(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と裏面とを備える板状のセラミック基板部と、
前記表面に配置された第１の配線部と、
前記裏面に配置された第２の配線部と、
前記表面と前記裏面とを連通する第１の貫通孔内に配置され、前記第１の配線部と前記第２の配線部とを電気的に接続する少なくとも１つの第１のビア導体と、
前記セラミック基板部の内部に少なくとも一部が埋設され、前記第１のビア導体を取囲むロゴスキーコイルと、
を備え、
前記表面に対して垂直な方向から見て前記第１の配線部と前記第２の配線部とが前記ロゴスキーコイルを覆っている、配線基板。
【請求項２】
請求項１に記載の配線基板において、
前記セラミック基板部の前記裏面に配置された第３の配線部と、
前記表面と前記裏面とを連通する第２の貫通孔内に配置され、前記第１の配線部と前記第３の配線部とを電気的に接続する少なくとも１つの第２のビア導体と、
を備える、配線基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の配線基板において、
前記第１のビア導体および前記ロゴスキーコイルは、タングステンおよびモリブデンのうち、少なくとも一方を含む金属により形成されている、配線基板。
【請求項４】
請求項２に記載の配線基板において、
前記第１のビア導体、前記第２のビア導体、および前記ロゴスキーコイルは、タングステンおよびモリブデンのうち、少なくとも一方を含む金属により形成されている、配線基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の配線基板と、パワー半導体素子と、を備える半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板、および配線基板を用いた半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワー半導体素子を備えるパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子に対する電流経路の電流値を計測する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１７２２８７号公報
【特許文献２】特許第５７０９１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、パワー半導体素子のスイッチング速度の高速化が進んでいる。従来の構成のパワー半導体モジュールにおいて、従来の電流センサを接続すると、パワー半導体素子に接続される配線が引き延ばされるため、配線のインダクタンスが増加する。このように配線を延伸して電流センサを接続した場合に、パワー半導体素子を高速にスイッチングさせると、スイッチング過渡時の電流値や電圧値がリンギングを起こし、電流値を正確に測定することができなくなってしまう。そこで、配線のインダクタンスを増加させずに電流値を測定する技術が望まれている。
また、従来のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子に流れる電流を計測するために、パワー半導体素子を搭載する配線基板とは別に電流センサが配置されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、配線基板が提供される。この配線基板は、表面と裏面とを備える板状のセラミック基板部と、前記表面に配置された第１の配線部と、前記裏面に配置された第２の配線部と、前記表面と前記裏面とを連通する第１の貫通孔内に配置され、前記第１の配線部と前記第２の配線部とを電気的に接続する少なくとも１つの第１のビア導体と、前記セラミック基板内部に少なくとも一部が埋設され、前記第１のビア導体を取囲むロゴスキーコイルと、を備える。
【０００７】
ここで、取囲むとは、対象部位の全周を囲む場合に限定されず、対象部位の半周以上を囲む場合を含む概念である。また、好ましくは、前記配線基板は、第１のビア導体を複数個備えた第１のビア導体群を有する。
【０００８】
この形態の配線基板によれば、第１のビア導体をパワー半導体素子の主電極に接続する主配線の一部とした際に、第１のビア導体を流れる電流の電流値を同一基板部内部に前記第１のビア導体と近接して埋設されたロゴスキーコイルによって計測することができるため、電流計測のために主配線長を伸ばすことなく電流値を計測できる。
【０００９】
（２）上記形態の配線基板において、前記セラミック基板部の前記裏面に配置された第３の配線部と、前記表面と前記裏面とを連通する第２の貫通孔内に配置され、前記第１の配線部と前記第３の配線部とを電気的に接続する少なくとも１つの第２のビア導体と、を備えてもよい。また、好ましくは、前記配線基板は第２のビア導体を複数個備えた第２のビア導体群を有する。
【００１０】
（３）上記形態の配線基板において、前記第１のビア導体および前記ロゴスキーコイルは、タングステンおよびモリブデンのうち、少なくとも一方を含む金属により形成されてもよい。タングステンおよびモリブデンは、高融点金属であるため、前記第１のビア導体および前記ロゴスキーコイルを、セラミック基板部と同時に焼結で形成することができ、本発明の配線基板を容易に製造することができる。
【００１１】
（４）上記（２）に記載の配線基板において、前記第１のビア導体、前記第２のビア導体、および前記ロゴスキーコイルは、タングステンおよびモリブデンのうち、少なくとも一方を含む金属により形成されてもよい。第１のビア導体、第２のビア導体、およびロゴスキーコイルを、セラミック基板部と同時に焼結で形成することができ、配線基板を容易に製造することができる。
【００１２】
