JPWO2015133024A1 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Abstract

絶縁基板の第一極側表面電極に第一極側の主極が接合された第一極側半導体素子と、絶縁基板の中間側表面電極に第一極側の主極が接合された第二極側半導体素子と、中間側表面電極と第一極側半導体素子の第二極側の主極を接続する中間側導体と、絶縁基板に接合されたヒートシンクと、第一極側半導体素子、第二極側半導体素子、絶縁基板、および中間側導体を封止する封止樹脂と、第二極側半導体素子の第二極側の主極に接続され封止樹脂の外側に伸びる板状の第二極側端子を備えた電力用半導体装置において、ヒートシンクに接続され、第二極側端子と対向する面を有するように設置された調整用電極を設けた。

Description

この発明は、直流から交流、あるいは交流から直流に電力を変換する電力変換装置に用いる電力用半導体装置に関するものである。
半導体素子を用いた電力用半導体装置においては、半導体素子の片面が、薄い絶縁体の表面に形成された導電体の薄板である表面電極に接合され、薄い絶縁体を金属のヒートシンクに接触させて半導体素子の冷却経路を確保することが多い。そして、半導体素子の製造プロセス上、ＩＧＢＴの場合はコレクタ側、ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン側、ダイオードの場合はカソード側が表面電極と接合されることが一般的である。このため電力用半導体装置として上アームの半導体素子と下アームの半導体素子を直列接続したセミブリッジ回路が構成されている場合、セミブリッジ回路の正極側は表面電極に接合されることから、正極側とヒートシンク間に大きい浮遊容量が生じる。一方でセミブリッジ回路の負極側は表面電極に接合されず、ヒートシンクからは離れた位置にあるため、負極側とヒートシンク間に生じる浮遊容量は正極側とヒートシンク間の浮遊容量に比べて微小となる。よって、半導体素子とヒートシンク間の浮遊容量は正極側と負極側で不平衡になってノイズが増加してしまい、しばしば不要放射の原因となる。
このような課題に対し、例えば特許文献１では、半導体素子の両側をヒートシンクで覆った構造とし、絶縁基板を挟んで正極側および負極側の回路の金属パターンとヒートシンクとでコンデンサを形成することで、浮遊容量の平衡化を図りノイズを抑制している。
また、正極側端子および負極側端子から伸ばした配線板の間に、ヒートシンクに電気的に接続された電極を設けることで、正極側端子および負極側端子と、ヒートシンクに電気的に接続された電極との間でコンデンサを形成することで、浮遊容量の平衡化を図りノイズを抑制しているものもある（たとえば特許文献２）。
特開２０１３−１５０４８８号公報 特開２０１０−２５１７５０号公報
特許文献１の電力用半導体装置にあっては、正極側および負極側の金属パターンと半導体素子の両側ヒートシンクで半導体素子を両面冷却するヒートシンクを用いなければならず、片面冷却のヒートシンクには適用できない。
また、特許文献２の電力用半導体装置にあっては、半導体素子と正極側端子、負極側端子から伸ばした配線板を使うため、配線板の距離が構造上長くなって寄生インダクタンスが生じるためコンデンサとして作用しにくく、ノイズを低減しにくい。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、片面冷却のヒートシンクを用いた電力用半導体装置にも適用することができ、かつ、簡単な構成で寄生インダクタンスを極力低減できて、効果的にノイズを抑制できる電力用半導体装置を得ることを目的としている。
この発明は、片面に第一極側表面電極と中間側表面電極が形成された絶縁基板と、第一極側表面電極に第一極側の主極が接合された第一極側半導体素子と中間側表面電極に第一極側の主極が接合された第二極側半導体素子と、中間側表面電極と第一極側半導体素子の第二極側の主極を接続する中間側導体と、絶縁基板の第一極側表面電極が形成された面とは反対側の面に接合されたヒートシンクと、第一極側半導体素子、第二極側半導体素子、絶縁基板、および中間側導体を封止する封止樹脂と、第二極側半導体素子の第二極側の主極に接続され封止樹脂の外側に伸びる板状の第二極側端子を備えた電力用半導体装置において、ヒートシンクに接続され、第二極側端子と対向する面を有するように設置された調整用電極を設けたものである。
