JP2017041524A - 車載用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体チップを冷却装置で冷却する半導体装置を車載すると、コモンモード電流が流れてノイズ発生源となる。【解決手段】半導体チップが接続固定されている電極板と冷却装置の間に、絶縁プレートと導電プレートと絶縁プレートの積層構造を介在させ、その導電プレートを直流電源の一方の端子に導通させる。コモンモード電流を生み出すブリッジ回路のバランスが改善されてコモンモード電流が低下する。容量を低下させる必要がないことから絶縁薄膜が利用でき、負荷の駆動電流(主電流)の電流経路から外すことで導電箔が利用できる。半導体チップと冷却装置の間の間隔を狭め、冷却効率を増大させることができる。【選択図】図5
Description
本明細書は、半導体チップを冷却装置で冷却する車載用半導体装置を開示する。
図1は、車載用のDC−DCコンバータの回路構成を例示している。昇圧時には、半導体チップ4が内蔵しているスイッチング素子を断続的にオン・オフさせる。すると電池6の電圧を昇圧した電圧がコイル10の両端に発生し、昇圧した電圧を負荷14に印加することができる。負荷14が発電機となることがある。この場合、半導体チップ2が内蔵しているスイッチング素子を断続的にオン・オフさせる。すると負荷14が発電した電圧を降圧した電圧を電池6に印加して電池6を充電することができる。
半導体チップ2,4は、動作すると発熱する。そこで冷却装置によって冷却する半導体装置が開発されている。図2は、その半導体装置の構造を例示している。参照番号26はマイナス電極板であり、半導体チップ4の裏面に露出しているマイナス電極に接続固定されている。マイナス電極板26は絶縁板32を介して冷却装置22の表面に固定されている。参照番号28は中間電極板であり、半導体チップ2の裏面に露出している中間電極に接続固定されている。中間電極板28も絶縁板32を介して冷却装置22の表面に固定されている。冷却装置22の表面は、平坦であって金属が露出している。マイナス電極板26と金属面の間に絶縁板32が介在しており、マイナス電極板26と冷却装置22が電気的に絶縁される。絶縁板32の熱伝導率は高く、マイナス電極板26から冷却装置22に効率的に伝熱される。同様に、中間電極板28と金属面の間にも絶縁板32が介在しており、中間電極板28と冷却装置22が電気的に絶縁される。絶縁板32の熱伝導率は高く、中間電極板28から冷却装置22に効率的に伝熱される。
半導体チップ4の表面には中間電極が露出しており、図1に示したコイル10から伸びている中間電位線18が中間電極に接続される。その中間電極と中間電極板28の間は中間接続線24で接続されている。半導体チップ2の表面にはプラス電極が露出しており、図1に示した負荷14に伸びているプラス電位線20が接続される。マイナス電極板26には、図1に示した電池6のマイナス端子から伸びるマイナス電位線16が接続される。図2の半導体装置を利用すると、図1の回路を形成することができる。図1において、参照番号8と12はコンデンサであり、電圧変動を平滑化する。中間電圧線18は、コイル10を介して電池6のプラス端子に接続されているが、マイナス電位線16とプラス電位線20と区別するために、中間電位線という。必ずしも電位が中間電位にあることを意味しない。
図2の場合、マイナス電位線16とマイナス電極板26とそれらと同電位の部材が絶縁板32を介して冷却装置22に対向しており、コンデンサ構造となっている。また中間電位線18と中間接続線24と中間電極板28とそれらと同電位の部材が絶縁板32を介して冷却装置22に対向しており、コンデンサ構造となっている。さらに、プラス電位線20とそれに同電位の部材が絶縁板32を介して冷却装置22に対向しており、コンデンサ構造となっている。これらのコンデンサ構造によって、容量が形成されている。
図1と2の破線は、上記の容量を示している。マイナス電位線16とそれに同電位の部材(マイナス電位部材)と冷却装置22の間に容量CNが存在し、中間電位線18とそれに同電位の部材(中間電位部材)と冷却装置22の間に容量CMIDが存在し、プラス電位線20とそれに同電位の部材(プラス電位部材)と冷却装置22の間に容量CPが存在する。
図1において、参照番号30は、電池(直流電源)6と車体の間に形成されているインピーダンスZCを示している。冷却装置22は車体に接地されており、冷却装置22と車体は同電位である。
図1において、参照番号30は、電池(直流電源)6と車体の間に形成されているインピーダンスZCを示している。冷却装置22は車体に接地されており、冷却装置22と車体は同電位である。
半導体チップ2,4は高速度でオン・オフを繰り返し、高周波ノイズの発生源(高周波電源)となる。半導体チップ2,4から生じた高周波電圧は、容量CN,CMID,CP等を経由して冷却装置22に流れ、インピーダンス30を介してマイナス電位線16に流れるコモンモード電流を生み出す。コモンモード電流は、電磁ノイズの発生源となる。車載用半導体装置には、コモンモード電流を低下させることが求められる。
