JP7237475B2 - Power modules and switching power supplies - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュール及びスイッチング電源の放熱と電磁波吸収構造に関する。 The present invention relates to a power module and a switching power supply for heat dissipation and electromagnetic wave absorption structure.

スイッチング電源装置においては、次世代デバイスの進展に伴いスイッチングの高速化が進んでいる。スイッチングの高速化は、ノイズを発生し易く、電源や周辺機器の動作が不安定になるという課題があった。 In switching power supply devices, the speed of switching is increasing along with the development of next-generation devices. Higher switching speeds tend to generate noise, and there is a problem that the operation of power supplies and peripheral devices becomes unstable.

ノイズ低減に対しては、特許文献1のような先行技術がある。この特許文献1においては、アナログ高周波処理を行う回路とデジタルロジック処理を行う回路を混在させたモジュールICのそれぞれの回路が発生するノイズがモジュールIC内の他の回路に影響を与えないようにする集積回路が開示されている。この集積回路では、デジタルロジック回路とアナログ高周波回路の少なくとも一方を、電磁波吸収体樹脂で封止して、一体のパッケージに収納させた構成とし、電磁波吸収体樹脂で封止された回路から放射されるノイズが、この電磁波吸収体樹脂で吸収されて、集積回路内の他の回路へのノイズの影響を低減させるようにしている。 For noise reduction, there is a prior art such as Patent Document 1. In Patent Document 1, noise generated by each circuit of a module IC in which a circuit for analog high-frequency processing and a circuit for digital logic processing are mixed is prevented from affecting other circuits in the module IC. An integrated circuit is disclosed. In this integrated circuit, at least one of a digital logic circuit and an analog high-frequency circuit is sealed with an electromagnetic wave absorbing resin and housed in an integrated package. The electromagnetic wave absorber resin absorbs noise from the electromagnetic wave, thereby reducing the influence of the noise on other circuits in the integrated circuit.

通信機器はGHz帯の周波数を使用するため、電磁波が発生しやすく、一般に電磁波吸収体が設けられている。電磁波吸収体は、マイクロ波IC用パッケージの一部に配置する方法と、素子を覆うように直接配置する方法がある。 Since communication devices use frequencies in the GHz band, they are likely to generate electromagnetic waves, and are generally provided with electromagnetic wave absorbers. The electromagnetic wave absorber can be arranged in a part of the microwave IC package or directly arranged so as to cover the device.

特許文献2では、マイクロ波IC用パッケージにおいて、絶縁性フレキシブル基板の一方の面にマイクロ波信号用配線、接地用配線、直流バイアス供給用配線が形成され、絶縁性フレキシブル基板の一方の面と反対側の面の少なくとも一部に、電磁波吸収材料を配置している。 In Patent Document 2, in a microwave IC package, a microwave signal wiring, a grounding wiring, and a DC bias supply wiring are formed on one surface of an insulating flexible substrate, and the one surface of the insulating flexible substrate is opposite to the other surface. An electromagnetic wave absorbing material is arranged on at least part of the side surface.

特許文献3では、素子間干渉電波シールド型高周波モジュール及び電子装置に関し、MCM型回路基板上に簡易封止して実装されたチップ間の電磁波干渉を抑えるために、配線を設けた回路基板上に搭載した複数の能動素子チップの内のミリ波以上の高周波帯域で作動する能動素子チップを、能動素子チップの動作周波数帯域に電磁波吸収効果のある金属粒子を分散させた絶縁樹脂層によって封止している。 Patent Document 3 relates to an inter-element interference electromagnetic wave shield type high frequency module and an electronic device. Of the multiple active element chips mounted, the active element chip that operates in a high frequency band of millimeter waves or higher is sealed with an insulating resin layer in which metal particles that have an electromagnetic wave absorption effect are dispersed in the operating frequency band of the active element chip. ing.

特許文献4は、電磁波の他、温度にも注目し、内部で発生した電磁波を効率良く吸収することができ、不要な電磁波の放射を抑制することができるとともに、内部が局所的に高温度になるのを防止でき、内部温度の上昇を低減することができるようにしている。発熱する電磁波発生源を内蔵した通信モジュールにおいて、電磁波発生源からの電磁波を吸収する電磁波吸収体と、電磁波発生源と電磁波吸収体との間に挟み込まれたシート状の伝熱体とを備え、電磁波吸収体を貫通し伝熱体に至る棒状の複数の伝熱部材をアレイ状に配置して、電磁波吸収体の外側に配置した伝熱性基材に電磁波発生源が発生した熱を伝達するようにしている。 In addition to electromagnetic waves, Patent Document 4 also focuses on temperature, can efficiently absorb electromagnetic waves generated inside, can suppress radiation of unnecessary electromagnetic waves, and the inside is locally high temperature. It is possible to prevent it from becoming hot, and to reduce the rise in the internal temperature. A communication module containing a heat-generating electromagnetic wave source, comprising: an electromagnetic wave absorber that absorbs electromagnetic waves from the electromagnetic wave source; and a sheet-like heat conductor sandwiched between the electromagnetic wave source and the electromagnetic wave absorber, A plurality of bar-shaped heat transfer members penetrating the electromagnetic wave absorber and reaching the heat transfer member are arranged in an array so as to transfer the heat generated by the electromagnetic wave source to the heat conductive base material arranged outside the electromagnetic wave absorber. I have to.

特開2002-134679号公報JP-A-2002-134679 特開平6-188322号公報JP-A-6-188322 特開2003-298004号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-298004 特開2007-251639号公報JP 2007-251639 A

しなしながら、従来技術は特許文献1のように、小さい電力(数W程度)のICに効果があるが、次世代デバイスを搭載した高速大電力変換モジュール(数kWレンジモジュール)にそのまま適用しようとしても、数百V数百A級(例えば400V100A級)のスイッチングで生じる高dv/dt、高di/dt、寄生インダクタ等に起因する大きなノイズを抑制できない。また、従来技術においては、熱ストレスサイクル試験や高温高湿試験など、パワーモジュールに要求される実用レベルの耐性がないといった課題があった。 However, as in Patent Document 1, the conventional technology is effective for ICs with small power (about several W), but let's apply it as it is to high-speed high-power conversion modules (several kW range modules) equipped with next-generation devices. Even so, it is not possible to suppress large noise caused by high dv/dt, high di/dt, parasitic inductors, etc., which occur in switching of several hundred volts and several hundred amperes (for example, 400 volts and 100 amperes). In addition, the prior art has a problem that it does not have a practical level of resistance required for power modules such as thermal stress cycle tests and high-temperature and high-humidity tests.

パワーモジュールは、高電圧を高速にスイッチングすることが要求され、近年においては、次世代デバイスの進展に伴いチョッパ回路におけるスイッチングの高速化が進んでいる。スイッチングの高速化は、例えばスイッチングのターンオフタイミングで、スイッチング素子に対して大きなサージ電圧が印加されストレスをもたらす場合があり、更には、寄生インダクタンスや寄生コンデンサ等の条件によっては、自励発振して制御不能となる場合もあった。 Power modules are required to switch high voltage at high speed, and in recent years, with the development of next-generation devices, the switching speed of chopper circuits is increasing. High-speed switching may cause stress when a large surge voltage is applied to the switching element at, for example, the turn-off timing of switching. Sometimes it got out of control.

次世代のスイッチング素子には、SiC(シリコン・カーバイド)やGaN(ガリウム・ナイトライド)といった高電圧、大電流での高速スイッチング可能な素子が使用され、数百ボルトで数百アンペアレベルのMHzオーダーでのスイッチングとなる。このため、スイッチング素子の寄生容量や寄生インダクタンスによる高周波ノイズは電磁波として他の電子機器に影響を及すという課題がある。 Next-generation switching elements will use elements such as SiC (silicon carbide) and GaN (gallium nitride) that are capable of high-speed switching at high voltages and large currents. Switching at . Therefore, there is a problem that high-frequency noise due to parasitic capacitance and parasitic inductance of the switching element affects other electronic devices as electromagnetic waves.

スイッチング周波数の高周波数化に対しては、dv/dtによるノイズは避けられず、電流iによる配線でのdi/dtに比例した寄生インダクタンスの逆起電力が発生し、電磁波となって放射される。 As the switching frequency increases, noise due to dv/dt is unavoidable, and a parasitic inductance back electromotive force proportional to di/dt is generated in wiring due to current i, and is radiated as electromagnetic waves. .

電磁波のシールは、通信機器においては電磁波吸収体を使用し、マイクロ波IC用パッケージの一部に配置する方法と、素子を覆うように直接配置する方法が従来から採用されているが、通信機器での信号はパワースイッチングデバイスに比べて電圧がかなり低い。さらに、通信機器での電磁波は、使用周波数によるノイズであり、電磁波対策を行う周波数が明確である。 Conventionally, electromagnetic waves are shielded by using an electromagnetic wave absorber in communication equipment and arranging it in a part of the microwave IC package, or by directly arranging it so as to cover the element. The signals at are much lower in voltage compared to power switching devices. Furthermore, the electromagnetic waves in communication equipment are noise due to the frequencies used, and the frequencies at which electromagnetic wave countermeasures should be taken are clear.

これに対して、高電圧、大電流での高速スイッチング動作を伴うパワーモジュール等は、通信機器での使用周波数に相当するスイッチング周波数ではなく、寄生インダクタンスや寄生容量に起因して発生する電磁波である。このため、電磁波対策を行う対応周波数も不明確であり、通信機器における電磁波対策のような電磁波吸収体をマイクロ波IC用パッケージの一部に配置したり、素子を覆うように直接配置したりする方法のみでは不十分であった。また、通信機器内部における素子に対する対策が開示されているが、内部配線に対しては何ら示唆されていない。 On the other hand, power modules, etc., which involve high-speed switching operations at high voltage and large current, generate electromagnetic waves due to parasitic inductance and parasitic capacitance rather than the switching frequency corresponding to the frequency used in communication equipment. . For this reason, the corresponding frequency for electromagnetic wave countermeasures is also unclear, and electromagnetic wave absorbers such as electromagnetic wave countermeasures in communication equipment are arranged in a part of the microwave IC package or directly arranged so as to cover the element. Methods alone were not enough. In addition, although countermeasures for elements inside communication equipment are disclosed, nothing is suggested for internal wiring.

本発明は、入出力条件や設計条件に制限されずに、スイッチング電源の高電圧化、高速スイッチング化に伴う寄生インダクタンスによるノイズの発生、電磁波の発生、発熱を抑制し、電磁波発生の少ない低ノイズ・高効率で安定的なスイッチング動作を可能とするパワーモジュール及びスイッチング電源を提供することを目的としている。なお、パワーモジュールは、複数のパワー半導体を組み合わせ、電源関係の回路を集積した部品であり、ここでは、主にスイッチング動作を伴うパワーモジュールを対象とし、その配線パターンを含めている。スイッチング電源は、スイッチング動作を伴うパワーモジュールを使用した電源である。 The present invention suppresses the generation of noise, generation of electromagnetic waves, and heat generation due to parasitic inductance associated with high voltage and high-speed switching of switching power supplies without being limited by input/output conditions and design conditions, and suppresses generation of electromagnetic waves and low noise.・The purpose is to provide a power module and a switching power supply that enable highly efficient and stable switching operation. A power module is a component that combines a plurality of power semiconductors and integrates power supply-related circuits. Here, power modules that involve switching operations are mainly targeted, and their wiring patterns are included. A switching power supply is a power supply using a power module with switching operation.

本発明は、実装された電子部品がパッケージされたパワーモジュール及びスイッチング電源の電磁波の発生を抑制するために、素子間を接続する配線パターンにより、寄生インダクタンスを低減するとともに、効果的な熱の放出を行っている。さらに発生した電磁波は、配線パターンを電磁波吸収材で覆うことにより吸収する。 In order to suppress the generation of electromagnetic waves in a power module and a switching power supply in which mounted electronic components are packaged, the present invention reduces parasitic inductance and effectively releases heat by means of a wiring pattern that connects elements. It is carried out. Furthermore, the generated electromagnetic waves are absorbed by covering the wiring pattern with an electromagnetic wave absorbing material.

(1)本発明のパワーモジュールは、スイッチング素子と、配線ラインの配線幅より幅の広い放熱配線幅有する放熱部を備えた配線パターンと、を備えていることを特徴としている。 (1) A power module of the present invention is characterized by comprising a switching element and a wiring pattern having a heat radiation portion having a heat radiation wiring width wider than the wiring width of a wiring line.

(2)本発明のパワーモジュールにおいては、配線ラインと放熱部は交互に接続されていることが好ましい。 (2) In the power module of the present invention, it is preferable that the wiring lines and the heat radiation portions are alternately connected.

(3)本発明のパワーモジュールにおいては、配線ラインの長さは、前記配線ラインの幅の2倍以下であることが好ましい。 (3) In the power module of the present invention, it is preferable that the length of the wiring line is not more than twice the width of the wiring line.

(4)本発明のパワーモジュールにおいては、配線ラインを接続する接続部は、配線ラインの幅以下の接続幅であり、接続部の接続長さは接続線の接続幅より小さいことが好ましい。 (4) In the power module of the present invention, it is preferable that the connecting portion connecting the wiring line has a connecting width equal to or less than the width of the wiring line, and the connecting length of the connecting portion is smaller than the connecting width of the connecting line.

(5)本発明のパワーモジュールにおいては、配線パターンは、電流の流れる方向に幅が分割されていてもよい。 (5) In the power module of the present invention, the width of the wiring pattern may be divided in the direction of current flow.

(6)本発明のパワーモジュールにおいては、放熱部は、リード間のスペースに突き出すように設けることができる。 (6) In the power module of the present invention, the heat dissipation part can be provided so as to protrude into the space between the leads.

(7)本発明のパワーモジュールにおいては、リード間の放熱部は、長さより幅が広いことが好ましい。 (7) In the power module of the present invention, it is preferable that the heat radiation portion between the leads is wider than the length.

