(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電位が印加される平板状の配線経路としての第１のリードフレームと、
出力端子を含む平板状の配線経路としての第２のリードフレームと、
前記第１の電位とは異なる第２の電位が印加される平板状の配線経路としての第３のリードフレームと、
前記第１および第２のリードフレームを一体化するように封止する絶縁材料と、
前記第１のリードフレームと接合材を介して直接接合される第１の半導体素子と、
前記第２のリードフレームと接合材を介して直接接合される第２の半導体素子とを備え、
前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームとは、平面的に並んで前記第１のリードフレームの同一面と対向し、
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとは前記絶縁材料を介して対向している、半導体モジュール。
【請求項２】
前記第３のリードフレームは、外部に設けられた平滑用のコンデンサの正極側に電気的に接続される、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第３のリードフレームは、前記第１および第２のリードフレームとともに前記絶縁材料により一体化されるように封止され、
前記第３のリードフレームは前記第１のリードフレームと前記絶縁材料を介して対向している、請求項１または請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
第１の電位が印加される平板状の配線経路としての第１のリードフレームと、
出力端子を含む平板状の配線経路としての第２のリードフレームと、
前記第１の電位とは異なる第２の電位が印加される平板状の配線経路としての第３のリードフレームと、
前記第１および第２のリードフレームを一体化するように封止する絶縁材料と、
前記第１のリードフレームと接合材を介して直接接合される第１の半導体素子と、
前記第２のリードフレームと接合材を介して直接接合される第２の半導体素子とを備え、
前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームとは、前記第１のリードフレームの同一面と対向し、
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームとは前記絶縁材料を介して対向し、
前記第３のリードフレームは、前記第１および第２のリードフレームとともに前記絶縁材料により一体化されるように封止され、
前記第３のリードフレームは前記第１のリードフレームと前記絶縁材料を介して対向し、
前記第１のリードフレームは、前記第２のリードフレームと対向する第１の面と、前記第３のリードフレームと対向する第２の面とを含み、
前記第１の面と前記第２の面とは互いに交差する、半導体モジュール。
【請求項５】
前記接合材ははんだであり、
前記絶縁材料は樹脂材料であり、
前記樹脂材料の融点は前記はんだの融点より高い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記第１、第２および第３のリードフレームの少なくとも一部と、前記絶縁材料と、前記第１および第２の半導体素子とを封止する封止材をさらに備え、
前記封止材は前記絶縁材料とは異なる材料からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と備えた電力変換装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体モジュールおよび電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置に用いられる半導体モジュールにおいて、低損失化が求められている。低損失化を実現するために、半導体モジュールに含まれる半導体素子のスイッチング速度を上げるという方法が用いられる。しかし回路が有する寄生インダクタンスが大きいと、スイッチング時におけるサージ電圧およびノイズが増加し、スイッチング速度を上げる妨げとなってしまう。【０００３】
このように半導体モジュールにとって、寄生インダクタンスを低減することは重要な課題であり、様々な技術開発が行なわれている。たとえば特開２０１３−１１８３３６号公報（特許文献１）および特開２００８−３０６８６７号公報（特許文献２）においては、ループ形状の電流経路を形成させ、ループ形状を構成する経路のうち互いに対向する部分に発生する磁束の向きを互いに逆にし、相殺させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１８３３６号公報
【特許文献２】特開２００８−３０６８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２０１３−１１８３３６号公報のように正の直流電位が印加される電流経路としての導体と負の直流電位が印加される電流経路としての導体とを互いに逆向きに電流が流れるように対向させ磁束を相殺させることは、寄生インダクタンス低減に有効である。しかし特開２０１３−１１８３３６号公報においては、出力を得るための導体も、正および負の直流電位を得る各導体と対向しているが、出力端子を含む導体に正および負の直流用の導体と逆向きの電流が流れるわけではなく、逆向きの電流による寄生インダクタンスの低減効果はない。また特開２０１３−１１８３３６号公報においては電流経路が寄生インダクタンスが大きいと考えられるワイヤにより形成されており、寄生インダクタンスの低減効果が十分に得られない可能性がある。【０００６】
一方、特開２００８−３０６８６７号公報においては、電流経路が導体平板部により形成されているが、電流経路と半導体素子との間に端子が介されており、電流経路は当該端子とネジなどの固定材により接続されている。このためその端子などの介在部分における寄生インダクタンスを排除できない可能性がある。【０００７】
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流による寄生インダクタンスの相殺効果をいっそう高めることが可能な半導体モジュール、およびそれを含む電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体モジュールは、第１のリードフレームと、第２のリードフレームと、第３のリードフレームと、絶縁材料と、第１の半導体素子と、第２の半導体素子とを備えている。第１のリードフレームは第１の電位が印加される平板状の配線経路である。第２のリードフレームは出力端子を含む平板状の配線経路である。第３のリードフレームは第２の電位が印加される平板状の配線経路である。絶縁材料は第１および第２のリードフレームを一体化するように封止する。第１の半導体素子は第１のリードフレームと接合材を介して直接接合され、第２の半導体素子は第２のリードフレームと接合材を介して直接接合される。第１のリードフレームと第２のリードフレームとは絶縁材料を介して対向している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、配線経路が平板状のリードフレームとして形成され、かつリードフレームと半導体素子とは接合材を介して直接接合される。このため、電流による寄生インダクタンスの相殺効果をいっそう高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１の各例における半導体モジュールの回路構成を示す回路図である。
【図２】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の一部の第１例を簡略化して示す概略斜視図である。
【図３】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の第１例を、図２よりも詳細に示す概略斜視図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分の概略断面図である。
【図５】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の一部の第２例を簡略化して示す概略斜視図である。
【図６】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の第２例を、図５よりも詳細に示す概略斜視図である。
【図７】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の一部の第３例を簡略化して示す概略斜視図である。
【図８】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の第３例を、図７よりも詳細に示す概略斜視図である。
【図９】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の一部の、実施の形態２における例を、簡略化して示す概略斜視図である。
