(57)【要約】【課題】パワー半導体モジュールのスイッチング素子から放射されるノイズが外部に漏れ出さないように遮蔽し、かつ誤動作しないようにする。【解決手段】金属ベース板１上の絶縁基板３の金属回路板３ｃ上に半導体チップ５をはんだ層４を介して設ける。また、金属ベース板１の側面に樹脂ケース６を接着する。そして、樹脂ケース６の上面に樹脂蓋１０を設ける。半導体チップ５が発生する放射ノイズを吸収する電波吸収材１１を樹脂蓋１０の下面に接着する。【選択図】図１
2007110000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属回路板が接合された絶縁基板を金属ベースに接合し、前記金属回路板にスイッチング素子をマウントし、前記絶縁基板の前記スイッチング素子側を樹脂ケースで格納したパワー半導体モジュールにおいて、
前記スイッチング素子が発生する放射ノイズを吸収する電波吸収材を、前記スイッチング素子に対向して間隙を介して設けたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記電波吸収材は、少なくとも前記金属回路板および前記スイッチング素子を覆うことができる大きさであることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記電波吸収材の前記スイッチング素子に対向する側の反対側に、前記放射ノイズを反射する金属板を設けたことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記金属板は前記電波吸収材よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記金属板を、前記金属ベースもしくは所定電位に接続される前記金属回路板と電気的に接続したことを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記金属板を、前記金属ベースもしくは所定電位に接続される前記金属回路板と抵抗を介して電気的に接続したことを特徴とする請求項５記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関し、特に金属回路板が接合された絶縁基板を金属ベースに接合し、金属回路板にスイッチング素子をマウントし、絶縁基板のスイッチング素子側を樹脂ケースで格納したパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、大電流・高電圧環境下でも動作可能なパワー半導体モジュールが様々な分野で用いられるようになってきている。このようなパワー半導体モジュールは、主に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）やフリーホイーリングダイオード（Free Wheeling Diode：ＦＷＤ）などのパワー半導体を用いて構成される。
【０００３】
図５は、従来のパワー半導体モジュールの上方斜視図であり、図６は、従来のパワー半導体モジュールの側方断面図の概略を示す図である。
パワー半導体モジュール１２０は、下面が金属ベース板１０１であり、金属ベース板１０１の４つの側面を樹脂ケース１０６で囲み、上面に樹脂蓋１１０をかぶせる。金属ベース板１０１上には、下からはんだ層１０２、金属放熱板１０３ａ、セラミック板１０３ｂ、金属回路板１０３ｃ、はんだ層１０４、および半導体チップ１０５が順に積層されている。ここでは、接合された金属放熱板１０３ａ、セラミック板１０３ｂ、および金属回路板１０３ｃを合わせて絶縁基板１０３とする。
【０００４】
また、金属ベース板１０１と樹脂ケース１０６で囲まれた空間の内部には、ＩＧＢＴやＦＷＤなどの半導体チップ１０５や端子１０７をアルミワイヤ１０８などで配線する。そして、半導体チップ１０５やアルミワイヤ１０８などの配線を保護するためにゲル質の封止材１０９（ポッティング材）を充填する。
【０００５】
図７は、従来のパワー半導体モジュール内部に組み込まれている回路の一例の概略を示す図である。
パワー半導体モジュール１２０には、三相のダイオード整流回路１３０、三相のインバータ回路１４０、およびサーミスタ１５０が内蔵されている。ダイオード整流回路１３０は、Ｒ端子、Ｓ端子、およびＴ端子から入力された三相交流を直流に変換し、Ｐ端子およびＮ端子から出力する回路である。インバータ回路１４０は、Ｐ１端子およびＮ１端子から入力された直流をＵ端子、Ｖ端子、およびＷ端子から三相交流で出力する回路である。また、サーミスタ１５０は、端子１５１および１５２間の抵抗値を測定することによってパワー半導体モジュール１２０の内部あるいは半導体チップ１０５の温度を検出する素子である。
【０００６】
