特許 6500563 スイッチング素子ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6500563

(24)【登録日】2019年3月29日

(45)【発行日】2019年4月17日

(54)【発明の名称】スイッチング素子ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20190408BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20190408BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20190408BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H02M7/48 ZZHV

【請求項の数】5

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-74326(P2015-74326)

(22)【出願日】2015年3月31日

(65)【公開番号】特開2016-195179(P2016-195179A)

(43)【公開日】2016年11月17日

【審査請求日】2017年11月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000100768

【氏名又は名称】アイシン・エィ・ダブリュ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】戸谷 浩久

【審査官】 平林 雅行

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００１０４４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２１５３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４９４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０４０９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５０８２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５１１８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１７７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１５３５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４８

Ｈ０１Ｌ ２５／００−２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１０−２５／１１

Ｈ０１Ｌ ２５／１６−２５／１８

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁性を有する第１絶縁基板と、
前記第１絶縁基板の第１表面に実装され、電力変換装置の上下アームの一方を形成する第１スイッチング素子を含む第１チップと、
前記第１絶縁基板の前記第１表面とは逆側の第２表面に実装され、前記電力変換装置の上下アームの他方を形成する第２スイッチング素子を含む第２チップと、
前記第１絶縁基板に形成され、前記第２スイッチング素子のゲート電極に電気的に接続される第１導体部と、
前記第１絶縁基板の前記第１表面側に設けられ、絶縁性を有し、前記第１絶縁基板側とは逆側の表面に、前記第１スイッチング素子のゲート電極に電気的に接続される第１外部電極と前記第１導体部に電気的に接続される第２外部電極とを有する第２絶縁基板と、
前記第１絶縁基板に形成され、前記電力変換装置の出力電極に電気的に接続される第２導体部であって、前記第１絶縁基板を貫通し前記第１チップ及び前記第２チップ間を電気的に接続する第１貫通導体部を含む第２導体部と、
前記第２絶縁基板を貫通し、前記出力電極に電気的に接続される第２貫通導体部と、を含み、
前記出力電極は、前記第２絶縁基板における前記第１絶縁基板側とは逆側の表面に設けられ、
前記第２導体部は、前記第１絶縁基板の前記第１表面に形成され、前記第２貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する導体パターンを含むスイッチング素子ユニット。

【請求項2】

前記第１絶縁基板の前記第１表面と、前記第１チップにおける前記第１絶縁基板側の表面電極との間に形成され、電導性を有し、前記第１チップを前記第１絶縁基板に接合する第１接合層と、
前記第１絶縁基板の前記第２表面と、前記第２チップにおける前記第１絶縁基板側の表面電極との間に形成され、電導性を有し、前記第２チップを前記第１絶縁基板に接合する第２接合層とを更に含む、請求項１に記載のスイッチング素子ユニット。

【請求項3】

前記第１貫通導体部は、複数個、離散して形成される、請求項１又は２に記載のスイッチング素子ユニット。

【請求項4】

前記第１絶縁基板の面直方向に対して垂直方向で前記第１絶縁基板に隣接するコンデンサと、
前記コンデンサの第１電極と、前記第１チップにおける前記第１絶縁基板側とは逆側の表面電極とに電気的に接続される第１バスバと、
前記コンデンサの第２電極と、前記第２チップにおける前記第１絶縁基板側とは逆側の表面電極とに電気的に接続される第２バスバとを更に含む、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のスイッチング素子ユニット。

【請求項5】

前記電力変換装置は、車両用走行モータを駆動するためのインバータであり、
前記出力電極は、前記車両用走行モータに電気的に接続される、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のスイッチング素子ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スイッチング素子ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

パワー半導体チップ、並びにこのパワー半導体チップを両側から挟み込むようにして設けられたＰブスバ及びＮブスバを含む半導体チップ構造と、コンデンサとを備える半導体電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体電力変換装置では、コンデンサは、Ｐブスバ及びＮブスバで挟み込むようにして支持され、半導体チップ構造とコンデンサとが並列に近接して配置される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−２１５３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の特許文献１に記載の構造では、２つのパワー半導体チップがＡＣブスバの上下に配置されるため、インダクタンスの低減が可能となるが、パワー半導体チップのゲート電極への電気的な接続が困難である。具体的には、上記の特許文献１に記載の構造では、ゲート信号線の形成（例えば、ゲート電極に銅線をワイヤボンディングで接合して形成）は、ＡＣブスバなどの上下のブスバの存在により非常に困難である。

【0005】

そこで、本開示は、インダクタンスの低減を図りつつ、ゲート信号線の形成が容易なスイッチング素子ユニットの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一局面によれば、絶縁性を有する第１絶縁基板と、
前記第１絶縁基板の第１表面に実装され、電力変換装置の上下アームの一方を形成する第１スイッチング素子を含む第１チップと、
前記第１絶縁基板の前記第１表面とは逆側の第２表面に実装され、前記電力変換装置の上下アームの他方を形成する第２スイッチング素子を含む第２チップと、
前記第１絶縁基板に形成され、前記第２スイッチング素子のゲート電極に電気的に接続される第１導体部と、
前記第１絶縁基板の前記第１表面側に設けられ、絶縁性を有し、前記第１絶縁基板側とは逆側の表面に、前記第１スイッチング素子のゲート電極に電気的に接続される第１外部電極と前記第１導体部に電気的に接続される第２外部電極とを有する第２絶縁基板と、
前記第１絶縁基板に形成され、前記電力変換装置の出力電極に電気的に接続される第２導体部であって、前記第１絶縁基板を貫通し前記第１チップ及び前記第２チップ間を電気的に接続する第１貫通導体部を含む第２導体部と、
前記第２絶縁基板を貫通し、前記出力電極に電気的に接続される第２貫通導体部と、を含み、
前記出力電極は、前記第２絶縁基板における前記第１絶縁基板側とは逆側の表面に設けられ、
前記第２導体部は、前記第１絶縁基板の前記第１表面に形成され、前記第２貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する導体パターンを含むスイッチング素子ユニットが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、インダクタンスの低減を図りつつ、ゲート信号線の形成が容易なスイッチング素子ユニットが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】スイッチング素子ユニットの一例を示す断面図である。

