JP6308017B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置等に用いられる半導体装置に関する。

パワーモジュールは、パワー半導体デバイス（例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ）の性能を最大限に引き出すために、各種デバイスを使用目的に合わせて結線し、パッケージ化したものであり、産業機器・鉄道・電気自動車・家電といったさまざまな分野に広く用いられている。

近年、パワーモジュール内で用いられるパワー半導体デバイスは、ゲート制御の高速化、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ材料からなる新デバイスの採用により、ますますスイッチング時間の短縮化、スイッチング時の電圧波形の急峻化が進んでいる。これに伴い、スイッチング時の瞬間的な電圧変動（サージ電圧）、ダイオードが発する逆回復電流等、ノイズ発生源の発生レベルが増大している。ノイズは、インピーダンスが低いループ、特に対地容量の大きい箇所を介して地面（グランド）に漏れ、グランドラインを経由して近接する他の機器に影響を与えるおそれがある。

インバータ等の電力変換装置から対地に流れるノイズ電流を低減する技術として、誘電損失が大きくなる材料からなる絶縁基板を用いて、電力変換装置内に設けられるパワーモジュールの絶縁基板のインピーダンスを高めることが提案されている（例えば、特許文献１）。また、パワーモジュールの絶縁基板を２層構造とし、そのうち１層に、絶縁基板の静電容量に対し並列にインダクタンスとして寄与する配線層等を設け、ＬＣ並列共振により、特定の周波数でのインピーダンスを高め、対地へ漏れるノイズ電流を軽減する技術が報告されている（例えば、特許文献２）。

特開２００８−３５６５７号公報 特開２０１１−１７２３２９号公報 特開２０１２−１９９４６６号公報 特開２０１２−１９５１０号公報

しかしながら、発生するノイズの周波数は、パワーモジュール内のパワー半導体デバイスのゲート制御条件により異なるので、パワー半導体デバイスの使用条件毎にインピーダンスを高めるべき周波数も本来変動する。よって、ノイズを低減するためのインダクタを基板に実装する場合、回路基板の設計をパワー半導体デバイスの特性、使用条件（ゲート制御、動作温度等）毎に設計しなおさなくてはならない場合が少なくない。その結果、パワーモジュールの製造コストが増大するおそれがある。

また、特許文献２のように、パワーモジュール内の回路基板を多層基板にすると、絶縁層内に配線パターンを設ける工程や回路基板にインダクタを配置する工程を行うので、パワーモジュールの製造コストが増大するだけでなく、製造工程が複雑化するおそれがある。また、所望のインピーダンス特性を得るためには、配線パターンの長さ、太さ及びインダクタの配置位置等に詳細な制限が生ずるおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、パワーモジュールを有する半導体装置のノイズを低減することに貢献する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の半導体装置の一態様は、スイッチング素子が設けられた回路基板のベース板に絶縁層を介して導体を設けた半導体装置であって、前記導体と前記ベース板との間にインダクタを設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置の他の態様は、上記半導体装置において、前記導体に前記インダクタを収容する溝部を形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置の他の態様は、上記半導体装置において、前記絶縁層に前記インダクタが挿通する挿通部を形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置の他の態様は、上記半導体装置において、前記インダクタはコイルばねであることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置の他の態様は、上記半導体装置において、前記インダクタと直列に寄生抵抗調整部を設けることを特徴としている。