（５）上記形態の配線基板において、前記表面に対して垂直な方向から見て前記第１の配線部と前記第２の配線部とが前記ロゴスキーコイルを覆ってもよい。このようにすると、ロゴスキーコイルが両面から導体によって覆われるため、外部の電磁ノイズからロゴスキーコイルに流れる信号を保護することができる。
【００１３】
（６）本発明の他の形態によれば、上記形態の配線基板と、パワー半導体素子と、を備える半導体モジュールが提供される。この半導体モジュールによれば、パワー半導体素子に流れる電流値計測のために、配線を増やしたり、配線を伸ばす必要がないため、該配線のインダクタンス成分の増加なく、パワー半導体素子に流れる電流を正確に計測することができる。
【００１４】
本発明は、様々の形態で実現が可能であり、例えば、電流検知用配線基板、半導体モジュール用配線基板等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態としての半導体モジュールの構造を模式的に示す平面図である。
【図２】図１の半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った垂直断面構造を模式的に示す端面図である。
【図３】図１の配線基板を分解して示す分解平面図である。
【図４】第１実施形態の半導体モジュールにおける電流の流れを示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態の半導体モジュールの構造を模式的に示す平面図である。
【図６】図５の半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った垂直断面構造を模式的に示す端面図である。
【図７】インバータ回路を構成する１アーム分の電気回路図である。
【図８】図７に示す回路構成を具現化したモジュールを示す概略鳥瞰図である。
【図９】第２実施形態の半導体モジュールの変形例の半導体モジュールの断面構成を模式的に示す端面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の半導体モジュールの構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】図１０の半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った垂直断面構造を模式的に示す端面図である。
【図１２】第４実施形態の半導体モジュールの構造を模式的に示す平面図である。
【図１３】第５実施形態の半導体モジュールの概略構造を示す端面図である。
【図１４】第６実施形態の配線基板をバスバーに流れる電流値を検出するために適用した例を模式的に示す平面図である。
【図１５】図１４の配線基板のＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。
【図１６】第７実施形態の配線基板をバスバーに流れる電流値を検出するために適用した他の例を模式的に示す平面図である。
【図１７】第８実施形態の半導体モジュールの概略構造を示す平面図である。
【図１８】第９実施形態の半導体モジュールの構造を模式的に示す平面図である。
【図１９】図１８の半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。
【図２０】第１０実施形態の半導体モジュールの構造を模式的に示す端面図である。
【図２１】第１１実施形態の半導体モジュールの構造を模式的に示す断面図である。
【図２２】第１２実施形態の配線基板の平面構造を模式的に示す平面図である。
【図２３】図２２の配線基板を適用した半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。
【図２４】第１３実施形態の配線基板の平面構造を模式的に示す平面図である。
【図２５】図２４の配線基板を適用した半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。
【図２６】第１４実施形態の半導体モジュールの断面構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての半導体モジュール１０００の構造を模式的に示す平面図であり、図２は、半導体モジュール１０００の図１におけるＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。半導体モジュール１０００は、本発明の一実施形態としての配線基板１００と、パワー半導体素子２００と、放熱基板３００と、を主に備える。本実施形態において、半導体モジュール１０００は、いわゆるパワーモジュールであり、電気自動車や電車や工作機械等における電力制御等に用いられる。
【００１７】
図１、図２に示すように、配線基板１００は、セラミック基板部１０と、主電流経路形成部２０と、ロゴスキーコイル７０と、を備える。セラミック基板部１０は、表面１１と裏面１９とを備える、平面視略矩形状（図１）の板状に形成されている。また、セラミック基板部１０は、４枚の薄板状の基板層から成る積層構造である（図２）。本実施形態において、セラミック基板部１０は、アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ2Ｏ3）によって形成されている。セラミック基板部１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）などによって形成されてもよい。
【００１８】
主電流経路形成部２０は、第１の配線部４０と、複数の第１のビア導体３１と、複数の第２のビア導体３２と、第２の配線部５０と、第３の配線部６０と、を備え、パワー半導体素子２００に対する主電流経路（配線）を形成する。以下、複数の第１のビア導体３１を第１のビア導体群３０Ｆと称し、複数の第２のビア導体３２を第２のビア導体群３０Ｓと称する。
