heat dissipation unit, achieving the desired cooling capacity with a simple configuration. The function of the first electrode of the first functional element connected to the lead frame is different from the function of the third electrode of the second functional element connected to the lead frame. This arrangement of functional elements makes it possible to form circuit elements that perform the desired functions. As a result, the number of connecting parts required to form the circuit elements can be reduced. Therefore, a semiconductor module can achieve the desired cooling capacity while also miniaturizing electrical circuits.
上記の半導体モジュールは、リードフレームと基板ユニットとを相互に熱的に接続する伝熱立板をさらに備えてもよい。この構成によれば、伝熱立板を介して、リードフレームを基板ユニットに熱的に接続することができる。 The above-mentioned semiconductor module may further include a heat transfer stand that thermally connects the lead frame and the substrate unit to each other. With this configuration, the lead frame can be thermally connected to the substrate unit via the heat transfer stand.
上記の半導体モジュールにおいて、リードフレームは、第1電極及び第3電極が接続されたリードフレーム裏面を含んでもよい。伝熱立板は、リードフレーム裏面に接触してもよい。この構成によれば、リードフレームから基板ユニットへの熱移動を促すことができる。 In the above-described semiconductor module, the lead frame may include a rear surface to which the first electrode and the third electrode are connected. The heat transfer plate may be in contact with the rear surface of the lead frame. This configuration can promote heat transfer from the lead frame to the substrate unit.
上記の半導体モジュールにおいて、基板ユニットの主面は、第1機能素子が接続される第1素子接続領域と、第2機能素子が接続される第2素子接続領域と、第1素子接続領域と第2素子接続領域とに挟まれた第1非配置領域と、第1素子接続領域と第2素子接続領域とに挟まれない第2非配置領域と、を含んでもよい。伝熱立板は、第1非配置領域に配置されてもよい。この構成によれば、伝熱立板を介した機能素子から放熱ユニットまでの経路を所望の構成にすることができる。 In the above-described semiconductor module, the main surface of the substrate unit may include a first element connection region to which the first functional element is connected, a second element connection region to which the second functional element is connected, a first non-placement region sandwiched between the first element connection region and the second element connection region, and a second non-placement region not sandwiched between the first element connection region and the second element connection region. The heat transfer stand may be placed in the first non-placement region. With this configuration, the path from the functional element via the heat transfer stand to the heat dissipation unit can be configured as desired.
上記の半導体モジュールにおいて、基板ユニットの主面は、第1機能素子が接続される第1素子接続領域と、第2機能素子が接続される第2素子接続領域と、第1素子接続領域と第2素子接続領域とに挟まれた第1非配置領域と、第1素子接続領域と第2素子接続領域とに挟まれない第2非配置領域と、を含んでもよい。伝熱立板は、第2非配置領域に配置されてもよい。この構成によっても、伝熱立板を介した機能素子から放熱ユニットまでの経路を所望の構成にすることができる。 In the above-described semiconductor module, the main surface of the substrate unit may include a first element connection region to which the first functional element is connected, a second element connection region to which the second functional element is connected, a first non-placement region sandwiched between the first element connection region and the second element connection region, and a second non-placement region not sandwiched between the first element connection region and the second element connection region. The heat transfer stand may be placed in the second non-placement region. This configuration also allows the path from the functional element via the heat transfer stand to the heat dissipation unit to be configured as desired.
上記の半導体モジュールにおいて、第1機能素子は、第1電極が設けられた第1主面を含んでもよい。第1主面には、第1追加電極がさらに設けられてもよい。リードフレームは、第1追加電極を露出させるリードフレーム開口を含んでもよい。この構成によれば、第1主面に異なる機能を発揮する複数の電極が存在する場合であっても、所望の回路要素を形成することができる。 In the above semiconductor module, the first functional element may include a first main surface on which a first electrode is provided. A first additional electrode may further be provided on the first main surface. The lead frame may include a lead frame opening that exposes the first additional electrode. With this configuration, desired circuit elements can be formed even when multiple electrodes that perform different functions are present on the first main surface.
上記の半導体モジュールは、第1機能素子及び第2機能素子がリードフレーム及び基板ユニットによって相互に電気的に接続されることにより、所定の回路機能を持つ電気回路を構成してもよい。この構成によれば、所定の回路機能を持つ半導体モジュールを得ることができる。 The above-mentioned semiconductor module may constitute an electrical circuit with a predetermined circuit function by electrically connecting the first and second functional elements to each other via a lead frame and a substrate unit. With this configuration, a semiconductor module with a predetermined circuit function can be obtained.
上記の半導体モジュールにおいて、第1機能素子は、通常実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ又はバイポーラトランジスタ又はダイオードのいずれかであってもよい。第2機能素子は、反転実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ又はバイポーラトランジスタ又はダイオードのいずれかであってもよい。この半導体モジュールも、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化を実現することができる。 In the above-described semiconductor module, the first functional element may be either a unipolar transistor, bipolar transistor, or diode with a vertical structure, mounted in a conventional manner. The second functional element may be either a unipolar transistor, bipolar transistor, or diode with a vertical structure, mounted in an inverted manner. This semiconductor module also has the desired cooling capacity and can achieve miniaturization of electrical circuits.
上記の半導体モジュールは、第1機能素子とリードフレームの間に第1のスペーサが介在してもよい。第2機能素子と基板ユニットの間に第2のスペーサが介在してもよい。この半導体モジュールも、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化を実現することができる。 In the above-mentioned semiconductor module, a first spacer may be interposed between the first functional element and the lead frame. A second spacer may be interposed between the second functional element and the substrate unit. This semiconductor module also has the desired cooling capacity and can achieve miniaturization of the electrical circuitry.
上記の半導体モジュールにおいて、第1機能素子は、通常実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ及びダイオードから選択される一つであってもよい。第2機能素子は、反転実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ及びダイオードから選択される一つであってもよい。この半導体モジュールも、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化を実現することができる。 In the above-described semiconductor module, the first functional element may be one selected from a normally mounted unipolar transistor, a bipolar transistor, and a diode having a vertical structure. The second functional element may be one selected from an inverted mounted unipolar transistor, a bipolar transistor, and a diode having a vertical structure. This semiconductor module also has the desired cooling capacity and can achieve miniaturization of the electrical circuit.
上記の半導体モジュールにおいて、第1機能素子と、リードフレームの間には第1のスペーサが介在してもよい。第2機能素子と、基板ユニットの間には第2のスペーサが介在してもよい。この半導体モジュールも、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化を実現することができる。 In the above semiconductor module, a first spacer may be interposed between the first functional element and the lead frame. A second spacer may be interposed between the second functional element and the substrate unit. This semiconductor module also has the desired cooling capacity and can achieve miniaturization of the electrical circuitry.
本開示の半導体モジュールは、所望の冷却能力を有する電気回路の小型化が可能である。 The semiconductor module disclosed herein allows for the miniaturization of electrical circuits with the desired cooling capacity.
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Below, a detailed description of an embodiment of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, identical elements will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
[第1実施形態]
図1に示す半導体モジュール1Aは、例えば、モータに対して三相交流の電力を与えるインバータの構成要素である。半導体モジュール1Aは、機能素子としてパワー半導体素子20A、20B(第1機能素子、第2機能素子)を有する。半導体モジュール1Aを構成する機能素子の数は、少なくとも2個あればよく、3個以上の複数であってもよい。後述するように、半導体モジュール1Aは、すべて同じ種類の機能素子によって構成されてもよい。半導体モジュール1Aは、互いに異なる種類の機能素子によって構成されてもよい。
[First embodiment]
The semiconductor module 1A shown in FIG. 1 is, for example, a component of an inverter that supplies three-phase AC power to a motor. The semiconductor module 1A has power semiconductor elements 20A and 20B (first functional element and second functional element) as functional elements. The number of functional elements constituting the semiconductor module 1A needs to be at least two, and may be three or more. As will be described later, the semiconductor module 1A may be composed of all functional elements of the same type. The semiconductor module 1A may also be composed of functional elements of different types.
半導体モジュール1Aは、パワー半導体素子20A、20Bと、基板ユニット3と、リードフレーム4と、冷却器30(放熱ユニット)と、を有する。パワー半導体素子20A、20Bは、所望の機能を発揮する電気回路を構成するように基板ユニット3の基板主面3aに配置されている。 Semiconductor module 1A includes power semiconductor elements 20A and 20B, a substrate unit 3, a lead frame 4, and a cooler 30 (heat dissipation unit). The power semiconductor elements 20A and 20B are arranged on the main substrate surface 3a of the substrate unit 3 so as to form an electrical circuit that performs the desired function.
所望の機能を発揮する電気回路の例示は、図2に示す回路要素10Aである。半導体モジュール1Aは、図2に示す回路要素10Aを構成する。回路要素10Aは、いわゆるハーフブリッジ回路としての機能を奏する。回路要素10Aは、電力変換回路のいわゆる1つのレグに相当する。回路要素10Aは、第1端子P10aと、第2端子P10bと、出力端子P10sと、を有する。第1端子P10aは、後述する素子パッド91Aに対応する。第2端子P10bは、後述する素子パッド91Bに対応する。出力端子P10sは、後述する伝熱パッド90Aに対応する。 An example of an electrical circuit that performs the desired function is circuit element 10A shown in FIG. 2. Semiconductor module 1A constitutes circuit element 10A shown in FIG. 2. Circuit element 10A functions as a so-called half-bridge circuit. Circuit element 10A corresponds to one leg of a power conversion circuit. Circuit element 10A has a first terminal P10a, a second terminal P10b, and an output terminal P10s. The first terminal P10a corresponds to element pad 91A, which will be described later. The second terminal P10b corresponds to element pad 91B, which will be described later. The output terminal P10s corresponds to heat transfer pad 90A, which will be described later.
パワー半導体素子20Aのドレインは、第1端子P10aに接続されている。パワー半導体素子20Aのソースは、パワー半導体素子20B及び出力端子P10sに接続されている。パワー半導体素子20Bのソースは、第2端子P10bに接続されている。パワー半導体素子20Bのドレインは、パワー半導体素子20Aのソース及び出力端子P10sに接続されている。回路要素10Aの動作は、パワー半導体素子20A、20Bのゲートに与えられる電圧信号によって制御される。 The drain of power semiconductor element 20A is connected to first terminal P10a. The source of power semiconductor element 20A is connected to power semiconductor element 20B and output terminal P10s. The source of power semiconductor element 20B is connected to second terminal P10b. The drain of power semiconductor element 20B is connected to the source of power semiconductor element 20A and output terminal P10s. The operation of circuit element 10A is controlled by voltage signals applied to the gates of power semiconductor elements 20A and 20B.
再び図1を参照する。パワー半導体素子20A、20Bは、基板ユニット3に設けられた配線パターンによって互いに接続されている。パワー半導体素子20A、20Bは、リードフレーム4によっても互いに接続されている。パワー半導体素子20A、20Bが発生する熱は、基板ユニット3に伝わる。基板ユニット3に伝わった熱は、冷却器30によって外部に放出される。 Referring again to Figure 1, the power semiconductor elements 20A and 20B are connected to each other by a wiring pattern provided on the substrate unit 3. The power semiconductor elements 20A and 20B are also connected to each other by the lead frame 4. The heat generated by the power semiconductor elements 20A and 20B is transferred to the substrate unit 3. The heat transferred to the substrate unit 3 is dissipated to the outside by the cooler 30.
[機能素子]
パワー半導体素子20A、20Bは、外部からの電気信号を受けて所望の電気的な機能を発揮する。パワー半導体素子20A、20Bの例示は、トランジスタである。図1に示すパワー半導体素子20A、20Bは、電界効果トランジスタに金属酸化膜半導体を組み合わせた、MOSFETである。MOSFETは、ゲートとソースとの間の電圧を制御することによって、ソースとドレインとの間を流れる電流を制御する。MOSFETは、スイッチング素子である。MOSFETは、外部からの電気信号の入出力端として、ゲート、ソース及びドレインを有する。なお、パワー半導体素子20A、20Bである機能素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)、窒化ガリウムデバイス(GaN)であってもよい。さらに、機能素子は、ダイオード素子であってもよい。
[Functional element]
The power semiconductor elements 20A, 20B receive electrical signals from the outside and perform desired electrical functions. An example of the power semiconductor elements 20A, 20B is a transistor. The power semiconductor elements 20A, 20B shown in FIG. 1 are MOSFETs, which are a combination of a field-effect transistor and a metal oxide semiconductor. A MOSFET controls the current flowing between the source and drain by controlling the voltage between the gate and source. A MOSFET is a switching element. A MOSFET has a gate, a source, and a drain as input/output terminals for electrical signals from the outside. Note that the functional elements that are the power semiconductor elements 20A, 20B may be insulated gate bipolar transistors (IGBTs) or gallium nitride (GaN) devices. Furthermore, the functional elements may be diode elements.
半導体モジュール1Aを構成する機能素子は、いわゆる縦型構造を有するものである。縦型構造を有する素子は、素子の表面と裏面との間に電流が流れる構造を有する。電流が流れる方向は、表面から裏面へ向かう方向でもよいし、裏面から表面へ向かう方向でもよい。電流が流れる方向は、表面から裏面及び裏面から表面の双方向であってもよい。 The functional elements that make up semiconductor module 1A have a so-called vertical structure. Elements with a vertical structure have a structure in which current flows between the front and back surfaces of the element. The direction of current flow may be from the front surface to the back surface, or from the back surface to the front surface. The direction of current flow may also be in both directions, from the front surface to the back surface and from the back surface to the front surface.
パワー半導体素子20A、20Bは、素子主面20aと、素子裏面20bと、をそれぞれ有する。素子主面20aには、例えば、ソースとして機能するソース電極21Sが設けられている。素子裏面20bには、例えば、ドレインとして機能するドレイン電極21Dが設けられている。 Each of the power semiconductor elements 20A and 20B has an element principal surface 20a and an element rear surface 20b. The element principal surface 20a is provided with, for example, a source electrode 21S that functions as a source. The element rear surface 20b is provided with, for example, a drain electrode 21D that functions as a drain.
上述したように、パワー半導体素子20A、20Bは同じ種類の素子であるが、その実施の形態が異なっている。パワー半導体素子20Aのソース電極21S(第1電極)は、リードフレーム4に接続されている。パワー半導体素子20Aのドレイン電極21D(第2電極)は、基板ユニット3に接続されている。パワー半導体素子20Bのソース電極21S(第4電極)は基板ユニット3に接続されている。パワー半導体素子20Bのドレイン電極21D(第3電極)は、リードフレーム4に接続されている。以下の説明において、パワー半導体素子20Aのような実装形態を、「通常実装」と称する。パワー半導体素子20Bのような実装形態を、「反転実装」と称する。半導体モジュール1Aは、通常実装されたパワー半導体素子20Aと、反転実装されたパワー半導体素子20Bと、を備えている。 As described above, power semiconductor elements 20A and 20B are the same type of element, but are implemented in different ways. The source electrode 21S (first electrode) of power semiconductor element 20A is connected to the lead frame 4. The drain electrode 21D (second electrode) of power semiconductor element 20A is connected to the substrate unit 3. The source electrode 21S (fourth electrode) of power semiconductor element 20B is connected to the substrate unit 3. The drain electrode 21D (third electrode) of power semiconductor element 20B is connected to the lead frame 4. In the following description, a mounting configuration such as power semiconductor element 20A is referred to as "normal mounting." A mounting configuration such as power semiconductor element 20B is referred to as "inverted mounting." The semiconductor module 1A includes a normally mounted power semiconductor element 20A and an inverted mounted power semiconductor element 20B.
「通常実装」、「反転実装」の定義は、上述のものに限定されない。例えば、パワー半導体素子20Aのような実装形態を「反転実装」と定義し、パワー半導体素子20Bのような実装形態を「通常実装」と定義することもできる。 The definitions of "normal mounting" and "inverted mounting" are not limited to those described above. For example, a mounting form such as power semiconductor element 20A could be defined as "inverted mounting," and a mounting form such as power semiconductor element 20B could be defined as "normal mounting."
