JP2008042086A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュール構造で主回路のインダクタンスを低減し、駆動信号の耐ノイズ性を向上し、モジュール構造の小型化とコンパクト化を図れる半導体装置を提供する。
【解決手段】この半導体装置は第１および第２の組立体１２Ａ，１２Ｂを含む。第１の組立体は、第１の半導体チップ、第１の半導体チップの一面に接合される高圧バスバー２１、第１の半導体チップの他面にボンディングワイヤで接続される第１金属配線板２４−１、第１金属配線板に連結される第３金属配線板２４−３を備える。第２の組立体は、第２の半導体チップ、第２の半導体チップの一面にボンディングワイヤで接続される低圧バスバー２３、第２の半導体チップの他面に接合される第２金属配線板２４−２、第２金属配線板の端部から折り返して連結され、第２金属配線板に平行に配置する第４金属配線板２４−４を備える。第１の組立体と第２の組立体は離間した積層構造で配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、電動車両の駆動用モータを駆動する駆動回路に使用されるＩＧＢＴモジュール等を含む半導体装置に関する。

電気自動車等の電動車両では、その駆動用モータを駆動するためインバータ装置が使用されている。このインバータ装置は、スイッチング素子をブリッジ回路構成で接続した電気回路を含んでいる。インバータ装置は、ブリッジ回路のスイッチング素子を適宜にオン・オフ動作させ、駆動用モータに流す電流の切り替えを行っている。ブリッジ回路を構成するスイッチング素子としては、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等が広く使用されている。かかるインバータ装置は、通常、複数個のスイッチング素子を１つのパッケージに収納したモジュール構造で構成される。

電動車両の駆動用モータを動作させる場合、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子には大電流が流れると共に、オン・オフ動作に起因してサージ電圧が生じるという特性を有している。このために、インバータ装置において、複数個のスイッチング素子を１つのパッケージの内部に実装する際に電流経路となる配線の長さをなるべく短くすることによって、配線の抵抗を小さくすると共に、交流電流の電気的特性であるインダクタンスの値を低減するという工夫がなされている。

上記のインバータ装置のごときモジュール構造を有した半導体装置については、従来、例えば特許文献１に記載された半導体装置が知られている。特許文献１に記載された半導体装置は、高圧用外部電力端子と低圧用外部電力端子と出力用外部電力端子の３つの電力端子を有する。これらの３つの電力端子は、それぞれ平面形状が長方形であるプレート形状を有し、平行な配置関係になるように隙間をあけて重ねられた状態で配置されている。高圧用外部電力端子と低圧用外部電力端子の間に出力用外部電力端子が配置される。さらに３つの電力端子のうち、隣り合う２つの電力端子間に半導体チップ（スイッチング素子等）が挟まれる構造となっている。高圧用外部電力端子と低圧用外部電力端子は同じ一方の端部側に延設されるように形成され、さらに、これらの間の出力用外部電力端子は反対側の他方の端部側に延設されるように形成されている。
特開２００２−２６２５１号公報

特許文献１に記載された半導体装置では、半導体チップと電力端子との間の接続を短距離で行うようにしたため、内部配線に起因する電圧降下が低減される。また当該半導体装置では、高圧用外部電力端子に流れる電流の方向と低圧用外部電力端子に流れる電流の方向を反対向きにしたため、それぞれの電流で生じる磁界の向きが反対になり、インダクタンスを低減できるという特性を有している。

ところで、三相モータの場合のインバータ装置は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれについてハイサイド（高圧側）の半導体チップとローサイド（低圧側）の半導体チップを備え、合計で６個の半導体チップを内蔵している。このインバータ装置では、同相ごとに、ハイサイドとローサイドの２個の半導体チップをパッケージングした半導体モジュールを備えている。この半導体モジュールでは、モータ制御として使用される場合、ハイサイドの半導体チップとローサイドの半導体チップを短絡させることがないため、高圧電力端子と低圧電力端子に同時に電流が流れることはない。すなわち、ブリッジ回路において、高圧電力端子から半導体チップを通して出力電力端子に流れる電流経路、また出力電力端子から半導体チップを通して低圧電力端子に流れる電流経路のうちのいずれかである。このため、三相モータのインバータ装置でモータ制御を行う場合には、上記の特許文献１に記載された半導体装置の構成を適用しても、インダクタンスを低減することは難しいという問題を提起する。

さらに従来技術のモジュール構造は、半導体チップを制御する制御基板（ゲートドライバを実装した基板）をモジュール外部に配設する必要があった。このため、ゲート電極から導出される制御端子から制御基板までの制御用配線が長くなるという傾向があった。さらにこのため、配線インピーダンスが大きくなり、耐ノイズ性能が劣るという問題が提起された。さらに、モジュールとは別体の制御基板は、固定部材やケース等が必要となり、半導体装置が全体として大型化するという問題も存在した。