この発明によれば、簡単な構成で寄生インダクタンスを極力低減でき、効果的にノイズを抑制できる電力用半導体装置を得ることができる。
この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の実装状態を示す斜視図である。 この発明の電力用半導体装置を適用する電力変換装置の一例を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の要部の構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の作用を説明するための等価回路図である。 この発明の実施の形態１による電力用半導体装置の別の構成の実装状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態２による電力用半導体装置の別の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態３による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態４による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態５による電力用半導体装置の作用を説明するための等価回路図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の実装状態を示す斜視図である。図２は、本発明の電力用半導体装置を適用する電力変換装置の一例としてのインバータを示す回路図である。ここでは半導体素子としてＭＯＳＦＥＴを使用しているとする。図２において、電力変換装置１１は上アームの半導体素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび下アームの半導体素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備えており、上アームの半導体素子１２ａと下アームの半導体素子１３ａを直列接続した第一のセミブリッジ回路、上アームの半導体素子１２ｂと下アームの半導体素子１３ｂを直列接続した第二のセミブリッジ回路、上アームの半導体素子１２ｃと下アームの半導体素子１３ｃを直列接続した第三のセミブリッジ回路を並列接続した構成となっている。上アームの半導体素子１２ａ〜１２ｃにはそれぞれ並列に上アームのダイオード１７ａ〜１７ｃが接続されており、下アームの半導体素子１３ａ〜１３ｃにはそれぞれ並列に下アームのダイオード１８ａ〜１８ｃが接続されている。上アームの半導体素子のドレイン側は直流電源１４および平滑用コンデンサ１５の正極側（図２中Ｐで示す）に接続され、下アームの半導体素子のソース側は直流電源１４および平滑用コンデンサ１５の負極側（図２中Ｍで示す）に接続される。また、上アームの半導体素子と下アームの半導体素子の接続部（図２中Ｃで示す。中間側とも称する）はモータ１６に接続される。
ここでは３個のセミブリッジ回路を並列接続した回路構成を示したが、本発明はセミブリッジ回路の並列接続数にかかわらず適用することができる。また、ここでは半導体素子としてＭＯＳＦＥＴの例を示しているが、ＩＧＢＴ、サイリスタなどＭＯＳＦＥＴ以外の半導体素子を用いる場合も適用可能である。また、ここでは電力変換装置としてインバータを例に挙げたが、セミブリッジ回路を有するＤＣＤＣコンバータ回路やダイオードをブリッジ接続した整流回路に対しても本発明を適用可能である。なお、本願では、ＭＯＳＦＥＴのドレインや、ＩＧＢＴのコレクタなど、電圧の高い側に接続される極を正側の主極、ＭＯＳＦＥＴのソースや、ＩＧＢＴのエミッタなど、電圧の低い側に接続される極を負側の主極と呼ぶこととする。