機能素子がMOSFETとは別の電気部品である場合には、部品の構成にあわせて適宜定義してよい。例えば、MOSFETに限らず、機能素子としてユニポーラトランジスタを用いる場合は、ドレイン電極が基板ユニット3に接続された構成を「通常実装」と定義し、ソース電極が基板ユニット3に接続された構成を「反転実装」と定義してよい。機能素子がIGBTを含むバイポーラトランジスタである場合には、コレクタ電極が基板ユニット3に接続された構成を「通常実装」と定義し、エミッタ電極が基板ユニット3に接続された構成を「反転実装」と定義してよい。機能素子がダイオードである場合には、カソード電極が基板ユニット3に接続された構成を「通常実装」と定義し、アノード電極が基板ユニット3に接続された構成を「反転実装」と定義してよい。本実施形態のように同種の素子に限らず、異種の素子について通常実装と反転実装を組み合わせてもよい。例えば、パワー半導体素子20Aを通常実装のMOSFETに置き換えると共に、パワー半導体素子20Bを反転実装のIGBT又はダイオードに置き換えてもよい。 If the functional element is an electrical component other than a MOSFET, the definition may be appropriate depending on the component configuration. For example, if a unipolar transistor, not limited to a MOSFET, is used as the functional element, a configuration in which the drain electrode is connected to the substrate unit 3 may be defined as "normal implementation," and a configuration in which the source electrode is connected to the substrate unit 3 may be defined as "inverted implementation." If the functional element is a bipolar transistor, including an IGBT, a configuration in which the collector electrode is connected to the substrate unit 3 may be defined as "normal implementation," and a configuration in which the emitter electrode is connected to the substrate unit 3 may be defined as "inverted implementation." If the functional element is a diode, a configuration in which the cathode electrode is connected to the substrate unit 3 may be defined as "normal implementation," and a configuration in which the anode electrode is connected to the substrate unit 3 may be defined as "inverted implementation." Normal implementation and inverted implementation may be combined for different types of elements, not limited to the same type of elements as in this embodiment. For example, power semiconductor element 20A may be replaced with a normally implemented MOSFET, and power semiconductor element 20B may be replaced with an inverted implemented IGBT or diode.
このように、「通常実装」と「反転実装」を組み合わせて機能素子を配置することにより、リードフレーム4の数量を削減することができる。その結果、半導体モジュール1Aを構成するための配線を簡素化できる。 In this way, by combining "normal mounting" and "inverted mounting" to position functional elements, the number of lead frames 4 can be reduced. As a result, the wiring required to configure the semiconductor module 1A can be simplified.
[基板ユニット]
基板ユニット3は、基板主面3aを有する。基板主面3a上には、複数の配線パターン、パッド及びランドなどが設けられている。これらが複数のパワー半導体素子20A、20B、複数のリードフレーム4及び複数のボンディングワイヤによって接続されることによって、図2に示す回路要素10Aが構成される。
[Board unit]
The substrate unit 3 has a substrate main surface 3a. A plurality of wiring patterns, pads, lands, etc. are provided on the substrate main surface 3a. These are connected by a plurality of power semiconductor elements 20A, 20B, a plurality of lead frames 4, and a plurality of bonding wires to form a circuit element 10A shown in FIG. 2.
基板主面3aには、いくつかの領域が設定されている。図3には、基板主面3aには、第1素子接続領域20ASと、第2素子接続領域20BSと、第1非配置領域3aN1と、が図示されている。第1素子接続領域20AS及び第2素子接続領域20BSは、回路要素を構成するために決まる機能素子の配置に応じて適宜設定してよい。第1素子接続領域20ASには、パワー半導体素子20Aが配置される。第2素子接続領域20BSには、パワー半導体素子20Bが配置される。 Several regions are defined on the substrate main surface 3a. In Figure 3, the substrate main surface 3a is shown to have a first element connection region 20AS, a second element connection region 20BS, and a first non-placement region 3aN1. The first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS may be set as appropriate depending on the placement of functional elements determined to configure the circuit elements. A power semiconductor element 20A is placed in the first element connection region 20AS. A power semiconductor element 20B is placed in the second element connection region 20BS.
第1非配置領域3aN1は、第1素子接続領域20AS及び第2素子接続領域20BSに挟まれた領域であると定義する。第1非配置領域3aN1には、パワー半導体素子20A、20Bが配置されない。第1非配置領域3aN1には、後述する伝熱立板50Aが配置される。なお、基板主面3aにおいて、機能素子が配置されず伝熱立板50Aを配置する領域として、第1非配置領域3aN1の他に第2非配置領域3aN2を設定することもある。第2非配置領域3aN2は、第1素子接続領域20AS及び第2素子接続領域20BSに挟まれていない領域であると定義する。第2非配置領域3aN2は、後述する第6変形例(図10)、第7変形例(図11)及び第8変形例(図12)において例示する。 The first non-placement region 3aN1 is defined as the region sandwiched between the first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS. Power semiconductor elements 20A, 20B are not placed in the first non-placement region 3aN1. A heat transfer stand 50A, described below, is placed in the first non-placement region 3aN1. In addition to the first non-placement region 3aN1, a second non-placement region 3aN2 may be set on the substrate main surface 3a as a region where no functional element is placed and where the heat transfer stand 50A is placed. The second non-placement region 3aN2 is defined as the region not sandwiched between the first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS. The second non-placement region 3aN2 will be illustrated in the sixth modified example (FIG. 10), seventh modified example (FIG. 11), and eighth modified example (FIG. 12), described below.
金属層31は、基板ユニット3の基材である。基板ユニット3が基材として金属層31を採用することにより、基板ユニット3の放熱性を高めることができる。金属層31は、一例として、銅板又はアルミニウム板を採用してよい。金属層31の主面31aには、絶縁層32が設けられている。絶縁層32の裏面32bは、金属層31の主面31aに接する。絶縁層32の主面32aは、前述の基板主面3aである。絶縁層32を構成する材料は、一例として、窒化ケイ素、窒化アルミニウム及び樹脂等を採用してよい。 The metal layer 31 is the base material of the substrate unit 3. By using the metal layer 31 as the base material of the substrate unit 3, the heat dissipation properties of the substrate unit 3 can be improved. As an example, the metal layer 31 may be a copper plate or an aluminum plate. An insulating layer 32 is provided on the main surface 31a of the metal layer 31. The back surface 32b of the insulating layer 32 is in contact with the main surface 31a of the metal layer 31. The main surface 32a of the insulating layer 32 is the aforementioned substrate main surface 3a. As an example, the material that constitutes the insulating layer 32 may be silicon nitride, aluminum nitride, resin, or the like.
基板主面3aには、いくつかの金属層が設けられている。図1には、2つの素子パッド91A、91Bと、1つの伝熱パッド90Aと、を図示する。これらは、それぞれ銅又はアルミニウム等により構成されている。図1の例示では、1つの伝熱パッド90Aは、2つの素子パッド91A、91Bの間に配置されている。 Several metal layers are provided on the substrate main surface 3a. Figure 1 shows two element pads 91A, 91B and one heat transfer pad 90A. Each of these is made of copper, aluminum, or the like. In the example shown in Figure 1, the one heat transfer pad 90A is positioned between the two element pads 91A, 91B.
素子パッド91Aには、パワー半導体素子20Aのドレイン電極21Dが接続されている。素子パッド91Bには、パワー半導体素子20Bのソース電極21Sが接続されている。伝熱パッド90Aには、後述する伝熱立板50Aが接続されている。素子パッド91Aと伝熱パッド90Aとの間には、隙間が設けられている。素子パッド91Bと伝熱パッド90Aとの間にも、隙間が設けられている。素子パッド91A、91Bは、伝熱パッド90Aに対して電気的に繋がっていない。素子パッド91A、91Bは、伝熱パッド90Aに対して電気的に絶縁されている。 The drain electrode 21D of the power semiconductor element 20A is connected to the element pad 91A. The source electrode 21S of the power semiconductor element 20B is connected to the element pad 91B. The heat transfer stand 50A, which will be described later, is connected to the heat transfer pad 90A. A gap is provided between the element pad 91A and the heat transfer pad 90A. A gap is also provided between the element pad 91B and the heat transfer pad 90A. The element pads 91A and 91B are not electrically connected to the heat transfer pad 90A. The element pads 91A and 91B are electrically insulated from the heat transfer pad 90A.
基板ユニット3は、ヒートスプレッダ36を有してもよい。ヒートスプレッダ36の主面36aは、金属層31の裏面31bに接している。ヒートスプレッダ36の裏面36bは、冷却器30に接している。ヒートスプレッダ36は、金属層31から冷却器30への熱の移動を助ける。ヒートスプレッダ36の裏面36bは、前述の基板裏面3bである。 The board unit 3 may have a heat spreader 36. The main surface 36a of the heat spreader 36 is in contact with the back surface 31b of the metal layer 31. The back surface 36b of the heat spreader 36 is in contact with the cooler 30. The heat spreader 36 assists in the transfer of heat from the metal layer 31 to the cooler 30. The back surface 36b of the heat spreader 36 is the aforementioned back surface 3b of the board.
[冷却器]
冷却器30は、パワー半導体素子20が発生した熱を放出する。冷却器30の一例は、複数のフィンを設けたヒートシンクである。冷却器30は、放熱機能を有するそのほかの装置であってもよい。冷却器30は、水冷式の装置であってもよい。冷却器30の主面30aには、ヒートスプレッダ36の裏面36bが接している。半導体モジュール1Aは、基板ユニット3の基板裏面3b側にのみ冷却器30を設けている。
[Cooler]
The cooler 30 dissipates heat generated by the power semiconductor elements 20. An example of the cooler 30 is a heat sink provided with a plurality of fins. The cooler 30 may be any other device having a heat dissipation function. The cooler 30 may be a water-cooled device. The main surface 30a of the cooler 30 is in contact with the back surface 36b of the heat spreader 36. The semiconductor module 1A has the cooler 30 only on the back surface 3b side of the board unit 3.
[リードフレーム]
リードフレーム4は、パワー半導体素子20Aのソース電極21Sに接続されている。リードフレーム4は、パワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dにも接続されている。パワー半導体素子20A、20Bは、リードフレーム4を介して外部から電気信号を受ける。従って、リードフレーム4は、導電性を有する導体である。リードフレーム4の外形形状は、薄板である。リードフレーム4の断面形状は、矩形である。リードフレーム4の断面形状は、厚みに対して幅が大きい。従って、リードフレーム4は、細い金属線であるいわゆるボンディングワイヤと比較すると断面積が大きい。従って、パワー半導体素子20Aのソース電極21S及びパワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dに大電流を供給することが可能である。リードフレーム4は、パワー半導体素子20Aに接する素子接続部4cAと、パワー半導体素子20Bに接する素子接続部4cBと、を有する。リードフレーム4は、図示しない別の機能素子等に接する部分を有する。このようなリードフレーム4は、銅板、アルミニウム板などにより形成してよい。
[Lead frame]
The lead frame 4 is connected to the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A. The lead frame 4 is also connected to the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B. The power semiconductor elements 20A and 20B receive electrical signals from the outside via the lead frame 4. Therefore, the lead frame 4 is a conductive conductor. The outer shape of the lead frame 4 is a thin plate. The cross-sectional shape of the lead frame 4 is rectangular. The cross-sectional shape of the lead frame 4 has a large width relative to its thickness. Therefore, the lead frame 4 has a larger cross-sectional area than so-called bonding wires, which are thin metal wires. Therefore, it is possible to supply a large current to the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A and the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B. The lead frame 4 has an element connection portion 4cA that contacts the power semiconductor element 20A and an element connection portion 4cB that contacts the power semiconductor element 20B. The lead frame 4 has a portion that contacts another functional element, etc. (not shown). Such a lead frame 4 may be formed from a copper plate, an aluminum plate, or the like.
図3に示すように、リードフレーム4は、パワー半導体素子20A、20Bの一部を覆っている。パワー半導体素子20A、20Bのように、一つの面に複数の電極が露出するものがある。このような場合には、リードフレーム4は、電気的に接続すべき電極のみに重なるように配置される。例えば、図3に示す例示では、リードフレーム4は、パワー半導体素子20Aのソース電極21Sに重なっている。リードフレーム4は、パワー半導体素子20Aのゲート電極21Gには重なっていない。リードフレーム4は、ケルビン電極21Kにも重なっていない。 As shown in Figure 3, the lead frame 4 covers a portion of the power semiconductor elements 20A and 20B. Some power semiconductor elements, like the power semiconductor elements 20A and 20B, have multiple electrodes exposed on one surface. In such cases, the lead frame 4 is positioned so that it overlaps only the electrodes that are to be electrically connected. For example, in the example shown in Figure 3, the lead frame 4 overlaps the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A. The lead frame 4 does not overlap the gate electrode 21G of the power semiconductor element 20A. The lead frame 4 also does not overlap the Kelvin electrode 21K.
このようにゲート電極21Gなどにリードフレーム4を接続しない構成として、第8実施形態などでは、板状のリードフレーム4に開口(リードフレーム開口4H1等)を設けた構成を例示する。 As an example of a configuration in which the lead frame 4 is not connected to the gate electrode 21G, etc., the eighth embodiment and others illustrate a configuration in which an opening (such as lead frame opening 4H1) is provided in the plate-shaped lead frame 4.
パワー半導体素子20A、20Bの接続構成についてさらに説明する。 The connection configuration of power semiconductor elements 20A and 20B will now be explained further.
通常実装されたパワー半導体素子20Aは、素子主面20aに露出するソース電極21Sと、ゲート電極21Gと、ケルビン電極21Kと、を有する。ソース電極21Sは、リードフレーム4と重複することにより、リードフレーム4と接続される。ゲート電極21G及びケルビン電極21Kは、リードフレーム4と重複しない。従って、ゲート電極21G及びケルビン電極21Kは、リードフレーム4に接続されない。ゲート電極21G及びケルビン電極21Kには、リードフレーム4とは別の接続要素(ボンディングワイヤなど)が接続される。ケルビン電極21Kは、接続要素を介してゲート電圧を受ける。ケルビン電極21Kには、ケルビン端子が接続されてもよい。この構成によれば、ゲート電極21Gに与えられるゲート信号に対する主電流の影響を抑制できる。その結果、放熱性を確保するとともに耐ノイズ性を向上することもできる。 A normally mounted power semiconductor element 20A has a source electrode 21S, a gate electrode 21G, and a Kelvin electrode 21K exposed on the element principal surface 20a. The source electrode 21S overlaps the lead frame 4 and is connected to it. The gate electrode 21G and the Kelvin electrode 21K do not overlap the lead frame 4. Therefore, the gate electrode 21G and the Kelvin electrode 21K are not connected to the lead frame 4. A connection element (such as a bonding wire) separate from the lead frame 4 is connected to the gate electrode 21G and the Kelvin electrode 21K. The Kelvin electrode 21K receives a gate voltage via the connection element. A Kelvin terminal may be connected to the Kelvin electrode 21K. This configuration suppresses the influence of the main current on the gate signal applied to the gate electrode 21G. As a result, heat dissipation is ensured and noise resistance is improved.
通常実装されたパワー半導体素子20Aは、素子裏面20bに露出するドレイン電極21Dを含む。ドレイン電極21Dは、P電極である素子パッド91Aに接続されている。 A normally mounted power semiconductor element 20A includes a drain electrode 21D exposed on the element back surface 20b. The drain electrode 21D is connected to the element pad 91A, which is the P electrode.
反転実装されたパワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dは、リードフレーム4と重複している。パワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dは、リードフレーム4に接続されている。反転実装されたパワー半導体素子20Bのソース電極21Sは、N電極である素子パッド91Bに接続されている。通常実装されたパワー半導体素子20Aと同様に、ソース電極21Sは、素子パッド91Bに接続されている。しかし、ソース電極21Sは、ゲート電極21G及びケルビン電極21Kは素子パッド91Bに重複していない。ソース電極21Sは、素子パッド91Bに接続されていない。 The drain electrode 21D of the inverted-mounted power semiconductor element 20B overlaps with the lead frame 4. The drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B is connected to the lead frame 4. The source electrode 21S of the inverted-mounted power semiconductor element 20B is connected to the element pad 91B, which is the N electrode. As with the normally-mounted power semiconductor element 20A, the source electrode 21S is connected to the element pad 91B. However, the source electrode 21S, the gate electrode 21G, and the Kelvin electrode 21K do not overlap with the element pad 91B. The source electrode 21S is not connected to the element pad 91B.
