JP2018133448A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流容量の半導体装置を低コストで提供する。【解決手段】半導体装置は、第１面を有する第１金属板と、前記第１面に向き合う第２面を有する第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された２以上の半導体モジュールと、を備える。前記２以上の半導体モジュールのそれぞれは、前記第１金属板に電気的に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に電気的に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された少なくとも１つの半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間において、前記半導体素子を封じる樹脂部材と、を含む。前記少なくとも１つの半導体素子は、前記第１金属部材に電気的に接続された第１電極と、前記第２金属部材に電気的に接続された第２電極と、を有する。【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置に関する。

数キロボルト（kV）の耐圧を備えたメガワット級電力変換器などに用いられる半導体装置は、大電流容量が要求される。このような用途には、複数の半導体素子を並列実装した構造が適する。しかし、並列実装された全ての半導体素子を均一に動作させるには、半導体装置の加工精度を高くする必要があり、その製造コストを上昇させる。

特開平８−３３０３３８号公報 特開２００６−１３０８０号公報

実施形態は、大電流容量の半導体装置を低コストで提供する。

実施形態に係る半導体装置は、第１面を有する第１金属板と、前記第１面に向き合う第２面を有する第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された２以上の半導体モジュールと、を備える。前記２以上の半導体モジュールのそれぞれは、前記第１金属板に電気的に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に電気的に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された少なくとも１つの半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間において、前記半導体素子を封じる樹脂部材と、を含む。前記少なくとも１つの半導体素子は、前記第１金属部材に電気的に接続された第１電極と、前記第２金属部材に電気的に接続された第２電極と、を有する。

第１実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体モジュールを示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の別の断面を示す模式図である。 第１実施形態に係る半導体装置の特性を表すグラフである。 第１実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態の第２変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態の第３変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態の第４変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態の第５変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第１実施形態の第６変形例に係る半導体モジュールを模式的に示す斜視図である。 第１実施形態の第７変形例に係る半導体モジュールを模式的に示す斜視図である。 第１実施形態の第８変形例に係る半導体モジュールを示す模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体モジュールを示す模式図である。 第２実施形態に係る半導体モジュールの一部を示す模式図である。 第２実施形態に係る半導体モジュールを示す模式図である。 第２実施形態に係る別の半導体モジュールを示す模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。 第２実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第２実施形態の第２変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。 第３実施形態に係る別の半導体装置を示す模式平面図である。 第３実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式平面図である。 第４実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。 第４実施形態に係る半導体装置の一部を示す模式図である。 第４実施形態に係る半導体装置の信号線を模式的に示す斜視図である。 第４実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す図である。 第４実施形態の第２変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る半導体装置１００を示す模式断面図である。半導体装置１００は、例えば、大電流型半導体装置であり、複数の半導体モジュール１を備える。図２は、半導体モジュール１を示す模式断面図である。図３は、図１中に示すＡ−Ａ線に沿った模式断面図である。

図１に示すように、半導体装置１００は、金属板１０と、金属板２０と、２以上の半導体モジュール１と、を備える。金属板１０は、主面１０ａと、その反対側の主面１０ｂとを有する。金属板２０は、金属板１０の主面１０ａに向き合う主面２０ａと、その反対側の主面２０ｂと、を有する。半導体モジュール１は、金属板１０と、金属板２０との間に配置される。金属板１０および２０は、それぞれ接合部材４０を介して半導体モジュール１に電気的に接続される。接合部材４０は、例えば、金属ハンダもしくは銀ペースト等の導電性接着剤である。

さらに、金属板１０および２０の側面にケース３０が付設され、金属板１０と金属板２０との間の空間が密閉される。金属板１０と金属板２０との間において、半導体モジュール１間の空間には、例えば、ＳＦ_６等の絶縁ガスもしくはゲル状の絶縁部材が充填される。

図２に示すように、半導体モジュール１は、金属部材１１と、金属部材１３と、半導体素子１５と、封止樹脂１９と、を含む。半導体素子１５は、金属部材１１と金属部材１３との間に配置される。金属部材１１および１３は、例えば、電極プレートであり、銅などの電気伝導性と熱伝導性に優れた材料を用いる。例えば、金属部材１１および１３は同じ材料で構成される。また、金属部材１１と金属部材１３の形状の違いによる熱歪みの差を低減するために、線膨張係数の異なる材料を用いることも可能である。

半導体素子１５は、封止樹脂１９を用いて金属部材１１および１３の間に封止される。例えば、真空状態の樹脂成型用金型内に封止樹脂１９を注入し、固化させる。これにより、金属部材１１、１３および半導体素子１５の近傍に気泡を残さずに封止することができる。封止樹脂１９は、例えば、メラミン系樹脂等の熱硬化性樹脂である。

半導体素子１５は、電力用半導体チップであり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の制御電極を有するスイッチング素子である。また、半導体素子１５は、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のダイオードであっても良い。半導体装置１００に備えられる半導体モジュール１の全てが同じ種類の半導体素子１５を含む必要はなく、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子とＦＲＤ等のダイオードとを混在させた構成でも良い。

半導体素子１５は、コレクタ電極（もしくは、ドレイン電極、またはアノード電極）と、エミッタ電極（もしくは、ソース電極、または、カソード電極）を有する。金属部材１１は、例えば、半導体素子１５のコレクタ電極側に接合部材１７を介して電気的に接続される。金属部材１３は、例えば、半導体素子１５のエミッタ電極側に接合部材１７を介して電気的に接続される。接合部材１７は、例えば、金属ハンダもしくは銀ペースト等の導電性接着剤である。

