JP3173511U - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の高さ方向への体格の大型化を抑えることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０において、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８には、コンデンサ基板３１を主回路基板２２に対向させて支持するコンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆが形成されている。また、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８には、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆより上部には、制御回路基板４０をコンデンサ基板３１に対向させて支持する制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇが形成されている。そして、主回路基板２２の上方にコンデンサ基板３１が配置されるとともに、コンデンサ基板３１の上方に制御回路基板４０が配置されている。さらに、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆとコンデンサ基板３１、及び制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇと制御回路基板４０とが電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本考案は、ヒートシンクと、半導体素子が搭載された主回路基板と、コンデンサが搭載されたコンデンサ基板と、半導体素子を制御する電子部品が搭載された制御基板と、を備える半導体装置に関する。

例えば、モータに可変電流のＡＣ電力を供給するインバータ装置（半導体装置）は、スイッチング素子としての半導体素子が搭載された主回路基板、及び半導体素子の制御部を有する制御回路基板を有する（例えば、特許文献１参照）。図８に示すように、特許文献１に開示の電子機器９０（半導体装置）は、ベースプレート９１の上面に第１の回路基板９２（主回路基板）が接合され、この第１の回路基板９２の上面には半導体素子９３が実装されるとともに、第１の回路基板９２の上面には電解コンデンサ９４がコンデンサ載置用導電板９５により実装されている。

また、第１の回路基板９２の上面には、半導体素子９３を制御するマイコンチップ９６（制御部）が搭載された第２の回路基板９７（制御回路基板）が、第１の回路基板９２に対して垂直に延びるように立設した状態（縦置き状態）で固定されている。

特開２００９−２１２３１１号公報

ところが、特許文献１に記載の電子機器９０において、第２の回路基板９７の高さが電解コンデンサ９４の高さを超えてしまっており、電子機器９０の高さ方向への体格が大型化してしまっている。

本考案は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体装置の高さ方向への体格の大型化を抑えることができる半導体装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の考案は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に熱的に結合されるとともに、半導体素子が搭載された主回路基板と、コンデンサが搭載されたコンデンサ基板と、前記半導体素子を制御する電子部品が搭載された制御回路基板と、電源に接続され、前記半導体素子及び前記コンデンサに電力供給するとともに、前記主回路基板上に支持される正極側入力電極、及び負極側入力電極と、を備える半導体装置に関する。この半導体装置において、前記正極側入力電極、及び負極側入力電極には、前記コンデンサ基板を前記主回路基板に対向させて支持するコンデンサ基板用支持部が形成されるとともに、前記コンデンサ基板用支持部より上部には、前記制御回路基板を前記コンデンサ基板に対向させて支持する制御回路基板用支持部が形成され、前記主回路基板の上方にコンデンサ基板が配置されるとともに、前記コンデンサ基板の上方に前記制御回路基板が配置されている。さらに、前記コンデンサ基板用支持部と前記コンデンサ基板、及び前記制御回路基板用支持部と前記制御回路基板とが電気的に接続されている。

これによれば、正極側入力電極及び負極側入力電極に、コンデンサ基板用支持部及び制御回路基板用支持部が形成されている。コンデンサ基板用支持部にコンデンサ基板が支持されるとともに、制御回路基板用支持部に制御回路基板が支持されている。そして、ヒートシンクから上に向かって主回路基板、コンデンサ基板、及び制御回路基板が互いに間隔を空けて段積みされている。このような配置にすることによって、制御回路基板を主回路基板に対して垂直に配置した場合と比べて、半導体装置の高さ方向への体格の大型化を抑えることができる。

また、前記主回路基板と前記制御回路基板は接続部材によって信号接続されていてもよい。これによれば、段積みされた主回路基板と制御回路基板とを簡単に信号接続することができる。

また、前記主回路基板には補助ブラケットが支持され、該補助ブラケットと前記制御回路基板用支持部とによって前記制御回路基板が支持されていてもよい。
これによれば、制御回路基板は、正極側入力電極及び負極側入力電極の制御回路基板用支持部に加え、補助ブラケットにも支持され、安定した状態に支持することができる。

また、前記主回路基板上には、複数の出力端子が設けられており、前記コンデンサ基板及び前記制御回路基板には、前記複数の出力端子を貫通させる貫通孔が形成されていてもよい。

本考案によれば、半導体装置の高さ方向への体格の大型化を抑えることができる。

実施形態の半導体装置を示す分解斜視図。 実施形態の半導体装置を示す側面図。 半導体装置の回路構成図。 コンデンサ及び半導体素子を示す平面図。 別例の半導体装置における半導体モジュールを示す平面図。 別例の半導体装置におけるコンデンサモジュールを示す平面図。 別例の半導体装置における制御回路基板を示す平面図。 背景技術を示す図。

以下、本考案を車両に搭載される半導体装置に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
半導体装置１０は車載走行モータを駆動する３相インバータである。まず、半導体装置１０のインバータ回路を説明する。図３に示すように、インバータ回路の主回路基板２２には、スイッチング素子Ｑとそのスイッチング素子Ｑに逆並列されたダイオードＤをワンチップ化した半導体素子２３が複数実装されている。図１に示すように、主回路基板２２には複数の半導体素子２３が実装されているが、図３ではインバータ回路の説明を簡単にするため、図１のインバータ回路を等価的に示している。