【図１０】図１の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の、実施の形態２における例を、図９よりも詳細に示す概略斜視図である。
【図１１】実施の形態３の第１例における半導体モジュールの回路構成を示す回路図である。
【図１２】実施の形態３の第２例における半導体モジュールの回路構成を示す回路図である。
【図１３】図１１または図１２の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の一部の第１例を簡略化して示す概略斜視図である。
【図１４】図１１または図１２の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の第１例を、図１３よりも詳細に示す概略斜視図である。
【図１５】図１１または図１２の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の一部の第２例を簡略化して示す概略斜視図である。
【図１６】図１１または図１２の回路図に示す半導体モジュールの実際の各部材の配置構成の第２例を、図１５よりも詳細に示す概略斜視図である。
【図１７】実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、説明の便宜上、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が導入されている。
【００１２】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の各例における半導体モジュールＳＭの回路構成を示している。また図２は、図１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材の一部のみを抽出した態様の第１例を示している。まず本実施の形態の第１例について説明する。
【００１３】
図１を参照して、本実施の形態の各例における半導体モジュールＳＭは、インバータ回路、または昇降圧のコンバータ回路などに適用される。半導体モジュールＳＭは、第１のリードフレーム１４と、第２のリードフレーム１３と、第３のリードフレーム１６と、第１の半導体素子Ｃ１と、第２の半導体素子Ｃ２とを主に備えている。第１のリードフレーム１４はたとえば直流電源Ｖの負極側に接続されることにより第１の電位である直流電位が印加される。第３のリードフレーム１６はたとえば直流電源Ｖの正極側に接続されることにより、第１の電位とは異なる第２の電位としてのたとえば正の直流電位が印加される。すなわち当該半導体モジュールＳＭにおいては、第２のリードフレーム１３は第１のリードフレーム１４と第３のリードフレーム１６との間に挟まれるように接続される。図１に記載の回路図での半導体モジュールＳＭにおいては、第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３との間には第１の半導体素子Ｃ１が介在するように接続され、第３のリードフレーム１６と第２のリードフレーム１３との間には第２の半導体素子Ｃ２が介在するように接続される。このように各リードフレームと各半導体素子とが直列接続された一方端である第１のリードフレーム１４の第１の電位が印加される図１の端子Ｎと、他方端である第３のリードフレーム１６の第２の電位が印加される図１の端子Ｐとの間には、半導体モジュールＳＭの外部の平滑用のコンデンサＣが電気的に接続されている。また、第１のリードフレーム１４は外部に設けられた平滑用のコンデンサＣの負極側に電気的に接続されている。第３のリードフレーム１６は外部に設けられた平滑用のコンデンサＣの正極側に電気的に接続されている。一方、第２のリードフレーム１３は図１中の端子ＯＰおよび端子ＯＰ２としての出力端子を含み、図中のたとえば外部のモータなどと接続される。
【００１４】
図１においては点線で囲まれる半導体モジュールＳＭとしての部分に２つの半導体素子、すなわち第１の半導体素子Ｃ１と第２の半導体素子Ｃ２とが１つずつ配置され、第１の半導体素子Ｃ１と第２の半導体素子Ｃ２とから延び第２のリードフレーム１３に達する経路が１つのみである。このため図１の回路図が示す半導体モジュールＳＭはいわゆる２ｉｎ１構造であり、本実施の形態の半導体モジュールＳＭはインバータまたはコンバータの１相分にあたる。すなわち仮に上記半導体モジュールＳＭをモータ駆動用の３相インバータに適用する場合には、図１の回路において点線で囲まれた半導体モジュールＳＭを３つ並列接続し、それぞれに繋がる第２のリードフレーム１３を設け、３つの第２のリードフレーム１３のそれぞれをモータの各相に接続させる。そのようにすれば、３つなど複数の半導体モジュールＳＭが並列接続されることにより形成されるたとえばインバータ回路の電気容量を増加させることができる。
【００１５】
ここで用いられる第１の半導体素子Ｃ１および第２の半導体素子Ｃ２は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）であることが好ましいがこれに限らず、たとえばＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）またはダイオードなどの整流素子であってもよい。あるいはＭＯＳＦＥＴとＩＧＢＴまたはダイオードとを適宜組み合わせた構成としてもよい。第１の半導体素子Ｃ１は下アームを構成し、第２の半導体素子Ｃ２は上アームを構成している。
【００１６】
本実施の形態におけるＭＯＳＦＥＴは、図１が示す通り、制御用の電極としてゲートＧおよびソースＳを有する構成としている。しかし本実施の形態のＭＯＳＦＥＴは制御用の電極として、上記のゲートＧおよびソースＳ以外に、たとえば第１の半導体素子Ｃ１および第２の半導体素子Ｃ２を構成する半導体チップの温度を検出するための温度センスダイオード用電極、または当該半導体チップに流れる電流を検出するための電流センス用電極を有してもよい。図示しないがＭＯＳＦＥＴの各制御用の電極は、アルミや銅、金等の金属製のワイヤにより制御端子と電気的に接続され、制御端子で制御用の基板と接続される。図示しないが上記制御用の基板は、第１の半導体素子Ｃ１および第２の半導体素子Ｃ２としてのＭＯＳＦＥＴなどをＯＮ−ＯＦＦする信号を出力するものである。当該制御用の基板は、半導体モジュール内部に設けられてもよいし、半導体モジュールの外部に設けられてもよい。
【００１７】
なお第１の半導体素子Ｃ１の電流経路は、平滑用のコンデンサＣを通らない場合がある。たとえば３つなど複数の半導体モジュールＳＭが並列接続された回路構成において、第１の半導体素子Ｃ１がＭＯＳＦＥＴであれば、そのソースＳ側からドレイン側へ通電する電流は、平滑用のコンデンサＣを通らず、並列接続された他の相の半導体モジュールＳＭから流入される。そのことを説明する観点から図１においては、平滑用のコンデンサＣと端子Ｎ、端子Ｐとの間は点線で示し、電流経路ＲＮおよび電流経路ＲＰの始点を端子Ｐ，端子Ｎの部分としている。ただし実際には図１の点線部は平滑用のコンデンサＣと端子Ｐ，端子Ｎとが接続されている。
【００１８】
図２を参照して、第１のリードフレーム１４は、全体が概ねＸ方向に長く延び、Ｙ方向にほぼ等しい幅を有し、Ｚ方向に厚みを有するようなＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有している、平板状の配線経路である。第１のリードフレーム１４は、第１端子部１４ａと、第１端子穴１４ｂと、第１長延在部１４ｃと、第１屈折部１４ｄと、第１短延在部１４ｅとを含んでいる。具体的には、第１端子部１４ａは、Ｘ方向の一方すなわち図２の負側の端部の領域である。第１端子穴１４ｂは、第１端子部１４ａに形成されＺ方向に関してこれを貫通する貫通穴である。第１長延在部１４ｃは、第１のリードフレーム１４の中心部であり、まっすぐＸ方向にもっとも長く延びる領域である。第１屈折部１４ｄは、第１長延在部１４ｃからＸ方向正側に延びつつＺ方向下方に延びるように屈折された領域である。第１短延在部１４ｅは、第１屈折部１４ｄからさらにＸ方向に、第１長延在部１４ｃよりも短く延びる領域である。第１端子部１４ａは第１長延在部１４ｃの最もＸ方向負側の領域に配置されており、第１端子部１４ａのＸ方向正側に隣り合うように第１長延在部１４ｃが配置されている。
【００１９】
第２のリードフレーム１３は、２つの部材に分かれており、図２においてはそのうちの一方の部材のみが示されている。図２に示される第２のリードフレーム１３は、全体が概ねＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有し、第２対向部１３ｄと、第２電気接続部１３ｅとを有している。第２対向部１３ｄは、第２のリードフレーム１３が平面視において第１のリードフレーム１４と重なる、すなわち第１のリードフレーム１４と対向する領域である。第２対向部１３ｄはＸ方向に沿って延び、第１のリードフレーム１４の第１長延在部１４ｃと、それぞれの主面同士が対向するように重なっている。第２対向部１３ｄは第１長延在部１４ｃのＺ方向下側に配置されるように対向する。なおここでは第２対向部１３ｄは、そこからＸ方向正側に延びつつＺ方向下方に延びるように屈折された領域を含むものとする。これは当該Ｚ方向下方に延びるように屈折された領域は、第１のリードフレーム１４の第１屈折部１４ｄとほぼ対向するように延びるためである。第２電気接続部１３ｅは、Ｘ方向正側の第２対向部１３ｄのうちＺ方向下方に延びる領域からＸ方向に沿ってＸＹ平面に沿う方向に延びる領域である。ただしこの第２電気接続部１３ｅの範囲は狭い。第２のリードフレーム１３を構成する２つの部材のうち上記一方の部材とは異なる他方の部材については後述する。
