(57)【要約】【課題】下流チップの上流チップに対する温度上昇を抑制可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、上流スイッチチップ１１１Ｈと、上流チップの下流側に位置する下流スイッチチップ１１１Ｌと、上流スイッチチップが実装された上流裏側部１３３Ｈｂと、下流チップが実装された下流裏側部１３３Ｌｂとを有する。上流裏側部１３３Ｈｂから、上流端子部１３５Ｈが延出している、下流裏側部１３３Ｌｂから、下流端子部１３５Ｌが延出している。下流スイッチチップ１１１Ｌから下流裏側部１３３Ｌｂを通じて下流端子部１３５Ｌまでの下流熱抵抗は、上流スイッチチップ１１１Ｈから上流裏側部１３３Ｈｂを通じて上流端子部１３５Ｈまでの上流熱抵抗よりも小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子を有する上流チップ（１１１Ｈ）と、
前記上流チップを冷却する冷却媒体の流れる冷媒方向において前記上流チップの下流側に位置し、発熱素子を有する下流チップ（１１１Ｌ）と、
前記上流チップが実装され、前記冷却媒体と熱交換する上流ヒートシンク部（１３３Ｈｂ）と、
前記下流チップが実装され、前記冷媒方向において前記上流ヒートシンク部の下流側に位置して前記冷却媒体と熱交換する下流ヒートシンク部（１３３Ｌｂ）と、
前記上流ヒートシンク部から延出する上流端子部（１３５Ｈ）と、
前記下流ヒートシンク部から延出する下流端子部（１３５Ｌ）と、を備え、
前記上流チップで生じた熱が前記上流ヒートシンク部を通じて前記上流端子部に伝わる経路を上流端子経路とし、前記上流端子経路の熱抵抗を上流熱抵抗とし、
前記下流チップで生じた熱が前記下流ヒートシンク部を通じて前記下流端子部に伝わる経路を下流端子経路とし、前記下流端子経路の熱抵抗を下流熱抵抗とし、
前記下流熱抵抗が、前記上流熱抵抗よりも小さい半導体装置。
【請求項２】
前記上流端子部は、板状に形成された前記上流ヒートシンク部の外周面から延設されており、
前記下流端子部は、板状に形成された前記下流ヒートシンク部の外周面から延設されており、
前記下流端子部と前記下流ヒートシンク部との間の下流境界面（１３６Ｌ）の面積が、前記上流端子部と前記上流ヒートシンク部との間の上流境界面（１３６Ｈ）の面積よりも大きい請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記下流ヒートシンク部は、前記上流ヒートシンク部よりも熱伝導率の高い材料により形成されている請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記下流チップの前記下流ヒートシンク部を向く面のうち前記下流ヒートシンク部に熱伝導する部分の面積が、前記上流チップの前記上流ヒートシンク部を向く面のうち前記上流ヒートシンク部に熱伝導する部分の面積よりも大きい請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記下流ヒートシンク部に接続された端子継手面（１３７）を有する継手端子部（１３５Ｍ）を備え、
前記下流ヒートシンク部は、前記上流ヒートシンク部と接続された上下継手面（１３８）を有し、
前記上下継手面の面積は、前記端子継手面の面積よりも小さい請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
発熱素子を有する上流チップ（１１１Ｈ）と、
前記上流チップを冷却する冷却媒体の流れる冷媒方向において前記上流チップの下流側に位置し、発熱素子を有する下流チップ（１１１Ｌ）と、
前記上流チップが実装され、前記冷却媒体と熱交換する上流ヒートシンク部（１３３Ｈｂ）と、
前記下流チップが実装され、前記冷媒方向において前記上流ヒートシンク部の下流側に位置して前記冷却媒体と熱交換する下流ヒートシンク部（１３３Ｌｂ）と、
前記下流ヒートシンク部に接続された端子継手面（１３７）を有する継手端子部（１３５Ｍ）と、を備え、
前記下流ヒートシンク部は、前記上流ヒートシンク部と接続された上下継手面（１３８）を有し、
前記上下継手面の面積は、前記端子継手面の面積よりも小さい半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、スイッチング素子の集積された半導体チップを複数備えた半導体装置が開示されている。特許文献１に記載の半導体装置は、一面に半導体チップを実装したヒートシンクを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８７９６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうした半導体装置は、例えばヒートシンクの他面を、冷却水などの冷却媒体の流れる冷媒通路に接触させて用いられる。スイッチング素子の駆動に伴い半導体チップで発生した熱は、ヒートシンクを介して冷却媒体などに逃がされる。
【０００５】
しかし、こうした冷媒通路では、ヒートシンクから逃がされた熱により、下流に向かうに従って冷却媒体の温度が上昇する。故に、ヒートシンクに実装される複数の半導体チップが冷却媒体を流す方向に沿って並ぶ場合、下流側に位置する半導体チップは、上流側の半導体チップよりも発生した熱を冷却媒体に逃がしにくい。従って、下流側の半導体チップは上流側の半導体チップよりも温度が上昇しやすかった。
【０００６】
本開示は、下流側の半導体チップにおける上流側の半導体チップに対する温度上昇を抑制可能な半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、本開示の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
