JP2015122342A - 半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の大型化を抑制し、かつ高い放熱性を有しながら、放射ノイズを十分に低減することができる半導体モジュールおよび電力変換装置を提供する。
【解決手段】導電部材２と、導電部材２上に形成されている第１絶縁体１０と、第１絶縁体１０上に配置されている第１電極８と、第１電極８と間隔を空けて第１絶縁体１０上に配置されている第２電極９と、第１電極８上に配置され、正極および負極を有する半導体素子６と、第２電極９上に配置され、正極および負極を有する半導体素子７とを備え、半導体素子６の正極は第１電極８と接続されており、半導体素子６の負極は半導体素子７の正極に接続されており、導電部材２と半導体素子６の正極との間に生じる静電容量値に対する、導電部材１と半導体素子７の負極との間に生じる静電容量値の比が０．９以上１．１以下である。
【選択図】図４

Description

本発明は、ノイズ除去用の静電容量成分を備える半導体モジュールおよび電力変換装置に関し、特にノイズ除去用の静電容量成分として、半導体素子と導電部材（シャーシ導体）との間に生じる静電容量を利用する半導体モジュールおよび電力変換装置に関する。

半導体素子のスイッチング動作に伴い発生する放射ノイズを低減することを目的として、半導体素子とシャーシ導体間に静電容量成分を設ける場合がある。この場合、半導体素子の正極側と負極側とで静電容量が平衡に設けられる場合がある。このような静電容量成分は対地間コンデンサとも呼ばれる。ところが、半導体素子とシャーシ導体間の静電容量が正極側と負極側で不平衡になると逆に放射ノイズが増加してしまうという問題がある。

例えばパワー半導体素子の場合、一般に該素子の一方の主面は、シャーシ導体上に薄い絶縁体を介して接合されているベース電極と接触・接合される。つまり、パワー半導体素子はベース電極、絶縁体およびシャーシ導体からなる冷却経路に接続される。

このとき、半導体素子の製造プロセス上、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の場合はコレクタ側、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の場合はドレイン側、ダイオードの場合はカソード側がベース電極と接合されることが一般的である。そのため、ハイサイド側素子（上アームのパワー半導体素子）とローサイド側素子（下アームのパワー半導体素子）とを直列に接続したセミブリッジ回路の場合、当該セミブリッジ回路の正極側はベース電極を備えていることから、正極側とシャーシ導体間に大きい静電容量が生じる。一方でセミブリッジ回路の負極側はベース電極を備えていないため、負極側とシャーシ導体間に生じる静電容量は微小となる。その結果、パワー半導体素子において、上アームの半導体素子の正極側とシャーシ導体間の静電容量と、下アームの半導体素子の負極側とシャーシ導体間の静電容量とが不平衡になり、放射ノイズを低減することができない。

特開２００７−１４２０７３号公報には、絶縁基板上に配置された回路パターンの直流入力の正極側電極および負極側電極の面積をほぼ同じ大きさとすることで、絶縁基板の浮遊容量をコンデンサとして各相ごとの容量アンバランスを無くすことができることが記載されている。

また、特開２００９−０８８０４６号公報には、第１のパワー半導体素子と第２のパワー半導体素子とを反対向きに配線基板に実装する技術が記載されている。

特開２００７−１４２０７３号公報 特開２００９−０８８０４６号公報

しかしながら、特開２００７−１４２０７３号公報に記載のパワー半導体モジュールは、絶縁セラミックス基板上に正極側電極と同じ面積の負極側電極を設ける必要があるため、電力変換装置が大型化してしまうという問題がある。具体的には、絶縁セラミックス基板上に、半導体素子を搭載する回路パターン（正極側電極等）に加えて半導体素子が搭載されていない負極側電極を新たに設ける必要があるため、電力変換装置は大型化してしまう。

また、特開２００９−０８８０４６号公報に記載のパワー半導体装置では、上アームの半導体素子が接合される正極側配線パターンの面積と、下アームの半導体素子が接合される負極側配線パターンの面積とは通常同等ではない（異なる観点から言えば、上アームの半導体素子が接合される正極側配線パターンの面積に対する、当該正極側配線パターンの面積と下アームの半導体素子が接合される負極側配線パターンの面積の差分の比率は、±１０％超えである）。具体的には、下アームの半導体素子が接合される配線パターンは全て負極側配線パターンとして形成されるのではなく、一部ゲート配線パターンとして形成されるため、通常は特開２００９−０８８０４６号公報の図面に記載されているように、上記２つの面積は同等に設けられていない。このとき、上アームの半導体素子が接合される配線パターンの面積に対する上記２つの面積の差分の比率を±１０％以下とするには、上アームの半導体素子が接合される配線パターンの面積を小さくすることが考えられるが、この場合、上アームの半導体素子の放熱性が悪化する。また、下アームの半導体素子が接合される配線パターンの面積を大きくすることも考えられるが、この場合電力変換装置が大型化してしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、電力変換装置の大型化を抑制し、かつ高い放熱性を有しながら、放射ノイズを十分に低減することができる半導体モジュールおよび電力変換装置を提供することにある。

