JP3480771B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はモジュール化された
半導体装置に関し、特に電力用スイッチング半導体装置
の動作中に発生する主電流経路での自己インダクタンス
を低減した半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図14に従来のモジュール化された半導
体装置として、電力用スイッチング素子を内部に有する
電力用スイッチング半導体装置100の外観斜視図を示
す。図14において、スイッチング素子の主電流の経路
となる主電極板M1およびM2が、それぞれ樹脂ケース
CSの内部から上面に突き出ている。主電極板M1およ
びM2の端部は樹脂ケースCS表面に平行になるように
曲げられている。
【0003】また、樹脂ケースCSの上面にはスイッチ
ング素子の動作制御を行うための信号経路となる信号端
子板S1およびS2も突き出ており、その端部は主電極
板M1およびM2と同様に曲げられている。
【0004】図15に、電力用スイッチング半導体装置
100のAA線での矢視断面図を示す。図15に示すよ
うに、スイッチング素子SWが動作時に発する熱を放熱
するための放熱板HSを囲むように樹脂ケースCSが配
置されている。また、放熱板HSの上面には絶縁基板B
Sが搭載されている。
【0005】絶縁基板BSはその上主面に所定の回路パ
ターンが形成され、スイッチング素子SWを搭載すると
ともに、主電極板M1およびM2、信号端子板S1およ
びS2などとの電気的接続がなされている。そして、絶
縁基板BSの下主面側には薄い金属が形成され、半田付
けにより放熱板HS上に搭載される構造となっている。
【0006】また、樹脂ケースCSと放熱板HSによっ
て形成される内部空間には、第1樹脂J1および第2樹
脂J2(ハッチングは省略)が、放熱板HS側から順に
層をなすように充填されている。第1樹脂J1および第
2樹脂J2はそれぞれ、材質、特性が異なり、第1樹脂
J1は、例えばシリコン樹脂などの軟質で電気絶縁性に
優れた樹脂で、電力用スイッチング半導体装置100の
内部構成物を保護するためのものであり、第2樹脂J2
は、例えばエポキシ樹脂などの硬質で電気絶縁性に優れ
た樹脂で、第1樹脂J1を保護するためのものである。
【0007】一般的に、電力用スイッチング半導体装置
は小電流タイプでも20〜30アンペア、大電流タイプ
では100アンペア以上の主電流をスイッチング素子に
流すので、主電極板の自己インダクタンスによるスイッ
チング動作時の影響が無視できなくなる。そこで、自己
インダクタンスを低減するために、2つの主電極板を所
定の間隔を保って互いに平行になるように配設する構成
が採られている。
【0008】図16に、電力用スイッチング半導体装置
100の主電極板M1およびM2の配設状態を斜視図で
示す。なお、図16において主電極板M1およびM2、
放熱板HS、絶縁基板BS以外の構成については省略し
ている。
【0009】図16において、樹脂ケースCS上に突き
出る主電極板M1およびM2の一方端側はそれぞれ単一
の端子であるが、ケース内の他方端側は途中で正反対の
2方向に分かれて延在し、やがて180度のカーブを描
いて再び接近する構造となっている。そして、2つの他
方端は絶縁基板BSの方向に曲げられ、絶縁基板BS上
の回路パターンの所定位置に接触する構造となってい
る。なお、主電極板M1は主電極板M2の下層に所定の
間隔を保って平行に配設され、主電極板M1と主電極板
M2の大部分が完全に重なり合うような構造となってい
る。
【0010】ここで、主電極板M1およびM2が単なる
直線的な構造でなく、180度のカーブを有する構造と
なっているのは、絶縁基板BS上の回路パターンに接触
させるので、組み立て時の機械的応力や、装置動作時の
熱応力を吸収して、主電極板M1およびM2と絶縁基板
BSとの接合部の信頼性を確保するためである。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の電力用スイッチング半導体装置100は、主電極
板M1およびM2に発生する自己インダクタンスを低減
するために、主電極板M1およびM2を所定の間隔を保
って互いに平行になるように配設していた。自己インダ
クタンスを低減するためには、主電極板M1およびM2
をできるだけ平行に配設する必要があり、平行度が低下
すると自己インダクタンスの低減効果が低下することに
なる。
【0012】一方で、応力を吸収するためにカーブを有
する構造となっており、そのために主電極板M1および
M2の全長が長くなっていた。主電極板M1およびM2
を長距離に渡って精度良く平行に保つことは容易ではな
い。
【0013】主電極板M1およびM2の平行度が悪く自
己インダクタンスが大きいと、スイッチング素子のスイ
ッチング特性が低下したり、最悪の場合はスイッチング
素子のターンオフ時のスパイク電圧により、スイッチン
グ素子が破壊される可能性もあった。
【0014】また、カーブを描く構造は、応力を吸収す
る一方で形状も変形しやすく、形状変形により主電極板
M1とM2の重なり合った部分の間隔の変化により、自
己インダクタンスも変化することになる。形状変形の原
因の1つには、スイッチング素子からの発熱が挙げられ
る。装置動作開始後、時間とともに第1樹脂J1の温度
が上昇すると、第1樹脂J1が膨張し主電極板M1およ
びM2の形状も変形し、自己インダクタンスが時間とと
もに変形することになる。これは、電力用スイッチング
