(57)【要約】【課題】パワートランジスタから制御回路への有害な電磁波を遮蔽しつつ、スナバ回路を備えた、小型の半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、一対の入力端子４１、４２と、出力端子４３と、少なくとも一対の制御端子４４、４５とを有するパワーモジュール４と、パワーモジュールの制御端子へ制御信号を送信する制御回路５０を搭載した制御回路基板５と、スナバ回路を搭載したスナバ回路基板６と備える。スナバ回路基板６は、パワーモジュール４と制御回路基板５の間に介在し、その主面には、少なくともコンデンサ素子６４を含む構成要素に接続する複数の導体箔６１〜６３が配置されている。そしてスナバ回路基板６の一方の主面に垂直な方向から見て、複数の導体箔６１〜６３全体の輪郭が、制御回路基板５上の制御回路５０とこれにつながる配線５４、５５を内包する。【選択図】図１
2020140996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の入力端子と、少なくとも１つの出力端子と、少なくとも一対の制御端子とを有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの前記制御端子へ制御信号を送信する制御回路を搭載した制御回路基板と、
コンデンサを構成要素として有するスナバ回路を搭載したスナバ回路基板と、
を備える半導体装置において、
前記一対の入力端子には、前記スナバ回路及び直流電源が並列に接続され、
前記スナバ回路基板は、前記パワーモジュールと前記制御回路基板の間に介在し、
前記スナバ回路基板の少なくとも一方の主面には、前記コンデンサに接続する複数の導体箔が配置され、
前記スナバ回路基板の前記一方の主面に垂直な方向から見て、前記複数の導体箔全体の輪郭が、前記制御回路基板上の前記制御回路とこれにつながる配線を内包する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記パワーモジュールの前記出力端子には負荷配線が接続され、前記負荷配線は前記パワーモジュールを冷却する冷却器の、前記パワーモジュールの近傍に形成された貫通孔を貫通して敷設され、
前記負荷配線は、前記複数の導体箔全体の輪郭と、前記制御回路基板上の配線全体の輪郭とを結ぶ線が形成する錐形の内部に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記一対の制御端子から延伸した一対の信号配線は、前記導体箔に形成された１つの穴を貫通して敷設されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記スナバ回路基板の前記一方の主面のみに前記スナバ回路を構成する部品が配置され、
前記スナバ回路基板と前記制御回路基板との距離は、前記スナバ回路基板上で前記コンデンサの両電極がそれぞれ接続する２つの導体箔間の距離以上である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記スナバ回路基板の対向する２つの主面のいずれにも複数の導体箔が配置され、
前記スナバ回路基板の端部を含むあらゆる断面において、前記制御回路基板と面する側に位置する前記導体箔の端部が、前記パワーモジュールと面する側に位置する前記導体箔の端部よりも、前記スナバ回路基板自体の端部に近い
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記スナバ回路基板上の前記複数の導体箔は、磁性を有する金属もしくは合金からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワートランジスタを搭載した半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタ等を使って直流電力をパルス状に加工し、直流モータ又は交流モータの回転速度やトルクを制御する駆動装置が知られている。このような駆動装置においては、導通損失が少なく、かつ、スイッチングが速く、よってスイッチング損失も少ないパワートランジスタを使うことにより、発熱が少なくなり、冷却機構を含めた装置全体を小型化することができる。
【０００３】
