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KR101917558B1 - 반도체 장치 - Google Patents

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KR101917558B1
KR101917558B1 KR1020177031958A KR20177031958A KR101917558B1 KR 101917558 B1 KR101917558 B1 KR 101917558B1 KR 1020177031958 A KR1020177031958 A KR 1020177031958A KR 20177031958 A KR20177031958 A KR 20177031958A KR 101917558 B1 KR101917558 B1 KR 101917558B1
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main electrode
base plate
unit structure
semiconductor device
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시게루 하세가와
가즈히로 모리시타
료 츠다
유키마사 하야시다
고로 야스토미
류타로 다테
Original Assignee
미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

베이스판과, 해당 베이스판 위에 형성된 복수의 단위 구조를 구비한다. 모든 해당 단위 구조는 해당 베이스판에 고정된 절연 기판과, 해당 절연 기판 위에 형성된 금속 패턴과, 해당 금속 패턴과 전기적으로 접속된 반도체 소자와, 상단부가 외부에 노출되고, 하단부가 해당 금속 패턴 중 해당 베이스판의 바깥 가장자리에 가장 가까운 부분인 외주부에 접속된 주전극을 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 예를 들면 전철 또는 풍력 발전 등에 이용되는 반도체 장치에 관한 것이다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈 등의 반도체 장치는, 예를 들면 모터의 전력 제어 등에 이용되고 있다. 특허문헌 1에는, IGBT 등의 반도체 소자를 구비한 반도체 장치가 개시되어 있다. 이 반도체 장치는 반도체 소자와 전기적으로 접속된 금속 패턴에 대해 주(主)전극을 접속하는 것이다.
특허문헌 1: 일본 특개 공개 제2012-64609호 공보
예를 들면 납땜을 이용하여 금속 패턴과 주전극을 접속하는 경우가 있다. 반도체 장치의 주(主)전류를 흘리기 시작하는 턴온시, 정상적으로 주전류가 흐르는 도통시, 및 주전류를 차단하는 턴 오프시에는, 반도체 소자의 에너지 손실이 열에너지로 되어 반도체 장치의 온도가 높아진다. 한편, 반도체 장치에 장시간 통전되지 않는 경우는, 반도체 장치의 온도가 외부 환경 온도(저온)까지 저하한다. 고온 상태와 저온 상태가 반복되는 것에 의해, 반도체 장치 내의 부품은 열팽창과 열수축을 반복한다. 이것에 의해, 금속 패턴과 주전극의 접속부가 열화되는 문제가 있었다. 이 열화가 진행되면 주전극이 금속 패턴으로부터 떨어지게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 금속 패턴과 주전극의 접속부의 열화를 억제할 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원 발명에 따른 반도체 장치는 베이스판과, 해당 베이스판 위에 형성된 복수의 단위 구조를 구비한다. 모든 해당 단위 구조는 해당 베이스판에 고정된 절연 기판과, 해당 절연 기판 위에 형성된 금속 패턴과, 해당 금속 패턴과 전기적으로 접속된 반도체 소자와, 상단부가 외부에 노출되고, 하단부가 해당 금속 패턴 중 해당 베이스판의 바깥 가장자리(外緣)에 가장 가까운 부분인 외주부에 접속된 주전극을 구비한 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 따른 다른 반도체 장치는, 평면에서 보아 사각형으로 형성되어 있고, 제 1 변을 따라 복수의 제 1 관통 구멍이 형성되고, 해당 제 1 변에 대향하는 제 2 변을 따라 복수의 제 2 관통 구멍이 형성된 베이스판과, 해당 베이스판 위에 형성된 복수의 단위 구조를 구비한다. 모든 해당 단위 구조는 해당 베이스판에 고정된 절연 기판과, 해당 절연 기판 위에 형성된 금속 패턴과, 해당 금속 패턴과 전기적으로 접속된 반도체 소자와, 상단부가 외부에 노출되고, 하단부가 해당 금속 패턴에 접속된 주전극을 구비한다. 모든 해당 하단부는 해당 제 1 변으로부터 해당 제 2 변을 향해 해당 제 1 변으로부터 해당 제 2 변까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 해당 제 1 변측의 부분에 있거나, 해당 제 2 변으로부터 해당 제 1 변을 향해 해당 제 2 변으로부터 해당 제 1 변까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 해당 제 2 변측의 부분에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그 외의 특징은 이하에 분명해진다.
본 발명에 의하면, 금속 패턴과 주전극의 접속부의 열화를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
도 2는 주전극 등의 사시도이다.
도 3은 주전극 등의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치의 측면도이다.
도 5는 비교예의 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
도 6은 비교예의 주전극 등의 사시도이다.
도 7은 비교예의 주전극 등의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 주전극 등의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 제 2 주전극 등의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 제 2 주전극 등의 사시도이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 동일하거나 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 부여하고, 설명의 반복을 생략하는 경우가 있다.