特許文献1に、コモンモード電流を低下させる半導体装置が開示されている。この半導体装置は、図3に模式的に示すように、半導体チップ2の裏面に露出しているプラス電極をプラス電極板36に固定し、半導体チップ4の裏面に露出している中間電極を中間電極板38に固定する。また、プラス電極板36と冷却装置22の間と、中間電極板38と冷却装置22の間に、マイナス電極板42を挿入する。マイナス電極板42は、半導体チップ2,4に亘って広がるサイズにしておく。参照番号40は、プラス電極板36と中間電極板38とマイナス電極板42を相互に絶縁する絶縁板であり、参照番号44は、マイナス電極板42と冷却装置22を絶縁する絶縁板である。
図3の場合、マイナス電位線16がマイナス電極板42に接続され、マイナス電極板42がマイナス接続線17によって半導体チップ4のマイナス電極(表面に露出している)に接続される。中間電極板38が中間接続線24によって半導体チップ2の中間電極(表面に露出している)に接続され、プラス電位線20がプラス電極板36に接続され、中間電位線18が中間電極板38に接続される。特許文献1では、インバータ回路を構成する半導体装置を開示している。図3では、DC−DCコンバータ用半導体装置に変形したものを図示している。
図3の場合、マイナス電位線16がマイナス電極板42に接続され、マイナス電極板42がマイナス接続線17によって半導体チップ4のマイナス電極(表面に露出している)に接続される。中間電極板38が中間接続線24によって半導体チップ2の中間電極(表面に露出している)に接続され、プラス電位線20がプラス電極板36に接続され、中間電位線18が中間電極板38に接続される。特許文献1では、インバータ回路を構成する半導体装置を開示している。図3では、DC−DCコンバータ用半導体装置に変形したものを図示している。
図3の半導体装置によると、図4の回路が形成される。図4の回路によって、図1に示したDC−DCコンバータ回路を形成することができる。図3の半導体装置では、プラス電極板36とそれに同電位の部材が絶縁板40を挟んでマイナス電極板42に対向し、マイナス電極板42が絶縁板44を挟んで冷却装置22に対向している。また、中間電極板38とそれに同電位の部材が絶縁板40を挟んでマイナス電極板42に対向し、マイナス電極板42が絶縁板44を挟んで冷却装置22に対向している。図3と4の破線は、それらのコンデンサ構造の容量を示している。図3と4では、中間電極板38とマイナス電極板42が絶縁板40を挟んで対向することによる容量をCMIDとし、プラス電極板36とマイナス電極板42が絶縁板40を挟んで対向することによる容量をCPとし、マイナス電極板42と冷却装置22が絶縁板44を挟んで対向することによる容量をCNしている。
上記によると、中間電極板38等(ここでいう等は同電位の部材をいう)と冷却装置22間の容量は、CMIDとCNを直列に接続した容量となる。直列に接続すると容量は低下する。図3に示すように、中間電極板38等と冷却装置22の間にマイナス電極板42が介在する構造とすると、中間電極板38等と冷却装置22間の容量が低下し、中間電極板38等と冷却装置22の間を流れるコモンモード電流が低下する。同様に、プラス電極板36等と冷却装置22間の容量は、CPとCNを直列に接続した容量となる。直列に接続すると容量は低下する。プラス電極板36等と冷却装置22の間にマイナス電極板42が介在する構造とすると、プラス電極板36等と冷却装置22の間の容量が低下し、プラス電極板36等と冷却装置22の間を流れるコモンモード電流が低下する。
特許文献1の技術では、CMIDとCNを直列に接続することで容量を小さくする。この方式は、直列に接続するCMIDとCNの夫々の容量を小さくすることが前提となる。CMIDとCNの夫々の容量が大きくなれば、それらを直列に接続しても合計容量が低下するとは限らない。同様に、直列に接続するCPとCNの夫々の容量を小さくすることも必要になる。
CMIDあるいはCPの容量を小さくするためには、絶縁板40の厚みを厚くしなければならない。CNの容量を小さくするためには、絶縁板44の厚みを厚くしなければならない。
CMIDあるいはCPの容量を小さくするためには、絶縁板40の厚みを厚くしなければならない。CNの容量を小さくするためには、絶縁板44の厚みを厚くしなければならない。
半導体チップを効率的に冷却するためには、半導体チップと冷却装置の間隔を短くする必要がある。そこで例えば、図3の絶縁板40の厚みt2=図2の絶縁板32の厚みt1の半分であり、図3の絶縁板44の厚みt4=図2の絶縁板32の厚みt1の半分であり、図3の絶縁板40の厚みt2+絶縁板44の厚みt4=図2の絶縁板32の厚みt1であるとする。上記であれば、半導体チップと冷却装置の間隔を増大させることなく、図2から図3の構造に変えることができる。ただし、簡単のために、マイナス電極板42の厚みt3を無視するものとする。