さて、インバータ回路は、６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有する。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor 電界効果トランジスタ）が使用されている。インバータ回路は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のドレインとソース間には、ダイオードＤ１〜Ｄ６が、逆並列に接続されている。第１、第４及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ５及び第１、第４及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ５に接続されたダイオードＤ１，Ｄ４，Ｄ５の組はそれぞれ上アームと呼ばれる。また、第２、第３及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６及び第２、第３及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６に接続されたダイオードＤ２，Ｄ３，Ｄ６の組はそれぞれ下アームと呼ばれる。

なお、図１に示すように、主回路基板２２の幅方向に並べて設置された６個の半導体素子２３が並列接続されて、第１の半導体素子群Ｇ１が構成されている。なお、図３では、６個並列接続された半導体素子２３からなる第１の半導体素子群Ｇ１を、Ｑ１とＤ１として等価的に表示している。同様に、主回路基板２２の幅方向に並べて設置された６個の半導体素子２３が並列接続されて、第２〜第６の半導体素子群Ｇ２〜第６が構成されている。なお、図３では、６個並列接続された半導体素子２３からなる第２の半導体素子群Ｇ２を、Ｑ２とＤ２として等価的に表示し、６個並列接続された半導体素子２３からなる第３の半導体素子群Ｇ３を、Ｑ３とＤ３として等価的に表示している。さらに、図３では、６個並列接続された半導体素子２３からなる第４の半導体素子群Ｇ４を、Ｑ４とＤ４として等価的に表示し、６個並列接続された半導体素子２３からなる第５の半導体素子群Ｇ５を、Ｑ５とＤ５として等価的に表示している。また、６個並列接続された半導体素子２３からなる第６の半導体素子群Ｇ６を、Ｑ６とＤ６として等価的に表示している。

そして、第１の半導体素子群Ｇ１がＵ相の上アーム用半導体素子群を、第４の半導体素子群Ｇ４がＶ相の上アーム用半導体素子群を、第５の半導体素子群Ｇ５がＷ相の上アーム用半導体素子群を構成している。また、第２の半導体素子群Ｇ２がＵ相の下アーム用半導体素子群を、第３の半導体素子群Ｇ３がＶ相の下アーム用半導体素子群を、第６の半導体素子群Ｇ６がＷ相の下アーム用半導体素子群を構成している。

図３に示すように、インバータ回路は、車載バッテリ２０に電気的に接続された正極側入力電極２７と負極側入力電極２８を有する。また、図１に示すように、正極側入力電極２７には、正極側中継端子２６が電気的に接続されるとともに、負極側入力電極２８には、負極側中継端子２５が電気的に接続されている。

そして、図３に示すように、第１のスイッチング素子Ｑ１のドレイン用の導体パターンは、正極側入力電極２７に電気的に接続されている。第４及び第５のスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５のドレイン用の導体パターンは、正極側中継端子２６を介して正極側入力電極２７に電気的に接続されている。また、第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のソース用の導体パターンは、負極側中継端子２５を介して負極側入力電極２８と電気的に接続されている。さらに、第６のスイッチング素子Ｑ６のソース用の導体パターンは、負極側入力電極２８と電気的に接続されている。

また、正極側入力電極２７と負極側入力電極２８の間には複数のコンデンサ３２が並列に接続されている。これらコンデンサ３２は、コンデンサ基板３１に複数実装されている。

なお、図１に示すように、コンデンサ３２は、コンデンサ基板３１に多数実装されるが、インバータ回路の説明を簡単にするため、図３では、等価的にコンデンサ３２を示している。そして、コンデンサ３２の正極端子が、正極側の導体パターンを介して正極側入力電極２７に接続され、コンデンサ３２の負極端子が、負極側の導体パターンを介して負極側入力電極２８に接続されている。車載バッテリ２０からの主電流が、正極側入力電極２７からコンデンサ３２に流れると、コンデンサ３２に充電される。コンデンサ３２に充電された電流は、コンデンサ３２から半導体素子２３へと供給される。

第１と第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接合点はＵ相出力端子Ｕに、第３と第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接合点はＶ相出力端子Ｖに、第５と第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接合点はＷ相出力端子Ｗに、それぞれ接続されている。そして、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ及びＷ相出力端子Ｗは、出力機器としての車載走行モータ（図示せず）に接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は制御回路基板４０に接続されている。そして、制御回路基板４０の制御回路によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がスイッチング制御されて車載走行モータに電力を供給するようになっている。

次に、半導体装置１０の構成について説明する。
図１に示すように、半導体装置１０のヒートシンク１１は、アルミニウム系金属や銅等で矩形板状に形成されるとともに、このヒートシンク１１の上面には、半導体モジュール１２が支持されている。半導体モジュール１２は、主回路基板２２に複数の半導体素子２３が実装されてなる。主回路基板２２は矩形板状をなす。ここで、主回路基板２２の長辺方向を長さ方向とし、長さ方向に直交する方向を幅方向とする。

