本發(fā)明涉及半導(dǎo)體模塊。

背景技術(shù)：

作為一種半導(dǎo)體裝置，包含IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵雙極晶體管)、功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)等多個半導(dǎo)體元件(開關(guān)元件)的半導(dǎo)體模塊得到廣泛應(yīng)用。例如，通過將該半導(dǎo)體模塊并聯(lián)連接，可實現(xiàn)作為開關(guān)、整流器等的功能。這種半導(dǎo)體模塊中，模塊內(nèi)部不具有絕緣功能的非絕緣型的半導(dǎo)體模塊與絕緣型的半導(dǎo)體模塊相比，可降低內(nèi)部布線的電感。

非絕緣型的半導(dǎo)體模塊在上表面具有柵極端子和源極端子，在下表面具有漏極端子。而且，從上表面配置柵極導(dǎo)體和源極導(dǎo)體成一體的構(gòu)件，在下表面配置漏極導(dǎo)體，將它們從上下進行壓接，從而與外部進行電連接(例如，參照專利文獻1)。

此外，作為構(gòu)成開關(guān)元件的材料，利用碳化硅等寬帶隙半導(dǎo)體材料，以代替硅。由此，能實現(xiàn)開關(guān)元件的高耐壓、高速開關(guān)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開平7-312410號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

但是，由寬帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的開關(guān)元件中，與開關(guān)元件分開地在內(nèi)部構(gòu)成有體二極管(寄生二極管)。若使這種開關(guān)元件從導(dǎo)通變成截止，則會產(chǎn)生反向電壓，在體二極管中有電流流過。因此，在將這種開關(guān)元件應(yīng)用到專利文獻1的半導(dǎo)體模塊的情況下，開關(guān)元件的導(dǎo)通電阻會上升。其結(jié)果是，開關(guān)元件發(fā)熱并劣化，半導(dǎo)體模塊的特性也可能會下降。

本發(fā)明是基于上述問題點而完成的，其目的在于提供一種由寬帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的開關(guān)元件的劣化得到抑制的半導(dǎo)體模塊。

解決技術(shù)問題的技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個觀點，可提供一種半導(dǎo)體模塊，其包括：從背面輸入來自外部的電流的漏極板；層疊基板，該層疊基板包括絕緣板和設(shè)置于所述絕緣板的正面的電路板，該層疊基板配置在所述漏極板的正面上，所述絕緣板的背面?zhèn)群退雎O板相接合；第1半導(dǎo)體芯片，該第1半導(dǎo)體芯片包含由寬帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的開關(guān)元件，在正面包括柵極電極和源極電極，在背面包括漏極電極，該第1半導(dǎo)體芯片配置在所述漏極板的正面，所述漏極板和所述漏極電極進行電連接；第2半導(dǎo)體芯片，該第2半導(dǎo)體芯片包含二極管元件，在正面包括陽極電極，在背面包括陰極電極，該第2半導(dǎo)體芯片在所述漏極板的正面配置在所述第1半導(dǎo)體芯片與所述層疊基板之間，所述漏極板和所述陰極電極進行電連接；連接構(gòu)件，該連接構(gòu)件將所述第1半導(dǎo)體芯片的所述源極電極和所述電路板進行電連接，并將所述第2半導(dǎo)體芯片的所述陽極電極和所述電路板進行電連接；及源極端子，該源極端子配置在所述電路板上，將由所述第1半導(dǎo)體芯片控制的所述電流輸出到外部。

發(fā)明效果

根據(jù)公開的技術(shù)，可抑制半導(dǎo)體模塊的特性下降。

附圖說明

圖1是實施方式的半導(dǎo)體模塊的俯視圖。

圖2是實施方式的半導(dǎo)體模塊的剖視圖。

圖3是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的冷卻管的配置的圖。

圖4是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

圖5是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

圖6是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

圖7是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

圖8是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

圖9是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

圖10是表示由實施方式的半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖11是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊中的電流的流動的圖。

