JP2019062585A

JP2019062585A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2019062585A
Application number: JP2017183052A
Authority: JP
Inventors: 豊堀田; Yutaka Hotta
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-04-18

Abstract

【課題】半導体スイッチング素子に接続される電源配線のインダクタンスを低減させる。【解決手段】半導体スイッチング素子３１のエミッタ電極３Ｅ１と半導体スイッチング素子３２のコレクタ電極３Ｃ２とが出力配線１００Ｕに接合される。半導体スイッチング素子３１のコレクタ電極３Ｃ１がＰ配線２００Ｐに接合され、半導体スイッチング素子３２のエミッタ電極３Ｅ２がＮ配線２００Ｎに接合される。アース配線２００Ｅが絶縁板２１０を介してＰ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎに対向するよう配置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、一対の半導体スイッチング素子を有する半導体装置に関する。

ハイブリッド車両や電動車両においては、駆動力源として交流の回転電機が用いられる。このような車両には、回転電機を駆動するための電力源としてバッテリ等の直流電源と、直流と交流との間で電力を変換するインバータとが搭載される。インバータの各アームは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子を一対有して構成されている。半導体スイッチング素子は、正極電極、負極電極及び制御電極の３種の電極を備えている。半導体スイッチング素子の制御電極に駆動信号を与えることにより、半導体スイッチング素子にスイッチング動作を行わせることができる。

特許文献１には、一対の半導体スイッチング素子のうち一方の半導体スイッチング素子の正極電極と、他方の半導体スイッチング素子の負極電極とを、配線基板にはんだで接合するものが提案されている。この特許文献１には、一方の半導体スイッチング素子の正極電極と他方の半導体スイッチング素子の負極電極とを、配線基板の金属導体で電気的に接続することで、配線のインダクタンスが大きくなるのを回避でき、また、パッケージを小さくすることができることが記載されている。

特開２０００−４９２８１号公報

ところで、特許文献１に記載されている、一方の半導体スイッチング素子の正極電極と他方の半導体スイッチング素子の負極電極とを電気的に接続する配線は、回転電機等の電力供給対象に電気的に接続される出力配線である。また、一方の半導体スイッチング素子の負極電極と他方の半導体スイッチング素子の正極電極は、各々電源配線でバッテリ等の直流電源に電気的に接続される。半導体スイッチング素子をスイッチング動作させた場合、電源配線のインダクタンスによりサージが発生する。このサージを抑制するためにスイッチングスピードを遅くすると半導体スイッチング素子におけるスイッチング損失が大きくなり、半導体スイッチング素子の効率が低下したり、半導体スイッチング素子における発熱量が大きくなったりする問題があった。

そこで、半導体スイッチング素子に接続される電源配線のインダクタンスを低減させることを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、電力供給対象に電気的に接続される出力配線と、一方の表面側の第１の正極電極、及び他方の表面側の第１の負極電極を有し、前記出力配線上に配置され、前記第１の負極電極が前記出力配線と接合された第１の半導体スイッチング素子と、一方の表面側の第２の正極電極、及び他方の表面側の第２の負極電極を有し、前記第１の半導体スイッチング素子に対し表裏反対向きに前記出力配線上に配置され、前記第２の正極電極が前記出力配線と接合された第２の半導体スイッチング素子と、前記第１の半導体スイッチング素子上に配置され、前記第１の正極電極と接合され、直流電源の正極に電気的に接続される正極電源配線と、前記第２の半導体スイッチング素子上に配置され、前記第２の負極電極と接合され、前記直流電源の負極に電気的に接続される負極電源配線と、前記正極電源配線及び前記負極電源配線上に配置された第１の絶縁部と、前記第１の絶縁部上に配置され、前記第１の絶縁部を介して前記正極電源配線及び前記負極電源配線に対向するアース配線と、を備える。

本半導体装置によると、正極電源配線とアース配線とが対向して配置され、負極電源配線とアース配線とが対向して配置されるので、正極電源配線及び負極電源配線のインダクタンスを低減することができる。これにより、第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作により生じるサージを低減することができ、第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。

実施の形態に係る車両に搭載される駆動装置の構成を示すブロック図である。実施の形態に係る半導体スイッチング素子の説明図であり、（ａ）は半導体スイッチング素子の一方の表面の平面図、（ｂ）は半導体スイッチング素子の他方の表面の平面図である。実施の形態に係るインバータの要部の平面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿うインバータの断面図である。

