(57)【要約】【課題】平滑コンデンサから流れる電流が急変する場合でも、サージ電圧やノイズの発生を大幅に低減することができ、これによりインバータやコンバータの高速スイッチング化、低損失化、信頼性向上を可能にする半導体パワーモジュールを提供する。【解決手段】第１絶縁基板１２と、第１絶縁基板１２の表面に設置された表面導体パターン１４Ａと、第１絶縁基板１２の裏面に設置された裏面導体パターン１４Ｂと、表面導体パターン１４Ａ上に実装された半導体素子１６と、表面導体パターン１４Ａと半導体素子１６を電気的に接続する配線材１８とを備える。表面導体パターン１４Ａは、互いに絶縁された正極パターン部１５ａと負極パターン部１５ｂを有しており、正極パターン部１５ａ又は負極パターン部１５ｂは、裏面導体パターン１４Ｂと直接又は第１絶縁基板１２を貫通する貫通導体１３ａで直接接続されている。さらに正極パターン部１５ａと負極パターン部１５ｂにまたがり、それぞれに直接接続された平滑コンデンサ２０を有する。【選択図】図３
2014038982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１絶縁基板と、
第１絶縁基板の表面に設置された表面導体パターンと、
第１絶縁基板の裏面に設置された裏面導体パターンと、
表面導体パターン上に実装された半導体素子と、
表面導体パターンと半導体素子を電気的に接続する配線材とを備え、
表面導体パターンは、互いに絶縁された正極パターン部と負極パターン部を有しており、
正極パターン部又は負極パターン部は、裏面導体パターンと直接又は第１絶縁基板を貫通する導体で接続されており、
正極パターン部と負極パターン部にまたがり、それぞれに直接接続された平滑コンデンサを有する、ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記平滑コンデンサは、両端部に接続端子が露出したチップ型コンデンサであり、
前記接続端子と正極パターン部及び負極パターン部との間は、導体を介して直接接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記表面導体パターンと裏面導体パターンは、第１絶縁基板を挟んで平行に配置されており、平滑コンデンサから流れる電流が表面導体パターンと裏面導体パターンで反対方向に流れる、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項４】
ベース板と、ベース板と裏面導体パターンの間に挟持された第２絶縁基板とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴなどを用いる半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パワーモジュールは、例えばＩＧＢＴなどを用いたインバータやコンバータに用いられる。
図１は、半導体パワーモジュールの基本構造図である。この図に示すように、半導体パワーモジュールでは、銅やアルミニウムなどの金属で構成したベース１の上に、絶縁基板２を介して半導体素子３が実装される。絶縁基板２は窒化アルミニウムなどの絶縁基板を銅やアルミニウムなどの導体パターン４でサンドウィッチするような構造になっている。半導体素子３は、絶縁基板２の上面の導体パターン４（銅又はアルミニウム板）の上にハンダを介して実装される。また、半導体素子３は配線材６（アルミニウムワイヤや銅ワイヤなど）で、他の配線部材（ブスバー５や銅パターン）と配線される。
【０００３】
上述した半導体パワーモジュールは、例えば特許文献１，２に開示されている。
また、コンデンサを備えた半導体パワーモジュールとして、特許文献３〜５が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７０８６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３５５８号公報
【特許文献３】特開２０１０−４１８３８号公報
【特許文献４】特開２０１１−１７７００４号公報
【特許文献５】ＷＯ０２／０１７４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３のコンデンサモジュールは、独立した接続端子部を有するものである。
特許文献４のコンデンサモジュールは、突出した直流端子と接続するようになっている。
特許文献５のコンデンサは、接続導体により絶縁基板の両面の導体に接続されている。
【０００６】
上述したように、コンデンサを備えた従来の半導体パワーモジュールでは、半導体素子と直流電圧平滑用のコンデンサ（以下、「平滑コンデンサ」と呼ぶ）とを接続してインバータのパワー回路を構成している。
【０００７】
