(57)【要約】【課題】本明細書は、スイッチングノイズを効果的に抑制する半導体装置を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体パッケージ２（半導体装置）は、スイッチング素子３ａ、３ｂと、スイッチング素子と外部のデバイスとの間で電力を伝達するためのバスバ４、５ａ、５ｂを備える。スイッチング素子とバスバの一部が樹脂モールド９で覆われている。樹脂モールド９の内部から外部にわたってバスバの表面に、バスバ自体の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率を有する炭素メッキ層７が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と、スイッチング素子と外部のデバイスとの間で電力を伝達するためのバスバを備えており、バスバの一部とスイッチング素子が樹脂モールドで覆われている半導体装置であり、
樹脂モールドの内部から外部にわたってバスバの表面に、バスバ自体の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率を有する高抵抗層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バスバは、スイッチング素子と接続している端部とは反対側の端部において他の導体と接続しており、
前記高抵抗層が、樹脂モールドの内部から他の導体との接続部にわたって設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。特に、スイッチング素子が樹脂モールドで覆われている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高度化に伴い、半導体素子を含む半導体装置のノイズ対策が重要になっている。ノイズには、環境から信号線に付加されるノイズ、電源ノイズ、スイッチング素子（トランジスタ）のスイッチング動作に伴って発生するスイッチングノイズなど、様々なものがある。電源ノイズ対策の一例が特許文献１に開示されている。その技術は、半導体装置においてデカップリングコンデンサと半導体素子の間を、高インダクタンスで低抵抗となる第１導体と、低インダクタンスで高抵抗となる第２導体の２本で接続する。そのような構成によれば、伝達すべき電力の周波数域である低周波帯では低インピーダンスであり、かつ、中域の周波数帯でも反共振インピーダンスが小さいインピーダンスプロファイルを得ることができ、その結果、電源ノイズを抑制することができる。
【０００３】
また、半導体装置のノイズ低減という技術分野とは異なるが、雷サージや開閉サージなどのサージ電流を抑制する技術が特許文献２に開示されている。その技術では、金属導体の表面に、金属導体の抵抗値よりも高い抵抗値を有する層を設ける。サージ電流は、導体が本来伝達すべき電力や信号よりも周波数が高く、また、高周波電流は導体の内部よりも表面を伝わる性質があるため、導体の表面に高抵抗層を設けることによってサージ電流を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２７３８７号公報
【特許文献２】特開平５−２１１７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書は、車両、特に電気自動車において、モータ駆動用の電圧コンバータやインバータなどに用いられている半導体装置のスイッチング素子が発生するノイズを低減する技術を提供する。電気自動車では、大出力の走行用モータを駆動するため、いわゆるパワー素子とも呼ばれるスイッチング素子（半導体素子）が多数用いられる。そのようなスイッチング素子の典型はＩＧＢＴである。パワー素子は大電流をスイッチングするため、大きなスイッチングノイズが発生する。スイッチングノイズはコモンモード電流となり、ラジオノイズに影響する。それゆえ、スイッチングノイズは小さいことが望ましい。しかしながら、特許文献１の技術のようにデカップリングコンデンサや、インピーダンス特性の異なる複数の導体を使う手法では、コストが嵩む。
【０００６】
そこで、本明細書が開示する半導体装置では、特許文献２に開示された技術と同様に、ノイズが高周波であることを利用し、導体の表面に、導体自体の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率を有する層（高抵抗層）を設ける。本明細書が開示する技術は、導体の表面に高抵抗層を設ける技術を利用するのに際して、電気自動車のインバータ等で用いられる半導体装置に特有の構造を巧みに利用し、スイッチングノイズを効果的に抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
