(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーエレクトロニクス回路で用いられるパワー半導体素子を構成するパワー半導体チップであって、当該パワー半導体チップのダイの表面形状が正三角形であり、
前記パワー半導体チップは、エミッタ又はソース、コレクタ又はドレイン、ベース又はゲートの３つの端子を有するパワートランジスタであり、
前記エミッタ又はソースの端子は正三角形の前記ダイの一方側の面の何れか１つの頂点部に配置され、
前記ベース又はゲートの端子は前記一方側の面において前記頂点部の対辺に配置され、
前記コレクタ又はドレインの端子は他方側の面に配置されるパワー半導体チップの頂点部をつき合わせることにより、６つの前記パワー半導体チップを接続して正六角形状に構成すると共に、同一端子同士を導通可能に複数接続することによってパワー半導体モジュールを構成し、
前記正六角形状に接続される前記パワー半導体チップがパワートランジスタであり、
前記パワートランジスタの前記パワー半導体モジュールと同一形状のダイの一方の面がアノード端子、他方の面がカソード端子であり、回生ダイオードとして前記パワートランジスタに接続される他の種類の前記パワー半導体チップを２つ備え、
当該回生ダイオードの前記パワー半導体チップが、正六角形状に構成された前記パワートランジスタの１つの辺を挟んで隣り合う２辺に対して、それぞれ１つの辺が平行な状態で配置されて、８つの前記パワー半導体チップにより等脚台形状に構成されるパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記パワー半導体チップが、円柱状に形成された複数のパワー半導体セルを千鳥状に配置し、当該各パワー半導体セルを接続することによって集積される請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記パワー半導体チップは、円柱状に形成された複数のパワー半導体セルを千鳥状に配置し、当該各パワー半導体セルを接続することによって集積されるものであり、
前記パワー半導体セルは、エミッタ電極、コレクタ電極、ゲート電極の３つの電極を有した絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、
前記ゲート電極は、単一の前記パワー半導体セルにおいて完結する縦穴構造のトレンチの内部に絶縁層を介して形成される請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記パワー半導体セルは、前記パワー半導体チップの前記ゲート端子と接続されるそれぞれの前記ゲート電極に、前記ゲート端子との配線距離に応じたゲート抵抗を備える請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記パワー半導体チップが、格子構造[1,1,1]を有したウェハに集積される請求項１〜４の何れか一項記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のパワー半導体モジュールを用いて構成され、直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置であって、
６つの前記パワー半導体モジュールを正六角形状に配置して構成されるインバータ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のインバータ装置が、正六角形状の当該インバータ装置の中心とモータの回転軸とを一致させて、当該モータの端部に備えられるインバータ一体型モータ。
【請求項８】
前記モータと前記インバータ装置との間に前記モータ及び前記インバータ装置の双方を冷却可能な冷却部が備えられる請求項７に記載のインバータ一体型モータ。
【請求項９】
前記モータの前記回転軸の回転位置により前記モータのロータの回転位置を検出する回転検出センサが、正六角形状の前記インバータ装置の中央部の空間に備えられる請求項７又は８に記載のインバータ一体型モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータとインバータとが一体化されたインバータ一体型モータ、当該インバータ一体型モータに利用されるパワー半導体チップ、パワー半導体モジュール、及び当該パワー半導体モジュールを用いたインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータと当該モータを駆動するインバータとを一体化することにより、装置全体を小型化する技術が知られている。下記に出典を示す特許文献１には、車両用インバータ一体型電動コンプレッサに関する技術が開示されている。この装置のインバータ部は、良く知られたように、６つのパワーＭＯＳトランジスタモジュール、平滑コンデンサ等を有して構成されている。そして、バッテリから給電される直流電力を３相交流電力に変換してコンプレッサのモータ部に給電する。モータのハウジングの周壁外周面には台座部が設けられ、この台座部は平坦な台座面を有している。各パワーＭＯＳトランジスタモジュールは、樹脂絶縁シートを介してねじ１２により台座面に固定されている。インバータから出力される３本の交流端子は、引き出し線を介してモータの３相の各ステータコイルに接続される。
【０００３】
また、モータにおいては、インバータの発熱を抑制するヒートマネジメントも重要である。特許文献１の技術では、モータのハウジングを利用してインバータが発生する熱を放熱させている。また、下記に出典を示す特許文献２には、半導体チップの両面から冷却可能な半導体スイッチングモジュールが開示されている。これによれば、ハイサイド板及びローサイド板と、ミドルサイド板とによってハイサイド側及びローサイド側の半導体チップを挟んでサンドイッチ構造とし、両面冷却を行っている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２２０８２号公報（第４３〜６３段落、図１、３、５等）
【特許文献２】特開２００１−３０８２６３号公報（第３２〜４３段落、第５３〜５８段落、図１、図６等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び２に記載の技術によれば、インバータを効果的に冷却することが可能である。しかし、冷却はモータに対しても必要であり、インバータとモータとを別々に冷却する必要がある。特許文献１のようにインバータとモータとが一体化されていても、モータの周壁の一部しか冷却されないので、やはりモータの冷却は別途必要である。また、モータのステータコイルはモータ軸に対して平衡状態にあるが、インバータがモータの軸方向に設けられなければ、３相の結線の長さが平衡状態にならない。特許文献１のようにモータとインバータとを一体化すれば３相の結線の長さは短くなるが、インバータがモータの周壁に設けられているため、結線の長さは平衡状態にならない。特許文献１及び２に記載の半導体（トランジスタモジュール、チップ）はその形状が方形であり、インバータをモータの軸方向に効率的に設置して、モータとインバータとを一体化することの妨げとなっている。
【０００６】
本願発明は上記課題に鑑みて創案されたもので、インバータとモータとの配線における３相の平衡性が高く、冷却性能にも優れたインバータ一体型モータを提供することを目的とする。また、当該インバータ一体型モータに好適に利用することができる半導体チップを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る、パワーエレクトロニクス回路で用いられるパワー半導体素子を構成するパワー半導体チップの特徴構成は、当該パワー半導体チップのダイの表面形状が正三角形である点にある。
【０００８】
パワー半導体チップにより構成されるトランジスタやダイオードなどのパワー半導体素子は、電流容量などの電気的特性を向上させるためにしばしば、複数個を並列接続して用いられる。正三角形は、組み合わせることによって、四角形や六角形などの多角形を構成することが容易な形状である。従って、設計者は、要求される電気的特性に応じて必要な数のパワー半導体チップを柔軟に組み合わせることができる。例えば、設計者は、モータとインバータとが一体化されたインバータ一体型モータの種々の電気的特性に応じて、適宜最適なインバータを構成することができる。従って、本特徴構成によれば、インバータ一体型モータに好適に利用することができる半導体チップが提供される。
また、半導体ウェハは円形であるが、表面形状が方形状のダイが切り出される場合に比べて正三角形状のダイが切り出される場合は、有効活用可能な半導体ウェハの面積が広くなる。
【０００９】
また、本発明に係るパワー半導体チップのさらなる特徴構成は、円柱状に形成された複数のパワー半導体セルを千鳥状に配置し、当該各パワー半導体セルを接続することによって集積される点にある。
【００１０】
円柱状に形成された複数のパワー半導体セルが、１つのパワー半導体チップに、千鳥状に配置されるので、パワー半導体チップが高い集積度で形成される。また、パワー半導体セルを千鳥状に配置することで、各パワー半導体チップの配線経路の幾何学的な規定が容易となり、総配線長を短くすることができる。また、各パワー半導体セルの電極部と、パワー半導体チップの端子とのインピーダンスを均質化することができる。
【００１１】
また、本発明に係るパワー半導体チップのさらなる特徴構成は、
前記パワー半導体チップが、エミッタ又はソース、コレクタ又はドレイン、ベース又はゲートの３つの端子を有するパワートランジスタであり、