【０００８】
上記目的を達成するための本開示の一つの半導体装置は、発熱素子を有する上流チップ（１１１Ｈ）と、上流チップを冷却する冷却媒体の流れる冷媒方向において上流チップの下流側に位置し、発熱素子を有する下流チップ（１１１Ｌ）と、上流チップが実装され、冷却媒体と熱交換する上流ヒートシンク部（１３３Ｈｂ）と、下流チップが実装され、冷媒方向において上流ヒートシンク部の下流側に位置して冷却媒体と熱交換する下流ヒートシンク部（１３３Ｌｂ）と、上流ヒートシンク部から延出する上流端子部（１３５Ｈ）と、下流ヒートシンク部から延出する下流端子部（１３５Ｌ）と、を備え、上流チップで生じた熱が上流ヒートシンク部を通じて上流端子部に伝わる上流端子経路の熱抵抗を上流熱抵抗とし、下流チップで生じた熱が下流ヒートシンク部を通じて下流端子部に伝わる下流端子経路の熱抵抗を下流熱抵抗とし、下流熱抵抗が、上流熱抵抗よりも小さい。
【０００９】
以上の構成によれば、上流チップで発生した熱は、上流端子経路や、上流ヒートシンク部から冷却媒体への経路などを通じて半導体装置の外部に逃がされる。また下流チップで発生した熱は、下流端子経路や、下流ヒートシンク部から冷却媒体への経路などを通じて半導体装置の外部に逃がされる。こうした熱を逃がす経路のうち、下流ヒートシンクにおいては、冷媒の流れる冷媒方向において上流ヒートシンクの下流側に位置することにより、冷却媒体に対して上流ヒートシンク部よりも熱を逃がしにくくなる。故に、下流チップから下流ヒートシンク部を介して冷却媒体に逃がされる熱は、上流チップから上流ヒートシンク部を介して冷却媒体に逃がされる熱よりも小さくなりうる。
【００１０】
一方、下流端子経路の下流熱抵抗が、上流端子経路の上流熱抵抗より小さい。故に、下流チップから下流端子を介して外部に逃がされる熱の量は、上流チップから上流端子を介して外部に逃がされる熱よりも大きくなりうる。この結果、下流チップは、上流チップに対して、冷却媒体に逃がされる熱量が小さい場合であっても、外部に逃がされる熱量の差を抑制されうる。従って半導体装置は、下流チップにおける上流チップに対する温度上昇を抑制可能となる。
【００１１】
上記目的を達成するための本開示の他の一つの半導体装置は、発熱素子を有する上流チップ（１１１Ｈ）と、上流チップを冷却する冷却媒体の流れる冷媒方向において上流チップの下流側に位置し、発熱素子を有する下流チップ（１１１Ｌ）と、上流チップが実装された上流ヒートシンク部（１３３Ｈｂ）と、下流チップが実装され、冷媒方向において上流ヒートシンク部の下流側に位置する下流ヒートシンク部（１３３Ｌｂ）と、下流ヒートシンク部に接続された端子継手面（１３７）を有する継手端子部（１３５Ｍ）と、を備え、下流ヒートシンク部は、上流ヒートシンク部と接続された上下継手面（１３８）を有し、上下継手面の面積は、端子継手面の面積よりも小さい。
【００１２】
以上の構成によれば、継手端子部と下流ヒートシンクとを接続する端子継手面の面積は、上流ヒートシンク部と下流ヒートシンク部とを接続する上下継手面の面積よりも大きい。故に、上流チップから継手端子部に伝導される熱量は、上下継手面の面積により規制されることにより、下流チップから継手端子部に伝導される熱量よりも小さくなりうる。この結果、下流チップは、上流チップに対して冷却媒体に逃がされる熱量が小さい場合であっても、外部に逃がされる熱量の差を抑制されうる。従って半導体装置は、下流チップにおける上流チップに対する温度上昇を抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図２】電力変換装置における冷却器と半導体装置との位置関係を示す図である。
【図３】第一実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図３のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】第三実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図８】第四実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図９】変形例１の半導体装置を用いる電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図１０】変形例１の半導体装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において、対応する構成要素には同一番号の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりでなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても部分的に構成を組み合わせることも可能である。
【００１５】
＜第一実施形態＞
本開示の第一実施形態による半導体装置１００は、図１に示すように、電力変換装置１に用いられている。電力変換装置１は、電源２から入力された直流電圧を三相交流に変換してモータ３に出力するインバータとして作動する。
【００１６】
電力変換装置１の回路的な構成について説明する。電力変換装置１は、電源２の正極と接続された高電位ライン１１、電源２の負極と接続された低電位ライン１２、三相分の出力ライン１３、および三つのレグ１０を有する。各レグ１０は、高電位ライン１１と低電位ライン１２との間に設けられている。各レグ１０は、対応する一相の出力ライン１３に電圧を出力する。各レグ１０は、上アーム１４Ｈおよび下アーム１４Ｌを備えている。
【００１７】