しかし、平滑コンデンサと半導体素子とを接続するために、従来、配線材６（アルミニウムワイヤや銅ワイヤなど）が用いられていた。しかし、配線材６のインダクタンスが大きいため、平滑コンデンサから流れる電流が急変すると、配線材６においてサージ電圧やノイズが発生するため、インバータやコンバータの高速スイッチング化、低損失化、信頼性向上の阻害要因となっていた。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、平滑コンデンサから流れる電流が急変する場合でも、サージ電圧やノイズの発生を大幅に低減することができ、これによりインバータやコンバータの高速スイッチング化、低損失化、信頼性向上を可能にする半導体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】
【０００９】
本発明によれば、第１絶縁基板と、
第１絶縁基板の表面に設置された表面導体パターンと、
第１絶縁基板の裏面に設置された裏面導体パターンと、
表面導体パターン上に実装された半導体素子と、
表面導体パターンと半導体素子を電気的に接続する配線材とを備え、
表面導体パターンは、互いに絶縁された正極パターン部と負極パターン部を有しており、
正極パターン部又は負極パターン部は、裏面導体パターンと直接又は第１絶縁基板を貫通する貫通導体で接続されており、
正極パターン部と負極パターン部にまたがり、それぞれに直接接続された平滑コンデンサを有する、ことを特徴とする半導体パワーモジュールが提供される。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、前記平滑コンデンサは、両端部に接続端子が露出したチップ型コンデンサであり、
前記接続端子と正極パターン部及び負極パターン部との間は、導体を介して直接接続されている。
【００１１】
また、前記表面導体パターンと裏面導体パターンは、第１絶縁基板を挟んで平行に配置されており、平滑コンデンサから流れる電流が表面導体パターンと裏面導体パターンで反対方向に流れる。
【００１２】
また、ベース板と、ベース板と裏面導体パターンの間に挟持された第２絶縁基板とを有する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の構成によれば、平滑コンデンサが正極パターン部と負極パターン部にまたがり、それぞれに直接接続されているので、従来、コンデンサと半導体素子を接続するために用いられていた配線材をなくすことができる。
配線材に置き換えられた接続部（例えばハンダ等の導体）は、配線材と比較してインダクタンスが小さいため、平滑コンデンサから流れる電流が急変しても、サージ電圧やノイズの発生を大幅に低減することができる。
【００１４】
また、表面導体パターンと裏面導体パターンは、第１絶縁基板を挟んで平行に配置されており、平滑コンデンサから流れる電流が表面導体パターンと裏面導体パターンで反対方向に流れるので、表面導体パターンと裏面導体パターンで発生する磁界を相殺することができ、表面導体パターンと裏面導体パターンのインダクタンスを小さくすることができる。
【００１５】
従って、半導体パワーモジュール全体の配線インダクタンスを大幅に低減することができるので、インバータの小型化だけでなく、大幅な信頼性の向上と低損失化、高速スイッチング化が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導体パワーモジュールの基本構造図である。
【図２】本発明による半導体パワーモジュールの第１実施形態図である。
【図３】図２の半導体パワーモジュール１０の作用説明図である。
【図４】本発明による半導体パワーモジュールの第２実施形態図である。
【図５】本発明による半導体パワーモジュールの第３実施形態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１８】
図２は、本発明による半導体パワーモジュール１０の第１実施形態図である。この図において、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、半導体パワーモジュール１０のケースは図示を省略している。
【００１９】
図２（Ａ）（Ｂ）において、半導体パワーモジュール１０は、第１絶縁基板１２、表面導体パターン１４Ａ、裏面導体パターン１４Ｂ、半導体素子１６、配線材１８及び平滑コンデンサ２０を備える。
【００２０】
第１絶縁基板１２は、好ましくは０．５〜１．０ｍｍの厚さを有する絶縁材である。第１絶縁基板１２は、例えば熱伝導性の高い絶縁メタライズ基板であるのがよい。
【００２１】
表面導体パターン１４Ａは、第１絶縁基板１２の表面（図で上面）にメッキ又は蒸着で強固に形成された導電性膜である。また、裏面導体パターン１４Ｂは、第１絶縁基板１２の裏面（図で下面）にメッキ又は蒸着で強固に形成された導電性膜である。表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂは、銅やアルミニウムなどの導電性材料からなる。
【００２２】
