(57)【要約】【課題】  バスバ電極の寄生インダクタンスを低減することができる半導体装置の提供。【解決手段】  半導体装置は、電源の高電位側に接続されるバスバ電極５と、電源の低電位側に接続されるバスバ電極４と、出力バスバ電極２６とを有している。バスバ電極４，５を絶縁部材２２を介してそれぞれ積層し、バスバ電極４の上に絶縁部材２１を介して冷却器３を載置する。冷却器３の冷却面上には半導体素子２ａ，２ｂが実装された基板１が固定されている。すなわち、冷却器３は、バスバ電極４，５と基板１とに教示されるような配置となっている。バスバ４，５は絶縁部材２２を介して積層され、冷却器３の裏面側全体に拡がるように大きくされているため、バスバ電極３，４の寄生インダクタンスを大きく低減することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が実装された基板が載置される冷却器と、前記半導体素子と接続される板状のバスバ電極を複数備える半導体装置において、
前記複数のバスバ電極を絶縁部材を介してそれぞれ積層し、積層されたバスバ電極上に前記基板が載置された冷却器を載置したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子が実装された基板が載置される冷却器と、前記半導体素子と接続される板状のバスバ電極を複数備える半導体装置において、
前記複数のバスバ電極は電源の高電位側に接続される第１のバスバ電極と、電源の低電位側に接続される第２のバスバ電極と、出力用電極である第３のバスバ電極とで構成され、
前記第１および第２のバスバ電極を絶縁部材を介してそれぞれ積層して、積層されたバスバ電極上に前記基板が載置された冷却器を配設するとともに、前記第３のバスバ電極を前記冷却器の側面側に配設し、
前記第１のバスバ電極と前記半導体素子とを接続する第１の導電部材と、前記第２のバスバ電極と前記半導体素子とを接続する第２の導電部材とを、前記冷却器の側面側であって前記第３のバスバ電極が配設されていない領域に配設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記積層されたバスバ電極上に、半導体素子が実装された前記冷却器を複数配設したことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置等に用いられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスターなどの半導体素子を用いて直流電力を交流電力に変換するインバーターや、交流電力を直流電力に変換するコンバーターなどの半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。これらの半導体装置では、半導体素子の発熱が比較的大きいため、半導体素子をヒートシンク等の冷却器に取り付けて冷却するようにしている。
【０００３】
特許文献１に記載の半導体装置は３相インバータを構成するものであり、冷却面上に半導体素子が配設された冷却器をベース基板上に複数配置し、それらの上方に回路基板を配置するようにしている。半導体素子の各端子には入力・出力用のバスバ電極が接続され、出力用バスバ電極を介してモータに交流電力が供給される。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２９６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の半導体素子では、回路基板と冷却器に配設された半導体素子との間に強電用電極が配置され、その強電用電極を避けるように半導体素子と回路基板との配線が配されている。そのため、ノイズの影響を受けやすく、回路動作への悪影響が出たり半導体装置を小型化し難いという問題があった。また、強電電極を大きく引き回して配置しているため、寄生インダクタンスの増大や、半導体素子への電流バランスの悪化などが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体素子が実装された基板が載置される冷却器と、半導体素子と接続される板状のバスバ電極を複数備える半導体装置に適用される。そして、複数のバスバ電極を絶縁部材を介してそれぞれ積層し、積層されたバスバ電極上に基板が載置された冷却器を載置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数のバスバ電極を絶縁部材を介してそれぞれ積層し、その積層されたバスバ電極上に冷却器を載置するようにしたので、半導体装置の大型化を避けつつバスバ電極の面積を大きくすることができ、バスバ電極の寄生インダクタンスを低減することができるとともにサージ電圧の大幅な減少を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による半導体装置の一実施の形態を示す図である。図１は、電気自動車用モータを駆動するための３相インバータの一部を示す平面図である。１は半導体素子２ａ，２ｂが実装された基板であり、図示上下方向に並んだ一列の基板１が各相に含まれる基板１を構成している。すなわち、左側の一列はＵ相を構成し、中央の一列はＶ相を構成し、右側の一列はＷ相を構成している。Ｕ相，Ｖ相およびＷ相の各相を構成する各基板１は、各相毎に設けられた冷却器３の冷却面上にそれぞれ載置されている。各冷却器３は第２のバスバ電極４上に設けられている。
