半导体装置、逆变电路以及驱动装置的制作方法

本申请享受以日本专利申请2015－179373号(申请日：2015年9月11日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部的内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及半导体装置、逆变电路以及驱动装置。

背景技术：

在电力转换模块那样的功率半导体模块中，随着开关动作变得高速，断开时的过电压所引发的元件破坏或噪声的产生成为问题。断开时的过电压与电感和流经功率半导体模块的电流的时间变化率(di/dt)成比例。

若为了抑制过电压而加长开关时间，则开关动作变慢。同时，由电流与电压的积的时间积分表示的开关损耗变大。在抑制过电压并且减少开关损耗时，期望使功率半导体模块的电感减少。

技术实现要素：

本发明所要解决的课题在于，提供一种能够实现电感的减少的半导体装置、逆变电路以及驱动装置。

实施方式的半导体装置具备第1电极、与第1电极对置地设置的第2电极、交流电极、设于第1电极与交流电极之间的第1开关元件、以及设于第2电极与交流电极之间的第2开关元件，第1开关元件与第2开关元件以串联的方式电连接于第1电极与第2电极之间，交流电极电连接于第1开关元件与第2开关元件之间。

根据上述构成，提供了一种能够实现电感的减少的半导体装置、逆变电路以及驱动装置。

附图说明

图1A、1B、1C是第1实施方式的半导体装置的示意图。

图2是第1实施方式的电路单元的等效电路图。

图3是比较方式的半导体装置的示意俯视图。

图4A、4B是第1实施方式的半导体装置的作用的说明图。

图5A、5B、5C是第2实施方式的半导体装置的示意图。

图6A、6B、6C是第3实施方式的半导体装置的示意图。

图7A、7B、7C是第4实施方式的半导体装置的示意图。

图8是第5实施方式的半导体装置的示意图。

图9是第6实施方式的半导体装置的示意图。

图10是第6实施方式的半导体装置的作用的说明图。

图11是第7实施方式的半导体装置的示意图。

符号说明

10a～f 电路单元

11 第1电极

12 第2电极

13 交流电极

14 第1开关元件

16 第2开关元件

18 第1基板

19 基板

20 第2基板

22 电容器

24 第1散热板(第1散热器)

26 第2散热板(第2散热器)

28 磁性板(磁性体)

40 半导体模块(半导体装置)

50 半导体模块(半导体装置)

60 半导体模块(半导体装置)

70 逆变电路

80 电动机

100 半导体模块(半导体装置)

100a～c 半导体模块

200 半导体模块(半导体装置)

300 驱动装置

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式。此外，在以下的说明中，对相同或者类似的部件等标注相同的附图标记，对已说明过一次的部件等适当地省略其说明。

(第1实施方式)

本实施方式的半导体装置具备第1电极、与第1电极对置设置的第2电极、交流电极、设于第1电极与交流电极之间的第1开关元件、以及设于第2电极与交流电极之间的第2开关元件。第1开关元件与第2开关元件以串联的方式电连接于第1电极与第2电极之间，交流电极电连接于第1开关元件与第2开关元件之间。

图1A、1B、1C是本实施方式的半导体装置的示意图。图1A是从一个面观察的俯视图，图1B是从另一个面观察的俯视图，图1C是图1A以及图1B的AA’剖面图。图2是本实施方式的半导体装置的等效电路图。本实施方式的半导体装置是使用于逆变电路的半导体模块。

半导体模块10具备第1电极11、第2电极12、交流电极13、第1开关元件14、第1二极管15、第2开关元件16、第2二极管17、第1基板18、第2基板20、电容器22、第1散热板(第1散热器)24、第2散热板(第2散热器)26、磁性板(磁性体)28、热管(冷却机构)30、填充件32。另外，半导体模块10具备未图示的栅极信号端子。