図4を参照する。リードフレーム4は、パワー半導体素子20A、20Bに接している。従って、リードフレーム4は、パワー半導体素子20A、20Bが発生する熱を受ける。例えば、リードフレーム4は、図示するパワー半導体素子20A、20Bとは別のパワー半導体素子に接続されることがある。しかし、別のパワー半導体素子もいわば熱源であるから、別のパワー半導体素子に接した部分を介してリードフレーム4から別のパワー半導体素子へ熱が移動することはない。リードフレーム4に移動した熱が、リードフレーム4からさらに別の部材に移動することがなければ、熱はリードフレーム4に留まり続ける。その結果、リードフレーム4の温度が上昇してしまう。リードフレーム4の温度が上昇した結果、リードフレーム4の温度がパワー半導体素子20A、20Bの温度と等しくなると、パワー半導体素子20A、20Bからリードフレーム4への熱の移動が止まる。なぜならば、熱の移動は、温度差に起因するからである。このような状態に至ると、パワー半導体素子20Aが発生する熱は、ドレイン電極21Dからのみ移動することになる。パワー半導体素子20Bが発生する熱は、ソース電極21Sからのみ移動することになる。そうすると、パワー半導体素子20A、20Bが発生する熱が十分に排出されなくなる可能性がある。 Refer to Figure 4. The lead frame 4 is in contact with the power semiconductor elements 20A and 20B. Therefore, the lead frame 4 receives the heat generated by the power semiconductor elements 20A and 20B. For example, the lead frame 4 may be connected to a power semiconductor element other than the power semiconductor elements 20A and 20B shown in the figure. However, because the other power semiconductor element is also a heat source, heat does not transfer from the lead frame 4 to the other power semiconductor element through the part that is in contact with the other power semiconductor element. If the heat transferred to the lead frame 4 does not transfer from the lead frame 4 to another component, the heat remains in the lead frame 4. As a result, the temperature of the lead frame 4 rises. If the temperature of the lead frame 4 rises and becomes equal to the temperature of the power semiconductor elements 20A and 20B, the transfer of heat from the power semiconductor elements 20A and 20B to the lead frame 4 stops. This is because heat transfer is caused by a temperature difference. In this state, the heat generated by the power semiconductor element 20A transfers only from the drain electrode 21D. The heat generated by power semiconductor element 20B will only transfer from source electrode 21S. This may result in the heat generated by power semiconductor elements 20A and 20B not being sufficiently dissipated.
そこで、リードフレーム4を介した熱の排出を維持し続けるため、リードフレーム4から積極的に熱を移動させる仕組みを設けた。図1の例示では、リードフレーム4を伝熱立板50Aによって基板ユニット3に接続する。伝熱立板50Aは、リードフレーム4の熱を基板ユニット3に伝える機能を奏する。その結果、リードフレーム4の熱を十分に排出することができるので、リードフレーム4の温度が上昇することを抑制することができる。従って、リードフレーム4とパワー半導体素子20Aとの所望の温度差も確保される。その結果、ソース電極21Sを介したパワー半導体素子20Aの熱の排出を維持することができる。同様に、リードフレーム4とパワー半導体素子20Bとの所望の温度差も確保される。その結果、ドレイン電極21Dを介したパワー半導体素子20Bの熱の排出を維持することができる。 Therefore, in order to continue to maintain heat dissipation via the lead frame 4, a mechanism has been provided to actively transfer heat from the lead frame 4. In the example shown in FIG. 1, the lead frame 4 is connected to the board unit 3 via a heat transfer stand 50A. The heat transfer stand 50A functions to transfer heat from the lead frame 4 to the board unit 3. As a result, heat from the lead frame 4 can be sufficiently dissipated, thereby preventing the temperature of the lead frame 4 from rising. This also ensures a desired temperature difference between the lead frame 4 and the power semiconductor element 20A. As a result, heat dissipation from the power semiconductor element 20A via the source electrode 21S can be maintained. Similarly, a desired temperature difference between the lead frame 4 and the power semiconductor element 20B can be maintained. As a result, heat dissipation from the power semiconductor element 20B via the drain electrode 21D can be maintained.
実施形態の半導体モジュール1Aは、図4に示すいくつかの熱経路を構成する。第1熱経路HP1は、パワー半導体素子20Aのドレイン電極21D及び基板ユニット3を介して冷却器30に至る。第2熱経路HP2は、パワー半導体素子20Aのソース電極21S及びリードフレーム4を介して冷却器30に至る。第3熱経路HP3は、パワー半導体素子20Bのソース電極21S及び基板ユニット3を介して冷却器30に至る。第4熱経路HP4は、パワー半導体素子20Bのドレイン電極21D及びリードフレーム4を介して冷却器30に至る。従って、パワー半導体素子20A、20Bは、その両面から熱が排出される両面冷却の構成となる。このような冷却の構成は、片面冷却の構成と比べると放熱性がよい。パワー半導体素子20A、20Bを備えた半導体モジュール1Aは、片面冷却の構成となる。この構成によると、半導体モジュール1Aの全体構成を簡素にすることができる。 The semiconductor module 1A of this embodiment has several heat paths as shown in FIG. 4. The first heat path HP1 leads to the cooler 30 via the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20A and the substrate unit 3. The second heat path HP2 leads to the cooler 30 via the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A and the lead frame 4. The third heat path HP3 leads to the cooler 30 via the source electrode 21S of the power semiconductor element 20B and the substrate unit 3. The fourth heat path HP4 leads to the cooler 30 via the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B and the lead frame 4. Therefore, the power semiconductor elements 20A and 20B have a double-sided cooling configuration in which heat is discharged from both sides. This cooling configuration has better heat dissipation properties than a single-sided cooling configuration. The semiconductor module 1A equipped with the power semiconductor elements 20A and 20B has a single-sided cooling configuration. This configuration allows for a simpler overall configuration of the semiconductor module 1A.
伝熱立板50Aは、熱を伝えやすい材料により構成されている。例えば、伝熱立板50Aを構成する材料として、銅、アルミニウム、グラファイト及び放熱シートなどが例示できる。伝熱立板50Aは、リードフレーム4に接する立板上端面50aと、基板ユニット3に接する立板下端面50bと、を有する。立板上端面50aは、リードフレーム4の裏面4b(リードフレーム裏面)に接する。立板上端面50aは、リードフレーム4の裏面4bにおける上端接続部4dに接する。熱移動を確保する観点からすれば、立板上端面50aが銅やアルミニウムといった金属材料により構成されている場合には、立板上端面50aは、リードフレーム4に対して半田などによって固定されていてもよい。立板下端面50bは、基板ユニット3の伝熱パッド90Aに接する。立板下端面50bは、伝熱パッド90Aの主面90aに接する。立板下端面50bも同様に、リードフレーム4に対して半田などによって固定されていてもよい。伝熱立板50Aは、リードフレーム4とは異なり、導電性を有していてもよいし、導電性を有していなくてもよい。 The heat transfer vertical plate 50A is made of a material that easily transfers heat. Examples of materials that can be used to make the heat transfer vertical plate 50A include copper, aluminum, graphite, and heat dissipation sheets. The heat transfer vertical plate 50A has an upper end surface 50a that contacts the lead frame 4 and a lower end surface 50b that contacts the board unit 3. The upper end surface 50a contacts the back surface 4b of the lead frame 4 (the back surface of the lead frame). The upper end surface 50a contacts the upper end connection portion 4d on the back surface 4b of the lead frame 4. From the perspective of ensuring heat transfer, if the upper end surface 50a is made of a metal material such as copper or aluminum, the upper end surface 50a may be fixed to the lead frame 4 by soldering or the like. The lower end surface 50b contacts the heat transfer pad 90A of the board unit 3. The lower end surface 50b of the standing plate contacts the main surface 90a of the heat transfer pad 90A. The lower end surface 50b of the standing plate may also be fixed to the lead frame 4 by soldering or the like. Unlike the lead frame 4, the heat transfer standing plate 50A may or may not be conductive.
前述したように、伝熱立板50Aの立板下端面50bが固定された伝熱パッド90Aは、素子パッド91に対して電気的に絶縁されている。従って、金属材料からなる伝熱立板50Aの電位は、リードフレーム4の電位と同じである。しかし、伝熱立板50Aの電位は、素子パッド91の電位とは異なる。 As mentioned above, the heat transfer pad 90A, to which the lower end surface 50b of the heat transfer stand 50A is fixed, is electrically insulated from the element pad 91. Therefore, the potential of the heat transfer stand 50A, which is made of a metal material, is the same as the potential of the lead frame 4. However, the potential of the heat transfer stand 50A is different from the potential of the element pad 91.
図1の例示では、伝熱立板50Aの形状は、壁状である。壁状の形状によれば、伝熱立板50Aの側面50cを放熱面として機能させることも可能である。伝熱立板50Aの形状は壁状には限定されない。例えば、角柱や円柱といった形状を採用してもよい。図1では、1つのリードフレーム4には、1つの伝熱立板50Aが繋がっている例を示した。1つのリードフレーム4には、後に例示するように複数の伝熱立板だけが繋がっていてもよい。この構成によれば、リードフレーム4の機械的な拘束点が少なくなる。その結果、半導体モジュール1Aを構成する各要素の熱変形に起因して、リードフレーム4に不要な応力が作用することを抑制できる。 In the example shown in Figure 1, the heat transfer stand 50A has a wall-like shape. A wall-like shape allows the side surface 50c of the heat transfer stand 50A to function as a heat dissipation surface. The shape of the heat transfer stand 50A is not limited to a wall-like shape. For example, a rectangular pillar or a cylindrical shape may also be used. Figure 1 shows an example in which one heat transfer stand 50A is connected to one lead frame 4. As will be illustrated later, only multiple heat transfer stand plates may be connected to one lead frame 4. This configuration reduces the mechanical constraint points on the lead frame 4. As a result, it is possible to prevent unnecessary stress from acting on the lead frame 4 due to thermal deformation of the elements that make up the semiconductor module 1A.
<作用効果>
半導体モジュール1Aは、ソース電極21S及びソース電極21Sと対向する位置に設けられたドレイン電極21Dを含むパワー半導体素子20Aと、ドレイン電極21D及びドレイン電極21Dと対向する位置に設けられたソース電極21Sを含むパワー半導体素子20Bと、パワー半導体素子20Aのソース電極21Sが接続されると共に、パワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dが接続されたリードフレーム4と、パワー半導体素子20Aのドレイン電極21Dが接続されると共に、パワー半導体素子20Bのソース電極21Sが接続された基板ユニット3と、基板ユニット3に取り付けられて基板ユニット3が有する熱を放出する冷却器30と、を備える。リードフレーム4は、基板ユニット3に対して熱的に接続される。リードフレーム4に接続されたパワー半導体素子20Aのソース電極21Sが持つ機能は、リードフレーム4に接続されたパワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dが持つ機能と異なる。
<Action and effect>
The semiconductor module 1A includes a power semiconductor element 20A including a source electrode 21S and a drain electrode 21D provided at a position opposite the source electrode 21S, a power semiconductor element 20B including a drain electrode 21D and a source electrode 21S provided at a position opposite the drain electrode 21D, a lead frame 4 to which the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A is connected and to which the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B is also connected, a substrate unit 3 to which the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20A is connected and to which the source electrode 21S of the power semiconductor element 20B is also connected, and a cooler 30 attached to the substrate unit 3 and dissipates heat generated by the substrate unit 3. The lead frame 4 is thermally connected to the substrate unit 3. The function of the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A connected to the lead frame 4 is different from the function of the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B connected to the lead frame 4.
半導体モジュール1Aは、パワー半導体素子20A、20Bに接続された基板ユニット3を介して、パワー半導体素子20A、20Bが発生した熱を冷却器30から放出する。パワー半導体素子20A、20Bに接続されたリードフレーム4が基板ユニット3に対して熱的に接続されている。従って、パワー半導体素子20A、20Bが発生する熱は、リードフレーム4を介して基板ユニット3に伝わり、さらに基板ユニット3に接続された冷却器30から放出される。従って、パワー半導体素子20A、20Bが発生する熱は、1つの冷却器30によって排出される。その結果、所望の冷却能力を簡易な構成によって実現することができる。 In the semiconductor module 1A, heat generated by the power semiconductor elements 20A, 20B is released from the cooler 30 via the board unit 3 connected to the power semiconductor elements 20A, 20B. The lead frame 4 connected to the power semiconductor elements 20A, 20B is thermally connected to the board unit 3. Therefore, the heat generated by the power semiconductor elements 20A, 20B is conducted to the board unit 3 via the lead frame 4, and is then released from the cooler 30 connected to the board unit 3. Therefore, the heat generated by the power semiconductor elements 20A, 20B is discharged by a single cooler 30. As a result, the desired cooling capacity can be achieved with a simple configuration.
ところで、半導体モジュール1Aがパワー半導体素子20A、20Bのような機能素子を複数含む場合、機能素子を電気的に相互に接続するためのリードフレーム4及び伝熱立板50Aといった接続要素の数量が多くなる。接続要素の数量が多くなると、配線が複雑になってしまう。そこで、この半導体モジュール1Aは、以下の構成によって、接続要素の数量を削減し、配線の複雑化を抑制する。 When semiconductor module 1A includes multiple functional elements such as power semiconductor elements 20A and 20B, the number of connection elements, such as lead frames 4 and heat transfer stand plates 50A, required to electrically connect the functional elements to each other increases. As the number of connection elements increases, the wiring becomes more complex. Therefore, this semiconductor module 1A reduces the number of connection elements and prevents the wiring from becoming too complicated by using the following configuration.
半導体モジュール1Aは、リードフレーム4に接続されたパワー半導体素子20Aのソース電極21Sが持つ機能が、リードフレーム4に接続されたパワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dが持つ機能と異なっている。このようなパワー半導体素子20A、20Bの配置によれば、所望の機能を発揮する回路要素10Aを形成することが可能になる。その結果、回路要素10Aを形成するための接続部品を削減することができる。従って、この半導体モジュール1Aは、所望の冷却能力を有すると共に電気回路の小型化を実現することができる。 In the semiconductor module 1A, the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A connected to the lead frame 4 has a different function than the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B connected to the lead frame 4. This arrangement of the power semiconductor elements 20A, 20B makes it possible to form a circuit element 10A that performs the desired function. As a result, the number of connecting parts required to form the circuit element 10A can be reduced. Therefore, this semiconductor module 1A has the desired cooling capacity and can achieve miniaturized electrical circuits.
半導体モジュール1Aは、リードフレーム4と基板ユニット3とを相互に熱的に接続する伝熱立板50Aを備える。この構成によれば、伝熱立板50Aを介して、リードフレーム4を基板ユニット3に熱的に接続することができる。 The semiconductor module 1A includes a heat transfer stand 50A that thermally connects the lead frame 4 and the substrate unit 3 to each other. With this configuration, the lead frame 4 can be thermally connected to the substrate unit 3 via the heat transfer stand 50A.
リードフレーム4は、ソース電極21S及びドレイン電極21Dが接続されたリードフレーム4の裏面4bを含む。伝熱立板50Aは、リードフレーム4裏面に接触する。この構成によれば、リードフレーム4から基板ユニット3への熱移動を促すことができる。 The lead frame 4 includes a back surface 4b to which the source electrode 21S and drain electrode 21D are connected. The heat transfer stand 50A contacts the back surface of the lead frame 4. This configuration promotes heat transfer from the lead frame 4 to the substrate unit 3.
基板ユニット3の主面は、パワー半導体素子20Aが接続される第1素子接続領域20ASと、パワー半導体素子20Bが接続される第2素子接続領域20BSと、第1素子接続領域20ASと第2素子接続領域20BSとに挟まれた第1非配置領域3aN1と、第1素子接続領域20ASと第2素子接続領域20BSとに挟まれない第2非配置領域3aN2と、を含む。伝熱立板50Aは、第1非配置領域3aN1に配置されている。この構成によれば、伝熱立板50Aを介したパワー半導体素子20A、20Bから冷却器30までの経路を所望の構成にすることができる。 The main surface of the substrate unit 3 includes a first element connection region 20AS to which the power semiconductor element 20A is connected, a second element connection region 20BS to which the power semiconductor element 20B is connected, a first non-arrangement region 3aN1 sandwiched between the first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS, and a second non-arrangement region 3aN2 not sandwiched between the first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS. The heat transfer stand 50A is disposed in the first non-arrangement region 3aN1. With this configuration, the path from the power semiconductor elements 20A, 20B via the heat transfer stand 50A to the cooler 30 can be configured as desired.
