JP7168828B2 - 半導体装置および半導体システム - Google Patents

Description

本発明は半導体素子を搭載する半導体装置および半導体システムに関する。本発明は特に、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を抑制しつつ過電圧発生を抑制することが可能な半導体装置および半導体システムに関する。

半導体素子を搭載した回路基板を積層することで半導体装置を三次元的に高密度実装する、いわゆる部品内蔵モジュール化技術が知られている。特に、スイッチング機能を備えたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体素子をモジュール化する場合には、半導体素子やその電気回路の構成部品が比較的大きな発熱量を持つ。そのため、半導体素子のスイッチング動作を制御するゲートドライバを半導体素子とともに基板に内蔵させる場合には、ゲートドライバに対して発熱の影響が及ばないような工夫が求められる。例えば、特許文献１に開示された半導体装置は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴからなるスイッチングモジュール３００と、このスイッチングモジュール３００を駆動制御するゲートドライバ３２０を、ゲート配線バー１０８により接続した発明が開示されている。スイッチングモジュール３００とゲートドライバ３２０をゲート配線バー１０８で接続することで、スイッチングモジュール３００からの発熱の影響がゲートドライバ３２０に及ぶのを回避しようとしている。

また、特許文献２には、放熱部材２０に熱的に結合されるパワー素子１１ａが電気的に接合された第１導電層１１と、パワー素子１１ａのスイッチング動作を制御する制御素子（ゲートドライバ）１２ａ，１２ｂが電気的に接合された第２導電層１２と、第１導電層１１と第２導電層１２との間においてパワー素子１１ａが埋め込まれる樹脂層１３とを有する電子機器が開示されている。第１導電層１１、樹脂層１３及び第２導電層１２は、放熱部材２０に近い方からこの順序で積層されている。

ＷＯ２０１９／０４４８３２号公報 特許第６３０８２７５号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ゲート配線バー１０８を用いているため電気回路の配線長が長くなってしまい、電気回路の寄生インダクタンス成分が上昇してしまうので、過電圧が発生するなどの問題が生じる。また、特許文献２の構成では、パワー素子１１ａと制御素子１２ａ，１２ｂとが近接配置されているため両者を電気的に接続する配線の長さは短くなるものの、パワー素子１１ａの発熱による影響が制御素子１２ａ，１２ｂに及んでしまう問題があった。
そこで本発明は、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を抑制しつつ過電圧発生のリスクも抑制することが可能な半導体装置の提供を目的とする。

本発明者らは、以下に示す半導体装置が、上記した従来の課題を解決できることを見出した。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、スイッチング素子である半導体素子および該半導体素子のゲートドライバを少なくとも有する半導体装置において、前記半導体素子および前記ゲートドライバを共通の筐体の内部に配置するとともに、前記半導体素子から前記ゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部が設けられていることを特徴とする半導体装置である。

上記のように構成された本発明の実施形態によれば、半導体素子からゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部を設けることにより、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を緩和することが可能となる。また、熱遮蔽部を設けることにより、半導体素子とゲートドライバを近接配置することができる。そのため、半導体素子とゲートドライバを共通の筐体の内部に配置することが可能となる。これにより、電気回路長を必要以上に長くする必要がなくなるので、インダクタンスの増加による過電圧発生を回避することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態における要部の拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の部分的な回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部の拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の要部の拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の要部の拡大断面図である。 実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示す回路図である。

以下、本発明に係る幾つかの実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、同一構成要素には同一符号を付すことで、重複する説明を省略する。

図１は本発明に係る半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。図１に示すように半導体装置１１０は、回路基板１に配置されている第１および第２の半導体素子２，３を有する。本実施形態においては、第１の半導体素子２は、スイッチング機能を有するパワー半導体素子（スイッチング素子）であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子である。また、第２の半導体素子３は、半導体部品であるＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）やＰｉＮダイオードなどのダイオードが挙げられる。本発明の実施形態においては、第１および第２の半導体素子は、上記の素子に限定されるものではない。また、回路基板１上にはさらにゲートドライバ４が配置されている。ゲートドライバ４は、第１の半導体素子２に設けられたゲート電極のスイッチング動作を制御するための駆動回路を内蔵したＩＣで構成されている。

第１の半導体素子２とゲートドライバ４の間は、回路基板１に直接接続されていない領域である離間部５が所定長だけ形成されている。離間部５は、例えば、平板状の回路基板１を部分的に穿孔したり除去したりすることにより形成されている。

第１および第２の半導体素子２，３の上面は、ビア７を介して上部配線層８と接続されている。また、第１および第２の半導体素子２，３の下面は、ビア９を介して下部配線層１０と接続されており、さらにビア１１を介して下部配線層１２と接続されている。上部配線層８と下部配線層１２とは、スルーホール１３を介して接続されている。