(8)本発明のパワーモジュールにおいては、放熱部は、電磁波吸収材で覆われていることが好ましい。 (8) In the power module of the present invention, the heat radiation part is preferably covered with an electromagnetic wave absorbing material.

(9)本発明のパワーモジュールにおいては、電磁波吸収材は、絶縁性の樹脂を配線パターン側にした2層構造であってもよい。 (9) In the power module of the present invention, the electromagnetic wave absorbing material may have a two-layer structure with the insulating resin on the wiring pattern side.

(10)本発明のパワーモジュールにおいては、電磁波吸収材は、導電性電磁波吸収材、誘電性電磁波吸収材又は磁性電磁波吸収材のいずれかであってもよい。 (10) In the power module of the present invention, the electromagnetic wave absorber may be a conductive electromagnetic wave absorber, a dielectric electromagnetic wave absorber, or a magnetic electromagnetic wave absorber.

(11)本発明のパワーモジュールにおいては、電磁波吸収材は、電磁波の伝播を変化させる電磁波偏向体が含まれていてもよい。 (11) In the power module of the present invention, the electromagnetic wave absorber may contain an electromagnetic wave deflector that changes propagation of electromagnetic waves.

(12)本発明のパワーモジュールにおいては、電磁波吸収材は、スイッチング素子のオン・オフで発生するdv/dt又はdi/dtに対応した周波数の電磁波を吸収する電磁波吸収材であることが好ましい。 (12) In the power module of the present invention, the electromagnetic wave absorbing material is preferably an electromagnetic wave absorbing material that absorbs electromagnetic waves having a frequency corresponding to dv/dt or di/dt generated when switching elements are turned on and off.

(13)本発明のパワーモジュールにおいては、スイッチング素子のパッケージがワイヤボンディングで配線ラインに接続され、ワイヤに起因する寄生インダクタンスと配線パターンに起因する寄生インダクタンスが存在する場合は、ワイヤに起因する寄生インダクタンスが最小となるように、スイッチング素子のICパッケージのワイヤボンディング用パッドの位置に対応して、ボンディングされる1又は2以上のワイヤが最も短くなる位置に配線パターンを設け、配線パターンは放熱部を備えていることが好ましい。 (13) In the power module of the present invention, when the package of the switching element is connected to the wiring line by wire bonding and there is a parasitic inductance caused by the wire and a parasitic inductance caused by the wiring pattern, the parasitic inductance caused by the wire A wiring pattern is provided at a position where one or more wires to be bonded are the shortest, corresponding to the position of the wire bonding pad of the IC package of the switching element, so that the inductance is minimized, and the wiring pattern is located on the heat dissipation part. is preferably provided.

(14)本発明のパワーモジュールにおいては、スイッチング素子は、ガリウムナイトライド、炭化シリコン、酸化ガリウム、又は、ダイヤモンドから成る半導体素子であることが好ましい。 (14) In the power module of the present invention, the switching elements are preferably semiconductor elements made of gallium nitride, silicon carbide, gallium oxide, or diamond.

(15)本発明のパワーモジュールは、1つの回路内に複数個のパワーモジュールを備え、当該パワーモジュールは、上記(1)から(14)に記載のいずれかのパワーモジュールである。 (15) A power module of the present invention includes a plurality of power modules in one circuit, and the power module is any one of the power modules described in (1) to (14) above.

(16)本発明のスイッチング電源は、パワーモジュールを備えたスイッチング電源であり、当該パワーモジュールは、上記(1)から(14)に記載のいずれかのパワーモジュールである。 (16) A switching power supply according to the present invention is a switching power supply including a power module, and the power module is any one of the power modules described in (1) to (14) above.

(1)本発明のパワーモジュールによれば、スイッチング素子と、配線ラインの配線幅より幅の広い放熱配線幅有する放熱部を備えた配線パターンとを備えていることから、放熱部の幅を広くして、寄生インダクタンスを減少させるとともに放熱効果を向上させることができる。 (1) According to the power module of the present invention, since it is equipped with a switching element and a wiring pattern having a heat dissipation portion having a heat dissipation wiring width wider than the wiring width of the wiring line, the width of the heat dissipation portion can be widened. As a result, the parasitic inductance can be reduced and the heat dissipation effect can be improved.

(2)本発明のパワーモジュールによれば、配線ラインと放熱部が交互に接続されていることから、寄生インダクタンスの減少と放熱効果を高めることができる。放熱部は、配線ラインより幅が広いため、寄生インダクタンスが小さく放熱部の面積が広くなり放熱が効果的に行える。 (2) According to the power module of the present invention, since the wiring lines and the heat dissipation portions are alternately connected, it is possible to reduce the parasitic inductance and enhance the heat dissipation effect. Since the heat radiating portion is wider than the wiring line, the parasitic inductance is small and the area of the heat radiating portion is widened, so that heat can be effectively dissipated.

(3)本発明のパワーモジュールにおいては、配線ラインの長さは、前記配線ラインの幅の2倍以下である。ここで、配線ラインは、長さが長くなるほど寄生インダクタンスが大きくなるが、長さに比例して寄生インダクタンスが大きくなるのではなく、指数関数的に増大する。このため、同じ長さなら、長さ方向に分割して直列接続した方が寄生インダクタンスを小さくすることができる。従って、寄生インダクタンスを小さくするためには、本発明のパワーモジュールの場合のように、配線ラインの長さを幅の2倍以下とすることが効果的である。 (3) In the power module of the present invention, the length of the wiring line is twice or less the width of the wiring line. Here, as the length of the wiring line increases, the parasitic inductance increases, but the parasitic inductance does not increase in proportion to the length, but increases exponentially. Therefore, if the length is the same, the parasitic inductance can be reduced by dividing it in the length direction and connecting it in series. Therefore, in order to reduce the parasitic inductance, it is effective to set the length of the wiring line to twice or less than the width as in the power module of the present invention.

(4)本発明のパワーモジュールにおいては、配線ラインを接続する接続部は、配線ラインの幅以下の接続幅であり、接続部の接続長さは接続線の幅より小さい。放熱部の配線パターンの寄生インダクタンスは、同じ長さの配線パターンなら、分割して直列に並べた方が小さくなる。このため、長さを限定して、寄生インダクタンスの低減を図ることができるが、本発明のパワーモジュールの場合のように、接続部は、長さ寸法より幅寸法を小さくすることにより、寄生インダクタンスを抑えることができる。 (4) In the power module of the present invention, the connection portion connecting the wiring line has a connection width equal to or less than the width of the wiring line, and the connection length of the connection portion is smaller than the width of the connection line. The parasitic inductance of the wiring pattern of the heat radiating section is smaller when the wiring patterns have the same length and are divided and arranged in series. Therefore, it is possible to reduce the parasitic inductance by limiting the length. can be suppressed.

(5)本発明のパワーモジュールにおいては、配線パターンは、電流の流れる方向に幅が分割されていてもよい。配線パターンの寄生インダクタンスは、同じ長さで同じ幅なら、電流の流れる長さ方向に分割して平行に並べた方が寄生インダクタンスは小さくなるからである。 (5) In the power module of the present invention, the width of the wiring pattern may be divided in the direction of current flow. This is because the parasitic inductance of the wiring pattern can be reduced by dividing the wiring patterns in the length direction in which the current flows and arranging them in parallel if the wiring patterns have the same length and width.

(6)本発明のパワーモジュールによれば、放熱部が、リード間のスペースに突き出すように設けられていることから、リード間のスペースを放熱部として有効に利用することができる。 (6) According to the power module of the present invention, since the heat radiating section is provided so as to protrude into the space between the leads, the space between the leads can be effectively used as the heat radiating section.

(7)本発明のパワーモジュールにおいては、リード間の放熱部が、長さ寸法より幅寸法が大きい。ここで、放熱部の配線パターンの寄生インダクタンスは、幅が広いほど小さくなる。このため、本発明のパワーモジュールの場合のように、幅寸法を長さ寸法より大きくすることで寄生インダクタンスを小さくすることができる。 (7) In the power module of the present invention, the width dimension of the heat radiation portion between the leads is larger than the length dimension. Here, the parasitic inductance of the wiring pattern of the heat dissipation part becomes smaller as the width becomes wider. Therefore, as in the case of the power module of the present invention, the parasitic inductance can be reduced by making the width dimension larger than the length dimension.

(8)本発明のパワーモジュールにおいては、放熱部が、電磁波吸収材で覆われている。放熱部を広くすることによりスイッチング素子で発生する熱を放熱し易くなるが、一方では寄生インダクタンスに起因して発生するノイズが電磁波としてパワーモジュールの外部へ放射され易くなる。このため、本発明のパワーモジュールの場合のように、放熱部が電磁波吸収材で覆われていることにより、電磁波を吸収してパワーモジュール外部への放射を抑圧することができる。 (8) In the power module of the present invention, the heat radiation part is covered with the electromagnetic wave absorbing material. By widening the heat dissipation portion, heat generated by the switching element can be easily dissipated, but on the other hand, noise caused by parasitic inductance can be easily radiated to the outside of the power module as electromagnetic waves. Therefore, as in the case of the power module of the present invention, by covering the heat radiation part with an electromagnetic wave absorbing material, electromagnetic waves can be absorbed and radiation to the outside of the power module can be suppressed.

(9)本発明のパワーモジュールによれば、電磁波吸収材が、絶縁性の樹脂を配線パターン側にした2層構造であることから、電磁波吸収材が導電性であっても絶縁されるため、電磁波吸収材の幅広い選択が可能となる。 (9) According to the power module of the present invention, the electromagnetic wave absorbing material has a two-layer structure with the insulating resin on the wiring pattern side. A wide selection of electromagnetic wave absorbers is possible.

(10)本発明のパワーモジュールによれば、電磁波吸収材が、導電性電磁波吸収材、誘電性電磁波吸収材又は磁性電磁波吸収材のいずれかであることから、幅広い電磁波吸収材が使用可能であり、電磁波の性質に対応して材料が選定可能である。導電性電磁波吸収材、誘電性電磁波吸収材と磁性電磁波吸収材を複数組み合わせてもよい。 (10) According to the power module of the present invention, since the electromagnetic wave absorbing material is any one of a conductive electromagnetic wave absorbing material, a dielectric electromagnetic wave absorbing material, and a magnetic electromagnetic wave absorbing material, a wide range of electromagnetic wave absorbing materials can be used. , the material can be selected according to the properties of the electromagnetic wave. A plurality of conductive electromagnetic wave absorbing materials, dielectric electromagnetic wave absorbing materials, and magnetic electromagnetic wave absorbing materials may be combined.

(11)本発明のパワーモジュールによれば、電磁波吸収材は、電磁波の伝播を変化させる電磁波偏向体が含まれていることから、電磁波偏向体により電磁波を散乱させて、電磁波の吸収効率を向上させることができる。 (11) According to the power module of the present invention, since the electromagnetic wave absorbing material includes the electromagnetic wave deflector that changes the propagation of the electromagnetic wave, the electromagnetic wave deflector scatters the electromagnetic wave and improves the absorption efficiency of the electromagnetic wave. can be made

(12)本発明のパワーモジュールによれば、電磁波吸収材が、スイッチング素子のオン・オフで発生するdv/dt又はdi/dtに対応した周波数の電磁波を吸収する電磁波吸収材であることから、発生ノイズに対応した電磁波吸収材により、効率よく電磁波を抑制できる。 (12) According to the power module of the present invention, since the electromagnetic wave absorbing material is an electromagnetic wave absorbing material that absorbs electromagnetic waves having a frequency corresponding to dv/dt or di/dt generated when the switching element is turned on and off, Electromagnetic waves can be efficiently suppressed by an electromagnetic wave absorber corresponding to generated noise.

(13)本発明のパワーモジュールによれば、スイッチング素子のパッケージがワイヤボンディングで配線ラインに接続され、ワイヤに起因する寄生インダクタンスと配線パターンに起因する寄生インダクタンスが存在する場合は、ワイヤに起因する寄生インダクタンスが最小となるように、スイッチング素子のICパッケージのワイヤボンディング用パッドの位置に対応して、ボンディングされる1又は2以上のワイヤが最も短くなる位置に配線パターンを設け、配線パターンは放熱部を備えていることから、寄生インダクタンスが集中するワイヤを最も短くすることができ、寄生インダクタンスを抑制できる。 (13) According to the power module of the present invention, when the package of the switching element is connected to the wiring line by wire bonding and there is a parasitic inductance caused by the wire and a parasitic inductance caused by the wiring pattern, the parasitic inductance caused by the wire In order to minimize parasitic inductance, a wiring pattern is provided at a position where one or more wires to be bonded are the shortest, corresponding to the position of the wire bonding pad of the IC package of the switching element, and the wiring pattern dissipates heat. Since the portion is provided, the wire on which the parasitic inductance concentrates can be made the shortest, and the parasitic inductance can be suppressed.

(14)本発明のパワーモジュールによれば、スイッチング素子が、ガリウムナイトライド、炭化シリコン、酸化ガリウム、又は、ダイヤモンドから成る半導体素子であることから、高電圧、高速スイッチングによる高効率化と低ノイズを可能化するパワーモジュールを提供することができる。 (14) According to the power module of the present invention, the switching element is a semiconductor element made of gallium nitride, silicon carbide, gallium oxide, or diamond. can provide a power module that enables

(15)本発明のパワーモジュールは、1つの回路内に上記(1)~(14)のいずれかに記載のパワーモジュールを複数個組み合わせたパワーモジュールであってもよく、低ノイズで安定なスイッチング動作を可能とするパワーモジュールを提供することができる。 (15) The power module of the present invention may be a power module in which a plurality of power modules according to any one of (1) to (14) are combined in one circuit, and low noise and stable switching are possible. A power module can be provided that enables operation.

(16)本発明のスイッチング電源は、上記(1)~(14)のいずれかに記載のパワーモジュールを搭載したスイッチング電源とすることにより、低ノイズで安定なスイッチング動作を可能とするスイッチング電源を提供することができる。 (16) A switching power supply of the present invention is a switching power supply equipped with the power module according to any one of the above (1) to (14), thereby enabling stable switching operation with low noise. can provide.