실시 형태 1
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다. 이 반도체 장치는 베이스판(10)을 구비하고 있다. 베이스판(10)은 예를 들면 평면에서 보아 사각형으로 형성되어 있다. 베이스판(10)에는 베이스판(10)의 제 1 변(10a)을 따르는 복수의 제 1 관통 구멍(12)이 형성되어 있다. 또한, 베이스판(10)의 제 1 변(10a)에 대향하는 제 2 변(10b)을 따라 복수의 제 2 관통 구멍(14)이 형성되어 있다.
베이스판(10) 위에는 복수의 단위 구조가 형성되어 있다. 복수의 단위 구조는 3개의 제 1 단위 구조(16, 60, 70)와, 3개의 제 2 단위 구조(18, 80, 90)를 구비하고 있다. 3개의 제 1 단위 구조(16, 60, 70)는 베이스판(10)의 제 1 변(10a)측에 형성되어 있다. 3개의 제 2 단위 구조(18, 80, 90)는 베이스판(10)의 제 2 변(10b)측에 형성되어 있다. 3개의 제 1 단위 구조(16, 60, 70)와 3개의 제 2 단위 구조(18, 80, 90)는 제 1 변(10a)과 제 2 변(10b)의 사이에 이들과 평행하게 연장되는 상상선(想像線; imaginary line)을 대칭축으로 하는 선대칭으로 되어 있다.
우선 제 1 단위 구조에 대해 설명한다. 3개의 제 1 단위 구조(16, 60, 70)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 제 1 단위 구조(16)에 대해 설명한다. 제 1 단위 구조(16)는 베이스판(10)에 고정된 절연 기판(20)을 가지고 있다. 절연 기판(20) 위에는 제 1 금속 패턴(22), 및 제 1 금속 패턴(22)과 절연된 제 2 금속 패턴(24)이 형성되어 있다. 제 1 금속 패턴(22) 및 제 2 금속 패턴(24)은, 예를 들면 구리 또는 알루미늄 등으로 형성되어 있다. 제 2 금속 패턴(24)의 주전류가 흐르는 방향의 길이는, 제 2 금속 패턴(24)의 폭을 2배로 한 값보다 크게 되어 있다.
제 1 단위 구조(16)는 4개의 IGBT(26)와 4개의 다이오드(28)를 구비하고 있다. IGBT(26)는 표면에 에미터를 갖고 이면에 콜렉터를 가지고 있다. 다이오드(28)은 표면에 애노드를 갖고 이면에 캐소드를 가지고 있다. 제 1 금속 패턴(22)에는, IGBT(26)의 콜렉터 및 다이오드(28)의 캐소드가 접속되어 있다. 이 접속은 예를 들면 납땜에 의한다. 제 2 금속 패턴(24)에는, 예를 들면 알루미늄으로 형성된 와이어(30)를 통해 IGBT(26)의 에미터와 다이오드(28)의 애노드가 전기적으로 접속되어 있다.
제 1 금속 패턴(22)에는 제 1 주전극의 제 1 하단부(32)가 접속되어 있다. 제 2 금속 패턴(24)에는 제 2 주전극의 제 1 하단부(34)가 접속되어 있다. 또, 설명의 편의상, 도 1에서는 제 1 주전극과 제 2 주전극의 하단의 부분 이외는 생략하고 있다.
다음으로, 제 2 단위 구조에 대해 설명한다. 3개의 제 2 단위 구조(18, 80, 90)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 제 2 단위 구조(18)에 대해 설명한다. 제 2 단위 구조(18)는 베이스판(10)에 고정된 절연 기판(40)을 가지고 있다. 절연 기판(40) 위에는 제 1 금속 패턴(42), 및 제 1 금속 패턴(42)과 절연된 제 2 금속 패턴(44)이 형성되어 있다. 제 1 금속 패턴(42) 및 제 2 금속 패턴(44)은 예를 들면 구리 또는 알루미늄 등으로 형성되어 있다.
제 2 단위 구조(18)는 4개의 IGBT(46)와 4개의 다이오드(48)를 구비하고 있다. IGBT(46) 및 다이오드(48)는 각각 전술한 IGBT(26) 및 다이오드(28)와 동일한 것이다. 제 1 금속 패턴(42)에는, IGBT(46)의 콜렉터 및 다이오드(48)의 캐소드가 접속되어 있다. 이 접속은 예를 들면 납땜에 의한다. 제 2 금속 패턴(44)에는, 예를 들면 알루미늄으로 형성된 와이어(50)를 통해 IGBT(46)의 에미터와 다이오드(48)의 애노드가 전기적으로 접속되어 있다.
제 1 금속 패턴(42)에는 제 1 주전극의 제 2 하단부(52)가 접속되어 있다. 제 2 금속 패턴(44)에는 제 2 주전극의 제 2 하단부(54)가 접속되어 있다. 제 2 단위 구조(18)는 상술한 구성을 가지고 있다. 또, 도 1 및 그 이후의 도면에서는, 실제의 반도체 장치가 구비하는 IGBT(26, 46)의 게이트에 전압을 공급하는 배선, 에미터 센스 보조 전극, 게이트 보조 전극, 및 콜렉터 센스 보조 전극 등은 생략하고 있다.
