(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＦＥＴを備えた第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子がその表面上に配置された第１の基板と、
前記第１のＦＥＴに電気的に直列に接続された第２のＦＥＴを備えた第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子がその表面上に配置された第２の基板と、
前記第１の基板上の第１の半導体素子と前記第２の基板上の第２の半導体素子との間に配置され、前記第１のＦＥＴおよび前記第２のＦＥＴに電気的に接続された第３の基板とを備え、
前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とは、前記第３の基板を介して対称な位置に配置され、
前記第３の基板の表面及び前記表面と反対側の裏面上には第１の金属板及び第２の金属板がそれぞれ配置され、前記第１の金属板と前記第１の半導体素子とが接続され、前記第２の金属板と前記第２の半導体素子とが接続され、
前記第３の基板は電荷を蓄積するコンデンサの機能を有し、
前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に複数の金属層及び複数の絶縁層を形成することにより、前記コンデンサの機能を実現したパワーモジュール。
【請求項２】
前記第１のＦＥＴと、前記第２のＦＥＴと、前記第１のＦＥＴと前記第２のＦＥＴとが接続された第１の接続ノードとを有する第１のインバータ回路と、
前記第１の基板上に配置された第３の半導体素子内に形成された第３のＦＥＴと、前記第３のＦＥＴに電気的に直列に接続され、前記第２の基板上に配置された第４の半導体素子内に形成された第４のＦＥＴと、前記第３のＦＥＴと前記第４のＦＥＴとが接続された第２の接続ノードとを有する第２のインバータ回路と、
前記第１の基板上に配置された第５の半導体素子内に形成された第５のＦＥＴと、前記第５のＦＥＴに電気的に直列に接続され、前記第２の基板上に配置された第６の半導体素子内に形成された第６のＦＥＴと、前記第５のＦＥＴと前記第６のＦＥＴとが接続された第３の接続ノードとを有する第３のインバータ回路とを備え、前記第１乃至第３の接続ノードは出力端子に接続された請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第１乃至第６のＦＥＴにはそれぞれ寄生ダイオードが構成されている請求項２記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第３の基板上には、前記第１乃至第６のＦＥＴを駆動する素子が搭載されている請求項３記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記第１の基板の前記表面と反対側の裏面上に形成された第１のヒートシンクと、前記第２の基板の前記表面と反対側の裏面上に形成された第２のヒートシンクとを備えた請求項４記載のパワーモジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載されたパワーモジュールをモータの制御に用いたモータの制御装置。
【請求項７】
前記パワーモジュールは、冷却用の流体が流される冷却管に隣接して配置された請求項６記載のモータの制御装置。
【請求項８】
前記冷却管は第１の冷却部と第２の冷却部とを有し、前記パワーモジュールは前記第１の冷却部と前記第２の冷却部との間に挟まれて配置された請求項７記載のモータの制御装置。
【請求項９】
請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１のＦＥＴがオン状態の時、前記第２のＦＥＴは実質的にオフ状態とする第１ステップと、
前記第２のＦＥＴがオン状態の時、前記第１のＦＥＴは実質的にオフ状態とする第２ステップとを有するパワーモジュールの制御方法。
【請求項１０】
前記第１ステップと前記第２ステップとを交互に繰り返す請求項９記載のパワーモジュールの制御方法。
【請求項１１】
ＳｉＣもしくはＧａＮを材料として構成された第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子がその表面上に配置された第１の基板と、
前記第１の半導体素子に電気的に直列に接続され、ＳｉＣもしくはＧａＮを材料として構成された第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子がその表面上に配置された第２の基板と、
前記第１の基板上の第１の半導体素子と前記第２の基板上の第２の半導体素子との間に配置され、前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子に電気的に接続された第３の基板とを備え、
前記１の半導体素子と前記第２の半導体素子とは、前記第３の基板を介して対称な位置に配置され、
前記第３の基板の表面及び前記表面と反対側の裏面上には第１の金属板及び第２の金属板がそれぞれ配置され、前記第１の金属板と前記第１の半導体素子とが接続され、前記第２の金属板と前記第２の半導体素子とが接続され、
前記第３の基板は電荷を蓄積するコンデンサの機能を有し、
前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に複数の金属層及び複数の絶縁層を形成することにより、前記コンデンサの機能を実現したパワーモジュール。
【請求項１２】
前記パワーモジュールは、冷却用の流体が流される冷却管に隣接して配置された請求項１１記載のモータの制御装置。
【請求項１３】
前記冷却管は第１の冷却部と第２の冷却部とを有し、前記パワーモジュールは前記第１の冷却部と前記第２の冷却部との間に挟まれて配置された請求項１２記載のモータの制御装置。
【請求項１４】
第１のＦＥＴを備えた第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子と電気的に接続された第１の基板と、
第２のＦＥＴを備えた第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子がその表面に配置された第２の基板と、
第１の金属板及び第２の金属板が、その表面及び前記表面と反対側の裏面上にそれぞれ配置された第３の基板であって、前記第１の金属板と前記第１の半導体素子とが接続され、前記第２の金属板と前記第２の半導体素子とが接続され、
前記第３の基板は電荷を蓄積するコンデンサの機能を有し、
前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に複数の金属層及び複数の絶縁層を形成することにより、前記コンデンサの機能を実現したパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータドライブ用インバータやサーボアンプ等のモータ制御装置に利用されるパワーモジュール、およびそのパワーモジュールの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやサーボアンプのようなモータ制御装置などに搭載されている従来のパワーモジュールでは、絶縁回路基板上に複数の半導体素子（例えば、６個の半導体チップおよび６個の還流ダイオード）が配置されている。【０００３】
この半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を内蔵したＩＧＢＴモジュールと呼ばれるものや、このＩＧＢＴモジュールにゲートドライブ回路や保護回路を付加したインテリジェントパワーモジュールが知られている。この種のパワーモジュールが以下の文献に紹介されている。【０００４】
特開２００５−１２３２３３号公報には、半導体チップの冷却を高効率化したパワーモジュールが開示されている。この例では、半導体チップの両面にそれぞれヒートシンクが接合され、これらヒートシンク上に冷却器がそれぞれ配置されたパワーモジュールの冷却構造が示されている。