【００１９】
第１の配線部４０は、銅の電解メッキによって、セラミック基板部１０の表面１１に平面視略矩形状の厚膜状に形成され（図１）、第１のビア導体群３０Ｆおよび第２のビア導体群３０Ｓとは、電気的に接続されている。第１の配線部４０は、銀、ニッケル、アルミニウム等の任意の導電性材料を用いて形成されてもよい。また、第１の配線部４０は、無電解メッキ、印刷等、他の任意の方法によって形成されてもよい。
【００２０】
第１のビア導体３１は、セラミック基板部１０の表面１１と裏面１９とを連通する第１の貫通孔２１の全体に充填されている。同様に、第２のビア導体３２は、セラミック基板部１０の表面１１と裏面１９とを連通する第２の貫通孔２２の全体に充填されている。本実施形態では、第１のビア導体３１および第２のビア導体３２は、タングステンおよびモリブデンを主成分とする材料により形成されている。なお、セラミック基板部１０がＬＴＣＣにより形成される場合は、第１のビア導体３１と第２のビア導体３２とが、銀および銅のうち、少なくとも一方を含む材料により形成されていてもよい。また、第１のビア導体３１および第２のビア導体３２のいずれか一方が、タングステンおよびモリブデンのうち、少なくとも一方を含む金属により形成されてもよい。
【００２１】
第２の配線部５０は、出力端子と接続されるパッドであって、銅の電解メッキによって、セラミック基板部１０の裏面１９に、厚膜状に形成され、第１のビア導体群３０Ｆとは、電気的に接続されている。本実施形態において、第２の配線部５０は、金属製の導通ブロック３０６および導通パッド３０４を介して、出力端子に接続されている。第３の配線部６０は、パワー半導体素子２００を、配線基板１００に搭載するためのパッドであり、銅の電解メッキによって、セラミック基板部１０の裏面１９に、厚膜状に形成されており、第２のビア導体群３０Ｓとは、電気的に接続されている。なお、本明細書中において、「搭載」とは、配線基板１００の裏面（図２におけるセラミック基板部１０の裏面１９側）に実装される形態を含む概念である。第２の配線部５０および第３の配線部６０は、銀、ニッケル、アルミニウム等の任意の導電性材料を用いて形成されてもよい。また、第２の配線部５０および第３の配線部６０は、無電解メッキ、印刷等、他の任意の方法によって形成されてもよい。第２の配線部５０と第３の配線部６０とは、セラミック基板部１０の裏面１９において異なる領域に形成されている。
【００２２】
図１に示すように、ロゴスキーコイル７０は、セラミック基板部１０内に埋設され、第１のビア導体群３０Ｆを取囲む、略環状の戻り線７８と、戻り線７８の周りに螺旋状に巻いたコイル部７１とを備えている。コイル部７１は、複数の第１コイル要素７２と、複数の第２コイル要素７６と、第１コイル要素７２と第２コイル要素７６とを繋ぐ複数の第３ビア導体７４とから構成され、それぞれが第１コイル要素７２、第３ビア導体７４、第２コイル要素７６、第３ビア導体７４の順で配置されている。さらに、コイル部７１の一端が端子接続部８６を構成するビア導体を介してセラミック基板部の表面１１の上の計測端子８２と接続され、戻り線７８の一端が端子接続部８８を構成するビア導体を介してセラミック基板部の表面１１の上の計測端子８４と接続されている。コイル部７１の他端と戻り線７８の他端とは、ビア導体を介して、接続されている。ここで、略環状とは、一部が切り欠かれた環状を意味する。
【００２３】
本実施形態において、第１のビア導体群３０Ｆが、ロゴスキーコイル７０のコイル部７１がなす環の内側に配置されている。換言すると、平面視において、コイル部７１は、第１のビア導体群３０Ｆを取囲むように配置されている。
【００２４】
パワー半導体素子２００は、電力の変換を目的とする半導体素子である。本実施形態において、パワー半導体素子２００は、ＳｉＣ（Silicon carbide、炭化ケイ素）製のダイオードを用いている。パワー半導体素子２００の材料として、Ｓｉ（Silicon、シリコン），ＧａＮ（Gallium Nitride、窒化ガリウム）等を用いてもよい。また、パワー半導体素子２００として、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、サイリスタなどを用いてもよい。パワー半導体素子２００は、セラミック基板部１０側にカソード電極２０１が形成されており、接合材２１０を介して第３の配線部６０に実装されている（図２）。ここで、接合材２１０は、例えば、はんだバンプ等である。また、パワー半導体素子２００で発生した熱は、銅製の導通パッド３０２を介して放熱基板３００に伝わる。
【００２５】
図３は、配線基板１００を分解して示す分解平面図である。なお、図３（Ａ２）、（Ｂ２）、（Ｃ２）、および（Ｄ２）では、説明を明瞭にするために、基板層の下面に形成されたパターンのみを図示しており、ビアパターンの図示を省略している。図３（Ａ１）〜（Ａ３）は第１基板層１２、（Ｂ１）、（Ｂ２）は第２基板層１４、（Ｃ１）、（Ｃ２）は第３基板層１６、（Ｄ１）、（Ｄ２）は第４基板層１８、それぞれを、ビアパターン、表面に形成された配線パターンと共に平面視して示す。以下、第１〜４基板層を区別しないときは、単に基板層とも称する。図３では、各基板層を図２における上側から見た平面図を示している。以下、図２におけるセラミック基板部の表面１１側の面を上面、図２におけるセラミック基板部の裏面１９側の面を下面と称する。なお、図２において、第１コイル要素７２、第２コイル要素７６、および戻り線７８は、図示の都合上、各基板層の表面より内側（層内）に図示されているが、各基板層の表面に厚膜状に形成されている。
【００２６】
