JP6673246B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この明細書の開示は、制御対象であるアクチュエータに一体的に取り付けられて構成された機電一体型の半導体装置に関する。
近年、オルタネータなどのアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御装置とを一体的に構成する機電一体型の回転電機が利用されつつある。機電一体の技術は、アクチュエータと制御装置とでモジュールとして出力を合わせ込むことによって制御の精度を向上できるほか、ワイヤハーネスの削減による軽量化や組付け容易性を実現できる。一方で、制御装置は、駆動により自身が発生する熱とともにアクチュエータの発熱に対しても動作を保証しなければならず、高い熱的信頼性が求められる。
特許文献１には、モータの回転軸まわりに制御装置としての整流器モジュールを環状に配置した車両用回転電機が開示されている。
特開２０１１−１６６８４７号公報
特許文献１のように、制御装置としてのモジュールが回転電機の回転軸まわりに環状に配置される構成は、モジュールへの電流供給のために、略環状に成形された１本のバスバーに各モジュールが接続する態様を採用することがある。この構成では、電流供給源から近い側に接続されるモジュールと、遠い側に接続されるモジュールとが存在することになる。電流供給源から見たとき、バスバーを含めた各モジュールへの電流経路の抵抗値は、電流供給源から近いほど低抵抗となる。
ここで、電流供給のための電源が意図せずに正常の接続に対して逆接続されてしまった状況を考える。この状況では、モジュールに含まれるスイッチング素子、例えばＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを介して電流が流れる。この電流は、各モジュールのうち、抵抗値の低いモジュールほど大きくなる。例えば各モジュールが載置される台座や回転電機の放熱構造などの要素を排除して考えると、電源から近い位置に配置された低抵抗のモジュールに大きな電流が流れることになる。ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードは負の抵抗温度係数を有することから、大電流が流れることによる温度上昇に起因してさらに低抵抗化し、電流の増加に対してポジティブフィードバックとなる虞がある。これは機電一体型の半導体装置として好ましくない。
そこで、この明細書の開示は上記問題点に鑑み、万一電源に対して逆接続されてしまった状況下であっても、熱的信頼性を確保することのできる半導体装置を提供することを目的とする。
ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
上記目的を達成するために、この明細書に開示される半導体装置は、回転電機（１０）を制御する複数の制御モジュール（２０，３０，４０，６０，７０）が、回転電機の回転軸（１１）まわりに環状に配置される半導体装置であって、制御モジュールは、インバータを構成するハイサイド側スイッチング素子（Ｈ１〜Ｈ６）とローサイド側スイッチング素子（Ｌ１〜Ｌ６）とで１組を構成するアームを少なくとも２組有し、制御モジュールが１つの電源に接続されたバスバー（５０）に対して並列に複数接続されることにより複数のアームがバスバーに対して並列に接続されるものであり、制御モジュールは、ハイサイド側スイッチング素子およびローサイド側スイッチング素子が載置されつつ電源との電気的接続を仲介する金属板（２３，６３）を有し、金属板は、ひとつのハイサイド側スイッチング素子が載置される第１金属板（２３ａ，６３ａ）と、別のハイサイド側スイッチング素子が載置される第２金属板（２３ｃ，６３ｃ）とを有するとともに、第１金属板と第２金属板とを、相互に電気的および熱的に連結する連結板（２３ｆ，６３ｉ，６３ｊ）を有し、さらに、制御モジュールが載置される放熱板（２１，３１，４１，６１，７１）と、制御モジュールと放熱板とを電気的に絶縁するように介在する絶縁層（２２，６２，７２）と、を備え、制御モジュールは、金属板が絶縁層を介して放熱板に対向するように載置され、連結板は、絶縁層に較べて厚くされる。
これによれば、制御モジュール内において、バスバーに接続されるアームのうち、電源に近い側のアームに、電源の逆接続に起因する電流が流れたとき、ハイサイド側スイッチング素子に発生する熱を、電源から遠い側のアームに属するハイサイド側スイッチング素子に伝熱することができる。また、電源に近い側のハイサイド側スイッチング素子が載置される金属板については、連結板が存在しない構成に較べて熱容量が増加するのであり、より放熱効率が高くなるので発熱に起因する温度上昇を抑制することができる。
上記のように、電源に近い側のハイサイド側スイッチング素子に対しては放熱効率を向上させることができ、電源から遠い側のハイサイド側スイッチング素子に対しては伝熱に起因する温度上昇によって電流が増加するので、電源に近い側のハイサイド側スイッチング素子に逆接続に係る電流が集中することを抑制できる。
第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す上面断面図である。 半導体装置の回路構成を示す図である。 制御モジュールの詳細構造を示す図である。 変形例１に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 変形例１に係る制御モジュールの詳細構造を示す図である。 第２実施形態に係る制御モジュールの詳細構造を示す図である。 第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す上面断面図である。 制御モジュールの詳細構造を示す図である。 変形例２に係る制御モジュールの詳細構造を示す図である。 隣り合うハイサイド側スイッチング素子の温度Ｔ２の比Ｔ２／Ｔ１と、連結板の厚さＤと絶縁層の厚さｄの比ｄ／Ｄの関係を示す図である。
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
（第１実施形態）
最初に、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。