そのようなパワートランジスタを誤動作なく高速にスイッチングさせるためには、スイッチングするための信号が流れる配線の、インダクタンスによる動作の遅延を避けるため、駆動回路からトランジスタまでの配線を短くすることが望まれる。すなわち、パワートランジスタ及びその駆動回路は、互いに近接して配置することが望まれる。ところが、両者を近接して配置することによって、パワートランジスタに流れる電流を大きく変化する際に生じる電磁波が、駆動回路やこれに接続された配線に予期せぬ電圧変動を誘発せしめ、トランジスタが誤動作を起こす可能性が知られている。この課題を解決するために、特許文献１では、パワートランジスタと駆動回路の間に、前記した電磁波を遮蔽する金属製の遮蔽部材を追加挿入する対策が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２９００９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、このような駆動装置を使う際には、直流電力を供給する電源とパワートランジスタとの間に、断続的な電流変化を平滑化し、急激な電流変化から電源を守るための平滑コンデンサが挿入される。パワートランジスタとして従来のシリコン（Ｓｉ）を用いたトランジスタを使う場合、この平滑コンデンサからパワートランジスタまでの間の配線に寄生するインダクタンスは、これまであまり問題にはならなかった。しかし、ワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタの場合、スイッチング速度が桁違いに速くできる特性があるため、この寄生インダクタンスの影響が顕著になる。
【０００６】
たとえば、数十ｋＷ級のモータを駆動する駆動装置の場合、Ｓｉ製の代表的なパワートランジスタにＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。ＩＧＢＴが導通状態から電流を遮断してゆく時間は正味１００ｎｓ程度であり、その変化率（ｄＩ／ｄｔ）を仮に１ｋＡ／μｓで一定だったとする。また電源付近に配置した平滑コンデンサからＩＧＢＴチップの主端子までの電源配線がもつ寄生インダクタンスを仮に１００ｎＨとすると、１００Ａをターンオフする際に配線の寄生インダクタンスによってトランジスタの主端子間に誘起される過剰電圧は１００Ｖとなる。パワートランジスタの耐圧は通常、電源電圧の２倍程度に選ばれるので、仮に電源電圧が６００ＶでＩＧＢＴチップの耐圧が１２００Ｖだった場合、この電流ターンオフ時に重畳するこの１００Ｖは十分に許容範囲内であり、問題にならなかった。
【０００７】
一方、同じ耐圧クラスのワイドバンドギャップ半導体によるトランジスタとして代表的なものに炭化ケイ素（ＳｉＣ）製のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。そのトランジスタが電流を遮断する時間は１０ｎｓ程度と、Ｓｉ製のＩＧＢＴに比べて１桁近く短い。よってＳｉＣ製ＭＯＳＦＥＴはこの高速スイッチングの性能により従来のＳｉ製トランジスタより高効率で電力制御できる。ところが、同じ寄生インダクタンスのある配線に流れる同じ量の電流をこの速度でターンオフすると、その際に発生する過剰電圧は単純計算で１０００Ｖとなり、このままではトランジスタチップの主端子間に掛かる瞬時電圧が耐圧を超えてしまう。そこで、このように高速スイッチングするトランジスタを使う場合は、この寄生インダクタンスの影響を緩和するスナバ回路を、パワートランジスタの直近に追加配置する必要がある。すなわち、高速スイッチング可能なトランジスタを実際に使おうとすると、誤動作を防ぐため従来から採用されている電磁遮蔽板に加え、トランジスタ自身を保護するためのスナバ回路も追加しなければならず、せっかく高効率なトランジスタを採用して装置を小型化しようとする意図が阻まれる。
【０００８】
本発明は、上記のような事情を鑑み、パワートランジスタから制御回路への有害な電磁波を遮蔽しつつ、スナバ回路を備え、しかも小型の半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明の一態様に係る半導体装置は、一対の入力端子と出力端子と少なくとも一対の制御端子とを有するパワートランジスタを有するパワーモジュールと、パワーモジュールの制御端子へ制御信号を送信する制御回路を搭載した制御回路基板と、少なくともコンデンサ素子を構成要素として含むスナバ回路を搭載したスナバ回路基板と、を備える。そのスナバ回路基板は、パワーモジュールと制御回路基板の間に介在している。スナバ回路基板の少なくとも一方の主面には、コンデンサ素子に接続する複数の導体箔が配置されている。スナバ回路基板の一方の主面に垂直な方向から見て、それら複数の導体箔全体の輪郭が、制御回路基板上の制御回路を構成する回路部品及び回路部品同士を接続する配線を内包する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スナバ回路を搭載したスナバ回路基板が、パワートランジスタから制御回路へ至る電磁波を遮蔽しつつ、小型の半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。
【図２】図１の半導体装置をその構成の一部とするモータ駆動回路の、模式的な電気回路図である。
【図３】図２の電気回路図のうち１つの相に関わる部分の、詳細な回路構成を示す電気回路である。
【図４】図１のパワーモジュールを上方から見た模式的な平面図である。
【図５】図４のパワーモジュールに強電配線（バスバー配線）を接続した模式的な平面図である。
【図６】図５のパワーモジュールの入力端子とバスバーならびにスナバ回路基板との接続構造を説明する断面図である。
