WO2015121899A1 - 電力用半導体モジュール - Google Patents

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power semiconductor
semiconductor module
positive
wiring pattern
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美子 玉田
純一 中嶋
中山　靖
林田　幸昌
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a current imbalance suppression technique for a power semiconductor module used in a power conversion device such as an inverter that is required to be downsized.
  • Insulated power semiconductor modules used in power converters such as inverters have a wiring pattern formed on a metal plate serving as a heat sink via an insulating layer, and a power semiconductor element that performs switching operation is provided thereon. ing. This power semiconductor element is connected to an external terminal and sealed with resin.
  • Di / dt Di / dt
  • a power semiconductor module suitable for the power capacity is selected, or if there is no suitable power capacity, a plurality of power semiconductor modules have been connected in parallel. It was. However, when a plurality of power semiconductor modules are connected in parallel, it is necessary to increase the footprint because it is necessary to separate the modules in order to ensure an insulation distance.
  • Patent Document 1 In order to solve this drawback, there is one in which power semiconductor elements are arranged in parallel in the same package (for example, see Patent Document 1). As in Patent Document 1, even if a plurality of external terminals are provided for connection to an external circuit, terminals of a plurality of power semiconductor elements arranged in parallel in the same package are external terminals in the package. When connected together, there is not much effect in reducing inductance, and di / dt at the time of OFF increases with an increase in current capacity, so that surge voltage increases and power semiconductor elements may be destroyed. .
  • the inventor has invented a power semiconductor module having a plurality of external terminals and a plurality of circuits arranged in parallel inside the power semiconductor module in order to reduce the inductance of the power semiconductor element (for example, Patent Documents). 2).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • substrates on which different wiring patterns are mounted are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetric.
  • a power semiconductor module capable of suppressing current imbalance while maintaining a low inductance is obtained.
  • a power semiconductor module comprises a self-extinguishing semiconductor element connected in series, a positive / negative arm having a series connection point of the self-extinguishing semiconductor element, and a positive electrode side connected to the positive / negative arm A substrate on which a plurality of wiring patterns connecting the self-extinguishing semiconductor element of the positive and negative arms and the positive electrode, the negative electrode, and the AC electrode are formed.
  • the direction of the current flowing through the adjacent wiring patterns is the same, and one of the wiring patterns is arranged mirror-symmetrically with respect to the other wiring pattern.
  • the substrates on which different wiring patterns are mounted are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetric, the current flowing between the adjacent wiring patterns is made uniform, and between the substrates and between the power semiconductor elements. Current imbalance can be suppressed.
  • 1 is a schematic top view of a power semiconductor module according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic side view of a power semiconductor module according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic side view of a power semiconductor module according to a first embodiment of the present invention. It is the upper surface schematic diagram which removed the main electrode of the semiconductor module for electric power of Embodiment 1 of this invention. It is an equivalent circuit diagram of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention. It is a current pathway figure at the time of the commutation which flows into the wiring pattern etc. of the insulated substrate of the negative electrode side of the power semiconductor module of Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a power semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic side view of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention. 2 shows a schematic side view when viewed from the X side in FIG. 1, and FIG. 3 shows a schematic side view when viewed from the Y side in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic top view of the power semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention from which main electrodes (positive electrode, negative electrode, and AC electrode) have been removed.
  • FIG. 1 is a schematic top view of a power semiconductor module according to Embodiment 1 of the present invention from which main electrodes (positive electrode, negative electrode, and AC electrode) have been removed.
  • main electrodes positive electrode, negative electrode, and AC electrode
  • FIG. 4 shows a chip layout of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free wheel diode 7 with the main electrode removed from FIG.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • the direction viewed from the X side is the X direction
  • the direction viewed from the Y side is the Y direction.
  • a power semiconductor module 100 includes a base plate 1, an insulating substrate 2 as a substrate, a drain (collector) wiring pattern 3, a source (emitter) wiring pattern 4, and a ceramics insulating substrate. 5, self-extinguishing semiconductor element 6, freewheeling diode 7, solder 9, positive electrode 10 as a positive electrode, negative electrode 11 as a negative electrode, AC electrode 12, bonding wire 21 as a wiring material, positive electrode 10 A positive electrode terminal 40 that is a terminal portion of the negative electrode 11, an AC terminal 42 that is a terminal portion of the AC electrode 12, a sealing material 50, a case 51, a lid 52, and a nut 53.
  • the power semiconductor module 100 has one surface of the base plate 1 that is a metal radiator that dissipates heat generated by the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 constituting the power semiconductor module 100.
  • a ceramic insulating substrate 5 which is an insulating material to which metal foil is bonded by brazing or the like, is bonded by solder 9.
  • wiring patterns 3 and 4 are bonded to the surface of the ceramic insulating substrate 5 opposite to the surface bonded to the base plate 1 by brazing or the like with a metal foil.
  • the insulating substrate 2 is constituted by the ceramic insulating substrate 5 and the wiring patterns 3 and 4 to which the metal foil is bonded.
  • the material of the insulating substrate is not limited to ceramics, and may be a metal substrate using a resin insulating material.
  • a metal substrate using a resin insulating material instead of using a plurality of insulating substrates for positive and negative arms, for example, a single metal substrate is used, and a wiring pattern is formed on the metal substrate so as to be mirror-symmetrical. A plurality can be formed and used. The same effect can be obtained even with a metal substrate using such a resin insulating material.
  • the wiring patterns are arranged so as to be mirror-symmetric when viewed from above, and the mirror-symmetric reference line is set between the wiring patterns that are mirror-symmetric.
  • a self-extinguishing semiconductor element 6 and a free-wheeling diode 7 are formed by solder 9 on the surface of the drain (collector) wiring pattern 3 and the source (emitter) wiring pattern 4 facing the surface where the ceramic insulating substrate 5 is bonded. It is joined. Further, a positive electrode 10, a negative electrode 11, and an AC electrode 12 are joined to the drain (collector) wiring pattern 3 and the source (emitter) wiring pattern 4.
  • solder 9 is used as a bonding material, the bonding material is not limited to solder, and other bonding methods may be used.
  • the positive electrode 10, the negative electrode 11, and the AC electrode 12 are respectively connected to an external circuit on the module upper surface, a positive terminal 40 that is a terminal portion of the positive electrode 10, and a terminal of the negative electrode 11.
  • the negative electrode terminal 41 which is a part and the alternating current terminal 42 which is a terminal part of the alternating current electrode 12 are provided.
  • the positive terminal 40, the negative terminal 41, and the AC terminal 42 have holes for screw insertion, and a case in which a nut is embedded is installed under these terminals.
  • the power semiconductor module 100 is surrounded by a case 51, and a sealing material 50 is injected into the case 51 in order to insulate the inside of the case 51. Thereafter, the lid 52 is fitted into the case 51 and bonded with an adhesive or the like.
  • the source (emitter) wiring pattern 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 and the surface not soldered are joined to the wiring pattern or the like by the bonding wire 21.
  • a wire is used as the wiring material, it is not limited to a wire and may be formed by other joining methods.
  • a parallel circuit called an arm in which a self-extinguishing semiconductor element 6 and a free-wheeling diode 7 are connected in antiparallel as power semiconductor elements is connected in series in the power semiconductor module 100.
  • the positive arm, the negative arm, that is, one phase of the power conversion circuit is configured.
  • the power semiconductor module 100 of the present embodiment is a power semiconductor module generally called “2 in 1” having a positive arm and a negative arm in the same case (same package).
  • the case is the outer shape of the power semiconductor module.
  • the case is referred to as a case.
  • the outer peripheral portion of the resin serves as a case and performs the same function.
  • the power semiconductor module 100 includes a positive arm and a negative arm, and is divided into a total of four blocks, two for each positive and negative arm as surrounded by a dotted line.
  • each block includes a plurality of parallel-connected self-extinguishing semiconductor elements 6 and a plurality of parallel-connected free-wheeling diodes 7 in antiparallel. Is connected to.
  • the positive block 102 and the negative block 112 are illustrated in a simplified manner, but have the same configuration as the positive block 101 and the negative block 111.
  • the self-extinguishing semiconductor element 6 is represented as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor, Field-Effect Transistor), but the self-extinguishing semiconductor element 6 is limited to a MOSFET. Any other self-extinguishing semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a bipolar transistor may be used. Further, in the present embodiment, a diode element such as a Schottky barrier diode is provided externally to the self-extinguishing semiconductor element 6 as the free-wheeling diode 7. Or a parasitic diode.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor, Field-Effect Transistor
  • a gate control circuit for the self-extinguishing semiconductor element 6 is shown in the equivalent circuit of FIG. 5, and a positive side gate 13G, a positive side control source 13E, a negative side gate 14G, and a negative side control source 14E are shown as terminals.
  • FIGS. 1 to 4 relating to the internal structure of the module only the structure relating to the circuit of the main circuit is shown, and the structure relating to the control circuit is omitted and simplified.
  • a wiring pattern for controlling the self-extinguishing semiconductor element 6 is formed on the insulating substrate 2, and a gate or control source electrode on the self-extinguishing semiconductor element 6 and a gate or A control source electrode is electrically connected, and is exposed to the upper surface of the power semiconductor module, and has a mechanism that can be connected to an external conductor.
  • the wiring pattern of the control circuit is likely to be induced by the main circuit current of the self-extinguishing semiconductor element 6, that is, the current flowing in the wiring patterns 3 and 4, the wiring pattern of the control circuit is used to suppress current imbalance. It is desirable that the gate and the control source be parallel to each other.
  • Si Si
  • SiC Sicon Carbide
  • GaN GaN
  • diamond diamond
  • the insulating substrate 2 in which two types of wiring patterns 3, 4 on which a plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6 and a plurality of free-wheeling diodes 7 are mounted is divided into a block 101 and a block 102. These are connected in parallel through the main electrodes of the positive electrode 10 and the AC electrode 12 to form a positive arm.
  • the insulating substrate 2 in which the arrangement of the two kinds of wiring patterns 3 and 4 on which the plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6 and the plurality of free-wheeling diodes 7 are mounted is the block 111 and the block 112. These are connected in parallel via the main electrodes of the AC electrode 12 and the negative electrode 11 to form a negative arm.
  • FIG. 6 is a current path diagram at the time of commutation flowing through the wiring pattern of the insulating substrate on the negative electrode side of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • 6A shows the negative arm portion when the insulating substrate 2 (mirror-symmetric insulating substrate) having a mirror-symmetrical wiring pattern is arranged side by side
  • FIG. 6B shows the same wiring pattern.
  • the portion of the negative arm when the insulating substrates 2 (same insulating substrates) are arranged side by side is shown in FIG. 6C.
  • the part of the negative arm in the case where 2 (mirror-symmetric insulating substrate) are arranged side by side is shown.
  • the direction of di / dt on the current path when the self-extinguishing semiconductor element 6 is turned on is indicated by an arrow.
  • the interaction between the wiring patterns of the adjacent insulating substrates 2 occurs due to di / dt indicated by the thick arrow.
  • the direction of the thick line arrow indicating the di / dt of the current flowing between the adjacent wiring patterns is opposite.
  • di / dt is large, such as when the self-extinguishing semiconductor element 6 is turned on / off, there is an effect of canceling out magnetic fluxes generated by currents flowing in the opposite directions.
  • the source wiring pattern 4 indicated by the thin line arrow of the self-extinguishing semiconductor element 6 on the right insulating substrate 2 the source wiring pattern 4 is not adjacent to the source wiring pattern 4 of the adjacent insulating substrate 2.
  • the parasitic inductance of the source wiring pattern 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 of the left insulating substrate 2 is smaller than that of the source wiring pattern 4 of the right insulating substrate 2.
  • the parasitic inductance is unbalanced between the insulating substrates 2 arranged on the left and right.
  • the thick line indicating the di / dt of the current flowing between the adjacent wiring patterns The directions of the arrows are the same, and the effect of canceling the magnetic flux generated when di / dt is large cannot be obtained. Therefore, the parasitic inductance generated in the current path indicated by the thick-line arrow indicates that the insulating substrate 2 having the same wiring pattern is placed sideways when the insulating substrates 2 having the wiring pattern having a mirror symmetry are arranged side by side. It turns out that it becomes larger than the case where it arranges.
  • the gate voltage of the self-extinguishing semiconductor element 6 Variations, that is, imbalance of currents flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 pose a problem.
  • This current imbalance needs to be reduced because it affects the life of the power semiconductor module in a power cycle or the like.
  • the variation in the gate voltage that is the cause of the current imbalance is often caused by the variation in the source (emitter) potential of the self-extinguishing semiconductor element 6.
  • the degree of imbalance of the parasitic inductance of the source wiring pattern 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 between the adjacent insulating substrates 2 is different.
  • the gate voltage that is, the current of the self-extinguishing semiconductor element 6 mounted on the insulating substrate 2 of FIG. 6B
  • an imbalance occurs in FIG. 6B, but an imbalance hardly occurs in FIG. That is, an effect of suppressing an imbalance of current flowing in the self-extinguishing semiconductor element 6 between the adjacent insulating substrates 2 can be obtained by the mirror-symmetric wiring pattern.