上アーム１４Ｈは、上スイッチング素子１５Ｈと、上整流素子１６Ｈとを含んでいる。上スイッチング素子１５Ｈは、半導体スイッチング素子である。本実施形態では、半導体スイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴ）が用いられている。上スイッチング素子１５Ｈのコレクタ端子は高電位ライン１１に接続され、エミッタ電極はレグ１０に対応する出力ライン１３に接続されている。上スイッチング素子１５Ｈは、制御装置からゲート電極に制御信号として入力される電圧レベルに従い、高電位ライン１１と出力ライン１３との間について、導通状態と非導通状態とを切り替える。
【００１８】
上整流素子１６Ｈは、上スイッチング素子１５Ｈに逆並列に接続された還流用のダイオードである。すなわち、上整流素子１６Ｈのカソード電極は高電位ライン１１に接続され、アノード電極はレグ１０に対応した出力ライン１３に接続されている。
【００１９】
下アーム１４Ｌは、上アーム１４Ｈと直列に接続されている。下アーム１４Ｌは、下スイッチング素子１５Ｌと、下整流素子１６Ｌとを含んでいる。下スイッチング素子１５Ｌは、半導体スイッチング素子である。下スイッチング素子１５Ｌのコレクタ端子はレグ１０に対応した出力ライン１３に接続され、エミッタ電極は低電位ライン１２に接続されている。下スイッチング素子１５Ｌは、制御装置からゲート電極に御信号として入力される電圧レベルに従い、低電位ライン１２と出力ライン１３との間について、導通状態と非導通状態とを切り替える。
【００２０】
下整流素子１６Ｌは、下スイッチング素子１５Ｌに逆並列に接続された還流用のダイオードである。すなわち、下整流素子１６Ｌのカソード端子はレグ１０に対応した出力ライン１３に接続され、アノード端子は高電位ライン１１に接続されている。
【００２１】
電力変換装置１の機械的な構成について説明する。電力変換装置１は、図２に示すように、冷却器２０を複数の半導体装置１００に加えて備えている。
【００２２】
冷却器２０は、内部に冷却水などの冷却媒体を流通させることにより、複数の半導体装置１００を冷却する。冷却器２０は、上流流路２１、分岐流路２２、および下流流路２３を有している。
【００２３】
上流流路２１は、冷却媒体が流入する流路である。上流流路２１には、ラジエータなどで冷却された冷却媒体が流入する。上流流路２１は、例えば円柱状に形成されている。上流流路２１は、流入した冷却媒体を分岐流路２２に分配する。
【００２４】
分岐流路２２は、上流流路２１から分岐し、上流流路２１から分配された冷却媒体が流れる複数の流路である。各分岐流路２２は、上流流路２１の延伸方向において互いに離間する位置から分岐している。各分岐流路２２は、上流流路２１の延伸方向と直交する方向に沿って、互いに平行な姿勢で延伸している。各分岐流路２２は、両面を上流流路２１の延伸方向に向ける帯板状を呈している。
【００２５】
各分岐流路２２の間には、板状の半導体装置１００を配置するためのスリットがそれぞれ設けられている。すなわち、分岐流路２２および半導体装置１００が、分岐流路２２および半導体装置１００の両面の向く方向に沿って交互に並んでいる。これ以降、分岐流路２２および半導体装置１００の両面が向く方向を積層方向と呼ぶ。各分岐流路２２には、延伸方向に沿った方向である冷媒方向に冷却媒体が流れる。冷媒方向は、積層方向と直交している。各分岐流路２２を流れる冷却媒体は、スリットに配置された各半導体装置１００からの熱を受け取ることにより、各半導体装置１００を冷却する。
【００２６】
下流流路２３は、分岐流路２２の下流側に配置された流路である。下流流路２３には、各分岐流路２２で各半導体装置１００から熱を受け取った冷却媒体が流入する。下流流路２３は、冷却媒体をラジエータなどに送出する。
【００２７】
半導体装置１００は、図３に示すように、電力変換装置１を実現する回路部品の一部を含んだ板状のパワーモジュールである。本実施形態の各半導体装置１００は、図１に示した電力変換装置１の回路のうち、一つのレグ１０、すなわち上アーム１４Ｈおよび下アーム１４Ｌに相当する部分を実現する回路部品を含んでいる。半導体装置１００は、このように二つのアームを一つのパッケージに含んだ構造であることから、２ｉｎ１構造と称される場合がある。半導体装置１００は、スイッチチップ１１１、整流チップ１１２、封止樹脂体１２０、およびリードフレーム１３０を備えている。
【００２８】
スイッチチップ１１１は、半導体基板に半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴが集積された矩形板状の半導体チップである。ＩＧＢＴは、スイッチング損失や定常損失により熱を生じる発熱素子に相当する。スイッチチップ１１１には、スイッチング動作を制限する閾値温度が設定されている。いずれかのスイッチチップ１１１において、閾値温度以上の温度となった過昇温状態が発生した場合、制御装置は、例えば電力変換装置１に含まれるすべてのスイッチチップ１１１について制御信号によるスイッチング動作の要求を制限する。
【００２９】
スイッチチップ１１１の両面のうち、一面にはＩＧＢＴのコレクタ電極が形成されている。スイッチチップ１１１の他面の一部には、ＩＧＢＴのエミッタ電極が形成されている。スイッチチップ１１１の他面のうち、エミッタ電極の形成された部分とは異なる一部には、スイッチチップ１１１の制御のための信号電極が形成されている。信号電極には、ＩＧＢＴのゲート電極や、スイッチチップ１１１に設けられた感温ダイオードの電極などが含まれる。スイッチチップ１１１の両面のうち、コレクタ電極およびエミッタ電極を形成されている部分は、はんだなどを介してリードフレーム１３０に電気的に接続される。はんだを介して接続された部分は、リードフレーム１３０に熱伝導する部分としても機能する。スイッチチップ１１１は、図４および図５に示すように、両面を積層方向に向ける姿勢で設けられている。半導体装置１００には、上流スイッチチップ１１１Ｈ、および下流スイッチチップ１１１Ｌの二つのスイッチチップ１１１が設けられている。