本発明に係る半導体モジュールは、導電部材と、導電部材上に形成されている第１絶縁体と、第１絶縁体上に配置されている第１電極と、第１電極と間隔を空けて第１絶縁体上に配置されている第２電極と、第１電極上に配置され、正極および負極を有する第１の半導体素子と、第２電極上に配置され、正極および負極を有する第２の半導体素子とを備え、第１の半導体素子の正極は第１電極と接続されており、第１の半導体素子の負極は第２の半導体素子の正極に接続されており、導電部材と第１の半導体素子の正極との間に生じる静電容量値に対する、導電部材と第２の半導体素子の負極との間に生じる静電容量値の比が０．９以上１．１以下である。

本発明によれば、電力変換装置の大型化を抑制し、かつ高い放熱性を有しながら、放射ノイズを十分に低減することができる半導体モジュールおよび電力変換装置を提供することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 実施の形態１に係る電力変換装置における半導体モジュールを実装した状態を示す鳥瞰図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの内部構成を示す上面図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールの内部構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールにおけるセミブリッジ回路の構成を示す回路図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールの内部構成を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体モジュールを実装した状態を示す鳥瞰図である。 実施の形態３に係る半導体モジュールを実装した状態の変形例を示す鳥瞰図である。 実施の形態４に係る半導体モジュールの内部構成を示す上面図である。 実施の形態４に係る半導体モジュールの内部構成を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体モジュールの内部構成の変形例を示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体モジュールの内部構成を示す上面図である。 実施の形態５に係る半導体モジュールの内部構成を示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体モジュールにおけるセミブリッジ回路の構成を示す回路図である。 実施の形態５に係る半導体モジュールの内部構成の変形例を示す断面図である。 実施の形態６に係る半導体モジュールの内部構成を示す断面図である。 実施の形態６に係る多層型コンデンサ素子の断面図である。 実施の形態６に係る半導体モジュールの内部構成を示す上面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
まず、図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュール１および電力変換装置５１について説明する。はじめに、図１を参照して、実施の形態１に係る電力変換装置５１の回路図の一例を説明する。実施の形態１に係る電力変換装置５１は、直流電源５２から入力された直流電力を交流化して、モータ５３等に供給することができる。電力変換装置５１は、たとえばインバータとして、３つのセミブリッジ回路が並列に接続されて構成されている。具体的には、電力変換装置５１は、上アームの半導体素子５６ａ，５６ｂ，５６ｃおよび下アームの半導体素子５７ａ，５７ｂ，５７ｃを備える。半導体素子５６ａと半導体素子５７ａとは直列接続されて第１のセミブリッジ回路を構成している。半導体素子５６ｂと半導体素子５７ｂとは直列接続されて第２のセミブリッジ回路を構成している。半導体素子５６ｃと半導体素子５７ｃとは直列接続されて第３のセミブリッジ回路を構成している。これら第１のセミブリッジ回路〜第３のセミブリッジ回路は並列に接続されて、３相のインバータ回路を構成している。各半導体素子５６，５７は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタなど任意の半導体素子とすることができるが、たとえばＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。各半導体素子には、それぞれ並列にダイオードが接続されている。上アームの半導体素子のドレイン側は直流電源５２の正極側に接続され、下アームの半導体素子のソース側は直流電源５２の負極側に接続されている。上アームの半導体素子と下アームの半導体素子の接続部はモータ５３に接続されている。

電力変換装置５１の各セミブリッジ回路は、半導体モジュール１として構成されている。図２は、電力変換装置５１を構成する半導体モジュール１の実装状態を示す鳥瞰図である。半導体モジュール１は、導電部材としてのシャーシ導体２上に実装されている。半導体モジュール１は、たとえば正極側導体３、負極側導体４、中間側導体５とを備え、各導体は半導体モジュール１の内部から外部に引き出されている。シャーシ導体２は、放熱性の高い任意の材料で構成されていればよいが、たとえば銅やアルミニウム等で構成されていればよい。

図３は、半導体モジュール１の内部構成を説明するための概略上面図である。図４は、半導体モジュール１の内部構成を説明するための概略断面図である。図５は、半導体モジュール１に形成されているセミブリッジ回路の回路図である。なお、図４は、図２および図３に示す半導体モジュール１の正極側から負極側までの各構成部材の接続状態を説明するために、図２および図３に示す各構成部材の配列を一部変更して示している。