【図７】図１の制御回路基板を取り除いてスナバ回路基板を上方から見た模式的な平面図である。
【図８】図７のスナバ回路基板がパワーモジュールを覆い尽くすことを説明する透視平面図である。
【図９】図１の制御回路基板のみを説明する模式的な平面図である。
【図１０】図１の制御回路基板とスナバ回路基板とパワーモジュールを重ねて上方から見た透視平面図である。
【図１１】第１の変形例に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。
【図１２】第２の変形例に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。
【図１３】第３の変形例に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。
【図１４】図１３のスナバ回路基板を制御回路基板側から見た平面図である。
【図１５】図１３のスナバ回路基板をパワーモジュール側から見た平面図である。
【図１６】スナバ回路基板の表裏にある導体箔の外縁が、どちらもスナバ回路基板の外縁から等しい距離にある構造において、両導体箔に電位差を与えたときの、スナバ回路基板端部における電気力線の分布を模式的に示した断面図である。
【図１７】スナバ回路基板の表裏にある導体箔の、外縁からスナバ回路基板の外縁までの距離が異なる構造いおいて、両導体箔に電位差を与えたときの、スナバ回路基板の端部における電気力線の分布を模式的に示した断面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。
【図１９】図１８のスナバ回路基板を上方から見た模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について図を参照して詳細に説明する。なお、図面は模式的なものであり、各寸法や図中の縦横の比率などは現実のものとは異なる。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。また、それぞれの図中で同じ符号を付したものは同一またはほぼ同一と見做せる類似のものを示す。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。第１の実施形態に係る半導体装置１は、パワートランジスタ（図示せず）を内蔵するパワーモジュール４と、そのパワートランジスタの制御端子へ制御信号を送信する制御回路５０を搭載した制御回路基板５と、コンデンサ素子６４ならびにその他の部品６５を構成要素とするスナバ回路を搭載したスナバ回路基板６とを備える。なお、６５はここでは抵抗素子としている。ちなみに、スナバ回路の構成には、この抵抗素子にダイオード素子が並列接続される形式など、複数の構成が知られているが、ここでは最も基本的な構成で説明する。また、図１では制御回路５０の詳細は省略して描画している。
【００１４】
パワーモジュール４は、スナバ回路基板６側の主面に対向する主面に放熱面４０を有し、冷却器２と熱的に接続されている。図中の４７はこの接続を確実なものにするためにモジュール４に存在する固定治具部で、ボルト８によって冷却器２に固定されている。
【００１５】
そのパワーモジュール４は、放熱面４０とは異なる面に一対の入力端子４１、４２と、少なくとも１つの出力端子４３と、少なくとも一対の制御端子４４、４５とを有し、それぞれ内部のパワートランジスタ（図示せず）に接続されている。
【００１６】
一対の入力配線４１、４２は、スナバ回路基板６に形成された導体箔６１、６２に電気的に接続されている。なお、図１には示していないが、一対の入力端子４１、４２には、更に直流電源に接続されている。
【００１７】
出力端子４３には負荷配線３が接続され、冷却器２のパワーモジュール４の近傍に形成された貫通孔２０を貫通して敷設され、電気的負荷、例えば、交流式のモータ（図示せず）に接続される。
【００１８】
一対の信号配線４４、４５は、スナバ回路基板６に形成された一対の貫通孔を貫通し、制御回路基板５上に配置された配線５４、５５に電気的に接続されていて、これらは、制御回路５０と電気的に接続されている。
【００１９】
そしてこれらパワーモジュール４、制御回路基板５及びスナバ回路基板６は、図１に示すように所定の距離を隔てて近接して積層され、スナバ回路基板６はパワーモジュール４と制御回路基板５の間に介在している。
【００２０】
なお、図１には１つのパワーモジュール４から１つの出力端子４３及び一対の制御端子４４、４５が引き出されているが、本発明はこれに限定されない。１つのパワーモジュール４から、複数の出力端子４３と複数対の制御端子４４、４５が引き出されていてもよい。
【００２１】
つぎに、回路図を使って図１の半導体装置の働きについて説明する。図２は、図１の半導体装置１を３つ用いて、直流電源Ｂからの電力を加工して三相交流モータＭが回転できる交流電力を生成する駆動回路の模式的な回路図である。この駆動回路には、直流電源Ｂが接続され、さらにこれを保護かつ補佐するための平滑コンデンサＣが並列接続されている。三相交流モータＭは、電気回路上は主にインダクタンス成分で構成されている。