以下、半導体装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態に係る車両に搭載される駆動装置１の構成を示すブロック図である。駆動装置１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載される。駆動装置１は、電力供給対象の一例として、車両の車輪の駆動力源となる回転電機８０を駆動制御するものである。駆動装置１は、半導体装置の一例であるインバータ１０を有する。

回転電機８０は、三相交流により動作する回転電機であり、電動機としても発電機としても機能することができる。回転電機８０は、インバータ１０を介して高圧のバッテリ１１（直流電源）からの電力を動力に変換する（力行）。また、回転電機８０は、例えば車輪から伝達される回転駆動力を電力に変換し、インバータ１０を介してバッテリ１１を充電する（回生）。バッテリ１１は、蓄電可能な直流電源であり、例えば、ニッケル水素やリチウムイオンなどの二次電池や、電気二重層キャパシタなどのキャパシタ、或いはこれらを組み合わせたものなどである。

バッテリ１１とインバータ１０とが、正極側の直流ライン２Ｐ及び負極側の直流ライン２Ｎで電気的に接続されている。また、インバータ１０と回転電機８０とが、交流ライン２Ｕ，２Ｖ，２Ｗで電気的に接続されている。直流ライン２Ｐ，２Ｎ間には、インバータ１０の直流側の電圧を平滑化する平滑コンデンサ４が設けられている。平滑コンデンサ４は、回転電機８０の消費電力の変動に応じて変動する直流電圧を安定化させる。直流ライン２Ｐは、コンデンサ７を介してアース（金属筐体）に接続されている。直流ライン２Ｎは、コンデンサ８を介してアース（金属筐体）に接続されている。

インバータ１０は、一対の半導体スイッチング素子３_１，３_２を組とするアーム３０を３つ備え、バッテリ１１の直流電力と３相の交流電力との間で電力変換する。半導体スイッチング素子３は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワートランジスタが好適であり、本実施の形態ではＩＧＢＴである。

各アーム３０は、回転電機８０の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータコイル８１Ｕ，８１Ｖ，８１Ｗに対応している。各アーム３０を構成する第１の半導体スイッチング素子である上段側の半導体スイッチング素子３_１と、第２の半導体スイッチング素子である下段側の半導体スイッチング素子３_２とは、直列に接続されており、相補的にスイッチング制御される。各半導体スイッチング素子３_１，３_２には、下段側から上段側へ向かう方向を順方向として、フリーホイールダイオード５が並列に接続されている。また、インバータ１０は、各アーム３０に対応する３つのスナバ回路４０と、各アーム３０の各半導体スイッチング素子３_１，３_２をスイッチング制御するドライブ回路５０とを備えている。スナバ回路４０は、半導体スイッチング素子３_１，３_２を保護する回路であり、各アーム３０に接続される。

駆動装置１は、インバータ制御部６０を備えている。インバータ制御部６０は、マイクロコンピュータやＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの論理演算プロセッサなどを中核として構成され、その機能は、これらのハードウェアと、プログラムやパラメータなどのソフトウェアとの協働によって実現される。インバータ制御部６０は、不図示のバッテリからリニアレギュレータなどの安定化電源回路を介して電力の供給を受けて動作する。

インバータ制御部６０は、ＥＣＵ７０から要求トルクを取得する。回転電機８０には、ロータの回転速度を検出する回転センサ１３が設けられている。回転センサ１３は、例えばレゾルバ等である。また、回転電機８０の各相のステータコイル８１Ｕ，８１Ｖ，８１Ｗを流れる電流は、電流センサ１２により測定される。インバータ制御部６０は、要求トルク、回転速度、電流等に基づいて回転電機８０の電流フィードバック制御を行い、制御信号Ｓを生成し、ドライブ回路５０に出力する。ドライブ回路５０は、制御信号Ｓに基づいて、各半導体スイッチング素子３_１，３_２のゲート電極に駆動信号Ｄを出力する。

図２は、実施の形態に係る半導体スイッチング素子の説明図であり、図２（ａ）は半導体スイッチング素子の一方の表面の平面図、図２（ｂ）は半導体スイッチング素子の他方の表面の平面図である。なお、半導体スイッチング素子３_１と半導体スイッチング素子３_２とは同じ構成の素子であり、半導体スイッチング素子３として説明する。