本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、複数個の半導体チップを１つのパッケージにて実装する半導体モジュール構造において、主回路のインダクタンスを低減し、駆動信号の耐ノイズ性を向上し、モジュール構造の小型化およびコンパクト化を図ることができる半導体装置を提供することにある。

本発明に係る半導体装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の半導体装置（請求項１に対応）は、第１の組立体と第２の組立体と出力バスバーとから構成される。第１の組立体は、第１の半導体チップと、この第１の半導体チップの一面に接合されると共に高圧端子を有する高圧バスバーと、第１の半導体チップの他面にボンディングワイヤで接続される第１金属配線板と、第１金属配線板に連結され、第１の半導体チップの他面に接続されるボンディングワイヤに対して所定間隔離間すると共に高圧バスバーに平行に配置する第３金属配線板とを備える。第２の組立体は、第２の半導体チップと、この第２の半導体チップの一面にボンディングワイヤで接続されると共に低圧端子を有する低圧バスバーと、第２の半導体チップの他面に接合される第２金属配線板と、第２金属配線板の端部から折り返して連結され、第２の半導体チップに接続される上記ボンディングワイヤに対して所定間隔離間すると共に第２金属配線板に平行に配置する第４金属配線板とを備える。出力バスバーは、第３金属配線板と第４金属配線板のそれぞれの端部から延在する出力端子を有する。第１の組立体と第２の組立体は離間した積層構造で配置され、出力バスバーは積層構造の中間に配置される。
上記において、上記の半導体チップの電力用半導体素子がＩＧＢＴ素子（Ｎチャンネル型）である場合、第１の半導体チップの一面はコレクタ側の面、他面はエミッタ側の面であり、第２の半導体チップの一面はエミッタ側の面、他面はコレクタ側の面である。

上記の半導体装置では、インバータ装置のブリッジ回路を構成するハイサイドとローサイドの半導体チップからなる半導体素子モジュールの上記構造によって、ハイサイド側の電流経路とローサイド側の電流経路のそれぞれで電流が反対方向に流れて往復する構成とし、高圧バスバーと第１金属配線板の周りに発生する磁界が打ち消され、同様に低圧バスバーと第２金属配線板の周りに発生する磁界が打ち消される。これにより半導体モジュール構造における主回路のインダクタンスが低減される。さらに、高圧側のボンディングワイヤと第３金属配線板との周りに発生する磁界が打ち消され、同様に、低圧側のボンディングワイヤと第４金属配線板との周りに発生する磁界が打ち消される。加えて、第１および第２の組立体を作り、これらを所定距離離間させかつ積層構造として組み付けることにより、半導体モジュールの構造を小型かつコンパクトにすることが可能となる。

第２の半導体装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第１金属配線板と第３金属配線板を別部材として形成し、かつ第２金属配線板と第４金属配線板を別部材として形成することを特徴とする。この構成により、組立性が向上し、ワイヤボンディングが行い易くなる。

第３の半導体装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第１金属配線板および第３金属配線板の間と、第２金属配線板および第４金属配線板の間のそれぞれに金属スペーサを備え、第３金属配線板とボンディングワイヤとの間隙、および第４金属配線板とボンディングワイヤとの間隙を調整可能に構成したことを特徴とする。

第４の半導体装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第１および第２の半導体チップの各々は電力用半導体素子と整流用半導体素子を備え、整流用半導体素子に比べて電力用半導体素子に流れる電流の割合が多くなる半導体装置の駆動を行う場合、第１の半導体チップの電力用半導体素子は高圧バスバー上で高圧端子に対して近い側に配置され、第２の半導体チップの電力用半導体素子は第２金属配線板上で低圧端子に対して遠い側に配置され、整流用半導体素子に比べて電力用半導体素子に流れる電流の割合が少なくなる半導体装置の駆動を行う場合、第１の半導体チップの電力用半導体素子は高圧バスバー上で高圧端子に対して遠い側に配置され、第２の半導体チップの電力用半導体素子は第２金属配線板上で低圧端子に対して近い側に配置され、電力用半導体素子に接続されるボンディングワイヤを整流用半導体素子に接続されるボンディングワイヤよりも長くすることを特徴とする。

第５の半導体装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第３の金属配線板に平行に配置され、第１の半導体チップを制御する第１の制御基板と、第３の金属配線板に平行に配置され、第２の半導体チップを制御する第２の制御基板とを備えたことを特徴とする。

第６の半導体装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第１および第２の制御基板のそれぞに第１および第２の磁気抵抗素子が対向する位置で実装され、加えて、第１および第２の組立体を作り、これらを所定距離離間させかつ積層構造として組み付けることにより、半導体モジュールの構造を小型かつコンパクトにすることが可能となる。出力バスバーの一部が第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子の間を通って延設されていることを特徴とする。