【００２０】
第３のリードフレーム１６は、ＸＹ方向に関して３か所、その延在方向が約９０°変換される屈曲部を有するため、Ｘ方向に延びる部分とＹ方向に延びる部分とを有する。しかし第３のリードフレーム１６は、全体としてはＸ方向に長く延び、その延びる方向に交差する方向にほぼ等しい幅を有し、Ｚ方向に厚みを有する平面形状を有している、ＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有する平板状の配線経路である。第３のリードフレーム１６は、第３端子部１６ａと、第３端子穴１６ｂと、第３長延在部１６ｃと、第３対向部１６ｄと、第３電気接続部１６ｅとを含んでいる。第３端子部１６ａは、Ｘ方向の一方すなわち図２の負側の端部の領域である。第３端子穴１６ｂは、第３端子部１６ａに形成されＺ方向に関してこれを貫通する貫通穴である。第３長延在部１６ｃは、第１端子部１４ａのＸ方向正側に隣り合うように配置され、第１長延在部１４ｃと互いに間隔をあけてほぼ第１長延在部１４ｃと平行にＸ方向に沿って延びる領域である。なお第３長延在部１６ｃはそこから屈曲してＹ方向に沿って延びる領域のうち、第１のリードフレーム１４と平面視において重ならない領域を含むものとする。第３対向部１６ｄは、第３のリードフレーム１６が平面視において第１のリードフレーム１４と重なる、すなわち第１のリードフレーム１４と対向する領域である。第３対向部１６ｄはＸ方向に沿って延び、第１のリードフレーム１４の第１長延在部１４ｃと、それぞれの主面同士が対向するように重なっている。第３対向部１６ｄは第１長延在部１４ｃのＺ方向下側に配置されるように対向する。第３電気接続部１６ｅはＸ方向正側の第３対向部１６ｄからＹ方向に沿って延びる、第１のリードフレーム１４と重ならない領域である。したがって基本的に第３のリードフレーム１６はＸ方向の寸法が第１のリードフレーム１４よりも小さく、Ｙ方向の寸法が第１のリードフレーム１４よりも大きい。なお第３端子部１６ａは第３長延在部１６ｃの最もＸ方向負側の領域に配置されており、第３長延在部１６ｃに含まれている。
【００２１】
このように、本実施の形態においては、第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３とは対向しており、第３のリードフレーム１６と第１のリードフレーム１４とは対向している。上記各リードフレームが対向する部分はＸ方向に沿う方向に延びているが、それ以外の領域についても基本的に本実施の形態の第１例の半導体モジュールの各リードフレームはＸ方向に沿う方向に延びている。
【００２２】
図３は、図１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材を図２よりも多く含むように詳細に示した第１例である。図２および図３を参照して、半導体モジュールＳＭにより示される当該第１例の半導体モジュール１０１において、第２のリードフレーム１３を構成する２つの部材のうち上記一方の部材と異なる他方の部材は、第２端子部１３ａと、第２端子穴１３ｂと、第２屈折部１３ｃとを含んでいる。具体的には、第２端子部１３ａは、Ｘ方向の一方すなわち図３の正側の端部の領域である。第２端子穴１３ｂは、第２端子部１３ａに形成されＺ方向に関してこれを貫通する貫通穴である。第２屈折部１３ｃは、第２端子部１３ａからＸ方向負側に延びつつＺ方向下方に延びるように屈折された領域であり、その最もＸ方向負側の端部のＸＹ平面に沿うように延びる領域も含むものとする。なお第２のリードフレーム１３は、一方の部材および他方の部材ともに、Ｚ方向に厚みを有し概ねＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有する、平板状の配線経路である。
【００２３】
本実施の形態の第１例の半導体モジュール１０１を構成する主回路と、その外部とを電気的に絶縁するために、たとえば矩形の平板形状を有するセラミック板２１およびセラミック板２２が設けられている。セラミック板２２のＺ方向上面にはたとえば矩形状の金属パターンＭ１が形成されており、その金属パターンＭ１のＺ方向上面にはチップ状の第１の半導体素子Ｃ１が、はんだまたは銀などにより接続されている。同様に、セラミック板２１のＺ方向上面にはたとえば矩形状の金属パターンＭ２が形成されており、その金属パターンＭ２のＺ方向上面にはチップ状の第２の半導体素子Ｃ２が、はんだまたは銀などにより接続されている。ここで半導体素子Ｃ１，Ｃ２と金属パターンＭ１，Ｍ２とを接続するはんだまたは銀には、放熱性向上および応力緩和のための金属片等が含まれてもよい。なお図示されないが、セラミック板２１，２２のＺ方向下面にも応力調整用の金属パターンが形成されてもよい。セラミック板２１，２２のＺ方向下面の金属パターンは、グリース、絶縁シート、はんだなどにより、半導体モジュール外部の冷却器と接着される。セラミック板２１，２２のＺ方向下面の金属パターンは、第１の半導体素子Ｃ１、第２の半導体素子Ｃ２、金属パターンＭ１，Ｍ２などで発生する熱を半導体モジュール１０１の外部へ放熱する。
【００２４】
なお変形例として、半導体モジュール１０１を構成する主回路と、その外部とを電気的に絶縁するために、上記のように半導体モジュール１０１内にセラミック板２１を設ける機構の代わりに、以下の機構が用いられてもよい。すなわち半導体モジュール１０１内にセラミック板２１の代わりに絶縁シートが設けられてもよい。あるいは半導体モジュール１０１内ではなくその外部に半導体モジュール１０１を構成する主回路と、その外部とを電気的に絶縁する機構を設けてもよい。
【００２５】
これらの第１のリードフレーム１４、２つの第２のリードフレーム１３、および第３のリードフレーム１６は、いずれも銅またはアルミニウムなどの金属材料により形成されている。これらの各リードフレームは、その延びる方向に交差する断面は、電流による発熱が問題にならない範囲で、比較的小さい断面積を有している。
【００２６】
図１の回路図における半導体モジュールＳＭと図３の本実施の形態の第１例の半導体モジュール１０１とを比較参照して、第１のリードフレーム１４のＸ方向正側の端部にある第１短延在部１４ｅと、第１の半導体素子Ｃ１とは、接合材Ｇ１を介して直接接合されている。これにより第１のリードフレーム１４と第１の半導体素子Ｃ１とは電気的に接続されている。また第１のリードフレーム１４のＸ方向負側の第１端子部１４ａは、たとえば第１端子穴１４ｂをネジ穴として用いネジ固定することにより平滑用のコンデンサＣと電気的に接続されている。
【００２７】
第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの一方の部材のＸ方向負側にある第２対向部１３ｄと、第２の半導体素子Ｃ２とは、接合材Ｇ２を介して直接接合されている。これにより第２のリードフレーム１３と第２の半導体素子Ｃ２とは電気的に接続されている。また第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの一方の部材のＸ方向正側にある第２電気接続部１３ｅは、第１の半導体素子Ｃ１のＺ方向下側に接合された金属パターンＭ１と、下記の接続方法Ａにより電気的に接続されている。第１の半導体素子Ｃ１としてのＭＯＳＦＥＴは縦型デバイスであり、そのチップ裏面に電極を有する。つまり金属パターンＭ１と第１の半導体素子Ｃ１とは電気的に接続されるため、結果的に第２のリードフレーム１３の第２電気接続部１３ｅは第１の半導体素子Ｃ１と電気的に接続される。この第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの一方の部材の端子は、図１における端子ＯＰに相当する。
【００２８】
第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの他方の部材のＸ方向負側における第２屈折部１３ｃの端部は、第１の半導体素子Ｃ１のＺ方向下側に接合された金属パターンＭ１と、下記の接続方法Ａにより電気的に接続されている。これにより当該第２屈折部１３ｃは結果的に第１の半導体素子Ｃ１と電気的に接続される。また第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの他方の部材のＸ方向正側の第２端子部１３ａは、たとえば第２端子穴１３ｂをネジ穴として用いネジ固定することにより外部のモータ等と接続される。この第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの他方の部材の端子は、図１における端子ＯＰ２に相当する。
