JP2002373971A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体スイッチをブリッジ接続する配線のイ
ンダクタンスを低減し、かつ、小型化を実現する半導体
装置を提供することにある。 【解決手段】 半導体装置内において、ブリッジ接続さ
れた２個の制御可能な半導体スイッチ１３ａ，ｂと、出
力端子と、正極負極直流端子２，３と、直流端子間に半
導体スイッチをブリッジ接続する導体部を表面及び内層
に備えた導体層１２，１７，１９と絶縁層１６，１８を
交互に積層して絶縁基板１５ａを形成し、表面と内層の
導体層１２，１７に挟まれた絶縁層１６を貫通する導体
２０により絶縁層１６を挾む表面と内層の導体層１２，
１７を電気接続し、絶縁基板上に２個の半導体スイッチ
を実装するブリッジ回路に流れる電流を絶縁層１６を挾
む導体層１２，１７間において対向する向きに流すよう
に電流経路（点線）を設ける。
ンダクタンスを低減し、かつ、小型化を実現する半導体
装置を提供することにある。 【解決手段】 半導体装置内において、ブリッジ接続さ
れた２個の制御可能な半導体スイッチ１３ａ，ｂと、出
力端子と、正極負極直流端子２，３と、直流端子間に半
導体スイッチをブリッジ接続する導体部を表面及び内層
に備えた導体層１２，１７，１９と絶縁層１６，１８を
交互に積層して絶縁基板１５ａを形成し、表面と内層の
導体層１２，１７に挟まれた絶縁層１６を貫通する導体
２０により絶縁層１６を挾む表面と内層の導体層１２，
１７を電気接続し、絶縁基板上に２個の半導体スイッチ
を実装するブリッジ回路に流れる電流を絶縁層１６を挾
む導体層１２，１７間において対向する向きに流すよう
に電流経路（点線）を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係
り、特に、スイッチング時の損失増加と跳ね上り電圧発
生の要因となる配線インダクタンスを減少させる技術に
関する。
り、特に、スイッチング時の損失増加と跳ね上り電圧発
生の要因となる配線インダクタンスを減少させる技術に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術として、半導体装置を用いた電
力変換装置において跳ね上り電圧の要因となるインダク
タンスを低減する技術として特開平１１−８９２４７号
公報がある。この技術は、半導体装置とコンデンサを接
続する配線を間に絶縁体を挟むことで積層化した導体板
を用い、半導体装置とコンデンサを接続する配線部分の
インダクタンスを低減することにより、スイッチング時
の損失増加と跳ね上り電圧発生の要因となる配線インダ
クタンスを減少させる方法である。
力変換装置において跳ね上り電圧の要因となるインダク
タンスを低減する技術として特開平１１−８９２４７号
公報がある。この技術は、半導体装置とコンデンサを接
続する配線を間に絶縁体を挟むことで積層化した導体板
を用い、半導体装置とコンデンサを接続する配線部分の
インダクタンスを低減することにより、スイッチング時
の損失増加と跳ね上り電圧発生の要因となる配線インダ
クタンスを減少させる方法である。
【０００３】ここで、図６を用いて必要最小限の電力変
換装置の回路構成を説明する。図６において、電力変換
装置３２は、半導体装置３０、電解コンデンサ２９から
なり、直流電源３１、主回路配線３３ａ、主回路配線３
３ｂ、出力配線３４、誘導電動機３５を備える。半導体
装置３０は、直流電圧を入力とし、可変周波数の交流電
流をＵＶＷ相の出力配線３４へ出力する。誘導電動機３
５は、出力配線３４を通じて供給される電流・電圧によ
り駆動する。電解コンデンサ２９は、半導体装置のスイ
ッチング動作による直流電圧の変動を抑制する機能を有
する。また、図６中には示してないが、電力変換装置
は、上記の構成物の他に半導体装置３０のスイチング動
作を制御する回路基板と、半導体装置３０を冷却するた
めの冷却フィン、冷却ファン等で構成されている。
換装置の回路構成を説明する。図６において、電力変換
装置３２は、半導体装置３０、電解コンデンサ２９から
なり、直流電源３１、主回路配線３３ａ、主回路配線３
３ｂ、出力配線３４、誘導電動機３５を備える。半導体
装置３０は、直流電圧を入力とし、可変周波数の交流電
流をＵＶＷ相の出力配線３４へ出力する。誘導電動機３
５は、出力配線３４を通じて供給される電流・電圧によ
り駆動する。電解コンデンサ２９は、半導体装置のスイ
ッチング動作による直流電圧の変動を抑制する機能を有
する。また、図６中には示してないが、電力変換装置
は、上記の構成物の他に半導体装置３０のスイチング動
作を制御する回路基板と、半導体装置３０を冷却するた
めの冷却フィン、冷却ファン等で構成されている。
【０００４】また、図７を用いてＵＶＷ三相交流を出力
するために必要最小限の半導体装置の回路構成を説明す
る。図７において、半導体装置３０は、半導体スイッチ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、ダ
イオード１３ａ’、１３ｂ’、１３ｃ’、１３ｄ’、１
３ｅ’、１３ｆ’、半導体スイッチ制御端子２４ａ、２
４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、正極直流端子
３、負極直流端子２、Ｕ相出力端子４、Ｖ相出力端子
５、Ｗ相出力端子６からなり、４、５、６で一組の三相
交流端子を形成する。正極端子３と負極端子２間には直
流電圧が印加される。また、図を分かり易くするため、
半導体スイッチのオンオフ信号を出力するドライブ回路
は省略している。半導体スイッチ１３ａ〜１３ｆには、
パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ）或いはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔ
ｅｄ Ｇａｔｅ ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒ）が用いられる。半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥ
Ｔを用いる場合、パワーＭＯＳＦＥＴは素子構造的にダ
イオードを含んでいるため、半導体スイッチ１３ａとダ
イオード１３ａ’を１チップで構成することができる。
半導体スイッチ１３ａと半導体スイッチ１３ｂ、半導体
スイッチ１３ｃと半導体スイッチ１３ｄ、半導体スイッ
チ１３ｅと半導体スイッチ１３ｆはそれぞれブリッジ接
続されている。半導体装置３０ａは、半導体スイッチ制
御端子２４ａ〜２４ｆにＰＷＭ（Ｐｌｕｓｅ Ｗｉｄｔ
ｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号電圧を印加し、ブ
リッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１３ａ〜１
３ｆのオン（開）、オフ（閉）の時間を制御することに
より、可変周波数・可変電圧の三相交流を三相交流出力
端子４，５，６から電動機３５へ出力するものである。
ＵＶＷ三相交流を出力する装置構成としては正極端子
３、負極端子２、ブリッジ接続した半導体スイッチ１３
ａ、１３ｂ、出力端子６で構成した半導体装置を３つ用
いても実現できる。
するために必要最小限の半導体装置の回路構成を説明す
る。図７において、半導体装置３０は、半導体スイッチ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、ダ
イオード１３ａ’、１３ｂ’、１３ｃ’、１３ｄ’、１
３ｅ’、１３ｆ’、半導体スイッチ制御端子２４ａ、２
４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、正極直流端子
３、負極直流端子２、Ｕ相出力端子４、Ｖ相出力端子
５、Ｗ相出力端子６からなり、４、５、６で一組の三相
交流端子を形成する。正極端子３と負極端子２間には直
流電圧が印加される。また、図を分かり易くするため、
半導体スイッチのオンオフ信号を出力するドライブ回路
は省略している。半導体スイッチ１３ａ〜１３ｆには、
パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔ
ｒａｎｓｉｓｔｏｒ）或いはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔ
ｅｄ Ｇａｔｅ ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒ）が用いられる。半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥ
Ｔを用いる場合、パワーＭＯＳＦＥＴは素子構造的にダ
イオードを含んでいるため、半導体スイッチ１３ａとダ
イオード１３ａ’を１チップで構成することができる。
半導体スイッチ１３ａと半導体スイッチ１３ｂ、半導体
スイッチ１３ｃと半導体スイッチ１３ｄ、半導体スイッ
チ１３ｅと半導体スイッチ１３ｆはそれぞれブリッジ接
続されている。半導体装置３０ａは、半導体スイッチ制
御端子２４ａ〜２４ｆにＰＷＭ（Ｐｌｕｓｅ Ｗｉｄｔ
ｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号電圧を印加し、ブ
リッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１３ａ〜１
３ｆのオン（開）、オフ（閉）の時間を制御することに
より、可変周波数・可変電圧の三相交流を三相交流出力
端子４，５，６から電動機３５へ出力するものである。
ＵＶＷ三相交流を出力する装置構成としては正極端子
３、負極端子２、ブリッジ接続した半導体スイッチ１３
ａ、１３ｂ、出力端子６で構成した半導体装置を３つ用
いても実現できる。
【０００５】図４に、従来の半導体装置におけるブリッ
ジ回路を構成する配線構造を示す。図４は、従来の半導
体装置内の配線構造を示す斜視図である。図４におい
て、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４、５、６
は出力端子、１１は絶縁体、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは
基板導体パターン、１３ａ、１３ｂはダイオード及び半
導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４
ｅはワイヤ配線、７は放熱板、３０は半導体装置、１５
ａ、１５ｂ、１５ｃは絶縁基板である。図４は、半導体
スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた場合であり、半導体ス
イッチとダイオードの組合わせを一部品で示している。
放熱板７は材料して銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等などを用い
る。図４には、ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１
４ｄ、１４ｅが４本づつ図示されているが、半導体装置
の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異な
り、ワイヤ配線本数を４本に限定するものではない。ま
た、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導体スイッ
チ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板１５ａの
ものと同様であるため、以下では絶縁基板１５ａについ
て説明する。また、以下の説明において負極直流端子２
及び正極直流端子３とはそれぞれを構成している導体板
を指す。図４において、絶縁基板１５ａの上に基板導体
パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成され、基板導体
パターン１２ａ、１２ｂに半導体スイッチ１３ａ、１３
ｂが実装されている。絶縁基板１５ａは、絶縁基板上に
形成した導体パターンと放熱板７間を電気絶縁してい
る。また、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導
体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体
スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続し、ワ
イヤ配線１４ｃは半導体スイッチ１３ｂと基板導体パタ
ーン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｄは負極直流端子
２と基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４
ｅは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続してい
る。
ジ回路を構成する配線構造を示す。図４は、従来の半導
体装置内の配線構造を示す斜視図である。図４におい
