功率模块的制作方法

1.本发明涉及功率模块，特别地，涉及具有对第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件进行控制的第1控制元件的功率模块。


背景技术：

2.日本特开2005
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277014号公报(专利文献1)公开了用于使负载进行动作的半导体装置。该半导体装置具有第1支撑板、第1支撑板之上的第1半导体开关元件、第1半导体开关元件之上的第2支撑板、第2支撑板之上的第2半导体开关元件、第2半导体开关元件之上的第3支撑板和第3支撑板之上的控制元件。第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件彼此串联连接。在动作时，第1支撑板与直流电源的正侧端子连接，第3支撑板与直流电源的接地端子连接。第3支撑板能够作为控制元件的接地电极。控制元件对第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件赋予控制信号，使第1半导体开关元件和第2半导体开关元件交替地进行通断动作。
3.通过如上所述将多个元件沿厚度方向层叠，从而获得各种优点。例如，能够减小半导体装置的平面尺寸。另外，能够简化元件间的配线构造。
4.日本特开2020
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014315号公报(专利文献2)公开了功率半导体元件。该功率半导体元件具有：高电位侧开关元件；与高电位侧开关元件串联连接的负载侧开关元件；对高电位侧开关元件的通断驱动进行控制的高电位侧控制电路；对低电位侧开关元件的通断驱动进行控制的低电位侧控制电路；以及电流检测电路。流过低电位侧开关元件的电流通过在负载侧开关元件与具有基准电位的线路之间连接的分流电阻而被转换为分流电压。电流检测电路在分流电压超过了预先设定的阈值的情况下，检测出产生了过电流，向驱动电路发送过电流检测信号。驱动电路如果接收到过电流检测信号，则使低电位侧开关元件断开。由此，能够进行过电流保护动作。
5.专利文献1：日本特开2005
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277014号公报
6.专利文献2：日本特开2020
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014315号公报
7.在上述日本特开2005
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277014号公报的技术中，作为低电位侧开关元件的第2半导体开关元件的基准电位侧(与作为高电位侧开关元件的第1半导体开关元件连接侧的相反侧)的电位与第3支撑板的电位相等。另一方面，控制元件的基准电位也与第3支撑板的电位相等。因此，低电位侧开关元件的基准电位侧的电位与控制元件的基准电位相等。因此，如果在低电位侧开关元件的基准电位侧与基准电位之间安装了分流电阻，则与分流电压的变动相应地，控制元件的基准电位也发生变动。由于该电位变动，在控制元件的配线流过过大的电流，由此，有时产生热破坏。通过使用浮置电源作为对控制元件进行驱动的电源而避免该电流的产生。但是，浮置电源的利用会使半导体装置的电路复杂化。为了避免这样的复杂化的问题，在使用分流电阻的情况下，通常，使用低电位侧开关元件的基准电位侧与控制元件的基准电位部分未被短路的结构。


技术实现要素：

8.根据本发明人的研究，即使在使用上述这样的结构时，在多个元件全部被层叠起来的情况下，分流电压的变动也经由元件间的电容耦合而导致控制元件的基准电位的变动。该电位变动的大小需要被抑制在能够充分避免上述热破坏这样的问题的程度。这会导致半导体装置能够产生的电流的大小受到限制。本发明就是为了解决上述这样的课题而提出的，其目的在于，提供能够利用由将多个元件进行层叠带来的优点，并且不使用复杂的结构就能够降低分流电压带给控制元件的不良影响的功率模块。
9.本发明涉及的功率模块具有厚度方向和与厚度方向垂直的面内方向。功率模块具有第1半导体开关元件、第2半导体开关元件和第1控制元件。第2半导体开关元件与第1半导体开关元件串联连接，第2半导体开关元件在厚度方向上与第1半导体开关元件至少局部地层叠。第1控制元件对第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件进行控制，参照分流电压而进行过电流保护动作。第1控制元件在面内方向上与第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件错开地配置。
10.发明的效果
11.根据本发明，第2半导体开关元件与第1半导体开关元件至少局部地层叠。由此，能够利用由将多个元件进行层叠带来的优点。另一方面，第1控制元件在面内方向上与第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件错开地配置。换言之，第1控制元件不与第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件层叠。第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件所具有的电位与分流电压相对应地发生变动，但根据上述配置，抑制了该变动经由电容耦合而导致第1控制元件的基准电位的变动。因此，不使用复杂的结构就能够降低分流电压带给控制元件的不良影响。综上所述，能够利用由将多个元件进行层叠带来的优点，并且，不使用复杂的结构就能够降低分流电压带给控制元件的不良影响。
附图说明
12.图1是概略地表示具有实施方式1涉及的功率模块的系统的结构的图。
13.图2是概略地表示图1的功率模块以及分流电阻的结构的俯视图。
14.图3是图2的箭头iii的视点时的概略侧面图。
15.图4是概略地表示具有对比例的功率模块的系统的结构的图。
16.图5是概略地表示实施方式2涉及的功率模块以及分流电阻的结构的俯视图。