主回路基板２２は、金属基板の上面に絶縁コーティングを施し、その絶縁コーティングの上に銅又はアルミ製の導体パターンが形成されて構成されている。図４の２点鎖線に示すように、主回路基板２２の導体パターンＰは、主回路基板２２の幅方向へ細長に延びるシート状に形成されている部分を備える。図１に示すように、金属基板は、電気的な絶縁機能を有するものである。そして、主回路基板２２は、ヒートシンク１１と熱的に結合される。

主回路基板２２の上面には、半導体素子２３が複数実装されている。具体的には、半導体素子２３は半田付けにて主回路基板２２の導体パターンＰと接合されている。複数の半導体素子２３は、主回路基板２２の幅方向に沿って１列に延びるように並設された半導体素子群Ｇが、主回路基板２２の長さ方向に複数列（６列）並ぶように配設されている。各半導体素子群Ｇは、それぞれ個別の導体パターンＰに電気的に接続されるとともに、各半導体素子群Ｇの複数の半導体素子２３それぞれは導体パターンＰに並列に接続されている。

なお、６列の半導体素子群Ｇを、図４の右側から第１の半導体素子群Ｇ１とし、左側に向けて第２の半導体素子群Ｇ２、第３の半導体素子群Ｇ３、第４の半導体素子群Ｇ４、第５の半導体素子群Ｇ５、第６の半導体素子群Ｇ６とする。また、主回路基板２２の長さ方向に隣り合う半導体素子群Ｇは、互いに間隔を空けて配設されている。

図１及び図２に示すように、主回路基板２２の長さ方向の一端側には、アルミニウムにより略棒状に形成された正極側入力電極２７が配置されるとともに、長さ方向の他端側には、アルミニウムにより略棒状に形成された負極側入力電極２８が配置されている。正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８は、主回路基板２２の導体パターンＰ上に配置されるパターン接続用電極部２７ａ，２８ａを備える。パターン接続用電極部２７ａ，２８ａは、主回路基板２２の幅方向に細長に延びる矩形板状（帯状）に形成されている。そして、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａは、その長さ方向が導体パターンＰの長さ方向に沿うように配置されるとともに、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａは導体パターンＰに対し面接触して電気的に接続されている。

正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８において、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａの長さ方向の中央には丸棒状をなす外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃが立設されている。正極側入力電極２７の外部接続用電極部２７ｃは、第１の半導体素子群Ｇ１の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に隣り合うように配置されている。また、負極側入力電極２８の外部接続用電極部２８ｃは、第６の半導体素子群Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に隣り合うように配設されている。

図４に示すように、第１の半導体素子群Ｇ１の６個の半導体素子２３を、主回路基板２２の幅方向の一端側（図４の上側）から第１半導体素子２３ａ、第２半導体素子２３ｂ、第３半導体素子２３ｃ、第４半導体素子２３ｄ、第５半導体素子２３ｅ、第６半導体素子２３ｆとする。この場合、第１半導体素子２３ａから外部接続用電極部２７ｃまでの距離と、第６半導体素子２３ｆから外部接続用電極部２７ｃまでの距離は同じになる。また、第２半導体素子２３ｂから外部接続用電極部２７ｃまでの距離と、第５半導体素子２３ｅから外部接続用電極部２７ｃまでの距離は同じになり、第１及び第６半導体素子２３ａ，２３ｆから外部接続用電極部２７ｃまでの距離より短くなる。さらに、第３半導体素子２３ｃから外部接続用電極部２７ｃまでの距離と、第４半導体素子２３ｄから外部接続用電極部２７ｃまでの距離は同じになり、第１及び第６半導体素子２３ａ，２３ｆから外部接続用電極部２７ｃまでの距離、さらには、第２及び第５半導体素子２３ｂ，２３ｅから外部接続用電極部２７ｃまでの距離より短くなる。すなわち、このように外部接続用電極部２７ｃを配置することで、主回路基板２２の幅方向に複数並べて配置された各半導体素子２３から外部接続用電極部２７ｃまでの電流経路を考えた場合、最も遠い電流経路と最も近い電流経路の差が最小となる。

図１及び図２に示すように、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａの上面は、コンデンサ基板３１を支持するコンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆを構成している。さらに、外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃにおいて、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆより上側の周面からは、制御回路基板４０を支持する制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇが突設されている。

そして、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８のパターン接続用電極部２７ａ，２８ａは、その下面が、導体パターンＰに面接触するとともに、主回路基板２２を介してヒートシンク１１に面接触し、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａとヒートシンク１１とは熱的に結合されている。

インバータ回路は、車載走行モータに接続されるＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ及びＷ相出力端子Ｗを備える。Ｕ相の上アーム用半導体素子群（第１の半導体素子群Ｇ１）と下アーム用半導体素子群（第２の半導体素子群Ｇ２）との間にＵ相出力端子Ｕが配置されるとともに、Ｖ相の上アーム用半導体素子群（第４の半導体素子群Ｇ４）と下アーム用半導体素子群（第３の半導体素子群Ｇ３）との間にＶ相出力端子Ｖが配置されている。さらに、Ｗ相の上アーム用半導体素子群（第５の半導体素子群Ｇ５）と下アーム用半導体素子群（第６の半導体素子群Ｇ６）との間にＷ相出力端子Ｗが配置されている。

Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗは、主回路基板２２の導体パターンＰ上に配置される基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａをそれぞれ備え、各基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａは矩形板状（帯状）に形成されている。そして、基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａは、その長さ方向が第１〜第６の半導体素子群Ｇ１〜Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向に延びるように配置されるとともに、基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａは導体パターンＰに対し面接触して電気的に接続されている。Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗにおいて、各基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａの長さ方向の中央には丸棒状をなす外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂが立設されている。そして、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ及びＷ相出力端子Ｗの各外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂが車載走行モータに接続されている。

Ｕ相出力端子Ｕの外部接続用端子部Ｕｂは、第１の半導体素子群Ｇ１及び第２の半導体素子群Ｇ２の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に配置されている。Ｖ相出力端子Ｖの外部接続用端子部Ｖｂは、第３の半導体素子群Ｇ３と第４の半導体素子群Ｇ４の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に配置されている。Ｗ相出力端子Ｗの外部接続用端子部Ｗｂは、第５の半導体素子群Ｇ５と第６の半導体素子群Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に配置されている。

ここで、図４に示すように、Ｕ相の上アーム用半導体素子群である第１の半導体素子群Ｇ１、及びＵ相の下アーム用半導体素子群である第２の半導体素子群Ｇ２の６個の半導体素子２３を、上記と同様に第１〜第６半導体素子２３ａ〜２３ｆとする。この場合、両半導体素子群Ｇ１，Ｇ２の第１半導体素子２３ａから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離と、第６半導体素子２３ｆから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離は同じになる。また、両半導体素子群Ｇ１，Ｇ２の第２半導体素子２３ｂから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離と、第５半導体素子２３ｅから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離は同じになり、第１及び第６半導体素子２３ａ，２３ｆから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離より短くなる。さらに、両半導体素子群Ｇ１，Ｇ２の第３半導体素子２３ｃから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離と、第４半導体素子２３ｄから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離は同じになり、第２及び第５半導体素子２３ｂ，２３ｅから外部接続用端子部Ｕｂまでの距離より短くなる。すなわち、このように外部接続用端子部Ｕｂを配置することで、主回路基板２２の幅方向に複数並べて配置された各半導体素子２３から外部接続用端子部Ｕｂまでの電流経路を考えた場合、最も遠い電流経路と最も近い電流経路の差が最小となる。

また、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗの外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂの上端から主回路基板２２の上面までの距離（高さ）は、主回路基板２２の幅方向への長さ（幅）より短くなっている。

図１に示すように、主回路基板２２の長さ方向に隣り合う第２の半導体素子群Ｇ２と第３の半導体素子群Ｇ３の間には、負極側中継端子２５が配設されるとともに、第４の半導体素子群Ｇ４と第５の半導体素子群Ｇ５の間には、正極側中継端子２６が配設されている。負極側中継端子２５及び正極側中継端子２６の高さは、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗの基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａよりも高くなっている。

そして、第１の半導体素子群Ｇ１のドレイン用の導体パターンＰは、正極側入力電極２７のパターン接続用電極部２７ａに電気的に接続されている。第３及び第５の半導体素子群Ｇ３，Ｇ５のドレイン用の導体パターンＰは、正極側中継端子２６を介して正極側入力電極２７に電気的に接続されている。また、第２及び第４の半導体素子群Ｇ２，Ｇ４のソース用の導体パターンＰは、負極側中継端子３４を介して負極側入力電極２８と電気的に接続されている。さらに、第６の半導体素子群Ｇ６のソース用の導体パターンＰは、負極側中継端子３４を介して負極側入力電極２８のパターン接続用電極部２８ａと電気的に接続されている。なお、主回路基板２２には、主回路側コネクタ部２２ｂが設けられている。

さらに、第１の半導体素子群Ｇ１のソース電極は、Ｕ相出力端子Ｕの基部Ｕａに電気的に接続され、第２の半導体素子群Ｇ２のドレイン電極はＵ相出力端子Ｕの基部Ｕａに電気的に接続されている。第４の半導体素子群Ｇ４のソース電極は、Ｖ相出力端子Ｖの基部Ｖａに電気的に接続され、第３の半導体素子群Ｇ３のドレイン電極はＶ相出力端子Ｖの基部Ｖａに電気的に接続されている。さらに、第５の半導体素子群Ｇ５のソース電極は、Ｗ相出力端子Ｗの基部Ｗａに電気的に接続され、第６の半導体素子群Ｇ６のドレイン電極はＷ相出力端子Ｗの基部Ｗａに電気的に接続されている。

図１及び図２に示すように、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８のコンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆ上には、コンデンサモジュール３０が支持され、主回路基板２２の上方にコンデンサモジュール３０が配置されている。このコンデンサモジュール３０は、コンデンサ基板３１とコンデンサ３２とから構成されている。コンデンサ基板３１は、主回路基板２２とほぼ同じ矩形状に形成されるとともに、主回路基板２２の上方に配置されている。また、コンデンサ基板３１には、その長さ方向に沿って貫通孔３１ａが３箇所形成されるとともに、各貫通孔３１ａにはＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗの外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂが貫通するようになっている。そして、コンデンサ基板３１は、その下面が主回路基板２２に対向するように横置きされて、主回路基板２２上に段積みされている。