て、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４、５、６
は出力端子、１１は絶縁体、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは
基板導体パターン、１３ａ、１３ｂはダイオード及び半
導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４
ｅはワイヤ配線、７は放熱板、３０は半導体装置、１５
ａ、１５ｂ、１５ｃは絶縁基板である。図４は、半導体
スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた場合であり、半導体ス
イッチとダイオードの組合わせを一部品で示している。
放熱板７は材料して銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等などを用い
る。図４には、ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１
４ｄ、１４ｅが４本づつ図示されているが、半導体装置
の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異な
り、ワイヤ配線本数を４本に限定するものではない。ま
た、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導体スイッ
チ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板１５ａの
ものと同様であるため、以下では絶縁基板１５ａについ
て説明する。また、以下の説明において負極直流端子２
及び正極直流端子３とはそれぞれを構成している導体板
を指す。図４において、絶縁基板１５ａの上に基板導体
パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成され、基板導体
パターン１２ａ、１２ｂに半導体スイッチ１３ａ、１３
ｂが実装されている。絶縁基板１５ａは、絶縁基板上に
形成した導体パターンと放熱板７間を電気絶縁してい
る。また、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導
体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体
スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続し、ワ
イヤ配線１４ｃは半導体スイッチ１３ｂと基板導体パタ
ーン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｄは負極直流端子
２と基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４
ｅは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続してい
る。
【０００６】半導体装置３０において、半導体スイッチ
１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの切り替え
をする際に、そのオンからオフへ切り替わる半導体スイ
ッチをブリッジ接続する配線と、電解コンデンサと半導
体装置３０の直流端子に接続する配線と、負極直流端子
２と正極直流端子３と、電解コンデンサで構成する経路
で電流値が大きく変化する。半導体スイッチをブリッジ
接続する配線とは、図４において基板導体パターン１２
ａ、１２ｂ、１２ｃとワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄである。オンからオフへ切り替わる半導体ス
イッチには、電解コンデンサ電圧を越えた電圧が瞬時的
に印加される。この電解コンデンサ電圧を越えた電圧分
（以下、この電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ。）は前記経路
と電解コンデンサの合計インダクタンスと前記経路にお
ける電流の時間微分値の積によって決定される。跳ね上
り電圧が増加し、オンからオフへ切り替わる半導体スイ
ッチへの印加電圧が素子耐圧を越えたとき、絶縁破壊が
起ることになる。従って、半導体装置の正常動作には、
跳ね上り電圧を抑制する必要があるが、半導体装置の大
電流化に伴い、前記経路における電流の時間微分値も増
加するため、インダクタンスの低減が重要となってい
る。跳ね上り電圧の問題に対して、耐圧の高い半導体ス
イッチを使用する対策があるが、耐圧を高くした場合、
半導体スイッチはオン状態での抵抗値が大きくなる傾向
があり、特に電源電圧が低く、半導体スイッチに大電流
が流れるシステムでは、半導体スイッチでの損失が大き
くなる問題が生じることになる。跳ね上り電圧の問題に
対して、インダクタンスを下げることにより跳ね上り電
圧を抑制することは耐圧の低い半導体スイッチを使用可
能にし、その効果として発熱低減による温度上昇の抑
制、寿命信頼性向上或いは冷却コストの低減などの大き
なメリットがある。
１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの切り替え
をする際に、そのオンからオフへ切り替わる半導体スイ
ッチをブリッジ接続する配線と、電解コンデンサと半導
体装置３０の直流端子に接続する配線と、負極直流端子
２と正極直流端子３と、電解コンデンサで構成する経路
で電流値が大きく変化する。半導体スイッチをブリッジ
接続する配線とは、図４において基板導体パターン１２
ａ、１２ｂ、１２ｃとワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄである。オンからオフへ切り替わる半導体ス
イッチには、電解コンデンサ電圧を越えた電圧が瞬時的
に印加される。この電解コンデンサ電圧を越えた電圧分
（以下、この電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ。）は前記経路
と電解コンデンサの合計インダクタンスと前記経路にお
ける電流の時間微分値の積によって決定される。跳ね上
り電圧が増加し、オンからオフへ切り替わる半導体スイ
ッチへの印加電圧が素子耐圧を越えたとき、絶縁破壊が
起ることになる。従って、半導体装置の正常動作には、
跳ね上り電圧を抑制する必要があるが、半導体装置の大
電流化に伴い、前記経路における電流の時間微分値も増
加するため、インダクタンスの低減が重要となってい
る。跳ね上り電圧の問題に対して、耐圧の高い半導体ス
イッチを使用する対策があるが、耐圧を高くした場合、
半導体スイッチはオン状態での抵抗値が大きくなる傾向
があり、特に電源電圧が低く、半導体スイッチに大電流
が流れるシステムでは、半導体スイッチでの損失が大き
くなる問題が生じることになる。跳ね上り電圧の問題に
対して、インダクタンスを下げることにより跳ね上り電
圧を抑制することは耐圧の低い半導体スイッチを使用可
能にし、その効果として発熱低減による温度上昇の抑
制、寿命信頼性向上或いは冷却コストの低減などの大き
なメリットがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の半導
体装置における大電流化及び小型化の要求に対してより
低いインダクタンス配線実装を小さな実装面積で実現す
る重要性が高まっている。 そこで、図４に示した従来
例について検討した結果、以下のことが分かった。半導
体スイッチをブリッジ接続する配線の電流量が変化する
時、前記電流の経路に対向する渦電流が放熱板７に流
れ、その結果、放熱板７が銅やＡｌＳｉＣ等などの比較
的電気導電性の良い材料であれば、半導体スイッチをブ
リッジ接続する配線のインダクタンスが低減するという
効果がある。この効果は、半導体スイッチをブリッジ接
続する配線の電流と対向する電流の間で生じる相互イン
ダクタンスが半導体スイッチをブリッジ接続する配線で
生じる自己インダクタンスを減ずることから起こる。ま
た、この効果は、半導体スイッチをブリッジ接続する配
線の電流と対向する電流が近接し、かつ、同量になる程
大きくなるが、ブリッジ接続する配線と放熱板７間が離
れていることと、放熱板７の抵抗によって前記対向する
渦電流が半導体スイッチをブリッジ接続する配線の電流
量に比べて小さな値となることから、その効果には限界
がある。この検討から、半導体スイッチをブリッジ接続
する配線のインダクタンスを従来構造よりさらに低減す
るためには、半導体スイッチをブリッジ接続する配線の
電流と対向する電流が近接し、かつ、同量になるように
絶縁基板における配線レイアウトを構成する必要があ
る。また、この配線レイアウトが実現できれば、熱伝導
性の良い材料であれば良く、特に電気導電性の良い材料
である必要はなくなる。
体装置における大電流化及び小型化の要求に対してより
低いインダクタンス配線実装を小さな実装面積で実現す
る重要性が高まっている。 そこで、図４に示した従来
例について検討した結果、以下のことが分かった。半導
体スイッチをブリッジ接続する配線の電流量が変化する
時、前記電流の経路に対向する渦電流が放熱板７に流
れ、その結果、放熱板７が銅やＡｌＳｉＣ等などの比較
的電気導電性の良い材料であれば、半導体スイッチをブ
リッジ接続する配線のインダクタンスが低減するという
効果がある。この効果は、半導体スイッチをブリッジ接
続する配線の電流と対向する電流の間で生じる相互イン
ダクタンスが半導体スイッチをブリッジ接続する配線で
生じる自己インダクタンスを減ずることから起こる。ま
た、この効果は、半導体スイッチをブリッジ接続する配
線の電流と対向する電流が近接し、かつ、同量になる程
大きくなるが、ブリッジ接続する配線と放熱板７間が離
れていることと、放熱板７の抵抗によって前記対向する
渦電流が半導体スイッチをブリッジ接続する配線の電流
量に比べて小さな値となることから、その効果には限界
がある。この検討から、半導体スイッチをブリッジ接続
する配線のインダクタンスを従来構造よりさらに低減す
るためには、半導体スイッチをブリッジ接続する配線の
電流と対向する電流が近接し、かつ、同量になるように
絶縁基板における配線レイアウトを構成する必要があ
る。また、この配線レイアウトが実現できれば、熱伝導
性の良い材料であれば良く、特に電気導電性の良い材料
である必要はなくなる。
【０００８】本発明の課題は、上述の観点に鑑み、半導
体スイッチをブリッジ接続する配線のインダクタンスを
低減し、かつ、小型化を実現する半導体装置を提供する
ことにある。
体スイッチをブリッジ接続する配線のインダクタンスを
低減し、かつ、小型化を実現する半導体装置を提供する
ことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、半導体装置内において、直流端子間に半導体スイッ
チをブリッジ接続する導体部を表面及び内層に備えた少
なくとも２つの導体層と少なくとも２つの絶縁層を交互
に積層して絶縁基板を形成し、表面と内層の導体層に挟
まれた絶縁層を貫通する導体により絶縁層を挾む表面と
内層の導体層を電気接続し、絶縁基板上に少なくとも２
個の半導体スイッチを実装するブリッジ回路に流れる電
流を絶縁層を挾む導体層間において対向する向きに流す
ように電流経路を設ける。ここで、絶縁層を貫通する導
体と接続する表面の導体層に半導体スイッチを実装しな
い配線レイアウトにする。ここで、半導体スイッチの上
面電極と絶縁基板の表面の導体層の接続に導体ブロック
を用い、放熱板への半導体スイッチの放熱経路を形成す
る。
に、半導体装置内において、直流端子間に半導体スイッ
チをブリッジ接続する導体部を表面及び内層に備えた少
なくとも２つの導体層と少なくとも２つの絶縁層を交互
に積層して絶縁基板を形成し、表面と内層の導体層に挟
まれた絶縁層を貫通する導体により絶縁層を挾む表面と
内層の導体層を電気接続し、絶縁基板上に少なくとも２
個の半導体スイッチを実装するブリッジ回路に流れる電
流を絶縁層を挾む導体層間において対向する向きに流す
ように電流経路を設ける。ここで、絶縁層を貫通する導
体と接続する表面の導体層に半導体スイッチを実装しな
い配線レイアウトにする。ここで、半導体スイッチの上
面電極と絶縁基板の表面の導体層の接続に導体ブロック
を用い、放熱板への半導体スイッチの放熱経路を形成す
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１から図１６おいて同じ対象及び
同じ機能を有するものは同じ符号を付した。また、図を
分かり易くするため、半導体スイッチを駆動するドライ
ブ回路は省略している。図１は、本発明の第１の実施形
態による半導体装置の配線構造を示す概観図である。図
１において、半導体装置３０であり、２は負極直流端
子、３は正極直流端子、４、５、６は出力端子および配
線板、７は放熱板、８はネジ穴、１１は絶縁板、１２
ａ、１２ｂ、１２ｃは基板導体パターン、１３ａ、１３
ｂはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、
１４ｃ、１４ｄはワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ
は絶縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート信号端子、２５
ａ、２５ｂはグランド端子である。各端子２、３、４、
５、６には配線取付け用の穴が設けられている。ネジ穴
８は冷却フィンと放熱板７をボルト等で固定する際に使
用する。図１には、ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄが４本づつ図示されているが、半導体装置の
仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異なり、
本実施形態はワイヤ配線本数を４本に限定するものでは
ない。また、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導
体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板
１５ａのものと同様であるため、以下では絶縁基板１５
ａについて説明する。図１において、絶縁基板１５ａの
上に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成さ
れ、基板導体パターン１２ａ、１２ｂに半導体スイッチ
１３ａ、１３ｂが実装されている。また、ワイヤ配線１
４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続
し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと基板導
体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｃは半導体
スイッチ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを接続し、ワ
イヤ配線１４ｄは負極直流端子２と基板導体パターン１
２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｅは出力端子４と基板導
体パターン１２ｂを接続している。本実施形態の半導体
スイッチにおいて、ワイヤ配線と接続している面がソー
ス電極面であり、基板導体パターンと接続している面が
ドレイン電極面である。本実施形態において、ダイオー
ド及び半導体スイッチはＭＯＳＦＥＴを使用しており、
ゲート信号端子２４ａ、２４ｂは夫々半導体スイッチ１
３ａ、１３ｂのゲート電極に、グランド端子２５ａ、２
５ｂは夫々半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのソース電極
に接続している。ゲート信号端子２４ａ、２４ｂ及びグ
ランド端子２５ａ、２５ｂは図示していないドライブ回
路基板に接続している。ただし、本実施形態におけるダ
イオード及び半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴに限定す
るものではなく、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせた
ものでも良い。絶縁基板１５ａは、複数の導体板と絶縁
板による積層構造を成しており、その構造については図
３において説明する。基板導体パターン１２ａ、１２
ｂ、１２ｃは、絶縁基板１５ａに形成されている。導体
板１２ａと１２ｂは、絶縁基板１５ａの内層にある導体
とその間にある絶縁層を貫通する導体によって導通して
いる。図１は、半導体装置において、ワイヤ配線１４ａ
により正極直流端子３と基板導体パターン１２ａが接続
され、ワイヤ配線１４ｂにより基板導体パターン１２ｂ
上に実装された半導体スイッチ１３ａと基板導体パター
ン１２ｃが接続され、ワイヤ配線１４ｃにより基板導体
パターン１２ｃ上に実装された半導体スイッチ１３ｂと
負極直流端子２が接続されている構造を示している。
基づいて説明する。図１から図１６おいて同じ対象及び
同じ機能を有するものは同じ符号を付した。また、図を
分かり易くするため、半導体スイッチを駆動するドライ
ブ回路は省略している。図１は、本発明の第１の実施形
態による半導体装置の配線構造を示す概観図である。図
１において、半導体装置３０であり、２は負極直流端
子、３は正極直流端子、４、５、６は出力端子および配
線板、７は放熱板、８はネジ穴、１１は絶縁板、１２
ａ、１２ｂ、１２ｃは基板導体パターン、１３ａ、１３
ｂはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、
１４ｃ、１４ｄはワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ
は絶縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート信号端子、２５
ａ、２５ｂはグランド端子である。各端子２、３、４、
５、６には配線取付け用の穴が設けられている。ネジ穴
８は冷却フィンと放熱板７をボルト等で固定する際に使
用する。図１には、ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄが４本づつ図示されているが、半導体装置の
仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異なり、
本実施形態はワイヤ配線本数を４本に限定するものでは
ない。また、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導
体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板
１５ａのものと同様であるため、以下では絶縁基板１５
ａについて説明する。図１において、絶縁基板１５ａの
上に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成さ
れ、基板導体パターン１２ａ、１２ｂに半導体スイッチ
１３ａ、１３ｂが実装されている。また、ワイヤ配線１
４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続
し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと基板導
体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｃは半導体
スイッチ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを接続し、ワ
イヤ配線１４ｄは負極直流端子２と基板導体パターン１
２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｅは出力端子４と基板導
体パターン１２ｂを接続している。本実施形態の半導体
スイッチにおいて、ワイヤ配線と接続している面がソー
ス電極面であり、基板導体パターンと接続している面が
ドレイン電極面である。本実施形態において、ダイオー
ド及び半導体スイッチはＭＯＳＦＥＴを使用しており、
ゲート信号端子２４ａ、２４ｂは夫々半導体スイッチ１
３ａ、１３ｂのゲート電極に、グランド端子２５ａ、２
５ｂは夫々半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのソース電極
に接続している。ゲート信号端子２４ａ、２４ｂ及びグ
ランド端子２５ａ、２５ｂは図示していないドライブ回
路基板に接続している。ただし、本実施形態におけるダ
イオード及び半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴに限定す
るものではなく、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせた
ものでも良い。絶縁基板１５ａは、複数の導体板と絶縁
板による積層構造を成しており、その構造については図
３において説明する。基板導体パターン１２ａ、１２
ｂ、１２ｃは、絶縁基板１５ａに形成されている。導体
板１２ａと１２ｂは、絶縁基板１５ａの内層にある導体
とその間にある絶縁層を貫通する導体によって導通して
いる。図１は、半導体装置において、ワイヤ配線１４ａ
により正極直流端子３と基板導体パターン１２ａが接続
され、ワイヤ配線１４ｂにより基板導体パターン１２ｂ
上に実装された半導体スイッチ１３ａと基板導体パター
ン１２ｃが接続され、ワイヤ配線１４ｃにより基板導体
パターン１２ｃ上に実装された半導体スイッチ１３ｂと
負極直流端子２が接続されている構造を示している。
【００１１】図２は、図１における絶縁基板１５ａを上
方より見た図である。図２において、１２ａ、１２ｂ、
１２ｃは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導体ス
イッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配線、１５ａ
は絶縁基板、１６は絶縁板、２４ａ、２４ｂはゲート信
号端子、２５ａ、２５ｂはグランド端子である。
方より見た図である。図２において、１２ａ、１２ｂ、
１２ｃは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導体ス
イッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配線、１５ａ
は絶縁基板、１６は絶縁板、２４ａ、２４ｂはゲート信
号端子、２５ａ、２５ｂはグランド端子である。
【００１２】図３は、図１における積層絶縁基板１５ａ
の断面構造を示す概略図である。図３において、２は負
極直流端子、３は正極直流端子、７は放熱板、１１は絶
縁板、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは基板導体パターン、１
３ａ、１３ｂは半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４
ｃはワイヤ配線、１５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁
板、１７、１９は導体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４
は半田である。絶縁基板１５ａは、図３に示すように、
絶縁板１６、１８と導体板１７、１９を積層化し、上面
に半導体スイッチ及びワイヤ配線を実装する基板導体パ
ターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成し、基板導体パタ
ーン１２ａ、１２ｂは、それぞれ絶縁板１６を貫通する
導体２０ａ、２０ｂによって導体板１７と接続する構造
になっている。絶縁基板１５ａにおいて絶縁板と導体板
はろう材等で面接着した一体構造になっている。導体板
１９は、絶縁基板１５ａを放熱板７と半田４４等で接着
固定するためのものであり、別の手法により放熱板７に
固着可能な場合は不要である。導体板１７は、以下で説
明するように、電流が流れる部位であるため、放熱板、
冷却器と電気絶縁する必要がある。従って、導体板１７
がむき出しの構造である場合、新たに絶縁シートを放熱
板或いは冷却器の間に挟む必要である。しかし、導体板
１７に接着されていない絶縁シートでは熱抵抗が大きく
なり、放熱がし難くなる点で本実施形態の効果である温
度上昇の抑制効果を無にすることになる。本実施形態に
おいて、導体板１７は絶縁基板の絶縁板１８によって放
熱板７と電気的に絶縁しており、放熱板７が冷却器に面
接触することにより半導体スイッチ１３ａ、１３ｂにお
いて生じた熱を冷却器まで輸送する経路を構成してい
る。従って、本実施形態は、少なくとも半導体スイッチ
が実装される表面の導体層、絶縁層、導体層、絶縁層の
順に積層した絶縁基板を用いていることが特徴である。
また、図３の構造において、絶縁基板１５ａの上面には
ゲート信号端子及びグランド端子が設けられている。絶
縁基板１５ａの絶縁体１６、１７は材料として窒化アル
ミ、窒化珪素、アルミナが用いられる。導体板１２ａ、
１２ｂ、１２ｃ、１７、１９は材料とし銅等の導電性の
良い材料が用いられる。ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ１４ｄは材料としてアルミが用いられる。また、本
実施形態において、図３のワイヤ配線は半田や超音波接
合等の技術を用いて銅やアルミ等の板状導体に置き換え
ても良い。
の断面構造を示す概略図である。図３において、２は負
極直流端子、３は正極直流端子、７は放熱板、１１は絶
縁板、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは基板導体パターン、１
３ａ、１３ｂは半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４
ｃはワイヤ配線、１５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁
板、１７、１９は導体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４
は半田である。絶縁基板１５ａは、図３に示すように、