半導体装置100が安定に動作しないことを意味してお
り、製品に対する信頼性を著しく損なう原因となってい
た。
【0015】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、主電極板どうしを平行に配設する
構成にせずに自己インダクタンスを低減し、高いスイッ
チング特性を有するとともに、動作の安定性を保証して
信頼性を高めた半導体装置を提供する。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載の半導体装置は、基台と、その底面部に前記基台を配
置する箱状の電気絶縁性の樹脂ケースと、所定の回路パ
ターンを有し、前記基台上に設けられた回路基板と、前
記回路基板上に設けられた電力用半導体素子と、それぞ
れの一方端が前記電力用半導体素子に電気的に接続さ
れ、それぞれの他方端が前記樹脂ケースの上面から外部
へ突出し、前記電力用半導体素子の主電流が互いに逆方
向に流れる少なくとも一対の主電極板とを備え、前記基
台は、前記電力用半導体素子の動作時に発生する熱を外
部に放熱する放熱板を有する半導体装置において、前記
少なくとも一対の主電極板は互いに重なり合わないよう
に配設され、前記少なくとも一対の主電極板のそれぞれ
の一方主面に所定の間隔を有して対向するように配設さ
、前記一対の主電極板にそれぞれ流れる前記主電流に
起因する磁気誘導により、前記主電流とはそれぞれ反対
方向の磁化電流を発生させる第1の導体板を備えてい
る。
【0017】本発明に係る請求項2記載の半導体装置
は、前記少なくとも一対の主電極板のそれぞれの他方主
面に所定の間隔を有して対向するように配設された第2
の導体板をさらに備えている。
【0018】本発明に係る請求項3記載の半導体装置
は、前記少なくとも一対の主電極板は、前記一方主面が
前記回路基板の前記電力用半導体素子が搭載された側と
は反対側を向くように配設され、前記第1の導体板は、
その端縁部が前記放熱板に係合するように配設されてい
る。
【0019】本発明に係る請求項4記載の半導体装置
は、前記少なくとも一対の主電極板は、前記一方主面が
前記回路基板の前記電力用半導体素子が搭載された側と
は反対側を向くように配設され、前記第1の導体板は前
記放熱板と一体で形成されている。
【0020】本発明に係る請求項5記載の半導体装置
は、前記第1および第2の導体板の少なくとも一方、お
よび前記少なくとも一対の主電極板は、前記樹脂ケース
の側壁内部に樹脂封止されることによって位置を固定さ
れている。
【0021】本発明に係る請求項6記載の半導体装置
は、前記少なくとも一対の主電極板は、前記樹脂ケース
の側壁内部に樹脂封止されることによって位置を固定さ
れ、前記樹脂ケースは、その側壁内部に前記第1および
第2の導体板の少なくとも一方の配設位置に対応して形
成され、前記第1および第2の導体板の少なくとも一方
を収納可能なポケットを備え、前記第1および第2の導
体板の少なくとも一方は前記ポケットに差し込まれてい
る。
【0022】本発明に係る請求項7記載の半導体装置
は、前記第1および第2の導体板が、主材となる反磁性
体材と、前記主材の表面に形成された強磁性体層とを有
している。
【0023】本発明に係る請求項8記載の半導体装置
は、前記第1および第2の導体板が、主材となる常磁性
体材と、前記主材の表面に形成された強磁性体層とを有
している。
【0024】本発明に係る請求項9記載の半導体装置
は、前記第1および第2の導体板が常磁性体材である。
【0025】本発明に係る請求項10記載の半導体装置
は、前記第1および第2の導体板が強磁性体材である。
【0026】
【発明の実施の形態】 <A.実施の形態1>図1に本発明に係る半導体装置と
して、電力用スイッチング素子(電力用半導体素子)を
内部に有する電力用スイッチング半導体装置1000の
外観斜視図を示す。図1において、スイッチング素子の
主電流の経路となる主電極板M10〜M30が、それぞ
れ樹脂ケース1の内部から上面に突き出ており、端部は
樹脂ケース1表面に平行になるように曲げられている。
なお、主電極板M10〜M30は樹脂ケース1の長手方
向に沿って配列されており、樹脂ケース1上での曲げ部
分は、ほぼ同一直線上に並んでいる。また、樹脂ケース
1の上面にはスイッチング素子の動作制御を行うための
信号経路となる信号端子板S10〜S40が突き出てい
る。
【0027】図2に電力用スイッチング半導体装置10
00の分解斜視図を示す。図2に示すように樹脂ケース
1は、ケース本体部101と、ケース本体部101から
独立したケース蓋部102とを有しており、ケース蓋部
102を取り去ると装置内部を見ることができる。
【0028】図3にケース蓋部102を取り去った状態
の装置内部の平面図を示す。なお、装置内部には本来は
樹脂が充填されており、ケース蓋部102を取り去った
だけではスイッチング素子などは見えないが、便宜的に
樹脂は省略する。
【0029】図3において、導体箔で所定の回路パター
ンが形成された絶縁基板(回路基板)3A、3B上に、
スイッチング素子T1、T2、ダイオードD1、D2が
搭載されている。絶縁基板3A、3B上には、それぞれ
導体箔31、32が形成され、スイッチング素子T1お
よびダイオードD1は導体箔31上に、スイッチング素
子T2およびダイオードD2は導体箔32上に搭載され
ている。ここで、絶縁基板3A、3Bはスイッチング素
子T1、T2、ダイオードD1、D2が動作時に発する
熱を放熱するための放熱板2の上に搭載されている。な