以上の発明によれば、パワーモジュールを有する半導体装置のノイズを低減することに貢献することができる。

（ａ）本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図、（ｂ）図１（ａ）の半導体モジュールのＡ−Ａ’断面図である。 図１の半導体モジュールのノイズ発生源と接地面との間の等価回路を示す図である。 図２に示した等価回路におけるノイズ発生源と接地面との間のインピーダンス特性を示す特性図である。 （ａ）本発明の第１実施形態の他例である半導体装置の概略断面図、（ｂ）図４（ａ）の半導体モジュールのＢ−Ｂ’断面図である。 （ａ）本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面図、（ｂ）図５（ａ）の半導体モジュールのＣ−Ｃ’断面図である。 （ａ）本発明の第２実施形態の他例である半導体装置の概略断面図、（ｂ）図６（ａ）の半導体モジュールのＤ−Ｄ’断面図である。 インダクタと直列に寄生する寄生抵抗が１０Ωの場合の半導体装置におけるノイズ発生源と接地面との間のインピーダンス特性を示す特性図である。

本発明の半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図１及び図４乃至６に示す半導体装置の断面図は、本発明の実施形態に係る半導体装置を模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。

［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１は、パワーモジュール２が絶縁層３を介して冷却器４上に設けられた構造を有する。そして、パワーモジュール２と冷却器４との間には、インダクタ５が設けられる。なお、実施形態の説明では、便宜上、冷却器４に対してパワーモジュール２が設置される面を上面として説明するが、上下方向は、本発明をなんら限定するものではない。

パワーモジュール２は、銅ベース６（冷却板）の上にはんだ付けされた絶縁基板７と、絶縁基板７上に形成された金属パターン（図示省略）に設けられるパワー半導体デバイス８と、を有する。

パワー半導体デバイス８は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子である。例えば、パワーモジュール２が、ＩＧＢＴにより構成されるインバータである場合、パワー半導体デバイス８（ＩＧＢＴ）に対して逆並列に図示省略のダイオードが接続されアーム（上アーム９・下アーム１０）が構成される。この上アーム９と下アーム１０とが交互にオン・オフを繰り返すことで、２つのアーム９，１０間で交互に電流が移動して転流動作が行われる。なお、図示省略しているが、パワー半導体デバイス８は、アルミ線によって電極等と接続され回路を構成する。この回路は樹脂ケース１１で覆われ、樹脂ケース１１内にはシリコーンゲルが充填される。

絶縁層３は、例えば、グリースや放熱シートにより形成される。後に詳細に説明するが、絶縁層３は静電容量が小さい方が好ましいので、例えば、シリコーンオイル（比誘電率：２．５）を主成分とするサーマルグリースや、セラミックスフィラーを含有させたポリイミド系樹脂（比誘電率：２〜４）により形成された接着シート等が用いられる。なお、図１（ｂ）に示すように、絶縁層３には、インダクタ５が挿通可能な挿通部３ａが形成される。例えば、絶縁層３がシート状である場合には、シートに挿通部３ａとなる穴が形成されることとなり、絶縁層３がグリース（半液状）により形成される場合には、グリースは、冷却器４の溝部４ａに入り込まないように、冷却器４の表面に塗布されることとなる。

冷却器４は、空冷式または水冷式のヒートシンクである。冷却器４は、パワーモジュール２の銅ベース６に絶縁層３を介して設けられ、ボルト１２により固定される。なお、ボルト１２の表面を絶縁コーティングする（あるいは、さらにボルト１２と銅ベース６との間に絶縁ワッシャ１３等を介在させる）ことで、銅ベース６と冷却器４との間の電気的な短絡が防止される。冷却器４の銅ベース６と対向する面には溝部４ａが少なくとも１つ形成されており、この溝部４ａにインダクタ５が設けられる。溝部４ａの深さは、インダクタ５が溝部４ａに納まり、インダクタ５の上下両面の電極部が銅ベース６及び冷却器４の溝部４ａの底面に近接するように調整される。