【００３０】
上流スイッチチップ１１１Ｈは、二つのスイッチチップ１１１のうち一方である。上流スイッチチップ１１１Ｈが「上流チップ」に相当する。上流スイッチチップ１１１Ｈは、上スイッチング素子１５Ｈを実現している。これ以降、積層方向のうち、上流スイッチチップ１１１Ｈのエミッタ電極の形成された面の向く方向を表方向と呼び、コレクタ電極の形成された面の向く方向を裏方向と呼ぶ。
【００３１】
下流スイッチチップ１１１Ｌは、二つのスイッチチップ１１１のうちの他方である。下流スイッチチップ１１１Ｌは、冷媒方向に沿った方向において上流スイッチチップ１１１Ｈの下流側に位置する。下流スイッチチップ１１１Ｌが「下流チップ」に相当する。下流スイッチチップ１１１Ｌは、上スイッチング素子１５Ｈを実現している。下流スイッチチップ１１１Ｌは、エミッタ電極の形成された面を表方向に向ける姿勢で配置されている。
【００３２】
整流チップ１１２は、図３に示すように半導体基板にダイオードが集積された矩形板状の半導体チップである。整流チップ１１２の両面のうち、一面にはダイオードのアノード電極が形成され、他面にはカソード電極が形成されている。整流チップ１１２は、両面を冷媒方向に沿わせる姿勢で配置されている。半導体装置１００には、二つの整流チップ１１２が設けられている。具体的には、上流整流チップ１１２Ｈ、および下流整流チップ１１２Ｌの二つが設けられている。
【００３３】
上流整流チップ１１２Ｈは、二つの整流チップ１１２のうち一方である。上流整流チップ１１２Ｈは、上整流素子１６Ｈを実現している。上流整流チップ１１２Ｈは、上流スイッチチップ１１１Ｈから冷媒方向と交差する方向に離間した位置に設けられている。上流整流チップ１１２Ｈは、アノード電極の形成された面を表方向に向ける姿勢で配置されている。
【００３４】
下流整流チップ１１２Ｌは、二つの整流チップ１１２のうちの他方である。下流整流チップ１１２Ｌは、下整流素子１６Ｌを実現している。下流整流チップ１１２Ｌは、下流スイッチチップ１１１Ｌから冷媒方向と交差する方向に離間した位置に設けられている。下流整流チップ１１２Ｌは、アノード電極の形成された面を表方向に向ける姿勢で配置されている。
【００３５】
封止樹脂体１２０は、例えばエポキシ樹脂などにより構成されている。封止樹脂体１２０は、スイッチチップ１１１および整流チップ１１２をリードフレーム１３０と共に一体に封止している。スイッチチップ１１１等を封止した封止樹脂体１２０は、全体として矩形板状を呈している。封止樹脂体１２０は、両面を積層方向に向け、四つの外周面のうち二つを冷媒方向に向ける姿勢である。
【００３６】
リードフレーム１３０は、銅やアルミニウムなどの金属材料により形成されている。リードフレーム１３０は、スイッチチップ１１１および整流チップ１１２の両面に形成された電極を、封止樹脂体１２０の外部と電気的に接続させている。リードフレーム１３０は、信号端子部１３１、ヒートシンク部１３３、スペーサ１３２、およびパワー端子部１３５を有している。
【００３７】
信号端子部１３１は、スイッチチップ１１１の各信号電極を半導体装置１００の外部と電気的に接続するための端子である。信号端子部１３１は、例えば帯板状に形成され、積層方向および冷媒方向と直交する方向である端子方向に沿って延伸している。信号端子部１３１は、信号電極ごとに設けられ、ボンディングワイヤにより対応する信号電極と電気的に接続されている。信号端子部１３１は、封止樹脂体１２０の端子方向を向く二つの面のうち一方の面から部分的に突出している。
【００３８】
スペーサ１３２は、直方体状に形成され、スイッチチップ１１１および整流チップ１１２の表方向を向く面と、ヒートシンク部１３３との間に設けられている。スペーサ１３２は、スイッチチップ１１１の表方向を向く面のうち、エミッタ電極の形成されている部分を覆い、制御電極の形成されている部分を覆わないように配置されている。スペーサ１３２は、エミッタ電極とヒートシンク部１３３とを電気的に接続している。スペーサ１３２は、制御電極とヒートシンク部１３３との間に、ボンディングワイヤを配置するスペースを形成する。
【００３９】
ヒートシンク部１３３は、両面を積層方向に向ける姿勢で設けられている板状の部分である。ヒートシンク部１３３は、矩形板状に形成され、四つの外周面のうち二つを冷媒方向に向け、他の二つを端子方向に向ける姿勢で配置されている。ヒートシンク部１３３の一面には、スイッチチップ１１１および整流チップ１１２が実装されている。ヒートシンク部１３３の他面は、封止樹脂体１２０から露出し、グリスなどを介して分岐流路２２に接触している。ヒートシンク部１３３は、分岐流路２２に流れる冷却媒体との熱交換により、スイッチチップ１１１からの熱を冷却媒体に逃がす機能を有する。本実施形態の半導体装置１００には、ヒートシンク部１３３として、上流表側部１３３Ｈａ、上流裏側部１３３Ｈｂ、下流表側部１３３Ｌａ、および下流裏側部１３３Ｌｂの四つが設けられている。またヒートシンク部１３３は、継手部１３４を有している。
【００４０】
上流表側部１３３Ｈａは、上流スイッチチップ１１１Ｈの表方向に配置されている。上流表側部１３３Ｈａの裏方向を向く面は、上流スイッチチップ１１１Ｈのエミッタ電極、および上流整流チップ１１２Ｈのアノード電極と、はんだおよびスペーサ１３２を介して電気的に接続されている。
【００４１】
上流裏側部１３３Ｈｂは、上流スイッチチップ１１１Ｈの裏方向に配置されている。上流裏側部１３３Ｈｂの表方向を向く面は、上流スイッチチップ１１１Ｈのコレクタ電極、および上流整流チップ１１２Ｈのカソード電極と、はんだを介して電気的に接続されている。上流表側部１３３Ｈａ、および上流裏側部１３３Ｈｂが「上流ヒートシンク部」に相当する。