【特許文献１】特開２００５−１２３２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００５−１２３２３３号公報に示された、半導体チップの両面から放熱するモジュールでは、両面から放熱することによって放熱経路の増加と半導体チップ片面あたりの放熱面積が増えるため、ジャンクション温度は低減されるが、熱サイクルΔＴjの低減は何ら考慮されていない。この熱サイクルΔＴjはパワーモジュールの信頼性に影響を与えるものである。この影響は、パワー密度向上によりパワーモジュールがますます小型化された場合、或いは、ＳｉＣやＧａＮを材料として用いた半導体チップをパワーモジュールに適用した場合に特に顕著に現れる。【０００６】
本発明の目的は、熱抵抗を低減し、ジャンクション温度を低減したパワーモジュールを提供することである。【０００７】
さらに、本発明の他の目的は、ジャンクション温度を低減したパワーモジュールの制御方法を提供することである。【０００８】
さらに、本発明の他の目的は、小型化されたパワーモジュールの冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的の少なくとも一つを達成するため、本発明は以下の構成より成る。【００１０】
請求項１記載の発明は、第１のＦＥＴを備えた第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子がその表面上に配置された第１の基板と、
前記第１のＦＥＴに電気的に直列に接続された第２のＦＥＴを備えた第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子がその表面上に配置された第２の基板と、
前記第１の基板上の第１の半導体素子と前記第２の基板上の第２の半導体素子との間に配置され、前記第１のＦＥＴおよび前記第２のＦＥＴに電気的に接続された第３の基板とを備え、
前記１の半導体素子と前記第２の半導体素子とは、前記第３の基板を介して対称な位置に配置されているパワーモジュールである。【００１１】
請求項２記載の発明は、上記の構成に加え、
前記第１のＦＥＴと、前記第２のＦＥＴと、前記第１のＦＥＴと前記第２のＦＥＴとが接続された第１の接続ノードとを有する第１のインバータ回路と、
前記第１の基板上に配置された第３の半導体素子内に形成された第３のＦＥＴと、前記第３のＦＥＴに電気的に直列に接続され、前記第２の基板上に配置された第４の半導体素子内に形成された第４のＦＥＴと、前記第３のＦＥＴと前記第４のＦＥＴとが接続された第２の接続ノードとを有する第２のインバータ回路と、
前記第１の基板上に配置された第５の半導体素子内に形成された第５のＦＥＴと、前記第５のＦＥＴに電気的に直列に接続され、前記第２の基板上に配置された第６の半導体素子内に形成された第６のＦＥＴと、前記第５のＦＥＴと前記第６のＦＥＴとが接続された第３の接続ノードとを有する第３のインバータ回路とを備え、
前記第１乃至第３の接続ノードは出力端子に接続されているパワーモジュールである。【００１２】
請求項３記載の発明は、上記の構成に加え、
前記第１乃至第６のＦＥＴにはそれぞれ寄生ダイオードが構成されているパワーモジュールである。【００１３】
請求項４記載の発明は、上記の構成に加え、
前記第３の基板上には、前記第１乃至第６のＦＥＴを駆動する素子が搭載されているパワーモジュールである。【００１４】
請求項５記載の発明は、上記の構成に加え、
前記第１の基板の前記表面と反対側の裏面上に形成された第１のヒートシンクと、前記第２の基板の前記表面と反対側の裏面上に形成された第２のヒートシンクとを備えたパワーモジュールである。【００１５】
請求項６記載の発明は、上記の構成に加え、
請求項１乃至５記載のパワーモジュールをモータ制御に用いたモータ制御装置である。【００１６】
請求項７記載の発明は、上記の構成に加え、
前記パワーモジュールが冷却用の流体が流される冷却管に隣接して配置されたものである。【００１７】
請求項８記載の発明は、上記の構成に加え、
前記冷却管が第１の冷却部と第２の冷却部とを有し、前記パワーモジュールは前記第１の冷却部と前記第２の冷却部との間に挟まれて配置されたものである。【００１８】
請求項９記載の発明は、請求項１記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１のＦＥＴがオン状態の時、前記第２のＦＥＴは実質的にオフ状態とする第１ステップと、
前記第２のＦＥＴがオン状態の時、前記第１のＦＥＴは実質的にオフ状態とする第２ステップとを有するパワーモジュールの制御方法である。【００１９】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において前記第１ステップと前記第２ステップとを交互に繰り返すパワーモジュールの制御方法である。【００２０】
請求項１１記載の発明は、請求項２乃至４記載のパワーモジュールにおいて、
前記第１と第３と第５のＦＥＴがオン状態の時、前記第２と第４と第６のＦＥＴは実質的にオフ状態とする第１ステップと、
前記第２と第３と第５のＦＥＴがオン状態の時、前記第２、第４、第６のＦＥＴは実質的にオフ状態とする第２ステップとを有するパワーモジュールの制御方法である。【００２１】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、
前記第１ステップと前記第２ステップとを交互に繰り返すパワーモジュールの制御方法である。【００２２】
請求項１３記載の発明は、複数のＦＥＴから構成されたインバータ回路を有し、前記インバータの上アームを構成するＦＥＴと前記インバータの下アームを構成するＦＥＴとは互いに基板を介して対称の位置に配されたパワーモジュールの制御方法において、
前記上アームのＦＥＴがオン状態の時、前記第下アームのＦＥＴは実質的にオフ状態とするステップと、
前記下アームのＦＥＴがオン状態の時、前記上アームのＦＥＴは実質的にオフ状態とするステップとを繰り返し行うパワーモジュールの制御方法である。【００２３】
請求項１４記載の発明は、ＳｉＣもしくはＧａＮを材料として構成された第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子がその表面上に配置された第１の基板と、
前記第１の半導体素子に電気的に直列に接続され、ＳｉＣもしくはＧａＮを材料として構成された第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子がその表面上に配置された第２の基板と、
前記第１の基板上の第１の半導体素子と前記第２の基板上の第２の半導体素子との間に配置され、前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子に電気的に接続された第３の基板とを備え、
前記１の半導体素子と前記第２の半導体素子とは、前記第３の基板を介して対称な位置に配置されているパワーモジュールである。【００２４】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載のパワーモジュールを備えたモータの制御装置である。【００２５】
請求項１６記載の発明は、請求項１５記載のパワーモジュールが冷却用の流体が流される冷却管に隣接して配置されたものである。【００２６】
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載のパワーモジュールが前記冷却管の第１の冷却部と第２の冷却部との間に挟まれて配置されたものである。【００２７】
請求項１８記載の発明は、
第１のＦＥＴを備えた第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子と電気的に接続された第１の基板と、
第２のＦＥＴを備えた第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子がその表面に配置された第２の基板と、
第１の金属板及び第２の金属板が、その表面及び前記表面と反対側の裏面上にそれぞれ配置された第３の基板であって、前記第１の金属板と前記第１の半導体素子とが接続され、前記第２の金属板と前記第２の半導体素子とが接続されたパワーモジュールである。【００２８】
請求項１９記載の発明は、請求項１８記載の第３の基板が電荷を蓄積するコンデンサの機能を有するものである。【００２９】
