雙向開關模塊的製作方法

2023-06-01 04:50:56

專利名稱：雙向開關模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將二極體、三極體等的多個電力用半導體晶片 (chip)組合構成的電力用半導體模塊，特別涉及一種能夠雙方向流過 電流的雙向開關模塊。
背景技術：
在電力轉換裝置中，使用有能夠雙向流過電流的雙向開關(例如參照日本特開2001-45772號公報)，該電力轉換裝置是指對將交流電源 整流並實現平滑化的直流電壓進行逆轉換，轉換成任意頻率的交流電 的變頻器(inverter),或者是將一定頻率的交流電直接轉換成任意頻率 的矩陣變換器(matrix converter)等。另外，在使用了AC型等離子體 顯示面板(Plasma Display Panel:以下簡稱"PDP")的平面型顯示裝 置(以下稱為"等離子體顯示裝置")中，也在電力回收電路上使用有 雙向開關(例如參照日本特開2005-316360號公報)。對於上述使用了雙向開關的裝置(例如等離子體顯示裝置)，從基 於製造工時的縮短或基板尺寸的小型化而使成本降低的觀點出發，優 選雙向開關的模塊化。將雙向開關等模塊化時所使用的電力用半導體模塊技術例如被日 本特開平10-163416號公報以及日本特開2001-358244號公報等公開。但是，現有的電力用半導體模塊，通常如專利文獻3及4所記載 的那樣，包括使半導體元件產生的熱擴散的金屬底板、形成有用於裝 配半導體元件晶片的配線圖形的配線層、以及對配線層與金屬底板進 行絕緣的絕緣基板。作為絕緣基板，例如氧化鋁、氮化鋁等的陶瓷基 板，或者例如環氧樹脂制的樹脂絕緣層等是眾所周知的。如果在半導體元件數量較少的雙向開關電路上應用這樣的隔著絕 緣基板將半導體元件晶片載置在配線層上的現有的模塊技術，則由於 使用了絕緣基板，和在其上形成的配線層，所以提高了成本。另外， 如果為了降低成本，而使用低價的樹脂絕緣層的絕緣基板，則由於與 陶瓷基板相比導熱率較低，所以半導體元件所產生的熱量的散熱效果 降低。發明內容本發明是鑑於上述課題而提出的，其目的在於提供即可保持良好 的導熱性，又可以降低成本的技術。用於達成上述目的的本發明的雙向開關模塊是具有組合了多個半 導體元件並且可雙向流過電流的雙向開關電路的雙向開關模塊，其特徵在於，包括成為散熱板的至少一塊以上的金屬底板；第1半導體元件，其具有與上述雙向開關電路的第1節點連接的接合電極，並且載置在上述金屬底板上；和第2半導體元件，其具有與上述雙向開關 電路的第2節點連接的接合電極，並且載置在上述金屬底板上，其中， 上述第1以及第2半導體元件的上述接合電極與上述金屬底板為同一 電位，並且，上述金屬底板與上述各半導體元件的非接合電極分別利 用金屬細線進行連接，構成上述雙向開關電路。這樣，根據本發明，金屬底板由一塊以上的金屬底板構成，將具 有連接在構成雙向開關電路的各節點上的同一電位的接合電極的半導 體元件，經由上述接合電極直接載置在分別對應每一上述節點的上述 各金屬底板上，組成雙向開關電路。因此，不利用經由絕緣基板將半 導體元件晶片載置在配線層上的現有的模塊技術，就能夠將構成雙向 開關電路的多個半導體元件搭載在多個的一個以上的金屬底板上。如上所述，根據本發明，由於沒有使用絕緣基板與配線層，所以 能夠實現成本降低，並且，由於沒有絕緣基板，所以導熱性變好，能 夠獲得提高半導體元件的可靠性的效果。


圖1為表示本發明的雙向開關的多個電路形式的示意圖。 圖2為實施例1的雙向開關的電路圖。 圖3為構成雙向開關的半導體元件的截面構成的示意圖。 圖4為實施例1的雙向開關模塊的主要部分構成圖。
圖5為表示搭載在圖4的第2金屬底板上的第2半導體開關和第2 二極體的截面的示意圖。圖6為實施例2的雙向開關的電路圖。圖7為實施例2的雙向開關模塊的主要部分構成圖。圖8為實施例3的雙向開關的電路圖。圖9為實施例3的雙向開關模塊的主要部分構成圖。圖10為實施例4的雙向開關的電路圖。圖11為實施例4的雙向開關模塊的主要部分構成圖。圖12為實施例5的雙向開關的電路圖。圖13為實施例5的雙向開關模塊的主要部分構成圖。
具體實施方式
以下，利用附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。另外，在所 有圖中，對於具有相同功能的部分利用同一符號加以表示，並且對做 過一次說明的部分，為了避免麻煩，而省略重複的說明。本實施方式的雙向開關模塊的特徵在於，不使用絕緣基板和形成 有配線圖形的配線層，而是將半導體元件直接載置在作為散熱板的金 屬底板上。這種情況下，由於金屬底板與半導體元件直接進行電連接， 所以金屬底板具有半導體元件的接合在金屬底板上的接合電極所持有 的電位。因此，要利用至少一塊以上的金屬底板來構成金屬底板，並 在每一塊金屬底板上，載置具有同一電位的接合電極的多個半導體元 件。並且將各半導體元件之間利用金屬細線進行連接(例如bonding wire:焊線)，作為整體構成雙向開關電路。圖1表示本實施方式的雙向開關的多個電路形式(a)至(d)。如 圖1所示，雙向開關包括連接在開關兩端間(X端子與Y端子之間) 的第1半導體開關Q1、第2半導體開關Q2、第1 二極體Dil、第2二 極管Di2。根據這些半導體元件的組合結構，可以分成兩大組。 一方是 如(a)、 (b)所示的第1組，即，第1半導體開關Q1與第2半導體開 關Q2以逆向的極性串聯連接(以下稱"逆串聯連接")，二極體以逆向 的極性並聯連接(以下稱"逆並聯連接")在各半導體開關上。另外， (b)的雙向開關是在(a)的雙向開關上將半導體元件的極向反過來。