第７の半導体装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、出力バスバーは、第１および第２の金属配線板との接合部から磁気抵抗素子までの部位を、制御基板の外側で面直角に配設したことを特徴とする。

本発明によれば、インバータ装置のブリッジ回路を構成するハイサイドとローサイドの半導体チップからなる半導体素子モジュールにおいて、高圧端子からハイサイドの半導体チップまで配線経路部分と当該半導体チップから出力端子までの配線経路部分を平行に配置し、かつそれぞれでの電流が反対方向に流れて往復する構成としたため、高圧バスバー等の回路のインダクタンスを低減することができる。また同半導体素子モジュールにおいて、出力端子からローサイドの半導体チップまで配線経路部分と当該半導体チップから低圧端子までの配線経路部分を平行に配置し、かつそれぞれでの電流が反対方向に流れて往復する構成としたため、低圧バスバー等の回路のインダクタンスを低減することができる。上記のように半導体素子モジュールの主回路でのインダクタンスを低減できるため、インバータ装置でのスイッチング動作時に発生するサージ電圧およびスイッチング損失を低減することができる。
さらに本発明によれば、高圧側の第１の組立体と低圧側の第２の組立体で半導体素子モジュールを形成し、第１および第２の組立体を離間させた積層構造により立体的に形成するようにしたため、小型かつコンパクトに作ることができる。また第１および第２の組立体に生じるスペースを利用して制御基板を配置するようにし、半導体素子モジュールの内部に設けるようにしたため、制御基板までの制御用配線が極めて短くなり、配線インピーダンスを小さくでき、耐ノイズ性能を向上することができる。さらに、制御基板のための固定部材やケース等が不要になり、半導体装置を全体として小型化することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図４を参照して本発明に係る半導体装置の第１の実施形態を説明する。図１は本実施形態に係る半導体装置の外観図を示し、ＩＧＢＴモジュールのモジュール構造を示している。図２は図１中の左側から見た側面図である。図３は図１で示したＩＧＢＴモジュールの電気回路の回路構成図を示し、図４は当該ＩＧＢＴモジュールの配線の特徴的関係を示すものである。

本実施形態で説明する半導体装置は、電力用半導体装置であって、代表的に電動車両の駆動用三相モータを駆動するためのインバータ装置である。図１に示したＩＧＢＴモジュールはインバータ装置の要部を示している。まず、図３を参照してＩＧＢＴモジュールの電気回路の構成を説明する。

図３はインバータ装置のブリッジ回路の一相分（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちのいずれか１つ）の電気回路部分を示している。図３に示した電気回路は、高圧端子４０１側に配置されるハイサイド側ＩＧＢＴ素子４０２と、低圧端子４０３側に配置されるローサイド側ＩＧＢＴ素子４０４とが含まれる。なお本実施形態に係る半導体装置で使用される半導体素子は、ＩＧＢＴ素子に限られず、電力用半導体素子であれば、任意のものを使用することができる。また上記インバータ装置のブリッジ回路は、６個の電力半導体素子で構成されるが、上下一対の電力半導体素子で１つのモジュールが形成される。

ＩＧＢＴ素子４０２のコレクタ（Ｃ）が高圧端子４０１に接続されている。ＩＧＢＴ素子４０２のエミッタ（Ｅ）がＩＧＢＴ素子４０４のコレクタ（Ｃ）に接続され、この接続点が出力端子４０５に接続されている。さらにＩＧＢＴ素子４０４のエミッタ（Ｅ）は上記低圧端子４０３に接続されている。

上記の２つのＩＧＢＴ素子４０２，４０４の各々のゲート（Ｇ）とエミッタ（Ｅ）の間に信号コネクタ４０６，４０７が接続される。信号コネクタ４０６，４０７の各々の入力端子間には、対応するゲートドライバ（Ｇ／Ｄ）４１１，４１２から、適宜なタイミングでＩＧＢＴ素子４０２，４０４をオン・オフ動作させるための駆動制御用矩形パルス信号４０８が入力される。また２つのＩＧＢＴ素子４０２，４０４の各々のエミッタ（Ｅ）とコレクタ（Ｃ）の間に整流用のダイオード素子４０９，４１０が接続されている。

次に図１と図２を参照して、上記の電気回路構成を有するＩＧＢＴモジュールの物理的な構造を説明する。

図１において、一点鎖線で示されたブロック１１は、ＩＧＢＴモジュール１２を形成するパッケージの外観形状を示している。ブロック１１は実質的には樹脂によるモールド部分である。図１で実線で示されている部分が配線板の物理的構造部分である。なお図４で説明した電気回路の各要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。