インダクタ５は、巻き線型や積層型等のインダクタンスを有する素子であり、例えば、コイルやチップインダクタ等が用いられる。インダクタ５を設ける位置は、銅ベース６と冷却器４との間であれば、特に限定されるものではない。ただし、パワーモジュール２の反りの軽減（信頼性保持）や放熱性維持の観点では、応力がかかりにくい位置や放熱ルートから外れた位置が好ましい。例えば、上アーム９や下アーム１０の真下から離れた箇所である、絶縁基板７とボルト１２との中間部の真下あたりがより好ましい。インダクタ５は、銅ベース６との接続部及び冷却器４の溝部４ａの底面との接続部との両方に電極を有するものが用いられる。なお、インダクタ５と銅ベース６（または冷却器４）との間に、導電性シート５ａ（若しくは導電性接着層または導電性の弾性体）を設けることで、インダクタ５の電極部と銅ベース６（及び冷却器４）との電気的接続が確保される。

以上のような構成を有する半導体装置１は、絶縁層３とインダクタ５とにより銅ベース６と冷却器４との間にＬＣ並列共振回路が形成されることとなる。すなわち、パワーモジュール２内のノイズ発生源（例えば、パワー半導体デバイス８等）と冷却器４（地面）との間に、図２に示すような等価回路１４が形成される。

この等価回路１４は、パワーモジュール２の絶縁基板７の静電容量Ｃ₁が４００ｐＦ、絶縁層３の静電容量Ｃ₂が２００ｐＦ、インダクタ５の自己インダクタンスＬ₁が１０００ｎＨ、インダクタ５と冷却器４（及び銅ベース６）との間の寄生抵抗（接触抵抗）Ｒ₅が０．１Ωの例を示している。具体的には、材質がＡｌ₂Ｏ₃の絶縁基板７（比誘電率：１０、厚み：３００μｍ、パターン回路の面積：１５ｃｍ²）を有するパワーモジュール２を、絶縁層３（比誘電率：２．５、厚み：５００μｍ、対向面積：５０ｃｍ²）を介して冷却器４に設け、銅ベース６と冷却器４との間に、チップインダクタ５（サイズ：２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．４ｍｍ、自己共振周波数：１００ＭＨｚ以上）を設けた場合の等価回路である。なお、絶縁層３と冷却器４との間の寄生抵抗Ｒ₁は０．１Ω、銅ベース６と絶縁層３との寄生抵抗Ｒ₃は０．１Ω、冷却器４内の寄生抵抗Ｒ₂は０．００１Ωであり、ＡＣ₁はノイズ発生源１５の基本周波数を示す。この等価回路１４におけるノイズ発生源１５から地面１６へのインピーダンス特性を図３に示す。

図３に示すように、この等価回路１４により、１０〜２０ＭＨｚの範囲のインピーダンスを増大させることができる。すなわち、ノイズ発生源１５の基本周波数が、１０〜２０ＭＨｚの場合（例えば、ＩＧＢＴのターンオン時のライズ時間、ターンオフ時のフォール時間が、５０〜１００ｎｓの場合）、地面１６に流れるノイズ電流を効果的に低減することができる。

一方で、この等価回路１４により、５〜８ＭＨｚのインピーダンスは低下するため、ノイズ電流が流れやすくなる。よって、この低インピーダンス側の共振周波数がノイズ発生周波数と異なる周波数域となるように調整される。

高周波側の共振周波数（インピーダンス増大の中心周波数）及び低周波側の共振周波数（インピーダンス低下の中心周波数）は、インダクタ５の自己インダクタンスＬ₁［Ｈ］、絶縁基板７の静電容量Ｃ₁［Ｆ］、及び絶縁層３の静電容量Ｃ₂［Ｆ］の値により定まる。すなわち、高周波側の共振周波数及び低周波側の共振周波数は、それぞれ式（１−１）及び式（１−２）により定まる。

ゆえに、絶縁基板７の静電容量（Ｃ₁）と絶縁層３の静電容量（Ｃ₂）の比を調整することで、高周波側の共振周波数と低周波側の共振周波数の位置ずれを調整することができる。共振周波数の位置を調整することで、ノイズ漏れが問題とならない周波数帯でインピーダンスが低下する特性を実現することができる。