請求項２０記載の発明は、請求項１９記載のコンデンサの機能は、前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に複数の金属層及び複数の絶縁層とにより実現されている。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１記載の発明によれば、半導体素子による発熱をパワーモジュールの両面から放熱することで熱抵抗およびジャンクション温度を低減できる。さらに、熱サイクルΔＴjが低減できるので、ヒートサイクルを低減した長寿命の高信頼性のパワーモジュールを実現することができる。【００３１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明により得られる効果に加え、熱サイクルΔＴjの影響が顕著なモータ制御装置に用いられる３相インバータを提供することができる。モータ制御に関しては、年々、より精密な制御が要求されており、この熱サイクルΔＴjはパワーモジュールの信頼性に影響を与えるものであり、結果的に、精密な制御を必要とするモータ制御装置において、その信頼性への影響は顕著になる。【００３２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１および２記載の発明により得られる効果に加え、ＦＥＴに形成された寄生ダイオードを還流ダイオードとして用いることができるので、より小型化されたパワーモジュールを実現することができる。【００３３】
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３記載の発明により得られる効果に加え、ＦＥＴを駆動する素子をＦＥＴに近接して配置することができるので、両者の間の配線距離を短くすることができる。結果として、配線ノイズを低減することができる。【００３４】
請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至４記載の発明により得られる効果に加え、パワーモジュールの放熱作用をさらに加速させることができる。【００３５】
請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至５記載の発明により得られる効果に加え、モータ制御装置のパワー密度を向上させることができる。さらに、上述の通り、モータ制御に関しては、年々、より精密な制御が要求されており、この熱サイクルΔＴjはパワーモジュールの信頼性に影響を与えるものであり、結果的に、精密な制御を必要とするモータ制御装置において、その信頼性への影響は顕著になる。【００３６】
請求項７または８記載の発明によれば、パワー密度が向上し、さらに、パワーサイクル寿命の長いモータの制御装置を実現できる。【００３７】
請求項９記載の発明によれば、請求項１記載の発明により得られる効果に加え、第１の半導体素子と第２の半導体素子とが第３の基板を介して対称な位置に配置されているので、
一方のＦＥＴをオンにした時、他方をオフにすることにより、オン状態のＦＥＴにより発生する熱が、オフ状態のＦＥＴが搭載されている基板側に効率的に放熱される。【００３８】
請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の発明により得られる効果に加え、各々のＦＥＴから発生される熱が基板の両面側から放熱され、熱ジャンクション温度の最低温度と最高温度との差、すなわち、熱サイクルΔＴjが低減されたパワーモジュールが実現できる。【００３９】
請求項１１記載の発明によれば、請求項２乃至４記載の発明により得られる効果に加え、一方のＦＥＴをオンにした時、他方をオフにすることにより、オン状態のＦＥＴにより発生する熱が、オフ状態のＦＥＴが搭載されている基板側に効率的に放熱される。【００４０】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１１記載の発明により得られる効果に加え、各々のＦＥＴから発生される熱が基板の両面側から放熱され、熱ジャンクション温度の最低温度と最高温度との差、すなわち、熱サイクルΔＴjが低減されたパワーモジュールが実現できる。【００４１】
請求項１３記載の発明によれば、上アームを構成するＦＥＴと下アームを構成するＦＥＴとは互いに基板を介して対称の位置に配置されているので、一方のＦＥＴをオンにした時、他方をオフにすることにより、オン状態のＦＥＴにより発生する熱が、オフ状態のＦＥＴが搭載されている基板側に効率的に放熱される。【００４２】
請求項１４記載の発明によれば、Ｓｉを用いた半導体素子よりもジャンクション温度が高温になるＳｉＣもしくはＧａＮを用いた半導体素子において、半導体素子による発熱をパワーモジュールの両面から放熱することで熱抵抗およびジャンクション温度を低減できる。さらに、熱サイクルΔＴjが低減できるので、ヒートサイクルを低減した長寿命の高信頼性のパワーモジュールを実現することができる。【００４３】
請求項１５記載の発明によれば、パワー密度が向上し、さらに、パワーサイクル寿命の長いモータの制御装置を実現できる。【００４４】
請求項１６または１７記載の発明によれば、パワー密度が向上し、さらに、パワーサイクル寿命の長いモータの制御装置を実現できる。【００４５】
請求項１８記載の発明によれば、半導体素子による発熱をパワーモジュールの両面から放熱することで熱抵抗およびジャンクション温度を低減できる。さらに、熱サイクルΔＴjが低減できるので、ヒートサイクルを低減した長寿命の高信頼性のパワーモジュールを実現することができる。【００４６】
請求項１９記載の発明によれば、第３の基板に主回路コンデンサと同等な電荷を蓄積することができ、リップルの低減や回生時の主回路間電圧の上昇を抑制して、主回路間電圧を安定化させることができる。また、パワーモジュールの外側の主回路電解コンデンサを小型化することが可能である。【００４７】
請求項２０記載の発明によれば、第３の基板の誘電体の層数を増やすことにより主回路間に電荷を多く蓄積することが可能となり、パワーモジュールの外側に主回路電解コンデンサが不要となり、インバータやサーボアンプのシステム全体の小型化や長寿命化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態におけるパワーモジュールの断面図
【図２】３相のインバータ回路の回路図
【図３】半導体素子のジャンクション温度時間変化を模式的に示す図
【図４】半導体素子のジャンクション温度の変化を示すグラフ
【図５】片面放熱のシミュレーションに用いたパワーモジュールの模式図
【図６】片面放熱におけるジャンクション温度のシミュレーション結果を示す図
【図７】本実施形態の両面放熱のシミュレーションに用いたパワーモジュールの模式図
【図８】両面放熱におけるジャンクション温度のシミュレーション結果を示す図
【図９】パワーモジュールのパワーサイクル寿命を示す図
【図１０】本発明の他の実施形態におけるパワーモジュールの上面図および断面
【図１１】本発明の他の実施形態におけるパワーモジュールの断面図
【図１２】本発明のパワーモジュールを搭載したモータ制御装置の上面図および断面図
【図１３】本発明のパワーモジュールを搭載したモータ制御装置の水冷却構造の上面図および断面図
【図１４】本発明のパワーモジュールを搭載したモータ制御装置の水冷却構造の上面図および断面図
【図１５】本発明の他の実施形態におけるパワーモジュールの断面図
【図１６】本発明の他の実施形態におけるパワーモジュールの断面図
【図１７】本発明の主回路コンデンサの機能を有した絶縁回路基板の断面図
【図１８】本発明の他の実施形態における主回路コンデンサの機能を有した絶縁回路基板の断面図
【符号の説明】
【００４９】
２０１  パワーモジュール
２０２  第１の基板
２０３  第３の基板
２０４  第２の基板
２０５  第１の半導体素子
２０６  第２の半導体素子
２０９  はんだボール
２１０  接合材
２１１  ゲート信号用金属配線
２１２  Ｐ側端子用金属配線
２１３  Ｎ側端子用金属配線
２１５  上下アーム半導体直結用ブスバー兼出力端子
２１６  樹脂材
２１７  第１のヒートシンク
２１８  第２のヒートシンク
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態における図面では、発明の理解を容易にするため、一部の要素においては模式的に示されている。本欄における複数の実施形態では、同一符号を付すことにより、その説明が省略されることもある。