この場合、図3のCMID=図2のCMIDの2倍となり、図3のCP=図2のCPの2倍となり、図3のCN=図2のCNの2倍となる。図3のCMIDとCNを直列に接続した回路の容量=図2のCMIDとなり、直列に接続しても容量は減少しない。同様に、図3のCPとCNを直列に接続した回路の容量=図2のCPとなり、直列に接続しても容量は減少しない。
t2=t4=t1/2の場合、図2から図3に改良しても、容量を低下させることができない。直列接続することで容量を低下させるためには、t2>t1/2とし、t4>t1/2としなければならない。すると半導体チップと冷却装置の間隔が増大してしまう。間隔が厚くなると、半導体チップ4と冷却装置22の間の熱抵抗が増大する。半導体チップ2と冷却装置22の間隔についても同様である。
この場合、図3のCMID=図2のCMIDの2倍となり、図3のCP=図2のCPの2倍となり、図3のCN=図2のCNの2倍となる。図3のCMIDとCNを直列に接続した回路の容量=図2のCMIDとなり、直列に接続しても容量は減少しない。同様に、図3のCPとCNを直列に接続した回路の容量=図2のCPとなり、直列に接続しても容量は減少しない。
t2=t4=t1/2の場合、図2から図3に改良しても、容量を低下させることができない。直列接続することで容量を低下させるためには、t2>t1/2とし、t4>t1/2としなければならない。すると半導体チップと冷却装置の間隔が増大してしまう。間隔が厚くなると、半導体チップ4と冷却装置22の間の熱抵抗が増大する。半導体チップ2と冷却装置22の間隔についても同様である。
図3の技術によって実質容量(直列接続した容量)を低下させるためには、絶縁板40を厚くしてCMIDとCPの容量を低下させる必要があり、絶縁板44を厚くしてCNの容量を低下させる必要がある。しかるに、絶縁板40と絶縁板44を厚くすると、半導体チップ2,4と冷却装置22間の熱抵抗が増大してしまう。図3の技術では、半導体チップ2,4と冷却装置22間の熱抵抗を増加させないようにしながら実質的容量(直列接続した容量)を低下させることが難しい。熱抵抗を増加させないという条件下で図3に改良すると、実質容量は低下しない。
本明細書では、絶縁板40,44の厚みを薄くして熱抵抗を下げ、その結果として容量が増大してもコモンモード電流を低下させることのできる技術を開示する。
本明細書では、絶縁板40,44の厚みを薄くして熱抵抗を下げ、その結果として容量が増大してもコモンモード電流を低下させることのできる技術を開示する。
本明細書では、半導体チップを冷却装置によって冷却する車載用半導体装置を開示する。その半導体装置では、半導体チップが電極板に接続固定されている。冷却装置は金属面を持っている。半導体チップが接続固定されている電極板と冷却装置の金属面の間に、絶縁プレートと導電プレートと絶縁プレートの積層構造が介在している。その導電プレートは、前記電極板を介して直流電源の一方の端子に導通している。
上記の半導体装置は、図3のものと主電流経路が相違する。ここでいう主電流とは、負荷14を流れる電流をいう。図3の半導体装置では、マイナス電位線16から供給された主電流が、マイナス電極板42とマイナス接続線17を経由して半導体チップ4のマイナス電極に供給される。マイナス電極板42には、半導体チップ4に供給する主電流を流せるものを使用する必要がある。主電流の電流値は高く、マイナス電極板42を通過する際に大きなジュール熱を発生させる。マイナス電極板42の溶融を防ぐためには板厚を厚くする必要があり、マイナス電極板42を薄くすることは難しい。
本明細書に開示する半導体装置でも、導電プレートが直流電源の一方の端子に導通しているが、電極板を介して直流電源の一方の端子に導通している。直流電源からの主電流は、電極板から半導体チップの電極に供給され、導電プレートを経由しない。導電プレートには半導体チップに供給する主電流が流れないことから(電流量が小さなコモンモード電流が流れるに過ぎない)、十分に薄くすることができる。金属箔で導電プレートを構成することが可能となる。半導体チップと冷却装置の間の間隔を狭くして熱抵抗を下げることができる。
本明細書に開示する半導体装置でも、導電プレートが直流電源の一方の端子に導通しているが、電極板を介して直流電源の一方の端子に導通している。直流電源からの主電流は、電極板から半導体チップの電極に供給され、導電プレートを経由しない。導電プレートには半導体チップに供給する主電流が流れないことから(電流量が小さなコモンモード電流が流れるに過ぎない)、十分に薄くすることができる。金属箔で導電プレートを構成することが可能となる。半導体チップと冷却装置の間の間隔を狭くして熱抵抗を下げることができる。