金属部材１３は、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、を含む。第２部分１３ｂは、第１部分１３ａと半導体素子１５との間に配置される。半導体素子１５は、接合部材１７を介して第２部分１３ｂに接続される。

接合部材１７には、接合部材４０よりも融点が高い材料を用いることが好ましい。接合部材１７には、例えば、錫と銀を原料とする融点２２０℃程度のハンダを使用し、接合部材４０には、例えば、錫と銀と銅を原料とする融点２００℃程度のハンダを使用する。

例えば、半導体モジュール１を金属板１０および金属板２０にハンダ付けする際に、半導体モジュール１の内部において接合部材１７が再溶融すると、封止樹脂１９にクラックが発生し、接合部材１７の流出などによる故障が懸念される。本実施形態によれば、半導体モジュール１をハンダ付けするために接合部材４０を加熱する際に、接合部材１７の温度を融点以下に抑えることができる。これにより、接合部材１７の再溶融を防ぎつつ、接合部材４０を溶融させてハンダ付けすることが可能であり、半導体モジュール１の信頼性を向上させることができる。

図３に示すように、金属部材１３の第２部分１３ｂにおけるＸ−Ｙ平面に平行な断面の面積は、第１部分１３ａのＸ−Ｙ平面に平行な断面の面積よりも狭い。金属部材１３は、例えば、１つの第１部分１３ａと、２つの第２部分１３ｂと、を有する。そして、２つの第２部分１３ｂのそれぞれに半導体素子１５が接続される。金属部材１３は、この例に限定される訳ではなく、１つの第２部分１３ｂ、もしくは、３以上の第２部分１３ｂを含んでも良い。

図４は、半導体装置１００にパルス電流を流した場合の特性を表すグラフである。縦軸は、半導体素子１５の温度（℃）であり、横軸は、金属部材１１および１３の厚さ（ｍｍ）である。

図４に示すように、金属部材１１および１３の厚さが厚くなるにつれて半導体素子１５の温度は低下する。そして、金属部材１１および１３の厚さが３ｍｍ以上になると、半導体素子１５の温度は一定となる。すなわち、金属部材１１および１３の厚さが３ｍｍ以上であれば、金属部材１１および１３はヒートシンクとして機能し、半導体素子１５の熱を吸収する。一方、金属部材１１および１３の厚さが３ｍｍ以下になると、半導体素子１５の発熱量に対して、金属部材１１および１３の熱容量が小さいため、半導体素子１５の温度が上昇する。したがって、金属部材１１および１３の厚さは、３ｍｍ以上であることが望ましい。ここで、金属部材１３の厚さは、第１部分１３ａの厚さと第２部分１３ｂの厚さの和である。

次に、本実施形態の作用と効果について説明する。例えば、大電流型半導体装置は、複数の半導体素子１５を電極プレート上に並設し、一括して圧接することにより製造することができる。しかしながら、各半導体素子１５を均等に圧接することは困難である。一方、半導体素子１５の両面をハンダ付けすることにより接合の信頼性を上げることが可能であるが、多数の半導体素子を一括でハンダ付けする場合、金属部材の加工精度や、昇温時の温度ばらつきを原因とする接合不良が生じる恐れがある。また、１つでも半導体素子に接合不良があれば、半導体装置の不良となり、歩留まりを悪化させる。

これに対し、本実施形態の半導体装置１００は、金属部材１１および１３の間に１つまたは複数の小単位でハンダ付けした半導体素子１５を含む半導体モジュール１を用いる。そして、金属板１０および２０の間に複数の半導体モジュール１を平面実装することにより製造される。これにより、半導体モジュール１毎に電気試験を行い、良品のみを用いて半導体装置１００を構成することが可能となり、その歩留まりを向上することができる。また、半導体装置１００の大電流容量化は、半導体モジュール１の数を増やすことにより容易に実現できる。

さらに、図４に示すように、金属部材１１および１３の厚さを４ｍｍ以上とすることにより、半導体素子１５の温度上昇を抑制することができる。このため、故障時の大電流による部材の溶融や気化を低減することが可能であり、例えば、ケース３０の破裂を防ぐことができる。これにより、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

図５は、第１実施形態の第１変形例に係る半導体装置１１０を示す模式断面図である。この例では、金属板１０および２０に接するヒートシンク２１が設けられる。例えば、半導体モジュール１は、金属板１０の主面１０ａの上に設けられる。そして、ヒートシンク２１は、主面１０ａとは反対側の主面１０ｂに接するように配置される。また、半導体モジュール１は、金属板２０の主面２０ａ側に設けられ、別のヒートシンク２１は、主面２０ａとは反対側の主面２０ｂに接するように配置される。また、金属板１０および２０のそれぞれに、複数のヒートシンク２１が配置される。

ヒートシンク２１は、例えば、ハンダ付け、ろう付け、もしくは、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）などを用いて金属板１０および２０に接合される。ヒートシンク２１は、電気的および熱的に接続される。ヒートシンク２１には、例えば、銅やアルミなどの熱伝導性と電気伝導性が良い材料を用いる。

複数の半導体モジュール１を実装した半導体装置１００では、金属板１０および２０は大型化される。このため、例えば、一体のヒートシンクを金属板１０および２０のそれぞれに接合するためには、金属板１０および２０の接合面、および、ヒートシンクの接合面の平坦化に高精度の加工が必要となり、製造コストが上昇する。これに対し、複数のヒートシンク２１を用いることにより、それぞれの接合面の平坦化が容易となり、生産性を向上させ、製造コストを低減することができる。また、一体のヒートシンクに比べてヒートシンク２１の熱容量を小さくすることができる。これにより、ヒートシンク２１と、金属板１０および２０と、をハンダで接合する場合に、昇温時の温度ばらつきを抑制し、ヒートシンク２１の接合不良を低減することができる。