【図2】図１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。

【図3】図１のラインＢ−Ｂに沿った断面図である。

【図4】図１のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。

【図5】図１のラインＤ−Ｄに沿った断面図である。

【図6】図１のラインＥ−Ｅに沿った断面図である。

【図7】図１のラインＦ−Ｆに沿った断面図である。

【図8】図１のラインＧ−Ｇに沿った断面図である。

【図9】図１のラインＨ−Ｈに沿った断面図である。

【図10】図１のラインＩ−Ｉに沿った断面図である。

【図11】図１のスイッチング素子ユニットの平面図である。

【図12】図１１のラインＸ−Ｘに沿った断面図である。

【図13】図１１のラインＹ−Ｙに沿った断面図である。

【図14】図１１のラインＺ−Ｚに沿った断面図である。

【図15】電動車両用モータ駆動システム１００の全体構成の一例を示す図である。

【図16】変形例によるスイッチング素子ユニットの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

【0010】

図１は、スイッチング素子ユニットの一例を概略的に示す側面図である。図１では、図２乃至図１０の各断面の位置が分かるように、内部が透視で示されている。図２は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。図３は、図１のラインＢ−Ｂに沿った断面図である。図４は、図１のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。図５は、図１のラインＤ−Ｄに沿った断面図である。図６は、図１のラインＥ−Ｅに沿った断面図である。図７は、図１のラインＦ−Ｆに沿った断面図である。図８は、図１のラインＧ−Ｇに沿った断面図である。図９は、図１のラインＨ−Ｈに沿った断面図である。図１０は、図１のラインＩ−Ｉに沿った断面図である。図１１は、図１のスイッチング素子ユニットの概略的な平面図である。図１１では、図１２乃至図１４の各断面の位置が分かるように、内部が透視で示されている。図１２は、図１１のラインＸ−Ｘに沿った断面図である。図１３は、図１１のラインＹ−Ｙに沿った断面図である。図１４は、図１１のラインＺ−Ｚに沿った断面図である。尚、第１チップ２１等は、断面図において概略的な断面で示されている。

【0011】

以下では、図１に示すように上側及び下側、左側及び右側を定義する。なお、上側及び下側は、必ずしも実装時の鉛直方向の上側及び下側に対応することを意味しない。左側及び右側についても同様であり、実装時のスイッチング素子ユニット１の向きは任意である。また、以下で、「下面」とは、下側に向いている面を指し、必ずしも平面である必要はない。「上面」についても同様である。

【0012】

スイッチング素子ユニット１は、ハイブリッド車又は電気自動車で使用される走行用モータ１０４（図１５参照）を駆動するインバータ１０３（電力変換装置の一例、図１５参照）を形成する。インバータ１０３は、３相の上下アームを含み、各上下アームは、スイッチング素子と、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）とを２組含む。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。尚、ＩＧＢＴは、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）やＳｉＣ（炭化珪素）等により形成されてよい。以下では、一例として、スイッチング素子ユニット１が任意の１つの上下アームを含む構造について説明する。

【0013】

スイッチング素子ユニット１は、第１絶縁基板１０と、第１チップ２１と、第２チップ２２と、第１導体部３１と、第２導体部３２とを含む。

【0014】

第１絶縁基板１０は、絶縁性を有する基板である。図示の例では、第１絶縁基板１０は、一例として、絶縁性及び耐熱性を有するセラミック基板により形成される。

【0015】

第１チップ２１は、第１絶縁基板１０の上面に実装される。第１チップ２１は、上アームを形成するＩＧＢＴを含む。第１チップ２１は、ＦＷＤを内蔵する逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ）のチップであってもよい。以下では、一例として、第１チップ２１は、逆導通ＩＧＢＴのチップであるものとする。第１チップ２１のＩＧＢＴは、第１面に第１表面電極を備え、第２面に第２表面電極を備える。第１表面電極は、コレクタ電極及びカソード電極に対応し、以下、単に「コレクタ電極」と称する。第２表面電極は、エミッタ電極及びアノード電極に対応し、以下、単に「エミッタ電極」と称する。また、第１チップ２１は、第１面の端部にゲート電極２１１（図１１参照）を備える。第１チップ２１は、第２面が第１絶縁基板１０の上面に向く向きで、第１絶縁基板１０の上面に実装される。