17.图6是概略地表示实施方式3涉及的功率模块的结构的俯视图。
具体实施方式
18.以下，基于附图，对实施方式进行说明。此外，在以下的附图中，对相同或者相应的部分标注相同的参照标号，不重复其说明。
19.＜实施方式1＞
20.图1是概略地表示系统701的结构的图，系统701具有本实施方式1涉及的负载900以及对负载900进行驱动的负载驱动装置601。图2是概略地表示负载驱动装置601的结构的俯视图，图3是箭头iii(图2)的视点时的概略侧面图。负载驱动装置601具有功率模块501和分流电阻3。此外，在图2及图3中，示出了xyz直角坐标系，该坐标系的z方向对应于功率模块
501的厚度方向，该坐标系的xy方向对应于功率模块501的与厚度方向垂直的面内方向。
21.功率模块501具有高电位侧开关元件141a(第1半导体开关元件)、低电位侧开关元件141b(第2半导体开关元件)和控制元件102(第1控制元件)。另外，功率模块501具有壳体9、金属板121(第1金属板)、金属板122(第2金属板)、金属板123(第3金属板)和金属板124(第4金属板)。
22.低电位侧开关元件141b与高电位侧开关元件141a串联连接。高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b各自例如是misfet(金属
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绝缘体
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半导体
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场效应晶体管：metal insulator semiconductor field effect transistor)或者igbt(绝缘栅型双极晶体管：insulated gate bipolar transistor)等开关元件。如图1所示，可以在该开关元件通过内置或者外置而负载有续流二极管。高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b各自为了接收来自控制元件102的控制信号，具有栅极焊盘151a以及栅极焊盘151b。
23.控制元件102对高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b进行控制。具体地说，控制元件102根据外部信号而向栅极焊盘151a以及栅极焊盘151b发送控制信号。另外，控制元件102参照分流电压，根据需要而进行过电流保护动作。此外，控制元件102可以如图2及图3所示构成为1个部件，或者作为变形例，可以由对高电位侧开关元件141a进行控制的部件和对低电位侧开关元件141b进行控制的部件构成。
24.另外，功率模块501具有p端子106(高电压输入端子)、输出端子107、n端子108(基准电位侧端子)、vcc端子109(电源端子)、vin
‑
a端子110(第1外部信号输入端子)、vin
‑
b端子111(第2外部信号输入端子)、gnd端子112(基准电位端子)和cin端子113(分流电压输入端子)。这些端子从功率模块501所具有的壳体9的内部露出至外部，典型地说，如图2所示凸出。
25.在本实施方式中，在壳体9的外部配置有分流电阻3。作为变形例，分流电阻3也可以配置于壳体9的内部，由此，具有分流电阻3的负载驱动装置601构成为一个功率模块。
26.在输出端子107连接有负载900，由此，从输出端子107供给对负载900进行驱动的电流。向gnd端子112施加基准电位(接地电位)。经由分流电阻3而向n端子108以及cin端子113各自施加基准电位。向p端子106施加相对于基准电位的正电压(直流电压)。在vcc端子109(电源端子)连接产生与基准电位相对的电源电压的电源4，使用该电源电压而使控制元件102进行动作。vin
‑
a端子110以及vin
‑
b端子111各自接收高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b所用的控制信号。
27.输出端子107可以如图2及图3所示，与金属板124一起构成为1个金属部件。gnd端子112可以如图2所示，通过键合导线8(配线部件)而与金属板122短路，或者，作为变形例，可以与金属板122一起构成为1个金属部件。n端子108可以如图2所示，与金属板123一起构成为1个金属部件。p端子106可以如图2所示，与金属板121一起构成为1个金属部件。cin端子113、vcc端子109、vin
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a端子110以及vin
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b端子111可以如图2所示，通过键合导线8而与控制元件102连接。
28.在金属板121，经由导电性接合层14而搭载有高电位侧开关元件141a。在高电位侧开关元件141a之上，经由导电性接合层14而接合有金属板124。在金属板124之上，经由导电性接合层14而搭载有低电位侧开关元件141b。在低电位侧开关元件141b之上，经由导电性接合层14而接合有金属板123。
29.根据上述结构，低电位侧开关元件141b在厚度方向上隔着金属板124而与高电位侧开关元件141a至少局部地层叠。在图2所示的结构中，低电位侧开关元件141b在厚度方向上与高电位侧开关元件141a局部地层叠，以使得高电位侧开关元件141a的栅极焊盘151a在面内方向上与低电位侧开关元件141b错开。功率模块501具有键合导线8，该键合导线8具有与栅极焊盘151a接合的一个端部和与控制元件102接合的另一个端部。另外，功率模块501具有键合导线8，该键合导线8具有与栅极焊盘151b接合的一个端部和与控制元件102接合的另一个端部。由此，栅极焊盘151a以及栅极焊盘151b各自与控制元件102电连接。