図６は、第１実施形態の第２変形例に係る半導体装置１２０を示す模式断面図である。この例では、金属板１０および２０に接するヒートシンク２３が設けられる。ヒートシンクが水平に複数分割されている点で、上述した実施形態と相違する。なお、分割のサイズ、形状はそれぞれのヒートシンクで異なっていても構わない。

ヒートシンク２３は、金属板１０の主面１０ｂの上に積層される。また、別のヒートシンク２３は、金属板２０の主面２０ｂの上に積層される。これにより、ヒートシンク２３の厚さを薄くし、その熱容量を小さくすることができる。

ヒートシンク２３は、例えば、ハンダ付けを用いて順に接合される。このとき、ヒートシンク２３の熱容量が小さければ、その昇温および降温に要する時間を短縮できる。また、ヒートシンク２３を昇温させるヒーター等を小型化することも可能である。すなわち、ヒートシンク２３の接合に要する時間を短縮し、その実施を容易にすることができる。さらに、ヒートシンク２３をハンダ接合する場合に、昇温時の温度ばらつきを抑制することができる。これにより、ヒートシンク２３の接合不良を低減することができ、加工性や生産性を向上させることができる。

図７および図８は、第１実施形態の第３変形例に係る半導体装置１３０および第４変形例に係る半導体装置１４０を示す模式断面図である。図７に示すように、金属板１０および２０に複数の放熱フィン２５を取り付け、金属板１０および２０とヒートシンクが一体化される。放熱フィン２５は、例えば、摩擦撹拌接合などを用いて金属板１０および２０に接合することができる。また、図８に示すように、金属板１０および２０のいずれか一方に放熱フィン２５を設けても良い。

このように、金属板１０および２０に放熱フィンを直接取り付けることにより、ヒートシンクと金属板１０および２０との接合や熱伝導グリースの塗布工程を省略できる。これにより、ヒートシンク部材の削減による低コスト化が可能となる。また、熱伝導グリースを塗布を省略することによりコンパウンド抜けの防止や熱抵抗の低減も可能となる。

図９は、第１実施形態の第５変形例に係る半導体装置１５０を示す模式断面図である。この例では、金属板１０および２０に代えて金属板２１０および２２０が用いられる。言い換えれば、金属板１０および２０が複数に分割されている。これにより、金属板２１０および２２０は、金属板１０および２０と比べて小型化される。

例えば、１組の金属板２１０および２２０の間に少なくとも１つの半導体モジュール１が配置される。そして、金属板２１０および２２０は、それぞれＸ方向およびＹ方向において接続される。この例では、金属板２１０および２２０を小型化することにより、その主面の平坦度などの精度を向上させることができる。これにより、半導体装置１５０の生産性を向上させることができる。

図１０は、第１実施形態の第６変形例に係る半導体モジュール２を模式的に示す斜視図である。半導体モジュール２は、金属部材１１および１３と、半導体素子１５と、封止樹脂３１と、を有する。半導体素子１５は、金属部材１１および１３の間に配置され、接合部材１７を介して金属部材１１および１３に電気的に接続される。封止樹脂３１は、金属部材１１および１３の側面に付設され、金属部材１１および１３の間に半導体素子１５を封入する。封止樹脂３１は、例えば、メラミン系樹脂等の熱硬化性樹脂である。

封止樹脂３１は、金属部材１１の主面１１ｍおよび金属部材１３の主面１３ｍが半導体モジュール２の下面および上面にそれぞれ露出するように設けられる。また、封止樹脂３１は、横方向（例えば、Ｘ方向およびＹ方向）に突出した凸部３１ｐを有する。そして、凸部３１ｐは、その先端のコーナー部３１ｑを面取りした形状を有する。凸部３１ｐは、例えば、金型を用いた一体成型により設けられる。

さらに、金属部材１１および１３の側面を覆う封止樹脂３１には、半導体素子１５の耐圧に対応した沿面距離が求められる。例えば、半導体素子１５の耐圧が４．５ｋＶである場合、封止樹脂３１の表面に沿って、金属部材１１の主面１１ｍから金属部材１３の主面１３ｍに至る沿面距離は、２０ｍｍ以上であることが望ましい。

しかしながら、主面１１ｍと主面１３ｍとの間隔を２０ｍｍ以上とすることは難しい。例えば、金属部材１１および１３の厚さは、それぞれ３ｍｍ以上であることが好ましいが、熱抵抗を小さくするためには、金属部材１１および１３の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。したがって、半導体素子１５および接合部材１７の厚さを含めたとしても、主面１１ｍと主面１３ｍとの間隔は１０ｍｍ程度である。このため、封止樹脂３１に凸部３１ｐを設けることにより、沿面距離を延ばすことが好ましい。例えば、横方向に６ｍｍ突出した凸部３１ｐを設けることにより、主面１１ｍから主面１３ｍに至る沿面距離を２０ｍｍ以上とすることができる。

このように、凸部３１ｐを設けることにより、封止樹脂３１の沿面距離を延ばしながら、半導体モジュール２を小型化することができる。また、凸部３１ｐのコーナー部３１ｑを面取りすることにより、樹脂封止時の金型を取り外すことが容易となり、作業性を向上させることができる。