半導体スイッチング素子３は、素子本体３Ａと、正極電極の一例であるコレクタ電極３Ｃと、負極電極の一例であるエミッタ電極３Ｅと、制御電極の一例であるゲート電極３Ｇとを有する。図２（ａ）に示すように、コレクタ電極３Ｃにより、半導体スイッチング素子３の一方の表面３ＳＡの一部（又は全部）が形成され、図２（ｂ）に示すように、エミッタ電極３Ｅ及びゲート電極３Ｇにより、半導体スイッチング素子３の他方の表面３ＳＢの一部が形成されている。なお、図２（ｂ）に示すように、エミッタ電極３Ｅが複数設けられているが、複数のエミッタ電極３Ｅは、素子本体３Ａ内で電気的に接続されている。

以下、半導体装置の一例であるインバータ１０のモジュール構造について具体的に説明する。図３は、実施の形態に係るインバータ１０の要部の平面図である。なお、図３において、ドライブ回路５０及びスナバ回路４０の図示は省略している。また、図３において、後述する絶縁板２１０，２２０及び冷却器３００の図示は省略している。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿うインバータ１０の断面図である。

インバータ１０は、上述した半導体スイッチング素子３_１，３_２、ドライブ回路５０及びスナバ回路４０のほか、図４に示すように、冷却器３００と、第１の配線基板である下部配線基板１５０と、第２の配線基板である上部配線基板２５０とを有する。本実施の形態では、冷却器３００をベースに、下部配線基板１５０、半導体スイッチング素子３_１，３_２、上部配線基板２５０、ドライブ回路５０（スナバ回路４０）の順に冷却器３００から遠ざかる方向に向かって積層して配置されている。なお、説明の便宜上、冷却器３００に向かう方向を「下」、冷却器３００から遠ざかる方向を「上」として説明する。また、上下方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する水平方向である互いに直交する２方向をＸ，Ｙ方向とする。

インバータ１０における３つのアーム３０は、図３に示すように、Ｙ方向に間隔をあけて並設されている。また、各アーム３０における半導体スイッチング素子３_１と半導体スイッチング素子３_２とは、Ｘ方向に間隔をあけて配置されている。

図４に示す下部配線基板１５０及び上部配線基板２５０は、いわゆる大電流基板である。半導体スイッチング素子３_１，３_２は、下部配線基板１５０と上部配線基板２５０との間に配置されている。下部配線基板１５０には、冷却器３００が取り付けられている。これにより、半導体スイッチング素子３_１，３_２は、下部配線基板１５０を介して冷却器３００にて効率的に放熱される。

下部配線基板１５０は、絶縁板１１０と、絶縁板１１０の上面に形成された、平板状の導体パターンからなる図３に示す出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗと、図４に示す制御配線の一例であるゲート配線１００Ｇ_１とを有する。出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗは、図３に示すように、Ｙ方向において互いに間隔をあけて配置され、Ｘ方向に延びて形成されている。

絶縁板１１０は、絶縁体、例えばセラミックで形成されている。出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ、ゲート配線１００Ｇ_１、及び不図示のその他の配線は、導体、例えば銅などの金属で形成されている。絶縁板１１０の下面は、図４に示すように、冷却器３００に直接、又は不図示の熱伝導性部材を介して取り付けられている。出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗには、それぞれ回転電機８０の各相のステータコイル８１Ｕ，８１Ｖ，８１Ｗ（図１）に電気的に接続されるバスバ等で構成された交流ライン２Ｕ，２Ｖ，２Ｗがはんだ等の接合材で接合される。

下部配線基板１５０上、即ち各出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ上には、対応するアーム３０の半導体スイッチング素子３_１，３_２が配置されている。半導体スイッチング素子３_１は、第１の正極電極であるコレクタ電極３Ｃ_１、第１の負極電極であるエミッタ電極３Ｅ_１、第１の制御電極であるゲート電極３Ｇ_１を有する。半導体スイッチング素子３_２は、第２の正極電極であるコレクタ電極３Ｃ_２、第２の負極電極であるエミッタ電極３Ｅ_２、第２の制御電極であるゲート電極３Ｇ_２を有する。