도 1로부터 분명한 바와 같이, 제 1 단위 구조(60)는 제 1 하단부(62, 64)를 구비하고 있다. 제 1 단위 구조(70)는 제 1 하단부(72, 74)를 구비하고 있다. 제 2 단위 구조(80)는 제 2 하단부(82, 84)를 구비하고 있다. 제 2 단위 구조(90)는 제 2 하단부(92, 94)를 구비하고 있다. 제 1 하단부(32, 34, 62, 64, 72, 74)는 복수의 제 1 관통 구멍(12)을 따라 정렬되어 있다. 제 2 하단부(52, 54, 82, 84, 92, 94)는 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 따라 정렬되어 있다.
제 1 하단부(32, 34, 62, 64, 72, 74)는, 제 1 변(10a)으로부터 제 2 변(10b)을 향해 제 1 변(10a)로부터 제 2 변(10b)까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 제 1 변(10a)측에 위치하고 있다. 이 위치를 제 1 변측 위치(a first side position)라고 부른다. 한편, 제 2 하단부(52, 54, 82, 84, 92, 94)는 제 2 변(10b)으로부터 제 1 변(10a)을 향해 제 2 변(10b)로부터 제 1 변(10a)까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 제 2 변(10b)측에 위치하고 있다. 이 위치를 제 2 변측 위치라고 부른다. 따라서, 모든 하단부(제 1 하단부(32, 34, 62, 64, 72, 74)와 제 2 하단부(52, 54, 82, 84, 92, 94) 중 어느 하나를 가르킴)는 제 1 변측 위치 또는 제 2 변측 위치에 있다.
도 2는 주전극 등의 사시도이다. 도 2에는 제 1 주전극(100)과 제 2 주전극(110)이 도시되어 있다. 제 1 주전극(100)의 상단부(102)는 외부에 노출되는 부분이다. 제 1 주전극(100)은 제 1 하단부(32)와 제 2 하단부(52)를 구비하고 있다. 제 1 하단부(32)와 제 1 금속 패턴(22), 및 제 2 하단부(52)와 제 1 금속 패턴(42)은, 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다. 제 1 주전극(100)은 콜렉터 주전극으로서 기능한다.
제 2 주전극(110)의 상단부(112)는 외부에 노출되는 부분이다. 제 2 주전극(110)은 제 1 하단부(34)와 제 2 하단부(54)를 구비하고 있다. 제 1 하단부(34)와 제 2 금속 패턴(24), 및 제 2 하단부(54)와 제 2 금속 패턴(44)은, 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다. 제 2 주전극(110)은 에미터 주전극으로서 기능한다.
이와 같이, 제 1 단위 구조(16)와 제 2 단위 구조(18)에서 1개의 제 1 주전극(100)을 공유하고 있다. 또한, 제 1 단위 구조(16)와 제 2 단위 구조(18)에서 1개의 제 2 주전극(110)을 공유하고 있다. 마찬가지로, 제 1 단위 구조(60)와 제 2 단위 구조(80)에서 1개의 제 1 주전극과 1개의 제 2 주전극을 공유하고 있다. 또한, 제 1 단위 구조(70)과 제 2 단위 구조(90)에서 1개의 제 1 주전극과 1개의 제 2 주전극을 공유하고 있다.
도 3은 주전극 등의 평면도이다. 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치는 주전극으로서, 제 1 주전극(100, 120, 140) 및 제 2 주전극(110, 130, 150)을 구비하고 있다. 모든 하단부는 금속 패턴(제 1 금속 패턴 또는 제 2 금속 패턴을 가리킴) 중 베이스판(10)의 바깥 가장자리에 가장 가까운 부분인 외주부(이후 간단히 외주부라고 하는 일이 있음)에 접속되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치의 측면도이다. 복수의 제 1 관통 구멍(12)과 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 나사(160)가 관통하고 있다. 이 나사(160)에 의해서, 베이스판(10)의 이면에 히트 싱크(heat sink)(162)가 열접촉(접속)하고 있다. 베이스판(10)과 히트 싱크(162)의 사이에 윤활유를 도포하여도 좋다. 복수의 단위 구조는 베이스판(10) 상의 케이스(164)로 덮여 있다. 케이스(164)의 상면으로부터 주전극의 상단부(102, 112)가 노출되어 있다.
여기서, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치의 의의의 설명에 앞서, 비교예에 대해 설명한다. 도 5는 비교예의 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다. 베이스판(10)의 제 1 변(10a)측에는 3개의 상부 단위 구조(200, 220, 230)가 형성되어 있다. 베이스판(10)의 제 2 변(10b)측에는 3개의 하부 단위 구조(240, 260, 270)가 형성되어 있다. 베이스판(10) 위의 상부 단위 구조(200, 220, 230)와 하부 단위 구조(240, 260, 270)의 사이에는 중부 단위 구조(280, 290, 300)가 형성되고 있다.