電力変換装置１１の各セミブリッジ回路は複数の半導体を備えた半導体モジュールで構成されている。図１に示す本発明の実施の形態１による電力用半導体装置は、図２における１相分の上アームの半導体素子と下アームの半導体素子を直列接続した構造となっている。ヒートシンク５の上に半導体モジュール１が実装され、半導体モジュール１は正極側端子２、負極側端子３、中間側端子４を備え、各端子はモジュール内からモジュール外に引き出されている。そして、ヒートシンク５に電気的に接続された調整用電極６と板状の負極側端子３の間でコンデンサを形成している。
図３は本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の要部の内部構成を示す上面図である。図３では、後述する封止樹脂２５および中間側導体２０を取り除いた状態で下アームの半導体素子１３の部分のみを示している。図３以降では、上アームの半導体素子を正極側半導体素子１２、下アームの半導体素子を負極側半導体素子１３と表記する。図４は図１のＡ−Ａ線を含む面における断面を示す側面断面図である。図５は本発明の電力用半導体装置におけるセミブリッジ回路の構成における等価回路図である。図４に示すように正極側半導体素子１２は正側の主極が正極側表面電極８の上に接合され、負極側半導体素子１３は正側の主極が中間側表面電極９の上に接合されている。正極側端子２（図４には現れていない）は正極側表面電極８に接続され、負極側端子３は負極側半導体素子１３の負側の主極に接続され、中間側導体２０は中間側表面電極９と正極側半導体素子１２の負側の主極との間を接続する。中間側端子４は中間側導体２０と電気的に接続されている。正極側表面電極８および中間側表面電極９は絶縁基板１０の片面に形成されており、絶縁基板１０を介してヒートシンク５と接触している。このように電力用半導体の場合、冷却経路を確保するため薄い絶縁基板を介して表面電極をヒートシンクと接触させることが一般的である。また、半導体素子の製造プロセス上、ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン側（ＩＧＢＴの場合はコレクタ側、ダイオードの場合はカソード側）のように正側の主極が表面電極と接合されることが一般的なため、通常絶縁基板１０の表面には負極側の表面電極は形成されていない。半導体モジュール１は、表面電極に接合された半導体素子、絶縁基板、中間側導体などを封止樹脂２５で封止してモジュールが構成されている。
この構成では、負極側端子３と、ヒートシンク５に電気的に接続した調整用電極６との間で浮遊容量が形成される。調整用電極６とヒートシンク５の接続方法として、はんだを用いて接続してもよいが、ねじによる締結や圧着等によりはんだを用いずに接続してもよい。図５の等価回路図に示すコンデンサ３２は、調整用電極６と負極側端子３により形成される浮遊容量３２（調整用浮遊容量と称する）を示している。またコンデンサ３０は正極側表面電極８とヒートシンク５間に生じる浮遊容量３０（正極側浮遊容量）を示している。さらに、コンデンサ３１は、主に負極側半導体素子１３の正側の主極が接続されている中間側表面電極９とヒートシンク５とで形成される浮遊容量３１（中間側浮遊容量）を示している。ここで、コンデンサ３２の容量、すなわち調整用電極６と負極側端子３とにより形成される調整用浮遊容量３２と、コンデンサ３０の容量、すなわち正極側表面電極８とヒートシンク５間に生じる浮遊容量３０との差異が、例えば一般的なコンデンサの静電容量の誤差である±１０％以内となるように調整用電極６が設けられる。
図１および図４に示す構成では、調整用電極６は、負極側端子３との間で浮遊容量を形成するように板状の負極側端子３と対向する面を有し、半導体モジュール１の負極側端子３が伸びる方向と平行な側面で、負極側端子３に近い側の側面に沿ってヒートシンク５と接続されるように設けている。調整用電極６は、これに限らず図６に示すように、負極側端子３が設けられた側面とは反対側の側面から伸ばして、負極側端子３と対向する面を有するように設けても良い。さらに、調整用電極６は負極側端子３が設けられた側面から、負極側端子３と対向する面を有するように設けても良い。ヒートシンク５に電気的に接続され、負極側端子３と対向する面を有するように調整用電極６を設けることにより、調整用電極６と負極側端子３との間で浮遊容量が形成されるため、その幅や厚みに関わらず本発明の効果を得ることができる。ただし、調整用電極６の幅を負極側端子３の幅と同じかそれ以上にすることが好ましい。調整用電極６の幅をこのようにすることで、負極側端子３とヒートシンク５の間を低インダクタンスで接続することができ、本発明の効果を向上させることができる。