図４に示すように、コンデンサ３２は、第１の半導体素子群Ｇ１（Ｕ相の上アーム用半導体素子群）に対応して複数設けられるとともに、第２の半導体素子群Ｇ２（Ｕ相の下アーム用半導体素子群）に対応して複数設けられている。また、コンデンサ３２は、第４の半導体素子群Ｇ４（Ｖ相の上アーム用半導体素子群）に対応して複数設けられるとともに、第３の半導体素子群Ｇ３（Ｖ相の下アーム用半導体素子群）に対応して複数設けられている。さらに、コンデンサ３２は、第５の半導体素子群Ｇ５（Ｗ相の上半導体素子群）に対応して複数設けられるとともに、第６の半導体素子群Ｇ６（Ｗ相の下アーム用半導体素子群）に対応して複数設けられている。

そして、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれにおいて、半導体装置１０の上面視において、コンデンサ３２の下方に重なる位置に半導体素子２３が配置されている。また、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれにおいて、主回路基板２２の幅方向の両側に複数のコンデンサ３２が配置されるとともに、幅方向の両側に分散されたコンデンサ３２は、それぞれ各相の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂを中心に点対称に配置されている。したがって、幅方向の両側に分散されたコンデンサ３２それぞれから外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂまでの距離が同じになっている。

そして、コンデンサ３２の正極端子が、正極側の導体パターンを介して正極側入力電極２７のパターン接続用電極部２７ａに接続され、コンデンサ３２の負極端子が、負極側の導体パターンを介して負極側入力電極２８のパターン接続用電極部２８ａに接続されている。

図１及び図２に示すように、主回路基板２２上には、補助ブラケット５０が支持されている。この補助ブラケット５０は、主回路基板２２の長さ方向に延びる矩形板状のブラケット本体５１と、ブラケット本体５１の長さ方向の両側に形成された一対の脚部５２とからなる。そして、一対の脚部５２が、主回路基板２２の長さ方向の両端に固定されるとともに、ブラケット本体５１が、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８の制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇに支持されている。また、ブラケット本体５１には、その長さ方向に沿って貫通孔５１ａが３箇所形成されるとともに、各貫通孔５１ａにはＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗの外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂが貫通するようになっている。

ブラケット本体５１上には制御回路基板４０が支持されるとともに、制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇには、ブラケット本体５１を介して制御回路基板４０が支持されている。制御回路基板４０は、ブラケット本体５１とほぼ同じ矩形状に形成されるとともに、制御回路基板４０は、コンデンサ基板３１、及び主回路基板２２とほぼ同じ形状に形成されている。また、制御回路基板４０は、その下面がコンデンサ基板３１に対向するように横置きされて、主回路基板２２上に段積みされている。また、制御回路基板４０には、その長さ方向に沿って貫通孔４０ａが３箇所形成されるとともに、各貫通孔４０ａにはＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗの外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂが貫通するようになっている。

したがって、半導体装置１０においては、ヒートシンク１１から上に向かって、主回路基板２２、コンデンサ基板３１、及び制御回路基板４０が段積みされるとともに、三枚の基板２２，３１，４０が互いに間隔を空けて平行に配列されている。詳細には、主回路基板２２上の半導体素子２３の上方にコンデンサ基板３１が配置されるとともに、コンデンサ基板３１上のコンデンサ３２の上方に制御回路基板４０が配置されている。さらに、制御回路基板４０上に電子部品４１が配置されている。したがって、ヒートシンク１１から上に向かって、主回路基板２２、半導体素子２３、コンデンサ基板３１、コンデンサ３２、制御回路基板４０、及び電子部品４１が積み重ねられている。

図２に示すように、半導体装置１０の全体の体格において、最も高い位置は、正極側入力電極２７、負極側入力電極２８、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗの上端であり、これら正極側入力電極２７、負極側入力電極２８、及び各出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの上端より下側で、主回路基板２２、コンデンサ基板３１、制御回路基板４０が段積みされている。また、図４に示すように、半導体装置１０の全体の体格において、主回路基板２２の幅方向及び長さ方向では、ヒートシンク１１が一番大きくなっており、主回路基板２２、コンデンサ基板３１、及び制御回路基板４０は、ヒートシンク１１のサイズ内に収まるように形成されている。

正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８において、制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇには、導電カラー５３が支持されるとともに、導電カラー５３は制御回路基板４０の導電パターン（図示せず）と電気的に接続されている。そして、この導電カラー５３を介して、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８と制御回路基板４０が電気的に接続されている。

制御回路基板４０の上面には、複数の電子部品４１から構成される制御回路が設けられるとともに、この制御回路により各半導体素子２３がスイッチング制御されて車載走行モータに電力を供給することができるようになっている。制御回路基板４０の上面には制御回路側コネクタ部４２が設けられている。そして、制御回路側コネクタ部４２と、主回路基板２２の主回路側コネクタ部２２ｂとが、接続部材としてのフラットケーブル５５によって信号接続されている。