圖12是表示由參考例的半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖13是表示參考例的半導(dǎo)體模塊中的電流的流動的圖。

具體實施方式

下面，參照附圖對實施方式進行說明。

利用圖1～圖3，對實施方式的半導(dǎo)體模塊進行說明。

圖1是實施方式的半導(dǎo)體模塊的俯視圖，圖2是實施方式的半導(dǎo)體模塊的剖視圖。其中，圖2(A)表示圖1的點劃線Y1-Y1處的剖視圖，圖2(B)表示圖1的點劃線X-X處的剖視圖。

圖3是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的冷卻管的配置的圖。另外，圖3為半導(dǎo)體模塊100的俯視圖，利用虛線示出設(shè)置于漏極板200的第1半導(dǎo)體芯片410和第2半導(dǎo)體芯片420、及槽部201、202的配置位置。還利用虛線示出設(shè)置于冷卻裝置800的冷卻管813、823的配置位置。

如圖1及圖2所示，非絕緣型的半導(dǎo)體模塊100具有漏極板200、配置在漏極板200的正面的層疊基板310、第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420。第1半導(dǎo)體芯片410中包含MOSFET，第二半導(dǎo)體芯片420中包含二極管。另外，在漏極板200的背面形成有橫穿漏極板200的槽部201、202。此時，第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420配置在與槽部201、202的外側(cè)對應(yīng)的漏極板200的正面。

層疊基板310層疊有金屬板311、絕緣板312、柵極電路板313a及電路板313b。

半導(dǎo)體模塊100具有將第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420與層疊基板310進行電連接的連接構(gòu)件即印刷基板500及導(dǎo)電柱511～515。此外，柵極電路板313a配置有柵極端子330，在電路板313b配置有一對源極端子320。另外，柵極端子330經(jīng)由柵極支柱部620連接有柵極觸點610。此外，柵極觸點610由具有導(dǎo)電性的彈性構(gòu)件構(gòu)成。

這種半導(dǎo)體模塊100的結(jié)構(gòu)的各側(cè)部收納于殼體700中，上部由具有開口601及孔602的蓋600覆蓋。此時，柵極觸點610和源極端子320從開口601露出，孔602與源極端子320的螺紋孔322對準。

此外，在半導(dǎo)體模塊100的漏極板200的背面配置有冷卻裝置800。冷卻裝置800由熱傳導(dǎo)優(yōu)良的例如鋁、金、銀、銅等金屬構(gòu)成。在這種冷卻裝置800中，如圖3所示的那樣，內(nèi)藏有冷卻管813、823。冷卻管813、823中，從注入口811、821注入冷卻水，從排出口812、822排出冷卻水。冷卻管813、823隔著化合物位于第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420的下部，有助于第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420的冷卻。

這種半導(dǎo)體模塊100中，外部電源(省略圖示)的正極連接到冷卻裝置800的背面，外部電源的負極連接到源極端子320的接觸面323。此外，半導(dǎo)體模塊100中，外部控制端子(省略圖示)連接到柵極觸點610，從外部控制端子向柵極觸點610輸入控制信號。

另外，此時的電流流動的細節(jié)將在后文中闡述。

下面，利用圖4～圖9來詳細說明這種半導(dǎo)體模塊100的各結(jié)構(gòu)。

圖4～圖9是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的圖。

其中，圖4(B)為圖4(A)中的點劃線Y3-Y3處的剖視圖。圖6(A)為從圖5的箭頭A觀察到的圖，圖6(B)為從圖5的箭頭B觀察到的圖。

圖8示出在印刷基板500的正面形成的柵極布線層520，圖9示出在印刷基板500的背面形成的源極布線層530。

如圖4所示，漏極板200由具有電氣導(dǎo)電性的例如銅等構(gòu)成。漏極板200在背面形成有橫穿漏極板200的槽部201、202。

層疊基板310經(jīng)由焊料配置在與槽部201、202之間對應(yīng)的漏極板200的正面的中央部區(qū)域。層疊基板310具有金屬板311、絕緣板312、配置在絕緣板312的正面的中心部的柵極電路板313a、及包圍柵極電路板313a的電路板313b。即，柵極電路板313a和電路板313b保持絕緣性。