【００４２】
下流表側部１３３Ｌａは、下流スイッチチップ１１１Ｌの表方向に配置されている。下流表側部１３３Ｌａは、冷媒方向において上流表側部１３３Ｈａから下流側に離間した位置に設けられている。下流表側部１３３Ｌａの裏方向を向く面は、下流スイッチチップ１１１Ｌのエミッタ電極、および下流整流チップ１１２Ｌのアノード電極と、はんだおよびスペーサ１３２を介して電気的に接続されている。下流表側部１３３Ｌａの表方向を向く面は、上流表側部１３３Ｈａの表方向を向く面と同一平面に並んでいる。
【００４３】
下流裏側部１３３Ｌｂは、下流スイッチチップ１１１Ｌの裏方向に配置されている。下流裏側部１３３Ｌｂは、冷媒方向において上流裏側部１３３Ｈｂから下流側に離間した位置に設けられている。下流裏側部１３３Ｌｂの表方向を向く面は、下流スイッチチップ１１１Ｌのコレクタ電極、および下流整流チップ１１２Ｌのカソード電極と、はんだを介して接続されている。下流裏側部１３３Ｌｂの裏方向を向く面は、上流裏側部１３３Ｈｂの裏方向を向く面と同一平面に並んでいる。下流表側部１３３Ｌａ、および下流裏側部１３３Ｌｂが「下流ヒートシンク部」に相当する。
【００４４】
継手部１３４は、ヒートシンク部１３３に設けられた、他のヒートシンク部１３３またはパワー端子部１３５と電気的に接続するための突出部である。継手部１３４は、ヒートシンク部１３３と一体に形成されている。継手部１３４として、継手部１３４ａ、継手部１３４ｂ、および継手部１３４ｃが設けられている。
【００４５】
継手部１３４ａは、上流表側部１３３Ｈａの外周面のうち、冷媒方向の下流側を向く面から突出している。継手部１３４ａは、冷媒方向の下流側を向く面のうち、端子方向において信号端子部１３１に近接した部分から突出している。
【００４６】
継手部１３４ｂは、下流裏側部１３３Ｌｂの外周面のうち、冷媒方向の上流側を向く面から突出している。継手部１３４ｂは継手部１３４ａと積層方向の投影視で重なりを生じる配置である。継手部１３４ｂは、継手部１３４ａとはんだなどを介して電気的に接続されている。すなわち、上流表側部１３３Ｈａと下流裏側部１３３Ｌｂとが継手部１３４を介して電気的に接続されている。
【００４７】
継手部１３４ｃは、下流表側部１３３Ｌａの外周面のうち、冷媒方向の上流側を向く面から突出している。継手部１３４ｃは、冷媒方向の上流側を向く面のうち、端子方向において信号端子部１３１から離間した部分から突出している。
【００４８】
パワー端子部１３５は、スイッチチップ１１１のコレクタ端子およびエミッタ端子を、半導体装置１００の外部と電気的に接続するための端子である。パワー端子部１３５は、少なくとも一部を封止樹脂体１２０の外部に露出させている。パワー端子部１３５は、高電位ライン１１、低電位ライン１２、および出力ライン１３にそれぞれ対応した三つが設けられている。具体的には、パワー端子部１３５として上流端子部１３５Ｈ、下流端子部１３５Ｌ、継手端子部１３５Ｍが設けられている。
【００４９】
上流端子部１３５Ｈは、上流裏側部１３３Ｈｂの端子方向を向く外周面から延出している。上流端子部１３５Ｈは、上流裏側部１３３Ｈｂと一体に形成されている。上流端子部１３５Ｈは、端子方向に沿って延伸し、両面を積層方向に向ける帯板状に形成されている。上流端子部１３５Ｈは、上流裏側部１３３Ｈｂを介して、上流スイッチチップ１１１Ｈのコレクタ端子と電気的に接続されている。従って上流端子部１３５Ｈは、高電位ライン１１に対応したパワー端子部１３５となっている。上流端子部１３５Ｈの積層方向に沿った寸法は、上流裏側部１３３Ｈｂの積層方向に沿った寸法よりも小さい。上流端子部１３５Ｈと上流裏側部１３３Ｈｂとの間の上流境界面１３６Ｈは、端子方向を向く矩形の平面となっている。
【００５０】
下流端子部１３５Ｌは、下流裏側部１３３Ｌｂの端子方向を向く外周面から延出している。下流端子部１３５Ｌは、下流裏側部１３３Ｌｂと一体に形成されている。下流端子部１３５Ｌは、端子方向に沿って延伸し、両面を積層方向に向ける帯板状に形成されている。下流端子部１３５Ｌは、冷媒方向において上流端子部１３５Ｈよりも下流側に位置している。下流端子部１３５Ｌは、上流表側部１３３Ｈａおよび下流裏側部１３３Ｌｂを介して、上流スイッチチップ１１１Ｈおよび下流スイッチチップ１１１Ｌの両方と電気的に接続されている。従って下流端子部１３５Ｌは、出力ライン１３に対応したパワー端子部１３５となっている。
【００５１】
下流端子部１３５Ｌの積層方向に沿った寸法は、図６に示すように、下流裏側部１３３Ｌｂの積層方向に沿った寸法よりも小さい。下流端子部１３５Ｌの積層方向における寸法は、また、下流端子部１３５Ｌの冷媒方向における寸法は、上流端子部１３５Ｈの冷媒方向における寸法よりも大きい。下流端子部１３５Ｌと下流裏側部１３３Ｌｂとの間の下流境界面１３６Ｌは、端子方向を向く矩形の平面となっている。下流境界面１３６Ｌは、上流境界面１３６Ｈよりも面積の大きい矩形状である。具体的には、下流境界面１３６Ｌの積層方向の寸法は上流境界面１３６Ｈの積層方向の寸法より大きく、下流境界面１３６Ｌの冷媒方向の寸法は上流境界面１３６Ｈの冷媒方向の寸法より大きい。
【００５２】
こうした下流境界面１３６Ｌの上流境界面１３６Ｈに対する面積の差により、下流熱抵抗は、上流熱抵抗よりも小さくなる。ただし、下流熱抵抗は、下流スイッチチップ１１１Ｌで生じた熱が下流裏側部１３３Ｌｂを通じて下流端子部１３５Ｌに伝わる経路である下流端子経路の熱抵抗として定義される。上流熱抵抗は、上流スイッチチップ１１１Ｈで生じた熱が上流裏側部１３３Ｈｂを通じて上流端子部１３５Ｈに伝わる経路である上流端子経路の熱抵抗として定義される。
【００５３】
