半導體模塊、led驅動裝置以及led照明裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供半導體模塊、LED驅動裝置以及LED照明裝置。該半導體模塊具有：由導電性材料構成的單個支承薄板、包含橫型柵控制型元件的第1半導體芯片、包含縱型整流元件的第2半導體芯片，所述橫型柵控制型元件具有形成在所述第1半導體芯片的一個主面上的第1主端子、第2主端子、控制端子，所述縱型整流元件具有形成在所述第2半導體芯片的一個主面上的陽極和形成在所述第2半導體芯片的另一個主面上的陰極，所述第1半導體芯片和所述第2半導體芯片固定在所述單個支承薄板上，所述第1主端子與所述單個支承薄板低電阻連接，所述陰極直接與所述單個支承薄板低電阻連接。根據本實用新型，能夠有助于LED驅動裝置等開關電路的小型化。
【專利說明】半導體模塊、LED驅動裝置以及LED照明裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體模塊,特別是涉及應用于LED (Light Emitting D1de:發光二極管)驅動裝置等開關電路中的半導體模塊和具有該半導體模塊的LED驅動裝置以及LED照明裝置。
【背景技術】
[0002]在主要的技術先進國中，可以說照明所使用的電能達到各國的總發電量的大約15%，從地球環境問題的觀點來看，要求電能的減少。以這種要求為背景，與現有的照明裝置所使用的白熾燈或熒光燈相比，具有消耗電力少且壽命長的LED (Light EmittingD1de)作為光源的LED照明裝置受到關注。并且，與此相伴，正在進行用于驅動LED的LED驅動裝置的開發。
[0003]LED具有如上所述的長處，而另一方面，也具有正方向電壓(Vf)的制造偏差和溫度漂移這樣的短處。因此，從高效化的觀點來看，公知在LED照明裝置中，相比于恒壓方式，優選恒流方式。
[0004]圖12是示出恒流方式的現有的LED照明裝置的結構的電路圖(專利文獻I)。現有的LED照明裝置100具有電源10ULED驅動裝置102以及LED103。LED驅動裝置102具有柵極控制型元件Q、扼流線圈L、續流二極管(flywheel d1de)D以及控制電路1C。柵極控制型元件Q的一個電極與電源101的正極連接，另一個電極經由續流二極管D接地，并且經由扼流線圈L而與LED103的正極側線連接。控制電路IC對柵極控制型元件Q進行接通斷開控制，以使得流過LED103的電流恒定。
[0005]另外，圖13是示出現有的LED照明裝置的結構的剖視圖。現有的LED照明裝置100例如具有燈泡型的外形，具有透光罩104、接頭105、散熱器106以及安裝有LED驅動裝置102和LED103的電路基板107。透光罩104是用于將從LED103放出的光放射到LED照明裝置的外部的半球狀的樹脂制罩，接頭105是金屬制的有底筒體形狀的充電部，散熱器106是金屬制的筒型散熱體(筐體)。電路基板107收納在接頭105和散熱器106的內部。
[0006]專利文獻1:日本特開2009-525595號公報
[0007]在燈泡型的LED照明裝置100中，為了確保散熱器106的形狀自由度或LED照明裝置100的組裝工序的簡易性，要求更加小型的電路基板107。另外，為了提供與更小的接頭對應的燈泡型的LED照明裝置，還要求電路基板107的小型化。
實用新型內容
[0008]本實用新型鑒于上述問題點，提供有助于LED驅動裝置等開關電路的小型化的半導體模塊以及具有該半導體模塊的LED驅動裝置和LED照明裝置。
[0009]根據本實用新型的一個方式，本實用新型的半導體模塊，其特征在于，具有:由導電性材料構成的單個支承薄板；包含橫型柵控制型元件的第I半導體芯片；以及包含縱型整流元件的第2半導體芯片，所述橫型柵控制型元件具有形成在所述第I半導體芯片的一個主面上的第I主端子、第2主端子以及控制端子，所述縱型整流元件具有形成在所述第2半導體芯片的一個主面上的陽極和形成在所述第2半導體芯片的另一個主面上的陰極，所述第I半導體芯片和所述第2半導體芯片固定在所述單個支承薄板上，所述第I主端子與所述單個支承薄板低電阻連接，所述陰極直接與所述單個支承薄板低電阻連接。