3개의 상부 단위 구조(200, 220, 230)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 상부 단위 구조(200)에 대해 설명한다. 상부 단위 구조(200)는 절연 기판(202)을 구비하고 있다. 절연 기판(202) 위에는 금속 패턴(204)이 형성되어 있다. 금속 패턴(204)에는 IGBT(206)의 콜렉터와 다이오드(208)의 캐소드가 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다. 금속 패턴(204)에는 제 1 주전극의 제 1 하단부(210)가 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다.
3개의 하부 단위 구조(240, 260, 270)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 하부 단위 구조(240)에 대해 설명한다. 하부 단위 구조(240)는 절연 기판(242)을 구비하고 있다. 절연 기판(242) 위에는 금속 패턴(244)이 형성되어 있다. 금속 패턴(244)에는 IGBT(246)의 콜렉터와 다이오드(248)의 캐소드가 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다. 금속 패턴(244)에는 제 1 주전극의 제 2 하단부(250)가 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다.
3개의 중부 단위 구조(280, 290, 300)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 중부 단위 구조(280)에 대해 설명한다. 중부 단위 구조(280)는 절연 기판(282)을 구비하고 있다. 절연 기판(282) 위에는 금속 패턴(284)이 형성되어 있다. 금속 패턴(284)에는 와이어를 통해 IGBT(206, 246)의 에미터와 다이오드(208, 248)의 애노드가 전기적으로 접속되어 있다. 금속 패턴(284)에는 제 2 주전극의 하단부(286)가 예를 들면 납땜에 의해 접속되어 있다.
도 5로부터 명백한 바와 같이, 제 1 하단부(210)는 금속 패턴(204) 중 베이스판(10)의 바깥 가장자리에 가장 가까운 부분인 외주부에 접속되어 있지 않다. 제 2 하단부(250)는 금속 패턴(244) 중 베이스판(10)의 바깥 가장자리에 가장 가까운 부분인 외주부에 접속되어 있지 않다. 하단부(286)는 제 1 변(10a)과 제 2 변(10b)의 중간에 형성되어 있으므로, 하단부(286)는 제 1 변측 위치 또는 제 2 변측 위치에 없다.
도 6은 비교예의 주전극 등의 사시도이다. 도 6에는 제 1 주전극(310)과 제 2 주전극(320)이 도시되어 있다. 제 1 변(10a)으로부터 제 2 변(10b)으로 향하는 방향의 길이(가로 방향 길이라고 부름)에 주목하면, 제 1 주전극(310)은 전술한 제 1 주전극(100)보다 짧다. 또한, 제 2 주전극(320)의 가로 방향 길이는 전술한 제 2 주전극(110)의 가로 방향 길이보다 짧다. 도 7은 비교예의 주전극 등의 평면도이다. 비교예의 반도체 장치는 상술한 구성을 가진다.
그런데, 베이스판(10)의 바깥 가장자리에 가까운 위치의 방열량은 베이스판(10)의 중앙 위치의 방열량보다 크다. 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치에 의하면, 주전극의 하단부는 모두, 금속 패턴 중 베이스판(10)의 바깥 가장자리에 가장 가까운 부분인 외주부에 접속된다. 따라서, 금속 패턴과 주전극의 접속부(이후 간단히 접속부라고 함)에서의 방열량을 크게 하여, 당해 접속부의 열화를 억제할 수 있다.
비교예의 경우, 상부 단위 구조와 하부 단위 구조의 사이에 중부 단위 구조가 있으므로, 중부 단위 구조의 접속부를 베이스판의 바깥 가장자리 근처에 배치할 수 없는 경우가 있었다. 그러나, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치에서는, 제 1 단위 구조(16)에 제 2 금속 패턴(24)을 마련하고, 또한 제 2 단위 구조(18)에 제 2 금속 패턴(44)을 마련함으로써, 비교예의 중부 단위 구조가 불필요해진다. 따라서, 모든 접속부를 베이스판의 바깥 가장자리 근처에 배치할 수 있다.
베이스판(10)과 히트 싱크(162)는 복수의 제 1 관통 구멍(12)과 복수의 제 2 관통 구멍(14)에 삽입된 나사(160)에 의해서 접속되므로, 베이스판(10) 중 복수의 제 1 관통 구멍(12) 또는 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 따르는 부분은 히트 싱크(162)을 강하게 누른다. 따라서, 베이스판(10) 중 복수의 제 1 관통 구멍(12) 또는 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 따르는 부분에서는, 베이스판(10)의 중앙부보다 방열량이 크다.