走行用モータを駆動するための電圧コンバータやインバータでは、スイッチング素子を樹脂モールドで覆った（パッケージ化した）半導体装置がよく用いられる。さらに、高出力の走行用モータ駆動用の電気デバイスでは大電流を扱うため、スイッチング素子に電力を供給するための導体、あるいは、出力としての電力を他のデバイス（モータ）へ送るための導体には、バスバと呼ばれる細長棒状の金属部材が用いられる。バスバは、樹脂モールドの内外にわったて延びており、樹脂モールドの内部でスイッチング素子と接続している。
【０００８】
本明細書が開示する技術は、スイッチング素子が樹脂モールドでパッケージ化された半導体装置に対して、樹脂モールドの内部から外部にわたってバスバの表面に、バスバ自体の電気抵抗率よりも高い電気抵抗率の物質による層（高抵抗層）を設ける。この技術は、樹脂モールドの内外にわたって広範囲に高抵抗層を設けることによってノイズ低減効果を高める。
【０００９】
高抵抗層は、できるだけ広範囲にわたって設けられるのが望ましい。従って、高抵抗層は、バスバの端部にまで設けられていることが好ましい。但し、バスバは、スイッチング素子と接続している端部とは反対側の端部において他の導体と接続している。他の導体との接続部まで高抵抗層で覆うと、バスバと他の導体との間の電気抵抗が増大する。それゆえ、接続部までは高抵抗層で覆わずともよい。すなわち、高抵抗層は、樹脂モールドの内部から他の導体との接続部にわたって設けられているとよい。
【００１０】
高抵抗層は、例えば、炭素を蒸着（メッキ）あるいは塗布により形成した層である。なお、本明細書における「電気自動車」には、走行用モータとエンジンを共に備えるハイブリッド車や燃料電池車を含むことに留意されたい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は、以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の半導体パッケージの等価回路図である。
【図２】半導体パッケージの斜視図である。
【図３】半導体パッケージの平面図である。
【図４】バスバの断面図である。
【図５】バスバ断面における電流密度のシミュレーション結果を示す図である（ノイズ周波数＝５０ＭＨｚ）
【図６】バスバ断面における電流密度のシミュレーション結果を示す図である（ノイズ周波数＝１００ＭＨｚ）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して実施例の半導体パッケージ２（半導体装置）を説明する。実施例の半導体パッケージ２は、２個のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）３ａ、３ｂを樹脂モールドで覆ったデバイスである。図１に、半導体パッケージの等価回路を含む、インバータの回路図を示す。図１に示す回路図は、バッテリ９２に接続したインバータの回路図であり、２個のスイッチング素子の直列接続のセットが３セット並列にバッテリ９２に接続している。スイッチング素子は、典型的には、ＩＧＢＴである。図１において、破線で囲んだ部分が、半導体パッケージ２の等価回路である。半導体パッケージ２は、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂの直列接続を内部に有するデバイスである。図１に示す符号２ａ、２ｂも、半導体パッケージ２と同じものである。半導体パッケージ２ａ、２ｂは、半導体パッケージ２と同じ構造なので、以下では、半導体パッケージ２についてのみ説明する。それゆえ、図１では半導体パッケージ２ａ、２ｂについては個々の部品への符号は省略している。
【００１３】
夫々のスイッチング素子３ａ、３ｂには、還流ダイオード９４ａ、９４ｂが逆並列に接続される。また、２個のスイッチング素子の直列接続の回路と並列に、平滑化コンデンサ９０が接続されている。平滑化コンデンサ９０は、インバータ回路に入力される電流を平滑化するために挿入されている。
【００１４】
２個のスイッチング素子３ａ、３ｂの直列接続の一端はバッテリ９２の正極に接続しており、他端はバッテリ９２の負極に接続している。バッテリ９２の正極に繋がる電流経路をＰ線と称し、負極に繋がる電流経路はＮ線と称する。また、夫々のスイッチング素子のゲートに繋がる信号線を符号Ｓで表す。また、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂの中間点からはモータ９６に繋がる出力線Ｑが延びている。
【００１５】
半導体パッケージ２の構造を説明する。図２に半導体パッケージ２の斜視図を示す。図３に、半導体パッケージ２の平面図を示す。なお、図３では、半導体パッケージの内部が理解できるように、樹脂モールド９の内部を実線で描いてある。また、図２、図３では、信号線Ｓに相当する部材（リードフレーム）、および、スイッチング素子と還流ダイオードを接続する部材は図示を省略していることに留意されたい。