次に、上記構成の半導体装置１０の作用について説明する。
車載バッテリ２０からの直流電流が、正極側入力電極２７の外部接続用電極部２７ｃからパターン接続用電極部２７ａを流れて、コンデンサ３２を流れるとともに、第１〜第６の半導体素子群Ｇ１〜Ｇ６に流れる。上アームの第１、第４及び第５の半導体素子群Ｇ１，Ｇ４，Ｇ５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ５、及び下アームの第２、第３及び第６の半導体素子群Ｇ２，Ｇ３，Ｇ６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６が、電子部品４１によって制御され、それぞれ所定周期でオン、オフ制御される。すると、交流電流がＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、及びＷ相出力端子Ｗを経て車載走行モータに供給されて駆動される。そして、電流は負極側入力電極２８から車載バッテリ２０に流れる。

このような半導体装置１０において、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８には、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆが形成されるとともに、それらコンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆの上部に制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇが形成されている。そして、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆにコンデンサ基板３１が支持されるとともに、制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇに制御回路基板４０が支持されている。このため、ヒートシンク１１から上に向かって主回路基板２２、コンデンサ基板３１、及び制御回路基板４０が段積みされ、制御回路基板４０は外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂの上端より低い位置に配設されている。

半導体装置１０において、各相の上アームを構成する第１、第４、第５の半導体素子群Ｇ１、Ｇ４，Ｇ５の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に、各相の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂが配設されている。また、第１の半導体素子群Ｇ１の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に、正極側入力電極２７の外部接続用電極部２７ｃが配設されるとともに、第６の半導体素子群Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に、負極側入力電極２８の外部接続用電極部２８ｂが形成されている。このため、各半導体素子群Ｇの半導体素子２３から外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃや外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂまでの電流経路の差を小さくすることができる。

また、半導体装置１０において、主回路基板２２の上方にコンデンサ基板３１が配設され、半導体装置１０の上面視でＵ相のコンデンサ３２の下方に重なる位置それぞれに、第１及び第２の半導体素子群Ｇ１，Ｇ２が配置されている。同様に、半導体装置の上面視でＶ相のコンデンサ３２の下方に重なる位置それぞれに、第３及び第４の半導体素子群Ｇ３，Ｇ４が配置されている。さらに、半導体装置の上面視でＷ相のコンデンサ３２の下方に重なる位置それぞれに、第５及び第６の半導体素子群Ｇ５，Ｇ６が配置されている。このため、コンデンサから半導体素子２３への電流経路は、各相それぞれにおいてコンデンサ３２の下方へ延びるだけで足り、電流経路が短く、しかも半導体素子２３とコンデンサ３２との間の電流経路に差がほとんど無くなる。

また、半導体装置１０において、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８の外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃが、主電流が流れることに伴い発熱すると、この熱は外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃからパターン接続用電極部２７ａ，２８ａを伝わり、半導体モジュール１２の主回路基板２２に伝わる。そして、主回路基板２２に伝わった熱は、ヒートシンク１１に伝わり、ヒートシンク１１から放熱される結果、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８が冷却され、温度上昇が抑えられる。

さらに、コンデンサ３２が通電に伴い発熱するが、この熱はコンデンサ基板３１を介して正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８に伝わり、コンデンサ３２が冷却される。加えて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６が通電に伴い発熱するが、この熱は主回路基板２２を介してヒートシンク１１に伝わり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６が冷却される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体装置１０は、ヒートシンク１１から上に向かって主回路基板２２、コンデンサ基板３１、及び制御回路基板４０が間隔を空けて段積みされている。そして、制御回路基板４０は、主回路基板２２の大きさ内に収まり、段積みされた制御回路基板４０によって半導体装置１０が幅方向へ大型化することがない。また、制御回路基板４０が段積みされても、制御回路基板４０が正極側入力電極２７、負極側入力電極２８、及び各相の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの上端より低い位置にある。したがって、制御回路基板４０が、半導体装置１０の一番高い部品より高い位置に配置されることがなくなり、制御回路基板４０を主回路基板２２に対して垂直に配置した場合と比べて半導体装置１０の高さ方向への体格の大型化を抑えることができる。

（２）正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８には、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆ及び制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇが形成されている。そして、コンデンサ基板３１は、コンデンサ基板用支持部２７ｆ，２８ｆによって支持されつつ給電され、制御回路基板４０は制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇに支持されつつ給電される。よって、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８は、コンデンサ基板３１及び制御回路基板４０への給電機能及び支持機能を兼ね備えている。したがって、半導体装置１０に、コンデンサ基板３１及び制御回路基板４０への給電機能を発揮する部材、及び支持機能を発揮する部材を別々に設ける場合と比べると、半導体装置１０の部品点数を減らし、大型化を防止することができる。

（３）例えば、制御回路基板４０を主回路基板２２に対し垂直に立設した（縦置きした）場合、半導体装置１０の高さが大型化しないようにするには、制御回路基板４０の上端が正極側入力電極２７、負極側入力電極２８、及び各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの上端を越えないように、制御回路基板４０を可能な限り小型化する必要がある。しかし、制御回路基板４０を小型化すると、制御回路基板４０の表裏両面に電子部品４１を実装する必要が生じ、制御回路基板４０の構造が複雑化してしまう。本実施形態では、制御回路基板４０をコンデンサ基板３１の上方に配置し、正極側入力電極２７、負極側入力電極２８、及び各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗより低い位置に配置したため、制御回路基板４０を主回路基板２２と同じ大きさに形成することができる。その結果として、制御回路基板４０の上面だけに電子部品４１を実装することができ、制御回路基板４０の構成を簡単にして製造コストの低減を図ることができる。