第1电极11和第2电极12被设为彼此相向。第2电极12被施加比第1电极11低的电位。第1电极11被施加正的电位。第2电极12接地，或者被赋予负的电位。

第1开关元件14与第1二极管15设于第1电极11与交流电极13之间。第1开关元件14与第1二极管15安装于第1基板18。第1基板18是导电性或者绝缘性的基板。

第2开关元件16与第2二极管17设于第2电极12与交流电极13之间。第2开关元件16与第2二极管17安装于第2基板20。第2基板20是导电性或者绝缘性的基板。

在第1基板18与第2基板20之间设有第1开关元件14以及第2开关元件16。

第2开关元件16与第1开关元件14对置地设置。第1开关元件14的未与第1基板18接触的面和第2开关元件16的未与第2基板20接触的面相互对置。此外，第1开关元件14与第2开关元件16并非必须完全对置，也可以在位置上左右错开。

第1开关元件14与第2开关元件16以串联的方式电连接于第1电极11与第2电极12之间。第1开关元件14与第2开关元件16例如是SiC(碳化硅)的MOSFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor，金属半导体场效应晶体管)。

第1二极管15以并联的方式连接于第1开关元件14。第2二极管17以并联的方式连接于第2开关元件16。第1二极管15以及第2二极管17是回流二极管。

电容器22在第1电极11与第2电极12之间相对第1开关元件14与第2开关元件16以并联的方式被电连接。

交流电极13与第1电极11以及第2电极12之间的距离比第1电极11与第2电极12之间的距离大

交流电极13电连接于第1开关元件14与第2开关元件16之间。通过控制第1开关元件14以及第2开关元件16的栅极电压，从而从交流电极13输出交流电压

在半导体模块10正在动作的状态下，电流向图2中虚线箭头所示的方向流动。

在第1散热板(第1散热器)24与第2散热板(第2散热器)26之间设有第1开关元件14以及第2开关元件16。

第1散热板24与第1基板18接触地设置。第1散热板24主要具备使第1开关元件14所引发的热量向半导体模块10外排散的功能。

第2散热板26与第2基板20接触地设置。第2散热板26主要具备使第2开关元件16所引发的热量向半导体模块10外排散的功能。

磁性板(磁性体)28设于第1开关元件14与第2开关元件16之间。磁性板28例如是铁氧体板。磁性板28具备将通过从第1电极11朝向交流电极13流动的电流、以及从交流电极13朝向第2电极12流动的电流所产生的磁通的耦合增强的功能。

热管(冷却机构)30设于第1开关元件14与第2开关元件16之间。热管30主要具备使第1开关元件14以及第2开关元件16所引发的热量向半导体模块10外排散的功能。

第1基板18与第2基板20之间被填充件32密封。填充件32具备保护第1开关元件14、第2开关元件16、磁性板28、热管30的功能。填充件32例如是硅凝胶。

此外，在图1中，省略了将第1电极11、第2电极12、交流电极13、第1开关元件14、第2开关元件16各个之间电连接的电线等连接线。

接下来，对本实施方式的半导体装置的作用以及效果进行说明。

图3是比较方式的半导体装置的示意俯视图。比较方式的半导体模块90的等效电路与图2中所示的本实施方式的半导体模块10相同。

比较方式的半导体模块90在第1开关元件14与第2开关元件16排列且安装于同一基板19上这一点与本实施方式的半导体模块10不同。另外，第1电极11与第2电极12排列且安装于同一基板19这一点与本实施方式的半导体模块10不同。

图4A、4B是本实施方式的半导体装置的作用的说明图。图4A是示意性地表示比较方式的半导体模块90的电流路径的图。图4B是示意性地表示本实施方式的半导体模块10的电流路径的图。

在功率半导体模块中，由于流经模块的闭合电路内的电流所引起的交链磁通，导致互感增大。结果是，存在如下隐患：模块整体的电感增加，产生元件破坏、噪声，或损耗增大。

例如，在图4A所示的半导体模块90的情况下，由于第1开关元件14与第2开关元件16配置于同一平面上，因此从第1电极11朝向交流电极13的第1电流路径A、以及从交流电极13朝向第2电极12的第2电流路径B之间的距离变大。因此，存在电流路径A与电流路径B之间的磁通的抵消不充分，互感的抑制不充分的隐患。

另外，在半导体模块90的情况下，在第1电流路径A以及第2电流路径B之中，在流经基板19的内侧的电流和流经基板19的外侧的电流中，由于相互的距离不同，因此磁通的抵消变得不均匀。因此，存在互感的抑制在模块内变得不均匀的隐患。