【００５１】
図１には、本発明が適用されたパワーモジュール２０１の断面図が示されている。このパワーモジュール２０１では、その内部で発生した熱が、パワーモジュールの上面側および下面側から放熱される。そのため、両面放熱型パワーモジュールと称される場合もある。
【００５２】
パワーモジュール２０１は、第１の基板２０２と、第２の基板２０４と、第３の基板２０３と、第１の半導体素子２０５と、第２の半導体素子２０６とを備えている。この第１の半導体素子２０５は第１の基板２０２上に接合材２１０を介して配置され、第１の基板２０２上に固定されている。同様に、第２の半導体素子２０６は第２の基板２０４上に接合材２１０を介して配置され、第２の基板２０４上に固定されている。
【００５３】
第１の半導体素子２０５および第２の半導体素子２０６内には、第１のＭＯＳＦＥＴ、第２のＭＯＳＦＥＴが周知の半導体素子の製造方法によりそれぞれ形成されている。これらＭＯＳＦＥＴはシリコン（Ｓｉ）を主成分とするシリコン基板上に形成されている。
【００５４】
第３の基板２０３は、第１の基板２０２上の第１の半導体素子２０５と第２の基板２０４上の第２の半導体素子２０６との間に配置されている。この第３の基板２０３には、表面およびその内部には電気的な配線が形成されている絶縁回路基板が用いられる。第１の基板２０２および第２の基板２０４には、絶縁基板が用いられている。この絶縁基板には、放熱性の高い材料で構成された基板を用いることが望ましい。第１の半導体素子２０５と第２の半導体素子２０６とは、第３の基板２０３を介して対称な位置に配置されている。
【００５５】
さらに、パワーモジュール２０１は、第１の半導体素子２０５および第２の半導体素子２０６と、第３の基板２０３上に配置された配線とを電気的に接続するはんだボール２０９を有している。本実施の形態では、半田を主成分とするはんだボール２０９を用いているが、両者を電気的に接続できる導電性部材であれば、材料および形状は任意のものを用いることができる。第３の基板上または基板内に形成された配線については、説明の容易化のため、詳細な説明は割愛される。
【００５６】
本実施の形態では、インバータとしてパワーモジュール２０１を機能させるため、パワーモジュール２０１は、さらに、ゲート信号用金属配線２１１、Ｐ側端子用金属配線２１２、Ｎ側端子用金属配線２１３、上下アーム半導体直結用ブスバー兼出力端子２１５を備え、周知の封止技術を用いて樹脂材２１６により図１に示されるように封止されている。さらに、第１の基板２０２の裏面上には接着材等の固定手段を介して第１のヒートシンク２１７が形成され、第２の基板２０４の裏面上には同様に固定手段を介して第２ヒートシンク２１８が形成されている。
【００５７】
本実施の形態においては、第１の基板２０２上には、さらに、第３の半導体素子および第５の半導体素子が形成されている（図１には図示されていない）。第３の半導体素子および第５の半導体素子内には、第３のＭＯＳＦＥＴ、第５のＭＯＳＦＥＴがそれぞれ形成されている。同様に、第２の基板２０４上には、さらに、第４の半導体素子および第６の半導体素子が形成されている（図１には図示されていない）。第４の半導体素子および第６の半導体素子内には、第４のＭＯＳＦＥＴ、第６のＭＯＳＦＥＴがそれぞれ形成されている。これらＭＯＳＦＥＴは、第１および第２のＭＯＳＦＥＴと同様、周知の半導体素子の製造方法によりそれぞれ形成され、シリコン（Ｓｉ）を主成分とするシリコン基板上に形成されている。
【００５８】
第１乃至第６のＭＯＳＦＥＴにより３相のインバータ回路を構成している。この３相のインバータ回路については図２を参照しながら、以下に説明がなされる。
【００５９】
この３相のインバータ回路は、第１の半導体素子２０５と第２の半導体素子２０６とから構成される第１のインバータ回路２１９、第３の半導体素子２０５ｂと第４の半導体素子２０６ｂとから構成される第２のインバータ回路２２０、第５の半導体素子２０５ｃと第６の半導体素子２０６ｃとから構成される第３のインバータ回路２２１とを備える。
【００６０】
第１のインバータ回路２１９は、第１のＭＯＳＦＥＴ２０５−１と第２のＭＯＳＦＥＴ２０６−１とが第１の接続ノードＮ１を介して直列に接続されている。本実施形態においては、特に断りがなければ、ＭＯＳＦＥＴとはＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴのことを言う。
【００６１】
第１のＭＯＳＦＥＴ２０５−１の一方の電極は第１の接続ノードＮ１に接続され、他方の電極はＰ側端子用金属配線２１２に接続され、ゲート電極はゲート信号用金属配線２１１に接続される。第２のＭＯＳＦＥＴ２０６−１の一方の電極は第１の接続ノードＮ１に接続され、他方の電極はＮ側端子用金属配線２１３に接続され、ゲート電極はゲート信号用金属配線２１１に接続される。
【００６２】
第２のインバータ回路２２０は、第３のＭＯＳＦＥＴ２０５−１ｂと第４のＭＯＳＦＥＴ２０６−１ｂとが第２の接続ノードＮ２を介して直列に接続されている。第３のＭＯＳＦＥＴ２０５−１ｂの一方の電極は第２の接続ノードＮ２に接続され、他方の電極はＰ側端子用金属配線２１２に接続され、ゲート電極はゲート信号用金属配線２１１に接続される。第４のＭＯＳＦＥＴ２０６−１ｂの一方の電極は第２の接続ノードＮ２に接続され、他方の電極はＮ側端子用金属配線２１３に接続され、ゲート電極はゲート信号用金属配線２１１に接続される。
【００６３】
第３のインバータ回路２２１は、第５のＭＯＳＦＥＴ２０５−１ｃと第６のＭＯＳＦＥＴ２０６−１ｃとが第３の接続ノードＮ３を介して直列に接続されている。第５のＭＯＳＦＥＴ２０５−１ｃの一方の電極は第３の接続ノードＮ３に接続され、他方の電極はＰ側端子用金属配線２１２に接続され、ゲート電極はゲート信号用金属配線２１１に接続される。第６のＭＯＳＦＥＴ２０６−１ｃの一方の電極は第３の接続ノードＮ３に接続され、他方の電極はＮ側端子用金属配線２１３に接続され、ゲート電極はゲート信号用金属配線２１１に接続される。
【００６４】
ここで各ＭＯＳＦＥＴにはそれぞれ寄生ダイオード（図示されていない）が形成されている。第１乃至第３の接続ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３は、上下アーム半導体直結用ブスバー兼出力端子２１５に接続される。
【００６５】
本実施形態のような３相インバータ回路においては、第１のインバータ回路をＵ相、第２のインバータ回路をＶ相、第３のインバータ回路をＷ相と称する。また、第１、第３、第５のＭＯＳＦＥＴ２０５−１、２０５−１ｂ、２０５−１ｃを上アーム、第２、第４、第６のＭＯＳＦＥＴ２０６−１、２０６−１ｂ、２０６−１ｃを下アームと称する。以降の説明においては、これらの称号を用いることもある。
【００６６】
本実施の形態では、第１乃至第６の半導体素子は独立して形成されたものとして説明がなされている。この場合、第１、第３、第５の半導体素子、すなわち、上アームと、第２、第４、第５の半導体素子、すなわち、下アームとは、第３の基板２０３を介して対称な位置に配置される。加えて、各半導体素子内の配線パターン等は物理的に可能な限りにおいて実質的に同等にすることが望ましい。これにより、第３の基板２０３を介して上アームの素子の構成と下アームの素子の構成が同等になり、効率的な放熱が期待できる。
【００６７】
ここで、第１、第３、第５の半導体素子が第１の基板２０２上に形成された単一の半導体素子２０５内に形成され、第２、第４、第６の半導体素子が第２の基板２０４上に形成された単一の半導体素子２０６内に形成されている場合、これら半導体素子２０５、２０６は第３の基板２０３を介して対称な位置に配置される。さらに、各半導体素子内の配線パターン等は物理的に可能な限りにおいて実質的に同等にすることが望ましい。以降の説明においては、説明の簡便化のため、第１、第３、第５の半導体素子が第１の基板２０２上に形成された単一の半導体素子２０５内に形成され、第２、第４、第６の半導体素子が第２の基板２０４上に形成された単一の半導体素子２０６内に形成されているものとして説明を続ける。
【００６８】