図３に示すように、第１基板層１２〜第４基板層１８には、それぞれ、複数の貫通孔が設けられている。また、全ての貫通孔にはビア導体が充填されている。そして、上面および下面の少なくともいずれか一方に、所定の形状の導体層が形成されている。これらのビア導体と導体層は、導通状態とされている。詳細を以下に説明する。なお、本実施形態において、配線基板１００は、４２本の第１のビア導体３１と、４０本の第２のビア導体３２とを備えるが、図３では、図示の都合上、本数を減らして図示している。
【００２７】
図３（Ａ１）に示すように、第１基板層１２の上面１２１には、第１の配線部４０と、計測端子８２、８４と、が配置されている。計測端子８２、８４は、第１の配線部４０と同様に、銅の電解メッキによって厚膜状に形成されている。図３（Ａ２）に示すように、第１基板層１２の下面１２２には、コイル部７１を構成する複数の第１コイル要素７２が配置され、平面視において略環状を成している。なお、第１コイル要素７２は、第１基板層１２の下面１２２に形成されているため、点線で図示し、１つの第１コイル要素７２に符号を付して、他の符号の図示を省略している。以下、同様に、基板層の下面に形成されているパターンは、点線で図示する。
【００２８】
図３（Ａ３）は、第１基板層１２に配置されているビア導体のみを表した図である。図３（Ａ３）に示すように、第１基板層１２には、図１中の端子接続部８６を構成するビア導体８６２、端子接続部８８を構成するビア導体８８２、図２中の複数の第１のビア導体３１を構成する複数のビア導体３１２、複数の第２のビア導体３２を構成する複数のビア導体３２２が形成されている。図３（Ａ３）において、複数のビア導体３１２、および複数のビア導体３２２については、破線で囲んで、符号を付して示している。複数のビア導体３１２は、第１基板層１２の上面１２１側において第１の配線部４０と接続されており、第１基板層１２の下面１２２側において、複数の第１コイル要素７２で形成される環の中に配置されている。複数のビア導体３２２は、第１基板層１２の上面１２１側において第１の配線部４０と接続されている。ビア導体８６２およびビア導体８８２は、第１基板層１２の上面１２１側において、それぞれ、計測端子８２および計測端子８４と接続されている。なお、以下に説明する図３（Ｂ１）、（Ｃ１）、（Ｄ１）について、図３（Ａ３）と同様に、複数本のビア導体については、破線で囲んで符号を付して示している。
【００２９】
図３（Ｂ１）に示すように、第２基板層１４には、端子接続部８６を構成するビア導体８６４、端子接続部８８を構成するビア導体８８４、複数の第１のビア導体３１を構成する複数のビア導体３１４、複数の第２のビア導体３２を構成する複数のビア導体３２４、複数の第３のビア導体７４を構成する複数のビア導体７４４が形成されている。大きさの異なる２つの環を成すように、各々のビア導体７４４は配置されている。各ビア導体７４４は、第２基板層１４の上面１４１側で対応する第１コイル要素７２と接続されている。また、図３（Ｂ２）に示すように、第２基板層１４の下面１４２には、戻り線７８を構成する導体層が配置されている。戻り線７８は、複数のビア導体７４４で形成される２つの環の間に配置されている。戻り線７８は、複数のビア導体７４４のうち、ビア導体８８４の周囲に位置するビア導体７４４Ｐと接続されている。これにより、戻り線７８とコイル部７１とが接続されている。
【００３０】
図３（Ｃ１）に示すように、第３基板層１６には、端子接続部８６を構成するビア導体８６６、複数の第１のビア導体３１を構成する複数のビア導体３１６、複数の第２のビア導体３２を構成する複数のビア導体３２６、複数の第３のビア導体７４を構成する複数のビア導体７４６が形成されている。図３（Ｃ２）に示すように、第３基板層１６の下面１６２には、コイル部７１を構成する複数の第２コイル要素７６が配置され、平面視において略環状を成している。複数の第２コイル要素７６は、それぞれ、厚膜状に形成されている。第２コイル要素７６は、対応するビア導体７４６と接続されている。複数の第２コイル要素７６のうちの１つの第２コイル要素７６Ｐは、ビア導体８６６と接続されている。これにより、計測端子８２がコイル部７１と接続されている。
【００３１】
図３（Ｄ１）に示すように、第４基板層１８には、複数の第１のビア導体３１を構成する複数のビア導体３１８、複数の第２のビア導体３２を構成する複数のビア導体３２８が形成されている。図３（Ｄ２）に示すように、第４基板層１８の下面１８２には、第２の配線部５０および第３の配線部６０が配置されている。第２の配線部５０は、複数のビア導体３１８と接続され、第３の配線部６０は複数のビア導体３２８と接続されている。第２の配線部５０および第３の配線部６０は、第１の配線部４０と同様に、銅の電解メッキによって厚膜状に形成されている。
【００３２】
このように、配線基板１００は、４枚の基板層が積層された構成を有しており、ビア導体３１２（図３（Ａ３））、ビア導体３１４（図３（Ｂ１））、ビア導体３１６（図３（Ｃ１））、およびビア導体３１８（図３（Ｄ１））から第１のビア導体３１が構成され、ビア導体３２２（図３（Ａ３））、ビア導体３２４（図３（Ｂ１））、ビア導体３２６（図３（Ｃ１））、およびビア導体３２８（図３（Ｄ１））から第２のビア導体３２が構成されている。また、第１コイル要素７２（図３（Ａ２））、ビア導体７４４（図３（Ｂ１））、ビア導体７４６（図３（Ｃ１））、および第２コイル要素７６（図３（Ｃ２））から、ロゴスキーコイル７０のコイル部７１が構成されている。
【００３３】
また、計測端子８２（図３（Ａ１））は、ビア導体８６２（図３（Ａ３））、ビア導体８６４（図３（Ｂ１））、およびビア導体８６６（図３（Ｃ１））を介して、コイル部７１の一端となる第２コイル要素７６と接続され、計測端子８４（図３（Ａ１））は、ビア導体８８２（図３（Ａ３））、ビア導体８８４（図３（Ｂ１））を介して、戻り線７８の一端と接続されている。計測端子８２、８４には、積分器（不図示）を含む信号処理回路が接続されており、後述するようにロゴスキーコイル７０を用いて、主電流経路形成部２０を流れる電流の電流値を計測することができる。
