(57)【要約】      （修正有）【課題】パワーモジュールの上アーム側パワー半導体素子と下アーム側パワー半導体素子の間の電気的接続用の金属ブロックを不要にし、パワーモジュール面積を低減し、配線インダクタンスの低減するパワーモジュールを提供する。【解決手段】第一、第二のパワー半導体素子１１１、１２１と、２つの主面からなり、面電極を有する多層回路基板と、２つの主面からなり、第一の主面に第一、第二、第三の３つの金属貼りを有する絶縁回路基板と、を備える。第一のパワー半導体素子１１１のソース電極１１２と第二のパワー半導体素子１２１のドレイン電極１２３が面電極を介して接続され、第一のパワー半導体素子１１１のドレイン電極１１３と第一の金属貼りが接続され、第二のパワー半導体素子１２１のソース電極１２２と第二の金属貼りが接続され、第二のパワー半導体素子１２１のゲート電極１１４と第三の金属貼りが接続されている。【選択図】図２
2020161680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極を、それぞれ有する第一、第二の２つのパワー半導体素子と、
２つの主面からなり、面電極を有する多層回路基板と、
２つの主面からなり、第一の主面に第一、第二、第三の３つの金属貼りを有する絶縁回路基板と、を具備し、
前記第一のパワー半導体素子のソース電極と前記第二のパワー半導体素子のドレイン電極が前記面電極を介して接続され、
前記第一のパワー半導体素子のドレイン電極と前記第一の金属貼りが接続され、
前記第二のパワー半導体素子のソース電極と前記第二の金属貼りが接続され、
前記第二のパワー半導体素子のゲート電極と前記第三の金属貼りが接続されている
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
前記多層回路基板の第一の主面に駆動回路、容量素子、抵抗素子が配置され、
前記多層回路基板、前記駆動回路、前記容量素子、前記抵抗素子によりスナバ回路およびゲート回路が構成されている
ことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つ以上のパワー半導体素子を有するパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド自動車、電鉄、各種産業機器、各種家電に用いられるインバータ、コンバータ、昇圧回路、降圧回路などの電源回路には、パワーモジュールが用いられている。パワーモジュールは、スイッチング素子や整流素子として機能するパワー半導体素子に配線を施し、樹脂などで封止した電子部品であり、１モジュールの中にスイッチング素子１つ、もしくは整流素子１つを含むディスクリートタイプ、１モジュールの中にアーム（スイッチング素子１つ、もしくはスイッチング素子と整流素子１つずつのペア）を１つ含む1in1タイプ、１モジュールの中にハーフブリッジ回路（２つのアームを直列に接続して構成した回路）を１つ含む2in1タイプ、１モジュールの中にハーフブリッジ回路を３つ含む6in1タイプなどがある。
【０００３】
スイッチング素子にはIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）やMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの素子が用いられることが多く、整流素子にはpnダイオード、pinダイオード、ショットキーバリアダイオードなどの素子が用いられることが多い。また、スイッチング素子や整流素子には、シリコン（Si）、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、酸化ガリウム（Ga&shy;２O３）、ダイヤモンド（C）などの半導体材料が用いられる。
【０００４】
近年、電気自動車やハイブリッド自動車向けなどを中心に電源回路の高パワー密度化（高出力化、小型・薄型化）の要求が高まってきている。これを受け、パワーモジュールにもそのための改良が要求されるようになってきているが、パワーモジュールの改良には大きく以下３つの方向性がある。
【０００５】
第一の方向性は、パワーモジュール自身の高パワー密度化（高出力化、小型・薄型化）である。具体的には、スイッチング素子、整流素子、配線などの構造や素材の改良による電流密度の向上、部材の小型・薄型化、部材配置の高密度化、などの施策が挙げられる。最近は、中でもスイッチング素子をSi-IGBTからSiC-MOSへ置き換えることによる電流密度の向上が注目を浴びている。
【０００６】
第二の方向性は、電源回路に用いられるキャパシタ（コンデンサ）やインダクタ（リアクトル、コイル）の小型化に向けた、パワーモジュールのスイッチング周波数の向上である。具体的には、配線インダクタンスの低減などの施策が挙げられる。
【０００７】
第三の方向性は、電源回路の冷却機構の簡素化に向けた、パワーモジュールの高耐熱化と高放熱化である。具体的には、構成部材や部材間接合の高耐熱化と高放熱化などの施策が挙げられる。
【０００８】
以上の第一、第二、第三の施策を同時に実現する手段として、非特許文献１に開示されたパワーモジュールがある。
【０００９】