  • the source wiring pattern 4 is generated because the source wiring pattern 4 is not close to the adjacent insulating substrate 2, the current flowing in the reverse direction to the adjacent wiring pattern in the substrate is small, and the current conduction distance is short. The effect of canceling out the magnetic fluxes to each other is small.
  • the wiring patterns are mirror-symmetrical, the interaction received by the source wiring patterns 4 of the left and right insulating substrates 2 is the same, and the parasitic inductances of these wiring patterns are the same as in the case of FIG. Since the balance hardly occurs, it is possible to suppress the unbalance of the current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6.
  • the current imbalance between the insulating substrates 2 can be suppressed by arranging the wiring patterns in mirror symmetry.
  • the wiring pattern arrangement is not limited to that shown in FIGS. 6A and 6C, and any wiring pattern may be used as long as it is a mirror-symmetric arrangement.
  • the parasitic inductance of the source wiring pattern 4 or the main electrode configured in series with the parasitic inductance L that causes this variation is large, the parasitic inductance L is relatively small, and the variation of the source potential is also small. As a result, it is possible to suppress unbalance of currents flowing through the plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6.
  • the di / dt flowing in the adjacent wiring pattern is more likely when the mirror-symmetric insulating substrates of the present invention are arranged side by side than when the same insulating substrates are arranged side by side.
  • the parasitic inductance of the current path indicated by the thick-line arrows connected in series is increased, the parasitic inductance L is relatively reduced and the variation in the source potential can be reduced.
  • variations in the gate voltage of the plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6 are suppressed, and an effect of suppressing current imbalance of the plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6 is obtained.
  • the current unbalance effect in the self-extinguishing semiconductor element 6 is obtained when the wiring patterns as shown in FIGS. 6A and 6C are mirror-symmetrically arranged.
  • the insulating substrate 2 of the same arm is arranged in parallel in the Y direction shown in FIG. 1, and the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free wheel diode 7 are also arranged on the insulating substrate 2 in the Y direction. Since they are aligned, di / dt of the thick arrow described above is in the Y direction, and di / dt of the very thick arrow is in the X direction. Therefore, the inductance of the current path indicated by the thick arrow is not affected by the interaction suppression due to the mirror-symmetric arrangement of the insulating substrate 2.
  • the current path flowing in the same direction as the alignment direction of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the current path ahead intersect at right angles, thereby increasing the parasitic inductance in the X direction. Since the parasitic inductance in the Y direction can be made relatively small, an effect of suppressing current imbalance can be obtained.
  • FIG. 6C Although the parasitic inductance in the X direction is not as large as in FIG. 6A, the parasitic inductance in the X direction is larger than that in FIG. Since the parasitic inductance in the Y direction can be reduced, an effect of suppressing current imbalance can be obtained.
  • the insulating substrate 2 constituting the positive arm and the negative arm is disposed to face the X direction.
  • the insulating substrate 2 constituting each arm can be composed of two types having the same mirror symmetry.
  • two methods of constructing the positive arm and the negative arm there are two methods of constructing the positive arm and the negative arm.
  • the positive electrode block 101 and the negative electrode block 111 have the same wiring pattern
  • the positive electrode block 102 and the negative electrode block 112 have the same wiring pattern.
  • the substrate 2 is rotated 180 ° and arranged so as to face the X direction.
  • FIG. 7 is a current path diagram at the time of commutation flowing through the wiring pattern or the like of the insulating substrate of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • the direction of di / dt in the current path (excluding the main electrode) of the positive arm and the negative arm of the power semiconductor module 100 of the present embodiment is indicated by arrows.
  • FIG. 8 is a current path diagram at the time of commutation flowing through a wiring pattern or the like of an insulating substrate of another power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • the direction of di / dt in the current path (excluding the main electrode) of the positive arm and the negative arm of the power semiconductor module 110 of the present embodiment is indicated by arrows.
  • FIG. 8 shows another configuration example in which the arrangement of the positive arms is different from the configuration example shown in FIG.
  • the positive electrode block 101, the negative electrode block 112, the positive electrode block 102, and the negative electrode block 111 are the structures using the insulated substrate 2 comprised with the same wiring pattern, respectively. That is, in the configuration of FIG. 8, the insulating substrate 2 adjacent to the positive arm and the negative arm is also mirror-symmetric.
  • the current path shown in FIGS. 7 and 8 indicates di / dt on the current path when a large di / dt occurs during commutation when the self-extinguishing semiconductor element 6 of the negative arm is turned on. .
  • the current path during commutation is such that the positive electrode side passes through the self-extinguishing semiconductor element 6 and the negative electrode side passes through the freewheeling diode 7. 8 differs from FIG. 8 in that the current path flowing through the wiring pattern of the insulating substrate 2 is substantially the same.
  • the di / dt direction of the thick line arrow of the source wiring pattern 4 is not adjacent between the adjacent insulating substrates 2 in the positive arm with respect to the direction of di / dt shown in the drawing.
  • the configuration is the same as that shown in (c). Since the source wiring pattern 4 is not close to the adjacent insulating substrate 2 and the current flowing in the reverse direction to the adjacent wiring pattern in the same insulating substrate 2 is small and the conduction distance of the current is short, the generated magnetic fluxes are mutually connected. The effect of counteracting is small. However, because of the mirror-symmetrical arrangement, the interaction received by the source wiring patterns 4 arranged on the left and right insulating substrates 2 is equivalent, and the current imbalance suppression effect can be obtained as in the case of FIG.
  • the negative arm has the same configuration as that shown in FIG. 6A, and because the source wiring pattern 4 is adjacent, the direction of di / dt becomes the same, and the parasitic inductance of the current path indicated by the thick line arrow As a result, the same effect as the negative electrode current imbalance suppression effect shown in FIG. 6A can be obtained.
  • the current path indicated by the thick line arrow is adjacent to the adjacent insulating substrate of the positive arm and the negative arm (mirror symmetry), and the di / dt direction of the flowing current is opposite, indicating the thick line arrow. The parasitic inductance generated in the current path is reduced.
  • the parasitic inductance of the current path indicated by the thick line arrow is compared with the parasitic inductance of the current path indicated by the very thick arrow. Therefore, the inductance becomes relatively small and the variation in the source potential can be reduced, so that the imbalance of the current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 can be suppressed.
  • both the positive arm and the negative arm can perform the same operation as the negative electrode side shown in FIG. Therefore, the current path indicated by the thick line arrow of the source wiring 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 or the free wheel diode 7 has no effect of canceling the magnetic flux generated by di / dt between the adjacent insulating substrates 2.
  • the parasitic inductance at the arrow is large. Therefore, in both the positive arm and the negative arm, the parasitic inductance of the current path indicated by the thick arrow increases, so that the parasitic inductance of the current path indicated by the thick arrow becomes relatively small and the source potential varies.
  • the same effect as the effect of suppressing the unbalance of the current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 can be obtained even on the positive electrode side.
  • the positive arm and the negative arm have the same wiring pattern arrangement, the direction of the thick arrow is the same, and the parasitic inductance increases in this portion.
  • the increase amount of the parasitic inductance in the thick line portion is smaller than the increase amount of the parasitic inductance in the very thick arrow portion, and does not affect the variation of the source potential.
  • all the opposing wiring patterns in the module are the same, the operation balance within the power semiconductor module is uniform, and stable operation as a power semiconductor module is possible. As described above, in any of the configurations of FIGS.
  • FIG. 7 and 8 it is possible to obtain an effect of suppressing current imbalance.
  • the positive arm and the negative arm have different configurations.
  • the negative arm is the same as the positive arm, that is, the same configuration can be applied to the left-right reversed configuration of FIG. 8 (using the negative arm of FIG. 7).
  • the effect of suppressing current imbalance can be obtained.
  • the main electrode is arranged in such a manner that the positive electrode 10, the negative electrode 11, and the AC electrode 12 are stacked, so that there is one terminal of the power semiconductor module.
  • the positive electrode 10 and the AC electrode 12 or the AC electrode 12 and the negative electrode 11 are laminated from the insulating substrate, and the positive electrode 10 and the negative electrode 111 are laminated on the upper part of the power semiconductor module. It is possible to reduce the parasitic inductance.
  • the substrates on which different wiring patterns are mounted are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetric, the current flowing between the adjacent wiring patterns can be made uniform. it can. As a result, current imbalance between the substrates and between the power semiconductor elements can be suppressed, and the reliability of the power semiconductor module can be improved.
  • the number of substrates constituting the power semiconductor module can be reduced, and current imbalance between the substrates and between the power semiconductor elements. This makes it possible to reduce the cost of the power semiconductor module.
  • a plurality of different wiring patterns are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetric on one substrate, so that the number of substrates can be reduced, The cost of the power semiconductor module can be reduced while suppressing the current imbalance between the power semiconductor elements.
  • FIG. The second embodiment is different in that a plurality of pairs of positive and negative arms having a pair of mirror symmetry used in the first embodiment are arranged. By arranging a plurality of pairs of positive and negative arms having mirror symmetry in this way, it is possible to suppress an imbalance of current flowing through the self-extinguishing semiconductor element in each mirror symmetry portion.
  • FIG. 9 is a schematic top view of the power semiconductor module according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic side view of the power semiconductor module according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic side view of the power semiconductor module according to the second embodiment of the present invention. 10 shows a schematic side view when viewed from the X side in FIG. 9, and FIG. 11 shows a schematic side view when viewed from the Y side in FIG.
  • FIG. 12 is a schematic top view of the power semiconductor module according to Embodiment 2 of the present invention from which main electrodes (positive electrode, negative electrode, and AC electrode) have been removed.
  • FIG. 1 positive electrode, negative electrode, and AC electrode
  • FIG. 12 shows a chip layout of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 by removing the main electrode from FIG.
  • FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention.
  • the direction viewed from the X side is the X direction
  • the direction viewed from the Y side is the Y direction.
  • the power semiconductor module 200 of the second embodiment includes a base plate 1, an insulating substrate 2 as a substrate, a drain (collector) wiring pattern 3, a source (emitter) wiring pattern 4, and a ceramics insulating substrate. 5, self-extinguishing semiconductor element 6, freewheeling diode 7, solder 9, positive electrode 10 as a positive electrode, negative electrode 11 as a negative electrode, AC electrode 12, bonding wire 21 as a wiring material, positive electrode 10 A positive electrode terminal 40 that is a terminal portion of the negative electrode 11, an AC terminal 42 that is a terminal portion of the AC electrode 12, a sealing material 50, a case 51, a lid 52, and a nut 53.
  • the power semiconductor module 200 has one surface of the base plate 1 that is a metal radiator that dissipates heat generated by the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free wheeling diode 7 constituting the power semiconductor module 200.
  • a ceramic insulating substrate 5 which is an insulating material to which metal foil is bonded by brazing or the like, is bonded by solder 9.
  • wiring patterns 3 and 4 are bonded to the surface of the ceramic insulating substrate 5 opposite to the surface bonded to the base plate 1 by brazing or the like with a metal foil.
  • the insulating substrate 2 is constituted by the ceramic insulating substrate 5 and the wiring patterns 3 and 4 to which the metal foil is bonded.
  • the material of the insulating substrate is not limited to ceramics, and may be a metal substrate using a resin insulating material.
  • a metal substrate using a resin insulating material instead of using a plurality of insulating substrates for positive and negative arms, for example, a single metal substrate is used, and a wiring pattern is formed on the metal substrate so as to be mirror-symmetrical. A plurality can be formed and used. The same effect can be obtained even with a metal substrate using such a resin insulating material.
  • a self-extinguishing semiconductor element 6 and a free-wheeling diode 7 are formed by solder 9 on the surface of the drain (collector) wiring pattern 3 and the source (emitter) wiring pattern 4 facing the surface where the ceramic insulating substrate 5 is bonded. It is joined. Further, a positive electrode 10, a negative electrode 11, and an AC electrode 12 are joined to the drain (collector) wiring pattern 3 and the source (emitter) wiring pattern 4.
  • solder 9 is used as a bonding material, the bonding material is not limited to solder, and other bonding methods may be used.
  • the positive electrode 10, the negative electrode 11, and the AC electrode 12 are respectively connected to an external circuit on the module upper surface, a positive terminal 40 that is a terminal portion of the positive electrode 10, and a terminal of the negative electrode 11.
  • the negative electrode terminal 41 which is a part and the alternating current terminal 42 which is a terminal part of the alternating current electrode 12 are provided.
  • the positive terminal 40, the negative terminal 41, and the AC terminal 42 have holes for screw insertion, and a case in which a nut is embedded is installed under these terminals.
  • the power semiconductor module 200 is surrounded by a case 51, and a sealing material 50 is injected into the case 51 in order to insulate the inside of the case 51. Thereafter, the lid 52 is fitted into the case 51 and bonded with an adhesive or the like.
  • the source (emitter) wiring pattern 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 and the surface not soldered are joined to the wiring pattern or the like by the bonding wire 21.
  • a wire is used as the wiring material, it is not limited to a wire and may be formed by other joining methods.
  • a parallel circuit called an arm in which a self-extinguishing semiconductor element 6 and a free-wheeling diode 7 are connected in antiparallel as power semiconductors is connected in series in the power semiconductor module 200.