【０００９】
図２は、Ｕ相を構成する複数の基板１の内の一つを示したものである。また、図３の（ａ）は図１のＡ１−Ａ１断面図、（ｂ）はＢ１−Ｂ１断面図、（ｃ）はＣ１−Ｃ１断面図である。各基板１の構成は全て同一構成となっており、図３に示したような基板１よりも下側の構造についても同一構造となっている。よって、以下では、図２に示した基板１に関して詳細構造を説明する。
【００１０】
インバータ等の電力変換装置では、スイッチング素子としてＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴのようなパワー半導体素子が用いられる。例えば、半導体素子２ａ，２ｂにＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、半導体素子２ａ，２ｂの裏面側はドレイン端子になっており、表面側にはソース端子および制御用のゲート端子が形成されている。基板１上には３つの配線パターン１０，１１，１２が形成されており、半導体素子２ａは配線パターン１０上に実装され、半導体素子２ｂは配線パターン１１上に実装されている。すなわち、配線パターン１０は半導体素子２ａのドレイン端子と導通しており、配線パターン１１は半導体素子２ｂのドレイン端子と導通している。
【００１１】
また、半導体素子２ａのソース端子はボンディングワイヤ１３により配線パターン１１に接続され、ゲート端子はボンディングワイヤ１４によりゲート用電極１５ａに接続されている。一方、半導体素子２ｂのソース端子はボンディングワイヤ１６により配線パターン１２に、ゲート端子はボンディングワイヤ１７によりゲート用電極１５ｂに接続されている。
【００１２】
図３（ａ）に示すように、基板１は放熱シート２０を介して冷却器３の上に設けられている。冷却器３は水冷タイプのものであり、内部には冷却水路が形成されている。図１に示したように冷却器３はＵ、Ｖ，Ｗの各相毎に設けられており、各冷却器３は図３（ａ）の断面図に示すように絶縁部材２１を介してバスバ電極４の上に載置されている。さらに、バスバ電極４の下面側には、絶縁部材２２を介して第２のバスバ電極５が設けられている。
【００１３】
すなわち、冷却器３，バスバ電極４およびバスバ電極５は上下に積層されるように設けられ、半導体装置の設置面積と同程度の広い面積を有している。バスバ電極４はＤＣ電源の低電位側に接続され、バスバ電極５はＤＣ電源の高電位側に接続される。なお、ゲート電圧制御用回路が設けられる回路基板２３は、基板１の上方に隙間をあけて設けられている。
【００１４】
バスバ電極４の冷却器３が載置されている近傍には、基板１の配線パターン１０に対応するように開口４ａがそれぞれ形成されている（図１参照）。この開口４ａの部分には絶縁部材２１は設けられておらず、図３（ａ）に示すように開口４ａを貫通するように垂直電極２５がバスバ電極５の上面に立設されている。垂直電極２５には基板１方向に延在する腕部２５ａが設けられており、この腕部２５ａは基板１の配線パターン１０に接続されている。すなわち、半導体素子２ａのドレイン端子は、冷却器３の側方に設けられた垂直電極２５を介してバスバ電極５に電気的に接続されている。
【００１５】
同様に、バスバ電極４上には、基板１の配線パターン１２に対応する位置に垂直電極２４が立設されている（図３（ｃ）参照）。垂直電極２４にも基板１方向に延在する腕部２４ａが設けられており、腕部２４ａは基板１の配線パターン１２に接続されている。すなわち、半導体素子２ｂのソース端子は、冷却器３の側方に設けられた垂直電極２４を介してバスバ４に電気的に接続されている。さらに、冷却器３の反対側の側方には出力バスバ電極２６が設けられており、出力バスバ電極２６に設けられた複数の腕部２６ａは、基板１の配線パターン１１に接続されている。垂直電極２４，２５とバスバ電極４，５との接続、垂直電極２４，２５および出力バスバ電極２６と配線パターン１０，１１，１２との接続には、半田付け、抵抗溶接法、超音波溶接法などが用いられる。
【００１６】
なお、上述した実施の形態では、バスバ電極４とバスバ電極５とが同一形状であるため、バスバ電極４に開口４ａを形成して、垂直電極２５を開口４ａを貫通するように設けたが、図８のような構成としても良い。図８に示す例では垂直電極２５が設けられる部分のバスバ電極５の左右寸法をバスバ電極４よりも若干大きくし、バスバ電極４との間にギャップを設けて垂直電極２５を立設するようにした。
【００１７】
上述した第１の実施の形態における半導体装置は、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）基板１が載置される冷却器３とバスバ電極４，５とを積層構造とすることにより、バスバ電極４，５の面積を半導体装置の設置面積と同程度まで大きくすることができる。そして、バスバ電極４，５が大きな面積を有することに加えてそれらが積層されているため、バスバ電極４，５の寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、バスバ電極４，５を流れる電流の電流密度の低減を図ることができ、サージ電圧が大幅に減少する。
【００１８】