例えば、ｆ_high一定の元、ｆ_lowを低周波側に移動させるためには、（１）絶縁層３をできるだけ比誘電率の小さい材料により形成すること、（２）絶縁層３の厚さを厚くすること、（３）絶縁層３の面積（絶縁層３と銅ベース６の接触面積または絶縁層３と冷却器４との接触面積を小さくすること、により、絶縁層３の静電容量（Ｃ₂）を小さくする。

式（１−１）から、ｆ_highが一定の条件では、Ｌ₁・Ｃ₂が一定なので、絶縁層３の静電容量（Ｃ₂）を小さくすればするほど、自己インダクタンス（Ｌ₁）の大きいインダクタ５を用いることとなる。その結果、式（１−２）により算出されるＦ_lowがより小さな値となる。なお、絶縁層３の厚さを厚くする場合、絶縁層３での熱抵抗の増大（すなわち、絶縁層３における放熱性の低下）が問題とならないようにする必要がある。

図４に、第１実施形態に係る半導体装置１の他例である半導体装置１７を示す。図４に示すように、半導体装置１７は、冷却器４に溝部４ａを複数形成し、各溝部４ａにインダクタ５を挿入する構成を有する。このように、銅ベース６と冷却器４との間に複数のインダクタ５を設けることで、インダクタ５の自己インダクタンス（Ｌ₁）の値を任意に設定することができる。その結果、インピーダンスが極大となる周波数及び極小となる周波数を容易に調整することができる。

以上のような、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１（及び半導体装置１７）によれば、パワーモジュール２と冷却器４との接合部に設けられる絶縁層３を静電容量部として利用することで、特定周波数領域において、パワーモジュール２から冷却器４（地面）へ漏れるノイズ電流を軽減することができる。その結果、パワーモジュール２及びパワーモジュール２を構成要素として有する半導体装置１，１７の環境適合性が向上する。

また、冷却器４に溝部４ａを形成し、この溝部４ａにチップインダクタ等のインダクタ５を格納してＬＣ並列共振回路を形成するので、ノイズ対策のために必要な追加コストや手間がかからない。また、インダクタ５の自己インダクタンスや絶縁層３の静電容量を制御することで、任意の中心周波数、任意の周波数帯域のノイズ電流を低減することができる。つまり、インダクタ５の自己インダクタンス値（インダクタ５がコイルばねの場合には、コイルばねの線径や巻き数等の設計値）またはインダクタ５の個数等を変更することで、臨機応変且つ効果的にノイズ電流を通しにくくする周波数を設定することができる。よって、パワー半導体デバイス８のゲート制御条件やパワー半導体デバイス８の特性に応じて、適切なノイズ設計を行うことができる。

また、絶縁層３にインダクタ５を挿通する挿通部３ａを形成することで、銅ベース６と冷却器４との間の熱膨張係数の違いから絶縁層３にかかる応力が低減され、絶縁層３の接合信頼性が向上する。特に、絶縁層３に挿通部３ａを複数形成する場合、挿通部３ａを絶縁層３内にできるだけ空間的に均一となるように形成することで、絶縁層３にかかる応力をさらに緩和することができる。

また、冷却器４にパワーモジュール２を固定するボルト１２の表面を絶縁コーティングする（あるいは、さらにボルト１２と銅ベースとの間に絶縁ワッシャ１３等を介在させる）ことにより、ボルト１２部における冷却器４と銅ベース６との短絡を防止することができる。その結果、絶縁層３において静電容量（Ｃ₂）部が形成され、図２に示すような共振回路を構成することができる。例えば、ボルト１２部に金属性のワッシャを設けることでボルト１２により冷却器４と銅ベース６とが導通した場合には、絶縁層３の静電容量（Ｃ₂）部が形成されず、共振回路によるノイズ低減効果を得ることができなくなる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る半導体装置１８について、図５を参照して詳細に説明する。なお、第２実施形態に係る半導体装置１８は、銅ベース６と冷却器４との間にコイルばね１９を設けたことが第１実施形態に係る半導体装置１と異なる。よって、第１実施形態に係る半導体装置１と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１８は、パワーモジュール２が絶縁層３を介して冷却器４上に設けられた構造を有する。そして、パワーモジュール２と冷却器４との間には、コイルばね１９が設けられる。