半導体スイッチング素子３_２は、半導体スイッチング素子３_１に対し表裏反対向きに配置されている。即ち、半導体スイッチング素子３_１は、エミッタ電極３Ｅ_１及びゲート電極３Ｇ_１が下方を向いて下部配線基板１５０に対向するよう配置され、逆に、半導体スイッチング素子３_２は、コレクタ電極３Ｃ_２が下方を向いて下部配線基板１５０に対向するよう配置されている。出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗのそれぞれに対向する各アーム３０の半導体スイッチング素子３_１のエミッタ電極３Ｅ_１は、出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗのそれぞれに、はんだ等の接合材で接合されている。また、出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗのそれぞれに対向する各アーム３０の半導体スイッチング素子３_２のコレクタ電極３Ｃ_２は、出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗのそれぞれに、はんだ等の接合材で接合されている。これにより、各アーム３０の半導体スイッチング素子３_１のエミッタ電極３Ｅ_１と半導体スイッチング素子３_２のコレクタ電極３Ｃ_２とは、対応する出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗに電気的に接続される。このように出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗを絶縁板１１０上に配置された導体パターンで構成し、出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗのそれぞれに、各アーム３０の半導体スイッチング素子３_１のエミッタ電極３Ｅ_１及び半導体スイッチング素子３_２のコレクタ電極３Ｃ_２をはんだ等の接合材で接合したので、出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗにおいて垂直成分がなくなり、出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗのインダクタンスを低減することができる。

３つのアーム３０の半導体スイッチング素子３_１，３_２上には、上部配線基板２５０が配置されている。上部配線基板２５０は、第１の絶縁部の一例である絶縁板２１０と、第２の絶縁部の一例である絶縁板２２０と、バッテリ１１の正極に、直流ライン２Ｐを介して電気的に接続される正極電源配線（以下、「Ｐ配線」という）２００Ｐと、バッテリ１１の負極に、直流ライン２Ｎを介して電気的に接続される負極電源配線（以下、「Ｎ配線」という）２００Ｎと、アース（金属筐体）に電気的に接続されるアース配線２００Ｅと、制御配線の一例であるゲート配線２００Ｇ_１，２００Ｇ_２とを有する。絶縁板２１０，２２０は、絶縁体、例えばセラミックで形成されている。Ｐ配線２００Ｐ、Ｎ配線２００Ｎ、アース配線２００Ｅ、ゲート配線２００Ｇ_１，２００Ｇ_２、及び不図示のその他の配線は、導体、例えば銅などの金属で形成されている。

上部配線基板２５０は、下部配線層２５１、中間配線層２５２及び上部配線層２５３の３つの導体層を有する３層基板である。下部配線層２５１にＰ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎが設けられ、中間配線層２５２にアース配線２００Ｅが設けられている。即ち、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎ上に絶縁板２１０が配置され、絶縁板２１０上にアース配線２００Ｅが配置され、アース配線２００Ｅ上に絶縁板２２０が配置されている。ゲート配線２００Ｇ_１，２００Ｇ_２は、下部配線層２５１、中間配線層２５２及び上部配線層２５３に跨って配置されている。

Ｐ配線２００Ｐ、Ｎ配線２００Ｎ及びアース配線２００Ｅは、平板状の導体パターンである。Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎには大電流が流れるため、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎは幅広に形成され、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎにおける発熱量も抑えられている。Ｐ配線２００ＰとＮ配線２００Ｎとは、図３に示すように、Ｘ方向に間隔をあけて配置され、Ｙ方向に延びて形成されている。Ｐ配線２００Ｐは、Ｚ方向から視て、複数の出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗに跨るように、即ち３つのアーム３０それぞれの半導体スイッチング素子３_１に対向するようにＹ方向に延びて形成されている。Ｎ配線２００Ｎは、Ｚ方向から視て、複数の出力配線１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗに跨るように、即ち３つのアーム３０それぞれの半導体スイッチング素子３_２に対向するようにＹ方向に延びて形成されている。

Ｐ配線２００Ｐは、３つのアーム３０それぞれの半導体スイッチング素子３_１のコレクタ電極３Ｃ_１と対向するよう、絶縁板２１０に固定して形成されている。Ｎ配線２００Ｎは、３つのアーム３０それぞれの半導体スイッチング素子３_２のエミッタ電極３Ｅ_２と対向するよう、絶縁板２１０に固定して形成されている。Ｐ配線２００Ｐは、３つのアーム３０それぞれの半導体スイッチング素子３_１のコレクタ電極３Ｃ_１にはんだ等の接合材で接合され、Ｎ配線２００Ｎは、３つのアーム３０それぞれの半導体スイッチング素子３_２のエミッタ電極３Ｅ_２にはんだ等の接合材で接合されている。