[0010]所述橫型柵控制型元件具有彼此串聯連接的第I橫型柵控制型元件和第2橫型柵控制型元件，所述第I橫型柵控制型元件具有第I控制端子，所述第2橫型柵控制型元件具有第2控制端子，所述第I控制端子和所述第2控制端子被施加彼此不同的第I控制電壓和第2控制電壓。
[0011]所述第I橫型柵控制型元件被進行接通斷開控制，所述第2橫型柵控制型元件被進行模擬控制。
[0012]所述第2控制端子的電位被高頻地固定。
[0013]所述第I橫型柵控制型元件連接在所述第2橫型柵控制型元件與所述縱型整流元件之間。
[0014]所述半導體模塊具有由導電性材料構成的多個外部端子，所述單個支承薄板經由所述多個外部端子中的至少一個外部端子或不經由任何外部端子而與負載連接。
[0015]所述第I半導體芯片具有由GaN系半導體材料構成的半導體襯底。
[0016]所述半導體襯底與所述第I主端子低電阻連接。
[0017]根據本實用新型的另一方式，本實用新型的LED驅動裝置，其特征在于，具有:上述的半導體模塊；以及與所述單個支承薄板連接的扼流線圈和輸出電容器。
[0018]根據本實用新型的又一方式，本實用新型的LED照明裝置，具有:上述的LED驅動裝置；以及與所述輸出電容器并聯連接的LED。
[0019]根據本實用新型，能夠提供有助于LED驅動裝置等開關電路的小型化的半導體模塊以及具有該半導體模塊的LED驅動裝置和LED照明裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1a至圖1c是示出本實用新型的第I實施方式的半導體模塊的結構的圖。
[0021]圖2a、圖2b是示出本實用新型的第I實施方式的第I半導體芯片和第2半導體芯片的結構的剖視圖。
[0022]圖3是示出本實用新型的第I實施方式的LED照明裝置的結構的電路圖。
[0023]圖4是示出本實用新型的第I實施方式的第I變形例的半導體模塊的結構的圖。
[0024]圖5是示出本實用新型的第I實施方式的第2變形例的半導體模塊的結構的圖。
[0025]圖6是示出本實用新型的第I實施方式的第3變形例的半導體模塊的結構的圖。
[0026]圖7a、圖7b是示出本實用新型的第I實施方式的第4變形例的半導體模塊的結構的圖。
[0027]圖8a至圖Sc是示出本實用新型的第2實施方式的半導體模塊的結構的圖。
[0028]圖9是示出本實用新型的第2實施方式的LED照明裝置的結構的電路圖。
[0029]圖10是示出本實用新型的第2實施方式的第I變形例的半導體模塊的結構的圖。
[0030]圖11是示出本實用新型的第2實施方式的第2變形例的第I半導體芯片的結構的圖。[0031 ] 圖12是示出現有的LED照明裝置的結構的電路圖。
[0032]圖13是示出現有的LED照明裝置的結構的剖視圖。
[0033]標號說明
[0034]1:芯片座；2:第I半導體芯片；3:第2半導體芯片；4:第3半導體芯片；10:半導體模塊；22、23:半導體襯底；40 =LED照明裝置；41:直流電源；42 =LED驅動裝置；43 =LED ；44:控制電路；Q1:橫型柵控制型元件；D1:縱型整流元件。
【具體實施方式】
[0035]接著，參照附圖對本實用新型的實施方式進行說明。在以下的附圖的記載中，對相同或相似的部分標注相同或相似的標號。但是，應該注意到附圖是示意性的。并且，以下所示的實施方式例示了用于具體化本實用新型的技術思想的裝置和方法，在本實用新型的實施方式中，結構部件的構造、配置等不限定為下述內容。在本實用新型的實施方式中，能夠在權利要求書的范圍內施加各種變更。
[0036](第I實施方式)
[0037]參照圖1?圖3對第I實施方式的半導體模塊、LED驅動裝置以及LED照明裝置進行說明。圖1是示出本實用新型的第I實施方式的半導體模塊的結構的圖。圖1a是本實施方式的半導體模塊10的平面圖，圖1b是本實施方式的半導體模塊10的圖1a中的X-X剖視圖，圖1c是本實施方式的半導體模塊10的等效電路圖。本實施方式的半導體模塊10具有單個芯片座1、第I半導體芯片2、第2半導體芯片3，第I半導體芯片2和第2半導體芯片3固定在芯片座I上。