熱抵抗は、二つの物体間の温度差の、温度差により移動している単位時間当たりの熱量に対する比で示される。すなわち熱抵抗は、単位時間に単位熱量を移動させるために必要な温度差と言うこともできる。熱抵抗の大小は、例えば冷却器２０に取り付けていない半導体装置１００において各スイッチチップ１１１で同じ熱量が発生している場合に、パワー端子部１３５に対する温度差の大小として表れる。すなわち、各スイッチチップ１１１で同じ熱量が発生している場合、下流端子部１３５Ｌと下流スイッチチップ１１１Ｌとの温度差は、上流端子部１３５Ｈと上流スイッチチップ１１１Ｈとの温度差よりも小さくなる。なお、パワー端子部１３５の温度は例えばそれぞれの重心位置の温度などを用いることができ、スイッチチップ１１１の温度は例えば感温ダイオードを用いて推定したそれぞれのジャンクション温度などを用いることができる。
【００５４】
継手端子部１３５Ｍは、端子方向に沿って延伸し、両面を積層方向に向ける帯板状に形成されている。継手端子部１３５Ｍは、冷媒方向において上流端子部１３５Ｈと下流端子部１３５Ｌとの間に位置している。具体的には、継手端子部１３５Ｍは、冷媒方向において上流表側部１３３Ｈａと下流表側部１３３Ｌａとの間に位置している。継手端子部１３５Ｍのうち、上流表側部１３３Ｈａと下流表側部１３３Ｌａとの間に位置する部分の冷媒方向における寸法は、他の部分の冷媒方向における寸法よりも小さい。継手端子部１３５Ｍは、継手部１３４ｃと積層方向の投影視で重なりを生じる配置である。継手端子部１３５Ｍは、継手部１３４ｃにはんだなどを介して接続されている。継手端子部１３５Ｍは、下流表側部１３３Ｌａを介して下流スイッチチップ１１１Ｌのエミッタ端子と電気的に接続されている。従って継手端子部１３５Ｍは、低電位ライン１２に対応したパワー端子部１３５となっている。
【００５５】
［第一実施形態のまとめ］
以上、説明した第一実施形態によれば、上流スイッチチップ１１１Ｈで発生した熱は、上流端子経路や、上流表側部１３３Ｈａおよび上流裏側部１３３Ｈｂから冷却媒体への経路などの複数の経路を通じて半導体装置１００の外部に逃がされる。また下流スイッチチップ１１１Ｌで発生した熱は、下流端子経路や、下流表側部１３３Ｌａおよび下流裏側部１３３Ｌｂから冷却媒体への経路などの複数の経路を通じて半導体装置１００の外部に逃がされる。こうした熱を逃がす経路のうち、下流表側部１３３Ｌａおよび下流裏側部１３３Ｌｂから冷却媒体への経路においては、下流側に位置することにより、上流表側部１３３Ｈａおよび上流裏側部１３３Ｈｂから冷却媒体への経路よりも熱を逃がしにくくなる。故に、下流スイッチチップ１１１Ｌから下流表側部１３３Ｌａおよび下流裏側部１３３Ｌｂを介して冷却媒体に逃がされる熱量は、上流スイッチチップ１１１Ｈから上流表側部１３３Ｈａおよび上流裏側部１３３Ｈｂを介して冷却媒体に逃がされる熱量よりも小さくなりうる。
【００５６】
一方、下流端子経路の下流熱抵抗が、上流端子経路の上流熱抵抗より小さい。故に、下流スイッチチップ１１１Ｌから下流端子部１３５Ｌを介して外部に逃がされる熱量は、上流スイッチチップ１１１Ｈから上流端子部１３５Ｈを介して外部に逃がされる熱量よりも大きくなりうる。この結果、下流スイッチチップ１１１Ｌは、上流スイッチチップ１１１Ｈに対して、冷却媒体に逃がされる熱量が小さい場合であっても、外部に逃がされる熱量の差を抑制されうる。従って半導体装置１００は、下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇を抑制可能となる。
【００５７】
本実施形態では、下流裏側部１３３Ｌｂと下流端子部１３５Ｌとの間の下流境界面１３６Ｌの面積は、上流裏側部１３３Ｈｂと上流端子部１３５Ｈとの間の上流境界面１３６Ｈの面積よりも大きい。故に、下流裏側部１３３Ｌｂと下流端子部１３５Ｌとの間においては、上流裏側部１３３Ｈｂと上流端子部１３５Ｈとの間よりも熱が伝導されやすい。この結果、上流スイッチチップ１１１Ｈおよび下流スイッチチップ１１１Ｌの寸法変更を抑制して下流熱抵抗を上流熱抵抗よりも小さくしうる。従って半導体装置は、上流スイッチチップ１１１Ｈおよび下流スイッチチップ１１１Ｌの寸法変更を抑制して下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇を抑制可能となる。
【００５８】
また、こうした下流端子部１３５Ｌと上流端子部１３５Ｈとの寸法の差によれば、下流端子部１３５Ｌの表面積が上流端子部１３５Ｈの表面積よりも大きくなり得る。故に、下流端子部１３５Ｌから雰囲気に放出される熱量が、上流端子部１３５Ｈから雰囲気に放出される熱量よりも大きくなり得る。従って半導体装置１００は、下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇をより抑制可能となる。
【００５９】
また、こうした下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇の抑制によれば、上流端子部１３５Ｈの体積増大を抑制しつつ、下流スイッチチップ１１１Ｌの過昇温を抑制しうる。故に半導体装置１００は、上流端子部１３５Ｈの体積増大を抑制しつつ、下流スイッチチップ１１１Ｌの過昇温に伴う両方のスイッチチップ１１１のスイッチング動作制限の発生を抑制しうる。
【００６０】
＜第二実施形態＞
第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態における半導体装置１００では、リードフレーム１３０の構成が第一実施形態における構成と異なっている。
【００６１】