第1半導(dǎo)體芯片410包含由作為寬帶隙半導(dǎo)體的碳化硅構(gòu)成的功率MOSFET。在第1半導(dǎo)體芯片410中，隨著以碳化硅為構(gòu)成材料的功率MOSFET的制造，與功率MOSFET一起在內(nèi)部形成有體二極管(寄生二極管)。因此，在第1半導(dǎo)體芯片410中，體二極管與功率MOSFET反向并聯(lián)連接。該第1半導(dǎo)體芯片410的背面(漏極板200側(cè))為漏極電極，正面為源極電極/柵極電極。在體二極管中，第1半導(dǎo)體芯片410的背面為陰極電極，正面為陽極電極。此外，這種第1半導(dǎo)體芯片410在漏極板200的正面的邊緣部例如以直線狀排列2列，各列分別排列10個。而且，第1半導(dǎo)體芯片410利用焊料固定于漏極板200，漏極板200和漏極電極進行電連接。

第2半導(dǎo)體芯片420包含二極管，該第2半導(dǎo)體芯片420的背面(漏極板200側(cè))為陰極電極，正面為陽極電極。這種第2半導(dǎo)體芯片420在漏極板200的正面區(qū)域中配置在第1半導(dǎo)體芯片410與層疊基板310之間。例如，第2半導(dǎo)體芯片420與第1半導(dǎo)體芯片410同樣，以直線狀排列2列，各列分別排列10個。而且，第2半導(dǎo)體芯片420利用焊料固定于漏極板200，漏極板200和陰極電極進行電連接。

并且，第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420配置在漏極板200的與各槽部201、202的外側(cè)對應(yīng)的位置。在各槽部201、202的外側(cè)的漏極板200的背面?zhèn)韧坎蓟衔?，提高冷卻效率。

接著，如圖5及圖6所示，一對源極端子320分別配置在層疊基板310的電路板313b上并進行電連接。源極端子320呈長方體狀，具有包括螺紋孔322的臺階面321及連接外部連接端子的接觸面323。

柵極端子330經(jīng)由焊料配置于層疊基板310的柵極電路板313a并進行電連接。柵極端子330形成有嵌合上述柵極支柱部620的嵌合孔331。

這樣的一對源極端子320和柵極端子330相對于層疊基板310配置成一直線狀。

接著，如圖7～圖9所示，第1半導(dǎo)體芯片410及第2半導(dǎo)體芯片420與層疊基板310(柵極電路板313a及電路板313b)之間通過連接構(gòu)件(印刷基板500及導(dǎo)電柱511～515)進行電連接。

如圖8所示，柵極布線層520特別形成于印刷基板500的正面。這種柵極布線層520將導(dǎo)電柱514與導(dǎo)電柱511之間進行電連接。此外，導(dǎo)電柱514和柵極電路板313a進行電連接，導(dǎo)電柱511和第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的柵極電極進行電連接。此外，柵極布線層520經(jīng)由柵極電路板313a與柵極端子330進行電連接。即，柵極端子330、第1半導(dǎo)體芯片410的柵極電極經(jīng)由上述構(gòu)件進行電連接。

如圖9所示，源極布線層530特別形成于印刷基板500的背面。這種源極布線層530將導(dǎo)電柱515與導(dǎo)電柱512及導(dǎo)電柱513之間進行電連接。此外，導(dǎo)電柱515和電路板313b進行電連接，導(dǎo)電柱512和第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的源極電極進行電連接，導(dǎo)電柱513和第2半導(dǎo)體芯片420(二極管)的陽極電極進行電連接。此外，源極布線層530經(jīng)由電路板313b與源極端子320進行電連接。即，源極端子320、第1半導(dǎo)體芯片410的源極電極及第2半導(dǎo)體芯片420的陽極電極經(jīng)由上述構(gòu)件進行電連接。

