双向开关模块的制作方法

专利名称：双向开关模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将二极管、三极管等的多个电力用半导体芯片(chip)组合构成 的电力用半导体模块，特别涉及一种能够双方向流过电流的双向开关模块。
背景技术：
在电力转换装置中，使用有能够双向流过电流的双向开关(例如参照日本特开 2001-45772号公报)，该电力转换装置是指对将交流电源整流并实现平滑化的直流电压进 行逆转换，转换成任意频率的交流电的变频器(inverter)，或者是将一定频率的交流电直 接转换成任意频率的矩阵变换器(matrix converter)等。另外，在使用了 AC型等离子体显 示面板(Plasma Display Panel 以下简称“PDP”)的平面型显示装置(以下称为“等离子 体显示装置”)中，也在电力回收电路上使用有双向开关(例如参照日本特开2005-316360 号公报)。对于上述使用了双向开关的装置(例如等离子体显示装置)，从基于制造工时的 缩短或基板尺寸的小型化而使成本降低的观点出发，优选双向开关的模块化。将双向开关等模块化时所使用的电力用半导体模块技术例如被日本特开平 10-163416号公报以及日本特开2001-358244号公报等公开。但是，现有的电力用半导体模块，通常如专利文献3及4所记载的那样，包括使半 导体元件产生的热扩散的金属底板、形成有用于装配半导体元件芯片的配线图形的配线 层、以及对配线层与金属底板进行绝缘的绝缘基板。作为绝缘基板，例如氧化铝、氮化铝等 的陶瓷基板，或者例如环氧树脂制的树脂绝缘层等是众所周知的。如果在半导体元件数量较少的双向开关电路上应用这样的隔着绝缘基板将半导 体元件芯片载置在配线层上的现有的模块技术，则由于使用了绝缘基板，和在其上形成的 配线层，所以提高了成本。另外，如果为了降低成本，而使用低价的树脂绝缘层的绝缘基板， 则由于与陶瓷基板相比导热率较低，所以半导体元件所产生的热量的散热效果降低。

发明内容
本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供即可保持良好的导热性，又可 以降低成本的技术。用于达成上述目的的本发明的双向开关模块是具有组合了多个半导体元件并且 可双向流过电流的双向开关电路的双向开关模块，其特征在于，包括成为散热板的至少一 块以上的金属底板；第1半导体元件，其具有与上述双向开关电路的第1节点连接的接合电 极，并且载置在上述金属底板上；和第2半导体元件，其具有与上述双向开关电路的第2节 点连接的接合电极，并且载置在上述金属底板上，其中，上述第1以及第2半导体元件的上述接合电极与上述金属底板为同一电位，并且，上述金属底板与上述各半导体元件的非接 合电极分别利用金属细线进行连接，构成上述双向开关电路。这样，根据本发明，金属底板由一块以上的金属底板构成，将具有连接在构成双向 开关电路的各节点上的同一电位的接合电极的半导体元件，经由上述接合电极直接载置在 分别对应每一上述节点的上述各金属底板上，组成双向开关电路。因此，不利用经由绝缘基 板将半导体元件芯片载置在配线层上的现有的模块技术，就能够将构成双向开关电路的多 个半导体元件搭载在多个的一个以上的金属底板上。如上所述，根据本发明，由于没有使用绝缘基板与配线层，所以能够实现成本降 低，并且，由于没有绝缘基板，所以导热性变好，能够获得提高半导体元件的可靠性的效果。


图1为表示本发明的双向开关的多个电路形式的示意图。图2为实施例1的双向开关的电路图。图3为构成双向开关的半导体元件的截面构成的示意图。图4为实施例1的双向开关模块的主要部分构成图。图5为表示搭载在图4的第2金属底板上的第2半导体开关和第2 二极管的截面 的示意图。图6为实施例2的双向开关的电路图。图7为实施例2的双向开关模块的主要部分构成图。图8为实施例3的双向开关的电路图。图9为实施例3的双向开关模块的主要部分构成图。图10为实施例4的双向开关的电路图。图11为实施例4的双向开关模块的主要部分构成图。图12为实施例5的双向开关的电路图。图13为实施例5的双向开关模块的主要部分构成图。
具体实施例方式以下，利用附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在所有图中，对于具有 相同功能的部分利用同一符号加以表示，并且对做过一次说明的部分，为了避免麻烦，而省 略重复的说明。本实施方式的双向开关模块的特征在于，不使用绝缘基板和形成有配线图形的配 线层，而是将半导体元件直接载置在作为散热板的金属底板上。这种情况下，由于金属底板 与半导体元件直接进行电连接，所以金属底板具有半导体元件的接合在金属底板上的接合 电极所持有的电位。因此，要利用至少一块以上的金属底板来构成金属底板，并在每一块金 属底板上，载置具有同一电位的接合电极的多个半导体元件。并且将各半导体元件之间利 用金属细线进行连接(例如bondingwire 焊线)，作为整体构成双向开关电路。图1表示本实施方式的双向开关的多个电路形式(a)至(d)。如图1所示，双向开 关包括连接在开关两端间(X端子与Y端子之间)的第1半导体开关Q1、第2半导体开关 Q2、第1 二极管Dil、第2 二极管Di2。根据这些半导体元件的组合结构，可以分成两大组。
