JP3220366B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3220366B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大電流を高速スイ
ッチングする半導体装置に係り、特に、電気車駆動装置
や車載用モ−タ制御装置に用いる好適な半導体装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】電気車、特に電気自動車では、駆動装置
の小型軽量化が要求されている。かかる駆動装置では、
バッテリー等の直流電源からモーターを駆動する交流を
得るために、大電流を高速スイッチングする半導体装置
が用いられている。特に、最近のパワ−エレクトロニク
スの進歩によって、IGBT(Insulated G
ate Bipolar Transistor)など
の高速大電力半導体が開発されるにいたり、その発生損
失の低減のため、内部インダクタンスを小さくすること
が重要視されている。
【0003】そこで、例えば、特公平5−25392号
公報に記載されているように、トランジスタのコレクタ
に至る通電路とエミッタに至る通電路とが互いに平行に
なるように近接することにより、磁界をキャンセルして
インダクタンスを小さくすることが知られている。
【0004】さらに、例えば、特開平6−69415号
公報に記載のように、トランジスタとダイオードの直列
回路を並列に配置する2回路内蔵方式が知られている。
かかる2回路内蔵方式においても、トランジスタのコレ
クタに至る通電路とエミッタに至る通電路とを近接平行
として、インダクタンスを小さくすることが知られてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、2回路
内蔵方式にあっては、第1の回路と第2の回路を接続す
るために、ジャンパープレートを用いているため、この
ジャンパープレートによるインダクタンスの増加が生じ
るという問題があった。
【0006】本発明の目的は、内部インダクタンスの小
さな2回路内蔵方式の半導体装置を提供するにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、第1のIGBTチップと第1のダイオー
ドの直列回路からなる第1の回路と、第2のIGBTチ
ップと第2のダイオードの直列回路からなる第2の回路
を並列配置した半導体装置において、絶縁基板上に固定
された正極ブスバーと、この正極ブスバーと平行に配置
され、上記絶縁基板上に固定された出力ブスバーと、上
記正極ブスバーの上に固定されるとともに、そのコレク
タが接続された上記第1のIGBTチップと、上記正極
ブスバーの上に固定されるとともに、そのアノードが接
続された上記第2のダイオードと、上記出力ブスバーの
上に固定されるとともに、そのコレクタが接続された上
記第2のIGBTチップと、上記出力ブスバーの上に固
定されるとともに、そのアノードが接続された上記第1
のダイオードと、上記第1のIGBTチップのエミッタ
と上記出力ブスバーを接続する第1の接続導体と、上記
第2のダイオードのカソードと上記出力ブスバーを接続
する第2の接続導体と、上記第1のIGBTチップ及び
上記第2のダイオードの上方に、絶縁物を介して、上記
正極ブスバーと平行に固定された負極ブスバーと、上記
第2のIGBTチップのエミッタと上記負極ブスバーを
接続する第3の接続導体と、上記第1のダイオードのカ
ソードと上記負極ブスバーを接続する第4の接続導体と
を備えるようにしたものであり、かかる構成とすること
により、インダクタンスを低減し得るものとなる。
【0008】上記半導体装置において、好ましくは、上
記第1及び第2の接続導体に対して、上記第3及び第4
の接続導体を平行に近接配置するようにしたものであ
り、かかる構成とすることにより、磁界キャンセリング
により、インダクタンスを低減し得るものとなる。
【0009】上記半導体装置において、好ましくは、上
記正極ブスバーの上に固定された上記第1のIGBTチ
ップに対して、上記出力ブスバーの上に固定される上記
第1のダイオードを近接配置し、上記正極ブスバーの上
に固定された上記第2のダイオードに対して、上記出力
ブスバーの上に固定される上記第2のIGBTチップを
近接配置するようにしたものであり、交流分による磁界
キャンセリングを可能とし得るものとなる。
【0010】上記半導体装置において、好ましくは、上
記第1の回路と上記第2の回路を対称に配置し、これに
対して、上記正極ブスバー,負極ブスバー及び出力ブス
バーを対称に配置するようにしたものであり、電流配分
を均等にし得るものとなる。
【0011】上記半導体装置において、好ましくは、さ
らに、上記絶縁板に固定されたケースを備え、上記負極
ブスバーの一部を上記ケースにより保持するようにした
ものであり、かかる構成とすることにより、負極ブスバ
ーの保持を強固にし得るものとなる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて、図1乃至図3を用いて説明する。図1は、本発明
の一実施の形態による半導体装置の平面図であり、図2
は、図1のX−X断面図であり、図3は、本発明の一実
施の形態による半導体装置の回路図である。
【0013】図1において、四角形の絶縁板10の上に
は、四角形の枠状のケース12が固定されている。絶縁
板10は、例えば、窒化アルミ板からなる。絶縁板10
の上であって、図面に向かって左側の方には、長方形の
正電極端子として用いられる正極ブスバー20が、接合
されている。接合は、銀ローなどのロー材を用いてい
る。また、正極ブスバー20の右側であって、絶縁板1
0の上には、出力端子として用いられる出力ブスバー2