  • the positive and negative arms, that is, one phase of the power conversion circuit is configured.
  • the power semiconductor module 200 of the present embodiment is a power semiconductor module generally called “2 in 1” having a positive arm and a negative arm in the same case (same package).
  • the case is the outer shape of the power semiconductor module.
  • the case is referred to as a case.
  • the outer peripheral portion of the resin serves as a case and performs the same function.
  • the power semiconductor module 200 includes a positive arm and a negative arm, and is divided into a total of 8 blocks of 4 for each of the positive and negative arms as surrounded by a dotted line.
  • each block includes a plurality of parallel-connected self-extinguishing semiconductor elements 6 and a plurality of parallel-connected free-wheeling diodes 7 in antiparallel. Is connected to.
  • the blocks 102 to 104 on the positive electrode side and the blocks 112 to 114 on the negative electrode side are illustrated in a simplified manner, but have the same configuration as the block 101 on the positive electrode side and the block 111 on the negative electrode side.
  • the self-extinguishing semiconductor element 6 is represented as a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor, Field-Effect Transistor), but the self-extinguishing semiconductor element 6 is limited to a MOSFET. Any other self-extinguishing semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a bipolar transistor may be used. Further, in the present embodiment, a diode element such as a Schottky barrier diode is provided externally to the self-extinguishing semiconductor element 6 as the free-wheeling diode 7. Or a parasitic diode.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor, Field-Effect Transistor
  • a gate control circuit of the self-extinguishing semiconductor element 6 is described in the equivalent circuit of FIG. 13, and a positive side gate 13G, a positive side control source 13E, a negative side gate 14G, and a negative side control source 14E are shown as terminals.
  • FIGS. 9 to 12 relating to the internal structure of the module only the structure relating to the circuit of the main circuit is shown, and the structure relating to the control circuit is omitted and simplified.
  • a wiring pattern for controlling the self-extinguishing semiconductor element 6 is formed on the insulating substrate 2, and the gate or control source electrode of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the gate or control for connection to the outside are provided.
  • a source electrode is electrically connected, exposed to the upper surface of the power semiconductor module, and provided with a mechanism that can be connected to an external conductor.
  • the wiring pattern of the control circuit is likely to be induced by the main circuit current of the self-extinguishing semiconductor element 6, that is, the current flowing in the wiring patterns 3 and 4, the wiring pattern of the control circuit is used to suppress current imbalance. It is desirable that the gate and the control source be parallel to each other. Further, not only Si (Silicon) but also semiconductor elements using SiC (Silicon Carbide), GaN (Gallium Nitride), or diamond as raw materials as the material of the semiconductor element can be obtained. In particular, when SiC, GaN, or the like capable of high-speed operation is used, a more remarkable effect can be obtained.
  • the power semiconductor module 200 includes a positive arm and a negative arm, and is divided into a total of 8 blocks of 4 for each of the positive and negative arms as surrounded by a dotted line. That is, the number of blocks is different from the first embodiment.
  • the insulating substrates 2 having different arrangements of the two kinds of wiring patterns 3 and 4 on which a plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6 and a plurality of free-wheeling diodes 7 are mounted constitute blocks 101 to 104. Then, they are connected in parallel via the main electrodes of the positive electrode 10 and the AC electrode 12 to constitute a positive arm. Similarly, on the negative electrode side, the insulating substrates 2 having different arrangements of the two kinds of wiring patterns 3 and 4 on which a plurality of self-extinguishing semiconductor elements 6 and a plurality of free-wheeling diodes 7 are mounted constitute blocks 111 to 114.
  • the insulating substrate 2 is connected to the source (emitter) of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the anode of the free-wheeling diode 7 by the wiring pattern 3 and the bonding wire 21 on which the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 are mounted.
  • FIG. 14 is a current path diagram at the time of commutation flowing through the wiring pattern of the insulating substrate on the negative electrode side of the power semiconductor module according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14A shows the negative arm portion when the insulating substrate 2 (mirror-symmetric insulating substrate) having a mirror-symmetrical wiring pattern is arranged side by side
  • FIG. 14B shows the same wiring pattern.
  • the portion of the negative arm in the case where the insulating substrates 2 (same insulating substrates) as the arrangement are arranged side by side is shown.
  • the effect of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the direction of di / dt on the current path when the self-extinguishing semiconductor element 6 is turned on is indicated by an arrow.
  • the interaction between the wiring patterns of the adjacent insulating substrates 2 occurs due to di / dt indicated by the thick arrow.
  • the direction of the thick arrow indicating the di / dt of the current flowing between the adjacent wiring patterns is opposite.
  • di / dt is large, such as when the self-extinguishing semiconductor element 6 is turned on / off, there is an effect of canceling out magnetic fluxes generated by currents flowing in the opposite directions.
  • the source wiring pattern 4 indicated by the thin line arrow of the self-extinguishing semiconductor element 6 on the leftmost insulating substrate 2 the source wiring pattern 4 is not close to the source wiring pattern 4 of the adjacent insulating substrate 2.
  • the effect of canceling the generated magnetic fluxes is small. That is, when compared between the insulating substrates 2, the parasitic wiring inductance of the source wiring pattern 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 on the leftmost insulating substrate 2 is larger than that of the source wiring pattern 4 of the other right insulating substrate 2. Therefore, current imbalance occurs between the insulating substrates 2 arranged on the same base plate 1.
  • the thick line arrows indicating the di / dt of the current flowing between adjacent wiring patterns The directions are the same, and the effect of canceling the magnetic flux generated when di / dt is large cannot be obtained. Therefore, the parasitic inductance generated in the current path indicated by the thick-line arrow indicates that the insulating substrate 2 having the same wiring pattern is placed sideways when the insulating substrates 2 having the wiring pattern having a mirror symmetry are arranged side by side. It turns out that it becomes larger than the case where it arranges.
  • the wiring patterns are mirror-symmetrically arranged, so that the self-extinguishing type of the insulating substrate 2 is provided.
  • the interaction received by the source wiring pattern 4 of the semiconductor element 6 is the same between the pair of left and right insulating substrates 2 and the parasitic inductance is the same.
  • current imbalance is unlikely to occur between the pair of left and right insulating substrates 2.
  • the source wiring pattern 4 is adjacent to one location, but the same current can be obtained by arranging the insulating substrate 2 so that the source wiring pattern 4 is adjacent to two locations. An unbalance suppression effect can be obtained.
  • the degree of unbalance of the parasitic inductance of the source wiring pattern 4 of the self-extinguishing semiconductor element 6 between the adjacent insulating substrates 2 is different.
  • the gate voltage that is, the current of the self-extinguishing semiconductor element 6 mounted between the insulating substrates 2 disposed on the base plate 1
  • the wiring pattern is not disposed mirror-symmetrically.
  • FIG. 14A the wiring pattern is arranged mirror-symmetrically, so that current imbalance hardly occurs. That is, an effect of suppressing an imbalance of current flowing in the self-extinguishing semiconductor element 6 between the adjacent insulating substrates 2 can be obtained by the mirror-symmetric wiring pattern.
  • the current of the self-extinguishing semiconductor element 6 is determined by the gate voltage, in the power semiconductor module in which the self-extinguishing semiconductor elements are arranged in multiple parallels, Variations in the gate voltage of the self-extinguishing semiconductor element 6, that is, an imbalance in current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 poses a problem.
  • This current imbalance needs to be reduced because it affects the life of the power semiconductor module in a power cycle or the like.
  • the gate voltage variation that is the cause of this current imbalance is often caused by variations in the source (emitter) potential of the self-extinguishing semiconductor element 6.
  • the parasitic inductance of the source wiring pattern 4 or the main electrode configured in series with the parasitic inductance causing the variation is large, the parasitic inductance L is relatively small, and the variation of the source potential is also small.
  • the imbalance of the current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 can be suppressed.
  • the direction of the current flowing in the adjacent wiring pattern is unified in the case where the mirror-symmetric insulating substrates of the present invention are arranged than in the case where the same insulating substrates are arranged side by side.
  • the parasitic inductance of the current path indicated by the thick-line arrows connected in series is increased, so that the parasitic inductance L is relatively reduced and the variation in source potential can be reduced.
  • variations in the gate voltage of the self-extinguishing semiconductor element 6 are suppressed, and an effect of suppressing current imbalance in the self-extinguishing semiconductor element 6 is obtained.
  • the insulating substrates 2 of the same arm are arranged in parallel in the Y direction shown in FIG. 6 and the free-wheeling diode 7 are also aligned in the Y direction on the insulating substrate 2, so that the current path indicated by the thick arrow is in the Y direction and the current path indicated by the very thick arrow is in the X direction. Yes. Therefore, the inductance of the current path indicated by the thick arrow is not affected by the interaction suppression due to the mirror-symmetric arrangement.
  • the current path flowing in the same direction as the alignment direction of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the current path ahead intersect at right angles, thereby increasing the parasitic inductance in the X direction. Since the parasitic inductance in the Y direction can be made relatively small, an effect of suppressing current imbalance can be obtained.
  • the insulating substrate 2 constituting the positive arm and the negative arm is disposed to face the X direction.
  • the insulating substrate 2 constituting each arm can be composed of two types having the same mirror symmetry.
  • FIG. 15 is a current path diagram at the time of commutation flowing through the wiring pattern or the like of the insulating substrate of the power semiconductor module according to the second embodiment of the present invention.
  • the current paths (excluding the main electrode) of the positive arm and the negative arm of the power semiconductor module 200 of the second embodiment are indicated by arrows.
  • FIG. 16 is a current path diagram at the time of commutation flowing through a wiring pattern or the like of an insulating substrate of another power semiconductor module according to the second embodiment of the present invention.
  • the current paths (excluding the main electrode) of the positive arm and the negative arm of the power semiconductor module 210 of the second embodiment are indicated by arrows.
  • FIG. 16 shows another configuration example in which the arrangement of the negative arms is different from the configuration example shown in FIG.
  • the positive electrode blocks 101 and 103 and the negative electrode blocks 112 and 114, the positive electrode blocks 102 and 104, and the negative electrode blocks 111 and 113 are configured using the insulating substrate 2 configured with the same wiring pattern. That is, in the configuration of FIG. 16, the adjacent insulating substrate 2 of the positive arm and the negative arm is also mirror-symmetric.
  • the current paths shown in FIG. 15 and FIG. 16 show the current paths when a large di / dt occurs during commutation when the self-extinguishing semiconductor element 6 of the negative arm is turned on.
  • FIG. 16 is different from FIG. 16 in that the current path flowing through the wiring pattern of the insulating substrate 2 is substantially the same.
  • the direction of di / dt of the thick line arrow of the source wiring pattern 4 described above with respect to the direction of di / dt shown in the figure is that the source wiring pattern 4 is adjacent in the positive arm and the negative arm. There are places.
  • the direction of current flow in this portion is the same, the parasitic inductance of the current path indicated by the thick line arrow increases, and the same effect as the current unbalance suppression effect on the negative electrode side shown in FIG. Can do.
  • the current path indicated by the thick line arrow is adjacent to the adjacent insulating substrate 2 of the positive arm and the negative arm (mirror symmetry), and the direction of the flowing current is opposite, so the current path indicated by the thick line arrow
  • the parasitic inductance generated in the circuit is reduced. Therefore, by reducing the parasitic inductance of the current path indicated by the thick line arrow in both the positive arm and the negative arm, the parasitic inductance of the current path indicated by the thick line arrow is compared with the parasitic inductance of the current path indicated by the very thick arrow. Therefore, the inductance becomes relatively small and the variation in the source potential can be reduced, so that the imbalance of the current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 can be suppressed.
  • the same effect as the effect of suppressing the unbalance of the current flowing through the self-extinguishing semiconductor element 6 can be obtained even on the positive electrode side.
  • the positive arm and the negative arm have the same wiring pattern arrangement, the direction of the thick arrow is the same, and the parasitic inductance increases in this portion.
  • the increase amount of the parasitic inductance in the thick line arrow portion is smaller than the increase amount of the parasitic inductance in the very thick arrow portion, and does not affect the variation of the source potential.
  • all the opposing wiring patterns in the module are the same, the operation balance within the power semiconductor module is uniform, and stable operation as a power semiconductor module is possible. As described above, in any of the configurations of FIGS.
  • the self-extinguishing semiconductor elements 6 mounted on the insulating substrate 2 are illustrated as four in parallel, but the effect of the present invention can be obtained if the number of parallel elements is two or more. It is a thing and is not limited to 4 parallel. Further, although the number of insulating substrates 2 is also shown as four in parallel, the effect of the present invention can be obtained as long as the number of insulating substrates 2 in parallel is two or more, and is not limited to four.
  • the main electrode is arranged in such a manner that a positive electrode, a negative electrode, and an AC electrode are laminated, so that even if there is one module terminal, the main electrode is separated from the insulating substrate.
  • An electrode and an AC electrode or an AC electrode and a negative electrode are stacked, and further, a positive electrode and a negative electrode are stacked at the upper part of the module, so that inductance can be reduced.