絶縁板１６、１８と導体板１７、１９を積層化し、上面
に半導体スイッチ及びワイヤ配線を実装する基板導体パ
ターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成し、基板導体パタ
ーン１２ａ、１２ｂは、それぞれ絶縁板１６を貫通する
導体２０ａ、２０ｂによって導体板１７と接続する構造
になっている。絶縁基板１５ａにおいて絶縁板と導体板
はろう材等で面接着した一体構造になっている。導体板
１９は、絶縁基板１５ａを放熱板７と半田４４等で接着
固定するためのものであり、別の手法により放熱板７に
固着可能な場合は不要である。導体板１７は、以下で説
明するように、電流が流れる部位であるため、放熱板、
冷却器と電気絶縁する必要がある。従って、導体板１７
がむき出しの構造である場合、新たに絶縁シートを放熱
板或いは冷却器の間に挟む必要である。しかし、導体板
１７に接着されていない絶縁シートでは熱抵抗が大きく
なり、放熱がし難くなる点で本実施形態の効果である温
度上昇の抑制効果を無にすることになる。本実施形態に
おいて、導体板１７は絶縁基板の絶縁板１８によって放
熱板７と電気的に絶縁しており、放熱板７が冷却器に面
接触することにより半導体スイッチ１３ａ、１３ｂにお
いて生じた熱を冷却器まで輸送する経路を構成してい
る。従って、本実施形態は、少なくとも半導体スイッチ
が実装される表面の導体層、絶縁層、導体層、絶縁層の
順に積層した絶縁基板を用いていることが特徴である。
また、図３の構造において、絶縁基板１５ａの上面には
ゲート信号端子及びグランド端子が設けられている。絶
縁基板１５ａの絶縁体１６、１７は材料として窒化アル
ミ、窒化珪素、アルミナが用いられる。導体板１２ａ、
１２ｂ、１２ｃ、１７、１９は材料とし銅等の導電性の
良い材料が用いられる。ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ１４ｄは材料としてアルミが用いられる。また、本
実施形態において、図３のワイヤ配線は半田や超音波接
合等の技術を用いて銅やアルミ等の板状導体に置き換え
ても良い。
【００１３】以下では、図１の半導体装置３０におい
て、図２、図３に示した絶縁基板の実装構造が本発明が
解決する課題である跳ね上り電圧発生の要因となるイン
ダクタンスを低減する構造であることを図３を用いて説
明する。図３において、跳ね上り電圧を発生させる電流
経路は点線で示す通りであり、正極直流端子３、ワイヤ
配線１４ａ、基板導体パターン１２ａ、導体２０ａ、導
体板１７、導体２０ｂ、基板導体パターン１２ｂ、半導
体スイッチ１３ａ、ワイヤ配線１４ｂ、基板導体パター
ン１２ｃ、半導体スイッチ１３ｂ、ワイヤ配線１４ｃ、
負極直流端子２の順となる。本構造では、導体板１７と
基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃには、半導体
スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの
切り替えをする際に変化する電流が対向し、かつ、同量
流れるレイアウトになっている。それにより、対向する
電流経路間の電磁誘導により、そこで生じる相互インダ
クタンスの絶対値は自己インダクタンスの絶対値に近く
なるため、絶縁基板上の電流経路で生じるインダクタン
スはより低減されることになる。図４の従来例と図１の
本実施形態の構造を用いて絶縁基板寸法とインダクタン
スを比較すると、図４の構造において、絶縁基板１５ａ
の寸法をおよそ３ｃｍ角と想定した場合、絶縁基板上を
流れる電流経路で生じるインダクタンスは約１０ｎＨに
対して、本実施形態の絶縁基板の寸法はおよそ１．５ｃ
ｍ×３ｃｍとなり、絶縁基板上で生じるインダクタンス
は約５ｎＨとなる。以上の検討において、本実施形態
は、絶縁基板面積を約１／２に、インダクタンスは約５
ｎＨ低減し、その効果は大きい。また、絶縁基板面積の
削減は半導体装置の小型化を可能にする。以上の説明か
ら、本実施形態は、絶縁基板面積とインダクタンスの低
減に大きな効果があるといえる。また、前記の電流経路
と放熱板、冷却器は絶縁体１８により絶縁されており、
絶縁基板から放熱板、冷却器までの放熱性は従来構造と
同じであることから、インダクタンスの低減による発熱
・温度上昇抑制効果を損なわない構造である。
て、図２、図３に示した絶縁基板の実装構造が本発明が
解決する課題である跳ね上り電圧発生の要因となるイン
ダクタンスを低減する構造であることを図３を用いて説
明する。図３において、跳ね上り電圧を発生させる電流
経路は点線で示す通りであり、正極直流端子３、ワイヤ
配線１４ａ、基板導体パターン１２ａ、導体２０ａ、導
体板１７、導体２０ｂ、基板導体パターン１２ｂ、半導
体スイッチ１３ａ、ワイヤ配線１４ｂ、基板導体パター
ン１２ｃ、半導体スイッチ１３ｂ、ワイヤ配線１４ｃ、
負極直流端子２の順となる。本構造では、導体板１７と
基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃには、半導体
スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの
切り替えをする際に変化する電流が対向し、かつ、同量
流れるレイアウトになっている。それにより、対向する
電流経路間の電磁誘導により、そこで生じる相互インダ
クタンスの絶対値は自己インダクタンスの絶対値に近く
なるため、絶縁基板上の電流経路で生じるインダクタン
スはより低減されることになる。図４の従来例と図１の
本実施形態の構造を用いて絶縁基板寸法とインダクタン
スを比較すると、図４の構造において、絶縁基板１５ａ
の寸法をおよそ３ｃｍ角と想定した場合、絶縁基板上を
流れる電流経路で生じるインダクタンスは約１０ｎＨに
対して、本実施形態の絶縁基板の寸法はおよそ１．５ｃ
ｍ×３ｃｍとなり、絶縁基板上で生じるインダクタンス
は約５ｎＨとなる。以上の検討において、本実施形態
は、絶縁基板面積を約１／２に、インダクタンスは約５
ｎＨ低減し、その効果は大きい。また、絶縁基板面積の
削減は半導体装置の小型化を可能にする。以上の説明か
ら、本実施形態は、絶縁基板面積とインダクタンスの低
減に大きな効果があるといえる。また、前記の電流経路
と放熱板、冷却器は絶縁体１８により絶縁されており、
絶縁基板から放熱板、冷却器までの放熱性は従来構造と
同じであることから、インダクタンスの低減による発熱
・温度上昇抑制効果を損なわない構造である。
【００１４】図５を用いて、本発明の半導体装置を用い
た電力変換装置について説明する。図５は、図１の第１
の実施形態を用いた電力変換装置の一例である。図５に
おいて、３２は電力変換装置であり、１はケース、２は
負極直流端子、３は正極直流端子、４、５、６は出力端
子、２１、２２は導体板、２３は絶縁板、２６は補助制
御端子、２９は電解コンデンサ、３０は半導体装置、３
１は直流電源、３５は誘導電動機、４０、４１、４２、
４３はボルトである。図５において、負極直流端子２と
導体板２１、正極直流端子３と導体板２２はそれぞれボ
ルト４０、４１により導通している。導体板２１と導体
板２２は絶縁板２３を挟む積層構造をしている。電解コ
ンデンサ２９の端子はボルト４２、４３を用いてそれぞ
れ導体板２１、２２に接続されている。補助制御端子２
６は出力命令信号等の送受信に用いる。図５において、
電力変換装置３２は、半導体装置３０と電解コンデンサ
２９及びそれらを接続する配線で構成されている。な
お、本実施形態の電力変換装置において、電解コンデン
サ２９は、電解コンデンサに限定するものではなく、使
用条件に対して十分大きな静電容量を持つコンデンサで
あれば良い。図５の電力変換装置において、図１の第１
の実施形態の半導体装置を用いることにより、跳ね上り
電圧の要因であるインダクタンスが低減されるため、そ
の効果である発熱低減により冷却コストの低減が可能に
なる。また、半導体装置の小型化により、電力変換装置
の小型化も可能になる。
た電力変換装置について説明する。図５は、図１の第１
の実施形態を用いた電力変換装置の一例である。図５に
おいて、３２は電力変換装置であり、１はケース、２は
負極直流端子、３は正極直流端子、４、５、６は出力端
子、２１、２２は導体板、２３は絶縁板、２６は補助制
御端子、２９は電解コンデンサ、３０は半導体装置、３
１は直流電源、３５は誘導電動機、４０、４１、４２、
４３はボルトである。図５において、負極直流端子２と
導体板２１、正極直流端子３と導体板２２はそれぞれボ
ルト４０、４１により導通している。導体板２１と導体
板２２は絶縁板２３を挟む積層構造をしている。電解コ
ンデンサ２９の端子はボルト４２、４３を用いてそれぞ
れ導体板２１、２２に接続されている。補助制御端子２
６は出力命令信号等の送受信に用いる。図５において、
電力変換装置３２は、半導体装置３０と電解コンデンサ
２９及びそれらを接続する配線で構成されている。な
お、本実施形態の電力変換装置において、電解コンデン
サ２９は、電解コンデンサに限定するものではなく、使
用条件に対して十分大きな静電容量を持つコンデンサで
あれば良い。図５の電力変換装置において、図１の第１
の実施形態の半導体装置を用いることにより、跳ね上り
電圧の要因であるインダクタンスが低減されるため、そ
の効果である発熱低減により冷却コストの低減が可能に
なる。また、半導体装置の小型化により、電力変換装置
の小型化も可能になる。
【００１５】本発明の第１の実施形態では、３相交流を
出力する半導体装置３０を説明したが、本発明は、１相
分のブリッジ回路を構成する絶縁基板に関するものであ
り、１相分を出力する半導体装置においても同様の効果
を得ることができる。
出力する半導体装置３０を説明したが、本発明は、１相
分のブリッジ回路を構成する絶縁基板に関するものであ
り、１相分を出力する半導体装置においても同様の効果
を得ることができる。
【００１６】次に、図８と図９を用いて、本発明の第２
の実施形態による半導体装置における半導体スイッチと
基板導体パターン間の半田接合を長寿命化する配線レイ
アウトについて説明する。図８は、本実施形態の半導体
装置の配線構造を示す斜視図であり、半導体装置のケー
ス部分を除いて図示している。図８において、３０は半
導体装置であり、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、４、５、６は出力端子および配線板、７は放熱板、
８はネジ穴、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、
１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂはダイオー
ド及び半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４
ｄ、１４ｅはワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃは絶
縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート信号端子、２５ａ、２
５ｂはグランド端子、２７ａ、２７ｂはドレイン信号端
子である。各端子２、３、４、５、６には配線取付け用
の穴が設けられている。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板
７をボルト等で固定する際に使用する。各端子２４ａ、
２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２７ａ、２７ｂは絶縁基板１
５ａ上に設けた導体パターンと半田等によって接続され
ている。図８には、ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄ、１４ｅが４本づつ図示されているが、半導
体装置の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は
異なり、本実施形態はワイヤ配線本数を４本に限定する
ものではない。また、図８の半導体装置は３相交流電流
を出力する装置であり、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装
された半導体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用
は絶縁基板１５ａのものと同様であるため、以下では絶
縁基板１５ａについて説明する。図８において、絶縁基
板１５ａの上に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄが形成され、基板導体パターン１２ａ、１２
ｂに半導体スイッチ１３ａ、１３ｂが半田により実装さ
れている。また、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と
基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは
半導体スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続
し、ワイヤ配線１４ｅは半導体スイッチ１３ｂと基板導