また本明細書による半導体装置では、半導体チップの導電部材が絶縁プレートを介して導電プレートに対向し、導電プレートが絶縁プレートを介して冷却装置に対向する。コンデンサ構造を提供する絶縁プレートを薄くすると、そのコンデンサ構造が大きな容量を持つことになる。従来技術の考え方によると、絶縁プレートを薄くすると容量が増大し、容量を直列に接続しても接続後容量が増大することから、直列接続後容量が増大するほどに絶縁プレートを薄くすることができないと考える。本技術は、導電プレートを直流電源の一方の端子に導通させと、高周波ノイズ伝播回路のトポロジーが変わり、コモンモード電流を低下させることが可能となるという知見に基づいて開発された。半導体チップの導電部材と導電プレートを絶縁する絶縁プレートと、導電プレートと冷却装置を絶縁する絶縁プレートは、両者とも薄膜でよく、半導体チップと冷却装置間の間隔を狭め、半導体チップと冷却装置間の熱抵抗を下げ、冷却装置による半導体チップ冷却効率を向上させることができる。
半導体チップは、図1に示したDC−DCコンバータを構成するものであってもよいし、あるいはインバータ回路を構成するものであってもよい。一つの半導体チップの中に2個のスイッチング素子が作りこまれているものであってもよいし、1個のスイッチング素子を内蔵している半導体チップの2個を利用してDC−DCコンバータ等を構成するものであってもよい。2個のスイッチング素子を利用して、マイナス電位線の電位ともプラス電位線の電位とも相違する第3の電位を中間電位線に印加するものあれば、本技術を適用することができる。
例えば図2、図3に例示するように、半導体チップが、第1半導体チップと第2半導体チップに分割されていてもよい。この場合、第1半導体チップの電極板と冷却装置の金属面の間と、第2半導体チップの電極板と冷却装置の金属面の間の双方に、前記した積層構造が介在していることが好ましい。第1半導体チップと第2半導体チップを接続することによって2個のスイッチング素子の直列回路が形成されていると、その半導体装置によってDC−DCコンバータやインバータを構成することができる。
2個のスイッチング素子を直列に接続した回路は、両端にマイナス電極とプラス電極を備えており、2個のスイッチング素子の中間点が中間電極となる。そのマイナス電極と中間電極の間に直流電源と第1コンデンサを並列に接続し、マイナス電極とプラス電極の間に負荷と第2コンデンサを並列に接続し、第1コンデンサと中間電極の間にコイルを挿入すれば、DC−DCコンバータとなる。
2個のスイッチング素子を直列に接続した回路は、両端にマイナス電極とプラス電極を備えており、2個のスイッチング素子の中間点が中間電極となる。そのマイナス電極と中間電極の間に直流電源と第1コンデンサを並列に接続し、マイナス電極とプラス電極の間に負荷と第2コンデンサを並列に接続し、第1コンデンサと中間電極の間にコイルを挿入すれば、DC−DCコンバータとなる。
半導体チップの上下に冷却装置を配置し、半導体チップの上下両面から冷却する場合がある。その場合は、半導体チップの上面側電極板と上面側冷却装置の間に、絶縁プレートと導電プレートと絶縁プレートの積層構造が介在しており、半導体チップの下面側電極板と下面側冷却装置の間にも、絶縁プレートと導電プレートと絶縁プレートの積層構造が介在していることが好ましい。その場合は、上面側導電プレートと下面側導電プレートの双方が、直流電源の一方の端子に導通していることが好ましい。上面側導電プレートと下面側導電プレートの電位は同一であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、上面側導電プレートが直流電源のプラス端子に接続され、下面側導電プレートが直流電源のマイナス端子に接続されていてもよい。
本明細書に記載の技術によると、積層構造を構成する絶縁プレートが薄くてもよい。すなわち薄膜化することができる。ここでいう薄膜とは、導電プレートに形成した膜であって、導電プレートがなければ形成できないものをいう。その特性を活用すると、表裏両面が絶縁薄膜で被覆されている導電プレートを半導体チップと冷却装置の間に介在させることでコモンモード電流を低減することができる。表裏両面が絶縁薄膜で被覆されている導電プレートが利用可能となる技術は、導電プレートを半導体チップに供給する電流の経路に利用しないという技術とは別の有用性を備えている。表裏両面が絶縁薄膜で被覆されている導電プレートを利用する技術は、その導電プレートが給電経路を兼用する場合にも有用であり、兼用しない場合にも有用である。兼用しない場合は金属箔の表裏両面に絶縁薄膜を形成した積層材を利用することができ、半導体チップと冷却装置間の距離を非常に短くすることができる。
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理する。
(特徴1)表裏両面に絶縁薄膜が形成されている導電プレートが、電池のマイナス端子に接続されている。
(特徴2)前記導電プレートには負荷の駆動電流(主電流)が流れない。
(特徴3)前記導電プレートは金属箔で形成されている。