本発明の配線パターンを説明する図である。It is a figure explaining the wiring pattern of this invention. 平板の自己インダクタンスの近似式20を説明する図である。It is a figure explaining the approximation formula 20 of the self-inductance of a flat plate. 平板の自己インダクタンス(長さ)を、近似式から計算した結果を示す図であり、幅を固定して長さをパラメータとしている。FIG. 10 is a diagram showing the results of calculation of the self-inductance (length) of a flat plate using an approximation formula, where the width is fixed and the length is used as a parameter. 平板の自己インダクタンス(幅)を、近似式から計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the self-inductance (width) of a flat plate from the approximation formula. 平板の自己インダクタンスを計算した結果から考えられる寄生インダクタンスを小さくするための配線パターンの例Aを説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining an example A of a wiring pattern for reducing parasitic inductance that can be considered from the result of calculating the self-inductance of a flat plate; 平板の自己インダクタンスを計算した結果から考えられる寄生インダクタンスを小さくするための他の配線パターンの例Bを説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining another wiring pattern example B for reducing parasitic inductance that can be considered from the result of calculating the self-inductance of the flat plate; 円筒の自己インダクタンスの近似式40を説明する図である。It is a figure explaining the approximation formula 40 of the self-inductance of a cylinder. 円筒の自己インダクタンスを、近似式から計算した結果を示す図であり、径を固定して長さをパラメータとしている。FIG. 4 is a diagram showing the result of calculating the self-inductance of a cylinder from an approximation formula, in which the diameter is fixed and the length is used as a parameter. 円筒の自己インダクタンスを近似式から計算した結果を示す図であり、長さを固定して半径をパラメータとしている。FIG. 10 is a diagram showing the result of calculating the self-inductance of a cylinder from an approximation formula, where the length is fixed and the radius is used as a parameter. 同期整流式降圧型DC/DCコンバータの基本回路である。This is the basic circuit of a synchronous rectification step-down DC/DC converter. 同期整流式降圧型DC/DCコンバータ寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路である。This is an equivalent circuit considering synchronous rectification step-down DC/DC converter parasitic inductance and parasitic capacitance. スイッチング素子を含む配線部を電磁波吸収材で覆ったパワーモジュールを説明する斜視図である。FIG. 4 is a perspective view illustrating a power module in which a wiring portion including switching elements is covered with an electromagnetic wave absorbing material; スイッチング素子を含む配線部を絶縁材と電磁波吸収材で覆ったパワーモジュールの模式的断面図Aを説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional view A of a power module in which a wiring portion including switching elements is covered with an insulating material and an electromagnetic wave absorbing material; パワーモジュールの模式的断面図Bを説明する図である。It is a figure explaining typical sectional drawing B of a power module. 電磁波偏向体入り電磁波吸収材を説明する図である。It is a figure explaining the electromagnetic wave absorber containing an electromagnetic wave deflection body. 実施例で使用したカスコード素子の平面図である。FIG. 4 is a plan view of a cascode element used in Examples; カスコード素子の等価回路を説明する図である。FIG. 4 is a diagram explaining an equivalent circuit of a cascode element; 本発明を実施するためのパワーモジュール等価回路138を示す図である。Fig. 13 shows a power module equivalent circuit 138 for implementing the present invention; 代表的なパワーモジュール用配線パターンの例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the typical wiring pattern for power modules. 実施例に係るパワーモジュール例Aを説明する図である。It is a figure explaining the power module example A which concerns on an Example. 別の実施例に係るパワーモジュール例Bを説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a power module example B according to another embodiment; パワーモジュール例Bのケルビン接続の考え方を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the concept of Kelvin connection of power module example B; パワーモジュール例Cを説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a power module example C; パワーモジュールの降圧型DC/DCコンバータへの適用例である。This is an application example of a power module to a step-down DC/DC converter. パワーモジュールの昇圧型DC/DCコンバータへの適用例である。This is an application example of a power module to a step-up DC/DC converter. 本発明のパワーモジュールの3相インバータへの適用例164である。164 shows an application example 164 of the power module of the present invention to a three-phase inverter.

以下、本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each of the following embodiments, portions that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.

最近のパワーモジュールやスイッチング電源は、スイッチング素子の高電圧化と高周波数化が進み、従来に増して配線での寄生インダクタンスの低減が必要とされてきており、熱の発生もスイッチング素子からの放熱だけでなく、配線パターンからの放熱も要求されてきている。スイッチング素子には、ガリウムナイトライド、炭化シリコン、酸化ガリウム、又は、ダイヤモンドから成る半導体素子等があり、スイッチング素子の高電圧化と高周波数化は電磁波ノイズの発生も大きな問題となっている。本発明は、寄生インダクタンスの低減と放熱を配線パターンで行い、ノイズにより発生する電磁波は、配線パターンへの電磁波吸収材で抑制することで、これらの問題を解決することを主題としている。 In recent power modules and switching power supplies, the switching elements have become higher voltage and higher frequency, and the reduction of parasitic inductance in wiring has become even more necessary than before. In addition, heat dissipation from wiring patterns has also been required. Switching elements include semiconductor elements made of gallium nitride, silicon carbide, gallium oxide, or diamond, etc. Higher voltages and higher frequencies of switching elements pose a serious problem of electromagnetic wave noise. The main object of the present invention is to solve these problems by reducing parasitic inductance and heat radiation with wiring patterns, and suppressing electromagnetic waves generated by noise with an electromagnetic wave absorbing material for wiring patterns.

まず、寄生インダクタンスの低減と放熱に対応した配線パターンについて説明する。 First, a wiring pattern for reducing parasitic inductance and heat radiation will be described.

図1は、本発明の配線パターンを説明する図である。配線パターン10は、素子A16と素子B18を電気的に接続する導体であり、配線ライン12と放熱部14からなっている。従来の配線パターンは、配線ライン12のみであったが、本発明では、配線ライン12よりも幅の広い放熱部14を設けている。放熱部14は、幅を広くすることにより、面積を広くして熱を放出し易くしている。 FIG. 1 is a diagram for explaining the wiring pattern of the present invention. The wiring pattern 10 is a conductor that electrically connects the element A 16 and the element B 18, and is composed of a wiring line 12 and a heat radiating portion 14. As shown in FIG. A conventional wiring pattern has only the wiring line 12, but in the present invention, a heat radiation portion 14 wider than the wiring line 12 is provided. By widening the width of the heat radiating portion 14, the area is widened and the heat is easily radiated.

放熱部14の幅Wは、線ラインの幅Wよりも広く、放熱面積を広くして、同時に寄生インダクタンスを減少させている。配線ラインの長さLは、配線ラインの幅Wに対して一定範囲内に限定している。放熱部の長さLも、放熱部14の幅Wに対して一定範囲内に限定しており、放熱部の長さLは、放熱部14の幅Wより狭くてもよい。このため、配線ライン12と放熱部14は交互に直列接続された形状とすることが好ましい。素子A16と素子B18の距離が短い場合は、放熱部14が1つでもよい。 The width Wh of the heat radiating portion 14 is wider than the width Wp of the line to widen the heat radiating area and reduce the parasitic inductance at the same time. The length Lp of the wiring line is limited within a certain range with respect to the width Wp of the wiring line. The length L h of the heat radiating portion is also limited within a certain range with respect to the width W h of the heat radiating portion 14 , and the length L h of the heat radiating portion may be narrower than the width W h of the heat radiating portion 14 . Therefore, it is preferable that the wiring lines 12 and the heat radiating portions 14 are alternately connected in series. If the distance between the element A 16 and the element B 18 is short, the number of heat radiating parts 14 may be one.

寄生インダクタンスとなる配線ライン12及び放熱部14の自己インダクタンスは、近似式から計算でき、計算結果を基に、配線パターン10の形状が理論的に考察できる。配線ライン12及び放熱部14の自己インダクタンスは、平板の自己インダクタンスとして近似式から求めることができ、次に説明する。 The self-inductance of the wiring line 12 and the heat dissipation portion 14, which are parasitic inductances, can be calculated from an approximation formula, and the shape of the wiring pattern 10 can be theoretically considered based on the calculation results. The self-inductance of the wiring line 12 and the heat radiating portion 14 can be obtained from an approximation formula as the self-inductance of a flat plate, and will be described below.

図2は、平板の自己インダクタンスの近似式20を説明する図である。平板は、高さH、幅W、長さLの形状とすると、自己インダクタンスLnは、図2に示した近似式で計算できる。近似式から、自己インダクタンスLnは、導電性を前提としているため、材質には影響されず、高さH、幅W、長さLの形状のみで決定されることが分かる。配線パターン10では、厚さ、即ち、高さは数十μmから100μm程度であり、幅に対して十分に小さいために無視でき、自己インダクタンスLnは、長さLと幅Wに対してその影響度を計算した。この近似式は、配線パターン12と放熱部14に適用可能であるが、以下、配線パターン10を例に説明する。 FIG. 2 is a diagram for explaining the approximation formula 20 of the self-inductance of a flat plate. Assuming that the flat plate has a shape of height H, width W, and length L, the self-inductance Ln can be calculated by the approximation formula shown in FIG. From the approximation formula, it can be seen that the self-inductance Ln is determined only by the shape of the height H, width W, and length L without being affected by the material because it is premised on conductivity. In the wiring pattern 10, the thickness, that is, the height is about several tens of μm to 100 μm, which is sufficiently small compared to the width and can be ignored. calculated the degree. Although this approximation formula can be applied to the wiring pattern 12 and the heat dissipation portion 14, the wiring pattern 10 will be described below as an example.

図3は、平板の自己インダクタンスLnを近似式から計算した結果を示す図である。幅を固定して長さをパラメータとした平板の自己インダクタンス(長さ)22である。幅Wは1mmとして、長さLが1mmから10mmに対する平板の自己インダクタンス(長さ)22の変化を計算した結果である。破線は、長さが1mmのときの自己インダクタンスが、長さに比例したと仮定した場合の自己インダクタンスを示している。 FIG. 3 is a diagram showing the result of calculating the self-inductance Ln of a flat plate from an approximation formula. It is the self-inductance (length) 22 of the flat plate whose width is fixed and whose length is a parameter. The width W is 1 mm, and the change in self-inductance (length) 22 of the flat plate is calculated when the length L is from 1 mm to 10 mm. The dashed line indicates the self-inductance when the self-inductance when the length is 1 mm is assumed to be proportional to the length.

長さが1mmのときの自己インダクタンスLnは、0.14nHであり、長さが2倍の2mmのときは、0.51nHである。さらに長さが6mmときは、2.77nHである。長さが長くなると大幅に自己インダクタンスが大きくなっている。 The self-inductance Ln when the length is 1 mm is 0.14 nH, and when the length is doubled to 2 mm, it is 0.51 nH. Furthermore, when the length is 6 mm, it is 2.77 nH. The longer the length, the greater the self-inductance.

この計算結果からは、例えば、素子間距離を2mmとすると、幅1mmで2mmの距離を結ぶ配線ライン12の自己インダクタンスLnは、0.51nHである。これに対して、長さ1mmで、2個直列に並べた配線ライン12とすると、自己インダクタンスLnは0.28nHとなり、約55%の自己インダクタンスとなることを示している。 From this calculation result, for example, if the distance between elements is 2 mm, the self-inductance Ln of the wiring line 12 connecting the distance of 2 mm with a width of 1 mm is 0.51 nH. On the other hand, if two wiring lines 12 with a length of 1 mm are arranged in series, the self-inductance Ln is 0.28 nH, which means that the self-inductance is about 55%.

同様に、素子間距離を6mmとすると、幅1mmで6mmの距離を結ぶ配線ライン12は、自己インダクタンスLnが2.77nHであるのに対して、長さ1mmの配線ライン12を6個直列に並べたとすると、自己インダクタンスLnは0.84nHとなる。長さ2mmの配線ライン12を3個直列に並べたとしても、自己インダクタンスLnは1.53nHであり、単純に配線ライン12で結んだ場合の約55%である。 Similarly, if the distance between elements is 6 mm, the wiring line 12 connecting a distance of 6 mm with a width of 1 mm has a self-inductance Ln of 2.77 nH. If they are arranged side by side, the self-inductance Ln is 0.84 nH. Even if three wiring lines 12 with a length of 2 mm are arranged in series, the self-inductance Ln is 1.53 nH, which is about 55% of the case where the wiring lines 12 are simply connected.

この結果から、配線ライン12の自己インダクタンスLnは、配線ライン12を、複数に分割して直列接続した方が小さくなることが分かる。配線ライン12の分割は、幅の2倍以下とすると自己インダクタンスが約半分となり好適であるが、少なくとも分割により自己インダクタンスを減少させることができる。 From this result, it can be seen that the self-inductance Ln of the wiring line 12 becomes smaller when the wiring line 12 is divided into a plurality of parts and connected in series. If the width of the wiring line 12 is not more than twice the width, the self-inductance is preferably halved, but at least the division can reduce the self-inductance.

図4は、平板の自己インダクタンスを近似式から計算した結果を示す図である。長さLを固定して幅Wをパラメータとして、平板の幅Wの影響を計算した平板の自己インダクタンス(幅)24であり、幅が0.1mmから4.5mmまでの範囲での自己インダクタンスLnの計算結果である。例えば、幅1mmのときの自己インダクタンスは、2.8nHであり、幅2mmのときは、2.18nHであり、幅が3mmの場合は、1.82nHである。幅については、例えば、幅1mmにおける自己インダクタンスLnを1/2にするためには、幅を約5倍にしなければならない。 FIG. 4 is a diagram showing the result of calculating the self-inductance of a flat plate from an approximation formula. The self-inductance (width) 24 of the flat plate calculated by the effect of the width W of the flat plate with the length L fixed and the width W as a parameter, and the self-inductance Ln in the width range from 0.1 mm to 4.5 mm is the calculation result of For example, the self-inductance is 2.8 nH when the width is 1 mm, 2.18 nH when the width is 2 mm, and 1.82 nH when the width is 3 mm. As for the width, for example, in order to halve the self-inductance Ln at a width of 1 mm, the width must be increased about five times.