[0038]本實施方式的芯片座I相當于本實用新型的支承薄板，是由銅等導電性金屬板通過沖壓而形成的單個方形薄板。芯片座I具有彼此相對的第I主面(上表面)TS和第2主面(下表面)BS，平面觀察時被多個引線端子LT包圍。本實施方式的芯片座I經由至少一條導線與至少一個引線端子LT低電阻連接，經由引線端子LT與作為負載的LED連接。芯片座I和各引線端子LT的至少一部分通過密封樹脂MR而被密封，芯片座I的第2主面BS露出到半導體模塊10的背面，各引線端子LT除了一部分以外從密封樹脂MR突出。S卩，半導體模塊10具有DIP (Dual Inline Package:雙列直插式封裝)構造。
[0039]第I半導體芯片2包含由MOSFET、IGBT、雙極晶體管等構成的橫型柵控制型元件Ql0第I半導體芯片2通過導電性粘接劑CA而固定在芯片座I的第I主面TS側。芯片座I作為第I半導體芯片2的散熱板來發揮功能。本實施方式的橫型柵控制型元件Ql是由GaN(氮化嫁)系半導體材料構成的橫型HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子遷移率晶體管)，具有源極端子(第I主端子)ST、漏極端子(第2主端子)DT以及柵極端子(控制端子)GT。源極端子ST直接經由至少一條導線與芯片座I低電阻連接，漏極端子DT和柵極端子GT分別經由至少一條導線與分別不同的引線端子LT低電阻連接，并被導出到密封樹脂MR的外部。另外，本實用新型中的GaN系半導體材料是由AlxInyGai_x_yN(0 KO = y = 1>0 ^ x+y ^ I)定義的半導體材料。
[0040]第2半導體芯片3包含由SBD、FRD、MPS等構成的縱型整流元件D1。第2半導體芯片3通過導電性粘接劑CA固定在芯片座I的第I主面TS側。芯片座I作為第2半導體芯片3的散熱板來發揮功能。本實施方式的縱型整流元件Dl是由SiC (碳化硅)構成的縱型SBD，具有陽極端子AT和陰極端子KT。陽極端子AT經由至少一條導線與引線端子LT低電阻連接，陰極端子KT直接通過導電性粘接劑CA與芯片座I低電阻連接，分別被導出到密封樹脂MR的外部。縱型整流元件Dl的陰極端子KT通過芯片座I而與橫型柵控制型元件Ql的源極端子S成為相同電位，芯片座I成為半導體模塊10的輸出級。
[0041]圖2是示出本實用新型的第I實施方式的第I半導體芯片2和第2半導體芯片3的結構的剖視圖。圖2a是本實施方式的第I半導體芯片2的剖視圖。第I半導體芯片2包含由HEMT構成的橫型柵控制型元件Ql，橫型柵控制型元件Ql具有半導體襯底23、源電極S、漏電極D以及柵電極G。源電極S、漏電極D以及柵電極G分別與源極端子ST、漏極端子DT以及柵極端子GT連接。半導體襯底23由至少一個半導體層構成，具有彼此相對的一個主面(表面)21和另一個主面(背面)22，構成第I半導體芯片2。橫型柵控制型元件Ql通過施加給柵電極G的電壓來控制與一個主面21平行地流過半導體襯底23內的電流。
[0042]本實施方式的半導體襯底23具有設置在另一個主面22側的導電性襯底24、形成在導電性襯底24與一個主面21之間的緩沖區域25、形成在緩沖區域25與一個主面21之間的有源區26。導電性襯底24例如由添加了導電性雜質的Si (硅)或SiC構成，作為緩沖區域25和有源區26的支承襯底來發揮功能。另外，本實施方式的橫型柵控制型元件Ql具有與半導體襯底的另一個主面22接觸的背面電極BM，但是也可以省略該背面電極BM而使導電性襯底24作為背面電極來發揮功能。
[0043]緩沖區域25由至少一個GaN系半導體材料層構成，優選為了緩和導電性襯底24與有源區26之間的晶格不匹配而設置，但是也可以根據導電性襯底24和有源區26的半導體材料而省略緩沖區域25。