  • the insulating substrates 2 on which different wiring patterns are mounted are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetrical, the current flowing between the adjacent wiring patterns is made uniform. be able to. As a result, current imbalance between the insulating substrates 2 and between the self-extinguishing semiconductor elements 6 can be suppressed, and the reliability of the power semiconductor module can be improved.
  • the number of the insulating substrates 2 is only required to be mirror-symmetrically arranged so that the wiring patterns 4 are adjacent to each other, and the current flowing between the adjacent wiring patterns can be made uniform regardless of the number of the arranged substrates.
  • current imbalance between the insulating substrates 2 and between the self-extinguishing semiconductor elements 6 can be suppressed, and the reliability of the power semiconductor module can be improved.
  • the number of substrates constituting the power semiconductor module can be reduced, and current imbalance between the substrates and between the power semiconductor elements. This makes it possible to reduce the cost of the power semiconductor module.
  • a plurality of different wiring patterns are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetric on one substrate, so that the number of substrates can be reduced, and between the substrates and The cost of the power semiconductor module can be reduced while suppressing the current imbalance between the power semiconductor elements.
  • Embodiment 3 FIG.
  • the third embodiment is different in that the source wiring pattern including the mirror-symmetric part of the adjacent insulating substrate used in the first and second embodiments is connected by a bonding wire.
  • FIG. 17 is a schematic top view of the power semiconductor module according to Embodiment 3 of the present invention from which the main electrodes (positive electrode, negative electrode, and AC electrode) have been removed.
  • FIG. 17 shows a chip layout of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 with the main electrode removed.
  • the main electrode (not shown) is omitted because it has the same shape as in the second embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic top view of the conventional power semiconductor module with the main electrode removed.
  • FIG. 18 shows a chip layout such as the self-extinguishing semiconductor element 6 and the freewheeling diode 7 with the main electrode removed.
  • the insulating substrate is not arranged mirror-symmetrically.
  • FIG. 19 is a schematic top view of the main electrode (positive electrode, negative electrode, and AC electrode) of another power semiconductor module according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 19 shows a chip layout of the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 with the main electrode removed.
  • the main electrode (not shown) is omitted because it has the same shape as in the second embodiment.
  • the power semiconductor module 300 includes a base plate 1, an insulating substrate 2 as a substrate, a drain (collector) wiring pattern 3, a source (emitter) wiring pattern 4, a ceramics insulating substrate 5, An arc extinguishing type semiconductor element 6, a reflux diode 7, a bonding wire 22, and a case 51 are provided.
  • the power semiconductor module 300 has one surface of the base plate 1 that is a metal radiator that dissipates heat generated by the self-extinguishing semiconductor element 6 and the free-wheeling diode 7 constituting the power semiconductor module 300.
  • a ceramic insulating substrate 5 which is an insulating material to which metal foil is bonded by brazing or the like, is bonded by solder 9.
  • wiring patterns 3 and 4 are bonded to the surface of the ceramic insulating substrate 5 opposite to the surface bonded to the base plate 1 by brazing or the like with a metal foil.
  • the insulating substrate 2 is constituted by the ceramic insulating substrate 5 and the wiring patterns 3 and 4 to which the metal foil is bonded.
  • the material of the insulating substrate is not limited to ceramics, and may be a metal substrate using a resin insulating material.
  • a metal substrate using a resin insulating material instead of using a plurality of insulating substrates for positive and negative arms, for example, a single metal substrate is used, and a wiring pattern is formed on the metal substrate so as to be mirror-symmetrical. A plurality can be formed and used. The same effect can be obtained even with a metal substrate using such a resin insulating material.
  • a self-extinguishing semiconductor element 6 and a free-wheeling diode 7 are formed by solder 9 on the surface of the drain (collector) wiring pattern 3 and the source (emitter) wiring pattern 4 facing the surface where the ceramic insulating substrate 5 is bonded. It is joined. Further, the source (emitter) wiring patterns 4 of the adjacent insulating substrates 2 are connected and made conductive by bonding wires 22.
  • a wire is used as the wiring material, it is not limited to a wire and may be formed by other joining methods.
  • a power semiconductor module 310 in the conventional example includes a base plate 1, an insulating substrate 2 as a substrate, a drain (collector) wiring pattern 3, a source (emitter) wiring pattern 4, a ceramics insulating substrate 5, a self-extinguishing type.
  • a semiconductor element 6, a reflux diode 7, a bonding wire 22 as a wiring material, and a case 51 are provided.
  • the power semiconductor module 300 of the third embodiment is different in that the wiring pattern is not mirror-symmetrically arranged.
  • the wiring pattern constituting the main circuit of the insulating substrate 2 is connected only by the main electrode and connected in parallel.
  • a current path is used. It is effective to increase. Therefore, in the third embodiment, the parallel source (emitter) patterns 4 are connected by the bonding wires 22 in order to increase the current path.
  • the wiring pattern of the adjacent insulating substrate 2 is mirror-symmetrical, the potentials at both ends of the bonding wire 22 between the insulating substrates 2 match, and the bonding wire 22 is connected to the bonding wire 22. It is possible to prevent a large current from flowing. As shown in FIG.
  • the impedance between the patterns can be further reduced by connecting the source wiring patterns 4 using the plurality of bonding wires 22.
  • An example is shown in FIG.
  • a power semiconductor module 300 includes a base plate 1, an insulating substrate 2 as a substrate, a drain (collector) wiring pattern 3, a source (emitter) wiring pattern 4, a ceramics insulating substrate 5, An arc extinguishing type semiconductor element 6, a reflux diode 7, a bonding wire 22, and a case 51 are provided.
  • FIG. 19 illustrates the case where four insulating substrates are mounted on each of the positive electrode side and the negative electrode side, the same effect can be obtained when there are two or three substrates or five or more substrates. Further, the same effect can be obtained if the combination of the patterns of the insulating substrate on the positive electrode side and the negative electrode side is a mirror pattern symmetrical even if it is a combination other than the illustrated one.
  • the insulating substrates 2 on which different wiring patterns are mounted are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetrical, the current flowing between the adjacent wiring patterns is made uniform. be able to. As a result, current imbalance between the insulating substrates 2 and between the self-extinguishing semiconductor elements 6 can be suppressed, and the reliability of the power semiconductor module can be improved.
  • the current path in the power semiconductor module 300 can be increased, and the inductance can be reduced.