본 발명의 실시 형태 1에 따른 반도체 장치에서는, 주전극의 하단부(접속부)는 모두, 복수의 제 1 관통 구멍(12) 또는 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 따라 정렬되어 있다. 따라서, 접속부에 있어서의 히트 싱크(162)에 의한 방열량을 크게 하여 접속부의 열화를 억제할 수 있다. 또, 접속부에 있어서의 히트 싱크(162)에 의한 방열량을 충분히 크게 하기 위해서는, 모든 접속부(모든 하단부)가 제 1 변측 위치 또는 제 2 변측 위치에 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 접속부를 베이스판(10)의 바깥 가장자리에 근접시키면서, 접속부를 복수의 제 1 관통 구멍(12) 또는 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 따라 정렬함으로써, 접속부의 최고 온도를 낮게 할 수 있다. 따라서, 반도체 장치의 열 사이클 수명(반도체 장치의 사용을 개시하고 나서 주전극이 금속 패턴으로부터 떨어질 때까지의 기간)을 길게 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태 1에 따른 모든 주전극은 제 1 단위 구조의 제 1 변(10a)측의 외주부와 접속된 제 1 하단부와, 제 2 단위 구조의 제 2 변(10b)측의 외주부와 접속된 제 2 하단부를 구비하고 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 모든 주전극의 가로 방향 길이는 비교예의 주전극의 가로 방향 길이보다 길다. 가로 방향 길이가 긴 주전극은 반도체 장치의 부품이 열팽창 또는 열수축했을 때에 스프링 효과(spring effect)를 발휘하여, 접속부의 응력을 저하시킬 수 있다. 따라서 접속부의 열화를 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 형태 1에서는 복수의 단위 구조는 3개의 제 1 단위 구조(16, 60, 70)와 3개의 제 2 단위 구조(18, 80, 90)를 가지지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 주전극의 하단부가 외주부에 접속된 단위 구조를 복수 구비하는 한, 단위 구조의 내부 구성 및 단위 구조의 수는 한정되지 않는다.
그런데, 임의의 접속부와 다른 접속부의 신뢰성을 통일시키기 위해서, 모든 단위 구조에 있어, 주전극의 하단부가 외주부에 접속되고, 또한 모든 접속부에 대해 베이스판(10)의 바깥 가장자리로부터 접속부까지의 거리가 동일한 것이 바람직하다.
본 발명의 중요한 특징은, 상술한 바와 같이, 주전극의 하단부가 외주부에 접속된 단위 구조를 복수 구비하는 것이다. 이 특징에 의해 접속부의 방열량을 충분히 크게 할 수 있는 경우는, 접속부를 복수의 제 1 관통 구멍(12) 또는 복수의 제 2 관통 구멍(14)을 따라 정렬하는 것, 접속부를 제 1 변측 위치 또는 제 2 변측 위치에 배치하는 것, 및 주전극의 가로 방향 길이를 길게 하는 것은 필수가 아니다.
베이스판(10)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 거의 정사각형의 베이스판 위에 4개의 단위 구조를 형성해도 좋다. 정사각형의 베이스판의 네 코너에 관통 구멍을 형성하는 경우는 베이스판의 바깥 가장자리를 따르는 장소에서 히트 싱크에 의한 방열 효과가 높아지므로, 접속부를 베이스판의 바깥 가장자리를 따라 정렬하면 된다. 또한, 히트 싱크(162) 이외의 냉각기를 이용해도 좋다. 예를 들면 수냉 냉각기를 베이스판(10)의 이면에 부착하여도 좋다.
금속 패턴에 접속하는 반도체 소자는 IGBT와 다이오드에 한정되지 않는다. 반도체 소자는 제 1 부분과 제 2 부분의 사이에 주전류를 흘리고, 제 1 부분이 제 1 금속 패턴과 전기적으로 접속되고, 제 2 부분이 제 2 금속 패턴과 전기적으로 접속되면, 구체적인 구성은 특히 한정되지 않는다. 제 1 부분의 예는 콜렉터 또는 캐소드이다. 제 2 부분의 예는 에미터 또는 애노드이다. 반도체 소자의 일례로서는, 스위칭 소자 또는 다이오드가 있다. 스위칭 소자로서는, IGBT 이외에, 예를 들면 MOSFET, SJMOS, 또는 JFET가 있다.
또한, 반도체 소자는 규소로 형성해도 좋고, 규소보다 밴드 갭이 큰 와이드 밴드 갭 반도체로 형성해도 좋다. 와이드 밴드 갭 반도체는, 예를 들면 탄화규소, 질화갈륨계 재료, 또는 다이아몬드이다. 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성된 반도체 소자는 내전압 및 허용 전류 밀도가 높기 때문에 대(大)전류를 흘리는 일이 많다. 그 때문에, 반도체 소자의 고온시와 저온시의 온도차가 커져, 접속부가 열화되기 쉽다. 이 경우, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 구성을 채용하여 접속부의 방열성을 높이는 것이 특히 중요하다.