如图4B所示，在本实施方式的半导体模块10中，通过将第1开关元件14与第2开关元件16对置地配置，能够使电流路径A与电流路径B之间的距离相比于比较方式的半导体模块90更小。因此，电流路径A与电流路径B之间的磁通的抵消作用变大，能够充分地抑制互感。由此，能够减少半导体模块10整体的电感，能够抑制元件破坏或噪声，减少开关损耗。

而且，在本实施方式的半导体模块10中，通过将第1开关元件14与第2开关元件16对置地配置，从而在流经第1电流路径A中的电流和流经第2电流路径B中的电流之间，电流间的距离的不均变小。因此，能够使互感的抑制在模块内均匀化。

此外，在半导体模块10中，通过将磁性板28设于第1开关元件14与第2开关元件16之间，从而电流路径A与电流路径B之间的磁通的抵消作用变得更大。因此，通过磁性板28的作用，有效地抑制了互感。

以上，根据本实施方式的半导体模块10，能够减少电感，抑制元件破坏或噪声的产生，以及抑制开关损耗。

(第2实施方式)

本实施方式的半导体装置具备安装有第1开关元件的第1基板、以及安装有第2开关元件的第2基板，在第1开关元件与第2开关元件之间设有第1基板以及第2基板这一点与第1实施方式不同。以下，关于与第1实施方式重复的内容省略叙述。

图5A、5B、5C是本实施方式的半导体装置的示意图。图5A是从一个面观察的俯视图，图5B是从另一个面观察的俯视图，图5C是图5A以及图5B的AA’剖面图。

半导体模块40具备第1电极11、第2电极12、交流电极13、第1开关元件14、第2开关元件16、第1基板18、第2基板20、电容器22、第1散热板(第1散热器)24、第2散热板(第2散热器)26、第1连接部件34、第2连接部件36。另外，半导体模块40具备未图示的栅极信号端子。

第1开关元件14安装于第1基板18。第2开关元件16安装于第2基板20。第1基板18与第2基板20彼此相贴合。在第1开关元件14与第2开关元件16之间设有第1基板18以及第2基板20。

第1开关元件14利用第1连接部件34连接于第1散热板24。另外，第2开关元件16利用第2连接部件36连接于第2散热板26。第1连接部件34以及第2连接部件36例如是热传导率较大的金属或热传导率较大的陶瓷。

以上，根据本实施方式的半导体模块40，与第1实施方式相同地，能够减少电感，抑制元件破坏或噪声的产生，以及抑制开关损耗。特别是，容易使第1开关元件14与第2开关元件16的距离比第1实施方式的半导体模块10更加靠近，易于互感的减少。

此外，也能够与半导体模块10相同地在半导体模块40设置磁性体、冷却机构。

(第3实施方式)

本实施方式的半导体装置具备在一个面安装有第1开关元件、在另一个面安装有第2开关元件的单一的基板这一点与第2实施方式不同。以下，关于与第2实施方式重复的内容省略叙述。

图6A、6B、6C是本实施方式的半导体装置的示意图。图6A是从一个面观察的俯视图，图6B是从另一个面观察的俯视图，图6C是图6A以及图6B的AA’剖面图。

半导体模块50具备第1电极11、第2电极12、交流电极13、第1开关元件14、第2开关元件16、基板19、电容器22、第1散热板(第1散热器)24、第2散热板(第2散热器)26、第1连接部件34、第2连接部件36、制冷剂流路(冷却机构)38。另外，半导体模块50具备未图示的栅极信号端子。

在基板19的一个面安装第1开关元件14。在基板19的另一个面安装第2开关元件16。在基板19的内部设有制冷剂流路(冷却机构)38。在制冷剂流路38中，能够流经水、空气等制冷剂。

以上，根据本实施方式的半导体模块50，与第1实施方式相同地，能够减少电感，抑制元件破坏或噪声的产生，以及抑制开关损耗。特别是，容易使第1开关元件14与第2开关元件16的距离比第1实施方式的半导体模块10更加靠近，易于互感的减少。