6一方是如(a)、(b)所示的第1组，即，第1半导体开关Q1与第2半导体开关Q2以逆向的 极性串联连接(以下称“逆串联连接”)，二极管以逆向的极性并联连接(以下称“逆并联连 接”)在各半导体开关上。另外，(b)的双向开关是在(a)的双向开关上将半导体元件的极 向反过来。另一方是如(c)、(d)所示的第2组，S卩，第1半导体开关Q1与第1 二极管以同 向的极性串联连接(以下称“顺串联连接”)，并且以与其逆向的极性顺串联连接的第2半 导体开关Q2和第2 二极管被与上述并联连接。另外，(d)的双向开关是在(c)的双向开关 上将半导体元件的极向反过来。以下，对本实施方式的各电路的模块化进行说明。另外，在下述中，作为半导体开 关利用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管)进行说明，但是 并不限于此，也可以使用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管)或者三极管。另外，在将IGBT换成例如MOSFET时，集电 极C对应漏电极D、发射极E对应源电极S。(实施例1)首先，对图1(a)的双向开关进行说明。图2是实施例1的双向开关电路，也就是对图1(a)的再记述。如图2所示，本实施例的双向开关构成如下，在X-Y端子之间将第1半导体开关Q1 作为X端子侧，第1半导体开关Q1与第2半导体开关Q2在发射极侧逆串联连接，第1 二极 管Dil、第2 二极管Di2分别逆并联连接在各半导体开关Ql、Q2上。第1半导体开关Q1的栅极G、第2半导体开关Q2的栅极G、以及第1半导体开关 Q1与第2半导体开关Q2的发射极E，为了控制半导体开关而向外部引出，分别连接在G1端 子、G2端子、COM端子上。在这里，为了使以下的说明容易，而将电路元件的连接点(交点)称为节点 (Node)。S卩，将第1半导体开关Q1的集电极C与第1 二极管Dil的阴极K的连接点称为附 节点，将第2半导体开关Q2的集电极C与第2 二极管Di2的阴极K的连接点称为N2节点， 将第1半导体开关Q1与第2半导体开关Q2的连接点称为N12节点。另外，在这里，作为半导体开关Ql、Q2使用IGBT。当取代IGBT，使用例如纵型 MOSFET时，由于形成逆并联连接的寄生二极管，所以半导体元件外没有必要逆并联连接二 极管 Dil、Di2。由于双向开关的动作是公知的，所以仅对其动作概要进行简单说明。当沿着X — Y端子侧流过电流时，在G1-C0M端子之间给予开关驱动信号(未图 示)使第1半导体开关Q1闭合。于是，电流从X端子侧向第1半导体开关Q1 —第2 二极 管Di2流动，从Y端子输出。相反地，当沿着Y — X端子侧流过电流时，在G2-C0M端子之间 给予开关驱动信号(未图示)使第2半导体开关Q2闭合。于是，电流从Y端子侧向第2半 导体开关Q2 —第1 二极管Di 1流动，从X端子输出。这样，在双方向上发挥开关的作用。下面，在对本实施例的主要部分进行说明之前，利用图3对将半导体元件直接载 置在作为散热板的金属底板上时的半导体元件的接合电极进行说明。图3为构成双向开关的半导体元件的截面构成的示意图。图3(a)是二极管的构 成图，图3(b)为纵型MOSFET的构成图，图3(c)为IGBT的构成图。另外，这些半导体元件 的动作原理是众所周知的，省略其说明。
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从图3可以看出，二极管的阴极K形成在二极管芯片的一方端面的整个面上，阳极 A在另一方端面上局部地形成。另外，纵型M0SFET的漏电极D形成在芯片一方端面的整个 面上，源电极S与栅极G在另一方端面上局部地形成。另外，同样地，IGBT的集电极C形成 在芯片一方端面的整个面上，发射极E与栅极G在另一方端面上局部地形成。因此，通常利 用阴极K面进行金属底板与二极管的接合，利用漏电极D面进行金属底板与M0SFET的接 合。另外，在IGBT的情况下，则利用集电极C面来进行。以下为了方便说明，将这些半导体 元件的与金属底板接合的电极称为“接合电极”(也称为表面电极)。即，作为与金属底板 接合的接合电极，在二极管中为阴极K，在M0SFET中为漏电极D、在IGBT中为集电极C。接着，对作为散热板的金属板的数量进行说明。但是，如果考虑不使用绝缘基板，而将半导体元件直接载置在金属底板上的模块 化，则金属底板具有所载置的半导体元件的接合电极(例如阴极K、漏电极D、集电极C)持 有的电位。因此，如果半导体元件的接合电极所持有的电位不同，则需要不同的电位数的金 属底板。从而，如果使半导体元件与金属底板简单地一一对应，则从图2可以看出，在本实 施例的双向开关中，因为有2个二极管和2个半导体开关，半导体元件数共计4个，所以需 要4块金属底板。因此，本发明人等考虑到减少金属底板，并利用后述的电路特征，来减少金属底板