体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｃは負極直
流端子２と基板導体パターン１２ｄを接続し、ワイヤ配
線１４ｄは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続
している。本実施形態の半導体スイッチにおいて、ワイ
ヤ配線と接続している面がソース電極面であり、基板導
体パターンと接続している面がドレイン電極面である。
本実施形態において、ダイオード及び半導体スイッチは
ＭＯＳＦＥＴを使用しており、ゲート信号端子２４ａ、
２４ｂは夫々半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのゲート電
極に、グランド端子２５ａ、２５ｂは夫々半導体スイッ
チ１３ａ、１３ｂのソース電極に、ドレイン信号端子２
７ａ、２７ｂはそれぞれ基板導体パターン１２ａ、１２
ｂに接続している。ゲート信号端子２４ａ、２４ｂ及び
グランド端子２５ａ、２５ｂ、ドレイン信号端子２７
ａ、２７ｂは図示していないドライブ回路基板に接続し
ている。ただし、本実施形態におけるダイオード及び半
導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴに限定するものではな
く、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせたものでも良
い。
の実施形態による半導体装置における半導体スイッチと
基板導体パターン間の半田接合を長寿命化する配線レイ
アウトについて説明する。図８は、本実施形態の半導体
装置の配線構造を示す斜視図であり、半導体装置のケー
ス部分を除いて図示している。図８において、３０は半
導体装置であり、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、４、５、６は出力端子および配線板、７は放熱板、
８はネジ穴、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、
１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂはダイオー
ド及び半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４
ｄ、１４ｅはワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃは絶
縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート信号端子、２５ａ、２
５ｂはグランド端子、２７ａ、２７ｂはドレイン信号端
子である。各端子２、３、４、５、６には配線取付け用
の穴が設けられている。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板
７をボルト等で固定する際に使用する。各端子２４ａ、
２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２７ａ、２７ｂは絶縁基板１
５ａ上に設けた導体パターンと半田等によって接続され
ている。図８には、ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄ、１４ｅが４本づつ図示されているが、半導
体装置の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は
異なり、本実施形態はワイヤ配線本数を４本に限定する
ものではない。また、図８の半導体装置は３相交流電流
を出力する装置であり、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装
された半導体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用
は絶縁基板１５ａのものと同様であるため、以下では絶
縁基板１５ａについて説明する。図８において、絶縁基
板１５ａの上に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄが形成され、基板導体パターン１２ａ、１２
ｂに半導体スイッチ１３ａ、１３ｂが半田により実装さ
れている。また、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と
基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは
半導体スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続
し、ワイヤ配線１４ｅは半導体スイッチ１３ｂと基板導
体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｃは負極直
流端子２と基板導体パターン１２ｄを接続し、ワイヤ配
線１４ｄは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続
している。本実施形態の半導体スイッチにおいて、ワイ
ヤ配線と接続している面がソース電極面であり、基板導
体パターンと接続している面がドレイン電極面である。
本実施形態において、ダイオード及び半導体スイッチは
ＭＯＳＦＥＴを使用しており、ゲート信号端子２４ａ、
２４ｂは夫々半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのゲート電
極に、グランド端子２５ａ、２５ｂは夫々半導体スイッ
チ１３ａ、１３ｂのソース電極に、ドレイン信号端子２
７ａ、２７ｂはそれぞれ基板導体パターン１２ａ、１２
ｂに接続している。ゲート信号端子２４ａ、２４ｂ及び
グランド端子２５ａ、２５ｂ、ドレイン信号端子２７
ａ、２７ｂは図示していないドライブ回路基板に接続し
ている。ただし、本実施形態におけるダイオード及び半
導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴに限定するものではな
く、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせたものでも良
い。
【００１７】絶縁基板１５ａは、複数の導体板と絶縁板
による積層構造を成しており、その構造については図９
により説明する。図９は、本実施形態の半導体装置の断
面構造を示す。図９において、３０は半導体装置であ
り、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導
体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配線、１
５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、１７、１９は導
体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４は半田、４５ａ、４
５ｂは半田である。図９において、絶縁基板１５ａは、
基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、絶
縁板１６、１８は導体板１７、１９、導体２０ａ、２０
ｂから構成され、絶縁基板１５ａ上に形成された基板導
体パターン１２ｃ、１２ｄは、絶縁基板１５ａの内層に
ある導体１７とその間にある絶縁層を貫通する導体２０
ａ、２０ｂによってそれぞれ導通している。また、導体
板１７と導体板１９の間は絶縁板１８によって絶縁され
ている。図９において、跳ね上り電圧を発生させる電流
経路は、正極直流端子３、ワイヤ配線１４ａ、基板導体
パターン１２ａ、半導体スイッチ１３ａ、ワイヤ配線１
４ｂ、基板導体パターン１２ｂ、半導体スイッチ１３
ｂ、ワイヤ配線１４ｅ、基板導体パターン１２ｃ、導体
２０ａ、導体板１７、導体２０ｂ、基板導体パターン１
２ｄ、ワイヤ配線１４ｃ、負極直流端子２の順となる。
による積層構造を成しており、その構造については図９
により説明する。図９は、本実施形態の半導体装置の断
面構造を示す。図９において、３０は半導体装置であ
り、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導
体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配線、１
５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、１７、１９は導
体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４は半田、４５ａ、４
５ｂは半田である。図９において、絶縁基板１５ａは、
基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、絶
縁板１６、１８は導体板１７、１９、導体２０ａ、２０
ｂから構成され、絶縁基板１５ａ上に形成された基板導
体パターン１２ｃ、１２ｄは、絶縁基板１５ａの内層に
ある導体１７とその間にある絶縁層を貫通する導体２０
ａ、２０ｂによってそれぞれ導通している。また、導体
板１７と導体板１９の間は絶縁板１８によって絶縁され
ている。図９において、跳ね上り電圧を発生させる電流
経路は、正極直流端子３、ワイヤ配線１４ａ、基板導体
パターン１２ａ、半導体スイッチ１３ａ、ワイヤ配線１
４ｂ、基板導体パターン１２ｂ、半導体スイッチ１３
ｂ、ワイヤ配線１４ｅ、基板導体パターン１２ｃ、導体
２０ａ、導体板１７、導体２０ｂ、基板導体パターン１
２ｄ、ワイヤ配線１４ｃ、負極直流端子２の順となる。
【００１８】本配線レイアウトにより、導体板１７と基
板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとで
は、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンか
らオフへの切り替えをする際に変化する電流が対向し、
かつ、近接して流れるため、本発明の第１の実施形態
（図１から図３）で説明した構造と同様の跳ね上り電圧
の低減効果がある。それに加え、図８、図９の構造で
は、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂを導体２０ａ、２０
ｂと接続した基板導体パターン１２ｃ、１２ｄに配置し
ないレイアウトにしている。これは、以下に説明する半
導体チップと基板導体パターンを接続する半田の信頼性
の向上に効果がある。半導体装置は、動作時の半導体ス
イッチ、絶縁基板、放熱板等の温度上昇と休止時の温度
下降の温度サイクルにより、各部品は膨張と収縮を繰り
返す。半導体スイッチと絶縁基板、放熱板で生じる膨張
率の違いによって生じる歪みは、それらを接合する半田
を塑性変形させ、温度サイクル毎に少しずつ亀裂を生じ
させる。そのため、半田の寿命を向上させるためには、
上記歪みを小さくする必要がある。例えば、シリコンを
用いた半導体スイッチの熱膨張率が約３μｍ／℃、絶縁
基板の熱膨張率が約３〜４μｍ／℃、放熱板（銅）の熱
膨張率が約１８μｍ／℃とすると、半導体スイッチと銅
の間では膨張差が大きくなることが分かる。本実施形態
の半導体装置を構成する内層に電流経路となる導体層
（導体板１７）を持つ絶縁基板において、導体が銅で構
成される場合、図９の導体２０ａ、２０ｂが接続する基
板導体パターン１２ｃ、１２ｄ部分では体積に占める銅
の割合が多くなり、絶縁基板の他の部分に比べ、膨張率
が大きくなる。そのため、導体パターン１２ｃ、１２ｄ
部分に半導体スイッチを配置すると、半導体スイッチと
導体パターンを接合する半田の歪みが大きくなる。そこ
で、半田の信頼性を向上するため、図８、図９で説明し
た半導体装置では、導体２０ａ、２０ｂが接続していな
い導体パターン１２ａ、１２ｂに半導体スイッチを配置
した。また、図８、図９のレイアウトでは、絶縁基板の
内層導体１７は負極直流端子と接続して負極と同電位と
したレイアウトであるために、絶縁基板から放熱板への
浮遊静電容量による漏れ電流を低減する効果もある。
板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとで
は、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンか
らオフへの切り替えをする際に変化する電流が対向し、
かつ、近接して流れるため、本発明の第１の実施形態
（図１から図３）で説明した構造と同様の跳ね上り電圧
の低減効果がある。それに加え、図８、図９の構造で
は、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂを導体２０ａ、２０
ｂと接続した基板導体パターン１２ｃ、１２ｄに配置し
ないレイアウトにしている。これは、以下に説明する半
導体チップと基板導体パターンを接続する半田の信頼性
の向上に効果がある。半導体装置は、動作時の半導体ス
イッチ、絶縁基板、放熱板等の温度上昇と休止時の温度
下降の温度サイクルにより、各部品は膨張と収縮を繰り
返す。半導体スイッチと絶縁基板、放熱板で生じる膨張
率の違いによって生じる歪みは、それらを接合する半田