(特徴4)表裏両面に絶縁薄膜が形成されている導電プレートが、負荷のプラス端子に接続されている。
(特徴5)前記導電プレートには負荷の駆動電流(主電流)が流れない。
(特徴6)前記導電プレートは金属箔で形成されている。
(特徴1)表裏両面に絶縁薄膜が形成されている導電プレートが、電池のマイナス端子に接続されている。
(特徴2)前記導電プレートには負荷の駆動電流(主電流)が流れない。
(特徴3)前記導電プレートは金属箔で形成されている。
(特徴4)表裏両面に絶縁薄膜が形成されている導電プレートが、負荷のプラス端子に接続されている。
(特徴5)前記導電プレートには負荷の駆動電流(主電流)が流れない。
(特徴6)前記導電プレートは金属箔で形成されている。
(実施例1)
図5は実施例1の半導体装置を示している。半導体チップ2の表面に中間電極が露出し、裏面にプラス電極が露出し、裏面のプラス電極がプラス電極板36に電気的に接続され、機械的に固定されている。半導体チップ2内には、図示の方向でIGBTとダイオードが並列に配置されている。半導体チップ4の表面にマイナス電極が露出し、裏面に中間電極が露出し、裏面の中間電極が中間電極板38に電気的に接続され、機械的に固定されている。半導体チップ4内には、図示の方向でIGBTとダイオードが並列に配置されている。
半導体チップ4の表面に露出しているマイナス電極にマイナス電位線16が接続され、プラス電極板36にプラス電位線20が接続され、中間電極板38に中間電位線18が接続されている。半導体チップ2の表面に露出している中間電極は、中間接続線24によって中間電極板38に接続されている。図5の半導体装置によって図1のDC−DCコンバータ回路を構成することができる。
図5は実施例1の半導体装置を示している。半導体チップ2の表面に中間電極が露出し、裏面にプラス電極が露出し、裏面のプラス電極がプラス電極板36に電気的に接続され、機械的に固定されている。半導体チップ2内には、図示の方向でIGBTとダイオードが並列に配置されている。半導体チップ4の表面にマイナス電極が露出し、裏面に中間電極が露出し、裏面の中間電極が中間電極板38に電気的に接続され、機械的に固定されている。半導体チップ4内には、図示の方向でIGBTとダイオードが並列に配置されている。
半導体チップ4の表面に露出しているマイナス電極にマイナス電位線16が接続され、プラス電極板36にプラス電位線20が接続され、中間電極板38に中間電位線18が接続されている。半導体チップ2の表面に露出している中間電極は、中間接続線24によって中間電極板38に接続されている。図5の半導体装置によって図1のDC−DCコンバータ回路を構成することができる。
プラス電極板36と冷却装置22の間と、中間電極板38と冷却装置22の間に、表面が絶縁薄膜46aで被覆されており、裏面が絶縁薄膜46cで被覆されている導電箔(実施例では金属箔)46bが挿入されている。導電箔46bは、マイナス接続線17によってマイナス電位線16に接続されている。なお、負荷14を駆動する主電流はマイナス電位線16から半導体チップ4に流れる。導電箔46bには主電流が流れない。導電箔46bの厚みt6は、主電流を流せない程度に薄い。絶縁薄膜46a,46cは、導電箔46bの表裏両面に塗布することによって形成されている。薄膜46a,46cは、単体では製造できない程度に薄い。
絶縁薄膜46aと導電箔46bと絶縁薄膜46cは、積層材46を構成している。積層材46は、表裏両面に絶縁薄膜が形成されている導電プレートの実施例である。また、絶縁薄膜46a,46cは絶縁プレートの実施例であり、導電箔46bは導電プレートの実施例である。
絶縁薄膜46aの厚みt5は図3の厚みt2より薄い。絶縁薄膜46cの厚みt7は図3の厚みt4より薄い。導電箔46bの厚みt6は、図3の厚みt3より薄い。t2+t3+t4>t5+t6+t7である。図5の半導体チップ2と冷却装置22間の間隔は、図3の半導体チップ2と冷却装置22間の間隔よりも狭く、図5の半導体チップ2は冷却装置22によってよく冷却される。図5の半導体チップ4と冷却装置22間の間隔は、図3の半導体チップ4と冷却装置22間の間隔よりも狭く、図5の半導体チップ4は冷却装置22によってよく冷却される。
絶縁薄膜46aと導電箔46bと絶縁薄膜46cは、積層材46を構成している。積層材46は、表裏両面に絶縁薄膜が形成されている導電プレートの実施例である。また、絶縁薄膜46a,46cは絶縁プレートの実施例であり、導電箔46bは導電プレートの実施例である。
絶縁薄膜46aの厚みt5は図3の厚みt2より薄い。絶縁薄膜46cの厚みt7は図3の厚みt4より薄い。導電箔46bの厚みt6は、図3の厚みt3より薄い。t2+t3+t4>t5+t6+t7である。図5の半導体チップ2と冷却装置22間の間隔は、図3の半導体チップ2と冷却装置22間の間隔よりも狭く、図5の半導体チップ2は冷却装置22によってよく冷却される。図5の半導体チップ4と冷却装置22間の間隔は、図3の半導体チップ4と冷却装置22間の間隔よりも狭く、図5の半導体チップ4は冷却装置22によってよく冷却される。