  • the number of substrates constituting the power semiconductor module can be reduced, and current imbalance between the substrates and between the power semiconductor elements. This makes it possible to reduce the cost of the power semiconductor module.
  • a plurality of different wiring patterns are arranged adjacent to each other so as to be mirror-symmetric on one substrate, so that the number of substrates can be reduced, and between the substrates and The cost of the power semiconductor module can be reduced while suppressing the current imbalance between the power semiconductor elements.

Abstract

配線パターンのインダクタンスの割合を増大させ、絶縁基板に搭載された自己消弧型半導体素子のソース電位のばらつきを低減することで、電流アンバランスが抑制可能な電力用半導体モジュールを得る。自己消弧型半導体素子（６）を直列接続して構成され、自己消弧型半導体素子（６）の直列接続点を有する正負アームと、正負アームに接続される正極側電極（１０）、負極側電極（１１）、および交流電極（１２）と、正負アームの自己消弧型半導体素子（６）と正極側電極（１０）、負極側電極（１１）、および交流電極（１２）とを接続する複数の配線パターン（３，４）が形成された基板（２）とを備え、隣接する配線パターン（４）に流れる電流の方向が同じで、一方の配線パターン（４）が他方の配線パターン（４）に対して鏡面対称に配置されたことを特徴とする電力用半導体モジュール。

Description

電力用半導体モジュール
　この発明は、小型化が求められるインバータなど電力変換装置に使用される電力用半導体モジュールの電流アンバランス抑制技術に関するものである。
　インバータなどの電力変換装置に使用される絶縁型の電力用半導体モジュールは、放熱板となる金属板に絶縁層を介して配線パターンが形成され、その上にスイッチング動作する電力用半導体素子が設けられている。この電力用半導体素子は、外部端子と接続され、樹脂にて封止されている。
　大電流、高電圧でスイッチング動作する電力変換装置では、電力用半導体素子がオフする際の電流の時間変化率ｄｉ／ｄｔと電力変換装置に含まれる配線インダクタンスＬとにより、サージ電圧（ΔＶ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）が発生し、このサージ電圧が電力用半導体素子に印加される。配線インダクタンスＬが大きくなると、電力用半導体素子の耐圧を超えるサージ電圧が発生し、電力用半導体素子の破壊の原因となることがある。このため、電力変換装置として低インダクタンス化が求められ、電力用半導体モジュールにも低インダクタンス化が求められている。
　ところで、電力用変換装置としては、必要な電流容量を満たすため、それに見合う電力用半導体モジュールを選定するか、あるいは、見合うものがなければ、複数の電力用半導体モジュールを並列接続して使用されてきた。しかしながら、複数の電力用半導体モジュールを並列接続して使用する場合、絶縁距離を確保するためにモジュール間隔を離す必要があり、フットプリントが増加するという欠点がある。
　この欠点を解決するために、同一パッケージ内に電力用半導体素子が多並列で配置されたものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のように、外部回路と接続するために複数の外部端子を備えていても、同一パッケージ内で多並列に配置された複数の電力用半導体素子の端子同士がパッケージ内で外部端子に一括して接続されていると、インダクタンスの低減効果はあまりなく、電流容量の増加とともにオフ時のｄｉ／ｄｔが増加するため、サージ電圧が増大し、電力用半導体素子が破壊する可能性がある。
　そこで、発明者は電力用半導体素子の低インダクタンス化を実施するべく、複数の外部端子を備え、電力用半導体モジュール内部で回路が複数並列化された電力用半導体モジュールを発明した（例えば、特許文献２参照）。
特許公報第３５１９２２７号（第３頁、第２，６図） 国際公開第２０１３/１２８７８７号（第５頁、第１図）
　しかしながら、従来の電力用半導体モジュールにおいては、従来よりも電力用半導体素子が多並列で構成される大電流・高電圧用途で用いる場合、特許文献２のように外部端子を複数具備することで、低インダクタンス化は可能である。一方、電力用半導体モジュールの絶縁距離を確保する上で、外部端子を複数配置することができずに、外部端子を一つずつにまとめざるを得ない場合がある。このような電力用半導体モジュール内部で多並列に接続された電力用半導体素子の電流アンバランスが発生するという問題点があるということが、その後の発明者の研究によって判明した。
　本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、各電位において外部端子が一つである場合に、異なる配線パターンを搭載する基板を鏡面対称となるように隣接して配置することで、低インダクタンス化を保持したまま電流アンバランス抑制が可能な電力用半導体モジュールを得るものである。
　この発明に係る電力用半導体モジュールは、自己消弧型半導体素子を直列接続して構成され、前記自己消弧型半導体素子の直列接続点を有する正負アームと、前記正負アームに接続される正極側電極、負極側電極、および交流電極と、前記正負アームの前記自己消弧型半導体素子と前記正極側電極、前記負極側電極、および前記交流電極とを接続する複数の配線パターンが形成された基板とを備え、隣接する前記配線パターンに流れる電流の方向が同じで、一方の前記配線パターンが他方の前記配線パターンに対して鏡面対称に配置されたことを備える。
　この発明によれば、異なる配線パターンを搭載する基板を鏡面対称となるように隣接して配置したので、隣接する配線パターン間での流れる電流が均一化され、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制することができる。
この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの上面模式図である。 この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの概略側面図である。 この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの概略側面図である。 この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの主電極を取り除いた上面模式図である。 この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの等価回路図である。 この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの負極側の絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。 この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。 この発明の実施の形態１の他の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの上面模式図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの概略側面図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの概略側面図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの主電極を取り除いた上面模式図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの等価回路図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの負極側の絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。 この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。 この発明の実施の形態２の他の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。 この発明の実施の形態３の電力用半導体モジュールの主電極を取り除いた上面模式図である。 従来例における電力用半導体モジュールの主電極を取り除いた上面模式図である。 この発明の実施の形態３の他の電力用半導体モジュールの主電極を取り除いた上面模式図である。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの上面模式図である。図２は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの概略側面図である。図３は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの概略側面図である。図２には、図１におけるＸ側から見た場合の、図３には、図１におけるＹ側から見た場合の概略側面図を示す。図４は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの主電極（正極電極、負極電極、および交流電極）を取り除いた上面模式図である。図４には、図１から主電極を取り除き、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７などのチップレイアウトを示す。図５は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの等価回路図である。ここで、Ｘ側から見た方向をＸ方向、Ｙ側から見た方向をＹ方向とする。
　図１から図４において、本実施の形態１の電力用半導体モジュール１００は、ベース板１、基板である絶縁基板２、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４、セラミクス絶縁基板５、自己消弧型半導体素子６、還流ダイオード７、はんだ９、正極側電極である正極電極１０、負極側電極である負極電極１１、交流電極１２、配線材であるボンディングワイヤ２１、正極電極１０の端子部である正極端子４０、負極電極１１の端子部である負極端子４１、交流電極１２の端子部である交流端子４２、封止材５０、ケース５１、蓋５２、ナット５３を備える。
　本実施の形態１の電力用半導体モジュール１００は、電力用半導体モジュール１００を構成する自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７との発熱を放熱する金属放熱体であるベース板１の一方の面に、金属箔がロウ付けなどで接合された絶縁材であるセラミクス絶縁基板５が、はんだ９により接合されている。一方、セラミクス絶縁基板５のベース板１と接合された面と対向する面には、金属箔により配線パターン３，４がロウ付けなどにより接合されている。金属箔が接合されたセラミクス絶縁基板５と配線パターン３，４とにより絶縁基板２が構成されている。ただし、絶縁基板の材料としては、セラミクスに限定されるものではなく、樹脂絶縁材を用いた金属基板であっても良い。樹脂絶縁材を用いた金属基板の場合は、正負アーム分の複数枚の絶縁基板を用いるのではなく、例えば１枚の金属基板を用い、この金属基板上に鏡面対称となるように配線パターンを複数個形成して用いることができる。このような樹脂絶縁材料を用いた金属基板であっても同様の効果を得ることができる。また、図１または図４に示すように、上面から見た場合において鏡面対称となるように配線パターンが配置され、この鏡面対称の基準線はこれら鏡面対称となる配線パターン間に設定される。
　また、ドレイン（コレクタ）配線パターン３とソース（エミッタ）配線パターン４とのセラミクス絶縁基板５が接合された面と対向する面には、自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７がはんだ９により接合されている。さらに、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４に正極電極１０、負極電極１１、および交流電極１２が接合されている。ただし、はんだ９を接合材として用いているが、はんだに限定されるものではなく、その他の接合方法によるものでも良い。
　正極電極１０、負極電極１１、および交流電極１２には、それぞれに大電流が流れるため、外部回路と接続するためにネジを使用するのが一般的である。しかし、ネジに限定されるものではなく、大電流を流すことが可能であればその他の接合方法であっても良い。本実施の形態１では、正極電極１０、負極電極１１、および交流電極１２は、それぞれモジュール上面に外部回路と接続するための、正極電極１０の端子部である正極端子４０、負極電極１１の端子部である負極端子４１、および交流電極１２の端子部である交流端子４２を備えている。そして、これら正極端子４０、負極端子４１、および交流端子４２にはネジ挿入用の穴があり、これらの端子の下にはナットの埋め込まれたケースが設置されている。また、電力用半導体モジュール１００は、ケース５１で周囲を囲われており、ケース５１内部を絶縁するためにケース５１内部に封止材５０が注入される。その後、ケース５１に蓋５２を嵌合し、接着剤などで接着させる。
　自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７のソース（エミッタ）配線パターン４と、はんだ接合されていない面は、ボンディングワイヤ２１により配線パターン等に接合される。ただし、配線材としては、ワイヤを用いているが、ワイヤに限定されるものではなく、その他の接合方法によるものでも良い。
　図１から図５において、電力用半導体モジュール１００内部には、電力用半導体素子として自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７とが逆並列で接続されたアームと呼ばれる並列回路が２直列に接続され、正アーム、負アーム、つまり電力変換回路の１相分を構成している。
　本実施の形態の電力用半導体モジュール１００は、正アームと負アームとを同一ケース（同一パッケージ）内に備えた「２ｉｎ１」と一般的に呼ばれる電力用半導体モジュールである。ケースは電力用半導体モジュールの外形となるものである。なお、本実施の形態では、ケースと称しているが、電力用半導体モジュールを樹脂封止などで外形を形成するような場合には、樹脂の外周部がケースとなり、同等の機能を果たす。
　図５の等価回路図に示すように、電力用半導体モジュール１００は、正アームと負アームとが構成され、点線で囲んだように正負の各アームの２つずつの計４ブロックに分けられる。さらに、正極側のブロック１０１と負極側のブロック１１１に示すように、１つのブロックは各々複数の並列接続された自己消弧型半導体素子６と複数個の並列接続された還流ダイオード７が逆並列に接続されたものである。図５中においては、正極側のブロック１０２と負極側のブロック１１２は簡略化して記載しているが、正極側のブロック１０１と負極側のブロック１１１と同様な構成である。
　ここで、図５の等価回路図中には、自己消弧型半導体素子６をＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として表記したが、自己消弧型半導体素子６はＭＯＳＦＥＴに限定するものではなくＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やバイポーラトランジスタなどのその他の自己消弧型半導体素子であれば、どのようなものであってもよい。さらに、本実施の形態では還流ダイオード７としてショットキーバリアダイオードなどのダイオード素子を自己消弧型半導体素子６に対して外付けに設けるものとしているが、還流ダイオード７が自己消弧型半導体素子６の寄生ダイオードであってもよい。また、図５の等価回路中には自己消弧型半導体素子６のゲート制御回路を記載し、端子として正極側ゲート１３Ｇ、正極側制御ソース１３Ｅ、負極側ゲート１４Ｇ、負極側制御ソース１４Ｅを示したが、モジュール内部構造に関する図１～４においては、主回路の回路に関する構造のみ図示し制御回路に関する構造は省略し簡素化して図示している。実際には絶縁基板２上に自己消弧型半導体素子６の制御用の配線パターンが構成され、自己消弧型半導体素子６上のゲートまたは制御ソース電極と、外部との接続のためのゲートまたは制御ソース電極とが電気的に接続され、電力用半導体モジュールの上面などに露出し、外部導体と接続できるような機構を備える。これらは、その他の実施例においても同じであり、本発明の効果には影響を及ぼさない。ただし、制御回路の配線パターンは自己消弧型半導体素子６の主回路電流つまり配線パターン３，４に流れる電流による誘導を受けやすいので、電流のアンバランスを抑制するには、制御回路の配線パターンの形状はゲートと制御ソースとが平行であることが望ましい。さらに、半導体素子の材料として、Ｓｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）だけでなく、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ）やＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ）やダイヤモンドが原料となる半導体素子でも効果は得られる。特に、高速動作が可能なＳｉＣやＧａＮなどを用いた場合は、より顕著な効果を得ることが可能である。