前記エミッタ又はソースの端子が正三角形の前記ダイの一方側の面の何れか１つの頂点部に配置され、
前記ベース又はゲートの端子が前記一方側の面において前記頂点部の対辺に配置され、
前記コレクタ又はドレインの端子は他方側の面に配置される点にある。
【００１２】
正三角形状のパワー半導体チップを隙間が空かないように複数個組み合わせる場合、その頂点部を突き合わせるとチップの実装効率がよい。エミッタ又はソース端子には、大電流が流れるため、パワー半導体チップの組み合わせ構造によっては、複数のパワー半導体チップの端子間を接続する配線のインピーダンスによる影響が回路に出現し易くなる。しかし、本特徴構成のように、突き合わされる頂点部にエミッタ又はソース端子を設けることで、突き合わされる頂点部にエミッタ又はソース端子を集めることができる。その結果、複数のパワー半導体チップのエミッタ又はソース端子を接続する配線のインピーダンス（特にインダクタンス）を抑制することができる。モータ設計及びモータ制御の設計において、インダクタンスの問題は、無視できないものであると共に対処が困難なものである。従って、パワー半導体チップを組み合わせるに当たって、構造的にインダクタンスを低減することは非常に有用である。このように、本特徴構成によれば、インバータ一体型モータに好適に利用することができる半導体チップが提供される。
【００１３】
また、本発明に係るパワー半導体チップのさらなる特徴構成は、
前記パワー半導体チップは、円柱状に形成された複数のパワー半導体セルを千鳥状に配置し、当該各パワー半導体セルを接続することによって集積されるものであり、
前記パワー半導体セルが、エミッタ電極、コレクタ電極、ゲート電極の３つの電極を有した絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、
前記ゲート電極が、単一の前記パワー半導体セルにおいて完結する縦穴状のトレンチの内部に絶縁層を介して形成される点にある。
【００１４】
トレンチゲート構造を備えた一般的な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、そのトレンチ形状が１つのパワー半導体セルの端部まで延在する溝構造である。それに対し、本発明のパワー半導体セルのトレンチゲート構造は、１つのパワー半導体セルにおいて完結する縦穴構造である。従って、パワー半導体セルの表面においてゲートが占める面積を相対的に狭くすることができ、大電流が流れるエミッタの面積を相対的に広くすることができる。その結果、パワー半導体セルのエミッタ電極及びパワー半導体チップのエミッタ端子におけるインピーダンスを低減することができる。
【００１５】
また、本発明に係るパワー半導体チップのさらなる特徴構成は、前記パワー半導体セルは、前記パワー半導体チップの前記ゲート端子と接続されるそれぞれの前記ゲート電極に、前記ゲート端子との配線距離に応じたゲート抵抗を備えることを特徴とする。
【００１６】
それぞれのパワー半導体セルのゲート電極に、パワー半導体チップのゲート端子との配線距離に応じたゲート抵抗を備えることにより、当該ゲート端子から各セルのゲート電極への駆動信号の伝播遅延時間を均一化することができる。その結果、パワー半導体チップが安定して動作する。
【００１７】
また、本発明に係るパワー半導体チップは、格子構造[1,1,1]を有したウェハに集積されることを特徴とする。
【００１８】
シリコンなどの半導体は、ダイヤモンド構造を有しており、その結晶には一定の面に沿って割れやすい「へき開性」と言われる性質がある。例えば、格子構造[1,0,0]のウェハは直交型の格子構造である。正三角形のパワー半導体チップに対しウェハからダイシングを行う際には、１つのへき開面に対して６０度や１２０度の方向に沿うカットが必要である。この際、微小範囲において、へき開面に沿った割れを生じ、カットラインが階段状となる可能性がある。従って、パワー半導体チップの回路に影響が無いように、隣接するパワー半導体チップの間に充分なマージンを設ける必要がある。一方、格子構造[1,1,1]の結晶は、１つのへき開面に対して６０度方向及び１２０度方向へのへき開性を有した結晶である。このため、格子構造[1,1,1]の結晶構造を有するウェハから正三角形のパワー半導体チップをダイシングする際には、微小範囲においてもカットラインが階段状となることがない。従って、階段状となるカットラインに考慮して、ウェハ上において多くのマージンを設ける必要はなく、ウェハ上の集積度が向上する。
【００１９】
本発明に係るパワー半導体モジュールの特徴構成は、上記何れかのパワー半導体チップの同一端子同士を導通可能に複数接続することによって構成される点にある。
【００２０】
パワーエレクトロニクス回路で利用されるトランジスタやダイオードなどのパワー半導体素子は、その回路の特性に応じて、種々の電気的特性（電流容量など）が要求される。しかし、それら全ての要求仕様に応じて、パワー半導体チップを準備することは現実的ではない。本特徴構成によれば、複数個のパワー半導体チップの同一端子同士を導通可能に接続することによって、電気的特性の異なるパワー半導体モジュールが得られる。つまり、少ない種類のパワー半導体チップをモジュール化することで、多種のパワー半導体素子に相当するパワー半導体モジュールを構成することができる。例えば、設計者は、モータとインバータとが一体化されたインバータ一体型モータの種々の電気的特性に応じて、適宜最適なインバータを構成するためのパワー半導体モジュールを構成することができる。
【００２１】
また、本発明に係るパワー半導体モジュールの特徴構成は、前記パワー半導体チップの頂点部をつき合わせることにより、６つの前記パワー半導体チップを接続して正六角形状に構成される点にある。
【００２２】
この特徴構成によれば、正三角形を６つ組み合わせて正六角形状のパワー半導体モジュールが構成される。正三角形のパワー半導体チップを効率的に組み合わせることができるので、パワー半導体チップをモジュール化する際のモジュール回路の実装効率を高くすることができる。
パワー半導体チップが、パワートランジスタであり、突き合わされる頂点部にエミッタ又はドレイン端子が設けられているとさらに好適である。正六角形状のパワー半導体モジュールの中心部には、正三角形状のパワー半導体チップの頂点部が、突き合わされている。突き合わされる頂点部がエミッタ端子であれば複数のパワー半導体チップのエミッタ端子間を最短距離で接続することができる。パワートランジスタのエミッタ端子には、大電流が流れるため、エミッタ端子相互の配線のインピーダンスが高いと回路の安定動作に好ましくない。しかし、このようにエミッタ端子間を最短距離で接続すれば、インピーダンス（特にインダクタンス）を抑制することができ、パワー半導体チップをモジュール化したモジュール回路の安定動作に貢献する。
【００２３】
また、本発明に係るパワー半導体モジュールのさらなる特徴構成は、
正六角形状に接続される前記パワー半導体チップがパワートランジスタであり、
前記パワートランジスタの前記パワー半導体モジュールと同一形状のダイの一方の面がアノード端子、他方の面がカソード端子であり、回生ダイオードとして前記パワートランジスタに接続される他の種類の前記パワー半導体チップを２つ備え、
当該回生ダイオードの前記パワー半導体チップは、正六角形状に構成された前記パワートランジスタの１つの辺を挟んで隣り合う２辺に対して、それぞれ１つの辺が平行な状態で配置されて、８つの前記パワー半導体チップにより等脚台形状に構成される点にある。
【００２４】
この特徴構成によれば、パワートランジスタ素子と、回生ダイオード素子とを１つのパワー半導体モジュール上に構成できるので、回路の実装面積を低減することが可能となる。
【００２５】
また、本発明に係るパワー半導体モジュールの別の特徴構成は、
上記何れかのパワー半導体チップの同一端子同士を導通可能に複数接続することによって構成されるものであって、
正三角形の前記パワー半導体チップの頂点部をつき合わせることにより、３つの前記パワー半導体チップを接続して等脚台形状に構成される点にある。
【００２６】
この特徴構成によれば、正三角形を３つ組み合わせて等脚台形状のパワー半導体モジュールが構成される。正三角形のパワー半導体チップを効率的に組み合わせることができるので、パワー半導体チップをモジュール化するモジュール回路の実装効率を高くすることができる。
パワー半導体チップが、パワートランジスタであり、突き合わされる頂点部にエミッタ又はドレイン端子が設けられているとさらに好適である。突き合わされる頂点部がエミッタ端子であれば複数のパワー半導体チップのエミッタ端子間を最短距離で接続することができる。パワートランジスタのエミッタ端子には、大電流が流れるため、エミッタ端子相互の配線のインピーダンスが高いと回路の安定動作に好ましくない。しかし、このようにエミッタ端子間を最短距離で接続すれば、インピーダンス（特にインダクタンス）を抑制することができ、パワー半導体チップを用いたモジュール回路の安定動作に貢献する。
【００２７】
また、本発明に係るインバータ装置の特徴構成は、上記何れか１つのパワー半導体モジュールを用いて構成され、直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置であって、６つの前記パワー半導体モジュールを正六角形状に配置して構成される点にある。
【００２８】