図6は、図5の半導体装置の回路構成を示し、マイナス電位線16等と導電箔46bの間に容量CN1が新たに発生した点以外は、図4と変わらない。ただし、図6の容量CMID,CP,CNは、いずれも図4の容量CMID,CP,CNより大きく、従来技術の考え方によるとコモンモード電流が増大してしまうはずである。しかしながら、図6の回路に流れるコモンモード電流は小さい。
図7は、図6の回路で構成されるDC−DCコンバータ回路を示す。図7では、導電箔46bと冷却装置22間の容量を、CN2,CMID2,CP2の3個に分離して表示している。これに伴って、マイナス電位線16等と導電箔46bの容量をCN1とし、中間電極板38等と導電箔46bの容量をCMID1とし、プラス電極板36等と導電箔46bの容量をCP1としている。
問題となるコモンモード電流は、半導体チップ2,4が高速度で繰り返してオン・オフを切換えることで発生する高周波電流である。その高周波に対する等価回路を図8に示す。半導体チップ2,4は、高周波電圧の発生源とすることができる。半導体チップ2,4は、いずれか一方がオンするときには他方がオフしており、逆相の高周波パルス発生源となっている。高周波成分に対しては、コンデンサ8とコンデンサ12のインピーダンスが低下する。マイナス電位線16と中間電位線18はコイル10を介して接続され、プラス電位線20とマイナス電位線16は短絡していると扱うことができる。
図9は図8を変形した等価回路であり、図10は図9をさらに変形した等価回路である。図8では逆相のパルス発生源2a,4aであった半導体チップ2,4は、図9では同相のパルス発生源であるとすることができ、図10では一個のパルス発生源とすることができる。図10においてD,P,Q,Rで示す位置は、図9から明らかに、同電位となるように接続されている。図11は、それを加味した等価回路である。図11から明らかに、A点とB点の電位差の大きさがコモンモード電流の大きさを決める。
図11の等価回路から、C点とD点の間にパルス発生源が存在しており、C点とD点の間に電位差が生じることがわかる。A点とC点の間にはコイル10が介在しているのに対し、A点とD点の間が短絡しているので、A点の電位はD点の電位に等しいことがわかる。一方、B点とC点の間のインピーダンスが無限大であるのに対し、B点とD点の間は、CN2,CMID2,CP2の並列回路で接続されている。B点の電位はC点の電位よりもD点の電位に近いことがわかる。すなわち、A点の電位もB点の電位もD点の電位に近く、A点とB点の電位差が小さく、小さなコモンモード電流しか流れないことがわかる。図6に示した容量CN,CMID,CPのいずれもが、図4に示したものよりも大きいにもかかわらず、実際に流れるコモンモード電流は小さい。
図12は、一般的なブリッジ回路の流れるコモンモード電流Icを示している。図13は図12のA点の電位とB点の電位とその電位差を示している。インビーダンスの比、すなわちZA1/ZA2とZB1/ZB2の値が相違するほど、A点とB点の電位差が大きくなり、コモンモード電流が大きくなる。
図14は、図11の回路におけるA点の電位とB点の電位とその電位差を示している。A点の電位はD点の電位に等しい。B点の電位は、C点とD点の電位差を、B点とC点間のインビーダンスZB−Cと、B点とD点間のインビーダンスZB−Dで比例配分した電位となる。図11の回路では、ZB−Cが無限大となり、B点の電位はD点の電位に等しくなる。
図14は、図11の回路におけるA点の電位とB点の電位とその電位差を示している。A点の電位はD点の電位に等しい。B点の電位は、C点とD点の電位差を、B点とC点間のインビーダンスZB−Cと、B点とD点間のインビーダンスZB−Dで比例配分した電位となる。図11の回路では、ZB−Cが無限大となり、B点の電位はD点の電位に等しくなる。
図15は、図5の半導体装置と、従来の半導体装置(表裏両面が絶縁薄膜46a、46cで覆われた導電箔46bを利用せず、代わりに、t5+t6+t7の厚みに等しい絶縁板を半導体チップ2,4と冷却装置22間の間隔に挿入した)を動作させて測定したコモンモードノイズの測定値を示す。図5の半導体装置によると、コモンモードノイズが顕著に低下することがわかる。
(実施例2)
図16は、実施例2の半導体装置を示している。この実施例では、半導体チップ2,4の表面側に表面側冷却装置23を配置し、裏面側に裏面側冷却装置22を配置し、表裏両面から半導体チップ2,4を冷却する。半導体チップ2,4の表面と表面側冷却装置23の間には、導電箔47bの表面に絶縁薄膜47cを形成し、裏面にも絶縁薄膜47aを形成した積層材47が挿入されている。半導体チップ2,4の裏面と裏面側冷却装置22の間には、導電箔46bの表面に絶縁薄膜47aを形成し、裏面にも絶縁薄膜46cを形成した積層材46が挿入されている。裏面側積層材46の導電箔46bは、マイナス接続線17によってマイナス電極板26に接続されている。表面側積層材47の導電箔47bは、プラス接続線21によってプラス電極板36に接続されている。