【0016】

第１チップ２１は、好ましくは、図１２に示すように、第１絶縁基板１０の上面に、電導性を有する第１接合層５１を介して接合される。第１接合層５１は、例えば半田や銀ペースト等により形成される。銀ペーストとしては、例えば、粒径がナノ単位のナノ粒子を含む銀ナノペーストが用いられてよい。第１チップ２１を第１接合層５１を介して第１絶縁基板１０に接合することで、第１チップ２１が第１絶縁基板１０の上面にバネで電気的に接続される構成に比べて、高い電気伝導性及び高い熱伝導性を効率的に実現し易い構成となる（例えば、高い電気伝導性及び高い熱伝導性を実現するために複数のバネを配置する必要が無い）。

【0017】

第２チップ２２は、第１絶縁基板１０の下面に実装される。第２チップ２２は、下アームを形成するＩＧＢＴを含む。第２チップ２２は、チップ構造自体は第１チップ２１と同一であってよい。以下では、一例として、第２チップ２２は、逆導通ＩＧＢＴのチップであるものとする。第２チップ２２のＩＧＢＴは、第１面に第１表面電極を備え、第２面に第２表面電極を備える。同様に、第１表面電極は、コレクタ電極及びカソード電極に対応し、以下、単に「コレクタ電極」と称する。第２表面電極は、エミッタ電極及びアノード電極に対応し、以下、単に「エミッタ電極」と称する。また、第２チップ２２は、第１面の端部にゲート電極２２１（図１１参照）を備える。第２チップ２２は、第１面が第１絶縁基板１０の下面に向く向きで、第１絶縁基板１０の下面に実装される。

【0018】

第２チップ２２は、好ましくは、図１２に示すように、第１絶縁基板１０の下面に、電導性を有する第２接合層５２を介して接合される。第２接合層５２は、例えば半田や銀ペースト等により形成される。これにより、第２チップ２２が第１絶縁基板１０の下面にバネで電気的に接続される構成に比べて、高い電気伝導性及び高い熱伝導性を効率的に実現し易い構成となる。

【0019】

第１導体部３１は、第１絶縁基板１０に形成される。第１導体部３１は、第２チップ２２のＩＧＢＴのゲート電極２２１に電気的に接続される。図示の例では、第１導体部３１は、図５、図６、図７及び図１２等に示すように、導体パターン３１０と、第１絶縁基板１０の上面から上下方向に延在するビア３１２とを含む。導体パターン３１０は、図１２に示すように、第１絶縁基板１０の内層、及び、第１絶縁基板１０の下面（接合層５２ａ分の厚み＋導体パターン３１０の厚み相当分、凹状に上側にオフセットされた下面）に形成される。ビア３１２は、平面視で第１チップ２１の接合範囲（第１接合層５１）に対してオフセットして（図示の例では左側に）形成される。即ち、ビア３１２は、平面視でゲート電極２２１に対してオフセットして形成される。図示の例では、導体パターン３１０は、図１２に示すように、一端が接合層５２ａを介して第２チップ２２のＩＧＢＴのゲート電極２２１に電気的に接続され、他端がビア３１２に電気的に接続される。尚、図示の例では、導体パターン３１０及びビア３１２は、２組形成されているが、組数は任意である。

【0020】

第２導体部３２は、第１絶縁基板１０に形成される。第２導体部３２は、図６に示すように、ビア（第１貫通導体部の一例）３２４を含む。ビア３２４は、第１チップ２１のＩＧＢＴのエミッタ電極及び第２チップ２２のＩＧＢＴのコレクタ電極の間を電気的に接続する。第２導体部３２は、インバータ１０３の出力電極８０に電気的に接続される。尚、インバータ１０３の出力電極８０には、走行用モータ１０４（図１５参照）が電気的に接続される。

【0021】

図示の例では、第２導体部３２は、図５、図７及び図１３に示すように、ビア３２４に加えて、導体パターンを含む。当該導体パターンは、第１パターン部３２１と、第２パターン部３２２と、第３パターン部３２３とを含む。第１パターン部３２１は、図５に示すように、第１チップ２１の接合範囲（第１接合層５１）に対応した形成範囲で、第１絶縁基板１０の上面に形成される。第２パターン部３２２は、図７及び図１３に示すように、第２チップ２２の接合範囲（第２接合層５２）に対応した形成範囲で、第１絶縁基板１０の下面（第２接合層５２の厚み＋第２パターン部３２２の厚み相当分、凹状に上側にオフセットされた下面）に形成される。第２パターン部３２２は、第１パターン部３２１に対して上下方向で対向する（上面視で重なり合う関係となる）。第３パターン部３２３は、図５に示すように、第１パターン部３２１から形成され、第１チップ２１の接合範囲外へ左側に延在する。ビア３２４は、第１絶縁基板１０を上下方向に貫通する。ビア３２４は、図６に示すように、第１パターン部３２１の形成範囲（＝第２パターン部３２２の形成範囲）内に複数個形成される。尚、図示の例では、複数個のビア３２４は、上面視で格子状に配列されるが、他の配列パターンで（例えば千鳥状に）配列されてもよい。

【0022】

本実施例によれば、第１チップ２１及び第２チップ２２とが第１絶縁基板１０の上下に配置されるため、第１チップ２１及び第２チップ２２間をビア３２４を介して電気的に接続することが可能となり、第１チップ２１及び第２チップ２２が左右方向に並んで配置される場合に比べて、第１チップ２１及び第２チップ２２間のインダクタンスの低減が可能となる。また、第２チップ２２のＩＧＢＴのゲート電極２２１に電気的に接続される第１導体部３１が第１絶縁基板１０に形成されるので、ゲート電極２２１からのゲート信号線の形成が容易である。即ち、第１絶縁基板１０にビアや配線パターンを形成することで第１導体部３１（ゲート信号線の要素）を形成できるので、第２チップ２２のゲート電極２２１に銅線をワイヤボンディングで接合してゲート信号線を形成する場合に比べて、同ゲート信号線の形成が容易となる。また、第２導体部３２が第１絶縁基板１０に形成されるので、第１チップ２１及び第２チップ２２をインバータ１０３の出力電極８０に電気的に接続するための配線の形成が容易となる。