對于這種半導(dǎo)體模塊100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1及圖2所示，利用殼體700包圍其周圍。然后，從上部安裝蓋600，使源極端子320及柵極端子330從蓋600的開口601露出，將蓋600的孔602和源極端子320的螺紋孔322進行對準。在柵極端子330的嵌合孔331中嵌合安裝有柵極觸點610的柵極支柱部620。由此，得到半導(dǎo)體模塊100。此外，如圖3所示，在漏極板200的背面安裝冷卻裝置800。

此外，利用圖10，對由這樣得到的半導(dǎo)體模塊100構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)進行說明。

圖10是表示由實施方式的半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)的圖。

在半導(dǎo)體模塊100中，如圖10所示，二極管421(第2半導(dǎo)體芯片420)與MOSFET411(第1半導(dǎo)體芯片410)反向并聯(lián)連接。此外，在第1半導(dǎo)體芯片410中，與MOSFET411反向并聯(lián)連接的體二極管412也在內(nèi)部構(gòu)成。

接著，利用圖11對半導(dǎo)體模塊100中的電流的流動進行說明。

圖11是表示實施方式的半導(dǎo)體模塊中的電流的流動的圖。

另外，圖11中，省略殼體700及蓋600等的記載，記載與電流的流動相關(guān)的結(jié)構(gòu)。此外，圖11分別示出圖1的點劃線Y2-Y2處的剖視圖。此外，圖11(A)用虛線示出使第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的柵極導(dǎo)通時的電流的流動，圖11(B)用虛線示出使第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的柵極截止之后的電流的流動。

在半導(dǎo)體模塊100中，外部電源(省略圖示)的正極連接到冷卻裝置800的背面，外部電源的負極連接到源極端子320的接觸面323。另外，經(jīng)由冷卻裝置800輸入的電流從形成于漏極板200的背面的槽部201、202之間的漏極板200的背面的中央部輸入。這是由于，在漏極板200的背側(cè)的槽部201、202的外側(cè)涂布有冷卻用的化合物，因此，并非電導(dǎo)通狀態(tài)。此外，半導(dǎo)體模塊100中，外部控制端子(省略圖示)連接到柵極觸點610，從外部控制端子向柵極觸點610輸入控制信號。

因此，從連接到柵極觸點610的外部控制端子輸入控制信號。于是，該控制信號經(jīng)由柵極端子330、柵極電路板313a、導(dǎo)電柱514、印刷基板500的柵極布線層520、及導(dǎo)電柱511輸入到第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的柵極電極。

此時，如圖11(A)所示，經(jīng)由冷卻裝置800輸入的電流輸入到漏極板200的背面的中央部(槽部201、202之間)。電流向漏極板200的外側(cè)導(dǎo)通，以繞過層疊基板310。第2半導(dǎo)體芯片420(二極管)的背面(漏極板200側(cè))為陰極電極，正面為陽極電極。因此，向漏極板200的外側(cè)導(dǎo)通的電流輸入到第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的漏極電極，而非輸入到第2半導(dǎo)體芯片420(二極管)。第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)中，電流輸入到漏極電極，柵極電極導(dǎo)通，因此，從正面的源極電極輸出電流(源極電流)。這樣，從第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)輸出的電流經(jīng)由導(dǎo)電柱512、印刷基板500的源極布線層530、導(dǎo)電柱515及電路板313b從源極端子320輸出到外部。