図１１は、第１実施形態の第７変形例に係る半導体モジュール３を模式的に示す断面図である。半導体モジュール３は、金属部材１１および１３と、半導体素子１５と、封止樹脂３３と、を有する。

図１１に示すように、封止樹脂３３は、横方向に突出した２つの凸部３３ｐを有する。言い換えれば、封止樹脂３３は、横方向に後退した凹部３３ｒを有する。これにより、金属部材１１の主面１１ｍから金属部材１３の主面１３ｍに至る沿面距離をさらに延ばすことができる。また、実施形態は、この例に限定されず、例えば、封止樹脂３３に設けられる凸部３３ｐ（もしくは凹部３３ｒ）の数は任意である。

図１２は、第１実施形態の第８変形例に係る半導体モジュール４を模式的に示す斜視図である。半導体モジュール４は、金属部材１１および１３と、半導体素子１５と、封止樹脂３５と、を有する。この例では、半導体素子１５は、横方向に並べて配置された金属部材１１と金属部材１３との間に位置する。封止樹脂３５の一部は、半導体モジュール４の上面および下面に延在し、半導体素子１５を封入する。さらに、封止樹脂３５は、横方向に突出した凸部３５ｐを有する。そして、金属部材１１の側面１１ｓおよび金属部材１３の側面１３ｓが、半導体モジュール４の下面および上面にそれぞれ露出する。

このように、半導体素子１５は、その主面を、例えば、Ｘ方向と交差する向きに配置しても良い。これにより、封止樹脂３５を成型する際に、半導体素子１５に加わる応力を緩和し、その特性劣化もしくは破損を回避することができる。

［第２実施形態］
図１３は、第２実施形態に係る半導体装置２００を示す模式断面図である。図１３に示すように、半導体装置２００は、金属板１０と、金属板２０と、半導体モジュール５と、信号線５０と、を備える。半導体モジュール５および信号線５０は、金属板１０と、金属板２０との間に配置される。金属板１０および２０は、それぞれ接合部材４０を介して半導体モジュール５に電気的に接続される。信号線５０は、金属板１０および２０との間において、隣り合う半導体モジュール５の間に配置される。信号線５０は、例えば、絶縁スペーサ５３を介して金属板１０に固定される。

図１３に示すように、半導体モジュール５は、半導体素子１５のゲート電極に電気的に接続されたゲート端子５７を有する。ゲート端子５７は、接続導体５５により信号線５０に電気的に接続される。ゲート端子５７には、例えば、銅のような電気伝導性に優れた材料を用いる。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、半導体モジュール５を示す模式図である。図１４（ａ）は、半導体モジュール５を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、半導体モジュール５の外観を示す斜視図である。

図１４（ａ）に示すように、半導体モジュール５は、金属部材１１と、金属部材１３と、半導体素子１５と、封止樹脂１９と、ゲート端子５７と、を含む。半導体素子１５は、金属部材１１と金属部材１３との間に配置される。ゲート端子５７は、封止樹脂１９に固定される。ゲート端子５７は、例えば、金属ワイヤ５９を介して半導体素子１５のゲート電極（図１５（ｂ）参照）に電気的に接続される。

図１４（ｂ）に示すように、封止樹脂１９は、半導体モジュール５の側面を囲むように設けられる。そして、ゲート端子５７は、封止樹脂１９から横方向に突出するように設けられる。また、半導体モジュール５の上面には、金属部材１３の主面１３ｍが露出される。一方、図示しない下面には、金属部材１１の主面１１ｍが露出される。

このように、半導体モジュール５からゲート端子５７が突出した構造とすることにより、試験装置をゲート端子５７に接続し、半導体素子１５のゲート電極１５ｇに電圧を印加することができる。さらに、半導体モジュール５の下面および上面に露出した金属部材１１および１３に電圧を印加することにより半導体モジュール１の電気試験を実施することができる。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、半導体モジュール５の構造を模式的に示す斜視図である。図１５（ａ）は、金属部材１１上にマウントされた半導体素子１５を示す斜視図である。図１５（ｂ）は、金属部材１３を示す斜視図である。

図１５（ａ）に示すように、金属部材１１の上に、例えば、２つの半導体素子１５がマウントされる。半導体素子１５は、その表面に、例えば、エミッタ電極１５ｅと、ゲート電極１５ｇと、を有する。ゲート電極１５ｇは、例えば、金属ワイヤ５９を介してゲート端子５７に電気的に接続される。また、半導体素子１５は、図示しない裏面にコレクタ電極を有し、金属部材１１は、接合部材１７を介してコレクタ電極に電気的に接続される。

図１５（ｂ）に示すように、金属部材１３は、第１部分１３ａと、第２部分１３ｂと、を含む。さらに、金属部材１３は、リセス部１３ｒを有する。第２部分１３ｂは、接合部材１７を介してエミッタ電極１５ｅに電気的に接続される。リセス部１３ｒは、ゲート電極１５ｇに重なる部分を除去するために設けられる。すなわち、リセス部１３ｒは、図１５（ａ）に示す半導体素子１５の上に金属部材１３を重ねた時、ゲート電極１５ｇが露出されるように設けられる。

図１５（ｂ）に示すように、第２部分１３ｂは、エミッタ電極１５ｅの形状にフィットするように設けられる。第２部分１３ｂの表面は、例えば、エミッタ電極１５ｅと略同じ形状、もしくは、相似形である。