このような回路が内部に組み込まれているパワー半導体モジュール１２０からは、ＩＧＢＴなどの半導体チップ１０５のスイッチングに伴って放射ノイズが発生することが知られている。そこで、チップおよびチップから引き出された配線を保護する封止材の中にノイズ吸収材を混入することによってモジュールの低ノイズ化を図る方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、パワー半導体モジュール内に金属板、あるいは電磁波遮蔽板を設けて、パワー半導体部から発生し、制御基板に対して放射される放射ノイズを遮蔽するパワー半導体モジュールが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２０７４３２号公報
【特許文献２】特開２００４−２２７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、封止材の中にノイズ吸収材を混入すると、半導体チップやチップから引き出された配線にノイズ吸収材が近づき、パワー半導体モジュールにおける封止材に必要な十分な絶縁耐量が得られない。また、電磁波遮蔽板をパワー半導体モジュール内部に設けると、電磁波遮蔽板により遮蔽された放射ノイズがパワー半導体モジュールの内部に反射してパワー半導体モジュール（半導体チップ）が誤作動するおそれがあるほか、放射ノイズが減衰せずに、遮蔽に不十分な部位から放射される場合もある。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子から放射されるノイズが外部に漏れ出さないように遮蔽し、かつ誤動作しないパワー半導体モジュール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】
【０００９】
本発明では上記問題を解決するために、金属回路板が接合された絶縁基板を金属ベースに接合し、前記金属回路板にスイッチング素子をマウントし、前記絶縁基板の前記スイッチング素子側を樹脂ケースで格納したパワー半導体モジュールにおいて、前記スイッチング素子が発生する放射ノイズを吸収する電波吸収材を、前記スイッチング素子に対向して間隙を介して設けたことを特徴とするパワー半導体モジュールが提供される。
【００１０】
このようなパワー半導体モジュールによれば、スイッチング素子から発生する放射ノイズを吸収する電波吸収材がスイッチング素子に対向して間隙を介して設けられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のパワー半導体モジュールによれば、電波吸収材がスイッチング素子に対向して間隙を介して設けられているので、スイッチング素子から発生し、スイッチング素子に対して金属ベースとは反対側に放射される放射ノイズを吸収することができる。また、放射ノイズを吸収することによってノイズが内部に反射しないので、モジュールの誤動作を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールの側方断面図である。
パワー半導体モジュール２０は、金属ベース板１上にはんだ層２を介して絶縁基板３が、絶縁基板３の金属回路板３ｃ上にはんだ層４を介して半導体チップ５が配置された構造となっている。ここで、セラミック板３ｂは、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主成分とする適当な厚さの基板であり、下面に金属放熱板３ａが、上面に金属回路板３ｃが、たとえばＤＣＢ法（ダイレクトボンディング法）によって直接接合されている。また、金属放熱板３ａと金属回路板３ｃは、たとえば適当な厚さの銅箔を用いて形成されており、金属回路板３ｃ上にはんだ付けされている半導体チップ５は、対応する端子７とワイヤ８で接続されている。ここでは、接合された金属放熱板３ａ、セラミック板３ｂ、および金属回路板３ｃを合わせて絶縁基板３とする。
【００１３】
絶縁基板３と半導体チップ５を接合するはんだ層４、および絶縁基板３と金属ベース板１を接合するはんだ層２は、たとえば成分にスズ（Ｓｎ）を含むスズ系はんだで構成されている。半導体チップ５は、たとえばシリコン（Ｓｉ）基板に形成されたＩＧＢＴやＦＷＤといったパワー半導体である。金属ベース板１には、樹脂ケース６が接着されており、この樹脂ケース６は、内部がゲル９で封止され、上面に樹脂蓋１０が接着されている。樹脂蓋１０の下面には、電波吸収材１１が固定されている。
【００１４】
電波吸収材１１は、金属回路板３ｃならびに半導体チップ５と所定距離離間して対向してこれらを覆うように配置されている。電波吸収材１１は、樹脂ケースの側壁で支持し、側壁間に架設してもよいが、図１に示すように、樹脂蓋１０に固定しておくと、樹脂ケースの形状を変更する必要もなく、組立工数が増加することもない。また、電波吸収材１１の樹脂蓋１０への固定は、接着剤によって固着させてもよいが、樹脂蓋１０と電波吸収材１１とが嵌合する構造としてもよい。