半導体モジュール１は、たとえば第１の半導体素子としての上アームの半導体素子６（６ａ，６ｂ）と、第２の半導体素子としての下アームの半導体素子７（７ａ，７ｂ）とを備えている。半導体素子６のドレイン電極は、直流電源５２の正極側に接続されている正極側導体３に、半導体素子７のソース電極は、直流電源５２の負極側に接続されている負極側導体４にそれぞれ接続されている。モータ５３に接続されている中間側導体５に、半導体素子６のソース電極および半導体素子７のドレイン電極は、それぞれ接続されている。また、シャーシ導体２は接地されている。正極側導体３、負極側導体４、および中間側導体５は、導電性を有する任意の材料により構成すればよいが、たとえば銅、銀、またははんだ等により構成されている。

半導体モジュール１において、上アームの半導体素子６は第１電極としての正極側ベース電極８上に搭載されている。このとき、半導体素子６のドレイン電極は正極側ベース電極８と接合されており、正極側ベース電極８は正極側導体３と接合されている。これにより、上述のように、半導体素子６のドレイン電極は直流電源５２の正極側に接続されている。また、下アームの半導体素子７は、第２電極としての中間側ベース電極９上に搭載されている。このとき、半導体素子７のドレイン電極は中間側ベース電極９と接合されており、中間側ベース電極９は中間側導体５と接合されている。つまり、中間側導体５は、上述のように上アームの半導体素子６のソース電極と接合されているとともに、下アームの半導体素子７のドレイン電極と接合されている中間側ベース電極９と接合されており、これにより半導体素子６と半導体素子７とを直列に接続している。

正極側ベース電極８および中間側ベース電極９を構成する材料は、導電性を有する任意の材料とすればよいが、たとえば、銅、銀、またははんだ等などである。正極側ベース電極８および中間側ベース電極９は、シャーシ導体２上に形成されている第１絶縁体１０上に設けられている。

第１絶縁体１０を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料から選択することができ、たとえばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などの樹脂系材料、チタン酸バリウム、アルミナ等のセラミック系材料等である。第１絶縁体１０を構成する材料およびその膜厚は、第１絶縁体１０に求められる誘電率に応じて適宜設定することができる。なお、本実施の形態のようにパワー半導体素子を用いる場合には、シャーシ導体２への放熱性を高める観点から第１絶縁体１０の膜厚を薄く形成するのが一般的である。

正極側ベース電極８および中間側ベース電極９は、第１絶縁体１０を介してシャーシ導体２と接続されていることにより、それぞれ正極側静電容量１０１と中間側静電容量１０２とを形成している。正極側静電容量１０１と中間側静電容量１０２とは、第１絶縁体１０が同一の材料でかつ同等の膜厚で形成されており、かつ、正極側ベース電極８と中間側ベース電極９とが同等の面積で形成されていることにより、それぞれの静電容量値を同等とすることができる。

シャーシ導体２上において、第１絶縁体１０が形成されていない領域には接地電極１１が形成されている。つまり、接地電極１１は、シャーシ導体２を介して接地されている。接地電極１１を構成する材料は、導電性を有する任意の材料とすればよいが、たとえば銅である。

負極側導体４と接地電極１１との間はコンデンサ素子１００を介して接続されている。コンデンサ素子１００は、所定の静電容量を有するものとして選択されている。具体的には、図４および図５を参照して、コンデンサ素子１００の静電容量値は、第１絶縁体１０を介して接続されている正極側ベース電極８とシャーシ導体２との間に形成される正極側静電容量１０１の静電容量値の±１０％以内であるように選択される。つまり、コンデンサ素子１００の静電容量値は、正極側静電容量１０１を基準として一般的なコンデンサの静電容量値の誤差範囲内に収まっていればよい。なお、図３を参照して、コンデンサ素子１００は、複数のコンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄにより構成されていてもよい。各コンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄは、たとえば負極側導体４と接地電極１１との間に互いに並列に接続されている。この場合、正極側静電容量１０１の静電容量値に対する、コンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの静電容量値の合計値の比が０．９以上１．１以下であるように設けられていればよい。

コンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄは、誘電体を介して２種の電極を交互に多層積層した多層型のコンデンサ素子であり、例えば積層型セラミックコンデンサや多層プリント基板などを用いることができる。また、コンデンサ素子１００は誘電体を２層の電極ではさんだものを旋回して巻き込んだ旋回型のコンデンサ素子でもよく、例えばフィルムコンデンサなどを用いることができる。上記誘電体にはセラミックのような高誘電率の誘電体を用いてもよく、樹脂のような低誘電率の誘電体を用いてもよい。

上述したシャーシ導体２上に形成されている各部材（中間側導体５、半導体素子６、半導体素子７、正極側ベース電極８、中間側ベース電極９、第１絶縁体１０、接地電極１１）と正極側導体３および負極側導体４の一部は封止体１２で覆われており、これにより半導体モジュール１が構成されている。封止体１２を構成する材料は、たとえばエポキシ樹脂である。