【００３４】
図４は、本実施形態の半導体モジュール１０００における電流の流れを示す説明図である。図４では、電流の流れを明確に示すために、ハッチングを省略している。パワー半導体素子２００がオン状態のとき、導通パッド３０２を介してパワー半導体素子２００に供給された電流は、第３の配線部６０、複数の第２のビア導体３２、第１の配線部４０、複数の第１のビア導体３１，第２の配線部５０の順に、主電流経路形成部２０を流れ、導通ブロック３０６および導通パッド３０４を介して、出力端子に流れ込む。パワー半導体素子２００をオンオフすると、第１のビア導体群３０Ｆを流れる電流が変化する。本実施形態において、ロゴスキーコイル７０は、平面視において、第１のビア導体群３０Ｆを取囲んでいるため、第１のビア導体群３０Ｆを流れる電流の変化量に相当する電圧信号が計測端子８２、８４を介して出力される。したがって、計測端子８２、８４に、積分器（不図示）を含む信号処理回路を接続して、パワー半導体素子２００に対する主電流経路形成部２０を流れる電流の電流値を計測することができる。
【００３５】
本実施形態において、配線基板１００は、以下のように製造されている。図３（Ａ１）に示す第１の配線部４０、計測端子８２，８４が形成されていない状態の第１基板層１２（以下、この状態の第１基板層１２を、第１基板層１２Ａと称する。）と、第２基板層１４（図３（Ｂ１），（Ｂ２））と、第３基板層１６（図３（Ｃ１），（Ｃ２））と、図３（Ｄ２）に示す第２の配線部５０および第３の配線部６０が形成されていない状態の第４基板層１８（以下、この状態の第４基板層１８を、第４基板層１８Ａと称する。）を積層し、圧着する。圧着された積層体を、第１〜第４基板層の焼成温度（約１４００〜１６００℃）で焼成する。すなわち、セラミック基板層とビア導体群とを、同時焼結する。その後、第１基板層１２Ａの上面１２１に図３（Ａ１）に示す第１の配線部４０、計測端子８２、８４を、電解メッキによって形成し、第４基板層１８Ａの下面１８２に図３（Ｄ２）に示す第２の配線部５０および第３の配線部６０を、電解メッキによって形成する。これにより、配線基板１００が完成する。本実施形態の配線基板１００の製造方法として、配線基板１００が複数繋がった多数個取り基板を作製し、最後に各配線基板１００に分割する方法を採用してもよい。本実施形態では、４枚の基板層を積層して配線基板１００を構成しているため、パワー半導体素子２００に対する主電流経路形成部２０と、ロゴスキーコイル７０とを一体的に備える配線基板を容易に製造することができる。
【００３６】
本実施形態において、配線基板１００がパワー半導体素子２００に対する主電流経路形成部２０とロゴスキーコイル７０とを備える。そのため、パワー半導体素子２００に対する主電流経路形成部２０を流れる電流の電流値を計測するために、半導体モジュール１０００の外部に電流計を設ける場合と比較して、電流値計測のための配線を新たに設けたり、引き延ばす必要はなく、主電流経路のインダクタンスの増大を抑制することができる。
【００３７】
また、本実施形態の配線基板１００によれば、ロゴスキーコイル７０は、第１のビア導体群３０Ｆを取囲むように配置され、主電流経路形成部２０とロゴスキーコイル７０との位置関係が固定されているため、主電流経路形成部２０を流れる電流のロゴスキーコイル７０を用いた検出において、安定した検出値を得ることができる。
【００３８】
また、第１のビア導体３１、第２のビア導体３２、およびロゴスキーコイル７０が、全て、タングステンおよびモリブデンのうち、少なくとも一方を含む高融点金属により形成されているため、セラミック基板部１０と同時に焼結で形成することができ、容易かつ低コストで製造することができる。
【００３９】
Ｂ．第２実施形態：
図５は、本発明の第２実施形態の半導体モジュール１０００Ａの構造を模式的に示す平面図であり、図６は、半導体モジュール１０００Ａの図５におけるＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。第２実施形態の半導体モジュール１０００Ａは、第１実施形態の半導体モジュール１０００における第２のビア導体群３０Ｓに換えて、端子３および端子４を備える。また、セラミック基板４００は、第１実施形態の半導体モジュール１０００における放熱基板３００に換えてもよい。本実施形態の半導体モジュール１０００Ａにおいて、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。なお、図５では、パワー半導体素子２００の表示を省略している。
【００４０】
端子３および端子４はモジュール外部と電気をやりとりするための端子で、端子３は導体３０２と、端子４は第１の配線部４０と、はんだ等で電気的に接続、固定されている。また、第２の配線部５０にはパワー半導体素子２００が接続されている。本実施形態では、パワー半導体素子２００として、ダイオードチップが用いられている。パワー半導体素子２００は、一方の面にカソード電極２０１が形成されており、第２の配線部５０と接合材２１０にて電気的に接続されている。ここで、接合材２１０は、例えば、はんだバンプ等である。なお、図５では説明を明解にするため第２の配線部５０の表示を割愛したが、第２の配線部５０の平面形状は、パワー半導体素子２００の電極形状に対応した長方形である。また、パワー半導体素子２００の他方の面にはアノード電極（不図示）が形成されており、セラミック基板４００の上に形成された導体３０２と、はんだ等により電気的に接続されている。したがって、本実施形態における半導体モジュール１０００Ａの主電流経路は、端子３−導体３０２−パワー半導体素子２００−第２の配線部５０−第１のビア導体３１−第１の配線部４０−端子４となる。