パワー半導体モジュールが等脚台形状である場合、正三角形を組み合わせて構成された等脚台形であるので、平行する辺の内の長い方（下底）の辺の両端の角度は、６０度である。従って、等脚台形の脚を対向させて、６つのパワー半導体モジュールを並べると、等脚台形の下底をほぼ１辺とし頂点が各１２０度の正六角形状に効率よく配置することができる。
パワー半導体モジュールが正六角形状である場合、頂点は１２０度である。従って、正六角形の辺を対向させて、６つのパワー半導体モジュールを並べると、各正六角形の１辺を１辺とする正六角形状に効率よく配置することができる。
一般的に、直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置は、６つのパワートランジスタ素子を用いて構成されるが、このようなインバータ装置を効率的に構成することができる。一般的なインバータ装置は、特許文献１や２に例示されるように正方形や長方形などの方形状に構成されるが、本特徴構成においては、インバータ装置が正六角形状に構成される。正多角形である正六角形は正方形よりも円形に近い形状であり、また、回転装置であるモータの回転軸方向に直交する断面は円形である。モータの側面ではなく、回転軸方向においてインバータ装置とモータとを一体化する場合、インバータ装置の形状は円形又は円形に近い形状であることが好ましい。本特徴構成によれば、インバータ装置が正六角形状に構成されるのでリング状であり、回転軸方向においてインバータ装置とモータとを一体化する際に好適である。
【００２９】
また、本発明に係るインバータ一体型モータの特徴構成は、上記インバータ装置が、正六角形状の当該インバータ装置の中心とモータの回転軸とを一致させて、当該モータの端部に備えられる点にある。
【００３０】
この特徴構成によれば、モータの回転軸の方向にインバータ装置を一体化することができるので、モータのステータコイルとインバータ装置との配線において、３相の配線距離を均等にすることが可能となる。その結果、ステータコイルとインバータ装置との配線における３相の平衡性が高くなり、モータ制御の安定化に寄与する。
【００３１】
また、本発明に係るインバータ一体型モータのさらなる特徴構成は、前記モータと前記インバータ装置との間に前記モータ及び前記インバータ装置の双方を冷却可能な冷却部が備えられる点にある。
【００３２】
この特徴構成によれば、冷却部により、モータ及びインバータ装置の双方が冷却可能である。従って、モータとインバータ装置とに対する高い冷却性能を有して、インバータ一体型のモータを提供することが可能となる。
【００３３】
また、本発明に係るインバータ一体型モータの他の特徴構成は、前記モータの前記回転軸の回転位置により前記モータのロータの回転位置を検出する回転検出センサが、正六角形状の前記インバータ装置の中央部の空間に備えられる点にある。
【００３４】
上述したように、インバータ装置は、等脚台形状又は正六角形状のパワー半導体モジュールを６個、正六角形状に並べて構成される。正三角形を６個並べた場合には、正六角形の内側には空間が形成されない。しかし、等脚台形状及び正六角形状は、正三角形の１つの頂点又は３つの頂点が欠落した形状であるから、正六角形のインバータ装置の中央部には空間が形成される。従って、この空間にモータの回転軸を貫通させることができると共に、この回転軸の回転を検出する回転検出センサを配置させることができる。本特徴構成によれば、インバータ装置に回転検出センサを内蔵することができるので、回転センサ用の基板などを別途設ける必要なく低コスト化を図ることができる。また、インバータ装置は、水や油などの浸入を防ぐために、防水処理が施されることが多い。回転検出センサがインバータ装置内に備えられることにより、防水処理が施された安定した環境下において回転角度を検出することができ、回転センサの信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、モータ駆動回路の構成を模式的に示す回路ブロック図である。本実施形態においては、４極（２極対）のロータ７０ｒに対応して、ステータ７０ｓが６極の突極を有するモータ７０を例として説明する。４極のロータ７０ｒは２対のＮＳ極対からなる。つまり、ロータ７０ｒに対して回転磁界を与えるステータ７０ｓのコイル７が励磁される電気角３６０度に対して、ロータ７０ｒは機械角で１８０度（＝３６０／２）回転する。ロータ７０ｒを一回転させるためには、２対のＮＳ極対に対応する励磁が必要である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に３相励磁されるコイル７（７ｕ、７ｖ、７ｗ）は一相について２回線が必要となる。また、この２回線には、上記機械角より、ステータ７０ｓにおいてそれぞれ１８０度ずつ離れた位置に配置された凸極に巻かれたコイル７が対応する（後に示す図２５参照。）。
【００３６】
図１は、この動作原理に基づき、ステータコイル（コイル７）を３相駆動するためのインバータ５０（インバータ装置）を含むモータ駆動回路の構成を模式的に示している。図に示すように、モータ７０側には、２回線のコイル７からなる並列回路が３相各相に対応して３つ形成される。これら３つの並列回路は、コイル７の一端を電気的な中性点としてＹ（スター）結線される。コイル７の他端は、３相励磁の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応して、インバータ５０と接続される。
【００３７】
モータ駆動回路は、マイクロプロセッサなどにより構成された制御部６と、スイッチング手段を用いて構成されたインバータ５０とを備えている。制御部６は、電流検出部８や回転検出部９の検出結果に基づき、モータ７０の回転を制御する。具体的には、インバータ５０を制御することによってモータ７０へ供給される電力を調整する。電流検出部８や回転検出部９の機能については後述する。尚、制御部６は、マイクロプロセッサの他、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＡＳＳＰ（application specific standard product）を中核として構成されてもよい。
【００３８】
スイッチング手段は、パワートランジスタや、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）やＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）、ＩＰＳ／ＩＰＤ（intelligent power switch/device）などのパワー半導体素子である。また、スイッチング手段は、適宜、フライホイールダイオード（回生ダイオード）２０を並列に備えて構成される。本実施形態では、ＩＧＢＴにより構成されたＩＧＢＴモジュール１０や、フライホイールダイオード２０と共にモジュール化されたパワー半導体モジュール３０により、スイッチング手段が構成される。尚、ＩＧＢＴモジュール１０も広義のパワー半導体モジュール３０に相当する。
【００３９】
インバータ５０は、制御部６から与えられるインバータ駆動信号（ＰＵ、ＰＶ、ＰＷ、ＮＵ、ＮＶ、ＮＷ）に基づいて、バッテリ５から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、結果として交流の駆動電流をコイル７へ供給する。ここで、バッテリ５のプラス側の電圧をＰ、マイナス側の電圧をＮとする。尚、インバータ５０には、直流電源Ｐ−Ｎの安定化のためのコンデンサ４が備えられている。
【００４０】
図１に示すように、インバータ５０は、ブリッジ回路により構成されている。直流電源のプラス側Ｐとマイナス側Ｎとの間に、２つのＩＧＢＴモジュール１０が直列に接続される。つまり、プラス側のハイサイドスイッチとマイナス側のローサイドスイッチとを有する直列回路が形成される。この一組の直列回路が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して３回線並列接続されてブリッジ回路が構成される。上述したステータコイル７ｕ、７ｖ、７ｗの他端は、各直列回路のハイサイドスイッチとローサイドスイッチとの接続点に接続される。即ち、ステータコイル７ｕ、７ｖ、７ｗには、それぞれ３相駆動電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷが印加される。
【００４１】
インバータ駆動信号ＰＵ、ＰＶ、ＰＷは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のハイサイドスイッチであるＩＧＢＴモジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅを駆動する信号である。インバータ駆動信号ＮＵ、ＮＶ、ＮＷは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のローサイドスイッチであるＩＧＢＴモジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆを駆動する信号である。各ＩＧＢＴモジュール１０ａ〜１０ｆには、それぞれフライホイールダイオード２０ａ〜２０ｆが並列に接続される。
【００４２】
インバータ５０からステータコイル７ｕ、７ｖ、７ｗへ接続されるラインには電流検出部８の一部として機能する電流センサ８ｕ、８ｖ、８ｗが備えられている。電流センサ８ｕ、８ｖ、８ｗは、各ステータコイル７に流れる３相のモータ電流を検出する。本実施形態では、３相全ての電流を検出する例を示したが、３相のステータコイル７ｕ、７ｖ、７ｗを流れる電流は平衡しており、それらの瞬時値の和は零である。従って、２相分の電流を検出して残り１相の電流は、演算により求めてもよい。制御部６は、モータ７０に流れる電流と目標電流との偏差を演算し、モータ７０の速度及びトルクを制御する。