パワーモジュールではパワー半導体素子への電気的配線にワイヤボンディングを用いるタイプが一般的であるが、非特許文献1に開示のパワーモジュールでは、電気的配線にセラミック多層回路基板を用いることで、（１）電流密度の向上、（２）モジュールの薄型化、（３）配線インダクタンスの低減、（４）パワー半導体素子と配線間の接合の高耐熱化、といったパワーモジュールの高パワー密度化のための施策を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】N. Murayama, et al., "High-temperature electro-ceramics and their application to SiC power modules." Ceramics International (2018).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献１に開示の構造では、上アームのパワー半導体素子と下アームのパワー半導体素子の間の電気的接続のために金属ブロックを用いる必要がある（非特許文献１では銅（Cu）ブロックを利用）。金属ブロックは電気抵抗およびモジュール製造プロセスにおけるハンドリングの観点から3mm角程度以上の面積が必要であり、また金属ブロックとパワー半導体素子の間は導電性部材間の絶縁性およびモジュール製造プロセスにおける位置合わせの観点から1mm程度以上の間隔を設ける必要がある。そのため、この金属ブロックはモジュール面積をさらに低減しようとする場合の阻害要因となる。
【００１２】
また、非特許文献１に開示の構造では、プラス側入力端子→上アーム側ドレイン電極→上アーム側スイッチング素子→上アーム側ソース電極→出力端子→下アーム側ドレイン電極→下アーム側スイッチング素子→下アーム側ソース電極→マイナス側入力端子の経路からなる配線において、この金属ブロックは配線長をさらに低減し、配線インダクタンスをさらに低減しようとする場合の阻害要因となる。
【００１３】
さらに、非特許文献１に開示の構造では、パワーモジュール内に駆動回路を含むゲート回路が存在しない。すなわち、駆動回路を含むゲート回路とパワー半導体素子の間に一定の距離があり、配線長をさらに低減し、配線インダクタンスをさらに低減しようとする場合の阻害要因となる。
【００１４】
本発明の目的は、パワーモジュールの上アーム側パワー半導体素子と下アーム側パワー半導体素子の間の電気的接続用の金属ブロックを不要にし、（１）パワーモジュール面積の低減、（２）配線インダクタンスの低減、を実現するパワーモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の形態の一つは、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極を、それぞれ有する第一、第二の２つのパワー半導体素子と、２つの主面からなり、面電極を有する多層回路基板と、２つの主面からなり、第一の主面に第一、第二、第三の３つの金属貼りを有する絶縁回路基板と、を具備し、第一のパワー半導体素子のソース電極と第二のパワー半導体素子のドレイン電極が面電極を介して接続され、第一のパワー半導体素子のドレイン電極と第一の金属貼りが接続され、第二のパワー半導体素子のソース電極と第二の金属貼りが接続され、第二のパワー半導体素子のゲート電極と第三の金属貼りが接続されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の形態の一つは、さらに、多層回路基板の第一の主面に駆動回路、容量素子、抵抗素子が配置され、多層回路基板、駆動回路、容量素子、抵抗素子によりスナバ回路およびゲート回路が構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、（１）パワーモジュール面積の低減、（２）配線インダクタンスの低減、を実現するパワーモジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの等価回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの模式的断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの別の模式的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの模式的平面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの別の模式的平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの別の模式的平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの別の模式的平面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの別の模式的平面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールの別の模式的平面図である。
【図１０】非特許文献１に開示のパワーモジュールのハーフブリッジ回路部の模式的断面図と模式的上面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールのハーフブリッジ回路部の模式的断面図と模式的上面図である。
【図１２】本発明の別の施形態に係るパワーモジュールにおけるハーフブリッジ回路部の等価回路図である。
【図１３】本発明の別の実施形態に係るパワーモジュールの模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
[第一実施形態]