次に、実施の形態１に係る半導体モジュール１および電力変換装置５１の作用効果について説明する。実施の形態１に係る半導体モジュール１では、負極側導体４と接地電極１１との間をコンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを介して接続している。さらに正極側静電容量１０１の静電容量値に対してコンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの静電容量値の合計値の比が０．９以上１．１以下に設けられている。これにより、接地されているシャーシ導体２と半導体素子６の正極との間に生じる静電容量（正極側静電容量１０１）と、該シャーシ導体２と半導体素子７の負極との間に生じる静電容量とを容易に平衡化させることができる。その結果、静電容量をノイズ除去用の静電容量成分として用いることができ、放射ノイズを十分に低減することができる。このとき、たとえば正極側ベース電極８の面積を低減することなく、上記のように半導体素子６および半導体素子７と接地されているシャーシ導体２間の静電容量を半導体モジュール１の正極側と負極側との間で平衡化させることができるため、半導体素子６に対する高い放熱性を維持することができる。

さらに、半導体素子７の負極側と接続されてかつ絶縁体を介してシャーシ導体２と接続される電極を新たに設けることにより、正極側静電容量１０１の静電容量値に対する静電容量値の比が０．９以上１．１以下の静電容量を形成する従来の電力変換装置用半導体モジュールと比べて、半導体モジュール１を小型化することができる。

また、このような作用効果はコンデンサ素子１００の並列数に関わらず得ることができるが、本実施の形態のようにコンデンサ素子１００を並列接続することで、負極側導体４と接地電極１１の間を低インダクタンスで接続することができ、より効果的に電力変換装置の大型化を抑制し、かつ高い放熱性を有しながら、放射ノイズを十分に低減することができる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置５１において、第１絶縁体１０を構成する材料と、コンデンサ素子１００の誘電体材料とは、誘電率の温度変化率が同等程度のものであるのが好ましい。たとえば、第１絶縁体１０を構成する材料を低誘電率系のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とした場合には、アルミナの誘電率の温度変化は約１００ｐｐｍ／℃程度と小さいため、コンデンサ素子１００の誘電体材料を誘電率の温度変化が小さい低誘電率系の酸化チタンやジルコン酸カルシウムとすることができる。また、より好ましくは、第１絶縁体１０を構成する材料とコンデンサ素子の誘電体材料とは、同じ材料である。たとえば、第１絶縁体１０を構成する材料とコンデンサ素子の誘電体材料を高誘電率系のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）としてもよい。ここで、チタン酸バリウムの誘電率の温度変化は添加物や粒径などで変化する。そのためこれらを適宜選択することにより、１００℃で常温時よりも２０％誘電率が低下するような第１絶縁体１０を構成することができる。また、上述のように、第１絶縁体１０を構成する材料をアルミナとした場合にはコンデンサ素子１００の誘電体材料もアルミナとしてもよい。

誘電体の誘電率は一般的に温度によって変化するため、第１絶縁体１０を構成する材料とコンデンサ素子１００の誘電体材料とで誘電率の温度変化率が異なる場合には、電力変換装置５１の動作温度に依って正極側静電容量１０１とコンデンサ素子１００の静電容量との差異が大きくなり（正極側静電容量１０１の静電容量値に対する、コンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの静電容量値の合計値の比が０．９未満、または１．１超えとなり）、放射ノイズの低減効果が損なわれる。これに対し、第１絶縁体１０を構成する材料と、コンデンサ素子１００の誘電体材料とを、誘電率の温度変化率が同等程度のものとすることにより、電力変換装置５１の動作温度によらず放射ノイズ低減効果を得ることができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る半導体モジュールおよび電力変換装置５１について説明する。図６を参照して、実施の形態２に係る半導体モジュールおよび電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置５１と同様の構成を備えるが、半導体モジュール１において接地電極１１がシャーシ導体２とコンデンサ素子１００との間、およびシャーシ導体２と第１絶縁体１０との間に形成されている点で異なる。

接地電極１１を構成する材料は、導電性を有する任意の材料とすればよいが、たとえば銅である。このようにすれば、シャーシ導体２と半導体モジュール１との間の熱伝導性を向上させることができる。接地電極１１を形成する方法は、任意の方法とすればよく、たとえば活性金属ろう付けプロセスにより接地電極１１を第１絶縁体１０と接合することで、接地電極１１を形成すればよい。

一般に、半導体モジュール１とシャーシ導体２との間に熱伝導性の向上を目的として熱伝導グリス等を塗布する場合があるが、熱伝導グリス等の塗布量（厚み）に応じて正極側静電容量１０１（図４参照）が変化してしまうという問題がある。そのため、熱伝導グリス等の塗布量の制御が十分でない場合には、正極側静電容量１０１とコンデンサ素子１００の静電容量との差異が大きくなり、放射ノイズ低減効果が損なわれることがある。

実施の形態２に係る半導体モジュール１および電力変換装置５１では、第１絶縁体１０が形成される領域およびコンデンサ素子１００が配置される領域に接地電極１１が形成されているため、第１絶縁体１０と接地電極１１との間に熱伝導グリスが存在しないため、熱伝導グリスの塗布量の変動に起因する上記静電容量の変動を防止することができる。なお、接地電極１１とシャーシ導体２との間にはしばしば熱伝導グリスが塗布されるが、通常接地電極１１とシャーシ導体２とは電気的に接続されており、ここでの熱伝導グリスの塗布量の変動は放射ノイズ低減効果を損なわない。