2が、ロー付けにより接合されている。正極ブスバー2
0と出力ブスバー22は、同一の絶縁板10上に取り付
けられているため、互いに平行である。また、長方形の
正極ブスバー20の長軸方向と出力ブスバー22の長軸
方向は互いに平行であり、この点においても、正極ブス
バー20と出力ブスバー22は、互いに平行である。
【0014】正極ブスバー20の上には、図示しない半
田により、パワーモジュールであるスイッチング用のI
GBTチップ30A,30Bと転流用のダイオード42
A,42Bが固定されている。従って、電気回路的に
は、IGBTチップ30A,30Bのコレクタとダイオ
ード42A,42Bのアノードが、正極ブスバー20に
接続されている。
【0015】ここで、IGBTチップ30A,30Bの
それぞれの電流容量を100Aとすると、パワーモジュ
ール全体の電流容量を200Aとするために、IGBT
チップ30AとIGBTチップ30Bは互いに平行に接
続されている。従って、パワーモジュール全体の電流容
量が100Aでよい時には、IGBTチップ30Aだけ
を用いればよい。
【0016】また、出力ブスバー22の上には、図示し
ない半田により、パワーモジュールであるスイッチング
用のIGBTチップ32A,32Bと転流用のダイオー
ド40A,40Bが固定されている。従って、電気回路
的には、IGBTチップ32A,32Bのコレクタとダ
イオード40A,40Bのアノードが、出力ブスバー2
2に接続されている。
【0017】ここで、IGBTチップ32A,32Bの
それぞれの電流容量を100Aとすると、パワーモジュ
ール全体の電流容量を200Aとするために、IGBT
チップ32AとIGBTチップ32Bは互いに平行に接
続されている。従って、パワーモジュール全体の電流容
量が100Aでよい時には、IGBTチップ30Aだけ
を用いればよい。
【0018】出力ブスバー22は、一体的に形成された
凹凸状の接続端子部22x1,22x2,22x3,2
2x4を有しており、IGBTチップ30Aのエミッタ
が、アルミワイヤ50A1によって、出力ブスバー22
の接続端子部22x2に接続され、IGBTチップ30
Bのエミッタが、アルミワイヤ50A2によって、出力
ブスバー22の接続端子部22x3に接続されている。
また、ダイオード42Bのアノードが、アルミワイヤ5
0A4によって、出力ブスバー22の接続端子22x1
に接続され、ダイオード42Aのアノードが、アルミワ
イヤ50A3によって、出力ブスバー22の接続端子2
2xに接続されている。ここで、アルミワイヤ50A
1,50A2,50A3,50A4は、それぞれ、2本
づつの線で表しているが、実際には、複数本平行に用い
られている。アルミワイヤ50A1,50A2,50A
3,50A4は、ワイヤボンデイングによって設けられ
るため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGBTチ
ップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに応じ
て、複数本使用している。
【0019】正極ブスバー20の上には、3本の円柱形
の絶縁物60A,60B,60Cが固定されている。ま
た、出力ブスバー22の上には、3本の円柱形の絶縁物
60D,60E,60Fが固定されている。そして、6
本の絶縁物60A,60B,60C,60D,60E,
60Fの上には、負極ブスバー24が固定されている。
従って、負極ブスバー24は、正極ブスバー20と互い
に平行になっており、また、負極ブスバー24と正極ブ
スバー20を流れる電流の向きは、逆方向となってい
る。負極ブスバー24は、ケース12によっても保持さ
れている。
【0020】負極ブスバー24の右側には、一体的に形
成された凹凸状の接続端子部24x1,24x2,24
x3,24x4を有しており、IGBTチップ32Aの
エミッタが、アルミワイヤ50B1によって、負極ブス
バー24の接続端子部24x2に接続され、IGBTチ
ップ32Bのエミッタが、アルミワイヤ50B2によっ
て、負極ブスバー24の接続端子部24x3に接続され
ている。また、ダイオード40Aのアノードが、アルミ
ワイヤ50B3によって、負極ブスバー24の接続端子
24x1に接続され、ダイオード40Bのアノードが、
アルミワイヤ50Bによって、負極ブスバー24の接
続端子24xに接続されている。ここで、アルミワイ
ヤ50B1,50B2,50B3,50B4は、それぞ
れ、2本づつの線で表しているが、実際には、複数本平
行に用いられている。アルミワイヤ50B1,50B
2,50B3,50B4は、ワイヤボンデイングによっ
て設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、
IGBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大
きさに応じて、複数本使用している。
【0021】ここで、アルミワイヤ50A1,50A
2,50A3,50A4とアルミワイヤ50B1,50
B2,50B3,50B4は、それぞれ、平行に保たれ
ている。即ち、この点については、図2を用いて詳述す
るが、アルミワイヤ50A1とアルミワイヤ50B1
が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向
きとなっており、また、アルミワイヤ50A2とアルミ
ワイヤ50B2が、互いに平行であり、しかも、流れる
電流方向が逆向きとなっている。さらに、アルミワイヤ
50A3とアルミワイヤ50B3が、互いに平行であ
り、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっており、ま
た、アルミワイヤ50A4とアルミワイヤ50B4が、