このようにインバータ回路の上アームを構成する半導体素子と、インバータ回路の下アームを構成する半導体素子とを第３の基板のような絶縁物を介して対称な位置に配置することにより、各半導体素子から発生される熱をパワーモジュールの両面から効率的に放熱できる。これにより熱抵抗およびジャンクション温度を低減できる。さらに、熱サイクルΔＴjが低減できるので、ヒートサイクルを低減した長寿命の高信頼性のパワーモジュールを実現することができる。
【００６９】
さらに、各半導体素子内の配線パターン、第１の基板および第２の基板上の他の構成要素も物理的に可能な限りにおいて実質的に同等に形成することにより、上アームと下アームとが第３の基板を介して厳密に対称となるので、各半導体素子から発生される熱をパワーモジュールの上面および下面から効率的に放熱できる。
【００７０】
本実施の形態においては、各ＭＯＳＦＥＴがシリコン（Ｓｉ）を主成分とするシリコン基板上に形成されている半導体素子を用いている。この種の半導体素子は、現在、一般的に用いられており、ジャンクション温度は１２０℃程度である。しかしながら、パワー密度向上による小型化を目的に、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とする基板を用いた場合、その基板上に形成されたトランジスタのジャンクション温度は２００℃以上に達する。すなわち、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とする基板を用いた半導体素子をパワーモジュールに適用した場合、熱サイクルがモジュールに与える負担は、シリコン基板を用いた半導体素子の場合より格段に大きくなる。
【００７１】
このような炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いたパワーモジュールに本発明の構成を適用すれば、大きな効果を期待できる。
【００７２】
ここで、本実施形態における製造方法について図１を用いて説明する。
第１の基板２０２の金属配線表面の半導体素子取り付け面に、接合材２１０、はんだ箔を介して第１の半導体素子２０５を積層する。ゲート信号用金属配線２１１、Ｐ側端子用金属配線２１２、Ｎ側端子用金属配線２１３、上下アーム半導体直結用ブスバー兼出力端子２１５を、接合材２１０を介して積層する。その後、加熱装置によりリフローすることによって接合材２１０を溶融させてから硬化させ、上アームを形成する。同様に、第３の基板２０４の半導体素子取り付け面に第２の半導体素子２０６とゲート信号用金属配線２１１、Ｐ側端子用金属配線２１２、Ｎ側端子用金属配線２１３を接合し、下アームを形成する。
【００７３】
次に、第２の半導体素子２０６の上にはんだボール２０９を乗せる。また、第３の基板２０３上の第１の半導体素子２０５との接合箇所にはんだボール２０９を乗せる。
【００７４】
その後、第３の基板２０３の上側に上アームの第１の半導体素子２０５、下側に下アームの第２の半導体素子２０６をはんだボール２０９を介して接触させる。上下アーム半導体直結用ブスバー兼出力端子２１５を接合材２１０を介して取り付け、加熱装置によりリフローすることによってはんだボール２０９および接合材２１０を溶融、硬化させ、上下アームの半導体素子は電気的、熱的に接合される。
【００７５】
しかる後、図示しない成形型を使用して樹脂材２１６を充填し、硬化させる。硬化後、成形型から取り出し、その後、第１ヒートシンク２１７と第２ヒートシンク２１８を、熱伝導グリースまたは熱伝導シート（図示しない）などを介して積層することで固定し両面放熱パワーモジュール２０１が完成する。
【００７６】
次に、本実施形態のパワーモジュールを動作させた場合の半導体素子のジャンクション温度について図３および図４を用いて説明する。
ここで、図３（ａ）において、ゲート信号用金属配線２１１を通して、第１の半導体素子２０５、第２の半導体素子２０６は、同時にオンすることなく交互にスイッチングする。第１の半導体素子２０５がオンしているとき、第１の放熱２２６は、第１のヒートシンク２１７側へ、第２の放熱２２７は第２の半導体素子２０６を介して第２のヒートシンク２１８へと流れる。
【００７７】
図３（ｂ）において、第２の半導体素子２０６がオンしているとき、還流電流が第２の半導体素子２０６の寄生ダイオード（図示しない）に流れることで発生する第３の放熱２２８は、第１の半導体素子２０５を介して第１のヒートシンク２１７側へ、第４の放熱２２９は第２のヒートシンク２１８側へと流れる。
【００７８】
図４には第１の半導体素子２０５の温度変化が示されている。図４中、点線で示されている温度２３０は、第１の半導体素子２０５が片面のみで放熱した場合の半導体素子のジャンクション温度である。第１の半導体素子２０５が発熱したときは、第１の放熱２２６と第２の放熱２２７は、上下方向の２方向へ流れるため、最大ジャンクション温度は、片面のみで放熱した場合より温度Ｔaだけ低下（図中、２３２）する。
【００７９】
次に、第２の半導体素子２０６がオンしたとき、第３の放熱２２８により最低ジャンクション温度Ｔbだけ上昇（図中、２３３）する。
【００８０】
この結果、本実施形態では、両面放熱で放熱したときの半導体チップのジャンクション温度は図４中の太線２３１ようになり、片面側からのみ放熱する時の熱サイクルΔＴj a２３４は、熱サイクルΔＴjｂ２３５まで小さくなる。同様に、第２の半導体素子２０６においても熱サイクルは片面側からのみ放熱する時の熱サイクルΔＴj a２３４より小さくなる（熱サイクルΔＴjｂ２３５）。
【００８１】
次に、シミュレーション結果について説明する。
まず、第１の半導体素子２０５を第１のヒートシンク２１７のみで片面放熱するときのシミュレーションに用いたパワーモジュールの模式図を図５に、ジャンクション温度のシミュレーション結果を図６に示す。シミュレーション条件は、
ロス                               ：20W
スイッチング時間               ：0.1sec オン、0.4secオフ
シミュレーション時間           ：5sec
第１の半導体素子２０５         ：5mm x 5mm x 0.2mm
絶縁回路基板２０２             ：7mm x 7mm x 1.2mm
第１のヒートシンク２１７         ：アルミ  38mm x 38mm x 32mm（3mm厚のフィン6枚）
とした。なお、絶縁回路基板上の銅配線および樹脂材２１６は省略した。また、第１の半導体２０５の中心部温度をジャンクション温度とした。
【００８２】
この結果、ジャンクション温度は、最大約４０℃、最小約２２℃であり、片面放熱時の熱サイクルΔＴj a（図６中、２３４）は１８Ｋとなった。
【００８３】
一方、第１の半導体素子２０５を本実施形態に従って両面放熱するときのシミュレーションに用いたパワーモジュールの模式図を図７に、ジャンクション温度のシミュレーション結果を図８に示す。シミュレーション条件は、
ロス                              ：20W
スイッチング時間              ：0.1sec オン、0.4secオフ
シミュレーション時間          ：5sec
第１の半導体素子２０５        ：5mm x 5mm x 0.2mm
第２の半導体素子２０６        ：5mm x 5mm x 0.2mm
絶縁回路基板２０２、２０３、２０４    ：7mm x 7mm x 1.2mm
第１のヒートシンク２１７        ：アルミ  38mm x 38mm x 16mm（3mm厚のフィン6枚）
第２のヒートシンク２１８        ：アルミ  38mm x 38mm x 16mm（3mm厚のフィン6枚）
とした。
なお、絶縁回路基板上の銅配線および樹脂材２１６は省略した。また、第１の半導体２０５および第２の半導体２０６の中心部温度をジャンクション温度とした。
第１のヒートシンク２１７および第２のヒートシンク２１８の大きさは、それぞれ図５のシミュレーションで用いたヒートシンクの半分の厚さに設定した。
図８には、第１の半導体素子２０５によるジャンクション温度変化２３６と第２半導体の半導体素子２０６によるジャンクション温度変化２３７が同時にプロットされている。このシミュレーションでは、最大ジャンクション温度は３４℃、最小値は２５℃となり熱サイクルΔＴj a （図８中、２３５）は、９Ｋとなった。
【００８４】