お、絶縁基板3A、3Bの周囲はケース底部103とな
っており、絶縁基板3A、3Bはケース底部103に設
けられた開口部にはめ込まるようになっている。
【0030】なお、スイッチング素子T1、T2、ダイ
オードD1、D2はそれぞれ2つずつ並列に接続されて
いる。また、スイッチング素子T1とダイオードD1
間、スイッチング素子T2とダイオードD2間はワイヤ
線(ボンディングワイヤ)WLによって電気的に接続さ
れている。
【0031】主電極板M10〜M30はそのほとんどの
部分がケース本体部101の側壁内に埋め込まれてお
り、樹脂ケース1上に突出する部分と、ケース本体部1
01の内側の端子板N10〜N30となる部分だけが露
出している。
【0032】端子板N10は主電極板M10の一方の端
部であり、端子板N20は主電極板M20の一方の端部
であり、端子板N30は主電極板M30の一方の端部で
ある。そして、端子板N10は導体箔31に電気的に接
続され、端子板N20はダイオードD2に電気的に接続
され、端子板N30は導体箔32に電気的に接続されて
いる。
【0033】また、信号端子板S10〜S40はケース
本体部101の側壁内を通って、ケース本体部101の
内側に設けられた端子板P10〜P40にそれぞれ接続
されている。
【0034】図4に電力用スイッチング半導体装置10
00の回路構成を示す。図4においてスイッチング素子
T1およびT2(ここではIGBT:Insulated Gate B
ipolar Transistor)が直列に接続されている。スイッ
チング素子T1のコレクタ電極は主電極板M10に接続
され、スイッチング素子T2のエミッタ電極は主電極板
M20に接続されている。また、スイッチング素子T1
のエミッタ電極およびスイッチング素子T2のコレクタ
電極は共通して主電極板M30に接続されている。
【0035】そして、スイッチング素子T1およびT2
にはそれぞれ、逆並列にダイオードD1およびD2が接
続され、主電極板M30は外部に設けられたモータなど
の誘導性負荷に接続されている。
【0036】スイッチング素子T1のゲート電極は信号
端子板S10に接続され、スイッチング素子T2のゲー
ト電極は信号端子板S30に接続されている。信号端子
板S20はスイッチング素子T1のエミッタ電極に接続
され、エミッタ電極の電圧を確認するためのエミッタ補
助端子となっている。また、信号端子板S40はスイッ
チング素子T2のエミッタ電極に接続され、エミッタ電
極の電圧を確認するためのエミッタ補助端子となってい
る。
【0037】図4から理解されるように、主電極板M1
0〜M30にはスイッチング素子T1、T2のコレクタ
電流(主電流)が流れる。すなわち、主電極板M10〜
M30には、外部負荷への電力の供給を担う大きな電流
が流れる。一方、信号端子板S10、S30にはゲート
電流が流れるが、主電流に比べて微弱であり、信号端子
板S20、S40には基本的に電流は流れない。
【0038】信号端子板S10およびS30に交互にゲ
ート電流が入力されることによってスイッチング素子T
1およびT2は、交互にオン・オフする。その結果、主
電極板M10、M30および主電極板M20、M30に
は、それぞれ主電流が逆向きに流れる。すなわち、スイ
ッチング素子T1がオンしている時には、主電流は主電
極板M10から主電極板M30に流れ、スイッチング素
子T2がオンしている時には、主電流は主電極板M30
から主電極板M20に流れる。
【0039】先に説明したように、主電極板M10〜M
30には例えば100A以上の大電流が流れるので、無
視できない自己インダクタンスが生じることになる。主
電極板M30には誘導性負荷が接続されており、誘導性
負荷の有するインダクタンスは自己インダクタンスに比
べてはるかに大きいので、主電極板M30の自己インダ
クタンスは問題にならないが、主電極板M10およびM
20の自己インダクタンスは、先に説明した理由により
無視できない。
【0040】図5に、主電極板M10〜M30および主
電極板M10〜M30に対向して平行に配設された導体
板4の形状を、ケース本体部101を省略した斜視図と
して示す。図5において、放熱板2の上面に絶縁基板3
A、3Bが搭載され、絶縁基板3A、3Bの上面には導
体箔31、32が配設されている。また、ケース底部1
03上には主電極板M10〜M30の一方端である端子
板N10〜N30が配設されている。その他の構成につ
いては本発明とは関係が薄いので図示および説明は省略
する。なお、ケース底部103は実際にはケース本体1
01と一体で形成されているので分割はできないが、説
明を簡略化するため独立した平板として示している。
【0041】主電極板M10〜M30は、その主面がほ
ぼ同一平面内にあるように、樹脂ケース101の長手方
向に沿ってほぼ同一直線上に並ぶように配列されてお
り、主電極板M10〜M30のそれぞれの一方の主面は
全てケース本体部101の内側、すなわち絶縁基板3
A、3Bが設けられた側を向き、他方の主面は全てケー
ス本体部101の外側、すなわち絶縁基板3A、3Bが
設けられた側とは反対側を向いている。ここで、主電極
板M10〜M30のケース本体部101の内側を向いた
主面を、以後「内側主面」と呼称し、他方の主面を「外
側主面」と呼称する。そして導体板4は、その主面が主
電極板M10〜M30の外側主面に部分的に対向するよ
うに配設されている。
【0042】次に導体板4を設けることによる作用効果
について、主電極板M10〜M30と導体板4を模式的
に示す図6を用いて説明する。スイッチング素子T1が