ＩＧＢＴモジュール１２は、第１の組立体１２Ａと、第２の組立体１２Ｂとか構成される。第１の組立体１２Ａは、高圧端子４０１を有する高圧バスバー２１、第１金属配線板２４−１、第３金属配線板２４−３を含む。第２の組立体１２Ｂは、低圧端子４０３を有する低圧バスバー２３、第２金属配線板２４−２、第４金属配線板２４−４を含む。図１と図２において、第１の組立体１２Ａは上側に配置され、第２の組立体１２Ｂは下側に配置されている。第１の組立体１２Ａと第２の組立体１２Ｂは、離間させかつ積層させた構造によって構成されている。第１の組立体１２Ａは、第２の組立体１２Ｂに対して逆さ向きに配置されている。このような積層的な立体構造を採用することにより、ＩＧＢＴモジュール１２を小型かつコンパクトに作ることができる。

また積層構造を有する第１の組立体１２Ａと第２の組立体１２Ｂの間の中間位置に出力バスバー２４が配置されている。第１の組立体１２Ａの背面部（上側部）と第２の組立体１２Ｂの背面部（下側部）にそれぞれヒートシンク３２Ａ，３２Ｂを備えている。

図１において、符号４０１で示す部分が上記高圧端子、符号４０３で示す部分が上記低圧端子、符号４０５で示す部分が上記出力端子である。また符号４０６，４０７はそれぞれ上記の信号コネクタである。さらに符号４０２，４０４の部分が上記ＩＧＢＴ素子であり、符号４０９，４１０の部分が上記ダイオード素子である。

図１と図２で、ＩＧＢＴ素子４０２，４０４は縦型構造を有し、一方の面にエミッタとゲートが形成され、他方の反対面にコレクタが形成される。ＩＧＢＴ素子４０２では、図２中、下面が一方の面（エミッタとゲート）となり、上面が他方の面（コレクタ）となる。またＩＧＢＴ素子４０４では、図２中、上面が一方の面（エミッタとゲート）となり、下面が他方の面（コレクタ）となる。またダイオード素子４０９，４１０は、上記と同様の意味で、一方の面にアノードが形成され、他方の反対面にカソードが形成されている。

高圧端子４０１は、高圧バスバー２１の一端部をなし、ブロック１１の図中右外側に延設された高圧バスバー２１の外側端部である。高圧バスバー２１は、全体として長方形のプレート形状をなす配線部材であり、高圧端子４０１側に配置される配線部材である。高圧バスバ−２１は、図１および図２に示されるごとく、高圧端子４０１より所定距離分だけ平坦プレート状の形状に形成され、途中から上方へ折り曲げられており、さらに図２中左半部は平坦プレート状の形状に形成されている。図１に示されるように、高圧バスバー２１の高圧端子４０１の箇所には孔が形成され、左半部は絶縁層２２Ａの上に固定されている。絶縁層２２Ａは、例えばエポキシまたは絶縁酸化膜である。

低圧端子４０３は、低圧バスバー２３の一端部をなし、ブロック１１の図中右外側に延設された低圧バスバー２３の外側端部である。低圧バスバー２３は、同様に全体として長方形のプレート形状をなす配線部材であり、低圧端子４０３側に配置される配線部材である。低圧バスバ−２３は、図１および図２に示されるごとく、低圧端子４０３より所定距離分だけ平坦プレート状の形状に形成され、途中から若干下方へ折り曲げられており、絶縁層２２Ｂの上に固定されている。図１に示されるように、低圧バスバー２３の低圧端子４０３の箇所には孔が形成されている。

出力端子４０５は、出力バスバー２４の一端部をなし、ブロック１１の左外側に延設された出力バスバー２４の外側端部である。出力バスバー２４は、全体としてほぼ長形のプレート形状を有している。出力バスバー２４の図中右端部は、ビス３３によって、下記の第３金属配線板２４−３と第４金属配線板２４−４の右端接合部に結合されている。

ＩＧＢＴモジュール１２では、図１と図２に示されるごとく、配線部材として、第１金属配線板２４−１、第２金属配線板２４−２、第３金属配線板２４−３、第４金属配線板２４−４を有している。これらの第１から第４の金属配線板は、上記出力バスバー２４に接続される配線要素である。出力バスバ−２４の右端部は、上記のごとく第３金属配線板２４−３と第４金属配線板２４−４に接続されている。

上記において、高圧バスバー２１のプレート形状の高圧端子４０１、低圧バスバー２３のプレート形状の低圧端子４０３は、ＩＧＢＴモジュール１２における同一側の箇所にて並置されている。

出力端子４０５は、高圧端子４０１と低圧端子４０３の間の電流経路における中間位置に位置するように配置されている。これにより、高圧端子４０１からハイサイドのＩＧＢＴ要素４０２を通って出力端子４０５に至るまでの電流経路の長さと、出力端子４０５からローサイドのＩＧＢＴ素子４０４を通って低圧端子４０３に至るまでの電流経路の長さとがほぼ等しくなる。これにより、さらに高圧側と低圧側の電気特性がほぼ等しくなり、モータの出力特性が良くなるという利点が生じる。