的数量。S卩，如果着眼于双向开关的接点N1，则连接在节点m上的第1 二极管Dil的阴极 K(接合电极)和第1半导体开关Q1的集电极c(接合电极)同为节点m侧。另外，连接在 节点2上的第2 二极管Di2的阴极K (接合电极)与第2半导体开关Q2的集电极C (接合电 极)同为节点N2侧。S卩，连接在一个节点(例如节点N1)上的多个半导体元件(例如第1 半导体开关Q1、第1 二极管Dil)经由其接合电极连接在所述节点上时，可以经由各半导体 元件的接合电极载置在一块金属底板上(详细内容在图4中叙述)。由此，可以使金属底板 的数量为两块(换言之，可以使金属底板的数量最优化)，再加上不使用绝缘基板、导电层， 从而能够进一步降低成本。下面，对本发明的实施例1的主要部分进行说明。图4为本发明实施例1的双向开关模块的主要部分构成图。在图4中，省去密封 树脂，从半导体元件一侧观察在2块金属底板上载置着半导体元件的双向开关模块。并且， 作为半导体开关，在这里使用IGBT。当然，也可以使用M0SFET或者双极型晶体管(f 一，卜，> 7 7夕)来取代IGBT。另外，在这里，将双向开关模块密封在类似所谓的T03P 的半导体封装中。在图4的双向开关模块上，金属底板由第1金属底板101与第2金属底板102构 成，第1金属底板loi载置有使节点m侧为接合电极的半导体元件，并持有与节点m对应 的电位，第2金属底板102载置有使节点N2侧为接合电极的半导体元件，并持有与节点N2 对应的电位。另外，由于在节点N12上没有连接使节点N12侧为接合电极的半导体元件，所 以不存在持有与节点12对应的电位的金属底板。具体而言，在第1金属底板101上载置有第1半导体开关Q1和第1 二极管Dil，在 第2金属底板102上载置有第2半导体开关Q2和第2 二极管Di2。另外，符号135表示半 导体元件的搭载区域。
从图2可以看出，双向开关具有成为电流通路的端子的X、Y端子、和用于控制半 导体开关Ql、Q2的Gl、G2以及COM端子。因此，如图4所示，持有与节点m对应的电位的 第1金属底板101具有从芯片搭载基部引出的X端子，持有与节点N2对应的电位的第2金 属底板102也具有从芯片搭载基部引出的Y端子。G1、G2、C0M端子由于没有与接合电极连 接，所以作为G1端子、G2端子、COM端子的管脚分别单独地与金属底板分开设置。图5为表示搭载在图4的第2金属底板102上的第2半导体开关Q2与第2 二极 管Di2的截面的示意图。接着，对双向开关模块的配线(wiring 布线)进行说明。由于半导体元件的接合 电极接合在对应的金属底板上而进行连接，因此主要对非接合电极的配线连接进行说明。在图4中，第1半导体开关Q1与第1 二极管Dil分别经由接合电极载置在对应节 点m的第1金属底板101上。并且第1 二极管Dil的A(阳极)电极利用金属细线(wire: 金属丝)130通过例如压焊法(基于焊接或者碰撞(〃 > )的连接)连接在第1半导体 开关Q1的E(发射极)电极上，进一步地，第1半导体开关Q1的E(发射极)电极利用金属 细线130连接在COM端子上。另外，第1半导体开关Q1的G(栅极)电极利用金属细线130 连接在G1端子上。同样地，第2半导体开关Q2与第2 二极管Di2分别经由接合电极载置在对应节点 N2的第2金属底板102上。并且第2 二极管Di2的A电极利用金属细线(电线)130连接 在第2半导体开关Q2的E电极上，进一步地，第2半导体开关Q2的E电极利用金属细线 130连接在COM端子上。另外，第2半导体开关Q2的G(栅极)电极利用金属细线130连接 在G2端子上。通过上述连接，构成图2所示的双向开关的电路。在对多个半导体元件之间进行 布线之后，利用未图示的导热性良好的树脂进行密封，制成双向开关模块。另外，由于金属底板的与半导体元件搭载区域相反侧的表面成为安装在散热片 (^ )上时的接触面，所以有时会预先在该表面上形成较薄的绝缘膜。因此，当然可 以采用如下结构，即，在对双向开关模块利用树脂进行密封时，不仅是半导体元件搭载区域 侧，也对安装散热片一侧的表面侧较薄地进行覆盖。当然，考虑到金属底板的电位和导热 性，树脂的绝缘膜的厚度要设定为规定的厚度。如上所述，在本实施例中，没有使用形成有配线图的配线层和对金属底板与配线 层之间进行绝缘的绝缘基板，而是将具有连接在构成双向开关电路的各节点(本实施例中 为节点Nl、N2)上的同一电位的接合电极(例如K电极、D电极、C电极)的半导体元件直 接载置在与上述各节点分别对应的金属底板上，构成双向开关模块。从而，能够实现降低双 向开关模块的成本。并且也能够使金属底板的数量最优化。另外，由于没用利用绝缘基板， 所以能够使半导体元件产生的热量直接扩散至金属底板上，散热特性良好，能够提高半导 体元件的可靠性。另外，本实施例与后述的其他实施例不同，由于能够共同连接第1半导体 开关与第2半导体开关的E电极，所以具有用于控制第1半导体开关和第2半导体开关的 控制电路(未图示)变得简单的优点。另外，在本实施例的双向开关模块中，设置有将双向开关模块安装在例如散热片 (未图示)上时所使用的安装用孔137。在这里，孔的数量为1个，但是并不限于此，也可以 在半导体模块的例如4个角处设置安装用孔。