또, 와이드 밴드 갭 반도체에 의해서 형성된 반도체 소자를 채용함으로써, 반도체 장치의 소형화가 가능해진다. 상기의 각 변형은 이하의 실시 형태에 따른 반도체 장치에도 응용할 수 있다.
실시 형태 2
본 발명의 실시 형태 2에 따른 반도체 장치는, 실시 형태 1의 반도체 장치와 일치점이 많기 때문에, 실시 형태 1의 반도체 장치와의 차이점을 중심으로 설명한다. 도 8은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
베이스판(10) 위에는 복수의 단위 구조가 형성되어 있다. 복수의 단위 구조는 3개의 제 1 단위 구조(400, 420, 430)와 3개의 제 2 단위 구조(440, 460, 470)를 구비하고 있다. 3개의 제 1 단위 구조(400, 420, 430)는 베이스판(10)의 제 1 변(10a)측에 형성되어 있다. 3개의 제 2 단위 구조(440, 460, 470)는 베이스판(10)의 제 2 변(10b)측에 형성되어 있다. 3개의 제 1 단위 구조(400, 420, 430)와 3개의 제 2 단위 구조(440, 460, 470)는 제 1 변(10a)과 제 2 변(10b)의 사이에 이들과 평행하게 연장되는 상상선을 대칭축으로 하는 선대칭으로 되어 있다.
우선 제 1 단위 구조에 대해 설명한다. 3개의 제 1 단위 구조(400, 420, 430)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 제 1 단위 구조(400)에 대해 설명한다. 절연 기판(20) 위에는 서로 절연된 제 1 금속 패턴(402), 제 2 금속 패턴(404), 및 제 3 금속 패턴(406)이 형성되어 있다. 제 2 금속 패턴(404)의 주전류가 흐르는 방향의 길이는 제 2 금속 패턴(404)의 폭을 2배로 한 값보다 커져 있다.
3개의 IGBT(408)의 콜렉터와 3개의 다이오드(410)의 캐소드가 제 1 금속 패턴(402)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 3개의 IGBT의 콜렉터와 3개의 다이오드의 캐소드가 제 3 금속 패턴(406)에 접속되어 있다. 제 2 금속 패턴(404)에는, 예를 들면 알루미늄으로 형성된 와이어를 통해 IGBT의 에미터와 다이오드의 애노드가 전기적으로 접속되어 있다.
제 1 주전극은 제 1 하단부(412a, 412b)를 가지고 있다. 제 1 하단부(412a)는 제 1 금속 패턴(402)에 접속되어 있다. 제 1 하단부(412b)는 제 3 금속 패턴(406)에 접속되어 있다. 제 2 금속 패턴(404)에는 제 2 주전극의 제 1 하단부(414)가 접속되어 있다.
다음으로, 제 2 단위 구조에 대해 설명한다. 3개의 제 2 단위 구조(440, 460, 470)는 동일한 구성을 가지고 있으므로, 여기서는 제 2 단위 구조(440)에 대해 설명한다. 절연 기판(40) 위에는 서로 절연된 제 1 금속 패턴(442), 제 2 금속 패턴(444), 및 제 3 금속 패턴(446)이 형성되어 있다.
3개의 IGBT(448)의 콜렉터와 3개의 다이오드(450)의 캐소드가 제 1 금속 패턴(442)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 3개의 IGBT의 콜렉터와 3개의 다이오드의 캐소드가 제 3 금속 패턴(446)에 접속되어 있다. 제 2 금속 패턴(444)에는, 와이어를 통해 IGBT의 에미터와 다이오드의 애노드가 전기적으로 접속되어 있다.
제 1 주전극은 제 2 하단부(452a, 452b)를 가지고 있다. 제 1 하단부(452a)는 제 1 금속 패턴(442)에 접속되어 있다. 제 1 하단부(452b)는 제 3 금속 패턴(446)에 접속되어 있다. 제 2 금속 패턴(444)에는 제 2 주전극의 제 2 하단부(454)가 접속되어 있다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 주전극 등의 사시도이다. 제 1 주전극(500)과 제 2 주전극(510)이 도시되어 있다. 본 발명의 실시 형태 2에 따른 반도체 장치의 특징은 제 1 주전극(500)이 4개의 하단부(제 1 하단부(412a, 412b), 및 제 2 하단부(452a, 452b))를 구비한 것이다. 이 특징에 의하면 제 1 주전극(500)의 접속부의 수는 4개가 되므로, 실시 형태 1에 따른 반도체 장치와 같이 제 1 주전극(100)의 접속부의 수가 2개의 경우와 비교하여, 개개의 접속부의 전류 밀도를 낮추는 것이 가능해진다. 따라서, 접속부의 열화를 억제할 수 있다.