互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きと
なっている。
【0022】従って、IGBTチップ30Aのエミッタ
は、ダイオード40Aのカソードに接続され、第1の直
列回路を構成している。また、IGBTチップ30Bの
エミッタは、ダイオード40Bのカソードに接続され、
これも、第1の直列回路を構成している。IGBTチッ
プ30Aとダイオード40Aの直列回路は、IGBTチ
ップ30Bとダイオード40Bの直列回路並列接続さ
れている。IGBTチップ30Aとダイオード40Aの
直列回路の電流容量を100Aとし、IGBTチップ3
0Bとダイオード40Bの直列回路の電流容量を100
Aとすると、これらの回路は並列接続されており、電流
容量を200Aとしている。従って、電流容量を100
Aでよい時には、IGBTチップ30Aとダイオード4
0Aの直列回路だけを用いればよい。
【0023】また、IGBTチップ32Aのコレクタ
は、ダイオード42Aのアノードに接続され、第2の直
列回路を構成している。また、IGBTチップ32Bの
コレクタは、ダイオード42Bのアノードに接続され、
これも、第2の直列回路を構成している。IGBTチッ
プ32Aとダイオード42Aの直列回路は、IGBTチ
ップ32Bとダイオード42Bの直列回路並列接続さ
れている。IGBTチップ32Aとダイオード42Aの
直列回路の電流容量を100Aとし、IGBTチップ3
2Bとダイオード42Bの直列回路の電流容量を100
Aとすると、これらの回路は並列接続されており、電流
容量を200Aとしている。従って、電流容量を100
Aでよい時には、IGBTチップ32Aとダイオード4
2Aの直列回路だけを用いればよい。
【0024】第1の直列回路と第2の直列回路は、それ
ぞれ、正極ブスバー20と負極ブスバー24に対して並
列接続されているとともに、第1の直列回路のIGBT
チップのエミッタとダイオードのアノードの接続点及
び、第2の直列回路のダイオードのカソードとIGBT
チップのコレクタの接続点は、出力ブスバー22に共通
接続されている。
【0025】さらに、正極ブスバー20の左側であっ
て、絶縁板10の上には、端子台70が取り付けられて
いる。端子台70のうえには、半田により、ゲート抵抗
74A,74Bが固定されている。ゲート抵抗74A
は、アルミワイヤ78A1によりIGBTチップ30A
のベースに接続されている。ゲート抵抗74Bは、アル
ミワイヤ78B1によりIGBTチップ30Bのベース
に接続されている。また、出力ブスバー22の右側であ
って、絶縁板10の上には、端子台72が取り付けられ
ている。端子台72のうえには、半田により、ゲート抵
抗76A,76Bが固定されている。ゲート抵抗76A
は、アルミワイヤ78A2によりIGBTチップ32A
のベースに接続されている。ゲート抵抗76Bは、アル
ミワイヤ78B2によりIGBTチップ32Bのベース
に接続されている。
【0026】IGBTチップからの放熱は、絶縁板10
を介して行われる。
【0027】次に、図2を用いて、図1に示した本発明
の一実施の形態による半導体装置の断面構造について説
明する。
【0028】絶縁板10の上には、枠状のケース12が
固定されている。絶縁板10の上であって、図面に向か
って左側の方には、正電極端子として用いられる正極ブ
スバー20が、接合されている。接合は、銀ローなどの
ロー材を用いている。また、正極ブスバー20の右側で
あって、絶縁板10の上には、出力端子として用いられ
る出力ブスバー22が、ロー付けにより接合されてい
る。正極ブスバー20と出力ブスバー22は、同一の絶
縁板10上に取り付けられているため、互いに平行であ
る。また、正極ブスバー20の長軸方向(図面に直交す
る方向)と出力ブスバー22の長軸方向(図面に直交す
る方向)は互いに平行であり、この点においても、正極
ブスバー20と出力ブスバー22は、互いに平行であ
る。
【0029】正極ブスバー20の上には、半田80によ
り、パワーモジュールであるスイッチング用のIGBT
チップ30Aと図示しない転流用のダイオードが固定さ
れている。従って、電気回路的には、IGBTチップ3
0Aのコレクタとダイオードのアノードが、正極ブスバ
ー20に接続されている。
【0030】また、出力ブスバー22の上には、半田8
2により、パワーモジュールであるスイッチング用のI
GBTチップ32Aと図示しない転流用のダイオードが
固定されている。従って、電気回路的には、IGBTチ
ップ32Aのコレクタとダイオードのアノードが、出力
ブスバー22に接続されている。
【0031】出力ブスバー22は、一体的に形成された
凹凸状の接続端子部22x2を有しており、IGBTチ
ップ30Aのエミッタが、アルミワイヤ50A1によっ
て、出力ブスバー22の接続端子部22x2に接続され
ている。また、図示しないダイオードのカソードが、ア
ルミワイヤによって、出力ブスバー22の接続端子に接
続されている。ここで、アルミワイヤ50A1は複数本
平行に用いられている。アルミワイヤ50A1は、ワイ
ヤボンデイングによって設けられるため、1本のワイヤ
の径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイオー
ドから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用してい
る。
【0032】正極ブスバー20の上には、円柱形の絶縁
物60Bが固定されている。また、出力ブスバー22
には、円柱形の絶縁物60Eが固定されている。そし
て、これらの絶縁物60B,60Eの上には、負極ブス
バー24が固定されている。従って、負極ブスバー24
は、正極ブスバー20と互いに平行になっており、ま