【0023】

次に、再度、図１乃至図１４を参照して、図示の例によるスイッチング素子ユニット１の更なる好ましい特徴について説明する。

【0024】

図示の例では、スイッチング素子ユニット１は、図１２等に示すように、更に、第２絶縁基板１２と、第３絶縁基板１３と、上部カバー基板１４、下部カバー基板１５と、コンデンサ（平滑コンデンサ）４０と、正極側バスバ（第１バスバの一例）６０と、負極側バスバ（第２バスバの一例）６２と、を含む。

【0025】

第２絶縁基板１２は、絶縁性を有する基板である。図示の例では、第２絶縁基板１２は、一例として、セラミック基板により形成される。第２絶縁基板１２は、第１絶縁基板１０の上側に配置される。図示の例では、第２絶縁基板１２の下面は、第１接合層５１等を介して第１絶縁基板１０の上面に接合される。

【0026】

第２絶縁基板１２は、第１チップ２１を収容する空洞を有する。第２絶縁基板１２は、図３に示すように、正極側バスバ６０を形成する導体層（導体パターン）を有する。また、第２絶縁基板１２は、図４等に示すように、コンデンサ４０が搭載される空間が第１チップ２１の右側に形成される。

【0027】

第２絶縁基板１２は、図２及び図１１に示すように、上面に、出力電極８０と、第１ゲート外部電極９１と、第２ゲート外部電極９２とが形成される。出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２は、それぞれ、導体パターンとして形成されてよい。出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２は、平面視で、第１チップ２１よりも左側の領域に形成される。図示の例では、出力電極８０は、奥行き方向（上下方向及び左右方向に垂直な方向）で第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２間に形成される。

【0028】

第２絶縁基板１２は、図３、図４及び図１２に示すように、第２絶縁基板１２を貫通するビア３１４が形成される。ビア３１４は、平面視で第１絶縁基板１０のビア３１２に対応する位置に形成される。ビア３１４は、図１２に示すように、下端が接合層５１ａを介してビア３１２に電気的に接続され、上端が第２ゲート外部電極９２に電気的に接続される。このようにして、第２チップ２２のゲート電極２２１は、接合層５２ａ、導体パターン３１０、ビア３１２、接合層５１ａ、及び、ビア３１４を介して、第２絶縁基板１２の上面の第２ゲート外部電極９２に電気的に接続される。第２ゲート外部電極９２は、第２絶縁基板１２の上面に形成されるので、外部（制御装置）との電気的な接続が容易である。

【0029】

第２絶縁基板１２は、図３、図４及び図１３に示すように、第２絶縁基板１２を貫通するビア（第２貫通導体部の一例）８０２が形成される。ビア８０２は、平面視で第１絶縁基板１０の第３パターン部３２３に対応する位置に形成される。ビア８０２は、図１３に示すように、下端が接合層５１ｂを介して第３パターン部３２３に電気的に接続され、上端が出力電極８０に電気的に接続される。このようにして、第１チップ２１のＩＧＢＴのエミッタ電極（及び第２チップ２２のＩＧＢＴのコレクタ電極）は、第２導体部３２（第３パターン部３２３等）、接合層５１ｂ、及び、ビア８０２を介して、第２絶縁基板１２の上面の出力電極８０に電気的に接続される。出力電極８０は、第２絶縁基板１２の上面に形成されるので、外部（走行用モータ１０４）との電気的な接続が容易である。

【0030】

第２絶縁基板１２は、図３及び図１４に示すように、ビア３１８が形成される。ビア３１８は、平面視で第１チップ２１のゲート電極２１１に対応する位置に形成される。ビア３１８は、図１４に示すように、下端が接合層５４ａを介してゲート電極２１１に電気的に接続され、上端が第１ゲート外部電極９１に電気的に接続される。このようにして、第１チップ２１のゲート電極２１１は、接合層５４ａ及びビア３１８を介して、第２絶縁基板１２の上面の第１ゲート外部電極９１に電気的に接続される。第１ゲート外部電極９１は、第２絶縁基板１２の上面に形成されるので、外部（制御装置）との電気的な接続が容易である。

【0031】

第３絶縁基板１３は、絶縁性を有する基板である。図示の例では、第３絶縁基板１３は、一例として、セラミック基板により形成される。第３絶縁基板１３は、第１絶縁基板１０の下側に配置される。図示の例では、第３絶縁基板１３の上面は、第２接合層５２等を介して第１絶縁基板１０の下面に接合される。

【0032】

第３絶縁基板１３は、第２チップ２２を収容する空洞を有する。第３絶縁基板１３は、図９に示すように、負極側バスバ６２を形成する導体層（導体パターン）を有する。また、第３絶縁基板１３は、図８等に示すように、コンデンサ４０が搭載される空間が第２チップ２２の右側に形成される。