図１６は、半導体素子１５とゲート端子５７との間の電気的な接続を例示する模式平面図である。図１６に示すように、２つの半導体素子１５のゲート電極１５ｇは、それぞれ金属ワイヤ５９を介して１つのゲート端子５７に電気的に接続される。この際、各半導体素子１５とゲート端子５７とを接続する金属ワイヤ５９の長さが略同一となるように接続することが望ましい。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、第２実施形態に係る別の半導体モジュール６および７を示す模式図である。図１７（ａ）は、半導体モジュール６を示す断面図である。図１７（ｂ）は、半導体モジュール７を示す斜視図である。

図１７（ａ）に示すように、半導体モジュール６は、Ｚ方向に並べて配置された金属部材１１および１３と、その間に配置された半導体素子１５と、を有する。金属部材１１および１３の間に半導体素子１５を封入する封止樹脂３７は、横方向に突出した凸部３７ｐを有する。ゲート端子５７は、例えば、凸部３７ｐの先端から外部に突出するように設けられる。

図１７（ｂ）に示すように、半導体モジュール７は、Ｘ方向に並べて配置された金属部材１１および１３と、その間に配置された半導体素子１５と、を有する。そして、封止樹脂３９は、その一部が半導体モジュール７の上面側および下面側に延在し、半導体素子１５を金属部材１１および１３の間に封入する。また、封止樹脂３９は、横方向に突出した凸部３９ｐを有する。金属部材１１および１３は、その側面１１ｓおよび１３ｓがそれぞれ半導体モジュール７の上面側および下面側に露出するように設けられる。

ゲート端子５７は、封止樹脂３９内においてゲート電極１５ｇの近傍に配置され、ワイヤ接続される第１部分５７ａと、Ｘ方向に延在し、封止樹脂３９の外側に引き出される第２部分５７ｂと、を含む。

図１８は、半導体装置２００における半導体素子１５と信号線５０との間の電気的な接続を例示する模式平面図である。図１８に示すように、２つの半導体素子１５は、ゲート端子５７が向き合うように配置される。そして、２つのゲート端子５７は、信号線５０に電気的に接続される。また、信号線５０は、ケース３０（図１３）の外側に突出する接続端子６５を有する。

ゲート電極１５ｇがチップの角に設けられている場合、図１８に示すように、４つのゲート電極１５ｇを近づけて配置することが可能である。そして、２つのゲート端子５７も近接して配置することができる。これにより、信号線５０とゲート端子５７との接続が容易になる。また、信号線５０の数を減らし、低コスト化することもできる。

さらに、ゲート電極１５ｇとゲート端子５７とを接続する金属ワイヤ５９は、略同一の長さを有することが好ましい。これにより、各半導体素子１５に電気的に接続される信号線５０のインピーダンスを均一化することができる。

図１９は、第２実施形態の第１変形例に係る半導体装置３００を模式的に示す斜視図である。図１９に示すように、半導体装置３００は、金属板１０および２０にそれぞれ接続されたヒートシンク２７を有する。

ヒートシンク２７は、例えば、ハンダ付けやろう付け、または、摩擦撹拌接合などにより、金属板１０および金属板２０のそれぞれの主面１０ｂおよび２０ｂに接合される。ヒートシンク２７には、例えば、銅やアルミなどの熱伝導性と電気伝導性が良い材料を用い、金属板１０および２０に電気的および熱的に接続される。また、ヒートシンク２７は、例えば、内部に純水を循環させる水冷式の冷却器であっても良い。

この例では、ヒートシンク２７を絶縁基板を介さずに金属板１０および２０に接合する。これにより、半導体素子１５からヒートシンク２７への放熱経路における熱抵抗を低減することができる。また、冷却液として非電気伝導性の純水を用いることにより、漏電を回避することができる。

図２０は、第２実施形態の第２変形例に係る半導体装置４００を示す模式断面図である。半導体装置４００は、金属板１０および２０と、その間に配置された少なくとも２つの半導体モジュール５と、を備える。さらに、半導体装置４００は、金属板１０および２０の間において、隣り合う半導体モジュール５の間に設けられた信号線５０を備える。信号線５０は、接続導体７３を介して半導体モジュール５のゲート端子５７に電気的に接続される。

図２０に示すように、信号線５０は、金属板２０に設けられた突起状の支持体７１に保持される。支持体７１は、例えば、エポキシ樹脂からなる絶縁体である。一方、ゲート端子５７には、例えば、ハンダ付け等の方法を用いて接続導体７３が固定される。接続導体７３は、例えば、弾性部材であり、信号線５０とゲート端子５７との間において圧縮され、例えば、Ｚ方向に付勢されている。接続導体７３は、例えば、プランジャー等のばね構造を有する。

ゲート端子５７と金属板２０の間の間隔をＨ_１、支持体７１の高さをＨ_２、信号線５０のＺ方向の厚さをＴｓとすると、圧縮されていない状態の接続導体７３は、次の関係を満足する長さＬｓを有する。

Ｈ_１＜Ｈ_２＋Ｔｓ+Ｌｓ

これにより、接続導体７３を介した信号線５０とゲート端子５７との間の電気的な接続が確保される。信号線５０の接続導体７３が接触する位置には、例えば、くぼみ等、接続導体７３の位置づれを防ぐ構造が設けられる。

この例では、導電性の弾性部材を用いて信号線５０とゲート端子５７との間の電気的な接続を確保する。これにより、ハンダ付けなどの工程を削減し、簡易で低コストな接続構造を実現することができる。なお、実施形態は、上記の例に限定される訳ではなく、例えば、信号線５０もしくはゲート端子５７に弾性を有する材料を用いても良い。

