(57)【要約】【課題】  パワー素子切り替え時に発生するノイズの元になるインダクタンスを減らし、かつコスト低減が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置は、同じ面上に設けられたインバータの上下アーム10、11にそれぞれ設けられたパワー素子6、8および整流素子7、9を備える。パワー素子配線用のビームリードB1と反対側アームの整流素子用のビームリードB2とを電気非導通状態で重ねた状態で樹脂によりモールドした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の同じ面上に設けられた、インバータの上アームおよび下アームにそれぞれ設けられたパワー素子および整流素子と、
前記パワー素子の配線を行うパワー素子配線用のビームリードと、
前記パワー素子の反対側のアームの前記整流素子との配線をそれぞれ行う整流素子用のビームリードと、
前記パワー素子配線用のビームリードと前記反対側アームの整流素子用のビームリードとを電気非導通状態で重ねた状態で樹脂によりモールドした樹脂モールドと、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記樹脂は、耐熱樹脂とし、
前記パワー素子および前記整流素子と接続する面を前記樹脂から露出させるとともに、
前記樹脂モールドしたビームリードと前記パワー素子と前記基板とを半田接合した、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
基板の同じ面上に、インバータの上アームおよび下アームにそれぞれ設けられたパワー素子および整流素子を設け、
前記パワー素子の配線を行うパワー素子配線用のビームリードと、前記パワー素子の反対側のアームの前記整流素子との配線をそれぞれ行う整流素子用のビームリードと、を電気非導通状態で重ねた状態で樹脂によりモールドした、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記樹脂は、耐熱樹脂とし、
前記パワー素子および前記整流素子と接続する面を前記樹脂から露出させるとともに、
前記樹脂モールドしたビームリードと前記パワー素子と前記基板とを半田接合した、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを構成するパワー素子のON、OFF切り替えにより発生するノイズを低減することができる半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置としては、たとえば絶縁ゲート・バイポーラ型トランジスタ（IGBT: Insulated gate bipolar transistor）からなるスイッチング素子（パワー素子）およびダイオードからなる整流素子を用いたインバータが知られている。
このインバータにあっては、スイッチング素子の切り替え時にノイズの元となるサージ電圧を低減する目的で、サージ電圧と、各素子および電極を接続している配線等のインダクタンス成分との関係に着目してなされた発明が、特許文献１に記載されている。
【０００３】
この特許文献１に記載された従来の半導体装置では、スイッチング素子と整流素子とが縦方向（厚さ方向）に積層され、素子間接続導体を介して接合された状態で、絶縁性の樹脂により封止された半導体装置において、スイッチング素子のエミッタ電極形成面とスイッチング素子に対して逆相である整流素子のカソード電極形成面とが対面するようにして、もしくはスイッチング素子のコレクタ電極形成面とスイッチング素子に対して逆相である整流素子のアノード電極形成面とが対面するようにして、スイッチング素子と整流素子とが配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２３９５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の半導体装置にあっては、パワー素子と整流素子とを縦方向に積層してこれらを接続するようにしているので、構造が複雑となり、この結果、製品コストが高くならざるを得ないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、インバータ一相分の上下アームのそれぞれが、パワー素子とダイオードとを備えた半導体装置において、パワー素子切り替え時に発生するノイズの元になるインダクタンスを減らすことができ、その場合に製品コストをも低減することができるようにした半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的のため、請求項１に記載の本発明による半導体装置は、