オンしている時には、主電流は主電極板M10から主電
極板M30にかけて流れる。その主電流の向きを矢印で
示す。すなわち、主電極板M10においては下向きの矢
印、主電極板M30においては上向きの矢印の方向に電
流が流れる。一般に導体に電流が流れると電流の回りに
磁界が形成される。従って、主電極板M10およびM3
0の周囲にも磁界が形成されている。
【0043】なお、スイッチング素子T2がオンしてい
る時には、主電流は主電極板M30から主電極板M20
にかけて流れる。その主電流の向きを白抜き矢印で示
す。
【0044】このとき、主電極板M10〜M30の近傍
に他の導体、すなわち導体板4が存在すると、磁気誘導
により導体板4が磁化されることになる。物体が磁束を
作るためには物体内に電流が流れていなければならな
い。しかし、ここでは物体内に普通の意味での電流は流
れていない。各原子内の電子は核の周囲を回転する軌道
運動、および電子の自転運動(スピン)を行っており、
これらが原因となって見かけ上の微小電流ループが生じ
ている。微小電流ループはランダムな方向を向いている
ので、磁界が加わらなければ見かけ上は磁気モーメント
を有していないが、磁界が加わると磁界の方向に並ぼう
とする。その向きは加わった磁界とは逆の向きに磁界を
発生させる方向である。
【0045】すなわち、導体板4の主電極板M10に対
応する部分には、主電極板M10に流れる主電流とは反
対方向の電流が見かけ上流れることになる。この電流を
磁化電流と呼称する。
【0046】従って、スイッチング素子T1がオンして
いる時には、導体板4には主電極板M10に対応する部
分に、主電流とは逆方向の矢印aの方向に磁化電流が流
れ、主電極板M30に対応する部分に、主電流とは逆方
向の矢印cの方向に磁化電流が流れる。よって、主電極
板M10およびM30によって発生する磁界が弱めら
れ、主電極板M10およびM30に発生する自己インダ
クタンスが低減することになる。なお、電流が流れるに
は経路が必要であるとすれば、導体板4内には矢印a、
b、c、d、aという電流経路が存在すると考えられ
る。
【0047】同様にスイッチング素子T2がオンしてい
る時には、導体板4には主電極板M20に対応する部分
に、主電流とは逆方向の矢印gの方向に磁化電流が流
れ、主電極板M30に対応する部分に、主電流とは逆方
向の矢印eの方向に磁化電流が流れる。よって、主電極
板M20およびM30によって発生する磁界が弱めら
れ、主電極板M20およびM30に発生する自己インダ
クタンスが低減することになる。なお、電流が流れるに
は経路が必要であるとすれば、導体板4内には矢印e、
f、g、h、eという電流経路が存在すると考えられ
る。
【0048】一般に、図4を用いて説明した構成の回路
においては、スイッチング素子T1およびT2を交互に
高速でオン・オフさせる。主電流による磁界の発生か
ら、当該磁界による磁化電流の発生までには若干のタイ
ムラグが生じるので、スイッチング素子T1およびT2
の切替え速度がこのタイムラグに比べて無視できないほ
ど速ければ、導体板4には主電極板M10に流れる主電
流によって発生する矢印a方向の磁化電流と、主電極板
M20に流れる主電流によって発生する矢印g方向の磁
化電流がほとんど同時に存在することになる。
【0049】従って、スイッチング素子T1およびT2
の高速切替え時には、導体板4内においては反対方向に
ほとんど同時に流れる磁化電流どうしは打ち消しあい、
矢印a、b、g、d、aという電流経路が残る。
【0050】なお、導体板4の主電極板M30に対応す
る部分には磁化電流が存在しなくなるので、主電極板M
30に発生する自己インダクタンスは低減されないこと
になるが、先に説明したように主電極板M30には誘導
性負荷が接続されており、主電極板M30の自己インダ
クタンスを低減する効果は少なく、問題にならない。
【0051】このように、主電極板M10〜M30の外
側主面に対向するように導体板4を設けることで、磁気
誘導により導体板4内に磁化電流が発生し、主電極板M
10およびM20に発生する磁界を打ち消すように作用
するので、主電極板M10およびM20の自己インダク
タンスが低減する。
【0052】ここで、導体板4の材質としては、磁化電
流によって強力な磁界が発生する強磁性体、例えば鉄、
ニッケル、コバルト、およびそれらを少なくとも1種は
含む合金を用いても良いし、常磁性体であるアルミニウ
ム、白金を用いても良いし、反磁性体である銅、銀、鉛
などを用いても良い。電気伝導性、熱伝導性、経済性を
考慮すると、例えば反磁性体である銅を主材としてその
表面にニッケル層を形成したものが使用される場合が多
い。もちろん、常磁性体のアルミニウムを主材としてそ
の表面にニッケル層を形成したものでも良い。
【0053】また、導体板4は主電極板M10〜M30
の主面に対して平行に配設されることが望ましいが、厳
密に平行でなくても自己インダクタンスを低減すること
ができる。従って、導体板4および主電極板M10〜M
30を樹脂ケース1のケース本体101に埋め込む作業
が容易となる。
【0054】このことは、導体板4はケース本体101
に埋め込まず、導体板4の配設位置に対応して、導体板
4を収納可能に設けられたポケットに導体板4を差し込
むような構成を採ることが可能なことを意味している。
すなわち、導体板4を差し込むポケットを正確に主電極
板M10〜M30に平行に形成することは困難だからで
ある。
【0055】一方、主電極板M10〜M30と導体板4
との間隔は狭ければ狭いほど自己インダクタンスの低減