【００２２】
図２中の回路ブロック１ａ、１ｂ、１ｃの各々が図１の半導体装置１に相当する。さらに、図中のＳ１などが、図１中のコンデンサ素子６４と抵抗素子６５に対応し、制御回路Ｋ１やＫ４が図１中の制御回路５０に対応する。そして、４ａ、４ｂ、４ｃが図１中のパワーモジュール４に相当する。
【００２３】
図１中のパワーモジュール４には、図２のパワートランジスタＱ１とＱ４が内蔵されていてもよい。その場合、図１において出力端子と制御端子の数が増える。Ｑ１〜Ｑ６までのパワートランジスタが１つのパワーモジュールに内蔵された構成も、本発明の範疇に入る。
【００２４】
また、図１中のパワーモジュール４の中に１つのパワートランジスタが内蔵されている場合は、図２に示した構成とは異なり、パワートランジスタＱ１などの両主端子間にそれぞれ１つずつスナバ回路が並列接続される構成となる。よく知られているように、それでもスナバ回路として成立する。
【００２５】
また、図中のＬは平滑コンデンサＣから回路ブロック１ａ、１ｂ、１ｃの入出力端子（それぞれの４４、４５）までの配線に存在する寄生インダクタンスである。実際には配線全域に分布しているが、ここでは模式的に１つにまとめて描いている。
【００２６】
つぎに、図２の回路の動作を説明する。たとえばパワートランジスタＱ１とＱ４は、片方が導通状態のときはもう一方が遮断状態となるように、相補的に制御される。パワートランジスタＱ２Ｑ５、Ｑ３と６についても同様である。さらに、これら３相は相互に連携したタイミングで動作することにより、結果として負荷である三相交流モータＭが所望の速度で回転できる交流電力が生成される。
【００２７】
図３は、そのような動作中の半導体装置１の動作をさらに詳しく説明するため、図２中の１相に関係する部分のみを抜き出して描いた回路図である。図２中のスナバ回路Ｓ１は、具合的には図３に示したとおり、コンデンサＣｓが図１のコンデンサ素子６４、抵抗Ｒが抵抗素子６５にそれぞれ対応する。
【００２８】
上述したように、パワートランジスタＱ１とＱ４は、その一方が導通状態のときはその他方が遮断状態になるように、相補的に制御される。いま、トランジスタＱ１が導通状態で、トランジスタＱ４が遮断状態だとすると、パワートランジスタＱ１を介して直流電源ＢからモータＭへ向けて電流が流れる。
【００２９】
つぎに、パワートランジスタＱ１を一定の時間をもって遮断状態へ移行させると、寄生インダクタンスＬを流れる電流値が変化するので、寄生インダクタンスＬの両端には電位差が発生し、電流の下流の電位が高くなる。たとえば、パワートランジスタＱ１、Ｑ４の各々がＳｉ製の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である場合、１００Ａの電流が１００ｎｓかけて単調減少すると、寄生インダクタンスＬの下流にあたるトランジスタＱ１の主端子間電圧の上昇分△Ｖは１００Ｖとなる。仮に、直流電源Ｂの電源電圧が６００Ｖで、このＩＧＢＴチップの耐圧が１２００Ｖだった場合、パワートランジスタＱ１の導通状態から遮断状態への移行時に、電源電圧に重畳するこの１００Ｖは、十分に許容範囲内であり問題にならない。
【００３０】
しかし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）に代表されるワイドバンドギャップ半導体によるＭＯＳＦＥＴであった場合は、同じ耐圧ならびに電流容量で使用されるＳｉ製のＩＧＢＴよりも短い時間で電流を制御できる。たとえば、１００Ａを１０ｎｓに近い短い時間で遮断することができる。すると、トランジスタＱ１がＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴである場合、トランジスタＱ１の主端子間電圧の上昇分ΔＶは１０００Ｖとなり、電源電圧にこれが重畳すると、トランジスタの耐圧を超えてしまう。
【００３１】
そこで、図３のようにスナバ回路を挿入する。この時、スナバ回路とパワートランジスタの間の配線が長いと、その寄生インダクタンスによってスナバ回路の効果が発揮できないので図１のように、パワートランジスタが内蔵されているパワーモジュール４の入力端子４１、４２の直近にスナバ回路を接続することが望ましい。すると、パワーモジュール４内のパワートランジスタに対するΔＶの影響は、パワーモジュール４内に存在する僅かな寄生インダクタンス（図示せず）のみの影響で済む。
【００３２】
このような構成とすると、仮にトランジスタＱ１が瞬時にターンオフしたとしても、その瞬間に入力端子４１、４２間の電圧が過剰に上昇することなく、コンデンサＣｓを通って抵抗Ｒへと電流が流れる。たとえば、抵抗Ｒの値が１Ωだったとすると、１００Ａを遮断したときのスナバ回路の両端すなわちトランジスタＱ１の両端に誘起される電圧は６００＋１００＝７００Ｖに収まる。その後、寄生インダクタンスＬに溜まった電磁エネルギーは抵抗Ｒで消費されつつ、寄生インダクタンスＬとコンデンサＣｓによって決まる振動周波数で振動しながら減衰し、最終的にはコンデンサＣｓが電源電圧を担って過渡的な変動は終息する。