【００２９】
第３のリードフレーム１６のＸ方向正側にある第３電気接続部１６ｅは、第２の半導体素子Ｃ２のＺ方向下側に接合された金属パターンＭ２と、下記の接続方法Ａにより電気的に接続されている。第２の半導体素子Ｃ２としてのＭＯＳＦＥＴは縦型デバイスであり、そのチップ裏面に電極を有する。つまり金属パターンＭ２と第２の半導体素子Ｃ２とは電気的に接続されるため、結果的に第３のリードフレーム１６の第３電気接続部１６ｅは第２の半導体素子Ｃ２と電気的に接続される。また第３のリードフレーム１６のＸ方向負側の第３端子部１６ａは、たとえば第３端子穴１６ｂをネジ穴として用いネジ固定することにより平滑用のコンデンサＣと電気的に接続されている。
【００３０】
上記の接合材Ｇ１，Ｇ２は、たとえばはんだであることが好ましいが、銀であってもよい。接合材Ｇ１，Ｇ２内には、放熱性向上および応力緩和の目的で、金属片等が含まれてもよい。
【００３１】
また上記の接続方法Ａとしては、たとえばはんだまたは銀などの接合材Ｇ１，Ｇ２により接続されてもよいが、超音波接合等の工程を用いて接続する方法が用いられてもよい。
【００３２】
なお、平滑用のコンデンサの端子との接続、またはモータとの接続においては、上記の第１端子穴１４ｂ、第２端子穴１３ｂおよび第３端子穴１６ｂを用いたネジ固定がなされてもよいが、第１端子穴１４ｂ、第２端子穴１３ｂおよび第３端子穴１６ｂが平滑用のコンデンサまたはモータの端子と溶接されてもよい。
【００３３】
その他、第３対向部１６ｄは第１長延在部１４ｃのＺ方向下側に配置されるため、第１のリードフレーム１４の第１端子穴１４ｂと第３のリードフレーム１６の第３端子穴１６ｂとのＺ方向高さが異なっており、第１端子穴１４ｂの方が第３端子穴１６ｂより上方に配置されている。しかし、第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１６とのいずれかを折り曲げることにより両者のＺ方向高さが等しくなるように配置されてもよい。
【００３４】
図４は、図３の特に第１のリードフレーム１４、第２のリードフレーム１３および第３のリードフレーム１６が互いに平面的に対向するように重なる部分の概略断面図である。図３および図４を参照して、第１のリードフレーム１４および第２のリードフレーム１３は、絶縁材料３１により一体化するように封止されている。またこれらと併せて、第３のリードフレーム１６も、第１のリードフレーム１４および第２のリードフレーム１３と共に、絶縁材料３１により一体化するように封止されている。
【００３５】
第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３とは絶縁材料３１を介して対向しており、第３のリードフレーム１６は第１のリードフレーム１４と絶縁材料３１を介して対向している。つまり絶縁材料３１は、第１のリードフレーム１４、第２のリードフレーム１３および第３のリードフレーム１６の外表面を包むように覆い、かつ互いに対向する第１のリードフレーム１４と第２および第３のリードフレーム１３，１６との間に挟まれるように介在する。絶縁材料３１は、第１のリードフレーム１４などの外表面を覆う部分と、第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３との間に挟まれる部分とが一体となるように形成されている。
【００３６】
本実施の形態の絶縁材料３１は、たとえば樹脂材料であることが好ましい。その中でも特に、絶縁材料３１は、はんだの融点よりも高い融点を有する樹脂材料であることが好ましい。具体的には、絶縁材料３１は、液晶ポリマーなどであることが好ましい。
【００３７】
第１のリードフレーム１４および第２のリードフレーム１３は、接合材Ｇ１，Ｇ２によりはんだ付けされる箇所が絶縁材料３１から露出するように成形されることが好ましい。すなわち図４に示すように、Ｚ方向下面側から第２のリードフレーム１３を見たときに、これが接合材Ｇ２で第２の半導体素子Ｃ２と接合される領域は、絶縁材料３１に覆われずにそこから露出しており、第１のリードフレーム１４が接合材Ｇ１で第１の半導体素子Ｃ１と接合される領域は、絶縁材料３１に覆われずにそこから露出している。
【００３８】
互いに対向する第１のリードフレーム１４と、第２および第３のリードフレーム１３，１６との間隔は、樹脂としての絶縁材料３１の絶縁機能上問題が発生しない程度の最小限の間隔とすることが好ましい。ここで問題が発生しないとは、製品出荷時の絶縁耐圧試験で絶縁破壊しないことだけでなく、長期使用した後でも絶縁破壊しないことをも意味する。
【００３９】
また、図３には描写していないが、各リードフレームに絶縁材料３１としての樹脂を成形する際の治具固定用の穴、および位置決め用の凸形状が形成されてもよい。つまりたとえば第１のリードフレーム１４に、これを治具に固定するためＺ方向上面から下面までこれを貫通するように設けられた穴が形成されてもよい。あるいはたとえば第１のリードフレーム１４の一部領域の表面上に凸形状が形成されてもよい。
【００４０】
図３に示すように、半導体モジュール１０１は、各リードフレーム１４，１３，１６の少なくとも一部と、絶縁材料３１と、第１の半導体素子Ｃ１および第２の半導体素子Ｃ２とを封止する封止材３２をさらに備えている。封止材３２は、第１のリードフレーム１４の第１端子部１４ａ、第２のリードフレーム１３の第２端子部１３ａおよび第３のリードフレーム１６の第３端子部１６ａを除くすべて（すなわちセラミック板２１，２２なども含む）を封止するように覆っている。半導体モジュール１０１では、封止材３２として、絶縁材料３１に適用する液晶ポリマーとは異なる材料が用いられることが好ましい。具体的には、封止材３２としてはシリコンゲルが用いられることが好ましい。
【００４１】
ここで、図１および図３を用いて駆動時の電流経路を説明しながら、本実施の形態の第１例の半導体モジュール１０１の作用効果を説明する。
【００４２】
まず駆動時の電流経路を説明する。図１および図３を参照して、正の電流を出力する場合、半導体モジュール１０１の駆動時には、平滑用のコンデンサＣから第１のリードフレーム１４側に電流が流れ第２のリードフレーム１３に電流が流れる電流経路ＲＮと、平滑用のコンデンサＣから第３のリードフレーム１６側に電流が流れ第２のリードフレーム１３に電流が流れる電流経路ＲＰとの２通りの電流経路が考えられる。図１および図３においては便宜上、電流経路ＲＮと電流経路ＲＰとを同一図に表しているが、これらは同時には起こり得ない。
【００４３】
図１中に矢印で示す電流経路ＲＮは、図３中に矢印で示す電流経路ＲＮに対応する。電流経路ＲＮにおいては、第１のリードフレーム１４の第１端子部１４ａから第１長延在部１４ｃを通って第１短延在部１４ｅに達し、そこから接合材Ｇ１を介して直接接合される第１の半導体素子Ｃ１に達する。第１の半導体素子Ｃ１からその真下の金属パターンＭ１に電流が流れ、そこから第２のリードフレーム１３の端子ＯＰ２に相当する第２屈折部１３ｃを介して第２端子部１３ａに達する。これにより第２端子部１３ａに接続される外部のモータ等が駆動する。
【００４４】
一方、図１中に矢印で示す電流経路ＲＰは、図３中に矢印で示す電流経路ＲＰに対応する。電流経路ＲＰにおいては、第３のリードフレーム１６の第３端子部１６ａから第３長延在部１６ｃ、第３対向部１６ｄを通って第３電気接続部１６ｅに達し、金属パターンＭ２に達する。金属パターンＭ２からその真上の第２の半導体素子Ｃ２に電流が流れ、そこから接合材Ｇ２を介して、第２のリードフレーム１３の端子ＯＰに相当する第２対向部１３ｄに流れる。第２対向部１３ｄから第２電気接続部１３ｅを経て金属パターンＭ１に電流が流れれば、以降は電流経路ＲＮと同様に第２のリードフレーム１３の端子ＯＰ２に相当する第２屈折部１３ｃを介して第２端子部１３ａに達する。これにより第２端子部１３ａに接続される外部のモータ等が駆動する。
【００４５】
つまり図１の電流経路ＲＮ，ＲＰともに、概ね図３の半導体モジュール１０１における同じ方向、すなわちＸ方向負側から正側へ電流が流れる経路である。そして電流経路ＲＮに含まれる第１のリードフレーム１４の第１長延在部１４ｃと電流経路ＲＰに含まれる第３のリードフレーム１６の第３対向部１６ｄとは互いに対向するように重なっている。また電流経路ＲＮに含まれる第１のリードフレーム１４の第１長延在部１４ｃと第２のリードフレーム１３の第２対向部１３ｄとは互いに対向するように重なっている。
【００４６】