本実施の形態１では、図２に示すような電力変換装置１１において、セミブリッジ回路は図１に示すような半導体モジュール１で構成され、図３、図４、図６に示すような調整用電極６を設けて負極側端子３とヒートシンク５との間で調整用浮遊容量３２としてのコンデンサを形成する。正極側表面電極８とヒートシンク５の間の正極側浮遊容量３０と調整用浮遊容量３２の容量の差が、好ましくは±１０％以内となるように調整用電極６を設ける。これにより、片面冷却のヒートシンクによる構成でも、浮遊容量を正極側と負極側で平衡化させ、浮遊容量がノイズ除去用の静電容量成分として作用することで放射ノイズ低減効果を発揮することができる。また、負極側端子から伸ばした配線板を用いていないため、特許文献２に記載されているような電力用半導体装置と比較して、寄生インダクタンスが低減された構造となっている。このように、調整用電極以外の追加部品を用いずに、浮遊容量を正極側と負極側で平衡化させて、浮遊容量をノイズ除去用の静電容量成分として作用させることで放射ノイズ低減効果を発揮することができる。
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。調整用電極６は図７に示すように封止樹脂２５の中に設けてもよい。この構成は、負極側端子３の上まで封止樹脂２５を充填した後、負極側のみに調整用電極６を設置し、再度、封止樹脂２５を半導体モジュール１の中に充填することで、製造が可能である。図７では、調整用電極６は、半導体モジュール１の負極側端子３が伸びる方向と平行な側面で、かつ、負極側端子３に近い側の側面に沿わせてヒートシンク５と接続されているが、調整用電極６は負極側端子が設けられた側面に沿わせて、あるいは中間側端子４が設けられた側面に沿わせてヒートシンク５と接続するように設けても良い。調整用電極６は、ヒートシンク５と接続し、負極側端子３と対向する面を有するように設ければ良い。調整用電極６とヒートシンク５の接続方法として、はんだを用いて接続してもよいが、ねじによる締結や圧着等によりはんだを用いずに接続してもよい。調整用電極６と負極側端子３で形成されるコンデンサの浮遊容量３２は正極側表面電極８とヒートシンク５間に生じる正極側浮遊容量３０との差異が±１０％以内（一般的なコンデンサの静電容量の誤差）となるように設ける。
図８は、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の別の構成を示す側面断面図である。図８に示すように、調整用電極６全体が封止樹脂２５で覆われるようにしてもよい。本実施の形態２による電力用半導体装置の構成によれば、実施の形態１のような調整用電極６を半導体モジュール１の外に設けた場合に比べて、調整用電極６と負極側端子３の距離を近づけることができるため、より小さな面積の調整用電極６を用いて、浮遊容量を正極側と負極側で平衡化させることができ、浮遊容量をノイズ除去用の静電容量成分として作用させることで放射ノイズ低減効果を発揮することができる。
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。図９に示すように調整用電極６と負極側端子３の間に、封止樹脂２５と異なる誘電率を持つ誘電体２２を充填してもよい。例えば誘電体２２として高誘電率系のチタン酸バリウムや低誘電率系のアルミナ、酸化チタンやジルコン酸カルシウムなどの材料を用いてもよい。この構成は、負極側端子３の上まで封止樹脂２５を充填した後、別途形成した誘電体２２を負極側のみに設置し、再度、封止樹脂２５を半導体モジュール１の中に充填することで、製造が可能である。調整用電極６をヒートシンク５に接続する方向は、実施の形態１や実施の形態２で説明したいずれの方向でもよい。本実施の形態３においても、調整用電極６とヒートシンク５の接続方法として、はんだを用いて接続してもよいが、ねじによる締結や圧着等によりはんだを用いずに接続してもよい。調整用電極６と負極側端子３で形成されるコンデンサの浮遊容量３２は正極側表面電極８とヒートシンク５間に生じる正極側浮遊容量３０との差異が±１０％以内（一般的なコンデンサの静電容量の誤差）となるように設ける。