[0044]有源區26由至少一個GaN系半導體材料層構成，提供橫型柵控制型元件Ql的溝道(電流路徑)。另外，本實施方式的有源區26具有載流子遷移區域261和載流子供給區域262。載流子遷移區域261是電阻比較低的區域，作為橫型柵控制型元件Ql的主要的溝道區域來發揮功能。載流子供給區域262在與載流子遷移區域261之間形成異質結，具有提高載流子遷移區域261的載流子濃度的功能。
[0045]源電極S由Al (鋁)等金屬構成，以與半導體襯底23低電阻性接觸的方式設置在一個主面21上。漏電極D由Al等金屬構成，以與半導體襯底23低電阻性接觸且與源電極S分開的方式設置在一個主面21上。柵電極G由Au(金)等金屬構成,在一個主面21上位于源電極S與漏電極D之間且設置成與源電極S和漏電極D分開。橫型柵控制型元件Ql具有規定的閾值電壓，在對柵電極G施加的電壓為閾值電壓以上時，在源電極S和漏電極D之間流過電流，在對柵電極G施加的電壓小于閾值電壓時，抑制電流的流動。
[0046]圖2b是本實施方式的第2半導體芯片3的剖視圖。第2半導體芯片3包含由SBD構成的縱型整流元件D1，縱型整流元件Dl具有半導體襯底33、陽極電極A以及陰極電極K。陽極電極A和陰極電極K分別與陽極端子AT和陰極端子KT連接。半導體襯底33由至少一個半導體層構成，具有彼此相對的一個主面(表面)31和另一個主面(背面)32,構成第2半導體芯片3。在縱型整流元件Dl中，當對陽極電極A施加相對于陰極電極K為規定正方向電壓以上的電壓時，從陽極電極A朝向陰極電極在半導體襯底33內流過與一個主面31垂直的電流。
[0047]本實施方式的半導體襯底33具有設置在另一個主面32側的接點區域331、形成在接點區域331與一個主面31之間的陰極區域332、形成在陰極區域332內的一個主面31側的耐壓區域333。接點區域331由以比較高的濃度添加了導電性雜質的N+型SiC構成，形成半導體襯底33和陰極電極K之間的低電阻連接。
[0048]陰極區域332由以比較低的濃度添加了導電性雜質的N-型SiC構成，與接點區域331 —起構成縱型整流元件Dl的陰極。
[0049]耐壓區域333由添加了導電性雜質的P型SiC構成，在陰極區域332內形成為島狀。耐壓區域333作為緩和半導體襯底33中的在肖特基電極34的端部產生的電場集中的護圈來發揮功能。
[0050]肖特基電極34由Mo(鑰)等金屬構成，設置成與半導體襯底33的第I主面31接觸，并在與半導體襯底33之間形成肖特基勢壘。陽極電極A由Al等金屬構成，形成為與肖特基電極34低電阻連接。陰極電極K由Ni (鎳)等金屬構成，設置成經由接點區域331與半導體襯底33的第2主面32低電阻連接。縱型整流元件Dl具有規定的正方向電壓，在對陽極電極A施加的電壓為正方向電壓以上時，在陽極電極A和陰極電極K之間流過電流，在對陽極電極A施加的電壓小于正方向電壓時，阻止電流。
[0051]圖3是示出本實用新型的第I實施方式的LED照明裝置的結構的電路圖。本實施方式的LED照明裝置40具有直流電源41、LED驅動裝置42以及LED43。LED驅動裝置42具有橫型柵控制型元件Q1、扼流線圈L1、縱型整流元件D1、輸出電容器Cl、檢測電阻Rs以及控制電路44。縱型柵極控制型元件Ql和橫型整流元件Dl串聯連接，收納在半導體模塊10中。
[0052]橫型柵控制型元件Ql可以是具有正閾值電壓的常閉型HEMT，也可以是具有負閾值電壓的常開型HEMT。在如本實施方式那樣用于LED照明裝置的情況下，在其動作方面，常開型HEMT更加優選。
[0053]直流電源41具有交流電源411、二極管電橋412以及輸入電容器413。交流電源411的交流電力通過二極管電橋412而被整流，通過輸入電容器413進行平滑，被轉換為包含脈動電流的直流電力而輸出到LED驅動裝置42。直流電源41可以由SMPS(SwitchedMode Power Supply:交換式電源供應器)等直流轉換部構成,也可以置換為電池等直流電源。