図１〜９を用いて本発明を実施するための第一の形態について説明する。図１はパワーモジュールの等価回路図である。図２、３は模式的断面図であり、それぞれ図４〜９におけるX-X’、Y-Y’断面に対応する。X-X’断面は２つのパワー半導体素子を通過する断面であり、図２において２つのパワー半導体素子およびこれらに電気的配線を施すための電極の形状と配置を説明する。Y-Y’断面は２つある駆動回路の一方を通過する断面で、図３において駆動回路およびこれに電気的配線を施すための電極の形状と配置を説明する。
【００２０】
図４〜９は模式的平面図であり、それぞれ図２、３におけるA-A’〜F-F’平面に対応する。A-A’平面は駆動回路、容量素子、抵抗素子を通過する平面であり、図４においてこれらの形状と配置を説明する。B-B’平面は多層回路基板が有する表面電極を通過する平面であり、図５においてその形状と配置を説明する。C-C’平面は多層回路基板が有する内層金属配線の一部を通過する平面であり、図６においてその形状と配置を説明する。D-D’平面は多層回路基板が有する面電極を通過する平面であり、図７においてその形状と配置を説明する。E-E’平面は２つのパワー半導体素子を通過する平面であり、図８においてそれらの形状と配置を説明する。F-F’平面は絶縁回路基板が有する表面金属貼りを通過する平面であり、図９においてそれらの形状と配置を説明する。
【００２１】
＜ハーフブリッジ回路の構成＞
本実施の形態に係るパワーモジュールでは、図１〜３に示す通り、パワー半導体素子１１１、１２１、多層回路基板２０１、絶縁回路基板３０１を主な要素として、パワー半導体素子１１１を上アーム、パワー半導体素子１２１を下アームとしたハーフブリッジ回路が構成されている。また、その他の要素として、例えば、プラス側入力端子４１１、マイナス側入力端子４１２、出力端子４１３、容量素子６１１、封止材８１１、８２１などがあっても良い。
【００２２】
パワー半導体素子１１１は一方の主面にソース電極１１２およびゲート電極１１４を有し、他方の主面にドレイン電極１１３を有している。パワー半導体素子１２１は一方の主面にソース電極１２２およびゲート電極１２４を有し、他方の主面にドレイン電極１２３を有している。
【００２３】
多層回路基板２０１は、誘電体基板２１１を基材とし、面電極２３１を有している。また、その他の要素として、その一方の主面に表面電極２２１を有し、内部に内層金属配線２４１を有し、他方の主面に裏面電極２５１およびキャビティ２６１を有していても良い。
【００２４】
キャビティ２６１を有していない場合は、多層回路基板２０１と表面金属貼り３２１〜３２４の間の接続に図２に示されていない他の導電部材が必要である。一方、キャビティ２６１を有している場合は、図２に示す通りキャビティ２６１の周辺領域の裏面電極２５１と表面金属貼り３２１〜３２４を直接接続することができる。したがって、キャビティを有する場合の方が、部品点数が少なくなり好ましい。
【００２５】
絶縁回路基板３０１は、絶縁体基板３１１を基材とし、その一方の主面に表面金属貼り３２１、３２２、３２３、３２４を有している。また、その他の要素として、他方の主面に単一の、もしくは複数に分割された裏面金属貼り３４１を有していても良い。
【００２６】
図２、７、８に示す通り、パワー半導体素子１１１のソース電極１１２とパワー半導体素子１２１のドレイン電極１２３は面電極２３１を介して接続されている。多層回路基板２０１がキャビティ２６１を有している場合、パワー半導体素子１１１とパワー半導体素子１２１はキャビティ２６１の内側に配置されている。
【００２７】
図２に示す通り、パワー半導体素子１１１のドレイン電極１１３は表面金属貼り３２１と接続され、パワー半導体素子１２１のソース電極１２２は表面金属貼り３２２と接続され、パワー半導体素子１２１のゲート電極１２４は表面金属貼り３２３と接続されている。
【００２８】
すなわち、パワー半導体素子１１１が第一のパワー半導体素子に相当し、パワー半導体素子１２１が第二のパワー半導体素子に相当し、表面金属貼り３２１が第一の金属貼りに相当し、表面金属貼り３２２が第二の金属貼りに相当し、表面金属貼り３２３が第三の金属貼りに相当する。
【００２９】
図１、２、７〜９に示す通り、プラス側入力端子４１１は表面金属貼り３２１と接続され、マイナス側入力端子４１２は表面金属貼り３２２と接続され、出力端子４１３は表面金属貼り３２４と接続されている。また、図２、７〜９に示す通り、面電極２３１は内層金属配線２４１を介して表面金属貼り３２４と接続されている。
【００３０】
図４に示す通り、容量素子６１１は多層回路基板２０１の表面電極２２１の上に配置されている。そして、図４〜９に示す通り、表面金属貼り３２１と表面金属貼り３２２とは、内層金属配線２４１と容量素子６１１を介して接続されている。図１に示す通り、容量素子６１１はスナバコンデンサとして機能する。スナバコンデンサを含むスナバ回路の導入は、スイッチング時のサージ電圧を低減することができるため好ましい。
【００３１】
図２、８に示す通り、多層回路基板２０１が有するキャビティ２６１は封止材８１１で封止されており、図２〜９に示す通り、絶縁体基板３１１より上方は封止材８２１で封止されている。
【００３２】
パワー半導体素子１１１、１２１はスイッチング素子で、IGBTやMOSFETなどが用いられている。半導体材料としてはシリコン（Si）、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、酸化ガリウム（Ga2O3）、ダイヤモンド（C）などの系列の材料、主にワイドバンドギャップ半導体系の材料が用いられている。