本実施形態における半導体装置は、回転電機としてのオルタネータと、整流器を構成する制御モジュールとが一体的に構成された機電一体型のオルタネータ装置である。
図１に示すように、半導体装置１００は、図示しない回転子および固定子を有するオルタネータ１０と、オルタネータ１０の回転子の回転軸１１を取り囲むように配置された３つの制御モジュール２０，３０，４０と、制御モジュール２０，３０，４０が接続されたバスバー５０と、制御モジュール２０，３０，４０が載置される放熱板２１，３１，４１と、を備えている。
図２に示すように、オルタネータ１０は、３相巻線を２組備えた固定子と、回転軸シャフトを含む回転子により構成されている。固定子は図示しない固定子鉄心と、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２とにより構成されている。具体的には、固定子巻線Ｍ１がＸ相、Ｙ相、Ｚ相からなる３相巻線であり、固定子巻線Ｍ２がＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相巻線である。固定子巻線Ｍ２は固定子巻線Ｍ１に対して電気角にして３０度ずれた位置に配置されている。制御モジュール２０，３０，４０は、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２への電流の向きを制御する整流器であり、合計で６つのアームがＸ，Ｙ，ＺおよびＵ，Ｖ，Ｗの各相への電流を制御している。
バスバー５０は、その一端が電源に接続されており、制御モジュール２０，３０，４０に電流を供給することができるようになっている。制御モジュール２０，３０，４０は一つのバスバー５０に接続されており、図１および図２に示すように、電源に近い側から制御モジュール２０、制御モジュール３０、制御モジュール４０の順に接続されている。制御モジュール２０，３０，４０はそれぞれがインバータとしての機能を有し、図２に示すように、固定子を構成する固定子巻線Ｍ１，Ｍ２に接続されている。
図１〜図３を参照して、制御モジュール２０，３０，４０の詳しい構造について説明する。なお、図３は断面図ではないが、金属板２３の状態をわかりやすく示すためハッチングを施している。
図１に示すように、制御モジュール２０は、金属板２３と、ブリッジ２４と、封止樹脂体２５と、を有している。そして、制御モジュール２０は、インバータを構成するためのスイッチング素子として、４つのＭＯＳトランジスタＨ１，Ｌ１，Ｈ２，Ｌ２を有している。図１は断面図であるから、制御モジュール２０に属するＭＯＳトランジスタとして、Ｈ１とＨ２のみが図示されている。
同様に、制御モジュール３０は、金属板３３と、ブリッジ３４と、封止樹脂体３５と、を有している。そして、制御モジュール３０は、インバータを構成するためのスイッチング素子として、４つのＭＯＳトランジスタＨ３，Ｌ３，Ｈ４，Ｌ４を有している。同様に、制御モジュール４０は、金属板４３と、ブリッジ４４と、封止樹脂体４５と、を有している。そして、制御モジュール４０は、インバータを構成するためのスイッチング素子として、４つのＭＯＳトランジスタＨ５，Ｌ５，Ｈ６，Ｌ６を有している。
３つの制御モジュール２０，３０，４０は、その物理的配置や意図的に抵抗値に相違を生じるように設計されたスイッチング素子の構造を除き構成要素は互いに等価であるから、その詳しい構造については、ひとつの制御モジュール２０を例に説明する。
図２に示すように、制御モジュール２０は、６つのアームのうち２つのアームを担い、Ｘ相およびＹ相への電流の供給を制御している。制御モジュール２０は、第１のアームとして、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１と、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１を有し、これらが電源ＶＢに対して直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＬ１との中間点が固定子巻線Ｍ１に接続されてＸ相を成す。同様に、第２のアームとして、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２と、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２を有し、これらが電源ＶＢに対して直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＨ２とＭＯＳトランジスタＬ２との中間点が回転子巻線Ｍ１に接続されてＹ相を成す。これら第１のアームおよび第２のアームは電源に対して並列に接続されている。
ＭＯＳトランジスタＨ１は、特許請求の範囲に記載の第１ハイサイド側スイッチング素子に相当し、ＭＯＳトランジスタＬ１は、特許請求の範囲に記載の第１ローサイド側スイッチング素子に相当し、ＭＯＳトランジスタＨ２は、特許請求の範囲に記載の第２ハイサイド側スイッチング素子に相当し、ＭＯＳトランジスタＬ２は、特許請求の範囲に記載の第２ローサイド側スイッチング素子に相当する。
上記の接続を実現するため、制御モジュール２０は、図３に示すように実装される。金属板２３は、第１金属板２３ａ、第２金属板２３ｂ、第３金属板２３ｃ、第４金属板２３ｄおよび第５金属板２３ｅを有している。これらは互いに別体として同一平面上に成形されている。また、ブリッジ２４は、第１ブリッジ２４ａ、第２ブリッジ２４ｂ、第３ブリッジ２４ｃおよび第４ブリッジ２４ｄを有している。
第１金属板２３ａはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。第１金属板２３ａからは端子ＴＨ１が引き出され、バスバー５０に接続される。つまり、端子ＴＨ１は、第１のアームにおける正極端子である。
第２金属板２３ｂはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１のソース端子が第１ブリッジ２４ａを介して接続されている。第２金属板２３ｂからは端子Ｔｘが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。端子ＴｘはＸ相に対応する出力端子である。