を塑性変形させ、温度サイクル毎に少しずつ亀裂を生じ
させる。そのため、半田の寿命を向上させるためには、
上記歪みを小さくする必要がある。例えば、シリコンを
用いた半導体スイッチの熱膨張率が約３μｍ／℃、絶縁
基板の熱膨張率が約３〜４μｍ／℃、放熱板（銅）の熱
膨張率が約１８μｍ／℃とすると、半導体スイッチと銅
の間では膨張差が大きくなることが分かる。本実施形態
の半導体装置を構成する内層に電流経路となる導体層
（導体板１７）を持つ絶縁基板において、導体が銅で構
成される場合、図９の導体２０ａ、２０ｂが接続する基
板導体パターン１２ｃ、１２ｄ部分では体積に占める銅
の割合が多くなり、絶縁基板の他の部分に比べ、膨張率
が大きくなる。そのため、導体パターン１２ｃ、１２ｄ
部分に半導体スイッチを配置すると、半導体スイッチと
導体パターンを接合する半田の歪みが大きくなる。そこ
で、半田の信頼性を向上するため、図８、図９で説明し
た半導体装置では、導体２０ａ、２０ｂが接続していな
い導体パターン１２ａ、１２ｂに半導体スイッチを配置
した。また、図８、図９のレイアウトでは、絶縁基板の
内層導体１７は負極直流端子と接続して負極と同電位と
したレイアウトであるために、絶縁基板から放熱板への
浮遊静電容量による漏れ電流を低減する効果もある。
【００１９】次に、図１０、図１１を用いて、本発明の
第３の実施形態による半導体スイッチを並列化した半導
体装置を説明する。図１０は、本実施形態の半導体スイ
ッチを２並列化した半導体装置を上方から見た図であ
る。図１０では、内部配線構造を示すために、半導体装
置のケース上面部を取り除いている。図１０において、
３０は半導体装置であり、２は負極直流端子、３は正極
直流端子、４、５、６は出力端子および配線板、１３
ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄはダイオード及び半導体ス
イッチ、１４ｂ、１４ｅはワイヤ配線、１５ａ、１５
ｂ、１５ｃは絶縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート信号端
子、２５ａ、２５ｂはグランド端子、２７ａ、２７ｂは
ドレイン信号端子、３６は抵抗体である。各端子２、
３、４、５、６には配線取付け用の穴が設けられてい
る。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板７をボルト等で固定
する際に使用する。各端子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２
５ｂ、２７ａ、２７ｂは絶縁基板１５ａ上に設けた導体
パターンと半田等によって接続されている。抵抗体３６
は並列に配置した半導体スイッチ１３ａと１３ｃのゲー
ト−ドレイン間容量とゲート配線を含む配線インダクタ
ンスによって起こる発振現象を抑制するためにゲート配
線に配置した回路素子である。符号で示すことは省略し
ているが、半導体スイッチ１３ｂ、１３ｄのゲート配線
にも同様の抵抗体を配置している。
第３の実施形態による半導体スイッチを並列化した半導
体装置を説明する。図１０は、本実施形態の半導体スイ
ッチを２並列化した半導体装置を上方から見た図であ
る。図１０では、内部配線構造を示すために、半導体装
置のケース上面部を取り除いている。図１０において、
３０は半導体装置であり、２は負極直流端子、３は正極
直流端子、４、５、６は出力端子および配線板、１３
ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄはダイオード及び半導体ス
イッチ、１４ｂ、１４ｅはワイヤ配線、１５ａ、１５
ｂ、１５ｃは絶縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート信号端
子、２５ａ、２５ｂはグランド端子、２７ａ、２７ｂは
ドレイン信号端子、３６は抵抗体である。各端子２、
３、４、５、６には配線取付け用の穴が設けられてい
る。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板７をボルト等で固定
する際に使用する。各端子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２
５ｂ、２７ａ、２７ｂは絶縁基板１５ａ上に設けた導体
パターンと半田等によって接続されている。抵抗体３６
は並列に配置した半導体スイッチ１３ａと１３ｃのゲー
ト−ドレイン間容量とゲート配線を含む配線インダクタ
ンスによって起こる発振現象を抑制するためにゲート配
線に配置した回路素子である。符号で示すことは省略し
ているが、半導体スイッチ１３ｂ、１３ｄのゲート配線
にも同様の抵抗体を配置している。
【００２０】図１１は、図１０の半導体装置におけるＡ
Ａ’断面構造を示す。図１１において、３０は半導体装
置であり、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直
流端子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、
１２ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは
半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配
線、１５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、１７、１
９は導体板、２０ａ、２０ｂは導体である。図１１にお
いて、絶縁基板１５ａは、基板導体パターン１２ａ、１
２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、絶縁板１６、１８は、導体板１
７、１９、導体２０ａ、２０ｂから構成され、絶縁基板
１５ａ上に形成された基板導体パターン１２ｃ、１２ｄ
は絶縁基板１５ａの内層にある導体１７とその間にある
絶縁層を貫通する導体２０ａ、２０ｂによってそれぞれ
導通している。また、導体板１７と導体板１９の間は絶
縁板１８によって絶縁している。図１１において、絶縁
基板１５ａのＡＡ’断面構造は、図９の断面構造とほぼ
同じである。図１１では、負極直流端子１と正極直流端
子３を曲げ構造を持つ板で構成し、絶縁基板１５ａの基
板導体パターンに半田等で接合している。
Ａ’断面構造を示す。図１１において、３０は半導体装
置であり、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直
流端子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、
１２ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは
半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配
線、１５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、１７、１
９は導体板、２０ａ、２０ｂは導体である。図１１にお
いて、絶縁基板１５ａは、基板導体パターン１２ａ、１
２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、絶縁板１６、１８は、導体板１
７、１９、導体２０ａ、２０ｂから構成され、絶縁基板
１５ａ上に形成された基板導体パターン１２ｃ、１２ｄ
は絶縁基板１５ａの内層にある導体１７とその間にある
絶縁層を貫通する導体２０ａ、２０ｂによってそれぞれ
導通している。また、導体板１７と導体板１９の間は絶
縁板１８によって絶縁している。図１１において、絶縁
基板１５ａのＡＡ’断面構造は、図９の断面構造とほぼ
同じである。図１１では、負極直流端子１と正極直流端
子３を曲げ構造を持つ板で構成し、絶縁基板１５ａの基
板導体パターンに半田等で接合している。
【００２１】本構造の対象である半導体スイッチを並列
化した半導体装置では、並列化した半導体スイッチを流
れる電流にアンバランスが生じた場合、電流値のニ乗に
比例した発熱アンバランスが生じる。これにより発熱の
大きな方の半導体スイッチが動作保証温度を上回らない
ようにする必要があるため、半導体装置の正常動作を保
証する最大電流値を下げることになり、即ち装置性能を
下げることになる。並列化した半導体スイッチに流れる
電流を均一化するためは、並列化する半導体スイッチの
電気特性を合わせるだけではなく、電流経路の電気特性
も合わせる必要がある。それには、電流経路を対称化す
る配線レイアウトが有効であるが、この手法は、表面の
みに導体パターンを有する絶縁基板では基板大型化の短
所があった。図１０、図１１に示す本実施形態の半導体
装置の配線レイアウトでは、絶縁基板内層の導体を電流
経路にし、絶縁基板中央部にスイッチング制御に必要な
ゲート信号端子、グランド端子、ドレイン端子へ配線パ
ターンを配置した。本配線レイアウトにおいて半導体ス
イッチ１３ａから１３ｂへ流れる電流経路と半導体スイ
ッチ１３ｃから１３ｄへと流れる電流経路を絶縁基板内
層の導体を用いて対称化することによって、電流アンバ
ランスを保った上で絶縁基板の小型化を実現している。
また、本実施形態では絶縁基板レイアウトによる低イン
ダクタン化に加えて、曲げ構造を持つ負極直流端子１と
正極直流端子３の導体板を間に絶縁物を積層レイウトに
することによって、上記の直流端子部分の低インダクタ
ンス化を実現している。半導体装置は、半導体スイッチ
を並列化することで発熱量が小さくなり、より大電流ス
イチングが可能になるが、同時に跳ね上り電圧をさらに
抑制する必要があるため、大電流化のために半導体スイ
ッチを並列化した半導体装置に対して本配線レイアウト
の特長である低インダクタンス化の有効性が大きくな
る。
化した半導体装置では、並列化した半導体スイッチを流
れる電流にアンバランスが生じた場合、電流値のニ乗に
比例した発熱アンバランスが生じる。これにより発熱の
大きな方の半導体スイッチが動作保証温度を上回らない
ようにする必要があるため、半導体装置の正常動作を保
証する最大電流値を下げることになり、即ち装置性能を
下げることになる。並列化した半導体スイッチに流れる
電流を均一化するためは、並列化する半導体スイッチの
電気特性を合わせるだけではなく、電流経路の電気特性
も合わせる必要がある。それには、電流経路を対称化す
る配線レイアウトが有効であるが、この手法は、表面の
みに導体パターンを有する絶縁基板では基板大型化の短
所があった。図１０、図１１に示す本実施形態の半導体
装置の配線レイアウトでは、絶縁基板内層の導体を電流
経路にし、絶縁基板中央部にスイッチング制御に必要な
ゲート信号端子、グランド端子、ドレイン端子へ配線パ
ターンを配置した。本配線レイアウトにおいて半導体ス
イッチ１３ａから１３ｂへ流れる電流経路と半導体スイ
ッチ１３ｃから１３ｄへと流れる電流経路を絶縁基板内
層の導体を用いて対称化することによって、電流アンバ
ランスを保った上で絶縁基板の小型化を実現している。
また、本実施形態では絶縁基板レイアウトによる低イン
ダクタン化に加えて、曲げ構造を持つ負極直流端子１と
正極直流端子３の導体板を間に絶縁物を積層レイウトに
することによって、上記の直流端子部分の低インダクタ
ンス化を実現している。半導体装置は、半導体スイッチ
を並列化することで発熱量が小さくなり、より大電流ス
イチングが可能になるが、同時に跳ね上り電圧をさらに
抑制する必要があるため、大電流化のために半導体スイ
ッチを並列化した半導体装置に対して本配線レイアウト
の特長である低インダクタンス化の有効性が大きくな
る。
【００２２】次に、図１２、図１３を用いて、本発明の
第４の実施形態による１相分を出力する半導体装置につ
いて説明する。図１２は、本実施形態の１相分を出力す
る半導体装置を上方から見た図である。図１２では、内
部配線構造を示すために、半導体装置のケース上面部を
取り除いている。図１２において、３０は半導体装置で
あり、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、４は出力端子、１３ａ、１３ｂ、はダイオード及び
半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｅはワ
イヤ配線、１５ａは絶縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート
信号端子、２５ａ、２５ｂはグランド端子、２７ａ、２
７ｂはドレイン信号端子である。各端子２、３、４には
配線取付け用の穴が設けられている。出力端子４を構成
する導体板は基板導体パターン１２ｂと半田等による接
合されている。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板７をボル
ト等で固定する際に使用する。
第４の実施形態による１相分を出力する半導体装置につ
いて説明する。図１２は、本実施形態の１相分を出力す
る半導体装置を上方から見た図である。図１２では、内
部配線構造を示すために、半導体装置のケース上面部を
取り除いている。図１２において、３０は半導体装置で