図９の片側放熱パワーモジュールのパワーサイクル寿命カーブを参考に片面放熱時と両面放熱時の寿命を読み取ると、片面放熱時は約１５百万回で、両面放熱時は約１４２百万回となり、パワーサイクル寿命は約１０倍伸びることが推測される。
【００８５】
本実施形態によれば、第３の基板を中心に対称的に上アーム、下アームの半導体素子が実装されているので、第３の基板の上面側および下面側にかかる残留応力が対称となり、結果的にパワーモジュールのパワーサイクル寿命が長くなる。
【００８６】
このように、インバータの上アームを構成する半導体素子とインバータの下アームを構成する半導体素子とを対向させて対称的に配置することにより、すなわち、上アームとしたアームとを熱的に結合することにより、パワーモジュールの両面から放熱することができ、片面で半導体素子を冷却する場合よりも最大ジャンクション温度が低下しパワーモジュールの寿命を向上させることができる。
【００８７】
このようなパワーモジュールをモータ制御装置に適用すれば、モータ制御装置のパワー密度を向上させることができる。さらに、モータ制御に関しては、年々、より精密な制御が要求されており、この熱サイクルはパワーモジュールの信頼性に影響を与えるものであり、結果的に、精密な制御を必要とするモータ制御装置において、その信頼性への影響は顕著になる。
【００８８】
また、上下アームの半導体素子を交互にスイッチングし、第１の半導体素子２０５がオンしている時、その発熱の一部をオフ状態の第２の半導体素子２０６に与え、逆に第２の半導体素子２０６がオン状態の時、半導体素子２０６の寄生ダイオードに流れる還流電流による発熱の一部をオフ状態の第１の半導体素子２０５に与えることで、最低ジャンクション温度を上昇させることができる。結果として最大ジャンクション温度と最低ジャンクション温度差、つまり熱サイクルΔＴjを低減することができるため、パワーサイクル寿命を向上させることができる。
【００８９】
また、上アームと下アームの半導体素子を対向して配置し、熱的に接合するため、実装スペースを約１／２に縮小できる。さらに、半導体素子への接続面積が従来のワイヤボンディングによる接続よりも増加しているため、放熱の面でも有利である。
【００９０】
図１０は、他の実施形態における両面放熱型のパワーモジュールの断面模式図である。図１０（ａ）は、両面放熱モジュール２０１の上面図であり、Ｕ相の上下アーム２１９、Ｖ相の上下アーム２２０、Ｗ相の上下アーム２２１が形成されている領域を示すものである。
【００９１】
図１０（ａ）中の線分Ａ−Ａ’における断面図を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）は、Ｕ相の上下アーム２１９における第１の半導体素子２０５および第２の半導体素子２０６の断面である。第１の半導体素子２０５は、熱伝導グリースまたは熱伝導シート（前述の第３の基板に相当）を介して熱的に接合し、固定ネジ２３９などで第１のヒートシンク２１７に固定され、第２の半導体素子２０６も同様に固定ネジ２３９などで第２のヒートシンク２１８に固定される。第１のヒートシンク２１７と第２のヒートシンク２１８との間には、スペーサー２３８が配置されている。
【００９２】
上アームの第１の半導体素子２０５と下アームの第２の半導体素子２０６とをそれぞれ対向するように配置し、熱的に接合することで、上下アームのディスクリートタイプ半導体素子の熱を両面から放熱できるため、片面で半導体チップを冷却する場合よりも最大ジャンクション温度が低下しパワーモジュールの寿命を向上させることができる。
【００９３】
また、上下アームの半導体チップを交互にスイッチングし、第１の半導体素子２０５がオンしている時、その発熱の一部をオフ状態の第２の半導体素子２０６に与え、逆に第２の半導体素子２０６がオン状態の時、その発熱の一部をオフ状態の第１の半導体素子２０５に与えることで、最低ジャンクション温度を上昇させ、結果として最大ジャンクション温度と最低ジャンクション温度差、つまり熱サイクルΔＴjを低減するため、パワーサイクル寿命を向上させることができる。
【００９４】
また、このように上下アームを対向させて実装することによりパワーモジュールの実装スペースを約１／２に縮小できる。また、パワーモジュールの体積を約１／２縮小できる。
さらに半導体チップへの接続面積が従来のワイヤボンディングによる接続よりも増加しているため、放熱の面でも有利である。
【００９５】
図１１は、他の実施形態における両面放熱型のパワーモジュールの断面模式図である。
図においてパワーモジュール２０１においては、上述の実施形態の構成に加え、各半導体素子のＭＯＳＦＥＴを駆動するゲート駆動素子２４０が、第３の基板２０３上に形成されている。
【００９６】
ゲート駆動素子２４０の他にもチップコンデンサ、リアクトル、整流ダイオードなどの電子部品を第３の基板２０３上に配置することにより、ＭＯＳＦＥＴのゲートとゲート駆動素子２４０間の配線距離を短くすることができるので、ノイズによる誤動作の発生を低減することができる。このため、ゲート電圧の逆バイアスの必要がなくなり、電源回路の小型化が可能となる。この小型化は、この種の両面放熱型のパワーモジュールが適用されるモータ制御装置の小型化およびパワー密度を向上させることに大きく寄与する。
【００９７】
本実施形態においては第１の基板２０２、第２の基板２０４、第３の基板２０３には、絶縁体としてアルミナ、窒化珪素、窒化アルミなどの材料が用いられており、配線用の材料としてアルミニウム、銅などの金属が用いられている。接合材２１０には、はんだ箔、クリームはんだなどが用いられる。
【００９８】
本実施形態における半導体素子については、逆並列の寄生ダイオードを持つＭＯＳ型のＦＥＴ（電解効果型トランジスタ）の例を用いて説明したが、本発明の適用される範囲はこれに限定されるものでなく、逆並列のダイオードを内蔵したＲＣ−ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴにも適用可能である。
【００９９】
図１２は、さらに他の実施形態を説明する図である。本実施形態においては両面放熱型のパワーモジュールをモータ制御装置に適用した例が示される。
図１２（ａ）において本実施形態のモータ制御装置２４１には、前述の実施形態における両面放熱型のパワーモジュール２０１が適用されている。さらに、このモータ制御装置２４１は、第１のヒートシンク２１７と、第２のヒートシンク２１８と、ゲート信号用の金属配線２１１と、Ｐ側端子用の金属配線２１２と、Ｎ側端子用の金属配線２１３と、主回路コンデンサ２４２と、制御回路基板２４４と、外部入出力端子２４６と、筐体２４７とで構成されている。
【０１００】
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の線分Ｃ−Ｃ’における断面図である。パワーモジュール２０１は、金属配線２１１と上下アームの半導体を直結するためのブスバー兼出力端子２１５とＰ側端子用の金属配線２１２とＮ側端子用の金属配線２１３を通して制御回路基板２４４に接続される。電源および電動機とは、制御回路基板２４４上の固定ネジ２３９とＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各端子２４８で構成された入出力端子を通して接続される。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各端子２４８は、制御回路基板２４４の配線（図示しない）を経由してパワーモジュール２０１のブスバー兼出力端子２１５と接続される。
【０１０１】
主回路コンデンサ２４２は、主回路コンデンサ端子２４３を通して制御回路基板２４４に接続され、金属配線２１２と金属配線２１３に電気的に接続される。以上のようにして主回路部分が構成され、筐体２４７内に収納される。筐体２４７の表面にコントローラ２４５が、コントローラ接続端子２４６を通して取り付けられモータ制御装置２４１を構成する。
【０１０２】
空気など冷却溶媒は、筐体２４７の下面から主回路コンデンサ２４２、第１のヒートシンク２１７および第２のヒートシンク２１８を通過して筐体２４７の上面から排出される。
【０１０３】
本実施形態のように本発明をモータ制御装置に適用すれば、モータ制御装置のパワー密度を向上させることができる。さらに、パワーサイクル寿命の長いモータ制御装置を実現することができる。
【０１０４】