た、負極ブスバー24と正極ブスバー20を流れる電流
の向きは、逆方向となっている。
【0033】負極ブスバー24の右側には、一体的に形
成された凹凸状の接続端子部24x2を有しており、I
GBTチップ32Aのエミッタが、アルミワイヤ50B
1によって、負極ブスバー24の接続端子部24x2に
接続されている。また、図示しないダイオードのカソー
ドが、アルミワイヤによって、負極ブスバー24の接続
端子に接続されている。ここで、アルミワイヤ50B1
複数本平行に用いられている。アルミワイヤ50B1
は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本
のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくは
ダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使
用している。
【0034】また、負極ブスバー24は、絶縁物60
B,60Eを介して、正極ブスバー20や出力ブスバー
22とは、異なる平面上に支持されているので、負極ブ
スバー24とIGBTチップ32Aのエミッタの間に
は、段差があり、従来のワイヤボンデイング技術では、
このような段差がある場合には、アルミワイヤによるボ
ンデイングが不可能であったが、近年、このような段差
のある箇所にも適用可能なボンデイング技術が開発され
たため、このような配置が可能となっている。また、正
極ブスバー20と負極ブスバー24の間には、円柱状の
絶縁物60B,60Eを用いているため、超音波ボンデ
イング時の共振現象を防止できる。
【0035】ここで、アルミワイヤ50A1とアルミワ
イヤ50B1は、それぞれ、平行に保たれている。即
ち、アルミワイヤ50A1とアルミワイヤ50B1が、
互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆向きと
なっている。
【0036】従って、IGBTチップ30Aのエミッタ
は、出力ブスバー22の上に固定された図示しないダイ
オードのカソードに接続され、第1の直列回路を構成し
ている。また、IGBTチップ32Aのコレクタは、正
極ブスバー20の上に固定された図示しないダイオード
のアノードに接続され、第2の直列回路を構成してい
る。
【0037】第1の直列回路と第2の直列回路は、それ
ぞれ、正極ブスバー20と負極ブスバー24に対して並
列接続されているとともに、第1の直列回路のIGBT
チップのエミッタとダイオードのカソードの接続点及
び、第2の直列回路のダイオードのアノードとIGBT
チップのコレクタの接続点は、出力ブスバー22に共通
接続されている。
【0038】さらに、正極ブスバー20の左側であっ
て、絶縁板10の上には、端子台70が取り付けられて
いる。端子台70のうえには、半田により、ゲート抵抗
74Aが固定されている。ゲート抵抗74Aは、アルミ
ワイヤ78A1によりIGBTチップ30Aのベースに
接続されている。また、出力ブスバー22の右側であっ
て、絶縁板10の上には、端子台72が取り付けられて
いる。端子台72のうえには、半田により、ゲート抵抗
76Aが固定されている。ゲート抵抗76Aは、アルミ
ワイヤ78A2によりIGBTチップ32Aのベースに
接続されている。絶縁板10の裏には、銅パターン90
が形成されており、IGBTチップからの放熱は、絶縁
板10を介して行われる。
【0039】正極ブスバー20と出力ブスバー22は、
絶縁板10の上に、0.4mm程度に薄くした部分をロ
ー付けにより、接合している。
【0040】IGBTチップ30A,32Aの表面は、
チップ保護のためのコーテイング剤で覆われ、さらに、
絶縁板10の上に固定された枠状のケース12によって
形成される空間には、チップ保護のために、ゲル100
が充填されている。
【0041】本実施の形態によれば、正極ブスバー20
と出力ブスバー22が互いに平行に配置されているた
め、インダクタンスを低減することができる。
【0042】また、IGBTチップが正極ブスバー20
及び出力ブスバー22の上に直接ついているので、配線
距離をさらに、短くできる。
【0043】また、負極ブスバー24を正極ブスバー2
0の上に平行に配置され、しかも、正極ブスバー20を
流れる電流の向きと負極ブスバー24を流れる電流の向
きが逆方向であるため、インダクタンスを低減すること
ができる。
【0044】また、負極ブスバー24を正極ブスバー2
0の上に平行に配置したため、従来のようなジャンパー
プレートを使用する必要がないため、インダクタンスを
低減できる。
【0045】また、負極ブスバー24を正極ブスバー2
0の上に平行に配置し、さらに、負極ブスバー24と出
力ブスバー22の上に固定されたIGBTチップのエミ
ッタを接続するアルミワイヤと、正極ブスバー20の上
に固定されたIGBTチップのエミッタと出力ブスバー
22を接続するアルミワイヤとを互いに平行にし、しか
も、それらを流れる電流の向きを逆方向とすることによ
り、さらに、インダクタンスを低減できる。
【0046】次に、図3を用いて本発明の一実施の形態
による半導体装置の回路図について説明する。
【0047】ここで、図1に示した平面図では、4個の
IGBTチップと4個のダイオードが配置されている
が、これは、第1の直列回路が並列配置され、さらに、
第2の直列回路も並列配置されているためであり、ここ
では、1個のIGBTチップとダイオードからなる第1
の直列回路と1個のIGBTチップとダイオードからな
る第2の直列回路だけについて説明する。
【0048】図3において、太い実線は、ブスバーを表
し、破線は、アルミワイヤを表している。
【0049】IGBTチップ30Aとダイオード40A
からなる直列回路により第1の回路を構成している。ま