　図４に示すように、複数個の自己消弧型半導体素子６と複数個の還流ダイオード７とが搭載された２種類の配線パターン３，４の配置の異なる絶縁基板２がブロック１０１とブロック１０２とを構成し、それらが正極電極１０と交流電極１２との主電極を介して並列接続されて正アームを構成する。負極側に関しても同様に、複数個の自己消弧型半導体素子６と複数個の還流ダイオード７が搭載された２種類の配線パターン３，４の配置の異なる絶縁基板２がブロック１１１とブロック１１２とを構成し、それらが交流電極１２と負極電極１１との主電極を介して並列接続されて負アームを構成する。絶縁基板２には、自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７とが搭載される配線パターン３と、ボンディングワイヤ２１によって自己消弧型半導体素子６のソース（エミッタ）や還流ダイオード７のアノードに接続される配線パターン４の２種類がある。これら２つの絶縁基板２の配線パターン３，４がブロック１０１とブロック１０２と、あるいはブロック１１１とブロック１１２とにおいて、鏡面対称となるように構成したことが本発明の特徴である。
　図６は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの負極側の絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。図６（ａ）には、配線パターンが鏡面対称配置である絶縁基板２（鏡面対称絶縁基板）を横に並べた場合の負アームの部分を、図６（ｂ）には、配線パターンが同一配置である絶縁基板２（同一絶縁基板）を横に並べた場合の負アームの部分を、図６（ｃ）には、図６（ａ）で示した配線パターンが鏡面対称配置である絶縁基板２（鏡面対称絶縁基板）を左右入れ替えて横に並べた場合の負アームの部分を示した。本発明の効果について図６を用いて説明する。ここで、図６には、自己消弧型半導体素子６がオンしたときの電流経路上のｄｉ／ｄｔの向きを矢印で示した。特に、極太線矢印で示したｄｉ／ｄｔによって、隣接する絶縁基板２の配線パターン間の相互作用が発生する。
　図６（ｂ）に示すように配線パターンが同一配置である絶縁基板２を横に並べた場合では、隣接する配線パターン間に流れる電流のｄｉ／ｄｔを示す極太線矢印の向きは反対向きであり、自己消弧型半導体素子６のオンオフ時のようなｄｉ／ｄｔが大きいときには、この逆方向に流れる電流により発生する磁束を互いに打ち消す効果がある。また、右側の絶縁基板２の自己消弧型半導体素子６の細線矢印を示したソース配線パターン４については、このソース配線パターン４が隣の絶縁基板２のソース配線パターン４と近接していないことや、同一絶縁基板２内の隣接する配線パターンに逆方向に流れる電流が小さく、電流の導通距離も短いため発生する磁束を互いに打ち消す効果は小さい。つまり、隣接する絶縁基板２間で比較すると左側の絶縁基板２の自己消弧型半導体素子６のソース配線パターン４のほうが右側の絶縁基板２のソース配線パターン４に比べて寄生インダクタンスが小さくなるため、左右に配置された絶縁基板２間において寄生インダクタンスのアンバランスが発生する。
　一方、図６（ａ）の本実施の形態のように配線パターンが鏡面対称配置である絶縁基板２を横に並べた場合では、隣接する配線パターン間に流れる電流のｄｉ／ｄｔを示す極太線矢印の向きは同じ向きであり、ｄｉ／ｄｔが大きいときに発生する磁束を打ち消す効果は得られない。したがって、極太線矢印を示した電流経路に発生する寄生インダクタンスは、配線パターンが鏡面対称配置である絶縁基板２を横に並べた場合のほうが、配線パターンが同一配置である絶縁基板２を横に並べた場合よりも大きくなることがわかる。また、隣接する絶縁基板２間で比較した場合、配線パターンが鏡面対称の配置をしていることで、左右の絶縁基板２間の自己消弧型半導体素子６のソース配線パターン４が受ける相互作用は左右の絶縁基板２間で同じとなり、寄生インダクタンスは同じとなる。
　自己消弧型半導体素子６を流れる電流はゲート電圧によって決まるため、自己消弧型半導体素子６を多並列で配置するような電力用半導体モジュールにおいては、自己消弧型半導体素子６のゲート電圧のばらつき、つまり自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランスが問題となる。この電流アンバランスは、パワーサイクルなどにおける電力用半導体モジュールの寿命に影響を及ぼすため低減することが必要である。そして、この電流アンバランスの原因であるゲート電圧のばらつきは、自己消弧型半導体素子６のソース（エミッタ）電位ばらつきに起因することが多い。
　上述したように、図６（ａ）と図６（ｂ）において、隣接する絶縁基板２間の自己消弧型半導体素子６のソース配線パターン４の寄生インダクタンスのアンバランスの程度が異なり、左右それぞれの絶縁基板２に搭載される自己消弧型半導体素子６のゲート電圧すなわち電流に関して、図６（ｂ）ではアンバランスが発生するが、図６（ａ）ではアンバランスは発生しにくい。つまり、鏡面対称の配線パターンによって、隣接する絶縁基板２間の自己消弧型半導体素子６に流れる電流のアンバランスを抑制する効果が得られる。
　図６（ｃ）において、ソース配線パターン４は隣の絶縁基板２と近接していないことや、同基板内の隣の配線パターンに逆方向に流れる電流が小さく、電流の導通距離も短いため発生する磁束を互いに打ち消す効果は小さい。しかしながら、配線パターンが鏡面対称であることにより、左右それぞれの絶縁基板２のソース配線パターン４が受ける相互作用は同等となり、それらの配線パターンの寄生インダクタンスは図６（ａ）の場合と同様にアンバランスが発生しにくいため、自己消弧型半導体素子６に流れる電流のアンバランスを抑制することが可能である。このように、配線パターンを鏡面対称に配置したことにより、絶縁基板２間の電流アンバランスを抑制することができる。そして、配線パターンの配置としては、図６（ａ）や図６（ｃ）に限定されるものではなく、鏡面対称の配置であればどのような配置の配線パターンであってもよい。
　これまで、複数の絶縁基板２間で発生する電流のアンバランスの抑制効果について説明してきたが、本発明においては、同一絶縁基板２内における複数の自己消弧型半導体素子６間の電流のアンバランスを抑制する効果も得られるので、それについて以下で説明する。本実施の形態における同一絶縁基板２内における４つの自己消弧型半導体素子６のソース電位のばらつきは、図６中の横方向（Ｙ方向）に示す太線矢印を示した電流経路による寄生インダクタンスＬと電流変化率ｄｉ／ｄｔとによって発生する。したがって、このばらつきの原因となる寄生インダクタンスＬに直列接続で構成されるソース配線パターン４や主電極の寄生インダクタンスが大きければ、相対的に寄生インダクタンスＬが小さくなり、ソース電位のばらつきも小さくなる。その結果、複数の自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランスを抑制することができる。ここで、図６で先に説明したように、本発明の鏡面対称絶縁基板を横に並べた場合のほうが、同一絶縁基板を横に並べた場合よりも、隣接する配線パターンに流れるｄｉ／ｄｔの向きが統一されていることで、直列接続される極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスが大きくなるので、相対的に寄生インダクタンスＬが小さくなり、ソース電位のばらつきを小さくできる。その結果、複数の自己消弧型半導体素子６のゲート電圧のばらつきが抑制され、複数の自己消弧型半導体素子６の電流のアンバランスを抑制する効果が得られる。この自己消弧型半導体素子６における電流のアンバランス効果は、図６（ａ）や図６（ｃ）に示すような配線パターンが鏡面対称配置である場合に得られる。
　また、図６（ａ）において、図１で示したＹ方向に同アームの絶縁基板２は並列に並んでおり、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７も絶縁基板２上でＹ方向に整列しているため、先に述べた太線矢印のｄｉ／ｄｔはＹ方向に、極太線矢印のｄｉ／ｄｔはＸ方向に向いている。したがって、太線矢印を示した電流経路のインダクタンスは絶縁基板２の鏡面対称の配置による相互作用抑制の影響は受けない。つまり、本構造のように、自己消弧型半導体素子６の整列方向と同方向に流れる電流経路と、その先の電流経路が直角に交差していることにより、Ｘ方向の寄生インダクタンスを大きくし、相対的にＹ方向の寄生インダクタンスを小さくできるので、電流アンバランスを抑制する効果が得られる。ここで、図６（ｃ）についても、同様で、図６（ａ）ほどはＸ方向の寄生インダクタンスは大きくならないものの、図６（ｂ）に比べるとＸ方向の寄生インダクタンスが大きく、相対的にＹ方向の寄生インダクタンスを小さくできるので、電流のアンバランスを抑制する効果が得られる。
　さらに、本実施の形態では、正アームと負アームとを構成する絶縁基板２が、Ｘ方向に対向して配置される。各アームを構成する絶縁基板２は同じ鏡面対称の２種類で構成できる。ここで、鏡面対称になる２種類の絶縁基板２を用いた場合、正アームと負アームとの構成方法は２通りできる。そのうち、本実施の形態では、図４に示すように、正極ブロック１０１と負極ブロック１１１とは、同じ配線パターンである絶縁基板２、正極ブロック１０２と負極ブロック１１２とは、同じ配線パターンである絶縁基板２を使用して１８０°回転させてＸ方向に対向するように配置している。
　図７は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。図７には、本実施の形態の電力用半導体モジュール１００の正アーム、負アームの電流経路（主電極を除く）におけるｄｉ／ｄｔの向きを矢印で示した。図８は、この発明の実施の形態１の他の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。図８には、本実施の形態の電力用半導体モジュール１１０の正アーム、負アームの電流経路（主電極を除く）におけるｄｉ／ｄｔの向きを矢印で示した。図８は、図７に示した構成例に対して正アームの並びの異なる別の構成例を示す。図８において、正極ブロック１０１と負極ブロック１１２と、正極ブロック１０２と負極ブロック１１１とが、それぞれ同じ配線パターンで構成された絶縁基板２を用いた構成である。つまり、図８の構成では、正アームと負アームとの隣接する絶縁基板２も鏡面対称である。図７や図８で示す電流経路は負アームの自己消弧型半導体素子６がオンした場合の転流時の大きなｄｉ／ｄｔが発生する場合の電流経路上のｄｉ／ｄｔを示すものである。逆に、正アームの自己消弧型半導体素子６がオンした場合の転流時の電流経路は、正極側が自己消弧型半導体素子６、負極側が還流ダイオード７を通る経路となるところが、図７と図８とは異なる点であるが、絶縁基板２の配線パターンに流れる電流経路はほぼ同じである。
　図７において、図中で示すｄｉ／ｄｔの向きに対して、前述したソース配線パターン４の極太線矢印のｄｉ／ｄｔの向きは、正アームにおける隣接する絶縁基板２間では、隣接しない図６（ｃ）で示した構成と同じである。ソース配線パターン４は、隣接する絶縁基板２と近接していないことや、同一絶縁基板２内の隣接する配線パターンに逆方向に流れる電流が小さく、電流の導通距離も短いため発生する磁束を互いに打ち消す効果は小さい。しかしながら、鏡面対称配置であることにより、左右の絶縁基板２に配置されたソース配線パターン４の受ける相互作用は同等となり、図６（ｃ）の場合と同様に電流のアンバランス抑制効果が得られる。また、負アームは、図６（ａ）で示した構成と同じであり、ソース配線パターン４が隣接することで、ｄｉ／ｄｔの向きが同一となり、極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスが増加し、図６（ａ）に示した負極側の電流のアンバランス抑制効果と同様の効果が得ることができる。一方で、太線矢印を示した電流経路は、正アームと負アームとの隣接する絶縁基板で隣接（鏡面対称）し、流れる電流のｄｉ／ｄｔの向きが逆向きとなることから太線矢印を示した電流経路に発生する寄生インダクタンスが小さくなる。したがって、正アーム、負アームともに、太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスを低減することにより、太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスは、極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスと比べて相対的にインダクタンスが小さくなり、ソース電位のばらつきを低減できるので、自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランスを抑制することが可能である。
　図８において、正アームと負アームとの配線パターンは鏡面対称となるように配置されているので、正アーム、負アームともに図６（ａ）に示した負極側と同じ動作が可能である。そのため、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７のソース配線４の極太線矢印を示した電流経路は、隣接する絶縁基板２間でｄｉ／ｄｔによって発生する磁束を打ち消す効果はなく、極太線矢印部の寄生インダクタンスは大きい。したがって、正アーム、負アームともに、極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスが増加することにより、太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスは、相対的にインダクタンスが小さくなり、ソース電位のばらつきを低減できるので、自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランス抑制効果と同様の効果を正極側でも得ることができる。また、正アーム、負アームともに同じ配線パターン配置であることから、太線矢印の向きが同じとなり、この部分での寄生インダクタンスが増加する。しかしながら、太線部分の寄生インダクタンスの増加量は極太線矢印部分の寄生インダクタンスの増加量に比べ少なく、ソース電位のばらつきに対して影響を与えない。さらに、モジュール内の対向するすべての配線パターンが同一であるので、電力用半導体モジュール内部での動作バランスが均一となり、電力用半導体モジュールとして安定した動作が可能となる。このように、図７、図８のいずれの構成においても、電流のアンバランスに対する抑制効果を得ることができる。また、図７においては正アームと負アームで別の構成にしたが、負アームも正アームと同じ、すなわち図８の左右逆の（図７の負アームを用いた）構成であっても同様に電流のアンバランスに対する抑制効果を得ることができる。
　また、図１に示すように主電極の形状を正極電極１０、負極電極１１、及び交流電極１２をそれぞれが積層する形で配置することで、電力用半導体モジュールの端子が各一つであったとしても絶縁基板から正極電極１０と交流電極１２もしくは交流電極１２と負極電極１１とが積層し、さらに電力用半導体モジュールの上部では正極電極１０と負極電極１１１とが積層され、電力用半導体モジュールとしての寄生インダクタンスを低減することが可能である。
　以上のように構成された電力用半導体モジュールにおいては、異なる配線パターンを搭載する基板を鏡面対称となるように隣接して配置したので、隣接する配線パターン間での流れる電流が均一化することができる。その結果、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制することができ、電力用半導体モジュールの信頼性を向上することが可能となる。
　また、異なる配線パターンが形成された２種類の基板を用いて鏡面対称配置としたので、電力用半導体モジュールを構成する基板数を削減することがき、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制したまま、電力用半導体モジュールのコスト低減が可能となる。
　さらに、樹脂絶縁材を用いた金属基板の場合は、１枚の基板上に異なる配線パターンを鏡面対称となるように隣接して複数個配置したので、基板数を削減することがき、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制したまま、電力用半導体モジュールのコスト低減が可能となる。
実施の形態２．
　本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた１対の鏡面対称である正負アームを複数対配置した点が異なる。このように鏡面対称である正負アームを複数対配置することで、それぞれの鏡面対称部分において、自己消弧型半導体素子を流れる電流のアンバランスを抑制することができる。
　図９は、この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの上面模式図である。図１０は、この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの概略側面図である。図１１は、この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの概略側面図である。図１０には、図９におけるＸ側から見た場合の、図１１には、図９におけるＹ側から見た場合の概略側面図を示す。図１２は、この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの主電極（正極電極、負極電極、および交流電極）を取り除いた上面模式図である。図１２には、図９から主電極を取り除き、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７などのチップレイアウトを示す。図１３は、この発明の実施の形態１の電力用半導体モジュールの等価回路図である。ここで、Ｘ側から見た方向をＸ方向、Ｙ側から見た方向をＹ方向とする。