另一方是如(c)、 (d)所示的第2組，g卩，第1半導體開關Q1與第1二極體以同向的極性串聯連接(以下稱"順串聯連接")，並且以與其逆向的極性順串聯連接的第2半導體開關Q2和第2 二極體被與上述並 聯連接。另外，(d)的雙向開關是在(c)的雙向開關上將半導體元件 的極向反過來。以下，對本實施方式的各電路的模塊化進行說明。另外，在下述 中，作為半導體開關利用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:絕 緣柵雙極型電晶體)進行說明，但是並不限於此，也可以使用MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金屬氧化物半導體 場效應電晶體)或者三極體。另外，在將IGBT換成例如MOSFET時， 集電極C對應漏電極D、發射極E對應源電極S。首先，對圖l (a)的雙向開關進行說明。圖2是實施例1的雙向開關電路，也就是對圖l (a)的再記述。如圖2所示，本實施例的雙向開關構成如下，在X—Y端子之間 將第1半導體開關Ql作為X端子側，第1半導體開關Ql與第2半導 體開關Q2在發射極側逆串聯連接，第1 二極體Dil、第2 二極體Di2 分別逆並聯連接在各半導體開關Q1、 Q2上。第1半導體開關Ql的柵極G、第2半導體開關Q2的柵極G、以 及第1半導體開關Q1與第2半導體開關Q2的發射極E，為了控制半 導體開關而向外部引出，分別連接在Gl端子、G2端子、COM端子上。在這裡，為了使以下的說明容易，而將電路元件的連接點(交點) 稱為節點(Node)。即，將第1半導體開關Q1的集電極C與第l二極 管Dil的陰極K的連接點稱為Nl節點，將第2半導體開關Q2的集電 極C與第2 二極體Di2的陰極K的連接點稱為N2節點，將第1半導 體開關Ql與第2半導體開關Q2的連接點稱為N12節點。另夕卜，在這裡，作為半導體開關Q1、Q2使用IGBT。當取代IGBT， 使用例如縱型MOSFET時，由於形成逆並聯連接的寄生二極體，所以 半導體元件外沒有必要逆並聯連接二極體Dil、 Di2。由於雙向開關的動作是公知的，所以僅對其動作概要進行簡單說明。
當沿著X—Y端子側流過電流時，在Gl—COM端子之間給予開 關驅動信號(未圖示)使第1半導體開關Ql閉合。於是，電流從X 端子側向第1半導體開關Q1 —第2二極體Di2流動，從Y端子輸出。 相反地，當沿著Y—X端子側流過電流時，在G2—COM端子之間給 予幵關驅動信號(未圖示)使第2半導體開關Q2閉合。於是，電流從 Y端子側向第2半導體開關Q2—第1 二極體Dil流動，從X端子輸出。 這樣，在雙方向上發揮開關的作用。下面，在對本實施例的主要部分進行說明之前，利用圖3對將半 導體元件直接載置在作為散熱板的金屬底板上時的半導體元件的接合 電極進行說明。圖3為構成雙向開關的半導體元件的截面構成的示意圖。圖3 (a) 是二極體的構成圖，圖3 (b)為縱型MOSFET的構成圖，圖3 (c) 為IGBT的構成圖。另外，這些半導體元件的動作原理是眾所周知的， 省略其說明。從圖3可以看出，二極體的陰極K形成在二極體晶片的一方端面 的整個面上，陽極A在另一方端面上局部地形成。另外，縱型MOSFET 的漏電極D形成在晶片一方端面的整個面上，源電極S與柵極G在另 一方端面上局部地形成。另外，同樣地，IGBT的集電極C形成在晶片 一方端面的整個面上，發射極E與柵極G在另一方端面上局部地形成。 因此，通常利用陰極K面進行金屬底板與二極體的接合，利用漏電極 D面進行金屬底板與MOSFET的接合。另外，在IGBT的情況下，則 利用集電極C面來進行。以下為了方便說明，將這些半導體元件的與 金屬底板接合的電極稱為"接合電極"(也稱為表面電極)。即，作為 與金屬底板接合的接合電極，在二極體中為陰極K，在MOSFET中為 漏電極D、在IGBT中為集電極C。接著，對作為散熱板的金屬板的數量進行說明。但是，如果考慮不使用絕緣基板，而將半導體元件直接載置在金 屬底板上的模塊化，則金屬底板具有所載置的半導體元件的接合電極 (例如陰極K、漏電極D、集電極C)持有的電位。因此，如果半導體 元件的接合電極所持有的電位不同，則需要不同的電位數的金屬底板。 從而，如果使半導體元件與金屬底板簡單地一一對應，則從圖2可以