た、IGBTチップ32Bとダイオード42Bからなる
直列回路により第2の回路を構成している。
【0050】正極ブスバー20は、IGBTチップ30
Aのコレクタ及びダイオード42カソードに接続さ
れている。負極ブスバー24は、ダイオード40Aの
ノード側にアルミワイヤ50B3を介して接続され、I
GBTチップ32Bのエミッタ側にアルミワイヤ50B
2を介して接続されている。
【0051】た、出力ブスバー22は、IGBTチッ
プ30Aに対してアルミワイヤ50A1を介した点とダ
イオード40Aのカソードの接続点及びIGBTチップ
32のコレクタとダイオード42アノード側にア
ルミワイヤ50A3を介した点との接続点に接続されて
いる。
【0052】IGBTチップ30Aのベースに信号が印
加されると、正の半波が出力ブスバー22を介して取り
出され、IGBTチップ32のベースに信号が印加さ
れると、負の半波が出力ブスバー22を介して取り出さ
れて、交流信号を得られる。
【0053】ダイオード40A及びダイオード42
は、転流用のダイオードである。
【0054】ここで、本実施の形態によれば、正極ブス
バーと負極ブスバーは、互いに平行に配置されるととも
に、それぞれを流れる電流の方向は逆方向であるため、
インダクタンスを低減できる。
【0055】また、出力ブスバーと正極ブスバーも互い
に平行に配置されており、インダクタンスを低減でき
る。
【0056】また、アルミワイヤは、対アームであるア
ルミワイヤと互いに平行であり、しかも、流れる電流の
方向は、逆方向となっており、インダクタンスを低減で
きる。
【0057】また、正極から電流が流れチップを通って
出力端子に戻ってくるまでの往復線間は、ワイヤ高さと
絶縁物高さ程度に小さくできるので、磁界キャンセリン
グ作用により、インダクタンスを低減できる。そのた
め、各部における自己インダクタンスおよび相互インダ
クタンスが大きく減少し、それによりサ−ジ電圧を低減
でき、スイッチング損失を低減できる。複数チップで遠
い位置のチップのインダクタンスが大きく、電流アンバ
ランスが発生しやすいため、極力内部わん曲をなくし、
近接並行としインダクタンスを低減している。
【0058】チップの線膨張係数は、銅の約1/6倍
で、窒化アルミの線膨張係数は、銅の約1/5倍で、チ
ップ、銅、窒化アルミの順に接続されているため、熱ス
トレスの影響をうけることが予想されるが、ブスバーの
IGBTチップマウント部の厚さを最適とすることによ
り熱応力作用によりはんだ寿命に影響しないようするこ
とが可能である。
【0059】以下、本発明の他の実施の形態について、
図4及び図5を用いて説明する。図4は、本発明の他の
実施の形態による半導体装置の平面図であり、図5は、
図4のY−Y断面図である。
【0060】本実施の形態では、IGBTチップとこれ
に直列配置されるダイオードを近接させる配置としてい
る。また、ブスバーを上下対称に、即ち、対アームを形
成する第1の直列回路と第2の直列回路を対称に配置
し、これに対してブスバーを対称に配置している。な
お、ここでは、2個のIGBTチップと2個のダイオー
ドからなる配置を示しているが、図1と同様にして、4
個のIGBTチップと4個のダイオードからなる配置と
してもよい。
【0061】図4において、四角形の絶縁板110の上
であって、図面に向かって左側の方には、長方形の正電
極端子として用いられる正極ブスバー120Bが、接合
されている。接合は、銀ローなどのロー材を用いてい
る。絶縁板110は、例えば、窒化アルミ板からなる。
また、正極ブスバー120の右側であって、絶縁板11
0の上には、出力端子として用いられる出力ブスバー1
22Aが、ロー付けにより接合されている。正極ブスバ
ー120Bと出力ブスバー122Aは、同一の絶縁板1
10上に取り付けられているため、互いに平行である。
また、長方形の正極ブスバー120Bの長軸方向と出力
ブスバー122Aの長軸方向は互いに平行であり、この
点においても、正極ブスバー120Bと出力ブスバー1
22Aは、互いに平行である。
【0062】正極ブスバー120Bの上には、図示しな
い半田により、パワーモジュールであるスイッチング用
のIGBTチップ130Aと転流用のダイオード142
Bが固定されている。従って、電気回路的には、IGB
Tチップ130Aのコレクタとダイオード142Bの
ソードが、正極ブスバー120Bに接続されている。
【0063】また、出力ブスバー122Aの上には、図
示しない半田により、パワーモジュールであるスイッチ
ング用のIGBTチップ132Bと転流用のダイオード
140Aが固定されている。従って、電気回路的には、
IGBTチップ132Bのコレクタとダイオード140
Aのカソードが、出力ブスバー122Aに接続されてい
る。
【0064】IGBTチップ130Aのエミッタが、ア
ルミワイヤ150A1によって、出力ブスバー122A
に接続され、ダイオード142Bのアノードが、アルミ
ワイヤ150A3によって、出力ブスバー122Aに接
続されている。ここで、アルミワイヤ150A1,15
0A3は、それぞれ、2本づつの線で表しているが、実
際には、複数本平行に用いられている。アルミワイヤ1
50A1,150A3は、ワイヤボンデイングによって
設けられるため、1本のワイヤの径は、限界があり、I
GBTチップ若しくはダイオードから流れる電流の大き
さに応じて、複数本使用している。
【0065】正極ブスバー120Bと出力ブスバー12
2Aの上には、3本の円柱形の絶縁物160A,160
B,160Cが固定されている。そして、この絶縁物1
60A,160B,160Cの上には、負極ブスバー1
24が固定されている。従って、負極ブスバー124
は、正極ブスバー120Bと互いに平行になっており、