【００４３】
また、モータ７０には、回転検出部９の一部として機能するレゾルバなどの回転検出センサ９ａ、９ｂが備えられており、ロータ７０ｒの回転角（機械角）を検出する。回転検出センサ９ａ、９ｂは、ロータ７０ｒの極数（極対数）に応じて設定されており、ロータ７０ｒの回転角を電気角θに変換し、電気角θに応じた信号を出力することも可能である。制御部６は、回転角に基づいてモータ７０の回転数（角速度ω）や、インバータ７０の制御タイミングを演算する。
【００４４】
図２は、インバータ７０のＩＧＢＴモジュール１０やパワー半導体モジュール３０を構成するＩＧＢＴチップ１（パワー半導体チップ３）の積層構造の一例を模式的に示す断面図である。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴを発展させたパワーデバイスで、ＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタとが複合された構造を有している。
【００４５】
図２に示すように、コレクタ領域１７（Ｃ）となるｐ+型のシリコン母体（サブストレート：substrate）の上に、エピタキシャル法などにより、ｎ-型領域１４が形成される。ｎ-型領域１４の上に、ｐ+型領域１２が形成され、ｐ+型領域１２には、エミッタ層となるｎ+型領域１３が拡散形成される。ｐ+型領域１２及びｎ+型領域１３の上には、エミッタ電極１１（Ｅ）が設けられる。本例では、エミッタ電極１１（Ｅ）、ｎ+型領域１３、ｐ+型領域１２、ｎ-型領域１４にまたがって縦穴構造のトレンチ１５が形成される。トレンチ１５内部には、酸化膜（ＳｉＯ2）によって絶縁されたゲート電極１６（Ｇ）が設けられ、本例のＩＧＢＴはトレンチゲート構造となっている。この構造は、図示縦方向にもゲート回路を構成することができるので、チップ面積を大幅に縮小することが可能である。
【００４６】
図２において、領域Ｒ１で示される上記構造部は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴを構成する。即ち、ｎ+型領域１３はソース、ｐ+型領域１２はチャネル、ｎ-型領域１４はドレインに相当する。ドレイン領域となるｎ-型領域１４の下面にはコレクタ領域となるｐ+型領域１７（Ｃ）が設けられている。領域Ｒ２で示され、ｐ+型領域１２、ｎ+型領域１３、ｐ+型領域（コレクタ領域）１７で構成されるこの構造部は、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタを構成する。このように、ＩＧＢＴ１は、ＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタとが複合化された構造を有している。
【００４７】
ゲート電極１６に電圧が印加されると、ｐ+型領域１２に形成されたチャネルを経由して、エミッタ（ｎ+型領域１３）からｎ-型領域１４に電子が注入され、ｐ+型のシリコン母体であるコレクタ領域１７（Ｃ）から正孔がｎ-型領域１４に注入される。これにより、バイポーラトランジスタと同様に、ｎ-型領域１４の中で、伝導度変調効果が生じてデバイス抵抗（オン抵抗）が大幅に低下する。ＭＯＳＦＥＴは耐圧を上げると、オン抵抗が急速に増加するという課題を有しているが、正孔注入のためのＰＮ接合（ｎ-型領域１４とコレクタ領域１７との接合）を有したＩＧＢＴの構造を採用することにより、この課題が大幅に改善される。ＩＧＢＴ構造において、しばしば、ｐ+型領域１２はｐ+型ベース層、ｎ-型領域１４はｎ-型ベース層と称される。
【００４８】
図３は、ＩＧＢＴチップ１（パワー半導体チップ３）の外観の一例を模式的に示す外形図である。図に示すように、ＩＧＢＴチップ１のダイの表面形状は正三角形である。図３（ａ）はチップの一方側の面の外観を示す上面図、図３（ｂ）はチップの他方側の面の外観を示す下面図である。図３（ａ）に示すように、一方側の面には、正三角形の頂点部にエミッタ端子Ｅが設けられ、当該頂点部に対向する対辺部にゲート端子Ｇが設けられる。また、図３（ｂ）に示すように、他方側の面には、ほぼ全面に亘ってコレクタ端子Ｃが設けられる。
【００４９】
ＩＧＢＴチップ１は複数のセル（後述する符号１００）が集積されることによって構成される。ここで、図４〜図６を用いて、セル集積型のＩＧＢＴチップ１のより詳細な構造について説明する。図４は、ＩＧＢＴチップへのセルの集積構造の一例を模式的に示す平面図である。図５は、ＩＧＢＴチップに集積されるセルの積層構造の一例を模式的に示す断面図である。図６は、図４のＩＧＢＴチップの積層構造の一例を模式的に示す断面図である。
【００５０】
ＩＧＢＴチップ１は、図４及び図５に示すような六角柱形状に積層して形成されたセル１００（パワー半導体セル）が複数個、千鳥状に配置され、集積されて構成される。各セル１００は互いに配線等によって接続されて、全体としてＩＧＢＴチップ１を構成する。図４に示すように、各セル１００は、断面形状が合同な正六角形であるから、隙間なくＩＧＢＴチップ１に敷き詰められ、いわゆるハニカム構造を形成する。つまり、セル１００は、最密充填配置される。一例として、正三角形状のＩＧＢＴチップ１の一辺の長さＳは、１０ｍｍ程度、正六角形状のセル１００の一辺の長さＷは２μｍ程度、セル１００の高さＨは１００μｍ程度である。
【００５１】
図５に示すように、セル１００の積層構造は、基本的に図２に示し、上述した構造と同様、トレンチゲート構造のＩＧＢＴである。コレクタ領域１１７（Ｃ）となるｐ+型のシリコン母体の上に、エピタキシャル法などにより、ｎ-型領域１１４が形成される。ｎ-型領域１１４の上に、ｐ+型領域１１２が形成され、ｐ+型領域１１２には、エミッタ層となるｎ+型領域１１３が拡散形成される。ｐ+型領域１１２及びｎ+型領域１１３の上には、エミッタ電極１１１（Ｅ）が設けられる。コレクタ領域１１７（Ｃ）の下には、コレクタ電極１１８（Ｃ）が設けられる。ゲート電極１１６（Ｇ）は、単一のセル１００において完結する縦穴構造のトレンチ１１５の内部に絶縁層を介して形成される。トレンチ１１５は、ｎ+型領域１１３、ｐ+型領域１１２を貫通して、ｎ-型領域１４に達する縦穴である。
【００５２】
トレンチゲート構造を有する多くの公知のＩＧＢＴのトレンチは、本実施形態のような単一のセル１００において完結する縦穴形状ではなく、水平方向に延伸する溝形状を有している。溝形状のトレンチゲートについては、多くの文献に開示があるが、例えば、「『車載用パワーデバイス−低損失・高破壊耐量化技術の展望−』、上杉勉、トヨタ中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー  Vol.35  No.2(2006.6)」のFig.5に例示されている。トレンチゲートの構造を溝形状ではなく、穴形状とすることにより、図５に示すようにエミッタ電極１１１（Ｅ）の面積を広く取ることができる。元来、トレンチゲート構造は、図示縦方向にもゲート回路を構成することができるので、チップ面積を縮小することが可能な構造である。さらに、本発明のように、トレンチゲートを縦穴形状とすることによって、エミッタ電極１１１（Ｅ）においてゲート電極１１６（Ｇ）に提供する面積が抑制され、エミッタ電極Ｅの面積を大きくすることが可能となる。その結果、セル１００及びＩＧＢＴチップ１の面積を小型化しながら、高い電流容量を確保することが可能となる。
【００５３】
ゲート電極１１６（Ｇ）は、隣接するセル１００のゲート電極１１６（Ｇ）との導通が可能となるように内層に設けられたゲート配線１１９と接続されている。従って、ゲート電極１１６（Ｇ）は、溝形状を伴ってセル１００の表面に露出されることがなくても、隣接するセル１００のゲート電極Ｇとの接続が確保される。ゲート電極Ｇに流れる電流は、エミッタ電極Ｅに流れる電流に比べて遥かに小さいため、セル１００同士のゲート電極１１６（Ｇ）の接続は内層のゲート配線１１９で充分である。
【００５４】
尚、セル１００の内層にゲート配線１１９を設ける際に、ＩＧＢＴチップ１のゲート電極Ｇ（図３及び図４参照）と、セル１００のゲート電極１１６（Ｇ）との位置関係に応じたゲート抵抗が各セル１００に付加されると好適である。それぞれのセル１００のゲート電極１１６（Ｇ）に、ＩＧＢＴチップ１のゲート端子Ｇとの配線距離に応じたゲート抵抗を備えることにより、ゲート端子Ｇから各セル１００のゲート電極１１６への駆動信号の伝播遅延時間を均一化することができる。その結果、ＩＧＢＴチップ１を安定して動作させることが可能となる。
【００５５】
セル１００は、少ない隙間でＩＧＢＴチップ１に配置可能であること、穴状のトレンチゲート構造が構成可能であること、各セル１００におけるゲート電極１１６（Ｇ）からのゲート配線長が均一であること、などの条件を満たすことが好ましいことは上記説明より明らかである。従って、最も好適な実施形態として、本実施形態においては、セル１００を正六角柱により構成する例を示した。しかし、配置密度は低下するものの、セル１００を他の正多角柱（例えば正八角柱）や円柱により構成することを妨げるものではない。正多角柱や円柱形状に積層して形成された複数のセルを千鳥格子に配置し、各セルを配線等によって接続することによって、集積してもよい。セル１００が他の正多角柱（例えば正八角柱）や円柱により構成されても、穴状のトレンチゲート構造が構成可能であること、各セル１００におけるゲート電極１１６（Ｇ）からのゲート配線長が均一であること、などの条件は充分に満足することが可能である。