コイルばね１９は、例えば、圧縮ばねであり、冷却器４に形成された溝部４ａに設けられる。具体的な例を挙げて説明すると、ステンレス材（ＳＵＳ）により形成された圧縮ばね（線径：φ０．１ｍｍ、自然長：５ｍｍ、セット長：３〜４ｍｍ、巻き数：５０、外径：φ０．６ｍｍ）をコイルばね１９として用いると、コイルばね１９の両端に発生する寄生インダクタンス値が１００ｎＨ程度、寄生抵抗が０．１Ω程度となる。このコイルばね１９を銅ベース６と冷却器４との間に設けることにより、コイルばね１９のインダクタンスと絶縁層３の静電容量とにより、パワー半導体デバイス８等のノイズ発生源が発するノイズ周波数（例えば、１０ＭＨｚ以上）を効果的に遮断するＬＣ並列共振回路が形成される。

冷却器４には、コイルばね１９を格納する溝部４ａが形成される。溝部４ａの深さは、コイルばね１９と銅ベース６（及びコイルばね１９と冷却器４の溝部４ａの底面）とに良好な接触圧（例えば、０．１ＭＰａ以上）が加わる深さに調整される。つまり、溝部４ａの深さは、コイルばね１９のセット長（溝部４ａの深さ＋絶縁層３の厚さ）とコイルばね１９の自然長、及びコイルばね１９の反発力（（自然長−セット長）×ばね定数）に応じて適宜決定される。

以上のような、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１８によれば、第１実施形態に係る半導体装置１の有する効果に加えて、銅ベース６とコイルばね１９（インダクタ）との接触及び冷却器４とコイルばね１９（インダクタ）との接触を良好に維持することができる。

また、コイルばね１９は、チップインダクタと比較して安価であり、導電性接着剤等を用いることなく銅ベース６と冷却器４との間にインダクタを設けることができ、半導体装置１８の製造コストが低減する。また、コイルばね１９は、コイルの巻き数や線径を変更することで、容易にインダクタンスの値が調節できるので、パワー半導体デバイス８等のノイズ発生源が発するノイズ周波数を効果的に遮断できるようなＬＣ共振回路の設計の自由度が向上する。

なお、図６に示すように、冷却器４の溝部４ａに、コイルばね１９とチップインダクタ５とを直列に設ける形態とすることもできる。このように、コイルばね１９とチップインダクタ５とを併用することで、溝部４ａに設けられるインダクタ（コイルばね１９とチップインダクタ５）の自己インダクタンスを容易に調整することができる。

また、インダクタ５の内部に寄生する抵抗成分やインダクタ５と冷却器４（あるいは銅ベース６）との間の接触抵抗の合成抵抗成分（図２の等価回路内の寄生抵抗Ｒ₅に相当する。以下、寄生抵抗という）を調整する寄生抵抗調整部を設けることで、パワー半導体デバイス８から冷却器４（地面）への漏れ電流の周波数成分を調整することができる。例えば、インダクタ５がコイルばねの場合は、コイルばねの材質を調整してコイルばねそのものを寄生抵抗調整部とすることができる。また、コイルばねに寄生抵抗調整部となるめっき層やコーティング層を設けてもよい。また、第１実施形態に示したようにインダクタ５がチップインダクタの場合は、銅ベース６（または冷却器４）とインダクタ５との間に設けられる導電性シート５ａ（若しくは導電性接着層または導電性の弾性体）を寄生抵抗調整部として用いることができる。