この構成によれば、誘電体２２の誘電率を高くすることで、調整用電極６と負極側端子３の間が封止樹脂２５のみの場合に比べて、浮遊容量を正極側と負極側で平衡化させるのに必要な調整用電極６の面積が小さくてよく、より小さな調整用電極６によって、放射ノイズ低減効果を発揮することができる。
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４による電力用半導体装置の構成を示す側面断面図である。図１０のように調整用電極６と負極側端子３の間に、いわゆる積層コンデンサのような積層構造２３を形成して、調整用電極６および積層構造２３、負極側端子３によって浮遊容量を形成してもよい。この構成は、負極側端子３の上まで封止樹脂２５を充填した後、別途形成した積層構造２３を負極側のみに設置し、再度、封止樹脂２５を半導体モジュール１の中に充填することで、製造が可能である。調整用電極６をヒートシンク５に接続する方向は、実施の形態１や実施の形態２で説明したいずれの方向でもよい。また、調整用電極６とヒートシンク５の接続方法として、はんだを用いて接続してもよいが、ねじによる締結や圧着等によりはんだを用いずに接続してもよい。調整用電極６と負極側端子３で形成されるコンデンサの浮遊容量３２は正極側表面電極８とヒートシンク５間に生じる正極側浮遊容量３０との差異が±１０％以内（一般的なコンデンサの静電容量の誤差）となるように設ける。
この構成によれば、積層構造２３を設けることで、調整用電極６と負極側端子３の間が封止樹脂２５のみの場合に比べて、浮遊容量を正極側と負極側で平衡化させるのに必要な調整用電極６の面積が小さくてよく、より小さな調整用電極６によって、放射ノイズ低減効果を発揮することができる。
実施の形態５．
以上の実施の形態１〜４では、符号１２の半導体素子が上アームの半導体素子、符号１３の半導体素子が下アームの半導体素子として説明した。本発明は、逆の構成にも適用可能である。すなわち図１１の等価回路図に示すように、符号１２の半導体素子が下アームの半導体素子、符号１３が上アームの半導体素子であってもよい。この場合、実施の形態１〜４で説明した正、負が全て逆になる。実施の形態１〜４の説明において、正を第一、負を第二と置き換え、第一が負、第二が正と読み替えれば、符号１２の半導体素子が下アームの半導体素子、符号１３が上アームの半導体素子の場合の説明となる。
すなわち、図１、図３、図４、および図６〜１０のいずれの図においても、それぞれの部材を、第一極側端子２、第二極側端子３、第一極側表面電極８、第一極側半導体素子１２、第二極側半導体素子１３と表現する。第一極が正、第二極が負、の場合は実施の形態１〜４の説明となる。これとは逆に、第一極が負、第二極が正の場合は、負極側半導体素子１２、正極側半導体素子１３、正極側端子３となる。この場合の電力用半導体装置の等価回路は図１１のようになり、図５の等価回路とは直列に接続される半導体素子１２と半導体素子１３の符号が逆になる。この構成においては、調整用電極６と正極側端子３の間に形成される調整用浮遊容量、すなわち図１１におけるコンデンサ３２の容量と、負極側表面電極８とヒートシンク５の間の浮遊容量（負極側浮遊容量。第一極側浮遊容量）、すなわち図１１におけるコンデンサ３０の容量とを平衡化することになる。このように、本発明は、半導体モジュール１の正、負がいずれの場合にも適用可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、あるいはその構成要件を省略したりすることが可能である。
１ 半導体モジュール、２ 正極側端子（第一極側端子）、３ 負極側端子（第二極側端子）、４ 中間側端子、５ ヒートシンク、６ 調整用電極、８ 正極側表面電極（第一極側表面電極）、９ 中間側表面電極、１０ 絶縁体、１１ 電力変換装置、１２、１２ａ〜１２ｃ 上アームの半導体素子（正極側半導体素子、第一極側半導体素子）、１３、１３ａ〜１３ｃ 下アームの半導体素子（負極側半導体素子、第二極側半導体素子）、１４ 直流電源、１５ 平滑用コンデンサ、１７、１７ａ〜１７ｃ 上アームのダイオード、１８、１８ａ〜１８ｃ 下アームのダイオード、２０ 中間側導体、２２ 誘電体、２３ 積層構造、２５ 封止樹脂、３０ 正極側浮遊容量（第一極側浮遊容量）、３１ 中間側浮遊容量、３２ 調整用浮遊容量。