【0033】

上部カバー基板１４は、絶縁性を有する基板である。図示の例では、上部カバー基板１４は、一例として、セラミック基板により形成される。上部カバー基板１４は、第２絶縁基板１２の上側に配置される。上部カバー基板１４には、図１２に示すように、導体パターン１４ａが形成される。上部カバー基板１４は、導体パターン１４ａが接合層５６を介して正極側バスバ６０に接合されることで、第２絶縁基板１２に接合される。上部カバー基板１４の上側には、冷却装置（例えば冷却水が循環される冷却装置）が熱的に接続されてもよい。

【0034】

下部カバー基板１５は、絶縁性を有する基板である。図示の例では、下部カバー基板１５は、一例として、セラミック基板により形成される。下部カバー基板１５は、第３絶縁基板１３の下側に配置される。下部カバー基板１５には、図１２に示すように、導体パターン１５ａが形成される。下部カバー基板１５は、導体パターン１５ａが接合層５７（図１０参照）を介して負極側バスバ６２に接合されることで、第３絶縁基板１３に接合される。下部カバー基板１５の下側には、冷却装置（例えば冷却水が循環される冷却装置）が熱的に接続されてもよい。

【0035】

コンデンサ４０は、インバータ１０３の正極側（正極側バスバ６０）と負極側（負極側バスバ６２）との間に電気的に接続される。コンデンサ４０は、例えばセラミックコンデンサである。図示の例では、コンデンサ４０は、図１２等に示すように、誘電体部４１と、正極側電極（第１電極の一例）４２と、負極側電極（第２電極の一例）４４とを含む。正極側電極４２及び負極側電極４４は、誘電体部４１を上下から挟む。正極側電極４２は、図１２等に示すように、上部接合層５４を介して正極側バスバ６０に電気的に接続される。負極側電極４４は、図１２等に示すように、下部接合層５５を介して負極側バスバ６２に電気的に接続される。

【0036】

コンデンサ４０は、図１２等に示すように、第１チップ２１及び第２チップ２２に対して右側に隣接して配置される。例えば、コンデンサ４０は、図１２等に示すように、第１チップ２１及び第２チップ２２に対して、左右方向で必要な絶縁距離だけ離間して配置される。これにより、コンデンサ４０と第１チップ２１及び第２チップ２２との間のインダクタンスを低減できる。

【0037】

正極側バスバ６０は、図１２等に示すように、第１チップ２１のコレクタ電極（表面電極）及びコンデンサ４０の正極側電極４２の上面に、上部接合層５４を介して接合される。即ち、正極側バスバ６０及び上部接合層５４は、第１チップ２１のコレクタ電極及びコンデンサ４０の正極側電極４２に対して共通に設けられる。これにより、コンデンサ４０及び第１チップ２１間のインダクタンスを効率的に低減できる。

【0038】

負極側バスバ６２は、図１２等に示すように、第２チップ２２のエミッタ電極（表面電極）及びコンデンサ４０の負極側電極４４の下面に、下部接合層５５を介して接合される。即ち、負極側バスバ６２及び下部接合層５５は、第２チップ２２のエミッタ電極及びコンデンサ４０の負極側電極４４に対して共通に設けられる。コンデンサ４０及び第２チップ２２間のインダクタンスを効率的に低減できる。

【0039】

以上のような図示の例によるスイッチング素子ユニット１の更なる好ましい特徴によれば、とりわけ、以下のような効果が奏される。

【0040】

図示の例によるスイッチング素子ユニット１によれば、第１チップ２１及び第２チップ２２は、第１絶縁基板１０に第１接合層５１及び第２接合層５２を介してそれぞれ接合される。これにより、例えば第２絶縁基板１２や第３絶縁基板１３の上下方向の寸法公差を、第１接合層５１及び第２接合層５２により吸収でき、搭載性が向上する。また、上述の如く、第１接合層５１及び第２接合層５２を用いることで第１チップ２１及び第２チップ２２が第１絶縁基板１０にバネで電気的に接続される構成に比べて、高い電気伝導性及び高い熱伝導性を効率的に実現し易い構成となる。

【0041】

図示の例によるスイッチング素子ユニット１によれば、第１チップ２１及び第２チップ２２は、第１接合層５１、第１絶縁基板１０のビア３２４及び第２接合層５２を介して電気的に接続される。これにより、第１絶縁基板１０のビア３２４の代わりに単一の金属板を用いる場合に比べて、第１チップ２１及び第２チップ２２と第１絶縁基板１０との間の熱膨張係数の差に起因した第１接合層５１及び第２接合層５２における熱応力を低減できる。特に、図示の例のように、ビア３２４が複数個離散して設けられる場合には、単一の比較的サイズの大きいビアを設ける場合に比べて、熱応力を低減できる。具体的には、第１絶縁基板１０のビア３２４は、導体であるので、第１チップ２１及び第２チップ２２よりも有意に熱膨張係数が高い。しかしながら、各ビア３２４のそれぞれのサイズ自体は大きくないため、個々の膨張量自体も比較的小さい。このため、それぞれのビア３２４と第１チップ２１及び第２チップ２２との間の熱膨張係数の差に起因した第１接合層５１及び第２接合層５２における熱応力を低減できる。

【0042】

図示の例によるスイッチング素子ユニット１によれば、コンデンサ４０は、第１絶縁基板１０に対して左右方向で（図示の例では右側に）隣接する。これにより、コンデンサ４０の正極側電極４２と第１チップ２１との間のインダクタンスは、主に正極側バスバ６０のインダクタンスのみになるので、同インダクタンスを低減できる。同様に、コンデンサ４０の負極側電極４４と第２チップ２２との間のインダクタンスは、主に負極側バスバ６２のインダクタンスのみになるので、同インダクタンスを低減できる。