(实施例2)下面，对图1(b)所示的双向开关进行说明。图6是实施例2的双向开关的电路，也就是对于图1 (b)的再次叙述。如图6所示，本实施例的双向开关的结构如下，S卩，在X-Y端子之间，将第1半导体 开关Q1作为X端子侧，第1半导体开关Q1与第2半导体开关Q2在集电极C侧逆串联连接， 第1 二极管Dil、第2 二极管Di2分别逆并联连接在各半导体开关Ql、Q2上。第1半导体开关Q1的G电极与第2半导体开关Q2的G电极，为了控制半导体开 关而被引出到外部，分别连接在G1端子、G2端子上。另外，在本实施例中，半导体开关Q1、 Q2的E电极由于分别与X端子、Y端子为相同电位，所以不具有独立的端子。从图2与图6可以看出，本实施例的双向开关是在实施例1的双向开关电路中将 半导体元件的极向反过来的电路。从而，在m节点和N2节点上没有连接构成双向开关电路 的半导体元件的接合电极。但是，在N12节点上连接有第1以及第2半导体开关的C电极、 和第1以及第2 二极管的K电极的接合电极。即，如果使用本实施例，则m节点和N2节点 没有金属底板，N12节点具有金属底板。换言之，在本实施例中，金属底板的数量为1块。接着，对本发明实施例1的主要部分进行说明。图7为实施例2的双向开关模块的主要部分的构成图。在图7中，省去密封树脂， 从半导体元件一侧观察将半导体元件载置在一块金属底板上的双向开关模块。在图7的双向开关模块上，如上所述，金属底板只是第3金属底板112，其载置有 使节点N12侧为接合电极的半导体元件，并持有与节点N12对应的电位。另外，由于在节点 m上与节点N2上没有连接使各自的节点侧为接合电极的半导体元件，所以不存在持有对 应的电位的金属底板。具体而言，在第3金属底板112上载置有第1半导体开关Q1、第2半导体开关Q2、 第1 二极管Dil以及第2 二极管Di2。从图7可以看出，双向开关具有成为电流通路的端子的X、Y端子、和用于控制半 导体开关Q1、Q2的G1、G2端子。但是，与X、Y端子对应的节点N1、N2不持有接合电极。从 而，如图7所示，在本实施例中，成为X端子、Y端子、G1端子、G2端子的管脚与金属底板分 别单独地分开设置。接着，对双向开关模块的配线进行说明。由于半导体元件的接合电极接合在对应 的金属底板上而进行连接，所以主要对非接合电极的配线连接进行说明。在图7中，第1半导体开关Q1、第2半导体开关Q2、第1 二极管Dil以及第2 二极 管Di2经由接合电极载置在与节点N12对应的第3金属底板112上。并且，第1 二极管Di 1的A电极利用金属细线130连接在第1半导体开关Q1的E电极上，进一步地，第1半导体 开关Q1的E电极利用金属细线130连接在X端子上。另外，第1半导体开关Q1的G电极 利用金属细线130连接在G1端子上。同样地，第2 二极管Di2的A电极利用金属细线130连接在第2半导体开关Q2的 E电极上，进一步地，第2半导体开关Q2的E电极利用金属细线130连接在Y端子上，另外， 第2半导体开关Q2的G电极利用金属细线130连接在G2端子上。通过上述连接，构成图6所示的双向开关的电路。在对多个半导体元件之间进行 布线之后，利用未图示的导热性良好的树脂进行密封，制成双向开关模块。
如上所述，即使是本实施例，也没有使用形成有配线图的配线层和对金属底板与 配线层之间进行绝缘的绝缘基板，而是将具有连接在节点N12上的同一电位的接合电极 (例如K电极、D电极、C电极)的半导体元件直接载置在与节点N12对应的金属底板上，构 成双向开关模块。从而，能够实现降低双向开关模块的成本。并且能够使金属底板的数量 最优化。特别地，与其它实施例比较可以看出，本实施例是能够使金属底板为1块的唯一实 施例，具有结构简单的优点。另外，由于没有利用绝缘基板，所以能够使半导体元件产生的 热量直接扩散至金属底板，散热特性良好，能够提高半导体元件的可靠性。(实施例3)下面，对图1(c)表示的双向开关进行说明。图8是实施例3的双向开关的电路，也就是对于图1 (c)的再次叙述。如图8所示，本实施例的双向开关，在X-Y端子之间，将X端子侧作为第1半导体 开关Q1的集电极C，并在发射极E侧与第1 二极管Dil顺串联连接，然后，按照与其逆向的 极性，将Y端子侧作为第2半导体开关Q2的集电极C，并在发射极E侧与第2 二极管Di2顺 串联连接，然后，将上述两部分并列连接。第1半导体开关Q1的G电极与第2半导体开关Q2的G电极，为了控制半导体开 关而被引出到外部，分别连接在G1端子、G2端子上。在这里，预先对本实施例的双向开关的动作进行简单说明。当沿着X — Y端子侧 流过电流时，向G1端子给予开关驱动信号(未图示)，使第1半导体开关Q1闭合。于是，电 流从X端子侧向第1半导体开关Q1 —第1 二极管Dil流动，从Y端子输出。相反地，当沿 着Y — X端子侧流过电流时，向G2端子给予开关驱动信号(未图示)，使第2半导体开关 Q2闭合。于是，电流从Y端子侧向第2半导体开关Q2 —第2 二极管Di2流动，从X端子输 出。这样，在双方向上发挥开关的作用。为了应用本实施例，对图8的双向开关的电路的特征进行考虑。双向开关具有4个 节点，即，也作为X端子的节点N1，也作为Y端子的节点N2，作为第1半导体开关Q1与第1 二极管的连接点的节点，以及作为第2半导体开关Q2与第2 二极管的连接点的W2b 节点。其中，N12a节点与W2b节点的任何一个都不具有接合电极，但是m节点具有第1半 导体开关Q1的C电极以及第2 二极管Di2的K电极的接合电极，N2节点具有第2半导体 开关Q2的C电极以及第1 二极管Dil的K电极的接合电极。即，本实施例的双向开关具有 对应节点附的第1金属底板101和对应节点N2的第2金属底板102。接着，对本发明的实施例1的主要部分进行说明。图9是实施例3的双向开关模块的主要部分构成图。在图9中，省去密封树脂，从 半导体元件侧观察将半导体元件载置在2块金属底板上的双向开关模块。在图9的双向开关模块上，如上所述，金属底板由第1金属底板101与第2金属底 板102构成，第1金属底板loi载置有使节点m侧为接合电极的半导体元件，并持有与节 点m对应的电位，第2金属底板102载置有使节点N2侧为接合电极的半导体元件，并持有 与节点N2对应的电位。另外，在节点N12a、节点m2b上，由于没有连接使各自节点侧为接 合电极的半导体元件，所以不存在持有对应的电位的金属底板。具体而言，在第1金属底板101上载置有第1半导体开关Q1和第2 二极管Di2，在 第2金属底板102上载置有第2半导体开关Q2和第1 二极管Dil。