その結果、上述のように熱伝導性グリス等に起因して正極側静電容量１０１とコンデンサ素子１００の静電容量の差異が大きくなる（正極側静電容量１０１の静電容量値に対する、コンデンサ素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの静電容量の合計値の比が０．９未満、または１．１超えとなる）ことを防止することができる。つまり実施の形態２に係る半導体モジュール１および電力変換装置５１は、接地電極１１により高い放熱性を有することができるとともに、正極側静電容量１０１と、シャーシ導体２と半導体素子７の負極との間に形成される静電容量とをより確実に平衡化させることができる。

シャーシ導体２とコンデンサ素子１００との間に形成されている接地電極１１と、シャーシ導体２と第１絶縁体１０との間に形成されている接地電極１１とは、一体として形成されていてもよいし、別体として形成されていてもよい。好ましくは、シャーシ導体２とコンデンサ素子１００との間に形成されている接地電極１１と、シャーシ導体２と第１絶縁体１０との間に形成されている接地電極１１とは、同一の材料で同時に形成されている。このようにすれば、接地電極１１の影響を排除することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る半導体モジュールおよび電力変換装置について説明する。図７を参照して、実施の形態３に係る半導体モジュール１および電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置５１と同様の構成を備えるが、半導体モジュール１の外部において、コンデンサ素子１１０と、その両極に接続されている負極側導体接続部材１１１と、シャーシ導体側接続部材１１２とを備える点で異なる。

コンデンサ素子１１０は、半導体モジュール１の内部に形成されている正極側静電容量１０１の静電容量値に対するコンデンサ素子１１０の静電容量値の比が０．９以上１．１以下となるように設けられている。

負極側導体接続部材１１１は、半導体モジュール１の外部に延びている負極側導体４と接続されている。負極側導体接続部材１１１は導電性を有する任意の材料とすればよいが、たとえば銅であり、負極側導体４と一体として設けられていてもよい。負極側導体接続部材１１１は、コンデンサ素子１１０の一方の電極と接続されている。

シャーシ導体側接続部材１１２は、半導体モジュール１の外部において表出しているシャーシ導体２上に形成されている。シャーシ導体側接続部材１１２を構成する材料は、導電性を有する任意の材料とすればよいが、たとえば銅である。シャーシ導体側接続部材１１２は、シャーシ導体２と任意の方法で接続されていればよいが、たとえばねじ止めされている。シャーシ導体側接続部材１１２は、コンデンサ素子１１０の他方の電極と接続されている。

負極側導体接続部材１１１とシャーシ導体側接続部材１１２の形状および寸法は、いずれもコンデンサ素子１１０の形状および寸法に応じて適宜選択することができる。コンデンサ素子１１０、負極側導体接続部材１１１およびシャーシ導体側接続部材１１２の寸法は、いずれも小さい方が好ましい。

このようにしても、半導体モジュール１の負極側においてシャーシ導体２と半導体素子７の負極（負極側導体４）との間に、正極側静電容量１０１の静電容量値に対する比が０．９以上１．１以下の静電容量値を有するコンデンサ素子１１０を形成することができる。また、このような電力変換装置も、正極側ベース電極８と同等の面積を有する負極側電極を形成する従来の電力変換装置と比べて小型化することができる。その結果、実施の形態３に係る半導体モジュール１および電力変換装置は、実施の形態１に係る半導体モジュール１および電力変換装置５１と同様の効果を奏することができる。

また、実施の形態３に係る電力変換装置において、半導体モジュール１は、ディスクリート半導体モジュールとして構成されていてもよい。図８を参照して、半導体モジュール１は、たとえばシャーシ導体２上に形成された上アームの半導体素子としての第１のディスクリート半導体部品１２６および下アームの半導体素子としての第２のディスクリート半導体部品１２７が上述のようなセミブリッジ回路を構成するように形成されていてもよい。第１のディスクリート半導体部品１２６および第２のディスクリート半導体部品１２７は、たとえば上述した実施の形態１に係る半導体モジュール１と同様に、その内部においてシャーシ導体２上に形成されている絶縁体と、該絶縁体上に形成されている正極側電極と、該正極電極と接続されている正極側端子１２３Ａ，１２３Ｂと、該正極側電極上に正極が接合されている半導体素子と、該半導体素子の負極と接合されている負極側端子１２４Ａ，１２４Ｂと、これらを覆う封止体により構成されている。このとき、正極側静電容量１０１は、第１のディスクリート半導体部品１２６内において絶縁体を介してシャーシ導体２と正極側電極との間に形成される。