【００１５】
半導体チップ５は、スイッチング動作時にはスイッチングノイズを発生する。半導体チップ５から発生したスイッチングノイズは、金属回路板３ｃがアンテナがわりになって放射される。電波吸収材１１は、磁性材料などによって構成されており、放射されたノイズの電磁エネルギーを熱エネルギーに変換して吸収し、反射を防ぐ。
【００１６】
パワー半導体モジュール２０において、金属回路板３ｃと半導体チップ５は、金属ベース板１上に配置される。そのため、半導体チップ５と金属回路板３ｃから放射されるノイズは、金属ベース板１上の金属回路板３ｃが積層されている面に対して垂直な方向で、ノイズを反射する金属で構成されていない樹脂蓋１０をパワー半導体モジュール２０の内側から外側へ貫通する方向に放射されるノイズが多くなる。つまり、パワー半導体モジュール２０においては、樹脂蓋１０の下面に電波吸収材１１を接着することにより、半導体チップ５と金属回路板３ｃから放射されたノイズの多くを吸収することができる。
【００１７】
以上のようなパワー半導体モジュール２０によれば、樹脂蓋１０の下面に電波吸収材１１を接着することにより、半導体チップ５と金属回路板３ｃから放射されたノイズの多くを吸収することができるので、パワー半導体モジュール２０の内部で発生したノイズをパワー半導体モジュール２０の外部に漏れ出すことを防止し、かつ内部にノイズを反射させないことによって誤動作を防止することができる。
【００１８】
なお、電波吸収材１１は、金属などと比べると比較的ノイズを透過してしまう。つまり、樹脂蓋１０をパワー半導体モジュール２０の内側から外側へ貫通する方向に放射されるノイズのうち、電波吸収材１１が吸収しきれない分のノイズが透過してパワー半導体モジュール２０の外部に漏れだしてしまう。そこで、樹脂蓋１０に金属板と電波吸収材１１の両方を接着するパワー半導体モジュールを図２に示す。
【００１９】
図２は、樹脂蓋に電波吸収材と金属板を接着したパワー半導体モジュールの側方断面図である。図２は、樹脂蓋１０に金属板１２が接着されていること以外は図１に示したパワー半導体モジュール２０と構成が同様であるため、同様の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２０】
パワー半導体モジュール２１は、樹脂蓋１０の下面に金属板１２が接着されている。金属板１２は、たとえば銅（Ｃｕ）などの導電材料で構成されている。金属板１２の厚さは、加工のしやすさなどを考慮して１ｍｍ以下が適当である。金属板１２は放射されたノイズの電磁エネルギーを反射させる。そして、金属板１２の下面には、電波吸収材１１が接着されており、放射されたノイズの電磁エネルギーを熱エネルギーに変換して吸収し、反射を防ぐ。
【００２１】
つまり、半導体チップ５と金属回路板３ｃから樹脂蓋１０方向に放射されたノイズは、電波吸収材１１に吸収される。上述のとおり、電波吸収材１１は、金属に比べるとノイズを透過しやすい。電波吸収材１１を透過したノイズは、より樹脂蓋１０側にある金属板１２によって反射する。反射したノイズは、再度電波吸収材１１によって吸収される。
【００２２】
したがって、樹脂蓋１０に電波吸収材１１のみを接着したときよりもパワー半導体モジュール２１の外部に放射されるノイズを軽減し、かつ、たとえば樹脂蓋１０に金属板１２のみ接着したときよりもパワー半導体モジュール２１の内部に反射するノイズを軽減することにより、誤動作が発生することを防ぐことができる。
【００２３】
ここでは、樹脂蓋１０、金属板１２、電波吸収材１１を接着して固定する例で説明したが、樹脂蓋１０への金属板１２、電波吸収材１１の固定は接着に限らない。樹脂蓋１０と嵌合させてもよいし、樹脂ケース６の側壁で支持し、金属回路板３ｃ、半導体チップ５を覆うように側壁間で架設してもよい。
【００２４】
ところで、樹脂蓋１０に電波吸収材１１と金属板１２を接着すると、ノイズが電波吸収材１１を透過し、金属板１２によって反射されるときに金属板１２の電位が変化し、金属板１２からノイズが発生する可能性がある。そこで、金属板１２からのノイズの発生を防ぐため、金属板１２の電位を固定する構成として金属ベース板１と電気的に導通させたパワー半導体モジュールを図３に示す。
【００２５】
図３は、金属板と金属ベース板を電気的に接続したパワー半導体モジュールの側方断面図である。図３は、金属板１２と金属ベース板１とが電気的に導通するように導線で接続されていること以外は図２に示したパワー半導体モジュール２１と構成が同様であるため、同様の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