表面導体パターン１４Ａの厚さは、半導体素子１６の放熱能力を増大させるように、好ましくは１００μｍ以上、４００μｍ以下に設定するのがよい。また、裏面導体パターン１４Ｂの厚さは、好ましくは１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である。
半導体素子１６は、例えば、ＩＧＢＴチップやダイオードチップであり、表面導体パターン１４Ａ（後述する素子パターン部１５ｃ、１５ｄ）の上に導体を介して実装されている。
【００２３】
配線材１８は、ワイヤボンディングによるアルミニウムワイヤや銅ワイヤなどであり、表面導体パターン１４Ａと半導体素子１６を電気的に接続している。
【００２４】
図２（Ａ）（Ｂ）において、表面導体パターン１４Ａは、互いに絶縁された正極パターン部１５ａと負極パターン部１５ｂを有している。正極パターン部１５ａは、図示しない外部の正極端子に正極配線材２１ａを介して電気的に接続されている。また、負極パターン部１５ｂは、図示しない外部の負極端子に負極配線材２１ｂを介して電気的に接続されている。
さらにこの例で、表面導体パターン１４Ａは、半導体素子１６が実装された２つの素子パターン部１５ｃ、１５ｄを有する。一方の素子パターン部１５ｃには、図示しない外部の出力端子に出力配線材２１ｃを介して電気的に接続されている。
【００２５】
図２（Ｂ）に示すように、この例で、第１絶縁基板１２は、これを貫通する貫通孔１２ａ、１２ｂを有する。貫通孔１２ａ、１２ｂには、貫通導体１３ａ、１３ｂ（例えばハンダ）が充填されている。
この例において、正極パターン部１５ａは、貫通導体１３ａにより裏面導体パターン１４Ｂに電気的に接続され、素子パターン部１５ｄは、貫通導体１３ｂにより裏面導体パターン１４Ｂに電気的に直接接続されている。
【００２６】
図２（Ｂ）に示すように、平滑コンデンサ２０は、表面導体パターン１４Ａの正極パターン部１５ａと負極パターン部１５ｂにまたがり、それぞれに直接接続されている。
平滑コンデンサ２０は、好ましくは、両端部に接続端子が露出したチップ型コンデンサである。また、平滑コンデンサ２０の接続端子と正極パターン部１５ａ及び負極パターン部１５ｂとの間は、導体を介して直接接続されている。
【００２７】
図２において、半導体パワーモジュール１０は、さらにベース板２２と第２絶縁基板２４を有する。
ベース板２２は、銅やアルミニウムなどの金属で構成され、半導体素子１６を冷却するためのヒートシンクとして機能する。第２絶縁基板２４は、ベース板２２上に形成された例えば熱伝導性の高い絶縁メタライズ基板であり、ベース板２２と裏面導体パターン１４Ｂの間に挟持され、半導体素子１６の熱をベース板２２へ放熱する機能を有する。
【００２８】
上述した構成により、例えば電圧１００〜１７００Ｖ、電流１００〜６００Ａの電力を、正極端子と負極端子から配線材２１ａ、２１ｂ及び正極パターン部１５ａ、負極パターン部１５ｂを介して１又は複数の半導体素子１６（ＩＧＢＴやダイオード）に入力し、半導体素子１６によりこれを交流（又は直流）に変換し、変換された電力を、素子パターン部１５ｄ、１５ｃ及び出力配線材２１ｃを介して出力端子に出力することができる。
なお、半導体素子１６は、上述した電力変換以外の変換（例えば高周波の発振）であってもよい。
【００２９】
図３は、図２の半導体パワーモジュール１０の作用説明図である。
この図に破線の矢印で示すように、第１実施形態の半導体パワーモジュール１０において、正極端子（正極パターン部１５ａ）→貫通導体１３ａ→裏面導体パターン１４Ｂ→貫通導体１３ｂ→素子パターン部１５ｄ→半導体素子１６→配線材１８（ワイヤボンディング）→素子パターン部１５ｃ→半導体素子１６→配線材１８（ワイヤボンディング）→負極端子（負極パターン部１５ｂ）の導通経路が形成されている。
【００３０】
サージ電圧Ｖは、インダクタンスＬと電流変化率ｄｉ／ｄｔに比例し、Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔで表すことができる。
【００３１】
上述した本発明の構成によれば、平滑コンデンサ２０が正極パターン部１５ａと負極パターン部１５ｂにまたがり、それぞれに直接接続されているので、従来、平滑コンデンサと半導体素子１６を接続するために用いられていた配線材をなくすことができる。
配線材に置き換えられた接続部（例えばハンダ等の導体）は、配線材と比較してインダクタンスＬが小さいため、平滑コンデンサ２０から流れる電流ｉが急変して大きな電流変化率ｄｉ／ｄｔが発生しても、サージ電圧Ｖやノイズの発生を大幅に低減することができる。
【００３２】
また、図３において、表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂは、第１絶縁基板１２を挟んで平行に配置されており、平滑コンデンサ２０から流れる電流（平滑コンデンサ２０に蓄えられた電荷）が表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂで反対方向に流れるので、表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂで発生する磁界を相殺することができ、表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４ＢのインダクタンスＬを小さくすることができ、非常に低いインダクタンスＬの半導体パワーモジュール１０を構成することができる。
