JP2013045974A - 半導体モジュール - Google Patents

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祐輔 図子
Yoshinori Murakami
善則 村上
Satoshi Tanimoto
谷本　　智
Shinji Sato
伸二 佐藤
Kohei Matsui
康平 松井
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Nissan Motor Co Ltd
Sanken Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】インバータの対地浮遊容量を低減するとともに、インバータに対する冷却性能の低下防止の構造体を提供する。
【解決手段】互いに直列に接続された一対の半導体素子１６，１８と、ヒートシンク７と、前記第１の端子の一方の第１の端子１２と、前記一対の半導体素子の一方の半導体素子１６の一方の電極とのそれぞれに電気的に接続された第１の電極１０と、前記第２の端子１３と、前記一対の半導体素子の他方の半導体素子１８の一方の電極とのそれぞれに電気的に接続された出力電極１１と、前記第１の端子の他方の第１の端子１４に電気的に接続された第２の電極９と、を備える半導体モジュールであって、前記第２の電極９が、第１の絶縁部材８ａを介して前記ヒートシンク７に接続され、前記出力電極１１が、第２の絶縁部材８ｂを介して前記第２の電極９に接続されている。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、半導体モジュールに関するものである。
冷却フィン（ヒートシンク）の材質に、たとえばセラミックスなどを利用し、電力変換装置（インバータ）の対地浮遊容量を低減することで、ノイズの原因となる漏れ電流を低減できる電力変換装置が知られている（特許文献１）。
特許第３，６４９，２５９号公報
しかしながら、上記従来技術の構成では、冷却フィンを金属で形成した場合と比べて、電力変換装置の対地浮遊容量は低減できるが、たとえばセラミックスの熱伝導率は金属の熱伝導率よりも低いので、電力変換装置を充分に冷却できないおそれがあった。
本発明の目的は、電力変換装置の対地浮遊容量を低減するとともに、電力変換装置を冷却する性能が低下することを防止することである。
本発明は、出力電極を絶縁部材を介して第２の電極に接続し、第２の電極を他の絶縁部材を介してヒートシンクに接続することによって、上記目的を達成する。
本発明によれば、出力電極が第２の電極を介して接地されることになり、出力電極と接地との間の浮遊容量と第２の電極と接地との間の浮遊容量が直列に接続された回路構成となるので、コモンモード電流を低減することができるとともに、出力電極と第２の電極が低抵抗で接続しているため、電力変換装置を冷却する性能が低下することを防止できる。
本発明の一実施の形態に係る半導体モジュールを適用したインバータ回路の一例を示す電気回路図である。 コモンモード電流を説明するための電気回路図である。 本発明の一実施の形態に係る半導体モジュールを示す側面図である。 図３Ａの平面図である。 図３Ａ，図３Ｂの半導体モジュールの作用効果を説明するための電気回路図である。 図３Ａ，図３Ｂの半導体モジュールの変形例を示す側面図である。 図５Ａの平面図である。 本発明の他の実施の形態に係る半導体モジュールを示す側面図である。 図６Ａの平面図である。 図６Ａ，図６Ｂの半導体モジュールの作用効果を説明するための電気回路図である。
本発明は、例えばＳｉＣなどのワイドギャップ半導体素子を用いた電力変換器のスイッチ部分を構成するパワーモジュールと、これを冷却するヒートシンクに関するものである。ワイドギャップ半導体素子を用いた電力変換器においては、その素子の特性を生かして小型化するために、電源電圧を高電圧化し、損失を低減するために素子のターンオン/オフを高速にすることが求められる。
しかしながら、高電圧の変換器は接地（以下、ＧＮＤともいう）から絶縁する必要があり、電源電圧を高くし、ターンオン／オフを高速にすると、単位時間当たり電圧変化量（ｄＶ／ｄｔ）が大きくなり、パワーモジュールとＧＮＤ間の絶縁層に浮遊する静電容量に流れる電流が増大するという問題がある。