第二実施形態のリードフレーム１３０は、部分的に異なる材料により形成されている。具体的には、下流裏側部１３３Ｌｂが、上流裏側部１３３Ｈｂを形成する材料よりも熱伝導率の高い材料により形成されている。例えば、下流裏側部１３３Ｌｂおよび下流表側部１３３Ｌａが銅により形成され、上流裏側部１３３Ｈｂおよび上流表側部１３３Ｈａがアルミニウムにより形成されている。またこれに伴い、下流裏側部１３３Ｌｂと一体に形成されている下流端子部１３５Ｌが、上流裏側部１３３Ｈｂと一体に形成されている上流端子部１３５Ｈよりも熱伝導率の高い材料により形成された状態となっている。
【００６２】
［第二実施形態のまとめ］
以上、説明した第二実施形態によれば、下流スイッチチップ１１１Ｌの実装された下流裏側部１３３Ｌｂにおいて、上流スイッチチップ１１１Ｈの実装された上流裏側部１３３Ｈｂよりも熱伝導率の高い材料により形成されている。こうした構成によれば、スイッチチップ１１１およびパワー端子部１３５の寸法変更を抑制して下流熱抵抗を上流熱抵抗よりも小さくしうる。従って半導体装置１００は、スイッチチップ１１１およびパワー端子部１３５の寸法の変化を抑制しつつ下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇を抑制可能となる。
【００６３】
また、こうした材質の変更によれば、下流スイッチチップ１１１Ｌから下流裏側部１３３Ｌｂおよび下流表側部１３３Ｌａを介した冷却媒体への熱伝導も促進されうる。従って半導体装置１００は、下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇をより抑制可能となる。
【００６４】
＜第三実施形態＞
図７に示す第三実施形態は、第一実施形態の別の変形例である。第三実施形態における半導体装置１００では、下流スイッチチップ１１１Ｌの構成が第一実施形態における構成と異なっている。
【００６５】
第二実施形態における下流スイッチチップ１１１Ｌは、上流スイッチチップ１１１Ｈよりも両面、すなわち表方向を向く面および裏方向を向く面の面積が大きい。具体的には、下流スイッチチップ１１１Ｌは、上流スイッチチップ１１１Ｈと実質的に同じ数の半導体スイッチング素子を、より広い面積の半導体基板に集積することにより形成されている。従って下流スイッチチップ１１１Ｌは、上流スイッチチップ１１１Ｈよりも、半導体スイッチング素子ごとの面積が相対的に大きくなるように配置されている。
【００６６】
こうした相対的な面積の拡大に伴い、下流スイッチチップ１１１Ｌの積層方向を向く面のうち、はんだなどにより下流裏側部１３３Ｌｂに接続された部分の面積も相対的に拡大している。この結果、下流スイッチチップ１１１Ｌから下流裏側部１３３Ｌｂに熱伝導する部分の面積は、上流スイッチチップ１１１Ｈから上流裏側部１３３Ｈｂに熱伝導する部分の面積よりも大きくなっている。
【００６７】
また、第二実施形態においては、下流整流チップ１１２Ｌについても、上流整流チップよりも両面の面積が大きい。すなわち、半導体基板に集積された整流素子は、整流素子ごとの面積が相対的に大きくなるように配置されている。
【００６８】
［第三実施形態のまとめ］
以上、説明した第三実施形態によれば、
下流スイッチチップ１１１Ｌの積層方向を向く面のうち、下流裏側部１３３Ｌｂに熱伝導する部分の面積は、上流スイッチチップ１１１Ｈの積層方向を向く面のうち、上流裏側部１３３Ｈｂに熱伝導する部分の面積よりも大きい。故に、下流スイッチチップ１１１Ｌから下流ヒートシンクへの伝熱は、上流スイッチチップからヒートシンクへの伝熱よりも規制されにくい。この結果、上流端子部１３５Ｈおよび下流端子部の寸法の変化を抑制して下流熱抵抗を上流熱抵抗よりも小さくしうる。従って半導体装置は、上流端子部１３５Ｈおよび下流端子部の寸法の変化を抑制しつつ下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップに対する温度上昇を抑制可能となる。
【００６９】
また、下流スイッチチップ１１１Ｌの積層方向を向く面の面積の拡大に伴う半導体スイッチング素子ごとの面積の拡大によれば、下流スイッチチップ１１１Ｌの各半導体スイッチング素子のオン抵抗が相対的に軽減されうる。故に下流スイッチチップ１１１Ｌは、上流スイッチチップ１１１Ｈよりも発生する熱量を抑制されうる。従って半導体装置１００は、下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇をより抑制可能となる。
【００７０】
また、こうした下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇の抑制によれば、上流スイッチチップ１１１Ｈのチップサイズ増大を抑制しつつ、下流スイッチチップ１１１Ｌの過昇温を抑制しうる。故に半導体装置１００は、上流スイッチチップ１１１Ｈのチップサイズ増大を抑制しつつ、下流スイッチチップ１１１Ｌの過昇温に伴う両方のスイッチチップ１１１のスイッチング動作制限の発生を抑制しうる。
【００７１】
＜第四実施形態＞
図８に示す第四実施形態は、第一実施形態の別の変形例である。第四実施形態における半導体装置１００では、リードフレーム１３０の構成が第一実施形態における構成と異なっている。
【００７２】
第四実施形態における継手部１３４ｃおよび継手端子部１３５Ｍの端子方向における寸法は、第一実施形態における端子方向における寸法よりも大きい。この結果、継手部１３４ｃと継手端子部１３５Ｍとの接触面である端子継手面１３７の面積は、継手部１３４ａと継手部１３４ｂとの接触面である上下継手面１３８の面積よりも大きくなっている。
【００７３】
［第四実施形態のまとめ］