看出，在本實施例的雙向開關中，因為有2個二極體和2個半導體開 關，半導體元件數共計4個，所以需要4塊金屬底板。 .因此，本發明人等考慮到減少金屬底板，並利用後述的電路特徵， 來減少金屬底板的數量。艮口，如果著眼於雙向開關的接點Nl，則連接在節點N1上的第1 二極體Dil的陰極K(接合電極)和第1半導體開關Q1的集電極C(接 合電極)同為節點N1側。另外，連接在節點2上的第2二極體Di2的 陰極K (接合電極)與第2半導體開關Q2的集電極C (接合電極)同 為節點N2側。即，連接在一個節點(例如節點NO上的多個半導體 元件(例如第1半導體開關Q1、第1 二極體Dil)經由其接合電極連 接在所述節點上時，可以經由各半導體元件的接合電極載置在一塊金 屬底板上(詳細內容在圖4中敘述)。由此，可以使金屬底板的數量為 兩塊(換言之，可以使金屬底板的數量最優化)，再加上不使用絕緣基 板、導電層，從而能夠進一步降低成本。下面，對本發明的實施例1的主要部分進行說明。圖4為本發明實施例1的雙向開關模塊的主要部分構成圖。在圖4 中，省去密封樹脂，從半導體元件一側觀察在2塊金屬底板上載置著 半導體元件的雙向開關模塊。並且，作為半導體開關，在這裡使用 IGBT。當然，也可以使用MOSFET或者雙極型電晶體(^一求一，卜 ，:/、^7夕)來取代IGBT。另夕卜，在這裡，將雙向開關模塊密封在類 似所謂的T03P的半導體封裝中。在圖4的雙向幵關模塊上，金屬底板由第1金屬底板101與第2 金屬底板102構成，第1金屬底板101載置有使節點Nl側為接合電極 的半導體元件，並持有與節點N1對應的電位，第2金屬底板102載置 有使節點N2側為接合電極的半導體元件，並持有與節點N2對應的電 位。另外，由於在節點N12上沒有連接使節點N12側為接合電極的半 導體元件，所以不存在持有與節點12對應的電位的金屬底板。具體而言，在第1金屬底板101上載置有第1半導體開關Q1和第 1 二極體Dil ，在第2金屬底板102上載置有第2半導體開關Q2和第 2二極體Di2。另外，符號135表示半導體元件的搭載區域。從圖2可以看出，雙向開關具有成為電流通路的端子的X、 Y端
子、和用於控制半導體開關Q1、 Q2的G1、 G2以及COM端子。因此， 如圖4所示，持有與節點Nl對應的電位的第1金屬底板101具有從芯 片搭載基部引出的X端子，持有與節點N2對應的電位的第2金屬底 板102也具有從晶片搭載基部引出的Y端子。Gl、 G2、 COM端子由 於沒有與接合電極連接，所以作為G1端子、G2端子、COM端子的管 腳分別單獨地與金屬底板分開設置。圖5為表示搭載在圖4的第2金屬底板102上的第2半導體開關 Q2與第2 二極體Di2的截面的示意圖。接著，對雙向開關模塊的配線(wiring:布線)進行說明。由於半 導體元件的接合電極接合在對應的金屬底板上而進行連接，因此主要 對非接合電極的配線連接進行說明。在圖4中，第1半導體開關Q1與第1 二極體Dil分別經由接合電 極載置在對應節點Nl的第1金屬底板101上。並且第1 二極體Dil的 A (陽極)電極利用金屬細線(wire:金屬絲)130通過例如壓焊法(基 於焊接或者碰撞(^乂:7。)的連接)連接在第1半導體開關Q1的E(發 射極)電極上，進一步地，第1半導體開關Q1的E (發射極)電極利 用金屬細線130連接在COM端子上。另外，第1半導體開關Ql的 G (柵極)電極利用金屬細線130連接在G1端子上。同樣地，第2半導體開關Q2與第2 二極體Di2分別經由接合電極 載置在對應節點N2的第2金屬底板102上。並且第2 二極體Di2的A 電極利用金屬細線(電線)130連接在第2半導體開關Q2的E電極上， 進一步地，第2半導體開關Q2的E電極利用金屬細線130連接在COM 端子上。另外，第2半導體開關Q2的G (柵極)電極利用金屬細線 130連接在G2端子上。通過上述連接，構成圖2所示的雙向開關的電路。在對多個半導 體元件之間進行布線之後，利用未圖示的導熱性良好的樹脂進行密封， 製成雙向開關模塊。另外，由於金屬底板的與半導體元件搭載區域相反側的表面成為 安裝在散熱片(7^y)上時的接觸面，所以有時會預先在該表面上 形成較薄的絕緣膜。因此，當然可以採用如下結構，即，在對雙向開 關模塊利用樹脂進行密封時，不僅是半導體元件搭載區域側，也對安