【００５６】
図３、図４及び図６に示すように、ダイの表面形状が正三角形のＩＧＢＴチップ１の一方側の面の正三角形の頂点部にエミッタ端子Ｅが設けられ、当該頂点部に対向する対辺部にゲート端子Ｇが設けられる。図５及び図６に示すように、セル１００の表面にはエミッタ電極１１１（Ｅ）が露出しているため、各セル１００のエミッタ電極１１１（Ｅ）を覆うようにエミッタ電極層１１２（Ｅ）が形成される。エミッタ電極１１１（Ｅ）には、大電流が流れるが、全面にエミッタ電極層１１２が形成されることにより、部分的な電流の集中を抑制してエミッタ電極Ｅを低インピーダンスに構成することができる。また、図５及び図６に示すように、セル１００の表面にはコレクタ電極１１８（Ｃ）が露出しているため、同様に、各セル１００のコレクタ電極１１８（Ｃ）を覆うようにコレクタ電極層１２１（Ｃ）が形成される。コレクタ電極Ｃも、部分的な電流の集中を抑制して低インピーダンスに構成することができる。
【００５７】
エミッタ電極層１２２の上面には絶縁層１２３が形成され、絶縁層１２３の上面にはゲート電極層１２４（Ｇ）が形成される。ゲート電極層１２４（Ｇ）は、各セル１００の内層において接続されたゲート配線１１９と、ゲート配線１２０によって接続される。図６は、セル１００の並びとＩＧＢＴチップ１の各電極との関係を示す模式的な断面図であるために、ゲート配線１２０については具体的な構造を省略して図示している。図４等より明らかなように、ＩＧＢＴチップ１には、セル１００が配置されていない周辺領域が存在する。ゲート配線１２０は、セル１００が配置されていない周辺領域において公知の方法により適宜構成することが可能である。
【００５８】
図７は、フライホールダイオード２０を構成するダイオードチップ２（パワー半導体チップ３）の積層構造の一例を模式的に示す断面図である。また、図８は、ダイオードチップ２の外観の一例を模式的に示す外形図である。図７に示すように、ダイオードチップ２はｐ+型領域１８とｎ-型領域１９とによって構成される。ｐ+型領域１８側がアノード、ｎ-型領域１９側がカソードである。ここでは、積層型構造を模擬しているが、プレーナ型、メサ型など種々の構造を適用することができる。
【００５９】
また、図８に示すように、ダイオードチップ２のダイの表面形状もまた正三角形である。図８（ａ）はチップの一方側の面の外観を示す上面図、図８（ｂ）はチップの他方側の面の外観を示す下面図である。図８（ａ）に示すように、一方側の面には、正三角形のほぼ全面に亘ってアノード端子Ａが設けられる。また、図８（ｂ）に示すように、他方側の面には、ほぼ全面に亘ってカソード端子Ｋが設けられる。ダイオードチップ２もまた、複数のセルが集積されることによって構成される。詳細については、図４〜図６に基づいて説明したＩＧＢＴチップ１と同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
上述したように、パワー半導体チップ３としてのＩＧＢＴチップ１及びダイオードチップ２は、そのダイ（チップ）の形状が正三角形である。ウェハは円形であるから、従来の四角形のダイを切り出す場合よりも多くの正三角形ダイを切り出すことができ、ウェハを有効活用することが可能である。
【００６１】
ダイオードチップ２は、フライホイールダイオードとして使用されるので、高耐圧であり、大電流が流れても電圧降下が１Ｖ以内であることが望ましい。また、ダイオードチップ２は、ＩＧＢＴの高速スイッチングに追従する高速応答性を備えていると同時に、以下に述べるようにソフト・リカバリ性能が高いことが好ましい。
【００６２】
フライホイールダイオードは、ＩＧＢＴがオフしている間は順バイアス状態となって誘導性負荷（コイル７）に蓄積されたエネルギーを還流させる。ＩＧＢＴが再度オン状態となると、フライホイールダイオードは、順バイアス状態から逆バイアス状態となる。この際、フライホイールダイオードには逆回復電流という逆方向電流が流れ、やがて電流が０となる。この逆回復電流の変化が急峻であるとフライホイールノイズと称されるサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、放射ノイズとなって各種回路に影響したり、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子を破壊したりする場合がある。従って、逆回復電流の変化を穏やかにし、サージ電圧の発生を抑制可能なソフト・リカバリ性能が高いことが望ましい。一方、ＩＧＢＴ等の高速スイッチングに追従して、高速に逆回復電流を減少させることも必要である。つまり、順方向への電圧印加時における電荷の残存が少ないことが好ましい。
【００６３】
ダイ（チップ）の形状が正三角形であるパワー半導体チップ３（ＩＧＢＴチップ１及びダイオードチップ２）は、図９に示すように、ハニカム構造でウェハ３００上に形成される。ウェハは円形であるから、従来の四角形のダイを切り出す場合よりも多くの正三角形ダイを切り出すことができ、ウェハを有効活用することが可能である。つまり、正三角形状の方が、高い板取効率でダイを切り出すことが可能である。詳細については、図１０〜図１２を用いて説明する。
【００６４】
図１０は、従来の方形状のチップ３Ｓ（３）の板取効率を説明する説明図である。図１０においては、正方形のチップ３Ｓの対角線の長さをｄとし、ウェハ３００の半径をｒとし、ｄ＝ｒとする。図１１は、本発明の正三角形のチップ３Ｔ（３）の板取効率を説明する説明図である。図１１においては、チップ３Ｔの一辺の長さをＳとし、ウェハ３００の半径をｒとし、Ｓ＝ｒとする。図１０及び図１１においては、チップ３Ｓ及び３Ｔが形成されない領域３１０は、棄て基板領域である。
【００６５】
ウェハ３００の面積は、円周率をπ（≒３．１４）として「πｒ2」である。正方形のチップ３Ｓがウェハ３００において占める面積は、「２ｄ2」である。ｒ＝ｄであるから、正方形のチップ３Ｓがウェハ３００において占める面積の割合である有効板取率は、
【数１】
0005333814.tif 000002
となる。一方、正三角形のチップ３Ｔがウェハ３００において占める面積は、
【数２】
0005333814.tif 000003
である。ｒ＝Ｓであるから、正三角形のチップ３Ｔがウェハ３００において占める面積の割合である有効板取率は、
【数３】
0005333814.tif 000004
となる。このように、正三角形状の方が、高い板取効率でダイを切り出すことが可能である。
【００６６】
図１０に示す正方形のチップ３Ｓの面積、及び図１１に示す正三角形のチップ３Ｔの面積は、それぞれ下記(4)、(5)に示すとおりである。
【数４】
0005333814.tif 000005
正方形のチップ３Ｓの面積に対して正三角形のチップ３Ｔの面積は、約１４％小さいが、板取率は約３０％向上されている。
【００６７】
尚、大口径のウェハ３００、即ちセル１００に対して充分に大きい口径のウェハ３００を用いると、有効板取率が向上する。例えば、図１２に示すように、図１０と同様に対角線の長さがｄの正方形のチップ３Ｓを、半径が４ｄのウェハ３００に形成したとする。ウェハ３００の面積は、「１６πｄ2」である。正方形のチップ３Ｓがウェハ３００において占める面積は、
｛２×（４ｄ）2｝＋（４×２ｄ2）＝４０ｄ2  ・・・(6)
である。有効板取率は、
【数５】
0005333814.tif 000006
となる。このように、(1)に比べて(7)が大きい値となることから明らかなように、ウェハ３００の口径を大きくすることにより、有効板取率を高くすることができる。しかし、(7)の場合であっても、正六角形状のセル３Ｔの有効板取率を超えていない。また、ウェハ３００の口径を大きくすると、正六角形状のセル３Ｔも、図１２と同様に棄て基板領域３１０に形成されることが可能となり、正六角形状のセル３Ｔの有効板取率はさらに向上する。
【００６８】
このように、正三角形状のチップ３Ｔは、ウェハ３００の口径が小さい場合であっても、高い有効板取率を達成することができる優れた形状を有している。また、大口径のウェハ３００を利用する場合には、半導体製造に関する全ての周辺装置の大型化が必要とされ、設備投資の負担も大きくなるが、特に大口径のウェハ３００を必要としない正六角形状のセル３Ｔの場合には、設備投資も抑制することができる。
【００６９】
ウェハ３００上にハニカム構造で形成されたパワー半導体チップ３は、図１３〜図１５に示すように切り出される。切り出しに先立って、ウェハ３００には、以下のように集積回路が形成される。シリコン結晶のインゴットは、真円度を高めるためにダイヤモンドカッタなどによって面取りを施された円柱状である。シリコンなどの半導体は、結晶構造上の「方位」を有しており、その「方位」の基準を定めるためにインゴットの端面が研磨等によって削り落とされて基準面となる。そして、インゴットからバンドソー等を用いてウェハ３００が薄く切り出される。切り出されたウェハ３００は、鏡面仕上げを施され、純水によって洗浄される。ウェハ３００に対してフォトレジスト、ステッパによる感光、エッチング、イオンドーピング、スパッタリング、洗浄などの公知の半導体製造工程を施し、ＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体回路がウェハ３００に形成される。そして、ダイシングマシンにより、正三角形状のパワー半導体チップ３が切り出される。
【００７０】