【００３３】
ここで、減衰振動は回路動作になるべく影響しない範囲に設計する。たとえば、図２の回路を駆動するキャリア周波数を１０ｋＨｚとし、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の最小デューティを５％とすると、最短パルス幅が５μｓとなる。モータＭを適正に制御するためには、この間には減衰振動がほぼ終息することが望ましい。そこで、減衰定数を２μｓとすると、抵抗Ｒの下限は０．０５Ωとなる。このとき、トランジスタが１００Ａを遮断したときに現れる過剰電圧△Ｖは５Ｖとなる。抵抗Ｒの上限は前述したように回路が流す電流の最大値と、許容できる△Ｖで決まる。
【００３４】
減衰振動の振動周期は、寄生インダクタンスＬとコンデンサＣｓの値で決まる。この電気振動によって発生する電波の周波数を、従来のＳｉ製ＩＧＢＴが電流を変化させる際に出る程度に抑えるとすると、Ｓｉ製ＩＧＢＴの電流降下時間が約１００ｎｓとなる。これによって生じる振動の基本周期を２倍の２００ｎｓとしおて同じ周波数で減衰振動してよいとすると、静電容量の下限は約１０ｎＦとなる。なお、この振動は寄生インダクタンスＬにも影響され、寄生インダクタンスＬが小さいと周波数が高くなってしまうので、スナバ回路Ｓ１中のコンデンサＣｓの静電容量は高めに設定しておくとよい。仮に、減衰振動の周波数を１桁低くしたいなら、静電容量は１０００ｎＦとなる。スナバ回路Ｓ１の目的はパワートランジスタの保護のほか、制御回路（図３ではＫ１、Ｋ４）への電磁障害緩和もある。制御回路への影響は電界の振幅と周波数の両方に依存し、これら電気的条件と幾何学的条件から設計する。
【００３５】
本実施形態では、スナバ回路基板６は、上述のようにスイッチング時にパワートランジスタ（Ｑ１など）の両端に重畳する過剰電圧を抑えつつ、同時に、高速で電流値が変動するパワーモジュール４から出る電磁波を遮蔽するシールド板（遮蔽板）としての機能を備える。そのしくみを説明する。
【００３６】
図４〜図９は、図１で示した半導体装置１の、各層ごとに模式的に示した平面図である。図４は冷却器２（図示せず）に固定したパワーモジュール４のみを上方からみた時の模式的な平面図である。図３に示したとおり、パワーモジュール４は、２つのトランジスタＱ１、Ｑ４を備えるとする。これに対応して、パワーモジュール４から引き出される制御端子は４４１と４５１、４４４と４５４の２対になる。
【００３７】
パワーモジュール４の固定治具部４７には、パワーモジュール固定用の穴４８が形成されていて、ボルト８が挿入され、冷却器２に固定される。一対の入力端子４１と４２及び出力端子４３にはそれぞれ、外部配線と接続するためのネジ穴４１ｃ、４２ｃ、４３ｃが形成されている。
【００３８】
図５は、図４のパワーモジュール４に対して、バスバー配線７１、７２及び負荷配線３を接続した状態を示す平面図である。説明し易くするために、バスバー配線７１と７２とはややずらして描画した。実際のバスバー配線７１と７２はインダクタンスを低く抑えるべく、重ねられ、互いに近接平行して配置されている。
【００３９】
なお、図１ではバスバー配線７１、７２の描画を割愛したが、図５にて入力端子４１、４２とバスバー配線７１、７２との接続関係を説明する。一例として、入力端子４１について、図５中の線分Ｇ−Ｇを含み、紙面に垂直な断面で切った様子を図６に示す。入力端子４１は、バスバー配線７１及びスナバ回路基板６上の配線の両方に接続する必要がある。そこで、パワーモジュール４の内部から引き出された入力端子４１ａは、ネジ８１とパワーモジュール４の内部に埋め込まれたナット９１とによって、バスバー配線７１に締結され、ネジ８１とナット９１とによって、補助端子４１ｂが同時に締結されている。補助端子４１ｂは、スナバ回路基板６側へ延伸され、スナバ回路基板６上の導体箔６１に接続されている。工程上、先ずネジ８１で補助端子４１ｂ及びバスバー配線７１を入力端子４１ａに締結し、その後に、スナバ回路基板６上の側とハンダ付けその他の方法で導体箔６１に電気的に接続することになる。入力端子４２についても同様である。
【００４０】
つぎに図７は、図４のパワーモジュール４の上に配置するスナバ回路基板６を上から見た平面図で、図中番号６１〜６３は導体箔、６４はコンデンサ素子、６５は抵抗素子である。コンデンサ素子６４の両電極は導体箔６２と６３に接続され、抵抗素子６５の両端子は導体箔６１と６３に接続されている。導体箔６１には、穴４１ｈが穿たれ、前述の図１の入力端子４１もしくは図５中の補助端子４１ｂがこれを貫通し、ハンダ等で電気的に接続されている。導体箔６２には、同じく穴４２ｈに図１中の入力端子４２が貫通し、電気的に接続されている。すなわち、コンデンサ素子６４及び抵抗素子６５は直列接続され、入力端子４１と４２の間に接続されている。