半導体モジュール1Aは、パワー半導体素子20A、20Bがリードフレーム4及び基板ユニット3によって相互に電気的に接続されることにより、所定の回路機能を持つ回路要素10Aを構成する。この構成によれば、所定の回路機能を持つ半導体モジュール1Aを得ることができる。 In the semiconductor module 1A, the power semiconductor elements 20A and 20B are electrically connected to each other via the lead frame 4 and the substrate unit 3, thereby forming a circuit element 10A with a predetermined circuit function. This configuration makes it possible to obtain a semiconductor module 1A with a predetermined circuit function.
以下、第1実施形態のいくつかの変形例を説明する。 Below, several variations of the first embodiment are described.
<第1実施形態の第1変形例>
図5は、第1実施形態の第1変形例である半導体モジュール1Aaの断面図である。半導体モジュール1Aaの基板ユニット3Aaは、第1実施形態の半導体モジュール1Aの基板ユニット3と相違する。半導体モジュール1Aaのそのほかの構成要素は、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同じである。基板ユニット3Aaは、金属層31と、絶縁層32と、1個の伝熱パッド90Aと、2個の素子パッド91A、91Bと、を有する。基板ユニット3Aaは、ヒートスプレッダ36を含んでいない。金属層31の裏面31bは、基板ユニット3Aaの基板裏面3bである。金属層31の裏面31bは、冷却器30の主面30aに接する。このような基板ユニット3Aaを備える半導体モジュール1Aaも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。
<First Modification of First Embodiment>
5 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Aa according to a first modification of the first embodiment. The substrate unit 3Aa of the semiconductor module 1Aa differs from the substrate unit 3 of the semiconductor module 1A of the first embodiment. The other components of the semiconductor module 1Aa are the same as those of the semiconductor module 1A of the first embodiment. The substrate unit 3Aa includes a metal layer 31, an insulating layer 32, one heat transfer pad 90A, and two element pads 91A and 91B. The substrate unit 3Aa does not include a heat spreader 36. The back surface 31b of the metal layer 31 is the substrate back surface 3b of the substrate unit 3Aa. The back surface 31b of the metal layer 31 contacts the main surface 30a of the cooler 30. A semiconductor module 1Aa including such a substrate unit 3Aa can achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第1実施形態の第2変形例>
図6は、第1実施形態の第2変形例である半導体モジュール1Abの断面図である。半導体モジュール1Abの基板ユニット3Abも、第1実施形態の半導体モジュール1Aの基板ユニット3と相違する。半導体モジュール1Abのそのほかの構成要素は、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同じである。基板ユニット3Abは、絶縁層32と、1個の伝熱パッド90Aと、2個の素子パッド91A、91Bと、を有する。基板ユニット3Abは、金属層31及びヒートスプレッダ36を含んでいない。絶縁層32の裏面32bは、基板ユニット3Abの基板裏面3bである。絶縁層32の裏面32bは、冷却器30の主面30aに接する。このような基板ユニット3Abを備える半導体モジュール1Abも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。
<Second Modification of First Embodiment>
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ab, which is a second modified example of the first embodiment. The substrate unit 3Ab of the semiconductor module 1Ab also differs from the substrate unit 3 of the semiconductor module 1A of the first embodiment. Other components of the semiconductor module 1Ab are the same as those of the semiconductor module 1A of the first embodiment. The substrate unit 3Ab has an insulating layer 32, one heat transfer pad 90A, and two element pads 91A and 91B. The substrate unit 3Ab does not include a metal layer 31 or a heat spreader 36. The back surface 32b of the insulating layer 32 is the substrate back surface 3b of the substrate unit 3Ab. The back surface 32b of the insulating layer 32 contacts the main surface 30a of the cooler 30. The semiconductor module 1Ab including such a substrate unit 3Ab can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第1実施形態の第3変形例>
図7は、第1実施形態の第3変形例である半導体モジュール1Acの断面図である。半導体モジュール1Acにおいて、はんだ及び焼結材といった接合材及びサーマルインターフェースマテリアル(Thermal Interface Material:TIM)は、必要に応じて用いられる構成要素である。図1は、接合材及びTIMの図示を省略していた。図7は、接合材22T1、22B1、52T、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bが用いられる箇所の例を明示する。
<Third Modification of First Embodiment>
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ac, a third modification of the first embodiment. In the semiconductor module 1Ac, bonding materials such as solder and sintered materials and thermal interface materials (TIMs) are used as necessary. The bonding materials and TIMs are not shown in FIG. 1. FIG. 7 clearly shows examples of locations where bonding materials 22T1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and TIM 36B are used.
接合材22T1は、パワー半導体素子20Aの素子主面20aとリードフレーム4の裏面4bとの間に設けられる。接合材22T1は、パワー半導体素子20Aをリードフレーム4に接合する。接合材22B1は、パワー半導体素子20Aの素子裏面20bと素子パッド91Aの主面91aとの間に設けられる。接合材22B1は、パワー半導体素子20Aを素子パッド91Aに接合する。接合材52Tは、伝熱立板50Aの立板上端面50aとリードフレーム4の裏面4bとの間に設けられる。接合材52Tは伝熱立板50Aをリードフレーム4に接合する。接合材52Bは、伝熱立板50Aの立板下端面50bと伝熱パッド90Aの主面90aとの間に設けられる。接合材52Bは、伝熱立板50Aを伝熱パッド90Aに接合する。接合材22T2は、パワー半導体素子20Bの素子裏面20bとリードフレーム4の裏面4bとの間に設けられる。接合材22T2は、パワー半導体素子20Bをリードフレーム4に接合する。接合材22B2は、パワー半導体素子20Bの素子主面20aと素子パッド91Bの主面91aとの間に設けられる。接合材22B2は、パワー半導体素子20Bを素子パッド91Bに接合する。接合材31Bは、金属層31の裏面31bとヒートスプレッダ36の主面36aとの間に設けられる。接合材31Bは、金属層31をヒートスプレッダ36に接合する。TIM38Bは、ヒートスプレッダ36の裏面36bと冷却器30の主面30aとの間に設けられる。TIM38Bは、ヒートスプレッダ36を冷却器30に接合する。このような構成を備える半導体モジュール1Acも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。 The bonding material 22T1 is provided between the element main surface 20a of the power semiconductor element 20A and the back surface 4b of the lead frame 4. The bonding material 22T1 bonds the power semiconductor element 20A to the lead frame 4. The bonding material 22B1 is provided between the element back surface 20b of the power semiconductor element 20A and the main surface 91a of the element pad 91A. The bonding material 22B1 bonds the power semiconductor element 20A to the element pad 91A. The bonding material 52T is provided between the standing plate upper end surface 50a of the heat transfer standing plate 50A and the back surface 4b of the lead frame 4. The bonding material 52T bonds the heat transfer standing plate 50A to the lead frame 4. The bonding material 52B is provided between the standing plate lower end surface 50b of the heat transfer standing plate 50A and the main surface 90a of the heat transfer pad 90A. The bonding material 52B bonds the heat transfer standing plate 50A to the heat transfer pad 90A. The bonding material 22T2 is provided between the element back surface 20b of the power semiconductor element 20B and the back surface 4b of the lead frame 4. The bonding material 22T2 bonds the power semiconductor element 20B to the lead frame 4. The bonding material 22B2 is provided between the element main surface 20a of the power semiconductor element 20B and the main surface 91a of the element pad 91B. The bonding material 22B2 bonds the power semiconductor element 20B to the element pad 91B. The bonding material 31B is provided between the back surface 31b of the metal layer 31 and the main surface 36a of the heat spreader 36. The bonding material 31B bonds the metal layer 31 to the heat spreader 36. The TIM 38B is provided between the back surface 36b of the heat spreader 36 and the main surface 30a of the cooler 30. The TIM 38B bonds the heat spreader 36 to the cooler 30. Semiconductor module 1Ac with this configuration can also achieve the same effects as semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第1実施形態の第4変形例>
図8は、第1実施形態の第4変形例である半導体モジュール1Adの断面図である。第4変形例である半導体モジュール1Adは、第1変形例である半導体モジュール1Aaに対して、接合材及びTIMを追加したものである。第4変形例である半導体モジュール1Adは、接合材22T1、22B1、52T、52B、22T2、22B2及びTIM38Bを有する。接合材22T1、22B1、52T、52B、22T2、22B2は、第3変形例と同様であるから説明を省略する。TIM38Bは、金属層31の裏面31bと冷却器30の主面30aとの間に設けられる。TIM38Bは、金属層31を冷却器30に接合する。このような構成を備える半導体モジュール1Adも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。
<Fourth Modification of First Embodiment>
FIG. 8 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ad according to a fourth modification of the first embodiment. The semiconductor module 1Ad according to the fourth modification adds a bonding material and a TIM to the semiconductor module 1Aa according to the first modification. The semiconductor module 1Ad according to the fourth modification includes bonding materials 22T1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, and 22B2 and a TIM 38B. The bonding materials 22T1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, and 22B2 are the same as those in the third modification, and therefore will not be described here. The TIM 38B is provided between the rear surface 31b of the metal layer 31 and the main surface 30a of the cooler 30. The TIM 38B bonds the metal layer 31 to the cooler 30. The semiconductor module 1Ad having such a configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A according to the first embodiment.
<第1実施形態の第5変形例>
図9は、第1実施形態の第5変形例である半導体モジュール1Aeの断面図である。第5変形例である半導体モジュール1Aeは、第2変形例である半導体モジュール1Abに対して、接合材及びTIMを追加したものである。第5変形例である半導体モジュール1Aeは、接合材22T1、22B1、52T、52B、22T2、22B2及びTIM38Bを有する。接合材22T1、22B1、52T、52B、22T2、22B2は、第3変形例と同様であるから説明を省略する。TIM38Bは、絶縁層32の裏面32bと冷却器30の主面30aとの間に設けられる。TIM38Bは、絶縁層32を冷却器30に接合する。このような構成を備える半導体モジュール1Aeも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。
<Fifth Modification of First Embodiment>
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ae according to a fifth modification of the first embodiment. The semiconductor module 1Ae according to the fifth modification adds a bonding material and a TIM to the semiconductor module 1Ab according to the second modification. The semiconductor module 1Ae according to the fifth modification includes bonding materials 22T1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, and 22B2 and a TIM 38B. The bonding materials 22T1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, and 22B2 are the same as those in the third modification, and therefore will not be described here. The TIM 38B is provided between the back surface 32b of the insulating layer 32 and the main surface 30a of the cooler 30. The TIM 38B bonds the insulating layer 32 to the cooler 30. The semiconductor module 1Ae having such a configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A according to the first embodiment.
<第1実施形態の第6変形例>
図10は、第1実施形態の第6変形例である半導体モジュール1Afの平面図である。半導体モジュール1Afの伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bは、第1実施形態の半導体モジュール1Aの伝熱立板50A及び伝熱パッド90Aと相違する。具体的には、基板主面3aにおいて伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bが設けられた位置は、基板主面3aにおいて伝熱立板50A及び伝熱パッド90Aが設けられた位置と相違する。
Sixth Modification of First Embodiment
10 is a plan view of a semiconductor module 1Af according to a sixth modification of the first embodiment. The heat-transfer stand 50B and the heat-transfer pad 90B of the semiconductor module 1Af differ from the heat-transfer stand 50A and the heat-transfer pad 90A of the semiconductor module 1A according to the first embodiment. Specifically, the positions of the heat-transfer stand 50B and the heat-transfer pad 90B on the substrate main surface 3a differ from the positions of the heat-transfer stand 50A and the heat-transfer pad 90A on the substrate main surface 3a.
基板主面3aは、第1素子接続領域20ASと、第2素子接続領域20BSと、第1非配置領域3aN1と、第2非配置領域3aN2と、を含む。第1素子接続領域20ASには、パワー半導体素子20Aが接続される。第2素子接続領域20BSには、パワー半導体素子20Bが接続される。第1非配置領域3aN1は、第1素子接続領域20ASと第2素子接続領域20BSとに挟まれている。第1非配置領域3aN1には、パワー半導体素子20A、20Bが配置されない。第2非配置領域3aN2は、第1素子接続領域20ASと第2素子接続領域20BSとに挟まれていない。第2非配置領域3aN2にも、パワー半導体素子20A、20Bが配置されていない。 The substrate main surface 3a includes a first element connection region 20AS, a second element connection region 20BS, a first non-placement region 3aN1, and a second non-placement region 3aN2. A power semiconductor element 20A is connected to the first element connection region 20AS. A power semiconductor element 20B is connected to the second element connection region 20BS. The first non-placement region 3aN1 is sandwiched between the first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS. No power semiconductor elements 20A, 20B are placed in the first non-placement region 3aN1. The second non-placement region 3aN2 is not sandwiched between the first element connection region 20AS and the second element connection region 20BS. No power semiconductor elements 20A, 20B are placed in the second non-placement region 3aN2 either.
図10に示すように、伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bは、第2非配置領域3aN2に設けられる。第2非配置領域3aN2は、パワー半導体素子20A、20Bが並ぶ方向に沿って延びる。この配置によると、パワー半導体素子20Aから伝熱立板50Bまでの距離と、パワー半導体素子20Bから伝熱立板50Bまでの距離と、を同等にすることができる。伝熱立板50Bにおいて、パワー半導体素子20Aからの熱を受ける位置と、パワー半導体素子20Bからの熱を受ける位置と、を異ならせることができる。このような構成を備える半導体モジュール1Afも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。 As shown in FIG. 10, the heat transfer stand 50B and heat transfer pad 90B are provided in the second non-placement area 3aN2. The second non-placement area 3aN2 extends along the direction in which the power semiconductor elements 20A, 20B are aligned. This arrangement allows the distance from the power semiconductor element 20A to the heat transfer stand 50B to be the same as the distance from the power semiconductor element 20B to the heat transfer stand 50B. The position on the heat transfer stand 50B that receives heat from the power semiconductor element 20A can be made different from the position that receives heat from the power semiconductor element 20B. A semiconductor module 1Af having this configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第1実施形態の第7変形例>
図11は、第1実施形態の第7変形例である半導体モジュール1Agの平面図である。半導体モジュール1Agも、伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bが設けられた位置が、第1実施形態における伝熱立板50A及び伝熱パッド90Aが設けられた位置と相違する。
<Seventh Modification of First Embodiment>
11 is a plan view of a semiconductor module 1Ag according to a seventh modification of the first embodiment. In the semiconductor module 1Ag, the positions of the heat transfer stand 50B and the heat transfer pads 90B are also different from the positions of the heat transfer stand 50A and the heat transfer pads 90A in the first embodiment.
図11に示すように、伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bは、第2非配置領域3aN2に設けられる。第2非配置領域3aN2は、パワー半導体素子20A、20Bが並ぶ方向に対して直交するように延びる。この配置によると、パワー半導体素子20Aから伝熱立板50Aまでの距離と、パワー半導体素子20Bから伝熱立板50Aまでの距離と、を異ならせることができる。図11の例示では、第2非配置領域3aN2、第1素子接続領域20AS、第1非配置領域3aN1及び第2素子接続領域20BSの順に並んでいる。第2非配置領域3aN2は、第1素子接続領域20ASに隣接するが、第2素子接続領域20BSには隣接しない。パワー半導体素子20Aから伝熱立板50Bまでの距離は、パワー半導体素子20Bから伝熱立板50Bまでの距離より短くなる。このような構成を備える半導体モジュール1Agも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。 11, the heat transfer stand 50B and the heat transfer pad 90B are provided in the second non-placement area 3aN2. The second non-placement area 3aN2 extends perpendicular to the direction in which the power semiconductor elements 20A, 20B are arranged. With this arrangement, the distance from the power semiconductor element 20A to the heat transfer stand 50A can be made different from the distance from the power semiconductor element 20B to the heat transfer stand 50A. In the example of FIG. 11, the second non-placement area 3aN2, the first element connection area 20AS, the first non-placement area 3aN1, and the second element connection area 20BS are arranged in this order. The second non-placement area 3aN2 is adjacent to the first element connection area 20AS but not adjacent to the second element connection area 20BS. The distance from the power semiconductor element 20A to the heat transfer stand 50B is shorter than the distance from the power semiconductor element 20B to the heat transfer stand 50B. A semiconductor module 1Ag having such a configuration can achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第1実施形態の第8変形例>
図12は、第1実施形態の第8変形例である半導体モジュール1Ahの平面図である。半導体モジュール1Ahも、伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bが設けられた位置が、第1実施形態における伝熱立板50A及び伝熱パッド90Aが設けられた位置と相違する。
Eighth Modification of First Embodiment
12 is a plan view of a semiconductor module 1Ah according to an eighth modification of the first embodiment. In the semiconductor module 1Ah, the positions of the heat transfer stand 50B and the heat transfer pads 90B are also different from the positions of the heat transfer stand 50A and the heat transfer pads 90A in the first embodiment.