効果は高くなる。また、導体板4の面積は広ければ広い
ほど自己インダクタンスの低減効果は高くなる。従っ
て、主電極板M10〜M30の主面にできるだけ広く対
応するような導体板4を準備し、主電極板M10〜M3
0に接触しない程度にできるだけ間隔を狭めて配設する
ことで、自己インダクタンスの低減効果を最大限に得る
ことができる。ここで、導体板4と主電極板M10〜M
30との間隔を可能な限り狭くする手段としては、両者
の間に絶縁性シートを挟む方法がある。絶縁性シートは
任意の厚みのものを準備できるので、耐熱性、機械的強
度などに基づいて厚み、すなわち導体板4と主電極板M
10〜M30との間隔を決定することができる。
【0056】なお、以上説明した電力用スイッチング半
導体装置1000においては主電極板M10〜M30
は、その主面がほぼ同一平面内にあるように、樹脂ケー
スの長手方向に沿ってほぼ同一直線上に並ぶように配列
されていたが、必ずしもこのように配列されている必要
はない。例えば、主電極板M20の主面が主電極板M1
0の主面よりも樹脂ケース101の内側に位置している
場合、あるいは外側に位置している場合、または逆の位
置関係にあるような入り組んだ構成となっている場合で
も、主電極板M20の主面が主電極板M10の主面に対
して90度回転した方向を向いている場合でも、主電極
板M10〜M30の配置に合わせて形状を変形させた導
体板を用いることで自己インダクタンスを低減させるこ
とができる。
【0057】このように本発明に係る電力用スイッチン
グ半導体装置1000によれば、主電極板M10および
M20に発生する自己インダクタンスを低減できる。ま
た、そのための構成は主電極板10〜M30の外側主面
に対向して導体板4を配設するだけであり、従来のよう
に主電極板どうしを対向させる必要がないので、主電極
板の配設に規制を受けにくく、主電極板M10〜M30
を樹脂ケース1の側壁内に埋め込むことが可能となり装
置の小型化が達成される。
【0058】<B.実施の形態2>本発明に係る半導体
装置の実施の形態2として、電力用スイッチング半導体
装置2000の構成を図7に示す。図7は樹脂ケース1
のケース本体部101を省略した斜視図であり、図1〜
図5を用いて説明した電力用スイッチング半導体装置1
000と同一の構成については説明を省略する。
【0059】図7において、主電極板M10〜M30の
外側主面に対向して導体板4Aが配設されている。図1
〜図5を用いて説明した電力用スイッチング半導体装置
1000においては、導体板4は放熱板2には係合しな
い構成となっていたが、本実施例においては導体板4A
の下端が放熱板2に係合する構成となっている。なお、
導体板4Aと放熱板2との係合方法は、単に接触してい
るだけでも良いし、半田付けや接着などの方法で接合さ
れていても良い。
【0060】放熱板2はスイッチング素子T1、T2、
ダイオードD1、D2が動作時に発する熱を放熱させる
ものなので、例えば、銅を主材としてその表面にニッケ
ル層を形成したものが使用される。従って、導体板4A
を放熱板2に係合させることで、主電極板M10および
M20に発生する自己インダクタンスを低減できるとと
もに、主電極板M10〜M30から受ける熱、および導
体板4Aに発生する熱(磁化電流の存在により発生)が
放熱板2に伝わるので、導体板4Aの温度上昇を抑制す
ることができる。なお、その他の効果については電力用
スイッチング半導体装置1000と同様である。
【0061】<C.実施の形態3>本発明に係る半導体
装置の実施の形態3として、電力用スイッチング半導体
装置3000の構成を図8に示す。図8は樹脂ケース1
のケース本体部101を省略した斜視図であり、図1〜
図5を用いて説明した電力用スイッチング半導体装置1
000と同一の構成については説明を省略する。
【0062】図8において、主電極板M10〜M30の
外側主面に対向して導体板4Aが配設されるとともに、
主電極板M10〜M30の内側主面に対向して導体板4
Bが配設されている。導体板4Aの作用効果については
図7を用いて説明した電力用スイッチング半導体装置2
000と同一であるが、導体板4Bを設けることで主電
極板M10およびM20に発生する自己インダクタンス
をさらに低減することができる。
【0063】例えば、導体板4Aだけの場合、導体板を
有しない構成に比べて自己インダクタンスは約3分の2
になるが、導体板4Aと導体板4Bとで主電極板M10
〜M30を挟むと、導体板を有しない構成に比べて自己
インダクタンスは約2分の1になる。これは、主電極板
M10〜M30の内側主面の側に存在する磁界が、導体
板4Bに流れる磁化電流によって発生する磁界によって
打ち消されるからである。導体板4Bに磁化電流が流れ
る仕組みは導体板4Aと同様であり、説明は省略する。
なお、その他の効果については電力用スイッチング半導
体装置1000と同様である。
【0064】ここで、導体板4Bは導体板4Aおよび主
電極板M10〜M30とともに、ケース本体部101の
側壁内に封じ込んでも良いが、導体板4Bの配設位置に
対応させて導体板4Bを収納可能に設けられたポケット
に、導体板4Bを差し込むようにしても良い。
【0065】また、本実施の形態においては主電極板M
10〜M30の外側主面に対向して導体板4Aを配設し
た構成を示したが、導体板4Aの代わりに図5を用いて
説明した導体板4を配設した構成でも良いことは言うま
でもない。
【0066】<D.実施の形態4>本発明に係る半導体
装置の実施の形態4として、電力用スイッチング半導体