【００４１】
長く伸びた制御端子４４１と４５１は、スナバ回路基板６に穿たれた穴４４１ｈと４５１ｈをそれぞれ貫通し、ここに図示していない制御回路基板５へと延びている。導体箔６１とは絶縁するため、導体箔６１には穴６１ｈが設けられ、制御端子４４１、４５１と距離をとっている。
【００４２】
同様に、制御端子４４４と４５４についても、スナバ回路基板６に穿たれた穴４４４ｈと４５４ｈをそれぞれ貫通しており、ここに図示していない制御回路基板５へと延びていて、導体箔６２とは絶縁するため、導体箔６２には穴６２ｈが設けられ、距離をとっている。
【００４３】
ところで、図７のようにスナバ回路が２つの素子６４、６５から構成されることから、スナバ回路基板６上の導体箔は６１、６２、６３の３つに分かれている。よって、このままでは電磁波の遮蔽効果は得られないように見えるが、これら導体はコンデンサや抵抗で接続されているため、等価的にはほぼ一体の導体として機能する。すなわち、コンデンサ素子６４の両端子はそれぞれ導体箔６２と６３とに接続され、抵抗素子６５の両端子は導体箔６１と６３とに接続されている。コンデンサ素子６４は高周波の電流を流すため、パワーモジュール中のトランジスタのスイッチングによって放射された電磁波に励起された電流は導体箔６２と６３の間を行き来できる。また、導体箔６１と６３も比較的低抵抗の抵抗素子６５によって接続されているので同様である。このように、コンデンサ素子６４と抵抗素子６５によって接続された３つの導体箔６１〜６３は、スナバ回路としての機能をもちつつ、同時に、スイッチング動作によって放射された電磁波に対して、１つの導体として振る舞い、遮蔽効果をもつ。
【００４４】
なお、それでも図に示されたとおり、３つの導体箔６１〜６３の間には空隙がある。しかし、それでも電磁遮蔽効果をもつ。すなわち、仮にパワーモジュール４に内蔵されたパワートランジスタ（Ｑ１かＱ４のいずれか）が１００Ａを１０ｎｓで遮断したとすると、その中に含まれる電流変化の基本周期は２０ｎｓと仮定できる。その周波数は５０ＭＨｚである。その電磁波の波長は６ｍである。スナバ回路基板６上の導体箔同士の間隔はせいぜい数ｍｍであり、これは発生する電磁波の１／４波長のさらに２桁小さい値である。よって、この空隙を電磁波が素通りすることはできず、制御回路基板５上の配線や構成部品までの距離が、スナバ回路基板６上の導体箔間の空隙と同じかそれ以上の距離だけ離れていれば、漏れ出る電磁波の強度は誤動作を気にしないでよい程度まで弱まる。
【００４５】
スナバ回路基板６の遮蔽効果について、さらに図を使って説明する。図８は、図７に示したスナバ回路基板６上の複数の導体箔に対して、図５に示したバスバーなどの構成物を破線で表して重ね合わせた平面図である。説明のためスナバ回路基板６上の素子は割愛しているが、図示していないコンデンサ素子６４と抵抗素子６５により、３つの導体６１〜６３は高周波において電気的に接続しており、それらが形成する概略の輪郭が、制御回路基板５側からみてパワーモジュール４が隠れるほど広くしておくことにより、これら導体は電磁遮蔽機能をも備える。さらに、スイッチングに起因する電磁波が出る負荷導体３もスナバ回路基板によって隠れるようにしている。負荷導体３の輪郭と、スナバ回路基板６の導体端部が形成する錐形の内部に、制御回路基板５が入るようにすることにより、負荷導体３からの電磁干渉は大きく抑えられる。さらにこの実施形態では、負荷導体３に対してこの効果がさらに得られるよう、負荷導体３をパワーモジュールのある領域に長々と延在させることなく、冷却器２のパワーモジュール４が配置されたすぐ近くに穴２０を設け、負荷導体３をこれに通すことで、負荷導体３から出る電磁波も制御回路基板５に及ばないように配置している。詳しくは、電磁波発信源をなるべく、電磁遮蔽効果を持たせたスナバ回路基板６上の複数の導体箔全体の輪郭と、前記制御回路基板５０上の配線全体の輪郭とを結ぶ線が形成する錐形の内側に配置する。
【００４６】
つぎに図９は、制御回路基板５を上方からみた平面図である。図中、制御回路５０を構成する回路部品の配置を模式的に示した。それぞれの回路部品を特定しないが、制御回路５０の構成要素は、パワーモジュール内のトランジスタの制御端子へオン／オフ信号を供給する弱電トランジスタ、その信号電力や弱電トランジスタ制御用の電力を生成する電源ユニット、その他周辺の抵抗チップやコンデンサチップなどである。なお、ここでは主要な回路部品の輪郭のみを示し、配線等の表記は割愛した。パワーモジュール４から延伸された制御端子４４１と４５１、４４４と４５４は制御回路基板５上の配線に接続されている。
【００４７】
図１０は、図１を上方から眺めた平面図で、図９に加え図４のパワーモジュール４の概形を破線で、図７のスナバ回路基板６の輪郭を一点鎖線で重ねて表示した。複数の導体箔６１〜６３全体をつなぐ輪郭が、制御回路基板５上の制御回路５０を構成する回路部品ならびに、図示していないが、これら回路部品同士を結線する配線をも内包している。これにより、制御回路５０を構成する回路部品及び回路部品同士を結線する配線は、スナバ回路基板６上の複数の導体箔６１〜６３によってパワーモジュール４から発する電磁波から遮蔽される。