裝散熱片一側的表面側較薄地進行覆蓋。當然，考慮到金屬底板的電 位和導熱性，樹脂的絕緣膜的厚度要設定為規定的厚度。如上所述，在本實施例中，沒有使用形成有配線圖的配線層和對 金屬底板與配線層之間進行絕緣的絕緣基板，而是將具有連接在構成 雙向開關電路的各節點(本實施例中為節點N1、 N2)上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C電極)的半導體元件直接載置在與上述各節點分別對應的金屬底板上，構成雙向開關模塊。從而，能 夠實現降低雙向開關模塊的成本。並且也能夠使金屬底板的數量最優 化。另外，由於沒用利用絕緣基板，所以能夠使半導體元件產生的熱 量直接擴散至金屬底板上，散熱特性良好，能夠提高半導體元件的可 靠性。另外，本實施例與後述的其他實施例不同，由於能夠共同連接第1半導體開關與第2半導體開關的E電極，所以具有用於控制第1 半導體開關和第2半導體開關的控制電路(未圖示)變得簡單的優點。 另外，在本實施例的雙向開關模塊中，設置有將雙向開關模塊安 裝在例如散熱片(未圖示)上時所使用的安裝用孔137。在這裡，孔的 數量為1個，但是並不限於此，也可以在半導體模塊的例如4個角處 設置安裝用孔。 (實施例2)下面，對圖1 (b)所示的雙向開關進行說明。 圖6是實施例2的雙向開關的電路，也就是對於圖1 (b)的再次 敘述。如圖6所示，本實施例的雙向開關的結構如下，即，在X—Y端 子之間，將第1半導體開關Q1作為X端子側，第1半導體開關Q1與 第2半導體開關Q2在集電極C側逆串聯連接，第l二極體Dil、第2 二極體Di2分別逆並聯連接在各半導體開關Ql、 Q2上。第1半導體開關Ql的G電極與第2半導體開關Q2的G電極， 為了控制半導體開關而被引出到外部，分別連接在G1端子、G2端子 上。另外，在本實施例中，半導體開關Q1、 Q2的E電極由於分別與 X端子、Y端子為相同電位，所以不具有獨立的端子。從圖2與圖6可以看出，本實施例的雙向開關是在實施例1的雙 向開關電路中將半導體元件的極向反過來的電路。從而，在N1節點和N2節點上沒有連接構成雙向開關電路的半導體元件的接合電極。但是，在N12節點上連接有第1以及第2半導體開關的C電極、和第1以及 第2 二極體的K電極的接合電極。S卩，如果使用本實施例，則Nl節 點和N2節點沒有金屬底板，N12節點具有金屬底板。換言之，在本實 施例中，金屬底板的數量為1塊。接著，對本發明實施例1的主要部分進行說明。圖7為實施例2的雙向開關模塊的主要部分的構成圖。在圖7中， 省去密封樹脂，從半導體元件一側觀察將半導體元件載置在一塊金屬 底板上的雙向開關模塊。在圖7的雙向開關模塊上，如上所述，金屬底板只是第3金屬底 板112，其載置有使節點N12側為接合電極的半導體元件，並持有與 節點N12對應的電位。另外，由於在節點N1上與節點N2上沒有連接 使各自的節點側為接合電極的半導體元件，所以不存在持有對應的電 位的金屬底板。具體而言，在第3金屬底板112上載置有第1半導體開關Q1、第 2半導體開關Q2、第1 二極體Dil以及第2 二極體Di2。從圖7可以看出，雙向開關具有成為電流通路的端子的X、 Y端 子、和用於控制半導體開關Q1、 Q2的G1、 G2端子。但是，與X、 Y 端子對應的節點Nl、 N2不持有接合電極。從而，如圖7所示，在本 實施例中，成為X端子、Y端子、Gl端子、G2端子的管腳與金屬底 板分別單獨地分開設置。接著，對雙向開關模塊的配線進行說明。由於半導體元件的接合 電極接合在對應的金屬底板上而進行連接，所以主要對非接合電極的 配線連接進行說明。在圖7中，第1半導體開關Ql、第2半導體開關Q2、第1 二極 管Dil以及第2 二極體Di2經由接合電極載置在與節點N12對應的第 3金屬底板112上。並且，第1 二極體Dil的A電極利用金屬細線130 連接在第1半導體開關Ql的E電極上，進一步地，第1半導體開關 Ql的E電極利用金屬細線130連接在X端子上。另夕卜，第1半導體開 關Ql的G電極利用金屬細線130連接在Gl端子上。同樣地，第2 二極體Di2的A電極利用金屬細線130連接在第2 半導體開關Q2的E電極上，進一步地，第2半導體開關Q2的E電極 利用金屬細線130連接在Y端子上，另外，第2半導體開關Q2的G 電極利用金屬細線130連接在G2端子上。通過上述連接，構成圖6所示的雙向開關的電路。在對多個半導 體元件之間進行布線之後，利用未圖示的導熱性良好的樹脂進行密封， 製成雙向開關模塊。如上所述，即使是本實施例，也沒有使用形成有配線圖的配線層 和對金屬底板與配線層之間進行絕緣的絕緣基板，而是將具有連接在 節點N12上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C電極) 的半導體元件直接載置在與節點N12對應的金屬底板上，構成雙向開 關模塊。從而，能夠實現降低雙向開關模塊的成本。並且能夠使金屬 底板的數量最優化。特別地，與其它實施例比較可以看出，本實施例 是能夠使金屬底板為l塊的唯一實施例，具有結構簡單的優點。另外， 由於沒有利用絕緣基板，所以能夠使半導體元件產生的熱量直接擴散 至金屬底板，散熱特性良好，能夠提高半導體元件的可靠性。 (實施例3)下面，對圖1 (c)表示的雙向開關進行說明。 圖8是實施例3的雙向開關的電路，也就是對於圖1 (c)的再次 敘述。