　図９から図１２において、本実施の形態２の電力用半導体モジュール２００は、ベース板１、基板である絶縁基板２、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４、セラミクス絶縁基板５、自己消弧型半導体素子６、還流ダイオード７、はんだ９、正極側電極である正極電極１０、負極側電極である負極電極１１、交流電極１２、配線材であるボンディングワイヤ２１、正極電極１０の端子部である正極端子４０、負極電極１１の端子部である負極端子４１、交流電極１２の端子部である交流端子４２、封止材５０、ケース５１、蓋５２、ナット５３を備える。
　本実施の形態２の電力用半導体モジュール２００は、電力用半導体モジュール２００を構成する自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７との発熱を放熱する金属放熱体であるベース板１の一方の面に、金属箔がロウ付けなどで接合された絶縁材であるセラミクス絶縁基板５が、はんだ９により接合されている。一方、セラミクス絶縁基板５のベース板１と接合された面と対向する面には、金属箔により配線パターン３，４がロウ付けなどにより接合されている。金属箔が接合されたセラミクス絶縁基板５と配線パターン３，４とにより絶縁基板２が構成されている。ただし、絶縁基板の材料としては、セラミクスに限定されるものではなく、樹脂絶縁材を用いた金属基板であっても良い。樹脂絶縁材を用いた金属基板の場合は、正負アーム分の複数枚の絶縁基板を用いるのではなく、例えば１枚の金属基板を用い、この金属基板上に鏡面対称となるように配線パターンを複数個形成して用いることができる。このような樹脂絶縁材料を用いた金属基板であっても同様の効果を得ることができる。
　また、ドレイン（コレクタ）配線パターン３とソース（エミッタ）配線パターン４とのセラミクス絶縁基板５が接合された面と対向する面には、自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７がはんだ９により接合されている。さらに、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４に正極電極１０、負極電極１１、および交流電極１２が接合されている。ただし、はんだ９を接合材として用いているが、はんだに限定されるものではなく、その他の接合方法によるものでも良い。
　正極電極１０、負極電極１１、および交流電極１２には、それぞれに大電流が流れるため、外部回路と接続するためにネジを使用するのが一般的である。しかし、ネジに限定されるものではなく、大電流を流すことが可能であればその他の接合方法であっても良い。本実施の形態１では、正極電極１０、負極電極１１、および交流電極１２は、それぞれモジュール上面に外部回路と接続するための、正極電極１０の端子部である正極端子４０、負極電極１１の端子部である負極端子４１、および交流電極１２の端子部である交流端子４２を備えている。そして、これら正極端子４０、負極端子４１、および交流端子４２にはネジ挿入用の穴があり、これらの端子の下にはナットの埋め込まれたケースが設置されている。また、電力用半導体モジュール２００は、ケース５１で周囲を囲われており、ケース５１内部を絶縁するためにケース５１内部に封止材５０が注入される。その後、ケース５１に蓋５２を嵌合し、接着剤などで接着させる。
　自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７のソース（エミッタ）配線パターン４と、はんだ接合されていない面は、ボンディングワイヤ２１により配線パターン等に接合される。ただし、配線材としては、ワイヤを用いているが、ワイヤに限定されるものではなく、その他の接合方法によるものでも良い。
　図９から図１３において、電力用半導体モジュール２００内部には、電力用半導体として自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７とが逆並列で接続されたアームと呼ばれる並列回路が２直列に接続され、正負アーム、つまり電力変換回路の１相分を構成している。
　本実施の形態の電力用半導体モジュール２００は、正アームと負アームとを同一ケース（同一パッケージ）内に備えた「２ｉｎ１」と一般的に呼ばれる電力用半導体モジュールである。ケースは電力用半導体モジュールの外形となるものである。なお、本実施の形態では、ケースと称しているが、電力用半導体モジュールを樹脂封止などで外形を形成するような場合には、樹脂の外周部がケースとなり、同等の機能を果たす。
　図１３の等価回路図に示すように、電力用半導体モジュール２００は、正アームと負アームとが構成され、点線で囲んだように正負の各アームの４つずつの計８ブロックに分けられる。さらに、正極側のブロック１０１と負極側のブロック１１１に示すように、１つのブロックは各々複数の並列接続された自己消弧型半導体素子６と複数個の並列接続された還流ダイオード７が逆並列に接続されたものである。図１３中においては、正極側のブロック１０２～１０４と負極側のブロック１１２～１１４は簡略化して記載しているが、正極側のブロック１０１と負極側のブロック１１１と同様な構成である。
　ここで、図１３の等価回路図中には、自己消弧型半導体素子６をＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として表記したが、自己消弧型半導体素子６はＭＯＳＦＥＴに限定するものではなくＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やバイポーラトランジスタなどのその他の自己消弧型半導体素子であれば、どのようなものであってもよい。さらに、本実施の形態では還流ダイオード７としてショットキーバリアダイオードなどのダイオード素子を自己消弧型半導体素子６に対して外付けに設けるものとしているが、還流ダイオード７が自己消弧型半導体素子６の寄生ダイオードであってもよい。また、図１３の等価回路中には自己消弧型半導体素子６のゲート制御回路を記載し、端子として正極側ゲート１３Ｇ、正極側制御ソース１３Ｅ、負極側ゲート１４Ｇ、負極側制御ソース１４Ｅを示したが、モジュール内部構造に関する図９～１２においては、主回路の回路に関する構造のみ図示し制御回路に関する構造は省略し簡素化して図示している。実際には絶縁基板２上に自己消弧型半導体素子６の制御用の配線パターンが構成され、自己消弧型半導体素子６のゲートまたは制御ソース電極と、外部との接続のためのゲートまたは制御ソース電極とが電気的に接続され、電力用半導体モジュールの上面などに露出し、外部導体と接続できるような機構を備える。これらは、その他の実施例においても同じであり、本発明の効果には影響を及ぼさない。ただし、制御回路の配線パターンは自己消弧型半導体素子６の主回路電流つまり配線パターン３，４に流れる電流による誘導を受けやすいので、電流のアンバランスを抑制するには、制御回路の配線パターンの形状はゲートと制御ソースとが平行であることが望ましい。さらに、半導体素子の材料として、Ｓｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）だけでなく、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ）やＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ）やダイヤモンドが原料となる半導体素子でも効果は得られる。特に、高速動作が可能なＳｉＣやＧａＮなどを用いた場合は、より顕著な効果を得ることが可能である。
　図１３の等価回路図に示すように、電力用半導体モジュール２００は、正アームと負アームとが構成され、点線で囲んだように正負の各アームの４つずつの計８ブロックに分けられる。つまり実施の形態１とはブロックの数が異なる。
　図１２に示すように、複数個の自己消弧型半導体素子６と複数個の還流ダイオード７が搭載された２種類の配線パターン３，４の配置の異なる絶縁基板２がブロック１０１～１０４を構成し、それらが正極電極１０と交流電極１２との主電極を介して並列接続されて正アームを構成する。負極側に関しても同様に、複数個の自己消弧型半導体素子６と複数個の還流ダイオード７が搭載された２種類の配線パターン３，４の配置の異なる絶縁基板２がブロック１１１～１１４を構成し、それらが交流電極１２と負極電極１１との主電極を介して並列接続されて負アームを構成する。絶縁基板２には、自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７が搭載される配線パターン３とボンディングワイヤ２１とによって自己消弧型半導体素子６のソース（エミッタ）や還流ダイオード７のアノードに接続される配線パターン４の２種類がある。それら２つの絶縁基板２の配線パターン３、４が、各正負アームを構成する隣接する絶縁基板において、鏡面対称となるように構成したことが本発明の特徴である。
　図１４は、この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの負極側の絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。図１４（ａ）には、配線パターンが鏡面対称配置である絶縁基板２（鏡面対称絶縁基板）を横に並べた場合の負アームの部分を、図１４（ｂ）には、配線パターンが同一配置である絶縁基板２（同一絶縁基板）を横に並べた場合の負アームの部分を示した。実施の形態１と同様に、本発明の効果について図１４を用いて説明する。ここで、自己消弧型半導体素子６がオンしたときの電流経路上のｄｉ／ｄｔの向きを矢印で示した。特に、極太線矢印で示したｄｉ／ｄｔによって、隣接する絶縁基板２の配線パターン間の相互作用が発生する。
　図１４（ｂ）に示すように、配線パターンが同一配置である絶縁基板２を横に並べた場合では、隣接する配線パターン間に流れる電流のｄｉ／ｄｔを示す極太線矢印の向きは反対向きであり、自己消弧型半導体素子６のオンオフ時のようなｄｉ／ｄｔが大きいときには、この逆方向に流れる電流により発生する磁束を互いに打ち消す効果がある。また、左端の絶縁基板２の自己消弧型半導体素子６の細線矢印を示したソース配線パターン４については、このソース配線パターン４が隣接する絶縁基板２のソース配線パターン４と近接していないことや、同一絶縁基板２内の隣接する配線パターンに逆方向に流れる電流が小さく、電流の導通距離も短いため発生する磁束を互いに打ち消す効果は小さい。つまり、絶縁基板２間で比較すると左端の絶縁基板２の自己消弧型半導体素子６のソース配線パターン４のほうが、その他の右側の絶縁基板２のソース配線パターン４に比べて寄生インダクタンスが大きくなるため、同一ベース板１に配置された絶縁基板２間において電流のアンバランスが発生する。
　一方、図１４（ａ）の本実施の形態のように配線パターンが鏡面対称配置である基板を横に並べた場合では、隣接する配線パターン間に流れる電流のｄｉ／ｄｔを示す極太線矢印の向きは同じ向きであり、ｄｉ／ｄｔが大きいときに発生する磁束を打ち消す効果は得られない。したがって、極太線矢印を示した電流経路に発生する寄生インダクタンスは、配線パターンが鏡面対称配置である絶縁基板２を横に並べた場合のほうが、配線パターンが同一配置である絶縁基板２を横に並べた場合よりも大きくなることがわかる。また、隣接する２枚の絶縁基板２を１対として、左右の絶縁基板２の対間で比較した場合、配線パターンが鏡面対称の配置をしていることで、絶縁基板２の自己消弧型半導体素子６のソース配線パターン４が受ける相互作用は左右の絶縁基板２の対間で同じとなり、寄生インダクタンスは同じとなる。その結果、左右の絶縁基板２の対間で電流のアンバランスは発生しにくい。さらに、図１４（ａ）において、ソース配線パターン４が隣接する箇所は１箇所であるが、ソース配線パターン４が隣接する箇所を２箇所となるような絶縁基板２の配置としても、同様な電流のアンバランス抑制効果が得られる。
　上述したように、図１４（ａ）と図１４（ｂ）において、隣接する絶縁基板２間の自己消弧型半導体素子６のソース配線パターン４の寄生インダクタンスのアンバランスの程度が異なる。ベース板１上に配置された絶縁基板２間に搭載される自己消弧型半導体素子６のゲート電圧すなわち電流に関して、図１４（ｂ）では配線パターンが鏡面対称に配置されていないため電流のアンバランスが発生するが、図１４（ａ）では配線パターンが鏡面対称に配置されていることで、電流のアンバランスは発生しにくい。つまり、鏡面対称の配線パターンによって、隣接する絶縁基板２間の自己消弧型半導体素子６に流れる電流のアンバランスを抑制する効果が得られる。
　一方で、実施の形態１で述べたように、自己消弧型半導体素子６の電流はゲート電圧によって決まるため、自己消弧型半導体素子を多並列で配置するような電力用半導体モジュールにおいては、自己消弧型半導体素子６のゲート電圧のばらつき、つまり自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランスが問題となる。この電流アンバランスは、パワーサイクルなどにおける電力用半導体モジュールの寿命に影響を及ぼすため低減することが必要である。そして、この電流アンバランスの原因であるゲート電圧ばらつきは、自己消弧型半導体素子６のソース（エミッタ）電位ばらつきに起因することが多い。
　これまで、複数の絶縁基板２間で発生する電流のアンバランスの抑制効果について説明してきたが、本発明においては、同一絶縁基板２内における複数の自己消弧型半導体素子６間の電流のアンバランスを抑制する効果も得られるので、それについて以下で説明する。本実施の形態における同一絶縁基板２内における４つのそして、この自己消弧型半導体素子６のソース電位（エミッタ）ばらつきは、図１４に示した太線矢印を示した電流経路による寄生インダクタンスＬと電流変化率ｄｉ／ｄｔによって発生する。したがって、このばらつきの原因となる寄生インダクタンスに直列接続で構成されるソース配線パターン４や主電極の寄生インダクタンスが大きければ、相対的に寄生インダクタンスＬが小さくなり、ソース電位のばらつきも小さくなる。その結果、自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランスを抑制することができる。ここで、図１４で先に説明したように、本発明の鏡面対称絶縁基板を並べた場合のほうが同一絶縁基板を横に並べた場合よりも、隣接する配線パターンに流れる電流の向きが統一されていることで、直列接続される極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスが大きくなるので、相対的に寄生インダクタンスＬが小さくなり、ソース電位のばらつきを小さくできる。その結果、自己消弧型半導体素子６のゲート電圧のばらつきが抑制され、自己消弧型半導体素子６の電流アンバランスを抑制する効果が得られる。
　また、本実施の形態においても実施の形態１と同様に、図１４（ａ）において、図９で示したＹ方向に同アームの絶縁基板２は並列に並んでおり、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７も絶縁基板２上にＹ方向に整列しているため、先に述べた太線矢印を示した電流経路はＹ方向に、極太線矢印を示した電流経路はＸ方向に向いている。したがって、太線矢印を示した電流経路のインダクタンスは鏡面対称の配置による相互作用抑制の影響は受けない。つまり、本構造のように、自己消弧型半導体素子６の整列方向と同方向に流れる電流経路と、その先の電流経路が直角に交差していることにより、Ｘ方向の寄生インダクタンスを大きくし、相対的にＹ方向の寄生インダクタンスを小さくできるので、電流アンバランスを抑制する効果が得られる。
　さらに、本実施の形態では、正アームと負アームとを構成する絶縁基板２がＸ方向に対向して配置される。各アームを構成する絶縁基板２は同じ鏡面対称の２種類で構成できる。ここで、鏡面対称の２種類を用いた場合、正アームと負アームとの構成方法は２通りできる。そのうち、本実施に形態では、図１２に示すように、正アームと負アームとを構成する隣接する絶縁基板（例えば１０１と１１１）は同じ絶縁基板２を使用して１８０°回転させてＸ方向に対向するように配置している。
　図１５は、この発明の実施の形態２の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。図１５には、本実施の形態２の電力用半導体モジュール２００の正アーム、負アームの電流経路（主電極を除く）を矢印で示した。図１６は、この発明の実施の形態２の他の電力用半導体モジュールの絶縁基板の配線パターン等に流れる転流時の電流経路図である。図１６には、本実施の形態２の電力用半導体モジュール２１０の正アーム、負アームの電流経路（主電極を除く）を矢印で示した。図１６は、図１５に示した構成例に対して負アームの並びの異なる別の構成例を示す。図１６において、正極ブロック１０１，１０３と負極ブロック１１２，１１４と、正極ブロック１０２，１０４と負極ブロック１１１，１１３とが、それぞれ同じ配線パターンで構成された絶縁基板２を用いた構成である。つまり、図１６の構成では、正アームと負アームとの隣接する絶縁基板２も鏡面対称である。図１５や図１６で示す電流経路は負アームの自己消弧型半導体素子６がオンした場合の転流時の大きなｄｉ／ｄｔが発生する場合の電流経路を示すものである。逆に、正アームの自己消弧型半導体素子６がオンした場合の転流時の電流経路は、正極側が自己消弧型半導体素子６、負極側が還流ダイオード７を通る経路となるところが、図１５と図１６とは異なる点であるが、絶縁基板２の配線パターンに流れる電流経路はほぼ同じである。