第３金属板２３ｃはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。第３金属板２３ｃからは端子ＴＨ２が引き出され、バスバー５０に接続される。つまり、端子ＴＨ２は、第２のアームにおける正極端子である。
第４金属板２３ｄはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２のソース端子が第３ブリッジ２３ｃを介して接続されている。第４金属板２３ｄからは端子Ｔｙが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。端子ＴｙはＹ相に対応する出力端子である。
第５金属板２３ｅは、第２ブリッジ２４ｂを介してＭＯＳトランジスタＬ１のソース端子と接続されるとともに、第４ブリッジ２４ｂを介してＭＯＳトランジスタＬ２のソース端子と接続される。第５金属板２３ａからは端子ＴＬ１および端子ＴＬ２が引き出されており、それらは、ＧＮＤ電位とされたバスバーに接続されている。端子ＴＬ１は第１のアームに対応する負極端子であり、端子ＴＬ２は第２のアームに対応する負極端子である。これらは第５金属板２３ｅにおいて同電位にされているため、例えば第１のアームを流れる電流が端子ＴＬ２を経由することが当然有り得るが、この場合の第１のアームにおける主な電流経路は、より抵抗値が小さくなるＴＨ１−ＴＬ１間の経路である。
また、第５金属板２３ｅには、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２のスイッチングを制御するための制御ＩＣ２６が載置されている。制御ＩＣ２６はボンディングワイヤによって各ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２に接続されているが、図３では図示を省略している。制御モジュール２０における金属板２３およびブリッジ２４ならびにＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２はアーム単位で略左右対称に配置されている。これにあわせて、端子ＴＨ１、ＴＬ１と端子ＴＨ２、ＴＬ２も略左右対称に配置されている。
ところで、本実施形態における第１金属板２３ａと第３金属板２３ｃは、連結板２３ｆを介して互いに接続されている。つまり、第１金属板２３ａ、第３金属板２３ｃおよび連結板２３ｆは一体の板として成形されている。連結板２３ｆは、第１金属板２３ａと第３金属板２３ｃとの間の熱的および電気的な接続を担っており、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２のうち、一方が過剰に発熱した場合に、他方のＭＯＳトランジスタが載置された金属板に伝熱するようになっている。本実施形態における連結板２３ｆは、第１金属板２３ａおよび第３金属板２３ｃと同質の金属で構成されているが、必ずしも同質の金属で連結する必要はない。ただし、後述の絶縁層２２に較べて熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましい。
ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２および金属板２３は、これらを覆い隠すように封止樹脂体２５により封止されている。金属板２３のうち、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２が載置されていない側の面は封止樹脂体２５から露出している。制御モジュール２０は、封止樹脂体２５から露出した金属板２３の一面が放熱板２１と対向するように配置され、絶縁層２２を介して放熱板２１に載置される。これにより、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２が発した熱は金属板２３と絶縁層２２を介して放熱板２１に伝熱して放熱される。放熱板２１における制御モジュール２０が載置されない側の面には放熱フィン２１ａが形成されている。
なお、図１に示すように、本実施形態における金属板２３は、絶縁層２２よりも厚くされており、したがって、連結板２３ｆの厚さも絶縁層２２より厚くなっている。
上記したように、制御モジュール３０についても制御モジュール２０と同様の構成要素を有している。すなわち、５つに分割された金属板３３にハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ３，Ｈ４、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ３，Ｌ４および制御ＩＣが適宜載置されている。そして、ＭＯＳトランジスタＨ３およびＬ３により構成されるアームは固定子巻線Ｍ１のＺ相を提供し、ＭＯＳトランジスタＨ４およびＬ４により構成されるアームは固定子巻線Ｍ２のＵ相を提供する。放熱板３１は放熱フィン３１ａを有している。制御モジュール３０における金属板３３も、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ３が載置される金属板とＭＯＳトランジスタＨ４が載置される金属板との間に連結板を有しており、互いが熱的、電気的に接続されている。
制御モジュール４０についても制御モジュール２０と同様の構成要素を有している。すなわち、５つに分割された金属板４３にハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ５，Ｈ６、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ５，Ｌ６および制御ＩＣが適宜載置されている。そして、ＭＯＳトランジスタＨ５およびＬ５により構成されるアームは固定子巻線Ｍ２のＶ相を提供し、ＭＯＳトランジスタＨ６およびＬ６により構成されるアームは固定子巻線Ｍ２のＷ相を提供する。放熱板４１は放熱フィン４１ａを有している。制御モジュール４０における金属板４３も、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ５が載置される金属板とＭＯＳトランジスタＨ６が載置される金属板との間に連結板を有しており、互いが熱的、電気的に接続されている。