さらに、信号線５０に代えて、例えば、ゲート配線を含む配線基板を用いることもできる。また、ゲート配線に加えて、金属板２０をエミッタセンス回路に電気的に接続する配線を含む基板を用いても良い。例えば、支持体７１に導電性の材料を用い、金属板２０とエミッタセンス回路とを電気的に接続する。これにより、半導体装置４００の駆動時に必要なエミッタセンス回路とゲート制御回路とを一体に構成し、回路基板の組み込み工程の削減による低コスト化を実現できる。

［第３実施形態］
図２１は、第３実施形態に係る半導体装置５００を示す模式断面図である。図２１に示すように、半導体装置５００は、２つのヒートシンク８０の間に、少なくとも２つの半導体装置２００を配置した構造を有する。この場合、ケース３０は、半導体装置５００の全体の側面を囲むように設けられる。

図２２は、半導体装置５００の信号線５０を示す模式平面図である。図２２に示すように、信号線５０は、複数の半導体素子１５のゲート電極１５ｇに電気的に接続された１つの端子部分５０ｅと、各ゲート端子５７に接続される接続部分５０ｃと、を含む。

端子部分５０ｅは、半導体装置５００から外部に引き出され、例えば、ゲート制御回路に電気的に接続される。本実施形態では、信号線５０は、端子部分５０ｅから各接続部分５０ｃまでの距離が均一となるように配線される。これにより、信号線５０と各端子部分５０ｅとの間のインピーダンスを略同一にすることができる。これにより、各半導体素子１５の動作速度を均一化し、電流を均一化することが可能となる。これにより、半導体装置５００の電流容量を大きくすることができる。

図２３は、第３実施形態に係る別の半導体装置６００を示す模式平面図である。図２３に示すように、半導体装置６００は、４×４のマトリックス状に配置された複数の半導体モジュール５を含む。この例でも、信号線５０は、各ゲート端子５７に接続される接続部分５０ｃと、１つの端子部分５０ｅと、を含む。そして、端子部分５０ｅから各接続部分５０ｃに至る距離が、略同一となるように設けられる。これにより、信号線５０と各端子部分５０ｅとの間のインピーダンスを均一化にすることができる。

図２４は、第３実施形態の変形例に係る半導体装置７００を示す模式平面図である。図２４に示すように、半導体装置７００は、４×４のマトリックス状に配置された複数の半導体装置２００を含む。信号線９０は、各半導体装置２００のゲート端子５７に接続される接続部分９０ｃと、１つの端子部分９０ｅと、を含む。信号線９０は、端子部分９０ｅから各接続部分９０ｃに至る長さが略同一となるように配線される。

さらに、信号線９０は、２以上の接続部分９０ｃ至る共通部９０ｋ、９０ｍおよび９０ｎを含む。例えば、共通部９０ｋは、２つの接続部分９０ｃにつながり、共通部９０ｍは、２つの共通部９０ｋを介して４つの接続部分９０ｃにつながる。言い換えれば、共通部９０ｋでは、各接続部分９０ｃに流れる制御電流の２倍の電流が流れる。また、共通部９０ｍでは、４倍の電流が流れる。例えば、共通部９０ｋの幅は、接続部分９０ｃの幅の２倍であり、共通部９０ｍの幅は、接続部分９０ｃの幅の４倍である。

この例では、各共通部に流れる制御電流の大きさに応じて、その幅を変化させる。これにより、端子部分９０ｅから各接続部分９０ｃに流れる制御電流を均一化することができる。また、実施形態は、これに限定される訳ではなく、例えば、制御電流に応じて信号線９０の厚さを変化させても良い。また、制御電流の大きさに応じて、信号線９０の断面積を変化させても良い。

［第４実施形態］
図２５（ａ）および図２５（ｂ）は、第４実施形態に係る半導体装置８００を示す模式図である。図２５（ａ）は、半導体装置８００の外観を示す斜視図であり、図２５（ｂ）は、半導体モジュール５の配置を示す斜視図である。

図２５（ａ）に示すように、半導体装置８００は、重ねて配置された２つのヒートシンク１６０と、その間に配置されたケース３０と、を有する。２つのヒートシンク１６０には、それぞれ横方向に突出した接続端子１６０ａおよび１６０ｂが設けられる。また、ゲート基板１７０の端子部分１７０ｅが、ケース３０から横方向に突出している。さらにヒートシンク１６０には、水冷用の接続部１６３が設けられている。

図２５（ｂ）に示すように、ヒートシンク１６０の上に金属板１０が設置され、複数の半導体モジュール５が金属板１０の上に実装される。半導体モジュール５は、例えば、１０×５のマトリックス状に配置される。そして、隣り合う半導体モジュール５の間を延在するように、ゲート基板１７０が設けられる。ゲート基板１７０は、例えば、絶縁基板にプリントされた配線を含む。

例えば、信号線５０は、ゲート基板１７０の上に実装される。例えば、薄い金属板等からなる信号線は容易に変形し、そのインダクタンスがわずかながら変化する。これに対し、本実施形態では、信号線５０を変形し難い基板上に実装することにより、一定のインピーダンスを保つことができる。

図２６（ａ）および図２６（ｂ）は、半導体装置８００の一部を示す模式図である。図２６（ａ）は、ゲート基板１７０を模式的に示す斜視図である。図２６（ｂ）は、ゲート基板１７０の固定部１７０ｆを模式的に示す斜視図である。

図２６（ａ）に示すように、ゲート基板１７０は、格子状に設けられる。ゲート基板１７０は、例えば、格子間に２つの半導体モジュール５を収容できるサイズの開口を有する（図２６（ｂ）参照）。これにより、半導体モジュール５のゲート端子５７を対向させるように配置し、ゲート基板１７０とゲート端子５７との接続部を削減することができる。これにより、ゲート基板１７０とゲート端子５７との接続を効率的に実施することができる。