[0054]LED驅動裝置42具有升降壓斬波型的直流轉換器的結構。橫型柵控制型元件Ql的漏極端子DT與作為直流電源41的正極的輸入電容器413的一端連接，源極端子ST經由續流二極管Dl與LED43的陰極連接，并且經由扼流線圈LI與LED43的陽極連接。輸出電容器Cl與LED43并聯連接，檢測電阻Rs連接在LED43與輸出電容器Cl之間。當考慮半導體模塊10的連接關系時，源極端子ST (陰極端子KT)和陽極端子AT構成LED驅動裝置42的一對輸出端子。
[0055]控制電路44具有電流檢測電路441、放大器442、基準電壓443、比較器444、三角波產生器445以及緩沖電路446。電流檢測電路441檢測流過檢測電阻Rs的電流，將其輸出到放大器442的非反轉輸入端子。放大器442對連接到反轉輸入端子的基準電壓443的電壓值與上述兩端電壓之間的誤差進行放大，作為誤差信號輸出到比較器444的反轉輸入端子。比較器444對從連接在非反轉輸入端子的三角波產生器445輸出的三角波的信號電平與上述誤差信號的電平進行比較，將與比較結果對應的驅動信號經由緩沖電路446輸出到橫型柵控制型元件Ql的柵極端子GT。控制電路44根據三角波產生器445的振蕩頻率對橫型柵控制型元件Ql進行接通斷開(開關)控制，以使得檢測電阻Rs的兩端電壓接近規定的電壓值。
[0056]在本實施方式的LED照明裝置40中，在橫型柵控制型元件Ql接通時，在由直流電源41、橫型柵控制型元件Ql以及扼流線圈LI構成的電路環中流過電流。接著，當橫型柵控制型元件Ql斷開時，在由扼流線圈L1、輸出電容器Cl以及縱型整流元件Dl構成的電路環中流過電流，對LED43施加輸出電容器Cl的兩端電壓，在LED43和檢測電阻Rs中流過電流。控制電路44改變橫型柵控制型元件Ql的占空比，以使得檢測電阻Rs的兩端電壓接近由基準電壓443定義的規定的電壓值。由于LED驅動裝置42能夠使流過LED43的電流值接近規定的電流值，因此能夠將LED43的亮度控制為恒定。
[0057]由于本實施方式的半導體模塊10具有由適合高頻動作的材料構成的橫型柵控制型元件Ql和縱型整流元件Dl，因此通過提高LED驅動裝置42的動作頻率，能夠使扼流線圈LI和輸出電容器Cl等電路部件小型化。因此，半導體模塊10有助于LED驅動裝置42和LED照明裝置40的小型化。
[0058]另外，由于由GaN系半導體材料構成的橫型柵控制型元件Ql和由SiC構成的縱型整流元件Dl是導通損失較小的元件，因此LED驅動裝置42和LED照明裝置40實現高效化且抑制了 LED驅動裝置42動作時的半導體模塊10的發熱。因此，能夠使用于將發熱散發到外部的散熱片等部件小型化或者省略，LED驅動裝置42和LED照明裝置40實現小型化。另外，通過減少來自LED驅動裝置42的發熱，能夠抑制作為LED的短處的Vf的溫度漂移。
[0059]另外，在橫型柵控制型元件Ql中，由于導電性襯底24的電位與源電極S的電位相等，因此與縱型整流元件Dl —起載置在單個芯片座I上，與縱型整流元件Dl低電阻連接。根據這種結構，半導體模塊10能夠相對于其外形增大芯片座I的面積、即第I和第2半導體芯片2、3的散熱面積，有助于LED驅動裝置42和LED照明裝置40的小型化。
[0060]另外，由于芯片座I的形狀被簡化、且能夠減少接合線的個數，因此能夠提供低價的LED驅動裝置42和LED照明裝置40。另外，芯片座I成為開關的輸出級。另外，由于減少了橫型柵控制型元件Ql與縱型整流元件Dl之間的寄生電感成分，因此能夠提高LED驅動裝置42的動作頻率，并且能夠抑制噪聲。因此，除了電路部件的小型化以外，還能夠使噪聲濾波器等部件小型化或減少。
[0061](第I變形例)
[0062]圖4是示出本實用新型的第I實施方式的第I變形例的半導體模塊的結構的圖。本變形例的半導體模塊10與圖1的半導體模塊10的不同點在于，第I半導體芯片2的源極端子間接地與芯片座I低電阻連接。第I半導體芯片2的源極端子直接經由至少一條導線與引線端子LT(ST)低電阻連接，通過位于半導體模塊10的外部的布線圖案與芯片座I的第2主面BS連接。另外，第I半導體芯片2的源極端子也可以經由引線端子LT(ST)和引線端子LT(ST/KT)而與芯片座I連接。
[0063](第2變形例)