接著，對于第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)，使向柵極電極的控制信號截止。于是，在半導(dǎo)體模塊100中，從漏極板200施加到源極端子320的電壓變成反向施加。即，由于電壓變成從源極端子320施加到漏極板200，因此，如圖11(B)所示，電流沿電壓的施加方向流出。具體而言，使第1半導(dǎo)體芯片410的柵極截止之后，來自源極端子320的電流經(jīng)由電路板313b、導(dǎo)電柱515使印刷基板500的源極布線層530導(dǎo)通。

此時，在本實施方式中，第2半導(dǎo)體芯片420比第1半導(dǎo)體芯片410配置得更靠層疊基板310側(cè)(電流的上游側(cè))。因此，使印刷基板500的源極布線層530導(dǎo)通的電流主要輸入到第2半導(dǎo)體芯片420(二極管421)，而非輸入到第1半導(dǎo)體芯片410體二極管412。

由此，可抑制電流向第1半導(dǎo)體芯片410的輸入。而且，若電流向第1半導(dǎo)體芯片410的輸入得到抑制，則電流向第1半導(dǎo)體芯片410的體二極管412的輸入也得到抑制。因此，第1半導(dǎo)體芯片410的發(fā)熱也得到抑制，可抑制半導(dǎo)體模塊100的特性下降。

此外，若使第2半導(dǎo)體芯片420的二極管421的電阻小于第1半導(dǎo)體芯片410的體二極管412的電阻，則使源極布線層530導(dǎo)通的電流進一步容易流向第2半導(dǎo)體芯片420，因此，可獲得更好的效果。

此處，作為參考例，對于這種半導(dǎo)體模塊100，利用圖12及圖13說明不具有第2半導(dǎo)體元件420(二極管)的半導(dǎo)體模塊。

另外，這種半導(dǎo)體模塊僅在半導(dǎo)體模塊100中不具有第2半導(dǎo)體元件420(二極管)，其它結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體模塊100(圖1～圖3)相同。在以下的說明中，利用已有標號說明半導(dǎo)體模塊的各結(jié)構(gòu)，省略重復(fù)記載。

圖12是表示由參考例的半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)的圖，圖13是表示參考例的半導(dǎo)體模塊中的電流的流動的圖。

另外，圖13中，與圖11(B)同樣，分別示出圖1的點劃線Y2-Y2處的剖視圖。此外，省略殼體700及蓋600等的記載，記載電流的流動所需的結(jié)構(gòu)。圖13分別用虛線示出使第1半導(dǎo)體芯片410的柵極截止后的電流的流動。

由參考例的半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)中，如圖12所示，對MOSFET411連接有反向并聯(lián)連接的體二極管412。

在參考例的半導(dǎo)體模塊中，使對第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的柵極電極的控制信號截止。于是，由于從漏極板200施加到源極端子320的電壓變成反向施加，因此，如圖13所示，電流沿反向施加的電壓的施加方向流出。來自源極端子320的電流經(jīng)由電路板313b、導(dǎo)電柱515、印刷基板500的源極布線層530，所有電流輸入到第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的體二極管412。輸入到第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的所有電流使體二極管412通電，因此，第1半導(dǎo)體芯片410發(fā)熱，半導(dǎo)體模塊的特性下降。

另一方面，在本實施方式的半導(dǎo)體模塊100中，可抑制輸入到第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)中內(nèi)置的體二極管412的電流。因此，可抑制第1半導(dǎo)體芯片410(MOSFET)的發(fā)熱，抑制半導(dǎo)體模塊100的特性下降。

標號說明

100 半導(dǎo)體模塊

200 漏極板

201、202 槽部

310 層疊基板

311 金屬板

312 絕緣板

313a 柵極電路板

313b 電路板

320 源極端子

330 柵極端子

410 第1半導(dǎo)體芯片

411 MOSFET

412 體二極管

420 第2半導(dǎo)體芯片

421 二極管

500 印刷基板

511，512，513，514，515 導(dǎo)電柱

520 柵極布線層

530 源極布線層

600 蓋

610 柵極觸點

700 殼體

800 冷卻裝置