装置4000の構成を図9に示す。図9は樹脂ケース1
のケース本体部101を省略した斜視図であり、図1〜
図5を用いて説明した電力用スイッチング半導体装置1
000と同一の構成については説明を省略する。
【0067】図9において、主電極板M10〜M30の
外側主面に対向して導体板4Cが配設されている。そし
て、導体板4Cは放熱板2と同一の材質、同一の厚さで
形成されている。すなわち、放熱板2の一部が主電極板
M10〜M30の主面と平行になるように延長した構成
となっている。
【0068】導体板4Cは放熱板2と同一の材質、同一
の厚さで、見かけ上は放熱板2の一部分として存在して
いるが、その作用効果は放熱板2とは全く異なる。すな
わち、放熱板2はスイッチング素子T1、T2、ダイオ
ードD1、D2が動作時に発する熱を放熱させるものな
ので、放熱効果を高めるために下面が図示しない冷却手
段、例えば空冷の冷却フィンや水冷の冷却フィンに接触
するように配置される。
【0069】一方、導体板4Cは磁気誘導により導体板
4C内に発生する磁化電流によって、主電極板M10お
よびM20に発生する自己インダクタンスを低減させる
ものなので、冷却手段に接触させる必要はない。従っ
て、主電極板M10〜M30とともに樹脂ケース101
の側壁内に埋め込んでも良い。また、導体板4Cの外側
主面が樹脂ケース101の側壁に露出している構成でも
良い。
【0070】以上説明したように、電力用スイッチング
半導体装置4000によれば、主電極板M10およびM
20に発生する自己インダクタンスを低減できるととも
に、導体板4Cを放熱板2と同一の材質、同一の厚さで
構成するので、導体板4Cに発生する熱の放熱効果をさ
らに高めることができる。なお、導体板4Cは放熱板2
を垂直に折り曲げたり、削り出し加工により放熱板2と
導体板4Cとを同時に形成することで、導体板4Cを放
熱板2と一体で形成することができる。
【0071】また、導体板4Cを放熱板2と一体に形成
することで、独立した導体板を用いる場合に比べて、組
み立ての効率化を図ることができる。なお、その他の効
果については電力用スイッチング半導体装置1000と
同様である。
【0072】<E.実施の形態5>本発明に係る半導体
装置の実施の形態5として、電力用スイッチング半導体
装置5000の構成を図10に示す。図10は樹脂ケー
ス1のケース本体部101を省略した斜視図であり、図
1〜図5を用いて説明した電力用スイッチング半導体装
置1000と同一の構成については説明を省略する。
【0073】図10において、主電極板M10〜M30
の外側主面に対向して導体板4Cが配設されるととも
に、主電極板M10〜M30の内側主面に対向して導体
板4Bが配設されている。導体板4Cの作用効果につい
ては図9を用いて説明した電力用スイッチング半導体装
置4000と同一であるが、導体板4Bを設けることで
主電極板M10およびM20に発生する自己インダクタ
ンスをさらに低減することができる。なお、その他の効
果については電力用スイッチング半導体装置1000と
同様である。
【0074】<F.実施の形態6>本発明に係る半導体
装置の実施の形態6として、電力用スイッチング半導体
装置6000の構成を図11に示す。図11は樹脂ケー
ス1のケース本体部101を省略した斜視図であり、図
1〜図5を用いて説明した電力用スイッチング半導体装
置1000と同一の構成については説明を省略する。
【0075】図11において、主電極板M10およびM
20の外側主面に対向して導体板4Dが配設されてい
る。これまでに説明した電力用スイッチング半導体装置
1000〜5000では、導体板は主電極板M10〜M
30に対向するように構成されていたが、図6を用いて
説明したように、主電極板M30に発生する自己インダ
クタンスは問題とならない。また、主電極板M30に対
応する位置に導体板が存在しなくても主電極板M10お
よびM20に発生する自己インダクタンスの低減には支
障はない。従って、電力用スイッチング半導体装置60
00の導体板4Dは主電極板M10およびM20の外側
主面のみに対向するような長さとなっている。
【0076】このような構成とすることで、導体板4D
の面積を小さくでき製造コストを低減させることができ
る。これは、ニッケルなどのコスト的に効果な材料を使
用する場合には特に顕著となる。なお、その他の効果に
ついては電力用スイッチング半導体装置1000と同様
である。
【0077】<G.実施の形態7>本発明に係る半導体
装置の実施の形態7として、電力用スイッチング半導体
装置7000の回路構成を図12に示す。図12におい
てスイッチング素子T10(ここではIGBT)のコレ
クタ電極は主電極板M100に接続され、エミッタ電極
は主電極板M200に接続されている。そして、スイッ
チング素子T10には逆並列にダイオードD10が接続
されている。
【0078】スイッチング素子T10のゲート電極は信
号端子板S100に接続され、スイッチング素子T10
のエミッタ電極には信号端子板S200が接続され、エ
ミッタ電極の電圧を確認するためのエミッタ補助端子と
なっている。
【0079】このような回路構成を有する電力用スイッ
チング半導体装置7000においては、主電流は主電極
板M100から主電極板M200に向けて流れるだけで
ある。従って、主電極板M100およびM200の主面
に対向させて導体板を配設することで自己インダクタン
スを低減することができる。
【0080】図13に、電力用スイッチング半導体装置
7000の主電極板M100およびM200と導体板4