[0064]圖5是示出本實用新型的第I實施方式的第2變形例的半導體模塊的結構的圖。本變形例的半導體模塊10與圖1的半導體模塊的不同之處在于，將第I半導體芯片2的源極端子和第2半導體芯片3的陰極導出到密封樹脂MR的外部的結構。本變形例的芯片座I經由芯片座I的第2主面BS與位于半導體模塊10的外部的布線圖案連接，被導出到密封樹脂MR的外部。因此，第I半導體芯片2的源極端子和第2半導體芯片3的陰極不與任何一個的引線端子LT連接而經由芯片座I與LED43連接。
[0065](第3變形例)
[0066]圖6是示出本實用新型的第I實施方式的第3變形例的半導體模塊的結構的圖。本變形例的半導體模塊10與圖1的半導體模塊的不同之處在于，將第I半導體芯片2的源極端子和第2半導體芯片3的陰極導出到密封樹脂MR的外部的結構。另外，半導體模塊10與圖1的半導體模塊的不同之處在于芯片座I和引線端子LT的形狀。芯片座I與至少一個引線端子LT(ST/KT) —體形成，第I半導體芯片2的源極端子和第2半導體芯片3的陰極經由引線端子LT(ST/KT)與位于半導體模塊10的外部的布線圖案連接。
[0067](第4變形例)
[0068]圖7是示出本實用新型的第I實施方式的第4變形例的半導體模塊的結構的圖。圖7a是本變形例的半導體模塊10的平面圖，圖7b是本變形例的第I半導體芯片2的剖視圖。本變形例的半導體模塊10與圖1的半導體模塊的不同之處在于，第I半導體芯片2的構造、以及將第I半導體芯片2的源極端子和第2半導體芯片3的陰極導出到密封樹脂MR的外部的結構。在第I半導體芯片2中，橫型柵控制型元件Ql的源電極S形成為從半導體襯底23的一個主面21朝向另一個主面22延伸，源電極S的底部設置在導電性襯底24內。由于導電性襯底24的電位與源電極S的電位相等，因此第I半導體芯片2的源極端子不使用導線而直接與芯片座I低電阻連接。
[0069](第2實施方式)
[0070]圖8是示出本實用新型的第2實施方式的半導體模塊的結構的圖。圖8a是本實施方式的半導體模塊10的平面圖，圖Sb是本實施方式的第I半導體芯片2的剖視圖，圖Sc是本實施方式的半導體模塊10的等效電路圖。本實施方式的半導體模塊10與第I實施方式的半導體模塊的不同之處在于，第I半導體芯片2的構造、以及將第I半導體芯片2的柵極端子導出到密封樹脂MR的外部的結構。
[0071]第I半導體芯片2包含由具有雙柵極構造的橫型HEMT構成的橫型柵控制型元件Ql。橫型柵控制型元件Ql具有源極端子ST、漏極端子DT、第I柵極端子(第I控制端子)GTl以及第2柵極端子(第2控制端子)GT2。第I和第2柵極端子GT1、GT2分別經由至少一條導線而與分別不同的引線端子LT低電阻連接，被導出到密封樹脂MR的外部。
[0072]第I半導體芯片2包含由雙柵極型HEMT構成的橫型柵控制型元件Q1，橫型柵控制型元件Ql具有形成在半導體襯底23上的源電極S、漏電極D、第I柵電極G1、第2柵電極G2。第I和第2柵電極G1、G2分別與第I和第2柵極端子GT1、GT2連接。橫型柵控制型元件Ql包含第I橫型柵控制型元件Qll和第2橫型柵控制型元件Q12。第I橫型柵控制型元件Ql I由源電極S和第I柵電極Gl構成，第2橫型柵控制型元件Q12由第2柵電極Gl和漏電極D構成。即，橫型柵控制型元件Ql可以視為兩個橫型柵控制型元件Ql 1、Q12彼此串聯連接、且省略了連接點的源極/漏極共通電極的元件。第I橫型柵控制型元件Qll連接在第2橫型柵控制型元件Q12與縱型整流元件Dl之間。橫型柵控制型元件Ql通過施加給第I和第2柵電極G1、G2的電壓來控制與一個主面21平行地流過半導體襯底23內的電流。
[0073]第I柵電極Gl由Au等金屬構成，在一個主面21中位于源電極S與漏電極D之間且設置成與源電極S和漏電極D分開。第2柵電極G2由Au等金屬構成，在一個主面21上位于第I柵電極Gl與漏電極D之間且設置成與第I柵電極Gl和漏電極D分開。橫型柵控制型元件Ql根據分別施加在第I和第2柵電極Gl、G2的電壓來控制流過源電極S和漏電極D之間的電流。