幅についても分割の考え方を導入することができる。例えば、幅2mmとすると、幅1mmの配線ライン12を2個並列に並べたと仮定すると、自己インダクタンスLnは、1.4mHとなる。幅2mmの配線ライン12は自己インダクタンスLnが2.18nHであるのに対して約64%である。従って、幅に対しても分割して並列に並べた方が自己インダクタンスLnを減少させることができる。 The idea of division can be introduced also for the width. For example, assuming that the width is 2 mm and two wiring lines 12 with a width of 1 mm are arranged in parallel, the self-inductance Ln is 1.4 mH. The wiring line 12 with a width of 2 mm has a self-inductance Ln of 2.18 nH, which is about 64%. Therefore, the self-inductance Ln can be reduced by dividing the width and arranging them in parallel.

以上、平板の自己インダクタンスの計算結果を考察したが、自己インダクタンスは回路にとっては、寄生インダクタンスとなるものであり、寄生インダクタンスを減少させるために、この考察を基に様々な形状の配線パターン10に展開可能である。 In the above, the calculation results of the self-inductance of the flat plate were considered. Self-inductance is a parasitic inductance for the circuit. Expandable.

図5は、平板の自己インダクタンスを計算した結果から考えられる寄生インダクタンスを小さくするための配線パターンの例A26を説明する図である。図5(A)は、図1に示した基本的な配線パターン10に対して、配線ライン12の幅を極端に短くして、放熱部14の接続のみに機能を絞って接続部28とした例である。配線ラインを接続する接続部は、配線ラインの幅以下の接続幅であり、接続部の接続長さは接続線の幅より小さい。図5(B)は、図5(A)の接続部28を、さらに簡易な形状のV字型に切り欠いた切り欠き部30を設け、放熱部とした例である。いずれも配線パターン10を、分割による直列接続することを基本としている。 FIG. 5 is a diagram for explaining an example A26 of a wiring pattern for reducing parasitic inductance that can be considered from the result of calculating self-inductance of a flat plate. In FIG. 5A, the width of the wiring line 12 is extremely shortened with respect to the basic wiring pattern 10 shown in FIG. For example. The connection portion connecting the wiring line has a connection width equal to or less than the width of the wiring line, and the connection length of the connection portion is smaller than the width of the connection line. FIG. 5B shows an example in which a notch portion 30 formed by cutting the connection portion 28 of FIG. In both cases, the wiring pattern 10 is basically connected in series by division.

図5(C)は、図5(A)の配線パターン10を、分離スリット32により平行に2分割した例である。図5(D)は、図5(B)の配線パターン10を、複数の分離スリット32により平行に2分割した例である。配線パターンは、電流の流れる方向と平行に幅が分割されている。分離スリット32は十分に細く、放熱への影響が最小限に抑えられる幅にする。いずれも配線パターン10を、分割による並列接続することを基本としている。 FIG. 5C is an example in which the wiring pattern 10 of FIG. FIG. 5D shows an example in which the wiring pattern 10 of FIG. The width of the wiring pattern is divided in parallel with the direction of current flow. The separation slit 32 is sufficiently thin and has a width that minimizes the effect on heat dissipation. In both cases, the wiring pattern 10 is basically divided and connected in parallel.

図6は、平板の自己インダクタンスを計算した結果から考えられる寄生インダクタンスを小さくするための他の配線パターンの例Bを説明する図である。パワーモジュールは、スイッチング素子を始め、様々な電子部品が搭載され、リードも必要であるため、配線パターンを配する配線領域は自由なスペースがあるわけではない。このような制約の中では、図6(A)に示したように、放熱部14を配線ライン12の片側方向にのみ広げて設ける場合もある。また、図6(B)に示したように、接続部28を片側に偏らせる場合もある。 FIG. 6 is a diagram for explaining another wiring pattern example B for reducing the parasitic inductance that can be considered from the result of calculating the self-inductance of the flat plate. Since the power module is equipped with various electronic components including switching elements and requires leads, it does not mean that there is a free space in the wiring area for arranging the wiring pattern. Under such restrictions, as shown in FIG. 6A, there is a case where the heat dissipation portion 14 is provided so as to extend only in one direction of the wiring line 12 . Also, as shown in FIG. 6B, the connecting portion 28 may be biased to one side.

配線パターン10は、パワーモジュール内での配線領域の制約の中で、図1、図5及び図6から、寄生インダクタンスが最も小さくなり、放熱効果の高い配線パターン10とすることが重要である。 As shown in FIGS. 1, 5 and 6, it is important that the wiring pattern 10 has the smallest parasitic inductance and a high heat dissipation effect within the constraints of the wiring area in the power module.

パワーモジュールに搭載するスイッチング素子はIC化され、ワイヤボンディング用のパッドからワイヤ接続により、配線パターン10に接続する場合がある。この場合は、ワイヤに寄生インダクタンスが発生する。ワイヤは円筒型であり、円筒型の自己インダクタンスの近似式から計算可能である。 A switching element mounted on the power module is integrated and may be connected to the wiring pattern 10 by wire connection from a pad for wire bonding. In this case, a parasitic inductance occurs in the wire. The wire is cylindrical and can be calculated from the approximation of cylindrical self-inductance.

図7は、円筒の自己インダクタンスを求める近似式40を説明する図である。円筒は、半径R、長さLの形状とすると、自己インダクタンスLnは、図7に示した近似式で計算できる。近似式から、自己インダクタンスLnは、導電性を前提としているので材質には影響されず、半径R、長さLの形状のみで決定されることが分かる。ワイヤボンディング用のワイヤ径は数十μmから100μm程度である。自己インダクタンスLnは、長さLと半径Rに対してその影響度を計算した。 FIG. 7 is a diagram for explaining an approximation formula 40 for obtaining the self-inductance of a cylinder. Assuming that the cylinder has a shape of radius R and length L, the self-inductance Ln can be calculated by the approximation formula shown in FIG. From the approximation formula, it can be seen that the self-inductance Ln is determined only by the shape of the radius R and the length L without being affected by the material because it is premised on conductivity. The wire diameter for wire bonding is about several tens of μm to 100 μm. Self-inductance Ln was calculated for the length L and radius R.

図8は、円筒の自己インダクタンスを近似式から計算した結果を示す図であり、径を固定して長さをパラメータとしている。半径Rを15μm(直径30μm)とした場合の円筒の自己インダクタンス(長さ)42と長さLの関係を示している。円筒の場合は、長さが2mm以上では、ほぼ直線的に自己インダクタンスが大きくなる。長さが2mmでは自己インダクタンスLnは1.93nHであり、4mmでは自己インダクタンスLnは4.42Hである FIG. 8 is a diagram showing the result of calculating the self-inductance of a cylinder from an approximation formula, in which the diameter is fixed and the length is used as a parameter. The relationship between the self-inductance (length) 42 of the cylinder and the length L is shown when the radius R is 15 μm (diameter 30 μm). In the case of a cylinder, when the length is 2 mm or more, the self-inductance increases almost linearly. At a length of 2 mm the self-inductance Ln is 1.93 nH and at 4 mm the self-inductance Ln is 4.42 H.

図9は、円筒の自己インダクタンスを近似式から計算した結果を示す図であり、長さを固定して半径をパラメータとしている。長さLを3mmに固定して、円筒の自己インダクタンス44と半径Rとの関係を計算した円筒の自己インダクタンス(径)44である。半径Rが15μm(直径30μm)の場合、自己インダクタンスLnは3.14nHである。半径Rを30μ(直径60μm)としても、自己インダクタンスLnは、2.73nHである。 FIG. 9 is a diagram showing the result of calculating the self-inductance of a cylinder from an approximation formula, in which the length is fixed and the radius is used as a parameter. The self-inductance (diameter) 44 of the cylinder is obtained by calculating the relationship between the self-inductance 44 of the cylinder and the radius R with the length L fixed at 3 mm. When the radius R is 15 μm (diameter 30 μm), the self-inductance Ln is 3.14 nH. Even if the radius R is 30 μm (diameter 60 μm), the self-inductance Ln is 2.73 nH.

この結果から、ワイヤは分割し難いため、ワイヤの長さを短くすることが寄生インダクタンスを減少させるためには効果的であることが分かる。また、径を太くするよりも、複数本のワイヤを並列接続することが効果的であることは明らかである。従って、ワイヤ接続を必要とする場合は、配線パターン10をワイヤボンディング用パッドに最も近接した位置に配置して、ワイヤの長さが短くなるようにする必要がある。 From this result, it can be seen that shortening the length of the wire is effective for reducing the parasitic inductance because the wire is difficult to split. Also, it is clear that connecting multiple wires in parallel is more effective than increasing the diameter. Therefore, when wire connection is required, it is necessary to arrange the wiring pattern 10 at a position closest to the wire bonding pad so that the length of the wire is short.

以上、配線パターン10に起因する寄生インダクタンス低減手段について説明したが、次に具体的な降圧型DC/DCコンバータにより、寄生インダクタンスと関係、ノイズの発生原因について説明する。 The means for reducing the parasitic inductance caused by the wiring pattern 10 has been described above. Next, the relationship between the parasitic inductance and the cause of noise generation will be described using a specific step-down DC/DC converter.

図10は、同期整流式降圧型DC/DCコンバータの基本回路50を示す図である。入力電圧52に並列に入力コンデンサ54が接続されている。降圧型DC/DCコンバータは、変圧比に応じて入力電流の平均値が小さくなるが、瞬時的には出力電流と同じ電流が流れ、これを入力コンデンサ54で平均化する。入力電圧52はチョッパ回路に接続され、第1スイッチング素子62と第2スイッチング素子64は、制御部からのパルス信号により、交互にオン/オフする制御が行われる。これにより、第1スイッチング素子62と第2スイッチング素子64の中間点の出力波形は、スイッチング周波数に対応してパルス波形となる。第1スイッチング素子62と第2スイッチング素子64の中間点の出力波形は、出力コンデンサ60と共に平滑回路を形成し、直列接続された出力インダクタ58を介して直流電圧となり、負荷抵抗66に供給される。 FIG. 10 is a diagram showing a basic circuit 50 of a synchronous rectification step-down DC/DC converter. An input capacitor 54 is connected in parallel with the input voltage 52 . In the step-down DC/DC converter, the average value of the input current decreases according to the transformation ratio, but the same current as the output current instantaneously flows, which is averaged by the input capacitor 54 . The input voltage 52 is connected to the chopper circuit, and the first switching element 62 and the second switching element 64 are alternately turned on/off by pulse signals from the controller. As a result, the output waveform at the intermediate point between the first switching element 62 and the second switching element 64 becomes a pulse waveform corresponding to the switching frequency. An output waveform at an intermediate point between the first switching element 62 and the second switching element 64 forms a smoothing circuit together with the output capacitor 60, becomes a DC voltage through the output inductor 58 connected in series, and is supplied to the load resistor 66. .

降圧型DC/DCコンバータのノイズは、主に配線の寄生インダクタンスとスイッチング素子の寄生容量により発生しており、等価回路により説明する。 Noise in a step-down DC/DC converter is mainly generated by the parasitic inductance of wiring and the parasitic capacitance of switching elements, and will be explained using an equivalent circuit.

図11は、寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路68を示す図である。スイッチング素子はパワーMOSFETとし、第1スイッチング素子62をハイサイドパワーMOSFET80、第2スイッチング素子64をローサイドパワーMOSFET82とした。 FIG. 11 is a diagram showing an equivalent circuit 68 considering parasitic inductance and parasitic capacitance. The switching elements are power MOSFETs, the first switching element 62 is a high side power MOSFET 80 and the second switching element 64 is a low side power MOSFET 82 .

寄生要素は、入力コンデンサ54では寄生インダクタンス70-1とESR(Equivalent Serial Resistance:等価抵抗)である。ESRは配線にも存在し、図11ではまとめてESR72-1とした。パワーMOSFETでは、ミラー容量とゲート容量は考慮せず、ボディダイオードと寄生容量を寄生要素とした。ハイサイドパワーMOSFET80では、ボディダイオード76-1と寄生容量74-1を、ローサイドパワーMOSFET82では、ボディダイオード76-2と寄生容量74-2を寄生要素として等価回路に示している。 Parasitic elements in the input capacitor 54 are a parasitic inductance 70-1 and an ESR (Equivalent Serial Resistance). ESR also exists in the wiring, and is collectively designated as ESR72-1 in FIG. In the power MOSFET, the body diode and the parasitic capacitance were taken as parasitic elements without considering the Miller capacitance and the gate capacitance. In the high-side power MOSFET 80, the body diode 76-1 and the parasitic capacitance 74-1 are shown in the equivalent circuit, and in the low-side power MOSFET 82, the body diode 76-2 and the parasitic capacitance 74-2 are shown as parasitic elements.

出力インダクタ58には、インダクタの巻き線間の寄生容量と基板パターンの寄生容量が発生し、浮遊容量75として示している。出力コンデンサ60では、入力コンデンサ54と同じく、寄生インダクタンス70-5とESR72-2が寄生要素である。配線、レイアウト、ビア等にも寄生インダクタンスが発生するが、図11では配線の寄生インダクタンス70-2、70-3、70-4で示した。 A parasitic capacitance between windings of the inductor and a parasitic capacitance of the substrate pattern occur in the output inductor 58 , which are shown as stray capacitance 75 . In the output capacitor 60, like the input capacitor 54, the parasitic inductance 70-5 and the ESR 72-2 are parasitic elements. Parasitic inductances also occur in wiring, layout, vias, etc., and are indicated by wiring parasitic inductances 70-2, 70-3, and 70-4 in FIG.

ハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82のオン/オフは、制御部56のスイッチング波形78により制御されるが、高周波ノイズは、主にハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82がオフする時に発生する。ハイサイドパワーMOSFET80がオンになると、入力電圧52からハイサイドパワーMOSFET80を通して電流が流れ込み、ローサイドパワーMOSFET82の還流電流をキャンセルするようにローサイドパワーMOSFET82に流れ込む。 The on/off of high-side power MOSFET 80 and low-side power MOSFET 82 is controlled by switching waveform 78 of controller 56, but high-frequency noise is mainly generated when high-side power MOSFET 80 and low-side power MOSFET 82 are turned off. When high-side power MOSFET 80 is turned on, current flows from input voltage 52 through high-side power MOSFET 80 and into low-side power MOSFET 82 so as to cancel the return current of low-side power MOSFET 82 .

ローサイドパワーMOSFET82の電流がゼロになってもローサイドパワーMOSFET82のボディダイオード76-2が有しているリカバリ機能により、蓄積されたキャリアがなくなるまでボディダイオード76-2のカソードからアノードに向かって逆方向電流が流れる。このリカバリ電流は、入力コンデンサ54、ハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82で構成される入力側のループ(図11の破線参照)に流れる短絡電流iであり、ループに存在する全ての寄生容量にエネルギーが蓄積される。 Even if the current of the low-side power MOSFET 82 becomes zero, the recovery function of the body diode 76-2 of the low-side power MOSFET 82 reverses the current from the cathode to the anode of the body diode 76-2 until the accumulated carriers disappear. current flows. This recovery current is the short-circuit current i that flows through the input-side loop (see the broken line in FIG. 11) composed of the input capacitor 54, the high-side power MOSFET 80, and the low-side power MOSFET 82, and energy is supplied to all parasitic capacitances present in the loop. is accumulated.

このエネルギーは、リカバリが働かなくなった瞬間に開放され、この時にループ内の寄生インダクタンスと寄生容量で共振が起きてリンギングとなることにより、高周波ノイズが発生する。この時、ハイサイドパワーMOSFET80はオン状態で導通しているので、ハイサイドパワーMOSFET80の寄生容量74-1は関係なく、高周波リンギングの周波数は、ループの全ての寄生インダクタンスLと寄生容量Cの共振周波数fであり、f=1/2π(L・C1/2で表される。 This energy is released at the moment the recovery stops working, and at this time resonance occurs in the parasitic inductance and parasitic capacitance in the loop, resulting in ringing and high-frequency noise. At this time, since the high-side power MOSFET 80 is conducting in the ON state, the parasitic capacitance 74-1 of the high-side power MOSFET 80 is irrelevant . is the resonance frequency f r of , and is expressed by f r =1/2π(L p ·C p ) 1/2 .

ハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82のオフ時の数百MHzのノイズは、高di/dtの電流サージとして入力コンデンサ54、ハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82の高周波リンギングループを循環する。これによって、入力コンデンサ54にはdi/dtに依存したスパイク電圧が発生し、ハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82には、電圧vに対応したdv/dtのリンギング電圧が発生する。 The noise of several hundred MHz when the high-side power MOSFET 80 and low-side power MOSFET 82 are turned off circulates in the high-frequency ringing loop of the input capacitor 54, high-side power MOSFET 80 and low-side power MOSFET 82 as a high di/dt current surge. As a result, a spike voltage dependent on di/dt is generated in the input capacitor 54, and a ringing voltage of dv/dt corresponding to the voltage v is generated in the high-side power MOSFET 80 and the low-side power MOSFET 82. FIG.

寄生インダクタンスLでは、L・di/dtのリンギング電圧が発生するため、寄生インダクタンスLが大きくなるほどリンギング電圧が大きくなる。 Since a ringing voltage of Lp ·di/ dt is generated at the parasitic inductance Lp, the ringing voltage increases as the parasitic inductance Lp increases.

ループを流れる高周波のリンギング電流iは、ループの面積に依存した磁束を発生させ、この磁束が外部へ向かって放射されるため、電磁波として機器の基板のストリップラインやループにおいて電磁誘導を引き起こす。従って、スイッチング電源等のモジュールでは、ノイズ発生源だけでなく、配線パターンでもリンギング電流iにより寄生インダクタンスで電磁波が発生する。 A high-frequency ringing current i flowing through the loop generates a magnetic flux that depends on the area of the loop, and this magnetic flux is radiated outward, causing electromagnetic induction in the strip line and loop of the board of the device as electromagnetic waves. Therefore, in a module such as a switching power supply, electromagnetic waves are generated by parasitic inductance due to the ringing current i not only in the noise source but also in the wiring pattern.

ノイズ発生源となるハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82は、スイッチングによる熱の発生も著しい。このため、スイッチング素子であるハイサイドパワーMOSFET80とローサイドパワーMOSFET82を放熱材で覆い、放熱させることが効果的である。さらに、熱的側面からは、配線パターンを介して放熱することも必要になり、本発明では放熱部を備えた配線パターンとしている。放熱部は面積を広くしているので、一方では電磁波を発生し易くしている側面があり、配線パターンに対して電磁波吸収材で覆うことが望ましい。また、電磁波吸収材は、スイッチング素子のオン・オフで発生するdv/dt又はdi/dtに対応した周波数の電磁波を吸収する電磁波吸収材であることが望ましい。 The high-side power MOSFET 80 and the low-side power MOSFET 82, which are sources of noise, also generate considerable heat due to switching. Therefore, it is effective to cover the high-side power MOSFET 80 and the low-side power MOSFET 82, which are switching elements, with a heat dissipating material to dissipate the heat. Furthermore, from the thermal aspect, it is also necessary to dissipate heat through the wiring pattern, and in the present invention, the wiring pattern is provided with a heat dissipating portion. Since the heat radiating part has a large area, it has a side surface that makes it easy to generate electromagnetic waves, and it is desirable to cover the wiring pattern with an electromagnetic wave absorbing material. Further, the electromagnetic wave absorbing material is preferably an electromagnetic wave absorbing material that absorbs electromagnetic waves having a frequency corresponding to dv/dt or di/dt generated when the switching element is turned on and off.

図12は、スイッチング素子を含む配線部を電磁波吸収材で覆ったパワーモジュールを説明する斜視図である。モジュール基板94に設けたスイッチング素子と配線パターンを複数配置した配線部106に対して、まず、図12(A)で示したようにスイッチング素子を絶縁性の放熱材110で覆い、さらに、図12(B)で示したように、スイッチング素子と配線部106を電磁波吸収材112で覆っている。配線部106は、外部端子となるリード92に接続されている。 FIG. 12 is a perspective view illustrating a power module in which a wiring portion including switching elements is covered with an electromagnetic wave absorbing material. First, as shown in FIG. 12A, the switching elements are covered with an insulating heat dissipating material 110 for the wiring portion 106 in which a plurality of switching elements and wiring patterns are arranged on the module substrate 94, and then As shown in (B), the switching element and the wiring portion 106 are covered with the electromagnetic wave absorbing material 112 . The wiring portion 106 is connected to a lead 92 serving as an external terminal.

図13は、図12のスイッチング素子を含む配線部106を絶縁材110と電磁波吸収材112で覆ったパワーモジュールの模式的断面図A100を説明する図である。モジュール基板94に設けられたスイッチング素子104は配線部106とワイヤ108で電気的に接続されている。配線部106には、放熱部を備えた配線パターンが配置されている。スイッチング素子104は電磁波と熱の発生源となるため、放熱材110と電磁波吸収材112で覆われている。配線部106は、複数の配線パターン配置されており、配線パターンから放射される電磁波を吸収するため、放熱部は電磁波吸収材112で覆われている。配線ラインを含めた配線パターン全体を電磁波吸収材112で覆ってもよい。 FIG. 13 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional view A100 of a power module in which the wiring portion 106 including the switching elements of FIG. The switching element 104 provided on the module substrate 94 is electrically connected to the wiring portion 106 by the wire 108 . A wiring pattern having a heat dissipation portion is arranged in the wiring portion 106 . Since the switching element 104 is a source of electromagnetic waves and heat, it is covered with a heat radiation material 110 and an electromagnetic wave absorption material 112 . A plurality of wiring patterns are arranged in the wiring section 106, and the heat radiation section is covered with an electromagnetic wave absorbing material 112 in order to absorb electromagnetic waves radiated from the wiring patterns. The entire wiring pattern including wiring lines may be covered with the electromagnetic wave absorbing material 112 .

図14は、パワーモジュールの模式的断面図B114を説明する図である。図14では、図13に対して、配線部106を絶縁材116で覆ってから電磁波吸収材112を重ねている。電磁波吸収材112は、絶縁性の樹脂との2層構造である。放熱材110が絶縁性であるため、放熱材110と絶縁材116を一体として配線部106まで覆ってもよい。放熱材110は、高耐熱高放熱材であることが好ましく、高温高湿試験や熱ストレスサイクル試験の耐性向上に寄与する。 FIG. 14 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional view B114 of the power module. In FIG. 14, the wiring part 106 is covered with the insulating material 116, and then the electromagnetic wave absorbing material 112 is overlaid on the wiring part 106 as compared with FIG. The electromagnetic wave absorbing material 112 has a two-layer structure with an insulating resin. Since the heat radiating material 110 is insulating, the heat radiating material 110 and the insulating material 116 may be integrally covered up to the wiring part 106 . The heat dissipation material 110 is preferably a highly heat-resistant and heat-dissipating material, which contributes to improved resistance to high-temperature, high-humidity tests and thermal stress cycle tests.

高耐熱高放熱材、例えば、無機フィラーを含むリン含有エポキシ樹脂組があり、無機フィラーの配合割合を最適化することで熱伝導性等の向上効果が十分なものとなり、所望の高熱伝導性、線膨張係数を得ることができる。さらに、無機フィラーを含み、分子中にイミド骨格とアリル基を官能基として有する熱硬化性樹脂がある。この他に、ナノハイブリッド技術を応用した熱硬化型のナノコンポジット樹脂がある。この樹脂は有機分子および無機ナノ成分の化学構造を最適化し、両成分間の化学的相互作用により高ガラス転移温度を備え、優れた耐熱性を有する。硬化時に両成分による独立した架橋反応を進行させることで、長期間過酷な熱履歴を受けても各種特性の劣化を抑制可能である Highly heat-resistant and highly heat-dissipating materials, such as phosphorus-containing epoxy resins containing inorganic fillers, can be used. A coefficient of linear expansion can be obtained. Furthermore, there is a thermosetting resin containing an inorganic filler and having an imide skeleton and an allyl group as functional groups in the molecule. In addition, there is a thermosetting nanocomposite resin that applies nanohybrid technology. This resin has an optimized chemical structure of organic molecules and inorganic nanocomponents, and has a high glass transition temperature due to the chemical interaction between both components, and has excellent heat resistance. By promoting independent cross-linking reactions by both components during curing, it is possible to suppress the deterioration of various properties even when exposed to severe heat history for a long period of time.

絶縁性の放熱材110或は絶縁材116で配線部106を覆うことで、電磁波吸収材112は導電性の電磁波吸収材112も選択可能となり、様々な材料が使用できる。 By covering the wiring portion 106 with an insulating heat dissipation material 110 or an insulating material 116, the electromagnetic wave absorbing material 112 can be selected from a conductive electromagnetic wave absorbing material 112, and various materials can be used.

電磁波吸収材112は、電磁波エネルギーである自由空間や無損失媒質を伝播する電磁波によって運ばれるエネルギーを、熱エネルギーに変換することで、電磁波を吸収する。電磁波吸収材112は様々な種類があるが、大別して導電性電波吸収材、誘電性電波吸収材と磁性電波吸収材に分けられる。電磁波吸収材は、導電性電磁波吸収材、誘電性電磁波吸収材又は磁性電磁波吸収材のいずれかである。 The electromagnetic wave absorbing material 112 absorbs electromagnetic waves by converting energy carried by electromagnetic waves propagating in free space or lossless medium, which is electromagnetic wave energy, into heat energy. There are various types of electromagnetic wave absorbing materials 112, but they can be roughly classified into conductive electromagnetic wave absorbing materials, dielectric electromagnetic wave absorbing materials, and magnetic electromagnetic wave absorbing materials. The electromagnetic wave absorber is either a conductive electromagnetic wave absorber, a dielectric electromagnetic wave absorber, or a magnetic electromagnetic wave absorber.

導電性電波吸収材は、発熱機構だけで電磁波を吸収する。導電性電波吸収材に電界を加えられることにより内部電流が流れ、この内部電流が熱エネルギーに変換される。導電性電波吸収材は、抵抗体、抵抗線や抵抗被膜によって形成され、炭素材料や、アルミニウム、銅、ニッケルやステンレス等の金属材料が好ましく、これらの材料を繊維状、ビーズ状や粉状等の形態にして使用する。 A conductive electromagnetic wave absorber absorbs electromagnetic waves only by its heat generating mechanism. When an electric field is applied to the conductive wave absorbing material, an internal current flows, and this internal current is converted into heat energy. The conductive radio wave absorbing material is formed of a resistor, a resistance wire, or a resistance film, and is preferably a carbon material, or a metal material such as aluminum, copper, nickel, or stainless steel. Use in the form of

誘電性電波吸収材は、物質の誘電損失を利用した電波吸収体である。誘電性電波吸収材としては、カーボン材をゴムやウレタンなどに混入して構成されたカーボンゴム、カーボン含有発泡ポリウレタン、カーボン含有発砲ポリスチロールなどがある。これらの誘電性電波吸収材料を多層構造とすることで、表面近くの電磁波減衰を少なくし、内部に伝播するに従って減衰を大きくすることができ、広帯域特性を得ることができる。 A dielectric radio wave absorber is a radio wave absorber that utilizes the dielectric loss of a substance. Dielectric electromagnetic wave absorbers include carbon rubber, carbon-containing polyurethane foam, carbon-containing polystyrene foam, and the like. By forming these dielectric electromagnetic wave absorbing materials into a multi-layered structure, the attenuation of electromagnetic waves near the surface can be reduced, and the attenuation can be increased as the electromagnetic waves propagate inside, thereby obtaining broadband characteristics.