アース配線２００Ｅは、絶縁板２１０と絶縁板２２０との間に配置されている。アース配線２００Ｅの一対の主面２００ＥＡ，２００ＥＢのうち、主面２００ＥＡは絶縁板２１０に固定され、主面２００ＥＢは絶縁板２２０に固定されている。

アース配線２００Ｅは、絶縁板２１０を介してＰ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎに対向するよう配置されている。Ｐ配線２００Ｐとアース配線２００Ｅとの対向配置により、Ｐ配線２００Ｐとアース配線２００Ｅとに誘導電流が生じ、Ｎ配線２００Ｎとアース配線２００Ｅとの対向配置により、Ｎ配線２００Ｎとアース配線２００Ｅとに誘導電流が生じる。よって、Ｐ配線２００ＰとＮ配線２００Ｎとにアース配線２００Ｅを介して誘導電流が生じる。この電磁結合の相互作用、つまり相互インダクタンスにより、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎのインダクタンスが低減され、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎにおいて半導体スイッチング素子３_１，３_２のスイッチング動作により生じるサージが低減される。

また、Ｐ配線２００Ｐとアース配線２００Ｅとの対向配置により、Ｐ配線２００Ｐとアース配線２００Ｅとの間に静電結合によるコンデンサ効果が生じ、Ｎ配線２００Ｎとアース配線２００Ｅとの対向配置により、Ｎ配線２００Ｎとアース配線２００Ｅとの間に静電結合によるコンデンサ効果が生じる。Ｐ配線２００Ｐとアース配線２００Ｅとのコンデンサ効果及びＮ配線２００Ｎとアース配線２００Ｅとのコンデンサ効果により、半導体スイッチング素子３_１，３_２のスイッチング動作によりＰ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎに生じるサージによる電流がアース配線２００Ｅにバイパスされる。

このように、半導体スイッチング素子３_１，３_２の近傍の配線基板２５０において、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎと、アース配線２００Ｅとを対向配置させた構成としたことにより、半導体装置（モジュール）のコンパクト化を図ることができ、コンパクトな構成でありながら、サージに起因する半導体スイッチング素子３_１，３_２におけるスイッチング損失（電力損失）を小さくすることができる。よって、半導体スイッチング素子３_１，３_２が高効率となり、半導体スイッチング素子３_１，３_２における発熱量も低減する。

また、アース配線２００Ｅの主面２００ＥＡ，２００ＥＢに垂直な方向（Ｚ方向）から視て、即ち、図３に示す平面視で、アース配線２００Ｅが、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎを覆うように配置されている。特に、Ｚ方向から視て、Ｐ配線２００Ｐの全部及びＮ配線２００Ｎの全部がアース配線２００Ｅで覆われているのが好適である。この配置関係により、Ｐ配線２００ＰとＮ配線２００Ｎとの電磁的又は静電的な結合を高めることができ、半導体スイッチング素子３_１，３_２におけるスイッチング損失を効果的に小さくすることができる。また、Ｚ方向から視て、各アーム３０の半導体スイッチング素子３_１，３_２の一部又は全部、本実施の形態では、半導体スイッチング素子３_１の全部、及び半導体スイッチング素子３_２の一部が、アース配線２００Ｅで覆われることになるので、半導体スイッチング素子３_１，３_２から放射される電界ノイズ又は磁界ノイズをアース配線２００Ｅで遮蔽することができる。

更に、半導体スイッチング素子３_１，３_２が接合される配線基板２５０により、インダクタンスを低減させるために、Ｐ配線２００Ｐに接続される直流ライン２Ｐと、Ｎ配線２００Ｎに接続される直流ライン２Ｎとを対向して配線しなくてもよい。よって、Ｐ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎに対する直流ライン２Ｐ，２Ｎの接合位置の自由度、即ち直流ライン２Ｐ，２Ｎの配線の自由度が高まる。

また、Ｐ配線２００ＰとＮ配線２００Ｎとは、下部配線層２５１において、非接触で隣り合って配置されている。これにより、Ｐ配線２００ＰとＮ配線２００Ｎとの電磁結合を高めることができ、より効果的にＰ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎにおけるインダクタンスを低減することができる。