同じ面上に設けられた、インバータの上アームおよび下アームのそれぞれに設けられたパワー素子および整流素子と、
パワー素子の配線を行うパワー素子配線用のビームリードと、
パワー素子の反対側のアームの整流素子との配線をそれぞれ行う整流素子用のビームリードと、
パワー素子配線用のビームリードと反対側アームの整流素子用のビームリードとを電気非導通状態で重ねた状態で樹脂によりモールドした樹脂モールドと、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の半導体装置は、
請求項１に記載の半導体装置において、
樹脂を耐熱樹脂とし、
パワー素子および整流素子に接続する面を樹脂から露出させ、
樹脂モールドのビームリードとパワー素子と基板とをはんだ接合した、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の半導体装置の製造方法は、
基板の同じ面上に、インバータの上アームおよび下アームにそれぞれ設けたパワー素子および整流素子を設け、
パワー素子の配線を行うパワー素子配線用のビームリードとこのパワー素子の反対側のアームの整流素子との配線をそれぞれ行う整流素子用のビームリードとを電気非導通状態で重ねた状態で樹脂によりモールドした、
ことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の半導体装置の製造方法は、
請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
樹脂を耐熱樹脂とし、
パワー素子および整流素子に接続する面を樹脂から露出させ、
樹脂モールドのビームリードとパワー素子と基板とをはんだ接合した、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の本発明の半導体装置にあっては、パワー素子切り替え時に発生するノイズの元になるインダクタンスを減らすことができ、その場合に製品コストをも低減することができる。
【００１２】
請求項２に記載の本発明の半導体装置にあっては、樹脂モールドのビームリードとパワー素子と基板とをはんだ接合することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明の半導体装置の製造方法にあっては、パワー素子切り替え時に発生するノイズの元になるインダクタンスを減らすことができ、その場合に製品コストをも低減することができる。
【００１４】
請求項４に記載の本発明の半導体装置の製造方法にあっては、樹脂モールドのビームリードとパワー素子と基板とをはんだ接合することができる。
することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１の半導体装置を構成するインバータの平面図である。
【図２】図１のインバータの斜視図である。
【図３】一部断面にした図１のインバータの斜視図である。
【図４】一部断面にした図１のインバータの斜視図である。
【図５】図１のインバータを説明のため簡略化した平面図である。
【図６】図５のインバータの回路図である。
【図７】図６のインバータ回路における相互インダクタンスを説明する図である。
【図８】図５のインバータの回路において異なるスイッチング時での電流の流れを付け加えた回路図である。
【図９】相互インダクタンスの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
まず、実施例１の半導体装置の全体構成を説明する。
なお、この実施例１の半導体装置は、本実施例では、電気自動車やハイブリッド自動車の車両駆動用モータに供給する電力を制御するのに用いられるインバータを構成している。
【００１８】
この実施例１の半導体装置は、図１に示す、インバータの１相分を構成するもので、図外の車両駆動用の三相交流モータのコイルのうちの１本に供給する電力を制御するものである。
なお、インバータは、図１に示すパワー・モジュール1と同様のパワー・モジュールを他に２相分備えており、三相交流モータの他のコイルにそれぞれ供給する電力を制御するように構成されている。
【００１９】
同図に示すように、パワー・モジュール1は、基板2と、この一方の端部（同図中の下端部）に設けた正極側端子Pと負極側端子Nとを、また基板2の他方の端部同図中の上端部）に設けた出力端子Oとを、有する。
基板2上には、正極側金属層3と、負極側金属層4と、出力側金属層5と、が設けられる。
正極側金属層3は、基板2の幅方向左側（同図中の左側）で基板2の長手方向両端間にあり、２個の正極側IGBT6と同じく２個の正極側ダイオード7の取り付け位置に応じてそれぞれ上方へ突出露出された4個の突出部がそれらの下部でつながっていて、正極側端子Pに接続されている。