30.金属板122与金属板121分离。在本实施方式中，向金属板122施加基准电位，从p端子106向金属板121施加正电压。在金属板122，经由导电性接合层15而搭载有控制元件102。导电性接合层15将控制元件102向金属板122进行机械接合，并且将控制元件102与金属板122进行电连接。此外，在通过使金属板122与gnd端子112一体化或者通过键合导线8而电连接的情况下，作为变形例，能够取代导电性接合层15而使用绝缘性接合层，并且将金属板121的电位设为基准电位。
31.如图2所示，控制元件102在面内方向上与高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b错开地配置。另外，如图2所示，金属板122在面内方向上与高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b错开地配置。
32.图4是概略地表示对比例的系统700的结构的图。就系统700的功率模块500而言，与本实施方式不同，控制元件102经由绝缘性接合层而接合于金属板123(参照图2)之上。因此，在对比例中，控制元件102没有在面内方向上与高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b错开地配置。其结果，在控制元件102的希望维持为基准电位的部分与从n端子108施加分流电压的金属板123之间产生耦合电容5。因此，经由该耦合电容5，分流电压的变动使控制元件102的希望维持为基准电位的部分的电位变动。由于该电位变动，在控制元件102的配线流过过大的电流，由此，有时产生热破坏。通过使用浮置电源作为对控制元件102进行驱动的电源4而避免该电流的产生。但是，浮置电源的利用会使系统700的电路复杂化。
33.根据本实施方式，低电位侧开关元件141b与高电位侧开关元件141a至少部分地层叠。由此，能够利用由将多个元件进行层叠带来的优点。另一方面，控制元件102在面内方向上与高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b错开地配置。换言之，控制元件102不与高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b层叠。高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b所具有的电位与分流电压相对应地发生变动，但根据上述配置，抑制了该变动经由耦合电容5(图4)而导致控制元件102的基准电位的变动。因此，不使用复杂的结构就能够降低分流电压带给控制元件102的不良影响。综上所述，能够利用由将多个元件进行层叠带来的优点，并且，不使用复杂的结构就能够降低分流电压带给控制元件102的不良影响。
34.如图2所示，金属板122在面内方向上与高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b错开地配置。高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b所具有的电位与分流电压相对应地发生变动，但根据上述配置，抑制了该变动经由耦合电容5(图4)而导致金属板122的电位的变动。因此，在金属板122的电位对应于控制元件102的基准电位的情况下，能够进一步降低分流电压带给控制元件102的不良影响。
35.在金属板122与控制元件102之间设置有导电性接合层15(图3)。由此，容易得到使
金属板122的电位与控制元件102的基准电位相对应的结构。
36.＜实施方式2＞
37.图5是概略地表示本实施方式2涉及的功率模块502以及分流电阻3的结构的俯视图。栅极焊盘151b在面内方向上与高电位侧开关元件141a至少局部错开地配置，优选如图5所示整体错开地配置。键合导线8的与栅极焊盘151b接合的端部ed在面内方向上与高电位侧开关元件141a错开地配置。低电位侧开关元件141b在面内方向上具有第1至第4角部c1～c4，低电位侧开关元件141b的栅极焊盘151b相比于第1至第3角部c1～c3而配置于第4角部c4的附近。
38.此外，关于上述以外的结构，由于与上述实施方式1的结构大致相同，因此对相同或者相应的要素标注相同的标号，不重复其说明。
39.根据本实施方式，栅极焊盘151b在面内方向上与高电位侧开关元件141a至少局部错开地配置。由此，能够降低用于得到与低电位侧开关元件141b的栅极焊盘151b之间的电连接的工序带给高电位侧开关元件141a的损伤。具体地说，能够防止作为高电位侧开关元件141a的半导体芯片的裂纹以及缺损的产生。因此，在功率模块502的制造中，成品率提高，因此，生产性提高。
40.键合导线的端部在面内方向上与高电位侧开关元件141a错开地配置。由此，能够降低对键合导线进行接合的工序带给高电位侧开关元件141a的损伤。
41.低电位侧开关元件141b的栅极焊盘151b配置于第4角部c4的附近。由此，能够将低电位侧开关元件141b的与高电位侧开关元件141a层叠的部分的面积确保得大，并且，使低电位侧开关元件141b的栅极焊盘151b在面内方向上与高电位侧开关元件141a至少局部地错开。
42.＜实施方式3＞
43.图6是概略地表示本实施方式3涉及的功率模块503的结构的俯视图。
44.功率模块503具有高电位侧开关元件241a(第3半导体开关元件)、低电位侧开关元件241b(第4半导体开关元件)、对高电位侧开关元件241a以及低电位侧开关元件241b进行控制的控制元件202(第2控制元件)。低电位侧开关元件241b与高电位侧开关元件241a串联连接，在厚度方向上与高电位侧开关元件241a至少局部地层叠。控制元件202对高电位侧开关元件241a以及低电位侧开关元件241b进行控制。控制元件202在面内方向上与高电位侧开关元件241a以及低电位侧开关元件241b错开地配置。
45.另外，功率模块503具有高电位侧开关元件341a(第5半导体开关元件)、低电位侧开关元件341b(第6半导体开关元件)、对高电位侧开关元件341a以及低电位侧开关元件341b进行控制的控制元件302(第3控制元件)。低电位侧开关元件341b与高电位侧开关元件341a串联连接，在厚度方向上与高电位侧开关元件341a至少局部地层叠。控制元件302对高电位侧开关元件341a以及低电位侧开关元件341b进行控制。控制元件302在面内方向上与高电位侧开关元件341a以及低电位侧开关元件341b错开地配置。