【００３３】
ソース電極１１２、１２２、ドレイン電極１１３、１２３、ゲート電極１１４、１２４には、金属が用いられている。金属は様々なものが利用可能だが、中でもアルミ（Al）系、チタン（Ti）系、あるいはこれらのいずれかまたは両方を含む合金が好ましい。また、これらの電極の表面は、金（Au）やニッケル（Ni）などのメッキで覆われていても良い。
【００３４】
誘電体基板２１１には、セラミックや樹脂などが用いられている。セラミックは様々なものが利用可能だが、中でも酸化アルミニウム（アルミナ： Al2O3）、二酸化珪素（シリカ： SiO2）を含むLTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics）が表面電極２２１、面電極２３１、内層金属配線２４１、裏面電極２５１の形成のし易さの観点から好ましい。また、樹脂も様々なものが利用可能だが、中でもエポキシ系、ポリイミド系が耐熱性の観点から好ましい。樹脂は耐熱性や強度の向上のために内部にガラス繊維やセラミックファイバーを含んでいても良い。
【００３５】
表面電極２２１、面電極２３１、内層金属配線２４１、裏面電極２５１は、様々な金属が利用可能だが、中でも銀（Ag）系、銅（Cu）系、ニッケル（Ni）系、タングステン（W）系、あるいはこれらのいずれかまたは複数を含む合金が好ましい。また、金属は単結晶もしくは多結晶状であることが好ましい。金属は内部にセラミックなどの不純物を含んでいても良い。
【００３６】
パワー半導体素子１１１のソース電極１１２と面電極２３１との間、パワー半導体素子１１１のゲート電極１１４と内層金属配線２４１との間、パワー半導体素子１２１のドレイン電極１２３と面電極２３１との間の接合には、金属接合材が用いられている。接合材ははんだをはじめ様々なものが利用可能だが、中でも金−錫（Au-Sn）系、金−ゲルマニウム（Au-Ge）系などの高温はんだ、銀（Ag）系や銅（Cu）系のナノ金属の焼結体が耐熱性の観点で好ましい。
【００３７】
絶縁体基板３１１には、セラミックや樹脂などが用いられている。セラミックは様々なものが利用可能だが、中でも酸化アルミニウム（アルミナ： Al2O3）系、窒化アルミニウム（AlN）系、窒化珪素（Si3N4）系が強度、熱伝導性の観点から好ましい。また、樹脂も様々なものが利用可能だが、中でもエポキシ系、ポリイミド系が耐熱性の観点から好ましい。樹脂は熱伝導性の向上のために内部に酸化物やセラミックからなる熱伝導フィラーを含んでいても良い。
【００３８】
表面金属貼り３２１、３２２、３２３、３２４、裏面金属貼り３４１には、金属が用いられている。金属は様々なものが利用可能だが、中でもアルミ（Al）系、銅（Cu）系などの金属、あるいはこれらのいずれかまたは両方を含む合金が好ましい。
【００３９】
絶縁体基板３１１にセラミックを用いた場合、絶縁体基板３１１と表面金属貼り３２１、３２２、３２３、３２４、裏面金属貼り３４１とは、直接接合法、ろう材接合法、溶湯接合法などにより接合されている。
【００４０】
パワー半導体素子１１１のドレイン電極１１３と表面金属貼り３２１との間、パワー半導体素子１２１のソース電極１２２と表面金属貼り３２２との間、パワー半導体素子１２１のゲート電極１２４と表面金属貼り３２３との間の接合には、金属接合材が用いられている。接合材ははんだをはじめ様々なものが利用可能だが、中でも金−錫（Au-Sn）系、金−ゲルマニウム（Au-Ge）系など高温はんだ、銀（Ag）系や銅（Cu）系のナノ金属の焼結体が耐熱性の観点で好ましい。
【００４１】
プラス側入力端子４１１、マイナス側入力端子４１２、出力端子４１３には、金属が用いられている。金属は様々なものが利用可能だが、中でもアルミ（Al）系、銅（Cu）系などの金属、あるいはこれらのいずれかまたは両方を含む合金が好ましい。
【００４２】
容量素子６１１は、コンデンサ（キャパシタ）であり、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、タンタルコンデンサ、電気二重層コンデンサなどが用いられている。
【００４３】
封止材８１１、８２１には、樹脂が用いられている。樹脂は様々なものが利用可能だが、中でもエポキシ系、ポリイミド系、ポリアミド系、シリコーン（シリコン樹脂）系が封止性、絶縁性、耐熱性の観点から好ましい。樹脂は内部にガラス繊維、セラミックファイバー、熱伝導フィラーを含んでいても良い。封止材８１１には封止材８２１に比べてより絶縁性の高い樹脂を用いる場合が多い。
【００４４】
このように、パワー半導体素子１１１、１２１、多層回路基板２０１、絶縁回路基板３０１、プラス側入力端子４１１、マイナス側入力端子４１２、出力端子４１３、容量素子６１１を要素とするハーフブリッジ回路が構成され、このハーフブリッジ回路が封止材８１１、８２１により封止され、パワーモジュールとして機能する。
【００４５】
＜ハーフブリッジ回路における効果＞
以上、本実施の形態に係るパワーモジュールにより、上アームのパワー半導体素子と下アームのパワー半導体素子の間の電気的接続のための金属ブロックを排除することができ、非特許文献１に記載のパワーモジュールに比べて（１）パワーモジュール面積の低減、（２）配線インダクタンスの低減、を実現している。
【００４６】