ここで、ビア６，７，９，１１および上部配線層８、下部配線層１０，１２は、銅（Ｃｕ）などの電気伝導性および熱伝導性に優れた材料を主成分として含んでいる。また、離間部５を含む図１中の空白部には、エポキシ樹脂やプリプレグなどの電気絶縁材料が充填されている。具体的には、半導体装置１１０の内部に電気絶縁材料を充填した後に、レーザ加工やドリル加工を施すことで複数の孔を形成し、さらにこれら孔の表面に銅をめっき加工することにより、ビアやスルーホールが成形される。この工程を繰り返すことで、複数段の配線層やビアが順次形成される。半導体装置１１０の最上部には、銅（Ｃｕ）などの熱伝導性に優れた材料を主成分として含む筐体壁１４が設けられ、必要に応じて筐体壁１４上にヒートシンクなどの放熱手段が設けられる。本発明の実施形態では、筐体壁１４と下部配線層１２によって筐体が規定され、筐体の厚みは２００μｍ～５００μｍ程度である。本発明の実施形態において、筐体の寸法は上記した寸法に限定されるものではない。

第１の半導体素子２とゲートドライバ４をつなぐ電気回路は、ビア６ａ，６ｂを介して、回路基板１の厚み方向の上方に離間して配置された筐体壁１４の高さに設けられた抵抗接続部１５まで延伸されている。抵抗接続部１５の下部には、離間部５に充填された電気絶縁材料の一部に空間部（熱遮蔽部）１８が設けられている。

図２の部分拡大図に示すように、空間部１８は、断面略矩形状をなしている。また、空間部１８は、紙面垂直方向に向けて所定長さの奥行を持つように延設され、その内部には空気（乾燥空気）などの気体が充填されている。本発明の実施形態においては、空間部（熱遮蔽部）１８の熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下の気体であるのが好ましい。空間部１８の奥行方向の長さは、第１の半導体素子２とゲートドライバ４との対向面の全長に亘っているのが特に好ましい。また、空間部１８の上下方向の長さも、第１の半導体素子２とゲートドライバ４との対向面（厚み）の全長に亘っているのが特に好ましい。

空間部１８は開空間であっても閉空間であってもよく、開空間の場合には筐体の外部に通じる導通口を有するものであってもよい。空間部１８は、半導体製造工程におけるエッチング工程やレーザ開口工程、ドリル開口工程などの公知の工程によって製作することができる。

抵抗接続部１５は、任意の抵抗値を持つ電子部品であるゲート抵抗１６を接続可能な状態に設けられている。すなわち、第１の半導体素子２とゲートドライバ４とをつなぐ電気回路の一部に抵抗接続部１５が設けられており、その抵抗接続部１５が筐体から露出するように構成されている。また、このことにより、第１の半導体素子２とゲートドライバ４とを電気的に接続する配線の少なくとも一部が筐体の外部に配置されている構成を得ることができる。このような構成によれば、ゲートドライバ４と第１の半導体素子２との間に熱遮蔽部を容易に設けることができる。抵抗接続部１５にゲート抵抗１６を載置固定することで、ゲート抵抗１６の端子１６ａ，１６ｂによって電気接点が接続され、ゲート抵抗１６が電気回路の一部を電気的に接続するよう構成されている。ゲート抵抗１６の端子１６ａ，１６ｂと抵抗接続部１５とは、半田付けなどの公知の接続方法を用いて接続することができる。また、一旦接続されたゲート抵抗を、半田を溶融することにより抵抗接続部１５上から取外した上で、異なる抵抗値のゲート抵抗を新たに接続することも可能である。

図３は本実施形態に係る半導体装置１１０の回路構成を示している。図３は、図２に示した構成要素、すなわち第１の半導体素子２、第２の半導体素子３、ゲートドライバ４、ゲート抵抗１６を抽出したものである。ここでは、半導体素子２としてＭＯＳＦＥＴを例示しており、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極Ｇに対して、ゲートドライバ４から制御信号を供給することでＭＯＳＦＥＴ２のスイッチング制御が行われる。また、第２の半導体素子３はＳＢＤであり、ＭＯＳＦＥＴのソース電極Ｓの電流をドレイン電極Ｄに還流するための高耐圧還流ダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）として機能する。ゲートドライバ４とＭＯＳＦＥＴ２との間に設けられるゲート抵抗（Ｒ１）１６としては、図示しない制御対象に適したＭＯＳＦＥＴ２のスイッチング速度を実現するために適切な抵抗値を備えたものが選定されている。なお、抵抗（Ｒ２）１７は、ゲート電極Ｇの入力信号がオープンになった場合にゲート電極Ｇ・ソース電極Ｓの間の電圧を０Ｖとするために設けられている。