また、負極側金属層4は、幅方向右側で一端側（図１中の右下側）に設けられ、負極側端子Nに接続されている。
また、出力側金属層5は、基板2の長手方向に沿って伸びており、２個の負極側IGBT8と同じく２個のダイオード9の取り付け位置に応じて、それぞれ上方へ突出露出された４個の突出部がそれらの下方でつながっていて、出力端Oに接続されている。
【００２０】
図１〜図４にように、正極側金属層3の４個の露出部の上側面には、正極側IGBT6と正極側ダイオード7とが基板2の長手方向左側に沿って交互に合計４個配置され、はんだ付けされ、基板2に固定される。
これらの正極側IGBT6のコレクタと正極側ダイオード7のカソードは、これら素子の上面側に設けられて、基板2の幅方向左側に配置され、出力端子Oに接続された長方形の帯の出力側ビームリードB1の下面にそれぞれはんだ付けされる。
【００２１】
一方、パワー・モジュール1の基板2幅方向右半部には、負極側IGBT8と負極側ダイオード9とが基板2の長手方向に沿って交互に合計４個配置される。
そして、負極側金属層4には、負極側IGBT8と負極側ダイオード9とが長手方向に並べられた手前に配置され、ここに帯状の負極側ビームリードB2の一端下端側の下面がはんだ付けされる。
負極側ビームリードB2は、そこから上方へ起立されて幅方向左側かつ長手方向へ伸ばされる。
また、負極側ビームリードB2は、出力側ビームリードB1との間にわずかな隙間を有した状態で、出力側のビームリードB1に対向するように重ねられる。
上記隙間は、後で樹脂が充填されるので、出力側ビームリードB1と負極側ビームリードB2とは、電気的に非導通の状態で可能な限り近づけることが可能になる。
【００２２】
負極側ビームリードB2は、この幅方向右側端の４カ所が、負極側IGBT8および負極側ダイオード9に向けて（図１中の右側へ）４カ所伸ばされて、これらの下面に負極側IGBT8のエミッタおよび負極側ダイオード9のアノードがそれぞれはんだ付けされる。
【００２３】
上記のように構成された各種素子やビームリードB1、B2等は、樹脂にてモールドされる。
すなわち、上記モールドには、素子のチップやはんだの形状に合わせて溝が形成され、これらの溝の底面にビームリードの表面が一部露出される。これらの溝の形状は、たとえば、チップを実装するときに使用するカーボン治具の形状とされる。
また、モールドにビームリードを実装したら、この後でゲルやポッティングにより全体を封止する。モールドに用いる樹脂は、耐熱樹脂が用いられる。
【００２４】
なお、それぞれ２個ずつの正極側IGBT6と正極側ダイオード7とは、並列配置されてインバータの一相分の上アームを構成する。また、それぞれ２個ずつの負極側IGBT8と負極側ダイオード9とは、並列配置されてインバータの上記一相分の下アームを構成する。
【００２５】
ここで、各アームは、IGBTとダイオードとは２個ずつ有しているが、以下の説明では、電流の流れを見やすく、かつ分かり易くするため、上記２個ずつのIGBTとダイオードとは、１個ずつとして説明していく。
【００２６】
なお、この場合、インバータや本発明の本質は変わることはない。この場合のインバータの一相分は、図５に示すようになる。同図中、図１と同じ部品／部分については同じ番号を付す。
また、図５に対応するインバータの一相分の回路図を、その周辺機器／部品の一部とともに、図６に示す。
【００２７】
図６に示すように、図１の上記インバータの一相分は、上アーム10と下アーム11と備えている。
上アーム10は、並列に接続された正極側IGBT6と正極側ダイオード7とからなり、正極側IGBT6のコレクタCおよび正極側ダイオード7のカソードKが正側電極Pを介して電源（バッテリ）1２の正極に接続されるとともに、正極側GBT6のエミッタEおよび正極側ダイオード7のアノードAが中点電極Oに接続される。
【００２８】
同様に、下アーム11は、並列に接続された負極側IGBT8と負極側ダイオード9とからなり、負極側IGBT8のコレクタCおよび負極側ダイオード9のカソードKが上記中点電極Oに接続されるとともに、負極側IGBT8のエミッタEおよび負極側ダイオード9のアノードAが負側電極Nを介して電源12の負極に接続される。
なお、上記正極側および負極側のIGBT6、8は本発明のパワー素子に、また上記正極側および負極側のダイオード7、9は本発明の整流素子に、それぞれ相当する。
【００２９】
中点電極Oは、三相交流モータのｕ相、ｖ相、ｗ相のうちのいずれか１相に相当するコイル13に接続される。
インバータの他の相分も上記同様に構成されて、それらの相分の中点電極がｕ相、ｖ相、ｗ相のうちの残りの相に相応するコイルにそれぞれ接続される。
なお、正極側IGBT6および負極側IGBT8のそれぞれのゲートは、図示しないゲート制御回路に接続される。