モータ制御に関しては、年々、より精密な制御が要求されており、前述の熱サイクルΔＴjがパワーモジュールの信頼性に与える影響は大きい。本発明によれば、熱サイクルΔＴjを低減することができるため、結果的に精密な制御を必要とするモータ制御装置において、その信頼性への影響は顕著になる。
【０１０５】
また、筐体の下面または上面にファンをつけて冷却溶媒の流量を上げて、冷却効率を向上させることも可能である。
【０１０６】
図１３（ａ）には、本実施形態における両面放熱型のパワーモジュール２０１を水冷式のモータ制御装置に適用した例が示される。このパワーモジュール２０１は、冷却用の流体が流れる冷却管に隣接して配置されている。本実施形態では、内部に水が流れている水冷管２４９を冷却管として用いている。モータ制御装置２４１は、両面放熱型パワーモジュール２０１の両面が水冷管２４９ではさまれた水冷却構造を有する。制御装置２４１は、主回路コンデンサ２４２とともに制御回路基板２４４に電気的に接続され、制御回路基板２４４上の固定ネジ２３９とＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各端子２４８を備えている。制御装置２４１は端子２４８を通して電源および電動機と接続される。
【０１０７】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の線分Ｅ−Ｅ’における断面図である。両面放熱型パワーモジュール２０１の両面は、水冷管２４９−ａと水冷管２４９−ｂと熱伝導グリースまたは熱伝導シートを介してはさまれ、各半導体素子の熱は、水冷管２４９を通して水流２５０に吸収され、水冷管２４９に接続された放熱器（図示せず）を通して外部に熱が放出される。
【０１０８】
本実施形態の両面放熱型パワーモジュールの水冷却構造は、従来の両面放熱型パワーモジュールおよびディスクリートタイプに対して、水冷却の構造を簡略化でき、またモータ制御装置を小型化することが可能である。
【０１０９】
一方、図１４（ａ）は、ディスクリートタイプの半導体を用いた他の実施形態におけるパワーモジュールを水冷式のモータ制御装置に適用した例が示される。この例におけるモータ制御装置２４１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各上下アーム２１９における第１の半導体素子２０５および第２の半導体素子２０６が、水冷管２４９ではさまれた水冷却構造を有する。制御装置２４１は、主回路コンデンサ２４２とともに、制御回路基板２４４に電気的に接続され、制御回路基板２４４上の固定ネジ２３９とＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各端子２４８を備えている。制御装置２４１は端子２４８を通して電源および電動機と接続される。
【０１１０】
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の線分Ｆ−Ｆ’における断面図である。第１の半導体２０５に水冷管２４９−ａ、第２の半導体２０６に水冷管２４９−ｂが熱伝導グリースまたは熱伝導シートを介してはさまれ、各半導体素子の熱は、水冷管２４９を通して水流２５０に吸収され、水冷管２４９に接続された放熱器（図示せず）を通して外部に熱が放出される。
【０１１１】
このように他の本実施形態の両面放熱型パワーモジュールの水冷却構造においても、従来の両面放熱型パワーモジュールおよびディスクリートタイプに対して、水冷却の構造を簡略化でき、またモータ制御装置を小型化することが可能である。
【０１１２】
本実施形態では冷却溶媒として水が用いられているが、冷却用の流体であれば水以外でも構わない。
【０１１３】
図１５には、図１に示される両面放熱型パワーモジュールの特徴を備え、主回路コンデンサをパワーモジュール内に成形することができるパワーモジュール２０１の他の実施形態に係る断面図が示されている。本実施形態の図１のパワーモジュール２０１同様に、ΔＴを低減する効果が得られる。
【０１１４】
パワーモジュール２０１は、第１の基板２０２と、第２の基板２０４と、第３の基板２０３と、第１の半導体素子２０５と、第２の半導体素子２０６とを備えている。この第１の半導体素子２０５は第３の基板２０３上に接合材２１０を介して配置され、第３の基板２０３上に固定されている。同様に、第２の半導体素子２０６は第２の基板２０４上に接合材２１０を介して配置され、第２の基板２０４上に固定されている。
【０１１５】
第３の基板２０３は、第１の半導体素子２０５と第２の半導体素子２０６との間に配置されている。この第３の基板２０３には、表面にＰ側端子金属板３０１、Ｎ側端子金属板３０３、ゲート端子金属板３０７およびその内部には電気的な配線が形成されている絶縁回路基板が用いられる。また、第３の基板２０３上には接合材２１０を介してＰ側端子用金属配線２１２とＮ側端子用金属配線２１３が配置され、第３の基板２０３を介して対称な位置に配置されている。第１の基板２０２および第２の基板２０４には、絶縁基板が用いられている。この絶縁基板には、放熱性の高い材料で構成された基板を用いることが望ましい。
【０１１６】
さらに、パワーモジュール２０１は、第１の半導体素子２０５と、第１の基板２０２上に配置された配線とを電気的に接続するはんだボール２０９を有する。また、第２の半導体素子２０６と、第３の基板２０３も同様である。本実施の形態では、半田を主成分とするはんだボール２０９を用いているが、両者を電気的に接続できる導電性部材であれば、材料および形状は任意のものを用いることができる。第３の基板２０３上または基板内に形成された配線については、説明の容易化のため、詳細な説明は割愛される。
【０１１７】
本実施の形態では、インバータとしてパワーモジュール２０１を機能させるため、パワーモジュール２０１は、さらに、ゲート信号用金属配線２１１、Ｐ側端子用金属配線２１２、Ｎ側端子用金属配線２１３、上下アーム半導体直結用ブスバー兼出力端子２１５を備え、周知の封止技術を用いて樹脂材２１６により図１５に示されるように封止されている。さらに、第１の基板２０２の裏面上には接着材等の固定手段を介して第１のヒートシンク２１７が形成され、第２の基板２０４の裏面上には同様に固定手段を介して第２のヒートシンク２１８が形成されている。
【０１１８】
第３の基板２０４は、上面側にＰ側端子用金属配線２１２、裏面側にＮ側端子用金属配線２１３を接合材２１０を介して接合される。そのＰ側端子用金属配線２１２とＮ側端子用金属配線２１３の間の基板２０４は端子を固定し絶縁する目的と、基板の材質に誘電体を用いることでＰ側端子用金属配線２１２とＮ側端子用金属配線２１３の間に電荷が蓄積されることで主回路コンデンサの代わりとなる蓄積要素を形成できる。
【０１１９】
また、第３の基板２０４は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やベリリア（ＢｅＯ）などの絶縁材料であれば限定するものではない。
【０１２０】
第１乃至第６のＭＯＳＦＥＴにより３相のインバータ回路を構成している。この３相のインバータ回路については図１のパワーモジュール２０１にて説明をしているので、ここでは割愛される。
【０１２１】
本実施の形態では、第１乃至第６の半導体素子は独立して形成されたものとして説明がなされている。この場合、第１、第３、第５の半導体素子、すなわち、上アームと、第２、第４、第６の半導体素子、すなわち、下アームとは、第３の基板２０３を境に上アーム、下アーム共に同等な位置に配置される。加えて、各半導体素子内の配線パターン等は物理的に可能な限りにおいて実質的に同等にすることが望ましい。これにより、第３の基板２０３を介して上アームの素子の構成と下アームの素子の構成が同等になり、効率的な放熱が期待できる。
【０１２２】
ここで、第１、第３、第５の半導体素子が第３の基板２０３上に形成された単一の半導体素子２０５内に形成され、第２、第４、第６の半導体素子が第２の基板２０４上に形成された単一の半導体素子２０６内に形成されている場合、これら半導体素子２０５、２０６は第１の基板２０２、第３の基板２０３、第２の基板２０４を順番に重ね合わせることで上アーム、下アーム共に同等な位置に配置される。さらに、各半導体素子内の配線パターン等は物理的に可能な限りにおいて実質的に同等にすることが望ましい。以降の説明においては、説明の簡便化のため、第１、第３、第５の半導体素子が第３の基板２０３上に形成された単一の半導体素子２０５内に形成され、第２、第４、第６の半導体素子が第２の基板２０４上に形成された単一の半導体素子２０６内に形成されているものとして説明を続ける。