ゲート基板１７０は、複数の固定部１７０ｆを有し、各固定部１７０ｆにおいて金属板１０にネジ固定される。図２６（ｂ）に示すように、ゲート基板１７０は、絶縁スペーサ１７１の上にネジ１７３を用いて固定される。なお、実施形態は、これに限定される訳ではなく、例えば、ゲート基板１７０を金属板２０に固定しても良い。

図２７は、第４実施形態に係る半導体装置８００の信号線５０ａおよび５０ｂを模式的に示す斜視図である。信号線５０ａおよび５０ｂは、例えば、ゲート基板１７０上に実装される。

信号線５０ａは、例えば、ゲート端子５７に電気的に接続される。また、信号線５０ｂは、例えば、半導体素子１５のエミッタ電極１５ｅに電気的に接続される。すなわち、信号線５０ａは、ゲート基板１７０の端子部分１７０ｅからゲート端子５７との接続部に向かう往路配線である。また、信号線５０ｂは、エミッタ電極１５ｅから端子部分１７０ｅに向かう復路配線である。

図２７に示すように、信号線５０ａおよび５０ｂは、重ねて配置される。信号線５０ａと信号線５０ｂとの間には、例えば、酸化シリコン層などの絶縁層が設けられる。このように、往路配線と復路配線とを近接して配置し、相互インダクタンスを寄与させることにより、配線インダクタンスを低減することができる。信号線の配線インダクタンスが大きいと、半導体素子１５は、ノイズによる誤動作を起こし易くなる。したがって、本実施形態によれば、配線インダクタンスを低減することにより半導体素子１５の誤動作を防ぎ、安定的に動作させることができる。

図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、第４実施形態の第１変形例に係る半導体装置９００を示す図である。図２８（ａ）は、半導体装置９００を示す斜視図であり、図２８（ｂ）は、半導体装置９００の断面図である。

図２８（ａ）に示すように、半導体装置９００は、ヒートシンク１６０の上に配置された２つの金属板２１０と、金属板２１０のそれぞれに実装された複数の半導体モジュール５と、を備える。半導体モジュール５は、金属板２１０上において、５×５のマトリックス状に配置される。また、ゲート基板１８０も、金属板２１０の上にそれぞれ配置される。この例では、図２５に示す半導体装置８００の金属板１０を分割し、それぞれの上に、半導体モジュール５およびゲート基板１８０を配置した形態となっている。

図２８（ｂ）に示すように、半導体装置９００は、上下に配置されたヒートシンク１６０の間に、金属板２１０および２２０と、複数の半導体モジュール５と、を備える。半導体モジュール５は、金属板２１０および２２０の間に配置される。

例えば、半導体モジュール５の数が多くなると、それらを実装する金属板のサイズは大型化する。そして、半導体モジュールを金属板間に並列実装する際に、金属板表面の平坦度に起因した半導体モジュール上面の高さばらつきがあると、半導体モジュールと金属板との間の接合不良を生じる場合がある。このため、金属板表面の平坦度を高くすると、製造コストの上昇を招く。この例では、金属板を分割することにより、その大型化を抑え、所定の平坦度を確保することができる。これにより、半導体装置９００の製造歩留まりを向上させると共に、大電流容量化を実現することができる。さらに、ゲート基板１８０を金属板毎に配置することにより、金属板２１０および２２０と、その間に配置される半導体モジュール５およびゲート基板と、を１つのユニットとして実装することが可能となり、製造効率を向上させることができる。

図２９は、第４実施形態の第２変形例に係る半導体装置１０００を示す模式断面図である。図２９に示すように、半導体装置１０００は、金属板２１０および２２０のそれぞれに接合されたヒートシンク１９０を有する。

この例では、図２８（ａ）および（ｂ）に示す半導体装置９００において、ヒートシンク１６０も分割した態様を有する。これにより、ヒートシンク１９０の接合面の平坦度を向上させ、ヒートシンク１９０と金属板２１０もしくは２２０との接合を容易にすると共に、その間の熱抵抗を低減することができる。

さらに、半導体装置１０００は、隣接する２つの金属板の間を電気的に接続するための接続導体２３０を備える。例えば、半導体装置９００では、ヒートシンク１６０が隣接する２つの金属板の両方に接続されているため、両者はヒートシンク１６０を介して電気的に接続されるが、この例では、ヒートシンク１９０が金属板毎に接合されるため、接続導体２３０を介して金属板間の電気的接続を確保する。接続導体２３０は、隣接するヒートシンク１６０の間に設けられても良い。