从图9可以看出，双向开关具有成为电流通路端子的X、Y端子、和用于控制半导体 开关Ql、Q2的Gl、G2。因此，如图9所示，持有与节点附对应的电位的第1金属底板101 具有从芯片搭载基部引出的X端子，持有与节点N2对应的电位的第2金属底板102也具有 从芯片搭载基部引出的Y端子。G1、G2端子由于没有连接接合电极，所以作为G1、G2端子 的管脚与金属底板分别单独地分开设置。接着，对双向开关模块的配线(布线)进行说明。由于半导体元件的接合电极接 合在对应的金属底板上而进行连接，所以主要对非接合电极的配线连接进行说明。在图9中，第1半导体开关Q1与第2 二极管Di2分别经由接合电极载置在对应节 点m的第1金属底板101上。另外，第2半导体开关Q2与第1 二极管Dil分别借助接合 电极载置在对应节点N2的第2金属底板102上。并且，第2 二极管Di2的A电极经由配线 板132利用金属细线130连接在第2半导体开关Q2的E电极上，第1半导体开关Q1的E 电极利用金属细线130连接在第1 二极管Dil的A电极上。另外，第1半导体开关Q1、第2 半导体开关Q2的G电极利用金属细线130分别连接在G1端子和G2端子上。通过上述连接，构成图8所示的双向开关的电路。在对多个半导体元件之间进行 布线之后，利用未图示的导热性良好的树脂进行密封，制成双向开关模块。如上所述，即使在本实施例中，也没有使用形成有配线图的配线层以及对金属底 板和配线层之间进行绝缘的绝缘基板，而是将具有连接在节点m上的同一电位的接合电 极(例如K电极、D电极、c电极)的半导体元件直接载置在与节点m对应的第1金属底板 上，将具有连接在节点N2上的同一电位的接合电极(例如K电极、D电极、C电极)的半导 体元件直接载置在与节点N2对应的第2金属底板上，构成双向开关模块。从而，能够实现 降低双向开关模块的成本。并且能够使金属底板的数量最优化。另外，由于没有使用绝缘 基板，所以能够使半导体元件产生的热量直接扩散至金属底板，散热特性良好，能够提高半 导体元件的可靠性。(实施例4)在实施例3的双向开关中，节点Nl、N2具有接合电极，节点N12a、N12b没有接合 电极，但是，可以对电路进行变形，使在节点N12a、m2b具有接合电极。图10表示该变形电 路。图10(a)是实施例4的双向开关的电路，图10(b)是用于比较的实施例3的双向 开关的电路。如图10 (a)所示，本实施例的双向开关，在X-Y端子之间，将X端子侧作为第1 二极 管Dil的A电极，并在第1 二极管Dil的K电极侧与第1半导体开关Q1顺串联连接，再将 第5 二极管Di5逆并联连接在第1半导体开关Q1上。并且，按照与其逆向的极性，将Y端 子侧作为第2 二极管Di2的A电极，并在第2 二极管Di2的K电极侧与第2半导体开关Q2 顺串联连接，再将第6 二极管Di6逆并联连接在第2半导体开关Q2上，其二者并联连接。第1半导体开关Q1的G电极和第2半导体开关Q2的G电极，为了控制半导体开 关被引出到外部，分别连接在G1端子、G2端子上。另外，在本实施例中，也作为节点N1、N2 的X端子、Y端子由于不具有接合电极，所以与实施例3不同，具有独立的端子。在这里，预先对本实施例的双向开关的动作进行简单说明。当沿X — Y端子侧流 过电流时，向G1端子给予开关驱动信号(未图示)，使第1半导体开关Q1闭合。于是，电流从X端子侧向第1 二极管Dil —第1半导体开关Q1流动，从Y端子输出。相反地，当沿 Y — X端子侧流过电流时，向G2端子给予开关驱动信号(未图示)，使第2半导体开关Q2 闭合。于是，电流从Y端子侧向第2 二极管Di2 —第2半导体开关Q2流动，从X端子输出。 这样，在双方向上发挥开关的作用。另外，本实施例与实施例3不同，，由于在第1半导体开 关Q1与第2半导体开关Q2的各E电极上没有串联插入二极管，所以以保护各半导体开关 为目的，逆并联连接有第5 二极管Di5、第6 二极管Di6。为了应用本实施例，对图10的双向开关的电路的特征进行考虑。双向开关具有4 个节点，即，也作为X端子的节点N1，也作为Y端子的节点N2，作为第1 二极管Dil和第1 半导体开关Q1以及第5 二极管Di5的连接点的节点，作为第2半导体开关Q2和第2 二极管Di2以及第6 二极管Di6的连接点的W2b节点。其中，N1、N2节点的任何一个都没 有接合电极，但是，N12a节点具有第1半导体开关Q1的C电极以及第5 二极管Di5、第1 二 极管Dil的K电极的接合电极，N12b节点具有第2半导体开关Q2的C电极以及第6 二极 管Di6、第2 二极管Di2的K电极的接合电极。即，本实施例的双向开关具有对应节点 的第3a金属底板112a以及对应节点W2b的第3b金属底板112b。接着，对本发明的实施例4的主要部分进行说明。图11是实施例4的双向开关模块的主要部分构成图。