실시 형태 3
본 발명의 실시 형태 3에 따른 반도체 장치는 실시 형태 2의 반도체 장치와 일치점이 많기 때문에, 실시 형태 2의 반도체 장치와의 차이점을 중심으로 설명한다. 도 10은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
제 2 주전극은 제 1 하단부(414a, 414b)를 가지고 있다. 제 1 하단부(414a, 414b)는 제 2 금속 패턴(404)에 접속되어 있다. 또한, 제 2 주전극은 제 2 하단부(454a, 454b)를 가지고 있다. 제 2 하단부(454a, 454b)는 제 2 금속 패턴(444)에 접속되어 있다. 도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 제 2 주전극 등의 사시도이다. 제 2 주전극(600)이 도시되어 있다. 또한, 도 11에서는 제 1 주전극은 생략하고 있다.
제 2 주전극(600)은 4개의 하단부(제 1 하단부(414a, 414b), 및 제 2 하단부(454a, 454b))를 구비하고 있다. 이 특징에 의하면 제 2 주전극(600)의 접속부의 수는 4개가 되므로, 실시 형태 1에 따른 반도체 장치와 같이 제 2 주전극(110)의 접속부의 수가 2개의 경우와 비교하여, 개개의 접속부의 전류 밀도를 낮추는 것이 가능해진다. 따라서, 접속부의 열화를 억제할 수 있다.
실시 형태 4
본 발명의 실시 형태 4에 따른 반도체 장치는, 실시 형태 3의 반도체 장치와 일치점이 많기 때문에, 실시 형태 3의 반도체 장치와의 차이점을 중심으로 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 반도체 장치의 내부 구조의 평면도이다.
제 2 주전극의 제 1 하단부(414a)는, 제 1 하단부(414b)보다 베이스판(10)의 바깥 가장자리로부터 먼 장소에 있다. 제 2 주전극의 제 2 하단부(454a)는, 제 2 하단부(454b)보다 베이스판(10)의 바깥 가장자리로부터 먼 장소에 있다. 도 13은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 제 2 주전극(700) 등의 사시도이다. 제 2 주전극(700)의 상단부(702)는 외부에 노출되는 부분이다.
접속부의 레이아웃의 형편상, 임의의 접속부가 다른 접속부보다 베이스판의 바깥 가장자리로부터 떨어지는 경우가 있다. 실시 형태 4의 반도체 장치에서는, 제 1 하단부(414a)와 제 2 하단부(454a)가 다른 하단부보다 베이스판(10)의 바깥 가장자리로부터 떨어져 있다. 그러나, 제 1 하단부(414a)와 제 2 하단부(454a)를 포함하는 모든 하단부는 제 1 변측 위치 또는 제 2 변측 위치에 있다. 따라서, 모든 접속부의 열화를 억제할 수 있다.
그런데, 본 발명의 실시 형태 2-4의 반도체 장치는 주전극이 4개의 하단부를 가지는 것이 특징이다. 보다 구체적으로는, 주전극은 제 1 하단부를 2개 갖고, 또한 제 2 하단부를 2개 가진다. 이것에 의해 개개의 접속부의 전류 밀도를 저감할 수 있다. 또, 제 1 하단부와 제 2 하단부의 수는 2개에 한정되지 않고, 주전극은 제 1 하단부를 2개 이상 갖고, 또한 제 2 하단부를 2개 이상 가짐으로써, 개개의 접속부의 전류 밀도를 저감할 수 있다.
상기의 각 실시 형태에 따른 반도체 장치의 특징을 적당히 조합하여, 본 발명의 효과를 높여도 좋다.
10: 베이스판
10a: 제 1 변
10b: 제 2 변
12: 복수의 제 1 관통 구멍
14: 복수의 제 2 관통 구멍
16, 60, 70: 제 1 단위 구조
18, 80, 90: 제 2 단위 구조
20, 40: 절연 기판,
2, 42: 제 1 금속 패턴
4, 44: 제 2 금속 패턴
26, 46: IGBT
28, 48: 다이오드
30, 50: 와이어
32, 34, 62, 64, 72, 74: 제 1 하단부
52, 54, 82, 84, 92, 94: 제 2 하단부
100: 제 1 주전극
110: 제 2 주전극
102, 112: 상단부
160: 스프링
162: 히트 싱크
164: 케이스
400, 420, 430: 제 1 단위 구조
440, 460, 470: 제 2 단위 구조
412a, 412b, 414a, 414b: 제 1 하단부
452a, 452b, 454a, 454b: 제 2 하당부
500: 제 1 주전극
510, 600, 700: 제 2 주전극

Claims (14)

  1. 평면에서 보아 사각형으로 형성된 베이스판과,
    상기 베이스판의 제 1 변측에 형성된 제 1 단위 구조와,
    상기 베이스판의 상기 제 1 변에 대향하는 제 2 변측에 형성된 제 2 단위 구조와,
    상기 베이스판에 고정되고, 상기 제 1 단위 구조 및 상기 제 2 단위 구조가 마련된 절연 기판과,
    상기 절연 기판 위에 형성된 금속 패턴과,
    상기 금속 패턴과 전기적으로 접속되고, 상기 제 1 단위 구조 또는 상기 제 2 단위 구조의 어느 하나에 포함되는 복수의 반도체 소자와,
    상단부가 외부에 노출되고, 하단부가 상기 금속 패턴 중 상기 베이스판의 바깥 가장자리에 가장 가까운 부분인 외주부에 접속된 콜렉터 또는 드레인 주전극 및 에미터 또는 소스 주전극을