また、本実施の形態では、ドライブ回路５０が絶縁板２２０上の上部配線層２５３に配置されている。したがって、ドライブ回路５０と半導体スイッチング素子３_２のゲート電極３Ｇ_２とは、絶縁板２１０，２２０に跨って配置されたゲート配線２００Ｇ_２を介して電気的に接続されている。一方、ドライブ回路５０と半導体スイッチング素子３_１のゲート電極３Ｇ_１とは、絶縁板２１０，２２０に跨って配置されたゲート配線２００Ｇ_１、絶縁板１１０上に配置されたゲート配線１００Ｇ_１等を介して、電気的に接続されている。なお、ゲート配線２００Ｇ_１とゲート配線１００Ｇ_１とは、銅などの金属で形成された導体片３００Ｇ_１および接合材であるはんだ等を介して電気的に接続されている。以上、ドライブ回路５０を配線基板２５０に実装することで、半導体装置（モジュール）をコンパクト化することができ、ドライブ回路５０と半導体スイッチング素子３_１，３_２との配線も短くすることができる。更に、ドライブ回路５０と半導体スイッチング素子３_１，３_２との間には、アース配線２００Ｅが配置されているので、半導体スイッチング素子３_１，３_２から放射される電界ノイズ又は磁界ノイズがアース配線２００Ｅで遮蔽され、コンパクトな構造でありながら、ドライブ回路５０を安定して動作させることができる。

また、本実施の形態では、スナバ回路４０が絶縁板２２０上の上部配線層２５３に配置されている。各半導体スイッチング素子３_１，３_２とスナバ回路４０との接続は、配線基板２５０の不図示の配線を介して行われる。スナバ回路４０を配線基板２５０に実装することで、半導体装置（モジュール）をコンパクト化することができる。

なお、本実施の形態は、以下の構成を少なくとも備える。本実施の形態の半導体装置（１０）は、電力供給対象（８０）に電気的に接続される出力配線（１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ）と、一方の表面側の第１の正極電極（３Ｃ_１）、及び他方の表面側の第１の負極電極（３Ｅ_１）を有し、前記出力配線（１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ）上に配置され、前記第１の負極電極（３Ｅ_１）が前記出力配線（１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ）と接合された第１の半導体スイッチング素子（３_１）と、一方の表面側の第２の正極電極（３Ｃ_２）、及び他方の表面側の第２の負極電極（３Ｅ_２）を有し、前記第１の半導体スイッチング素子（３_１）に対し表裏反対向きに前記出力配線（１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ）上に配置され、前記第２の正極電極（３Ｃ_２）が前記出力配線（１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ）と接合された第２の半導体スイッチング素子（３_２）と、前記第１の半導体スイッチング素子（３_１）上に配置され、前記第１の正極電極（３Ｃ_１）と接合され、直流電源（１１）の正極に電気的に接続される正極電源配線（２００Ｐ）と、前記第２の半導体スイッチング素子（３_２）上に配置され、前記第２の負極電極（３Ｅ_２）と接合され、前記直流電源（１１）の負極に電気的に接続される負極電源配線（２００Ｎ）と、前記正極電源配線（２００Ｐ）及び前記負極電源配線（２００Ｎ）上に配置された第１の絶縁部（２１０）と、前記第１の絶縁部（２１０）上に配置され、前記第１の絶縁部（２１０）を介して前記正極電源配線（２００Ｐ）及び前記負極電源配線（２００Ｎ）に対向するアース配線（２００Ｅ）と、を備える。この構成によれば、正極電源配線（２００Ｐ）とアース配線（２００Ｅ）とが対向して配置され、負極電源配線（２００Ｎ）とアース配線（２００Ｅ）とが対向して配置されるので、正極電源配線（２００Ｐ）及び負極電源配線（２００Ｎ）のインダクタンスを低減することができる。これにより、第１及び第２の半導体スイッチング素子（３_１，３_２）のスイッチング動作により生じるサージを低減することができ、第１及び第２の半導体スイッチング素子（３_１，３_２）のスイッチング損失を低減することができる。