図１に示すように、制御モジュール２０，３０，４０は、回転軸１１を取り囲むように環状に配置されている。制御モジュール２０，３０，４０は、放熱板２１，３１，４１に対する載置面が回転軸方向に沿うように配置されている。放熱板２１と放熱板４１は放熱フィン２１ａと放熱フィン４１ａが対向するように配置され、放熱板３１は放熱板２１および放熱板４１と直交するように配置されている。つまり、放熱板２１，３１，４１は、放熱フィンが回転軸１１側を向くように環状に配置され、放熱フィンが形成されない外側の面に制御モジュール２０，３０，４０が貼り付くように配置されている。このような態様では、金属板２３，３３，４３から延びる端子がＵ字状に並ぶので、バスバー５０もＵ字状に曲げられている。
次に、本実施形態に係る半導体装置１００を採用することによる作用効果について説明する。
例えば、半導体装置１００に電源が逆接続された場合を想定する。すなわち、本来ＧＮＤ電位とされるべきバスバーが、本来ＶＢ電位とされるべきバスバー５０よりも高電位になった場合を想定する。
図２に示すように、ＭＯＳトランジスタにはソース端子からドレイン端子に順方向となるように寄生ダイオードが生じる。上記のように、電源が逆接続されると、寄生ダイオードを介して電流が流れる。つまり、ローサイド側のＭＯＳトランジスタからハイサイド側のＭＯＳトランジスタへ電流が流れる。この電流によりＭＯＳトランジスタは発熱する。寄生ダイオードは負の抵抗温度係数をもつので、発熱によりさらに低抵抗化する。このため、より多くの電流が流れて発熱量も増加する。
なお、バスバー５０に接続された制御モジュール２０，３０，４０のうち、より電源に近い制御モジュールは制御モジュール２０であり、電源から見たときの電気抵抗はバスバー５０の実質的な長さが最短となる制御モジュール２０がもっとも小さくなる。よって、電源の逆接続にかかる電流は制御モジュール２０に流れやすい。ここでは、制御モジュール２０における作用および効果について説明するが、制御モジュール３０および制御モジュール４０でも同様の作用効果を奏するものである。また、制御モジュール２０内においても、図２に示すように、第１のアームを構成するＭＯＳトランジスタＨ１は、第２のアームを構成するＭＯＳトランジスタＨ２よりも電源に近い側にあり、電源から見た電気抵抗値が小さい。
電源の逆接続の直後、寄生ダイオードを介した電流はＭＯＳトランジスタＨ１およびＭＯＳトランジスタＨ２を流れはじめるが、電源から見た電気抵抗値の差に対応して、その電流値はＭＯＳトランジスタＨ１のほうがＭＯＳトランジスタＨ２よりも大きい。ＭＯＳトランジスタＨ１の発熱によってＭＯＳトランジスタＨ１の温度は上昇する。
ところで、本実施形態における制御モジュール２０は、図３に示すように、ＭＯＳトランジスタＨ１が載置される第１金属板２３ａとＭＯＳトランジスタＨ２が載置される第３金属板２３ｃとが連結板２３ｆによって熱的に連結されている。ＭＯＳトランジスタＨ１で発生した熱は連結板２３ｆを介してＭＯＳトランジスタＨ２に伝熱される。つまり、ＭＯＳトランジスタＨ１に起因する熱は、第１金属板２３ａのみならず、第３金属板２３ｃおよび連結板２３ｆに伝熱しつつ放熱されるので、連結板２３ｆが存在しない構成に較べてＭＯＳトランジスタＨ１の温度上昇を抑制することができる。
一方、伝熱によりＭＯＳトランジスタＨ２の温度が上昇して抵抗値が低下する。すなわち、ＭＯＳトランジスタＨ２を通電する電流が大きくなる。これにより、ＭＯＳトランジスタＨ１のみならず、ＭＯＳトランジスタＨ２にも逆接続に係る電流を担わせることができ、ひとつのハイサイド側ＭＯＳトランジスタに電流が集中することを抑制できるから、ＭＯＳトランジスタＨ１の過剰な発熱を抑制できる。ある程度の時間が経過するとＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＨ２の温度を略同一とすることができ、過大な電流が一方のＭＯＳトランジスタに集中することを抑制できる。
このように、誤って電源が逆接続されてしまった状況下であっても、制御モジュール２０，３０，４０の熱的信頼性を確保することができる。
とくに、本実施形態における連結板２３ｆは金属製であり絶縁層２２よりも熱伝導率が高いうえ、連結板２３ｆの厚みは絶縁層２２よりも厚くされている。これにより、ＭＯＳトランジスタＨ１の発熱に起因する熱について、絶縁層２２への伝熱量よりも連結板２３ｆへの伝熱量が多くなる。これによれば、電源が逆接続された時点からより早期に電流の分配が生じやすい状況を構成することができるので、制御モジュール２０，３０，４０の熱的信頼性をより向上することができる。
（変形例１）
上記した実施形態では、金属板２３が板全面に亘って絶縁層２２よりも厚くされた態様について説明したが、図４に示すように、連結板２３ｆのみが厚くされた構成でも良い。
この構成は、制御モジュール２０の全体の厚さを厚くすることなく、連結板２３ｆだけを厚くしたものである。ＭＯＳトランジスタＨ１において発生する熱を絶縁層２２よりも連結板２３ｆに優先的に伝熱させる効果は第１実施形態と同様である。加えて、この態様を採用すれば、制御モジュール２０の厚さを抑制できるので、制御モジュール２０，３０，４０の実装スペースに余裕がない構成であっても、半導体装置１００の熱的信頼性を確保しつつ、体格を抑制した半導体装置１００を実現することができる。
また、図５に示すように、連結板２３ｆの面に沿う方向の幅を拡げるようにしても、連結板２３ｆによる伝熱効果を向上することができる。
（第２実施形態）
本実施形態でも、各制御モジュール２０，３０，４０に４つのＭＯＳトランジスタが格納された、いわゆる４ｉｎ１構成の制御モジュールについて説明する。回路の構成は第１実施形態において説明したとおりであり、図２に示す構成となっている。また、オルタネータ１０や放熱板２１〜４１の配置および形状も第１実施形態の説明を援用する。
第１実施形態および変形例１では、正極端子について、第１のアームに対応する端子ＴＨ１と、第２のアームに対応する端子ＴＨ２とが形成され、負極端子について、第１のアームに対応する端子ＴＬ１と、第２のアームに対応する端子ＴＬ２とが形成されている。