また、正側電極Pと負側電極Nとは、コンデンサC1で接続される。
【００３０】
図６の上記回路にあっては、各素子と電極等との間を接続している配線などにインダクタンス成分が存在する。
【００３１】
すなわち、このインダクタンス成分は、正側電極Pのインダクタンス成分L1、負側電極Nのインダクタンス成分L2、正側電極Pと正極側IGBT6のコレクタCとの間の配線のインダクタンス成分L3、正側電極Pと正極側ダイオード7のカソードKとの間の配線のインダクタンス成分L4、正極側IGBT6のエミッタEと中点電極Oとの間の配線のインダクタンス成分L5、正極側ダイオード7のアノードAと中点電極Oとの間の配線のインダクタンス成分L6、中点電極Oと負極側IGBT8のコレクタCとの間の配線のインダクタンス成分L7、中点電極Oと負極側ダイオード9のカソードKとの間の配線のインダクタンス成分L8、負極側IGBT8のエミッタEと負側電極Nとの間の配線のインダクタンス成分L9、負極側ダイオード9のアノードAと負側電極Nとの間の配線のインダクタンス成分L10でそれぞれ表される。
【００３２】
なお、図６および図８に上記インダクタンスを示しておく。この場合、負極側IGBT8と負極側ダイオード9は、出力側金属層5に実装されているので、L7およびL8は、無視できる。
【００３３】
次に、上記半導体装置の作用につき、説明する。
図外のコントローラにより、ドライバのアクセル・ペダルの踏み込み量や車速に応じて、インバータの各IGBT6、8にそれぞれゲート信号電流が印加される。
IGBT6、8は、印加されたゲート信号電流に応じてそれらIGBTを交互にON、OFFして各IGBTでの電流を流したり遮断したりして交流を作り出し、周知のように三相交流モータへ交流電流を供給する。
なお、ダイオード7、9は、モータで発生する誘起電圧のエネルギを直流電源に流すことで、モータの端子電圧が誘起電圧で上昇してIGBTを過電圧で破壊するのを防止する。
【００３４】
ここで、パワー素子のON、OFF切り替えにより発生するノイズに影響する上記回路のインダクタンスLについて、説明する。
コイル13に流れる電流は、コイルの大きなインダクタンスに起因して慣性を持ち、現在流れている方向に流れ続けようとする。コイルの電流が変化する周期は、目標モータ回転速度に対応する（４極モータが最大速度12,000rpmで回転するとして、4×12,000／60＝800Hz）ので、キャリア周波数（スイッチング素子のオン・オフ周波数、たとえば5KHz）では電流の向きは変わらない。
【００３５】
このコイル13へ流し込む電流の量を増やしたいときには、上側アームのON時間を長くして下側アームのON時間を短くする。また、コイル13へ流し込む電流を減らしたいときは、上記とは逆にすればよい。
このようにコイル13の電流を増減することで、モータを回転させるための磁界を発生させる。
たとえば、コイル1へ流し込む方向に電流が流れている場合、上側アームのIGBT6がONしている間は、図６に示すように、正極側IGBT6ではこのコレクタからエミッタに向けて（矢印X1の方向へ）流れていて、下側アームでは電流が流れていない。
上記の状態から上側アームのIGBT6をOFFにすると、IGBTのX1方向の電流は無くなり、コイル13には電流が流れ続けようとして、負極Nからダイオード9を介して吸い上げる電流が、そのアノードからカソードに向けて（矢印Y1の方向へ）流れる。
【００３６】
このとき、実施例１の半導体装置では、正極側IGBT6に接続された正極側ビームリードB1と、負極側ダイオード9に接続された負極側ビームリードB2とが、これらの間隔が狭められた状態で、電気非導通に重ねられた状態にされて樹脂によりモールドされている。したがって、これらのビームリード間に相互インダクタンスMが発生可能である。なお、これらのビームリードは、図７に示すように矢印X1方向と矢印Y1方向が同じ方向となるように実装されている。
【００３７】
この結果、これらの電流を図７のように沿わせると、矢印X1方向の電流は減少し、矢印Y1方向の電流は増加し、相互インダクタンスMが増えることになる。
ここで、上記切り替え時に発生するノイズに影響するインダクタンスLは、次式で表される。
L=L1＋L2＋L3＋L5＋L8＋L10−M  (ただし、本実施例ではL8は無視できる)
したがって、相互インダクタンスMが大きければ、その分、インダクタンスLが小さくなり、ノイズが減る。
【００３８】
一方、コイル13から電流が負極Nに向かって流れ出ている場合は、電流は、IGBT8がONになっている間は、図８中に示すように、負極側IGBT8ではこのコレクタからエミッタに向けて（矢印Y2の方向へ）流れ、IGBT8がOFFしたとき、正極側ダイオード7ではこのアノードからカソードに向けて(矢印X2の方向へ)流れる。