0との関係を斜視図で示す。なお、図13においては絶
縁基板等は省略されているが、その配置関係は図5に示
す電力用スイッチング半導体装置1000と同様であ
る。
【0081】図13において、導体板40は主電極板M
100およびM200の外側主面に対向して配設されて
おり、磁気誘導により導体板40内に発生する磁化電流
によって、主電極板M100およびM200に発生する
自己インダクタンスが低減する仕組みは、図6を用いて
説明した電力用スイッチング半導体装置1000と同様
である。
【0082】すなわち、電力用スイッチング半導体装置
1000においては、スイッチング素子T1およびT2
のオン・オフ動作に伴って、主電極板M10およびM2
0には交互に電流が流れていたが、電力用スイッチング
半導体装置7000においては、スイッチング素子T1
0がオン状態にあるときは主電極板M100およびM2
00には方向の異なる電流が常時流れている。
【0083】従って、導体板40内においては図6に示
す矢印a、b、g、d、aと同様の経路で電流が流れ、
主電極板M100およびM200に発生する自己インダ
クタンスが低減する。なお、その他の効果については電
力用スイッチング半導体装置1000と同様である。
【0084】また、図13においては、導体板40は主
電極板M100およびM200の外側主面に対向して配
設した例を示したが、内側主面に対向して配設しても良
いことはもちろん、外側主面および内側主面の両方に対
向して配設しても良いことは言うまでもない。
【0085】
【発明の効果】本発明に係る請求項1記載の半導体装置
によれば、少なくとも一対の主電極板を互いに重なり合
わないように配設し、少なくとも一対の主電極板のそれ
ぞれの一方主面に所定の間隔を有して対向し、それぞれ
の一方主面に対向するような第1の導体板を設けること
で、主電流に対応して磁気誘導により第1の導体板内に
磁化電流が発生し、主電極板に発生する磁界が打ち消さ
れるので、主電極板の自己インダクタンスを低減するこ
とができる。また、そのための構成は少なくとも一対の
主電極板の一方主面に対向して第1の導体板を配設する
だけであり、平行度も厳密である必要がないので、主電
極板の配設の自由度を増すことができる。
【0086】本発明に係る請求項2記載の半導体装置に
よれば、少なくとも一対の主電極板のそれぞれの他方主
面に所定の間隔を有して対向し、それぞれの他方主面に
対向するように配設された第2の導体板をさらに備えて
いるので、第1の導体板だけでは打ち消すことのできな
かった磁界も打ち消すことができ、主電極板の自己イン
ダクタンスをさらに低減することができる。
【0087】本発明に係る請求項3記載の半導体装置に
よれば、第1の導体板の端縁部が放熱板に係合するよう
に配設されているので、第1の導体板の熱が熱伝導によ
り放熱板に伝わるので、第1の導体板の温度上昇を抑制
することができる。
【0088】本発明に係る請求項4記載の半導体装置に
よれば、第1の導体板を放熱板と一体で構成するので、
第1の導体板の熱の放熱効果をさらに高めることができ
る。
【0089】本発明に係る請求項5記載の半導体装置に
よれば、第1および第2の導体板の少なくとも一方、お
よび少なくとも一対の主電極板を樹脂ケースの側壁内部
に樹脂封止するので装置の小型化を図ることができる。
【0090】本発明に係る請求項6記載の半導体装置に
よれば、少なくとも一対の主電極板を樹脂ケースの側壁
内部に樹脂封止し、その側壁内部に第1および第2の導
体板の少なくとも一方を収納可能なポケットを備えてい
るので、導体板をポケットに差し込むことで導体板の配
設が完了し、製造工程を簡略化することができる。
【0091】本発明に係る請求項7記載の半導体装置に
よれば、第1および第2の導体板が反磁性体材の主材の
表面に強磁性体層が形成された構成であるので、熱伝導
が良好かつ、コストが安価な材料として反磁性体材を選
んだ場合でも、主電極板の自己インダクタンスを十分に
低減することができる。
【0092】本発明に係る請求項8記載の半導体装置に
よれば、第1および第2の導体板が常磁性体材の主材の
表面に強磁性体層が形成された構成であるので、熱伝導
が良好かつ、コストが安価な材料として反磁性体材を選
んだ場合でも、主電極板の自己インダクタンスを十分に
低減することができる。
【0093】本発明に係る請求項9記載の半導体装置に
よれば、第1および第2の導体板が常磁性体材であるの
で、磁化電流により発生する磁界が、主電極板に発生す
る磁界を打ち消す方向に発生するので、主電極板の自己
インダクタンスを十分に低減することができる。
【0094】本発明に係る請求項10記載の半導体装置
によれば、第1および第2の導体板が強磁性体材である
ので、磁化電流により発生する磁界が、主電極板に発生
する磁界を打ち消す方向に強力に発生するので、主電極
板の自己インダクタンスを十分に低減することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る半導体装置の実施の形態1を外
観を示す斜視図である。
【図2】 本発明に係る半導体装置の実施の形態1の分
解斜視図である。
【図3】 本発明に係る半導体装置の実施の形態1の内
部を示す図である。
【図4】 本発明に係る半導体装置の実施の形態1の回
路構成を示す図である。
【図5】 本発明に係る半導体装置の実施の形態1の導
体板の配置状態を示す斜視図である。
【図6】 本発明に係る半導体装置の導体板の作用を説
明する模式図である。
【図7】 本発明に係る半導体装置の実施の形態2の導