【0043】

図示の例によるスイッチング素子ユニット１によれば、第３絶縁基板１３の上面の一端側（図示の例では左側の端部）に出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２が集約される。これにより、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２と外部との間の電気的な接続が容易となる。例えば、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２と外部（制御装置）との電気的な接続は、可撓性のある基板により形成される制御基板を、第３絶縁基板１３の上面の一端に配置することで容易に実現できる。

【0044】

次に、図１５を参照して、スイッチング素子ユニット１が適用されるのに好適な電動車両用モータ駆動システムの一例を説明する。

【0045】

図１５は、電動車両用モータ駆動システム１００の全体構成の一例を示す図である。

【0046】

モータ駆動システム１００は、図１５に示すように、バッテリ１０１、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２、インバータ１０３、及び、走行用モータ１０４を備える。

【0047】

スイッチング素子ユニット１は、インバータ１０３の３つの上下アームの任意の１つを形成できる。また、スイッチング素子ユニット１のコンデンサ４０は、モータ駆動システム１００の平滑コンデンサＣを形成する。例えば、スイッチング素子ユニット１は、インバータ１０３のＵ相に係る上下アームを形成できる。この場合、第１チップ２１は、スイッチング素子Ｑ１及びダイオードＤ１を含み、第２チップ２２は、スイッチング素子Ｑ２及びダイオードＤ２を含む。このとき、出力電極８０は、中点Ｍ１に対応する。

【0048】

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

【0049】

例えば、図示の例では、
また、図示の例では、ビア３２４は、複数個形成されているが、１つだけであってもよい。この場合、ビア３２４は、扱う電流の大きさに応じた容積（又は断面積）を有するように形成されてよい。この場合、例えば、ビア３２４の形成範囲（断面）を、第１チップ２１の接合範囲（＝第２チップ２２の接合範囲）よりも小さくすることで、第１チップ２１の接合範囲の全体をカバーする場合に比べて、第１接合層５１及び第２接合層５２における熱応力の低減が依然として可能である。また、この場合、ビア３２４は、第１絶縁基板１０を貫通する態様で挿入される導体材料（例えば金属片）により置換されてもよい。

【0050】

また、図示の例では、スイッチング素子はＩＧＢＴであったが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)のような他のスイッチング素子であってもよい。

【0051】

また、図示の例では、スイッチング素子ユニット１は、インバータ１０３の一の上下アームを含むが、他の電力変換装置（例えば、図１５に示すＤＣ−ＤＣコンバータ１０２）の上下アームを含む構成であってもよい。例えば、スイッチング素子ユニット１がＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の上下アームに適用される場合、出力電極８０は、図１５の中点Ｍ４に対応し、バッテリ１０１がインダクタンスＬを介して電気的に接続される。

【0052】

また、図示の例では、スイッチング素子ユニット１は、インバータ１０３の３つの上下アームの任意の１つを形成するが、スイッチング素子ユニット１は、上述の如く、インバータ１０３の３つの上下アームの全てを含むこともできる。この場合、例えば、スイッチング素子ユニット１は、図１乃至図１４に示した構造を奥行き方向に３つ並設した構造を有してよい。この場合、コンデンサ４０については１つだけ設けられてもよい。また、この場合、正極側バスバ６０及び負極側バスバ６２は、各上下アームに共通であってよい。

【0053】

また、図示の例では、ゲート電極２１１及びゲート電極２２１は、それぞれ２組図示されているが、それぞれ１組だけでもよいし、より多数の組を有してもよい。また、ゲート電極２１１及びゲート電極２２１に並列して、センスエミッタ（過電流検出用）や温度センサに係る信号端子が設けられてもよい。この場合、信号端子も、ゲート電極２１１及びゲート電極２２１と同様の態様で、外部に取り出すことができる。

【0054】

また、図示の例では、スイッチング素子ユニット１は、第１絶縁基板１０、第２絶縁基板１２及び第３絶縁基板１３を含むが、第２絶縁基板１２の一部又は全部、及び／又は、第３絶縁基板１３の一部又は全部は、省略されてもよい。例えば第２絶縁基板１２及び第３絶縁基板１３が省略される場合、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２は、第１絶縁基板１０の上面又は下面の一端側（例えば図示の左側の端部）に形成することができる。これにより、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２と外部との間の電気的な接続が依然として容易となる。尚、この場合、第１ゲート外部電極９１とゲート電極２１１との間の電気的な接続は、ワイヤボンディング等により実現できる。また、この場合、第２絶縁基板１２及び第３絶縁基板１３の省略により形成される空間には、樹脂がモールドされて樹脂モールド部が形成されてもよい。

【0055】

また、図示の例では、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２は、第２絶縁基板１２の上面に設けられるが、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２のうちの一部又は全部は、他の場所に設けられてもよい。例えば、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２は、第３絶縁基板１３の下面に設けられてもよい。また、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２は、第２絶縁基板１２の上面に設けられ、出力電極８０は、第３絶縁基板１３の下面に設けられてもよい。また、出力電極８０、第１ゲート外部電極９１及び第２ゲート外部電極９２のうちの一部又は全部は、第２絶縁基板１２の上面等における奥行き方向の端部に設けられてもよい。