此外，也能够与半导体模块10相同地在半导体模块50设置磁性体。

(第4实施方式)

本实施方式的半导体装置的交流电极具备第1面与第2面，第1开关元件设于第1面，第2开关元件设于第2面这一点与第1实施方式不同。以下，关于与第1实施方式重复的内容省略叙述。

图7A、7B、7C是本实施方式的半导体装置的示意图。图7A是从一个面观察的俯视图，图7B是从另一个面观察的俯视图，图7C是图7A以及图7B的AA’剖面图。

半导体模块60具备第1电极11、第2电极12、交流电极13、第1开关元件14、第2开关元件16、基板19、电容器22、第1散热板(第1散热器)24、第2散热板(第2散热器)26、第1连接部件34、第2连接部件36。另外，半导体模块50具备未图示的栅极信号端子。

交流电极13具备第1面与第2面。第1开关元件14安装于交流电极13的第1面。第2开关元件16安装于交流电极13的第2面。交流电极13也作为散热板发挥功能。

以上，根据本实施方式的半导体模块60，与第1实施方式相同地，能够减少电感，抑制元件破坏或噪声的产生，以及抑制开关损耗。特别是，容易使第1开关元件14与第2开关元件16的距离比第1实施方式的半导体模块10更加靠近，易于互感的减少。

另外，由于交流电极13作为散热板发挥功能，因此半导体模块60的冷却效率提高。另外，由于交流电极13兼作基板的一部分，因此能够实现半导体模块60的小型化。

此外，也能够与半导体模块10相同地在半导体模块60设置磁性体或者冷却机构。

(第5实施方式)

本实施方式的半导体装置具备多个电路单元，各电路单元具有第1电极、与第1电极对置设置的第2电极、交流电极、设于第1电极与交流电极之间的第1开关元件、以及设于第2电极与交流电极之间的第2开关元件，第1开关元件与第2开关元件以串联的方式电连接于第1电极与第2电极之间，交流电极电连接于第1开关元件与第2开关元件之间。上述各电路单元的交流电极以横向排列的方式配置。各电路单元的第1电极被施加共同的电位，各电路单元的第2电极被施加比施加于第1电极的电位低的共同的电位。

图8是本实施方式的半导体装置的示意俯视图。本实施方式的半导体装置是使用于逆变电路的半导体模块。

半导体模块100具备多个电路单元10a～10f。多个电路单元10a～10f具备与第1实施方式的半导体模块10相同的构成。以下，关于与第1实施方式重复的内容省略叙述。

多个电路单元10a～10f相互相邻，并横向排列地配置。

接下来，对本实施方式的半导体装置的作用以及效果进行说明。

半导体模块100被分割为多个电路单元10a～10f，从而电感减少。若忽略电路单元10a～10f的互感，则通过将半导体模块100分割为N个电路单元，从而半导体模块100的电感减少为1/N。在半导体模块100中，由于电路单元为6个，因此电感减少为1/6。

因此，抑制了与电感和流经功率半导体模块的电流的时间变化率(di/dt)成比例的、断开时的过电压。

另外，如在第1实施方式中详细叙述那样，各电路单元10a～10f各自的互感减少。

根据本实施方式，实现了能够减少电感、抑制元件破坏或噪声的产生、以及抑制开关损耗的半导体模块100。

此外，这里以电路单元为6个的情况为例进行了说明，但电路单元的数量并不限定于6个。电路单元只要是2个以上即可，能够设为任意的数量。

(第6实施方式)

本实施方式的半导体装置的多个电路单元包含第1电路单元、与第1电路单元相邻的第2电路单元、与第2电路单元相邻的第3电路单元，第1电路单元的第1开关元件、第2电路单元的第2开关元件、第3电路单元的第1开关元件配置于半导体装置的一侧，第1电路单元的第2开关元件、第2电路单元的第1开关元件、第3电路单元的第2开关元件配置于半导体装置的另一侧，第1电路单元与第2电路单元的距离比第2电路单元与第3电路单元的距离小