（２）バスバ電極４，５を冷却器３の下側に積層したことにより、バスバ電極４，５の面積を大きくしても半導体装置自体が大型化することがない。また、バスバ電極４，５や垂直電極２４，２４および出力バスバ電極２６が半導体素子２ａ，２ｂの上方を覆うように配置されないため、半導体素子２ａ，２ｂと回路基板２３との間隔を小さくすることができるとともに、これらの間の配線構造が簡単となり配線作業も容易となる。さらに、半導体素子２ａ，２ｂと回路基板２３との配線が短縮化されるため、ノイズの影響を受け難くなるという利点を有している。
【００１９】
（３）冷却器３側方のバス電極４，５上に垂直電極２４，２５を立設させ、それぞれ配線パターン１０，１２と接続するようにしたので、バス電極４，５と配線パターン１０，１２との接続をほぼ等しい長さでかつ最短距離で接続することができる。そのため、バスバ電極４，５および垂直電極２４，２５の部分の低インダクタンス化が図れるとともに、各半導体素子２ａ，２ｂの電流バランスを均一にすることができる。その結果、図１に示すように複数の半導体素子２ａ，２ｂを用いた場合であっても、電気的な悪影響が生じることなく半導体装置の容量を大きくすることが容易に可能となる。
【００２０】
［変形例１］
図４、図５は半導体装置の第１の変形例を示す図であり、上述した図２、図３に対応する図である。すなわち、図４はＵ層の一部を示す平面図であり、図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）は図４のＡ２−Ａ２断面図、Ｂ２−Ｂ２断面図およびＣ２−Ｃ２断面図である。図５の各断面図に示すように、第１の変形例はバスバ電極４とバスバ電極５との上下位置関係を逆にしたものである。
【００２１】
上側に配置されたバスバ電極５の冷却器３が載置されている近傍には、基板１の配線パターン１２に対応するように開口５ａがそれぞれ形成されている（図４参照）。垂直電極２５は、開口５ａを貫通するようにバスバ電極５上に立設されている。垂直電極２５の腕部２５ａは、上述した実施の形態と同様に基板１の配線パターン１２に接続されている。その他の構造について、上述した実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００２２】
第１の変形例では、上述した実施の形態の作用効果に加えて、次のような作用効果を有している。低電位側に接続されるバスバ電極４に開口を形成していないので、バスバ電極４内部の電流の流れに乱れが生じにくく、より一層の低インダクタンス化が達成できる。一般的に低電位側はグランド電位とされ、回路基板２３に設けられた半導体素子駆動用制御回路の基準電位とされる。第１の変形例では、この低電位側の寄生インダクタンス低減により一層の安定化を図ることができ、半導体装置の誤動作や半導体素子２ａ，２ｂの破壊がさらに起き難くなる。
【００２３】
［変形例２］
図６、図７は半導体装置の第１の変形例を示す図であり、上述した図２、図３に対応する図である。すなわち、図６はＵ層の一部を示す平面図であり、図７の（ａ），（ｂ），（ｃ）は図６のＡ３−Ａ３断面図、Ｂ３−Ｂ３断面図およびＣ３−Ｃ３断面図である。第２の変形例においても、第１の変形例と同様に下側からバスバ電極４、バスバ電極５、冷却器３の順に積層した。そして、第１の変形例と異なる点は、垂直電極２４，２５の幅寸法をより大きくし、図７（ａ），（ｂ）に示すように垂直電極２４の一部と垂直電極２５の一部とを絶縁部材３０を介して積層したところにある。その結果、第２の変形例は第１の変形例の効果に加えて、さらに、この垂直電極２４，２５の部分における寄生インダクタンスの低減が図れる。そのため、半導体素子２ａ，２ｂの駆動時に生じるサージ電圧が一層低減され、半導体素子２ａ，２ｂや半導体装置の誤作動等を防止することができる。
【００２４】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、バスバ電極５は第１のバスバ電極を、バスバ電極４は第２のバスバ電極を、出力バスバ電極２６は第３のバスバ電極を、垂直電極２５は第１の導電部材を、垂直電極２４は第２の導電部材をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による半導体装置の一実施の形態を示す図であり、３相インバータの一部を示す平面図である。
【図２】図１のＵ相を構成する複数の基板１の内の一つを示した平面図である。
【図３】（ａ）は図１のＡ１−Ａ１断面図、（ｂ）はＢ１−Ｂ１断面図、（ｃ）はＣ１−Ｃ１断面図である。
【図４】第１の変形例を示す図であり、Ｕ相を構成する複数の基板１の内の一つを示した平面図である。
【図５】（ａ）は図４のＡ２−Ａ２断面図、（ｂ）はＢ２−Ｂ２断面図、（ｃ）はＣ２−Ｃ２断面図である。
【図６】第２の変形例を示す図であり、Ｕ相を構成する複数の基板１の内の一つを示した平面図である。
【図７】（ａ）は図６のＡ３−Ａ３断面図、（ｂ）はＢ３−Ｂ３断面図、（ｃ）はＣ３−Ｃ３断面図である。
【図８】（ａ）はバスバ電極４に開口４ａを設けない場合の平面図であり、（ｂ）はＤ−Ｄ断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  基板
２ａ，２ｂ  半導体素子
３  冷却器
４，５  バスバ電極
４ａ，５ａ  開口
２１，２２，３０  絶縁部材
２３  回路基板
２４，２５  垂直電極
２４ａ，２５ａ，２６ａ  腕部
２６  出力バスバ電極
【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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