図12に示すように、伝熱立板50B及び伝熱パッド90Bは、第2非配置領域3aN2に設けられる。第8変形例の第2非配置領域3aN2は、第7変形例とは異なり、第2素子接続領域20BSに隣接する。具体的には、図12の例示では、第1素子接続領域20AS、第1非配置領域3aN1、第2素子接続領域20BS及び第2非配置領域3aN2の順に並んでいる。第2非配置領域3aN2は、第2素子接続領域20BSに隣接するが、第1素子接続領域20ASには隣接しない。パワー半導体素子20Aから伝熱立板50Bまでの距離は、パワー半導体素子20Bから伝熱立板50Bまでの距離より長い。このような構成を備える半導体モジュール1Ahも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。 12, the heat transfer stand 50B and heat transfer pad 90B are provided in the second no-placement area 3aN2. Unlike the seventh modification, the second no-placement area 3aN2 in the eighth modification is adjacent to the second element connection area 20BS. Specifically, in the example of FIG. 12, the first element connection area 20AS, the first no-placement area 3aN1, the second element connection area 20BS, and the second no-placement area 3aN2 are arranged in this order. The second no-placement area 3aN2 is adjacent to the second element connection area 20BS but not to the first element connection area 20AS. The distance from the power semiconductor element 20A to the heat transfer stand 50B is longer than the distance from the power semiconductor element 20B to the heat transfer stand 50B. A semiconductor module 1Ah having such a configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第2実施形態>
図13は、第2実施形態である半導体モジュール1Bの断面図である。第2実施形態の半導体モジュール1Bが備えるリードフレーム4Bは、第1実施形態の半導体モジュール1Aが備えるリードフレーム4と相違する。半導体モジュール1Bのそのほかの構成要素は、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同じである。
Second Embodiment
13 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1B according to the second embodiment. The lead frame 4B included in the semiconductor module 1B according to the second embodiment is different from the lead frame 4 included in the semiconductor module 1A according to the first embodiment. The other components of the semiconductor module 1B are the same as those of the semiconductor module 1A according to the first embodiment.
リードフレーム4Bは、フレーム本体部41と、伝熱立板部42と、を含む。フレーム本体部41は、パワー半導体素子20A、20Bに接続されている。フレーム本体部41は、第1実施形態のリードフレーム4に相当する。伝熱立板部42は、フレーム本体部41の裏面41bから基板ユニット3に向かって延びる。伝熱立板部42は、第1実施形態の伝熱立板50Aに相当する。第1実施形態では、リードフレーム4と伝熱立板50Aとは接合されていたものの、元は別の部品であった。第2実施形態のリードフレーム4Bは、第1実施形態におけるリードフレーム4と伝熱立板50Aとを一体化したものである。このようなリードフレーム4Bによると、リードフレーム4と伝熱立板50Aとを接合するといった組み立て作業が不要であるから、接合材52T(図7等参照)を削減できる。従って、パワー半導体素子20A、20Bの放熱性が向上する。 The lead frame 4B includes a frame main body 41 and a heat transfer stand 42. The frame main body 41 is connected to the power semiconductor elements 20A and 20B. The frame main body 41 corresponds to the lead frame 4 in the first embodiment. The heat transfer stand 42 extends from the back surface 41b of the frame main body 41 toward the board unit 3. The heat transfer stand 42 corresponds to the heat transfer stand 50A in the first embodiment. In the first embodiment, the lead frame 4 and the heat transfer stand 50A were joined together, but were originally separate components. The lead frame 4B in the second embodiment integrates the lead frame 4 and the heat transfer stand 50A of the first embodiment. This lead frame 4B eliminates the need for assembly work, such as joining the lead frame 4 and the heat transfer stand 50A, and therefore reduces the need for bonding material 52T (see Figure 7, etc.). This improves the heat dissipation of the power semiconductor elements 20A and 20B.
<第2実施形態の変形例>
なお、第1実施形態の第3変形例、第4変形例及び第5変形例で例示したように、第2実施形態の半導体モジュール1Bも接合材及びTIMを用いてよい。図14は、第2実施形態の変形例である半導体モジュール1Baの断面図である。第2実施形態の変形例である半導体モジュール1Baは、第2実施形態の半導体モジュール1Bの構成に加えて、さらに、接合材22T1、22B1、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bを含む。第2実施形態では、フレーム本体部41と伝熱立板部42とが一体化されているから、リードフレーム4と伝熱立板50Aとの間に設けた接合材52Tは存在しない。接合材22T1、22B1、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bは、第3変形例と同様であるから説明を省略する。
<Modification of the second embodiment>
As illustrated in the third, fourth, and fifth modifications of the first embodiment, the semiconductor module 1B of the second embodiment may also use a bonding material and a TIM. Figure 14 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ba, a modification of the second embodiment. The semiconductor module 1Ba, a modification of the second embodiment, includes bonding materials 22T1, 22B1, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and a TIM 36B in addition to the configuration of the semiconductor module 1B of the second embodiment. In the second embodiment, the frame main body 41 and the heat transfer standing plate 42 are integrated, so there is no bonding material 52T between the lead frame 4 and the heat transfer standing plate 50A. The bonding materials 22T1, 22B1, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and the TIM 36B are similar to those in the third modification, and therefore will not be described here.
<第3実施形態>
図15は、第3実施形態である半導体モジュール1Cの断面図である。第3実施形態の半導体モジュール1Cは、スペーサ6SA、6SBを備える点で、第1実施形態の半導体モジュール1Aと相違する。半導体モジュール1Cのそのほかの構成要素は、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同じである。スペーサ6SA、6SBは、通電の経路及び放熱の経路を構成する。従って、スペーサ6SA、6SBは、導電性を有する材料によって形成される。通電の経路及び放熱の経路を構成する観点からすれば、スペーサ6SA、6SBを形成する材料は、電気伝導率と熱伝導率が共に高いことが望ましい。
Third Embodiment
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1C according to a third embodiment. The semiconductor module 1C according to the third embodiment differs from the semiconductor module 1A according to the first embodiment in that it includes spacers 6SA and 6SB. The other components of the semiconductor module 1C are the same as those of the semiconductor module 1A according to the first embodiment. The spacers 6SA and 6SB constitute a current path and a heat dissipation path. Therefore, the spacers 6SA and 6SB are formed from a conductive material. From the perspective of forming a current path and a heat dissipation path, it is desirable that the material forming the spacers 6SA and 6SB have both high electrical conductivity and high thermal conductivity.
スペーサ6SAは、パワー半導体素子20Aとリードフレーム4との間に配置されている。スペーサ6SAの材料がリードフレーム4の材料と同じである場合には、スペーサ6SAはリードフレーム4と一体とされてもよい。スペーサ6SAの主面6Saは、リードフレーム4の裏面4bに接する。スペーサ6SAの裏面6Sbは、パワー半導体素子20Aの素子主面20aに接する。このような配置によると、リードフレーム4からパワー半導体素子20Aまでの距離を長くすることができる。リードフレーム4からパワー半導体素子20Aまでの絶縁距離を長くすることができる。 The spacer 6SA is disposed between the power semiconductor element 20A and the lead frame 4. If the material of the spacer 6SA is the same as that of the lead frame 4, the spacer 6SA may be integrated with the lead frame 4. The main surface 6Sa of the spacer 6SA contacts the back surface 4b of the lead frame 4. The back surface 6Sb of the spacer 6SA contacts the element main surface 20a of the power semiconductor element 20A. With this arrangement, the distance from the lead frame 4 to the power semiconductor element 20A can be increased. The insulation distance from the lead frame 4 to the power semiconductor element 20A can be increased.
スペーサ6SBは、パワー半導体素子20Bと素子パッド91Bとの間に配置されている。スペーサ6SBの材料が素子パッド91Bの材料と同じである場合には、スペーサ6SBは素子パッド91Bと一体とされてもよい。スペーサ6SBの主面6Saは、パワー半導体素子20Bの素子主面20aに接する。スペーサ6SBの裏面6Sbは、素子パッド91Bの主面91aに接する。このような配置によると、素子パッド91Bからパワー半導体素子20Bまでの距離を長くすることができる。素子パッド91Bからパワー半導体素子20Bまでの絶縁距離を長くすることができる。 The spacer 6SB is disposed between the power semiconductor element 20B and the element pad 91B. If the material of the spacer 6SB is the same as the material of the element pad 91B, the spacer 6SB may be integrated with the element pad 91B. The main surface 6Sa of the spacer 6SB contacts the element main surface 20a of the power semiconductor element 20B. The back surface 6Sb of the spacer 6SB contacts the main surface 91a of the element pad 91B. With this arrangement, the distance from the element pad 91B to the power semiconductor element 20B can be increased. The insulation distance from the element pad 91B to the power semiconductor element 20B can be increased.
このような構成を備える半導体モジュール1Cも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。 The semiconductor module 1C having this configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第3実施形態の変形例>
第3実施形態の半導体モジュール1Cも接合材及びTIMを用いてよい。図16は、第3実施形態の変形例である半導体モジュール1Caの断面図である。第3実施形態の変形例である半導体モジュール1Caは、第3実施形態の半導体モジュール1Cの構成に加えて、さらに、接合材22T1、22M1、22B1、52T、52B、22T2、22M2、22B2、31B及びTIM36Bを含む。第3実施形態の半導体モジュール1Cは、スペーサ6SA、6SBを備えている。半導体モジュール1Cは、スペーサ6SAとパワー半導体素子20Aとの間に配置される接合材22M1を備える。半導体モジュール1Cは、スペーサ6SBとパワー半導体素子20Bとの間に配置される接合材22M2を備える。接合材22T1、22B1、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bは、第3変形例と同様であるから説明を省略する。このような構成を備える半導体モジュール1Caも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。
<Modification of the third embodiment>
The semiconductor module 1C of the third embodiment may also use a bonding material and a TIM. FIG. 16 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ca, which is a modification of the third embodiment. The semiconductor module 1Ca, which is a modification of the third embodiment, further includes bonding materials 22T1, 22M1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, 22M2, 22B2, 31B, and a TIM 36B in addition to the configuration of the semiconductor module 1C of the third embodiment. The semiconductor module 1C of the third embodiment includes spacers 6SA and 6SB. The semiconductor module 1C includes a bonding material 22M1 disposed between the spacer 6SA and the power semiconductor element 20A. The semiconductor module 1C includes a bonding material 22M2 disposed between the spacer 6SB and the power semiconductor element 20B. The bonding materials 22T1, 22B1, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and the TIM 36B are the same as those in the third modification, and therefore will not be described here. The semiconductor module 1Ca having such a configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第4実施形態>
図17は、第4実施形態である半導体モジュール1Dの断面図である。第4実施形態の半導体モジュール1Dは、第1実施形態の半導体モジュール1Aに対して高熱伝導部品45をさらに備えたものである。半導体モジュール1Dのそのほかの構成要素は、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同じである。
Fourth Embodiment
17 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1D according to the fourth embodiment. The semiconductor module 1D according to the fourth embodiment further includes a high-thermal-conductivity component 45 in addition to the components of the semiconductor module 1A according to the first embodiment. The other components of the semiconductor module 1D are the same as those of the semiconductor module 1A according to the first embodiment.
高熱伝導部品45の例示は、グラファイトシート又は銅複合材である。このような材料により形成された高熱伝導部品45の裏面45bは、リードフレーム4の主面4aに配置、接合又は接着されている。リードフレーム4の主面4aに高熱伝導部品45を設けた構成によれば、パワー半導体素子20A、20Bからリードフレーム4に移動した熱が、リードフレーム4上においてより広範囲に拡散しやすくなる。その結果、パワー半導体素子20A、20Bの放熱をより効率的に行うことができる。このような構成を備える半導体モジュール1Dも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。 Examples of the high thermal conductivity component 45 include a graphite sheet or a copper composite. The back surface 45b of the high thermal conductivity component 45 formed from such a material is disposed, joined, or adhered to the main surface 4a of the lead frame 4. By providing the high thermal conductivity component 45 on the main surface 4a of the lead frame 4, heat transferred from the power semiconductor elements 20A, 20B to the lead frame 4 is more likely to diffuse over a wider area on the lead frame 4. As a result, heat from the power semiconductor elements 20A, 20B can be dissipated more efficiently. A semiconductor module 1D having such a configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第4実施形態の第1変形例>
第4実施形態の半導体モジュール1Dも接合材及びTIMを用いてよい。図18は、第4実施形態の第1変形例である半導体モジュール1Daの断面図である。第4実施形態の半導体モジュール1Dは、第1実施形態の半導体モジュール1Aに対して高熱伝導部品45を追加したものである。従って、第4実施形態の第1変形例である半導体モジュール1Daは、第1実施形態の第3変形例である半導体モジュール1Acと同様に、接合材22T1、22B1、52T、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bを含む。これらの構成は、第3変形例と同じであるから詳細な説明は省略する。このような構成を備える半導体モジュール1Daも、第1実施形態の半導体モジュール1Aと同様の効果を奏することができる。
<First Modification of Fourth Embodiment>
The semiconductor module 1D of the fourth embodiment may also use a bonding material and a TIM. Figure 18 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Da, a first modification of the fourth embodiment. The semiconductor module 1D of the fourth embodiment is configured by adding a high-thermal-conductivity component 45 to the semiconductor module 1A of the first embodiment. Therefore, the semiconductor module 1Da, a first modification of the fourth embodiment, includes bonding materials 22T1, 22B1, 52T, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and a TIM 36B, similar to the semiconductor module 1Ac, a third modification of the first embodiment. Since these components are the same as those in the third modification, detailed description thereof will be omitted. The semiconductor module 1Da having such a configuration can also achieve the same effects as the semiconductor module 1A of the first embodiment.
<第4実施形態の第2変形例>
第4実施形態の半導体モジュール1Dにおいて、リードフレーム4の線膨張係数が高熱伝導部品45の線膨張係数と相違する場合があり得る。線膨張係数の相違は、熱応力を発生させるので、リードフレーム4及び高熱伝導部品45に変形が生じることがある。リードフレーム4及び高熱伝導部品45の変形は、リードフレーム4及び高熱伝導部品45の放熱性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、図19に示す第4実施形態の第2変形例の半導体モジュール1Dbのように、熱応力を緩和する部材46をさらに設けてもよい。熱応力を緩和する部材46は、熱応力に起因してリードフレーム4及び高熱伝導部品45に変形を抑制することによって、放熱性の低下を抑制するものである。
<Second Modification of Fourth Embodiment>
In the semiconductor module 1D of the fourth embodiment, the linear expansion coefficient of the lead frame 4 may differ from the linear expansion coefficient of the high thermal conductive component 45. The difference in linear expansion coefficients generates thermal stress, which may cause deformation of the lead frame 4 and the high thermal conductive component 45. Deformation of the lead frame 4 and the high thermal conductive component 45 may affect the heat dissipation performance of the lead frame 4 and the high thermal conductive component 45. Therefore, as in the semiconductor module 1Db of the second modification of the fourth embodiment shown in FIG. 19 , a member 46 for alleviating thermal stress may be further provided. The member 46 for alleviating thermal stress prevents deformation of the lead frame 4 and the high thermal conductive component 45 due to thermal stress, thereby preventing a decrease in heat dissipation performance.