続いて、上述のように構成された本実施形態の作用について詳しく説明する。

本発明の実施形態は、半導体素子からゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部を設けたことを特徴としている。熱遮蔽部として、例えば、半導体素子２とゲートドライバ４との間に空間部１８が設けられており、当該空間部１８に気体としての空気が充填されている。熱遮蔽部の周囲に充填された熱硬化性樹脂の熱伝導率は、例えばエポキシ樹脂の場合には約３００ｍＷ／ｍ・Ｋ、プリプレグの場合には約４００ｍＷ／ｍ・Ｋと非常に高い。一方、空気の熱伝導率は、常圧時の室温において約２５ｍＷ／ｍ・Ｋであり、熱硬化性樹脂よりも１／１０以上も低い熱伝導率であることから、熱遮蔽効果が遥かに高い。したがって、ＭＯＳＦＥＴ２からの発熱は、回路基板１を経由して、ビアなどの銅で構成される経路を伝わるか、もしくは熱硬化性樹脂を伝わって下部配線層１２もしくは筐体壁１４を伝わることで、最終的に筐体外部に放熱される。そして、熱伝導率の低い空間部１８が熱遮蔽構造として機能することにより、ＭＯＳＦＥＴ２からゲートドライバ４に向かう放熱は抑制される。したがって、熱遮蔽部を設けることによってＭＯＳＦＥＴ２の発熱がゲートドライバ４に伝わりにくくなり、ゲートドライバへの悪影響を抑制することができる。

また、図３の回路構成からも判るように、ＭＯＳＦＥＴ２とゲートドライバ４の間にゲート抵抗１６が設けられている。実際の回路配置においても、通常、ＭＯＳＦＥＴ２とゲートドライバ４の間、すなわち本実施形態における空間部１８の位置にゲート抵抗が配置される。これに対して本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ２のゲート抵抗１６を筐体から露出した状態で接続することにより、半導体素子２とゲートドライバ４の間に熱遮蔽部を設けるための領域を容易に確保できる。また同時に、ゲート抵抗１６の発熱によるゲートドライバ４への悪影響を抑制することもできるようになる。

そして、このような構成からなる本発明の第１実施形態によれば、半導体素子からゲートドライバへの伝熱を遮蔽する熱遮蔽部を設けることで、ゲートドライバに及ぶ熱の影響を緩和することが可能となる。また、熱遮蔽部を設けることで、半導体素子とゲートドライバを近接配置することができるため、両者を共通の筐体の内部に配置することが可能となる。これにより、電気回路長を必要以上に長くする必要がなくなるので、インダクタンスの増加による過電圧発生を回避することができる。

また、本発明の実施形態においては、半導体素子２，３が縦型デバイスであっても横型デバイスであっても、あるいは縦型デバイスと横型デバイスの組合せであっても有効である。すなわち、半導体素子２，３の上面もしくは下面のいずれの面での発熱が支配的であったとしても、熱遮蔽部の存在によりゲートドライバに及ぶ熱の影響を緩和することが可能となる。

なお、以下の各実施形態においては、図１に描かれた半導体装置１１０とほぼ同一の構成要素を備えているため、異なる部分のみを説明する。

図４は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図４に示されるように、第２実施形態に係る半導体装置１２０は、ゲート抵抗１６を載置する抵抗接続部１５の高さまで縦方向に孔設された空間部１９を有する。空間部１９の上端部１９ａは筐体の外部に導通している。空間部１９は、ゲート抵抗１６が抵抗接続部１５に載置される前に、筐体外部から穿孔もしくはダイシングなどの方法により、樹脂やプリプレグが充填された離間部５に向けて上端部１９ａから下端部１９ｂに向けて加工することにより形成される。図４には図示されていないが、空間部１９は紙面垂直方向に延設するように形成され、少なくとも半導体素子２とゲートドライバ４の対向面の全長に亘って空間部１９が延設されている。

このような構成からなる本発明の第２実施形態によれば、開放された空間部１９の上端部１９ａの温度は、閉塞した下端部１９ｂの温度よりも低くなるため、空間部１９内で空気の対流が発生する。そして、半導体素子２の発熱の影響で高温となった下端部１９ｂの空気が、対流によって上端部１９ａに運ばれて筐体外部に放出され易くなり、放出された高温の空気に代えて筐体外部の低温の空気を取り込むことができる。したがって、ゲートドライバ４への熱遮蔽だけでなく、離間部５付近を冷却することも可能となり、ゲートドライバ４を安定的動作維持させることができる。