以上、第１実施形態〜第４実施形態を例に説明したが、各実施形態の構成要素は、それぞれに固有のものではなく、技術的に可能であれば相互に適用し得るものである。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２、３、４、５、６、７…半導体モジュール、 １０、２０、２１０、２２０…金属板、 １０ａ、１０ｂ、１１ｍ、１３ｍ、２０ａ、２０ｂ…主面、 １１、１３…金属部材、 １１ｓ、１３ｓ…側面、 １３ａ、５７ａ…第１部分、 １３ｂ、５７ｂ…第２部分、 １３ｒ…リセス部、 １５…半導体素子、 １５ｅ…エミッタ電極、 １５ｇ…ゲート電極、 １７、４０…接合部材、 １９、３１、３３、３５、３７、３９…封止樹脂、 ２１、２３、２７…ヒートシンク、 ２５…放熱フィン、 ３０…ケース、 ３１ｐ、３３ｐ、３５ｐ、３７ｐ、３９ｐ…凸部、 ３１ｑ…コーナー部、 ３３ｒ…凹部、 ５０、５０ａ、５０ｂ、９０…信号線、 ５０ｃ、９０ｃ…接続部分、 ５０ｅ、９０ｅ、１７０ｅ…端子部分、 ５３、１７１…絶縁スペーサ、 ５５、７３、２３０…接続導体、 ５７…ゲート端子、 ５９…金属ワイヤ、 ６５、１６０ａ、１６０ｂ…接続端子、 ７１…支持体、 ８０、１６０、１９０…ヒートシンク、 ９０ｋ、９０ｍ、９０ｎ…共通部、 １００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００…半導体装置、 １７０、１８０…ゲート基板、 １６３…接続部、 １７０ｆ…固定部、 １７３…ネジ

Claims (22)

1. 第１面を有する第１金属板と、
   前記第１面に向き合う第２面を有する第２金属板と、
   前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置された２以上の半導体モジュールと、
   を備え、
   前記２以上の半導体モジュールのそれぞれは、前記第１金属板に電気的に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に電気的に接続された第２金属部材と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に配置された少なくとも１つの半導体素子と、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間において、前記半導体素子を封じる樹脂部材と、をそれぞれ含み、
   前記少なくとも１つの半導体素子は、前記第１金属部材に電気的に接続された第１電極と、前記第２金属部材に電気的に接続された第２電極と、を有する半導体装置。
2. 前記第２金属部材は、第１部分と、前記半導体素子と前記第１部分との間に位置する第２部分と、を有し、前記第２面に平行な前記第１部分の断面の面積は、前記第２面に平行な前記第２部分の断面の面積よりも広い請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第２金属部材は、第１部分と、前記半導体素子と前記第１部分との間に位置する第２部分と、を有し、
   前記第２部分は、前記第２電極にフィットする形状を有する請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体モジュールは、第３金属部材をさらに含み、
   前記半導体素子は、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間において、前記第３金属部材に電気的に接続された第３電極をさらに有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記第１金属板と前記第２金属板との間において、前記２以上の半導体モジュール間に配置され、前記第３金属部材に電気的に接続された第１配線と、
   前記第１配線に電気的に接続された第１外部端子と、
   をさらに備えた請求項４記載の半導体装置。
6. 前記第１配線は、前記第１外部端子と、前記第３金属部材と、の間のインピーダンスが一定となるように設けられる請求項５記載の半導体装置。
7. 前記第１配線は、前記第３金属部材と前記第１外部端子との間において一定の長さを有する請求項６記載の半導体装置。
8. 前記配線は、前記第３電極にそれぞれ接続される端部と、前記端部よりも広い断面を有する共通部と、を有する請求項６記載の半導体装置。
9. 前記第１金属板と前記第２金属板との間において、前記２以上の半導体モジュール間に配置され、前記第１電極または前記第２電極に電気的に接続された第２配線と、
   前記第２配線に電気的に接続された第２外部端子と、
   をさらに備えた請求項５〜８のいずれか１つに記載の半導体装置。
10. 前記第１配線は、弾性部材を用いて前記第３金属部材に電気的に接続される請求項５記載の半導体装置。
11. 前記樹脂部材は、前記第１金属板の前記第１面に沿った方向に突出した凸部、もしくは、前記第１面に沿った方向に後退した凹部を有する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置。
12. 前記樹脂部材は、前記第１金属板の前記第１面に沿った方向に突出し、面取りされた端部を有する請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体装置。
13. 前記半導体素子と前記第１金属部材との間、および、前記半導体素子と前記第２金属部材との間に配置された第１接合部材と、
    前記第１金属部材と前記第１金属板との間、および、前記第２金属部材と前記第２金属板との間に配置された第２接合部材と、
    をさらに備え、
    前記第１接合部材の融点は、前記第２接合部材の融点よりも高い請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体装置。
14. 前記第１金属板に接続された第１ヒートシンクと、
    前記第２金属板に接続された第２ヒートシンクと、
    をさらに備えた請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体装置。
15. 前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクの少なくといずれか一方は、複数の分割された部分を有する請求項１４記載の半導体装置。
16. 前記複数の分割された部分は、前記第１金属板もしくは前記第２金属板を介して電気的に接続される請求項１５記載の半導体装置。
17. 前記第１金属板および前記第２金属板の少なくともいずれか一方は、複数の分割された部分を有する請求項１４記載の半導体装置。
18. 前記複数の分割された部分は、前記第１ヒートシンクもしくは前記第２ヒートシンクを介して電気的に接続される請求項１７記載の半導体装置。
19. 前記第１金属板に接続された第１ヒートシンクと、
    前記第２金属板に接続された第２ヒートシンクと、
    をさらに備え、
    前記複数の分割された部分は、前記第１ヒートシンクもしくは前記第２ヒートシンクを介して電気的に接続される請求項１５記載の半導体装置。
20. 前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクの少なくといずれか一方は、分割された第１部分および第２部分を含み、
    前記第１部分は、第１金属板もしくは第２金属板と、前記第２部分との間に位置し、 前記第１部分は、第１金属板もしくは第２金属板に接する請求項１４記載の半導体装置。
21. 前記第１金属板および前記第２金属板の少なくともいずれか一方に接続された複数のフィンをさらに備えた請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体装置。
22. 前記第１金属板および前記第２金属板の少なくともいずれか一方は、複数の分割された部分を有する請求項２１記載の半導体装置。