方形状のチップは、互いに直交する２方向からのカットによって切り出すことが可能である。正三角形状のパワー半導体チップ３を切り出すには、以下に説明するように３方向からのカットが必要である。初めに、ダイヤモンドカッタなどのダイシングマシンにより、基準面に対して水平（０度）な切り込みがウェハ３００に対して施される。順次、ダイシングマシンが平行移動され、ウェハ３００の全体に亘り、基準面に対して平行な切り込みが施される（図１３）。次に、ウェハ３００を時計回り、あるいは反時計回りに６０度回転させ、同様にウェハ３００に対して切り込みが施される（図１４）。続いて、同方向へさらに６０度回転させ、同様にウェハ３００に切り込みが施される（図１５）。これにより、ウェハ３００は、正三角形状のパワー半導体チップ３に分割される。
【００７１】
シリコンなどの半導体は、ダイヤモンド構造を有しており、その結晶には一定の面に沿って割れやすい「へき開性」と言われる性質がある。格子構造[1,0,0]と称される結晶は、電気的特性に優れているが、直交型の格子構造である。そのため、図１４や図１５に示すように、基準面から６０度や１２０度回転した方向に沿うカットを行うと、微小範囲において、へき開面に沿った割れを生じ、カットラインが階段状となる可能性がある。この場合には、パワー半導体チップ３の回路に影響が無いように、隣接するパワー半導体チップ３の間に充分なマージンを設けて、ウェハ３００上に回路が形成されると好適である。
【００７２】
ただし、階段状となるカットラインに考慮して、ウェハ３００上において多くのマージンを設けることは、ウェハ３００を有効活用する上では好ましくない。格子構造[1,1,1]の結晶は、電気的特性の良さは格子構造[1,0,0]の結晶に譲るものの、６０度方向及び１２０度方向への「へき開性」を有した結晶である。そこで、格子構造[1,1,1]を有したウェハ３００にパワー半導体チップ３の回路が形成されると好適である。
【００７３】
図１３〜図１５に基づいて説明したように、ウェハ３００にカットラインが施されると、個々のパワー半導体チップ３を取り出すためのダイシングが行われる。以下、図１６を利用してダイシングについて説明する。図１６は、ウェハ３００の断面を示している。図１６において、符号３０３は、ウェハ３００上に形成されたパワー半導体チップ３の集積回路を示している。また、符号Ｔは、図１３〜図１５を用いて説明したカットラインを示している。図１６（ａ）等から判るように、カットラインＴは、ウェハ３００を貫通しておらず、各パワー半導体チップ３は、ウェハ３００から完全に分離されてはいない。ここで、ウェハ３００の集積回路が形成された側、即ちカットラインを施された側の面を表面と称し、カットラインが達していない側の面を裏面と称する。
【００７４】
図１６（ｂ）に示すように、ウェハ３００の表面に表面保護シート４００が貼付される。次に、図１６（ｃ）に示すように、ウェハ３００の裏面が研磨装置６００により研磨される。この研磨は、図１６（ｄ）に示すように、カットラインの溝Ｔがウェハ３００の裏面側に露出するまで行われる。カットラインの溝Ｔがウェハ３００の裏面に達すると、個々のパワー半導体チップ３はそれぞれ独立したチップとなる。この時点では、ウェハ３００の表面側に表面保護シート４００が貼付され、各パワー半導体チップ３は、表面保護シート４００により連結されている。ここで、図１６（ｅ）に示すように、更に裏面側に裏面保護シート５００が貼付される。そして、図１６（ｆ）に示すように、表面保護シート４００が取り除かれる。個々のパワー半導体チップ３はウェハ３００から分離された状態で、裏面保護シート５００によって連結されている。
【００７５】
このようにして、ウェハ３００から切り出されたパワー半導体チップ３は、１つずつバキュームピンセットで取り出され、パッケージングされる。本実施形態では、以下に説明するように、複数のパワー半導体チップ３を組み合わせてパワー半導体モジュール３０が構成される場合について説明する。
【００７６】
図１７は、ＩＧＢＴモジュール１０の構成例を模式的に示す上面図である。本例では、３つのＩＧＢＴチップ１（１ａ、１ｂ、１ｃ）を並列接続することによって、ＩＧＢＴモジュール１０Ａ（パワー半導体モジュール３０）を構成している。ＩＧＢＴチップ１やダイオードチップ２は、一例として一辺が５ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。複数個のチップを並列接続することにより電流容量を上げると共に、ＩＧＢＴモジュール１０としてのオン抵抗を低く抑えている。
【００７７】
図３を利用して上述したようにＩＧＢＴチップ１のエミッタ端子Ｅは正三角形のチップの頂点に配置されている。図１７に示すようにＩＧＢＴモジュール１０Ａはエミッタ端子Ｅが配置された頂点部を突き合わせて等脚台形状に接続されている。一箇所に集まったエミッタ端子Ｅは、図１７に示すように３つ全てのチップに導通する電極Ｄを蒸着で形成することによって、電極Ｄが共通端子化される。または、それぞれのエミッタ端子Ｅ間をワイヤーボンディングで接続したり、半田により接続したりしてもよい。
【００７８】
ゲート端子Ｇは、等脚台形の平行な対辺の内の短辺を上底とすると、図１７に示すように、２本の脚部と上底とに亘る等脚台形の外周部に配置される。隣り合うＩＧＢＴチップ１ａと１ｂとのゲート端子Ｇ、及び１ｂと１ｃとのゲート端子Ｇが、ワイヤーボンディングＢにより接続され、ＩＧＢＴモジュール１０Ａの共通化されたゲート端子となる。
【００７９】
ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂ、１ｃは、台形状の銅板３１上に、チップの下面側のコレクタ端子Ｃを高融点半田３２を用いて半田付けして実装される。銅板３１は、ニッケルメッキされた銅板３１、又は半田付け可能な銅板３１であると好適である。上述したように、コレクタ端子Ｃは、チップの下面側のほぼ全面に亘って設けられているため、接触抵抗が小さく大電流が良好に導通する。また、大電流が流れるＩＧＢＴチップ１を、熱伝導性のよい銅板３１に広い面積で接触させることによって、ＩＧＢＴチップ１の銅板実装に伴う熱抵抗を下げ、放熱性を向上させている。
【００８０】
図１８は、図１７に示したＩＧＢＴモジュール１０Ａを用いたインバータの構成例を模式的に示す説明図である。インバータ５０は、６つのパワー半導体モジュール１０Ａを正六角形状に配置してリング状に構成される。図１８において、
ＩＧＢＴモジュール１０ａ（１０Ａ）はＵ相のハイサイドスイッチとして機能し、
ＩＧＢＴモジュール１０ｂ（１０Ａ）はＵ相のローサイドスイッチとして機能し、
ＩＧＢＴモジュール１０ｃ（１０Ａ）はＶ相のハイサイドスイッチとして機能し、
ＩＧＢＴモジュール１０ｄ（１０Ａ）はＶ相のローサイドスイッチとして機能し、
ＩＧＢＴモジュール１０ｅ（１０Ａ）はＷ相のハイサイドスイッチとして機能し、
ＩＧＢＴモジュール１０ｆ（１０Ａ）はＷ相のローサイドスイッチとして機能する。
【００８１】
図１の回路ブロック図にも示したように、ＩＧＢＴモジュール１０ａのコレクタ端子Ｃに導通する銅板３１が直流電源のプラス側Ｐに接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ａのゲート端子Ｇには制御部６からのインバータ駆動信号ＰＵが接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ａのエミッタ端子Ｅは、隣に配置されたＩＧＢＴモジュール１０ｂのコレクタ端子Ｃに導通する銅板３１に接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ｂのゲート端子Ｇには制御部６からのインバータ駆動信号ＮＵが接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ｂのエミッタ端子Ｅは、直流電源のマイナス側Ｎに接続される。つまり、直流電源のプラス側Ｐとマイナス側Ｎとの間に、２つのＩＧＢＴモジュール１０Ａによる直列回路がＵ相に対応して構成される。
【００８２】
同様にして、ＩＧＢＴモジュール１０ｃと１０ｄとの直列回路がＶ相に対応して構成される。また、ＩＧＢＴモジュール１０ｅと１０ｆとの直列回路がＷ相に対応して構成される。図１８に示した構成例では、ダイオードチップ２を用いたフライホイールダイオード２０は省略している。
【００８３】
尚、図３（ａ）において、エミッタ端子Ｅとゲート端子Ｇとの配置を逆にしてＩＧＢＴチップ１を構成することも可能である。しかし、図１７〜図１８に基づいて上述したことから明らかなように、この場合には大電流が流れるＩＧＢＴモジュール１０のエミッタ端子Ｅが広い範囲に分散する。その結果、エミッタ端子Ｅ同士を結ぶ配線長が長くなり、インピーダンス（特にインダクタンス）が大きくなる。また、各ＩＧＢＴモジュール１０（パワー半導体モジュール３０）におけるインピーダンスのばらつきも大きくなる。エミッタ端子Ｅには大電流が流れるので、インピーダンスに関するこれらの問題が、モータ７０の安定した制御に対して与える影響は小さくない。
【００８４】
しかし、ＩＧＢＴチップ１を図３（ａ）に示したような端子配置とすることによって、多線ボンディングによりＩＧＢＴモジュール１０を構成する場合に、配線の短距離化を実現することができる。また、この短距離化により、配線インダクタンスや配線抵抗などのインピーダンスを低減することができる。
【００８５】