また、本実施の形態の半導体装置（１０）は、前記正極電源配線（２００Ｐ）と前記負極電源配線（２００Ｎ）とが非接触で隣り合って配置されている。この構成によれば、正極電源配線（２００Ｐ）と負極電源配線（２００Ｎ）との電磁結合を高めることができ、より効果的に正極電源配線（２００Ｐ）及び負極電源配線（２００Ｎ）におけるインダクタンスを低減することができる。

また、本実施の形態の半導体装置（１０）は、前記正極電源配線（２００Ｐ）及び前記負極電源配線（２００Ｎ）が、前記第１の絶縁部（２１０）に固定された導体パターンであり、前記アース配線（２００Ｅ）の主面（２００ＥＡ，２００ＥＢ）に垂直な方向（Ｚ方向）から視て、前記アース配線（２００Ｅ）が、前記正極電源配線（２００Ｐ）及び前記負極電源配線（２００Ｎ）を覆うように配置されている。この構成によれば、正極電源配線（２００Ｐ）と負極電源配線（２００Ｎ）との電磁的又は静電的な結合を高めることができ、正極電源配線（２００Ｐ）及び負極電源配線（２００Ｎ）のインダクタンスを効果的に低減することができる。

また、本実施の形態の半導体装置（１０）は、前記アース配線（２００Ｅ）上に配置された第２の絶縁部（２２０）と、前記第２の絶縁部（２２０）上に配置され、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子（３_１，３_２）をスイッチング制御するドライブ回路（５０）と、を更に備える。この構成によれば、半導体装置（１０）をコンパクト化することができる。また、アース配線（２００Ｅ）により、半導体スイッチング素子（３_１，３_２）から放出される電界ノイズ又は磁界ノイズを遮蔽することができ、コンパクトな構造でありながら、ドライブ回路（５０）を安定して動作させることができる。

また、本実施の形態の半導体装置（１０）は、前記アース配線（２００Ｅ）上に配置された第２の絶縁部（２２０）と、前記第２の絶縁部（２２０）上に配置され、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子（３_１，３_２）を保護するスナバ回路（４０）と、を更に備える。この構成によれば、半導体装置（１０）をコンパクト化することができる。

また、本実施の形態の半導体装置（１０）は、前記電力供給対象が３相交流で動作する回転電機（８０）であり、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子（３_１，３_２）の組が３つ並設されており、前記正極電源配線（２００Ｐ）には、３つの前記第１の半導体スイッチング素子（３_１）の前記第１の正極電極（３Ｃ_１）が接合されており、前記負極電源配線（２００Ｎ）には、３つの前記第２の半導体スイッチング素子（３_２）の前記第２の負極電極（３Ｅ_２）が接合されている。この構成によれば、コンパクトな構造でありながら、３つの半導体スイッチング素子（３_１）に接続される正極電源配線（２００Ｐ）、及び３つの半導体スイッチング素子（３_２）に接続される負極電源配線（２００Ｎ）のインダクタンスを効果的に低減することができる。

［他の実施の形態の可能性］
なお、以上説明した実施の形態においては、電力供給対象が回転電機８０であり、半導体装置が、バッテリ１１と回転電機８０との間に設けられ、直流と交流との間で電力を変換する３つのアーム３０を有するインバータ１０である場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、電力供給対象がリニアソレノイドである場合には、半導体装置が、１つのアーム３０を有していればよい。この場合、アーム３０を構成する半導体スイッチング素子３_１と半導体スイッチング素子３_２との間の出力配線が、電力供給対象であるリニアソレノイドに電気的に接続されることとなる。即ち、半導体装置におけるアーム３０の数は、電力供給対象に応じて適宜設定することが可能である。

また、以上説明した実施の形態においては、上部配線基板２５０に、ドライブ回路５０及びスナバ回路４０が実装される場合について説明したが、これに限定するものでない。例えば上部配線基板２５０とは別の配線基板に、ドライブ回路５０又はスナバ回路４０が実装される場合であってもよい。上部配線基板２５０とは別の配線基板に、ドライブ回路５０及びスナバ回路４０が実装される場合、上部配線基板２５０において絶縁板２２０は省略可能である。即ち、この場合、上部配線基板２５０を２層の導体層を有する配線基板で構成してもよい。

また、以上説明した実施の形態においては、１つの上部配線基板２５０が、Ｐ配線２００Ｐ、Ｎ配線２００Ｎ及びアース配線２００Ｅを有する場合について説明したが、これに限定するものではない。例えばＰ配線２００Ｐ及びＮ配線２００Ｎを有する配線基板と、アース配線２００Ｅを有する配線基板とを積層してもよい。