【００４１】
比較例として、従来の半導体チップに流れる電流値を計測する他の方法について、図７、８に基づいて説明する。
図７はインバータ回路を構成する１アーム分の電気回路図、図８は図７に示す回路構成を具現化したモジュールを概略的に示す概略鳥瞰図である。比較例では、２つのトランジスタＱ１、Ｑ２ならびにダイオードＤ１、Ｄ２が図７に示すように結線されている。Ｐ、ＮはそれぞれＤＣ電源の陽極と陰極に接続すべき端子、Ｕは負荷への出力端子、Ｇ１、Ｓ１、Ｇ２、Ｓ２は、それぞれトランジスタＱ１、Ｑ２の制御信号端子ならびに信号帰還用の端子である。図８中の太い線はアルミ製のワイヤで、半導体チップ（ダイオードＤ１、Ｄ２、およびトランジスタＱ１、Ｑ２）の表面にあるアルミ製電極と、セラミック基板上のニッケルメッキした銅箔の表面に超音波接合されている。トランジスタＱ１、Ｑ２、およびダイオードＤ１、Ｄ２のサイズは、一辺が５ミリから１センチである。
【００４２】
このような構造において従来の電流センサを挿入してダイオードを流れる電流を計測する場合、例えば、ダイオードＤ１と端子Ｐとの間に電流センサを挿入する構成が考えられる。しかしながら、ダイオードＤ１と端子Ｐとの間に電流センサを挿入するには、小型の電流センサを使っても配線を大きく引き伸ばさなければならず、主電流経路のインダクタンスが大幅に増えてしまう。その結果、リンギングが発生し、正確な電流値を計測できないおそれがある。
【００４３】
比較例に対し、第２実施形態の半導体モジュール１０００Ａによれば、パワー半導体２００および第１のビア導体３１を流れる電流値の変化量に従ってロゴスキーコイル７０の両端に誘導起電力が発生するので、これを、積分器に掛けることにより、主電流経路を流れる電流の電流値を計測することができる。そのため、パワー半導体素子２００の電流値の計測のために必要な配線長を増大させることなく、コンパクトな実装形態で、電流値を計測することができる。
【００４４】
・第２実施形態の変形例
図９は、第２実施形態の半導体モジュール１０００Ａの変形例である半導体モジュール１０００Ｂの断面構成を模式的に示す端面図である。この例では、ロゴスキーコイル７０を構成する第２コイル要素７６が、セラミック基板部１０の裏面１９に形成されている。すなわち、この例では、ロゴスキーコイル７０の一部がセラミック基板部１０に埋設されている。このようにしても、パワー半導体素子２００の実装に必要な配線長をほとんど変えずに、コンパクトな実装形態で、電流値を計測することができる。
【００４５】
Ｃ．第３実施形態：
図１０は、本発明の第３実施形態の半導体モジュール１０００Ｃの構造を模式的に示す平面図であり、図１１は、半導体モジュール１０００Ｃの図１０におけるＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。第３実施形態の半導体モジュール１０００Ｃは、第１実施形態の半導体モジュール１０００と同様に、第１のビア導体群３０ＦＣと第２のビア導体群３０ＳＣとを備える。但し、第１のビア導体群３０ＦＣを構成する第１のビア導体３１の本数、および第２のビア導体群３０ＳＣを構成する第２のビア導体３２の本数が、第１実施形態と異なる。また、第３実施形態の半導体モジュール１０００Ｃでは、第１のビア導体群３０ＦＣ側にパワー半導体素子２００が配置される。パワー半導体素子２００は、第２実施形態と同様に、ダイオードチップを用いている。なお、半導体モジュール１０００Ｃは、第２実施形態と同様に、放熱基板３００を備える。このようにしても、第１のビア導体群３０ＦＣを流れる電流の電流値を直接計測することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。但し、第１実施形態のように、ロゴスキーコイル７０が設けられていない第２のビア導体群３０ＳＣ側にパワー半導体素子２００が配置される構成にすると、ロゴスキーコイル７０がパワー半導体素子２００の制御に及ぼす影響を抑制することができるため、好ましい。
【００４６】
Ｄ．第４実施形態：
図１２は、第４実施形態の半導体モジュール１０００Ｄの構造を模式的に示す平面図である。半導体モジュール１０００Ｄは、パワー半導体素子２００として、ＳｉＣ（Silicon carbide、炭化ケイ素）製のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いている。半導体モジュール１０００Ｄは、第１実施形態の配線基板１００の構成に、さらに、ゲート部を備える。配線基板１００と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。ゲート部は、セラミック基板部１０の表面１１に形成される第１のゲート端子部Ｇ１とセラミック基板部１０の裏面１９に形成される第２のゲート端子部（図示しない）と、第１のゲート端子部Ｇ１と第２のゲート端子部とを電気的に接続する第１のゲート用ビア導体９２と、第２のゲート用ビア導体９４と、第１のゲート用ビア導体９２と第２のゲート用ビア導体９４とを電気的に接続する接続部９６と、を備える。なお、第４実施形態の半導体モジュール１０００Ｄは、放熱基板３００を備えていてもよい。
【００４７】
Ｅ．第５実施形態：
図１３は、第５実施形態の半導体モジュール１０００Ｅの概略構造を示す端面図である。半導体モジュール１０００Ｅは、第２実施形態の配線基板１００Ａと同様の構成（第１のビア導体３１の本数が異なる以外は、配線基板１００Ａと同一）の配線基板１００Ｅと、パワー半導体素子２００（第２実施形態と同様のダイオードチップ）とセラミック基板４００と、を備える。この実施形態では、セラミック基板４００の導体４０２上に実装された配線基板１００Ｅの第１の配線部４０に、パワー半導体素子２００がはんだ付けにより接合されている。そして、カソード電極２０１が、セラミック基板４００上の配線４０４と、ワイヤＷにより電気的に接続されている。