如圖8所示，本實施例的雙向開關，在X—Y端子之間，將X端 子側作為第1半導體開關Ql的集電極C，並在發射極E側與第1 二極 管Dil順串聯連接，然後，按照與其逆向的極性，將Y端子側作為第 2半導體開關Q2的集電極C，並在發射極E側與第2 二極體Di2順串 聯連接，然後，將上述兩部分並列連接。第1半導體開關Ql的G電極與第2半導體開關Q2的G電極， 為了控制半導體開關而被引出到外部，分別連接在G1端子、G2端子 上。在這裡，預先對本實施例的雙向開關的動作進行簡單說明。當沿 著X—Y端子側流過電流時，向Gl端子給予開關驅動信號(未圖示)， 使第1半導體開關Ql閉合。於是，電流從X端子側向第1半導體開 關Ql—第1 二極體Dil流動，從Y端子輸出。相反地，當沿著Y—X
端子側流過電流時，向G2端子給予開關驅動信號(未圖示)，使第2 半導體開關Q2閉合。於是，電流從Y端子側向第2半導體開關Q2— 第2二極體Di2流動，從X端子輸出。這樣，在雙方向上發揮開關的 作用。為了應用本實施例，對圖8的雙向開關的電路的特徵進行考慮。 雙向開關具有4個節點，g卩，也作為X端子的節點N1，也作為Y端 子的節點N2，作為第1半導體開關Ql與第1 二極體的連接點的N12a 節點，以及作為第2半導體開關Q2與第2 二極體的連接點的N12b節 點。其中，N12a節點與N12b節點的任何一個都不具有接合電極，但 是N1節點具有第1半導體開關Q1的C電極以及第2二極體Di2的K 電極的接合電極，N2節點具有第2半導體開關Q2的C電極以及第1 二極體Dil的K電極的接合電極。g卩，本實施例的雙向開關具有對應 節點Nl的第1金屬底板101和對應節點N2的第2金屬底板102。接著，對本發明的實施例1的主要部分進行說明。圖9是實施例3的雙向開關模塊的主要部分構成圖。在圖9中， 省去密封樹脂，從半導體元件側觀察將半導體元件載置在2塊金屬底 板上的雙向開關模塊。在圖9的雙向開關模塊上，如上所述，金屬底板由第1金屬底板 101與第2金屬底板102構成，第1金屬底板101載置有使節點Nl側 為接合電極的半導體元件，並持有與節點N1對應的電位，第2金屬底 板102載置有使節點N2側為接合電極的半導體元件，並持有與節點 N2對應的電位。另夕卜，在節點N12a、節點N12b上，由於沒有連接使 各自節點側為接合電極的半導體元件，所以不存在持有對應的電位的 金屬底板。具體而言，在第1金屬底板101上載置有第1半導體開關Ql和第 2 二極體Di2，在第2金屬底板102上載置有第2半導體開關Q2和第 1 二極體Dil。從圖9可以看出，雙向開關具有成為電流通路端子的X、 Y端子、 和用於控制半導體開關Q1、 Q2的G1、 G2。因此，如圖9所示，持有 與節點Nl對應的電位的第1金屬底板101具有從晶片搭載基部引出的 X端子，持有與節點N2對應的電位的第2金屬底板102也具有從晶片
搭載基部引出的Y端子。Gl、 G2端子由於沒有連接接合電極，所以 作為Gl、 G2端子的管腳與金屬底板分別單獨地分開設置。接著，對雙向開關模塊的配線(布線)進行說明。由於半導體元 件的接合電極接合在對應的金屬底板上而進行連接，所以主要對非接 合電極的配線連接進行說明。在圖9中，第1半導體開關Ql與第2 二極體Di2分別經由接合電 極載置在對應節點Nl的第1金屬底板101上。另外，第2半導體開關 Q2與第1 二極體Dil分別藉助接合電極載置在對應節點N2的第2金 屬底板102上。並且，第2二極體Di2的A電極經由配線板132利用 金屬細線130連接在第2半導體開關Q2的E電極上，第1半導體開關 Ql的E電極利用金屬細線130連接在第1 二極體Dil的A電極上。另 外，第1半導體開關Q1、第2半導體開關Q2的G電極利用金屬細線 130分別連接在Gl端子和G2端子上。通過上述連接，構成圖8所示的雙向開關的電路。在對多個半導 體元件之間進行布線之後，利用未圖示的導熱性良好的樹脂進行密封， 製成雙向開關模塊。如上所述，即使在本實施例中，也沒有使用形成有配線圖的配線 層以及對金屬底板和配線層之間進行絕緣的絕緣基板，而是將具有連 接在節點N1上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C電極) 的半導體元件直接載置在與節點N1對應的第1金屬底板上，將具有連 接在節點N2上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C電極) 的半導體元件直接載置在與節點N2對應的第2金屬底板上，構成雙向 開關模塊。從而，能夠實現降低雙向開關模塊的成本。並且能夠使金 屬底板的數量最優化。另外，由於沒有使用絕緣基板，所以能夠使半 導體元件產生的熱量直接擴散至金屬底板，散熱特性良好，能夠提高 半導體元件的可靠性。 (實施例4)在實施例3的雙向開關中，節點N1、N2具有接合電極，節點N12a、 N12b沒有接合電極，但是，可以對電路進行變形，使在節點N12a、 N12b具有接合電極。圖10表示該變形電路。圖10 (a)是實施例4的雙向開關的電路，圖10 (b)是用於比較