磁性電波吸収材は、磁性損失によってエネルギーを吸収する。導電性電波吸収材と誘電性電波吸収材は、電界により電流が流れることで電磁波を吸収しているが、電磁波吸収材は、磁界によって電磁波を吸収する。交流磁化の周波数に従い磁壁移動により磁化が進行し、周波数が高くなると磁界変化に磁壁移動が追従できず磁壁共鳴が生ずる。ギガヘルツ以上になると回転磁化により磁化が進行するがさらに高周波になると遅れを生じる。回転磁化は、磁界下において容易磁化方向軸のまわりで才差運動する現象である。 Magnetic wave absorbers absorb energy through magnetic loss. Conductive electromagnetic wave absorbers and dielectric electromagnetic wave absorbers absorb electromagnetic waves when currents flow due to electric fields, but electromagnetic wave absorbers absorb electromagnetic waves due to magnetic fields. Magnetization progresses due to domain wall motion according to the frequency of alternating current magnetization, and as the frequency increases, the domain wall motion cannot follow changes in the magnetic field and domain wall resonance occurs. At gigahertz or higher, magnetization progresses due to rotational magnetization, but at higher frequencies there is a delay. Rotational magnetization is a phenomenon of precession around the axis of easy magnetization under a magnetic field.

磁性電波吸収材としては、焼結フェライト、軟磁性金属、鉄カルボニルなどがある。フェライトは、スピネル型フェライト、プレーナー型フェライト、軟磁性金属粒子複合体、マグネットプランバイト型フェライト等がある。 Magnetic wave absorbers include sintered ferrite, soft magnetic metals, iron carbonyl, and the like. Ferrite includes spinel type ferrite, planar type ferrite, soft magnetic metal particle composite, magnet plumbite type ferrite, and the like.

電磁波吸収材112は、導電性電波吸収材、誘電性電波吸収材、磁性電波吸収材の複合材料であってもよい。これらの電磁波吸収材112は、短絡を防ぎ、密着性を向上させるために絶縁性樹脂に配合されているものもある。さらに、電磁波吸収材112に侵入する電磁波の伝播を変化させて、電磁波をより吸収させるために、電磁波偏向体を含ませてもよい。 The electromagnetic wave absorbing material 112 may be a composite material of conductive electromagnetic wave absorbing material, dielectric electromagnetic wave absorbing material, and magnetic electromagnetic wave absorbing material. Some of these electromagnetic wave absorbing materials 112 are mixed with an insulating resin in order to prevent short circuits and improve adhesion. Further, an electromagnetic wave deflector may be included in order to change the propagation of electromagnetic waves entering the electromagnetic wave absorbing material 112 and absorb more electromagnetic waves.

図15は、電磁波偏向体入り電磁波吸収材120を説明する図である。電磁波吸収材112は、電磁波の伝播を変化させる電磁波偏向体124が含まれている。矢印で示した電磁波122が電磁波吸収材112に侵入すると、電磁波偏向体124に当たり偏光する。このため、電磁波122の伝播経路が変化し、電磁波122が散乱する。散乱した電磁波122は、散乱波相互の干渉や、完全反射により電磁波吸収材112に閉じ込められ、電磁波吸収材112からの放出が低減する。これにより、電磁波吸収機能が発現する。電磁波偏向体124は、任意の材料に混入でき、電磁波吸収体112として利用できる。例えば、電磁波吸収特性のほとんどないアクリル樹脂であっても、電磁波偏向体124として気泡を存在させれば、電磁波吸収材112として利用可能である。勿論、従来の導電性電波吸収材、誘電性電波吸収材、磁性電波吸収材に、電磁波偏向体124の中に気泡を存在させてもよい。 FIG. 15 is a diagram illustrating an electromagnetic wave absorber 120 containing an electromagnetic wave deflector. The electromagnetic wave absorber 112 includes an electromagnetic wave deflector 124 that alters the propagation of electromagnetic waves. When an electromagnetic wave 122 indicated by an arrow enters the electromagnetic wave absorber 112, it hits the electromagnetic wave deflector 124 and is polarized. Therefore, the propagation path of the electromagnetic wave 122 changes and the electromagnetic wave 122 scatters. The scattered electromagnetic waves 122 are confined in the electromagnetic wave absorbing material 112 due to mutual interference of scattered waves and perfect reflection, and the emission from the electromagnetic wave absorbing material 112 is reduced. Thereby, an electromagnetic wave absorbing function is exhibited. The electromagnetic wave deflector 124 can be mixed with any material and used as the electromagnetic wave absorber 112 . For example, even an acrylic resin that has almost no electromagnetic wave absorption characteristics can be used as the electromagnetic wave absorber 112 if air bubbles are present as the electromagnetic wave deflector 124 . Of course, air bubbles may exist in the electromagnetic wave deflector 124 in the conventional conductive electromagnetic wave absorbing material, dielectric electromagnetic wave absorbing material, and magnetic electromagnetic wave absorbing material.

<実施例>
以下、本発明のパワーモジュール及びスイッチング電源装置について、図に示す実施例に基づいて説明する。パワーモジュールは、カスコード接続されたスイッチング素子を直列接続したスイッチング素子(チョッパ回路)のパワーモジュールである。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の寸法を厳密に反映したものではない。
<Example>
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A power module and a switching power supply device according to the present invention will be described below based on embodiments shown in the drawings. The power module is a power module of a switching element (chopper circuit) in which cascode-connected switching elements are connected in series. Each drawing is a schematic diagram and does not necessarily strictly reflect actual dimensions.

図16は、実施例で使用したカスコード素子130の平面図である。カスコード素子130は、2つのチップを1組として構成したものであり、GaN-HEMT132とSi-MOSFET134が積層された構造である。Si-MOSFET134は裏面にドレイン電極を有する縦型の素子であり、GaN-HEMT132のソース電極とSi-MOSFET134のドレイン電極、及び、GaN-HEMT132のゲート電極とSi-MOSFET134のソース電極は、積層時に接続されている。カスコード素子130の表面には、GaN-HEMT132のドレイン電極D1、及び、Si-MOSFET134のゲート電極G2とソース電極S2が、図16に示した位置に配置されている。 FIG. 16 is a plan view of the cascode element 130 used in the example. The cascode element 130 is composed of a set of two chips, and has a structure in which a GaN-HEMT 132 and a Si-MOSFET 134 are stacked. The Si-MOSFET 134 is a vertical device having a drain electrode on the back surface. It is connected. On the surface of the cascode element 130, the drain electrode D1 of the GaN-HEMT 132 and the gate electrode G2 and source electrode S2 of the Si-MOSFET 134 are arranged at the positions shown in FIG.

図17は、カスコード素子の等価回路136を説明する図である。カスコード接続は、ノーマリーオン型のスイッチング素子をノーマリーオフ型のスイッチング素子に接続して、ノーマリーオフ型のスイッチング素子として利用できるようにする回路構成である。ノーマリーオン型のスイッチング素子としては、GaN(窒化ガリウム)からなるGaN-HEMTがある。GaNはバンドギャップが3.4eVで、シリコンの1.1eVに比べて大きい。このため、高電圧での動作が可能である。 FIG. 17 is a diagram illustrating an equivalent circuit 136 of the cascode elements. The cascode connection is a circuit configuration in which a normally-on switching element is connected to a normally-off switching element so that it can be used as a normally-off switching element. As a normally-on type switching element, there is a GaN-HEMT made of GaN (gallium nitride). GaN has a bandgap of 3.4 eV, which is larger than 1.1 eV of silicon. Therefore, operation at high voltage is possible.

GaN-HEMTは、窒化ガリウムを用いて半導体ヘテロ接合により誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとした電界効果トランジスタである。このGaN-HEMTは通常、ゲートに電圧を印加しない状態でオンになるノーマリーオン型(デプレッションモード)である。そのため、デプレッションモードのGaN-HEMTをスイッチングするためには、エンハンスメントモードとして働くように、エンハンスメントモードのFETを組み合わせたカスコード接続としている。高速動作が可能なエンハンスメントモードのFETは、Si-MOSFETの他、IGBT等がある。 A GaN-HEMT is a field effect transistor whose channel is a high-mobility two-dimensional electron gas induced by a semiconductor heterojunction using gallium nitride. This GaN-HEMT is normally a normally-on type (depletion mode) that turns on when no voltage is applied to the gate. Therefore, in order to switch the depletion mode GaN-HEMT, a cascode connection is made by combining enhancement mode FETs so as to work as an enhancement mode. Enhancement-mode FETs capable of high-speed operation include IGBTs and the like in addition to Si-MOSFETs.

図18は、本発明を実施するためのパワーモジュール等価回路138である。カスコード素子130-1をハイサイドスイッチング素子、カスコード素子130-2をローサイドスイッチング素子として直列に接続し、ゲート抵抗140-1、140-2とノイズ除去コンデンサ142を搭載する。 FIG. 18 is a power module equivalent circuit 138 for implementing the present invention. A cascode element 130-1 is connected in series as a high side switching element, and a cascode element 130-2 is connected in series as a low side switching element.

ゲート抵抗140-1、140-2は、ハイサイドスイッチング素子のSi-MOSFET134-1及びローサイドスイッチング素子のSi-MOSFET134-2のゲートチャージを制限し、スイッチング波形の立ち上がりと立ち下がりを緩やかにして、オン/オフ時両方のノイズを低減する。ノイズ除去コンデンサ142は、ハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子のノイズを除去するためのスナバコンデンサである。 The gate resistors 140-1 and 140-2 limit the gate charge of the Si-MOSFET 134-1 of the high side switching element and the Si-MOSFET 134-2 of the low side switching element, moderate the rise and fall of the switching waveform, Reduces noise both on and off. The noise elimination capacitor 142 is a snubber capacitor for eliminating noise of the high side switching element and the low side switching element.

ハイサイドスイッチング素子としたカスコード素子130-1のGaN-HEMT132-1のドレイン電極DH1は、ワイヤボンディングで配線パターンに接続され、ノイズ除去コンデンサ142との接続を経て端子T4となるリードに接続される。GaN-HEMT132-1のゲート電極GH1とSi-MOSFET134-1のソース電極SH2は、ワイヤボンディングで同一の配線パターンに接続される。この配線パターンには、ローサイドスイッチング素子としたカスコード素子130-2のGaN-HEMT132-2のドレイン電極DL1もワイヤボンディングで接続され、T3端子となるリードに接続される。 The drain electrode DH1 of the GaN-HEMT 132-1 of the cascode element 130-1 used as the high-side switching element is connected to the wiring pattern by wire bonding, and is connected to the lead that becomes the terminal T4 via the connection to the noise elimination capacitor 142. . The gate electrode GH1 of the GaN-HEMT 132-1 and the source electrode SH2 of the Si-MOSFET 134-1 are connected to the same wiring pattern by wire bonding. The drain electrode DL1 of the GaN-HEMT 132-2 of the cascode element 130-2 used as the low-side switching element is also connected to this wiring pattern by wire bonding, and is connected to the lead serving as the T3 terminal.

ローサイドスイッチング素子としたカスコード素子130-2のGaN-HEMT132-2のゲート電極GL1とSi-MOSFET134-2のソース電極SL2は、ワイヤボンディングでアースとなる接地パターンに接続され、ノイズ除去コンデンサ142との接続を経てT5端子となるリードに接続される。 The gate electrode GL1 of the GaN-HEMT 132-2 and the source electrode SL2 of the Si-MOSFET 134-2 of the cascode element 130-2 used as the low-side switching element are connected to a ground pattern serving as a ground by wire bonding, and connected to the noise elimination capacitor 142. It is connected to the lead that becomes the T5 terminal through the connection.

ハイサイドスイッチング素子としたカスコード素子130-1のSi-MOSFET134-1のゲート電極GH2は、ワイヤボンディングで配線パターンに接続され、ゲート抵抗140-1を介して端子T1となるリードに接続される。ローサイドスイッチング素子としたカスコード素子130-2のSi-MOSFET134-2のゲート電極GL2は、ワイヤボンディングで配線パターンに接続され、ゲート抵抗140-2を介して端子T2なるリードに接続される。 The gate electrode GH2 of the Si-MOSFET 134-1 of the cascode element 130-1, which is the high-side switching element, is connected to the wiring pattern by wire bonding, and is connected to the lead serving as the terminal T1 via the gate resistor 140-1. The gate electrode GL2 of the Si-MOSFET 134-2 of the cascode element 130-2 used as the low-side switching element is connected to the wiring pattern by wire bonding, and is connected to the lead serving as the terminal T2 via the gate resistor 140-2.

図19は、代表的なパワーモジュール用配線パターンの例を説明する図である。パワーモジュールの実施に際し、本発明を適用するための代表的なパワーモジュール用配線パターンの例144である。パターンP1は、リード間のスペースを利用した放熱部14である。放熱部14は、リード間のスペースに突き出すように設けている。リード間の放熱部は、長さより幅が広い。リード用電極パッド146に接続されたリード148はパワーモジュール周辺に外部接続電極として設けられており、リード用電極パッド146間にはスペースがある。このスペースに配線パターン10の放熱部を突き出すようにして配置する。 FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a typical power module wiring pattern. It is an example 144 of a typical power module wiring pattern for applying the present invention when implementing a power module. The pattern P1 is the heat dissipation part 14 using the space between the leads. The heat radiation part 14 is provided so as to protrude into the space between the leads. The heat sink between the leads is wider than it is long. Leads 148 connected to the lead electrode pads 146 are provided around the power module as external connection electrodes, and there is a space between the lead electrode pads 146 . The heat radiation part of the wiring pattern 10 is arranged in this space so as to protrude.

パターンP2は、スペースが十分にある領域、即ち長さが長く幅が広い配線パターンが可能な領域で、接続部28を設けて寄生インダクタンス小さくし、直列接続するパターンである。接続部28は、図5(B)に示した様な切り欠き部30であってもよい。パターンP3は、スペースが十分にある領域、即ち幅広い配線パターンが可能な領域で、分離スリット32を設けて並列接続にして、寄生インダクタンスを減少させるパターンである。 The pattern P2 is a pattern in which a connection portion 28 is provided to reduce parasitic inductance in an area where there is sufficient space, that is, an area in which a long and wide wiring pattern can be formed, and which is connected in series. The connecting portion 28 may be a notch portion 30 as shown in FIG. 5(B). The pattern P3 is a pattern in which a separation slit 32 is provided in an area where there is sufficient space, that is, an area in which a wide wiring pattern is possible, for parallel connection to reduce parasitic inductance.