なお上記の高圧バスバー２１、低圧バスバー２３、出力バスバー２４の各バスバーのプレート形状については、幅が例えば２０ｍｍであり、厚みは例えば０．５ｍｍである。

次にＩＧＢＴ素子４０２，４０４とダイオード素子４０９，４１０に関する電気的な接続関係について説明する。この接続関係は、高圧バスバー２１、低圧バスバー２３、出力バスバー２４、および第１から第４の金属配線板２４−１，２４−２，２４−３，２４−４の配線部材による配線によって作られる。

高圧側（ハイサイド）のＩＧＢＴ素子４０２とダイオード素子４０９は、高圧バスバー２１の上に取り付けられている。ＩＧＢＴ素子４０２とダイオード素子４０９の各々の下面（図２中上側）、すなわちＩＧＢＴ素子４０２のコレクタ側の面とダイオード素子４０９のカソード側の面は、高圧バスバー２１に半田等で接合されている。ダイオード素子４０９は高圧端子４０１から遠い位置に配置され、ＩＧＢＴ素子４０２は高圧端子４０１に近い位置に配置されている。高圧バスバー２１は高圧端子４０１に接続される配線部材であり、高圧バスバー２１にはダイオード素子４０９のカソードとＩＧＢＴ素子４０２のコレクタのそれぞれが電気的に接続されている。

上記のダイオード素子４０９とＩＧＢＴ素子４０２の下側には所要の間隔で第３金属配線板２４−３が配置される。第３金属配線板２４−３はほぼプレート形状を有し、一端は出力バスバ−２４につながっている。第３金属配線板２４−３の他端にはネジ２５で第１金属配線板２４−１が結合されている。なおネジ２５による当該結合部分は、その他の手段として、超音波接合、半田接合、カシメ等を用いて結合するようにしてもよい。さらに、上記のダイオード素子４０９とＩＧＢＴ素子４０２の各上面、すなわちダイオード素子４０９のアノード、ＩＧＢＴ素子４０２のエミッタおよびゲートのそれぞれはボンディングワイヤ２６により第１金属配線板２４−１に接続されている。

低圧側（ローサイド）のＩＧＢＴ素子４０４とダイオード素子４１０は、図２に示すごとく、絶縁層２２Ｂの上に固定された第２金属配線板２４−２の上に取り付けられている。絶縁層２２Ｂは例えばエポキシまたは絶縁酸化膜である。ＩＧＢＴ素子４０４とダイオード素子４１０の各々の下面（図２中下側）、すなわちＩＧＢＴ素子４０４のコレクタ側の面とダイオード素子４１０のカソード側の面は、第２金属配線板２４−２に半田等で接合されている。低圧バスバー２３は低圧端子４０３に接続される配線部材であり、低圧バスバー２３は、ダイオード素子４１０の上面のアノード、ＩＧＢＴ素子４０４の上面のエミッタおよびゲートのそれぞれと、ボンディングワイヤ２７により接続されている。ダイオード素子４１０は低圧端子４０３に近い位置に配置され、ＩＧＢＴ素子４０４は低圧端子４０３から遠い位置に配置されている。

第２金属配線板２４−２は、ダイオード素子４１０の下面のカソード、ＩＧＢＴ素子４０４のコレクタおよびゲートに、電気的に接続されている。第２金属配線板２４−２の一端はネジ２８で上記の第４金属配線板２４−４に結合されている。なおネジ２８による当該結合部分は、その他の手段として、超音波接合、半田接合、カシメ等を用いて結合するようにしてもよい。

上記においてハイサイドのＩＧＢＴ素子４０２とダイオード素子４０９の高圧端子４０１に対する配置関係、ローサイドのＩＧＢＴ素子４０４とダイオード素子４１０の低圧端子４０３に対する配置関係は、各々の端子に対して反対の遠近位置関係にある。
上記の場合に、ダイオード素子に比べてＩＧＢＴ素子に流れる電流の割合が多くなる半導体装置の駆動を行う場合（力行運転の場合）には、一方の半導体チップのＩＧＢＴ素子は高圧バスバーで高圧端子に対して近い側に配置され、他方の半導体チップのＩＧＢＴ素子は第２金属配線板で低圧端子に対して遠い側に配置される。他方、ダイオード素子に比べてＩＧＢＴ素子に流れる電流の割合が少なくなる半導体装置の駆動を行う場合（回生運転等の場合）には、一方の半導体チップのＩＧＢＴ素子は高圧バスバーで高圧端子に対して遠い側に配置され、他方の半導体チップのＩＧＢＴ素子は第２金属配線板で低圧端子に対して近い側に配置されることになる。