的實施例3的雙向開關的電路。如圖10 (a)所示，本實施例的雙向開關，在X—Y端子之間，將 X端子側作為第1 二極體Dil的A電極，並在第1 二極體Dil的K電 極側與第1半導體開關Ql順串聯連接，再將第5 二極體Di5逆並聯連 接在第1半導體開關Q1上。並且，按照與其逆向的極性，將Y端子 側作為第2 二極體Di2的A電極，並在第2 二極體Di2的K電極側與 第2半導體開關Q2順串聯連接，再將第6 二極體Di6逆並聯連接在第 2半導體開關Q2上，其二者並聯連接。第1半導體開關Ql的G電極和第2半導體開關Q2的G電極， 為了控制半導體開關被引出到外部，分別連接在G1端子、G2端子上。 另外，在本實施例中，也作為節點N1、 N2的X端子、Y端子由於不 具有接合電極，所以與實施例3不同，具有獨立的端子。在這裡，預先對本實施例的雙向開關的動作進行簡單說明。當沿X —Y端子側流過電流時，向Gl端子給予開關驅動信號(未圖示)，使 第1半導體開關Ql閉合。於是，電流從X端子側向第1 二極體Dil —第1半導體開關Q1流動，從Y端子輸出。相反地，當沿Y—X端 子側流過電流時，向G2端子給予開關驅動信號(未圖示)，使第2半 導體開關Q2閉合。於是，電流從Y端子側向第2二極體Di2—第2半 導體開關Q2流動，從X端子輸出。這樣，在雙方向上發揮開關的作 用。另外，本實施例與實施例3不同，，由於在第1半導體開關Q1與 第2半導體開關Q2的各E電極上沒有串聯插入二極體，所以以保護各 半導體開關為目的，逆並聯連接有第5二極體Di5、第6二極體Di6。為了應用本實施例，對圖IO的雙向開關的電路的特徵進行考慮。 雙向開關具有4個節點，即，也作為X端子的節點N1，也作為Y端 子的節點N2，作為第1 二極體Dil和第1半導體開關Ql以及第5 二 極管Di5的連接點的N12a節點，作為第2半導體開關Q2和第2 二極 管Di2以及第6二極體Di6的連接點的N12b節點。其中，Nl、 N2節 點的任何一個都沒有接合電極，但是，N12a節點具有第1半導體開關 Ql的C電極以及第5 二極體Di5、第1 二極體Dil的K電極的接合電 極，N12b節點具有第2半導體開關Q2的C電極以及第6 二極體Di6、 第2二極體Di2的K電極的接合電極。g卩，本實施例的雙向開關具有 對應節點N12a的第3a金屬底板112a以及對應節點N12b的第3b金屬 底板112b。接著，對本發明的實施例4的主要部分進行說明。 圖11是實施例4的雙向開關模塊的主要部分構成圖。在圖11中， 省去密封樹脂，從半導體元件側對在2塊金屬底板上載置有半導體元 件的雙向開關模塊進行觀察。在圖11的雙向開關模塊上，如上所述，金屬底板由第3a金屬底 板112a和第3b金屬底板112b構成，第3a金屬底板112a載置有使節 點N12a側為接合電極的半導體元件，並持有與節點N12a對應的電位， 第3b金屬底板112b載置有使節點N12b側為接合電極的半導體元件， 並持有與節點N12b對應的電位。在節點N1、節點N2上，由於沒有 連接使各節點側為接合電極的半導體元件，所以不存在持有對應電位 的金屬底板。具體而言，在第3a金屬底板112a上載置有第1半導體開關Q1、 第5 二極體Di5以及第1 二極體Dil ，在第3b金屬底板112b上載置有 第2半導體開關Q2、第6 二極體Di6以及第2 二極體Di2。從圖ll可以看出，雙向開關具有成為電流通路的端子的X、 Y端 子，以及用於控制半導體開關Q1、 Q2的G1、 G2。但是在本實施例中， 由於節點N1、 N2都不具有接合電極，所以X端子、Y端子與G1、 G2 端子同樣，管腳分別單獨設置。下面，對雙向開關模塊的配線(布線)進行說明。由於半導體元 件的接合電極接合在對應的金屬底板上而進行連接，所以主要對非接 合電極的配線連接進行說明。在圖11中，第1半導體開關Q1、第5 二極體Di5以及第1 二極 管Dil分別藉助接合電極載置在對應節點N12a的第3a金屬底板112a 上。並且，第1 二極體Dil的A電極利用金屬細線130連接在X端子 上。另外，第1半導體開關Q1的G電極利用金屬細線130連接在G1 端子上，E電極利用金屬細線130連接在第5 二極體Di5的A電極上， 同時利用金屬細線130連接在兼作配線板的Y端子上。同樣地，第2 半導體開關Q2、第6 二極體Di6以及第2 二極體Di2分別藉助接合電 極載置在對應節點N12b的第3b金屬底板112b上。並且，第2 二極體 Di2的A電極利用金屬細線130連接在兼作配線板的Y端子上。另外， 第2半導體開關Q2的G電極利用金屬細線130連接在G2端子上，E 電極利用金屬細線130連接在第6二極體Di6的A電極上，同時，利 用金屬細線130連接在X端子上。