【００４８】
このように、本実施形態においてスナバ回路基板６は、パワーモジュール４やこれに接続する入出力端子と、制御回路基板５との間に介在し、電磁遮蔽版としての機能を果たしつつ、スナバとして機能も果たし、全体としてコンパクトな構成が成立している。
【００４９】
（第１の変形例）
図１１は、図１の半導体装置の第１の変形例を示す断面図である。図１では、スナバ回路を構成する部品がスナバ回路基板６の一方の主面、すなわち制御回路基板５に面する側のみに配置されていた。配線の寄生インダクタンスに蓄積される電磁エネルギーは、スイッチングのたびに抵抗素子６５で熱に変わる。すなわち、抵抗素子６５は常時発熱していて、場合によっては、この放射熱が制御回路基板５へ影響を与える可能性がある。そこで、スナバ回路の構成要素を図１１に示すように、スナバ回路基板６のパワーモジュール４側の主面に配置してもよい。
【００５０】
（第２の変形例）
もちろん、図１２に示すように、抵抗素子６５のみを、スナバ回路基板６のパワーモジュール４側の主面に配置し、コンデンサ素子６４を制御回路基板５側の主面に配置してもよい。
【００５１】
（第３の変形例）
つぎに図１３では、図１１の構成に加えてさらに、スナバ回路基板６の制御回路基板５側の主面の全体に、導体箔を敷設している。これにより、スナバ回路基板６の一方の主面に敷設された導体箔のレイアウト自由度が増し、さらにスナバ回路基板６の電磁波遮断機能を更に高めることが出来る。
【００５２】
図１４は図１３に示すスナバ回路基板６の、制御回路基板５に面する主面の導体箔を示す平面図、図１５はその裏側すなわちパワーモジュール４に面する主面の導体箔を示す平面図である。図１４の側には、全体に導体箔６１が配置されている。導体箔６１にはスナバ回路基板６を貫通する穴４１ｈが形成されており、一方の入力端子４１が貫通して導体箔６１と電気的に接続している。これに隣接して、同じく導体箔６１には穴６１ｈが形成され、さらにその内側には同じくスナバ回路基板６を貫通する穴４２ｈが形成されており、穴の壁面を伝って裏面にある導体箔６２が一部こちら側の面に露出している。ここには入力端子４２が貫通して導体箔６２と電気的に接続している。そして裏面である図１５の対応する箇所には穴４１、４２に接続する導体箔６１、６２が存在している。
【００５３】
図１４に示すように、スナバ回路基板６には貫通穴４４１ｈ、４５１ｈ、４４４ｈ、４５４ｈが形成されていて、さらに導体箔６１にこれらに呼応して穴６１１ｈ、６１４ｈが形成され、ここを貫通する制御端子と絶縁をとっている。同じく図１５側にも、導体箔６１には穴６１４ｄ’、導体箔６２には穴６２１ｈが同じ理由で形成されている。この構成によれば、図１４に示した広い導体箔のおかげで、図１５に示したスナバ回路本来の配線は最小サイズで実現できる。
【００５４】
ところで、制御配線４４１と４５１を近接させてスナバ回路基板６上の導体箔に空けた穴６１１ｈ、６２１ｈに貫通させ、同じく制御配線４４４と４５４を近接させてスナバ回路基板６上の導体箔に空けた穴６１４ｈ、６１４ｈ’に貫通させているが、このようにするとスナバ回路上の導体箔６１や６２の電位が変動しても、制御配線内を走る信号は影響を受けにくい。これらペアの信号配線には必ず対向して同じ量の電流が流れるので、このようにすると電磁誘導などの外乱はほぼキャンセルされる。
【００５５】
（第４の変形例）
図１６及び図１７は、スナバ回路基板６の表面及び裏面の双方に導体箔６１、６２を配置した場合のスナバ回路基板６の外縁部分を拡大した断面図である。図１６及び図１７において、制御回路基板５側に位置する導体箔６１の外縁（「制御回路側外縁」と呼ぶ）、及びパワーモジュール４側に位置する導体箔６２の外縁（「パワーモジュール側外縁」と呼ぶ）は、双方とも、スナバ回路基板６の外縁よりも内側に位置している。図１６及び図１７中の破線Ｅは、この状態で表面及び裏面の導体箔（６１、６２）が電位差をもったときの電気力線を模式的に示したものである。
【００５６】
図１６では、導体箔６１による「制御回路側外縁」と、導体箔６２による「パワーモジュール側外縁」は、スナバ回路基板６の主面に垂直な方向から見て同じ位置にある。すると、電気力線は上下に対称に広がる。
【００５７】
一方、図１７では、「制御回路側外縁」の方が少し外側にせり出している。これにより、電気力線はパワーモジュール４側へ多く集中し、制御回路５０側への影響が弱くなる。よって、このように、表裏の導体の外縁の位置を調整することで、制御回路基板５側への影響を抑えることができる。
【００５８】
さらに、貫通穴においても同様の工夫ができる。前述の図１４と図１５において、図１４の導体箔６１に穿たれた穴６１１ｈの周辺には裏面に形成された穴のサイズが破線で示してある。図１５においても、導体箔６２に穿たれた穴６２１ｈの周辺にも図１４側の穴のサイズが破線で示してある。このように、穴のサイズはパワーモジュール側をやや大きくすることで、外延部と同様の効果が期待できる。