図１７に示した例では、３つのＩＧＢＴチップ１を並列接続してＩＧＢＴモジュール１０（１０Ａ）を構成する例を示した。しかし、ＩＧＢＴチップ１は正三角形であるので各種の形状のモジュールに容易に拡張することが可能である。図１９は、図１７のＩＧＢＴモジュール１０Ａを拡張したＩＧＢＴモジュール１０Ｂの構成例を模式的に示す上面図である。図１９に示すように、正三角形の６つのＩＧＢＴチップ１（１ａ〜１ｆ）を接続することによって正六角形のＩＧＢＴモジュール１０Ｂを構成する。
【００８６】
図３を利用して上述したようにＩＧＢＴチップ１のエミッタ端子Ｅは正三角形のチップの頂点に配置されている。図１７に示した構成と同様に、図１９に示すようにＩＧＢＴモジュール１０Ｂはエミッタ端子Ｅが配置された頂点部を突き合わせて構成される。本例では、６つのＩＧＢＴチップ１により、正六角形状にＩＧＢＴモジュール１０Ｂが構成される。エミッタ端子Ｅは正六角形の中心に集まり、図１９に示すように３つ全てのチップに導通する電極Ｄを蒸着することによって共通端子化される。勿論、それぞれのエミッタ端子Ｅ間をワイヤーボンディングで接続したり、半田により接続したりしてもよい。
【００８７】
ゲート端子Ｇは、図１９に示すように、正六角形の外周部に配置される。隣り合うＩＧＢＴチップのゲート端子Ｇが、それぞれワイヤーボンディングＢにより接続され、ＩＧＢＴモジュール１０Ｂの共通化されたゲート端子となる。
【００８８】
ＩＧＢＴチップ１ａ〜１ｆは、正六角形状の銅板３１上に、チップの下面側のコレクタ端子Ｃを高融点半田３２を用いて半田付けされる。このように、ＩＧＢＴチップ１の形状が正三角形であると、インバータ５０が必要とする電流容量に応じてフレキシブルにＩＧＢＴモジュール１０を構成することができる。
【００８９】
また、図１９に示したＩＧＢＴモジュール１０Ｂをさらに拡張することも可能である。図２０は、図１９のＩＧＢＴモジュール１０Ｂを拡張したＩＧＢＴモジュール１０Ｃの構成例を模式的に示す上面図である。図２１は、図２０のXXI−XXI断面図である。図２０及び図２１に示すように、ダイオードチップ２を含めて、銅板３１上に１つのＩＧＢＴモジュール１０Ｃ（パワー半導体モジュール３０）を構成することができる。
【００９０】
正三角形の６つのＩＧＢＴチップ１（１ａ〜１ｆ）を正六角形状に接続することについては、図１９に示した構成と同様であるので説明を省略する。但し、本例では、ＩＧＢＴチップ１ａ〜１ｆは、正六角形状ではなく等脚台形状の銅板３１上に、高融点半田３２を用いて半田付けされる。台形状の銅板３１の平行な対辺の内の長辺を下底とすると、下底の端点にある２つの角部には、ダイオードチップ２が実装される。銅板３１はＩＧＢＴチップ１のコレクタ端子Ｃと接続されているので、ダイオードチップ２のカソード端子Ｋが高融点半田３２を用いて半田付けされる（図１参照。）。つまり、銅板３１を介して、各ＩＧＢＴチップ１（１ａ〜１ｆ）のコレクタ端子Ｃと２つのダイオードチップ２（２ａ、２ｂ）のカソード端子Ｋとが接続される。ダイオードチップ２ａ、２ｂは、図１におけるフライホイールダイオード２０に相当する。
【００９１】
図２２は、図２０に示したＩＧＢＴモジュール１０Ｃを用いたインバータの構成例を模式的に示す説明図である。図１８に示した構成と同様に、インバータ５０は、６つのパワー半導体モジュール１０Ｃを正六角形状に配置してリング状に構成される。図２０において、ＩＧＢＴモジュール１０ａ（１０Ｃ）はフライホールダイオード２０ａ内蔵のＵ相のハイサイドスイッチとして機能する。ＩＧＢＴモジュール１０ｂ（１０Ｃ）はフライホールダイオード２０ｂ内蔵のＵ相のローサイドスイッチとして機能する。ＩＧＢＴモジュール１０ｃ（１０Ｃ）はフライホールダイオード２０ｃ内蔵のＶ相のハイサイドスイッチとして機能する。ＩＧＢＴモジュール１０ｄ（１０Ｃ）はフライホールダイオード２０ｄ内蔵のＶ相のローサイドスイッチとして機能する。ＩＧＢＴモジュール１０ｅ（１０Ｃ）はフライホールダイオード２０ｅ内蔵のＷ相のハイサイドスイッチとして機能する。ＩＧＢＴモジュール１０ｆ（１０Ｃ）はフライホールダイオード２０ｆ内蔵のＷ相のローサイドスイッチとして機能する。
【００９２】
図１の回路ブロック図にも示したように、ＩＧＢＴモジュール１０ａのコレクタ端子Ｃに導通する銅板３１が直流電源のプラス側Ｐに接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ａのゲート端子Ｇには制御部６からのインバータ駆動信号ＰＵが接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ａのエミッタ端子Ｅには、隣に配置されたＩＧＢＴモジュール１０ｂのコレクタ端子Ｃに導通する銅板３１が接続される。さらに、ＩＧＢＴモジュール１０ａのエミッタ端子Ｅは、ＩＧＢＴモジュール１０ａに搭載された２つのダイオードチップ２のアノード端子Ａに接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ｂのゲート端子Ｇには制御部６からのインバータ駆動信号ＮＵが接続される。ＩＧＢＴモジュール１０ｂのエミッタ端子Ｅは、直流電源のマイナス側Ｎに接続される。さらに、ＩＧＢＴモジュール１０ｂのエミッタ端子Ｅは、ＩＧＢＴモジュール１０ａに搭載された２つのダイオードチップ２のアノード端子Ａに接続される。つまり、直流電源のプラス側Ｐとマイナス側Ｎとの間に、フライホイールダイオード２０を内蔵した２つのＩＧＢＴモジュール１０Ｃによる直列回路がＵ相に対応して構成される。
【００９３】
同様にして、ＩＧＢＴモジュール１０ｃと１０ｄとの直列回路がＶ相に対応して構成される。また、ＩＧＢＴモジュール１０ｅと１０ｆとの直列回路がＷ相に対応して構成される。
【００９４】
ここで、直流電源のプラス側Ｐとマイナス側Ｎとは、それぞれ３つずつのＩＧＢＴモジュール１０に共通する。従って、電源接続用の共通プレートを設けると好適である。図２３は、図２２に示すインバータ５０に電源接続用の共通プレート３４及び３５を設けた場合の構成例を示す説明図である。外周側にはプラス側Ｐに接続される共通プレート３４、内周側にはマイナス側Ｎに接続される共通プレート３５が設けられる。勿論、内周側にプラス側Ｐに接続される共通プレートを設け、外周側にマイナス側Ｎに接続される共通プレートが設けられてもよい。
【００９５】
一方、モータ７０のステータ７０ｓには、３つのＩＧＢＴモジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆから出力される３相駆動電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷがそれぞれ接続される３相駆動電圧端子３３（３３ｕ、３３ｖ、３３ｗ）が設けられる。３相駆動電圧端子３３ｕ、３３ｖ、３３ｗには、ステータコイル７ｕ、７ｖ、７ｗのコイル端がそれぞれ接続されている。少なくとも３つのＩＧＢＴモジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆには、これら３相駆動電圧端子３３に接続可能な端子が設けられており、ステータコイル７とインバータ５０とが接続される。
【００９６】
以下、ステータコイル７とインバータ５０との接続方法について説明を加える。図２４は、インバータ一体型モータにおけるモータ７０やインバータ５０の配置を模式的に示す側面図である。図に示すように、インバータ５０は、水冷ジャケット６０を介してモータ７０と一体化される。水冷ジャケット６０は、インバータ５０及びモータ７０の双方を冷却可能な冷却部である。図２５は、図２４におけるXXV矢視図であり、インバータ５０との接続部におけるモータ７０の構成を模式的に示している。図２６は、ステータコイル７とインバータ５０との接続形態の一例を模式的に示す斜視図である。図２７は、図２４におけるXXVII矢視図であり、水冷ジャケット６０の外観を示している。図２８は、図２４におけるXXVIII矢視図であり、ハウジング５１に収納されたインバータ５０の外観を示している。
【００９７】
図２５に示すように、３つの３相駆動電圧端子３３（３３ｕ、３３ｖ、３３ｗ）は、インバータ５０の方向へ突出するように設けられている。尚、３相駆動電圧端子３３は、後述するように図２７に示す水冷ジャケット６０の貫通孔６１を通って、インバータ５０へと延伸する。貫通孔６２は、モータ７０のロータ７０ｒと一体回転するシャフト８０（回転軸）を通すための穴である。
【００９８】
一方、少なくとも３つのＩＧＢＴモジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの銅板３１には、図２６に示すように銅板３１の板面から垂直方向に立ち上がる端子３１ａが設けられる。図２４に示すようにモータ７０とインバータ５０とが配置されると、端子３１ａと３相駆動電圧端子３３とが接合可能な位置関係となる。端子３１ａ及び３相駆動電圧端子３３には、両者の接合時に共通する貫通孔３１ｂ及び３３ｂが設けられている。そして、両者の接合時に貫通孔３１ｂ及び３３ｂにボルト（不図示）を貫通させ、ナット等を用いて締結することによって、端子３１ａと３相駆動電圧端子３３とが密着される。勿論、端子３１ａと３相駆動電圧端子３３とを溶接するなど、他の方法によって接続してもよい。
【００９９】
上記においては、少なくとも３つのＩＧＢＴモジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの銅板３１に端子３１ａが設けられるとして説明した。しかし、当然ながら全てのＩＧＢＴモジュール１０の銅板３１に端子３１ａが設けられてもよい。全ての部品を共通化することによって製造コストを低減することができる。
【０１００】