この場合、第１のディスクリート半導体部品１２６は外部に伸びる正極側端子１２３Ａ、負極側端子１２４Ａ、およびゲート端子１２５Ａを有し、第２のディスクリート半導体部品１２７は外部に伸びる正極側端子１２３Ｂ、負極側端子１２４Ｂ、およびゲート端子１２５Ｂを有している。

第１のディスクリート半導体部品１２６の負極側端子１２４Ａは、シャーシ導体２上に形成されている中間側端子１２８に接続されている。第２のディスクリート半導体部品１２７の正極側端子１２３Ｂは、シャーシ導体２上に形成されている中間側端子１２８に接続されている。つまり、第１のディスクリート半導体部品１２６および第２のディスクリート半導体部品１２７は中間側端子１２８を介して直列に接続されている。

中間側端子１２８は、たとえば高い電気伝導率を有する材料からなる配線パターンであってもよい。この場合、中間側端子１２８は、たとえばプリント基板の絶縁層によりシャーシ導体２と電気的に絶縁されている。

このとき、コンデンサ素子１２１およびシャーシ導体側接続部材１２２は、第２のディスクリート半導体部品１２７の負極側端子１２４Ｂと、シャーシ導体２との間に形成されていればよい。具体的には、コンデンサ素子１２１の一方の電極は負極側端子１２４Ｂと接続されており、他方の電極はシャーシ導体側接続部材１２２と接続されている。シャーシ導体側接続部材１１２はシャーシ導体２と接続されている。

コンデンサ素子１２１の静電容量値は、第１のディスクリート半導体部品１２６内において形成されている正極側静電容量１０１の静電容量値に対する比が０．９以上１．１以下となるように設けられていればよい。このようにしても、実施の形態３に係る電力変換装置と同様の効果を奏することができる。

実施の形態３に係る電力変換装置において、シャーシ導体側接続部材１１２，１２２は、導電性を有する材料で形成されている部材として構成されているが、たとえばコンデンサ素子１１１，１２１の実装パターンを備えたプリント基板として構成されていてもよい。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４に係る半導体モジュールおよび電力変換装置について説明する。図９および図１０を参照して、実施の形態４に係る半導体モジュールおよび電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置と同様の構成を備えるが、コンデンサ素子１００に替えて負極側ベース電極１３０と第２絶縁体１３１とを備える点で異なる。

具体的には、シャーシ導体２上において、第１絶縁体１０が形成されていない領域であって負極側導体４と対向する領域に、第２絶縁体１３１が形成されている。第２絶縁体１３１上には負極側ベース電極１３０が形成されている。負極側導体４は負極側ベース電極１３０と接続されている。これにより、シャーシ導体２と負極側導体４とは、第２絶縁体１３１の誘電率、面積、厚み等で規定される静電容量値を有する静電容量を介して接続されていることとなる。

第２絶縁体１３１を含む静電容量の静電容量値は、正極側静電容量１０１の静電容量値に対する比が０．９以上１．１以下となるように設けられている。言い換えると、第１絶縁体１０と正極側ベース電極８とが重なる領域の面積（Ｓ１）に対する、第２絶縁体１３１と負極側ベース電極１３０とが重なる領域の面積（Ｓ２）の第１の比（Ｓ２／Ｓ１）と、第１絶縁体１０の厚み（ｄ１）を第１絶縁体１０の誘電率（ε１）で割った値（ｄ１／ε１）に対する、第２絶縁体１３１の厚み（ｄ２）を第２絶縁体１３１の誘電率（ε２）で割った値（ｄ２／ε２）の第２の比（（ε１・ｄ２）／（ε２・ｄ１））とを考えたときに、第１の比に対する第２の比の比率（（（ε１・Ｓ１）／ｄ１）／（（ε２・Ｓ２）／ｄ２））が０．９以上１．１以下である。

第２絶縁体１３１を構成する材料は、任意の誘電体とすることができるが、第１絶縁体１０を構成する材料よりも誘電率が高い方が好ましい。これにより、上記比率を維持したまま、第２絶縁体１３１の面積（Ｓ２）を小さくすることができる。たとえば、第２絶縁体１３１を構成する材料の誘電率（ε２）を第１絶縁体１０を構成する材料の誘電率（ε１）の２倍としたときには、負極側ベース電極１３０の面積（Ｓ２）を正極側ベース電極８の面積（Ｓ１）の半分とすることができる。

これにより、絶縁体を介してシャーシ導体２と接続され、かつ正極側ベース電極８と同等の面積を有する電極が設けられている従来の半導体モジュールと比べて、半導体モジュール１を小型化することができる。

第１絶縁体１０および第２絶縁体１３１を構成する材料は、電力変換装置５１の動作温度域において、シャーシ導体２と正極側ベース電極８との間の正極側静電容量１０１の静電容量値とシャーシ導体２と負極側ベース電極１３０との間の負極側静電容量の静電容量値との差異が±１０％以内となるように選択されているのが好ましい。これにより、電力変換装置５１の動作温度が変動する場合であっても、電力変換装置５１は放射ノイズ低減効果を発揮し続けることができる。