図７に示すように、インダクタ５（若しくは、コイルばね１９）部に寄生する寄生抵抗Ｒ₅の値が変化すると、インダクタ５，１９と絶縁層３により形成される共振回路の（高周波側、低周波側）共振周波数におけるインピーダンスの値が変化する。図２に示したインピーダンスの特性図（寄生抵抗Ｒ₅が０．１Ωの場合）と、図７に示したインピーダンスの特性図（寄生抵抗Ｒ₅が１０Ωの場合）と、を比較すると、寄生抵抗Ｒ₅が１０Ωの場合では、高周波側での共振周波数でのインピーダンスの値が低下し、低周波側の共振周波数でのインピーダンスの値が増加している。

つまり、インダクタ５，１９と銅ベース６間の接触抵抗またはインダクタ５，１９と冷却器４との接触抵抗を制御することで、共振周波数（高周波数側及び低周波数側）の振幅を制御することができる。例えば、図５に示した第２実施形態に係る半導体装置１８において、コイルばね１９の材質を変更したり、コイルばね１９に対しめっきやコーティング等の表面処理を行ったりすることで、コイルばね１９部の寄生抵抗を調整し、パワー半導体デバイス８から冷却器４（地面）への漏れ電流の周波数成分を調整することができる。すなわち、インダクタ５，１９のインダクタンス値を変更することなく、共振周波数周辺でのインピーダンスの絶対値を調整し、対地漏れ電流（ノイズ）を所望の全周波数域で適切に低減することができる。このように漏れ電流の周波数成分を調整することで、ＩＥＣ６１８００（産業用可変速機器の伝導、放射ノイズ）やＣＩＳＰＲ２５（車載部品の放射ノイズ）等の特定のノイズ規格を満たすようなインピーダンス特性を有する半導体装置１，１８を得ることができる。

以上、本発明の半導体装置について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体装置は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術範囲に属する。

例えば、本発明は、各種産業で用いられる半導体装置（例えば、インバータ、コンバータ等の電力変換装置）内に用いられるパワーモジュール内のパワー半導体デバイスが発する高周波電圧振幅（ノイズ）の周囲（機器）への伝導、放射を低減または抑制し、半導体装置の電磁環境適合性を高める技術に関するものである。よって、パワーモジュールの回路構成は、実施形態に限定されるものではなく、各種産業分野で用いられているパワーモジュールの実装時に適用することで、パワーモジュールの回路構成を変更することなく、周辺機器へのノイズの伝導を抑制することができる。

また、実施形態の説明では、パワーモジュールを冷却器上に設けた形態を例示しているが、パワーモジュールを接地されている導体上に設けた場合にも、実施形態と同様にノイズの低減効果を得ることができる。

１，１７，１８，２０…半導体装置
２…パワーモジュール
３…絶縁層
３ａ…挿通部
４…冷却器（導体）
４ａ…溝部
５…インダクタ
５ａ…導電性シート
６…銅ベース（ベース板）
７…絶縁基板
８…パワー半導体デバイス（スイッチング素子）
９…上アーム
１０…下アーム
１１…樹脂ケース
１２…ボルト
１３…絶縁ワッシャ
１４…等価回路
１５…ノイズ発生源
１６…地面
１９…コイルばね

Claims (5)

1. スイッチング素子が設けられた回路基板のベース板と、前記ベース板の前記回路基板が設けられた面と反対側の面に絶縁層を介して設けられた導体と、を備えた半導体装置であって、
   前記導体と前記ベース板との間にインダクタが設けられ、
   前記インダクタの一方の端部は、前記導体に電気的に接続され、前記インダクタの他方の端部は、前記ベース板に電気的に接続された
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記導体に前記インダクタを収容する溝部を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記絶縁層に前記インダクタが挿通する挿通部を形成する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記インダクタはコイルばねである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記インダクタと直列に寄生抵抗調整部を設ける
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。

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