図２に示すように、絶縁層２２Ａの上側、すなわちＩＧＢＴモジュール１２の第１の組立体１２Ａの上側にはヒートシンク３２Ａが設けられ、絶縁層２２Ｂの下側、すなわちＩＧＢＴモジュール１２の第２の組立体１２Ｂの下側にはヒートシンク３２Ｂが設けられている。樹脂でモールドされたＩＧＢＴモジュール１２は、立体的な配置構造を採用することにより、２面にヒートシンク３２Ａ，３２Ｂを設けることができ、熱放散性能を高めることができる。

上記構造を有するＩＧＢＴモジュール１２において、高圧端子４０１側のＩＧＢＴ素子４０２とダイオード素子４０９は高圧側（ハイサイド）の半導体チップを形成し、低圧端子４０３側のＩＧＢＴ素子４０４とダイオード素子４１０は低圧側（ローサイド）の半導体チップを形成している。高圧側の半導体チップは第１の組立体１２Ａに含まれている。低圧側の半導体チップは第２の組立体１２Ｂに含まれている。

上記構造では、各半導体チップに対して平行に配置された高圧バスバー２１および低圧バスバー２３と、第１金属配線板２４−１および第３金属配線板２４−３とは、すべて平行な位置関係になり、かつそれらの距離も最小に設定されている。さらに高圧側アームのバスバー構造と低圧側アームのバスバー構造とは、半導体チップに対して上下関係を逆にしており、対称的な配置関係になっている。このため、回路インダクタンスや回路抵抗等の電気的特性が高圧側アームと低圧側アームで共に同じとなっている。

上記において、第３金属配線板２４−３は、ボンディングワイヤ２６に対して所定間隔だけ離間すると共に、高圧バスバー２１に平行に配置する金属配線板である。また第４金属配線板２４−４は、第２金属配線板２４−２の端部から折り返して連結され、ボンディングワイヤ２７に対して所定間隔だけ離間すると共に、第２金属配線板２４−２に平行に配置する金属配線板である。

なお上記の構造において、第１金属配線板２４−１および第３金属配線板２４−３の間と、第２金属配線板２４−２および第４金属配線板２４−４の間のそれぞれに任意の厚みを有する金属スペーサを備えることもできる。この構成によれば、第３金属配線板２４−３とボンディングワイヤ２６との間の間隙、および第４金属配線板２４−４とボンディングワイヤ２７との間の間隙を適宜に調整することができる。

上記の高圧バスバー２１、低圧バスバー２３、出力バスバー２４、第１から第４の金属配線板２４−１〜２４−４による配線経路を示すと、図４のごとくなる。図４で明らかなように、高圧側の半導体チップ（ＩＧＢＴ素子４０２とダイオード素子４０９）と低圧側の半導体チップ（ＩＧＢＴ素子４０４とダイオード素子４１０）のそれぞれで、配線経路に流れる電流の向きが逆になるように配線されている。

ＩＧＢＴモジュール１２における上記の配線板経路の構成によって、主回路のインダクタンスを大幅に低減し、相互インダクタンスによる無誘導の効果を生じさせている。

次に、上記のＩＧＢＴモジュール１２の製造方法の一例を概説する。

まず高圧側の半導体チップ（ＩＧＢＴ素子４０２とダイオード素子４０９）を高圧バスバー２１に、低圧側の半導体チップ（ＩＧＢＴ素子４０４とダイオード素子４１０）を第２金属配線板２４−２に、それぞれ、リフロー炉でダイボンドする。
次に、ヒートシンク３２Ａの上面に絶縁層２２Ａを介して高圧バスバー２１をセットする。またヒートシンク３２Ｂの上面に絶縁層２２Ｂを介して第２金属配線板２４−２をセットする。
次に、ヒートシンク３２Ａの上面にワイヤボンド治具をセットし、ワイヤボンド治具の上に高圧バスバー２１と第３金属配線板２４−３を配置する。
ヒートシンク３２Ｂの上面に対して同様に第２金属配線板２４−２および低圧バスバー２３をセットする。
次に、ヒートシンク３２Ａの上面に信号コネクタ４０６を接着し、ヒートシンク３２Ｂの上面に信号コネクタ４０７を接着する。
次に、第１および第２の組立体１２Ａ，１２Ｂのそれぞれで主電力ワイヤと信号ワイヤをワイヤ・ボンディングする。
次に、第１金属配線板２４−１と第３金属配線板２４−３を接合し、第２金属配線板２４−２と第４金属配線板２４−４を接合する。
次に、第１の組立体と第２の組立体を立体的に積層配置し、第１および第２の組立体と出力端子を接合する。
次に、ワイヤボンド治具を取り外し、最後に樹脂モールド（ブロック１１）を行う。