（４）例えば、制御回路基板４０を主回路基板２２に対し垂直に立設した（縦置きした）場合、制御回路基板４０を安定に保持するためには、制御回路基板４０の上端を、半導体装置１０を覆う蓋部材で保持し、制御回路基板４０を上下で保持することが考える。この場合、蓋部材に形成した保持溝に、制御回路基板４０の上端を挿入して、制御回路基板４０を保持する。しかし、制御回路基板４０の立設状態（傾斜等）や、保持溝の形成位置、形成幅等によっては、保持溝に制御回路基板４０の上端が挿入されても、制御回路基板４０が振動してしまう虞がある。本実施形態では、制御回路基板４０を正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８の制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇに支持させたため、制御回路基板４０が振動することを防止することができる。

（５）主回路基板２２上に補助ブラケット５０を設け、この補助ブラケット５０のブラケット本体５１上に制御回路基板４０を支持した。このため、制御回路基板４０は、正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８の制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇに加え、補助ブラケット５０にも支持され、安定した状態に支持することができる。

（６）制御回路基板４０の上面のみに電子部品４１を実装した。このため、半導体素子２３やコンデンサ３２から発生し、上昇する熱を制御回路基板４０の下面で受け止め、上面の電子部品４１に及びにくくすることができる。さらに、制御回路基板４０は補助ブラケット５０上に支持されているため、補助ブラケット５０によっても熱を受け止め、電子部品４１に及びにくくすることができる。

（７）主回路基板２２と制御回路基板４０とは、主回路基板２２の主回路側コネクタ部２２ｂと、制御回路基板４０の制御回路側コネクタ部４２とが、フラットケーブル５５によって信号接続されている。したがって、段積みされた主回路基板２２と制御回路基板４０とを簡単に信号接続することができる。

（８）コンデンサ基板３１及び制御回路基板４０には、各相の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを貫通させる貫通孔３１ａ，４０ａが形成されている。このため、半導体装置１０においては、コンデンサ基板３１及び制御回路基板４０の貫通孔３１ａ，４０ａに各相の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが貫通する。したがって、コンデンサ基板３１及び制御回路基板４０を各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗより低い位置に配置することができ、各相の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの上にコンデンサ基板３１及び制御回路基板４０を支持させる必要が無くなり、半導体装置１０の高さ方向への体格の大型化を抑えることができる。

（９）第１の半導体素子群Ｇ１の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に正極側入力電極２７の外部接続用電極部２７ｃが配置され、第６の半導体素子群Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央に負極側入力電極２８の外部接続用電極部２８ｂが配置されている。また、Ｕ相の第１及び第２の半導体素子群Ｇ１，Ｇ２の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央にＵ相出力端子Ｕの外部接続用端子部Ｕｂが配置され、Ｖ相の第３及び第４の半導体素子群Ｇ３，Ｇ４の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央にＶ相出力端子Ｖの外部接続用端子部Ｖｂが配置されている。さらに、Ｗ相の第５及び第６の半導体素子群Ｇ５，Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向中央にＷ相出力端子Ｗの外部接続用端子部Ｗｂが配置されている。

例えば、正極側入力電極２７の外部接続用電極部２７ｃが、主回路基板２２における第１の半導体素子群Ｇ１の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向の一端に配置されていると、第１の半導体素子群Ｇ１の一端側と他端側の半導体素子２３とでは、外部接続用電極部２７ｃまでの電流経路の差が非常に大きくなる。しかし、本実施形態では、複数の半導体素子２３が並んで配置されている場合において、各半導体素子２３から外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃや外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂまでの電流経路の差を小さくすることができる。したがって、第１〜第６の半導体素子群Ｇ１〜Ｇ６の各半導体素子２３において、外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃや外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂに近い特定の半導体素子２３だけに大電流が流れてしまことを回避することができる。その結果、特定の半導体素子２３に大電流が集中して流れてその半導体素子２３が破壊されることを防止するために、別途半導体素子２３を増やして電流を分散させる必要も無くなる。その結果、並列接続させる半導体素子２３の数を少なくすることができ、半導体装置１０の製造コストの低減を図ることができる。

（１０）正極側入力電極２７及び負極側入力電極２８は、各半導体素子群Ｇ１〜Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向に帯状に延びるパターン接続用電極部２７ａ，２８ａを備え、各相出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは、各半導体素子群Ｇ１〜Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向に帯状に延びる基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａを備える。そして、各半導体素子２３から外部接続用電極部２７ｃ，２８ｃや外部接続用端子部Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂまでの電流経路は、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａや基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａを経由することになり、各半導体素子２３からの電流経路をより短くすることができる。