図16は、実施例2の半導体装置を示している。この実施例では、半導体チップ2,4の表面側に表面側冷却装置23を配置し、裏面側に裏面側冷却装置22を配置し、表裏両面から半導体チップ2,4を冷却する。半導体チップ2,4の表面と表面側冷却装置23の間には、導電箔47bの表面に絶縁薄膜47cを形成し、裏面にも絶縁薄膜47aを形成した積層材47が挿入されている。半導体チップ2,4の裏面と裏面側冷却装置22の間には、導電箔46bの表面に絶縁薄膜47aを形成し、裏面にも絶縁薄膜46cを形成した積層材46が挿入されている。裏面側積層材46の導電箔46bは、マイナス接続線17によってマイナス電極板26に接続されている。表面側積層材47の導電箔47bは、プラス接続線21によってプラス電極板36に接続されている。
2個の半導体チップ2,4で2個のスイッチング素子の直列回路を構成する場合、図2と図5に示すように半導体チップ2を右側に配置してもよいし、図3と図16に示すように半導体チップ2を左側に配置してもよい。図2と図16に示すように半導体チップ2のプラス電極が表面に露出する向きであってもよいし、図3と図5に示すようにプラス電極が裏面に露出する向きであってもよい。同様に、図2と図16に示すように半導体チップ4の中間電極が表面に露出する向きであってもよいし、図3と図5に示すように中間電極が裏面に露出する向きであってもよい。いずれであっても、本明細書に開示する技術によってコモンモード電流を低下させることができる。
図16に示すように、表面側と裏面側の双方に冷却装置を配置する場合は、プラス電極板36、中間電極板28,38、マイナス電極板26によって、半導体チップ2,4を表裏両面から挟むことが好ましい。プレートに接続線を接続することができ、半導体チップに直接にワイヤボンディングする必要をなくすことができる。
導電箔47bに例示されるように、導電箔はプラス電位線20に接続してもよい。導電箔46b、47bとも、プラス電位線20またはマイナス電位線16に接続することで、コモンモード電流を低下させることができる。
図16に示すように、表面側と裏面側の双方に冷却装置を配置する場合は、プラス電極板36、中間電極板28,38、マイナス電極板26によって、半導体チップ2,4を表裏両面から挟むことが好ましい。プレートに接続線を接続することができ、半導体チップに直接にワイヤボンディングする必要をなくすことができる。
導電箔47bに例示されるように、導電箔はプラス電位線20に接続してもよい。導電箔46b、47bとも、プラス電位線20またはマイナス電位線16に接続することで、コモンモード電流を低下させることができる。
(実施例3)
2個のスイッチング素子の直列回路が1個の半導体チップ3内に実装されている場合、図17に示すように、半導体チップ3のマイナス電極に固定されているマイナス電極板26と冷却装置22の間に積層材46を挿入し、導電箔46bをマイナス電極板に導通させる。コモンモード電流を低下させることができる。図17から半導体チップ3の上下方向を反転し、半導体チップ3のプラス電極がプラス電極板36に接続・固定されている場合は、プラス電極板36と冷却装置22の間に積層材46を挿入し、導電箔46bをプラス電極板に導通させる。これによってもコモンモード電流を低下させることができる。
2個のスイッチング素子の直列回路が1個の半導体チップ3内に実装されている場合、図17に示すように、半導体チップ3のマイナス電極に固定されているマイナス電極板26と冷却装置22の間に積層材46を挿入し、導電箔46bをマイナス電極板に導通させる。コモンモード電流を低下させることができる。図17から半導体チップ3の上下方向を反転し、半導体チップ3のプラス電極がプラス電極板36に接続・固定されている場合は、プラス電極板36と冷却装置22の間に積層材46を挿入し、導電箔46bをプラス電極板に導通させる。これによってもコモンモード電流を低下させることができる。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2: 第1半導体チップ
3: 半導体チップ
4: 第2半導体チップ
6: 電池(直流電源の実施例)
8: コンデンサ
10: コイル
12: コンデンサ
14: 負荷
16: マイナス電位線
17: マイナス接続線
18: 中間電位線
20: プラス電位線
21: プラス接続線
22: 冷却装置
23: 冷却装置
24: 中間接続線
26: マイナス電極板
28: 中間電極板
30: 電源・接地間インピーダンス
32: 絶縁板
36: プラス電極板
38: 中間電極板
40: 絶縁板
42: マイナス電極板
44: 絶縁板
46: 積層材
46a: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