あり、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、４は出力端子、１３ａ、１３ｂ、はダイオード及び
半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｅはワ
イヤ配線、１５ａは絶縁基板、２４ａ、２４ｂはゲート
信号端子、２５ａ、２５ｂはグランド端子、２７ａ、２
７ｂはドレイン信号端子である。各端子２、３、４には
配線取付け用の穴が設けられている。出力端子４を構成
する導体板は基板導体パターン１２ｂと半田等による接
合されている。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板７をボル
ト等で固定する際に使用する。
【００２３】図１３は、図１２の半導体装置のＡＡ’断
面構造を示す。図１３において、３０は半導体装置であ
り、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導
体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配線、１
５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、１７、１９は導
体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４は半田、４５ａ、４
５ｂは半田である。図１３において、絶縁基板１５ａ
は、基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２
ｄ、絶縁板１６、１８は、導体板１７、１９、導体２０
ａ、２０ｂで構成され、絶縁基板１５ａ上に形成された
基板導体パターン１２ｃ、１２ｄは、絶縁基板１５ａの
内層にある導体１７とその間にある絶縁層を貫通する導
体２０ａ、２０ｂによってそれぞれ導通している。ま
た、導体板１７と導体板１９の間は絶縁板１８によって
絶縁されている。
面構造を示す。図１３において、３０は半導体装置であ
り、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導
体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはワイヤ配線、１
５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、１７、１９は導
体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４は半田、４５ａ、４
５ｂは半田である。図１３において、絶縁基板１５ａ
は、基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２
ｄ、絶縁板１６、１８は、導体板１７、１９、導体２０
ａ、２０ｂで構成され、絶縁基板１５ａ上に形成された
基板導体パターン１２ｃ、１２ｄは、絶縁基板１５ａの
内層にある導体１７とその間にある絶縁層を貫通する導
体２０ａ、２０ｂによってそれぞれ導通している。ま
た、導体板１７と導体板１９の間は絶縁板１８によって
絶縁されている。
【００２４】図１２と図１３より、本実施形態は、図８
の第２の実施形態において１つのブリッジ回路を構成す
る１枚の絶縁基板とその周辺配線を抜き出した配線構造
であり、図８の第２の実施形態と同様の理由で小型化、
インダクタンス低減等の効果がある。加えて、図１３の
断面図で示されるように、負極直流端子２と正極直流端
子３部分については、負極直流端子２と正極直流端子３
を構成する導体板の間に絶縁体を挟んで重ね、下側の端
子部を張り出した構造にすることにより、図１０と同様
に端子部分のインダクタンスを低減したレイアウトにし
ている。これにより、本実施形態は、図８の配線構造に
比べ、直流端子部構造が単純でかつインダクタンスの低
減効果の大きい配線レイアウトを実現している。本実施
形態は、直流電流／直流電流変換装置のように１つのブ
リッジ回路で構成可能な装置の小型で信頼性の向上に有
効である。また、本実施形態は、図８の第２の実施形態
をもとに２つの半導体スイッチによってブリッジ回路を
構成しているが、図１０の第３の実施形態で示したよう
に、半導体スイッチを並列化したブリッジ回路をもとに
レイアウトすることも可能である。
の第２の実施形態において１つのブリッジ回路を構成す
る１枚の絶縁基板とその周辺配線を抜き出した配線構造
であり、図８の第２の実施形態と同様の理由で小型化、
インダクタンス低減等の効果がある。加えて、図１３の
断面図で示されるように、負極直流端子２と正極直流端
子３部分については、負極直流端子２と正極直流端子３
を構成する導体板の間に絶縁体を挟んで重ね、下側の端
子部を張り出した構造にすることにより、図１０と同様
に端子部分のインダクタンスを低減したレイアウトにし
ている。これにより、本実施形態は、図８の配線構造に
比べ、直流端子部構造が単純でかつインダクタンスの低
減効果の大きい配線レイアウトを実現している。本実施
形態は、直流電流／直流電流変換装置のように１つのブ
リッジ回路で構成可能な装置の小型で信頼性の向上に有
効である。また、本実施形態は、図８の第２の実施形態
をもとに２つの半導体スイッチによってブリッジ回路を
構成しているが、図１０の第３の実施形態で示したよう
に、半導体スイッチを並列化したブリッジ回路をもとに
レイアウトすることも可能である。
【００２５】次に、図１４、図１５を用いて、本発明の
第４の実施形態による半導体スイッチの放熱性能を上げ
た構造の半導体装置について説明する。図１４は、本実
施形態の半導体装置を上方から見た図である。図１４で
は、内部配線構造を示すために、半導体装置のケース上
面部を取り除いている。図１４において、３０は半導体
装置であり、１はケース、２は負極直流端子、３は正極
直流端子、４は出力端子、１３ａ、１３ｂはダイオード
及び半導体スイッチ、１５ａは絶縁基板、２４ａ、２４
ｂはゲート信号端子、２５ａ、２５ｂはグランド端子、
２７ａ、２７ｂはドレイン信号端子、４６ａ、４６ｂは
導体ブロックである。各端子２、３、４には配線取付け
用の穴が設けられている。出力端子４を構成する導体板
は基板導体パターン１２ｂと半田等による接合されてい
る。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板７をボルト等で固定
する際に使用する。
第４の実施形態による半導体スイッチの放熱性能を上げ
た構造の半導体装置について説明する。図１４は、本実
施形態の半導体装置を上方から見た図である。図１４で
は、内部配線構造を示すために、半導体装置のケース上
面部を取り除いている。図１４において、３０は半導体
装置であり、１はケース、２は負極直流端子、３は正極
直流端子、４は出力端子、１３ａ、１３ｂはダイオード
及び半導体スイッチ、１５ａは絶縁基板、２４ａ、２４
ｂはゲート信号端子、２５ａ、２５ｂはグランド端子、
２７ａ、２７ｂはドレイン信号端子、４６ａ、４６ｂは
導体ブロックである。各端子２、３、４には配線取付け
用の穴が設けられている。出力端子４を構成する導体板
は基板導体パターン１２ｂと半田等による接合されてい
る。ネジ穴８は冷却フィンと放熱板７をボルト等で固定
する際に使用する。
【００２６】図１５は、図１４の半導体装置のＡＡ’断
面構造を示す。図１５において、３０は半導体装置であ
り、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導
体スイッチ、１５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、
１７、１９は導体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４は半
田、４５ａ、４５ｂは半田、４６ａ、４６ｂは導体ブロ
ックである。導体ブロック４６ａは、銅等の電気伝導性
と熱伝導性の良い材料を用い、半田等による接合や上面
に設けられた加圧機構を用いた圧力によって半導体スイ
ッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを電気接続してい
る。導体ブロック４６ｂについても同様に半導体スイッ
チ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを電気接続してい
る。
面構造を示す。図１５において、３０は半導体装置であ
り、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端
子、７は放熱板、１１は絶縁板、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄは基板導体パターン、１３ａ、１３ｂは半導
体スイッチ、１５ａは絶縁基板、１６、１８は絶縁板、
１７、１９は導体板、２０ａ、２０ｂは導体、４４は半
田、４５ａ、４５ｂは半田、４６ａ、４６ｂは導体ブロ
ックである。導体ブロック４６ａは、銅等の電気伝導性
と熱伝導性の良い材料を用い、半田等による接合や上面
に設けられた加圧機構を用いた圧力によって半導体スイ
ッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを電気接続してい
る。導体ブロック４６ｂについても同様に半導体スイッ
チ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを電気接続してい
る。
【００２７】本実施形態では、図１０の第３の実施形態
等においてワイヤ配線が用いられていた箇所を導体ブロ
ック４６ａ、４６ｂに置換えることにより、半導体スイ
ッチで生じた熱は図１５中の点線に示すように導体ブロ
ックを通じた経路からも放熱される。この導体ブロック
による放熱性向上に加え、本実施形態における絶縁基板
１５ａのレイアウトでは、導体ブロック４６ｂは基板導
体パターン１２ｃと導体板１７が導体２０ａで接続され
た熱伝導性の良い構造の上に接合することにより、より
放熱効率が向上する効果を有している。放熱性の向上に
より半導体チップの温度上昇が抑制され、信頼性の向上
或いは冷却器に要求される能力を軽減できたことによる
コストの削減に効果がある。
等においてワイヤ配線が用いられていた箇所を導体ブロ
ック４６ａ、４６ｂに置換えることにより、半導体スイ
ッチで生じた熱は図１５中の点線に示すように導体ブロ
ックを通じた経路からも放熱される。この導体ブロック
による放熱性向上に加え、本実施形態における絶縁基板
１５ａのレイアウトでは、導体ブロック４６ｂは基板導
体パターン１２ｃと導体板１７が導体２０ａで接続され
た熱伝導性の良い構造の上に接合することにより、より
放熱効率が向上する効果を有している。放熱性の向上に
より半導体チップの温度上昇が抑制され、信頼性の向上
或いは冷却器に要求される能力を軽減できたことによる
コストの削減に効果がある。
【００２８】次に、本発明の第６の実施形態として本発
明の半導体装置を用いた電力変換器を搭載した自動車の
駆動システムについて説明する。図１６は、本実施形態
の自動車における駆動システムの構成図である。図１６
において、３５は電動機、３２は電力変換装置、３１は
直流電源、３４は出力配線、５０は自動車、５１は制御
装置、５２は伝導装置、５３はエンジン、５４ａ、５４
ｂ、５４ｃ、５４ｄは車輪、５５は信号端子である。信
号端子は、自動車の運転状態及び運転者からの発進、加
速、減速、停止の指令に対する信号を受信する。制御装
置５１は、信号端子より受信した情報に基づき、電力変
換器へ制御信号を送信し、電動機３５を駆動する。電動
機３５は、トルクをエンジンシャフトに伝え、伝導装置
５２を介して車輪を駆動させる。即ち、図１６の駆動シ
ステムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合
においても、電動機３５によって車輪５４ａ、５４ｂを
駆動することができ、また、エンジン５３が稼動してい
る際もトルクアシストすることも可能である。さらに、
エンジン５３により電動機３５を駆動させ、電動機３５
で発生した交流を電力変換装置３２で直流に変換するこ
とにより、直流電源３１に充電することや、減速時に運
動エネルギーの一部を前記方法で発電に使用することが
できる。このような機能を実現するシステムは、停止時
のアイドリングを止め、効率良く発電ができるため、自
動車の燃費効率を上げる効果がある。しかし、図１６の
駆動システムにおいて、電動機３５のみによる車輪駆動
やトルクアシスト時には大きなトルクが要求されること
から、大電流で電動機３５を駆動する必要があり、その
ため、大電流を制御できる電力変換器が必須であり、ま
た、搭載可能な空間が限られるため、小型の電力変換装
置の実現を可能する半導体装置が必要となる。本発明の
半導体装置を用いることにより、大電流制御可能でかつ
小型の電力変換器が実現でき、この電力変換器を用いた
駆動システムを持った自動車を提供することができる。
明の半導体装置を用いた電力変換器を搭載した自動車の
駆動システムについて説明する。図１６は、本実施形態
の自動車における駆動システムの構成図である。図１６
において、３５は電動機、３２は電力変換装置、３１は