この場合も、先の場合と同じように相互インダクタンスMが増える。
【００３９】
この場合における、上記切り替え時に発生するノイズに影響するインダクタンスLは、次式で表される。
L=L1＋L2＋L4＋L6＋L7＋L9−M  （ただし、本実施例の場合L7は無視できる。）
したがって、この場合にも、相互インダクタンスMが大きければ、その分、インダクタンスLが小さくなり、ノイズが減る。
【００４０】
したがって、いずれのIGBTのON、OFFの切り替えにあっても、同じタイミングで電流が変化する配線、すなわちビームリードB1、B2の相互インダクタンスを増加させるように配線することで、上記両式から分かるように、ノイズに影響するインダクタンスLを小さく抑えることができることが分かる。
【００４１】
ここで、ビームリードを対向させた場合のインダクタンスの変化の比較について図１０に示す。
同図(a)には、対向するビームリードにそれぞれ相当する第１バスBus-Aと第２バスBus-Dとを水平方向に4ｍｍ離して矢印のように電流を流してみた場合の結果を示す。この水平面上での重なりの場合、53％のインダクタンス低減効果が大きいことが測定された。
また、同図(b)には、対向するビームリードにそれぞれ相当する第１バスBus-Aと第２バスBus-Dとを垂直平方向に同じく4ｍｍ離して矢印のように電流を流してみた場合の結果を示す。この水平面上での重なりの場合、75％のインダクタンス低減効果が大きいことが測定された。
したがって、本実施例のように、ビームリードB1、B2も上下方向に離間させるのがより効果が高い。しかしながら、いずれの方向、あるいは斜め方向でも所定以上の相互インダクタンスが得られれば良い。
なお、同図(a)、(b)における右の表は、同じバスに対応する欄の数値は自己インダクタンスを、また異なるバスに対応する欄の数値は相互インダクタンスを示す。
【００４２】
以上、説明したように、本実施例の半導体装置は、以下の効果を得ることができる。
すなわち、上下アームのうちの一方のアームのIGBT６（あるいはIGBT8）に接続したビームリードB1と、上下アームのうちの他方のアームのダイオード7（あるいはダイオード9）に接続したビームリードB2と、を電気非導通の状態で重ね合わせて、これらを減少する電流と増加する電流とで発生する相互インダクタンスを大きくすることで、IGBT６、８の切り替え時に発生するノイズの元になるインダクタンスを減らすことができ、その場合に製品コストをも低減することができる
【００４３】
また、ビームリードB1とビームリードB2とを樹脂モールドすることにより、ビームリード間の隙間を小さく保つことができ、相互インダクタンスを大きくすることができる。
【００４４】
また、ビームリードB1とビームリードB2とを樹脂モールドすることにより、を曲げる必要がなくなり、高さ（厚さ）を低くすることができる。
【００４５】
樹脂モールドの樹脂に耐熱樹脂を用いることで、ビームリードB1,B2、IGBT6、８、ダイオード7、9および基板2を、はんだ接合することが可能となる。
【００４６】
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
【００４７】
たとえば、上アームと下アームとにそれぞれ設けられるIGBTとダイオードは、２個ずつに限られず、上下アームでそれぞれ同数あれば、１個ずつあるいは３個ずつ以上であってもよい。
また、本発明の半導体装置は、自動車以外の装置に用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
1      パワー・モジュール
2      基板
3      正極側金属層
4      負極側金属層
5      出力側金属層
6      正極側IGBT
7      正極側ダイオード
8      負極側IGBT（パワー素子）
9      負極側ダイオード（整流素子）
10      上アーム
11      下アーム
12      電源
13      コイル
B1      正極側ビームリード
B2      負極側ビームリード
P        正極側端子
N        負極側端子
O        出力端子
【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】
2014075521.tif 000007
【図６】
2014075521.tif 000008
【図７】
2014075521.tif 000009
【図８】
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【図９】
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