46.另外，功率模块503具有p端子206、输出端子207、n端子208、vcc端子209、vin
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a端子210、vin
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b端子211、gnd端子212和cin端子213。另外，功率模块503具有p端子306、输出端子307、n端子308、vcc端子309、vin
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a端子310、vin
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b端子311、gnd端子312和cin端子313。
47.根据以上的结构，功率模块503通过以适当的相位向vin
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a端子110、vin
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b端子
111、vin
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a端子210、vin
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b端子211、vin
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a端子310、vin
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b端子311输入外部信号，从而能够从输出端子107、输出端子207、输出端子307产生三相交流。
48.在本实施方式中，在金属板121经由导电性接合层14(参照图3)而搭载有高电位侧开关元件141a、高电位侧开关元件241a和高电位侧开关元件341a。另外，金属板123经由导电性接合层14(参照图3)而与低电位侧开关元件141b、低电位侧开关元件241b、低电位侧开关元件341b接合。
49.此外，关于上述以外的结构，由于与上述实施方式1或2的结构大致相同，因此，对相同或者相应的要素标注相同的标号，不重复其说明。
50.根据本实施方式，不仅进行由高电位侧开关元件141a以及低电位侧开关元件141b实现的控制，还进行由高电位侧开关元件241a以及低电位侧开关元件241b实现的控制。因此，能够进行多相的控制而非单相的控制。并且，通过进行由高电位侧开关元件341a以及低电位侧开关元件341b实现的控制，从而能够进行三相的控制。
51.在金属板121搭载有高电位侧开关元件141a以及高电位侧开关元件241a这两者。由此，能够通过简单的结构而向高电位侧开关元件141a以及高电位侧开关元件241a这两者供给共通的电位。此外，在本实施方式中，在金属板121还搭载有高电位侧开关元件341a，进一步进行简化。通过该简化，能够减小功率模块503的面内方向上的面积。此外，作为变形例，也可以为了高电位侧开关元件141a、高电位侧开关元件241a以及高电位侧开关元件341a各自而设置独立的金属板。
52.金属板123与低电位侧开关元件141b以及低电位侧开关元件241b这两者接合。由此，能够通过简单的结构而向低电位侧开关元件141b以及低电位侧开关元件241b这两者供给共通的电位。此外，在本实施方式中，金属板123还与低电位侧开关元件341b接合，进一步进行简化。通过该简化，从而能够减小功率模块503的面内方向上的面积。此外，作为变形例，也可以为了低电位侧开关元件141b、低电位侧开关元件241b以及低电位侧开关元件341b各自而设置独立的金属板。
53.此外，能够对各实施方式自由地进行组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。
54.标号的说明
55.3分流电阻，4电源，5耦合电容，8键合导线，9壳体，14、15导电性接合层，102第1控制元件，106p端子，107输出端子，108n端子，109vcc端子，110vin
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a端子，111vin
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b端子，112gnd端子，113cin端子，121～124第1～第4金属板，141a高电位侧开关元件(第1半导体开关元件)，141b低电位侧开关元件(第2半导体开关元件)，151a、151b栅极焊盘，202第2控制元件，206p端子，207输出端子，208n端子，209vcc端子，210vin
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a端子，211vin
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b端子，212gnd端子，241a高电位侧开关元件(第3半导体开关元件)，241b低电位侧开关元件(第4半导体开关元件)，302第3控制元件，306p端子，307输出端子，308n端子，309vcc端子，310vin
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a端子，311vin
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b端子，312gnd端子，313cin端子，341a高电位侧开关元件(第5半导体开关元件)，341b低电位侧开关元件(第6半导体开关元件)，500～503功率模块，601负载驱动装置，700、701系统，900负载，c1～c4第1～第4角部。