【００５９】
（第２の実施形態）
つぎに、図１８及び図１９を用いて、本発明第２の実施形態に係わる半導体装置１を説明する。図１８は、第２の実施の形態に係る半導体装置を示す模式的な断面図である。図１９は、図１８のスナバ回路基板６を上方（制御回路基板５側）から見た模式的な平面図である。図１８は、図１３に対応する断面図である。
【００６０】
図１８では、スナバ回路はコンデンサ素子６４のみを有し、抵抗素子６５を有していない。その代わり、スナバ回路基板６の主面上に配置された導体箔６１ｍ、６２ｍを高抵抗の金属で構成している。これら導体箔の候補材料としては、たとえば白金（Ｐｔ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）あるいはこれらの合金などがある。薄膜を形成し易い金属が好ましい。
【００６１】
さらにこれら導体箔の平面レイアウトとしては、図１９に示すように、配線を細く長くして、導体箔全体として所望の抵抗値、たとえば０．０５Ω以上を実現している構成となっている。なお、図１９に示すスナバ回路基板６の制御回路基板５側に配置された導体箔６１ｍの形状は、図１４中の導体箔６１に準ずる。このように構成すると、部品点数を削減でき、また発熱領域を広い面積にできるので放熱の点でも有利である。
【００６２】
（変形例）
さらに、導体箔６１ｍ、６２ｍを鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）で構成すると、一般的な銅（Ｃｕ）より電気抵抗が高く、さらに強磁性体なのでさらに電磁波の遮蔽効果が高まる。
【００６３】
以上、ＳｉＣ製トランジスタを例にとって本発明を説明したが、小型かつ高効率な電力変換器を具現化することを目的として、高速スイッチング可能なトランジスタなら、ＳｉＣ以外の、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（ＧａＯ）、ＡｌＧａＮのような化合物半導体、あるいはダイヤモンドによるトランジスタを搭載したパワーモジュールを使った場合でも適用できる。また、ここでは三相交流モータを駆動する回路を例として挙げたが、単相モータ用駆動回路や、ＡＤコンバータその他いかなる駆動回路にも本発明は適用可能であり、高速動作を成立させつつ、駆動回路の小型化に貢献する。
【００６４】
半導体基板として炭化珪素基板を用いた場合を説明したが、バンドギャップが広いその他の半導体材料からなる半導体基板を用いてもよい。バンドギャップが広いその他の半導体材料としては、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンド、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＧａＮ系材料が挙げられる。
【符号の説明】
【００６５】
１・・・半導体装置
２・・・冷却器
２０・・・貫通孔
３・・・負荷配線
４・・・パワーモジュール
４０・・・パワーモジュールの放熱面
４１、４２・・・入力端子
４３・・・出力端子
４４、４５・・・制御端子
４７・・・パワーモジュールの固定治具部
４８・・・パワーモジュール固定用の穴
５・・・制御回路基板
５０・・・制御回路
６・・・スナバ回路基板
６１、６２、６３・・・導体箔
６４・・・コンデンサ素子
６５・・・抵抗素子
７１、７２・・・バスバー配線
８・・・ボルト
９・・・ナット
Ｂ・・・直流電源
Ｃ・・・平滑コンデンサ
Ｍ・・・モータ
Ｑ１〜Ｑ６・・・パワートランジスタ
Ｃｓ・・・コンデンサ
Ｋ１〜Ｋ６・・・制御回路
Ｒ・・・抵抗
Ｓ１・・・スナバ回路
【図１】
2020140996.tif 000003
【図２】
2020140996.tif 000004
【図３】
2020140996.tif 000005
【図４】
2020140996.tif 000006
【図５】
2020140996.tif 000007
【図６】
2020140996.tif 000008
【図７】
2020140996.tif 000009
【図８】
2020140996.tif 000010
【図９】
2020140996.tif 000011
【図１０】
2020140996.tif 000012
【図１１】
2020140996.tif 000013
【図１２】
2020140996.tif 000014
【図１３】
2020140996.tif 000015
【図１４】
2020140996.tif 000016
【図１５】
2020140996.tif 000017
【図１６】
2020140996.tif 000018
【図１７】
2020140996.tif 000019
【図１８】
2020140996.tif 000020
【図１９】
2020140996.tif 000021