【００１６】
半導体パッケージ２は、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂが樹脂モールド９で覆われている構造を有している。樹脂モールド９には、冷却器３０が接している。
【００１７】
樹脂モールド内部のスイッチング素子３ａ、３ｂと外部のデバイス（平滑化コンデンサ９０やバッテリ９２など）とを電気的に接続するために、スイッチング素子からはバスバと呼ばれる、細長金属部材が用いられる。バスバは、金属ワイヤなどよりも太くて電気抵抗が小さく、大電流を流すのに適している。半導体パッケージ２では、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂの直列接続の接続点をインバータの出力としてを樹脂モールド９の外部に導くための出力バスバ４と、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂのうち、高電圧側の端部を樹脂モールド９の外部へ導くためのＰバスバ５ａと、低電圧側の端部を樹脂モールド９の外部に導くためのＮバスバ５ｂが用いられる。出力バスバ４が、図１の出力線Ｑ（の一部）に相当し、Ｐバスバ５ａが図１のＰ線（の一部）に相当し、Ｎバスバ５ｂが図１のＮ線（の一部）に相当する。
【００１８】
いずれのバスバも、樹脂モールド９の内部でスイッチング素子に接続し、樹脂モールド９の外部まで延びている。図３に示すように、出力バスバ４は、スイッチング素子３ａ、３ｂとダイレクトに接続している。これに対してＰバスバ５ａ、Ｎバスバ５ｂは、テープボンド１２を介してそれぞれスイッチング素子３ａ、３ｂと接続している。また、Ｐバスバ５ａ、Ｎバスバ５ｂは、樹脂モールド９の近傍外側で、コンデンサバスバ６ａ、６ｂと溶接にて接続されている。コンデンサバスバ６ａ、６ｂは、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂの直列接続の回路と平滑化コンデンサ９０（図１参照）を接続するためのバスバである。Ｐバスバ５ａとコンデンサバスバ６ａ、及び、Ｎバスバ５ｂとコンデンサバスバ６ｂはスポット溶接にて接続している。図３における符号１３が溶接部を示している。
【００１９】
出力バスバ４の一部には、その表面に炭素メッキ層７が設けられている。Ｐバスバ５ａ、Ｎバスバ５ｂの一部にも、表面に炭素メッキ層７が備えられている。炭素メッキ層７は、樹脂モールド９の内部から外部にわたって、バスバの表面を覆うように設けられている。図３に示すように、Ｐバスバ５ａ、Ｎバスバ５ｂでは、炭素メッキ層７は、バスバの両端を残してバスバ全体を覆っている。別言すれば、炭素メッキ層７は、樹脂モールド９の内部から他の導体（コンデンサバスバ６ａ、６ｂ）との接続部にわたって設けられている。接続部は、他の導体と電気的に接続するためにバスバ表面は低抵抗がよく、それゆえ、接続部では炭素メッキ層７は設けられていない。出力バスバ４については、バスバのスイッチング素子との接続部から、樹脂モールド９の外側の所定の位置まで、炭素メッキ層７で覆われている。
【００２０】
炭素メッキ層７の電気抵抗率ρｃは、ρｃ＝１．０×Ｅ−７［Ωｍ］程度であり、バスバ（アルミニウム製）の電気抵抗率ρｂ＝２．６×Ｅ−８［Ωｍ］よりも一桁大きい。なお、電気伝導率σで表現すると、炭素メッキ層７の電気伝導率σｃは、σｃ＝１．０×Ｅ＋７［Ｓ／ｍ］（［Ω−１・ｍ−１］）であり、バスバの電気伝導率σｂは、σｂ＝３．８×Ｅ＋７［Ｓ／ｍ］である。
【００２１】
スイッチング素子がそのスイッチング動作に起因して発生するスイッチングノイズは、スイッチング動作によって生成する出力（交流出力）よりも高周波である。一般に、電流は、その周波数が高いほど、導体の表面側を伝播することが知られている。電気自動車においてモータ制御帯域（即ち、半導体パッケージ２が本来伝達すべき電力の周波数帯域）は、せいぜい０〜１［ＭＨｚ］である。他方、低減したいラジオノイズの周波数帯域は、概ね１００［ＭＨｚ」程度（ＦＭ帯）である。それゆえ、電気抵抗率が低いバスバの表面に電気抵抗率が高い物質の層（高抵抗層）を設けることによって、伝達すべき電力はバスバの内部を低抵抗で通過する一方でノイズはバスバの表面の高抵抗層を通過する間に熱となって減衰する。即ち、上記の半導体パッケージ２は、ノイズを低減することができる。
【００２２】
実施例の半導体パッケージ２では、樹脂モールド９で覆われていない部分だけでなく樹脂モールド９の内部にまでバスバに炭素メッキ層７（高抵抗層）を設けている。樹脂モールド９の内外にわたって広範囲に炭素メッキ層７を設けることによって、すなわち、高周波のノイズ電流が通過する炭素メッキ層７を長くすることによって、ノイズ低減効果を高めている。
【００２３】