<パワーモジュール例A>
図20は、実施例に係るパワーモジュール例A150を説明する図である。寄生インダクタンスを減少させるために、図示したように、2か所のパターンP1とパターンP2を採用している。カスコード素子130-2は、カスコード素子130-1に対して90度回転した垂直方向に配置されている。配線パターンは、カスコード素子130-1とカスコード素子130-2からのワイヤボンディング接続が短い距離で可能なように配置されている。
<Power module example A>
FIG. 20 is a diagram illustrating a power module example A150 according to the embodiment. In order to reduce the parasitic inductance, two patterns P1 and P2 are employed as shown. Cascode element 130-2 is arranged in a vertical orientation rotated 90 degrees with respect to cascode element 130-1. The wiring patterns are arranged so that wire bonding connection from the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 can be made in a short distance.

スイッチング素子のパッケージがワイヤボンディングで配線パターンに接続され、ワイヤに起因する寄生インダクタンスと配線パターンに起因する寄生インダクタンスが存在する場合は、ワイヤに起因する寄生インダクタンスが最小となるように、スイッチング素子のICパッケージのワイヤボンディング用端子の位置に対応して、ボンディングされる1又は2以上のワイヤが最も短くなる位置に配線パターンを設ける。 If the package of the switching element is connected to the wiring pattern by wire bonding and there is a parasitic inductance due to the wire and a parasitic inductance due to the wiring pattern, the switching element should be designed so that the parasitic inductance due to the wire is minimized. A wiring pattern is provided at a position where one or more wires to be bonded are the shortest, corresponding to the positions of the wire bonding terminals of the IC package.

ハイサイドスイッチング素子として使用したカスコード素子130-1の周囲に配線パターンを配置した形状である。また、ローサイドスイッチング素子として使用したカスコード素子130-2も周囲に配線パターンを配置した形状である。ゲート電極GH2及びゲート電極GL2は、配線パターンを経由してゲート抵抗140-1とゲート抵抗140-2の電極にワイヤボンディングで接続されている。 It has a shape in which a wiring pattern is arranged around the cascode element 130-1 used as a high-side switching element. The cascode element 130-2 used as the low-side switching element also has a shape in which a wiring pattern is arranged around it. The gate electrode GH2 and the gate electrode GL2 are connected to the electrodes of the gate resistors 140-1 and 140-2 by wire bonding via wiring patterns.

リードには、配線パターンに近い位置にT1~T5端子が接続されている。何も接続されていない端子はNC(Non-Connect)として示されている。即ち、パワーモジュールのリードには、ゲート抵抗140-1へのゲート信号を入力するT1端子,ゲート抵抗140-2へのゲート信号を入力するT2端子、ハイサイドスイッチング素子のSi-MOSFET134-1及びローサイドスイッチング素子のSi-MOSFET134-2の接続点からのT3端子、ハイサイドスイッチング素子のGaN-HEMT132-2のドレイン電極からのT4端子、及び、アースとなるT5-1端子、T5-2端子とT5-3端子が接続される。T4端子とアースであるT5-3端子には、ノイズ除去コンデンサ142を接続している。 Terminals T1 to T5 are connected to the leads at positions near the wiring pattern. A terminal to which nothing is connected is indicated as NC (Non-Connect). That is, the leads of the power module include the T1 terminal for inputting the gate signal to the gate resistor 140-1, the T2 terminal for inputting the gate signal for the gate resistor 140-2, the Si-MOSFET 134-1 of the high side switching element and the T3 terminal from the connection point of the Si-MOSFET 134-2 of the low side switching element, T4 terminal from the drain electrode of the GaN-HEMT 132-2 of the high side switching element, and T5-1 terminal and T5-2 terminal to be the ground. T5-3 terminal is connected. A noise elimination capacitor 142 is connected to the T4 terminal and the ground T5-3 terminal.

熱及び電磁波対策としては、カスコード素子130-1及びカスコード素子130-2を絶縁性の放熱材で覆い、更に全ての配線パターンを含めて全面的に電磁波吸収材で覆う。電磁波吸収材は、高耐熱高放熱で、短絡を防ぎ、密着性を向上させるために絶縁性樹脂に配合されているものもあり、この場合は全面的に電磁波吸収材で覆ってもよい。 As measures against heat and electromagnetic waves, the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 are covered with an insulating heat dissipating material, and the entire surface including all wiring patterns is covered with an electromagnetic wave absorbing material. The electromagnetic wave absorbing material has high heat resistance and high heat dissipation, and is sometimes mixed with an insulating resin to prevent short circuits and improve adhesion. In this case, the entire surface may be covered with the electromagnetic wave absorbing material.

<パワーモジュール例B>
図21は、別の実施例に係るパワーモジュール例B152を説明する図である。寄生インダクタンスを減少させるために、図示したように、パターンP1、パターンP2とパターンP3を採用している。カスコード素子130-1とカスコード素子130-2は、図16(A)で示したソート電極パッドS2とドレイン電極パッドD1を向い合わせの配置とした同じ向きの配置である。配線パターンは、カスコード素子130-1とカスコード素子130-2からのワイヤボンディング接続が短い距離で可能なように配置されている。
<Power module example B>
FIG. 21 is a diagram illustrating a power module example B152 according to another embodiment. To reduce parasitic inductance, patterns P1, P2 and P3 are employed as shown. The cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 are arranged in the same direction with the sort electrode pad S2 and the drain electrode pad D1 shown in FIG. 16A facing each other. The wiring patterns are arranged so that wire bonding connection from the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 can be made in a short distance.

パワーモジュール例Bは、下側にT3端子とアースとなるT5-2端子及びT5-3端子を配置している。T4端子とアースとなるT5-1端子を隣接して設け、ノイズ除去コンデンサ142を接続している。このような配線パターンの配置は、電流ルートを分離するケルビン接続の考え方を基にしている。 In the power module example B, the T3 terminal and the T5-2 and T5-3 terminals serving as the ground are arranged on the lower side. A T4 terminal and a T5-1 terminal serving as a ground are provided adjacent to each other, and a noise elimination capacitor 142 is connected. Such arrangement of wiring patterns is based on the concept of Kelvin connection for separating current routes.

図22は、パワーモジュール例B152のケルビン接続の考え方を説明する図である。図22(A)は図21における電流ルートI及び電流ルートIIを示している。図22(B)は図22(A)における電流ルートI及び電流ルートIIを等価回路で示している。ローサイドスイッチング素子として使用しているカスコード素子130-2のソース電極SL2から流れる電流を、T5-1端子側とT5-2端子側に分離することを意図した配線パターンである。T3端子とT4端子は、降圧型か昇圧型かにより、一方が入力側で他方が出力側となる。 FIG. 22 is a diagram for explaining the concept of the Kelvin connection of the power module example B152. FIG. 22A shows current route I and current route II in FIG. FIG. 22(B) shows the current route I and the current route II in FIG. 22(A) with equivalent circuits. This wiring pattern is intended to separate the current flowing from the source electrode SL2 of the cascode element 130-2 used as the low-side switching element into the T5-1 terminal side and the T5-2 terminal side. One of the T3 terminal and the T4 terminal is the input side and the other is the output side depending on whether it is a step-down type or a step-up type.

ソース電極SL2とアースとなる配線パターンは、入出力関係となるT3端子側の電流ループIとT4端子側の電流ループIIの共通インピーダンスとして働くため、一方の電圧が高いと他の電流ループに対する影響も大きくなる。このため、電流ループを分離することを意図した配線パターンとしている。勿論、完全に分離できるわけではないが、十分に効果がある。 The wiring pattern serving as the source electrode SL2 and the ground acts as a common impedance for the current loop I on the T3 terminal side and the current loop II on the T4 terminal side, which are in the input/output relationship. will also grow. Therefore, the wiring pattern is designed to separate the current loops. Of course, it cannot be completely separated, but it is sufficiently effective.

熱及び電磁波対策は、パワーモジュール例A150と同様に、カスコード素子130-1及びカスコード素子130-2を絶縁性の放熱材で覆い、更に全ての配線パターンを含めて全面的に電磁波吸収材で覆う。電磁波吸収材は、高耐熱高放熱で、短絡を防ぎ、密着性を向上させるために絶縁性樹脂に配合されているものもあり、この場合は全面的に電磁波吸収材で覆ってもよい。 As for heat and electromagnetic wave countermeasures, the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 are covered with an insulating heat-dissipating material, and the whole surface including all wiring patterns is covered with an electromagnetic wave absorbing material in the same manner as the power module example A150. . The electromagnetic wave absorbing material has high heat resistance and high heat dissipation, and is sometimes mixed with an insulating resin to prevent short circuits and improve adhesion. In this case, the entire surface may be covered with the electromagnetic wave absorbing material.

<パワーモジュール例C>
図23は、さらに別の実施例に係るパワーモジュール例C154を説明する図である。寄生インダクタンスを減少させるために、図示したように、2か所のパターンP1とパターンP2を採用している。カスコード素子130-1とカスコード素子130-2は、ソース電極パッドS2とドレイン電極パッドD1を向い合わせの配置とした同じ向きの配置である。配線パターンは、カスコード素子130-1とカスコード素子130-2からのワイヤボンディング接続が短い距離で可能なように配置されている。
<Power module example C>
FIG. 23 is a diagram illustrating a power module example C154 according to yet another embodiment. In order to reduce the parasitic inductance, two patterns P1 and P2 are employed as shown. The cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 are arranged in the same direction with the source electrode pad S2 and the drain electrode pad D1 facing each other. The wiring patterns are arranged so that wire bonding connection from the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 can be made in a short distance.

パワーモジュール例C154は、さらに配線パターンによる電磁波の影響を少なくするために、パワーモジュール例B152のケルビン接続の考え方に加えて、アースとなる配線パターンで、カスコード素子130-1とカスコード素子130-2を囲むように接地パターンを配置している。図23で示した様に、T3端子となるリードを挟んで、アースとなるT5-3端子とT5-4端子をリードに接続している。これにより、接地パターンを、カスコード素子130-1とカスコード素子130-2を囲むように配置することができ、電磁波を抑制する効果がある。 In the power module example C154, in addition to the concept of the Kelvin connection of the power module example B152, in order to further reduce the influence of the electromagnetic wave due to the wiring pattern, the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 are connected to the ground wiring pattern. The ground pattern is arranged so as to surround the As shown in FIG. 23, the T5-3 terminal and the T5-4 terminal, which serve as the ground, are connected to the lead with the lead serving as the T3 terminal interposed therebetween. Thereby, the ground pattern can be arranged so as to surround the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2, which has the effect of suppressing electromagnetic waves.

ハイサイドスイッチング素子となるカスコード素子130-1のドレイン電極DH1からは、接地パターンを空間で横切ってワイヤで配線パターンに接続することになるが、絶縁性材料又は絶縁性の電磁波吸収材で空間が埋まるので、影響は少ない。 The drain electrode DH1 of the cascode element 130-1, which is the high-side switching element, crosses the ground pattern with a space and is connected to the wiring pattern with a wire. Since it is filled, the impact is small.

熱及び電磁波対策は、パワーモジュール例A150と同様に、カスコード素子130-1及びカスコード素子130-2を絶縁性の放熱材で覆い、更に全ての配線パターンを含めて全面的に電磁波吸収材で覆う。電磁波吸収材は、高耐熱高放熱で、短絡を防ぎ、密着性を向上させるために絶縁性樹脂に配合されているものもあり、この場合は全面的に電磁波吸収材で覆ってもよい。 As for heat and electromagnetic wave countermeasures, the cascode element 130-1 and the cascode element 130-2 are covered with an insulating heat-dissipating material, and the whole surface including all wiring patterns is covered with an electromagnetic wave absorbing material in the same manner as the power module example A150. . The electromagnetic wave absorbing material has high heat resistance and high heat dissipation, and is sometimes mixed with an insulating resin to prevent short circuits and improve adhesion. In this case, the entire surface may be covered with the electromagnetic wave absorbing material.

パワーモジュールへの適用は、カスコード接続の素子で説明したが、ノーマリーオフ型の高耐圧で高周波数化が可能なGaN-HEMTからなる素子を直列に接続したスイッチング回路でもよく、ガリウムナイトライドを始め、炭化シリコン、酸化ガリウム、又は、ダイヤモンドから成る半導体素子でもよい。 Although cascode-connected elements have been described for application to power modules, switching circuits in which normally-off type high-voltage GaN-HEMT elements capable of operating at high frequencies are connected in series may also be used. It may be a semiconductor element made of silicon carbide, gallium oxide, or diamond to begin with.

<スイッチング電源への適用例>
図24は、本発明によるパワーモジュールの同期整流式の降圧型DC/DCコンバータへの適用例160である。ここで使用するパワーモジュール156は、図20で示したパワーモジュール例A150、図21で示したパワーモジュール例B152又は図23で示したパワーモジュール例C154の何れのパワーモジュールであってもよい。
<Example of application to switching power supply>
FIG. 24 shows an application example 160 of the power module according to the present invention to a synchronous rectification step-down DC/DC converter. The power module 156 used here may be any of the power module example A150 shown in FIG. 20, the power module example B152 shown in FIG. 21, or the power module example C154 shown in FIG.

入力電圧DCinは入力コンデンサCinでノイズが除去され、パワーモジュール156でスイッチングにより矩形波となり、ハイサイトスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の中間から、降圧されたパルス波形が出力される。このパルス波形は、出力インダクタLoutと出力コンデンサCoutにより平滑化され、直流の出力電圧DCoutとなる。 The input voltage DC in has noise removed by the input capacitor C in , becomes a rectangular wave by switching in the power module 156, and a stepped-down pulse waveform is output from between the high-side switching element and the low-side switching element. This pulse waveform is smoothed by an output inductor L out and an output capacitor C out to become a DC output voltage DC out .