在图11中，省去密封树脂， 从半导体元件侧对在2块金属底板上载置有半导体元件的双向开关模块进行观察。在图11的双向开关模块上，如上所述，金属底板由第3a金属底板112a和第3b金 属底板112b构成，第3a金属底板112a载置有使节点侧为接合电极的半导体元件，并 持有与节点对应的电位，第3b金属底板112b载置有使节点W2b侧为接合电极的半 导体元件，并持有与节点W2b对应的电位。在节点N1、节点N2上，由于没有连接使各节点 侧为接合电极的半导体元件，所以不存在持有对应电位的金属底板。具体而言，在第3a金属底板112a上载置有第1半导体开关Q1、第5 二极管Di5以 及第1 二极管Dil，在第3b金属底板112b上载置有第2半导体开关Q2、第6 二极管Di6以 及第2 二极管Di2。从图11可以看出，双向开关具有成为电流通路的端子的X、Y端子，以及用于控制 半导体开关Q1、Q2的G1、G2。但是在本实施例中，由于节点N1、N2都不具有接合电极，所以 X端子、Y端子与Gl、G2端子同样，管脚分别单独设置。下面，对双向开关模块的配线(布线)进行说明。由于半导体元件的接合电极接 合在对应的金属底板上而进行连接，所以主要对非接合电极的配线连接进行说明。在图11中，第1半导体开关Q1、第5 二极管Di5以及第1 二极管Dil分别借助接 合电极载置在对应节点的第3a金属底板112a上。并且，第1 二极管Dil的A电极利 用金属细线130连接在X端子上。另外，第1半导体开关Q1的G电极利用金属细线130连 接在G1端子上，E电极利用金属细线130连接在第5 二极管Di5的A电极上，同时利用金 属细线130连接在兼作配线板的Y端子上。同样地，第2半导体开关Q2、第6 二极管Di6以 及第2 二极管Di2分别借助接合电极载置在对应节点W2b的第3b金属底板112b上。并 且，第2 二极管Di2的A电极利用金属细线130连接在兼作配线板的Y端子上。另外，第2 半导体开关Q2的G电极利用金属细线130连接在G2端子上，E电极利用金属细线130连 接在第6 二极管Di6的A电极上，同时，利用金属细线130连接在X端子上。
通过上述连接，构成图10所示的双向开关的电路。在对多个半导体元件之间进行 布线之后，利用未图示的导热性良好的树脂进行密封，制成双向开关模块。如上所述，本实施例也没有使用形成有配线图的配线层以及对金属底板与配线层 之间进行绝缘的绝缘基板，而是将具有连接在节点上的同一电位的接合电极(例如K 电极、D电极、C电极)的半导体元件直接载置在与节点对应的第3a金属底板上，将具 有连接在节点W2b上的同一电位的接合电极(例如K电极、D电极、C电极)的半导体元 件直接载置在与节点W2b对应的第3b金属底板上，构成双向开关模块。从而，能够实现降 低双向开关模块的成本。并且能够使金属底板的数量最优化。另外，由于没有使用绝缘基 板，所以能够使半导体元件产生的热量直接扩散至金属底板，散热特性良好，能够提高半导 体元件的可靠性。(实施例5)下面，对图1(d)所示的双向开关进行说明。图12是实施例5的双向开关的电路，也就是对于图1(d)的再次记述。如图12所示，实施例5的双向开关的电路是在实施例3的双向开关电路上将半导 体元件的极向反过来的电路。即，在X-Y端子之间，将X端子侧作为第1半导体开关Q1的 E电极，并在C电极侧与第1 二极管Dil顺串联连接，然后，按照与其逆向的极性，将Y端子 侧作为第2半导体开关Q2的E电极，并在C电极侧与第2 二极管Di2顺串联连接，其二者 并联连接。第1半导体开关Q1的G电极与第2半导体开关Q2的G电极为了控制半导体开关 被引出到外部，并分别连接在G1端子、G2端子上。另外，在本实施例中，也作为节点N1、N2 的X端子、Y端子不具有接合电极，所以具有独立的端子。在这里，预先对本实施例的双向开关的动作简单地进行说明。当沿X —Y端子侧 流过电流时，向G2端子给予开关驱动信号(未图示)，使第2半导体开关Q2闭合。于是，电 流从X端子侧向第2 二极管Di2 —第2半导体开关Q2流动，从Y端子输出。相反地，当沿 Y — X端子侧流过电流时，向G1端子给予开关驱动信号(未图示)，使第1半导体开关Q1 闭合。于是，电流从Y端子侧向第1 二极管Dil —第1半导体开关Q1流动，从X端子输出。 这样，在双方向上发挥开关的作用。为了应用本实施例，考虑图12的双向开关的电路的特征。双向开关具有4个节点， 即，也作为X端子的节点N1，也作为Y端子的节点N2，作为第1半导体开关Q1和第1 二极 管Dil的连接点的节点，作为第2 二极管Di2和第2半导体开关Q2的连接点的W2b 节点。其中，N1、N2节点的任何一个都没有接合电极，但是，N12a节点具有第1半导体开关 Q1的C电极以及第1 二极管Dil的K电极的接合电极，N12b节点具有第2半导体开关Q2 的C电极以及第2 二极管Di2的K电极的接合电极。即，本实施例的双向开关具有对应节 点m2a的第3a金属底板112a以及对应节点W2b的第3b金属底板112b。接着，对本发明实施例5的主要部分进行说明。图13是实施例5的双向开关模块的主要部分构成图。在图13中，省去密封树脂， 从半导体元件侧对在2块金属底板上载置有半导体元件的双向开关模块进行观察。在图13的双向开关模块上，如上所述，金属底板由第3a金属底板112a和第3b金 属底板112b构成，第3a金属底板112a载置有使节点侧为接合电极的半导体元件，并