このため、たとえば第１の半導体素子Ｃ１に含まれるＭＯＳＦＥＴがターンオフし図１の電流経路ＲＮとは逆方向の電流が流れ、かつ第２の半導体素子Ｃ２に含まれるＭＯＳＦＥＴがスイッチングによりターンオンした場合を考える。この場合、図１に示す向きの電流経路ＲＮの電流は減少し、電流が減少したことに起因して、電流経路ＲＮの周囲の磁束が減少する。このとき、電流経路ＲＰに電流が流れ始め、電流が増加したことに起因して、電流経路ＲＰの周囲の磁束が増加する。第１のリードフレーム１４と第３のリードフレーム１６とで電流の変化の方向が逆向きのため、トータルの磁束変化を相殺させることができ、当該複数のリードフレームが互いに対向するように重なっている部分には磁束変化による寄生インダクタンスの発生を低減することができる。寄生インダクタンスの発生が低減されるため、スイッチング時におけるサージ電圧およびノイズを低減することができ、スイッチング速度を上げることができる。このため、寄生インダクタンスを抑制するために、リードフレームを厚くしたり太くしたりするなどの、半導体モジュール１０１の小型化に背反するような対策を講じる必要がなくなる。したがって、本実施の形態の適用により、半導体モジュール１０１の小型化と低損失化の双方を実現することができる。
【００４７】
なお上記と逆に、端子ＯＰ２からリードフレーム側へ電流が流入する場合についても、上記と同様の場合においては第１のリードフレーム１４と第３のリードフレーム１６とで電流の変化の方向が逆向きとなる。このため上記と同様にトータルの磁束変化を相殺させる磁束低減効果を得られ、寄生インダクタンスを低減することができる。
【００４８】
以上のように、半導体モジュール１０１においては、第１のリードフレーム１４と、第２のリードフレーム１３の一部とが互いに短絡しないよう絶縁材料３１を介して対向していることにより、スイッチング時の寄生インダクタンスの発生を抑える効果が高められる。２つのリードフレームの間には絶縁材料３１のみが挟まれ、両者間の距離が小さくなることにより電流経路ＲＮと電流経路ＲＰとからなる電流ループが小さくなるため、スイッチング時の相互インダクタンスをより有効に活用することができるためである。同様に、半導体モジュール１０１においては、第１のリードフレーム１４と、第３のリードフレーム１６の一部とが互いに短絡しないよう絶縁材料３１を介して対向していることにより、寄生インダクタンスによるスイッチング時のサージ電圧などの発生を抑える効果が高められる。
【００４９】
また本実施の形態においては、第１のリードフレーム１４と第１の半導体素子Ｃ１とが接合材Ｇ１を介して直接接合されており、第２のリードフレーム１３と第２の半導体素子Ｃ２とが接合材Ｇ２を介して直接接合されている。このためこれらの間に端子等が挟まれない分だけ電流ループが小さくなるため、寄生インダクタンスを低減することができる。
【００５０】
本実施の形態においては、電流経路が平板状のリードフレームにより構成されている。このためたとえば寄生インダクタンスが大きいと考えられるワイヤにより電流経路が構成される場合と比べて、寄生インダクタンスを低減することができる。
【００５１】
また半導体モジュール１０１においては、第１のリードフレーム１４、第２のリードフレーム１３および第３のリードフレーム１６が絶縁材料３１により一体化するように封止される。これにより、製造工程に含まれるリフロー工程の際に、各リードフレームをまとめて一体化するように配置することができる。したがって各リードフレームをばらばらに配置する場合に比べて、組立時の各リードフレームの取り付けが容易になり、その組み立て性を向上させることができる。
【００５２】
その他、半導体モジュール１０１においては、接合材Ｇ１，Ｇ２としてはんだが用いられ、絶縁材料３１として樹脂材料が用いられ、絶縁材料３１が液晶ポリマーなどのはんだよりも融点の高い樹脂材料である。これにより、リフロー工程により絶縁材料３１が溶融することがないため、リフロー工程による各部材のはんだ接合が容易に可能となる。
【００５３】
また全体を封止する封止材３２が絶縁材料３１とは異なる材料からなっていることにより、各リードフレームの設計の自由度を向上させることができる。たとえば封止材３２がシリコンゲルで構成されることにより、金型不要で封止可能となる。
【００５４】
次に本実施の形態の第２例について説明する。図５は、図１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材の一部のみを抽出した態様の第２例を示している。また図６は、図１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材を図５よりも多く含むように詳細に示した第２例である。図５および図６を参照して、本実施の形態の第２例の半導体モジュール１０２は、基本的に第１例の半導体モジュール１０１と同様の構成を有するため同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体モジュール１０２は半導体モジュール１０１と比較して、各リードフレームの形状において相違があるため、以下説明する。
【００５５】
図５に示される第１のリードフレーム１４は、第１端子部１４ａと、第１端子穴１４ｂと、第１鉛直長延在部１４ｆと、第１水平長延在部１４ｇと、第１屈折部１４ｄと、第１短延在部１４ｅとを含んでいる。つまり半導体モジュール１０１においてＸＹ平面に沿う方向に拡がりＸ方向に沿って延びる第１長延在部１４ｃに相当する部分が半導体モジュール１０２においては第１鉛直長延在部１４ｆに替わっている。第１鉛直長延在部１４ｆはＸ方向に長く延びるがＺ方向にほぼ等しい幅を有し、Ｙ方向に厚みを有するよう、ＸＺ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有している。第１端子部１４ａは第１鉛直長延在部１４ｆのＸ方向負側の端部から折れ曲がるように形成され、ＹＺ平面に沿う方向に拡がっている。一方、第１水平長延在部１４ｇは第１鉛直長延在部１４ｆのＹ方向正側に配置され、半導体モジュール１０１の第１長延在部１４ｃと同様に、ＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有している。第１水平長延在部１４ｇのＸ方向正側端部からは、半導体モジュール１０１と同様に、第１屈折部１４ｄを介して第１短延在部１４ｅがＸ方向に延びている。以上の点において半導体モジュール１０２の第１のリードフレーム１４は、全体が概ねＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有する半導体モジュール１０１の第１のリードフレーム１４と異なっている。
【００５６】
図５に示される第２のリードフレーム１３の一方の部材は、第２鉛直対向部１３ｆと、第２水平長延在部１３ｇと、第２水平短延在部１３ｈとを有している。つまり半導体モジュール１０１においてＸＹ平面に沿う方向に拡がりＸ方向に沿って延びる第２対向部１３ｄに相当する部分が半導体モジュール１０２においては第２鉛直対向部１３ｆに替わっている。第２鉛直対向部１３ｆはＸＺ平面に沿って拡がり、第２水平長延在部１３ｇおよび第２水平短延在部１３ｈはＸＹ平面に沿って拡がる。第２水平長延在部１３ｇは第１水平長延在部１４ｇの真下に重なるように配置されている。第２水平長延在部１３ｇおよび第２水平短延在部１３ｈはいずれも第２鉛直対向部１３ｆのＹ方向正側に、Ｘ方向に関して互いに間隔をあけて配置されている。以上の点において半導体モジュール１０２の第２のリードフレーム１３の一方の部材は、全体が概ねＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有する半導体モジュール１０１の第２のリードフレーム１３の一方の部材と異なっている。
【００５７】
図５に示される第３のリードフレーム１６は、第３端子部１６ａと、第３端子穴１６ｂと、第３鉛直対向部１６ｆと、第３電気接続部１６ｅとを含んでいる。つまり半導体モジュール１０１においてＸＹ平面に沿う方向に拡がりＸ方向に沿って延びる第３対向部１６ｄに相当する部分が半導体モジュール１０２においては第３鉛直対向部１６ｆに替わっている。第３鉛直対向部１６ｆはＸＺ平面に沿って拡がり、第３電気接続部１６ｅはＸＹ平面に沿って拡がる。第３電気接続部１６ｅは第３鉛直対向部１６ｆのＹ方向負側に配置されている。第３端子部１６ａは第３鉛直対向部１６ｆのＸ方向負側の端部から折れ曲がるように形成され、ＹＺ平面に沿う方向に拡がっている。以上の点において半導体モジュール１０２の第３のリードフレーム１６は、全体が概ねＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有する半導体モジュール１０１の第３のリードフレーム１６と異なっている。
【００５８】
以上により、半導体モジュール１０２においては、第１鉛直長延在部１４ｆと第２鉛直対向部１３ｆとが、それぞれの主面同士が対向するように重なっている。また半導体モジュール１０２においては、第１鉛直長延在部１４ｆと第３鉛直対向部１６ｆとが、それぞれの主面同士が対向するように重なっている。
【００５９】
第１鉛直長延在部１４ｆと、第２鉛直対向部１３ｆおよび第３鉛直対向部１６ｆとの間には、絶縁材料３１が挟まれている。また第１水平長延在部１４ｇと第２水平長延在部１３ｇとの間にも、絶縁材料３１が挟まれている。ただし図５においてはこのように図示されるが、実際には絶縁材料３１は図６に示すように各部材を覆い一体化するように封止している。