以上、説明した第四実施形態によれば、上下継手面１３８の面積は、端子継手面１３７の面積よりも小さい。こうした上下継手面１３８により、上流スイッチチップ１１１Ｈから継手端子部１３５Ｍに伝導される熱量は、「上流ヒートシンク部」から「下流ヒートシンク部」への伝導を規制される。具体的には、上流スイッチチップ１１１Ｈから継手端子部１３５Ｍに伝導される熱量は、下流スイッチチップ１１１Ｌを介して継手端子部１３５Ｍに伝導される熱量よりも小さく規制されうる。この結果、下流スイッチチップ１１１Ｌは、上流スイッチチップ１１１Ｈに対して冷却媒体に逃がされる熱量が小さい場合であっても、外部に逃がされる熱量の差を抑制されうる。従って半導体装置１００は、下流スイッチチップ１１１Ｌにおける上流スイッチチップ１１１Ｈに対する温度上昇を抑制可能となる。
【００７４】
＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本開示の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。
【００７５】
＜変形例１＞
上述の実施形態に関する変形例１の半導体装置１００は、上アーム１４Ｈおよび下アーム１４Ｌのいずれか一方を実現する構成である。具体的には、半導体装置１００は、図９に示す、上アーム１４Ｈおよび下アーム１４Ｌに並列に接続された二つの半導体スイッチを含む構成の電力変換装置１において、上アーム１４Ｈまたは下アーム１４Ｌのいずれか一方を実現している。すなわちこの場合の半導体装置１００は、並列接続された二つの半導体スイッチを有する一つのアームを、一つのパッケージに含んだ構成である。こうした半導体装置１００は、２パラ１ｉｎ１構成と称される場合がある。
【００７６】
こうした半導体装置１００に本開示を適用する場合、図１０に示すように、ヒートシンク部１３３は、「上流ヒートシンク部」に相当する部分と、「下流ヒートシンク部」に相当する部分とを一体に形成した矩形板状となる。すなわち、一つのヒートシンク部１３３に、上流スイッチチップ１１１Ｈを実装された部分と、その下流側に位置して下流スイッチチップ１１１Ｌを実装された部分とが含まれている。こうした半導体装置１００においても、パワー端子部１３５に、「下流ヒートシンク部」に相当する部分から突出する下流端子部１３５Ｌと、「上流ヒートシンク部」に相当する部分から突出する上流端子部１３５Ｈとが含まれている。従って、上述の実施形態と同様に、下流境界面１３６Ｌの面積や、下流スイッチチップ１１１Ｌの積層方向を向く面の面積の調整などにより、下流熱抵抗を上流熱抵抗よりも小さく設定しうる。
【００７７】
上述の実施形態においては、半導体装置１００は直流電圧を三相交流に変換するインバータに用いられていた。しかし、入力された直流電圧を昇降圧させて出力するコンバータなどに用いられていてもよい。
【００７８】
上述の第一実施形態においては、下流端子部１３５Ｌは、冷媒方向および積層方向の両方について上流端子部１３５Ｈよりも大きな寸法としていた。しかし、冷媒方向および積層方向のうちいずれか一方のみについて上流端子部１３５Ｈよりも大きな寸法とする構成でもよい。
【００７９】
上述の実施形態においては、半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴが用いられていた。しかし、ＭＯＳＦＥＴなどその他の半導体スイッチング素子を用いてもよい。また上述の実施形態においては、上アーム１４Ｈおよび下アーム１４Ｌは、別の半導体基板に集積された半導体スイッチング素子と還流用のダイオードとにより提供されていた。しかし、上アーム１４Ｈおよび下アーム１４Ｌは、逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどの、同一の半導体基板に半導体スイッチング素子と還流用のダイオードとが集積された半導体チップにより提供されていてもよい。
【００８０】
上述の実施形態においては、上流スイッチチップ１１１Ｈおよび上流整流チップ１１２Ｈにより上アーム１４Ｈを実現し、下流スイッチチップ１１１Ｌおよび下流整流チップ１１２Ｌにより下アーム１４Ｌを実現していた。しかし、下流スイッチチップ１１１Ｌおよび下流整流チップ１１２Ｌで上アーム１４Ｈを実現し、上流スイッチチップ１１１Ｈおよび上流整流チップ１１２Ｈで下アーム１４Ｌを実現する構成でもよい。
【００８１】
上述の実施形態においては、上流端子部１３５Ｈが高電位ライン１１に対応し、下流端子部１３５Ｌが出力ライン１３に対応し、継手端子部１３５Ｍが低電位ライン１２に対応していた。しかし、各パワー端子部１３５と高電位ライン１１、低電位ライン１２、および出力ライン１３の対応関係はこれに限られない。例えば、下流端子部１３５Ｌを下流裏側部１３３Ｌｂから延出させて低電位ライン１２に対応させ、継手端子部１３５Ｍを下流表側部１３３Ｌａに設けられた継手部１３４に接続して出力ライン１３に対応させる構成としてもよい。
【００８２】
上述の実施形態においては、ヒートシンク部１３３は他面を露出した状態で設けられていた。しかし、ヒートシンク部１３３は、冷却媒体と熱交換可能であれば他面を封止樹脂体１２０や樹脂シートなどにより覆われた状態であってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１００  半導体装置、１１１Ｈ  上流スイッチチップ（上流チップ）、  １１１Ｌ  下流スイッチチップ（下流チップ）、  １３３Ｈｂ  上流裏側部（上流ヒートシンク部）、  １３３Ｌｂ  下流裏側部（下流ヒートシンク部）、  １３５Ｈ  上流端子部、  １３５Ｌ  下流端子部、  １３５Ｍ  継手端子部、  １３６Ｈ  上流境界面、  １３６Ｌ  下流境界面、  １３７  端子継手面、  １３８  上下継手面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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