また、負極ブスバー124と正極ブスバー120Bを流
れる電流の向きは、逆方向となっている。
【0066】負極ブスバー124には、IGBTチップ
132Bのエミッタが、アルミワイヤ150B1によっ
て接続され、ダイオード140Aのアノードが、アルミ
ワイヤ150B3によって接続されている。ここで、ア
ルミワイヤ150B1,150B3は、それぞれ、2本
づつの線で表しているが、実際には、複数本平行に用い
られている。アルミワイヤ150B1,150B3は、
ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本のワ
イヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくはダイ
オードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使用し
ている。
【0067】ここで、アルミワイヤ150A1,150
A3とアルミワイヤ150B1,150B3は、それぞ
れ、平行に保たれている。即ち、この点については、図
5を用いて詳述するが、アルミワイヤ150A1とアル
ミワイヤ150B1が、互いに平行であり、しかも、流
れる電流方向が逆向きとなっており、また、アルミワイ
ヤ50A3とアルミワイヤ50B3が、互いに平行であ
り、しかも、流れる電流方向が逆向きとなっている。
【0068】従って、IGBTチップ130Aのエミッ
タは、ダイオード140Aのカソードに接続され、第1
の直列回路を構成している。また、IGBTチップ13
2Bのコレクタは、ダイオード142Bのアノードに接
続され、第2の直列回路を構成している。第1の直列回
を構成するIGBTチップ130Aとダイオード14
0Aは近接して配置されているため、インバータの転流
動作時に、電流がIGBTチップからダイオードに移っ
た時の交流分による磁界キャンセリングが行える。ま
た、第2の直列回路を構成するIGBTチップ132B
とダイオード142Bも同じ理由から近接して配置され
ている。
【0069】第1の直列回路と第2の直列回路は、それ
ぞれ、正極ブスバー120Bと負極ブスバー124に対
して並列接続されているとともに、第1の直列回路のI
GBTチップのエミッタとダイオードのカソードの接続
点及び、第2の直列回路のダイオードのアノードとIG
BTチップのコレクタの接続点は、出力ブスバー122
Aに共通接続されている。
【0070】さらに、正極ブスバー120Bの左側であ
って、絶縁板110の上には、端子台170が取り付け
られている。端子台170のうえには、半田により、ゲ
ート抵抗174Aが固定されている。ゲート抵抗174
Aは、アルミワイヤ178A1によりIGBTチップ1
30Aのベースに接続されている。また、出力ブスバー
122Aの右側であって、絶縁板110の上には、端子
台172が取り付けられている。端子台172のうえに
は、半田により、ゲート抵抗176B1が固定されてい
る。ゲート抵抗176B1は、アルミワイヤ178B2
によりIGBTチップ132Bのベースに接続されてい
る。
【0071】また、正極ブスバー120Bには、正極ブ
スバー120Aが接続されており、正極ブスバー120
Aと負極ブスバー124の左側の端子部分は、互いに平
行になっている。出力ブスバー122Aには、出力ブス
バー122Bが接続されている。正極ブスバー120A
と出力ブスバー122Bの構成については、図5を用い
て後述する。
【0072】IGBTチップからの放熱は、絶縁板11
0を介して行われる。
【0073】次に、図5を用いて、図4に示した本発明
の他の実施の形態による半導体装置の断面構造について
説明する。
【0074】絶縁板110の上であって、図面に向かっ
て左側の方には、正電極端子として用いられる正極ブス
バー120Bが、接合されている。接合は、銀ローなど
のロー材を用いている。正極ブスバー120Bには、入
力端子として用いるL字状の正極ブスバー120Aが半
田付けされている。また、正極ブスバー120Bの右側
であって、絶縁板110の上には、出力端子として用い
られる出力ブスバー122Aが、ロー付けにより接合さ
れている。出力ブスバー122Aには、出力端子として
用いるL字状の出力ブスバー122Bが半田付けされて
いる。正極ブスバー120Bと出力ブスバー122A
は、同一の絶縁板110上に取り付けられているため、
互いに平行である。また、正極ブスバー120Bの長軸
方向(図面に直交する方向)と出力ブスバー122Aの
長軸方向(図面に直交する方向)は互いに平行であり、
この点においても、正極ブスバー120Bと出力ブスバ
ー122Aは、互いに平行である。
【0075】正極ブスバー120Bの上には、半田18
0により、図示しないパワーモジュールであるスイッチ
ング用のIGBTチップと転流用のダイオード142B
が固定されている。従って、電気回路的には、IGBT
チップ130Aのコレクタとダイオード142Bのカソ
ードが、正極ブスバー120Bに接続されている。
【0076】また、出力ブスバー122Aの上には、半
田182により、パワーモジュールであるスイッチング
用のIGBTチップ132Bと図示しない転流用のダイ
オードが固定されている。従って、電気回路的には、I
GBTチップ132Bのコレクタとダイオード142B
のアノードが、出力ブスバー122Aに接続されてい
る。
【0077】出力ブスバー122Aには、ダイオード1
42Bのアノードが、アルミワイヤ150A3によって
接続されている。ここで、アルミワイヤ150A3は複
数本平行に用いられている。アルミワイヤ150A3
は、ワイヤボンデイングによって設けられるため、1本
のワイヤの径は、限界があり、IGBTチップ若しくは
ダイオードから流れる電流の大きさに応じて、複数本使
用している。