図１０、１１を用いて具体的に説明する。図１０は非特許文献１に開示のパワーモジュールにおけるハーフブリッジ回路部分の断面図と上面図、図１１は本実施の形態に係るパワーモジュールにおけるハーフブリッジ回路部分の断面図と上面図である。図１０、１１のいずれにおいても、上面図はパワー半導体素子１１１、１２１より下部を示している。また、断面図と上面図の水平方向を長さ方向、断面図の垂直方向を厚さ方向、上面図の垂直方向を幅方向と定義して説明する。図１１では、図２〜図９とは構成部材の寸法を変更している。
【００４７】
まず、パワーモジュール面積について説明する。図１０の非特許文献１に開示のパワーモジュールでは、図１１の本実施の形態に係るパワーモジュールでは存在しない金属ブロック９１１、９２１が存在する。金属ブロック９１１、９２１の長さと幅は、電気抵抗およびモジュール製造プロセスにおけるハンドリングの観点から一定値以上が必要である。
【００４８】
また、パワー半導体素子１１１と金属ブロック９１１の間の距離、パワー半導体素子１２１と金属ブロック９２１の間の距離も、導電性部材間の絶縁性およびモジュール製造プロセスにおける位置合わせの観点から一定値以上が必要である。
【００４９】
そのため、図１０、図１１の上面図の比較でわかる通り、ハーフブリッジ回路の該当部分の面電極と表面金属貼りの幅が両パワーモジュールの間で等しい場合、非特許文献１に開示のパワーモジュールよりも本実施の形態に係るパワーモジュールの方がハーフブリッジ回路の該当部分の面積が小さくなる。
【００５０】
例えば、現在の標準的な技術を用い、表面金属貼り間の距離を1mm、表面金属貼りとその上に配置する部材の位置合わせマージンを1mm、パワー半導体素子の幅と長さを5mm、金属ブロック９１１、９２１の幅を5mm、長さを3mm、表面金属貼り上に配置するパワー半導体素子１１１と金属ブロック９１１の間の距離およびパワー半導体素子１２１と金属ブロック９２１の間の距離を1mmとした場合、図１０の上面図部分の面積は161mm2、図１１の上面図部分の面積は126mm2となる。すなわち、ハーフブリッジ回路の該当部分に関して非特許文献１に開示のパワーモジュールよりも本実施の形態に係るパワーモジュールの方が約22％面積が小さい。
【００５１】
次に、ハーフブリッジ回路の配線インダクタンスについて説明する。図１０、１１に示した両パワーモジュールでは、ハーフブリッジ回路の電流経路は、長さ方向に電流を流す表面電極２２１、面電極２３１、表面金属張り３２１、３２４、厚さ方向に電流を流すパワー半導体素子１１１、１２１、ソース電極１１２、１２２、ドレイン電極１１３、１２３、内層金属配線２４１、金属ブロック９１１、９２１からなる。表面電極２２１、面電極２３１、表面金属張り３２１、３２４は板状配線、内層金属配線２４１は円柱状配線である。
【００５２】
また、図１０、１１に示した両パワーモジュールでは、一般的な市販パワーモジュールのように入出力端子を長さ方向の両端に設けると想定する。その場合、図１０、１１の断面図に矢印で示した経路がハーフブリッジ回路における電流経路となる。実線がプラス側端子から負荷に向かって流れる電流の経路、点線が負荷からマイナス側端子に向かって流れる電流の経路である。
【００５３】
まず、長さ方向の配線インダクタンスを考える。一般に板状配線の長さ方向に電流を流す場合、板の長さが小さく幅が大きくなるほどインダクタンスが小さくなり、厚さにはほとんど依存しない。部材間の距離、位置合わせマージン、各部材の寸法を上述のものと同様とすると、長さ方向の電流経路長（長さ方向の矢印長の合計）、すなわち配線長は図１０の非特許文献１に開示のパワーモジュールが30mm、図１１の本実施の形態に係るパワーモジュールが24.5mmである。
【００５４】
したがって、ハーフブリッジ回路の該当部分の面電極と表面金属貼りの幅が両パワーモジュールの間で等しい場合、非特許文献１に開示のパワーモジュールよりも本実施の形態に係るパワーモジュールの方がハーフブリッジ回路の該当部分の長さ方向の配線インダクタンスが小さい。
【００５５】
次に、厚さ方向の配線インダクタンスを考える。パワー半導体素子１１１、１２１、ソース電極１１２、１２２、ドレイン電極１１３、１２３の分については、図１０、１１の両パワーモジュールで等しく存在する。また、金属ブロック９１１、９２１の分については、図１０の非特許文献１に開示のパワーモジュールにのみ存在する。内層金属配線２４１の分については、図１０の非特許文献１に開示のパワーモジュールにおいては２ヶ所存在し、図１１の実施の形態に係るパワーモジュールにおいては１ヶ所存在する。
【００５６】
したがって、ハーフブリッジ回路の該当部分の面電極と表面金属貼りの幅が両パワーモジュールの間で等しい場合、非特許文献１に開示のパワーモジュールよりも本実施の形態に係るパワーモジュールの方が金属ブロック９１１、９２１の分と内層金属配線２４１の１ヶ所の分だけ、ハーフブリッジ回路の該当部分の厚さ方向の配線インダクタンスが小さい。
【００５７】
すなわち、非特許文献１に開示のパワーモジュールよりも本実施の形態に係るパワーモジュールの方がハーフブリッジ回路の該当部分の長さ方向、厚さ方向の両方の配線インダクタンスが小さく、ハーフブリッジ回路全体の配線インダクタンスも小さくなる。
【００５８】
＜ゲート回路の構成＞