[0074]圖9是示出本實用新型的第2實施方式的LED照明裝置的結構的電路圖。本實施方式的LED照明裝置40與第I實施方式的半導體模塊的不同之處在于，半導體模塊1的結構和對其進行控制的控制電路44的結構。半導體模塊10具有第I橫型柵控制型元件Qll和第2橫型柵控制型元件Q12，控制電路44構成為對各橫型柵控制型元件Q11、Q12的柵極端子GT1、GT2輸出不同的驅動信號。另外，為了便于說明，在圖9中，使用分別獨立的電路記號來記載第I橫型柵控制型元件Qll和第2橫型柵控制型元件Q12。
[0075]本實施方式的控制電路44具有電流檢測電路441、放大器442、基準電壓443、緩沖電路446、448以及脈沖產生器447。電流檢測電路441對流過檢測電阻Rs的電流進行檢測，將其輸出到放大器442的非反轉輸入端子。放大器442對連接到反轉輸入端子的基準電壓443的電壓值與上述兩端電壓的誤差進行放大，作為誤差信號經由緩沖電路446輸出到第2橫型柵控制型元件Q12的柵極端子GT2。脈沖產生器447產生規定頻率脈沖，經由緩沖電路448輸出到第I橫型柵控制型元件Ql I的柵極端子GTl。控制電路44根據脈沖產生器447的振蕩頻率對第I橫型柵控制型元件Qll進行接通斷開(開關)控制，以使得檢測電阻Rs的兩端電壓接近規定的電壓值，并且根據放大器442的誤差信號對第2橫型柵控制型元件Q12進行模擬(線性)控制。另外，脈沖產生器447與第I實施方式同樣，可以置換為組合了比較器444和三角波產生器445的結構。
[0076]在本實施方式的LED照明裝置40中，在第I橫型柵控制型元件Qll接通時，由第2橫型柵控制型元件Q12控制的電流被供給到扼流線圈LI。接著，當第I橫型柵控制型元件Qll斷開時，在由扼流線圈L1、輸出電容器Cl以及縱型整流元件Dl構成的電路環中流過電流。由于LED驅動裝置42能夠使流過LED43的電流值接近規定的電流值，因此能夠將LED43的亮度控制為恒定。
[0077]本實施方式的半導體模塊10除了能夠得到與第I實施方式的半導體模塊相同的作用效果以外，還能夠得到以下的作用效果。在橫型柵控制型元件Ql中，由于被模擬控制的第2橫型柵控制型元件Q12的第2柵電極G2配置在第I柵電極Gl與漏電極D之間，因此減少了被接通斷開控制的第I橫型柵控制型元件Qll的柵極/漏極間電容Cgd。因此，能夠進一步提高LED驅動裝置42的動作頻率，有助于LED驅動裝置42和LED照明裝置40的進一步的小型化。
[0078]另外，由于橫型柵控制型元件Ql具有上述雙柵極構造，因此與單獨設置第I和第2橫型柵控制型元件Q11、Q12的情況相比，在以下方面較為優良。即，能夠利用單個芯片構成第I半導體芯片2且能夠實現小型化，能夠降低第I和第2橫型柵控制型元件Ql1、Q12之間的布線電感和布線阻抗。因此，本實施方式的半導體模塊10有助于LED驅動裝置42和LED照明裝置40的進一步的小型化、進一步的高效化以及可靠性的提高。
[0079]另外，本實施方式的半導體模塊10也可以構成為，對第I橫型柵控制型元件Qll進行模擬控制，并且對第2橫型柵控制型元件Q12進行接通斷開控制。
[0080](第I變形例)
[0081]圖10是示出本實用新型的第2實施方式的第I變形例的半導體模塊的結構的圖。本變形例的半導體模塊10與圖8的半導體模塊的不同之處在于，具有第3半導體芯片4。第3半導體芯片4包含用于保護第I和第2柵極端子GT1、GT2的第I和第2保護元件ZD。第I和第2保護元件ZD均是形成在單個半導體芯片上的橫型齊納二極管，經由導線連接在第I和第2柵極端子GT1、GT2與源極端子ST之間。第I和第2保護元件ZD可以形成在多個半導體芯片上，也可以是縱型元件構造，也可以堆積或層疊在第I和第2半導體芯片2、3上，即使是任意構造均能夠提高各柵極端子的ESD耐量。
[0082](第2變形例)