【0056】

また、図示の例では、第２導体部３２は、ビア３２４に加えて、第１パターン部３２１と、第２パターン部３２２と、第３パターン部３２３とを含むが、これに限られない。ビア３２４が第１接合層５１を介して第３パターン部３２３に適切な態様で電気的に接続される場合、第１パターン部３２１及び第２パターン部３２２は、省略されてもよい。

【0057】

また、図示の例では、第３パターン部３２３は、第１パターン部３２１と連続する態様で第１絶縁基板１０の上面に形成されているが、これに限られない。例えば、第３パターン部３２３は、第２パターン部３２２に連続する態様で第１絶縁基板１０の下面に形成されてもよい。この場合、第１絶縁基板１０にビアを形成し、当該ビア及びビア８０２を介して第３パターン部３２３を出力電極８０に電気的に接続することとしてよい。

【0058】

また、図示の例では、第２絶縁基板１２及び第３絶縁基板１３は、それぞれ、一体化された多層の基板（セラミック材料の層を積層して形成される基板）であるが、第２絶縁基板１２及び／又は第３絶縁基板１３は、複数の基板の組み合わせにより形成されてもよい。例えば、第３絶縁基板１３は、負極側バスバ６２を上面に有する第１基板と、第２チップ２２を内部に含む第２基板とを下部接合層５５を介して上下に接合することで形成されてもよい。また、第２絶縁基板１２及び／又は第３絶縁基板１３は、別々の基板を左右方向に接合することで形成されてもよい。例えば、第２絶縁基板１２は、左右方向でコンデンサ４０（例えば、コンデンサ４０の左端）と第１チップ２１との間に境界を有する態様で、別々の基板を左右方向に接合することで形成されてもよい。

【0059】

また、図示の例では、第２絶縁基板１２における第１チップ２１を収容する空洞の深さは、第１チップ２１及び第１接合層５１を収容できるように設定されているが、これに限られない。例えば、図１６には、変形例によるスイッチング素子ユニット１Ｂの断面図が示されている。図１６は、図１１のラインＸ−Ｘに沿った断面に対応するスイッチング素子ユニット１Ｂの断面を表す。図１６に示す変形例によるスイッチング素子ユニット１Ｂでは、第１接合層５１は、第１絶縁基板１０Ｂ側に同様の空洞（第１接合層５１になる接合剤のための空洞）を形成することで、第１絶縁基板１０Ｂ側に形成される。即ち、第１絶縁基板１０Ｂ及び第２絶縁基板１２Ｂの上下方向の境界が上側に移動されてもよい。或いは、第１接合層５１は、第１絶縁基板１０及び第２絶縁基板１２の双方に形成されてもよい。このように、第１絶縁基板１０Ｂ及び第２絶縁基板１２Ｂの上下方向の境界（第１絶縁基板１０及び第３絶縁基板１３の上下方向の境界についても同様）は、適宜、上下に変更されてよいし、積層方向で凹凸（図示される凹凸以外の凹凸）を更に有してよい。

【0060】

なお、以上の実施例に関し、さらに以下を開示する。尚、以下で記載する効果は、必ずしも常に奏するものでない場合もある。また、従属形式の特徴に関する効果は、その特徴に係る効果であり、追加の効果である。
（１）
絶縁性を有する第１絶縁基板（１０）と、
第１絶縁基板（１０）の第１表面に実装され、電力変換装置の上アームを形成する第１スイッチング素子を含む第１チップ（２１）と、
第１絶縁基板（１０）の第１表面とは逆側の第２表面に実装され、電力変換装置の下アームを形成する第２スイッチング素子を含む第２チップ（２２）と、
第１絶縁基板（１０）に形成され、第２スイッチング素子のゲート電極（２２１）に電気的に接続される第１導体部（３１）と、
第１絶縁基板（１０）に形成され、電力変換装置の出力電極（８０）に電気的に接続される第２導体部（３２）であって、第１絶縁基板（１０）を貫通し第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）間を電気的に接続する第１貫通導体部（３２４）を含む第２導体部（３２）とを含む、スイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0061】

（１）に記載の構成によれば、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）とが第１絶縁基板（１０）の両側の表面に配置されるため、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）が第１絶縁基板（１０）の一方側の同一の表面上に並んで配置される場合に比べて、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）間のインダクタンスの低減が可能となる。即ち、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）間を、第１貫通導体部（３２４）によって実質的に第１絶縁基板（１０）の厚み分の距離で電気的に接続でき、インダクタンスの低減を図ることができる。また、第１導体部（３１）が第１絶縁基板（１０）に形成されるので、第２スイッチング素子のゲート電極（２２１）からのゲート信号線を銅線を用いて形成する場合に比べて、同ゲート信号線の形成が容易となる。このように、（１）に記載の構成によれば、インダクタンスの低減を図りつつ、ゲート信号線の形成が容易となる。また、第２導体部（３２）が第１絶縁基板（１０）に形成されるので、電力変換装置の出力電極（８０）への配線の形成が容易となる。
（２）
第１絶縁基板（１０）の第１表面と、第１チップ（２１）における第１絶縁基板（１０）に対向する側の表面電極との間に形成され、電導性を有し、第１チップ（２１）を第１絶縁基板（１０）に接合する第１接合層（５１）と、
第１絶縁基板（１０）の第２表面と、第２チップ（２２）における第１絶縁基板（１０）に対向する側の表面電極との間に形成され、電導性を有し、第２チップ（２２）を第１絶縁基板（１０）に接合する第２接合層（５２）とを更に含む、（１）に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0062】