【００４８】
Ｆ．第６実施形態：
図１４は、第６実施形態の配線基板１００Ｇをバスバーに適用した例を説明するための説明図（平面視）であり、図１５は、図１４におけるＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的表す端面図である。配線基板１００Ｇは、第１実施形態の配線基板１００と同様に第１のビア導体群３０ＦＧと第２のビア導体群３０ＳＧとを備える。但し、第１のビア導体３１および第２のビア導体３２の本数、配置は、第１実施形態の配線基板１００と異なる。第６実施形態では、配線基板１００Ｇは、バスバー５０２と、バスバー５０４とに装着されている。ここで、図１５に示すように対向電流が流れる一対のバスバーのうち、上側のバスバー５０２とバスバー５０４とに分断し、その間を配線基板１００Ｇで電気的に繋ぐ構成となっている。また、バスバー５０２とバスバー５０４の幅が約２〜３ｃｍである。例えば、バスバー５０２−第３の配線部６０−第２のビア導体群３０ＳＧ−第１の配線部４０−第１のビア導体群３０ＦＧ−第２の配線部５０−バスバー５０４の順に電流が流れる場合に、計測端子８２、８４に、積分器（不図示）を含む信号処理回路を接続すると、その経路の電流値を計測することができる。すなわち、配線基板１００Ｇを用いて、電流センサを構成することができる。このようにすると、電流センサを小型化することができる。
【００４９】
Ｇ．第７実施形態：
図１６は、バスバーに流れる電流値を検出するために第７実施形態の配線基板１００Ｈを適用した例を示す平面図である。第７実施形態では、バスバー５０２Ａ、バスバー５０４Ａの幅が、約１〜２ｃｍであって、図１４に示すバスバー５０２、バスバー５０４より幅が細い。配線基板１００Ｈは、ロゴスキーコイル７０Ｈは、一部が切り欠かれた環状に形成されており、ロゴスキーコイル７０Ｈは第１のビア導体群３０ＦＨを取囲むように形成されている。このようにすると、バスバーの幅が細い（例えば、１〜２ｃｍ）の場合にも、バスバー間を流れる電流の電流値を計測することができる。
【００５０】
Ｈ．第８実施形態：
図１７は、第８実施形態の半導体モジュール１０００Ｉの概略構造を示す平面図である。半導体モジュール１０００Ｉは、第３実施形態の配線基板１００Ｃに、さらに第４のビア導体群３０Ｉを加えた配線基板１００Ｉを備える。そして、半導体モジュール１０００Ｉは、２つのパワー半導体素子２００Ａ、２００Ｂを備える。パワー半導体素子２００Ａはトランジスタであり、パワー半導体素子２００Ｂはダイオードである。ここで、例えば、図７に示した電気回路におけるスイッチング装置の一部として半導体モジュール１０００Ｉが使われるとき、トランジスタチップＱ１もしくはＱ２に順方向に流れる電流をロゴスキーコイル７０を用いて計測できる。一方、トランジスタの種類にもよるが（例えば、ＩＧＢＴ素子）、原理的には、ダイオードに前述の順方向と反対方向（逆方向）に電流を流すように設計される。従って、この場合、本実施形態の１０００Ｉを採用すれば、トランジスタのみ、またはダイオードのみに流れる電流をリンキングを発生させることなく容易に計測できる。
【００５１】
Ｉ．第９実施形態：
図１８は、第９実施形態の半導体モジュール１０００Ｊの構造を模式的に示す平面図であり、図１９は、半導体モジュール１０００Ｊの図１８におけるＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。半導体モジュール１０００Ｊは、第１実施形態の配線基板１００に換えて、配線基板１００Ｊを用いている。配線基板１００Ｊは、第１の配線部４０Ｊおよび第３の配線部６０Ｊが、第１実施形態の配線基板１００の第１の配線部４０および第３の配線部６０よりも大きく形成され、ロゴスキーコイル７０を覆う。すなわち、第１の配線部４０Ｊは、セラミック基板部１０の表面１１であって、ロゴスキーコイル７０が設けられた領域に対応する領域を全て覆うように配置されている。第３の配線部６０Ｊは、セラミック基板部１０の裏面１９であって、ロゴスキーコイル７０が設けられた領域に対応する領域を全て覆うように配置されている。このようにすると、ロゴスキーコイル７０が両面から導体によって覆われるため、外部の電磁ノイズからロゴスキーコイルに流れる信号を保護することができる。なお、本実施形態においても、放熱基板３００を備えていてもよい。
【００５２】
Ｊ．第１０実施形態：
図２０は、第１０実施形態の半導体モジュール１０００Ｋの構造を模式的に示す端面図である。半導体モジュール１０００Ｋでは、パワー半導体素子２００として、ＧａＮ（Gallium Nitride、窒化ガリウム）製であって、いわゆる「横型」のダイオードを用いている。配線基板１００Ｋは、第１の実施形態の配線基板１００の構成に加え、第４のビア導体群３０Ｋと、第４の配線部４０Ｋと、第５の配線部５０Ｋと、を備える。第４の配線部４０Ｋは、セラミック基板部１０の表面１１に設けられ、第５の配線部５０Ｋはセラミック基板部１０の裏面１９に設けられる。第２の配線部５０は、パワー半導体素子２００のカソード電極２０１と電気的に接続され、第５の配線部５０Ｋは、パワー半導体素子２００のアノード電極２０２と電気的に接続される。このようにしても、パワー半導体素子２００を流れる電流の電流値を精度よく計測することができる。
【００５３】
Ｋ．第１１実施形態：