高抵抗層（実施例では炭素メッキ層７）の厚みについて考察する。高抵抗層に通したいノイズの周波数をｆ［Ｈｚ］、高抵抗層の電気抵抗率をρ［Ωｍ］、高抵抗層の比透磁率をμとすると、ノイズが通過する導体表面の深さｄ［ｍ］は、ｄ＝（ρ／２πｆμ）１／２で表される。炭素メッキの電気抵抗率ρｃは、ρｃ＝１．０×Ｅ−７［Ωｍ］である。ノイズの周波数ｆ＝１００［ＭＨｚ］とすると、ノイズが通過する導体表面深さｄは、ｄ＝２［μｍ］となる。従って、各バスバに厚みが１６［μｍ］の炭素メッキ層７を設ければ、ノイズはほぼその全部が、炭素メッキ層７を伝達する。そして、ノイズは、炭素メッキ層７を通過するうちに熱となった散逸する。
【００２４】
ノイズ低減効果を確認するコンピュータシミュレーションについて説明する。図４は、シミュレーションの前提となるバスバの断面図を示す。シミュレーションの前提となる部材は、アルミニウム製の出力バスバ４の表面に炭素メッキ層７を設けた導体である。そのような部材の一角（図４にて符号Ａが示す破線の領域）についてシミュレーションを行った。シミュレーションの条件は次の通りである。出力バスバ４は、アルミニウム製であり、電気抵抗率ρｂ＝２．６×Ｅ−８［Ωｍ］、電気伝導率ρｂ＝３．８×Ｅ＋７［Ｓ／ｍ］とした。出力バスバ４の厚みｔｂは、ｔｂ＝２［ｍｍ］とした。炭素メッキ層７は、電気抵抗率ρｃ＝１．０×Ｅ−７［Ωｍ］、電気伝導率σｃ＝１．０×Ｅ＋７［Ｓ／ｍ］とした。炭素メッキ層７の厚みｔｃは、ｔｃ＝０．０２５［ｍｍ］とした。
【００２５】
図５、図６にシミュレーション結果を模式的に示す。図５は、ノイズの周波数ｆ＝５０［ＭＨｚ］としたときの結果であり、図６は、ノイズの周波数ｆ＝１００［ＭＨｚ］としたときの結果である。グレーの領域が、電流密度の最も高い領域（高電流密度領域）であって電流密度＝７．０Ｅ＋６［Ａ／ｍ２］以上の領域を示している。
【００２６】
ノイズ周波数ｆ＝５０［ＭＨｚ］では、炭素メッキ層７の高電流密度領域３１のほかに、出力バスバ４にも高電流密度領域３２が存在する。このとき、炭素メッキ層７を流れる電流と出力バスバ４を流れる電流の比は概ね１：１であった。即ち、ノイズの約５０％は炭素メッキ層７を流れ、その大部分は熱となって散逸する。他方、ノイズ周波数ｆ＝１００［ＭＨｚ］では、炭素メッキ層７だけに高電流密度領域３３が現れ、出力バスバ４には高電流密度領域は現れない。このとき、炭素メッキ層７を流れる電流と出力バスバ４を流れる電流の比は概ね９：１であった。即ち、ノイズの約９０％が炭素メッキ層７を流れ、熱となって散逸する。このように、炭素メッキ層７の厚みを０．００２５［ｍｍ］とすると、帯域が１００［ＭＨｚ］レベルのノイズはほぼ、炭素メッキ層７を流れる。そのノイズ電流は、炭素メッキ層７の抵抗によって熱に変化し、散逸する。
【００２７】
実施例で説明した技術についての留意点を述べる。バスバの表面に設ける高抵抗層は、メッキ（蒸着）の代わりに塗布や、導電性テープの貼着などにより形成してもよい。また、高抵抗層の材質は、炭素のほかに、例えばシリコンであってもよい。
【００２８】
実施例では、半導体パッケージ２から３本のバスバ（出力バスバ４、Ｐバスバ５ａ、及び、Ｎバスバ５ｂ）が延びており、全てのバスバに、樹脂モールド内外にわたって炭素メッキ層７が設けられていた。スイッチングノイズがもっとも大きいのは出力バスバ４である。それゆえ、出力バスバ４には炭素メッキ層７を設け、他のバスバには炭素メッキ層７を設けずともノイズ低減効果を見込める。
【００２９】
実施例の半導体パッケージ２は、２個のスイッチング素子３ａ、３ｂを樹脂モールドで覆ったデバイスであった。半導体パッケージは、３個以上のスイッチング素子を樹脂モールドで覆ったものであってもよいし、さららには、スイッチング素子のほかに、スイッチング素子と逆並列に接続される還流ダイオードを含むデバイスであってもよい。
【００３０】
また、実施例の半導体パッケージ２は、出力バスバ４が樹脂モールド９の一面から延びており、Ｐバスバ５ａとＮバスバ５ｂが、一面とは反対側の面から延びていた。出力バスバ４、Ｐバスバ５ａ、及び、Ｎバスバ５ｂが同一の面から延びていてもよい。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
２、２ａ、２ｂ：半導体パッケージ（半導体装置）
３ａ、３ｂ：スイッチング素子
４：出力バスバ
５ａ：Ｐバスバ
５ｂ：Ｎバスバ
７：炭素メッキ層（高抵抗層）
９：樹脂モールド
１２：テープボンド
１３：溶接部
１４：コンデンサバスバ
３０：冷却器
９０：平滑化コンデンサ
９２：バッテリ
９４ａ：還流ダイオード
９６：モータ
【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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