この静電容量に流れる電流Ｉｃｍは静電容量ＣとｄＶ／ｄｔを用いて、Ｉｃｍ＝Ｃ×（ｄＶ／ｄｔ）で表すことができ、高電圧の系からＧＮＤに漏洩するコモンモード電流として定義される。コモンモード電流は、その電流振幅と電流が流れるループ面積に比例したノイズを外部に放射するため、ＥＭＣ（Electro-Magnetic Compatibility）規格を準拠するのが困難になる主要因となり得る。一方で、電力変換器を小型化するためには、変換器体積の大部分を占めるヒートシンクを小さくすることが求められる。
このため本発明では、複数の絶縁部材とＡＣ電極パターン，Ｐ電極パターン，Ｎ電極パターンを積層してヒートシンクに接続することで、コモンモード電流の振幅を低減するとともに、冷却経路を小さくすることによりヒートシンクを大型化することなく放射ノイズを低減する。
以下、本発明の一実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１に本発明の一実施の形態に係る半導体モジュールを適用したシステムの例として、３相のインバータ回路を示す。本例の半導体モジュール１は、１相分の電圧切り替え機構を備える２ｉｎ１モジュールであり、以下に説明する具体的な構成は２ｉｎ１モジュールで示すが、本発明に係る半導体モジュールは、複数相の機能をまとめた半導体モジュールであってもよい。
図１に示す電力変換システムは、供給電池ＢＴなどの第１の電力を平滑用コンデンサＣおよび電力変換装置ＩＮＶにより第２の電力に変換し、これを三相交流モータＭに供給したり、三相交流モータＭの回生電力を電力変換装置ＩＮＶおよび平滑用コンデンサＣにより第１の電力に変換し、これにより供給電池ＢＴを充電したりするものである。
まず、従来構造の半導体モジュール１０１を示す図２を参照して、コモンモード電流について説明する。スイッチング素子と整流素子からなるＰ側半導体素子１０２とＮ側半導体素子１０３は、例えばＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体を用いたＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，ＪＦＥＴ(Junction gate Field-Effect Transistor)，ＢＪＴ(Bipolar Junction Transistor)，ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)，ダイオード等の素子で構成される。
これらは制御信号に応じて電源電圧をＯＮ／ＯＦＦし、交流の電力を生成する。その際、ＡＣ端子部１０７は短時間で数Ｖから電源電圧まで変化し、その電圧変化によりＡＣ電極パターンとＧＮＤ間の浮遊容量１０４に点矢印線Ａで示すようなコモンモード電流が流れる。
また、スイッチング過渡時にはＰ端子１０８の電圧も変動するため、Ｐ電極パターンとＧＮＤ間の浮遊容量１０５に電流が流れ、点矢印線Ｂで示すようなコモンモード電流が流れる。同様の現象が各相の半導体モジュールにおいて発生し、コモンモード電流は負荷の対地容量（図示せず）、電源の対地容量（図示せず）、Ｎ電極パターンとＧＮＤ間の浮遊容量１０６等を介して高電圧の系とＧＮＤを流れ、外部にノイズを放射する。そしてこの放射ノイズの振幅は、コモンモード電流の振幅と流れるループ面積に比例する。
《第１実施形態》
図４は、本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールを示す、浮遊容量を含む電気回路図である。本例の半導体モジュール１は、それぞれスイッチング素子と整流ダイオードからなるＰ側半導体素子１６およびＮ側半導体素子１８と、ヒートシンク７とを備え、第１の電力系に電気的に接続されるＰ端子１２およびＮ端子１４と、第２の電力系に電気的に接続されるＡＣ端子１３とが設けられている。なお、４は、ＡＣ端子１３が接続されたＡＣ電極パターン１１と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量、５はＰ端子１２が接続されたＰ電極パターン１０と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量、６はＮ端子１４が接続されたＮ電極パターン９と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量をそれぞれ示す。