【００３３】
従って、本発明の構成により、スイッチング、リカバリによるサージ電圧は著しく改善することができる。
【００３４】
図４は、本発明による半導体パワーモジュール１０の第２実施形態図である。
この例は、第１実施形態から、ベース板２２と第２絶縁基板２４を省略したものである。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。
この構成により、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３５】
図５は、本発明による半導体パワーモジュール１０の第３実施形態図である。この図において、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、半導体パワーモジュール１０のケースは図示を省略している。
【００３６】
図５（Ｂ）に示すように、正極パターン部１５ａは、第１絶縁基板１２の外側において裏面導体パターン１４Ｂに直接接続され、素子パターン部１５ｃは、第１絶縁基板１２の外側において裏面導体パターン１４Ｂに直接接続されている。
すなわち、この例では、第１実施形態における貫通孔１２ａ、１２ｂと貫通導体１３ａ、１３ｂが省略され、その代わりに、正極パターン部１５ａの厚さが厚く形成され、正極パターン部１５ａと負極パターン部１５ｂの上面高さが同一になっている。
なお、この例では素子パターン部１５ｄの厚さも厚く形成されているが、これは必須ではなく、素子パターン部１５ｃと同じ厚さであってもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００３７】
上述した構成により、図５（Ｂ）に破線の矢印で示すように、第２実施形態の半導体パワーモジュール１０において、正極端子（正極パターン部１５ａ）→裏面導体パターン１４Ｂ→素子パターン部１５ｄ→半導体素子１６→配線材１８（ワイヤボンディング）→素子パターン部１５ｃ→半導体素子１６→配線材１８（ワイヤボンディング）→負極端子（負極パターン部１５ｂ）の導通経路が形成されている。
【００３８】
図５（Ｂ）において、表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂは、第１絶縁基板１２を挟んで平行に配置されており、平滑コンデンサ２０から流れる電流（平滑コンデンサ２０に蓄えられた電荷）が表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂで反対方向に流れるので、表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４Ｂで発生する磁界を相殺することができ、表面導体パターン１４Ａと裏面導体パターン１４ＢのインダクタンスＬを小さくすることができ、非常に低いインダクタンスＬのモジュールを構成することができる。
【００３９】
従って、本発明の構成により、第１実施形態と同様に、スイッチング、リカバリによるサージ電圧は著しく改善することができる。
なお、第２実施形態と同様に、第３実施形態からベース板２２と第２絶縁基板２４を省略しても良い。
【００４０】
上述したように、本発明の構成によれば、半導体パワーモジュール１０全体のインダクタンスＬを大幅に低減することができるので、インバータの小型化だけでなく、大幅な信頼性の向上と低損失化、高速スイッチング化が実現可能となる。
特にＳｉＣやＧａＮのような次世代ワイドギャップ半導体デバイスは高速駆動することで大きなメリットが期待されているが、高速駆動のためには低インダクタンス実装技術が重要となる。本発明により、次世代半導体デバイスの能力をより効果的に使うことができる。
【００４１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  半導体パワーモジュール、
１２  第１絶縁基板、１２ａ、１２ｂ  貫通孔、
１３ａ、１３ｂ  貫通導体、
１４Ａ  表面導体パターン、１４Ｂ  裏面導体パターン、
１５ａ  正極パターン部、１５ｂ  負極パターン部、
１５ｃ、１５ｄ  素子パターン部、
１６  半導体素子（ＩＧＢＴやダイオード）、
１８  配線材（ワイヤボンディング）、
２０  平滑コンデンサ、
２１ａ  正極配線材、２１ｂ  負極配線材、
２１ｃ  出力配線材、２２  ベース板、
２４  第２絶縁基板
【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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