体板の配置状態を示す斜視図である。
【図8】 本発明に係る半導体装置の実施の形態3の導
体板の配置状態を示す斜視図である。
【図9】 本発明に係る半導体装置の実施の形態4の導
体板の配置状態を示す斜視図である。
【図10】 本発明に係る半導体装置の実施の形態5の
導体板の配置状態を示す斜視図である。
【図11】 本発明に係る半導体装置の実施の形態6の
導体板の配置状態を示す斜視図である。
【図12】 本発明に係る半導体装置の実施の形態7の
回路構成を示す図である。
【図13】 本発明に係る半導体装置の実施の形態7の
導体板の配置状態を示す斜視図である。
【図14】 従来の半導体装置の外観を示す斜視図であ
る。
【図15】 従来の半導体装置の構成を示す断面図であ
る。
【図16】 従来の半導体装置の主電極板の形状を示す
斜視図である。
【符号の説明】
1 樹脂ケース、2 放熱板、3A,3B 絶縁基板、
4,4A,4B,4C,4D,40 導体板、101
ケース本体部、102 ケース蓋部、103ケース底
部、M10〜M30,M100,M200 主電極板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−21323(JP,A) 特開 平5−206679(JP,A) 実開 昭60−153544(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 25/07 H01L 25/18

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基台と、 その底面部に前記基台を配置する箱状の電気絶縁性の樹
    脂ケースと、 所定の回路パターンを有し、前記基台上に設けられた回
    路基板と、 前記回路基板上に設けられた電力用半導体素子と、 それぞれの一方端が前記電力用半導体素子に電気的に接
    続され、それぞれの他方端が前記樹脂ケースの上面から
    外部へ突出し、前記電力用半導体素子の主電流が互いに
    逆方向に流れる少なくとも一対の主電極板とを備え、 前記基台は、前記電力用半導体素子の動作時に発生する
    熱を外部に放熱する放熱板を有する半導体装置におい
    て、 前記少なくとも一対の主電極板は互いに重なり合わない
    ように配設され、 前記少なくとも一対の主電極板のそれぞれの一方主面に
    所定の間隔を有して対向するように配設され、前記一対
    の主電極板にそれぞれ流れる前記主電流に起因する磁気
    誘導により、前記主電流とはそれぞれ反対方向の磁化電
    流を発生させる第1の導体板を備える半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記少なくとも一対の主電極板のそれぞ
    れの他方主面に所定の間隔を有して対向するように配設
    された第2の導体板をさらに備える請求項1記載の半導
    体装置。
  3. 【請求項3】 前記少なくとも一対の主電極板は、前記
    一方主面が前記回路基板の前記電力用半導体素子が搭載
    された側とは反対側を向くように配設され、前記第1の
    導体板は、その端縁部が前記放熱板に係合するように配
    設される請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記少なくとも一対の主電極板は、前記
    一方主面が前記回路基板の前記電力用半導体素子が搭載
    された側とは反対側を向くように配設され、前記第1の
    導体板は前記放熱板と一体で形成される請求項1または
    請求項2記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記第1および第2の導体板の少なくと
    も一方、および前記少なくとも一対の主電極板は、前記
    樹脂ケースの側壁内部に樹脂封止されることによって位
    置を固定される請求項2記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記少なくとも一対の主電極板は、前記
    樹脂ケースの側壁内部に樹脂封止されることによって位
    置を固定され、 前記樹脂ケースは、その側壁内部に前記第1および第2
    の導体板の少なくとも一方の配設位置に対応して形成さ
    れ、前記第1および第2の導体板の少なくとも一方を収
    納可能なポケットを備え、 前記第1および第2の導体板の少なくとも一方は前記ポ
    ケットに差し込まれる請求項2記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記第1および第2の導体板は、 主材となる反磁性体材と、 前記主材の表面に形成された強磁性体層とを有する請求
    項2記載の半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記第1および第2の導体板は、 主材となる常磁性体材と、 前記主材の表面に形成された強磁性体層とを有する請求
    項2記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記第1および第2の導体板は常磁性体
    材である請求項2記載の半導体装置。
  10. 【請求項10】 前記第1および第2の導体板は強磁性
    体材である請求項2記載の半導体装置。
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