（２）に記載の構成によれば、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）が第１絶縁基板（１０）に対してそれぞれ第１接合層（５１）及び第２接合層（５２）を介して接合されるので、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）並びに第１絶縁基板（１０）の全体としての積層方向の寸法公差を第１接合層（５１）及び第２接合層（５２）によって吸収可能となる。また、第１接合層（５１）及び第２接合層（５２）を用いることで、バネを用いる場合に比べて、接合面積を効率的に大きくでき、高い電気伝導性及び高い熱伝導性を効率的に実現できる。
（３）
第１貫通導体部（３２４）は、複数個、離散して形成される、（１）又は（２）に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0063】

（３）に記載の構成によれば、第１貫通導体部（３２４）を複数個形成することで、車両走行用モータの駆動時に扱うような比較的大きい電流を扱うことを可能としつつ、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）と第１貫通導体部（３２４）の材料との間の熱膨張係数の差に起因して第１接合層（５１）及び第２接合層（５２）に発生する熱応力を効率的に低減できる。
（４）
第１絶縁基板（１０）の面直方向に対して垂直方向で第１絶縁基板（１０）に隣接するコンデンサ（４０）と、
コンデンサ（４０）の第１電極（４２）と、第１チップ（２１）における第１絶縁基板（１０）に対向する側とは逆側の表面電極とに電気的に接続される第１バスバ（６０）と、
コンデンサ（４０）の第２電極（４４）と、第２チップ（２２）における第１絶縁基板（１０）に対向する側とは逆側の表面電極とに電気的に接続される第２バスバ（６２）とを更に含む、（１）〜（３）のうちのいずれか１項に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0064】

（４）に記載の構成によれば、コンデンサ（４０）と第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）とに対して第１バスバ（６０）及び第２バスバ（６２）を共通化して短い距離で形成でき、コンデンサ（４０）と第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）との間のインダクタンスを効率的に低減できる。
（５）
第１絶縁基板（１０）の第１表面側に設けられ、絶縁性を有し、第１絶縁基板（１０）側とは逆側の表面に、第１導体部（３１）及び第１スイッチング素子のゲート電極（２１１）に電気的に接続されるゲート外部電極（９１．９２）を有する第２絶縁基板（１２）を更に含む、（１）〜（４）のうちのいずれか１項に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0065】

（５）に記載の構成によれば、第１チップ（２１）のゲート電極及び第２チップ（２２）のゲート電極からの各ゲート信号線を、第２絶縁基板（１２）の表面のゲート外部電極（９１．９２）を介して外部へ容易に取り出すことができる。即ち、ゲート外部電極（９１．９２）が第２絶縁基板（１２）の表面（第１絶縁基板（１０）側とは逆側の表面）に設けられるので、ゲート外部電極（９１．９２）と外部（例えば制御基板）との電気的な接続が容易となる。
（６）
出力電極（８０）は、第２絶縁基板（１２）における第１絶縁基板（１０）側とは逆側の表面に設けられ、
第２絶縁基板（１２）を貫通し、出力電極（８０）に電気的に接続される第２貫通導体部（８０２）を更に含み、
第２導体部（３２）は、第１絶縁基板（１０）の第１表面に形成され、第２貫通導体部（１２）と第１貫通導体部（１０）とを電気的に接続する導体パターン（３２３）を含む、請求項５に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0066】

（６）に記載の構成によれば、出力電極（８０）が第２絶縁基板（１２）の表面（第１絶縁基板（１０）側とは逆側の表面）に設けられるので、出力電極（８０）と外部（例えば走行用モータ）との電気的な接続が容易となる。また、第１チップ（２１）及び第２チップ（２２）から出力電極（８０）までの配線を第１絶縁基板（１０）及び第２絶縁基板（１２）に形成できるので、同配線の形成が容易となる。
（７）
電力変換装置は、車両用走行モータ（１０４）を駆動するためのインバータ（１０３）であり、
出力電極（８０）は、車両用走行モータ（１０４）に電気的に接続される、（１）〜（６）のうちのいずれか１項に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）。

【0067】

（１）〜（６）のうちのいずれか１項に記載のスイッチング素子ユニット（１、１Ｂ）によれば、上記のようにインダクタンスの低減を図ることができるので、高速のスイッチング動作に伴ってサージ電圧が比較的高くなりやすい車両用走行モータ（１０４）の駆動用のインバータ（１０３）に使用される場合でも、サージ電圧を抑えること可能である。

【符号の説明】

【0068】

１ スイッチング素子ユニット
１０ 第１絶縁基板
１２ 第２絶縁基板
１３ 第３絶縁基板
１４ 上部カバー基板
１５ 下部カバー基板
２１ 第１チップ
２２ 第２チップ
３１ 第１導体部
３２ 第２導体部
４０ コンデンサ
４１ 誘電体部
４２ 正極側電極
４４ 負極側電極
５１ 第１接合層
５２ 第２接合層
６０ 正極側バスバ
６２ 負極側バスバ
８０ 出力電極
９１ 第１ゲート外部電極
９２ 第２ゲート外部電極
２１１ ゲート電極
２２１ ゲート電極
３１２ ビア
３２１ 第１パターン部
３２２ 第２パターン部
３２３ 第３パターン部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】