　図１５において、図中で示すｄｉ／ｄｔの向きに対して、前述したソース配線パターン４の極太線矢印のｄｉ／ｄｔの向きは、正アームおよび負アームにおいては、ソース配線パターン４が隣接する箇所が存在する。この部分における電流の流れる向きが同一となり、極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスが増加し、図１４（ａ）に示した負極側の電流のアンバランス抑制効果と同様の効果が得ることができる。一方で、太線矢印を示した電流経路は、正アームと負アームとの隣接する絶縁基板２で隣接（鏡面対称）し、流れる電流の向きが逆向きとなることから太線矢印を示した電流経路に発生する寄生インダクタンスが小さくなる。したがって、正アーム、負アームともに、太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスを低減することにより、太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスは、極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスと比べて相対的にインダクタンスが小さくなり、ソース電位のばらつきを低減できるので、自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランスを抑制することが可能である。
　図１６において、正アームと負アームとの配線パターンは鏡面対称となるように配置されているので、図１４（ａ）に示した負極側と同じ動作が可能である。そのため、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７のソース配線４の極太線矢印を示した電流経路は、隣接する絶縁基板２間でｄｉ／ｄｔによって発生する磁束を打ち消す効果はなく、極太線矢印部の寄生インダクタンスは大きい。したがって、正アーム、負アームともに、極太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスが増加することにより、太線矢印を示した電流経路の寄生インダクタンスは、相対的にインダクタンスが小さくなり、ソース電位のばらつきを低減できるので、自己消弧型半導体素子６を流れる電流のアンバランス抑制効果と同様の効果を正極側でも得ることができる。また、正アーム、負アームともに同じ配線パターン配置であることから、太線矢印の向きが同じとなり、この部分での寄生インダクタンスが増加する。しかしながら、太線矢印部分の寄生インダクタンスの増加量は極太線矢印部分の寄生インダクタンスの増加量に比べ少なく、ソース電位のばらつきに対して影響を与えない。さらに、モジュール内の対向するすべての配線パターンが同一であるので、電力用半導体モジュール内部での動作バランスが均一となり、電力用半導体モジュールとして安定した動作が可能となる。このように、図１５、図１６のいずれの構成においても、電流アンバランスに対する抑制効果を得ることができる。また、図１６においては、正アームに対して負アームの絶縁基板２の組み合わせを変更したが、このように、鏡面対称となる絶縁基板の配置であれば、正アーム、負アームいずれを入れ替えた組み合わせでも同様の効果を得ることができる。
　ここで、本実施の形態においては、絶縁基板２に搭載された自己消弧型半導体素子６を４並列として図示したが、並列素子数は２個以上であれば、本発明の効果は得られるものであり、４並列に限定するものではない。また、絶縁基板２の枚数も４並列として図示したが、並列する絶縁基板２の枚数は２枚以上であれば、本発明の効果は得られるものであり、４並列に限定するものではない。
　また、図９に示すように主電極の形状を正極電極、負極電極、および交流電極をそれぞれが積層する形で配置することで、モジュールの端子が各一つであったとしても絶縁基板から正極電極と交流電極もしくは交流電極と負極電極が積層し、さらにモジュールの上部では正極電極と負極電極が積層され、インダクタンスを低減することが可能である。
　以上のように構成された電力用半導体モジュールにおいては、異なる配線パターンを搭載する絶縁基板２を鏡面対称となるように隣接して配置したので、隣接する配線パターン間での流れる電流が均一化することができる。その結果、絶縁基板２間および自己消弧型半導体素子６間の電流アンバランスを抑制することができ、電力用半導体モジュールの信頼性を向上することが可能となる。
　また、絶縁基板２の枚数は、配線パターン４が隣接するように鏡面対称に配置されれば良く、配置する枚数によらず、隣接する配線パターン間での流れる電流が均一化することができる。その結果、絶縁基板２間および自己消弧型半導体素子６間の電流アンバランスを抑制することができ、電力用半導体モジュールの信頼性を向上することが可能となる。　さらに、異なる配線パターンが形成された２種類の基板を用いて鏡面対称配置としたので、電力用半導体モジュールを構成する基板数を削減することがき、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制したまま、電力用半導体モジュールのコスト低減が可能となる。
　また、樹脂絶縁材を用いた金属基板の場合は、１枚の基板上に異なる配線パターンを鏡面対称となるように隣接して複数個配置したので、基板数を削減することがき、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制したまま、電力用半導体モジュールのコスト低減が可能となる。
実施の形態３．
　本実施の形態３においては、実施の形態１，２で用いた隣接する絶縁基板の鏡面対称である部分を含むソース配線パターンをボンディングワイヤで接続した点が異なる。このように隣接する絶縁基板の鏡面対称である部分を含むソース配線パターンをボンディングワイヤで接続し導通させることで、それぞれの鏡面対称部分において、自己消弧型半導体素子を流れる電流のアンバランスを抑制したまま、導通箇所を増加させることでインダクタンスを低減することができる。
　図１７は、この発明の実施の形態３の電力用半導体モジュールの主電極（正極電極、負極電極、および交流電極）を取り除いた上面模式図である。図１７には、主電極を取り除き、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７などのチップレイアウトを示す。図示していない主電極は実施の形態２と同様の形状をしているため省略した。図１８は、従来例における電力用半導体モジュールの主電極を取り除いた上面模式図である。図１８には、主電極を取り除き、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７などのチップレイアウトを示す。図１８においては、絶縁基板は鏡面対称に配置されていない。図１９は、この発明の実施の形態３の他の電力用半導体モジュールの主電極（正極電極、負極電極、および交流電極）を取り除いた上面模式図である。図１９には、主電極を取り除き、自己消弧型半導体素子６や還流ダイオード７などのチップレイアウトを示す。図示していない主電極は実施の形態２と同様の形状をしているため省略した。
　図１７において、本実施の形態３の電力用半導体モジュール３００は、ベース板１、基板である絶縁基板２、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４、セラミクス絶縁基板５、自己消弧型半導体素子６、還流ダイオード７、ボンディングワイヤ２２、ケース５１を備える。
　本実施の形態３の電力用半導体モジュール３００は、電力用半導体モジュール３００を構成する自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７との発熱を放熱する金属放熱体であるベース板１の一方の面に、金属箔がロウ付けなどで接合された絶縁材であるセラミクス絶縁基板５が、はんだ９により接合されている。一方、セラミクス絶縁基板５のベース板１と接合された面と対向する面には、金属箔により配線パターン３，４がロウ付けなどにより接合されている。金属箔が接合されたセラミクス絶縁基板５と配線パターン３，４とにより絶縁基板２が構成されている。ただし、絶縁基板の材料としては、セラミクスに限定されるものではなく、樹脂絶縁材を用いた金属基板であっても良い。樹脂絶縁材を用いた金属基板の場合は、正負アーム分の複数枚の絶縁基板を用いるのではなく、例えば１枚の金属基板を用い、この金属基板上に鏡面対称となるように配線パターンを複数個形成して用いることができる。このような樹脂絶縁材料を用いた金属基板であっても同様の効果を得ることができる。
　また、ドレイン（コレクタ）配線パターン３とソース（エミッタ）配線パターン４とのセラミクス絶縁基板５が接合された面と対向する面には、自己消弧型半導体素子６と還流ダイオード７がはんだ９により接合されている。さらに、隣接する絶縁基板２のソース（エミッタ）配線パターン４間は、ボンディングワイヤ２２で接続し導通させている。ただし、配線材としては、ワイヤを用いているが、ワイヤに限定されるものではなく、その他の接合方法によるものでも良い。
　図１８において、従来例における電力用半導体モジュール３１０は、ベース板１、基板である絶縁基板２、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４、セラミクス絶縁基板５、自己消弧型半導体素子６、還流ダイオード７、配線材であるボンディングワイヤ２２、ケース５１を備える。本実施の形態３の電力用半導体モジュール３００とは、配線パターンが鏡面対称配置となっていない点が異なる。
　実施の形態２での電力用半導体モジュール２００では、絶縁基板２の主回路を構成する配線パターンは主電極のみで接続され、並列接続されていたが、配線インダクタンスを低減するには、電流経路を増やすことが効果的である。そのため、本実施の形態３においては、電流経路を増やすために並列のソース（エミッタ）パターン４間をボンディングワイヤ２２で接続している。このような場合において、本実施の形態３では、隣接する絶縁基板２の配線パターンが鏡面対称であることにより、絶縁基板２間のボンディングワイヤ２２の両端の電位が一致し、ボンディングワイヤ２２への大きな電流が通流すること防ぐことが可能である。仮に、図１８のように絶縁基板２を１種類として隣接する絶縁基板２が同じものであった場合、ボンディングワイヤ２２の両端の電位はばらつき、ボンディングワイヤ２２へ大きな電流が通流する。その結果、このボンディングワイヤ２２の発熱およびパワーサイクル寿命が短くなるなどの問題が発生する。したがって、本実施の形態３においては、ボンディングワイヤ２２の両端が同電位となることで、ボンディングワイヤ２２にはＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）通流時に電流がほとんど流れることがない。その結果、ボンディングワイヤ２２のパワーサイクル寿命が低下することなく、配線インダクタンスに影響するようなスイッチング時のｄｉ／ｄｔの大きな時間範囲においては、ボンディングワイヤ２２によって導通箇所ができることによってインダクタンス低減が可能となる。
　さらに、このボンディングワイヤ２２は複数本であっても良く、ソース配線パターン４間を複数のボンディングワイヤ２２を用いて接続することで、よりパターン間のインピーダンスを低減することができる。図１９にその例を示す。
　図１９において、本実施の形態３の電力用半導体モジュール３００は、ベース板１、基板である絶縁基板２、ドレイン（コレクタ）配線パターン３、ソース（エミッタ）配線パターン４、セラミクス絶縁基板５、自己消弧型半導体素子６、還流ダイオード７、ボンディングワイヤ２２、ケース５１を備える。
　各絶縁基板のソース配線パターン４に電流が流れることによって生じる電位差は、隣り合う絶縁基板のソース配線パターン４間を低インピーダンスで接続することにより発生しにくくなり、絶縁基板間での電流アンバランスの抑制が可能となる。図１９では、絶縁基板が正極側・負極側に各４枚搭載される場合を図示したが、２枚や３枚などでも、５枚以上の場合でも、同様の効果は得られる。また、正極側・負極側の絶縁基板のパターンの組み合わせも図示したもの以外の組み合わせであっても鏡面対称の配線パターンであれば、同様の効果は得られる。
　以上のように構成された電力用半導体モジュールにおいては、異なる配線パターンを搭載する絶縁基板２を鏡面対称となるように隣接して配置したので、隣接する配線パターン間での流れる電流が均一化することができる。その結果、絶縁基板２間および自己消弧型半導体素子６間の電流アンバランスを抑制することができ、電力用半導体モジュールの信頼性を向上することが可能となる。
　また、隣接するソース配線パターン４間をボンディングワイヤ２２によって接続し導通させることで、電力用半導体モジュール３００内の電流経路を増加させることができ、インダクタンスの低減することが可能となる。
　さらに、異なる配線パターンが形成された２種類の基板を用いて鏡面対称配置としたので、電力用半導体モジュールを構成する基板数を削減することがき、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制したまま、電力用半導体モジュールのコスト低減が可能となる。
　また、樹脂絶縁材を用いた金属基板の場合は、１枚の基板上に異なる配線パターンを鏡面対称となるように隣接して複数個配置したので、基板数を削減することがき、基板間および電力用半導体素子間の電流アンバランスを抑制したまま、電力用半導体モジュールのコスト低減が可能となる。
　１　ベース板、２　絶縁基板、３　ドレイン（コレクタ）配線パターン、４　ソース（エミッタ）配線パターン、５　セラミクス絶縁基板、６　自己消弧型半導体素子、７　還流ダイオード、８　ゲート抵抗、９　接合材、１０　正極電極、１１　負極電極、１２　交流電極、１３Ｇ　正極側ゲート、１３Ｅ　正極側制御ソース、１４Ｇ　負極側ゲート、１４Ｅ　負極側制御ソース、２１，２２　ボンディングワイヤ、４０　正極端子、４１　負極端子、４２　交流端子、５０　封止材、５１　ケース、５２　蓋、５３　ナット、１００，１１０，２００，２１０，３００，３１０，３２０　電力用半導体モジュール、１０１，１０２，１０３，１０４　正極ブロック、１１１，１１２，１１３，１１４　負極ブロック。

Claims (12)

  1. 自己消弧型半導体素子を直列接続して構成され、前記自己消弧型半導体素子の直列接続点を有する正負アームと、
    前記正負アームに接続される正極側電極、負極側電極、および交流電極と、
    前記正負アームの前記自己消弧型半導体素子と前記正極側電極、前記負極側電極、および前記交流電極とを接続する複数の配線パターンが形成された基板とを備え、
    隣接する前記配線パターンに流れる電流の方向が同じで、一方の前記配線パターンが他方の前記配線パターンに対して鏡面対称に配置されたことを特徴とする電力用半導体モジュール。
  2. 前記配線パターンは、前記自己消弧型半導体素子を介した電流が流れ、前記鏡面対称の基準線に対して隣接して平行に配置された平行部を有することを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
  3. 前記配線パターンは、前記配線パターン上に前記鏡面対称の基準線に対して垂直方向に一列に配置された前記自己消弧型半導体素子と配線材を介して接続され、前記鏡面対称の基準線に対して垂直方向に配置された垂直部を有し、前記垂直部を流れる電流の方向が逆方向となるように前記正負アームの前記垂直部を隣接して対向して配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
  4. 前記配線パターンは、前記配線パターン上に前記鏡面対称の基準線に対して垂直方向に一列に配置された前記自己消弧型半導体素子と配線材を介して接続され、前記鏡面対称の基準線に対して垂直方向に配置された垂直部を有し、前記垂直部を流れる電流の方向が同方向となるように前記正負アームの前記垂直部を隣接して対向して配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力用半導体モジュール。
  5. 前記正負アームいずれかの前記配線パターンのうち、隣接する前記垂直部同士が前記配線材で電気的に接続されたことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  6. 前記配線パターンを電気的に接続する前記配線材は、複数本のボンディングワイヤを用いたことを特徴とする請求項５に記載の電力用半導体モジュール。
  7. 前記基板は、２種類あり、それぞれの前記基板に形成された前記配線パターンが鏡面対称になるように前記２種類の基板が配置されたことを特徴とする請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  8. 前記自己消弧型半導体素子に対して逆並列に接続され、前記配線パターンに接合されるダイオードを有し、前記正負アームは、前記自己消弧型半導体素子と前記ダイオードとの並列回路を直列接続して構成されることを特徴とする請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  9. 前記基板は、複数枚あり、隣接する前記基板上に形成された前記配線パターンが鏡面対称になるように前記複数の基板が配置されたことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  10. 前記ダイオードが珪素よりバンドギャップが広いワイドギャップ半導体で形成されることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体モジュール。
  11. 前記自己消弧型半導体素子が珪素よりバンドギャップの広いワイドギャップ半導体で形成されることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュール。
  12. 前記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム材料、およびダイヤモンドのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電力用半導体モジュール。
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