【0078】正極ブスバー120B及び出力ブスバー1
22Aの上には、円柱形の絶縁物160Bが固定されて
いる。そして、絶縁物160Bの上には、負極ブスバー
124が固定されている。従って、負極ブスバー124
は、正極ブスバー120B及び正極ブスバー120Aと
互いに平行になっており、また、負極ブスバー124と
正極ブスバー120A,120Bを流れる電流の向き
は、逆方向となっている。また、正極ブスバー120A
と負極ブスバー124の間には、絶縁物製のスペーサ1
92を介して固定されている。
【0079】負極ブスバー124の右側には、IGBT
チップ132Bのエミッタが、アルミワイヤ150B1
によって接続されている。また、図示しないダイオード
アノードが、アルミワイヤによって、負極ブスバー1
24の接続端子に接続されている。ここで、アルミワイ
150B1は、複数本平行に用いられている。アルミ
ワイヤ150B1は、ワイヤボンデイングによって設け
られるため、1本のワイヤの径は、限界があり、IGB
Tチップ若しくはダイオードから流れる電流の大きさに
応じて、複数本使用している。
【0080】また、負極ブスバー124は、絶縁物16
0Bを介して、正極ブスバー120Bや出力ブスバー1
22Aとは、異なる平面上に支持されているので、負極
ブスバー124とIGBTチップ132Bのエミッタの
間には、段差があり、従来のワイヤボンデイング技術で
は、このような段差がある場合には、アルミワイヤによ
るボンデイングが不可能であったが、近年、このような
段差のある箇所にも適用可能なボンデイング技術が開発
されたため、このような配置が可能となっている。ま
た、正極ブスバー120Bと負極ブスバー124の間に
は、円柱状の絶縁物160Bを用いているため、超音波
ボンデイング時の共振現象を防止できる。
【0081】ここで、アルミワイヤ150A3とアルミ
ワイヤ150B1は、それぞれ、平行に保たれている。
即ち、アルミワイヤ150A3とアルミワイヤ150B
1が、互いに平行であり、しかも、流れる電流方向が逆
向きとなっている。
【0082】従って、IGBTチップ132Bのコレク
は、正極ブスバー120Bの上に固定された図示しな
いダイオードのアノードに接続され、第1の直列回路を
構成している。また、正極ブスバー120Bの上に固定
された図示しないIGBTチップのエミッタは、出力ブ
スバー122Aの上に固定されたダイオードのカソード
に接続され、第2の直列回路を構成している。また、第
1の直列回路と第2の直列回路は、それぞれ、正極ブス
バー120Bと負極ブスバー124に対して並列接続さ
れているとともに、第1の直列回路のIGBTチップの
エミッタとダイオードのカソードの接続点及び、第2の
直列回路のダイオードのアノードとIGBTチップのコ
レクタの接続点は、出力ブスバー122Aに共通接続さ
れている。また、第1の回路と第2の回路は、対称配置
されているため、正極ブスバー120A,120B及び
負極ブスバー124を対称形にすることができ、第1及
び第2の回路に均等に流れるため、電流配分が均等にな
り、電流アンバランスを小さくできる。
【0083】さらに、正極ブスバー120Bの左側であ
って、絶縁板110の上には、端子台170が取り付け
られている。端子台170のうえには、半田により、ゲ
ート抵抗174Aが固定されている。ゲート抵抗174
Aは、アルミワイヤ178A1によりIGBTチップ1
30Aのベースに接続されている。また、出力ブスバー
122Aの右側であって、絶縁板110の上には、端子
台172が取り付けられている。端子台172のうえに
は、半田により、ゲート抵抗176Bが固定されてい
る。ゲート抵抗176Bは、アルミワイヤ178B2に
よりIGBTチップ132Bのベースに接続されてい
る。絶縁板110の裏には、銅パターン190が形成さ
れており、IGBTチップからの放熱は、絶縁板110
を介して行われる。
【0084】正極ブスバー120Bと出力ブスバー12
2Aは、絶縁板110の上に、0.4mm程度に薄くし
た部分をロー付けにより、接合している。
【0085】IGBTチップの表面は、チップ保護のた
めのコーテイング剤で覆われ、さらに、その上には、チ
ップ保護のために、ゲル100が充填されている。
【0086】本実施の形態によれば、第1の回路と第2
の回路を対称に配置したため、正極ブスバー及び負極ブ
スバーからの電流が均等に流れるため、電流配分が均等
になる。
【0087】また、第1の回路を構成するIGBTチッ
プとダイオードを近接して配置しているため、交流分に
よる磁界キャンセリングが可能となる。
【0088】また、正極ブスバーと出力ブスバーが互い
に平行に配置されているため、インダクタンスを低減す
ることができる。
【0089】また、IGBTチップが正極ブスバー及び
出力ブスバーの上に直接ついているので、配線距離をさ
らに、短くできる。
【0090】また、負極ブスバーを正極ブスバーの上に
平行に配置され、しかも、正極ブスバーを流れる電流の
向きと負極ブスバーを流れる電流の向きが逆方向である
ため、インダクタンスを低減することができる。
【0091】また、負極ブスバーを正極ブスバーの上に
平行に配置したため、従来のようなジャンパープレート
を使用する必要がないため、インダクタンスを低減でき
る。
【0092】また、負極ブスバーを正極ブスバーの上に
平行に配置し、さらに、負極ブスバーと出力ブスバーの
上に固定されたIGBTチップのエミッタを接続するア
ルミワイヤと、正極ブスバーの上に固定されたIGBT
チップのエミッタと出力ブスバーを接続するアルミワイ
ヤとを互いに平行にし、しかも、それらを流れる電流の
向きを逆方向とすることにより、さらに、インダクタン
スを低減できる。
【0093】また、正極から電流が流れチップを通って