また、以上説明した実施の形態においては、第１の絶縁部が絶縁板２１０であり、第２の絶縁部が絶縁板２２０である場合、即ち配線基板２５０が２つの絶縁板２１０，２２０を有し、２つの絶縁板２１０，２２０の間にアース配線２００Ｅが配置される場合について説明したが、これに限定するものではない。例えばアース配線２００Ｅを１つの絶縁板の内部に配置するように構成してもよい。いずれにしても、アース配線２００Ｅの主面２００ＥＡ側に位置する絶縁材が第１の絶縁部であり、アース配線２００Ｅの主面２００ＥＢ側に位置する絶縁材が第２の絶縁部である。

また、以上説明した実施の形態においては、上部配線基板２５０が３層の導体層を有する配線基板について説明したが、これに限定するものではない。上部配線基板２５０が４層以上の導体層を有する配線基板であってもよく、この場合、中間配線層２５２が複数存在することになるが、複数の中間配線層２５２のうち、下部配線層２５１に最も近い層にアース配線２００Ｅを配置すればよい。

また、以上の実施の形態において説明した半導体装置は、車両に搭載されるのが好適であるが、車両以外に搭載されてもよい。

３_１半導体スイッチング素子（第１の半導体スイッチング素子）
３_２半導体スイッチング素子（第２の半導体スイッチング素子）
３Ｃ_１コレクタ電極（第１の正極電極）
３Ｃ_２コレクタ電極（第２の正極電極）
３Ｅ_１エミッタ電極（第１の負極電極）
３Ｅ_２エミッタ電極（第２の負極電極）
１０インバータ（半導体装置）
１１バッテリ（直流電源）
４０スナバ回路
５０ドライブ回路
８０回転電機（電力供給対象）
１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗ出力配線
２００Ｅアース配線
２００ＮＮ配線（負極電源配線）
２００ＰＰ配線（正極電源配線）
２１０絶縁板（第１の絶縁部）
２２０絶縁板（第２の絶縁部）

Claims

電力供給対象に電気的に接続される出力配線と、
一方の表面側の第１の正極電極、及び他方の表面側の第１の負極電極を有し、前記出力配線上に配置され、前記第１の負極電極が前記出力配線と接合された第１の半導体スイッチング素子と、
一方の表面側の第２の正極電極、及び他方の表面側の第２の負極電極を有し、前記第１の半導体スイッチング素子に対し表裏反対向きに前記出力配線上に配置され、前記第２の正極電極が前記出力配線と接合された第２の半導体スイッチング素子と、
前記第１の半導体スイッチング素子上に配置され、前記第１の正極電極と接合され、直流電源の正極に電気的に接続される正極電源配線と、
前記第２の半導体スイッチング素子上に配置され、前記第２の負極電極と接合され、前記直流電源の負極に電気的に接続される負極電源配線と、
前記正極電源配線及び前記負極電源配線上に配置された第１の絶縁部と、
前記第１の絶縁部上に配置され、前記第１の絶縁部を介して前記正極電源配線及び前記負極電源配線に対向するアース配線と、を備える半導体装置。
前記正極電源配線と前記負極電源配線とが非接触で隣り合って配置されている請求項１に記載の半導体装置。
前記正極電源配線及び前記負極電源配線が、前記第１の絶縁部に固定された導体パターンであり、
前記アース配線の主面に垂直な方向から視て、前記アース配線が、前記正極電源配線及び前記負極電源配線を覆うように配置されている請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記アース配線上に配置された第２の絶縁部と、
前記第２の絶縁部上に配置され、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するドライブ回路と、を更に備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記アース配線上に配置された第２の絶縁部と、
前記第２の絶縁部上に配置され、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子を保護するスナバ回路と、を更に備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記電力供給対象が３相交流で動作する回転電機であり、
前記第１及び第２の半導体スイッチング素子の組が３つ並設されており、
前記正極電源配線には、３つの前記第１の半導体スイッチング素子の前記第１の正極電極が接合されており、
前記負極電源配線には、３つの前記第２の半導体スイッチング素子の前記第２の負極電極が接合されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第１及び第２の半導体スイッチング素子がＩＧＢＴである請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。