これに対して、本実施形態における制御モジュール２０，３０，４０では、図６に示すように、第１のアームおよび第２のアームに対応する唯一の正極端子ＴＨ１２と、第１のアームおよび第２のアームに対応する唯一の負極端子ＴＬ１２を備えている。
正極端子ＴＨ１２は、ＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＨ２の実装位置の略中央に位置している。つまり、正極端子ＴＨ１２は、連結板２３ｆから制御モジュール２０の外部に向かって延びている。
負極端子ＴＬ１２は、ＭＯＳトランジスタＬ１とＭＯＳトランジスタＬ２の実装位置の略中央に位置している。つまり、負極端子ＴＬ１２は、第５金属板２３ｅにおける制御ＩＣ２６の実装位置近傍から制御モジュール２０の外部に向かって延びている。負極端子ＴＬ１２は正極端子ＴＨ１２の延設方向とは逆方向に延びている。
第１実施形態において説明したとおり、制御モジュール２０における金属板２３およびブリッジ２４ならびにＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２はアーム単位で略左右対称に配置されているので、正極端子ＴＨ１２および負極端子ＴＬ１２が第１のアームと第２のアームの略中央に配置されることで、全体で略左右対称になっている。
本実施形態における制御モジュール２０では、正極端子ＴＨ１２が、第１実施形態における端子ＴＨ１および端子ＴＨ２の両機能を兼用する構成となっている。同様に、負極端子ＴＬ１２が、第１実施形態における端子ＴＬ１および端子ＴＬ２の両機能を兼用する構成となっている。
なお、制御モジュール３０および制御モジュール４０の構造は制御モジュール２０と略等価であり、それぞれの制御モジュールが有する正極端子および負極端子も、それぞれ１つずつの構成となっている。
本実施形態に示す制御モジュール２０，３０，４０を採用すれば、正極端子ＴＨ１２と負極端子ＴＬ１２との間において、第１のアームと第２のアームとで、電流経路の抵抗値を略同一にすることができる。これにより、例えば制御モジュール２０内において、どちらか一方のアームに、電源の逆接続にかかる電流が多く流れることを抑制することができる。よって、制御モジュール２０内における発熱源の偏在を抑制でき、熱的信頼性を向上することができる。
ところで、上記のとおり、電流経路の抵抗値を略同一にする目的では、正極端子ＴＨ１２および負極端子ＴＬ１２が第１のアームと第２のアームの略中央に配置されることが好ましいが、正極端子ＴＨ１２および負極端子ＴＬ１２は、必ずしも第１のアームと第２のアームの真に中央である必要はない。正極端子ＴＨ１２および負極端子ＴＬ１２が第１のアームと第２のアームの間に配置されていれば、第１実施形態および変形例１で説明した態様に較べて電流経路の抵抗値を同一な値に近づけることができ、発熱源の偏在を抑制できることとなる。すなわち、図示しない他の部材等の干渉によって正極端子ＴＨ１２および負極端子ＴＬ１２が第１のアームと第２のアームの略中央に配置できない場合には、その形成位置を若干ずらして配置してもよい。
（第３実施形態）
上記した第１実施形態および第２実施形態では、半導体装置１００が４ｉｎ１構成とされた３つの制御モジュール２０，３０，４０を備える例について説明した。制御モジュールについては、４ｉｎ１構成に限定されるものではなく、２組以上のアームを備えていればよいのであり、本実施形態では、６ｉｎ１構成の制御モジュールについて説明する。６ｉｎ１構成の制御モジュールとは、ひとつのモジュール内において、６つのＭＯＳトランジスタが３組のアームを構成してなる制御モジュールである。
本実施形態における半導体装置１１０の回路構成は第１実施形態と同様であり、図２に示す構成となっている。また、オルタネータ１０の構成も第１実施形態の説明を援用する。
図７に示すように、本実施形態における半導体装置１１０は、２つの制御モジュール６０，７０が、それぞれ放熱板６１，７１に接着されつつ回転軸１１を挟むように配置されている。制御モジュール６０は、例えばハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｈ３と、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１，Ｌ２，Ｌ３を内蔵し、制御モジュール７０は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ４，Ｈ５，Ｈ６と、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ４，Ｌ５，Ｌ６を内蔵する。制御モジュール６０は絶縁層６２を介して放熱板６１に接着されており、制御モジュール７０は絶縁層７２を介して放熱板７１に接着されている。
図８を参照して、６ｉｎ１構成における制御モジュール６０，７０の詳しい構造を説明するが、２つの制御モジュール６０，７０は、その物理的配置や意図的に抵抗値に相違を生じるように設計されたスイッチング素子の構造を除き構成要素は互いに等価であるから、ここでは、ひとつの制御モジュール６０を例に説明する。
図８に示すように、半導体装置１１０における制御モジュール６０は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｈ３、および、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１，Ｌ２，Ｌ３と、を金属板６３と、ブリッジ６４と、を備えている。ＭＯＳトランジスタＨ３は特許請求の範囲に記載の第３ハイサイド側スイッチング素子に相当し、ＭＯＳトランジスタＬ３は特許請求の範囲に記載の第３ローサイド側スイッチング素子に相当する。
金属板６３は、第１金属板６３ａ、第２金属板６３ｂ、第３金属板６３ｃ、第４金属板６３ｄ、第５金属板６３ｅ、第６金属板６３ｆ、第７金属板６３ｇおよび第８金属板６３ｈを有している。これらは互いに別体として同一平面上に成形されている。また、ブリッジ６４は、第１ブリッジ６４ａ、第２ブリッジ６４ｂ、第３ブリッジ６４ｃ、第４ブリッジ６４ｄ、第５ブリッジ６４ｅ、第６ブリッジ６４ｆ、および第７ブリッジ６４ｇを有している。