図５は本発明の第３実施形態に係る半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図５に示されるように、第３実施形態に係る半導体装置１３０は、離間部５の横方向に拡大して設けられた空間部２０を有する。すなわち、半導体素子２とゲートドライバ４との離間距離に占める空間部２０の割合を大きくしている。これによって、半導体素子２の発熱の影響をゲートドライバ４に対してより一層伝わりにくくすることができる。

図６は本発明の第４実施形態に係る半導体装置の要部を示す拡大断面図である。図６に示されるように、第４実施形態に係る半導体装置１４０は、離間部５の横方向にさらに拡大して設けられた空間部２０を有する。すなわち、半導体素子２とゲートドライバ４のそれぞれの側面は空間部２０に露出しており、離間部５の横方向が実質的に空気層のみに占有される大きさに拡大されたものである。これによって、半導体素子２の発熱の影響をゲートドライバ４に対してより一層伝わりにくくすることができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置は、パワー半導体の半導体材料として広く知られている炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などが用いられた半導体素子を含む場合に有用である。特に、バンドギャップの高いコランダム構造の酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）や、βガリア構造の酸化ガリウム（β－Ｇａ２Ｏ３）が用いられた半導体素子を含む場合に極めて有用であり、半導体装置の高密度化のみならず信頼性向上にも貢献する。

なお、上述した本発明に係る複数の実施形態を組合せたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用することももちろん可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。例えば、空間部の延設長さや形状などは、筐体の内部構造や半導体素子の発熱量などに応じて任意の構造となるように設計できる。また、空間部には空気を充填する以外にも、その他の気体もしくは熱伝導率の低い流体（液体を含む）によって満たされていてもよい。熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、上述した空気（乾燥空気）の他に、アルゴン（Ａｒ）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、酸素（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）などの気体を選択してもよい。これらの気体は半導体製造の過程で広く利用されるため入手が容易である。

なお、本発明の実施形態においては、第１の半導体素子１および第２の半導体素子に加えて、さらに他の半導体素子がさらに内蔵されていてもよい。また、他の受動部品（例えば、コンデンサ、コイルまたは抵抗等）が半導体装置にさらに内蔵されていてもよい。本発明の実施形態においては、上記した半導体装置をサブモジュールとした上で、これらサブモジュールを複数組み合わせてモジュールを形成して使用してもよい。

上述した本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。図７は、本発明の実施形態に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図８は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（Electric Vehicle）への搭載に適した制御システムである。

図７に示すように、制御システム500はバッテリー（電源）501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ（駆動対象）505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。

インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。

図８は、図７における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図８中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU（Central Processing Unit）からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

図７や図８に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、上述の制御システム500は本発明の実施形態に係る半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。

図９は、本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図１０は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。

図９に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源（電源）601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ（駆動対象）605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。

インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。

なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ602から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図９中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。

図１０は、図９の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、AC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図１０中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

このような制御システム600においても、図７や図８に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、図９および図１０では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。

1 回路基板
2, 3 半導体素子
4 ゲートドライバ
5 離間部
6a, 6b, 7, 9, 11 ビア
13 スルーホール
15 抵抗接続部
16 ゲート抵抗
18 空間部（熱遮蔽部）
110, 120, 130, 140 半導体装置
500 制御システム
501 バッテリー（電源）
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ（駆動対象）
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源（電源）
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ（駆動対象）
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部

Claims (12)

1. スイッチング素子である半導体素子および該半導体素子のゲートドライバを少なくとも有する半導体装置において、
   前記半導体素子および前記ゲートドライバを共通の筐体の内部に配置するとともに、前記半導体素子から前記ゲートドライバへの伝熱を遮蔽するための熱遮蔽部が設けられており、前記半導体素子と前記ゲートドライバとを電気的に接続する配線の少なくとも一部が前記筐体の外部に位置していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記熱遮蔽部は、前記半導体素子と前記ゲートドライバの間に充填された電気絶縁材料に設けた空間部であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記熱遮蔽部の熱伝導率が、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下である請求項１記載の半導体装置。
4. 前記空間部には気体が満たされていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
5. 前記空間部には空気が満たされていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
6. 前記空間部は前記筐体の外部に導通していることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
7. 前記半導体素子と前記ゲートドライバを搭載する基板を有し、前記半導体素子と前記ゲートドライバに電気的に接続されるゲート抵抗を前記基板の厚み方向に離間した位置に配置したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
8. 前記ゲート抵抗を前記筐体の外部に配置したことを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
9. 前記電気絶縁材料は熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
10. 前記電気絶縁材料はプリプレグであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
11. 請求項１記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
12. 請求項１記載の半導体装置を用いた制御システム。

Images