通過上述連接，構成圖IO所示的雙向開關的電路。在對多個半導 體元件之間進行布線之後，利用未圖示的導熱性良好的樹脂進行密封， 製成雙向開關模塊。如上所述，本實施例也沒有使用形成有配線圖的配線層以及對金 屬底板與配線層之間進行絕緣的絕緣基板，而是將具有連接在節點 N12a上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C電極)的半 導體元件直接載置在與節點N12a對應的第3a金屬底板上，將具有連 接在節點N12b上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C 電極)的半導體元件直接載置在與節點N12b對應的第3b金屬底板上， 構成雙向開關模塊。從而，能夠實現降低雙向開關模塊的成本。並且 能夠使金屬底板的數量最優化。另外，由於沒有使用絕緣基板，所以 能夠使半導體元件產生的熱量直接擴散至金屬底板，散熱特性良好， 能夠提高半導體元件的可靠性。 (實施例5)下面，對圖l (d)所示的雙向幵關進行說明。 圖12是實施例5的雙向開關的電路，也就是對於圖1 (d)的再次 記述。如圖12所示，實施例5的雙向開關的電路是在實施例3的雙向開 關電路上將半導體元件的極向反過來的電路。即，在X—Y端子之間， 將X端子側作為第1半導體開關Ql的E電極，並在C電極側與第1 二極體Dil順串聯連接，然後，按照與其逆向的極性，將Y端子側作 為第2半導體開關Q2的E電極，並在C電極側與第2 二極體Di2順 串聯連接，其二者並聯連接。第1半導體開關Ql的G電極與第2半導體開關Q2的G電極為 了控制半導體開關被引出到外部，並分別連接在G1端子、G2端子上。 另外，在本實施例中，也作為節點N1、 N2的X端子、Y端子不具有 接合電極，所以具有獨立的端子。
在這裡，預先對本實施例的雙向開關的動作簡單地進行說明。當 沿X —Y端子側流過電流時，向G2端子給予開關驅動信號(未圖示)，使第2半導體開關Q2閉合。於是，電流從X端子側向第2二極體Di2 —第2半導體開關Q2流動，從Y端子輸出。相反地，當沿Y—X端 子側流過電流時，向Gl端子給予開關驅動信號(未圖示)，使第l半 導體開關Q1閉合。於是，電流從Y端子側向第1 二極體Dil —第1半 導體開關Q1流動，從X端子輸出。這樣，在雙方向上發揮開關的作 用。為了應用本實施例，考慮圖12的雙向開關的電路的特徵。雙向開 關具有4個節點，即，也作為X端子的節點N1，也作為Y端子的節 點N2，作為第1半導體開關Ql和第1 二極體Dil的連接點的N12a 節點，作為第2 二極體Di2和第2半導體開關Q2的連接點的N12b節 點。其中，Nl、 N2節點的任何一個都沒有接合電極，但是，N12a節 點具有第1半導體開關Ql的C電極以及第1 二極體Dil的K電極的 接合電極，N12b節點具有第2半導體開關Q2的C電極以及第2 二極 管Di2的K電極的接合電極。g卩，本實施例的雙向開關具有對應節點 N12a的第3a金屬底板112a以及對應節點N12b的第3b金屬底板112b。接著，對本發明實施例5的主要部分進行說明。圖13是實施例5的雙向開關模塊的主要部分構成圖。在圖13中， 省去密封樹脂，從半導體元件側對在2塊金屬底板上載置有半導體元 件的雙向開關模塊進行觀察。在圖13的雙向開關模塊上，如上所述，金屬底板由第3a金屬底 板112a和第3b金屬底板112b構成，第3a金屬底板112a載置有使節 點N12a側為接合電極的半導體元件，並持有與節點N12a對應的電位， 第3b金屬底板112b載置有使節點N12b側為接合電極的半導體元件， 並持有與節點N12b對應的電位。另外，在節點N1、節點N2上，由 於沒有連接使各節點側為接合電極的半導體元件，所以不存在持有對 應電位的金屬底板。具體而言，在第3a金屬底板112a上載置有第1半導體開關Ql以 及第1 二極體Dil，在第3b金屬底板112b上載置有第2半導體開關 Q2以及第2二極體Di2。
從圖13可以看出，雙向開關具有成為電流通路的端子的X、 Y端子，以及用於控制半導體幵關Ql、 Q2的Gl、 G2端子。但是，在本 實施例中，由於節點N1、 N2都不具有接合電極，所以X端子、Y端 子與G1、 G2端子同樣，管腳分別單獨設置。下面，對雙向開關模塊的配線(布線)進行說明。由於半導體元 件的接合電極接合在對應的金屬底板上而進行連接，所以主要對非接 合電極的配線連接進行說明。在圖13中，第1半導體開關Ql以及第1 二極體Dil分別藉助接 合電極載置在對應節點N12a的第3a金屬底板112a上。第2半導體開 關Q2以及第2 二極體Di2分別藉助接合電極載置在對應節點N12b的 第3b金屬底板112b上。並且，第1 二極體Dil的A電極利用金屬細 線130連接在兼作配線板的Y端子上。