第１金属板６３ａはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。
第２金属板６３ｂはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１のソース端子が第１ブリッジ６４ａを介して接続されている。第２金属板６３ｂからは端子Ｔｘが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。端子ＴｘはＸ相に対応する出力端子である。なお、ＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＬ１とで第１のアームを構成する。
第３金属板６３ｃはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。第３金属板６３ｃからは端子ＴＨ１２３が引き出され、バスバー５０に接続される。後述するように、端子ＴＨ１２３は、第１〜第３のアームにおける共通した正極端子である。
第４金属板６３ｄはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２のソース端子が第３ブリッジ６４ｃを介して接続されている。第４金属板６３ｄからは端子Ｔｙが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。端子ＴｙはＹ相に対応する出力端子である。なお、ＭＯＳトランジスタＨ２とＭＯＳトランジスタＬ２とで第２のアームを構成する。
第５金属板６３ｅはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ３が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。
第６金属板６３ｆはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ３が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ３のソース端子が第５ブリッジ６４ｅを介して接続されている。第６金属板６３ｆからは端子Ｔｚが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。端子ＴｚはＺ相に対応する出力端子である。なお、ＭＯＳトランジスタＨ３とＭＯＳトランジスタＬ３とで第３のアームを構成する。
第７金属板６３ｇは、第２ブリッジ６４ｂを介してＭＯＳトランジスタＬ１のソース端子と接続されるとともに、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｌ１のスイッチングを制御するための制御ＩＣ６６１が載置されている。制御ＩＣ６６１はボンディングワイヤによって各ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｌ１に接続されているが、図８では図示を省略している。
第８金属板６３ｈは、第４ブリッジ６４ｄを介してＭＯＳトランジスタＬ２のソース端子と接続されるとともに、第６ブリッジ６４ｆを介してＭＯＳトランジスタＬ３のソース端子と接続される。第７金属板６３ｇは第７ブリッジ６４ｇを介して第８金属板６３ｈに接続されて同電位にされている。第８金属板６３ｈからは端子ＴＬ１２３が引き出されており、それらは、ＧＮＤ電位とされたバスバーに接続されている。端子ＴＬ１２３は第１〜第３のアームに共通する負極端子である。
また、第８金属板６３ｈには、ＭＯＳトランジスタＨ２，Ｈ３，Ｌ２，Ｌ３のスイッチングを制御するための制御ＩＣ６６２が載置されている。制御ＩＣ６６２はボンディングワイヤによって各ＭＯＳトランジスタＨ２，Ｈ３，Ｌ２，Ｌ３に接続されているが、図８では図示を省略している。制御モジュール６０における金属板６３およびブリッジ６４ならびにＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、第２のアームを対称軸としてアーム単位で略左右対称に配置されている。
ところで、本実施形態における第１金属板６３ａと第３金属板６３ｃは、連結板６３ｉを介して互いに接続されている。また、第３金属板６３ｃと第５金属板６３ｅは、連結板６３ｊを介して互いに接続されている。
つまり、第１金属板６３ａ、第３金属板６３ｃ、第５金属板６３ｅ、連結板６３ｉおよび連結板６３ｊは一体の板として成形されている。連結板６３ｉは、第１金属板６３ａと第３金属板６３ｃとの間の熱的および電気的な接続を担っている。また、結板６３ｊは、第３金属板６３ｃと第５金属板６３ｅとの間の熱的および電気的な接続を担っている。
ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｈ３のうち、いずれか１つのＭＯＳトランジスタが過剰に発熱した場合に、その他のハイサイド側のＭＯＳトランジスタが載置された金属板に伝熱するようになっている。これにより、例えばＭＯＳトランジスタＨ１に起因する熱は、第１金属板６３ａのみならず、第３金属板６３ｃ第５金属板６３ｅ、連結板６３ｉおよび連結板６３ｊに伝熱しつつ放熱されるので、連結板６３ｉ，６３ｊが存在しない構成に較べてＭＯＳトランジスタＨ１の温度上昇を抑制することができる。
また、ＭＯＳトランジスタＨ１のみならず、伝熱によるＭＯＳトランジスタＨ２，Ｈ３の温度上昇によって、ＭＯＳトランジスタＨ２，Ｈ３にも逆接続に係る電流を担わせることができ、ひとつのハイサイド側ＭＯＳトランジスタに電流が集中することを抑制できる。
なお、本実施形態における連結板６３ｉ，６３ｊは、第１金属板６３ａ、第３金属板６３ｃおよび第５金属板６３ｅと同質の金属で構成されているが、必ずしも同質の金属で連結する必要はない。ただし、絶縁層６２に較べて熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましい。