【００６０】
図１の回路図における半導体モジュールＳＭと図５，６とを比較参照して、半導体モジュール１０２においては、第１のリードフレーム１４のＸ方向正側の端部の第１短延在部１４ｅと第１の半導体素子Ｃ１とが接合材Ｇ１を介して直接接合されている。また第２のリードフレーム１３の一方の部材の第２水平短延在部１３ｈと第２の半導体素子Ｃ２とは、接合材Ｇ２を介して直接接合されている。また第２水平長延在部１３ｇと金属パターンＭ１とが電気的に接続されており、これにより第２水平長延在部１３ｇと第１の半導体素子Ｃ１とが電気的に接続されている。その他の接続部については上記の半導体モジュール１０１と同様であるため、詳細な説明を省略する。以上により半導体モジュール１０２についても図１の半導体モジュールＳＭの回路を構成するように接続される。
【００６１】
ここで本実施の形態の第２例の半導体モジュール１０２の作用効果を説明する。半導体モジュール１０２は、半導体モジュール１０１と同様の寄生インダクタンスを低減する効果の他、以下の作用効果を奏する。
【００６２】
まず半導体モジュール１０２のように、第１のリードフレーム１４および第２のリードフレーム１３との互いに対向する部分が鉛直方向であるＸＺ方向に沿って拡がるように配置されることにより、半導体モジュール１０１のように当該部分がＸＹ方向に沿って拡がる場合に比べて、当該部分が平面視において占有する面積を小さくすることができる。このため、半導体モジュール１０２全体をより小型化することができる。
【００６３】
また半導体モジュール１０２のように第１端子部１４ａおよび第３端子部１６ａがＹＺ方向に沿う態様となることにより、この部分に用いるネジの延びる方向をＸ方向沿いとすることができる。たとえば半導体モジュール１０１においては第１端子部１４ａなどがＸＹ方向に沿うため、この部分に用いるネジの延びる方向はＺ方向沿いとなるが、この場合第１のリードフレーム１４のＺ方向高さが当該ネジの長さに比べて十分高い位置でなければ、ネジ止めすることができず、ナットを配置することもできない問題が生じ得る。しかし半導体モジュール１０２の構成とすることによりこのような問題を回避できる。また第１端子部１４ａに他の端子を溶接する場合においても、Ｘ方向沿いに他の端子を配置することができるため、溶接作業が容易になり好都合である。
【００６４】
次に本実施の形態の第３例について説明する。図７は、図１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材の一部のみを抽出した態様の第３例を示している。また図８は、図１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材を図７よりも多く含むように詳細に示した第３例である。図７および図８を参照して、本実施の形態の第３例の半導体モジュール１０３は、基本的に第１例の半導体モジュール１０１と同様の構成を有するため同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体モジュール１０３は半導体モジュール１０１と比較して、各リードフレームの形状において相違があるため、以下説明する。
【００６５】
図７に示される半導体モジュール１０３の各リードフレームは、図２に示される半導体モジュール１０１の各リードフレームと同様に、全体が概ねＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有している。しかし図７においては、第１端子部１４ａが、第１長延在部１４ｃの延びるＸ方向に交差するＹ方向に延びるように、第１のリードフレーム１４が屈曲した形状を有している。また図７においては、第３端子部１６ａが、第３対向部１６ｄの延びるＸ方向に交差するＹ方向に延びるように、第３のリードフレーム１６が屈曲した形状を有している。第１端子部１４ａは第１長延在部１４ｃからＹ方向正側に延びるのに対し、第３端子部１６ａは第３対向部１６ｄからＹ方向負側に延びる。このため第１端子部１４ａと第３端子部１６ａとは互いに反対方向に延びている。したがってここでは、第１端子部１４ａはＹ方向に関して第１長延在部１４ｃの最もＹ方向正側の端部よりもＹ方向正側に屈曲して延びた領域であるとし、第３端子部１６ａはＹ方向に関して第３対向部１６ｄの最もＹ方向負側の端部よりもＹ方向負側に屈曲して延びた領域であるとする。つまり第１端子部１４ａおよび第３端子部１６ａは、第１長延在部１４ｃおよび第３対向部１６ｄとは重ならない。
【００６６】
半導体モジュール１０３における各リードフレームと第１の半導体素子Ｃ１、第２の半導体素子Ｃ２との電気的接続態様については、半導体モジュール１０１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６７】
ここで本実施の形態の第３例の半導体モジュール１０３の作用効果を説明する。半導体モジュール１０３は、半導体モジュール１０１と同様の寄生インダクタンスを低減する効果の他、以下の作用効果を奏する。
【００６８】
図７を図２と比較して、半導体モジュール１０３のように第１のリードフレーム１４および第３のリードフレーム１６を形成することにより、半導体モジュール１０１の第３のリードフレーム１６の第３長延在部１６ｃに相当する部分が第３対向部１６ｄに替えられる。つまり半導体モジュール１０３においては第３対向部１６ｄが、第１のリードフレーム１４のＸ方向負側の端部にまで延びている。このため半導体モジュール１０３は、半導体モジュール１０１よりも、第３のリードフレーム１６が第１のリードフレーム１４と対向する第３対向部１６ｄの面積を大きくできる。このため半導体モジュール１０３は、半導体モジュール１０１よりもさらに、寄生インダクタンスの抑制効果を高めることができる。
【００６９】
実施の形態２．
図９は、本実施の形態における半導体モジュールＳＭを構成する部材の一部のみを抽出した態様を示している。また図１０は、本実施の形態の半導体モジュールＳＭを構成する部材を図９よりも多く含むように詳細に示している。図９および図１０を参照して、本実施の形態の半導体モジュール２０１は、実施の形態１の各例の半導体モジュールと同様に、図１の回路図の半導体モジュールＳＭの回路構成を有している。本実施の形態の半導体モジュール２０１は、基本的に実施の形態１の第１例の半導体モジュール１０１と同様の構成を有するため同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体モジュール２０１は半導体モジュール１０１と比較して、各リードフレームの形状において相違があるため、以下説明する。
【００７０】
本実施の形態においては、第１のリードフレーム１４は、第１の面と第２の面とを有している。第１の面は第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３とが対向する面であり、第２の面は第１のリードフレーム１４と第３のリードフレーム１６とが対向する面である。本実施の形態においては、第１の面と第２の面とが互いに交差している。すなわち上記第１の面と第２の面とは互いに異なる方向を向いており、たとえば互いに直交している。この点において本実施の形態は、上記第１の面と第２の面とが同じ方向を向く面である実施の形態１と構成上異なっている。
【００７１】
具体的には、図９に示される第１のリードフレーム１４は、図２の第１のリードフレーム１４と同形状の第１長延在部１４ｃ、第１屈折部１４ｄ、第１短延在部１４ｅと、図５の第１のリードフレーム１４と同形状の第１端子部１４ａ、第１端子穴１４ｂと第１鉛直長延在部１４ｆとを含んでいる。また図９に示される第３のリードフレーム１６は、図５の第３のリードフレーム１６と同形状の第３端子部１６ａ、第３端子穴１６ｂ、第３電気接続部１６ｅおよび第３鉛直対向部１６ｆを含んでいる。これに対し、図９に示される第２のリードフレーム１３の一方の部材は、基本的に実施の形態１の第１例の半導体モジュール１０１と同様に、第２対向部１３ｄと、第２電気接続部１３ｅとを有している。
【００７２】
このように本実施の形態の各リードフレームは、実施の形態１の第１例の半導体モジュール１０１の各リードフレームと、同第２例の半導体モジュール１０２の各リードフレームとが組み合わせられたような態様を有している。これにより、第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３とは、半導体モジュール１０１と同様に、ＸＹ平面に沿って拡がる第１の面において、第１長延在部１４ｃと第２対向部１３ｄとの主面同士が互いに対向する。一方、第１のリードフレーム１４と第３のリードフレーム１６とは、半導体モジュール１０２と同様に、ＸＺ平面に沿って拡がる第２の面において、第１鉛直長延在部１４ｆと第３鉛直対向部１６ｆとの主面同士が互いに対向する。よって第１の面と第２の面とはほぼ直交している。
【００７３】