本実施の形態に係るパワーモジュールでは、図１、３、４に示す通り、多層回路基板２０１の表面電極２２１の上に駆動回路５１１、５２１、容量素子６２１、６３１、６４１、６５１、抵抗素子７１１、７２１を有していても良い。その場合、駆動回路５１１、抵抗素子７１１、パワー半導体素子１１１を主な要素とする第一のゲート回路と、駆動回路５２１、抵抗素子７２１、パワー半導体素子１２１を主な要素とする第二のゲート回路が構成されている。また、その他の要素そして、表面金属貼り３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６、３３７、３３８、駆動回路用入力端子４２１、４２２、４２３、４２４、４２５、４２６、４２７、４２８を有していても良い。
【００５９】
駆動回路５１１は、イネーブル信号入力端子５１２、駆動信号入力端子５１３、プラス側電源端子５１４、マイナス側電源端子５１５、ロー側（シンク電流側）出力端子５１６、ハイ側（ソース電流側）出力端子５１７を有し、駆動回路５２１は、イネーブル信号入力端子５２２、駆動信号入力端子５２３、プラス側電源端子５２４、マイナス側電源端子５２５、ロー側（シンク電流側）出力端子５２６、ハイ側（ソース電流側）出力端子５２７を有している。
【００６０】
図１に示す通り、駆動回路５１１のロー側（シンク電流側）出力端子５１６およびハイ側（ソース電流側）出力端子５１７は、パワー半導体素子１１１のゲート電極１１４と電気的に接続されている。そのための配線には、多層回路基板２０１の表面電極２２１、内層金属配線２４１が用いられている。ハイ側（ソース電流側）出力端子５１７とゲート電極１１４の間には、抵抗素子７１１が挿入されている。抵抗素子７１１の挿入は、リンギングを抑制しスイッチング動作を安定させることができるため好ましいが、省略する場合もある。
【００６１】
同様に、図１に示す通り、駆動回路５２１のロー側（シンク電流側）出力端子５２６およびハイ側（ソース電流側）出力端子５２７は、パワー半導体素子１２１のゲート電極１２４と電気的に接続されている。そのための配線には、多層回路基板２０１の表面電極２２１、内層金属配線２４１、絶縁回路基板３０１の表面金属貼り３２３が用いられる。ハイ側（ソース電流側）出力端子５２７とゲート電極１２４の間には、抵抗素子７２１が挿入されている。抵抗素子７２１の挿入は、リンギングを抑制しスイッチング動作を安定させることができるため好ましいが、省略する場合もある。
【００６２】
図１、４〜９に示す通り、駆動回路５１１のイネーブル信号入力端子５１２、駆動信号入力端子５１３、プラス側電源端子５１４、マイナス側電源端子５１５は、それぞれ駆動回路用入力端子４２１、４２２、４２３、４２４と電気的に接続されている。
【００６３】
イネーブル信号入力端子５１２と駆動回路用入力端子４２１の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３１が用いられ、駆動信号入力端子５１３と駆動回路用入力端子４２２の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３２が用いられ、プラス側電源端子５１４と駆動回路用入力端子４２３の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３３が用いられ、マイナス側電源端子５１５と駆動回路用入力端子４２４の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３４が用いられている。
【００６４】
同様に、図１、４〜９に示す通り、駆動回路５２１のイネーブル信号入力端子５２２、駆動信号入力端子５２３、プラス側電源端子５２４、マイナス側電源端子５２５は、それぞれ駆動回路用入力端子４２５、４２６、４２７、４２８と電気的に接続されている。
【００６５】
イネーブル信号入力端子５２２と駆動回路用入力端子４２５の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３５が用いられ、駆動信号入力端子５２３と駆動回路用入力端子４２６の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３６が用いられ、プラス側電源端子５２４と駆動回路用入力端子４２７の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３７が用いられ、マイナス側電源端子５２５と駆動回路用入力端子４２８の間の配線には、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３３８が用いられている。
【００６６】
さらに、図１に示す通り、容量素子６２１は、駆動回路５１１のプラス側電源端子５１４と出力端子４１３の間に挿入され、容量素子６３１は、駆動回路５１１のマイナス側電源端子５１５と出力端子４１３の間に挿入されている。これら容量素子６２１、６３１はデカップリング容量として機能している。
【００６７】
プラス側電源端子５１４と容量素子６２１の間およびマイナス側電源端子５１５と容量素子６３１の間の配線には、表面電極２２１が用いられ、容量素子６２１、６３１と出力端子４１３の間の配線には、表面電極２２１、内層金属配線２４１、面電極２３１、裏面電極２５１、表面金属貼り３２４が用いられている。
【００６８】
同様に、図１に示す通り、容量素子６４１は、駆動回路５２１のプラス側電源端子５２４とマイナス側入力端子４１２の間に挿入され、容量素子６５１は、駆動回路５２１のマイナス側電源端子５２５とマイナス側入力端子４１２の間に挿入されている。これら容量素子６４１、６５１はデカップリング容量として機能している。
【００６９】