直流電源、３４は出力配線、５０は自動車、５１は制御
装置、５２は伝導装置、５３はエンジン、５４ａ、５４
ｂ、５４ｃ、５４ｄは車輪、５５は信号端子である。信
号端子は、自動車の運転状態及び運転者からの発進、加
速、減速、停止の指令に対する信号を受信する。制御装
置５１は、信号端子より受信した情報に基づき、電力変
換器へ制御信号を送信し、電動機３５を駆動する。電動
機３５は、トルクをエンジンシャフトに伝え、伝導装置
５２を介して車輪を駆動させる。即ち、図１６の駆動シ
ステムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合
においても、電動機３５によって車輪５４ａ、５４ｂを
駆動することができ、また、エンジン５３が稼動してい
る際もトルクアシストすることも可能である。さらに、
エンジン５３により電動機３５を駆動させ、電動機３５
で発生した交流を電力変換装置３２で直流に変換するこ
とにより、直流電源３１に充電することや、減速時に運
動エネルギーの一部を前記方法で発電に使用することが
できる。このような機能を実現するシステムは、停止時
のアイドリングを止め、効率良く発電ができるため、自
動車の燃費効率を上げる効果がある。しかし、図１６の
駆動システムにおいて、電動機３５のみによる車輪駆動
やトルクアシスト時には大きなトルクが要求されること
から、大電流で電動機３５を駆動する必要があり、その
ため、大電流を制御できる電力変換器が必須であり、ま
た、搭載可能な空間が限られるため、小型の電力変換装
置の実現を可能する半導体装置が必要となる。本発明の
半導体装置を用いることにより、大電流制御可能でかつ
小型の電力変換器が実現でき、この電力変換器を用いた
駆動システムを持った自動車を提供することができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体装置は電流路となる導体板を積層した絶縁基板に
おいて低インダクタンスの配線レイアウトを有するの
で、スイッチング時に半導体スイッチに印加される電圧
を抑制し、より低耐圧の半導体素子の使用を可能にし、
その結果、半導体装置の発熱低減の効果がある。加え
て、インダクタンスの低減には、スイッチング時の半導
体素子損失を低減する効果があり、また、発熱の低減
は、信頼性の向上、冷却コストの削減に効果がある。ま
た、本発明により、絶縁基板部分の面積が削減されるの
で、半導体装置の小型化にも効果がある。この効果よ
り、大電流化と小型化を実現する半導体装置を用いた電
力変換装置を提供することができる。
半導体装置は電流路となる導体板を積層した絶縁基板に
おいて低インダクタンスの配線レイアウトを有するの
で、スイッチング時に半導体スイッチに印加される電圧
を抑制し、より低耐圧の半導体素子の使用を可能にし、
その結果、半導体装置の発熱低減の効果がある。加え
て、インダクタンスの低減には、スイッチング時の半導
体素子損失を低減する効果があり、また、発熱の低減
は、信頼性の向上、冷却コストの削減に効果がある。ま
た、本発明により、絶縁基板部分の面積が削減されるの
で、半導体装置の小型化にも効果がある。この効果よ
り、大電流化と小型化を実現する半導体装置を用いた電
力変換装置を提供することができる。
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体装置の配
線構造を示す概観図
線構造を示す概観図
【図２】図１における絶縁基板を上方より見た図
【図３】図１における積層絶縁基板の断面構造を示す概
略図
略図
【図４】従来の半導体装置の配線構造を示す斜視図
【図５】本発明の半導体装置を用いた電力変換装置の構
成図
成図
【図６】電力変換装置の必要最小限の回路構成図
【図７】ＵＶＷ三相交流を出力するために必要最小限の
半導体装置の回路構成図
半導体装置の回路構成図
【図８】本発明の第２の実施形態による半導体装置の配
線構造を示す斜視図
線構造を示す斜視図
【図９】図８の半導体装置の断面構造図
【図１０】本発明の第３の実施形態による半導体スイッ
チを並列化した半導体装置の配線構造図
チを並列化した半導体装置の配線構造図
【図１１】図１０の半導体装置における断面構造図
【図１２】本発明の第４の実施形態による１相分を出力
する半導体装置の配線構造図
する半導体装置の配線構造図
【図１３】図１２の半導体装置の断面構造図
【図１４】本発明の第４の実施形態による半導体装置の
配線構造図
配線構造図
【図１５】図１４の半導体装置の断面構造図
【図１６】本発明の第６の実施形態として本発明の半導
体装置を用いた電力変換器を搭載した自動車の駆動シス
テムの構成図
体装置を用いた電力変換器を搭載した自動車の駆動シス
テムの構成図
１…ケース、２…負極直流端子、３…正極直流端子、４
…出力端子、５…出力端子、６…出力端子、７…放熱
板、８…ネジ穴、１１…絶縁板、１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ…基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄ…ダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，
１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ…ワイヤ配線、１５
ａ，１５ｂ，１５ｃ…絶縁基板、１６…絶縁板、１７…
導体板、１８…絶縁板、１９…導体板、２０ａ，２０ｂ
…導体、２１…導体板、２２…導体板、２３…絶縁板、
２４ａ，２４ｂ…ゲート信号端子、２５ａ，２５ｂ…グ
ランド端子、２６…補助制御端子、２７ａ，２７ｂ…ド
レイン端子、２９…電解コンデンサ、３０…半導体装
置、３１…三相交流電源、３２…電力変換装置、３３
ａ，３３ｂ…主回路配線、３４…出力配線、３５…誘導
電動機、３６…抵抗体、４０，４１，４２，４３…ボル
ト、４４…半田、４５ａ，４５ｂ…半田、４６ａ，４６
ｂ…導体ブロック、４７…熱伝導経路、４８…冷却器、
５０…自動車、５１…制御装置、５２…伝導装置、５３
…エンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ…車輪、
５５…信号端子
…出力端子、５…出力端子、６…出力端子、７…放熱
板、８…ネジ穴、１１…絶縁板、１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ…基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄ…ダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，
１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ…ワイヤ配線、１５
ａ，１５ｂ，１５ｃ…絶縁基板、１６…絶縁板、１７…
導体板、１８…絶縁板、１９…導体板、２０ａ，２０ｂ
…導体、２１…導体板、２２…導体板、２３…絶縁板、
２４ａ，２４ｂ…ゲート信号端子、２５ａ，２５ｂ…グ
ランド端子、２６…補助制御端子、２７ａ，２７ｂ…ド
レイン端子、２９…電解コンデンサ、３０…半導体装
置、３１…三相交流電源、３２…電力変換装置、３３
ａ，３３ｂ…主回路配線、３４…出力配線、３５…誘導
電動機、３６…抵抗体、４０，４１，４２，４３…ボル
ト、４４…半田、４５ａ，４５ｂ…半田、４６ａ，４６
ｂ…導体ブロック、４７…熱伝導経路、４８…冷却器、
５０…自動車、５１…制御装置、５２…伝導装置、５３
…エンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ…車輪、
５５…信号端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増野 敬一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 印南 敏之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 藤野 伸一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 阿南 裕康 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 落合 由敬 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内
Claims (5)
- 【請求項１】 ブリッジ接続された少なくとも２個の制
御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子
と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記半導体
スイッチを実装する導体部を備えた絶縁基板を有する半
導体装置において、 前記直流端子間に前記半導体スイッチをブリッジ接続す
る導体部を表面及び内層に備えた少なくとも２つの導体
層と少なくとも２つの絶縁層を交互に積層して前記絶縁
基板を形成し、前記表面と内層の導体層に挟まれた前記
絶縁層を貫通する導体により前記絶縁層を挾む前記表面
と内層の導体層を電気接続し、前記絶縁基板上に前記少
なくとも２個の半導体スイッチを実装するブリッジ回路
に流れる電流を前記絶縁層を挾む導体層間において対向
する向きに流すように電流経路を設けることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項２】 ブリッジ接続された少なくとも２個の制
御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子
と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記半導体
スイッチを実装する導体部を備えた絶縁基板を有する半
導体装置において、 前記直流端子間に前記半導体スイッチをブリッジ接続す
る導体部を表面及び内層に備えた少なくとも２つの導体
層と少なくとも２つの絶縁層を交互に積層して前記絶縁
基板を形成し、前記表面と内層の導体層に挟まれた前記
絶縁層を貫通する導体により前記絶縁層を挾む前記表面
と内層の導体層を電気接続し、前記絶縁基板上に前記少
なくとも２個の半導体スイッチを実装するブリッジ回路
に流れる電流を前記絶縁層を挾む導体層間において対向
する向きに流すように電流経路を設け、前記絶縁層を貫
通する導体と接続する前記表面の導体層に前記半導体ス
イッチを実装しない配線レイアウトにすることを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項３】 ブリッジ接続された少なくとも２個の制
御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子
と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記半導体
スイッチを実装する導体部を備えた絶縁基板と、前記絶
縁基板を実装する放熱板を有する半導体装置において、 前記直流端子間に前記半導体スイッチをブリッジ接続す
る導体部を表面及び内層に備えた少なくとも２つの導体
層と少なくとも２つの絶縁層を交互に積層して前記絶縁
基板を形成し、前記表面と内層の導体層に挟まれた前記
絶縁層を貫通する導体により前記絶縁層を挾む前記表面
と内層の導体層を電気接続し、前記絶縁基板上に前記少
なくとも２個の半導体スイッチを実装するブリッジ回路
に流れる電流を前記絶縁層を挾む導体層間において対向
する向きに流すように電流経路を設け、前記絶縁層を貫
通する導体と接続する前記表面の導体層に前記半導体ス
イッチを実装しない配線レイアウトにすると共に、前記
半導体スイッチの上面電極と前記絶縁基板の表面の導体
層の接続に導体ブロックを用い、前記放熱板への前記半
導体スイッチの放熱経路を形成することを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項４】 直流電源と、直流電圧の変動を抑制する
コンデンサと、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換
する半導体装置を有する電力変換装置において、前記半
導体装置として請求項１から請求項３のいずれかの半導
体装置を用いることを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項５】 直流電源と、電力変換装置と、前記電力
変換装置よって駆動される電動機を有する自動車の駆動
システムにおいて、前記電力変換装置として請求項４の
電力変換装置を用いることを特徴とする自動車の駆動シ
ステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002090685A JP3723869B2 (ja) | 2001-03-30 | 2002-03-28 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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