46b: 導電箔(導電プレートの実施例)
46c: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
47: 積層材
47a: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
47b: 導電箔(導電プレートの実施例)
47c: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
3: 半導体チップ
4: 第2半導体チップ
6: 電池(直流電源の実施例)
8: コンデンサ
10: コイル
12: コンデンサ
14: 負荷
16: マイナス電位線
17: マイナス接続線
18: 中間電位線
20: プラス電位線
21: プラス接続線
22: 冷却装置
23: 冷却装置
24: 中間接続線
26: マイナス電極板
28: 中間電極板
30: 電源・接地間インピーダンス
32: 絶縁板
36: プラス電極板
38: 中間電極板
40: 絶縁板
42: マイナス電極板
44: 絶縁板
46: 積層材
46a: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
46b: 導電箔(導電プレートの実施例)
46c: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
47: 積層材
47a: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
47b: 導電箔(導電プレートの実施例)
47c: 絶縁薄膜(絶縁プレートの実施例)
Claims (8)
- 半導体チップと冷却装置を備えている車載用半導体装置であり、
前記半導体チップは電極板に接続固定されており、
前記冷却装置は金属面を持ち、
前記電極板と前記金属面の間に絶縁プレートと導電プレートと絶縁プレートの積層構造が介在しており、
前記導電プレートが前記電極板を介して直流電源の一方の端子に導通していることを特徴とする車載用半導体装置。 - 前記半導体チップが第1半導体チップと第2半導体チップに分割されており、
前記第1半導体チップと前記第2半導体チップを接続して2個のスイッチング素子の直列回路を形成していることを特徴とする請求項1の車載用半導体装置。 - 前記第1半導体チップの前記電極板と前記金属面の間と、前記第2半導体チップの前記電極板と前記金属面の間の双方に、前記積層構造が介在していることを特徴とする請求項2の車載用半導体装置。
- 前記直列回路がマイナス電極と中間電極とプラス電極を備えており、
前記マイナス電極と前記中間電極の間に直流電源と第1コンデンサを並列に接続し、
前記マイナス電極と前記プラス電極の間に負荷と第2コンデンサを並列に接続し、
前記第1コンデンサと前記中間電極の間にコイルを挿入して用いることを特徴とする請求項3の車載用半導体装置。 - 前記導電プレートが金属箔であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかの1項に記載の車載用半導体装置。
- 前記半導体チップの上下に冷却装置が配置されており、
前記半導体チップの上面側電極板と上面側冷却装置の間に前記積層構造が介在しており、
前記半導体チップの下面側電極板と下面側冷却装置の間に前記積層構造が介在しており、
前記上面側導電プレートと前記下面側導電プレートが、直流電源の一方の端子に導通していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかの1項に記載の車載用半導体装置。 - 前記上面側導電プレートと前記下面側導電プレートが金属箔であることを特徴とする請求項6のいずれかの1項に記載の車載用半導体装置。
- 半導体チップと冷却装置を備えている車載用半導体装置であり、
前記半導体チップは電極板に接続固定されており、
前記冷却装置は金属面を持ち、
前記電極板と前記金属面の間に表裏両面が絶縁薄膜で被覆されている導電プレートが介在しており、
前記導電プレートが直流電源の一方の端子に導通していることを特徴とする車載用半導体装置。
Priority Applications (1)
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JP2015161841A JP2017041524A (ja) | 2015-08-19 | 2015-08-19 | 車載用半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2015161841A Pending JP2017041524A (ja) | 2015-08-19 | 2015-08-19 | 車載用半導体装置 |
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