また、ステータ７０ｓの３相駆動電圧端子３３との区別が確実であれば、同様の形態で、３つのＩＧＢＴモジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅの銅板３１の端子３１ａと、プラス側Ｐに接続される共通プレート３４とを接続してもよい。
【０１０１】
図２９は、図２４におけるXXIX矢視図であり、断面図によって水冷ジャケット６０の冷却水路を示している。上述したように、１つの水冷ジャケット６０により、モータ７０及びインバータ５０の双方が冷却される。また、ステータコイル７とインバータ５０とを結ぶ結線は、水冷ジャケット６０の貫通孔６１を通って接続される。従って、水冷方式であっても防水性に問題はない。水冷ジャケット６０の内部には、複数の冷却フィン６３によって分離された水路６４が形成される。インバータ５０及びモータ７０の発熱量に応じて冷却フィン６３の枚数や水路６４の幅は適宜調整可能である。インバータ５０、水冷ジャケット６０、モータ７０は独立しているため、必要に応じて適切な水冷ジャケット６０を選択することができる。
【０１０２】
図示は省略するが、インバータ５０と水冷ジャケット６０との間には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）板などの熱伝導性のよい材質の部材が挟まれる。例えば、図２８に示すインバータ５０のハウジング５１をアルミナを用いて構成し、ハウジング５１の底部にＩＧＢＴモジュール１０を密着させてもよい。ＩＧＢＴチップ１やダイオードチップ２が発生する熱は、銅板３１、アルミナを介して水冷ジャケット６０へと伝達される。
【０１０３】
図３０は、回転検出センサ９ａ、９ｂの配置を示す説明図である。モータ７０のロータ７０ｒと一体回転するシャフト８０（回転軸）は、インバータ５０の中央部の空間を貫通する。インバータ５０は、正六角形（正多角形）状であり、略円形状である。また、その中央部の空間も、正六角形状であり、略円形状である。従って、その中央部の空間に良好に回転検出センサ９ａ、９ｂを配置させることができる。回転検出センサ９ａ、９ｂは、位相が９０度異なるように配置される。尚、シャフト８０は、回転検出を容易にするために正六角形に加工されると好適である。
【０１０４】
インバータ５０は、油や水などの浸入を防止する防水処理が施される。従って、インバータ５０内に回転検出センサ９ａ、９ｂを配置することによって、回転検出センサ９ａ、９ｂを防水処理が施された安定した環境に配置することができる。
【０１０５】
一般に回転検出センサは、モータ７０と一体回転するシャフト８０の近傍に取り付ける必要があり、信号線の取り回しが煩雑になる、あるいは、モータ長が延びるなどの課題を有する。しかし、リング状に形成されたインバータ５０の中央部の空いた空間にセンサを配置することで、これらの課題を解決することができる。また、結果として低コストで回転検出センサを付加することができる。
【０１０６】
回転検出センサには、磁気抵抗型あるいは磁性半導体型、発電型あるいは可変リアクタンス型、光反射型など種々の方式のセンサが存在する。防水型のインバータ５０に内蔵する上では、回転センサが小型化できる磁気抵抗型あるいは磁性半導体型のセンサを用いると好適である。発電型あるいは可変リアクタンス型のセンサは、電磁誘導の原理を利用したもので、回転数に比例した発電電圧が得られるが、ゼロ検出（位置検出）が困難である。光反射型のセンサは、電磁ノイズに対する耐性は優れているが汚れによる影響が大きい。磁気抵抗型あるいは磁性半導体型のセンサは、出力信号が回転数に拘らず位置検出が可能であり、汚れにも強く、小型化が出来るので本実施形態におけるセンサとして好適である。
【０１０７】
インバータ５０の電源安定用のコンデンサ４（図１参照）は、図２４に示すようにインバータ５０に隣接して配置される。コンデンサ４は、１０００μ〜２０００μＦ程度の大容量コンデンサである。本実施形態では、図２４に示すように、インバータ５０のハウジング５１とほぼ同径のフィルムコンデンサ４０によって構成される。
【０１０８】
以上、説明したように、正三角形状のパワー半導体チップ３を柔軟に組み合わせることによって、様々な形状をもつパワー半導体モジュール３０を構成することができる。また、このようにして構成されたパワー半導体モジュール３０を用いて、良好にリングに近いインバータ５０を構成することができる。そして、リングに近いインバータ５０は、その中心をモータ７０の回転軸と一致させるようにして容易にモータ７０と一体化される。また、このように一体化される場合には、インバータ５０とモータ７０とを短距離で接続することができる。さらに、インバータ５０とモータ７０とが広い面積で隣接可能であるから、両者を一括して冷却することも可能となる。
【０１０９】
このように、本発明によって、モータとインバータとを効率的および効果的に一体化することができる半導体チップを提供することが可能となる。また、当該半導体チップを用いて、インバータとモータとの配線における３相の平衡性が高く、インバータとモータとに対する高い冷却性能を有して、インバータ一体型のモータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】インバータの回路構成を模式的に示す回路ブロック図
【図２】ＩＧＢＴチップの積層構造の一例を模式的に示す断面図
【図３】ＩＧＢＴチップの外観の一例を模式的に示す外形図
【図４】ＩＧＢＴチップへのセルの集積構造の一例を模式的に示す平面図
【図５】ＩＧＢＴチップに集積されるセルの積層構造の一例を模式的に示す断面図
【図６】図４のＩＧＢＴチップの積層構造の一例を模式的に示す断面図
【図７】ダイオードチップの積層構造の一例を模式的に示す断面図
【図８】ダイオードチップの外観の一例を模式的に示す外形図
【図９】パワー半導体チップが形成されるウェハを模式的に示す上面図
【図１０】パワー半導体チップの板取効率の説明図
【図１１】パワー半導体チップの板取効率の説明図
【図１２】パワー半導体チップの板取効率の説明図
【図１３】正三角形状のパワー半導体チップの切り出しの説明図
【図１４】正三角形状のパワー半導体チップの切り出しの説明図
【図１５】正三角形状のパワー半導体チップの切り出しの説明図
【図１６】パワー半導体のダイシングの説明図
【図１７】ＩＧＢＴモジュールの構成例を模式的に示す上面図
【図１８】図１７のＩＧＢＴモジュールを用いたインバータの構成例を模式的に示す説明図
【図１９】図１７のＩＧＢＴモジュールを拡張した構成例を模式的に示す上面図
【図２０】図１９のＩＧＢＴモジュールを拡張した構成例を模式的に示す上面図
【図２１】ＩＧＢＴモジュールの構成例を模式的に示す側面図
【図２２】図２０のＩＧＢＴモジュールを用いたインバータの構成例を模式的に示す説明図
【図２３】図２２のインバータに電源接続用の共通プレートを設けた場合の構成例を示す説明図
【図２４】インバータ一体型モータにおけるモータ及びインバータの配置を模式的に示す側面図
【図２５】図２４におけるXXV矢視図
【図２６】ステータコイルとインバータとの接続形態の一例を模式的に示す斜視図
【図２７】図２４におけるXXVII矢視図
【図２８】図２４におけるXXVIII矢視図
【図２９】図２４におけるXXIX矢視図
【図３０】回転検出センサの配置を示す説明図
【符号の説明】
【０１１１】
１、１ａ〜１ｆ：ＩＧＢＴチップ（パワー半導体チップ）
２、２ａ、２ｂ：ダイオードチップ（パワー半導体チップ）
３：パワー半導体チップ
９ａ、９ｂ：回転検出センサ
１０、１０ａ〜１０ｆ：ＩＧＢＴモジュール（パワー半導体モジュール）
２０、２０ａ〜２０ｆ：フライホイールダイオード
３０、３０ａ〜３０ｆ：パワー半導体モジュール
５０：インバータ
６０：水冷ジャケット（冷却部）
７０：モータ
８０：シャフト（回転軸）
１００：セル
１１１：エミッタ電極
１１５：トレンチ
１１６：ゲート電極
１１８：コレクタ電極
３００：ウエハ
Ａ：アノード端子
Ｃ：コレクタ端子
Ｇ：ゲート端子
Ｅ：エミッタ端子
Ｋ：カソード端子
【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】
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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】
0005333814.tif 000019
【図１４】
0005333814.tif 000020
【図１５】
0005333814.tif 000021
【図１６】
0005333814.tif 000022
【図１７】
0005333814.tif 000023
【図１８】
0005333814.tif 000024
【図１９】
0005333814.tif 000025
【図２０】
0005333814.tif 000026
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
0005333814.tif 000029
【図２４】
0005333814.tif 000030
【図２５】
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【図２６】
0005333814.tif 000032
【図２７】
0005333814.tif 000033
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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