半導体モジュール２０１における各リードフレームと第１の半導体素子Ｃ１、第２の半導体素子Ｃ２との電気的接続態様については、半導体モジュール１０１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７４】
ここで本実施の形態の半導体モジュール２０１の作用効果を説明する。半導体モジュール２０１は、半導体モジュール１０１と同様の寄生インダクタンスを低減する効果の他、以下の作用効果を奏する。
【００７５】
本実施の形態のように、第１のリードフレーム１４が第２のリードフレーム１３と互いに対向する第１の面と、第３のリードフレーム１６と互いに対向する第２の面とを互いに交差するように異ならしめることにより、第２のリードフレーム１３の電流経路を実施の形態１よりも短くできる。このため、寄生インダクタンスが生じ得る部分としての第２のリードフレーム１３の部分が実施の形態１よりも少なくなることにより、実施の形態１よりも寄生インダクタンスの低減効果をいっそう高めることが期待できる。
【００７６】
また本実施の形態においては、第１のリードフレーム１４の第１長延在部１４ｃと第２のリードフレーム１３の第２対向部１３ｄと第３のリードフレーム１６の第３鉛直対向部１６ｆとの全てをＹ方向に関して並列するように配置することができる。このため、Ｘ方向に延びる第１のリードフレーム１４の長さを実施の形態１よりも短くすることができ、半導体モジュール２０１全体を小型化することができる。
【００７７】
さらに本実施の形態においては第１端子部１４ａおよび第３端子部１６ａがＹＺ方向に沿って拡がることにより、半導体モジュール１０２と同様に、ネジの延びる方向をＸ方向沿いとすることができ、ネジ止めおよび溶接作業を容易にすることができる。
【００７８】
実施の形態３．
図１１は実施の形態３の第１例における半導体モジュールＳＭの回路構成を示している。また図１２は実施の形態３の第２例における半導体モジュールＳＭの回路構成を示している。まず本実施の形態の第１例および第２例の回路構成について説明する。
【００７９】
図１１を参照して、本実施の形態の第１例における半導体モジュールＳＭの回路構成は基本的に図１の実施の形態１における半導体モジュールＳＭの回路構成と同様であるため同一の構成要素については同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし本実施の形態の半導体モジュールＳＭは、各アームに複数の半導体素子が並列接続される点において異なっている。
【００８０】
本実施の形態の第１例における半導体モジュールＳＭは、第１のリードフレーム１４と第２のリードフレーム１３との間に介在する下アームとしての半導体素子が、第１の半導体素子Ｃ１と第３の半導体素子Ｃ３との並列接続になっている。また当該半導体モジュールＳＭは、第３のリードフレーム１６と第２のリードフレーム１３との間に介在する上アームとしての半導体素子が、第２の半導体素子Ｃ２と第４の半導体素子Ｃ４との並列接続になっている。これらの各半導体素子Ｃ１〜Ｃ４は実施の形態１と同様にたとえばＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。図１１においては上アームおよび下アームのそれぞれに対して２つの半導体素子が並列接続される例が示されるが、上アームおよび下アームのそれぞれに並列接続される。
【００８１】
図１２を参照して、本実施の形態の第２例における半導体モジュールＳＭの回路構成は、図１１と基本的に同様であるが、第１の半導体素子Ｃ１および第２の半導体素子Ｃ２がＩＧＢＴに、第３の半導体素子Ｃ３および第４の半導体素子Ｃ４が還流用ダイオードに、それぞれ置き換えられている。このような態様であってもよいし、あるいはＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴと還流ダイオードとが適宜組み合わせられた構成であってもよい。
【００８２】
図１３は、図１１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材の一部のみを抽出した態様の第１例を示している。図１３を参照して、図１１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する各リードフレームは、形状およびそれぞれの対向の仕方つまり重なり方は、図２に示す半導体モジュール１０１における各リードフレームと同様である。すなわち各リードフレームは、ＸＹ平面に沿う方向に拡がる平面形状を有する平板状の配線経路である。ただし図１３においては図２に比べて、第１長延在部１４ｃ、第１短延在部１４ｅ、第２対向部１３ｄおよび第３対向部１６ｄのそれぞれがＸ方向に長く延びている。これにより、各アームに複数の半導体素子を並列接続可能な構成となっている。
【００８３】
図１４は、図１１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材を図１３よりも多く含むように詳細に示した第１例である。図１３および図１４を参照して、図１１の半導体モジュールＳＭにより示される当該第１例の半導体モジュール３０１は、基本的に図３の半導体モジュール１０１と同様の構成であるため同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体モジュール３０１においては、半導体モジュール１０１と同様に設けられた金属パターンＭ１のＺ方向上面には下アームを構成する第１の半導体素子Ｃ１および第３の半導体素子Ｃ３が、Ｘ方向に互いに間隔をあけて並列接続されている。同様に半導体モジュール３０１においては、半導体モジュール１０１と同様に設けられた金属パターンＭ２のＺ方向上面には上アームを構成する第２の半導体素子Ｃ２および第４の半導体素子Ｃ４が、Ｘ方向に互いに間隔をあけて並列接続されている。
【００８４】
図１１の回路図における半導体モジュールＳＭと図１４の本実施の形態の第１例の半導体モジュール３０１とを比較参照して、第１のリードフレーム１４のＸ方向正側の端部にある第１短延在部１４ｅと第１の半導体素子Ｃ１とは接合材Ｇ１を介して直接接合されている。また第１短延在部１４ｅと第３の半導体素子Ｃ３とは接合材Ｇ３を介して直接接合されている。これにより第１のリードフレーム１４と第１の半導体素子Ｃ１および第３の半導体素子Ｃ３とは電気的に接続されている。第１の半導体素子Ｃ１のゲートＧと第３の半導体素子Ｃ３のゲートＧとが電気的に接続されており、第１の半導体素子Ｃ１のソースＳと第３の半導体素子Ｃ３のソースＳとが電気的に接続されている。
【００８５】
第２のリードフレーム１３の２つの部材のうちの一方の部材のＸ方向負側にある第２対向部１３ｄと、第２の半導体素子Ｃ２とは、接合材Ｇ２を介して直接接合されている。また第２対向部１３ｄと第４の半導体素子Ｃ４とは、接合材Ｇ４を介して直接接合されている。これにより第１のリードフレーム１４と第２の半導体素子Ｃ２および第４の半導体素子Ｃ４とは電気的に接続されている。第２の半導体素子Ｃ２のゲートＧと第４の半導体素子Ｃ４のゲートＧとが電気的に接続されており、第２の半導体素子Ｃ２のソースＳと第４の半導体素子Ｃ４のソースＳとが電気的に接続されている。
【００８６】
以上の接合材Ｇ３，Ｇ４は接合材Ｇ１，Ｇ２と同様に、たとえばはんだにより形成される。また第２屈折部１３ｃの端部および第２電気接続部１３ｅのそれぞれは、上記の接続方法Ａにより金属パターンＭ１と電気的に接続される。第３電気接続部１６ｅは、上記の接続方法Ａにより金属パターンＭ２と電気的に接続される。
【００８７】
本実施の形態においても、第１のリードフレーム１４および第２のリードフレーム１３は、絶縁材料３１により一体化するように封止されている。このため図１４の半導体モジュール３０１の絶縁材料３１は、図３の半導体モジュール１０１の絶縁材料３１よりもＸ方向に長く延びている。
【００８８】
図１３および図１４の半導体モジュール３０１のように、各リードフレームをＸ方向に長く伸ばすことにより、半導体素子のチップの数に依らずに図１１の半導体モジュールＳＭの回路を構成することができる。
【００８９】
図１５は、図１１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材の一部のみを抽出した態様の第２例を示している。図１５を参照して、当該第２例における各リードフレームは、図１３に示す第１例と基本的に同様の形状等を有している。ただし図１５においては図１３に比べて、第１のリードフレーム１４、第２のリードフレーム１３および第３のリードフレーム１６のそれぞれはＹ方向の幅が広く、Ｘ方向の長さが短くなっている。図１５においては、Ｙ方向の幅が広いことにより、各アームに複数の半導体素子を並列接続可能な構成となっている。
【００９０】