図３Ａは図４に示す第１実施形態に係る半導体モジュールを示す側面図、図３Ｂは平面図であり、本例の半導体モジュール１は、接地ＧＮＤに接続されるヒートシンク７を有し、このヒートシンク７の上に絶縁層８ａを介してＮ電極パターン９が接続され、その上に他の絶縁層８ｂを介してＰ電極パターン１０とＡＣ電極パターン１１が接続されている。そして、Ｐ電極パターン１０には電流入出力用のＰ端子１２が実装され、ＡＣ電極パターン１１には電流入出力用のＡＣ端子１３が実装され、Ｎ電極パターン９には電流入出力用のＮ端子１４が実装されている。
各電極パターン９，１０，１１と絶縁層８ａ，８ｂは、好適には窒化珪素を用いた多層セラミック基板で構成されている。また、ヒートシンク７と接する面には接続用の金属パターン１５が設けられ、多層セラミック基板とヒートシンク７を半田付けまたはロウ付けにより電気的にも機械的にも接続した構成とされている。
図示するＰ電極パターン１０の上面には、Ｐ側半導体素子１６の下面に形成された電極が電気的に接続されるように実装され、Ｐ側半導体素子１６の上面に形成された電極は、ＡＣ電極パターン１１に対してボンディングワイヤ１７ａ等で電気的に接続されている。また、図示するＡＣ電極パターン１１の上面には、Ｎ側半導体素子１８の下面に形成された電極が電気的に接続されるように実装され、Ｎ側半導体素子１８の上面に形成された電極は、Ｎ電極パターン９に対してボンディングワイヤ１７ｂ等で電気的に接続されている。
なお図示はしないが、Ｐ側半導体素子１６およびＮ側半導体素子１８のうちのスイッチング素子には、そのスイッチング信号を入力する電極に駆動回路から出力される信号線が接続されている。また図示はしないが、多層絶縁基板はケースに囲まれ、絶縁性材料により封止されている。
以上のように、接地されるヒートシンク７の上に絶縁層８ａを介してＮ電極パターン９を設け、このＮ電極パターン９の上に絶縁層８ｂを介してＰ電極パターン１０とＡＣ電極パターン１１を設けることにより、図４に示すコモンモード電流の大きさの原因となるＡＣ電極パターン１１と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量は、ＡＣ電極パターン１１とＮ電極パターン９との間の浮遊容量４と、Ｎ電極パターン９と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量６とが直列に接続された回路構成になる。また、Ｐ電極パターン１０と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量は、Ｐ電極パターン１０と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量５と、Ｎ電極パターン９と接地ＧＮＤとの間の浮遊容量６とが直列に接続された回路構成になる。
２つ以上のコンデンサＣ１，Ｃ２を接続する場合に、全体のコンデンサ容量Ｃは、並列に接続した場合がＣ＝Ｃ１＋Ｃ２＋…であるのに対し、直列に接続した場合はＣ＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋…となり、直列に接続した方が、静電容量が小さくなる。したがって、本例の半導体モジュール１では直列接続されることにより浮遊容量が小さくなり、これによりＩｃｍ＝Ｃ×（ｄＶ／ｄｔ）で表されるコモンモード電流も小さくなる。
一方、冷却の観点においても、本例では絶縁層８ｂが１層多くなるものの、Ｐ電極パターン１０とＮ電極パターン９、およびＡＣ電極パターン１１とＮ電極パターン９はそれぞれ低抵抗で接続されているため、冷却性能の減少はごく僅かである。
さらに、図３に示すようにＰ端子１２からＡＣ電極パターン１１を経てＮ端子１４に至る電流経路は、対向した構成となっているため、Ｐ端子１２とＮ端子１４との間が低インダクタンスである。このため、スイッチング過渡時のＰ端子１２の電圧変動を抑制することができる。