图9是本实施方式的半导体装置的示意俯视图。本实施方式的半导体装置是使用于逆变电路的半导体模块。

半导体模块200具备第1～第6电路单元10a～10f。第1～第6电路单元10a～10f具备与第1实施方式的半导体模块10相同的构成。以下，关于与第1实施方式重复的内容省略叙述。

第1～第6电路单元10a～10f相互相邻，并横向排列地配置。第1电路单元10a与第2电路单元10b成对、第3电路单元10c与第4电路单元10d成对、第5电路单元10e与第6电路单元10f成对。

而且，第1电路单元10a的第1开关元件14、第2电路单元10b的第2开关元件16、第3电路单元10c的第1开关元件14配置于半导体模块200的表侧(一侧)。另外，第1电路单元10a的第2开关元件16、第2电路单元10b的第1开关元件14、第3电路单元10c的第2开关元件16配置于半导体模块200的背侧(另一侧)。

第1电路单元10a与第2电路单元10b的距离(图9中的d1)比第2电路单元10b与第3电路单元10c的距离(图9中的d2)小。

接下来，对本实施方式的半导体装置的作用以及效果进行说明。

图10是表示本实施方式的半导体装置的作用以及效果的图。图10中的箭头表示半导体模块200的表侧的电流路径。如图10所示，在相邻的电路单元间，电流路径的朝向相反。因此，在相邻的电路单元间，产生磁通的抵消，抑制了互感。因此，半导体模块200的电感比第5比较方式的半导体模块100更加减少。

而且，形成对的2个电路单元间的距离(图9、图10中的d1)比不形成对的2个电路单元间的距离(图9、图10中的d2)小。

因此，不形成对的2个电路单元间的磁通的干扰被抑制得较小。因此，抑制了因半导体模块200具备端部所导致的磁通抵消效果的不均匀性(边缘效果)。由此，抑制了半导体模块200内的电感的不均匀性。

根据本实施方式，与第5实施方式相同，实现了能够减少电感、抑制元件破坏或噪声的产生、以及抑制开关损耗的半导体模块200。而且，通过使电路单元的配置交替地变化，能够进一步减少半导体模块200的电感。另外，通过使电路单元间的距离交替地变化，能够使半导体模块200的电感均匀化。

(第7实施方式)

本实施方式的逆变电路以及驱动装置是具备第5实施方式的半导体装置的逆变电路以及驱动装置。

图11是本实施方式的驱动装置的示意图。驱动装置300具备电动机80和逆变电路70。

逆变电路70由与第5实施方式的半导体模块100相同构成的三个半导体模块100a、100b、100c构成。通过将三个半导体模块100a、100b、100c以并联的方式连接，实现了具备三个交流电压的输出端子U、V、W的三相的逆变电路70。通过从逆变电路70输出的交流电压，电动机80进行驱动。

在本实施方式的逆变电路70以及驱动装置300中，也通过减少半导体模块100a、100b、100c的电感，能够抑制元件破坏或噪声的产生、以及抑制开关损耗。

以上，在第1至第7实施方式中，对于第1开关元件以及第2开关元件，以MOSFET为例进行了说明，但也能够应用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)等。

另外，在第1至第7实施方式中，作为第1开关元件以及第2开关元件的半导体材料，以SiC(碳化硅)为例进行了说明，但也能够应用Si(硅)、GaN(氮化镓)等。

另外，在第5以及第6实施方式中，以电路用单元具备分别独立的电容器部的情况为例进行了说明，但也能够采用全部的电路用单元共享一个电容器部的构成。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些新的半导体装置、逆变电路以及驱动装置的实施方式可以以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，可进行各种省略、调换以及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，同样，也包括在专利请求所记载的发明和与其等同的范围内。

此外，能够将上述的实施方式汇总为以下的技术方案。

技术方案1

一种半导体装置，具备：第1电极；第2电极，与上述第1电极对置地设置；交流电极；第1开关元件，设于上述第1电极与上述交流电极之间；以及第2开关元件，设于上述第2电极与上述交流电极之间，上述第1开关元件和上述第2开关元件以串联的方式电连接于上述第1电极与上述第2电极之间，上述交流电极电连接于上述第1开关元件与上述第2开关元件之间。