また、図１１を参照して、実施の形態４に係る半導体モジュール１において、シャーシ導体２と第１絶縁体１０および第２絶縁体１３１との間には接地電極１１が形成されていてもよい。この場合、第１絶縁体１０は、上述した実施の形態２に係る半導体モジュール１と同様に接地電極１１を介してシャーシ導体２上に接続されている。さらに、第２絶縁体１３１は、上述した実施の形態２に係る半導体モジュール１におけるコンデンサ素子１００と同様に、接地電極１１を介してシャーシ導体２上に接続されている。この結果、実施の形態２に係る半導体モジュール１および電力変換装置５１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る半導体モジュールおよび電力変換装置について説明する。図１２〜図１４を参照して、実施の形態５に係る半導体モジュールおよび電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置と同様の構成を備えるが、中間側導体５が半導体素子６のソース電極および半導体素子７のドレイン電極と直接接合してこれらを直列に接続している点で異なる。

つまり、実施の形態５に係る半導体モジュール１における半導体素子７は、実施の形態１に係る半導体モジュール１における半導体素子７表裏を反転させた構成を採っている。この場合、半導体素子７のソース電極は、第１絶縁体１０上に形成されている負極側ベース電極２０９に接続されている。負極側導体４は、負極側ベース電極２０９に接続されている。

このようにすれば、従来の電力変換装置の半導体モジュールにおいて上アームの半導体素子および下アームの半導体素子が配置されている領域以外の領域に新たに負極側ベース電極を設けることなく、下アームの半導体素子７の負極とシャーシ導体２との間に静電容量を形成することができる。

ここで、第１絶縁体１０は、正極側ベース電極８および負極側ベース電極２０９がシャーシ導体２と対向する領域において同一の材料でかつ同等の膜厚で形成されている。この場合、シャーシ導体２と正極側ベース電極８との間に形成される正極側静電容量２０１の静電容量値は正極側ベース電極８における第１絶縁体１０と接触している領域の面積に依存し、シャーシ導体２と負極側ベース電極２０９との間に形成される負極側静電容量２０２の静電容量値は負極側ベース電極２０９における第１絶縁体１０と接触している領域の面積に依存する。そのため、正極側ベース電極８および負極側ベース電極２０９の面積比を制御することにより、容易に正極側静電容量２０１の静電容量値に対する負極側静電容量２０２の静電容量値の比を０．９以上１．１以下とすることができる。

このように、実施の形態５に係る半導体モジュールおよび電力変換装置は、実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置と同様に、高い放熱性を有しながら、放射ノイズを十分に低減することができるとともに、より効果的に半導体モジュールおよび電力変換装置を小型化することができる。

また、図１５を参照して、実施の形態５に係る半導体モジュール１において、シャーシ導体２と第１絶縁体１０との間には実施の形態２に係る半導体モジュール１と同様に接地電極１１が形成されていてもよい。このようにすれば、接地電極１１により高い放熱性を有することができるとともに、正極側静電容量１０１と、シャーシ導体２と半導体素子７の負極との間に形成される静電容量とをより確実に平衡化させることができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態５に係る半導体モジュールおよび電力変換装置について説明する。図１６〜図１８を参照して、実施の形態５に係る半導体モジュールおよび電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置と同様の構成を備えるが、コンデンサ素子１００に替えて多層型コンデンサ素子３００を備える点で異なる。

多層型コンデンサ素子３００は、第１の電極３０１と第２の電極３０２とが電極間絶縁膜３０３を介して交互に積層した構成を有している。多層型コンデンサ素子３００は、たとえば第１の電極３０１が負極側導体４と接続され、第２の電極３０２がシャーシ導体２に接続されることにより、シャーシ導体２と下アームの半導体素子７の負極との間に所定の静電容量を形成することができる。このとき、正極側静電容量１０１の静電容量値に対する多層型コンデンサ素子３００の第１の電極３０１と第２の電極３０２間での静電容量値の比が０．９以上１．１以下となるように、多層型コンデンサ素子３００は設けられている。

これにより、実施の形態１に係る半導体モジュールおよび電力変換装置と同様の効果を奏することができる。さらに、第１の電極３０１の面積、第２の電極３０２の面積、および電極間絶縁膜３０３の誘電率等の多層型コンデンサ素子３００における特性値を適宜選択することにより、より容易に当該効果を奏することができる。

また、多層型コンデンサ素子３００の第２の電極３０２は実施の形態１に係る接地電極１１の役割を担うため、新たに多層型コンデンサ素子３００とシャーシ導体２との接続部分に接地電極を設ける必要はないが、第１絶縁体１０とシャーシ導体２との間に接地電極１１が形成されていてもよい。このようにすれば、さらに実施の形態２と同様の効果を奏することができる。