なお、Ｎ電極パターン９は、Ｎ端子１４の取り出しやＮ側半導体素子１８との接続を容易にするために、図５に示すように多層セラミック基板の上側の絶縁層８ｂにスルーホール１９を設け、Ｎ電極パターン９の一部を絶縁層８ｂの上面に配置してもよい。
《第２実施形態》
図６Ａは本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールを示す側面図、図６Ｂは平面図である。本例の半導体モジュール１は、接地ＧＮＤに接続されるヒートシンク７を有し、このヒートシンク７の上に絶縁層８ｃを介してＮ電極パターン９ａおよびＰ電極パターン１０ａが接続され、その上に他の絶縁層８ｄを介してＡＣ電極パターン１１ａが接続されている。そして、Ｐ電極パターン１０ａには電流入出力用のＰ端子１２が実装され、ＡＣ電極パターン１１ａには電流入出力用のＡＣ端子１３が実装され、Ｎ電極パターン９ａには電流入出力用のＮ端子１４が実装されている。上述した図３Ａ，図３Ｂに示す第１実施形態の半導体モジュール１に比べ、Ｐ電極パターン１０，１０ａの積層位置が相違する。
各電極パターン９ａ，１０ａ，１１ａと絶縁層８ｃ，８ｄは、好適には窒化珪素を用いた多層セラミック基板で構成されている。また、ヒートシンク７と接する面には接続用の金属パターン１５が設けられ、多層セラミック基板とヒートシンク７を半田付けまたはロウ付けにより電気的にも機械的にも接続した構成とされている。
図示するＰ電極パターン１０ａの上面には、Ｐ側半導体素子１６の下面に形成された電極が電気的に接続されるように実装され、Ｐ側半導体素子１６の上面に形成された電極は、ＡＣ電極パターン１１ａに対してボンディングワイヤ等１７ｃで電気的に接続されている。また、図示するＡＣ電極パターン１１ａの上面には、Ｎ側半導体素子１８の下面に形成された電極が電気的に接続されるように実装され、Ｎ側半導体素子１８の上面に形成された電極は、Ｎ電極パターン９ａに対してボンディングワイヤ等１７ｄで電気的に接続されている。
なお図示はしないが、Ｐ側半導体素子１６およびＮ側半導体素子１７のうちのスイッチング素子には、そのスイッチング信号を入力する電極に駆動回路から出力される信号線が接続されている。また図示はしないが、多層絶縁基板はケースに囲まれ、絶縁性材料により封止されている。
特に本例の半導体モジュール１では、図６Ｂの平面視におけるＰ電極パターン１０ａの面積とＮ電極パターン９ａの面積が同一または略同一に構成され、ＡＣ電極パターン１１ａの下層においてＮ電極パターン９ａが存在しない部分は絶縁層８ｃと同様のセラミック基材が充填されている。
以上のように構成にすることにより、図７に示す電気回路において、Ｐ電極パターン１０ａと接地ＧＮＤとの間の浮遊容量５ａが第１実施形態に比べて大きくなるが、Ｎ電極パターン９ａと接地ＧＮＤとの間の浮遊容量６ａが第１実施形態に比べて小さくなると同時にＰ電極パターン１０ａと接地ＧＮＤとの間の浮遊容量５ａと同等になる。これにより、ある相（Ｕ，Ｖ，Ｗの各相）の半導体モジュールで発生したコモンモード電流が供給電池ＢＴ側やモータＭ側に流れることなく、近くにある他の相の半導体モジュール内の浮遊容量に循環させることができる。その結果、コモンモード電流のループ面積が小さくなる。
また、Ｎ電極パターン９ａと接地ＧＮＤとの間の浮遊容量６ａが小さくなることにより、ＡＣ電極パターン１１ａとＮ電極パターン９ａとの間の浮遊容量４ａとの直列容量であるＡＣパターン１１ａと接地ＧＮＤとの間の浮遊容量（浮遊容量４ａと浮遊容量６ａの総容量）も小さくなるため、コモンモード電流の振幅も小さくなる。これにより、放射ノイズが低減される。
以上のとおり、上記第１実施形態および第２実施形態の半導体モジュール１では、接地ＧＮＤへの漏洩電流の原因となるＡＣ電極パターン１１，１１ａがＮ電極パターン９，９ａを介して接地されているので、ＡＣ電極パターン１１，１１ａの対ＧＮＤ容量が小さくなり、これによりコモンモード電流を抑制することができる。
また、上記第１実施形態の半導体モジュール１では、ＡＣ電極パターン１１，１１ａの次に漏洩電流の原因となるＰ電極パターン１０，１０ａがＮ電極パターン９，９ａを介して接地されているので、Ｐ電極パターン９，９ａの対ＧＮＤ容量が小さくなるとともに、ＰＮ端子間のインダクタンスが減少するため、スイッチング過渡時のＰ電極パターン９，９ａの電圧変動が抑制され、これによりコモンモード電流を抑制することができる。