14持有与节点对应的电位，第3b金属底板112b载置有使节点W2b侧为接合电极的半 导体元件，并持有与节点W2b对应的电位。另外，在节点N1、节点N2上，由于没有连接使各 节点侧为接合电极的半导体元件，所以不存在持有对应电位的金属底板。具体而言，在第3a金属底板112a上载置有第1半导体开关Q1以及第1 二极管 Dil，在第3b金属底板112b上载置有第2半导体开关Q2以及第2 二极管Di2。从图13可以看出，双向开关具有成为电流通路的端子的X、Y端子，以及用于控制 半导体开关Ql、Q2的Gl、G2端子。但是，在本实施例中，由于节点Nl、N2都不具有接合电 极，所以X端子、Y端子与Gl、G2端子同样，管脚分别单独设置。下面，对双向开关模块的配线(布线)进行说明。由于半导体元件的接合电极接 合在对应的金属底板上而进行连接，所以主要对非接合电极的配线连接进行说明。在图13中，第1半导体开关Q1以及第1 二极管Dil分别借助接合电极载置在对 应节点的第3a金属底板112a上。第2半导体开关Q2以及第2 二极管Di2分别借助 接合电极载置在对应节点W2b的第3b金属底板112b上。并且，第1 二极管Dil的A电极 利用金属细线130连接在兼作配线板的Y端子上。另外，第1半导体开关Q1的G电极利用 金属细线130连接在G1端子上，E电极利用金属细线130连接在第2 二极管Di2的A电极 上，同时，利用金属细线130连接在X端子上。同样地，第2半导体开关Q2的G电极利用金 属细线130连接在G2端子上，E电极利用金属细线130连接在兼作配线板的Y端子上。通过上述连接，构成图12所示的双向开关的电路。在对多个半导体元件之间进行 布线之后，利用未图示的导热性良好的树脂进行密封，制成双向开关模块。 如上所述，本实施例也没有使用形成有配线图的配线层以及对金属底板与配线层 之间进行绝缘的绝缘基板，而是将具有连接在节点上的同一电位的接合电极(例如K 电极、D电极、C电极)的半导体元件直接载置在与节点对应的第3a金属底板上，将具 有连接在节点W2b上的同一电位的接合电极(例如K电极、D电极、C电极)的半导体元件 直接载置在与节点W2b对应的第3b金属底板上，构成双向开关模块。从而，能够实现降低 双向开关模块的成本。并且能够使金属底板的数量最适当化。另外，由于没有使用绝缘基 板，所以能够使半导体元件产生的热量直接扩散至金属底板，散热特性良好，能够提高半导 体元件的可靠性。
权利要求
一种双向开关模块，其具有对多个半导体元件进行组合、并使电流可从第1端子向第2端子以及从第2端子向第1端子从而可双向流过的双向开关电路，所述双向开关模块包括成为散热板并且与第1端子连接的第1金属底板；成为散热板并且与第2端子连接的第2金属底板；设置在具有一对表面的第1半导体芯片上的第1半导体开关元件，该第1半导体开关元件具有设置在所述第1半导体芯片的一个表面上并且与第1端子连接的第1电极，设置在所述第1半导体芯片的另一表面上并且成为通向所述第1电极的电流通路的第2电极，以及设置在所述第1半导体芯片的所述另一表面上并且控制所述第1电极与所述第2电极之间的电流的第3电极，并且所述第1半导体开关元件载置在所述第1金属底板上使得所述第1电极和所述第1金属底板相互面对；设置在具有一对表面的第2半导体芯片上的第1二极管元件，该第1二极管元件具有设置在所述第2半导体芯片的一个表面上并且与第1端子连接的第1阴极电极，以及设置在所述第2半导体芯片的另一表面上的第1阳极电极，并且所述第1二极管元件载置在所述第1金属底板上使得所述第1阴极电极和所述第1金属底板相互面对；设置在具有一对表面的第3半导体芯片上的第2半导体开关元件，该第2半导体开关元件具有设置在所述第3半导体芯片的一个表面上并且与第2端子连接的第4电极，设置在所述第3半导体芯片的另一表面上并且成为通向所述第4电极的电流通路的第5电极，以及设置在所述第3半导体芯片的所述另一表面上并且控制所述第4电极与所述第5电极之间的电流的第6电极，并且所述第2半导体开关元件载置在所述第2金属底板上使得所述第4电极和所述第2金属底板相互面对；设置在具有一对表面的第4半导体芯片上的第2二极管元件，该第2二极管元件具有设置在所述第4半导体芯片的一个表面上并且与第2端子连接的第2阴极电极，以及设置在所述第4半导体芯片的另一表面上的第2阳极电极，并且所述第2二极管元件载置在所述第2金属底板上使得所述第2阴极电极和所述第2金属底板相互面对；与所述第3电极连接的第1控制端子；与所述第6电极连接的第2控制端子；以及对所述第1阳极电极、所述第2阳极电极、所述第2电极和所述第5电极分别进行电连接的电线。