プラス側電源端子５２４と容量素子６４１の間およびマイナス側電源端子５２５と容量素子６５１の間の配線には、表面電極２２１が用いられ、容量素子６４１、６５１とマイナス側入力端子４１２の間の配線には、表面電極２２１、内層金属配線２４１、裏面電極２５１、表面金属貼り３２２が用いられている。
【００７０】
以上の通り、第一のゲート回路は、駆動回路５１１、抵抗素子７１１、容量素子６２１、６３１、多層回路基板２０１、ゲート電極１１４、パワー半導体素子１１１、絶縁回路基板３０１を要素として構成され、第二のゲート回路は駆動回路５２１、抵抗素子７２１、容量素子６４１、６５１、多層回路基板２０１、ゲート電極１２４、パワー半導体素子１２１、絶縁回路基板３０１を要素として構成されている。
【００７１】
また、これらにより、駆動回路５１１→ゲート電極１１４→パワー半導体素子１１１→ソース電極１１２→駆動回路５１１の経路よりなる第一の閉回路ゲートループと、駆動回路５２１→ゲート電極１２４→パワー半導体素子１２１→ソース電極１２２→駆動回路５２１の経路よりなる第二の閉回路ゲートループが構成されている。
【００７２】
なお、駆動回路５１１、５２１は、IC（Integrated Circuit： 集積回路）よりなるゲートドライバであり、これらにより、パワー半導体素子１１１、１２１のゲート電圧が制御される。容量素子６２１、６３１、６４１、６５１は、キャパシタ（コンデンサ）であり、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、タンタルコンデンサ、電気二重層コンデンサなどが用いられている。抵抗素子７１１、７２１は、抵抗器であり、チップ抵抗、印刷抵抗、炭素被膜抵抗、金属皮膜抵抗などが用いられている。
【００７３】
また、表面金属貼り３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６、３３７、３３８には、金属が用いられている。金属は様々なものが利用可能だが、中でもアルミ（Al）系、銅（Cu）系などの金属、あるいはこれらのいずれかまたは両方を含む合金が好ましい。
【００７４】
また、駆動回路用入力端子４２１、４２２、４２３、４２４、４２５、４２６、４２７、４２８には、金属が用いられている。金属は様々なものが利用可能だが、中でもアルミ（Al）系、銅（Cu）系などの金属、あるいはこれらのいずれかまたは両方を含む合金が好ましい。
【００７５】
＜ゲート回路における効果＞
以上、本実施の形態に係るパワーモジュールにより、駆動回路を含むゲート回路をパワーモジュール内に配置することができ、非特許文献１に記載のパワーモジュールに比べて配線長をさらに低減し、（２）配線インダクタンスの低減を実現している。
【００７６】
非特許文献１に開示のパワーモジュールでは、パワーモジュールの外部に配置された上アーム用駆動回路と、その駆動回路からパワーモジュールまでの配線と、多層回路基板２０１上に配置された抵抗素子７１１、容量素子６２１、６３１と、多層回路基板２０１と、ゲート電極１１４と、パワー半導体素子１１１とで形成された第一のゲート回路と、パワーモジュールの外部に配置された下アーム用駆動回路と、その駆動回路からパワーモジュールまでの配線と、多層回路基板２０１上に配置された抵抗素子７２１、容量素子６４１、６５１と、多層回路基板２０１と、ゲート電極１２４と、パワー半導体素子１２１とで形成された第二のゲート回路によりゲート回路の配線インダクタンスが決まる。
【００７７】
一方、本実施の形態に係るパワーモジュールでは、多層回路基板２０１上に配置された駆動回路５１１、抵抗素子７１１、容量素子６２１、６３１と、多層回路基板２０１と、ゲート電極１１４と、パワー半導体素子１１１と、絶縁回路基板３０１とで形成された第一のゲート回路と、多層回路基板２０１上に配置された駆動回路５２１、抵抗素子７２１、容量素子６４１、６５１と、多層回路基板２０１と、ゲート電極１２４と、パワー半導体素子１２１と、絶縁回路基板３０１とで形成された第二のゲート回路によりゲート回路の配線インダクタンスが決まる。
【００７８】
非特許文献１に開示のパワーモジュールでは、外部に配置された駆動回路からパワーモジュールまでの配線長だけでも少なくとも5cm程度はあるが、本実施の形態に係るパワーモジュールでは、第一、第二のゲート回路の配線長をそれぞれ最短で5mm程度にまで低減できる。これに伴い、ゲート回路を構成する閉回路ゲートループの面積も大幅に低減できる。したがって、非特許文献１に開示のパワーモジュールよりも本実施の形態に係るパワーモジュールの方がゲート回路の配線インダクタンスが小さくなる。
【００７９】
[第二実施形態]
図１２を用いて本発明を実施するための第二の形態について説明する。図１２はパワーモジュールのハーフブリッジ回路部の等価回路図である。第一実施形態とは、ハーフブリッジ回路を構成するパワー半導体素子数が異なる。第一実施形態では、ハーフブリッジ回路を構成するパワー半導体素子は、パワー半導体素子１１１とパワー半導体素子１２１のみであったが、本実施の形態では、パワー半導体素子１１１、１２１と並列に別のパワー半導体素子を接続している。
【００８０】
図１２に示す本実施の形態に係るパワーモジュールでは、整流素子１３１をパワー半導体素子１１１に並列に接続し、整流素子１４１をパワー半導体素子１２１に並列に接続している。これにより、パワーモジュール内に還流電流を流す経路を別途設けることができ、パワー半導体素子１１１、１２１に逆電流が流れることを抑制できる。
【００８１】