また、連結板６３ｉ，６３ｊによって、第１金属板６３ａ、第３金属板６３ｃ、第５金属板６３ｅは互いに同電位になっており、第３金属板６３ｃに形成された端子ＴＨ１２３は、第１〜第３のアームにおける共通した正極端子である。正極端子ＴＨ１２３は、第３金属板６３ｃに形成されているから、ＭＯＳトランジスタＨ２の近傍に形成されているのであり、ＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＨ３の実装位置の略中央に位置している。一方、負極端子ＴＬ１２は、ＭＯＳトランジスタＬ１とＭＯＳトランジスタＬ３の実装位置の略中央に位置し、ＭＯＳトランジスタＬ２の近傍に形成されている。負極端子ＴＬ１２３は正極端子ＴＨ１２３の延設方向とは逆方向に延びている。なお、制御モジュール７０の構造は制御モジュール６０と略等価であり、制御モジュール７０が有する正極端子および負極端子も、それぞれ１つずつの構成となっている。
本実施形態に示す制御モジュール６０，７０を採用すれば、正極端子ＴＨ１２３と負極端子ＴＬ１２３との間において、第１のアーム、第２のアームおよび第３のアームの各アームで電流経路の抵抗値を略同一にすることができる。これにより、例えば制御モジュール６０内において、いずれか１つのアームに、電源の逆接続にかかる電流が多く流れることを抑制することができる。よって、制御モジュール６０内における発熱源の偏在を抑制でき、熱的信頼性を向上することができる。
（変形例２）
第３実施形態において例示した６ｉｎ１構成の制御モジュール６０，７０においては、ひとつの制御モジュール内に３つのアームが内蔵されている。このため、２つのアームに挟まれたひとつのアームが存在する。例えば、制御モジュール６０にあっては、第２のアームは第１のアームと第３のアームの間に実装されることになる。このような態様では、間に挟まれる第２のアームは、金属板６３の略中央に位置することになる。金属板６３の中央部分は、第１のアームや第３のアームが実装される金属板６３の端部に較べて放熱効率が高い。換言すれば、第２のアームは熱に対する電流耐量が大きい。
そこで、第２のアームの電気抵抗値を、第１のアームおよび第３のアームに較べて小さくすることで、意図的に第２のアームの電流量を大きくすることが考えられる。具体的には、図９に示すように、第２のアームにおけるハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２とローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２の有効セル領域の面積を、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ３，Ｌ１，Ｌ３よりも大きくする。一例としてトレンチ型のＭＯＳトランジスタにおいては、半導体基板の一面であって、ソース領域が露出し、トレンチゲートへの電圧印加によってチャネルを生じてドレイン電流の通電に寄与する領域が有効セル領域である。この有効セル領域が大きくなるほどＭＯＳトランジスタの抵抗値は小さくなる。
このように、放熱効率の高いアームである第２のアームに積極的に電流が流れるようにすることで、第１のアームおよび第３のアームの電流量を減じて発熱を抑制できるとともに、第２のアームで発生する熱を効率よく放熱することができる。よって、制御モジュール６０内における過剰な発熱を抑制でき、熱的信頼性を向上することができる。
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
上記した各実施形態および変形例においては、制御モジュールに含まれるスイッチング素子としてＭＯＳトランジスタを採用する例について説明したが、スイッチング素子としては絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やその他の半導体スイッチング素子を採用することもできる。
また、上記した各実施形態および変形例においては、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２として、３相巻線を採用する例について説明したが、相の数については限定しない。これに伴って、制御モジュールの数についても適宜変更されるべきである。
また、上記した各実施形態および変形例においては、制御モジュールの低抵抗化の手段として、スイッチング素子の有効セル領域の面積を増大することによる低抵抗化について説明した。しかしながら、低抵抗化の手段についてはこれに限定しない。例えば、金属板２３，６３の構成材料を変更して低抵抗化する手段や、電気的接続に用いる導電性接着剤（例えばはんだ）の成分を変更することによる低抵抗化をおこなっても良い。ただし、金属板２３，６３の構成材料の変更や導電性接着剤の変更に較べて、スイッチング素子の有効セル領域の面積の変更は容易であり、低抵抗化の効果も大きい。
ところで、発明者は、絶縁層２２，６２の厚さに対して、連結板２３ｆ，６３ｉ，６３ｊをどの程度の厚さに設定すべきかについて、コンピュータシミュレーションによって調べた。図１あるいは図４に示すような４ｉｎ１構成の制御モジュールにおいて、あるハイサイド側スイッチング素子の温度Ｔ１と、隣り合うハイサイド側スイッチング素子の温度Ｔ２の比Ｔ２／Ｔ１と、連結板の厚さＤと絶縁層の厚さｄの比ｄ／Ｄの関係について調べた結果を図１０に示す。これによれば、ｄ＞Ｄの条件、つまり絶縁層が連結板よりも厚いときには素子の温度比Ｔ２／Ｔ１は略０．６で略一定であるが、連結板が絶縁層よりも厚くなるｄ＜Ｄの条件では、有意に隣接するスイッチング素子への伝熱が生じている。よって、連結板は絶縁層よりも厚くすることが好ましい。
また、隣り合うハイサイド側スイッチング素子の伝熱については、互いの実装距離が短いほど伝熱し易い。よって、例えば第１実施形態のような４ｉｎ１構成の制御モジュール２０では、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＨ２をより中央に寄せるように実装することで、互いの伝熱を効率よく行うことができる。また、第３実施形態のような６ｉｎ１構成の制御モジュール６０では、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＨ３をより中央に寄せるように実装することで、ＭＯＳトランジスタＨ１〜Ｈ３の間の互いの伝熱を効率よく行うことができる。