半導体モジュール１を構成する各部材は、それぞれ任意の方法で接続されていればよいが、たとえばはんだや接着剤等を用いて接続されている。

なお、実施の形態１〜実施の形態６に係る電力変換装置は、３つのセミブリッジ回路が並列に接続されて構成されているが、これに限られるものではない。並列接続数は、任意に選択することができる。また、実施の形態１〜実施の形態６に係る電力変換装置は、インバータとして構成されているが、これに限られるものではなく、たとえばセミブリッジ回路を有するＤＣＤＣコンバータ回路や、ダイオードをブリッジ接続した整流回路として構成されていてもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

１ 半導体モジュール、２ シャーシ導体、３ 正極側導体、４ 負極側導体、５ 中間側導体、６ 第１の半導体素子、７ 第２の半導体素子、８ 正極側ベース電極、９ 中間側ベース電極、１０ 第１絶縁体、１１ 接地電極、１２ 封止体、５１ 電力変換装置、５２ 直流電源、５３ モータ、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１１０，１１１，１２１ コンデンサ素子、１０１，２０１ 正極側静電容量、１０２ 中間側静電容量、１１１ 負極側導体接続部材、１１２，１２２ シャーシ導体側接続部材、１２３Ａ，１２３Ｂ 正極側端子、１２４Ａ，１２４Ｂ 負極側端子、１２５Ａ，１２５Ｂ ゲート端子、１２６ 第１のディスクリート半導体部品、１２７ 第２のディスクリート半導体部品、１２８ 中間側端子、１３０，２０９ 負極側ベース電極、１３１ 第２絶縁体、２０２ 負極側静電容量、３００ 多層型コンデンサ素子、３０１ 第１の電極、３０２ 第２の電極、３０３ 電極間絶縁膜。

Claims (9)

1. 導電部材と、
   前記導電部材上に形成されている第１絶縁体と、
   前記第１絶縁体上に配置されている第１電極と、
   前記第１電極と間隔を空けて前記第１絶縁体上に配置されている第２電極と、
   前記第１電極上に配置され、正極および負極を有する第１の半導体素子と、
   前記第２電極上に配置され、正極および負極を有する第２の半導体素子とを備え、
   前記第１の半導体素子の正極は前記第１電極と接続されており、前記第１の半導体素子の負極は前記第２の半導体素子の正極に接続されており、
   前記導電部材と前記第１の半導体素子の正極との間に生じる静電容量値に対する、前記導電部材と前記第２の半導体素子の負極との間に生じる静電容量値の比が０．９以上１．１以下である、半導体モジュール。
2. 前記第２の半導体素子の正極は前記第２電極と接続されており、
   前記第２の半導体素子の負極は第１導体と接続されており、
   前記導電部材と前記第１導体との間がコンデンサ素子を介して接続されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記半導体モジュールの動作する動作温度範囲において、前記導電部材と前記第１の半導体素子の正極との間に生じる静電容量に対する、前記コンデンサ素子の静電容量の比が０．９以上１．１以下となるように、前記第１絶縁体を構成する誘電体材料と、前記コンデンサ素子を構成する誘電体材料とは選択されている、請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記導電部材上に形成されている第２絶縁体をさらに備え、
   前記第２の半導体素子の正極は前記第２電極と接続されており、
   前記第２の半導体素子の負極は第１導体と接続されており、
   前記導電部材と前記第１導体との間が第２絶縁体および第３電極を介して接続されており、
   前記第１絶縁体と前記第１電極との重なり領域の面積に対する前記第２絶縁体と前記第３電極との重なり領域の面積との第１の比と、前記第１絶縁体の厚みを前記第１絶縁体の誘電率で割った値に対する前記第２絶縁体の厚みを前記第２絶縁体の誘電率で割った値との第２の比とを考えたときに、前記第１の比に対する前記第２の比の比率が０．９以上１．１以下である、請求項１に記載の半導体モジュール。
5. 前記半導体モジュールの動作する動作温度範囲において、前記導電部材と前記第１の半導体素子の正極との間に生じる静電容量に対する、前記導電部材と前記第２の半導体素子の負極との間の静電容量の比が０．９以上１．１以下となるように、前記第１絶縁体を構成する誘電体材料と、前記第２絶縁体を構成する誘電体材料とは選択されている、請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 前記導電部材と前記第２絶縁体との間には導電体層が設けられており、
   前記導電体層は、前記導電部材上において、前記第３電極と前記導電部材とが対向する領域を覆うように形成されている、請求項４または請求項５に記載の半導体モジュール。
7. 前記第２の半導体素子の負極は前記第２電極と接続されており、
   前記導電部材と前記第１電極との重なり領域の面積に対する、前記導電部材と前記第２電極との重なり領域の面積の比が０．９以上１．０以下である、請求項１に記載の半導体モジュール。
8. 前記導電部材と前記第１絶縁体との間には導電体層が設けられており、
   前記導電体層は、前記導電部材上において、前記第１電極および前記第２電極と前記導電部材とが対向する領域を覆うように形成されている、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュールを備える電力変換装置。

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