出力端子に戻ってくるまでの往復線間は、ワイヤ高さと
絶縁物高さ程度に小さくできるので、磁界キャンセリン
グ作用により、インダクタンスを低減できる。そのた
め、各部における自己インダクタンスおよび相互インダ
クタンスが大きく減少し、それによりサ−ジ電圧を低減
でき、スイッチング損失を低減できる。複数チップで遠
い位置のチップのインダクタンスが大きく、電流アンバ
ランスが発生しやすいため、極力内部わん曲をなくし、
近接並行としインダクタンスを低減している。
【0094】チップの線膨張係数は、銅の約1/6倍
で、窒化アルミの線膨張係数は、銅の約1/5倍で、チ
ップ、銅、窒化アルミの順に接続されているため、熱ス
トレスの影響をうけることが予想されるが、ブスバーの
IGBTチップマウント部の厚さを最適とすることによ
り熱応力作用によりはんだ寿命に影響しないようするこ
とが可能である。
【0095】
【発明の効果】本発明によれば、2回路内蔵方式の半導
体装置における内部インダクタンスを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による半導体装置の平面
図である。
【図2】図1のX−X断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態による半導体装置の回路
図である。
【図4】本発明の他の実施の形態による半導体装置の平
面図である。
【図5】図4のY−Y断面図である。
【符号の説明】
10,110…絶縁板 12…ケ−ス 20,120A,120B…正極ブスバ− 22,124A,124B…出力ブスバ− 24,124…負極ブスバ− 30A,30B,32A,32B…IGBTチップ 40A,40B,42A,42B…ダイオ−ドチップ 50A1,50A2,50A3,50A4,50B1,
50B2,50B3, 50B4,78A1,78A2,78B1,78B2…
アルミワイヤ 60A,60B,60C,60D,60E,60F…絶
縁物 70,72…端子台 74A,74B,76A,76B…チップ抵抗 80,82,180,182…半田 90…銅板 100…ゲル 192…スペ−サ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内藤 祥太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (56)参考文献 特開 昭61−39563(JP,A) 特開 平6−69415(JP,A) 特開 平6−21323(JP,A) 特開 平2−130955(JP,A) 特開 昭63−193553(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 25/00 - 25/18

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のIGBTチップと第1のダイオー
    ドの直列回路からなる第1の回路と、第2のIGBTチ
    ップと第2のダイオードの直列回路からなる第2の回路
    を並列配置した半導体装置において、 絶縁基板上に固定された正極ブスバーと、 この正極ブスバーと平行に配置され、上記絶縁基板上に
    固定された出力ブスバーと、 上記正極ブスバーの上に固定されるとともに、そのコレ
    クタが接続された上記第1のIGBTチップと、 上記正極ブスバーの上に固定されるとともに、そのアノ
    ードが接続された上記第2のダイオードと、 上記出力ブスバーの上に固定されるとともに、そのコレ
    クタが接続された上記第2のIGBTチップと、 上記出力ブスバーの上に固定されるとともに、そのアノ
    ードが接続された上記第1のダイオードと、 上記第1のIGBTチップのエミッタと上記出力ブスバ
    ーを接続する第1の接続導体と、 上記第2のダイオードのカソードと上記出力ブスバーを
    接続する第2の接続導体と、 上記第1のIGBTチップ及び上記第2のダイオードの
    上方に、絶縁物を介して、上記正極ブスバーと平行に固
    定された負極ブスバーと、 上記第2のIGBTチップのエミッタと上記負極ブスバ
    ーを接続する第3の接続導体と、 上記第1のダイオードのカソードと上記負極ブスバーを
    接続する第4の接続導体とを備えたことを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の半導体装置において、 上記第1及び第2の接続導体に対して、上記第3及び第
    4の接続導体を平行に近接配置したことを特徴とする半
    導体装置。
  3. 【請求項3】請求項1記載の半導体装置において、 上記正極ブスバーの上に固定された上記第1のIGBT
    チップに対して、上記出力ブスバーの上に固定される上
    記第1のダイオードを近接配置し、 上記正極ブスバーの上に固定された上記第2のダイオー
    ドに対して、上記出力ブスバーの上に固定される上記第
    2のIGBTチップを近接配置したことを特徴とする半
    導体装置。
  4. 【請求項4】請求項3記載の半導体装置において、 上記第1の回路と上記第2の回路を対称に配置し、これ
    に対して、上記正極ブスバー,負極ブスバー及び出力ブ
    スバーを対称に配置したことを特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項5】請求項1記載の半導体装置において、さら
    に、 上記絶縁板に固定されたケースを備え、 上記負極ブスバーの一部を上記ケースにより保持したこ
    とを特徴とする半導体装置。
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