【０１２３】
図１の実施形態と同様にインバータ回路の上アームを構成する半導体素子と、インバータ回路の下アームを構成する半導体素子とを第３の基板のような絶縁物を介して対称な位置に配置することにより、各半導体素子から発生される熱をパワーモジュールの両面から効率的に放熱できる。これにより熱抵抗およびジャンクション温度を低減できる。さらに、熱サイクルΔＴjが低減できるので、ヒートサイクルを低減した長寿命の高信頼性のパワーモジュールを実現することができる。
【０１２４】
さらに、各半導体素子内の配線パターン、第１の基板および第２の基板上の他の構成要素も物理的に可能な限りにおいて実質的に同等に形成することにより、上アームと下アームとが第３の基板を介して対称となるので、各半導体素子から発生される熱をパワーモジュールの上面および下面から効率的に放熱できる。
【０１２５】
図１６には、さらに、他の実施形態のパワーモジュール２０１の断面図が示されている。本実施形態では、第３の基板２０３に蓄えられる電荷量の増加を目的としたパワーモジュールが紹介される。
【０１２６】
図１６に示されたパワーモジュール２０１は、図１５に示されたパワーモジュール２０１の第３の基板２０３以外の構成は同じである。図１７には本形態の第３の基板２０３の構造図が示されている。
【０１２７】
図１７の第３の基板２０３は、Ｐ側端子金属板３０１とＮ側端子金属板３０３と図１６の第２の半導体素子２０６とはんだボール２０９で電気的に接続されるゲート信号金属板３０７とＰ側電位とＮ側電位を絶縁する第１の絶縁体３０４とＰ側端子金属板３０５、Ｎ側端子金属板３０７、Ｐ側端子金属内層板３０８またはＮ側端子金属内層板３０９を絶縁する誘電率の高い第２の絶縁体３０６を備えている。Ｐ側端子金属板３０１には接合材２１０を介して第１の半導体素子２０５が接続される。Ｎ側端子金属板３０３は第２の半導体素子２０６にはんだボール２０９で電気的に接合される。
【０１２８】
さらに、ゲート端子金属板３０７は第２の半導体素子２０６にはんだボール２０９で電気的に接合される。ゲート端子金属板３０７はＮ側端子金属板３０３と絶縁距離を確保して横に配置される。
【０１２９】
Ｐ側端子金属板３０１とＰ側端子金属内層板３０８は、Ｐ側端子金属側面板３０２とロウ材を介して接合される。同じくＮ側端子金属板３０３とＮ側端子金属内層板３０９もＮ側端子金属側面板３０５とロウ材を介して接合される。（図１６、図１７には図示されていない。）
【０１３０】
また、第２の絶縁体３０６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やベリリア（ＢｅＯ）などの絶縁材料であれば限定するものではない。
【０１３１】
第２の絶縁体３０６は、Ｐ側電位とＮ側電位の絶縁距離が確保でき絶縁ができる厚みで構わない。絶縁体は厚さが薄い程、電荷を蓄積することが可能であるため、最低限の厚みにするのが望ましい。
【０１３２】
図１７の第３の基板２０３は、Ｐ側端子金属板３０１とＮ側端子金属板３０３が上下に配置され、Ｐ側端子金属内層板３０８とＮ側端子金属内層板３０９の間に誘電率の高い第２の絶縁体３０６を交互に重ね合わせて配置される。Ｐ側端子金属板３０１、Ｎ側端子金属板３０３、ゲート端子金属板３０７、Ｐ側端子金属内層板３０８またはＮ側端子金属内層板３０９と第２の絶縁体３０６との接合にはロウ材などを使用する。
【０１３３】
また、金属板と絶縁体を接合することができる接合材であれば、ロウ材だけに限定するものではない。
【０１３４】
さらに、Ｐ側端子金属側面板３０２とＮ側端子金属３０９の間には第１の絶縁体３０４にて絶縁を行う。また、同じくＮ側端子金属側面板３０５とＰ側端子金属３０８の間も第１の絶縁体３０４にて絶縁を行う。第１の絶縁体３０４は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やベリリア（ＢｅＯ）などの絶縁材料であれば限定するものではない。
【０１３５】
ここで、本実施形態における製造方法について図１７を用いて説明する。但し、第３の基板２０３の部分だけを説明する。
【０１３６】
第３の基板２０３の金属配線表面の半導体素子取り付け面に、接合材２１０、はんだ箔を介して第１の半導体素子２０５を積層する。Ｐ側端子用金属配線２１２、Ｎ側端子用金属配線２１３を、接合材２１０を介して積層する。その後、加熱装置によりリフローすることによって接合材２１０を溶融させてから硬化させ、上側を形成する。同様に、第３の基板２０３の金属配線表面の半導体素子取り付け面のＮ側端子金属板３０３にＮ側端子用金属配線２１３とゲート端子金属板３０７とゲート信号用金属配線２１１を、接合材２１０を介して接合し、下側を形成する。また、Ｐ側端子用金属配線２１２とＮ側端子用金属配線２１３は第３の基板２０３を介して、ほぼ対称に配置される。
【０１３７】
次に、Ｎ側端子金属板３０３とゲート信号金属板３０７の間に絶縁距離をとって横に配置し、Ｎ側端子金属板３０３とゲート端子金属板３０７の上に第２の絶縁体３０６を配置しロウ材を介して接合を行う。第２の絶縁体３０６はＰ側端子金属内層板３０８とＮ側端子金属側面板３０５の絶縁を確保するために、第１の絶縁体３０４を配置するための長さだけ短くする。
【０１３８】
金属板と絶縁体の接合にはロウ材を使用するが、金属板と絶縁体が接合できるものであれば、ロウ材以外でも構わない。
【０１３９】
次に、Ｐ側端子金属内層板３０８を第２の絶縁体３０６の上に配置し、図１７のように両サイドに第１の絶縁体３０４とＰ側端子金属側面板３０２を配置するスペースを確保して長さを決める。
【０１４０】
次に、同じく第２の絶縁体３０６をＰ側端子金属内層板３０８の上に配置し、ロウ材にて接合を行う。ここでＰ側端子金属内層板３０８とＮ側端子金属側面板３０５の絶縁を確保し空いたスペースに第１の絶縁体３０４を配置する。
【０１４１】
次に、その上にＮ側端子金属内層板３０９、第２の絶縁体３０６の順番に配置し、ロウ材を介して接合をした後にＮ側端子金属内層板３０９とＰ側端子金属側面板３０２の絶縁を確保し空いたスペースに第１の絶縁体３０４を配置する。その上に第１の半導体素子２０５を接続したＰ側端子金属板３０１を第２の絶縁体３０６の上に配置し、ロウ材にて接合を行う。
【０１４２】
最後に、Ｐ側端子金属板３０１とＰ側端子金属内層板３０８とＰ側端子金属側面板３０２はロウ材を介して接合を行う。同じくＮ側端子金属板３０３とＮ側端子金属内層板３０９とＮ側端子金属側面板３０５もロウ材を介して接合を行うことで第３の基板２０３が形成される。
【０１４３】
このように積層する第２の絶縁体３０６とＰ側端子金属内層板３０８とＮ側端子金属内層板３０９を任意の数だけ積み重ねることが可能である。任意の数だけ積層することにより蓄積できる電荷量を増加させることができため、インバータやサーボアンプとして小形化かつ高寿命なパワーモジュールが可能となる。
【０１４４】
図１８に示された第３の基板２０３では、図１７に示された第３の基板２０３の第１の絶縁体３０４が小さくなり、第２の絶縁体３０６の面積が大きくなることで電荷をより多く蓄積できる上に、製造工程が簡単となる。基本的な製造方法についてはほぼ同じである。
【０１４５】
図１８の第３の基板２０３は図１７の第３の基板２０３の内部の構造を変更して製造工程を簡単にしている。製造方法については上述の説明を参酌すれば理解できる。なお、図１７に示された例では、第１の絶縁体３０４は第２の絶縁体３０６とＰ側端子金属内層板３０８またはＮ側端子金属内層板３０９と第２の絶縁体３０４の３層分の厚みでＰ電位とＮ電位を絶縁していたが、図１８に示された例では、Ｐ側端子金属内層板３０８またはＮ側端子金属内層板３０９の１層分のみに第１の絶縁体３０４を配置し、第２の絶縁体３０６を多く積層できるようにしている。これにより、図１７に示されたパワーモジュール２０１よりも図１８に示された例の方が、同等の形状で第３の基板２０３に蓄積する電荷量が増加することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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