熱応力を緩和する部材46は、高熱伝導部品45の上面45aに設けられる。熱応力を緩和する部材46は、例えば、リードフレーム4と同じ材料によって形成された板状の部品であってもよい。リードフレーム4及び高熱伝導部品45に変形を抑制できればよく、熱応力を緩和する部材46の材料は、リードフレーム4の材料と異なっていてもよい。 The thermal stress relief member 46 is provided on the upper surface 45a of the high thermal conductivity component 45. The thermal stress relief member 46 may be, for example, a plate-shaped component made of the same material as the lead frame 4. As long as it can suppress deformation of the lead frame 4 and the high thermal conductivity component 45, the material of the thermal stress relief member 46 may be different from the material of the lead frame 4.
<第4実施形態の第3変形例>
図20は、高熱伝導部品47及び熱応力を緩和する部材46を備えた第4実施形態の第3変形例に係る半導体モジュール1Dcである。第4実施形態の半導体モジュール1Dが備える高熱伝導部品45の熱伝導率は、等方性である。高熱伝導部品45において、平面視した場合のX軸方向の熱伝導率と、平面視した場合のY軸方向の熱伝導率と、厚み方向(Z軸方向)の熱伝導率と、が一致する。これに対して、第4実施形態の第3変形例である半導体モジュール1Dcが備える高熱伝導部品47は、熱伝導率の異方性を有する。高熱伝導部品47において、平面視した場合のX軸方向の熱伝導率と、平面視した場合のY軸方向の熱伝導率と、厚み方向(Z軸方向)の熱伝導率と、が一致しない。このような熱伝導率の異方性をもつ材料として、例えば、グラファイトが例示できる。
<Third Modification of Fourth Embodiment>
FIG. 20 illustrates a semiconductor module 1Dc according to a third modification of the fourth embodiment, which includes a high-thermal-conductivity component 47 and a thermal stress relief member 46. The high-thermal-conductivity component 45 included in the semiconductor module 1D of the fourth embodiment has isotropic thermal conductivity. In the high-thermal-conductivity component 45, the thermal conductivity in the X-axis direction in a plan view, the thermal conductivity in the Y-axis direction in a plan view, and the thermal conductivity in the thickness direction (Z-axis direction) are consistent. In contrast, the high-thermal-conductivity component 47 included in the semiconductor module 1Dc, which is a third modification of the fourth embodiment, has anisotropic thermal conductivity. In the high-thermal-conductivity component 47, the thermal conductivity in the X-axis direction in a plan view, the thermal conductivity in the Y-axis direction in a plan view, and the thermal conductivity in the thickness direction (Z-axis direction) are not consistent. An example of a material with such anisotropic thermal conductivity is graphite.
平面視した場合のX軸方向の熱伝導率は、平面視した場合のY軸方向の熱伝導率よりも高い。X軸方向とは、パワー半導体素子20Bから伝熱立板50Aに向かう方向であると定義することもできる。高熱伝導部品47におけるX軸方向の熱伝導率が高いことによれば、図20に示す熱経路HP6を経由する熱移動が促進される。その結果、放熱性が向上する。厚み方向(Z軸方向)の熱伝導率も、Y軸方向の熱伝導率より高い。高熱伝導部品47におけるZ軸方向の熱伝導率が高いことによれば、図20に示す熱経路HP7を経由する熱移動が促進される。その結果、放熱性がさらに向上する。 The thermal conductivity in the X-axis direction when viewed from above is higher than the thermal conductivity in the Y-axis direction when viewed from above. The X-axis direction can also be defined as the direction from the power semiconductor element 20B toward the heat transfer stand 50A. The high thermal conductivity in the X-axis direction of the high thermal conductive component 47 promotes heat transfer via the thermal path HP6 shown in Figure 20. As a result, heat dissipation is improved. The thermal conductivity in the thickness direction (Z-axis direction) is also higher than the thermal conductivity in the Y-axis direction. The high thermal conductivity in the Z-axis direction of the high thermal conductive component 47 promotes heat transfer via the thermal path HP7 shown in Figure 20. As a result, heat dissipation is further improved.
<第5実施形態>
第1~第4実施形態では、半導体モジュール1A~1Dが備える機能素子の数は2個であった。図22に示すように、第5実施形態では4個の機能素子を備える半導体モジュール1Eを例示する。
Fifth Embodiment
In the first to fourth embodiments, the number of functional elements included in the semiconductor modules 1A to 1D is two. As shown in Fig. 22, the fifth embodiment illustrates a semiconductor module 1E that includes four functional elements.
半導体モジュール1Eは、機能素子として、2個のパワー半導体素子20A、20Bと、2個のダイオード80A、80Bと、を有する。半導体モジュール1Eは、図21に示すハーフブリッジ回路として機能する回路要素10Eを構成する。回路要素10Eは、図2に示す第1実施形態の回路要素10Aに対して、2個のダイオード80A、80Bを追加したものである。従って、2個のパワー半導体素子20A、20Bの接続構成は、第1実施形態の回路要素10Aのものと同じであるから、詳細な説明は省略する。ダイオード80Aのカソードは、パワー半導体素子20Aのドレインに接続されている。ダイオード80Aのアノードは、パワー半導体素子20Aのソースに接続されている。ダイオード80Bのカソードは、パワー半導体素子20Bのドレインに接続されている。ダイオード80Bのアノードは、パワー半導体素子20Bのソースに接続されている。 The semiconductor module 1E has two power semiconductor elements 20A, 20B and two diodes 80A, 80B as functional elements. The semiconductor module 1E constitutes a circuit element 10E that functions as a half-bridge circuit shown in FIG. 21. The circuit element 10E is the circuit element 10A of the first embodiment shown in FIG. 2, with two diodes 80A, 80B added. Therefore, the connection configuration of the two power semiconductor elements 20A, 20B is the same as that of the circuit element 10A of the first embodiment, and detailed description will be omitted. The cathode of the diode 80A is connected to the drain of the power semiconductor element 20A. The anode of the diode 80A is connected to the source of the power semiconductor element 20A. The cathode of the diode 80B is connected to the drain of the power semiconductor element 20B. The anode of the diode 80B is connected to the source of the power semiconductor element 20B.
図22に例示する半導体モジュール1Eの電気的な接続構成は、図21に示した回路要素10Eと等価である。ダイオード80Aの主面80aは、素子パッド91Aの主面91aに接する。その結果、ダイオード80Aのカソード電極81Kは、素子パッド91Aを介してパワー半導体素子20Aのドレイン電極21Dに接続される。ダイオード80Aの裏面80bは、リードフレーム4の裏面4bに接する。その結果、ダイオード80Aのアノード電極81Aは、リードフレーム4を介してパワー半導体素子20Aのソース電極21Sに接続される。ダイオード80Bの主面80aは、リードフレーム4の裏面4bに接する。その結果、ダイオード80Bのカソード電極81Kは、リードフレーム4を介してパワー半導体素子20Bのドレイン電極21Dに接続される。ダイオード80Aの裏面80bは、素子パッド91Bの主面91aに接する。その結果、ダイオード80Aのアノード電極81Aは、素子パッド91Bを介してパワー半導体素子20Bのソース電極21Sに接続される。 The electrical connection configuration of the semiconductor module 1E illustrated in FIG. 22 is equivalent to that of the circuit element 10E shown in FIG. 21. The principal surface 80a of the diode 80A contacts the principal surface 91a of the element pad 91A. As a result, the cathode electrode 81K of the diode 80A is connected to the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20A via the element pad 91A. The back surface 80b of the diode 80A contacts the back surface 4b of the lead frame 4. As a result, the anode electrode 81A of the diode 80A is connected to the source electrode 21S of the power semiconductor element 20A via the lead frame 4. The principal surface 80a of the diode 80B contacts the back surface 4b of the lead frame 4. As a result, the cathode electrode 81K of the diode 80B is connected to the drain electrode 21D of the power semiconductor element 20B via the lead frame 4. The back surface 80b of the diode 80A contacts the principal surface 91a of the element pad 91B. As a result, the anode electrode 81A of the diode 80A is connected to the source electrode 21S of the power semiconductor element 20B via the element pad 91B.
第5実施形態の半導体モジュール1Eは、上述したように、ハーフブリッジ回路の機能を有する回路要素10Eを実現できる。ハーフブリッジ回路の機能を有する回路要素10Eは、リードフレーム4と2個の素子パッド91A、91Bによって2個のパワー半導体素子20A、20B及び2個のダイオード80A、80Bを含んで構成されている。 As described above, the semiconductor module 1E of the fifth embodiment can realize a circuit element 10E that functions as a half-bridge circuit. The circuit element 10E that functions as a half-bridge circuit is configured to include two power semiconductor elements 20A, 20B and two diodes 80A, 80B, using a lead frame 4 and two element pads 91A, 91B.
<第5実施形態の変形例>
第5実施形態の半導体モジュール1Eも接合材及びTIMを用いてよい。図23は、第5実施形態の変形例である半導体モジュール1Eaの断面図である。第5実施形態の変形例である半導体モジュール1Eaは、接合材22T1、22B1、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bを含む。接合材22T1、22B1、52B、22T2、22B2、31B及びTIM36Bは、これまでと同様であるから説明を省略する。半導体モジュール1Eaは、接合材82T1、82B1、82T2、82B2を含む。接合材82T1は、ダイオード80Aとリードフレーム4との間に配置される。接合材82T1は、ダイオード80Aをリードフレーム4に接合する。接合材82B1は、ダイオード80Aと素子パッド91Aとの間に配置される。接合材82B1は、ダイオード80Aを素子パッド91Aに接合する。接合材82T2は、ダイオード80Bとリードフレーム4との間に配置される。接合材82T2は、ダイオード80Bをリードフレーム4に接合する。接合材82B2は、ダイオード80Bと素子パッド91Bとの間に配置される。接合材82B2は、ダイオード80Bを素子パッド91Bに接合する。
<Modification of the Fifth Embodiment>
The semiconductor module 1E of the fifth embodiment may also use a bonding material and a TIM. FIG. 23 is a cross-sectional view of a semiconductor module 1Ea, which is a modification of the fifth embodiment. The semiconductor module 1Ea, which is a modification of the fifth embodiment, includes bonding materials 22T1, 22B1, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and a TIM 36B. The bonding materials 22T1, 22B1, 52B, 22T2, 22B2, 31B, and a TIM 36B are the same as those described above, and therefore their description will be omitted. The semiconductor module 1Ea includes bonding materials 82T1, 82B1, 82T2, and 82B2. The bonding material 82T1 is disposed between the diode 80A and the lead frame 4. The bonding material 82T1 bonds the diode 80A to the lead frame 4. The bonding material 82B1 is disposed between the diode 80A and the element pad 91A. The bonding material 82B1 bonds the diode 80A to the element pad 91A. The bonding material 82T2 is disposed between the diode 80B and the lead frame 4. The bonding material 82T2 bonds the diode 80B to the lead frame 4. The bonding material 82B2 is disposed between the diode 80B and the element pad 91B. The bonding material 82B2 bonds the diode 80B to the element pad 91B.
<第6実施形態>
図24に示すさらに複雑な回路を構成することもできる。図24に示す回路要素10Fは、中性点クランプ方式(NPC方式)の3レベルインバータ回路の一部である。
Sixth Embodiment
It is also possible to configure a more complex circuit as shown in Figure 24. The circuit element 10F shown in Figure 24 is part of a three-level inverter circuit of the neutral point clamped type (NPC type).
回路要素10Fは、第1端子P11aと、中性端子P11cと、第2端子P11bと、出力端子P11sと、を有する。回路要素10Fは、6個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20B1、20B2、20B3を有する。パワー半導体素子20A1のドレインは、第1端子P11aに接続されている。パワー半導体素子20A1のソースは、パワー半導体素子20B2のドレイン及びパワー半導体素子20B3のドレインに接続されている。パワー半導体素子20B3のソースは、中性端子P11c及びパワー半導体素子20A3のドレインに接続されている。パワー半導体素子20B2のソースは、出力端子P11s及びパワー半導体素子20A2のドレインに接続されている。パワー半導体素子20B1のソースは、第2端子P11bに接続されている。パワー半導体素子20B1のドレインは、パワー半導体素子20A3のソース及びパワー半導体素子20A2のソースに接続されている。 Circuit element 10F has a first terminal P11a, a neutral terminal P11c, a second terminal P11b, and an output terminal P11s. Circuit element 10F has six power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20B1, 20B2, and 20B3. The drain of power semiconductor element 20A1 is connected to the first terminal P11a. The source of power semiconductor element 20A1 is connected to the drain of power semiconductor element 20B2 and the drain of power semiconductor element 20B3. The source of power semiconductor element 20B3 is connected to the neutral terminal P11c and the drain of power semiconductor element 20A3. The source of power semiconductor element 20B2 is connected to the output terminal P11s and the drain of power semiconductor element 20A2. The source of power semiconductor element 20B1 is connected to the second terminal P11b. The drain of power semiconductor element 20B1 is connected to the source of power semiconductor element 20A3 and the source of power semiconductor element 20A2.
図24に示す回路要素10Fは、図25に示す半導体モジュール1Fによって実現される。半導体モジュール1Fは、前述した6個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20B1、20B2、20B3を備える。半導体モジュール1Fは、4個の素子パッド91A、91B、92、93と、2個のリードフレーム4F1、4F2と、を備えている。 The circuit element 10F shown in FIG. 24 is realized by the semiconductor module 1F shown in FIG. 25. The semiconductor module 1F includes the six power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20B1, 20B2, and 20B3 described above. The semiconductor module 1F also includes four element pads 91A, 91B, 92, and 93, and two lead frames 4F1 and 4F2.
素子パッド91Aは、回路要素10Fにおける第1端子P11aに相当する。素子パッド91Aには、パワー半導体素子20A1が配置されている。素子パッド91Aには、パワー半導体素子20A1のドレイン電極21Dが接続されている。素子パッド91Bは、回路要素10Fにおける第2端子P11bに相当する。素子パッド91Bには、パワー半導体素子20B1が配置されている。素子パッド91Bには、パワー半導体素子20B1のソース電極21Sが接続されている。 The element pad 91A corresponds to the first terminal P11a of the circuit element 10F. A power semiconductor element 20A1 is disposed on the element pad 91A. The drain electrode 21D of the power semiconductor element 20A1 is connected to the element pad 91A. The element pad 91B corresponds to the second terminal P11b of the circuit element 10F. A power semiconductor element 20B1 is disposed on the element pad 91B. The source electrode 21S of the power semiconductor element 20B1 is connected to the element pad 91B.
素子パッド92は、回路要素10Fにおける中性端子P11cに相当する。素子パッド92には、パワー半導体素子20B3、20A3が配置されている。素子パッド92には、パワー半導体素子20B3のソース電極21Sと、パワー半導体素子20A3のドレイン電極21Dと、が接続されている。素子パッド92は、回路要素10Fにおいてパワー半導体素子20B3、20A3を相互に接続する線路92Lに相当する。素子パッド93は、回路要素10Fにおける出力端子P11sに相当する。素子パッド93には、パワー半導体素子20B2、20A2が配置されている。素子パッド93には、パワー半導体素子20B2のソース電極21Sと、パワー半導体素子20A2のドレイン電極21Dと、が接続されている。素子パッド93は、回路要素10Fにおいてパワー半導体素子20B2、20A2を相互に接続する線路93Lに相当する。 The element pad 92 corresponds to the neutral terminal P11c in the circuit element 10F. Power semiconductor elements 20B3 and 20A3 are arranged on the element pad 92. The source electrode 21S of power semiconductor element 20B3 and the drain electrode 21D of power semiconductor element 20A3 are connected to the element pad 92. The element pad 92 corresponds to the line 92L that interconnects the power semiconductor elements 20B3 and 20A3 in the circuit element 10F. The element pad 93 corresponds to the output terminal P11s in the circuit element 10F. Power semiconductor elements 20B2 and 20A2 are arranged on the element pad 93. The source electrode 21S of power semiconductor element 20B2 and the drain electrode 21D of power semiconductor element 20A2 are connected to the element pad 93. The element pad 93 corresponds to the line 93L that interconnects the power semiconductor elements 20B2 and 20A2 in the circuit element 10F.