另外，第1半導體開關Q1的G 電極利用金屬細線130連接在Gl端子上，E電極利用金屬細線130連 接在第2二極體Di2的A電極上，同時，利用金屬細線130連接在X 端子上。同樣地，第2半導體開關Q2的G電極利用金屬細線130連 接在G2端子上，E電極利用金屬細線130連接在兼作配線板的Y端子 上。通過上述連接，構成圖12所示的雙向開關的電路。在對多個半導 體元件之間進行布線之後，利用未圖示的導熱性良好的樹脂進行密封， 製成雙向開關模塊。如上所述，本實施例也沒有使用形成有配線圖的配線層以及對金 屬底板與配線層之間進行絕緣的絕緣基板，而是將具有連接在節點 N12a上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C電極)的半 導體元件直接載置在與節點N12a對應的第3a金屬底板上，將具有連 接在節點N12b上的同一電位的接合電極(例如K電極、D電極、C 電極)的半導體元件直接載置在與節點N12b對應的第3b金屬底板上， 構成雙向開關模塊。從而，能夠實現降低雙向開關模塊的成本。並且 能夠使金屬底板的數量最適當化。另外，由於沒有使用絕緣基板，所 以能夠使半導體元件產生的熱量直接擴散至金屬底板，散熱特性良好， 能夠提高半導體元件的可靠性。
權利要求
1.一種雙向開關模塊，其具有對多個半導體元件進行組合，並使電流可雙向流過的雙向開關電路，其特徵在於，包括成為散熱板的至少一塊以上的金屬底板；第1半導體元件，其具有與所述雙向開關電路的第1節點連接的接合電極，並且載置在所述金屬底板上；和第2半導體元件，其具有與所述雙向開關電路的第2節點連接的接合電極，並且載置在所述金屬底板上，其中，所述第1以及第2半導體元件的所述接合電極與所述金屬底板為同一電位，並且，所述金屬底板與所述各半導體元件的非接合電極分別利用金屬細線進行連接，構成所述雙向開關電路。
2. 如權利要求1所述的雙向開關模塊，其特徵在於 所述雙向開關電路具有形成於其一端的第1節點N1、形成於另一端的第2節點N2、以及形成於所述第1節點Nl與所述第2節點N2 之間的第3節點N12。
3. 如權利要求2所述的雙向開關模塊，其特徵在於 所述雙向開關電路包括在所述第1節點Nl與所述第2節點N2之間，夾著所述第3節點N12逆串聯連接的第1半導體開關以及第2 半導體開關；與所述第1半導體開關逆並聯連接的第1 二極體；和與 所述第2半導體開關逆並聯連接的第2 二極體。
4. 如權利要求3所述的雙向開關模塊，其特徵在於所述第1半導體開關以及第2半導體開關的所述第3節點N12側 電極是非接合電極的陰極或發射極。
5. 如權利要求4所述的雙向開關模塊，其特徵在於 所述金屬底板包括持有與所述第1節點N1對應的電位的第1金屬底板，以及持有與所述第2節點N2對應的電位的第2金屬底板。
6. 如權利要求5所述的雙向開關模塊，其特徵在於在所述第1金屬底板上，以所述第1半導體開關的作為接合電極 的漏電極或者集電極為接合面進行載置，並且以所述第1 二極體的作為接合電極的陰極為接合面進行載置，在所述第2金屬底板上，以所 述第2半導體開關的作為接合電極的漏電極或者集電極作為接合面進 行載置，並且，以所述第2 二極體的作為接合電極的陰極作為接合面 進行載置。
7. 如權利要求3所述的雙向開關模塊，其特徵在於所述第1半導體開關以及第2半導體開關的所述第3節點N12側 電極是作為接合電極的漏電極或者集電極。
8. 如權利要求7所述的雙向開關模塊，其特徵在於 所述金屬底板還包含持有與所述第3節點N12對應的電位的第3金屬底板。
9. 如權利要求8所述的雙向開關模塊，其特徵在於 在所述第3金屬底板上，以所述第1半導體開關以及第2半導體開關的作為接合電極的漏電極或者集電極為接合面進行載置，並且以 所述第1 二極體以及所述第2 二極體的作為接合電極的陰極為接合面 進行載置。
10. 如權利要求9所述的雙向開關模塊，其特徵在於所述第1半導體開關以及第2半導體開關均為MOSFET、 IGBT或者雙極型電晶體的任意一個。
全文摘要
現有的半導體模塊由於使用了絕緣基板以及在其上形成的配線層，所以提高了成本，為了克服該缺點，本發明提供一種雙向開關模塊。其構成為，在成為散熱板的第1金屬底板上，載置具有與所述雙向開關電路的第1節點連接的接合電極的第1半導體元件，並且同樣地在成為散熱板的第2金屬底板上，載置具有與所述雙向開關電路的第2節點連接的接合電極的第2半導體元件。所述第1半導體元件的所述接合電極與所述第1金屬底板為同一電位，並且所述第2半導體元件的所述接合電極與所述第2金屬底板為同一電位。並且，各金屬底板與所述各半導體元件的非接合電極分別利用金屬細線進行連接，構成所述雙向開關電路。
文檔編號H01L25/00GK101211904SQ20071030589
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者大澤通孝, 金澤孝光 申請人:株式會社日立製作所;株式會社瑞薩科技