また、上記第２実施形態の半導体モジュール１によれば、Ｐ電極パターン１０ａの対ＧＮＤ容量とＮ電極パターン９ａの対ＧＮＤ容量が同等になるので、コモンモード電流が、近接する半導体モジュール間で循環することになり、その結果ループ面積が小さくなって放射ノイズを抑制することができる。
さらに、図５Ａおよび図５Ｂに示す半導体モジュール１によれば、Ｐ電極パターン１０およびＡＣ電極パターン１１と、Ｎ電極パターン９との接続面積（積層方向に重なった面積）が広くなるので、インダクタンスが低減するとともに、Ｐ電極パターン１０からヒートシンク７、ＡＣ電極パターン１１からヒートシンク７までの熱抵抗が小さくなるため、ヒートシンク７を小型化することができる。
なお、上記実施形態では、電力変換装置をいわゆる直流−交流変換が行われるインバータを例に説明したが、たとえば直流−直流変換（ＤＣ−ＤＣ変換）などでも同様の作用効果を得ることができる。
上記供給電池ＢＴが本発明に係る第１の電力系に相当し、上記Ｐ端子１２およびＮ端子１４が本発明に係る第１の端子に相当し、上記モータＭが本発明に係る第２の電力系に相当し、上記ＡＣ端子１３が本発明に係る第２の端子に相当し、上記Ｐ電極パターン１０，１０ａが本発明に係る第１の電極に相当し、上記Ｎ電極パターン９，９ａが本発明に係る第２の電極に相当し、上記ＡＣ電極パターン１１，１１ａが本発明に係る出力電極に相当し、上記絶縁層８ａ，８ｃが本発明に係る第１の絶縁部材に相当し、上記絶縁層８ｂ，８ｄが本発明に係る第２の絶縁部材に相当する。
１：半導体モジュール
２：Ｐ側半導体素子
３：Ｎ側半導体素子
４，５，６，４ａ，５ａ，６ａ：浮遊容量
７：ヒートシンク
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：絶縁層
９，９ａ：Ｎ電極パターン
１０，１０ａ：Ｐ電極パターン
１１，１１ａ：ＡＣ電極パターン
１２：Ｐ端子
１３：ＡＣ端子
１４：Ｎ端子
１５：金属パターン
１６：Ｐ側半導体素子
１７ａ，１７ｂ：ボンディングワイヤ
１８：Ｎ側半導体素子
１９：スルーホール
ＢＴ：二次電池
Ｃ：平滑用コンデンサ
Ｍ：モータ
ＩＮＶ：電力変換部

Claims (4)

  1. 第１の電力系に電気的に接続される第１の端子と第２の電力系に電気的に接続される第２の端子とを有し、互いに直列に接続された一対の半導体素子と、
    ヒートシンクと、
    前記第１の端子の一方の第１の端子と、前記一対の半導体素子の一方の半導体素子の一方の電極とのそれぞれに電気的に接続された第１の電極と、
    前記第２の端子と、前記一対の半導体素子の他方の半導体素子の一方の電極とのそれぞれに電気的に接続された出力電極と、
    前記第１の端子の他方の第１の端子に電気的に接続された第２の電極と、
    を備える半導体モジュールであって、
    前記一方の半導体素子の他方の電極が、前記出力電極に電気的に接続され、
    前記他方の半導体素子の他方の電極が、前記第２の電極に電気的に接続され、
    前記第２の電極が、第１の絶縁部材を介して前記ヒートシンクに接続され、
    前記出力電極が、第２の絶縁部材を介して前記第２の電極に接続されている半導体モジュール。
  2. 前記第１の電極は、前記第２の絶縁部材を介して前記第２の電極に接続されている請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第１の電極は、前記第１の絶縁部材を介して前記ヒートシンクに接続され、
    前記第１の電極の面積と前記第２の電極の面積が略同一である請求項１に記載の半導体モジュール。
  4. 前記第２の電極は、
    前記出力電極と同一面に形成された電極と、
    前記第１の絶縁部材上に形成された電極と、
    これら２つの電極を電気的に接続するスルーホールと、を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
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