この発明は、片面に第一極側表面電極と中間側表面電極が形成された絶縁基板と、第一極側表面電極に第一極側の主極が接合された第一極側半導体素子と中間側表面電極に第一極側の主極が接合された第二極側半導体素子と、中間側表面電極と第一極側半導体素子の第二極側の主極を接続する中間側導体と、絶縁基板の第一極側表面電極が形成された面とは反対側の面に接合されたヒートシンクと、第一極側半導体素子、第二極側半導体素子、絶縁基板、および中間側導体を封止する封止樹脂と、第二極側半導体素子の第二極側の主極に接続され封止樹脂の外側に延在する板状の第二極側端子を備えた電力用半導体装置において、ヒートシンクに接続され、封止樹脂、または導体と誘電体の積層構造を介して第二極側端子と対向配置された調整用電極を設けたものである。
１ 半導体モジュール、２ 正極側端子（第一極側端子）、３ 負極側端子（第二極側端子）、４ 中間側端子、５ ヒートシンク、６ 調整用電極、８ 正極側表面電極（第一極側表面電極）、９ 中間側表面電極、１０ 絶縁基板、１１ 電力変換装置、１２、１２ａ〜１２ｃ 上アームの半導体素子（正極側半導体素子、第一極側半導体素子）、１３、１３ａ〜１３ｃ 下アームの半導体素子（負極側半導体素子、第二極側半導体素子）、１４ 直流電源、１５ 平滑用コンデンサ、１７、１７ａ〜１７ｃ 上アームのダイオード、１８、１８ａ〜１８ｃ 下アームのダイオード、２０ 中間側導体、２２ 誘電体、２３ 積層構造、２５ 封止樹脂、３０ 正極側浮遊容量（第一極側浮遊容量）、３１ 中間側浮遊容量、３２ 調整用浮遊容量。

Claims (6)

  1. 片面に第一極側表面電極と中間側表面電極が形成された絶縁基板と、
    前記第一極側表面電極に第一極側の主極が接合された第一極側半導体素子と中間側表面電極に第一極側の主極が接合された第二極側半導体素子と、
    前記中間側表面電極と前記第一極側半導体素子の第二極側の主極を接続する中間側導体と、
    前記絶縁基板の前記第一極側表面電極が形成された面とは反対側の面に接合されたヒートシンクと、
    前記第一極側半導体素子、前記第二極側半導体素子、前記絶縁基板、および前記中間側導体を封止する封止樹脂と、
    前記第二極側半導体素子の第二極側の主極に接続され前記封止樹脂の外側に伸びる板状の第二極側端子を備えた電力用半導体装置において、
    前記ヒートシンクに接続され、前記第二極側端子と対向する面を有するように設置された調整用電極を設けたことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 前記第一極側表面電極と前記ヒートシンクとの間の浮遊容量の値と、前記調整用電極と前記第二極側端子との間の浮遊容量の値との差が１０％以内となるように前記調整用電極を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記調整用電極は、前記第二極側端子と対向する面との間に前記封止樹脂が挟まれるように設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記調整用電極の少なくとも一部が前記封止樹脂で覆われたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記調整用電極と前記第二極側端子との間に前記封止樹脂よりも誘電率が高い誘電体を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記調整用電極と前記第二極側端子との間に導体と誘電体の積層構造を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
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