リードフレーム4F1は、平面視して素子パッド91A、92、93と重なるように配置されている。リードフレーム4F1は、パワー半導体素子20A1、20B2、20B3の上に配置されている。リードフレーム4F1は、パワー半導体素子20A1のソース電極21Sと、パワー半導体素子20B2のドレイン電極21Dと、パワー半導体素子20B3のドレイン電極21Dと、に接続されている。リードフレーム4F1は、回路要素10Fにおいてパワー半導体素子20A1、20B2、20B3を相互に接続する線路4L1に相当する。 Lead frame 4F1 is arranged so as to overlap element pads 91A, 92, and 93 in plan view. Lead frame 4F1 is arranged on top of power semiconductor elements 20A1, 20B2, and 20B3. Lead frame 4F1 is connected to source electrode 21S of power semiconductor element 20A1, drain electrode 21D of power semiconductor element 20B2, and drain electrode 21D of power semiconductor element 20B3. Lead frame 4F1 corresponds to line 4L1 that interconnects power semiconductor elements 20A1, 20B2, and 20B3 in circuit element 10F.
リードフレーム4F2は、平面視して素子パッド91B、92、93と重なるように配置されている。リードフレーム4F2は、パワー半導体素子20B1、20A2、20A3の上に配置されている。リードフレーム4F2は、パワー半導体素子20B1のドレイン電極21Dと、パワー半導体素子20A2のソース電極21Sと、パワー半導体素子20A3のソース電極21Sと、に接続されている。リードフレーム4F2は、回路要素10Fにおいてパワー半導体素子20B1、20A2、20A3を相互に接続する線路4L2に相当する。 Lead frame 4F2 is arranged so as to overlap element pads 91B, 92, and 93 in plan view. Lead frame 4F2 is arranged on top of power semiconductor elements 20B1, 20A2, and 20A3. Lead frame 4F2 is connected to drain electrode 21D of power semiconductor element 20B1, source electrode 21S of power semiconductor element 20A2, and source electrode 21S of power semiconductor element 20A3. Lead frame 4F2 corresponds to line 4L2 that interconnects power semiconductor elements 20B1, 20A2, and 20A3 in circuit element 10F.
素子パッド91Aと素子パッド92との間には、伝熱パッド90A1が設けられている。伝熱パッド90A1は、素子パッド91Aと素子パッド92との間に挟まれた部分と、素子パッド93に隣接する部分と、を含む。伝熱パッド90A1は、第1非配置領域3aN1と第2非配置領域3aN2にまたがって設けられている。従って、伝熱パッド90A1に配置された伝熱立板50A1は、第1非配置領域3aN1に配置された部分と、第2非配置領域3aN2に配置された部分と、を含む。伝熱パッド90A1には、伝熱立板50A1が配置される。伝熱立板50A1は、リードフレーム4F1に接続されている。伝熱立板50A1において第1非配置領域3aN1に配置された部分によれば、パワー半導体素子20A1、20B3からの熱を放熱することができる。伝熱立板50A1において第2非配置領域3aN2に配置された部分によれば、パワー半導体素子20B2からの熱を放熱することができる。 A heat transfer pad 90A1 is provided between element pad 91A and element pad 92. The heat transfer pad 90A1 includes a portion sandwiched between element pad 91A and element pad 92 and a portion adjacent to element pad 93. The heat transfer pad 90A1 is provided across the first non-placement area 3aN1 and the second non-placement area 3aN2. Therefore, the heat transfer stand 50A1 arranged on the heat transfer pad 90A1 includes a portion arranged in the first non-placement area 3aN1 and a portion arranged in the second non-placement area 3aN2. A heat transfer stand 50A1 is arranged on the heat transfer pad 90A1. The heat transfer stand 50A1 is connected to the lead frame 4F1. The portion of the heat transfer stand 50A1 arranged in the first non-placement area 3aN1 can dissipate heat from the power semiconductor elements 20A1, 20B3. The portion of the heat transfer vertical plate 50A1 located in the second non-placement area 3aN2 can dissipate heat from the power semiconductor element 20B2.
素子パッド91Bと素子パッド92との間には、伝熱パッド90A2が設けられている。伝熱パッド90A2は、素子パッド91Bと素子パッド92との間に挟まれた部分と、素子パッド93に隣接する部分と、を含む。伝熱パッド90A2も、第1非配置領域3aN1と第2非配置領域3aN2にまたがって設けられている。従って、伝熱パッド90A2に配置された伝熱立板50A2は、第1非配置領域3aN1に配置された部分と、第2非配置領域3aN2に配置された部分と、を含む。伝熱パッド90A2には、伝熱立板50A2が配置される。伝熱立板50A2は、リードフレーム4F2に接続されている。伝熱立板50A2において第1非配置領域3aN1に配置された部分によれば、パワー半導体素子20B1、20A3からの熱を放熱することができる。伝熱立板50A2における第2非配置領域3aN2に配置された部分によれば、パワー半導体素子20A2からの熱を放熱することができる。 A heat transfer pad 90A2 is provided between element pad 91B and element pad 92. The heat transfer pad 90A2 includes a portion sandwiched between element pad 91B and element pad 92 and a portion adjacent to element pad 93. The heat transfer pad 90A2 is also provided across the first non-placement area 3aN1 and the second non-placement area 3aN2. Therefore, the heat transfer stand 50A2 arranged on the heat transfer pad 90A2 includes a portion arranged in the first non-placement area 3aN1 and a portion arranged in the second non-placement area 3aN2. A heat transfer stand 50A2 is arranged on the heat transfer pad 90A2. The heat transfer stand 50A2 is connected to the lead frame 4F2. The portion of the heat transfer stand 50A2 arranged in the first non-placement area 3aN1 can dissipate heat from the power semiconductor elements 20B1 and 20A3. The portion of the heat transfer vertical plate 50A2 located in the second non-placement area 3aN2 can dissipate heat from the power semiconductor element 20A2.
第6実施形態の半導体モジュール1Fは、回路要素10Fを構成する線路92Lを素子パッド92によって実現し、線路93Lを素子パッド93によって実現し、線路4L1をリードフレーム4F1によって実現し、線路4L2をリードフレーム4F2によって実現している。従って、第6実施形態の半導体モジュール1Fも所望の冷却能力を簡易な構成によって実現することができる。 In the semiconductor module 1F of the sixth embodiment, the line 92L constituting the circuit element 10F is realized by an element pad 92, the line 93L is realized by an element pad 93, the line 4L1 is realized by a lead frame 4F1, and the line 4L2 is realized by a lead frame 4F2. Therefore, the semiconductor module 1F of the sixth embodiment can also achieve the desired cooling capacity with a simple configuration.
<第7実施形態>
図26に示す第7実施形態の半導体モジュール1Gは、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4を備えている。
Seventh Embodiment
A semiconductor module 1G according to the seventh embodiment shown in FIG. 26 includes eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4.
通常実装されたパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4は、素子パッド91Aに配置されている。素子パッド91Aは、パワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4のそれぞれのドレイン電極21Dを並列に接続する。従って、素子パッド91Aは、P電極として機能する。 Normally mounted power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, and 20A4 are arranged on element pad 91A. Element pad 91A connects the drain electrodes 21D of power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, and 20A4 in parallel. Therefore, element pad 91A functions as a P electrode.
反転実装されたパワー半導体素子20B1、20B2、20B3、20B4は、素子パッド91Bに配置されている。素子パッド91Bは、パワー半導体素子20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれのソース電極21Sを並列に接続する。従って、素子パッド91Bは、N電極として機能する。 The inverted-mounted power semiconductor elements 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4 are placed on element pad 91B. Element pad 91B connects the source electrodes 21S of each of the power semiconductor elements 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4 in parallel. Therefore, element pad 91B functions as an N electrode.
8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4と重なるようにリードフレーム4Gが配置されている。リードフレーム4Gは、パワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4のそれぞれのソース電極21Sと、パワー半導体素子20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれのドレイン電極21Dと、を並列に接続する。従って、リードフレーム4Gは、出力電極として機能する。 Lead frame 4G is arranged so as to overlap eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4. Lead frame 4G connects the source electrodes 21S of each of power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, and 20A4 in parallel with the drain electrodes 21D of each of power semiconductor elements 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4. Therefore, lead frame 4G functions as an output electrode.
素子パッド91Aと素子パッド91Bとの間には、第1非配置領域3aN1が設けられている。第1非配置領域3aN1には、伝熱立板50Aが配置されている。このような構成によれば、伝熱立板50Aは、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれに隣接する。従って、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれから放熱することができる。 A first non-placement area 3aN1 is provided between element pad 91A and element pad 91B. A heat transfer stand 50A is arranged in first non-placement area 3aN1. With this configuration, heat transfer stand 50A is adjacent to each of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4. Therefore, heat can be dissipated from each of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4.
<第8実施形態>
図27に示す第8実施形態の半導体モジュール1Hも、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4を備えている。8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4は、素子パッド91A、91B及びリードフレーム4Hによって接続されている。電気的な接続関係に注目すれば、第8実施形態における8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4の接続構成は、第7実施形態のものと同じである。従って、この点に関する詳細な説明は省略する。
Eighth Embodiment
The semiconductor module 1H of the eighth embodiment shown in Figure 27 also includes eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4. The eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4 are connected by element pads 91A and 91B and a lead frame 4H. In terms of electrical connection, the connection configuration of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4 in the eighth embodiment is the same as that in the seventh embodiment. Therefore, detailed description of this point will be omitted.
第8実施形態では、第1非配置領域3aN1が素子パッド91A、91Bに単に挟まれているだけではなく、第1非配置領域3aN1における一対の短辺側も、素子パッド91Aの延長部91Aaによって挟まれている。矩形状である第1非配置領域3aN1は、その四辺の全てが素子パッド91A、91Bのいずれかに隣接する。従って、第1非配置領域3aN1に配置された伝熱立板50Aも平面視すると、素子パッド91A、91Bに囲まれている。 In the eighth embodiment, the first non-placement area 3aN1 is not simply sandwiched between the element pads 91A and 91B; a pair of short sides of the first non-placement area 3aN1 are also sandwiched between the extensions 91Aa of the element pad 91A. All four sides of the rectangular first non-placement area 3aN1 are adjacent to either the element pads 91A or 91B. Therefore, when viewed in plan, the heat transfer vertical plate 50A placed in the first non-placement area 3aN1 is also surrounded by the element pads 91A and 91B.
第8実施形態のリードフレーム4Hは、パワー半導体素子20A1等の全面を覆っている。リードフレーム4Hは、パワー半導体素子20A1のゲート電極21Gなどにも接続されてしまう。リードフレーム4Hは、ゲート電極21G及びケルビン電極21Kを露出させるためのリードフレーム開口4H1、4H2、4H3、4H4を含む。リードフレーム開口4H1、4H2、4H3、4H4によれば、板状のリードフレーム4Hにゲート電極21G及びケルビン電極21Kが接触しなくなる。従って、リードフレーム4Hにゲート電極21G及びケルビン電極21Kが電気的に接続されない。 The lead frame 4H of the eighth embodiment covers the entire surface of the power semiconductor element 20A1, etc. The lead frame 4H is also connected to the gate electrode 21G of the power semiconductor element 20A1, etc. The lead frame 4H includes lead frame openings 4H1, 4H2, 4H3, and 4H4 for exposing the gate electrode 21G and Kelvin electrode 21K. The lead frame openings 4H1, 4H2, 4H3, and 4H4 prevent the gate electrode 21G and Kelvin electrode 21K from coming into contact with the plate-shaped lead frame 4H. Therefore, the gate electrode 21G and Kelvin electrode 21K are not electrically connected to the lead frame 4H.
半導体モジュール1Hにおいて、パワー半導体素子20Aは、ソース電極21Sが設けられた素子主面20aを含む。素子主面20aには、ゲート電極21G(第1追加電極)がさらに設けられている。リードフレーム4Hは、ゲート電極21Gを露出させるリードフレーム開口4H1、4H2、4H3、4H4を含む。パワー半導体素子20Aの素子主面20aに異なる機能を発揮する複数の電極が存在する場合であっても、所望の電気回路を形成することができる。 In the semiconductor module 1H, the power semiconductor element 20A includes an element main surface 20a on which a source electrode 21S is provided. A gate electrode 21G (first additional electrode) is further provided on the element main surface 20a. The lead frame 4H includes lead frame openings 4H1, 4H2, 4H3, and 4H4 that expose the gate electrode 21G. Even if the element main surface 20a of the power semiconductor element 20A has multiple electrodes that perform different functions, it is possible to form a desired electrical circuit.
このような構成によっても、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれから放熱することができる。 Even with this configuration, heat can be dissipated from each of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4.
<第9実施形態>
図28に示す第9実施形態の半導体モジュール1Kも、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4を備えている。電気的な接続関係に注目すれば、第8実施形態における8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4の接続構成は、第7実施形態のものと同じである。
Ninth Embodiment
28 also includes eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4. In terms of electrical connection, the connection configuration of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4 in the eighth embodiment is the same as that in the seventh embodiment.
第9実施形態の半導体モジュール1Kは、素子パッド91A、91Bに挟まれた第1非配置領域3aN1に、2個の伝熱立板50A1、50A2を配置している。伝熱立板50A1は、パワー半導体素子20A1、20A2、20B1、20B2に隣接する。伝熱立板50A2は、パワー半導体素子20A3、20A4、20B3、20B4に隣接する。第8実施形態の伝熱立板50A1、50A2は、第7実施形態の伝熱立板50Aを長手方向に二分割したものである。分割された伝熱立板50A1、50A2によれば、それぞれの伝熱立板50A1、50A2を基板ユニット3に固定する作業を容易にすることができる。 The semiconductor module 1K of the ninth embodiment has two heat transfer stand plates 50A1 and 50A2 arranged in the first non-placement area 3aN1 sandwiched between element pads 91A and 91B. The heat transfer stand plate 50A1 is adjacent to the power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20B1, and 20B2. The heat transfer stand plate 50A2 is adjacent to the power semiconductor elements 20A3, 20A4, 20B3, and 20B4. The heat transfer stand plates 50A1 and 50A2 of the eighth embodiment are formed by dividing the heat transfer stand plate 50A of the seventh embodiment into two pieces longitudinally. The divided heat transfer stand plates 50A1 and 50A2 make it easier to fix each of the heat transfer stand plates 50A1 and 50A2 to the board unit 3.
第9実施形態の半導体モジュール1Kは、素子パッド91A、91Bに囲まれない第2非配置領域3aN2に設けられた複数の伝熱立板50B1、50B2、50B3、50B4、50B5、50B6を有する。伝熱立板50B1、50B2は、素子パッド91Aの長手方向に沿って、素子パッド91Aに隣接する。伝熱立板50B3、50B4は、素子パッド91Bの長手方向に沿って、素子パッド91Bに隣接する。伝熱立板50B5は、素子パッド91Aの短手方向に沿って、素子パッド91Aに隣接する。伝熱立板50B6は、素子パッド91Bの短手方向に沿って、素子パッド91Bに隣接する。 The semiconductor module 1K of the ninth embodiment has multiple heat transfer standing plates 50B1, 50B2, 50B3, 50B4, 50B5, and 50B6 provided in the second non-placement area 3aN2 that is not surrounded by the element pads 91A and 91B. The heat transfer standing plates 50B1 and 50B2 are adjacent to the element pad 91A along the longitudinal direction of the element pad 91A. The heat transfer standing plates 50B3 and 50B4 are adjacent to the element pad 91B along the longitudinal direction of the element pad 91B. The heat transfer standing plate 50B5 is adjacent to the element pad 91A along the lateral direction of the element pad 91A. The heat transfer standing plate 50B6 is adjacent to the element pad 91B along the lateral direction of the element pad 91B.
このような構成によっても、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれから放熱することができる。 Even with this configuration, heat can be dissipated from each of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4.