図25は、本発明によるパワーモジュールの同期整流式の昇圧型DC/DCコンバータへの適用例162である。ここで使用するパワーモジュール156は、図20で示したパワーモジュール例A、図21で示したパワーモジュール例B又は図23で示したパワーモジュール例Cの何れのパワーモジュールであってもよい。 FIG. 25 shows an application example 162 of the power module according to the present invention to a synchronous rectification step-up DC/DC converter. The power module 156 used here may be any power module of the power module example A shown in FIG. 20, the power module example B shown in FIG. 21, or the power module example C shown in FIG.

同期整流式の昇圧型DC/DCコンバータ162は、降圧型DC/DCコンバータ160におけるパワーモジュールと入出力関係を逆にして使用している。入力電圧DCinは入力コンデンサCinでノイズが除去され、ローサイドスイッチング素子がオンしている間に入力インダクタLinに電流エネルギーを蓄え、ローサイドスイッチング素子がオフになっても、ハイサイドスイッチング素子がオンとなり、入力インダクタLinは直前の電流値をキープしようと働き、電圧を継ぎ足すように電力を供給して昇圧動作を行い、昇圧された電圧が、出力コンデンサCoutにより平滑化され、直流の出力電圧DCoutが得られる。 The synchronous rectification step-up DC/DC converter 162 uses the power module in the step-down DC/DC converter 160 with the input/output relationship reversed. Noise is removed from the input voltage DC in by the input capacitor C in , current energy is stored in the input inductor L in while the low side switching element is on, and even if the low side switching element is off, the high side switching element When the input inductor L in is turned on, the input inductor L in works to keep the previous current value, and power is supplied so as to supplement the voltage to perform a step-up operation. of the output voltage DC out is obtained.

<パワーモジュールの組み合わせによる適用例>
図26は、本発明によるパワーモジュールの3相インバータへの適用例164である。ここで使用するパワーモジュール156-1、156-2、156-3は、図20で示したパワーモジュール例A150、図21で示したパワーモジュール例B152又は図23で示したパワーモジュール例C154の何れのパワーモジュールであってもよい。
<Example of application by combining power modules>
FIG. 26 shows an application example 164 of the power module according to the present invention to a three-phase inverter. The power modules 156-1, 156-2, and 156-3 used here are any of the power module example A150 shown in FIG. 20, the power module example B152 shown in FIG. 21, or the power module example C154 shown in FIG. power module.

3相インバータへの適用例164では、3個のパワーモジュール156-1、156-2、156-3を使用し、それぞれのパワーモジュール156-1、156-2、156-3のゲート入力制御することにより、U相、V相、W相の3相交流電圧を出力する。 In an application example 164 to a three-phase inverter, three power modules 156-1, 156-2, and 156-3 are used, and the gate input of each power module 156-1, 156-2, and 156-3 is controlled. As a result, a three-phase AC voltage of U-phase, V-phase, and W-phase is output.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible without departing from the gist of the present invention.

10 配線パターン
12 配線ライン
14 放熱部
16 素子A
18 素子B
20 平板の自己インダクタンスの近似式
22 平板の自己インダクタンス(長さ)
24 平板の自己インダクタンス(幅)
26 配線パターンの例A
28 接続部
30 切り欠き部
32 分離スリット
36 配線パターンの例B
40 円筒の自己インダクタンスの近似式
42 円筒の自己インダクタンス(長さ)
44 円筒の自己インダクタンス(径)
50 同期式降圧型DC/DCコンバータの基本回路
52 入力電圧
54 入力コンデンサ
56 制御部
58 出力インダクタ
60 出力コンデンサ
62 第1スイッチング素子
64 第2スイッチング素子
66 負荷抵抗
68 寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路
70-1、70-2、70-3、70-4、70-5 寄生インダクタンス
72-1、72-2 ESR
74-1、74-2 寄生容量
75 浮遊容量
76-1、76-2 ボディダイオード
78 スイッチング波形
80 ハイサイドパワーMOSFET
82 ローサイドパワーMOSFET
90 電磁波吸収材を使用したパワーモジュール
92 リード
94 モジュール基板
100 パワーモジュールの模式的断面図A
104 スイッチング素子
106 配線部
108 ワイヤ
110 放熱材
112 電磁波吸収材
114 パワーモジュールの模式的断面図B
116 絶縁材
120 電磁波偏向体入り電磁波吸収材
122 電磁波
124 電磁波偏向体
130、130-1、130-2 カスコード素子
132、132-1、132-2 GaN-HEMT
134、134-1、134-2 Si-MOSFET
136 カスコード接続の等価回路
138 パワーモジュール等価回路
140-1、140-2 ゲート抵抗
142 ノイズ除去コンデンサ
144 モジュール用配線パターンの例
146 リード用電極パッド
148 リード
150 パワーモジュール例A
152 パワーモジュール例B
154 パワーモジュール例C
156、156-1、156-2,156-3 パワーモジュール
160 降圧型DC/DCコンバータへの適用例
162 昇圧型DC/DCコンバータへの適用例
164 3相インバータへの適用例
10 wiring pattern 12 wiring line 14 heat sink 16 element A
18 element B
20 Approximation formula of self-inductance of flat plate 22 Self-inductance of flat plate (length)
24 Self-inductance of flat plate (width)
26 Wiring pattern example A
28 connection part 30 notch part 32 separation slit 36 wiring pattern example B
40 Cylinder self-inductance approximation formula 42 Cylinder self-inductance (length)
44 cylinder self-inductance (diameter)
50 Basic circuit of synchronous step-down DC/DC converter 52 Input voltage 54 Input capacitor 56 Control unit 58 Output inductor 60 Output capacitor 62 First switching element 64 Second switching element 66 Load resistor 68 Equivalent considering parasitic inductance and parasitic capacitance Circuits 70-1, 70-2, 70-3, 70-4, 70-5 Parasitic inductances 72-1, 72-2 ESR
74-1, 74-2 Parasitic capacitance 75 Floating capacitance 76-1, 76-2 Body diode 78 Switching waveform 80 High side power MOSFET
82 Low side power MOSFET
90 Power module using electromagnetic wave absorbing material 92 Lead 94 Module substrate 100 Schematic cross-sectional view A of power module
104 Switching element 106 Wiring part 108 Wire 110 Heat dissipation material 112 Electromagnetic wave absorbing material 114 Schematic cross-sectional view B of power module
116 insulating material 120 electromagnetic wave absorber containing electromagnetic wave deflector 122 electromagnetic wave 124 electromagnetic wave deflector 130, 130-1, 130-2 cascode element 132, 132-1, 132-2 GaN-HEMT
134, 134-1, 134-2 Si-MOSFETs
136 Cascode connection equivalent circuit 138 Power module equivalent circuit 140-1, 140-2 Gate resistor 142 Noise elimination capacitor 144 Wiring pattern example for module 146 Lead electrode pad 148 Lead 150 Power module example A
152 Power module example B
154 Power module example C
156, 156-1, 156-2, 156-3 Power module 160 Application example to step-down DC/DC converter 162 Application example to step-up DC/DC converter 164 Application example to 3-phase inverter

Claims (14)

スイッチング素子と、
前記スイッチング素子を囲むように配置された複数の配線パターンとを備えるパワーモジュールであって、
前記複数の配線パターンのうち一の配線パターンである第1配線パターンには、少なくとも2本のリードが隣接して配設されており、
前記第1配線パターンは、前記2本のリードの間にあるスペースに突き出すように配置された突出部を有することを特徴とするパワーモジュール。
a switching element;
A power module comprising a plurality of wiring patterns arranged to surround the switching element,
At least two leads are arranged adjacent to each other in a first wiring pattern, which is one wiring pattern among the plurality of wiring patterns, and
The power module, wherein the first wiring pattern has a protruding portion arranged to protrude into the space between the two leads.
請求項1に記載のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールは、2つのスイッチング素子を備えるハーフブリッジ回路であり、
前記第1配線パターンは、ハーフブリッジ回路の中点に対応する中点用配線パターンであり、前記突出部は、前記中点用配線パターンに設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 1,
The power module is a half bridge circuit comprising two switching elements,
The power module, wherein the first wiring pattern is a middle point wiring pattern corresponding to a middle point of a half bridge circuit, and the projecting portion is provided on the middle point wiring pattern.
請求項1に記載のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールは、2つのスイッチング素子を備えるハーフブリッジ回路であり、
前記第1配線パターンは、前記2つのスイッチング素子のうちいずれか一方のスイッチング素子における電力端子に接続された電力端子用配線パターンであり、前記突出部は、前記電力端子用配線パターンに設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 1,
The power module is a half bridge circuit comprising two switching elements,
The first wiring pattern is a power terminal wiring pattern connected to a power terminal of one of the two switching elements, and the protrusion is provided on the power terminal wiring pattern. A power module characterized by:
2つのスイッチング素子と、
複数の配線パターンとを備えるハーフブリッジ回路を備えるパワーモジュールであって、
前記ハーフブリッジ回路の中点に対応する中点用配線パターンには、少なくとも2本のリードが隣接して配設されており、
前記中点用配線パターンは、前記2本のリードの間にあるスペースに突き出すように配置された突出部を有することを特徴とするパワーモジュール。
two switching elements;
A power module comprising a half bridge circuit comprising a plurality of wiring patterns,
At least two leads are arranged adjacent to each other in the midpoint wiring pattern corresponding to the midpoint of the half bridge circuit,
The power module according to claim 1, wherein the midpoint wiring pattern has a projecting portion arranged to project into a space between the two leads.
請求項2~4のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記2つのスイッチング素子として、第1ドレイン電極、第1ソース電極及び第1ゲート電極を有するノーマリオン型の第1半導体チップと、第2ドレイン電極、第2ソース電極及び第2ゲート電極を有し、前記第1ソース電極が前記第2ドレイン電極と電気的に接続された状態となるように前記第1半導体チップ上の平面的に見て前記第1半導体チップと重なる位置に配置されたノーマリオフ型の第2半導体チップとを有し、前記第1ゲート電極が、前記第2ソース電極と電気的に接続されているカスコードスイッチからなるハイサイド用スイッチング素子及びローサイド用スイッチング素子を備え、
前記ハイサイド用スイッチング素子の前記第2ソース電極は、前記ローサイド用スイッチング素子の前記第1ドレイン電極と電気的に接続されていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 2 to 4,
The two switching elements include a normally-on first semiconductor chip having a first drain electrode, a first source electrode and a first gate electrode, and a second drain electrode, a second source electrode and a second gate electrode. , a normally-off type capacitor disposed at a position overlapping with the first semiconductor chip when viewed in plan on the first semiconductor chip so that the first source electrode is electrically connected to the second drain electrode; and a high-side switching element and a low-side switching element comprising a cascode switch in which the first gate electrode is electrically connected to the second source electrode,
A power module, wherein the second source electrode of the high-side switching element is electrically connected to the first drain electrode of the low-side switching element.
請求項1~5のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記複数の配線パターンは、配線ラインの側部に凹部又は切り欠きが形成された配線パターン分割直列接続構造、及び/又は、配線パターンが分離スリット又は複数の分離スリットにより平行に2分割された接続パターン分割並列接続構造を有することを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 1 to 5,
The plurality of wiring patterns has a wiring pattern division serial connection structure in which recesses or notches are formed in the side portions of the wiring lines, and/or a connection in which the wiring patterns are divided into two in parallel by a separation slit or a plurality of separation slits. A power module having a pattern division parallel connection structure.
請求項1~6のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記スイッチング素子及び/又は前記配線パターンは、電磁波吸収材で覆われていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 1 to 6,
A power module, wherein the switching element and/or the wiring pattern are covered with an electromagnetic wave absorbing material.
請求項7に記載のパワーモジュールにおいて、
前記電磁波吸収材は、絶縁性の樹脂を配線パターン側にした2層構造であることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 7,
The power module, wherein the electromagnetic wave absorbing material has a two-layer structure in which the insulating resin is on the wiring pattern side.
請求項7に記載のパワーモジュールにおいて、
前記電磁波吸収材は、絶縁性の樹脂に配合されていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 7,
A power module, wherein the electromagnetic wave absorbing material is mixed with an insulating resin.
請求項7に記載のパワーモジュールにおいて、
前記電磁波吸収材は、導電性電磁波吸収材、誘電性電磁波吸収材又は磁性電磁波吸収材のいずれかであることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 7,
A power module, wherein the electromagnetic wave absorbing material is any one of a conductive electromagnetic wave absorbing material, a dielectric electromagnetic wave absorbing material, and a magnetic electromagnetic wave absorbing material.
請求項7に記載のパワーモジュールにおいて、
前記電磁波吸収材は、電磁波の伝播を変化させる電磁波偏向体が含まれていることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to claim 7,
A power module, wherein the electromagnetic wave absorber includes an electromagnetic wave deflector that changes propagation of electromagnetic waves.
請求項7~11のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記電磁波吸収材は、前記スイッチング素子のオン・オフで発生するdv/dt又はdi/dtに対応した周波数の電磁波を吸収する電磁波吸収材であることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 7 to 11,
The power module, wherein the electromagnetic wave absorbing material is an electromagnetic wave absorbing material that absorbs electromagnetic waves having a frequency corresponding to dv/dt or di/dt generated when the switching element is turned on and off.
請求項1~12のいずれかに記載のパワーモジュールにおいて、
前記スイッチング素子は、ガリウムナイトライド、炭化シリコン、酸化ガリウム、又は、ダイヤモンドから成る半導体素子であることを特徴とするパワーモジュール。
In the power module according to any one of claims 1 to 12,
A power module, wherein the switching element is a semiconductor element made of gallium nitride, silicon carbide, gallium oxide, or diamond.
請求項1~13のいずれかに記載のパワーモジュールを備えることを特徴とするスイッチング電源。 A switching power supply comprising the power module according to any one of claims 1 to 13.
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