パワー半導体素子１１１、１２１がMOSFETの場合はそれらのボディダイオードを利用して還流電流を流すことができるが、特にパワー半導体素子１１１、１２１がIGBTの場合は整流素子１３１、１４１を並列に接続して還流電流を流す方が好ましい。
【００８２】
整流素子１３１、１４１は、pnダイオード、pinダイオード、ショットキーバリアダイオードなどが用いられている。半導体材料としてはシリコン（Si）、炭化珪素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、酸化ガリウム（Ga2O3）、ダイヤモンド（C）などの系列の材料、主にワイドバンドギャップ半導体系の材料が用いられている。スイッチング素子、整流素子で同一の材料系を用いても良いし、別の材料系を用いても良い。
【００８３】
整流素子１３１、１４１のプラス側（陽極、アノード）電極、マイナス側（陰極、カソード）電極には、金属が用いられている。金属は様々なものが利用可能だが、中でもアルミ（Al）系、チタン（Ti）系、あるいはこれらのいずれかまたは両方を含む合金が好ましい。また、これらの電極の表面は、金（Au）やニッケル（Ni）などのメッキで覆われていても良い。
【００８４】
また、図では示していないが、パワー半導体素子１１１およびパワー半導体素子１２１と並列に別のスイッチング素子を接続しても良い。これにより、ハーフブリッジ回路に流す電流量を増加させることができる。
【００８５】
[第三実施形態]
図１３を用いて本発明を実施するための第三の形態について説明する。図１３は模式的平面図であり、図２、３におけるE-E’平面に対応する。E-E’平面は２つのパワー半導体素子を通過する平面であり、図１３においてそれらの形状と配置を説明する。第一、第二実施形態とは、駆動回路、容量素子、抵抗素子の配置場所が異なる。
【００８６】
図１３に示す本実施の形態に係るパワーモジュールでは、駆動回路５１１、５２１、容量素子６１１、６２１、６３１、６４１、６５１、抵抗素子７１１、７２１が、多層回路基板２０１のキャビティ２６１内もしくは裏面側に配置されている。これにより、第一実施形態に比べてゲート回路の配線長をさらに小さくでき、配線インダクタンスをさらに小さくできる。
【００８７】
以上三つの実施の形態を用いて本発明について説明をしたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々変更することができる。
【符号の説明】
【００８８】
１１１    パワー半導体素子
１１２    ソース電極
１１３    ドレイン電極
１１４    ゲート電極
１２１    パワー半導体素子
１２２    ソース電極
１２３    ドレイン電極
１２４    ゲート電極
１３１    整流素子
１４１    整流素子
２０１    多層回路基板
２１１    誘電体基板
２２１    表面電極
２３１    面電極
２４１    内層金属配線
２５１    裏面電極
２６１    キャビティ
３０１    絶縁回路基板
３１１    絶縁体基板
３２１    表面金属貼り
３２２    表面金属貼り
３２３    表面金属貼り
３２４    表面金属貼り
３３１    表面金属貼り
３３２    表面金属貼り
３３３    表面金属貼り
３３４    表面金属貼り
３３５    表面金属貼り
３３６    表面金属貼り
３３７    表面金属貼り
３３８    表面金属貼り
３４１    裏面金属貼り
４１１    プラス側入力端子
４１２    マイナス側入力端子
４１３    出力端子
４２１    駆動回路用入力端子
４２２    駆動回路用入力端子
４２３    駆動回路用入力端子
４２４    駆動回路用入力端子
４２５    駆動回路用入力端子
４２６    駆動回路用入力端子
４２７    駆動回路用入力端子
４２８    駆動回路用入力端子
５１１    駆動回路
５１２    イネーブル信号入力端子
５１３    駆動信号入力端子
５１４    プラス側電源端子
５１５    マイナス側電源端子
５１６    ロー側（シンク電流側）出力端子
５１７    ハイ側（ソース電流側）出力端子
５２１    駆動回路
５２２    イネーブル信号入力端子
５２３    駆動信号入力端子
５２４    プラス側電源端子
５２５    マイナス側電源端子
５２６    ロー側（シンク電流側）出力端子
５２７    ハイ側（ソース電流側）出力端子
６１１    容量素子
６２１    容量素子
６３１    容量素子
６４１    容量素子
６５１    容量素子
７１１    抵抗素子
７２１    抵抗素子
８１１    封止材
８２１    封止材
９１１    金属ブロック
９２１    金属ブロック
【図１】
2020161680.tif 000003
【図２】
2020161680.tif 000004
【図３】
2020161680.tif 000005
【図４】
2020161680.tif 000006
【図５】
2020161680.tif 000007
【図６】
2020161680.tif 000008
【図７】
2020161680.tif 000009
【図８】
2020161680.tif 000010
【図９】
2020161680.tif 000011
【図１０】
2020161680.tif 000012
【図１１】
2020161680.tif 000013
【図１２】
2020161680.tif 000014
【図１３】
2020161680.tif 000015