図１６は、図１１の回路図に示す半導体モジュールＳＭを構成する部材を図１５よりも多く含むように詳細に示した第２例である。図１５および図１６を参照して、図１１の半導体モジュールＳＭにより示される当該第２例の半導体モジュール３０２は、基本的に図３の半導体モジュール３０１と同様の構成であるため同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を繰り返さない。ただし半導体モジュール３０２においては、半導体モジュール３０１と同様に設けられた金属パターンＭ１のＺ方向上面には下アームを構成する第１の半導体素子Ｃ１および第３の半導体素子Ｃ３が、Ｙ方向に互いに間隔をあけて並列接続されている。同様に半導体モジュール３０２においては、半導体モジュール３０１と同様に設けられた金属パターンＭ２のＺ方向上面には上アームを構成する第２の半導体素子Ｃ２および第４の半導体素子Ｃ４が、Ｙ方向に互いに間隔をあけて並列接続されている。ｌこの点において半導体モジュール３０２は、上アームおよび下アームのそれぞれを構成する複数の半導体素子同士がＸ方向に互いに間隔をあけて並列接続される半導体モジュール３０１と構成上異なっている。
【００９１】
図１５および図１６の半導体モジュール３０２のように、各アームを構成する複数の半導体素子をＹ方向に長く伸ばすことにより、各アームを構成する複数の半導体素子のそれぞれを通る各電流経路ＲＮ，ＲＰの経路長をほぼ等しくすることができる。このため、各アームを構成する複数の半導体素子のそれぞれを通る電流経路間の電流量の差を小さくすることができる。
【００９２】
図１５および図１６の半導体モジュール３０２のように、ＸＹ平面に沿って拡がる各リードフレームをＹ方向に拡げることにより、半導体素子のチップの数に依らずに図１１の半導体モジュールＳＭの回路を構成することができる。
【００９３】
なお図示されないが、たとえば図１４の半導体モジュール３０１と図１６の半導体モジュール３０２とを組み合わせた構成の半導体モジュールが形成されてもよい。
【００９４】
図１３〜図１６は図１１の回路図の半導体モジュールＳＭの例として説明したが、図１２の回路図の半導体モジュールＳＭについても図１３〜図１６のように形成可能である。この場合も、ＩＧＢＴおよび還流用ダイオードは縦型デバイスでありそのチップ裏面に電極を有する。このため第１の半導体素子Ｃ１および第３の半導体素子Ｃ３は金属パターンＭ１と電気的に接続され、第２の半導体素子Ｃ２および第４の半導体素子Ｃ４は金属パターンＭ２と電気的に接続される。これにより第２電気接続部１３ｅおよび第２屈折部１３ｃは第１の半導体素子Ｃ１および第３の半導体素子Ｃ３と電気的に接続され、第３電気接続部１６ｅは第２の半導体素子Ｃ２および第４の半導体素子Ｃ４と電気的に接続される。
【００９５】
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００９６】
図１７は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図１７に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００から構成される。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１０００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００９７】
電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００の間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図１７に示すように、入力される直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１０と、主変換回路２０１０を制御する制御信号を主変換回路２０１０に出力する制御回路２０３０とを備えている。
【００９８】
負荷３０００は、電力変換装置２０００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３０００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００９９】
以下、電力変換装置２０００の詳細を説明する。主変換回路２０１０は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１０００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に供給する。主変換回路２０１０の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１０は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１０の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかを、上述した実施の形態１〜３のいずれかの半導体モジュールＳＭに相当する半導体モジュール２０２０によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１０の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。
【０１００】
また、主変換回路２０１０は、上記の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれか（以下「（各）スイッチング素子」と記載）を駆動する駆動回路（図示なし）を備えている。しかし駆動回路は半導体モジュール２０２０に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２０とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１０のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１０のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３０からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）となり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【０１０１】
制御回路２０３０は、負荷３０００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１０のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１０の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１０を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１０が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【０１０２】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１０のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜３にかかるパワーモジュールを適用するため、寄生インダクタンスの相殺による抑制効果などを実現することができる。
【０１０３】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【０１０４】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【０１０５】
以上に述べた各実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
【０１０６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０７】
１３  第２のリードフレーム、１３ａ  第２端子部、１３ｂ  第２端子穴、１３ｃ  第２屈折部、１３ｄ  第２対向部、１３ｅ  第２電気接続部、１３ｆ  第２鉛直対向部、１３ｇ  第２水平長延在部、１３ｈ  第２水平短延在部、１４  第１のリードフレーム、１４ａ  第１端子部、１４ｂ  第１端子穴、１４ｃ  第１長延在部、１４ｄ  第１屈折部、１４ｅ  第１短延在部、１４ｆ  第１鉛直長延在部、１４ｇ  第１水平長延在部、１６  第３のリードフレーム、１６ａ  第３端子部、１６ｂ  第３端子穴、１６ｃ  第３長延在部、１６ｄ  第３対向部、１６ｅ，１６ｇ  第３電気接続部、１６ｆ  第３鉛直対向部、２１，２２  セラミック板、３１  絶縁材料、３２  封止材、１０１，１０２，１０３，２０１，３０１，３０２，ＳＭ  半導体モジュール、Ｃ１  第１の半導体素子、Ｃ２  第２の半導体素子、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４  接合材、Ｍ１，Ｍ２  金属パターン。
【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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