[0083]圖11是示出本實用新型的第2實施方式的第2變形例的第I半導體芯片的結構的圖。本變形例的第I半導體芯片Ql與圖8b的第I半導體芯片的不同之處在于，在被模擬控制的第2橫型柵控制型元件Q12中，源電極S和第2柵電極G2之間的電位差恒定。第2柵電極G2被施加與源電極S相同的電位或者被施加高于源電極S的規定的電壓。S卩，第2柵電極G2與源電極S之間短接或者經由虛線所示的恒壓源連接，第2控制電極G2的電位被高頻地固定。由于利用更加簡易的結構對本變形例的第2橫型柵控制型元件Q12進行模擬控制，因此除了與第2實施方式的半導體模塊相同的作用效果以外，還能夠使控制電路44實現小型化。
[0084]如上所述，通過實施方式和變形例記載了本實用新型，但是不應該理解為構成該公開的一部分的論述和附圖限定本實用新型。根據該公開，本領域技術人員可知各種代替實施方式、實施例以及運用技術。即，本實用新型當然包含此處未記載的各種實施方式等。因此，根據上述說明，本實用新型的技術范圍僅由權利要求范圍的實用新型特定事項確定。例如，半導體模塊10不限于LED照明裝置40和LED驅動裝置42，還可以應用于電力轉換裝置等公知的開關電路，不限于升降壓型，還可以應用于降壓斬波型開關電路的結構。另外，半導體模塊10也可以是SIP (Single Inline Package:單列直插式封裝)構造,只要在單個支承薄板上載置第I和第2半導體芯片，則也可以構成為包含控制電路或保護電路等周邊部件。并且，單個支承薄板不限于方形的導電性金屬板，也可以由在絕緣板上形成有導電性布線圖案的任意形狀的薄板構成。另外，構成第I?第3半導體芯片2、3、4的半導體材料能夠從S1、SiC、GaN、C(金剛石)等任意的半導體材料中選擇。
【權利要求】
1.一種半導體模塊，其特征在于，該半導體模塊具有: 由導電性材料構成的單個支承薄板； 包含橫型柵控制型元件的第I半導體芯片；以及 包含縱型整流元件的第2半導體芯片， 所述橫型柵控制型元件具有形成在所述第I半導體芯片的一個主面上的第I主端子、第2主端子以及控制端子， 所述縱型整流元件具有形成在所述第2半導體芯片的一個主面上的陽極和形成在所述第2半導體芯片的另一個主面上的陰極， 所述第I半導體芯片和所述第2半導體芯片固定在所述單個支承薄板上， 所述第I主端子與所述單個支承薄板低電阻連接， 所述陰極直接與所述單個支承薄板低電阻連接。
2.根據權利要求1所述的半導體模塊，其特征在于， 所述橫型柵控制型元件具有彼此串聯連接的第I橫型柵控制型元件和第2橫型柵控制型元件， 所述第I橫型柵控制型元件具有第I控制端子， 所述第2橫型柵控制型元件具有第2控制端子， 所述第I控制端子和所述第2控制端子被施加彼此不同的第I控制電壓和第2控制電壓。
3.根據權利要求2所述的半導體模塊，其特征在于， 所述第I橫型柵控制型元件被進行接通斷開控制，所述第2橫型柵控制型元件被進行模擬控制。
4.根據權利要求2所述的半導體模塊，其特征在于， 所述第2控制端子的電位被高頻地固定。
5.根據權利要求2所述的半導體模塊，其特征在于， 所述第I橫型柵控制型元件連接在所述第2橫型柵控制型元件與所述縱型整流元件之間。
6.根據權利要求1所述的半導體模塊，其特征在于， 所述半導體模塊具有由導電性材料構成的多個外部端子，所述單個支承薄板經由所述多個外部端子中的至少一個外部端子或不經由任何外部端子而與負載連接。
7.根據權利要求1所述的半導體模塊，其特征在于， 所述第I半導體芯片具有由GaN系半導體材料構成的半導體襯底。
8.根據權利要求7所述的半導體模塊，其特征在于， 所述半導體襯底與所述第I主端子低電阻連接。
9.一種LED驅動裝置，其特征在于，該LED驅動裝置具有: 權利要求1至8中的任意一項所述的半導體模塊；以及 與所述單個支承薄板連接的扼流線圈和輸出電容器。
10.一種LED照明裝置，其特征在于，該LED照明裝置具有: 權利要求9所述的LED驅動裝置；以及 與所述輸出電容器并聯連接的LED。
【文檔編號】H05B37/02GK204046866SQ201420367050
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2013年7月5日
【發明者】巖渕昭夫, 吉江徹, 町田修, 田坂泰, 吉永充達, 江原俊浩, 木村研吾 申請人:三墾電氣株式會社