図２１は、第１１実施形態の半導体モジュール１０００Ｌの構造を模式的に示す断面図である。配線基板１００Ｌでは、第２コイル要素７６をセラミック基板部１０Ｌの裏面に形成することにより、３層構造の配線基板１００Ｌを実現している。配線基板１００Ｌでは、ロゴスキーコイル７０の一部がセラミック基板部１０Ｌに埋設されている。
【００５４】
Ｌ．第１２実施形態：
図２２は、第１２実施形態の配線基板１００Ｍの平面構造を模式的に示す平面図である。図２３は、配線基板１００Ｍを適用した半導体モジュール１０００Ｍの図２２におけるＡ−Ａ線に沿った垂直断面を模式的に示す端面図である。図２３では、図２２におけるＡ−Ａ切断面に対応する切断面を図示している。配線基板１００Ｍのロゴスキーコイル７０Ｍは、第１の配線部４０に対応する領域には設けられていない。すなわち、第１のビア導体群３０Ｆと第２のビア導体群３０Ｓとの間には、ロゴスキーコイル７０が設けられていない。ロゴスキーコイル７０Ｍは、セラミック基板部１０Ｍの表面１１と垂直な方向から平面視で、一部が切り欠かれた環状に形成されており、その切り欠きは、第１のビア導体群３０Ｆと第２のビア導体群３０Ｓとの間に相当する領域に位置する。第１のビア導体群３０Ｆと第２のビア導体群３０Ｓとの間には、ロゴスキーコイル７０が設けられないため、第１コイル要素７２をセラミック基板部１０Ｍの表面１１に配置することができる。そのため、配線基板１００Ｍでは、第１コイル要素７２をセラミック基板部１０Ｍの表面１１に配置し、第２コイル要素７６をセラミック基板部１０Ｌの裏面１９に配置することにより、２層構造の配線基板１００Ｍを実現している。配線基板１００Ｍでは、ロゴスキーコイル７０Ｍの一部がセラミック基板部１０Ｍに埋設されている。
【００５５】
Ｍ．第１３実施形態：
図２４は、第１３実施形態の配線基板１００Ｐの平面構造を模式的に示す平面図である。図２５は、配線基板１００Ｐを適用した半導体モジュール１０００Ｐの図２４におけるＡ−Ａ線に沿った断面を模式的に示す端面図である。図２５では、図２４におけるＡ−Ａ切断面に対応する切断面を図示している。配線基板１００Ｐでは、ロゴスキーコイル７０Ｐの戻り線７８Ｐが、コイル部７１Ｐの外側に配置されている。このようにすると、戻り線７８Ｐをセラミック基板部１０Ｐの表面１１に配置することができるため、単層構造の配線基板１００Ｐを実現することができる。配線基板１００Ｐでは、ロゴスキーコイル７０Ｐの一部がセラミック基板部１０Ｐに埋設されている。
【００５６】
Ｎ．第１４実施形態：
図２６は、第１４実施形態の半導体モジュール１０００Ｑの断面構造を模式的に示す断面図である。半導体モジュール１０００Ｑは、パワー半導体素子２００として、第８実施形態に記載したＧａＮ製であって、いわゆる「横型」のダイオードを用いている。配線基板１００Ｑは、第８実施形態の配線基板１００Ｋにおいて、第２コイル要素７６をセラミック基板部１０の裏面１９に形成して、軟磁性体７９を第３基板層１６に配置したものである。軟磁性体７９は、表面１１に垂直な方向からの平面視で戻り線７８に沿ってロゴスキーコイルの内側に存在していれば、戻り線７８と同一の形状でなくてもよい。また、後述する図２６のように近接した別の層に形成されていても、あるいは断続的存在していてもよい。軟磁性体によって電流値検出感度は増大する。
【００５７】
Ｏ．変形例：
本発明は、例えば、次のような変形も可能である。
【００５８】
（１）  上記実施形態において、パワー半導体素子２００と、出力端子間に配置される主電流経路形成部２０を備える配線基板１００を例示したが、主電流経路形成部２０は、パワー半導体素子２００に対する主電流経路を形成すればよい。例えば、２つのパワー半導体素子間の主電流経路を形成する主電流経路形成部を備える配線基板として構成してもよい。
【００５９】
（２）  上記実施形態および変形例において、第１のビア導体３１および第２のビア導体３２は、それぞれ、第１の貫通孔２１および第２の貫通孔２２全体に充填されて形成されているが、貫通孔の全体がビア導体で充填されていなくてもよい。例えば、貫通孔の壁面のみに形成されてもよいし、貫通孔の一部に充填され、一部は壁面のみに形成されてもよい。
【００６０】
（３）  上記実施形態及び変形例において、配線基板１００の使用温度が低い環境、例えば１５０℃以下で使用される場合には、前記セラミック基板部１０の代わりに、たとえばガラスエポキシ等の樹脂で形成される樹脂基板部を用いても良い。
【００６１】
（４）  上記実施形態および変形例において、配線基板１００を、５層以上の層を有する積層基板をとしてもよい。
【００６２】
（５）上記各実施形態および変形例において、ロゴスキーコイル７０を形成するコイル部７１の内部に磁性体を配置してもよい。磁性体は、戻り線７８に重ねてもよいし、戻り線７８が形成される層と別の層に形成してもよい。コイル部７１の内部に磁性体を配置すると、計測すべき電流がつくる磁界の多くが磁性体に集まるため、計測感度が増す。
【符号の説明】
【００６３】
１０…セラミック基板部
１１…表面
１２…第１基板層
１４…第２基板層
１６…第３基板層
１８…第４基板層
１９…裏面
２０…主電流経路形成部
２１…第１の貫通孔
２２…第２の貫通孔
３０Ｆ…第１のビア導体群
３０Ｓ…第２のビア導体群
３１…第１のビア導体
３２…第２のビア導体
４０…配線部
５０…第２の配線部
６０…第３の配線部
７０…ロゴスキーコイル
７１…コイル部
７２…第１コイル要素
７６…第２コイル要素
７８…戻り線
８２，８４…計測端子
１００…配線基板
２００…パワー半導体素子
３００…放熱基板
３０２，３０４…導通パッド
３０６…導通ブロック
１０００…半導体モジュール
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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