    구비하는 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜렉터 또는 드레인 주전극, 또는 상기 에미터 또는 소스 주전극은, 상기 제 1 단위 구조의 상기 제 1 변측의 상기 외주부와 접속된 제 1 하단부와, 상기 제 2 단위 구조의 상기 제 2 변측의 상기 외주부와 접속된 제 2 하단부를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스판에는, 상기 베이스판의 제 1 변을 따르는 복수의 제 1 관통 구멍과, 상기 제 1 변에 대향하는 제 2 변을 따르는 복수의 제 2 관통 구멍이 형성되고,
    상기 하단부는 모두, 상기 복수의 제 1 관통 구멍 또는 상기 복수의 제 2 관통 구멍을 따라 배열된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 관통 구멍과 상기 복수의 제 2 관통 구멍을 관통하는 나사와,
    상기 나사에 의해 상기 베이스판의 이면에 접속된 냉각기를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    모든 상기 하단부는 상기 제 1 변으로부터 상기 제 2 변을 향해 상기 제 1 변으로부터 상기 제 2 변까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 상기 제 1 변측의 부분에 있거나, 상기 제 2 변으로부터 상기 제 1 변을 향해 상기 제 2 변으로부터 상기 제 1 변까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 상기 제 2 변측의 부분에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 제 1 금속 패턴과, 상기 제 1 금속 패턴과 절연된 제 2 금속 패턴을 구비하고,
    상기 반도체 소자는 제 1 부분과 제 2 부분의 사이에 주전류를 흘리고, 상기 제 1 부분이 상기 제 1 금속 패턴과 전기적으로 접속되고, 상기 제 2 부분이 상기 제 2 금속 패턴과 전기적으로 접속되고,
    상기 콜렉터 또는 드레인 주전극, 또는 상기 에미터 또는 소스 주전극은, 상기 제 1 금속 패턴에 접속된 제 1 주전극과, 상기 제 2 금속 패턴에 접속된 제 2 주전극을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 콜렉터 또는 드레인 주전극, 또는 상기 에미터 또는 소스 주전극은, 상기 제 1 하단부를 2개 이상 갖고, 또한 상기 제 2 하단부를 2개 이상 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 스위칭 소자 또는 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 와이드 밴드 갭 반도체로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 와이드 밴드 갭 반도체는 탄화규소, 질화갈륨계 재료, 또는 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  11. 평면에서 보아 사각형으로 형성되고, 제 1 변과 상기 제 1 변과 대향하는 제 2 변을 갖는 베이스판과,
    상기 베이스판의 상기 제 1 변측에 형성된 제 1 단위 구조와,
    상기 베이스판의 상기 제 2 변측에 형성된 제 2 단위 구조와,
    상기 베이스판에 고정되고, 상기 제 1 단위 구조 및 상기 제 2 단위 구조가 마련된 절연 기판과,
    상기 절연 기판 위에 형성된 금속 패턴과,
    상기 금속 패턴과 전기적으로 접속되고, 상기 제 1 단위 구조 또는 상기 제 2 단위 구조의 어느 하나에 포함되는 복수의 반도체 소자와,
    상단부가 외부에 노출되고, 하단부가 상기 금속 패턴에 접속된 콜렉터 또는 드레인 주전극 및 에미터 또는 소스 주전극을 구비하고,
    상기 콜렉터 또는 드레인 주전극 및 상기 에미터 또는 소스 주전극의 상기 하단부는, 상기 제 1 변으로부터 상기 제 2 변을 향해 상기 제 1 변으로부터 상기 제 2 변까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 상기 제 1 변측의 부분에 있거나, 상기 제 2 변으로부터 상기 제 1 변을 향해 상기 제 2 변으로부터 상기 제 1 변까지의 거리의 1/4만큼 진행된 장소보다 상기 제 2 변측의 부분에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 베이스판의 상기 제 1 변측 또는 상기 제 2 변측에는 관통 구멍이 형성되고,
    상기 관통 구멍을 관통하는 나사와,
    상기 나사에 의해 상기 베이스판의 이면에 접속된 냉각기를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 패턴의 주전류가 흐르는 방향의 길이는 상기 제 2 금속 패턴의 폭을 2배로 한 값보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 서로 절연된 제 1 금속 패턴, 제 2 금속 패턴, 및 제 3 금속 패턴을 구비하고,
    상기 콜렉터 또는 드레인 주전극, 또는 상기 에미터 또는 소스 주전극은, 상기 제 1 금속 패턴과 상기 제 3 금속 패턴에 접속된 제 1 주전극과, 상기 제 2 금속 패턴에 접속된 제 2 주전극을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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