<第10実施形態>
図29に示す第10実施形態の半導体モジュール1Pも、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4を備えている。電気的な接続関係に注目すれば、第8実施形態における8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4の接続構成は、第7実施形態のものと同じである。第10実施形態の半導体モジュール1Pも、第1非配置領域3aN1に配置された2個の伝熱立板50A1、50A2を有する。第10実施形態の半導体モジュール1Pは、平面視してコ字形状である素子パッド91Aを囲む6個の伝熱立板50B1、50B2、50B3、50B4、50B5、50B6を有する。このような構成によっても、8個のパワー半導体素子20A1、20A2、20A3、20A4、20B1、20B2、20B3、20B4のそれぞれから放熱することができる。
Tenth Embodiment
The semiconductor module 1P of the tenth embodiment shown in Figure 29 also includes eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4. In terms of electrical connection, the connection configuration of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4 in the eighth embodiment is the same as that in the seventh embodiment. The semiconductor module 1P of the tenth embodiment also includes two heat transfer vertical plates 50A1 and 50A2 arranged in the first non-placement area 3aN1. The semiconductor module 1P of the tenth embodiment includes six heat transfer vertical plates 50B1, 50B2, 50B3, 50B4, 50B5, and 50B6 surrounding the element pad 91A, which is U-shaped in plan view. Even with this configuration, heat can be dissipated from each of the eight power semiconductor elements 20A1, 20A2, 20A3, 20A4, 20B1, 20B2, 20B3, and 20B4.
本開示の半導体モジュールは、前述した第1~第10実施形態及びそれらの変形例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The semiconductor module disclosed herein is not limited to the first to tenth embodiments and their modifications described above, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
例えば、第1機能素子と第2機能素子の組み合わせ及び実装形態の組み合わせ例示としては、以下のとおりである。
・第1の構成:第1機能素子としての縦型構造を有するユニポーラトランジスタを通常実装し、第2機能素子としての縦型構造を有するユニポーラトランジスタを反転実装する。
・第2の構成:第1機能素子としての縦型構造を有するユニポーラトランジスタを通常実装し、第2機能素子としてのバイポーラトランジスタを反転実装する。
・第3の構成:第1機能素子としての縦型構造を有するユニポーラトランジスタを通常実装し、第2機能素子としてのダイオードを反転実装する。
・第4の構成:第1機能素子としてのバイポーラトランジスタを通常実装し、第2機能素子としての縦型構造を有するユニポーラトランジスタを反転実装する。
・第5の構成:第1機能素子としてのバイポーラトランジスタを通常実装し、第2機能素子としてのバイポーラトランジスタを反転実装する。
・第6の構成:第1機能素子としてのバイポーラトランジスタを通常実装し、第2機能素子としてのダイオードを反転実装する。
・第7の構成:第1機能素子としてのダイオードを通常実装し、第2機能素子としての縦型構造を有するユニポーラトランジスタを反転実装する。
・第8の構成:第1機能素子としてのダイオードを通常実装し、第2機能素子としてのバイポーラトランジスタを反転実装する。
・第9の構成:第1機能素子としてのダイオードを通常実装し、第2機能素子としてのダイオードを反転実装する。
For example, examples of combinations of the first and second functional elements and combinations of mounting forms are as follows.
First configuration: A unipolar transistor having a vertical structure as a first functional element is normally mounted, and a unipolar transistor having a vertical structure as a second functional element is invertedly mounted.
Second configuration: A unipolar transistor having a vertical structure as the first functional element is normally mounted, and a bipolar transistor as the second functional element is invertedly mounted.
Third configuration: A unipolar transistor having a vertical structure as the first functional element is normally mounted, and a diode as the second functional element is inverted mounted.
Fourth configuration: A bipolar transistor as a first functional element is normally mounted, and a unipolar transistor having a vertical structure as a second functional element is invertedly mounted.
Fifth configuration: The bipolar transistor serving as the first functional element is normally mounted, and the bipolar transistor serving as the second functional element is inverted mounted.
Sixth configuration: A bipolar transistor as a first functional element is normally mounted, and a diode as a second functional element is inverted mounted.
Seventh configuration: A diode as the first functional element is normally mounted, and a unipolar transistor having a vertical structure as the second functional element is invertedly mounted.
Eighth configuration: A diode as a first functional element is normally mounted, and a bipolar transistor as a second functional element is inverted mounted.
Ninth configuration: The diode as the first functional element is normally mounted, and the diode as the second functional element is inverted mounted.
[付記]
本開示は、以下の内容を含む。
[Note]
The present disclosure includes the following contents.
本開示は、[1]「第1電極及び前記第1電極と対向する位置に設けられた第2電極を含む第1機能素子と、
第3電極及び前記第3電極と対向する位置に設けられた第4電極を含む第2機能素子と、
前記第1機能素子の前記第1電極が接続されると共に、前記第2機能素子の前記第3電極が接続されたリードフレームと、
前記第1機能素子の前記第2電極が接続されると共に、前記第2機能素子の前記第4電極が接続された基板ユニットと、
前記基板ユニットに取り付けられて前記基板ユニットが有する熱を放出する放熱ユニットと、を備え、
前記リードフレームは、前記基板ユニットに対して熱的に接続され、
前記リードフレームに接続された前記第1機能素子の前記第1電極が持つ機能は、
前記リードフレームに接続された前記第2機能素子の前記第3電極が持つ機能と異なる、半導体モジュール。」である。
The present disclosure provides a first functional element including: [1] a first electrode and a second electrode provided at a position opposite to the first electrode;
a second functional element including a third electrode and a fourth electrode provided at a position opposite to the third electrode;
a lead frame to which the first electrode of the first functional element and the third electrode of the second functional element are connected;
a substrate unit to which the second electrode of the first functional element and the fourth electrode of the second functional element are connected;
a heat dissipation unit attached to the board unit to dissipate heat generated by the board unit,
the lead frame is thermally connected to the substrate unit;
The function of the first electrode of the first functional element connected to the lead frame is
A semiconductor module having a function different from that of the third electrode of the second functional element connected to the lead frame.
本開示は、[2]「前記リードフレームと前記基板ユニットとを相互に熱的に接続する伝熱立板をさらに備える、上記[1]に記載の半導体モジュール。」である。 The present disclosure is [2] "the semiconductor module described in [1] above, further comprising a heat transfer stand that thermally connects the lead frame and the substrate unit to each other."
本開示は、[3]「前記リードフレームは、前記第1電極及び前記第3電極が接続されたリードフレーム裏面を含み、
前記伝熱立板は、前記リードフレーム裏面に接触する、上記[2]に記載の半導体モジュール。」である。
The present disclosure states, [3] "the lead frame includes a rear surface to which the first electrode and the third electrode are connected,
The semiconductor module according to the above [2], wherein the heat transfer stand is in contact with the rear surface of the lead frame.
本開示は、[4]「前記基板ユニットの主面は、前記第1機能素子が接続される第1素子接続領域と、前記第2機能素子が接続される第2素子接続領域と、前記第1素子接続領域と前記第2素子接続領域とに挟まれた第1非配置領域と、前記第1素子接続領域と前記第2素子接続領域とに挟まれない第2非配置領域と、を含み、
前記伝熱立板は、前記第1非配置領域に配置されている、上記[2]又は[3]に記載の半導体モジュール。」である。
The present disclosure provides a method for manufacturing a substrate unit, comprising: [4] "a main surface of the substrate unit including a first element connection region to which the first functional element is connected, a second element connection region to which the second functional element is connected, a first non-arrangement region sandwiched between the first element connection region and the second element connection region, and a second non-arrangement region not sandwiched between the first element connection region and the second element connection region;
The semiconductor module according to the above [2] or [3], wherein the heat transfer standing plate is arranged in the first non-arrangement area.
本開示は、[5]「前記基板ユニットの主面は、前記第1機能素子が接続される第1素子接続領域と、前記第2機能素子が接続される第2素子接続領域と、前記第1素子接続領域と前記第2素子接続領域とに挟まれた第1非配置領域と、前記第1素子接続領域と、前記第2素子接続領域とに挟まれない第2非配置領域と、を含み、
前記伝熱立板は、前記第2非配置領域に配置されている、上記[2]又は[3]に記載の半導体モジュール。」である。
The present disclosure further provides [5] "the main surface of the substrate unit includes a first element connection region to which the first functional element is connected, a second element connection region to which the second functional element is connected, a first non-arrangement region sandwiched between the first element connection region and the second element connection region, and a second non-arrangement region not sandwiched between the first element connection region and the second element connection region,
The semiconductor module according to the above [2] or [3], wherein the heat transfer standing plate is arranged in the second non-arrangement area.
本開示は、[6]「前記第1機能素子は、前記第1電極が設けられた第1主面を含み、
前記第1主面には、第1追加電極がさらに設けられ、
前記リードフレームは、前記第1追加電極を露出させるリードフレーム開口を含む、上記[1]~[5]の何れか一項に記載の半導体モジュール。」である。
The present disclosure further provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: [6] "the first functional element including a first main surface on which the first electrode is provided;
a first additional electrode is further provided on the first major surface;
The semiconductor module according to any one of the above [1] to [5], wherein the lead frame includes a lead frame opening that exposes the first additional electrode.
本開示は、[7]「前記第1機能素子及び前記第2機能素子が前記リードフレーム及び前記基板ユニットによって相互に電気的に接続されることにより、所定の回路機能を持つ電気回路を構成する、上記[1]~[6]の何れか一項に記載の半導体モジュール。」である。 The present disclosure is [7] "a semiconductor module according to any one of [1] to [6] above, in which the first functional element and the second functional element are electrically connected to each other by the lead frame and the substrate unit, thereby forming an electric circuit having a predetermined circuit function."
本開示は、[8]「前記第1機能素子は、通常実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ及びダイオードから選択される一つであり、
前記第2機能素子は、反転実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ及びダイオードから選択される一つである、上記[1]に記載の半導体モジュール。」である。
The present disclosure states that [8] "the first functional element is one selected from a unipolar transistor, a bipolar transistor, and a diode having a vertical structure, which are normally implemented;
The semiconductor module according to the above [1], wherein the second functional element is one selected from a unipolar transistor, a bipolar transistor, and a diode, which are invertedly mounted and have a vertical structure.
本開示は、[9]「前記第1機能素子と、前記リードフレームの間には第1のスペーサが介在し、
前記第2機能素子と、前記基板ユニットの間には第2のスペーサが介在している、上記[8]に記載の半導体モジュール。」である。
The present disclosure provides a method for manufacturing a semiconductor device including the steps of: [9] "a first spacer is interposed between the first functional element and the lead frame;
The semiconductor module according to the above item [8], wherein a second spacer is interposed between the second functional element and the substrate unit.
1A,1Aa,1Ab,1Ac,1Ad,1Ae,1Af,1Ag,1Ah,1B,1Ba,1C,1Ca,1D,1Da,1E,1Ea,1F,1G,1H,1K,1P 半導体モジュール
10A,10E,10F 回路要素
20A,20A1,20A2,20A3,20A4 パワー半導体素子(第1機能素子)
20B,20B1,20B2,20B パワー半導体素子(第2機能素子)
20AS 第1素子接続領域
20BS 第2素子接続領域
21D ドレイン電極(第2電極、第3電極)
21G ゲート電極(第1追加電極)
21K ケルビン電極
21S ソース電極(第1電極、第4電極)
3 基板ユニット
3aN1 第1非配置領域
3aN2 第2非配置領域
30 冷却器,冷却器(放熱ユニット)
31 金属層
32 絶縁層
4,4B,4F1,4F2,4G リードフレーム
4H1,4H2,4H3,4H4 リードフレーム開口
50A,50A1,50A2 伝熱立板
50B,50B1,50B2 伝熱立板
80A,80B ダイオード(機能素子)
81A アノード電極
81K カソード電極
1A, 1Aa, 1Ab, 1Ac, 1Ad, 1Ae, 1Af, 1Ag, 1Ah, 1B, 1Ba, 1C, 1Ca, 1D, 1Da, 1E, 1Ea, 1F, 1G, 1H, 1K, 1P Semiconductor modules 10A, 10E, 10F Circuit elements 20A, 20A1, 20A2, 20A3, 20A4 Power semiconductor element (first functional element)
20B, 20B1, 20B2, 20B Power semiconductor element (second functional element)
20AS: First element connection region 20BS: Second element connection region 21D: Drain electrode (second electrode, third electrode)
21G gate electrode (first additional electrode)
21K Kelvin electrode 21S Source electrode (first electrode, fourth electrode)
3 Board unit 3aN1 First non-placement area 3aN2 Second non-placement area 30 Cooler, cooler (heat dissipation unit)
31 Metal layer 32 Insulating layer 4, 4B, 4F1, 4F2, 4G Lead frame 4H1, 4H2, 4H3, 4H4 Lead frame opening 50A, 50A1, 50A2 Heat transfer standing plate 50B, 50B1, 50B2 Heat transfer standing plate 80A, 80B Diode (functional element)
81A Anode electrode 81K Cathode electrode
Claims (9)
第3電極及び前記第3電極と対向する位置に設けられた第4電極を含む第2機能素子と、
前記第1機能素子の前記第1電極が接続されると共に、前記第2機能素子の前記第3電極が接続されたリードフレームと、
前記第1機能素子の前記第2電極が接続されると共に、前記第2機能素子の前記第4電極が接続された基板ユニットと、
前記基板ユニットに取り付けられて前記基板ユニットが有する熱を放出する放熱ユニットと、を備え、
前記リードフレームは、前記基板ユニットに対して熱的に接続され、
前記リードフレームに接続された前記第1機能素子の前記第1電極が持つ機能は、
前記リードフレームに接続された前記第2機能素子の前記第3電極が持つ機能と異なる、半導体モジュール。 a first functional element including a first electrode and a second electrode provided at a position opposite to the first electrode;
a second functional element including a third electrode and a fourth electrode provided at a position opposite to the third electrode;
a lead frame to which the first electrode of the first functional element and the third electrode of the second functional element are connected;
a substrate unit to which the second electrode of the first functional element and the fourth electrode of the second functional element are connected;
a heat dissipation unit attached to the board unit to dissipate heat generated by the board unit,
the lead frame is thermally connected to the substrate unit;
The function of the first electrode of the first functional element connected to the lead frame is
A semiconductor module having a function different from that of the third electrode of the second functional element connected to the lead frame.
前記伝熱立板は、前記リードフレーム裏面に接触する、請求項2に記載の半導体モジュール。 the lead frame includes a rear surface to which the first electrode and the third electrode are connected,
3. The semiconductor module according to claim 2, wherein the heat transfer stand is in contact with a rear surface of the lead frame.
前記伝熱立板は、前記第1非配置領域に配置されている、請求項2又は3に記載の半導体モジュール。 a main surface of the substrate unit includes a first element connection region to which the first functional element is connected, a second element connection region to which the second functional element is connected, a first non-arrangement region sandwiched between the first element connection region and the second element connection region, and a second non-arrangement region not sandwiched between the first element connection region and the second element connection region;
The semiconductor module according to claim 2 , wherein the heat transfer vertical plate is arranged in the first non-arrangement area.
前記伝熱立板は、前記第2非配置領域に配置されている、請求項2又は3に記載の半導体モジュール。 a main surface of the substrate unit includes a first element connection region to which the first functional element is connected, a second element connection region to which the second functional element is connected, a first non-arrangement region sandwiched between the first element connection region and the second element connection region, and a second non-arrangement region not sandwiched between the first element connection region and the second element connection region;
The semiconductor module according to claim 2 , wherein the heat transfer vertical plate is arranged in the second non-arrangement area.
前記第1主面には、第1追加電極がさらに設けられ、
前記リードフレームは、前記第1追加電極を露出させるリードフレーム開口を含む、請求項1に記載の半導体モジュール。 the first functional element includes a first main surface on which the first electrode is provided,
a first additional electrode is further provided on the first major surface;
The semiconductor module according to claim 1 , wherein the lead frame includes a lead frame opening that exposes the first additional electrode.
前記第2機能素子は、反転実装された、縦型構造を有するユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ及びダイオードから選択される一つである請求項1に記載の半導体モジュール。 the first functional element is one selected from a unipolar transistor, a bipolar transistor, and a diode having a vertical structure, which are normally implemented;
2. The semiconductor module according to claim 1, wherein the second functional element is one selected from the group consisting of a unipolar transistor, a bipolar transistor, and a diode, which are inverted and have a vertical structure.
前記第2機能素子と、前記基板ユニットの間には第2のスペーサが介在している、請求項8に記載の半導体モジュール。 a first spacer is interposed between the first functional element and the lead frame;
9. The semiconductor module according to claim 8, wherein a second spacer is interposed between the second functional element and the substrate unit.
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