次に、図５および図６を参照して、本発明に係る半導体装置の第２の実施形態を説明する。図５は図１に対応する図であり、図６は図２に対応する図である。図５および図６において、第１の実施形態で説明された要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の半導体装置では、ＩＧＢＴモジュール１２における第１の組立体１２Ａと第２の組立体１２Ｂのそれぞれに対して第１の制御基板４１と第２の制御基板４２が付設されている。第１および第２の制御基板４１，４２のそれぞれには、前述したゲートドライバ（Ｇ／Ｄ）４１１，４１２が内蔵され、さらに電流センサ４３が付設されている。第１の制御基板４１は信号コネクタ４０６と電気的に接続されており、第２の制御基板４２は信号コネクタ４０７と電気的に接続されている。第１の制御基板４１は高圧バスバー２１等と平行に配置され、第２の制御基板４２は低圧バスバー２３等と平行に配置されている。従って、第１および第２の制御基板４１，４２も互いに平行な位置関係で配置されている。その他の構造は前述の第１の実施形態で説明した構造と同じである。

上記の２つの電流センサ４３は、高圧バスバー２１または低圧バスバー２３等に流れる電流値を検出する磁気抵抗素子である。２つの電流センサ４３は、制御基板４１，３２で、上下方向にて対向する位置に実装されている。電流センサ４３をＩＧＢＴ素子モジュール１２内に実装することにより、半導体装置における信号配線の長さを短くすることができ、かつ耐ノイズ性を向上することができる。さらに外付けの電流センサ（磁性コアおよびホール素子）を付設する場合に比較して、取付用の部材を省くことができ、このためコンパクト化を達成することができる。

出力バスバー２４に接続される出力端子４０５の一部は、２つの電流センサ４３の間を通って延設されている。

第２実施形態の半導体装置によれば、前述したゲートドライバ４１１，４１２を内蔵した制御基板４１，４２を、第１の組立体１２Ａおよび第２の組立体１２Ｂの間のスペースを利用して配置するようにしたので、半導体装置の小型化およびコンパクト化を達成することができる。

また出力端子につながる出力バスバー２４において、第３金属配線板２４−３と第４金属配線板２４−４の接合部から上記の電流センサ４３の設置箇所に対応する箇所までの部位は、上記第１および第２の制御基板４１，４２の側方の外側にて、制御基板４１，４２の各々を含む面に対して面直角の位置関係にて配設されている。この構成によって、出力バスバー２４において、磁気抵抗素子で形成された電流センサ４３に対応する部分以外を、制御基板４１，４２の外側に配置したので、当該制御基板４１，４２に対して出力ノイズが影響するのを抑制することができる。

上記の第１および第２の制御基板４１，４２を備えるＩＧＢＴモジュール１２の製造方法では、積層化配置工程の直前の段階において、信号コネクタ４０６，４０７の各ピンと制御基板４１，４２とを接続するようにする。

次に、図７および図８を参照して、本発明に係る半導体装置の第３の実施形態を説明する。第３実施形態は第２実施形態の変形例である。図７は図５に対応する図であり、図８は図６に対応する図である。図７および図８において、第２実施形態で説明された要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の半導体装置では、第２実施形態の半導体装置と同様に、ＩＧＢＴモジュール１２における第１の組立体１２Ａと第２の組立体１２Ｂのそれぞれに対して第１の制御基板４１と第２の制御基板４２が設けられている。さらに、本実施形態の出力バスバー２４Ａは、第３金属配線板２４−３の部分から、図８中、右側に延設する形状に形成され、その先に出力端子４０５が設けられる。出力端子４０５は、高圧端子４０１および低圧端子４０３と平行になるように、同一の側に配置される。また前述した電流センサ４３は除かれている。その他の構造は、前述した第１および第２の実施形態で説明した構造と同じである。

第３実施形態に係る半導体装置によれば、高圧バスバー２１、低圧バスバー２３、出力バスバー２４ＡがＩＧＢＴモジュール１２における同一側に設けられ、コンパクトに製作され、さらに出力バスバー２４Ａが第１および第２の制御基板４１，４２から離れた位置に配置されるので、制御基板４１，４２への出力ノイズの影響を抑制することができる。