パワー半導体モジュール２２は、金属板１２と金属ベース板１が電気的に導通するように、たとえば金属ベース板１にはんだ１４によってあらかじめバネ１３をはんだ付けし、下方に金属板１２と電波吸収材１１を接着した樹脂蓋１０を上方からかぶせることによって接続されている。バネ１３の金属板１２への接続方法は、たとえば電波吸収材１１のバネ１３の位置に切り欠き部１５を設けることによって実現可能である。
【００２７】
このように、金属板１２と金属ベース板１を電気的に導通させることにより、半導体チップ５と金属回路板３ｃから樹脂蓋１０方向に放射されたノイズが電波吸収材１１を透過し、金属板１２によって反射されるときに金属板１２の電位が変化することを防ぐことができる。つまり、金属板１２の電位を固定できることにより金属板１２からの放射ノイズ発生を抑制することが可能となる。
【００２８】
なお、金属板１２と金属ベース板１を導体で接続すると金属板１２から金属ベース板１へ高周波の漏れ電流が流れる場合がある。そこで、金属板１２と金属ベース板１を、抵抗を介して接続したパワー半導体モジュールを図４に示す。
【００２９】
図４は、金属板と金属ベース板を、抵抗を介して電気的に接続したパワー半導体モジュールの側方断面図である。図４は、抵抗を介して金属板１２と金属ベース板１が電気的に接続されていること以外は図３に示したパワー半導体モジュール２２と構成が同様であるため、同様の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３０】
パワー半導体モジュール２３は、バネ１３にあらかじめ接着されている抵抗１６を介して金属板１２と金属ベース板１が接続されている。このように、金属板１２と金属ベース板１を、抵抗１６を介して電気的に接続すると、金属板１２から金属ベース板１へ流れる高周波の漏れ電流を小さくすることができ、かつ金属板１２の電位を固定することができる。
【００３１】
ここでは、金属板１２の電位を固定するために金属板１２と金属ベース板１とを接続したが、金属板１２を絶縁基板３の金属回路板３ｃと接続し、金属板１２を所定の電位（直流入力の負側電位（たとえば図７で示したＮ１端子）など）に固定してもよい。金属回路板３ｃと金属ベース板１とはセラミック板３ｂにて絶縁されているので、高周波の漏れ電流が金属ベース板１に流出することがない。金属板１２から金属回路板３ｃへの高周波漏れ電流が懸念される場合は、抵抗１６を介して金属板１２を接続すればよく、図４に示したパワー半導体モジュール２３のように、抵抗１６を金属板１２に接続・固定してもよいし、金属回路板３ｃ上に抵抗１６を配置してもよい。
【００３２】
これまでは、パワー半導体モジュールを例に説明したが、本発明は、パワー半導体モジュール内部にパワー半導体チップの駆動回路や保護回路を格納したインテリジェント・パワー・モジュール（Intelligent Power Module：ＩＰＭ）へも適用が可能である。
【００３３】
半導体チップの上方に駆動回路や保護回路が形成されたプリント基板を配置したいわゆる２階建て構造のＩＰＭでは、プリント基板の下側の面（ＩＧＢＴなどの半導体チップに対向する面）側に、電波吸収材、および必要に応じて金属板を配置すればよい。プリント基板を樹脂ケースにて支持する構成であれば、電波吸収材、金属板も同様に樹脂ケースにて支持してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態に係るパワー半導体モジュールの側方断面図である。
【図２】樹脂蓋に電波吸収材と金属板を接着したパワー半導体モジュールの側方断面図である。
【図３】金属板と金属ベース板を電気的に接続したパワー半導体モジュールの側方断面図である。
【図４】金属板と金属ベース板を、抵抗を介して電気的に接続したパワー半導体モジュールの側方断面図である。
【図５】従来のパワー半導体モジュールの上方斜視図である。
【図６】従来のパワー半導体モジュールの側方断面図の概略を示す図である。
【図７】従来のパワー半導体モジュール内部に組み込まれている回路の一例の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  金属ベース板
２、４  はんだ層
３  絶縁基板
３ａ  金属放熱板
３ｂ  セラミック板
３ｃ  金属回路板
５  半導体チップ
６  樹脂ケース
７  端子
８  ワイヤ
９  ゲル
１０  樹脂蓋
１１  電波吸収材
２０  パワー半導体モジュール
【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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