2.一种双向开关模块，其具有对多个半导体元件进行组合、并使电流可从第1端子向 第2端子以及从第2端子向第1端子从而可双向流过的双向开关电路，所述双向开关模块 包括第1金属底板，在该第1金属底板上载置有第1半导体芯片和第2半导体芯片，所述第 1金属底板具有比所述第1半导体芯片和所述第2半导体芯片的总面积更大的面积，并且与 第1端子连接；第2金属底板，在该第2金属底板上载置有第3半导体芯片和第4半导体芯片，所述第 2金属底板具有比所述第3半导体芯片和所述第4半导体芯片的总面积更大的面积，并且与 第2端子连接；设置在所述第1半导体芯片上的第1半导体开关元件，其具有设置在所述第1半导体芯片的一个表面上的第1电极，设置在所述第1半导体芯片的另一表面上并且成为通向所 述第1电极的电流通路的第2电极，以及设置在所述第1半导体芯片的所述另一表面上并 且控制所述第1电极与所述第2电极之间的电流的第3电极，并且所述第1半导体开关元 件设置成使得所述第1电极的表面和所述第1金属底板的表面相互连接；设置在所述第2半导体芯片上的第1 二极管元件，其具有设置在所述第2半导体芯片 的一个表面上的第1阴极电极，以及设置在所述第2半导体芯片的另一表面上的第1阳极 电极，并且所述第1二极管元件设置成使得所述第1阴极电极的表面和所述第1金属底板 的所述表面相互连接；设置在所述第3半导体芯片上的第2半导体开关元件，其具有设置在所述第3半导体 芯片的一个表面上的第4电极，设置在所述第3半导体芯片的另一表面上并且成为通向所 述第4电极的电流通路的第5电极，以及设置在所述第3半导体芯片的所述另一表面上并 且控制所述第4电极与所述第5电极之间的电流的第6电极，并且所述第2半导体开关元 件设置成使得所述第4电极的表面和所述第2金属底板的表面相互连接；设置在所述第4半导体芯片上的第2 二极管元件，其具有设置在所述第4半导体芯片 的一个表面上的第2阴极电极，以及设置在所述第4半导体芯片的另一表面上的第2阳极 电极，并且所述第2 二极管元件设置成使得所述第2阴极电极的表面和所述第2金属底板 的所述表面相互连接；与所述第3电极连接的第1控制端子；以及与所述第6电极连接的第2控制端子；其中当电流从第1端子流向第2端子时，通过向所述第1控制端子提供第1驱动信号， 使电流流过所述第1金属底板、所述第1半导体开关元件、所述第2 二极管元件和所述第2 金属底板，并且当电流从第2端子流向第1端子时，通过向所述第2控制端子提供第2驱动信号，使电 流流过所述第2金属底板、所述第2半导体开关元件、所述第1 二极管元件和所述第1金属 底板。
3.如权利要求2所述的双向开关模块，其中所述双向开关模块具有对所述第1阳极电极、所述第2阳极电极、所述第2电极和所述 第5电极分别进行电连接的电线。
4.如权利要求1或3所述的双向开关模块，其中对所述第1阳极电极、所述第2阳极电极、所述第2电极和所述第5电极分别进行电连 接的电线是金属细线。
5.如权利要求1至4中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1金属底板和所述第1端子是整体构成的一个金属板，并且所述第2金属底板 和所述第2端子是整体构成的另一个金属板。
6.如权利要求1至4中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1金属底板和所述第1端子是连续地连接的金属板，并且所述第2金属底板和 所述第2端子是连续地连接的另外的金属板。
7.如权利要求1至6中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件是M0SFET。
8.如权利要求1至6中任一项所述的双向开关模块，其中 所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件是IGBT。
9.如权利要求1至6中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件是双极型晶体管。
10.如权利要求1至6中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件是M0SFET，所述第1电极和所述 第4电极是漏电极，所述第2电极和所述第5电极是源电极，并且所述第3电极和所述第6 电极是栅极。
11.如权利要求1至6中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件是IGBT，所述第1电极和所述第 4电极是集电极，所述第2电极和所述第5电极是发射极，并且所述第3电极和所述第6电 极是栅极。
12.如权利要求1至6中任一项所述的双向开关模块，其中所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件是双极型晶体管，所述第1电极 和所述第4电极是集电极，并且所述第2电极和所述第5电极是发射极。
全文摘要
现有的半导体模块由于使用了绝缘基板以及在其上形成的配线层，所以提高了成本，为了克服该缺点，本发明提供一种双向开关模块。其构成为，在成为散热板的第1金属底板上，载置具有与所述双向开关电路的第1节点连接的接合电极的第1半导体元件，并且同样地在成为散热板的第2金属底板上，载置具有与所述双向开关电路的第2节点连接的接合电极的第2半导体元件。所述第1半导体元件的所述接合电极与所述第1金属底板为同一电位，并且所述第2半导体元件的所述接合电极与所述第2金属底板为同一电位。并且，各金属底板与所述各半导体元件的非接合电极分别利用金属细线进行连接，构成所述双向开关电路。
文档编号H01L25/07GK101866909SQ201010167369
公开日2010年10月20日 申请日期2007年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者大泽通孝, 金泽孝光 申请人:瑞萨电子株式会社