技术方案2

根据技术方案1所述的半导体装置，其特征在于，还具备电连接于上述第1电极与上述第2电极之间的电容器。

技术方案3

根据技术方案1或2所述的半导体装置，其特征在于，上述交流电极与上述第1电极以及上述第2电极之间的距离比上述第1电极与上述第2电极之间的距离大。

技术方案4

根据技术方案1至3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备：第1基板，安装有上述第1开关元件；以及第2基板，安装有上述第2开关元件，在上述第1基板与上述第2基板之间设有上述第1开关元件以及上述第2开关元件。

技术方案5

根据技术方案4所述的半导体装置，其特征在于，在上述第1基板与上述第2基板之间设有上述交流电极。

技术方案6

根据技术方案4或5所述的半导体装置，其特征在于，还具备第1散热器以及第2散热器，在上述第1散热器与上述第2散热器之间设有上述第1基板以及上述第2基板。

技术方案7

根据技术方案4至6中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备设于上述第1开关元件与上述第2开关元件之间的磁性体。

技术方案8

根据技术方案4至7中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备设于上述第1开关元件与上述第2开关元件之间的冷却机构。

技术方案9

根据技术方案1所述的半导体装置，其特征在于，还具备：第1基板，安装有上述第1开关元件；以及第2基板，安装有上述第2开关元件，在上述第1开关元件与上述第2开关元件之间设有上述第1基板以及上述第2基板。

技术方案10

根据技术方案9所述的半导体装置，其特征在于，还具备第1散热器以及第2散热器，在上述第1散热器与上述第2散热器之间设有上述第1开关元件以及上述第2开关元件。

技术方案11

根据技术方案9或10所述的半导体装置，其特征在于，还具备设于上述第1开关元件与上述第2开关元件之间的磁性体。

技术方案12

根据技术方案1所述的半导体装置，其特征在于，还具备在一个面安装有上述第1开关元件、在另一个面安装有上述第2开关元件的基板。

技术方案13

根据技术方案12所述的半导体装置，其特征在于，还具备第1散热器以及第2散热器，在上述第1散热器与上述第2散热器之间设有上述第1开关元件以及上述第2开关元件。

技术方案14

根据技术方案12或13所述的半导体装置，其特征在于，还具备设于上述第1开关元件与上述第2开关元件之间的磁性体。

技术方案15

根据技术方案1所述的半导体装置，其特征在于，

上述交流电极具备第1面以及第2面，上述第1开关元件设于上述第1面，上述第2开关元件设于上述第2面。

技术方案16

一种逆变电路，其具备技术方案1至15中任一项所述的半导体装置。

技术方案17

一种驱动装置，其具备技术方案1至15中任一项所述的半导体装置。

技术方案18

一种半导体装置，其特征在于，具备多个电路单元，各电路单元具备：第1电极；第2电极，与上述第1电极对置地设置；交流电极；第1开关元件，设于上述第1电极与上述交流电极之间；以及第2开关元件，设于上述第2电极与上述交流电极之间，上述第1开关元件和上述第2开关元件以串联的方式电连接于上述第1电极与上述第2电极之间，上述交流电极电连接于上述第1开关元件与上述第2开关元件之间，上述各电路单元的上述交流电极以横向排列的方式配置，上述各电路单元的上述第1电极被施加共同的电位，上述各电路单元的上述第2电极被施加比施加于上述第1电极的电位低的共用的电位。

技术方案19

根据技术方案18所述的半导体装置，其特征在于，上述多个电路单元包含第1电路单元、与上述第1电路单元相邻的第2电路单元、与上述第2电路单元相邻的第3电路单元，上述第1电路单元的上述第1开关元件、上述第2电路单元的第2开关元件、上述第3电路单元的上述第1开关元件配置于上述半导体装置的一侧，上述第1电路单元的上述第2开关元件、上述第2电路单元的上述第1开关元件、上述第3电路单元的上述第2开关元件配置于上述半导体装置的另一侧，上述第1电路单元与上述第2电路单元的距离比上述第2电路单元与上述第3电路单元的距离小。

技术方案20

根据技术方案18或19所述的半导体装置，其特征在于，上述各电路单元还具有电连接于上述第1电极与上述第2电极之间的电容器。