また上記の実施形態の説明では、半導体装置で使用される電力用半導体素子をＮチャンネル型のＩＧＢＴ素子とした。この場合、半導体チップの電力用半導体素子がＩＧＢＴ素子（Ｎチャンネル型）であり、さらに、第１の組立体１２Ａの半導体チップの一面はコレクタ側の面、他面はエミッタ側の面となり、第２の組立体１２Ｂの半導体チップの一面はエミッタ側の面、他面はコレクタ側の面となる。
また電力用半導体素子としてＩＧＢＴ素子の以外のその他の任意の電力用半導体素子を使用する場合には、その一面と他面は、上記ＩＧＢＴ素子の上記の各面に対して機能的に対応する面となる。例えばＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴの場合には、ＩＧＢＴ素子のコレクタは「ドレイン」に対応し、ＩＧＢＴ素子のエミッタは「ソース」に対応する。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、電動車両の駆動用モータを駆動するインバータ装置の半導体素子モジュール構造として利用される。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の外観を示し、特にＩＧＢＴモジュールのモジュール構造の外観図である。 図１中における左側から見た側面図である。 図１で示したＩＧＢＴモジュールの電気回路の回路構成図である。 図１で示したＩＧＢＴモジュールの配線の特徴的関係をイメージ的に示した回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の外観を示し、特にＩＧＢＴモジュールのモジュール構造の外観図である。 第２の実施形態に係る半導体装置のついての図２と同様な図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の外観を示し、特にＩＧＢＴモジュールのモジュール構造の外観図である。 第３の実施形態に係る半導体装置のついての図２と同様な図である。

符号の説明

１１ ブロック（樹脂モールド）
１２ ＩＧＢＴモジュール
１２Ａ 第１の組立体
１２Ｂ 第２の組立体
２１ 高圧バスバー
２２Ａ，２２Ｂ 絶縁膜
２３ 低圧バスバー
２４，２４Ａ 出力バスバー
２４−１ 第１金属配線板
２４−２ 第２金属配線板
２４−３ 第３金属配線板
２４−４ 第４金属配線板
３２Ａ，３２Ｂ ヒートシンク
４１ 第１の制御基板
４２ 第２の制御基板
４３ 電流センサ
４０２，４０４ ＩＧＢＴ素子
４０９，４１０ ダイオード素子
４１１，４１２ ゲートドライバ

Claims (7)

1. 第１の半導体チップと、この第１の半導体チップの一面に接合されると共に高圧端子を有する高圧バスバーと、前記第１の半導体チップの他面にボンディングワイヤで接続される第１金属配線板と、前記第１金属配線板に連結され、前記第１の半導体チップの他面に接続される前記ボンディングワイヤに対して所定間隔離間すると共に前記高圧バスバーに平行に配置する第３金属配線板とを備えた第１の組立体と、
   第２の半導体チップと、この第２の半導体チップの一面にボンディングワイヤで接続されると共に低圧端子を有する低圧バスバーと、前記第２の半導体チップの他面に接合される第２金属配線板と、前記第２金属配線板の端部から折り返して連結され、前記第２の半導体チップに接続される前記ボンディングワイヤに対して所定間隔離間すると共に前記第２金属配線板に平行に配置する第４金属配線板とを備えた第２の組立体と、
   前記第３金属配線板と前記第４金属配線板のそれぞれの端部から延在する出力端子を有する出力バスバーとから成り、
   前記第１の組立体と前記第２の組立体は離間した積層構造で配置され、前記出力バスバーは前記積層構造の中間に配置されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１金属配線板と前記第３金属配線板を別部材として形成し、かつ前記第２金属配線板と前記第４金属配線板を別部材として形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１金属配線板および前記第３金属配線板の間と、前記第２金属配線板および前記第４金属配線板の間のそれぞれに金属スペーサを備え、前記第３金属配線板と前記ボンディングワイヤとの間隙、および前記第４金属配線板と前記ボンディングワイヤとの間隙を調整可能に構成したことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記第１および第２の半導体チップの各々は電力用半導体素子と整流用半導体素子を備え、
   前記整流用半導体素子に比べて前記電力用半導体素子に流れる電流の割合が多くなる半導体装置の駆動を行う場合、前記第１の半導体チップの前記電力用半導体素子は前記高圧バスバー上で前記高圧端子に対して近い側に配置され、前記第２の半導体チップの前記電力用半導体素子は前記第２金属配線板上で前記低圧端子に対して遠い側に配置され、
   前記整流用半導体素子に比べて前記電力用半導体素子に流れる電流の割合が少なくなる半導体装置の駆動を行う場合、前記第１の半導体チップの前記電力用半導体素子は前記高圧バスバー上で前記高圧端子に対して遠い側に配置され、前記第２の半導体チップの前記電力用半導体素子は前記第２金属配線板上で前記低圧端子に対して近い側に配置され、
   前記電力用半導体素子に接続されるボンディングワイヤを前記整流用半導体素子に接続されるボンディングワイヤよりも長くする、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第３の金属配線板に平行に配置され、前記第１の半導体チップを制御する第１の制御基板と、前記第３の金属配線板に平行に配置され、前記第２の半導体チップを制御する第２の制御基板とを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第１および第２の制御基板のそれぞに第１および第２の磁気抵抗素子が対向する位置で実装され、前記出力バスバーの一部が前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子の間を通って延設されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
7. 前記出力バスバーは、前記第１および第２の金属配線板との接合部から前記磁気抵抗素子までの部位を、前記制御基板の外側で面直角に配設したことを特徴とする請求項６記載の半導体装置。

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