（１１）主回路基板２２上の導体パターンＰにおいて、パターン接続用電極部２７ａ，２８ａや基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａに接続される部分はシート状に形成されている。また、各半導体素子群Ｇ１〜Ｇ６の複数の半導体素子２３が並ぶ幅方向に帯状に延びる基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａは、各導体パターンＰに対し面接触している。そして、各半導体素子２３からパターン接続用電極部２７ａ，２８ａや基部Ｕａ，Ｖａ，Ｗａへ流れる電流はシート状の導体パターンＰを伝わるため、電流経路は最短経路となり、電流経路をより短くすることができる。

（１２）半導体装置１０は、主回路基板２２の上方にコンデンサ基板３１が配設されている。そして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム用半導体素子（第１、第４、第５の半導体素子群Ｇ１，Ｇ４，Ｇ５）及び下アーム用半導体素子（第２、第３、第６の半導体素子群Ｇ２，Ｇ３，Ｇ６）それぞれに重なる位置にコンデンサ３２が配置されている。さらに、各アームに隣接してコンデンサ基板３１から主回路基板２２への電流経路が構成されている。このため、複数の半導体素子２３が一列に配置されるとともに互いに並列接続されてなる上下各アームにおいてコンデンサ３２から各半導体素子２３への電流経路は均等化される。したがって、各相において、各アームを構成する一列に配列された複数の半導体素子２３間における配線インダクタンスの差を小さくすることができるとともに、特定の半導体素子２３に過大なサージ電圧が発生することを抑制できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、補助ブラケット５０を用いて制御回路基板４０の支持を補助したが、補助ブラケット５０は無くてもよく、制御回路基板用支持部２７ｇ，２８ｇだけで制御回路基板４０を支持するようにしてもよい。

○ 主回路基板２２と制御回路基板４０とを接続部材としてのフラットケーブル５５で信号接続したが、接続形態は任意に変更してもよく、ワイヤコネクタやハーネス等に変更してもよい。

○ 実施形態では、ヒートシンク１１を金属板製としたが、ヒートシンク１１を熱伝導率の高い合成樹脂製に変更してもよい。さらには、ヒートシンク１１にフィン等を設けてもよいし、冷媒をヒートシンク１１内に流通可能にしたものであってもよい。

○ 半導体装置１０の用途は、車両に搭載されるものに限らず、家電製品や産業機械に適用してもよい。
○ 半導体素子２３の数及びコンデンサ３２の数は任意に変更してもよく、数の変更に合わせて主回路基板２２及びコンデンサ基板３１の大きさを変更してもよい。図５に示すように、ヒートシンク１１及び主回路基板２２を幅方向に拡大し、半導体素子２３の数を実施形態より多くしてもよい。さらに、図６に示すように、半導体素子２３の増加に合わせてコンデンサモジュール３０におけるコンデンサ基板３１を幅方向に拡大する。そして、半導体素子２３の上方にコンデンサ３２が位置するようにコンデンサ３２を増加させてもよい。この場合、図７に示すように、コンデンサ基板３１の上方に配置される制御回路基板４０は、コンデンサ基板３１より小さくなる。

○ スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６はＭＯＳＦＥＴに限らず、他のパワートランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ））やサイリスタを使用してもよい。

○ 半導体装置１０は、インバータ回路に限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。

Ｕ，Ｖ，Ｗ…出力端子、１０…半導体装置、１１…ヒートシンク、２０…電源としての車載バッテリ、２２…主回路基板、２３…半導体素子、２７…正極側入力電極、２７ｆ，２８ｆ…コンデンサ基板用支持部、２７ｇ，２８ｇ…制御回路基板用支持部、２８…負極側入力電極、３１…コンデンサ基板、３１ａ，４０ａ…貫通孔、３２…コンデンサ、４０…制御回路基板、４１…電子部品、５０…補助ブラケット、５５…接続部材としてのフラットケーブル。

Claims (4)

1. ヒートシンクと、
   前記ヒートシンク上に熱的に結合されるとともに、半導体素子が搭載された主回路基板と、
   コンデンサが搭載されたコンデンサ基板と、
   前記半導体素子を制御する電子部品が搭載された制御回路基板と、
   電源に接続され、前記半導体素子及び前記コンデンサに電力供給するとともに、前記主回路基板上に支持される正極側入力電極、及び負極側入力電極と、を備える半導体装置であって、
   前記正極側入力電極、及び負極側入力電極には、前記コンデンサ基板を前記主回路基板に対向させて支持するコンデンサ基板用支持部が形成されるとともに、前記コンデンサ基板用支持部より上部には、前記制御回路基板を前記コンデンサ基板に対向させて支持する制御回路基板用支持部が形成され、
   前記主回路基板の上方にコンデンサ基板が配置されるとともに、前記コンデンサ基板の上方に前記制御回路基板が配置され、
   さらに、前記コンデンサ基板用支持部と前記コンデンサ基板、及び前記制御回路基板用支持部と前記制御回路基板とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記主回路基板と前記制御回路基板は接続部材によって信号接続されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記主回路基板には補助ブラケットが支持され、該補助ブラケットと前記制御回路基板用支持部とによって前記制御回路基板が支持されている請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記主回路基板上には、複数の出力端子が設けられており、前記コンデンサ基板及び前記制御回路基板には、前記複数の出力端子を貫通させる貫通孔が形成されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体装置。