１０…オルタネータ，２０…制御モジュール，３０…制御モジュール，４０…制御モジュール，５０…バスバー，Ｈ１〜Ｈ６…ＭＯＳトランジスタ（ハイサイド側），Ｌ１〜Ｌ６…ＭＯＳトランジスタ（ローサイド側）

Claims (8)

  1. 回転電機（１０）を制御する複数の制御モジュール（２０，３０，４０，６０，７０）が、前記回転電機の回転軸（１１）まわりに環状に配置される半導体装置であって、
    前記制御モジュールは、インバータを構成するハイサイド側スイッチング素子（Ｈ１〜Ｈ６）とローサイド側スイッチング素子（Ｌ１〜Ｌ６）とで１組を構成するアームを少なくとも２組有し、
    前記制御モジュールが１つの電源に接続されたバスバー（５０）に対して並列に複数接続されることにより複数の前記アームが前記バスバーに対して並列に接続されるものであり、
    前記制御モジュールは、前記ハイサイド側スイッチング素子および前記ローサイド側スイッチング素子が載置されつつ前記電源との電気的接続を仲介する金属板（２３，６３）を有し、
    前記金属板は、ひとつの前記ハイサイド側スイッチング素子が載置される第１金属板（２３ａ，６３ａ）と、別の前記ハイサイド側スイッチング素子が載置される第２金属板（２３ｃ，６３ｃ）とを有するとともに、
    前記第１金属板と前記第２金属板とを、相互に電気的および熱的に連結する連結板（２３ｆ，６３ｉ，６３ｊ）を有し、
    さらに、前記制御モジュールが載置される放熱板（２１，３１，４１，６１，７１）と、
    前記制御モジュールと前記放熱板とを電気的に絶縁するように介在する絶縁層（２２，６２，７２）と、を備え、
    前記制御モジュールは、前記金属板が前記絶縁層を介して前記放熱板に対向するように載置され、
    前記連結板は、前記絶縁層に較べて厚くされる半導体装置。
  2. 前記ハイサイド側スイッチング素子および前記ローサイド側スイッチング素子を制御する制御ＩＣ（２６，６６１，６６２）をさらに備え、
    複数の前記ローサイド側スイッチング素子の並び方向において、前記制御ＩＣが、前記ローサイド側スイッチング素子の間に配置されている請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記制御モジュールは、２組の前記アームを有し、
    第１の前記アームは、同一面内に実装された第１ハイサイド側スイッチング素子（Ｈ１）および第１ローサイド側スイッチング素子（Ｌ１）を有し、
    第２の前記アームは、同一面内に実装された第２ハイサイド側スイッチング素子（Ｈ２）および第２ローサイド側スイッチング素子（Ｌ２）を有し、
    前記第１ハイサイド側スイッチング素子と前記第２ハイサイド側スイッチング素子の並び方向において、前記第１ハイサイド側スイッチング素子と前記第２ハイサイド側スイッチング素子の間の部分から延びて前記バスバーに接続される唯一の正極端子（ＴＨ１２）と、
    前記第１ローサイド側スイッチング素子と前記第２ローサイド側スイッチング素子の並び方向において、前記第１ローサイド側スイッチング素子と前記第２ローサイド側スイッチング素子の間の部分から延びて形成される唯一の負極端子（ＴＬ１２）と、を有する請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記正極端子は、前記第１ハイサイド側スイッチング素子と前記第２ハイサイド側スイッチング素子の並び方向における中央から延び、
    前記負極端子は、前記第１ローサイド側スイッチング素子と前記第２ローサイド側スイッチング素子の並び方向における中央から延びて形成される請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記制御モジュールは、３組の前記アームを有し、
    第１の前記アームは、同一面内に実装された第１ハイサイド側スイッチング素子（Ｈ１）および第１ローサイド側スイッチング素子（Ｌ１）を有し、
    第２の前記アームは、同一面内に実装された第２ハイサイド側スイッチング素子（Ｈ２）および第２ローサイド側スイッチング素子（Ｌ２）を有し、
    第３の前記アームは、同一面内に実装された第３ハイサイド側スイッチング素子（Ｈ３）および第３ローサイド側スイッチング素子（Ｌ３）を有し、
    前記制御モジュール内におけるスイッチング素子の実装面において、前記第２のアームは、前記第１のアームと前記第３のアームとの間に実装され、
    前記第１ハイサイド側スイッチング素子および第２ハイサイド側スイッチング素子がそれぞれ載置される前記金属板（６３ａ，６３ｃ）は前記連結板（６３ｉ）により互いに連結され、前記第２ハイサイド側スイッチング素子および第３ハイサイド側スイッチング素子がそれぞれ載置される前記金属板（６３ｃ，６３ｅ）は前記連結板（６３ｊ）により互いに連結される請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  6. 前記第１ハイサイド側スイッチング素子と前記第３ハイサイド側スイッチング素子の並び方向における中央から延びて前記バスバーに接続される唯一の正極端子（ＴＨ１２３）と、
    前記第１ローサイド側スイッチング素子と前記第３ローサイド側スイッチング素子の並び方向における中央から延びて形成される唯一の負極端子（ＴＬ１２３）と、を有する請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記第２のアームは、前記第１のアームおよび前記第３のアームよりも電気抵抗が低抵抗とされる請求項５または請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであり、
    前記第２ハイサイド側スイッチング素子および前記第２ローサイド側スイッチング素子の少なくとも一方における、ドレイン電流が流れる有効セル領域の面積が、前記第１のアームおよび前記第３のアームを構成するその他のスイッチング素子よりも大きくされることにより、前記第２のアームが、前記第１のアームおよび前記第３のアームよりも低抵抗とされる請求項７に記載の半導体装置。
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